本发明涉及根据独立权利要求的前序部分的、借助超声波焊接构件的装置，它具有用于支承焊头的支承机构。
背景技术：
已知用于焊头的支承机构被安装在具有最小振幅的部位上(所谓的零点支承)。由此可做到通过支承机构耦合输出尽量少的、应被提供用于真正的焊接过程的超声波能。也可由此避免在支承机构上的不希望有的升温。
因此，us3,184,841例如公开一种扭振超声焊极，其可借助超声波换能器被激励扭振。环形焊嘴的工作面垂直于扭轴延伸。焊极在一个振动节点处由物体支撑。
wo02/061895a1专注于电导线的连接，这例如可以通过扭振超声焊极或纵向振动件获得。纵向振动件可以安装在一个振动节点上。
在ep2261008a1中公开了其它的超声波处理装置和方法。一个焊极被激励而超声扭振。它具有一道缝，砧的作用件被插入该缝中，从而形成用于两片待焊塑料膜的焊缝。作用件在接合部区域中具有镰形边缘，楔形面与该镰形边缘相接。设置在作用件或槽底面上的支承部段具有锥形尖头，其指向扭轴并且形成在焊接时不共同振动的零点接触。
如wo2011/138404a1所公开的扭振超声焊极包括凸起，所述凸起在周向区域内具备工作面。在工作面的两侧分别设有一环形面，该环形面关于扭振超声焊极的固有振动波长位于节点线上。在一个实施例中，支承装置围绕该环形面。压力借助施压装置来产生。
在wo2012/069413a1的实施例中，扭振器在一个焊极后方的纵向位置处被夹紧环围绕，夹紧环形成扭振器用支承。夹紧环一般设置在一振动节点处。
但是，所有这些已知的支承机构有以下缺点，振动节点的位置与作用于焊头的力和力矩相关。通常，一个振动节点可以位移多个毫米。这导致不希望有的超声波能耦合输出和与之相关的已如上所述的缺点。
技术实现要素：
因此，本发明的任务是提供一种借助超声波焊接构件的装置，其不具有上述的缺点。即，尤其应该如此支承该装置的焊极，从而不会出现值得一提的超声波能耦合输出，确切说无论有多大的力或力矩作用于焊头。
根据本发明的第一方面，这些和其它的任务通过一种借助超声波焊接构件的装置来完成，该装置包括具有焊头的焊极和支承机构。焊头可被振动发生器激励而关于扭轴扭振。根据本发明的第一方面，在焊头上，关于扭轴在周面侧布置至少一个焊接面。该支承机构在包括焊头的振动节点的支承区内支承该焊头。
根据本发明的第一方面，所述支承区和焊接面至少部分在垂直于扭轴延伸的一个共同平面中延伸。此设计有以下优点，振动节点的位置实际上与多大的力或力矩作用于焊接面无关。即，与所述力或力矩无关地并未出现值得一提的经支承机构耦合输出的超声波能，从而更大部分的超声波能可以供真正的焊接目的所用。
该支承区有利地只形成焊头的关于扭轴的内侧区域。因为该内侧区域中的扭振振幅小于在外侧区域中的扭振振幅，故可以由此再减小在支承机构处耦合输出的超声波能。
根据本发明的独立的第二方面，该装置也设计用于借助超声波焊接构件且包括具有焊头的焊极，焊头可以被振动发生器激励而关于扭轴扭振，该装置还具有支承机构，支承机构在包括焊头的振动节点的支承区内支承该焊头。但是根据第二方面，焊接面不一定必须关于扭轴在周面侧设置在焊头上，至少一个焊接面反而也可以布置在垂直于扭轴的焊头端面上。根据第二方面，该支承区和焊接面也不一定必须至少部分在垂直于扭轴的一个共同平面中延伸。
根据第二方面，焊极具有孔，该孔基本垂直于扭轴地穿过该支承区，且该支承机构包括延伸穿过该孔的支承销，支承销在支承区内在该孔中支承该焊极。“基本垂直于扭轴地”穿过在此和下文中是指该孔以80°至100°的角度穿过该支承区。所述角度优选在85°至95°的范围内，更好是在89°至91°的范围内，更尤其最好是90°。因为该角度约接近90°，越少的超声波能被耦合输出。通过这种方式，可以很简单地实现只在焊头的关于扭轴的内侧区域中的支承，由此可以获得已如上所述的优点。就像已经完全出乎意料所表明地，焊极的声学性能没有受到穿过它的孔和延伸穿过孔的支承销的不利影响。这样的支承销有以下优点，焊极可以被精确装入，尤其当焊极被反复定位或更换时。可以想到且在本发明范围内的是，焊极和支承销相互成一体地构成。但有利的是，焊极和支承轴是两个要相互组装的单独构件。支承销可以例如通过过渡配合、收缩或压入在支承区内的孔中支承该焊极。
