Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
DEVICE FOR WELDING COMPONENTS BY MEANS OF ULTRASOUND
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/001255
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to devices (10') for welding components by means of ultrasound. The device (10') comprises a sonotrode (11') having a sonotrode head (12'), which can be excited by a vibration generator to produce torsion vibrations with respect to a torsion axis (T), wherein at least one welding surface (14') is arranged on the peripheral side on the sonotrode head (12') with respect to the torsion axis (T). The device (10') also comprises a support device (15') which supports the sonotrode head (11') in a support area (16') which contains a vibration node of the sonotrode head (12'). Said support area (16') and the welding surface (14') at least partially extend on a common plane (E) which extends perpendicular to the torsion axis (T). The invention also relates to a device (10') for welding components by means of ultrasound, in which the sonotrode (11') comprises a borehole (17') which penetrates the support area (16') essentially perpendicular to the torsion axis (T), and the support device (15') contains a support bolt (18') extending through the borehole (17'), said support bolt supporting the sonotrode (11') in the support area (16') in the borehole (17'). The invention further relates to a device (10''; 10''') for welding components by means of ultrasound using a temperature control device.

Inventors:
SOLENTHALER, Peter (Rebenbühlstrasse 12, 9543 St. Margarethen, 9543, CH)
HÜNIG, Thomas (Goethestrasse 14, Grosswallstadt, 63868, DE)
Application Number:
EP2016/064360
Publication Date:
January 05, 2017
Filing Date:
June 22, 2016
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
TELSONIC HOLDING AG (Industriestrasse 6b, 9552 Bronschhofen, 9552, CH)
International Classes:
B23K20/10; B06B3/00; B29C65/08
Attorney, Agent or Firm:
BALLIEL-ZAKOWICZ, Stephan et al. (Hepp Wenger Ryffel AG, Friedtalweg 5, 9500 Wil, 9500, CH)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung (10; 10'; 10'') zum Verschweissen von Bauteilen mittels Ultraschalls, umfassend

- eine Sonotrode (11; 11'; 11'') mit einem Sonotro- denkopf (12; 12'; 12''), welcher von einem Schwingungserzeuger zu Torsionsschwingungen bezüglich einer Torsionsachse (T) anregbar ist, wobei am Sonotro¬ denkopf (12; 12'; 12'') bezüglich der Torsionsachse (T) umfangsseitig wenigstens eine Schweissflä- che (14; 14'; 14'') angeordnet ist,

- eine Abstützeinrichtung (15; 15'; 15''), welche den Sonotrodenkopf (11; 11'; 11'') in einem Abstützbe¬ reich (16; 16'; 16'') abstützt, der einen Schwingungs¬ knoten des Sonotrodenkopfs (12; 12'; 12'') enthält, dadurch gekennzeichnet, dass

der Abstützbereich (16; 16'; 16'') und die Schweissflä- che (14; 14'; 14'') zumindest teilweise in einer gemeinsa¬ men Ebene (E) verlaufen, die sich senkrecht zur Torsions¬ achse (T) erstreckt. 2. Vorrichtung (10; 10'; 10'') gemäss Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Abstützbereich (16; 16'; 16'') nur einen bezüglich der Torsionsachse (T) inneren Bereich des Sonotrodenkopfs (12; 12'; 12") bildet. 3. Vorrichtung (10; 10'; 10''; 10''') zum Verschweissen von

Bauteilen mittels Ultraschalls, umfassend

- eine Sonotrode (11; 11'; 11''; 11''') mit einem Sono¬ trodenkopf (12; 12'; 12''; 12'''), welcher von einem Schwingungserzeuger zu Torsionsschwingungen bezüglich einer Torsionsachse (T) anregbar ist,

- eine Abstützeinrichtung (15; 15'; 15''; 15'''), welche den Sonotrodenkopf (11; 11'; 11''; 11''') in einem Ab¬ stützbereich (16; 16'; 16''; 16''') abstützt, der ei¬ nen Schwingungsknoten des Sonotrodenkopfs (12; 12'; 12"; 12"') enthält, insbesondere Vorrichtung gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Sonotrode (11; 11'; 11"; 11'") eine Bohrung (17; 17'; 17"; 17'") aufweist, welche den Abstützbereich (16; 16'; 16"; 16'") im Wesentlichen senkrecht zur Torsionsachse (T) durchdringt, und die Abstützeinrichtung (15; 15'; 15"; 15"') einen durch die Bohrung (17; 17'; 17"; 17"') verlaufenden Stützbolzen (18; 18'; 18"; 18'") enthält, welcher die Sonotrode (11; 11'; 11", 11'") im Abstützbe¬ reich (16; 16'; 16"; 16"') in der Bohrung (17; 17'; 17"; 17'") abstützt.

Vorrichtung (10; 10'; 10"; 10'") gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

der Stützbolzen (18; 18'; 18"; 18"') die Sonotrode (11; 11'; 11"; 11"') im Abstützbereich (16; 16'; 16"; 16"') in der Bohrung (17; 17'; 17"; 17'") durch Übergangspassung, Schrumpfen oder Einpressen abstützt.

Vorrichtung (10; 10'; 10"; 10'") gemäss einem der Ansprü¬ che 3 und 4,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Stützbolzen (18; 18'; 18"; 18'") die Torsionsachse (T) schneidet.

6. Vorrichtung (10; 10'; 10'') gemäss einem der Ansprüche 3 bis 5 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

sich die Bohrung (17; 17'; 17'') in Richtung des Abstützbe- reichs (16; 16'; 16'') verjüngt.

7. Vorrichtung (10; 10'; 10'') gemäss einem der Ansprüche 3 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

sich der Stützbolzen (18; 18'; 18'') in Richtung eines mittleren Bereichs (24; 24'; 24'') erweitert, in dem der

Stützbolzen (18; 18'; 18'') den Sonotrodenkopf (11; 11'; 11") abstützt.

