专利名称：：使用振幅调整的超声波焊接的制作方法
技术领域：
：本发明涉及超声波焊接装置和方法，且更具体而言，涉及通过在平行于工件表面的方向中应用振动进行焊接的超声装置和方法，也称为剪切波振动。
背景技术：
：图1中示出了典型的超声金属焊接装置IOO的模型。超声金属焊接装置100的典型组件包括超声波换能器102、变幅器(booster)104以及超声焊头106。变幅器104通过极化固定架(未示出)连接到换能器102和焊头106，该极化固定架固定在圆柱体105的相反端的外圆周边缘处。来自电源101的频率为20-60kHz的电能通过超声波换能器102转换为机械能。超声波换能器102、变幅器104以及焊头106均被机械调谐以与电源的电输入频率相匹配。在超声波换能器102中转换的机械能通过变幅器104和焊头106(—般是1/2波长轴向谐振工具)发射到焊接负载108(诸如两个金属件112、114)。变幅器104和焊头106执行发射机械能以及通过增益因子对来自超声波换能器102的机械振动进行变换的功能。变幅器增益一般是从1:0.5至1:2。焊头增益一般是从1:1至1:3。变幅器和焊头增益具有20的峰间值的输出振幅(来自超声波换能器102)，并通过乘以因子来向上或向下调节该振幅。在焊嘴110上导致的机械振动是执行将金属焊接在一起的任务的运动。基本上，轴向位移由超声波换能器102产生，通过变幅器104在增益方面进行调整，并通过焊头106再次在增益方面进行调整。待焊接在一起的金属件112、114被放置在靠近焊接尖端(焊嘴110)处。当向焊接组套118(超声波换能器102、变幅器104和焊头106)应用垂直力(如箭头116所示)时，焊嘴IIO将与待焊接的顶部金属件112接触。超声焊头106的轴向振动现在变成施加于顶部金属件112的剪切振动。当焊接夹紧力116增加时，剪切振动将逐渐增加地被传导到顶部金属片112，导致其来回移动。底部金属件114放在焊接砧座120上。顶部金属件112相对于底部金属件114的来回移动将从彼此接触的金属件112、114的表面擦掉氧化物和污染物。处于该剪切运动和夹紧力下一定时间量之后，两个金属件112、114之间的焊接区域中的金属材料变得互相缠绕并最终结合在一起。焊嘴110处所需的振幅的大小一般是被焊接的材料和进行结合所需的时间的函数。在焊嘴IIO处使用较大的焊接振幅将导致在超声波换能器102中转换较多的电功率并导致焊接材料在较短时间内结合。在焊嘴IIO处使用较低的振幅将导致在超声波换能器102中转换较少的电功率并导致焊接材料在较长时间内结合。焊嘴110处的焊接振幅的指定将决定焊头106和变幅器104组合的增益因子的设计，因为超声波换能器102的输出一般是固定的，例如，峰间值为20微米(jim)。被焊接的材料也将决定在焊嘴IIO处需要的振幅的大小。在金属焊接中使用的典型焊头振幅的范围为40pm至80pm(峰间值)。在铝的情况下，大于50-60(om(峰间值)的振幅将是有问题的。在较高的焊头振幅，存在着使铝变热并导致其变软的趋势。如果顶部金属件112的界面区域足够软，焊嘴IIO将插入到顶部金属件112中并削弱母体材料，这会损害焊接质量。为此，典型地，在铝焊接中，一般希望焊头振幅维持在55pm(峰间值)以下。图2是示出对于使用各种恒定焊接振幅来进行超声波焊接的3mm厚的铝5754样本，焊接强度作为能量的函数的图表。获得的最大焊接强度约为7500牛顿(N)或更小。即，在使用比较高的恒定焊接振幅(64|im)的情况下，焊接强度约为4200N，并且在使用比较低的恒定焊接振幅(40|im)的情况下，焊接强度约为7500N。
