JPS61502666A

JPS61502666A - 超音波スポット溶接組立体及び方法

Info

Publication number: JPS61502666A
Application number: JP60503147A
Authority: JP
Inventors: バーク，ゲイリイ
Original assignee: ザ・コカ−コ−ラ・カンパニ−
Priority date: 1984-07-12
Filing date: 1985-07-02
Publication date: 1986-11-20
Also published as: ZA855272B; US4572753A

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】超音波スイット溶接組立体及び方法技術分野本発明は超音波溶接装置に関する。更に詳細には、本出願は超音波溶接装置のためのスポット溶接チップに関する。

従来技術超音波溶接は多数の材料を結合するのに使用されてきた。最も一般的な、超音波結合は熱可塑性材料に利用されている。最近、超音波スポット溶接が達成されることができることが発見された。例えば、１９８０Ｄａｓｉ　ｆＬＦｏｒｕｍ）第８６頁参照。この公報は超音波スイット溶接技術並びに溶接と反対の表面上のきれいな外観を生ずる利点について記載している。この論説は２つの熱可塑性シートを一緒に溶接する方法について記載しており、この場合に標準溶接チップが１つのシートを１通し、そして第２のシートを通り途中まで延びている。この論説は更にインバース（１ｎｖｅｒｓｅ　）スイット溶接の可能性を扱っている、即ち、溶接チップを取付器具又はアンビル（αｎｖｉｌ）に取付け、且つ超音波エネルギーを提供するために平らな面のホーン（ｈｏｔｔｓ）を利用することを扱っている。

超音波スイット溶接の使用は更に１０００年〜１９８１年の最近のプラスチック百科辞典（Ｍｏｄｅｒｎ　ｐｌａｓｔｉｅ、ｓ　Ｅｎｃｙｃ、１ｏｐｅｄｉａ　）、第４４７頁乃至第４５０頁に公表されたアール・ニー・クラーク（Ｒ，Ａ。

Ｃ１ａｒｋｅ　）による「超音波組立体（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　、４ｓｓｅｍｂｌｙ）と題する論説に記載されている。この論説の中で、クラークは超音波スポット溶接のためのホーン又はチップにおける環状リング設計の一般的力利点を開示している。

上記に引用された超音波溶接チップ配置又は方法は溶接工程中その中の溶接接合及びチップから溶融した熱可塑性材料の自由な流れを許容するための適切な手段を提供していない。この領域における溶融した材料の蓄積は溶接ソヨイトにおける非溶融材料の連続溶融を妨げることがあり（それが超音波エネルギーを吸収する）、そして不充分な強さの溶接ジヨイントとなる熱的劣化をそれ自身に与える。更に、この溶融した材料は溶接チップ配置の過熱を生じ、これが溶接及び周りのシート材料を破損することがある。

本発明は複数の溜シ（ｒｇｓｅｒｖｏｉτ）部分と共に散在された複数の錐形の突起を含む溶接チップを開示している。錐形の突起は溶接されるべき材料と接触して置かれており、そして超音波エネルギーが材料に印加される。超音波エネルギーが集中され、そしてメル）（ｍｇｊｔ）は錐形の突起によって分散され、そしてこれ等の突起に隣接するシート材料を加熱し、これによって材料をかく化する。軟化された材料は錐形の突起によって変位され、そして変位された材料のｓ８ｔのために設けられたチップの溜り部分内に集められる。材料は錐形の突起が実質的に完全にシ−ト材料内に挿入されるまで軟化され且つ変位され続ける。好ましい実施態様における錐形の突起は直円錐、直円錐台・・・・・−・・・・・・・・・・・・又はピラミッド形状であり、あるいはそこからシート材料のセルフ・レリーズ（５ｅｌｆ−ｒｅｌｅαｓｇ）　を許容するように構成される。溜りは押しのけられた材料の膨張を許容するために錐形の突起の容積よシもかなシ大きい容私に構成される。

本発明は：（α）アンビルと、そこから延びている少くとも１つの溶接チップとを含んでいる熱可塑性材料の並置されたシートの表面に隣接する溶接チップ組立体と、但し線溶接チップは該アンビルに取付けたベースと、該アノビル上方の所定の高さにおいて該アノビルから間隔をへだてだ頂部とを有している、（ｂ）　該溶接チップを溶接される材料の各シートを少くとも部分的に侵入するのに充分な距離だけ並置されたシートの表面内に挿入する手段と、但し該距離は該溶接チップの高さよシ少く、これによって該アンビルとシート材料の表面との間に溜り空間を提供する；（Ｃ）超音波エネルギーを該溶接チップに隣接する該熱可塑性シート材料に印加する手段とを具備していて、これによって溶融した熱可塑性材料が自由に該溜シ空間内に流入することができることを特徴とする熱可塑性材料の複数のシートをスポット浴接するシステムを提供する。

複数の溶接チップ配置６−が共通の支持体上に設けられており、そして各各のアノビル上の溶接チップは溶接される材料の特性によって異なる溶接チップ配置を提供するように）ｉｌ！択的に取外し可能である。

溶接チップ支持体は溶接ラインに沿って配置されており、そして超音波エネルギーが溶接ラインに沿って延びている溶接ホーン（ｈｏｒｎ　）によって印加される。溶接ホーンは溶接ホーンの末端に隣接する領域の如き、領域周辺に弱い超音波エネルギーを発生する傾向がある。従って、これ等の領域における弱い超音改エネルギーを補償するために、チップは中間領域において僅かに長く作られるか、又はチップはチップのよシ大きな直径に係合して、従ってよシ多くの材料を押のけるように関連するアノビル内のより狭いカウンタボア内に配置される。他のアプローチはエツジ効果を避けるために溶接ラインより大きな長さの溶接ホーンを使用することである。

