JP2000516873A - 熱可塑性加工片の超音波溶接中に於ける振幅及び力の同時プロフィール制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 処理時間中に共振ホーン（２０）の振動振幅及び係合力、従って加工片（２４）に対するパワー及び係合圧力が変化され、これにより溶接強度が改善されると共に溶接サイクル時間が低減される超音波処理方法。振動振幅及び係合力を変化させることは、加工片の寸法の変化、変換器のパワー曲線の急激な上昇の如きプロセス条件又は所定の時間の経過に応答して行われる。

Description

【発明の詳細な説明】 熱可塑性加工片の超音波溶接中に於ける 振幅及び力の同時プロフィール制御技術分野 本発明は、超音波エネルギにより加工片を処理する方法に係り、更に詳細には 超音波周波数範囲内の振動エネルギを使用して熱可塑性加工片を処理することに より、熱可塑性フィルムや織物材料及び実質的に剛固な加工片を接合し、シール し、溶接する方法に係る。特に本発明は、加工片に接触した状態の超音波変換器 のホーンの振動振幅及び係合力が溶接サイクル中に特定のプロフィールに従って 変化され、これにより溶接サイクル中にホーンより加工片へ伝達されるパワー及 び係合力が変化される方法に係る。発明の背景 超音波溶接は熱可塑性サブ組立体を接合するための最も一般的な方法の一つで ある。超音波溶接の主要な利点は溶接サイクル時間が短く、また投資コストが高 くないということである。典型的なマニュアルサイクルの製造時間は３乃至５秒 よりも短く、従って製造速度は１時間当り約５００ユニットの速度になる。超音 波エネルギにより熱可塑性加工片を溶接したりフィルム材料や織物材料をプラン ジシールする従来の方法はよく知られている。これらの方法は接合されるべき部 材に対し比較的高い応力を与えて接合線にヒステリシス加熱を誘発することによ って機能する。加工片は溶接サイクル中アンビル上に支持される。長手方向 に伝播する所定の周波数の高周波振動に対し好ましくは２分の１波長又は多数の 波長の共振器として共振状態になる寸法に設定されたホーンが、溶接サイクル中 加工片に押し付けられた状態にもたらされ、かくしてホーンが共振状態にもたら されると、超音波エネルギが加工片に伝達され、これにより熱可塑性材料の軟化 や流動化が惹起される。 一般に、加工片に伝達される超音波エネルギ、即ちパワーは三つの因子、即ち 電気音響変換器の周波数、ホーンにより加工片に与えられる係合力、換言すれば クランプ力、ホーンが超音波エネルギを加工片へ伝達する際のホーンの振動振幅 に依存することが知られている。一般に超音波溶接装置に於いては、電気音響変 換器の周波数は好ましくは２０〜４０KHzの範囲内の比較的一定の値である。ホ ーンの振動振幅、即ち加工片に接触したホーンの前面のピーク間の機械的変位（ μｍの単位にて測定され、本明細書に於いてはμｍ_ppにて表記される）を溶接サ イクル仝体に亘り一定に維持することが従来より一般に行なわれている。 剛固な熱可塑性部材の溶接に於いては、ホーンより溶接面へ伝達される超音波 エネルギは上側部材を経て伝播し、本願出願人に譲渡された米国特許第４，６１ ８，５１６号公報に記載されている如き「エネルギディレクタ」により溶接面に 集中せしめられる。エネルギディレクタは超音波エネルギにより誘発される振動 の力及び応力を受けると局部的に変形する一体的に形成された応力集中手段であ る。 エネルギディレクタの局部的変形は熱可塑性材料のヒステリシス損による加熱及 び溶融を開始する。エネルギディレクタの平均加熱速度（Ｑavg）は下記の一般 式により支配される。 Ｑavg＝ωε₀ ²Ｅ”／２ ここにε₀は歪み（振幅に比例する）であり、ωは周波数であり、Ｅ”はコン プレックス損失弾性係数である。 エネルギディレクタは溶融すると、接合されるべき面を横切って流動し、溶接 ビードを形成する。流動の速度は多数の変量により決定されるが、主として融液 の温度及び部材に与えられる係合力による影響を受ける。超音波エネルギの供給 が停止されると、融液は継続的に与えられている係合力を受けた状態にて凝固す ることにより融接部を形成し、これにより加工片の間に溶接部を形成する。上述 の平均加熱速度の式に於いては、加熱は与えられる歪みの２乗に比例し、歪みは ホーンの表面の振動振幅に比例する。従って振動振幅を変化させることにより接 合線の加熱を制御することができる。振動振幅が高い値である場合には、接合線 の平均加熱速度も高い値になり、これにより温度が高い値に上昇せしめられ、高 い流動速度を有する融液が形成される。流動速度が高いと分子の整合度合が高く なるが、この整合方向は加工片に作用する望ましい荷重応力に対し垂直な方向で あり、溶接部内の任意の不連続部にて開始する破断が生じることがある。また流 動速度が高い場合には 激しくフラッシュが発生し、このことは外観上望ましくない。他の極端な場合に は振動振幅が十分には高くない状況に於いて不均一な溶融開始が発生したり不十 分な加熱に起因して融液が早期に凝固したりする。 同様に、形成される溶接部の強度は実質的に係合力に反比例する。係合力が高 ければ高いほど、溶融した材料が高い圧力を受けた状態にて強制的に流動化せし められ凝固せしめられることによって溶融部内の分子の整合度合が高くなる。