本发明涉及焊接装置，具体涉及一种夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器及方法。
背景技术：
1、随着硬脆性复合材料应用的日益广泛，其加工难度及要求不断提升。大功率超声焊接换能器作为超声波焊接技术的核心，至关重要。然而，传统换能器因仅支持单一振动模式，难以应对复杂焊接需求。针对此，技术人员进行了探索，如中国专利cn115971631a公开的装置及方法，虽在焊接方向及焊头更换上有所改进，但仍面临挑战：纵-扭复合振动实现效率低且复杂；共同节点处振动能量放大受限；扭转与纵向振动组件供电无法独立控制，导致振动模式切换不灵活；控制精度不足，切换过程不够平滑稳定。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器及方法。
2、本发明采用的技术方案如下：
3、一种夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器，包括如下部件：
4、连接杆，呈长条杆状，其中部凸起形成台肩，台肩两侧套接有绝缘套筒；
5、扭转振动组件，呈分体式环状，其装配于台肩前侧的绝缘套筒外部，包括两个扭振压电陶瓷片，用于产生轴向极化的超声波振动；
6、纵向振动组件，呈一体式环状，其装配于台肩后侧的绝缘套筒外部，包括两个纵振压电陶瓷片，用于产生切向极化的超声波振动；
7、预紧支撑组件，包括位于连接杆两侧的前端盖和后端盖，以及锁紧后端盖与连接杆的预紧螺帽；扭转振动组件、纵向振动组件均通过预紧支撑组件夹持于连接杆上，构成夹心式纵-扭复合振动结构；
8、变幅杆，呈椎体状，其一端设置有与前端盖相配合的安装孔，其另一端设置有与焊接头相配合的螺纹孔；安装孔位于纵向振动和扭转振动的共同节点处；
9、焊接头，通过螺纹孔与变幅杆相配合，其端部与工件相接触。
10、本技术方案改进夹心式纵-扭复合振动结构实现振动的叠加与放大，利用压电效应产生超声波振动，最终将放大的振动能量传递给焊接头，完成工件的焊接过程。具体地，扭转振动组件由两个扭振压电陶瓷片组成，在受到电场作用时，会发生形变，产生轴向极化的超声波振动；压电陶瓷片能将电能转化为机械能，即当电场作用于陶瓷片时，陶瓷片会沿电场方向发生微小的形变，形变以超声波的形式传播出去，形成扭转振动；纵向振动组件由两个纵振压电陶瓷片构成，产生的是切向极化的超声波振动；与扭转振动不同的是，纵向振动是沿着陶瓷片的长度方向传播的；当电场作用于纵振压电陶瓷片时，陶瓷片会沿其长度方向发生形变，从而产生纵向超声波振动；连接杆起到支撑和传递振动的作用；台肩使得扭转振动组件和纵向振动组件分别装配在连接杆的前后两侧，并通过绝缘套筒进行隔离，避免振动之间的干扰；前端盖和后端盖通过预紧螺帽将扭转振动组件和纵向振动组件夹持在连接杆上，形成稳定的夹心式结构，确保振动在传递过程中的稳定性；当扭转振动组件和纵向振动组件同时受到电场作用时，会分别产生扭转振动和纵向振动；由于两种振动在连接杆上是相互独立的，因此允许在同一时间、同一空间内叠加，形成纵-扭复合振动；为获得最佳的振动效果，换能器需要确保其共振频率与外接电源的频率相匹配；通过调整换能器的连接杆的长度、压电陶瓷片的尺寸，在15khz等特定频率下达到共振状态，此时振动幅度最大，能量转换效率最高；变幅杆使得振动在其内部得到放大，并将放大的振动能量传递给焊接头；由于安装孔位于纵向振动和扭转振动的共同节点处，因此变幅杆同时接收到两种振动的能量，并将其转化为单一的、放大的振动输出；焊接头通过螺纹孔与变幅杆紧密连接，确保振动能量的高效传递；焊接头的端部与工件相接触，当振动能量作用于工件时，会产生高温和高频的摩擦效应，从而实现工件的焊接。
11、另外，根据本发明上述提出夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器及方法还具有如下附加技术特征：
12、根据本发明的一个实施例，所述扭转振动组件的扭振压电陶瓷片为同轴间隔设置；两个相邻扭振压电陶瓷片的极化方向相反设置；同一扭振压电陶瓷片为分体式结构，分为若干小扇区元件，小扇区元件的极化方向相同且沿圆周方向设置。
