器7前端的振动头8、设置在振动头8下方的上声极14、下声极17和超声电源18 ;超声振动隔离装置13设置在加压装置12和振动头8之间，用于隔离加压装置12对超声振动系统的影响；上声极14通过焊接或者螺钉联接设置在振动头8的下方，下声极17设置在待焊接工件的下方，与上声极14同轴相对设置；所述的壳体单元包括前挡板9、套筒10和后挡板11 ;所述的超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓I及依次套设在螺栓I上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5，前盖板5上设置有与壳体单元联接用的法兰盘6，后盖板2和前盖板5通过螺栓I将后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5联接压紧，构成了超声振动换能器的能量转换部分，可将超声电源18输出的超声电信号转换为超声振动换能器的纵向超声振动。超声振动换能器只有一组纵向振动压电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直径30mm，压电陶瓷片3为PZT-8，尺寸为:压电陶瓷片3的片数为2。
[0023]椭圆振动模态转换器7和前盖板5制作成一个整体零件设置在前盖板5的前端，椭圆振动模态转换器7整体为斜楔形结构，斜楔形结构椭圆振动模态转换器7原整体为长方体，截面边长为15 X15mm，长40mm，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成10度夹角。振动头8通过联接螺钉联接设置在椭圆振动模态转换器7的前端。超声换能器的中心轴线与振动头8的几何中心轴线垂直；斜楔形结构椭圆振动模态转换器7中沿超声换能器轴线方向的两个近似梯形的侧面与振动头8的几何中心轴线也垂直。
[0024]超声振动换能器置于壳体单元内，超声振动换能器的法兰盘6设置于套筒10的上凹止口内，前挡板9通过螺钉和套筒10联接在一起，压紧在法兰盘6的另一侧，对整个超声振动换能器起固定作用，后挡板11通过螺钉联接在套筒10的后侧。
[0025]超声振动换能器和椭圆振动模态转换器7联接后的固有频率为19.84KHz，阻抗为83欧姆，动态电阻为19欧姆，超声电源18输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为19.84 ± 0.0IKHz，且超声电源18在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。
[0026]结合图5所示，运行时，超声振动换能器的电极片4与超声电源18相连，当超声振动换能器的电极片4接入超声电源18输出的电信号后，由于压电陶瓷片3的逆压电效应，压电陶瓷片3将会产生纵向超声振动，即超声振动换能器将超声电源18输出的电能转换为纵向超声振动，并驱动整个超声振动换能器系统进行纵向超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器7末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动振动头8和上声极14 一起做超声椭圆振动。
[0027]当加载电压运行10分钟后，单激励超声椭圆振动金属焊接装置达到稳定振动状态，此时超声电源18的稳定输出电压为220V，电流为1.15A，使用激光多普勒测振仪测得超声椭圆振动长短半轴振幅分别为12.6微米和4.4微米，并通过具有李沙育图形运算功能的双踪示波器对激光多普勒测振仪测得的信号进行图形运算，可以得到长短轴比为2.86的超声椭圆振动轨迹，完全满足超声椭圆振动焊接的要求。
[0028]调节超声电源18的工作参数:输出功率P = 80W，工作频率f = 19.84±1ΚΗζ，自动频率跟踪功能打开，此时振动头8椭圆振动长短半轴振幅分别为6微米和2.2微米，上下声极之间加载压力20N，焊接持续时间t = 60s ;实现了两块厚度为1.0mm的45钢板的焊接，联接接头的剪切强度达到462MPa。
【主权项】
1.单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于:该金属焊接装置包括加压装置、超声振动隔离装置、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器、设置在椭圆振动模态转换器前端的振动头、设置在振动头下方的上声极、下声极和超声电源；超声振动隔离装置设置在加压装置和振动头之间，用于隔离加压装置对超声振动系统的影响；下声极设置在待焊接工件的下方，与上声极同轴相对设置；所述的壳体单元包括前挡板、套筒和后挡板；所述的超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有与壳体单元联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，所述的椭圆振动模态转换器为斜楔形结构，斜楔形结构椭圆振动模态转换器原整体为长方体，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成3-30度夹角；在椭圆振动模态转换器与超声换能器前盖板的联接处设有过渡圆弧，超声换能器的中心轴线与振动头的几何中心轴线垂直；斜楔形结构椭圆振动模态转换器中沿超声换能器轴线方向的两个近似梯形的侧面与振动头的几何中心轴线垂直。
2.根据权利要求1所述的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于:所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端。
3.根据权利要求1所述的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于:所述的椭圆振动模态转换器焊接设置在前盖板前端。
4.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于:所述的振动头通过焊接设置在椭圆振动模态转换器的前端。
5.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于:还包括一个联接螺钉，用于将振动头联接在椭圆振动模态转换器的前端。
6.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于:所述的上声极通过焊接设置在振动头的下方。
7.根据权利要求1或2或3所述的单激励超声椭圆振动金属焊接装置，其特征在于:所述的上声极通过螺钉联接设置在振动头的下方。
【专利摘要】本实用新型公开了一种单激励超声椭圆振动金属焊接装置，包括加压装置、超声振动隔离装置、壳体单元、置于壳体单元内的超声振动换能器、椭圆振动模态转换器、设置在椭圆振动模态转换器前端的振动头、设置在振动头下方的上声极、下声极和超声电源。所述的壳体单元包括前挡板、套筒和后挡板；所述的超声振动换能器包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，为斜楔形结构，该椭圆振动模态转换器可以将超声振动换能器产生的纵向超声振动转换为椭圆振动模态转换器末端和振动头的纵弯复合超声椭圆振动。
【IPC分类】B23K20-10
【公开号】CN204366261
【申请号】CN201420763595
【发明人】殷振, 刘威, 齐芳娟, 汪帮富, 曹自洋, 李艳, 陈玉荣, 吴程红, 黄强, 杨鑫铭
【申请人】苏州科技学院
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2014年12月9日