DE202017104190U1 - Ultrasonic processing device and radial-resonant ultrasonic sonotrode - Google Patents

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    • B29L2031/3481—Housings or casings incorporating or embedding electric or electronic elements

Abstract

Ultraschallbearbeitungseinrichtung, umfassend- wenigstens eine einen Ultraschall-Konverter (14) und eine Sonotrode (19) aufweisende Ultraschall-Bearbeitungseinheit (11), wobei die Sonotrode (19) einen sich längs einer Achse (A) erstreckenden Sonotrodenkörper (19) mit einem Wirkbereich (44) an einem axialen Ende aufweist, der von einer axial gerichteten Endfläche oder/und von von dem Sonotrodenkörper vorstehenden, vorzugsweise axial gerichteten Wirkelementen (20) gebildet ist;- wenigstens eine Ambosseinheit (26) zum Positionieren und Abstützen wenigstens eines mittels der Ultraschall-Bearbeitungseinheit zu bearbeitenden Werkstücks (22, 24);- eine Zustellanordung, mittels der die Ultraschall-Bearbeitungseinheit und die Ambosseinheit (26) entlang wenigstens eines Zustellwegs relativ zueinander bewegbar und der Wirkbereich (44) der Sonotrode und das zu bearbeitende Werkstück (22, 24) in Bearbeitungseingriff bringbar sind, wobei mittels der Zustellanordnung (54) im Bearbeitungseingriff des Wirkbereichs mit dem Werkstück (22, 24) Andruckkräfte (28) zwischen dem Wirkbereich der Sonotrode und dem zu bearbeitenden Werkstück ausübbar sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode eine radial-resonante Sonotrode ist, bei der aus einer von dem Ultraschall-Konverter (14) eingeleiteten Ultraschall-Longitudinalschwingung eine Ultraschall-Radialschwingung zumindest in einem den Wirkbereich (44) aufweisenden Endbereich der Sonotrode resultiert.Ultrasonic processing device comprising at least one ultrasonic processing unit (11) having an ultrasonic converter (14) and a sonotrode (19), the sonotrode (19) having a sonotrode body (19) with an effective region (19) extending along an axis (A). 44) at an axial end formed by an axially directed end surface and / or by the sonotrode body projecting, preferably axially directed active elements (20), - at least one anvil unit (26) for positioning and supporting at least one by means of ultrasound A delivery arrangement, by means of which the ultrasonic processing unit and the anvil unit (26) are movable relative to each other along at least one feed path and the effective area (44) of the sonotrode and the workpiece (22, 24) to be machined ) can be brought into machining engagement, wherein by means of the feed arrangement (54) in Bearbeitungsseingri ff of the effective range with the workpiece (22, 24) pressure forces (28) between the effective range of the sonotrode and the workpiece to be machined are exercisable; characterized in that the sonotrode is a radially-resonant sonotrode, in which from an ultrasound converter (14) initiated ultrasonic longitudinal vibration an ultrasonic radial vibration at least in an effective range (44) having end portion of the sonotrode results.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallbearbeitungseinrichtung, umfassend:

  • - wenigstens eine einen Ultraschall-Konverter und eine Sonotrode aufweisende Ultraschall-Bearbeitungseinheit, wobei die Sonotrode einen sich längs einer Achse erstreckenden Sonotrodenkörper mit einem Wirkbereich an einem axialen Ende aufweist, der von einer axial gerichteten Endfläche oder/und von von dem Sonotrodenkörper vorstehenden, vorzugsweise axial gerichteten Wirkelementen gebildet ist;
  • - wenigstens eine Ambosseinheit zum Positionieren und Abstützen wenigstens eines mittels der Ultraschall-Bearbeitungseinheit zu bearbeitenden Werkstücks;
  • - eine Zustellanordung, mittels der die Ultraschall-Bearbeitungseinheit und die Ambosseinheit entlang wenigstens eines Zustellwegs relativ zueinander bewegbar und der Wirkbereich der Sonotrode und das zu bearbeitende Werkstück in Bearbeitungseingriff bringbar sind, wobei mittels der Zustellanordnung im Bearbeitungseingriff des Wirkbereichs mit dem Werkstück Andruckkräfte zwischen dem Wirkbereich der Sonotrode und dem zu bearbeitenden Werkstück ausübbar sind.
The present invention relates to an ultrasonic processing device, comprising:
  • at least one ultrasonic processing unit having an ultrasonic converter and a sonotrode, wherein the sonotrode has a sonotrode body extending along an axis with an effective region at an axial end projecting from an axially directed end surface and / or from the sonotrode body, preferably axially directed active elements is formed;
  • at least one anvil unit for positioning and supporting at least one workpiece to be machined by means of the ultrasonic processing unit;
  • - A Zustellanordung, by means of which the ultrasonic processing unit and the anvil unit along at least one Zustellwegs be moved relative to each other and the effective range of the sonotrode and the workpiece to be machined, whereby by means of the feed arrangement in the machining engagement of the effective range with the workpiece pressure forces between the effective range the sonotrode and the workpiece to be machined are exercisable.

Es sind Ultraschallbearbeitungseinrichtungen zum Einleiten von hochfrequenten mechanischen Schwingungen in Werkstücke und Materialien, etwa beim Verschweißen von Kunststoffbauteilen und auch Folienmaterialien, bekannt. Hierbei wird mit Hilfe einer schwingenden Sonotrode an einer Stelle des Bauteils bzw. Materials Leistung in Form von Ultraschall eingebracht, die an einer anderen Stelle, beispielsweise einer Fügefläche zu einem damit zu verbindenden zweiten Bauteil, Grenzflächen- und Molekularreibung zwischen den Bauteilen bzw. Materialien hervorruft und somit in Form von Wärme freigesetzt wird. Diese kurzzeitige Erwärmung ist lokal begrenzt und führt zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Der Frequenzbereich der Sonotrode ist anwendungsabhängig und liegt in der Regel zwischen 10 und 100 kHz.There are ultrasonic processing devices for introducing high-frequency mechanical vibrations in workpieces and materials, such as in the welding of plastic components and also film materials known. In this case, power is introduced in the form of ultrasound with the aid of a vibrating sonotrode at a location of the component or material which causes interfacial and molecular friction between the components or materials at another location, for example a joining surface to a second component to be joined thereto and thus released in the form of heat. This short-term heating is localized and leads to a cohesive connection. The frequency range of the sonotrode is application-dependent and is usually between 10 and 100 kHz.

Die zum Ultraschallschweißen benötigte Ultraschallbearbeitungseinheit besteht typischerweise im Wesentlichen aus den Komponenten: Ultraschall-Konverter, Booster, Sonotrode und Amboss. Der Ultraschall-Konverter wandelt durch den Hochfrequenzgenerator eingespeiste elektrische Energie in mechanische Energie in Form von einer Ultraschallschwingung um. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von Piezokeramiken erfolgen. In der Regel wird mittels des Boosters eine Ausgangsamplitude des Ultraschallkonverters in eine Arbeitsamplitude umgesetzt. Das eigentliche Schweißwerkzeug ist die Sonotrode, welche die Ultraschallleistung unter Andruckkräften auf das der Sonotrode zugewandte Werkstück überträgt. Das zweite, zu verbindende Werkstück wird vom Amboss gehalten, so dass beide Werkstücke mit mindestens einer Kontaktfläche aneinander anliegen. Die Verschweißung beider Werkstücke erfolgt im Bereich der Kontaktfläche.The ultrasound processing unit required for ultrasonic welding typically consists essentially of the components: ultrasound converter, booster, sonotrode and anvil. The ultrasonic converter converts electric energy supplied by the high-frequency generator into mechanical energy in the form of ultrasonic vibration. This can be done for example by the use of piezoceramics. As a rule, an output amplitude of the ultrasound converter is converted into an operating amplitude by means of the booster. The actual welding tool is the sonotrode, which transmits the ultrasonic power under pressure forces to the workpiece facing the sonotrode. The second workpiece to be joined is held by the anvil, so that both workpieces abut each other with at least one contact surface. The welding of both workpieces takes place in the area of the contact surface.

Typische für die Sonotrode verwendete Materialien sind Stahl, Aluminium und Titan sowie diese Materialien enthaltende Legierungen.Typical materials used for the sonotrode are steel, aluminum and titanium as well as alloys containing these materials.

Eine vorstellbare Ausführungsform einer Ultraschallschweißeinrichtung ist beispielsweise in EP 2 058 109 A1 beschrieben.An imaginable embodiment of an ultrasonic welding device is, for example, in EP 2 058 109 A1 described.

Herkömmliche Ultraschallschweißverfahren nutzen longitudinale Ultraschallschwingungen, um metallische Werkstoffe oder thermoplastische Kunststoffe stoffschlüssig zu verbinden. Dabei wirken die Andruckkräfte in senkrechter Richtung zu der Kontaktfläche. Bei thermoplastischen Kunststoffen ist die Schwingungsrichtung üblicherweise longitudinal und somit senkrecht zur Kontaktfläche zwischen den zwei Werkstücken gerichtet. Die longitudinalen Ultraschallwellen treffen also in senkrechter Richtung auf das Werkstück und somit auch auf die Kontaktfläche zwischen den zu verbindenden Werkstücken. Die eventuell auftretenden transversalen Ultraschallschwingungen (Querschwingungen) in der Sonotrode werden als Störeffekte angesehen und sollen herkömmlich vermieden werden, da diese zu höheren Schweißzeiten und Schäden an der Sonotrode oder/und am Konverter führen können.Conventional ultrasonic welding processes use longitudinal ultrasonic vibrations to materially bond metallic materials or thermoplastics. The pressure forces act in the direction perpendicular to the contact surface. For thermoplastics, the direction of vibration is usually longitudinal and thus perpendicular to the contact surface between the two workpieces. The longitudinal ultrasonic waves therefore strike the workpiece in the vertical direction and thus also the contact surface between the workpieces to be joined. The transversal ultrasonic oscillations (transverse vibrations) in the sonotrode are considered to be disturbing effects and should be avoided as they can lead to higher welding times and damage to the sonotrode and / or the converter.

In einer sich auf eine Quelle „Greitmann“ beziehenden Internetveröffentlichung des Instituts für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen wird das Ultraschallschweißen anhand einer Ultraschallschweißanlage erklärt, bei der sich die Ultraschall-Bearbeitungseinheit mit ihrer Sonotrode in Querrichtung zu den Fügeteilen und deren Kontaktfläche erstreckt, um Längsschwingungen parallel zu der Kontaktfläche in das Obere der zu fügenden Werkstücke einzubringen. Bekannterweise ist solch eine Anordnung, bei der die Schwingungsrichtung parallel (quer) zur Kontaktfläche (Fügefläche) gerichtet ist, damit die Fügepartner aneinander reiben, besonders für das Schweißen von Metallen geeignet.In an Internet publication published by the Institute for Welding and Joining Technology of the RWTH Aachen, ultrasonic welding is explained by means of an ultrasonic welding system in which the ultrasonic processing unit with its sonotrode extends transversely to the parts to be joined and their contact surface to longitudinal vibrations parallel to the contact surface in the top of the workpieces to be joined to bring. As is known, such an arrangement in which the direction of vibration is directed parallel (transverse) to the contact surface (joining surface) so that the joining partners rub against one another is particularly suitable for welding metals.

Ferner ist eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung zum Verbinden von Werkstücken aus der DE 10 2015 2018 A1 bekannt, bei welcher eine Wirkfläche der Sonotrode unter einem Winkel von beispielsweise 45° zur longitudinalen Erstreckung der Sonotrode ausgebildet ist. Auf diese Weise werden sowohl longitudinale als auch transversale Ultraschallwellen während des Ultraschall-Schweißverfahrens in die zu verbindenden Werkstücke eingeleitet. Somit kann eine schonendere Verschweißung der Werkstücke im Vergleich zur Einleitung von ausschließlich longitudinalen Schwingungen erzielt werden.Further, an ultrasonic processing device for connecting workpieces from the DE 10 2015 2018 A1 in which an active surface of the sonotrode is formed at an angle of, for example, 45 ° to the longitudinal extent of the sonotrode. In this way, both longitudinal and transversal ultrasonic waves are introduced into the workpieces to be joined during the ultrasonic welding process. Thus, a gentler weld the workpieces are achieved in comparison to the introduction of only longitudinal vibrations.