本発明の第１の好ましい実施態様において、溶接チップはアノビル上方の高さＡとアンビルにおけるベース直径Ｂとを有する直円錐である。

Ａ／Ｈの理想的な比は第１の好ましい実施態様では１．２でちシ、そして第２の好ましい実施態様では０．７６である。これ等の比では、チップはセルフレリーズし、そしてまた最小のエネルギーでシート材料を貫通する。

本発明の主たる目的は改良された超音阪溶接装置及び方法を提供することである。

本発明の他の目的はシート熱可搬性材料における改良された超音波スポット溶接を作ることである。

本発明のなお他の目的は比較的長い溶接ラインに沿ってこれ等の溶接を提供し、且つ溶接完了のときその完全な傾斜対称によってシート材料からセルフレリーズする溶接チップ配置によってこれ等の溶接を作ることである。

本発明の更に他の目的は充分な高さの溶接チップを提供して、溶接チップ配置の支持ベースと溶接チップ自体との間に自然な（ｎａｔｒｂｒａｌ　）溜りを提供することである。

本発明のなお更に他の目的は取外し可能な溶接チップと、溶接されるべき材料及び厚さを変化することによって溶接ラインに沿って最適な溶接強度を促進するために使用される溶接チップ数及び／ヌはその大きさを変化する手段とを提供することである。

本発明のなお他の目的は最適な強度の溶接ジヨイント及び溶融したシート材料からチップのスムースなセルフレリーズを生ずるために最適な寸法及び形状の溶接チップを提供することである。

本発明のなお他の目的は熱可塑性材料においてインバーススポット溶接に使用されることができ、且つスポット溶接が作られるラインに沿ってラインと平行な方向にのみ変位によってシート材料との接触から除か本発明のこれ等の及び他の目的は本発明の好ましい実施態様に関する下記の明細１、図面及び特許請求の範囲を参照してより完全に明らかとなるであろう。

本発明は以下に記された詳細な説明及び例示のみによって与えられた添付図面からより完全に理解されるであろう：第１図は本発明の溶接チップの１部分の斜視図である；第２図はインバーススポット溶接工程におけるシート相料を溶接するときの本発明の溶接チップの使用の概略的な斜視図である；第３図は本発明の溶接チップの１部分の斜視図であって、その中に冷却通路を設けたことを例示している。

第４図は本発明の教示による溶接チップの１部分の斜視図であって、半球状の溜りは円筒状の突起に隣接し、且つ溶接ラインに平行に配置されたくぼみ（ｔｒｏｕｇｈ　）によって霊き換えられている。

第５図は本発明の第１の好ましい実施態様の溶接チップの相対的配電の斜視図である；第６図は本発明の第１の好ましい実施態様の単一の溶接チップの拡大正面図である；第７図は溶接ホーンのための反実なストップを利用してインバーススポット溶接工程においてシート材料を溶接するための、第６図に例示された型式の単一の溶接チップの作動の概略的な側面図である；第８図は溶接ラインに沿って延びている複数の溶接チップグループを例示しているアンビル支持バーの頂部平面図であるｉ第９図は第７図の確実なストップの削除を許容しているインバーススポット溶接工程におけるシート材料を溶接するだめの本発明による溶接チップの第２の好ましい実施態様である。

本発明を実施するだめの最良の方法第１図を参照すると、本発明の溶接チップ（全体的に１０として示されている）はチップペース１６に沿って複数の溜り１４と共に、交互に散在する複数の円錐状の突起１２を含む。

錐形の突起１２はそれ等のそれぞれの頂点１８においてシート材料に接触するところに超音波エネルギーを集中するのに役立つ。錐形の突起は超音波エネルギーを集中し、且つ以下に説明するセルフレリーズヲ容易にするのに適した任意の形状に形成されることができる力ζ第１図はコーンの１つの形を例示している。用語コーンはその広い意味を包括する意図を有しておシ、且つ本発明の溶接チップに利用可能な単に１つの実施態ｉｓｏ円ｍにすぎナイ直円錐（ｒｉｇｈｔ　ｃｉｒｃｓｌａｒ　ｃｏｎｅ　）の本適用に限定する意図を有していないことに注目すべきである。

第１図に例示された如き溶接チップにおいて、円錐頂点とペースとの間の距離は溶接されるべきシート材料の厚さの約１．５倍に等しいように構成されなければならない。更に、コーンペースは望ましくはコーンの高さの約２倍又は接着されるべきシート材料の厚さの約３倍の幅に構成される。

本発明の第２図はインバース超音波スポット浴接工程における第１図のチップ１０の使用を例示している。インバース超音波スポット溶接を容易にするため、溶接チップ１０は溶接されるべき２つのシート材料の１方の側に位置づけされたアノビル又は取付はバー２０に確実に緊め付けられている。第２図は更に本発明の技術に従ってスポット溶接によって結合されるべき材料シートの他方の側に超音波変換器又はホーン（ｈＯｒ′！Ｌ）５０の配置を例示している。

