用于超声波焊接的系统和方法与流程

这个申请要求2015年6月5日提交的美国临时专利申请号62/172,005、2015年8月19日提交的美国临时专利申请号62/207,160以及2015年8月19日提交的美国临时专利申请号62/207,158的优先权，并且每个所述美国临时专利申请的全部内容均通过引用在此并入。

技术领域

本技术总体上涉及通过焊接连接工件。更具体地，本技术涉及用于聚合物复合材料的超声波焊接的系统和方法。

背景技术：

超声波焊接是一项工业技术，由此高频超声波的声振动被局部地施加至在压力下被保持在一起的工件以产生熔合焊缝。这个技术通常用于连接相似和异种材料 。例如，异种材料包括热塑性聚合物和金属（即，金属-聚合物）。利用金属的适当表面处理，热塑性材料能够被连接至金属。该技术被用在诸如汽车、器械、电子、包装、纺织以及医疗等等的工业中。

包括部分和材料变化的因素导致不一致的焊缝质量。在超声波焊接中，可能难以在线确定焊缝质量（例如，在实时形成焊缝时或在不从焊接系统移除工件的情况下的焊缝质量）。此外，某些焊接系统没有能力进行测量以评价焊缝质量。而且，例如，由于工件之间的间隙，可能难以使用单侧超声波焊接过程产生优质焊缝。

技术实现要素：

本技术公开了系统和方法以改善焊缝质量。例如，所描述的某些系统和方法使用焊缝质量监测作为超声波焊接过程的反馈以改善焊缝质量。各种系统和方法通过使用多个选定脉冲改善双侧和单侧超声波焊接。

根据示例性实施例，方法包括通过将铁砧和焊头集合在一起向第一工件和第二工件在所述工件的重叠部分处施加压力；通过如由控制器控制的焊头施加超声波振动的第一脉冲至所述工件直到测量值符合或超过预设阈值为止；并且通过控制器在第一脉冲期间测量随时间变化的耗散功率以及随时间变化的焊头位置。

该方法进一步包括通过控制器确定：（1）阶段的持续时间为下述之间的差值：基于控制器停止超声波振动的时间的阶段的结束时间；以及基于随时间变化的耗散功率的下降的阶段的开始时间；（2）基于下述之间的差值的在该阶段期间的焊头位移：在该阶段的开始时间测量的第一焊头位置；以及在该阶段的结束时间测量的第二焊头位置；其中，随时间变化的焊头位置包括第一焊头位置和第二焊头位置；以及（3）基于焊缝强度数据、阶段的持续时间、以及在该阶段期间的焊头位移的焊缝强度值。然后该方法包括通过控制器比较焊缝强度值与阈值焊缝强度值。

该方法进一步包括通过控制器确定：（1）如果焊缝强度值大于阈值焊缝强度值，则焊缝质量是可接受的；以及（2）如果焊缝强度值小于阈值焊缝强度值，则焊缝质量不是可接受的。本方法被重复直到焊缝质量是可接受的为止。例如，如果焊缝质量不是可接受的，则该方法包括通过如由控制器控制的焊头施加超声波振动的第二脉冲至工件直到测量值符合或超过预设阈值为止，并且针对第二脉冲重复测量、确定、以及比较步骤。

第二脉冲可以在选定的冷却期之后被施加。此外，第二脉冲的焊接参数可以关于第一脉冲的焊接参数被调整。焊接参数包括焊接时间、焊接能量、以及焊接压力。例如，如果在阶段期间的焊头位移和该阶段的持续时间过低，则调整至少一个焊接参数包括增加焊接时间、焊接能量以及焊接压力中的至少一个。

在某些实施例中，焊缝强度数据被预先确定并且与工件相关联。在某些实施例中，预设阈值是焊接能量的量、焊接时间的量以及相对于开始位置的焊头位置中的一个。

本发明还包括下述方案：

方案1. 一种方法，其包括：

通过如由控制器控制的焊头施加超声波振动的第一脉冲至第一工件和第二工件直到测量值符合或超过预设阈值为止，其中，超声波振动的所述第一脉冲在所述工件的重叠部分处被施加至第一工件和第二工件；

在所述第一脉冲期间随时间通过控制器测量耗散功率和焊头位置；

通过控制器确定：

阶段的持续时间为下述之间的差值：

基于所述控制器停止超声波振动的时间的所述阶段的结束时间；以及

基于随时间变化的所述耗散功率的下降的所述阶段的开始时间；

基于下述之间的差值的在所述阶段期间的焊头位移：

在所述阶段的所述开始时间测量的第一焊头位置；以及

在所述阶段的所述结束时间测量的第二焊头位置；其中，所述随时间变化的焊头位置包括所述第一焊头位置和所述第二焊头位置；以及

基于焊缝强度数据、所述阶段的所述持续时间、以及在所述阶段期间的所述焊头位移的焊缝强度值；以及

通过所述控制器比较所述焊缝强度值与阈值焊缝强度值。

方案2. 根据方案1所述的方法，其中，所述焊缝强度数据在施加所述第一脉冲之前被测量。

方案3.根据方案2所述的方法，其中，所述焊缝强度数据利用等同于所述工件的工件被测量。

方案4.根据方案1所述的方法，其进一步包括通过所述控制器确定：

如果所述焊缝强度值大于所述阈值焊缝强度值，则焊缝质量是可接受的；以及

如果所述焊缝强度值小于所述阈值焊缝强度值，则所述焊缝质量不是可接受的。

方案5.根据方案4所述的方法，其中，所述施加、测量、确定、比较、以及确定步骤被重复直到所述焊缝质量是可接受的为止。

方案6.根据方案4所述的方法，其进一步包括通过如由所述控制器控制的所述焊头施加超声波振动的第二脉冲至所述工件直到测量值符合或超过预设阈值为止。

方案7.根据方案6所述的方法，其进一步包括针对所述第二脉冲重复所述测量、确定、以及比较步骤。

方案8.根据方案6所述的方法，其中，所述第二脉冲在冷却期之后被施加，所述工件在所述冷却期中冷却。

方案9.根据方案6所述的方法，其进一步包括调整所述第二脉冲的至少一个焊接参数的值，使得所述第二脉冲的所述至少一个焊接参数的所述值与所述第一脉冲的所述至少一个焊接参数的值不同。

