JP2018111131A - 超音波溶接継手の強度を予測するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波溶接継手の強度を予測するための方法を提供する。
【解決手段】ワイヤーケーブル１０の超音波溶接継手２２の強度を予測するのに用いられる方法が、ワイヤーケーブルを提供するステップと、合計重量を測定するステップと、汚染物質を除去するステップと、溶媒を除去するステップと、重量を測定するステップと、前記汚染物質の重量のパーセンテージを求めるステップと、汚染物質の重量のパーセンテージが閾値未満であるかどうかを判定するステップと、を含む。ワイヤーケーブルから除去された汚染物質の重量のパーセンテージを求めることが、式［（Ｍｂ−Ｍａ）／Ｍｂ］×１００に基づいており、ここで、Ｍｂは、ワイヤーケーブルと汚染物質との合計重量であり、Ｍａは、ワイヤーケーブルの重量である。汚染物質の重量のパーセンテージの閾値は、超音波溶接継手２２の強度と相関する。
【選択図】図１Ｂ

Description

本開示は、概して、超音波溶接継手の分野に関するものであり、特に、超音波溶接継手の強度を予測するための方法に関するものである。

アルミニウム及び銅のワイヤーケーブルの表面上の過剰な汚染は、超音波溶接継手の強度に悪影響を及ぼすおそれがあることが知られている。国際基準は、最上の商慣行と一致して利用を損なわないための清潔さの定性的仕様を提供するだけである。

１つの実施形態によれば、ワイヤーケーブルの超音波溶接継手の強度を予測するのに用いられる方法が提供される。方法には、ワイヤーケーブルを提供するステップと、合計重量を測定するステップと、汚染物質を除去するステップと、溶媒を除去するステップと、重量を測定するステップと、汚染物質の重量パーセントを求めるステップと、汚染物質の重量パーセントが閾値よりも小さいかどうかを判定するステップと、が含まれる。ワイヤーケーブルを提供するステップは、有機汚染物質を含有するワイヤーケーブルのサンプルを提供すること含んでもよい。合計重量を測定するステップは、ワイヤーケーブルと汚染物質との合計重量を測定することを含んでもよい。汚染物質を除去するステップは、溶媒を用いて汚染物質をワイヤーケーブルの表面から除去することを含んでもよい。溶媒を除去するステップは、溶媒をワイヤーケーブルの表面から除去することを含んでもよい。重量を測定するステップは、ワイヤーケーブルの重量を測定することを含んでもよい。汚染物質の重量パーセントを求めるステップは、式［（Ｍｂ−Ｍａ）／Ｍｂ］×１００に基づいて、ワイヤーケーブルから除去された汚染物質の重量パーセントを求めることを含んでもよい。ここで、Ｍｂは、ワイヤーケーブルと汚染物質との合計重量であり、Ｍａは、ワイヤーケーブルの重量である。汚染物質の重量パーセントが閾値よりも小さいかどうかを判定するステップは、汚染物質の重量パーセントが所定の閾値よりも小さいかどうかを判定することを含んでもよく、ここで、前記閾値は超音波溶接継手の強度と相関する。

更なる特徴及び利点は、単なる非限定的な実施例によって、添付図面を参照して提供された下記の好適な実施形態の詳細な説明を読むことで、より明確になるであろう。

ここで、本発明は、下記の添付図面を参照した実施例によって説明される。

図１Ａは、１つの実施形態に係る超音波溶接継手の上面図である。 図１Ｂは、１つの実施形態に係る図１Ａの超音波溶接継手の側面図である。 図２は、１つの実施形態に係る撚り線心の断面図である。 図３は、１つの実施形態に係る洗浄装置の図である。 図４は、１つの実施形態に係る撚り線心の断面図である。 図５は、１つの実施形態に係る、汚染の重量パーセントに対する溶接継手の強度のグラフである。 図６は、１つの実施形態に係る、溶接継手の強度を予測する方法のフローチャートである。

