CN108067722A - 用于振动焊接的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于采用振动焊机将第一工件连接到第二工件的方法及相关装置包括以搭接布置的方式放置第一工件和第二工件并且在第一工件和第二工件的邻接表面之间***粘合剂材料。将第一压缩载荷施加到与第一工件和第二工件的搭接布置相关联的点焊轨迹，然后再被释放。将第二压缩载荷施加到第一工件和第二工件的搭接布置，同时经由振动焊机将振动激励施加到与第一工件和第二工件的搭接布置相关联的点焊轨迹。停止所施加的振动激励，并且在此之后的一段时间内，第二压缩载荷继续施加到与第一工件和第二工件的搭接布置相关联的点焊轨迹。

Description

用于振动焊接的方法和设备

背景技术

振动焊接是一种振动焊接装置或焊机将高频率声学振动局部地施加于在压力下保持在一起的工件上以产生焊缝的行业技术。这种技术尤其适用于对热塑性工件进行焊接。振动焊接过程包括将邻接或重叠的工件放置在套槽或砧座上，并采用振动焊机将高频振动引到工件之间的界面处。振动焊机优选地包括转换器或压电换能器、增强器和超声波焊极(也被称为焊头)。优选地将这些元件调谐来在相同的超声波频率下谐振，而作为示例，该超声波频率可以是20、30、35或40kHz。转换器将电信号转换成机械振动，增强器改变该振动的振幅，而超声波焊极夹持工件并对其施加机械振动，从而将工件连接起来。电子振动发生器输送其频率与谐振频率相匹配的高功率AC信号，并且优选地是由控制焊机的移动并输送振动能量的控制器进行控制。振动产生了热量，这种热量将工件的材料局部熔化，从而形成焊接接头。

发明内容

描述了一种用于采用振动焊机将第一工件连接到第二工件的方法及相关装置，并且所述方法及相关装置包括以搭接布置的方式放置第一工件和第二工件并且在第一工件和第二工件的邻接表面之间***粘合剂材料。第一压缩载荷施加到与第一工件和第二工件的搭接布置相关联的点焊轨迹，然后被释放。第二压缩载荷施加到第一工件和第二工件的搭接布置，同时经由振动焊机，将振动激励施加到与第一工件和第二工件的搭接布置相关联的点焊轨迹。停止所施加的振动激励，并且在此之后的一段时间内，第二压缩载荷继续施加到与第一工件和第二工件的搭接布置相关联的点焊轨迹。

结合附图，通过以下对用于实施本教导的一些最佳方式和其他实施例的详细描述，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点是显而易见的。

附图说明

现在将参考附图通过示例的方式描述一个或多个实施例，其中：

图1示意性地示出了根据本公开的焊接工具的实施例的局部剖视侧视图，其中该焊接工具设置为执行新型焊接过程以在第一工件与第二工件之间形成搭接接头；

图2以图形方式示出了根据本公开的参考图1描述的焊接工具在执行振动焊接过程期间的基于时间的操作；

图3-1、图3-2和图3-3示意性地示出了根据本公开的参考图1描述的用于执行振动焊接过程的焊接工具的一个实施例的顺序布置；

图4-1、图4-2、图4-3和图4-4示意性地示出了根据本公开的参考图1描述的用于执行振动焊接过程的焊接工具的另一个实施例的顺序布置；以及

图5-1、图5-2和图5-3示意性地示出了根据本公开的参考图1描述的用于执行振动焊接过程的焊接工具的另一个实施例的顺序布置。

具体实施方式

如本文所述和示出的所公开实施例的各部件可以以各种不同的构造来布置和设计。因此，以下详细描述并不旨在限制如所要求保护的本公开的范围，而是仅代表其可能的实施例。此外，尽管在下面的描述中阐述了许多具体细节以提供对本文公开的实施例的透彻理解，但是可以在没有这些细节中的一些或全部的情况下实践一些实施例。此外，为了清楚起见，相关技术中已知的某些技术材料没有进行详细描述，从而避免不必要地使本公开变得模糊。此外，附图是简化的形式，并不是按照精确的比例。仅为了方便和清楚起见，可以参考附图来使用方向性术语。方向性术语不应被解释为以任何方式限制本公开的范围。此外，如本文所示出和描述的本公开可以在不存在本文没有具体公开的任何元素的情况下实施。