8. Vorrichtung (10; 10', 10") gemäss einem der Ansprüche 3 bis 7 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Länge des Abstützbereichs (16; 16'; 16") entlang des Stützbolzens (18; 18'; 18") zwischen 10 % und 30 %, bevor¬ zugt zwischen 20 % und 25 % der Ausdehnung des Sono¬ trodenkopfs (12; 12'; 12") entlang des Stützbolzens (18; 18'; 18") beträgt.

9. Vorrichtung (10; 10'; 10") gemäss einem der Ansprüche 3 bis 8 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Stützbolzen (18; 18'; 18") zwei gegenüberliegenden En- den (20; 20'; 20") aufweist, die in jeweils einer Lager¬ öffnung (29; 29'; 29") aufgenommen sind.

10. Vorrichtung (10; 10'; 10") gemäss Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

sie einen insbesondere einstückigen Lagerblock (23; 26'; 26") enthält, welcher die beiden Lageröffnungen (29; 29';

29") zumindest teilweise bildet. Vorrichtung (10; 10'; 10'') gemäss Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, dass

sie eine Druckvorrichtung zur Erzeugung von im Wesentlichen senkrecht zur Torsionsachse (T) wirkenden Kräften (K) auf den Lagerblock (23; 26'; 26'') enthält, wodurch die

Schweissfläche (14; 14'; 14'') an ein mit einem zweiten Bauteil zu verbindendes erstes Bauteil andrückbar ist.

Vorrichtung (10''; 10''') zum Verschweissen von Bauteilen mittels Ultraschalls, umfassend

- eine Sonotrode (11''; 11''') mit einem Sonotroden- kopf (12''; 12'''), welcher von einem Schwingungserzeuger zu Schwingungen anregbar ist,

- eine Abstützeinrichtung (15''; 15'''), welche den So- notrodenkopf (11''; 11''') in einem Abstützbe¬ reich (16''; 16''') abstützt, der einen Schwingungs¬ knoten des Sonotrodenkopfs (12''; 12''') enthält, insbesondere Vorrichtung (10''; 10''') gemäss einem voran¬ gehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Abstützeinrichtung (15''; 15''') eine Temperiereinrichtung zur Temperierung, insbesondere zum Kühlen oder zum Heizen, des Sonotrodenkopfs (12'', 12''') aufweist, wobei die Temperiereinrichtung mindestens eine durch die Abstützeinrichtung (15''; 15''') geführte Temperierzuführung für ein Temperiermedium und mindestens ein mit der Temperierzu¬ führung wirkverbundenes Temperierelement enthält, welches bevorzugt im Bereich einer Schweissfläche (14''; 14''') des Sonotrodenkopfs (12'', 12''') angeordnet ist.

Vorrichtung (10''; 10''') gemäss Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierzuführung mindestens einen Zuführkanal (31''; 31''') enthält, durch den ein Temperierfluid in den Sono- trodenkopf (12'', 12''') einführbar oder aus dem Sonotro- denkopf (12'', 12''') ausführbar ist, und das Temperierele¬ ment mindestens einen Temperierkanal für das Temperierfluid enthält, welcher mit dem Zuführkanal (31''; 31''') fluid- verbunden ist.

Vorrichtung (10''; 10''') gemäss einem der Ansprüche 12 und 13,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Sonotrode (11''; 11''') eine Bohrung (17''; 17''') auf¬ weist, welche den Abstützbereich (16''; 16''') durchdringt, und die Abstützeinrichtung (15''; 15''') einen durch die Bohrung (17''; 17''') verlaufenden Stützbolzen (18'';

18''') enthält, welcher die Sonotrode (11'', 11''') im Ab¬ stützbereich (16''; 16''') in der Bohrung (17''; 17''') abstützt, und

der Stützbolzen (18''; 18''') den Zuführkanal (31''; 31''') aufweist und der Zuführkanal (31''; 31''') an Öffnun¬ gen (32'', 33'') ausmündet, die an gegenüberliegenden Enden (20''; 20''') des Stützbolzens (18''; 18''') angeordnet sind .

Vorrichtung (10; 10'; 10'') gemäss einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Sonotrodenkopf (12; 12'; 12'') von einem Schwingungserzeuger zu Torsionsschwingungen bezüglich einer Torsionsachse (T) anregbar ist und der Sonotrodenkopf (12; 12'; 12'') mindestens einen, bevorzugt mehrere bezüglich der Torsions¬ achse (T) radiale Vorsprünge (22; 22'; 22'') aufweist, an deren Enden jeweils eine Schweissfläche (14; 14'; 14'') ge¬ bildet ist. Vorrichtung (10; 10', 10'') gemäss einem der Ansprüche 3 bis 15,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Sonotrodenkopf (12; 12'; 12'') von einem Schwingungser zeuger zu Torsionsschwingungen bezüglich einer Torsionsach se (T) anregbar ist und der Sonotrodenkopf (12; 12'; 12'') genau zwei bezüglich der Torsionsachse (T) radiale und ei¬ nander gegenüberliegende Vorsprünge (22; 22'; 22'') auf¬ weist, an deren Enden jeweils eine Schweissfläche (14; 14' 14'') gebildet ist, wobei der Stützbolzen (18; 18'; 18'') im Wesentlichen senkrecht zu einer Verbindungslinie (V) verläuft, die die beiden Schweissflächen (14; 14'; 14'') miteinander verbindet.

Description:
Vorrichtung zum Verschweissen von Bauteilen mittels Ultraschalls

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Verschweis ¬ sen von Bauteilen mittels Ultraschalls mit einer Abstützeinrichtung zum Abstützen eines Sonotrodenköpfs gemäss den Oberbegrif- fen der unabhängigen Patentansprüche.

