特表 2023-549873 超音波溶接機を運転する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-29

(54)【発明の名称】超音波溶接機を運転する方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 20/10 20060101AFI20231121BHJP

【ＦＩ】

B23K20/10

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023529064

(86)(22)【出願日】2021-11-16

(85)【翻訳文提出日】2023-05-16

(86)【国際出願番号】 EP2021081792

(87)【国際公開番号】W WO2022106392

(87)【国際公開日】2022-05-27

(31)【優先権主張番号】102020130325.4

(32)【優先日】2020-11-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520062177

【氏名又は名称】ヘルマン ウルトラシャルテヒニク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング ウント コンパニー コマンディトゲゼルシャフト

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100153729

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 有一

(72)【発明者】

【氏名】スベン レースラー

(72)【発明者】

【氏名】ミヒャ アウゲンシュタイン

【テーマコード（参考）】

4E167

【Ｆターム（参考）】

4E167BE04

4E167BE07

4E167BE10

4E167BE11

4E167DC02

(57)【要約】

本発明は、超音波溶接機を運転する方法であって、溶接工程中、平面状材料が、超音波周波数によって溶接振幅を持って励振させられるソノトロード１と、アンビル２との間に形成された間隙を通して、溶接速度で連続的に移動させられる一方、アンビル２によって且つ／又はソノトロード１によって、溶接力が平面状材料へ加えられる形式のものにおいて、溶接段階の間、平面状材料が間隙を通過した後に平面状材料の実際温度を測定し、実際温度を規定の目標温度と比較し、そして溶接振幅を比較結果に応じて変化させることを特徴とする、超音波溶接機を運転する方法に関する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波溶接機を運転する方法であって、溶接工程中、平面状材料が、超音波周波数によって溶接振幅を持って励振させられるソノトロードと、アンビルとの間に形成された間隙を通して、溶接速度で連続的に移動させられる一方、前記アンビルによって且つ／又は前記ソノトロードによって、溶接力が前記平面状材料へ加えられる、方法において、
溶接段階の間、前記平面状材料が前記間隙を通過した後に前記平面状材料の実際温度を測定し、前記実際温度を規定の目標温度と比較し、そして前記溶接振幅を比較結果に応じて変化させることを特徴とする、超音波溶接機を運転する方法。

【請求項2】

前記溶接振幅を前記比較結果に応じて変化させることにより、前記実際温度を溶接インターバル中に連続的に調整することを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記溶接段階の間、前記溶接速度及び／又は前記溶接力を一定に保持することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記溶接段階の前の開始段階の間、前記溶接速度を０から規定の溶接速度値へ高めることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

前記開始段階の間、前記比較結果に応じた前記溶接振幅の変更は行われないことを特徴とする、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記開始段階の間、前記溶接振幅及び／又は前記溶接力を規定の溶接振幅値もしくは規定の溶接力へ高めることを特徴とする、請求項４又は５に記載の方法。

【請求項7】

前記開始段階が規定の時間後に終了し、そして前記溶接段階が始まることを特徴とする、請求項４～６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項8】

前記溶接振幅が前記規定の溶接振幅値に達したらすぐに、又は前記溶接力が前記規定の溶接力に高められたらすぐに、前記開始段階を終了させ、そして前記溶接段階を開始することを特徴とする、請求項６に記載の方法。

【請求項9】

前記開始段階の前のスタンバイ段階の間に、前記溶接振幅及び／又は溶接力を、規定の低減された溶接振幅値もしくは規定の低減された溶接力値で保持することを特徴とする、請求項４～８のいずれか１項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波溶接機を運転する方法であって、溶接工程中、平面状材料がソノトロードとアンビルとの間に形成された間隙を通して、溶接速度で連続的に移動させられる形式のものに関する。ソノトロードは超音波周波数によって溶接振幅を持って励振させられる。例えば複数の被相互溶接シートから成りうる平面状材料が移動すると、アンビルによって且つ／又はソノトロードによって、溶接力が平面状材料へ加えられる。多くの場合、ソノトロードによって、被溶接材料を介して定置のアンビルへ力が加えられる。しかしながら、アンビルによって、力が平面状材料へ加えられることも可能である。

