(57)【要約】本発明は少なくとも１個の発振器、コンバータ及び振動音極からなる超音波溶接装置により、所定の要求を満足する溶接継手に相当する時間依存性溶接パラメータの基準曲線（１０）に基づき、部材の超音波溶接、特に素線の溶接を行うための方法に関する。その場合溶接時間は開始時期ｔ0から終了時期ｔeまで基準曲線に従って経過する。再現性の良好な溶接結果を得るために、部材の溶接時に時間依存性パラメータの実際曲線（１６、１８）を測定し、ｔ0ないしｔeの期間に実際曲線と基準曲線を比較し、存在する偏差に応じて、溶接に影響する少なくとも１つのプロセスパラメータを、以後の溶接の際に基準曲線と実際曲線が等化されるように変更することを提案する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個の発振器、コンバータ及び振動音極からなる超音波溶接装置により、所定の要求を満足する溶接継手に相当する時間依存性溶接パラメータの基準曲線に基づき、溶接時間が開始時期ｔ0から終了時期ｔeまで基準曲線に従って経過し、部材の溶接時に時間依存性パラメータの実際曲線を測定し、ｔ0ないしｔeの期間に実際曲線と基準曲線を比較して行う部材の超音波溶接、特に素線の溶接のための方法において、実際曲線と基準曲線の間に存在する偏差に応じて、溶接に影響する少なくとも１つのプロセスパラメータを、以後の溶接の際に基準曲線と実際曲線が等化されるように、制御に基づき変更することを特徴とする方法。
【請求項２】
時期ｔ1（但しｔ0＜ｔ1＜ｔe）に実際曲線と基準曲線を比較することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
実際曲線と基準曲線を同じ出力値で比較することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
実際曲線と基準曲線を溶接開始から同じエネルギー投入量で比較することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
実際曲線と基準曲線の間の偏差に応じて、少なくとも１つのプロセスパラメータを、記憶された値又は関数に従って変更することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つのプロセスパラメータを段階的に変化することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
実際曲線の基準曲線への適応を制御プロセスによって行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
種々の時期ｔ1，ｔ2．．．ｔn（但しｎ≧２）に行われる基準曲線と実際曲線の比較に応じて、少なくとも１つのプロセスパラメータを変更することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
時期ｔ1，ｔ2．．．ｔn（但しｎ≧２）に基準曲線と実際曲線の間に生じる偏差に応じて、少なくとも１つのプロセスパラメータを調節することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
時間依存性溶接パラメータとして、超音波溶接装置の送出され又は吸収された出力を選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
変更されるプロセスパラメータとして、振動音極の振幅及び／又は周波数及び／又は被溶接部材に作用する圧力又は作用する力及び／又は被溶接部材へのエネルギー投入量を選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
単数又は複数のプロセスパラメータを個別に又は一括して変更することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
全溶接時間にわたり又は一時的に、基準曲線と実際曲線のそれぞれの瞬時偏差に応じて溶接を調節することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は少なくとも１個の発振器、コンバータ及び振動音極からなる超音波溶接装置により、所定の要求を満足する溶接継手に相当する時間依存性溶接パラメータの基準曲線に基づいて行う部材の超音波溶接、特に素線の溶接のための方法に関する。その場合基準曲線に相当する溶接時間は開始時期ｔ0から終了時期ｔeまで経過する。