超音波溶接（ＵＳＷ）は、ワイヤーケーブル１０を終端させるための公知のプロセスである。ワイヤーケーブル１０、及び、典型的には撚り線心１２は、自動車用途に用いられ、例えばバッテリケーブルが挙げられる（ただし、それに限定されない）。ＵＳＷは、クランプ力によって一緒に保持されたワイヤーケーブル１０及び相手側端子１４の中に高周波振動を加えることで、ワイヤーケーブル１０の外部表面１６と端子１４との間に摩擦を生じさせる。摩擦は、十分に高い温度を生み出すことで、溶融金属池を生み出すことなく、ワイヤーケーブル１０と端子１４とを一緒に冶金的に結合する。汚染物質１８、典型的にはワイヤー製造の過程で用いられる例えばバニッシングオイルやその他の有機化合物は、十分に多い量の汚染物質１８がワイヤーケーブル１０の表面１６上にあると、超音波溶接継手２２（以下、溶接継手２２と称する）の強度２０に悪影響を及ぼす場合がある。本明細書で説明された発明は、溶接継手２２の強度２０を予測するための汚染物質１８の閾値２４を定量化する。

ワイヤーケーブル１０は、アルミニウム系材料２６又は銅系材料２８から形成されてもよく、これらの材料は両方とも、導電材料でメッキされてもよく、導電材料としてはスズ３０が挙げられる（ただし、これに限定されない）。

図１Ａは、撚り線心１２が端子１４に溶接されている溶接継手２２の上面図の非限定的な実施例を図示している。図１Ｂは、撚り線心１２が端子１４に溶接されている図１Ａの溶接継手２２の側面図の非限定的な実施例を図示している。なお、撚り線心１２の切り口３２は、当業者によって認識されるようにＵＳＷプロセスによって変形されている。

図２は、個々の撚り線３６の表面１６上の汚染物質１８を含有する撚り線心１２の断面３４の非限定的な実施例を図示している。汚染物質１８は、ワイヤー製造プロセス中に潤滑剤として使用することのできるバニッシングオイルやその他の有機化合物でもよい。

図３は、汚染物質１８をワイヤーケーブル１０の表面１６から除去するのに使用することのできるソックスレー抽出器３８Ａなどの洗浄装置３８を図示している。汚染物質１８を含有するワイヤーケーブル１０のサンプルは、任意の絶縁体を除去した後に、はかりを用いて重さが図られ、それによって、ワイヤーケーブル１０から汚染物質１８を除去する前に、ワイヤーケーブル１０と汚染物質１８との合計重量４０（図２）を測定する。ワイヤーケーブル１０のサンプルは、洗浄装置３８の内部に設置されてもよく、サンプルは、溶媒４２によって濯がれ、当業者によって認識されるように、この溶媒４２を溶媒４２の沸点４４まで加熱して、溶媒４２を還流させる。汚染物質１８の除去を確実にするために、多数の還流サイクルが行われてもよい。発明者らによる実験は、５回の還流サイクルが汚染物質１８をワイヤーケーブル１０から十分に除去することを見出した。洗浄装置３８で使用される溶媒４２は、ワイヤーケーブル１０の材料と相性の良い任意の溶媒４２であってもよく、溶媒４２としては、ジエチルエーテル４６、トリクロロメタン４８、及び２−プロパノン５０を挙げることができる。列挙しないが、使用され得るその他の溶媒４２が想定される。

汚染物質１８をワイヤーケーブル１０から除去する際、当業者によって認識されるように、乾燥剤を含有するデシケータなどのデシケータデバイス５２内にワイヤーケーブル１０を設置することによって、溶媒４２は、ワイヤーケーブル１０の表面１６から除去される。発明者らによる実験は、ワイヤーケーブル１０は、１５°Ｃから３０°Ｃの間の温度で、かつ、５０キロパスカル（ｋＰａ）から１５０ｋＰａの間の圧力で、デシケータデバイス５２内に最短でも１２時間（１２ｈｏｕｒｓ）留めた方がよいことを見出した。次に、ワイヤーケーブル１０は、はかりを使って重さが量られ、それによって、図４に図示されているように汚染物質１８が無いワイヤーケーブル１０の重量５４を測定する。

ワイヤーケーブル１０から除去された汚染物質１８の重量パーセント５６は、式［（Ｍｂ−Ｍａ）／Ｍｂ］×１００に基づいて求めることができる。ここで、Ｍｂは、ワイヤーケーブル１０と汚染物質１８との合計重量４０（図２）と定義され、Ｍａは、汚染物質１８が除去された状態のワイヤーケーブル１０の重量５４（図４）と定義される。

