DE2343605C3 - Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen mit einem Wandler, einem Amplitudentransformator und einer Sonotrode, die hintereinander angeordnet und jeweils auf die halbe Wellenlänge der Wandlerfrequenz abgestimmt sind.

Eine derartige Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen ist beispielsweise in der US-PS 48 298 beschrieben, nach der es aber unvorteilhaft ist, wenn das Ende des Werkzeugs bzw. eine Längsabmessung der Sonotrode größer als das Ende des Übertragungsstückes ist, an dem das Werkzeug befestigt ist.

Bei der in der US-PS 31 13 225 beschriebenen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen wird die zulässige Abmessung des Werkzeugs bzw. der Sonotrode quer zur Längsachse des Schallgebers auf ein Drittel der Wellenlänge der Schwingung begrenzt. Aus der dort beschriebenen Vorrichtung ist eine schaufeiförmige Sonotrode bekannt, die von mehreren Gebern beaufschlagt ist. Zur Vermeidung störender Überlagerung der Schwingungsfelder der einzelnen Geber ist dort die Sonotrode mit Längsschlitzen versehen, wobei der Abstand der einzelnen Geber voneinander kleiner als ein Drittel der auftretenden Wellenlänge ist.

Aus der US-PS 29 56 538 ist ferner eine Anordnung zur Unterdrückung von Radial- und Transversalschwingungen einer von einer Sonotrode beaufschlagten Membran bekannt, bei der zur Unterdrückung der Radialschwingungen Dämpfungskörper an den Knotenstellen der Transversalschwingung angebracht werden, die einer Fortsetzung der Schwingung entgegenwirken sollen. Das Dämpfungsglied wirkt dort somit in gleicher Weise wie eine feste Einspannung an dieser Stelle, wobei die Anordnung ier Dämpfungskörper von der Wellenlänge abhängig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen die bei Werkzeugen mit größeren Abmessungen auftretenden parasitären Schwingungen zu unterdrücken und damit eine Verwendung von Sonotroden großer Abmessungen zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bezeichneten Art so auszubilden, daß auf der Sonotrode an Stellen erhöhter Dämpfung mechanische Schwinger angebracht sind, die auf die halbe Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches davon abgestimmt sind.

In weiterer Ausbildung der Erfindung bestehen die mechanischen Schwinger aus in der Mittelebene der beiden an den Enden der Sonotrode gelegenen Dämpfungsbereiche angeordneten Stäben.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die mechanischen Schwinger eine zylindrische, konische, exponentielle oder cathenoidale Form aufweisen.

Zweckmäßigerweise best "ien die Schwinger der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus Titan oder Duraluminium.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schwinger der erfindungsgemäßen Vorrichtung an der Sonotrode durch ein Schraubengewinde, durch Schweißen oder Kleben befestigt sind.

In weiterer Ausbildung der Erfindung werden zylindrische, schaufeiförmige, dreieckige oder rechtekkige Sonotroden verwendet.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß eine parallele Wellenfront gleicher Amplitude bzw. Energiedichte auch bei Sonotroden mit Abmessungen erzeugt werden kann, die eine Halbwellenlänge überschreiten.

Insbesondere läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verarbeitung oder Verschweißung von thermoplastischen Materialien verwenden. Die Anbringungsstellen der Schwinger werden dabei empirisch bestimmt. Beispielsweise treten bei e.i er Sonotrode mit einer Länge von 400 mm zwei Dämpfungsbereiche jeweils 120 mm von den Enden der Sonotrode entfernt auf, während bei einer Sonotrode mit 600 mm Länge die beiden Dämpfungsbereiche jeweils 200 mm von den Enden der Sonotrode entfernt liegen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen soll im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen und an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Die Zeichnungen zeigen in

F i g. 1 eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen,

F i g. 2 und 3 eine Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht einer schaufeiförmigen Sonotrode,

F i g. 4 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen und in

Fig.5 eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. 5.

In F i g. 1 ist eine bekannte Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen dargestellt und weist einen in bekannter Weise arbeitenden magneto- oder elektrostriktiven Halbwellensender 1, einen mit der

Frequenz des Senders 1 arbeitenden und an den Sender in geeigneter Weise, beispielsweise durch ein Schraubengewinde angeschlossenen Halbwellenverstärker 2 sowie eine mit halber Longitudinalwellenlänge arbeitende, auf die Senderfrequenz abgestimmte Sonotrode 3 als Vibrationswerkzeug auf, die t.m Verstärker 2 in geeigneter Weise, beispielsweise mit einem Schraubengewinde 4, befestigt ist

Diese Anordnung bildet ein schwingfähiges System von aus drei halben Longitudinalwcllen bestehenden stehenden Wellen, wobei die Anordnung mit der norm ilen Senderfrequenz schwingt

Eine derartige Anordnung funktioniert jedoch nur dann, wenn Sonotroden verwendet werden, deren Durchmesser nicht die Abmessungen der halben Longitudinaiwelle überschreiten. Zur Erläuterung soll im folgenden von einem mit einer Frequenz von 20 kHz arbeitenden Schweißkopf und einer aus Duraluminium bestehenden Sonotrode ausgegangen werden.

in Duraluminium liegt die HalbwHIenlänge bei einer Frequenz von 2OkHz in der Größenordnung von 124 mm. Ein Schweißkopf der oben angegebenen Art kann normalerweise nur an Sonotroden mit einem Durchmesser unterhalb 124 mm arbeiten. Oberhalb dieser Abmessungen treten parasitäre Schwingungen in Form von radialen Schwingungen und Biegeschwingungen auf, so daß Sonotroden mit einem Durchmesser von mehr als 130 mm kaum in Betracht gezogen werden können.

