[发明专利]具有保持器的超声振动单元

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声振动单元，包括转换器和选配地通过变幅器连接到转换器的超声焊极，其中超声焊极具有大致呈圆柱形表面形式的密封表面，且超声振动单元具有用于将超声振动单元固定到超声焊接装置的机器台架的保持器。

背景技术

超声焊接是一种连结塑料材料的方法。超声是可听极限以上的机械振动。频率范围开始于约20kHz并延伸到1GHz的频率。这种超声频率通常通过压电声换能器(转换器)从电能产生。该机械振动能通过可能通过变幅件(变幅杆)连接到转换器的超声焊极施加到所要处理的工件或材料。用于与所要处理的材料接触的超声焊极的表面也称为密封表面。

因此，超声振动单元具有运行时振动的结构并由转换器、选配的变幅件和超声焊极构成。

为了有效地通过超声振动单元传递超声振动，必须使超声振动单元呈现谐振状态。根据超声振动单元的结构，有多个自然频率。仅在转换器产生超声振动单元的自然频率时，才发生振动单元的谐振振动。因此，转换器和超声振动单元必须彼此调谐。

严格地说，谐振频率与自然频率稍有不同，因为任何实际系统都是衰减的。但是此后——也是本文中通常的情况——术语谐振频率和自然频率用作同义词。

超声振动单元的最重要自然频率通常是在超声振动单元内产生具有波节和波腹的持续纵向振动的自然频率。在该情况下，在超声焊极端部处出现相应波腹。

产生相应超声激励频率的转换器连接到端部之一。选配地连接在转换器与超声焊极之间的是改变超声振动的振幅但不改变频率的变幅杆或变幅器。提供变幅杆不影响超声焊极的自然频率且因此不影响纵向振动的振动波节的位置。

对于许多使用情况，变幅件和超声焊极是一件，即是说它们可不再视觉地区分。因此，为了将超声焊极与变幅件区分开，必须确定纯纵向摆动的振动波腹的位置。超声焊极总是包括密封表面。沿纵向从振动最大值延伸到振动最大值且不影响纯纵向振动的自然频率的任何部分不是超声焊极的一部分。相反，如果某部分影响纯纵向振动的自然频率，即是说不能基本上不改变自然频率而去除，则其属于超声焊极。

当通过超声处理材料时，一般而言所要处理的材料定位在超声焊极与也称为砧台的配套工具(其不属于振动结构)之间。然后与所要处理材料接触的超声焊极将超声能量传递到所要处理的材料，所述材料例如由此焊接或切断。使材料腹板塑性化所需要的热量由超声振动向摩擦能的转换而产生。因此通过界面和分子摩擦产生热，这使得塑料材料开始熔化。

对于大多数超声焊极，使用纵向超声振动通过密封表面进行能量传递。

但是，也有具有密封表面的超声焊极，该密封表面基本上是圆柱形周向表面的形式，其使用相对于超声振动传播的纵向横向产生的径向超声振动进行能量传递。这些超声焊极通常包括大致杆形部分和轮形或钟形部分，转换器和选配的变幅杆连接到该大致杆形部分，轮形或钟形部分径向突出超过杆形部分。轮形或钟形部分具有密封表面。

这些超声焊极通常具有两个主要自然振动模式。

一个自然振动模式基本上对应于杆形部分的纵向谐振振动。该谐振振动具有相对大的纵向振动振幅。但是还与之关联的是材料沿横向，即垂直于杆轴线的强制影响。该强制影响表现为相对于杆轴线径向传播的厚度振动。厚度振动的振幅相对低，其结果是纵向振动中包含振动系统中振动能的主要部分(90％以上)。

另一个自然振动模式基本上对应于轮部分的径向振动的谐振。与之关联的是沿纵向方向的相对轻(强制)的振动。在该自然振动模式中，径向振动中包含振动系统中振动能的主要部分(通常90％以上)。

在转动焊接的情况下，使用第二自然振动模式，因为通过在超声焊极的杆形部分中产生相对小的纵向振动可在超声焊极的轮部分中产生相对大的径向振动。

因此，已知具有呈圆柱形表面形式的密封表面的超声焊极，其用于材料的移动腹板的连续超声处理。操作时，这些超声焊极绕其纵向轴线转动，使得呈圆柱形表面形式的密封表面以与所要处理的材料腹板大致相同的速度移动。因此，在这些超声焊极的情况下，仅密封表面的小部分与材料腹板接触。

超声单元，即振动结构，必须保持相对于所要处理的材料或材料腹板适当定位。在该方面，对超声单元的保持器有很高的要求，因为一方面保持器必须确保密封表面必须相对于所要处理的材料精确地保持在位，而另一方面，超声单元必须保持可振动使得仅超声能的可忽略部分传递到机器台架。