專利名稱：扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，超聲波焊接裝置及通過(guò)超聲波形成焊接連接的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，一種超聲波焊接裝置及一種通過(guò)超聲波形成焊 接連接的方法。
背景技術(shù)：
一般而言，本發(fā)明涉及超聲波焊接領(lǐng)域，尤其是金屬組件的超聲波焊接領(lǐng)域。各組 件在超聲波振動(dòng)的作用下，基本上平行于焊接表面彼此進(jìn)行相對(duì)移動(dòng)，其中，在垂直于該組 件的方向，同時(shí)施加壓力或焊接力至要連接的組件上。超聲波振動(dòng)使其能夠撕開(kāi)并移除通 常出現(xiàn)在組件表面上的污染物和氧化層。與純金屬表面的直接接觸導(dǎo)致在金屬組件之間形 成永久性整體連接。
從美國(guó)專利US 3，039，333中可知一種超聲波焊接裝置，其中，桿狀超聲波焊極通 過(guò)耦合器耦合至兩個(gè)換能器，所述耦合器從超聲波焊極徑向延伸?？繅涸诖B接組件上的 超聲波焊極的工作面基本上平行于焊接面沿直線軌跡來(lái)回移動(dòng)。
美國(guó)專利US 5，603，444公開(kāi)了一種具有縱向超聲波焊極的超聲波焊接裝置，其 工作面同樣沿直線軌跡來(lái)回移動(dòng)。所述縱向超聲波焊極以一種傳統(tǒng)方式通過(guò)螺紋連接連接 至換能器，換能器和超聲波焊極之間設(shè)有增強(qiáng)器。還提供壓力裝置以在所述工作面上產(chǎn)生 壓力。所述壓力裝置產(chǎn)生的壓力通過(guò)縱向超聲波焊極的節(jié)線來(lái)施加。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，所述換 能器提供的超聲功率僅有小部分傳遞至工作面。根據(jù)更多最新成果，這歸因于縱向超聲波 焊極與增強(qiáng)器之間以及增強(qiáng)器與換能器之間相鄰連接表面發(fā)生傾斜運(yùn)動(dòng)，該傾斜運(yùn)動(dòng)由施 加于工作面上的壓力造成。壓力越大，傾斜運(yùn)動(dòng)越明顯。
專利EP I 930 148 Al公開(kāi)了一種借助于扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的超聲波焊接裝置。在 這種情況下，超聲波焊極為一種基本上旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的超聲波焊極，其中，工作面位于所述超聲 波焊極的一個(gè)端面。換能器耦合至扭轉(zhuǎn)超聲波焊極另一端面附近的圓周表面，通過(guò)所述換 能器，將圍繞扭轉(zhuǎn)軸方向的振動(dòng)被傳遞至扭轉(zhuǎn)超聲波焊極。結(jié)果，靠近待連接組件的工作面 在一曲線上來(lái)回移動(dòng)，該曲線與扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的圓周一致。此情況下的一個(gè)缺點(diǎn)為在工 作面的徑向靠?jī)?nèi)部部分傳遞至待連接組件的功率小于工作面的徑向靠外部部分傳遞至待 連接組件的功率。因此，待連接組件之間的焊接連接不均勻。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)。特別是，公開(kāi)了一種超聲波焊極，通過(guò)換 能器提供的功率可更加有效地傳遞至工作面。尤其是當(dāng)施加高壓時(shí)，也可以獲得改善的功 率傳遞效率。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)目的，還公開(kāi)了 一種超聲波焊接裝置及一種通過(guò)超聲波 形成焊接連接的方法，使得能夠有效地在待連接組件之間形成均勻的焊接連接。
此目的通過(guò)權(quán)利要求1、10和19中的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的有利的實(shí)施例將通過(guò) 權(quán)利要求2至9和11至18中的特征顯現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出了一種扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，其包括兩個(gè)相互對(duì)立的端面和圓周表面，該圓周表面環(huán)繞一扭轉(zhuǎn)軸且在其上距該扭轉(zhuǎn)軸一徑向距離處提供至少一個(gè)工作面。
根據(jù)本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，與現(xiàn)有技術(shù)不同，所述工作面不再位于其中一個(gè)所述端面處，而是位于圍繞所述扭轉(zhuǎn)軸的圓周表面上。結(jié)果，所述工作面的所有表面元件距所述扭轉(zhuǎn)軸基本上具有相同的徑向距離。均勻功率可通過(guò)所述工作面的主要部分傳遞至待焊接組件。根據(jù)本發(fā)明，使用所述超聲波焊極形成的焊接連接是均勻的。
