一种超声波振动模态转换方法及大尺寸超声波塑料环焊系统

摘要

本发明公开了一种超声波振动模态转换方法，利用纵向振动－弯曲振动－纵向振动的振动模态相互转换原理，包括以下步骤：步骤一、将纵向振动模态的超声波转换为弯曲振动模态的超声波；步骤二、将金属圆环焊头固定于盘形纵弯振动变换器弯曲振动模态的振动波幅位置，使该金属圆环焊头工作于纵向振动模态。本发明还公开了一种大尺寸超声波塑料环焊系统，该系统用于实现超声波振动模态转换以及大尺寸塑料焊件的超声波焊接。本发明扩大了传统的超声波塑料焊接系统的应用范围，降低了生产成本，提高了传统的超声波塑料焊接系统的工作效率。

说明书

技术领域

本发明属于超声波塑料焊接领域，具体涉及一种超声波振动模态转换方法及大尺寸超声波塑料环焊系统。

背景技术

超声波塑料焊接是熔接热塑性塑料制品的高科技技术，各种热塑性胶件均可使用超声波熔接处理，在焊接塑料制品时，既不要添加任何粘接剂、填料或溶剂，也不消耗大量热源，具有操作简便、焊接速度快、焊接强度高、生产效率高等优点。因此，超声波焊接技术越来越广泛地获得应用。

超声波塑料焊接已经广泛应用于汽车、电子、医疗、家电、无布服装、办公用品、包装以及玩具行业等。比如车身塑料零件，汽车车门、汽车仪表、车灯车镜、遮阳板、内饰件、滤清器，手机配件，充电器、玩具文具，墨盒，硒鼓，洗衣机，电熨斗，吸尘器等。

传统的超声波塑料焊接系统一般是由超声波换能器、超声变幅杆以及适用于不同待焊部件几何形状的超声波焊接工具头等组成，比如专利号为CN201320437227.3、专利名称为超声波焊接机的中国发明专利；再比如专利号为CN201220185648.7、专利名称为轴承塑料保持架超声波焊接装置的中国发明专利。传统的超声波塑料焊接系统，其工作原理是基于超声波振动系统的纵向振动模式，即大功率超声波换能器产生纵向振动，通过纵向振动变幅杆进行振动位移放大后，推动焊接工具头产生同频的超声波振动，把超声能量传送到焊区，由于焊区处声阻大，因此会产生局部高温。又由于塑料导热性差，一时还不能及时散发，聚集在焊区，致使两个塑料的接触面迅速熔化，加上一定压力后，使其融合成一体，完成超声波塑料焊接的整个过程。

由于此类超声波振动系统是基于传统的一维纵向振动理论来设计的，一般情况下，此类超声波塑料焊接系统的横向尺寸应小于纵向波长的四分之一，因此，传统的超声波塑料焊接系统的横向尺寸受到了限制，不能用于较大几何尺寸器件的超声波焊接。

发明内容

为了解决传统的超声波塑料焊接系统的横向尺寸受到限制，不能用于较大几何尺寸器件的超声波焊接，本发明提供了一种超声波振动模态转换方法及大尺寸超声波塑料环焊系统。本发明的技术方案是这样实现的：

一种超声波振动模态转换方法，利用纵向振动－弯曲振动－纵向振动的振动模态相互转换原理，包括以下步骤：

步骤一、将纵向振动模态的超声波转换为弯曲振动模态的超声波；

步骤二、将金属圆环焊头固定于盘形纵弯振动变换器弯曲振动模态的振动波幅位置，使该金属圆环焊头工作于纵向振动模态。

上述的超声波振动模态转换方法，所述步骤一是通过盘形纵弯振动变换器与超声波变幅杆的连接，将换能器和超声波变幅杆产生的纵向振动模态的超声波转换为弯曲振动模态的超声波。

上述的超声波振动模态转换方法，所述换能器、所述超声波变幅杆、所述盘形纵弯振动变换器及所述金属圆环焊头均处于共振状态。

一种大尺寸超声波塑料环焊系统，包括将电能转化成机械振动的换能器、用于汇聚超声波的超声波变幅杆及金属圆环焊头，所述超声波变幅杆的超声波接收端与所述换能器的超声波输出端固定连接，还包括用以将接收自所述超声波变幅杆的纵向模态超声波转换为弯曲振动模态超声波的盘形纵弯振动变换器；

所述超声波变幅杆的超声波输出端固定连接所述盘形纵弯振动变换器，所述金属圆环焊头以可拆卸的方式固定在所述盘形纵弯振动变换器上，所述盘形纵弯振动变换器置于所述超声波变幅杆和所述金属圆环焊头之间。

