KR20230049665A - 전방 로드 진폭의 균일한 초음파 용접 혼을 갖는 셀프-레벨링 스택 조립체 - Google Patents

Abstract

초음파 용접기(10)는 초음파 혼(14)을 지지하는 스택 조립체(34) 및 부스터(50)를 갖는다. 스택 조립체는 셀프-레벨링(self-leveling) 및 회전식이다. 또한 초음파 혼은 환형이고 나사산 캐비티를 갖는 부스터에 대해 장착되고, 나사산 볼트(52)에 의해 환형 초음파 혼을 통해 부스터의 나사산 캐비티 안으로 통과한다. 혼은 고주파수 초음파 진동원에 부착될 수 있는 샤프트부(35), 높이와 폭을 갖고 그 높이를 테이퍼링함으로써 샤프트 단면적보다 작은 전이부 단면적을 갖는 전이부(37)를 포함한다. 전이부는 전이부 단면적보다 작은 단면적을 갖는 중간 홀더(31)에 부착된다. 중간 홀더는 오목한 폭 딤플을 갖는다. 중간 홀더는 중간 홀더 단면적보다 큰 단면적을 갖는 직사각형 용접 팁(33)을 지지한다.

Description

전방 로드 진폭의 균일한 초음파 용접 혼을 갖는 셀프-레벨링 스택 조립체

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2020년 8월 12일 및 2021년 5월 3일자로 각각 출원된 미국 가특허출원 일련 번호 63/064,423호 및 63/183,204호의 일부 연속 출원이다.

연방 정부가 후원하는 연구 및 개발에 관한 성명

해당 없음.

공동 연구 협정의 당사자들의 이름

해당 없음.

"서열 목록", 테이블 또는 컴퓨터 프로그램에 관한 참조

해당 없음.

발명자 또는 공동 발명자의 사전 공개에 관한 진술

해당 없음.

본 발명은 고주파수 초음파 용접(high-frequency ultrasonic welding)에 관한 것으로, 특히 이를 위한 신규한 혼 설계에 관한 것이다.

재료들 간의 용접부를 생성하기 위해 고주파수 초음파 진동의 사용은 1960년대 이래로 사용되어 왔다. 초음파 용접기는 재료에 열을 인가하기 보다는 재료에 인가된 초음파 진동에 의해 생성된 마찰을 이용하여 용접부를 생성한다. 초음파 용접은 플라스틱과 금속 양자를 접합하는 데에 효과적인 것으로 입증되었고, 장난감 제조에서부터 자동차 및 항공우주 산업에 이르기까지 수많은 산업에 적용되어 왔다. 초음파 용접은 용접부를 생성하는 데에 있어서의 용이성 및 용접부 당 저렴한 비용으로 인해 널리 보급되어 있다. 초음파 용접은 소형 부품들을 접합하는 데에 이상적이다.

초음파 용접은 아크 또는 열 용접, 또는 솔더링(soldering)의 대안적인 방법으로서, 땜납(solder) 또는 플럭스와 같은 소모품들, 부품의 번 백(burn back), 냉각수 요건 및 고에너지 사용을 배제한다. 초음파 용접 작업의 추가적인 이점은 용접 프로세스 중에 최소한의 열이 생성되어, 부품의 손상을 최소화하는 것이다.

초음파 금속 용접은 전자 컴포넌트 및 배관 밀봉에 사용되는 유사하거나 상이한 비철계 금속(non-ferrous metal)의 조립에 적합하다. 초음파 용접에 의해 접합될 부품들은 초음파 혼(horn)과 앤빌(anvil) 사이에 압력 하에 함께 유지된다. 약 20 내지 40kHz 주파수의 초음파 진동이 인가되어, 혼의 진동은 부품들이 함께 문질러지게 하며, 그 초래되는 전단력이 표면 오염물들을 제거하고 나금속 영역(bare metal area)들을 노출시킨다.

2개의 부품이 함께 동시에 가압됨에 따라 용접부에 가해지는 그러한 강렬한 마찰은 기재 금속의 산화물 피막을 파괴한다. 금속에 적용되는 경우, 용접부는 재료의 용융에 의해서가 아니라 고상 용접부(solid-state weld)의 생성을 통해 달성된다. 초음파 진동은 표면 거칠기(asperity)의 전단 및 변형을 야기하고, 이는 대상 재료 상에 존재하는 산화물 및 오염물들을 분산시켜, 금속간 접촉 및 인접한 표면들의 접합을 가능하게 한다. 이러한 프로세스들은 두 재료가 원자 수준의 접합이 발생하기에 충분히 친밀하게 접촉되게 한다. 그 재료들의 원자 구조들은 함께 혼합되어, 깨끗하고 낮은 전기 저항을 갖는 강력한 표면 분자의 고상 접합을 생성한다. 마찰에 의해 생성되는 비교적 약간의 상승 온도는 용융점보다 상당히 낮고 용접부를 생성하는 데에 본질적인 역할을 하지 않는다.

