CN114346400A - 一种超声焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声焊接方法，该焊接方法设置焊接模块和带有输出安装位的变幅机构，采用固定振动传播方式通过变幅机构将超声振动进行转换，使变幅机构的每个输出安装位呈现不同振动的振动模式；将焊接模块与变幅机构的不同输出安装位连接使得焊接模块输出三维耦合振动或纵向振动，实现微型零件焊接、金属件焊接或塑料件焊接。本发明超声焊接方法可实现不同振动模式的焊接，从而适用于超声金属焊接、超声塑料焊接或膜类微型零件焊接，以满足不同的焊接需求，拓宽了超声焊接的应用范围。

Description

一种超声焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，更具体地说，涉及一种超声焊接方法。

背景技术

超声焊接是一种在压力和高频超声振动作用下，工件结合面通过相对滑动产生剪切和塑性变形从而形成界面连接的焊接技术。超声焊接具有产热少、无需填充材料的特点，并且对材料的导电和导热性不敏感，能够实现异种材料之间的焊接，在新能源电池行业、电子行业、热塑性材料器件制造业得到了广泛应用。

传统的超声焊接主要是采用一维纵向超声振动实现焊接。根据超声振动方向与焊接区域的位置关系，分为超声金属焊接与超声塑料焊接，其中超声金属焊接中超声振动方向与焊接区域平行，超声塑料焊接中超声振动方向与焊接区域垂直。但是纵向超声焊接存在着不可避免的缺点：

(1)焊接过程中需要施加较大的压力，被焊接组件承受振动负载大，不能实现薄膜类等微型件的焊接；

(2)一维纵向超声振动，仅有部分能量传递到焊接界面，超声能量利用率低；

(3)同一设备不能同时实现金属焊接和塑料件的焊接。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种超声焊接方法，该超声焊接方法可实现不同振动模式的焊接，从而适用于超声金属焊接、超声塑料焊接或膜类微型零件焊接，以满足不同的焊接需求，拓宽了超声焊接的应用范围。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种超声焊接方法，其特征在于：设置焊接模块和带有输出安装位的变幅机构，采用固定振动传播方式通过变幅机构将超声振动进行转换，使变幅机构的每个输出安装位呈现不同振动的振动模式；将焊接模块与变幅机构的不同输出安装位连接使得焊接模块输出三维耦合振动或纵向振动，实现微型零件焊接、金属件焊接或塑料件焊接。

所述变幅机构设置有三个输出安装位，该三个输出安装位分别为用于实现输出三维耦合振动的输出安装位一、用于实现输出纵向振动的输出安装位二以及用于实现输出三维耦合振动的输出安装位三。

所述变幅机构包括十字形变幅器，十字形变幅器的一端为输入端，远离输入端的端部作为输出端，三个输出安装位分别位于输出端的三个端面，三个端面两两相互垂直。

所述输出安装位一位于输出端的前端面或后端面；所述输出安装位二位于输出端的端部端面；所述输出安装位三位于输出端的下端面。

当焊接模块与输出安装位一连接，焊接时焊接模块输出三维耦合振动，实现微型零件焊接，包括以下步骤：

第一步，采用工频交流电经过超声波发生器转换为高频高压信号，将高频高压信号输入到换能器产生超声振动为：

x₁＝Asin(2πft)

其中，A为换能器输出振幅，f为振动频率，t为时间；

第二步，换能器产生的超声振动通过变幅器进行放大，变幅器输出超声振动为：

x₂＝kAsin(2πft)

其中，k为变幅器放大倍数；

第三步，将变幅器输出的超声振动输入至十字形变幅器；所述焊接模块由波形转换器和焊接工具头连接组成，波形转换器与输出安装位一连接；焊接时，变幅器输出的超声振动通过十字形变幅器分解为纵向振动、横向振动和切向振动，在输出安装位一处纵向振动和横向振动合成扭转运动，并与切向振动一起组合，使得焊接工具头输出三维耦合振动，实现膜类等微型零件焊接；

