RU141451U1

RU141451U1 - ULTRASONIC WELDING DEVICE (OPTIONS)

Info

Publication number: RU141451U1
Application number: RU2013159031/02U
Authority: RU
Inventors: Игорь Викторович Петушко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Ультразвуковые технологии и оборудование" [ООО "УЗТО"]
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-06-10

Abstract

1. Устройство для ультразвуковой сварки, содержащее управляемый ультразвуковой генератор, соединенную с ним колебательную систему с волноводом-инструментом, датчик механических колебаний и блок автоматического управления энергией, включённый между упомянутым датчиком и генератором, отличающееся тем, что колебательная система снабжена датчиком температуры волновода-инструмента, выход которого подключён к входу блока автоматического управления энергией.2. Устройство для ультразвуковой сварки, содержащее управляемый ультразвуковой генератор, соединенную с ним колебательную систему с волноводом-инструментом, датчик механических колебаний и блок автоматического управления энергией, включённый между упомянутым датчиком и генератором, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит фазочастотный детектор, вход которого последовательно подключён к датчику механических колебаний, а выход - к входу блока автоматического управления энергией.3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит детектор последовательности импульсов, включённый между фазочастотным детектором и блоком управления энергией. 1. Device for ultrasonic welding, containing a controlled ultrasonic generator, an oscillating system connected to it with a waveguide-tool, a mechanical vibration sensor and an automatic energy control unit connected between the said sensor and the generator, characterized in that the oscillating system is equipped with a temperature sensor of the waveguide-tool whose output is connected to the input of the automatic energy control unit. 2. A device for ultrasonic welding, containing a controlled ultrasonic generator, an oscillating system connected to it with a waveguide tool, a mechanical vibration sensor and an automatic energy control unit connected between the said sensor and the generator, characterized in that it further comprises a phase-frequency detector, the input of which is connected in series to the sensor of mechanical vibrations, and the output to the input of the automatic energy control unit. 3. The device according to claim 2, characterized in that it further comprises a pulse train detector connected between the phase-frequency detector and the energy control unit.

Description

Полезная модель относится области ультразвуковой сварки, преимущественно термопластичных материалов, и может быть использовано в различных областях народного хозяйства.The utility model relates to the field of ultrasonic welding, mainly thermoplastic materials, and can be used in various areas of the national economy.

Известно, что одно из основных требований, предъявляемых к оборудованию для ультразвуковой (УЗ) обработки, в том числе и сварки, является обеспечение условий повторяемости параметров технологического процесса от цикла к циклу. Сложность выполнения этого требования обусловлена тем, что процессы УЗ обработки весьма чувствительны к воздействию большого числа различного рода дестабилизирующих факторов. [Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой сварки - СПб: «Андреевский издательский дом», 2007. Стр. 45-46, Рис. 1.15] Для решения этой задачи используются различные системы авторегулирования и стабилизации режимов сварки.It is known that one of the main requirements for equipment for ultrasonic (ultrasonic) processing, including welding, is to ensure conditions for the repeatability of process parameters from cycle to cycle. The difficulty in fulfilling this requirement is due to the fact that the processes of ultrasound processing are very sensitive to the effects of a large number of various destabilizing factors. [Petushko I.V. Equipment for ultrasonic welding - St. Petersburg: "Andreevsky Publishing House", 2007. Pp. 45-46, Fig. 1.15] To solve this problem, various systems of auto-regulation and stabilization of welding modes are used.

Известно устройство управления процессом ультразвуковой сварки с автоматической подстройкой частоты [Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой сварки - СПб: «Андреевский издательский дом», 2007. Стр. 49-50. Рис 1.17], содержащее ультразвуковой генератор (УЗГ), колебательную систему (КС), датчик колебаний и цепь автоматической подстройки частоты (АПЧ), включенную между датчиком и генератором.A device for controlling the process of ultrasonic welding with automatic frequency adjustment [Petushko I.V. Equipment for ultrasonic welding - St. Petersburg: "Andreevsky Publishing House", 2007. Pp. 49-50. Fig 1.17], containing an ultrasonic generator (UGS), an oscillatory system (CS), an oscillation sensor and an automatic frequency control circuit (AFC), connected between the sensor and the generator.

