一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器的制作方法

1.本实用新型涉及超声换能技术领域，尤其是涉及一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器。


背景技术：

2.功率超声换能器以其优越的超声声学性能及物理特性得到了广泛的应用，比如超声波金属焊接已经被广泛应用于新能源汽车行业，随着新能源汽车行业的快速发展及高能量密度电池的需求，对超声波金属焊接功率要求也越来越高，换能器作为超声波金属焊接的核心零件，决定着整个超声波焊接设备功率水平的高低。
3.目前的焊接用功率超声换能器大多采用夹心式朗之万型换能器，如图1所示，夹心式换能器主要由压电陶瓷片、前后金属盖板、螺钉及金属电极片组成，利用压电陶瓷振子的纵向效应，得到需求的共振频率，通过前后金属盖板及螺钉，对压电陶瓷施加一定的预应力，使压电陶瓷在振动时，始终处于压缩状态，从而避免压电陶瓷片开裂。
4.为保证高频振动下换能器的可靠性，螺钉选型一般强度较高，另外，换能器在高频振动时，螺钉会随换能器一起共振，这就要求螺钉应具有一定韧性。因此，螺栓的选型和预应力选择尤为重要，螺钉既要提供足够的预紧力，以保证足够的抗拉强度，又要保证一定的韧性与换能器整体高频共振，还要保证换能器较高的机电转换效率。若螺钉预紧力过大，会对陶瓷片振动抑制过度，压电陶瓷换能器机电耦合系数降低，机电转化效率降低，最终影响超声波换能器性能发挥；若螺钉预紧力过小，则会导致压电陶瓷振动时紧固力不足，陶瓷片出现偏心移动或滑动，从而使换能器失效。
5.当前市面上常见的夹心式换能器均使用标准螺钉进行预紧和紧固，通过理论计算和选型后的螺钉大都可以保证足够的螺钉强度，以满足压电陶瓷换能器高频振动时不致失效地要求，但却无法保证足够的韧性，使得螺钉在预紧的同时，也抑制了陶瓷片的振动趋势，使得换能器机电转换效率低下。另一方面，当前市面上换能器功率水平普遍在4kw以下，高功率水平换能器缺少。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器。
7.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，包括预应力螺栓，所述预应力螺栓的一端依次穿过后盖板、压电陶瓷堆后固定于前盖板内，所述预应力螺栓的中段位置设有收腰部，所述收腰部的横截面直径小于预应力螺栓两端的横截面直径，所述压电陶瓷堆各个陶瓷片正负极之间设置有电极片。
8.进一步地，所述收腰部位于压电陶瓷堆之间。
9.进一步地，所述收腰部的一端位于后盖板内。
10.进一步地，所述收腰部的另一端位于前盖板内。
11.进一步地，所述收腰部的外表面与后盖板内壁之间设有间隙。
12.进一步地，所述收腰部的外表面与前盖板内壁之间设有间隙。
13.进一步地，所述预应力螺栓固定于前盖板内的一端与前盖板内壁之间设有间隙。
14.进一步地，所述预应力螺栓的一端设有凸台，所述凸台位于后盖板外部。
15.进一步地，所述预应力螺栓的一端与前盖板之间为螺纹固定连接。
16.进一步地，所述电极片通过电导线与电源控制箱连接。
17.与现有技术相比，本实用新型采用预应力螺栓，并对预应力螺栓的中段位置进行收腰处理，以得到收腰部，由此减小压电陶瓷区域内的螺栓内径，提高螺栓局部塑性，从而增加螺钉局部在大振幅振动过程中伸长量，减弱对压电陶瓷片的振动抑制，获得较为理想的机电耦合系数和机电转换效率，以满足换能器高功率水平的发挥；此外，收腰部的设计也进一步增加了金属螺栓与电极片之间的高压安全距离，从而保证换能器的工作可靠性。
附图说明
18.图1为传统超声波换能器的剖面结构示意图；
19.图2为本实用新型的剖面结构示意图；
20.图3为本实用新型的外形结构示意图；
21.其中：1、后盖板，2、压电陶瓷堆，3、前盖板，4、预应力螺栓，5、电极片。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
23.实施例：
24.如图2和图3所示，一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，包括预应力螺栓4，预应力螺栓4的一端依次穿过后盖板1、压电陶瓷堆2后固定于前盖板3内，预应力螺栓4的中段位置设有收腰部，收腰部的横截面直径小于预应力螺栓4两端的横截面直径，压电陶瓷堆2各个陶瓷片正负极之间设置有电极片5。
25.具体的，收腰部位于压电陶瓷堆2之间，收腰部的一端位于后盖板1内，且收腰部的外表面与后盖板1内壁之间设有间隙；
26.收腰部的另一端位于前盖板3内，且收腰部的外表面与前盖板3内壁之间设有间隙；
27.预应力螺栓4固定于前盖板3内的一端与前盖板3内壁之间设有间隙；
28.预应力螺栓4的一端设有凸台，凸台位于后盖板1外部。
29.本实施例中，预应力螺栓4的一端与前盖板3之间为螺纹固定连接。
30.在实际应用中，电极片通过电导线与电源控制箱连接，通电后压电陶瓷堆2各个正负极之间会产生高频电压，通过压电效应，压电陶瓷产生一定频率和振幅的高频振动，从而带动整个换能器高频超声振动、进行功率输出。由于预应力螺栓4的中段位置采用收腰设计，由此减小螺栓收腰处的内径，在保证强度的同时，能够有效增加换能器高频振动过程中与压电陶瓷片振动相同步的伸长量，减小对压电陶瓷片的振动抑制，提高机电转换效率，而且收腰设计也增加了金属螺栓和金属电极片之间的高压安全距离。此外，为进一步实现高功率效果，还可通过增加压电陶瓷片个数，以实现换能器电容值增加，最终实现高功率
8.0kw功率水平换能器的设计。


