一种兆赫级高频超声波焊接装置的制作方法

本发明涉及一种焊接装置，特别是涉及一种兆赫级高频超声波焊接装置。

背景技术：

超声焊接工作原理是通过上焊件把超声能量传送到焊区，由于焊区即两个焊接的交界面处声阻大，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。当超声波停止作用后，让压力持续，有些许保压时间，使其凝固成型，这样就形成一个坚固的分子链，达到焊接的目的，焊接强度能接近于原材料本体强度，因此超声焊接得到了广泛的应用与发展。传统的超声焊接技术所使用的关键部件通常是工作在共振状态下的郎之万压电振子，其频率一般在20千赫至60千赫之间。因为需要通过变幅杆增大振幅，而且需要通过振子的端部结构适应被焊接的件的形状，焊接装置的关键结构件必须为能实现一维伸缩振动的杆状件，所以往往设备结构比较庞大且笨重，不能灵活的适用于某些特需的场合。

超声振动在频率一定的情况下，振幅越高超声作用能量越大，传统超声振动焊接装置依赖于振动弹性体的整体模态分析与设计，受振子结构限制，其振幅和频率一般很难突破经典的设计区间，因此超声作用的能量有限。兆赫级的高频超声振动的特点是频率高，振幅小，但整体的波动能量可以远远大于经典的超声焊接振子的能量。且压电振子工作在厚度振动模式，很容易简化超声焊接装置的结构形式，利用超声波波长短直线性好，压电振子的声强大等特点，实现较薄塑料件的快速焊接。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种兆赫级高频超声波焊接装置，本发明利用工作在厚度伸缩振动模式的压电元件作为高频超声源，在压电元件辐射端粘贴声学匹配材料，将高频的超声波高效的传递到焊接部位，实现焊接处的快速连接，获得被焊接件较好的表面焊接质量以及较高的焊接强度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种兆赫级高频超声波焊接装置，所述装置由超声振动附加系统和焊接夹具两部分组成；超声附加系统包括压电陶瓷、匹配层、焊接件以及相应的电输入设备；超声焊接振子与焊接夹具间隙配合；焊接装置包括焊接夹具的焊接工作台、施载平台；匹配层为兆赫级高频超声焊接头与焊接夹具通过间隙配合在一起，固定超声焊接装置，导线通过输入电路线通孔连接到压电陶瓷片上，压电陶瓷片利用环氧树脂胶粘贴于匹配层，焊接件II置于焊接件Ⅰ之上，焊接工作平台放置焊件，焊接夹具通过螺栓孔利用螺栓将其固定在焊接场合。

所述的一种兆赫级高频超声波焊接装置，所述粘贴于匹配层的粘接胶层选用声阻抗参数接近匹配层的环氧树脂胶层，胶层应薄而均匀，应达到可忽略其对声透射影响的效果。

本发明的优点与效果是：

1.本发明匹配层结构的超声换能器结构简单，匹配层将谐振态的压电陶瓷与被焊接件分隔开，并充当焊接头，实现了高频功率超声的简单、灵活附加。

2.本发明能够将兆赫级高频超声振动能透过匹配层传递到焊接件的焊接处，实现焊接热塑性材料表面和分子链间通过摩擦作用产生热量，从而热能融化塑料，使得焊接处从而形成连接。此种利用匹配层复合压电振子高频超声焊接装置可简单的附加于焊接夹具上，很容易实现焊接功能，操作灵活、方便。

3.本发明兆赫级高频超声焊接装置及方法，可灵活的适用于某些特需场合，并且该发明的结构简单成本较低。

附图说明

图1是本发明的兆赫级高频超声焊接振子示意图；

图2是本发明的兆赫级高频超声焊接振子示意图的俯视图；

图3是本发明高频超声焊接夹具装置整体示意图。

图中标号为：1、压电陶瓷；2、导线；3、匹配层；4、焊接件Ⅰ；5、焊接件II；6、焊接夹具；7、螺栓孔；8、焊接工作平台；9、输入电路线通孔；10、施载平台。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

本发明装置由超声振动附加系统和焊接夹具两部分组成；超声附加系统包括压电陶瓷、匹配层、焊接件以及相应的电输入设备；超声焊接振子与焊接夹具间隙配合，焊接部分概括为焊接夹具的焊接工作台、施载平台以及超声附加系统，还有实现焊接件保压使其凝固成型的附加设备施载平台。匹配层3作为兆赫级高频超声焊接头与焊接夹具6通过间隙配合在一起，用于固定超声焊接装置，导线2通过输入电路线通孔9连接到压电陶瓷片1上，压电陶瓷片1利用环氧树脂胶粘贴于匹配层3，焊接件II置于焊接件Ⅰ之上上，焊接工作平台用于放置焊件，焊接夹具6通过螺栓孔7利用螺栓将其固定在焊接场合。粘接胶层选用声阻抗参数接近匹配层的环氧树脂胶层，胶层应薄而均匀，应达到可忽略其对声透射影响的效果。

本发明焊接过程包括由压电振子超声源产生的高频超声须透过含焊接件在内的双层匹配层作用到焊接界面即两个焊接的交界面，粘贴在压电陶瓷上的匹配层的材料与厚度根据被焊接的材料与厚度变化进行调整选择；高频超声声波频率在数百千赫兹到数兆赫兹的高频超声域；采用大功率辐射型压电陶瓷薄片，且工作在自身的厚度谐振振动模式；根据不同的超声作用强度要求，调整匹配层材料与厚度，使其工作在最高声透射效率或较低声透射情况。兆赫级高频超声焊接方法，粘接胶层选用声阻抗参数接近匹配层的环氧树脂胶层，胶层应薄而均匀，应达到可忽略其对声透射影响的效果。

本发明焊接步骤为：先将焊接件放置在焊接工作平台，再利用超声波发生器通入高频超声波电信号，在施载平台上根据焊接件特性施加合理载荷，根据焊件材料、厚度、尺寸等参数选择合理的焊接时间，经保压凝固成型完成焊接整个过程。

焊接原料为厚度1mm左右的PVC等塑料；采用直径为10mm的匹配层作为兆赫级高频超声焊接头，焊接功率30w左右，在施载平台上依次施加20N、35N、45N、65N的不同载荷，焊接厚度1mm左右的PVC等塑料薄板的最佳焊接效果时间分别为30s、20s、15s、10s左右。