第２図に概略的に例示されたスポット溶接機は下記の如く機能する。

結合されるべき材料は支持体６０によって支持されており、第１及び第２のシー）５０．４０は溶接されるべき所望のラインに沿って並置される。本発明のチップ１０はそれが上に配置されているアンビル２０の運動によって並置された第１及び第２のシート材料３Ｑ　、４０の１方側と接触するように提供される。同時に、超音波変換器又はホーン５０はシートの他方の側に係合するためにそれぞれのシート材料の平面に対して垂直なライン内を移動する。超音波エネルギーは超音波ホーン５０を経て結合されるべきシート材料に印加される。溶接チップ１０の錐形の突起１２がそれに沿って交互のスポットにおいてシート材料に接触するとき、超音波エネルギーがそのスポットに集中される。これによってシート材料は錐形の突起１２との接触によって軟化され、且つ変位される。

軟化されたシート材料は溜シ１４内に蓄積されて材料を超音波エネルギー集中領域から除いて、軟化した材料の過熱を回避し、そして超音波エネルギーが非軟化（ｕｎｓｏｆｔｅｎｄ）材料上に集中する。

錐形の突起がシート材料内に完全に挿入されて、スポット溶接がそれ等の所望の深さまで完成されたとき、超音波エネルギーは引っ込められる。シートの熱可塑性物の冷却はその収縮を生ずる。錐形の突起１２の配置は、溶接チップがシート材料からセルフレリーズするようになっている。従って、第１図の溶接チップの配置は溶接後シート材料からチップのセルフレリーズを容易にし、且つ錐形の突起１２に対し並置された軟化したシート材料を蓄積するための溜りを設けることによって改良された溶接を提供する。

本発明の第２図の実施態様はインバーススポット溶接として知られている技術を例示しているが、チップを超音波ホーン５０に取付けることによって標準のスポット溶接に本発明の溶接チップを利用することが可能である。

第１図の溶接チップの溜シ１４は半球状であシ、且つ関連する錐形の突起によって押しのけられた容積の約１．５倍を蓄積するように典型的に大きさが定められる。各々の溜りの容積は関連する錐形の突起の容積の少くとも１倍及び１％倍でなければならない。

本発明のシステムが自蹴製造に利用されるとき、溶接チップ内に蓄積される残留熱が厄介であることがある。適切々予防対策をしないと、溶接チップの温度は溶接チップに対してシート材料を溶融せしめるのに充分となることがある。第５図を参照すると、この場合同様な番号は第」図と同様な部分を示している、冷却通路が溶接チップ１０の温度を制御するために溶接チップ１０内に設けられることができる。従って温度は、溶接チップを所望の温度に維持するために、冷却剤の流量を制御することによって、又は他の手段によって制御されることができる。

ポリエチレンでは、温度を約９０″Ｆ（約３２．２℃）に維持するのが望ましい。溶接チップが１３０ａＦ乃至１４０〒（約５４．４℃乃至６０．０℃）ニ達スルと、ポリエチレンはチップに粘着し始める０本発明の溶接チップ１ｏはアンビル２０と一体に作られるか又は交換可能にそれに固定可能に作られることができる。

本発明のシステムが利用される特定の適用において、アンビル２ｏ及び溶接チツｆ１０を製造溶接ラインに平行な方向にアノビルを動かすことによって所定位置に移動する必要がある。従ってシート材料の平面に垂直な有意な運動は本実施態様では許されない。従って、溶接ラインに平行な方向に沿って完成した溶接から離れて容易に摺動するように溶接チップを配列するのが望ましい。

第４１Ｆにおいて、この場合も同様な要素は同様な数字によって示されている、変更された溶接チップが例示されており、これでは第１図の半球状のくぼみは交互に配ｌされた錐形の突起１２のいづれかの側に配置された１対の周辺のくぼみ（ｔｒｏｕｇｈ　）　２２　、２４によって置き換えられている。これ等のくぼみ２２．２４は溶融したシート材料を集合のためのくぼみ２２．２４内に導く複数のフィーダーくぼみ溜シ部分２６によって供給される。溶接完了の際、第４図の溶接チップは、第１図の実施態様の溜り１４がさもなくば材料を蓄積する領域において散在する円錐状の突起１２間に材料の有意な蓄積が々いので、モールドラインに平行な方向にシート材料と共に並置位置からより容易に取外されることができる。従って、溶接チップの横の運動はより容易に促進されることができる。

第５図を参照すると、溶接チップの単一のグルーｆ（全体的に１０で示されている）はアンビル本体９０又は支持グレート９０内に取外し可能に取付けられた複数の千鳥に配列された錐形の突起８２を含む。複数の任意に穴を形成したくぼみ（ｗｅｌｌ）溜りＲが突起８２間に設けられている。拶数のこのような溶接グループは典型的に溶接ラインに沿って配置される。錐形の突起８２は超音波エネルギーを集中し、且つメルトを分散するのに役立ち、この場合にこれ等はそれ等のそれぞれの頂点８８においてシート材料に接触する。錐形の突起８２は超音波エネルギーを集中し、巨つ以下に説明するセルフレリーズを容易にするのに適した任意の形状に形成されることができるが、第５図はコーン（ｃｏｎｅ　）の１つの形状を例示している。用語［コーン（ｃｏｎｅ　）　ｊはその広い意味を包括する意図を有しており、そして単に本発明の溶接チップに使用できるコーンの１実施態様にすぎない直円錐コーンに対する本適用に限定する意図を有していないことに注目すべきである。例えばピラミッドもコーンの包括的定義内に入る。

