本申請(qǐng)要求于2015年6月8日提交的美國(guó)發(fā)明申請(qǐng)No.14/733,163的優(yōu)先權(quán)并且還要求于2014年6月9日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.62/009,431的權(quán)益。上述申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容通過參引并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開內(nèi)容涉及超聲焊接機(jī)，并且更具體地涉及用于超聲焊接機(jī)的高帶寬超聲波焊頭。

背景技術(shù)：

本節(jié)提供了與本公開內(nèi)容有關(guān)的背景信息，但其未必是現(xiàn)有技術(shù)。

圖1中示出了典型現(xiàn)有技術(shù)的超聲波金屬焊接設(shè)備100的模型。超聲波金屬焊接設(shè)備100的典型部件包括超聲換能器102、變幅桿104和超聲波焊頭106。超聲換能器102、變幅桿104和超聲波焊頭106構(gòu)成焊接組套118。應(yīng)了解的是，在某些情況下，焊接組套118不具有變幅桿104。來(lái)自頻率為20kHz至60kHz的電源101的電能通過超聲換能器102轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。超聲換能器102中所轉(zhuǎn)換的機(jī)械能通過變幅桿104和焊頭106傳遞至焊接負(fù)載108(比如兩個(gè)金屬件112、114)。變幅桿104和焊頭106執(zhí)行傳遞機(jī)械能以及通過增益系數(shù)對(duì)來(lái)自超聲換能器102的機(jī)械振動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的功能。

焊頭梢端110上產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)是執(zhí)行將金屬焊接在一起的任務(wù)的運(yùn)動(dòng)。焊頭梢端110可以由碳化鎢或其他高強(qiáng)度硬質(zhì)材料制成。待被焊接在一起的金屬件112、114鄰近焊頭梢端110放置。焊頭梢端110與待被焊接的上部金屬件112相接觸。此時(shí)超聲波焊頭106的軸向振動(dòng)變?yōu)樯喜拷饘偌?12的剪切振動(dòng)。剪切振動(dòng)被傳遞至上部金屬件112，使得上部金屬件112相對(duì)于下部金屬件114前后移動(dòng)，從而使得兩個(gè)金屬件的在焊接界面處彼此鄰接的表面被加熱，最后熔融在一起。焊接砧座120將下部金屬件114支承于地面。應(yīng)理解的是這種超聲焊接機(jī)可用于將多個(gè)金屬箔層焊接在一起，比如若干層鋁箔或銅箔。

類似設(shè)備被用于用超聲波將塑料件焊接在一起。主要差異是超聲波焊頭以將豎向振蕩傳遞至塑料件中的方式振蕩。即，超聲波焊頭使得塑料件相對(duì)于彼此振蕩壓縮/解壓縮，從而使得塑料件的在焊接界面處彼此鄰接的表面被加熱，最后熔融在一起。

例如在標(biāo)題為Method for Processing Workpieces by Ultrasonic Energy(用于通過超聲能量處理工件的方法)的美國(guó)專利No.5,658,408、“標(biāo)題為Anti-Splice Welder(反側(cè)拼接焊接機(jī))的美國(guó)專利No.6,863,205”以及公開號(hào)為No.2008/0054051標(biāo)題為“Ultrasonic Welding Using Amplitude Profiling(使用振幅仿形的超聲焊接)”的美國(guó)專利中公開了超聲焊接機(jī)，以上全部公開內(nèi)容通過參引并入本文。

一種類型的超聲波焊頭被有時(shí)稱作槽式塊狀超聲波焊頭。該類型的超聲波焊頭由金屬塊制成，比如鋼、鋁或鈦，該金屬塊在頂表面與底表面之間具有機(jī)加工在其中的槽。以通常在超聲焊接機(jī)中使用的超聲頻率(例如15kHz至60kHz)諧振的典型槽式塊狀超聲波焊頭具有高于期望的品質(zhì)(“Q”)因數(shù)。Q因數(shù)為超聲波焊頭的諧振頻率除以超聲波焊頭的帶寬。Q因數(shù)越高帶寬越窄，并且反之亦然。使用具有這些高品質(zhì)因數(shù)的超聲波焊頭使得超聲組套具有非常低的帶寬。低帶寬超聲組套在超聲電源于典型焊接周期期間跟蹤和保持軸向諧振方面存在問題。由于難以調(diào)諧和跟蹤諧振頻率，因此這樣可能導(dǎo)致超聲電源的過載。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本節(jié)提供了本公開的大體概述，并非是本公開的全部范圍或其全部特征的全面公開。

