CN115922052B - 一种超声波连续焊接系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波连续焊接系统及方法，涉及超声波焊接领域；针对目前超声波焊接时形成的焊接质量和焊缝强度无法满足需求的问题，通过配置可调压力的超声波焊头和保压块，并能够对保压时间进行调整，实现超声波连续焊过程中的保压工艺过程，获得均匀的焊缝厚度和强度分布，提高焊接质量和焊接强度。

Description

一种超声波连续焊接系统及方法

技术领域

本发明涉及超声波焊接领域，具体涉及一种超声波连续焊接系统及方法。

背景技术

高性能热塑性复材在飞机机体、机翼和整流罩等关键结构部件的应用越来越广泛，热塑性复合材料的加热熔融-冷却固化过程是可逆的，这一特点使得热塑性复材可以通过焊接的方式进行连接，而超声波焊接是一种重要的热塑性材料连接方式，其主要工作机理是在高频率超声波作用下，待连接两个部件的界面处产生高频机械振动，致使界面处的热塑性树脂在高频率分子摩擦和界面摩擦下生热融合，并在冷却后形成焊缝。超声波焊接具有效率高、稳定性好的特点，但是传统热塑性复材的超声波焊接采用点焊的方式，只适用于焊接小尺度焊接连接面，而对于中、大尺度热塑性复材构件的连接只局限于间断式的焊接，这导致两个热塑性复材的连接界面无法实现完全连接和密封，影响了连接接头的强度、耐湿热老化和疲劳性能等。连续性超声波焊接能够克服上述点焊的缺点，但目前的超声波连续焊接技术仍存在较多问题。

中国专利(公开号：CN 111070697)中公开了一种热塑性复材连续化超声焊接设备。该设备通过在焊接过程中移动固定有热塑性复材部件的支撑台来实现连续性超声波焊接。但是，在超声波焊接完成以后的冷却过程中保持对焊合区的下压力所实现的保压过程是获得高质量焊接接头的关键，而这种方式的连续性焊接在工艺上无法实现保压，因此获得的连续性焊接接头的焊缝厚度不均匀、焊接强度不稳定。此外，这一焊接设备仅适用于待焊合区为平面的两个热塑性复材部件的焊接，对于曲面热塑性复材部件并不适用，例如飞机机翼、整流罩和机身结构。

中国专利(公开号：CN114654074)公开了一种对热塑性材料的表面进行滚压或者激光刻蚀获得表面凹凸结构的方法，并对表面有凹凸结构的热塑性复材进行超声波连续焊接。但是在对热塑性复材进行表面滚压或者激光刻蚀，会造成热塑性复材表面碳纤维不可避免的损伤和破坏，在焊合区引入了缺陷，因此会影响焊接头的成型质量，此外，该专利并未公布新型的连续焊接工艺和设备，采用的连续焊接方法与上述专利(CN 111070697)公布的方法相似，仍然无法实现焊接后的保压，因此会对焊接质量和焊接头强度造成负面影响。

中国专利(公开号：CN114643403A)公开了一种超声波连续焊接机械手的末端焊接装置，在焊枪两侧安转了焊件预压装置和冷却保压装置，该焊件预压装置和冷却保压装置末端均实现对焊接表面的按压和滚动。但是，该焊件预压装置和冷却保压装置的下压压力是通过弹簧进行控制，这种装置以及控制方式存在的问题包括：(1)预压压力和保压压力控制精度低；(2)在超声波焊接过程中，焊头进行一定的振幅上下震动，会导致弹簧的压缩程度不断变化，因此整个过程中焊接压力和保压压力不断变化；(3)该焊接装置中预压装置和冷却保压装置与焊头之间的距离无法改变，因此无法通过对预压区域和保压时间的调控，优化工艺过程。因此，这一焊接装置无法实现对焊接过程中预压和保压压力及时间的精确控制，不能实现对焊接质量和焊接强度的高精度要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种超声波连续焊接系统及方法，通过配置可调压力的超声波焊头和保压块，并能够对保压时间进行调整，实现超声波连续焊过程中的保压工艺过程，获得均匀的焊缝厚度和强度分布，提高焊接质量和焊接强度。