方案10.根据方案9所述的方法，其中，所述焊接参数包括下述的一个或多个：焊接时间、焊接能量、以及焊接压力。

方案11.根据方案10所述的方法，其中，如果在所述阶段期间的所述焊头位移以及所述阶段的所述持续时间在选定的阈值之下，则调整至少一个焊接参数包括增加焊接时间、焊接能量、以及焊接压力中的至少一个。

方案12.根据方案1所述的方法，其中，所述预设阈值是下述中的一个：焊接能量的量、焊接时间的量、以及相对于开始位置的焊头位置。

方案13.一种系统，其包括

焊头；

控制器，所述控制器被构造成：

通过所述焊头施加超声波振动的第一脉冲至所述工件直到测量值符合或超过预设阈值为止；

随时间且在所述第一脉冲期间测量耗散功率和焊头位置；

确定：

阶段的持续时间为下述之间的差值：

基于所述控制器停止超声波振动的时间的所述阶段的结束时间；以及

基于随时间变化的所述耗散功率的下降的所述阶段的开始时间；

基于下述之间的差值的在所述阶段期间的焊头位移：

在所述阶段的所述开始时间测量的第一焊头位置；以及

在所述阶段的所述结束时间测量的第二焊头位置；

其中，所述测量的焊头位置包括所述第一焊头位置和所述第二焊头位置；以及

基于焊缝强度数据、所述阶段的所述持续时间、以及在所述阶段期间的所述焊头位移的焊缝强度值；以及

比较所述焊缝强度值与阈值焊缝强度值。

方案14.根据方案13所述的系统，其中，所述焊缝强度数据在施加所述第一脉冲之前被确定。

方案15.根据方案13所述的系统，其中，所述控制器被进一步构造成确定：

如果所述焊缝强度值大于所述阈值焊缝强度值，则焊缝质量是可接受的；以及

如果所述焊缝强度值小于所述阈值焊缝强度值，则焊缝质量不是可接受的。

方案16.根据方案15所述的系统，其中，如果所述焊缝质量不是可接受的，则所述控制器被构造成通过所述焊头施加超声波振动的第二脉冲至所述工件直到测量值符合或超过预设阈值为止。

方案17.根据方案16所述的系统，其中，所述控制器被构造成针对所述第二脉冲重复所述测量、确定、以及比较步骤。

方案18.根据方案16所述的系统，其中，所述控制器被构造成调整所述第二脉冲的至少一个焊接参数的值，使得所述第二脉冲的所述至少一个焊接参数的所述值与所述第一脉冲的所述至少一个焊接参数的值不同，其中，所述焊接参数是下述之一：焊接时间、焊接能量、以及焊接压力。

方案19.根据方案13所述的系统，其中，所述预设阈值是下述之一：焊接能量的量、焊接时间的量、以及相对于开始位置的焊头位置。

方案20.一种包括指令的计算机可读介质，当通过处理器执行时，所述指令使得所述处理器：

通过焊头施加超声波振动的第一脉冲至第一工件和第二工件直到测量值符合或超过预设阈值为止，其中，超声波振动的所述第一脉冲在所述工件的重叠部分处被施加至第一工件和第二工件；

在所述第一脉冲期间随时间测量耗散功率和焊头位置；

确定：

阶段的持续时间为下述之间的差值：

基于所述控制器停止超声波振动的时间的所述阶段的结束时间；以及

基于随时间变化的所述耗散功率的下降的所述阶段的开始时间；

基于下述之间的差值的在所述阶段期间的焊头位移：

在所述阶段的所述开始时间测量的第一焊头位置；以及

在所述阶段的所述结束时间测量的第二焊头位置；其中，所述测量的焊头位置包括所述第一焊头位置和所述第二焊头位置；以及

基于焊缝强度数据、所述阶段的所述持续时间、以及在所述阶段期间的所述焊头位移的焊缝强度值；以及

比较所述焊缝强度值与阈值焊缝强度值。

本技术的其他方面将部分地是明显的并且将部分地在下文中指出。

附图说明

图1示意性地图示根据示例性实施例的超声波焊接系统。

图2图示焊缝尺寸数据和焊缝强度数据的分布的图形表示。

图3示意性地图示图1的焊接系统的控制系统。

图4是根据示例性实施例通过图1的焊接系统执行的第一超声波焊接方法的流程图。

图5示意性地图示图1的超声波焊接系统。

图6是在图4的第一超声波焊接方法期间的工件上的各点处的温度的图形图解。

图7是在图4的第一超声波焊接方法期间的图1的超声波焊接系统的焊头的位置以及图1的超声波焊接系统的耗散功率的图形图解。

图8是在图4的超声波焊接方法期间的图1的超声波焊接系统的焊头的位置以及图1的超声波焊接系统的耗散功率的图形图解。

图9是焊缝强度、在图4的超声波焊接方法的阶段T3期间图1的超声波焊接系统的焊头的位移，以及图4的超声波焊接方法的阶段T3的持续时间的图形图解。

图10是根据图4的第一超声波焊接方法的多个脉冲的图形图解。

图11是在超声波焊接方法的第一脉冲之后工件的横截面的示意图解。

图12是根据示例性实施例通过图1的焊接系统执行的第二超声波焊接方法的流程图。

图13图示在图12的第二超声波焊接方法期间与多个脉冲相关联的焊缝强度数据的分布的图形表示。

图14示意性地图示根据示例性实施例的单侧超声波焊接系统。

图15是根据示例性实施例通过图14的焊接系统执行的第三超声波焊接方法的流程图。

图16是在图15的超声波焊接方法期间与多个脉冲相关联的焊缝强度数据的分布的图形表示。

具体实施方式

本文中公开了本公开的详细实施例。所公开的实施例仅仅是可能以各种形式和替代形式及其组合实施的示例。例如，如在此使用的，示例性的、说明性的以及类似术语宽泛地指的是用作图解、样本、模型或模式的实施例。

