BRPI0415708B1 - ferramenta para um dispositivo de soldadura por ultra-sons. - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "FERRAMEN-TA PARA UM DISPOSITIVO DE SOLDADURA POR ULTRA-SONS".

A invenção refere-se a uma ferramenta para um dispositivo desoldadura por ultra-sons em forma de um sonotrodo, que transmite vibraçõesde ultra-sons, com pelo menos uma superfície de trabalho, para a união porsolda de metais com vibrações de ultra-sons, que passam em direção doeixo longitudinal do sonotrodo, sendo que o sonotrodo ou uma cabeça dosonotrodo deste apresenta uma superfície frontal, a qual passa de maneiraperpendicular ou em essência de maneira perpendicular em relação à super-fície de trabalho, pelo menos uma.

Na ocasião da junção de materiais com ultra-sons, a energia ne-cessária para a solda está introduzida no material a ser soldado em forma devibrações mecânicas, sendo que a ferramenta, a qual também é denomina-da como sonotrodo, é acoplada à parte de junção virada para esta e movi-menta esta. Ao mesmo tempo as partes de junção são prensadas uma sobrea outra através de uma carga de soldadura estática. Devido à interação dascargas estáticas e dinâmicas realiza-se uma solda das partes de junção,sem que sejam necessários outros materiais adicionais.

Por meio de ultra-sons podem ser soldados tanto materiais plás-ticos como também metais. Neste caso, na ocasião da soldadura por ultra-sons de metais, as vibrações mecânicas são alinhadas de maneira paralelaem relação à superfície de junção. Ocorre uma relação complexa entre acarga estática, as forças de cisalhamento que oscilam e um aumento mode-rado da temperatura na zona da solda. Para isso, as peças a serem traba-Ihadas são dispostas entre o sonotrodo que vibra e um contra-eletrodo está-tico, o qual pode ser configurado de várias partes, com o intuito de limitarcom o sonotrodo, isto é a superfície de trabalho da cabeça deste, um espaçode compressão. Este, de acordo com o ensinamento da EP-B-O 143 936 ouda DE-C-35 08 122, pode ser configurado em duas direções que passam demaneira perpendicular uma em relação à outra, especialmente regulável naaltura e na largura. Desta maneira se obtém uma adaptação a seções trans-versais, por exemplo de escadas a serem soldadas.Com o intuito de obter resultados de solda reproduzíveis de altaqualidade, a deflexão do sonotrodo deve realizar-se preponderante e exclu-sivamente em sua direção longitudinal, por conseguinte em direção da vibra-ção dos ultra-sons, sem que ocorra uma deflexão de maneira perpendicularem relação a esta, em proporções perceptíveis.

Os sonotrodos conhecidos apresentam superfícies frontais quelimitam a superfície de trabalho. Devido à construção ocorre uma alta defle-xão da superfície de trabalho de maneira perpendicular em relação ao eixolongitudinal do sonotrodo, em proporção à deflexão em direção do eixo Iongi-tudinal do sonotrodo. Deste modo se obtém a desvantagem que a superfíciede trabalho pode passar de maneira inclinada em relação ao eixo longitudi-nal do sonotrodo, assim que pode se formar uma fenda entre a superfície detrabalho e as partes a serem juntas, que passam de maneira paralela emrelação ao eixo longitudinal do sonotrodo.

Um sonotrodo do gênero inicialmente mencionado pode ser vistona WO-A-02/43915. Para trocar as superfícies de trabalho, estas são seçõesde peças de trabalho, as quais podem ser ligadas de maneira destacávelcom o sonotrodo.

Na FR-A-1 464 551 pode ser visto um dispositivo de soldadurapor ultra-sons, com o qual se produzem vibrações de fiexão. Para isso, umelemento ressonador de flexão, em cuja extremidade passa uma superfíciede trabalho, passa de preferência em ângulo reto em relação a um elementoressonador, para o qual são transmitidas diretamente vibrações de ultrasons.