本发明的第一目的是提供一种超声波连续焊接系统，采用以下方案：

包括间隔布置的超声波焊头和保压块，超声波焊头和保压块分别连接有用于调节工作压力的调压组件，保压块连接有调距组件，带动保压块移动以调节保压块作用位置与超声波焊头作用位置的间距，从而调节保压块对已成型焊缝的保压时间。

进一步地，还包括预压块，预压块、超声波焊头和保压块依次间隔布置，预压块连接有对应的调压组件以调节工作压力，还连接有调距组件以调节预压块对待焊接位置的预压时间。

进一步地，所述调压组件为伸缩件，伸缩件带动所连接元件调节相对于其初始状态的相对位置。

进一步地，还包括固定和夹持装置，超声波焊头和保压块安装于固定夹持装置的末端，固定夹持装置带动超声波焊头和保压块改变与工件的相对位置。

进一步地，还包括定位和支撑装置，定位和支撑装置包括支撑组件和移动组件，支撑组件设有适应待焊接工件形态的承载部，移动组件带动承载有待焊工件的支撑组件移动，以改变待焊工件与超声波焊头的相对位置。

进一步地，所述固定和夹持装置、定位和支撑装置、调节组件和调距组件分别接入控制器，控制器对各个部分进行控制。

本发明的第二目的是提供超声波连续焊接方法，利用如上所述的超声波连续焊接系统，包括：

依据待焊接工件特性配置超声波焊接参数；

装夹工件，超声波焊头和保压块依据超声波焊接参数执行；

超声波焊头对工件进行超声波连续焊接形成焊缝，保压块对超声波焊头形成的焊缝进行保压。

进一步地，依据工件形态配置定位和支撑装置，承载工件并带动工件相对于焊接位置移动。

进一步地，在待焊接工件的两个部件的待焊合区置入导能筋，执行超声波连续焊接工序，将待焊合表面和导能筋共同熔融连接形成焊缝。

进一步地，配置预压块和对应的调压组件、调距组件，对超声波焊头作用前的待焊和位置进行预压作用。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

(1)针对目前超声波连续焊接时形成的焊接质量和焊缝强度无法满足需求的问题，通过配置可调压力的超声波焊头和保压块，并能够对保压时间进行调整，实现超声波连续焊过程中的保压工艺过程，获得均匀的焊缝厚度和强度分布，提高焊接质量和焊接强度。

(2)对于中、大尺寸热塑性复材工件的超声波焊接，传统的点焊仅能实现间断式焊接，通过配置预压块、超声波焊头、保压块并对其配置可调节组件，能够实现连续超声焊接，从而获得更高的焊接强度、完全密封的焊合面、更好的耐湿热老化性能和疲劳性能。

(3)为连续超声波焊接设备设计了保压模块，在超声焊接完成后对焊合区域进行保压能够提高焊合质量和焊缝厚度均匀性，并且通过合理控制保压模块和焊头的间距以及保压压力能够在保证焊接质量的前提下提高连续焊接的焊接速度，不仅提高了焊接效率，并且可以避免低速连续焊接情况下因散热不及时导致的热塑性树脂过热烧蚀。

(4)针对壁厚较薄热塑性复材工件的连续焊接，在焊头前方设计了压力可控的预压模块，从而保证焊头到达预定焊接点时两个薄壁焊接工件已经完全贴合，避免了由于焊接压力过大、焊头与接触工件摩擦力大所导致的碳纤维复材表面的纤维破坏。

(5)配置承载异形工件的定位和支撑装置，并带动异型工件按照所需路径相对于焊接位置移动，能够进行具有一定曲面的两个热塑性复材构件的连续性超声波焊接，因此适用于飞机机翼、整流罩以及机身等大型航空曲面结构的焊接。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明一个或多个实施例中一种龙门架连接超声波焊头的示意图。