现在参考附图，其中描述仅用于说明某些示例性实施例，而不是为了限制本发明，图1示意性地示出了焊接工具10和焊接控制器60的一个实施例的局部剖视侧视图，其中该焊接工具和焊接控制器设置为执行新型焊接过程62以在第一工件40与第二工件44之间形成搭接接头46。示出了点焊轨迹45，并且该点焊轨迹表示第一工件40和第二工件44的搭接部分上的特定位置，而在该特定位置，焊接工具10执行振动焊接以形成点焊缝。第一工件40和第二工件44可以由聚合物复合材料制成，例如热塑性材料，包括但不限于尼龙、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯和聚酯，而所述材料可以用玻璃或碳纤维来增强。此外，第一工件40和第二工件44可以由金属物质制成。

第一工件40和第二工件44通过振动点焊缝与粘合剂材料42的组合来连接.搭接接头46可以通过可由焊接工具10在点焊轨迹45处执行的至少一个振动点焊缝以及***在相应的第一工件40和第二工件44的邻接第一连接表面41与第二连接表面43之间的粘合剂材料42来固定。将第一工件40和第二工件44以搭接布置的方式放置，将粘合剂材料42***在其邻接表面之间并且采用焊接工具10来在点焊轨迹45处执行新型焊接过程62以形成振动点焊缝，这样便将第一工件40和第二工件44连接起来。

焊接工具10包括可以根据本公开构造的振动焊机12、夹持装置14、压缩载荷致动器30和砧座50。在一个实施例中，振动焊机12包括超声波换能器、增强器和具有焊接尖端16的超声波焊极，并且连接到控制其操作的电子超声波发生器20。超声波焊极是一种能够将电力转换为超声波振动的装置。

在振动焊接期间，焊接能量从电子超声波发生器20传送到焊接尖端16。振动焊接过程包括振动焊机12产生振幅在几微米量级到一百微米以上量级的振荡运动。振荡运动经由焊接尖端16在与第一工件40和第二工件44的表面相垂直的方向上传送到点焊轨迹45处的第一工件和第二工件。在一个实施例中，振动焊机12附接到机器臂的末端执行器，该末端执行器引导振动焊机12的放置并激活电子超声波发生器20以在第一工件40和第二工件44放置在砧座50上时执行其振动焊接。可替代地，振动焊机12可以用作固定式工具作业结构的一部分，例如在硬自动工具作业构造中、在台面构造上或在基座焊机构造中。此外，任何工具作业构造可以由单个振动焊机12组成，或者可替代地由共同地发挥作用的多个振动焊机12组成。

夹持装置14可以是构造成施加夹持力13以在执行振动焊接过程62期间将第一工件40和第二工件44牢固地保持在砧座50上的适当位置的任何合适的装置或装置的组合。夹持装置14优选地构造成提供夹持力13以将第一工件40和第二工件44推抵砧座50，其中在执行振动焊接过程62期间，夹持力13与可以施加在第一工件40和第二工件44上的其他力分离。