【背景技術】
【０００２】
ドイツ特許公開第１９８１０５０９号によれば、異種の材料の継手部材を予備試験なしで適切に溶接するために、継目層との相互作用により溶接物に連結された超音波振動を測定信号として検出し、次に溶接プロセスに特徴的な特性値を測定データ記憶装置及び評価装置で再処理し、続いて振動音極を制御する。
【０００３】
プラスチック部材の超音波溶接でプロセスパラメータを制御又は調節するために、ドイツ特許公開第４３２１８７４号は被溶接部材の間の接合部へのエネルギー投入の監視のために、溶接過程中に接合力を測定することを定めている。
【０００４】
欧州特許第０５６７４２６号によれば、プラスチック部材を溶接する振動音極の振動振幅を所定の時間間隔の後に減少し、次に残りの溶接時間の間は減少した振動振幅で作業する。この点に関する振幅減少のための制御信号は、例えば国際特許公開第ＷＯ−Ａ−９８／４９００９号、米国特許第５，８５５，７０６号、米国特許第５，６５８，４０８号又は米国特許第５，４３５，８６３号に見られるように、被溶接加工品に伝達される出力に応じて直接又は間接に発信することができる。
【０００５】
溶接の最適化のために第１の期間中に振動振幅を所定の経過に従って減少し、続いて加工品の特性パラメータに関して測定し、次に測定されたパラメータの値に応じて、超音波エネルギーを伝達する振動音極の定振幅で溶接プロセスを終了するプラスチック部材の溶接方法が国際特許公開第ＷＯ−Ａ−０２／０９８６３６号により周知である。
【０００６】
超音波ワイヤボンディングにより作られた継手を検査するために、ドイツ特許公開第１０１１００４８号は、継手の強さを推論することを可能にする所定の又は記憶されたマスター値に基づくオンライン監視を定めている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
素線の溶接のための冒頭に挙げた種類の方法では、溶接される導体の総断面積に関連して記憶されたデータ、例えば圧力、振幅、周波数、工具寸法及びエネルギーを呼び出し、その上で溶接し、続いて得た溶接継手の品質を調整係が検査する。溶接継手が所定の要求を満足するならば、記憶されたエネルギー値に相当する出力が送出された時間（ｔe−ｔ0、但しｔeは溶接終了時期、ｔ0は溶接開始時期）に基づいて、溶接終了時期ｔeに続く時間帯Δｔを定める。同じ総断面積を有する素線の溶接で溶接終了点がこの時間帯の前、即ちｔ0とｔe＋Δｔの間にあるならば、溶接結果は好成績であると想定される。その場合この時間帯は、正常と評価された溶接継手の記憶された時間に相当する時間を通常１０％ないし２０％上回る期間である。溶接即ちエネルギー投入が時間帯、即ち時間ｔe＋Δｔの後に終了した場合は、溶接結果は不十分と評価される。
【０００８】
換言すれば、所定の総断面積の被溶接部材の記憶されたエネルギー投入量に相当する面積を有する出力−時間曲線が確定される。その場合有用な溶接結果と分類されるには、溶接の終了時期が基準曲線の範囲内、又はその後の時間帯の中になければならない。
【０００９】
総断面積が同じだが異なる材料が使用され、もしくは素線が工具に、即ち振動音極と受圧台の間に様々に位置決めされ、もしくは温度変動又は環境の影響が現れるならば、場合によっては溶接結果の品質に変動が生じることがある。
【００１０】
本発明の課題は、溶接の最適化が行われ、特に一様な、再現性のある溶接結果が得られ、特に例えば材料、部材の位置決め、温度又は環境の影響に原因する個々の溶接の間の差異を補償するように、冒頭に挙げた種類の方法を改良することにある。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【００１１】
本発明に基づき上記の課題は、おおむね次のようにして解決される。即ち部材の溶接時に時間依存性パラメータの実際曲線を測定し、ｔ0ないしｔeの期間に実際曲線と基準曲線を比較し、存在する偏差に応じて、溶接に影響する少なくとも１つのプロセスパラメータを、以後の溶接の際に基準曲線と実際曲線が等化されるように変更するのである。  
【００１２】
