JP3209831B2 - 金属薄板の溶接不良検出方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、金属薄板の溶接不良
を検出する方法および装置に関し、特に超音波溶接を行
った場合の溶接不良を検出する方法および装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】飲料缶などの製造に用いられる金属薄板
としては、ブリキ、極薄スズメッキ鋼板（ＬＳＴ）、テ
ィンフリースティール（ＴＦＳ）、ニッケルメッキ鋼
板、アルミニウムなどが知られている。またこれらの金
属薄板の塗装は、近年の塗装工程の合理化および自動化
の要請により、これらの金属薄板を卷回してコイル状と
し、これを解きつつ引き出して連続塗装が行われてい
る。

【０００３】このようなコイルの連続塗装ラインでは、
必然的に一定時間毎にあるいは塗装品の変更毎にコイル
を変更する必要がある。すなわち、新しいコイルに変更
する際、その先端部分と変更前のコイルの尾端部分とを
接合する作業を迅速に行う必要がある。

【０００４】しかしながら、コイル塗装ラインなどの金
属薄板の塗装速度は２００m ／分前後と極めて速く、ま
た金属薄板に付加されるライン張力は塗装作業を安定さ
せるために１〜５kg／mm² 程度加えられる。したがっ
て、上記接合強度は、金属薄板そのものの強度に比較し
てさほど遜色のないものでなければならない。

【０００５】しかも、ライン上には多数のローラなどが
配置されているため、接合部分に大きな凹凸を生じる
と、ローラへ過負荷を与えたり損傷を生じさせる不具合
を招く。従来においては、上記のようなコイル連続塗装
ラインに用いられる金属薄板相互の接合には、接合強度
を考慮して金属薄板用のステッチャーおよびリベット接
合を用いるのが一般的であった。

【０００６】すなわち、リベット接合では２枚の金属薄
板を重ね合わせてその両者をリベットで止めて合わせ、
さらに該リベットによるラインへの傷付を防止するため
に重ね合わせ部分に耐熱テープを巻き付けることが行わ
れている。

【０００７】また、ステッチャー方式では接合すべき２
枚の金属薄板に切り込みを入れ、該切込み部を相互に噛
み合わせることで接合を行っている。

【０００８】しかしながら、前記リベットによる接合で
は、接合する２枚の金属薄板の重ね合わせ領域を比較的
大きくとる必要があり、しかも一般にリベットによる止
め合わせ作業は人手を介して行われ、その後に耐熱テー
プの巻き付けを行うことを考慮すれば極めて多大の労力
ならびに時間を要する。したがって、ラインの停止時間
も長くなってしまうという不都合があった。

【０００９】またステッチャー方式では、板厚が薄いと
ライン張力に耐えることができない場合があった。

【００１０】ところで従来、金属薄板の溶接に好適な溶
接方法として超音波溶接が知られている。これは、重ね
合わせた２枚の金属薄板をホーンとアンビルとの間に加
圧して挟みつけ、そのホーンを、トランスデューサおよ
びコンセントレータを介して超音波振動させ、これによ
り接合面で原子間拡散を生じさせて接合する方法であ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】前述したように飲料缶
には、ブリキや極薄スズメッキ鋼板などが使用され、こ
の種の金属薄板を超音波溶接する場合、その接合面で超
音波振動変位が生じ、その結果、表面のメッキや酸化被
膜が破壊されて金属の素地が現れ、摩擦による発熱など
が関与して固体状態のまま接合が行われる。しかしなが
ら接合面の間には、メッキや酸化被膜が部分的に残り、
またそれらの破片が残ることもあり、さらには溶接作業
を迅速に行わなければならないので、部分的に溶接不良
が生じる可能性がある。

【００１２】しかしながら超音波溶接した接合部分は、
その良否を外観からは見分けることができないので、従
来一般には、溶接テスト品を剥離試験するなど、溶接後
の試験によって溶接の良否を判断していた。そのため、
溶接条件を変更するまでに溶接不良が生じてしまった
り、溶接不良箇所での破断によってラインを止めざるを
得なくなるなどの不都合があった。

