阅读说明：本技术 声极以及用于影响声极的振动特性的方法 (Sonotrode and method for influencing the vibration behavior of a sonotrode ) 是由 S.米勒 于 2018-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种超声波焊接装置的声极(218),其带有具有声极头部(220)的声极体(224),声极头部带有在声极头部的纵向上伸延的至少一个工作面(230)用于焊接或者说焊合和/或变形和/或切割至少一个金属焊接件,其中,声极头部沿着工作面具有彼此不同的横截面,使得声极头部的横截面在工作面的在端侧伸延的端部区域中大于在工作面的中间区域中。(The invention relates to a sonotrode (218) of an ultrasonic welding device, comprising a sonotrode body (224) having a sonotrode head (220) with at least one working surface (230) extending in the longitudinal direction of the sonotrode head for welding or welding and/or deforming and/or cutting at least one metal weld, wherein the sonotrode head has cross sections that differ from one another along the working surface such that the cross section of the sonotrode head is greater in the end regions of the working surface extending at the end than in the middle region of the working surface.)

声极以及用于影响声极的振动特性的方法

技术领域

本发明涉及一种超声波焊接装置的声极(Sonotrode)，其带有具有声极头部的声极体，声极头部带有在声极头部的纵向上伸延的至少一个工作面用于焊接或者说焊合(Verschweissen)和/或变形和/或切割至少一个金属焊接件(Schweissgut)，其中，声极头部沿着工作面具有彼此不同的横截面。

本发明也涉及一种用于影响用于焊接、焊合、变形和/或切割金属焊接件的超声波金属焊接装置的在纵向上振动的声极的声极头部的振动特性(Schwingungsverhalten)的方法，其中，声极头部经由颈部(Hals)与声极体相连接，并且声极头部在其纵向上具有沿直径相对地(diametral)并且尤其彼此平行伸延的工作面，其沿着声极头部的第一纵侧延伸，第一纵侧在其方面经由第二纵侧相连接。

背景技术

在利用超声波接合原料时，对于焊接所需的能量以机械振动的形式被引入焊接件中，其中，声极被连结到面向其的接合件处并且使接合件运动。同时进行压力加载。通过静态的和动态的力的共同作用进行焊合，而无需另外的附加原料。在超声波金属焊接中使机械振动平行于接合面取向。在焊接区中在静态力、振荡的剪切力和适度的温度上升之间出现复杂的关系。对此，将该原料或多个原料布置在振动的声极与静态的配对电极(Gegenelektrode)之间。

超声波金属焊接也被用于流体密封地密封和分离金属小管，如其对于冷却设备、尤其空调或冰箱所需的那样。以其来执行相应的焊接的装置例如可从文件DE 103 60 623B3或DE 10 2015 206 866 B3得悉。

为了获得高品质的可复制的焊接成果，声极、也就是说声极头部主要沿着其纵向的偏转即应在超声波振动的方向上进行。为了避免或减少相应的垂直于超声波振动方向伸延的偏转，文件DE 50 2004 002 817 C5设置在端面区域中声极头部的加固部(Versteifung)，其可构造为肋。

如果在超声波金属焊接中使振动平行于接合面取向，则在超声波塑料焊接中振动垂直于接合面伸延。声极头部本身在此可在入口-和出口侧具有彼此不同的横截面区域，如这可从文件DE 203 14 781 U1得悉的那样。

对于为了超声波金属焊接所确定的带有工作面(其为了磨损的均匀且因此为了利用度的最大化在不同位置中相继作用到焊接件上)的声极头部，存在缺点，即在利用工作面的新区域之后须执行重新的参数测定，以便能够获得最佳焊接成果。由此须考虑停止时间。在此，例如在千次焊接之后位置被改变。

发明内容

本发明目的在于将开头所提及的类型的声极改进成使得在焊接成果高品质的同时通过改变焊接位置来减少停止时间。应优化声极头部的振动特性。应实现保持相同品质的焊接。

为了实现该目的，按照根据本发明的教导，将开头所提及的类型的声极主要改进成使得声极头部的横截面在工作面的在端侧伸延的端部区域(Endbereich)处大于在工作面的中间区域中。

