超聲波焊接組合床網設備的設計與應用

梁 杰，廖善梅，譚治良

（廣州市聯柔機械設備有限公司，廣州 510530）

0 引言

袋裝彈簧床網是袋裝彈簧床墊的主要組成部分?，F在主流的袋裝彈簧床網制造工藝是先由袋裝彈簧機生產出連續的袋裝彈簧串，再連續的袋裝彈簧串裁切成預定長度的彈簧條，最后通過噴涂熱熔膠和擠壓固定的方式將多個彈簧條并列粘接到一起，形成床網［1－2］。這種工藝和相應的自動化設備已經發展的比較成熟，自動化程度和生產效率都很高。但也存在一些問題，比如，耗費大量的熱熔膠導致成本高，熱熔膠預熱時間長，加熱產生的煙氣造成空氣污染等。

在此背景下，人們提出了無膠袋裝彈簧床網（以下簡稱無膠床網），即不使用熱熔膠，而通過超聲波焊接或熱熔焊接的方式將多排袋裝彈簧串的無紡布袋連接到一起，形成床網。超聲波焊接是指將超聲波頻率（大于16 kHz）的機械振動能量，通過焊頭傳遞到焊接材料的接合部。振動能量通過摩擦方式轉換成熱能，從而將材料局部熔化，再通過焊頭和焊刀對材料進行擠壓，使多層材料瞬間粘接在一起。超聲波焊接不需要將高溫熱源引入材料［3－7］。熱熔焊接即通過加熱的方式使材料熔融，進而通過對多層材料施加壓力使之粘合在一起。熱熔焊接需要引入高溫熱源來加熱材料［8－9］。

無膠床網為交叉焊接式結構，具體來說，把一條連續的袋裝彈簧串按照S 形路線重復排列，假設把每一排彈簧串上彈簧個體之間的分隔縫按照1、2、3、4……編號。先將第一排彈簧串與第二排彈簧串的奇數位置（1、3、5……）焊接在一起；再將第二排彈簧串與第三排彈簧串的偶數位置（2、4、6……）焊接在一起；然后將第三排彈簧串和第四排彈簧串的奇數位置（1、3、5……）焊接在一起，依此類推，奇數位和偶數位交叉焊接，直到形成預定尺寸的床網。焊接后的床網示意圖如圖1 所示。

圖1 無膠床網結構

目前這種無膠床網主要采用手動或半自動方式進行加工。兩種加工方式的共同特點是，需要將同一組焊刀交替地插入相鄰彈簧串的奇數位置或偶數位置之間，以與彈簧串外側的超聲波焊頭配合完成焊接，焊接方式如圖2 所示。

圖2 焊刀插入一排和二排之間的偶數位

或者，先通過超聲波焊接把兩條彈簧串的奇數位焊接在一起形成復合彈簧串，然后將復合彈簧串裁切成一定長度的復合彈簧條，再將兩排熱熔焊刀分別插入兩個復合彈簧條的偶數位，使兩排焊刀夾緊從而將兩條復合彈簧條焊接到一起，如圖3 所示。

圖3 國外采用的復合焊接工藝

由于焊接后的兩排彈簧串之間空隙變狹小，加上無紡布本身的彈性使得各個彈簧個體之間的縫隙不規則。因此，使固定間距設置的多個焊刀同時插入彈簧串間隙的準確性較小，極容易出現焊刀位置不對，彈簧串布袋被扎爛的情況，使得床網合格率低，生產效率也不高［10－11］。

下面介紹一種超聲波焊接床網的制造設備，能夠克服現有技術的不足，實現自動化生產。

1 工作原理

如圖4 所示，超聲波焊接床網組合設備設置有兩組焊刀，其中第1 組焊刀對應每排彈簧串的奇數位置，第2 組焊刀對應每排彈簧串的偶數位置，兩組焊刀外側設有與之配合的超聲波焊頭，送料機構在焊刀和超聲波焊頭之間來回鋪設彈簧串。由于焊接時焊刀位置固定不變，超聲波焊頭靠近焊刀并與焊刀共同擠壓無紡布袋進行焊接，因此把焊接時焊刀所處的位置稱為焊接位置。

圖4 兩組焊刀交替焊接過程演示

初始時，第1 組焊刀位于焊接位置，送料機構在第一焊刀的外側（靠近超聲波焊頭的1 側）鋪設第一條彈簧串。然后，第2 組焊刀運動到彈簧串外側，也回到焊接位置，此時兩組焊刀分別位于彈簧串的內外兩側。之后，送料機構在第2 組焊刀外側鋪設第二條彈簧串，超聲波焊頭運動到焊接位置，與第1 組焊刀配合，完成第一排彈簧串和第二排彈簧串奇數位置的焊接。完成焊接的第1 組焊刀從彈簧串中抽出，運動到第二排彈簧串外側，再回到焊接位置。送料機構在第1 組焊刀的外側鋪設第三條彈簧串，超聲波焊頭運動到焊接位置，與第2組焊刀配合，完成第二排和第三排彈簧串偶數位置的焊接。兩組焊刀重復地交替切換和焊接，直到形成預定尺寸的床網。