此外，所提出的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極能夠?qū)⑺鰮Q能器提供的功率無(wú)損失地傳遞至所述工作面。在此過(guò)程中，在扭轉(zhuǎn)超聲波焊極、可選地提供的增強(qiáng)器及所述換能器之間的連接表面處不會(huì)產(chǎn)生任何傾斜運(yùn)動(dòng)。所 述工作面在所述扭轉(zhuǎn)軸周圍進(jìn)行扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但不是平行于所述扭轉(zhuǎn)軸的縱向運(yùn)動(dòng)。所提出的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極尤其適合于在各金屬組件之間形成焊接連接，例如，在絞線與插頭之間。
在使用超聲波適當(dāng)激發(fā)所提出的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的情況下，在軸向方向上只發(fā)生較小或微不足道的應(yīng)變，但是在橫向方向上卻發(fā)生扭轉(zhuǎn)，通過(guò)扭變模量G對(duì)其進(jìn)行描述。對(duì)于所述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率，下列是成立的
其中，η為大于零的整數(shù)，
I為扭轉(zhuǎn)電極的軸向長(zhǎng)度，及
P為扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的密度。
所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的軸向長(zhǎng)度I可以這樣選擇，從而使得所述超聲波焊極在給定頻率\下以波長(zhǎng)λ進(jìn)行平穩(wěn)振動(dòng)或固有振動(dòng)。在這種情況下，所提供的工作面集中于圓周表面上，但是，原則上可以根據(jù)一預(yù)定頻率Vn選擇所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的軸向長(zhǎng)度1， 這樣，波長(zhǎng)為η λ /2的固有振動(dòng)可由此產(chǎn)生，其中η為大于零的整數(shù)。換言之，所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的長(zhǎng)度I還可以是λ /2、3 λ /2,2 λ等等。
根據(jù)一個(gè)有利實(shí)施例，所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極在所述至少一個(gè)工作面的任一側(cè)的圓周表面上具有優(yōu)選為徑向伸出的環(huán)形表面，所述環(huán)形表面位于所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極固有振動(dòng)波長(zhǎng)的節(jié)線位置。所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的軸向長(zhǎng)度I可以這樣選擇，從而使得其準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)于預(yù)定超聲頻率下所述固有振動(dòng)的波長(zhǎng)λ。在此情況下，所述節(jié)線例如位于所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的長(zhǎng)度I的1/4和3/4處。在此情況下，所述工作面可設(shè)置于所述節(jié)線之間，例如， 位于所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的長(zhǎng)度I的1/2處。
有利地，所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極相對(duì)于一對(duì)稱面對(duì)稱，該對(duì)稱面垂直于并通過(guò)所述扭力軸。根據(jù)一個(gè)具體優(yōu)選實(shí)施例，所述工作面的輪廓(contour)或輪廓線(outline)相對(duì)于所述對(duì)稱面對(duì)稱。具體的，所述對(duì)稱面可以穿過(guò)所述至少一個(gè)工作面，且所述工作面相對(duì)于所述對(duì)稱面對(duì)稱。所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的此實(shí)施例尤其簡(jiǎn)單。在這種情況下，所述至少一個(gè)工作面相對(duì)扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的軸向長(zhǎng)度I集中布置于其圓周表面上。