焊接控制器60可以是能够执行机器可读指令的任何装置。术语控制器、控制单元、处理器和类似术语是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元(例如，微处理器及相关的形式为存储器和存储装置(只读、可编程只读、随机存取、硬盘驱动器等)的非瞬时存储器部件)的任何一种或多种组合。非瞬时存储器部件能够以一个或多个软件或固件程序或例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、信号调节和缓冲电路以及可由一个或多个处理器访问以提供所描述的功能的其他部件的形式存储机器可读指令。输入/输出电路和装置包括模拟/数字转换器和监控来自传感器的输入的相关装置，其中这些输入在预设采样频率下或响应于触发事件被监控。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法和类似术语是指包括校准和查找表在内的任何控制器可执行指令集。控制器之间的通信，以及控制器、致动器和/或传感器之间的通信可以使用直接有线点对点链路、联网通信总线链路、无线链路或任何其他合适的通信链路来实现。通信包括以任何适当的形式交换数据信号，包括例如经由导电介质的电信号、经由空气的电磁信号、经由光波导的光信号等。数据信号可以包括表示来自传感器的输入、致动器命令以及控制器之间的通信的离散信号、模拟信号或数字化模拟信号。术语“信号”是指传达信息的任何物理上可辨别的指示符，并且可以是能够穿过介质的任何合适的波形(例如，电气、光学、磁性、机械或电磁)，诸如DC、AC、正弦波、三角波、方波，振动等。

图2以图形方式示出了参考图1描述的焊接工具10的一个实施例在执行振动焊接过程62的实施例期间的基于时间的操作。在水平轴上示出了时间210，而在垂直轴上示出了压缩力204和超声功率206。在开始振动焊接过程62之前，以搭接布置的方式放置第一工件40和第二工件44，同时粘合剂材料42***在其邻接表面之间并由夹持装置14夹持就位。

首先，从时间点212开始，第一压缩载荷15由压缩载荷致动器30施加以将第一工件40和第二工件44的搭接布置的一部分压靠在砧座50上，优选地在点焊轨迹45处。对第一压缩载荷15的大小和经过时间加以选择，从而在执行振动焊接以在点焊轨迹45处形成点焊缝之前将粘合剂材料42推离点焊轨迹45。在适当的时间段之后，释放第一压缩载荷15，如在时间点214处所示。在释放第一压缩载荷15之后，焊接工具10开始向点焊轨迹45施加第二压缩载荷19，如在时间点214处所示。同时，控制振动焊机12将由电子超声波发生器20产生的焊接能量17传送到在点焊轨迹45处施加到第一工件40的焊接尖端16。这表示为在时间点216处开始。振动焊机12将焊接能量17传送预定的时间段，然后再停止，如在时间点218处所示。第二压缩载荷19可以以缓升方式施加到点焊轨迹45，使得第二压缩载荷19的大小在预定时间段内增加。当振动焊机12停止传送焊接能量17时，第二压缩载荷19优选地达到最大值，如在时间点218处所示。如图所示，虽然是在稳定地释放，但第二压缩载荷19在随后的一段时间内保持在某个压缩载荷水平下。第一压缩载荷15和第二压缩载荷19的大小以及时间段是针对应用而言特定的。

图3-1、图3-2和图3-3示意性地示出了由参考图1描述的且由元件310所表示的焊接工具10的一个实施例所执行的振动焊接过程62的顺序布置。焊接工具310包括振动焊机320和砧座350，该振动焊机和砧座布置成在第一工件40和第二工件44上执行振动焊接过程62，而第一工件和第二工件以搭接布置的方式布置，同时粘合剂材料42***在其邻接表面之间。图3-1示意性地示出了其间***有粘合剂材料42并且固定在振动焊机320与砧座350之间的第一工件40和第二工件44的搭接布置。还示出了点焊轨迹45。图3-2示意性地示出了在点焊轨迹45处向第一工件40和第二工件44的搭接布置施加第一压缩载荷315。在本实施例中，第一压缩载荷315通过振动焊机320优选地经由其焊接尖端施加在点焊轨迹45处，然后再被释放。图3-3示意性地示出了在点焊轨迹45处向第一工件40和第二工件44的搭接布置施加焊接能量317和第二压缩载荷319。在本实施例中，焊接能量317和第二压缩载荷319通过振动焊机320施加在点焊轨迹45处。

