超聲波焊接儀器原理研究及實現(xiàn)

摘 要：超聲波技術(shù)在工業(yè)焊接領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而目前的超聲波發(fā)生器由于逆變電路、高頻變壓器的設(shè)計局限性，大部分無法匹配不同型號的換能器。為了解決這一問題，研究了超聲波發(fā)生器主體結(jié)構(gòu)及工作原理，設(shè)計了一套由單端反激式逆變電路、高頻變壓器、串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的超聲波發(fā)生器。完成了逆變電路、開關(guān)管及高頻變壓器的設(shè)計，并在考慮了諧振、濾波等因素后選擇了具有濾波作用及良好變阻性的L-C匹配網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過對匹配網(wǎng)絡(luò)原理的分析，給出了各組匹配網(wǎng)絡(luò)中元件的理論數(shù)據(jù)。對整體電路參數(shù)模型進(jìn)行了仿真測試及實物整機(jī)實驗測試，證明了此設(shè)計可以匹配多頻段的超聲波換能器并可長時間保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

關(guān) 鍵 詞：超聲波發(fā)生器; 逆變電路; 匹配網(wǎng)絡(luò); 超聲波換能器

中圖分類號：TB51+7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1673-5862.2023.06.015

Research and implementation of ultrasonic welding instrument principles

MENG Dechuan^1，2， YANG Xiaolin¹， LI Junlin³， ZHAO Xiaodong³， MA Yue^2，4， SHEN Ziyue¹， JIANG Longtao¹， DENG Yufu^2，4

（1. College of Physical Science and Technology， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 2. Liaoning Radiation Instrumentation Professional Technology Innovation Center， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China; 3. Liaoning Instrument Research Institute Co.， Ltd， Dandong 118002， China; 4. Experimental Teaching Center， Shenyang Normal University， Shenyang 110034， China）

Abstract：Ultrasonic technology is widely used in the field of industrial welding， but the most ultrasonic generators are incompatible with several transducers owing to the limitations in inverter circuit and high-frequency transformer design. In order to solve this problem， in this paper we analyze the common ultrasonic welding instruments， and introduce the structure and working principle of each part of the ultrasonic instrument. Based on the study of the main structure and working principle of the ultrasonic generator， a set of ultrasonic generator composed of single end fly back inverter circuit， high-frequency transformer and series matching network is designed. The design of the inverter circuit， switch transistor， and high-frequency transformer is completed， and a L-C matching network with filtering effect and good variable resistance is selected after considering factors such as resonance and filtering. After analyzing the principle of the matching network， theoretical data of the components in each matching network are provided. The simulation test of the whole circuit parameter model and the test of the whole machine prove that this design can match the multi frequency ultrasonic transducer and maintain a stable working state for a long time.

Key words：ultrasonic generator; inverter circuit; matching network; ultrasonic transducer

超聲波是一種波長極短的機(jī)械波，在空氣中的波長一般小于2cm，遠(yuǎn)小于可聽聲波（3cm～20m），故在均勻介質(zhì)中超聲波的直線傳播能力更強(qiáng)，方向性及束射集中性更加優(yōu)秀^［1］。超聲波技術(shù)由于此特性被應(yīng)用于多種工業(yè)生產(chǎn)中。超聲波焊接技術(shù)是20世紀(jì)50年代迅速崛起的一種新型加工技術(shù)，其基本原理是將高頻振動傳遞到2個焊接物體表面并對其加以一定的壓力，使兩焊件互相摩擦產(chǎn)生熱量。當(dāng)達(dá)到一定溫度時，兩焊件的原子鍵便會互相連接從而達(dá)到焊接的目的^［2］。對比傳統(tǒng)焊接工藝，超聲波焊接技術(shù)具有焊接強(qiáng)度高、焊接速度快、成本低、污染小等優(yōu)點，在工業(yè)焊接中有著無可替代的地位。本文主要介紹了超聲波焊接儀器的結(jié)構(gòu)原理并在對其進(jìn)行深入研究后設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單、易于操控的超聲波發(fā)生器，可以通過調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)數(shù)值匹配絕大部分超聲波換能器并使其穩(wěn)定工作。