图2为本发明一个或多个实施例中另一种工业机器人连接超声波焊头的示意图。

图3为本发明一个或多个实施例中示意图。

图4为本发明一个或多个实施例中梯形加强筋与热塑性复材板焊接的示意图。

图5为本发明一个或多个实施例中梯形加强筋与热塑性复材板焊接的断面示意图。

图6为本发明一个或多个实施例中曲面工件与支撑组件的示意图。

图7为本发明一个或多个实施例中曲面工件上连接加强筋的示意图。

图8为本发明一个或多个实施例中曲面工件上连接加强筋的断面示意图。

其中，1.超声波焊头；2.平板型热塑性复材工件A；3.平板型热塑性复材工件B；4.薄膜式导能筋；5.保压块；6.保压伺服电机；7.超声波发生及放大系统；8.超声设备伺服电机；9.预压块；10.预压伺服电机；11.可移动平板型工件支撑台；12.导向伺服电机；13.导向系统；14.工件固定模块；15.龙门架；16.工控系统；17.角度调节装置；18曲面型热塑性复材工件A；19.曲面型热塑性复材工件B；20.工业机器人；21.曲面工件支撑台；22.梯形热塑性复材加强筋；23.热塑性纤维编织导能筋；24.曲面型热塑性复材面板工件；25.“T”型热塑性复材加强筋。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图8所示，给出一种超声波连续焊接系统。

热性能热塑性复材在飞机机体、机翼和整流罩等关键结构部件的应用越来越广泛，开发高效可靠的连接技术以实现热塑性复材及其构件的高质量、高强度连接至关重要，但目前的连续性焊接接头的焊缝厚度不均匀、焊接强度不稳定，并且目前的焊接设备仅适用于待焊合区为平面的两个热塑性复材部件的焊接，对于曲面热塑性复材部件并不适用，例如飞机机翼、整流罩和机身结构。

部分焊接装置设置了预压装置和保压装置，但是其预压压力和保压压力的控制精度低，在超声波焊接过程中，焊头进行一定的振幅上下震动，会导致弹簧的压缩程度不断变化，因此整个过程中焊接压力和保压压力不断变化，还存在预压位置、保压位置与焊头的间距无法调整的问题，无法满足焊接过程对预压和保压压力、时间的控制需求。

基于此，本实施例提供一种超声波连续焊接系统，实现超声波连续焊过程中的保压工艺过程，能够实现预压和保压过程中压力及时间的精确控制，获得均匀的焊缝厚度和强度分布，并且能够对具有一定曲面的大尺寸热塑性复材工件进行超声波连续焊接。

下面，结附图对本实施例中的超声波连续焊接系统进行详细说明。

参见图1，超声波连续焊接系统包括固定和夹持装置、超声波焊接装置、预压模块、保压模块、定位和支撑装置、运动导向模块以及工控系统。

焊接设备固定和夹持装置为龙门架或者工业机器人手臂，用于实现超声波焊接装置以及预压和保压单元集成装置的夹持和自动化集成，对于焊接面为平面的情况，采用龙门架即可，对于焊接面为具有一定曲面的情况，则须采用工业机器人手臂或者龙门式机器人。

超声波焊接装置主要由超声波发生器、超声波换能器、超声波焊头1、气动部分以及程序控制部分组成，超声波焊接装置能够产生频率在20kHz与100kHz之间的机械振动，最大焊接压力要求能达到2kN，超声波发生器、超声波换能器组成超声波发生及放大系统，其输出端连接超声波焊头1。

预压单元和保压单元分别位于超声波焊头1的两侧，预压单元包括预压伺服电机10和预压头9，保压单元包括保压伺服电机6和保压头5。与热塑性复材构件接触的预压块9和保压块5由硬质金属制成，预压块9和保压块5的下压压力由对应的预压伺服电机10和保压伺服电机6进行控制。

在连续超声焊接过程中，预压块9在超声波焊头1的前端与工件接触，用于在焊接开始前实现焊接区域两侧工件的贴合，预压块9对于厚度较薄(≤0.8mm)的热塑性复材及其工件是必须的，而对于厚度相对较厚的热塑性复材及其工件可以不用预压块9。

