RU204555U1

RU204555U1 - ULTRASONIC WELDER

Info

Publication number: RU204555U1
Application number: RU2020143097U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Сергеевич Фатюхин; Равиль Исламович Нигметзянов; Сергей Константинович Сундуков; Александр Вадимович Сухов
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2021-05-31

Abstract

Полезная модель относится к техническим средствам механизации технологических процессов сварки, в том числе получения многослойных соединений и аддитивного производства. Устройство для ультразвуковой сварки содержит ультразвуковой преобразователь, соединенный с волноводом, кронштейн, поддерживающий ультразвуковой преобразователь с волноводом, к верхней поверхности которого приложена сила, а волновод выполнен в виде вала с роликом в зоне сварки и двумя кольцевыми проточками, которые выполнены по обе стороны от зоны сварки в качестве опоры кронштейна, при этом ультразвуковой преобразователь жестко соединен с волноводом и выполнен с возможностью осевого вращения ультразвукового преобразователя с волноводом, а электропитание преобразователя осуществлено с помощью токосъемника. Волновод устройства выполнен в виде сплошного ступенчатого вала длиной, равной длине X звуковой волны в материале волновода, расположенный в средней части волновода имеет ширину, равную λ/16, а кольцевые проточки шириной λ/16 выполнены на расстоянии λ/4 от каждого из концов вала, при этом диаметр ролика больше, а глубина проточек меньше диаметра вала на величину 0,05-0,1 его диаметра. Устройство для ультразвуковой сварки имеет упрощенную конструкцию, позволяет повысить эффективность сварки и снизить энергетические затраты. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to technical means of mechanization of technological processes of welding, including the production of multilayer joints and additive manufacturing. The device for ultrasonic welding contains an ultrasonic transducer connected to a waveguide, a bracket supporting an ultrasonic transducer with a waveguide, to the upper surface of which a force is applied, and the waveguide is made in the form of a shaft with a roller in the welding zone and two annular grooves, which are made on both sides of the zone welding as a support for the bracket, while the ultrasonic transducer is rigidly connected to the waveguide and is configured to axially rotate the ultrasonic transducer with the waveguide, and the transducer is powered by a current collector. The waveguide of the device is made in the form of a solid stepped shaft with a length equal to the length X of the sound wave in the waveguide material, located in the middle part of the waveguide has a width equal to λ / 16, and annular grooves with a width of λ / 16 are made at a distance of λ / 4 from each of the shaft ends , while the diameter of the roller is greater, and the depth of the grooves is less than the diameter of the shaft by 0.05-0.1 of its diameter. The ultrasonic welding device has a simplified structure, which can improve welding efficiency and reduce energy costs. 1 wp f-ly, 2 dwg.

Description

Полезная модель относится к техническим средствам механизации технологических процессов сварки, в том числе получения многослойных соединений и аддитивного производства.The utility model relates to technical means of mechanization of technological processes of welding, including the production of multilayer joints and additive manufacturing.

Известно устройство для ультразвуковой сварки, содержащее станину, на которой установлена опора для сварки, ультразвуковую головку, содержащую помещенный в корпус ультразвуковой преобразователь с волноводной системой, концентратор, на конце которого установлен сварочный наконечник, опору для ультразвуковой головки и устройство создания давления, в качестве которого использовано пневматическое устройство (см. патент РФ №2301731 C1, В23К 20/10, опубл. 2007 г.).A device for ultrasonic welding is known, comprising a frame on which a support for welding is installed, an ultrasonic head containing an ultrasonic transducer with a waveguide system placed in a housing, a concentrator at the end of which a welding tip is installed, a support for an ultrasonic head and a pressure generating device, which is used a pneumatic device (see RF patent No. 2301731 C1, V23K 20/10, publ. 2007).

Недостатками указанного выше известного устройства является сложность конструкции механизма создания давления и отсутствие возможности получения многослойных сварных соединений.The disadvantages of the above known device are the complexity of the design of the pressure generating mechanism and the inability to obtain multilayer welded joints.

