JP4843502B2 - 管の圧潰及び封止のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、管を超音波溶接装置の振動音極と、これに配属された対極、例えば受圧台との間に配置し、管の圧潰及び封止のために振動音極を励振し、対極に対して相対的に変位させて行う、管、特に、例えば冷却技術の装置のための金属管、の圧潰及び封止のための方法に関する。

例えば、測定又は冷却技術の装置及び設備では管が利用され、管はまず真空化され、その上で冷却ガスが充填される。そのために管を継手で連結する。充填の後に管の継手側部分を切り取らなければならない。そのために設備又は装置、例えば冷蔵庫又は空調設備に通じる管を水密に密閉することが必要である。

先行技術により圧潰及び硬ろう付けが周知である。充填した管をキャップで閉じ、キャップ自体を管に接着する接着技術も適用される。

硬ろう付けで水密な密閉を行う場合は、管をあらかじめ圧潰して密封しておかなければ、塗布したはんだに通孔が生じ、これを管から出るガスが貫通し、こうして漏れを生じる欠点がある。このこととは別に、当該の技術は、不燃性のクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）液でしか利用できない。

今日、クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）は、ほとんどイソブタンに代替されるが、これは爆発性が高い。このため、硬ろう付けは、もはや不可能である。そこで超音波溶接が普及しており、まず真空化され、その上で冷却ガスが充填された管の圧潰と水密な密閉が、超音波溶接によって１工程で可能である。

管の水密な密閉のための周知の超音波溶接装置では、第１の溶接面を有する振動音極が使用され、溶接面の脇に切断要素が通っている。同様に所属の対極−受圧台ともいう−は、第１の溶接面に対応する第２の溶接面を有する。上記の切断要素に対応する相手要素、例えば切れ刃が第２の溶接面の脇に通っている。

国際出願公開ＷＯ−Ａ−０３０７６１１６による冒頭に挙げた種類の方法では、切り取られる部分がどちらの側にあるかに関係なく水密な密閉が行われるように、超音波溶接装置の工具交換又は位置換えをせずに、管の一部を切断することができる。

圧潰及び封止又は溶接を必要な範囲で行うために、例えば管の直径、肉厚及び材料に応じて、超音波溶接設備の溶接パラメータを個別に調整しなければならない。

電気導体を締め固め、続いて溶接するための方法及び装置が欧州特許ＥＰ−Ｂ−０７２３７１３により周知である。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、所定の溶接を横断面に応じて行うために、圧縮室に入れられた導体をまず締め固め、続いて締め固められた導体を収容する圧縮室の特性値を決定するように構成されている。次に圧縮室の特性値、例えば高さ又は幅に基づいて、保存された溶接パラメータが呼び出される。

本発明の課題は、管のデータをあらかじめ個別に超音波溶接装置に入力せずに、管の自動的圧潰及び封止を行う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。

課題を解決するための手段及び発明の効果

この課題の解決のために、本発明に基づきおおむね次のように構成する。
−振動音極と対極の間に管を配置して固定し、
−振動音極と対極の間に固定された管で、管の特性値を決定し、
−少なくとも１つの特性値に基づき、保存された溶接パラメータを呼び出し、
−管の圧潰と封止のために振動音極を励振し、振動音極と対極を相互に相対運動させる。

本発明によれば、超音波溶接装置によって管を自動的に圧潰及び封止又は溶接することが可能になり、正常な圧潰及び溶接又は封止のために不可欠な所要の溶接パラメータ及び圧力を供与するために、圧潰及び圧潰された管の溶接即ち封止のために必要なデータをあらかじめ超音波溶接装置に送る必要はない。むしろ管を振動音極と対極の間に固定した後に少なくとも１つの特性値を決定し、次にこの値を考慮して、例えばコンピュータに保存されたデータから、正常な圧潰及び圧潰された管の封止又は溶接を行うためのパラメータが自動的に超音波溶接装置に提供される。

特性値とは、例えば管の外径である。振動音極と対極の間の間隔を例えば位置センサで決定することによって、管の外径が決定される。

しかし複数の特性値を決定することが好ましい。導電性の管の場合は外径のほかにその導電度及び／又は管の肉厚を決定することができる。その場合肉厚測定は例えばパルスエコー法により超音波で行うことができる。

また特性値として、所定の材料特性、例えば変形仕事又は断面収縮も考えられる。その場合、特性値の決定のために例えば振動音極を対極に対して又はその逆に所定の力又は圧力で変位させ、次に得た変位に基づいて管の材料特性を推定することができる。その場合より大きな変位、それとともにより正確な測定を可能にするために、変位の際に管に超音波を印加することができる。

