專利名稱：對稱超聲波旋轉(zhuǎn)焊頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及超聲波焊接。更特別地，本發(fā)明涉及一種具有用于將軸向聲能轉(zhuǎn)換為徑向聲能的錐形軸向輸入部分的超聲波旋轉(zhuǎn)焊頭。
背景技術(shù)：
聲焊接，特別是超聲波焊接，在許多工業(yè)中日益普及。例如，紡織工業(yè)和個人產(chǎn)品工業(yè)的企業(yè)經(jīng)常通過超聲波焊接制造如尿布、衣服等產(chǎn)品。超聲波焊接工具的工作原理是在焊頭上施加超聲波頻率范圍(也就是大于等于20kHz)內(nèi)的聲能。焊頭響應(yīng)于施加的聲能而振動，從而進一步產(chǎn)生輸出聲能。通過在部件附近放置焊頭將輸出聲能施加到正在結(jié)合的材料(典型地是熱塑性塑料)上。振動能通過部件傳播，在部件之間的界面處被轉(zhuǎn)換為熱量。這種轉(zhuǎn)換是由于將部件熔融和熔化在一起的分子間摩擦而引起的。
盡管目前已經(jīng)開發(fā)出許多焊頭結(jié)構(gòu)，眾所周知，達到高質(zhì)量和高速度超聲波焊接的較佳方式是使用帶有旋轉(zhuǎn)砧的旋轉(zhuǎn)焊頭。典型地，旋轉(zhuǎn)焊頭是圓柱形的，并圍繞一個軸旋轉(zhuǎn)。輸入聲能位于軸向，輸出聲能位于徑向。焊頭和砧基本是兩個彼此臨近并以相等或不等的切向速度在相反方向旋轉(zhuǎn)的圓柱體。要結(jié)合的部件以通常匹配這些圓柱體表面切向速度的線速度通過這些圓柱體表面。旋轉(zhuǎn)焊頭和砧的切向速度與部件的線速度之間的匹配可使焊頭和部件之間的阻力達到最小。
因此，旋轉(zhuǎn)焊頭典型地由至少一個軸向輸入部分和一個徑向焊接部分組成。輸入部分接收軸向聲能，而焊接部分將轉(zhuǎn)換后的徑向聲能施加到目標部件。盡管上述的常規(guī)旋轉(zhuǎn)焊頭適用于一些應(yīng)用場合，但是也存在某些嚴重的困難。一個困難涉及需要達到高水平的振幅均勻性。振幅均勻性能有效地度量接收相同數(shù)量焊接能的焊接點的百分比。具體地說，振幅均勻性是通過在給定的輸入激勵下測量焊接部分外表面(即焊接“面”)的最大位移而確定的。同時還測量對于相同激勵的最小位移，最小位移相對于最大位移的比值代表振幅均勻性。因此，振幅均勻性接近百分之百的旋轉(zhuǎn)焊頭會在它的整個焊接面內(nèi)產(chǎn)生非常均勻的輸出聲能。高振幅均勻性使焊接可以得到更好的預(yù)測，并最終降低制造成本。
一些常規(guī)旋轉(zhuǎn)焊頭具有一個實心并帶有節(jié)點的輸入部分。其它旋轉(zhuǎn)焊頭具有一個中空并帶有波節(jié)面的輸入部分。所有的常規(guī)旋轉(zhuǎn)焊頭都通過泊松比效應(yīng)和策略地從焊接部分機器加工出的許多底部和頂部調(diào)諧切口，將軸向聲能轉(zhuǎn)換為徑向聲能。盡管調(diào)諧切口允許常規(guī)旋轉(zhuǎn)焊頭達到可接受的均勻性水平(約為85％或更大)，但是達到這種水平的均勻性需要一定的成本。具體地說，機器加工調(diào)整切口通常相當復(fù)雜，并要求額外的工具安裝和勞動力。
與常規(guī)旋轉(zhuǎn)焊頭相關(guān)的另一個困難涉及焊接區(qū)域長度。從本質(zhì)上說，焊接區(qū)域長度是在旋轉(zhuǎn)焊頭的給定路徑中可以焊接的產(chǎn)品數(shù)量的量度。因此，更大的焊接區(qū)域長度使得可以達到更大的產(chǎn)品產(chǎn)量和更多的收益性。為提供更大的焊接區(qū)域長度，一般必須增加焊接部分的焊接區(qū)域長度。許多常規(guī)徑向焊頭的焊接區(qū)域長度限于大約2.5英寸。在要求焊接區(qū)域長度為大約5英寸的應(yīng)用環(huán)境下使用這樣的焊頭，將因此需要兩倍的焊接時間和勞動。因此需要提供最小振幅均勻性為85％同時保持5英寸或更大的徑向焊接區(qū)域長度的旋轉(zhuǎn)焊頭。