Bekannte Abstützeinrichtungen für Sonotrodenköpfe werden an einer Stelle mit minimaler Amplitude angebracht (sogenannte Null- punktabstützung) . Hierdurch kann erreicht werden, dass über die Abstützeinrichtung möglichst wenig Ultraschallenergie ausgekop- pelt wird, die für den eigentlichen Schweissvorgang zur Verfügung gestellt werden soll. Auch ein ungewollter Temperaturanstieg an der Abstützeinrichtung kann hierdurch vermieden werden.

So offenbart die US 3,184,841 beispielsweise eine Torsionssono- trode, die mit Hilfe von Ultraschallwandlern zu Torsionsschwin- gungen angeregt werden kann. Die Arbeitsfläche der ringförmigen Schweissspitze verläuft senkrecht zur Torsionsachse. Die Sono- trode wird an einem Schwingungsknoten von einer Masse abgestützt .

Die WO 02/061895 AI befasst sich mit dem Verbinden von elektri- sehen Leitern, was beispielsweise mit Torsionssonotroden oder

Längsschwingern erreicht werden kann. Der Längsschwinger kann in einem Schwingungsknoten gelagert werden.

In der EP 2 261 008 AI sind weitere Vorrichtungen und Verfahren zur Ultraschallbehandlung offenbart. Eine Sonotrode wird zu tor- sionalen Ultraschallschwingungen angeregt. Sie weist einen

Schlitz auf, in den ein Eingriffsglied eines Ambosses eingeführt ist, so dass ein Schweissspalt für zwei zu verschweissende

Kunststofffolien gebildet wird. Das Eingriffsglied weist im Be ¬ reich eines Angriffsabschnitts eine Wiegekante auf, an die eine Keilfläche anschliesst. Ein entweder am Eingriffsglied oder an einem Nutboden angeordnetes Stützsegment weist eine Kegelspitze auf, die in Richtung der Torsionsachse liegt und einen Null ¬ punktkontakt bildet, der beim Schweissen nicht mitschwingt.

Die in WO 2011/138404 AI offenbarten Torsionssonotroden enthalten Vorsprünge, die im Umfangsbereich über Arbeitsflächen verfü- gen. Beidseits der Arbeitsflächen ist jeweils eine Ringfläche vorgesehen, welche bezüglich einer Wellenlänge einer Eigenschwingung der Torsionssonotrode auf einer Knotenlinie liegt. In einem Ausführungsbeispiel umgreift eine Stützvorrichtung diese Ringflächen. Druckkräfte werden mit Hilfe einer Druckeinrichtung erzeugt.

Im Ausführungsbeispiel der WO 2012/069413 AI ist ein Torsions ¬ schwinger an einer Längsposition hinter einer Sonotrode von einem Spannring umgeben, welcher ein Lager für den Torsionsschwinger bildet. Dieser Spannring ist typischerweise in einem Schwin- gungsknoten angeordnet.

All diese bekannten Abstützeinrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass die Position des Schwingungsknotens von den auf den Sonotrodenkopf einwirkenden Kräften und Drehmomenten abhängt. In aller Regel kann sich ein Schwingungsknoten um mehrere Millime- ter verschieben. Dies führt zu einer ungewollten Auskopplung der Ultraschallenergie und den damit verbundenen, bereits oben be ¬ schriebenen Nachteilen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Verschweissen von Bauteilen mittels Ultraschalls bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile nicht auf ¬ weist. Insbesondere soll eine Sonotrode der Vorrichtung also derart abgestützt werden, dass es zu keiner nennenswerten Aus ¬ kopplung der Ultraschallenergie kommt, und zwar unabhängig da ¬ von, welche Kräfte oder Drehmomente auf den Sonotrodenkopf ein- wirken. Diese und weitere Aufgaben werden gemäss einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung zum Verschweissen von Bauteilen mittels Ultraschalls, welche eine Sonotrode mit einem Sonotrodenkopf und eine Abstützeinrichtung enthält. Der Sonotro- denkopf ist von einem Schwingungserzeuger zu Torsionsschwingungen bezüglich einer Torsionsachse anregbar. Gemäss dem ersten Aspekt der Erfindung ist am Sonotrodenkopf bezüglich der Torsionsachse umfangseitig wenigstens eine Schweissfläche angeord ¬ net. Die Abstützeinrichtung stützt den Sonotrodenkopf in einem Abstützbereich ab, der einen Schwingungsknoten des Sonotrodenkopfs enthält.

Gemäss dem ersten Aspekt der Erfindung verlaufen der Abstützbereich und die Schweissfläche zumindest teilweise in einer ge ¬ meinsamen Ebene, die sich senkrecht zur Torsionsachse erstreckt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Position des

Schwingungsknotens praktisch nicht davon abhängt, welche Kräfte oder Drehmomente auf die Schweissfläche wirken. Unabhängig von diesen Kräften oder Drehmomenten entsteht also keine nennenswerte Auskoppelung der Ultraschallenergie über die Abstützeinrich- tung, so dass ein grösserer Anteil der Ultraschallenergie für den eigentlichen Zweck des Verschweissens zur Verfügung steht.

Vorteilhafterweise bildet der Abstützbereich nur einen bezüglich der Torsionsachse inneren Bereich des Sonotrodenkopfs . Da in diesem inneren Bereich die Amplitude der Torsionsschwingungen kleiner ist als in äusseren Bereichen, kann hierdurch die an der Abstützeinrichtung ausgekoppelte Ultraschallenergie nochmals re ¬ duziert werden.

