Loading article…
超音波溶接は、加圧下で保持されたワークピースに高周波超音波音響振動を局所的に加えることで固体溶接を行う工業プロセスです。プラスチックや金属、特に異種材料の接合によく用いられます。超音波溶接では、材料を結合するための接続ボルト、釘、はんだ付け材料、接着剤は必要ありません。金属の接合に使用する場合、温度は対象となる材料の融点よりかなり低いため、金属が高温にさらされることによって生じる可能性のある望ましくない特性を防ぐことができます。[ 1 ] [ 2 ]
硬質プラスチックへの超音波溶接の実用化は1960年代に完了した。この時点では、硬質プラスチックのみが溶接可能であった。硬質熱可塑性部品の溶接に超音波を用いる方法の特許は、1965年にロバート・ソロフとシーモア・リンズリーに授与された。[ 3 ]ソニックス＆マテリアルズ社の創設者であるソロフは、ブランソン・インスツルメンツ社のラボマネージャーであり、そこで薄いプラスチックフィルムを超音波プローブを用いて袋やチューブに溶接していた。彼は偶然にもプローブをプラスチックテープディスペンサーに近づけ、ディスペンサーの半分が溶接されるのを観察した。彼は、プローブを部品の周りで手動で動かす必要はなく、超音波エネルギーが硬質プラスチックを透過して周囲を伝わり、接合部全体を溶接できることに気づいた。[ 3 ]彼はその後、最初の超音波プレスを開発した。この新技術の最初の応用は玩具業界であった。[ 4 ]
プラスチックのみで作られた最初の自動車は、1969年に超音波溶着を使用して組み立てられました。[ 4 ]自動車業界は1980年代からこれを定期的に使用しており、現在ではさまざまな用途に使用されています。[ 4 ]
複雑な射出成形熱可塑性樹脂部品を接合する場合、超音波溶接装置は、溶接する部品の正確な仕様に合わせてカスタマイズできます。部品は、固定形状のネスト（アンビル）とトランスデューサに接続されたソノトロード（ホーン）の間に挟まれ、約20～70kHzの低振幅の音響振動が放出されます。プラスチックを溶接する場合、溶融プロセスを集中させるために、2つの部品の界面が特別に設計されます。通常、一方の材料には、もう一方のプラスチック部品と接触する、スパイク状または丸みを帯びたエネルギーディレクターがあります。超音波エネルギーは部品間の点接触を溶融させ、接合部を形成します。熱可塑性樹脂の超音波溶接では、溶接される接合部に沿って振動エネルギーが吸収されるため、プラスチックが局所的に溶融します。金属では、表面酸化物の高圧分散と材料の局所的な動きによって溶接が行われます。加熱はありますが、母材を溶融させるには十分ではありません。
超音波溶接は、半結晶性プラスチックなどの硬質プラスチックと軟質プラスチック、および金属の両方に使用できます。超音波溶接の理解は、研究と試験によって深まってきました。より高度で安価な装置の開発と、プラスチックおよび電子部品の需要の増加により、基本的なプロセスに関する知識が拡大しています。[ 4 ]しかし、溶接品質とプロセスパラメータの関係など、超音波溶接の多くの側面は、まださらなる研究が必要です。
カイザースラウテルン大学材料科学工学研究所（WKK）の科学者たちは、ドイツ研究振興協会（Deutsche Forschungsgemeinschaft ）の支援を受けて、超音波溶接プロセスを用いることで、軽金属と炭素繊維強化ポリマー（CFRP）シートの間に非常に耐久性の高い接合部を形成できることを実証することに成功した。[ 5 ]
超音波溶接の利点は、従来の接着剤や溶剤のように乾燥時間が不要なため、溶接部が冷えるまでの間、ワークピースを治具に固定しておく必要がないことです。溶接は容易に自動化でき、きれいで精密な接合部が得られます。溶接箇所は非常にきれいで、補修作業はほとんど必要ありません。材料への熱影響が少ないため、より多くの種類の材料を溶接できます。このプロセスは、接着剤、ネジ、スナップフィットなどの設計に代わる、優れた自動化された代替手段となります。
超音波溶接は、一般的に小型部品（携帯電話、家電製品、使い捨て医療器具、玩具など）に使用されますが、小型自動車の計器盤のような大型部品にも使用できます。超音波は金属の溶接にも使用できますが、通常はアルミニウム、銅、ニッケルなどの薄くて展延性のある金属の小さな溶接に限られます。必要な出力レベルが高いため、自動車のシャーシの溶接や自転車の部品同士の溶接には超音波は使用されません。
