MXPA99000217A - Cuerno acustico rotativo apilado - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a una bocina acústica giratoria para impartir energía a una longitud de onda, frecuencia y amplitud seleccionadas, caracterizada porque la bocina comprende:una porción de base que tiene un extremo axial de entrada y un extremo axial de salida;una pluralidad de caras de soldadura conectadas en forma operativa con la porción de base, cada una con un diámetro que es mayor que el diámetro de la porción de base y que se puede expandir y contraer con la aplicación de energía acústica en el extremo de entrada de la porción de base, en donde las caras de soldadura están separadas entre sí, y en donde las caras de soldadura están montadas en una serie y están paralelas entre sí.

Description

CUERNO ACÚSTICO ROTATIVO APILADO Campo técnico La presente invención es concerniente con los cuernos de soldadura acústicos. Más en particular, la presente invención es concerniente con los cuernos de soldadura acústicos rotativos.

Antecedentes de la invención En la soldadura acústica, tal como la soldadura ultrasónica, dos partes a ser unidas (normalmente partes termoplásticas) son colocadas directamente debajo de un cuerno ultrasónico. En la soldadura de émbolo, los émbolos del cuerno (viajan hacia las partes) y transmiten vibraciones ultrasónicas a la parte superior. Las vibraciones viajan a través de la parte superior a la interfase de las dos partes. Aquí, la energía vibracional es convertida en calor debido a la fricción intermolecular que funde y fusiona las dos partes. Cuando las vibraciones se detienen, las dos partes se solidifican bajo fuerza, para producir una soldadura en la superficie de unión. La soldadura ultrasónica continua se utiliza normalmente para sellar telas, películas y otras partes. En el modo continuo, normalmente el cuerno ultrasónico es estacionario y la parte se hace mover debajo del mismo. La soldadura de barrido o de exploración es un tipo de soldadura REF. 29141 continua en la cual la parte del plástico es explorada o barrida debajo de uno o más cuernos estacionarios. En la soldadura transversal, la mesa sobre la cual las partes pasan y la parte que es soldada permanecen estacionarias una con respecto a la otra, en tanto que se mueven debajo del cuerno o en tanto que el cuerno se mueve sobre ellas. Muchos usos de la energía ultrasónica para la unión o adhesión y el corte de materiales termoplásticos involucran cuernos o herramientas ultrasónicos. Un cuerno es una herramienta acústica usualmente que tiene una longitud de la mitad de la longitud de onda del material del cuerno y fabricado de, por ejemplo, aluminio, titanio o acero sinterizado que transfiere la energía vibratoria mecánica a la parte. (Normalmente, estos materiales tienen longitudes de onda de aproximadamente 25 cm (10 pulgadas) ) . El desplazamiento o amplitud del cuerno es el movimiento del pico a pico de la cara del cuerno. La relación de la amplitud de salida del cuerno a la amplitud de entrada del cuerno es denominada ganancia. La ganancia es una función de la relación de la masa del cuerno en las secciones de entrada y salida de la vibración. En general, en los cuernos, la dirección de amplitud en la cara del cuerno es coincidente con la dirección de las vibraciones mecánicas aplicadas. Tradicionalmente, el corte y soldadura ultrasónicos utilizan cuernos que vibran axialmente contra un yunque rígido, con el material a ser soldado o cortado colocado entre el cuerno y el yunque. Alternativamente, en la soldadura o corte a alta velocidad continuo, el cuerno es estacionario en tanto que se hace girar al yunque y la parte pasa entre el cuerno y el yunque. En estos casos, la velocidad lineal de la parte se hace coincidir con la velocidad tangencial de la superficie de trabajo del yunque rotativo. Hay sin embargo, algunas limitaciones a este sistema. Debido a que la parte a ser soldada se hace pasar de manera continua entre el espacio estrecho formado mediante el yunque y el cuerno, variaciones de compresión son creadas debido a las desuniformidades del espesor de la parte. Existe arrastre entre la parte y el cuerno y pueden provocar esfuerzos residuales en la región soldada. Estos factores afectan la calidad y resistencia de la soldadura lo cual a su vez limitan las velocidades de línea. También, el espacio entre el yunque rotativo y el cuerno limita el volumen o espesor compresible de las partes a ser unidas. Una manera de minimizar estas limitaciones es formar la superficie de trabajo del cuerno para obtener un espacio convergente o divergente progresivo dependiendo de la parte. Esto no resuelve completamente el problema de hacer mover el material a ser unido más allá de un cuerno estacionario, ya que un contacto íntimo es necesario para la transferencia de energía acústica eficiente.

