JP3780636B2 - Ultrasonic welding method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のワークを超音波振動を利用して接合させる超音波溶接方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来からの超音波溶接方法の一例を実施するための超音波溶接装置を図6に示す。
【0003】
図6に示す超音波溶接装置は、アンビル(作業台ともいう。)5とホーン(超音波工具ともいう。)4との間にワーク(接合部材ともいう。)6と7とをセットし、加圧手段(図示せず。)によってワーク6と7に圧力Pを加えながらホーン4を超音波振動させることによりワーク6と7とを接合させるものである。
【0004】
この超音波溶接装置は、定電圧電源1を備える。
【0005】
定電圧電源1は、交流電源(例えば、AC200V)に接続され、溶接時、図2に出力電圧パターンaとして示す定電圧Vを溶接開始時点tS から溶接終了時点tE まで出力する。
【0006】
定電圧電源1の定電圧は、定速度定振幅型発振器2に印加される。
【0007】
振動子3は、定速度定振幅型発振器2の出力信号に基づいて超音波を出力する。
【0008】
ホーン4は、振動子3の超音波出力を増幅する。
【0009】
さらに、この超音波溶接装置は、溶接時にワーク6とワーク7との接合界面6a、7aの変形量を間接的に検出するために、ホーン保持部8の下降量を検出する変位量センサ9を備える。
【0010】
また、この超音波溶接装置は、変位量センサ9からの検出信号を入力し、ホーン保持部8の下降量が予め定めた設定値に達したとき、上記定電圧電源1の出力を停止させ溶接を終了させる制御装置10を備える。
【0011】
ところで、上述したような超音波溶接装置を用いた超音波溶接方法に限らず、超音波溶接を行なう場合、図7に示すように、溶接開始から溶接完了までの全体の変位量L(一方のワーク6に対するホーン4のスリップ防止用ローレット4aの食込量Le1と、他方のワーク7に対するアンビル5の食込量Le2と、二枚のワーク6と7の接合界面6a、7aの変形量LW との和であり、L=Le1+Le2+LW で表される。)において変形量LW の占める割合が大きいことが、接合強度の増大につながる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶接初期におけるワーク6と7同士の摩擦は大きい。また、定速度定振幅型発振器2を用いた場合、ホーン4の振幅を一定にするために初期に大きなホーン駆動力が必要とされる。
【0013】
このため、従来の超音波溶接方法によると、図3に出力パターンaとして示すように、溶接初期(通常、溶接開始時点tS から約0.03秒〜0.05秒が経過した時点)にホーン4の出力Wのピークが現れ、また、溶接初期段階(通常、溶接開始時点tS から約0.3秒〜0.5秒が経過するまでの期間)にホーン出力Wの急激な変化が生じる。
【0014】
そして、このようなホーン出力Wの急激な変化時(溶接初期段階)に、加圧力変動によりワーク6に対するホーン4のグリップ力が不足すると、図8に示すように、ワーク6がホーン4の超音波振動に追従できず、滑りが発生してホーン4の超音波振動がワーク6へ十分に伝達されず、ワーク6、7の接合界面6a、7aの摩擦清浄化及び昇温が不十分となって接合強度が低下する。なお、図8において、矢印vP はホーン4の振動の方向及び大きさ、矢印vW はワーク6の振動の方向及び大きさをそれぞれ便宜的に表している。
【0015】
ホーン4とワーク6間で上記のような滑りが発生すると、図8に示すように、ホーン4の振幅量がワーク6の振幅量よりも大きくなり、ホーン4のローレット4aがワーク6を長時間塑性変形させ、ワーク6に対するローレット4aの食込量Le1が増大する。このため、溶接による全体の変位量Lに対する食込量Le1の割合は、約0.3mmの変位量Lに対し約0.15〜0.2mmの大きな食込量Le1となり、接合強度に直接関与する変形量LW が減少し、接合強度が不安定であった。
【0016】
そこで、従来、接合強度の安定化を図るため、治具やホーンを改良したり、あるいは溶接中に加圧力を変化させる方法がとられていた。しかし、治具やホーンを改良する方法では、多種のワークへの適応が困難である上、溶接過程を最適の状態にするには限界があった。また、加圧力を変化させる方法では、溶接中に加圧力を変化させるため、装置の耐久性を低下させるという問題がある。
【0017】
なお、接合強度安定化のための一つの案として、全体の変位量Lを予め大きな値に設定し、変形量LW の増大を図ることが考えられる。しかし、変位量Lを大きな値に設定することは、反面、溶接時間の増大を招き、時間当りの溶接回数が減少することになり、生産効率上好ましくない。さらに、ホーンのローレットのワークへの食込量が増大し易く、ホーンのローレットの食い込みにより生じるワーク表面の凹部が深くなるため、外観が重要視される製品などの製造には好適とはいえないという問題が発生する。このため、変位量Lを大きな値に設定するという案も十分な解決策とはいえない。
