KR20000022315A - 열가소성 공작물의 초음파 용접 중에 행해지는 진폭및 힘의 프로파일링 방법 - Google Patents

열가소성 공작물의 초음파 용접 중에 행해지는 진폭및 힘의 프로파일링 방법

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KR20000022315A
KR20000022315A KR1019980710738A KR19980710738A KR20000022315A KR 20000022315 A KR20000022315 A KR 20000022315A KR 1019980710738 A KR1019980710738 A KR 1019980710738A KR 19980710738 A KR19980710738 A KR 19980710738A KR 20000022315 A KR20000022315 A KR 20000022315A
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KR
South Korea
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weld
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welding
amplitude
force
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Application number
KR1019980710738A
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데이비드 에이 그리웰
Original Assignee
그린 데니스 제이.
에머슨 일렉트릭 컴파니
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Abstract

용접부의 강도를 향상시키며 용접 사이클 시간을 감소시키기 위하여 처리 시간 간격 동안 공진하는 첨두(20)의 운동 진폭 및 정합력과 공작물(24)에 전달되는 동력 및 정합 압력이 변화되는, 처리 방법이 개시되어 있다. 운동 진폭 및 정합력의 변화는 공작물의 치수 변경, 변환기 동력 곡선의 급격한 상승과 같은 처리 조건 또는 예정된 시간 간격의 경과에 따라 이루어질 수도 있다.

Description

열가소성 공작물의 초음파 용접 중에 행해지는 진폭 및 힘의 프로파일링 방법
초음파 용접은 열가소성의 소(小) 조립 부품들을 결합하기 위한 가장 일반적인 기술 중 하나이다. 이 초음파 용접의 주요 장점은 사이클 시간이 짧으며 비용이 적절하다는 것이다. 전형적인 수동 사이클의 생산 시간은 3초 내지 5초 미만으로, 한시간당 500개 이상의 생성비를 나타낸다. 초음파 에너지에 의한 필름 및 직물 재료의 플런지 밀봉(plunge sealing) 및 열가소성 공작물의 전통적인 용접 기술은 잘 공지되어 있다. 이러한 기술은 결합될 부품들에 비교적 높은 응력을 인가하여 접합선에서 이력(履歷) 가열 작용을 유발하므로써 이루어진다. 용접 사이클 중에, 공작물은 앤빌(anvil) 상에 지지된다. 공진기의 종방향으로 이동하는 예정된 주파수의 고주파수 진동을 위해, 바람직하게 1/2 파장 또는 그 배수의 파장의 공진기로서의 공진 용량을 갖는 첨두는 용접 사이클이 진행되는 동안 공작물과 접촉하도록 힘을 받게 되며, 첨두가 공진함에 따라 초음파 에너지가 공작물에 전달되어 열가소성 재료가 연화 및 유동된다.
일반적으로 공작물에 전달된 초음파 에너지 또는 동력은 세 개의 인자 즉, 전기 음향 변환기의 주파수, 첨두에 의해 공작물에 부과된 정합력 또는 고정 압력 및 첨두가 공작물에 에너지를 전달할 때의 첨두의 운동 진폭에 좌우된다. 초음파 용접 머신에 있어서, 일반적으로 전기 음향 변환기의 주파수의 범위는 비교적 일정한데, 바람직하게는 20 내지 40KHz 이내이다. 유사하게, 종래에는 전체 용접 사이클 중에 첨두의 운동 진폭 즉, 공작물과 접촉하는 첨두 정면의 피크(peak)에서 피크로의 기계적 행정(측정 단위는 미크론으로 "㎛pp"로 표시한다)을 일정하게 유지하는 것이 통상적이었다.
강성의 열가소성 구성요소의 용접에 있어서, 첨두로부터 용접 표면으로 전달된 초음파 에너지는 상측 공작물을 통해 전달되어, 공동 양도된 미국 특허 제4,618,516호에 개시된 바와 같은 "에너지 다이렉터(energy director)"에 의해 용접 표면에 집중된다. 에너지 다이렉터는 초음파 에너지에 의해 유발되는 운동력 및 응력을 받아 국부적으로 변형되는 응력 집중기로 성형된 것이다. 열가소성 재료의 이력 손실에 의한 가열 및 용융에 의해 에너지 다이렉터의 국부적인 변형이 시작된다. 에너지 다이렉터의 평균 가열비(Qavg)는 일반적인 수학식에 의해 결정된다:
여기서, εo는 진폭에 비례하는 변형이며,
ω는 주파수이고,
Ε"는 복합 손실 계수이다.
용융되고 나면, 용융된 에너지 다이렉터가 결합될 표면을 가로질러 유동하여 용접 비드(welding bead)를 형성한다. 이 유동비는 다수의 변수에 의해 결정되지만, 주로 부품들에 부과된 정합력 및 용융부의 온도에 의해 영향을 받는다. 초음파 에너지의 공급이 중지된 후, 용융부는 계속되는 정합하에서 응고되어 융합 결합부를 형성하여, 공작물들 간의 접합부 또는 용접부를 형성한다. 전술한 평균 가열비의 수식으로부터, 가열은 인가된 변형의 제곱에 비례하며, 또한 첨두 표면의 진폭에 비례함을 알 수 있다. 따라서, 운동 진폭을 변화시키므로써 접합선의 가열을 제어할 수 있다. 진폭이 높은 경우에는 평균 접합선 가열비가 높아져, 온도 레벨이 보다 높게 상승되어, 용융부의 유동비가 높아진다. 유동비가 높으면 고도의 분자 정렬을 유도하긴 하지만, 이러한 정렬은 공작물 상의 소정의 하중 응력에 직각이며, 용접부의 불연속 지점에서의 균열 시작을 초래할 수 있다. 또한 유동비가 높으면 상당한 플래쉬(flash)가 발생할 수 있는데, 이것은 미적 관점에서 바람직하지 못하다. 한편, 극도로 부적당하게 높은 운동 진폭은 불균일한 용융 시작 및/또는 부적절한 가열로 인한 용융부의 조기 응고를 초래할 수 있다.
