本發明屬于超聲波塑料焊接領域，具體涉及一種超聲波振動模態轉換方法及大尺寸超聲波塑料環焊系統。

背景技術：

超聲波塑料焊接是熔接熱塑性塑料制品的高科技技術，各種熱塑性膠件均可使用超聲波熔接處理，在焊接塑料制品時，既不要添加任何粘接劑、填料或溶劑，也不消耗大量熱源，具有操作簡便、焊接速度快、焊接強度高、生產效率高等優點。因此，超聲波焊接技術越來越廣泛地獲得應用。

超聲波塑料焊接已經廣泛應用于汽車、電子、醫療、家電、無布服裝、辦公用品、包裝以及玩具行業等。比如車身塑料零件，汽車車門、汽車儀表、車燈車鏡、遮陽板、內飾件、濾清器，手機配件，充電器、玩具文具，墨盒，硒鼓，洗衣機，電熨斗，吸塵器等。

傳統的超聲波塑料焊接系統一般是由超聲波換能器、超聲變幅桿以及適用于不同待焊部件幾何形狀的超聲波焊接工具頭等組成，比如專利號為CN201320437227.3、專利名稱為超聲波焊接機的中國發明專利；再比如專利號為CN201220185648.7、專利名稱為軸承塑料保持架超聲波焊接裝置的中國發明專利。傳統的超聲波塑料焊接系統，其工作原理是基于超聲波振動系統的縱向振動模式，即大功率超聲波換能器產生縱向振動，通過縱向振動變幅桿進行振動位移放大后，推動焊接工具頭產生同頻的超聲波振動，把超聲能量傳送到焊區，由于焊區處聲阻大，因此會產生局部高溫。又由于塑料導熱性差，一時還不能及時散發，聚集在焊區，致使兩個塑料的接觸面迅速熔化，加上一定壓力后，使其融合成一體，完成超聲波塑料焊接的整個過程。

由于此類超聲波振動系統是基于傳統的一維縱向振動理論來設計的，一般情況下，此類超聲波塑料焊接系統的橫向尺寸應小于縱向波長的四分之一，因此，傳統的超聲波塑料焊接系統的橫向尺寸受到了限制，不能用于較大幾何尺寸器件的超聲波焊接。

技術實現要素：

為了解決傳統的超聲波塑料焊接系統的橫向尺寸受到限制，不能用于較大幾何尺寸器件的超聲波焊接，本發明提供了一種超聲波振動模態轉換方法及大尺寸超聲波塑料環焊系統。本發明的技術方案是這樣實現的：

一種超聲波振動模態轉換方法，利用縱向振動－彎曲振動－縱向振動的振動模態相互轉換原理，包括以下步驟：

步驟一、將縱向振動模態的超聲波轉換為彎曲振動模態的超聲波；

步驟二、將金屬圓環焊頭固定于盤形縱彎振動變換器彎曲振動模態的振動波幅位置，使該金屬圓環焊頭工作于縱向振動模態。

上述的超聲波振動模態轉換方法，所述步驟一是通過盤形縱彎振動變換器與超聲波變幅桿的連接，將換能器和超聲波變幅桿產生的縱向振動模態的超聲波轉換為彎曲振動模態的超聲波。

上述的超聲波振動模態轉換方法，所述換能器、所述超聲波變幅桿、所述盤形縱彎振動變換器及所述金屬圓環焊頭均處于共振狀態。

一種大尺寸超聲波塑料環焊系統，包括將電能轉化成機械振動的換能器、用于匯聚超聲波的超聲波變幅桿及金屬圓環焊頭，所述超聲波變幅桿的超聲波接收端與所述換能器的超聲波輸出端固定連接，還包括用以將接收自所述超聲波變幅桿的縱向模態超聲波轉換為彎曲振動模態超聲波的盤形縱彎振動變換器；

所述超聲波變幅桿的超聲波輸出端固定連接所述盤形縱彎振動變換器，所述金屬圓環焊頭以可拆卸的方式固定在所述盤形縱彎振動變換器上，所述盤形縱彎振動變換器置于所述超聲波變幅桿和所述金屬圓環焊頭之間。

特別指出，為了擴大傳統的超聲波塑料焊接系統的應用范圍，本發明的金屬圓環焊頭最好是大尺寸的金屬圓環焊頭。

作為本發明的一個優選實施例，所述盤形縱彎振動變換器的厚度小于其直徑的十分之一。

作為本發明的一個優選實施例，所述超聲波變幅桿與所述盤形縱彎振動變換器接觸面的尺寸小于所述盤形縱彎振動變換器彎曲振動波長的十分之一。

作為本發明的一個優選實施例，所述金屬圓環焊頭位于所述盤形縱彎振動變換器的彎曲振動位移波幅處，并且所述金屬圓環焊頭的徑向厚度小于所述盤形縱彎振動變換器彎曲振動波長的十分之一。