保压块5位于超声波焊头1的后端与工件接触，保压过程是连续焊接工艺过程所必须的。其中，预压块9与超声波焊头1的间距、保压块5与超声波焊头1的间距均可以调节，预压压力和保压压力通过其各自连接的伺服电机进行控制。

热塑性复材工件定位和支撑装置用来固定需要焊接的两个热塑性复材工件，对于平板型热塑性复材工件来说，定位和支撑装置也设计为平板型，形成可移动平板型工件支撑台11，可配合使用龙门架式焊接设备夹持装置，这时需要对工件的支撑装置添加水平方向的传动和导轨装置，实现超声波焊接过程中超声波焊接接头1、预压块9、保压块5三者与复材工件的相对运动，完成超声波连续焊接。

对于连接面具有一定弧度的热塑性复材工件来说，定位和支撑装置需具有与所接触热塑性复材工件相同的弧度，采用曲面工件支撑台21，从而保证在连续焊接过程中对工件焊接区域产生均匀的、强有力的支撑，这一工装情况下，需要采用工业机器人手臂或者龙门式工业机器人作为焊接设备夹持装置，超声波焊头1、预压块9、保压块5三者与热塑性复材工件接触面的相对运动通过夹持装置的自动化运动来获得，实现连续超声波焊接。

工控系统是将超声波焊接装置、预压伺服电机10、保压伺服电机6、焊接设备夹持装置和运动导向装置等进行PLC集成化控制，从而对连续焊接过程中所有装置的动作进行自动化控制，完成在设定预压压力、保压压力、焊接工艺参数以及连续焊接行程下进行高质量的连续性超声焊接。

另外，对于常规热塑性碳纤维复材及其构件，要获得高强度超声波焊接接头，需要在两个热塑性复材部件的待焊合区域放置一层热塑性树脂导能筋，导能筋可根据需求配置为多种结构，比如薄膜、网格、编织布等。

导能筋材料优选与工件的热塑性基体相同的材料，在连续焊接过程中高频率超声波震动将两个工件的待焊合表面和热塑性薄膜共同熔融连接形成焊缝，若不添加导能筋，焊接强度会相对降低。对于具有表面特殊结构设计的热塑性复材及其工件，例如在热塑性复材工件待焊接表面成型或者加工额外的热塑性树脂结构的情况，可以不在两个热塑性复材工件之间添加导能筋进行连续超声焊接，焊接过程中热塑性复材工件表面的热塑性树脂结构在高频超声振动下熔融连接形成焊缝。

对于待焊接区域为平面的两个热塑性复材工件的焊接，优选龙门架15作为超声波焊接设备、预压模块以及保压模块的夹持装置，在焊接过程中，首先超声波焊头1、预压块9、保压块5下压到两个热塑性复材待焊接区域，并保持位置不变，焊接压力、预压压力和保压压力可通过各模块各自连接的伺服电机进行控制，焊接开始后，与热塑性复材支撑装置相连接的导向装置带动两个热塑性复材工件在焊缝延伸方向运动，实现超声波连续焊接。

对于待焊接区域具有一定曲面的两个热塑性复材工件焊接，采用工业机器人20或者龙门式工业机器人作为超声波焊接设备、预压模块以及保压模块的夹持装置，同样的，在焊接过程中，首先超声波焊接接头1、预压块9、保压块5下压到两个热塑性复材待焊接区域，焊接压力、预压压力和保压压力可通过各模块各自连接的伺服电机进行控制，焊接开始后，两个热塑性复材工件位置保持不变，工业机器人携带超声波设备、预压模块和保压模块沿着焊缝延伸方向移动，完成焊接接头1、预压块9和保压块5三者与待焊接热塑性复材工件的相对运动，实现具有预压和保压工艺的连续性超声波焊接。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1-图8所示，给出一种超声波连续焊接方法。

