JP5291465B2 - 超音波溶接法により電気導体の間に溶接継手を作製する方法 - Google Patents

Description

本発明は、互いに相対的に変位可能な境界部材によって取り囲まれた圧縮室に導体を挿入し、圧縮室の中で、境界部材の１つをなし、超音波振動させられる超音波溶接装置の振動音極により溶接する、第１の電気導体としての少なくとも１つの剛性を有する扁平な支持体と、例えば素線などの少なくとも１つの第２の電気導体と、の間の溶接継手の作製方法に関する。

ドイツ特許DE-C-3437749によれば、超音波により支持体上に素線を溶接するために、圧縮室の側部を画定する側板が支持体に沿って変位可能であり、ここにおいて、側板の内のり間隔は圧縮室に没入する振動音極の部分の幅に合わせて調整される。支持体自体は対極−受圧台ともいう−に支えられる。

ドイツ雑誌：技術ライブラリー、１０８巻、超音波金属溶接（Die Bibliothek der Technik, Band 108: Ultraschall-Metallschweissen）,Verlag Moderne In-dustrie,
86895 Landsberg, 1995, 43頁にU字形の幾何学的形状を有するケーブルシューと電気導体の溶接が示されている。この溶接には超音波溶接装置が利用され、溶接される導体は圧縮室に挿入される。圧縮室は周知のように振動音極及び受圧台の一部並びにこれらの横で変位可能な側板によって画定される。
ドイツ特許公開DE―A―１９９０６０８８には、１つの索が多数の細線からなるバッテリー接続ケーブルが開示されている。ここにおいて、該索の各端部に接続部片が溶接される。このために、それぞれの端部及び接続部片の一端が超音波溶接装置の横断面調整可能な圧縮室内に挿入される。

導体に整合し、高さと幅が調整可能な圧縮室で電気導体、特に素線を圧縮し、続いて超音波で溶接する方法が国際出願公開WO-A-95/10866により周知である。ここにおいては溶接される導体はまず圧縮され、その上で溶接される。なお圧縮室は溶接される導体の横断面に関係なく所定の高さ幅比に調整することができる。

同じく高さ及び幅が調整可能な超音波溶接装置の圧縮室が、欧州特許EP-B-0143936又はドイツ特許公開DE-A-3719083に開示されている。

使用される超音波溶接装置の出力は、溶接される導体の最大断面積に合わせて設計されている。例えば、制御線と接続片−端子ともいう−を結合しようとするときは、使用される超音波溶接装置の出力は溶接される制御線の断面積に合わせて設計するのが普通である。さらに接地線を接続しようとするときは、接地線と端子を慣用の技術でねじ込み又は差し込みにより結合する。このような継手の欠点は、制御線上の信号を妨害するおそれのある接触抵抗が生じることである。

超音波溶接装置の出力が、接続片に、例えば接地線又はバッテリー線を制御線と一緒に溶接するのに十分であったとしても、十分に良好なプロセス監視が不可能であるという欠点が生じる。大きな断面積の導体の溶接で許される許容差がしばしば制御線の断面積より大きいため、その結果、プロセス監視の範囲内で確認できない複合誤差が生じるからである。

本発明の課題として、本発明は、第１の電気導体と第２の電気導体を超音波溶接により希望通りに結合することができ、その際第１の電気導体と結合される複数の第２の電気導体の総断面積が、使用される超音波溶接装置で通常、導体を溶接できる断面積より大きくなるように冒頭に挙げた種類の方法を改良することを目的とする。また特に望ましくない接触抵抗が生じないように、第１の電気導体に、大きい断面積及び小さい断面積の複数の第２の電気導体を確実に結合することを可能にすることも本発明の目的である。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記の課題は本発明に基づき圧縮室内で第１の電気導体と２個以上の第２の電気導体を逐次溶接することによって解決される。

本発明によれば、使用される超音波溶接装置で通常１回の溶接操作で溶接できる導体断面積より大きな総断面積の複数の第２の電気導体（以下、単に第２の導体、又は第２導体という）を第１の導体（以下、単に第１の導体、又は第１導体という）に溶接する可能性が開ける。また本発明に基づき、第１の導体に大きい断面積及び小さい断面積の複数の第２の導体を確実に溶接することが保証される。なぜなら、大きな断面積の第２の導体と小さな断面積の複数の導体を同時に溶接するのではないので、十分なプロセス監視を行うことができるからである。この処置によって超音波溶接装置を取り替えずに、第２の導体と第１の導体を希望通りに溶接することが可能になる。第１の導体と結合される最大断面積の個別の第２導体に合わせて出力が設計された超音波溶接装置を使用することができ、その際当該の導体断面積を考慮して個別のプロセス監視を行うことができる。