Gemäss einem zweiten unabhängigen Aspekt der Erfindung ist die Vorrichtung ebenfalls zum Verschweissen von Bauteilen mittels Ultraschalls ausgelegt und umfasst eine Sonotrode mit einem

Sonotrodenkopf, welcher von einem Schwingungserzeuger zu Torsionsschwingungen bezüglich einer Torsionsachse anregbar ist, sowie eine Abstützeinrichtung, welche den Sonotrodenkopf in ei ¬ nem Abstützbereich abstützt, der einen Schwingungsknoten des Sonotrodenkopfs enthält. Gemäss dem zweiten Aspekt muss jedoch nicht zwingend eine Schweissfläche bezüglich der Torsionsachse umfangseitig am Sonotrodenkopf angeordnet sein; mindestens eine Schweissfläche kann stattdessen auch an einer zur Torsionsachse senkrechten Endfläche des Sonotrodenkopfs angeordnet sein. Ge ¬ mäss dem zweiten Aspekt müssen auch der Abstützbereich und die Schweissfläche nicht zwingend zumindest teilweise in einer ge- meinsamen Ebene verlaufen, die sich senkrecht zur Torsionsachse erstreckt .

Gemäss dem zweiten Aspekt weist die Sonotrode eine Bohrung auf, welche den Abstützbereich im Wesentlichen senkrecht zur Torsionsachse durchdringt, und die Abstützeinrichtung enthält einen durch die Bohrung verlaufenden Stützbolzen, welcher die Sonotrode im Abstützbereich in der Bohrung abstützt. Unter einer Durchdringung „im Wesentlichen senkrecht zur Torsionsachse" wird hier und im Folgenden verstanden, dass die Bohrung den Abstützbereich unter einem Winkel von 80° bis 100° durchdringt. Bevorzugt liegt der genannte Winkel im Bereich von 85° bis 95°, noch weiter be ¬ vorzugt von 89° bis 91° und ist ganz besonders bevorzugt 90°. Denn je näher dieser Winkel bei 90° liegt, desto weniger Ultra ¬ schallenergie wird ausgekoppelt. Auf diese Weise kann besonders einfach eine Abstützung nur in einem bezüglich der Torsionsachse inneren Bereich des Sonotrodenkopfs realisiert werden, wodurch die bereits oben erläuterten Vorteile erzielt werden können. Wie sich vollkommen überraschend herausgestellt hat, werden die akustischen Eigenschaften der Sonotrode durch die sie durchdringende Bohrung und durch den hierdurch verlaufenden Stützbolzen nicht nachteilig beeinflusst. Ein solcher Stützbolzen hat den

Vorteil, dass die Sonotrode präzise eingesetzt werden kann, ins ¬ besondere, wenn die Sonotrode umpositioniert oder ausgetauscht wird . Es ist denkbar und liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Sono- trode und der Stützbolzen miteinander einstückig ausgebildet sind. Vorteilhafterweise sind jedoch die Sonotrode und die Ab ¬ stützachse zwei separate Bauelemente, die zusammengefügt wurden. Der Stützbolzen kann die Sonotrode im Abstützbereich in der Bohrung beispielsweise durch Übergangspassung, Schrumpfen oder Einpressen abstützen.

Mit besonderem Vorteil schneidet der Stützbolzen die Torsions ¬ achse. Auf diese Weise kann der Stützbolzen besonders effektiv den bezüglich der Torsionsachse inneren Bereich des Sonotro- denkopfs abstützen.

Um eine Abstützung nur in einem bezüglich der Torsionsachse inneren Bereich des Sonotrodenkopfs zu ermöglichen, kann sich die Bohrung in Richtung des Abstützbereichs verjüngen. Diese Formu- lierung umfasst sowohl konische Bereiche der Bohrung als auch Ausführungsformen, bei denen die Bohrung sowohl im Abstützbereich als auch in zwei gegenüberliegenden Mündungsabschnitten, in denen die Bohrung aus der Sonotrode ausmündet, jeweils zy ¬ lindrisch sind, wobei jedoch die Bohrung im Abstützbereich einen ersten Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist als ein zweiter Innendurchmesser der Bohrung in den Mündungsabschnitten. Derartige stufenförmige Bereiche sind leichter herzustellen als konische Bereiche.

Alternativ oder zusätzlich kann sich der Stützbolzen in Richtung des Abstützbereichs erweitern. Analog umfasst diese Formulierung auch Stützbolzen mit einem mittleren Bereich mit einem ersten Aussendurchmesser und zwei Endbereichen mit zweiten Aussendurch- messern, die kleiner sind als der erste Aussendurchmesser. Je länger der Abstützbereich ist, desto stabiler ist die Abstüt- zung. Andererseits entsteht mit zunehmender Länge des Abstützbe ¬ reichs aber auch eine zunehmende und unerwünschte Dämpfung der Torsionsschwingungen. In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Länge des Abstützbereichs entlang des Stütz ¬ bolzens zwischen 10 % und 30 %, bevorzugt zwischen 20 % und 25 % der Ausdehnung des Sonotrodenkopfs entlang des Stützbolzens be ¬ trägt . In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen kann der Stützbolzen zwei gegenüberliegende Enden aufweisen, die in jeweils einer La ¬ geröffnung aufgenommen sind. Auf diese Weise können Kräfte und Drehmomente, die beim Verschweissen entstehen, auf die Lagerung übertragen werden. Jede der Lageröffnungen kann als Öffnung ei- ner jeweils einstückigen Lagerbuchse ausgebildet sein. Alterna ¬ tiv kann jede der Lageröffnungen durch zwei Lagerteile gebildet sein, beispielsweise durch einen Lagerblock und eine Klemmprat ¬ ze. Durch Lösen solcher Klemmpratzen vom Lagerblock ist der Stützbolzen besonders einfach zugänglich, beispielsweise um die Sonotrode in eine andere Position zu überführen, in der eine andere Schweissfläche zum Verschweissen eingesetzt werden kann.

