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DE2159930A1 - Verfahren und Vorrichtung zum dichten Verbinden eines Behältermantels aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Bodenoder Deckelteil aus thermoplastischem Kunststoff mittels Ultraschall - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum dichten Verbinden eines Behältermantels aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Bodenoder Deckelteil aus thermoplastischem Kunststoff mittels Ultraschall

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DE2159930A1
DE2159930A1 DE19712159930 DE2159930A DE2159930A1 DE 2159930 A1 DE2159930 A1 DE 2159930A1 DE 19712159930 DE19712159930 DE 19712159930 DE 2159930 A DE2159930 A DE 2159930A DE 2159930 A1 DE2159930 A1 DE 2159930A1
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DE
Germany
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sonotrode
groove
zone
edge
cover part
Prior art date
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Granted
Application number
DE19712159930
Other languages
English (en)
Other versions
DE2159930C3 (de
DE2159930B2 (de
Inventor
Ernst Dipl.-Ing. Dr.techn.; Rippl Leopold Dipl.-Ing. Dr.techn.; Schmidinger Hans; Pulitzer Wolfgang Ing.; Wien Karobath
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TELEPHON TELEGRAPHEN FAB
Original Assignee
TELEPHON TELEGRAPHEN FAB
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Publication date
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Priority claimed from AT290771A external-priority patent/AT334616B/de
Application filed by TELEPHON TELEGRAPHEN FAB filed Critical TELEPHON TELEGRAPHEN FAB
Publication of DE2159930A1 publication Critical patent/DE2159930A1/de
Publication of DE2159930B2 publication Critical patent/DE2159930B2/de
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Publication of DE2159930C3 publication Critical patent/DE2159930C3/de
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    • H01M50/174—Arrangements of electric connectors penetrating the casing adapted for the shape of the cells
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Description

2. Dez. 1971
••■TM
i^kiit» Ii1 Si·. Ii JiIbU, !0
Telephon- und Telegraphen-Fabriks-Aktiengesellschaft KAPSCH & SÖHNE in WIEN, Wien (Österreich), Wagenseilgasse
Pat ent anmeldunfi'
Verfahren und Vorrichtung zum dichten Verbinden eines Behältermantels aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Boden- oder Deckelteil aus thermoplastischem Kunststoff mittels Ultraschall
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dichten Verbinden eines Behältermantels aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Boden- oder Deckelteil aus thermoplastischem Kunststoff mittels Ultraschall» sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung. Insbesondere soll die Erfindung zum Herstellen von flüssigkeitsdichten Hüllen für galvanische Primärzellen oder Kondensatoren, insbesondere Elektrolytkondensatoren, Anwendung finden. In diesen Fällen werden mit dem Behältermantel Deckel- und/oder Bodenteile aus thermoplastischem Kunststoff verbunden, in weLche bereits Kontaktes Micke odor AiUKihluiJIeiter dicht eingebettet sind.
-2-
2 0 £) 8 2 fl / 0 6 5 0
Die Schweißung von Kunststoff mit Ultraschall "bietet gegenüber anderen Schweißmethoden vor allem den Vorteil wesentlich geringeren Zeitbedarfs, weil die erforderliche Schweißtemperatur unmittelbar an der Schweißstelle durch Reibungswärme erzeugt wird, so daß einerseits zeitraubende Wärmeleitvorgänge entfallen und anderseits die weitere Wärmeerzeugung bei Auftreten der gewünschten Temperatur an der Schweißstelle sofort unterbrochen werden kann.
Bisher wurde bei der Herstellung von Behältern aus thermoplastischem Kunststoff durch Verbindung eines Bodenteiles
W mit einem Behältermantel mit Hilfe von Ultraschall eine
Stumpfschweißung angewendet, indem der Behältermantel auf den Bodenteil aufgesetzt und mittels einer Sonotrode über den Bodenteil Ultraschallenergie zur Stoßfläche von Bodenteil und Behältermantel übertragen wurde. Bei dieser Arbeitsweise ergeben sich vor allem dann Schwierigkeiten, wenn Behälter mit dünnen Mantelwänden hergestellt werden sollen, wie dies bei flüssigkeitsdichten Hüllen für Primärzellen, Elektrolytkondensatoren und ähnliche Anwendungsgebiete der Fall ist. In diesen Fällen ist es nämlich, insbesondere unter Berücksichtigung der Herstellungstoleranzen der zu verschweißenden Kunststoffteile und eier geringen
α Festigkeit des dünnen Behältermantels, schwierig, die richtige Relativlage der zu verschweißenden Kunststoffteile vor der Stumpfschweißung herbeizuführen und während derselben aufrechtzuerhalten.
