超音波溶接 (USW) は、適度な締め付け力をかけながら高周波振動せん断応力を加えることで 2 つのコンポーネントを接合する固体溶接プロセスです。 この手順は、重ね溶接でよく使用されます (下の図を参照)。表面コーティングが剥がれ、部品間の密着が可能になり、強力な冶金結合が形成されます。摩擦と塑性変形により接合部で熱が発生しますが、温度は融点よりはるかに低いため、シールドガス、フラックス、またはフィラー金属は必要ありません。
USW では、超音波トランスデューサーに取り付けられたソノトロードが振動運動を上部のワークピースに伝達します。このデバイスは、電気エネルギーを、振幅 0.018 ～ 0.13 mm (0.0007 ～ 0.005 インチ)、周波数範囲が通常 15 ～ 75 kHz の高周波振動運動に変換します。使用されるクランプ圧力は冷間溶接よりも大幅に低いため、表面は著しく塑性変形しません。溶接時間は通常 XNUMX 秒未満です。
超音波溶接が最も効果を発揮する柔らかい材料としては、銅とアルミニウムが挙げられます。硬い材料は、ソノトロードをより速く侵食します。最適なワークピースは小さく、通常、溶接厚さが 3 mm (1/8 インチ) 未満です。この技術を電気および電子部門のワイヤ終端および接合に使用する場合、はんだ付けは必要ありません。さらに、ソーラー パネル チューブとシートの溶接、小型部品の組み立て、アルミニウム板金パネルの組み立てにも使用されます。
溶接プロセス
超音波溶接プロセスの一般的な操作は次のとおりです。
- 材料の準備: プラスチック部品を機械の溶接スタックに重ね継ぎ構成で配置します。
-高周波電力の生成：標準電力（50〜60 Hz）は、発電機によって高周波電力（20〜40 kHz）に変換されます。
-超音波への変換：トランスデューサーが高周波電気を超音波に変換した後、ブースターによって振動が増幅されます。
-溶接: 超音波振動は、溶接ホーン (ソノトロードとも呼ばれる) によって組み立てられた部品に向けられます。オペレーターはプレスを使用して圧力をかけます。オペレーターは溶接された部品を取り出し、溶接後にホーンを引き戻します。
超音波溶接機部品
超音波溶接機は、それぞれ特定の機能を持つさまざまな部品で構成されています。すべてのタイプの超音波溶接機に共通する重要な部品は次のとおりです。
発生器
ジェネレータは、共振周波数で電力を必要な高周波と電圧に変換します。溶接サイクルを管理し、ユーザー インターフェイスを介して重要な通信を可能にするマイクロプロセッサもジェネレータの一部です。
マシンプレス
プレス機は溶接アセンブリを固定し、接合部を維持するために必要な力を加えます。圧力計とレギュレータが装備されており、オペレーターはシステムに加える力を調整できます。
溶接スタック
トランスデューサー、ブースター、溶接ホーンはすべて溶接スタックの一部であり、ブースターの中央のプレスに固定されています。超音波振動はこのアセンブリによって生成され、優れた溶接継ぎ目を保証するために、その周波数はジェネレータの周波数とほぼ一致する必要があります。
トランスデューサー
トランスデューサーはコンバーターとも呼ばれ、高周波の電気エネルギーを機械的な振動に変換します。トランスデューサーは、2 つのチタン ブロックの間に挟まれた多数のセラミック圧電ディスクで構成されています。さらに、圧電ディスクの間には金属製の薄い電極が配置されています。
ブースター
ブースターには主に 2 つの目的があります。収縮と膨張によって振動を増幅し、溶接ホーンに伝達します。また、溶接プレスの溶接スタックの基盤としても機能します。
溶接ホーン
溶接ホーンは通常アルミニウムまたはチタンで作られ、溶接部分に振動を伝えます。アルミニウムは少量の用途には適していますが、摩耗が早いです。これに対処するため、ほとんどの溶接ホーンには硬化チップが組み込まれており、頻繁な使用でも性能と寿命が向上します。
サポートツール
サポートツールは、溶接中に機械の下部コンポーネントをサポートすることで、機械の土台として機能します。安定性と精度を確保するために、ワークピースの曲線に合わせて作られています。
溶接パラメータ
超音波溶接は、高周波振動を使用して材料（通常は金属またはポリマー）を接合する非常に効果的な方法です。振動方向に垂直に加えられる力、振動振幅、振動持続時間は、超音波溶接の有効性と品質に影響を与える 3 つの主な技術的要因です。これらの変数を理解して管理することが、理想的な溶接を実現するために不可欠です。
振動持続時間
接合する材料に超音波振動が加えられる時間は、振動持続時間または溶接時間と呼ばれます。この長さは、ほとんどの溶接作業では通常 1 秒未満です。ただし、溶接にさらにエネルギーが必要な場合は、他のパラメータの値はそのままにして、振動の長さを長くする必要があります。次の式で、溶接サイクルに必要なエネルギーが決定されます。
ここで、�� はジュール単位のエネルギー、�� はワット単位の電力、F はニュートン単位の力、�� はマイクロメートル単位の振幅、�� はヘルツ単位の周波数、Δ�� は秒単位のサイクル時間です。
振動振幅
溶接ツールの縦方向の伸縮は、5 ～ 35 マイクロメートルの範囲で変化する超音波振動の振幅によって測定されます。この振幅は、溶接面の摩擦距離と一致するため重要です。振幅が増加すると、振動を継続させるのに必要な電力が増えるため、同じ量のエネルギーを入力するのにかかる時間が短くなります。振幅プロファイリングまたはステッピングと呼ばれる機能は、最先端の超音波装置によって溶接サイクル中に可能になります。この方法は結合を強化し、ツールの挟み込みを防ぐため、アルミニウムなどの合金の溶接に非常に役立ちます。