纵向振动为：

横向振动为：

其中，H、W分别为十字形变幅器的输出端端面尺寸，S为变幅器的端面面积，c为超声振动在十字形变幅器中的传播速度，L₁、W₁分别为输出安装位一在十字形变幅器的位置尺寸，

分别为横向与纵向的相位差。

第三步中，通过调节十字形变幅器的输出端端面尺寸H、W，和/或调节输出安装位一在十字形变幅器的位置尺寸L₁、W₁，实现对纵向振动的振动幅值和横向振动的振动幅值进行调节。

当焊接模块与输出安装位二，焊接时焊接模块输出纵向振动，实现塑料件焊接，包括以下步骤：

步骤一，采用工频交流电经过超声波发生器转换为高频高压信号，将高频高压信号输入到换能器产生超声振动为：

x₁＝Asin(2πft)

其中，A为换能器输出振幅，f为振动频率，t为时间；

步骤二，换能器产生的超声振动通过变幅器进行放大，变幅器输出超声振动为：

x₂＝kAsin(2πft)

其中，k为变幅器放大倍数；

步骤三，将变幅器输出的超声振动输入至十字形变幅器；所述焊接模块为焊接工具头，焊接工具头与输出安装位二连接；焊接时，变幅器输出的超声振动通过十字形变幅器转化分解为纵向振动、横向振动和切向振动，使得焊接工具头输出纵向振动，实现塑料件焊接；

纵向振动为：

其中，H、W分别为十字形变幅器的输出端端面尺寸，L为十字形变幅器的臂长，S为变幅器的端面面积，c为超声振动在十字形变幅器中的传播速度。

步骤三中，通过调节十字形变幅器的输出端端面尺寸H、W，和调节十字形变幅器的臂长L，实现对纵向振动的振动幅值进行调节。

当焊接模块与输出安装位三连接，焊接时焊接模块输出三维耦合振动，实现金属件焊接，包括以下步骤：

步骤I.采用工频交流电经过超声波发生器转换为高频高压信号，将高频高压信号输入到换能器产生超声振动为：

x₁＝Asin(2πft)

其中，A为换能器输出振幅，f为振动频率，t为时间；

步骤II.换能器产生的超声振动通过变幅器进行放大，变幅器输出超声振动为：

x₂＝kAsin(2πft)

其中，k为变幅器放大倍数；

步骤III.将变幅器输出的超声振动输入至十字形变幅器；所述焊接模块为焊接工具头，焊接工具头与输出安装位三连接；焊接时，变幅器输出的超声振动通过十字形变幅器分解为纵向振动、横向振动和切向振动，在输出安装位三处纵向振动和切向振动合成扭转运动，并与横向振动一起组合，使得焊接工具头输出三维耦合振动，实现金属件焊接；

纵向振动为：

切向振动为：

其中，H、W分别为十字形变幅器的输出端端面尺寸，S为变幅器的端面面积，c为超声振动在十字形变幅器中的传播速度，L₂、H₂分别为输出安装位三在十字形变幅器的位置尺寸，

分别为切向与纵向的相位差。

步骤III中，通过调节十字形变幅器的输出端端面尺寸H、W，和/或输出安装位一在十字形变幅器的位置尺寸L₂、H₂，实现对纵向振动的振动幅值和切向振动幅值进行调节。

本发明是基于固体中振动传播原理，将一维纵向的超声振动转换为纵向振动、横向振动和切向振动，同时基于振动合成原理，使变幅机构的端面呈现不同振动的振动模式，通过将焊接模块与变幅机构的不同端面采用螺纹结构连接，可实现超声金属焊接、超声塑料焊接或膜类微型零件的焊接等。

