JP6223535B2

JP6223535B2 - 超音波溶接品質判断装置および方法

Info

Publication number: JP6223535B2
Application number: JP2016239165A
Authority: JP
Inventors: 黄桐壽; 李熙浚
Original assignee: 摩尼特
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2017-11-01
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: US20170225275A1; JP2017136642A; CN106841384A; KR101636247B1

Description

本発明は、超音波溶接の品質判断装置および方法に関する。

一般的に、超音波溶接（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗｅｌｄｉｎｇ）は、軽い荷重条件で２つの溶接チップの間に被溶接材を挟み、加圧しながら超音波を与えて超音波振動を利用して接合させる方法を指すもので、主に軟鋼とアルミニウム、プラスチックなどを溶接するために使用される。

つまり、超音波溶接は、約１０〜８０ｋＨｚの周波数における超音波発振による機械的エネルギーを被溶接材に印加する。そして、十分なエネルギーが印加されると、局所的な加熱が起こり、結果的に金属の移動が発生し接着がなされる。これは、通常の溶接法で行われるような高温融着や第３の金属の添加がない溶接である。

超音波エネルギーは、被接着面をホーン（ｈｏｒｎ）と呼ばれる振動溶接ヘッドと接触させることにより印加される。ホーン（ｈｏｒｎ）が被溶接材の上面を十分な力で押した状態で、超音波溶接が行われる。

超音波溶接で最適の溶接品質を得るための条件は、被溶着物の大きさ、形状および材質、プレス圧力、発振時間、ホーンの振幅などによって異なるため、実験を通じて最適値を求めた後、これを利用している。

また、超音波溶接で溶接品質を管理するために、従来は、超音波溶接機の加振機に印加されたエネルギーを測定し、その測定エネルギーが所定の範囲を超えると、溶接不良と判断する方法だけが使用されている。

しかし、前記のような従来の溶接品質判断方法は、信頼性が低下するため、現在使用されていない。

本発明は、上述した問題点を解決するために導き出されたものであって、信頼性に優れた超音波溶接品質判断装置および方法を提供しようとする。

本発明の他の目的は、以下に記述される実施形態を通じてより明確になるだろう。

本発明の一側面による溶接品質判断装置は、センサ伝達情報を提供するセンサ部と、溶接機の出力エネルギーを求めセンサ伝達情報を用いて、センサの伝達エネルギーを求めた後、溶接の吸収エネルギーを算出し、溶接の吸収エネルギーを用いて、溶接が不良かどうかを判断する溶接品質判断部を含む。

本発明による溶接品質判断装置は、次のような実施形態を一つまたはそれ以上備えることができる。例えば、溶接品質判断部は、溶接の吸収エネルギーが一定値未満の場合、未溶接と判断し、溶接の吸収エネルギーが一定値を超えた場合、過溶接と判断しうる。

センサ部は、アンビルの動きを測定することができる加速度センサ、レーザ変位センサ、渦電流センサのうちの少なくともいずれかを用いることができる。

溶接品質判断部は、超音波溶接システムのコントローラまたは振動子に供給される電流および電圧を用いて、溶接機の出力エネルギーを求めることができる。

本発明による溶接品質判断方法は、溶接機の出力エネルギーおよびセンサの伝達エネルギーを測定するステップと、溶接機の出力エネルギーおよびセンサの伝達エネルギーを用いて、溶接の吸収エネルギーを算出するステップと、溶接の吸収エネルギーを用いて、溶接の品質を判断するステップとを含む。

本発明による溶接品質判断方法は、次のような実施形態をさらに含むことができる。例えば、溶接品質判断の結果、不良であると判断された場合、加圧力、振幅、時間および振動数のうちの少なくともいずれかを制御して、溶接品質が適正溶接になるように制御することを特徴とする溶接品質判断方法を含むことができる。

本発明は、信頼性の高い溶接品質判断装置および方法を提供することができる。

また、本発明は、測定方法が簡単で、測定結果が直観的な溶接品質判断装置および方法を提供することができる。

本発明の一実施形態による超音波溶接品質判断装置を備えた超音波溶接システムの図である。本発明の一実施形態による超音波溶接品質判断方法を例示するフローチャートである。被溶接部が吸収するエネルギーによる溶接品質を示すグラフである。