根據(jù)另一個(gè)有利實(shí)施例，所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極具有中心部件，其包括所述至少一個(gè)工作面，所述中心部件可拆卸地連接至從其每一側(cè)延伸的末端件，且每一末端件具有所述端面中的一個(gè)。在這種情況下，每個(gè)所述末端件可以具有環(huán)形表面。所述末端件與所述中心部件之間的連接例如可以是螺紋連接。還可以是，所述兩個(gè)末端件，例如通過(guò)螺紋連接，直接相互連接，且所述中心部件形成為環(huán)，該環(huán)通過(guò)過(guò)盈配合固定在所述連接的末端件上。提供包括所述工作面的中心部件使得能夠通過(guò)置換所述中心部件來(lái)改變工作面的幾何形狀。在工作面損壞的情況下，所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的維修也可同樣通過(guò)置換所述中心部件方便地進(jìn)行。
根據(jù)另一個(gè)有利實(shí)施例，所述工作面以預(yù)定半徑在所述圓周方向上彎曲。優(yōu)選地， 所述半徑以所述扭轉(zhuǎn)軸為起始點(diǎn)，換言之，在此情況下，所述工作面位于圍繞所述扭轉(zhuǎn)軸的圓周上。
根據(jù)另一個(gè)有利實(shí)施例，所述工作面為沿徑向突出的、圓周環(huán)形工作面。這種環(huán)形工作面尤其能使所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極具有較長(zhǎng)的使用壽命。如果所述環(huán)形工作面的一部分被過(guò)度使用，那么可通過(guò)以預(yù)定角度轉(zhuǎn)動(dòng)所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極來(lái)提供環(huán)形工作面的另一尚未使用部分，從而生產(chǎn)另外的焊接連接件。與傳統(tǒng)超聲波焊極相比，使用所提出扭轉(zhuǎn)超聲波焊極可生產(chǎn)的焊接連接件數(shù)目會(huì)因此增加。
根據(jù)另一個(gè)有利實(shí)施例，也可具有η個(gè)工作面，以360° /n的角度均勻置于圓周上，其中η為大于I的整數(shù)。在這種情況下，所述工作面例如為砧狀，從所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的圓周表面徑向伸出。例如，可具有2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)、6個(gè)、7個(gè)、8個(gè)或更多此類型的工作面。提供多個(gè)工作面能夠保證在一個(gè)工作面磨損情況下快速更換，與提供的環(huán)形工作面類似。此類扭轉(zhuǎn)超聲波焊極具有特別長(zhǎng)的使用壽命。一個(gè)工作面可通過(guò)簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)超聲波焊極更換為另一工作面，沒(méi)必要更換或拆卸扭轉(zhuǎn)超聲波焊極。
根據(jù)另一個(gè)有利實(shí)施例，所述工作面具有優(yōu)選為肋的結(jié)構(gòu)。所述肋軸向延伸或相對(duì)于軸向方向傾斜。根據(jù)有利實(shí)施例 ，還可使用多晶金剛石(P⑶)涂覆在工作面上。此P⑶ 層例如可焊接于工作面上，工作面的耐久性可因此得到提高，且/或在焊接期間，可避免特別是鋁材的不合格連接。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種超聲波焊接裝置，其中，至少一個(gè)換能器被耦合至根據(jù)本發(fā)明的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，以產(chǎn)生環(huán)繞扭轉(zhuǎn)軸方向的超聲波振動(dòng)。借助所提出的超聲波焊接裝置，可提高待連接組件的功率。因此，相對(duì)厚的金屬組件的焊接可具有卓越的品質(zhì)。
根據(jù)一個(gè)有利實(shí)施例，換能器沿徑向連接至扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件耦合至扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的一個(gè)端面。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件例如為柱形桿。當(dāng)然，還可將多個(gè)換能器沿徑向連接至扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件，從而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。此類型的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)方式可從現(xiàn)有技術(shù)中得知。 具體內(nèi)容可參考專利EP 1930 148 Al，其在
和