様々な寸法及び／又は材料の管の多数の測定に基づき、十分に多くのデータを確かめて記憶し、そこで得た表から当該の溶接過程で管に割り当てられるデータを確かめることが前もって必要であることはもちろんである。当該の表には特に溶接パラメータとして溶接エネルギー、溶接振幅、溶接時間及び溶接圧力と管径及び／又は肉厚及び／又は管材料との関係が保存されている。

本発明によれば、保存される溶接パラメータの決定のために、圧潰及び封止される標準管の特性値例えば直径及び／又は肉厚を決定すると共に、超音波振動させられる振動音極のエネルギー、力又は出力の時間的変化を考慮する単数又は複数の制御曲線を記録し、次に圧潰及び封止される未知の直径及び／又の肉厚の管の実際曲線と、こうして決定した単数又は複数の制御曲線とを比較し、制御曲線と一致するならば、これに相当する溶接パラメータを管の圧潰及び溶接のために使用するように構成されている。その場合単数又は複数の制御曲線は許容範囲が拡張され、その上で圧潰及び溶接される管の実際曲線をこれに当てはめる。

特に本発明は、制御曲線の記録の際に使用した標準管の圧潰及び溶接で決定される溶接パラメータ例えば圧力、溶接時間及びエネルギー投入量を制御曲線に割り当て、未知の寸法の管の溶接のために実際曲線を記録し、実際曲線を複数の制御曲線の１つに当てはめ、当該の制御曲線に割り当てられた溶接パラメータに基づいて未知の寸法の管を圧潰し、溶接することを特徴とする。

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。

主要な構成部分として振動音極１０、コンバータ１２及び制御部１４を具備する超音波溶接機の構造概略図が図１で明らかである。本例では振動音極１０とコンバータ１２の間にブースタ１４が配置されている。ブースタ１４は所望の振幅範囲を得るため、及び振動系の振動挙動の一般的安定化のための振幅変成器として使用される。

振動音極１０は、相対する作動又は溶接面１８及び２０を備えた振動音極ヘッド１６を有する。本例では作動又は溶接面１８に、受圧台と呼ばれる対極２２が配属され、例えば、銅からなる管２４を圧潰及び封止即ち溶接するために、溶接面１８と対極２２の間にこの管２４が配置される。同時に場合によっては管の片側が切り取られる。そのために通常振動音極ヘッド１６又は作動面１８、２０と対極２２の間に、管の一部をせん断するための切れ刃が配属される。

接続部２６を経て制御部１４に電源電圧が送られる。電源電圧の周波数は例えば２０ｋＨｚに変換される。次にコンバータ１２が電気エネルギーを機械振動エネルギーに変換し、その際機械振動周波数は制御部１４の電気的周波数に相当する。振動音極１０とコンバータ１２の間に接続されたブースタ１４は、前述のようにコンバータ１２と振動音極１０の間の振幅変換のために使用される。制御部１４は制御線１５を介してコンバータ１２に接続される。

管２４の圧潰及び封止の品質は振動音極ヘッド１６の振幅、溶接圧力（使用圧力）、溶接エネルギー、圧縮及び溶接時間におおむね依存する。先行技術によれば当該のデータは管の外径、肉厚及び材料に関連して制御部１４に個別に入力され、その上で圧潰及び溶接工程、場合によっては管の一部の切断が振動音極ヘッド１６と受圧台又は対極２２の協動によって行われる。ところが本発明によれば、例えば振動音極１０又は作動面１８、２０の振幅、溶接圧力、エネルギー、溶接時間及び圧縮を含む多数の溶接パラメータと、圧潰及び溶接される管、即ち幾つかの代表的な特性値としてのその直径、肉厚及び材料との関係が、制御部１４又は図示しないコンピュータに保存されるように構成されている。

溶接される管２４を受圧台（対極２２）と振動音極１０の第１の作動面１８の間に配置し、振動音極１０を第２の極２２、即ち受圧台の方向へ、管２４が第１及び第２の極１８、２２の間に固定されるまで降下した後、振動音極１０と対極２２の間の間隔を決定し、これから管２４の外径を確定する。間隔は位置センサによって検出することができ、当該のデータはデータ線２８を経て制御部１４又はコンピュータへ送られる。また管２４の材料特性を確かめ、同じくデータ線２８を経て制御部１４又はコンピュータに送ることができる。材料特性値として、例えば強度、電気抵抗又は肉厚が挙げられ、これらは管２４を振動音極１０と対極２２又はその溶接面の間に固定した後に確定される。強度は、管２４を固定した後に振動音極１０を所定の圧力で対極２２の方向へ変位させることによって決定することができる。変位距離に応じて管４の材料を推定することができる。管２４の電気抵抗を決定することもできる。例えば第２の対極２２の区域にあるセンサで超音波によって管２４の肉厚を測定することができる。他の適当な測定法も同様に可能である。