Com o intuito de pulverizar líquido, a US-A-4 074 152 prevê aexcitação por vibração de ultra-sons de um elemento de cilindro oco, o qualestá ligado por fecho pela forma com um amplificador da amplitude de vibra-ção. Para isso uma saliência sobressai do elemento de cilindro oco, a qualengrena em um recesso adequado do amplificador de amplitude.

A presente invenção está baseada no problema de aperfeiçoarum sonotrodo do gênero inicialmente mencionado de tal maneira que a for-ma de vibração da vibração de ultra-sons é otimizada.Para a solução do problema, a invenção prevê em essência quepara a redução de uma deflexão da superfície de trabalho, pelo menos uma,de maneira perpendicular em relação ao eixo longitudinal do sonotrodo, asuperfície frontal do sonotrodo ou da cabeça do sonotrodo ou seu lado pos-terior, apresente pelo menos um reforço em termos de rigidez.

Neste caso, o reforço em termos de rigidez pode ser configuradocomo nervura. Neste caso, o reforço em termos de rigidez pode ser configu-rado de maneira subindo da borda do sonotrodo ou sua cabeça, respectiva-mente, em direção do eixo central do sonotrodo. O reforço em termos derigidez pode apresentar, por exemplo no corte do eixo longitudinal do sono-trodo, uma geometria em forma triangular.

Especialmente está previsto que o reforço em termos de rigidezesteja configurado em forma de linha ou de rebordo, e que passe de maneiraperpendicular em relação à superfície de trabalho. Além disso, o reforço emtermos de rigidez pode ficar sobresselente especialmente da totalidade, ouem essência da totalidade, da superfície frontal do sonotrodo ou de sua ca-beça, respectivamente. De maneira preferida, o reforço em termos de rigidezestá configurado de maneira simétrica em relação a um plano de simetria, noqual passa o eixo longitudinal do sonotrodo. Também são possíveis outrasgeometrias.

De maneira preferida, um sonotrodo está reforçado em termosde rigidez de tal maneira que em caso de excitação de ultra-sons a deflexãoaz do sonotrodo em sua direção do eixo longitudinal está em relação à defle-xão ay, perpendicular em relação à superfície de trabalho, como 3 ^ az/ay <20.

Devido ao ensinamento de acordo com a invenção, é reforçadoem termos de rigidez o sonotrodo e sua cabeça do sonotrodo que apresentaa superfície de trabalho, respectivamente, pelo qual a forma de vibração dosonotrodo é influenciada de tal maneira positiva que é reduzida a deflexãoperpendicular em relação ao eixo longitudinal do sonotrodo, e que preponde-re de maneira mais forte a vibração em direção longitudinal.

Devido ao reforço em termos de rigidez da cabeça, a inclinaçãoda superfície de trabalho é nitidamente reduzida, e é aumentada a proporçãode deflexão em direção do eixo longitudinal, em relação à deflexão perpen-dicular em relação à direção do eixo longitudinal.

Se a configuração do reforço em termos de rigidez se realiza depreferência por uma nervura, a qual cresce em termos de grossura em dire-ção ao eixo longitudinal do sonotrodo, então também são possíveis outrasgeometrias. A nervura de reforço em termos de rigidez pode ser configuradaao longo da totalidade da largura do sonotrodo ou somente ao longo de umaparte. O contorno da nervura de reforço em termos de rigidez pode ser for-mado no corte por retas que se cortam, ou pode ser uma curva que mudaconstantemente, a qual em seu máximo é cortada pelo eixo longitudinal dosonotrodo.

Além disso, a saliência do reforço em termos de rigidez sobre asuperfície frontal em direção longitudinal do sonotrodo deve ficar entre 3 mme 25 mm, de preferência entre 5 mm e 15 mm. Valores preferidos ficam em10 mm ao máximo. Deste modo se obtém a vantagem que um sonotrodoconfigurado de maneira correspondente, também pode ser colocado em dis-positivos de soldadura por ultra-sons, que já se encontram em utilização.

Outros detalhes, vantagens e características da invenção resul-tam não só das reivindicações, das características que se obtêm destas, porsi e/ou em combinação, mas também da seguinte descrição de formas deexecução preferidas, que podem ser vistas no desenho.

