专利名称：对称超声波旋转焊头的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及超声波焊接。更特别地，本发明涉及一种具有用于将轴向声能转换为径向声能的锥形轴向输入部分的超声波旋转焊头。
背景技术：
声焊接，特别是超声波焊接，在许多工业中日益普及。例如，纺织工业和个人产品工业的企业经常通过超声波焊接制造如尿布、衣服等产品。超声波焊接工具的工作原理是在焊头上施加超声波频率范围(也就是大于等于20kHz)内的声能。焊头响应于施加的声能而振动，从而进一步产生输出声能。通过在部件附近放置焊头将输出声能施加到正在结合的材料(典型地是热塑性塑料)上。振动能通过部件传播，在部件之间的界面处被转换为热量。这种转换是由于将部件熔融和熔化在一起的分子间摩擦而引起的。
尽管目前已经开发出许多焊头结构，众所周知，达到高质量和高速度超声波焊接的较佳方式是使用带有旋转砧的旋转焊头。典型地，旋转焊头是圆柱形的，并围绕一个轴旋转。输入声能位于轴向，输出声能位于径向。焊头和砧基本是两个彼此临近并以相等或不等的切向速度在相反方向旋转的圆柱体。要结合的部件以通常匹配这些圆柱体表面切向速度的线速度通过这些圆柱体表面。旋转焊头和砧的切向速度与部件的线速度之间的匹配可使焊头和部件之间的阻力达到最小。
因此，旋转焊头典型地由至少一个轴向输入部分和一个径向焊接部分组成。输入部分接收轴向声能，而焊接部分将转换后的径向声能施加到目标部件。尽管上述的常规旋转焊头适用于一些应用场合，但是也存在某些严重的困难。一个困难涉及需要达到高水平的振幅均匀性。振幅均匀性能有效地度量接收相同数量焊接能的焊接点的百分比。具体地说，振幅均匀性是通过在给定的输入激励下测量焊接部分外表面(即焊接“面”)的最大位移而确定的。同时还测量对于相同激励的最小位移，最小位移相对于最大位移的比值代表振幅均匀性。因此，振幅均匀性接近百分之百的旋转焊头会在它的整个焊接面内产生非常均匀的输出声能。高振幅均匀性使焊接可以得到更好的预测，并最终降低制造成本。
一些常规旋转焊头具有一个实心并带有节点的输入部分。其它旋转焊头具有一个中空并带有波节面的输入部分。所有的常规旋转焊头都通过泊松比效应和策略地从焊接部分机器加工出的许多底部和顶部调谐切口，将轴向声能转换为径向声能。尽管调谐切口允许常规旋转焊头达到可接受的均匀性水平(约为85％或更大)，但是达到这种水平的均匀性需要一定的成本。具体地说，机器加工调整切口通常相当复杂，并要求额外的工具安装和劳动力。
与常规旋转焊头相关的另一个困难涉及焊接区域长度。从本质上说，焊接区域长度是在旋转焊头的给定路径中可以焊接的产品数量的量度。因此，更大的焊接区域长度使得可以达到更大的产品产量和更多的收益性。为提供更大的焊接区域长度，一般必须增加焊接部分的焊接区域长度。许多常规径向焊头的焊接区域长度限于大约2.5英寸。在要求焊接区域长度为大约5英寸的应用环境下使用这样的焊头，将因此需要两倍的焊接时间和劳动。因此需要提供最小振幅均匀性为85％同时保持5英寸或更大的径向焊接区域长度的旋转焊头。
与常规声学旋转焊头相关的还有一个困难涉及焊头的驱动和安装。例如，许多常规焊头具有一个用于接收轴向声能的单独输入部分。这个单独输入部分是用轴向声能驱动焊头的唯一机构，它将焊头的整体有用性限制到半波应用。此外，焊头必须安装在焊接区域的一侧。当以这种方式安装时，焊头的负载与悬臂梁的方式相同。已经预测出在偏转变得过量并引起不均匀焊接之前，常规单独安装设计可产生150磅或更小的焊接力。这样通常会形成以更低的压力焊接的结果，反过来，这样将导致将更小的超声波能量施加到目标部件上。更小的超声波能量施加到焊接表面最终将降低生产线的速度。因此需要提供一种具有其底座以和简单支撑梁相同的方式位于焊接区域两侧的旋转焊头，以提高焊接压力和声能向焊接部件的转移。对于相同的偏移，这种简单支撑的焊头能支撑的力量是悬臂梁安装方法的五倍。简单支撑安装方法中的底座可以是极底座或节底座。