特别优选地，声极头部的横截面从工作面的在端侧伸延的端部区域出发直至工作面的声极体侧的端部区域减小地来构造，其中，尤其实现持续的横截面改变。在此，声极头部必要时可直接在其端面区域(Stirnbereich)中首先具有恒定的横截面，其此后被减小。

备选地设置成，声极头部的横截面从工作面的在端侧伸延的端部区域出发首先减小并且此后至工作面的声极体侧的端部区域增大。在此尤其设置成，尤其声极体的横截面在工作面的中间区域中最小。

令人惊讶地显示出，通过超声波金属焊接装置的声极头部的特殊几何构造、即通过根据本发明的横截面变化，使振动特性或转化比(Uebersetzungsverhaeltnis)改变成使得在实现焊接的位置变化的情况下的偏差小于具有恒定的横截面的声极的情况。可将振幅均匀化(Amplitudenvergleichmaessigung)确定成使得根据焊接位置振幅的变化小于沿着工作面带有恒定的横截面的声极的情况，从而可执行更多焊接而不必重新测定参数。停止时间可被缩短，结果可提高每时间单位焊接的数量。

鉴于带有首先减小的并且此后又增长的横截面的声极头部，本发明尤其特征在于，使颈部在其最小横截面的区域中的横截面与沿着该工作面或多个工作面保持相同横截面的声极头部相比减小，由此获得声极头部的特有的振动特性，尽管焊接位置不同通过其获得振动特性的均匀化。

相应于现有技术，声极头部应具有两个沿直径相对而置的且尤其彼此平行伸延的工作面，其从声极头部的第一纵侧出发，其中，第一纵侧经由第二纵侧相互连接。根据本发明此后设置成，通过第二纵侧的走向变化实现在工作面的区域中声极头部的横截面变化。

本发明尤其设置成，

- 在工作面的端侧的端部区域中声极头部的横截面是Q2，

- 在横截面从工作面的端侧的端部区域出发直至工作面的声极体侧的端部区域逐渐变窄的情况中，在声极体侧的端部区域中声极头部的横截面是Q3并且颈部经过最小横截面Q1的线或区域，

- 在横截面从工作面的在端侧伸延的端部区域出发首先减小并且此后至工作面的声极体侧的端部区域增大的情况中，声极头部在工作面的在端侧伸延的与声极体侧的端部区域之间在最小横截面的区域中是Q5，其中，在工作面的声极体侧的端部区域中的横截面是Q4并且颈部经过最小横截面Q6的线或区域，其中

Q2:Q1在2.0:1与1.1:1之间并且/或者

Q2:Q3在2.0:1与1.05:1之间并且/或者

Q2:Q5在2.0:1与1.05:1之间并且/或者

Q2:Q6在2.0:1与1.1:1之间并且/或者

Q4:Q5在2.0:1与1.05:1之间并且/或者

Q3:Q1在1.5:1与1.1:1之间并且/或者

Q5:Q6在1.5:1与1.1:1之间并且/或者

带有次要条件，即Q1小于Q2，Q3和Q6小于Q2，Q4、Q5和Q3小于Q2并且Q5小于Q2、Q4，

- 其中，尤其Q2:Q3在1.05:1与1.20:1之间、优选地在1.05:1与1.15:1之间、尤其大约1.1:1，并且/或者

尤其Q5:Q6是1.21:1至1.30:1、尤其大约1.26:1，并且/或者

尤其Q2:Q6在1.40:1与1.55:1之间、尤其大约1.47:1，并且/或者

尤其Q2:Q5在1.12:1与1.20:1之间、尤其大约1.16:1，并且/或者

尤其Q2:Q1在1.22:1与1.30:1之间、尤其大约1.26:1，并且/或者

尤其Q2:Q4在1:1与1.04:1之间、尤其大约1.02:1。

一种用于影响超声波金属焊接装置的在纵向上振动的声极的声极头部的振动特性的方法，其中，声极头部经由颈部与声极体相连接，并且声极头部在其纵向上具有沿直径相对地且彼此平行伸延的工作面，其沿着声极头部的第一纵侧延伸，第一纵侧在其方面经由两个第二纵侧相连接，尤其特征在于，应用声极头部，其第二纵侧被加工成使得沿着工作面实现声极头部的横截面变化。