在该描述的精神之内，广义地理解描述内容。例如，本文中参考在任何两个部分之间的连接意为包含被直接地或间接地连接至彼此的两个部分。作为另一个示例，本文中所描述的单个部件（诸如与一个或多个功能相关）应被解读为涵盖在其中代替地使用多于一个部件来执行该功能（一个或复数个）的实施例。并且反之亦然，即，在本文中对于与一个或多个功能相关的多个部件的描述应被解读为涵盖在其中单个部件执行该功能（一个或复数个）的实施例。

各图不必是按比例的，并且一些特征可以被夸大或被最小化，以便示出特定部件的细节。在一些情况下，熟知的部件、系统、材料或方法并没有被详细地描述从而避免模糊本公开。因此，本文中所公开的具体结构和功能细节不被解读为限制性的，而仅仅被解读为用于权利要求的基础以及被解读为用于教导本领域技术人员多样地使用本公开的代表性基础。

本公开的概述

本文中所描述的系统和方法被构造以连接工件。虽然在本文中聚合物复合工件的超声波焊接作为主要示例被描述，但在不脱离本公开的范围的情况下，能够与其他类型的焊接以及其他的工件材料一起使用该技术。

例如，超声波焊接通常适用于由包括聚合物复合材料、塑料（例如，硬塑料和软塑料二者诸如半结晶塑料）、碳纤维增强聚合物（CFRP）薄板以及金属（例如，诸如铝、铜、及镍的薄的、能延展的金属）的材料制成的工件。在金属的适当表面处理的情况下，该过程能够被用于连接异种材料（例如，将金属连接至聚合物）。

示例性工件包括薄板、双头螺柱、突出物、电线挂钩、热交换器翅片、以及管子。出于教导的目的，描述了连接材料的两个薄板的方法。然而，本文中所描述的方法能够被用于连接材料的多于两个的薄板或者多于两个的工件。例如，本文中描述的方法能够被应用于连接叠加的多个工件（例如，多于两个的工件）。

图1-2 焊接系统

参考图1，示意性地示出了焊接系统10。换能器20（例如，压电转换器）将来自发电机19的电信号转换成通过变幅杆21放大的机械振动。焊头22（例如，超声波焊极）被连接至换能器20。焊头22被构造成与工件30、32接触放置以将来自换能器20的机械振动（例如，超声波）转移至工件30、32。焊头22在焊头-工件界面38处接触第一工件30。

系统10的支撑框架40包括铁砧42（例如，嵌套）以及诸如伺服活塞44的致动器44，该致动器44规定焊头22相对于铁砧42的垂直运动和定位。在下面讨论的图中，箭头46表示焊头22的运动的正方向。在焊接过程期间，伺服活塞44能够调整通过焊头22所施加的力。在替代的实施例中，致动器包括气动活塞44。经由致动器44，焊头22被构造成向工件30、32施加力（即，焊接压力）。

出于教导的目的，参考图1，第一工件30是聚合物复合材料的第一薄板，以及第二工件32是聚合物复合材料的第二薄板。第一工件30和第二工件32是重叠的（即，重叠部分34）。在替代的实施例中，工件被布置成形成对接接头或被布置在形成其他接头的构造中。第一工件30的第一表面被定位成在界面36处抵靠第二工件32的第二表面，界面36也被称为搭接表面。

系统10包括数据获取系统50，其被连接至压力传感器52（或力传感器）、焊头位置传感器54、以及功率测量单元56。如下面进一步详细描述的，位置传感器54测量相对于开始位置（例如，开始位置是当焊头与工件30相接触时，在施加超声波振动之前，施加焊接压力）的位置。在此，相对于开始位置的位置代替地可以被称为位移，但是使用了术语相对位置，这是因为当提及通过位置传感器54所测量的两个位置间的差值时，在下面使用了术语位移。数据获取系统50还包括被构造成测量时间的计时器58。

通常，数据获取系统50在通过焊接系统10执行的超声波焊接方法期间记录数据。数据获取系统50被连接至控制器60并且被构造成将记录的数据提供至焊接系统10的控制器60以评估焊缝质量，如在下面进一步详细描述的。

特别地，数据获取系统50记录每个来自压力传感器52的焊接压力，来自功率测量单元56的焊接能量，以及来自位置传感器54的焊头22的位置，每一个均是时间的函数。数据获取系统50记录每个来自计时器58的焊接时间、保持时间以及延迟时间。

继续参考图1，焊接系统10被构造成执行本文中所描述的方法。简要描述，该系统10包括三种焊接模式，其被称为能量模式、时间模式以及焊头位置模式。每种焊接模式的特征在于焊接能量、焊接时间以及相对于开始位置的焊头位置的预设值的相应一个。特别地，焊接能量的预设值被用于能量模式，焊接时间的预设值被用于时间模式，以及焊头位置的预设值被用于焊头位置模式。如在下面进一步详细描述的，预设值被储存在存储器84（在图3中示出）中以通过控制器60使用。