第６図は本発明の第１の好ましい実施態様の単一の溶接チップの拡大された概略的な例示である。溶接チップ１１はシャンク８３と、直径Ｂを有しているペース部分８４と、このペース部分から上方に延びている高さＡの錐形の突起８２とを具備している単一のユニットである。第６図に例示された如き溶接チップにおいて、コーン頂点８８とそのペース部分８４との接合部との間の高さＡの距離は一緒に溶接されるべき２つの等しい厚さの単一のシート材料の厚さの約３倍に等しいように配列されなければならない。更に、チップは高さＡ対ペース部分８４０幅Ｂの比が約１．２に等しいように構成されるのが好ましい。

第７図はインバーススポット溶接工程におけるシート材料溶接のための本発明の単一の溶接チップ１１の作動を例示している概略的側部立面図である。インバース超音波スポット溶接を容易にするために、溶接チップ１１は固定アンビル又は取付バー９０に緊め付けられており、これは−緒に溶接されるべき２つの実質的に等しい厚さのシート材料１００゜１１０の１方側に位置づけされる。第７図は本発明の教示に従いスポット溶接によって結合されるべきシート材料の反対側の可動なホーン１２０の配置を更に例示している。ホーン１２０に取付けた確実なストップＢ６Ａは固定ストンｆ８６Ｅと作動的に関連していて、ホーンの下方行程を制限している。ホーン１２０が下降するに従って、それは溶接チツ７’８１に対してシート１００及び１１０を押して、コーン８２をシートｆ１０に突きぬけせしめ、そしてシート１００をその厚さの約半分まで侵入せしめる。勿論、貫通程度はストップ８６Ａ、Ｂ６Ｅの位置によって制御される。従って、シートの厚さＡ、の約１．５がコーン８２によって貫通される。コーン８２は約３Ａ、の高さを有している（シートの厚さの３倍）。従って、厚さＢ１の自由な溜り空間８９がシート１１０とアンビル９０との間に生ずる。

超音波エネルギーは超音波ホーン１２０を経て結合されるべきシート材料に印加される。超音波溶接チップ８１の複数の錐形の突起８２が溶接ラインに沿ってシート材料に侵入するに従って、超音波エネルギーは集中され、そしてメルトはこれ等のスポットにおいて分散する。シート材料はこれによって軟化されてシート間にメルトプール（ｍｇｌｔ　ｐｏｏｌ）９２を形成する。９４における如き溶融した材料はまたアンビル９０とシート１１０との間の自由空間８９内に蓄積される。既述の如く、空間８９はストップ８６Ａ及び８６ＥＫよってつくられ、“ これがコーン８２をシート１１０のみを通シ且つシートの厚さの約半分シート１００内に挿入されるのを許容する。超音波溶接作用によって生じた溶融した材料のバックフロー（ｂαａｋ　ｆｌｏｗ）は９４においてアンビル９０上方のシート１００，１１０から文字通り垂れ下がる。溶融したシート材料の自由な流れは溶融した材料の実質的な部分を超音波エネルギー集中領域から除去し、そしてそのようにして除去された溶融した材料の過熱を回避する。従って、超音波エネルギーは非軟化材料によシよく集中されて溶接工程を続けることができる。

スポット溶接がそれ等の所望の深さまで完了したとき（底部シート１１０の厚さの１．５倍、確実なストップＢ６Ａ、８６Ｂがこの距離を制御する）、超音波エネルギーの付加が終わる。シート熱可塑性物の冷却がその収縮を生じる。錐形の突起８２の配置は溶接チップ８１のコーン８２がシート材料からセルフレリーズするようになっている。

従って、第５図、第６図及び第７図の溶接チップの配置は溶接後シート材料からチップのセルフレリーズを容易にし、且つ錐形の突起８２に並置された位置から流れる軟化した又は溶融したシート材料の実質的な部分を蓄積するだめの自然な（ｎαｔｕｒａＬ　）溜り空間を提供することによって改良された溶接を生ずる。

更にまた、第６図に例示された如く高さ対ペース比、約１．２を有している尖った、細長いテッグ部分８２は溶接工程牛歩い電源負荷を必要とするシート材料を通る高まった貫通作用を可能にし、且つなお適切な溶接強度を提供する。

なお更に、錐形の突起８２のチーノーは約４５度であって、少い押しのけられたシート材料を生じ、且つ表面的により受け入れ得る溶接を提供する。

本発明の第７図の実施態様はインバーススポット溶接として知られている技術を例示しているが、チップを超音波ホーン１２０に取付けることによって標準のスポット溶接に本発明のチップを利用することも可能である。

超音波溶接ホー／１２０の外方領域は典型的に低振幅超音波エネルギーを発生し、従ってホーンの外方周辺領域に弱い溶接を作る。第８図に例示された如く本発明によれば、アンビル支持バーＡＢの周辺外方領域における溶接チップグループも及びＷ、は取外し可能に取付けられたチップのペース配置のだめのカウンタポア深さく第７図、８５）を有しており、これは溶接ラインに沿ってアンビル支持バー上の残］のグループＩＶ２乃至Ｗ６のカウンタポアよりも約０．０１０インチ（約［１，２５ｍ）狭い。従って、チップグループＷ１及びＷ、内のコーン８２は更にシー１−１００．１１０内に侵入する。これは超音波ホーン１２０の外部領域におけるイ氏いパワー出力の固有の待合を補償する。

溶接チツ７’１１のシャンク８３及びペース８４は、第７図に例示された如く、保守及び取替えを容易にするために、アンビル本体９０内のカウンタボアソケット内に取外し可能に取付けられる。よシ重要なことは、各グループのチップ数及びアノビル上の各グループのチップの大きさが容易に変更して、溶接ラインに沿って最適な溶接強度に変化できることである。これは広い種類のポリマー材料の溶接を許容し、及び／又はグルービング当り一般的により多いメルトプールであるが広範囲の種々のシート厚さがグループ光シ高い引張シ強さを生ずる。

