CN103028835A - 主动控制振动的焊接系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种焊接系统，包括控制器、焊接头、活性材料元件、和砧座组件。该组件可包括连接至后板和支架部件的砧座体部。诸如压电叠片或形状记忆合金的该元件被关于所述组件布置。焊接头沿希望的第一方向振动，以在工件上形成焊接部。该元件通过沿第二方向将经校准的响应施加至砧座体部而控制任何沿第二方向的振动。一种控制系统中的不希望的振动的方法，包括将元件关于砧座组件布置、将砧座体部通过后板连接至支架部件、将焊接头沿希望的第一方向振动、且将输入信号传输至元件以控制沿不希望的第二方向的振动。

Description

主动控制振动的焊接系统和方法

技术领域

本公开涉及使用主动控制阻尼技术以改进焊接质量的超声焊接系统。

背景技术

在超声焊接工艺中，被夹住的工件的邻近表面被施加至工件的振动能量结合在一起。振动能量的传输沿工件的界面表面产生表面摩擦力和热量。该热量软化界面表面的材料，该材料最终将表面邦定在一起，并由此形成焊接结合部或焊点。

典型的超声焊接系统包括不同的互连的焊接工具。这些工具主要由振动超声焊极（sonotrode）/焊接头（horn）以及砧座组件。该砧座组件可包括砧座体部和刚性后板，后者被螺栓固定至诸如框架、梁或机器人的支架部件。工件被夹在焊接头和砧座体部之间。焊接头响应于输入信号以经校准的频率振动。砧座体部成为振动焊接头的反作用表面。

发明内容

一种主动控制振动的焊接系统包括振动焊头/焊接头和砧座组件。砧座组件包括砧座体部和后板。砧座体部和后板被附连至支架部件。该系统还在砧座组件中采用了活性材料元件，诸如压电叠片、形状记忆合金（SMA）装置等。该活性材料元件被布置且控制为显著地衰减、减弱或以其他方式消除“不希望的”焊接头的振动，即，沿和焊接头意图振动以在工件中形成焊接部的方向不同的方向的振动。砧座体部被使用活性材料元件的主动式前馈和/或反馈控制保持为相对于振动焊接头尽可能地静止。

此处应了解不希望的振动可在任何意图/希望的振动（例如沿纵向（x）方向的振动）之外沿此处描述的横向(z)和旋转(θ)方向或沿任何其他的方向在焊接头的焊接垫处发生。这些不希望的振动可降低焊接的质量。典型的焊接系统设计方式未能恰当地考虑入这样的不希望的振动，该振动可由于包括焊接头的不平衡或不完美的设计性质以及焊接系统的柔度本质在内的多个因素而存在。例如，用于将后板和砧座体部固定至支架结构的螺栓可向位于砧座体部、后板、和支架结构之间的各个连接部添加挠性，且由此对不希望的振动有所贡献。本系统因此意图经由位于组件的砧座侧上的活性材料的主动控制而改善这些不希望的振动的效果。

特别地，本超声焊接系统包括焊接控制器、焊接头、和砧座组件，该砧座组件包括连接至支架部件的后板和砧座体部。该系统还包括相对于砧座组件布置的活性材料元件，例如位于砧座体部和后板之间。活性材料元件在示例性非限制实施例中可为压电叠片或形状记忆合金（SMA）装置。另一压电叠片可位于焊接头的输入侧上。该额外的叠片可配置为使得焊接头响应于来自控制器的输入信号以经校准的频率振动。活性材料元件还和控制器连通，或在可替换实施例中和分立的控制器连通。出于示例的方便，将在下文中描述单独的控制器。

可作为焊接电源的整体部分或分立装置的控制器被配置为产生指令经校准的频率的第一输入信号，且将该第一输入信号传输至转换器（诸如压电叠片），以使得焊接头振动。尽管焊接头的大部分振动沿希望的方向（例如沿下文中所述的垂直的x方向），一些不希望的振动仍将沿诸如横向z、旋转θ、和深度Y方向这样的其他方向产生。本控制器因此被提供有关于这些不希望的振动的信息，其在两个可能的实施例中是离线确定的校准值或经由实时感知和反馈确定的校准值。

在第一实施例中，控制器通过将第二输入信号传输至砧座体部的活性材料元件使用前馈控制。第二输入信号可使得关于不希望的振动在砧座体部处的振动中产生预定的相位偏移或其他响应，并由此显著衰减、减弱或消除不希望的振动。

在第二实施例中，传感器可关于砧座组件布置，例如靠近砧座垫，且用于测量且由此量化不希望的振动的特质。传感器可被可选地布置为能够测量振动且将输出信号赋予控制器两者的双用途换能器。多种多功能材料存在，其能实施该双用途功能，且由此作为闭合反馈回路中的主动反馈传感器。诸如压电致动器或压电传感器的“智能”/活性材料是一种可能性。下文中描述了其他的可能性。