초음파 용접부는 상이한 프로세스들을 통해 플라스틱과 금속에서 얻어진다. 플라스틱에 적용되는 경우, 초음파 진동에 의해 생성되는 마찰은 그 재료들의 접합될 부분들을 용융시키기에 충분하여, 냉각 시 용접부를 생성한다. 초음파 용접을 위한 용접 시간은 통상적으로 매우 짧고, 그 용접 시간은 일반적으로 200 내지 400밀리초(milliseconds)에 이른다. 초음파 용접에 관한 추가적인 일반적 개시에 대해, New Developments in Advanced Welding (Nasir Ahmed, ed (2005))을 참조할 수 있다.

초음파 용접 시스템의 기본 구성 요소들은 프레스, 앤빌, 초음파 스택(ultrasonic stack) 조립체, 초음파 발생기 또는 전원, 및 전자 제어기이다. 용접될 공작물들은 프레스와 앤빌 사이에 배치되고, 그 프레스로 공작물에 압력을 인가한다. 앤빌은 초음파 진동이 재료의 표면으로 보내지게 한다. 공작물들(부품들)이 배치되는 네스트(nest) 또는 앤빌은 스택 조립체에 의해 생성되는 고주파수 진동이 용접 기재들의 계면에 보내지게 한다.

초음파 스택 조립체는 통상적으로 컨버터(converter), 부스터(booster), 및 소노트로드(sonotrode) 또는 "혼(horn)"으로 구성된다. 컨버터는 전기 에너지를 기계적 진동으로 변환하고; 부스터는 그 진동의 진폭을 수정하고; 소노트로드는 기계적 진동을 용접될 부품들에 인가한다. 이들 세 가지 요소들은 통상적으로 동일한 초음파 주파수(통상적으로 20, 35, 또는 40kHz)에서 공진하도록 튜닝된다. 이들 스택 조립체 구성 요소들은 전자 초음파 발생기에 연결되고, 이 발생기는 스택 조립체의 공진 주파수를 매칭시키면서 고출력 AC 신호를 스택 조립체에 전달한다.

사용자는 제어기를 통해 시스템에 명령을 내려, 프레스의 이동을 제어하고 스택 조립체 전원을 활성화시켜, 용접 유도 전기 신호를 초음파 스택 조립체에 전송한다. 스택 조립체의 컨버터 부분은 전기 신호를 기계적 진동으로 변환하는 한편, 부스터가 진동의 진폭을 수정하는 데에 이용될 수 있다. 혼은 진동을 공작물에 인가한다. 용접 혼들은 일반적으로 용접 팁에 부착된 생크(shank)로 형성된다.

초음파 용접의 품질과 성공 여부는 신호 진폭, 용접 시간, 용접 압력, 용접 속도, 유지 시간, 및 유지 압력을 비롯한 다수의 인자들에 의존한다. 이러한 인자들 각각의 적절한 양은 용접을 위한 해당 재료들의 종류에 영향을 받고 단일 재료 내에서도 달라질 수 있다. 산업 역사의 대부분에 걸쳐, 효과적으로 제어될 수 있는 변수들은 단지 진폭, 힘, 및 용접 시간 또는 지속 기간뿐이었다. 진폭은 주파수 선택, 혼과 부스터의 설계, 및 컨버터에 대한 전기 입력의 변조(modulation)의 조합을 통해 제어된다.

초음파 용접의 변수들과 프로세스들에 대한 사용자 제어는 유효한 용접부를 일관되게 달성하는 것을 좌우한다. 보다 양호한 프로세스 제어는 일반적으로 용접부의 개선된 품질은 물론 용접부의 개선된 일관성 및 반복성으로 나타난다. 업계에서의 통상적인 제품들은 개별 제품들 간의 용접 품질을 검사하였을 때에 2% 내지 4%의 표준 편차를 갖고 용접부를 생성한다.

라미네이트 리튬 이온 배터리들(구리와 알루미늄 플라이들을 교차)은 승용차와 트럭을 포함한 전기 자동차에서 널리 사용됨을 알았다. 전기 자동차에 더 긴 범위 및/또는 더 많은 동력을 제공하기 위해, 라미네이트 배터리들은 점점 더 많은 라미네이트들을 추가함으로써 폭과 크기가 증가하고 있다. 이러한 배터리 크기의 증가는 초음파 용접 시스템을 위한 도전을 야기한다. 특히, 기존의 혼들은 라미네이트 배터리들의 폭에 걸쳐 균일한 용접부를 유지하는 데에 어려움이 있다. 플라이가 얇기 때문에, 플라이의 모서리들은 일반적으로 취급 중에 그리고 용접 전에 모서리에서 접히거나 또는 "접힌 모양(dog-eared)"이 될 수 있다. 그런 다음 접힌 모양의 플라이는 그 폭을 가로질러 용접되지 않고 나중에 형성된 배터리에서 활성화되지 않는다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이러한 접힘들의 검출에 있다.