Eine weitere mögliche Ausführungsform eines Ultraschallschweißverfahrens ist in Dokument EP 1 930 148 A1 dargestellt. Das darin beschriebene torsionale Ultraschallschweißverfahren verwendet die Schwingung einer Sonotrode um ihre Längsachse bzw. um ihre Torsionsachse, wobei die Torsionsachse senkrecht auf der Kontaktfläche steht.Another possible embodiment of an ultrasonic welding process is in document EP 1 930 148 A1 shown. The torsional ultrasonic welding method described therein uses the oscillation of a sonotrode about its longitudinal axis or about its torsion axis, wherein the torsion axis is perpendicular to the contact surface.

Bekannterweise können die Ultraschallschwingungen der Sonotrode so in das Werkstück eingeleitet werden, dass das Werkstück, welches sich zwischen dem Wirkbereich der Sonotrode und dem Amboss befindet, aufschmilzt. Für das Aufschmelzen gibt es bekannterweise zwei verschiedene Methoden.As is known, the ultrasonic vibrations of the sonotrode can be introduced into the workpiece such that the workpiece, which is located between the effective region of the sonotrode and the anvil, melts. As is known, there are two different methods for melting.

Eine bevorzugte Methode ist das Aufschmelzen mit Hilfe von einer Mehrzahl vorstehender, unter den Andruckkräften auf die Werkstückfläche des Werkstücks wirkenden Wirkelemente, welche den Wirkbereich der Sonotrode bilden und auf das der Sonotrode zugewandte Werkstück drücken. Die Wirkelemente, sogenannte Pins, setzen thermische Energie im Kontaktbereich zu dem Werkstück frei, so dass der Kunststoff in deren nächsten Umgebung aufschmilzt. Aufgrund der Andruckkräfte tauchen die Wirkelemente, während die Schmelze erzeugt wird, in das Werkstück ein, bis die Schmelze des der Sonotrode zugewandten Werkstücks den Kontaktbereich zwischen zwei Werkstücken erreicht. Nach dem Abkühlen des Kunststoffs entsteht eine stoffschlüssige Verbindung im Bereich der Kontaktfläche zwischen den Werkstücken. Dieses Ultraschallschweißverfahren beruht nicht auf einer Relativbewegung zwischen den Werkstücken.A preferred method is the melting by means of a plurality of protruding, acting under the pressure forces on the workpiece surface of the workpiece active elements, which form the effective range of the sonotrode and press on the sonotrode facing the workpiece. The active elements, so-called pins, release thermal energy in the contact area to the workpiece, so that the plastic melts in their immediate vicinity. Due to the pressure forces, the active elements, while the melt is being generated, dip into the workpiece until the melt of the workpiece facing the sonotrode reaches the contact area between two workpieces. After cooling of the plastic creates a cohesive connection in the region of the contact surface between the workpieces. This ultrasonic welding method is not based on a relative movement between the workpieces.

Ebenso ist ein Ultraschallschweißverfahren bekannt, bei welchem die Werkstücke im Bereich der Kontaktfläche mit Hilfe von sogenannten Energierichtungsgebern (ERGs) verbunden werden, die typischerweise einstückige Bestandteile eines der Werkstücke sind. Die Ultraschallleistung wird in diesem Falle über die Wirkfläche der Sonotrode in das der Sonotrode zugewandte Werkstück eingeleitet und setzt an den Energierichtungsgebern im Kontaktbereich der Werkstücke thermische Energie frei. Die aufgeschmolzenen Energierichtungsgeber gehen eine stoffschlüssige Verbindung mit den zu verbindenden Werkstücken bzw. dem zu verbindenden Werkstück ein. Bei diesen Verfahren üben die Werkstücke eine Relativbewegung, den sogenannten Fügeweg aus. Die endgültige Geometrie der Verbindung wird erst nach dem Ultraschallschweißvorgang erreicht.Also known is an ultrasonic welding method in which the workpieces in the region of the contact surface are connected by means of so-called energy directors (ERGs), which are typically one-piece components of one of the workpieces. The ultrasonic power is introduced in this case over the active surface of the sonotrode in the workpiece facing the sonotrode and releases thermal energy to the energy directors in the contact area of the workpieces. The molten energy directors enter into a cohesive connection with the workpieces to be joined or the workpiece to be joined. In these methods, the workpieces exercise a relative movement, the so-called Fügeweg. The final geometry of the connection is achieved only after the ultrasonic welding process.

Ferner sind Rotationssonotroden bekannt, bei denen die durch den Ultraschall-Konverter in den Sonotrodenkörper eingetragenen longitudinalen Schwingungen mittels eines radial hervorstehenden Sonotrodenabschnitts in radiale Schwingungen umgewandelt werden. Diese radialen Schwingungen können dann an einer nach radial außen weisenden Mantelfläche des radial hervorstehenden Sonotrodenabschnitts zur Verbindung von zwei gegen die Mantelfläche gedrückten, aneinander anliegenden Werkstücken verwendet werden. Aufgrund dieser Anordnung der Werkstücke an der nach radial außen weisenden Mantelfläche des radial hervorstehenden Sonotrodenabschnitts werden die Ultraschallwellen, trotz deren Umwandlung in eine radiale Schwingungen, senkrecht bezüglich der Werkstückoberfläche in die Werkstücke eingeleitet. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus US 2011/0042014 bekannt.Furthermore, rotary sonotrodes are known in which the longitudinal oscillations registered by the ultrasound converter into the sonotrode body are converted into radial oscillations by means of a radially projecting sonotrode section. These radial vibrations can then be used on a radially outwardly directed lateral surface of the radially projecting sonotrode section for connecting two workpieces pressed against one another against the lateral surface. Due to this arrangement of the workpieces on the radially outwardly facing lateral surface of the radially protruding sonotrode section, the ultrasonic waves, despite their transformation into a radial vibration, are introduced perpendicular to the workpiece surface into the workpieces. Such an arrangement is for example US 2011/0042014 known.

Es hat sich gezeigt, dass Ultraschallschweißverfahren für die Anwendung zur Fertigung von Automobilstoßfängern, wie zum Beispiel das Anbringen von Haltern für Abstandssensoren, sehr gut geeignet sind und Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren, wie zum Beispiel Klebeverfahren, haben. Die Herausforderung besteht aber darin, das Ultraschallschweißen derart auszulegen, dass Stoßfänger und Halter der Abstandssensorik fest miteinander verbunden sind, aber gleichzeitig die eingebrachte Energie nicht so groß ist, dass die Qualität des Lackes auf der Außenseite des Stoßfängers beeinträchtigt wird.It has been found that ultrasonic welding methods are very well suited for use in the manufacture of automobile bumpers, such as the mounting of holders for distance sensors, and have advantages over conventional methods, such as adhesive methods. The challenge, however, is to design the ultrasonic welding so that bumpers and holders of the distance sensors are firmly connected, but at the same time the introduced energy is not so large that the quality of the paint on the outside of the bumper is impaired.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Ultraschallbearbeitungseinrichtung derart zu gestalten, dass empfindliche Bauteile schonend bearbeitet, insbesondere miteinander verschweißt werden können.It is an object of the invention to design an ultrasonic processing device such that sensitive components can be processed gently, in particular welded together.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird für die eingangs angesprochene Ultraschallbearbeitungseinrichtung vorgeschlagen, dass die Sonotrode eine radial-resonante Sonotrode ist, bei der aus einer von dem Ultraschall-Konverter in die Sonotrode eingeleiteten Ultraschall-Longitudinalschwingung eine Ultraschall-Radialschwingung zumindest in einem den Wirkbereich aufweisenden Endbereich der Sonotrode resultiert.To solve this problem, it is proposed for the above-mentioned ultrasonic processing device that the sonotrode is a radially resonant sonotrode, in which from an ultrasonic longitudinal vibration introduced into the sonotrode by the ultrasonic converter, an ultrasonic radial vibration at least in an end region of the active region Sonotrode results.

Auf diese Weise kann der Vektor der Ultraschallschwingung von der axialen Richtung, welche senkrecht zu einem Kontaktbereich der zu verbindenden Werkstücke verläuft, um ca. 90° gedreht werden. Es kann somit erreicht werden, dass trotz axial gerichteten Andruckkräften eine senkrecht zur Achsrichtung verlaufende Schwingung, also eine Schwingung parallel zu den zu verschweißenden Werkstücken, in das Werkstück eingeleitet werden kann.In this way, the vector of ultrasonic vibration from the axial direction, which is perpendicular to a contact region of the workpieces to be joined, can be rotated by about 90 °. It can thus be achieved that, in spite of axially directed pressure forces, a vibration running perpendicular to the axial direction, ie a vibration parallel to the workpieces to be welded, can be introduced into the workpiece.

Es wird angenommen, dass eine senkrecht zur Werkstückfläche in das Werkstück eingebrachte Longitudinalschwingung tendenziell eher empfindliche Materialien schädigen kann, als eine parallel zur Werkstückfläche eingebrachte Radialschwingung. Ein relevanter Effekt könnte die Eindringtiefe von Ultraschallschwingungen sein. Die Eindringtiefe der von der Sonotrode aufgrund der vom Ultraschall-Konverter gelieferten und über die Sonotrode in das Werkstück eingebrachten Ultraschallschwingung ist bei einer Longitudinalschwingung senkrecht zum Werkstück höher als bei einer Radialschwingung parallel zum Werkstück. Bei Verwendung der Radialschwingung parallel zum Werkstück ist daher die Ausdehnung des Schmelzbereichs senkrecht zum Werkstück vergleichsweise geringer. Auf diese Weise liegen die aufgeschmolzenen Bereiche der Werkstücke bei der Verwendung von Radialschwingungen näher an der Sonotrodenseite und somit weiter weg von der gegenüberliegenden lackierten Sichtseite des zu verbindenden Werkstücks.It is believed that a longitudinal vibration introduced perpendicularly to the workpiece surface tends to damage sensitive materials rather than a parallel to the workpiece surface Radial oscillation. A relevant effect could be the penetration depth of ultrasonic vibrations. The penetration depth of the ultrasound generated by the sonotrode due to the ultrasound converter introduced into the workpiece via the sonotrode is higher at a longitudinal vibration perpendicular to the workpiece than at a radial vibration parallel to the workpiece. When using the radial vibration parallel to the workpiece, therefore, the expansion of the melting region perpendicular to the workpiece is comparatively lower. In this way, the molten areas of the workpieces are closer to the Sonotrodenseite and thus further away from the opposite painted visible side of the workpiece to be joined by the use of radial vibrations.

Bei herkömmlichen Ultraschallschweißverfahren werden die Ultraschallschwingungen senkrecht zur Werkstückoberfläche oder/und Kontaktfläche der zu verbindenden Werkstücke eingekoppelt. Die offenbar für empfindliche Bauteile weniger geeigneten longitudinalen Ultraschallwellen senkrecht zur Kontaktfläche werden bei der erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungseinrichtung nicht oder lediglich minimal in das Werkstück einleitet. Stattdessen werden erfindungsgemäß ausschließlich oder zumindest überwiegend Radialschwingungen, welche parallel zu der Werkstückoberfläche verlaufen, in das Werkstück eingekoppelt, wodurch unerwünschte Abzeichnungen auf dem ambossseitigen Werkstück vermieden werden können. Dennoch kann hinreichend Energie eingekoppelt werden, damit eine stoffschlüssige Verbindung zwischen zwei Werkstücken durch die Einwirkung der Sonotrode erzielt werden kann.In conventional ultrasonic welding, the ultrasonic vibrations are coupled perpendicular to the workpiece surface and / or contact surface of the workpieces to be joined. The longitudinal ultrasonic waves, which are apparently less suitable for sensitive components and perpendicular to the contact surface, are not or only minimally introduced into the workpiece in the ultrasonic processing device according to the invention. Instead, according to the invention, exclusively or at least predominantly radial vibrations, which run parallel to the workpiece surface, are coupled into the workpiece, as a result of which unwanted marks on the anvil-side workpiece can be avoided. Nevertheless, sufficient energy can be coupled in, so that a cohesive connection between two workpieces can be achieved by the action of the sonotrode.

