CN104439683A - 一种单激励超声椭圆振动金属焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单激励超声椭圆振动金属焊接装置，包括加压装置、超声振动隔离装置、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器、设置在椭圆振动模态转换器前端的振动头、设置在振动头下方的上声极、下声极和超声电源。所述的壳体单元包括前挡板、套筒和后挡板；所述的超声振动换能器包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，为直梁和斜梁的复合结构，该椭圆振动模态转换器可以将超声振动换能器产生的纵向超声振动转换为椭圆振动模态转换器末端和振动头的纵弯复合超声椭圆振动。
Description
技术领域
本发明涉及到超声振动金属焊接技术领域，尤其是涉及一种利用单激励超声椭圆振动的超声振动金属焊接装置。
背景技术
超声波作为一种机械振动，同时也是能量传递的载体，在实际生产、生活中得到了广泛应用。目前超声波在焊接领域的应用也越来越广泛，相继出现了超声波塑料焊接、超声波金属焊接、超声波钎焊、电弧超声焊接技术、超声-TIG复合焊接以及超声-MIG 复合焊接等一系列新技术。
超声波金属焊接是由50Hz低频电流转换成15～20KHz高频电流，高频电能经过焊接机换能装置转换成机械振动能量在一定的静压力作用下，使金属表面之间形成摩擦将物体表面和氧化物分散开并不改变其自身的金相组织的一种同种金属或者异种金属表面分子之间的相互渗透相互扩散的固相焊接方法，焊接过程中金属表面并没有达到熔点，但在机械振动摩擦作用下产生大量的热量，因此需要在每一次的焊接后必须保证焊头和焊座的充分冷却，从而建立一个干净、可控的、扩散的焊层。
超声椭圆振动在超声振动切削、超声焊接、超声研磨、超声抛光、直线超声电机和旋转超声电机等领域具有较广泛的应用。目前研究人员大多采用纵向振动、扭转振动、弯曲振动和径向振动中的两种振动形式进行复合来产生超声椭圆振动，需要采用两组或两组以上的压电陶瓷片来激发产生具有一定相位差的两个或多个振动模态，还必须为每组压电陶瓷片配备一路超声驱动电源信号，且需要控制各路超声驱动电源信号之间的相位差，超声振动系统和控制系统结构复杂，制造难度大、控制难度高、生产成本高、不易实现微型化、工作性能不够稳定，这些问题制约了超声椭圆振动换能器在工业生产中的应用与推广。
为了进一步提高超声波金属焊接的效果和焊接效率，并充分发挥单激励超声椭圆振动的优势，本发明研究了一种新型的单激励超声椭圆振动金属焊接装置。
发明内容
本发明提供了一种新型的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，目的是为了充分发挥单激励超声椭圆振动的优势、提高超声金属焊接的效果和焊接效率。
一种单激励超声椭圆振动金属焊接装置，包括加压装置、超声振动隔离装置、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器、设置在椭圆振动模态转换器前端的振动头、设置在振动头下方的上声极、下声极和超声电源；超声振动隔离装置设置在加压装置和振动头之间，用于隔离加压装置对振动头等超声振动系统的影响；上声极通过焊接或者螺钉联接设置在振动头的下方，下声极设置在待焊接工件的下方，与上声极同轴相对设置；所述的壳体单元包括前挡板、套筒和后挡板；所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有与壳体单元联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧, 构成了超声振动换能器的能量转换部分，可将超声电源输出的超声电信号转换为超声振动换能器的纵向超声振动。
所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端，或者将椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板的前端。椭圆振动模态转换器包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声换能器的前盖板联接，另一端悬伸；斜梁的一端和超声换能器的前盖板偏离中心轴线的一侧联接，另一端和直梁的中间部位联接，斜梁的中心轴线和直梁的中心轴线成0-90度夹角，直梁和斜梁与超声换能器前盖板的联接处均为圆弧过渡联接。斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线所形成的平面与振动头的几何中心轴线垂直。
椭圆振动模态转换器设置在超声振动换能器前端后构成的组合件称为单激励超声椭圆振动换能器，椭圆振动模态转换器为直梁和斜梁复合结构的目的是为了改变单激励超声椭圆振动换能器的振动模态，使其纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等；由于斜梁结构的存在，超声振动换能器产生的纵向超声振动在传递到斜梁后，在斜梁根部分解为一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量，当斜梁分解的纵向振动分量和弯曲振动分量传递到直梁后，和直梁上传播的纵向振动相复合，最终在直梁末端形成具有一定相位差的纵向振动分量和弯曲振动分量复合的超声椭圆振动。