Известно устройство, принятое в качестве прототипа, которое состоит из одного ультразвукового преобразователя, соединенного с волноводом, кронштейна, поддерживающего ультразвуковой преобразователь с волноводом. К верхней поверхности волновода приложена сила, при этом волновод выполнен в виде ролика с одной сварочной областью и двумя узловыми областями, которые находятся по обе стороны от зоны сварки. При этом преобразователь соединен с волноводом с помощью диафрагменной пружины, соединенной с роликовым подшипником (см. патент США №2011/0220292А1, В29С 65/08, В32В 37/06, опубл. 2011 г.).A device is known, taken as a prototype, which consists of one ultrasonic transducer connected to a waveguide, an arm supporting an ultrasonic transducer with a waveguide. A force is applied to the upper surface of the waveguide, while the waveguide is made in the form of a roller with one welding area and two nodal areas that are located on both sides of the welding area. The transducer is connected to the waveguide by means of a diaphragm spring connected to a roller bearing (see US patent No. 2011/0220292A1, В29С 65/08, В32В 37/06, publ. 2011).

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, а именно, наличие механизма соединения преобразователя с волноводом, большие акустические потери в этом соединении и, как следствие, повышенные затраты энергии.The disadvantages of the known device are the complexity of the design, namely, the presence of a mechanism for connecting the transducer to the waveguide, large acoustic losses in this connection and, as a consequence, increased energy consumption.

Технической задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является упрощение конструкции устройства при повышении эффективности сварки и снижении энергетических затрат.The technical problem to be solved by the claimed utility model is to simplify the design of the device while increasing the efficiency of welding and reducing energy costs.

Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве для ультразвуковой сварки, содержащем ультразвуковой преобразователь, соединенный с волноводом, кронштейн, поддерживающий ультразвуковой преобразователь с волноводом, к верхней поверхности которого приложена сила, при этом волновод выполнен в виде вала с роликом в зоне сварки и двумя кольцевыми проточками, которые выполнены по обе стороны от зоны сварки в качестве опоры кронштейна, согласно полезной модели ультразвуковой преобразователь с волноводом закреплены в кронштейне консольно и выполнены с возможностью совместного осевого вращения благодаря жесткой связи между ними, при этом волновод выполнен в виде сплошного ступенчатого вала длиной, равной длине λ звуковой волны в материале волновода, при этом ролик расположен в средней части волновода и имеет ширину, равную λ/16, а кольцевые проточки выполнены на расстоянии λ/4 от каждого из концов вала и имеют ширину λ/16, причем диаметр ролика больше, а глубина проточек меньше диаметра вала на 5-10% его диаметра.This result is achieved by the fact that in the known device for ultrasonic welding, containing an ultrasonic transducer connected to the waveguide, an arm supporting the ultrasonic transducer with a waveguide, to the upper surface of which a force is applied, while the waveguide is made in the form of a shaft with a roller in the welding zone and two annular grooves, which are made on both sides of the welding zone as a support for the bracket, according to the utility model, the ultrasonic transducer with the waveguide are fixed in the bracket cantilever and are made with the possibility of joint axial rotation due to the rigid connection between them, while the waveguide is made in the form of a solid stepped shaft with a length equal to the length λ of the sound wave in the material of the waveguide, while the roller is located in the middle part of the waveguide and has a width equal to λ / 16, and the annular grooves are made at a distance λ / 4 from each of the shaft ends and have a width of λ / 16, and the diameter the roller is larger, and the depth of the grooves is less the diameter of the shaft by 5-10% of its diameter.

На решение технической задачи направлено и то, что электропитание преобразователя осуществлено с помощью токосъемника.The solution of the technical problem is also aimed at the fact that the power supply of the converter is carried out using a current collector.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображено устройство для ультразвуковой сварки, а на фиг. 2 схематично представлена конструкция волновода.The proposed device is illustrated by drawings, where Fig. 1 schematically shows a device for ultrasonic welding, and FIG. 2 schematically shows the design of the waveguide.