Недостатком этого устройства является недостаточно высокое качество сварных соединений, вызываемое нестабильностью температурного режима зоны сварки от цикла к циклу, связанное с изменением температуры сварочного инструмента. Еще один недостаток - низкий КПД, обусловленный избыточной энергией поступающей в зону сварки при нагреве инструмента.The disadvantage of this device is the insufficiently high quality of welded joints, caused by the instability of the temperature regime of the welding zone from cycle to cycle, associated with a change in temperature of the welding tool. Another disadvantage is the low efficiency, due to the excess energy entering the welding zone when the tool is heated.

Известно также устройство для реализации способа управления процессом ультразвуковой сварки со стабилизацией амплитуды механических колебаний сварочного инструмента, содержащее ультразвуковой генератор (УЗГ), колебательную систему (КС) с датчиком обратной связи и блок стабилизации амплитуды, включенный между датчиком и генератором [Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой сварки - СПб: «Андреевский издательский дом», 2007. Рис. 1.21, стр 52-55].There is also known a device for implementing a method for controlling an ultrasonic welding process with stabilization of the amplitude of mechanical vibrations of a welding tool, comprising an ultrasonic generator (USG), an oscillating system (CS) with a feedback sensor and an amplitude stabilization unit connected between the sensor and the generator [I. Petushko Equipment for ultrasonic welding - St. Petersburg: "Andreevsky Publishing House", 2007. Fig. 1.21, pp. 52-55].

Недостатками этого устройства также являются недостаточно высокое качество сварных соединений, вследствие нестабильности температурного режима зоны сварки от цикла к циклу, связанное с изменением температуры сварочного инструмента. Также, это устройство имеет низкий КПД, обусловленный избыточной энергией поступающей в зону сварки при нагреве волновода-инструмента.The disadvantages of this device are also the insufficiently high quality of welded joints, due to the instability of the temperature regime of the welding zone from cycle to cycle, associated with a change in the temperature of the welding tool. Also, this device has a low efficiency due to excess energy entering the welding zone when the waveguide tool is heated.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототип), является устройство с автоматическим управлением электрической энергией, подводимой к колебательной системе, с изменением амплитуды механических колебаний инструмента в процессе сварки [Петушко И.В. Оборудование для ультразвуковой сварки - СПб: «Андреевский издательский дом», 2007. Рис. 1.25, стр 59-62]. Устройство содержит управляемый ультразвуковой генератор, колебательную систему с волноводом-инструментом и датчиком механических колебаний и блок автоматического управления энергией, включенный между датчиком и управляемым входом генератора.The closest in technical essence to the claimed (prototype) is a device with automatic control of electrical energy supplied to the oscillatory system, with a change in the amplitude of the mechanical vibrations of the tool during welding [Petushko I.V. Equipment for ultrasonic welding - St. Petersburg: "Andreevsky Publishing House", 2007. Fig. 1.25, pp. 59-62]. The device comprises a controlled ultrasonic generator, an oscillatory system with a waveguide-tool and a sensor of mechanical vibrations and an automatic energy control unit connected between the sensor and the controlled input of the generator.

Во время работы управляемого ультразвукового генератора в этом устройстве производится изменение амплитуды механических колебаний посредством изменения формы огибающей сварочного импульса. То есть производится автоматическое изменение энергии подводимой к зоне сварки.During operation of the controlled ultrasonic generator in this device, the amplitude of mechanical vibrations is changed by changing the shape of the envelope of the welding pulse. That is, an automatic change is made to the energy supplied to the welding zone.