图4-1、图4-2、图4-3和图4-4示意性地示出了由参考图1描述的且由元件410所表示的焊接工具10的另一个实施例所执行的振动焊接过程62的顺序布置。焊接工具410包括振动焊机420、压缩载荷致动器430和砧座450。在本实施例中，压缩载荷致动器430是与振动焊机420机械地且可控地分离的装置。焊接工具410布置为在第一工件40和第二工件44上执行振动焊接过程62，，而第一工件和第二工件以搭接布置的方式布置，同时粘合剂材料42***在其邻接表面之间。图4-1示意性地示出了其间***有粘合剂材料42并且固定在压缩载荷致动器430与砧座450之间的第一工件40和第二工件44的搭接布置。还示出了点焊轨迹45。图4-2示意性地示出了在点焊轨迹45处向第一工件40和第二工件44的搭接布置施加第一压缩载荷415。在本实施例中，第一压缩载荷415通过压缩载荷致动器430施加，然后再被释放。图4-3示意性地示出了在第一压缩载荷415已经通过压缩载荷致动器430施加并移除之后在点焊轨迹45处的第一工件40和第二工件44的搭接布置。图4-4示意性地示出了在点焊轨迹45处向第一工件40和第二工件44的搭接布置施加焊接能量417和第二压缩载荷419。在本实施例中，焊接能量417和第二压缩载荷419通过振动焊机420施加在点焊轨迹45处。

图5-1、图5-2和图5-3示意性地示出了由参考图1描述的且由元件510所表示的焊接工具10的一个实施例所执行的振动焊接过程62的顺序布置。焊接工具510包括与振动焊机520和砧座550成为一体的压缩载荷致动器530，该振动焊机和砧座布置为在第一工件40和第二工件44上执行振动焊接过程62，而第一工件和第二工件以搭接布置的方式布置，同时粘合剂材料42***在其邻接表面之间。图5-1示意性地示出了其间***有粘合剂材料42并且固定在压缩载荷致动器530与砧座550之间的第一工件40和第二工件44的搭接布置。还示出了点焊轨迹45。图5-2示意性地示出了在点焊轨迹45处向第一工件40和第二工件44的搭接布置施加第一压缩载荷515。在本实施例中，第一压缩载荷515通过压缩载荷致动器530施加，然后再被释放。图5-3示意性地示出了在点焊轨迹45处向第一工件40和第二工件44的搭接布置施加焊接能量517和第二压缩载荷519。在本实施例中，焊接能量517通过振动焊机520施加在点焊轨迹45处，而第二压缩载荷519通过压缩载荷致动器530施加。

本文描述的振动焊接过程62有助于形成聚合物工件之间的搭接接合处，该搭接接合处包括结合一个或多个点焊缝使用粘合剂。粘合剂可以在振动焊接之前分别施加到相应的第一工件40和第二工件44的第一连接表面41和第二连接表面43中的一个或两个上。在执行振动焊接以在点焊轨迹45处形成点焊缝之前，振动焊接过程62使用压缩力将所施加的粘合剂推离点焊轨迹45。连续的粘合剂粘合用于提高接头性能、增加结构刚度、对接头缝加以密封以及减少噪音和振动。粘合剂粘合增强了点焊缝，从而减轻了其上的应力。此外，(多个)点焊缝设置了第一工件40相对于第二工件44的取向几何形状，从而在粘合剂固化期间无需进行额外的紧固。所得到的包括第一工件40和第二工件44的作业产品可在粘合剂经历固化的同时进行本体组装过程的其余部分。

