一种相控阵聚焦超声焊接系统及方法与流程

本发明涉及焊接装置技术领域，尤其涉及一种相控阵聚焦超声焊接系统及方法。

背景技术：

超声波焊接是一种常用的焊接方式，现有的超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形成分子层之间的熔合。现有的超声波焊接技术属于接触式焊接，存在一些缺陷：需要一定的夹紧力将待焊接产品固定，需控制好压力，防止工件夹伤；焊头与工件需匹配使用，无法通用；靠机械进行定位，若工件安装位置不对，则造成不良品，严重时亦会造成焊头损坏；现有焊接技术为表面焊接，无法在小空间下展开内部焊接。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种相控阵聚焦超声焊接系统及方法，能解决产品内部结构焊接问题，且能够适用于不同的产品。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，提供一种相控阵聚焦超声焊接系统，包括：

相控阵换能器，包括多个换能器单元；

主控模块，包括焊接控制模块，与所述相控阵列换能器连接，所述主控模块内预装载有待焊接产品的仿真模型程序，所述焊接控制模块根据所述仿真模型程序控制相应的所述换能器单元动作；

声耦合单元，包括耦合剂，所述耦合剂填充在所述换能器单元与所述待焊接产品之间，所述耦合剂还填充在所述待焊接产品的焊接点处；

显示单元，与所述主控模块连接，显示所述待焊接产品的仿真模型。

优选的，所述相控阵换能器包括：

焊接波长换能器阵元，用于发射焊接超声波对所述待焊接产品进行焊接；

检测波长换能器阵元，用于发射检测超声波对所述待焊接产品的位置进行检测，和/或，对所述待焊接产品焊接处进行实时监测。

优选的，当对所述待焊接产品的位置进行检测时，将位置信号传输至所述主控模块并生成位置图像，所述位置图像通过所述显示单元显示；和/或，

当对所述待焊接产品焊接处进行实时监测时，将焊接信号传输至所述主控模块并生监测图像，所述监测图像通过所述显示单元显示。

优选的，所述主控模块还包括：

位置检测模块，用于判断所述待焊接产品焊接前的位置是否符合预设的焊接方案要求；和/或，

效果检测模块，与所述焊接控制模块连接，用于判断焊接的焊缝是否符合预设的焊接方案要求。

优选的，所述焊接系统还包括：

治具，用于对所述待焊接产品进行定位固定。

优选的，所述耦合剂为除气水，所述声耦合单元还包括：

水箱，用于装载所述耦合剂，所述相控阵换能器安装在所述水箱底部，所述待焊接产品浸入所述耦合剂中；

除气机构，与所述水箱连接，用于对所述耦合剂过滤除气。

优选的，所述声耦合单元还包括：

水冷机构，与所述水箱连接，对所述耦合剂进行冷却。

另一方面，提供一种相控阵聚焦超声焊接方法，包括步骤：

s100、制作待焊接产品的仿真模型程序并装载到主控模块内；

s200、根据所述仿真模型程序定制焊接方案，所述焊接方案包括所述待焊接产品的定位、焊接参数；

s300、调整所述待焊接产品的位置，对所述待焊接产品进行定位，并在相控阵换能器与所述待焊接产品之间和所述待焊接产品的焊接处填充耦合剂；

s400、定位完成后，通过所述主控模块内的焊接控制模块控制相控阵换能器上的换能器单元按焊接方案依次动作，发射焊接超声波，对所述待焊接产品进行焊接。

优选的，将所述待焊接产品进行定位时，还包括步骤：

s311、所述主控模块内设置的位置检测模块，控制所述相控阵换能器上的检测波长换能器阵元，发射检测超声波，对所述待焊接产品当前的位置进行检测，得到位置信号；

s312、将所述位置信号反馈至所述位置检测模块，判断所述待焊接产品当前位置是否符合所述焊接方案，若符合则进行4300步骤，若不符合则重新调整所述待焊接产品位置后进行位置检测，直至所述待焊接产品定位符合所述焊接方案。

