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Nov 28, 2023

超音波溶着について理解する

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画像をクリックすると拡大表示されます図1ウェッジリードシステムで振動を発生させる手段は横駆動システムとは異なりますが、結果は同じです。

超音波振動は、1950 年代から金属とプラスチックの溶接に使用されてきました。 超音波金属溶接の場合、プロセスのソリッドステートの性質やその他の利点により、電子、自動車、航空宇宙、家電、医療業界での幅広い用途につながっています。 超音波金属溶接のさまざまな機能とプロセス開発の最近の傾向により、多くの業界分野でこのプロセスの使用が拡大しています。

超音波溶接では、超音波振動により、圧力下で保持される 2 つの表面間に摩擦のような相対運動が生じます。 この動きにより、局所的な表面の凹凸が変形、せん断、平坦化され、界面の酸化物や汚染物質が分散され、金属間の接触と表面間の結合が生じます。1、2 このプロセスは固体状態であり、融解や融着を伴わずに発生します。卑金属の。

図1は、超音波金属溶接に使用される 2 つの主なタイプのシステムを示し、溶接ゾーンの局所的な動作の詳細も示しています。 横方向駆動システムは、超音波トランスデューサー、ブースター、ホーン/ソノトロードで構成されます。 電源は圧電ベースのトランスデューサーに高周波電力を供給し、トランスデューサーの端で高周波の機械振動を生成します。 一般的な動作周波数は 20 kHz ですが、30 kHz 以上も可能です。 この振動は、振動を増幅するように設計されたブースターセクションを介して伝達され、次にホーン/ソノトロードに伝達され、振動がワークピースに伝達されます。

画像をクリックすると拡大表示されます図2aここに示されている横方向駆動溶接システムは、圧電ベースのトランスデューサーに高周波電力を供給し、トランスデューサーの端で高周波の機械振動を生成します。 写真提供：EWI

ワークピースは、通常は単純な重ね接合の 2 枚の薄い金属シートであり、静力によってソノトロードと剛性アンビルの間にしっかりとクランプされます。 上部のワークピースは、ソノトロード表面の刻み付きパターンによって、移動するソノトロードに対してグリップされます。 同様に、底部のワークピースは、アンビル上のローレットパターンによってアンビルに対してグリップされます。 ワークピースの表面に平行なソノトロードの超音波振動は、ワークピースの界面間に相対的な摩擦のような動きを引き起こし、前述の凹凸の変形、せん断、平坦化を引き起こします。

溶接システムのコンポーネントは、超音波振動を減衰させないように重要な位置で溶接アセンブリをグリップするエンクロージャ ケースに収容されており、アセンブリに力を加えて移動させてソノトロードをワークピースに接触させ、溶接アセンブリを移動させる手段を提供します。静的な力を加えます。 横駆動溶接機の例を以下に示します。図2A。

2 番目のタイプの超音波金属溶接システムは、ウェッジリードとして知られています。 このシステムの重要な要素は、ブースターを駆動する圧電ベースのトランスデューサーです。ブースターは、その独特の形状からウェッジと呼ばれます (ただし、それ以外の点では、前述のブースターと同じ役割を果たします)。 次に、ウェッジは垂直ロッド (リード) を駆動して曲げ振動を引き起こします。 リードの端の振動は、リード上のソノトロードを介してワークピースに伝達されます（参照図2B）。

ワークピースの配置は横方向駆動システムに似ており、静力によってソノトロードとアンビルの間にクランプされます。 ウェッジリードシステムのアンビルは (横方向ドライブの場合と同様) 硬くありませんが、超音波振動の作用下でわずかに曲がるように設計されています。 ウェッジリードで振動が発生する方法は横方向の駆動とは異なりますが、結果は同じです。ソノトロードの振動運動はワークピースの表面に平行であり、ワークピースに相対的な摩擦のような動きを引き起こします。 ' インターフェース。

これは、溶接ゾーンをより詳細に観察すると明らかになります (図1）、この 2 つのシステムは、材料を溶融することなくワークピース間に固相結合が発生する塑性変形した材料の薄い領域の溶接結合ゾーンで同じ効果を生み出すことを示しています。

超音波溶接システムは、部品の狭い領域 (通常は 40 mm2 程度) に接合を生成するため、スポット溶接装置に似ています。 超音波振動させた固体ディスクをワークピース上で連続的に回転させることによって、超音波シーム溶接を行うことも可能です。 他のタイプの超音波接合システムには、ねじり振動や超音波マイクロボンディングが含まれます。これらは、細いワイヤを回路やマイクロチップに接合するためにエレクトロニクス産業で広く使用されており、溶接部のサイズは 0.150 mm2 程度です。

画像をクリックすると拡大表示されます図3a写真提供：Sonobond Corp.

