專(zhuān)利名稱(chēng)：超聲波焊接機(jī)的阻抗變換型電聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種超聲波電聲換能器，特別是一種超聲波焊接機(jī)的阻抗變換型電聲換能器。
常用的鋁或鋁合金電聲換能器，有電聲轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，但因機(jī)械強(qiáng)度較低，故而輸出功率和適用場(chǎng)合受到限制，而且使用壽命短，特別是工具頭部份容易發(fā)生振裂損壞現(xiàn)象。鈦合金電聲換能器，有電聲轉(zhuǎn)換效率和機(jī)械強(qiáng)度都較高的優(yōu)點(diǎn)，但因?qū)嵤C(jī)械加工困難和材料成本高，所以推廣應(yīng)用存在問(wèn)題。本實(shí)用新型采用黃銅和炭素鋼、不銹鋼或易加工的合金鋼作為原材料，從而成本低、加工容易、機(jī)械強(qiáng)度高，較好地解決了電聲換能器的大功率、長(zhǎng)壽命問(wèn)題，有經(jīng)濟(jì)實(shí)用和推廣應(yīng)用方便的優(yōu)點(diǎn)。由于是兩種不同材料組合而成，所以必須解決兩種不同材料之間的聲阻抗匹配問(wèn)題。
本實(shí)用新型的目的是提供一種采用黃銅和鋼制作的超聲波焊接機(jī)的阻抗變換型電聲換能器，以獲得阻抗匹配的最佳功率傳輸線。
本實(shí)用新型是采用這樣的方法實(shí)現(xiàn)的，采用聲阻抗與壓電晶體比較接近的黃銅材料制作超聲諧振振子，采用機(jī)械強(qiáng)度(或疲勞強(qiáng)度)高的炭素鋼或合金鋼制作超聲工具頭，而在黃銅振子和鋼工具頭之間加入黃銅與鋼的阻抗變換器及鋼振幅放大器，從而獲得兩種不同材料之間阻抗匹配的最佳功率傳輸線，并達(dá)到放大超聲振幅的目的。HPb-59-1黃銅材料的棒中縱波聲速為3100m／s，密度為8．4g／cm3，聲阻抗為2．60×106kg／m2·s；鋯鈦酸鉛壓電晶體的棒中縱波聲速為3200m／s，密度為7．6g／cm3，聲阻抗為2．43×106kg／m2·s。兩者的聲阻抗相當(dāng)接近，因此用黃銅材料制作超聲諧振振子效果良好。炭素鋼的棒中縱波聲速為5050m／s，密度為7．8g／cm3，聲阻抗為3．94×106kg／m2·s，是黃銅聲阻抗的1．62倍，相差較大。如果黃銅和鋼兩種材料簡(jiǎn)單相連，將在兩種材料界面處產(chǎn)生超聲振動(dòng)的大量反射，功率傳輸受阻。為此，引入黃銅阻抗變換器和鋼阻抗變換器，令兩個(gè)變換器的橫截面面積之比等于兩種材料聲阻抗之比的倒數(shù)，即兩個(gè)變換器的聲阻抗與橫截面面積的乘積相等，而且兩個(gè)阻抗匹配器的長(zhǎng)度之和等于超聲波在既定工作頻率時(shí)的1／4波長(zhǎng)。而每一個(gè)阻抗變換器的長(zhǎng)度為超聲波在該材料中波長(zhǎng)的1／8。為獲得足夠大的超聲振幅，在兩個(gè)阻抗匹配器與鋼工具頭之間加入長(zhǎng)度為1／4波長(zhǎng)的鋼振幅放大器，其振幅放大量與鋼阻抗變換器和鋼振幅放大器的橫截面面積之比成比例，振幅放大器的形狀可以是圓柱形的也可以是圓錐形、指數(shù)形、雙曲線形，可按不同的振幅放大量要求選擇采用。
本實(shí)用新型與目前常用的鋁或鋁合金電聲換能器相比，傳輸功率可提高30％以上，而使用壽命可延長(zhǎng)5倍以上。比如一臺(tái)700W的無(wú)紡布在線焊接機(jī)，每隔2秒焊一次，焊接時(shí)間0．2秒，其鋁制電聲換能器一般連續(xù)使用4萬(wàn)次就出現(xiàn)故障，特別是鋁工具頭振裂且焊接效果不甚理想。按照本實(shí)用新型制造的阻抗變換型電聲換能器在超聲功率發(fā)生器的輸出功率增加到900W的情況下連續(xù)工作20萬(wàn)次仍安然無(wú)恙，而且焊接效果明顯比鋁制電聲換能器好。
本實(shí)用新型的具體實(shí)施方法及實(shí)施例由以下附圖給出。


圖1是本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1所連接的鋼工具頭。
