Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallschweißanlage mit einer Ultraschallschwingeinheit, die eine Sonotrode und einen Konverter aufweist. Die Sonotrode und der Konverter sind entlang einer Längsachse nebeneinander angeordnet und derart aufeinander abgestimmt, dass die Ultraschallschwingeinheit mit einer Ultraschallschwingung in Richtung der Längsachse mit einer Frequenz f = v/ l in Resonanz gebracht werden kann, wobei v die Ausbreitungsrichtung der akustischen Ultraschallschwingung innerhalb der Ultraschallschwingeinheit und l die Wellenlänge der Ultraschallschwingung ist. In diesem Fall bildet sich in der Ultraschallschwingeinheit eine stehende Welle mit Schwingungsknoten und Schwingungsmaxima aus. Im einfachsten Fall zeigt die Sonotrode genau einen Schwingungsknoten und zwei Schwingungsmaxima, d.h. die Sonotrode hat eine Länge, die der halben Wellenlänge l/2 der Resonanzschwingung entspricht.

In der Regel weist die Ultraschallschweißanlage einen Amboss auf, wobei das zu bearbeitende Material zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Siegelfläche des Amboss angeordnet wird.

Für die Bearbeitung muss die Ultraschallschwingeinheit gehalten werden und weist daher eine entsprechende Halterung auf.

Die Anforderungen an die Schweißqualität nehmen immer weiter zu. Darüber hinaus gibt es Materialien, wie z.B. Metalle, bei deren schweißender Bearbeitung es zu einem erheblichen Verschleiß an den Siegelflächen der Sonotrode kommt, wodurch es notwendig wird, die Sonotrode häufig auszutauschen. Vereinzelt sind bereits Wendesonotroden mit mehreren Siegelflächen vorgeschlagen worden, bei denen die Sonotrode nachdem eine Siegelfläche verschlissen worden ist, gedreht werden kann, um mit einer anderen Siegelfläche weiter zu arbeiten.

Um insbesondere beim Metallschweißen eine hohe Schweißqualität zu erzielen, ist es notwendig, die Siegelflächen der Sonotrode und des Ambosses sehr exakt parallel zueinander zu positionieren. Insbesondere die parallele Positionierung der Ultraschallschwingeinheit bzw. der Siegelfläche der Sonotrode relativ zum Amboss ist bei den bekannten Ultraschallschweißanlagen sehr aufwendig und kann häufig nur von speziell geschultem Personal durchgeführt werden, was insbesondere bei häufigem Austausch der Sonotrode zu störenden Unterbrechungen des Bearbeitungsprozes ses führt. Daran ändert auch die Verwendung von Wendesonotroden nichts, da die Sonotrode nach jedem Wenden erneut exakt parallel zum Amboss positioniert werden muss.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschallschweißanlage bereitzustellen, die eine einfache und schnelle hochpräzise Justierung der Siegelflächen der Sonotrode relativ zum Amboss erlaubt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Halterung eine Winkelpositionie rungsvorrichtung aufweist, wobei die Winkelpositionierungsvorrichtung und die Ultraschallschwin geinheit derart ausgebildet sind, dass sie formschlüssig miteinander verbindbar sind, sodass eine Drehung der Ultraschallschwingeinheit um die Längsachse durch die formschlüssige Verbindung verhindert wird und eine Relativbewegung zwischen der Ultraschallschwingeinheit und der Halte rung in Richtung der Längsachse nicht verhindert wird.

Durch diese formschlüssige Verbindung wird die Winkelposition der Ultraschallschwingeinheit in Bezug auf ihre Längsachse festgelegt. Die Ultraschallschwingeinheit muss lediglich mit der Win kelpositionierungsvorrichtung verbunden werden, um die Drehposition festzulegen. Danach kann eine Positionierung der Ultraschallschwingeinheit zumindest in begrenztem Umfang in Richtung der Längsachse vorgenommen werden. Ein weiteres Drehen um die Längsachse wird durch die formschlüssige Verbindung verhindert. Die formschlüssige Verbindung ist dabei derart ausgebildet, dass die Winkelposition in Bezug auf die Längsachse bei in Eingriff treten der formschlüssigen Verbindung in der gewünschten Position ist. Eine weitere Justierung in der Drehrichtung ist nicht notwendig. Die Ultraschallschwingeinheit muss somit nur mit der Winkelpositionierungsvorrichtung verbunden werden, um eine nahezu perfekt parallele Ausrichtung der Siegelflächen von Amboss und Sonotrode zu verwirklichen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ultraschallschwingeinheit einen Außenwulst mit mindestens einer Ausnehmung auf, wobei die Winkelpositionierungsvorrichtung mindestens einen zu der Ausnehmung korrespondierenden Vorsprung aufweist, der in die Ausnehmung eingreifen kann und somit die formschlüssige Verbindung verwirklicht.