【0018】
本発明は、上記問題点にかんがみなされたものであり、溶接初期段階におけるホーン出力のピーク及び急激な変化を低減させ、ワークの接合強度の安定化を図ることを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波溶接方法では、請求項1に記載のように、溶接初期段階に、ホーン出力を低下させる。このため、溶接初期段階において、ホーンによってグリップされるワークは、ホーンの超音波振動に十分追従可能となり、滑りがほとんど発生しない。したがって、ワークがホーンによって塑性変形される時間が短くなり、ホーンの食込量が減少する。
【0020】
そして、ホーン出力低下後、ホーン出力は徐々に増大しワークの接合界面が発熱してワーク同士が接合される。
【0021】
このように本発明の超音波溶接方法によると、ホーンの食込量が減少するため、溶接時の全体の変位量に対するワーク接合面の変形量が増大し、ワークの接合強度を安定化させることができる。
【0022】
ここで、溶接初期段階のホーン出力低下期間は、ホーン出力のピーク及び急激な変化が現れる期間が、通常、溶接開始時点から約0.3秒〜0.5秒が経過するまでの期間であることから、請求項2に記載のように、溶接開始時点から少なくとも0.2秒が経過する時点までの期間に設定することが望ましい。
【0023】
また、ホーン出力の制御は、オープンループ制御によってもよいが、請求項3に記載のようにフィードバック制御によることが精度的に好ましい。
【0024】
また、本発明の超音波溶接方法によると、上述したように溶接初期段階にホーンの超音波振動にワークが十分追従できるようになるため、本発明の超音波溶接方法は、請求項4に記載のように、本来的にホーンの超音波振動に追従しにくい大型ワークの溶接に好適であり、また、請求項5に記載のように、位置決めピンで振動を抑制する必要がある多層重ね溶接にも好適となる。
【0025】
そして、本発明の超音波溶接方法は、請求項6に記載の超音波溶接装置を用い、複数のワークを一定圧で加圧しながら超音波溶接を開始し、溶接初期段階に、制御装置によりホーンの出力を低下させるよう電圧可変電源の出力電圧を制御し、その後、制御装置によりホーンの出力を徐々に増大させるよう電圧可変電源の出力電圧を制御することによって実施できる。
【0026】
上記超音波溶接装置の発振器としては、請求項7に記載のように、溶接初期段階にピークと急激な出力変化が生じる、ホーンを定速度及び定振幅で駆動する定速度定振幅型発振器が使用される。
【0027】
上記超音波溶接装置は、ホーン出力をオープンループ制御するものであってもよいが、請求項8に記載のように、出力検出センサからの検出信号に基づいてホーンの出力パターンを検出し、該検出した出力パターンを最適出力パターンに一致させるよう電圧可変電源の出力電圧をフィードバック制御することが、精度的に好ましい。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
【0029】
図1は、本実施例による超音波溶接方法を実施するための超音波溶接装置の構成を示す。
【0030】
図1に示す超音波溶接装置は、電圧可変電源11と定速度定振幅型発振器2と振動子3とホーン(超音波工具)4とホーン保持部8と変位量センサ9と出力検出センサ12と制御装置13と表示装置14とを備える。
【0031】
電圧可変電源11には、交流電源(例えば、AC200V)が接続される。電圧可変電源11は、定速度定振幅型発振器2に出力電圧Vを印加するものであり、出力電圧Vは制御装置13によって制御される。
【0032】
定速度定振幅型発振器2は、ホーン4を定速度かつ定振幅で駆動するものであり、印加電圧、すなわち、電圧可変電源11の出力電圧V、に応じた振幅を有する信号を出力する。
【0033】
振動子3は、定速度定振幅型発振器2の出力信号の振幅に応じた振幅を有する超音波を出力する。
【0034】
ホーン4は、振動子3の超音波出力を増幅する。
【0035】
変位量センサ9は、ワーク6とワーク7との接合界面6a、7aの変形量LW を間接的に検出するために、ホーン保持部8の下降量を検出する。
【0036】
出力検出センサ12は、ホーン4の出力Wを間接的に検出するために定速度定振幅型発振器2の出力を検出し、制御装置13に入力する。
【0037】
制御装置13は、ホーン4の最適出力パターンを予め記憶しており、出力検出センサ12からの検出信号に基づいてホーン4の出力パターンを検出し、該検出した出力パターンを最適出力パターンに一致させるよう電圧可変電源11の出力電圧Vをフィードバック制御する。
【0038】
