單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置，包括加壓裝置、超聲振動隔離裝置、殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器、設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器前端的振動頭、設(shè)置在振動頭下方的上聲極、下聲極和超聲電源。所述的殼體單元包括前擋板、套筒和后擋板；所述的超聲振動換能器包括螺栓及依次套設(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，后蓋板和前蓋板通過螺栓將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯(lián)接壓緊；所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)置在前蓋板的前端，為斜楔形結(jié)構(gòu)，該橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器可以將超聲振動換能器產(chǎn)生的縱向超聲振動轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端和振動頭的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動。
【專利說明】單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到超聲振動金屬焊接【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種利用單激勵超聲橢圓振動的超聲振動金屬焊接裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]超聲波作為一種機(jī)械振動，同時(shí)也是能量傳遞的載體，在實(shí)際生產(chǎn)、生活中得到了廣泛應(yīng)用。目前超聲波在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，相繼出現(xiàn)了超聲波塑料焊接、超聲波金屬焊接、超聲波釬焊、電弧超聲焊接技術(shù)、超聲-TIG復(fù)合焊接以及超聲-MIG復(fù)合焊接等一系列新技術(shù)。
[0003]超聲波金屬焊接是由50Hz低頻電流轉(zhuǎn)換成15?20KHz高頻電流，高頻電能經(jīng)過焊接機(jī)換能裝置轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動能量在一定的靜壓力作用下，使金屬表面之間形成摩擦將物體表面和氧化物分散開并不改變其自身的金相組織的一種同種金屬或者異種金屬表面分子之間的相互滲透相互擴(kuò)散的固相焊接方法，焊接過程中金屬表面并沒有達(dá)到熔點(diǎn)，但在機(jī)械振動摩擦作用下產(chǎn)生大量的熱量，因此需要在每一次的焊接后必須保證焊頭和焊座的充分冷卻，從而建立一個干凈、可控的、擴(kuò)散的焊層。
[0004]超聲橢圓振動在超聲振動切削、超聲焊接、超聲研磨、超聲拋光、直線超聲電機(jī)和旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)等領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用。目前研宄人員大多采用縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動、彎曲振動和徑向振動中的兩種振動形式進(jìn)行復(fù)合來產(chǎn)生超聲橢圓振動，需要采用兩組或兩組以上的壓電陶瓷片來激發(fā)產(chǎn)生具有一定相位差的兩個或多個振動模態(tài)，還必須為每組壓電陶瓷片配備一路超聲驅(qū)動電源信號，且需要控制各路超聲驅(qū)動電源信號之間的相位差，超聲振動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大、控制難度高、生產(chǎn)成本高、不易實(shí)現(xiàn)微型化、工作性能不夠穩(wěn)定，這些問題制約了超聲橢圓振動換能器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣。
[0005]為了進(jìn)一步提高超聲波金屬焊接的效果和焊接效率，并充分發(fā)揮單激勵超聲橢圓振動的優(yōu)勢，本發(fā)明研宄了一種新型的單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種新型的單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置，目的是為了充分發(fā)揮單激勵超聲橢圓振動的優(yōu)勢、提高超聲金屬焊接的效果和焊接效率。
[0007]單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置，包括加壓裝置、超聲振動隔離裝置、殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器、設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器前端的振動頭、設(shè)置在振動頭下方的上聲極、下聲極和超聲電源；超聲振動隔離裝置設(shè)置在加壓裝置和振動頭之間，用于隔離加壓裝置對振動頭等超聲振動系統(tǒng)的影響；上聲極通過焊接或者螺釘聯(lián)接設(shè)置在振動頭的下方，下聲極設(shè)置在待焊接工件的下方，與上聲極同軸相對設(shè)置；所述的殼體單元包括前擋板、套筒和后擋板；所述的超聲振動換能器外輪廓為圓柱形，其包括螺栓及依次套設(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板上設(shè)置有與殼體單元聯(lián)接用的法蘭盤，后蓋板和前蓋板通過螺栓將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯(lián)接壓緊，構(gòu)成了超聲振動換能器的能量轉(zhuǎn)換部分，可將超聲電源輸出的超聲電信號轉(zhuǎn)換為超聲振動換能器的縱向超聲振動。