Dabei kann der Außenwulst mehrere Ausnehmungen aufweisen, wobei vorzugsweise die Winkel positionierungsvorrichtung mehrere zu den mehreren Ausnehmungen korrespondierende Vor sprünge aufweist, wobei besonders bevorzugt die Ultraschallschwingeinheit in mehreren relativ zueinander um die Längsachse gedrehten Positionen mit der Winkelpositionierungsvorrichtung formschlüssig verbunden werden kann. Insbesondere dann, wenn die Sonotrode als Wendesonotrode mit mehreren Siegelflächen ausgebildet ist, ist letztere Ausführungsform von Vorteil. In jeder Position, in welcher die formschlüssige Verbindung eine Relativdrehung zwischen Winkelpositionierungsvorrichtung und Ultraschallschwingeinheit verhindert, ist die Ultraschallschwingeinheit in einer Drehposition, in welcher eine der mehreren Siegelflächen optimal ausgerichtet ist.

Der Außenwulst kann beliebig ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Außenwulst einen T-för- migen Querschnitt aufweisen. Der Außenwulst weist dann einen Steg und einen sich beidseitig im rechten Winkel von einer Seite des Stegs erstreckenden Flansch auf. Die Ausnehmung oder die Ausnehmungen können dann vorzugsweise im Flansch vorgesehen sein.

Der zumindest eine Vorsprung der Winkelpositionierungsvorrichtung kann sich prinzipiell in jeder Richtung erstrecken, soweit er in der Lage ist, eine formschlüssige Verbindung mit der Ultraschallschwingeinheit bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Vorsprung der Winkelpositionierungsvorrichtung in axialer Richtung.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die mindestens eine Ausnehmung des Außenwulstes sowie der Vorsprung der Winkelpositionierungsvorrichtung zueinander korrespondierende Kontaktflächen auf, die bei in die Winkelpositionierungsvorrichtung eingesetzter Ultraschallschwingeinheit bei einer Drehung der Ultraschallschwingeinheit um die Längsachse miteinander in Kontakt treten, wobei vorzugsweise die Kontaktflächen der Ausnehmung und/oder des Vorsprungs gegenüber der Längsachse geneigt sind. Im Grunde genommen stellt diese Ausführungsform eine Verzahnung zwischen Winkelpositionierungsvorrichtung einerseits und Ultraschallschwingeinheit andererseits dar.

Um die formschlüssige Verbindung möglichst spielfrei zu gestalten, ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Vorsprünge und oder Ausnehmungen spitz zulaufend ausgebildet sind mit der Folge, dass die Kontaktflächen gegenüber der Längsachse geneigt sind. Beispielsweise können die Vorsprünge und Ausnehmungen als Hirth-Verzahnung ausgeführt sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Winkelpositionierungsvorrichtung ein Befestigungselement zum Befestigen der Winkelpositionierungsvorrichtung an einem Maschinenständer und ein Kopplungselement auf, welches in Richtung der Längsachse relativ zum Befestigungselement zwischen zwei Positionen hin und her bewegbar ist, wobei die formschlüssige Verbindung zwischen Kopplungselement und Ultraschallschwingeinheit hergestellt werden kann. Dabei kann das Kopplungselement in eine der Positionen elastisch vorgespannt sein. Durch die Zweiteiligkeit der Winkelpositionierungsvorrichtung kann das Kopplungselement mit der Ultraschallschwingeinheit eine formschlüssige Verbindung eingehen oder außer Eingriff bewegt werden, um ein Drehen der Ultraschallschwingeinheit um ihre Längsachse zu ermöglichen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen Befestigungselement und Kopplungselement eine Druckplatte vorgesehen, wobei das Kopplungselement um die Längsachse relativ zur Druckplatte drehbar ist. Des Weiteren ist eine Arretiervorrichtung vorgesehen, mit welcher das Kopplungselement derart arretiert werden kann, dass eine Drehung des Kopplungselementes um die Längsachse der Ultraschallschwingeinheit verhindert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Arretiervorrichtung an der Halterung befestigt.

Es kann eine Feinjustierungsvorrichtung vorgesehen sein, mit welcher das Kopplungselement relativ zum Befestigungselement um die Längsachse zwischen zwei Drehpositionen hin und her gedreht werden kann, wobei besonders bevorzugt die Feinjustiervorrichtung aus einem mit dem Kopplungselement verbindbaren Justierelement mit Langloch sowie einer durch das Langloch greifenden Schraube besteht, welche in eine Gewindebohrung der Halterung greift.