根据本发明的超声波旋转焊头可以实现上述目的和其他目的。旋转焊头具有第一径向焊接部分，以及操作连接到第一径向焊接部分上用于接收第一轴向声能的第一轴向输入部分。第一轴向输入部分具有一个第一锥形部分，使得第一轴向输入部分和第一径向焊接部分能将一部分第一轴向声能转换成径向声能。径向声能的相位与第一轴向声能相同。对于第一轴向输入部分使用锥形几何形状允许不依赖泊松比效应和复杂的调谐切口来设计旋转焊头。
此外根据本发明，提供了具有两个极底座的超声波旋转焊头。旋转焊头包括一个具有第一径向焊接部分和用于接收第一轴向声能的第一轴向输入部分的第一半部分。该旋转焊头进一步包括结合到第一半部分上的第二半部分。第二半部分具有第二径向焊接部分和用于接收第二轴向声能的第二轴向输入部分。每个半部分含有一个锥形部分，这样两个半部分可以将一部分第一和第二轴向声能转换为径向声能。提供多个极底座提高了焊接压力，并因此增加了施加到焊接的材料上的超声波能量。
可以理解，上述总体说明和下述详细说明仅仅是本发明的示例，它们用于提供用于理解如权利要求所声明的发明实质和特征的概述或框架。本发明包括附图以提供对本发明的进一步理解，并且将附图包含在说明书中并组成为说明书的一部分。附图展示了本发明的不同特点和实施方式，并和说明一齐用来阐述本发明的原理和操作。
通过阅读以下的描述和附加的权利要求并通过参考以下的附图，本发明的各种优点对于本领域技术人员将是显而易见的，在这些附图中图1是根据本发明一个较佳实施例的超声波旋转焊头的剖视图；图2是根据本发明一个实施例的超声波旋转焊头半部分的轴对称视图；图3是显示轴向位移的半部分的有限元分析(FEA)图；图4是显示根据本发明一个实施例的轴向节点的半部分FEA图；图5是显示根据本发明一个实施例的径向位移的半部分FEA图；图6是显示根据本发明一个替代实施例的轴向位移的半部分FEA图；图7是显示根据本发明一个替代实施例的径向位移的半部分FEA图；图8是根据本发明一个较佳实施例的旋转焊头两个半部分的FEA图；和图9是根据本发明一个较佳实施例的在激励中的两个半部分的FEA图。
具体实施例方式
参考图1，图1示出了用于结合部件总成的较佳的超声波旋转焊头10。可以理解，尽管在说明焊头10时谈到了焊接多个热塑性部件(未示出)，但是本发明并不局限于此。事实上，旋转焊头10可以应用于膜和织物密封工业之内和之外的多种应用场合。
可以看出，在一般情况下焊头10具有一个第一径向焊接部分12和一个第一轴向输入部分14。第一轴向输入部分14操作连接到第一径向焊接部分12，用于接收第一轴向声能16。如在下面更详细描述的那样，第一径向焊接部分12和第一轴向输入部分14较佳地是由相同的基础材料(如钛)机器加工而成的统一制件。第一轴向输入部分14具有由内锥形表面18和外锥形表面20确定的第一锥形部分，这样第一轴向输入部分14和第一径向焊接部分12将一部分第一轴向声能16转换为径向声能22。
可以理解，轴向超声波声能/运动是从一个或两个区域输入的。这些轴向超声波能输入的能量/运动方向显示为+-Y方向。在这些区域的一个或两个中，可以在超声波旋转焊头上连接一个合适的半波轴向共振器和/或轴向转换器。