特に少なくとも時期ｔ1（但しｔ0＜ｔ1＜ｔe）に基準値と実際値を比較する。しかし基準曲線と実際曲線の等しい出力値が現れたとき、又は時間的に測定された出力の等しい面積に相当する等しい割合のエネルギー投入量が現れたときにも曲線の比較を行うことができる。
【００１３】
種々の時期ｔ1、ｔ2．．．ｔn（但しｎ≧２）に行われる基準曲線と実際曲線の比較及び当該の時期に現れる偏差に応じて、単数又は複数のプロセスパラメータを変更することが好ましい。
【００１４】
少なくとも１つのプロセスパラメータを、記憶された値に従って特に段階的に変更することができれば、とりわけ基準曲線と実際曲線の間に存在する偏差に応じて、少なくとも１つのプロセスパラメータの調節を行うことが可能である。
【００１５】
変更は例えば数値表の記憶された値に基づくだけでなく、保存された数学的関数に基づいて計算することもできる。
【００１６】
金属部材、さらにはプラスチック部材の溶接のための先公知の先行技術と異なり、あらかじめ記憶された値だけを溶接プロセスの基礎として自動溶接操作を行うのではなく、最適化を得るために、基準曲線と実際曲線の比較を行い、偏差に基づき少なくとも１つのプロセスパラメータ、場合によっては被溶接部材へのエネルギー投入量の変更を含めて複数のプロセスパラメータが変更される。
【００１７】
特に時間依存性溶接パラメータとして、超音波溶接装置の送出又は吸収された出力を選択することとする。変更されるプロセスパラメータとして振動音極の振幅、被溶接部材に作用する圧力又は力及び／又はエネルギー投入量及び／又は振動音極の周波数を選択することができる。
【００１８】
前述のように基準又は実際曲線としての出力−時間曲線の比較で、行われたエネルギー投入に応じて比較を行うこともできる。エネルギー投入は特定の時期の出力−時間曲線の積分値に等しい。
【００１９】
本発明のその他の細部、利点及び特徴は特許請求の範囲及び特許請求の範囲に見られる特徴−単独で及び／又は組合せとして−だけでなく、図面に見られる好ましい実施例の下記の説明からも明らかである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に本発明を、溶接される素線に基づいて説明する。但しこれによって限定を行おうとするものではない。むしろ本発明はとりわけプラスチック部材の溶接にも及ぶ。
【００２１】
先行技術により素線を超音波で溶接するには、その総断面積に関連して記憶装置に保存された例えば圧力、振幅、工具寸法及びエネルギー投入量に関する値を呼び出す。その上で素線の溶接を行い、その際図１に見られる、参照符号１０で表示した出力−時間曲線が記録される。従って当該の実線の曲線の下側の面積は下記、数式に示すエネルギー投入量に相当する。ここにＰ＝出力、ｔ＝時間である。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
この実施例では曲線１０は、溶接される素線の十分な溶接結果をもたらしたいわゆる基準曲線に相当する。曲線１０に相当する溶接終期ｔeを考慮して、次に等しい総断面積を有する素線を溶接する。その際基準曲線１０に相当する溶接と同等のエネルギー投入が行われる。次に溶接のつど、図１に参照符号１２（鎖線曲線）又は１４（破線曲線）で表示した当該の実際曲線を決定する。実際曲線の各面積は基準曲線１０の面積に等しい。その結果出力Ｐのそれぞれの経過に従って、溶接過程は種々の時期ｔe1又はｔe2に終了した。そこで溶接終了が基準曲線１０のｔeの前又はその後の時間帯Δｔの中にある溶接は、経験的に集められたデータに基づき良好とみなされる。従ってこの場合、実際曲線１２に該当する溶接は、溶接が時期ｔe1に終了し、この時期がｔe＋Δｔ、本例では時間帯Δｔの範囲内にあるから、正常と評価される。
【００２４】
これに対して実際曲線１４の時期ｔe2は基準曲線１０の時期ｔe＋Δｔの後にあり、その結果溶接は不良とされる。
【００２５】
時間帯Δｔは通常、基準曲線１０に相当する溶接時間、即ち時間差ｔe−ｔ0の１０ないし２０％である。
【００２６】
材料、温度、環境の影響又は振動音極と受圧台によって形成される圧縮室での被溶接素線の位置決めの相違が溶接結果に影響するから、溶接が最適化されることを保証するために、又は溶接が時間帯Δｔの後、即ち全溶接時間ｔe＋Δｔの後に初めて終了することがないようにするために、本発明に基づき原則として図２で同じく参照符号１０で表示した所定の基準曲線に基づいて溶接プロセスの制御が行なわれる。