Недостатком такого устройства является недостаточно высокое качество сварных соединений и невысокий КПД. При работе такого устройства температурный режим сварочного инструмента зависит от производительности, то есть при увеличении объема сварочных работ в единицу времени инструмент нагревается, а с уменьшением - температура инструмента стремится к температуре окружающей среды. Электрическая мощность, подводимая к колебательной системе, в процессе сварки изменяется только в соответствии с заданной формой огибающей сварочного импульса и не зависит от температурных режимов сварочного инструмента и зоны сварки. Поскольку образование сварного соединения связано с количеством подводимой в зону сварки механической ультразвуковой и тепловой энергии, то изменение последней приводит к дестабилизации режимов технологического процесса и, вследствие этого, снижается качество сварного соединения. Например, при увеличении температуры волновода-инструмента наблюдается «провар» соединения, особенно при сварке термопластичных синтетических материалов.The disadvantage of this device is the insufficiently high quality of welded joints and low efficiency. During operation of such a device, the temperature regime of the welding tool depends on productivity, that is, with an increase in the volume of welding work per unit time, the tool heats up, and with a decrease, the temperature of the tool tends to the ambient temperature. The electric power supplied to the oscillating system during the welding process changes only in accordance with the specified shape of the envelope of the welding pulse and does not depend on the temperature conditions of the welding tool and the welding zone. Since the formation of a welded joint is associated with the amount of mechanical ultrasonic and thermal energy supplied to the welding zone, a change in the latter leads to destabilization of the process conditions and, as a result, the quality of the welded joint decreases. For example, with an increase in the temperature of the waveguide tool, a “penetration” of the connection is observed, especially when welding thermoplastic synthetic materials.

Та же причина обуславливает невысокий КПД устройства, поскольку при нагреве волновода-инструмента в зону сварки поступает избыточная энергия.The same reason leads to a low efficiency of the device, since when the waveguide tool is heated, excess energy enters the welding zone.

Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью - создание устройства ультразвуковой сварки, обеспечивающего высокое качество сварных соединений и имеющего более высокий КПД.The problem solved by the proposed utility model is the creation of an ultrasonic welding device that provides high quality welded joints and has a higher efficiency.

Достигаемый технический эффект - стабилизация энергии, подводимой к зоне сварки.Achievable technical effect - stabilization of energy supplied to the welding zone.

Указанный технический эффект достигается при реализации двух вариантов предлагаемого устройства ультразвуковой сварки.The specified technical effect is achieved by implementing two options of the proposed device for ultrasonic welding.

Вариант первый: указанный эффект достигается тем, что в известном устройстве ультразвуковой сварки, содержащем управляемый ультразвуковой генератор, соединенную с ним колебательную систему с волноводом-инструментом, датчик механических колебаний и блок автоматического управления энергией, включенный между датчиком и генератором, в отличие от известного, колебательная система снабжена датчиком температуры волновода-инструмента, выход которого подключен к входу блока автоматического управления энергией.Option one: this effect is achieved by the fact that in the known ultrasonic welding device containing a controlled ultrasonic generator, an oscillating system connected to it with a waveguide tool, a mechanical vibration sensor and an automatic energy control unit connected between the sensor and the generator, in contrast to the known the oscillating system is equipped with a temperature sensor of the waveguide-tool, the output of which is connected to the input of the automatic energy control unit.

Вариант второй: указанный эффект достигается тем, что в известном устройстве ультразвуковой сварки, содержащем управляемый ультразвуковой генератор, соединенную с ним колебательную систему с волноводом-инструментом, датчик механических колебаний и блок автоматического управления энергией, включенный между датчиком и генератором, в отличие от известного, дополнительно содержит фазочастотный детектор, вход которого подключен выходу к датчика механических колебаний, а выход - к входу блока автоматического управления энергией. Между фазочастотным детектором и блоком управления энергией может быть последовательно включен детектор последовательности импульсов.Option two: this effect is achieved by the fact that in the known ultrasonic welding device containing a controlled ultrasonic generator, an oscillating system connected to it with a waveguide tool, a mechanical vibration sensor and an automatic energy control unit connected between the sensor and the generator, in contrast to the known additionally contains a phase-frequency detector, the input of which is connected to the output of the mechanical vibration sensor, and the output to the input of the automatic energy control unit. A pulse train detector can be sequentially connected between the phase-frequency detector and the energy control unit.