振動方向に垂直な力
超音波溶接プロセスにおける重要な要素は、振動方向に対して垂直に適用される力です。溶接ゾーンに必要な機械的応力は、空気圧シリンダーによって生成されるこの力によって生成されます。次に、振動の生成と維持に関するパフォーマンス基準について説明します。
ここでSmh は空気圧シリンダーの断面積（平方メートル）、pℓ は圧縮空気の圧力（パスカル）、η は機械効率です。圧力が増加すると、機械的負荷が増加し、振動を維持するためにより多くの電力が必要になります。
プロセスのバリエーション
超音波スポット溶接では、振動運動が重ね合わせたインサートからより薄い材料 (0.005 ～ 3 mm) に伝わります。ソノトロードはピースを圧縮する力を加え、ワークピースとともに振動する溶接結合を形成します。ソノトロードと上部のワークピースの間ではなく、ワークピース同士の間に相対的な動きがあることが重要です。この方法では、さまざまな材質のシートやワイヤを接続できます。連続スポット溶接の一種である超音波溶接では、ソノトロードとアンビルの間に配置された重ね合わせた薄いシートの間に溶接ジョイントを生成します。このプロセスでは、XNUMX つの振動ユニットが管状のソノトロードの軸を中心に交互に動き、管状の前面で一定の大きさと形状の継ぎ目を形成します。
超音波溶接の種類
材料の適合性が異なる金属とポリマーは、超音波溶接によって接合されることがよくあります。
超音波プラスチック溶接: ポリエステル、ABS、ポリカーボネートなどの熱可塑性プラスチックの場合、超音波プラスチック溶接が最適な方法です。硬度や水分含有量などの特性を考慮する必要があります。ただし、ポリアミドや PVC などのプラスチックポリマーには適していません。
超音波金属溶接: この技術は、銅、銀、真鍮、ニッケル、金、アルミニウムの合金を含む金属の接合に効果的です。この方法は、薄くて直径の小さい金属に最適で、繊細な用途に最適です。
超音波溶着のメリット
超音波溶接は間接加熱技術を使用するため、従来の板金溶接や非溶接方法とは異なり、機能性を犠牲にすることなく美観が向上します。主な利点は次のとおりです。
スピード: 超音波溶接によって生成される高周波超音波振動により、適切な部品が素早く溶接され、迅速な生産プロセスが保証されます。その結果、短いターンアラウンド時間と高いスループットが実現します。
高い安全性: 間接的に熱を加えることで、運用上のリスクが軽減されます。発生した熱が局所的に急速に放散されるため、溶接接続部と周囲の材料が損傷から保護されます。
信頼性: 機械は信頼性が高く、故障や不具合はほとんどありません。自動化により、操作エラーや人的エラーがさらに最小限に抑えられ、運用コストが削減され、溶接接合部の品質が向上します。
異種材料に適しています: プラスチック溶接のもう 1 つの重要な側面は、この手順が異種材料の接合に適していることです。異種プラスチックを接合する場合、超音波溶接では、他のプラスチック溶接技術とは異なり、分子結合を形成する必要がありません。
超音波溶着のデメリット
超音波溶接には、いくつかの欠点があります。まず、硬くて水分を含んだプラスチックには適していません。この方法は、水分含有量の高い熱可塑性プラスチックやポリプロピレンなどの強力なポリマーには適していません。さらに、トランスデューサの範囲が 100 ～ 150 mm に制限されているため、150 mm を超えるジョイントを持つ部品を溶接することはできません。部品のサイズも別の制約です。厚い材料を溶かすには多くのエネルギーが必要であるという事実も、問題を引き起こします。
初期投資が高額であることも、大きなデメリットの 1 つです。組織にとって、超音波溶接装置はコストが高いため、かなりの財政投資を必要とします。コストは自動化によって上昇します。さらに、この方法は、平らな表面で互いに重なり合う部分で形成されるラップ ジョイントに限定されます。コーナー ジョイント、突合せジョイント、T ジョイント、エッジ ジョイントなどの他のジョイント タイプでは、この方法を使用しないでください。超音波溶接がアプリケーションに最適な技術であるかどうかを選択するときは、これらの欠点により、他の溶接技術と比較して汎用性が制限されることに留意してください。
超音波溶接の応用
超音波溶接は、幅広い業界で、特に消費財や工業製品の製造に利用されている貴重な技術です。麻酔フィルター、血液およびガスフィルター、フェイスマスクなどの重要な医療用品の製造に利用されています。この方法は、ABS やポリエチレンなどのさまざまな医療用ポリマーで構成された部品の低コストで高品質の接合を保証するため、医療機器に最適です。
自動車業界では、計器パネル、ドアパネル、ステアリングホイールなどの部品を作成するために、超音波溶接を使用してプラスチックを溶接します。資本コストが低く、自動化が可能で、サイクル時間が短く、柔軟性が高いことに加え、間接的な熱を使用するためワークピースに損傷を与えないため、このプロセスは好まれています。
超音波溶接は、その精度、速度、高品質の接合により、航空機分野にも役立ちます。
同様に、エレクトロニクス分野では、超音波溶接を使用して電線を接合し、電気モーター、コンデンサ、記憶媒体、および精密な回路を組み立てます。精度と信頼性が高いため、超音波溶接は小さくて複雑な電気部品を作成するのに最適です。
参考情報
Groover 議員、2010 年。現代製造の基礎: 材料、プロセス、およびシステム。第4版ニュージャージー州ホーボーケン: John Wiley & Sons, Inc.