特别指出，为了扩大传统的超声波塑料焊接系统的应用范围，本发明的金属圆环焊头最好是大尺寸的金属圆环焊头。

作为本发明的一个优选实施例，所述盘形纵弯振动变换器的厚度小于其直径的十分之一。

作为本发明的一个优选实施例，所述超声波变幅杆与所述盘形纵弯振动变换器接触面的尺寸小于所述盘形纵弯振动变换器弯曲振动波长的十分之一。

作为本发明的一个优选实施例，所述金属圆环焊头位于所述盘形纵弯振动变换器的弯曲振动位移波幅处，并且所述金属圆环焊头的径向厚度小于所述盘形纵弯振动变换器弯曲振动波长的十分之一。

作为本发明的一个优选实施例，所述金属圆环焊头的外壁上设有多个凹槽，并且该凹槽与金属圆环焊头的内腔相通。

作为本发明的一个优选实施例，所述换能器、超声波变幅杆及金属圆环焊头垂直于所述盘形纵弯振动变换器设置。

作为本发明的一个优选实施例，所述换能器、超声波变幅杆、盘形纵弯振动变换器及金属圆环焊头的各自共振频率与超声波环形塑料焊接系统的振动频率相同。

本发明的有益效果：

与传统的一维纵向振动系统相比，本发明利用了纵向振动－弯曲振动－纵向振动的振动模态相互转换的原理，实现了超声波塑料焊接系统的大尺寸输出。因此，本发明扩大了传统的超声波塑料焊接系统的应用范围，降低了生产成本，提高了传统的超声波塑料焊接系统的工作效率。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明双金属圆环焊头的结构示意图。

图中：1.换能器；2.超声波变幅杆；3.盘形纵弯振动变换器；4.金属圆环焊头；10.夹心式压电陶瓷超声换能器；401.大尺寸金属圆环焊头Ⅰ；402. 大尺寸金属圆环焊头Ⅱ。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

需要说明的是：本发明的术语“上”、“下”、“顶面”、“底面”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

本发明是利用了纵向振动－弯曲振动－纵向振动的振动模态相互转换的原理，公开了一种超声波振动模态转换方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、将处于纵向振动模态的超声波变幅杆2与盘形纵弯振动变换器3接触，使得盘形纵弯振动变换器3处于弯曲振动模态；

步骤二、将处于弯曲振动模态的盘形纵弯振动变换器3与金属圆环焊头4接触，使得金属圆环焊头4处于纵向振动模态。

该方法中的超声波变幅杆2、盘形纵弯振动变换器3及金属圆环焊头4均处于共振状态，并且本实施例中的超声波变幅杆2、盘形纵弯振动变换器3及金属圆环焊头4的工作频率可根据实际需要进行具体设计，只要能完成超声波塑料焊接工作即可。

参照图1，本实施例重点公开了一种用于实现超声波振动模态转换方法的大尺寸超声波塑料环焊系统，它包括换能器1、超声波变幅杆2、与超声波变幅杆2的另一端固定连接的盘形纵弯振动变换器3及金属圆环焊头4，超声波变幅杆2的一端与换能器1固定连接，盘形纵弯振动变换器3位于大尺寸金属圆环焊头的上方，盘形纵弯振动变换器3与大尺寸金属圆环焊头固定连接。本实施例的固定连接优选采用可拆卸的方式。

其中，大尺寸金属圆环焊头位于盘形纵弯振动变换器3的弯曲振动位移波幅处，优选大尺寸金属圆环焊头刚性固定于盘形纵弯振动变换器3的弯曲振动位移波幅处。

其中，本实施例的换能器1、超声波变幅杆2及大尺寸金属圆环焊头应严格垂直于盘形纵弯振动变换器3。

其中，为了保证大尺寸环形超声波塑料焊头中的纵向振动模式的单一性，避免振动模式之间的耦合，大尺寸金属圆环焊头的外壁上设有多个凹槽，凹槽与大尺寸金属圆环焊头的内腔相通。优选在大尺寸金属圆环焊头的高度方向加工一定数量和一定几何尺寸的直槽。

其中，本实施例中的换能器1与超声波变幅杆2的固定连接、超声波变幅杆2与盘形纵弯振动变换器3的固定连接、盘形纵弯振动变换器3与大尺寸金属圆环焊头的固定连接，均可以采用现有技术中的焊接、螺纹连接、铆接、卡接等任一固定方式，只要能满足大尺寸超声波塑料环焊系统的刚性连接即可。优选本实施例中的固定连接采用高强度的预应力中心金属螺栓连接，此固定方式可以使整个系统具有很好的稳定性。