Die Drehbarkeit des Kopplungselementes relativ zum Befestigungselement dient dazu, eventuell noch bestehend Abweichungen von der Parallelität der Siegelfläche der Sonotrode und der Siegelfläche des Amboss auszugleichen. Dies kann mit Hilfe der Feinjustiervorrichtung extrem genau erfolgen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Außenwulst an der Sonotrode oder einem zwischen Sonotrode und Konverter angeordneten Amplitudentransformator angeordnet, wobei vorzugsweise der Wulst in einem Schwingungsknoten der Resonanzschwingung mit der Wellenlänge l/2 angeordnet ist. Die Anordnung im Schwingungsknoten stellt sicher, dass die Beeinflussung der Resonanzschwingung durch die Halterung bzw. die Winkelpositionierungsvorrichtung minimal ist. Ist der Außenwulst mit T-förmigem Querschnitt mit einem Steg und einem sich beidseitig im rechten Winkel von einer Seite des Stegs erstreckenden Flansch ausgebildet, so sollte dann der Steg im Schwingungsknoten der Resonanzschwingung angeordnet sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Abstützelement zum Abstützen einer senkrecht zur Längsachse auf die Sonotrode aufgebrachten Kraft vorgesehen, wobei Sonotrode und Abstützelement zueinander korrespondierende Abstützflächen aufweisen, die zumindest dann, wenn eine Kraft senkrecht zur Längsachse auf die Sonotrode ausgeübt wird, miteinander in Kontakt treten, wobei die Abstützflächen derart ausgebildet sind, dass sie, wenn sie miteinander in Kontakt stehen eine Relativbewegung der Sonotrode gegenüber dem Abstützelement in Richtung der Längsachse verhindern und eine Drehung der Sonotrode um die Längsachse nicht behindert. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Außenwulst für die Winkelpo sitionierungsvorrichtung an dem Amplitudentransformator angeordnet ist, da dann die während des Schweißens auf die Sonotrode ausgeübte Kraft eine große Hebelwirkung aufweist, die mit Hilfe des Abstützelementes aufgefangen werden kann. Selbst wenn die Siegelflächen von Sonotrode und Amboss exakt parallel zueinander ausgerichtet sind, ändert sich dies, wenn die Sonotrode quer zur Längsachse mit einem Biegemoment belastet wird. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Siegelfläche der Sonotrode nicht senkrecht zur Längsachse positioniert ist. Insbesondere beim Metallschweißen ist die Siegelfläche der Sonotrode meist derart orientiert, dass eine Normale auf der Siegelfläche einen rechten Wnkel mit der Längsachse einschließt. Da beim Metallschweißen auch relativ hohe Kräfte ausgeübt werden müssen, kommt es zu einer Durchbiegung der Ultra- schallschwingeinheit mit der Folge, dass die Siegelfläche der Sonotrode nicht mehr exakt parallel zur Siegelfläche des Amboss ausgerichtet ist, wodurch die Schweißqualität herab gesetzt wird. Zusätzlich können durch große Biegemomente auch die Komponenten der Ultraschallschwingein- heit beschädigt werden, was es zu vermeiden gilt. Durch das Abstützelement wird die Durchbie gung und damit die Abweichung von der Parallelität reduziert und eine Beschädigung von Kompo nenten der Halterung oder der Ultraschallschwingeinheit vermieden.

Beispielsweise kann die Sonotrode eine Rippe und das Abstützelement eine Nut aufweisen, die zum Abstützen ineinander greifen. Alternativ kann die Sonotrode auch die Nut und das Abstütze lement die Rippe aufweisen. Rippe und Nut haben dann korrespondierende Abstützflächen. Vor zugsweise ist der Wulst oder die Nut der Sonotrode in einem Schwingungsknoten der Resonanz schwingung angeordnet.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die korrespondierenden Abstützflächen gegenüber ei ner Ebene senkrecht zur Längsachse geneigt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform haben sowohl die Nut als auch die Rippe einen trapezförmigen Querschnitt. Durch diese Maß nahme ist die axiale Positionierung der Ultraschallschwingeinheit sehr einfach und exakt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Gegenwerkzeug vorgesehen, wobei Sono trode und Gegenwerkzeug in einer Richtung senkrecht zur Längsachse relativ zueinander beweg bar sind und das Abstützelement derart positioniert ist, dass eine von dem Gegenwerkzeug even tuell über ein zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug positioniertes Material auf die Sonotrode ausgeübte Kraft auf das Abstützelement übertragen wird. Im Grunde genommen sind somit Ge genwerkzeug und Abstützelement auf gegenüberliegenden Seiten der Sonotrode positioniert. In einer weiteren Ausführungsform ist das Abstützelement an der Halterung befestigt, wobei vor zugsweise das Abstützelement relativ zur Halterung zwischen einer Halteposition und einer Frei gabeposition hin und her bewegt werden kann. In der Halteposition sind die korrespondieren Kon taktflächen miteinander in Kontakt, während in der Freigabeposition die Ultraschallschwingeinheit in Richtung der Längsachse bewegt werden kann, ohne dass diese Bewegung von dem Abstütze lement behindert wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine Verriegelungs vorrichtung vorgesehen, mit der das Abstützelement in der Halteposition verriegelt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zwischen Sonotrode und Konverter ein Amplitu dentransformatorvorgesehen, wobei der Amplitudentransformator mit dem Konverter und/oder der Sonotrode über eine formschlüssige Verbindung verbunden sind, die einen Formschluss in allen Richtungen der zur Längsachse senkrechten Ebenen bereitstellt. Beispielsweise kann die form schlüssige Verbindung zwischen Amplitudentransformator und Konverter oder zwischen Amplitu dentransformator und Sonotrode aus einem Zapfen und einer korrespondierenden Aussparung bestehen, wobei vorzugsweise der Zapfen an dem Amplitudentransformator und die korrespondie rende Aussparung an der Sonotrode oder dem Konverter angeordnet sind.