在所示区域中，从焊头输出超声波能量/运动。输出的超声波能量处于径向或图中的+-X方向。旋转焊头的通用理论如下1)通过一个或两个轴向输入区域输入轴向超声波能/运动(+-X方向)；和2)在径向输出表面，这些轴向超声波能/运动的一部分被转换为径向能量/运动。该能量/运动然后被用于进行需要超声波能的各种操作(膜/织物密封、塑料结合)。
重要的是要注意仅仅一部分超声波输入能/运动被转换为径向能量/运动。未转换的能量/运动并未损失，而是以存储状态位于焊头中。下面对这种存储进行更详细的说明。
操作的详细理论基本上所有的超声波焊头都是由图1所示的两个相同和对称的半部分(或半)组成的。这两个半部分以相同和对称的方式工作。下面将针对这两个部分中的一个说明其工作原理。当两个部分结合在一起时，然后将这个原理扩展为包括两个部分的操作。图2中的44更详细地显示了一个半部分的轴对称视图。
每个半部分44由两个半波长部分46、48组成。轴向(+-Y方向)超声波能量/运动被输入第一半波长部分46的直线部分。能量/运动通过锥形部分传送到第一半波长部分46的末端。锥形部分是通过第一角(内锥角)和第二角(外锥角)来描述的。锥形部分的效果是以相对于焊头中心轴线的一定角度传送输入能量/运动。锥形部分实质上将单纯的轴向能量/运动(+-Y方向)变换成在轴向(+-Y方向)和径向(+-X方向)两个方向中的合成能量/运动。
在过渡区域58可以看到在轴向和径向的合成能量/运动。在过渡区域58中，焊头材料开始显示径向移动。正如下面将要讨论的那样，在该区域中的单纯轴向能量/运动限于锥形部分内径处的区域。
第二半波长部分48基本是一个圆柱体，它被用来调谐以在径向振动。从过渡区域58获得的径向能量/运动激发该径向模式，并且以径向方式移动整个部分48。
从过渡区域58进入第二半波长部分48的轴向能量限于圆柱体的内径。该能量/运动在+-Y方向振动焊头材料。由于整个圆柱体以这种方式振动，位于该区域中的材料还在径向(+-X方向)振动。重要的是要注意尽管在该区域内的轴向运动并不用于进行工作(如焊接)，能量也没有损失。该区域中的轴向能量仅仅被置于存储状态。
图3示出了显示轴向(+-Y方向)位移的有限元分析(FEA)图。该图示出了高轴向位移区域50(高速度区域)和低位移区域(节点)。重要的是要注意高轴向位移区域50＇具有大负值，而区域50具有大正值。图4示出了显示轴向节点位置52的图。
图3和4说明了轴向运动基本限于从过渡区域向下的焊头内径。单纯的径向运动限于在过渡区域以下的焊头区域。存在两个轴向节点的事实显示对于半部分44存在两个半波长轴向部分46、48。图3和4还显示了在半部分上不同区域之间的相对相位调整。由于如下两个原因，焊头上不同运动区域的相位调整是重要的1)它们将确定将焊头结合到它自身镜象上的方法；和2)它们能用于区分本发明的焊头和相似的径向运动焊头。
图3的轴向位移图示出了在正Y方向的输入能量/运动。在过渡部分中轴向移动的材料在负Y方向或180°异相移动。在轴向移动的焊头的底内径上的材料在正Y方向或与输入运动同相移动。
图5因此示出了在径向移动的第二半波长部分48中的焊头材料在正X方向移动。该径向运动与输入运动同相。径向运动相对轴向输入运动的相差为0°对于区分本发明的旋转焊头与常规焊头是非常重要的，这些常规焊头例如是Nayer等人的美国专利No.5,707,483和Neuwirth等人的美国专利No.5,096,532中提出的焊头。专利No.5,707,483的旋转焊头依赖于泊松比效应以激励径向共振部分。在该装置中，旋转运动相对于输入运动的相位差将因此为180°。专利5,096,532的旋转焊头纯粹依赖于泊松比效应，其中径向运动与输入运动之间也为180°异相。