Mostram:

a figura 1 uma representação de princípio (cálculo de elemento finito)de um sonotrodo, de acordo com o estado da técnica,

a figura 2 uma primeira forma de execução de um sonotrodo, segun-

do o ensinamento de acordo com a invenção,a figura 3 uma vista de frente do sonotrodo, de acordo com a figura 2,a figura 4 uma segunda forma de execução de um sonotrodo, segun-do o ensinamento de acordo com a invenção, e

a figura 5 uma representação de princípio (cálculo de elemento finito)de um sonotrodo, segundo o ensinamento de acordo com ainvenção.

Na figura 1, está representado em princípio um sonotrodo 10,destinado para um dispositivo de soldadura por ultra-sons, o qual está desti-nado para a solda de metal. A representação é uma imagem de um cálculode elemento finito. O sonotrodo 10, consiste em um corpo de base 12, comuma cabeça 14, que parte deste, a qual por sua vez apresenta superfíciesde trabalho 16 e 18, as quais, com sonotrodo 10 não excitado, passam demaneira paralela em relação ao eixo longitudinal ζ do sonotrodo 10.

Para soldar peças de metal, o sonotrodo 10 é excitado em vibra-ções de ultra-sons por meio de um conversor e eventualmente um boosterdisposto entre este e o sonotrodo 10, pelo qual ocorre uma deflexão do so-notrodo 10, em direção z. No exemplo de execução, para a solda a superfí-cie de trabalho 16 é prensada sobre as peças de metal a serem soldadas, asquais por sua vez são apoiadas sobre um contra-eletrodo, o qual também édenominado como bigorna. Eventualmente a superfície de trabalho 16 podelimitar um espaço de compressão, cujas superfícies de limitação remanes-centes são formadas por um contra-eletrodo de várias partes. Neste ponto éfeito referência a dispositivos de soldadura por ultra-sons bastante conheci-dos, um dos quais pode ser visto, por exemplo, na DE-C-35 08 122, à publi-cação da qual é feito referência expressamente.

As superfícies de trabalho 16, 18, são limitadas por uma superfí-cie frontal 20 da cabeça do sonotrodo 14, a qual passa de maneira perpen-dicular em relação às superfícies de trabalho 16, 18, com sonotrodo 10 nãoexcitado. No exemplo de execução as superfícies de trabalho 16, 18, pas-sam de maneira perpendicular ou em essência perpendicular em relação aoeixo y, ao longo do qual é regulado na ocasião da solda o sonotrodo ou umabigorna alocada ao sonotrodo.

Por ocasião da solda mostrou-se que o sonotrodo 10, não é sódeflexionado em direção do eixo longitudinal do sonotrodo z, mas tambémde maneira perpendicular em relação a esta, por conseguinte em direção y,pelo qual ocorre a inclinação da superfície de trabalho 16, 18 (ângulo a).Deste modo é influenciada a qualidade da solda. Em dependência da defle-xão da cabeça do sonotrodo 14 em direção y, também pode ser prejudicadaa reprodutibilidade dos resultados da solda.

De acordo com a invenção está previsto que um sonotrodo 22,representado em princípio na figura 5, com corpo de base 24 em forma decilindro, cabeça do sonotrodo 26, e superfícies de trabalho 28, 30, apresen-ta, partindo de sua superfície frontal 32, um reforço em termos de rigidez 34,pelo qual é reduzida a deflexão do sonotrodo 22 em direção y. Devido aoreforço em termos de rigidez 34, é reduzida e limitada, respectivamente, adeformação da cabeça do sonotrodo 26, em direção y, assim que é melho-rada a forma da vibração própria do sonotrodo 22.

A cabeça do sonotrodo 26, é composta de maneira conhecida deuma seção interna em forma de trapezóide ou tronco de pirâmide ou trompe-te, partindo do corpo de base 24, e partindo desta de uma seção externa emforma de paralelepípedo ou viga, a qual apresenta as superfícies de trabalho28, 30. As geometrias correspondentes se obtêm também de uma compara-ção das figuras 2 e 3. Além disso, de acordo com as explicações com respei-to à figura 1, as superfícies de trabalho 28, 30, passam de maneira perpen-dicular em relação ao eixo y.

