超声谐振器设计知识库Ultrasonic Resonator Design

接头

目录

  • 插图
    • 图 0. 工业超声叠堆的接头
    • 图 0a. 工业超声叠堆组件
    • 图 0b. 缩颈螺柱
    • 图 1. 聚酯（Mylar）垫圈
    • 图 2. 销式扳手
    • 图 3. 爪形（clawfoot）扳手转接头
    • 图 4. 蛤壳式紧固夹具（Branson Ultrasonics）
    • 图 5. 带式扳手
    • 图 6. 由挠性元件支承的金属焊接叠堆
    • 图 7. 接头松紧程度对非线性响应的影响
  • 表格
    • 表 1. 无显著横向载荷的变幅杆的推荐接头扭矩
    • 表 2. 有显著横向载荷的变幅杆的推荐接头扭矩

接头是超声叠堆中相邻部件之间的界面（接触区域）。接头的用途是高效地将超声能量传递通过接头，并为装配好的叠堆提供轴向和侧向刚度。典型的接头包括换能器—增幅杆接头和增幅杆—变幅杆接头。

工业超声叠堆的接头
图 0. 工业超声叠堆的接头 （Herrmann Ultraschall）

接头通常由螺纹螺柱紧固，便于装配和拆卸。不过有时也会采用其他紧固方式（如焊接或粘接剂）。超声接头（尤其是高振幅处的接头）的微动磨损是一个常见问题。这种微动磨损需要定期维护接头。

工业超声叠堆组件（ATCP）
图 0a. 工业超声叠堆组件（ATCP）

接头位置

对于纵向振动模态，谐振器按半波长增量设计，其每一端都是波腹。因此，波腹端是相邻谐振器之间（如变幅杆与增幅杆之间）的天然连接点。这些波腹接头处的超声（惯性）力很小，因此只需相对较小的静力即可将这些接头充分紧固。

但在某些情况下，接头位于偏离波腹的位置（例如端头的接头）。压电换能器中许多部件的接头都位于偏离波腹的位置。

设计

加工技术要求

下表列出了典型的加工技术要求。

表 X. 标题
平面度    
平行度    
表面粗糙度    

接头所需的振幅均匀性

BUC——单槽、4.5" 宽、带凸耳的条形变幅杆。

接触面积

谐振器之间的接触通常发生在谐振器的标称尺寸处。例如，假设某个增幅杆的标称输出直径为 Ø40 mm，以达到所需的增益，那么它通常就在 Ø40 mm 直径处与变幅杆连接。然而，这未必是最优的。事实上，已有若干实例表明，减小接触直径可以改善性能。这种减小的接触直径是通过在增幅杆的输出面或变幅杆的输入面上加工一个短凸台来实现的。由于凸台高度很小（如 0.5 mm），相应谐振器的频率和增益基本不受影响。

复合变幅杆上的端头变幅杆

接头劣化（微动磨损）

超声接头可能因微动磨损而劣化。这会引起接头处的摩擦生热和微动碎屑（进而导致进一步劣化）。最终接头可能劣化到发出刺耳尖叫声的程度；这种不稳定会损坏换能器。在极端情况下，接头甚至会真正熔合在一起而无法拆卸。微动损伤是累积性的；微动磨损持续的时间越长，情况越糟。特别地，钛的抗微动磨损性能较差。（Youn[1]）

如果两个配合的接头表面之间存在相对（摩擦）运动，就会产生微动磨损。这种相对运动只有在配合的接头表面受到驱动力作用时才会发生。如果接头位于纵向波腹处，理论上不应存在力。然而，这仅严格适用于接头直径较小且接头两侧材料相同的情况。如果这些条件不满足，接头处就可能存在振幅均匀性或径向振幅方面的不匹配。这种不匹配会诱发可能导致微动磨损的力。

（注 — 波腹处力（应力）为零这一条件，仅在变幅杆空载运行于空气中（无功率输出）时才严格成立。当向负载输送功率时，行波会沿叠堆传播并穿过接头。该行波伴有相应的应力，也可能促成微动磨损。目前尚不清楚这些应力是否足以引起微动磨损。）

那么位于偏离波腹位置的接头（例如端头的接头）又如何呢？尽管这些接头承受惯性力，但这些力的方向与谐振器轴线一致，而不是在接头表面平面内。因此，这类接头不一定会发生微动磨损。

