JPS59206184A - 溶接方法 - Google Patents

溶接方法

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JPS59206184A
JPS59206184A JP59072585A JP7258584A JPS59206184A JP S59206184 A JPS59206184 A JP S59206184A JP 59072585 A JP59072585 A JP 59072585A JP 7258584 A JP7258584 A JP 7258584A JP S59206184 A JPS59206184 A JP S59206184A
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JP
Japan
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welding
workpiece
pressure
tip
energy
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JP59072585A
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English (en)
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セオドア−・アンソニ−・レンシヨウ
アルバ−ト・サラントニオ
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Original Assignee
Fairchild Industries Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には漸進的超音波溶接システムに関する
ものであシ、よシ具体的には、そのようなシステムであ
って圧接圧力及び超音波溶接エネルギレベルが溶接サイ
クルの間密接にモニタさへ調整されその結果溶接スポッ
トがその最終寸法にくらべて最初は小さな点として開始
され、次に完全寸法へと徐々に拡大されるような超音波
溶接システムに関するものである。圧接圧力及び溶接電
力は互いに同期されてランプ状に増大する。前記システ
ムは更にこれ迄独立のマニュアル作業として存在してい
た一連の溶接機能を自動的かつ順次的に作動させること
が可能であシ、より迅速かつよシ再現性に富んだ溶接過
程が可能となるとともにオペレータの負担も軽減される
。前記システムは溶接サイクルに対する圧力及びエネル
ギ（パワー）の適用をプログラム化する単一の同期信号
を提供することで確実な圧力及びエネルギのコントロー
ル作用を達成している。
２つ又はそれ以上の類似の又は異なる物質を互いに結合
するための超音波振動スポット溶接法は多年にわたって
用いられてきた。しかしながら、最近布そのような方法
は溶接強度及び一体性が特に重要とされない熱可塑性プ
ラスチック、非織成布及び金属に用いられるのみであっ
た。この制限は大部分採用した超音波溶接方法（殆んど
がプロトタイプのものであった）と関連する問題点のた
め発生した。溶接の強度及び一体性が問題となる用途、
即ち構造用航空機パネル及びその類いを互いに結合する
用途においては抵抗スポット溶接部が用いられた。
超音波溶接手法は抵抗ス？ット溶接及び接着剤による結
合手法にくらべて安価に板金組立体を作り得る可能性を
持っていることが最近になって判明した。以前の研究結
果によれば、例えばソノポンド（５ｏｎｏｂｏｎｄ　）
　Ｍ　−８０００超音波溶接機のようなプロトタイプの
超音波溶接機器を用いて行なわれた溶接は慣用の抵抗ス
ポット溶接法よシもすぐれていることが判明した。これ
らの初期実験の結果は実際上いかなる材質の組合せに対
しても超音波溶接によるスポット部は抵抗スポット溶接
機器を用いて作られたスポット部にくらべて２．５倍以
上の最終破壊強度を有しているということを示している
。更には、超音波スポット溶接は慣用の接着剤技法の場
合とくらべて７５％の時間及びコストの低減をはかれる
ということが判明している。
しかしながら、現在にいたる迄大型構造用金属部品のた
めの超音波スポット溶接は関連する数多くの問題のため
生産規模において実施することが不可能であった。
超音波振動溶接は表面膜及び酸化物を破壊するために高
周波振動を利用する冶金学的結合技法であシ、尚該技法
によれば該当材料を溶融させることなく接触表面間の原
子間拡散並びに塑性流動を促進することが出来る。簡単
に述べるならば、超音波溶接プロセスは被加工材を適尚
な圧力下において溶接先端及び支持アンビルの間で互い
にフランジ又は他の方法で固定し、次に高周波の振動エ
ネルギを被加工材内に比較的短時間即ち数分の１秒から
数秒だけ導入することよυなっている。多くの場合、溶
接されるべき片は溶接する前に並べられた被加工材片間
に接着結合剤を挿入することで接着的にも結合されるの
が普通であや、こうすることにより高強度結合部が得ら
れ、すぐれた静的及び動的疲労特性も得られる。
特に構造用の金属被加工材に用いるように開発された超
音波スポット溶接機の一例はペンシルバニア州ウェスト
　チェスタ（Ｗｅｓｔ　０ｈｅｓｔｅｒ　）にあるンノ
ボンＰ社（５ｏｎｏｂｏｎｄ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
　）より発売されているソノボンド　モデルＭ−８００
０超音波スポット溶接機である。この溶接機はトランジ
スタ化された、ソリッドステートの周波数コンバータを
含んでおり、当該コンバータは標準の６［］Ｈｚの電線
