專利名稱：人機工程學焊頭的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及超聲波焊頭，并且更具體地涉及人機工程學超聲波焊頭。
背景技術：
此部分提供了涉及本公開內(nèi)容的背景信息，其未必是現(xiàn)有技術。在從非常低功率的醫(yī)療診斷到改變材料狀態(tài)的高強度工藝的廣泛應用中，超聲波能量都已經(jīng)被證實是有用的工具。金屬的連接——具體地，在電連接中使用的非鐵金屬的連接——是此技術的一種非常有用的應用。通常所使用的涉及熔合金屬的技術——其通過與清潔劑和助熔劑、以及有時候與填充金屬相結合地通過火焰、熱工具、電流或電弧來施加熱而熔合金屬——能夠連接這些金屬，但這些工藝的特征和待連接材料彼此不一致。而且， 使用者已經(jīng)習慣于與熔焊相關聯(lián)的這些問題，以至于這些問題被認為是“正常的”。已經(jīng)證實，電連接中的非鐵金屬的超聲波焊接即使沒有消除所有這些問題，也至少消除了大部分問題。實際上，金屬的超聲波焊接迅速地變成了經(jīng)驗豐富的設計及制造工程師所選擇的工藝。大量的應用場合以及降低的操作費用使得超聲波焊接被廣泛用于布線和互連應用。自從1960年研發(fā)出用于金屬的第一臺超聲波焊接機器并獲得專利權以來，已經(jīng)有了重大的技術進步，其使得此工藝成為實用的生產(chǎn)工具。使用了真空管技術的早期電源不能夠產(chǎn)生高功率級的超聲波能量并且效率低且昂貴。早期的工作局限于研究和研發(fā)，其顯示了該工藝的前景并刺激了進一步的技術研發(fā)。今天，超聲波能量總體上是一種成熟的工業(yè)工具，其應用在非破壞性測試、工業(yè)超聲波清洗、超聲波塑料連接和超聲波金屬焊接。 超聲波金屬焊接能夠有利地為使用者提供包括速度、效率、卓越的焊接質(zhì)量、減少消耗品、 工具壽命長以及能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的優(yōu)勢。一般來說，超聲波能量是以超出可聽聲音范圍——或者說18，OOOHz (18，OOOHz是正常人類聽覺范圍的上閾值)——的頻率工作的機械振動能量。取決于應用情況，通常使用兩個基本頻率20，OOOHz和40，OOOHz?；谒韫β始墶⑺枵駝臃群鸵褂玫某暡üぞ叩拇笮磉M行選擇。頻率是很重要的，因為頻率直接影響可獲得的功率以及工具的尺寸。在較低的頻率下產(chǎn)生并控制高功率級是較容易的。同樣，超聲波工具是尺寸與其工作頻率成反比的共振構件。超聲波能量的產(chǎn)生開始于通過固態(tài)電源將電功率從常規(guī)的50或 60Hz 電能轉(zhuǎn)換成 20，000 或 40，OOOHz
發(fā)明內(nèi)容
此部分提供了本公開的綜合概要，而不是其全部范圍或其所有特征的詳盡公開。根據(jù)本教示的原理，提供了用于在超聲波焊機中使用的、具有有利結構的人機工程學焊頭。人機工程學焊頭包括限定第一縱向軸線的基部結構，其中基部結構可連接到超聲波焊機；以及限定第二縱向軸線的焊嘴安裝頭部。第二縱向軸線相對于第一縱向軸線是成角度的以允許實現(xiàn)待焊接的目標的人機工程學定位。焊嘴安裝頭部能夠操作成支承可移除的超聲波焊接焊嘴構件。人機工程學焊頭還具有使基部結構和焊嘴安裝頭部相互連接的厚度減小的頸部，使得基部結構、焊嘴安裝頭部以及厚度較小的頸部一起傳輸在從約IOKHz 到約60KHz的范圍內(nèi)的超聲波能量，以進行超聲波焊接。根據(jù)本文提供的描述，其他應用范圍將變得更加明顯。此概要中的描述和具體示例僅意在說明，并非要限制本公開的范圍。


