CN109501280B - 具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统及其设计方法，该大尺寸超声波塑料焊接系统包括级联式压电换能器、超声变幅杆和矩形六面体焊头，矩形六面体焊头内设置有具有声子晶体周期结构的斜槽；该设计方法基于声子晶体理论设计，利用声子晶体的带隙特性，将大尺寸矩形六面体焊头的横振动带隙频率设计在超声波塑料焊接系统的共振频率附近，抑制横向振动，加强纵向振动，且纵向振动分布均匀。该大尺寸超声波塑料焊接系统可以有效地改善矩形六面体焊头纵振动位移分布的均匀程度，进而极大的提高大尺寸超声波塑料焊接的质量。

Description

具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统及其设 计方法

技术领域

本发明属于超声波塑料焊接技术领域，具体涉及一种具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统及其设计方法。

背景技术

功率超声技术是利用大功率高强度的高频超声波能量，对待处理对象(包括气体、液体、固体以及多相混合体等)进行高强度的超声波辐照，从而导致物质的结构、形貌乃至属性发生永久性改变的变化。目前，功率超声技术已经在国民经济的各行各业得到了广泛的应用，包括超声波清洗、超声波焊接、超声波机械加工、超声波提取、超声波乳化、超声波粉碎以及超声波石油开采等等。

超声波塑料焊接是功率超声技术的主要应用之一，已经广泛应用于汽车、玩具、日用品等行业中。超声波塑料焊接的原理如下：超声波作用于热塑性的塑料接触面时，会产生每秒几万次的高频振动，由于两个焊接件的交界面处声阻大，因此会产生局部高温。由于塑料导热性差，热量不能及时散发而聚集在焊区，致使两个塑料件的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体。当超声波停止作用后，让压力持续几秒钟，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料强度。

超声波塑料焊接质量的好坏取决于换能器焊头的振幅，所加压力及焊接时间等三个因素，焊接时间和焊头压力是可以调节的，焊接头的振幅由换能器、变幅杆以及焊接工具头决定，它是决定超声波塑料焊接质量的关键参数。

针对不同的焊接部件，超声波塑料焊接系统的焊头是不同的。传统的焊头形状包括圆柱形、圆环形、以及矩形六面体等等。

对于大尺寸的待焊接塑料部件，为了达到理想的焊接效果，超声波塑料焊接系统的焊头尺寸必须随之增大。对于大尺寸的超声波塑料焊接工具头，由于横向振动以及耦合振动的出现，焊头辐射面的纵振动位移分布的均匀程度变差，导致焊接质量下降，严重影响产品质量。为了改善大尺寸超声波塑料焊接的焊接质量，必须改善焊头表面纵振动位移分布的均匀程度。

发明内容

为了解决现有技术中存在的大尺寸超声波塑料焊接的焊接质量下降的问题，本发明提供了一种具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统及其设计方法，该焊接系统基于声子晶体的带隙理论，可以有效地改善矩形六面体焊头纵振动位移分布的均匀程度，进而极大的提高大尺寸超声波塑料焊接的质量。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统，基于声子晶体理论以及利用声子晶体的带隙理论抑制横向振动的设计方法，该大尺寸超声波塑料焊接系统包括级联式压电换能器、超声变幅杆和矩形六面体焊头，所述超声变幅杆的超声波输入端与级联式压电换能器的超声波输出端固定连接，所述超声变幅杆的超声波输出端与矩形六面体焊头固定连接，所述矩形六面体焊头内设置有具有声子晶体周期结构的斜槽。

进一步地，上述级联式压电换能器采用级联式压电陶瓷复合换能器。

进一步地，上述超声波变幅杆和矩形六面体焊头均采用金属材料制备而成。

进一步地，上述矩形六面体焊头的尺寸要求应满足以下条件：

矩形六面体焊头的高度小于等于矩形六面体焊头的宽度，矩形六面体焊头的厚度小于等于矩形六面体焊头的高度的三分之一，即

其中，L表示矩形六面体焊头的宽度，D表示矩形六面体焊头的高度，T表示矩形六面体焊头的厚度。

一种具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统的设计方法，基于声子晶体理论设计，利用声子晶体的带隙特性，将大尺寸矩形六面体焊头的横振动带隙频率设计在超声波塑料焊接系统的共振频率附近，抑制横向振动，加强纵向振动，且纵向振动分布均匀；

矩形六面体焊头中确定斜槽开槽位置、斜槽倾斜角度、斜槽纵向投影长度和斜槽宽度的具体方法如下：

所述斜槽开槽位置的解析表达式：

所述斜槽倾斜角度的数学表达式：

所述斜槽纵向投影长度为0.4D-0.6D，且位于矩形六面体焊头的纵向中心位置；

所述斜槽宽度设计公式为：

其中X_i表示开槽位置的坐标，坐标方向沿着矩形六面体焊头的宽度方向，坐标原点位于矩形六面体焊头的几何中心处；L表示矩形六面体焊头的宽度，D表示矩形六面体焊头的高度，i表示矩形六面体焊头沿宽度方向的振动位移节点数，也就是矩形六面体焊头沿宽度方向的振动阶数，θ_i表示斜槽倾斜角度，H为斜槽纵向投影长度，W_i表示斜槽宽度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1.本发明提出了一种具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统，可以有效的抑制矩形六面体焊头中的横向振动，改善矩形六面体焊头辐射面纵振动位移分布的均匀程度，提高大尺寸超声波塑料焊接的质量；