Предлагаемые варианты полезной модели являются новыми, поскольку в существующем уровне техники не известны характеризующие ее совокупности существенных признаков. Отличия предлагаемого решения от известных - новые сочетания элементов и их взаимосвязей.The proposed variants of the utility model are new, because the current level of technology does not know the characterization of its essential features. Differences of the proposed solution from the known ones are new combinations of elements and their interconnections.

Сущность предлагаемых вариантов полезной модели поясняется фиг. 1, 2 и описанием работы устройств. На фигурах представлены блок-схемы предлагаемых вариантов, гдеThe essence of the proposed options for a utility model is illustrated in FIG. 1, 2 and a description of the operation of the devices. The figures show a block diagram of the proposed options, where

1 - управляемый ультразвуковой генератор;1 - controlled ultrasonic generator;

2 - колебательная система;2 - oscillatory system;

3 - волновод-инструмент;3 - waveguide tool;

4 - датчик механических колебаний;4 - sensor of mechanical vibrations;

5 - блок автоматического управления энергией;5 - block automatic energy control;

6 - температурный датчик;6 - temperature sensor;

7 - свариваемые детали;7 - parts to be welded;

8 - фазочастотный детектор;8 - phase-frequency detector;

9 - детектор последовательности импульсов.9 - pulse sequence detector.

Первый вариант предлагаемого устройства работает следующим образом. При включении ультразвукового генератора 1 электрическое напряжение ультразвуковой частоты поступит к колебательной системе 2, преобразующей электрическую энергию в механическую, которая через волновод-инструмент 3 передается в зону сварки деталей 7.The first version of the proposed device works as follows. When you turn on the ultrasonic generator 1, the electric voltage of the ultrasonic frequency will go to the oscillating system 2, converting the electrical energy into mechanical energy, which is transmitted through the waveguide tool 3 to the welding zone of the parts 7.

Цепь обратной связи, состоящая из датчика 4 механических колебаний и блока 5 автоматического управления энергией, осуществляет заданное управление генератором 1 любым известным способом, например, автоматической подстройкой частоты или автоматической подстройкой амплитуды механических колебаний сварочного волновода-инструмента 3. В процессе работы с течением времени температура инструмента-волновода 3 начинает увеличиваться. Этот нагрев обусловлен потерями на внутреннее трение в волноводе-инструменте и теплообменом между зоной сварки и инструментом-волноводом. Температурный датчик 6 преобразует тепловой сигнал в электрический. Этот электрический сигнал поступает на вход блока 5 автоматического управления энергией, который управляет выходной энергией ультразвукового генератора. Схема авторегулирования обеспечивает уменьшение механической энергии, подводимой в зону сварки волноводом-инструментом 3 при повышении температуры и увеличение - при снижении температуры. Таким образом в зону сварки будет стабильно подводится оптимальное количество энергии необходимой для создания качественного сварного соединения. Обеспечивается стабилизация энергии, подводимой к зоне сварки. Поэтому исключаются «перевары» сварного соединения, что обеспечивает высокое качество соединения, и, соответственно, повышается КПД устройства.A feedback circuit consisting of a mechanical oscillation sensor 4 and an automatic energy control unit 5 performs predetermined control of the generator 1 by any known method, for example, by automatically adjusting the frequency or automatically adjusting the amplitude of the mechanical oscillations of the welding tool waveguide 3. During operation, over time waveguide tool 3 begins to increase. This heating is caused by internal friction losses in the tool waveguide and heat transfer between the welding zone and the waveguide tool. The temperature sensor 6 converts the thermal signal into electrical. This electrical signal is fed to the input of the automatic energy control unit 5, which controls the output energy of the ultrasonic generator. The auto-regulation scheme provides a decrease in mechanical energy supplied to the welding zone by the waveguide tool 3 with increasing temperature and an increase with decreasing temperature. Thus, the optimum amount of energy necessary to create a high-quality welded joint will be stably supplied to the welding zone. The stabilization of energy supplied to the welding zone is provided. Therefore, “overcuts” of the welded joint are excluded, which ensures high quality of the joint, and, accordingly, the efficiency of the device is increased.