本発明は、様々な変換を加えることができ、様々な実施形態を有することができるところ、特定の実施形態を図面に例示して詳細な説明において詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の実施形態について限定するものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変換、均等物ないし代替物を含むものと理解されるべきである。本発明を説明するにあたって、関連する公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨をわかりにくくしうると判断される場合、その詳細な説明を省略する。

本出願で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたもので、本発明を限定する意図はない。単数の表現は、文脈上、明らかに異なるように意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、□□段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を事前に排除しないものと理解されるべきである。

第１、第２などの用語は、様々な構成要素を説明するために使用されうるが、前記構成要素は、前記用語によって限定されてはならない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使用される。

以下、添付した図面を参照して、本発明による実施形態を詳細に説明することとし、添付図面を参照して説明するにあたり、図面符号に関係なく、同一または対応する構成要素は、同じ参照番号を付与してこれに対する重複する説明は省略することにする。

図１は、本発明の一実施形態による超音波溶接品質判断装置１００を備えた超音波溶接システムの図である。

本実施形態による超音波溶接品質判断装置１００は、超音波溶接システムに備えられて超音波溶接の品質をリアルタイムで判断することができる。

本実施形態による超音波溶接品質判断装置１００は、センサ伝達情報を提供するセンサ部１２０と、溶接機の出力エネルギー（Ｅｏ）を求め、センサ伝達情報を用いて、センサの伝達エネルギー（Ｅｔ）を求めた後、溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）を算出し、溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）を用いて、溶接が不良かどうかを判断する溶接品質判断部１１０を含む。

本実施形態による超音波溶接品質判断装置１００に対して説明する前に、超音波溶接システムについて説明する。

超音波溶接システムは、コントローラ１３０、振動子１３２、ブースター１３４、ホーン１３６およびアンビル１３８を含む。

振動子１３２は、コントローラ１３０から供給される電源によって振動を生成する。振動子１３２の振動エネルギーによって被溶接材１４０の上面でホーン１３６が溶接を行うようになる。ブースター（ｂｏｏｓｔｅｒ）１３４は、ホーン１３６と振動子１３２の間に位置し、振動子１３２の振幅（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）を減少または増幅させてホーン１３６に伝達する。そして、コントローラ１３０は、振動子１３２に供給される電源を制御して振動数および振幅を制御する。

ホーン１３６は、振動子１３２の振動エネルギーによって水平方向に振動して被溶接材１４０を加圧して溶接を行う。

アンビル（ａｎｖｉｌ）１３８は、被溶接材１４０を支持するもので、ホーン１３６との間で被溶接材１４０が加圧および振動によって溶接がなされる。アンビル１３８には、センサ部１２０が結合されてもよい。

センサ部１２０は、アンビル１３８に結合されて、センサの伝達エネルギー（Ｅｔ）を求めることができるようにするセンサ伝達情報を溶接品質判断部１１０に提供する。センサ部１２０は、加速度センサ、レーザ変位センサおよび渦電流センサのいずれか、またはこれらの組み合わせに該当しうる。

加速度センサ（ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒ）は、振動するアンビル１３８の加速度または衝撃の強さを測定する。アンビル１３８に伝達された加速度または衝撃のようなセンサ伝達情報は、溶接品質判断部１１０に伝達される。溶接品質判断部１１０は、下記の式を用いて、センサの伝達エネルギー（Ｅｔ）を求めることができる。
Ｅｔ＝１／２ｍｖ

前記式で、ｍは、ホーン１３６、アンビル１３８および被溶接材１４０の重量の和に該当する。溶接品質判断部１１０は、加速度センサによって測定された加速度値を積分して速度（ｖ）を求めた後、前記式を通じてセンサの伝達エネルギー（Ｅｔ）を求めることができる。

加速度センサは、アンビル１３８に様々な手段および方法により結合することができる。例えば、加速度センサは、アンビル１３８の側面に機械的に結合したり、または他の部材（図示せず）によってアンビル１３８に結合することもできる。このように、本発明は、加速度センサがアンビル１３８に結合する方法によって制限されない。

