超声焊接系统的制作方法

本发明涉及一种包括超声振动单元的超声焊接设备，该超声振动单元具有超声焊极和转换器。超声焊极和转换器沿纵向轴线彼此相邻布置，并且彼此匹配，使得超声振动单元能够在纵向轴线方向上以频率f＝v/λ利用超声振动发生共振，其中，v是超声振动单元内声学超声振动的传播方向，而λ是超声振动的波长。在这种情况下，在超声振动单元中形成具有振动节点和振动最大值的驻波。在最简单的情况下，超声焊极精确地具有一个振动节点和两个振动最大值，即，超声焊极的长度对应于共振振动的波长的一半λ/2。

背景技术：

通常，超声焊接设备具有砧座，其中待处理的材料布置在超声焊极的密封表面和砧座的密封表面之间。

超声振动单元必须被保持以便进行操作，并因此具有合适的保持器。

对焊接质量的要求总是不断提高。另外，存在比如金属的材料，在其焊接处理时，在超声焊极的密封表面处发生相当大的磨损，这使得必须经常更换超声焊极。不定期地，已经提出了具有多个密封表面的反转超声焊极，其中，在密封表面已经经受磨损之后可以反转超声焊极，以便继续操作另一个密封表面。

为了获得高的焊接质量，特别是在金属焊接中，必须将超声焊极和砧座的密封表面非常精确地彼此平行定位。特别地，在已知的超声焊接设备中，超声振动单元和超声焊极的密封表面相对于砧座的平行定位非常复杂和费劲，并且通常只能由经过专门培训的人员进行，这会导致加工过程中破坏性中断，尤其是在必须经常更换超声焊极时。使用反转超声焊极不会改变这一点，因为在每次反转后必须再次将其精确地平行于砧座定位。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种超声焊接设备，该超声焊接设备允许超声焊极的密封表面相对于砧座的简单、快速、高精度的调节。

根据本发明，该目的的获得方式是：保持器具有角度定位装置，其中，该角度定位装置和超声振动单元构造成使得它们能够以互锁或型式装配关系连接在一起，使得通过互锁或型式装配连接阻止超声振动单元绕纵向轴线旋转，并且不阻止超声振动单元和保持器之间在纵向轴线方向上的相对运动。

由于互锁连接，建立了超声振动单元相对于其纵向轴线的角度位置。超声振动单元仅需要连接到角度定位装置来固定旋转位置。因而，可以在纵向轴线的方向上至少在受限的程度上实现超声振动单元的定位。通过互锁连接阻止绕纵向轴线的进一步旋转。互锁连接构造成使得当实现互锁连接时，角度位置相对于纵向轴线处于期望位置。无需进一步调节旋转方向。因此，超声振动单元只需连接到角度定位装置，以实现砧座和超声焊极的密封表面的几乎完全平行的定向。

在较佳实施例中，超声振动单元具有带有至少一个凹口的外凸边(auβenwulst)，其中，角度定位装置具有对应于凹口的至少一个凸起并且该至少一个凸起能够接合在凹口中并因此提供互锁连接。

在这方面，外凸边可具有多个凹口，其中，较佳地，角度定位装置具有与多个凹口相对应的多个凸起，其中，特别较佳地，超声振动单元能够在相对于彼此绕纵向轴线旋转的多个位置中以互锁关系连接到角度定位装置。

特别地，当超声焊极呈具有多个密封表面的反转超声焊极的形式时，后面的实施例是有利的。在其中互锁连接防止角度定位装置和超声振动单元之间相对旋转的任何位置中，超声振动单元处于其中多个密封表面之一以最佳方式定向的旋转位置中。

外凸边可以是任何期望的构造。例如，外凸边可具有t形横截面。然后，外凸边具有桥接部(steg)和从桥接部的一侧以直角在两侧上延伸的凸缘。一个或多个凹口然后可以较佳地设置在凸缘中。

