高带宽大表面积的块状超声波焊头的制作方法

本申请要求于2015年6月8日提交的美国发明申请No.14/733,163的优先权并且还要求于2014年6月9日提交的美国临时申请No.62/009,431的权益。上述申请的全部公开内容通过参引并入本文。

技术领域

本公开内容涉及超声焊接机，并且更具体地涉及用于超声焊接机的高带宽超声波焊头。

背景技术：

本节提供了与本公开内容有关的背景信息，但其未必是现有技术。

图1中示出了典型现有技术的超声波金属焊接设备100的模型。超声波金属焊接设备100的典型部件包括超声换能器102、变幅杆104和超声波焊头106。超声换能器102、变幅杆104和超声波焊头106构成焊接组套118。应了解的是，在某些情况下，焊接组套118不具有变幅杆104。来自频率为20kHz至60kHz的电源101的电能通过超声换能器102转换成机械能。超声换能器102中所转换的机械能通过变幅杆104和焊头106传递至焊接负载108(比如两个金属件112、114)。变幅杆104和焊头106执行传递机械能以及通过增益系数对来自超声换能器102的机械振动进行转换的功能。

焊头梢端110上产生的机械振动是执行将金属焊接在一起的任务的运动。焊头梢端110可以由碳化钨或其他高强度硬质材料制成。待被焊接在一起的金属件112、114邻近焊头梢端110放置。焊头梢端110与待被焊接的上部金属件112相接触。此时超声波焊头106的轴向振动变为上部金属件112的剪切振动。剪切振动被传递至上部金属件112，使得上部金属件112相对于下部金属件114前后移动，从而使得两个金属件的在焊接界面处彼此邻接的表面被加热，最后熔融在一起。焊接砧座120将下部金属件114支承于地面。应理解的是这种超声焊接机可用于将多个金属箔层焊接在一起，比如若干层铝箔或铜箔。

类似设备被用于用超声波将塑料件焊接在一起。主要差异是超声波焊头以将竖向振荡传递至塑料件中的方式振荡。即，超声波焊头使得塑料件相对于彼此振荡压缩/解压缩，从而使得塑料件的在焊接界面处彼此邻接的表面被加热，最后熔融在一起。

例如在标题为Method for Processing Workpieces by Ultrasonic Energy(用于通过超声能量处理工件的方法)的美国专利No.5,658,408、“标题为Anti-Splice Welder(反侧拼接焊接机)的美国专利No.6,863,205”以及公开号为No.2008/0054051标题为“Ultrasonic Welding Using Amplitude Profiling(使用振幅仿形的超声焊接)”的美国专利中公开了超声焊接机，以上全部公开内容通过参引并入本文。

一种类型的超声波焊头被有时称作槽式块状超声波焊头。该类型的超声波焊头由金属块制成，比如钢、铝或钛，该金属块在顶表面与底表面之间具有机加工在其中的槽。以通常在超声焊接机中使用的超声频率(例如15kHz至60kHz)谐振的典型槽式块状超声波焊头具有高于期望的品质(“Q”)因数。Q因数为超声波焊头的谐振频率除以超声波焊头的带宽。Q因数越高带宽越窄，并且反之亦然。使用具有这些高品质因数的超声波焊头使得超声组套具有非常低的带宽。低带宽超声组套在超声电源于典型焊接周期期间跟踪和保持轴向谐振方面存在问题。由于难以调谐和跟踪谐振频率，因此这样可能导致超声电源的过载。

技术实现要素：

本节提供了本公开的大体概述，并非是本公开的全部范围或其全部特征的全面公开。

根据本公开的一方面，一种大表面积块状超声波焊头包括一个或更多个成形件，所述成形件具有位于该成形件的中点处的比成形件的两相反端部窄的节点。

一方面，每个成形件关于其节点对称。

一方面，块状超声波焊头的长度或宽度为意在使用该块状超声波焊头的超声组套的标称谐振频率的波长的至少一半。

一方面，成形件具有至少为二的A/a比，其中，A是成形件的焊接面积，并且a是节点的截面面积，其中，成形件的焊接面积是当块状超声波焊头附接至超声组套的变幅杆时成形件的邻近变幅杆的基部的面积。