V/eitere Schwierigkeiten ergeben sich, wenn der Behältermantel und der anzuschweißende Boden- oder Deckelteil aus relativ weichem, schlecht schalleitendem thermoplastischen Kunststoff und/odur aus thermoplastischen Kunststoffen mit unberschieu ionen iicihmoispunkten bestehen. In diesem Fall Lab nach dom Stand dor Tochnik eine befriedigende iJchweißung überhaupt;- nicht a v'r,iu Lbar, wt)il bei da ν Erhitzung dor Kunafciitoffo durch IJifcra.rihnli .umücihijt der direkt boschaitfce
.1 0 >) i! 2 b / I) i) b" C)
BAD ORIGINAL
dünne Hüllenmantel bzw. der Kunststoffteil mit dem niedrigeren Schmelzpunkt erweicht und beim Aufbringen des für den Schweißvorgang notwendigen Druckes von der Schweißstelle verdrängt wird.
Die Erfindung ermöglicht es, diese Nachteile durch Anwendung einer Überlapptschweißung zu vermeiden, ohne daß dabei ein höherer Aufwand an Werkzeugen oder an Arbeitszeit in Kauf genommen werden muß.
Gemäß der Erfindung wird ein Behältermantel aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Boden- oder Deckelteil aus thermoplastischem Kunststoff in der Weise mittels Ultraschall dicht verbunden, daß der Boden- bzw. Deckelteil in das offene Ende des Behältermantels so weit eingeschoben wird, bis der Rand des Mantels über den Boden- bzw. Deckelteil vorsteht, und daß sodann eine als kombiniertes Börde1- und Schweißwerkzeug wirkende Sonotrode in Richtung der Behälterachse gegen den vorstehenden Rand des Mantels bewegt und dieser Rand unter der Einwirkung der in Richtung der Behälterachse schwingenden Sonotrode über den von der anderen Seite her abgestützten Boden- bzw. Deckelteil gebördelt wird, wobei im Verlaufe dieses Börde1Vorganges der erweichende vorstehende Rand des Mantels völlig in einen zumindest teilweise von der Sonotrode und dem Boden- bzw. Deckelteil begrenzten ringförmigen Hohlraum eingeschlossen wird und dieser geschlossene Hohlraum beim Schweißvorgang durch begrenzte Fortsetzung der Bewegung der Sonotrode verkleinert wird, um auf den eingeschlossenen erweichten Kunststoff einen Preßdruck auszuüben.
Bei dieser Verfahrensweise wird der über den Boden bzw. Deckelteil überstehende Rand des Behältermantels durch die Einwirkung der schwingenden Sonotrode zuerst nur so weit erweicht, daß er faltenfrei über den Umfangsrand des Bodenbzw· Deckelteiles gebördelt werden kann. Wach diesem Bördel-
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Vorgang kommt die umgebördelte Randzone des Behältermantels mit dem von der anderen Seite her abgestützten Boden- bzw. Deckelteil zur Berührung und es wird nunmehr unter der Wirkung der senkrecht zur umgebördelten Randzone schwingenden Sonotrode intensiv Reibungswärme erzeugt, durch welche der Kunststoff so weit plastifiziert wird, daß die überlappten Kunststoffteile miteinander verschmelzen können.
Um dabei zu vermeiden, daß der geschmolzene Kunststoff des Mantelrandes vom Umfangsrand des Boden- oder Deckelteiles in Richtung zur Behälterachse aus der Schweißzone verdrängt wird und nach Erstarren Schweißrückstände bildet, durch welche das Erzeugnis unansehlich oder sogar unverkäuflich wird, wird die gesamte Schweißzone beim erfindungsgemäßen Verfahren mittels der Sonotrode in einen ringförmigen Hohlraum eingeschlossen.
Unter einem "ringförmigen" Hohlraum ist dabei allgemein ein in sich geschlossener Hohlraum zu verstehen, der dem z.B. runden oder vieleckigen Umriß des Behältermantels folgt. Durch das Einschließen des erweichenden und teilweise schmelzenden Mantelrandes in den ringförmigen Hohlraum wird nicht, nur eine Verdrängung des geschmolzenen Kunststoffes von der Schweißzone verhindert, sondern auch die Ausübung eines Preßdruckes auf den geschmolzenen Kunststoff ermöglicht, der im Zusammenwirken mit der Einwirkung von Ultraschall in später noch zu beschreibender Weise eine einwandfreie Schweißnaht ergibt. Nach dem Schweißvorgang wird die Erregung der Sonotrode unterbrochen, die Sonotrode aber noch eine für das Erstarren der Schweißnaht ausreichende Zeit in der Schweißstellung belassen.
Im Rahmen der Erfindung muß die Sonotrode das Umbördeln des vorstehenden Randes des Behältermantels um den Umfangsrand des Boden*· bzw. Deckelteiles und das Einschließen des
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"bei diesem Bördelvorgang erweichenden und teilweise schmelzenden Kunststoffes des Hantelrandes in einen ringförmigen Hohlraum "bewirken. Eine diese Aufgaben erfüllende und daher zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Sonotrode ist dadurch gekennzeichnet, daß ihr freier Endteil als ein Hohlzylinder mit einer Hohlkehle an der Stirnseite ausgebildet ist, wobei die Wandung der Hohlkehle von einer hohlzylindrischen Außenwandzone, deren Durchmesser dem Durchmesser des Behältermantels entspricht, einer daran mit· Krümmung anschließenden, im wesentlichen senkrecht zur Hohlzylinderachse verlaufenden Stirnwandzone und einer daran mit Gegenkrümmung anschließenden zylindrischen Innenwandzone gebildet ist.
