專利名稱：組合式轉(zhuǎn)動聲學(xué)喇叭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于聲學(xué)焊接喇叭。更具體地講，本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)動聲學(xué)焊接喇叭。
發(fā)明的
背景技術(shù)：
在聲學(xué)焊接中，例如在超聲焊接中，兩個將要連接在一起的部分(通常是熱塑性部件)并能直接地放置在超聲喇叭的下面。在插入焊接中，喇叭插入(向著部件)和傳送超聲振動到上部件。振動通過上部件傳遞到兩部件的交接處。由于分子間的摩擦使振動能量轉(zhuǎn)換為熱能，并使兩個部件熔化或融合。當(dāng)振動停止時，兩個部件在力的作用下固化在一起，在連接表面上實現(xiàn)了焊接。
連續(xù)超聲焊接一般用在對織物、膜或其它的部件的密封。在連續(xù)工作方式中，一般超聲喇叭是靜止的，而部件在它下面運動。掃描焊接是連續(xù)焊接的一種，其中塑性部件在一個或者幾個靜止喇叭的下面被掃描。在橫向焊接中，在其上面通過部件的工作臺和已焊接的部件這兩者是相對靜止的，它們在喇叭的下面移動，或者喇叭是在它們的上面移動。
用于連接和切削熱塑性材料的超聲能量的許多應(yīng)用包括超聲喇叭或工具。喇叭是一種聲學(xué)工具，通常其長度是喇叭材料波長的二分之一，并采用例如鋁、鈦或燒結(jié)鋼等材料制造，這些材料能傳遞機(jī)械振動能量到部件[通常這些材料的波長大約是25厘米(10英寸)]。喇叭位移或振幅是喇叭表面的峰-峰運動值。喇叭輸出振幅和喇叭輸入振幅的比率是周期性的增益。增益是在振動的輸入和輸出區(qū)域中喇叭質(zhì)量比率的函數(shù)，通常喇叭表面的振幅方向和采用的機(jī)械振動方向是一致的。
在以往，超聲切削和焊接所用的喇叭在對準(zhǔn)固定鐵心的軸向上振動，被焊接或切削的材料位于喇叭和剛性鐵心之間。另外，在連續(xù)的高速焊接或切削中，喇叭是靜止的，但鐵心是轉(zhuǎn)動的，而部件則在喇叭和鐵心之間通過。在這些情況下，部件的線性速度和轉(zhuǎn)動鐵心工作表面的切向速度相匹配。
但是，這種系統(tǒng)有一些限制。因為被焊接的部件是連續(xù)地通過由鐵心和喇叭形成的狹窄通道之間，由于部件厚度的不一致性而產(chǎn)生了壓縮變化。在部件和喇叭之間產(chǎn)生了拖曳，因而可在焊接區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些因素影響了焊接質(zhì)量和強(qiáng)度，進(jìn)而限制了線性速度。此外，在轉(zhuǎn)動鐵心和喇叭之間的通道也限制了需要結(jié)合在一起的部件的可壓縮體積和厚度。
使這種限制減少到最小的一種方法是成形喇叭的工作表面，以得到一種適應(yīng)該部件的漸進(jìn)收斂或發(fā)散的通道。但其不能完全地解決被熔接材料通過靜止喇叭的運動問題，因為對于聲學(xué)能量的有效傳送來說需要一種更為緊密的接觸。
得到高質(zhì)量和高速超聲焊接的最好方法是采用轉(zhuǎn)動鐵心和轉(zhuǎn)動喇叭。一般來說，轉(zhuǎn)動喇叭是圓柱體形的并圍繞一根軸轉(zhuǎn)動。在軸向輸入振動，而在徑向輸出振動。喇叭和鐵心是互相靠近的兩個圓柱體，它們以相同的切向速度沿著相反的方向轉(zhuǎn)動。熔接的部件在這些圓柱體表面之間通過，其線性速度和圓柱體表面的切向速度相等。喇叭和鐵心的切向速度和材料的線性速度的匹配能夠使喇叭和材料之間的拖拽降到最小。在軸向的激勵相似于通常的插入焊接中的激勵。
美國專利第5,096,532號說明了兩類轉(zhuǎn)動喇叭。該專利對比了一種商業(yè)用轉(zhuǎn)動喇叭，它由Mecasonic-KLN,Inc.of Fullerton,California(Mecasonic horn)制造，以及一種＇532專利所描述的轉(zhuǎn)動喇叭。