方法包括将活性材料元件关于焊接砧座组件布置、将砧座组件连接至支架部件、并将第一输入信号从控制器传输至转换器并由此沿第一方向振动焊接头，且由此在工件上形成焊接部。该方法还包括将第二输入信号从控制器传输至活性材料元件，并继而经由该活性材料元件响应于第二输入信号在砧座组件内产生经校准的输出，以沿第二方向主动地控制砧座组件的振动。

当结合附图时，本发明的上述特征和优势以及其他特征和优势从下文中用于实施本发明的最佳模式的详尽描述中是显而易见的。

附图说明

图1是包括具有活性材料元件的砧座体部的示例性超声焊接系统的示意图，该活性材料元件被以显著地消除系统内的不希望的砧座振动的方式主动地控制。

图2是示出了在图1中示出的系统中使用活性材料元件主动地控制不希望的砧座振动用于砧座阻尼的方法的流程图。

具体实施方式

参照附图，其中相同的附图标记指向相同的构件，超声焊接系统10示出在图1中，其包括振动超声焊极（sonotrode）/焊接头24和砧座组件12。系统10配置为使用超声振动能量形成振动焊接头，该工艺在本领域中是已知的。尽管在下文中出于示例的一致性使用术语“超声”指代，本领域技术人员将理解也可使用其他的振动频率范围，而不背离意图的发明范围。更宽范围的可用频率范围的使用可被总体地称作振动焊接。

如在下文中将描述的，图1中的系统10配置为主动地控制活性材料元件140，以由此在超声焊接工艺中经由焊接砧座组件12控制，即，显著地衰减、减少或消除任意“不希望的”振动，即，在被施加以形成焊接件的振动的意图或“希望的”方向之外的任意其他方向上发生的振动。这通过活性材料元件140的位移和控制完成，该活性材料元件140诸如压电叠片、形状记忆合金（SMA）装置、或关于砧座组件12的其他智能材料促动器。可通过压电叠片40或其他振动能量输入装置使得焊接头24振动。

如本领域中理解的，压电材料是将能量在机械和电领域之间转换的电机材料。压电材料传统地为晶体结构或陶瓷，其响应于机械应力生成输出电压信号。该效应也以相反的方式发生，即，施加至试样压电材料的电压输入产生机械位移或应变。例如，给定的压电材料的激活可导致压电陶瓷的约0.1%的尺寸变化和压电聚合物材料的约1%的尺寸变化。

如果被构造成压电叠片，活性材料元件140可因此由多层诸如薄压电陶瓷或压电聚合物构成，其中每一层都关于其他层电并联连接。当诸如图1中示出的输入信号（箭头131）被施加时，可使得活性材料元件140振动。

相反地，SMA为热机械材料，其将能量在机械和热领域之间转换。压电材料的示例包括压电陶瓷、锆钛酸铅（PZT）、聚偏氟乙烯（polyvinylidenefluoride，PVDF）等。SMA示例包括镍钛诺、铜-锌-铝-镍、铜-铝-镍、铁-锰-硅、和镍-钛合金。为了振动控制将SMA作为活性材料元件140的应用可利用在焊接工艺中发生的热量散失，例如实时热能收获，或可由作为第二输入信号（箭头131）的热量的直接应用激活。SMA材料性质也可响应于电磁场的应用而变化，且由此第二输入信号（箭头131）可包括施加的场。

在关于给定工件22的焊接接头/焊点的形成中，不希望的振动可在系统10内传播至焊接位置。这可由于系统10的柔性（compliance）、几何构造和材料（包括砧座组件12的支架部件60、砧座体部14和后板16之间的连接部的刚性性质）而发生。支架部件60可为金属框架、梁、机器人、或其他支架结构。

任意希望的振动的方向可取决于系统10的构造而变动。例如，如果使用横向（z方向）焊接以形成焊接件，沿横向z方向的振动可视作希望的振动，而沿纵向x方向、旋转θ方向、和/或其他方向的振动可视作不希望的振动，例如，从图1的角度观察的深度或y方向的振动。出于示例的一致性，纵向/垂直x方向可在下文中被当做希望的振动方向，但本发明的范围不限于该方向。此外，尽管图1中示意地示出x方向为在附图中向上取向，正的x方向可在其他实施例中向下，而不背离意图的发明范围。

不论指定的希望的方向如何，沿任意其他方向的不希望的振动可能会影响在示例性工件22中形成的焊接部的质量。因此，本系统10以一方式设计，以主动地控制砧座组件12中发生的不希望的振动的水平，特别是使用关于活性材料元件140的前馈控制方式或闭环反馈控制方式。