[0008]所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器與前蓋板制作成一個整體設(shè)置在前蓋板的前端，或者將橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器焊接設(shè)置在前蓋板的前端，所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器為斜楔形結(jié)構(gòu)，斜楔形結(jié)構(gòu)橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器原整體為長方體，沿超聲振動換能器軸線方向其一側(cè)被切割掉一部分后形成斜楔形結(jié)構(gòu)，形成斜楔形的兩個側(cè)面中，未被切割的一側(cè)面平行于超聲振動換能器軸線，被切割過的另一側(cè)面與超聲振動換能器軸線成3-30度夾角。在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器與超聲換能器前蓋板的聯(lián)接處設(shè)有過渡圓?。怀晸Q能器的中心軸線與振動頭的幾何中心軸線垂直；斜楔形結(jié)構(gòu)橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器中沿超聲換能器軸線方向的兩個近似梯形的側(cè)面與振動頭的幾何中心軸線也垂直。
[0009]橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)置在超聲振動換能器前端后構(gòu)成的組合件稱為單激勵超聲橢圓振動換能器，使橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器成為斜楔形結(jié)構(gòu)的目的是為了改變單激勵超聲橢圓振動換能器的振動模態(tài)，使其縱向振動模態(tài)頻率和彎曲振動模態(tài)頻率接近或相等；由于斜楔形結(jié)構(gòu)橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的存在，超聲振動換能器產(chǎn)生的縱向超聲振動在傳遞到斜楔形結(jié)構(gòu)橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器后，在斜楔形結(jié)構(gòu)橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的末端分解為一部分縱向振動分量和一部分彎曲振動分量，且兩振動分量具有一定的相位差，進(jìn)而在斜楔形結(jié)構(gòu)橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的末端復(fù)合形成橢圓軌跡振動。
[0010]振動頭通過焊接或通過一個聯(lián)接螺釘聯(lián)接設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端；當(dāng)超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，并驅(qū)動振動頭和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端一起做超聲橢圓振動。
[0011]超聲振動換能器置于殼體單元內(nèi)，超聲振動換能器的法蘭盤設(shè)置于套筒的上凹止口內(nèi)，前擋板設(shè)置在法蘭盤的另一側(cè)，對整個超聲振動換能器起固定作用，后擋板設(shè)置在套筒的后側(cè)，防止灰塵、鐵肩等雜物進(jìn)入到殼體單元內(nèi)，影響超聲振動換能器工作性能；相比現(xiàn)有文獻(xiàn)介紹的超聲振動焊接裝置，該單激勵超聲橢圓振動焊接裝置具有功率容量大、能量轉(zhuǎn)換效率高、彎曲振動幅值大、結(jié)構(gòu)簡單，制造容易、成本低、結(jié)構(gòu)剛度大、控制驅(qū)動系統(tǒng)簡單、焊接速度快、焊點(diǎn)面積大、焊接強(qiáng)度高和工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
[0012]更進(jìn)一步，所述的超聲振動換能器只有一組縱向振動壓電陶瓷片。
[0013]更進(jìn)一步，所述的超聲振動換能器只需要一路超聲電信號激勵。
[0014]更進(jìn)一步，所述的超聲振動換能器的工作頻率范圍為18kHz_40kHz。
[0015]本發(fā)明采用了機(jī)械振動模態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)理把超聲振動換能器的縱向振動轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器末端和振動頭的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，簡化了單激勵超聲橢圓振動焊接系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，大大降低了振動系統(tǒng)的復(fù)雜程度，降低了制造、裝配難度和生產(chǎn)成本；另外該發(fā)明僅需要一路控制電路及超聲電源進(jìn)行激勵，控制難度低，避免了兩相或多相超聲振動復(fù)合形成橢圓振動換能器的復(fù)雜超聲電源開發(fā)費(fèi)用，簡化了控制電路及超聲電源結(jié)構(gòu)，降低了控制電路及超聲電源成本，易于實(shí)現(xiàn)控制電路及超聲電源的集成化，提高了系統(tǒng)工作可靠性，工作性能穩(wěn)定，應(yīng)用前景廣闊。