與常規(guī)聲學(xué)旋轉(zhuǎn)焊頭相關(guān)的還有一個困難涉及焊頭的驅(qū)動和安裝。例如，許多常規(guī)焊頭具有一個用于接收軸向聲能的單獨輸入部分。這個單獨輸入部分是用軸向聲能驅(qū)動焊頭的唯一機構(gòu)，它將焊頭的整體有用性限制到半波應(yīng)用。此外，焊頭必須安裝在焊接區(qū)域的一側(cè)。當以這種方式安裝時，焊頭的負載與懸臂梁的方式相同。已經(jīng)預(yù)測出在偏轉(zhuǎn)變得過量并引起不均勻焊接之前，常規(guī)單獨安裝設(shè)計可產(chǎn)生150磅或更小的焊接力。這樣通常會形成以更低的壓力焊接的結(jié)果，反過來，這樣將導(dǎo)致將更小的超聲波能量施加到目標部件上。更小的超聲波能量施加到焊接表面最終將降低生產(chǎn)線的速度。因此需要提供一種具有其底座以和簡單支撐梁相同的方式位于焊接區(qū)域兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)焊頭，以提高焊接壓力和聲能向焊接部件的轉(zhuǎn)移。對于相同的偏移，這種簡單支撐的焊頭能支撐的力量是懸臂梁安裝方法的五倍。簡單支撐安裝方法中的底座可以是極底座或節(jié)底座。
根據(jù)本發(fā)明的超聲波旋轉(zhuǎn)焊頭可以實現(xiàn)上述目的和其他目的。旋轉(zhuǎn)焊頭具有第一徑向焊接部分，以及操作連接到第一徑向焊接部分上用于接收第一軸向聲能的第一軸向輸入部分。第一軸向輸入部分具有一個第一錐形部分，使得第一軸向輸入部分和第一徑向焊接部分能將一部分第一軸向聲能轉(zhuǎn)換成徑向聲能。徑向聲能的相位與第一軸向聲能相同。對于第一軸向輸入部分使用錐形幾何形狀允許不依賴泊松比效應(yīng)和復(fù)雜的調(diào)諧切口來設(shè)計旋轉(zhuǎn)焊頭。
此外根據(jù)本發(fā)明，提供了具有兩個極底座的超聲波旋轉(zhuǎn)焊頭。旋轉(zhuǎn)焊頭包括一個具有第一徑向焊接部分和用于接收第一軸向聲能的第一軸向輸入部分的第一半部分。該旋轉(zhuǎn)焊頭進一步包括結(jié)合到第一半部分上的第二半部分。第二半部分具有第二徑向焊接部分和用于接收第二軸向聲能的第二軸向輸入部分。每個半部分含有一個錐形部分，這樣兩個半部分可以將一部分第一和第二軸向聲能轉(zhuǎn)換為徑向聲能。提供多個極底座提高了焊接壓力，并因此增加了施加到焊接的材料上的超聲波能量。
可以理解，上述總體說明和下述詳細說明僅僅是本發(fā)明的示例，它們用于提供用于理解如權(quán)利要求所聲明的發(fā)明實質(zhì)和特征的概述或框架。本發(fā)明包括附圖以提供對本發(fā)明的進一步理解，并且將附圖包含在說明書中并組成為說明書的一部分。附圖展示了本發(fā)明的不同特點和實施方式，并和說明一齊用來闡述本發(fā)明的原理和操作。


通過閱讀以下的描述和附加的權(quán)利要求并通過參考以下的附圖，本發(fā)明的各種優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的，在這些附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明一個較佳實施例的超聲波旋轉(zhuǎn)焊頭的剖視圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的超聲波旋轉(zhuǎn)焊頭半部分的軸對稱視圖；圖3是顯示軸向位移的半部分的有限元分析(FEA)圖；圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的軸向節(jié)點的半部分FEA圖；圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的徑向位移的半部分FEA圖；圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明一個替代實施例的軸向位移的半部分FEA圖；圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明一個替代實施例的徑向位移的半部分FEA圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明一個較佳實施例的旋轉(zhuǎn)焊頭兩個半部分的FEA圖；和圖9是根據(jù)本發(fā)明一個較佳實施例的在激勵中的兩個半部分的FEA圖。