周波数を１５〜４　［Ｉ　ＫＨｚへと上昇させ、出力を
増幅することが出来る。高周波電力は軽量ケーブルを経
て溶接ヘッド内のトランスデユーサへと搬送され、ここ
で同一周波数の振動エネルギへと転換される。振動エネ
ルギは次に音響カプリングシステムを経て溶接先端へと
、そこから被加工材中へと伝達され、振動エネルギによ
り溶接が行なわれる。
前記ソノボンドＭ−８０００超音波スポット溶接機はく
さび−リードトランスデューサカプリングシステムを含
んでおり、尚該カプリングシステムはそれに取付けられ
た垂直リード部材の横振動を伝達するので、リードの下
側端部に設けられた溶接先端は被加工材の表面上にずれ
振動を誘起せしめる。前記トランスデユーサはテンショ
ン殻組立体内に収納されたぎニジミ気セラミック要素を
含んでおり、１５　ＫＨｚの公称周波数で作動するＯト
ランジスタ化されたハイグリツにジャンクション増幅器
を備えたソリツＰステート周波数コンバータが溶接機を
付勢する。前記コンバータは１５ＫＨｚの公称周波数で
作動し、得られるエネルギ出力は約４０００　ＲＭＳ　
ＲＦワット迄である。溶接機は１つの正確な作動周波数
へと同調させることが出来る。前記周波数コンバータは
広帯域のＲＦパワー測定回路を含んでおシ、尚該回路は
出力パワーをサンプル採取し、伝達線における双方向カ
プリングの原理に基づいて順方向電力及び負荷電力を検
出する。信号が電子工学的に処理され真のＲＭＳ値が提
供されると、これらの値は発光ダイオード（ＬｇＤ）パ
ネル上において順方向電力又は負荷電力として表示され
る。順方向電力は溶接ヘッド内のトランスデユーサに伝
達される周波数コンバータの出力であり、負荷電力はア
ンビルによって音響的に吸収されたトランスデユーサ駆
動電力のことである。２つの読取シ値の差は負荷インピ
ーダンスのミスマツチにより誘起された反射電力に相当
しており、溶接操作の間インピーダンス整合の技法によ
勺最小化される。
圧接圧力及び超音波溶接エネルギのレベルを調整して、
溶接部をその最終の寸法とくらべて極めて小さな点とし
て開始し、次に前記圧力及び溶接エネルギを同期的に跳
躍せしめ以って前記溶接部を完全寸法へと漸進的に拡大
させることによシ、溶接先端が被加工材に関して滑ると
いうこれ迄の問題点は実質的に減少出来ることが判明し
た。溶接作用は溶接先端及びアノビルの間の被加工材上
に「熱的マウンド」を生ずる。この熱的マウンドは幾何
学的に不安定な状況にある。何故ならば当該マウンＰは
溶接先端又はアンビルをして被加工材から「歩き去らせ
る」か又は被加工材をして溶接領域から駆送せしめるか
らである。これらの作用のいづれもが溶接エネルギを分
散せしめ、溶接スポットの最適形成を防止する。従って
先端及び／又はアンビルが低エネルギ段階において前記
熱的マウンド上に圧接食込みを生じさせる機会を得る事
が出来、この食込みはエネルギレベルに対してよシ適切
なものであるが故に先端又はアンビルが歩き去るか又は
被加工材が排除されるという傾向が減少するということ
は漸進的成長技法の１つの利点である。
より重要なことであるが、そのような漸進的溶接部成長
技法を用いて作られる溶接部は溶接エネルギ及び圧力が
ステップ状に又は他の状態で急激に増大されることによ
シ作られる溶接部よシも構造的にすぐれているというこ
とが証明された。ずれ作用及び溶接作用は中央の摩擦で
ロックされた領域又は以前に溶接された中央領域を取囲
む環帯内で発生する。もしも接触領域が横断ストローク
の接触圧力及び溶接工ネルヤを増大させることで漸進的
に拡大されるならば、スポット溶接部は密着凝集して最
良に成長させることが出来る。
スポット溶接部を漸進的に拡大せしめる努力は過去にお
いてもなされてきた。例えば１９７１年１０月５日Ｐｅ
ｔｅｒ　Ｔ、　Ｒｏｂｉｎｓｏｎ氏に認可された米国特
許第３，６１０，５０６号は変化する溶接圧力を用いて
超音波溶接を行なうだめの方法を記載している。前記特
許における溶接サイクルにおいては、振動エネルギはそ
れが加えられる期間内ではあるが溶接圧力が減少する時
点において加えられておシ、溶接圧力の平均値は時間の
経過とともに上昇し、この上昇は溶接サイクルの終末布
線けられ、終末時点において圧力のピーク値が達成され
る。
溶接サイクルが完了すると、溶接圧力はゼロへと低下す
る。前記特許のプロセスは半導体工業において用いるこ
とを想定しているが、当該用途においては溶接は構造用
金属部品を溶接するのに用いられるエネルギレベルと比
較して比較的に低いエネルギレベルにおいて行なわれる
ので、溶接圧力は圧力発生装置が被加工材に接触した時
に前記発生装置に特有の自然の態様を以って上昇し、そ
の後全溶接エネルギが急速に添加される。漸進的かつ徐
々に溶接寸法を増大させるため圧力及び溶接エネルギを
調整したシ、両者を徐々に増大させるといった方策はこ
の場合採用されていない。
圧接圧力及び超音波溶接エネルギを関連させながら調整
することによシ、前記特許の教示する方法で得られる結
果にくらべて、得られた溶接部が構造的にすぐれている
という点において、より良好な結果を得ることが出来る
ということが判明している。ここに説明される溶接技法
によれば、超音波スポット溶接部は低い接触圧力及び低
いエネルギレベルにおいて開始され、次にこれらのレベ
ルを同時に増大させることによシ溶接部寸法が増大させ
られる。尚前記圧力及びエネルギは最大値迄増大される
。溶接工ネルヤは常に溶接先端を分離出来る程度に低く
なければならないが、既存の接触領域のエツジにずれ力
を添加出来る程度には十分でなければならない。本方法
は種々の金属、並びに厚味及び汚染のレベルが異なるも
のに対しても適用出来る良好な現象論的基礎を有してい
る。