微动磨损的概率随接头振幅的增大而增加。例如，在振幅较低的换能器—增幅杆接头处（如 20 kHz 下峰值 10 微米），微动磨损很少成为问题。然而，当使用 2.5:1 的增幅杆时，增幅杆—变幅杆接头处的微动磨损可能很显著。

钛

钛在自然状态下相对惰性。这是因为任何裸露的钛表面都会迅速形成一层氧化膜。然而，在没有这层氧化膜的情况下，裸露的钛具有很强的反应活性。因此，如果氧化膜被磨掉（如被微动磨损），暴露出的钛会倾向于与相邻金属发生反应。当相邻金属也是钛时尤其如此（例如钛增幅杆与钛变幅杆配合）。这种钛—钛微动磨损是骨科关节置换中的一个特殊问题，已被广泛研究。

不同直径

 

螺柱的影响

螺柱会使接头上的振幅分布发生畸变。畸变的程度取决于螺柱相对于谐振器的弹性模量。例如，考虑两个 Ø40 mm 谐振器之间的接头，一个由 Ti-6Al-4V 制成，另一个由 Al 7075-T6 制成。下表给出了这些谐振器的相对轴向振幅均匀性。

表面粗糙度

表面粗糙度可能显著影响微动磨损。Li 在对螺栓连接的不锈钢界面施加 25 Hz 切向载荷、循环 108 万次的试验中发现，将平均表面粗糙度（Ra）从 1 μm 增大到 4 μm ——

接头夹紧力分布

在典型的谐振器中，容纳螺柱的螺纹起始于靠近界面处（通常螺纹入口处有一个沉孔除外）。当两个这样的谐振器紧固在一起时，螺柱对接头施加的夹紧力集中在接头最靠近螺柱的部位。沿接头径向远离螺柱的方向，夹紧力逐渐减小，在接头边缘处降至最低。这种不均匀的夹紧力分布会导致微动磨损，尤其是在夹紧力较低的接头外周区域。

Stegelmann[1] 专利 6841921B2 声称，通过一种使螺柱仅在远离接头处与谐振器螺纹啮合的设计，可以改善夹紧力分布并减少微动磨损。其实现方式是：去掉螺柱中部的部分螺纹（使螺柱缩颈），或者对谐振器的螺纹进行锪孔，使这些螺纹去除到所需深度。这样，螺柱的力从谐振器内部更深处施加，而不是在接头附近施加，从而使接头上的力在整个接头上分布得更均匀。

图 0b. 缩颈螺柱 （Stegelmann 专利 6841921B2，图 2）
图 0b. 缩颈螺柱
（Stegelmann 专利 6841921B2，图 2）

虽然 Stegelmann 专利背后的理论是成立的，但其新颖性（就专利而言）似乎值得怀疑。例如，这种方法早已被用于改善换能器中压电陶瓷上的静压力分布。（详见此处。）无论如何，对螺纹孔锪孔并非罕见做法，因此（以专利方式）限制这一做法在超声接头上的应用似乎并不合理。（Stegelmann 的专利于 2022 年 11 月到期。）

为了改善接头上的力分布，Culp[0] 在谐振器端面上加工了一个浅凹槽，只在谐振器端面外周附近留下一个接触环。例如，对于端面直径为 Ø40 mm 的谐振器（如增幅杆），在端面上加工一个 Ø30 mm × 深 0.5 mm 的凹槽，从而在外周留下一个 5 mm 宽的接触环。由于这个接触环相对较窄，环上的力分布相对均匀。这种方法对于承受横向载荷的接头特别有用，例如超声金属焊接中的接头。

输出功率

防护

人们尝试过各种界面材料以延长接头寿命。

垫片

人们使用过薄的一次性垫圈。垫片材料包括铜和黄铜，厚度通常小于 0.2 mm。许多超声设备公司现在推荐使用聚酯（Mylar）垫圈。聚酯垫圈通常不与润滑剂一起使用。

Dukane[1]（第 18 页）列举了聚酯垫圈相对于硅脂的以下优点 —

  • 在大多数情况下，垫圈在生产中的使用寿命更长。
  • 界面微动磨损（劣化）减少。
  • 由于垫圈厚度一致，叠堆装配更加一致。
  • 叠堆拆卸通常需要更小的扭矩，并降低损坏部件的可能性。

