CN103028834A - 被动阻尼振动焊接系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种振动焊接系统，其包括控制器、焊接角、砧座和被动阻尼机构（PDM）。控制器产生具有校准频率的输入信号。角以响应输入信号的校准频率在期望的第一方向振动，从而在工件中形成焊接点。PDM被相对于系统布置，并且实质上抑制或者减弱在非期望的第二方向的振动。一种方法包括将具有校准特性和自然频率的PDM连接到超声焊接系统的砧座。然后，输入信号被利用焊接控制器产生。该方法包括在期望方向响应输入信号振动焊接角，并且利用PDM在非期望方向被动地阻尼振动。

Description

被动阻尼振动焊接系统和方法

技术领域

本发明公开内容涉及一种利用被动阻尼技术来优化焊接质量的超声焊接系统。

背景技术

在超声焊接过程中，被夹紧工件的临近表面被利用振动能量连接。经过工件材料的振动能量传递沿界面连接的工件表面产生表面摩擦和热。热软化界面连接表面，该表面在结果的焊点或其他焊缝处最终粘结在一起。

典型的超声焊接系统包括各种相互连接的焊接部件。在这些部件中首要的是振动焊头/焊接角和砧座组件。砧座组件可包括砧座和支撑板，砧座被通过支撑板栓接或以其他方式连接到刚性支持件。工件被夹紧在角和砧座之间。角于是响应来自焊接控制器/电源高频的输入信号而被促动以校准频率和振幅振动。

发明内容

此处公开的一种振动焊接系统包括振动焊头（sonotrode）/焊接角（welding horn）、砧座组件和被动阻尼机构（PDM）。砧座组件包括砧座和支撑板。PDM可相对于系统的适当部分（例如砧座组件）布置，从而抵消或抑制发生在系统中的某些非期望振动。虽然常规超声焊接系统使用多种装置控制在期望方向（例如垂直的x方向）给角的输入振动，常规砧座设计未能解决在其他方向的振动，例如水平的z或者旋转θ方向。在给定应用中所期望的实际方向可随着工件材料和组成焊接系统的各种装置的变化而改变。为了说明的一致性，x方向在下文被称为期望的，同时在任何其他方向的振动被称为非期望的。

此处应认识到砧座刚度和其他系统设计特性可以有助于这种非期望振动，并且这些非期望振动可降低结果的焊接质量。足够的拉伸强度以及最少的变形、穿孔和开裂都是期望的焊接质量。降低的焊接工具疲劳和延长的工具寿命都是期望的系统质量。因此，当前的被动阻尼方法旨在通过如下详细阐述的PDM的使用来优化这些和其他的质量。

特别地，根据一个实施例的振动焊接系统包括控制器、焊接角、砧座和相对于系统定位的PDM。控制器产生具有校准频率的输入信号。焊接角接收输入信号并且以响应输入信号的校准频率在期望的第一方向振动，从而在工件中形成焊接点。角还在非期望的第二方向振动。PDM的校准特性实质上抑制或减弱在非期望的第二方向的振动。

在另一个实施例中，PDM被相对于砧座定位，并包括第一和第二部分。第一部分被定位在砧座组件的砧座和支撑板之间。第二部分将PDM的第一或者更高的自然频率调谐到校准频率。第二部分可限定相对于砧座的悬臂结构，从而实质上拟制或减弱砧座在非期望的第二方向的振动。

一种方法还被在此处公开用于抑制在超声焊接过程中的非期望振动。该方法包括相对于超声焊接系统的砧座连接PDM。PDM具有校准长度和第一自然频率。该方法还包括利用焊接控制器产生输入信号。输入信号具有校准的超声频率。此后，该方法包括在响应输入信号的期望方向并且也在非期望方向振动焊接角。在非期望方向的振动被利用PDM被动地抑制。PDM的校准长度将PDM的第一自然频率调谐到输入信号的校准超声频率。

当结合附图，从以下具体描述的用于执行本发明的优选方式，本发明的以上特点和优点以及其他特点和优点是显而易见的。

附图说明

图1是示例振动焊接系统的示意图，振动焊接系统具有包括示例阻尼机构的砧座组件。

图2是示例阻尼机构的示意图，该阻尼机构与在图1中示出的焊接系统一起是可用的。

图3是示例阻尼机构的示意图，该阻尼机构具有填充摩擦阻尼材料的空隙或者凹槽。

图4是示例阻尼机构的示意性侧视图，该机构具有多个叠层。

图5是描述用于被动地拟制或减缓图1所示系统中砧座振动方法的流程图。

具体实施方式

参考附图，其中，相似的参考标记代表相似的部件，示例超声焊接系统在图1中示出。系统10被配置来利用在本领域熟知的工艺——超声振动来形成焊接接头。为了说明的一致性，虽然常规术语“超声”在以下被提到，本领域技术人员应意识到其他频率范围可也被使用而没有背离预期发明的范围。