好ましい実施態様において、本発明の溶接チップは高密度ポリエチレンシートをスポット溶接するのに利用される。しかし乍ら、任意の適切な材料が本発明の溶接装置を利用して溶接されることができる。

同様に、本発明では、浴接ホーンは本発明の浴接チップにできる如き任意の適切な材料で作られることができる。好ましい実施態様において、溶接チップ８１はアルミニウムで製造され、次により良い阜耗抵抗のためにバートコ−）（ｈατ ｄ−ｃｏαｔ）＠極酸化される。それからチップは表面粘着を防止するために、商標［テフロン（ＴＥＦＬＯＮ）Ｊで知られている？リテトラフルオロエチレンで処理される。更に、溶接チップ８１はまた正しい熱処理によって炭素を含ませた銅の如き他の材料から製造されることができる。

今までは、自動化された製造におけるこの型式のシステムの使用は溶接チップ内に残留熱の蓄積を生じた。冷却通路が溶接チップの温度を制御するためにアノビル内に設けられなければなら々かった。本発明では、正確なチップの幾何学的形状及び溶接ラインに沿ったグループ当りのチップ数が上記に開示された如き残留熱の蓄積を減少する。なお更に、アンビルは溶融材料又は溶接されるシートに決して接触しないので、より少い熱がアンビルに印加される。

第９図はインバース溶接工程に利用されている如き本発明の第２の好ましい実施態様の単一の溶接チップの拡大された概略的な例示である。

溶接チップ８１はシャンク８３と、直径Ｂを有しているペース部分８４と、このベース部分から上方に延びている高さＡの円錐台形の突起８２とを具備している単一のユニットである。第９図の溶接チップは本発明による第５図及び第８図の例示における第６図の溶接チップで代用されることかできると理解されるべきである。第９図に例示された如き溶接チップでは、末端コーンとベース部分との接合部８４との間の高さＡの距離は一緒に溶接されるべき２つの等しい厚さのシートの単一のシート材料の犀さの約１．５倍に等しく形成されなければならない。

更に、チップは好ましくは高さＡとペース部分８４０幅Ｂとの比が約０．７６に等しいように構成される。

第９−はまたインバーススポット溶接工程における溶接シート材料に対する第９図の単一の溶接チップ８１の第２の好ましい実施態様の作動を例示している。インバース超音波スポット溶接を容易にするため、溶接チッ７’８１は一緒に溶接されるべき材料１００，１１０の２つの実質的に等しい厚さのシートの１方側に位謂づけされた固定アンビル又は取付はバー９０にしつかシととめられる。第９図は更に本発明の教示に従ってスポット溶接によって結合されるべきシート材料の反対側の可動ホーンの配置を例示している。

第９図の溶接チップでは、第７図の確実かストップＢ６Ａは省かれることができる、又は所望によりそのままとすることができる。ホーン１２０が下げられるに従って、それはシート１００及び１１０を溶接チップ８１に対して押して、円錐台形のチップ８２をしてシート１１０を貫通せしめ、且つシート１００をその厚さの半分以上まで侵入する。侵入の程度は、勿論、溶接チップ８１のペース８４の肩８４Ｓ上方の円錐台形のチップ８２の高さによって制御される。従って、シートの厚さＡ。

の１．５以上が円錐台形のチップ８２によって侵入される。円錐台形のチッ７’ ８２（７）高さプラオア、ビヤ本体２゜（Ｄ頂部上ｏ−”Ｍａ４ｏヶ５長部は約！Ｌ５，４．である（シートの厚さの３．５倍）。従って、厚さＢ、の自由な溜り空間８９がシート１１０とアンビル９０との間に生ずる。

超音波エネルギーは超音波ホーン１２０を経て結合されるべきシート材料に印加される。超音波溶接チップ８２の複数の錐形の突起８２が溶接ラインに沿ってシート材料に侵入するに従って、超音波エネルギーがこれ等のスポットに集中される。シート材料はこれによって軟化されて、シート間にメルトプール９２を形成する。９４における如き溶融した材料はまたアンビル９０とシート１１０との間の自由な空間８９に蓄積される。既述の如く、空間８９はアンビル９０の頂部上方のペース８４の延長部及び肩８４Ｓによってつくられ、これは円錐台形のチップ８２をチップの高さの制御された深さまでシー）１００．１１［１内に挿入可能にする。第７図の実施態様における如く、超音波溶接作用によって生じた溶融した材料のバック７０−は９４においてアンビル９０上方のシート１００．１ｊＯから文字通り垂れ下がる。溶融したシート材料の自由な流れは超音波エネルギー集中領域から溶融した材料の実質的な部分を効果的に除去して、そしてそのように除去された溶融した材料の過熱を回避する。従って、超音波エネルギーは非糖化材料によりよく集中することができて溶接工程を続ける。

スポット溶接がそれ等の所望の深さまで完了したとき（ペース８４のＭ８４Ｓがこの距離を制御する）、超音改エネルギーの印加は終る。シート熱可塑性物の冷却がその収縮を生ずる。円錐台形チップ８２の形状は溶接チップ１１のテップ８２がシート材料からセルフレリーズするようになっている。

