JPH0240431B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、同種あるいは異種材料の２枚の板材
を突き合わせ接合する超音波溶接方法及びその装
置に関するもので、特に、その２枚の板材を送り
ながら超音波溶接するようにした、連続突き合わ
せ超音波溶接方法及びその装置に関するものであ
る。

（従来の技術） 超音波溶接は、一般に、溶接試料を溶接部で重
ね合わせ、溶接用振動チツプにより静圧力を加え
て、その溶接チツプを駆動することにより溶接部
に超音波振動を印加し、その溶接部を接合するよ
うにしたものである。このような超音波溶接にお
いては、例えば金属材料の場合、溶接部の表面の
酸化被膜等が静圧力による圧縮変形と振動とによ
り破壊、除去されて、清浄な面が互いに接触する
ようになり、弾性変形及び局部的な塑性流動が生
じて、これによる温度上昇と相まつて金属原子間
の結合が生じ、接合が行われると考えられてい
る。この場合、溶接部の温度上昇による熱影響部
分はごく近傍に限られており、ほぼ固相の状態で
接合される。

したがつて、このような超音波溶接によれば、
通常の電気抵抗溶接やアーク溶接ではほとんど不
可能とされている耐食アルミ等の同種の金属や、
溶融温度の異なる材料、あるいは金属とセラミツ
クス等の異種材料の接合も可能となる。また、溶
接部の変形が小さく、溶接部の表面処理もあまり
必要ではない上に、溶接強度も大きいなどの特長
を有している。

しかしながら、従来は、このような超音波溶接
では、重ね合わせ点溶接の場合でも、溶接試料の
厚さが数mm以上のものは溶接することができない
ものとされ、板材の突き合わせ溶接に適用するこ
となどは考えられていなかつた。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明者は、このような超音波溶接の特長を活
かすために、より板厚の大きい溶接試料の超音波
溶接について研究を続けてきたが、その結果、超
音波振動発生装置のパワーアツプを図り、振動系
等に工夫をこらすことにより、厚さの大きい溶接
試料であつても超音波溶接が可能となることを見
出した。そして、そのように厚さの大きい溶接試
料の場合には、その端面同士を突き合わせ、その
端面に平行な面内の振動を印加することにより、
突き合わせ超音波溶接をすることが有効であると
判明した。

しかしながら、その突き合わせ超音波溶接は、
溶接試料を固定した状態で行うもので、２枚の板
材を送りながら連続して突き合わせ接合できるも
のではなかつた。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたも
のであつて、その目的は、板材の連続突き合わせ
超音波溶接ができるようにし、それによつて、超
音波溶接の活用範囲が一層広げられるようにする
ことである。

（問題点を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明の連続突き
合わせ超音波溶接方法では、２枚の板材を、互い
に突き合わせながら、その突き合わせ面の長手方
向に平行な方向に送るとともに、その送り方向の
一定位置において、少なくとも一方の板材の突き
合わせ面側の端縁部を局部的に振動させるように
している。その振動は、突き合わせ面に平行な面
内の振動で、他方の板材に対して相対的に生じる
ようにされている。

また、その方法を実施するための本発明による
連続突き合わせ超音波溶接装置は、２枚の板材を
互いに突き合わせる突き合わせ装置と、その板材
を同一方向に送る送り装置と、各板材をそれぞれ
両面から送り自在に挟み付ける２組のローラとを
備えている。そのローラは、各板材の突き合わせ
面の近傍に配置され、そのうちの少なくとも１個
は、超音波振動発生装置により、そのローラの回
転面内で振動されるようになつている。また、板
材は、その振動ローラの近傍においてクランプロ
ーラによつてクランプされ、その板材の局部的な
振動が溶接部に有効に伝達され、かつ他部には伝
達されることのないようにされている。

（作用） このように構成することにより、本発明の方法
によれば、各板材は、互いに突き合わされて送ら
れながら、少なくとも一方の板材の突き合わせ面
側の端縁部が他方の板材に対して局部的に振動さ
れるので、それによつて振動する一方の板材の突
き合わせ面部分が、他方の板材の突き合わせ面に
超音波溶接されるようになる。そして、板材の送
りに伴つて、その溶接部分が相対的に移動するの
で、突き合わせ面全体が突き合わせ溶接されるよ
うになる。