振动头通过焊接或通过一个联接螺钉联接设置在椭圆振动模态转换器的前端；当超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器末端的纵弯复合超声椭圆振动，并驱动振动头和椭圆振动模态转换器末端一起做超声椭圆振动，由于斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线所形成的平面与振动头的几何中心轴线垂直，振动头的超声椭圆振动轨迹也在斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线所形成的平面内。
超声振动换能器置于壳体单元内，超声振动换能器的法兰盘设置于套筒的上凹止口内，前挡板设置在法兰盘的另一侧，对整个超声振动换能器起固定作用，后挡板设置在套筒的后侧，防止灰尘、铁屑等杂物进入到壳体单元内，影响超声振动换能器工作性能；相比现有文献介绍的超声振动焊接装置，该单激励超声椭圆振动焊接装置具有功率容量大、能量转换效率高、弯曲振动幅值大、结构简单，制造容易、成本低、结构刚度大、控制驱动系统简单、焊接速度快、焊点面积大、焊接强度高和工作性能稳定等优点。
更进一步，所述的超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片。
更进一步，所述的超声振动换能器只需要一路超声电信号激励。
更进一步，所述的超声振动换能器的工作频率范围为18kHz-40kHz。
本发明采用了机械振动模态转换机理把超声振动换能器的纵向振动转换分解为直梁的纵向振动、斜梁的纵向振动和弯曲振动分量，最终在直梁末端和振动头处合成为纵弯复合超声椭圆振动，简化了单激励超声椭圆振动焊接系统的整体结构，大大降低了振动系统的复杂程度，降低了制造、装配难度和生产成本；另外该发明仅需要一路控制电路及超声电源进行激励，控制难度低，避免了两相或多相超声振动复合形成椭圆振动换能器的复杂超声电源开发费用，简化了控制电路及超声电源结构，降低了控制电路及超声电源成本，易于实现控制电路及超声电源的集成化，提高了系统工作可靠性，工作性能稳定，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明结构示意图的前视图。
图2是本发明结构示意图的俯视图。
图3是本发明中单激励超声椭圆振动换能器的前视图。
图4是本发明中单激励超声椭圆振动换能器的俯视图。
图5是本发明的应用实例示意图。
图中标号说明：1.螺栓，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5. 前盖板，6.法兰盘，7.椭圆振动模态转换器，8.振动头，9.前挡板，10.套筒，11. 后挡板， 12. 加压装置，13.超声振动隔离装置，14. 上声极，15.上工件，16.下工件，17.下声极，18. 超声电源。
具体实施方式
结合图1、2、3、4所示，一种单激励超声椭圆振动金属焊接装置，包括加压装置12、超声振动隔离装置13、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器7、设置在椭圆振动模态转换器7前端的振动头8、设置在振动头8下方的上声极14、下声极17和超声电源18；超声振动隔离装置13设置在加压装置12和振动头8之间，用于隔离加压装置12对振动头8等超声振动系统的影响；上声极14通过焊接或者螺钉联接设置在振动头8的下方，下声极17设置在待焊接工件的下方，与上声极14同轴相对设置；所述的壳体单元包括前挡板9、套筒10和后挡板11；所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓1及依次套设在螺栓1上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5，前盖板5上设置有与壳体单元联接用的法兰盘6，后盖板2和前盖板5通过螺栓1将后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5联接压紧, 构成了超声振动换能器的能量转换部分，可将超声电源18输出的超声电信号转换为超声振动换能器的纵向超声振动。超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直径30mm，压电陶瓷片3为PZT-8，尺寸为：Ф30×Ф15×5，压电陶瓷片3的片数为2。
椭圆振动模态转换器7和前盖板5制作成一个整体零件设置在前盖板5的前端，椭圆振动模态转换器7包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声换能器的前盖板5联接，另一端悬伸，截面边长为12×12mm，长72mm；斜梁的一端和超声换能器的前盖板5偏离中心轴线的一侧联接，斜梁中心轴线和前盖板5的联接处距离前盖板5的中心轴线距离为25mm，另一端和直梁的中间部位联接，截面边长为12×12mm。斜梁的中心轴线和直梁的中心轴线成30夹角，直梁和斜梁与超声换能器前盖板5的联接处均为圆弧过渡联接，过渡圆弧半径为5mm。振动头8通过焊接设置在椭圆振动模态转换器7的前端，斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线所形成的平面与振动头8的几何中心轴线垂直。