结合图1-图7，该焊接方法包括：

依据待焊接工件特性配置超声波焊接参数；

装夹工件，超声波焊头1和保压块5依据超声波焊接参数执行；

超声波焊头1对工件进行超声波连续焊接形成焊缝，保压块5对超声波焊头形成的焊缝进行保压。

结合图1-图7以及实施例1，对于上述焊接方法进行详细说明。

图1示意了超声波连续焊接系统的一种采用龙门架作为夹持工具的优化设计方案，用于焊接面为平面的平板型热塑性复材工件A2和平板型热塑性复材工件B3的超声波连续焊接，平面的平板型热塑性复材工件A2和平板型热塑性复材工件B3表面的树脂以及薄膜式导能筋4在超声波震动下发生高频率摩擦生热并产生连接，其中薄膜式导能筋4可以采用热塑性薄膜、网格、编织布等，厚度为50-500μm。

该设计方案将超声波焊头1、保压块5、预压块9分别通过超声设备伺服电机8、预压伺服电机10、保压伺服电机6与龙门架连接，三个伺服电机分别用于控制焊接压力、预压压力和保压压力，超声波焊头1、保压块5、预压块9与平板型热塑性复材工件2的接触面为平面。

在焊接前，将平板型热塑性复材工件A2、平板型热塑性复材工件B3以及薄膜式导能筋4通过工件固定模块14固定于可移动平板型工件支撑台11上，通过导向伺服电机12和导向系统13调整工件的位置，使预压块9位于待焊接线最左侧的上方。

焊接开始后，导向伺服电机12和导向系统13带动可移动平板型工件支撑台11向左移动，预压块9首先接触平板型热塑性复材工件A2的待焊接区域并下压，使平板型热塑性复材工件A2、平板型热塑性复材工件B3以及薄膜式导能筋4完全贴合，预压压力不超过500N，随着样品移动，超声波焊头1移动到待焊接区域并下压实施超声焊接，焊接压力可以采用500-2000N，然后，保压块5开始与焊接完成区域接触，实现焊缝冷却过程中的保压，保压压力不大于焊接压力，随着保压块5移动到焊线最右端，焊接完成。

连续超声波焊接速度通过可移动平板型工件支撑台11的移动速度控制，焊接过程中的预压压力、保压压力、焊接压力以及焊接速度通过工控系统16设置和控制。

图2示意了超声波连续焊接系统的一种采用工业机器人作为夹持工具的实施方式，用于连续焊接具有一定曲面的曲面型热塑性复材工件A18和曲面型热塑性复材工件B19，对于曲面的焊接，优选弧形接触面的超声波焊头1、预压块9和保压块5，角度控制器17用于调控预压块9和保压块5的角度，以实现预压块9与保压块5对焊接弧面的垂直下压。

在焊接过程中，曲面工件支撑台21固定不动，安装有超声波焊接装置、预压模块和保压模块的工业机器人20将超声波焊头1、预压块9和保压块5下压到工件2，然后沿曲面焊接线移动，实现焊头、预压块和保压块与工件的相对运动，实现超声波连续焊接。

连续超声波焊接速度通过工业机器人20的移动速度来控制，焊接过程中的预压压力、保压压力、焊接压力以及焊接速度通过工控系统16(图2中未示出，参见图1)设置和控制。

该超声波连续焊接系统及方法适用于所有纤维增强热塑性复合材料工件的连接，尤其是对于以聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)以及聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)等聚芳醚酮(PAEK)科树脂为基体的纤维增强复合材料的焊接效果更佳。

实施例3

如图3所示，将两块碳纤维增强PEEK复材平板进行超声波连续焊接，获得单臂搭接接头。复材平板厚度为2mm，面内尺寸为120mm×300mm，搭接区域宽度为12.7mm，导能筋采用厚度为200μm的PEEK薄膜。

采用图1所示的龙门架式超声连续焊接系统进行焊接，焊接速度为35mm/s。经过初步优化设计，设定超声波焊接频率为20Hz，连续焊接预压压力为0.3kN，焊接压力为0.6kN，保压压力为0.6kN，保压时间为1000ms，获得高质量单臂搭接接头。然后，按照ASTM-D1002测试标准，采用砂轮精密切割机将所单臂搭接接头加工成10个搭接区域尺寸为25.4mm×12.7mm的样品，测试得到焊接接头抗剪切强度达到39.6±1.5MPa。