また、本発明の装置によれば、板材を送り自在
に挟み付けるローラがその回転面内で振動するの
で、その板材は突き合わせ面に平行な面内で振動
するようになる。そして、その振動の他部への伝
達は、クランプローラによつて抑制される。した
がつて、板材は、その送りに支障を生ずることな
く、局部的に振動されるようになり、本発明の方
法による連続突き合わせ超音波溶接が行われるよ
うになる。

（実施例） 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

図中、第１図は本発明による連続突き合わせ超
音波溶接装置の一実施例を示す縦断正面図であ
り、第２図はその概略平面図である。

第１図から明らかなように、互いに突き合わせ
溶接される２枚の板材１，２は、２組の振動ロー
ラ３，４及び送りローラ５，６によつて、それぞ
れ上下両面から挟み付けられるようになつてい
る。これらのローラ３，５；４，６は、それぞれ
同径のもので、各板材１，２の突き合わせ面１
ａ，２ａのごく近傍に配置され、各板材１，２の
突き合わせ端縁が、溶接時の変形分を見込んでロ
ーラ回転軸線方向にわずかに突出するようにされ
ている。

一方、振動ローラ３の回転軸７には、大径部と
小径部とが設けられ、それによつて段付きホーン
が形成されている。そして、その回転軸７の後端
側には、超音波振動発生装置８が取り付けられて
いる。この超音波振動発生装置８は、６個あるい
は８個、又はそれ以上の超音波振動子８ａを、回
転軸７と同軸の振動方向変換体８ｂに放射状に取
り付けたもので、その各振動子８ａが同期して発
生する放射方向の振動を、振動方向変換体８ｂに
より回転軸７の軸線方向の振動に変換して、回転
軸７に伝えるようになつている。したがつて、回
転軸７には、各振動子８ａの振動出力の総計に相
当する振動が縦振動として加えられることにな
る。こうして、回転軸７は振動棒としても機能す
るようにされている。

回転軸７は、その後端部及び中間部において、
それぞれニードルベアリング９により回転自在に
支持されている。これらのベアリング９による支
持位置は、超音波振動発生装置８によつて発生さ
れる回転軸７の縦振動の振動ノード部とされてい
る。また、振動ローラ３の中心も、その振動ノー
ド部に位置するようにされている。そして、その
振動ローラ３の径は、回転軸７から伝えられる振
動によつてローラ３が振動するとき、その振動の
ループ部が、ローラ３の外周よりもわずかに外側
の、板材１の板厚方向の中央位置となる大きさと
されている。

回転軸７の中間部を支持するニードルベアリン
グ９の支持体１０は、ハウジング１１に設けられ
た油圧シリンダ１２によつて、下方に押圧される
ようになつている。それによつて、振動ローラ３
が板材１に押圧されるようになつている。

また、この振動ローラ３とともに板材１を挟み
付ける送りローラ５は、モータ及び減速機等から
なる回転駆動装置１３によつて、回転軸１４を介
して回転されるようになつている。この回転軸１
４も、ニードルベアリング１５によつて回転自在
に支持されている。これらのベアリング１５の支
持体１６は、ハウジング１１に対して固定的に設
けられている。

こうして、板材１は、振動ローラ３と送りロー
ラ５とによつて、油圧シリンダ１２に加えられる
静圧力に応じた静圧力をもつて挟み付けられるよ
うになつている。そして、上下のローラ３，５及
びその間の板材１によつて、一つの結合振動系が
形成されるようになつている。

更に、板材１は、ローラ３，５の背後におい
て、リング状のクランプローラ１７，１８によつ
て挟み付けられている。このクランプローラ１
７，１８は比較的幅の広いもので、ローラ３，５
側の端面位置が、板材１の突き合わせ面１ａ側の
端縁部１ｂが曲げ振動するときの振動ノード部と
なるようにされている。上面側のクランプローラ
１７を支持する軸受１９は、ハウジング１１に設
けられた油圧シリンダ２０によつて下方に押圧さ
れている。また、下面側のクランプローラ１８を
支持する軸受２１は、ハウジング１１に直接支持
されている。こうして、板材１は、振動ローラ３
の近傍の曲げ振動ノード部において油圧シリンダ
２０により強力にクランプされ、その突き合わせ
面１ａ側の端縁部１ｂのみが振動し、クランプロ
ーラ１７，１８より後方にはその振動が伝達され
ないようにして、板材１の疲労破壊の防止が図ら
れている。

