超声处理系统、变幅杆和方法与流程

本发明涉及超声处理工件，例如超声连接工件诸如焊接和/或钎焊工件、超声清洁工件或超声切割工件。

背景技术：

已知的超声处理工件系统包括具有至少一个工作面的超声焊头(工具头)，用于超声处理工件。超声塑料焊接过程将约200℃至250℃的温度施加至工具头工作面。在焊接完成之后，重要的是允许已焊接的工件冷却至塑料材料的玻璃化温度以下以保持其形状。因此，必须施加焊接力直到达到玻璃化温度，其通常需要花费数秒。为了加速这个过程，需要具有冷却工具头及其工作面的冷却装置，以使由于工具头热容量储存的热量消散。现有技术中已经提出了多种解决方法以提供这种冷却。

例如DE4206584A1公开了一种通过超声连接两个工件的系统，其中，工具头的工作面被一个或多个布置在工作面周围的喷嘴喷射的冷却空气冷却。然而，这种仅对于工具头的外侧的冷却不是十分有效。

根据US2003/0066863A1，冷却介质在外部吹过工具头或它可经过位于工具头内的各种通道。在US2003/0066863A1中的另一实施例利用了连接至工具头的散热片的使用以将工具头冷却至更低的温度。

DE10250741A1、DE10151992A1、DE202008007271U1、DE102008029769A1、EP2832456A2和WO2017/001255A2进一步教导了具有内部通道的工具头，加热或冷却介质诸如液体可被引导通过该内部通道。

ES1163609U所公开的工具头包含连接至倾斜通道的中心孔，倾斜通道在工具头工作面附近开口。冷却介质可被引导通过这种孔和通道的系统。

虽然从现有技术中已知的这些方案允许加快超声处理期间所产生的热量的消散，但依然需要更有效的消散和冷却。这是实现尽可能短的循环时间的关键因素之一，其在批量生产大规模物品中尤其重要。除此之外，使用液体冷却介质需要封闭的液体回路，其显著阻碍另一个工具头的替换。此外，空化经常发生在暴露于超声波的液体介质中，其同样可导致困难。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供系统和方法，其允许在超声处理期间更加有效的消散所产生的热量并且因此更加有效的冷却。在一些实施例中，工具头应该可更加容易地被另一个工具头替换。

在本发明的第一方面，这些和其它目的通过一种超声处理系统实现，超声处理系统包括具有超声工具头的超声振动臂，该超声工具头带有至少一个工作面用于超声处理至少一个工件。如上所述，超声处理可为超声连接工件如焊接和/或钎焊工件、超声清洁工件或超声切割工件。振动臂包括：

-纵轴；

-至少在工具头中沿纵轴延伸的封闭腔体；

-至少一个介质入口，冷却介质尤其冷却气体可通过介质入口被送入腔体；

-至少一个涡流发生器，其被设计和布置在介质入口和腔体之间，从而可产生在腔体内的介质绕纵轴的涡旋运动；

-至少一个冷却通道，其流体连通至封闭腔体并且将介质引导通过工作面附近，使得工作面被冷却介质冷却；以及

-至少一个第一介质出口，其流体连通至冷却通道。

使用时，冷却介质被送入介质入口、经过涡流发生器并且流过封闭腔体。至少已经流过封闭腔体的冷却介质的第一部分接着流过冷却通道并且最终通过第一介质出口被排出。

因此，与现有技术所知的系统相比，本发明的系统包含至少一个涡流发生器，其被设计和布置在介质入口和腔体之间，从而可产生在腔体内的介质绕纵轴的涡旋运动。如发明人所示，当这种冷却介质的涡旋运动可在腔体内产生时，会获得更快速的热量消散，由此冷却工具头以及尤其是其工作面。这导致循环时间的大幅减少，这在例如工件的批量生产中十分重要。在一些实验中可表明循环时间从大约3秒减少至不到1秒。

不受本发明的限制，目前假设公知的焦耳-汤姆森效应在冷却介质通过涡流发生器时至少部分地减少冷却介质的温度并由此有助于改善本发明的热量消散。当在连接至振动臂的相邻超声换能器附近由于焦耳-汤姆森效应发生冷却，换能器用于激起超声振动臂振动，这种换能器也能被冷却。