具體實施例方式
參考圖1，圖1示出了用于結(jié)合部件總成的較佳的超聲波旋轉(zhuǎn)焊頭10?？梢岳斫?，盡管在說明焊頭10時談到了焊接多個熱塑性部件(未示出)，但是本發(fā)明并不局限于此。事實上，旋轉(zhuǎn)焊頭10可以應(yīng)用于膜和織物密封工業(yè)之內(nèi)和之外的多種應(yīng)用場合。
可以看出，在一般情況下焊頭10具有一個第一徑向焊接部分12和一個第一軸向輸入部分14。第一軸向輸入部分14操作連接到第一徑向焊接部分12，用于接收第一軸向聲能16。如在下面更詳細描述的那樣，第一徑向焊接部分12和第一軸向輸入部分14較佳地是由相同的基礎(chǔ)材料(如鈦)機器加工而成的統(tǒng)一制件。第一軸向輸入部分14具有由內(nèi)錐形表面18和外錐形表面20確定的第一錐形部分，這樣第一軸向輸入部分14和第一徑向焊接部分12將一部分第一軸向聲能16轉(zhuǎn)換為徑向聲能22。
可以理解，軸向超聲波聲能/運動是從一個或兩個區(qū)域輸入的。這些軸向超聲波能輸入的能量/運動方向顯示為+-Y方向。在這些區(qū)域的一個或兩個中，可以在超聲波旋轉(zhuǎn)焊頭上連接一個合適的半波軸向共振器和/或軸向轉(zhuǎn)換器。
在所示區(qū)域中，從焊頭輸出超聲波能量/運動。輸出的超聲波能量處于徑向或圖中的+-X方向。旋轉(zhuǎn)焊頭的通用理論如下1)通過一個或兩個軸向輸入?yún)^(qū)域輸入軸向超聲波能/運動(+-X方向)；和2)在徑向輸出表面，這些軸向超聲波能/運動的一部分被轉(zhuǎn)換為徑向能量/運動。該能量/運動然后被用于進行需要超聲波能的各種操作(膜/織物密封、塑料結(jié)合)。
重要的是要注意僅僅一部分超聲波輸入能/運動被轉(zhuǎn)換為徑向能量/運動。未轉(zhuǎn)換的能量/運動并未損失，而是以存儲狀態(tài)位于焊頭中。下面對這種存儲進行更詳細的說明。
操作的詳細理論基本上所有的超聲波焊頭都是由圖1所示的兩個相同和對稱的半部分(或半)組成的。這兩個半部分以相同和對稱的方式工作。下面將針對這兩個部分中的一個說明其工作原理。當兩個部分結(jié)合在一起時，然后將這個原理擴展為包括兩個部分的操作。圖2中的44更詳細地顯示了一個半部分的軸對稱視圖。
每個半部分44由兩個半波長部分46、48組成。軸向(+-Y方向)超聲波能量/運動被輸入第一半波長部分46的直線部分。能量/運動通過錐形部分傳送到第一半波長部分46的末端。錐形部分是通過第一角(內(nèi)錐角)和第二角(外錐角)來描述的。錐形部分的效果是以相對于焊頭中心軸線的一定角度傳送輸入能量/運動。錐形部分實質(zhì)上將單純的軸向能量/運動(+-Y方向)變換成在軸向(+-Y方向)和徑向(+-X方向)兩個方向中的合成能量/運動。
在過渡區(qū)域58可以看到在軸向和徑向的合成能量/運動。在過渡區(qū)域58中，焊頭材料開始顯示徑向移動。正如下面將要討論的那樣，在該區(qū)域中的單純軸向能量/運動限于錐形部分內(nèi)徑處的區(qū)域。
第二半波長部分48基本是一個圓柱體，它被用來調(diào)諧以在徑向振動。從過渡區(qū)域58獲得的徑向能量/運動激發(fā)該徑向模式，并且以徑向方式移動整個部分48。
從過渡區(qū)域58進入第二半波長部分48的軸向能量限于圓柱體的內(nèi)徑。該能量/運動在+-Y方向振動焊頭材料。由于整個圓柱體以這種方式振動，位于該區(qū)域中的材料還在徑向(+-X方向)振動。重要的是要注意盡管在該區(qū)域內(nèi)的軸向運動并不用于進行工作(如焊接)，能量也沒有損失。該區(qū)域中的軸向能量僅僅被置于存儲狀態(tài)。