초음파 용접기(10)는 초음파 혼(14)을 지지하는 스택 조립체(34) 및 부스터(50)를 갖는다. 스택 조립체는 셀프-레벨링(self-leveling) 및 회전식이다. 초음파 혼은 환형이고 환형의 초음파 혼을 통해 부스터의 나사산 캐비티 안으로 통과하는 나사산 볼트(52)에 의해 나사산 캐비티를 갖는 부스터에 대해 장착된다.

고주파수 초음파 용접용 혼(14)은 고주파수 초음파 진동원에 부착 가능한 샤프트부(35), 높이와 폭을 갖는 전이부(transition)(37)로 형성된 생크을 포함한다. 전이부 단면적은 그 높이를 테이퍼링함으로써 샤프트 단면적보다 작다. 전이부는 높이와 폭, 및 전이부 단면적보다 작은 단면적을 갖는 중간 홀더(31)에 부착된다. 중간 홀더는 균일한 높이와 측면 오목한 폭 딤플을 갖는다. 중간 홀더는 중간 홀더 단면적보다 큰 단면적을 갖는 직사각형 용접 팁(33)을 지지한다. 반대편에 배치된 오목한 영역들은 전체 혼 용접 에지에 걸쳐 보다 균일한 용접부로 초래된다.

초음파 혼(14)을 지지하는 스택 조립체(34) 및 부스터(50)를 갖는 초음파 용접기(10)로 포일들의 스택을 용접함에 있어서, 포일들의 스택에서 포일의 접힌 에지를 검출하기 위한 방법으로서, 스택 조립체는 셀프-레벨링 및 회전식이다.

아마도, 도 8에서 명확하게 나타나지 않지만, 나사산 볼트(52)의 사용은 혼 조립체(14)가 전방으로부터 회전식 스택 조립체(34)에 끼워지고 나사산 볼트(52)에 의해 부스터 전방 마운트(50)에 대해 제자리에 유지되는 것이다. 현장에서 또는 공장에서, 이러한 조립 방법은 혼 조립체(14)가 나사산 볼트(52)의 간단한 제거에 의해 쉽게 제거될 수 있음을 의미하고; 따라서 혼 조립체의 회전 또는 그 제거 및 교체를 용이하게 한다. 중요하게는, 이러한 구성 방법은 초음파 용접기(10) 또는 그 임의의 다른 구성요소들의 어떤 추가적으로 분해하기 위한 필요성 없이 혼의 변경을 가능하게 한다.

본 발명의 방법 및 프로세스의 본질 및 이점들에 대한 보다 완벽한 이해를 위해, 첨부 도면들과 함께 하기 상세한 설명을 참조해야 할 것이다.
도 1은 본 명세서에 기재된 고주파수 초음파 셀프-레벨링 용접 시스템의 등각도이고,
도 2는 배터리 플라이들의 스택의 에지를 용접하는 혼을 도시하는 용접 헤드의 측면도이며,
도 3은 전방 커버가 제거된 고주파수 초음파 셀프-레벨링 용접 시스템의 정면도이고,
도 4는 용접 혼의 근접 정면도이며,
도 4a는 엔코더의 사시도로서, 엔코더 브래킷(25)은 그 배면측에 부착된 엔코더 센서(27)를 갖고, 이 엔코더 센서는 부스터 장착 링(40)의 슬롯에서 엔코더 스트립(29)의 위치를 판독하는 것을 도시한 도면이고,
도 5는 용접 조립체의 등각도이며,
도 6은 자기 정렬 스택의 등각도이고,
도 7은 혼의 정면도이며,
도 8은 도 7의 선 8-8을 따라 취한 단면도이고,
도 8a는 진동 흡수 O링 및 부스터(50)의 장착을 도시한 확대도이며,
도 9는 스택 조립체 구성요소들의 등각 분해도이고,
도 10은 플라이들 중 하나가 접혀 있는(접힌) 배터리 플라이들의 스택의 등각도이며,
도 11은 용접 위치에 있는 용접 조립체의 근접 정면도이고,
도 12는 도 3의 설명된 신규 혼의 측면도이며,
도 13은 도 3의 설명된 신규 혼의 정면도이고,
도 13a는 도 12의 선 13a-13a를 따라 취한 단면도이며,
도 14는 도 12의 설명된 신규 혼의 상면도/저면도이고,
도 15는 측면 컷아웃 또는 니치 또는 오목부를 갖는 설명된 신규 혼의 등각도이며,
도 16은 측면 컷아웃 또는 니치가 없는 종래 기술의 혼의 등각도이고,
도 17은 용접 혼을 가로지르는 다양한 지점들에 걸쳐 용접 유닛의 다양한 출력 레벨들로 작동되는 신규 혼의 일 실시예에 대한 예시의 실험 진폭 결과들(게이지 측정)을 그래프로 도시한 도면이며,
도 18은 용접 혼을 가로지르는 다양한 지점들에 걸쳐 용접 유닛의 다양한 출력 레벨들로 작동되는 종래 기술의 혼에 대한 예시의 실험 진폭 결과들(게이지 측정)을 그래프로 도시한 도면이고,
도 19는 용접 혼을 가로지르는 다양한 지점들에 걸쳐 용접 유닛의 다양한 출력 레벨들로 작동되는 신규 혼의 일 실시예에 대한 예시의 실험 진폭 결과들(레이저 측정)을 그래프로 도시한 도면이며,
도 20은 용접 혼을 가로지르는 다양한 지점들에 걸쳐 용접 유닛의 다양한 출력 레벨들로 작동되는 종래 기술의 혼에 대한 예시의 실험 진폭 결과들(레이저 측정)을 그래프로 도시한 도면이고,
도 21은 혼을 가로질러 숫자로 라벨된 여러 지점들 및 길이방향 길이 또는 혼을 따라 알파벳으로 라벨된 여러 지점들을 도시하는 신규 혼의 일 실시예의 등각도이며,
도 22는 용접 유닛의 100% 출력으로 작동되는 도 12의 신규 혼에 대한 예시의 실험 결과를 그래프로 도시한 도면이고,
도 23은 혼을 가로질러 숫자로 라벨된 여러 지점들 및 길이방향 길이 또는 혼을 따라 알파벳으로 라벨된 여러 지점들을 도시하는 종래 기술의 혼의 등각도이며,
도 24는 용접 유닛의 100% 출력으로 작동되는 도 14의 종래 기술의 혼에 대한 예시의 실험 결과를 그래프로 도시한 도면이다.
도면들은 실시예와 관련하여 하기에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

