一般的な超音波溶接の問題と解決策
超音波溶接の基本原理は、高周波の電気エネルギーを高周波の振動力学的エネルギーに変換することです。 この往復振動は熱可塑性プラスチックまたは金属に伝達され、プラスチックとプラスチック、プラスチックと金属、または金属と金属の界面で摩擦と熱が発生します。
超音波溶接では、摩擦によって熱が発生し、2つの材料表面が融合します。 超音波リベット留めでは、溶接ヘッドが溶融プラスチックの流れを制御し、部品を成形およびプレスします。 超音波ナットの取り付けでは、溶接ヘッドが金属ナットをプラスチックに押し込みます。
超音波溶接システムには、さまざまな周波数（15Khz-50Khz）、さまざまな電力（600W-4800W）、および空気圧超音波溶接機、サーボ超音波溶接機、ハンドヘルド溶接機、非標準溶接機、金属超音波溶接機など。
超音波溶接の成功に影響を与える多くの要因があります：金型（上部溶接ヘッドと下部下部金型を含む）、頻度、材料、溶接設計、溶接パラメータ、および部品の射出成形。 この記事では、5つの主な要因を紹介します。
1.溶接システムの頻度
典型的な超音波溶接システムの周波数は15Khz、20Khz、30Khz、35Khzおよび40Khzです。 製品サイズ、内部部品の種類、強度、外観の要件に応じて、適切な溶接頻度を選択する必要があります。 一般的に、次の原則を参照できます。
小型で精密な電子製品（PCBボードや超小型電子部品を含む）のシェル溶接には、高周波40Khz溶接機を使用してください。 40Khz溶接機は、振幅が小さく、溶接圧力が最小であるため、製品の内部電子部品への損傷を回避できます。
クラスAサーフェスの外観を必要とする小さな製品用。 40Khzの溶接機で溶接されており、振幅と圧力が小さいため外観を向上させることができます。
中型から大型の部品の溶接には、低周波の15Khzまたは20Khzの溶接機を使用してください。
PPなどの軟質材料や剛性の低い薄肉製品の場合、溶接には低周波で振幅の大きい15Khz溶接機が使用されます。
遠方界溶接、つまり溶接ヘッドが溶接シームから遠く離れている場合、たとえば、12mmを超える場合は、低周波数で振幅の大きい15Khz溶接機を使用して溶接します。
20Khz溶接機は、中小規模のほとんどの製品の溶接に適しており、最も広く使用されている超音波周波数でもあります。
2.素材
プラスチックの超音波溶接では、熱可塑性プラスチックの溶接にのみ適しています。 特定の温度範囲で溶けるからです。 熱硬化性プラスチックは加熱すると劣化し、超音波で溶接できません。
熱可塑性プラスチックの溶接性は、材料の剛性または弾性率、密度、摩擦係数、熱伝導率、比熱容量、ガラス転移温度Tgまたは溶融温度Tmに依存します。
一般的に、硬質プラスチックは振動エネルギーを伝達しやすいため、優れた遠方界溶接性能を発揮します。 ただし、弾性率の低い軟質プラスチックは、超音波振動を減衰させるため、溶接が困難です。 超音波リベット留めまたはスポット溶接の場合は逆になります。 プラスチックが柔らかいほど、リベット留めやスポット溶接が容易になります。
一般に、プラスチックは非結晶性（アモルファス）と結晶性の2つのタイプに分けることができます。 超音波エネルギーはアモルファス材料で容易に伝達されるため、アモルファスプラスチックは超音波溶接が容易です。 超音波エネルギーは結晶性材料では容易に伝達されないため、結晶性プラスチックを溶接する場合はより大きな振幅とエネルギーが必要であり、溶接は慎重に設計する必要があります。
はんだ付け性にさらに影響を与える可能性のある要因には、含水率、離型剤、潤滑剤、可塑剤、フィラーエンハンサー、顔料、難燃剤、その他の添加剤、および実際の樹脂グレードが含まれます。 さらに、異なる材料間の適合性の程度が異なることに注意する必要があります。 一部の材料は特定のグレード間である程度の互換性がありますが、他の材料は互換性がありません。
最後に、溶接が近接場溶接か遠方界溶接かを検討します。 溶接ヘッドから溶接リブまでの距離が6mm未満の場合、近接場溶接と呼ばれます。 6mm GG＃39より大きい; 遠方界溶接と呼ばれます。 距離が離れるほど、振動の減衰が大きくなり、溶接が難しくなります。
3.溶接継手の設計
超音波溶接に影響を与える最も重要で重要な要素は、接合部の設計です。 部品が設計段階にあるとき、エンジニアは慎重に検討して評価する必要があります。 溶接継手には、独自の特性と利点を持つさまざまな設計があります。 設計の選択は、プラスチックの種類、部品の形状、溶接要件、射出成形機能、および外観要件によって異なります。