【背景技術】

【0002】

種々の層から成るシートをまさに溶接するときには、溶接工程において互いに向き合うシート層だけが超音波取り込みによって溶融されるのに対して、他のシート層は溶融されないことがしばしば望まれる。このことは、１つのシートの個々の層の融点を適切に選択することにより実現し得る。

【0003】

しかしながら、最近では単一材料が使用されることが多くなっている。単一材料の場合、個々の層は同一材料から製作されてはいるものの、異なる物理的処理を施されている。例えば１つの層は一軸又は二軸延伸させることができ、これに対して別の層はそのようにはなっていない。しかしこれら種々異なる層は、同じ材料から製造されているため、極めて似た溶融温度を有しているので、このようなシートの溶接時にはプロセスウィンドウ、すなわち超音波処理中に被溶接シート同士の間で達しうる且つ達しなければならない温度範囲は極めて狭い。

【0004】

このことは特に超音波溶接機の開始時にしばしば問題となる。それというのもこのような機械は運転中ゆっくりと加熱されるからである。さらに溶接速度のばらつき、材料厚のばらつき、及びシステム内の別の変更が生じることもある。これにより、プロセスウィンドウから外れ、平面状材料の溶接があまりにも強いので別の層が損傷されるか、あるいは、あまりにも弱く行われるので溶接部がのちの消費時に再び緩められ、溶接結合部が密でなくなるおそれがある。

【0005】

さらに、溶接速度を意図的に変えることが必要な場合がある。しかしながら、溶接速度がより高くなると、それ以外は同じままの条件において、被結合シート層が達する温度は、溶接速度がより低い場合よりも低くなる。したがって、プロセスのいずれの変更時にも、信頼性の高い溶接を保証するために、再び理想的なプロセスパラメータを見出さなければならない。プロセスウィンドウが狭いと、このことは熟練度が極めて高い者によってしか達成することはできない。さらに、このことは多大な時間がかかるおそれがある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

したがって、本発明の課題は、超音波溶接機を容易に且つ特に信頼性高く運転し得る方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明によれば、このような課題は、溶接段階の間、平面状材料が間隙を通過した後に平面状材料の実際温度を測定し、実際温度を規定の目標温度と比較し、そして溶接振幅を比較結果に応じて変化させることによって解決される。

【0008】

したがって、運転中、溶接速度の速度変化が生じると、このことは、平面状材料が間隙を通過した後、平面状材料の温度に直接に影響を与える。このような温度偏差は本発明に基づき突き止められ、そして溶接振幅は相応に変化させられる。例えば、測定された実際温度が規定の目標温度を下回る場合には、本発明に基づき、溶接振幅は高められる。その代わりに、実際温度が規定の目標温度を上回る場合には、本発明に基づき溶接振幅は低減される。

【0009】

有利な実施形態では、本発明による方法は、溶接インターバル内の連続的な調整の枠内で実現される。

【0010】

記載の温度変化は、溶接速度の変化によってのみ発生し得るのではない。被溶接材料が厚さのばらつきを有することもあり得る。このことは温度変動においても現れる。さらに、特に溶接工程は温度変化によってより長い静止後に開始される。それというのも、最初に冷却された構成部分、例えばソノトロード及び対応工具が、溶接工程の開始後にゆっくりと加熱されるからである。

【0011】

本発明による方法によって、溶接法の開始時に必然的に発生する廃棄物を著しく減らすことができる。

【0012】

さらなる有利な実施形態では、溶接段階の間、溶接速度及び／又は溶接力を一定に保持する。特に、溶接速度が利用者によって変えられ、そして材料内の張力によってのみ変えられるのではない場合には、有利な実施形態において、溶接力が溶接速度に応じて設定される。さらに、例えばテーブルを記録することができる。テーブルでは、どのような溶接速度においてどのような溶接力が有利であるかを調べることができる。これにより、溶接工程は所望のプロセスウィンドウに少なくとも極めて近くなることが保証される。微調整が次いで本発明に基づいて、溶接振幅の調整を介して行われる。

【0013】

さらなる有利な実施形態では、溶接段階の前の開始段階の間、溶接速度を０から規定の溶接速度値へ高める。

【0014】

換言すれば、本発明による調整が行われる溶接段階には、開始段階が前置されている。この開始段階において、溶接パラメータ、すなわち特に溶接速度、溶接振幅、及び溶接力が規定の値に設定される。