圖3示出了顯示軸向(+-Y方向)位移的有限元分析(FEA)圖。該圖示出了高軸向位移區(qū)域50(高速度區(qū)域)和低位移區(qū)域(節(jié)點)。重要的是要注意高軸向位移區(qū)域50＇具有大負值，而區(qū)域50具有大正值。圖4示出了顯示軸向節(jié)點位置52的圖。
圖3和4說明了軸向運動基本限于從過渡區(qū)域向下的焊頭內(nèi)徑。單純的徑向運動限于在過渡區(qū)域以下的焊頭區(qū)域。存在兩個軸向節(jié)點的事實顯示對于半部分44存在兩個半波長軸向部分46、48。圖3和4還顯示了在半部分上不同區(qū)域之間的相對相位調(diào)整。由于如下兩個原因，焊頭上不同運動區(qū)域的相位調(diào)整是重要的1)它們將確定將焊頭結(jié)合到它自身鏡象上的方法；和2)它們能用于區(qū)分本發(fā)明的焊頭和相似的徑向運動焊頭。
圖3的軸向位移圖示出了在正Y方向的輸入能量/運動。在過渡部分中軸向移動的材料在負Y方向或180°異相移動。在軸向移動的焊頭的底內(nèi)徑上的材料在正Y方向或與輸入運動同相移動。
圖5因此示出了在徑向移動的第二半波長部分48中的焊頭材料在正X方向移動。該徑向運動與輸入運動同相。徑向運動相對軸向輸入運動的相差為0°對于區(qū)分本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)焊頭與常規(guī)焊頭是非常重要的，這些常規(guī)焊頭例如是Nayer等人的美國專利No.5,707,483和Neuwirth等人的美國專利No.5,096,532中提出的焊頭。專利No.5,707,483的旋轉(zhuǎn)焊頭依賴于泊松比效應(yīng)以激勵徑向共振部分。在該裝置中，旋轉(zhuǎn)運動相對于輸入運動的相位差將因此為180°。專利5,096,532的旋轉(zhuǎn)焊頭純粹依賴于泊松比效應(yīng)，其中徑向運動與輸入運動之間也為180°異相。
內(nèi)錐角和外錐角的效果現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1，可以看出內(nèi)錐形表面18相對于焊頭10的軸24形成內(nèi)角，外錐形表面20相對于軸24形成外角。重要的是要注意盡管內(nèi)角和外角可以相同，但較佳地是內(nèi)角和外角不同。特制這些角度以滿足特定應(yīng)用的焊接要求，使得可以將單純的軸向運動轉(zhuǎn)換為徑向運動。因此，第一軸向聲能16被“分解”為具有一個徑向分量和一個軸向分量的能量。在較佳實施例中，外角大約為10度，內(nèi)角大約為12.5度。使用公知的FEA技術(shù)，可以將角度設(shè)計為使得不需要的彎曲頻率離開焊頭10的主共振。
具體地說，在圖2中可以最清楚地看到，內(nèi)角和外角部分地由半部分44焊頭的幾何約束驅(qū)動，部分地由要求外徑的效果和徑向?qū)S向增益驅(qū)動。以下的說明和解釋主要針對于20kHz。
內(nèi)錐角(角度1)主要基于徑向振動圓柱體(第二半波長部分48)的內(nèi)徑。為了使內(nèi)徑的機器加工最容易，該角度的最小內(nèi)徑(“ID”)應(yīng)當為2＂。2＂ID應(yīng)當從半部分44的底部延伸到過渡區(qū)域58的接近位置。半部分44的頂部基本被固定為一個半波長軸向共振器。當角度1變?yōu)榧s22.5°時，在直軸輸入部分內(nèi)留有足夠的材料，以在將結(jié)合栓釘插入到該區(qū)域時不會引起應(yīng)力問題。對于用于操作的設(shè)計，這個角度并不必須精確地為22.5°。只要可以控制焊頭材料的應(yīng)力不超過疲勞極限，此角度的偏差就是可接受的。
外錐角(角度2)主要基于所需的焊頭增益和要求的徑向外徑(“OD”)。在較佳實施例中，角度2大約為10°。降低此角度可導(dǎo)致在過渡區(qū)域58中難以得到適當?shù)慕孛妗Ｈ绻孛嫣?，此區(qū)域中的疲勞應(yīng)力將超過材料的極限。從10°增加該角度將具有如下效果1)會降低增益；2)在徑向焊接表面增加的軸向運動將變得明顯；和3)需要增加焊頭OD以保持相同的共振頻率。