本文中所描述的附圖僅為了描述所選擇的實施例，并非為了描述所有可能的實施方式，并且并非意在限制本公開的范圍。圖1是具有根據(jù)本教示原理的人機工程學焊頭的超聲波焊機的立體圖；圖2是本教示的超聲波焊頭的立體圖；圖3是超聲波焊頭的側(cè)視圖；圖4是超聲波焊頭的俯視圖；圖5是超聲波焊頭的焊嘴端視圖；圖6是超聲波焊頭的焊嘴的放大側(cè)視圖；圖7是超聲波焊頭的放大焊嘴端視圖；圖8是形成在人機工程學焊頭中的對準槽的放大視圖；并且圖9是人機工程學焊頭的局部截面圖；在附圖的若干視圖中，相應的附圖標記始終指示相應的部分。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照附圖更加充分地描述示例性實施例。在本文中使用的術語僅為了描述具體的示例性實施例而并不意在限制。除非文章中另外明確地指出，否則如在本文中使用的單數(shù)形式的“一個”、“一種”和“該”也可用于包括復數(shù)形式。術語“包括”及其變型、“包含”和“具有”是包括性的，并且表明存在所提及的特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件，但不排除存在有或附加有一個或多個其他特征、 整體、步驟、操作、元件、部件和/或其組合。當元件或?qū)颖环Q為“接合到”、“連接到”、“耦接到”另外的元件或?qū)?，或直接在另外的元件或?qū)印爸稀?，則其可以是直接接合到、連接到、耦接到另外的元件或?qū)?，或在另外的元件或?qū)又希部赡苁谴嬖谥虚g元件或?qū)?。相比之下，當元件被稱為“直接接合到”、“直接連接到”、“直接耦接到”另外的元件或?qū)樱颉爸苯釉诹硗獾脑驅(qū)又稀?，則不存在中間元件或中間層。用于表述元件之間的關系的其他詞語應當以類似的方式進行解釋(例如， “位于...之間”與“直接位于...之間”相對，“相鄰”與“直接相鄰”相對，等)。如本文中所使用的，術語“和/或”包括相關聯(lián)列舉項中的一個或多個的任一個以及所有組合。
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盡管本文中使用了術語第一、第二、第三等來描述各種元件、部件、區(qū)域、層和/或部分，但這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應受這些術語限制。這些術語僅能用于將一個元件、部件、區(qū)域、層或部分區(qū)別于其他區(qū)域、層或部分。除非由文中明確指出，否則本文中使用的諸如“第一”、“第二”或其他數(shù)字性的術語不暗示次序或順序。因此，下文中描述的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而不偏離示例性實施例的教示。參考附圖，在圖1中具體示出了超聲波半波長共振器系統(tǒng)100和用于為共振器系統(tǒng)供電的裝置——諸如發(fā)電機(未示出)。半波長共振器的特征在于在輸入表面和輸出表面處的縱向運動的波腹區(qū)域以及縱向運動的中間波節(jié)區(qū)域。發(fā)電機將線電壓轉(zhuǎn)換成預定的高頻電信號。