优选的，当对所述待焊接产品的位置进行检测时，将位置信号传输至所述主控模块并生成位置图像，所述位置图像通过所述显示单元显示。

优选的，将待焊接产品进行焊接时，还包括步骤：

s411、所述主控模块内设置的效果检测模块，控制所述相控阵换能器上的检测波长换能器阵元，发射检测超声波，对所述待焊接产品焊接处进行实时监测，得到焊接信号；

s412、将所述焊接信号反馈至所述效果检测模块，判断所述待焊接产品焊缝是否符合所述焊接方案，若符合则继续对待焊接产品进行焊接直至完成全部焊接，停止所述相控阵换能器动作，若不符合则重新对不符合焊接方案的焊接位置重新焊接，直至所述待焊接产品焊接处符合所述焊接方案。

优选的，当对所述待焊接产品焊接处进行实时监测时，将焊接信号传输至所述主控模块并生成监测图像，所述监测图像通过所述显示单元显示。

本发明的有益效果为：提供一种相控阵聚焦超声焊接系统及方法，采用相控阵超声聚焦原理，对空间内的产品内部或表面进行焊接，焊接位置不受限，且适用于不同的产品，无需使用焊接头。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明超声聚焦原理示意图；

图2为本发明一个实施例的相控阵聚焦超声焊接系统示意图；

图3为本发明一个实施例的相控阵聚焦超声焊接系统中换能器阵列的结构示意图；

图4为本发明另一个实施例的相控阵聚焦超声焊接系统示意图；

图5为本发明另一个实施例的相控阵聚焦超声焊接系统的结构示意图；

图6为本发明另一个实施例中治具的结构示意图；

图7为本发明一个实施例的相控阵聚焦超声焊接方法的操作流程图；

图8为本发明另一个实施例的相控阵聚焦超声焊接方法的操作流程图。

其中：

相控阵换能器1，换能器单元11，焊接波长换能器阵元12，检测波长换能器阵元13；

主控模块2，焊接控制模块21，位置检测模块22，效果检测模块23；

待焊接产品3，焊接点31；

显示单元4；

治具5，安装板51，快速夹钳52，橡胶压头53，底板54；

控制机柜6；

声耦合单元7，水箱71。

具体实施方式

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解和认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

本发明基于相控阵聚焦超声对产品进行焊接，提供一种相控阵聚焦超声焊接系统，图1是基于相控阵聚焦超声焊接系统原理示意图，其中相控阵换能器1包括多个换能器单元11，换能器单元11既能发射超声波也可以接收超声波。根据超声波的热效应，高功率的超声聚焦到一点处，可使聚焦点的峰值声强很大，在很短时间内，聚焦区域温度上升到几十到几百摄氏度，而聚焦区域外的温度没有很大的变化，这种热效应通常应用在超声治疗领域(hifu)，对肿瘤目标进行消融。本发明发明人经过大量研究，基于同样原理，将其应用在超声焊接领域，提供一种相控阵聚焦超声焊接系统及方法，能精准控制超声波聚焦到待焊接产品3的焊接点31处，焊接点31达到焊接温度，而其他区域温度无明显变化，完成待焊接产品3的焊接。

参考图2至图5，一种相控阵聚焦超声焊接系统，包括相控阵换能器1、主控模块2、声耦合单元7、显示单元4。

相控阵换能器1包括多个换能器单元11，相控阵换能器1可以是平面相控阵或球面相控阵，其中换能器单元11可以是环形、圆形、矩形、扇形或扇蜗形等形式，换能器单元11的数目可以是任意数目，并且换能器单元11通常既是发射换能器又是接收换能器，本实施例中相控阵换能器1是平面相控阵，换能器单元11是矩形，数目为数百至数千个。

主控模块2包括焊接控制模块21，主控模块2与相控阵列换能器1连接，主控模块2内预装载有待焊接产品3的仿真模型程序，焊接控制模块21根据仿真模型程序控制相应的换能器单元11动作，主控模块2可以设置在计算机主机中，主控模块2能实现对相控阵换能器1上的各个换能器单元11独立精确地控制，控制各个换能器元件11的工作状态以获得超声聚焦的焦距和强度，待焊接产品3的仿真模型程序包括待焊接产品的形状、结构、尺寸、焊接点等信息，仿真模型程序的处理属于本领域的常规技术手段，为本领域技术人员所公知，并非本发明的发明点，在此不再赘述。