第１及び第２の導体の間に存在する結合に加えて、別の第２導体を在来の結合方式、例えばねじ込み又は差込みに頼らずに接続しようとするときに、特にこの方法は有利である。こうして確実かつ良好な導電結合が保証されるから、障害を招く恐れのある望ましくない接触抵抗が生じない。従って、特に自動車技術で配線するときに行われるように、制御線と接地線又は接続片付きのバッテリーとを問題なく結合することができる。

順次続く溶接操作において、第１導体を圧縮室に対して相対的に変位させることが好ましい。第１導体を圧縮室に対して変位させることが好ましい。しかし、超音波溶接装置、即ち圧縮室を、第１導体に沿って変位させ、その上で複数の第２導体を第１導体に逐次溶接することも可能である。

圧縮室の横断面を必要に応じて調整することができるならば、複数の第２導体を第１導体の上に重ねて溶接することが可能である。またその場合、まず第２導体を第１導体に溶接し、次に別の第２導体を、第１導体に溶接した第２導体の上に溶接し、以下同様に行うことによって、逐次溶接が行われる。また複数個の第２導体と１個の第１導体の同時溶接も可能であり、その場合少なくとも１個の別の第２導体が別個の溶接プロセスで第１導体に溶接される。

第２導体と第１導体ないしは第２導体群を互いに隔たる区域で溶接することが好ましい。その場合、第１導体は段部により互いに隔てられた複数の部分からなり、第１導体の縦方向に沿って伸びる複数の部分に複数の第２導体を溶接することが可能である。

第１導体への第２導体の溶接が、とりわけ第１導体の縦方向に互いに隔たる区域で行われるとすれば、２個の第２導体を第１導体の縦軸を横切る区域に並列して第１導体に溶接することも可能である。

複数の第２導体を第１導体の相対する側面に溶接することも可能である。

第１の第２導体として接地ケーブル又はバッテリーケーブル、第２の第２導体として制御線を第１導体に溶接することができる。

従って、超音波溶接装置の出力は、第１導体に溶接される複数の第２導体を１回の溶接操作で全部は溶接できない程度に設計することができる。

また、複数の第２導体を第１導体に逐次溶接することによって、それぞれ１回の溶接操作で溶接される第２導体と第１導体が確実に結合されるという利点が生じる。例えば、６ないし３５mm²又は１６ないし７０mm²の断面積を有する接地線又はバッテリー線と０．２２ないし６mm²の断面積を有する制御線を同時に溶接すれば、接地線又はバッテリー線に関して考慮される許容差が制御線の欠陥溶接を隠蔽することになるので、欠陥溶接が生じてもこれを確認できないからである。

また、本発明は、保持片、例えば折れ曲りラグが出ている第１導体を利用する場合は、最後の第２導体と第１導体を溶接するとき又は溶接した後に、第２導体の固定のために、振動音極に超音波を励振させて保持片を第２導体の方向へ折り曲げるものとする。

溶接の終了の後に絶縁として又は絶縁かつ機械的安定化として、熱収縮ホースで溶接区域を取り囲むことも可能である。

本発明によれば、１個の第１導体と複数の第２導体を、望ましくない接触抵抗が生じることなく溶接し、その際、第２導体の総断面積が、使用される超音波溶接装置で通常溶接できる断面積より大きいことが可能である。段付き溶接区域によって大きい断面積と小さい断面積を最適の溶接パラメータで問題なく処理することができる。

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以下の説明からも明らかである。

下記の説明に基づき第１の電気導体（以下、単に第１の導体、又は第１導体という）としての剛性を有する扁平な支持体と、第２の電気導体（以下、単に第２の導体、又は第２導体という）としての素線、例えばケーブル又は導線を超音波で溶接するアセンブリのごく概要を図１に示す。アセンブリは通常、コンバータ１１２、場合によってはブースタ１１４及び振動音極１１６を含む超音波溶接装置又は機械１１０からなる。ドイツ特許DE-C-3719083又は国際出願公開WO-A-95/10866に見られるように、振動音極１１６又はその面に組立式の対極１１８−受圧台ともいう−及びスライド１２０が組み込まれている。上記の具体的構成は、ドイツ特許又は国際出願公開の開示を参照すべきである。振動音極１１６又はその面は、対極１１８及びスライド１２０とともに横断面が調整可能な圧縮室を画定する。溶接される第１及び第２導体がこの圧縮室に挿入される。