以及圖2和圖3中公開(kāi)了適當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)振動(dòng)方式，該文件的公開(kāi)內(nèi)容的相關(guān)部分通過(guò)引用并入本文。
根據(jù)另一個(gè)有利實(shí)施例，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件通過(guò)增強(qiáng)器連接至扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的端面。增強(qiáng)器的功能是改變換能器提供的振幅并將其轉(zhuǎn)至本發(fā)明扭轉(zhuǎn)超聲波焊極。根據(jù)增強(qiáng)器的設(shè)計(jì)，振幅可減小或增加。一般而言，使用增加換能器提供的振幅的增強(qiáng)器。增強(qiáng)器的轉(zhuǎn)換比率例如可以是1: 1.5至1: 2。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，另一個(gè)換能器可耦合至扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的另一端面，從而在環(huán)繞扭轉(zhuǎn)軸方向產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。所述另一個(gè)換能器可沿徑向連接至另一個(gè)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件，該另一個(gè)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件耦合至所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的另一端面。對(duì)應(yīng)的另一個(gè)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)裝置可與上文所提及的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)裝置具有相同的設(shè)計(jì)。特別是，可以將另一個(gè)扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 元件通過(guò)另一個(gè)增強(qiáng)器連接至扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的另一端面。根據(jù)上文提及的實(shí)施例，尤其 可將高功率耦合至扭轉(zhuǎn)超聲波焊極中。在這種情況下，所述換能器及所述另一個(gè)換能器的 振動(dòng)相，以及增強(qiáng)器(適用時(shí))的轉(zhuǎn)換比率彼此相配，從而使得各自的功率彼此互補(bǔ)地相耦入口 ο
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，配備壓力裝置以基本上垂直作用于扭轉(zhuǎn)軸的方向在工作面上 產(chǎn)生壓力。例如，在此情況下，壓力裝置可以是液壓、氣動(dòng)或電動(dòng)操作的壓力裝置。工作面 上的壓力可通過(guò)擠壓扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，將其上具有的所述工作面擠壓固定砧或置于其上的 待連接組件產(chǎn)生。但是，還可以是這種情況扭轉(zhuǎn)超聲波焊極是固定的，而將砧擠壓于工作 面上。
在任何情況下，有利地，所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極通過(guò)其上具有的環(huán)形表面由支撐裝 置來(lái)支撐。因?yàn)榄h(huán)形表面位于扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的節(jié)線上，所以通過(guò)所述支撐未損失任何功率。
所述支撐裝置可連接至壓力裝置。在這種情況下，扭轉(zhuǎn)超聲波焊極可通過(guò)所述壓 力裝置朝向固定砧移動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種通過(guò)超聲波形成焊接連接的方法，該方法包 括下列步驟
提供本發(fā)明所述的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，
在所述工作面與基底之間放置待焊接在一起的兩個(gè)組件，
施加壓力，該壓力基本上垂直作用于所述扭轉(zhuǎn)軸，從而使得待焊接在一起的組件 固定在工作面與基底之間，及
在圍繞扭轉(zhuǎn)軸形成超聲波振動(dòng)，從而使得所述工作面沿彎曲路徑繞所述扭轉(zhuǎn)軸振 動(dòng)，且通過(guò)施加于所述待焊接組件上的摩擦力形成焊接連接。