技术特征：
1.一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，其特征在于，包括预应力螺栓(4)，所述预应力螺栓(4)的一端依次穿过后盖板(1)、压电陶瓷堆(2)后固定于前盖板(3)内，所述预应力螺栓(4)的中段位置设有收腰部，所述收腰部的横截面直径小于预应力螺栓(4)两端的横截面直径，所述压电陶瓷堆(2)各个陶瓷片正负极之间设置有电极片(5)。2.根据权利要求1所述的一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，其特征在于，所述收腰部位于压电陶瓷堆(2)之间。3.根据权利要求1所述的一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，其特征在于，所述收腰部的一端位于后盖板(1)内。4.根据权利要求1所述的一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，其特征在于，所述收腰部的另一端位于前盖板(3)内。5.根据权利要求3所述的一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，其特征在于，所述收腰部的外表面与后盖板(1)内壁之间设有间隙。6.根据权利要求4所述的一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，其特征在于，所述收腰部的外表面与前盖板(3)内壁之间设有间隙。7.根据权利要求1所述的一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，其特征在于，所述预应力螺栓(4)固定于前盖板(3)内的一端与前盖板(3)内壁之间设有间隙。8.根据权利要求1所述的一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，其特征在于，所述预应力螺栓(4)的一端设有凸台，所述凸台位于后盖板(1)外部。9.根据权利要求1所述的一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，其特征在于，所述预应力螺栓(4)的一端与前盖板(3)之间为螺纹固定连接。10.根据权利要求1所述的一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，其特征在于，所述电极片(5)通过电导线与电源控制箱连接。

技术总结
本实用新型涉及一种预应力螺栓收腰型高功率超声波换能器，包括预应力螺栓，所述预应力螺栓的一端依次穿过后盖板、压电陶瓷堆后固定于前盖板内，所述预应力螺栓的中段位置设有收腰部，所述收腰部的横截面直径小于预应力螺栓两端的横截面直径，所述压电陶瓷堆各个陶瓷片正负极之间设置有电极片。与现有技术相比，本实用新型通过在预应力螺栓中段位置设置收腰部，以减小螺栓收腰处的内径，在保证强度的同时，增加换能器高频振动过程中与压电陶瓷片振动相同步的伸长量，从而减小对压电陶瓷片的振动抑制、提高机电转换效率，此外，预应力螺栓收腰设计还增加了金属螺栓和金属电极片之间的高压安全距离。的高压安全距离。的高压安全距离。


技术研发人员：李广杰
受保护的技术使用者：必能信超声（上海）有限公司
技术研发日：2021.04.21
技术公布日：2022/6/30