微通道熱沉參考材料為硅，冷卻流體為去離子水。流體物性為常物性，不可壓縮、連續流體，無內熱源，流體流動為穩態層流流動，忽略熱輻射、浮升力及重力的影響。通道壁面處為標準無滑移邊界條件，入口為質量流率入口條件，出口為壓力出口條件。

工作過程中，兩組焊刀始終位于同一排彈簧串的兩側，而且焊接時兩組焊刀都處于焊接位置。在焊刀切換到彈簧串外側再回到焊接位置的過程中，已焊接的那部分彈簧串被推向焊刀后方。由于每組焊刀都是經由彈簧串外側回到焊接位置的，因此解決了現有技術中將焊刀插入彈簧串縫隙進行焊接產生的問題。

2 結構設計

根據設備的工作原理，先后提出了兩種設計方案，方案1 如圖5 所示，方案2 如圖6 所示。

圖5 設備方案1

圖6 設備方案2

方案1 和方案2 均包括焊刀組件、上料機構、焊頭組件和承接組件。其中，上料機構用來輸送連續的彈簧串，并通過沿左右方向運動，將彈簧串鋪設到焊刀組件和與之相對的焊頭組件之間。焊刀組件包含兩組焊刀。兩組焊刀交替地切換到彈簧串外側，與焊頭組件配合將相鄰兩排相鄰彈簧串的奇數位置或偶數位置焊接到一起。兩組焊刀分別切換到彈簧串外側再回到焊接位置的過程中，將彈簧串推向焊刀組件后面的承接組件上。焊接完成的床網經過承接組件形成的下料通道被送往下一工位。方案1 與方案2 的主要區別在于焊頭組件，后面將分別介紹兩種焊頭組件的具體結構。

2.1 上料機構

上料機構包含兩個對立設置的限位板，限位板之間形成彈簧串的輸送通道，后端包含一對反向旋轉的撥輪，兩個撥輪同時撥動彈簧串進行輸送。上料機構在輸送彈簧串的同時沿左右方向運動，每向左或向右運動一次，完成一排彈簧串的鋪設。

2.2 焊刀組件

焊刀組件包含第1 組焊刀和第2 組焊刀。兩組焊刀分別包含多個沿左右方向均勻排列的焊刀，各焊刀之間間距可調節，以適應不同規格彈簧串的彈簧間距。間距確定后各焊刀在左右方向的位置固定不變。第1 組焊刀對應每排彈簧串的奇數位置，第2 組焊刀對應每排彈簧串的偶數位置，即兩組焊刀一一交叉排列。第1 組焊刀和第2 組焊刀分別可沿上下、前后方向運動。

兩組焊刀交替運動，運動軌跡為：（1）向上（或向下）運動，將焊刀從相鄰兩排彈簧串抽出；（2）向前運動至彈簧串的外側；（3）向下（或向上）運動至原高度；（4）向后運動至焊接位置。

焊刀組件回到焊接位置后，焊頭組件靠近焊刀，與焊刀共同擠壓相鄰兩排彈簧串的奇數位置或偶數位置，進行焊接。

2.3 焊頭組件

方案1，焊頭組件有兩個，分別設置在上料機構的左右兩側，與上料機構固定連接，跟隨上料機構左右運動。當上料機構向左移動鋪設彈簧串時，位于上料機構右側的焊頭組件依次與第1 焊刀組件的每個焊刀配合焊接；當上料機構向右移動鋪設彈簧串時，位于上料機構左側的焊頭組件依次與第2 焊刀組件的每個焊刀配合焊接。

方案2，焊頭組件有多個，沿左右方向均勻排列。各焊頭組件分別與第1 組焊刀或第2 組焊刀的位置相對應，并且同時沿兩條平行的導軌左右運動。當對彈簧串的奇數位置進行焊接時，多個焊頭組件首先對1、5、9、13……處進行焊接，焊接完成后，焊頭組件向左或向右移動至3、7、11、15……處進行焊接；同樣地，對彈簧串偶數位置進行焊接時，多個焊頭組件首先對2、6、10、14……處進行焊接，焊接完成后，焊頭組件向左或向右移動至4、8、12、16……處進行焊接，即每次對奇數位置或偶數位置的焊接都分兩步完成。焊頭組件這樣布置的原因，一方面是受空間限制，很難在每個焊接位置都設置焊頭組件；另一方面是由于超聲波焊頭價格昂貴，出于控制成本的需要。上料機構向左或向右鋪設彈簧串時，焊頭組件同時向下運動進行避讓。上料完畢后，上料機構停在設備的左端或右端，焊頭組件向上運動至設定高度，進行焊接。