本发明是在原有纵向超声焊接基础上，基于固体中波动理论，对其进行设计改进，通过重新设计的变幅器振动结构，可实现同一设备满足不同焊接需求。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明是在传统纵向超声焊接基础上，基于振动在固体中传播和合成机理，仅通过变幅器的精密设计加工，可以实现将一维纵向超声焊接改变为三维纵-扭复杂耦合振动超声焊接，设备结构简单，成本低。

2、本发明将一维纵向振动改变为三维耦合振动，将有效提升输入界面的超声能量，使焊接界面连接更加均匀。

3、本发明中纵向振动、横向振动和切向的振动将远小于超声振动幅值，焊接过程中待焊工件承受振动负载大幅减小，可以实现膜类等微型零件的焊接，拓宽了超声焊接的应用范围。

4、通过对十字形变幅器及其端面尺寸的优化设计，可以对纵向振动、横向振动和切向振动的幅值调节，将焊接模块与十字形变幅器不同输出安装位的连接，可实现超声塑料焊接、超声金属焊接、膜类等微型零件焊接。

附图说明

图1是实施例一中超声焊接方法采用的超声焊接装置的示意图；

图2是十字形变幅器的示意图一；

图3是十字形变幅器的示意图二；

图4是十字形变幅器的示意图三；

图5是十字形变幅器的示意图四；

图6是十字形变幅器的示意图五；

图7是十字形变幅器的示意图六；

图8是十字形变幅器的示意图七；

图9是实施例二中超声焊接方法采用的超声焊接装置的示意图；

图10是实施例三中超声焊接方法采用的超声焊接装置的示意图；

图11是实施例四中十字形变幅器的示意；

其中，1为换能器，2为变幅器，3为十字形变幅器，4为波形转换器，5为焊接工具头，6为超声发生器、7为输出安装位一、8为输出安装位二、9为输出安装位三、10为垂直连线的端部。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例一

如图1至图5所示，本发明超声焊接方法采用的超声焊接装置包括十字形变幅器3、变幅器2换能器1、超声发生器6和焊接模块，其中，超声发生器6 通过高频线与换能器1相连，换能器1与变幅器2采用螺栓连接，变幅器2与十字形变幅器3通过螺栓相连。

本实施例的十字形变幅器3的一端为输入端，变幅器2通过螺栓与输入端连接。十字形变幅器3输入端相对的端部作为输出端，该输出端设置有三个输出安装位，分别为用于实现输出纵向和横向扭转耦合振动的输出安装位一7、用于实现输出纵向振动的输出安装位二8以及用于实现输出纵向和切向扭转耦合振动的输出安装位三9。

具体地说，输出安装位一7位于输出端的前端面(图中面①)，在实际应用中，，输出安装位一7也可位于后端面。本发明的输出安装位一7设置有安装凸台10。输出安装位二8位于输出端的端部端面(图中面②)，输出安装位三 9位于输出端的下端面(图中面③)。

本发明的超声焊接方法是这样的：采用固定振动传播方式通过十字形变幅器3将超声振动进行转换，使十字形变幅器3的每个输出安装位呈现不同振动的振动模式；将焊接模块与十字形变幅器3的不同输出安装位连接使得焊接模块输出三维耦合振动或纵向振动，实现微型零件焊接、金属件焊接或塑料件焊接。本实施例的焊接模块由波形转换器4和焊接工具头5连接组成，其中，波形转换器4安装在凸台10上，与输出安装位一7连接，凸台10的设计可以使得与其安装的波形转换器4耦合效果更好。本实施例的超声焊接方法包括以下步骤：

第一步，采用工频交流电(220V/380V，50Hz)经过超声波发生器6转换为频率为20-100KHz的高频高压信号，将高频高压信号输入到换能器1产生超声振动，超声波发生器6输出功率为50-3000W，换能器1输出为：

x₁＝Asin(2πft)