溶接部の特性が改良され、予洗浄コストが低減されると
いうことは、本方法を抵抗スポット溶接に置換えるとい
う強い潜在的能力を本方法に付与せしめる。更には、本
方法は機械の信頼性を増大させるという事が判明してい
る。溶接においてこれ迄あシふれて行なわれてきた急激
な電力の増減は振動又は「リンヤング」を生ずるもとに
なってきたが、このような現象は溶接電力をよりゆるや
かに増減してやることによシ解消され得る。ステップ関
数的増減は巻線抵抗に機械的応力を発生せしめ、クラッ
ク及び破損の原因となってきた。またステップ関数は溶
接の開始においてあまシに急激な作用を与えるので、デ
カプリングが発生し、大きな電圧スパイクがピエゾ電気
結晶内に誘起され、これが電源内に入シ込みトランジス
タ及びヒユーズの故障をひきおこす可能性がある。その
ような故障の機会は漸進的成長技法を用いるならば実際
上は除去することが出来る。
更には、プロトタイプの超音波溶接機においてこれ迄用
いられたコントロールシステムは外部電源を含んだ追加
回路の集積の域を出ないものであった。典型的には、そ
のようなシステムには溶接サイクルのために圧力及びエ
ネルギの添加を関連調整してプログラム化させ得る同期
信号源はひとつとして含まれていなかった。そのような
システムは又溶接サイクルを正確に繰返し再現するのに
大いなる困難があった。もちろん、単一のランプ信号を
提供し、これがエネルギ及び圧力の添加の両者を同時に
起動し、該両者をコントロール出来ることは極めて望ま
しいことである。本発明のシステムは溶接作業の溶接サ
イクルにおける次の機能を自動化することをねらってい
る。即ち、アノビルが被加工材及び溶接先端と係合する
状態で溶接過程を開始すること。タイミングをはかった
、すなわち調時された高圧力パルスをアンビル、被加工
材及び溶接先端間に適用すること。前記高圧力を低圧力
へと戻し、溶接を開始すること。クランぎングシステム
を移動させて被加工材上に閉じ、同被加工材をクランピ
ングシステムに対抗して押圧すること。クランピング圧
力が達成された後溶接サイクルのパワー相を開始せしめ
ること。相を合わせてアンビル圧力及び超音波溶接エネ
ルギの両者を増大させること。溶接サイクルを終結させ
ること。クランピング圧力を解放し、クランピングシス
テムを解放させること。アンビル圧力を解放し、アンビ
ルを所定の高さ迄戻すこと。搬送システムを起動させ、
溶接先端上での固着を防止乃至減少させるために用いる
捨て材金属テープを所定の量だけ移動せしめること。
市販の溶接機はそのような自動シーケンスシステムを含
んでいない。入手可能な市販溶接機は一般的にいってア
ノビルを被加工材及び溶接先端上に閉じるだめの溶接作
業開始スイッチ以上のものを組込んでいない。アンビル
、被加工材、溶接先端の組合せが接触すると、圧力スイ
ッチが閉じ、予め選定された超音波エネルギ及び圧力が
一定レベルにおいて溶接の時間間隔内でステップ関数状
に添加される。前記一定エネルギ及び圧力はある時間間
隔中継続する。経過時間の終末においてスイッチが開き
、超音波溶接エネルギが除去される。
同時に、アノビルが上昇させられ、クランピング圧力が
被加工材から除去される。次に被加工材が解放され、次
の溶接サイクルのため移動することが可能となる。その
ような方法は極めて初歩的なものであシ、本システムが
意図している具体的な利点は提供することが出来ない。
このような背景とは異な９、本発明の第１の目的は漸進
的超音波溶接システムを提供することにある。
本発明の第２の目的はそのようなシステムであって、超
音波スポット溶接が最終寸法とくらべて小さな点として
開始され、徐々に完全寸法へと拡大されるようなシステ
ムを提供することである。
本発明の第６の目的はそのようなシステムであって、ス
ポット部が低接触圧力及び低出力のもとで開始されるよ
うなシステムを提供することである。
本発明の第４の目的はそのようなシステムであって、圧
力及び溶接エネルギが所定の最大圧力及び最大エネルギ
値へと密接に関連してかつ同期的に増大されることによ
シ溶接部が完全寸法へと漸進的に拡大されるようなシス
テムを提供することである。
本発明の第５の目的はそのようなシステムであって、加
えられる溶接エネルギが溶接先端を分離させるのには不
十分なるも、現存する接触領域のエツジにおいてずれ力
を加えるのには十分であるようなシステムを提供するこ
とである。
本発明の第６の目的はそのようなシステムにおいて、エ
ネルギ及び圧力の添加がこれらをトリガするランプ信号
の添加によって関連的に調整されるよう々システムを提
供することである。
簡単に要約するならば、本発明は被加工材同士を互いに
徐々に超音波溶接する方法を提供しておシ、該方法にお
いては実施するスポット溶接部が小さな点として開始さ
れ、その後完全寸法へと漸進的に成長させられている。
本方法は１つの溶接先端とこれと協働するアンビルとを
備えたタイプの超音波溶接機器を採用しておシ、これら
先端とアンぎルとの間には溶接される被加工材を挿入す
る事が出来る。前記被加工材は最初互いにフランジされ
、次に被加工材はそれらの間に用いる事の出来る接着剤
を分散させるために「予圧搾」される。次に初期圧力及
びエネルギレベルが用いられ被加工材が「こすられる」
。次に圧力及びエネルギが相を同期させられ最大レベル
迄増大させられ、被加工材間に溶接が行なわれる。溶接
作業は該作業の自動同期化を可能ならしめるコントロー
ル装置によってコントロールされる。
以下付図を参照して本発明のよシ具体的な説明を行なう
。
全体として符号１０で示される、構造用金属板を溶接出
来る超音波スポット溶接機が第１図において斜視的側面
図により例示されている。超音波スポット溶接機１０は