そ の結果前述の如く凝固時に破損し易い弱い溶接部が形成される。更に係合力のレ ベルは溶接サイクルを完了させるに必要な時間に影響する。係合力が高ければ高 いほど、溶融した材料が早く流動し、薄い層になり、凝固速度が速くなる。逆に 係合力が低いと、融液は厚い層を形成し、流速が低下する。従って溶接サイクル 時間は係合力に比例する。 超音波溶接の従来の方法によっては溶接サイクル中に振動振幅及び係合力の両 者を同時に制御し変化させることができない。ホーンの振動振幅、即ち加工片に 接触した状態にあるホーンの前面のピーク間の機械的変位量を超音波パワーが加 工片へ伝達される全ての時間に亘り溶融した材料中に望ましい流速を達成するに 十分な速度にて一定に維持することが従来より行なわれている。同様に大抵の溶 接装置は溶接サイクル中ホーンの前面と加工片との間の係合力を実質的に一定に 維持する標準的な圧力制御装置により空 気圧式に駆動される。しかし超音波による熱可塑性材料の溶接サイクル中には、 加工片は幾つかの互いに異なる相に変化し、各相は互いに異なる振動振幅及び係 合力に対応し、溶接サイクル時間を低減すると共に強度、組織、外観の点で溶接 の品質を向上させる。従って本発明は例えばホーンより加工片へ伝達されるパワ ーの変化、プロセスに関連する加工片の寸法変化、プロセスに関連するタイミン グ信号、プロセスに関連する他のパラメータに応答する制御信号に応答して溶接 サイクル中ホーンの振動振幅及び係合力の両者が変化される方法を開示する。 後に詳細に説明する本発明は、１９９５年７月２５日付にて発行された米国特 許第５，４３４，８６３号公報に記載された超音波溶接中に振動振幅を変化させ る方法を発展させることにより可能とされたものである。上記公報に記載された 方法は、溶接サイクル中にホーンの振動振幅を低減し、これにより加工片へ供給 されるパワーを変化させて高強度の溶接部を形成するプロセスである。発明の開示 従って本発明の目的は、超音波エネルギにより熱可塑性加工片を溶接する方法 であって、ホーンの振動振幅及び係合力が溶接サイクル中に変化される新規にし て改善された方法を提供することである。 本発明の他の一つの目的は、上述の特徴を有する超音波溶接法であって、溶接 サイクル中に加工片に与えられる振 動振幅及び係合力を所定のプロフィールに従って又はプロセスに関連する制御信 号に応答して変化させる工程を含む超音波溶接法を提供することである。 本発明の更に他の一つの目的は、上述の特徴を有する超音波溶接法であって、 形成されるべき溶接線の領域に於いて加工片の予熱及び溶融を促進すべく、ホー ンの振動振幅及び係合力が溶接サイクルの初期部分に於いて増大され、次いで溶 接サイクルの初期部分の経過後に溶接部の形成が完了するようホーンの振動振幅 及び係合力が徐々に低下される超音波溶接法を提供することである。 本発明の更に他の一つの目的は、上述の特徴を有する超音波溶接法であって、 接合線の温度及び溶接部内の融液のスクイーズ流れの完全な制御がホーンの振動 振幅及び係合力を同時に変化させることによって行われる超音波溶接法を提供す ることである。 本発明の更に他の一つの目的は、上述の特徴を有する超音波溶接法であって、 形成される溶接部の強度を向上させる超音波溶接法を提供することである。 本発明の更に他の一つの目的は、上述の特徴を有する超音波溶接法であって、 溶接部内に残存する残留応力を低減する超音波溶接法を提供することである。 本発明の更に他の一つの目的は、上述の特徴を有する超音波溶接法であって、 形成される溶接部の耐溶剤性を向上させる超音波溶接法を提供することである。 本発明の更に他の一つの目的は、上述の特徴を有する超音波溶接法であって、 必要な溶接サイクル時間を低減する超音波溶接法を提供することである。 本発明の更に他の一つの目的は、上述の特徴を有する超音波溶接法であって、 形成される溶接部内の重合体連鎖の分子整合方向の無作為性を増大させて溶接強 度を向上させる超音波溶接法を提供することである。 本発明の更に他の一つの目的は、上述の特徴を有する超音波溶接法であって、 溶接される熱可塑性材料の分子量を維持する超音波溶接法を提供することである 。 本発明の更に他の一つの目的は、上述の特徴を有する超音波溶接法であって、 形成される溶接部の外観を改善する超音波溶接法を提供することである。 本発明の更に他の一つの目的は、上述の特徴を有する超音波溶接法であって、 セットアップが容易であり且つロバスト性の高い溶接プロセスを与える超音波溶 接法を提供することである。 端的に言えば、本発明の振動振幅及び係合力のプロフィール制御法は、主とし て熱可塑性加工片の超音波溶接を改善するために使用される。本発明の改善され た超音波溶接法は、溶接サイクルの各段階に於いて理想的な条件に対応するよう 振動振幅及び与えられる係合力を同時に変化させることにより達成され、これに より溶接強度が向上され、溶接特性が改善され、溶接サイクル時間が低減される 。溶 接強度の向上は分子の整合度合が低減されることによって達成され、溶接サイク ル時間の低減は溶接サイクルの初期部分に於いて高い係合力を使用することによ って達成される。