1 超聲波焊接儀器原理

超聲波焊接儀由發(fā)生器、換能器及匹配網(wǎng)絡(luò)3個部分構(gòu)成^［3］。其中：發(fā)生器可以將直流信號轉(zhuǎn)換為高頻交流信號;換能器作為能量轉(zhuǎn)換裝置可將接收到的交流信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而得到超聲波;匹配網(wǎng)絡(luò)是連接發(fā)生器和換能器的重要組成部分，可以改變換能器的阻抗特性，從而使其穩(wěn)定工作^［4］。

1.1 超聲波發(fā)生器

市電經(jīng)整流濾波后，為控制電路提供一個可控的、連續(xù)可調(diào)的直流供電，然后，利用脈沖振蕩電路實現(xiàn)脈寬及頻率的變化，進(jìn)而控制可控硅的導(dǎo)通頻率，完成直流到高頻交流的功率轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過高頻變壓器為換能器供電。通過功率反饋電路穩(wěn)定輸出功率，通過頻率跟蹤電路使得換能器工作在諧振頻率點，讓發(fā)生器工作在最佳狀態(tài)^［5］。利用保護(hù)電路和人機(jī)交互系統(tǒng)實現(xiàn)發(fā)生器的安全運行和故障報警處理，同時，保證設(shè)備在無人值守的條件下，實現(xiàn)系統(tǒng)自我安全工作和故障無人報警^［6］。超聲波發(fā)生器原理如圖1所示。

1.2 超聲波換能器

超聲波換能器根據(jù)其制造材料及工作原理的不同，可以分為壓電陶瓷式換能器和磁致伸縮式換能器。磁致伸縮式換能器一般適用于6kW及以上的大功率場合^［7］。由于部分超聲波焊接儀工作時功率不會超過4kW，故本文主要討論壓電陶瓷式換能器。焊接用壓電陶瓷式換能器結(jié)構(gòu)如圖2所示。壓電陶瓷式換能器主要由壓電陶瓷片、變幅桿和焊頭組成。當(dāng)高頻交流信號傳遞到壓電陶瓷片時，由于正逆壓電效應(yīng)的作用，壓電陶瓷片將會產(chǎn)生高頻振動，繼而將振動傳遞到變幅桿上^［8］。變幅桿的主要作用是把機(jī)械振動的質(zhì)點位移或速度放大，或者將超聲能量集中在較小的面積上，即聚能作用。超聲換能器輻射面的振動幅度只有幾微米，而在大功率超聲應(yīng)用中，輻射端面的振動幅度一般需要幾十到幾百微米^［9］。因此，必須在換能器的端面連接變幅桿，將機(jī)械振動振幅放大。振動經(jīng)過變幅桿增大振幅后傳遞到焊頭上，焊頭高頻振動能傳遞到焊接件間的接觸面上，使兩焊接件接觸面處的分子產(chǎn)生內(nèi)摩擦，從而產(chǎn)生大量熱量，溫度急劇上升，使接觸面處達(dá)到熔化狀態(tài)，在超聲停止后，使作用于焊接件上的壓力保持一定的時間，接觸面上熔化的材料逐漸冷卻凝固成具有一定強(qiáng)度的接頭，從而實現(xiàn)焊接^［10］。

圖3所示為壓電陶瓷式換能器的等效電路圖。其中：C₀為超聲波換能器的靜態(tài)電容，它由壓電陶瓷片的物理參數(shù)來決定;R₀是壓電陶瓷片內(nèi)的介質(zhì)電損耗，其數(shù)值無窮大，一般將其忽略; R_m為動態(tài)電阻;L_m為動態(tài)電感;C_m為動態(tài)電容，它是由換能器的磨損、工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)換算的等效數(shù)值。這些參數(shù)均可在超聲波換能器諧振工作時通過阻抗分析儀測量其具體數(shù)值^［11］。

1.3 匹配網(wǎng)絡(luò)