发明内容依照本发明的超声波焊接装置和方法使用振幅调整(amplitudeprofiling)来获得较高的焊接强度。在焊接周期的初始时期，使用驱动信号驱动超声波换能器，以在焊嘴处产生比较高的焊接振幅。在初始时期之后，使用较低驱动信号驱动超声波换能器，以产生较低的等级，在焊嘴处产生比较低的焊接振幅。通过阅读下文4是供的详细描述，将会清楚本发明的其他应用领域。应当理解，尽管示出了本发明的优选实施例，但详细描述和具体例子是用于说明的目的，而不是限制本发明的范围。通过阅读详细说明和附图，将会更全面地理解本发明，在附图中图l是现有技术的超声波焊接装置的示意图2是示出对于使用不同的恒定焊接振幅进行超声波焊接的3mm厚的铝5754样本，焊接强度作为能量的函数的图表；图3是依照本发明的一方面的使用振幅调整的超声波焊接装置的示意图4是依照本发明的一方面的使用振幅调整的超声波焊接方法的流程图；以及图5是示出典型的现有技术超声波坪接周期中的电压和功率的一系列图表；图6是对在使用挠性砧座的情况下的使用振幅调整(60pm和40pm的焊接振幅)来焊接的3mm5734铝与在固定的60(im和固定的40(im焊接振幅来焊接的3mm5734铝进行比较的测试结果的曲线图7是对在使用固定砧座(活动的砧座台)的情况下的使用振幅调整(60pm和40pm的焊接振幅)来悍接的3mm5734铝与在固定的60网和固定的40nm焊接振幅来焊接的3mm5734铝进行比较的测试结杲的曲线图8是对在使用固定砧座(固定的砧座台)的情况下的使用振幅调整(60pm和40pm的焊接振幅)来焊接的3mm5734铝与使用固定的60|im的焊接振幅来焊接的3mm5734铝进行比较的测试结果的曲线图9是示出在使用挠性砧座的情况下使用振幅调整来焊接的3mm5734铝的25个样本的测试结果的曲线图；以及图IO是示出在使用固定砧座的情况下使用振幅调整来焊接的3mm5734铝的25个样本的测试结果的曲线图。具体实施例方式以下对(一个或多个)优选实施例的说明本质上仅是示例性的，并不以任意方式限制本发明、其应用或使用。参考图3，该图示出了依照本发明的一方面的利用振幅调整(amplitudeprofiling)的超声波焊接装置300。在该图中将使用相同的附图标记来表示与图1的超声波焊接装置100共有的元件，并且讨论将集中在不同之处。在超声波焊接装置300中，诸如，通过控制电源301的控制器303进行适当的编程，将电源301配置成驱动超声波换能器102以在焊头106的焊嘴110处产生焊接振幅的振幅调整，如下所述。图4是示出依照本发明的一方面的振幅调整的流程图。超声波焊接装置300的电源301被配置以执行这种振幅调整。焊接周期开始于400和402，电源301输出第一(高)电平的驱动信号以驱动超声波换能器102以在焊嘴110处产生高焊接振幅。在焊接周期的初始时期，电源301持续输出该第一电平的驱动信号。当在404判断初始时期期满时，则在406，电源301驱动信号降低到第二(低)电平，该第二电平低于第一电平，以在焊嘴110处产生低焊接振幅。然后，电源301在焊接周期的剩余时间以该低电平驱动超声波换能器102。当在408判断焊接循环已经结束时，在410，焊接停止。本文中使用的振幅调整表示使用高焊接振幅起动焊接周期，然后在焊接周期的初始时期之后使焊接幅度下降到低焊接振幅。尽管上面描述的振幅调整包括焊接振幅变化一次，但应当理解，该焊接振幅可以变化多次。还应当理解，可以^使用多于两个焊接振幅。判断焊接周期的初始时期何时结束，即，高焊接振幅和低焊接振幅之间的过渡的"触发点"，示意性地可以是时间。应当理解，也可以使用诸如能量级和峰值功率值等的其他触发来判断该过渡何时发生。申请人发现，对于铝，通过使用振幅调整的超声波焊接，可以实现比通常使用恒定焊接振幅实现的焊接强度更高的焊接强度。