従って溶接プロセスを迅速に開始させるべく比較的高い振動振 幅及び係合力が熱可塑性加工片に与えられ、また分子が殆ど整合することなく溶 接が完了するよう比較的低い振動振幅及び係合力が使用される。その結果溶接サ イクル時間が低減され、溶接強度が向上し、付随的に溶接部の外観及び溶接の信 頼性が改善される。 本発明の上述及び他の目的、特徴、利点及び現在のところ好ましい方法は、添 付の図面を参照して以下の説明を読むことにより明らかとなる。図面の簡単な説明 図１は一つの典型的な切断及びシール工程に於けるパワーと時間との関係を示 すグラフである。 図２はパワーが所定のレベルに到達した時にホーンの振動振幅を低減する場合 に於ける図１と同様のグラフである。 図３は二つの互いに重ね合わされた熱可塑性材料を含むフィルタを製造する場 合に於ける図１と同様のグラフである。 図４はフィルタを製造する時間中にパワーレベルが低減される場合のパワーと 時間との関係を示すグラフである。 図５は従来の溶接法及び本発明の溶接法により得られる溶接部の分子配向を比 較して示すグラフである。 図６は振動振幅が制御される溶接サイクル中に於ける超音波溶接装置の振動振 幅、変位、パワー、周波数を示すグラフである。 図７は剛固な熱可塑性加工片に与えられる超音波溶接工程の説明図である。 図８は種々の熱可塑性物質について与えられる溶接加圧力の関数として溶接強 度を示すグラフである。 図９は種々の熱可塑性物質について与えられる溶接加圧力の関数として溶接サ イクル時間を示すグラフである。 図１０は従来の溶接法及び力プロフィール制御を採用した溶接法により得られ た溶接部を比較して示す写真である。 図１１は従来の溶接法及び力プロフィール制御を採用した溶接法により種々の 熱可塑性加工片に形成された溶接部の強度を比較して示すグラフである。 図１２は本発明の溶接法を実行する超音波溶接装置の振動振幅、与えられた溶 接加圧力、溶接段階を示すグラフである。 図１３は後述の試験結果に使用された規格の溶接試験標本の斜視図である。 図１４は従来の超音波溶接法及び本発明の溶接法により種々の熱可塑性加工片 に形成された溶接部の強度を比較して示すグラフである。発明を実施するための最良の形態 以下の説明は例示のためのものであり、本発明を限定す るものではない。また以下の説明は、現在のところ発明を実施するための最良の 形態と考えられるものを含む本発明の幾つかの適用例、修正例、置換例、使用例 を説明するものである。 添付の図面、特に図１には、一つの典型的なプランジ型の超音波式シール及び 切断工程に於いて超音波溶接装置のホーンより加工片に与えられるパワーを示す グラフが図示されており、上記シール及び切断工程に於いては互いに重ね合わさ れた二つの熱可塑性フィルム又は織物材料が金属製のアンビル上に配置され、ホ ーンが加工片の露呈面に押し付けられてこれに接触した状態にもたらされ、二つ の層が同時に切断され、それらが周囲の材料より分離され、二つの層が切断縁に 沿って溶接される。一つの典型的な例は円形のフィルタパッドの製造である。ホ ーンは所定の係合力にて加工片に接触すると、共振状態にもたらされ、超音波エ ネルギが加工片に伝達され、これにより曲線１により示されている如く、溶接時 間（溶接サイクル時間又は切断及びシールサイクル時間としても知られている） が開始する。溶接時間中のある時間が経過すると、ホーンが加工片を切り込んで 金属製のアンビルと直接金属間接触する。溶接サイクル時間のこの時点に至る前 に、図１に於いて点２にて示されている如く、溶融部の音響インピーダンスが低 いことによりパワーの伝達が急激に上昇する。実質的に予め設定された（所定の ）時間である溶接サイクル時間の終 了時までパワーは急激に上昇する。尚溶接サイクル時間の終了時点は後述の如く 溶接に関連するパラメータに基づき決定されてよい。 製造に於いては、アンビルと直接金属間接触した状態にて行われるホーンの高 周波の繰り返し衝撃（数千ｇ（重力加速度）の力にて行われ、或る程度ホーンの 摩擦運動を伴う）により、アンビル及びホーンの衝撃面が比較的早期に摩耗する 。このことによりホーン及びアンビルの表面を早期に再生したり交換したりする ことが必要になることが多い。典型的な場合には、ホーンの正面に溝が形成され た状態になり、アンビルのナイフ状の切断面が鋭敏でなくなり、そのため超音波 溶接装置がその所期の溶接機能を行う能力が悪影響を受ける。 図２は溶接サイクル中ホーンの振動振幅を変化させる改善された構成を示して いる。原点より開始して溶融部の形成に対応する点４までの符号３にて示された パワー−時間曲線の部分により示されている如く、パワーの伝達の上昇に応答し て制御信号が発生され、制御信号は切断及びシールサイクルの残りの部分に於け る振動振幅を低減する。かくして切断及びシールサイクルの残りの部分に於いて 与えられるパワーが低減される。パワーの低減により、ホーンの正面及びアンビ ルの隆起した切断面に生じる機械的摩耗が劇的に低減される。 図３はフィルタを製造すべく不織熱可塑性材料の互いに 重ね合わされた二つの層を溶接する際に於けるパワーと時間との関係を示すグラ フである。この曲線の原点より点６Ａまでの部分５は図１に示された曲線の原点 より点２までの部分と同様である。