Bei dieser Formgebung der Sonotrode verlaufen die Erzeugende der hohlzylindrischen Außenwandzone und der zylindrischen Innenwandzone der Sonotrode parallel zur Schwingungsrichtung der Elektrode, so daß an diesen Flächen praktisch keine Umsetzung von Ultraschallenergie in Wärmeenergie erfolgt; die Ultraschallübertragung beschränkt sich auf die im wesentlichen senkrecht zur Hohlsylinderachsa verlaufende Zone der Sonotrode, welche den Boden der Hohlkehle darstellt und die ringförmige Schweißzone überlagert, welche erhitzt werden soll.
Die lagenrichtige Halterung der zu verschweißenden Teile vor und während des Schweißvorganges kann gegebenenfalls durch einen Niederhalter begünstigt werden, der auch dazu mitverwendet werden kann, die Schweißzone im Zusammenwirken mit der Sonotrode und dem Boden- bzw. Deckelteil in einen ringförmigen Hohlraum einzuschließen und so eine unerwünschte Verdrängung von geschmolzenem Kunststoffmaterial zur Sichtfläche des angeschweißten Boden- oder Deckelteiles zu verhindern. Ein Niederhalter kann, wie später noch erläutert wird, auch dazu ausgenutzt werden, beim Verschweißen von Primärzellenhüllen, in deren Deckel« und Bodenteil je ein
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Kontaktstück eingebettet ist, Arbeitsbedingungen zu schaffen, die sichern, daß in der fertigen Primärzelle ein ausreichender Kontaktdruck zwischen den Polen der Zelle und den Kontaktstücken erzielt wird.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen genauer erläutert, u.zw. im Zusammenhang mit der Herstellung von flüssigkeitsdichten Hüllen für galvanische Primärzellen unter Anwendung von schlauchartigen Hüllenmänteln und von Deckel- oder Bodenteilen, in die bereits ein Kontaktstück eingebettet ist.
Fig. 1 zeigt einen Achsschnitt durch die linke Hälfte des Oberteiles einer Primärzelle mit einer Schlauchhülle und einem eingesetzten Deckelteil mit einer eingebetteten Kontaktkappe sowie einen Achsschnitt durch den Endteil einer Sonotrode, mit welcher der Hüllenmantel und der Hüllendeckel verschweißt werden.
fig. 2 zeigt die gleichen Teile am Ende der Arbeitsbewegung der Sonotrode, d.h. nach erfolgter Schweißung.
Die Fig. 5 bis 6 zeigen ein ähnliches, als Sonotrode ausgebildetes kombiniertes Bördel- und Schweißwerkzeug nach der Erfindung in größerem Maßstab und in vier aufeinanderfolgenden Relativlagen bezüglich einer Primärzelle mit einer Schlauchhülle, in die ein Bodenteil mit eingebettetem Bodenkontakt eingeschweißt werden soll.
Die Fig. 7 und 8 stellen ein weiteres, an die Fig. 1 und 2 anschließendes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei dem eine in Fig. 7 vor und in Fig. 8 während bzw. nach dem Schweißvorgang dargestellte Sonderausführung einer Sonotrode verwendet wird, bei welcher ein Niederhalter für den anzuschweißenden Deckelteil vorgesehen ist, der zugleich zur Bildung eines die Schweißzone einschließenden Hohlraumes
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mitverwendet wird.
Die Fig· 9 und 10 stellen in analoger Weise ein an die ^ig. 3 Ms 6 anschließendes Ausführungsbeispiel dar, bei dem durch die Verwendung eines Niederhalten in der fertigen Frimärzelle ein guter Kontaktdruck zwischen den Polen der Zelle und den in den Boden- und Deckelteil eingebetteten Kontaktstücken gesichert wird.
In den Fig. 1 und 2 sind mit 1 der Pluspol (Kohlestift), mit 2 die Kontaktkappe, mit 3 die Vergußmasse und mit 4 der Minuspol (Zinkbecher) der Primärzelle bezeichnet, die durch Verschweißen eines schlauchartigen Hüllenmantels 6 mit einem Deckelteil 5 aus thermoplastischem Material flüssigkeitsdicht umhüllt werden soll. Die Kontaktkappe 2 sitzt fest auf dem Kohlestift 1, der flüssigkeitsdicht in einen zentralen Stutzenfortsatz des DeekelteχIes 5 eingesetzt ist, wobei der zentrale Stutzen des Deckelteiles 5 mit seinem freien Ende in die Vergußmasse 3 eingebettet ist. In analoger Veise können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der nun zu beschreibenden Sonotrode gemäß den Fig. 9 und 10 auch Bodenteile mit eingebetteten Bodenkontakten flüssigkeitsdicht mit einem Hüllenmantel aus thermoplastischem Material verbunden werden.