コンバータ１１２は導線１２２によりゼネレータ１２４に接続され、一方、ゼネレータ１２４は導線１２６を経てパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）１２８に通じている。パソコン１２８によって溶接プロセスの制御が行われ、溶接パラメータ又は第１及び第２の電気導体の断面積又は幅をパソコン１２８に入力し、又は適当に記憶された値をパソコン１２８から呼び出すことができる。

本発明においては、第１導体に溶接される複数の第２導体の総断面積より小さい導体断面積に合わせて出力を設計した適当な超音波溶接装置が利用される。そのために本発明に基づき第１導体に複数個の第２導体が逐次溶接される。第２導体と第１導体を逐次溶接し、各第２導体が単独で超音波溶接装置の出力に関して溶接可能な最大の断面積を有することによって、接触抵抗を最小化するとともに第１及び第２導体の確実な結合を保証する全溶接継手が生じる。

図２には、図１に見られる超音波溶接装置の部分図を示す。ここにおいて、圧縮室１０は振動音極１１６の一部、二つ割の対極（受圧台）１１８及び側部スライド１２０によって取り囲まれる。また二つ割の受圧台１１８は振動音極１１６に沿って移動可能な支持材１１２と、振動音極１１６が形成する境界面に沿って移動可能なクロスヘッド１４からなる。

開いた圧縮室１０にまず第１導体１６の外側部分１８が挿入される。簡素化の理由から、以下では第１導体を支持体又は接触片と呼ぶ。次に支持体１６の部分１８の上に第２電気導体としての素線２０の裸の端部を置く。次に圧縮室１０を閉じ、溶接される部材、即ち支持体１６及び素線２０に必要な圧力を働かせるために、受圧台１１８を振動音極１１６の方向（矢印２２）に変位させる。同時に必要な溶接操作を行うために、振動音極１１６に超音波振動を励振する。溶接の後に圧縮室１０が開放され、図３で分かるように、支持体１６の部分１８に支持体１６と素線２０の結合が得られる。次に段部により部分１８から隔てられた部分２２が圧縮室１０の中にあるように、支持体１６を圧縮室１０に対して変位させる。なお部分２２は外側部分１８と平行である。支持体１６の部分２２を圧縮室１０の中に位置決めした後、前述のように溶接を行うために、第２電気導体としての一群の素線２４を圧縮室内の部分２２の上に置く。その結果、図５に見られる溶接部が得られる。支持体１６の部分１８、２２にそれぞれ第２電気導体又は一群の第２電気導体、即ち素線２０及び素線群２４が溶接されている。その場合第２電気導体の総断面積は、超音波溶接装置で通常、電気導体を溶接できる断面積より大きいことが可能である。

出力３kW以下の超音波溶接装置は、例えば総断面積３５mm²の素線の溶接が可能である。本発明に基づき全体としてより大きな断面積を有する複数の第２導体を第１導体に溶接することができる。但し、その前提は、各溶接操作で、上記の値を基礎とすれば３５mm²以下の最大総断面積の第２導体を第１導体に溶接することである。

様々な断面積の複数の第２導体を第１導体に逐次溶接することができるから、そのつど溶接される導体断面積に対して最適なプロセス監視を行うことができることも本発明の方法の利点である。

支持体又は接触片１６を図６に改めて斜視図で示す。アイレットないし小穴部として形成され、接続端子と結合される前側部分２６及びこれに対して平行な平面に伸びる部分１８，２２が明示されている。同じことが図７及び８の図示でも明らかである。ここにおいて、アイレットないし小穴部として形成された部分２６には、さらに別の第２導体を溶接することができる。

図９ないし１１に同様な接触片の変型を示し、参照符号２８を付した。支持体又は接触片２８は、素線３０、３２と溶接される部分３４、３６が段部によって互いに隔てられるだけでなく、異なる幅を有することが支持体１６と相違する。本例で外側部分３６は中間部分３８より幅が狭く、一方、中間部分３８は前側又はアイレット部分４０より幅が狭い。

図１２ないし１４に見られる第１電気導体としての接触片４２は、末端側にいわゆる保持片又は折れ曲りラグ４４、４６を有する。更なる機械的固定を可能にするために、折れ曲りラグ４４、４６は第２電気導体と支持体４２の溶接の後に、溶接された第２電気導体の方向へ超音波により折り曲げられる。また更なる機械強度をもたらす絶縁を得るために、溶接部の上に熱収縮ホースをはめることが可能である。

