CN2429292Y - 超声波焊接机的阻抗变换型电声换能器 - Google Patents

超声波焊接机的阻抗变换型电声换能器 Download PDF

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本实用新型属于一种超声波焊接机的阻抗变换型电声换能器,由一组压电晶体和黄铜谐振振子、黄铜阻抗变换器、钢阻抗变换器、钢振幅放大器及钢工具头组成。该电声换能器比常用的铝制电声换能器相比,传输功率可提高30%以上,使用寿命可延长5倍以上,而且成本低,加工容易,经济实用。

Description

超声波焊接机的阻抗变换型电声换能器
本实用新型涉及一种超声波电声换能器，特别是一种超声波焊接机的阻抗变换型电声换能器。
常用的铝或铝合金电声换能器，有电声转换效率高的优点，但因机械强度较低，故而输出功率和适用场合受到限制，而且使用寿命短，特别是工具头部份容易发生振裂损坏现象。钛合金电声换能器，有电声转换效率和机械强度都较高的优点，但因实施机械加工困难和材料成本高，所以推广应用存在问题。本实用新型采用黄铜和炭素钢、不锈钢或易加工的合金钢作为原材料，从而成本低、加工容易、机械强度高，较好地解决了电声换能器的大功率、长寿命问题，有经济实用和推广应用方便的优点。由于是两种不同材料组合而成，所以必须解决两种不同材料之间的声阻抗匹配问题。
本实用新型的目的是提供一种采用黄铜和钢制作的超声波焊接机的阻抗变换型电声换能器，以获得阻抗匹配的最佳功率传输线。
本实用新型是采用这样的方法实现的，采用声阻抗与压电晶体比较接近的黄铜材料制作超声谐振振子，采用机械强度(或疲劳强度)高的炭素钢或合金钢制作超声工具头，而在黄铜振子和钢工具头之间加入黄铜与钢的阻抗变换器及钢振幅放大器，从而获得两种不同材料之间阻抗匹配的最佳功率传输线，并达到放大超声振幅的目的。HPb-59-1黄铜材料的棒中纵波声速为3100m／s，密度为8．4g／cm3，声阻抗为2．60×106kg／m2·s；锆钛酸铅压电晶体的棒中纵波声速为3200m／s，密度为7．6g／cm3，声阻抗为2．43×106kg／m2·s。两者的声阻抗相当接近，因此用黄铜材料制作超声谐振振子效果良好。炭素钢的棒中纵波声速为5050m／s，密度为7．8g／cm3，声阻抗为3．94×106kg／m2·s，是黄铜声阻抗的1．62倍，相差较大。如果黄铜和钢两种材料简单相连，将在两种材料界面处产生超声振动的大量反射，功率传输受阻。为此，引入黄铜阻抗变换器和钢阻抗变换器，令两个变换器的横截面面积之比等于两种材料声阻抗之比的倒数，即两个变换器的声阻抗与横截面面积的乘积相等，而且两个阻抗匹配器的长度之和等于超声波在既定工作频率时的1／4波长。而每一个阻抗变换器的长度为超声波在该材料中波长的1／8。为获得足够大的超声振幅，在两个阻抗匹配器与钢工具头之间加入长度为1／4波长的钢振幅放大器，其振幅放大量与钢阻抗变换器和钢振幅放大器的横截面面积之比成比例，振幅放大器的形状可以是圆柱形的也可以是圆锥形、指数形、双曲线形，可按不同的振幅放大量要求选择采用。
本实用新型与目前常用的铝或铝合金电声换能器相比，传输功率可提高30％以上，而使用寿命可延长5倍以上。比如一台700W的无纺布在线焊接机，每隔2秒焊一次，焊接时间0．2秒，其铝制电声换能器一般连续使用4万次就出现故障，特别是铝工具头振裂且焊接效果不甚理想。按照本实用新型制造的阻抗变换型电声换能器在超声功率发生器的输出功率增加到900W的情况下连续工作20万次仍安然无恙，而且焊接效果明显比铝制电声换能器好。
