主动控制振动的焊接系统和方法技术方案

一种焊接系统，包括控制器、焊接头、活性材料元件、和砧座组件。该组件可包括连接至后板和支架部件的砧座体部。诸如压电叠片或形状记忆合金的该元件被关于所述组件布置。焊接头沿希望的第一方向振动，以在工件上形成焊接部。该元件通过沿第二方向将经校准的响应施加至砧座体部而控制任何沿第二方向的振动。一种控制系统中的不希望的振动的方法，包括将元件关于砧座组件布置、将砧座体部通过后板连接至支架部件、将焊接头沿希望的第一方向振动、且将输入信号传输至元件以控制沿不希望的第二方向的振动。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及使用主动控制阻尼技术以改进焊接质量的超声焊接系统。
技术介绍
在超声焊接工艺中，被夹住的工件的邻近表面被施加至工件的振动能量结合在一起。振动能量的传输沿工件的界面表面产生表面摩擦力和热量。该热量软化界面表面的材料，该材料最终将表面邦定在一起，并由此形成焊接结合部或焊点。典型的超声焊接系统包括不同的互连的焊接工具。这些工具主要由振动超声焊极(sonotrode)/焊接头(horn)以及站座组件。该站座组件可包括站座体部和刚性后板,后者被螺栓固定至诸如框架、梁或机器人的支架部件。工件被夹在焊接头和砧座体部之间。焊接头响应于输入信号以经校准的频率振动。砧座体部成为振动焊接头的反作用表面。
技术实现思路
一种主动控制振动的焊接系统包括振动焊头/焊接头和砧座组件。砧座组件包括砧座体部和后板。砧座体部和后板被附连至支架部件。该系统还在砧座组件中采用了活性材料元件，诸如压电叠片、形状记忆合金(SMA)装置等。该活性材料元件被布置且控制为显著地衰减、减弱或以其他方式消除“不希望的”焊接头的振动，即，沿和焊接头意图振动以在工件中形成焊接部的方向不同的方向的振动。砧座体部被使用活性材料元件的主动式前馈和/或反馈控制保持为相对于振动焊接头尽可能地静止。此处应了解不希望的振动可在任何意图/希望的振动(例如沿纵向(X)方向的振动)之外沿此处描述的横向(Z)和旋转(Θ )方向或沿任何其他的方向在焊接头的焊接垫处发生。这些不希望的振动可降低焊接的质量。典型的焊接系统设计方式未能恰当地考虑入这样的不希望的振动，该振动可由于包括焊接头的不平衡或不完美的设计性质以及焊接系统的柔度本质在内的多个因素而存在。例如，用于将后板和砧座体部固定至支架结构的螺栓可向位于砧座体部、后板、和支架结构之间的各个连接部添加挠性，且由此对不希望的振动有所贡献。本系统因此意图经由位于组件的砧座侧上的活性材料的主动控制而改善这些不希望的振动的效果。特别地，本超声焊接系统包括焊接控制器、焊接头、和砧座组件，该砧座组件包括连接至支架部件的后板和砧座体部。该系统还包括相对于砧座组件布置的活性材料元件，例如位于砧座体部和后板之间。活性材料元件在示例性非限制实施例中可为压电叠片或形状记忆合金(SMA)装置。另一压电叠片可位于焊接头的输入侧上。该额外的叠片可配置为使得焊接头响应于来自控制器的输入信号以经校准的频率振动。活性材料元件还和控制器连通，或在可替换实施例中和分立的控制器连通。出于示例的方便，将在下文中描述单独的控制器。 可作为焊接电源的整体部分或分立装置的控制器被配置为产生指令经校准的频率的第一输入信号，且将该第一输入信号传输至转换器(诸如压电叠片)，以使得焊接头振动。尽管焊接头的大部分振动沿希望的方向(例如沿下文中所述的垂直的X方向)，一些不希望的振动仍将沿诸如横向z、旋转Θ、和深度Y方向这样的其他方向产生。本控制器因此被提供有关于这些不希望的振动的信息，其在两个可能的实施例中是离线确定的校准值或经由实时感知和反馈确定的校准值。在第一实施例中，控制器通过将第二输入信号传输至砧座体部的活性材料元件使用前馈控制。第二输入信号可使得关于不希望的振动在砧座体部处的振动中产生预定的相位偏移或其他响应，并由此显著衰减、减弱或消除不希望的振动。在第二实施例中，传感器可关于砧座组件布置，例如靠近砧座垫，且用于测量且由此量化不希望的振动的特质。传感器可被可选地布置为能够测量振动且将输出信号赋予控制器两者的双用途换能器。多种多功能材料存在，其能实施该双用途功能，且由此作为闭合反馈回路中的主动反馈传感器。诸如压电致动器或压电传感器的“智能”/活性材料是一种可能性。下文中描述了其他的可能性。方法包括将活性材料元件关于焊接砧座组件布置、将砧座组件连接至支架部件、并将第一输入信号从控制器传输至转换器并由此沿第一方向振动焊接头，且由此在工件上形成焊接部。该方法还包括将第二输入信号从控制器传输至活性材料元件，并继而经由该活性材料元件响应于第二输入信号在砧座组件内产生经校准的输出，以沿第二方向主动地控制砧座组件的振动。当结合附图时，本专利技术的上述特征和优势以及其他特征和优势从下文中用于实施本专利技术的最佳模式的详尽描述中是显而易见的。