Die erfindungsgemäße Gestaltung der Ultraschallbearbeitungseinrichtung führt somit zu deutlich besseren, die Schädigung der Werkstücke verringernden oder vermeidenden Ergebnissen, beispielsweise bei Anwendungen wie der angesprochenen Anbringung von Abstandssensorhaltern an einem Kraftfahrzeug-Stoßfänger.The inventive design of the ultrasonic processing device thus leads to significantly better, the damage to the workpieces reducing or avoiding results, for example, in applications such as the mentioned attachment of distance sensor holders on a motor vehicle bumper.

Bevorzugt weist der Sonotrodenkörper der Sonotrode einen den Wirkbereich aufweisenden Aufweitungsabschnitt mit einer in axialer Richtung offenen Aussparung auf. Durch das Vorhandensein eines Aufweitungsabschnitts kann die in den Sonotrodenkörper durch den Ultraschall-Konverter eingeleitete Longitudinalschwingung in eine signifikante Radialschwingung umgewandelt werden, wenn die Resonanz eines Teils des Sonotrodenkörpers in radialer Richtung angeregt wird. Der Aufweitungsabschnitt kann daher derart ausgebildet sein, dass bei gegebener Frequenz, beispielsweise in einem Bereich von 10 bis 100 kHz, eine Resonanz auftritt. Je nach Geometrie, wie beispielsweise Außendurchmesser und Länge, des Aufweitungsabschnitts kann eine Amplitudenverstärkung zwischen einer longitudinalen Anregungsschwingung und einer radialen Auslenkungsschwingung vorgesehen bzw. verändert werden und somit an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Es kann also mittels des Aufweitungsabschnitts auch eine Amplitudenverstärkung der in den Sonotrodenkörper eingeleiteten Schwingung erzielt werden.Preferably, the sonotrode body of the sonotrode has a widening section having the effective area with a recess which is open in the axial direction. By virtue of the presence of a widening portion, the longitudinal vibration introduced into the sonotrode body by the ultrasonic converter can be converted into a significant radial vibration when the resonance of a part of the sonotrode body in the radial direction is excited. The widening portion may therefore be designed such that a resonance occurs at a given frequency, for example in a range of 10 to 100 kHz. Depending on the geometry, such as outer diameter and length of the expansion section, an amplitude gain between a longitudinal excitation oscillation and a radial deflection oscillation can be provided or changed and thus adapted to the respective application. Thus, by means of the widening section, it is also possible to achieve an amplification of the amplitude of the vibration introduced into the sonotrode body.

Weist der Aufweitungsabschnitt ferner eine in axialer Richtung offene Aussparung auf, kann besonders wirkungsvoll eine Radialschwingung in dem Endbereich angeregt werden. Dabei können einfach passende Maße für den Innen- und Außendurchmesser und somit eine resultierende Wandstärke für den Aufweitungsabschnitt gewählt werden, um wirkungsvoll die Radialschwingung anregen zu können.If the widening section also has a recess which is open in the axial direction, a radial vibration in the end area can be stimulated particularly effectively. In this case, simply suitable dimensions for the inner and outer diameter and thus a resulting wall thickness for the expansion section can be selected in order to be able to effectively stimulate the radial vibration.

Des Weiteren kann eine solche Aussparung von Vorteil sein, wenn der Wirkbereich des Aufweitungsabschnitts auf ein Werkstück aufgesetzt wird, welches sich teilweise in die Aussparung hinein erstrecken kann. Dies kann die Positionierung der Sonotrode verbessern, ein Verrutschen der Sonotrode während der Bearbeitung des Werkstücks verhindern oder/und eine Anpassung an unterschiedliche Werkstücke ermöglichen.Furthermore, such a recess may be advantageous if the effective region of the expansion section is placed on a workpiece, which may extend partially into the recess. This can improve the positioning of the sonotrode, prevent slippage of the sonotrode during machining of the workpiece or / and allow adaptation to different workpieces.

Der vorzugsweise zumindest näherungsweise glockenförmige Aufweitungsabschnitt kann in Umfangsrichtung geschlossen sein. Ferner kann der Aufweitungsabschnitt bezogen auf eine Mittelachse zumindest näherungsweise rotationssymmetrisch ausgeführt sein. Diese Ausführungen haben den Vorteil, dass somit ein sehr gleichmäßiges radiales Schwingen des axialen Endes der Sonotrode und somit des Wirkbereichs der Sonotrode erzielt werden kann. Zudem ist eine geschlossene, rotationssymmetrische Sonotrode einfach herstellbar.The preferably at least approximately bell-shaped expansion section can be closed in the circumferential direction. Furthermore, the widening section may be at least approximately rotationally symmetrical with respect to a central axis. These embodiments have the advantage that thus a very uniform radial oscillation of the axial end of the sonotrode and thus the effective range of the sonotrode can be achieved. In addition, a closed, rotationally symmetrical sonotrode is easy to produce.

Der Innendurchmesser des axial offenen Endes des vorzugsweise zumindest näherungsweise glockenförmigen Aufweitungsabschnitts liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 30 mm und 60 mm oder beträgt vorzugsweise ca. 35 mm.The inner diameter of the axially open end of the preferably at least approximately bell-shaped expansion section is preferably in a range between 30 mm and 60 mm or preferably approximately 35 mm.

Der Außendurchmesser des axial offenen Endes des vorzugsweise zumindest näherungsweise glockenförmigen Aufweitungsabschnitts liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 35 mm und 70 mm oder beträgt vorzugsweise ca. 45 mm.The outer diameter of the axially open end of the preferably at least approximately bell-shaped expansion section is preferably in a range between 35 mm and 70 mm or preferably approximately 45 mm.

Die Änderung des Innen- bzw. Außendurchmessers des axial offenen Endes des Aufweitungsabschnitts der vorzugsweise glockenförmigen Sonotrode zur Auslenkung bis zu einem oberen bzw. einem unteren Totpunkt kann beispielsweise ca. +/- 25 µm betragen. Die Änderung der longitudinalen Ausdehnung der vorzugsweise glockenförmigen Sonotrode kann beispielsweise ca. +/- 5 µm betragen.The change in the inner or outer diameter of the axially open end of the widening portion of the preferably bell-shaped sonotrode for deflection up to an upper or a lower dead center, for example, be about +/- 25 microns. The change in the longitudinal extent of the preferably bell-shaped sonotrode can be, for example, about +/- 5 μm.

In einer alternativen Ausführungsform ist es denkbar, dass der Aufweitungsabschnitt bezogen auf eine Mittelachse von einer Rotationssymmetrie abweicht. Bedingt durch die Gestalt des Werkstücks oder dessen Zugänglichkeit während der Bearbeitung kann es von Vorteil sein, wenn die Sonotrode oder zumindest der den Wirkbereich aufweisende Aufweitungsabschnitt der Sonotrode eine an die Gestalt des Werkstücks angepasst Form aufweist. Es sind daher Anwendungen denkbar, bei welchen eine von einer Rotationssymmetrie abweichende Geometrie des Aufweitungsabschnitts von Vorteil ist. In an alternative embodiment, it is conceivable that the expansion section deviates from a rotational symmetry with respect to a central axis. Due to the shape of the workpiece or its accessibility during processing, it may be advantageous if the sonotrode or at least the widening portion of the sonotrode having the effective range has a shape adapted to the shape of the workpiece. Therefore, applications are conceivable in which a geometry deviating from a rotational symmetry of the widening section is advantageous.

In diesem Zusammenhang wird weiterbildend vorgeschlagen, dass der Aufweitungsabschnitt wenigsten einen eine radiale Schwingungsresonanz fördernden Massenausgleichsbereich aufweist. Ein derartiger Massenausgleichsbereich kann vorteilhafterweise einstückig mit dem Sonotrodenkörper hergestellt sein. Das Vorhandensein des Massenausgleichsbereichs ermöglicht die Verwendung von von der Rotationssymmetrie abweichenden Sonotrodenkörpern und somit die Anwendung der Sonotrode zur Verbindung von Werkstücken, welche mit einem rotationssymmetrischen Sonotrodenkörper nur sehr schwierig oder nicht verbindbar sind.In this connection, it is proposed in a further development that the widening section has at least one mass compensation region which promotes a radial vibration resonance. Such a mass balance region can advantageously be produced in one piece with the sonotrode body. The presence of the mass balance region allows the use of sonotrode bodies deviating from the rotational symmetry and thus the use of the sonotrode for the connection of workpieces, which are only very difficult or impossible to connect to a rotationally symmetrical sonotrode body.

Bevorzugt weist der vorzugsweise einteilig ausgeführte Sonotrodenkörper einen Einleitungsabschnitt auf, über den die vom Ultraschall-Konverter eingeleitete Ultraschall-Longitudinalschwingung in den Sonotrodenkörper eingeleitet wird. Vorteilhafterweise ist dabei der vorzugsweise zylindrische Einleitungsabschnitt als Schaftabschnitt ausgeführt oder es weist vorzugsweise der Sonotrodenkörper ferner einen zwischen dem Einleitungsabschnitt und dem Aufweitungsabschnitt angeordneten Schaftabschnitt auf. So kann der Einleitungsabschnitt auf eine Einleitung der von dem Ultraschall-Konverter erzeugten Schwingung optimiert sein, wohingegen der Aufweitungsabschnitt für eine Umwandlung der durch den Ultraschall-Konverter eingeleiteten Longitudinalschwingung in die Radialschwingung optimiert sein kann.Preferably, the sonotrode body, which is preferably made in one piece, has an introduction section, via which the ultrasound longitudinal vibration introduced by the ultrasound converter is introduced into the sonotrode body. Advantageously, the preferably cylindrical inlet section is designed as a shaft section, or preferably the sonotrode body also has a shaft section arranged between the inlet section and the widening section. Thus, the introduction section may be optimized for initiation of the vibration generated by the ultrasonic converter, whereas the expansion section may be optimized for conversion of the longitudinal vibration introduced by the ultrasonic converter into the radial vibration.

In einer Ausführungsform kann der Aufweitungsabschnitt eine gegenüber dem Einleitungsabschnitt oder/und dem Schaftabschnitt vergrößerte, vorzugsweise in axialer Richtung hin zu dem Wirkbereich zunehmende Radialabmessung aufweisen.In one embodiment, the widening section can have an enlarged radial dimension, which is enlarged relative to the introduction section or / and the shaft section, preferably increasing in the axial direction towards the active area.

Vorzugsweise nimmt eine Wanddicke einer die Aussparung zumindest teilweise umschließenden Wandung des Sonotrodenkörpers in dem Bereich des Aufweitungsabschnitts, in welchem die Aussparung ausgebildet ist, in Richtung zum Wirkbereich ab.Preferably, a wall thickness of a wall of the sonotrode body which at least partially surrounds the recess decreases in the region of the widening section, in which the recess is formed, in the direction of the effective region.

Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass die die Aussparung zumindest teilweise umschließende Wandung des Sonotrodenkörpers über einen erheblichen Bereich ihrer axialen Erstreckung einen im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser aufweist.However, it is not excluded that the wall of the sonotrode body that at least partially surrounds the recess has a substantially constant inner diameter over a substantial region of its axial extent.

Ferner ist es in einer alternativen Ausführungsform wünschenswert, dass der Teil der Wandung des Sonotrodenkörpers, welcher einen konstanten Innendurchmesser aufweist, einen konstanten Außendurchmesser aufweist.Further, in an alternative embodiment, it is desirable that the portion of the wall of the sonotrode body having a constant inner diameter have a constant outer diameter.