同样不受本发明的限制，目前假设涡流发生器和超声振动臂尤其是其工具头内的封闭腔体用为涡流管。涡流管本身为已知的并且归功于乔治.J.拉克和鲁道夫.希尔什。目前还假设在封闭腔体的径向内区域流动的冷却介质的第一部分相比于正在进入的冷却介质减少，而在封闭腔体的径向外区域流动的冷却介质的第二部分相较于正在进入的冷却介质具有变大的温度。进一步地，目前假设在径向内区域的冷却介质的第一冷却部分通过在径向外区域中的冷却介质的第二部分与变热的振动臂热屏蔽。因此，优选地，冷却通道流体连通至封闭腔体，以使已经流过封闭腔体的径向内区域的冷却介质的至少一部分被引导通过工作面附近。

为了避免可能的疑虑，本发明的说明书所用的术语“封闭腔体”不表示气密封闭的腔体而是由除了介质入口和介质出口之外的内壁包围的腔体。

振动臂还可包括变幅杆，变幅杆连接至工具头并且包括介质入口和涡流发生器，其中该封闭腔体延伸在工具头和变幅杆二者中。因此，腔体由工具头和变幅杆二者围成。因此，在那些振动臂包含变幅杆的实施例中，还可使用振动臂的长度的至少一部分来限定涡流管并且因此提供冷却效果。

尤其优选地，工具头是可拆卸连接的或被连接至变幅杆。这允许将一个工具头替换为另一个工具头，例如当一个工具头不得不接受维修时或当需要具有不同特性的另一个工具头用于特定的超声处理时。例如，工具头可为可拆卸连接的或通过螺纹连接机构被连接至变幅杆，其极大地简化了将一个工具头替换为另一个工具头。

优选地，介质入口形成为径向通道，其允许易于制造但是仍然有效。

同样优选地，振动臂、尤其变幅杆包含至少一个通路，其基本平行于纵轴延伸并且使介质入口与涡流发生器流体连通。因此，冷却介质被轴向引导至涡流发生器。

优选地，涡流发生器包含至少一个优选多个引导面，其被设计和布置用于将已经通过介质入口进入的冷却介质偏转为在腔体内绕纵轴的涡旋运动。

在一个实施例中，涡流发生器由螺钉件和界定振动臂的封闭腔体的内壁、尤其是界定变幅杆中延伸的腔体的一部分的内壁形成，其中螺钉件的杆部被保持在封闭腔体的具有第一直径d1的第一圆柱形部段中；通路形成在杆部的无螺纹部和基本平行于纵轴延伸的内壁之间；螺钉件的头部被布置在封闭腔体的具有第二直径d2的第二圆柱形部段中，第二直径d2大于第一直径d1，且头部在其面对杆部的一侧包含引导面中的至少一个。该结构特别简单且有效。杆部背对头部的螺纹部和无螺纹部可与第一圆柱形部段密封接合。

进一步优选地，在预期操作期间，从第一圆柱形部段到第二圆柱形部段的过渡部位于振动臂尤其是变幅杆的纵向振动波节附近。这阻碍了振动能向热能的不利转换。

有利地，该系统还包括用于将冷却介质送入介质入口的输入法兰，其中该输入法兰至少部分包围振动臂。这允许冷却介质简单但有效地送入。除此之外，输入法兰可同时保持超声振动臂，尤其变幅杆。该法兰可在垂直于系统纵轴的平面中包围振动臂。

输入法兰有利地包括用于冷却介质的入口通道和至少部分包围振动臂的纵轴的第一环形通道，第一环形通道使入口通道与振动臂的介质入口流体连通。这种环形通道允许供给振动臂的若干介质入口。入口通道可被布置成基本平行于振动臂的纵轴。

尤其优选地，在预期操作期间，输入法兰在振动臂尤其变幅杆的纵向振动波节区域中连接并保持振动臂。这阻碍了振动能向热能的不利转换。

输入法兰还可包括至少一个冷却通道，第二冷却介质可被引导通过冷却通道。这在输入法兰的区域中对振动臂和同样选择性地对超声换能器具有附加冷却效果，该超声换能器连接至振动臂以激励超声振动臂的振动。冷却通道可形成为至少部分包围振动臂的纵轴的第二环形通道。由此，可在输入法兰附近获得对振动臂的均匀冷却。

进一步优选地，输入法兰还包括：至少一个第二入口通道，第二冷却介质可通过第二入口通道被送入冷却通道；和至少一个第二出口通道，第二冷却介质可通过第二出口通道被排出冷却通道；以及系统还包括使第二出口通道与第二入口通道流体连通的外部冷却部段和用于冷却外部冷却部段中的第二冷却介质的外部冷却单元。因此获得了用于第二冷却介质的封闭冷却回路。特别是，输入法兰的冷却通道没有流体连通至封闭腔体。因此，液体可作为第二冷却介质。液体优选为水和甲醇。外部冷却单元可包括至少一个公知的帕尔帖元件和/或至少一个公知的外部涡流冷却器和/或公知的蒸发式和/或压缩式冷却器。

