Hochfrequenz-Heizeinrichtung zum Schweissen thermoplastischer Materialien. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochfrequenzeinrichtung zum Sehweissen thermoplastiseher Materialien.
Beim Schweissen von zwei oder mehreren Lagen dielektrischen, insbesondere dünnen Materials, hat es sich herausgestellt, da.ss die angelegte Spannung dieses durchschlagen und verbrennen kann, oder in einigen Fällen ein Lichtbogen zwischen den Elektroden auftreten und das Material versengen kann, wodurch die Qualität desselben leidet. Anderseits hängt jedoch das Erwärmen des Materials sowohl von der angelegten Spannung, wie auch von der Frequenz ab, und höhere Spannung wie auch höhere Frequenzen sind vom Standpunkt der Produktion aus wünschenswert, da sie das Schweissen beschleunigen.
Auf Grund dieser Tatsachen ist gemäss der Erfindung eine Hochfrequenz-Heizein- richtung geschaffen worden, die sich kenn zeichnet durch eine an den Hochfrequenz generator angeschlossene veränderliche Re aktanz, welche derart automatisch veränder lich ist, dass nach dem Erregen des Generators die an der Belastung liegende Rochfrequenz- amplitude innert eines einstellbaren Zeit intervalls von einem Minimal- auf einen '.Maximalwert ansteigt.
Beim elektronischen Schweissen thermo plastischer dielektriseher Materialien, wie es normalerweise ausgeführt wird, werden die Elektroden mit einem Block oder Blätterstapel aus einem solchen Material in Berührung ge- bracht, uni die ganze zur Verwendung gelan gende Hochfrequenzspannung wird plötzlich angelegt. Dabei wird der Lastkreis so abge stimmt, dass die Umhüllende der HF-Span- nung sehr rasch, praktisch rechtwinklig an steigt und abfällt, wobei die Gefahr einer Lichtbogenbildung und des Versengens oder Durchschlagens des Materials besteht.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass wenn erfindungsgemäss die Elektrodenspan- nung nach Anlegen einer anfänglichen nie deren Spannung beträchtlich gesteigert wird, beträchtlich höhere Spannungen und eine bessere Schweissarbeit als auf herkömmlichem Weg erzielbar sind. Es hat den Anschein, dass das Material bei der niederen Spannung bis zu einem gewissen Grad aufgeweicht wird und daher die Elektroden in engere Berührung mit dem Werkstoff gebracht werden können, so dass die Luft in grösserem Ausmass aus dem Raum zwischen den Elektroden und dem Werkstoff ausgetrieben wird, wenn die Span nung auf den Höchstwert steigt.
Die Schaltschemata zweier Ausführungs beispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt: Zwischen den beiden Elektroden 5 und 6 des Behandlungskondensators befinden sich die zu verschweissenden dielektrischen Mate rialien. Die Elektrode 6 ist bei 8 geerdet, und die Hochspannungselektrode 5 ist über eine Leitung 9, in die eine veränderliche Serie reaktanz 10 eingeschaltet ist, mit einem Hoch- spannungs-Hochfrequenzgenerator 11 verbiln- den. Letzterer weist eine Oszillatorröhre 12 auf, die von einem Gleichrichter 13 gespeist wird.
Der Generator arbeitet in der Colpitts- Schaltung.
Der Oszillatorkreis wird vom Gleichrichter 13 über ein Glättungsnetzwerk 16 erregt, des sen Niederspannungsseite mit der Kathode verbunden und geerdet ist. Der Gleichrichter 13 wird von einem Wechselstromnetz 18 aus über einen Steuerschalter 19 gespeist.
Der Gitterkreis 20 des Oszillators ist durch eine HF-Drosselspule 21 an eine hoch frequenzmässig durch den Kondensator 22 ge erdete Steuerleitung 23 angeschlossen, die einen Gitterwiderstand 24 enthält. Die Lei tung 23 ist für Gleichstrom über den Wider stand 24 mit der geerdeten Kathode ver bunden, und zwar über einen Schalter 26 und einen kleinen Gleichstrommotor 27, dem ein Potentiometer 28 parallelgeschaltet ist.