预设值设定至少一个阈值，在该阈值处超声波焊接过程被停止。根据示例性过程，工件30、32使用系统10的标称功率被焊接。当焊接能量、焊接时间或焊头位移达到针对选定焊接模式的预设值时，超声波振荡被停止。焊缝质量能够通过在各个选定焊接模式中的预设值被控制，例如，通过避免能量的过度施加保持高质量。

参考图2，图示了从施加至超声波焊接的热塑性复合材料的各种焊接能量得到的焊缝区域和焊缝强度的分布。左侧y轴包括焊缝直径的标度，以毫米（mm）为单位计量，并且与黑色数据点相关联。右侧y轴包括焊缝强度的标度，以千牛顿（kN）为单位计量，并且与白色数据点相关联。x轴包括所施加的焊接能量的标度，以焦耳（J）为单位计量。

如图所示，对于在相同的焊接条件下并且使用相同的焊接参数制成的接头（即焊缝），焊缝强度和焊缝面积存在显著的分布或离散度。该离散度至少部分地是由焊缝质量上的变化引起的。下面进一步详细描述的焊接方法提高焊缝强度并且降低离散度。

图3 控制系统

参考图3，控制器60包括用于控制和/或处理数据的处理器80、输入/输出数据端口82以及存储器84。控制器60能够由其他术语指代，诸如控制器单元、控制器装置、有形控制器、有形控制器装置，或类似物。

处理器能够是多处理器，其能够包括在单个机器或多个机器中的分布式处理器或并行处理器。该处理器能够包括虚拟处理器（一个或复数个）。该处理器能够包括状态机、专用集成电路（ASIC）、包括现场可编程门阵列，或状态机的可编程门阵列（PGA）。当处理器执行指令以进行“操作”时，这能够包括处理器直接进行操作和/或促进、指导另外的装置或部件，或与另外的装置或部件协作以进行操作。

控制器60能够包括各种计算机可读介质，其包括易失性介质、非易失性介质、可移除介质以及非可移除介质。当在说明书和权利要求中使用时，术语“计算机可读介质”及其变型包括储存介质。储存介质包括易失性和/或非易失性、可移除和/或非可移除介质，诸如例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储技术、CDROM、DVD或其他光盘储存、磁带、磁盘储存或其他磁性储存装置，或被构造成用于储存能够通过控制器60访问的信息的其他介质。

虽然存储器84被图示为最靠近处理器80存在，但应该理解的是存储器的至少一部分能够是远程访问的储存系统，例如，在通信网络上的服务器、远程硬盘驱动器、可移除储存介质、其组合以及类似物。因此，下面描述的任何数据、应用程序、和/或软件均能够被储存在存储器内和/或能够经由连接至其他数据处理系统（未显示）的网络连接访问，该网络连接可以包括，例如，局域网（LAN）、城域网（MAN）或广域网（WAN）。

存储器84包括用在控制器60中的一些类别的软件和数据，包括应用程序90、数据库92、操作系统94以及输入/输出装置驱动器96。

如本领域技术人员将理解的，操作系统94可以是用于与数据处理系统一起使用的任何操作系统。输入/输出装置驱动器96可以包括通过操作系统94由应用程序访问以与装置通信的各种例程，以及某些存储器部件。应用程序90能够作为可执行指令储存在存储器84和/或在固件（未显示）中，并且能够通过处理器80执行。

应用程序90包括各种程序，当通过处理器80执行时，该程序实现控制器60的各种特征。应用程序90包括用于进行本文中所描述的方法的应用程序。应用程序90被储存在存储器84中并且被构造成通过处理器80执行。

应用程序90可以使用储存在数据库92中的数据，诸如经由输入/输出数据端口82接收的数据。数据库92包括通过应用程序90、操作系统94、输入/输出装置驱动器96以及可能存在于存储器84中的其他软件程序使用的静态和/或动态数据。

应该理解的是图3和上面的描述意在对适用环境提供简要且概括的描述，在所述适用环境中，本公开的一些实施例的各个方面能够被实现。术语“计算机可读介质”、“计算机可读储存装置”及其变型当在说明书和权利要求中使用时能够包括储存介质。储存介质能够包括易失性和/或非易失性、可移除和/或非可移除介质，诸如例如，RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储技术、CDROM、DVD、或其他光盘储存、磁带、磁盘储存或其他磁性储存装置或除传播信号之外的、能够被用于储存能够通过图3中示出的装置访问的信息的任何其他介质。

虽然该描述包括计算机可执行指令的通用内容，但是本公开还能够与其他程序模块组合实现，或被实现为硬件和软件的组合。术语“应用程序”或其变型在本文中被广意地使用以包括例程、程序模块、程序、部件、数据结构、算法、以及类似物。应用程序能够在各种系统配置上被实现，包括单处理器或多处理器系统、小型计算机、大型计算机、个人计算机、手持计算装置、基于微处理器的、可编程消费性电子产品、其组合、以及类似物。

图4 第一超声波焊接方法

参考图4，根据超声波焊接方法100，超声波焊接系统10（图1）被用于连接第一工件30和第二工件32。

根据图4的方法100的第一方框110，工件30、32（图1）被定位在铁砧42的模具表面上。工件30、32的重叠部分34被定位在焊头22和铁砧42之间。

根据第二方框120，铁砧42和焊头22被集合在一起以在重叠部分34处施加用于焊接的压力（其能够被称为焊接压力）至工件30、32。铁砧42和焊头22在搭接界面36处将第一工件30和第二工件32按压在一起。