【００１３】この発明は、上記の事情に鑑みてなされた
もので、迅速かつ的確に、しかもリアルタイムで溶接の
不良を検出することのできる方法および装置を提供する
ことを目的とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明の方法は、上記
の目的を達成するために、高周波発振器から供給される
高周波駆動電流により振動子を超音波振動動作させると
ともに、先行コイルの尾端部分と新たなコイルの先端部
分とが重ね合わされた２枚の金属薄板の接合部に前記振
動子から回転円盤状のホーンを介して超音波振動を伝達
して金属薄板を溶接するにあたり、前記ホーンを前記重
ね合わせ部分で回転させつつ連続して超音波溶接をおこ
ない、その溶接作業中の前記高周波発振器と振動子との
間に供給される電流値を常時検出して検出された電流値
の極大値もしくは極小値が所定範囲を超えたことに基づ
いて溶接不良部分を検出することを特徴とする方法であ
る。

【００１５】またこの発明の装置は、高周波発振器と、
該高周波発振器から供給される高周波駆動電流により超
音波振動動作する振動子と、該振動子に結合され振動子
の超音波振動を被溶接部である重ね合わされた先行コイ
ルの尾端部分と新たなコイルの先端部分との２枚の金属
薄板の重ね合わせ部に伝達する回転円盤状のホーンとに
より溶接した金属薄板の溶接不良を検出する装置であっ
て、前記重ね合わせ部で前記ホーンを超音波振動させつ
つ回転させる連続した溶接作業中の前記高周波発振器と
振動子との間に供給される電流値を常時検出する手段
と、検出された電流値の極大値もしくは極小値が所定範
囲を超えたことにより溶接不良部分を検出する手段とを
具備していることを特徴とするものである。

【００１６】

【作用】この発明の方法および装置においては、溶接作
業中の高周波発振器と振動子との間の電流値が常時検出
される。本発明者の実験によれば、溶接不良の生じる箇
所では、その電流値が極端に増大あるいは低下すること
が知られた。これは、振動子と共に超音波振動するべき
被溶接材である金属薄板が、何等かの異常で振動しにく
くなった場合、すなわち摩擦抵抗が大きくなった場合に
は、振動子を駆動するためのエネルギが増大するから電
流値が増大し、また反対に金属薄板が容易に滑る事態に
なれば、その駆動エネルギが少なくてよいから、電流値
が低下するものと考えられる。そこでこの発明の方法で
は、２枚の金属薄板の重ね合わせ部でホーンを回転させ
つつ超音波振動させる連続した溶接作業中に検出された
電流値の極大値あるいは極小値が所定範囲を越えて変化
した場合には、その箇所で溶接不良が生じたものと判断
する。すなわちホーンが回転することによる連続した溶
接部位における溶接不良部分が、電流値に基づいて検出
される。またこの発明の装置では、高周波発振器と振動
子との間の電流値を検出する手段の検出値の極大値もし
くは極小値が所定の範囲を越えた場合には、検出手段が
その箇所が溶接不良部分であることを検出する。

【００１７】

【実施例】以下、図面に基づいてこの発明の実施例につ
いて説明する。図１はこの発明の実施例を示すブロック
図であり、高周波発振器１０にはトランス１２を介して
圧伝素子などによって構成された振動子１４が接続され
ている。またこの振動子１４には、振動伝達部１６が機
械的に結合されている。さらに高周波発振器１０と振動
子１４との間の接続ラインには、その間の電流を検出す
る電流検出器を含む溶接モニタ１８が直列に接続されて
いる。この溶接モニタ１８は、要は、電流値を出力し、
あるいは電流値に応じた信号を出力するものであり、具
体的には、ＣＲＴに波形を表示するもの、プリンタに波
形を出力するもの、電流値を数字で出力するもの、さら
にはプリセットした電流値の幅を越えた場合に警報信号
を出力するものなどを使用することができる。