该支承销尤其有利地与扭轴相交。通过这种方式，支承销可以很有效地支承该焊头的关于扭轴的内侧区域。
为了允许只在焊头的关于扭轴的内侧区域中的支承，该孔可以朝向支承区缩窄。这种表述不仅包含孔的锥形部段，也包含以下实施方式，此时的孔不仅在支承区、也在对置的孔从焊极通出的两个通口部分别呈圆柱形，但在这里，所述孔在支承区内具有第一内径，第一内径小于所述孔在通口部中的第二内径。这种阶梯形部段比锥形部段更易于制造。
替代地或补充地，该支承销可以朝向支承区扩大。相似地，该陈述也涵盖下述支承销，其中央部段具有第一外径并且其两端部具有第二外径，第二外径小于第一外径。支承区越长，支承越稳固。但是，另一方面，随着支承区长度递增而也出现递增的但不希望的扭振阻尼。实际上已经被证明有利的是，支承区的沿支承销的长度在焊头的沿支承销的延伸范围的10％至30％内，最好在20％至25％内。在其它有利的实施方式中，该支承销可以具有对置的两端，所述两端分别容置在一个支承孔内。通过这种方式，在焊接时出现的力和力矩可以被传递至支承结构。每个支承孔能以各自呈一体状的支承套的开口形式构成。或者，每个支承孔可以通过两个支承部分构成，例如通过一个支承座和一个夹头构成。通过使这种夹头脱离支承座，支承销很容易接近，例如以便将焊极转移入一个不同位置，在此不同位置上可以将另一个焊接面用于焊接。
该装置尤其有利地包括尤其是一件式的支承座，支承座至少部分形成两个上述支承孔。这样的一件式支承座在结构上极其简单。但作为其替代方式也可以想到且同样在本发明范围内的是两个支承套并未相互成一体地构成。
该装置还可以包括用于产生基本垂直于扭轴地作用于支承座的力的施压装置。“基本垂直于扭轴作用的力”在此和下文中是指在力与扭轴之间的角度在70°至110°的范围内，最好在80°至100°的范围内，尤其最好在85°至95°的范围内，更尤其最好是90°。通过这种方式，该焊接面可以被压紧到要与第二构件相联接的第一构件上。因为有根据本发明的支承机构，由施压装置产生的力并未造成值得一提的振动节点位置移动。
该支承销能以空心销形式构成，或者可以由实心材料构成。空心销的优点是减振性更好，而由实心材料构成的销更加机械稳定。
在独立的第三方面，本发明涉及一种借助超声波焊接构件的装置，该装置包括带有焊头的焊极，焊头可以被振动发生器激励振动，该装置还包括支承机构，该支承机构在包括焊头的振动节点的支承区内支承焊头。
该振动发生器可被设计用于激励焊头以关于扭轴扭振。此时，至少一个焊接面可关于扭轴设置在周面侧和/或至少一个焊接面可设置在垂直于扭轴的端面上。但或者该振动发生器也可被设计用于激励焊头纵向振动。
在本发明的第三方面中，该装置具有用于焊头的温度控制且尤其是冷却或加热的温控机构。该温控机构包括至少一个延伸经过支承机构的用于温控介质的温控供应机构和至少一个与温控供应机构有效连接的温控元件，温控元件最好布置在焊头的焊接面区域中。如以下还描述地，有效连接例如可以在于流体连通或电连接。因为温控供应机构布置在在包括焊头的振动节点的支承区中支承焊头的支承机构内，故温控供应机构实际上未受到超声波振动的不利影响。焊头在焊接面区域内的冷却极其有效，因为在那里在焊接时出现绝大部分的热。焊头在焊接面区域内的加热也在一些实施例中被证明是有利的。另外，焊头的温度控制具有以下优点，可以将温度和进而还有谐振频率保持得比较恒定。
在一些实施例中，温控供应机构包括至少一个供应通道，温控流体可以经该供应通道被送入焊头或被送出焊头。在这些实施例中，温控流体形成温控介质。温控流体且尤其是冷却流体或加热流体例如可以是气体或液体比如水。所述至少一个供应通道可以在支承机构的开口处开放。通过第一开口，温控流体可以被送入，并且它可以从第二开口又被送出。温控元件可包括至少一个用于温控流体的温控流道，其可与供应通道流体连通。
或者，温控介质可以是电流。它可通过设于支承机构内的电导线被送入焊头，在此电导线形成温控供应机构。温控元件可以是与电导线电连接的电温控元件。电温控元件例如能以帕帖尔元件形式构成用于冷却或加热焊头，和/或以加热金属丝形式构成用于加热焊头。