根据第三方框130，当工件30、32在压力下被保持在一起时，控制器60经由焊头22将超声波振动的脉冲施加至工件30、32。来自超声波振动的热（即，来自工件之间的摩擦以及分子间的振动的热）在界面36处使第一工件30的材料和第二工件32的材料熔化。由于振动能量的吸收，超声波振动引起材料局部熔化。振动横跨界面36（例如，要被焊接的接头）被引入。

根据第四方框140，参考上面描述的模式，测量值符合或超过预设阈值并且超声波振动的脉冲被停止。当超声波振动被停止时，熔化物开始固化并且工件30、32在搭接（例如，重叠，接触）表面（即，界面36）处被连接。现在相对于工件30、32的温度响应进一步详细描述本方法。

图5和图6 温度响应

参考图5，系统10包括热电偶70、72，该热电偶70、72用于在焊头-工件界面38处和工件-工件界面36（即，搭接界面）处测量温度。热电偶70、72被定位在焊头-工件界面38以及搭接界面36处并且被连接至数据获取系统50。

在各种实施例中数据获取系统50在超声波焊接方法100（图4）期间记录温度和/或焊头位移随时间的变化。图6由左侧y轴（以摄氏度（C）为单位计量）表示温度，并且由右侧y轴（以毫米（mm）为单位计量）表示焊头位移，每一个均随由x轴表示的时间t(以秒（s）为单位计量)变化。在焊头-工件界面38处的温度200通过热电偶70测量，以及在搭接界面36处的温度202通过热电偶72测量。现在相对于一系列的时间阶段T1、T2、T3和T4进一步详细地描述在超声波焊接方法100期间，在焊头-工件界面38和工件-工件界面36的每一处的随时间变化的温度。

在阶段一T1期间，超声波振动的超声波脉冲开始，并且在焊头-工件界面38和工件-工件界面36之间的库仑摩擦导致温度200、202升高。

在阶段二T2期间，库仑摩擦不再是主要的加热源，并且材料的粘弹性加热变成主导。搭接界面36附近的温度202随焊接时间大致成线性升高，并且在阶段二T2结束附近达到峰值温度。

在阶段三T3期间，当搭接界面36附近的温度202稳定时，焊头-工件界面38附件的温度200随时间升高。当焊头22压进上部工件30中时，熔膜形成并且一些熔化的材料从搭接界面36溢出。因此，在阶段三T3中观察到焊头位移（例如，焊头相对位置204的急剧增加）。在这个状况下，材料的熔化率与熔化物的扩展率平衡。

在阶段四T4期间，根据第四方框140（图4），控制器60停止超声波振动并且熔化物开始固化。随着主要由材料收缩导致的焊头22轻微向下移动（例如，如在图1中由箭头46指示的正方向；焊头相对位置204相对于开始位置206增加），搭接界面36的温度202和焊头-工件界面38的温度200中的每一个均随时间降低。这样，焊缝的萌生和发展取决于在搭接界面36处由工件30、32的材料所消耗的能量。

图7-10 耗散功率和焊头位移

继续参考图7，进一步详细地描述了在超声波焊接方法100期间耗散功率210和焊头22的相对位置204。图7由左侧y轴（以毫米（mm）为单位计量）表示焊头22相对于开始位置（206）的位置以及由右侧y轴（以瓦特（W）为单位计量）表示耗散功率，每一个均随由x轴表示的时间t（以秒（s）为单位计量）变化。在第三方框130期间，耗散功率210通过功率测量单元56测量，以及焊头22的相对位置204通过位置传感器54测量。耗散功率是传递至工件30、32（或由工件30、32吸收）的功率。

在图7中，随着库仑摩擦在焊头-工件界面38处和在搭接界面36处发生，在阶段一T1中的耗散功率210线性升高。

在阶段二T2中，随着超声波焊接继续，在搭接界面36处的越来越多的微凸体变得熔化，并且耗散功率210达到最大值。由于加热，工件30、32在阶段二T2开始时膨胀，并且焊头22向上移动（例如，向上方向是负的，或与图1中由箭头46指示的方向相对；焊头相对位置204相对于开始位置206降低）。进一步沿着阶段二T2，由于工件30、32的继续加热，当微凸体熔化以及焊头22向下移动时，工件30、32的膨胀结束。

在阶段三T3中，微凸体在搭接界面36处被熔化，并且形成熔膜。当搭接界面36处的材料的熔化率和扩展率平衡时，需要更少的振动能量来熔化搭接界面36处的材料以补偿扩展的熔化物。由于在搭接界面26处的熔化物的形成，焊头22的相对位置204随时间增加（即，位移），并且耗散功率210随时间降低直到在阶段三T3结束时停止超声波振动为止。

图8示出焊头位置和耗散功率的另一个示例。图8同样由左侧y轴（以毫米（mm）为单位计量）表示焊头22相对于开始位置（206）的位置204，以及由右侧y轴（以瓦特（W）为单位测量）表示耗散功率210，每一个均是由x轴表示的时间t（以秒（s）为单位计量）的函数。

参考图8，控制器60确定在阶段三T3中的焊头位移（ΔD_T3）以及阶段三T3的持续时间（Δt_T3）。在阶段三T3中的焊头位移（ΔD_T3）基于在阶段三T3的开始时间（ts）的第一焊头位置（p1）和在阶段三T3的结束时间（te）的第二焊头位置（p2）之间的差值被确定。特别地，在开始时间（ts）的焊头相对位置204是第一焊头位置（p1），以及在结束时间（te）的焊头相对位置204是第二焊头位置（p2）。阶段三T3的开始时间（ts）和阶段三T3的结束时间（te）之间的差值是阶段三T3的持续时间Δt_T3。

