具体实施方式

尽管将结合某些优选实施方式描述本发明，但是应当理解的是，本发明不限于那些特定实施方式。相反，本发明旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有替换方案、修改方案和等同方案布置。

本公开提供了用于限定焊接和保持端点的新条件。这些条件在接合过程的最终目标是确保要邻接的零件特征彼此完全接触的应用中特别有用。这些新方法将有帮助的其它应用包括但不限于超声切割和密封、超声插入、超声辅助加工、超声铆接和本领域已知的其它类似方法。本公开可应用于超声焊接系统，其包括传统的独立超声焊接压力机或包括可移动超声焊接堆叠部的任何其它设备，该可移动超声焊接堆叠部对进行焊接的零件施加受控的力、速度或力和速度的组合。这些构思同样可应用于超声焊接堆叠部是静止的且进行连接的零件以受控的力、速度或力和速度的组合相对于堆叠部移动的系统。

现在转向附图并首先参考图1A至图1C，描述了一种说明性的超声焊接机，其可用于本公开的各种实施方式。例如，这种说明性的超声焊接机可包括超声焊接“堆叠部”10，超声焊接“堆叠部”10通过双向、电动线性致动器11(图1B)安装用于受控制的竖直运动。下面将结合图1C更详细地描述堆叠部10。致动器11可安装在主壳体12内，主壳体12还支承包括用于焊接压力机的电源和电子控制的辅助壳体13。在该构思的一个变型中，壳体12和辅助壳体13可结合成一个结构。待焊接工件W1和W2(图1C)可安装在超声波堆叠部10下方的固定夹具中，以及致动器11可使堆叠部10向下抵靠上部工件W1前进。堆叠部10的下端向下压靠在工件W1上，以将上部工件W1压靠在下部工件W2上，同时对工件W1施加机械振动，以实现将两个工件W1和W2连接在一起的所需焊接。

主壳体12安装在框架上，该框架包括从底座15向上延伸的竖直柱14，底座15承载用于接收和支承待焊接工件的夹具。壳体12通常可调节地安装在柱14上，以允许为不同的工件调节整个壳体12的竖直位置。控制面板16设置在底座15的前部上。

超声焊接堆叠部10包括以下三个部件(参见图1C)：将电能转换为机械振动的机电换能器20；用于改变由换能器20产生的机械振动的增益(即，输出幅度)的增强器21；以及用于将机械振动从增强器21传递到待焊接零件的焊头22。

如图1C所示，换能器20可包括用于附接高压同轴电缆24的连接器23，高压同轴电缆24传递用于激励换能器20的高频电信号。该信号可由单独的超声信号发生器(未示出)提供。也可使用可替代的连接方法，以允许更容易地拆卸和安装换能器。换能器20可产生超声振动，如将电能转换为机械运动的Langevin压电转换器。在20kHz的典型频率，施加至换能器20的功率范围可从小于50瓦特直到5000瓦特。注意，对于在本发明的焊接过程中经常使用的其它频率和功率水平的换能器，同样构思也成立。

换能器20可由多个标准压电陶瓷元件制成，这些压电陶瓷元件由薄金属板分开，在高压下夹紧在一起。当交流电压施加至陶瓷元件时，产生相应的电场，这导致陶瓷元件的厚度变化。这种厚度变化引起压力波，该压力波通过材料传播并由换能器的金属块的端部反射。当将组件的长度调谐到其激励频率时，组件谐振并变为驻波源。来自20-kHz换能器的输出幅度通常为约20微米(0.0008英寸)。该幅度需要通过增强器21和焊头22放大，以对零件W1和W2进行有用的工作。增强器和焊头用作声波导或变压器，以放大超声振动并将其聚焦到工件上。

增强器21的主要功能是改变堆叠部10的增益(即，输出幅度)。如果堆叠部增益大于1，则增强器正在放大，而如果堆叠部增益小于1，则增强器正在减小。在20-kHz下的增益典型地在从小于一半到大约3的范围内。

焊头22通常不能被夹紧，因为焊头必须自由振动，因而仅固定换能器20和增强器21。因而，增强器的第二功能(有时也是唯一的目的)是提供附加的安装位置，而不改变当固定在压力机中时堆叠部的放大。在换能器与焊头之间增加中性或联接增强器，并通过安装环安装在压力机中，该安装环放置在节点处(其中驻波具有最小的纵向幅度)。

