專利名稱：被動阻尼振動焊接系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開內(nèi)容涉及ー種利用被動阻尼技術(shù)來優(yōu)化焊接質(zhì)量的超聲焊接系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在超聲焊接過程中，被夾緊エ件的臨近表面被利用振動能量連接。經(jīng)過エ件材料的振動能量傳遞沿界面連接的エ件表面產(chǎn)生表面摩擦和熱。熱軟化界面連接表面，該表面在結(jié)果的焊點或其他焊縫處最終粘結(jié)在一起。典型的超聲焊接系統(tǒng)包括各種相互連接的焊接部件。在這些部件中首要的是振動焊頭/焊接角和砧座組件。砧座組件可包括砧座和支撐板，砧座被通過支撐板栓接或以其他方式連接到剛性支持件。エ件被夾緊在角和砧座之間。角于是響應(yīng)來自焊接控制器/電源高頻的輸入信號而被促動以校準頻率和振幅振動。

發(fā)明內(nèi)容
此處公開的ー種振動焊接系統(tǒng)包括振動焊頭(sonotrode) /焊接角(weldinghorn)、砧座組件和被動阻尼機構(gòu)(PDM)。砧座組件包括砧座和支撐板。PDM可相對于系統(tǒng)的適當部分(例如砧座組件)布置，從而抵消或抑制發(fā)生在系統(tǒng)中的某些非期望振動。雖然常規(guī)超聲焊接系統(tǒng)使用多種裝置控制在期望方向(例如垂直的X方向)給角的輸入振動，常規(guī)砧座設(shè)計未能解決在其他方向的振動，例如水平的z或者旋轉(zhuǎn)0方向。在給定應(yīng)用中所期望的實際方向可隨著工件材料和組成焊接系統(tǒng)的各種裝置的變化而改變。為了說明的一致性，X方向在下文被稱為期望的，同時在任何其他方向的振動被稱為非期望的。此處應(yīng)認識到砧座剛度和其他系統(tǒng)設(shè)計特性可以有助于這種非期望振動，并且這些非期望振動可降低結(jié)果的焊接質(zhì)量。足夠的拉伸強度以及最少的變形、穿孔和開裂都是期望的焊接質(zhì)量。降低的焊接工具疲勞和延長的工具壽命都是期望的系統(tǒng)質(zhì)量。因此，當前的被動阻尼方法g在通過如下詳細闡述的PDM的使用來優(yōu)化這些和其他的質(zhì)量。特別地，根據(jù)ー個實施例的振動焊接系統(tǒng)包括控制器、焊接角、砧座和相對于系統(tǒng)定位的PDM?？刂破鳟a(chǎn)生具有校準頻率的輸入信號。焊接角接收輸入信號并且以響應(yīng)輸入信號的校準頻率在期望的第一方向振動，從而在エ件中形成焊接點。角還在非期望的第二方向振動。PDM的校準特性實質(zhì)上抑制或減弱在非期望的第二方向的振動。在另ー個實施例中，PDM被相對于砧座定位，并包括第一和第二部分。第一部分被定位在砧座組件的砧座和支撐板之間。第二部分將PDM的第一或者更高的自然頻率調(diào)諧到校準頻率。第二部分可限定相對于砧座的懸臂結(jié)構(gòu)，從而實質(zhì)上擬制或減弱砧座在非期望的第二方向的振動。ー種方法還被在此處公開用于抑制在超聲焊接過程中的非期望振動。該方法包括相對于超聲焊接系統(tǒng)的砧座連接PDM。PDM具有校準長度和第一自然頻率。該方法還包括利用焊接控制器產(chǎn)生輸入信號。輸入信號具有校準的超聲頻率。此后，該方法包括在響應(yīng)輸入信號的期望方向并且也在非期望方向振動焊接角。在非期望方向的振動被利用PDM被動地抑制。PDM的校準長度將PDM的第一自然頻率調(diào)諧到輸入信號的校準超聲頻率。當結(jié)合附圖，從以下具體描述的用于執(zhí)行本發(fā)明的優(yōu)選方式，本發(fā)明的以上特點和優(yōu)點以及其他特點和優(yōu)點是顯而易見的。


圖1是示例振動焊接系統(tǒng)的示意圖,振動焊接系統(tǒng)具有包括示例阻尼機構(gòu)的站座組件。圖2是示例阻尼機構(gòu)的示意圖，該阻尼機構(gòu)與在圖1中示出的焊接系統(tǒng)一起是可用的。圖3是示例阻尼機構(gòu)的示意圖，該阻尼機構(gòu)具有填充摩擦阻尼材料的空隙或者凹槽。圖4是示例阻尼機構(gòu)的示意性側(cè)視圖，該機構(gòu)具有多個疊層。圖5是描述用于被動地擬制或減緩圖1所示系統(tǒng)中砧座振動方法的流程圖。