他方の振動ローラ４の回転軸２２にも、その後
端側に超音波振動発生装置２３が取り付けられて
いる。この超音波振動発生装置２３は、６個、８
個、あるいはそれ以上の超音波振動子２３ａを、
振動方向変換体２３ｂに、その軸線から偏心する
ようにして放射状に取り付けたもの、あるいは縦
振動−捩り振動変換体に放射状に超音波振動子２
３ａを設置したもので、その超音波振動子２３ａ
の縦振動が捩り振動に変換されるようになつてい
る。そして、その捩り振動が、回転軸２２に伝え
られるようになつている。

回転軸２２は、その捩り振動の振動ノード部に
おいてニードルベアリング２４によつて回転自在
に支持されている。そして、回転軸２２の中間部
を支持するベアリング２４の支持体２５は、ハウ
ジング１１に設けられた油圧シリンダ２６によつ
て下方に押圧されるようになつている。また、振
動ローラ４の中心も、回転軸２２の振動ノード部
に位置するようにされている。

この振動ローラ４とともに板材２を挟み付ける
送りローラ６は、上述の送りローラ５と同様に、
回転駆動装置２７により回転軸２８を介して回転
されるようになつている。この回転軸２８も、ハ
ウジング１１に固定的に設けられた支持体２９内
のニードルベアリング３０によつて、回転自在に
支持されている。

こうして、板材２は、振動ローラ４と送りロー
ラ６とによつて、油圧シリンダ２６に加えられる
静圧力に応じた静圧力をもつて挟み付けられ、こ
れらローラ４，６及び板材２によつて一つの結合
振動系が形成されるようにされている。そして、
振動ローラ４が捩り振動するとき、そのローラ
４，６及び板材２が結合して振動し、ローラ４，
６に挟まれた板材２がその捩り振動のループ部に
位置するようにされている。

板材２は、板材１と同様に、更に、その突き合
わせ面２ａ側の端縁部２ｂが振動するときの振動
ノード部において、幅の広いリング状のクランプ
ローラ３１，３２によつて上下両面から挟み付け
られている。上面側のクランプローラ３１を支持
する軸受３３は、ハウジング１１に設けられた油
圧シリンダ３４によつて下方に押圧されている。
また、下面側のクランプローラ３２を支持する軸
受３５は、ハウジング１１に直接支持されてい
る。こうして、板材２は、振動ローラ４の近傍に
おいて強力にクランプされ、その突き合わせ面２
ａ側の端縁部２ｂのみが振動ローラ４とともに振
動するようにされている。

一方の板材１を挟み付ける振動ローラ３と送り
ローラ５、及び他方の板材２を挟み付ける振動ロ
ーラ４と送りローラ６は、それぞれ同一回転面を
有するようにされている。そして、一方の組のロ
ーラ３，５の回転面と他方の組のローラ４，６の
回転面とは、第２図に誇張して示されているよう
に、板材１，２の送り方向、すなわち図の上方に
向かつて接近するように傾けられている。

また、第２図に示されているように、振動ロー
ラ３，４の両端近傍には、各板材１，２の突き合
わせ面１ａ，２ａに沿つた位置に、クランプロー
ラ３６，３７；３８，３９が設けられている。そ
して、各板材１，２の下面側の、これらクランプ
ローラ３６〜３９に対応する位置にも、それぞれ
クランプローラが設けられている。これら対応す
る各クランプローラは、上述のクランプローラ１
７，１８あるいは３１，３２と同様のもので、各
板材１，２の振動ノード部を上下両面から強力に
クランプし、振動ローラ３，４側の振動が他部に
伝達されないようにしている。