圖1表示Mecasonic轉(zhuǎn)動喇叭，圖2表示＇532專利的轉(zhuǎn)動喇叭的一種。這兩種喇叭之間的一個重要差別是徑向焊接面的寬度和穿過徑向面的振幅的一致性。
Mecasonic喇叭是全波長喇叭，其總長度大約為25厘米(10英寸)，是用鋁和鈦材料制造的喇叭。軸向振動引起圓柱彎曲模式而產(chǎn)生徑向運動，而振動模式取決于泊桑比(如果喇叭材料的泊桑比是零，振動的徑向模式就不會發(fā)生)。焊接面的徑向運動與激勵是同相位的，對于軸向運動有兩個節(jié)點(此處振幅為零)，對于徑向運動也有兩個節(jié)點。因此振動幅度的最高處位于徑向焊接面的中心，并朝著其端部而縮減，結(jié)果產(chǎn)生不均勻的焊接強(qiáng)度。Mecasonic喇叭是部分空心的圓柱體。
＇532專利的喇叭是一種半波長喇叭，其總長度大約是12.7cm(5英寸)，是用鋁和鈦材料制造的喇叭。由于喇叭的形狀，其軸向振動產(chǎn)生了徑向運動。這種喇叭的振動模式不受泊桑比的影響。焊接面的徑向運動和激勵是不同相位的，而且只有一個節(jié)點，它是發(fā)生在焊接面的幾何中心上。振動幅度在整個焊接面上是相對均勻的。＇532喇叭和Mecasonic喇叭的形狀是不同的；＇532喇叭是實體的，而Mecasonic喇叭是部分空心的圓柱體。
因此，需要對于超寬(例如寬度大于12.7cm)的部件進(jìn)行焊接的聲學(xué)焊接設(shè)備。
本發(fā)明的概述轉(zhuǎn)動聲學(xué)喇叭以選定的波長、頻率和振幅來傳送能量。這種喇叭包括一個有軸向輸入端和軸向輸出端的基體部分，和許多分別連在基體部分上的焊接面。每個焊接面的直徑都大于基體部分的直徑，并隨著聲學(xué)能量對基體部分的輸入端作用而擴(kuò)張和收縮。焊接面是相互離開的，以順序排列的形式或是相互平行的形式安裝。
相鄰焊接面中點間的距離至少是喇叭材料的二分之一波長的一倍以上。每個焊接面的振動幅度和相鄰焊接面的振動幅度可以是不同的。
至少有一個焊接面的擴(kuò)張和收縮與喇叭軸向輸入端的移動是基本同相位的。每個焊接面的運動可以是和交變焊接面的擴(kuò)張及收縮基本同相位的。
喇叭可以是一種超聲喇叭，并且包括用改變喇叭軸向輸入端質(zhì)量的方法使徑向焊接面的增益發(fā)生變化。
焊接面的軸向長度能達(dá)到喇叭材料的二分之一波長。在一種實施方案中，喇叭的軸向長度基本上等于喇叭材料的一個波長。在這種實施方案中，焊接面的擴(kuò)張和收縮基本上與喇叭輸入端的運動同相位。喇叭可存在軸向運動的兩個節(jié)點。在另一種實施方案中，喇叭的軸向長度可以小于或等于喇叭材料的二分之一波長。在這種實施方案中，焊接面的擴(kuò)張和收縮基本上和喇叭輸入端的運動是不同相位的。這種喇叭可存在軸向運動的一個節(jié)點。
附圖簡要說明圖1是Mecasonic喇叭的外形圖。
圖2是＇532專利的喇叭的外形圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的按順序排列的多重焊接面的喇叭外形圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的按頁序排列的多重焊接面的另一種實施方案的喇叭外形圖。
圖5是和圖3相似的具有多重平行焊接面的喇叭外形圖。
圖6是和圖4相似的具有多重平行焊接面的喇叭外形圖。
圖7是圖5的兩種交錯疊合喇叭的外形圖。
本發(fā)明的詳細(xì)敘述本發(fā)明的轉(zhuǎn)動喇叭可以是如圖1、4和6所示的全波長聲學(xué)轉(zhuǎn)動喇叭，也可以是如圖2、3和5所示的半波長聲學(xué)轉(zhuǎn)動喇叭。如圖所示，這些喇叭是超聲喇叭并能以選定的波長、頻率和振幅傳送能量。這種喇叭能以希望的振幅對超寬部件進(jìn)行超聲焊接。
對于全波長喇叭來說，其徑向運動和激勵是同相位的，并且對于軸向運動和徑向運動都各有兩個節(jié)點。對于半波長喇叭來說，其徑向運動和激勵是不同相位的，并且對于軸向運動和徑向運動都各有一個節(jié)點。