13、本技术方案中，扭振压电陶瓷片围绕着连接杆的中心轴进行排列，确保振动在圆周方向上的均匀性，从而增强扭转振动的效果；相邻的扭振压电陶瓷片极化方向相反，在电场作用下，压电陶瓷片会沿着其极化方向发生形变；当相邻的陶瓷片极化方向相反时，在受到相同电场作用时会发生相反的形变，从而在圆周方向上产生扭转力矩，从而增强扭转振动的幅度和效率；同一扭振压电陶瓷片为分体式结构，即分为若干小扇区元件，一方面更精细地控制每个小扇区元件的振动行为，从而增强整体振动的可控性和精确性；另一方面，分体式结构用于分散振动应力，提高陶瓷片的耐久性；每个小扇区元件的极化方向相同且沿圆周方向设置，当电场作用于整个扭振压电陶瓷片时，所有小扇区元件会沿着相同的方向发生形变；由于小扇区元件是沿着圆周方向排列的，因此形变会在圆周方向上产生连续的扭转力矩，从而增强扭转振动的连续性。
14、根据本发明的一个实施例，所述纵向振动组件的纵振压电陶瓷片为同轴间隔设置，纵振压电陶瓷片为一体式结构，两个相邻纵振压电陶瓷片的极化方向相同且沿切线方向设置。
15、本技术方案中，纵振压电陶瓷片围绕着连接杆的中心轴以环形的布局进行排列，确保振动在轴向上的均匀性；纵向振动组件的纵振压电陶瓷片为一体式结构，用于减少振动过程中的能量损失和；两个相邻纵振压电陶瓷片的极化方向设置为相同，是因为在电场作用下，压电陶瓷片会沿着其极化方向发生形变；当相邻陶瓷片极化方向相同时，在受到相同电场作用时会发生相同的形变，从而在轴向方向上产生连续的纵向振动；切线方向是指陶瓷片的极化方向是沿着轴向并稍微偏向切线方向的一个微小角度；当外部电场作用于纵振压电陶瓷片时，由于压电效应，陶瓷片会发生形变；由于所有陶瓷片极化方向相同且设计为同轴间隔设置的一体式结构，形变会在轴向方向上产生连续的纵向振动。
16、根据本发明的一个实施例，所述纵向振动组件和预紧支撑组件均通过电极片与外接电源相连。
17、本技术方案通过电极片与外接电源的连接，控制施加在压电陶瓷片上的电场强度和方向，用于调节纵向振动的幅度、频率和相位等参数，从而满足不同的焊接需求。
18、根据本发明的一个实施例，所述外接电源独立接通扭转振动组件，产生单一的扭转振动；外接电源独立接通纵向振动组件，产生单一的纵向振动。
19、本技术方案中，由于电源是独立接通的，确保在每个组件上只产生单一的振动模式，即扭转振动或纵向振动，用于减少振动模式之间的干扰，提高振动的精确性。
20、根据本发明的一个实施例，所述外接电源采用两相相同频率但相位差为90°的交流电，同时接通扭转振动组件和纵向振动组件，使夹心式纵-扭复合振动结构的纵向振动和扭转振动产生共振，共振的频率达到15khz。
21、本技术方案通过采用两相相同频率但相位差为90∘的交流电，实现对压电陶瓷片形变的协调控制，使得纵向振动和扭转振动在同一时间内以特定的相位关系进行，从而实现复合振动的产生；当外接电源以15 khz的频率提供交流电时，振动结构会以最大的振幅和效率进行振动。
22、根据本发明的一个实施例，所述前端盖呈筒状，其内部设置有与连接杆相配合的凹槽，其外部设置有与变幅杆相配合的凸起，凸起位于纵向振动和扭转振动的共同节点处。
23、本技术方案中，在振动系统中，节点是指振动位移为零的点；前端盖外部的凸起位于纵向振动和扭转振动的共同节点处，代表无论是纵向振动还是扭转振动，其位移都为零，共同节点实现振动能量的高效转换。
24、根据本发明的一个实施例，所述前端盖、后端盖、变幅杆和连接杆均采用高强度钢材料制成，且前端盖、后端盖和变幅杆的外表面均设置有防滑面。
25、本技术方案中，高强度钢具有较高的屈服强度和抗拉强度，承受较大的载荷和应力，从而确保结构在恶劣的工作条件下仍能保持稳定；防滑面增加与接触面的摩擦力，防止部件在振动或外力作用下发生滑动或脱落。
26、为实现上述目的，本发明还提供一种夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能方法。
27、一种夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能方法，包括如下步骤：
28、s1：电极片与外部电源连接：通过电极片将扭转振动组件、纵向振动组件的电极与外部电源的正负极对应连接；选择适当的电压和电流档位，若需独立供电，则分别配置两个独立的电源通道，分别对应扭转振动组件和纵向振动组件；
29、s11：单一振动模式：
30、s111：启动扭转振动模式：将外部电源切换到为扭转振动组件供电的通道，逐步增加电压，观察扭振压电陶瓷片的响应情况，直至产生稳定的轴向极化超声波扭转振动；
31、s112：启动纵向振动模式：将外部电源切换到为纵向振动组件供电的通道，逐步增加电压，观察纵振压电陶瓷片的响应情况，直至产生稳定的切向极化超声波纵向振动；