Devido ao ensinamento de acordo com a invenção, se reduz a re-lação da inclinação da superfície de trabalho 28, 30, em relação ao eixo longi-tudinal do sonotrodo (40), por conseguinte em relação ao eixo z, e é aumentadaa relação da deflexão do sonotrodo 22, em direção z, em relação à deflexãoperpendicular em relação ao eixo z, por conseguinte em direção do eixo y.

Como se observa especialmente nas figuras 2 a 4, nas quais emprincípio para elementos da figura 5 são utilizadas referências iguais, o re-forço em termos de rigidez 34, que pode ser observado principalmente nafigura 5, pode ser realizado de tal maneira que da superfície frontal 32, dacabeça do sonotrodo 26, se projeta para fora uma nervura que sobressai emdireção longitudinal da cabeça do sonotrodo 26, sobre a superfície frontal 32,seja nervura apresenta em corte uma geometria de triângulo (figura 2, 3), ouuma geometria abaulada (figura 4). Os correspondentes reforços em termosde rigidez são denominados com as referências 36 e 38. Neste caso obser-va-se especialmente nas vistas de lado de acordo com as figuras 2 e 4 que orespectivo reforço em termos de rigidez 36, 38 sobressai sobre a superfíciefrontal 32, partindo e subindo da superfície de trabalho 28, 30, sendo que aextensão máxima em direção ζ fica no ponto de interseção com o eixo cen-trai 40, do sonotrodo 22, isto é seu corpo de base 24.

A saliência máxima d, do reforço em termos de rigidez 34, 36,sobre a superfície frontal 32 da cabeça do sonotrodo 26 deve ser de 15 mm,embora também outros dimensionamentos interessem de acordo com a con-figuração do sonotrodo. No entanto, uma saliência d, de no máximo 15 mm,tem a vantagem que correspondentes sonotrodos podem ser colocados emdispositivos de soldadura por ultra-sons que já se encontram em utilização.

O reforço em termos de rigidez 34, 36, 38 deve ser especialmenteprojetado de tal maneira que a deflexão az, do sonotrodo 22, em direção z, estáem relação à deflexão ay, do sonotrodo 22, em direção y, como 3 £ az/ay < 20.

Quando o reforço em termos de rigidez 34, 36, 38 se estendenos exemplos de execução ao longo da totalidade da altura da cabeça dosonotrodo 26, então existe também a possibilidade que o reforço em termosde rigidez passe, por exemplo, na região central da superfície frontal 32, porconseguinte começando de maneira distanciada das superfícies de trabalho28, 30. Também são possíveis outras geometrias.

Além disso, também o lado posterior da seção externa da cabe-ça do sonotrodo 26, que apresenta as superfícies de trabalho 28, 30, podeapresentar um ou vários reforços em termos de rigidez, sendo que eventu-almente deixa de existir o reforço em termos de rigidez que passa no ladofrontal. Quando o reforço em termos de rigidez passa no lado posterior, en-tão a extensão da superfície da seção interna da cabeça do sonotrodo émenor que a extensão da superfície da seção externa, a qual apresenta pelomenos uma superfície de trabalho.

O ensinamento de acordo com a invenção evidentemente pres-ta-se também a sonotrodos com cabeças de sonotrodo, que não apresentamnenhuma geometria em forma de paralelepípedo ou viga, mas uma geome-tria de polígono, como geometria de hexágono, cujos cantos se situam, porexemplo, de maneira distribuída uniformemente sobre um círculo, por con-seguinte mostram uma geometria principal, como esta pode ser observadapor exemplo na DE-A-33 35 254 ou da EP-A-O 083 707.

Evidentemente existe também a possibilidade de configurar umacabeça do sonotrodo de tal maneira que a cabeça do sonotrodo apresentaum reforço em termos de rigidez no lado do corpo de base do sonotrodo.