根據(jù)本發(fā)明所述方法的本質(zhì)特征，工作面相對(duì)于基底繞扭轉(zhuǎn)軸進(jìn)行鐘擺運(yùn)動(dòng)。垂 直于所述扭轉(zhuǎn)軸設(shè)置的振動(dòng)面在此過(guò)程中基本保持不變，換言之，所述工作面在平行于扭 轉(zhuǎn)軸的方向上未發(fā)生移動(dòng)，或者在此方向上僅僅發(fā)生無(wú)關(guān)緊要的小范圍的移動(dòng)。通過(guò)所提 出的方法，可將特別高的功率傳遞至待連接組件。所述振動(dòng)的振幅在工作面的所有點(diǎn)處都 是一致的。因此可以產(chǎn)生特別均勻的焊接連接。
所述基底可以為固定砧。但是，所述基底還可以以本發(fā)明所述的另一個(gè)扭轉(zhuǎn)超聲 波焊極的方式來(lái)形成。在這種情況下，所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極及所述另一個(gè)扭轉(zhuǎn)超聲波焊極 在相反方向上有利地振動(dòng)。所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的工作面與所述另一個(gè)扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的 另一工作面之間的距離可因此基本上保持一致。根據(jù)此實(shí)施例，更大的功率可傳遞至待焊 接的組件。在此實(shí)施例中，所述待焊接組件可通過(guò)夾持裝置進(jìn)行固定，該夾持裝置相對(duì)于扭 轉(zhuǎn)超聲波焊極及另一個(gè)扭轉(zhuǎn)超聲波焊極進(jìn)行固定，所述夾持裝置避免待焊接組件松向。


下面，將在附圖的基礎(chǔ)上，更加詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中
圖1顯示了第一扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的透視圖，
圖2顯示了圖1的平面圖，
圖3顯示了圖1的第一側(cè)視圖，及
圖4顯示了圖1的第二側(cè)視圖，
圖5顯示了第二扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的側(cè)視圖，
圖5a顯示了所的情況下，波長(zhǎng)λ的固有振動(dòng)，
圖6顯示了圖5的平面圖，
圖7顯示了圖5中沿A-A線的剖視圖，
圖8顯示了第三扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的透視圖，
圖9顯示了圖8的側(cè)視圖，
圖10顯示了圖8的平面圖，
圖11顯示了圖9中沿A-A線的剖視圖，及
圖12顯示了超聲波焊接裝置的示意圖。
附圖標(biāo)記列表
al，a2外部部分
a3，a4內(nèi)部部分
Al, A2, A3, A4 工作面
AB石占
BI第一增強(qiáng)器
D壓力裝置
El第一末端件
E2第二末端件
Gl, G2螺紋
fl, f2, f3, f4 表面
Kl第一換能器
K2第二換能器
I扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的軸向長(zhǎng)度
Ml第一中心部件
M2第二中心部件
M3第三中心部件
R彎曲半徑
Rl第一環(huán)形表面
R2第二環(huán)形表面
SI第一端面
S2第二端面
SO扭轉(zhuǎn)超聲波焊極
SV支撐裝置
SY對(duì)稱面
T扭轉(zhuǎn)軸
Tl第一扭轉(zhuǎn)桿
U圓周表面
VI，V2，V3，V4 突出物具體實(shí)施方式
圖1至圖4所示的第一扭轉(zhuǎn)超聲波焊極具有兩個(gè)相互對(duì)立的圓形端面SI和S2，第一螺紋孔Gl和第二螺紋孔G2通過(guò)圓形端面SI和S2的中間點(diǎn)向中心延伸。在此情況下， 連接所述端面SI和S2的圓周表面U是圓柱形的。所述圓周表面U至少在某些部分為虛擬的表面，且其橫斷面幾何形狀基本上對(duì)應(yīng)于所述端面的幾何形狀。所述第一扭轉(zhuǎn)超聲波焊極具有兩個(gè)基本上呈圓柱形的端部分El和E2。第一端部分El由所述第一端面SI來(lái)限定， 及第二端部分E2由所述第二端面S2來(lái)限定。具有兩個(gè)相互對(duì)立且從所述圓周表面U突出的砧狀突出物Vl和V2的中心部件M位于所述端部分El和E2之間。第一突出物Vl具有第一工作面Al，且第二突出物V2具有第二工作面A2。所述工作面Al和A2與由附圖標(biāo)記T 表示的扭轉(zhuǎn)軸之間的徑向距離有利地大于所述圓周表面U的半徑。例如，該徑向距離為50 至100mm,優(yōu)選地，為60至90mm。所述圓周表面的半徑可以為30至70 mm,優(yōu)選地為40至 60mmo
所述中心部件M任一側(cè)的末端件El和E2具有從所述圓周表面U徑向突出的環(huán)形表面Rl和R2。
所述第一扭轉(zhuǎn)超聲波焊極相對(duì)于圖4中所示的對(duì)稱面SY對(duì)稱。所述對(duì)稱面SY與附圖標(biāo)記T表示的扭轉(zhuǎn)軸垂直。在此情況下，所述末端件El和E2基本上與所述扭轉(zhuǎn)軸T 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。