控制器60基于耗散功率210的变化确定阶段三T3的开始时间（ts）。参考图8，在搭接界面36处具有各种高度的微凸体的熔化物导致耗散功率210在阶段二T2中的一系列波动。在阶段三T3中，熔膜形成并且耗散功率210急剧地降低。控制器60选择对应于耗散功率急剧降低的时间，例如，作为阶段三T3的开始时间（ts）。控制器60选择阶段三T3的结束时间（te），例如，作为控制器60停止施加超声波振动的时间。如上面所描述的，当所测量的焊接能量、所测量的焊接时间212、或所测量的焊头相对位置204达到或超过相应的预设值时，控制器60停止施加超声波振动。

参考图9，对于由超声波焊接方法100得到的众多焊缝中的每一个，焊缝强度数据300包括与阶段三持续时间（Δt_T3）值和阶段三焊头位移（ΔD_T3）值的每一个相关的焊缝强度值（例如，基于焊缝强度测试）。这样，阶段三持续时间（Δt_T3）和阶段三焊头位移（ΔD_T3）与焊缝强度相关。使用焊缝强度数据300，焊缝强度值能够基于阶段三持续时间值和阶段三焊头位移值被确定。

参考图9，示出了焊缝强度数据300的图形等值线表示。图9利用等值线（以千牛顿（kN）为单位标记）表示在焊缝强度的不同水平之间的边界。等值线关于焊缝强度值被画出。使用相关联的阶段三焊头位移（ΔD_T3）值和相关联的阶段三持续时间（Δt_T3）值在图9的曲线图上绘制了每个焊缝强度值。特别地，相关联的阶段三焊头位移（ΔD_T3）值沿y轴（以毫米（mm）为单位计量）绘制，并且相关联的阶段三持续时间（Δt_T3）值沿右侧x轴（以秒（s）为单位计量）绘制。

继续参考图9，优质焊缝被确定为超过选定阈值焊缝强度值302（例如，在由阴影线的阴影表示的区域304中的值）的焊缝。在图9的等值线图中，对于带有30%重量纤维的所焊接的4mm厚的碳纤维复合材料，阈值焊缝强度值302被图示在5.2kN处。超过所选定的阈值焊缝强度的那些焊缝通常落在阶段三持续时间（Δt_T3）值的特定范围内，并且通常落在阶段三焊头位移（ΔD_T3）值的特定范围内。

具有小的阶段三焊头位移（ΔD_T3）值的焊缝通常具有薄的膜厚度，并且因此具有弱的强度。具有长的阶段三持续时间（Δt_T3）值以及大的阶段三焊头位移（ΔD_T3）值的焊缝通常具有厚的熔合区及在熔合区中的大量的气泡。厚的熔合区和气泡二者均对接头强度有负面影响，并且在下面关于图11被讨论。

再次参考图4，根据超声波焊接方法100的第五方框150，控制器60确定在第一脉冲（例如，第三方框130）期间所测量的耗散功率210和焊头相对位置204。如上面所描述的，控制器60基于随时间变化的耗散功率210确定阶段三T3的开始时间（ts）。如上面所描述的，控制器60将阶段三T3的结束时间确定为控制器60停止超声波振动的时间。

控制器60将阶段三持续时间（Δt_T3）确定为在阶段三T3的结束时间（te）和阶段三T3的开始时间（ts）之间的差值。控制器60基于随时间测量的焊头位置204、阶段三T3的开始时间以及阶段三T3的结束时间确定阶段三焊头位移（ΔD_T3）。特别地，阶段三焊头位移（ΔD_T3）基于在阶段三T3的开始时间（ts）的第一焊头位置（p1）和在阶段三T3的结束时间（te）的第二焊头位置（p2）之间的差值。

控制器60基于焊缝强度数据300、阶段三焊头位移（ΔD_T3）值以及阶段三持续时间（Δt_T3）值确定焊缝质量。例如，控制器基于与工件30、32相关联的预先确定的焊缝强度数据300、所测量的阶段三焊头位移（ΔD_T3）以及所测量的阶段三持续时间（Δt_T3）确定焊缝强度值，并且然后比较该焊缝强度值与阈值焊缝强度值302。如果所确定的焊缝强度值大于阈值焊缝强度值302，则焊缝质量是可接受的。如果所确定的焊缝强度值小于阈值焊缝强度值302，则焊缝质量不是可接受的。

参考图9，阈值焊缝强度值302限定了区域304的界限（例如，对于带有30%重量纤维的所焊接的4mm厚的碳纤维复合材料，阈值焊缝强度值302是5.2kN）。如果在图9的曲线图上由阶段三焊头位移（ΔD_T3）值和阶段三持续时间（Δt_T3）值限定的点落在区域304的范围内，则相关联的接头的焊缝质量是可接受的。如果由阶段三焊头位移（ΔD_T3）和阶段三持续时间（Δt_T3）所限定的数据点落在区域304的范围外，则相关联的接头的焊缝质量不是可接受的。

响应于焊缝质量不是可接受的（例如，诸如警报或旗标的缺陷指示）的确定，第二脉冲312接着第一脉冲310（例如，各个脉冲关于方框130、140被描述），如在图10中所示。在图10中，y轴是振动，并且x轴是时间。如在下面进一步详细描述的，多个脉冲能够改善接头强度，增加焊缝面积，并且减少或移除多孔区域中的孔隙。

如在图4中所示，响应于在第五方框150处的确定：焊接质量不是可接受的，第六方框160引回到第三方框130，并且方框130、140被重复以施加第二脉冲312（或随后脉冲，如果施加了多于两个脉冲）。通常，随后脉冲（例如，脉冲312）在从在前脉冲（例如，脉冲310）在接头部分冷却或完全冷却之后被施加。例如，参考图10，冷却期320在第一脉冲310和第二脉冲312之间。