其中，换能器输出振幅为1μm≤A≤30μm，f为振动频率，t为时间；

第二步，换能器1产生的超声振动通过变幅器2进行放大，变幅器2输出超声振动为：

x₂＝kAsin(2πft)

其中，k为变幅器2放大倍数；

第三步，将变幅器2输出的超声振动输入至十字形变幅器3；波形转换器4 与输出安装位一7连接；焊接时，变幅器2输出的超声振动通过十字形变幅器3 分解为纵向振动x、横向振动y和切向振动z，在输出安装位一7处纵向振动x 和横向振动y合成扭转运动，并与切向振动z一起组合，使得焊接工具头5输出三维耦合振动，实现膜类等微型零件焊接；

纵向振动为：

横向振动为：

其中，H、W分别为十字形变幅器3的输出端端面尺寸，S为变幅器2的端面面积，c为超声振动在十字形变幅器3中的传播速度，L₁、W₁分别为输出安装位一7在十字形变幅器3的位置尺寸，

分别为横向与纵向的相位差。

第三步中，通过调节十字形变幅器3的输出端端面尺寸H、W，和/或调节输出安装位一7在十字形变幅器3的位置尺寸L₁、W₁，实现对纵向振动x的振动幅值和横向振动y的振动幅值进行调节。

本实施例超声焊接装置工作时，十字形变幅器3输出的纵向振动x和横向振动y在焊接工具头5端部合成扭转运动，并与切向振动z一起组合，使得焊接工具头5输出三维耦合振动，可实现膜类等微型零件高效、和高质焊接。

实施例二

如图2、8和9所示，本实施例的焊接模块为焊接工具头5，本实施例的超声焊接装置的其它结构与实施例一的超声焊接装置结构相同。该焊接工具头5 与十字形变幅器3的输出安装位二8连接，输出安装位二8位于输出端的端部端面(图中面②)。

本实施例的超声焊接方法包括以下步骤：

步骤一，采用工频交流电(220V/380V，50Hz)经过超声波发生器6转换为频率为20-100KHz的高频高压信号，将高频高压信号输入到换能器1产生超声振动，超声波发生器6输出功率为50-3000W，换能器1输出为：

x₁＝Asin(2πft)

其中，换能器输出振幅为1μm≤A≤30μm，f为振动频率，t为时间；

步骤二，换能器1产生的超声振动通过变幅器2进行放大，变幅器2输出超声振动为：

x₂＝kAsin(2πft)

其中，k为变幅器2放大倍数；

步骤三，将变幅器2输出的超声振动输入至十字形变幅器3，焊接工具头5 与输出安装位二8连接；焊接时，变幅器2输出的超声振动通过十字形变幅器3 转化分解为纵向振动x、横向振动y和切向振动z，使得焊接工具头5输出纵向振动，实现塑料件焊接；

纵向振动为：

其中，H、W分别为十字形变幅器3的输出端端面尺寸，L为十字形变幅器 3的臂长，S为变幅器2的端面面积，c为超声振动在十字形变幅器3中的传播速度。

步骤三中，通过调节十字形变幅器3的输出端端面尺寸H、W，和调节十字形变幅器3的臂长L，实现对纵向振动x的振动幅值进行调节。

实施例三

如图2、6、7和10所示，本实施例的焊接模块为焊接工具头5，本实施例的超声焊接装置的其它结构与实施例一的超声焊接装置结构相同。该焊接工具头5与十字形变幅器3的输出安装位三9连接，输出安装位三9位于输出端的下端面(图中面③)。

本实施例的超声焊接方法包括以下步骤：

步骤I.采用工频交流电(220V/380V，50Hz)经过超声波发生器6转换为频率为20-100KHz的高频高压信号，将高频高压信号输入到换能器1产生超声振动，超声波发生器6输出功率为50-3000W，换能器1输出为：

x₁＝Asin(2πft)

