超聲波焊接機(jī)夾具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及用于從聚合物或聚合物復(fù)合材料制造的工件的超聲波焊接的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超聲波焊接是一種工業(yè)技術(shù)，其中超聲波焊接裝置或焊接機(jī)局部地施加高頻超聲波振動(dòng)到在壓力下保持在一起的工件以產(chǎn)生焊點(diǎn)。其通常用于焊接熱塑性工件。超聲波焊接過(guò)程包括將臨近的或重疊的工件放置在座或砧座上，以及使用超聲波焊接機(jī)將高頻振動(dòng)導(dǎo)引至工件之間的接口。超聲波焊接機(jī)優(yōu)選地包括轉(zhuǎn)換器或壓電換能器、增幅器、和超聲焊炬，其也被稱為焊炬(horn)。該三個(gè)元件被調(diào)諧以在相同的超聲波頻率共振，該頻率例如是20、30、35或40kHz。轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，增幅器改變振動(dòng)的振幅，并且超聲焊炬夾緊工件并且施加機(jī)械振動(dòng)到工件以連結(jié)工件。電子超聲波生成器傳遞具有與共振頻率匹配的高功率的AC信號(hào)，并且優(yōu)選地由控制器控制，該控制器控制壓力的焊接機(jī)的運(yùn)動(dòng)并且傳遞超聲波能量。超聲波振動(dòng)產(chǎn)生熱，該熱局部地熔化工件材料以形成焊接連結(jié)部。
[0003]超聲波焊接機(jī)具有額定的最大焊接力。然而，已知的超聲波焊接機(jī)傳遞振動(dòng)能量至工件，而同時(shí)將工件于焊接機(jī)尖端夾緊在一起。當(dāng)在工件之間存在間隙時(shí)，焊接力可能不足夠以有效地夾緊工件以用于超聲波焊接。依靠焊接力以閉合工件之間的間隙可能是不足夠的，因?yàn)楣ぜ赡軇×艺駝?dòng)并且其中能量被傳遞至期望焊接區(qū)域外部。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]描述了一種用于連結(jié)熱塑性工件的裝置，該裝置包括超聲波焊接機(jī)，該焊接機(jī)包括超聲波換能器(transducer)、增幅器(booster)、和具有焊頭的焊炬(horn)。夾緊機(jī)構(gòu)附接至該超聲波焊接機(jī)并且包括聯(lián)接至套管(boot)的上框架。超聲波焊接機(jī)的焊炬的焊頭突出到夾緊機(jī)構(gòu)的套管中的孔隙中。夾緊機(jī)構(gòu)將夾緊力施加至工件，該夾緊力不同于當(dāng)超聲波焊接機(jī)操作以連結(jié)熱塑性工件時(shí)由超聲波焊接機(jī)施加到工件的焊接力。
[0005]優(yōu)選地，當(dāng)所述超聲波焊接機(jī)連結(jié)熱塑性工件時(shí)，所述夾緊機(jī)構(gòu)將夾緊力施加到抵靠砧座的工件上。
[0006]優(yōu)選地，所述夾緊機(jī)構(gòu)的上框架經(jīng)由平行布置的多個(gè)壓縮彈簧而機(jī)械地聯(lián)接至所述套管。
[0007]優(yōu)選地，所述夾緊機(jī)構(gòu)的套管還包括用于接觸工件的面部分。
[0008]優(yōu)選地，所述套管的面部分包括平滑、不可壓縮的表面。
[0009]優(yōu)選地，所述套管的面部分包括可壓縮的表面。
[0010]優(yōu)選地，所述套管包括空氣通路，所述空氣通路流體地可聯(lián)接到加壓空氣供給部，以將空氣供給到所述夾緊機(jī)構(gòu)的套管中的孔隙中。
[0011]優(yōu)選地，當(dāng)所述超聲波焊接機(jī)連結(jié)熱塑性工件時(shí)，所述超聲波焊接機(jī)的焊炬的焊頭穿過(guò)所述夾緊機(jī)構(gòu)的套管的孔隙而突出并且與所述套管的所述面平齊。
[0012]優(yōu)選地，所述焊炬的焊頭是圓形形狀的并且套管的面環(huán)狀包圍該焊頭。
[0013]優(yōu)選地，所述焊炬的焊頭是圓形形狀的并且套管的面具有部分環(huán)狀形狀。
[0014]優(yōu)選地，所述焊炬的焊頭是矩形形狀的，并且套管的面具有斷片(fragmented)矩形形狀。
[0015]優(yōu)選地，聯(lián)接到所述超聲波焊接機(jī)并且包括聯(lián)接到套管的上框架的所述夾緊機(jī)構(gòu)包括可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接到所述增幅器的所述夾緊機(jī)構(gòu)的上框架，其中所述夾緊機(jī)構(gòu)繞所述超聲波焊接機(jī)的縱向軸線旋轉(zhuǎn)。
[0016]優(yōu)選地，聯(lián)接到所述超聲波焊接機(jī)的夾緊機(jī)構(gòu)包括經(jīng)由快速連接附接裝置聯(lián)接到所述超聲波焊接機(jī)的夾緊機(jī)構(gòu)。