圖5至圖7中所示的第二扭轉(zhuǎn)超聲波焊極在所述末端件El和E2之間具有第二中心部件M2，M2在圓周上具有四個(gè)砧狀突出物V1、V2、V3和V4。每個(gè)所述突出物V1、V2、V3 和V4彼此偏移90°角。它們相對(duì)所述對(duì)稱面SY對(duì)稱。每個(gè)所述突出物V1、V2、V3和V4 的圓周表面上具有的工作面Al、A2、A3和A4，沿所述圓周方向彎曲。其彎曲半徑從所述扭轉(zhuǎn)軸T延伸并用圖7中的附圖標(biāo)記R表示。從圖7中尤其可進(jìn)一步看出，每個(gè)所述工作面 A1、A2、A3和A4都具有例如可以由軸向延伸的肋形成的結(jié)構(gòu)。
結(jié)合圖5尤其可看出，選擇所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極的軸向長(zhǎng)度1，使得可以在預(yù)定超聲頻率下提供圖5a中所示具有波長(zhǎng)λ的平穩(wěn)振動(dòng)。圖5a給出了所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極上長(zhǎng)度為I的兩個(gè)對(duì)立振動(dòng)狀態(tài)的振幅+/-P。所述平穩(wěn)振動(dòng)的零交叉(zero crossing)形成節(jié)線，所述環(huán)形表面Rl和R2位于此節(jié)線上。所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極以這樣的方式振動(dòng)使得所述末端件El和E2各自在與所述中心部件M2相反的方向上移動(dòng)。
與圖5至圖7中所示的實(shí)施例相比，還可以提供單一(此處未顯示)環(huán)形突出物， 而不是所述突出物V1、V2、V3和V4，在所述單一環(huán)形突出物上形成圓周工作面(此處未顯示)。此外，還可以想到，提供六個(gè)或八個(gè)突出物，而不是所述四個(gè)突出物V1、V2、V3和V4。
圖8至圖11顯示了第三扭轉(zhuǎn)超聲波焊極。在所述第三超聲波焊極中，所述末端件 E1、E2在位于所述環(huán)形表面R1、R2外側(cè)的部分al和a2處的直徑小于位于第三中心部件M3 附近的內(nèi)側(cè)部分a3和a4處的直徑。因?yàn)樗瞿┒思﨓1、E2相對(duì)于所述環(huán)形表面R1、R2的直徑設(shè)計(jì)不同，所以所述末端件具有增強(qiáng)器的作用。所述外側(cè)部分al和a2上還提供了彼此平行的相互對(duì)立表面H、f2、f3和(此處未顯示)f4。所述表面Π至f4用于與一工具配合。
所述示例性實(shí)施例中所示的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極優(yōu)選地由一塊金屬制成。雖然未在 上述圖中顯示，但是，情況還可以所述中心部件M1、M2以可拆卸方式連接至所述末端件El、 E2，例如，通過(guò)螺紋連接。所述端面S1、S2上還可以具有徑向延伸的結(jié)構(gòu)，例如，槽、網(wǎng)、凹 口、銷或諸如此類，其能夠自由連接至增強(qiáng)器或扭轉(zhuǎn)桿。
圖12借助根據(jù)本發(fā)明所述的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極顯示了超聲波焊接裝置結(jié)構(gòu)的示意 透視圖，一般而言，所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極在圖12中用附圖標(biāo)記SO來(lái)表示。所述扭轉(zhuǎn)超聲波 焊極SO在其第一端面SI處通過(guò)螺紋連接剛性連接至第一增強(qiáng)器BI。所述第一增強(qiáng)器BI 通過(guò)螺紋連接連接至第一扭轉(zhuǎn)桿Tl，第一換能器Kl和第二換能器K2以徑向?qū)α⒎胖梅绞?連接至所述第一扭轉(zhuǎn)桿Tl。附圖標(biāo)記AB表示砧，其相對(duì)于所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極SO以固定 方式設(shè)置。此情況下以圖示指出的支撐裝置SV嚙合(engage)圍繞所述環(huán)形表面Rl、R2， 例如，以?shī)A持方式。所述支撐裝置SV連接至壓力裝置D，借助于此壓力裝置，從所述換能器 Kl和K2、扭轉(zhuǎn)桿Tl、增強(qiáng)器BI和扭轉(zhuǎn)超聲波焊極SO形成的超聲波振動(dòng)裝置可相對(duì)于所述 砧AB作垂直移動(dòng)，且借助于此壓力裝置，可將壓力施加于所示第二工作面A2或施加于待連 接組件(此處未顯示)，所述待連接組件位于所述第二工作面A2和所述砧AB之間。
所述超聲波焊接裝置以如下方式運(yùn)作