ここで、最適出力パターンは、図3に波形bとして表される。この波形bと従来の波形aとを比較すれば明らかなように、最適出力パターンでは、溶接初期段階(通常、溶接開始時点tS から少なくとも0.2秒が経過する時点までの期間)に出力Wが低く、その後、出力Wが徐々に増大している。
【0039】
制御装置13は、このような最適出力パターンが得られるよう電圧可変電源11の出力電圧Vを図2に波形bとして表すように制御する。
【0040】
また、制御装置13は、変位量センサ9からの検出信号を入力し、ホーン保持部8の下降量が予め定めた設定値Lに達したとき、電圧可変電源11の出力を停止させ溶接を終了させる。
【0041】
次に、上記のように構成された超音波溶接装置を用いた超音波溶接方法を説明する。
【0042】
まず、アンビル5とホーン4のローレット4aとの間にワーク6と7とをセットし、加圧手段(図示せず。)によってワーク6と7に一定の圧力Pを加える。なお、加圧手段は、溶接中、常に圧力Pが一定となるよう加圧する。
【0043】
次に、電圧可変電源11を入れ、ホーン4を超音波振動させてワーク6、7の溶接を開始する。
【0044】
この溶接時、制御装置13は、出力検出センサ12からの検出信号に基づいてホーン4の出力パターンを検出し、該検出した出力パターンを図3図示波形bの最適出力パターンに一致させるよう電圧可変電源11の出力電圧Vをフィードバック制御する。
【0045】
最適出力パターンは、上述したように、溶接初期段階に出力Wが低く、その後、出力Wが徐々に増大している。したがって、図4に示すように、溶接初期段階において、ホーン4のローレット4aによってグリップされるワーク6は、ホーン4の超音波振動に十分追従でき、各々の振動VP 、VW の振幅量がほぼ一致し、滑りがほとんど発生しない。したがって、ワーク6がホーン4のローレット4aによって塑性変形される時間が短くなり、ホーン4の食込量Le1が減少する。そして、ホーン出力Wの低下後、ホーン出力Wは徐々に増大してゆくためワーク6、7の接合界面6a、7aが発熱してワーク6、7同士が接合される。
【0046】
そして、変位量センサ9からの検出信号によりホーン保持部8の下降量が予め定めた設定値Lに達したと制御装置13において判断されたとき、制御装置13は電圧可変電源11の出力を停止させ、これにより溶接が終了する。
【0047】
以上説明したように、本実施例の超音波溶接方法によると、ホーン4の食込量Le1が減少するため、溶接時の全体の変位量Lに対するワーク接合面6a、7aの変形量LW が増大し、ワーク6、7の接合強度を安定化させることができる。
【0048】
また、制御装置13は、任意の最適出力パターンを比較的自由に記憶できるため、種々のワーク、材料に応じた最適な出力パターンを容易に得ることができる。
【0049】
また、ホーン4からワーク6への伝達ロスが少ないため、ホーンセレーションの簡略化を図ることができる。
【0050】
また、本実施例の超音波溶接方法によると溶接初期段階でホーンの超音波振動にワークが追従できるため、本来的にホーンの超音波振動に追従しにくい、接合面の面積が100mm2 以上の大型ワークの溶接、並びに、図5に示すように位置決めピン5aなどで振動を抑制する必要が有るワーク15と16と17の多層重ね溶接に本実施例は好適となる。例えば、約120mm2 のリング形状をした銅板(t=0.5mm)と鉄板(t=2〜3mm)とアルミ板(t=1〜2mm)の3個の部品を位置決めピン5aにて位置決めしながら重ね溶接する場合、剪断強度は、従来法では300〜450kgfであったのが、本発明方法では400〜450kgfと安定した。
【0051】
なお、上述した実施例では、ホーン出力Wをフィードバック制御しているが、出力検出センサ12を取り除き、オープンループ制御するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施例による超音波溶接方法を実施するための超音波溶接装置の構成図である。
【図2】本発明方法における電圧可変電源の出力電圧Vと従来方法における定電圧電源の出力電圧Vとの比較を示すグラフである。
【図3】本発明方法におけるホーン出力Wと従来方法におけるホーン出力Wとの比較を示すグラフである。
【図4】本発明方法における溶接過程を説明するための説明図である。
【図5】本発明方法の一適用分野としての多層重ね溶接を説明するための説明図である。
【図6】従来の超音波溶接方法を実施するための超音波溶接装置の構成図である。
【図7】溶接による全体の変位量とホーンの食込量と接合面の変形量とアンビルの食込量との関係を説明するための説明図である。
【図8】従来方法における溶接過程を説明するための説明図である。
【符号の説明】
2 定速度定振幅型発振器(発振器)
3 振動子
4 ホーン
5 アンビル
5 a 位置決めピン
6、7、15、16、17 ワーク
11 電圧可変電源
12 出力検出センサ