預定的頻率通常在1千赫茲到100千赫茲的范圍內(nèi)，優(yōu)選地在20千赫茲到60 千赫茲的范圍內(nèi)。來自發(fā)電機的電信號被提供給電聲轉(zhuǎn)換器110(在一些實施例中，電聲轉(zhuǎn)換器可以與發(fā)電機形成為一體)，電聲轉(zhuǎn)換器110將施加到其輸入端上的電能轉(zhuǎn)換成在轉(zhuǎn)換器的輸出表面處顯示的具有預定頻率的機械振動運動。如果需要，電聲轉(zhuǎn)換器110可以具有傳統(tǒng)的設計。轉(zhuǎn)換器還可以根據(jù)1982年2月9日授予Holze，Jr.的、標題為“帶有斜槽的超聲波共振器(焊頭)(Ultrasonic Resonator (Horn) with Skewed Slots) ”美國專利 No. 4，315，181的教示進行構造。盡管電聲轉(zhuǎn)換器112優(yōu)選的是電聲轉(zhuǎn)換器，但也可以使用磁致伸縮的轉(zhuǎn)換器。仍參照圖1，電聲轉(zhuǎn)換器110可以以可操作的方式耦接到隔板114，隔板114通過螺栓(未示出)將機械振動運動從電聲轉(zhuǎn)換器110傳輸?shù)胶割^10，以用于根據(jù)本教示的原理的超聲波焊接。參考圖2-圖9，焊頭10示出為人機工程學焊頭。本教示的焊頭的人機工程學設計為制造者提供了可靠地組裝部件的最快捷且干凈的方法。此外，如將要描述的，本教示的人機工程學焊頭10限定的形狀有助于由操作者進行安全并且舒適的超聲波焊接， 而不需要進行有害于健康的手部、手腕或身體的扭曲。在一些實施例中，人機工程學焊頭10 是由鈦制成的，但也可以預期其他材料。為此，如圖3-圖5所示，人機工程學焊頭10包括大體為圓柱形的基部結構12，基部結構12終結在安裝面14處。在一些實施例中，基部結構12可以限定約1. 720英寸的直徑。然而，應當意識到該尺寸——包括在本文中提出的其他尺寸——可以根據(jù)設計變化和 /或預期的性能不同而變化。安裝面14包括安裝孔16 (圖9)，安裝孔16形成為帶有螺紋，從而以螺紋連接方式接合轉(zhuǎn)換器112的螺栓，以允許將機械振動能量傳輸?shù)饺藱C工程學焊頭10。人機工程學焊頭10可以進一步限定有頸部18，頸部18從基部結構12大體沿人機工程學焊頭10的縱向軸線延伸。頸部18可以是弓形形狀，并且在一些實施例中，頸部18可以限定約3英寸的半徑。人機工程學焊頭10還可以包括扇貝形部20，扇貝形部20沿頸部18和基部結構 12的一部分延伸。扇貝形部20可以用于從人機工程學焊頭10去除材料，從而調(diào)整對于機械振動的預定響應、減少焊頭質(zhì)量、適應整個裝置包裝等。在一些實施例中，扇貝形部20能夠限定出相對于基部結構12的縱向軸線具有12度斜率的平面。在扇貝形部20和頸部18 之間可以形成連接半徑22。在一些實施例中，連接半徑22可以是約1.250英寸。人機工程學焊頭10可以還包括焊嘴安裝頭部對，焊嘴安裝頭部M從頸部18延伸并且在一些實施例