根據(jù)本公開的一方面，一種大表面積塊狀超聲波焊頭包括一個(gè)或更多個(gè)成形件，所述成形件具有位于該成形件的中點(diǎn)處的比成形件的兩相反端部窄的節(jié)點(diǎn)。

一方面，每個(gè)成形件關(guān)于其節(jié)點(diǎn)對(duì)稱。

一方面，塊狀超聲波焊頭的長(zhǎng)度或?qū)挾葹橐庠谑褂迷搲K狀超聲波焊頭的超聲組套的標(biāo)稱諧振頻率的波長(zhǎng)的至少一半。

一方面，成形件具有至少為二的A/a比，其中，A是成形件的焊接面積，并且a是節(jié)點(diǎn)的截面面積，其中，成形件的焊接面積是當(dāng)塊狀超聲波焊頭附接至超聲組套的變幅桿時(shí)成形件的鄰近變幅桿的基部的面積。

一方面，成形件成形為在截頭頂端處接合在一起的對(duì)頭拼接的角錐體。一方面，成形件圓柱狀地成形并且其在兩相反端部之間的中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)處的直徑比其兩相反端部的直徑窄。

一方面，塊狀超聲波焊頭具有成形件的陣列。一方面，該成形件的陣列是3×3陣列。一方面，該成形件的陣列是4×4陣列。

一方面，塊狀超聲波焊頭呈矩形。一方面，塊狀超聲波焊頭呈圓柱形。

根據(jù)本文的描述，其他適用的領(lǐng)域?qū)⒆兊妹黠@。本發(fā)明內(nèi)容中的描述和具體示例僅用于說(shuō)明的目的，而不意在限制本公開的范圍。

附圖說(shuō)明

文中描述的附圖僅用于說(shuō)明可選的實(shí)施方式而非所有可能的實(shí)施方案，并且這些附圖不意在限制本公開的范圍。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)的超聲焊接機(jī)的示意圖；

圖2是根據(jù)本公開的一方面的用于高帶寬大表面積槽式塊狀超聲波焊頭的成形件的立體圖；

圖3是根據(jù)本公開的一方面的高帶寬大表面積槽式塊狀超聲波焊頭的立體圖；以及

圖4是圖2的高帶寬大表面積槽式塊狀超聲波焊頭的側(cè)視圖。

圖5是根據(jù)本公開的一方面的用于高帶寬大表面積槽式塊狀超聲波焊頭的圓柱形成形件的立體圖；以及

圖6是根據(jù)本公開的一方面的具有多個(gè)成形件的圓柱狀高帶寬大表面積槽式塊狀超聲波焊頭的剖視圖。

相應(yīng)的附圖標(biāo)記表示貫穿附圖中的若干視圖的相應(yīng)部件。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將參照附圖來(lái)更全面地描述示例性實(shí)施方式。

根據(jù)本公開的一方面，大表面積塊狀超聲波焊頭包括一個(gè)或更多個(gè)成形件，所述成形件具有位于該成形件的中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)比成形件的兩個(gè)相反端部窄。在本文中“大表面積”意味著塊狀超聲波焊頭的長(zhǎng)度或?qū)挾鹊扔诨虼笥谝褂盟鰤K狀超聲波焊頭的超聲組套的標(biāo)稱諧振頻率的1/2。成形件的中點(diǎn)是與兩相反端部距離相等的點(diǎn)。因此，兩相反端部的面積大于節(jié)點(diǎn)的面積、即大于成形件在中點(diǎn)處的截面面積。一方面，成形件關(guān)于節(jié)點(diǎn)對(duì)稱。即，成形件的在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的兩個(gè)半部是對(duì)稱的。一方面，當(dāng)大表面積塊狀超聲波焊頭具有多個(gè)成形件時(shí)，所有成形件都具有相同的幾何形狀和尺寸。成形件(或根據(jù)具體情況可能為多個(gè)成形件)被調(diào)諧至其將應(yīng)用于的超聲組套的頻率(比如20kHz、30kHz、40kHz、50kHz或60kHz)。成形件可以以多種構(gòu)型組合以形成具有較大表面積的大表面積槽式塊狀超聲波焊頭。