【００１８】なお、高周波発振器１０と振動子１４との
間には、電圧検出器２０が配置され、その検出値をコン
トローラ２２にフィードバックするように接続されてい
る。コントローラ２２はその電圧値に基づき高周波発振
器１０からの出力電圧を調整するようになっている。

【００１９】超音波溶接機は、基本的には従来知られて
いるものと同様であり、その一例を図２に示してある。
すなわち振動子１４は高周波発振器１０から供給された
高周波駆動電流により超音波振動させられるものであ
り、この振動子１４には、振動伝達部１６が結合されて
いる。この振動伝達部１６は、被溶接材である金属薄板
２８ａ，２８ｂに超音波振動を伝達するためのものであ
って、振動子１４に連結されたホーン２４によって構成
されている。また、このホーン２４との間に金属薄板２
８ａ，２８ｂを挟みつけるアンビル２６が設けられてい
る。

【００２０】ホーン２４は、金属薄板２８ａ，２８ｂを
その板幅方向（重ね合わせ部の長手方向）に連続して溶
接するために、回転円盤状をなしている。その最外周端
には、図３に示すように、接合部Ｘに当接させられる突
起部２４ａが全周に亘って形成されている。

【００２１】このように構成された溶接機による溶接
は、以下のようにして行われる。すなわち先ず、接合す
べき２枚の金属薄板２８ａ，２８ｂを所定の幅だけ互い
に重ね合わせ、この重ね合わせ部をホーン２４とアンビ
ル２６との間に設置し、これらホーン２４およびアンビ
ル２６によって、金属薄板２８ａ，２８ｂの接合部に静
圧力を加える。そして高周波発振器１０から振動子１４
に高周波電流を供給すると、振動子１４およびホーン２
４が図の左右方向に超音波振動し、これが金属薄板２８
ａ，２８ｂに伝達される。その結果、金属薄板の接触面
に微小振動塑性滑りが発生し、その滑り作用によって、
金属薄板表面の酸化物などの不純物が排除され、清浄化
された接触面の摩擦熱を利用しつつ冷間圧接・溶接が行
われる。

【００２２】以上の溶接過程において、前記突起部２４
ａの先端面のみが接合部Ｘに対して圧接されるから、そ
の突起部２４ａによって集中してメッキ層を中心から両
側に排除しつつ接合強度の高い溶接が行われる。すなわ
ちこのような突起部２４ａを設けた場合、金属薄板２８
ａ，２８ｂの重ね合わせ部３０の一部が強固に接合・溶
接され、突起部２４ａの当接される部分の両側に未溶接
部Ｙが存在するバタフライタイプの接合状態となる。し
かしながら接合部Ｘを全体的に押し潰すことを目的とし
たマッシュタイプを用い、溶接不良により未接合部を生
じた結果としてバタフライタイプとなったものに比べ、
突起部２４ａを設けた場合には未接合部Ｙは存在するも
のの、その接合部Ｘにおける接合強度は極めて高くな
り、かつ未接合部Ｙが疲労破壊しないので結果として充
分な破壊強度を得ることができる。この場合に、ラップ
幅が多少大きくなったとしても接合部がしっかりと溶接
されているため、破断強度に急激な低下は生じない。

【００２３】上述した溶接作業中の電流値は、前記溶接
モニタ１８によって常時、モニタされている。その電流
値は、定常状態においても僅かながら変動しているが、
その通常生じる変動幅を越えて変化した場合には、その
箇所に溶接不良があるものと判断する。すなわち高周波
発振器１０から振動子１４に供給する電流値が、所定の
範囲を越えることによって溶接不良を検出する。このよ
うな検出方法が可能なことは、以下に述べる実験結果に
よって確認された。