图1中的砧座组件12包括砧座体部14和后板16。作为整体，砧座组件12提供金属的相对静态质量，其足以在振动焊接工艺的执行中对抗焊接头24。焊接头24可包括面对待焊接的工件22的焊接垫23。焊接垫23可包括诸如凸起的凸块或脊部的滚花图案。焊接垫23是在焊接工艺中实际和工件22直接接触的焊接头24的结构。砧座体部14可类似地具有相似的砧座垫25。垫23和25一起促进工件22的牢固夹持。

为了恰当地驱动和控制超声焊接工艺，可使用焊接电源30以将可用的源功率转换成振动焊接可用的形式。电源30可因此包括产生高频电信号所需要的任何必需的电压整流器、转换器、和逆变器。振动焊接工艺中通常使用的类型的电源（诸如图1的示例性电源30）可被电连接至任意合适的能量源，例如，50-60Hz的壁上插座。电源30可包括一个或多个焊接控制器33，该一个或多个焊接控制器33可如所示为电源的一部分，或作为分立的装置。控制器（一个或多个）33和电源30通过一组电导体11和焊接头24，且如下文所述，和砧座组件12电连通。

电源30和焊接控制器33最终将源功率转换成合适的功率控制信号，所述合适的功率控制信号具有适于在振动焊接工艺中使用的预定的波形特质（一个或多个），例如，取决于特定的应用具有从几赫兹（Hz）至约40kHz的频率，或高得多的频率。附加的焊接设备可包括放大器（booster）28。压电叠片40响应于通过导体11传输的第一输入信号（箭头31）产生希望的机械振动（例如，沿x方向）。放大器28将第一输入信号（箭头31）的振动放大至需要的程度。

仍然参照图1，活性材料元件140关于（即位于其结构上某处或结构内）砧座组件12定位。在一个实施例中，该位置可位于砧座体部14和后板16之间，但活性材料元件140可定位在其他地方，例如位于后板16和支架部件60之间。活性材料元件140布置为经由一组导体11与电源30以及控制器33电连通。

第二输入信号（箭头131）由电源30和/或控制器33通过导体11传输，以激活活性材料元件140。第二输入信号（箭头131）可配置为产生希望的力（例如形式为位移/应变），其可通过活性材料元件140的激活而放大成为砧座体部14中的振动。例如，由活性材料元件140产生的位移或应变响应可相对于焊接头24的任何不希望的振动的振幅和相位基本振幅和相位协调（amplitude-and phase-coordinated），如示例性输出波形17所示。或者，活性材料元件140可提供非线性颤动响应（non-linear dither response），所述非线性颤动响应提供对砧座体部14的相对高频的激励（即，颤动信号（dithersignal））。如本领域中理解的，频率控制下的系统的响应由引入的颤动信号的波形特质决定。

在图1中示例性输出波形15关于时间（t）示出，其中该波形具有振幅（A）。该周期性波形代表沿不希望的方向的一个可能的不希望的波形。尽管以典型的周期性信号示出，该波形15并不受限于此。示例性输出波形17关于砧座组件12示出，其代表由信号（箭头）131至活性材料元件140的输入所造成的输出波形。如所示，具有振幅（A）的波形17是周期性的且基本上关于波形15振幅协调且频率协调，但相对于波形15相位偏移开φ度，以基本上消除波形15。在其他实施例中，输出波形可为颤动波形，其具有非周期性信号、在振幅上交替地增加和降低的信号、间断信号、尖峰信号等。

在一个实施例中，焊接头24在垫23处的不希望的振动可离线地确定为校准值，且记录在控制器33的存储器中。如果系统10被用于焊接不同的工件22，可产生不同的振动特质，且由此考虑每一个不同的振动特质，不同的振动值可被记录。一旦记录后，控制器33可使用前馈控制方式以显著地衰减或减弱不希望的振动。即，在已知诸如频率/波长和振幅的激励的信息时，可经由活性材料元件140通过前馈需要的响应而实现激励的基本完整的消除。

在另一实施例中，可由控制器使用振动传感器35进行经典的反馈控制。传感器35可关于砧座体部14定位，以测量反馈信号（箭头36）并将其传输至控制器33。因此，控制器33可实时地按需变动或调整第二输入信号（箭头131），以使得活性材料元件140以需要的消除响应振动。

传感器35可由多功能材料构造成。如本领域中已知的，这样的材料可包括一些金属和其他材料，例如具有复杂结构的非晶态合金、或从非晶态合金开发的块状金属玻璃、多组分金属间化合物、准晶、氧化物、陶瓷、纳米结构受控金属、半导体、太阳能电池用晶体、生物材料、有机材料、储氢合金、和成形晶体（shaped crystal）等。传感器35可替换地配置为压电传感器或其他“智能材料”传感器，该传感器用作能够测量振动及将输入信号赋予控制器两者的双用途换能器。因此，在另一实施例中，传感器35和活性材料元件140可为相同的装置，即，用作传感器和促动器两者。