Ferner ist es von Vorteil, wenn bei Verwendung von Wirkelementen, welche von dem Sonotrodenkörper hervorstehen, diese an die neue Schwingungsform angepasst sind. Beispielsweise können sich die Wirkelemente in axialer Richtung verjüngen. Auch kann eine Wirkfläche oder können mehrere Wirkflächen an den Wirkelementen in Schwingungsrichtung ausgeprägter sein als die dieser Fläche oder diesen Flächen benachbarte axiale Endfläche. So können die Wirkelemente eine im Querschnitt trapezförmige Gestalt oder die Gestalt eines Kegelstumpfs aufweisen.Furthermore, it is advantageous if, when using active elements, which protrude from the sonotrode body, they are adapted to the new waveform. For example, the active elements can be tapered in the axial direction. Also, one active surface or multiple active surfaces on the active elements in the direction of vibration can be more pronounced than the axial end surface adjacent to this surface or these surfaces. Thus, the active elements may have a trapezoidal shape in cross-section or the shape of a truncated cone.

Wird der Wirkbereich der radial-resonant schwingenden Sonotrode von von dem Sonotrodenkörper vorstehenden Wirkelementen ausgebildet, bewegen sich diese parallel zur Oberfläche, sodass Energie signifikant nur in dieser Richtung in das Werkstück eingebracht wird. Senkrecht zur Bewegungsrichtung, also in longitudinaler Richtung, ist nahezu keine Schwingungsamplitude zu verzeichnen. Es wurde nun erkannt, dass die Formgebung der Wirkelemente - wie angesprochen - an diese Schwingungsform vorteilhaft angepasst sein kann: geringe Auflageflächen senkrecht und große Flächen parallel zur Schwingungsrichtung, wie durch Kegelstümpfe beispielsweise erreichbar. Mit einer solchen Gestaltung der Wirkelemente kann die thermische Eindringtiefe geringer sein und dadurch die Gefahr von thermisch induzierten Oberflächenschäden verringert werden. Es ist also mit der erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungsvorrichtung bzw. der erfindungsgemäßen radial-resonanten Sonotrode besonders gut möglich, Bauteile geringer Wandstärke bei gleichzeitig hoher Qualität miteinander zu verschweißen.If the effective region of the radially resonantly vibrating sonotrode is formed by active elements projecting from the sonotrode body, they move parallel to the surface, so that energy is introduced into the workpiece only significantly in this direction. Perpendicular to the direction of movement, ie in the longitudinal direction, almost no oscillation amplitude is recorded. It has now been recognized that the shape of the active elements - as mentioned - can be advantageously adapted to this form of vibration: small contact surfaces perpendicular and large surfaces parallel to the direction of vibration, as for example by truncated cones achievable. With such a design of the active elements, the thermal penetration depth can be lower, thereby reducing the risk of thermally induced surface damage. It is thus particularly well possible with the ultrasonic processing device according to the invention or the radial-resonant sonotrode according to the invention to weld components of low wall thickness together with high quality at the same time.

Ferner ist es wünschenswert, dass die Sonotrode mit einer Positionierungsanordnung innerhalb des Aufweitungsabschnitts zur relativen Positionierung des zu bearbeitenden Werkstücks und der Sonotrode in Bezug auf wenigstens eine relative Bewegungsrichtung ausgeführt ist. Mögliche relative Bewegungsrichtungen sind insbesondere eine relative Bewegung in einer radialen Richtung und einer Verdrehrichtung bezogen auf eine Bezugsachse, etwa die Mittelachse der Sonotrode.Furthermore, it is desirable for the sonotrode to be implemented with a positioning arrangement within the widening section for relative positioning of the workpiece to be machined and the sonotrode with respect to at least one relative direction of movement. Possible relative directions of movement are in particular a relative movement in a radial direction and a direction of rotation with respect to a reference axis, such as the central axis of the sonotrode.

Die Positionierungsanordnung kann vorteilhaft zum Eingreifen in das Werkstück eingerichtet sein. Auf diese Weise können eine reproduzierbare Anordnung jedes Werkstücks in Bezug auf die Sonotrode und somit auch reproduzierbare Schweißverbindungen zweier zu verbindender Werkstücke, beispielsweise zwischen einem Abstandssensorhalter und einem Automobilstoßfänger erzielt werden.The positioning arrangement can advantageously be set up to engage in the workpiece. In this way, a reproducible Arrangement of each workpiece with respect to the sonotrode and thus reproducible welded joints of two workpieces to be joined, for example, be achieved between a distance sensor holder and an automobile bumper.

Die Positionierungsanordnung kann ein axial vorstehendes Positionierungselement zur relativen Positionierung des Werkstücks und der Sonotrode zumindest in radialer Richtung aufweisen. Das Positionierungselement kann beispielsweise in Form eines Positionierungsdorns ausgeführt sein. Bei entsprechend angepasster Ausführung des Werkstücks, beispielsweise mit einer das Positionierungselement bzw. den Positionierungsdorn aufnehmenden Führungsaufnahme, kann eine definierte relative Positionierung der Sonotrode in Bezug auf das Werkstück erreicht werden. Bevorzugt ermöglicht der Eingriff des Positionierungselements mit dem Werkstück eine relative Verdrehbarkeit zwischen der Sonotrode und dem Werkstück.The positioning arrangement may have an axially projecting positioning element for relative positioning of the workpiece and the sonotrode at least in the radial direction. The positioning element can be designed, for example, in the form of a positioning mandrel. In accordance with adapted design of the workpiece, for example with a positioning element or the positioning mandrel receiving guide receptacle, a defined relative positioning of the sonotrode with respect to the workpiece can be achieved. Preferably, the engagement of the positioning element with the workpiece allows relative rotatability between the sonotrode and the workpiece.

Man kann das Positionierungselement bzw. den Positionierungsdorn und die Führungsaufnahme des Werkstücks aber auch so in Bezug aufeinander ausführen, dass eine definierte relative Drehstellung zwischen der Sonotrode und dem Werkstück erzwungen wird. Hierzu kann man das Positionierungselement bzw. den Positionierungsdorn beispielsweise mit einem von einer Kreisform abweichenden Querschnitt, etwa einem ovalen oder mehreckigen Querschnitt, ausführen und die Führungsaufnahme des Werkstücks derart ausgestalten, dass diese eine an diesen Querschnitt angepasste Ausgestaltung aufweist.However, one can also execute the positioning element or the positioning mandrel and the guide receptacle of the workpiece in relation to one another in such a way that a defined relative rotational position is forced between the sonotrode and the workpiece. For this purpose, one can perform the positioning element or the positioning mandrel, for example, with a deviating from a circular cross section, such as an oval or polygonal cross-section, and configure the guide receptacle of the workpiece such that it has a configuration adapted to this cross-section.

Demgegenüber ist es aber bevorzugt, dass die Positionierungsanordnung wenigstens ein gegenüber dem Positionierungselement radial versetztes weiteres Positionierungselement zur relativen Positionierung des Werkstücks und der Sonotrode in Verdrehrichtung aufweist. Diesbezüglich sind vielfältige Gestaltungen denkbar. Beispielweise könnte man als weiteres Positionierungselement einen oder mehrere Stifte oder sonstige Formationen vorsehen, die mit komplementären Formationen des Werkstücks in Eingriff bringbar sind und eine definierte relative Drehpositionierung gewährleisten.In contrast, it is preferred that the positioning arrangement has at least one relative to the positioning radially offset further positioning element for relative positioning of the workpiece and the sonotrode in the direction of rotation. In this regard, various designs are conceivable. For example, one could provide as another positioning element one or more pins or other formations that can be brought into engagement with complementary formations of the workpiece and ensure a defined relative rotational positioning.

Das zuerst angesprochene, vorzugsweise als Positionierungsdorn ausgeführte Positionierungselement kann vorteilhaft mit dem Sonotrodenkörper fest verbunden sein, beispielsweise mittels einer Pressverbindung oder einer Schraubverbindung. Prinzipiell soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass dieses Positionierungselement mit dem Sonotrodenkörper einteilig ausgeführt ist.The first mentioned, preferably designed as a positioning mandrel positioning can advantageously be firmly connected to the sonotrode body, for example by means of a press connection or a screw connection. In principle, however, should not be ruled out that this positioning element is designed in one piece with the sonotrode body.

Dabei ist es bevorzugt, dass das axial vorstehende Positionierungselement an einem Knotenpunkt der Ultraschallschwingung angeordnet ist, um selbst möglichst wenig zu schwingen und relative Schwingungsbewegungen zwischen dem Sonotrodenkörper und dem Positionierungselement zu vermeiden. So kann auch im Falle einer gesonderten Ausgestaltung des Sonotrodenkörpers und des Positionierungselements eine Reibung zwischen diesen vermieden werden.It is preferred that the axially projecting positioning element is arranged at a node of the ultrasonic vibration in order to oscillate as little as possible and to avoid relative oscillatory movements between the sonotrode body and the positioning element. Thus, a friction between these can be avoided even in the case of a separate embodiment of the sonotrode body and the positioning element.

Betreffend das wenigstens eine gegenüber dem Positionierungselement gegebenenfalls vorgesehene radial versetzte weitere Positionierungselement wird bevorzugt daran gedacht, dass das weitere Positionierungselement mittels des erstgenannten, vorzugweise als Positionierungsdorn ausgeführten Positionierungselements mit dem Sonotrodenkörper verbunden ist. Es soll aber nicht ausgeschlossen sein, dass das wenigstens eine weitere Positionierungselement gesondert von dem erstgenannten Positionierungselement angeordnet und beispielsweise unmittelbar mit dem Sonotrodenkörper verbunden ist.With regard to the at least one radially offset further positioning element optionally provided with respect to the positioning element, preference is given to the fact that the further positioning element is connected to the sonotrode body by means of the first-mentioned positioning element, preferably a positioning mandrel. However, it should not be ruled out that the at least one further positioning element is arranged separately from the first-mentioned positioning element and, for example, is connected directly to the sonotrode body.

In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine radial-resonante Sonotrode für eine erfindungsgemäße Ultraschallbearbeitungseinrichtung.In a second aspect, the invention relates to a radially resonant sonotrode for an ultrasonic processing device according to the invention.

Die radial-resonante Sonotrode nach der Erfindung weist einen sich längs einer Achse erstreckenden Sonotrodenkörper mit einem Wirkbereich an einem axialen Ende auf, der von einer axial gerichteten Endfläche oder/und von von dem Sonotrodenkörper vorstehenden, vorzugsweise axial gerichteten Wirkelementen gebildet ist.The radially-resonant sonotrode according to the invention has a sonotrode body extending along an axis with an effective region at one axial end, which is formed by an axially directed end face and / or by the sonotrode body protruding, preferably axially directed active elements.

Vorzugsweise ist der Sonotrodenkörper derart ausgeführt, dass aus einer an einem Einleitungsabschnitt von einem Ultraschall-Konverter eingeleiteten Ultraschall-Longitudinalschwingung eine Ultraschall-Radialschwingung zumindest in einem den Wirkbereich aufweisenden Endbereich des Sonotrodenkörpers resultiert. Auf diese Weise kann die Sonotrode in einer zu einer Oberfläche eines mit Ultraschall zu beaufschlagenden Werkstücks senkrechten Richtung gegen das Werkstück gedrückt werden, während überwiegend radiale Schwingungen in das Werkstück eingeleitet werden. Dies ermöglicht eine Verbindung des Werkstücks mit einem darunter liegenden Werkstück unter Ausbildung eines Verbindungsbereichs, welcher gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren weniger tief in das zu verbindende Werkstück hineinreicht.Preferably, the sonotrode body is designed such that an ultrasound radial vibration results at least in an end region of the sonotrode body having the effective region from an ultrasound longitudinal vibration introduced at an introduction section from an ultrasound converter. In this way, the sonotrode can be pressed in a direction perpendicular to a surface of a workpiece to be acted upon with ultrasound against the workpiece, while predominantly radial vibrations are introduced into the workpiece. This allows a connection of the workpiece with an underlying workpiece to form a connecting portion, which extends less deep in the workpiece to be joined compared to the known from the prior art method.

Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungseinrichtung vorstehend in Bezug auf deren Sonotrode aufgeführten Weiterbildungsvorschläge sind zugleich auch Weiterbildungsvorschläge für die erfindungsgemäße Sonotrode.The refinement suggestions listed above in relation to the sonotrode according to the invention are at the same time also advancement proposals for the sonotrode according to the invention.