尤其优选地，封闭腔体、尤其在工具头中延伸的腔体的一部分包含：第一圆柱形部段，其面向涡流发生器、沿纵轴延伸并且具有第一直径D1；和邻接第一圆柱形部段的第二圆柱形部段，其背离涡流发生器、沿纵轴延伸并且具有第二直径D2。第二直径D2有利地小于第一直径D1＝d2，其中尤其D2<D1/2。

有利地，第一介质出口被布置在工作面附近。因此，冷却介质在工作面附近被排出振动臂。该结构尤其简单且提供对工作面的更好的冷却。

进一步有利地，第一介质出口被布置在工具头的外表面的一部分中，所述外表面的一部分相对于纵轴成一个角度布置，该角度优选在60°至80°范围内。

进一步优选地，冷却通道相对于振动臂的纵轴成一个角度延伸。因此，冷却介质同样成所述角度被排出。这具有超声处理的工件借助已排出的冷却介质被吹离工作面的附加效果。优选地，所述角度小于60°并且更加优选地，其在7°至15°范围内。

振动臂尤其工具头还可包括至少一个第二介质出口，第二介质出口流体连通至封闭腔体，以使已经流过封闭腔体的径向外区域的冷却介质的至少一部分被引导至第二介质出口，其中第二介质出口比第一介质出口更远离工作面。在封闭腔体的径向外区域中流动的冷却介质的第二部分(其目前被认为具有高于在封闭腔体的径向内区域中流动的冷却介质的第二部分的温度)可通过第二介质出口被排出。这进一步有助于冷却工作面。然而，如发明人所发现，当不存在第二介质出口时可获得改善的冷却效果并且流过封闭腔体的全部冷却介质通过第一介质出口被排出。

当存在第二介质出口时，第二介质出口可布置在振动臂的周面中，尤其在工具头的周面中。

在预期操作期间，第二介质出口优选位于振动臂尤其工具头的纵向振动波节附近。这阻碍了振动能向热能的不利转换。

本发明的第二方面涉及一种超声变幅杆，其可被用于如前述公开的超声处理系统。变幅杆包括：

-纵轴；

-在变幅杆中延伸的腔体；

-连接机构尤其螺纹连接机构，用于使变幅杆与具有腔体的超声工具头连接，以使变幅杆腔体与工具头腔体形成连接的变幅杆和工具头的封闭腔体；

-至少一个介质入口，冷却介质可通过介质入口被送入变幅杆的腔体；

-至少一个涡流发生器，其被设计和布置在介质入口和封闭腔体之间，使得封闭腔体内侧的介质可产生围绕纵轴的涡旋运动。

当如所阐明的结合工具头使用时，可实现上述优点。

类似于上述发明，

-变幅杆可包含至少一个通路，通路基本平行于纵轴延伸并且使介质入口与涡流发生器流体连通；和/或

-变幅杆的涡流发生器包含至少一个优选多个引导面，引导面被设计和布置成将已经由介质入口进入的冷却介质偏转为在腔体内绕纵轴的涡旋运动；和/或

-变幅杆的涡流发生器可由螺钉件和界定腔体的内壁形成，其中

-螺钉件的杆部保持在具有第一直径d1的腔体第一圆柱形部段中；

-通路形成在杆部的无螺纹部和基本平行于纵轴延伸的内壁之间；

-螺钉件的头部布置在具有第二直径d2的腔体第二圆柱形部段中，第二直径d2大于第一直径d1，及

-头部在其面对杆部的一侧包含引导面中的至少一个，和/或

-在预期操作期间，从第一圆柱形部段到第二圆柱形部段的过渡部可位于变幅杆的纵向振动波节附近。

这些特征具有前述结合超声处理系统已经阐明的优点。

本发明的第三独立方面涉及一种超声变幅杆，尤其如前述公开的超声变幅杆。该变幅杆包括：

-纵轴，

-第一连接端，变幅杆在第一连接端可连接超声换能器，

-第二连接端，其关于纵轴与第一连接端相对，该变幅杆可在第二连接端通过连接机构尤其螺纹连接机构连接至超声工具头。

根据本发明的第三方面，该变幅杆包括腔体，该腔体具有垂直于纵轴的横截面，横截面至少在从第一连接端到第二连接端的部分中沿纵轴增大。因此，相比于先前已知的、外周长且尤其是外直径沿纵轴变小的超声变幅杆，当前变幅杆的内周长尤其内直径沿纵轴变大。外周长的变小和内周长的变大共同引起沿纵轴的横截面面积的减小，因此引起超声波的扩大。然而，内周长沿纵轴变大的至少部分中空的变幅杆导致变幅杆在超声处理期间具有针对抗弯曲力的更高的稳定性。