6中與頸部18 —體地形成。焊嘴安裝頭部M以一定角度傾斜以允許焊嘴構件沈(圖1)以人機工程學的方式定位在焊嘴安裝頭部M上。焊嘴安裝頭部M從頸部18延伸，并且限定了用于定位和支承焊嘴構件沈的平臺觀。平臺28包括第一部分30和第二部分32。第一部分30大體上相鄰于頸部18并且大體上包括圓柱形形狀。在一些實施例中，第一部分30可以包括在第一部分30中切削形成的多個可選的定向表面34。該多個可選的定向表面34可以具有任意鍵接形狀或設計，諸如但不限于切入第一部分30中的四個大體上平坦的表面(見圖7)。應當意識到可以取消多個定向表面34，因此是可選的。第二部分32可以包括具有直徑小于第一部分30的圓柱部分的直徑的圓柱形形狀。焊嘴安裝頭部對的形狀可以尺寸形成為緊密貼合焊嘴構件26的內(nèi)部輪廓，以形成簡單可靠的耦接接口。在一些實施例中，焊嘴安裝頭部M相對于基部結構12的縱向軸線成約8 度到約23度的角度，以在操作期間提供焊嘴構件沈的正確定向和人機工程學定位。此角度也用于在不產(chǎn)生損壞和干涉的情況下提供能夠有效且可靠地傳輸超聲波能量的可靠定向。此外，在一些實施例中，焊嘴構件沈可以由鋼制成，并且焊嘴構件沈可以通過任意傳統(tǒng)的緊固系統(tǒng)——諸如螺栓、摩擦配合、干涉配合等——以可移除的方式與人機工程學焊頭10的焊嘴安裝頭部M耦接。為了將焊嘴構件沈正確地耦接到焊嘴安裝頭部M以允許正確地進行超聲波焊接，焊嘴構件沈被扭轉(zhuǎn)約70-90ft/lbs的扭矩。此設置使得實現(xiàn)了焊嘴構件26與焊嘴安裝頭部M的所需連接。如在圖2、圖3和圖8中最清楚地看到的，為了實現(xiàn)人機工程學焊頭10相對于操作者的適當定向，可能期望確保人機工程學焊頭10旋轉(zhuǎn)到預定的位置。為此，在人機工程學焊頭10的基部結構12中沿縱向方向形成有鍵槽36。鍵槽36可以相對于共振器系統(tǒng)100 中的固定螺釘或其他固定的定向構件(未示出)定位在任意位置處。固定螺釘?shù)某叽缈梢栽O定成確實地容置在鍵槽36內(nèi)以實現(xiàn)預定的定位。在一些實施例中，如在圖8看到的，鍵槽36是成角度的切口。常規(guī)的焊頭大體上關于縱向軸線對稱，并且因此施加在焊頭上的力通常易于建模。然而，由于人機工程學焊頭10的特別形狀，在超聲波焊接過程期間施加的力可能集中在一些區(qū)域，而另一方面，過大的質(zhì)量不會提供太大益處。因此，本人機工程學焊頭的形狀已經(jīng)通過有限元分析進行確認，以在使質(zhì)量最小化的同時提供所需的結構完整性。已經(jīng)出于說明和描述的目的提供了上述實施例的描述。這不是要窮舉或限制本發(fā)明。具體實施例的不同元件或特征大體上不受該具體實施例的限制，而是在適當?shù)那闆r下能夠互換，并且可以用在所選擇的實施例中，即使在沒有具體示出或描述的情況下亦是如此。它們也可以以很多方式變化。這些變體不應認為是脫離了本發(fā)明，并且所有的這種修改應包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種超聲波焊機，所述超聲波焊機包括發(fā)電機，所述發(fā)電機將線電壓轉(zhuǎn)換成預定的電信號； 電聲轉(zhuǎn)換器，所述電聲轉(zhuǎn)換器將所述電信號轉(zhuǎn)換成機械振動運動； 隔板，所述隔板以可操作的方式耦接到所述電聲轉(zhuǎn)換器以傳輸所述機械振動運動； 人機工程學焊頭，所述人機工程學焊頭以可操作的方式耦接到所述隔板以接收所述機械振動運動并將所述機械振動運動傳輸?shù)娇梢瞥暮缸鞓嫾?，所述人機工程學焊頭具有 基部結構，所述基部結構限定第一縱向軸線，所述基部結構耦接到所述隔板； 焊嘴安裝頭部，所述焊嘴安裝頭部限定第二縱向軸線，所述第二縱向軸線相對于所述第一縱向軸線傾斜，所述焊嘴安裝頭部支撐所述可移除的焊嘴構件；以及厚度減小的頸部，所述厚度減小的頸部使所述基部結構和所述焊嘴安裝頭部相互連接；所述基部結構、所述焊嘴安裝頭部以及所述厚度減小的頸部一起頻率在約IOkHz到約 60kHz范圍內(nèi)的所述機械振動運動。