圖6和圖7顯示了其中角度2從10°增加到15°的半部分60。OD要求從5.5＂變?yōu)?.7＂，以補償頻率變化。圖6的軸向位移圖顯示了在徑向焊接表面62處軸向位移的增加。由于典型地僅需要單純的徑向運動，這種效果是不需要的。在此配置中的焊頭增益(軸向輸入位移到輸出徑向位移)從1.2(10°焊頭)的原始數(shù)值降低到0.8。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)角度為10°對于最小化軸向焊接表面運動和最大化徑向-軸向增益是最優(yōu)的。
完整旋轉(zhuǎn)焊頭的操作理論因此，轉(zhuǎn)到圖1，可以看出第一徑向焊接部分12和第一軸向輸入部分14確定了旋轉(zhuǎn)焊頭10的第一半部分28。旋轉(zhuǎn)焊頭10進一步包括連接到第一半部分28上用于將第二軸向聲能32轉(zhuǎn)換成徑向聲能22的第二半部分30。第二半部分30與第一半部分28相同，并提供了許多額外益處。具體地說，第二半部分30具有一個第二徑向焊接部分34和用于接收第二軸向聲能32的第二軸向輸入部分38。第二軸向輸入部分38具有一個內(nèi)錐形表面40和一個外錐形表面42。因此，通過結(jié)合兩個焊頭可以得到一個對稱焊頭，并且可以改進焊接區(qū)域長度和振幅均勻性。例如，由于半部分28、30彼此為180度異相，兩個超聲波運動源(如增壓器和轉(zhuǎn)換器)可用于驅(qū)動焊頭10。另一方面，來自僅一側(cè)的一個超聲波運動源也可以成功地操作焊頭。
圖7示出了完整旋轉(zhuǎn)焊頭的軸對稱剖視圖。完整旋轉(zhuǎn)焊頭包括在旋轉(zhuǎn)運動區(qū)域結(jié)合在一起的兩個對稱半部分44、45。對于將兩個部分44、45結(jié)合在一起進行工作的過程，在結(jié)合部分的運動需要一致(也就是在相同的方向移動)。
較佳地是在結(jié)合區(qū)域中使用電子束焊接技術(shù)將兩個對稱部分44、45結(jié)合在一起。總共兩個制件的設(shè)計使制造容易，并且減少了機器加工。
焊頭的正常操作將包括每個輸入?yún)^(qū)域與另一個輸入?yún)^(qū)域180°異相移動(使用傳統(tǒng)的坐標系統(tǒng))或每個輸入面同時移動離開焊頭中心點。這將允許每個輸入?yún)^(qū)域由一個在相同的電壓波形上操作的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生動力。由于這些輸入運動，來自兩個半部分44、45的徑向面將在正X方面移動。同時在上半部分44底部上的軸向運動區(qū)域會在正Y方向移動，在下半部分54頂部上的軸向運動會在負Y方向移動。顯示這些位移的FEA圖示于圖9。
圖9示出了盡管來自每個半部分的徑向運動是一致的，來自軸向運動的運動卻不同。換句話說，上對稱軸向運動部分在正Y方向移動，而下對稱部分在負Y方向移動。這些軸向運動彼此不一致的事實顯示了調(diào)諧凹口56的目的。沒有凹口56，兩個半部分44、45的不一致的軸向運動將干擾焊頭的固有運動。在每個半部分的徑向振動部分內(nèi)的軸向運動需要自由振動，以合適地存儲軸向能量。
對于此特征的兩個關(guān)鍵尺寸在X和Y方向。這些尺寸的變化控制如下效果1)徑向焊接面均勻性(最小徑向振幅/最大徑向振幅)；和2)高于或低于主共振頻率的不需要的彎曲頻率的控制。
下表顯示了尺寸修改的效果。

當需要不同的徑向焊接表面長度時，需要修改X和Y尺寸。上表顯示了焊接表面為4.5＂的20kHz完整焊頭。20kHz焊頭焊接表面可延伸到5.5＂的長度。在長度大于該長度的情況下，外徑向焊接表面開始以軸向方式由它自身振動(對于軸向共振器長度是調(diào)諧后的半波長)。