[0017]還描述了一種用于連結(jié)熱塑性工件的裝置，該裝置包括超聲波焊接機(jī)，該超聲波焊接機(jī)包括超聲波換能器和具有焊頭的焊炬；聯(lián)接至超聲波焊接機(jī)并且包括聯(lián)接至套管的上框架的夾緊機(jī)構(gòu)；以及突出到夾緊機(jī)構(gòu)的套管中的孔隙中的超聲波焊接機(jī)的焊炬的焊頭；其中，所述夾緊機(jī)構(gòu)將夾緊力施加到抵靠砧座的工件上；并且其中，當(dāng)所述夾緊機(jī)構(gòu)將夾緊力施加到抵靠砧座的工件上時(shí)，所述超聲波焊接機(jī)將機(jī)械振動(dòng)施加到工件中的一個(gè)上以連結(jié)熱塑性工件。
[0018]優(yōu)選地，所述夾緊機(jī)構(gòu)的上框架經(jīng)由平行布置的多個(gè)壓縮彈簧而機(jī)械地聯(lián)接到所述套管，所述套管包括用于接觸工件的下面(lower face)部分。
[0019]優(yōu)選地，所述套管包括空氣通路，所述空氣通路流體地可聯(lián)接到加壓空氣供給部，該加壓(pressurized)空氣供給將空氣吹(blows)到所述超聲波焊接機(jī)的焊炬上。
[0020]優(yōu)選地，當(dāng)所述超聲波焊接機(jī)施加機(jī)械振動(dòng)到工件中的一個(gè)上以連結(jié)熱塑性工件時(shí)，所述超聲波焊接機(jī)的焊炬的焊頭穿過(guò)所述夾緊機(jī)構(gòu)的套管的孔隙而突出并且與套管的下面平齊。
[0021]當(dāng)考慮結(jié)合附圖時(shí)，本發(fā)明的上述的特征和優(yōu)勢(shì)以及其他的特征和優(yōu)勢(shì)可從以下用于實(shí)施僅僅由附加的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的一些最優(yōu)模式和其他實(shí)施例的詳細(xì)描述顯而易見。
【附圖說(shuō)明】
[0022]一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例將參考附圖以示例的方式描述如下:
[0023]圖1示意性地示出了超聲波焊接機(jī)的部分橫截面?zhèn)纫晥D，其中該超聲波焊接機(jī)包括超聲波換能器、增幅器、焊炬或超聲焊炬(sonotrode)、以及根據(jù)本公開的夾緊機(jī)構(gòu)；
[0024]圖2圖示了根據(jù)本公開的、由應(yīng)用的超聲波焊接機(jī)作用在一對(duì)堆疊的工件上、分別由夾緊機(jī)構(gòu)和尖端施加的夾緊力和尖端力的幅度(magnitudes)的透視圖；
[0025]圖3在兩個(gè)維度上圖示了參考圖2示出的數(shù)據(jù)的所選部分，包括根據(jù)本公開的、由應(yīng)用的超聲波焊接機(jī)作用在一對(duì)堆疊的工件上、分別由夾緊機(jī)構(gòu)和尖端施加的夾緊力F和尖端力w的幅度；
[0026]圖4示意性地示出了根據(jù)本公開的超聲波焊接機(jī)的實(shí)施例的部分截面?zhèn)纫晥D，該超聲波焊接機(jī)包括超聲波換能器、增幅器、焊炬和夾緊機(jī)構(gòu)，其中該夾緊機(jī)構(gòu)包括定位為在機(jī)器人臂的端部執(zhí)行器的框架和套管之間施加力的壓縮彈簧；
[0027]圖5示意性地示出了根據(jù)本公開的超聲波焊接機(jī)的實(shí)施例的部分截面?zhèn)纫晥D，該超聲波焊接機(jī)包括超聲波換能器、增幅器、焊炬和夾緊機(jī)構(gòu)，其中該夾緊機(jī)構(gòu)包括定位為在套管和聯(lián)接至增幅器的支承表面之間施加力的壓縮彈簧以及流動(dòng)地聯(lián)接到可控加壓空氣供給以冷卻尖端和被焊接的表面的空氣通路；
[0028]圖6-1和6-2示意性地示出了根據(jù)本公開的夾緊機(jī)構(gòu)的實(shí)施例的仰視圖和側(cè)視圖，其包括快速連接附接(quick-connect attachment)裝置以實(shí)現(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)從超聲波焊接機(jī)的快速更換(change-out)；
[0029]圖7-1、7-2和7-3示出了根據(jù)本公開的超聲波焊接焊炬和夾緊機(jī)構(gòu)的套管的下面的實(shí)施例的仰視圖；
[0030]圖8-1示意性地示出了根據(jù)本公開的夾緊機(jī)構(gòu)的套管的實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D，其中套管與工件接觸的面具有平滑的表面；以及
[0031]圖8-2示意性地示出了夾緊機(jī)構(gòu)的套管的實(shí)施例的截面?zhèn)纫晥D，其中套管與工件接觸的面具有帶紋理的(textured)、粗糙的或可壓縮的表面。