フィルタ材料が溶融すると、良好な接合状態 が達成される符号６Ａにて示されている如き時点と過剰の溶接状態が生じる符号 ６Ｂにて示されている如き時点との間に溶接サイクル中の短い時間（この短い時 間は時間ウインドウと呼ばれる）が生じる。従来の溶接装置及び方法に於けるパ ワー曲線５は良好な製品を形成するための非常に短い時間ウインドウ（点６Ａと 点６Ｂとの間）しか与えない。本発明の方法は所定の溶接サイクル中に於ける時 間ウインドウ（その間に良好な接合状態が達成される）を非常に長くする。更に 本発明の方法によれば、広範囲の溶接パラメータが許容され、実際の製造条件下 に於いて再現性の高い良好な接合状態の溶接部が形成される。 図４は通常の場合には材料が溶融状態に到達することに起因してパワーが急激 に上昇する時点に於いて符号７Ａにて示されている如くホーンの振動振幅を低下 させることにより、良好な製品を製造するために使用可能な時間ウインドウ（点 ７Ａと点７Ｂとの間の時間の変化により示されている）が大きく増大される条件 を示している。材料がその溶融状態に到達すると、パワーを増大させる必要がな い。溶接サイクルを完了させるためには比較的低いパワーレベルで十分である。 更に良好な溶接部が形成される長い時間 ウインドウを設定することにより、溶接パワー、材料の厚さ、他の変量やホーン の特性及び他の変量を含む多数の溶接パラメータが広く許容される。 溶接サイクル中に変換器のホーン２０の振動振幅を変化させてプロフィール制 御することにより、残留応力のレベルが低減されると共に熱可塑性材料の分子連 鎖の整合度合が変化されることによって形成される溶接部の強度が向上される。 図５には、従来の超音波溶接法及び振動振幅のプロフィール制御が行なわれる超 音波溶接法により溶接された熱可塑性材料（ポリカーボネート）内の重合体連鎖 についての分子配向のグラフが図示されている。Ｙ軸は配向関数を示している。 １．０の値は全ての重合体連鎖が溶接の方向（溶接された表面に平行な方向）に 完全に整合されていることを示している。また−０．５の値は全ての重合体の連 鎖が溶接方向に対し垂直であることを示している。Ｘ軸に示された溶接ラインの 距離は溶接の中心線より測定が行なわれた位置までの距離を示している。図５よ り解る如く、大抵の連鎖は配向関数＝０により示される無作為な方向にある。し かし振動振幅のプロフィール制御が行なわれずに形成された溶接部に於いては、 重合体の連鎖はスクイーズ流れの方向に配向されており、そのため引張り荷重が 作用した場合に弱い構造となっている。溶接部に対し純粋の引張り応力ではなく 純粋の張力が作用すると、重合体連鎖の完全に垂直な方向の整合により荷重が主 として溶接部 により担持されるので、可能な最大の溶接強度が得られる。しかし大抵の荷重は 純粋の張力ではない。 図６には一般的な熱可塑性材料に対し適用される振動振幅プロフィール制御の 一つの方法のグラフが図示されている。まず超音波変換器のホーン２０が加工片 ２４の上側部材２２に対し所定の係合力にて当接した状態に配置され、最大の振 動振幅（１００％の振幅）を生じるよう超音波周波数にて共振状態にもたらされ る。加工片２４の下側部材２６はアンビル２８により支持される。上側部材２２ と下側部材２６との間の交点には小さい突起、即ちエネルギディレクタ３０が設 けられており、図示の実施形態に於いては上側部材２２に設けられている。エネ ルギディレクタ３０は変換器のホーン２０よりこの系に与えられる超音波エネル ギの入力に応答して溶融し崩壊する。エネルギディレクタ３０の大部分が溶融す ると、図６に於いて下方への変化により示されている如く、振動振幅が溶融工程 を完了させるに十分な低い振幅（３０％の振幅）まで低下される。従来の超音波 溶接法に於いては、振動振幅が低減されたり変化されたりせず、溶接サイクルが 完了するまで最大の振動振幅が与えられる。 エネルギディレクタ３０が溶融すると、その溶融した材料は上側部材２２と下 側部材２６との間の間隙及び例えば１９８６年１１月２１日付にて発行された米 国特許第４，６１８，５１６号公報に記載されている如く他方の部材に 随意に設けられるリセスを充填するよう流動する。溶融工程が完了すると、加工 片２４に対する超音波エネルギの供給が停止され、係合力が継続的に与えられる ことによる圧力を受けた状態で溶融した材料が凝固する。図５に示されている如 く、振動振幅のプロフィール制御により形成される重合体連鎖の分子配向は融液 の流動方向に対する整合度合が低く、これにより引張り応力に対する強度の高い 溶接部が形成される。同様に溶接部内の残留応力のレベルが３０％程度低減され 、これにより溶接部の強度が向上される。振動振幅が変更され、これに伴って加 熱速度が低下されることにより、分子量の低下を生じることなく視認可能なフラ ッシュの発生や溶接部内の空隙の発生が更に低減される。溶接部内の空隙は溶融 した材料中のキャビテーションにより発生し、空隙の存在は溶接部を脆弱化する 。 更に溶接部の強度は変換器のホーン２０により与えられる係合力に比例する。 図８は与えられる係合力の関数として種々の熱可塑性材料について超音波溶接強 度を示すグラフである。このグラフより、溶接強度は与えられる係合力に対し実 質的に反比例関係にあることが解る。このことは一部には高い係合力が溶融した 材料の流れを絞ることによって重合体連鎖の分子の好ましからざる整合を促進さ せることによる。 