图1的系统10被特别配置来被动地抑制或减弱某些非期望振动。例如，在振动焊接过程中，期望的振动可被赋予x方向，而发生在任何其它方向（例如指示的横向z或者旋转θ方向）的振动是非期望。因此，术语“期望”和“非期望”涉及想要的方向，该方向可根据应用而变化。为了说明的清楚性和一致性，x方向振动在以下被当作期望振动，而抑制相对于发生在任何其它方向的振动。

系统10的砧座组件12可包括砧座14和支撑板16。砧座14可通过螺栓70紧固到支撑板16。支撑板16可依次被连接到支持件60。砧座振动可由各种结构特点引起，包括但不限于任何通过螺栓70连接的刚度，支持件60，以及系统10构造的几何/材料，该构造包括但不限于被焊接的特殊工件22。认识到此处非期望砧座振动可反作用于形成在工件22中的结果焊缝质量。正如此处所述,这种非期望振动被被动地抑制。

图1的系统10包括不同的焊接装置，包括砧座组件12和振动焊头/焊接角24。在焊接过程中，作为整体，砧座14提供足够用来阻止角24的相对刚性量。角24可包括焊接垫23。垫23可包括例如突出的隆起、脊的压花形式，或者任何其他的为夹紧工件22提供足够摩擦的纹理形式。砧座14可同样地具有相似的垫25以及压花形式。垫23和25一起使工件22的可靠夹紧容易。

为了适当地驱动和控制超声焊接过程，焊接电源30可被用来将可用电源转换为更有益于振动焊接的形式。例如，电源30可被电气连接到任何适当的能源，例如50-60Hz AC壁式插座。在这个例子中，电源30可包括要求的电压整流器和变换器，其用于产生适合于振动焊接的高频波形。电源30可包括焊接控制器33，其作为所示电源的一部分或者作为独立装置。

电源30和焊接控制器33最后将电源转换为合适的功率控制信号，该信号具有适合于在振动焊接过程中使用的预定波形特征，例如几赫兹（Hz）到大约40KHz的频率，或者根据特别应用的更高频率。附加设备可包括变换器26和增幅器28。变换器26具有要求的机械结构，用于产生响应输入信号（箭头31）的机械振动，例如压电堆。增幅器28放大输入信号（箭头31）的振动振幅（该输入信号具有校准频率），和/或用于改变在角24和砧座14之间任何所用夹紧力的方向。

仍然参考图1，砧座组件12包括被动阻尼机构（PDM）18。如在实施例中所示，PDM18是被放置在砧座14和支撑板16之间的垫片。然而，PDM18可放置在系统10中的任何地方，例如在砧座14上或在工件22上，正如分别以虚线表示的由替换的PDM180和280所指示的那样。在特殊实施例中，多PDM例如PDM18、180和280可沿非期望振动的每个衰减特定方向在相同的系统10中被同时使用。在一个实施例中阻尼机构18可为调谐质量阻尼器（TMD），其中，阻尼机构18以自然/共振频率为特征。这种可为第一、第二或更高自然频率的自然/共振频率在图1中被通过示例波形21示意表示。

PDM18的校准特性，例如长度、尺寸、几何、构造材料等等，被配置来将PDM18的自然频率调谐到输入信号（箭头31）的校准频率。在其他实施例中，PDM18可使用摩擦阻尼和/或材料阻尼来抑制发生在系统10中（例如在砧座14）的非期望振动。

在图1示出的主要实施例中的阻尼机构18可包括第一部分19和第二部分20。部分19和20可为整体或分离的形式。第一部分19可被可选择地布置在砧座14上、在工件22上、在图1中所示的砧座14和支撑板16之间、在支撑板18和支持件60之间等等。第二部分20可从砧座14向工件22延伸校准长度（L1）。因此，在非限制性实施例中，阻尼机构18可形成相对于砧座组件的悬臂结构。正如以上所注释，第二部分的校准长度（L1）可被校准或选择从而将PDM18的第一自然频率调谐到角24的输入频率。

在示例实施例中，砧座14可被压配合到由支撑板16限定的凹槽或者匹配的键槽，因此可包括可选的指形接头140。指形接头140可延伸进入/穿过支撑板16来增加在每个加载方向上的接触面积以及砧座14与支撑板16之间的结合刚度。根据实施例，螺栓70可被与这种压配合一起使用，或者压配合可被单独使用。替换地，图2所示类型的可选燕尾接头240可被用于同样的目的。

参考图2，替换的砧座组件112可包括PDM118。示例PDM118可包括具有远端227的第三部分29，该远端被相对于第一部分和/或相对于砧座14和/或支撑板16排列。第三部分29相对于第一部分19的排列可为所示的正交，或者其可为根据系统10设计的非正交。替换地，第三部分29可被连接到第二部分20或与第二部分形成整体，例如被从单件材料弯成直角或焊接在一起，可带有或不带有第一部分19。

各自的第二部分20或第一部分19的端部27或127可被连接到诸如非线性被动控制器40（例如阻尼器或者非线性阻尼器）的适合物体，从而进一步抑制砧座14的振动。即使未在图2中示出，第三部分29的端部227可同样地被连接到阻尼体。各个部分9、20和29的长度L1、L2和L3可被校准来提供要求的阻尼响应。