全体としてＣ字型のクランピングフレーム１２を含んで
おシ、該フレームはピボット軸１４のまわシに枢着され
るとともに、静止した中央溶接機フレーム１６上に支持
されている。クランぎングフレーム１２は細長い上側及
び下側セクション１２Ａ及び１２Ｂを含んでおシ、これ
らセクションは前記中央溶接機フレーム１６と組合わさ
れてスロートＴを画成しておシ、該スロート内には溶接
されるべき被加工材を溶接のため挿入することが出来る
。
振動リード２２の端部を形成する溶接先端２１を含む溶
接ヘッド２０が設けられておシ、静止溶接機フレーム１
６に固定されている。前記スロートの反対側上には装着
アンビル４０が設けられている。環状クランプ（カラー
クランプ）５０及び６０がそれぞれアンビル４０及び溶
接先端２１のまわシに設けられている。アノビル軌道４
４に沿って溶接先端２１に近付いたシ遠去かったりの運
動が出来るアンビル４０は少なくとも１つの内部装着さ
れた油圧アン♂ルシリンダ４６によって付勢されている
。アンビル４０の運動はカラークランプ５０の動きとは
独立している。溶接されるべき被加工材Ｗ（第１図には
示していない）がアンビル４０及び溶接先端２１の間の
スロー）Ｔ内に挿入された時に、前記アンビル４０及び
クランプ５０はクランピング方向Ｃにおいて溶接先端２
１に向けて下降され、被加工材はカラークランプ５０及
び６０の間並びに溶接先端２１及びアンビル４０の間に
クランプされる。クランプ５０及び６０の間のみならず
溶接先端２１及びアンビル４０の間におけるこのクラン
ピング作用は被加工材を互いにクランプするのに役立つ
のみならず、被加工材に圧縮力を作用させるのに役立つ
。足踏みスイッチ７５が溶接装置を作動させるために設
けられている。
溶接先端２１と被加工材Ｗの間の固着を防止するために
溶接先端２１と被加工材Ｗの間に捨て材を提供するべく
、テーゾ搬送装置１００が更に設けられている。もしも
そのような捨て材が溶接先端２１と被加工材Ｗの間に配
置され、当該捨て材の硬度が溶接先端２１の硬度よシも
大きい場合には、プロトタイプの溶接機器を用いてこれ
迄経験したような先端固着問題はかなり減少すること、
しばしば完全に除去されることが判明している。
先端固着の問題は超音波溶接において常に発生しており
、これが発生すると被加工材が溶接先端２１上に脱落し
、ひんばんに洗浄する必要が生じ、機械の停止が必要と
なる。操作において、被加工材Ｗ間だけでなく捨て材と
被加工材の間にも溶接部が生ずる。しかしながら、前記
捨て材は極めて硬度の高い物質であるので、捨て材と被
加工材の間の結合部は貧弱であシ、容易にはがれる事が
出来る。これとくらべて被加工材間の溶接部は良好であ
シ、捨て材をはぎ取った後においても強固な状態のまま
である。
第１図に示すように、例えばステンレス鋼又は他の材料
とすることの出来る捨て材１０５は溶接機１０の一方の
側止に設けられた送９０−ル１１０上に貯蔵されている
。捨て材１０５は送シロール１１０から溶接先端２１を
横切って先端２１と被加工材の間に引き出され、（図示
せぬ）動力式巻取りロールに巻取られる。詳細に説明さ
れる態様によって、捨て材１０５は割出され、各溶接作
業の後先端２１を横切って漸進的に引出されるようにさ
れているので、新しい捨て材が溶接先端２１と被加工材
の間に常に提供されることになる。かくて被加工材のス
ポット溶接が以下述べる態様で達成される。
振動リード２２が溶接先端２１から離れた地点において
（図示せぬ）トランスデユーサに接続されている。尚該
トランスデユーサは溶接フレーム１６内に収納されてい
る。前記トランスデユーサは横方向の振動を伝達し、リ
ード２２の曲げ振動を誘起するので、リード２２の上側
端部における溶接先端２１はせん断振動を被加工物内に
誘起せしめる。前記トランスデユーサはテンション殻組
立体内に収納されたピエゾ電気セラミック要素からなっ
ておシ、約１５　ＫＨｚの公称振動数で作動している。
ソノボンド（Ｅｌｏｎｏｂｏｎｄ　）モデルＭ−８００
０の修整機であるスポット溶接機１０は広帯域ＲＦ出力
測定回路を内蔵する周波数コンバータを含んでいる。当
該回路は出力をサンプリングして伝達ラインにおける双
方向カプリングの原理に基づいて順方向電力及び負荷電
力を検出するためのものである。信号を内部回路によシ
ミ予約に処理することによシ真のＲＭＳ値が与えられて
お勺、尚該値は順方向電力又は負荷電力として表示され
る。ここに順方向電力は溶接先端２１内のトランスデユ
ーサに伝達される周波数コンバータの出力であシ、負荷
電力は溶接領域内に音響エネルギとして吸収されるトラ
ンスデユーサ駆動電力のことである。順方向電力と負荷
電力との差は負荷インピーダンスミスマツチによシ誘起
された反射電力を表わしておシ、以降の溶接操作の間イ
ンピーダンス整合技法によって最小化される。
溶接先端２１及びアンビル４０の両者は例えば約ＲＯ５
Ｑに焼入れ硬化された鋼の如く一般的に硬質な金属から
製造される。溶接先端２１の半径は約２インチ（５０，
８ｍｍ）から約２０インチ（５０８期）の間とすること
が可能であり、アンぎル４０の形状及び寸法は一般的に
溶接先端２１のそれと合致する。
スポット溶接機１０を用いての超音波溶接は最初比較的
小さなスポット溶接部を被加工材内に作シ、その後当該
溶接部を前記小さ々初期点から全寸法へとコントロール
された態様で外向きに拡大させて行くことにより行なわ
れる。このため、前記スポット溶接部の成長は最初比較
的小さな点溶接部を誘起せしめ次に溶接圧力及び電力を
同期的にかつコントロールされた態様で増大させ、以っ
て漸次かつ漸進的な溶接成長を得ることで行なわれる。
この方法は例えばロビンソン（Ｒｏｂｉｎｓｏｎ）氏の