繼續(xù)參考圖1，可以看出除提供多個運動源的選項以外，使用兩個軸向輸入部分使得可以從兩個極底座支撐旋轉(zhuǎn)焊頭10。也可以通過將兩個增壓器連接到焊頭10的每個半部分來進行安裝。重要的是要注意使用兩個安裝區(qū)域允許給徑向焊接面施加更大的壓力。更大的壓力使得在每單位時間能夠?qū)⒏髷?shù)量的動力施加到焊接區(qū)域上。因此，這種焊頭安裝技術(shù)的直接益處是增加了要焊接部件的生產(chǎn)率。
因此可以看出在兩個對稱半部分28、30中制造焊頭10使制造更容易。較佳地是將每個半部分28、30單獨機器加工，然后將它們焊接在一起，正如在公知的美國專利No.5,095,188中所示的那樣。一旦焊接在一起，由第一徑向焊接部分12和第二徑向焊接部分34組成的徑向部分是一個被調(diào)諧到所需振動頻率的厚圓柱體。重要的是要注意該圓筒體的軸向長度可以大至約五英寸。
另外，通過在靠近軸向長度中心的內(nèi)徑處使用調(diào)諧切口能提高振幅均勻性。該切口相對于外徑的深度和高度將確定外焊接表面均勻性的數(shù)量。因此，徑向焊接部分12、34具有多個確定調(diào)諧切口的調(diào)諧表面36，這樣徑向焊接部分12、34具有預(yù)定的振幅均勻性。在大多數(shù)配置中，調(diào)諧切口可用于產(chǎn)生85％或更大的徑向焊接表面均勻性。盡管以上討論針對的是20kHz調(diào)諧共振焊頭的尺寸，但是焊頭10可以按比例調(diào)整為約10kHz至約60kHz的任意一個超聲波頻率?？梢酝ㄟ^在外徑上的最終機器加工切口(未示出)得到超聲波旋轉(zhuǎn)焊頭10的最終調(diào)諧。最終的機器加工切口進一步提供了平滑的徑向焊接表面。因此，徑向焊接部分12、34也可具有帶有一個確定外調(diào)諧切口的外調(diào)諧表面(未示出)的外圓柱表面。也可以根據(jù)任何公知的方案機器加工外調(diào)諧切口。在引入作為參考的Neuwirth等人的美國專利No.5,096,532中示出了一種這樣的方案。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以從前述說明中知道本發(fā)明可以由多種形式廣泛地實現(xiàn)。因此，盡管通過特定示例說明了本發(fā)明，但是由于本領(lǐng)域技術(shù)人員在研究附圖、說明書和下述權(quán)利要求的基礎(chǔ)上很容易進行其他修改，因此本發(fā)明的真實范圍并不受此限制。
權(quán)利要求
1.一種超聲波旋轉(zhuǎn)焊頭，包括第一徑向焊接部分；和操作連接到第一徑向焊接部分用于接收第一軸向聲能的第一軸向輸入部分；所述第一軸向輸入部分具有第一錐形部分，以使第一軸向輸入部分和第一徑向焊接部分將一部分第一軸向聲能轉(zhuǎn)換成徑向聲能，徑向聲能與第一軸向聲能同相。
2.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中第一錐形部分包括相對于焊頭軸線形成內(nèi)角的內(nèi)錐形表面；和相對于焊頭軸線形成外角的外錐形表面。
3.如權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中內(nèi)角不同于外角。
4.如權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中內(nèi)角大約為12.5度，外角大約為10度。
5.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中第一軸向輸入部分進一步包括操作連接到第一錐形部分用于接收第一軸向聲能的第一直線部分。
6.如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中第一徑向焊接部分和第一軸向輸入部分確定旋轉(zhuǎn)焊頭的第一半部分，旋轉(zhuǎn)焊頭進一步包括連接到第一半部分用于將一部分第二軸向聲能轉(zhuǎn)換成徑向聲能的第二半部分，第一半部分與第二半部分相同。
7.如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中徑向聲能與第二軸向聲能同相。