更に、ベース８４の肩８４Ｓはそれがアンビル本体９０の頂部上方に距離Ｂ、延長すると、並置されたシート間の溶融した桐料を均等に、且つ半径方向に分配し、またペース８４のＭ８４Ｓに対してホーン１２０によってシート１００及び１１０に加えられる圧力によって均一な、従って強い溶接を生ずる。

なお更に、円錐台形チップ８２のテーパーは約４５度の夾角を有していて、押しのけられた溶融したシート材料を少くシ、そして表面的により受け入れられる溶接を提供する。

本発明はシート熱可塑性材料をスポット溶接するのに使用されることができる。

本発明の装置に種々の変化及び変更を行うことができること、またそれは本発明者の期待内にあることは当技術における通常の知識を有する者には明かであろう。従って、本出願の範囲は明細書又はその図面によって限定されると解釈されるべきではなく、添付の特許請求の範囲の再吟味から決定されなければならない。

ＦＩＧ、５ＦＩＧ、６ＦＩＧ　７ＦＩＧ、８Ｆｌに、９国際調査報告ＡｌＩＮＥＸ　Ｔｏ　、ｔ：Ｅ　ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　ＳＥ、”ＪＬＣ：　ＲＥ？ＯＲτＯＮＥ’Ｒ−Ａ−２０７９９４４１２／１１／７１　Ｎｏｎ＠

