一种超声波焊接系统及方法与流程

本发明涉及超声波焊，尤其涉及一种一种超声波焊接系统，尤其涉及一种用于热塑性复合材料的系统及方法。

背景技术：

1、申请人经研究发现：与传统热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有优异的冲击韧性和损伤容限能力，预浸料可常温存储，材料可焊接，废料可回收再利用等优势。热塑性复合材料焊接技术是通过外部能量输入使焊接界面处的树脂基体达到熔融状态，在压力作用下界面分子相互扩散、缠结与冷却固化，从而实现材料可靠连接的一类固相/熔融连接工艺。与传统的连接工艺如机械连接、胶接相比，焊接技术作为热塑性复合材料的特色连接技术，在保持结构强度、减重、降低成本等方面具有显著优势。常见的热塑性复合材料焊接技术有电阻焊接、超声焊接、感应焊接等。

2、热塑性复合材料超声焊接技术是利用高频超声振动能量，在两工件接触面产生摩擦热与黏弹热，使得界面树脂熔融并在压力作用下实现界面融合。

3、超声波振动机构可将高频电信号转化为高频机械振动，并将该机械振动通过同轴刚性连接的超声波焊头直接作用在被焊接工件上。传统的超声波振动机构只包含一组振动模块，其振动方向沿着焊头的轴线方向。在执行超声波焊接时，需要调整焊头角度，使焊头轴线方向（超声振动方向）沿着工件法线方向。本发明提出的新型的超声振动机构，该机构包含三组振动模块，三组振动模块呈现空间三角形布局，三组振动模块的振动可转化成单一振动，通过调节振动模块振幅可改变末端振动方向，实现不需超声振动机构的转动即可实现振动方向改变的创新。

4、超声波焊接系统主要包含超声波振动机构、焊头、预压头和保压头。超声波焊接系统可作为末端执行器，集成搭载于连续超声波焊接设备运动装置的端部，通过超声振动机构瞬时或持续输出高频振动，实现热塑性复合材料的点焊或连续焊接。对于不同曲线的焊缝，需要实时调整运动装置的摆动角度，使得焊头轴线方向沿着焊点在该曲线的法线方向。这种依靠不断调整运动装置姿态匹配超声振动方向的设计会导致焊头输出的振动能量不稳定。此外，连续超声波焊接时，预压头、焊头、保压头沿着工件焊接方向依次排布，预压头提前对工件进行压紧，保证被焊工件贴合不错位；焊头直接作用在工件上，将超声振动传递至焊接界面处，使界面树脂熔融；保压头对刚焊接完成的焊缝持续施压定型，加速熔融材料冷却固化，防止焊缝回弹、开裂，保障焊缝牢固。但是，预压头、焊头、保压头这种依次排布方式运转不灵活，尤其对于大曲率焊缝（如机翼前缘的焊接）和空间曲线（该曲线不能落在某一平面上）形状的焊缝，难以完全贴合工件，影响焊接质量。

技术实现思路

1、本发明的技术问题是：

2、传统焊头的振动方向仅沿着焊头法线方向，对于不同曲线的焊缝，需要调整运动装置的摆动角度，使得焊头的法线方向垂直于焊点在该曲线的切线方向。这种设计仅适用于平直焊缝或曲度较平缓的焊缝，对于大曲率焊缝（如机翼前缘的焊接）和空间曲线（该曲线不能落在某一平面上）形状的焊缝，预压头、焊头、保压头的总长度较长，难以完全贴合工件，影响焊接质量。

3、本发明的目的是：

4、本发明旨在实现不需运动机构的转动即可改变焊头振动方向的功能，因此运动装置提供3个平移自由度或以上的运动自由度，即可实现复杂曲线形状焊缝的超声焊接。

5、本发明的技术方案是：

6、一方面，本发明提出了一种超声波焊接系统（b），包括：作动气缸（b.1）、握持架（b.2）、超声振动机构（b.3）、预保压机构（b.4）、调整机构（b.5）、焊头（b.7），其中：作动气缸（b.1）的一端固定在运动装置的末端（a.2）上；握持架（b.2）的尾部安装在作动气缸（b.1）的另一端；超声振动机构（b.3）固定在握持架（b.2）上；预保压机构（b.4）位于超声波焊接系统（b）的末端；调整机构（b.5），用于调整预保压机构（b.4）的高低。焊头（b.7）作用于被焊的工件上，用于将机械振动传递至待焊接界面处。超声振动机构（b.3）用于通过调整振动模块的振幅，实时改变超声振动方向，实现不需要转动运动装置或焊头即可实现焊头振动方向的改变。