図５は、ワイヤーケーブル１０から除去された汚染物質１８の重量パーセント５６と溶接継手２２の強度２０との関係を示しているグラフ５８である。発明者らによる実験は、超音波溶接されたワイヤーケーブル１０上の汚染物質１８の重量パーセント５６と溶接継手２２の強度２０との間に相関性があることを見出した。溶接継手２２の強度２０は、引張力によって特徴付けられてもよい。引張力は、ワイヤーケーブル１０と端子１４との間の結合を切り離すのに必要な張力と定義される。溶接継手２２の強度２０を特徴付けるのに用いられるその他のメトリックスは、図示しないが考えられ、それらは当業者にとって明らかであろう。発明者らによる実験は、１２００ニュートン（１２００Ｎ）よりも大きい引張力が、耐久性のある溶接継手２２を提供するのに十分であることを見出した。また、図５は、ワイヤーケーブル１０から除去された汚染物質１８の重量パーセント５６の閾値２４を図示しており、それ未満であると判定されると、自動車用途に適用可能である十分な強度２０の溶接継手２２を提供する。また、閾値２４は、制御可能なＵＳＷプロセスを提供するために十分に低く設定されている。図５に図示されているように、発明者らは、汚染物質１８の重量パーセント５６が０．０１４３％より大きくなると強度２０の大幅な低減が起こることを発見した。強度２０と重量パーセント５６との間の線形関係を値のこの範囲で推測することによって、０．０２１％未満の閾値２４が耐久性のある溶接継手２２を示しているだろう。閾値２４は、図５にも示されているように、溶接継手２２の強度２０をさらに増大させるために、０．００５５％未満までさらに低減されてもよい。

図６は、ワイヤーケーブル１０の超音波溶接継手２２の強度２０を予測するのに用いられる方法１００の非限定的な実施例を図示している。

ステップ１２０（ワイヤーケーブルを提供する）は、有機汚染物質１８を含有するワイヤーケーブル１０のサンプルを提供するステップを含んでもよい。１本のワイヤーケーブル１０がスプールから切り取られ、任意の絶縁体が、サンプルをはかりに載せる前に、ワイヤーケーブル１０から除去される。発明者らによる実験は、５０グラム（５０ｇ）から３１０ｇの間の対応する質量を有する１本のワイヤーケーブル１０が、検出可能な量の汚染物質１８を提供することを見出した。

ステップ１４０（合計重量を測定する）は、はかりを使ってサンプルの重さを量ることによって、ワイヤーケーブル１０のサンプルと汚染物質１８との合計重量４０を測定するステップを含んでもよい。サンプルの質量に対する十分な容量と０．１ミリグラム（０．１ｍｇ）の分解能とを有する任意のはかり、好適には、ポーランドのラドムのRADWAG Balances and Scales社によって製造されたModel AS 310.R2などの分析天秤が使用されることができる。

ステップ１６０（汚染物質を除去する）は、溶媒４２を用いて、汚染物質１８をワイヤーケーブル１０の表面１６から除去するステップを含んでもよい。

ステップ１８０（溶媒を除去する）は、溶媒４２を表面１６のワイヤーケーブル１０から除去するステップを含んでもよい。

ステップ２００（重量を測定する）は、汚染物質１８が除去されて且つ溶媒４２が除去された状態のワイヤーケーブル１０の重量５４を測定するステップを含んでもよい。

ステップ２２０（汚染物質のパーセンテージを求める）は、式［（Ｍｂ−Ｍａ）／Ｍｂ］×１００に基づいて、ワイヤーケーブル１０から除去された汚染物質１８の重量パーセント５６を求めるステップを含んでもよい。ここで、Ｍｂは、ワイヤーケーブル１０と汚染物質１８との合計重量４０であり、Ｍａは、ワイヤーケーブル１０の重量５４である。

ステップ２４０（汚染物質のパーセンテージが閾値未満かどうかを判定する）は、汚染物質１８の重量パーセント５６が所定の閾値２４未満であるかどうかを判定するステップを含んでもよく、ここで、閾値２４は超音波溶接継手２２の強度２０と相関する。

ステップ２６０（ワイヤーケーブルを超音波溶接作業から除外する）は、汚染物質１８の重量パーセント５６が所定の閾値２４未満ではない場合に、一束のワイヤーケーブル１０をＵＳＷプロセスから除外するステップを含んでもよい。

ステップ２８０（ワイヤーケーブルの超音波溶接作業を許可する）は、汚染物質１８の重量パーセント５６が所定の閾値２４未満である場合に、一束のワイヤーケーブル１０のＵＳＷプロセスを許可するステップを含んでもよい。