加速度センサは、ホーン１３６に結合してホーン１３６の加速度を測定することにより、センサ伝達情報を溶接品質判断部１１０に提供することができる。

レーザ変位センサは、振動によるアンビル１３８の変位を測定し、これをセンサ伝達情報として、溶接品質判断部１１０に提供する。溶接品質判断部１１０は、レーザ変位センサで測定されたアンビル１３８の変位に対する微分値である速度（ｖ）を前記式に適用して、センサの伝達エネルギー（Ｅｔ）を求めることができる。もちろん、レーザ変位センサは、ホーン１３６の変位を測定することもできる。

レーザ変位センサは、アンビル１３８およびホーン１３６のいずれかに結合されたり、またはアンビル１３８およびホーン１３６から離間して位置することができる。

渦電流センサ（ｅｄｄｙｃｕｒｒｅｎｔｓｅｎｓｏｒ）は、導電体に発生する渦電流によるコイルのインダクタンス変化を利用したセンサであって、振動するアンビル１３８の変位を測定し、これをセンサ伝達情報として、溶接品質判断部１１０に伝達する。溶接品質判断部１１０は、渦電流センサによって測定されたアンビル１３８の変位に対する微分値である速度（ｖ）を前記式に適用して、センサの伝達エネルギー（Ｅｔ）を求めることができる。

もちろん、渦電流センサもホーン１３６の変位を測定し、これをセンサ伝達情報として、溶接品質判断部１１０に伝達することができる。

渦電流センサもアンビル１３８およびホーン１３６のいずれかに結合されたり、またはアンビル１３８およびホーン１３６から離間して位置することができる。

本発明による溶接品質判断装置１００は、センサ部１２０のセンサの種類およびその結合構造によって制限されない。本発明によるセンサ部は、アンビル１３８およびホーン１３６のうちの少なくともいずれかの加速度、速度、または変位を測定することができるものであれば、どのようなものでも可能であることはもちろんである。本発明によるセンサ部は、ホーン１３６にも結合することができ、ホーン１３６およびアンビル１３８のいずれからも離間して位置することもできる。

溶接品質判断部１１０は、センサ部１２０を介して入力されたセンサ伝達情報を用いて、前記のような方法によって、センサの伝達エネルギー（Ｅｔ）を求める。また、溶接品質判断部１１０は、溶接機の出力エネルギー（Ｅｏ）を求める。溶接品質判断部１１０は、超音波溶接システムのコントローラ１３０に供給される駆動電流と電圧を用いて、溶接機の出力エネルギー（Ｅｏ）を求めることができる。

また、溶接品質判断部１１０は、超音波溶接システムの振動子１３２に供給される電流と電圧を用いて溶接機の出力エネルギー（Ｅｏ）を求めることもできる。

溶接品質判断部１１０は、溶接機の出力エネルギー（Ｅｏ）およびセンサの伝達エネルギー（Ｅｔ）を求めた後、下記の式によって溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）を算出する。溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）は、超音波溶接によって被溶接材１４０に、実際に吸収されたエネルギーに該当しうる。

図２は、本発明の一実施形態による超音波溶接品質判断方法を例示するフローチャートである。そして、図３は、被溶接部が吸収するエネルギーによる溶接品質を示すグラフである。

図２ないし図３を参照すると、本発明の一実施形態による超音波溶接品質判断方法は、溶接機の出力エネルギーおよびセンサの伝達エネルギーを測定するステップと、溶接機の出力エネルギーおよびセンサの伝達エネルギーを用いて溶接の吸収エネルギーを算出するステップと、溶接の吸収エネルギーを用いて溶接の品質を判断するステップと、溶接結果をディスプレイして適正溶接であるかどうかを判断した後、適正溶接でない場合、溶接パラメータを変更するステップとを含む。