【００２７】
本発明に基づき同じ横断面又は総断面積の溶接の基礎となる基準曲線１０と、溶接の際に決定されるそれぞれの実際曲線の比較が行われる。その場合比較はあらかじめ定めた時期に、又は基準及び実際曲線の同じ出力値が現れたとき、又は時間的に作図した出力の同じ面積に相当する同じ割合のエネルギー投入が現れたときに行うことができる。
【００２８】
図２の実施例では時期ｔ1及びｔ2に基準曲線１０と、溶接の際にそれぞれ決定された実際曲線１６及び１８との比較が行われる。実際曲線１６は時期ｔ1に基準曲線１０の下を通っている。次に、事前に記憶した、測定により決定された値に基づき、溶接パラメータを変更する。例えば振動音極の振幅及び／又は振動音極を経て被溶接部材に作用する力を、基準曲線１０の値に相当する溶接過程と比較して変更し、−実際曲線１０に関する溶接に関して−増加することができる。
【００２９】
その結果、実際曲線が基準曲線の下側にあれば、調整可能な溶接パラメータを原則として増加し、これに対して実際曲線が基準曲線の上を通っているときは減少する。
【００３０】
これに基づき実際曲線１６の経過の基準曲線１０への適応が行われる。即ち前者が後者に近づけられる。時期ｔ2に再度の測定が行なわれる。この場合は実際曲線１６が基準曲線１０の上を通っているから、例えば振幅及び／又は力を減少することによって適応させることができ、エネルギー値を変更しないでよい。場合によっては代案として又は補足的に、溶接時に導入されるエネルギー投入量も変更することができる。
【００３１】
本発明に基づく制御は超音波溶接装置の様々な周波数ν、例えばν＝２０ｋＨｚ、３５ｋHz、４０ｋＨｚ等で実施できることを付言しなければならない。
【００３２】
次に、確定又は変更されたエネルギー値に従って、本例では基準曲線１０の時期ｔeの後の時期ｔe3に溶接を終了する。その場合図１による先行技術と異なり、時期ｔe3は先行技術により指定された時間帯の中又は前になくてもよい。むしろ終了時期ｔe3がｔeより大きいか又は小さくてもよい。際限のない制御を避けるために、溶接過程はもちろん所定の終了時期の前に完了していなければならない。この終了時期を図２にｔmaxで表示した。
【００３３】
また図２に第２の実際曲線（破線曲線）を記載した。この曲線は時期ｔ1に基準曲線１０の上側を通っている。その結果、実際曲線１８を基準曲線１０に近づけるために、溶接パラメータを変更し、即ち減少しなければならない。時期ｔ2に基準曲線１０と実際曲線が一致する。事前に記憶した、又は基準曲線１０と実際曲線１８の偏差に基づき時期ｔ1に変更された溶接パラメータに従って、基準曲線１０の時期ｔeの前にある時期ｔe1に溶接過程を終了する。
【００３４】
基準曲線と実際曲線の比較は特定の時期ｔnだけでなく、同じ出力値が現れるとき又は等しいエネルギー投入が行われたときに行うこともできる。このことは同じく図２で純原理的に明らかである。即ち前述のように偏差に従って溶接パラメータを変更するために、基準曲線１０と実際曲線１６、１８の等しい面積Ｅ1で比較を行うことができる。等しい出力値Ｐ1で曲線の比較に基づいて単数又は複数の溶接パラメータの変更を行うこともできる。これもまた図２に基づき原理的に明らかにされる。
【００３５】
等しい出力値Ｐ1で基準及び実際曲線１０、１６、１８を比較すれば、実際曲線１６に該当する溶接プロセスを、単数又は複数の溶接パラメータが増加されるように変更しなければならないことが分かる。実際曲線１８に相当する溶接については、減少が行われる。
【００３６】
等しいエネルギー投入量Ｅ1が現れたときの曲線１０、１６、１８の比較に関連して、実際曲線１６に相当する溶接を単数又は複数の溶接パラメータが増加されるように変更しなければならず、実際曲線１８による溶接については減少しなければならないことが、図２の実施例で明らかである。
【００３７】
図３ないし５で別の出力−時間曲線が明らかである。これに基づいて本発明の学説を説明することにする。なおそれぞれ実際曲線と比較される基準曲線を図１及び２と同様に参照符号１０で表示する。
【００３８】