參照圖3，轉(zhuǎn)動喇叭1O有軸向輸入端11和軸向輸出端13。許多焊接面16安裝在喇叭10上。在圖1、4和6中喇叭10有中空部分15，它能達(dá)到喇叭10的軸向長度一半以上，并且可長于焊接面16。
焊接面的直徑可以大于喇叭10其余部分的直徑。每個焊接面16的直徑擴(kuò)張和收縮是根據(jù)超聲能量的作用而變化的。
增益(喇叭輸出幅度和喇叭軸向輸入幅度之比值)在焊接面16上的變化是用改變喇叭輸入端11上的質(zhì)量18來實現(xiàn)的。
如果不采用多重轉(zhuǎn)動喇叭(其中是轉(zhuǎn)動鐵心或是平面鐵心)，而要在寬度大于焊接面16的鐵心上進(jìn)行焊接，可以使用具有多重焊接面16的喇叭，或是將單個焊接面喇叭沿著其長度交錯疊合起來。其外形看來很相似于“燒烤串”結(jié)構(gòu)。
在相鄰焊接面16中點之間的距離是喇叭材料波長二分之一的一倍或整數(shù)倍。每個焊接面的振動幅度可以不同于相鄰焊接面的振動幅度。這種喇叭結(jié)構(gòu)能和一個電源、聲學(xué)增強(qiáng)器、轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動系統(tǒng)一起激勵和轉(zhuǎn)動。若要完全地覆蓋鐵心的寬度，就要使用二個或更多的這種結(jié)構(gòu)，如圖7所示那樣，將它們沿著焊接面的整個寬度交錯疊合起來。每個喇叭和其它喇叭的焊接面寬度可以是不相等的。
焊接面可以安順序地串聯(lián)安裝，如圖3和圖4中喇叭10和10＇所示，也可以彼此平行地安裝，如圖5和圖6中喇叭10″和10所示。圖3和圖4是喇叭串聯(lián)組合安裝的實例。由于轉(zhuǎn)動喇叭是串聯(lián)的，所有其結(jié)構(gòu)是分層次的，因為在軸向一個喇叭的輸出就是下一個喇叭的輸入。即第一個喇叭驅(qū)動第二個轉(zhuǎn)動喇叭等等。圖3中喇叭的軸向長度是喇叭二分之一波長的整數(shù)倍。相鄰的焊接面中心之間的距離等于喇叭材料波長的二分之一。交替相隔的焊接面的徑向運動和激勵可以是不同相的，喇叭對于每個焊接面都存在有一個軸向節(jié)點。
在圖4中喇叭的軸向長度是喇叭材料波長的整數(shù)倍。在相鄰的焊接面中心之間的距離等于喇叭材料的一個波長。每個焊接面的徑向運動和喇叭的激勵是同相位的，喇叭對于每個焊接面都存在有兩個軸向節(jié)點。
圖3和4所示的結(jié)構(gòu)能采用將單個喇叭組合的方法制成，或采用機(jī)械方法將其制成單獨完整的一體結(jié)構(gòu)形式的喇叭。
圖5和圖6表示平行組合形式的轉(zhuǎn)動喇叭。在這些圖中，沿著喇叭的長度方向?qū)蓚€或更多個轉(zhuǎn)動喇叭用諧振棒20組合而成。這種結(jié)構(gòu)是一種平行系統(tǒng)，因為主要的驅(qū)動源或輸入源是連接這些轉(zhuǎn)動喇叭的圓柱形棒。在這種轉(zhuǎn)動喇叭的結(jié)構(gòu)中，每個焊接面都能獨立地驅(qū)動相鄰的焊接面。
圖1-6中所示喇叭的特點能以各種形式結(jié)合起來、混合起來、將這些特點與組件混合或匹配起來以形成許多不同形式的結(jié)構(gòu)。
帶有多重焊接面的喇叭長度是所用喇叭材料波長的整數(shù)倍。相鄰焊接面定位在圖3和圖5中喇叭二分之一波長的距離上(在相鄰焊接面中心之間的距離)。圖4和圖6的喇叭中心之間的距離是喇叭材料的一個波長長度。如果需要，對于圖3和圖5的喇叭來說，能夠用限制中間焊接面的數(shù)量，使其焊接面定位在喇叭材料的全波長上。
圖5和圖6的結(jié)構(gòu)能夠用單個喇叭組合的方法制造，或是制成單獨完整的一體形式的喇叭。
要覆蓋更寬的焊接面寬度，可以按照圖7所示將數(shù)個任何一種結(jié)構(gòu)的多重焊接面轉(zhuǎn)動喇叭疊合起來而實現(xiàn)。這樣，就使為適應(yīng)增加的鐵心寬度而必須疊加起來的喇叭的數(shù)量減到最少，進(jìn)而也要減少附件的數(shù)量，例如轉(zhuǎn)換器、聲學(xué)增強(qiáng)器、電源和驅(qū)動系統(tǒng)等。這也減輕了整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的維護(hù)和裝配工作量。
