超声波设计（大尺寸超声波手把手教你设计）

超声波设计（大尺寸超声波手把手教你设计）如图 1 所示。焊头的长、宽、厚分别为 L、B、T。设 z 轴为换能器激励方向 在工作频率下 长方形焊头 将在 z 方向产生一阶纵向振动。对于长条形焊头 有 L≥2T B 与 L 可比拟 则焊头在 x 方向的横向振动 对纵向振动的影响可忽略。最后利用该方程研究了开槽数 、槽宽度以及槽长度等因素对焊头振动特性的影 响 。按此方法设计加工了几组大尺寸长条形开槽焊头 实验结果表明焊头共振频率的实测值和理 论值符合很好。

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上一稿提出了一种大尺寸长条形超声塑焊开槽焊头的设计方法 并对其进行了实验验证。首先将 长条形焊头合理划分为若干单元 从而把结构复杂的开槽焊头的设计转化为结构简单的焊头单元 设计;然后将焊头单元和考虑了耦合振动的等截面半波振子比较 利用等效机械阻抗的概念得出了 焊头的频率方程 ;

最后利用该方程研究了开槽数 、槽宽度以及槽长度等因素对焊头振动特性的影 响 。按此方法设计加工了几组大尺寸长条形开槽焊头 实验结果表明焊头共振频率的实测值和理 论值符合很好。

如图 1 所示。焊头的长、宽、厚分别为 L、B、T。设 z 轴为换能器激励方向 在工作频率下 长方形焊头 将在 z 方向产生一阶纵向振动。对于长条形焊头 有 L≥2T B 与 L 可比拟 则焊头在 x 方向的横向振动 对纵向振动的影响可忽略。

由于 y 方向的横向振动 对纵向振动影响较大 通常利用开槽对其加以拟制。设在 y 方向均匀开 n 个槽将焊头分为 ( n 1) 个单 元 每个槽的宽度和长度分别为 w、l2 槽分别距离 焊头输入及输出端面 l1、l3。为保证每个单元完全相 等 还需在焊头横向的两端分别开宽度为w/2 的 槽。这样每个焊头单元为一具有矩形截面的复合阶 梯形变幅杆 假设每个单元两端和中间分别宽 d1、 d2 由上可知: L=l1 l2 l3

由于各个单元间的模式一致 焊头的输出振幅也会振动模式 当结合在一起时 焊头也将具有此模 式 这样焊头的设计将简化为任一单元的设计。此外 比较均匀。为了既能有效抑制横向振动又保证焊头具有一 定刚度 被槽分成的焊头单元宽度一般在 !/8~!/4 ( ! 为焊头一阶纵振模式的波长) 而开槽的较理想 宽度约为!/25~!/20[7] 按照以上准则可确定焊头的 开槽数。由于焊头单元宽度一般不超过 !/4 所以对 其可近似用一维理论分析。图 1 中的任一焊头单元 可看成由三段矩形等截面杆组成

焊头选用铝合金7075（杨氏模量E=7.17*1010N/M2 密度 ρ=2820kg/m3 泊松比 v=0.34) 利用式( 1)～( 3)及( 6) 分别计算了槽的数量 n、长度 l2、宽度 w 不同 时 长条形焊头的谐振长度 L 随焊头宽度 B 的变化

时，长条形焊头的谐振长度L随焊头的宽度B的变化曲线。计算的谐振频率 f=20kHz 为简便取 L1=L3。槽长度和宽度一定的情况下 开槽数不 同时焊头谐振长度随焊头宽度的变化情况。计算中 l2=60mm w=10mm。由图 2 可见 对于如图 1 所示 的开槽焊头 其一阶谐振长度均小于按一维理论计 算的未开槽焊头的谐振长度( 此处为 126mm) 而且 焊头谐振长度随焊头宽度的增加而增加 但增幅逐 渐减小。此外 当谐振频率和焊头宽度一定时 焊头 的谐振长度随着开槽数的增加而减小。

另外用铝合金 7075( 材料同上) 加工了三个不同厚度的焊头 给出了这三个焊头的厚度 T 及实际测量的谐振频率 fm。当焊头厚度不超过四分之一 波长( 此处为 63mm) 时 实测频率和设计频率的偏 差小于 2% 能较好地满足工程应用的要求。

将长条形超声塑焊焊头合理划分为若干相等 单元 利用传递矩阵法推导出了焊头单元的频率方 程。若已知焊头宽度和开槽的数量及尺寸 利用该 方程可方便地设计长条形焊头 从而为长条形开槽 焊头的设计提供了理论依据。本文也通过实例分析 了开槽数、槽宽度及槽长度等因素对焊头尺寸的影 响 可见该方法对焊头的优化设计也具有一定的影响

对开槽后的长条形焊头进行了振动分析 将焊头分 为端部单元体和中间单元体 利用表观弹性法和等 效传输线法 分别给出了四个不同单元体长度和高 度方向的频率方程 利用这些频率方程可以设计长 条形焊头 但是设计过程比较复杂 一些参数的选取 要靠经验 不便于工程应用。本文将长条形焊头通 过合理开槽分成若干相等的单元 利用传递矩阵法 得出了焊头单元的频率方程 为长条形焊头的设计 提供了理论基础。该设计理论计算简单 物理意义 明显 为长条形焊头的工程设计提供了一种简单易 行的方法。

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