然而，Dukane[1]（第 13 页）也指出，聚酯垫圈在压力下会发生蠕变，因此维护计划应包括定期检查和更换。

用于超声接头的聚酯（Mylar）垫圈
图 1. 聚酯（Mylar）垫圈

润滑剂

有几家公司将聚酯垫圈作为首选。不过，他们可能推荐硅脂作为（通常效果较差的）替代方案。

  • Dukane[1]（第 13 页）推荐薄涂一层 Dow-Corning #4 高温高压硅脂（或以 #111 作为替代）。
  • Branson[4]（第 2 页）对 40 kHz 叠堆推荐 Dow-Corning #111 —— "通常，40 kHz 产生的振幅不足以引起微动腐蚀。" 然而，对于 15 kHz 至 30 kHz 的叠堆，Branson 表示使用聚酯垫圈（代替硅脂）可以将微动腐蚀降至最低。

高压防卡死润滑脂已被有效使用。其中，钼基润滑脂（如 Dow Corning 的 Molykote M-77（dowcorning.com），适用温度可达 400°C）颇受欢迎。其他润滑脂可能同样有效。

有一家公司使用薄层透明特氟龙（Teflon）喷剂。据报道效果良好。 Culp[0]

然而，对于其带解耦盘的 20 kHz 缝焊机（很可能为钛制），Stapla Ultrasonics[1] 建议："耦合表面必须无油脂、无油污。"（第 14 页）

注 —

  • 在要求生物相容性的场合，许多润滑剂可能不适用。
  • 旋塞脂曾一度被广泛使用。然而，旋塞脂是为密封实验室化学设备的真空泄漏而设计的。其润滑性能较差，且长期使用后会留下坚硬的残留物。

镀层

镀铬、阳极氧化

其他

如果上述建议仍不够，可以尝试以下方法。

  • 增大变幅杆增益。在相同输出振幅下，这会降低增幅杆—变幅杆接头处的振幅。
  • 取消接头。将变幅杆和增幅杆用一整块材料制成（即全波长变幅杆），从而消除这个麻烦的接头。如果变幅杆是矩形的，这可能不太现实，尤其是当变幅杆很大时，为获得增幅杆形状需要去除大量毛坯材料。
  • 熔合接头。接头可以通过电子束或激光束焊接实现熔合。这可能需要在变幅杆上设置一个凸起的焊台，以便让焊束能够接近接头。根据变幅杆和增幅杆的材料，旋压焊接和钎焊也可能可行。不过，旋压焊接通常只用于大批量应用。熔合接头也可以通过热等静压（HIP）成形 — 例如参见 Ehlert[1] 专利 8,459,122 B2。

紧固

工具

为了将两个谐振器紧固在一起，配合的谐振器必须加工出适合相应扳手的结构。扳手结构通常是扳手平面（适用于开口扳手）或径向孔（适用于销式扳手）。销式扳手很常见，但有以下局限 —

  • 持续使用会使谐振器的销孔磨损滑牙，铝制谐振器尤其如此。
  • 只适用于圆柱形谐振器。
  • 不适用于小直径谐振器。
  • 可施加的扭矩有限，原因要么是销式扳手的销钉会折断，要么是销钉会从销孔中滑脱。
  • 如果要与扭矩扳手配合使用，则需要一种特殊且不常见的转接头（图 2b）。（相比之下，扳手平面只需要爪形（clawfoot）扳手转接头，后者要常见得多。）

在空间不足以容纳普通扳手，或普通扳手尺寸大到无法接受的情况下，销式扳手会更有优势。

用于紧固超声谐振器的销式扳手
图 2a. 销式扳手
用于紧固超声谐振器的销式扳手转接头
图 2b. 销式扳手转接头
图 2. 销式扳手
用于紧固超声谐振器的爪形（clawfoot）扳手转接头
图 3. 爪形（clawfoot）扳手转接头

图 4 展示了一种常见的蛤壳式夹具，用于带径向销孔的谐振器。在该图示中，夹具卡住换能器的销孔，而销式扳手卡住变幅杆的销孔。（注意在此例中，销式扳手的啮合方向是用于松开变幅杆。）这种夹具还有两个额外的孔，以适应不同直径的谐振器。这种设计可以有简单的变体（例如，用带适当钳口适配器的台虎钳代替蛤壳式夹具）。

用于紧固超声谐振器的夹具（Branson）
图 4. 蛤壳式紧固夹具（Branson Ultrasonics）

如果谐振器没有可施加扳手的结构（例如条形变幅杆、块形变幅杆或大型圆柱形变幅杆），则可以使用织物或橡胶带式扳手。或者，也可以用带软钳口（如铝或铜）的台虎钳将其夹紧，以免划伤谐振器表面。否则，这种划伤可能成为疲劳裂纹的起始位置。