유사하게, 생성된 용접부의 강도는 대체로 정합력에 반비례한다. 높은 정합력은 용융 재료를 높은 압력 하에 유동 및 응고되도록 힘을 가하므로써 용융부 내의 고도의 분자 정렬을 촉진한다. 이것은 응고시 보다 약한 용접부를 초래하여, 전술한 바와 같은 균열이 발생되기 쉽다. 또한, 정합력의 레벨은 용접 사이클 완료에 필요한 시간에 영향을 준다. 높은 정합력에서, 용융된 재료는 보다 급속하게 유동하여 층의 두께가 보다 얇아져 보다 급속하게 응고될 수 있다. 정합력이 낮으면 용융부의 층의 두께가 두꺼워져 유동비가 감소된다. 따라서, 용접 사이클의 시간은 정합력에 비례한다.
종래의 초음파 용접 방법은 용접 사이클 중에 운동 진폭과 정합력을 동시에 제어 및 변경할 수 없다. 그 보다는, 첨두의 운동 진폭 즉, 공작물과 접촉하는 첨두 정면의 피크에서 피크까지의 기계적 행정을, 초음파 동력을 공작물에 전달하는 간격의 전체 시간 중에 용융된 재료에 소정의 유동비를 생성하기에 충분한 비율로 일정하게 유지하는 것이 통상적이다. 유사하게, 대부분의 용접 시스템들은 용접 사이클 중에 첨두 정면과 공작물 사이의 정합력을 비교적 일정하게 유지하는 표준 압력 조절기에 의해 공압식으로 구동된다. 그러나, 초음파 열가소성 용접 사이클 중에, 공작물은 다수의 상이한 단계를 거쳐 변환되며, 이러한 각각의 단계는 상이한 운동 진폭 및 정합력에 의해 용접 사이클의 시간을 단축하며 강도, 농도 및 미적 외관과 같은 용접의 질을 향상시킬 수도 있다. 따라서, 본 발명은 용접 사이클 중에 첨두의 운동 진폭 및 정합력 모두를 제어 신호에 응답하여 변화시키는 방법을 개시하고 있으며, 이러한 제어 신호는 예를 들어, 첨두로부터 공작물에 전달되는 동력 변화, 공작물 치수에 대한 공정 관련 변경, 공정 관련 타이밍(timing) 신호, 기타의 공정 관련 파라미터에 반응할 수도 있다.
이후에 보다 상세히 설명되는 본 발명은 본원에 참조한 "초음파 에너지에 의한 공작물 처리 방법(Method for Processing Workpieces by Ultrasonic Energy)"이란 제목의 제이.엘.프란쯔(J.L.Frantz)에게 허여된 1995년 7월 25일자 미국 특허 제5,434,863호에 개시된 초음파 용접 중에 운동 진폭을 변화시키는 방법의 개발에 의해 가능할 수 있었다. 이 방법은 용접 사이클 동안 첨두의 운동 진폭을 감소시켜, 공작물에 전달되는 동력을 변화시키므로써 보다 강한 용접부를 생성하는 공정을 개시하고 있다.
본 발명은 초음파 에너지에 의해 공작물을 처리하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 열가소성 필름과 직물 재료 뿐만 아니라 상당히 강성의 공작물의 접합, 밀봉 또는 용접을 위해 초음파 주파수 범위 내의 진동 에너지를 이용하여 열가소성 공작물을 처리하기 위한 방법에 관한 것이다. 보다 상세히 말하자면, 본 발명은 공작물과 접촉하는 초음파 변환기 첨두의 운동 진폭 및 정합력을 용접 사이클 중에 특정 프로파일(profile)에 걸쳐 변화시키므로써, 이러한 사이클 중에 첨두로부터 공작물로 전달되는 동력 및 정합력이 변화되도록 하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 통상적인 초음파 절삭 및 밀봉 작업에 있어서의 동력 대 시간의 그래프,
도 2는 도 1과 유사하지만, 동력이 예정된 레벨에 도달한 때에 첨두의 운동 진폭이 감소된 것을 나타낸 그래프,
도 3은 두 개의 부직 열가소성 재료가 포개어진 형태의 필터 생산시의, 도 1과 유사한 그래프,
도 4는 필터 생산 시간 간격 동안 동력 레벨이 감소된 때의 동력 대 시간의 그래프,
도 5는 전통적인 초음파 용접 방법과 본 발명의 용접 방법으로부터 초래되는 용접부들의 분자 배향을 비교한 그래프,
도 6은 운동 진폭이 조절되는 용접 사이클 동안의 초음파 용접기의 운동 진폭, 변위, 동력 및 주파수를 나타낸 그래프,
도 7은 강성의 열가소성 공작물에 적용되는 바와 같은 초음파 용접 공정을 나타낸 도면,
도 8은 상이한 유형의 열가소성 재료에 부과된 용접력의 작용에 따른 용접부의 강도를 나타낸 그래프,
도 9는 상이한 유형의 열가소성 재료에 부과된 용접력의 작용에 따른 용접 사이클 시간을 나타낸 그래프,
도 10은 전통적인 초음파 용접 방법과 힘 프로파일링에 의한 용접 방법으로부터 초래되는 용접부들을 비교한 현미경 사진,
도 11은 전통적인 초음파 용접 방법과 힘 프로파일링에 의한 용접 방법으로부터 초래되는 상이한 열가소성 공작물들의 용접부들을 비교한 그래프,
도 12는 본 발명의 용접 방법을 수행하는 초음파 용접기의 운동 진폭, 부과된 용접력 및 용접 단계를 나타낸 그래프.
도 13은 후술한 검사 결과에 이용된 표준 용접부 검사 표본의 사시도,
도 14는 전통적인 초음파 용접 방법과 후술한 바와 같은 본 발명의 용접 방법으로부터 초래되는 상이한 열가소성 공작물들의 용접부들을 비교한 그래프.
다수의 도면을 통해 동일한 도면 부호는 동일한 부분을 나타낸다.