焊头22具有三个主要功能。首先，焊头22通过直接物理接触将超声机械振动能量(源自换能器20)传递到热塑性工件(W1和W2)，并将能量定位在将发生熔化的区域中。其次，焊头22放大振动幅度，以为热塑性工件和焊接过程要求提供所需的尖端幅度。第三，当接合表面熔化时，焊头22施加迫使焊接所需的压力。

焊头是精密加工的，并且通常设计成在15kHz、20kHz、30kHz、40kHz、50kHz或70kHz下振动。频率越高，声波长越短，因此焊头越小。焊头的调谐通常使用电子频率测量来完成。焊头通常由高强度铝合金或钛制成，这两种材料都具有优良的声学性能，以便以很小的衰减来传输超声能量。

根据过程要求，存在许多不同的焊头形状和样式。影响焊头设计的因素是待焊接材料和装配方法。焊头必须放大机械振动，使得振幅足以在热塑性工件的界面熔化热塑性工件，以及焊头的增益由其轮廓确定。在20kHz下，焊头尖端处的振幅典型地在30微米到125微米的峰值到峰值(1.2到5.0千分之几英寸)的范围内。在替代变化中，焊头可设计成采用增强器的形式，并结合稳定和焊接的功能。在该变型中，省去了增强器，并且在增强器安装环区域的位置将焊头固定在压力机中。

随着频率增加，振幅减小。较高的频率被用于薄材料和精细部件的缝合，该缝合不需要大量的振幅。由于焊头在较高频率下变得更小，因而也可实现更接近的间隔。

塑料焊接是超声波组装最常见的应用。为了进行超声波塑料焊接，使焊头的尖端与上工件W1接触，如图1C所示。施加压力，超声波能量穿过上部工件，从而增加两个工件的接触点处的动能(或热量)。该热量熔化工件之一上的塑料模制脊状部，并且熔融材料在两个表面之间流动。当振动停止时，材料固化形成永久结合。

尽管为了本申请的目的在上面讨论了说明性的超声焊接，但是任何超声焊接都可用于本公开的系统和方法。可在例如Klinstein等人的文献中找到对焊接过程的物理部件和控制系统的附加讨论(第8,052,816B1号美国专利)。

图2A至图2D示出了可在一个或多个待焊接零件上发生的示例性物理变化的小子集。

图2A是由盖102和主体103组成的一组待焊接零件的图示。盖包括能量导向器102a，图2B中示出了能量导向器102a的剖视放大图。在焊接之前，零件彼此相对放置，如图2C的剖视特写图所示。接合过程的目的是当能量导向器在焊接阶段完全消耗或熔化时，使盖102上的表面106邻接主体104上的表面108，如图2D所示。实际上，能量导向器的几何形状可从一个零件到另一个零件变化，如图3A至图3B所示，其中，图3A示出了具有标称高度X的完全形成的能量导向器，以及图3B示出了具有较小高度Y的部分形成的能量导向器，这可能由于模制过程中的不一致而发生。

用于结束焊接的常规技术都不能一致地实现表面106和108对于每组零件均彼此接触的焊接目标。例如，如果使用从焊接开始横穿预定距离的条件来结束焊接，并且如果将该距离设定为标称能量导向器高度，则在能量导向器较短的零件上，在焊接结束时在表面106和108之间将存在间隙。如果焊接过程使用从焊接开始等待经过的时间的条件，则在表面106和108之间将类似地存在间隙。甚至当达到预定水平的超声功率或从焊接开始输出的预定水平时，结束焊接也不准确。超声功率可能随时间漂移，诸如因为在使用过程中超声焊接堆叠部的温度变化，导致不一致的焊接结果，其中在某些情况下焊接装配中的零件完全就位，而在其它情况下具有间隙。

在另一个实例中，如果焊接要在达到预定的压制位置的条件下结束，则沿着表面106在底座处比其它能量导向器宽的能量导向器将不会均匀地进行焊接，使得表面106直接邻接表面108。