전기 자동차의 인기로 인해 배터리 개발이 시작되었고 매우 얇은 전극 플라이(electrode ply)들의 에지들을 용접할 필요성이 생겼다. 에지 용접부들의 균일성을 검출하는 것은 플라이들이 접히지 않도록 보정하는 한 가지 기술이다. 이러한 접힌 플라이들은 접힌 플라이가 전체 에지를 가로질러 용접되지 않음을 의미한다. 설명된 초음파 용접기는 그 신규한 설계에서 이러한 문제를 해결한다.

먼저 도 1을 참조하면, 초음파 용접기(10)는 전극 플라이(electrode ply)들의 스택(12)을 갖고, 에지를 위한 위치에서 혼 조립체(14)에 의해 초음파적으로 용접되어 부스터 장착 링(40)(도 2 참조)에 의해 제위치에 유지된다. 스톡 구성 요소들의 대부분은 케이스(18) 내에 수용되고, 이들은 하기에서 설명된다. 베이스(20)는 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 초음파 용접기(10)를 지지하고 조절 가능한 푸트들(foot)(22A, 22B)에 안착된다. 앤빌 조립체(anvil assembly)(23)가 혼 조립체(horn assembly)(14) 아래에 배치되어 있다. 레벨링(leveling) 스프링 조립체(21)와 틸트 엔코더 조립체(tilt encoder assembly)(25)가 혼 조립체(14)에 인접하게 있다(도 4 참조). 혼 조립체(14)는 하기에서 더 자세히 설명되는 캐리지 블록 조립체(31)(도 5 참조) 내에 수용된다. 혼 조립체(14) 위에는 키 조립체(35)가 있다. 또한 캐리지 블록(31)(도 5 참조)을 유지하기 위해 수직 하향 압력을 인가하기 위한 서보 모터식 수직 압력 스크류 조립체(28)(도 3 참조)도 하기에 설명되는 바와 같이 볼 수 있다.

케이스(18)의 전방 커버는 그 내부에 배치된 구성 요소들을 나타내기 위해 도 3에서는 제거되었다. 서보 모터식 수직 압력 스크류 조립체(28)는 캐리지 블록 조립체(30)에 대해 압력을 인가하는 볼 스크류 조립체(32)를 포함하는 것을 볼 수 있고, 캐리지 블록 조립체(30) 내에 혼 조립체(14)를 포함하는 회전식 스택 조립체(34)(도 9 참조), 부스터 조립체(50)(도 9 참조), 및 컨버터(38)(도 5 참조)가 수용되고, 이들 각각은 하기에서 더 상세히 설명된다. 회전식 스택 조립체(34) 및 그 구성 요소들은 앤빌 조립체(23)에 대해 진동하는 혼 조립체(14)에 진동 에너지를 전달하기 위해 통상적인 방식으로 작동한다.