具體實施例方式參考附圖，其中，相似的參考標記代表相似的部件，示例超聲焊接系統(tǒng)在圖1中示出。系統(tǒng)10被配置來利用在本領(lǐng)域熟知的エ藝——超聲振動來形成焊接接頭。為了說明的一致性，雖然常規(guī)術(shù)語“超聲”在以下被提到，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)意識到其他頻率范圍可也被使用而沒有背離預期發(fā)明的范圍。圖1的系統(tǒng)10被特別配置來被動地抑制或減弱某些非期望振動。例如，在振動焊接過程中，期望的振動可被賦予X方向，而發(fā)生在任何其它方向(例如指示的橫向z或者旋轉(zhuǎn)e方向)的振動是非期望。因此，術(shù)語“期望”和“非期望”涉及想要的方向，該方向可根據(jù)應(yīng)用而變化。為了說明的清楚性和一致性，X方向振動在以下被當作期望振動，而抑制相對于發(fā)生在任何其它方向的振動。系統(tǒng)10的砧座組件12可包括砧座14和支撐板16。砧座14可通過螺栓70緊固到支撐板16。支撐板16可依次被連接到支持件60。砧座振動可由各種結(jié)構(gòu)特點引起，包括但不限于任何通過螺栓70連接的剛度，支持件60，以及系統(tǒng)10構(gòu)造的幾何/材料，該構(gòu)造包括但不限于被焊接的特殊エ件22。認識到此處非期望砧座振動可反作用于形成在エ件22中的結(jié)果焊縫質(zhì)量。正如此處所述，這種非期望振動被被動地抑制。圖1的系統(tǒng)10包括不同的焊接裝置，包括砧座組件12和振動焊頭/焊接角24。在焊接過程中，作為整體，砧座14提供足夠用來阻止角24的相對剛性量。角24可包括焊接墊23。墊23可包括例如突出的隆起、脊的壓花形式，或者任何其他的為夾緊エ件22提供足夠摩擦的紋理形式。砧座14可同樣地具有相似的墊25以及壓花形式。墊23和25 —起使エ件22的可靠夾緊容易。為了適當?shù)仳?qū)動和控制超聲焊接過程，焊接電源30可被用來將可用電源轉(zhuǎn)換為更有益于振動焊接的形式。例如，電源30可被電氣連接到任何適當?shù)哪茉?，例?0-60HZAC壁式插座。在這個例子中，電源30可包括要求的電壓整流器和變換器，其用于產(chǎn)生適合于振動焊接的高頻波形。電源30可包括焊接控制器33，其作為所示電源的一部分或者作為
獨立裝置。
電源30和焊接控制器33最后將電源轉(zhuǎn)換為合適的功率控制信號，該信號具有適合于在振動焊接過程中使用的預定波形特征，例如幾赫茲(Hz)到大約40KHz的頻率，或者根據(jù)特別應(yīng)用的更高頻率。附加設(shè)備可包括變換器26和増幅器28。變換器26具有要求的機械結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生響應(yīng)輸入信號(箭頭31)的機械振動，例如壓電堆。増幅器28放大輸入信號(箭頭31)的振動振幅(該輸入信號具有校準頻率)，和/或用于改變在角24和砧座14之間任何所用夾緊カ的方向。仍然參考圖1，砧座組件12包括被動阻尼機構(gòu)(PDM)18。如在實施例中所示，PDM18是被放置在站座14和支撐板16之間的墊片。然而,PDM18可放置在系統(tǒng)10中的任何地方，例如在砧座14上或在エ件22上，正如分別以虛線表示的由替換的PDM180和280所指示的那樣。在特殊實施例中，多PDM例如PDM18、180和280可沿非期望振動的每個衰減特定方向在相同的系統(tǒng)10中被同時使用。在一個實施例中阻尼機構(gòu)18可為調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)，其中，阻尼機構(gòu)18以自然/共振頻率為特征。這種可為第一、第二或更高自然頻率的自然/共振頻率在圖1中被通過示例波形21示意表示。PDM18的校準特性，例如長度、尺寸、幾何、構(gòu)造材料等等，被配置來將PDM18的自然頻率調(diào)諧到輸入信號(箭頭31)的校準頻率。在其他實施例中，PDM18可使用摩擦阻尼和/或材料阻尼來抑制發(fā)生在系統(tǒng)10中(例如在砧座14)的非期望振動。在圖1示出的主要實施例中的阻尼機構(gòu)18可包括第一部分19和第二部分20。部分19和20可為整體或分離的形式。第一部分19可被可選擇地布置在砧座14上、在エ件22上、在圖1中所示的砧座14和支撐板16之間、在支撐板18和支持件60之間等等。