其中，换能器输出振幅为1μm≤A≤30μm，f为振动频率，t为时间；

步骤II.换能器1产生的超声振动通过变幅器2进行放大，变幅器2输出超声振动为：

x₂＝kAsin(2πft)

其中，k为变幅器2放大倍数；

步骤III.将变幅器2输出的超声振动输入至十字形变幅器3，焊接工具头5 与输出安装位三9连接；焊接时，变幅器2输出的超声振动通过十字形变幅器3 分解为纵向振动x、横向振动y和切向振动z，在输出安装位三9处纵向振动x 和切向振动z合成扭转运动，并与横向振动y一起组合，使得焊接工具头5输出三维耦合振动，实现金属件焊接；

纵向振动为：

切向振动为：

其中，H、W分别为十字形变幅器3的输出端端面尺寸，S为变幅器2的端面面积，c为超声振动在十字形变幅器3中的传播速度，L₂、H₂分别为输出安装位三在十字形变幅器3的位置尺寸，

分别为切向与纵向的相位差。具体地说， L₂是输出安装位三到十字形变幅器3竖直方向中心线的距离，H₂是输出安装位三到十字形变幅器3横向方向中心线的距离。

步骤III中，通过调节十字形变幅器3的输出端端面尺寸H、W，和/或输出安装位一在十字形变幅器3的位置尺寸L₂、H ₂，实现对纵向振动的振动幅值和切向振动幅值进行调节。

本实施例超声焊接装置工作时，十字形变幅器3输出的纵向振动x和切向振动z在焊接工具头5端部合成扭转运动，并与横向振动y一起组合，使得焊接工具头5可以输出三维耦合振动，可实现塑料件焊接。

实施例四

本实施例与实施例一不同之处仅在于：如图11所示，本实施例的输出端为垂直连线的端部10，两个垂直连线的端部10均可作为十字形变幅器的输出端。该垂直连线是与输入端和输入端相对端的连线相互垂直。

本实施例的其它结构均与实施例一一致。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声焊接方法，其特征在于：设置焊接模块和带有输出安装位的变幅机构，采用固定振动传播方式通过变幅机构将超声振动进行转换，使变幅机构的每个输出安装位呈现不同振动的振动模式；将焊接模块与变幅机构的不同输出安装位连接使得焊接模块输出三维耦合振动或纵向振动，实现微型零件焊接、金属件焊接或塑料件焊接。

2.根据权利要求1所述的超声焊接方法，其特征在于：所述变幅机构设置有三个输出安装位，该三个输出安装位分别为用于实现输出三维耦合振动的输出安装位一、用于实现输出纵向振动的输出安装位二以及用于实现输出三维耦合振动的输出安装位三。

3.根据权利要求2所述的超声焊接方法，其特征在于：所述变幅机构包括十字形变幅器，十字形变幅器的一端为输入端，远离输入端的端部作为输出端，三个输出安装位分别位于输出端的三个端面，三个端面两两相互垂直。

4.根据权利要求3所述的超声焊接方法，其特征在于：所述输出安装位一位于输出端的前端面或后端面；所述输出安装位二位于输出端的端部端面；所述输出安装位三位于输出端的下端面。

5.根据权利要求2所述的超声焊接方法，其特征在于：当焊接模块与输出安装位一连接，焊接时焊接模块输出三维耦合振动，实现微型零件焊接，包括以下步骤：

第一步，采用工频交流电经过超声波发生器转换为高频高压信号，将高频高压信号输入到换能器产生超声振动为：

x₁＝Asin(2πft)

其中，A为换能器输出振幅，f为振动频率，t为时间；

第二步，换能器产生的超声振动通过变幅器进行放大，变幅器输出超声振动为：

x₂＝kAsin(2πft)

其中，k为变幅器放大倍数；

第三步，将变幅器输出的超声振动输入至十字形变幅器；所述焊接模块由波形转换器和焊接工具头连接组成，波形转换器与输出安装位一连接；焊接时，变幅器输出的超声振动通过十字形变幅器分解为纵向振动、横向振动和切向振动，在输出安装位一处纵向振动和横向振动合成扭转运动，并与切向振动一起组合，使得焊接工具头输出三维耦合振动，实现膜类等微型零件焊接；