도 8 및 도 9를 추가로 참조하면, 셀프-레벨링 회전식 스택 조립체(34)의 구성 요소들은 분해된 정렬 방식으로 도시되어 있다. 혼 조립체(14)는 그 용접 팁으로부터 부스터 장착 링(40) 안으로 연장하고(또한 도 6 참조), 이는 다음에 캐리지 블록(30) 내부로 연장하는 것이 관찰된다. 다음에 부스터 장착 링(40)은 부스터 장착 슬리브(42)의 내부 나사산 단부에 로킹 너트(44)와 함께 나사 체결되는 나사산 단부를 가져서 이들을 함께 견고하게 나사 체결하여 유지한다. 큰 깊은 홈 볼 베어링(단일 열)(46)은 부스터 장착 링(40)의 단부에 걸쳐 그리고 로킹 너트(44)에 대해 끼워진다. 부스터 전방 마운트(42)는 셀프 레벨링 셀(self-leveling shell)(48)에 나사 체결된다. 부스터 전방 마운트(50)는 혼 조립체(14)에 대해 셀프-레벨링 셀(48)과 부스터 장착 슬리브(42)를 통해 연장한다. 혼 조립체(14)는 나사산 볼트(52)에 의해 부스터 전방 마운트(50)에 단단히 유지된다. 다른 한편, 부스터 로킹 링(54)은 제위치에서 O-링 글랜드(gland)(56) 및 O-링(58)과 함께 셀프-레벨링 셀(48)에 나사 체결된다. 로킹 너트(64), 큰 깊은 홈 볼 베어링(단일 열)(62), 및 O-링(60)은 셀프-레벨링 셀(48)에 대해 트랩된다. 그런 다음, 회전식 스택 조립체(34)는 한쪽 단부에서 한 쌍의 볼 베어링 링들을 가져서 양 방향으로 회전한다. 회전하기 위한 스택 조립체의 성능은 엔코더 조립체(엔코더 브래킷(25), 엔코더 센서(27) 및 엔코더 스트립(29)으로 구성됨)에 의해 측정되어 레벨링 스프링 조립체(21)에 의해 중립 수평 위치로 복귀한다.

아마도, 도 8에서 명확하게 나타나지 않지만, 나사산 볼트(52)의 사용은 혼 조립체(14)가 전방으로부터 회전식 스택 조립체(34)에 끼워지고 나사산 볼트(52)에 의해 부스터 전방 마운트(50)에 대해 제자리에 유지되는 것이다. 현장에서 또는 공장에서, 이러한 조립 방법은 혼 조립체(14)가 나사산 볼트(52)의 간단한 제거에 의해 쉽게 제거될 수 있음을 의미하고; 따라서 혼 조립체의 회전 또는 그 제거 및 교체를 용이하게 한다. 중요하게는, 이러한 구성 방법은 초음파 용접기(10) 또는 그 임의의 다른 구성요소들의 어떤 추가적인 분해를 위한 필요성 없이 혼의 변경을 가능하게 한다.

도 10은 굽혀진 코너(68)를 갖는 전극 플라이들의 스택(66)을 도시한다. 스택(66)이 단부 용접을 위해 개시된 초음파 용접기(10)에 삽입되어 스택의 성능으로 엔코더 조립체(엔코더 브래킷(25), 엔코더 센서(27), 및 엔코더 스트립(29)으로 구성됨) 및 레벨링 스프링 조립체(21)를 회전시키면, 굽혀진 코너(68)는 용접 에지의 해당 측면을 엔코더 조립체에 의해 감지될 수 있는 반대편 코너보다 더 두껍게 만들어서 용접 절차가 시작되지 않게 한다. 접힌 플라이들을 감지하는 이 성능은 에지 용접된 전극 플라이들의 불량을 줄여서 적절한 에지 용접을 위해 굽혀진 전극 플라이의 제거에 의해 이러한 스택을 복구한다.

고주파수 초음파 용접 유닛(10)은 업계에서 통상적인 공압 작동식 초음파 용접 시스템일 수 있다. 이들 시스템은 공압 실린더를 이용하여 힘을 제어하고 스택의 속도를 감속한다. 공압 시스템에서, 수용된 공기가 시스템의 공압 액추에이터를 통해 이동하는 유입 및 배출 속도는 제한된다. 결과적으로, 공압 시스템은 갑작스런 방향과 속도 변화를 달성할 수 없고 또한 시스템의 거리 제어를 제한한다. 이상적으로는 재료의 변화에 맞춰 순간적으로 속도를 조절할 수 있는 시스템은 완벽하게 일관된 용접부를 생성할 것이다. 용접 품질에서의 감소된 편차는 속도 및 거리에 대한 시스템의 제어가 개선될 때에 이루어질 것이다.