【００２４】前述した超音波溶接機を使用して、以下の
超音波溶接条件の範囲内で溶接を行い、その破断強度を
測定した。

【００２５】金属薄板の厚さ：0.40mm以下 ２枚の金属薄板の重ね代：1.5 〜4.6mm ホーンの加圧力：50kgf 以上 ホーンの振幅：20μm 以上 具体的な数値は、上記の条件に合致するように、出力24
00Ｗ／200 Ｖ、ホーンの速度（周速）7.5 m ／min 、加
圧力70kgf 、ラップ量1.5 〜2.0mm として溶接を行っ
た。なお、金属薄板としては、ＴＳＦ（0.19mm厚）を用
いた。図４は、上記の条件で溶接された２枚の金属薄板
３２ａ，３２ｂ（横100mm 、縦250mm ）を示し、その中
央部分が溶接部である。

【００２６】また人為的に溶接不良部分を作るために、
溶接部の一部に、幅3mm と6mm の揮発性インキおよびセ
ロハンテープ（図中、符号３６）を付着させた。そして
図４で一点鎖線で囲った６つの部分が、ＪＩＳ−５号試
験片に相当するサンプル３４として切り取った部分であ
る。６つのサンプル３４のうち、図の中央に位置する２
つのサンプル３４が、上記の各幅の揮発性インキおよび
セロハンテープを付着させて溶接不良箇所が作られたサ
ンプル３４である。そして各サンプル３４について破断
強度の測定を行った。

【００２７】先ず上記の金属薄板の溶接時に溶接モニタ
１８で得られたモニタ波形について説明する。図５は横
軸に時間を採り、縦軸に電流値を採って電流値の変化を
示す図であり、その（Ａ）は3mm 幅の揮発性インキを２
箇所に付着させた金属薄板の溶接時の電流変化を示して
いる。この図５の（Ａ）におけるＰ1 およびＰ2 として
示してある電流値の下がっている部分（すなわち極小値
を示す部分）が揮発性インキの付着部分である。

【００２８】また同図の（Ｂ）は同じく6mm 幅の揮発性
インキを付着させた場合の電流変化を示しており、揮発
性インキを付着させたＰ1 およびＰ2 で示す部分は、
（Ａ）に示す3mm 幅のものに比較して長い時間、電流値
が下がっている。

【００２９】さらに同図（Ｃ）および（Ｄ）は、3mm 幅
のセロハンテープおよび6mm 幅のセロハンテープを付着
させた場合の電流値の変化を示しており、上記の（Ａ）
および（Ｂ）の場合と同様の関係の結果が得られてい
る。

【００３０】上記の電流波形に異常のあった各サンプル
３４の平均破断強度および波形出力ならびに異常部検出
時間を、正常部と比較して示せば、図６のとおりであ
る。なお、図６において符号Ｍは揮発性インキを付着さ
せたサンプルであることを意味し、またＳはセロハンテ
ープを付着させたサンプルであることを意味している。
また各サンプル数は２０個（ｎ＝２０）である。

【００３１】この図６に示す結果から明らかなように、
正常部と揮発性インキまたはセロハンテープを付着させ
た部分との平均破断強度の差は、揮発性インキもしくは
セロハンテープの幅が広くなるにつれて拡大し、また揮
発性インキよりもセロハンテープを付着させた場合の方
が破断強度が約３割低下している。波形出力（％）につ
いても、不良部は、正常部に対してその平均値で互いに
有意差があった。

【００３２】このように破断強度の低下する溶接不良部
分と、電流値が大きく低下する部分とに明らかな相関関
係があり、したがって波形出力から溶接不良部分を検出
することができる。

【００３３】さらにモニタ波形の異常部検出時間につい
ても、それぞれの平均値で互いに有意差があった。な
お、異常部検出時間はアルミニウム材を使った場合も、
ＴＦＳ材を使った場合もほぼ同じであり、この異常部検
出時間によって異物付着の幅の推定を行うことができ
た。