La mejor manera para obtener soldaduras ultrasónica de alta calidad y alta velocidad es utilizar un cuerno rotativo con un yunque rotativo. Normalmente, un cuerno rotativo es cilindrico y gira alrededor de un eje. La vibración de entrada se encuentra en la dirección axial y la vibración de salida se encuentra en la dirección radial. El cuerno y el yunque son dos cilindros cercanos entre sí, que giran en direcciones opuestas con velocidades tangenciales iguales. La parte a ser unida pasa entre estas superficies cilindricas a una velocidad lineal que es igual a la velocidad tangencial de estas superficies cilindricas. La correspondencia o coincidencia de las velocidades tangenciales del cuerno y el yunque con la velocidad lineal del material se propone minimizar el arrastre entre el cuerno y el material. La excitación en la dirección axial es similar a aquella en la soldadura de émbolo convencional . La patente norteamericana No. 5,096,532 describe dos clases de cuerno rotativo. La patente compara un cuerno rotativo disponible comercialmente, fabricado por Mecasonic-KLN, Inc., de Fullerton, California (cuerno Mecasonic) y un cuerno rotativo descrito en la patente ?532. La figura 1 muestra un cuerno rotativo Mecasonic y la figura 2 muestra una configuración del cuerno rotativo de la patente '532. Una diferencia significativa entre estos dos tipos de cuernos es el ancho de la cara de soldadura radial y la uniformidad de la amplitud a través de la cara radial. El cuerno Mecasonic es un cuerno de plena longitud de onda, que tiene una longitud total de aproximadamente 25 cm (10 pulgadas) para cuernos de aluminio y titanio. La vibración axial excita el modo de flexión (o curvatura) cilindrico para proporcionar el movimiento radial y el modo de vibración depende de la relación de Poisson. (Si la relación de Poisson del material del cuerno es cero, los modos radiales de vibración no son excitados) . El movimiento radial de la cara de la soldadura se encuentra en fase con la excitación, y hay dos nodos (en donde la amplitud de vibración es cero) , para el movimiento axial y dos nodos para el movimiento radial. Sin embargo, la amplitud de vibración es la más alta en el centro de la cara de soldadura radial y disminuye hacia el extremo para dar como resultado una resistencia de soldadura desigual. El cuerno Mecasonic es un cilindro parcialmente hueco. El cuerno de la patente ?532 es un cuerno de media longitud de onda, que tiene una longitud total de aproximadamente 12.7 cm (5 pulgadas) para cuernos de aluminio y titanio. Debido a la forma del cuerno, la vibración axial proporciona el movimiento radial. En este cuerno, el modo de vibración es independiente de la relación de Poisson. El movimiento radial de la cara de la soldadura está fuera de fase con la excitación y hay solamente un nodo, en el centro geométrico de la cara de la soldadura. La amplitud de vibración es relativamente uniforme a través de la cara de la soldadura. La forma del cuerno de la patente '532 difiere de aquella del cuerno Mecasonic; el cuerno de la patente x532 es sólido, y el cuerno Mecasonic es un cilindro parcialmente hueco. Hay una necesidad de una configuración de soldadura acústica que pueda soldar partes sobre un ancho amplio (tal como mayor de 12.7 cm) .