超音波周波数、振動振幅、静力、電力、エネルギー、時間、材料、部品の形状、工具など、多数のパラメータが溶接プロセスに影響を与える可能性があります。

超音波周波数。超音波溶接トランスデューサは、さまざまなシステムや用途に合わせて 15 ～ 300 kHz の特定の周波数で動作するように設計されています。 ほとんどの金属溶接システムは 20 ～ 40 kHz で動作し、20 kHz が最も一般的な周波数です。

振動の振幅。溶接チップの振動振幅は、溶接部に伝達されるエネルギーに直接関係します。 超音波振動の振幅は溶接部で 10、30、または 50 ミクロンと非常に小さく、100 ミクロン (約 0.004 インチ) を超えることはほとんどありません。 一部の溶接システムでは、振幅が従属変数です。 つまり、システムに適用される電力に関係します。 他のシステムでは、振幅は、フィードバック制御システムを通じて電源で設定および制御できる独立変数です。

静的力。溶接振動が始まると、溶接チップとアンビルを介してワークピースにかかる力により、対向する表面間に密着した接触が生じます。 力の大きさは、材料と厚さ、および生成される溶接のサイズによって異なり、数十から数千ニュートンになる場合があります。 たとえば、6000 シリーズ アルミニウムで 40 mm2 の溶接を行うには 1,500 N の力が必要ですが、厚さ 0.5 mm の軟銅シートでの 10 mm2 の溶接には 400 N しか必要としません。

電力、エネルギー、時間。別々の溶接パラメータとしてリストされていますが、電力、エネルギー、時間はすべて密接に関連しているため、一緒に調べるのが最適です。 溶接が行われると、電源からの電圧と電流により、溶接サイクル中にトランスデューサに電力が流れます。 供給されるエネルギーは溶接出力曲線の下の領域です。 ほとんどの溶接電源は、供給できるピーク電力によって定格されており、これは数百ワットから数キロワットまで変化します。 ほとんどの溶接時間は 1 秒未満であることがわかります。 一定の出力に基づくと、2 kW の溶接機で 0.4 秒間溶接すると、800 ジュールのエネルギーが供給されます。

材料。これには、超音波金属溶接に関連する幅広い問題とパラメータが含まれます。 まず、素材の種類または素材の組み合わせです。 ほとんどの材料および材料の組み合わせは何らかの方法で溶接可能であることがわかっていますが、それらのほとんどについては一般に特定の溶接パラメータと性能データが不足しています。 弾性率、降伏強度、硬度などの材料の特性が重要な考慮事項です。

一般に、アルミニウム、銅、ニッケル、マグネシウム、金、銀、プラチナなどの柔らかい合金は、超音波溶接が最も簡単です。 チタン、鉄、鋼などのより硬い合金、ニッケルベースの航空宇宙合金、高融点金属 (モリブデンやタングステン) はより困難です。

材料の表面特性ももう 1 つのパラメータであり、仕上げ、酸化物、コーティング、汚染物質が含まれます。

パーツのジオメトリ。溶接部品の形状は重要な役割を果たしますが、最も重要な要素は部品の厚さです。 一般に、薄い部品ほど超音波溶接が成功する可能性が高くなります。 部品、特に溶接チップに接触する部品の厚みを増やすには、より大きな溶接チップ面積、より大きな静力、およびより高い溶接電力が必要になります。 達成可能な最大厚さは、材料と溶接電源の利用可能な電力によって異なります。

ツーリング。ソノトロード/溶接チップとアンビルで構成されるツールは、部品を支持し、超音波エネルギーと静的力を伝達する役割を果たします。 ほとんどの場合、ツール先端は固体ソノトロードの一体部分として機械加工されます（「図2A ）が、取り外し可能なツールチップが使用される場合もあります。 工具の接触面には、通常、ワークのグリップ力を向上させるために、溝とランドの機械加工されたローレット模様やその他の表面粗さが施されています。

溶接チップとアンビルの接触面は通常平坦ですが、接触応力を変えるために溶接チップをわずかに凸状の曲率で設計する場合があります。

画像をクリックすると拡大表示されます図3e写真提供：Dukane Corp.

超音波溶接の用途は、電気/電子、自動車、航空宇宙、家電、医療業界で見られます。 現在、これらの業界で最も幅広い用途には、銅、アルミニウム、マグネシウム、および金や銀などの関連する軟質金属の合金が含まれます。 いくつかの例は次のとおりです。

超音波溶接の使用における将来の傾向は、自動車および航空宇宙の構造用途であり、薄板アルミニウムやその他の軽量金属の接合です。 このプロセスの実現可能性は、ヘリコプターと航空機の両方の閉鎖パネルで実証されています。

5 kW 以上で動作する、より強力な溶接システムが開発されています。 これにより、より困難な材料やより厚い接合部の溶接が可能になります。

この溶接プロセスをより深く理解するための研究が、現実的に接合できる材料と用途の全範囲を決定するために、いくつかの産業界および大学の研究室で進行中です。 最も一般的な重ねジョイント以外のジョイント構成でもある程度の進歩が見られます。 一例として突合せ溶接の成果が報告されています。 プロセスセンサーの使用が増えると、接合品質の監視と改善が可能になる可能性があります。

超音波溶接の最近出現した用途は、機械加工操作を散在させながら薄い金属テープを溶接して固体の金属部品を製造する積層造形です。 このアプリケーションは、ラピッド プロトタイピングの分野で特別に使用される場合があります。

Karl Graff 博士は超音波技術のリーダーであり、Matt Bloss は Edison Welding Institute (1250 Arthur E. Adams Drive, Columbus, OH 43221, 614-688-5000, [email protected]) のプロジェクト エンジニアです。

ノート

1. KF Graff (章編)、第 8 章「金属の超音波溶接」、溶接ハンドブック、第 9 版、Vol. 4 (マイアミ: 米国溶接協会、2007)。

2. KF Graff (章編)、第 9 章「超音波金属溶接」、高度な溶接の新展開、編。 N. アーメッド (イギリス、ケンブリッジ: Woodhead Publishing、2005 年)。