声耦合单元7，包括耦合剂(图中未示出)，所述耦合剂填充在所述换能器单元11与所述待焊接产品3之间，所述耦合剂还填充在所述待焊接产品的焊接点处。耦合剂填充在换能器单元11和待焊接产品3中间起到声耦合作用，即换能器单元11通过耦合剂声耦合于含有焊接焦域的待焊接产品3。超声波频率为0.1-1mhz，基于超声波的传播特性，不能在空气中传导，如果换能器单元与待焊接产品3之间存在空气，超声波一遇到空气就返回，进不了待焊接产品3内，起不到焊接作用，因此，为了使超声波能有效传送至焊接点，需要排除超声波传播路径上的空气。在换能器单元11与待焊接产品3之间填充耦合剂，使超声波能有效传入待焊接产品3内。同理，由于在待焊接产品的焊接点周围存在间隙，间隙中存在空气，为了消除空气的影响，还需要在所述待焊接产品的焊接点处填充耦合剂。如果待焊接产品为空心产品，则焊接时还需要在待焊接产品的空腔内填充耦合剂，必要时可在空心产品上开设供耦合剂进入的孔。

显示单元4与主控模块2连接，显示待焊接产品3的仿真模型，显示单元4优选为计算机显示屏，将待焊接产品3的仿真模型程序装入主控模块2后，显示单元4能直观显示该仿真模型，显示单元4还能显示焊接系统的操作参数，便于设置、操控焊接系统。

在一些实施方式中，参考图1和图3，相控阵换能器1包括焊接波长换能器阵元12、检测波长换能器阵元13。

焊接波长换能器阵元12用于发射焊接超声波对待焊接产品3进行焊接，焊接超声波的聚焦区域为待焊接产品3的焊接点31，聚焦区域的温度会升高使焊接点31处局部熔化融合为一体，完成焊接。

检测波长换能器阵元13用于发射检测超声波对待焊接产品3的位置进行检测，和/或，对待焊接产品3焊接处进行实时监测，检测待焊接产品3的位置，能避免因待焊接产品2位置发生偏移造成的焊接位置不精确，实时监测焊接处，确保每一处焊接点31都能被准确焊接。对待焊接产品3的位置进行检测时，检测超声波的聚焦区域为待焊接产品3的外围轮廓或待焊接产品3上多个便于定位的点，对待焊接产品3焊接处进行实时监测时，检测超声波的聚焦区域为正在焊接的焊接点31，继续参考图3，检测波长换能器阵元13的换能器单元11既能发射超声波，也能接收超声波。

焊接波长换能器阵元12和检测波长换能器阵元13可以为固定在同一基板上的阵元或分别固定在两块基板上的阵元，两个阵元上的多个换能器单元11的排列方式可以为任意方式排列，如按规律的对称布置、同心布置或间隔布置，或不按规律的随意布置，本实施例中优选为两个阵元固定在同一基板上，且两个阵元的换能器单元11为同心布置，如图3所示，相控阵换能器1的中心为检测波长换能器阵元13，外围为焊接波长换能器阵元12，焊接波长换能器阵元12能施加高功率超声。焊接波长换能器阵元12工作时焊接系统处于焊接模式，检测波长换能器阵元13工作时焊接系统处于检测模式，两阵元同时工作时，焊接系统同时处于焊接模式和检测模式。

当对待焊接产品3的位置进行检测时，将位置信号传输至主控模块2并生成位置图像，位置图像通过显示单元4显示。位置信号是检测波长换能器阵元13上的换能器单元11接收到的反射回波超声信号，主控模块2将位置信号生成电信号，并将电信号进行放大、滤波、a/d转换等常规处理后输出给显示单元4，显示单元4将电信号转换成位置图像并进行显示。