一方面，成形件成形为在截头顶端处接合在一起的对头拼接的角锥体。一方面，成形件圆柱状地成形并且其在两相反端部之间的中点处的节点处的直径比其两相反端部的直径窄。

一方面，块状超声波焊头具有成形件的阵列。一方面，该成形件的阵列是3×3阵列。一方面，该成形件的阵列是4×4阵列。

一方面，块状超声波焊头呈矩形。一方面，块状超声波焊头呈圆柱形。

根据本文的描述，其他适用的领域将变得明显。本发明内容中的描述和具体示例仅用于说明的目的，而不意在限制本公开的范围。

附图说明

文中描述的附图仅用于说明可选的实施方式而非所有可能的实施方案，并且这些附图不意在限制本公开的范围。

图1是现有技术的超声焊接机的示意图；

图2是根据本公开的一方面的用于高带宽大表面积槽式块状超声波焊头的成形件的立体图；

图3是根据本公开的一方面的高带宽大表面积槽式块状超声波焊头的立体图；以及

图4是图2的高带宽大表面积槽式块状超声波焊头的侧视图。

图5是根据本公开的一方面的用于高带宽大表面积槽式块状超声波焊头的圆柱形成形件的立体图；以及

图6是根据本公开的一方面的具有多个成形件的圆柱状高带宽大表面积槽式块状超声波焊头的剖视图。

相应的附图标记表示贯穿附图中的若干视图的相应部件。

具体实施方式

现在将参照附图来更全面地描述示例性实施方式。

根据本公开的一方面，大表面积块状超声波焊头包括一个或更多个成形件，所述成形件具有位于该成形件的中点处的节点，该节点比成形件的两个相反端部窄。在本文中“大表面积”意味着块状超声波焊头的长度或宽度等于或大于要使用所述块状超声波焊头的超声组套的标称谐振频率的1/2。成形件的中点是与两相反端部距离相等的点。因此，两相反端部的面积大于节点的面积、即大于成形件在中点处的截面面积。一方面，成形件关于节点对称。即，成形件的在节点两侧的两个半部是对称的。一方面，当大表面积块状超声波焊头具有多个成形件时，所有成形件都具有相同的几何形状和尺寸。成形件(或根据具体情况可能为多个成形件)被调谐至其将应用于的超声组套的频率(比如20kHz、30kHz、40kHz、50kHz或60kHz)。成形件可以以多种构型组合以形成具有较大表面积的大表面积槽式块状超声波焊头。

由多个上述成形件形成的大表面积槽式块状超声波焊头当被用在典型的超声组套中时，由于其与现有大表面积超声波焊头相比能使超声组套具有较高的耦合系数(Keff)，因此其实现了高带宽。该大表面积块状超声波焊头需要较低应变能就能达到给定的超声波频率，由此实现了较高的Keff。

对以并联谐振运行并使用串联调谐的超声系统进行考虑。这种系统的调谐带宽通过下述公式得出：

(B)带宽＝Keff*fp

其中，Keff是完整的超声组套(转换器、变幅杆、焊头)的耦合系数，并且fp是组套的谐振频率。对于以该调谐技术运行的系统来说，运行具有大带宽的系统比运行(如本领域已知的)具有小带宽的系统容易的多。由多个上述成形件形成的大表面积块状超声波焊头与现有的具有相同焊接面积的大表面积超声波焊头相比能赋予超声组套更高的Keff。

根据本公开的一方面，成形件具有至少为2的A/a比，其中A是成形件的焊接面积，并且a是在成形件的中点处的节点处的截面面积。成形件的焊接面积是当具有该成形件的超声波焊头附接至变幅杆时该成形件的与超声组套的变幅杆相邻的相反端部的面积。以下将参照图2中所示的成形件的示例进行更详细的描述。