同様に、図９は種々の熱可塑性材料について溶接を完了するに必要な時間と係 合力との間の関係を示している。こ のグラフより解る如く、変換器のホーン２０により加工片２４に与えられる係合 力が高ければ高いほど、溶接サイクルが早く完了する。従って製造上の観点から は、係合力が高ければ高いほど製造速度が高くなるが、溶接された部材の品質及 び強度が低下する。 図１０に示された溶接部の顕微鏡写真は、溶接サイクル中の高い係合力が与え られる初期部分に於いてエネルギディレクタ３０より下側部材２６に振動が与え られることによる溶接領域の増大により溶接強度が増大されることを示している 。従って図１１（崩壊距離は０．４８ｍｍの一定値）に示されている如く、溶接 サイクル中に加工片に与えられる係合力の値を変化させる力プロフィール制御を 適用することにより、従来のフル振動振幅及びフル係合力の方法の場合に比して 溶接強度が向上されると共に溶接時間が低減される。 本発明によれば、超音波変換器のホーン２０の振動振幅及び係合力はＡＢＳ樹 脂について図１２に示されている如く溶接サイクル全体に亘り変化される。まず 超音波変換器のホーン２０が加工片２４に強制的に接触した状態にもたらされ、 急激に係合力が増大される。初期に増大する係合力を与えることにより迅速に初 期溶融が達成され、エネルギディレクタ３０が加工片２４の下側部材内に移動さ れ、溶接の表面積が増大される。 また図７に示されたエネルギディレクタ３０の如きエネ ルギディレクタが例えば溶接サイクルの初期部分に於いてエネルギディレクタ３ ０を徐々に加熱することによって溶接サイクル中に予熱されると、溶接サイクル の初期部分に於いてエネルギディレクタ３０が破損してスプラッタ粒子を形成す る傾向が低減される。このことによりきれいな溶接部が形成される。更にかくし て溶接サイクル中にエネルギディレクタを徐々に加熱することにより(即ち振動 振幅プロフィール制御を採用することにより)、上述の如きフラッシュの形成が 低減され、これにより不純物が集まり易い溶接部に沿う割れ目の発生が排除され る。このことによってもきれいな溶接部が形成される。 更に詳細には、本発明の方法によれば、溶接サイクルが開始されると、超音波 ホーンの振動振幅が溶接サイクルの初期部分（例えば最初の２５０ms）に於いて 比較的低いパワーレベル即ち比較的低い振動振幅より比較的高い振動振幅まで( 例えば全振動振幅の約５％より約８０％まで(より好ましくは約１０％より約４ ０％まで))徐々に増大され(即ち次第に上昇され)、これにより比較的低い超音波 エネルギが部材、特にエネルギディレクタ３０に与えられる。かかる振動振幅の 溶接サイクルプロフィールが図１２の最初の部分に図示されている。初期予熱期 間に於ける振動振幅の範囲及び予熱期間のための初期時間の上述の例は、本発明 によれば、加工片の大きさ、加工片を構成する樹脂、溶接線の長さ、超音波溶接 装置のパワー、その他の多数の 因子に応じて広く変化されてよい。 前述の如く、かくして溶接サイクル時間の初期部分に於いてエネルギディレク タに対し与えられるパワーを徐々に増大させることにより、エネルギディレクタ を押し込むのではなく軟化させ若しくは少なくとも部分的に溶融させることがで き、これにより溶接サイクル中に形成される粒子の量を大きく低減することがで きることが判っている。エネルギディレクタを徐々に加熱することにより、粒子 を約８１％まで低減することができ、これにより溶接部又は加工片により形成さ れる容器内に収容されるべき製品を汚す粒子が殆ど存在しない溶接部を形成する ことができることが試験（後に詳細に説明する）により判っている。 溶接されるべき部材がエネルギディレクタを有する結晶構造のもの(例えばナ イロン、ナイロン６６、アセタール、ポリプロピレン、ポリエチレン、熱可塑性 ポリエステルの如き熱可塑性樹脂)である用途に於いては、溶接部は溶融が発生 しない領域やエネルギディレクタが溶融するのではなく機械的に崩壊せしめられ る領域を有する。かかる現象の原因は十分には判っていないが、残留応力若しく は部材の振動モードに起因する不均一な加熱によるものと考えられる。従って不 均一な加熱は溶融部と非溶融部とが比較的急激に変化することにより複雑化され る。エネルギディレクタの一部が溶融し流動すると、その残りの部分はホーン及 び溶接装置より与えられるクランプ荷重を担持しなければ ならず、これらの部分は崩壊し変形して溶接部内に所謂「デットスポット」を形 成し、そのため一様な溶融を促進することが実質的に不可能になる。例えば１０ ０μｍ_ppの如き比較的高い振動振幅を採用することにより、溶融が非常に迅速に 発生し、エネルギディレクタは崩壊せず、デットスポットも発生しない。しかし 種々の理由から溶接サイクル中にかかる高い振動振幅を必ずしも常に採用し得る 訳ではないことが判っている。本発明の振動振幅及び係合力のプロフィール制御 法によれば、エネルギディレクタを適度な振幅（例えば５８μｍ_pp）にて予熱す ることにより、デットスポットを低減し得ることが判っている。エネルギディレ クタを予熱することにより、溶接内の材料を一層均一に加熱することが促進され るものと考えられる。 