[实用新型]超声波焊接机的阻抗变换型电声换能器

说明书

本实用新型涉及一种超声波电声换能器，特别是一种超声波焊接机的阻抗变换型电声换能器。

常用的铝或铝合金电声换能器，有电声转换效率高的优点，但因机械强度较低，故而输出功率和适用场合受到限制，而且使用寿命短，特别是工具头部份容易发生振裂损坏现象。钛合金电声换能器，有电声转换效率和机械强度都较高的优点，但因实施机械加工困难和材料成本高，所以推广应用存在问题。本实用新型采用黄铜和炭素钢、不锈钢或易加工的合金钢作为原材料，从而成本低、加工容易、机械强度高，较好地解决了电声换能器的大功率、长寿命问题，有经济实用和推广应用方便的优点。由于是两种不同材料组合而成，所以必须解决两种不同材料之间的声阻抗匹配问题。

本实用新型的目的是提供一种采用黄铜和钢制作的超声波焊接机的阻抗变换型电声换能器，以获得阻抗匹配的最佳功率传输线。

本实用新型是采用这样的方法实现的，采用声阻抗与压电晶体比较接近的黄铜材料制作超声谐振振子，采用机械强度(或疲劳强度)高的炭素钢或合金钢制作超声工具头，而在黄铜振子和钢工具头之间加入黄铜与钢的阻抗变换器及钢振幅放大器，从而获得两种不同材料之间阻抗匹配的最佳功率传输线，并达到放大超声振幅的目的。HPb-59-1黄铜材料的棒中纵波声速为3100m／s，密度为8．4g／cm³，声阻抗为2．60×10⁶kg／m²·s；锆钛酸铅压电晶体的棒中纵波声速为3200m／s，密度为7．6g／cm³，声阻抗为2．43×10⁶kg／m²·s。两者的声阻抗相当接近，因此用黄铜材料制作超声谐振振子效果良好。炭素钢的棒中纵波声速为5050m／s，密度为7．8g／cm³，声阻抗为3．94×10⁶kg／m²·s，是黄铜声阻抗的1．62倍，相差较大。如果黄铜和钢两种材料简单相连，将在两种材料界面处产生超声振动的大量反射，功率传输受阻。为此，引入黄铜阻抗变换器和钢阻抗变换器，令两个变换器的横截面面积之比等于两种材料声阻抗之比的倒数，即两个变换器的声阻抗与横截面面积的乘积相等，而且两个阻抗匹配器的长度之和等于超声波在既定工作频率时的1／4波长。而每一个阻抗变换器的长度为超声波在该材料中波长的1／8。为获得足够大的超声振幅，在两个阻抗匹配器与钢工具头之间加入长度为1／4波长的钢振幅放大器，其振幅放大量与钢阻抗变换器和钢振幅放大器的横截面面积之比成比例，振幅放大器的形状可以是圆柱形的也可以是圆锥形、指数形、双曲线形，可按不同的振幅放大量要求选择采用。

本实用新型与目前常用的铝或铝合金电声换能器相比，传输功率可提高30％以上，而使用寿命可延长5倍以上。比如一台700W的无纺布在线焊接机，每隔2秒焊一次，焊接时间0．2秒，其铝制电声换能器一般连续使用4万次就出现故障，特别是铝工具头振裂且焊接效果不甚理想。按照本实用新型制造的阻抗变换型电声换能器在超声功率发生器的输出功率增加到900W的情况下连续工作20万次仍安然无恙，而且焊接效果明显比铝制电声换能器好。

本实用新型的具体实施方法及实施例由以下附图给出。

图1是本实用新型的总体结构示意图。

图2是图1所连接的钢工具头。

图3是图2的钢工具头侧视图。

下面结合附图进一步说明本实用新型的实施方法及具体实施例。

实施例