Um eine überlapptschweißung zu erzielen, wird, wie Fig. 1 zeigt, der Deckelteil 5 so weit in den Hüllenmantel 6 eingeschoben, daß der obere Band 6a des Mantels über den Deckelrand vorsteht. Die Primärzelle wird nunmehr in der richtigen Lage unterhalb der in vertikaler Richtung beweglichen Sonotrode 10 des Schweißgerätes abgestützt und die Sonotrode 10 wird unter Einschaltung des zugeordneten Ultraschallgenerators abgesenkt* Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist an der Innenkante der hohlzylindrischen Sonotrode 10, von der nur der untere Endteil dargestellt ist, eine Hohlkehle 11 ausgebildet, wobei diese Hohlkehle 11 von einer senkrecht
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zur Stirnfläche 12 der Sonotrode orientierten zylindrischen Oberflächenzone 11a, deren Durchmesser dem Durchmesser des Hüllenmantels 6 entspricht, mit stetiger Krümmung auf eine im wesentlichen senkrecht zur Hohlzylinderachse verlaufende Oberflächenzone 11b überleitet.
Bei der Absenkbewegung der schwingenden Sonotrode tritt der freie Rand 6a des Hüllenmantels 6 in die Hohlkehle 11 ein und wird beschallt, wodurch sich dieser Rand erweicht und während der weiteren Absenkbewegung der Sonotrode 10 unter Vermeidung einer Faltenbildung über den Außenrand des Deckelteiles 5 gebördelt wird. Durch die Abstützung der umgebördelten Randzone 6a des Hüllenmantels 6 am DeCkelrand wird an der Berührungszone zwischen diesen beiden Teilen Reibungswärme erzeugt, die zu einem Schmelzen des Kunststoffes und dadurch zu einer Verschweißung dieser Teile führt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist am Deckelteil 5 eine Ringnut 5b vorgesehen, die zur Aufnahme von geschmolzenem Kunststoff dient, welcher beim Schweißvorgang radial einwärts von der Schweißzone weg verdrängt wird und den mittleren Teil der Sichtfläche des Deckels verunreinigen könnte. Die Sonotrode 10 weist im Anschluß an die im wesentlichen senkrecht zur Hohlzylinderachse verlaufende Oberflächenzone 11b der Hohlkehle 11 eine in Richtung zur Stirnfläche 12 der Sonotrode zurückgekrümmte Innenwandzone 11c auf, die mit einem gratartigen ringförmigen Vorsprung 13 endet. Der gratartige Vorsprung 13 der Sonotrode 10, der in die ^ingnut 5b des Deckelteiles 5 eingreifen soll, wird einerseits durch die Innenwandzone 11c der Hohlkehle 11 und anderseits durch den Außenrand einer hohlkonischen Fläche 14 begrenzt, die in die Innenfläche 15 des Hohlzylinders der Sonotrode 10 übergeht. ι
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Beim Absenken der Sonotrode tritt der gratartige Vorsprung 13 in die Ringnut 5b ein, wobei die hohlkonische Fläche 14· an der radial inneren Kante dieser Hingnut zur Anlage kommt und an dieser, gegebenenfalls nach geringfügiger Deformation derselben, abdichtet, so daß die Schweißzone in einem ringförmigen Hohlraum eingeschlossen wird und kein Kunststoff über die Abdichtungsstelle radial einwärts zur Sichtfläche des Deckels gelangen kann. Hiedurch wird gesichert, daß der gesamte überschüssige geschmolzene Kunststoff nach Art einer Schweißraupe innerhalb der Ringnut 5b zu liegen kommt und das gute Aussehen des fertigen Erzeugnisses nicht beeinträchtigt.
Wie aus den Fig. 1 und 2 erkennbar ist, ist der freie Endteil der Sonotrode außerhalb der Hohlkehle 11 schürzenartig verlängert, wobei diese Verlängerung 16 gegebenenfalls an der Innenkante bei 18 trichterartig erweitert ist, um den Eintritt des überstehenden Randteiles 6a des Hüllenmantels in die Hohlkehle 11 beim Absenken der Sonotrode zu erleichtern. Der überhängende Schürzenteil 16 der Sonotrode stützt den Hüllenmantel 6 während des Schweißvorganges nach außen ab, begrenzt samt dem anliegenden Hüllenmantel den ringförmigen Hohlraum nach außen und verhindert dadurch insbesondere auch eine bleibende Deformation desselben unter dem Druck der niedergehenden Sonotrode. Selbstverständlich ist hier, wie bei allen bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen, vorauszusetzen, daß die Primärzelle hinsichtlich ihrer Relativlage zur Sonotrode so abgestützt ist, daß sie dem Schweißdruck standhalten kann.