由多個(gè)上述成形件形成的大表面積槽式塊狀超聲波焊頭當(dāng)被用在典型的超聲組套中時(shí)，由于其與現(xiàn)有大表面積超聲波焊頭相比能使超聲組套具有較高的耦合系數(shù)(Keff)，因此其實(shí)現(xiàn)了高帶寬。該大表面積塊狀超聲波焊頭需要較低應(yīng)變能就能達(dá)到給定的超聲波頻率，由此實(shí)現(xiàn)了較高的Keff。

對(duì)以并聯(lián)諧振運(yùn)行并使用串聯(lián)調(diào)諧的超聲系統(tǒng)進(jìn)行考慮。這種系統(tǒng)的調(diào)諧帶寬通過下述公式得出：

(B)帶寬＝Keff*fp

其中，Keff是完整的超聲組套(轉(zhuǎn)換器、變幅桿、焊頭)的耦合系數(shù)，并且fp是組套的諧振頻率。對(duì)于以該調(diào)諧技術(shù)運(yùn)行的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，運(yùn)行具有大帶寬的系統(tǒng)比運(yùn)行(如本領(lǐng)域已知的)具有小帶寬的系統(tǒng)容易的多。由多個(gè)上述成形件形成的大表面積塊狀超聲波焊頭與現(xiàn)有的具有相同焊接面積的大表面積超聲波焊頭相比能賦予超聲組套更高的Keff。

根據(jù)本公開的一方面，成形件具有至少為2的A/a比，其中A是成形件的焊接面積，并且a是在成形件的中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)處的截面面積。成形件的焊接面積是當(dāng)具有該成形件的超聲波焊頭附接至變幅桿時(shí)該成形件的與超聲組套的變幅桿相鄰的相反端部的面積。以下將參照?qǐng)D2中所示的成形件的示例進(jìn)行更詳細(xì)的描述。

圖2示出了根據(jù)本公開的一方面具有成形件200的大表面積塊狀超聲波焊頭201的示例，該成形件200具有兩相反端部202、204以及位于成形件200的中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)206。塊狀超聲波焊頭201是說(shuō)明性地呈矩形并且說(shuō)明性地呈正方形。成形件200成形為在截頭頂端210處接合在一起并且分別具有基部212的兩個(gè)對(duì)頭拼接的角錐體208。角錐體208中的一者的基部212提供了兩相反端部202、204中的一個(gè)，并且另一角錐體208的基部212提供了另一相反端部202、204。每個(gè)角錐體208說(shuō)明性地為具有正方形基部212的四邊角錐體角錐體，但是也可以是除了四邊角錐體之外的形狀并且可以具有除了正方形基部之外的基部。在示例中，每個(gè)角錐體208的正方形基部212為1.5英寸乘1.5英寸。成形件200具有焊接面積A，該焊接面積A是與超聲組套的變幅桿相鄰的相反端部202、204的面積。在每個(gè)角錐體208的基部212為1.5英寸乘1.5英寸的正方形基部的情況下，焊接面積A為2.25平方英寸。面積a為位于成形件200的中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)206的面積，該節(jié)點(diǎn)處是頂端210相接的位置。如以上所討論的，A/a比至少為2。因此，在本示例中，面積a不大于1.125平方英寸。