超音波溶接システムはすべて、同じ基本要素で構成されています。
超音波溶接の用途は幅広く、電気・コンピュータ、自動車・航空宇宙、医療、包装など多くの産業で利用されています。2つの部品を超音波溶接できるかどうかは、その厚さによって決まります。厚すぎると、このプロセスでは接合できません。これが金属溶接における主な障害です。しかし、ワイヤー、マイクロ回路接続、板金、箔、リボン、メッシュなどは、超音波溶接で接合されることがよくあります。超音波溶接は、熱可塑性樹脂の接合に非常に人気のある技術です。溶接時間は1秒未満であることが多く、高速で自動化も容易であり、熱や排気を除去するための換気システムも必要ありません。このタイプの溶接は、一般的な溶接技術では小さすぎたり、複雑すぎたり、繊細すぎたりするアセンブリの製造によく使用されます。
電気およびコンピュータ業界では、超音波溶接は、配線の接続や、小型で繊細な回路の接続を作成するためによく使用されます。ワイヤーハーネスの接合部は、超音波溶接を使用して接合されることがよくあります。[ 6 ]ワイヤーハーネスは、電気信号と電力を分配するために使用されるワイヤーの大きなグループです。電気モーター、フィールドコイル、変圧器、コンデンサも超音波溶接で組み立てられることがあります。[ 7 ]また、大量生産が求められるため、フラッシュドライブやコンピュータディスクなどのストレージメディアの組み立てにもよく使用されます。コンピュータディスクの超音波溶接のサイクルタイムは300ms未満であることがわかっています 。[ 8 ]
超音波溶接が最もよく使われ、新しい研究や実験が集中している分野の 1 つはマイクロ回路です。[ 6 ]このプロセスは、不純物や熱による歪みを部品に導入することなく信頼性の高い接合を形成するため、マイクロ回路に最適です。半導体デバイス、トランジスタ、ダイオードは、超音波溶接を使用して細いアルミニウム線や金線で接続されることがよくあります。[ 9 ]また、配線やリボンだけでなく、チップ全体をマイクロ回路に接合するためにも使用されます。マイクロ回路が使用されている例としては、バイパス手術を受けた患者の心臓を監視するために使用される医療用センサーがあります。
超音波溶接と従来の溶接との違いの 1 つは、超音波溶接では異種材料を接合できることです。バッテリー部品の組み立ては、この能力が活用されている良い例です。バッテリーや燃料電池の部品を作る際には、薄いゲージの銅、ニッケル、アルミニウムの接続部、箔層、金属メッシュが超音波溶接されることがよくあります。[ 6 ]箔やメッシュの複数の層を 1 つの溶接で適用できる場合が多く、工程とコストを削減できます。
自動車では、超音波溶接は計器盤、ドアパネル、ランプ、エアダクト、ステアリングホイール、内装、エンジン部品などの大型プラスチック部品や電気部品の組み立てによく使用されます。[ 10 ]自動車の設計と製造においてプラスチックが他の材料に取って代わり続けるにつれて、プラスチック部品の組み立てと接合はますます重要な問題になっています。超音波溶接の利点としては、サイクルタイムが短いこと、自動化、設備投資コストが低いこと、柔軟性などが挙げられます。[ 11 ]超音波溶接は高周波振動によって跡が残らないため、表面仕上げを損傷しません。これは多くの自動車メーカーにとって重要な考慮事項です。[ 10 ]
超音波溶接は、一般的に航空宇宙産業において、薄い金属板やその他の軽量材料を接合する際に利用されています。アルミニウムは熱伝導率が高いため、従来の溶接方法では溶接が難しい金属です。しかし、アルミニウムは比較的柔らかい金属であるため、超音波溶接では容易に溶接でき、固相溶接も容易に実現できます。[ 12 ]アルミニウムは航空宇宙産業で広く使用されているため、超音波溶接は重要な製造プロセスとなっています。新しい複合材料の登場により、超音波溶接はさらに普及しています。人気の高い複合材料である炭素繊維の接合にも使用されています。この材料で高品質の溶接を実現するための最適なパラメータを見つけるために、数多くの研究が行われてきました。[ 13 ]