在一个可能实施方式中，该支承机构包括如上所述的支承销，支承销呈空心销形式构成并形成温控供应机构连同所包括的用于温控流体的供应通道。供应通道例如可以居中设置在空心销中且呈圆柱形构成。至少一个供应通道可以在开口处开放，该开口布置在支承销的对置两端，或者也能在支承销的相同端开放。当根据本发明的第一方面所述支承区和焊接面至少部分在一个垂直于扭轴延伸的共同平面中延伸时，该至少一个供应通道和温控流道可以通过该支承销内的同一个孔形成，其可以呈连贯圆柱形。
在其它实施方式中，可以电导线可以延伸穿过支承销，以便例如给设于焊头内的帕帖尔元件供应电流。
本发明的第一方面也包含以下装置，其中，焊极在支承区中通过不同于通过孔和支承销来支承的其它方式来支承。焊头可以具有至少一个、最好是多个关于扭轴的径向凸起，在径向凸起的末端分别形成有一个焊接面。借助这种径向凸起，可以在焊接面上获得大的扭振振幅，而焊头不必总体具有较大直径。还重要的是，焊头具有恰好两个关于扭轴彼此相对的径向凸起，在径向凸起的末端分别形成有一个焊接面，在此，该支承销基本垂直于将两个焊接面相连的连线延伸。“基本垂直”的走向在此是指在支承销与连线之间的角度在70°至110°的范围内，优选在80°至100°的范围内，尤其最好在85°至95°的范围内，更尤其最好为90°。这样的基本垂直走向用于通过支承机构更好地传递力和力矩。
附图说明
以下，结合多个实施例和附图来详细说明本发明，其中：
图1a是根据本发明的第一装置的立体示意图；
图1b以剖视图示出根据图1a的装置；
图2a以立体图示出根据本发明的第二装置；
图2b以第一剖视图示出根据图2a的装置；
图2c以第二剖视图示出根据图2a和2b的装置；
图2d示出根据图2a-2c的装置的焊极的剖视图；
图2e示出根据图2a-2d的装置的支承销的立体图；
图3以剖视图示出根据本发明的第三装置；
图4是根据本发明的第四装置的立体图，其具有布置在焊头的一端面上的焊接面。
具体实施方式
图1a示意所示的借助超声波焊接构件的装置10包括焊极11，其具有两个端件13和一个设于端件之间的焊头12，焊头借助在此未示出的振动发生器可以通过端件13被激励而关于扭轴t扭振。焊头12具有两个关于扭轴t彼此对置的径向凸起22。在凸起22末端上分别形成有一个焊接面14，第一构件可以借助该焊接面通过焊接与第二构件联接。即，两个焊接面14关于扭轴t布置在周面侧。装置10还包括支承机构15，该支承机构在支承区内支承焊头12。在图1b中还被详细示出的所述支承区包括焊头12的振动节点。
根据图1b的剖视图示出了支承机构15的细节。焊极11具有圆柱形孔17，其垂直于扭轴t地且也垂直于将两个焊接面14相连的连线v地穿透支承区16。支承机构15还包括延伸穿过该孔17的支承销18，该支承销的中央部段24在该支承区16内在孔17中支承焊极11。支承销18朝向其中央部段24扩宽。在在此所示的实施例中，支承区16的沿支承销18的长度约等于焊头12的沿支承销18的延伸范围的20％。支承销18通过压入孔17中被保持在焊极11内。这例如可以通过冷缩做到，此时支承销18通过冷却被收缩，接着穿过支承孔29地被插入该孔17中。当随后再次加热时，支承销18被压入在该孔中。
通过这种方式，焊极11只在该焊头12的关于扭轴t的内侧区域中被支承。换言之，支承区16只形成焊头12的一个关于扭轴t的内侧区域。支承区16和焊接面14在垂直于扭轴t延伸的一个共同平面e中延伸。
通过根据本发明的设计，振动节点的位置实际上与多大的力或力矩作用于焊接面14无关。即，与所述力或力矩无关地未出现值得一提的经支承机构15耦合输出的超声波能，使得更大部分的超声波能可供真正焊接目的所用。
在此实施例中，支承销18以空心销18形式构成。但或者该支承销18也可以由实心材料构成。支承销18具有对置的两端20，所述两端分别容置在同一个一件式支承座23的支承套21的支承孔29内。通过这种方式，力和力矩可以被传递至该支承座。支承销18容许很精确地定位该焊头12。
装置10还可以包括在此未示出的用于产生垂直于扭轴t作用于支承座23的力k的施压装置。通过这种方式，其中一个所述焊接面14可以被压紧到第一构件上，第一构件要与第二构件相联接。
图2a-2e示出了根据本发明的用于借助超声波焊接构件的第二装置10＇。