作為本發明的一個優選實施例，所述金屬圓環焊頭的外壁上設有多個凹槽，并且該凹槽與金屬圓環焊頭的內腔相通。

作為本發明的一個優選實施例，所述換能器、超聲波變幅桿及金屬圓環焊頭垂直于所述盤形縱彎振動變換器設置。

作為本發明的一個優選實施例，所述換能器、超聲波變幅桿、盤形縱彎振動變換器及金屬圓環焊頭的各自共振頻率與超聲波環形塑料焊接系統的振動頻率相同。

本發明的有益效果：

與傳統的一維縱向振動系統相比，本發明利用了縱向振動－彎曲振動－縱向振動的振動模態相互轉換的原理，實現了超聲波塑料焊接系統的大尺寸輸出。因此，本發明擴大了傳統的超聲波塑料焊接系統的應用范圍，降低了生產成本，提高了傳統的超聲波塑料焊接系統的工作效率。

以下將結合附圖及實施例對本發明做進一步詳細說明。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

圖2是本發明雙金屬圓環焊頭的結構示意圖。

圖中：1.換能器；2.超聲波變幅桿；3.盤形縱彎振動變換器；4.金屬圓環焊頭；10.夾心式壓電陶瓷超聲換能器；401.大尺寸金屬圓環焊頭Ⅰ；402. 大尺寸金屬圓環焊頭Ⅱ。

具體實施方式

為進一步闡述本發明達成預定目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及實施例對本發明的具體實施方式、結構特征及其功效，詳細說明如下。

需要說明的是：本發明的術語“上”、“下”、“頂面”、“底面”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

實施例1：

本發明是利用了縱向振動－彎曲振動－縱向振動的振動模態相互轉換的原理，公開了一種超聲波振動模態轉換方法，該方法包括以下步驟：

步驟一、將處于縱向振動模態的超聲波變幅桿2與盤形縱彎振動變換器3接觸，使得盤形縱彎振動變換器3處于彎曲振動模態；

步驟二、將處于彎曲振動模態的盤形縱彎振動變換器3與金屬圓環焊頭4接觸，使得金屬圓環焊頭4處于縱向振動模態。

該方法中的超聲波變幅桿2、盤形縱彎振動變換器3及金屬圓環焊頭4均處于共振狀態，并且本實施例中的超聲波變幅桿2、盤形縱彎振動變換器3及金屬圓環焊頭4的工作頻率可根據實際需要進行具體設計，只要能完成超聲波塑料焊接工作即可。

參照圖1，本實施例重點公開了一種用于實現超聲波振動模態轉換方法的大尺寸超聲波塑料環焊系統，它包括換能器1、超聲波變幅桿2、與超聲波變幅桿2的另一端固定連接的盤形縱彎振動變換器3及金屬圓環焊頭4，超聲波變幅桿2的一端與換能器1固定連接，盤形縱彎振動變換器3位于大尺寸金屬圓環焊頭的上方，盤形縱彎振動變換器3與大尺寸金屬圓環焊頭固定連接。本實施例的固定連接優選采用可拆卸的方式。

其中，大尺寸金屬圓環焊頭位于盤形縱彎振動變換器3的彎曲振動位移波幅處，優選大尺寸金屬圓環焊頭剛性固定于盤形縱彎振動變換器3的彎曲振動位移波幅處。

其中，本實施例的換能器1、超聲波變幅桿2及大尺寸金屬圓環焊頭應嚴格垂直于盤形縱彎振動變換器3。

其中，為了保證大尺寸環形超聲波塑料焊頭中的縱向振動模式的單一性，避免振動模式之間的耦合，大尺寸金屬圓環焊頭的外壁上設有多個凹槽，凹槽與大尺寸金屬圓環焊頭的內腔相通。優選在大尺寸金屬圓環焊頭的高度方向加工一定數量和一定幾何尺寸的直槽。

其中，本實施例中的換能器1與超聲波變幅桿2的固定連接、超聲波變幅桿2與盤形縱彎振動變換器3的固定連接、盤形縱彎振動變換器3與大尺寸金屬圓環焊頭的固定連接，均可以采用現有技術中的焊接、螺紋連接、鉚接、卡接等任一固定方式，只要能滿足大尺寸超聲波塑料環焊系統的剛性連接即可。優選本實施例中的固定連接采用高強度的預應力中心金屬螺栓連接，此固定方式可以使整個系統具有很好的穩定性。

其中，超聲波變幅桿2由彈性大、強度高、機械損耗小的金屬材料制成，如鈦合金、合金鋁、鋁鎂合金、不銹鋼或銅等。超聲波變幅桿2的截面形狀可以是圓錐形、指數型、懸鏈線形、階梯型及其復合形狀組成。