溶接品質判断部１１０は、溶接機の出力エネルギー（Ｅｏ）およびセンサの伝達エネルギー（Ｅｔ）をそれぞれ求めた後、前記式によって溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）を算出することができる。そして、溶接品質判断部１１０は、算出された溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）を用いて、溶接の品質を未溶接、適正溶接および過溶接のいずれかであると判断する。

溶接品質判断部１１０は、当該被溶接材の大きさ、形状および材質等に対する溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）による溶接品質のデータベースを格納していたり、このような情報を用いることができる。図３を参照すると、適正溶接に対する溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）の範囲がａ〜ｂである場合、算出された溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）がａ未満である場合は未溶接と判断することができ、溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）がｂを超える場合は過溶接と判断することができる。もちろん、算出された溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）がａ〜ｂの範囲内にある場合、溶接品質判断部１１０は、適正溶接がなされていると判断することができる。溶接品質判断部１１０による溶接品質の結果は、リアルタイムで測定することができる。

溶接品質判断部１１０は、測定された溶接品質を、ディスプレイ１１２を介して表示することができる。

溶接品質判断部１１０は、測定された溶接品質に関する情報を利用して、溶接パラメータをリアルタイムで変更することができる。例えば、溶接品質判断の結果、未溶接であると判断された場合、被溶接材１４０に対するホーン１３６の加圧力および振幅のうちの少なくともいずれかを増加させることができ、過溶接と判断された場合、被溶接材１４０に対するホーン１３６の加圧力および振幅のうちの少なくともいずれかを減少させることができる。溶接品質判断部１１０は、溶接パラメータとしてホーン１３６の加圧力および振幅以外に、振動数および時間のうち少なくともいずれかをさらに制御することができる。

本実施形態による溶接品質判断装置１００は、溶接機の出力エネルギー（Ｅｏ）とセンサの伝達エネルギー（Ｅｔ）を求めた後、これを用いて、溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）を求めるため、溶接品質判断に対する信頼性を向上させることができる。また、本実施形態による溶接品質判断装置１００は、溶接機の出力エネルギー（Ｅｏ）および溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）を容易に測定することができるため、結果的に溶接品質を容易に判断することができることを特徴とする。

前記では、本発明の一実施形態を参照して説明したが、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、下記の特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更できることを理解できるだろう。

１００：溶接品質判断装置１１０：溶接品質判断部
１２０：センサ部１３０：コントローラ
１３２：振動子１３４：ブースター
１３６：ホーン１３８：アンビル
１４０：被溶接材

Claims

センサ伝達情報を提供するセンサ部；および
溶接機の出力エネルギー（Ｅｏ）と、前記センサ伝達情報を用いて、センサの伝達エネルギー（Ｅｔ）を求めた後、下記の式によって溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）を算出し、

前記溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）を用いて、溶接が不良かどうかを判断する溶接品質判断部を含む超音波溶接品質判断装置。
溶接品質判断部は、
前記溶接の吸収エネルギーが一定値未満の場合、未溶接と判断し、前記溶接の吸収エネルギーが一定値を超えた場合、過溶接と判断することを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶接品質判断装置。
前記センサ部は、アンビルに結合された加速度センサであることを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶接品質判断装置。
前記センサ部は、レーザ変位センサであることを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶接品質判断装置。
前記センサ部は、渦電流センサであることを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶接品質判断装置。
前記溶接品質判断部は、超音波溶接システムのコントローラまたは振動子に供給される電流と電圧を用いて、前記溶接機の出力エネルギーを求めることを特徴とする、請求項１に記載の超音波溶接品質判断装置。
溶接機の出力エネルギー（Ｅｏ）およびセンサの伝達エネルギー（Ｅｔ）を測定するステップ；
前記溶接機の出力エネルギー（Ｅｏ）および前記センサの伝達エネルギー（Ｅｔ）を用いて、下記の式によって溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）を算出するステップ；

前記溶接の吸収エネルギー（Ｅｗ）を用いて、溶接の品質を判断するステップを含む超音波溶接品質判断方法。
前記溶接品質判断の結果、不良であると判断された場合、溶接パラメータを制御して、溶接品質が適正溶接になるように制御することを特徴とする、請求項７に記載の超音波溶接品質判断方法。