特許における如く圧力が接触と同時に自然に上昇し、溶
接電力が急激に加えられる方法と対比される。
本方法によれば、互いに溶接されるべき被加工材はカラ
ークランプ５０及び６０を介して溶接先端２１及びアン
ビル４０の間にクランプされる。
溶接サイクルはアンビル４０をして被加工材をコントロ
ールした速度で被加工材に圧接圧力を添加せしめること
から始まる。アンビル４０はコントロールされた油量を
アノビル油圧シリンダ４６内に導入することでこの圧接
圧力を被加工材に誘起せしめる。もちろん、圧接圧力の
添加は溶接先端２１を被加工材に対抗して駆動させるこ
とによっても行ない得ることが理解されよう。振動リー
ド２２からの超音波エネルギは同時に溶接先端２１を経
て被加工材内に伝達される。予めプログラム化された電
子プロセッサを使用することにより、超音波動力のレベ
ルは圧接圧力が増大するにつれて増大する。プログラム
化されたサイクルの動力及び圧力が完了した時には、プ
リセットされたタイミング装置が開き溶接電力が遮断さ
れ、圧接圧力が解放される。
被加工材は最初比較的に低圧力において即ち約１００　
ｐｓｉ　（６，９ｘ　１０５Ｎ／ｍ２）から６０００ｐ
ｓｉ　（２，Ｉ　Ｘ　１０マＮ／ｍ２）までの間の圧力
で「予圧搾」することが出来る。この圧力は被加工材間
にシール剤を用いる時には約４００　ｐｓｉ　（２，８
Ｘｌ　０’　Ｎ／ｍ”　）と５００　ｐｓｉ　（３，４
ｘ　１０６ａ／ｍ２）の間であるのが好ましく、フィル
ム状接着剤を用いる時には約１７００　ｐｓｉ　（１，
２Ｘ　１０７Ｎ／ｍ２）であるのが好ましい。但しこれ
らの数値は全て１．５インチ（３８，１朋の直径の円筒
を用いた場合の数値である。典型的には前記被加工材は
約１０抄造の時間、好ましくは約１秒の時間迄予圧搾さ
れる。被加工材を予圧搾することによシシール剤又は接
着剤は完全に伸延され、被加工材間に金属接触が生ずる
ことに役立つ。
溶接サイクルの間における溶接電力及び圧接圧力の時間
との関係を示すグラフが第２図に例示されている。
第２図に示すように、「予圧搾」段階の後、「こすシつ
け」段階を実施することが出来る。
こすシつけを行なうのは酸化層が発生し表面状態が大幅
に変化する可能性があるので、被加工材の表面を予調整
するためである。このような予備段階において比較的低
いパワー及び圧力を適用することにより、表面の酸化物
層を「こすり落す」ことが出来ることが判明している。
こうすることによりよシ一様な溶接を行なう事が出来る
。というのはかくすれば実際の溶接は全体的に一様な表
面状態において実施されるからである。かくて前述段階
により溶接スポットが実際に形成される以前に十分再現
性のある開始表面状態が生ずる。こすシつけ期間は、有
機的層間物質が用いられている場合には、当該層間物質
がパワー及び圧力の添加の際流動し、この物質を介して
金属−金属接触が行なわれる事が保証されるという意味
で特に有用である。前記こすりつけ段階は油圧シリンダ
径が１．５インチ（３８，１ｍｍ）であるとして、一般
的には約５０　ｐｓｉ　（３，４Ｘ　１０５Ｎ／ｍ２）
から約１０００ｐｓｉ　（６，９Ｘ　１０’　Ｎ／ｍ”
　）の間の圧接圧力、好ましくけ約５０　ｐｓｉ　（３
，４Ｘ　１０５Ｎ／ｍ２）から約２００　ｐｓｉ　（１
，４Ｘ　１０’　Ｎ／ｍ２）の間の圧接圧力において行
なわれる。こすシつけ段階における溶接電力は通常約４
００ワツトから約１５００ワツトの間に、好ましくは約
４００ワツトから約１０００ワツトの間にセットされる
。こすシっけ時間は通常約０秒から約１ｏ秒であシ、好
ましくは約０．０１秒である。溶接電力及び圧接圧力は
被加工材に同時に適用される。
こすシつけ段階の後、圧接圧力及び溶接電力は漸増的か
つコントロールされた割合で同時に増大され、互いに溶
接される材料の材質及び厚味に対応した最大レベル迄増
大される。かくして、個々のスポット溶接部は徐々に拡
大することが出来、小さな点から最終の寸法迄成長する
ことが出来る。
初期の電力及び圧力レベルは溶接先端を分離する程には
大きくするべきでないが、既存の接触領域のエツジにず
れ力を加えられる程度には大きくすべきである。圧接圧
力及び溶接電力が増大されるにつれて、溶接領域のサイ
ズは成長し、周縁のずれ作用は継続されるべきである。
圧力及び電力が更に増大すると、ずれ領域が増大し、つ
いには高強度を備えた最終溶接領域が達成される。圧力
及び電力の増加割合は異なっても良いが、溶接電力及び
圧接圧力の跳躍が同時に開始されるというのが著しい特
徴である。１．５インチ（３８，１ｍｍ）の直径の円筒
を用いての圧接圧力は約５０　ｐｓｉ　（３，４Ｘ　ｉ
　Ｑ５Ｎ／、２　）から約１０−０００　ｐｓｉ　（６
，９ｘ’　０７Ｎ／ｍ２）迄変化することが出来る。ア
ルミニウム被加工材を溶接する時には、圧接圧力は典型
的には約１８０　ｐｓｉ　（１，２Ｘ　１０６Ｎ／ｍ”
　）から約２０００ｐｓｉ　（１，４ｘ１０７Ｎ／ｍ２
）迄変化する事が可能であシ、銅を鉄に溶接する場合に
は圧接圧力は約１０，０００　ｐｓｉ　（６，９Ｘ　１
０７Ｎ／ｍ２）を超える事が出来る。チタンを溶接する
場合には圧接圧力は好ましくは約４０００　ｐｓｉ　（
２，８Ｘｌ　０’　Ｎ／ｍ２）である。同様にして、溶
接電力は約４００ワツトから約４０００ワツトの間で変
化する事が出来る。最大溶接電力レベルは常に到達され
なければならない。
第２図に示すように、とすシっけ期間の後、溶接電力は
はね上シ期間の間増大し、次に最大の停留レベルへと到
達し、ここで溶接サイクルのバランスをとる停留期間だ
け保持される。これに対して、とすシつけ期間の後、圧
接圧力は通常全溶接サイクル中連続的に増大し、当該溶
接サイクルの終期において最大レベルに到達する。従っ