본 발명의 다수의 목적 및 장점은 다음과 같다:
용접 사이클 동안 운동 진폭과 첨두 정합력이 변화되는, 초음파 에너지에 의해 열가소성 공작물을 용접하기 위한 신규하면서도 향상된 방법의 제공;
예정된 프로파일에 따라 또는 제어 신호 관련 처리에 응답하여 용접 사이클 동안 공작물에 부과된 정합력과 운동 진폭을 변화시킨, 전술한 초음파 용접 방법의 제공;
공작물의 형성될 용접선 영역에서의 예열 및 용융을 가속화시키도록 용접 사이클의 초기 부분 동안에는 첨두의 운동 진폭과 정합력이 증가된 다음, 용접 사이클의 초기 부분 이후에는 점차적으로 감소되어 용접 형성을 완료하는, 전술한 초음파 용접 방법의 제공;
첨두의 운동 진폭 및 정합력을 동시에 변화시키므로써 용접부 내의 용융부의 압축 유동 및 접합선 온도가 완전히 제어되는, 전술한 초음파 용접 방법의 제공;
생성 용접부의 강도를 증가시킨, 전술한 초음파 용접 방법의 제공;
용접부 내의 잔류 응력을 감소시킨, 전술한 초음파 용접 방법의 제공;
생성 용접부의 용해 저항을 증가시킨, 전술한 초음파 용접 방법의 제공;
필요한 용접 사이클 시간 간격을 감소시킨, 전술한 초음파 용접 방법의 제공;
생성 용접부 내의 중합체 체인의 무작위 분자 정렬을 증가시켜, 용접부의 강도를 증가시킨, 전술한 초음파 용접 방법의 제공;
용접된 열가소성 재료의 분자 중량을 유지하는, 전술한 초음파 용접 방법의 제공;
생성 용접부의 미적 외관을 향상시킨, 전술한 초음파 용접 방법의 제공;
보다 용이한 셋업 및 보다 강한 용접 방법을 제공하는, 전술한 초음파 용접 방법의 제공;
간략하게 요약하면, 본 발명의 운동 진폭 및 정합력 프로파일링 방법은 주로 열가소성 공작물의 초음파 용접을 향상시키기 위한 것이다. 초음파 용접 향상은 용접 사이클의 각각의 단계 동안 운동 진폭과 부과된 정합력을 이상적인 조건에 대응하도록 동시에 변화시켜 용접 사이클 시간을 감소시키므로써 달성된다. 용접부의 강도 증가는 수직 방향 분자 정렬 감소로부터 초래되며, 용접 사이클 시간 감소는 용접 사이클의 초기 부분 동안의 큰 정합력의 이용으로부터 초래된다. 따라서, 비교적 높은 진폭 및 정합력이 열가소성 공작물에 부과되어 용접 공정을 신속하게 시작하며, 비교적 낮은 진폭 및 용접력은 분자 정렬이 최소화된 용접부를 완성하는데 이용된다. 최종적으로, 미적 외관 및 용접 신뢰성 향상에 수반하여, 용접 사이클 시간이 감소되며 용접부의 강도가 증가된다.
본 발명의 전술한 그리고 다른 목적, 특징 및 장점 뿐만 아니라 본 발명의 현재 가장 바람직한 방법이 첨두 도면에 관한 아래의 설명을 읽음으로써 분명해질 것이다.
아래의 상세한 설명은 예시를 위한 것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 현재 본 발명을 실시하기 위한 최상의 양식으로 믿어지고 있는, 본 발명의 다수의 개조, 변형, 대안 및 이용을 기술하고 있는 아래의 설명에 의해 당업자라면 본 발명을 실시 및 이용할 수 있음이 분명하다.
도면 중 특히 도 1을 참조하면, 전형적인 플런지(plunge) 유형의 초음파 밀봉 및 절삭 작업시 초음파 용접기의 첨두로부터 공작물에 부과되는 동력의 그래프가 도시되어 있으며, 이러한 초음파 밀봉 및 절삭 작업에 있어서, 우선 서로 포개어진 두 개의 열가소성 필름 또는 직물 재료가 금속 앤빌에 배치되고, 첨두가 노출된 공작물 표면과 접촉하도록 힘을 받게 되어 동시에 두 개의 층을 통과하여 이들을 절삭하여 주변 원료로부터 분리시킨 다음 절삭 가장자리를 따라 두 개의 층 재료를 용접한다. 이렇게 제조되는 전형적인 예가 원형 필터 패드(filter pad)이다. 첨두가 예정된 정합력에 의해 공작물과 접촉하게 되면, 첨두는 공진하게 되며 초음파 에너지가 공작물에 합쳐져, 곡선(1)으로 도시한 바와 같은 시간 간격(용접 사이클 시간 간격 또는 절삭 및 밀봉 사이클 시간으로도 공지됨)이 시작된다. 이 시간 간격 중에서 약간의 시간이 경과된 후, 첨두가 공작물을 통과하여 이것을 절삭하여 금속 앤빌과 직접적으로 금속 대 금속 접촉한다. 도 1에 도시한 바와 같은 용접 사이클 시간 간격 동안의 지점(2) 직전에, 용융부의 저음향 임피던스(impedance)로 인해 동력 흐름이 급속하게 상승된다. 동력은 대체로 사전설정(또는 예정된) 시간 간격인 용접 사이클 시간 간격의 말기까지 계속 급격하게 상승된다. 그러나, 용접 사이클의 말기는 후술한 바와 같은 용접 지연 파라미터에 따라 결정될 수도 있다.
생산에 있어서, 앤빌과 직접 금속 대 금속 접촉하는 첨두의 반복적인 고주파수 충돌은 중력에 의해 수천번 발생되며, 진동하는 첨두의 약간의 스크러빙(scrubbibg) 운동은 충돌하는 앤빌과 첨두의 표면들의 비교적 급속한 마모를 유발한다. 이것은 종종 첨두와 앤빌의 조기 교체 및 이들의 표면의 조기 다듬질 작업을 필요로 한다. 통상의 경우에, 첨두의 정면에 홈이 파이게 되며 앤빌의 나이프형 절삭면이 무뎌지게 되어 용접 기능을 수행하기 위한 초음파 용접기의 성능에 안좋은 영향을 준다.