【具體實(shí)施方式】
[0032]現(xiàn)在參考附圖，其中下列描述僅用于圖示某些示例性實(shí)施例的目的，并且不意味著對(duì)本發(fā)明的限制，圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的超聲波焊接機(jī)10的部分截面?zhèn)纫晥D。超聲波焊接機(jī)10包括超聲波換能器12、增幅器14、焊炬16或超聲焊炬、以及夾緊機(jī)構(gòu)30。超聲焊炬是用于將電能轉(zhuǎn)換為超聲波振動(dòng)的裝置。焊接能量從電子超聲波生成器20傳遞至超聲焊炬。在一個(gè)實(shí)施例中，超聲焊炬10附接至機(jī)器人臂的端部執(zhí)行器，該端部執(zhí)行器引導(dǎo)超聲波焊接機(jī)10的定位并且致動(dòng)該電子超聲波生成器20以實(shí)現(xiàn)放置在砧座50上的鄰近的或重疊的工件40、41的超聲波焊接。替代地，超聲波焊接機(jī)10可用作固定加工設(shè)備的一部分，諸如在硬件自動(dòng)化加工結(jié)構(gòu)中，在工作臺(tái)結(jié)構(gòu)上，或在基架焊接機(jī)結(jié)構(gòu)中。此外，任意的加工結(jié)構(gòu)可由單個(gè)超聲波焊接機(jī)10構(gòu)成，或替代地由協(xié)調(diào)作用的多個(gè)超聲波焊接機(jī)10構(gòu)成。工件可由聚合物復(fù)合材料制成，例如熱塑性材料，該材料包括但不限于，尼龍、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯和聚酯，其可被玻璃或碳纖維而加強(qiáng)。
[0033]夾緊機(jī)構(gòu)30包括上框架31、套管32和平行布置于其間的一個(gè)或多個(gè)壓縮彈簧34。壓縮彈簧34每個(gè)都具有彈簧剛度k 36，其優(yōu)選地以每單位長(zhǎng)度的力單位而限定。在一些實(shí)施例中，上框架31機(jī)械地與超聲波焊接機(jī)10的增幅器14相互作用以傳遞力。套管32完全地或部分地環(huán)狀包圍焊炬16的焊頭18，并且包括下面33，該下面33在超聲波焊接期間與工件40中的一個(gè)相互作用。包括其下面33的套管32包括開口或孔隙，當(dāng)焊接時(shí)超聲波焊接機(jī)10的焊炬16突出穿過(guò)該開口或孔隙。
[0034]當(dāng)超聲波焊接機(jī)10處于休息、未應(yīng)用狀態(tài)時(shí)，彈簧34和套管32的縱向長(zhǎng)度被標(biāo)記為L(zhǎng) 35，并且套管32的下面33在焊頭18下方延伸距離AL 37。當(dāng)超聲波焊接機(jī)10處于焊接狀態(tài)時(shí)，端部執(zhí)行器或其他裝置驅(qū)使超聲波焊接機(jī)10抵靠工件40、41，從而將套管32的下面33施加至工件40、41并且驅(qū)使超聲波焊接機(jī)10的焊炬16穿過(guò)套管32而突出，使得焊頭18與下面33平齊。為了在焊頭18處獲得焊接力FH238，等于(F/2+F/2)的合力F15可由端部執(zhí)行器施加至增幅器14或上框架31，其中壓縮彈簧34將等于(kAL/2+kAL/2)的kAL的夾緊力39通過(guò)套管32施加到抵靠砧座50的工件40、41。夾緊機(jī)構(gòu)30構(gòu)造為提供一致的夾緊力39，以驅(qū)使工件40、41抵靠砧座50，該夾緊力39與由焊炬16的焊頭18抵靠工件40、41而施加的尖端焊接力38解耦。當(dāng)焊接機(jī)構(gòu)30未應(yīng)用時(shí)，焊炬16在夾緊機(jī)構(gòu)30中縮回。距離AL37可取決于是一側(cè)焊接還是兩側(cè)焊接并且取決于工件40、41的剛度和材料性能而被調(diào)整。
[0035]夾緊設(shè)計(jì)因子包括用于壓縮彈簧34的彈簧剛度k 36的可選值以實(shí)現(xiàn)夾緊力39，并且在一個(gè)實(shí)施例中可包括可調(diào)整的夾緊力?？烧{(diào)整的夾緊力39可通過(guò)合適的機(jī)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)，該合適的機(jī)構(gòu)可變地且可控地調(diào)整彈簧長(zhǎng)度35和套管32的下面33在焊頭18下方的松弛延展。測(cè)量規(guī)則或其他的距離標(biāo)記裝置可被實(shí)現(xiàn)在夾緊機(jī)構(gòu)30的外部上以指示夾緊力39的幅度。
[0036]這樣，超聲波焊接機(jī)10可被使用以結(jié)合熱塑性工件40、41，并且包括超聲波換能器12、增幅器14和具有焊頭18的焊炬。夾緊機(jī)構(gòu)30附接至該超聲波焊接機(jī)10并且包括聯(lián)接至套管(boot) 32的上框架31。超聲波焊