Besonders vorteilhaft enthält die Vorrichtung einen insbesondere einstückigen Lagerblock, welcher die beiden genannten Lageröffnungen zumindest teilweise bildet. Ein derartiger einstückiger Lagerblock ist baulich besonders einfach. Alternativ dazu ist es aber auch denkbar und liegt ebenso im Rahmen der Erfindung, dass die beiden Lagerbuchsen nicht einstückig miteinander ausgebildet sind .

Die Vorrichtung kann weiterhin eine Druckvorrichtung zur Erzeu- gung von im Wesentlichen senkrecht zur Torsionsachse wirkenden Kräften auf den Lagerblock enthalten. Unter „im Wesentlichen senkrecht zur Torsionsachse wirkenden Kräfte" wird hier und im Folgenden verstanden, dass der Winkel zwischen Kräften und Torsionsachse im Bereich von70° bis 110°, bevorzugt von 80° bis 100°, besonders bevorzugt von 85° bis 95° liegt und ist ganz be ¬ sonders bevorzugt 90°. Auf diese Weise ist die Schweissfläche an ein mit einem zweiten Bauteil zu verbindendes erstes Bauteil an- drückbar. Aufgrund der erfindungsgemässen Abstützeinrichtung bewirken die von der Druckvorrichtung erzeugten Kräfte keine nennenswerte Verschiebung der Lage des Schwingungsknotens.

Der Stützbolzen kann als Hohlbolzen ausgebildet sein oder auch aus Vollmaterial bestehen. Ein Hohlbolzen hat den Vorteil einer besseren Schwingungsdämpfung, während ein aus einem Vollmaterial bestehender Bolzen mechanisch stabiler ist.

In einem dritten unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Verschweissen von Bauteilen mittels Ultra- schalls, die eine Sonotrode mit einem Sonotrodenkopf, welcher von einem Schwingungserzeuger zu Schwingungen anregbar ist, und eine Abstützeinrichtung umfasst, welche den Sonotrodenkopf in einem Abstützbereich abstützt, der einen Schwingungsknoten des Sonotrodenkopfs enthält.

Der Schwingungserzeuger kann zur Anregung des Sonotrodenkopfes zu Torsionsschwingungen bezüglich einer Torsionsachse ausgebildet sein. Dabei kann mindestens eine Schweissfläche bezüglich der Torsionsachse umfangsseitig und/oder mindestens eine

Schweissfläche an einer zur Torsionsachse senkrechten Endfläche angeordnet sein. Alternativ kann der Schwingungserzeuger aber auch zur Anregung des Sonotrodenkopfes zu Längsschwingungen ausgebildet sein.

In diesem dritten Aspekt der Erfindung weist die Vorrichtung eine Temperiereinrichtung zur Temperierung, insbesondere zum Kühlen oder zum Heizen, des Sonotrodenkopfs auf. Die Temperiereinrichtung enthält mindestens eine durch die Abstützeinrichtung geführte Temperierzuführung für ein Temperiermedium und mindestens ein mit der Temperierzuführung wirkverbundenes Temperierelement, welches bevorzugt im Bereich einer Schweissfläche des Sonotrodenkopfs angeordnet ist. Wie weiter unten erläutert wird, kann die Wirkverbindung beispielsweise in einer Fluidverbindung oder einer elektrischen Verbindung bestehen. Da die Temperierzuführung in der Abstützeinrichtung angeordnet ist, welche den Sonotrodenkopf in einem Abstützbereich abstützt, der einen Schwingungsknoten des Sonotrodenkopfs enthält, wird die Temperierzu- führung praktisch nicht von den Ultraschallschwingungen beeinträchtigt. Eine Kühlung des Sonotrodenkopfs im Bereich einer Schweissfläche ist besonders effektiv, da dort beim Schweissen die meiste Wärme entsteht. Auch ein Heizen des Sonotrodenkopfs im Bereich einer Schweissfläche hat sich in einigen Ausführungen als vorteilhaft erwiesen. Weiterhin hat das Temperieren der Sonotrodenkopfs den Vorteil, dass die Temperatur und damit auch die Resonanzfrequenz vergleichsweise konstant gehalten werden kann .

In einigen Ausführungsbeispielen enthält die Temperierzuführung mindestens einen Zuführkanal, durch den ein Temperierfluid in den Sonotrodenkopf einführbar oder aus dem Sonotrodenkopf aus ¬ führbar ist. In diesen Ausführungsbeispielen bildet das Tempe- rierfluid das Temperiermedium. Das Temperierfluid, insbesondere ein Kühlfluid oder ein Heizfluid, kann beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit sein, wie etwa Wasser. Der mindestens eine Zuführkanal kann an Öffnungen aus der Abstützeinrichtung ausmünden. Durch eine erste Öffnung kann das Temperierfluid eingeführt werden, und aus einer zweiten Öffnung kann es wieder ausgeführt werden. Das Temperierelement kann mindestens einen Temperierka- nal für das Temperierfluid enthalten, welcher mit dem Zuführka ¬ nal fluidverbunden ist.

Alternativ kann das Temperiermedium ein elektrischer Strom sein. Dieser kann durch eine in der Abstützeinrichtung angeordnete elektrische Leitung in den Sonotrodenkopf eingeführt wird, wobei die elektrische Leitung die Temperierzuführung bildet. Das Tem ¬ perierelement kann ein mit der elektrischen Leitung elektrisch verbundenes elektrisches Temperierelement sein. Das elektrische Temperierelement kann beispielsweise als Peltier-Element ausge ¬ bildet sein, um den Sonotrodenkopf zu kühlen oder zu heizen, und/oder als Heizdraht, um den Sonotrodenkopf zu heizen.