Die Fig. 3 bis 6 zeigen ein der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ähnliches Schweißwerkzeug in größerem Maßstab in vier verschiedenen Relativlagen zu den zu verschweißenden Teilen. Es wird beispielsweise angenommen, daß in das offene bodenseitige Ende 6a des aus Hochdruck-Polyäthylen bestehenden Hüllenmantels 6 einer Primärzelle ein Bodenteil 7 aus
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Niederdruck-Polyäthylen eingeschweißt werden soll, in den bereits ein Bodenkontakt eingebettet ist. Die Uberlapptechweißung des vorstehenden Mantelrandes 6a soll an einer über den Bodenteil 7 in axialer Richtung nach außen vorspringenden Randleiste 7& erfolgen, an die gegebenenfalls eine Hingnut ?b anschließen kann.
Die ^ig. 3 bis 6 lassen genauer erkennen, daß an der Stirnseite der hohlzylindrischen Sonotrode 10, von der nur der untere Endteil dargestellt ist, in schon beschriebener Weise eine Hohlkehle 11 ausgebildet ist, deren Wandung von einer hohlzylindrischen Außenwandzone 11a mit einem dem Außendurchmesser des Hüllenmantels 6 entsprechenden Innendurchmesser, einer mit Krümmung anschließenden, im wesentlichen senkrecht zur Hohlzylinderachse verlaufenden Wandzone 11b und einer mit Gegenkrümmung anschließenden koaxialen zylindrischen Innenwandzone 11c gebildet wird, wobei die zylindrische Innenwandzone mit einem Grat 13 endet, an den eine hohlkonische Oberflächenzone 14 anschließt. Der Grat 13 kann in diesem Falle abgestumpft sein.
Die Breite der Randleiste 7a des in den Hüllenmantel 6 einzuschweißenden Bodenteiles 7« vermehrt um die Dicke des Hüllenmantels 6, entspricht im wesentlichen der lichten Weite der Hohlkehle 11 an der Stirnseite der Sonotrode, so daß die Hohlkehle 11 die außenseitig mit dem Hüllenmantel
6 bedeckte Randleiste 7a aufnehmen kann, wenn die in Richtung des Doppelpfeiles P schwingende Sonotrode 10 aus der Ausgangsstellung nach Fig. 3 unter Umbördelung des vorstehenden Randes 6a des Mantels 6 gemäß Fig. 4 gegen den Bodenteil
7 bewegt wird. Bei der Weiterbewegung der Sonotrode 10 in die Stellung gemäß Fig. 5 erweicht der Mantel rand 6a unter der Ultraschalleinwirkung weiter, um schließlich teilweise zu schmelzen. In der in Fig. 6 gezeigten Schweißstellung der Sonotrode 10 ist der ringförmige Hohlraum zwischen der Wan-
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dung der Hohlkehle 11 und der Randleiste 7a des Bodenteiles 7 vollständig mit zum Teil geschmolzenem Hochdruck-Polyäthylen ausgefüllt und' die Sonotrode übt einen die Schweißnaht außenseitig formenden Preßdruck auf den eingeschlossenen, teils erweichten, teils geschmolzenen Kunststoff aus.
Da die durch den Doppelpfeil P angedeutete Schwingungsrichtung der Sonotrode parallel zu den Innen- und Außenwandzonen 11a bzw. 11c der Hohlkehle verläuft, wird über diese Wandungszonen weder Ultraschallenergie noch Preßdruck übertragen· Hingegen erfolgt über die im wesentlichen achssenkrecht verlaufende Stirnwandzone 11b der Hohlkehle maximale übertragung von Ultraschallenergie und auch maximale Übertragung von Preßdruck in der Schweißstellung nach Fig. 6. In den gekrümmten Übergangszonen zwischen den Zonen 11a und 11b und den Zonen 11b und 11c nimmt die Übertragung von Ultraschall und von Preßdruck von Null auf den Maximalwert zu bzw. vom Maximalwert auf Null ab, was es ermöglicht, die Verfahrensbedingungen so zu wählen, daß der Kunststoff des Mantelrandes 6a nur in der Mitte unter der Stirnwandzone 11b der Hohlkehle 11 geschmolzen wird, seitlich davon aber nur erweicht, d.h. teigig oder fest bleibt und daher keine Tendenz hat, aus den Fugen der von der Hohlkehle 11 und der Randleiste 7a gebildeten zweiteiligen Preßform auszutreten. Dadurch wird eine saubere Schweißnaht gewährleistet.
Im Bereich unter der Wandzone 11b der Hohlkehle 11, wo maximale Ultraschall- und Druckübertragung stattfindet und daher die höchste Temperatur auftritt, schmilzt das Hochdruck-Polyäthylen des Mantelrandes 6a und erweicht das Niederdruck-Polyäthylen in der Randleiste 7a des Bodenteiles 7, wobei durch die Hammerwirkung der pulsierenden Kraft des Ultraschalls ein Molekülplatzwechsel erzwungen wird und dadurch die Verschweißung erfolgt.