圖3是圖2的鋼工具頭側(cè)視圖。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施方法及具體實(shí)施例。
實(shí)施例如圖1所示，采用6片壓電晶體11，3片正電極引線10，4片負(fù)電極引線9，黃銅諧振振子8，黃銅墊片12，鋼螺母13，緊固螺栓14，這些零件組成一個(gè)完整的超聲諧振振子，其長(zhǎng)度L1應(yīng)等于這些不同材料中超聲波的棒中縱波波長(zhǎng)的一半。黃銅阻抗變換器7，其長(zhǎng)度L2應(yīng)等于超聲波在黃鋼棒中縱波波長(zhǎng)的1／8。鋼阻抗變換器6，其長(zhǎng)度L3應(yīng)等于超聲波在鋼棒中縱波波長(zhǎng)的1／8。由黃銅阻抗變換器7、鋼阻抗變換器6、緊固螺栓15組成黃銅和鋼兩種不同材料的聲阻抗變換器。黃銅阻抗變換器7和鋼阻抗變換器6的最大面積之比應(yīng)等于鋼阻抗變換器6和黃銅阻抗變換器7的聲阻抗之比。即應(yīng)滿足條件S銅／S鋼=ρ鋼×V鋼／ρ銅×V銅，其中S銅、ρ銅、V銅分別為黃銅阻抗變換器的橫截面積、密度和黃銅棒中縱波聲速；S鋼、ρ鋼、V鋼分別為鋼阻抗變換器的橫截面積、密度和鋼棒中縱波聲速；且黃銅阻抗變換器的圓柱直徑應(yīng)小于即定工作頻率在黃銅棒中縱波波長(zhǎng)的1／4，黃銅阻抗變換器和鋼阻抗變換器為圓柱形狀時(shí)，其長(zhǎng)度之比為L(zhǎng)2／L3=V銅／V鋼及L2=λ銅／8，L3=λ鋼／8；其中，λ銅、λ鋼分別為超聲波在黃銅棒和鋼棒中的縱波波長(zhǎng)。鋼振幅放大器2，其長(zhǎng)度L4應(yīng)等于超聲波在鋼棒中縱波波長(zhǎng)的1／4，即L4=2L3。鋼阻抗變換器6和鋼振幅放大器2的圓柱截面積之比即為振幅放大量，視負(fù)載對(duì)振幅大小的具體要求而定。固定環(huán)3和固定環(huán)4用來(lái)固定電聲換能器與工作臺(tái)上，緊固螺釘5用來(lái)固定固定環(huán)3和固定環(huán)4，固定環(huán)3和固定環(huán)4的中心線恰好位于超聲振動(dòng)的振幅波谷。
如圖2和圖3所示，鋼工具頭1采用與鋼振幅放大器2相同的材料，其總長(zhǎng)度應(yīng)等于的超聲波在鋼棒中縱波波長(zhǎng)的一半，即L6=L5=L4。L5和L6部分的載面積之比，在充分滿足機(jī)械強(qiáng)度的前提下可盡量取大些，這樣可以減小鋼振幅放大器2的放大量，既可節(jié)省材料，又有利于提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。鋼振幅放大器2和鋼工具頭1通過(guò)緊固螺栓相連接，L7=φ+4。
權(quán)利要求1.一種超聲波焊接機(jī)的阻抗變換型電聲換能器，其特征在于由6片鋯鈦酸鉛壓電晶片(11)和黃銅諧振振子(8)組成超聲波諧振振子，結(jié)合黃銅阻抗變換器(7)和鋼阻抗變換器(6)組成阻抗變換器，阻抗變換器連接于鋼振幅變換器(2)，鋼振幅變換器(2)連接于鋼工具頭(1)。
2.按權(quán)利要求1所述的超聲波焊接機(jī)的阻抗變換型電聲換能器，其特征在于黃銅阻抗變換器(7)和鋼阻搞變換器(6)的阻抗變換器，條件為S銅／S鋼=ρ鋼×V鋼／ρ銅×V銅。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型屬于一種超聲波焊接機(jī)的阻抗變換型電聲換能器,由一組壓電晶體和黃銅諧振振子、黃銅阻抗變換器、鋼阻抗變換器、鋼振幅放大器及鋼工具頭組成。該電聲換能器比常用的鋁制電聲換能器相比,傳輸功率可提高30%以上,使用壽命可延長(zhǎng)5倍以上,而且成本低,加工容易,經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
文檔編號(hào)B06B1/06GK2429292SQ0021238
公開(kāi)日2001年5月9日 申請(qǐng)日期2000年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月23日
發(fā)明者盧明熙 申請(qǐng)人:盧明熙