内锥角和外锥角的效果现在转到图1，可以看出内锥形表面18相对于焊头10的轴24形成内角，外锥形表面20相对于轴24形成外角。重要的是要注意尽管内角和外角可以相同，但较佳地是内角和外角不同。特制这些角度以满足特定应用的焊接要求，使得可以将单纯的轴向运动转换为径向运动。因此，第一轴向声能16被“分解”为具有一个径向分量和一个轴向分量的能量。在较佳实施例中，外角大约为10度，内角大约为12.5度。使用公知的FEA技术，可以将角度设计为使得不需要的弯曲频率离开焊头10的主共振。
具体地说，在图2中可以最清楚地看到，内角和外角部分地由半部分44焊头的几何约束驱动，部分地由要求外径的效果和径向对轴向增益驱动。以下的说明和解释主要针对于20kHz。
内锥角(角度1)主要基于径向振动圆柱体(第二半波长部分48)的内径。为了使内径的机器加工最容易，该角度的最小内径(“ID”)应当为2＂。2＂ID应当从半部分44的底部延伸到过渡区域58的接近位置。半部分44的顶部基本被固定为一个半波长轴向共振器。当角度1变为约22.5°时，在直轴输入部分内留有足够的材料，以在将结合栓钉插入到该区域时不会引起应力问题。对于用于操作的设计，这个角度并不必须精确地为22.5°。只要可以控制焊头材料的应力不超过疲劳极限，此角度的偏差就是可接受的。
外锥角(角度2)主要基于所需的焊头增益和要求的径向外径(“OD”)。在较佳实施例中，角度2大约为10°。降低此角度可导致在过渡区域58中难以得到适当的截面。如果截面太小，此区域中的疲劳应力将超过材料的极限。从10°增加该角度将具有如下效果1)会降低增益；2)在径向焊接表面增加的轴向运动将变得明显；和3)需要增加焊头OD以保持相同的共振频率。
图6和图7显示了其中角度2从10°增加到15°的半部分60。OD要求从5.5＂变为5.7＂，以补偿频率变化。图6的轴向位移图显示了在径向焊接表面62处轴向位移的增加。由于典型地仅需要单纯的径向运动，这种效果是不需要的。在此配置中的焊头增益(轴向输入位移到输出径向位移)从1.2(10°焊头)的原始数值降低到0.8。已经发现角度为10°对于最小化轴向焊接表面运动和最大化径向-轴向增益是最优的。
完整旋转焊头的操作理论因此，转到图1，可以看出第一径向焊接部分12和第一轴向输入部分14确定了旋转焊头10的第一半部分28。旋转焊头10进一步包括连接到第一半部分28上用于将第二轴向声能32转换成径向声能22的第二半部分30。第二半部分30与第一半部分28相同，并提供了许多额外益处。具体地说，第二半部分30具有一个第二径向焊接部分34和用于接收第二轴向声能32的第二轴向输入部分38。第二轴向输入部分38具有一个内锥形表面40和一个外锥形表面42。因此，通过结合两个焊头可以得到一个对称焊头，并且可以改进焊接区域长度和振幅均匀性。例如，由于半部分28、30彼此为180度异相，两个超声波运动源(如增压器和转换器)可用于驱动焊头10。另一方面，来自仅一侧的一个超声波运动源也可以成功地操作焊头。
图7示出了完整旋转焊头的轴对称剖视图。完整旋转焊头包括在旋转运动区域结合在一起的两个对称半部分44、45。对于将两个部分44、45结合在一起进行工作的过程，在结合部分的运动需要一致(也就是在相同的方向移动)。
较佳地是在结合区域中使用电子束焊接技术将两个对称部分44、45结合在一起。总共两个制件的设计使制造容易，并且减少了机器加工。
