JP2007509758A - 導体の溶接方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも２個の画定部材によって画定された圧縮室（３０）に導体（３２）を入れ、圧縮室を閉鎖した後に溶接し、その際振動音極（１６）によって超音波を印加し、とりわけ対極（１８）によって被溶接導体に圧力を働かせて行う、電気導体の超音波溶接のための方法に関する。簡単な処置によって溶接部の品質を検査するために、導体（３２）の溶接の後に圧縮室（３０）の圧力を解除し、次に溶接された導体に超音波を印加すると同時に圧力を加え、続いて振動音極（１６）と対極（１８）との間隔の変化を測定することを提案する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、少なくとも２個の画定部材によって画定された圧縮室に導体を入れ、圧縮室を閉じた後に溶接し、その際、第１の部材、例えば振動音極により超音波を印加し、第１の部材又は第２の部材、例えば対極により被溶接導体に圧力を加え、かつ圧縮室の特性値を測定して行う、超音波による電気導体例えば素線の溶接、特に中継及び端末節点の作製のための素線相互の溶接又は素線と支持体の溶接のための方法に関する。また本発明は、少なくとも超音波を印加する第１の部材、例えば振動音極と第２の部材、例えば対極との間に被溶接導体を配置し、第２又は第１の部材によって導体に圧力を加えて行う、超音波溶接装置の圧縮室で溶接された導体、特に中継又は端末節点のために溶接された素線もしくは支持体に溶接された素線の品質検査のための方法に関する。更に本発明は、溶接された導体、特に溶接された素線、例えば中継又は端末節点もしくは支持体に溶接された素線の品質検査のための方法に関する。

節点の超音波溶接においては複数の素線、例えば、素線自体が複数の心線からなる銅線を圧縮室に入れ、圧縮し、次に超音波により互いに相対振動させる。心線の相互の摩擦が表面の溶接をもたらすから、溶接の後に強固な節点が生じる。圧縮と溶接の際に圧縮室の容積が減少する。この容積変化を位置センサにより測定し、品質監視のための比較値として利用することができる。節点の強度は超音波溶接工程にとって決定的な品質基準である。

当該の節点の強度を決定するために、引張り又は皮むきにより破壊的に、もしくは一種の硬度試験（スプライス・チェッカ）により無破壊的に節点を測定することができる。

加工品の超音波溶接で品質管理のために、プロセスの経過を制御する方法が欧州特許ＥＰ−Ｂ−２０８３１０で明らかである。ここにおいては超音波エネルギーの活性化のために超音波溶接装置の振動音極を受圧台上にある加工品の上に降下させ、振動音極が加工品の上に置かれると、振動音極を引続き活性化して、所望の変形距離を通過させるために、ゼロバランスが行われる。

振動音極に直接取り付けた位置センサによって、溶接工程での振動音極の沈下深さ、それと共に加工品の変形を検出する熱プラスチック材料の超音波溶接方法がソヴィエト連邦特許ＳＵ−Ａ−７５７３３７により周知である。距離信号の二次時間導関数の符号が変化したならば、溶接工程を終了する。

集積回路への接合部の作製のための方法、装置及びシステムがドイツ特許公開ＤＥ−Ａ−２１４９７４８に記載されている。改善された接合部を得るために、位置センサにより検出された被接合部品の変形によって、工具への力の伝達、さらには工具へのエネルギーの供給が制御される。

超音波による溶接工程の制御がフランス特許公開ＦＲ−Ａ−２３０２１７２により周知である。その場合溶接工程での振動音極の降下運動の速度が検出され、所定の限界値と比較され、調整可能なしきい値を超えたときは振動音極へのエネルギー供給が制限される。

様々な横断面の導体を任意の順序で逐次溶接する場合でも、横断面にかかわりなく所定の溶接を行うことができる導体の溶接のための方法及び装置が国際特許公開ＷＯ−Ａ−９５／１０８６６に記載されている。そのために被溶接導体を圧縮した後に、圧縮室の特性値を測定する。

被溶接導体を収容する圧縮室の高さ及び幅を所望の範囲で調整し、当該の溶接横断面に合わせて自動的にセットするために、欧州特許ＥＰ−Ｂ−０１４３９３６及びドイツ特許ＤＥ−Ｃ−３７１９０８３に見られるような装置が知られている。