Breve descripción de la invención Un cuerno acústico rotativo imparte energía a una longitud de onda, frecuencia y amplitud seleccionadas. El cuerno incluye una porción de base que tiene un extremo de entrada axial y un extremo de salida axial y una pluralidad de caras de soldadura unidas operacionalmente a la porción de base. Cada cara de soldadura tiene un diámetro que es mayor que el diámetro de la porción de base y que se expande y contrae con la aplicación de energía acústica al extremo de entrada de la porción de base. Las caras de soldadura están espaciadas entre sí y son montadas ya sea en serie o en paralelo entre sí. La distancia entre los puntos medios de las caras de soldadura adyacentes es por lo menos un múltiplo de una mitad de longitud de onda del material del cuerno. La amplitud de vibración de cada cara de soldadura puede diferir de la amplitud de vibración de las caras de soldadura adyacentes. La expansión y contracción de por lo menos una cara de soldadura puede estar sustancialmente en fase con el movimiento del extremo de entrada axial del cuerno. Cada cara de soldadura se puede mover sustancialmente en fase con la expansión y contracción de las caras de soldadura alternativas. El cuerno puede ser un cuerno ultrasónico y puede incluir una manera para cambiar la ganancia en la cara de soldadura radial al cambiar la masa en el extremo de entrada axial del cuerno . La longitud axial de la cara de soldadura puede ser de hasta la mitad de una longitud de onda del material de cuerno. En una modalidad, la longitud axial del cuerno puede ser sustancialmente igual a una longitud de onda del material del cuerno. En esta modalidad, la expansión y contracción de la cara de la soldadura, puede estar sustancialmente en fase con el movimiento del extremo de entrada del cuerno. El cuerno puede exhibir dos puntos nodales para el movimiento axial. En otra modalidad, la longitud axial del cuerno puede ser menor o igual a la mitad de longitud de onda del material del cuerno. En esta modalidad, la expansión y contracción de la cara de la soldadura puede estar sustancialmente fuera de fase con el movimiento del extremo de entrada del cuerno. Este cuerno puede exhibir un punto nodal o movimiento axial.

Breve descripción de los dibujos La figura 1 es una vista esquemática de un cuerno Mecasonic. La figura 2 es una vista esquemática de un cuerno del tipo de la patente ?532. La figura 3 es una vista esquemática de un cuerno de acuerdo con la invención que tiene múltiples caras de soldadura en serie. La figura 4 es una vista esquemática de un cuerno de acuerdo con otra modalidad de la invención que tiene múltiples caras de soldadura en serie. La figura 5 es una vista esquemática de un cuerno similar a aquel de la figura 3 que tiene múltiples caras de soldadura en paralelo. La figura 6 es una vista esquemática de un cuerno similar a aquel de la figura 4 que tiene múltiples caras de soldadura en paralelo. La figura 7 es una vista esquemática de dos cuernos montados a ambos lados o escalonados, de la figura 5.