Claims

【特許請求の範囲】

１．シート材料をスポツト溶接するための手段において；超音波振動エネルギーを与えて該シート材料を加熱するための超音波エネルギーを加える手段と；該超音波振動エネルギーを溶接されるべき所望のスポツトに集中するための手段と、該スポツトに隣接しており、該スポツトから間隔を置いて配置された溜め手段であつて該集中するための手段との並置から押しのけられた材料を受け入れそれにより得られる溶接を強化するための溜め手段とを具備することを特徴とする手段。
２．該集中するための手段が溶接されるべき各スポツトに対応する錐形突起を含み、該錐形突起は該シート材料からセルフレリーズするような形状である請求の範囲１に記載の手段。
３．シート材料をスポツト溶接するための手段において；超音波振動エネルギーを与えて該シート材料を加熱するための超音波エネルギーを加える手段と；少なくとも溶接されるべき所望のスポツトに該超音波エネルギーを集中するための手段と；該超音波を加える手段及び該集中するための手段を溶接されるべきシームに沿つて該シート材料と接触するように位置づけるため及び溶接が完了するまで該接触を保持するための手段と；該スポツトに隣接した溜め手段であつて、該集中するための手段との並置から押しのけられた材料を受け入れ、モれにより得られる溶接を強化するための溜め手段とを具備することを特徴とする手段。
４．該集中する手断が溶接されるべき各スポツトに対応する錐形突起を含み、該錐形突起は該シート材料からセルフレリーズするような形状である請求の範囲３に記載の手段。
５．該コーンは直円錐である請求の範囲４に記載の手段。
６．該コーンが角錐である請求の範囲４に記載の手段。
７．該溜め手段は各錐形突起と関連した溜めを含む請求の範囲４に記載の手段。
８．各溜めはその関連した錐形突起の容積の少なくとも１１／３の容積を有する請求の範囲７に記載の手段。
９．該溜め手段の全容積は該錐形突起の全容積の少なくとも１１／３である請求の範囲４に記載の手段。
１０．該材料が該集中するための手段に粘着することを引き起こす温度より低く該温度を保持するように該集中するための手段を冷却する手段を更に含む請求の範囲３に記載の装置。
１１．該シート材料が熱可塑性プラスチツクである請求の範囲３に記載の装置。
１２．シート材料をスポツト溶接するための手段において；第１シート及び第２シートを所望の溶接線に沿つて並置して支持するための手段と；超音波エネルギーを発生するための超音波発生器手段と、側溶接線に沿つて該シート材料に超音波エネルギーを送るための該シート材料の第１の側に位置づけられた超音波変換器手段と；該超音波振動エネルギーを該溶接線に沿つて溶接されるべき所望のスポツトに集中するための手段と；該集中するための手段を該溶接線の第２の側に支持するためのアンビル手段と；該超音波変換器手段及び該集中するための手段を該溶接線に沿つて該シート材料と接触するように位置づけるため及び溶接が完了するまで該接触を保持するための手段と；該アンビル手段により支持されており、そして該集中するための手段との並置から押しのけられた材料を受け入れるように配置され、それにより得られる溶接を強化するための溜め手段とを具備することを特徴とする手段。
１３．前記位置づけるため及び保持するための手段は該溶接が完了すると該変換器手段及び該集中するための手段を該シート材料との接触から引き退げるようになつており；該集中するための手段は該材料が冷却するにつれて該シート材料からのセルフレリーズを容易にするような形状である請求の範囲１２に記載の手段。
１４．該集中するための手段が溶接される各スポツトに対応する錐形突起を含み、該錐形突起は該シート材料からセルフレリーズするような形状である請求の範囲１３に記載の手段。
１５．該シート材料は熱可塑性プラスチツク材料である請求の範囲１４に記載の手段。
１６．該溜め手段は該アンビル手段に沿つて該錐形突起と交互して配置された複数の溜め部分を含む請求の範囲１４に記載の手段。
１７．該溜め部分は半球形状である請求の範囲１６に記載の手段。
１８．前記位置づけるため及び保持するための手段は、該変換器手段を該シート材料と接触するように、該材料により規定された面に対して実質的に垂直な方向に降下させるようになつている請求の範囲１６に記載の手段。
１９．該位置づけるため及び該保持するための手段は該溶接線に対して実質的に平行な横方向にのみ該アンビルを運動させるようになつており、該集中するための手段及び該溜め手段は該横方向運動により溶接された材料から容易に分離するような形状である請求の範囲１３に記載の手段。
２０．前記位置づけるため及び保持するための手段が該溶接線に対して実質的に平行な横方向にのみ該アンビルを運動させるようになつており、該錐形突起及び該溜め部分は該横方向運動により溶接されたシート材料から容易に分離するような形状である請求の範囲１６に記載の装置。
２１．該溜め手段は該溶接線に対して実質的に平行な該錐形突起に隣接して配置されたへこみを含み、該へこみは該溜め部分に相互接続されており、該溜め部分は該押しのけられた材料を該へこみへと流す（ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ）ようになつている請求の範囲２０に記載の手段。
２２．へこみは該溶接線の各側に設けられている請求の範囲２１に記載の手段。
２３．該溜め部分の容積は該錐形突起の容積の少なくとも１１／３倍である請求の範囲１６に記載の手段。
２４．該へこみ及び該溜め部分の容積は該錐形突起の容積の少なくとも１１／３倍である請求の範囲２２に記載の装置。
２５．該錐形突起を冷却してそれに対する該シート材料の粘着を防止するための温度制御手段を更に具備する請求の範囲１４に記載の手段。
２６．該温度制御手段は該アンビル手段内の冷却通路を含む請求の範囲２５に記載の手段。
２７．該溜め部分及び錐形突起は溶接チツプとして一体的に形成されている請求の範囲１６に記載の手段。
２８．該溶接チツプは該アンビル手段と一体的に形成されている請求の範囲２７に記載の手段。
２９．該溶接チツプは硬質被覆で陽極酸化されている（ｈａｒｄ　ｃｏａｔａｎｏｄｉｚｅｄ）請求の範囲２７に記載の手段。
３０．シート材料をスポツト溶接する方法において：該シート材料に超音波により振動エネルギーを加えて該材料を加熱することと；該振動エネルギーを溶接されるべき所望のスポツトに集中することと、該加熱プロセスにより生じた溶融した材料の押しのけを容易にするための該スポツトに隣接した溜めを設けて符られる溶接を強化することを含むことを特徴とする方法。
３１．熱可塑性材料の複数のシートを一緒にスポツト溶接する方法において； α）該熱可塑性材料の並置されたシートの表の面に隣接したアンビルを設け、該アンビルから少なくとも１つの溶接チツプが延びており、該溶接チツプは該アンビルに取付けられた基部と該アンビルより所定の高さ上にある該アンビルから間隔を置いて位置した頂点を有することと、６）該溶接チツプを、溶接される材料の各シートを少なくとも部分的に透過するのに十分な距離、該並置されたシートの表の面に挿入し、該距離は該アンビルより上の前記末端端部の高さよりは少なく、それにより該あンビルとシート材料の表の面との間の溜め空間を提供することと、ｃ）該溶接チツプに隣接した該熱可塑性シート材料に超音波エネルギーを加えることとを含み、溶融した熱可塑性材料は該溜め空間に自由に流れることができるようにしたことを特徴とする方法。