例如，在使用振幅调整焊接3mm厚的5754铝样本的过程中，实现了高达8800N的焊接强度，其中，高焊接振幅为64pm，在进入到焊接周期中0.2秒之后，焊接振幅减小到43^im。而且，和在恒定焊接振幅的焊接相比，焊嘴110对零件(诸如，顶部金属件112)的界面造成的痕迹减小。和使用恒定焊接振幅的情况相比，振幅调整还允许初始的焊接振幅使用较高的焊接振幅。如上面所讨论的，在焊接铝时，焊接振幅典型地需要保持在55pm以下。使用振幅调整，初始的高焊接振幅可以超过55pm。例如，初始的高焊接振幅可以是64pm。申请人相信，通过使用振幅调整的超声波焊接而获得的焊接强度的增加是由于人工产生用于焊接周期的理想功率分布图(powerprofile)而引起的。例如，在焊接铝时，超声波焊接周期的功率曲线遵循这样的趋势一一在焊接周期的开始比较高，然后在接近焊接周期的末尾时减少，即使在超声波换能器102处的运动电压/振幅保持恒定时也是如此。图5是示出使用恒定焊接振幅的典型现有技术焊接周期中的电压、功率和其他焊接参数的一系列图表。尽管在使用恒定焊接振幅的现有技术焊接周期中，使用恒定电平的驱动信号来驱动超声波换能器102，但在焊嘴110处的实际焊接振幅倾向于在焊接周期中下降。申请人相信，发生这种焊接振幅下降是因为，焊嘴110处的焊接振幅高，同时焊接熔核变大，且系统(金属件112、114以及金属件112与焊嘴110之间的界面)的相对硬度低。随着焊接周期的进展，焊接熔核变大且系统变得更坚硬。更坚硬的焊接件(金属件112、114)导致焊嘴110处的焊接振幅由于焊嘴110的机械形变而减小。焊嘴110处的焊接振幅的减小倾向于防止由于在整个焊接周期中在焊嘴110处的焊接振幅保持高(并且恒定)的情况下通常发生的过度剪切而对焊接造成损害。但是在一些情况下，这种自然的下降并不发生，因而焊接强度低于发生自然下降的情况。这导致焊接具有不一致的焊接强度。通过使用依照本发明的振幅调整的焊接，确保焊嘴110处的焊接振幅减小，且所得到的焊接的强度是一致的。依照本发明的使用振幅调整的超声波焊接的优点在于，样本拉引强度高以及减少了零件痕迹。如上面所讨论的，使用恒定高振幅的超声波焊接在铝中产生大量的表面热量，这可能会软化与焊嘴110接触的金属件112。当金属件112软化时，焊嘴110将会插入到其中，产生深的焊嘴痕迹。在铝的情况下，在焊接完成之后，这种插入还会导致焊嘴从零件粘附过量的粘附物。申请人发现，对铝进行使用振幅调整的超声波焊接看来可以减小在焊嘴110附近被焊接的铝零件(例如，顶部金属件112)中的软化影响。在焊接振幅高的初始时期，能量被快速地输入以形成焊接熔核。当诸如金属件112、114的被焊接零件的材料接近软化点时(在初始焊接振幅为64|im的情况下，在5754铝中，约为0.4-0.5秒)，焊接振幅下降到第二焊接振幅(诸如，43pm)，这^f吏得在焊接周期的其余时期能量^皮输入到焊接熔核的速度下降。这允许焊接熔核生长，而与焊嘴110相邻的金属件112不软化。与焊嘴110相邻的金属件112的材料软化的减少，使得焊嘴110向金属件112的插入减少，并极大地减少了金属件112和焊嘴110之间的粘附。在一个方面，被焊接材料是铝，高焊接振幅大于55|am，且低焊接振幅低于55(im。在一个方面，被焊接材料是铝，高焊接振幅大于6(Him,且低焊接」振幅低于50nm。在一个方面，被焊^接材料是铝，高焊接振幅大于60|im，且4氐焊接振幅低于45|im。在一个方面，高焊接振幅至少比低焊接振幅高10jxm。在一个方面，初始时期刚好小于与焊嘴相邻的零件的材料软化所花费的时间。在一个方面，初始时期约为0.2秒。