Der Zapfen und die korrespondierende Aussparung sind vorzugsweise nicht rotationssymmetrisch zur Längsachse ausgebildet, sodass eine Drehpositionierung der Sonotrode gegenüber dem Amplitudentransformator oder dem Konverter gegenüber dem Amplitudentransformator durch die formschlüssige Verbindung erfolgt. Alternativ können auch mehrere Zapfen und hierzu korrespon dierende Aussparungen vorgesehen sein. Dabei sollte der Zapfen oder die Zapfen derart ausge bildet sein, dass der Amplitudentransformator nur in definierten Drehwinkelpositionen mit der So notrode oder dem Konverter in Eingriff gebracht werden kann.

Dabei haben in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Zapfen und die korrespondie rende Aussparung eine Drehsymmetrie um die Längsachse mit einer n-zähligen Drehachse. Ist die Sonotrode als Wendesonotrode drehsymmetrisch um die Längsachse mit einer m-zähligen Dreh achse ausgebildet, so ist vorzugsweise m = n. Mit anderen Worten kann der Amplitudentransfor mator nur in n definierten Drehwinkelpositionen mit der Sonotrode oder dem Konverter in Eingriff gebracht werden.

Diese formschlüssige Verbindung erlaubt in der Regel eine axiale Bewegbarkeit zwischen Amplitu dentransformator einerseits und Sonotrode oder Konverter andererseits. Um die Elemente fest miteinanderzu verbinden, kann beispielsweise der Amplitudentransformator eine Gewindebohrung und die Sonotrode oder der Konverter eine Durchgangsstufenbohrung aufweisen, so dass mit einer die Durchgangsbohrung durchgreifenden Schraube, welche in die Gewindebohrung eingreift, eine axiale Befestigung erfolgen kann. Alternativ könnte die Aussparung auch auf den Zapfen aufgeschrumpft werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass Zapfen und korrespondie rende Aussparung konusförmig ausgebildet sind oder einen konusförmigen Abschnitt aufweisen. Die Konusform dient einerseits zum Zentrieren der Verbindung zwischen Sonotrode und Amplitu dentransformator oder der Verbindung zwischen Amplitudentransformator und Konverter. Ande rerseits kann die Verbindung über die Konusform selbsthemmend ausgeführt sein. Daher ist ein Konuswinkel von maximal 2° von Vorteil.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine Halterung mit einer Klemmvorrichtung vorgesehen, welche zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position hin und her bewegt werden kann. Dabei kann die Ultraschallschwingeinheit in der geöffneten Position aus der Halterung entnommen werden. In der geschlossenen Position tritt die Klemmvorrichtung an zumindest zwei Haltepunkten mit der Ultraschallschwingeinheit in Kontakt und übt eine Kraft auf diese aus, sodass die Ultraschallschwingeinheit gehalten wird.

Dabei sind die Haltepunkte vorzugsweise auf dem Außenwulst angeordnet.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Klemmvorrichtung als Spannhülse mit Schlitz ausgebildet. Dabei hat die Spannhülse eine Innenfläche, die korrespondierend zu der Au ßenfläche eines Abschnittes der Ultraschallschwingeinheit ausgebildet ist. Der Schlitz verbindet die Außenfläche der Hülse mit der Innenfläche der Hülse, so dass die Hülse zwei gegenüberlie gende Schlitzwände aufweist, die den Schlitz begrenzen. Eine Spannvorrichtung ist vorgesehen, mit welcher die Schlitzwände aufeinander zu bewegt werden können, wodurch der von der Innen fläche umgrenzte Raum reduziert und die Ultraschallschwingeinheit innerhalb der Hülse geklemmt wird.

Beispielsweise kann in eine Schlitzwand eine Gewindebohrung und in die andere Schlitzwand eine Durchgangsstufenbohrung eingebracht werden, so dass eine als Spannvorrichtung dienende Schraube durch die Durchgangsstufenbohrung in die Gewindebohrung eingreifen kann und beim Drehen der Schraube die beiden Schlitzwände aufeinander zubewegt werden können.