３２．該並置されたシートにおいて形成されるべき溶接線に沿つて延びている共通の支持体上に複数のアンビルが設けられており、該アンビルの各々はそれにおいて配置された複数の取外し可能な溶接チツプを有する請求の範囲３１に記載の方法。
３３．該超音波エネルギーは該溶接線の全長に沿つて延びている溶接ホーンにより加えられ、そして該溶接線の末端端部に隣接して加えられた超音波エネルギーは該線に沿つた中間の位置におけるよりは僅かに弱くなり、該溶接線の末端端部に隣接したアンビルは、該溶接線の末端端部の中間のアンビル上の溶接チツプの高さより僅かに大きい高さを有する溶接チツプを有し、前記溶接チップのより大きい高さは溶接ホーンにより加えられた超音波エネルギーのより弱い領域を補償するようになつている請求の範囲３２に記載の方法。
３４．複数の並置した熱可塑性材料のシートをスポツト溶接するために一緒に該シートに超音波エネルギーを加えるための溶接チツプ組立体において：少なくとも１つの錐形溶接チツプを支持するためのアンピルを具備し、該錐形溶接チツプの基部は該アンビルの主表面上に支持されており且つ該主表面に平行な最大基部寸法Ｂを有しており、該錐形溶接チツプの頂部は該主表面上に高さＡで配置されており、Ａ／Ｂの比か約１．２であることを特徴とする溶接チツプ組立体。
３５．該錐形溶接チツプが直円錐体であり、Ｂがその基部寸法である請求の範囲３４に記載の溶接チツプ組立体。
３６．該アンビル上にその長さ方向寸法に沿つて平行な２列で千鳥状に複数の溶接チツプが存在する請求の範囲３４に記載の溶接チツプ組立体。
３７．該溶接チツプが該アンビルから選択的に取外し可能である請求の範囲３６に記載の溶接チツプ組立体。
３８．熱可塑性材料の複数のシートを一緒にスポツト溶接するためのシステムにおいて： α）該熱可塑性材料の並直したシートの表面に隣接した溶接アンビルを具備し、少なくとも１つの溶接チツプが該アンビルから延びており、該溶接チツプは該アンビルに取付けられた基部と該アンビルから上に所定高さ間隔を隔てた遠端部とを有し、ｂ）該並置したシートの表面へ該溶接チツプを該溶接すべき材料のシートの各々を少なくとも部分的に貫通する充分な距離たけ挿入するための手段を具備し、該距離は該アンビル上の該遠端部の高さより小さく、これによつて該アンビルとシート材料の表面との間に溜り空間を形成し；ｃ）該溶接チツプに隣接して該熱可塑性シート材料に超音波エネルギーを加えるための手段を具備し；これによつて溶融した熱可塑性材料が該溜り空間内に自由に流れることを特徴とするシステム。
３９．複数の溶接アンビルが該並置したシート内に形成されるべき溶接線に沿つて延びる共通の支持体上に設けられ、該溶接アンビルの各々はその中に配置された複数の除去可能な溶接チツプを有する請求の範囲３８に記載のシステム。
４０．該超波エネルギーは該溶接線に沿つて延びる溶接ホーンによつて加えられ、該溶接線の遠端部近くに加えられる超音波エネルギーは該線に沿う中間位置におけるよりも僅かに弱く、該溶接線の遠端部くの溶接アンビルは該溶接線の遠端部の中間の溶接ヘツド上の溶接チツプの高さ上りも僅かに大きい高さの溶接チツプを有し；これによつて溶接チツプのより大きい高さが溶接ホーンによつて加えられる超音波エネルギーのより弱い領域を補償する請求の範囲３９に記載のシステム。
４１．該アンビルは少なくとも１つの錐形溶接チップを支持し、該錐形溶接チツプの基部は該アンビルの主表面上に支持され且つ該主表面に平行な最大基部寸法Ｂを有し、該錐形チツプの頂部は該主表面上高さＡに配置されており、Ａ／Ｂの比が約１．２である請求の範囲３８に記載のシステム。
４２．該錐形溶接チツプが直円錐体であり、Ｂがその基部直径である請求の範囲４１に記載のシステム。
４３．該アンビル上にその長さ方向寸法に沿つて平行な２列で千鳥状に複数の溶接チツプが存在する請求の範囲４１に記載のシステム。
４４．該溶接チツプが該アンビルから選択的に取外し可能である請求の範囲４３に記載のシステム。
４５．該挿入するための手段が、該並置したシートの表面からその反対面に対して該溶接ホーンを移動せしめこれによつて該シートを該溶接チツプ上に押す手段と；該溶接チツプが該シート内に該充分な距離まで貫通した時に該溶接ホーンの移動を停止するための停止手段とを含む請求の範囲４３に記載のシステム。
４６．該アンビルは少なくとも１つの切頭錐形溶接チツプを支持し、該溶接チツプの基部は該アンビルの主表面上に該距離で支持され且つ該主表面に平行な最大基部寸法Ｂを有し、該切頭錐形チツプの遠端部は該主表面上に高さＡで位置しており、Ａ／Ｂの比は約０．７６である請求の範囲３８に記載のシステム。
４７．該溶接チツプが直円錐体の一部であり、Ｂがその基部直径である請求の範囲４６に記載のシステム。
４８．該アンビル上にその長さ方向寸法に沿つて平行な２列で千鳥状に複数の溶接チツプが存在する請求の範囲４６に記載のシステム。
４９．該溶接チツプが該アンビルから選択的に取外し可能である請求の範囲４６に記載のシステム。
５０．複数の並置した熱可塑性材料のシートを一緒にスポツト溶接するために該シートに超音波エネルギーを加えるための溶接チツプ組立体において：少なくとも１つの切頭錐形溶接チツプを支持するためのアンビルを具備し、該溶接チツプの基部は該アンビルの主表面によつて支持され且つ該主表面に平行な最大基部寸法Ｂを有し、該錐形チツプの頂部は該主表面上高さＡに配置されており、Ａ／Ｂの比が約０．７６であることを特徴とする溶接チツプ組立体。
５１．該錐形溶接チツプは直円錐体の一部であり、Ｂがその基部直径である請求の範囲３４に記載の溶接チツプ組立体。
５２．該アンビル上にその長さ方向寸法に沿つて平行な２列に千鳥状に被数の溶接チツプが存在する請求の範囲５０に記載の溶接チツプ組立体。
５３．該溶接チツプが該アンビルから選択的に取外し可能である請求の範囲５２に記載の溶接チツプ組立体。
５４．該切頭鍵形溶接チツプの基部は該距離の高さを有する該アンビルからの円筒状の突出部によつて支持され、該円筒状の突出部の直径は最大基部寸法Ｂより大きく、それによつて該基部の周りに肩部を形成し、これによつて該肩部は該表面に対する停止部として作用する請求の範囲４６に記載のシステム。
５５．該挿入するための手段が、該溶接ホーンを該並置したシートの表面からその反対表面に対して移動せしめこれによつて該シートを該溶接チツプ上に押すための手段と、故溶接チツプか該シート内へ該元分な距離まで貫通した時該溶接ホーンの移動を停止するための停止手段とを含む請求の範囲３８に記載のシステム。
５６．該挿入するための手段が、該溶接ホーンを該並置したシートの表面からその反対表面に対して移動せしめこれによつて該シートを該溶後チツプ上に押すための手段と；該溶接チツプが該シート内へ該充分な距離まで貫通した時該溶接ホーンの移動を停止するための停止手段とを含む請求の範囲４６に記載のシステム。
５７．該挿入するための手段が、該溶接ホーンを該並置したシートの表面からその反対表面に対して移動せしめこれによつて該シートを該溶接チツプ上に押すための手段と；該溶接チツプが該シート内へ該充分な距離まで貫通した時該溶接ホーンの移動を停止するための停止手段とを含む請求の範囲５４に記載のシステム。