本発明の課題は、節点の作製の直後に、溶接が所望の品質要求を満足するか否かを検査することができるように、冒頭に挙げた種類の方法を改良することにある。また本発明は、溶接された導体の品質検査のための方法に関する。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明によれば上記の課題は、おおむね次のようにして解決される。即ち導体の溶接の後に圧縮室の圧力を解除し、溶接された導体に超音波を与え、続いて特性値を測定するのである。

本発明によれば溶接部の品質の検査は圧縮室で直接行われ、補助装置は不要である。そのために本発明に基づき溶接の後に圧縮室の圧力を解除し、次に特に短い音波パルスを溶接部、例えば節点に与えるものとする。溶接部が強固でなければ、音波によって振動させられた導体又は素線は、圧力を解除された圧縮室の境界面の方向へ移動する。そこでこの境界面は偏ることが可能であるから、第２の部材例えば対極又は受圧台によって引続き行われる加圧に基づき、第２の部材の比較的大きな変位が生じる。位置センサによって検出されるこの変位の度合は、溶接が品質要求を満足するか否かについて解明を与える。僅かな変位しか生じなければ、溶接部が必要な強度を有すると推定されるからである。

一般に圧力の解除は、例えば、圧縮室の画定部材例えば側部部材がロック又は負荷を解除されることを意味する。従って節点が必要な強度を持たない限り、節点は第２の部材の圧力に負けて「柔軟」になるので、側部部材が移動させられる。画定部材の偏りによって柔軟な節点がいわば砕けてしまうから、第２の部材はそれに対応して第１の部材の方向へ変位させられる。こうして不十分な強度の節点では、第２の部材の特徴的な変位が起こる。画定部材の偏り、即ちその変位は、節点の品質について推定するための特性値としても利用することができる。

試験の際に適当なパラメータ、例えば圧縮力、音波の振幅又は持続時間を選択することによって、変位の値に基づき、溶接部又は節点が強固であるか否か、即ち所望の品質要求を満足するか否かを区別することができる。

特に圧縮室が少なくとも３個の部材によって画定され、溶接の後に溶接された導体に対して少なくとも１つの部材のロック又は負荷を必要な範囲で解除することによって、圧縮室の圧力の解除が行われる。圧縮室の開放のための部材の変位も、圧力の解除の特徴を実現する。

溶接の品質の推定を可能にする特性値として、特に圧縮室の幾何学的値例えば高さ、幅又は対角線が選択され、その場合幾何学的値は例えば位置センサによって検出される。

その場合、対角線の測定では圧縮室の周囲側が見掛け上閉鎖される。しかし特に特性値として、超音波を放出する第１の部材（振動音極）と圧力を伝達する第２の部材（受圧台又は対極）の間の間隔が選択される。

換言すれば、基本的に本発明は少なくとも２個の画定部材によって画定された圧縮室に導体を入れ、圧縮室を閉じた後に溶接し、その際振動音極によって超音波又は超音波振動を印加し、対極によって被溶接導体に圧力を加えて行う、電気導体の超音波溶接のための方法に関するものである。簡単な処置によって溶接部の品質を検査するために、導体の溶接の後に圧縮室の圧力を解除し、次に超音波パルス又は超音波パルス振動を溶接された導体に印加すると同時に、これに圧力を加え、続いて振動音極と対極の間隔の変化を測定することを提案する。導体に圧力を加えるときに、圧縮室の圧力を解除することにより、例えば画定部材の１つを解放することにより、この画定部材の方向に起こる変形が導体に生じるならば、この画定部材は溶接された導体に従って偏ることができる。

冒頭に挙げた種類の溶接された導体の品質検査のための方法は特に次の手順を特徴とする。
−被溶接導体を少なくとも第１及び第２の部材により画定された圧縮室に入れ、
−導体を締め固めて溶接すると同時に、圧縮室の横断面を縮小し、
−圧縮室の圧力を解除し、その際溶接された導体は第１の部材と第２の部材の間に残り、
−超音波を再び印加すると同時に溶接された導体に圧力を加え、
−圧縮室の特性値及び／又は溶接された導体の幾何学的形状を測定する。

