超音波溶接プロセスパラメータ
超音波溶接の主なプロセスパラメータは、振幅、溶接時間、保持圧力時間、溶接圧力、周波数などです。最適な溶接仕様は、溶接するコンポーネントと使用する溶接装置によって異なります。溶接パラメータの調整は、部品のサイズと剛性、特に溶接ヘッドと溶接継手の接触点間の距離に依存します。溶接能力は、プラスチックGG＃39;の超音波振動を伝達する能力によって制限されます（そして部品は損傷しません）。
1周波数
超音波に一般的に使用される周波数は20、30、および40 kHzであり、半結晶性プラスチックには15kHzがよく使用されます。 20 kHzは、熱可塑性プラスチックをこの周波数で溶融するために必要な振幅と出力に到達しやすいため、最も一般的に使用される超音波周波数ですが、制御が困難な多くの機械的振動を生成する可能性があり、ツールが非常に大きくなります。振動の少ない高周波（40 kHz）が実現可能であり、一般的にエンジニアリングプラスチックや強化ポリマーの溶接に使用されます。高周波溶接装置の利点には、低ノイズ、部品サイズの小ささ、部品保護の強化（繰り返し応力の低減と接合界面の外側領域の非選択的加熱による）、機械的エネルギー制御の改善、溶接圧力の低下、および高速化が含まれます。処理速度。欠点は、部品のサイズが小さく、電力容量が小さく、振幅が小さいため、遠方界溶接を実行するのが難しいことです。高周波超音波溶接機は通常、小型で精密な部品（電気スイッチなど）や材料の劣化が少ない部品を溶接するために使用されます。 15 kHzの溶接機は、ほとんどの熱可塑性プラスチックをすばやく溶接できます。ほとんどの場合、20kHzの溶接機よりも材料の劣化が少なくなります。 20 kHzでほとんど溶接できない部品（特に高性能のゴムとプラスチックの技術と機器で作られた部品）は、15kHzで効果的に溶接できます。より低い周波数では、溶接ヘッドの共振長が長くなり、すべての寸法で大きくすることができます。 15 kHzを使用するもう1つの重要な利点は、より高い周波数を使用する場合と比較して、プラスチックの超音波の減衰が大幅に減少し、より柔らかいプラスチックとより長い遠方界距離の溶接が可能になることです。
2振幅
溶接が成功するかどうかは、溶接ヘッドの端の適切な振幅に依存します。すべてのホーン/溶接ヘッドの組み合わせで、振幅は固定されています。適切な溶融度を得るために、溶接する材料に応じて振幅を選択します。一般的に言えば、半結晶性プラスチックは非結晶性プラスチックよりも多くのエネルギーを必要とするため、先端の振幅を大きくする必要があります。最新の超音波溶接機のプロセス制御により、グラデーションが可能になります。高振幅は溶融を開始するために使用され、低振幅は溶融材料の粘度を制御するために使用されます。振幅を大きくすると、せん断接合部の設計部品の溶接品質が向上します。突合せ継手の場合、振幅が大きくなると、溶接品質が向上し、溶接時間が短くなります。エネルギーガイドバーを使用した超音波溶接では、平均熱損失率（Qavg）は、材料の複合損失係数（Eʺ）、周波数（ω）、および作用ひずみ（ε0）に依存します。Qavg= ωε02Eʺ / 2
熱可塑性プラスチックの複合損失弾性率は、温度と密接に関係しています。融点またはガラス転移温度に達すると、損失弾性率が増加し、より多くのエネルギーが熱に変換されます。加熱開始後、溶接界面の温度が急激に上昇します（最大1000℃/ s）。作用ひずみは溶接ヘッドの振幅に比例するため、振幅を変更することで溶接界面の加熱を制御できます。振幅は、熱可塑性プラスチック押出の流量を制御する重要なパラメータです。振幅が大きいと、溶接界面の加熱速度が速くなり、温度が上昇し、溶融材料の流れが速くなり、分子配向が増加し、フラッシュが多くなり、溶接強度が低下します。溶融を開始するには、高振幅が必要です。振幅が小さすぎると、溶融が不均一になり、溶融凝固が早まります。振幅が大きくなると、熱可塑性プラスチックでより多くの振動エネルギーが消費され、溶接される部品に大きな応力がかかります。溶接サイクル全体で振幅が一定の場合、通常、溶接する部品に過度の損傷を与えない最大の振幅が使用されます。ポリエチレンやポリプロピレンなどの結晶性プラスチックの場合、振幅の影響は、ABSやポリスチレンなどの非結晶性プラスチックよりもはるかに大きくなります。これは、結晶性プラスチックの溶融と溶接のためにより多くのエネルギーが必要なためである可能性があります。振幅は、機械的に（ホーンまたは溶接ヘッドを変更することにより）または電気的に（トランスデューサーに供給される電圧を変更することにより）調整できます。実際には、より大きな振幅調整は機械的方法を採用し、より細かい振幅調整は電気的方法を使用します。高融点材料、遠方界溶接、および半結晶性プラスチックは、一般に、非結晶性プラスチックおよび近接場溶接よりも大きな振幅を必要とします。非晶性プラスチックの典型的な全振幅範囲は30〜100μmですが、結晶性プラスチックのそれは60〜125μmです。振幅プロファイリングは、良好なメルトフローと一貫した高い溶接強度を実現できます。振幅と力のレベルを組み合わせる場合は、高い振幅と力を使用して溶融を開始し、次に振幅と力を減少させて、溶接線に沿った分子配向を減らします。