Dieser Effekt wird bei einer in F i g. 2 und 3 dargestellten schaufeiförmigen Sonotrode besonders deutlich. Befestigt man beispielsweise am Kopf einer mit einer Frequenz von 20 kHz arbeitenden Schweißmaschine eine aus Duraluminium bestehende schaufeiförmige Sonotrode 5 mit einer halben Wellenlänge von 124 mm, während ihre seitlichen Abmessungen beispielsweise bei 50 mm χ 500 mm liegen, so stellt man fest, daß sich beim Schwingen der Anordnung eine Schwingung ungefähr im Bereich von 200 mm in der Nähe der Achse des mechanischen Verstärkers ergibt, während an den beiden Enden der Sonotrode beiderseits der begünstigten Mittelzone von 200 mm eine erhebliche Dämpfung feststellbar ist.

Wird die Sonotrode beispielsweise durch Anlegen an ein zu schweißendes Werkstück aus Kunststoff belastet, so zeigt sich in der Mittelzone eine gute Energieübertragung und eine fast vollständige Dämpfung an den Enden.

Bei den an Hand der Fig.4 und 5 beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen sind die Dämpfungseffekte bei Sonotroden mit großen Abmessungen beseitigt Bei diesen Ausführungsformen wird von einer an Hand der Fig.2 und 3 beschriebenen schaufeiförmigen Sonotrode 5 von 500 mm Länge ausgegangen, die an einen mechanischen Verstärker 2

angeschlossen ist, der seinerseits mit einem Sender oder Schallgeber 1 beispielsweise über Schraubengewinde 4, 6 verbunden ist

An der Sonotrode 5 werden zwei mit der gleichen Frequenz, beispielsweise mit einer Frequenz von 20 kHz, wie der Sender und die Sonotrode arbeitende Halbwellenlängenstäbe 7 und 8 befestigt Die beiden Stäbe 7 und 8 sind vorzugsweise in der Miltelebene der beiden an den Enden der Sonotrode gelegenen Dämpfungsbereiche angeordnet.

Wird die zuletzt beschriebene Anordnung in Schwingungen versetzt so kann man folgendes beobachten:
ein gleichmäßiges Schwingen der gesamten aktiven Oberfläche der Sonotrode,
keine durch Biege- oder Radialwellen hervorgerufene parasitäre Schwingungen,
eine totale Verminderung des mechanischen Widerstandes der aus Sender, Verstärker und mit den Stäben versehenen Sonotrode bestehenden Anordnung und

eine gleichmäßige Aktivität der gesamten Sonotrodenoberfläche bei Belastung der Sonotrode, beispielsweise durch Anlegen eines zu schweißenden Kunststoffwerkstückes.

Die Stäbe haben somit die Wirkung mechanischer Schwinger.

Sie können an Sonotroden unabhängig von deren Form verwendet werden, d. h. zylindrisch, schaufeiförmig oder dreieckig oder in Form eines ebenen oder »hohlen« Rechtecks od. dgl.

Die verwendeten Schwinger können verschiedene Formen aufweisen:

eine einfache Zylinderform von halber Wellenlänge.

die Form eines Doppelzylinders wie bei einem herkömmlichen Verstärker oder
eine konische, exponentiell, cathenoidale oder sonstige Form.

Die Zahl der mechanischen Schwinger ist nicht auf zwei beschränkt; es können z. B. drei oder vier, gegebenenfalls auch mehr Stäbe an einer zylindrischen Sonotrode, je nach deren Größe, verwendet werden.

Die für die Hersteilung der mechanischen Schwinger verwendeten Materialien können beliebig gewählt werden, vorausgesetzt, daß sie sich für die Anwendung von Ultraschall eignen. Besonders gut lassen sich Titan oder Duraluminium verwenden.

Die Stäbe können durch geeignete Mittel befestigt werden, beispielsweise mittels eines aus einem Einsteckbzw. Aufnahmeteil bestehenden Schraubengewindes oder durch Schweißen oder Kleben.

Die mechanischen Filter können, wie vorstehend erwähnt, halbe Wellenlänge oder ganzzahlige Vielfache von halben Wellenlängen aufweisen, wobei die Wirkung im wesentlichen die gleiche ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschallwellen mit einem Wandler, einem Amplitudentransfer mator und einer Sonotrode, die hintereinander angeordnet und jeweils auf die halbe Wellenlänge der Wandlerfrequenz abgestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Sonotrode (5) an Stellen erhöhter Dämpfung mechanische Schwinger (7,8) angebracht sind, die auf die halbe Wellenlänge oder ein ganzzahliges Vielfaches davon abgestimmt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Schwinger (7,8) aus in der Mittelebene der beiden an den Enden der Sonotrode (5) gelegenen Dämpfungsbereiche angeordneten Stäben bestehen.

X Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die mechanischen Schwinger (7,8) eine zylindrische, konische, exponentielle oder cathenoidale Form aufweisen.

4. Vorrichtung nach einem dem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger (7, 8) aus Titan oder Duraluminium bestehen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger (7, 8) an der Sonotrode (5) durch ein Schraubengewinde (4, 6), durch Schweißen oder Kleben befestigt sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zylindrische, schaufeiförmige, dreieckige oder rechteckige Sonotroden (5) verwendet werden.