In einer möglichen Ausführungsform enthält die Abstützeinrich- tung einen wie oben beschriebenen Stützbolzen, der als Hohlbolzen ausgebildet ist und die Temperierzuführung mit einem darin enthaltenen Zuführkanal für ein Temperierfluid bildet. Der Zu ¬ führkanal kann beispielsweise im Hohlbolzen zentriert angeordnet und zylindrisch ausgebildet sein. Der mindestens eine Zuführka- nal kann an Öffnungen ausmünden, die an gegenüberliegenden Enden des Stützbolzens angeordnet oder auch am gleichen Ende des

Stützbolzens ausmünden können. Wenn gemäss dem ersten Aspekt der Erfindung der Abstützbereich und die Schweissfläche zumindest teilweise in einer gemeinsamen Ebene verlaufen, die sich senk- recht zur Torsionsachse erstreckt, so können der mindestens eine Zuführkanal und der Temperierkanal durch eine gemeinsame Boh ¬ rung im Stützbolzen gebildet sein, die durchgängig zylindrisch sein kann.

In anderen Ausführungsformen kann durch den Stützbolzen eine elektrische Leitung geführt sein, um beispielsweise ein im Sono ¬ trodenkopf angeordnetes Peltier-Element mit Strom zu versorgen.

Vom ersten Aspekt der Erfindung sind auch Vorrichtungen erfasst, bei denen die Sonotrode im Abstützbereich auf andere Weise als durch eine Bohrung und einen Stützbolzen abgestützt ist. Der Sonotrodenkopf kann mindestens einen, bevorzugt mehrere be ¬ züglich der Torsionsachse radiale Vorsprünge aufweisen, an deren Enden jeweils eine Schweissfläche gebildet ist. Mit Hilfe sol ¬ cher radialer Vorsprünge können an den Schweissflächen grosse Torsionsschwingungsamplituden erreicht werden, ohne dass der So- notrodenkopf insgesamt einen grösseren Radius haben muss. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Sonotrodenkopf genau zwei bezüglich der Torsionsachse radiale und einander gegenüberlie ¬ gende Vorsprünge aufweist, an deren Enden jeweils eine Schweiss- fläche gebildet ist, wobei der Stützbolzen im Wesentlichen senk- recht zu einer Verbindungslinie verläuft, die die beiden

Schweissflächen miteinander verbindet. Unter einem Verlauf „im Wesentlichen senkrecht" wird hier verstanden, dass der Winkel zwischen Stützbolzen und Verbindungslinie im Bereich von 70° bis 110°, bevorzugt von 80° bis 100°, besonders bevorzugt von 85° bis 95° liegt und ganz besonders bevorzugt 90° ist. Ein derarti ¬ ger im Wesentlichen senkrechter Verlauf sorgt für eine noch bessere Übertragung von Kräften und Drehmomenten durch die Abstützeinrichtung .

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungs- beispielen und Zeichnungen im Detail erläutert. Dabei zeigen

Figur la: eine schematische Darstellung einer ersten erfin- dungsgemässen Vorrichtung in einer perspektivischen

Ansicht ;

Figur lb: die Vorrichtung gemäss Figur la in einer Schnittan- sieht ;

Figur 2a: eine zweite erfindungsgemässe Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht;

Figur 2b: die Vorrichtung gemäss Figur 2a in einer ersten

Schnittansieht ;

Figur 2c: die Vorrichtung gemäss Figuren 2a und 2b in einer zweiten Schnittansicht;

Figur 2d: ein Schnittansicht der Sonotrode der Vorrichtung

mäss Figuren 2a bis 2c; Figur 2e: eine perspektivische Ansicht des Stützbolzens der

Vorrichtung gemäss Figuren 2a bis 2d;

Figur 3: dritte erfindungsgemässe Vorrichtung in einer

Schnittansieht ;

Figur 4 : eine perspektivische Ansicht einer vierten erfin- dungsgemässen Vorrichtung mit einer an einer Endfläche eines Sonotrodenkopfs angeordneten Schweissflä- che .

Die in der schematischen Figur la dargestellte Vorrichtung 10 zum Verschweissen von Bauteilen mittels Ultraschalls enthält ei ¬ ne Sonotrode 11 mit zwei Endstücken 13 und einem dazwischen angeordneten Sonotrodenkopf 12, welcher mit Hilfe von hier nicht dargestellten Schwingungserzeugern über die Endstücke 13 zu Torsionsschwingungen bezüglich einer Torsionsachse T anregbar ist. Der Sonotrodenkopf 12 weist zwei bezüglich der Torsionsachse T radiale und einander gegenüberliegende Vorsprünge 22 auf. An den Enden der Vorsprünge 22 ist jeweils eine Schweissfläche 14 ge ¬ bildet, mit der ein erstes Bauteil durch Verschweissen mit einem zweiten Bauteil verbunden werden kann. Beide Schweissflächen 14 sind also bezüglich der Torsionsachse T umfangseitig angeordnet. Die Vorrichtung 10 enthält ferner eine Abstützeinrichtung 15, welche den Sonotrodenkopf 12 in einem Abstützbereich abstützt. Dieser Abstützbereich, der in Figur lb noch detaillierter dargestellt ist, enthält einen Schwingungsknoten des Sonotro- denkopf 12.

Die Schnittansicht gemäss Figur lb zeigt Details der Abstützein ¬ richtung 15. Die Sonotrode 11 weist eine zylindrische Bohrung 17 auf, welche den Abstützbereich 16 senkrecht zur Torsionsachse T und auch senkrecht zu einer die beiden Schweissflächen 14 mitei- nander verbindenden Verbindungslinie V durchdringt. Die Abstütz ¬ einrichtung 15 enthält ferner einen durch die Bohrung 17 verlau- fenden Stützbolzen 18, dessen mittlerer Bereich 24 die Sonotro- de 11 im Abstützbereich 16 in der Bohrung 17 abstützt. Der

Stützbolzen 18 erweitert sich in Richtung seines mittleren Bereichs 24. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge des Abstützbereichs 16 entlang des Stützbolzens 18 etwa

20 % der Ausdehnung des Sonotrodenkopfs 12 entlang des Stützbol ¬ zens 18. Der Stützbolzen 18 ist durch Einpressen in der Bohrung 17 in der Sonotrode 11 gehalten. Dies kann beispielsweise durch ein Kaltschrumpfen erreicht werden, bei dem der Stützbol- zen 18 durch Abkühlen geschrumpft wird und dann durch die Lageröffnungen 29 hindurch in die Bohrung 17 eingeführt wird. Beim anschliessenden Wiedererwärmen wird der Stützbolzen 18 in der Bohrung eingepresst.