Um eine Beschädigung der Ultraschallschwingeinheit durch die Klemmvorrichtung zu verhindern ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Schlitzwände als Anschlagsflächen dienen. Daher sind ein Abschnitt der Außenfläche der Ultraschallschwingeinheit und die Innenflä che der Spannhülse derart aufeinander abgestimmt, dass dann, wenn die Schlitzwände sich be rühren, die Ultraschallschwingeinheit sicher von der Klemmvorrichtung gehalten, ohne dass es zu einer Beschädigung der Ultraschallschwingeinheit kommt. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Ultraschallschweißanlage,

Figur 2 eine perspektivische Ansicht auf die Ultraschallschweißanlage gemäß Figur 1 ohne Halter,

Figur 3 eine perspektivische Ansicht auf den Halter von Figur 1 ohne Schwinggebilde,

Figuren 4a, 4b, 4c, 4d eine perspektivische Ansicht des Kopplungselementes, des Winkelpositionierelementes von Figur 1 sowie eine Schnittansicht des Winkelpositionierungselementes und der Halterung,

Figur 5 eine Schnittansicht durch die Ausführungsform von Figur 1 ,

Figur 6 eine perspektivische Ansicht auf den Amplitudentransformator von Figur 1 und Figur 7 eine perspektivische Ansicht auf die Sonotrode von Figur 1.

In Figur 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ultraschallschweißanlage gezeigt. Diese Ultraschallschweißanlage ist speziell für das Schweißen von Metall vorgesehen. Sie weist eine Ultraschallschwingeinheit auf, die eine Sonotrode 1 , ein Amplitudentransformator 4 und einen Konverter 3 beinhaltet. Die Elemente der Ultraschallschwingeinheit sind entlang einer Längsachse nebeneinander angeordnet. Mit Hilfe des Konverters 3 wird eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Ultraschallschwingung umgewandelt. Diese mechanische Schwingung wird mit Hilfe des Amplitudentransformators 4 in ihrer Amplitude, nicht jedoch in ihrer Frequenz, verändert und auf die Sonotrode 1 übertragen. Auf der dem Konverter 3 gegenüberliegenden Seite der Sonotrode 1 weist diese insgesamt vier Siegelflächen 2 auf, die dafür vorgesehen sind, mit dem zu bearbeitenden Material in Kontakt zu treten. Die Ultraschallschwingeinheit ist mit ihren Einzelelementen, d.h. dem Konverter 3, dem Amplitudentransformator 4 und der Sonotrode 1 derart aufeinander abgestimmt, dass sie mit einer Ultraschallfrequenz der Wellenlänge in Resonanz versetzt werden kann. Innerhalb der Sonotrode bildet sich dann eine stehende Longitudinalhalbwelle aus. Die Ultraschallschwingeinheit muss in einem Maschinenständer gehalten werden. Dafür ist der Halter 5 vorgesehen, der weiter unten im Detail erläutert wird.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform von Figur 1. Man erkennt hier, dass die Einzelteile der Ultraschallschwingeinheit, nämlich der Konverter 3, der Amplitudentransformator 4 und die Sonotrode 1 im Wesentlichen rotationssymmetrisch sind, wobei lediglich das dem Konverter 3 abgewandte Ende der Sonotrode 1 quadratisch ausgebildet ist und an jeder Kantenfläche des quadratischen Querschnittes eine Schweißfläche 2 vorgesehen ist. Alternativ könnte die Sonotrode auch andere Querschnitte, wie z.B. dreieckig, rechteckig aber nicht quadratisch, usw. aufweisen.

Insbesondere beim Schweißen von Metallen und zwar insbesondere von Nichteisenmetallen, wie z.B. Kupfer oder Aluminium, mittels Ultraschall kommt es zu einer erheblichen Abnutzung der Schweißfläche, sodass die Ultraschallschweißanlage teilweise oder vollständig in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden muss.

Da die gezeigte Sonotrode 1 insgesamt vier Siegelflächen 2 aufweist, kann sie, wenn eine Siegelfläche 2 verschlissen ist, um 90° gedreht und in dieser Position weiter verwendet werden.

Zum Bearbeiten von Metall mittels Ultraschall wird das zu bearbeitende Material zwischen der Siegelfläche 2 der Sonotrode 1 und einem Gegenwerkzeug (nicht gezeigt) angeordnet und dann die Ultraschallschwingeinheit in Schwingung versetzt, sodass über die Siegelflächen 2 eine Ultraschallschwingung in das zu bearbeitende Material übertragen werden kann.

Die Halterung 5 von Figur 1 ist in Figur 3 separat dargestellt. Sie ist als Spannhülse ausgebildet. Es ist zu erkennen, dass die Halterung den Amplitudentransformator vollständig umschließt. Sie weist allerdings einen Schlitz 1 1 auf, der durch zwei Schenkelelemente 12, 13 der Halterung gebildet wird. In der in Figur 3 gezeigten Position kann den Amplitudentransformator 4 axial in die Halterung 5 geschoben werden. In dieser Position kann der Amplitudentransformator 4 und damit die gesamte Ultraschallschwingeinheit innerhalb der Halterung 5 um seine Längsachse gedreht werden. Sobald die gewünschte Position der Ultraschallschwingeinheit bzw. der Siegelflächen 2 der Sonotrode 1 erreicht ist, können die beiden Schenkelelemente 12, 13 mit Hilfe von Schrauben, die in den Bohrungen 14, die innerhalb des Schenkelelementes 13 als Gewindebohrung und innerhalb des Schenkelelementes 12 als Durchgangsbohrung ausgebildet sind, aufgenommen sind, aufeinander zubewegt werden, sodass der Innendurchmesser der hülsenartigen Halterung 5 verringert wird und der Amplitudentransformator 4 in der Halterung 5 festgeklemmt wird und dann keine Relativdrehung der Ultraschallschwingeinheit um ihre Längsachse gegenüber der Halterung