【0015】

開始段階の間、溶接振幅は比較結果に応じて変更されないと有利である。

【0016】

したがって開始段階は、最適な状態にできる限り近い規定の値に、溶接パラメータを設定するためにある。理想的な事例では、このようにすると既に溶接工程は所望のプロセスウィンドウ内で行われる。しかしながら、溶接工程が直ちに所望のプロセスウィンドウ内で行われないとしても、溶接振幅を本発明に基づき調整することによって、溶接プロセスを極めて迅速に所望のプロセスウィンドウ内で実施することができる。それというのは、開始段階後に溶接段階が始まり、この溶接段階では、測定された温度に応じて溶接振幅を変化させることによって、溶接パラメータが微細に最適化されるからである。

【0017】

さらなる有利な実施形態では、開始段階が規定の時間後に終了し、そして溶接段階が始まる。例えばここでは、システムを準連続的な定常状態（eingeschwungener Zustand）にもたらすために必要とされる典型的な時間を規定の時間として利用することもできる。

【0018】

その代わりに、前記溶接振幅が前記規定の溶接振幅値に達したらすぐに、且つ／又は前記溶接力が前記規定の溶接力に高められたらすぐに、開始段階から溶接段階への移行を行うこともできる。実際温度が目標温度に達するか、又はこれを超えたら、開始段階から溶接段階へ移行することもできる。

【0019】

さらなる有利な実施形態では、開始段階にはスタンバイ段階がなおも前置されており、スタンバイ段階では、溶接速度はゼロであり、そして溶接振幅及び／又は溶接圧力は規定の低減された溶接振幅値で、もしくは規定の低減された溶接圧力値で保持される。低減された値は有利な実施形態では、開始段階の間に得ようとする値の４０～６０％である。

【0020】

故障又は製品の供給不足に基づく溶接工程の中断時には、システムは完全にはスイッチオフされず、スタンバイ段階へずらされる。できる限り迅速に再び使用可能にするために、スタンバイ段階内でも溶接振幅及び／又は溶接力が規定の低減された値に設定される。

【0021】

本発明のさらなる利点、特徴、及び使用可能性が、有利な実施形態の下記説明、及び添付の図面により明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】図１は、溶接機を示す概略図である。

【図2】図２は、個々の超音波パラメータの時間依存性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１には超音波溶接設備が概略的に示されている。このような超音波溶接設備はソノトロード１と対応工具２とを有している。ソノトロード１と対応工具２との間では、２つの材料ウェブ４，５が貫通案内され、溶接設備内で互いに溶接される。さらに、ソノトロード１は超音波振動によって溶接振幅を持って励振させられる。超音波による処理時には少なくとも、材料ウェブ４及び５の互いに向き合う領域が溶融させられるので、両材料ウェブ４，５は互いに結合され、サンドイッチ構造６が生じる。

【0024】

処理は通常、連続的に行われる。すなわち溶接中、材料ウェブ４，５もしくはサンドイッチ構造６は矢印方向に、溶接速度で間隙を通って移動させられる。本発明によれば、今や温度センサ３によって、溶接済みの材料ウェブ、すなわちサンドイッチ構造６の温度が測定され、それも有利には溶接が行われた直後に測定される。

【0025】

特に信頼性の高い溶接結果を得るためには、溶接中に、材料ウェブ４及び５の互いに向き合う層内が所望の溶融温度に達することが必要である。溶接個所がソノトロード１もしくは対応工具２によって覆われていることにより、その場所で温度測定ができないとしても、温度センサ３は、溶接済みシートウェブ６がソノトロード１との接触状態から外れた直後に温度を検出するように配置されている。検出された温度が溶融温度ではないとしても、検出された温度はそれでもなお、到達した溶接温度のための尺度である。

【0026】

溶融温度は多数のファクタに依存する。これらのファクタは連続運転中に意図的に又は意図的ではなく変わり得る。例えば、目標となる溶接温度は溶接速度の変化によって変わり得る。材料ウェブ４，５の材料厚のばらつきも、達成される溶接温度を変化させる。最終的には温度は、加えられる溶接力、溶接振幅、及びソノトロード１及び対応工具２の表面温度によっても影響される。