したがって、ワイヤーケーブル１０の超音波溶接継手２２の強度２０を予測するのに用いられる方法１００が提供される。発明者らによる実験は、超音波溶接されたワイヤーケーブル１０上の汚染物質１８の重量パーセント５６と溶接継手２２の強度２０との間に相関性があることを見出した。汚染物質１８の重量パーセント５６の閾値２４のレベルは、ＵＳＷプロセスの安定性にも影響する。

この発明は、その好適な実施形態の観点から説明されたが、そのように限定する意図ではなく、下記の特許請求の範囲の記載に限りのみ限定される。また、第１、第２、上方、下方などの用語の使用は、重要性の順番、位置、又は方向を意味するものではなく、第１、第２などの用語は、１つの構成要素を別のものと区別するのに使用されている。さらに、ａ、ａｎなどの用語の使用は、量の限定を意味するものではなく、言及されたものの少なくとも１つの存在を意味している。

１０ ワイヤーケーブル
１２ 撚り線心
１４ 相手側端子（端子）
１６ 外部表面（表面）
１８ 有機汚染物質（汚染物質）
２０ 強度
２２ 超音波溶接継手（溶接継手）
２４ 閾値
２６ アルミニウム系材料
２８ 銅系材料
３０ スズ
３２ 切り口
３４ 断面
３６ 撚り線
３８ 洗浄装置
３８Ａ ソックスレー抽出器
４０ 合計重量
４２ 溶媒
４４ 沸点
４６ ジエチルエーテル
４８ トリクロロメタン
５０ プロパノン
５２ デシケータデバイス
５４ 重量
５６ 重量パーセント

Claims (10)

1. ワイヤーケーブル（１０）の超音波溶接継手（２２）の強度（２０）を予測するための方法（１００）であって、
   有機汚染物質（１８）を含有するワイヤーケーブル（１０）のサンプルを提供するステップと、
   前記ワイヤーケーブル（１０）と前記汚染物質（１８）との合計重量（４０）を測定するステップと、
   溶媒（４２）を用いて、前記汚染物質（１８）を前記ワイヤーケーブル（１０）の表面（１６）から除去するステップと、
   前記溶媒（４２）を前記ワイヤーケーブル（１０）の前記表面（１６）から除去するステップと、
   前記ワイヤーケーブル（１０）の重量（５４）を測定するステップと、
   式［（Ｍｂ−Ｍａ）／Ｍｂ］×１００に基づいて、前記ワイヤーケーブル（１０）から除去された前記汚染物質（１８）の重量パーセント（５６）を求めるステップであって、前記式において、Ｍｂは、前記ワイヤーケーブル（１０）と前記汚染物質（１８）との合計重量（４０）であり、Ｍａは前記ワイヤーケーブル（１０）の前記重量（５４）である、ステップと、
   を含み、
   前記汚染物質（１８）の前記重量パーセント（５６）が所定の閾値（２４）未満であるかどうかを判定するステップであって、前記閾値（２４）が前記超音波溶接継手（２２）の前記強度（２０）と相関する、ステップを含むことを特徴とする方法（１００）。
2. 前記ワイヤーケーブル（１０）が撚り線心（１２）である、請求項１に記載の方法（１００）。
3. 前記ワイヤーケーブル（１０）が、アルミニウム系材料（２６）及び銅系材料（２８）の中から選択された材料から形成される、請求項１又は２に記載の方法（１００）。
4. 前記ワイヤーケーブル（１０）が、スズ（３０）でメッキされる、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法（１００）。
5. 前記溶媒（４２）が、ジエチルエーテル（４６）、トリクロロメタン（４８）、及び２−プロパノン（５０）の中から選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法（１００）。
6. 前記溶媒（４２）を沸点（４４）まで加熱するステップをさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法（１００）。
7. 前記サンプルをソックスレー抽出器（３８Ａ）の中に設置するステップと、
   前記サンプルを前記ソックスレー抽出器（３８Ａ）内において前記溶媒（４２）で濯ぐステップと、
   をさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法（１００）。
8. 前記溶媒（４２）を前記ワイヤーケーブル（１０）の前記表面（１６）から除去する前記ステップは、デシケータデバイス（５２）を用いて行われる、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法（１００）。
9. 前記ワイヤーケーブル（１０）が、前記デシケータデバイス（５２）内に１２時間以上保持される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法（１００）。
10. 前記閾値（２４）が０．０２１重量パーセント（５６）である、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法（１００）。

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