焊头的正常操作将包括每个输入区域与另一个输入区域180°异相移动(使用传统的坐标系统)或每个输入面同时移动离开焊头中心点。这将允许每个输入区域由一个在相同的电压波形上操作的转换器产生动力。由于这些输入运动，来自两个半部分44、45的径向面将在正X方面移动。同时在上半部分44底部上的轴向运动区域会在正Y方向移动，在下半部分54顶部上的轴向运动会在负Y方向移动。显示这些位移的FEA图示于图9。
图9示出了尽管来自每个半部分的径向运动是一致的，来自轴向运动的运动却不同。换句话说，上对称轴向运动部分在正Y方向移动，而下对称部分在负Y方向移动。这些轴向运动彼此不一致的事实显示了调谐凹口56的目的。没有凹口56，两个半部分44、45的不一致的轴向运动将干扰焊头的固有运动。在每个半部分的径向振动部分内的轴向运动需要自由振动，以合适地存储轴向能量。
对于此特征的两个关键尺寸在X和Y方向。这些尺寸的变化控制如下效果1)径向焊接面均匀性(最小径向振幅/最大径向振幅)；和2)高于或低于主共振频率的不需要的弯曲频率的控制。
下表显示了尺寸修改的效果。
当需要不同的径向焊接表面长度时，需要修改X和Y尺寸。上表显示了焊接表面为4.5＂的20kHz完整焊头。20kHz焊头焊接表面可延伸到5.5＂的长度。在长度大于该长度的情况下，外径向焊接表面开始以轴向方式由它自身振动(对于轴向共振器长度是调谐后的半波长)。
继续参考图1，可以看出除提供多个运动源的选项以外，使用两个轴向输入部分使得可以从两个极底座支撑旋转焊头10。也可以通过将两个增压器连接到焊头10的每个半部分来进行安装。重要的是要注意使用两个安装区域允许给径向焊接面施加更大的压力。更大的压力使得在每单位时间能够将更大数量的动力施加到焊接区域上。因此，这种焊头安装技术的直接益处是增加了要焊接部件的生产率。
因此可以看出在两个对称半部分28、30中制造焊头10使制造更容易。较佳地是将每个半部分28、30单独机器加工，然后将它们焊接在一起，正如在公知的美国专利No.5,095,188中所示的那样。一旦焊接在一起，由第一径向焊接部分12和第二径向焊接部分34组成的径向部分是一个被调谐到所需振动频率的厚圆柱体。重要的是要注意该圆筒体的轴向长度可以大至约五英寸。
另外，通过在靠近轴向长度中心的内径处使用调谐切口能提高振幅均匀性。该切口相对于外径的深度和高度将确定外焊接表面均匀性的数量。因此，径向焊接部分12、34具有多个确定调谐切口的调谐表面36，这样径向焊接部分12、34具有预定的振幅均匀性。在大多数配置中，调谐切口可用于产生85％或更大的径向焊接表面均匀性。尽管以上讨论针对的是20kHz调谐共振焊头的尺寸，但是焊头10可以按比例调整为约10kHz至约60kHz的任意一个超声波频率。可以通过在外径上的最终机器加工切口(未示出)得到超声波旋转焊头10的最终调谐。最终的机器加工切口进一步提供了平滑的径向焊接表面。因此，径向焊接部分12、34也可具有带有一个确定外调谐切口的外调谐表面(未示出)的外圆柱表面。也可以根据任何公知的方案机器加工外调谐切口。在引入作为参考的Neuwirth等人的美国专利No.5,096,532中示出了一种这样的方案。
本领域技术人员可以从前述说明中知道本发明可以由多种形式广泛地实现。因此，尽管通过特定示例说明了本发明，但是由于本领域技术人员在研究附图、说明书和下述权利要求的基础上很容易进行其他修改，因此本发明的真实范围并不受此限制。
权利要求