Claims (12)

1. Ferramenta para um dispositivo de soldadura por ultra-sonsem forma de um sonotrodo (22), que transmite vibrações de ultra-sons, compelo menos uma superfície de trabalho (28, 30), para a união por solda demetais com vibrações de ultra-sons, que passam em direção do eixo longitu-dinal do sonotrodo (40), sendo que o sonotrodo ou uma cabeça do sonotro-do deste (26), apresenta uma superfície frontal (32), a qual passa de manei-ra perpendicular ou em essência de maneira perpendicular em relação à,pelo menos uma, superfície de trabalho caracterizada pelo fato de para aredução de uma deflexão da, pelo menos uma, superfície de trabalho (28,-30), de maneira perpendicular em relação ao eixo longitudinal do sonotrodo(40), a superfície frontal (32) do sonotrodo (22) ou da cabeça do sonotrodo(26) ou seu lado posterior apresentar pelo menos um reforço em termos derigidez (34, 36, 38).

2. Ferramenta de acordo com a reivindicação 1 caracterizadapelo fato de o reforço em termos de rigidez (34, 36, 38) ser uma nervura.

3. Ferramenta de acordo com pelo menos uma das reivindica-ções anteriores, caracterizada pelo fato de o reforço em termos de rigidez(36), no corte do eixo longitudinal do sonotrodo, apresentar uma geometriaem forma de triângulo.

4. Ferramenta de acordo com pelo menos uma das reivindica-ções anteriores, caracterizada pelo fato de o reforço em termos de rigidez(36, 38) sobressair de maneira crescente sobre a superfície frontal (32), par-tindo da borda da circunferência da superfície frontal (32) e da superfície detrabalho (28, 30), respectivamente, do sonotrodo (22), em direção do eixolongitudinal do sonotrodo (40).

5. Ferramenta de acordo com pelo menos uma das reivindica-ções anteriores, caracterizada pelo fato de o reforço em termos de rigidez(36, 38) passar especialmente de maneira perpendicular em relação à super-fície de trabalho (28, 30).

6. Ferramenta de acordo com pelo menos uma das reivindica-ções anteriores, caracterizada pelo fato de o reforço em termos de rigidez(36, 38) ser configurado em forma de linha.

7. Ferramenta de acordo com pelo menos uma das reivindica-ções anteriores, caracterizada pelo fato de o reforço em termos de rigidez(36, 38) sobressair da totalidade ou em essência da totalidade da superfíciefrontal (32).

8. Ferramenta de acordo com pelo menos uma das reivindica-ções anteriores, caracterizada pelo fato de o reforço em termos de rigidez(36, 38) ser configurado de maneira simétrica em relação a um plano de si-metria, no qual passa o eixo longitudinal do sonotrodo (40).

9. Ferramenta de acordo com pelo menos uma das reivindica-ções anteriores, caracterizada pelo fato de o reforço em termos de rigidez(38) ser configurado em forma de rebordo ou como rebordo em forma delinha, respectivamente.

10. Ferramenta de acordo com pelo menos uma das reivindica-ções anteriores, caracterizada pelo fato de o sonotrodo (22) ser reforçadoem termos de rigidez de tal maneira que em caso de excitação de ultra-sons,a deflexão az do sonotrodo em direção de seu eixo longitudinal (40), em re-lação à deflexão ay de maneira perpendicular em relação à superfície de tra-balho (28, 30), estar como 3 < az/ay < 20.

11. Ferramenta de acordo com pelo menos uma das reivindica-ções anteriores, caracterizada pelo fato de a extensão máxima d, do reforçoem termos de rigidez (36, 38), ao longo da superfície frontal (32), ser de 3mm < d < 25 mm, de preferência de 5 mm < d £ 15 mm.

12. Ferramenta de acordo com pelo menos uma das reivindica-ções anteriores, caracterizada pelo fato de a extensão d, do reforço em ter-mos de rigidez (36, 38), ao longo da superfície frontal (32), ser no máximo de 10 mm.