[0016]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖的前視圖。
[0017]圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖。
[0018]圖3是本發(fā)明中單激勵超聲橢圓振動換能器的前視圖。
[0019]圖4是本發(fā)明中單激勵超聲橢圓振動換能器的俯視圖。
[0020]圖5是本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例示意圖。
[0021]圖中標(biāo)號說明:1.螺栓，2.后蓋板，3.壓電陶瓷片，4.電極片，5.前蓋板，6.法蘭盤，7.橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器，8.振動頭，9.前擋板，10.套筒，11.后擋板，12.加壓裝置，
13.超聲振動隔離裝置，14.上聲極，15.上工件，16.下工件，17.下聲極，18.超聲電源。

【具體實(shí)施方式】
[0022]結(jié)合圖1、2、3、4所示，單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置，包括加壓裝置12、超聲振動隔離裝置13、殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7、設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7前端的振動頭8、設(shè)置在振動頭8下方的上聲極14、下聲極17和超聲電源18 ;超聲振動隔離裝置13設(shè)置在加壓裝置12和振動頭8之間，用于隔離加壓裝置12對振動頭8等超聲振動系統(tǒng)的影響；上聲極14通過焊接或者螺釘聯(lián)接設(shè)置在振動頭8的下方，下聲極17設(shè)置在待焊接工件的下方，與上聲極14同軸相對設(shè)置；所述的殼體單元包括前擋板9、套筒10和后擋板11 ;所述的超聲振動換能器外輪廓為圓柱形，其包括螺栓I及依次套設(shè)在螺栓I上的后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5，前蓋板5上設(shè)置有與殼體單元聯(lián)接用的法蘭盤6，后蓋板2和前蓋板5通過螺栓I將后蓋板2、壓電陶瓷片3、電極片4和前蓋板5聯(lián)接壓緊，構(gòu)成了超聲振動換能器的能量轉(zhuǎn)換部分，可將超聲電源18輸出的超聲電信號轉(zhuǎn)換為超聲振動換能器的縱向超聲振動。超聲振動換能器只有一組縱向振動壓電陶瓷片3，壓電陶瓷換能器段直徑30mm，壓電陶瓷片3為PZT-8，尺寸為:Φ如ΧΦ75Χ5；壓電陶瓷片3的片數(shù)為2。
[0023]橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7和前蓋板5制作成一個整體零件設(shè)置在前蓋板5的前端，橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7整體為斜楔形結(jié)構(gòu)，斜楔形結(jié)構(gòu)橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7原整體為長方體，截面邊長為15 X15mm，長40mm，沿超聲振動換能器軸線方向其一側(cè)被切割掉一部分后形成斜楔形結(jié)構(gòu)，形成斜楔形的兩個側(cè)面中，未被切割的一側(cè)面平行于超聲振動換能器軸線，被切割過的另一側(cè)面與超聲振動換能器軸線成10度夾角。振動頭8通過聯(lián)接螺釘聯(lián)接設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7的前端。超聲換能器的中心軸線與振動頭8的幾何中心軸線垂直；斜楔形結(jié)構(gòu)橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7中沿超聲換能器軸線方向的兩個近似梯形的側(cè)面與振動頭8的幾何中心軸線也垂直。
[0024]超聲振動換能器置于殼體單元內(nèi)，超聲振動換能器的法蘭盤6設(shè)置于套筒10的上凹止口內(nèi)，前擋板9通過螺釘和套筒10聯(lián)接在一起，壓緊在法蘭盤6的另一側(cè)，對整個超聲振動換能器起固定作用，后擋板11通過螺釘聯(lián)接在套筒10的后側(cè)。
[0025]超聲振動換能器和橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7聯(lián)接后的固有頻率為19.84KHz，阻抗為83歐姆，動態(tài)電阻為19歐姆，超聲電源18輸出電壓范圍為0-400V，電流范圍為0-4A，輸出頻率為19.84 ± 0.0IKHz，且超聲電源18在指定頻率范圍內(nèi)具有自動頻率跟蹤功能。
[0026]結(jié)合圖5所示，運(yùn)行時(shí)，超聲振動換能器的電極片4與超聲電源18相連，當(dāng)超聲振動換能器的電極片4接入超聲電源18輸出的電信號后，由于壓電陶瓷片3的逆壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片3將會產(chǎn)生縱向超聲振動，即超聲振動換能器將超聲電源18輸出的電能轉(zhuǎn)換為縱向超聲振動，并驅(qū)動整個超聲振動換能器系統(tǒng)進(jìn)行縱向超聲振動，超聲振動能量從超聲振動換能器傳遞到橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7末端后，轉(zhuǎn)換為具有一定相位差的縱向振動和彎曲振動復(fù)合的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動，即轉(zhuǎn)換為橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器7末端的縱彎復(fù)合超聲橢圓振動；并驅(qū)動振動頭8和上聲極14 一起做超聲橢圓振動。