次に、このように構成された超音波溶接装置の
作用及びその装置を用いた超音波溶接方法につい
て説明する。

回転駆動装置１３，２７により各送りローラ
５，６を回転させると、このローラ５，６と振動
ローラ３，４とによつて挟み付けられた各板材
１，２は、その回転方向、すなわち、各板材１，
２の突き合わせ面１ａ，２ａの長手方向にほぼ平
行な方向に送られる。このとき、各組のローラ
３，５と４，６とが互いに傾斜しているので、各
板材１，２は、その板材１，２に平行な方向の押
圧力が加えられて、その突き合わせ面１ａ，２ａ
において互いに突き合わされる。したがつて、こ
の実施例では、送りローラ５，６によつて、各板
材１，２を突き合わせる突き合わせ装置と、その
板材１，２を送る送り装置とが構成されている。
しかしながら、その突き合わせ装置としては、こ
れに限られるものではなく、例えば第２図に仮想
線で示されているように、各板材１，２の端面を
押圧するローラ付きエアシリンダ４０，４１を用
いることもできる。また、各振動ローラ３，４及
び送りローラ５，６に外部から押圧力を加え、そ
れによつて各板材１，２を所要の静圧力で互いに
突き合わせるようにすることもできる。送り装置
としても、クランプローラ１７，１８；３１，３
２にその機能を持たせるようにしてもよく、ま
た、送り距離が短いときにはエアシリンダを用い
るようにすることもできる。

このようにして、２枚の板材１，２を、互いに
その突き合わせ面１ａ，２ａで突き合わせなが
ら、その突き合わせ面１ａ，２ａの長手方向にほ
ぼ平行な方向に送る。

この間において、一方の超音波振動発生装置８
によつて発生された縦振動は、回転軸７の軸線方
向に伝わり、振動ローラ３の中心部に達する。こ
の振動ローラ３は、その振動のノード部に設けら
れているので、その振動によつて両面から圧縮と
膨張とが繰り返されることになり、結局、径方向
に振動することになる。したがつて、振動ローラ
３、板材１、及び送りローラ５からなる振動系に
振動が発生し、その振動のループ部に位置する板
材１が上下方向に、すなわち、板材１の突き合わ
せ面１ａにほぼ平行な面内で振動するようにな
る。このとき、送りローラ５は、振動ローラ３と
は180゜位相のずれた径方向の振動をする。

こうして、板材１は、振動ローラ３が設置され
た位置において、その突き合わせ面１ａ側の端縁
部１ｂが、その板材１にほぼ垂直な方向に振動さ
れる。そして、その振動のノード部に設けられた
クランプローラ１７，１８；３６，３７等によ
り、その振動の他部への伝達は防止されるので、
その振動は局部的なものとなる。

また、他方の超音波振動発生装置２３から発生
された捩り振動により、他方の振動ローラ４は捩
り振動をする。それによつて、板材２の突き合わ
せ面２ａ側の端縁部２ｂは、その送り方向にほぼ
平行な方向に水平振動するようになる。そして、
その振動も、クランプローラ３１，３２；３８，
３９等によつて他部への伝達が防止され、振動ロ
ーラ４の近傍の局部的な振動とされる。

こうして、各板材１，２の突き合わせ面１ａ，
２ａは、それぞれ上下方向、水平方向に相対的に
振動される。そして、この振動部には所要の突き
合わせ静圧力が加えられているので、その部分が
突き合わせ超音波溶接される。この超音波溶接
は、極めて短時間になされる。したがつて、各板
材１，２を一定速度で送ることにより、その突き
合わせ面１ａ，２ａが連続的に溶接されるように
なる。

このように、各板材１，２の突き合わせ面１
ａ，２ａをそれぞれ異なる駆動系とすることによ
り、各振動が同一の振動周波数の場合には、その
振動部がリサージユ波形を描き、また、異なる周
波数の場合には各振動振幅に応じた振動面内を走
査して振動することになるので、安定した接合強
度が得られるようになる。したがつて、比較的小
出力の超音波振動発生装置８，２３によつても、
また、比較的小さな突き合わせ静圧力によつて
も、板厚の大きい板材１，２の突き合わせ溶接が
可能となる。