在一个方面，初始时期约为0.4秒。在一个方面，初始时期约为0.5秒。在一个方面，初始时期在0.2秒至0.6秒的范围内。使用上述振幅调整焊接的研究使用BransonLateralDriveWeld系统来焊接铝。时间被用作触发点方法来判断何时切换振幅。三个基本振幅控制技术被评估60|xm-43(im，60|im和40|im。此外，在三个不同砧座类型上执行焊接标准挠性、具有活动砧座台的固定砧座以及具有固定砧座台的固定砧座。该研究包括各种砧座类型，以判断这些特定基本是固定到横向驱动基板的大的砧座台。在固定砧座台中，存在可移动的砧座台。该砧座台可以刚性地安装到砧座或可以"浮动"。在先前实验中已经可以看出，根据砧座台是否被刚性安装(固定AB)或可以浮动(活动AB),在焊接性能和强度中存在显著差异。下面的矩阵示出了各种测试组合。<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>挠性和固定砧座之间的时间触发点是0.4s和0.2s。这样做是为了确保两个砧座类型之间的连续焊接处理并防止过载。对于所有的测试，使用的是具有某些固定焊接参数的如下的焊接系统。焊"l妄系统LateralDrive转换器5.5kWBranson转换器工具GoldBooster(增益1.5)、高Q工具(增益l:l)焊头CLRevl(增益1.8)，最大振幅=63pm焊接压力70psi(700lbs.Force)铝样本3mm5754对于每种砧座类型，每个测试生成拉引强度与能量关系的图表(图6-8中示出的总共3个曲线图)。每个曲线图的数据点显示5个焊接的平均和标准偏差。为了统计地验证这些曲线图，对于25个焊接的所选数据点展开扩展研究。从研究得出的结果显示在图6-8中。可以看出，3种砧座类型的性能存在明显的差异。对于挠性和固定(活动AB)砧座类型二者，显示出较好的拉引强度性能。固定(固定AB)砧座显示出具有极大分散性的一般约为其他砧座类型的拉引强度。因为性能不良，由于不能产生最小数目的数据点，所以不执行测试#9。从图6-8的曲线图可以看出，测试表明使用振幅调整技术，一般会增强拉引强度性能。挠性砧座的使用确实显示40pm焊接接近了振幅调整技术的强度的区域。图6-8中示出的测试结果的确显示，固定40jim振幅焊接在较低能量设置产生较好的强度，而60,的焊接在较高的能量设置显示出较好的强度。振幅调整看来是通过在较宽的能量范围上产生更加一致的、更高的拉引强度而组合了这种效果。固定砧座(活动AB)焊接的情况同样显示出振幅调整在宽的能量范围上产生更加一致的焊接强度。低振幅和高振幅设置的高强度能量与挠性砧座数据表现得相反。具有固定砧座(活动AB)的40pm焊接振幅的使用在较高的能量设置产生高强度焊接，而601im焊接振幅的使用在较低的能量设置产生强的焊接。可以看出，振幅调整的使用组合了这种效果，在较宽的能量范围产生更强的、更加一致的焊接。在固定砧座(活动AB)的3000J数据点处从振幅调整产生的强度(高达8000N)实际上比使用挠性砧座以相同能量等级产生的焊接强度(高达7000N)更强。在3000J，可以看出，调整振幅的数据显示来自固定砧座(活动AB)的平均拉引强度比来自挠性砧座的拉引强度稍好(8kN对6.8kN)。为了确保该结果不是低样本量的结果，对于挠性和固定砧座两种情况，均使用振幅调整在3000J制备了25个样本。在图9和10中显示出了该结果，并且结果表示，对于挠性和固定砧座(活动AB)，3000J点是统计上等效的。本发明的描述本质上仅是示例性的，因而不偏离本发明的主旨的变形应当包括在本发明的保护范围内。这种变形不应被认为偏离了本发明的精神和范围。权利要求1.