係合力及び予熱用振動振幅の初期的増大が完了すると、上側部材２２と下側部 材２６とエネルギディレクタ３０との間の界面を加熱し溶融し圧縮すべく、溶接 サイクルの第一の部分の間全振動振幅及び最大の係合力にて変換器のホーン２０ を経て加工片２４へ超音波エネルギが伝達される。熱可塑性材料の初期的軟化及 び流動化が発生した後に(エネルギディレクタが部分的に溶融したことを検出す ることにより判定され、或いは溶接サイクル時間の予め設定された部分が経過し たことにより判定される)、溶接サイクルを完了するに必要なホーン２０の振動 振幅（パワー）が第二の(低い)振動振幅に低減される。これと同時にホーン２０ により与えられる係合力が加工片の部材２２及び２６を溶融した熱可塑性材料の 流れに接触した状態に維持するに十分な低いレベルに低減される。最終的に保持 工程中に振動振幅が０まで低減され、ホーン２０を経て伝達される超音波エネル ギが停止され、係合力が溶融した熱可塑性材料を凝固させるに必要な時間の間更 に低減され、これにより溶接が完了する。かくして得られるプロセスは容易に且 つ再現性よく溶接部を形成することができるプロセスであって、広範囲のプロセ スパラメータを許容し、全溶接サイクル時間を低減し、従来の超音波溶接プロセ スよりも高強度の溶接部を形成するプロセスである。 振動振幅及び係合力を変化させる制御信号は、前述の如く加工片に与えられる パワーの値に応答するものであってよく、或いはプロセスの他のパラメータに応 答するものであってよい。例えば制御信号は溶接サイクル中の所定の時間が経過 したことに応答して発生されてよい。また制御信号は例えば機械的検出装置、光 学的検出装置、又は渦流検出装置（１９８６年１２月２３日付にて発行された米 国特許第４，６３１，６８５号参照）により検出される加工片組立体の機械的寸 法変化に応答して発生されてよい。従って一つの典型的な用途に於いては、ホー ンにより伝達されるパワー及びホーンにより与えられる係合力の変化は、エネル ギディレクタの例えば５０％の崩壊が検出された時点に於いて、或いは実験的に 求められた時間が経過した時点 に於いて行なわれてよい。後者の場合には、制御信号は溶接サイクル中の所定の 時間が経過したことに応答する。 当業者には明らかである如く、ホーン２０の振動振幅及び係合力の変化は急激 に、即ち段差的に行なわれる必要はない。変化のための動的制御信号は例えば溶 接サイクルの開始時に動作せしめられる関数発生器により発生されてよい。かく して連続的に変化する振動振幅及び係合力のプロフィールが達成される。後者の 構成は種々の熱可塑性材料の組成に適合するよう調節するのに特に有用である。 振動振幅及び係合力がプロフィール制御される場合に於ける実際の溶接サイク ル時間は、溶接されるべき二つの部材を構成する材料、溶接部の厚さ、幅、長さ 、他の多数のパラメータに応じて図９に示された時間とは大きく異なっていても よい。同様に、任意の組合せの加工片についての振動振幅及び係合力の最適のプ ロフィールは上述の種々の因子に依存する。 試験結果 超音波溶接装置を使用して形成される溶接部の強度に対する振動振幅及び溶接 加圧力の両方がプロフィール制御されることによる効果を判定するための試験が 行なわれた。この試験に於いては、アメリカ合衆国コネチカット州、ダンベリー 所在のBranson Ultrasonics Corporationより販売されている超音波溶接装置（M odel ９２０ＭＡ、電圧制御比例加圧力制御装置が設けられたBranson ９００シ リー ズＡＥＳアクチュエータ）が使用された。試験標本は３種類の熱可塑性材料、即 ちＡＢＳ(アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン)、ポリカーボネート(ＰＣ) 、ポリアミドよりなる図１３に示されている如きアメリカ溶接協会（ＡＷＳ）に より提案されている標本であった。振動振幅及び係合力はＩＢＭ製のパーソナル コンピュータに組込まれた特殊なＤ／Ａプラグインボードにより制御された。Ｄ ／Ａプラグインボードによれば、溶接サイクル中に振動振幅及び係合力を種々の レベルに変化させることが可能であり、溶接サイクルの各段階毎に適正な係合力 及び振動振幅を選択することができた。平均の力変化速度は９１８６N／ｓであ った。形成された溶接標本はTinius Olsen Tensile Tester ５０００（５０％の 範囲設定を有する２２２４１Ｎのロードセル）を使用して引張り試験され、クロ スヘッドの速度は０．００３mm／ｓであった。標本により担持された最大荷重が 記録された。大抵の標本は破断したが、幾つかの標本は破断前に降伏した。 振動振幅及び係合力を同時にプロフィール制御することの利点を判定すべく、 崩壊量、即ち変位量が０．４８mmになるサイクル時間にて標本が溶接された。こ の試験に於いては種々の一定の溶接力及び加圧力及び種々の振幅(５０〜１２５ μｍ_pp)、種々の溶接力及び保持力（２２０〜１３３４Ｎ）及び種々の振幅（５ ０〜１２５μｍ_pp）にて溶接され、プロフィール制御が行なわれることなく形成 された溶 接部との対比に於いて溶接強度及び溶接時間に対する係合力及び振動振幅のプロ フィール制御の効果が評価された。振動振幅のプロフィール制御が行なわれるこ とによって溶接された標本及びプロフィール制御が行なわれることなく溶接され た標本について、溶剤試験を使用して接合線に於ける残留応力が測定された。