공압 시스템은 또한 정적 압력(static pressure)을 사용하여 그 시스템에 의해 맞물린 부품들을 압축한다. 대상 재료에서의 변화가 이용될 이상적인 압력에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 정적 압력은 재료에 의해 제시되는 조건들에 맞도록 동적 압력(dynamic pressure)을 인가할 수 있는 시스템보다 약한 용접부를 초래할 가능성이 크다. 공압 시스템의 특징은 또한 혼 페이스(horn face)의 이동 및 위치 설정에 대한 제한된 제어를 제공한다. 공압식 초음파 용접 시스템의 약점은 용접부들 사이에서 이상적인 표준 편차들보다 큰 편차를 야기할 뿐만 아니라, 외부 오염물들 및 용접 재료의 변화에 대한 적응성의 감소를 초래한다.

더 양호한 초음파 장치(10)는 전기 모터를 사용하여 소노트로드(Sonotrode)를 용접 재료와 접촉하게 하여 초음파 용접을 위한 압축력을 발생시킨다. 로드 셀(load cell)과 같은 센서는 생성되는 압축력을 측정한다. 그 센서는 시스템 손실과 관계없이 혼(Horn) 상에서의 부하(load)를 직접 측정할 수 있다. 소프트웨어 알고리즘은 로드 셀 센서의 편향 및 전기 모터 조작 이동에서의 손실 동작(lost motion)을 보상할 수 있다. 이러한 서보 모터 초음파 용접 장치는 2018년 3월 21일자로 출원된 공동 소유인 USSN 15/927,114호에 설명되어 있다.

도 12 내지 도 14를 추가로 참조하면, 중간 홀더(31)는 그 측면들에서 오목한 컷아웃(concave cutout)을 갖는다. 이러한 컷아웃 또는 "딤플(dimple)"은 그 중간 지점에서 더 작은 단면적을 갖고 용접 팁(33)을 향해 더 큰 단면적을 갖는 홀더(31)로 초래된다. 도 13a는 홀더(31)의 중간 지점에서 더 작은 단면적을 도시한다.

오목한 컷아웃 또는 딤플을 갖는 영역이 사실 더 작은 단면을 갖지만, 그 자체에서 초음파들은 혼(14)의 용접 팁(33)에 대해 더 균일하게 이동하지 않게 한다. 오목한 특성의 위치, 반경, 및 깊이는 임계적이다. 시뮬레이션 또는 유한 요소 분석(FEA)을 이용하는 반복 분석을 통해서만 그 형상이 궁극적으로 혼(14)의 전체 용접 팁(33)을 가로질러 균일한 진폭으로 초래된다.

초음파는 단면적이 용접 팁(33)을 향해 증가하기 시작함에 따라 초음파가 외향으로 구부러지고 계속되는 직선과 유사한 강도로 용접 팁(33)의 극단에 도달하는 방식으로 오목한 특성들에 의해 영향을 받는다. 이는 위에서 인용한 미국 가특허 출원 63/064,423호에 보고된 테스트 측정에 기초한다.

장치, 시스템, 및 방법이 다양한 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 본 기술 분야의 숙련자는 본 개시의 범위 및 본질을 벗어나지 않고 다양한 변경이 이루어질 수 있고 등가물이 그 요소들로 대체될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 개시의 본질적인 범위로부터 벗어나지 않고 본 명세서의 교시에 따라 특정 상황 또는 재료를 맞추도록 수많은 수정이 이루어질 수도 있다. 따라서, 본 개시는 개시한 특정 실시예들로 한정되지 않고, 본 개시는 첨부된 청구범위의 보호 범위 내에 포함되는 모든 실시예들을 포함하고자 한 것이다. 또한, 본 명세서에서 언급한 모든 인용 문헌은 명시적으로 참조를 위해 본 명세서에 원용된다.

실예 I

딤플된 혼(Dimpled Horn)

도 15 및 도 16을 참조하면, 혼들(114, 120)은 미국 매사추세츠 02451 월섬 와이먼 스트리트 175 소재의 다솔 시스템즈 솔리드웍스 코포레이션(Dassault Systemes SolidWorks Corporation)에 의해 솔리드웍스^® 시뮬레이션(SOLIDWORKS^® Simulation)을 이용하여 진폭 분석을 받았다. 두 혼들(114, 210)은 미국 오하이오 43235 콜럼버스 쏘버리 블러바드 2710 소재의 테크-소닉, 인크(Tech-Sonic, Inc.)에 의해 제조되었다.

FEA 결과를 확인하기 위해, 실제 혼 진폭 데이터는 레이저를 이용하여 두 혼들에서 수집된다. 진폭은 각 혼의 좌측 단부, 좌측 중간, 중간, 우측 중간, 및 우측 에지에서 측정되었다.

혼들이 가능한 한 서로 비슷한 것을 보장하기 위해, 혼들의 널링 패턴과 치수는 동일하다. 두 혼들은 또한 동일한 부스터, 컨버터, 및 셀에 부착되고(도 1), 유일한 차이점은 오목한 측면이 없는 혼(도 23)과 비교하여 혼의 측면에 있는 오목한 페이스들이다. 두 혼들은 혼 페이스 상의 5 지점들에서 측정된 진폭을 갖고(도 15 및 도 16에 도시됨), 모든 지점들은 용접부 표면이 용접 프로세스 중에 경험하는 진폭을 시뮬레이션하기 위해 널링(knurling)에 가능한 한 가깝게 배치된다.