当对待焊接产品3的焊接处进行实时监测时，将焊接信号传输至主控模块2并生成监测图像，监测图像通过显示单元4显示。焊接信号是焊接波长换能器阵元12上的换能器单元11接收到的反射回波超声信号，主控模块2将位置信号生成电信号，并将电信号进行放大、滤波、a/d转换等常规处理后输出给显示单元4，显示单元4将电信号转换成监测图像并进行显示。

继续参考图4，主控模块2还包括位置检测模块22和/或效果检测模块23。位置检测模块22用于判断待焊接产品3焊接前的位置是否符合预设的焊接方案要求；效果检测模块23与焊接控制模块21连接，用于判断焊接的焊缝是否符合预设的焊接方案要求。在对待焊接产品3进行焊接前，需要制定焊接方案，焊接方案包括但不限于待焊接产品3与相控阵换能器的相对位置、焊接路径、焊接点的焊接顺序、相控阵换能器1聚焦的焦距和强度、各换能器单元11的激励顺序和时间延迟、焊接效果达标指标等。若检测结果不符合预设的焊接方案，可即时调整或重新焊接，确保焊接准确无误地完成。位置检测模块22和效果检测模块23都具备将各个换能器单元接收到的反射回波超声信号生成电信号的功能，并能将电信号进行放大、滤波、a/d转换等常规处理后输出给显示单元4。位置检测模块22和效果检测模块23均可以根据需求设置具体结构，例如可以包括t/r开关、低噪声放大器、时间增益控制器tgc、抗混叠滤波器aad、a/d转换器或调制解调器等常规电子元器件，在此不再赘述。

在一些实施方式中，参考图5，焊接系统还包括治具5，用于对待焊接产品3进行定位固定。治具5可以根据待焊接产品3的形状、大小进行选择或定制，只要能根据需求将待焊接产品3进行定位固定即可，在一些实施方式中，参考图6，待焊接产品3的体积较小时，治具5包括安装板51、快速夹钳52、橡胶压头53、底板54，底板54可以针对不同产品仿形设计，待焊接产品3装入底板54中，合上快速夹钳52，直至橡胶压头53将待焊接产品压紧，焊接完成后，从治具上取下产品即可。在其他一些实施方式中，治具6还可以为其他结构，只要能根据需求将待焊接产品3进行定位固定即可，在此不再赘述。

在一些实施方式中，参考图6，所述耦合剂为除气水，所述声耦合单元7还包括：水箱71，用于装载所述耦合剂，所述相控阵换能器1安装在所述水箱71底部，所述待焊接产品浸入所述耦合剂中；除气机构(图中未示出)，与所述水箱71连接，用于对所述耦合剂过滤除气。采用除气水作为耦合剂，消除耦合剂中的气泡，能降低超声能量衰减，且成本低。将待焊接产品3放入水箱71直至耦合剂淹没待焊接产品3，使超声波传送路径上可能会存在空气的空间均被耦合剂填充。另外，相控阵换能器1工作时，其自身会发热严重，需要进行散热，将相控阵换能器1安装在所述水箱71底部，耦合剂还具有对相控阵换能器1散热的效果。参考图5，焊接系统还包括控制机柜6，水箱71设置在控制机柜6上，除气机构、驱动相控阵换能器1工作的电路系统(图中未示出)设置在控制机柜6内部。除气机构可采用常规的除气设备，如真空泵。

在一些实施方式中，所述声耦合单元还包括：水冷机构(图中未示出)，与所述水箱71连接，对所述耦合剂进行冷却。设置水冷机构对耦合剂进行冷却，能更好地对相控阵换能器1散热。相控阵换能器1工作时，驱动相控阵换能器1工作的电路系统(图中未示出)也会发热严重，也需要进行散热，水冷机构的冷却循环管路可分为两路，一路连接水箱，另一路连接驱动相控阵换能器1工作的电路系统。水冷机构设置在控制机柜6内部，水冷机构可采用常规的冷却设备，如水冷机。