1.一种超声波旋转焊头，包括第一径向焊接部分；和操作连接到第一径向焊接部分用于接收第一轴向声能的第一轴向输入部分；所述第一轴向输入部分具有第一锥形部分，以使第一轴向输入部分和第一径向焊接部分将一部分第一轴向声能转换成径向声能，径向声能与第一轴向声能同相。
2.如权利要求1所述的旋转焊头，其中第一锥形部分包括相对于焊头轴线形成内角的内锥形表面；和相对于焊头轴线形成外角的外锥形表面。
3.如权利要求2所述的旋转焊头，其中内角不同于外角。
4.如权利要求3所述的旋转焊头，其中内角大约为12.5度，外角大约为10度。
5.如权利要求1所述的旋转焊头，其中第一轴向输入部分进一步包括操作连接到第一锥形部分用于接收第一轴向声能的第一直线部分。
6.如权利要求1所述的旋转焊头，其中第一径向焊接部分和第一轴向输入部分确定旋转焊头的第一半部分，旋转焊头进一步包括连接到第一半部分用于将一部分第二轴向声能转换成径向声能的第二半部分，第一半部分与第二半部分相同。
7.如权利要求6所述的旋转焊头，其中径向声能与第二轴向声能同相。
8.如权利要求6所述的旋转焊头，其中径向焊接部分的组合径向焊接区域长度大约为五英寸。
9.如权利要求6所述的旋转焊头，其中径向声能的频率为大约10kHz至大约60kHz。
10.如权利要求9所述的旋转焊头，其中径向声能的频率大约为20kHz。
11.如权利要求6所述的旋转焊头，其中径向焊接部分具有用于确定调谐切口的多个调谐表面，以使径向焊接部分具有预定的振幅均匀性。
12.一种超声波旋转焊头，包括具有第一径向焊接部分和用于接收第一轴向声能的第一轴向输入部分的第一半部分；和连接到第一半部分的第二半部分，第二半部分具有第二径向焊接部分和用于接收第二轴向声能的第二轴向输入部分；每个所述半部分具有锥形部分，以使半部分将一部分第一和第二轴向声能转换为径向声能。
13.如权利要求12所述的旋转焊头，其中每一个锥形部分包括相对于焊头轴线形成内角的内锥形表面；和相对于焊头轴线形成外角的外锥形表面。
14.如权利要求13所述的旋转焊头，其中每个内角不同于每个相应的外角。
15.如权利要求14所述的旋转焊头，其中每个内角大约为12.5度，每个外角大约为10度。
16.如权利要求12所述的旋转焊头，其中径向焊接部分的组合径向焊接区域长度大约为五英寸。
17.如权利要求12所述的旋转焊头，其中径向声能的频率为大约10kHz至大约60kHz。
18.如权利要求17所述的旋转焊头，其中径向声能的频率大约为20kHz。
19.如权利要求12所述的旋转焊头，其中径向焊接部分具有用于确定调谐切口的多个调谐表面，以使径向焊接部分具有预定的振幅均匀性。
20.如权利要求12所述的旋转焊头，进一步包括用于安装所述焊头的机构，以提高焊接压力和声能向所述焊接部分的传送。
全文摘要
超声波旋转焊头(10)具有用于将轴向声能转换为径向声能的锥形输入部分。较佳的旋转焊头包括具有第一径向焊接部分和用于接收第一轴向声能的第一轴向输入部分的第一半部分(28)。旋转焊头进一步包括连接到第一半部分的第二半部分(30)。第二半部分具有第二径向焊接部分和用于接收第二轴向声能(32)的第二轴向输入部分。每个半部分具有由内锥形表面(18)和外锥形表面(20)确定的锥形部分，使得半部分将一部分第一和第二轴向声能转换成径向声能。每个内锥形表面相对于焊头轴线形成内角，每个外锥形表面相对于轴线(24)形成外角。
文档编号B06B3/00GK1486239SQ02803809
公开日2004年3月31日 申请日期2002年1月25日 优先权日2001年1月29日
发明者詹姆斯F·谢安, 希尔维J·梅诺飞, J 梅诺飞, 詹姆斯F 谢安 申请人:布莱森超声波有限公司