これとは別に、前述のように例示した処置により決定した管２４の特性値に基づいて、制御部１４又はコンピュータに保存された、特に振動音極１０の振幅、溶接圧力、溶接エネルギー、圧縮及び溶接時間を含むパラメータを呼び出し、それに従って振動音極１０を励振し、又は対極２２即ち受圧台の方向へ変位する。その際管２４は必要な範囲で圧潰され、密封即ち溶接される。同時に不要な管部分のせん断を行うことができる。

変形曲線から特性パラメータがどのように決定され、こうして管の圧潰と溶接をどのように自動化することができるかを、図２の出力・時間図に基づいて明らかにしよう。

図２には、所定の直径及び所定の肉厚の既知の管について制御曲線を決定するときの出力Ｗと時間ｔの関係が示されている。曲線３０は２つの特徴的なピーク３２、３４を有する。第１のピーク３０は、測定される標準管が振動音極１０と対極２２の間に緊定され、即ち外径が決定されるように、振動音極１０を対極２２の方向へ降下したときに現れる。その場合第１のピーク３２の位置は管径に依存する。振動音極１０をさらに降下し、又は対極２２に対してさらに相対運動させると、最初の低下の後の出力増加が上昇し、第２のピーク３４を通過する。第２のピーク３４の位置は管の肉厚に依存する。次に管の圧潰と封止が行われる。このことは出力に関連して、降下する曲線部分３６で説明される。

基準曲線とも呼ばれる当該の出力・時間曲線３０が、今や様々な直径及び肉厚の多数の管について記録される。次いで当該の制御曲線に許容範囲３８、４０が割り当てられる。

そこで未知の直径及び肉厚の管を圧潰及び封止しようとするときは、実際曲線を記録し、これを１つの制御曲線に当てはめる。次に未知の直径及び肉厚の管を正常に圧潰及び封止するために、当該の制御曲線に基づいて溶接パラメータ、例えば圧力、溶接時間又はエネルギー投入量を保存された表から呼び出す。

換言すれば、例えば４、６、８、１２ｍｍの様々な管径及び、例えば０．６ｍｍないし１ｍｍの様々な肉厚に対して曲線３０に相当する制御曲線を記録し、次に許容範囲を決定し、記憶するために、まず学習モードが行われる。次に未知の直径及び肉厚の管を振動音極１０と対極２２の間に位置決めし、振動音極１０と対極２２を互いに向き合いに移動して、実際曲線に現れるピークに基づき管径と肉厚を決定し、当該の値を制御曲線の値と比較する。相当する値が制御曲線にあれば、次に、溶接モードとして、正常な圧潰と封止のために必要なパラメータを呼び出す。

超音波溶接機の原理図を示す。 出力・時間図を示す。

Claims (13)

1. 管を超音波溶接装置の振動音極と、これに配属された対極との間に配置し、該管の圧潰及び封止のために該振動音極を励振し、該対極に対して相対的に変位させて行う、管の圧潰及び封止のための方法において、下記の手順、
   −該管を該振動音極と対極の間に配置し、
   −該振動音極と対極の間に該管を固定した後に、該管の少なくとも１つの特性値を決定するとともに該特性値を該超音波溶接装置の制御部にデータ線を経て送り、
   −該特性値に基づいて前記制御部から、保存された溶接パラメータを呼び出し、
   −該管の圧潰及び封止のために該振動音極を励振し、該振動音極と対極を相対運動させることを特徴とする方法。
2. 該特性値として、該振動音極と対極の間に管を固定したときの該振動音極と対極の間隔を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 該特性値として管の導電度を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 該特性値として管の肉厚を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 該特性値として管の変形度を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 変形度の決定のために、所定の距離にわたって該振動音極と対極を相互に変位させるために掛ける圧力を測定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 該振動音極を対極に対して変位させるときに、振動音極を、超音波で励振することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 肉厚を、超音波によって決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 複数の特性値を決定し、保存された溶接パラメータをこれらの特性値に基づき呼び出すことを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 管の圧潰及び封止の後に、管の一部をせん断することを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 保存される溶接パラメータの決定のために、圧潰及び封止される標準管の特性値を決定すると共に、超音波振動させられる該振動音極のエネルギー、力及び／又は出力の時間的変化を考慮する複数の制御曲線を記録し、次に圧潰及び封止される未知の直径及び／又は未知の肉厚の管の実際曲線を、上記のように決定された複数の制御曲線と比較し、該制御曲線と一致するときは、これに該当する溶接パラメータを管の圧潰及び封止のために使用することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 実際曲線と、許容範囲を拡張した制御曲線とを比較することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 制御曲線の記録の際に使用した標準管の圧潰及び封止のために決定される溶接パラメータを該制御曲線に割り当て、未知の寸法の管の溶接のために実際曲線を記録し、該実際曲線を複数の制御曲線の１つに当てはめ、当該の制御曲線に割り当てられた溶接パラメータに基づいて未知の寸法の管を圧潰し、溶接することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の方法。

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