その場合測定された圧縮室の特性値及び／又は溶接された導体の幾何学的形状に応じて、溶接の品質が評価される。

特に圧縮室の特性値として圧縮室の高さ及び／又は幅及び／又は対角線を、例えば位置センサによって測定することができる。

超音波の再度の印加は１０ｍｓ≦Ｔ≦２５０ｍｓの期間Ｔにわたって行うべきである。その場合、超音波の再度の作用は溶接工程に直接続き、これをいわば継続しなければならない。

低品質の溶接が正常な製造工程に入り込まないことを保証するために、本発明の強調すべき改良は、溶接された導体に低品質の溶接が認められたならば、そこで圧縮室を開放して圧力を解除し、再び超音波を印加すると同時に、溶接部を破壊又はほとんど破壊するために圧力を加えるものである。

正常な溶接が認められたならば、溶接部の強度を高めるために、圧縮室を開いて適切に再圧縮することができる。

しかし本発明に基づく品質検査方法は、導体を溶接する装置から切り離して実施することができる。但し溶接された導体、例えば特に中継又は端末節点のために溶接された素線の溶接と検査を同一の装置で行うことが好ましい。

即ち溶接された導体を、超音波振動を印加する第１の部材、例えば振動音極と第２の部材例えば対極の間に配置し、次に超音波又は超音波振動を印加し、溶接された導体に同時に圧力を加えて、印加の時又は後に生じた第１及び第２の部材の間の間隔の変化を測定することができる。次に前述のように第１及び第２の部材の間の間隔の変化に基づき、溶接された導体が品質要求を満足するか否かを評価する。第１及び第２の部材の間の間隔の変化が不当な規模で生じる場合は、溶接継手が所定の要求を満足しないと推定されるからである。

前に説明した品質検査については、溶接された導体の品質の検査のための前記のパラメータ又は測定法が適用される。

本発明のその他の細部、利点及び特徴は特許請求の範囲及び特許請求の範囲に見られる特徴−単独で及び／又は組合せとして−だけでなく、図面に見られる好ましい実施例の下記の説明からも明らかである。

特に電気導体を超音波で溶接して端末又は中継節点とする装置のごく概要が図１に示されている。装置は通常、コンバータ１２、場合によってはブースタ１４及び振動音極１６を具備する超音波溶接装置からなる。ドイツ特許ＤＥ−Ｃ−３７１９０８３に見られるように、振動音極１６又はその面に受圧台とも称する組立式の対極１８及びスライド２０が配属されている。その開示内容を参照のために明確に挙げておく。振動音極１６又はその面、対極１８及びスライド２０は、横断面が調整可能な圧縮室を画定する。圧縮室は図２ないし４に基づいて詳しく説明する。被溶接部材、例えば導体を圧縮室に入れる。

コンバータ１２は導線２を経て発振器２４に接続され、一方、発振器２４は導線２６を経てパソコン２８に通じている。パソコン２８によって溶接工程の制御を行い、溶接パラメータ又は被溶接導体の横断面をパソコンに入力し、又は適当な記憶された値を呼び出すことができる。

図２で明らかなように、超音波溶接装置１０は振動音極１６、対極１８及びサイドスライド２０で画定された圧縮室３０を有する。本例では被溶接導体３２は圧縮室３０に入れられる。対極１８は縦に変位可能なピラー又はプレート３４からなり、これから水平移動可能なクロススライド３６が出ている。垂直移動可能なプレート３４にさらに位置センサ３８が配属されている。垂直プレート３４、クロススライド３６及びサイドスライド２０の運動を二重矢印４０、４２、４４で略示した。

導体３２が圧縮室３０に入れられると、まずサイドスライド２０が導体３２の方向へ移動される。スライド２０に沿って、即ち圧縮室３０を画定するスライド２０の面４６に沿ってプレート３４を垂直に移動して、クロススライド３６を調整することができるように、クロススライド３６が適当に位置決めされる。圧縮室３０の下側境界面は振動音極１６の面４８からなる。反対側の境界面はクロススライド３６の面５０である。境界面４６と平行な圧縮室３０の残りの境界面５２は垂直プレート３４からなる。

圧縮室３０を閉じると、まず導体３２の締め固めが行われ、次いで振動音極１６を超音波振動させることによって、その溶接が行われる。同時に、受圧台とも称する対極１８が振動音極１６の境界面４８の方向へ、矢印４０の方向に変位され（矢印４０）、それによって導体３２に必要な力又は圧力が加えられる。