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Nach dem beschriebenen Verfahren und mit der beschriebenen Sonotrode können sehr kurze Arbeitszeiten erzielt werden, die Je nach dem zu verschweißenden Material in der Größenordnung von 1 Sekunde liegen, wobei der Bördelvorgang, der Schweißvorgang und die Verfestigungszeit inbegriffen sind. Die Arbeitsweise wird vorzugsweise so gewählt, daß die Sonotrode schon vor oder während des Absenkens mit Ultraschall beaufschlagt wird, so daß die Sonotrode schon schwingend auf den vorstehenden Rand des Hüllenmantels aufgesetzt wird, worauf bis zur Beendigung des Schweißvorganges Ultraschallenergie zugeführt wird. Nach abgeschlossenem Schweißvorgang wird die Ultraschallzufuhr beendet und die Sonotrode bleibt noch kurze Zeit in der Schweißlage, damit sich die Schweißzone verfestigen kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt, bei welcher die Sonotrode ähnlich der Ausführungsform nach den S1Ig. 1 und 2 ist, aber in ihrem hohlen Innenraum einen kolbenartig verschiebbaren Niederhalter 20 enthält, der primär dazu dient, den anzuschweißenden Deekelteil 5 vor Beginn des Schweißvorganges im Hüllenmantel 6 niederzudrücken, um so die richtige Relativlage von Hüllenmantel 6 und Deckelteil 5 beim Schweißen sicherzustellen. Der kolbenartig verschiebbare Niederhalter 20 ist mit Hilfe eines aus elastischem Material, z.B. Gummi, bestehenden Zapfens 17 in einer Zone 10a der Sonotrode befestigt, die im Bereich eines Schwingungsknotens liegt, also beispielsweise von der Stirnfläche 12 der Sonotrode den Abstand einer Viertelwellenlänge der Schwingungen im Sonotrodenmaterial hat. Dadurch wird erreicht, daß auf den Niederhalter 20 praktisch keine Schwingungen übertragen werden. Der Niederhalter 20 stützt sich mit Hilfe eines Ringwulstes 20a und eines kolbenartigen Endteiles 20b· an der Innenfläche 15 des Hohlkörpers der Sonotrode ab und besteht an den Berührungsflächen, wie in der Zeichnung angedeutet, aus einem Material, das geringeren Reibungskoeffizienten in bezug auf das Material der
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Sonotrode aufweist. Beispielsweise können der Hauptteil des Niederhalters 20 aus Stahl und die abstützenden Zonen 20a und 20b aus Teflon bestehen. Bei dieser Materialwahl ergibt sich auch, wie erwünscht, eine nur geringe Schwingungsüber— tragung infolge ungünstiger Anpassung von der Sonotrode 10 über die Abstützzonen 20a, 20b auf den Niederhalter 20.
An der Stirnseite des Niederhalters ist eine als Freistellung dienende Ausnehmung 20e vorgesehen, in welche behinderungsfrei Deckelansätze, wie beispielsweise die vorspringende Kontaktkappe 2, eintreten können. Nahe seiner Stirnseite " weist der Niederhalter 20 eine konzentrisch zur Innenfläche 15 der Sonotrode 10 verlaufende zylindrische Oberflächenzone auf, die in einem ringförmigen Grat 20c endet. Dieser ringförmige Grat ist auf einer Seite durch eine hohlkonische Fläche 2Od begrenzt, welche in die bereits erwähnte Ausnehmung 2Oe einmündet.
Beim Absenken der Sonotrode kommt, wie Fig. 8 erkennen läßt, zunächst der Niederhalter 20 mit dem anzuschweißenden Deckel 5 in Berührung, wobei der Grat 20c an der Stirnseite des Niederhalters in die Ringnut 5b des Deckelteiles 5 eintritt und die hohlkonische Fläche 2Od an der Innenkante dieser Nut, gegebenenfalls unter leichter Deformation derselben, abdichtet und dadurch die Schweißzone in einem ringförmigen Hohlraum einschließt. Beim weiteren Absenken der Sonotrode wird das Federelement 17 verformt und dadurch vorgespannt. Sodann wird der durch die Hohlkehle 11 der Sonotrode über den Außenrand des Deckels gebogene Randteil 6a des Hüllenmantels 6 mit dem Deckelteil 5 verschweißt, und nach Beendigang des Schweißvorganges und Verfestigung der Schweißzone wird die Sonotrode 10 abgehoben, wobei der Niederhalter durch das vorher vorgespannte Federelement 13 wieder in seine in Fig. 9 dargestellte Ruhelage bezüglich der Sonotrode 10 zurückgeführt wird. Ein störendes Mitschwingen von Luft in den eingeschlossenen Hohlräumen kann durch Luftdurchlaßkanäle 2Of,
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10 f im Niederhalter bzw. in der Sonotrode vermieden werden.