혼들은 진폭 게이지와 레이저 진폭 측정기를 사용하여 측정되어 가능한 한 정확한 결과를 보장한다. 게이지를 포함하는 진폭 게이지의 설정은 게이지가 혼의 진동 또는 다른 외부 힘들에 의해 쉽게 주위로 이동되지 않도록 기계에 고정된다. 레이저 설정은 또는 기계에 고정된다. 레이저 판독은 3회 수행되어 평균이 기록되었다.

결과들은 도 17 내지 도 20에 그래픽으로 도시된다. 신규 혼이 테스트된 모든 출력에서 용접 팁의 폭에 걸쳐 보다 균일한 진폭을 나타냄이 명백할 것이다. 이러한 균일성은 하기 표에 도시된 것처럼 진폭 차이의 백분율로 에지 진폭을 중간 진폭과 비교할 때 더 쉽게 확인할 수 있다.

[표 1] 양 혼들을 위한 레이저 및 게이지 판독

오목한 측면들이 없는 혼, 게이지 판독

오목 측면들을 갖는 혼, 레이저 평균

오목 측면들을 갖는 혼, 게이지 판독

[표 2] 중간 지점과 비교하여 혼의 상이한 지점들에서의 비율의 진폭 차이

직선 측면 혼 레이저

직선 측면 혼 게이지

오목한 측면 혼 레이저

오목한 측면 혼 게이지

개시된 측면 오목한 혼은 그 용접부 표면에 걸쳐 더 균일한 진폭을 나타내는 한편, 오목한 측면들이 없는 혼은 도 17 내지 도 20에 도시된 바와 같이 상기 측면들과 비교하여 중심에서 상당히 더 높은 진폭을 갖는다. 진폭의 차이는 더 낮은 진폭 %와 더 높은 단부에서 특히 명확하다. 오목한 측면들과 비교하여 오목한 측면들이 없는 혼의 진폭 차이는 상당히 크다(표 2). 45%로 기록된 레이저 판독의 경우, 오목한 측면들이 없는 혼은 중간(지점 3)과 비교하여 좌측 단부(지점 1)로부터 -38.52%의 진폭 차이를 갖는 한편, 우측 단부(지점 5)는 -39.45%의 진폭 차이를 갖는다. 오목한 측면들을 갖는 신규 혼과 비교하면, 이 차이는 중간(지점 3)과 비교한 좌측 단부(지점 1) 및 중간과 비교한 우측 단부(지점 5)에서 각각 -1.86% 및 -0.61%이다. 또한 이 차이는 오목한 측면들이 없는 혼이 -18.08%의 좌측 단부(지점 1) 대 중간(지점 3) 진폭 차이를 갖는 한편, 우측 단부(지점 5) 대 중간 진폭 차이는 -18.53%인 높은 진폭을 나타내고, 오목한 측면 혼은 -1.42%의 좌측 단부 대 중간 진폭 차이 및 0%의 우측 단부 대 중간 진폭 차이를 갖는다.

게이지 테스트는 또는 비슷한 경향으로 초래된다. 오목한 측면들이 없는 혼의 중간 지점(지점 3)과 비교할 때 더 먼 단부들(지점 1 및 5)이 상당히 다른 진폭들을 나타낸다. 게이지 테스트는 변수가 많고 이 경우 레이저 테스트를 사용하여 기록된 경향들이 게이지 테스트에 반영되는지 확인하는 것이지 반드시 정확한 판독값을 얻기 위한 것은 아니다.

혼의 중심에서 상당히 높은 진폭은 중심이 적절하게 용접될 수 있기 때문에 용접부들 중에 문제가 있을 수 있으나, 측면들은 끝까지 용접되지 않을 수 있다. 반대로, 측면들이 적절하게 용접되는 한편 중심은 과도하게 용접될 수 있다. 용접이 덜된(underwelded) 용접부는 약하고 적절한 전기 전도성을 허용하기 위해 충분한 접합을 제공하지 않는 한편, 과용접된 용접부는 취약한 용접부로 인해 잠재적으로 약한다.

실예 II

회전식 스택(Rotational Stack)

테스트 개요에는 용접기의 셀프-레벨링 성능을 평가하기 위해 10개의 양호한 용접부, 15개의 접힌 용접부 및 10개의 교대 용접부들이 포함되었다. 도 1 내지 도 11의 용접기 및 회전 혼이 이 실시예에서 사용되었다.

정상 또는 양호한 용접부 테스트 결과는 하기 표 1에 도시된다.

[표 3]

접힌 용접부 테스트 결과는 하기 표 4에 도시된다.