第二部分20可從砧座14向エ件22延伸校準長度(LI)。因此，在非限制性實施例中，阻尼機構(gòu)18可形成相對于砧座組件的懸臂結(jié)構(gòu)。正如以上所注釋，第二部分的校準長度(LI)可被校準或選擇從而將PDM18的第一自然頻率調(diào)諧到角24的輸入頻率。在示例實施例中，砧座14可被壓配合到由支撐板16限定的凹槽或者匹配的鍵槽，因此可包括可選的指形接頭140。指形接頭140可延伸進入/穿過支撐板16來増加在每個加載方向上的接觸面積以及砧座14與支撐板16之間的結(jié)合剛度。根據(jù)實施例，螺栓70可被與這種壓配合一起使用，或者壓配合可被単獨使用。替換地，圖2所示類型的可選燕尾接頭240可被用于同樣的目的。參考圖2，替換的砧座組件112可包括PDM118。示例PDM118可包括具有遠端227的第三部分29,該遠端被相對于第一部分和/或相對于站座14和/或支撐板16排列。第三部分29相對于第一部分19的排列可為所示的正交，或者其可為根據(jù)系統(tǒng)10設(shè)計的非正交。替換地，第三部分29可被連接到第二部分20或與第二部分形成整體，例如被從單件材料彎成直角或焊接在一起，可帶有或不帶有第一部分19。各自的第二部分20或第一部分19的端部27或127可被連接到諸如非線性被動控制器40 (例如阻尼器或者非線性阻尼器)的適合物體，從而進一歩抑制砧座14的振動。即使未在圖2中示出，第三部分29的端部227可同樣地被連接到阻尼體。各個部分9、20和29的長度L1、L2和L3可被校準來提供要求的阻尼響應(yīng)。如圖3所示，圖1的PDM18可被替換地實施為PDM218。PDM218可由適當材料的板42成形，只有部分在圖3中示出。例如，布置在圖1的砧座14和支撐板16之間的板42部分可限定至少ー個切ロ或者凹槽45，每個切ロ或者凹槽都被充分地充填，例如用適合的阻尼材料43 (比如橡膠或其他弾性體、鑄鐵等)充填大于50%。圖1和2所示的長度(LI)可不包括這種凹槽45，所以為了更清晰，這個部分被從圖3省略。如圖4所示，帶有或不帶有圖3中凹槽45的可選板142可由多個疊層50、51、52組成，相同或者不同材料構(gòu)成的多個疊層由此組成另外的PDM318。疊層可為所示那樣，或者其可沿著線53，這樣每個相鄰片的第一部分19和第二部分20被疊壓、焊接或者另外的方式彼此連接。這樣的設(shè)計可有助于通過摩擦阻尼吸收來自非期望砧座振動的振動能量。各種層50、51、52的特殊材料、相對厚度、幾何和表面狀態(tài)可以不脫離預期發(fā)明的范圍而變化。參考圖5，示例方法100被示出為被動地抑制在超聲焊接系統(tǒng)中的非期望砧座振動，例如在圖1中示出并在以上描述的示例系統(tǒng)10。以步驟102開始，圖1的PDM18被提供，或者在圖2_4中任何的替換實施例被提供。步驟102可包括提供具有校準長度的阻尼機構(gòu)18。校準長度(L1、L2和/或L3)可被選擇來將PDM18的第一自然頻率調(diào)諧到輸入信號(圖1的箭頭31)的校準頻率，例如在ー個可能實施例中大約10kHz-30kHz的超聲頻率。在可選的步驟104，PDM18可配置有各圖2、3和4的PDM118、218或者318的任意特征。例如，圖2所示的第三部分29可分別相對于第一和第二部分19和20連接，或者圖3所示的凹槽45可被成形在一個或更多的板42中，隨后以阻尼材料43填充。形成PDM18或者其任何實施例的板42可由圖4所示的層50、51、52疊成。任何或者所有這些特點可被按需要包括來提供圖1的砧座14的期望的摩擦量和/或材料阻尼。在步驟106，通過將阻尼機構(gòu)18相對于系統(tǒng)10定位，例如在所示的砧座14和支撐板16之間，或者在エ件22上，在砧座14上等等，阻尼機構(gòu)18被集成進系統(tǒng)10。步驟104可包括利用緊固件來擰緊在砧座14和支撐板16之間的阻尼機構(gòu)18，這樣圖1所示的第二部分20沿該圖所指示的X方向向外延伸。步驟104可替換地包括將阻尼機構(gòu)18焊接、釬焊或者粘接到砧座組件12和/或エ件22。在步驟108，圖1的焊接控制器33被激勵，并且輸入信號(箭頭31)被傳送給變換器26。接收輸入信號(箭頭31)和它的校準頻率后，變換器26被引起振動。振動的振幅可通過増幅器28按要求放大。角24此后以輸入信號(箭頭31)的校準頻率振動。