Der Motor 27 ist, wie durch die gestrichel ten Linien 30 und 31 gezeigt, mit dem ver änderlichen Steuerorgan 32 der Reaktanz 10 mechanisch gekuppelt, die im vorliegenden Fall ein veränderlicher Kondensator ist. Der Kondensator ist normalerweise auf minimale Kapazität eingestellt und wird zum Beispiel mittels einer Feder 33 in dieser Lage gehalten. Der Motor hat das Bestreben, den Kondensa tor entgegen der Federspannung in die Höchstkapazitätsstellung zu verschieben.
Beim Schliessen des Schalters 19 können zunächst noch keine Schwingungen im Oszilla- tor erregt werden, da über die Leitung 23 und den Widerstand 24 eine negative Vorspan- nung an das Steuergitter 20 der Oszillator- röhre 12 angelegt wird. Diese Sperrspannung wird im vorliegenden Fall von einem Gitter gleichrichter 35 geliefert, der ebenfalls über den Schalter 19 aus dem Netz 18 gespeist wird.
Die negative Klemme 36 des Gleichrichters 35 ist mit dem Gitterwiderstand 24 verbunden, während die positive Klemme 37 geerdet ist.
Das an das Steuergitter der Oszillator- röhre 12 vom Gittergleichrichter 35 angelegte Sperrpotential ist von solcher Grösse, dass Schwingungen normalerweise unterdrückt werden, wenn der Schalter 26 offen ist. Wenn letzterer aber geschlossen wird, wird der hoch- ohmige Widerstand 39 durch die relativ nie drige Impedanz des Motors 27 und des Par- allelwiderstandes 28 überbrückt und damit die Gitterspannung so weit reduziert, dal Schwingungen einsetzen können, wobei ein Gitterstrom zu fliessen beginnt.
Die variable Reaktanz 10 besitzt zunächst ihren maximalen Wert, so da.ss eine minimale Leistung auf die Belastung übertragen wird. Beim Öffnen des Schalters 26 wird die Gitterspannung sofort wiederhergestellt.
Gleichzeitig mit dem Anfachen von Schwin gungen versetzt der im Oszillator-Gitterkreis .fliessende Gitterstrom den Motor in Drehung, wodurch die Reaktanz 10 allmählich ver mindert wird. Dies bewirkt ein praktisch lineares Anwachsen der Hochfrequenzspan- nung E am Kondensator 5, 6, bis die Reaktanz auf ein Minimum reduziert ist und die volle Spannung vom Generator 11 an der Belastung 7 liegt.
Die Geschwindigkeit des Anwachsens kann so eingestellt werden, dass die Hoch frequenz in einem Zeitintervall von einem Bruchteil einer Sekunde bis mehrere Sekun den von ihrem Minimal- auf ihren 11aximal- wert ansteigt, je nach der Natur, Masse und Dicke des zu erhitzenden Materials und der Temperatur, bis zu der es erhitzt werden soll..
Es hat sich gezeigt, dass sich durch den an- , nähernd zeitlinearen Anstieg der Hochfre- quenzspannung eine beträchtliche Verbesse rung im Erhitzen oder Schweissen von thermo plastischem Material ergibt. Ein weiterer Vor teil der Einrichtung ergibt. sich daraus, dass , die Herabsetzung der Impedanz oder Reaktanz im Arbeitskreis gleichzeitig mit dem Beginn der Schwingungen im Generator auftritt, wo durch die im Heizkreis vorhandene Leistung voll ausgenützt wird.
Der Steuerschalter 26 kann automatisch oder von Hand betätigt werden. Für die ma nuelle Betätigung kann zum Beispiel ein Steuerschalter oder Druckknopf 42 neben der Arbeitsstelle vorgesehen und über Leitungen 43 mit einem Relais 44 verbunden sein, um den Schalter 26 aus der Ferne zu betätigen. Beim vorliegenden Beispiel wird der Schalter 26 mittels einer Zugfeder 45 geöffnet und in der Offenstellung gehalten, und durch Er regen des Relais 44 geschlossen. Die Speise leitungen 43 können, wie gezeigt, durch den Schalter 19 mit den Speiseleitungen 18 ver bunden werden, und der Steuerkreis wird da durch gleichzeitig mit den Gleichrichtern 13 und 35 erregt.