由圖3可以看出，超聲波換能器對外會呈現(xiàn)容性的負(fù)載特性。在實際工作時，人們往往希望在換能器上得到最大的輸出功率。假若將超聲波發(fā)生器與換能器直接相連，根據(jù)純電阻電路的最大負(fù)載特性，此時在換能器上無法得到最大的輸出功率。因此，需要在信號輸出端和接收端之間加入一個確定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其必須具有感性補(bǔ)償?shù)哪芰Γㄟ^補(bǔ)償可以將容性負(fù)載等效為純電阻負(fù)載。常見的匹配網(wǎng)絡(luò)有串聯(lián)式和并聯(lián)式匹配，分別通過在換能器前串聯(lián)或并聯(lián)電感從而達(dá)到匹配效果。其等效電路如圖4和圖5所示。

2 超聲波發(fā)生器的實現(xiàn)

2.1 功率開關(guān)管的選擇

功率開關(guān)管是逆變電路的核心元件，很大程度上決定了逆變電路的工作質(zhì)量。常見的功率開關(guān)管有門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管及絕緣柵雙極晶體管。根據(jù)對電路結(jié)構(gòu)的分析，開關(guān)管需滿足可在高頻環(huán)境下工作、安全工作范圍大、工作損耗小、可承受較高的電壓電流、易于控制、性價比較高等條件^［12］。門極可關(guān)斷晶閘管和電力晶體管的驅(qū)動類型為電流驅(qū)動，控制難度較高，絕緣柵雙極晶體管工作范圍較小，故不適合本文設(shè)計。本文選擇了電壓驅(qū)動、易于控制、損耗小、壽命長的電力場效應(yīng)晶體管（metal oxide semiconductor FTET，MOSFET）作為逆變電路的功率開關(guān)管。

2.2 逆變電路的設(shè)計

針對不同焊接對象所使用的超聲波換能器的工作頻率是不同的，常見的焊接用超聲波換能器工作頻率在15～28kHz。在設(shè)計逆變電路時要考慮逆變電路的工作可靠性、頻率適用性等因素。經(jīng)過對比分析4種常見的逆變電路，發(fā)現(xiàn)單端式是較為理想的逆變電路。但為了防止磁飽和現(xiàn)象的出現(xiàn)，需要給單端正激式逆變電路增加磁復(fù)位線圈結(jié)構(gòu)，這也使得此種電路一般體積會很大，不利于實際生產(chǎn)。故本文設(shè)計了一款采用TL494芯片作為觸發(fā)脈沖控制MOSFET開關(guān)管的單端反激式逆變電路。

2.3 高頻變壓器磁芯材料的選擇

常見的磁芯材料有軟磁鐵氧體、坡莫合金和非晶態(tài)合金3種。雖然坡莫合金和非晶態(tài)合金的磁導(dǎo)率較錳鋅鐵氧體材料高，但錳鋅鐵氧體材料可塑性較好，易于加工，在高頻工作環(huán)境下?lián)p耗低且具有較高的居里溫度和穩(wěn)定的溫度特性^［13］。故在考慮了以上因素后，本設(shè)計選擇錳鋅鐵氧體材料作為磁芯的材料。在經(jīng)過多次實驗驗證后，選擇了初級線圈與次級線圈匝數(shù)比為10∶40。

3 匹配網(wǎng)絡(luò)及超聲波換能器的選擇

對比上文介紹的2種匹配等效電路，并聯(lián)匹配等效電路中匹配電感L₀處于并聯(lián)支路，缺乏濾波功能，而串聯(lián)等效電路不僅可以使有功電阻降低，提高驅(qū)動能力，而且兼有濾波及保護(hù)作用。本文選用串聯(lián)匹配電路作為匹配網(wǎng)絡(luò)^［14］。

串聯(lián)匹配等效阻抗為

當(dāng)換能器處于諧振狀態(tài)時，虛部X=0，由式（1）可知，當(dāng)諧振時換能器總阻抗為

此時匹配電感L₀的值為

為了驗證設(shè)計的可靠性，本文選用了一臺20kHz的超聲波口罩焊接換能器，使用阻抗分析儀測量其具體參數(shù)，如圖6所示。由式（3）可以推導(dǎo)出串聯(lián)匹配的匹配電感L₀的數(shù)值為0.454μH。

4 實驗結(jié)果分析

對設(shè)計的超聲波發(fā)生器進(jìn)行仿真實驗及實物測試，使用軟件對上述設(shè)計的超聲波發(fā)生器進(jìn)行仿真，仿真電路如圖7所示。