도 2에는 용접 사이클 동안의 첨두의 향상된 운동 진폭 변화가 도시되어 있다. 원점에서 시작되어 용융부 형성에 대응하는 지점(4)까지 계속되는 도면 부호(3)로 나타내어진 동력 대 시간의 곡선 부분으로 도시한 바와 같은 동력 전달의 상승에 따라, 절삭 및 밀봉 사이클의 나머지 구간의 운동 진폭을 감소시키는 제어 신호가 생성된다. 따라서, 절삭 및 밀봉 사이클의 나머지 구간에 제공되는 동력이 제한된다. 이러한 동력 감소는 첨두의 정면 및 상승되어진 앤빌 절삭면에서 뚜렷이 나타나는 기계적 마모를 극적으로 감소시킨다.
도 3은 필터 생산용 부직 열가소성 재료의 두 개의 층을 포개어 용접하는 경우의 동력 대 시간의 그래프이다. 원점으로부터 지점(6A)까지의 곡선 부분(5)은 도 1의 원점으로부터 지점(2)까지의 곡선 부분과 유사하다. 필터 재료가 용융됨에 따라, 도면 부호(6A)로 나타낸 바와 같은 우수한 접합 상태를 초래할 수도 있는 시간과 도면 부호(6B)로 나타낸 바와 같은 과용접 상태를 초래하는 시간 사이의, 용접 사이클 동안의 짧은 기간(이것은 윈도우(window)라 일컫는다)이 있다. 종래 기술의 용접 장치 및 방법의 동력 곡선(5)은 우수한 제품을 얻기 위한 윈도우(지점(6A)과 지점(6B) 사이)의 기간이 매우 짧다. 본 발명의 방법에 따르면 우수한 접합 상태를 달성할 수도 있는 예정된 용접 사이클 동안의 윈도우의 길이가 상당히 연장된다. 또한, 본 발명의 방법에 따르면 용접 파라미터의 범위가 보다 폭넓어지며, 또한 실제로 상당히 반복 가능한, 접합 상태가 우수한 용접부가 형성된다.
도 4에는 첨두의 운동 진폭을 감소시키므로써, 도면 부호(7A)로 나타낸 바와 같은 시간에 재료가 용융 상태에 도달하여 동력이 보통 급격하게 증가하며, 우수한 제품 생산에 유용한 지점(7A)과 지점(7B) 사이의 시간 변화로 나타낸 바와 같은 시간 윈도우의 폭이 상당히 넓어지는 상태가 도시되어 있다. 재료가 일단 용융 상태에 도달하면 동력을 증가시킬 필요가 없음이 분명하다. 용접 사이클을 완료하는 데에는 비교적 낮은 동력 레벨이면 충분하다. 또한, 우수한 용접부를 형성할 수도 있는 시간 윈도우의 폭이 넓어지므로써 다수의 용접 파라미터(용접 동력, 재료 두께 및 다른 변형, 첨두 특성 및 다른 변수들을 포함하는)의 공차의 폭을 넓힐 수 있다.
용접 사이클 과정 동안 변환기 첨두(20)의 운동 진폭을 변화 또는 프로파일링(profiling)하는 것은 잔류 응력 레벨을 감소시키므로써 그리고 열가소성 분자 체인의 정렬을 변경하므로써 생성된 용접부의 강도를 증가시킨다. 도 5를 참조하면, 전통적인 초음파 용접 및 진폭이 프로파일링 된 초음파 용접에 의해 생성되는 용접된 열가소성 구성요소 내에 포함된 중합체 체인에 대한 분자 배향 그래프가 도시되어 있다. Y 축선은 배향 함수를 나타낸다. 값 1.0은 모든 중합체 체인이 용접 방향(용접된 표면에 평행한)으로 완벽하게 정렬되는 것을 나타내며, 값 -0.5는 모든 중합체 체인이 용접 방향에 수직 방향인 것을 나타낸다. X-축선 상에 도시한 용접선 거리는 측정이 이루어진 용접 중심선으로부터의 거리를 나타낸다. 도 5에 도시한 바와 같이, 대부분의 체인은 무작위(방위 함수=0으로 나타냄)로 배향된다. 그러나, 진폭 프로파일링 없이 형성된 용접부에 있어서는, 중합체 체인이 압착 유동 방향으로 보다 약간 배향되어, 인장 하중을 받는 경우 구조가 약해진다. 용접부가 순수한 인장 하중을 받는 경우, 가능한 최대의 용접부 강도를 제공하기 위해 중합체 체인의 완벽한 수직 방향 정렬이 제공되며, 이 때 하중은 접합부에 의해 주로 가해진다. 그러나, 대부분의 하중은 순수한 인장 하중이 아니다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 전통적인 열가소성 구성요소에 적용된 진폭 프로파일링 방법의 그래프가 도시되어 있다. 우선, 초음파 변환기 첨두(20)가 공작물(24)의 상측 구성요소(22)에 예정된 정합력을 가하도록 배치되어, 최대 운동 진폭(100％ 진폭)을 생성하도록 초음파 주파수에서 공진된다. 공작물(24)의 하측 구성요소(26)는 앤빌(28)에 의해 지지된다. 상측 및 하측 구성요소(22, 26) 사이의 교차 지점에, 도시한 바와 같은 소형 돌출부, 또는 에너지 다이렉터(30)가 상측 구성요소(22)에 제공될 수도 있다. 에너지 다이렉터(30)는 변환기 첨두(20)로부터 시스템 내로 초음파 에너지가 입력됨에 따라 용융되어 붕괴되다. 에너지 다이렉터(30)가 거의 용융되면, 진폭이 도 6에 도시한 바와 같이, 용융 공정을 완료하기에 충분한 보다 낮은 진폭(30％ 진폭)으로 하향 변환되어 감소된다. 종래 기술의 초음파 용접 기술은 운동 진폭을 감소 또는 변화시키지 않으며, 융접 사이클이 완료될 때까지 최대 운동 진폭을 계속 적용한다.