一种用于将零件超声波焊接在一起的方法，该方法包括在焊接周期中对焊接振幅进行振幅调整。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述振幅调整包括在所述焊接周期的初始时期在超声波焊接装置的焊头的焊嘴处产生高焊接振幅，并在所述初始时期之后在所述焊嘴处产生低焊接振幅。3.根据权利要求2所述的方法，包括，从所述初始时期期满到该焊接周期期满，产生所述低焊接振幅。4.根据权利要求3所述的方法，其中，用于判断何时切换振幅的触发点是时间、能量级或峰值功率值之中的任意一个。5.—种用于将铝零件超声波焊接在一起的方法，该方法包括通过在焊接周期的初始时期在超声波焊接装置的焊头的焊嘴处产生高焊接振幅并在所述初始时期之后在所述焊嘴处产生低焊接振幅，在焊接周期期间对焊接振幅进行振幅调整。6.根据权利要求5所述的方法，其中产生高焊接振幅包括产生高于55pm的焊接振幅，并且产生低焊接振幅包括产生低于55|im的焊接振幅。7.根据权利要求6所述的方法，其中产生高焊接振幅包括产生高于60pm的焊接振幅，并且产生该低焊接振幅包括产生低于50|om的焊接振幅。8.根据权利要求6所述的方法，其中产生高焊接振幅包括产生高于60pm的焊接振幅，并且产生低焊接振幅包括产生低于50pm的焊接振幅。9.根据权利要求6所述的方法，其中产生高焊接振幅和低焊接振幅包括产生使得该高焊接振幅比该低焊接振幅至少高10pm的高焊接振幅和低焊接振幅。10.根据权利要求5所述的方法，其中所述初始时期刚好小于当以高焊接振幅进行超声波焊接时铝开始软化所花费的时间。11.根据权利要求5所述的方法，其中所述初始时期约为0.2秒。12.根据权利要求5所述的方法，其中所述初始时期约为0.4秒。13.根据权利要求4所述的方法，其中用于判断何时切换振幅的触发点是时间、能量级或峰值功率值之中的任意一个。14.一种超声波焊接装置，包括电源，其连接到焊接组套，该焊接组套包括通过变幅器连接到具有焊嘴的焊头的超声波换能器；并且所述电源在焊接周期的初始时期驱动所述超声波换能器以在所述焊嘴处产生高焊接振幅，并在所述初始时期之后驱动所述超声波换能器以在所述焊嘴处产生低焊接振幅。15.根据权利要求14所述的装置，其中被所述超声波焊接装置焊接的材料是铝，并且所述高焊接振幅高于55pm，所述低焊接振幅低于55pm。16.根据权利要求15所述的装置，其中所述高焊接振幅高于60pm，并且所述低焊接振幅低于50pm。17.根据权利要求15所述的装置，其中所述高焊接振幅高于60pm,并且所述低焊接振幅低于45pm。18.根据权利要求14所述的装置，其中所述初始时期刚好小于当以所述高焊接振幅进行超声波悍接时被焊接的零件的材料开始软化所花费的时间。19.根据权利要求15所述的装置，其中所述初始时期刚好小于当以所述高焊接振幅进行超声波焊接时铝开始软化所花费的时间。20.根据权利要求15所述的装置，其中所述初始时期约为0.2秒。21.根据权利要求15所述的装置，其中所述初始时期约为0.4秒。22.根据权利要求15所述的装置，其中判断所述电源何时切换振幅的触发点是时间、能量级或峰值功率值之中的任意一个。全文摘要一种超声波焊接装置，该装置具有连接到焊接组套的电源。该焊接组套包括通过变幅器连接到焊头的超声波换能器。焊头具有焊嘴。超声波焊接装置的焊接周期经过振幅调整，使得在初始时期在焊嘴处的焊接振幅高且在初始时期之后焊接振幅低。文档编号H01L41/04GK101512786SQ200780032615公开日2009年8月19日申请日期2007年8月17日优先权日2006年9月1日发明者戴维·A·格雷韦尔,詹姆斯·F·希恩申请人:必能信超声公司