前述の実施例で第１電気導体の一方の側面にだけ複数個の第２電気導体が結合されたとすれば、第２電気導体を第１電気導体の反対側の側面に溶接することも可能である。その場合、第２電気導体は本発明に従って第１電気導体に逐次溶接されている。第１電気導体としての接触片４８の相対する側面にそれぞれ第２電気導体５０、５２が結合され、一方、第２電気導体は重なり合って溶接された２個以上の素線からなることが図１５及び１６で明らかである。

超音波溶接装置の原理図を示す。 超音波溶接装置及び溶接される第１及び第２導体の部分図を示す。 第２導体が溶接された第１導体を示す。 第１導体に別の第２導体を溶接する前の図２の超音波溶接装置の部分図を示す。 第２導体が溶接された第１導体を示す。 図２ないし４に見られる第１導体の斜視図を示す。 図６の第２導体の平面図を示す。 図６及び７の第２導体の側面図を示す。 第２導体の別の実施形態の平面図を示す。 ２個の第２導体が溶接された図９の第１導体を示す。 図１０の第１及び第２導体の側面図を示す。 第１導体の別の実施形態を示す。 図１２の第１導体の側面図を示す。 図１２及び１３の第１導体の平面図を示す。 ２個の第２導体が溶接された第１導体の別の実施形態を示す。 第２導体が溶接された図１５の第１導体の側面図を示す。

Claims (13)

1. 互いに相対的に変位可能な境界部材によって取り囲まれた圧縮室に溶接すべき電気導体を挿入し、該圧縮室の中で、境界部材の１つをなすとともに超音波振動させられる超音波溶接装置の振動音極により、第１の電気導体としての剛性を有する１つの扁平な支持体と、複数の第２の電気導体とを超音波溶接して溶接継手を作製する作製方法において、
   該圧縮室内で、前記第１の電気導体としての前記扁平な支持体の一端部分に、前記第２の電気導体を複数同時に溶接するのでなく、まず該第２の電気導体の１つを超音波溶接し、次いで、該圧縮室に該第２の電気導体の他の１つを入れて該第１の電気導体としての前記扁平な支持体と超音波溶接するように、２個以上の第２の電気導体を該第１の電気導体としての該支持体の前記一端部分に逐次溶接することを特徴とする方法。
2. 順次続く溶接操作の際に、該第１の電気導体を該圧縮室に対して相対的に変位させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 該第１の電気導体を該圧縮室に対して変位させることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 等しい、ないしは不等の横断面を有する複数の該第２の電気導体を該第１の電気導体に逐次溶接することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか1つに記載の方法。
5. 複数の該第２の電気導体を該第１の電気導体の上に重ねた状態で逐次溶接することを特徴とする請求項１又は４に記載の方法。
6. 複数の該第２の電気導体を該第１の電気導体の互いに隔たる区域に逐次溶接することを特徴とする請求項１，４，５のいずれか１つに記載の方法。
7. 複数の該第２の電気導体を該第１の電気導体の相異なる平面にある区域に逐次溶接することを特徴とする請求項１，４，５のいずれか１つに記載の方法。
8. 複数の該第２の電気導体を該第１の電気導体の相隔たる互いに平行な平面にある区域に逐次溶接することを特徴とする請求項１，４，５のいずれか１つに記載の方法。
9. 該第２電気導体の１つとしての接地ケーブル又はバッテリーケーブルと、該第２の電気導体の他の１つとしての制御線を該第１の電気導体に逐次溶接することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の方法。
10. 少なくとも２個の該第２の電気導体を、該第１の電気導体の縦軸を横切る区域に並列して該第１の電気導体に逐次溶接することを特徴とする請求項１，２，６のいずれか１つに記載の方法。
11. 該第１の電気導体に、一群の該第２の電気導体と１個の該第２の電気導体又は一群の該第２の電気導体を逐次溶接することを特徴とする請求項１，６，１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 該第１の電気導体から保持片が延出する構成の請求項１に記載の方法において、最後の該第２の電気導体と該第１の電気導体を溶接するとき又は溶接した後に、該第２の電気導体の固定のために、該振動音極に超音波を励振させて該保持片を該第２の電気導体の方向に折り曲げることを特徴とする方法。
13. 超音波溶接装置の出力が、該第１の電気導体に溶接される複数の該第２の電気導体を１回の溶接操作で溶接できないか又は確実に溶接できないように設計されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。

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