[发明专利]使用振幅调整的超声波焊接

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2007年8月13日提交的美国实用新型No.11/837.702的继续申请，该申请要求2006年9月1日提交美国临时申请No.60/842,131的优先权。上述申请的公开内容通过引用结合在本文中。

政府权利

美国政府具有本发明的已付费许可，且根据商务部授权的NIST ATP#70NANB3H3015的法律条款，其在有限范围内有权要求专利持有人以合理的条件向他人授权。

技术领域

本发明涉及超声波焊接装置和方法，且更具体而言，涉及通过在平行于工件表面的方向中应用振动进行焊接的超声装置和方法，也称为剪切波振动。

背景技术

图1中示出了典型的超声金属焊接装置100的模型。超声金属焊接装置100的典型组件包括超声波换能器102、变幅器(booster)104以及超声焊头106。变幅器104通过极化固定架(未示出)连接到换能器102和焊头106，该极化固定架固定在圆柱体105的相反端的外圆周边缘处。来自电源101的频率为20-60kHz的电能通过超声波换能器102转换为机械能。超声波换能器102、变幅器104以及焊头106均被机械调谐以与电源的电输入频率相匹配。在超声波换能器102中转换的机械能通过变幅器104和焊头106(一般是1/2波长轴向谐振工具)发射到焊接负载108(诸如两个金属件112、114)。变幅器104和焊头106执行发射机械能以及通过增益因子对来自超声波换能器102的机械振动进行变换的功能。变幅器增益一般是从1:0.5至1:2。焊头增益一般是从1:1至1:3。变幅器和焊头增益具有20μm的峰间值的输出振幅(来自超声波换能器102)，并通过乘以因子来向上或向下调节该振幅。

在焊嘴110上导致的机械振动是执行将金属焊接在一起的任务的运动。基本上，轴向位移由超声波换能器102产生，通过变幅器104在增益方面进行调整，并通过焊头106再次在增益方面进行调整。待焊接在一起的金属件112、114被放置在靠近焊接尖端(焊嘴110)处。当向焊接组套118(超声波换能器102、变幅器104和焊头106)应用垂直力(如箭头116所示)时，焊嘴110将与待焊接的顶部金属件112接触。超声焊头106的轴向振动现在变成施加于顶部金属件112的剪切振动。当焊接夹紧力116增加时，剪切振动将逐渐增加地被传导到顶部金属片112，导致其来回移动。底部金属件114放在焊接砧座120上。顶部金属件112相对于底部金属件114的来回移动将从彼此接触的金属件112、114的表面擦掉氧化物和污染物。处于该剪切运动和夹紧力下一定时间量之后，两个金属件112、114之间的焊接区域中的金属材料变得互相缠绕并最终结合在一起。

焊嘴110处所需的振幅的大小一般是被焊接的材料和进行结合所需的时间的函数。在焊嘴110处使用较大的焊接振幅将导致在超声波换能器102中转换较多的电功率并导致焊接材料在较短时间内结合。在焊嘴110处使用较低的振幅将导致在超声波换能器102中转换较少的电功率并导致焊接材料在较长时间内结合。焊嘴110处的焊接振幅的指定将决定焊头106和变幅器104组合的增益因子的设计，因为超声波换能器102的输出一般是固定的，例如，峰间值为20微米(μm)。

被焊接的材料也将决定在焊嘴110处需要的振幅的大小。在金属焊接中使用的典型焊头振幅的范围为40μm至80μm(峰间值)。在铝的情况下，大于50-60μm(峰间值)的振幅将是有问题的。在较高的焊头振幅，存在着使铝变热并导致其变软的趋势。如果顶部金属件112的界面区域足够软，焊嘴110将插入到顶部金属件112中并削弱母体材料，这会损害焊接质量。为此，典型地，在铝焊接中，一般希望焊头振幅维持在55μm(峰间值)以下。

图2是示出对于使用各种恒定焊接振幅来进行超声波焊接的3mm厚的铝5754样本，焊接强度作为能量的函数的图表。获得的最大焊接强度约为7500牛顿(N)或更小。即，在使用比较高的恒定焊接振幅(64μm)的情况下，焊接强度约为4200N，并且在使用比较低的恒定焊接振幅(40μm)的情况下，焊接强度约为7500N。

发明内容

依照本发明的超声波焊接装置和方法使用振幅调整(amplitude profiling)来获得较高的焊接强度。在焊接周期的初始时期，使用驱动信号驱动超声波换能器，以在焊嘴处产生比较高的焊接振幅。在初始时期之后，使用较低驱动信号驱动超声波换能器，以产生较低的等级，在焊嘴处产生比较低的焊接振幅。