Mit der erfindungsgemäßen Sonotrode wird die zuvor in Bezug auf die erfindungsgemäße Ultraschallbearbeitungseinrichtung genannte Aufgabe gleichermaßen gelöst. Des Weiteren werden die sich auf Merkmale der Sonotrode beziehenden, zuvor genannten Vorteile gleichermaßen erzielt. With the sonotrode according to the invention, the object mentioned above in relation to the ultrasonic processing device according to the invention is likewise solved. Furthermore, the aforementioned advantages relating to features of the sonotrode are equally achieved.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten bzw. veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

  • 1: zeigt auf der linken Seite ein Beispiel für eine herkömmliche Ultraschallbearbeitungseinrichtung und auf der rechten Seite eine erfindungsgemäße Ultraschallbearbeitungseinrichtung.
  • 2: veranschaulicht ein Ultraschallschweißverfahren mittels einer Mehrzahl von einer Sonotrode vorstehenden Wirkelementen.
  • 3: zeigt ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen Sonotrodenkörper mit einer Mehrzahl von von der Sonotrode vorstehenden Wirkelementen in Richtung einer Längsachse des Sonotrodenkörpers.
  • 4: zeigt in einer Querschnittsansicht ein Beispiel für einen erfindungsgemäßen, vorzugsweise rotationssymmetrischen Sonotrodenkörper.
  • 5: veranschaulicht in Bezug auf den Sonotrodenkörper der 4 in einem Aufweitungsabschnitt angeregte Radialschwingungen mit stark übertrieben Auslenkungen.
  • 6: zeigt den qualitativen Verlauf von axialen und radialen Ultraschallschwingungsamplituden des Sonotrodenkörpers in Achsrichtung AL und in radialer Richtung AR.
  • 7: zeigt auf der linken Seite ein Schweißbild nach der Bearbeitung mit einer herkömmlichen Ultraschallbearbeitungseinrichtung und auf der rechten Seite ein Schweißbild nach der Bearbeitung mit einer erfindungsgemäßen Ultraschallbearbeitungseinrichtung.
  • 8: zeigt einen erfindungsgemäßen Sonotrodenkörper im Querschnitt mit einem in ein Werkstück eingreifenden Positionierungselement.
The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments illustrated or illustrated in the figures.
  • 1 1 shows on the left side an example of a conventional ultrasonic processing device and on the right side an ultrasonic processing device according to the invention.
  • 2 FIG. 1 illustrates an ultrasonic welding process by means of a plurality of active elements protruding from a sonotrode.
  • 3 : shows an example of a sonotrode body according to the invention with a plurality of active elements protruding from the sonotrode in the direction of a longitudinal axis of the sonotrode body.
  • 4 : shows in a cross-sectional view an example of an inventive, preferably rotationally symmetrical sonotrode body.
  • 5 : illustrates with respect to the sonotrode body of the 4 Radial vibrations excited in a widening section with greatly exaggerated deflections.
  • 6 : shows the qualitative course of axial and radial ultrasonic vibration amplitudes of the sonotrode body in the axial direction A L and in the radial direction A R.
  • 7 1 shows a welding image after processing with a conventional ultrasonic processing device on the left side and a welding image after processing with an ultrasonic processing device according to the invention on the right side.
  • 8th : shows a sonotrode body according to the invention in cross-section with a positioning element engaging in a workpiece.

1 zeigt auf der linken Seite schematisch eine Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach dem Stand der Technik mit einer herkömmlichen Ultraschall-Bearbeitungseinheit 10. Diese besteht typischerweise im Wesentlichen aus folgenden Komponenten: einem Hochfrequenzgenerator 12, einem Ultraschall-Konverter 14, einem Booster 16 und einer Sonotrode 18. In der Praxis ist der Hochfrequenzgenerator 12 häufig als gesonderte Einheit ausgeführt, die über eine Kabelverbindung mit dem Ultraschall-Konverter 14 der Ultraschall-Bearbeitungseinheit 10 verbunden ist, in Abweichung von der schematischen und die üblichen Proportionen nicht wiedergebenden Zeichnung. An einem Endbereich der Sonotrode18 bzw. des Sonotrodenkörpers 18 sind Wirkelemente 20, sogenannte Pins, zu sehen. Dies ist eine mögliche Ausführungsform des Wirkbereichs der Sonotrode. Alternativ kann der Wirkbereich als flächige Wirkoberfläche ausgebildet sein, wie 4 zeigt. Unterhalb des Wirkbereichs der Sonotrode sind zwei zu verbindende Werkstücke 22, 24 auf einem Amboss 26 gelagert. 1 On the left side schematically shows a prior art ultrasonic processing device with a conventional ultrasonic processing unit 10 , This typically consists essentially of the following components: a high-frequency generator 12 , an ultrasonic converter 14 , a booster 16 and a sonotrode 18 , In practice, the high frequency generator 12 often run as a separate unit, which has a cable connection to the ultrasonic converter 14 the ultrasonic processing unit 10 in deviation from the schematic and the usual proportions non-reproducing drawing. At one end of the sonotrode18 or sonotrode body 18 are active elements 20 to see so-called pins. This is a possible embodiment of the effective range of the sonotrode. Alternatively, the effective area may be formed as a flat active surface, such as 4 shows. Below the effective range of the sonotrode are two workpieces to be joined 22 . 24 on an anvil 26 stored.

Der Sonotrodenkörper kann mit dem Ultraschall-Konverter 14 oder/und dem Booster 16 beispielsweise mittels einer Verschraubung und eines in dem Sonotrodenkörper vorgesehenen Innengewindes 35 (4) verbunden sein.The sonotrode body can with the ultrasonic converter 14 and / or the booster 16 for example by means of a screw connection and an internal thread provided in the sonotrode body 35 ( 4 ).

Die auf der rechten Seite der 1 gezeigte Ultraschall-Bearbeitungseinheit 11 ist im Wesentlichen identisch aufgebaut wie die Ultraschall-Bearbeitungseinheit 10 nach dem Stand der Technik, umfasst jedoch eine radial-resonante Sonotrode 19 bzw. einen zumindest in einem axialen Ende radial-resonant schwingenden Sonotrodenkörper 19. Elemente und Merkmale, welche analog in der herkömmlichen Ultraschall-Bearbeitungseinheit 10 und der erfindungsgemäßen Ultraschall-Bearbeitungseinheit 11 vorhanden sind, sind mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet.The one on the right side of the 1 shown ultrasonic processing unit 11 is essentially the same structure as the ultrasonic processing unit 10 according to the prior art, but includes a radial-resonant sonotrode 19 or a sonotrode body which vibrates radially-resonantly at least in one axial end 19 , Elements and features which are analogous in the conventional ultrasonic processing unit 10 and the ultrasonic processing unit according to the invention 11 are present, are identified by identical reference numerals.

Auf bekannte Art und Weise dient die Ultraschallbearbeitungseinrichtung zur Beaufschlagung eines zu bearbeitenden Werkstücks 22, insbesondere zum Ultraschallverschweißen des Werkstücks 22 mit einem weiteren darunterliegenden Werkstück 24, indem die Sonotrode 18; 19 mittels einer nicht dargestellten Hubeinheit an ihrem Wirkbereich mit dem der Sonotrode zugewandten Werkstück 22 in Kontakt gebracht wird. Die Ultraschallleistung wird mittels der Sonotrode 18; 19 unter Andruckkräften 28, welche in Y-Richtung wirken, in das Werkstück 22 eingebracht. Bei der auf der linken Seite der 1 aufgezeigten herkömmlichen Ultraschall-Bearbeitungseinheit 10 werden die bezogen auf eine Mittelachse A der Sonotrode longitudinalen Ultraschallschwingungen senkrecht in Bezug auf die Werkstückoberfläche 23 in das Werkstück 22 eingeleitet. Bei der auf der rechten Seite gezeigten Ultraschall-Bearbeitungseinheit 11 werden hingegen die bezogen auf eine Mittelachse A der Sonotrode longitudinalen Ultraschallschwingungen in radiale Ultraschallschwingungen umgewandelt und parallel in Bezug auf die Werkstückoberfläche 23 in das Werkstück 22 eingeleitet.In a known manner, the ultrasonic processing device serves to act on a workpiece to be machined 22 , in particular for ultrasonic welding of the workpiece 22 with another underlying workpiece 24 by the sonotrode 18 ; 19 by means of a lifting unit, not shown, at its effective range with the workpiece facing the sonotrode 22 is brought into contact. The ultrasound power is achieved by means of the sonotrode 18 ; 19 under pressure forces 28 , which act in the Y direction, in the workpiece 22 brought in. At the left side of the 1 pointed conventional ultrasonic processing unit 10 With reference to a central axis A of the sonotrode, longitudinal ultrasonic vibrations are perpendicular with respect to the workpiece surface 23 into the workpiece 22 initiated. In the ultrasonic processing unit shown on the right 11 On the other hand, the longitudinal ultrasonic vibrations relative to a central axis A of the sonotrode are converted into radial ultrasonic vibrations and parallel with respect to the workpiece surface 23 into the workpiece 22 initiated.

Ist der Wirkbereich der Sonotrode mit Wirkelementen 20 versehen, welche, wie in den 1 und 3 dargestellt, von der Sonotrode 18; 19 hervorstehen, dann erfolgt die Ultraschallverschweißung wie in 2 dargestellt. Die Wirkelemente 20 werden in Wirkrichtung der Andruckkräfte 28 auf das der Sonotrode zugewandte Werkstück 22 gedrückt und bewegen sich aufgrund der durch die Ultraschallleistung erzeugten thermischen Energie in das Werkstück 22 hinein. Die Wirkelemente 20 sind derart ausgelegt, dass diese unter den Andruckkräften in das Werkstück 22 bis zum Erreichen des zu verbindenden Werkstücks 24 eintauchen. Während dieses Vorgangs entsteht Schmelze 32 im Kontaktbereich 30 zwischen den zu verbindenden Werkstücken 22, 24, welche erkaltet und zu einer stoffschlüssigen Verbindung 34 zwischen den Werkstücken 22, 24 führt, nachdem die Sonotrode 18; 19 mit den Wirkelementen 20 zurückgefahren wurde.Is the effective range of the sonotrode with active elements 20 provided, which, as in the 1 and 3 represented by the sonotrode 18 ; 19 protrude, then the ultrasonic welding takes place as in 2 shown. The active elements 20 be in the direction of the pressure forces 28 on the the Sonotrode facing workpiece 22 pressed and move due to the thermal energy generated by the ultrasonic power in the workpiece 22 into it. The active elements 20 are designed so that these under the pressure forces in the workpiece 22 until reaching the workpiece to be joined 24 plunge. During this process melt arises 32 in the contact area 30 between the workpieces to be joined 22 . 24 , which cools and becomes a cohesive connection 34 between the workpieces 22 . 24 leads after the sonotrode 18 ; 19 with the active elements 20 was moved back.

Eine mögliche Anordnung von Wirkelementen 20 an dem axialen Ende des Sonotrodenkörpers 19 ist beispielhaft für eine näherungsweise glockenförmige Sonotrode 19 in 3 dargestellt. Wie ferner in 3 ersichtlich, können sich die Wirkelemente 20 in axialer Richtung verjüngen. Denkbar sind z.B. Wirkelemente mit einer im Querschnitt trapezförmigen Gestalt oder in Form eines Kegelstumpfes.A possible arrangement of active elements 20 at the axial end of the sonotrode body 19 is exemplary of an approximately bell-shaped sonotrode 19 in 3 shown. As further in 3 can be seen, the active elements 20 taper in the axial direction. Conceivable, for example, knitting elements with a trapezoidal shape in cross-section or in the form of a truncated cone.