て圧接圧力は通常は停留期間には到達せず、代シに全溶
接サイクル中連続的に増大することが許容される。
全溶接跳躍期間は典型的には少なくとも０．１秒好まし
くは少なくとも約１秒から約２秒を占める。
増大速度及び最大レベルの両者に関するランプ比は互い
に超音波溶接される材料の種類及びその厚味に大きく依
存するということが理解されよう。
加えるに、第２図は増大の割合が線形的に行なわれてい
るのを示しているが、これらのカーブは圧力及び電力レ
ベルの上昇に関して用いることの出来る唯一のカーグタ
イゾを示しているものではない。時間の関数としての電
力及び圧力の非線形カーブは通常的に適用可能であシ、
特定の溶接状況においては望ましくさえある。
漸進的成長過程を用いて得られる溶接部と慣用の過程を
用いて得られるそれらを比較した試験によると、前者の
方がすぐれていることが判明した。
漸進的成長技法を用いて０．０６３インチ（１−６＋＋
＋ｍ）厚の７０７５−Ｔ６アルミ板を溶接した時の溶接
部平均的せん断強度は１５，６００　ｐｓｉ　（１，Ｉ
　Ｘ１０８Ｎ／ｍ２）であシ、これに対しストレート電
力法を用いて溶接した類似の板の平均せん断強度は１１
，８００　ｐｓｉ　（８，Ｉ　Ｘ　１０）Ｎ／ｍ２）で
あった。個々のスポットはこの平均値よりも高いか低い
ということを理解されたい。
第３図から第５図は本発明の順次溶接作業中における本
発明に係る溶接機の溶接領域を例示している。第３図に
示すように、溶接先端２１及びアンビル４０間並びにこ
れらのまわシに設けられたカラークランプ５０及び６０
間には被加工材Ｗｌ及びＷ２のみならず捨て材１０５が
配されている。
第４図に示すように、溶接作業の次の順序としてアンビ
ル４０及びそのまわシに配されたカラークランプ５０が
クランピング方向Ｏにおいておろされ、被加工材Ｗｌ及
びＷ２が定置されると、被加工材間のみならず被加工材
の一方と捨て材１０５の間に溶接部が形成される。次の
順序において、クランプ５０及びアンビル４０がクラン
ピング及び溶接位置から上昇させられ、被加工材は一方
向に移動される一方、前記捨て材は反対方向に割出され
、被加工材Ｗ及び捨て材１０５の間に発生したかも知れ
ない溶接部が破壊される。
第６図は、グロック線図の形式によシ、本発明の超音波
溶接システムの自動シーケンス工程を例示している。こ
こで説明する自動シーケンスを達成するために任意の広
範囲の電子的、油圧的及び／又は他の型式の装置を適宜
採用することが出来る。本システムの主目的は溶接機１
０上に統合されたシーケンス機能を提供することであシ
、当該機能の全ては単一スイッチによシ起動することが
可能であり、このことはオペレータの負担及び疲労を軽
減するのに役立つ。これらの機能の全ては例示の目的で
第６図のブロック線図に示すタイぐングをとった溶接工
程間隔内で発生するようにされている。
溶接サイクルは足踏みスイッチ７５を使用することで開
始され、当該スイッチはＡｃ１１５Ｖを付勢し、これを
アノビル方向制御弁２００内に収納されたソレノイドＡ
へと適用する。かくて弁２０００作用によシ油圧流体が
アノビル油圧シリンダ２１０へと流れることが出来る。
油圧ポンプ２０５は油圧流体を油圧シリンダ２１０へと
ポンプ送給するようアンビル方向制御弁２００に対して
配設されている。油圧流体が油圧シリンダ２１０に流れ
ることによシアンビル４０はクランピング方向Ｃに移動
し、被加工材Ｗ及びその反対側上にある溶接先端２１と
界面隣接状態になる。捨て材金属テーゾ１０５は被加工
材Ｗと溶接先端２１の間に設けられておシ、テープ１０
５の動きについては以下より詳細に述べる。アンビル４
０が被加工材Ｗに対して接触すると、油圧流体の流れは
停留し、アノビル油圧シリンダ２１０内には圧力が誘起
される。予め定めた圧力に到達すると、アンビルプレス
スイッチ２１５が閉じ、Ａ（！１１５Ｖの電圧がアノビ
ル油圧シリンダ２１０内のソレノイドＡに付加されシス
テム作動タイマ２２０が起動され、圧力が被加工材Ｗ及
び溶接先端２１上に保持される。同時にラッチ電圧がク
ランシリレイのロジックタイマ組立体２２２に入力され
る。次にステップ関数信号がサーざ弁増幅器２３０へと
送られ、当該増幅器がサーボシャント弁２３５を閉じる
。サーがシャント弁２３５が閉じると、アノビル圧力は
本油圧システムに設定された高圧カリミツト値迄急激に
上昇する。その結果アンビル４０によシ被加工材Ｗ上に
は短期間の圧搾作用が得られる。
クランブリレイのロジック及びタイマ組立体２２２から
の第２の出力はクランプ方向制御弁２４０のソレノイド
Ａへと送られ、当該弁はクランプ油圧シリンダ２４５を
起動せしめ、（図示せぬ）クランプを強制圧下せしめ、
被加工材Ｗと界面接触する。クランプ方向制御弁２４０
を付勢するために油圧ポンプ２５０が設けられている。
システム始動タイマ２２０は又シーケンシャルタイミン
グ回路２５２をトリガーする役目も果している。アンビ
ル高圧力が発生し、低アンビル圧力に戻シ、クランプが
被加工材に押圧される迄超音波溶接電力及び圧力の波形
を適用するのを遅延させるために調節可能な電子装置を
設けることが出来る。クランプが被加工材Ｗに空押しさ
れると、クシンププレススイッチ２５５が閉じられ、超
音波作動部２６０が付勢され、超音波パワーが被加工材
Ｗに適用可能となる。線形変調された超音波周波数波形
を超音波パワー増幅器２６５に適用するのに位相を合わ
せて線形の入力信号がサーボ弁増幅器２３０に適用され
る。前記線形変調された超音波波形並びにサーボ弁増幅
器２３０への入力の両者は折れ線関数変調発生器組立体
２７０内で発生される。これにより適用される波形の傾
斜及び振幅の両者は調節可能である。オフレータ２７５
は変調発生器組立体２７０への定常的周波数入力を提供