模型器件取值按照前面的計算參數(shù)確定，利用脈沖電壓模擬控制換能器的驅(qū)動信號，脈沖頻率為20kHz，與實際電路的取值一樣。通過模擬示波器觀察觸發(fā)脈沖波形及換能器兩端電壓仿真波形。觸發(fā)脈沖波形及換能器兩端電壓仿真波形如圖8和圖9所示。

實物測試對象為醫(yī)用口罩原片。通過觀察換能器兩端電壓輸出波形及口罩焊接效果分析換能器能否正常工作。將逆變電路、高頻變壓器、串聯(lián)匹配網(wǎng)絡(luò)、超聲波換能器連接，設(shè)置高頻變壓器匝數(shù)比為10∶40，匹配電感為0.454μH，測得觸發(fā)脈沖及換能器兩端輸出電壓波形如圖10和圖11所示。

在對實驗結(jié)果進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，在仿真測試及實物中測得的換能器兩端輸出波形均為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，證明了此時換能器處于最佳諧振工作狀態(tài)，且超聲波換能器能夠快速完成口罩的焊接，工作效果良好穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

本文分析了超聲波焊接儀器的工作原理及結(jié)構(gòu)特點，在對其進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、適用范圍廣的超聲波發(fā)生器，在經(jīng)過仿真電路測試及實際電路測試并對得到結(jié)果進(jìn)行分析后，證明了本設(shè)計的可行性。

致謝 感謝沈陽師范大學(xué)重大項目孵化工程（ZD202001）的支持。

參考文獻(xiàn)：

［1］BREHL D E，DOW T A. Review of vibration-assisted machining［J］. Precis Eng， 2008，32（3）：153-172.

［2］原藝博，李琳，劉海龍. 一種頻率可調(diào)超聲波發(fā)生器設(shè)計［J］. 太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報， 2020，18（2）：339-344.

［3］鮑善惠. 超聲波電發(fā)生器的最大輸出功率和效率［J］. 應(yīng)用聲學(xué)， 2003，22（5）：12-17.

［4］袁瑞娟，沈建國. 75kW超聲波發(fā)生器控制信號研究［J］. 聲學(xué)技術(shù)， 2012，31（4）：398-402.

［5］AZARHOUSHANG B，AKBARI J. Ultrasonic-assisted drilling of Inconel 738-LC［J］.Int J Mach Tool Manu， 2007，47（7-8）：1027-1033.

［6］GEPHARDT S，SCHONECKER A，STEINHAUSEN R，et al. Quasistatic and dynamic properties of 1-3 composites made by soft molding［J］. J Eur Ceram Soc， 2003，23（1）：153-159.

［7］XU Y S，ZOU P，YANG X L，et al. Study on ultrasonic generator for ultrasonically assisted machining［J］. Adv Mater Res， 2013，797：320-325.

［8］KARDYS W，MILEWSKI A，KOGUT P，et al. Universal ultrasonic generator for welding［J］. Acta Phys Pol A， 2013，124（3）：456-458.

［9］王光旭，任娟慧. 大功率超聲波發(fā)生器的Pspice仿真研究［J］. 艦船電子工程， 2020，40（7）：117-119.

［10］ZHANG C X，LI H，LIU Q X，et al. Ultrasonic welding of aluminum to steel： A review［J］. Metails-Basel， 2022，13（1）：29.

［11］袁梁杰. 基于動態(tài)補(bǔ)償原理的超聲波發(fā)生器研究［J］. 電子工業(yè)專用設(shè)備， 2018，47（2）：17-22.

［12］張科，蒲娟. 超聲波發(fā)生器中信號源的設(shè)計與仿真［J］. 大眾科技， 2014，16（5）：1-3.

［13］劉亞丕，石康，石凱鳴，等. 軟磁磁粉芯和燒結(jié)軟磁材料： 結(jié)構(gòu)、性能、特點和應(yīng)用［J］. 磁性材料及器件， 2022，53（4）：112-118.

［14］嚴(yán)勇文，隆志力，何將三，等. 變頻式超聲波發(fā)生器的高速鎖相研究［J］. 電子與封裝， 2010，10（2）：35-37.