图2A至图3B示出了现有技术中的示例性情况，其中用于结束连接过程的焊接阶段和保持阶段的传统方法会不适当。尽管上面参考图2A至图3B描述了物理变化的小子集，但其它变化可包括高度、宽度、体积、尺寸和形状的变化。待焊接的零件也可为不同的材料，或具有其它变化的几何特性。如超声焊接领域的技术人员所知，尽管图2A至图3B主要讨论能量导向器中的变化，但变化可发生在塑料部件的任何高度、孔的直径、任一工件的密度、孔中的碎屑的量以及其它类似的变化。这些变化可例如由于模制过程中的变化或在零件的运输或处理期间的损坏而发生。焊接过程中的附加变化可为待焊接零件中的任何其它几何或材料特性变化，如本领域技术人员已知。当使用用于结束焊接阶段和保持阶段的常规条件时，所有这些变化均可在焊接过程中引起不一致。

本公开提供了一种自动焊接过程，该自动焊接过程能够一致地焊接具有不同物理特性的零件，使得第一工件的第一表面平滑地邻接第二工件的第二表面。图4提供了根据本发明实施方式的用于超声焊接方法的示范性方法400。

方法400开始于步骤410，使超声焊接堆叠部压靠第一工件。因此，第一工件可与第二工件接触。

在第一工件和第二工件之间接触之后，方法400可进行到步骤420并开始焊接阶段。焊接阶段可通过从超声焊接堆叠部向第一工件输出能量开始。

在开始焊接阶段之后，方法400可在步骤430处设置为监测感测到的参数。监测可由至少一个传感器完成。该至少一个传感器可位于焊接堆叠部上或附近，或位于该对工件中的至少一个上或附近。该至少一个传感器可配置为测量各种参数，该参数包括焊接力、焊接力变化率、超声功率、超声功率变化率、超声能量、超声能量变化率、速度或速度变化率中的至少一个。

在步骤430的一些示例中，监测可在时间延迟之后进行。该时间延迟可为足够长的时间，以便完成条件。例如，时间延迟的长度可为第一工件在开始焊接阶段之后移动预定距离的时间长度。在其它实例中，时间延迟可为从焊接开始的预定经过时间。在其它实例中，时间延迟的长度可为超声焊接堆叠部移动到设定的压制位置的时间长度。在其它实例中，时间延迟的长度包括在开始焊接阶段之后焊接阶段的能量输出达到预定能量水平的时间长度。

监测任何感测到的参数可延迟，直到时间延迟结束。

在完成步骤430中的监测之后，该方法可设置为在步骤440中确定感测到的参数是否已达到预定水平。

在步骤440的一些示例中，确定感测的参数是否已达到预定水平可包括在时间延迟结束时确定感测的参数。这可产生感测参数的“第一”值。预定水平可基于感测参数的“第一”值。

在确定感测到的参数已达到预定水平之后，该方法可在步骤450处设置为结束焊接阶段。

在方法400的一些实例中，该方法还包括对多个工件执行压靠、施加、开始、监测、确定和结束的步骤。该多个工件中的每个工件均可与该多个工件中的至少一个其它工件在形状和尺寸上具有物理变化。对于多个工件中的每个工件，预定水平可为相同的水平。这意味着超声压力机不需要在成对的工件之间重新校准。

因此，根据本公开的实施方式的示例性方法能够以比传统方法更精细的公差、更高的精度和更低的误差率焊接工件。

方法400的另外的实施方式可设置为确定何时结束焊接过程的保持阶段。例如，在一些应用中，希望在达到完全接合深度之前结束焊接阶段，而是在保持阶段期间达到完全深度，在保持阶段中，焊头在超声能量停止之后继续将零件压在一起。对于这些应用中的任何一个，参考焊接阶段的结束(以上关于步骤430-450)描述的构思同样适用于结束保持阶段。对于在其上控制压力的焊接系统，基于速度或速度变化率的用于结束保持的条件可类似于基于压力或力变化率的用于控制压力速度的系统的条件。

在一些实例中，当已达到预定水平的力时、当已达到预定水平的力变化率时、当已达到预定水平的速度时、和/或当已达到预定水平的速度变化率时，保持阶段可结束。

在一些实例中，当已达到感测参数的预定相对水平时，保持阶段可结束。相对水平可参考在焊接阶段结束时感测的感测参数的水平。在这些例子中，所感测的参数可为力、力变化率、速度和/或速度变化率。