そ れらの結果は以下の通りである。 同様に、振動振幅のプロフィール制御が行なわれることにより溶接されたポリ カーボネート標本及びプロフィール制御が行なわれることなく溶接されたポリカ ーボネート標本について、溶接された材料の分子量が減少したか否かを判定する 試験が行なわれた。 各標本の分子量が僅かに増大しており、重合化、即ち架橋が生じたものと思わ れるが、これは使用された測定法(±１０００g／moleの精度を有する)に起因す るものと考えられる。更にポリカーボネートの化学組成は溶接サイクル中に架橋 が生じたことを示唆してない。 図１４はポリカーボネート標本及びＡＢＳ樹脂標本について振動振幅及び係合 力を同時にプロフィール制御する比較試,験（崩壊距離は０．４８mmの一定値） の結果を示している。本発明に従って振動振幅及び係合力の両者をプロフィール 制御することの利点はプロフィール制御されることなく形成された溶接部との比 較より明らかであり、溶接強度が向上すると共に溶接時間が減少している。溶接 強度の向上は分子の整合度合が低減されることによるものであり、溶接時間の低 減は初期的に高い溶接加圧力が使用されることによるものである。かくして溶接 を迅速に開始させるために比較的高い振動振幅及び溶接加圧力が使用され、分子 の整合度合が低減された状態にて溶接を完了するよう比較的低い振動振幅及び溶 接加圧力が採用される。 以上の説明より、本発明の幾つかの目的が達成され、他の有利な結果が得られ ることが理解されよう。本発明の範囲内にて上述の構成に種々の変更が加えられ てよいので、以上の説明及び添付の図面に含まれる全ての事項は例示のためのも のであり、本発明を限定するものではない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．共通の界面に沿って互いに接合されるべき二つ又はそれ以上の熱可塑性部材 の間の溶接部の強度を改善し溶接サイクル時間を低減する方法であって、溶接サ イクル時間中に超音波周波数にて共振状態にもたらされるホーンが前記共通の界 面に沿って互いに接触する前記部材に対し係合力及び超音波エネルギを付与する 方法にして、前記ホーンを前記溶接サイクル時間の第一の部分の間第一の振動振 幅にて共振状態にもたらす工程と、前記溶接サイクル時間の前記第一の部分の間 前記係合力を第一のレベルにて付与する工程と、前記溶接サイクル時間のうちの 所定の時間が経過した後に前記係合力を低下させると共に前記溶接サイクル時間 のうちの残りの時間の間前記ホーンを第二の振動振幅にて共振状態にもたらす工 程とを含み、これにより前記溶接部の強度を向上させ前記溶接サイクル時間を低 減することを特徴とする方法。 ２．前記第二の振動振幅は前記第一の振動振幅よりも小さいことを特徴とする請 求項１に記載の方法。 ３．実質的に剛固な二つの熱可塑性部材を互いに溶接するための超音波エネルギ による処理方法であって、前記部材は互いに積層され、前記二つの部材のうちの 上側の部材には所定の時間の間前記積層された部材に対し超音波エネルギを伝達 するよう構成されたホーンが係合し、前記積層された部材は適当なアンビル上に 支持され、各部材は他方の 部材に対し接合されるべき表面を有し、一方の部材の前記表面はエネルギディレ クタを有する方法にして、前記エネルギディレクタ及び前記部材の前記表面を第 一の加熱速度にて加熱すべく、前記所定の時間のうちの第一の部分の間第一の振 動振幅にて前記ホーンを付勢する工程と、前記エネルギディレクタを圧縮し前記 ホーンと前記積層された部材との間の接触状態を維持するに十分な第一の係合力 にて前記ホーンを前記積層された部材に係合させる工程と、前記エネルギディレ クタの溶融及び崩壊に応答して信号を発生すると共に、前記係合力を受けた状態 にて前記表面を互いに溶接するに十分な温度に前記第一の加熱速度よりも低い第 二の加熱速度にて前記二つの部材の前記表面を継続して加熱すべく、前記信号に 応答して前記振動振幅を低下させると共に前記所定の時間のうちの残りの時間の 間前記ホーンに対し第二の係合力を与える工程とを含んでいることを特徴とする 方法。 ４．前記振動振幅を低下させる前記工程は溶接後の前記部材の前記表面の間の視 認可能なフラッシュを低減することを特徴とする請求項４に記載の方法。 ５．前記振動振幅を低下させる前記工程は前記部材の前記表面の間の前記溶接部 内の小孔を低減することを特徴とする請求項３に記載の方法。 ６．前記振動振幅を低下させる前記工程は溶接後の前記部材の前記表面の間の前 記熱可塑性材料の重合体連鎖の配向 の無作為性を増大させ、これにより前記溶接部の引張り強度を向上させることを 特徴とする請求項３に記載の方法。 ７．前記振動振幅を低下させる前記工程は前記溶接部内の残留応力を低減するこ とを特徴とする請求項３に記載の方法。 ８．前記第二の係合力は前記第一の係合力よりも低いことを特徴とする請求項３ に記載の方法。 ９．前記第一の係合力は溶接サイクル時間を低減することを特徴とする請求項８ に記載の方法。 １０．前記第二の係合力を与える前記工程は前記溶接部内の溶融された材料の流 速を変化させることを特徴とする請求項８に記載の方法。 １１．