实施例4

热塑性复材平板为碳纤维增强PEI，厚度为1mm，导能筋是厚度为175μm的PEI薄膜。采用图1所示的龙门架式超声焊接系统，设定超声波焊接频率为25Hz，连续焊接预压压力为0.3kN，焊接压力为0.6kN，保压压力为0.6kN，可移动平板型工件支撑台11移动速度为30mm/s，完成了长度为260mm平板的连续超声焊接，获得高强度焊接接头。

实施例5

图4和图5展示了本实施例关于碳纤维增强PEEK梯形热塑性复材加强筋22与碳纤维增强PEEK平板型热塑性复材工件B3的焊接，加强筋厚度为2mm，板材厚度为2.5mm。薄膜式导能筋4为200μm厚的PEEK薄膜。采用图1所示龙门架式连续超声焊接系统，设定超声波焊接频率为20Hz，连续焊接预压压力为0.2kN，焊接压力为1.0kN，保压压力为0.8kN，可移动平板型工件支撑台11移动速度为40mm/s，完成了长度为600mm的梯形热塑性复材加强筋20两侧的连续超声焊接，获得高强度焊接接头。

实施例6

图6展示了两个具有曲面的碳纤维增强PPS曲面性热塑性复材工件A17和曲面性热塑性复材工件AB18的连续性超声波焊接，热塑性纤维编织导能筋23是厚度为200μm的PPS纤维编织网。采用图2所示工业机器人式连续超声焊接系统，设定超声波焊接频率为20Hz，连续焊接预压压力为0.4±0.1kN，焊接压力为0.8±0.2kN，保压压力为0.6±0.2kN，曲面工件支撑台21移动速度为20-40mm/s，完成了移动距离为960mm的连续超声焊接，获得高强度焊接接头。

实施例7

图7和图8展示了本实施例关于碳纤维增强PPS“T”型热塑性复材加强筋25与碳纤维增强PPS曲面型热塑性复材面板工件24的焊接，加强筋和板材均具有一定的弧度。加强筋和板材间不使用导能筋。加强筋厚度为1.6mm，板材厚度为2.5mm。采用图2所示工业机器人式连续超声焊接系统，设定超声波焊接频率为20Hz，连续焊接预压压力为0.25±0.1kN，焊接压力为0.8±0.2kN，保压压力为0.5±0.2kN，曲面工件支撑台21移动速度为20-30mm/s，完成了移动距离为800mm的连续超声焊接，获得高强度焊接接头。

对比例1

对比例1与实施例3相对应，用于展示实施例1、2、3中所实现的保压压力精确控制的重要性。

对比例1与实施例3的唯一区别在于对比例1所采用不同的保压压力，具体为0.1kN、0.2kN、0.4kN、0.6kN、0.8kN、1.0kN和1.2kN，完成如图3所示的单臂搭接接头的连续焊接。通过显微镜分析焊接面中心截面，获得焊缝内的孔隙率，通过ASTM-D1002标准测试焊接头抗剪切强度，实验结果如表1所示。

发现保压压力大小对于超声波连续焊接接头的孔隙率和抗剪切强度具有决定性的作用，并且表明在实施例3和对比例1中所进行的PEEK复材板超声波连续焊接，应该优选0.6-1.0kN的保压压力。这直接证明了实施例1、2、3中所提出并实现的保压压力精确控制的重要性。

表1.保压压力对焊缝内孔隙率及焊接头抗剪切强度的影响

对比例2:

对比例1与实施例3相对应，用于展示实施例1、2、3中所提出并实现的保压时间精确控制的重要性，保压时间通过调控保压模块与焊接接头间距离大小来调节。

对比例2与实施例3的唯一区别在于对比例2所采用不同的保压时间，具体为0ms、200ms、400ms、800ms、1000ms、1500ms、2500ms，完成如图3所示的单臂搭接接头的连续焊接。通过显微镜分析焊接面截面，计算焊缝内气孔的体积比，通过ASTM-D1002标准测试抗剪切强度，结果如表2所示，其中表2中对应0ms和200ms保压压力的孔隙率数值无法测取，这是由于孔隙率过大，占据几乎整个焊合面。