しかしながら、板材１，２の板厚が小さい場合
などには、一方の超音波振動発生装置８あるいは
２３のみを用いるようにしてもよい。そのような
場合、一つの超音波振動発生装置８あるいは２３
によつて、振動ローラ３あるいは４に、径方向振
動と捩り振動とが結合した複合振動をさせるよう
にすることもできる。そのようにすれば、板材
１，２の突き合わせ面１ａ，２ａが一様に振動す
るようになる。また、その超音波振動発生装置
８，２３も、上述のように多数の振動子８ａ，２
３ａを放射状に配列したものではなく、数個の振
動子８ａ，２３ａを並列させたものとすることが
できる。

逆に、より大きな振動出力が求められる場合に
は、送りローラ５，６側にも上述のような超音波
振動発生装置８，２３を設け、各板材１，２に上
下両面から振動を加えるようにすればよい。その
場合、その複数の方向、周波数、あるいは位相を
それぞれ異ならせるようにすることもできる。ま
た、前述のような超音波振動発生装置８，２３を
複数段、直列状に配置するようにすることもでき
る。

２個の振動ローラ３，４を用いる場合にも、上
記実施例のように各振動ローラ３，４を互いに直
交する方向に振動させるほか、各振動ローラ３，
４に、それぞれ径方向の振動と捩り振動とが結合
した複合振動をさせるようにすることができる。
その場合には、各振動ローラ３，４の振動がそれ
ぞれ異なる複合振動となるようにする。あるい
は、互いに直交する複合振動となるようにする。
また、各振動ローラ３，４の振動周波数が異なる
ものとしておけば、互いに独立した振動の制御が
可能となる。

各板材１，２を挟み付けるローラ３，５あるい
は４，６を振動ローラとする場合には、その間の
振動位相差を制御し得るようにすることが望まし
い。そのようにすれば、各板材１，２の振動分布
を変化させて、板材１，２の振動状態を制御する
ことが可能となる。

更に、上記実施例においては、送りローラ５，
６のみを回転駆動装置１３，２７によつて回転さ
せるようにしているが、振動ローラ３，４をも回
転駆動し、更にはクランプローラ１７，１８；３
１，３２等をも回転駆動することによつて、強力
なクランプ力と送り力とを得るようにすることも
可能である。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、２枚の板材を互いに突き合わせて送りなが
ら、その突き合わせ面側の端縁部を局部的に振動
させるようにしているので、超音波による連続突
き合わせ溶接が可能となり、アルミ合金板同士の
溶接や異種金属板の接合等が可能となる。