Der Schleifkontakt 40 am Potentiometer 28 erlaubt das Einstellen der Drehgeschwin digkeit des Motors 27 und damit der Ge schwindigkeit, mit der die Impedanz 10 ge ändert wird. Wird der Potentiometerkontakt 40 so verschwenkt, dass ein grösserer Teil des Widerstandes 28 kurzgeschlossen wird, so wird die am Motor liegende Spannung her abgesetzt und somit dessen Drehzahl herab gesetzt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 ist. der Hochfrequenzgenerator 11 mit der Be lastung über ein festes Kopplungselement, zum Beispiel. einen Kondensator 47, ver bunden.
Der Hochfrequerizgenerator wird über den Glättungskreis 16 vom Gleichriehter 13 ge speist, der seinerseits aus dem letz 18 ge speist wird. Eine Reihendrossel 48 ist zwi schen einer der Leitungen 18 und dem Gleich richter 13 eingeschaltet, auf deren Kern auch eine Vorniagnetisierungswicklung 49 ange- braelit ist, die am Ausgangskreis des Gleich- riehters 13 über die Potentiometer 50 und 51 angeschlossen ist.
Der Oszillator-Gitterkreis 20 enthält. die Serieschaltung einer Drosselspule 21 und eines Gitterwiderstandes 24.
Der Steuer bzw. Druckknopfschalter 42, der ein hand- bzw. ein motoriseh betätigbares Steuerelement für die Einrichtung darstellt, ist. dureh die Leitung 43 mit dem Solenoid 44 verbunden, das den Schalter 19 betätigt, wo durch der Kraftstrom-Gleichrichter 13 und dessen Speisekreise erregt werden, um den Hoclifrequenzgenerator unter Spannung zu setzen, wenn es erwünscht ist, die Spannung an das Arbeitsmaterial 7 anzulegen.
Die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ist die folgende: Die Höhe der am zu behandeln den Werkstück liegenden Spannung wird mit tels einer variablen Steuerreaktanz reguliert, die im vorliegenden Fall eine mit einer Vor magnetisierungswicklung 49 versehene Drossel 48 ist. Wird der Schalter 19 geschlossen, so wird ein Vormagnetisierungsstrom vom Po tentiometer 51 im Gleichrichterausgang ab genommen und über den einstellbaren Wider stand 50 der Vormagnetisierungswicklung 49 zugeführt, so dass die Reaktanz der Drossel spule 48 allmählich verringert und die Gleich richter-Ausgangsspannung erhöht wird.
Die Geschwindigkeit dieses Spannungsanstieges kann durch Einstellen des Wertes des Wider standes 50 und durch den Wert des Konden- sators 56 reguliert werden, und der Anfangs strom wird durch das Potentiometer 51 ge steuert. Durch die Kombination der zeitlichen Verzögerung, bedingt durch das RC-Glied 50, 56, und der ansteigenden Spannung am Gleichrichterausgang entsteht ein praktisch linearer Anstieg der Gleichrichterausgangs- spannung und ebenso eine kontinuierliche Zu nahme der Hochfrequenzamplitude am Be handlungskondensator.
Es hat sich gezeigt, dass die überschlag spannung beim plötzlichen Anlegen der Hoch frequenzspannung an rechteckige Stabelektro- den bei 27 MI4z an 0,25 mm Zelluloseazetat 850 V beträgt, während die Überschlagspan nung, wenn von 400 V ausgegangen und die Spannung sekundlich um 400 V erhöht wird, beim gleichen Arbeitsmaterial und derselben Frequenz 1200 V beträgt. Diese Zahlen de monstrieren den Wert der Verwendung der erfindungsgemässen Einrichtung.
Mit den beschriebenen Vorrichtungen lässt sich daher infolge der Möglichkeit des Verwendens höherer Spannungen eine grössere Schweissgeschwindigkeit erzielen und wird das Schweissen von Materialien ermöglicht, die auf dem herkömmlichen Weg nicht mitein ander verschweisst werden können. Der Grund hierfür liegt darin, dass das Erhitzen des Ma terials vor einer gesteuerten Erhöhung der Be triebsspannung auf ihr Maximum eintritt, wo- durch aus den einleitend erwähnten Gründen eine engere Berührung der Elektroden mit dem Arbeitsmaterial erzielt wird, und zum Schweissen ein höheres Maximalpotential an das Arbeitsmaterial gelegt werden kann als durch irgendeine andere bekannte Ein richtung.