용융되고 나면, 에너지 다이렉터(30)의 용융 재료는 상측 및 하측 구성요소(22, 26) 사이의 간극을 채우도록 유동하며, 선택적으로 예를 들어, "열가소성 공작물의 초음파 용접(Ultrasonic Welding of Thermoplastic Workpieces)"이란 제목의 티.비.사거(T.B.Sager)에게 허여된 1886년 11월 21일자 미국 특허 제4,618,516호에 도시한 바와 같은 오목부가 제공된다. 용접 공정이 완료되면, 공작물(24)로 초음파 에너지가 전달되지 않으며, 용융된 재료는 계속된 정합력으로 인한 가압 상태에서 응고된다. 도 5에 도시한 바와 같이, 진폭 프로파일링 공정에 의해 생성된 중합체 체인의 분자는 용융부의 유동 방향으로 덜 배향되어, 인장 하중을 받는 경우 보다 강한 접합부를 초래한다. 유사하게 용접부 내의 잔류 응력 레벨이 30％ 가량 감소되어, 접합부의 강도를 증가시킨다. 결과적으로 가열 비율을 낮추게 되는 운동 진폭의 변화는 분자 중량의 손실을 초래함이 없이 용접부의 빈 공간 및 눈에 보이는 플래쉬의 발생을 보다 더 감소시킨다. 용접부의 빈 공간은 용융된 재료 내에 공동을 초래하며, 이러한 공동은 용접부를 약화시킨다.
용접부의 강도는 변환기 첨두(20)에 의해 부과된 정합력에 비례하다. 도 8은 부과된 정합력의 함수에 따른 상이한 유형의 열가소성 재료에 대한 초음파 용접부의 강도를 나타낸 그래프이다. 용접부의 강도는 대체로 부과된 정합력에 반비례함을 알 수 있다. 이것은 부분적으로는 보다 높은 정합력에 기인한 것으로, 이러한 정합력은 용융 재료의 유동을 억제하므로써 중합체 체인의 바람직하지 못한 분자 정렬의 발전을 촉진한다.
유사하게, 도 9에는 상이한 유형의 열가소성 재료의 용접 완료에 필요한 시간과 정합력 사이의 비례 관계가 도시되어 있다. 분명히 알 수 있는 바와 같이, 변환기 첨두(20)에 의해 공작물(24)에 부과되는 정합력이 커질수록 용접 사이클이 보다 빨리 완료될 수도 있다. 따라서, 제조의 관점에서, 정합력이 높을수록 생산 비율이 높아지긴 하지만, 품질과 강도가 떨어지는 용접 구성요소가 생산된다.
도 10에 도시한 바와 같은 용접 영역의 현미경 사진은, 용접 사이클 중 높은 정합력이 부과되는 초기 동안에 에너지 다이렉터(30)가 하측 구성요소(24)로 이동함에 따라 발생되는 용접 영역의 증가에 의해 용접부의 강도가 증가됨을 보여준다. 따라서, 도 11에 도시한 바와 같이, 용접 사이클 동안 공작물에 부과된 정합력의 양을 변화시키도록 힘을 프로파일링하므로써, 전통적인 전체 운동 진폭 및 전체 정합력에 가까울 때와 비교하여 용접부의 강도가 증가되며 용접 시간이 감소된다.
본 발명에 따르면, 초음파 변환기 첨두(20)의 운동 진폭 및 정합력은 도 12에 도시한 바와 같이 용접 사이클 동안 변화된다. 우선, 초음파 변환기 첨두(20)는 급속하게 증가하는 정합력에 의해 공작물(24)과 강제 접촉하도록 정합된다. 초기에 정합력을 증가시키므로써 급속한 초기 용융이 초래되며, 공작물(24)의 하측 구성요소 내로 에너지 다이렉터(30)가 이동되어, 용접부의 표면적이 증가된다.
도 7에 도시한 전술한 에너지 다이렉터(30)와 같은, 에너지 다이렉터를 용접 사이클 동안 용접 사이클의 초기 단계 동안에 점차적으로 가열하는 방식으로 예열하면, 용접 사이클의 이러한 처음 부분에서의 에너지 다이렉터(30)의 분쇄 또는 파단 경향 및 이에 따른 입자 오염 경향이 최소화된다. 이것은 깨끗한 용접 결합부를 초래한다. 또한, 용접 사이클 동안의 에너지 다이렉터의 이러한 점차적인 가열(즉, 운동 진폭 프로파일링을 통한)은 전술한 바와 같은 플래쉬를 덜 형성하여 용접부를 따라 오염물이 모아질 수도 있는 갈라진 틈을 제거한다. 이것 또한 깨끗한 용접부를 초래한다.
특히 본 발명의 방법에 따르면, 용접 사이클이 시작되고 나면, 초음파 첨두의 운동 진폭이 용접 사이클의 처음 부분(예를 들어, 처음 약 250millisecond) 동안 비교적 낮은 동력 레벨 또는 운동 진폭으로부터 높은 운동 진폭까지(즉, 전체 운동 진폭의 약 5％로부터 약 80％까지 특히, 약 10％부터 약 40％까지) 점차적으로 증가(즉, 경사지게 상승)되므로, 비교적 적은 초음파 에너지가 에너지 다이렉터(30)에 가해진다. 이러한 운동 진폭 용접 사이클 프로파일이 도 12의 처음 부분에 도시되어 있다. 예열 기간 초기의 운동 진폭의 범위 및 이러한 예열 기간 초기 시간의 전술한 예들의 범위는 본 발명에 따르면 공작물의 크기, 공작물을 형성하는 수지, 용접선의 길이, 초음파 용접기의 동력 및 다수의 다른 인자들에 따라 매우 폭넓어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 처음 시간 동안 에너지 다이렉터로 동력을 보다 점차적으로 공급하므로써 에너지 다이렉터가 연화되며 및/또는 분쇄되지 않고 적어도 부분적으로 용융되며, 따라서 용접 사이클 동안의 입자의 형성이 상당히 감소된다. 사실상, 검사(상세히 후술한 바와 같은)는, 에너지 다이렉터를 천천히 가열하므로써 약 81％의 입자 감소를 달성할 수도 있어 공작물에 의해 형성된 용기 내에 내장될 제품 또는 용접부를 오염시킬 수도 있는 입자가 상당히 적은 용접부가 형성됨을 보여준다.