其中，盤形縱彎振動變換器3由彈性大、強度高、機械損耗小的金屬材料制成，如鈦合金、合金鋁、鋁鎂合金、不銹鋼或銅等。優選盤形縱彎振動變換器3為等截面圓盤結構。

其中，大尺寸金屬圓環焊頭由彈性大、強度高、機械損耗小的金屬材料制成，其材料可為鈦合金、鋁合金、鋁鎂合金、不銹鋼或銅等。優選金屬圓環焊頭4為等截面圓環結構。

需指出，本實施例中，為保證大尺寸超聲波塑料環焊系統各個組成部分的接觸面之間緊密接觸，減少機械損耗，提高能量傳輸效率等，大尺寸超聲波塑料環焊系統的各個接觸表面應保證較高的平整度及光潔度。

需指出，為了滿足超聲波振動模態轉換的工藝要求，本實施例提出的一種大尺寸超聲波塑料環焊系統中，優選盤形縱彎振動變換器3的厚度小于其直徑的十分之一；優選超聲波變幅桿2與盤形縱彎振動變換器3接觸面的尺寸小于盤形縱彎振動變換器3彎曲振動波長的十分之一；優選大尺寸金屬圓環焊頭的壁厚應小于盤形縱彎振動變換器3彎曲振動波長的十分之一。并且，本實施例中的換能器優選夾心式壓電陶瓷超聲換能器10，夾心式壓電陶瓷超聲換能器10的共振頻率、輸出功率和強度應根據實際待焊接部件的情況來決定。

特別指出，本實施例的換能器1、超聲波變幅桿2、盤形縱彎振動變換器3及大尺寸金屬圓環焊頭的各自共振頻率與超聲波環形塑料焊接系統的振動頻率一致。

與傳統的一維縱向振動系統相比，本實施例利用了縱向振動－彎曲振動－縱向振動的振動模態相互轉換的原理，實現了超聲波塑料焊接系統的大尺寸輸出。因此，本實施例擴大了傳統的超聲波塑料焊接系統的應用范圍，降低了生產成本，提高了傳統的超聲波塑料焊接系統的工作效率。

實施例2：

本實施例與實施例1的不同之處，在于金屬圓環焊頭4。

本實施例是通過合理設計盤型縱彎振動轉換器的彎曲振動模態，使得大尺寸超聲波塑料環焊系統可以同時驅動多個大尺寸超聲波塑料環形焊頭，從而提高振動系統的工作效率。

為保證振動系統的高效穩定工作，每一個環形焊頭必須位于盤形縱彎振動變換器3的彎曲振動位移波幅處。

參照圖2，本實施例的環形焊頭包括大尺寸金屬圓環焊頭Ⅰ401和大尺寸金屬圓環焊頭Ⅱ402，大尺寸金屬圓環焊頭Ⅰ401的內徑大于大尺寸金屬圓環焊頭Ⅱ402的外徑，并且大尺寸金屬圓環焊頭Ⅰ401和大尺寸金屬圓環焊頭Ⅱ402均位于盤形縱彎振動變換器3的彎曲振動位移波幅處。

需要說明的是，本發明的環形焊頭并不僅限于兩個，根據實際情況，采用現有技術中的公式進行詳細的計算，方能確定環形焊頭的分布情況。

本實施例通過在大尺寸超聲波塑料環焊系統上固定多個金屬圓環焊頭，提高了整個環焊系統的工作效率。

實施例3：

下面以工作頻率為20千赫茲，運用現有技術中的計算公式以及精確了解材料的各項參數，設定夾心式壓電陶瓷超聲換能器10、超聲波變幅桿2為半波長的超聲振動體，設計出盤形縱彎振動變換器及金屬圓環焊頭的參數如下：

1. 當盤形縱彎振動變換器的材料為鋁合金，金屬圓環焊頭的材料為鋁合金時：

盤形縱彎振動變換器的半徑R=0.084米，厚度為T=0.015米；

金屬圓環焊頭的外徑R1=0.084米，內徑R2=0.0756米，高度為H=0.12米。

2.當盤形縱彎振動變換器的材料為不銹鋼，金屬圓環焊頭的材料為鋁合金時：

盤形縱彎振動變換器的半徑R=0.085米，厚度為T=0.0152米；

金屬圓環焊頭的外徑R1=0.085米，內徑R2=0.0765米，高度為H=0.12米。

3. 當盤形縱彎振動變換器的材料為鈦合金，金屬圓環焊頭的材料為鋁合金時：

盤形縱彎振動變換器的半徑R=0.083米，厚度為T=0.0147米；

金屬圓環焊頭的外徑R1=0.083米，內徑R2=0.0747米，高度為H=0.12米。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。