[표 4]

대안적인 양호한/접힌 용접부들은 신규 용접기가 접히지 않은 포일들과 접힌 포일들의 혼합물로 두께 차이 검출을 유지할 수 있는지 여부를 결정하기 위해 실행되었다. 그 결과는 표 5에 도시된다.

[표 5]

다시 말하면, 접히지 않은 포일들 중에서 접힌 포일들을 검출하는 용접기의 성능은 우수하다.

설명된 용접기 설계는 접힌 포일들을 검출하는 성능에 대해 양호하다. 보고된 모든 테스트들은 어떤 반복 없이 실행되었다. 시작 높이는 접힌 포일들에서 양호한 포일들을 검출하는 데 중요한다.

10: 초음파 용접기
14: 초음파 혼
31: 중간 홀더
33: 직사각형 용접 팁
34: 스택 조립체
37: 전이부
50: 부스터
52: 나사산 볼트

Claims (9)

1. 초음파 혼(ultrasonic horn)(14)을 지지하는 셀프 레벨링(self-leveling) 및 회전식 스택 조립체(34) 및 부스터(50)를 갖는 초음파 용접기(10)로서,
   상기 초음파 혼을 지지하고 높이와 폭을 갖되, 균일한 높이와 측면 오목한 폭 딤플(dimples)을 갖는 중간 홀더(31)를 포함하는, 초음파 용접기.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 초음파 혼은,
   (a) 고주파수(high-frequency) 초음파 진동원에 부착 가능한 샤프트부(35);
   (b) 높이와 폭을 갖고, 그리고 그 높이를 테이퍼링함으로써 상기 샤프트 단면적보다 작은 전이부 단면적을 갖는 전이부(transition)(37);
   (c) 높이와 폭, 및 상기 전이부 단면적보다 작은 단면적을 갖는 중간 홀더(31)로서, 상기 중간 홀더는 균일한 높이와 측면 오목한 폭 딤플을 갖는, 상기 중간 홀더(31); 및
   (d) 상기 중간 홀더 단면적보다 큰 단면적을 갖고 생크(shank)에 부착되는 직사각형 용접 팁(33);을 포함하는, 초음파 용접기.
3. 제1 항에 있어서,
   직사각형 용접 팁(33)은 상기 중간 홀더 단면적보다 큰 단면적을 갖고 상기 중간 홀더에 부착되는, 초음파 용접기.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 초음파 혼은 환형이고 나사산 캐비티(threaded cavity)를 갖는 상기 부스터에 대해 장착되되, 환형 초음파 혼을 통해 상기 부스터의 나사산 캐비티 안으로 통과하는나사산 볼트(52)에 의해 장착되는, 초음파 용접기.
5. 초음파 혼(14)을 지지하는 스택 조립체(34) 및 부스터(50)를 갖는 초음파 용접기(10)로 상기 포일들의 스택을 용접함에 있어서, 포일들의 스택(stack of foils)에서 포일의 접힌 에지(folded edge)를 검출하기 위한 방법으로서,
   상기 스택 조립체는 셀프 레벨링 및 회전식인, 검출 방법.
6. 고주파수 초음파 용접 혼용 혼(14)으로서,
   (a) 고주파수 초음파 진동원에 부착 가능한 샤프트부(35);
   (b) 높이와 폭을 갖고, 그리고 그 높이를 테이퍼링함으로써 상기 샤프트 단면적보다 작은 전이부 단면적을 갖는 전이부(37);
   (c) 높이와 폭, 및 상기 전이부 단면적보다 작은 단면적을 갖는 중간 홀더(31)로서, 상기 중간 홀더는 균일한 높이와 측면 오목한 폭 딤플을 갖는, 상기 중간 홀더(31); 및
   (d) 상기 중간 홀더 단면적보다 큰 단면적을 갖고 생크에 부착되는 직사각형 용접 팁(33);을 포함하는, 고주파수 초음파 용접 혼용 혼.
7. 초음파 혼(14)을 지지하는 스택 조립체(34) 및 부스터(50)를 갖는 초음파 용접기(10)로서,
   상기 스택 조립체는 셀프 레벨링 및 회전식인, 초음파 용접기.
8. 초음파 혼(14)을 지지하는 스택 조립체(34) 및 부스터(50)를 갖는 초음파 용접기(10)로서,
   상기 초음파 혼은 환형이고 나사산 캐비티를 갖는 상기 부스터에 대해 장착되되, 환형 초음파 혼을 통해 상기 부스터의 나사산 캐비티 안으로 통과하는 나사산 볼트(52)에 의해 장착되는, 초음파 용접기.
9. 초음파 혼(14)을 지지하는 스택 조립체(34) 및 부스터(50)를 갖는 초음파 용접기(10)로 상기 포일들의 스택을 용접함에 있어서, 포일들의 스택에서 포일의 접힌 에지를 검출하기 위한 방법으로서,
   상기 스택 조립체는 셀프 레벨링 및 회전식인, 검출 방법.

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