На чертеже фиг. 1 приняты следующие обозначения: Р - усилие прижима, n - направление вращения волновода, ξ - амплитуда колебаний.In the drawing, FIG. 1, the following designations are adopted: P is the clamping force, n is the direction of rotation of the waveguide, ξ is the vibration amplitude.

На фиг. 2 принято следующее обозначение: λ - длина звуковой волны в материале волновода.FIG. 2, the following designation is adopted: λ is the length of the sound wave in the material of the waveguide.

Устройство для ультразвуковой сварки содержит ультразвуковой преобразователь 1, соединенный с волноводом 2 и поддерживающий их совместно кронштейн 3. К верхней поверхности кронштейна 3 приложена сила Р. Волновод 2 выполнен в виде вала с роликом 4 в зоне сварки и двумя кольцевыми проточками 5, последние выполнены по обе стороны от зоны сварки в качестве опоры кронштейна 3. При этом ультразвуковой преобразователь 1 с волноводом 2 выполнены с возможностью совместного вращения благодаря наличию жесткой связи между ними и консольному закреплению ультразвукового преобразователя 1 с волноводом 2 в кронштейне 3 на подшипниках 6. Волновод 2 выполнен в виде сплошного ступенчатого вала длиной, равной длине А звуковой волны в материале волновода, ролик 4 расположен в средней части волновода 2 и имеет ширину, равную λ/16, а кольцевые проточки 5 выполнены на расстоянии λ/4 от каждого из концов вала и имеют ширину λ/16 (см. фиг. 2). Причем диаметр ролика 4 больше, а глубина проточек 5 меньше диаметра вала на 5-10% его диаметра. Для сварки элементы свариваемого соединения 7 размещаются на основании 8.The device for ultrasonic welding contains an ultrasonic transducer 1 connected to the waveguide 2 and the bracket 3 supporting them together. Force P is applied to the upper surface of the bracket 3. Waveguide 2 is made in the form of a shaft with a roller 4 in the welding zone and two annular grooves 5, the latter are made according to both sides of the welding zone as support for the bracket 3. In this case, the ultrasonic transducer 1 with the waveguide 2 is made with the possibility of joint rotation due to the presence of a rigid connection between them and the cantilever fixation of the ultrasonic transducer 1 with the waveguide 2 in the bracket 3 on bearings 6. The waveguide 2 is made in in the form of a solid stepped shaft with a length equal to the length A of the sound wave in the waveguide material, roller 4 is located in the middle part of the waveguide 2 and has a width equal to λ / 16, and annular grooves 5 are made at a distance of λ / 4 from each of the shaft ends and have a width λ / 16 (see Fig. 2). Moreover, the diameter of the roller 4 is larger, and the depth of the grooves 5 is less than the diameter of the shaft by 5-10% of its diameter. For welding, the elements of the welded joint 7 are placed on the base 8.

Предлагаемое устройство для ультразвуковой сварки работает следующим образом.The proposed device for ultrasonic welding works as follows.

На основании 8 размещаются элементы свариваемого соединения 7. Кронштейн 3 под действием усилия прижима Р прижимает волновод 2, соединенный с преобразователем 1, к элементам свариваемого соединения 7. При включении ультразвукового преобразователя 1 через волновод 2 продольные колебания с амплитудой £ передаются элементам свариваемого соединения 7. Под действием продольных колебаний с амплитудой ξ в элементах свариваемого соединения 7 образуются сдвиговые перемещения. В результате этого в месте контакта элементов свариваемого соединения 7 разрушается оксидная пленка, возникает пластическая деформация и тепловыделение, которого достаточно для диффузионного проникновения молекул одного металла в другой. Происходит сварка элементов свариваемого соединения 7. Для образования протяженного сварного шва преобразователь 1 с волноводом 2 имеют возможность вращения.On the base 8, the elements of the welded joint 7 are placed. The bracket 3, under the action of the clamping force P, presses the waveguide 2, connected to the transducer 1, to the elements of the joint 7 to be welded. When the ultrasonic transducer 1 is switched on, the longitudinal vibrations with the amplitude £ are transmitted to the elements of the welded joint 7 through the waveguide 2. Under the action of longitudinal vibrations with an amplitude ξ, shear displacements are formed in the elements of the welded joint 7. As a result, at the point of contact of the elements of the joint 7 to be welded, the oxide film is destroyed, plastic deformation and heat release occur, which is sufficient for the diffusional penetration of molecules of one metal into another. The elements of the welded joint 7 are welded. To form an extended weld seam, the transducer 1 with the waveguide 2 have the ability to rotate.