Wenn nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Hüllbehälter für Primärzellen verschweißt werden sollen, in deren Deckel- und Bodenteil je ein Kontaktstück eingebettet ist, das eine leitende Verbindung mit einem Pol der Primärzelle herzustellen hat, dann wird vor und während der Schweißung der bereits vorher mit dem Hüllenmantel verbundene Stirnwandteil (Deckel- oder Bodenteil) der Hülle derart deformiert, daß nach dem Verschweißen des anderen Stirnwandteiles (Boden- oder Deckelteil) durch elastische Bückverformung des ersterwähnten Stirnwandteiles ein ausreichender Kontaktdruck an der innenliegenden Kontaktstelle erzielt wird.
Bei dem an die Fig. 3 bis 6 anschließenden Ausführungsbeispiel nach den Fig. 9 und 10 wird zu diesem Zweck der elastisch defofmierbare Deckelteil 5 der Zellenhülle vom Stützring 30 nur an seinem Umfangsrand abgestützt, so daß er sich nach außen durchwölben kann, und auf dem mit dem offenen Hüllenende zu verschweißenden Bodenteil 7, in dem das Bodenkontaktstück 8 eingebettet ist, das mit dem Boden des Zinkbechers 4 Kontakt geben soll, wird ein Druck ausgeübt, durch den der Deckelteil 5 gemäß Fig. 10 elastisch durchgewölbt wird.
Beim Absenken der Sonotrode drückt, wie Fig. 10 erkennen läßt, zunächst der Niederhalter 20 den anzuschweißenden Bodenteil 7 tiefer in das offene Ende der schlauchartigen Hülle 6, wobei sich der gegenüberliegende Deckelteil 5 nach außen durchwölbt. Sodann wird der durch die Hohlkehle 11 der Sonotrode über den Außenrand des Bodenteils gebogene Band 6a des Hüllenmantels 6 mit dem Bodenteil 7 verschweißt, und nach Beendigung des Schweißvorganges und Verfestigung der Schweißzone wird die Sonotrode 10 abgehoben, wobei der Niederhalter durch das vorher vorgespannte Federelement 17 wieder in seine in Fig. 9 dargestellte Buhelage bezüglich
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der Sonotrode 10 zurückgeführt wird und sich der Deckelteil 5 teilweise rückverformt.
Anstelle des dargestellten, federnd an der Sonotrode montierten Niederhalters kann auch ein von der Sonotrode unabhängig, z.B. durch ein Druckmedium betätigbarer Niederhalter verwendet werden, der eine axiale Bohrung der Sonotrode durchsetzt.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen im Rahmen der Erfindung natürlich noch verschiedene Abwandlungen zu. Auch das Anwendungsgebiet der Erfindung läßt sich erweitern, u.zw. insbesondere auf das dichte Einschließen von Kondensatoren. Als Hüllmaterialien eignen sich beispielsweise Polypropylen und Polyäthylen, wobei für den Hüllenmantel und für den einzuschweißenden Boden- bzw. Deckelteil das gleiche Material verwendet werden kann. Besonders vorteilhaft ist aber das erfindungsgemäße Verfahren dann anwendbar, wenn der Hüllenmantel niedrigeren Schmelzpunkt hat als der einzuschweißende Deckel- oder Bodenteil. In diesem Zusammenhang kommen für den Hüllenmantel vorzugsweise Hochdruck-Polyäthylen und für den Boden- bzw. Deckelteil Niederdruck- Polyäthylen in Betracht.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Verfahren zum dichten Verbinden eines Behältermantels aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Boden- oder Deckelteil aus thermoplastischem Kunststoff mittels Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden- bzw. Deckelteil in das offene Ende des Behältermantels so weit eingeschoben wird, bis der Rand des Mantels über den Boden- bzw. Deckelteil vorsteht, und daß sodann eine als kombinierte Börde1- und Schweißwerkzeug wirkende Sonotrode in Richtung der Behälterachse gegen den vorstehenden Rand des Mantels bewegt und dieser Rand unter der Einwirkung der in Richtung der Behälterachse schwingenden Sonotrode über den von der anderen Seite her abgestützten Boden- bzw. Deckelteil gebördelt wird, wobei im Verlaufe dieses Bördelvorganges der erweichende vorstehende Rand des Hanteis völlig in einen zumindest teilweise von der Sonotrode und dem Boden- bzw. Deckelteil begrenzten ringförmigen Hohlraum eingeschlossen wird und dieser geschlossene Hohlraum beim Schweißvorgang durch begrenzte Portsetzung der Bewegung der Sonotrode verkleinert wird, um auf den eingeschlossenen erweichten Kunststoff einen Preßdruck auszuüben.
    w 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    neben und innerhalb der Umfangsrandzone des Boden- bzw. Deckelteiles in diesem eine in sich geschlossene Nut zur Aufnahme von überschüssigem, beim Schweißvorgang geschmolzenem Kunststoff vorgesehen wird und daß diese Nut in Richtung zur Behälterachse gegen den Austritt von geschmolzenem Kunststoff entweder nur durch einen in die Nut eingreifenden Teil der Sonotrode selbst oder durch die Sonotrode und einen anderen, in die Nut eingreifenden, gegebenenfalls in der Sonotrode gehaltenen Teil abgedichtet wird.
