Устройство для ультразвуковой обработки Советский патент 1980 года по МПК B23K19/04 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОВРАБОТКИ

Изббретение относится к ультразвуковой, обработке материалов и может быть использовано для ультразвуковой сварки интегральных схем Известны электроакустические пьезокерамические Широкополосные преобразователи, в которы с цеглью расширения полосы пропускания в бло ке склеены отдельные пьезоэлементы с различными геометрическими ми в направлении излучения 1. Од.нако при возбуждении таким преобразователем моночастотной волноводноизлучаюЬей системы полоса частот расширяется, но не формируется плоская вершина амплитудно-частотно характеристики механических колебаний. Наиболее близким техническим решени М к изобретению является устройство для ультразвуковой обработ содержащее задающий генератор, блок фазовра шателей, блок, управления, сварочный инструмент, акустическую развязку,выполненную в виде опоры, преобразователь напряжение-сопротив ление, усилитель мощности, волновод но-излучаюшую колебательную систему Включающую в себя колебательные зве нья, соединенные последовательно. каждое из которых состоит из резонатора с пьезокерамическим преобразователем и связки 2. Недостатком известного устройства является низкий КПД ввиду того, что удален от сварочного инструмента, а также низкое качество обработки за счет неравномерности амплитуды механических колебаний в полосе пропускания. Целью изобретения является повышение качества ультразвуковой обработки и КПД путем увеличения амплитуды механических колебаний и улучшения ее равномерности в -полосе пропускания.: Поставленная цель достигается тем, что в устройстве пьезокерамические преобразователи, ближайшие к сварочному инструменту, соединены с выходом усилителя мощности через фазовращатель, а пьезокерамические преобразователи, расположенные в центре волноводно-излучающей системы, подключены к преобразователю напряжение-сопротивление, при этом акустическая развязка закреплена .на связке в звене, максимально удаленном от сварочного инструмента.

На чертеже представлена блоксхема предлагаемого устройства.

Устройство включает в себя задаюишй генератор 1, усилитель 2 мощности, блок 3. фазовращателей, блок 4 управления, преобразователь 5 напряжение-сопротивление, волноводноизлучаюшую систему/ состоящую из четырех последовательно соединенных звеньев. Каждое звено содержит резонаторы 6 и связку 7, при этом акустическая развязка 8 расположена на связке. В волноводно-излучающую систему входят также пьезокерамические преобразователи 9, размещенные между резонаторами соседних звеньев, инструмент 10 для микросварки и свариваемые изделия 11.

Ультразвуковое микрополосное устройство работает следующим образом.

Напряжение задающего генератора I через усилитель 2 мощности и блок фазовращателей 3 возбуждает пьедокермические преобразователи 9 многофазным синхронным напряжением, которые передают механические колебания чере волноводно-излучающую систему сварочному инструменту 10 для введения их в свариваемые детали 11.

Ширина полосы пропускания определяется соотношением коэффициента свя и длин резонаторов и связок в колеба тельном звене. Введение пьезокерамич ческих преобразователей 9 позволяет увеличить амплитуду механических колебаний, в несколько раз по сравнению с тем, когда преобразователь закрепляется в торец крайнего резонатора. Для получения минимальной величины неравномерности частотной характеристики существенное значение имее точность изготовления размеров ре- зонаторов и связок. При этом изменение частотной характеристики рабочег затухания в полосе пропускания определяется частотной расстройкой резон торов и связок, а также неравенством входных и выходных характеристически сопротивлений соседних звеньев изза разброса волновых сопротивлений резонаторов и связок. В этом случае, когда связки представляют собой волн вые элементы с распределенными параметрами, разброс их длины влияет только на полосу пропускания. Измене ние рабочего затухания в полосе пропускания- пренебрежимо мало При разбросе волновых сопротивлений связок происходит некоторое смешение полосы пропускания по оси частот и изменение частотной характеристики механических колебаний в полосе пропускания и изменения сопротивлени Нагрузки получаются значительно меньшими, чем при разбросе размеров резонаторов. Кроме того, для ультразвуковой микросварки полоса частот выбирается.с существенным запасом, поэтому некоторые сдвиги полосы и изменение ее ширины, обусловленные точностью изготовления связок не имеют существенного значения. В связи с этим акустическая развязка 8 волноводно-излучающей системы выполнена в узловой плоскости связи и на максимально возможном удалении от возбуждающих механические колебания пьезокерамических преобразователей.