沿着每个第一纵侧伸延有至少一个工作-或焊接面，沿着其必要时延伸有切割棱边(Schneidkante)。沿着每个第一侧面也可伸延有两个工作面，在其之间延伸有带有两个切割棱边的突起(Erhebung)。关于此的声极几何结构尤其被确定用于金属小管的焊接和分离，其如应用于冷却设备那样。

在此，第二纵侧被加工成使得纵侧的间距从工作面的在端侧伸延的端部区域出发直至工作面的在声极体侧伸延的端部区域减小。

然而也存在该可能性，即声极头部的第二侧面的加工实现成使得第二侧面获得凹状的走向。在此尤其设置成，与沿着工作面带有保持相同的横截面的声极头部相比，使颈部逐渐变窄成使得在工作面的在端侧伸延的端部区域中的横截面Q2与颈部的最小横截面Q6之比Q2:Q6在2.0:1与1.1:1之间、优选地在1.40:1与1.55:1之间、尤其大约1.47:1。

在工作面的在端侧伸延的端部区域之间的最小横截面Q5与颈部的最小横截面Q6之比应在1.5:1与1.1:1之间、优选地在1.21:1与1.30:1之间、尤其大约1.26:1。

在横截面从在端侧伸延的端部区域开始向工作面的声极体侧的端部区域的方向大致持续减小的情况中，在工作面的区域中的最大横截面Q2相对于颈部的最小横截面Q1应处在2.0:1与1.1:1之间、优选地在1.22:1至1.30:1之间，尤其大约为1.26:1。

在声极头部的工作面的端侧的端部区域中的横截面Q2与在工作面的声极体侧的端部区域中的横截面Q3相比应为：Q2:Q3在2.0:1与1.05:1之间、优选地在1.05:1至2.0:1、尤其1.05:1与1.5:1之间，优选地大约1.1:1。

附图说明

本发明的另外的细节、优点和特征不仅由权利要求和待从其得悉的特征(单独和/或相结合)而且由待从附图的接下来的说明得悉的优选的实施例得到。其中：

图1示出了超声波焊接装置的原理图，

图2示出了根据现有技术的声极，

图3示出了根据本发明的声极的第一实施形式，

图4以俯视图示出了根据图3的声极，

图5示出了相应于图3的声极，不带加固部，

图6示出了带有剖切线的根据图4的图示，

图7示出了沿着图6中的线C-C的剖面，

图8示出了沿着图6中的线B-B的剖面，

图9示出了沿着图6中的线A-A的剖面，

图10示出了根据图3的声极的第一侧视图，

图11示出了根据图3的声极的第二侧视图，

图12示出了根据本发明的声极的第二实施形式，

图13以俯视图示出了根据图12的声极，

图14示出了根据图12的声极的变体，

图15示出了带有剖切线的根据图14的图示，

图16示出了沿着图15中的线C-C的剖面，

图17示出了沿着图15中的线B-B的剖面，

图18示出了沿着图15中的线A-A的剖面，

图19示出了根据图12的声极的第一侧视图，

图20示出了根据图12的声极的第二侧视图以及

图21-29示出了根据图3-11的声极的变体。

根据附图(在其中相同的元件可设有相同的附图标记)应详细来阐述根据本发明的教导，基于其改善声极的振动特性。

具体实施方式

在图1中以原理图示出以超声波焊钳10的形式的超声波焊接装置，其具有上面的和下面的钳部12、14，它们布置在壳体16中。上面的钳部12作为重要组成部分具有带有布置在壳体16的前部中的声极18的超声波振动设备，其形成第一焊钳夹(Schweissbacke)。声极18可在纵向上置于振动中。