環(huán)繞于所示扭轉(zhuǎn)軸T方向的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)通過(guò)在相反相操作的換能器Kl和K2形成于 所述第一扭轉(zhuǎn)桿Tl，且所述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)通過(guò)所述第一增強(qiáng)器BI傳遞至所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極 S0。因此，所述突出物Vl和V2及其上具有的工作面Al和A2在圍繞所述扭轉(zhuǎn)軸T沿環(huán)形 路徑部分振動(dòng)。所述突出物Vl和V2在軸上的位置在此過(guò)程中基本上保持不變。為了形成 焊接連接，待連接的兩個(gè)組件(此處未顯示)被置于所述砧AB上。然后，所述扭轉(zhuǎn)超聲波 焊極SO的第二工作面A2借助所述壓力裝置D擠壓于彼此上下布置的組件上。通過(guò)啟動(dòng)所 述換能器Kl和K2，形成扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，通過(guò)該扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，所述組件彼此相對(duì)移動(dòng)。通過(guò)所形成的 摩擦產(chǎn)生焊接連接。
雖然未在圖12中顯示，所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極SO的第二端面S2當(dāng)然還可以通過(guò)第 二增強(qiáng)器B2(此處未顯示)及第二扭轉(zhuǎn)桿T2(此處未顯示)連接至第三和第四換能器K3 和Κ4 (此處未顯示)。
由換能器、增強(qiáng)器和扭轉(zhuǎn)超聲波焊極形成的超聲波振動(dòng)裝置還可以用固定方式布 置。在這種情況下，砧AB可垂直運(yùn)動(dòng)并可具有壓力裝置。此外，兩個(gè)超聲波焊接裝置還可 以用相互對(duì)立的方式進(jìn)行操作，從而產(chǎn)生焊接連接。在這種情況下，取代所述砧AB而提供 另一個(gè)扭轉(zhuǎn)超聲波焊極。在此情況下，所述相互對(duì)立的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極在相反的方向上振 動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，包括兩個(gè)相互對(duì)立的端面(S1、S2)及圓周表面(U)，所述圓周表面環(huán)繞一扭轉(zhuǎn)軸(T)，且在其上距扭轉(zhuǎn)軸(T)的徑向距離(R)處提供至少一個(gè)工作面(A1、A2、A3、A4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，其中，在至少一個(gè)工作面(Al、A2、A3、A4)的任一側(cè)的圓周表面(U)上提供優(yōu)選為沿徑向突出的環(huán)形表面(Rl、R2)，所述徑向突出的環(huán)形表面(R1、R2)位于所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極固有振動(dòng)波長(zhǎng)的節(jié)線處。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，其中所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極相對(duì)于垂直通過(guò)扭轉(zhuǎn)軸(T)延伸的對(duì)稱面(SY)對(duì)稱。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，其中所述至少一個(gè)工作面(Al、A2、A3、A4)的輪廓相對(duì)于所述對(duì)稱面(SY)對(duì)稱。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，其具有包括所述至少一個(gè)工作面(A1、A2、A3、A4)的中心部件(M1、M2、M3)，且所述中心部件可拆卸地連接至從其每一側(cè)延伸的末端件(El、E2)，且每一所述末端件具有所述末端面(S1、S2)中的一個(gè)末端面。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，其中所述至少一個(gè)工作面(Al、A2、A3、A4)以預(yù)定半徑(R)在圓周方向上彎曲。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，其中所述工作面(A1、A2、A3、A4)為沿徑向伸出的圓周環(huán)形工作面。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，其中具有η個(gè)工作面(Α1、Α2、Α3、Α4)，所述η個(gè)工作面以360° /n角間隔均勻分布于圓周上，其中η為大于I的整數(shù)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，其中所述至少一個(gè)工作面(Al、Α2、Α3、Α4)具有優(yōu)選為肋的結(jié)構(gòu)，或者涂有多晶金剛石。