32、s12：复合振动模式：准备一台输出两相相同频率但相位差为90°的交流电电源，设置电源的频率为15khz，确保与夹心式纵-扭复合振动结构的共振频率相匹配；将两相交流电分别连接到扭转振动组件和纵向振动组件的电极上，确保两个通道的电压和电流设置相同，以维持稳定的复合振动模式；
33、s2：超声焊接换能：振动能量通过前端盖传递至变幅杆，变幅杆将振动在纵向振动和扭转振动的共同节点处得到放大；焊接头接收并集中放大的振动能量，焊接头的端部与待焊接的工件紧密接触，让振动能量作用于工件上，完成焊接作业。
34、本技术方案通过电极片与外部电源的连接，确保振动组件按照预设的模式进行工作；在单一振动模式下，分别有启动扭转振动和纵向振动两种，通过逐步增加电压并观察压电陶瓷片的响应情况，直至产生稳定的扭转和纵向振动；在复合振动模式中，其通过引入一台输出两相相同频率但相位差为90°的交流电电源，实现对扭转振动组件和纵向振动组件的同时供电，确保振动组件以相同的频率进行振动，还通过相位差的控制，实现纵向振动和扭转振动的协调与叠加，从而形成复合振动模式；在超声焊接换能阶段，振动能量通过前端盖传递至变幅杆，并在纵向振动和扭转振动的共同节点处得到放大，放大的振动能量被焊接头接收并集中，然后作用于待焊接的工件上，从而完成焊接作业。
35、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
36、（1）通过改进夹心式纵-扭复合振动结构实现纵-扭复合振动，利用压电效应将电能高效转换为机械能，并通过变幅杆在共同节点处放大振动能量，从而提高焊接效率和质量；
37、（2）通过独立控制扭转振动组件和纵向振动组件的供电，可分别实现单一振动模式和复合振动模式，满足不同焊接需求。
1.一种夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器，其特征在于，包括如下部件：
2.如权利要求1所述的夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器，其特征在于，所述扭转振动组件的扭振压电陶瓷片(9)为同轴间隔设置；两个相邻扭振压电陶瓷片(9)的极化方向相反设置；同一扭振压电陶瓷片(9)为分体式结构，分为若干小扇区元件，小扇区元件的极化方向相同且沿圆周方向设置。
3.如权利要求1所述的夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器，其特征在于，所述纵向振动组件的纵振压电陶瓷片(10)为同轴间隔设置，纵振压电陶瓷片(10)为一体式结构，两个相邻纵振压电陶瓷片(10)的极化方向相同且沿切线方向设置。
4.如权利要求1所述的夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器，其特征在于，所述纵向振动组件和预紧支撑组件均通过电极片(4)与外接电源相连。
5.如权利要求4所述的夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器，其特征在于，所述外接电源独立接通扭转振动组件，产生单一的扭转振动；外接电源独立接通纵向振动组件，产生单一的纵向振动。
6.如权利要求4所述的夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器，其特征在于，所述外接电源采用两相相同频率但相位差为90°的交流电，同时接通扭转振动组件和纵向振动组件，使夹心式纵-扭复合振动结构的纵向振动和扭转振动产生共振，共振的频率达到15khz。
7.如权利要求1所述的夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器，其特征在于，所述前端盖(5)呈筒状，其内部设置有与连接杆(1)相配合的凹槽，其外部设置有与变幅杆(6)相配合的凸起，凸起位于纵向振动和扭转振动的共同节点处。
8.如权利要求1所述的夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器，其特征在于，所述前端盖(5)、后端盖(3)、变幅杆(6)和连接杆(1)均采用高强度钢材料制成，且前端盖(5)、后端盖(3)和变幅杆(6)的外表面均设置有防滑面。
9.一种夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能方法，采用如权利要求1-8任意一项所述的夹心式纵-扭复合振动功率超声焊接换能器，其特征在于，包括如下步骤：