在一个可以容易制造的实施例中，腔体包含：第一圆柱形部段，其面向第一连接端、沿纵轴延伸并且具有第一直径d1；邻接第一圆柱形部段的第二圆柱形部段，其指向第二连接端、沿纵轴延伸并且具有大于第一直径d1的第二直径d2。

优选地，在预期操作期间，从第一圆柱形部段到第二圆柱形部段的过渡部位于变幅杆纵向振动波节附近，这阻碍振动能向热能的不利转换。

本发明的第四方面涉及一种使用前述公开的超声处理系统超声处理至少一个工件的方法。方法包括以下步骤：

-通过工具头的工作面超声处理工件；

-将冷却介质通过介质入口送入封闭腔体，由此使封闭腔体内侧的介质产生围绕纵轴的涡旋运动并且通过流出第一介质出口的介质冷却工作面。

在本发明的最一般的范围中，这些步骤可被连续地和/或可选地和或至少部分同时地多次执行(尤其在多个工件上)。然而优选地，方法包括以下步骤：

a)通过工具头(30)的工作面(31)超声处理第一工件；

b)将冷却介质通过介质入口送入封闭腔体，由此产生在封闭腔体内的介质绕纵轴的涡旋运动并且通过流出第一介质出口的介质冷却工作面；

c)通过工具头的工作面超声处理第二工件；

d)选择性地重复步骤b)和c)一次或多次。

冷却介质可以是气体。该气体可以是纯气体或包含少量液体的气体。然而，冷却介质优选为纯气体，因为这允许控制更简单。尤其最明显在替换工具头期间避免了液体的溢漏。除此之外，通过使用气体可避免发生在许多液体中的空化。

冷却气体可以是容易且便宜获得的空气。其它合适的冷却气体是二氧化碳、氮气和惰性气体。当在特定材料的超声处理尤其特定材料的超声焊接中需要防止氧化时，尤其优选惰性气体。当然，这些气体的任意混合气体可被用作冷却气体。

为了实现冷却介质经过涡流发生器之前和之后的更大温度差异，将冷却介质在至少2巴、优选至少4巴、更加优选至少6巴的压力下送入介质入口是有利的。如所示，当将冷却介质在至多20巴或甚至至多10巴的压力下送入介质入口时，可实现更充分的冷却效果。

为了在工具头的工作面处获得低温，冷却介质在低温下被送入介质入口也是优选的。然而当将冷却介质在至少15℃的温度下送入介质入口时，可有利地防止冷凝。

在优选实施例中，被超声处理的工件由塑料制成并且通过超声焊接和/或钎焊、尤其超声点焊和/或点钎焊处理。

有利地，当系统包括输入法兰时(输入系统包括至少一个前述公开的冷却通道)，冷却液体作为第二冷却介质被引导通过冷却通道。这提供了对于振动臂并且可选地还有连接至振动臂的超声换能器的附加冷却。

附图说明

现借助如图所示的实施例来进一步阐明本发明，其中：

图1示出根据本发明的第一超声处理系统的立体图；

图2示出第一超声处理系统的第一截面侧视图；

图3示出第一超声处理系统的涡流发生器的立体图；

图4示出第一超声处理系统的截面立体图；

图5示出第一超声处理系统的第二截面侧视图；

图6示出第一超声处理系统的俯视图；

图7示出第一超声处理系统的仰视图；

图8示出根据本发明的第二超声处理系统的截面侧视图。

具体实施方式

图1至图7所示的超声处理系统1的第一实施例包含超声振动臂10，超声振动臂包括超声工具头30和沿纵轴L延伸的超声变幅杆50。在其背离变幅杆50的一端，工具头具有用于处理例如超声焊接工件的工作面31。

输入法兰20在垂直于纵轴L的平面中包围变幅杆50且在预期操作期间在纵向振动波节区域内保持变幅杆50。输入法兰20包括用于第一气态冷却介质的入口通道22。入口通道22平行于纵轴L布置。输入法兰20还包括第二入口通道55和第二出口通道56，第二液体冷却介质可通过第二入口通道55被送入并通过第二出口通道56被排出。如图1示意性所示，系统1还包括外部冷却部段2和外部冷却单元3，外部冷却部段2使第二出口通道56和第二入口通道55流体连通，外部冷却单元3用于冷却在外部冷却部段2中的第二冷却介质。冷却单元3可为帕尔帖冷却单元。