5 mehr möglich ist. Bei der gezeigten Ausführungsform weisen die Schenkelelemente 12,13 korrespondierende Schlitzwände, die als Anschlagsflächen dienen, auf. Dies bedeutet, dass der Abschnitt der Außenfläche der Ultraschallschwingeinheit und die Innenfläche der Spannhülse derart ausgebildet sind, dass mithilfe von Schrauben, die in die Bohrungen 14 eingreifen, die Schenkelelemente 12,13 soweit aufeinander zu bewegt werden können bis die Anschlagsflächen sich berühren und in dieser Situation die Ultraschallschwingeinheit fest innerhalb der Spannhülse gehalten wird. Durch diese Konfiguration wird sichergestellt, dass die Spannhülse nicht einen zu großen Druck auf die empfindliche Ultraschallschwingeinheit ausüben kann. Es kann daher keine größere Kraft auf die Ultraschallschwingeinheit ausgeübt werden als diejenige, die die Hülse in dem Moment auf die Ultraschallschwingeinheit aufbringt, in dem die beiden Schlitzwände der Schenkelelemente 12,13 aufeinandertreffen.

In Figur 4a ist eine perspektivische Ansicht des Kopplungselementes 8 der Winkelpositionierungseinrichtung gezeigt. Die Winkelpositionierungseinrichtung dient dazu, die Winkelposition der Siegelflächen 2 der Sonotrode 1 auf einfache Weise möglichst genau einzustellen.

Die Wnkelpositionierungsvorrichtung weist das Kopplungselement 8 auf, das als Hülse ausgebildet ist. An seiner dem Konverter abgewandten Seite sind eine Reihe von Vorsprüngen 27 bzw. Ausnehmungen 28 angeordnet.

Wie man insbesondere in Figur 5 erkennen kann, weist der Amplitudentransformator einen Außenwulst auf, der hier durch einen Steg 15 und einen Flansch mit einem ersten und einem zweiten Hülsenabschnitt 16, 17 gebildet wird. Der Steg 15 ist an einem Schwingungsknoten mit dem Amplitudentransformator 4 verbunden. Von dem Amplitudentransformator 4 erstreckt sich am Ende des Steges 15 der erste Hülsenabschnitt 16 in Richtung des Konverters 3 und der zweite Hülsenabschnitt 17 in Richtung der Sonotrode 1. Sowohl der erste Hülsenabschnitt 16 als auch der zweite Hülsenabschnitt 17 haben einen umlaufenden Bund 18, die als Kontaktflächen für die Halterung 5 dienen. Diese Art der Befestigung erlaubt eine Halterung ohne dass es zu einer nennenswerten Beeinflussung des Schwingungsverhaltens der Ultraschallschwingeinheit kommt. In Figur 6 ist eine perspektivische Darstellung des Amplitudentransformators 4 dargestellt. Man erkennt die beiden umlaufenden Bunde 18. Der erste Hülsenabschnitt 16 weist eine Reihe von Vorsprüngen 20 bzw. Ausnehmungen 21 auf, die korrespondierend zu den Vorsprüngen 27 und den Ausnehmungen 28 der Wnkelpositionierungsvorrichtung ausgebildet sind. Die Vorsprünge 27 und die Ausnehmungen 28 der Wnkelpositionierungsvorrichtung können somit mit den Ausnehmungen 21 und den Vorsprüngen 20 verbunden werden. Durch diese Form schlüssige Verbindung wird eine Drehung der Ultraschallschwingeinheit um die Längsachse verhindert, während einer Relativbewegung zwischen der Ultraschallschwingeinheit und der Wnkelpositioniervorrichtung in Richtung der Längsachse nicht verhindert wird.

In Figur 4b ist die gesamte Drehpositionierungsvorrichtung dargestellt. Das bereits in Figur 4a gezeigte Kopplungselement 8 liegt an einer Druckplatte 31 an, welche wiederum mittels der Federn 10 federnd an dem Befestigungselement 9 angeordnet ist. Das Befestigungselement 9 ist stationär angeordnet. Aufgrund der Federn 10 kann die Druckplatte 31 in axialer Richtung relativ zum Be festigungselement 9 bewegt werden. Da das Kopplungselement 8 an der Druckplatte 31 anliegt, bewegt sich das Kopplungselement in axialer Richtung zusammen mit der Druckplatte 31. Das Kopplungselement 8 kann relativ zur Druckplatte 31 um die Längsachse zwischen zwei Positionen hin und her gedreht werden, wie weiter unten beschrieben wird.