由于系統(tǒng)10中的阻尼機構(gòu)18存在，這種震動發(fā)生沒有引起砧座14的非期望振動。雖然用于實施本發(fā)明的優(yōu)選方式已被詳細描述，與本發(fā)明相關(guān)的所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識到實施本發(fā)明的各種可選設(shè)計和實施例均在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)。對相關(guān)申請的交叉引用本申請要求2011年9月30日提交的61/541，332號美國臨時專利申請的權(quán)益，通過引用將其全部結(jié)合到本申請中。關(guān)于聯(lián)邦資助的研究和開發(fā)聲明本發(fā)明是在美國政府的支持下取得的，2009能源恢復和再投資法案的部分，電池組制造B551，協(xié)議/項目號DE-EE0002217。美國政府可擁有本發(fā)明中的某些權(quán)利。
權(quán)利要求
1.一種振動焊接系統(tǒng)，包括 控制器，其被配置來產(chǎn)生具有校準頻率的輸入信號； 焊接角，其響應(yīng)輸入信號以校準頻率沿期望的第一方向振動，以由此在工件中形成焊接點； 砧座，其被相對于焊接角定位；以及 被動阻尼機構(gòu)(PDM)，其被相對于振動焊接系統(tǒng)定位； 其中，PDM具有校準的阻尼特性組，該特性抑制或減弱沿非期望的第二方向的振動。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，PDM被相對于砧座連接并從砧座延伸校準長度，其中，校準長度是阻尼特性中的一個。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，校準的阻尼特性組包括校準長度、校準材料和校準幾何中的至少一個。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，PDM為調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，該調(diào)諧質(zhì)量阻尼器具有自然頻率，該自然頻率被調(diào)諧到輸入信號的校準頻率。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，PDM被布置在砧座組件的砧座和支撐板之間，該支撐板被安裝至砧座和支持件兩者。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，砧座被壓配合到支撐板。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，PDM包括一個部分，該部分關(guān)于另一部分正交布置。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，PDM限定被阻尼材料充分填充的凹槽。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中，阻尼材料為鑄鐵。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，PDM由多個疊層構(gòu)成。
全文摘要
一種振動焊接系統(tǒng)，其包括控制器、焊接角、砧座和被動阻尼機構(gòu)(PDM)?？刂破鳟a(chǎn)生具有校準頻率的輸入信號。角以響應(yīng)輸入信號的校準頻率在期望的第一方向振動，從而在工件中形成焊接點。PDM被相對于系統(tǒng)布置，并且實質(zhì)上抑制或者減弱在非期望的第二方向的振動。一種方法包括將具有校準特性和自然頻率的PDM連接到超聲焊接系統(tǒng)的砧座。然后，輸入信號被利用焊接控制器產(chǎn)生。該方法包括在期望方向響應(yīng)輸入信號振動焊接角，并且利用PDM在非期望方向被動地阻尼振動。
文檔編號B23K20/10GK103028834SQ20121036781
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者C-A.譚, B.康, W.W.蔡, T.吳 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司