13 制御装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic welding method in which a plurality of workpieces are joined using ultrasonic vibration.
[0002]
[Prior art]
An ultrasonic welding apparatus for carrying out an example of a conventional ultrasonic welding method is shown in FIG.
[0003]
The ultrasonic welding apparatus shown in FIG. 6 sets workpieces (also referred to as joining members) 6 and 7 between an anvil (also referred to as a work table) 5 and a horn (also referred to as an ultrasonic tool) 4. The
[0004]
The ultrasonic welding apparatus includes a constant voltage power source 1.
[0005]
The constant voltage power source 1 is connected to an AC power source (for example,
[0006]
The constant voltage of the constant voltage power source 1 is applied to the constant speed
[0007]
The vibrator 3 outputs an ultrasonic wave based on the output signal of the constant speed constant
[0008]
The
[0009]
Further, this ultrasonic welding apparatus includes a
[0010]
Further, this ultrasonic welding apparatus inputs a detection signal from the
[0011]
By the way, not only the ultrasonic welding method using the ultrasonic welding apparatus as described above, but also when performing ultrasonic welding, as shown in FIG. a biting amount L e1 of the slip prevention knurled 4a of the
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the friction between the
[0013]
Therefore, according to the conventional ultrasonic welding method, as shown as an output pattern a in FIG. 3, at the initial stage of welding (usually, when about 0.03 seconds to 0.05 seconds have elapsed from the welding start time t S ). The peak of the output W of the
[0014]
If the grip force of the
[0015]
When the above-described slip occurs between the
[0016]
Therefore, conventionally, in order to stabilize the bonding strength, a method of improving a jig or a horn or changing a pressing force during welding has been used. However, the method of improving jigs and horns is difficult to adapt to various workpieces, and there is a limit in optimizing the welding process. Further, the method of changing the applied pressure has a problem that the durability of the apparatus is lowered because the applied pressure is changed during welding.