根据图2a，装置10＇包括具有槽形凹空部的支承座26＇，焊极11＇容置在该凹空部中。焊极11＇也包括两个端件13＇连同设于它们之间的且带有两个凸起22＇的焊头12＇，在焊头的末端上分别设有一个焊接面14＇。通过端件13＇，焊头12＇可借助两个未示出的振动发生器被激励而关于扭轴t扭振。一个支承销18＇的对置两端20＇借助夹头27＇被安装在支承座26＇上。夹头27＇借助螺钉被固定在支承座26′上，螺钉被插入螺纹孔28′中。通过使夹头27′脱离支承座26′，支承销18＇很容易接近。借助在此未示出的施压装置例如气压缸，垂直于扭轴t作用的力k可被施加至支承座26′，由此，焊接面14＇可以被压紧到要与第二构件相联接的第一构件。
如根据图2b的剖视图所示，装置10＇包括两个支承部件30′，借此来保持焊极11＇的端件13＇。这两个支承部件30′可以例如由胶木板构成。它们也包括用于支承所述端件13＇的槽形凹陷。借助支承部件30′，可以很精确地调节焊极11＇的位置。
如图2c的剖视图所示，焊极11＇具有孔17＇，孔与扭轴t相交且同时垂直于扭轴t地且也垂直于将两个凸起22′相连的连线v地穿过焊头12＇。在孔17′中装入支承销18＇，该支承销在支承区16′内在孔17′中支承焊极11′。支承销18′此时通过过渡配合来保持，从而它可根据需要来更换，例如当它磨损、弯曲或断裂时。在支承区16′内存在焊头12′的振动节点。
图2d示出了焊头12′的详细的立体剖视图。如在此清楚看到地，孔17′在支承区16′内具有第一内径，并且在对置的两个通口部19′，它具有第二内径，第二内径大于第一内径。即，孔17′朝向支承区16′缩窄。图2e详细示出了支承销18′。不同于第一实施例的支承销18，支承销18′由实心材料构成。支承销18′包括具有第一外径的中央部段24′和具有第二外径的两个对置的端部25′，第二外径小于第一外径。即，支承销18′朝向中央部段扩宽，它在中央部段支承焊头12′。
支承区16′的沿支承销18′的长度约等于焊头12′的沿支承销18′的延伸范围的25％。
总体上，焊头12′由此只在焊头12′的关于扭轴t的内侧区域中被支承。此外，支承区16′和两个焊接面14′在一个共同的平面e中延伸，该平面垂直于扭轴t延伸。根据本发明的设计具有已如上所述的优点。
为了能利用在图2a-2c中的下方示出的焊接面14′，可以首先使夹头27′脱离支承座26′。因为孔17′和支承销18′居中以及因为总体对称的布置形式，焊极11′于是可以简单地随支承销18′绕扭轴t被转动180°，使得末端20′又被容置在支承孔29′内。随后，夹头27′又可以被安装在支承座26′上。因为有支承销18′，故定位极其精确。
在本发明的如图3所示的第三装置10″中，相比于如图2a-2e所示的装置10′，支承销以空心销18″的形式构成。它具有居中的连贯圆柱形的通道31″，温控流体尤其是冷却介质或加热介质借助如水通过该通道被送入、经过和又送出焊头12″。通过这种方式，可以获得焊头12″的在焊接面14″区域中的温度控制且尤其是冷却或加热。通道31″在开口32″、33″处开放，开口设置在支承销18″的对置两端20″上。通过第一开口32″，温控流体可以被送入，并且它又从第二开口33″被送出。即，通道31″同时形成用于温控流体的送入和送出的供应通道和用于温度控制的温控流道。此实施方式在使用冷却介质时容许在焊接面14″区域中冷却焊极11″，在该焊接面区域在焊接时出现绝大部分的热。
图4示意性示出了根据本发明的第四实施例，在这里，焊接面14″′设置在焊头12″′的一端面上。在这里也设有支承销18″′，它在支承区16″′内在孔17″′中支承焊极11″′。支承销18″′的两端20″′被保持在两个在此未示出的支承孔内。支承销18″′包括供应通道31″′，温控流体经该供应通道可被送入焊头12″′。在焊头12″′内，在此在焊接面14″′区域中也设有未示出的温控流道，温控流道与供应通道31″′流体连通。通过这种方式，焊头11″′可以在焊接面14″′区域中被冷却。
根据图4的焊头12″′可以被激励而关于扭轴t扭振或者纵向振动，在这里，支承区16″′包括焊头12″′的扭曲的或纵向的振动节点。因为支承销18″′安置在该区域中，故温控流体供应未受到不利影响。