角度定位装置的至少一个凸起原则上可以在任何方向上延伸，只要它能够提供到超声振动单元的互锁连接即可。在较佳实施例中，角度定位装置的凸起在轴向方向上延伸。

在另一较佳实施例中，外凸边的至少一个凹口和角度定位装置的凸起具有相互对应的接触表面，当将超声振动单元装配到角度定位装置中时，该接触表面在超声振动单元绕纵向轴线旋转时彼此接触，其中，较佳地，凹口和/或凸起的接触表面相对于纵向轴线倾斜。基本上，该实施例表示在一方面的角度定位装置和另一方面的超声振动单元之间的齿构造。

为了使互锁连接尽可能无游隙，较佳实施例规定，凸起和/或凹口构造成汇聚成点，从而使接触表面相对于纵向轴线倾斜。例如，凸起和凹口可以呈希氏齿(hirth-verzahnung)的形式。

在另一较佳实施例中，角度定位装置具有用于将角度定位装置固定到机架的固定元件并且具有能够相对于固定元件在纵向轴线的方向上在两个位置之间往复移动的联接元件，其中，能够在联接元件和超声振动单元之间产生互锁连接。在这种情况下，联接元件能够在位置之一中弹性地预张紧。

由于角度定位装置的两部分性质，联接元件能够与超声振动单元形成互锁连接，或者能够与其脱离接合，以允许超声振动单元绕其纵向轴线旋转。

在另一较佳实施例中，在固定元件和联接元件之间设置有压板，该联接元件绕纵向轴线相对于压板可旋转。此外，设置有止动装置，利用该止动装置可以使联接元件止动，从而防止联接元件绕超声振动单元的纵向轴线旋转。在较佳实施例中，止动装置固定到保持器。

可以提供一种精细调节装置，利用该精细调节装置，联接元件能够相对于固定元件绕纵向轴线在两个旋转位置之间来回旋转，其中，特别较佳地，该精细调节装置包括具有狭槽的调节元件和螺钉，该狭槽能够连接到联接元件，螺钉接合穿过狭槽并接合在保持器的螺纹孔中。

联接元件相对于紧固元件的可旋转性用于补偿与超声焊极的密封表面和砧座的密封表面的平行度有关的任何可能偏差。借助精细调节装置，这能够非常精确地实现。

在另一较佳实施例中，外凸边布置在超声焊极上或布置在超声焊极和转换器之间的振幅变换器上，其中，较佳地，该凸边布置在波长为λ/2的共振振动的振动节点中。在振动节点处的布置确保了保持器或角度定位装置对共振振动的影响最小。如果外凸边是t形横截面，带有桥接部和从桥接部的一侧以直角在两侧处延伸的凸缘，则桥接部应布置在共振振动的振动节点处。

在另一较佳实施例中，提供了一种支承元件，用于支承垂直于纵向轴线施加到超声焊极的力，其中，该超声焊极和支承元件具有相互对应的支承表面，支承表面至少在将力垂直于纵向轴线施加到超声焊极时彼此接触，其中，支承表面构造成使得当它们彼此接触时，它们阻止超声焊极相对于支承元件在纵向轴线方向上的相对运动，并且不阻挡超声焊极绕纵向轴线的旋转。

当用于角度定位装置的外凸边布置在振幅变换器上时，该实施例是特别有利的，因为在焊接操作期间施加在超声焊极上的力于是具有大的杠杆作用，该杠杆作用能够借助支承元件承载。即使超声焊极和砧座的密封表面彼此完全平行地取向，如果超声焊极加载有横向于纵向轴线的弯矩，这也会改变。每当超声焊极的密封表面不垂直于纵向轴线定位时，总是如此。特别是在金属焊接中，超声焊极的密封表面大致定向为使得密封表面的法线包括与纵向轴线的直角。由于在金属焊接中必须施加相对较高的力，因此超声振动单元发生弯曲，从而导致超声焊极的密封表面不再精确地平行于砧座的密封表面定向，从而降低了焊接质量。另外，超声振动单元的各部件也可能被高弯矩损坏，并且这是要避免的。通过支承元件减小了弯曲并因此减小了与平行度的偏差，并避免了对保持器或超声振动单元的各部件的损坏。