8.如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中徑向焊接部分的組合徑向焊接區(qū)域長度大約為五英寸。
9.如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中徑向聲能的頻率為大約10kHz至大約60kHz。
10.如權(quán)利要求9所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中徑向聲能的頻率大約為20kHz。
11.如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中徑向焊接部分具有用于確定調(diào)諧切口的多個調(diào)諧表面，以使徑向焊接部分具有預(yù)定的振幅均勻性。
12.一種超聲波旋轉(zhuǎn)焊頭，包括具有第一徑向焊接部分和用于接收第一軸向聲能的第一軸向輸入部分的第一半部分；和連接到第一半部分的第二半部分，第二半部分具有第二徑向焊接部分和用于接收第二軸向聲能的第二軸向輸入部分；每個所述半部分具有錐形部分，以使半部分將一部分第一和第二軸向聲能轉(zhuǎn)換為徑向聲能。
13.如權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中每一個錐形部分包括相對于焊頭軸線形成內(nèi)角的內(nèi)錐形表面；和相對于焊頭軸線形成外角的外錐形表面。
14.如權(quán)利要求13所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中每個內(nèi)角不同于每個相應(yīng)的外角。
15.如權(quán)利要求14所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中每個內(nèi)角大約為12.5度，每個外角大約為10度。
16.如權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中徑向焊接部分的組合徑向焊接區(qū)域長度大約為五英寸。
17.如權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中徑向聲能的頻率為大約10kHz至大約60kHz。
18.如權(quán)利要求17所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中徑向聲能的頻率大約為20kHz。
19.如權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，其中徑向焊接部分具有用于確定調(diào)諧切口的多個調(diào)諧表面，以使徑向焊接部分具有預(yù)定的振幅均勻性。
20.如權(quán)利要求12所述的旋轉(zhuǎn)焊頭，進一步包括用于安裝所述焊頭的機構(gòu)，以提高焊接壓力和聲能向所述焊接部分的傳送。
全文摘要
超聲波旋轉(zhuǎn)焊頭(10)具有用于將軸向聲能轉(zhuǎn)換為徑向聲能的錐形輸入部分。較佳的旋轉(zhuǎn)焊頭包括具有第一徑向焊接部分和用于接收第一軸向聲能的第一軸向輸入部分的第一半部分(28)。旋轉(zhuǎn)焊頭進一步包括連接到第一半部分的第二半部分(30)。第二半部分具有第二徑向焊接部分和用于接收第二軸向聲能(32)的第二軸向輸入部分。每個半部分具有由內(nèi)錐形表面(18)和外錐形表面(20)確定的錐形部分，使得半部分將一部分第一和第二軸向聲能轉(zhuǎn)換成徑向聲能。每個內(nèi)錐形表面相對于焊頭軸線形成內(nèi)角，每個外錐形表面相對于軸線(24)形成外角。
文檔編號B06B3/00GK1486239SQ02803809
公開日2004年3月31日 申請日期2002年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月29日
發(fā)明者詹姆斯F·謝安, 希爾維J·梅諾飛, J 梅諾飛, 詹姆斯F 謝安 申請人:布萊森超聲波有限公司