Разброс размеров резонаторов имее существенное влияние на ширину полосы, сдвиг полосы, величину и неравномерность рабочего затухания в полосе пропускания. При этом максима/1ьное изменение указанных параметров полосы пропускания имеет место при одинаковой величине на разном знаке разброса длин и поперечных сечений резонаторов соседних звеньев. Вид частотной характеристики амплитуды механических колебаний в полосе пропускания зависит не только от величины расстройки при заданном сопротивлении нагрузки, но и от того где находится расстроенный резонатор. При этом наибольшие влияния имеют расстроенные резонаторы, расположенные в центре волноводно-излучающей системы, а минимальное влияние - расстроенные резонаторы в крайних звеньях волноводно-излучающей системы. Расстройка резонаторов, расположенных симметрично относительно средней линии волноводно-излучающей системы, одинаково влияет на вид частотной характеристики. Для макс имального влияния на вид частотной характеристики между резонаторами соседних звеньев, расположенных в центре волноводно-излучающей системы введены пьезокерамические резонаторы 9, замкнутые на преобразователь 5 напряжение-сопротивление. Величина сопротивления преобразователя 5 выбирается напряжением блока 4 управления таким образом, чтобы прира.щения волновых сопротивлений смежных резонаторов и затухание относительно 1эезонаторов без пьезокерамических преобразователей могли изменяться не только по величине, но и по знаку. Если число звеньев четное, то к преобразователю 5 подключен один пьезокерамический преобразователь, а если число звеньев нечетное, го подключаются два центральных пьезокерамических резонатора. Как и в случае разброса размеров связок влияние разброса размеров резонаторов на ширину полосы пропускания и сдвиг средней частоты полосы не имеют принципиального значения для качества сварных соединений, если исходная полоса пропускания выбрала с достаточным запасом. Применени( предлагаемого широкополосного устройства для ультразвуковой обработ ки материалов позволяет улучшить качество обработки и повысить КПД, Например, при испытании указанной волноводно-излучакмей системы получены следующие результаты. Амп литуда колебаний возросла на торце сварочного инструмента в два-три раза по сравнению с возбуждением механических колебаний от пьезокерамического преобразователя, рас:положенного на торце крайнего резо тора первого звена. При соотнесении волновых сопротивлений резонатора и связки, равном 16 полоса состави ла 11% от средней частоты. Использование пьезокерамических резонато ров для регулировки неравномерности механических колебаний позволило снизить ее с 2,8 дБ до 0,6 дБ. При этом происходило сужение полосы до 10%, Формула изобретения Устройство для ультразвуковой обработки, содержащее задающий гене ратор, блок фазовращателей, блок управления, сварочный инструмент, акустическую развязку, выполненную в виде опоры, преобразователь напряжение-сопротивление, усилитель мошности, волноводно-излучающую колебательную систему, включающую в себя колебательные звенья, соединенные .последовательно, каждое из которых состоит из резонатора с пьезокерамическим преобразователем и связки, отличающееся тем, что, с целью повышения качества обработки и КПД путем увеличения амплитуды механических колебаний и ее стабильности в полосе пропускания, пьезокерамические преобразователи, ближайшие к сварочному инструменту, соединены с выходом усилителя мощности через фазовращатель, а пьезокерамические преобразователи, расположенные в центре волноводно-излучающей системы, подключены к преобразователю напряжение-сопротивле.ние, при зтом акустическая развязка закреплена на связке в звене, максимально удаленном от сварочного инструмента. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 459264, кл,В 06 В 1/06, 1975, 2.Авторское свидетельство СССР .10 заявке № 2459524/25-27, :кл.В 23 К 19/04, 1977,