Жесткая связь между преобразователем 1 и волноводом 2, а также то, что волновод 2 выполнен в виде сплошного ступенчатого вала позволяет добиться минимизации потерь энергии. Расположение сварочного ролика 4 в середине волновода 2 (на расстоянии λ/2 от концов волновода 2) выполнено для того, чтобы он находился в пучности колебаний, и передаваемая соединению 8 амплитуда ξ колебаний была наибольшей. Ширина ролика 4, равная λ/16, обеспечивает минимальное изменение амплитуды на поверхности ролика 4.The rigid connection between the converter 1 and the waveguide 2, as well as the fact that the waveguide 2 is made in the form of a solid stepped shaft, makes it possible to minimize energy losses. The location of the welding roller 4 in the middle of the waveguide 2 (at a distance λ / 2 from the ends of the waveguide 2) is made so that it is in the antinode of oscillations, and the amplitude ξ of oscillations transmitted to the connection 8 is the greatest. The width of the roller 4, equal to λ / 16, provides a minimum change in the amplitude on the surface of the roller 4.

На кольцевых проточках 5 амплитуда ξ колебаний равна 0, что позволяет избежать передачи колебаний на кронштейн 3 и снизить механические потери. Диаметр проточек 5 выполнен меньше диаметра вала на величину 0,05-0,1 диаметра волновода 2 для фиксации опор кронштейна 3. Глубина проточек 5 и высота ролика 4 выбраны с учетом минимизации изменения амплитуды % в области проточек 5 и ролика 4.On the annular grooves 5, the vibration amplitude ξ is equal to 0, which makes it possible to avoid the transmission of vibrations to the bracket 3 and to reduce mechanical losses. The diameter of the grooves 5 is made less than the diameter of the shaft by 0.05-0.1 of the diameter of the waveguide 2 for fixing the supports of the bracket 3. The depth of the grooves 5 and the height of the roller 4 are selected taking into account the minimization of the amplitude change% in the area of the grooves 5 and roller 4.

Таким образом, устройство для ультразвуковой сварки имеет упрощенную конструкцию, позволяет повысить эффективность сварки и снизить энергетические затраты.Thus, the ultrasonic welding device has a simplified structure, improves welding efficiency and reduces energy costs.

Claims

1. A device for ultrasonic welding, containing an ultrasonic transducer connected to a waveguide, an arm supporting an ultrasonic transducer with a waveguide, installed with the possibility of applying force to its upper surface, while the waveguide is made in the form of a shaft with a roller in the welding zone and two annular grooves, which are made on both sides of the welding zone as a support for the bracket, characterized in that the ultrasonic transducer with the waveguide are fixed in the bracket cantilever and made with the possibility of joint axial rotation due to the rigid connection between them, while the waveguide is made in the form of a solid stepped shaft with a length equal to the length λ of the sound wave in the material of the waveguide, while the roller is located in the middle part of the waveguide and has a width equal to λ / 16, and the annular grooves are made at a distance λ / 4 from each of the shaft ends and have a width of λ / 16, and the roller diameter is larger , and the depth of the grooves is 5-10% less than the shaft diameter.

2. The device according to claim 1, characterized in that the ultrasonic transducer is configured to supply power using a current collector.