用于紧固超声谐振器的带式扳手
图 5. 带式扳手

注意事项

紧固接头时，不应通过增幅杆的安装环来固定增幅杆，也不应通过换能器的外壳来固定换能器。这些部位通常带有防转销，而防转销并非为承受高扭矩而设计。

扭矩

为使配合的接头表面保持紧密接触，需要一定的静态接头力。由于所施加的静力不易测量，因此用接头扭矩作为替代指标。然而，给定扭矩所产生的力取决于多种因素，如接头和螺纹的摩擦系数（取决于润滑剂、表面粗糙度、材料）、加工质量（接头表面粗糙度、垂直度）、螺纹螺距、接触面积等。（参见 Nutek[1]，第 B–4 页）例如，以下情况在相同扭矩下会产生不同的接头力 —

  • 不同的摩擦系数
    • 无润滑与有润滑
    • 配合的谐振器材料 — 钛—钛、钛—铝、铝—铝
    • 界面垫片 — 铜与聚酯（Mylar）
    • 螺柱材料 — 钢与钛
  • 不同的螺纹螺距 — 3/8-24 螺纹与 1/2-20 螺纹
  • 不同的接触直径 — 25 mm 与 40 mm

对于具有标称参数的接头（假设设计良好），Nutek[1]（第 B–43 页）指出，规定扭矩所产生的接头力精度仅在 ±35% 以内。Unbrako（第 62 页）估计为 ±25%。

因此，由给定扭矩产生的接头力是非常近似的。所以，各扭矩推荐值之间的比较难以评估。

无显著横向载荷的变幅杆

在大多数超声应用中，变幅杆输出面上要么不施加静载荷（如液体处理），要么静载荷主要平行于叠堆轴线（如塑料焊接）。此时接头主要承受压缩载荷。（注 — 如果塑料焊接变幅杆较宽，且其端面上的接触不均匀，则接头还将承受一些必须予以抵抗的静态弯矩。）

表 1. 无显著横向载荷的变幅杆的推荐接头扭矩
频率（kHz） 超声设备公司 推荐
扭矩（Nm）
15 Branson Ultrasonics 24.8
Dukane 61
Sonics & Materials  
20 Branson Ultrasonics
Patsonics		 24.8
Dukane 47.5
Sonics & Materials 34-47
30 Branson Ultrasonics 20.9
Dukane 24.4
40 Branson Ultrasonics
Patsonics		 10.7
Dukane 24.4

表注 —

  1. 参考文献 —
    1. Branson Ultrasonics[3]（第 2 页）
    2. Dukane[1]（第 14 页）
    3. Patsonics[1]
    4. Sonics & Materials[2]（第 12 页）— 告诫不要拧得过紧

表 1 显示，Dukane 推荐的紧固扭矩明显高于 Branson。Dukane 指出："变幅杆和增幅杆的扭矩规格高于螺柱扭矩规格。请务必将变幅杆或增幅杆接头紧固到更高的扭矩限值。"（第 14 页）另一方面，Branson 的接头扭矩通常小于其螺柱扭矩，表面上的原因是为了防止在紧固接头时，已触底的螺柱从螺柱孔底部松脱。（Culp[0]）然而，Branson 金属焊机的接头扭矩（108 Nm，见下文）是其 ½‑20 螺柱 51 Nm 推荐扭矩的 2 倍；尽管如此，这些接头的故障率相对较低。另外，在一个案例中，一位 Branson 客户以约为 Branson 推荐扭矩 3 倍的扭矩将变幅杆紧固到钛增幅杆上，并报告效果良好。（Culp[0]） 不过，这位客户可能同时也更换了接头润滑剂。 因此，接头扭矩的巨大差异表明，人们对扭矩对接头性能和接头寿命的影响还缺乏充分的认识。

Cardoni[1]（第 179 页）指出："大功率超声领域一直公认，系统部件的仔细装配对获得良好的系统性能至关重要。关于螺柱尺寸、螺柱位置以及部件连接的扭矩要求，已有许多"经验法则"被采用，尽管各制造商的建议之间存在不一致。"

有显著横向载荷的变幅杆

在剪切焊接应用（金属焊接、管材封合）中，变幅杆的输出面位于变幅杆侧面而非端面（图 6）。当静（横向）载荷施加到该输出面时，接头承受的弯矩倾向于使接头张开。因此，接头必须比正常情况拧得更紧。