作为示例，超声焊极可具有肋，并且支承元件可具有凹槽，它们接合到彼此中以提供支承作用。替代地，超声焊极也可以具有凹槽，并且支承元件可以具有肋。肋和凹槽则具有相应的支承表面。较佳地，超声焊极的肋或凹槽布置在共振振动的振动节点处。

在较佳实施例中，相应的支承表面相对于垂直于纵向轴线的平面倾斜。在特别较佳实施例中，凹槽和肋都具有梯形横截面。这种措施设置成超声振动单元的轴向定位非常简单和精确。

在另一较佳实施例中，提供了一种配对工具，其中，超声焊极和配对工具在垂直于纵向轴线的方向上相对于彼此可移动，并且支承元件定位成使得通过配对工具可能是借助超声焊极和配对工具之间的材料施加在超声焊极上的力被传递到支承元件。基本上，因此，配对工具和支承元件定位在超声焊极的相对两侧上。

在另一个实施例中，支承元件固定到保持器，其中，较佳地，该支承元件能够相对于保持器在保持位置和释放位置之间往复移动。在保持位置中，相应的接触表面彼此接触，而在释放位置中，超声振动单元能够在纵向轴线的方向上移动，而该移动不受支承元件的阻碍。在特别较佳的实施例中，提供了一种锁定装置，利用该锁定装置能够将支承元件锁定在保持位置中。

在另一较佳实施例中，在超声焊极和转换器之间设置有振幅变换器，其中，该振幅变换器借助互锁连接而连接到转换器和/或超声焊极，该互锁连接在垂直于纵向轴线的平面的所有方向上提供互锁关系。作为示例，在振幅变换器和转换器之间或者在振幅变换器和超声焊极之间的互锁连接可以包括销和相应的开口，其中，较佳地，该销布置在振幅变换器上，并且相应的开口在超声焊极或转换器上。

销和相应的开口较佳地不是相对于纵向轴线旋转对称的构造，使得超声焊极相对于振幅变换器或转换器相对于振幅变换器的旋转定位通过互锁连接而实现。替代地，也可以设置多个销和与其相应的开口。在这种情况下，一个或多个销的构造使得振幅变换器只能在限定的旋转角度位置与超声焊极或转换器接合。

在这方面，在特别较佳的实施例中，销和相应的开口具有绕纵向轴线的旋转对称性，具有n重旋转轴线。如果超声焊极呈绕纵向轴线对称旋转的反转超声焊极的形式，具有m重旋转轴线，则较佳地，m＝n。换言之，振幅变换器只能在n个限定的旋转角度位置与超声焊极或转换器接合。

互锁连接通常允许一方面的振幅变换器与另一方面的超声焊极或转换器之间的轴向运动。为了将这些元件固定地连接在一起，例如，振幅变换器可以具有螺纹孔，而超声焊极或转换器可以具有阶梯状的通孔，以便能够用穿过通孔并接合在螺纹孔中的螺钉实现轴向固定。

替代地，开口也可以收缩到销上。

在另一较佳实施例中规定，销和相应的开口是圆锥形的或具有圆锥形的部分。圆锥形一方面用作使超声焊极与振幅变换器之间的连接或振幅变换器与转换器之间的连接居中。另一方面，连接能够借助圆锥形而具有自锁性质。因此最大2°的锥角是有利的。

在另一较佳实施例中，提供了具有夹紧装置的保持器，该夹紧装置能够在打开位置和闭合位置之间往复移动。在这种情况下，超声振动单元能够在打开位置中从保持器移除。在闭合位置中，夹紧装置在至少两个保持点处与超声振动单元接触并在其上施加力，从而保持超声振动单元。

在这方面，保持点较佳地布置在外凸边上。

在特别较佳的实施例中，夹紧装置呈具有狭槽的收紧套筒的形式。在该布置中，收紧套筒具有内表面，该内表面对应于超声振动单元的一部分的外表面。狭槽将套筒的外表面连接到套筒的内表面，使得套筒具有限定狭槽的两个相互相对的狭槽壁。提供了一种收紧装置，利用该收紧装置，狭槽壁能够朝向彼此移动，从而减小了由内表面封围的空间，并且将超声振动单元夹紧在套筒内。