[0017]
As a proposal for the bonding strength stabilizing, setting the total amount of displacement L in advance to a large value, it is considered possible to increase the deformation amount L W. However, setting the displacement L to a large value, on the other hand, increases the welding time and decreases the number of weldings per hour, which is not preferable in terms of production efficiency. Furthermore, the amount of horn knurled biting into the workpiece tends to increase, and the concave portion of the workpiece surface caused by the horn knurling biting deepens, so it cannot be said that it is suitable for manufacturing products and the like whose appearance is important. The problem occurs. For this reason, the idea of setting the displacement amount L to a large value is not a sufficient solution.
[0018]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to reduce the horn output peak and abrupt changes in the initial stage of welding and stabilize the joining strength of the workpiece.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In the ultrasonic welding method of the present invention, as described in claim 1, the horn output is reduced in the initial stage of welding. For this reason, in the initial stage of welding, the work gripped by the horn can sufficiently follow the ultrasonic vibration of the horn, and slip hardly occurs. Therefore, the time during which the workpiece is plastically deformed by the horn is shortened, and the amount of biting of the horn is reduced.
[0020]
And after a horn output fall, a horn output increases gradually, the joining interface of a workpiece | work heat | fever-generates, and workpiece | work is joined.
[0021]
As described above, according to the ultrasonic welding method of the present invention, the amount of biting of the horn is reduced, so that the deformation amount of the workpiece joining surface with respect to the total displacement during welding is increased, and the joining strength of the workpiece is stabilized. Can do.
[0022]
Here, the horn output lowering period in the initial stage of welding is a period from when the peak of horn output and a sudden change appear to about 0.3 seconds to 0.5 seconds from the start of welding. Therefore, as described in
[0023]
Further, the horn output may be controlled by open loop control, but it is preferable to accurately perform feedback control as described in claim 3.
[0024]
Further, according to the ultrasonic welding method of the present invention, since the workpiece can sufficiently follow the ultrasonic vibration of the horn at the initial stage of welding as described above, the ultrasonic welding method of the present invention is described in
[0025]
The ultrasonic welding method of the present invention uses the ultrasonic welding apparatus according to
[0026]
As the oscillator of the ultrasonic welding apparatus, a constant-speed constant-amplitude type oscillator that drives a horn at a constant speed and a constant amplitude, in which a peak and abrupt output change occurs in the initial stage of welding, as described in
[0027]
The ultrasonic welding apparatus may perform open-loop control of the horn output, but as described in
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0029]
FIG. 1 shows the configuration of an ultrasonic welding apparatus for carrying out the ultrasonic welding method according to this embodiment.
[0030]
The ultrasonic welding apparatus shown in FIG. 1 includes a voltage
[0031]
An AC power supply (for example,
[0032]
The constant speed
[0033]
The vibrator 3 outputs an ultrasonic wave having an amplitude corresponding to the amplitude of the output signal of the constant speed constant
[0034]
The
[0035]
The
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
Here, the optimum output pattern is represented as a waveform b in FIG. As is apparent from comparison between this waveform b and the conventional waveform a, the optimum output pattern is output at the initial stage of welding (usually, the period from the welding start time t S to the time when at least 0.2 seconds elapses). W is low, and then the output W gradually increases.
[0039]
The
[0040]
Further, the
[0041]
Next, an ultrasonic welding method using the ultrasonic welding apparatus configured as described above will be described.