纵向振动为：

横向振动为：

其中，H、W分别为十字形变幅器的输出端端面尺寸，S为变幅器的端面面积，c为超声振动在十字形变幅器中的传播速度，L₁、W₁分别为输出安装位一在十字形变幅器的位置尺寸，

分别为横向与纵向的相位差。

6.根据权利要求5所述的超声焊接方法，其特征在于：第三步中，通过调节十字形变幅器的输出端端面尺寸H、W，和/或调节输出安装位一在十字形变幅器的位置尺寸L₁、W₁，实现对纵向振动的振动幅值和横向振动的振动幅值进行调节。

7.根据权利要求2所述的超声焊接方法，其特征在于：当焊接模块与输出安装位二，焊接时焊接模块输出纵向振动，实现塑料件焊接，包括以下步骤：

步骤一，采用工频交流电经过超声波发生器转换为高频高压信号，将高频高压信号输入到换能器产生超声振动为：

x₁＝Asin(2πft)

其中，A为换能器输出振幅，f为振动频率，t为时间；

步骤二，换能器产生的超声振动通过变幅器进行放大，变幅器输出超声振动为：

x₂＝kAsin(2πft)

其中，k为变幅器放大倍数；

步骤三，将变幅器输出的超声振动输入至十字形变幅器；所述焊接模块为焊接工具头，焊接工具头与输出安装位二连接；焊接时，变幅器输出的超声振动通过十字形变幅器转化分解为纵向振动、横向振动和切向振动，使得焊接工具头输出纵向振动，实现塑料件焊接；

纵向振动为：

其中，H、W分别为十字形变幅器的输出端端面尺寸，L为十字形变幅器的臂长，S为变幅器的端面面积，c为超声振动在十字形变幅器中的传播速度。

8.根据权利要求7所述的超声焊接方法，其特征在于：步骤三中，通过调节十字形变幅器的输出端端面尺寸H、W，和调节十字形变幅器的臂长L，实现对纵向振动的振动幅值进行调节。

9.根据权利要求2所述的超声焊接方法，其特征在于：当焊接模块与输出安装位三连接，焊接时焊接模块输出三维耦合振动，实现金属件焊接，包括以下步骤：

步骤I.采用工频交流电经过超声波发生器转换为高频高压信号，将高频高压信号输入到换能器产生超声振动为：

x₁＝Asin(2πft)

其中，A为换能器输出振幅，f为振动频率，t为时间；

步骤II.换能器产生的超声振动通过变幅器进行放大，变幅器输出超声振动为：

x₂＝kAsin(2πft)

其中，k为变幅器放大倍数；

步骤III.将变幅器输出的超声振动输入至十字形变幅器；所述焊接模块为焊接工具头，焊接工具头与输出安装位三连接；焊接时，变幅器输出的超声振动通过十字形变幅器分解为纵向振动、横向振动和切向振动，在输出安装位三处纵向振动和切向振动合成扭转运动，并与横向振动一起组合，使得焊接工具头输出三维耦合振动，实现金属件焊接；

纵向振动为：

切向振动为：

其中，H、W分别为十字形变幅器的输出端端面尺寸，S为变幅器的端面面积，c为超声振动在十字形变幅器中的传播速度，L₂、H₂分别为输出安装位三在十字形变幅器的位置尺寸，

分别为切向与纵向的相位差。

10.根据权利要求9所述的超声焊接方法，其特征在于：步骤III中，通过调节十字形变幅器的输出端端面尺寸H、W，和/或输出安装位一在十字形变幅器的位置尺寸L₂、H₂，实现对纵向振动的振动幅值和切向振动幅值进行调节。

Images