2.本发明提出了一种利用声子晶体的带隙理论来设计大尺寸超声波塑料焊接系统的设计方法，基于声子晶体理论，将大尺寸矩形六面体设计成带有斜槽的声子晶体结构，利用声子晶体特有的带隙特性，将大尺寸矩形六面体焊头的横振动带隙频率设计在超声波塑料焊接系统的共振频率附近，此时，振动系统中的横向振动得到有效的抑制，纵向振动加强，并且分布均匀。

附图说明

图1是本发明大尺寸超声波塑料焊接系统的几何示意图。

图2是本发明矩形六面体焊头开槽结构分布几何示意图。

图中：1、级联式压电换能器；2、超声波变幅杆；3、矩形六面体焊头；4、斜槽。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

为了解决现有技术中存在的大尺寸超声波塑料焊接的焊接质量下降的问题，本实施例提供了一种具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统及其设计方法，该焊接系统基于声子晶体的带隙理论，可以有效地改善大尺寸超声波塑料焊接工具头纵振动位移分布的均匀程度，进而极大的提高大尺寸超声波塑料焊接的质量。

一种具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统，该大尺寸超声波塑料焊接系统基于声子晶体理论设计，以及利用声子晶体的带隙理论抑制大尺寸超声波振动系统中横向振动的设计方法，基于此理论提出。

参照图1，该大尺寸超声波塑料焊接系统包括级联式压电换能器1、超声变幅杆2和矩形六面体焊头3，超声变幅杆2的超声波输入端与级联式压电换能器1的超声波输出端固定连接，超声变幅杆2的超声波输出端与矩形六面体焊头3固定连接。现有技术中焊接、铆接、螺纹连接、卡接等均可以，满足大尺寸超声波塑料焊接系统的刚性连接均可，本实施例采用螺纹连接，使大尺寸超声波塑料焊接系统具有很好的稳定性，且简单实用。矩形六面体焊头3内设置有具有声子晶体周期结构的斜槽4。

该大尺寸超声波塑料焊接系统基于声子晶体理论，将大尺寸矩形六面体设计成带有斜槽的声子晶体结构，利用声子晶体特有的带隙特性，将大尺寸矩形六面体焊头的横振动带隙频率设计在超声波塑料焊接系统的共振频率附近，此时，振动系统中的横向振动得到有效的抑制，纵向振动加强，并且分布均匀。

斜槽的个数应根据矩形六面体焊头的横向振动模态来决定。对于处于一阶横向振动的矩形六面体焊头，应设置一个斜槽，对于处于二阶横向振动的矩形六面体焊头，应设置两个斜槽，以此类推。对于单一振动模态，斜槽均匀设置，可以有效抑制横向振动模态；如果要同时抑制不同的振动模态，为了达到理想的抑制效果，需要同时分别设置对应不同振动模态抑制的斜槽，此时斜槽的分布是不均匀的。

矩形六面体焊头的尺寸要求应满足以下条件：矩形六面体焊头的高度小于等于矩形六面体焊头的宽度，矩形六面体焊头的厚度小于等于矩形六面体焊头的高度的三分之一，即

其中，L表示矩形六面体焊头的宽度，D表示矩形六面体焊头的高度，T表示矩形六面体焊头的厚度。

本实施例的超声波变幅杆2和矩形六面体焊头3均采用弹性大、高强度、低损耗的金属材料制备而成，如钛合金、铝镁合金等等。级联式压电换能器1采用级联式压电陶瓷复合换能器，可以提高振动系统的效率，增大换能器的功率容量。

该具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统的设计方法，基于声子晶体理论设计，利用声子晶体的带隙特性，将大尺寸矩形六面体焊头的横振动带隙频率设计在超声波塑料焊接系统的共振频率附近，抑制横向振动，加强纵向振动，且纵向振动分布均匀。

为了确保大尺寸超声波塑料焊接系统的高效工作，应对具有声子晶体斜直槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统进行优化设计，确保振动系统的共振频率处于大尺寸超声波焊头的横向振动带隙附近。

矩形六面体焊头中确定斜槽开槽位置、斜槽倾斜角度、斜槽纵向投影长度和斜槽宽度的具体方法如下：

斜槽开槽位置的解析表达式：

斜槽倾斜角度的数学表达式：

斜槽纵向投影长度为0.4D-0.6D，且位于矩形六面体焊头的纵向中心位置；

斜槽宽度设计公式为：

其中X_i表示开槽位置的坐标，坐标方向沿着矩形六面体焊头的宽度方向，坐标原点位于矩形六面体焊头的几何中心处；L表示矩形六面体焊头的宽度，i表示矩形六面体焊头沿宽度方向的振动位移节点数，也就是矩形六面体焊头沿宽度方向的振动阶数，θ_i表示斜槽倾斜角度，D表示矩形六面体焊头的高度，H为斜槽纵向投影长度，W_i表示斜槽宽度，矩形六面体焊头开槽分布的几何示意图参照图2所示。