前記第二の係合力を与える前記工程は溶接後の前記部材の前記表面の間の 前記熱可塑性材料の重合体連鎖の配向の無作為性を増大させ、これにより前記溶 接部の引張り強度を向上させることを特徴とする請求項８に記載の方法。 １２．共通の界面に沿って溶接サイクル中に二つの熱可塑性加工片を互いに超音 波エネルギによって溶接する方法にして、所定の超音波周波数にて共振状態にな るよう構成されたホーンを用意する工程と、初期係合力にて前記ホーンを前記加 工片と係合させる工程と、前記界面に対し超音波振動を伝達し、超音波エネルギ の消散によって前記界面に於て熱可塑性材料の軟化及び流動化を惹き起すよう、 前記ホーンを前記所定の超音波周波数の振動振幅にて共振状態 にもたらす工程と、前記溶接サイクル全体に亘り所定の力プロフィールに従って 前記係合力を変化させる工程と、前記係合力の変化と同時に所定の振動振幅プロ フィールに従って前記ホーンの前記振動振幅を変化させる工程とを含んでいるこ とを特徴とする方法。 １３．前記所定の力プロフィールは溶接強度を向上させると共に前記溶接サイク ル時間を低減するよう選定されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。 １４．前記所定の振動振幅プロフィールは前記界面に於ける加熱を最適化するよ う選定されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。 １５．前記所定の振動振幅プロフィールは前記溶接部内の重合体連鎖の整合を無 作為にして溶接強度を向上させると共に残留応力を低減するよう選定されること を特徴とする請求項１２に記載の方法。 １６．高周波振動超音波装置を使用して加工サイクル中熱可塑性加工片を加工す る方法であって、前記超音波装置は共振する寸法に設定され且つ加工されるべき 加工片に対し押し付けられるホーンに高周波振動を伝達する電気音響変換器を含 む方法にして、前記ホーン及び前記加工片を強制的に接触した状態にもたらす工 程と、前記ホーンが所定の振動振幅にて共振状態になるよう前記電気音響変換器 を作動させる工程と、前記加工サイクル全体に亘り所定の力プロフィールに従っ て前記ホーンと前記加工片との間の強制 的触状態を変化させる工程と、前記加工サイクル全体に亘り所定の振動振幅プロ フィールに従って前記ホーンの振動振幅を変化させる工程とを含んでいることを 特徴とする方法。 １７．高周波振動超音波装置を使用して溶接サイクル中二つの熱可塑性加工片を 互いに溶接する方法であって、前記超音波装置は共振する寸法に設定され且つ溶 接されるべき少なくとも一方の加工片に対し押し付けられるホーンに高周波振動 を伝達する電気音響変換器を含む方法にして、前記加工片が少なくとも形成され るべき溶接線を形成する領域に沿って互いに係合するよう前記ホーン及び前記加 工片を強制的に接触した状態にもたらす工程と、前記ホーンが所定の振動振幅に て共振状態になるよう前記電気音響変換器を作動させる工程と、前記溶接サイク ル全体に亘り所定の力プロフィールに従って前記ホーンと前記一方の加工片との 間の強制的触状態を変化させる工程と、前記溶接サイクル中所定の振動振幅プロ フィールに従って前記ホーンの振動振幅を変化させる工程とを含んでいることを 特徴とする方法。 １８．前記ホーンの前記強制的接触状態を変化させる前記工程は、実質的に前記 溶接線の範囲内にて前記加工片の少なくとも一部の加熱及び溶融を促進すべく、 接触力の第一の範囲内にて前記溶接サイクルの第一の部分の間前記電気音響変換 器を前記加工片と接触させ、次いで前記加工片を 互いに溶接するに十分な前記溶接線の全体領域に於て前記電気音響変換器を前記 加工片と接触した状態に維持すべく、接触力の他の一つの範囲内にて前記電気音 響変換器を前記加工片と接触させる工程を含んでいることを特徴とする請求項１ ７に記載の方法。 １９.前記ホーンの前記振動振幅を変化させる前記工程は、実質的に前記溶接線 の範囲内にて前記加工片の少なくとも一部を予熱すべく、パワーレベルの第一の 範囲内にて前記溶接サイクルの第一の部分の間前記電気音響変換器を作動させ、 次いで前記加工片を互いに溶接するに十分な温度まで前記溶接線の全体領域に於 て前記二つの加工片を加熱すべく、パワーレベルの他の一つの範囲内に於て前記 溶接サイクルの残りの部分の間前記電気音響変換器を作動させることを含んでい ることを特徴とする請求項１７に記載の方法。 ２０．前記溶接サイクルの前記第一の部分の間前記電気音響変換器を作動させる 前記工程は、前記加工片の前記少なくとも一部を予熱するよう全振動振幅の実質 的に５％より実質的に８０％まで前記電気音響変換器の振動振幅を徐々に増大さ せることを含んでいることを特徴とする請求項１９に記載の方法。 ２１．前記溶接サイクルの前記第一の部分の間前記電気音響変換器を作動させる 前記工程は、前記溶接線に沿って前記加工片を少なくとも部分的に溶融させるべ くパワーレベ ルの前記第一の範囲内にて前記パワーレベルを低いレベルより高いレベルへ徐々 に増大させることを含んでいることを特徴とする請求項１９に記載の方法。 ２２．前記電気音響変換器の振動振幅は全振動振幅の実質的に１０％より実質的 に４０％まで徐々に増大されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。