典型的なジョイントデザイン：
三角形のエネルギーガイドリブの設計。 これは、超音波溶接で最も一般的に使用される設計であり、射出成形で最も簡単な設計です。 平面上の小さな隆起した三角形が特徴で、三角形の上部は90度または60度です。 鋭利な形状で振動エネルギーの誘導・集中が容易なことから、エネルギー誘導リブと呼ばれています。
ステップシーム設計、簡単な射出成形、上部と下部の自動位置決め、高い溶接強度、溶融材料が垂直ギャップに流れ込みます。
溝付きシームデザイン、上部と下部は自己配置可能で、高強度、優れたシーリング特性を備え、内側と外側でフラッシュが発生しません。 欠点は、特定の肉厚が必要になることです。
せん断シーム設計は、一般に、高強度のシーリングが必要な小さいサイズの製品の溶接に使用され、結晶性プラスチックの溶接に特に適しています。
スカーフジョイントは、通常、円形または楕円形の部品に使用され、高強度と高シール性を提供し、結晶性プラスチックの溶接に特に適しています。
（上記の溶接設計の詳細な説明は、フォローアップ記事で紹介されます）。
どの溶接設計が製品に適しているかを判断するには、超音波メーカーのエンジニアまたは営業担当者にご相談ください。
4.ツーリングおよび溶接ヘッド
一般的に、顧客は溶接機と同じブランドの工具および溶接ヘッドを選択します。 実際、溶接ヘッドの周波数が機器の周波数と同じである限り、他のブランドが提供するツーリングおよび溶接ヘッドを自由に選択できます。
溶接ヘッドの材質は、アルミニウム合金、チタン合金、硬質合金鋼から選択できます。 工具材料は、アルミニウム合金、ステンレス鋼、樹脂金型を選択できます。 材料の選び方は、一般的にプラスチックの種類、材料のガラス繊維含有量、接合部の構造とサイズ、溶接強度、耐用年数を考慮してください。 たとえば、寿命を延ばすには、超硬鋼の溶接ヘッドが最適です。
超音波溶接ヘッドはFEA（有限要素解析）を使用して設計および最適化できるため、エンジニアは実際の製造前に溶接ヘッドの振動と応力レベルを評価できます。 最良の溶接ヘッドの設計は、均一な出力振幅と最小の応力を持つことです。 上の写真の左の写真は、最適化されたフロント溶接ヘッドの設計であり、振幅出力は不均一です。 右側では、最適化後、出力振幅が均一になっています。
溶接ヘッドの設計と製造では、対称性に注意する必要があります。溶接ヘッドの対称性は非常に重要です。 非対称の溶接ヘッドは、非軸方向の振動を引き起こします。 半径方向の振動は応力を大幅に増加させ、溶接ヘッドの故障を引き起こします。
優れた工具設計も非常に重要です。 このツールには2つの主な機能があります。（1）溶接ヘッドの下に部品を位置合わせします。 （2）溶接部をしっかりと支えます。 剛性のあるサポートは、超音波エネルギーを溶接位置に反射するのに役立ちます。そのため、工具は通常、金属加工部品で作られています。
溶接ヘッドの耐摩耗性を高め、耐用年数を延ばすために、溶接ヘッドの表面を炭化タングステンまたはクロムメッキで処理することができます。 工具は、製品によりよく適合するようにセクションごとに設計できます。
5.溶接パラメータ
溶接プロセス中、溶接パラメータは溶接結果に影響を与えます。 これらのパラメータには、振幅、溶接圧力、トリガー圧力、溶接距離、および溶接エネルギーが含まれます。
プラスチックの種類が異なれば、必要な振幅も異なります。 振幅は、ソフトウェアのパーセンテージ設定で微調整することも、振幅変調器を異なる比率で変更することで広範囲に調整することもできます。 溶接圧力は、ノブまたはソフトウェア設定によって調整できます。 トリガー圧力とは、溶接ヘッドが製品を押して圧力が特定の設定値に達すると、デバイスが超音波を放射し始めることを意味します。 この値は、ノブまたはソフトウェア設定で調整できます。
超音波溶接プロセスにはいくつかの制御方法があります。
時間溶接モード、つまり超音波溶接の時間を設定します。
距離溶接モード（位置溶接モード）、つまり、溶接距離または溶接位置を設定します。
溶接エネルギーを設定するエネルギー溶接モード。
さまざまな溶接モードがさまざまな製品に適用されます。 たとえば、シート溶接はエネルギー溶接モードを採用し、寸法公差が大きい製品は距離溶接モードを採用し、公差要件が高い製品は位置溶接モードを採用します。
プラスチック超音波溶接は特別なプロセスです。 製品開発の初期段階では、超音波装置メーカーと協力し、この分野での装置メーカーの経験を生かして、製品構造や溶接設計を評価し、サンプルの溶接試験を実施する必要があります。 その後の大量生産の歩留まりを向上させるため。