Блок 4 автоматического управления энергией может быть выполнен в виде различных известных устройств, например, регулятора выходной электрической мощности генератора или регулятора длительности ультразвукового сварочного импульса.The automatic energy control unit 4 can be made in the form of various known devices, for example, a regulator of the output electric power of a generator or a regulator of the duration of an ultrasonic welding pulse.

Второй вариант предлагаемого устройства работает следующим образом. Фазочастотный детектор 8, подключенный между датчиком механических колебаний 4 волновода-инструмента 3 и блоком автоматического управления энергией 5, образуют блок, выполняющий функцию, аналогичную функции датчика температуры 6. В этом случае поступающий на вход блока 5 сигнал обратной связи, несет информацию только об изменении температуры волновода-инструмента 3 - из него исключается составляющая, зависящая от изменения акустического сопротивления зоны сварки. Фаза и частота электрического сигнала с датчика механических колебаний 4 зависят от изменения резонансной частоты колебательной системы 2, которое в свою очередь, в общем случае вызвано двумя факторами: изменением акустического сопротивления зоны сварки и изменением температурного режима волновода-инструмента 3.The second variant of the proposed device works as follows. Phase-frequency detector 8, connected between the mechanical vibration sensor 4 of the waveguide tool 3 and the automatic energy control unit 5, form a unit that performs a function similar to that of the temperature sensor 6. In this case, the feedback signal received at the input of unit 5 carries information only about the change temperature of the waveguide tool 3 — a component is excluded from it, depending on the change in the acoustic impedance of the weld zone. The phase and frequency of the electrical signal from the mechanical vibration sensor 4 depend on a change in the resonant frequency of the oscillation system 2, which, in turn, is generally caused by two factors: a change in the acoustic resistance of the welding zone and a change in the temperature regime of the waveguide tool 3.

При непрерывной сварке влияние акустического сопротивления зоны сварки постоянно, поэтому электрический сигнал, поступающий с датчика 4 механических колебаний и преобразованный с помощью фазочастотного детектора 8 в напряжение управления несет информацию только об изменении температурного режима волновода-инструмента 3. Сигнал управления, поступающий с выхода фазочастотного детектора 8 через блок 4, управляет энергией генератора 1, например, его выходной мощностью.In continuous welding, the influence of the acoustic resistance of the welding zone is constant, therefore, the electric signal coming from the sensor 4 of mechanical vibrations and converted using a phase-frequency detector 8 into a control voltage carries information only about a change in the temperature regime of the waveguide tool 3. The control signal coming from the output of the phase-frequency detector 8 through block 4, controls the energy of the generator 1, for example, its output power.

Конкретный случай выполнения второго варианта предлагаемого устройства - когда между фазочастотным детектором и блоком управления энергией последовательно включен детектор последовательности импульсов, является предпочтительным для применения при импульсной сварке. При импульсной сварке влияние акустического сопротивления на колебательную систему 2 не постоянно, поэтому частота механического резонанса колебательной системы является не только функцией температуры инструмента-волновода 3, но зависит и от акустического сопротивления зоны сварки.A particular embodiment of the second embodiment of the device according to the invention, when a pulse sequence detector is connected in series between a phase-frequency detector and an energy control unit, is preferred for use in pulsed welding. In pulsed welding, the influence of acoustic resistance on the oscillation system 2 is not constant, therefore, the frequency of the mechanical resonance of the oscillation system is not only a function of the temperature of the waveguide tool 3, but also depends on the acoustic resistance of the welding zone.

