超音波溶着の原理

質問

何時も勉強させて頂いております。
現在、超音波溶着の基本を勉強しておりますが、
一部理解できない（ピンとこない）ところがあります。
基本的には、擦り合せから起きる摩擦熱による溶着と認識しておりますが、
調べていく結果、ホーンの伸び縮みによる縦振動で溶着していることが分かりました。
そこで、縦振動で熱が発生する仕組みがピンとこないのですが、
御存知の方、御教示頂けませんでしょうか。
宜しく御願い致します。

回答No.6

noname#230359

金属にプラのワークを被せて（ちょうどビールビンに王冠を被せるような感じ）上からホーンを押し付けて発振させると、ワークの境界面のプラ側だけが溶けて結合ざれます。この場合、振幅の向きはあまり関係有りません。

質問とは関係ないですが、溶着させるワークがガラス繊維入りの樹脂は、ホーンによる振動で微細なガラス繊維が飛び散って、周辺が非常に有害な環境になります。ご注意を！！

回答No.5

noname#230359

縦振動で摩擦過熱融着する部位を溶着しろとして、融着接合部の形状を作り
ます。実際のサンプルを見ると判り易いと思います。

http://www.polyplastics.com/jp/support/Tecin/welding/sonic/sonic_index.htm

お礼

ご回答頂き有難うございます。
超音波溶着を安定して行うには製品設計が重要であることが分かりました。

回答No.4

noname#230359

縦方向なのは、高分子の内部で分子を摩擦させ発熱、融解させるためです。
工具先端と高分子、および接合面での高分子どうしでの摩擦もあるが、それがメインなら横に振動させた方が良い。
下記の資料は、■の部分で二つのアンドになっている。

　　http://www.hi-net.zaq.ne.jp/ant/NEW/UST/UST2.htm
　　超音波工学入門
　　４－２．強力超音波　・溶着・溶接
　　超音波振動による接合面の摩擦や■材料自体が受ける圧縮の繰り返しにより、その内部が
　　発熱して温度上昇し、さらに超音波の衝撃力により材料が軟化、溶融して溶着されます。

　　http://www.tagaele.com/welder/index.html
　　多賀電気
　　【プラスチックの超音波溶着】
　　ホーン形工具の先端からプラスチックの溶着物に伝達された超音波振動エネルギーは、
　　超音波振動による接合面の接触解離の相互衝突に起因する摩擦発熱効果、■接合面に加わる
　　交番正弦応力による熱効果などの作用で、溶着物の接合界面で大部分熱エネルギーに
　　変わってこの部分が選択的に加熱されて、瞬時に接合される。

　　【金属の超音波溶着】
　　摩擦を起こし金属表面の吸着物や、酸化皮膜が破壊され、接触面がクリーニングされ、
　　平滑化されて凝着核が発生し、ツールと金属（溶着物）の間で相対運動が起こり、急激な
　　塑性流動によって、接合面積が拡大されて溶着します。
　　尚、接合界面の形態については、一部の金属を除いて、溶融組織は認められず、
　　相互拡散かあるいは、拡散に近い状態の固相接合とされている

金属溶着は振動が横方向なことに注目。

高分子は分子どうしが摩擦して発熱する、つまり超音波振動は減衰する。金属は減衰少なく伝搬する。代表例が超音波ホーンとして使われるチタン。

回答（１）のサイト記述は訳文と思われ、上記２資料の重要部分を端折っていると思われます。

お礼

細かく御説明頂き有難うございました。
ワーク内部で起きる分子レベルの摩擦熱という御説明で、
モヤモヤがとれました。

回答No.3

noname#230359

縦振動で熱が発生する仕組みがピンとこないのですがと言うことですが

すべての物は変化を加えると熱を発生します。空気もそうです圧縮することにより高温になります。縦振動と言うことですが、細かく圧縮、元に戻る、圧縮をを繰り返していると考えれば、発熱することは理解出来ると思います。

その発熱をコントロールすることで超音波溶着が可能となります。又、その効率を上げるために山形のリブを設けます、山形のリブを考えると山の側面では縦振動だけではなく横振動にもなっていることが理解出来ると思います。

お礼

分かり易くご説明頂き有難うございました。
物理の基本が足りなかった事に反省です。

回答No.2

noname#230359

"縦振動で熱が発生する仕組みがピンとこないのですが"
摩擦は横方向のすべりでしか生じないと思っておられるようですけど。
縦方向の圧縮変形でも変形に伴うずれによって発熱します。
プラスチック射出成型品などの超音波溶着では溶着部分に応力が集中するように山型リブを作ります。

お礼

ご回答頂き有難うございました。
「圧縮変形に伴うズレによって発熱する」
という表現で理解できました。

回答No.1

noname#230359

超音波溶着とは熱可塑性樹脂を微細な超音波振動と加圧力によって瞬時に溶融し、
接合する加工技術です。
　　　　　　　　・　　
　　　　　　　　・
　　　　　　　　・
ホーンがパーツの大きさと同じかそれ以上の場合、パーツ表面での発熱はごくわずかで、
ほとんどは溶着されるパーツの境界面へ伝達します。
伝達された振動エネルギーによって境界面では強力な摩擦熱が発生し、樹脂の溶融温度
まで瞬時に上昇し、溶着されるのです。
樹脂が溶融し溶着が終了するまでの時間は、樹脂の材質やホーンから境界面までの距離
などによって異なりますが、多くの場合は1秒以下で完了します。

とURLの説明文がなっています。
これで、解りますか？

ホーンの伸び縮みによる縦振動 ⇒ 加圧力と超音波振動 ⇒ 境界面で強力な摩擦熱発生
となります。
軟らかい金属棒を > ⇔ < すると結晶構造のつながりがズレ摩擦発熱する事と略同じです。

iwanaiは、また性格の悪さの記述をしている。
（違う質問での質問者お礼に、文章が難し過ぎる…の内容が全く解っていない）
（それと自分が１番だと思っている記述があるが、人それぞれに合った記述が１番だと思う）

参考URL：

http://www.nalex.co.jp/welder/principle.html

お礼

ご回答頂き有難うございました。
「結晶構造のズレによる摩擦熱」という表現で理解できました。