【0027】

このことは、溶接法の開始時にはソノトロード１及び対応工具２は冷却されており、ひいては、後にソノトロード１及び対応工具２がそれらの作業温度にあるときに該当するものよりも、達成される溶接温度が低いことを意味する。

【0028】

したがって本発明によれば、溶接振幅は調整され、それも測定された実際温度と規定の目標温度との比較結果に応じて調整される。

【0029】

このことは、関与する溶接工具、つまりソノトロード１及び対応工具２がその作業温度にまだ達しない限り、溶接工程はいくらか高められた溶接振幅によって実施されることを意味する。速度のばらつきも溶接振幅の調整によって、溶接結果を悪化させることなしに受け入れることができる。

【0030】

説明のために、図２には７つの溶接パラメータ、つまりａ）溶接速度、ｂ）調整状況、ｃ）超音波励振の状態、ｄ）溶接振幅、ｅ）溶接圧力、及びｆ）実際温度、並びにｇ）目標温度が互いに上下に、時間依存的（ｔ）に示す形で、任意の単位でプロットされている。下記考察はパラメータの定性的特性曲線にだけ関わり、実際の値には関わらない。溶接圧力を溶接力と、溶接力が加えられる面積とから計算できるので、溶接圧力と溶接力とを容易に互いに換算することができる。

【0031】

処理は６つの段階I～ＶＩにおいて行われる。

【0032】

段階Ｉは、溶接設備がスイッチオフされている状態である。溶接速度（ａ）、溶接振幅（ｄ）、及び溶接圧力（ｅ）はそれぞれゼロである。超音波励振も調整も行われない。実際温度（ｇ）はその最小値にある。

【0033】

段階ＩＩはスタンバイ段階である。スタンバイ段階では、溶接速度（ａ）はゼロであるが、しかし超音波励振（ｃ）は活性化され、そして低減された超音波振幅（ｄ）も、低減された溶接圧力（ｅ）も設定される。この状態では、既に定常状態が存在する。さらに、既にソノトロード及び対応工具が軽く加熱される。

【0034】

スタンバイ段階ＩＩには開始段階ＩＩＩが続く。このような開始段階内では、溶接速度（ａ）はゼロから規定の値へ高められる。溶接速度がゼロから高められる時点は図において具体的に特徴づけられている。

【0035】

同時に、溶接振幅（ｄ）は規定の値へ高められ、これと同様のことが溶接圧力（ｅ）に対しても当てはまる。ここでは既に著しい温度上昇が生じる（図２のｇ）参照）。実際温度が目標温度に達するとすぐに、溶接段階ＩＶへ移行させられる。この移行はグラフにおいて具体的に特徴づけられている。溶接段階においてのみ、溶接振幅（ｄ）、ひいては溶接圧力（ｅ）も変化させられ、それも測定された実際温度（ｇ）と規定の目標温度（ｆ）との差に応じて変化させられる。溶接工程が終了するとすぐに、次いでＶ段階に移行させられる。Ｖ段階は再びスタンバイ段階である。場合によっては、次いで、停止段階であり且つ実質的に段階Ｉに相当する段階ＶＩが続きうる。しかしながら、あるいは、スタンバイ段階Ｖも再び開始段階ＩＩＩに入り、これに溶接段階ＩＶが続きうる。

【0036】

本来の調整（ｂ）は、溶接段階ＩＶ中にのみ行われる。前置されたスタンバイ段階ＩＩはシステムの立ち上がり時間（Einschwingzeit）を短くする。まだ調整がおこなわれていない開始段階ＩＩＩ中にのみ、廃棄物が産出され得る。したがって、段階ＩＩＩはできる限り短く形成することができる。