また、その振動を生じさせる溶接チツプとして
ローラを用い、そのローラに回転面内の振動、す
なわち径方向振動、捩り方向振動、あるいはそれ
らが結合した複合振動をさせるようにしているの
で、板材の送りに支障を及ぼすことなく、板材を
その突き合わせ面にほぼ平行な面内で振動させる
ことができ、連続突き合わせ超音波溶接ができる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による連続突き合わせ超音波
溶接装置の一実施例を示す縦断正面図、第２図
は、その超音波溶接装置の概略平面図である。 １，２……板材、１ａ，２ａ……突き合わせ
面、１ｂ，２ｂ……端縁部、３，４……振動ロー
ラ、５，６……送りローラ（突き合わせ装置、送
り装置）、８……超音波振動発生装置、８ａ……
振動子、８ｂ……振動方向変換体、１１……ハウ
ジング、１３……回転駆動装置、１７，１８……
クランプローラ、２３……超音波振動発生装置、
２３ａ……振動子、２３ｂ……振動方向変換体、
２７……回転駆動装置、３１，３２……クランプ
ローラ、３６，３７，３８，３９……クランプロ
ーラ、４０，４１……エアシリンダ（突き合わせ
装置）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２枚の板材１，２を、その板材１，２に平行
   な方向の押圧力を加えて突き合わせ面１ａ，２ａ
   で互いに突き合わせながら、その突き合わせ面１
   ａ，２ａの長手方向にほぼ平行な方向に送り、 その送り方向の一定位置において、少なくとも
   一方の板材１の前記突き合わせ面１ａの近傍に、
   その突き合わせ面１ａとほぼ平行な方向の振動を
   加えることにより、その突き合わせ面１ａ側の端
   縁部１ｂのみを、その突き合わせ面１ａにほぼ平
   行な面内で、他方の板材２に対して局部的に振動
   させるようにした、 連続突き合わせ超音波溶接方法。 ２ 前記一方の板材１の突き合わせ面１ａ側の端
   縁部１ｂを、その板材１にほぼ垂直な方向に振動
   させるとともに、 他方の板材２の突き合わせ面２ａ側の端縁部２
   ｂを、その送り方向にほぼ平行な方向に振動させ
   るようにした、 特許請求の範囲第１項記載の超音波溶接方法。 ３ 互いに突き合わせ溶接される２枚の板材１，
   ２を、所要の静圧力をもつて互いに突き合わせる
   突き合わせ装置５，６と、 前記各板材１，２を、その突き合わせ面１ａ，
   ２ａの長手方向にほぼ平行な方向に送る送り装置
   ５，６と、 前記各板材１，２を、その突き合わせ面１ａ，
   ２ａの近傍において、その両面からそれぞれ所要
   の静圧力をもつて、かつ送り自在に挟み付ける２
   組のローラ３，５；４，６と、 そのローラ３〜６のうちの少なくとも１個のロ
   ーラ３を、そのローラ３の回転面で振動させる超
   音波振動発生装置８と、 その振動ローラ３の近傍において前記板材１を
   クランプする複数個のクランプローラ１７，１８
   と、 を備えてなる、連続突き合わせ超音波溶接装置。 ４ 前記振動ローラ３が、前記超音波振動発生装
   置８により径方向に振動するようにされている、 特許請求の範囲第３項記載の超音波溶接装置。 ５ 前記超音波振動発生装置８が、 前記振動ローラ３の回転軸線に対して放射状に
   取り付けられた複数個の振動子８ａと、 その振動子８ａによる放射方向の振動を前記振
   動ローラ３の回転軸線方向の縦振動に変換する振
   動方向変換体８ｂとにより構成されている、 特許請求の範囲第４項記載の超音波溶接装置。 ６ 前記振動ローラ４が、捩り振動をするように
   されている、 特許請求の範囲第３項記載の超音波溶接装置。 ７ 前記振動ローラ３が、径方向振動と捩り振動
   とが結合した複合振動をするようにされている、 特許請求の範囲第３項記載の超音波溶接装置。 ８ 前記各板材１，２をそれぞれ挟み付けるロー
   ラ３，５；４，６のうちの各一方のローラ３，４
   が振動ローラとされ、 その一方の振動ローラ３が、径方向に振動する
   ようにされているとともに、 他方の振動ローラ４が、捩り振動するようにさ
   れている、 特許請求の範囲第３項記載の超音波溶接装置。 ９ 前記各板材１，２をそれぞれ挟み付けるロー
   ラ３，５；４，６のうちの各一方のローラ３，４
   が振動ローラとされ、 それらの振動ローラ３，４が、それぞれ異なる
   複合振動あるいは互いに直交する複合振動をする
   ようにされている、 特許請求の範囲第３項記載の超音波溶接装置。 １０ 前記各板材１，２をそれぞれ挟み付けるロ
   ーラ３，５；４，６のうちの各一方のローラ３，
   ４が振動ローラとされ、 それらの振動ローラ３，４が、互いに振動周波
   数の異なる振動をするようにされている、 特許請求の範囲第３項記載の超音波溶接装置。 １１ 前記板材１，２の少なくとも一方を挟み付
   けるローラ３，５が、ともに振動ローラとされ、 それらの振動ローラ３，５が、互いに振動方向
   の異なる振動をするようにされている、 特許請求の範囲第３項記載の超音波溶接装置。 １２ 前記板材１，２の少なくとも一方を挟み付
   けるローラ３，５が、ともに振動ローラとされ、 それらの振動ローラ３，５間の振動位相差が制
   御可能とされている、 特許請求の範囲第３項記載の超音波溶接装置。 １３ 前記ローラ５，６が回転駆動装置１３，２
   ７によつて回転され、 そのローラ５，６によつて前記板材１，２の送
   り装置が構成されている、 特許請求の範囲第３項記載の超音波溶接装置。 １４ 前記ローラ５，６が、前記送り方向に対し
   て傾斜して配置され、 そのローラ５，６によつて前記板材１，２の突
   き合わせ装置が構成されている、 特許請求の範囲第３項記載の超音波溶接装置。