作为示例，可以在一个狭槽壁上设置螺纹孔，而在另一狭槽壁上设置阶梯形通孔，使得用作收紧装置的螺钉能够穿过阶梯形通孔接合在螺纹孔中，并且在螺钉旋转时，两个狭槽壁能够朝向彼此移动。

为了防止夹紧装置损坏超声振动单元，在较佳实施例中规定，狭槽壁用作邻抵表面。因此，超声振动单元的外表面的一部分和收紧套筒的内表面彼此匹配，使得当狭槽壁接触时，超声振动单元被夹紧装置牢固地保持，而不损坏超声振动单元。

附图说明

本发明的其它优点、特征和可能的用途可从本发明的较佳实施例的此后的说明和相关的附图中清楚地显现出来，附图中：

图1是根据本发明的超声焊接设备的平面图，

图2示出了图1的不带保持器的超声焊接设备的立体图，

图3示出了图1的不带振动结构的保持器的立体图，

图4a、4b、4c、4d示出了图1的角度定位元件的联接元件的立体图以及角度定位元件和保持器的剖视图，

图5示出了通过图1的实施例的剖视图，

图6示出了图1的振幅变换器的立体图，以及

图7示出了图1的超声焊极的立体图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的超声焊接设备的第一实施例。该超声焊接设备旨在专门用于焊接金属。它具有超声振动单元，该超声振动单元包含超声焊极1、振幅变换器4和转换器3。超声振动单元的元件沿纵向轴线以彼此并列关系布置。转换器3将交流电压转换成机械超声振动。借助振幅变换器4，该机械振动的振幅改变，但其频率没有改变，并且被传递到超声焊极1。在超声焊极1的与转换器3相对的侧部上，它总共具有四个密封表面2，这些密封表面设置成与待处理的材料接触。超声振动单元及其各个元件，即转换器3、振幅变换器4和超声焊极1彼此匹配，使得它们能设置成以波长的超声波频率共振。然后在超声焊极内形成纵向驻半波。超声振动单元必须保持在机器支架中。为此设置有保持器5，其在下面详细说明。

图2示出了图1的实施例的立体图。在此可以看出，超声振动单元的各个部分，即转换器3、振幅变换器4和超声焊极1基本上是旋转对称的，其中只有超声焊极1的远离转换器3的端部是正方形构造，其中在正方形横截面的每个边缘表面处设有焊接表面2。替代地，超声焊极也可以具有其它横截面，比如三角形、矩形而不是正方形等。

特别是当借助超声来焊接金属、特别是非铁金属(比如铜或铝时)，焊接表面经受相当大的磨损，因此必须定期部分或全部更换超声焊接设备。

由于所示的超声焊极1总共具有四个密封表面2，当密封表面2被磨损时，可以将其反转90°并继续在该位置中使用。

为了借助超声来处理金属，将待处理的材料布置在超声焊极1的密封表面2和配对工具(未示出)之间，然后引起超声振动单元振动，从而将超声振动借助密封表面2传递到待处理的材料中。

图1中的保持器5在图1中单独示出。它呈收紧的夹紧套筒的形式。可以看出，保持器完全包围了振幅变换器。然而，它具有狭槽11，该狭槽11由保持器的两个支腿元件12、13形成。在图3所示的位置中，可以将振幅变换器4轴向推入保持器5中。在该位置，振幅变换器4以及整个超声振动单元能够在保持器5内绕其纵向轴线旋转。一旦到达超声振动单元的期望位置或超声焊极1的密封表面2，就可以借助容纳在孔14中的螺钉将两个支腿元件12、13朝向彼此移动，设置在支腿元件13内的孔14呈螺纹孔的形式，而设置在支腿元件12内的孔呈通孔的形式，使得减小了套筒状保持器5的内径，并且将振幅变换器4夹紧在保持器5中，从而使得超声振动单元不再可能相对于保持器5绕其纵轴进行相对旋转。在所示的实施例中，支腿元件12、13具有用作邻抵表面的相应的狭槽壁。这意味着，超声振动单元的外表面的部分和收紧套筒的内表面使得支腿元件12、13借助于接合在孔14中的螺钉能够朝着彼此移动，直到邻抵表面彼此接触为止，并且在这种情况下，超声振动单元被固定地保持在收紧套筒内。这种构造确保了收紧套筒不会在敏感的超声振动单元上施加太大的压力。因此，在支腿元件12、13的两个狭槽壁相遇时，施加在超声振动单元上的力不可能比套筒施加到超声振动单元的力更大。