3溶接時間
溶接時間は、振動が加えられた時間です。各用途に適した溶接時間は、実験によって決定されます。溶接時間を長くすると、最適な時間に達するまで溶接の強度が増します。溶接時間がさらに長くなると、溶接強度が低下するか、強度がわずかに増加するだけで、同時に溶接フラッシュが増加し、部品のへこみの可能性が高くなります。過度の溶接は、トリミングが必要な過度のフラッシュを生成し、溶接の品質を低下させ、シールが必要な部品に漏れを生じさせる可能性があるため、避けることが重要です。溶接ヘッドが表面を傷つける場合があります。溶接時間が長くなると、接合領域から遠く離れた部品、特に成形部品の穴、溶接線、鋭い角でも溶融や破壊が発生する可能性があります。
4保持時間
保持圧力時間とは、溶接後に振動のない圧力下で部品が組み合わされて固化する公称時間のことです。ほとんどの場合、これは重要なパラメータではありません。内部負荷が溶接部品（溶接前に圧縮されたコイルスプリングなど）を分解しやすい場合を除いて、通常は0.3〜0.5秒で十分です。
5圧力
溶接圧力は、溶接ヘッドと部品の間の結合に必要な静的な力を提供し、振動が部品に伝達されるようにします。溶接サイクルの圧力保持段階で接合部の溶融材料が固化すると、同じ静的荷重によって部品が確実に統合されます。最適な圧力の決定は、良好な溶接に不可欠です。圧力が低すぎると、エネルギー伝達のメルトフローが不十分または不十分になり、不必要に長い溶接サイクルが発生します。溶接圧力を上げると、同じ変位を達成するために必要な溶接時間が短縮されます。圧力が高すぎると、流れ方向に沿って分子配向が発生し、溶接の強度が低下し、部品のへこみが発生する可能性があります。極端な場合、溶接ヘッドの端の振幅に対して圧力が高すぎると、過負荷になり、溶接ヘッドが停止する可能性があります。超音波溶接では、高振幅には低圧が必要であり、低振幅には高圧が必要です。振幅が大きくなると、許容圧力範囲が狭くなります。したがって、高振幅で最も重要なことは、最適な圧力を見つけることです。ほとんどの超音波溶接は、一定の圧力または一定の力の下で実行されます。一部のデバイスでは、サイクル中に力を変更できます。つまり、力のプロファイリングが実行され、部品に超音波エネルギーを適用するときに溶接力が減少します。溶接サイクルの終わりに低下する溶接圧力または力は、接合部から押し出される材料の量を減らし、分子間の拡散時間を延長し、分子配向を減らし、溶接の強度を高めます。ポリアミドと同様に溶融粘度が低い材料の場合、これにより溶接強度が大幅に向上する可能性があります。
6溶接モード
時間による溶接は、開ループプロセスと呼ばれます。溶接される部品は、溶接ヘッドが落下して接触する前に、フィクスチャで組み立てられます。次に、超音波がコンポーネントに一定時間、通常は0.2〜1秒作用します。このプロセスでは、溶接は成功しませんでした。溶接の成功は、一定の溶接時間が接合部に一定量のエネルギーを作用させ、制御された量の溶融をもたらすという仮定の下で理想的な状況です。実際、あるサイクルから次のサイクルまで振幅を維持することによって吸収される電力は同じではありません。これは、複数の要因（2つのパーツ間の適合など）によるものです。エネルギーは電力と時間とともに変化し、時間は固定されているため、適用されるエネルギーはある部分から次の部分に変化します。一貫性が重要な大量生産の場合、これは明らかに望ましくありません。エネルギー溶接は、フィードバック制御を備えた閉ループプロセスです。超音波機械ソフトウェアは、吸収された電力を測定し、処理時間を調整して、必要なエネルギー入力を関節に供給します。このプロセスの前提は、各溶接で消費されるエネルギーが同じである場合、接合部での溶融材料の量は毎回同じであるということです。ただし、実際の状況では、溶接キット、特に溶接ヘッドと部品の境界面でエネルギー損失が発生します。その結果、一部の部品は他の部品よりも多くのエネルギーを受け取る可能性があり、溶接強度に一貫性がなくなる可能性があります。距離による溶接により、特定の溶接深さで部品を接合できます。この動作モードは、時間、吸収されるエネルギー、または電力に依存せず、成形部品の寸法偏差を補正するため、毎回同じ量のプラスチックが接合部で溶融することを保証するのが最善です。品質を管理するために、溶接を形成するために使用されるエネルギーまたは時間に制限を設定できます