10.一種超聲波焊接裝置，其中至少一個(gè)換能器(Κ1、Κ2)耦合至前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極(SO)，從而圍繞所述扭轉(zhuǎn)軸(T)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲波焊接裝置，其中所述換能器(Κ1、Κ2)徑向地連接至扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件(Tl)，所述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件耦合至所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極(SO)所述端面(S1、S2)中的一個(gè)端面。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述超聲波焊接裝置，其中所述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件(Tl)通過(guò)增強(qiáng)器(BI)連接至所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極(SO)的所述端面(S1、S2)。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12任一項(xiàng)所述的超聲波焊接裝置，其中另外的換能器耦合至所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極(so)所述端面(S1、S2)的另一端面，從而在圍繞扭轉(zhuǎn)軸(T)方向上產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10至13任一項(xiàng)所述的超聲波焊接裝置，其中所述另外的換能器徑向地連接至另外的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件，所述另外的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件耦合至所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極(SO)的所述另一端面(S1、S2)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10至14任一項(xiàng)所述的超聲波焊接裝置，其中所述另外的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)元件通過(guò)另外的增強(qiáng)器連接至所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極(SO)的所述另一端面(S1、S2)。
16.根據(jù)權(quán)利要求10至15任一項(xiàng)所述的超聲波焊接裝置，其中提供壓力裝置(D)以在所述工作面(A1、A2、A3、A4)上產(chǎn)生基本上垂直于所述扭轉(zhuǎn)軸(T)的壓力。
17.根據(jù)權(quán)利要求10至16任一項(xiàng)所述的超聲波焊接裝置，其中所述扭轉(zhuǎn)超聲波焊極(SO)被支撐裝置(SV)通過(guò)所述超聲波焊極具有的所述環(huán)形表面(R1、R2)支撐。
18.根據(jù)權(quán)利要求10至17任一項(xiàng)所述的超聲波焊接裝置，其中所述支撐裝置(SV)連接至所述壓力裝置(D)。
19.一種通過(guò)超聲波形成焊接連接的方法，所述方法包括下列步驟 提供根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的扭轉(zhuǎn)超聲波焊極， 在所述工作面(A1、A2、A3、A4)與基底(AB)之間布置待焊接在一起的兩個(gè)組件， 施加壓力，所述壓力基本上垂直所述扭轉(zhuǎn)軸(T)，從而使所述待焊接在一起的組件被夾在所述工作面(A1、A2、A3、A4)與所述基底(AB)之間，及 形成圍繞所述扭轉(zhuǎn)軸(T)的超聲波振動(dòng)，從而使所述工作面(A1、A2、A3、A4)沿彎曲路徑圍繞所述扭轉(zhuǎn)軸(T)振動(dòng)，且通過(guò)上述施加于所述待焊接組件上的摩擦力形成焊接連 接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種扭轉(zhuǎn)超聲波焊極，包括兩個(gè)相互對(duì)立的端面(S1、S2)及圓周表面(U)，所述圓周表面環(huán)繞一扭轉(zhuǎn)軸(T)，且在其上距扭轉(zhuǎn)軸(T)的徑向距離(R)處具有至少一個(gè)工作面(A1、A2、A3、A4)。
文檔編號(hào)B29C65/08GK103025469SQ201180023041
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日
發(fā)明者阿爾貝特·比廷克 申請(qǐng)人:遠(yuǎn)程聲波控股公司