[0042]
First, the
[0043]
Next, the voltage
[0044]
At the time of this welding, the
[0045]
As described above, in the optimum output pattern, the output W is low in the initial stage of welding, and then the output W gradually increases. Therefore, as shown in FIG. 4, in the initial stage of welding, the
[0046]
When the
[0047]
As described above, according to the ultrasonic welding method of the present embodiment, the amount of biting L e1 of the
[0048]
Moreover, since the
[0049]
Moreover, since there is little transmission loss from the
[0050]
Further, according to the ultrasonic welding method of the present embodiment, since the workpiece can follow the ultrasonic vibration of the horn at the initial stage of welding, it is difficult to follow the ultrasonic vibration of the horn, and the area of the joint surface is 100 mm 2 or more. This embodiment is suitable for welding large workpieces and multilayer lap welding of
[0051]
In the embodiment described above, the horn output W is feedback-controlled, but the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an ultrasonic welding apparatus for carrying out an ultrasonic welding method according to an embodiment.
FIG. 2 is a graph showing a comparison between an output voltage V of a voltage variable power supply in the method of the present invention and an output voltage V of a constant voltage power supply in a conventional method.
FIG. 3 is a graph showing a comparison between a horn output W in the method of the present invention and a horn output W in a conventional method.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a welding process in the method of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining multilayer lap welding as an application field of the method of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of an ultrasonic welding apparatus for performing a conventional ultrasonic welding method.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the relationship among the total displacement amount by welding, the horn biting amount, the deformation amount of the joint surface, and the anvil biting amount.
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining a welding process in a conventional method.
[Explanation of symbols]
2 Constant-speed constant-amplitude oscillator (oscillator)
3
5 a Positioning pins 6, 7, 15, 16, 17
Claims (8)
前記複数のワークを貫通する位置決めピンを前記アンビルから上方へ突設すると共に、
溶接初期段階に前記ホーンの出力を低下させ、その後前記ホーン出力を徐々に増大させる
ことを特徴とする超音波溶接方法。In the ultrasonic welding method of joining the plurality of workpieces by setting a plurality of workpieces between the anvil and the horn and ultrasonically vibrating the horn while pressurizing these workpieces at a constant pressure,
A positioning pin that penetrates the plurality of workpieces protrudes upward from the anvil, and
An ultrasonic welding method characterized by lowering the output of the horn at an initial stage of welding and then gradually increasing the output of the horn.
アンビルから上方へ突設された位置決めピンを前記複数のワークに貫通させるように、該アンビルと前記ホーンとの間に前記複数のワークをセットし、
これらのワークを一定圧で加圧しながら超音波溶接を開始し、
溶接初期段階に、前記制御装置により前記ホーンの出力を低下させるよう前記電圧可変電源の出力電圧を制御し、
その後、前記制御装置により前記ホーンの出力を徐々に増大させるよう前記電圧可変電源の出力電圧を制御する
ことを特徴とする超音波溶接方法。A variable voltage power supply having a variable output voltage, an oscillator that outputs a signal having an amplitude corresponding to the output voltage of the variable voltage power supply, and a vibrator that outputs an ultrasonic wave having an amplitude corresponding to the amplitude of the output signal of the oscillator And an ultrasonic welding method for joining a plurality of workpieces using an ultrasonic welding device having a horn for amplifying the ultrasonic output of the vibrator and a control device for controlling the output voltage of the voltage variable power source. ,
The plurality of workpieces are set between the anvil and the horn so that the positioning pins projecting upward from the anvil penetrate the plurality of workpieces.
Ultrasonic welding is started while pressing these workpieces at a constant pressure,
In the initial stage of welding, the control device controls the output voltage of the voltage variable power supply so as to reduce the output of the horn,
Then, the output voltage of the voltage variable power supply is controlled by the control device so as to gradually increase the output of the horn.
前記出力検出センサからの検出信号に基づいて前記ホーンの出力パターンを検出し、該検出した出力パターンを前記最適出力パターンに一致させるよう前記電圧可変電源の出力電圧をフィードバック制御する
ことを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の超音波溶接方法。While providing an output detection sensor for detecting the output of the horn, the optimal output pattern of the horn is stored in advance in the control device,
An output pattern of the horn is detected based on a detection signal from the output detection sensor, and feedback control is performed on the output voltage of the voltage variable power source so that the detected output pattern matches the optimum output pattern. The ultrasonic welding method according to claim 6 or 7.
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