Descripción detallada El cuerno rotativo de esta invención puede ser un cuerno rotativo acústico de plena longitud de onda, como se muestra en las figuras 1, 4 y 6, o un cuerno de media longitud de onda, como se muestra en las figuras 2, 3 y 5. Como se muestra, el cuerno es un cuerno ultrasónico e imparte energía a una longitud de onda, frecuencia y amplitud seleccionadas. El cuerno puede soldar ultrasónicamente partes en un ancho relativamente largo con una amplitud deseada. Para el cuerno de plena longitud de onda, el movimiento radial se encuentra en fase con la excitación y el cuerno tiene dos puntos nodales para el movimiento axial y dos puntos nodales para el movimiento radial. Para el cuerno de media longitud de onda, el movimiento radial está fuera de fase con la excitación y el cuerno tiene un punto nodal para el movimiento axial y un punto nodal para el movimiento radial. Con referencia a la figura 3, el cuerno rotativo 10 tiene un extremo de entrada axial y un extremo de salida axial 13. Una pluralidad de caras de soldaduras 16 se localizan en el cuerno 10. En las figuras 1, 4 y 6, el cuerno 10 puede tener una porción hueca 15 la cual se puede extender por más de la mitad de la longitud axial del cuerno 10 y puede ser más larga que la cara de soldadura 16. El diámetro de la cara de la soldadura puede ser mayor que el diámetro del resto del cuerno 10. Cada cara 16 de soldadura tiene un diámetro que se expande y contrae con la aplicación de energía ultrasónica. La ganancia (relación de amplitud de salida del cuerno a la amplitud de entrada del cuerno en base a la entrada axial) puede ser cambiada en la cara 16 de soldadura al cambiar la masa 18 en el extremo de entrada 11 del cuerno. Para soldar sobre un yunque con un ancho mayor que el ancho de la cara 16 de soldadura sin utilizar múltiples cuernos rotativos (ya sea en yunques rotativos o planos) se pueden usar los cuernos que tienen múltiples caras de soldadura 16 o cuernos de una sola cara de soldadura pueden ser apilados a lo largo de su longitud en una sola unidad. La configuración sería similar a una estructura de "shish-kebab" . La distancia entre los puntos medios de las caras 16 de soldadura adyacentes puede ser de uno o más múltiplos de una mitad de la longitud de onda del material del cuerno. También, la amplitud de vibración de cada cara de soldadura puede diferir de la amplitud de vibración de las caras de soldadura adyacentes. Esta configuración de montaje de cuerno puede ser accionada y hacerse girar con un solo sistema de alimentación, reforzador, convertidor y de accionamiento. Para cubrir completamente el ancho más amplio del yunque, dos o más de estas configuraciones, montadas a ambos lados por una distancia de hasta el ancho de la cara de soldadura, puede ser usado, como se muestra en la figura 7. Las caras de soldadura en cada cuerno pueden tener anchos diferentes de aquel de las caras de soldadura sobre el otro cuerno. Las caras de soldadura pueden ser montadas en serie entre sí, como se muestra mediante los cuernos 10 y 10' en las figuras 3 y 4, o en paralelo entre sí, como se muestra mediante los cuernos 10'' y 10''' en las figuras 5 y 6. Las figuras 3 y 4 son ejemplos de cuernos apilados en serie. La configuración es clasificada como apilado del cuerno rotativo en serie debido a que la salida de un cuerno en la dirección axial se vuelve la entrada para el siguiente cuerno. El primer cuerno impulsa el segundo cuerno rotativo y así sucesivamente. En la figura 3, la longitud axial del cuerno es un múltiplo de una mitad de longitud de onda del material del cuerno. La distancia entre él centro de las caras de soldadura sucesivas es de una mitad de longitud de onda del material de cuerno. El movimiento radial de las caras de soldadura alternativas puede estar fuera de fase con la excitación y el cuerno exhibe un punto nodal axial para cada cara de soldadura. En la figura 4, la longitud axial del cuerno es un múltiplo de una longitud de onda del material de cuerno. La distancia entre el centro de caras de soldaduras sucesivas es de una longitud de onda del material de cuerno. El movimiento radial de cada cara de soldadura está en fase con la excitación y el cuerno exhibe dos puntos nodales axiales para cada cara de soldadura. La configuración mostrada en las figuras 3 y 4 se puede realizar al apilar cuernos individuales o mediante maquinado de una sola estructura de una pieza formada integralmente.

Las figuras 5 y 6 muestran los cuernos rotativos apilados en paralelo. En estas figuras, dos o más cuernos rotativos son apilados a lo largo de su longitud usando un vastago resonante 20. Esta configuración es un sistema en paralelo debido a que el accionamiento principal o fuente de entrada es el vastago cilindrico que une estos cuernos rotativos. En esta configuración de cuerno rotativo, cada cara de soldadura puede ser impulsada independientemente de la cara de soldadura adyacente. Las características del cuerno de las figuras. 1-6 pueden ser combinadas de cualquier manera, para mezclar y hacer corresponder las características y componentes para formar muchas configuraciones diferentes. La longitud de un cuerno con múltiples caras de soldadura es un múltiplo de la longitud de onda del material de cuerno que es utilizado. La ubicación de las caras de soldadura sucesivas se encuentra a una distancia (distancia de centro a centro entre las caras de soldadura adyacentes) de una mitad de longitud de onda del material de cuerno para los cuernos de las figuras 3 y 5. La distancia de centro a centro para los cuernos de las figuras 4 y 6 es de una longitud de onda del material de cuerno. Si se desea, las caras de soldadura intermedias pueden ser eliminadas de tal manera que las caras de soldadura se posicionen a una plena longitud de onda del material de cuerno para los cuernos de las figuras 3 y 5.