其中，超声波变幅杆2由弹性大、强度高、机械损耗小的金属材料制成，如钛合金、合金铝、铝镁合金、不锈钢或铜等。超声波变幅杆2的截面形状可以是圆锥形、指数型、悬链线形、阶梯型及其复合形状组成。

其中，盘形纵弯振动变换器3由弹性大、强度高、机械损耗小的金属材料制成，如钛合金、合金铝、铝镁合金、不锈钢或铜等。优选盘形纵弯振动变换器3为等截面圆盘结构。

其中，大尺寸金属圆环焊头由弹性大、强度高、机械损耗小的金属材料制成，其材料可为钛合金、铝合金、铝镁合金、不锈钢或铜等。优选金属圆环焊头4为等截面圆环结构。

需指出，本实施例中，为保证大尺寸超声波塑料环焊系统各个组成部分的接触面之间紧密接触，减少机械损耗，提高能量传输效率等，大尺寸超声波塑料环焊系统的各个接触表面应保证较高的平整度及光洁度。

需指出，为了满足超声波振动模态转换的工艺要求，本实施例提出的一种大尺寸超声波塑料环焊系统中，优选盘形纵弯振动变换器3的厚度小于其直径的十分之一；优选超声波变幅杆2与盘形纵弯振动变换器3接触面的尺寸小于盘形纵弯振动变换器3弯曲振动波长的十分之一；优选大尺寸金属圆环焊头的壁厚应小于盘形纵弯振动变换器3弯曲振动波长的十分之一。并且，本实施例中的换能器优选夹心式压电陶瓷超声换能器10，夹心式压电陶瓷超声换能器10的共振频率、输出功率和强度应根据实际待焊接部件的情况来决定。

特别指出，本实施例的换能器1、超声波变幅杆2、盘形纵弯振动变换器3及大尺寸金属圆环焊头的各自共振频率与超声波环形塑料焊接系统的振动频率一致。

与传统的一维纵向振动系统相比，本实施例利用了纵向振动－弯曲振动－纵向振动的振动模态相互转换的原理，实现了超声波塑料焊接系统的大尺寸输出。因此，本实施例扩大了传统的超声波塑料焊接系统的应用范围，降低了生产成本，提高了传统的超声波塑料焊接系统的工作效率。

实施例2：

本实施例与实施例1的不同之处，在于金属圆环焊头4。

本实施例是通过合理设计盘型纵弯振动转换器的弯曲振动模态，使得大尺寸超声波塑料环焊系统可以同时驱动多个大尺寸超声波塑料环形焊头，从而提高振动系统的工作效率。

为保证振动系统的高效稳定工作，每一个环形焊头必须位于盘形纵弯振动变换器3的弯曲振动位移波幅处。

参照图2，本实施例的环形焊头包括大尺寸金属圆环焊头Ⅰ401和大尺寸金属圆环焊头Ⅱ402，大尺寸金属圆环焊头Ⅰ401的内径大于大尺寸金属圆环焊头Ⅱ402的外径，并且大尺寸金属圆环焊头Ⅰ401和大尺寸金属圆环焊头Ⅱ402均位于盘形纵弯振动变换器3的弯曲振动位移波幅处。

需要说明的是，本发明的环形焊头并不仅限于两个，根据实际情况，采用现有技术中的公式进行详细的计算，方能确定环形焊头的分布情况。

本实施例通过在大尺寸超声波塑料环焊系统上固定多个金属圆环焊头，提高了整个环焊系统的工作效率。

实施例3：

下面以工作频率为20千赫兹，运用现有技术中的计算公式以及精确了解材料的各项参数，设定夹心式压电陶瓷超声换能器10、超声波变幅杆2为半波长的超声振动体，设计出盘形纵弯振动变换器及金属圆环焊头的参数如下：

1. 当盘形纵弯振动变换器的材料为铝合金，金属圆环焊头的材料为铝合金时：

盘形纵弯振动变换器的半径R=0.084米，厚度为T=0.015米；

金属圆环焊头的外径R1=0.084米，内径R2=0.0756米，高度为H=0.12米。

2.当盘形纵弯振动变换器的材料为不锈钢，金属圆环焊头的材料为铝合金时：

盘形纵弯振动变换器的半径R=0.085米，厚度为T=0.0152米；

金属圆环焊头的外径R1=0.085米，内径R2=0.0765米，高度为H=0.12米。

3. 当盘形纵弯振动变换器的材料为钛合金，金属圆环焊头的材料为铝合金时：

盘形纵弯振动变换器的半径R=0.083米，厚度为T=0.0147米；

金属圆环焊头的外径R1=0.083米，内径R2=0.0747米，高度为H=0.12米。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。