对于随后脉冲，焊接参数能够被调整以调整阶段三焊头位移（ΔD_T3）值和阶段三持续时间（Δt_T3）值。焊接参数包括焊接时间、焊接能量以及焊接压力。例如，如果阶段三焊头位移（ΔD_T3）值和阶段三持续时间（Δt_T3）值过低，则增加焊接时间、焊接能量以及焊接压力中的一个或多个通常增大阶段三焊头位移（ΔD_T3）值和阶段三持续时间（Δt_T3）值。

在第二脉冲312之后，第五方框150被重复以确定是否需要第三脉冲。以此方式，方框130、140、150能够被重复（例如，经由第六方框160）直到第五方框150步骤的结果是可接受的接头质量，并且例如，响应于合格指示，超声波焊接方法100在第七方框170处结束。

在此，如果需要的话，施加多个脉冲。多脉冲方法与单脉冲方法相比产生更加一致的优质焊缝。例如，单脉冲方法通常使用更大的焊接参数，其能够使超声波焊接系统停顿并且引起严重的焊缝凹痕。多脉冲方法，利用各脉冲之间的冷却，能够使用更小的焊接参数。由于至少这个原因，相比于单脉冲方法，多脉冲方法改善了过程稳健性和焊缝质量。

超声波焊接方法100使得能够简单且有效的生产一系列基本上无损的焊缝，而不用中断焊接操作或停止焊接过程以离线检查接头的强度。

图10-11 多个脉冲

参考图10和图11，如上面所描述的，多个脉冲310、312能够改善接头强度，增加焊缝面积，并且减少多孔区域350、352中的孔隙。参考图11，在第一脉冲310之后，多孔区域350、352可能位于工件30、32的熔合区360（即，焊缝）的周边处。第二脉冲（或随后脉冲）使在焊缝360的周边处的区域熔合，移除或减小多孔区域350、352。

图12-13 第二超声波焊接方法

参考图12，现在描述第二超声波焊接方法400。根据第二超声波焊接方法400，焊接系统10被使用以连接第一工件30和第二工件32。

根据第一方框410，控制器60在施加脉冲之前，选择多个脉冲（例如，如在图10中示出的两个脉冲310、312）的焊接参数（例如，焊接时间、焊接能量以及焊接压力）。控制器60选择焊接参数以产生优质焊缝。例如，控制器60基于工件30、32的材料、阈值焊缝强度值404以及最小化能量和时间选择焊接参数（例如，一般被称为焊缝计划）。

工件30、32的厚度以及工件30、32的材料是“装配”条件。例如，“装配”条件涉及如何装配接头以用于焊接。使用装配条件以及阈值焊缝强度值，焊缝计划能够被确定以产生符合阈值焊缝强度值的焊缝。焊缝计划基于在下面进一步详细描述的焊缝强度数据402被确定。

例如，对于超声波焊接的3.3 mm厚的碳纤维复合材料，为了符合1400 lb力的接头强度要求，焊缝计划能够包括（1）带有1100 J 的焊接能量的第一脉冲、150 lb的焊头力持续0.25秒并且然后200 lb的焊头力持续0.25秒；（2）冷却一段时间（例如2秒）；以及（3）带有700 J的焊接能量的第二脉冲。

参考图13，对于带有30%重量纤维的4mm厚的碳纤维尼龙66复合材料，由第二超声波焊接方法400所得到的焊缝强度（沿y轴以千牛顿（kN）为单位绘制）被图示，其中，第一脉冲310具有5千焦（kJ）的能量，以及第二脉冲312具有0-5kJ的能量（第二脉冲沿x轴以千焦（kJ）为单位被绘制；在此，第二脉冲312的“零”能量表示针对仅第一脉冲310的焊缝强度）。所得到的焊缝强度基于各种焊接参数变化，该焊接参数包括第一脉冲310的焊接能量以及第二脉冲312的焊接能量。

图13图示将第一脉冲310的焊接能量保持恒定于5kJ，第二脉冲312的焊接能量能够被选择以减小基于各种因素的焊缝强度的变化。此外，第二脉冲312的能量能够被选择成使得所得到的焊缝强度在选定的阈值焊缝强度值404之上。

作为示例，控制器60接收材料是带有30%重量纤维的4mm厚的碳纤维尼龙66复合材料以及阈值焊缝强度值404是5.2kN的指示。控制器60进一步基于材料访问焊缝强度数据402。使用焊缝强度数据402，控制器60将第一脉冲310的能量选择为5kJ，并且基于阈值焊缝强度值404并最小化第二脉冲312的能量选择第二脉冲312的能量。例如，控制器60将第二脉冲312的能量选择为具有在阈值焊缝强度值404（例如，达到诸如95%或99%的统计置信水平）之上的分布的第二脉冲312的能量中的最低的一个。在图13的示例中，如由圈出的数据点指示的，控制器将第二脉冲312的能量选择为4kJ。在此，2kJ没有被选择是因为在2kJ处的分布没有在阈值焊缝强度值404之上以达到统计置信水平，以及5kJ没有被选择是因为4kJ是更少的能量。

根据某些实施例，控制器60为多于两个的脉冲选择焊接参数。

继续参考图13，通常，第二脉冲312减小所得到的焊缝强度的变化并且提高焊缝强度二者。尤其，第二脉冲312改善焊缝的焊缝强度，其受到除脉冲310、312的能量以外的因素最消极的影响（例如，在该分布的底部处的那些焊缝结果）。

再次参考图12，根据第二方框420，工件30、32被定位在铁砧42的模具表面上。工件30、32的重叠部分34被定位在焊头22和铁砧42之间。

根据第三方框430，铁砧42和焊头22被集合在一起以在重叠部分34处向工件30、32施加用于焊接的压力（或焊接压力）。铁砧42和焊头22将第一聚合物复合薄板30和第二聚合物复合薄板32按压在一起。