參照?qǐng)D3和圖4，示出了根據(jù)本公開的一方面的矩形的高帶寬大表面積槽式塊狀超聲波焊頭300。焊頭300形成有呈4×4陣列的成形件301，其中，每個(gè)成形件301具有位于比成形件301的兩相反端部窄的中間部分處的節(jié)點(diǎn)303，如下所述。焊頭300包括頂板302和底板304。頂板302和底板304可以說(shuō)明性地是矩形，并且可以是正方形。多個(gè)角錐體306從頂板302的底部308向下延伸，并且多個(gè)對(duì)應(yīng)的角錐體310從底板304的頂部312向上延伸。角錐體306和角錐體310在其相應(yīng)的頂端314、316處相接觸，該相應(yīng)的頂端314、316是說(shuō)明性地截頭的且向外彎曲。每對(duì)角錐體306、310提供成形件301中的一個(gè)成形件。角錐體306、310說(shuō)明性地可以是具有正方形基部的四邊角錐體。角錐體306、310限定出位于它們之間的槽318，該槽318說(shuō)明性地可以具有對(duì)頭拼接的大致淚滴的形狀。焊頭300可以說(shuō)明性地通過三維金屬打印制成，其中，金屬粉末的精細(xì)層可在彼此的頂部上連續(xù)地熔化以打印期望的結(jié)構(gòu)。因此，通過使用三維金屬打印可以得到具有上述結(jié)構(gòu)的焊頭300，并且說(shuō)明性地具有可以堪比鑄造組織的均質(zhì)構(gòu)造。焊頭300可以說(shuō)明性地由能夠使用三維打印方法打印的任何金屬制成，比如不銹鋼、碳鋼、工具鋼、鋁合金、鈦合金、鎳基合金、鈷鉻合金等。應(yīng)了解的是，角錐體306、310可以是除四邊角錐體以外的形狀，比如具有三角形基部的三邊角錐體。

應(yīng)了解的是，焊頭300可具有一個(gè)成形件或除4×4陣列之外的成形件陣列。

還應(yīng)理解的是，除了在其截頭的頂端處接合的角錐體之外的形狀也可用于成形件，比如成形件200或成形件301。例如，圖5示出了成形件500，該成形件500成形為圓柱狀并且在該成形件500的中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)502的直徑小于其兩相反端部504、506的直徑。

圖6示出了根據(jù)本公開的一方面的具有多個(gè)成形件602的圓柱狀高帶寬大表面積塊狀超聲波焊頭600。每個(gè)成形件602具有位于其中點(diǎn)處的比成形件602的兩相反端部606窄的節(jié)點(diǎn)604。

根據(jù)本公開的一方面，高帶寬大表面積槽式塊狀超聲波焊頭由中間部分比兩相反端部窄的上述成形件的陣列形成。一方面，該陣列是對(duì)稱的陣列。一方面，該陣列是至少3×3陣列。一方面，高帶寬大表面積槽式塊狀超聲波焊頭具有3×3陣列的成形件200并且具有至少20.25平方英寸的焊接表面積，并且在一說(shuō)明性方面中，每個(gè)成形件200的兩相反端部是1.5英寸乘1.5英寸的正方形。一方面，在每個(gè)所述陣列中的每個(gè)成形件具有至少為2的A/a比。

已經(jīng)出于說(shuō)明和描述的目的提供了實(shí)施方式的前述描述。該描述并非意在是窮盡性的或限制本公開。特定實(shí)施方式的各個(gè)元件或特征一般不限于該特定實(shí)施方式，而是在適用的情況下可互換并且可被用在選定實(shí)施方式中，即使這并未具體地示出或描述。特定實(shí)施方式的各個(gè)元件或特征也可以以多種方式變化。這種變化不應(yīng)被認(rèn)為背離了本公開，并且所有這些變體均意在被包括在本公開的范圍內(nèi)。

為了便于在說(shuō)明書中描述一個(gè)元件或特征與另一個(gè)元件或特征的如圖中所圖示的關(guān)系，在本文中可以使用空間相對(duì)術(shù)語(yǔ)，諸如“內(nèi)”、“外”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上面”?？臻g相對(duì)術(shù)語(yǔ)可旨在包括裝置在使用或操作中的除圖中所示的取向之外的不同取向。例如，如果圖中的裝置翻轉(zhuǎn)，則被描述為在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件將被定向?yàn)樵谄渌蛱卣鳌吧戏健薄Ｒ虼?，示例術(shù)語(yǔ)“下方”可以包括上方和下方的取向。裝置可以其他方式定向(旋轉(zhuǎn)90度或定向?yàn)槠渌∠?，并且本文使用的空間相對(duì)描述詞應(yīng)作對(duì)應(yīng)的解釋。