大尺寸超声波塑料焊接系统的设计方法具体实施例如下：

实施例一：

矩形六面体焊头的材料为硬铝，超声波振动系统的共振频率为20千赫兹。矩形六面体焊头具体的几何尺寸为：高度D＝110mm，宽度L＝120mm，厚度T＝30mm。对于一阶横向振动的抑制，设置一个斜槽，基于提出的发明要求，其开槽参数为：

X₁＝0；θ₁＝0；

H＝0.5D＝55mm；

对于二阶横向振动的抑制，设置两个斜槽，其开槽参数为：

θ₂＝9.5度；W₂＝5.3mm，H＝0.45D＝49.5mm。

实施例二：

矩形六面体焊头的材料为硬铝，超声波振动系统的共振频率为20千赫兹。矩形六面体焊头具体的几何尺寸为：高度D＝105mm，宽度L＝220mm，厚度T＝30mm。对于一阶横向振动的抑制，设置一个斜槽，基于提出的发明要求，其开槽参数为：

X₁＝0；θ₁＝0；

H＝0.5D＝52.5mm；

对于二阶横向振动的抑制，设置两个斜槽，其开槽参数为：

θ₂＝4.1度；W₂＝9.8mm，H＝0.55D＝57.8mm。

实施例三：

矩形六面体焊头的材料为硬铝，超声波振动系统的共振频率为28千赫兹。矩形六面体焊头具体的几何尺寸为：高度D＝90mm，宽度L＝100mm，厚度T＝25mm。对于一阶横向振动的抑制，设置一个斜槽，基于提出的发明要求，其开槽参数为：

X₁＝0；θ₁＝0；

H＝0.5D＝45mm；

对于二阶横向振动的抑制，设置两个斜槽，其开槽参数为：

θ₂＝9.2度；W₂＝4.4mm，H＝0.55D＝49.5mm。

实施例四：

矩形六面体焊头的材料为硬铝，超声波振动系统的共振频率为28千赫兹。矩形六面体焊头具体的几何尺寸为：高度D＝90mm，宽度L＝160mm，厚度T＝25mm。对于一阶横向振动的抑制，设置一个斜槽，基于提出的发明要求，其开槽参数为：

X₁＝0；θ₁＝0；

H＝0.45D＝40.5mm；

对于二阶横向振动的抑制，设置两个斜槽，其开槽参数为：

θ₂＝4.9度；W₂＝7.1mm，H＝0.45D＝40.5mm。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统的设计方法，其特征在于，基于声子晶体理论以及利用声子晶体的带隙理论抑制横向振动的设计方法，该大尺寸超声波塑料焊接系统包括级联式压电换能器(1)、超声变幅杆(2)和矩形六面体焊头(3)，所述超声变幅杆(2)的超声波输入端与级联式压电换能器(1)的超声波输出端固定连接，所述超声变幅杆(2)的超声波输出端与矩形六面体焊头(3)固定连接，所述矩形六面体焊头(3)内设置有具有声子晶体周期结构的斜槽(4)；

基于声子晶体理论设计，利用声子晶体的带隙特性，将大尺寸矩形六面体焊头的横振动带隙频率设计在超声波塑料焊接系统的共振频率附近，抑制横向振动，加强纵向振动，且纵向振动分布均匀；

矩形六面体焊头中确定斜槽开槽位置、斜槽倾斜角度、斜槽纵向投影长度和斜槽宽度的具体方法如下：

所述斜槽开槽位置的解析表达式：

所述斜槽倾斜角度的数学表达式：

所述斜槽纵向投影长度H为0.4D-0.6D，且位于矩形六面体焊头的纵向中心位置；

所述斜槽宽度设计公式为：

其中，X_i表示开槽位置的坐标，坐标方向沿着矩形六面体焊头的宽度方向，坐标原点位于矩形六面体焊头的几何中心处；L表示矩形六面体焊头的宽度，D表示矩形六面体焊头的高度，i表示矩形六面体焊头沿宽度方向的振动位移节点数，也就是矩形六面体焊头沿宽度方向的振动阶数，θ_i表示斜槽倾斜角度，H为斜槽纵向投影长度，W_i表示斜槽宽度。

2.根据权利要求1所述的一种具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统的设计方法，其特征在于，所述级联式压电换能器(1)采用级联式压电陶瓷复合换能器。

3.根据权利要求1所述的一种具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统的设计方法，其特征在于，所述超声变幅杆(2)和矩形六面体焊头(3)均采用金属材料制备而成。

4.根据权利要求1所述的一种具有声子晶体斜槽结构的大尺寸超声波塑料焊接系统的设计方法，其特征在于，所述矩形六面体焊头的尺寸要求应满足以下条件：

其中，L表示矩形六面体焊头的宽度，D表示矩形六面体焊头的高度，T表示矩形六面体焊头的厚度。

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