根据第四方框440，焊头22施加第一脉冲310。参考上面描述的模式，第一脉冲310被施加直到测量值符合或超过预设阈值为止。一旦第一脉冲310被停止，焊缝冷却。焊缝被冷却被称为冷却期320的选定时间量。在冷却期320之后，焊头22施加第二脉冲312直到测量值符合或超过预设阈值为止。

图14-16 第三超声波焊接方法

上面描述的第一超声波焊接方法100和第二超声波焊接方法400中的每一个均是使用焊头22和铁砧42的两侧超声波焊接方法。参考图14和图15，用于根据第三超声波焊接方法600使用的焊接系统500类似于两侧焊接系统10，除了其不包括铁砧42。第三超声波焊接方法600是使用焊头22以施加焊接压力的单侧焊接方法。

在单侧超声波焊接方法中，夹紧件在焊缝要被形成的位置的周围被施加至工件30、32。然而，由于不恰当的夹紧件和/或由模制引起的部分扭曲，所以在工件30、32之间经常存在间隙。通过焊头22和铁砧42（双侧超声波焊接方法）从两侧施加的力比通过焊头22从一侧（单侧超声波焊接方法）施加的力能更有效地减小或消除这个间隙。在单侧超声波焊接方法期间，工件30、32可以不处于如在通过焊头22施加的力的情况下所优选的紧密接触。

图16图形地图示焊接缝数据602。图16由y轴（以千牛顿（kN）为单位计量）表示接头强度，以及由x轴（以毫米（mm）为单位计量）表示间隙502。由圆表示的数据点表示从单脉冲得到的焊缝强度（由线604连接的数据点），以及由方形表示的数据点表示从双脉冲得到的焊缝强度（由线606连接的数据点）。此外，阈值焊缝强度值612和最大期望间隙值614中的每一个均被示出。

参考图16，焊缝强度通常随着在工件30、32之间的间隙502增加而降低。然而，比较线604与线606，多个脉冲（例如，见图10中的脉冲310、312）增加在工件30、32之间存在间隙502处的接头的焊缝强度。

参考图15，现在详细描述第三超声波焊接方法600。

根据第一方框610，控制器60选择焊接参数（例如，焊接时间、焊接能量、以及焊接压力）以及脉冲数量。控制器60选择焊接参数和脉冲数量以产生优质焊缝。例如，控制器60基于工件30、32的材料、阈值焊缝强度值612、最大期望间隙值614以及最小化能量和时间选择焊接参数和脉冲数量。

作为示例，参考图16，控制器60接收材料是厚度为4mm的含有30%碳纤维的尼龙66，阈值焊缝强度值612是5.2kN，以及最大期望间隙614是一毫米的指示。控制器60基于材料访问焊缝强度数据602。

使用焊缝强度数据602，控制器60基于阈值焊缝强度值612以及最大期望间隙值614选择脉冲的数量。在图16的示例中，控制器60选择的脉冲的数量为二个。在此，对于一毫米的间隙，两个脉冲将接头强度增大至大约6kN，由此越过5.2kN的阈值焊缝强度值612。

在图16中，图示了用于不同间隙502的带有第一焊接能量和焊接时间的第一脉冲以及带有第二焊接能量和焊接时间的第二脉冲。然而，焊缝强度数据602能够包括与多于两个的脉冲相关联的数据以及针对不同焊接能量和焊接时间的数据。同样，基于最大期望间隙值614和阈值焊缝强度值612的接头强度数据点的选择能够被优化以确定脉冲的数量、脉冲的焊接能量以及脉冲的焊接时间，其将例如使用能量或时间的最小量。

根据第二方框620，焊头22被定位在工件30、32的重叠部分34附近。

根据第三方框630，焊头22与重叠部分34被集合在一起以在重叠部分34处向工件30、32施加力（即，焊接压力）。

根据第四方框640，焊头22施加第一脉冲310。参考上面所描述的模式，第一脉冲310被施加直到测量值符合或超过预设阈值为止。一旦第一脉冲被停止，则焊缝冷却。焊缝被冷却被称为冷却期320的选定时间量。在冷却期320之后，焊头22施加第二脉冲312直到测量值符合或超过预设阈值为止。

选择特征

上面在本文中描述了本技术的许多特征。本节总结呈现本技术的一些选择特征。要理解的是本节仅强调该技术的许多特征中的少数，并且以下段落不意味着是限制性的。

本技术的益处包括，但不限于，在线监测焊缝质量的能力。另一个示例优点在于使用焊缝质量监测作为超声波焊接过程的反馈以改善焊缝质量。再另一个示例优点是通过使用选择的多个脉冲改善双侧和单侧超声波焊接。

结论

本文中公开了本公开的各种实施例。所公开的实施例仅仅是为了清楚理解本公开的原理而被阐述的示例，其可以以各种形式及替代的形式，及其组合被实施。

本文中提供的方向参考主要为了便于描述以及为了简化描述示例附图，并且所描述的系统能够在任何的各种定向中被实施。本文中指示方向的参考不是在限制意义上做出的。例如，对上部、下部、顶部、底部或侧面的参考不是为了限制本公开的技术能够被实施的方式而被给出的。例如，当上部表面可能被参考时，该参考表面在设计、制造或操作的参考系中能够，但不必是，垂直向上或在顶上。例如，在各种实施例代替地该表面能够是侧面或位于系统的其他部件的下面。

在不脱离权利要求的范围的情况下，可以对上面描述的实施例进行变型、修改和组合。所有这样的变型、修改和组合都通过该公开和下面的权利要求的范围被包括在本文中。