本发明基于相控阵聚焦超声对产品进行焊接，还提供一种相控阵聚焦超声焊接方法，在一些实施方式中，参考图7，包括步骤：

s100、制作待焊接产品的仿真模型程序并装载到主控模块内，可针对不同待焊接产品制作相应的仿真模型，装入主控模块内，仿真模型程序包括待焊接产品的形状、结构、尺寸、焊接点等信息，仿真模型可以通过显示单元显示出来；

s200、根据仿真模型程序定制焊接方案，焊接方案包括待焊接产品的定位、焊接参数，待焊接产品的定位是待焊接产品与相控阵换能器的相对位置，焊接参数包括焊接路径、焊接点的焊接顺序、相控阵换能器聚焦的焦距和强度、各换能器单元的激励顺序和时间延迟、焊接效果达标指标等；

s300、调整待焊接产品的位置，对待焊接产品进行定位，并在相控阵换能器与所述待焊接产品之间和所述待焊接产品的焊接处填充耦合剂，排除超声波传播路径上的空气；

s400、定位完成后，通过主控模块内的焊接控制模块控制相控阵换能器上的换能器单元按焊接方案依次动作，发射焊接超声波，对待焊接产品进行焊接。焊接控制模块对焊接波长换能器阵元范围内的各换能器单元所发射的超声波信号参数进行调控，参数调控主要包括振幅和相位等参数信息。根据超声波的热效应，高功率的超声聚焦到一点处时，可使聚焦点的峰值声强很大，在很短时间内，聚焦区域温度上升到几十到几百摄氏度，而聚焦区域外的温度没有很大的变化，这种热效应通常应用在超声治疗领域，对肿瘤目标进行消融。本发明发明人经过大量研究，基于同样原理，将其应用在超声焊接领域，能精准控制超声波聚焦到待焊接产品的焊接点处，焊接点达到焊接温度，而其他区域温度无明显变化，完成待焊接产品的焊接。

在一些实施方式中，参考图8，将待焊接产品进行定位时，还包括步骤：

s311、主控模块内设置的位置检测模块，控制相控阵换能器上的检测波长换能器阵元，发射检测超声波，对待焊接产品当前的位置进行检测，得到位置信号。同医院b超成像原理，利用超声回声原理，超声在传播过程中，在遇到声阻抗相差甚大的两种介质时，会在界面处形成反射，通过接受反射回来的信号来判断位置；

s312、将位置信号反馈至位置检测模块，判断待焊接产品当前位置是否符合焊接方案，若符合则进行s400步骤，若不符合则重新调整待焊接产品位置后进行位置检测，直至待焊接产品定位符合所述焊接方案，位置信号及位置检测模块上文已作相关说明，在此不再赘述。

在一些实施方式中，当对待焊接产品的位置进行检测时，将位置信号传输至主控模块并生成位置图像，位置图像通过显示单元显示。位置图像上文已作相关说明，在此不再赘述。

在一些实施方式中，继续参考图8，将待焊接产品进行焊接时，还包括步骤：

s421、主控模块内设置的效果检测模块，控制相控阵换能器上的检测波长换能器阵元，发射检测超声波，对待焊接产品焊接处进行实时监测，得到焊接信号；

s422、将焊接信号反馈至效果检测模块，判断待焊接产品焊缝是否符合焊接方案，若符合则继续对待焊接产品进行焊接直至完成全部焊接，停止相控阵换能器动作；若不符合则重新对不符合焊接方案的焊接位置，控制相控阵换能器动作重新焊接，直至待焊接产品焊接处符合焊接方案。焊接信号及效果检测模块上文已作相关说明，在此不再赘述。

在一些实施方式中，当对待焊接产品焊接处进行实时监测时，将焊接信号传输至主控模块并生成监测图像，监测图像通过显示单元显示。监测图像上文已作相关说明，在此不再赘述。

本发明的相控阵聚焦超声焊接系统及方法，采用相控阵超声聚焦原理，对空间内的产品内部或表面进行焊接，焊接位置不受限，且适用于不同的产品，无需使用焊接头；焊接前位置检测、焊接时实时检测与引导，方便快捷，焊接精度高，尤其适用于焊接精度要求高的产品，如航空、军工产品。

本发明未涉及的部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

最后应说明的是：在本发明的描述中，技术术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”、“竖直”、“水平”等表示方向或位置关系是基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述和理解本发明的技术方案，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。