如图3所示，图1的PDM18可被替换地实施为PDM218。PDM218可由适当材料的板42成形，只有部分在图3中示出。例如，布置在图1的砧座14和支撑板16之间的板42部分可限定至少一个切口或者凹槽45，每个切口或者凹槽都被充分地充填，例如用适合的阻尼材料43（比如橡胶或其他弹性体、铸铁等）充填大于50%。图1和2所示的长度（L1）可不包括这种凹槽45，所以为了更清晰，这个部分被从图3省略。

如图4所示，带有或不带有图3中凹槽45的可选板142可由多个叠层50、51、52组成，相同或者不同材料构成的多个叠层由此组成另外的PDM318。叠层可为所示那样，或者其可沿着线53，这样每个相邻片的第一部分19和第二部分20被叠压、焊接或者另外的方式彼此连接。这样的设计可有助于通过摩擦阻尼吸收来自非期望砧座振动的振动能量。各种层50、51、52的特殊材料、相对厚度、几何和表面状态可以不脱离预期发明的范围而变化。

参考图5，示例方法100被示出为被动地抑制在超声焊接系统中的非期望砧座振动，例如在图1中示出并在以上描述的示例系统10。

以步骤102开始，图1的PDM18被提供，或者在图2-4中任何的替换实施例被提供。步骤102可包括提供具有校准长度的阻尼机构18。校准长度（L1、L2和/或L3）可被选择来将PDM18的第一自然频率调谐到输入信号（图1的箭头31）的校准频率，例如在一个可能实施例中大约10kHz-30kHz的超声频率。

在可选的步骤104，PDM18可配置有各图2、3和4的PDM118、218或者318的任意特征。例如，图2所示的第三部分29可分别相对于第一和第二部分19和20连接，或者图3所示的凹槽45可被成形在一个或更多的板42中，随后以阻尼材料43填充。形成PDM18或者其任何实施例的板42可由图4所示的层50、51、52叠成。任何或者所有这些特点可被按需要包括来提供图1的砧座14的期望的摩擦量和/或材料阻尼。

在步骤106，通过将阻尼机构18相对于系统10定位，例如在所示的砧座14和支撑板16之间，或者在工件22上，在砧座14上等等，阻尼机构18被集成进系统10。步骤104可包括利用紧固件来拧紧在砧座14和支撑板16之间的阻尼机构18，这样图1所示的第二部分20沿该图所指示的x方向向外延伸。步骤104可替换地包括将阻尼机构18焊接、钎焊或者粘接到砧座组件12和/或工件22。

在步骤108，图1的焊接控制器33被激励，并且输入信号（箭头31）被传送给变换器26。接收输入信号（箭头31）和它的校准频率后，变换器26被引起振动。振动的振幅可通过增幅器28按要求放大。角24此后以输入信号（箭头31）的校准频率振动。由于系统10中的阻尼机构18存在，这种震动发生没有引起砧座14的非期望振动。

虽然用于实施本发明的优选方式已被详细描述，与本发明相关的所属技术领域技术人员应认识到实施本发明的各种可选设计和实施例均在所附权利要求范围内。

对相关申请的交叉引用

本申请要求2011年9月30日提交的61/541,332号美国临时专利申请的权益，通过引用将其全部结合到本申请中。

关于联邦资助的研究和开发声明

本发明是在美国政府的支持下取得的,2009能源恢复和再投资法案的部分，电池组制造B551,协议/项目号DE-EE0002217。美国政府可拥有本发明中的某些权利。

Claims (10)

1.一种振动焊接系统，包括：

控制器，其被配置来产生具有校准频率的输入信号；

焊接角，其响应输入信号以校准频率沿期望的第一方向振动，以由此在工件中形成焊接点；

砧座，其被相对于焊接角定位；以及

被动阻尼机构（PDM），其被相对于振动焊接系统定位；

其中，PDM具有校准的阻尼特性组，该特性抑制或减弱沿非期望的第二方向的振动。

2.如权利要求1所述的系统，其中，PDM被相对于砧座连接并从砧座延伸校准长度，其中，校准长度是阻尼特性中的一个。

3.如权利要求1所述的系统，其中，校准的阻尼特性组包括校准长度、校准材料和校准几何中的至少一个。

4.如权利要求1所述的系统，PDM为调谐质量阻尼器，该调谐质量阻尼器具有自然频率，该自然频率被调谐到输入信号的校准频率。

5.如权利要求1所述的系统，其中，PDM被布置在砧座组件的砧座和支撑板之间，该支撑板被安装至砧座和支持件两者。

6.如权利要求5所述的系统，其中，砧座被压配合到支撑板。

7.如权利要求1所述的系统，其中，PDM包括一个部分，该部分关于另一部分正交布置。

8.如权利要求1所述的系统，其中，PDM限定被阻尼材料充分填充的凹槽。

9.如权利要求8所述的系统，其中，阻尼材料为铸铁。

10.如权利要求1所述的系统，其中，PDM由多个叠层构成。

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