4 stellt einen erfindungsgemäßen radial-resonanten Sonotrodenkörper 19 im Querschnitt dar. Der dargestellte Sonotrodenkörper 19 kann einen Aufweitungsabschnitt 36 und vorzugsweise einen Schaft- oder/und Einleitungsabschnitt 38, 40 aufweisen. Der Aufweitungsabschnitt 36 des Sonotrodenkörpers kann, wie in 4 dargestellt, eine gegenüber dem Schaft- oder/und Einleitungsabschnitt 38, 40 vergrößerte Radialabmessung 46 aufweisen. Ferner kann in axialer Richtung hin zu einem der Umgebung zugewandten Ende des Sonotrodenkörpers die Radialabmessung 46 des Aufweitungsabschnitts 36 zunehmen oder/und kann die Radialabmessung 46 des Aufweitungsabschnitts 36 in einem ersten Abschnitt 36' des Aufweitungsabschnitts zunehmen und in einem zweiten Abschnitt 36" des Ausweitungsabschnitts konstant bleiben, wobei vorzugsweise die Radialabmessung des zweiten Abschnitts 36" größer ist als die des ersten 36' und vorzugsweise der zweite Abschnitt 36" näher an dem der Umgebung zugewandten Ende des Sonotrodenkörpers liegt. 4 represents a radial-resonant sonotrode body according to the invention 19 in cross-section. The sonotrode body shown 19 can be a widening section 36 and preferably a stem and / or inlet section 38 . 40 exhibit. The expansion section 36 of the sonotrode body can, as in 4 shown, one opposite the shaft and / or inlet section 38 . 40 enlarged radial dimension 46 exhibit. Furthermore, in the axial direction towards an end of the sonotrode body facing the surroundings, the radial dimension 46 of the expansion section 36 increase or / and may be the radial dimension 46 of the expansion section 36 in a first section 36 ' increase in the expansion section and in a second section 36 " the expansion portion remain constant, wherein preferably the radial dimension of the second section 36 " is greater than that of the first 36 'and preferably the second section 36 " closer to the end of the sonotrode body facing the surroundings.

Die Anregung des Sonotrodenkörpers 19 kann in axialer Richtung erfolgen, also in Richtung der Mittelachse A, wie in 4 mit dem Bezugszeichen 42 gekennzeichnet.The excitation of the sonotrode body 19 can take place in the axial direction, ie in the direction of the central axis A, as in 4 with the reference number 42 characterized.

Der in 4 dargestellte Sonotrodenkörper 19 weist im Querschnitt eine Sonotrodengeometrie auf, die einer Glockenform ähnelt. Der sich längs der Mittelachse A erstreckende Sonotrodenkörper weist an einem axialen Ende einen Wirkbereich 44 auf. Der Wirkbereich 44 kann, wie in 4 gezeigt, eine axial ausgerichtete Endfläche sein, oder/und auch, wie beispielsweise in der rechten Darstellung der 1 gezeigt, von von dem Sonotrodenkörper vorstehenden, vorzugsweise axial gerichteten Wirkelementen 20 gebildet sein, wie schon anhand von 3 als Möglichkeit angesprochen.The in 4 illustrated sonotrode body 19 has a horn geometry in cross-section, which resembles a bell shape. The sonotrode body extending along the central axis A has an effective region at one axial end 44 on. The effective range 44 can, as in 4 be shown, an axially aligned end face, and / or also, as for example in the right-hand illustration of 1 shown, of the sonotrode body projecting, preferably axially directed active elements 20 be formed, as already by means of 3 as a possibility addressed.

Wie die Figuren der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung deutlich machen, kann der Aufweitungsabschnitt 36 des Sonotrodenkörpers 19 eine in axialer Richtung offene Aussparung 48 aufweisen, welche vorzugsweise in Draufsicht kreisrund ist und einen Innendurchmesser 50 des Aufweitungsabschnitts 36 definiert.As the figures of the embodiments of the invention described herein make clear, the expansion portion 36 of the sonotrode body 19 an open in the axial direction recess 48 which is preferably circular in plan view and an inner diameter 50 of the expansion section 36 Are defined.

Eine Wandung des Sonotrodenkörpers 19, deren Dicke sich aus der Differenz der Radialabmessung 46 und des Innendurchmessers 50 ergibt, kann, wie in 4 dargestellt, eine konstante Dicke im zweiten Abschnitt 36" des Aufweitungsabschnitts 36 aufweisen. Ferner ist jedoch auch denkbar, dass die Wanddicke in Richtung zu der Wirkoberfläche des Wirkbereichs 44 abnimmt, also die Radialabmessung 46 oder/und der Innendurchmesser 50 in Richtung zu der Wirkoberfläche abnimmt/abnehmen.A wall of the sonotrode body 19 whose thickness is the difference of the radial dimension 46 and the inside diameter 50 can, as in 4 shown, a constant thickness in the second section 36 " of the expansion section 36 exhibit. Furthermore, however, it is also conceivable that the wall thickness in the direction of the active surface of the effective range 44 decreases, so the radial dimension 46 or / and the inner diameter 50 decreasing / decreasing towards the knit surface.

5 zeigt schematisch eine mögliche Schwingungsform des rotationssymmetrischen Sonotrodenkörpers 19 im Querschnitt mit einer Auslenkung im unteren Totpunkt auf der linken Seite, und mit einer Auslenkung im oberen Totpunkt auf der rechten Seite. Die Sonotrode kann in axialer Richtung mit den aus dem Stand der Technik bekannten üblichen Amplituden und Frequenzen, wie beispielsweise 4 µm bis 12 µm und 10 kHz bis 100 kHz angeregt werden. Dabei wird durch die vorzugsweise einer Glockenform ähnliche Sonotrodengeometrie die induzierte longitudinale Schwingung in eine radiale Schwingung transformiert. Signifikante radiale Schwingungen treten jedoch nur auf, wenn die Resonanz der Struktur in radialer Richtung getroffen wird. 5 schematically shows a possible waveform of the rotationally symmetric sonotrode body 19 in cross-section with a deflection in the bottom dead center on the left side, and with a deflection at top dead center on the right side. The sonotrode can be excited in the axial direction with the conventional amplitudes and frequencies known from the prior art, such as 4 .mu.m to 12 .mu.m and 10 kHz to 100 kHz. In this case, the induced longitudinal vibration is transformed into a radial oscillation by the preferably bell-shaped sonotrode geometry. Significant radial vibrations, however, occur only when the resonance of the structure in the radial direction is hit.

Wie in 5 ersichtlich, ändert sich die Geometrie des Sonotrodenkörpers 19 während des Schwingungsvorgangs. Bei einer ersten Auslenkung werden die Radialabmessung 46, also der Außendurchmesser 46 und der Innendurchmesser 50 des Aufweitungsabschnitts 36 kleiner und bei einer zweiten Auslenkung werden diese Abmessungen größer. Die Auslenkung des axialen Endes der Sonotrode zum oberen bzw. unteren Totpunkt kann bei Verwendung der Sonotrode in einem gewöhnlichen Frequenzbereich von 10 bis 100 kHz beispielsweise ca. +/- 25 µm betragen. Eine Änderung der longitudinalen Erstreckung der Sonotrode ist vergleichsweise gering und kann beispielsweise ca. +/- 5 µm betragen.As in 5 As can be seen, the geometry of the sonotrode body changes 19 during the oscillation process. At a first deflection, the radial dimension becomes 46 So the outside diameter 46 and the inner diameter 50 of the expansion section 36 smaller and at a second deflection, these dimensions are larger. The deflection of the axial end of the sonotrode to the top and bottom dead center can be about +/- 25 microns when using the sonotrode in an ordinary frequency range of 10 to 100 kHz, for example. A change in the longitudinal extent of the sonotrode is comparatively small and can be, for example, about +/- 5 μm.

Wie erwähnt, treten signifikante radiale Schwingungen nur dann auf, wenn die anregende Longitudinalschwingung der Resonanz der Struktur in radialer Richtung trifft. Bei dieser Anforderung resultiert bei der Auslegung einer erfindungsgemäßen Sonotrode eine geeignete Geometrie, insbesondere eine geeignete Ausgestaltung des Aufweitungsabschnitts bei dem gezeigten Ausführungsbeispielen. Damit sind der Innendurchmesser 50 und der Außendurchmesser 46 des Aufweitungsabschnitts 36 des Sonotrodenkörpers 19 indirekt eine Funktion der Frequenz der anregenden Schwingung. Die Amplitudenverstärkung zwischen der longitudinalen Anregung 42 und einer radialen Auslenkung 52 ist ebenfalls eine Funktion der Geometrie des Aufweitungsabschnitts 36. Eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der longitudinalen Anregung AL und der daraus resultierenden radialen Auslenkung AR, wie diese bei Verwendung einer erfindungsgemäßen radial-resonanten Sonotrode auftreten können, ist in 6 dargestellt.As mentioned, significant radial vibrations occur only when the exciting longitudinal vibration hits the resonance of the structure in the radial direction. In this requirement, the design of a sonotrode according to the invention results in a suitable geometry, in particular a suitable embodiment of the invention Expansion section in the illustrated embodiments. This is the inner diameter 50 and the outside diameter 46 of the expansion section 36 of the sonotrode body 19 indirectly a function of the frequency of the stimulating vibration. The amplitude gain between the longitudinal excitation 42 and a radial deflection 52 is also a function of the geometry of the expansion section 36 , A graphical representation of the relationship between the longitudinal excitation A L and the resulting radial deflection A R , as can occur when using a radial-resonant sonotrode according to the invention, is shown in FIG 6 shown.

In 7 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes longitudinalresonantes (linke Abbildung) und ein erfindungsgemäßes radial-resonantes Ultraschallschweißen (rechte Abbildung) am Beispiel eines Verschweißens zweier dünnwandiger Werkstücke 22, 24 gegenübergestellt. Das der Sonotrode 18; 19 zugewandte Werkstück 22 könnte ein Sensorhalter sein, das darunter angeordnete, zu verbindende Werkstück 24 könnte ein Automobilstoßfänger sein, mit dem der Sensorhalter verschweißt werden soll. Die durch den Ultraschall-Schweißvorgang erzielte stoffschlüssige Verbindung 34 ist jeweils durch einen grau schraffierten Bereich dargestellt.In 7 is a known from the prior art longitudinally resonant (left figure) and an inventive radial resonant ultrasonic welding (right figure) using the example of a welding of two thin-walled workpieces 22 . 24 compared. The sonotrode 18 ; 19 facing workpiece 22 could be a sensor holder, the underlying arranged, to be joined workpiece 24 could be an automobile bumper with which the sensor holder is to be welded. The cohesive connection achieved by the ultrasonic welding process 34 is each represented by a gray hatched area.

Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung schwingt die Sonotrode 18 longitudinal, senkrecht zur sich zwischen den Werkstücken befindlichen Kontaktfläche 30 bzw. senkrecht zu der Werkstückoberfläche 23. Durch diese Sonotrodenbewegung wird das der Sonotrode zugewandte Werkstück 22 hauptsächlich in Richtung der Bewegung aufgeschmolzen und das zu verbindende Werkstück 24 mit einer hohen Penetrationstiefe thermisch belastet. Wenn, wie bei einem Automobilstoßfänger, eine Oberfläche 25 des Werkstücks 24 bereits lackiert ist und eine hohe Oberflächenqualität dieser Oberfläche 25 erwünscht ist, so kann diese in die Tiefe vorgedrungene thermische Energie irreparable Schäden auf der Lackschicht der Oberfläche 25 hinterlassen.In the arrangement known from the prior art oscillates the sonotrode 18 longitudinal, perpendicular to the contact surface between the workpieces 30 or perpendicular to the workpiece surface 23 , By this Sonotrodenbewegung is the sonotrode facing workpiece 22 mainly melted in the direction of movement and the workpiece to be joined 24 thermally stressed with a high penetration depth. If, like an automobile bumper, a surface 25 of the workpiece 24 already painted and a high surface quality of this surface 25 is desired, this can penetrate into the depth of thermal energy irreparable damage to the paint layer of the surface 25 leave.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung schwingt die radial-resonante Sonotrode 19 in radialer Richtung, parallel zur sich zwischen den Werkstücken befindlichen Kontaktfläche 30 bzw. senkrecht zu der einer der Sonotrode zugewandten Oberfläche 23 des Werkstücks 22. Der Wirkbereich der Sonotrode oder/und von den der axial gerichteten Endfläche der Sonotrode hervorstehende, vorzugsweise axial gerichtete Wirkelemente bewegt/bewegen sich parallel zur Oberfläche 23, so dass die Penetrationstiefe der durch die Schwingung der Sonotrode verursachten thermischen Energie signifikant nur in dieser Richtung freiwerden kann. Eine longitudinale Schwingung der Sonotrode 19 senkrecht zur Oberfläche 23 kann lediglich vernachlässigbar vorhanden sein.In the arrangement according to the invention, the radially resonant sonotrode oscillates 19 in the radial direction, parallel to the contact surface located between the workpieces 30 or perpendicular to the one of the sonotrode facing surface 23 of the workpiece 22 , The effective range of the sonotrode or / and of the axially directed end face of the sonotrode protruding, preferably axially directed active elements moves / move parallel to the surface 23 so that the penetration depth of the thermal energy caused by the vibration of the sonotrode can be significantly released only in this direction. A longitudinal oscillation of the sonotrode 19 perpendicular to the surface 23 can only be negligible.