図２に関連してすでに説明したように、所定の出力値Ｐ1．．．Ｐnで基準曲線１０と実際曲線２０の間にもし偏差があれば、溶接過程の制御を行うことができる。こうして種々の出力値Ｐ1．．．Ｐnで基準曲線１０と実際曲線２０の間の偏差に応じてトリガされる。例えば出力値Ｐ2で基準及び実際曲線を比較すれば、曲線１０、２０の適応を得るために、単数又は複数の溶接パラメータを増加しなければならない。しかしこのことは別として、制御される溶接プロセスと基準曲線１０の基礎となる溶接プロセスの総エネルギー投入量は等しい。実際曲線２０に相当する溶接過程が終了した時期ｔe1はｔ1とｔmaxの間にある。
【００３９】
図４は、基準曲線１０と実際曲線２２の間の出力調節がもっぱら行なわれたエネルギー投入に従って行われることを明らかにしようとするものである。当該の測定時期ｔ1、ｔ2．．．ｔnに行われた下記、数式に示すエネルギー投入量に関して、実際曲線２２と基準曲線１０が食い違う場合は、本発明に従って溶接パラメータの変更が行われる。
【００４０】
【数２】
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【００４１】
これとは別に、出力−時間実際曲線２２によるエネルギー投入量と基準曲線１０によるエネルギー投入量が等しければ、全溶接過程を終了する。
【００４２】
図４の基礎をなす制御プロセスと異なり、図５によれば溶接過程の最適化、即ちその制御のために圧力又は振幅のようなプロセスパラメータを変更するだけでなく、補足的に又はもっぱら代案としてエネルギー投入量の増加が行われる。このことは、参照符号２４を付した実際曲線の下側の積分が基準曲線１０の積分に等しければ、時期ｔxに溶接過程を終了する前に一層のエネルギー投入ΔＥzusが行われることで説明される。種々の時期ｔ1．．．ｔnでも実際曲線と基準曲線の比較が行われる。
【００４３】
ところがこの点に関連して、複数の溶接パラメータを変更する場合は、必ずしもこれらを全部残らず増加又は減少しなくてもうよいことを付言しなければならない。むしろ最適化された溶接結果を得るために、基準及び実際曲線の適応が行われるように、溶接パラメータが相互に同調される。
【００４４】
出力−時間曲線の決定のために、発振器の出力送出又は振動音極又は発振子の出力吸収を時間的に決定する。
【００４５】
本発明に基づき制御される超音波溶接プロセスを実行することができる配列の純原理図を図６に示す。このために通常コンバータ２６、場合によってはブースタ２８及び振動音極３０からなる超音波溶接装置又は機械２６が設けられる。振動音極３０又はその面に対極３２が配属される。被溶接部材、例えば導体が導入される横断面調整可能な圧縮室を設けるために、対極３２は米国特許第４，５９６，３５２号又は米国特許第４，８６９，４１９号の学説に従って組立式に構成することができる。コンバータ２６は導線３４を介して発振器３６に接続され、一方、発振器３６は溶接パラメータ又は溶接される導体の断面積を入力するために、導線３８を介してコンピュータ（ＰＣ）４０に接続される。次にコンピュータ４０に記憶されたプログラムにより溶接プロセスの当該の実際曲線を決定し、コンピュータ４０により計算し、あらかじめ確定された基準曲線と本発明に従って比較し、制御に基づき溶接プロセスを調節するために、発振器３６の出力送出を決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】素線の溶接のための先行技術による出力−時間曲線とその利用を示す。
【図２】溶接プロセスの制御のための出力−時間曲線を示す。
【図３】出力値に関する溶接プロセスの制御のための出力−時間曲線を示す。
【図４】所定のエネルギーでの溶接プロセスの制御のための出力−時間曲線を示す。
【図５】エネルギー投入量を考慮した溶接プロセスの制御のための出力−時間曲線を示す。
【図６】超音波溶接装置及び周辺機器の原理図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2006524577.tif 000011
2006524577.tif 000012
2006524577.tif 000013
2006524577.tif 000014
2006524577.tif 000015
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