在图4a中示出了角度定位装置的联接元件8的立体图。角度定位装置用于以简单的方式尽可能精确地设定超声焊极1的密封表面2的角度位置。

角度定位装置具有呈套筒形式的联接元件8。在其远离转换器的侧部上具有成排凸起27或凹口28。

如能够特别从图5看出的，振幅变换器具有外凸边，该外凸边在此由桥接部15和具有第一和第二套筒部分16、17的凸缘形成。桥接部15在振动节点处连接到振幅变换器4。第一套筒部分16从桥接部15的端部处的振幅变换器4在转换器3的方向上延伸，而第二套筒部分17在超声焊极1的方向上延伸。第一套筒部分16和第二套筒部分17两者都具有周向套环18，该周向套环用作保持器5的接触表面。这种固定允许保持动作而不会明显影响超声振动单元的振动性能。图6示出了振幅变换器4的立体图。在此可以看到两个周向套环18。第一套筒部分16具有成排凸起20或凹口21，这些凸起或凹口对应于角度定位装置的凸起27和凹口28。角度定位装置的凸起27和凹口28因此能够连接到凹口21和凸起20。这种互锁连接阻止了超声振动单元绕纵向轴线旋转，而没有阻止超声振动单元和角度定位装置之间在纵向轴线方向上的相对运动。

图4b示出了整个旋转定位装置。在图4a中已经示出的联接元件8承载抵靠压板31，该压板又借助弹簧10弹性地布置在固定元件9上。固定元件9静止地布置。由于弹簧10，压板31能够相对于固定元件9在轴向方向上移动。由于联接元件8承载抵靠压板31，联接元件与压板31一起在轴向方向上移动。如下面描述的，联接元件8能够相对于压板31绕纵向轴线在两个位置之间往复旋转。

图4c示出了保持器5和旋转定位装置的剖视图。

同样如图2所示，弹簧元件10将联接元件8向前压，即在超声焊极1的方向上，并因此与振幅变换器4的凸起20和凹口21接合。

只要保持器5没有处于其夹紧位置，就能够通过借助于超声振动单元克服弹簧10的力向后推动联接元件8，即在转换器3的方向上，使超声振动单元绕其纵向轴线旋转。然后能使超声振动单元绕其纵向轴线旋转，直到凸起20位于凹口28中。因此，联接元件8闩锁到振幅变换器4的凸缘中。

在所示的实施例中，凸起20和27的数量以及凹口21和28的数量对应于超声焊极1上的密封表面2的数量。因此，这确保了超声振动单元只能装配在所选的角度位置。

在所示的实施例中，联接元件8相对于固定元件9绕纵向轴线的小的相对旋转也是可能的。为了实现这种轻微的旋转运动，提供了调节元件，该调节元件呈孔眼19的形式并且可释放地连接至联接元件8。呈螺钉形式的精细调节装置29将调节元件连接到保持器5。因此，通过旋转螺钉29，连接至调节元件的联接元件8能够相对于保持器5和紧固元件19旋转至一定程度，以实现角度位置的精细调节。因此，不仅在轴向方向上，而且在径向方向上，螺钉29在设置在孔眼19中的狭槽内都具有一些游隙。

图4d示出了通过角度定位装置的另一剖视立体图。孔眼19具有螺纹孔，平头螺钉32接合在该螺纹孔中。借助于平头螺钉32，孔眼19可以被夹紧到联接元件8，使得联接元件8和孔眼19仅可以绕纵向轴线共同旋转。