일부 응용예에 있어서, 용접될 부분들이 에너지 다이렉터가 있는 결정체 구조로 된(예를 들어, 나일론, 나일론 66, 아세틸, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 열가소성 폴리에스테르와 같은 열가소성 수지) 경우, 용접부는 용융이 발생하지 않는 영역 및 에너지 다이렉터가 용융되는 대신 기계적으로 붕괴되는 영역을 갖는다. 이러한 현상의 원인은 아직 완전히 밝혀지지는 않았지만, 잔류 응력 및/또는 부분들의 진동 모드로 인한 불균일한 가열에 기인한 것으로 믿어진다. 이러한 불균일한 가열은 비교적 급격한 용융 변환에 의해 더욱 심화된다. 에너지 다이렉터 부분이 융융되어 유동하게 되면, 나머지 구간들은 용접 첨두 및 용접 기계의 고정 하중을 지지하여야 하며, 이들 부분들은 붕괴 및 변형되어 이른바 "난청 지역(dead spot)"을 형성하는데, 이것은 용접부 내에 균일한 용융 및 용해 촉진을 거의 불가능하게 한다. 예를 들어, 100㎛pp의 비교적 높은 진폭을 이용함으로써 용융이 급속하게 발생되어 에너지 다이렉터가 붕괴되지 않으며 "난청 지역"은 보이지 않는다. 그러나, 여러 가지 이유로 인해 용접 사이클 동안 이러한 높은 진폭을 항상 이용할 수 있는 것은 아니다. 본 발명의 운동 진폭 및 정합력을 프로파일링하는 방법에 따르면, 보다 적정한 진폭(예를 들어, 58㎛pp)으로 에너지 다이렉터를 예열하므로써, 이들 난청 지역을 감소시킬 수 있다. 에너지 다이렉터를 예열하므로써, 용접 지역의 재료의 보다 균일한 가열이 촉진된다고 믿어진다.
정합력 및 예열 운동 진폭의 초기 증가가 완료되면, 초음파 에너지가 상측 구성요소(22), 하측 구성요소(26) 및 에너지 다이렉터(30) 사이의 계면을 가열, 용융 및 압축하도록, 전체 운동 진폭 및 최대 정합력에서 용접 사이클의 제1 구간 중에 변환기 첨두(20)를 통해 공작물(24)에 전달된다. 에너지 다이렉터가 부분적으로 용융된 때를 감지하므로써 결정될 수도 있는 바와 같은 또는 시간 간격(용접 사이클)의 사전설정 부분의 통과에 의해 결정될 수도 있는 바와 같은, 열가소성 재료의 초기 연화 및 유동이 발생한 후, 용접 사이클을 완료하는데 필요한 변환기 첨두(20)의 운동 진폭(동력)은 제2(보다 낮은) 운동 진폭으로 감소된다. 동시에, 변환기 첨두(20)에 의해 부과된 정합력은 공작물의 구성요소들(22, 26)을 유동하는 용융된 열가소성 재료와 접촉 상태로 유지하는데 충분한 보다 낮은 레벨로 감소된다. 마지막으로, 유지 단계 동안, 운동 진폭은 제로(zero)까지 감소되어, 변환기 첨두(20)를 통하여 초음파 에너지가 전달되지 않으며, 또한 정합력은 용융된 열가소성 재료를 응고시켜 용접을 완료하는데 필요한 시간 간격 동안 보다 더 감소된다. 보다 용이하면서 반복 가능하게 용접부를 생산하며, 공차의 폭이 넓고, 전체 용접 사이클 시간이 단축되며, 종래 기술의 초음파 용접 공정보다 강한 용접부 생산 공정이 초래된다.
운동 진폭 및 정합력을 변화시키는 제어 신호는 전술한 바와 같은 공작물에 공급되는 동력 값에 따라 반응할 수 있으며, 또는 공정의 다른 파라미터에 따라 반응할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호는 용접 사이클의 경과된, 예정된 양의 시간에 따라 생성될 수 있다. 다른 제어 신호는 예를 들어, "초음파 플라스틱 형성 및 결합을 위한 장치 및 방법(Method and Apparatus for Ultrasonic Plastic Forming and Joining)"이란 제목의 디.에이.페터(D.A.Peter)에게 허여된 1986년 12월 23일자 미국 특허 제4,631,685호에 개시된 바와 같은 기계적 감지 수단, 광학적 감지 수단 또는 역류 감지 장치에 의해 감지된 바와 같은 공작물 조립체의 기계적 치수변경에 따라 생성될 수 있다. 따라서, 전형적인 응용예에 있어서, 첨두에 의해 부과된 정합력 및 전달된 동력은 예를 들어, 에너지 다이렉터의 붕괴의 50％가 감지되거나 실험적으로 확립된 경우 변화될 수도 있다. 후자의 경우에, 제어 신호는 용접 사이클의 경과된 시간에 따라 반응할 수 있다.
당업자라면 분명히 알 수 있는 바와 같이, 변환기 첨두(20)의 운동 진폭 및 정합력은 급작스럽게 또는 단계적으로 변화할 필요는 없다. 예를 들어, 용접 사이클의 시작시에 개시되는 함수 제너레이터(funtion generator)에 의해 생성되는 변화 또는 동적 제어 신호가 제공될 수도 있다. 이러한 방식으로, 연속적으로 변화하는 운동 진폭 및 정합력 프로파일이 얻어질 수 있다. 정압력 프로파일은 특히 상이한 열가소성 재료의 조성분 조절에 특히 유용하다.
운동 진폭 및 정합력이 프로파일링되는 실제 용접 사이클 시간 동안 용접될 두 개의 부분의 제조 재료, 용접부의 폭 및 길이의 두께 및 다른 다수의 파라미터들에 따라 도 9에 도시한 바와 같이 과감하게 변화할 수도 있음을 당업자라면 분명하게 알 수 있을 것이다. 유사하게, 공작물의 결합을 위한 운동 진폭 및 정합력의 최적의 프로파일은 전술한 인자들에 좌우된다.