Figur 4c ist eine Schnittansicht des Halters 5 zusammen mit der Drehpositionierungsvorrichtung gezeigt.

Wie auch in Figur 2 gezeigt ist, drücken Federelemente 10 das Kopplungselement 8 nach vorne, d.h. in Richtung der Sonotrode 1 , und damit in Eingriff mit den Vorsprüngen 20 und Ausnehmungen 21 des Amplitudentransformators 4.

So lange die Halterung 5 noch nicht in ihrer geklemmten Position ist, kann die Ultraschallschwin geinheit um ihre Längsachse gedreht werden, in dem das Kopplungselement 8 mithilfe der Ultra schallschwingeinheit entgegen der Kraft der Federn 10 nach hinten, d.h. in Richtung des Konver ters 3 gedrückt wird. Die Ultraschallschwingeinheit wird dann so lange um ihre Längsachse gedreht bis die Vorsprünge 20 in den Ausnehmungen 28 zu liegen kommen. Das Kopplungselement 8 rastet somit in den Flansch des Amplitudentransformators 4 ein.

In der gezeigten Ausführungsform entspricht die Zahl der Vorsprünge 20 bzw. 27 und die Zahl der Ausnehmungen 21 bzw. 28 der Anzahl von Siegelflächen 2 an der Sonotrode 1. Es ist daher si chergestellt, dass die Ultraschallschwingeinheit nur in ausgewählten Winkelpositionen montiert werden kann.

Bei der gezeigten Ausführungsform ist zusätzlich eine kleine Relativdrehung des Kopplungsele mentes 8 gegenüber dem Befestigungselement 9 um die Längsachse möglich. Um eine solche geringfügige Drehung zu bewerkstelligen ist ein als Öse 19 ausgebildetes Justierelement vorge sehen, das lösbar mit dem Kopplungselement 8 verbunden ist. Eine als Schraube ausgebildete Feinjustiervorrichtung 29 verbindet die das Justierelement mit der Halterung 5. Durch Drehen der Schraube 29 kann somit in einem gewissen Umfang das mit dem Justierelement verbundene Kopp lungselement 8 gegenüber der Halterung 5 und dem Befestigungselement 9 verdreht werden, um eine Feinjustierung der Winkelposition vorzunehmen. Daher hat die Schraube 29 innerhalb des in der Öse 19 vorgesehenen Langlochs sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung etwas Spiel.

In Figur 4d ist eine weitere perspektivische Schnittansicht durch die Winkelpositionierungsvorrich tung gezeigt. In der Öse 19 ist eine Gewindebohrung eingebracht, in welche eine Madenschraube 32 eingreift. Mithilfe der Madenschraube 32 kann die Öse 19 mit dem Kopplungselement 8 verklemmt werden, sodass Kopplungselement 8 und Öse 19 nur gemeinsam um die Längsachse gedreht werden können.

Bei der erstmaligen Justierung einer Ultraschallschwingeinheit innerhalb der Halterung oder wenn die Winkelposition der Ziegelflächen zwei gegenüber den Vorsprüngen 20 und Ausnehmungen 21 nicht bekannt ist, kann somit die Madenschraube 32 gelöst werden, die Ultraschallschwingeinheit in die Halterung eingesetzt werden, sodass das Kopplungselement 8 entgegen der Kraft der Federn 10 in Richtung des Befestigungselementes 9 gedrückt wird, dann um ihre Längsachse gedreht werden, bis die Vorsprünge 20 und Ausnehmungen 21 der Ultraschallschwingeinheit in den korrespondierenden Vorsprüngen 27 und Ausnehmungen 28 des Kopplungselement des 8 zu liegen kommen. In dieser Position wird das Kopplungselement 8 aufgrund der Kraft der Federn 10 wieder von dem Befestigungselement 9 weggedrückt. Nun kann die Ultraschallschwingeinheit um ihre Längsachse gedreht werden, bis die Siegelflächen 2 in etwa in der gewünschten Drehposition sind. Da die Madenschraube 32 gelöst ist, dreht sich das Kopplungselement 8 mit der Ultraschallschwingeinheit mit, während die Druckplatte 31 an Ihrer Position verbleibt.

Sobald die gewünschte Drehposition der Ultraschallschwingeinheit in etwa erreicht ist, kann die Madenschraube 32 festgedreht werden, um die Öse 19 mit dem Kopplungselement 8 zu verbinden. Eine weitere Drehung der Ultraschallschwingeinheit um ihre Längsachse ist nun nur noch sehr begrenzt durch Drehen der Schraube 29 möglich.