附图说明图1是包括具有活性材料元件的砧座体部的示例性超声焊接系统的示意图，该活性材料元件被以显著地消除系统内的不希望的砧座振动的方式主动地控制。图2是示出了在图1中示出的系统中使用活性材料元件主动地控制不希望的砧座振动用于砧座阻尼的方法的流程图。具体实施例方式参照附图，其中相同的附图标记指向相同的构件，超声焊接系统10示出在图1中，其包括振动超声焊极(sonotrode)/焊接头24和砧座组件12。系统10配置为使用超声振动能量形成振动焊接头，该工艺在本领域中是已知的。尽管在下文中出于示例的一致性使用术语“超声”指代，本领域技术人员将理解也可使用其他的振动频率范围，而不背离意图的专利技术范围。更宽范围的可用频率范围的使用可被总体地称作振动焊接。如在下文中将描述的，图1中的系统10配置为主动地控制活性材料元件140，以由此在超声焊接工艺中经由焊接砧座组件12控制，S卩，显著地衰减、减少或消除任意“不希望的”振动，即，在被施加以形成焊接件的振动的意图或“希望的”方向之外的任 意其他方向上发生的振动。这通过活性材料元件140的位移和控制完成，该活性材料元件140诸如压电叠片、形状记忆合金(SMA)装置、或关于砧座组件12的其他智能材料促动器。可通过压电叠片40或其他振动能量输入装置使得焊接头24振动。如本领域中理解的，压电材料是将能量在机械和电领域之间转换的电机材料。压电材料传统地为晶体结构或陶瓷，其响应于机械应力生成输出电压信号。该效应也以相反的方式发生，即，施加至试样压电材料的电压输入产生机械位移或应变。例如，给定的压电材料的激活可导致压电陶瓷的约O. 1%的尺寸变化和压电聚合物材料的约1%的尺寸变化。如果被构造成压电叠片，活性材料元件140可因此由多层诸如薄压电陶瓷或压电聚合物构成，其中每一层都关于其他层电并联连接。当诸如图1中示出的输入信号(箭头131)被施加时，可使得活性材料元件140振动。相反地，SMA为热机械材料，其将能量在机械和热领域之间转换。压电材料的示例包括压电陶瓷、错钛酸铅(PZT)、聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)等。SMA示例包括镍钛诺、铜-锌-招-镍、铜-铝-镍、铁-锰-硅、和镍-钛合金。为了振动控制将SMA作为活性材料元件140的应用可利用在焊接工艺中发生的热量散失，例如实时热能收获，或可由作为第二输入信号(箭头131)的热量的直接应用激活。SMA材料性质也可响应于电磁场的应用而变化，且由此第二输入信号(箭头131)可包括施加的场。在关于给定工件22的焊接接头/焊点的形成中，不希望的振动可在系统10内传播至焊接位置。这可由于系统10的柔性(compliance)、几何构造和材料(包括站座组件12的支架部件60、砧座体部14和后板16之间的连接部的刚性性质)而发生。支架部件60可为金属框架、梁、机器人、或其他支架结构。任意希望的振动的方向可取决于系统10的构造而变动。例如，如果使用横向(z方向)焊本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种振动焊接系统，包括:控制器，其选择性地产生第一输入信号和第二输入信号；焊接头，与控制器电连通，其中该焊接头配置为响应于第一输入信号沿第一方向振动，以由此关于工件形成焊接部；砧座组件，安装至支架部件；和活性材料元件，关于所述砧座组件定位，其中该活性材料元件配置为响应于第二输入信号施加经校准的输出至所述砧座组件，以由此沿不同于第一方向的第二方向主动地控制所述焊接头的振动。

【技术特征摘要】
2011.09.30 US 61/541,324;2012.03.01 US 13/409,4941.一种振动焊接系统，包括 控制器，其选择性地产生第一输入信号和第二输入信号； 焊接头，与控制器电连通，其中该焊接头配置为响应于第一输入信号沿第一方向振动，以由此关于工件形成焊接部； 砧座组件，安装至支架部件；和 活性材料元件，关于所述砧座组件定位，其中该活性材料元件配置为响应于第二输入信号施加经校准的输出至所述砧座组件，以由此沿不同于第一方向的第二方向主动地控制所述焊接头的振动。2.如权利要求1所述的系统,其中所述砧座组件包括砧座体部和后板。3.如权利要求2所述的系统，其中所述活性材料元件是压电叠片和形状记忆合金中的一种。4.如权利要求3所述的系统，其中所述活性材料元件定位在所述砧座体部和所述后板之间。5.如权利要求1所述的系统，其中所述活性材料元件是由多个压电聚合物片构成的压电置片。...

【专利技术属性】
技术研发人员：WW蔡，B康，CA谭，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：