溶接工程の終了の後、即ち節点５４の作製の後、図３の図示によりサイドスライド２０の圧力が解除される。これはサイドスライド２０のロック又は負荷の解除によって行うことができ、溶接された節点５４により伝達される力によってサイドスライド２０を矢印４９の方向に移動することができる。圧力の解除は、サイドスライド２０を移動して圧縮室３０を開放することによっても行うことができる。次に対極１８又はクロススライド３６により節点５４に再び圧力を働かせながら、振動音極１６により適当な振幅及び持続時間の超音波又は超音波パルスを節点５４に伝達する。こうして節点５４の導体又は素線は、節点５４が必要な強度をどの程度有するかに従って、スライド２０の方向に偏ることができる。クロススライド３６によって節点５４に力が掛かるから、導体又は素線がこの運動に従って偏るならば、対極１８の垂直運動が起こる。この垂直運動は位置センサ３８によって測定され、制御装置５６へ転送される。位置センサ３８により検出された変位から制御装置５６によって、節点５４が必要な強度及び品質を有するか否かを確かめることができる。節点５４の強度が十分ならば、位置センサ３８によって測定される対極１８のごく僅かな運動しか生じないからである。

こうして例えば断面積１．５ｍｍ²の節点で、節点が必要な強度を有する場合は約０．０５ｍｍの変位が生じる。そうでなければ、例えば試験圧力２バール、音波持続時間４０ｍｓで０．２ｍｍの変位が生じる。それは節点がその後の加工のために必要な強度を持たないことを合図するのである。

例えば１０．５ｍｍ²の横断面の節点の場合、必要な強度が存在するならば、約０．０３ｍｍの変位が生じる。強固でない節点では、例えば試験圧力３バール、音波パルス持続時間５５ｍｓで約０．１ｍｍの変位が生じる。

図４の原理図によれば、圧縮室が片側だけでなく、複数の側で圧力が解除される場合も、品質又は強度検査が行われる。図４で原理的に明らかなように、決定的なのは、作製された節点５８が圧力の作用を可能にする対極６２と、超音波振動を印加する振動音極６０の間に配置されることだけである。その場合、溶接時に節点５８を取り囲む圧縮室の残りの境界面は、サイドスライド６４、６６からなり、品質検査の際に、即ち再び超音波を働かせ、圧力を加える時に、サイドスライド６４、６６は圧力を解除され、又は側方へ退出している。また図４の図示に従って、部材６２が素線によって密閉される支持体であることも可能である。一方、支持体は、この変型では図示しないが、電極又は受圧台の上に支えられる。

本発明においては更に、品質検査で節点５４が必要な強度を持たないことが判明したときは、再び音波の作用と同時に圧力を働かせ、それによって節点５４がいわば崩れて破壊され、製造工程で考慮に入れることがもはやできないようにすることができる。

また十分に強い節点を適切に再圧縮することも可能である。節点の強度を高めるために、圧縮室を開放して、さらに超音波パルスと同時に圧力の作用を導入するならば、この再圧縮を行うことができる。

以上、素線の溶接に基づいて本発明を説明したが、これによって本発明を限定するものではない。例えば、支持体に溶接された素線の強度の検査も可能である。その場合支持体は圧縮室の１つの境界をなすことが好ましい。従って支持体は対極の上に支えられる。そこで振動音極によって加圧も行われる。代案として、素線を振動音極の上に、次いで支持体をこの上に配置することができる。加圧は支持体の上に支えられる対極又は受圧台によって行われる。

前述の説明によれば、溶接された導体、例えば中継又は端末節点の検査は、導体又は素線の溶接が行われたのと同じ超音波溶接装置で行われたが、主要な構成部分として超音波振動を伝達する振動音極と、振動音極に配属された対極又は受圧台とを有する別個の機械で品質検査を行っても、本発明を逸脱しない。強度検査を受ける溶接された導体、例えば、中継又は端末節点もしくは支持体に溶接された素線を次に振動音極と受圧台の間に配置し、溶接された導体に前述のように超音波パルスを伝達すると同時に圧力を働かせる。同時に振動音極と受圧台の間隔の変化を測定して、変位距離から溶接部の強度について推定する。

これに関連した品質管理は、種々の溶接装置で溶接された導体を、正常な溶接順序に影響することなく、例えば中央の場所で検査することできるという利点がある。

本発明に係る超音波溶接設備の原理的構成図を示す。 超音波溶接装置の圧縮室の第１の位置を示す。 図２の圧縮室の第２の位置を示す。 圧縮室の別の実施形態を示す。

Claims (13)