검사 결과
초음파 용접 장치를 이용하여 용접부의 강도에 대한 운동 진폭 및 부과된 용접력의 프로파일링 효과를 결정하기 위하여 검사를 행하였다. 이 검사는 미국 코네티컷주 단버리 소재 브란슨 울트라소닉 코포레이션(Branson Ultrasonic Corporation)에 의하여 시판되고 있는 초음파 용접기(전압 제어식 비례 압력 조절기를 장착한 브란슨 900 시리지 AES 모델 920 MA)를 이용하였다. 도 13에 도시한 바와 같이, 미국 용접 협회(AWS)가 추천한 세 개의 상이한 열가소성 재료 즉, 아클릴로니트릴-부타디엔-스티렌(ABS), 폴리카보네이트(PC) 및 폴리아미드를 검사 표본으로 하였다. IBM계 퍼스널 컴퓨터의 특수한 D/A 플러그-인 기판에 의해 운동 진폭 및 정합력을 제어하였다. D/A 플러그-인 기판에 의해 운동 진폭 및 정합력이 용접 사이클 동안 복합적인 레벨에서 변화될 수 있어, 용접 사이클 각각의 단계 동안 적절한 정합력 및 운동 진폭을 선택할 수 있다. 평균적인 힘 변화 비율은 9186N/S이었다. 이렇게 형성된 용접부 표본의 인장력은 티니우스 올센 텐실 테스터 5000(Tinius Olsen Tensile Tester 5000;셋팅 범위가 50％인 22,241N 로드 셀)을 이용하여 검사하였으며, 이 때 크로스 헤드(Cross Head) 속도는 0.003mm/S로 하였다. 표본이 지탱한 샘플이 지지한 가장 높은 하중을 기록하였다. 모든 표본이 파쇄되지 않았지만, 일부는 파쇄 직전까지 갔다.
동시에 일어나는 운동 진폭 및 정합력 프로파일링의 장점을 결정하기 위하여, 0.48mm의 변위 또는 붕괴를 초래하는 사이클 시간에의해 샘플을 용접하였다. 실험을 위해 다양한 진폭(50 내지 125㎛pp)에서 일정한 용접 및 유지력을 갖는 용접부와, 다양한 진폭(50 내지 125㎛pp)에서 변화하는 용접 및 유지력(220 내지 1334N)을 갖는 용접부를 준비하여, 프로파일링 없이 이루어진 용접부에 대한 도 및 용접 시간에 대한 정합력 및 진폭 프로파일링 효과를 계산하였다. 용매 검사를 이용하여 접합선의 잔류 응력을 측정하기 위하여 운동 진폭 프로파일링에 의해 그리고 운동 진폭 프로파일링 없이 샘플을 용접하였으며, 그 결과는 다음과 같다;
용접부 시간 용접력 붕괴 진폭 잔류 응력
W/ 프로파일링 782mS 334N 0.66mm 16→77.6㎛pp＠110mS 12.1MPa
W/O 프로파일링 244mS 334N 0.66mm 77.6㎛pp 16.2MPa
유사하게, 용접된 재료의 분자 중량이 감소되었는지를 결정하기 위하여 운동 진폭 프로파일링에 의한 그리고 운동 진폭 프로파일링 없이 PC 샘플을 용접하였다.
샘플 설명 분자 중량(g/mole)
#1 비용접 28080
#2 높은 운동 진폭 29120
#3 낮은 운동 진폭 28470
#4 높은 진폭에서 낮은 진폭으로 28440
추가 중합 반응 또는 가교 결합을 나타내는 샘플의 분자 중량이 약간 증가되는 것으로 보이긴 하지만, 측정에 이용된 인공물은 정확도가 ±1000g/mole인 것으로 믿어진다. 또한, PC의 화학 작용은 용접 사이클 동안 가교 결합이 발생할 것을 제안하지는 않는다.
도 14에는 PC 및 ABS 표본에 대한 동시에 일어나는 운동 진폭 및 정합력의 프로파일링 비교 검사 결과가 도시되어 있다. 본 발명의 조합된 진폭 및 힘 프로파일링 결합의 장점은 프로파일링 없이 이루어진 용접부에 비해 강도가 증가되고 용접 시간이 감소된다는 것이다. 강도 증가는 감소된 분자 정렬로부터 초래되며, 사이클 시간 단축은 초기의 높은 용접력 이용 결과이다. 따라서, 비교적 높은 진폭 및 용접력이 용접을 빨리 시작하는데 이용되며, 비교적 낮은 진폭 및 용접력은 최소의 분자 정렬을 갖춘 용접을 완료하는데 이용된다.
전술한 관점에서, 본 발명의 다수의 목적이 달성되며 다른 장점이 얻어짐을 알 수 있다. 본 발명의 영역을 벗어남이 없이 다양한 변경이 전술한 구성에서 이루어질 수 있음에 따라, 전술한 또는 첨부 도면에 도시한 모든 내용은 단지 예시적인 것으로 제한적인 의미는 아니다.

Claims (22)

  1. 용접 사이클 시간 동안 초음파 주파수에서 공진될 첨두가 계면을 따라 서로 접촉하고 있는 부품들에 정합력 및 초음파 에너지를 전달하도록 하여, 공통의 계면을 따라 결합될 두 개 이상의 열가소성 부품들 간의 용접부의 강도를 향상시키며 용접 사이클 시간을 감소시키는 방법으로서,
    용접 사이클 시간의 제1 구간 중에 첨두를 제1 운동 진폭으로 공진시키며;
    용접 사이클 시간의 제1 구간 중에 제1 레벨의 정합력을 부과하며;
    용접 사이클 시간의 예정된 시간 경과 후, 용접 사이클의 나머지 시간 동안 정합력을 감소시키며 첨두를 제2 운동 진폭으로 공진시켜, 용접을 강화하며 용접 사이클 시간을 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 운동 진폭은 상기 제1 운동 진폭보다 낮은 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 두 개의 상당히 강성의 열가소성 부품들을 함께 용접하기 위한 초음파 에너지 처리 방법으로, 부품들은 서로 적층되며, 그 부품들의 상측부는 상기 적층된 부품들에 예정된 시간 동안 초음파 에너지를 전달하도록 적용된 첨두에 의해 정합되며, 상기 적층된 부품은 소정의 앤빌 등에 지지되며, 각각의 부품은 나머지 부품에 결합될 표면을 구비하며, 부품들 중 하나의 표면은 그 위에 에너지 다이렉터를 구비하고 있는, 방법으로서,
    에너지 다이렉터와 부품들의 표면들을 제1 가열비로 가열하기 위하여 상기 예정된 시간 간격의 제1 구간 중에 초음파 첨두를 제1 운동 진폭으로 여자(energizing)시키는 단계와,
    에너지 다이렉터를 압축하며 첨두와 적층된 부품 사이의 접촉을 유지하기에 충분한 제1 정합력에 의해 상기 적층된 부품과 초음파 첨두를 접촉시키는 단계와;
    에너지 다이렉터의 용융 및 붕괴에 응답하여 신호를 생성하는 단계와;