Die Gestaltung der Wirkelemente kann an die Schwingungsform angepasst sein. Besonders vorteilhaft verjüngen sich die Wirkelemente in axialer Richtung. Kegelstümpfe genügen bspw. diesem Kriterium. In der rechten Abbildung von 7 ist eine mögliche Ausbildung der Wirkelemente als Kegelstümpfe dargestellt.The design of the active elements can be adapted to the waveform. Particularly advantageous taper the active elements in the axial direction. Truncated cones suffice, for example, for this criterion. In the right picture of 7 is a possible embodiment of the active elements shown as truncated cones.

Wie ferner in der 7 ersichtlich und anhand der schraffierten stoffschlüssigen Verbindungsbereiche 34 angedeutet, ist die thermische Penetrationstiefe bei Verwendung der erfindungsgemäßen Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung bzw. radial-resonanten Sonotrode im Vergleich zu einer herkömmlicheren Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung bzw. Sonotrode geringer. Somit ist auch bei Verwendung der erfindungsgemäßen Ultraschall-Bearbeitungseinrichtung bzw. radial-resonanten Sonotrode die Gefahr von thermisch induzierten Oberflächenschäden geringer, wodurch Werkstücke mit geringer Wandstärke miteinander verschweißt werden können, ohne die optische Qualität der nach dem Schweißen sichtbaren Oberfläche 25 des zu verbinden Werkstücks 24 zu beeinträchtigen.As further in the 7 visible and based on the hatched cohesive connection areas 34 indicated, the thermal penetration depth is lower when using the ultrasonic processing device according to the invention or radially-resonant sonotrode compared to a more conventional ultrasonic processing device or sonotrode. Thus, even when using the ultrasonic processing device according to the invention or radial-resonant sonotrode the risk of thermally induced surface damage is lower, so that workpieces with low wall thickness can be welded together without the visual quality of the visible surface after welding 25 of the workpiece to be joined 24 to impair.

8 zeigt einen Sonotrodenkörper 19 mit einer Positionierungsanordnung 56. Die Positionierungsanordnung 56 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein axial vorstehendes Positionierungselement 56 zur relativen Positionierung des Werkstücks 22 und der Sonotrode 19 zumindest in radialer Richtung. Das Positionierungselement ist vorzugsweise innerhalb des Aufweitungsabschnitts 36 beispielsweise in Form eines Positionierungsdorns 56 bereitgestellt. Das Positionierungselement 56 kann in eine vorzugsweise komplementär ausgestalte Führungsaufnahme 58, die in dem Werkstück 22 ausgebildet ist, eingreifen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Werkstück 22 um einen Abstandssensorhalter, welcher unter Verwendung der Ultraschallbearbeitungseinrichtung mit einer Innenseite eines Automobilstoßfängers verschweißt werden soll. 8th shows a sonotrode body 19 with a positioning arrangement 56 , The positioning arrangement 56 comprises in the illustrated embodiment, an axially projecting positioning element 56 for relative positioning of the workpiece 22 and the sonotrode 19 at least in the radial direction. The positioning element is preferably within the widening section 36 for example in the form of a positioning mandrel 56 provided. The positioning element 56 can in a preferably complementarily ausgestalte ausgestalte guide 58 that are in the workpiece 22 is trained, intervene. In the illustrated embodiment, the workpiece is 22 around a distance sensor holder which is to be welded using the ultrasonic processing device with an inside of an automobile bumper.

Das Positionierungselement 56 kann sich, wie in der Querschnittsansicht von 8 ersichtlich, entlang einer Längsachse, etwas der Mittelachse A des Sonotrodenkörpers 19 erstrecken. Die Verbindung zwischen Positionierungselement 56 und Sonotrodenkörper 19, welche vorzugsweise als eine Pressverbindung ausgeführt ist (wie in 8 angedeutet), kann besonders zweckmäßig in einem Knotenpunkt der Ultraschallschwingung erfolgen. Auf diese Weise können eine relative Bewegung zwischen dem Positionierungselement 56 und dem Sonotrodenkörper 19 und eine damit einhergehende mechanische Beanspruchung eines Verbindungsbereichs vermieden werden.The positioning element 56 can, as in the cross-sectional view of 8th seen along a longitudinal axis, slightly the central axis A of the sonotrode body 19 extend. The connection between positioning element 56 and sonotrode body 19 , which is preferably designed as a press connection (as in 8th indicated), can be particularly useful in a node of the ultrasonic vibration. In this way, a relative movement between the positioning element 56 and the sonotrode body 19 and an associated mechanical stress of a connection area can be avoided.

Die bisherigen Ausführungen sind auf eine Sonotrode mit rotationssymmetrischen Sonotrodenkörper bezogen. Mögliche Anwendungen sind jedoch nicht auf eine solche Ausführungsform beschränkt. Im Rahmen der Erfindung kommt also auch ein von einer rotationssymmetrischen Gestalt abweichender, asymmetrisch geformter Sonotrodenkörper in Betracht. The previous versions are based on a sonotrode with rotationally symmetrical sonotrode body. However, possible applications are not limited to such an embodiment. In the context of the invention, therefore, an asymmetrically shaped sonotrode body deviating from a rotationally symmetrical shape is also suitable.

Es ist beispielsweise möglich, dass der Sonotrodenkörper lediglich eine einer Glockenform nahekommende Gestalt aufweist, jedoch nicht rotationssymmetrisch ist. Es ist auch nicht zwingend, dass der Aufweitungsabschnitt 36 in Umfangsrichtung komplett geschlossen ausgeführt ist. So kann dieser beispielsweise geschlitzt ausgeführt sein. In solchen Fällen kann der Sonotrodenkörper wenigstens einen Massenausgleichsbereich aufweisen, mittels welchem trotz einer Abweichung von der Rotationssymmetrie, eine gleichmäßige radial-resonante Schwingung des Wirkbereichs der Sonotrode erzielt und mit hinreichenden oder guten Wirkungsgrad angeregt werden kann.For example, it is possible for the sonotrode body to have only a shape that approximates a bell shape, but is not rotationally symmetrical. It is also not mandatory that the expansion section 36 Completely closed in the circumferential direction is executed. For example, this can be slotted. In such cases, the sonotrode body can have at least one mass balance region, by means of which, despite a deviation from the rotational symmetry, a uniform radial-resonant oscillation of the effective range of the sonotrode can be achieved and excited with sufficient or good efficiency.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2058109 A1 [0005]EP 2058109 A1 [0005]
  • DE 1020152018 A1 [0008]DE 1020152018 A1 [0008]
  • EP 1930148 A1 [0009]EP 1930148 A1 [0009]
  • US 2011/0042014 [0013]US 2011/0042014 [0013]

Claims (32)