与声极18相对而置，在壳体14的下部中布置有配对电极或砧(Amboss)20。在此，砧20相对于声极18可关于未示出的摆动轴线摆动地来构造，使得布置在工作-或焊接面22与砧20的与其相关联的工作面24之间的焊接件如金属小管可在轧断(abquetschen)和焊接的同时被切开(durchtrennen)。

然而不由此限制根据本发明的教导。而是其相当普遍地适用于声极的构造，利用其应使由金属构成的焊接件焊接或者说焊合和变形。

声极18具有在其纵向上伸延的工作面，如这根据图2所说明的那样。从其可得悉根据现有技术的声极18。

声极118具有声极头部120，其经由声极颈部122过渡到声极体124中。声极头部120在沿径向相对而置的第一纵侧126、128中具有工作面130、132，其可优选地彼此平行地伸延并且具有在10mm与100mm之间的长度延伸L。第一纵侧或纵面126、128经由第二侧面134、136相连接，其彼此平行地伸延。

为了优化声极118的利用度，在预设数量的焊接之后进行焊接位置的改变，也就是说在焊接时在工作面130的不同位置中或在声极118旋转之后以工作面132(其同样可被称为焊接面)来接触待焊接的材料。

在通常的生产中，位置调节例如可在1000个焊接之后进行，由此实现磨损的均匀化。由此实现利用度的最大化。

在调节焊接位置之后然而需要重新进行参数的测定，以便获得优化的焊接成果。相应的参数测定和设定由有资格的人员进行。对于参数的测定，不能利用超声波焊接装置，结果是由于由此造成的在生产过程中的停止时间而产生成本缺点。

根据本发明将声极头部构造成使得不需要在每个焊接位置变化之后须进行参数测定，因为尽管待焊接的物件位置改变，实现声极的振幅或者说振动特性的均匀化。

在图3至11中示出声极218的第一实施形式，其遵循根据本发明的教导。声极218同样由声极头部220、颈部222和声极体224构成。

沿着声极头部220的相对而置的第一纵侧或纵面226、228彼此平行地伸延有工作面230、232，其实施焊接面的功能并且同时实现焊接件的变形，如在焊接和轧断小管时是这样的情况，如之前所阐述的那样。此外，在实施例中非保护限制性地工作面230、232由切割棱边245、247来限制，以便能够切开相应的小管。对此，与声极218或声极头部220相关联的配对电极具有相应的棱边。

因此，声极头部220具有几何结构，如其原理上可从文件DE 103 60 623 B3的图2中所得悉的那样。砧的与切割棱边相关联的棱边也可从其得悉。

根据本发明的教导尤其还被确定用于具有两个切割棱边的声极，如其可从文件DE103 60 623 B3的图3中所得悉的那样。也明确地参考关于此的公开内容，其因此也是本说明书的对象。

然而本发明不限于相应的实施形式。而是根据本发明的教导适用于常见的声极，利用其来焊接金属，即还有板、绞合线等。

颈部222的长度和声极头部220的长度在图10中绘出。头部220的高度相应于工作面230、232的间距。

对声极218的俯视图可从图4得悉。图5的实施例与图4的实施例区别仅在于，在端侧240上没有加固部242如肋伸出，以便减少垂直于振动方向的不期望的偏转。加固部242遵循文件DE 50 2004 002 817 C5的教导。

与传统的声极118不同，如其可从图2得悉的那样，声极头部220沿着工作-或焊接面230、232具有横截面走向，这样使得在工作面230、232的在端侧伸延的区域中声极头部220具有比在工作面230、232的在声极体侧伸延的端部区域中更大的横截面。端侧的区域在图6中以附图标记244而体侧的端部区域以附图标记246来标记。