    상기 예정된 시간 간격의 나머지 구간 중에 상기 운동 진폭을 낮추고 첨두에 제2 정합력을 부과하므로써, 상기 신호에 응답하여, 제1 가열비보다 낮은 제2 가열비 및 상기 정합력을 받아 표면들이 함께 용접되기에 충분한 온도로 부품들의 표면들을 계속 가열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 운동 진폭을 낮추는 단계는 용접될 부품들의 표면들 사이의 가시적인 플래쉬(flash)를 최소화하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 운동 진폭을 낮추는 단계는 또한 부품들의 표면들 사이 용접부 내의 빈 공간을 최소화하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 운동 진폭을 낮추는 단계는 용접될 부품들의 표면들 사이의 열가소성 중합체 체인의 배향을 보다 더 무작위화하여, 용접부의 인장 강도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 운동 진폭을 낮추는 단계는 용접부의 잔류 응력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제3항에 있어서, 상기 제2 정합력은 상기 제1 정합력보다 낮은 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 정합력은 용접 사이클 시간을 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 제2 정합력을 부과하는 단계는 용접부 내의 용융 재료의 유량을 변경시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제2 정합력을 부과하는 단계는 용접될 부품들의 표면들 사이의 열가소성 중합체 체인의 배향을 보다 더 무작위화하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 공통의 계면을 따라 용접 사이클 동안 초음파 에너지에 의해 두 개의 열가소성 공작물을 서로 용접하는 방법으로서,
    예정된 초음파 주파수에서 공진되는 첨두를 제공하는 단계와,
    초기 정합력에 의해 공작물과 첨두를 접촉시키는 단계와,
    계면에 초음파 진동을 전달하여 초음파 에너지의 소산에 의해 계면에서 열가소성 재료가 연화 및 유동되도록 하기 위하여 예정된 초음파 주파수의 운동 진폭에 의해 첨두가 공진되도록 하는 단계와,
    용접 사이클 전체를 통해 예정된 힘 프로파일에 걸쳐 정합력을 변화시키는 단계와,
    예정된 진폭 프로파일에 걸쳐 첨두의 운동 진폭과 정합력을 동시에 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 예정된 힘 프로파일은 용접부의 강도를 증가시키며 용접 사이클 시간을 감소시키도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 예정된 진폭 프로파일은 계면에서의 가열을 최적화하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 예정된 진폭 프로파일은 용접부의 중합체 체인의 정렬을 무작위화하여, 용접부의 강도를 증가시키며 잔류 응력을 감소시키도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 작업 사이클 동안, 공진될 크기로 형성되며 처리될 하나 이상의 공작물과 접촉되도록 힘을 받는 첨두에 진동을 전달하는 전기 음향 변환기를 포함하는 고주파수 진동 초음파 장치를 이용한 열가소성 공작물 상에서의 작업 방법으로서,
    첨두와 공작물 사이에 강제 접촉을 확립하는 단계와,
    소정의 운동 진폭에 의해 첨두를 공진시키도록 전기 음향 변환기를 여자시키는 단계와,
    소정의 힘 프로파일에 따라 작업 사이클 전체를 통해 첨두와 하나의 공작물 사이의 강제 접촉을 변화시키는 단계와,
    소정의 운동 진폭에 따라 작업 사이클 전체를 통해 첨두의 운동 진폭을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 작업 사이클 동안, 공진될 크기로 형성되며 용접될 하나 이상의 공작물과 접촉하도록 힘을 받는 첨두에 진동을 전달하는 전기 음향 변환기를 포함하는 고주파수 진동 초음파 장치를 이용하여 두 개의 열가소성 공작물을 함께 용접하는 방법으로서,
    공작물들이 적어도 형성될 용접선을 구성하는 영역을 따라 서로 접촉하도록 첨두와 공작물 사이에 강제 접촉을 확립하는 단계와,
    소정의 운동 진폭에 의해 첨두를 공진시키도록 전기 음향 변환기를 여자시키는 단계와,
    소정의 힘 프로파일에 따라 작업 사이클 전체를 통해 첨두와 하나의 공작물 사이의 강제 접촉을 변화시키는 단계와,
    소정의 운동 진폭에 따라 작업 사이클 전체를 통해 첨두의 운동 진폭을 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 첨두의 강제 접촉을 변화시키는 단계는 대체로 용접선 내의 적어도 공작물 일부의 가열 및 용융을 가속화시키기 위한 제1 접촉력 범위 내에서 용접 사이클의 제1 구간 중에 공작물과 전기 음향 변환기를 접촉시킨 다음, 대체로 용접선의 영역에서 공작물들이 접촉을 유지하기 위해 공작물들이 서로 용접되기에 충분한 다른 접촉력 범위 내에서 공작물과 전기 음향 변환기를 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 첨두의 운동 진폭을 변화시키는 단계는 용접 사이클의 제1 구간 중에는 대체로 용접선 내의 적어도 공작물의 일부를 예열하기 위해 제1 동력 레벨 범위 내에서 전기 음향 변환기를 여자시킨 다음, 용접 사이클의 나머지 구간 중에는 공작물을 서로 용접하기에 충분한 온도까지 대체로 용접선 영역 내의 공작물을 예열하기 위해 다른 동력 레벨 범위 내에서 전기 음향 변환기를 여자시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 용접 사이클의 제1 구간 중에 전기 음향 변환기를 여자시키는 단계는 공작물의 일부를 예열하도록 전체 운동 진폭의 약 5％ 내지 약 80％까지 전기 음향 변환기의 운동 진폭을 점착적으로 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 용접 사이클의 제1 구간 중에 전기 음향 변환기를 여자시키는 단계는 용접선을 따라 공작물을 적어도 부분적으로 용융시키기 위하여 제1 동력 레벨 범위 내에서 동력 레벨을 낮은 레벨으로부터 높은 레벨까지 점차적으로 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제21항에 있어서, 전기 음향 변환기의 운동 진폭은 전체 운동 진폭의 약 10％ 내지 약 40％까지 점차적으로 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
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