本实用新型的具体实施方法及实施例由以下附图给出。
图1是本实用新型的总体结构示意图。
图2是图1所连接的钢工具头。
图3是图2的钢工具头侧视图。
下面结合附图进一步说明本实用新型的实施方法及具体实施例。
实施例
如图1所示，采用6片压电晶体11，3片正电极引线10，4片负电极引线9，黄铜谐振振子8，黄铜垫片12，钢螺母13，紧固螺栓14，这些零件组成一个完整的超声谐振振子，其长度L1应等于这些不同材料中超声波的棒中纵波波长的一半。黄铜阻抗变换器7，其长度L2应等于超声波在黄钢棒中纵波波长的1／8。钢阻抗变换器6，其长度L3应等于超声波在钢棒中纵波波长的1／8。由黄铜阻抗变换器7、钢阻抗变换器6、紧固螺栓15组成黄铜和钢两种不同材料的声阻抗变换器。黄铜阻抗变换器7和钢阻抗变换器6的最大面积之比应等于钢阻抗变换器6和黄铜阻抗变换器7的声阻抗之比。即应满足条件S铜／S钢=ρ钢×V钢／ρ铜×V铜，其中S铜、ρ铜、V铜分别为黄铜阻抗变换器的横截面积、密度和黄铜棒中纵波声速；S钢、ρ钢、V钢分别为钢阻抗变换器的横截面积、密度和钢棒中纵波声速；且黄铜阻抗变换器的圆柱直径应小于即定工作频率在黄铜棒中纵波波长的1／4，黄铜阻抗变换器和钢阻抗变换器为圆柱形状时，其长度之比为L2／L3=V铜／V钢及L2=λ铜／8，L3=λ钢／8；其中，λ铜、λ钢分别为超声波在黄铜棒和钢棒中的纵波波长。钢振幅放大器2，其长度L4应等于超声波在钢棒中纵波波长的1／4，即L4=2L3。钢阻抗变换器6和钢振幅放大器2的圆柱截面积之比即为振幅放大量，视负载对振幅大小的具体要求而定。固定环3和固定环4用来固定电声换能器与工作台上，紧固螺钉5用来固定固定环3和固定环4，固定环3和固定环4的中心线恰好位于超声振动的振幅波谷。
如图2和图3所示，钢工具头1采用与钢振幅放大器2相同的材料，其总长度应等于的超声波在钢棒中纵波波长的一半，即L6=L5=L4。L5和L6部分的载面积之比，在充分满足机械强度的前提下可尽量取大些，这样可以减小钢振幅放大器2的放大量，既可节省材料，又有利于提高机电转换效率。钢振幅放大器2和钢工具头1通过紧固螺栓相连接，L7=φ+4。

Claims (2)

1、一种超声波焊接机的阻抗变换型电声换能器，其特征在于：由6片锆钛酸铅压电晶片(11)和黄铜谐振振子(8)组成超声波谐振振子，结合黄铜阻抗变换器(7)和钢阻抗变换器(6)组成阻抗变换器，阻抗变换器连接于钢振幅变换器(2)，钢振幅变换器(2)连接于钢工具头(1)。
2、按权利要求1所述的超声波焊接机的阻抗变换型电声换能器，其特征在于：黄铜阻抗变换器(7)和钢阻搞变换器(6)的阻抗变换器，条件为S铜／S钢=ρ钢×V钢／ρ铜×V铜。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN100408205C (zh) * 2002-02-15 2008-08-06 3M创新有限公司 用于振动元件的安装件
CN101024216B (zh) * 2005-12-29 2012-11-14 杜凯恩公司 对超声波焊接探头提供功率控制的系统
CN105312216A (zh) * 2015-01-21 2016-02-10 上海声定科技有限公司 一种轻型高刚度超声波换能器

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