2.根據(jù)權利要求1所述的超聲波焊機，還包括沿著所述厚度減小的頸部的至少一部分延伸的扇貝形部。
3.根據(jù)權利要求2所述的超聲波焊機，其中，所述扇貝形部沿著所述厚度減小的頸部和所述基部結構的至少一部分延伸。
4.根據(jù)權利要求1所述的超聲波焊機，其中所述第一縱向軸線相對于所述第二縱向軸線成約8度到約23度的角度。
5.根據(jù)權利要求1所述的超聲波焊機，還包括鍵槽，所述鍵槽形成在所述基部結構和所述厚度減小的頸部中的至少一個中，所述鍵槽能夠與鍵接合以保持所述人體工程學焊頭的預定方向。
6.根據(jù)權利要求1所述的超聲波焊機，其中，所述焊嘴安裝頭部包括具有第一部分和第二部分的平臺，所述第二部分具有小于所述第一部分的直徑。
7.根據(jù)權利要求6所述的超聲波焊機，還包括至少設置在所述平臺的所述第一部分上的多個定向表面。
8.一種在超聲波焊機中使用的人機工程學焊頭，所述人機工程學焊頭包括基部結構，所述基部結構限定第一縱向軸線，所述基部結構能夠連接到所述超聲波焊機；焊嘴安裝頭部，所述焊嘴安裝頭部限定第二縱向軸線，所述第二縱向軸線相對于所述第一縱向軸線傾斜，所述焊嘴安裝頭部能夠操作成支承可移除的超聲波焊接焊嘴構件；以及厚度減小的頸部，所述厚度減小的頸部使所述基部結構和所述焊嘴安裝頭部相互連接；其中，所述基部結構、所述焊嘴安裝頭部以及所述厚度減小的頸部一起傳輸在約IOkHz 到約60kHz范圍內(nèi)的超聲波能量。
9.根據(jù)權利要求8所述的人機工程學焊頭，還包括 沿所述厚度減小的頸部的至少一部分延伸的扇貝形部。
10.根據(jù)權利要求9所述的人機工程學焊頭，其中，所述扇貝形部沿著所述厚度減小的頸部和所述基部結構的至少一部分延伸。
11.根據(jù)權利要8所述的人機工程學焊頭，其中，所述第一縱向軸線相對于所述第二縱向軸線成約8度到約23度的角度。
12.根據(jù)權利要8所述的人機工程學焊頭，還包括鍵槽，所述鍵槽形成在所述基部結構和所述厚度減小的頸部中的至少一個中，所述鍵槽能夠與鍵接合以保持所述人機工程學焊頭的預定方向。
13.根據(jù)權利要8所述的人機工程學焊頭，其中，所述焊嘴安裝頭部包括 具有第一部分和第二部分的平臺，所述第二部分具有小于所述第一部分的直徑。
14.根據(jù)權利要13所述的人機工程學焊頭，還包括至少設置在所述平臺的所述第一部分上的多個定向表面。
全文摘要
在超聲波焊機中使用的人機工程學焊頭，具有限定第一縱向軸線的基部結構，其中基部結構可連接到超聲波焊機；和限定第二縱向軸線的焊嘴安裝頭部。第二縱向軸線相對于第一縱向軸線是成角度的以允許待焊目標的人機工程學定位。此焊嘴安裝頭部可操作成支承可移除的超聲波焊接焊嘴構件。人機工程學焊頭還具有使基部結構和焊嘴安裝頭部相互連接的厚度減小的頸部，從而基部結構、焊嘴安裝頭部和厚度減小的頸部一起傳輸在約10kHz到約60kHz范圍內(nèi)的超聲波能量，以用于超聲波焊接。
文檔編號B29C65/08GK102421562SQ201080019926
公開日2012年4月18日 申請日期2010年5月5日 優(yōu)先權日2009年5月5日
發(fā)明者吉列爾莫·科托, 理查德·R·漢森 申請人:必能信超聲公司