する。超音波パワーがオンの状態において、ランプ状溶
接電力がサーボ弁増幅器２３０に適用され、該増幅器が
サーボシャント弁２３５に対する電流をコントロールす
る。
超音波パワーが増大するにつれて、アノビル圧力も同期
的に増大させられる。システム作動タイマ２２０が時間
切れになると、溶接サイクルが終了し、ラッチ電圧が除
去される。時間をかぎったＡｃ１１５Ｖの入力がそれぞ
れアンビル及びクランプ方向制御弁２２０及び２４０の
両者のソレノイドＢに提供され、油圧流れが反転され、
アンビル４０及びクランプ５０が上昇させられる（第１
図参照）。
これと同時にモータ時間コントロール２８０が付勢され
、金属テープ搬送システム１００は捨て材金属テーゾ１
０５を次の未使用位置へと増分的に割出される。
第６図において説明した前述の段階の全ては６秒以下に
おいて終了し、システムはかくて別の溶接サイクルを繰
返す周章が出来ている。もちろん、前述のシステムが提
供する溶接システムにおいては、異なる材質、種々の板
厚、種々の板仕上げ状態のものを含むバラエティに富ん
だ種々の被加工物のだめの広範囲の溶接スケジュールを
こなすことが出来るばかりでなく、接着剤及びシール剤
を介して溶接を行なう能力をも提供し得ることが理解さ
れよう。これと比較して、既存の溶接機器は限定された
性能しか生じ得す、はとんどはマニュアル制御に限定さ
れる。
本発明をその好ましい実施例を参照して説明した後にお
いて、本発明はその精神及び範囲から離脱する事無くあ
る種の修整を行なって実施可能であること、従って保護
は特許請求の範囲によって画成されるべきものであるこ
とが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の教示するところに従って用いられる超
音波溶接機の全体的側方斜視図、第２図は溶接サイクル
中における時間の関数としてあられした、順方向超音波
溶接エネルギ及び圧力（先端荷重）のランプ状変化を例
示した複合グラフ図、 第６図から第５図は本発明のシーケンシャル溶接作業中
における溶接領域を例示する図、第６図は本発明のシー
ケンシャル溶接作業中における諸段階を例示するブロッ
ク線図である。 １６・・・溶接機フレーム、２１・・・溶接先端、４０
・・・アノビル、５０．６０・・・カラークランプ、４
６・・・アンビルシリンダ、Ｗ・・・被加工材、Ｔ５・
・・足踏みスイッチ、１００川テープ搬送装置、１０５
・・・捨て材、２２・・・振動リード。 代理人　浅　　村　　　皓

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）　　溶接先端及びこれと協働するアンビノンを含
    む溶接要素を備えるタイプの超音波振動スポット溶接機
    を用いて被加工材同士を溶接する方法であって、前記溶
    接機の前記要素の両者は溶接フレームに装着されるとと
    もに、これら両要素の間に前記被加工材が溶接のため挿
    入されるようになっており、更に、溶接されるべき被加
    工材同士を互いにクランプし、溶接作業の間前記被加工
    材の整合を維持するためのクランピング装置を含んでい
    る前記溶接機を用いた溶接方法において、 前記被加工材を前記アンビルと前記溶接先端との間に導
    入し、前記被加工材を溶接位置にクランプするクランプ
    段階と、 前記溶接要素の一方を他方に向けて移動せしめ、前記被
    加工材に対して第１の予め設定された大きさの圧力を加
    える加圧段階と、 第１の予め設定された大きさの高周波超音波エネルギを
    前記溶接先端から前記被加工材内へ与えるエネルギ増大
    段階と、 前記圧力及びエネルギの大きさを同時に第２の予め設定
    した大きさへと増大せしめる段階にして、前記第２の予
    め設定した大きさは前記被加工材間に溶接部を形成する
    のに十分な量である圧力・エネルギ増大段階と、 前記圧力を解放し、被加工材内に与えられる超音波エネ
    ルギを止める中断段階と、 前記被加工材を前記溶接要素間から取ｐ出す取シ出し段
    階と を有する溶接方法。 （２、特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
    記クランざング装置は前記アンビル及び溶接先端のまわ
    りに設けられた環状クランプを有しておシ、前記クラン
    プ段階は前記環状クランプを互いにクランピング方向に
    引き寄せることで前記被加工材同士を定位置にクランプ
    することにより行なわれることを特徴とする溶接方法。 （３）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
    記加圧段階が前記アノビルを前記溶接先端に向けて移動
    させ被加工材に圧力を加えることによシ行なわれるよう
    になっていることを特徴とする溶接方法。 （４）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
    記第１の予め設定した圧力及びエネルギの大きさは前記
    被加工材から酸化物層を除去するのに十分な量であるこ
    とを特徴とする溶接方法。 （５）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、ス
    ポット溶接部は小さなスポットとして開始され、次に完
    成寸法へと漸進的に拡張されることを特徴のする溶接方
    法。 （６）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、更
    に前記被加工材間の接着剤物質を分散させるために、超