[0027]當(dāng)加載電壓運(yùn)行10分鐘后，單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置達(dá)到穩(wěn)定振動狀態(tài)，此時(shí)超聲電源18的穩(wěn)定輸出電壓為220V，電流為1.15A，使用激光多普勒測振儀測得超聲橢圓振動長短半軸振幅分別為12.6微米和4.4微米，并通過具有李沙育圖形運(yùn)算功能的雙蹤示波器對激光多普勒測振儀測得的信號進(jìn)行圖形運(yùn)算，可以得到長短軸比為2.86的超聲橢圓振動軌跡，完全滿足超聲橢圓振動焊接的要求。
[0028]調(diào)節(jié)超聲電源18的工作參數(shù):輸出功率P = 80W，工作頻率f = 19.84±1ΚΗζ，自動頻率跟蹤功能打開，此時(shí)振動頭8橢圓振動長短半軸振幅分別為6微米和2.2微米，上下聲極之間加載壓力20N，焊接持續(xù)時(shí)間t = 60s ;實(shí)現(xiàn)了兩塊厚度為1.0mm的45鋼板的焊接，聯(lián)接接頭的剪切強(qiáng)度達(dá)到462MPa。
【權(quán)利要求】
1.單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置，其特征在于:該金屬焊接裝置包括加壓裝置、超聲振動隔離裝置、殼體單元、置于殼體單元內(nèi)的超聲振動換能器、橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器、設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器前端的振動頭、設(shè)置在振動頭下方的上聲極、下聲極和超聲電源；超聲振動隔離裝置設(shè)置在加壓裝置和振動頭之間，用于隔離加壓裝置對振動頭等超聲振動系統(tǒng)的影響；下聲極設(shè)置在待焊接工件的下方，與上聲極同軸相對設(shè)置；所述的殼體單元包括前擋板、套筒和后擋板；所述的超聲振動換能器外輪廓為圓柱形，其包括螺栓及依次套設(shè)在螺栓上的后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板，前蓋板上設(shè)置有與殼體單元聯(lián)接用的法蘭盤，后蓋板和前蓋板通過螺栓將后蓋板、壓電陶瓷片、電極片和前蓋板聯(lián)接壓緊；所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)置在前蓋板的前端，所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器為斜楔形結(jié)構(gòu)，斜楔形結(jié)構(gòu)橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器原整體為長方體，沿超聲振動換能器軸線方向其一側(cè)被切割掉一部分后形成斜楔形結(jié)構(gòu)，形成斜楔形的兩個側(cè)面中，未被切割的一側(cè)面平行于超聲振動換能器軸線，被切割過的另一側(cè)面與超聲振動換能器軸線成3-30度夾角；在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器與超聲換能器前蓋板的聯(lián)接處設(shè)有過渡圓弧，超聲換能器的中心軸線與振動頭的幾何中心軸線垂直；斜楔形結(jié)構(gòu)橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器中沿超聲換能器軸線方向的兩個近似梯形的側(cè)面與振動頭的幾何中心軸線垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置，其特征在于:所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器和前蓋板制作成一個整體設(shè)置在前蓋板的前端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置，其特征在于:所述的橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器焊接設(shè)置在前蓋板前端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置，其特征在于:所述的振動頭通過焊接設(shè)置在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置，其特征在于:還包括一個聯(lián)接螺釘，用于將振動頭聯(lián)接在橢圓振動模態(tài)轉(zhuǎn)換器的前端。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置，其特征在于:所述的上聲極通過焊接設(shè)置在振動頭的下方。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的單激勵超聲橢圓振動金屬焊接裝置，其特征在于:所述的上聲極通過螺釘聯(lián)接設(shè)置在振動頭的下方。
【文檔編號】B23K20/10GK104439681SQ201410740222
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月9日
【發(fā)明者】殷振, 劉威, 齊芳娟, 汪幫富, 曹自洋, 李艷, 陳玉榮, 吳程紅, 黃強(qiáng), 楊鑫銘 申請人:蘇州科技學(xué)院