【符号の説明】

【0037】

１ ソノトロード
２ 対応工具
３ 温度センサ
４ 材料ウェブ
５ 材料ウェブ
６ サンドイッチ構造／サンドイッチウェブ

【図1】

【図2】

【手続補正書】

【提出日】2023-05-18

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0036】

本来の調整（ｂ）は、溶接段階ＩＶ中にのみ行われる。前置されたスタンバイ段階ＩＩはシステムの立ち上がり時間（Einschwingzeit）を短くする。まだ調整がおこなわれていない開始段階ＩＩＩ中にのみ、廃棄物が産出され得る。したがって、段階ＩＩＩはできる限り短く形成することができる。
また、本開示は以下の発明を含む。
第１の態様は、
超音波溶接機を運転する方法であって、溶接工程中、平面状材料が、超音波周波数によって溶接振幅を持って励振させられるソノトロードと、アンビルとの間に形成された間隙を通して、溶接速度で連続的に移動させられる一方、前記アンビルによって且つ／又は前記ソノトロードによって、溶接力が前記平面状材料へ加えられる、方法において、
溶接段階の間、前記平面状材料が前記間隙を通過した後に前記平面状材料の実際温度を測定し、前記実際温度を規定の目標温度と比較し、そして前記溶接振幅を比較結果に応じて変化させることを特徴とする、超音波溶接機を運転する方法である。
第２の態様は、
前記溶接振幅を前記比較結果に応じて変化させることにより、前記実際温度を溶接インターバル中に連続的に調整することを特徴とする、第１の態様における方法である。
第３の態様は、
前記溶接段階の間、前記溶接速度及び／又は前記溶接力を一定に保持することを特徴とする、第１の態様又は第２の態様における方法である。
第４の態様は、
前記溶接段階の前の開始段階の間、前記溶接速度を０から規定の溶接速度値へ高めることを特徴とする、第１の態様～第３の態様のいずれか１つにおける方法である。
第５の態様は、
前記開始段階の間、前記比較結果に応じた前記溶接振幅の変更は行われないことを特徴とする、第４の態様における方法である。
第６の態様は、
前記開始段階の間、前記溶接振幅及び／又は前記溶接力を規定の溶接振幅値もしくは規定の溶接力へ高めることを特徴とする、第４の態様又は第５の態様における方法である。
第７の態様は、
前記開始段階が規定の時間後に終了し、そして前記溶接段階が始まることを特徴とする、第４の態様～第６の態様のいずれか１つにおける方法である。
第８の態様は、
前記溶接振幅が前記規定の溶接振幅値に達したらすぐに、又は前記溶接力が前記規定の溶接力に高められたらすぐに、前記開始段階を終了させ、そして前記溶接段階を開始することを特徴とする、第６の態様における方法である。
第９の態様は、
前記開始段階の前のスタンバイ段階の間に、前記溶接振幅及び／又は溶接力を、規定の低減された溶接振幅値もしくは規定の低減された溶接力値で保持することを特徴とする、第４の態様～第８の態様のいずれか１つにおける方法である。

【手続補正2】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

超音波溶接機を運転する方法であって、溶接工程中、平面状材料が、超音波周波数によって溶接振幅を持って励振させられるソノトロードと、アンビルとの間に形成された間隙を通して、溶接速度で連続的に移動させられる一方、前記アンビルによって且つ／又は前記ソノトロードによって、溶接力が前記平面状材料へ加えられ、
溶接段階の間、前記平面状材料が前記間隙を通過した後に前記平面状材料の実際温度を測定し、前記実際温度を規定の目標温度と比較し、そして前記溶接振幅を比較結果に応じて変化させ、
前記溶接段階の前の開始段階の間、前記溶接速度を０から規定の溶接速度値へ高める、超音波溶接機を運転する方法において、
前記開始段階の間、前記比較結果に応じた前記溶接振幅の変更は行われないことを特徴とする、超音波溶接機を運転する方法。

【請求項2】

前記溶接振幅を前記比較結果に応じて変化させることにより、前記実際温度を溶接インターバル中に連続的に調整することを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記溶接段階の間、前記溶接速度及び／又は前記溶接力を一定に保持することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記開始段階の間、前記溶接振幅及び／又は前記溶接力を規定の溶接振幅値もしくは規定の溶接力へ高めることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

前記開始段階が規定の時間後に終了し、そして前記溶接段階が始まることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

前記溶接振幅が前記規定の溶接振幅値に達したらすぐに、又は前記溶接力が前記規定の溶接力に高められたらすぐに、前記開始段階を終了させ、そして前記溶接段階を開始することを特徴とする、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

前記開始段階の前のスタンバイ段階の間に、前記溶接振幅及び／又は溶接力を、規定の低減された溶接振幅値もしくは規定の低減された溶接力値で保持することを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。

【国際調査報告】