超声振动换能器置于壳体单元内，超声振动换能器的法兰盘6设置于套筒10的上凹止口内，前挡板9通过螺钉和套筒10联接在一起，压紧在法兰盘6的另一侧，对整个超声振动换能器起固定作用，后挡板11通过螺钉联接在套筒10的后侧。
超声振动换能器和椭圆振动模态转换器7联接后的固有频率为19.84KHz，阻抗为83欧姆，动态电阻为19欧姆，超声电源18输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为19.84±0.01KHz，且超声电源18在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。
结合图1-5所示，运行时，超声振动换能器的电极片4与超声电源18相连，当超声振动换能器的电极片4接入超声电源18输出的电信号后，由于压电陶瓷片3的逆压电效应，压电陶瓷片3将会产生纵向超声振动，即超声振动换能器将超声电源18输出的电能转换为纵向超声振动，并驱动整个超声振动换能器系统进行纵向超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器7末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动振动头8和上声极14一起做超声椭圆振动。
当加载电压运行10分钟后，单激励超声椭圆振动金属焊接装置达到稳定振动状态，此时超声电源18的稳定输出电压为220V，电流为1.15A，使用激光多普勒测振仪测得超声椭圆振动长短半轴振幅分别为13.6微米和4.8微米，并通过具有李沙育图形运算功能的双踪示波器对激光多普勒测振仪测得的信号进行图形运算，可以得到长短轴比为2.83的超声椭圆振动轨迹，完全满足超声椭圆振动焊接的要求。
调节超声电源18的工作参数：输出功率P＝80W，工作频率f＝19.84±1KHz，自动频率跟踪功能打开，此时振动头8椭圆振动长短半轴振幅分别为6微米和2.2微米，上下声极之间加载压力20N，焊接持续时间t＝60s；实现了两块厚度为1.0mm的45钢板的焊接，联接接头的剪切强度达到481MPa。
Claims (7)
1.一种单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于：该金属焊接装置包括加压装置、超声振动隔离装置、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器、设置在椭圆振动模态转换器前端的振动头、设置在振动头下方的上声极、下声极和超声电源；超声振动隔离装置设置在加压装置和振动头之间，用于隔离加压装置对振动头等超声振动系统的影响；下声极设置在待焊接工件的下方，与上声极同轴相对设置；所述的壳体单元包括前挡板、套筒和后挡板；所述的超声振动换能器整体呈圆柱体，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有与壳体单元联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，所述的椭圆振动模态转换器包括直梁和斜梁构成的复合结构，直梁和斜梁垂直于其中心轴线的截面均为矩形，直梁的中心轴线和超声振动换能器的中心轴线重合，直梁的一端与超声换能器的前盖板联接，另一端悬伸；斜梁的一端和超声换能器的前盖板偏离中心轴线的一侧联接，另一端和直梁的中间部位联接，斜梁的中心轴线和直梁的中心轴线成0-90度夹角，直梁和斜梁与超声换能器前盖板的联接处均为圆弧过渡联接，斜梁的几何中心轴线和直梁的几何中心轴线所形成的平面与振动头的几何中心轴线垂直。
2.根据权利要求1所述的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端。
3.根据权利要求1所述的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板前端。
4.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于：所述的振动头通过焊接设置在椭圆振动模态转换器的前端。
5.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于：还包括一个联接螺钉，用于将振动头联接在椭圆振动模态转换器的前端。
6.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于：所述的上声极通过焊接设置在振动头的下方。
7.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于：所述的上声极通过螺钉联接设置在振动头的下方。
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