熱可塑性プラスチックの振動溶接

振動溶接（リニア溶接または摩擦溶接とも呼ばれる）とは、2 つのワークピースを圧力下で接触させ、共通の界面に沿って往復運動（振動）を加えて熱を発生させるプロセスを指します。発生した熱によってワークピースが溶け、振動が止まって界面が冷えると溶接されます。ほとんどの機械は 120 Hz で動作しますが、100 ～ 240 Hz で動作する機器も利用できます。 ^[1] 振動は、1 次元の前後運動を使用するリニア振動溶接、またはピースを互いに対して小さな軌道で動かす軌道振動溶接のいずれかによって実現できます。リニア振動溶接は、必要な機械が単純で比較的安価なため、より一般的です。

振動溶接は、接合する部品の継ぎ目が比較的平坦である大規模な用途によく使用されますが、このプロセスでは、ある程度の平面外の曲率にも対応できます。最近、自動車業界では、複雑な形状のために単一部品の成形プロセスが不可能なマニホールドや照明アセンブリなどの部品を製造するために、このプロセスを広範に使用しています。

振動溶接は、従来のプラスチック溶接プロセスに比べて多くの利点があります。熱が界面で生成されるため、溶融ポリマーは外気にさらされず、プロセス中に溶接部の酸化や汚染を防ぎます。充填材は必要なく、同じ材料の部品を溶接する場合、接合部はバルク材料と同じ強度が期待できます。加熱は界面に限定されるため、材料の溶融温度をはるかに超える熱源を必要とする他のプロセスで見られる材料劣化の可能性が減少します。^[2]プロセス自体は費用対効果が高く、消耗品がなくサイクル時間が短いです。^{[1]振動溶接は煙や煙をほとんど発生せず、表面処理をほとんど必要とせず、さまざまな用途に使用できるため、}大量生産環境に適しています。

ただし、振動溶接には欠点もあります。このプロセスは、低弾性熱可塑性プラスチックや、融点の差が比較的大きいプラスチックの接合には適していません。振動溶接では、部品固有の固定具と接合部の設計が必要であり、溶接サイクル中に部品が激しい振動にさらされるため、敏感な部品や小型部品が損傷する可能性があります。完成した溶接部は大量のバリに囲まれているため、外観が問題になる場合はバリを取り除く必要があります。または、余分なバリを隠す接合部形状を使用することもできます。最後に、このプロセスは、比較的平坦な接合部以外の溶接には適していません。

振動溶接プロセスは、固体摩擦、過渡流動、定常流動、凝固の 4 つのステップで構成されます。^{[引用が必要]}

この最初の段階では、一定の圧力で押し付けられた 2 つの冷たい部品の間で振動が始まります。摩擦エネルギーによってポリマーが加熱されます。この段階ではまだ溶融は発生していないため、溶接の溶け込みはありません。

過渡流動段階では、ポリマーの表面が溶け始めます。溶融層の厚さが急速に増加し、摩擦力が減少します。摩擦が減少すると、システムへの熱入力が減少し、溶融材料の横方向の流れが発生し始めます。

この段階では、材料の溶融速度が側面で押し出された材料の流れと一致します。材料の流れと溶融層の厚さは一定になります。これが溶接の品質を決定するステップです。このステップは、必要な「メルトダウン」厚さ (溶融材料の厚さ) が達成されるまで維持されます。その時点で振動が停止され、溶接部が冷却されます。

凝固中は振動が停止され、溶融材料がなくなるまでワークピースに圧力がかけられます。室温まで冷却されると、接合部の強度はバルク材料とほぼ同等になります。接合部が許容できる強度に達した時点で初めて圧力が解放されます。

振動溶接機は、本質的には片側が振動するように改造された 垂直型プレス機です。主なコンポーネントは、振動アセンブリ、昇降テーブル、およびツール固定具です。

振動アセンブリは、油圧またはより一般的には電磁石によって駆動される可動要素です。電磁バージョンでは、このアセンブリの中心は、反対に帯電した積層スタックに作用する電気コイルによって駆動される調整されたスプリングマスシステムです。電荷の周波数は、システムの機械的周波数と一致します。振幅はマシン上で調整できますが、周波数は振動アセンブリの質量を変更することによってのみ変更できます。ツールの可動部分は、振動アセンブリに固定されています。

リフティングテーブルは、ツールの固定部分に取り付けられた油圧アセンブリです。リフティングテーブルはワークピースを一緒に持ち上げ、ツールの可動部分と固定部分の間に圧力を加えます。 ^[3]

ツールとは、ワークピースを所定の位置に保持する振動アセンブリとリフティング テーブルに取り付けられた固定具を指します。ツールはアプリケーションに固有であり、各溶接サイクルの後にワークピースをすばやく交換できるようにする必要があります。ツールとワークピースの相対的な動きを防止するために、ツールがワークピースに十分適合していることが不可欠です。ツールとワークピースの相対的な動きがあると、溶接の振幅が小さくなり、熱入力と寸法公差が低下します。

振動溶接プロセスには、周波数、振幅、圧力、時間、深さという 5 つの主な変数があります。

周波数とは、1 秒間に振動サイクルが何回完了するかを指します。ほとんどの機械は 120 Hz で動作しますが、100 ～ 240 Hz で動作する機械も利用できます。周波数は振動アセンブリの質量に依存するため、アセンブリのコンポーネントを交換することによってのみ変更できます。

振幅とは、各振動サイクル中に移動する距離を指します。振幅が大きいほど周波数が低くなる傾向があり、その逆も同様です。振幅が大きいほど熱入力が大きくなりますが、清浄度と寸法公差が犠牲になるため、より大きな部品に適しています。振幅が小さい場合の範囲は 0.7 ～ 1.8 mm (0.028 ～ 0.071 インチ) で、振幅が大きい場合は 2 ～ 4 mm (0.079 ～ 0.157 インチ) のサイクルになります。

圧力は溶融層の厚さを制御する主な要素であり、高品質の接合部を作るには最適な範囲内に維持する必要があります。圧力は、さまざまな材料や形状によって 0.5 ～ 20 MPa (73 ～ 2,900 psi) の範囲で変化しますが、特定の用途に対する許容範囲は非常に狭くなっています。圧力が低すぎると十分な熱が発生しませんが、圧力が高すぎると、溶融材料がすべて接合部から押し出されてしまいます。どちらの場合も、溶接が弱くなります。圧力はリフティング テーブルによって制御されます。

振動がワークピースに適用される時間の長さも、もう 1 つの重要な要素です。時間は、熱の発生とフラッシュによる材料損失に直接比例します。プロセスは時間または深さのいずれかで制御できますが、最新のプロセスのほとんどは深さで制御されます。深さで制御されるプロセスでは時間が可変であり、その逆も同様です。

深さとは、振動開始後にワークピースが移動した距離を指します。変位とも呼ばれ、フラッシュによる材料損失量に直接関係します。一般的に深さは、定常状態段階の開始時に溶融層の厚さに近いか、それ以上に維持する必要があります。この値を超えると、深さが増しても材料損失が生じるだけで、接合強度は上がりません。

振動溶接の溶接設計には、比較的大きな平面が必要ですが、ある程度の平面外の曲率にも対応できます。最も一般的な接合タイプは突合せ接合で、同じ断面を持つ 2 つの平らなピースを溶接します。この接合のバリエーションには、U フランジ、舌状溝接合、さらには二重舌状溝接合などがあります。^[2]外観が重要な場合は、フラッシュ トラップを使用できます。フラッシュ トラップとは、溶接領域に隣接する断面の空洞領域を指し、フラッシュを集めて見えないようにします。