7、优选的，超声波振动机构（b.3）包括：第一超声振动模块（b.3.1）、第二超声振动模块（b.3.2）、第三超声振动模块（b.3.3）、共振杆（b.3.4）及共振球（b.3.5）和共振盘（b.3.6），其中：共振盘（b.3.6）用于刚性连接第一超声振动模块（b.3.1）、第二超声振动模块（b.3.2）、第三超声振动模块（b.3.3），保证振动同步传递与结构稳定；共振杆（b.3.4）跟随共振杆做可控方向的高频振动，传递复合振动至共振球，稳定振动输出；共振球（b.3.5）跟随共振杆做可控方向的高频振动，将复合振动精准传递给焊头，实现振动方向柔性可调；第一超声振动模块（b.3.1）、第二超声振动模块（b.3.2）、第三超声振动模块（b.3.3），用于将高频电信号转化为高频机械振动，沿自身轴线做高频直线往复振动；同频同相、振幅独立可调，通过调整振动模块的振幅，实时改变超声振动方向，实现不需要转动运动装置或焊头即可实现焊头振动方向的改变。

8、优选的，第一超声振动模块（b.3.1）、第二超声振动模块（b.3.2）、第三超声振动模块（b.3.3）的轴线的交点为共振球（b.3.5）的中心（1）。

9、优选的，第一超声振动模块（b.3.1）、第二超声振动模块（b.3.2）、第三超声振动模块（b.3.3）呈120°均匀排布；第一超声振动模块（b.3.1）、第二超声振动模块（b.3.2）、第三超声振动模块（b.3.3）的振动时其频率相同，相位相同而振幅不同。

10、优选的，超声振动模块呈均匀排布且其振动频率与相位一致且其振动交于一点（1），当第一超声振动模块（b.3.1）、第二超声振动模块（b.3.2）、第三超声振动模块（b.3.3）同振幅振动时则整个执行器的振动方向竖直向下；当第一超声振动模块（b.3.1）、第二超声振动模块（b.3.2）、第三超声振动模块（b.3.3）中其一或其二与另外一个振幅不同时会出现振幅的叠加导致振动方向的偏移；当第一超声振动模块（b.3.1）、第二超声振动模块（b.3.2）、第三超声振动模块（b.3.3）同振幅振动时,其振动球（1）的振动方向与三个超声振动模块的中心线一致；当超声振动模块（b.3.1）振动而超声振动模块（b.3.2）、（b.3.3）不振动时则整个超声振动机构的振动方向为沿着振动模块（b.3.1）的轴线方向，其与竖直方向的夹角为b；第一超声振动模块（b.3.1）、第二超声振动模块（b.3.2）、第三超声振动模块（b.3.3）呈空间120℃分布，因此在不同振幅组合下其可变振动角度为锥形，其锥度为b，同时b为中心线与任一超声振动模块的夹角。

11、优选的，作动气缸（b.1）包括：静止端（b.1.1）、运动端（b.1.2）及运动端的进气口（b.1.3），其中：静止端（b.1.1）安装在运动装置（a）的末端（a.2）上；运动端（b.1.2）可以沿轴向方向作往复运动；将空气通过进气口（b.1.3）进入则运动端收到压缩空气的作用向外运动，将空气通过进气口（b.1.3）抽出则运动端通过负压的作用向内运动。

12、优选的，握持架（b.2）包括：上端（b.2.1）和均布在其周围的三个握持端（b.2.2、b.2.3、b.2.4），用于固定超声振动模块；上端（b.2.1）与运动端（b.1.2）连接。

13、优选的，预保压机构（b.4）包括：外壳（b.4.1）、连接法兰（b.4.3）、压紧环（b.4.2），外壳（b.4.1）作为安装预保压机构（b.4）的支撑，连接法兰（b.4.3）用于连接调整机构（b.5），压紧环（b.4.2）作为待焊接件的焊前压实以及焊后压力的保持。

14、优选的，在外壳（b.4.1）与压紧环（b.4.2）之间通过弹簧（b.4.4）传递压力，在弹簧与（b.4.4）与压紧环（b.4.2）之间通过刚性垫片（b.4.5）连接使压紧环的施力更加均匀；调整机构（b.5）包括：上板（b.5.1）、连接柱（b.5.2），连接柱（b.5.2）能够在共振盘（b.3.6）滑动，共振盘（b.3.6）与调整机构（b.5）通过螺栓（b.6）连接，通过拧动螺栓（b.6）调整预保压机构（b.4）的高度实现其与焊头（b.7）之间的高度差，根据高度差控制压环（b.4.2）与工件之间的压力。