1. 少なくとも２個の画定部材によって画定された圧縮室（３０）に導体を入れ、圧縮室を閉鎖した後に溶接し、その際、第１の部材、例えば振動音極（１６）によって超音波を印加し、第１の部材又は第２の部材、例えば対極（１８）によって被溶接導体に圧力を加え、圧縮室の特性値を測定して行う、超音波による電気導体（３２）、例えば素線の溶接、特に中継及び端末節点の作製のための素線相互の溶接又は素線と支持体の溶接のための方法において、導体（３２）の溶接の後に圧縮室（３０）の圧力を解除し、溶接された導体に超音波を働かせ、続いて特性値を測定することを特徴とする方法。
2. 圧縮室（３０）が少なくとも３個の画定部材（１６、１８、２０）によって画定され、あらかじめ固定され、例えばロックされた少なくとも１個の部材（２９）が溶接の後に圧力を解除され、例えばロックを解除されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 特性値として幾何学的値、例えば圧縮室（３０）の高さ、幅又は対角線、特に第１及び第２の部材（１６、１８）の間隔を選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 幾何学的値を位置センサ（３８）によって測定することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 少なくとも超音波を印加する第１の部材、例えば振動音極（１６）及び第２の部材例えば対極（１８）によって圧縮室が画定され、第２又は第１の部材により導体に圧力を加えて行う、超音波溶接装置（１０）の圧縮室（３０）で溶接された導体（３２）、特に中継又は端末節点（５４、５６）のために溶接された素線もしくは支持体に溶接された素線の品質検査のための方法において、次の手順
   即ち
   −溶接される導体（３２）を圧縮室（３０）に入れ、
   −導体（３２）を締め固めて溶接すると同時に、圧縮室（３０）の横断面を縮小し、
   −圧縮室（１６）の圧力を解除し、その際溶接された導体（３２）は第１の部材（１６）と第２の部材（１８）の間に残り、
   −超音波を再度印加すると同時に、溶接された導体（３２）に第１ないしは第２の部材（１６、１８）によって圧力を加え、
   −圧縮室の特性値ないしは溶接された導体（３２）の幾何学的形状を測定する
   ことを特徴とする方法。
6. 第２の部材（１８）によって導体（３２）に圧力を加えることを特徴とする請求項１又は５に記載の方法。
7. 圧縮室（３０）の測定された特性値ないしは溶接された導体（３２）の幾何学的形状に応じて、溶接の品質を評価することを特徴とする請求項５に記載の方法。
8. 圧縮室（３０）の特性値として圧縮室（３０）の高さ、ないしは幅ないしは対角線を例えば位置センサ（３８）によって測定することを特徴とする請求項５に記載の方法。
9. 超音波の再度の印加を１０ｍｓ≦Ｔ≦２５０ｍｓの期間Ｔにわたって行うことを特徴とする請求項１ないし８の少なくとも１つに記載の方法。
10. 溶接された導体（３２）に超音波を再び印加すると同時に、１バール≦Ｐ≦４バールの圧力Ｐで加圧することを特徴とする請求項１ないし９の少なくとも１つに記載の方法。
11. 溶接された導体（３２）に低品質の溶接が認められたならば、溶接部を破壊又はほぼ破壊するために、圧縮室（３０）を開いて、再び超音波を印加すると同時に圧力を加えることを特徴とする請求項１ないし１０の少なくとも１つに記載の方法。
12. 溶接された導体（３２）に正常な溶接が認められたならば、溶接部の適切な再圧縮のために、圧縮室（３０）を開いて、再び超音波を印加すると同時に圧力を加えることを特徴とする請求項１ないし１０の少なくとも１つに記載の方法。
13. 溶接された導体、特に溶接された素線、例えば中継又は端末節点もしくは支持体に溶接された素線の品質検査のための請求項５に記載の方法において、超音波振動を印加する第１の部材、例えば振動音極と第２の部材例えば対極との間に、溶接された導体を配置し、溶接された導体に第１の部材により超音波を印加すると同時に圧力を加え、印加の時又は後に生じた第１及び第２の部材の間隔の変化を測定することを特徴とする方法。
    

Images