参考图5至图11B，下文进一步讨论方法400的步骤的各种附加实施方式。

图5提供了在焊接过程期间在一段时间内的力的说明性实例。图5示出了施加在进行焊接的零件上的力与用于典型焊接的时间的关系，该典型焊接在时间t_t开始，并且在时间t_we结束。在该示例中，用于结束焊接的条件是力达到预定水平F_we。用于结束焊接的这种方法有益于在参照图2A至图3B所述的零件的焊接中获得一致的结果。在接合过程的目标是使表面106和108邻接的应用中，当这些表面彼此接触时，力相对急剧地增大。通过确定适当的预定水平的力，该力确保表面106和108彼此完全靠着就位，并且当达到该水平的力时结束焊接，即使当能量导向器的几何形状变化时，特别是其高度变化时，从一个组件到另一个组件的连接过程的目标也一致地实现。

因此，图5示出了当已达到预定水平的力(例如F_we)时，焊接阶段如何结束。

图6A至图6B示出了具有关于力和力变化率的数据的示例性曲线图。在本公开的一些实例中，如上文关于图6A至图6B所论述，本发明可设置在达到预定水平的力变化率时结束焊接阶段。图6A示出了施加在进行焊接的零件上的力与用于典型焊接的时间之间的关系，该典型焊接在时间t_t处开始，并且在时间t_we处结束。图6B示出了相应的力变化率与时间的关系，该关系是图6A的斜率。在该示例中，用于结束焊接的条件是力的变化率达到预定水平F’_we。

这种构思有利于获得一致的焊接结果的一种应用是超声铆接。图7A示出了设计成通过超声铆接连接的两个零件的剖视特写图。下部零件704包括柱状部704a，以及上部零件702包括孔702a，在如图7B所示的铆接之前，柱状部通过孔702a插入。在铆接操作期间，振动的超声波焊头压靠在柱状部的顶部，从而赋予能量以熔化尖端处的柱状部。在焊接操作结束时，完全形成柱状部，从而捕获上部零件，如图7C所示。铆接过程的目的是完全地形成柱状部，牢固地抓住上部零件，并提供良好的接合美学外观，这包括保持上部零件上围绕所形成的柱状部的区域不会由于接合过程而变形。

零件变化在这种类型的应用中是常见的，包括上部零件702的厚度708、下部零件2的柱状部的高度710和直径706、以及两个零件的材料特性，如图7A所示。作为结果，在焊接循环期间，当零件使用电动压力机连接时，如图8A至图8B所示，在焊接循环期间的力可从一组部件到另一组部件变化，其中压制速度在电动压力机上进行控制。

图8A示出了两个不同焊接循环的力对时间的关系，这导致了最佳焊接接头，其中与在循环2中连接的那些零件相比，在循环1中连接的部件组中存在几何变化。图8B示出了所得的力变化率与时间的关系。焊接从时间t_t开始，对于周期1，焊接在时间t_1we结束，以及对于周期2，焊接在时间t_2we结束。对于两个循环，力曲线均从相同的初始值F_t开始，然后由于零件差异而分叉，从而在焊接完成时在不同的水平结束。然而，力曲线的大致形状相似，特别是在焊接的后半部分。在两个焊接结束附近，当所形成的柱状部与上部零件的顶部接触时，力突然上升。力变化率的结果曲线相似。在两个焊接结束附近，这些曲线实际上是相同的，但是在时间上稍微偏移，从而允许使用相同的预定水平的力变化率F’_we来在最佳点处结束两个焊接。因此，使用达到预定的力变化率来结束焊接的条件允许一致地实现超声堆叠部操作的目标，即使在接合的零件中存在变化时也是如此。

图9A至图9B示出了具有关于力和距离对时间的数据的示例性曲线图。在本公开的一些实例中，如上文关于图6A至图6B所论述，本公开可设置为评估焊接过程是否应该在延迟之后完成。例如，如以上关于方法400所讨论的，焊接过程可延迟评估感测的参数是否已达到预定水平，直到焊接阶段的某一部分已完成。图9A示出了当从焊接开始所经过的距离已达到预定值D₁时延迟可结束的示例。图9A示出了从焊接开始所经过的距离与典型焊接的时间之间的关系，其中该典型焊接在时间t_t处开始并在t_we处结束。图9B示出了延迟可为设定的时间段并且当力在t₁之后达到预定水平F_we时焊接过程可结束的例子。图9B提供对应于图9A的数据。在本公开的一些示例中，焊接过程可等待，直到从焊接开始所经过的距离在t_t处达到预定值D₁，然后当力达到预定水平F_we时结束焊接。