В этом случае сигнал с выхода фазочастотного детектора 8 поступает на вход блока 5 управления, через детектор 9 последовательности импульсов. На входе детектора 9 последовательности импульсов сигнал имеет форму видеоимпульсов, амплитуда которых не постоянна, как в течение длительности импульса, так и от импульса к импульсу. Детектор 9 последовательности импульсов преобразует этот сигнал в напряжение управления, представляющего собой огибающую последовательность импульсов [Радиоприемные устройства на полупроводниковых приборах. Под ред. Р.А. Валитова, А.А. Куликовского. - «Советское радио», М., 1968, с. 80.]. Таким образом, на вход блока 5 управления энергией поступает сигнал, несущий информацию только об изменении температуры волновода-инструмента 5 от импульса к импульсу. В результате, в зону сварки будет стабильно подводится оптимальное количество энергии необходимой для создания качественного сварного соединения. Обеспечивается стабилизация энергии, подводимой к зоне сварки, то есть, достигается указанный технический эффект.In this case, the signal from the output of the phase-frequency detector 8 is fed to the input of the control unit 5, through the pulse sequence detector 9. At the input of the detector 9 of the pulse train, the signal has the form of video pulses, the amplitude of which is not constant, both during the duration of the pulse and from pulse to pulse. The pulse sequence detector 9 converts this signal into a control voltage, which is the envelope of the pulse sequence [Radio receivers on semiconductor devices. Ed. R.A. Valitova, A.A. Kulikovsky. - “Soviet Radio”, M., 1968, p. 80.]. Thus, the input of the energy control unit 5 receives a signal that carries information only about the temperature change of the waveguide tool 5 from pulse to pulse. As a result, the optimum amount of energy necessary to create a high-quality welded joint will be stably supplied to the welding zone. The stabilization of energy supplied to the welding zone is provided, that is, the specified technical effect is achieved.

Промышленная применимость предлагаемой полезной модели очевидна - любая область деятельности. Очевидно также, что предлагаемое устройство может быть изготовлено известными средствами по известным технологиям из известных материалов, аналогично устройствам аналогам и прототипу. Предлагаемые варианты устройства ультразвуковой сварки позволяют получать сварные соединения высокого качества, а также имеют более высокий КПД вследствие оптимизации энергии, подводимой к зоне сварки.The industrial applicability of the proposed utility model is obvious - any area of activity. It is also obvious that the proposed device can be manufactured by known means using known technologies from known materials, similar to analog devices and prototype. The proposed versions of the ultrasonic welding device allow to obtain high quality welded joints, and also have higher efficiency due to the optimization of the energy supplied to the welding zone.

Claims

1. Device for ultrasonic welding, containing a controlled ultrasonic generator, an oscillating system connected to it with a waveguide-tool, a mechanical vibration sensor and an automatic energy control unit connected between the said sensor and the generator, characterized in that the oscillating system is equipped with a temperature sensor of the waveguide-tool whose output is connected to the input of the automatic energy control unit.

2. Device for ultrasonic welding, containing a controlled ultrasonic generator, an oscillating system connected to it with a waveguide tool, a mechanical vibration sensor and an automatic energy control unit connected between the said sensor and the generator, characterized in that it further comprises a phase-frequency detector, the input of which connected in series to a sensor of mechanical vibrations, and the output to the input of the automatic energy control unit.

3. The device according to p. 2, characterized in that it further comprises a pulse sequence detector connected between the phase-frequency detector and the energy control unit.