如可在图2中看到的那样，振动臂10包括在变幅杆50和工具头30二者中沿纵轴L延伸的封闭腔体32、51。输入法兰20包含第一内部环形通道23，其包围纵轴L并使入口通道22和介质入口52流体连通，介质入口52作为变幅杆50中的径向通道52来形成。通过这些介质入口51，气态冷却介质如空气可被送入腔体32、51。空气可在6巴和10巴之间的压力下和略高于15℃的温度下被送入。

在变幅杆50中延伸的腔体51的一部分包含第一圆柱形部段59，第一圆柱形部段59可面向变幅杆50的第一连接端57，变幅杆50可连接至图2未示出的超声换能器。第一部段59沿纵轴L延伸并具有第一直径d1。在变幅杆50中延伸的腔体51部分还包含邻接第一圆柱形部段59的第二圆柱形部段60，第二圆柱形部段60指向变幅杆50的第二连接端58。在第二连接端58，变幅杆50通过螺纹连接70被连接至工具头30。第二圆柱形部段60还沿纵轴L延伸并具有大于第一直径d1的第二直径d2。因此，腔体51具有垂直于纵轴L的横截面，该横截面从第一连接端57到第二连接端58沿纵轴L增大。因此，变幅杆50的外周长可沿其长度几乎保持不变，由此减少在系统操作期间由可能发生的作用力所引起的弯曲。

在预期操作期间，从第一圆柱形部段59到第二圆柱形部段60的过渡部位于变幅杆50的纵向振动波节附近。输入法兰20同样位于该过渡部。

系统1还包括涡流发生器53，涡流发生器通过螺钉件62和内壁63形成，内壁界定出在变幅杆50中延伸的腔体32的一部分。螺钉件62的杆部64保持在腔体51的第一圆柱形部段59中。通路61形成在杆部64的无螺纹部66和内壁63之间。杆部64的背对头部65的螺纹部和无螺纹部66可与第一圆柱形部段59密封接合。通路61平行于纵轴L延伸。螺钉件62的头部65布置在腔体51的第二圆柱形部段60中。

如在图3中可清楚看到地，头部65在其面向杆部65并因此面向第一圆柱形部段59的一侧包含多个引导面54。在使用时，这些引导面54使已通过介质入口52且经由通路61进入的冷却气体在腔体32、51内偏转为绕纵轴L的涡旋运动。

现返回至图5，输入法兰20还包括冷却通道21，第二冷却介质、优选是冷却液体诸如水或甲醇可被引导通过冷却通道21。冷却通道21以第二外部环形通道21形式形成，其包围纵轴L并且还包围内部通道23。形成一个封闭回路，其中，冷却液体通过第二入口通道55进入，被引导通过环形通道21，通过第二出口通道56离开，接着在图1所示的外部冷却部段2中再次被冷却。流过环形通道21的冷却液体冷却变幅杆50并且选择性地冷却未被示出的超声换能器。

返回至图2，工具头30还包含封闭腔体32、51的一部分32。该部分32包含第一圆柱形部段36和邻接第一圆柱形部段36的第二圆柱形部段37，第一圆柱形部段36面向涡流发生器53，沿纵轴L延伸并且具有第一直径D1，第二圆柱形部段37背离涡流发生器53，沿纵轴L延伸并且具有小于第一直径D1的第二直径D2。优选地，D2<D1/2。在附图所示的实施例中，变幅杆腔体51的部段60的直径d2等于工具头腔体32的部段37的直径D1。

振动臂10还包含连接至腔体32的六个冷却通道34。冷却通道34结束在第一介质出口33，第一介质出口33被布置在工作面31的附近和周围。冷却通道34相对于纵轴L成约15°的角度α延伸。第一介质出口33布置在工具头30的外表面的一部分中，所述外表面的一部分布置成相对于纵轴L成接近75°的角度β。

使用时，气态冷却介质诸如空气被送入入口通道22，接着被引导通过环形通道23、介质入口和通路51并且接着被引向涡流发生器53的引导面54。这导致了冷却介质围绕纵轴L的涡旋运动。然后，已流过封闭腔体32、51的径向内区域的冷却介质的第一部分且还有已流过封闭腔体32、51的径向外区域的冷却介质的第二部分流过冷却通道34并且通过第一介质出口33最终被排出。

在图8所描述的第二实施例中，工具头30附加包含连通至封闭腔体32、51的第二介质出口35用于使已流过封闭腔体32、51的径向外区域的冷却介质的至少一部分被引导至第二介质出口35。在预期操作期间，第二介质出口35布置在工具头30的周面中、工具头30的纵向振动波节附近。引导该部分冷却气体离开工作面31进一步加强了冷却效果。