Ultraschallbearbeitungseinrichtung, umfassend - wenigstens eine einen Ultraschall-Konverter (14) und eine Sonotrode (19) aufweisende Ultraschall-Bearbeitungseinheit (11), wobei die Sonotrode (19) einen sich längs einer Achse (A) erstreckenden Sonotrodenkörper (19) mit einem Wirkbereich (44) an einem axialen Ende aufweist, der von einer axial gerichteten Endfläche oder/und von von dem Sonotrodenkörper vorstehenden, vorzugsweise axial gerichteten Wirkelementen (20) gebildet ist; - wenigstens eine Ambosseinheit (26) zum Positionieren und Abstützen wenigstens eines mittels der Ultraschall-Bearbeitungseinheit zu bearbeitenden Werkstücks (22, 24); - eine Zustellanordung, mittels der die Ultraschall-Bearbeitungseinheit und die Ambosseinheit (26) entlang wenigstens eines Zustellwegs relativ zueinander bewegbar und der Wirkbereich (44) der Sonotrode und das zu bearbeitende Werkstück (22, 24) in Bearbeitungseingriff bringbar sind, wobei mittels der Zustellanordnung (54) im Bearbeitungseingriff des Wirkbereichs mit dem Werkstück (22, 24) Andruckkräfte (28) zwischen dem Wirkbereich der Sonotrode und dem zu bearbeitenden Werkstück ausübbar sind; dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode eine radial-resonante Sonotrode ist, bei der aus einer von dem Ultraschall-Konverter (14) eingeleiteten Ultraschall-Longitudinalschwingung eine Ultraschall-Radialschwingung zumindest in einem den Wirkbereich (44) aufweisenden Endbereich der Sonotrode resultiert. Ultrasonic processing device, comprising - at least one ultrasound processing unit (11) having an ultrasound converter (14) and a sonotrode (19), the sonotrode (19) having a sonotrode body (19) with an effective region (19) extending along an axis (A) 44) at an axial end formed by an axially directed end surface and / or by the sonotrode body projecting, preferably axially directed active elements (20); at least one anvil unit (26) for positioning and supporting at least one workpiece (22, 24) to be machined by means of the ultrasonic processing unit; - A Zustellanordung, by means of which the ultrasonic processing unit and the anvil unit (26) along at least one feed path relative to each other movable and the effective region (44) of the sonotrode and the workpiece to be machined (22, 24) can be brought into machining engagement, wherein by means of the feed arrangement (54) contact pressure forces (28) between the effective range of the sonotrode and the workpiece to be machined in the machining engagement of the effective range with the workpiece (22, 24) are exercisable; characterized in that the sonotrode is a radially-resonant sonotrode, in which from an ultrasound converter (14) initiated ultrasonic longitudinal vibration an ultrasonic radial vibration at least in an effective range (44) having end portion of the sonotrode results. Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonotrodenkörper der Sonotrode (19) einen den Wirkbereich aufweisenden Aufweitungsabschnitt (36) mit einer in axialer Richtung offenen Aussparung (48) aufweist.Ultrasonic processing device after Claim 1 , characterized in that the sonotrode body of the sonotrode (19) has a widening portion (36) having the effective region with a recess (48) which is open in the axial direction. Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitungsabschnitt (36) in Umfangsrichtung geschlossen ist.Ultrasonic processing device after Claim 2 , characterized in that the widening portion (36) is closed in the circumferential direction. Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitungsabschnitt (36) zumindest näherungsweise glockenförmig ist.Ultrasonic processing device after Claim 2 or 3 , characterized in that the widening portion (36) is at least approximately bell-shaped. Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitungsabschnitt (36) bezogen auf eine Mittelachse zumindest näherungsweise rotationssymmetrisch ausgeführt ist.Ultrasonic processing device according to one of Claims 2 . 3 or 4 , characterized in that the widening portion (36) is at least approximately rotationally symmetrical with respect to a central axis. Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitungsabschnitt (36) bezogen auf eine Mittelachse (A) von einer Rotationssymmetrie abweicht und vorzugsweise wenigsten einen eine radiale Schwingungsresonanz fördernden Massenausgleichsbereich aufweist.Ultrasonic processing device according to one of Claims 2 . 3 or 4 , characterized in that the widening portion (36) with respect to a central axis (A) deviates from a rotational symmetry and preferably has at least one of a radial vibration resonance promoting mass balance region. Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonotrodenkörper (19) einen Einleitungsabschnitt (38) aufweist, über den die vom Ultraschall-Konverter eingeleitete Ultraschall-Longitudinalschwingung in den Sonotrodenkörper (19) eingeleitet wird, wobei vorzugsweise der vorzugsweise zylindrische Einleitungsabschnitt (38) als Schaftabschnitt (40) ausgeführt ist oder vorzugsweise der Sonotrodenkörper ferner einen zwischen dem Einleitungsabschnitt (38) und dem Aufweitungsabschnitt (36) angeordneten Schaftabschnitt (40) aufweist.Ultrasonic processing device according to one of Claims 2 to 6 , characterized in that the sonotrode body (19) has an introduction section (38), via which the ultrasound converter initiated ultrasound longitudinal vibration is introduced into the sonotrode body (19), wherein preferably the preferably cylindrical inlet portion (38) as shaft portion (40 ) or, preferably, the sonotrode body further comprises a shank portion (40) disposed between the lead-in portion (38) and the widening portion (36). Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitungsabschnitt (36) eine gegenüber dem Einleitungsabschnitt (38) oder/und dem Schaftabschnitt (40) vergrößerte, vorzugsweise in axialer Richtung hin zu dem Wirkbereich (44) zunehmende Radialabmessung (46) aufweist.Ultrasonic processing device after Claim 7 , characterized in that the widening portion (36) has a relative to the introduction section (38) and / or the shaft portion (40) enlarged, preferably in the axial direction towards the effective region (44) increasing radial dimension (46). Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wanddicke einer die Aussparung (48) zumindest teilweise umschließenden Wandung des Sonotrodenkörpers in dem Bereich des Aufweitungsabschnitts (36), in welchem die Aussparung (48) ausgebildet ist, in Richtung zum Wirkbereich (44) abnimmt.Ultrasonic processing device according to one of Claims 2 to 8th , characterized in that a wall thickness of the recess (48) at least partially enclosing wall of the sonotrode body in the region of the expansion portion (36), in which the recess (48) is formed, towards the effective region (44) decreases. Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die Aussparung (48) zumindest teilweise umschließende Wandung des Sonotrodenkörpers (19) über einen erheblichen Bereich ihrer axialen Erstreckung einen im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser (50) aufweist.Ultrasonic processing device according to one of Claims 2 to 9 , characterized in that the recess (48) at least partially enclosing wall of the sonotrode body (19) over a substantial portion of its axial extent has a substantially constant inner diameter (50). Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die von dem Sonotrodenkörper (19) vorstehenden Wirkelemente (20) in axialer Richtung verjüngen.Ultrasonic processing device according to one of Claims 1 to 10 , characterized in that the active elements (20) projecting from the sonotrode body (19) are tapered in the axial direction. Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkelemente (20) eine im Querschnitt trapezförmige Gestalt, vorzugsweise die Gestalt eines Kegelstumpfs aufweisen.Ultrasonic processing device according to one of Claims 1 to 11 , characterized in that the active elements (20) have a trapezoidal cross-sectional shape, preferably the shape of a truncated cone. Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (19) mit einer Positionierungsanordnung (56) innerhalb des Aufweitungsabschnitts (36) zur relativen Positionierung des zu bearbeitenden Werkstücks (22) und der Sonotrode (19) in Bezug auf wenigstens eine relative Bewegungsrichtung ausgeführt ist.Ultrasonic processing device according to one of Claims 2 to 12 characterized in that the sonotrode (19) is provided with a positioning assembly (56) within the widening portion (36) for relative positioning of the workpiece (22) to be machined and the sonotrode (19) in FIG Reference is made to at least one relative direction of movement. Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsanordnung (56) ein axial vorstehendes, vorzugsweise als Positionierungsdorn (56) ausgeführtes Positionierungselement zur relativen Positionierung des Werkstücks (22) und der Sonotrode (19) zumindest in radialer Richtung aufweist.Ultrasonic processing device after Claim 13 , characterized in that the positioning arrangement (56) has an axially projecting, preferably as positioning mandrel (56) executed positioning element for relative positioning of the workpiece (22) and the sonotrode (19) at least in the radial direction. Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsanordnung (56) wenigstens ein gegenüber dem Positionierungselement (56) radial versetztes weiteres Positionierungselement zur relativen Positionierung des Werkstücks (22) und der Sonotrode (19) in Verdrehrichtung aufweist.Ultrasonic processing device after Claim 14 , characterized in that the positioning arrangement (56) has at least one relative to the positioning element (56) radially offset further positioning element for relative positioning of the workpiece (22) and the sonotrode (19) in the direction of rotation. Radial-resonante Sonotrode für eine Ultraschallbearbeitungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen sich längs einer Achse (A) erstreckenden Sonotrodenkörper (19) mit einem Wirkbereich (44) an einem axialen Ende aufweist, der von einer axial gerichteten Endfläche oder/und von von dem Sonotrodenkörper vorstehenden, vorzugsweise axial gerichteten Wirkelementen (20) gebildet ist.A radial resonant sonotrode for an ultrasonic processing apparatus as claimed in any one of the preceding claims, comprising a sonotrode body (19) extending along an axis (A) having an effective area (44) at an axial end extending from an axially directed end surface and / or from the sonotrode body protruding, preferably axially directed active elements (20) is formed. Radial-resonante Sonotrode (19) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonotrodenkörper (19) derart ausgeführt ist, dass aus einer an einem Einleitungsabschnitt (38) von einem Ultraschall-Konverter (14) eingeleiteten Ultraschall-Longitudinalschwingung eine Ultraschall-Radialschwingung zumindest in einem den Wirkbereich (44) aufweisenden Endbereich des Sonotrodenkörpers resultiert.Radial-resonant sonotrode (19) after Claim 16 , characterized in that the sonotrode body (19) is designed such that from a at an introduction section (38) of an ultrasonic converter (14) initiated ultrasonic longitudinal vibration an ultrasonic radial vibration at least in one of the effective range (44) having end portion of the Sonotrode body results. Radial-resonante Sonotrode (19) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonotrodenkörper der Sonotrode (19) einen den Wirkbereich (44) aufweisenden Aufweitungsabschnitt (36) mit einer in axialer Richtung offenen Aussparung (48) aufweist.Radial-resonant sonotrode (19) after Claim 16 or 17 , characterized in that the sonotrode body of the sonotrode (19) has a widening portion (36) having the active region (44) with a recess (48) which is open in the axial direction. Radial-resonante Sonotrode (19) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitungsabschnitt (36) in Umfangsrichtung geschlossen ist.Radial-resonant sonotrode (19) after Claim 18 , characterized in that the widening portion (36) is closed in the circumferential direction. Radial-resonante Sonotrode (19) nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitungsabschnitt (36) zumindest näherungsweise glockenförmig ist.Radial-resonant sonotrode (19) after Claim 18 or 19 , characterized in that the widening portion (36) is at least approximately bell-shaped. Radial-resonante Sonotrode (19) nach Anspruch 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitungsabschnitt (36) bezogen auf eine Mittelachse (A) zumindest näherungsweise rotationssymmetrisch ausgeführt ist.Radial-resonant sonotrode (19) after Claim 18 . 19 or 20 , characterized in that the widening portion (36) with respect to a central axis (A) is at least approximately rotationally symmetrical. Radial-resonante Sonotrode (19) nach Anspruch 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitungsabschnitt (36) bezogen auf eine Mittelachse (A) von einer Rotationssymmetrie abweicht und vorzugsweise wenigsten einen eine radiale Schwingungsresonanz fördernden Massenausgleichsbereich aufweist.Radial-resonant sonotrode (19) after Claim 18 . 19 or 20 , characterized in that the widening portion (36) with respect to a central axis (A) deviates from a rotational symmetry and preferably has at least one of a radial vibration resonance promoting mass balance region. Radial-resonante Sonotrode (19) nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der vorzugsweise zylindrische Einleitungsabschnitt (38) als Schaftabschnitt (40) ausgeführt ist oder vorzugsweise der Sonotrodenkörper (19) ferner einen zwischen dem Einleitungsabschnitt (38) und dem Aufweitungsabschnitt (36) angeordneten Schaftabschnitt (40) aufweist.Radial-resonant sonotrode (19) after one of Claims 18 to 22 , characterized in that the preferably cylindrical introduction section (38) is designed as a shaft section (40) or preferably the sonotrode body (19) further comprises a shaft section (40) arranged between the introduction section (38) and the expansion section (36). Radial-resonante Sonotrode (19) nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufweitungsabschnitt (36) eine gegenüber dem Einleitungsabschnitt (38) oder/und dem Schaftabschnitt (40) vergrößerte, vorzugsweise in axialer Richtung hin zu dem Wirkbereich (44) zunehmende Radialabmessung (46) aufweist.Radial-resonant sonotrode (19) after Claim 23 , characterized in that the widening portion (36) has a relative to the introduction section (38) and / or the shaft portion (40) enlarged, preferably in the axial direction towards the effective region (44) increasing radial dimension (46). Radial-resonante Sonotrode (19) nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wanddicke einer die Aussparung (48) zumindest teilweise umschließenden Wandung des Sonotrodenkörpers (19) in dem Bereich des Aufweitungsabschnitts (36), in welchem die Aussparung (48) ausgebildet ist, in Richtung zum Wirkbereich (44) abnimmt.Radial-resonant sonotrode (19) after one of Claims 18 to 24 , characterized in that a wall thickness of the recess (48) at least partially enclosing wall of the sonotrode body (19) in the region of the expansion portion (36), in which the recess (48) is formed, towards the effective region (44) decreases. Radial-resonante Sonotrode nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die die Aussparung (48) zumindest teilweise umschließende Wandung des Sonotrodenkörpers (19) über einen erheblichen Bereich ihrer axialen Erstreckung einen im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser (50) aufweist.Radial-resonant sonotrode after one of Claims 18 to 25 , characterized in that the recess (48) at least partially enclosing wall of the sonotrode body (19) over a substantial portion of its axial extent has a substantially constant inner diameter (50). Radial-resonante Sonotrode (19) nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wirkelemente (20) in axialer Richtung verjüngen.Radial-resonant sonotrode (19) after one of Claims 16 to 26 , characterized in that the active elements (20) taper in the axial direction. Radial-resonante Sonotrode (19) nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkelemente (20) eine im Querschnitt trapezförmige Gestalt, vorzugsweise die Gestalt eines Kegelstumpfs aufweisen.Radial-resonant sonotrode (19) after one of Claims 16 to 27 , characterized in that the active elements (20) have a trapezoidal cross-sectional shape, preferably the shape of a truncated cone. Radial-resonante Sonotrode (19) nach einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einer Positionierungsanordnung (56) innerhalb des Aufweitungsabschnitts (36) zur relativen Positionierung zu dem zu bearbeitenden Werkstücks (22) in Bezug auf wenigstens eine relative Bewegungsrichtung ausgeführt ist.Radial-resonant sonotrode (19) after one of Claims 16 to 28 , characterized in that it is provided with a positioning arrangement (56) within the widening portion (36) for relative positioning to the workpiece to be machined (22) with respect to at least one relative direction of movement is performed. Radial-resonante Sonotrode (19) nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsanordnung (56) ein axial vorstehendes, vorzugsweise als Positionierungsdorn (56) ausgeführtes Positionierungselement zur relativen Positionierung des Werkstücks (22) und der Sonotrode (19) zumindest in radialer Richtung aufweist.Radial-resonant sonotrode (19) after Claim 29 , characterized in that the positioning arrangement (56) has an axially projecting, preferably as positioning mandrel (56) executed positioning element for relative positioning of the workpiece (22) and the sonotrode (19) at least in the radial direction. Radial-resonante Sonotrode (19) nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsanordnung (56) wenigstens ein gegenüber dem Positionierungselement (56) radial versetztes weiteres Positionierungselement zur relativen Positionierung des Werkstücks (22) und der Sonotrode (19) in Verdrehrichtung aufweist.Radial-resonant sonotrode (19) after Claim 30 , characterized in that the positioning arrangement (56) has at least one relative to the positioning element (56) radially offset further positioning element for relative positioning of the workpiece (22) and the sonotrode (19) in the direction of rotation. Radial-resonante Sonotrode (19) nach einem der Ansprüche 16 bis 31, mit den sich auf die Sonotrode (19) beziehenden Merkmalen wenigstens einer der Ansprüche 2 bis 15.Radial-resonant sonotrode (19) after one of Claims 16 to 31 , with the characteristics relating to the sonotrode (19) of at least one of the Claims 2 to 15 ,
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