由挠性元件支承的超声金属焊接叠堆
图 6. 由挠性元件支承的金属焊接叠堆
表 2. 有显著横向载荷的变幅杆的推荐接头扭矩
应用 超声设备公司 接头直径（mm） 螺柱 扭矩（Nm） 备注
管材封合
（金属焊接）		 Stapla Ultrasonics 未知 未知 115 1
20 kHz 缝焊
（金属焊接）		 Stapla Ultrasonics 未知 未知 200 2
20 kHz 金属焊接 Branson Ultrasonics 38 ½‑20 108 3

表注 —

  1. 该扭矩值同时适用于换能器—增幅杆接头和增幅杆—变幅杆接头。（Stapla Ultrasonics[2]，第 12、49 页）
  2. 该缝焊机使用解耦盘。（Stapla Ultrasonics[1]，第 14 页）"耦合表面必须无油脂、无油污。" 缺少润滑意味着接头处产生的轴向力将低于其他情况下的预期值。
  3. 极性安装座（Culp[0]）

非线性行为

图 7 给出了 Cardoni[1] 的数据，其表明"更紧"的接头可减少非线性行为。然而，文中未给出试验细节，因此这一结论难以推广。（对于理想接头，图 7a 和图 7b 中的虚线应完全垂直，且拟合数据点的曲线应关于每条虚线左右对称。）

低扭矩接头
图 7a. 低扭矩接头
高扭矩接头
图 7b. 高扭矩接头
图 7. 接头松紧程度对非线性响应的影响
（Cardoni[1]，图 8.18，第 173 页）

Mathieson[1]（第 146-151 页）提供了一些补充信息。然而，Mathieson 没有给出具体的扭矩值，只是将他的接头分类为"松"和"紧"。可以推测存在一个极限扭矩（接头应力），超过该值后超声性能不再有实质性改善。（这与 Hulst 的图 5b 中压电陶瓷预应力数据类似。）然而，根据 Mathieson 有限的数据无法确定这一极限。

部分基于相关研究，Mathieson[1]（第 151 页）得出结论："经过调谐的超声组件中两个部件之间的连接，会对性能以及设备是否表现出强烈的非线性行为产生很大影响。实现稳定可靠的超声接头的重要因素是：支承面之间的高精度，以及在两个连接部件之间施加尽可能高的允许扭矩。"

端头

标准端头请参见此处。

连接

电子束焊接、钎焊

维护

接头会随时间劣化。特定叠堆配置的确切劣化速率不易估算；必须通过经验来确定。Dukane[1]（第 15 页）建议在最初运行 200-400 小时后检查叠堆接头。如果接头状况可接受，则将检查间隔加倍。然而，如果接头需要修复，则将检查间隔减半。

修复

如果界面已劣化，通常可以通过去除少量材料来修复。

手工修复

如果劣化轻微，可以用手工修复表面。以下流程由 Branson（第 3 页）、Dukane（第 25 页）、Patsonics[1] 和 Sonics and Materials[2]（第 20 页）推荐（略有差异）。

  1. （按需）拆下螺柱并将表面擦拭干净。
  2. 将一张干净的 #400 粒度（或更细）砂布砂面朝上粘贴到干净、平整的表面上，如一块平板玻璃。
  3. 在谐振器底部附近用拇指和食指或中指捏住谐振器。这种握持位置可减少谐振器晃动（晃动会产生凸面）或打颤的倾向。
  4. 在施加最小向下压力的同时，沿一个方向轻轻地推动或拉动谐振器通过砂布。（注 — Sonics & Materials 推荐采用 8 字形轨迹。然而，Patsonics 明确指出应沿直线拉动谐振器，"不要走 8 字形或其他轨迹。"）重复一次。
  5. 将谐振器旋转 120° 并重复步骤 4。再重复一次。
  6. 重复步骤 4 和 5，直到所有点蚀和污染物都被去除。
  7. 将一把直尺（如金属直尺的边）横放在修复后的表面上，并对着光线观察。如果在修复表面的外周能看到光线，则该表面为凸面。这种表面只能通过机械加工修复。
  8. 按规格安装螺柱。（如果原来的螺柱未触底，则可以重复使用。但是，如果曾涂过螺纹锁固剂，则应先清除该材料。可以将螺柱轻轻地通过板牙，或用钢丝刷清除。如果原来的螺柱曾触底，则应更换，因为螺柱端部很可能在首次安装时已受损。）

机械加工修复