该构思在用于结束焊接的所需标准达到预定水平的力的应用中非常有用，但是在焊接的早期部分期间的力高于该预定力，特别是在对压制速度进行控制的电致动压力机上。在参照图9A至图9B所引用的示例中，焊接阶段早期的力超过用于结束焊接的预定水平的力(F_we)。如果在本申请中用于结束焊接的标准仅由达到预定水平F_we的力组成，则焊接将在时间t_p过早地结束，从而导致零件之间不完全接合。然而，通过延迟评估力是否已达到预定值F_we的过程，直到焊缝的一部分已完成之后，在这种情况下，直到从焊缝开始所经过的距离达到D₁，焊缝在期望的点处结束，从而形成完整接合。

尽管针对图9A至图9B的力讨论了本公开的示例性实施方式，然而感测到的参数也可为力的变化率。与在测量力时延迟对焊接阶段的监测类似，本公开可设置为在已达到力变化率的预定相对水平时结束焊接阶段，其中对力变化率是否已达到预定相对水平的评估过程延迟，直到焊接阶段的某一部分已完成，其中相对水平参考在延迟结束时感测到的水平。在一些实例中，当从焊接开始所经过的距离已达到预定值时，延迟可结束。

尽管针对图9A至图9B的力和力变化率讨论了本公开的示例性实施方式，本公开还考虑了感测到的参数可为超声功率变化率，超声能量变化率、速度或速度变化率。

图10A至图10B示出了延迟评估感测到的参数是否已达到预定水平的过程的另一示例。图10A示出了从焊接开始所经过的距离与典型焊接的时间之间的关系，该典型焊接的时间在时间t_t开始并在t_we结束。图10B示出了相应的力与时间的关系。在焊接过程中，从焊接开始所经过的距离在时间t₁达到D₁的值，此时力为F₁。在该示例中，用于结束焊接的条件是在延迟(F₁)结束时采样的力的水平之上力增加ΔF_we，这在从焊接开始所经过的距离达到预定值D₁时发生。

通过使用这种构思，在进行接合的零件的几何形状和材料特性的变化引起焊接过程中的力从一组零件到另一组零件变化的应用中，特别是在对压制速度进行控制的电动压力机上，可获得一致的焊接结果。

图11A至图11B示出了从焊接开始所经过的距离和两个不同接合循环的焊接阶段的力对时间的曲线图，这两个不同接合循环的焊接阶段导致了最佳焊接接头。对于两个循环，力曲线在相同的初始值F_t处开始，然后分叉，从而在焊接完成时在不同的水平处结束。然而，力曲线的大致形状相似，特别是在焊接结束附近。在延迟结束时对每个周期中的力进行采样，在这种情况下，该延迟包括从焊接开始到D₁(在t₁)所经过的距离。对于周期1，此时的力是F₁，而对于周期2，此时的力是F₂。由于从该点到焊接的最佳端部的力的相对变化对于两个循环基本上相同，基于力的相对变化结束焊接的相同条件可用于结束两个焊接。在该示例中的条件是达到预定的相对力水平ΔF_we，预定的相对力水平参考在延迟结束时采样的水平。因此，当力从F₁增加ΔF_we时，循环1的焊接结束，而当力从F₂增加相同量的ΔF_we时，循环2的焊接结束。即使在焊接期间，特别是在焊接结束时的力是不同的，两个循环均产生最佳结果。

使用预定的相对力水平而不是绝对水平的第二个好处是自动补偿力传感器不精确的方面。与许多类型的传感器的情况一样，力传感器可随时间漂移，诸如在其输出范围内的所有测量中产生偏移。例如，力传感器在初始校准之后，精确地测量10磅和30磅载荷，现在分别为相同的物理载荷给出12磅和32磅的读数，已经在其所有测量中产生了2磅的偏移。当在用于结束焊接的标准中使用绝对水平的力时，这种漂移会带来问题。然而，当使用相对力水平时，无论是否存在偏移，测量水平与参考水平之间的力的净变化都是相同的。在上面引用的示例中，30磅与10磅之间的差为20磅，等于32磅与12磅之间的差。因此，这种类型的漂移不会对焊接质量有不利影响。

本发明的构思不限于超声焊接，而是可有利地结合到其它焊接过程和焊接设备中，诸如但不限于摩擦焊接或扩散焊接。