连接第一纵侧面226、228的第二侧面234、236的间距因此从端侧240向声极体224的方向减小，如尤其从图8和图9的剖示图中得出的那样。应注意的是，声极头部220从端面240出发首先可具有区域241，在其中声极头部220的横截面首先是恒定的。然而该设计方案可被纳入说明中，即第二侧面234、236的间距从端侧240出发向声极体224的方向减小。

根据图7的剖面是沿着线C-C的剖面，在其中声极颈部222具有最小的横截面。该横截面以Q1来标记。沿着线A-A的剖面(图9)是声极头部220的剖面，工作面230、232的端侧的端部区域244在其中伸延。横截面以Q2来标记。

另外，在工作面230、232的体侧的端部区域246中设置有另外的剖面B-B，其在图8中以附图标记Q3来标记。在此，这些横截面应优选地表现如下：

Q2:Q3在1.05:1与1.20:1之间、优选地在1.05:1与1.15:1之间、尤其大约1.1:1；

Q2:Q1在1.22:1与1.30:1之间、尤其大约1.26:1；

Q3:Q1在1.12:1与1.20:1之间、尤其大约1.16:1。

应注意的是，在声极头部220的关于此的设计中原则上不需要声极218的其他构件的改变，也就是说颈部222和声极体224的几何结构可相应于声极118的几何结构，在其中声极头部120在工作面130、132的长度上具有保持相同的横截面，即侧面134、136彼此平行伸延。

从图12至20可得悉根据本发明构造的声极318的另外的实施形式，其同样在其声极头部320方面与声极118的相区别。与此无关地，声极头部320同样经由声极颈部322过渡到声极体324中。

如果在根据图12的等轴图示中从端面340出发有加固部342，则这不是强制特征，如根据图13所说明的那样。

相应于图3至11的实施例，声极头部320具有沿着两个狭长的第一侧面326、328延伸的工作-或焊接面330、332，其相应由切割棱边345、347来限制，其关联有在配对电极中的相应的切割棱边，以便能够在焊接金属小管时将其切开。当然可在每个第一侧面326、628上设置两个切割棱边，其在工作-或焊接面之间伸延，如其可从文件DE 103 60 623 B3的图3中所得悉的那样。

第一纵侧面326、328经由两个第二侧面334、336相连接，其具有接下来所阐述的走向，以便相应于根据本发明的教导将声极头部320设计成使得其沿着工作-或焊接面330、332具有带有变化的横截面的走向。工作面330、332的界限以附图标记344、346来标记。

如尤其根据图13至15的俯视图所说明的那样，声极头部320具有几何结构，这样使得第二侧面334、336示出凹状的走向，也就是说在声极头部320的端侧的端部区域344中的横截面大于中间区域(在图15中剖面B-B)。在声极体侧的端部区域346中，声极头部320大约具有端侧的端部区域344的横截面。第二侧面334、336的凹状走向在此这样使得沿着一平面得到对称的走向，一方面声极318的纵轴线在该平面中伸延而另一方面该平面平行于工作-或焊接面330、332延伸。

相应于根据图17和18的剖示图，声极头部320在工作面330、332的端侧的端部区域344中的横截面是Q2而在中间区域中(即在最小横截面的区域中)横截面是Q5。在声极体侧伸延的端部区域346中未示出剖面。其优选地相应于横截面Q2。

与声极218的结构不同，在第二侧面334、336的凹状走向中颈部322的改变实现成使得其进一步逐渐变窄，也就是说最小横截面(剖面C-C)Q6小于在声极218中的最小横截面Q1。尤其应存在以下横截面比：

Q2:Q6在1.40:1与1.55:1之间、尤其大约1.47:1，

Q2:Q5在1.12:1与1.20:1之间、尤其大约1.16:1，

Q5:Q6在1.21:1与1.30:1之间、尤其大约1.26:1。

图21至29的实施例基本上相应于图3至11的实施例，除了声极头部220不具有沿着工作面230、232伸延的切割棱边。此外，声极418具有与声极214相同的几何结构，从而应用相同的附图标记。声极218的说明同样地适用于声极418。