Wie in Figur 6 zu sehen ist weist der Amplitudentransformator 4 an seiner der Sonotrode 1 zugewandten Seite einen Zapfen 22 auf. In der Figur 7 ist eine perspektivische Ansicht der Sonotrode 1 gezeigt. Die Sonotrode 1 weist an ihrer dem Amplitudentransformator 4 zugewandten Seite eine zu dem Zapfen 22 korrespondierende Aussparung 26 auf. Der Zapfen 22 weist Ausschnitte 23 auf, die in der korrespondierenden Aussparung 26 ebenfalls zu erkennen sind. Wird der Zapfen 22 in die Aussparung 26 eingesetzt, so entsteht eine formschlüssige Verbindung zwischen Sonotrode 1 und Amplitudentransformator 4 in einer Drehrichtung um die Längsachse.

Die Sonotrode 1 weist eine als Stufenbohrung ausgebildete Zentralbohrung 25 auf, durch die eine Schraube in eine korrespondierende Zentralgewindebohrung 24 des Amplitudentransformators geführt werden kann, um die Sonotrode 1 an dem Amplitudentransformator 4 zu befestigen.

Wie in der Schnittansicht von Figur 5 zu erkennen ist, weist die Sonotrode 1 eine Außenrippe 6 auf, die in einem Schwingungsknoten der Resonanzfrequenz der Sonotrode 1 angeordnet ist. Die Außenrippe ist in der gezeigten Ausführungsform umlaufend ausgebildet. An der Halterung 5 ist ein Abstützelement befestigt, welches in radialer Richtung zwischen einer äußeren Position, in welcher die Ultraschallschwingeinheit in der Halterung aufgenommen werden kann, und einer in neren Position, in welcher das Abstützelement eine Bewegung der Ultraschallschwingeinheit in Richtung der Längsachse verhindert. In dieser Position kann das Abstützelement arretiert werden, um eine unerwünschte Bewegung des Abstützelementes 7 in Richtung der äußeren Position zu verhindern. Das Abstützelement 7 weist eine Nut 30 auf, in welcher die Außenrippe 6 zu liegen kommt. Wird nun wie in Figur 5 von oben durch das zu bearbeitende Material auf die Sonotrode eine Kraft ausgeübt, so wird diese Kraft von dem Abstützelement 7 aufgenommen. Die vorgese hene umschließende Halterung 5 an dem Amplitudentransformator 4 ist von dem Bearbeitungsort, d.h. den Siegelflächen 4 relativ weit entfernt, sodass bereits kleine Schweißkräfte auf die Siegel fläche 2 zu einem Verbiegen der Ultraschallschwingeinrichtung führen würden. Daher ist die Ab stützvorrichtung 7 vorgesehen.

Um die Ultraschallschwingeinheit in der Halterung aufzunehmen, muss zunächst die Klemmung mittels der Schrauben in den Bohrungen 14 gelöst werden. Zudem muss das Abstützelement 7 radial nach außen verschoben werden. Nun kann die Ultraschallschwingeinheit in die Halterung 5 eingesetzt werden. Dabei wird das Kopplungselement 8 sowie die Druckplatte 31 gegen die Fe derkraft der Federn 10 in Richtung des Befestigungselements 9 gedrückt bis die Außenrippe 6 in der Nut 30 des Abstützelementes 7, nachdem dieses radial nach innen bewegt und arretiert worden ist, zu liegen kommt. Damit ist die axiale Position der Ultraschallschwingeinheit festgelegt. Die Winkelpositionierung erfolgt dann dadurch, dass die Ultraschallschwingeinrichtung so lange um ihre Längsachse gedreht wird bis die Vorsprünge vom Kopplungselement 8 in die entsprechenden Ausnehmungen am ersten Hülsenabschnitt 16 einrasten. In dieser Position ist dann auch die Win kelposition nahezu perfekt ausgerichtet. Die Feinabstimmung erfolgt mit Hilfe der Feinjustiervor richtung, d.h. der Öse 19 und der Schrauben 29, mit deren Hilfe eine Feinjustierung der Winkelpo sition erfolgen kann.

Sobald die korrekte Position der Ultraschallschwingeinheit erreicht ist, können mit Hilfe der Befes tigungsschrauben, die in die Bohrungen 14 eingreifen, die Schenkelelemente 12 und 13 aufeinan der zubewegt werden, um den Schlitz 1 1 zu verkleinern und die Ultraschallschwingeinheit in der Haltehülse umschließend zu klemmen. Bezugszeichen

1 Sonotrode

2 Siegelfläche

3 Konverter

4 Amplitudentransformator

5 Halterung

6 Außenrippe

7 Abstützelement

8 Kopplungselement

9 Befestigungselement

10 Federn

11 Schlitz

12 Schenkelelement

13 Schenkelelement

14 Bohrung

15 Steg

16 erster Hülsenabschnitt

17 zweiter Hülsenabschnitt

18 Bund

19 Öse

20 Vorsprung

21 Ausnehmung

22 Zapfen

23 Ausschnitt

24 Zentralbohrung

25 Zentralbohrung

26 Aussparung

27 Vorsprung

28 Ausnehmung

29 Schraube

30 Nut

31 Druckplatte

32 Madenschraube

33 Schlitzwand

34 Schlitzwand