总的来说，本文所述的振动焊机12包括一体式夹持机构，该夹持机构提供可以与焊接焊头向工件所施加的力相分离的夹持力。这样做允许超声波焊接焊头将超声能量集中在焊接区域内，并提高振动焊接的效率。这种行为降低了焊机及其相关发电机的功率需求和所需尺寸。这还克服了惯性并避免了使夹持能量转向，从而将与焊头共振的工件振动最小化。将夹持机构与焊机集成在一起使得工具作业和紧固得到简化，并且还允许对焊头和工件进行一体式冷却。在超声波振动完成后的合并或保持阶段中，在夹具继续在工件上施加夹持力的同时，焊头从工件的接触表面上退回，进而允许工件进行合并。焊头的这种早期退回减少了或消除了在焊头与工件之间的热传递的发生，并且有助于对焊头进行热管理。因此，改善了振动焊接质量，并且可降低制造工具作业的复杂性和焊机功率。

振动焊接过程62可执行为控制例程，该控制例程可以实现为包括形式为代码的模块、片段或部分的计算机程序的***，所述计算机程序包括一个或多个用于实现指定逻辑功能的可执行指令，或者可以由进行指定功能或动作的基于专用硬件的***或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以指示控制器或其他可编程数据处理装置以特定方式工作，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括用于实现在流程图和/或框图的单个框或多个框中指定的功能/动作的指令的制品。

详细描述和附图或图示是用于支持和描述本教导，但是本发明的范围仅由权利要求来限定。虽然已经详细描述了用于实施本教导的一些最佳方式和其他实施例，但是仍存在有用于实践所附权利要求中限定的本教导的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种用于将第一工件连接到第二工件的方法，所述方法包括：

以搭接布置的方式放置所述第一工件和所述第二工件，并且在所述第一工件和所述第二工件的邻接表面之间***粘合剂材料；

将第一压缩载荷施加到与所述第一工件和所述第二工件的所述搭接布置相关联的点焊轨迹；

释放所述第一压缩载荷；

将第二压缩载荷施加到并且经由振动焊机将振动激励施加到与所述第一工件和所述第二工件的所述搭接布置相关联的所述点焊轨迹；以及

停止经由所述振动焊机施加所述振动激励，并且在一段时间内，继续将所述第二压缩载荷施加到与所述第一工件和所述第二工件的所述搭接布置相关联的所述点焊轨迹。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一压缩载荷的大小足以将粘合剂材料推离与所述第一工件和所述第二工件的所述搭接布置相关联的所述点焊轨迹。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一压缩载荷经由所述振动焊机施加。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一压缩载荷经由与所述振动焊机机械分离的第一压缩载荷致动器施加。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二压缩载荷经由与所述振动焊机机械集成的压缩载荷致动器施加。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二压缩载荷经由所述振动焊机施加。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二压缩载荷经由与所述振动焊机机械集成的压缩载荷致动器施加。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二压缩载荷经由与所述振动焊机机械分离的压缩载荷致动器施加。

9.一种用于连接以搭接构造布置的第一工件和第二工件的装置，其中粘合剂材料***在所述第一工件和所述第二工件的邻接表面之间，所述装置包括：

振动焊机，所述振动焊机包括焊接尖端；

设置为夹持所述第一工件和所述第二工件的夹持装置和砧座；以及

压缩载荷致动器；以及

可操作地连接到所述振动焊机、所述夹持装置和所述压缩载荷致动器的控制器，所述控制器包括指令集，所述指令集可执行为用于：

将第一压缩载荷施加到与所述第一工件和所述第二工件的所述搭接布置相关联的点焊轨迹；

释放所述第一压缩载荷；

将第二压缩载荷施加到并且经由振动焊机将振动激励施加到与所述第一工件和所述第二工件的所述搭接布置相关联的所述点焊轨迹，以及

停止经由所述振动焊机的所述施加的振动激励，并且在一段时间内，继续将所述第二压缩载荷施加到与所述第一工件和所述第二工件的所述搭接布置相关联的所述点焊轨迹。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述第一压缩载荷的大小足以将粘合剂材料推离与所述第一工件和所述第二工件的所述搭接布置相关联的所述点焊轨迹。