15、另一方面，本发明提出了一种焊接方法，利用上述的超声波焊接系统（b），该方法包括：

16、根据待焊接工件的形状做好焊接路径/轨迹规划，将超声波焊接系统（b）移动至待焊接轨迹的起始点位置；

17、调节螺栓（b.6）与调整机构（b.5），使得预保压机构（b.4）压在工件上；

18、通过气缸（b.1）充气，使得握持架（b.2）和超声波振动机构（b.3）整体作下降运动，使得焊头（b.7）压在工件上；

19、超声振动模块（b.3.1, b.3.2, b.3.3）可将高频电信号转化为高频机械振动，该机械振动传导至共振球（b.3.5）上，又通过套合在共振球（b.3.5）上的焊头（b.7）将机械振动传递至工件的待焊接界面处；

20、超声波焊接系统（b）沿着预定焊接轨迹运动。到达焊接轨迹终点时，超声振动模块（b.3.1, b.3.2, b.3.3）停止振动，气缸（b.1）抽气，带动握持架（b.2）和超声波振动机构（b.3）上升，使得焊头（b.7）离开工件；

21、保压结束后，超声波焊接系统（b）离开工件，完成焊接过程。第二方面，本发明提出了一种焊接方法，利用上述的设备进行焊接，该方法包括以下步骤：

22、将焊接模具（c）固定在支撑底座（d）上；

23、待焊接的热塑工件固定在焊接模具（c）上；

24、根据待焊接工件的形状做好焊接路径/轨迹规划，通过运动装置（a）将超声波焊接系统（b）移动至待焊接轨迹的起始点位置；

25、调节螺栓（b.6）与调整机构（b.5），使得预保压机构（b.4）压在工件上；

26、通过气缸（b.1）充气，使得握持架（b.2）和超声波振动机构（b.3）整体作下降运动，使得焊头（b.7）压在工件上；

27、超声振动模块（b.3.1, b.3.2, b.3.3）可将高频电信号转化为高频机械振动；

28、该机械振动传导至共振球（b.3.5）上，又通过套合在共振球（b.3.5）上的焊头（b.7）将机械振动传递至工件的待焊接界面处，运动装置（a）以一定的速度带动超声波焊接系统（b）沿着预定焊接轨迹运动；

29、到达焊接轨迹终点时，超声振动模块（b.3.1, b.3.2, b.3.3）停止振动，气缸（b.1）抽气，带动握持架（b.2）和超声波振动机构（b.3）上升，使得焊头（b.7）离开工件；

30、保压结束后，运动装置（a）带动超声波焊接系统（b）离开工件，完成焊接过程。

31、本发明的优点和有益效果是：

32、本发明提出的新型超声焊接设备，通过调整振动模块的振幅，能够实时改变超声振动方向，实现不需要转动运动装置或焊头即可实现焊头振动方向的改变。此外，本发明将传统的预压头和保压头合并设计，采用一个套在焊头外侧的环状压紧机构用于预压和保压，该设计灵活，可适应多种形状的焊缝。

33、本发明提出的一种新型的超声振动机构，该机构包含三组振动模块，三组振动模块呈现空间三角形布局，三组振动模块的振动可转化成单一振动，通过调节振动模块振幅可改变末端焊头振动方向，实现不需超声振动机构的转动即可实现振动方向改变的创新。

34、本发明提出的一种超声波焊接系统，该超声波焊接系统可作为末端执行器，集成在连续超声波焊接设备上，该超声波焊接系统主要包括新型的超声振动机构、球形焊头、新型的预保压机构，可实现在不需要转动超声振动机构的情况下进行超声波焊接。

35、本发明提出的新型超声焊接系统，通过调整振动模块的振幅，实时改变超声振动方向，实现不需要转动运动装置或焊头即可实现焊头振动方向的改变。此外，本发明将传统的预压头和保压头合并设计，采用一个套在焊头外侧的环状压紧机构用于预压和保压，该设计灵活，可适应多种形状的焊缝。

36、本发明提出的一种用于热塑性复合材料的连续超声波焊接设备，该设备集成了一种新型的超声波焊接执行器及运动装置，运动只需实现三个平移自由度即可实现对平面及曲面和空间异形曲面的超声波连续焊接。