医療業界では、超音波溶接は溶接部に汚染物質や劣化を引き起こさず、クリーンルームでの使用に特化した装置を製作できるため、よく使用されています。[ 14 ]また、このプロセスは高度に自動化でき、寸法公差を厳密に制御でき、部品の生体適合性に影響を与えません。そのため、部品の品質が向上し、生産コストが削減されます。動脈フィルター、麻酔フィルター、血液フィルター、IVカテーテル、透析チューブ、ピペット、心拍計リザーバー、血液/ガスフィルター、フェイスマスク、IVスパイク/フィルターなどのアイテムはすべて、超音波溶接を使用して製造できます。[ 15 ]医療業界における超音波溶接のもう1つの重要な用途は繊維です。病院用ガウン、滅菌衣類、マスク、経皮パッチ、クリーンルーム用繊維などのアイテムは、超音波溶接を使用して密封および縫製できます。[ 16 ]これにより、汚染や粉塵の発生を防ぎ、感染のリスクが軽減されます。
超音波溶着は包装用途でよく用いられます。多くの一般的な製品は、超音波溶着を用いて製造または包装されています。容器、チューブ、ブリスターパックの密封は、一般的な用途です。
超音波溶着は、爆発物、花火、その他の反応性化学物質などの危険物の包装にも応用されています。これらの物品は気密シールが必要ですが、高温にさらすことはできません。[ 9 ]一例として、ブタンライターがあります。この容器の溶着は、高圧と応力に耐え、ブタンを封じ込めるために気密でなければなりません。[ 17 ]もう一つの例は、弾薬と推進剤の包装です。これらの包装は、消費者を内容物から保護するために、高圧と応力に耐えなければなりません。
食品業界では、超音波溶着は高速で衛生的であり、気密シールを形成できるため、従来の接合技術よりも好ましいとされています。牛乳やジュースの容器は、超音波溶着を使用してシールされることが多い製品の例です。シールされる紙部品は、一般的にポリプロピレンまたはポリエチレンなどのプラスチックでコーティングされ、その後溶着されて気密シールが作られます。[ 17 ]このプロセスで克服すべき主な障害は、パラメータの設定です。たとえば、溶着しすぎると、溶着ゾーンのプラスチックの濃度が低すぎてシールが破損する可能性があります。溶着が不足すると、シールが不完全になります。[ 17 ]材料の厚さのばらつきは、溶着品質のばらつきを引き起こす可能性があります。超音波溶着を使用してシールされるその他の食品には、キャンディーバーの包装紙、冷凍食品のパッケージ、飲料容器などがあります。
超音波溶着と成形を組み合わせた「音波凝集」は、結合剤を使用せずに米陸軍の近接戦闘突撃レーション計画用のコンパクトなレーションバーを製造するために使用されています。乾燥食品を型に押し込み、1時間溶着すると、食品粒子がくっつきます。[ 18 ]
超音波溶接の危険性には、高温や高電圧への曝露が含まれます。怪我を避けるため、この装置は製造元が提供する安全ガイドラインに従って操作する必要があります。たとえば、機械が作動しているときは、作業者は溶接チップの近くに手や腕を近づけてはなりません。[ 19 ]また、作業者には聴覚保護具と安全メガネを提供する必要があります。作業者は超音波溶接装置に関する政府機関の規制について知らされ、これらの規制を遵守する必要があります。[ 20 ]
超音波溶接機は定期的なメンテナンスと点検が必要です。メンテナンスのためにパネルドア、ハウジングカバー、保護ガードを取り外す必要がある場合があります。[ 19 ]これは、機器の電源がオフになっているときに、機械の保守を担当する訓練を受けた専門家のみが行う必要があります。
超音波溶接の周波数により、機械の近くにある大きな部品では、不快な可聴ノイズを発生させるサブハーモニック振動が発生することがあります。[ 21 ]このノイズは、これらの大きな部品を1か所または複数箇所でクランプすることで減衰させることができます。また、15kHz および 20kHzの周波数を持つ高出力溶接機は、通常、人間の可聴域で潜在的に有害な高周波のキーキー音を発します。この放射音を遮蔽するには、防音エンクロージャーを使用できます。[ 21 ]
{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)