参见图2，示出了示例性方法100，所述方法100用于主动地控制焊接砧座组件的振动，例如图1的示例性组件12，以由此优化诸如同一图中的示例性工件22那样的被振动焊接的工件的焊接质量。

从步骤102开始，焊接头24被提供。步骤102可包括将图1的压电叠片40关于焊接头24定位，且使得放大器28和控制器33电连通（例如经由示出的电导体11的组）。

在步骤104处，活性材料元件140关于图1中的砧座组件12定位。例如，活性材料元件140可如所示定位在砧座体部14和后板16之间，或位于后板16和支架部件60之间，或靠近垫25。步骤104可包括将砧座体部14和后板15螺栓固定至支架部件60，以将活性材料元件140保持或夹在砧座组件12中。

在步骤106处，施加第一输入信号（箭头31）。该值被校准过，以使得焊接头24以足以结合工件（例如图1的示例性工件22）的表面的经校准的频率振动。步骤106可包括从存储器中选择第一输入信号（箭头31）的需要的振幅和频率，并将第一输入信号（箭头31）传输至第一压电叠片40，以使得压电叠片40振动焊接头24。

在步骤108中，控制器33施加第二输入信号（箭头131）至活性材料元件140，以在砧座体部14处产生希望的阻尼响应。例如，输入信号（箭头131）可使得砧座体部14关于在焊接头24处（特别是靠近垫23处）发生的不希望的振动响应以相位偏移以及基本振幅和频率一致的方式振动。例如，由波形15表示的周期性振动可沿z和θ方向中的一个或两者发生，其中步骤108包括具有180°的相位偏移的示例性波形17的施加，以在焊接位置处基本上消除波形15。实际的相位偏移将取决于测得的不希望的振动的周期性或其他波形特质而变动。替换地，步骤108将包括产生颤动信号以提供对响应的控制，如本领域中已知的且在上文中已描述的。作为结果，砧座体部14和/或焊接头24将不以上述的不希望的振动来振动工件22。在工件22上产生的焊点被以该方式优化。

尽管已经对用于实施本发明的最佳模式进行了详尽的描述，对本发明所涉及的领域熟悉的技术人员将辨识出在所附的权利要求内用于实施本发明的各种可替换设计和实施例。

交叉引用

该申请要求2011年9月30日申请的美国临时专利申请No.61/541,324的权益，其被通过引用的方式全文合并于此。

相关权益

本发明在DE-EE0002217,Department of Energy Recovery andReinvestment Act of2009/Battery Pack Manufacturing B511.协议/项目下由美国支持完成。美国政府可能在本发明中具有一定的权利。

Claims (10)

1.一种振动焊接系统，包括:

控制器，其选择性地产生第一输入信号和第二输入信号；

焊接头，与控制器电连通，其中该焊接头配置为响应于第一输入信号沿第一方向振动，以由此关于工件形成焊接部；

砧座组件，安装至支架部件；和

活性材料元件，关于所述砧座组件定位，其中该活性材料元件配置为响应于第二输入信号施加经校准的输出至所述砧座组件，以由此沿不同于第一方向的第二方向主动地控制所述焊接头的振动。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述砧座组件包括砧座体部和后板。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述活性材料元件是压电叠片和形状记忆合金中的一种。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述活性材料元件定位在所述砧座体部和所述后板之间。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述活性材料元件是由多个压电聚合物片构成的压电叠片。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述经校准的输出是正弦位移和正弦应变中的一种。

7.如权利要求1所述的系统，还包括关于所述砧座组件定位的传感器，该传感器和所述控制器电连通，其中：

所述传感器配置为测量所述砧座组件沿第二方向的振动；和

所述控制器配置为依据测量到的振动来调节第二输入信号。

8.如权利要求1所述的致动器，其中所述第二输入信号是非线性颤动信号。

9.一种方法，包括：

将活性材料元件关于焊接砧座组件定位；

将所述砧座组件连接至支架部件；

将第一输入信号从控制器传输至转换器，并由此沿第一方向振动焊接头，且由此在工件上形成焊接部；

将第二输入信号从所述控制器传输至所述活性材料元件；和

响应于所述第二输入信号经由所述活性材料元件在所述砧座组件内产生经校准的输出，以沿不同于第一方向的第二方向主动控制所述砧座组件的振动。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述砧座组件包括砧座体部和后板，且其中将所述活性材料元件关于所述焊接砧座组件定位包括将所述活性材料元件定位在所述砧座体部和所述后板之间。

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