对称超声波旋转焊头制造技术

超声波旋转焊头（１０）具有用于将轴向声能转换为径向声能的锥形输入部分。较佳的旋转焊头包括具有第一径向焊接部分和用于接收第一轴向声能的第一轴向输入部分的第一半部分（２８）。旋转焊头进一步包括连接到第一半部分的第二半部分（３０）。第二半部分具有第二径向焊接部分和用于接收第二轴向声能（３２）的第二轴向输入部分。每个半部分具有由内锥形表面（１８）和外锥形表面（２０）确定的锥形部分，使得半部分将一部分第一和第二轴向声能转换成径向声能。每个内锥形表面相对于焊头轴线形成内角，每个外锥形表面相对于轴线（２４）形成外角。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总的来说涉及超声波焊接。更特别地，本专利技术涉及一种具有用于将轴向声能转换为径向声能的锥形轴向输入部分的超声波旋转焊头。
技术介绍
声焊接，特别是超声波焊接，在许多工业中日益普及。例如，纺织工业和个人产品工业的企业经常通过超声波焊接制造如尿布、衣服等产品。超声波焊接工具的工作原理是在焊头上施加超声波频率范围(也就是大于等于20kHz)内的声能。焊头响应于施加的声能而振动，从而进一步产生输出声能。通过在部件附近放置焊头将输出声能施加到正在结合的材料(典型地是热塑性塑料)上。振动能通过部件传播，在部件之间的界面处被转换为热量。这种转换是由于将部件熔融和熔化在一起的分子间摩擦而引起的。尽管目前已经开发出许多焊头结构，众所周知，达到高质量和高速度超声波焊接的较佳方式是使用带有旋转砧的旋转焊头。典型地，旋转焊头是圆柱形的，并围绕一个轴旋转。输入声能位于轴向，输出声能位于径向。焊头和砧基本是两个彼此临近并以相等或不等的切向速度在相反方向旋转的圆柱体。要结合的部件以通常匹配这些圆柱体表面切向速度的线速度通过这些圆柱体表面。旋转焊头和砧的切向速度与部件的线速度之间的匹配可使焊头和部件之间的阻力达到最小。因此，旋转焊头典型地由至少一个轴向输入部分和一个径向焊接部分组成。输入部分接收轴向声能，而焊接部分将转换后的径向声能施加到目标部件。尽管上述的常规旋转焊头适用于一些应用场合，但是也存在某些严重的困难。一个困难涉及需要达到高水平的振幅均匀性。振幅均匀性能有效地度量接收相同数量焊接能的焊接点的百分比。具体地说，振幅均匀性是通过在给定的输入激励下测量焊接部分外表面(即焊接“面”)的最大位移而确定的。同时还测量对于相同激励的最小位移，最小位移相对于最大位移的比值代表振幅均匀性。因此，振幅均匀性接近百分之百的旋转焊头会在它的整个焊接面内产生非常均匀的输出声能。高振幅均匀性使焊接可以得到更好的预测，并最终降低制造成本。一些常规旋转焊头具有一个实心并带有节点的输入部分。其它旋转焊头具有一个中空并带有波节面的输入部分。所有的常规旋转焊头都通过泊松比效应和策略地从焊接部分机器加工出的许多底部和顶部调谐切口，将轴向声能转换为径向声能。尽管调谐切口允许常规旋转焊头达到可接受的均匀性水平(约为85％或更大)，但是达到这种水平的均匀性需要一定的成本。具体地说，机器加工调整切口通常相当复杂，并要求额外的工具安装和劳动力。与常规旋转焊头相关的另一个困难涉及焊接区域长度。从本质上说，焊接区域长度是在旋转焊头的给定路径中可以焊接的产品数量的量度。因此，更大的焊接区域长度使得可以达到更大的产品产量和更多的收益性。为提供更大的焊接区域长度，一般必须增加焊接部分的焊接区域长度。许多常规径向焊头的焊接区域长度限于大约2.5英寸。在要求焊接区域长度为大约5英寸的应用环境下使用这样的焊头，将因此需要两倍的焊接时间和劳动。因此需要提供最小振幅均匀性为85％同时保持5英寸或更大的径向焊接区域长度的旋转焊头。与常规声学旋转焊头相关的还有一个困难涉及焊头的驱动和安装。例如，许多常规焊头具有一个用于接收轴向声能的单独输入部分。这个单独输入部分是用轴向声能驱动焊头的唯一机构，它将焊头的整体有用性限制到半波应用。此外，焊头必须安装在焊接区域的一侧。当以这种方式安装时，焊头的负载与悬臂梁的方式相同。已经预测出在偏转变得过量并引起不均匀焊接之前，常规单独安装设计可产生150磅或更小的焊接力。这样通常会形成以更低的压力焊接的结果，反过来，这样将导致将更小的超声波能量施加到目标部件上。更小的超声波能量施加到焊接表面最终将降低生产线的速度。