Auf diese Weise wird die Sonotrode 11 nur in einem bezüglich der Torsionsachse T inneren Bereich des Sonotrodenkopf 12 abge ¬ stützt. Mit anderen Worten bildet der Abstützbereich 16 nur einen bezüglich der Torsionsachse T inneren Bereich des Sonotrodenkopfs 12. Der Abstützbereich 16 und die Schweissfläche 14 verlaufen in einer gemeinsamen Ebene E, die sich senkrecht zur Torsionsachse T erstreckt.

Durch diese erfindungsgemässe Ausbildung hängt die Position des Schwingungsknotens praktisch nicht davon ab, welche Kräfte oder Drehmomente auf die Schweissflächen 14 wirken. Unabhängig von diesen Kräften oder Drehmomenten entsteht also keine nennenswer- te Auskopplung der Ultraschallenergie über die Abstützeinrichtung 15, sodass ein grösserer Anteil der Ultraschallenergie für den eigentlichen Zweck des Verschweissens zur Verfügung steht.

Der Stützbolzen 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Hohl ¬ bolzen 18 ausgebildet. Alternativ kann der Stützbolzen 18 aber auch aus Vollmaterial bestehen. Der Stützbolzen 18 weist zwei gegenüberliegende Enden 20 auf, die in jeweils einer Lageröffnung 29 einer Lagerbuchse 21 eines gemeinsamen, einstückigen Lagerblocks 23 aufgenommen sind. Auf diese Weise können Kräfte und Drehmomente auf den Lagerblock übertragen werden. Der Stützbolzen 18 erlaubt eine besonders präzise Positionierung des Sonotrodenkopfs 12.

Die Vorrichtung 10 kann ferner eine hier nicht dargestellte Druckvorrichtung zur Erzeugung von senkrecht zur Torsionsachse T wirkenden Kräften K auf den Lagerblock 23 enthalten. Auf diese Weise ist eine der Schweissflächen 14 an ein erstes Bauteil andrückbar, welches mit einem zweiten Bauteil zu verbinden ist.

Die Figuren 2a bis 2e zeigen eine zweite erfindungsgemässe Vor ¬ richtung 10' zum Verschweissen von Bauteilen mittels Ultraschalls .

Gemäss Figur 2a enthält die Vorrichtung 10' einen Lagerblock 26' mit einer rinnenförmigen Ausnehmung, in der eine Sonotrode 11' aufgenommen ist. Auch diese Sonotrode 11' enthält zwei Endstü ¬ cke 13' mit einem dazwischen angeordneten Sonotrodenkopf 12' mit zwei Vorsprüngen 22', an deren Enden jeweils eine Schweissflä- che 14' vorhanden ist. Über die Endstücke 13' ist der Sonotro ¬ denkopf 12' mittels zweier nicht dargestellter Schwingungserzeu ¬ ger zu Torsionsschwingungen bezüglich einer Torsionsachse T anregbar. Zwei gegenüberliegende Enden 20' eines Stützbolzens 18' sind mit Hilfe von Klemmpratzen 27' am Lagerblock 26' befestigt. Die Klemmpratzen 27' sind mittels Schrauben am Lagerblock 26' fixiert, die in Schraubenöffnungen 28' eingesetzt sind. Durch Lösen der Klemmpratzen 27' vom Lagerblock 26' ist der Stützbolzen 18' besonders einfach zugänglich. Mittels einer hier nicht dargestellten Druckvorrichtung, beispielsweise eines Pneumatikzylinders, können senkrecht zur Torsionsachse T wirkende Kräfte K auf den Lagerblock 26' ausgeübt werden, wodurch die Schweissflache 14' an ein mit einem zweiten Bauteil zu verbindendes erstes Bauteil andrückbar ist.

Wie in der Schnittansicht gemäss Figur 2b zu erkennen ist, ent ¬ hält die Vorrichtung 10' zwei Abstützungen 30', mit denen die Endstücke 13' der Sonotrode 11' gehalten werden. Diese beiden

Abstützungen 30' können beispielsweise aus Hartgewebeplatten bestehen. Sie enthalten ebenfalls eine rinnenförmige Vertiefung zum Abstützen der Endstücke 13'. Mit Hilfe der Abstützungen 30' kann die Position der Sonotrode 11' besonders präzise einge- stellt werden.

Wie der Schnittansicht in Figur 2c zu entnehmen ist, weist die Sonotrode 11' eine Bohrung 17' auf, welche die Torsionsachse T schneidet und dabei den Sonotrodenkopf 12' senkrecht zur Torsi ¬ onsachse T und auch senkrecht zu einer die beiden Vorsprünge 22' verbindenden Verbindungslinie V durchdringt. In die Bohrung 17' ist ein Stützbolzen 18' eingesetzt, welcher die Sonotrode 11' in einem Abstützbereich 16' in der Bohrung 17' abstützt. Der Stützbolzen 18' ist dabei durch eine Übergangspassung gehalten, so dass er bei Bedarf ausgetauscht werden kann, beispielsweise wenn er verschlissen, verbogen oder gebrochen ist. Im Abstützbereich 16' liegt ein Schwingungsknoten des Sonotrodenkopfs 12' vor .