    音波エネルギを被加工材内に導入するのに先立って被加
    工材に対して初期圧力を適用する段階が含まれているこ
    とを特徴とする溶接方法。 （７）特許請求の範囲第６項に記載の方法において、前
    記初期圧力は約１００　ｐｓｉ　（６，９Ｘ　１０５Ｎ
    ／ｍ２）から約３０００ｐｓｉ（２−ＩＸ１０’Ｎ／ｍ
    ２）の間の値であることを特徴とする溶接方法。 （８）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
    記第１の予め設定された圧力は約５０　ｐｓｉ（３，４
    ｘ　１０５Ｎ／ｍ２）から約１０００　ｐｓｉ　（６，
    ９ｘ　１０６Ｎｚ４２）の間の値であることを特徴とす
    る溶接方法。 （９）特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
    記第１の予め設定されたエネルギレベルははＩ！４００
    ワットから１５００ワツトマでの間の値であることを特
    徴とする溶接方法。 ００　　特許請求の範囲第１項に記載の方法において、
    前記第２の予め設定された圧力の大きさは約５０ｐｓｉ
    　（３，４’　Ｘ　１０５Ｎｚ４２）から約１０．ＯＤ
    　Ｏｐｓｉ（６，９ｘ　１０’　Ｎ／ｍ”　）の間にあ
    ることを特徴とする溶接方法。 αつ　特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
    記第２の予め設定されたエネルギの大きさけにぼ４００
    ワツトから４０００ワツトまでの間の値であることを特
    徴とする溶接方法。 α埠　特許請求の範囲第１項に記載の方法において、前
    記諸段階は自動的にコントロールされ、調整されて同期
    されることを特徴とする溶接方法。 α１　溶接先端及びこれと協働するアノビルを含む溶接
    要素と、溶接作業を実施するのに先立って溶接すべき被
    加工材同士を互いにクランプして該溶接作業の間中整合
    させ保持するためのクランピング装置とを備え、前記溶
    接要素の両者を溶接フレームに装着せしめ、これら両者
    間に前記被加工材同士を溶接のため挿入するように構成
    したタイプの超音波振動スポット溶接機を用いる被加工
    材の溶接方法であって、当該方法は調時された溶接時間
    間隔を有する以下の諸段階を実施するために自動化され
    、同期化された方法を有しておシ、前記諸段階は、 前記溶接要素の一方を他方の要素に向けてクランピング
    方向に移動せしめ、前記被加工材と係合せしめる段階と
    、 前記溶接要素間に調時された高圧力パルスを発生させる
    段階と、 前記溶接要素間の圧力を減少させる段階と、前記被加工
    材をクランプする段階と、 高周波超音波エネルギを予め設定したレベルにおいて前
    記被加工材内に導入する段階と、圧力及びエネルギを同
    時に最大量レベルにまで増大せしめる段階と、 クランぎング圧力及びアンビル圧力を解放せしめる段階
    と、 前記被加工材を除去せしめる段階とを有する溶接方法。 α◆　特許請求の範囲第１３項に記載の方法において、
    更に金属テープを前記溶接先端と被加工材の間に導入し
    、各溶接サイクルの完了時において、尚該テープを溶接
    先端上で予め定めた距離だけ割出す段階が含まれている
    ことを特徴とする溶接方法。 αυ　特許請求の範囲第１３項に記載の方法において、
    前記調時された溶接時間間隔は足踏みスイッチを用いた
    起動によシ開始されることを特徴とする溶接方法。 ０Ｑ　　特許請求の範囲第１６項に記載の方法において
    、前記圧力及びエネルギは相を合わせて最大値迄増大さ
    れることを特徴とする溶接方法。 ０７）溶接先端及びこれと協働するアンビルを備え、こ
    れらの間には溶接すべき被加工材が、高周波超音波エネ
    ルギを前記被加工材内に導入し該被加工材間に溶接部を
    形成することで溶接を行なうべく導入されるようにされ
    ておシ、更に溶接に先立って前記被加工材を互いにフラ
    ンジし、溶接時間間隔の間前記被加工材の整合を維持す
    るだめのクランピング装置が含まれて因るタイプの超音
    波溶接システムにおいて、当該システムは調時された溶
    接時間間隔の間に該システムの操作を実施するための同
    期コントロール装置を含んでおシ、前記コントロール装
    置は前記アンビル及び前記クランピング装置の移動量並
    びに前記被加工材内に導入される超音波エネルギの大き
    さを同期的にコントロールするための折れ線関数変調発
    生器を有していることを特徴とする超音波溶接システム
    。 α樟　特許請求の範囲第１７項に記載のシステムにおい
    て、前記アノビル及び前記クランぎング装置は油圧によ
    シ作動されてることを特徴とする超音波溶接システム。 （均　特許請求の範囲第１８項に記載のシステムにおい
    て、金属テープを溶接先端及び被加工材の間に定置する
    ために金属テープ搬送システムが更に設けられておシ、
    前記コントロール装置は更に各溶接作業の後前記テープ
    の移動をコントロールするようにされていることを特徴
    とする超音波溶接システム。
JP59072585A 1983-04-12 1984-04-11 溶接方法 Pending JPS59206184A (ja)

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