【００３４】

【００３５】図１に示すこの発明の実施例においては、
溶接作業中の電流値の変化を溶接モニタ１８で常時モニ
タする構成であるから、その検出値に基づいて溶接不良
部分を直ちに知ることができる。また必要に応じて、溶
接不良が生じた場合に視覚的もしくは聴覚的な警報を出
力させることもできる。したがってこの発明の装置もし
くは方法によれば、例えばコイル塗装ラインにおける金
属薄板のコイルの交換時においては、塗装作業が終了し
ようとしているコイルの尾端部と新たなコイルの先端部
とを、超音波溶接による接合を行う際に、所定範囲およ
び所定の程度以上の溶接不良部分が発生すれば、これを
溶接モニタ１８による点検によって直ちに検知すること
ができ、その結果、再度、適正な状態で溶接作業をやり
直すことが可能になる。したがって溶接不良を検出でき
ずにラインを再起動してしまい、そのために工程の途中
で接合部が破断して不良品を生じるなどの事態を未然に
防止することができる。

【００３６】以上のように、上記の実施例では、飲料缶
などの製造に使用する金属薄板のコイル連続塗装ライン
などの迅速を要する接合作業を極めて短時間で行うこと
ができ、かつ外観上判断困難な溶接状態の良・不良の判
断を極めて迅速かつ詳細に行うことができ、そのため金
属薄板のコイル交換作業にかかる時間の短縮化を達成す
ることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなようにこの発明
の方法および装置によれば、金属薄板相互の連続した重
ね溶接を、簡単な作業で迅速に行うことができ、かつそ
の溶接状態の点検を溶接作業中に常時、行うことができ
る。これにより溶接不良部分を迅速に検出することがで
き、後の作業での支障や不良品の発生を未然に防止する
ことが可能になるなど、実用上、優れた効果を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の全体構成を示すブロック図である。

【図２】実施例の超音波溶接装置の機械的構成を示す説
明図である。

【図３】実施例のホーンの形状を示す説明図である。

【図４】溶接状態の点検を行うための溶接実験材料なら
びに破断強度測定のためのサンプルの説明図である。

【図５】実施例に係かる溶接モニタの電流検出波形図で
ある。

【図６】実験で得られた破断強度および波形出力ならび
に異常部検出時間をまとめて示す図表である。

【符号の説明】

１０ 高周波発振器 １４ 振動子 １６ 振動伝達部 １８ 溶接モニタ ２４ ホーン ２６ アンビル ２８ａ，２８ｂ 金属薄板 ３０ 重ね合わせ部

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波発振器から供給される高周波駆動
   電流により振動子を超音波振動動作させるとともに、先
   行コイルの尾端部分と新たなコイルの先端部分とが重ね
   合わされた２枚の金属薄板の接合部に前記振動子から回
   転円盤状のホーンを介して超音波振動を伝達して金属薄
   板を溶接するにあたり、前記ホーンを前記重ね合わせ部
   分で回転させつつ連続して超音波溶接をおこない、その
   溶接作業中の前記高周波発振器と振動子との間に供給さ
   れる電流値を常時検出して検出された電流値の極大値も
   しくは極小値が所定範囲を超えたことに基づいて溶接不
   良部分を検出することを特徴とする金属薄板の溶接不良
   検出方法。
2. 【請求項２】 高周波発振器と、該高周波発振器から供
   給される高周波駆動電流により超音波振動動作する振動
   子と、該振動子に結合され振動子の超音波振動を被溶接
   部である重ね合わされた先行コイルの尾端部分と新たな
   コイルの先端部分との２枚の金属薄板の重ね合わせ部に
   伝達する回転円盤状のホーンとにより溶接した金属薄板
   の溶接不良を検出する装置において、前記重ね合わせ部で前記ホーンを超音波振動させつつ回
   転させる連続した溶 接作業中の前記高周波発振器と振動
   子との間に供給される電流値を常時検出する手段と、検
   出された電流値の極大値もしくは極小値が所定範囲を超
   えたことにより溶接不良部分を検出する手段とを具備し
   ていることを特徴とする金属薄板の溶接不良検出装置。