Figur 2d zeigt eine detaillierte perspektivische Schnittansicht des Sonotrodenkopfs 12'. Wie hier deutlich zu erkennen ist, weist die Bohrung 17' im Abstützbereich 16' einen ersten Innendurchmesser auf, und in zwei gegenüberliegenden Mündungsabschnitten 19' weist sie einen zweiten Innendurchmesser auf, der grösser ist als der ersten Innendurchmesser. Die Bohrung 17' verjüngt sich also in Richtung des Abstützbereichs 16'. In Figur 2e ist der Stützbolzen 18' im Detail dargestellt. Im

Gegensatz zum Stützbolzen 18 des ersten Ausführungsbeispiels be- steht dieser Stützbolzen 18' aus einem Vollmaterial. Der Stützbolzen 18' enthält einen mittleren Bereich 24' mit einem ersten Aussendurchmesser und zwei gegenüberliegende Endbereiche 25' mit einem zweiten Aussendurchmesser, der kleiner ist als der erste Aussendurchmesser. Der Stützbolzen 18' erweitert sich also in Richtung des mittleren Bereichs, in dem er den Sonotroden- kopf 12' abstützt.

Die Länge des Abstützbereichs 16' entlang des Stützbolzens 18' beträgt etwa 25 % der Ausdehnung des Sonotrodenkopfs 12' entlang des Stützbolzens 18'.

Insgesamt wird hierdurch der Sonotrodenkopf 12' nur in einem be ¬ züglich der Torsionsachse T inneren Bereich des Sonotrodenkopfs 12' abgestützt. Weiterhin verlaufen der Abstützbereich 16' und die beiden Schweissflächen 14' in einer gemeinsamen Ebene E, die sich senkrecht zur Torsionsachse T erstreckt. Diese erfin- dungsgemässe Ausbildung hat die bereits oben erläuterten Vortei ¬ le.

Um die in den Figuren 2a bis 2c unten dargestellte Schweissflä- che 14' verwenden zu können, können zunächst die Klemmpratzen 27' vom Lagerblock 26' gelöst werden. Aufgrund der Zentrierung der Bohrung 17' und des Stützbolzens 18' und aufgrund der insge ¬ samt symmetrischen Anordnung kann die Sonotrode 11' dann einfach zusammen mit dem Stützbolzen 18' um 180° um die Torsionsachse T gedreht werden, so dass die Enden 20' wieder in den Lageröffnun- gen 29' aufgenommen werden. Anschliessend können die Klemmprat ¬ zen 27' wieder am Lagerblock 26' befestigt werden. Aufgrund des Stützbolzens 18' ist diese Positionierung äusserst präzise.

Bei der in Figur 3 dargestellten dritten erfindungsgemässen Vorrichtung 10'' ist gegenüber der in den Figuren 2a bis 2e gezeig- ten Vorrichtung 10' der Stützbolzen als Hohlbolzen 18'' ausgeführt. Er weist einen zentrierten und durchgängig zylindrischen Kanal 31'' auf, durch den ein Temperierfluid, insbesondere ein Kühlmedium oder ein Heizmedium, beispielsweise Wasser, in den Sonotrodenkopf 12'' ein-, hindurch- und wieder ausführbar ist. Auf diese Weise kann eine Temperierung, insbesondere ein Kühlen oder ein Heizen, des Sonotrodenkopfs 12'' im Bereich der

Schweissflachen 14'' erreicht werden. Der Kanal 31'' mündet an Öffnungen 32'', 33'', die an gegenüberliegenden Enden 20'' des Stützbolzens 18'' angeordnet sind, aus. Durch eine erste Öff ¬ nung 32'' kann das Temperierfluid eingeführt werden, und aus ei- ner zweiten Öffnung 33'' kann es wieder ausgeführt werden. Der Kanal 31'' bildet also zugleich Zuführkanäle zum Einführen und Ausführen des Temperierfluids und einen Temperierkanal zum Tem ¬ perieren. Diese Ausführungsform erlaubt bei Verwendung eines Kühlmediums eine Kühlung der Sonotrode 11'' im Bereich der

Schweissflächen 14'', an denen beim Schweissen die meiste Wärme entsteht .

Figur 4 zeigt schematisch ein viertes erfindungsgemässes Ausfüh ¬ rungsbeispiel, bei dem eine Schweissfläche 14''' an einer End ¬ fläche des Sonotrodenkopfs 12''' angeordnet ist. Auch hier ist ein Stützbolzen 18''' vorgesehen, der die Sonotrode 11''' in einem Abstützbereich 16''' in einer Bohrung 17''' abstützt. Die Enden 20''' des Stützbolzens 18''' werden in zwei hier nicht dargestellten Lageröffnungen gehalten. Der Stützbolzen 18''' enthält einen Zuführkanal 31''', durch den ein Temperierfluid in den Sonotrodenkopf 12''' einführbar ist. Im Inneren des Sonotro ¬ denkopfs 12''' sind im Bereich der Schweissfläche 14''' hier ebenfalls nicht dargestellte Temperierkanäle vorgesehen, die mit dem Zuführkanal 31''' fluidverbunden sind. Auf diese Weise kann der Sonotrodenkopf 11''' im Bereich der Schweissfläche 14''' ge- kühlt werden.

Der Sonotrodenkopf 12''' gemäss Figur 4 kann zu Torsionsschwingungen bezüglich einer Torsionsachse T oder zu Längsschwingungen anregbar sein, wobei der Abstützbereich 16''' einen torsionalen bzw. longitudinalen Schwingungsknoten des Sonotrodenkopfs 12''' enthält. Aufgrund der Anordnung des Stützbolzens 18''' in diesem Bereich wird die Zuführung des Temperierfluids nicht beeinträch- tigt.