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    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
    ein Boden- bzw. Deckelteil mit einer in axialer Richtung nach außen vorspringenden Umfangsrandleiste verwendet wird und der vorstehende Rand des Behältermantels über diese Randleiste mittels einer diese Randleiste aufnehmenden Hohlkehle an der Stirnseite der Sonotrode gebördelt wird, wobei die Hohlkehle und die Randleiste zwiseheneinander den ringförmigen Hohlraum einschließen.
    4-. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß ein Boden- oder Deckelteil verwendet wird, bei dem die vorstehende Umfangsrandleiste durch eine radial innerhalb derselben verlaufende Ringnut vom übrigen Boden- bzw. Deckelteil abgegrenzt ist.
    5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregung der Sonotrode nach dem Schweißvorgang unterbrochen, die Sonotrode aber noch eine für das Erstarren der Schweißnaht ausreichende Zeit in der Schweißstellung belassen wird.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein Hüllenmantel aus Hochdruck-Polyäthylen und ein Deckel- oder Bodenteil aus Niederdruck-Polyäthylen miteinander verschweißt werden.
    7. Sonotrode zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ihr
    freier Endteil als ein Hohlzylinder (10) mit einer Hohlkehle (11) an der Stirnseite (12) ausgebildet ist, wobei die Wandung der Hohlkehle (11) von einer hohlzylindrischen Außenwandzone (11a), deren Durchmesser dem Durchmesser des Behältermantels (6) entspricht, einer daran mit Krümmung anschließenden, im wesentlichen senkrecht zur Hohlzylinderachse verlaufenden Wandzone (11b) und einer daran mit Gegenkrümmung anschließenden zylindrischen Innenwandzone (11c)
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    gebildet ist.
    8. Sonotrode nach Anspruch 7i dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Innenwandzone (11c) mit einem gratartigen, ringförmigen Vorsprung (13) über die Sohle der Hohlkehle (11) an der Stirnseite der Sonotrode endet;
    9. Sonotrode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gratartige, ringförmige Vorsprung (13) durch die
    zylindrische Innenwandzone (11c), durch eine schmale, zumindest angenähert senkrecht zur Hohlzylinderachse verlaufende Ringzone und durch den äußeren Rand einer relativ breiten hohlkonischen Ringzone (14) gebildet ist, an welche die Innenfläche (15) des Hohlzylinders (10) anschließt.
    10. Sonotrode nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Hohlzylinders (10)
    ein kolbenartig verschiebbarer Niederhalter (20) angeordnet ist, der entgegen der Wirkung eines Federelementes (17) im Hohlzylinder axial einwärts bzw. unter der Wirkung des Federelementes axial auswärts verschiebbar ist.
    11. Sonotrode nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der kolbenartige Niederhalter (20), z.B. mittels
    des Federe lerne nte s (17)» in der Nähe eines Schwingungsknotens der Sonotrode an dieser befestigt ist.
    12. Sonotrode nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der vorzugsweise reibungsarm an der
    Innenfläche des Hohlzylinders geführte freie Endteil des kolbenartigen Niederhalters (20) nahe seiner Stirnseite eine konzentrisch zur Innenfläche des Hohlzylinders verlaufende zylindrische Oberflächenzone aufweist, die mit einem ringförmigen Grat (20c) endet·
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    13· Sonotrode nach, einem der Ansprüche ΊΟ bis 12, dadurch.
    gekennzeichnet, daß an der Stirnseite des Niederhalters (20) eine als Freistellung dienende Ausnehmung (2Oe) vorgesehen ist.
    Sonotrode nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Grat (20c) auf einer Seite durch eine hohlkonische Fläche (2Od) begrenzt ist, welche in die Ausnehmung (2Oe) im Niederhalter (20) einmündet.
    15· Sonotrode nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch
    gekennzeichnet, daß der freie Endteil der Sonotrode (10) außerhalb der Hohlkehle (11) schürzenartig (bei 16) verlängert und am Ende dieser Verlängerung gegebenenfalls (bei 18) trichterartig erweitert ist.
    Der/Patentanwalt
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    6.11.71
DE2159930A 1970-12-10 1971-12-02 Verfahren zum dichten Verbinden eines Behäkerraantels aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Boden- oder Deckelteil aus thermoplastischem Kunststoff mittels Ultraschall sowie hohlzylindrische Sonotrode zur Ausübung dieses Verfahrens Expired DE2159930C3 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT1113170A AT326343B (de) 1970-12-10 1970-12-10 Verfahren und sonotrode zum dichten verbinden eines behältermantels aus thermoplastischem kunststoff mit einem boden- oder deckelteil aus thermoplastischem kunststoff
AT290771A AT334616B (de) 1971-04-05 1971-04-05 Verfahren zum dichten verbinden eines behaltermantels aus thermoplastischem kunststoff mit einem boden- oder deckelteil aus thermoplastischem kunststoff mittels ultraschall

Publications (3)

Publication Number Publication Date
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