超声焊接是大功率超声领域的一项重要技术,被广泛应用于塑料焊接工程中。构成超声塑料焊接系统的核心部件是换能器、变幅杆以及工具头。工具头的选取较为重要,根据焊接部件的形状和尺寸,选用相应的焊接工具头。对于尺寸较大的焊件,需用大尺寸工具头对其进行焊接。本文针对大尺寸矩形工具头在超声塑料焊接系统中的使用及优化设计展开研究。进行塑料焊接时,大尺寸矩形工具头受到横向振动的影响,其辐射面位移分布不均匀,将会导致焊件连接效果不佳。以往的研究中,基于实践经验,会选择性地在工具头上进行开槽以抑制其横向振动,但关于开槽的位置仅依据经验而定,没有相应的理论指导。本文关于大尺寸矩形工具头的设计不同于以往的研究,文中运用声子晶体理论,将矩形工具头进行周期性开槽,使其成为具有声子晶体结构形式的周期性复合材料。声子晶体是由密度和弹性常数不同的材料按一定排列方式形成的周期性复合结构。理想声子晶体材料具有无限多周期数,周期数有限的材料称为典型声子晶体材料。带隙特性及振动抑制性是声子晶体材料区别于其它材料的显著特征。本文将声子晶体带隙理论与大尺寸工具头耦合振动理论相结合,设计出更加具有实用价值的典型声子晶体结构大尺寸矩形工具超声塑料焊接系统,并将焊接系统的纵向共振频率设计在具有周期性结构工具头的横向振动带隙内,工具头的横向振动得到了有效抑制,辐射面的位移更加均匀。文中将矩形工具头分为长条形和立方形两种情况进行设计研究。将长条形工具头设计为沿宽度方向的周期性复合结构,即一维典型声子晶体结构;将立方形工具头设计为沿宽度及厚度两个方向的二维典型声子晶体结构,工具头的横向振动均得到有效抑制,同时辐射面位移增大且趋于均匀,一定程度上有利于焊件之间的连接。为了探究散射体空气层尺寸的变化对焊接系统振动性能及参数的影响,文中研究了长条形工具头中散射体宽度及高度的变化对焊接系统纵向共振频率、工具头的横向振动带隙及辐射面位移分布的影响。研究表明,通过合理设计典型声子晶体结构工具头中散射体的尺寸,能够使不同工作频率下超声焊接系统中工具头的横向振动被有效抑制,同时使焊接工具辐射面纵向振动位移增大并趋于均匀。与此同时,将工具头设计为气-固型复合结构,在工艺加工时容易实现,文中加工了所设计的焊接系统,并对其工作参数进行了实验测试,将实验测得值与仿真模拟值进行比较,两者具有很好的一致性,因此本文设计的新型典型声子晶体结构矩形工具焊接系统在实际工程中具有重要的应用价值。经过研究,本文得到了如下几个重要结论:(1)典型声子晶体结构存在横向振动带隙,可以有效抑制超声塑料焊接系统中大尺寸矩形工具头的横向振动。(2)采用周期性开槽典型声子晶体结构的大尺寸矩形工具头,其辐射面位移相比于未开槽非声子晶体结构工具头的辐射面位移更加均匀且有所增大,显著改善了工具头严重的横向振动导致的辐射面位移分布不均的情况。(3)长条形典型声子晶体结构工具头中散射体尺寸的改变对超声塑料焊接系统振动性能会产生一定的影响。散射体宽度的增加,会使工具头横向振动带隙的起止频率降低、焊接系统的纵向共振频率下降以及工具头辐射面位移在一定程度上减小;散射体高度的改变则对焊接系统振动性能及相关参数的影响很小。综上所述,将大尺寸矩形工具头设计为典型声子晶体结构,很大程度上抑制了工具头的横向振动,具有一定的应用价值,为研究大尺寸塑料焊件的超声焊接提供了新思路。