当在保持器内首次调节超声振动单元时，或者如果密封表面相对于凸起20和凹口21的角度位置未知，平头螺钉32因此可以松开，并将超声振动单元装配到保持器中，使得联接元件8压靠弹簧10在固定元件9的方向上的压力，然后绕其纵向轴线旋转，直到超声振动单元的凸起20和凹口21位于联接元件8的相应的凸起27和凹口28中。在该位置中，由于弹簧10的力，联接元件8再次被推离固定元件9。现在，超声振动单元可以绕其纵向轴线旋转，直到密封表面2大约处于期望的旋转位置。由于平头螺钉32被松开，所以联接元件8与超声振动单元一起旋转，而压板31保持在其位置。

一旦大约达到超声振动单元的期望旋转位置，就可以拧紧平头螺钉32，以便将孔眼19连接到联接元件8。现在，通过螺钉29的旋转，使超声振动单元围绕其纵向轴线进一步旋转仅在非常有限的程度上是可能的。

如能够在图6中看出的，振幅变换器4在其朝向超声焊极1的侧部处具有销22。图7示出了超声焊极1的立体图。超声焊极1在其朝向振幅变换器4的侧部处具有对应于销22的开口26。销22具有切口23，该切口也可以在相应的开口26中看到。当将销22装配到开口26中时，则在超声焊极1和振幅变换器4之间在围绕纵向轴线的旋转方向上形成互锁连接。

超声焊极1具有成阶梯孔形式的中心孔25，螺钉可穿过该中心孔25进入振幅变换器的相应的中心螺纹孔24中，以便将超声焊极1固定到振幅变换器4。

如能够在图5的剖视图中看出的，超声焊极1具有外肋6，该外肋布置在超声焊极1的共振频率的振动节点处。在所示的实施例中，外肋是周向延伸的构造。支承元件固定到保持器5，该支承元件在径向方向上在外部位置和内部位置之间可移动，在外部位置中，超声振动单元能够接纳在保持器中，在内部位置中，该支承元件防止超声振动单元在纵向轴线的方向上移动。支承元件可以被止动在该位置，以防止支承元件7在外部位置的方向上的不想要的运动。支承元件7具有凹槽30，外肋6位于该凹槽中。如图5中那样，如果现在由待处理的材料从上方在超声焊极上施加力，则该力被支承元件7承载。振幅变换器4上设置的封围保持器5相对远离加工位置、即密封表面4，使得即使在密封表面2上的轻微的焊接力也将导致超声振动单元的挠曲。支承装置7为此目的而设置。

为了将超声振动单元容纳在保持器中，必须首先借助于孔14中的螺钉释放夹紧作用。此外，支承元件7必须径向向外位移。现在可以将超声振动单元装配到保持器5中。在这种情况下，在固定元件9抵抗弹簧10的力的方向上推压联接元件8和压板31，直到在其已径向向内移动并止动后，外肋6位于支承元件7的凹槽30中为止。这确定了超声振动单元的轴向位置。然后通过以下方式实现角度定位：超声波振动装置绕其纵向轴线旋转，直到联接元件8的凸起闩锁到第一套筒部分16上的相应开口中为止。然后，在该位置中，角度位置几乎完美定向。借助于精细调节装置、即孔眼19和螺钉29实现精细调节，借助它们能够实现角度位置的精细调节。

一旦到达超声振动单元的正确位置，支腿元件12和13就能够借助接合在孔14中的固定螺钉朝向彼此移动，以减小狭槽11并夹紧保持套筒中的超声振动单元。

附图标记

1超声焊极

2密封表面

3转换器

4振幅变换器

5保持器

6外肋

7支承元件

8联接元件

9固定元件

10弹簧

11狭槽

12支腿元件

13支腿元件

14孔

15桥接部

16第一套筒部分

17第二套筒部分

18套环

19孔眼

20凸起

21凹口

22销

23切口

24中心孔

25中心孔

26开口

27凸起

28凹口

29螺钉

30凹槽

31压板

32平头螺钉

33狭槽壁

34狭槽壁