因此需要提供一种具有其底座以和简单支撑梁相同的方式位于焊接区域两侧的旋转焊头，以提高焊接压力和声能向焊接部件的转移。对于相同的偏移，这种简单支撑的焊头能支撑的力量是悬臂梁安装方法的五倍。简单支撑安装方法中的底座可以是极底座或节底座。根据本专利技术的超声波旋转焊头可以实现上述目的和其他目的。旋转焊头具有第一径向焊接部分，以及操作连接到第一径向焊接部分上用于接收第一轴向声能的第一轴向输入部分。第一轴向输入部分具有一个第一锥形部分，使得第一轴向输入部分和第一径向焊接部分能将一部分第一轴向声能转换成径向声能。径向声能的相位与第一轴向声能相同。对于第一轴向输入部分使用锥形几何形状允许不依赖泊松比效应和复杂的调谐切口来设计旋转焊头。此外根据本专利技术，提供了具有两个极底座的超声波旋转焊头。旋转焊头包括一个具有第一径向焊接部分和用于接收第一轴向声能的第一轴向输入部分的第一半部分。该旋转焊头进一步包括结合到第一半部分上的第二半部分。第二半部分具有第二径向焊接部分和用于接收第二轴向声能的第二轴向输入部分。每个半部分含有一个锥形部分，这样两个半部分可以将一部分第一和第二轴向声能转换为径向声能。提供多个极底座提高了焊接压力，并因此增加了施加到焊接的材料上的超声波能量。可以理解，上述总体说明和下述详细说明仅仅是本专利技术的示例，它们用于提供用于理解如权利要求所声明的专利技术实质和特征的概述或框架。本专利技术包括附图以提供对本专利技术的进一步理解，并且将附图包含在说明书中并组成为说明书的一部分。附图展示了本专利技术的不同特点和实施方式，并和说明一齐用来阐述本专利技术的原理和操作。附图说明通过阅读以下的描述和附加的权利要求并通过参考以下的附图，本专利技术的各种优点对于本领域技术人员将是显而易见的，在这些附图中图1是根据本专利技术一个较佳实施例的超声波旋转焊头的剖视图；图2是根据本专利技术一个实施例的超声波旋转焊头半部分的轴对称视图；图3是显示轴向位移的半部分的有限元分析(FEA)图；图4是显示根据本专利技术一个实施例的轴向节点的半部分FEA图；图5是显示根据本专利技术一个实施例的径向位移的半部分FEA图；图6是显示根据本专利技术一个替代实施例的轴向位移的半部分FEA图；图7是显示根据本专利技术一个替代实施例的径向位移的半部分FEA图；图8是根据本专利技术一个较佳实施例的旋转焊头两个半部分的FEA图；和图9是根据本专利技术一个较佳实施例的在激励中的两个半部分的FEA图。具体实施例方式参考图1，图1示出了用于结合部件总成的较佳的超声波旋转焊头10。可以理解，尽管在说明焊头10时谈到了焊接多个热塑性部件(未示出)，但是本专利技术并不局限于此。事实上，旋转焊头10可以应用于膜和织物密封工业之内和之外的多种应用场合。可以看出，在一般情况下焊头10具有一个第一径向焊接部分12和一个第一轴向输入部分14。第一轴向输入部分14操作连接到第一径向焊接部分12，用于接收第一轴向声能16。如在下面更详细描述的那样，第一径向焊接部分12和第一轴向输入部分14较佳地是由相同的基础材料(如钛)机器加工而成的统一制件。第一轴向输入部分14具有由内锥形表面18和外锥形表面20确定的第一锥形部分，这样第一轴向输入部分14和第一径向焊接部分12将一部分第一轴向声能16转换为径向声能22。可以理解，轴向超声波声能/运动是从一个或两个区域输入的。这些轴向超声波能输入的能量/运动方向显示为+-Y方向。在这些区域的一个或两个中，可以在超声波旋转焊头上连接一个合适的半波轴向共振器和/或轴向转换器。在所示区域中，从焊头输出超声波能量/运动。输出的超声波能量处于径向或图中的+本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波旋转焊头，包括：第一径向焊接部分；和操作连接到第一径向焊接部分用于接收第一轴向声能的第一轴向输入部分；所述第一轴向输入部分具有第一锥形部分，以使第一轴向输入部分和第一径向焊接部分将一部分第一轴向声能转换成径向声能，径向 声能与第一轴向声能同相。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯F谢安，希尔维J梅诺飞，
申请(专利权)人：布莱森超声波有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]