喇叭和焊接面可以是相同直徑的同心圓柱體。但是，它們也可以有不同的半徑和不同心度，而焊接部分不一定非是圓柱體的，以適應(yīng)不同的焊接結(jié)構(gòu)要求。例如焊接部分可能是非圓柱形的圓錐截面。在徑向可能是橢圓的或是球面的。
權(quán)利要求
1．一種轉(zhuǎn)動聲學(xué)喇叭10,10＇,10″,10，能以選定的波長、頻率和振幅來傳送能量，該喇叭包括具有軸向輸入端11和軸向輸出端13的基體；連接在基體上的許多焊接面16，它們的直徑都大于基體的直徑，并且是隨著傳到基體輸入端11的聲學(xué)能量的大小而擴(kuò)張或收縮，焊接面16是彼此分開的，它們以一定次序地排列安裝并且是相互平行的。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的喇叭10,10＇,10″,10,其中所述的相鄰的焊接面16中點之間的距離至少是喇叭材料的二分之一波長。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的喇叭10,10＇,10″,10，其中所述的每個焊接面16的振幅和相鄰焊接面的振幅是不同的。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的喇叭10,10＇,10″,10，其中所述的喇叭的軸向長度基本上等于喇叭材料二分之一波長的一倍或整數(shù)倍，并且其中所述的基體是在其軸向長度上的至少一部分上為中空的。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的喇叭10,10＇,10″,10，其中所述的基體是圓柱形的，焊接面16也是圓柱形的，而且焊接面和基體是同軸的。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的喇叭10,10＇,10″,10，其中至少有一個焊接面16的擴(kuò)張和收縮運動基本上和喇叭軸向輸入端11的運動是同相位的，并且每個焊接面16的擴(kuò)張和收縮運動基本上也是和其它間隔焊接面的擴(kuò)張和收縮同相位的。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的喇叭10,10＇,10″,10，所述的喇叭是超聲喇叭。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的喇叭10,10＇,10″,10，進(jìn)一步包括能采用改變喇叭軸向輸入端質(zhì)量18使徑向焊接面的增益發(fā)生變化的裝置。
9．一種轉(zhuǎn)動聲學(xué)喇叭裝置，以選定的波長，頻率和振幅來傳送能量，該裝置包括根據(jù)權(quán)利要求1的第一和第二喇叭組10,10＇,10″,10，其中第一喇叭組的焊接面16和第二喇叭組的相鄰焊接面16是交錯排列的，它們的距離足夠覆蓋整個進(jìn)行焊接的鐵心的寬度。
全文摘要
一種轉(zhuǎn)動喇叭(10,10′,10″,10″′)以選定的波長,頻率和振幅來傳送能量。喇叭包括一個基體和許多焊接面(16)。每個焊接面有一個直徑,隨著超聲能量應(yīng)用的大小而擴(kuò)張或縮小。焊接面是彼此分開的,以一定次序地排列安裝并且相互是平行的。
文檔編號B23K20/10GK1222102SQ96180348
公開日1999年7月7日 申請日期1996年11月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月5日
發(fā)明者哈瑞哥帕·S·哥帕雷克瑞施內(nèi), 賽廷德·K·內(nèi)雅爾 申請人:明尼蘇達(dá)礦業(yè)和制造公司