图2示出了根据本公开的一方面具有成形件200的大表面积块状超声波焊头201的示例，该成形件200具有两相反端部202、204以及位于成形件200的中点处的节点206。块状超声波焊头201是说明性地呈矩形并且说明性地呈正方形。成形件200成形为在截头顶端210处接合在一起并且分别具有基部212的两个对头拼接的角锥体208。角锥体208中的一者的基部212提供了两相反端部202、204中的一个，并且另一角锥体208的基部212提供了另一相反端部202、204。每个角锥体208说明性地为具有正方形基部212的四边角锥体角锥体，但是也可以是除了四边角锥体之外的形状并且可以具有除了正方形基部之外的基部。在示例中，每个角锥体208的正方形基部212为1.5英寸乘1.5英寸。成形件200具有焊接面积A，该焊接面积A是与超声组套的变幅杆相邻的相反端部202、204的面积。在每个角锥体208的基部212为1.5英寸乘1.5英寸的正方形基部的情况下，焊接面积A为2.25平方英寸。面积a为位于成形件200的中点处的节点206的面积，该节点处是顶端210相接的位置。如以上所讨论的，A/a比至少为2。因此，在本示例中，面积a不大于1.125平方英寸。

参照图3和图4，示出了根据本公开的一方面的矩形的高带宽大表面积槽式块状超声波焊头300。焊头300形成有呈4×4阵列的成形件301，其中，每个成形件301具有位于比成形件301的两相反端部窄的中间部分处的节点303，如下所述。焊头300包括顶板302和底板304。顶板302和底板304可以说明性地是矩形，并且可以是正方形。多个角锥体306从顶板302的底部308向下延伸，并且多个对应的角锥体310从底板304的顶部312向上延伸。角锥体306和角锥体310在其相应的顶端314、316处相接触，该相应的顶端314、316是说明性地截头的且向外弯曲。每对角锥体306、310提供成形件301中的一个成形件。角锥体306、310说明性地可以是具有正方形基部的四边角锥体。角锥体306、310限定出位于它们之间的槽318，该槽318说明性地可以具有对头拼接的大致泪滴的形状。焊头300可以说明性地通过三维金属打印制成，其中，金属粉末的精细层可在彼此的顶部上连续地熔化以打印期望的结构。因此，通过使用三维金属打印可以得到具有上述结构的焊头300，并且说明性地具有可以堪比铸造组织的均质构造。焊头300可以说明性地由能够使用三维打印方法打印的任何金属制成，比如不锈钢、碳钢、工具钢、铝合金、钛合金、镍基合金、钴铬合金等。应了解的是，角锥体306、310可以是除四边角锥体以外的形状，比如具有三角形基部的三边角锥体。

应了解的是，焊头300可具有一个成形件或除4×4阵列之外的成形件阵列。

还应理解的是，除了在其截头的顶端处接合的角锥体之外的形状也可用于成形件，比如成形件200或成形件301。例如，图5示出了成形件500，该成形件500成形为圆柱状并且在该成形件500的中点处的节点502的直径小于其两相反端部504、506的直径。

图6示出了根据本公开的一方面的具有多个成形件602的圆柱状高带宽大表面积块状超声波焊头600。每个成形件602具有位于其中点处的比成形件602的两相反端部606窄的节点604。

根据本公开的一方面，高带宽大表面积槽式块状超声波焊头由中间部分比两相反端部窄的上述成形件的阵列形成。一方面，该阵列是对称的阵列。一方面，该阵列是至少3×3阵列。一方面，高带宽大表面积槽式块状超声波焊头具有3×3阵列的成形件200并且具有至少20.25平方英寸的焊接表面积，并且在一说明性方面中，每个成形件200的两相反端部是1.5英寸乘1.5英寸的正方形。一方面，在每个所述阵列中的每个成形件具有至少为2的A/a比。

已经出于说明和描述的目的提供了实施方式的前述描述。该描述并非意在是穷尽性的或限制本公开。特定实施方式的各个元件或特征一般不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下可互换并且可被用在选定实施方式中，即使这并未具体地示出或描述。特定实施方式的各个元件或特征也可以以多种方式变化。这种变化不应被认为背离了本公开，并且所有这些变体均意在被包括在本公开的范围内。

为了便于在说明书中描述一个元件或特征与另一个元件或特征的如图中所图示的关系，在本文中可以使用空间相对术语，诸如“内”、“外”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上面”。空间相对术语可旨在包括装置在使用或操作中的除图中所示的取向之外的不同取向。例如，如果图中的装置翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件将被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，示例术语“下方”可以包括上方和下方的取向。装置可以其他方式定向(旋转90度或定向为其他取向)，并且本文使用的空间相对描述词应作对应的解释。