La configuración de las figuras 5 y 6 se puede realizar mediante el apilado de cuernos individuales o al utilizar una estructura de una pieza formada integralmente. Para cubrir un ancho de soldadura más amplio, se pueden apilar o montar a ambos lados varios cuernos rotativos de la cara de soldadura múltiples de cualquier configuración como se muestra en la figura 7. Esto minimiza el número de cuernos apilados que deben ser usados y a su vez reduce el número de accesorios, tales como convertidores, reforzadores, fuentes de alimentación y sistemas de accionamiento, necesarios para acomodar los anchos de yunque incrementados. Esto también reduce el mantenimiento y montaje de toda la configuración. El cuerno y la cara de soldadura pueden ser cilindricos concéntricos de diámetro constante. Sin embargo, podrían tener radios variables o no ser concéntricos y la porción de soldadura no necesita ser cilindrica para trabajar con varias configuraciones de soldadura. Por ejemplo, la porción de soldadura podría ser una sección cónica no cilindrica. Podría ser elíptica en la dirección radial o podría ser esférica. Se hace constar que, con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos a que la misma se refiere.

Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes:

Claims (10)

1. Reivindicaciones 1. Un cuerno acústico rotativo, para impartir energía a una longitud de onda, frecuencia y amplitud seleccionadas, caracterizado porque comprende: una porción de base que tiene un extremo de entrada axial y un extremo de salida axial; una pluralidad de caras de soldadura unidas operacionalmente a la porción de base, cada una tiene un diámetro que es mayor que el diámetro de la porción de base y que se expande y contrae con la aplicación de energía acústica al extremo de entrada de la porción de base, en donde las caras de soldadura están espaciadas entre sí y en donde las caras de soldadura son montadas en aralelo entre sí.
2. 2. Un cuerno acústico rotativo para impartir energía a una longitud de onda, frecuencia y amplitud seleccionadas, caracterizado porque comprende: una porción de base que tiene un extremo de entrada axial y un extremo de salida axial; una pluralidad de caras de soldadura unidas operacionalmente a la porción de base, cada una tiene un diámetro que es mayor que el diámetro de la porción de base y que se expande y contrae con la aplicación de energía acústica al extremo de entrada de la porción de base en donde las caras de soldadura están espaciadas entre sí, en donde las caras de soldadura, son montadas en serie entre sí y en donde la salida de un cuerno en dirección axial se vuelve la entrada para el siguiente cuerno.
3. 3. El cuerno de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la distancia entre los puntos medios de las caras de soldadura adyacentes es de por lo menos un múltiplo de una mitad de longitud de onda del material de cuerno .
4. 4. El cuerno de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la amplitud de vibración de cada cara de soldadura difiere de la amplitud de vibración de las caras de soldadura adyacentes .
5. 5. El cuerno de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la longitud axial del cuerno es sustancialmente igual a uno o más múltiplos de una mitad de longitud de onda del material del cuerno y en donde la porción de base es hueca por al menos parte de su longitud axial.
6. 6. El cuerno de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la porción de base es cilindrica, la cara de soldadura es cilindrica, y la cara de soldadura es coaxial con la porción de base.
7. 7. El cuerno de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque por lo menos una expansión y contracción de la cara de soldadura se mueven sustancialmente en fase con el movimiento del extremo de entrada axial del cuerno y en donde cada expansión y contracción de la cara de soldadura se mueve sustancialmente en fase con la expansión y contracción de la cara de soldadura de las caras de soldadura alternativas.
8. 8. El cuerno de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque es un cuerno ultrasónico.
9. 9. El cuerno de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque comprende además medios para cambiar la ganancia en la cara de soldadura radial al cambiar la masa en el extremo de entrada axial del cuerno.
10. 10. Una instalación de cuerno acústico rotativo para impartir energía a una longitud de onda, frecuencia y amplitud seleccionadas, caracterizado porque la instalación comprende primeros y segundos cuernos de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, en donde las caras de soldadura sobre el primer cuerno se encuentran en sitios longitudinales espaciados seleccionados y las caras de soldadura en el segundo cuerno se encuentran en otros sitios longitudinales espaciados seleccionados de tal manera que las caras de soldadura en ambos cuernos se combinan para presentar una cara de soldadura total que es continua.