2.4 承接組件

如圖7 所示，承接組件設置在焊刀后面，包括頂梁、承接件和導向板。兩個頂梁上下設置在焊刀背面，用來支撐焊刀。導向板沿左右方向均勻分布有多個缺口，用來避讓焊刀。兩個導向板分別與兩個頂梁固定連接，并且在焊刀前方形成喇叭口，對鋪設的彈簧串起到引導和支持的作用。承接件為光滑平整的平臺，用來承接床網。承接組件的結構形成了一個供床網通過的下料通道。

圖7 承接組件

2.5 動力組件

設備還包括多個動力組件，用來驅動各機構的運動。常用的動力形式有氣缸、電機配合鏈條傳動、電機配合同步帶傳動或皮帶傳動，以及電機配合絲桿螺母傳動或齒輪齒條傳動等。

3 應用分析與改進

先根據方案1 的設計，制造了一臺樣機，以生產1 800 mm×2 000 mm規格的床網為例，一臺設備每天（8 h）的產能約為80張，對比現有焊接床網工藝，生產效率得到了很大的提高。但是對比傳統膠粘工藝，生產效率仍有很大的提升空間。方案1 樣機生產如圖8 所示。

圖8 方案1 樣機生產

根據方案2 的設計，制造了另一臺樣機。由于床網一排有31 個彈簧，每一排至少需要焊接15 刀，方案2的樣機設置了8 個可以升降和橫移的超聲波焊頭，以及前后排各16 把焊刀，共計32 把，通過兩次焊接即可滿足一排彈簧的組合動作，大大提高了焊接效率。但是在對床網成品檢驗的時候，發現同時焊接的一組焊縫存在焊接強度不均勻的現象。分析其原因，是用于驅動各個超聲波焊頭的氣缸使用同一氣源，在氣缸瞬間反復動作時管道和閥體氣體流量不能滿足氣缸實際所需的氣體容量，引起氣壓分布不均勻，導致各超聲波焊頭向焊刀施加的壓力不均勻［12－13］。方案2 樣機和床網如圖9 所示。

圖9 方案2 樣機和床網

針對以上分析判斷，對方案2 的焊頭組件進行改進，改進后的結構如圖10 所示。超聲波焊頭由氣缸驅動改為電機驅動。通過一個0.75 kW 的伺服電機連接一個速比7.5 的減速機，帶動兩側轉盤和連桿將動力傳遞給滑塊，使滑塊和超聲波焊頭沿導軌往復運動。并且每條連桿上裝有矩形彈簧，一方面可以消除同一個焊頭與不同焊刀配合動作時的位置誤差，另一個方面也可以通過調整彈簧力的大小調節焊接時的壓力。另外為了進一步提高焊接效率，承載8 個超聲波焊頭升降的橫梁也做了輕量化改良，采用了鋁合金梁，并在梁的兩側增加了齒輪齒條同步機構，有效提高了超聲波焊頭升降速度和穩定性。

圖10 改進后的焊頭組件

改進后的設備解決了床網焊縫強度不均勻的問題，提高了床網質量。同樣以生產1 800 mm×2 000 mm規格的床網為例，這臺設備每小時約能制作15 張床網，每天（8 h）的產能約為120 張，生產效率得到了很大提高。

4 結束語

熱熔膠是使用時需要加熱熔融的一類膠粘劑的總稱。以1 800 mm×2 000 mm床墊使用的獨立袋裝彈簧床網為例，采用傳統膠粘工藝生產時，每張床網的熱熔膠用量約為2.5 kg。一個中等規模廠家一年的熱熔膠成本約為1 500萬元，加上電費和膠箱維護等費用，一年大約需要1 650 萬元左右。超聲波焊接床網組合設備的應用能夠在床網生產過程中避免熱熔膠的使用，有利于企業降低成本［14－15］。

本文提出了超聲波焊接組合床網設備的兩種方案。方案1 和方案2 的設備可以和袋裝彈簧生產設備同步聯動生產，不需要中間的剪裁、整理、存放、運輸等環節，極大地簡化了工作流程，提高了生產效率。該設備獨有的兩組焊刀交替切換的焊接方式，克服了現有技術的缺陷，提高了無膠床網的質量。經過技術改進和實際應用表明，與方案1 相比，方案2 的設備雖然制造成本較高，但生產效率更高，產品質量更穩定。

超聲波焊接床網組合設備提高了床墊制造設備的競爭力，促進了本行業的技術進步，為企業解決實際問題提供了參考?？梢灶A見的是，未來無膠床網將會越來越受到廠商和消費者的歡迎，超聲波焊接床網組合設備有著廣闊的應用前景。