结果证实保压过程是获得高强度超声波连续焊接接头的必要条件，且保压时间对焊接接头的孔隙率和抗剪切强度具有决定性的作用，在实施例3和对比例2中所进行的PEEK复材超声波连续焊接，应该优选1000ms以上的保压压力。这也进一步证明了实施例1、2、3所提出并实现的对保压时间的精确控制的重要性。

表2.保压时间对焊缝内孔隙率及焊接头抗剪切强度的影响

对比例3：

如图3所示，将两块碳纤维增强PEEK复材平板进行超声波连续焊接，获得单臂搭接接头。

复材平板厚度为0.8mm，面内尺寸为120mm×300mm，搭接区域宽度为12.7mm，导能筋采用厚度为100μm的PEEK薄膜。采用图1所示的龙门架式超声连续焊接系统进行焊接，焊接速度为25mm/s。经过初步优化设计，设定超声波焊接频率为20Hz，焊接压力为0.5kN，保压压力为0.5kN，保压时间为1000ms，预压块与焊接头间距为50mm，上述焊接条件固定条件下，预压压力采用50N、100N、200N、300N、400N以及500N，获得单臂搭接接头。然后采用光学显微镜对焊合面中心位置的焊缝厚度进行表征，发现预压压力达到200N及以上时，沿焊接方向300mm长的焊缝厚度分布均匀，按照ASTM-D1002测试标准，不同预压压力下焊接接头平均强度变化并不大，但是在200N及以上预压压力下，焊接接头抗剪切强度的标准偏差更小。这一对比例证明了对预压压力进行精准控制是必要的。

表3.预压压力对焊缝内孔隙率及焊接头抗剪切强度的影响

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声波连续焊接系统，其特征在于，包括间隔布置的超声波焊头和保压块，超声波焊头和保压块分别连接有用于调节工作压力的调压组件，保压块连接有调距组件，带动保压块移动以调节保压块作用位置与超声波焊头作用位置的间距，从而调节保压块对已成型焊缝的保压时间；

还包括预压块，预压块、超声波焊头和保压块依次间隔布置，预压块连接有对应的调压组件以调节工作压力，还连接有调距组件以调节预压块对待焊接位置的预压时间；

所述调压组件为伸缩件，伸缩件带动所连接元件调节相对于其初始状态的相对位置。

2.如权利要求1所述的超声波连续焊接系统，其特征在于，还包括固定和夹持装置，超声波焊头和保压块安装于固定夹持装置的末端，固定夹持装置带动超声波焊头和保压块改变与工件的相对位置。

3.如权利要求2所述的超声波连续焊接系统，其特征在于，还包括定位和支撑装置，定位和支撑装置包括支撑组件和移动组件，支撑组件设有适应待焊接工件形态的承载部，移动组件带动承载有待焊工件的支撑组件移动，以改变待焊工件与超声波焊头的相对位置。

4.如权利要求3所述的超声波连续焊接系统，其特征在于，所述固定和夹持装置、定位和支撑装置、调节组件和调距组件分别接入控制器，控制器对各个部分进行控制。

5.一种超声波连续焊接方法，利用如权利要求1-4任一项所述的超声波连续焊接系统，其特征在于，包括：

依据待焊接工件特性配置超声波焊接参数；

装夹工件，超声波焊头和保压块依据超声波焊接参数执行；

超声波焊头对工件进行超声波连续焊接形成焊缝，保压块对超声波焊头形成的焊缝进行保压。

6.如权利要求5所述的超声波连续焊接方法，其特征在于，依据工件形态配置定位和支撑装置，承载工件并带动工件相对于焊接位置移动。

7.如权利要求5所述的超声波连续焊接方法，其特征在于，在待焊接工件的两个部件的待焊合区置入导能筋，执行超声波连续焊接工序，将待焊合表面和导能筋共同熔融连接形成焊缝。

8.如权利要求5所述的超声波连续焊接方法，其特征在于，配置预压块和对应的调压组件、调距组件，对超声波焊头作用前的待焊和位置进行预压作用。