プラスチック溶接技術:実証済みの 8 つの方法とその利点

プラスチック部品の製作に慣れていない方にとって、「溶接」という言葉は馴染みのない言葉かもしれません。一般に、溶接とは、2 つの金属を溶かして融合させることによって接合するプロセスを指します。ただし、溶接には、金属であれプラスチックであれ、2 つ以上の部品を熱で融合することが含まれます。

プラスチック溶接には幅広い産業用途があり、プラスチックを溶接するためのさまざまな技術が存在します。この記事では、プラスチック部品の溶接、その一般的な手順、およびプラスチック業界の部品製造で使用される 8 つのプラスチック溶接技術について説明します。

プラスチック溶接とは何ですか?

プラスチックの溶接は、互換性のある 2 つの熱可塑性プラスチック部品を接合するためにプラスチック部品の製造に適用できるプロセスです。これには、2 つの熱可塑性プラスチック部品を準備し、提案された接合部でそれらを一緒に押し付け、いくつかの加熱技術を使用してそれらを加熱することが含まれます。さらに、使用される加熱技術はプラスチックの材質に大きく依存します。たとえば、超音波プラスチック溶接は、材料からの危険なガスの放出につながる直接加熱を含まないため、PVC に一般的に使用されます。

加熱および冷却中に継続的に圧力を加えると、2 つの部品の間に分子結合が形成されます。したがって、プラスチック溶接接合は、接着剤やリベット留めなどの他のプラスチック接合プロセスとは異なり、強力です。プラスチック溶接は、医療、エレクトロニクス、建設などで広く使用されている技術です。

詳細:リベット留めと溶接の違いを理解してください。

プラスチックを溶接する 3 つのステップ

射出成形またはその他のプロセスで作られた 2 つの半完成プラスチック樹脂を溶接するのは困難な場合があります。したがって、このセクションでは、溶接技術に関係なく、プラスチックを溶接する手順を説明します。

ステップ 1:作業スペースを準備し、プラスチックを掃除します

最初に行うことは、ワークスペースをセットアップすることです。ほとんどの暖房技術では危険なガスが発生するため、職場では適切な換気が必要です。それとは別に、オペレーターは保護具を着用する必要があります。

熱可塑性プラスチックを洗浄して、溶接接合部の強度を確保します。洗浄は、石鹸と温水で洗い、糸くずの出ない清潔な布でプラスチックを乾燥させることで実現できます。また、メチルエチルケトン (MEK)、80 フリットのサンドペーパー、ペイント スクレーパーなどの液体溶剤を使用して汚れを取り除くことをお勧めします。

ステップ 2:プラスチックを結合する

2 つのプラスチック片をクランプしてテープで固定し、目的の接合部を形成して保持します。さらに、プラスチック片を作業台に置き、C クランプを使用して固定します。プラスチックの接合方法は溶接技術によって異なります。たとえば、超音波溶接は重ね接合にのみ適しています。

ステップ 3:溶接を完了する

滑らかさなどの問題に対処するために、冷却する前に溶接を修正します。溶接したプラスチックが約 5 分間冷却するか、室温に達するまで待ちます。さらに、冷却後に溶接継手を研磨するか、他の表面仕上げプロセスを使用して滑らかにします。

8 つの方法 プラスチック溶接

プラスチック産業では、さまざまな加熱プロセスに基づいたさまざまなプラスチック溶接技術があります。ここでは、部品製造で一般的に使用される 8 つのテクニックを紹介します。

超音波溶接

超音波プラスチック溶接では、高周波（15 kHz ～ 40 kHz）と低振幅の機械振動を使用して 2 つのプラスチック ポリマーを接合します。機械的振動により摩擦熱が発生し、プラスチックポリマーが溶けます。機械的振動により、プラスチックポリマー間に分子結合が形成されます。したがって、超音波プラスチック溶接接合部は強力で最高品質です。

超音波溶接の利点

• 高いスループットと短い所要時間
• プラスチック部品を直接熱で加熱しないため安全性が高い
• 直接熱を使用するため、熱に直接さらされると危険なガスが発生することで知られるポリ塩化ビニルなどの素材にも適しています
• 高品質の溶接接合部が生成され、美的価値が向上します

超音波溶接の欠点

• 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硬くて強力な熱可塑性プラスチックには適していません
• ほとんどの超音波機械トランスデューサーの出力範囲は 100～150 mm であるため、このプロセスはポリプロピレンなどの厚い素材には理想的ではありません
• 互いに重なり合うジョイントにのみ適しています。コーナー、バット、ティー、エッジなどの他のジョイントには互換性がありません
• 必要なツールとプロセスの数が多いため、リードタイムが長くなる

レーザー溶接

レーザー溶接は、レーザービームを使用してプラスチックを溶かすプラスチック溶接プロセスです。ただし、熱はプラスチックの蒸発温度未満に保たれます。その後、解凍時に圧力が加えられ、冷却されて溶接接合部が強化されます。

レーザー溶接は高速であり、さまざまな方法で行われます。したがって、プラスチック レーザー溶接プロセスには、ハイブリッド、同時、コンター、シングル パスなどのさまざまな種類があります。ただし、速度はプロセス、プラスチック、レーザー溶接機によって異なります。

レーザー溶接の利点

• 溶接面全体または単一スポットを加熱できます
• 精度が高いため、航空宇宙産業で使用されています
• 溶接は室温または特殊な条件下で行うことができます
• 複雑なデザインのプラスチックの溶接に適しています
• 溶接接合部は美的価値が高く、つまり外観がきれいです
• プロセスが迅速であるため、ラピッド プロトタイピングで非常に人気があります

レーザー溶接の欠点

• 溶接接合部の不良を防ぐため、厚さのプラスチック（0.5 インチ以上）には適していません
• 溶接の気孔や脆化を引き起こす可能性があります
• 初期投資コストが高い

摩擦圧接

摩擦溶接では、溶接を行うために直接熱を加える必要はありません。したがって、直接熱を加える必要のないプラスチック接合の一般的なプロセスです。このプロセスでは、摩擦の原理を利用してプラスチック素材を接合します。  

これには、両方のプラスチック材料を互いに移動または回転させることによって、両方のプラスチック材料に外圧を加えることが含まれます。ムーブメントにより摩擦が発生し、熱が発生してプラスチックが溶けます。溶解後、永久的な接合が形成されるまで、両方のプラスチック材料に圧力を均一に増加させます。摩擦溶接には 2 つのタイプがあります:

連続誘導摩擦溶接

手順は上記の手順に従います。しかし、熱を発生させる動きはバンドブレーキに接続されたローターからのものです。発生した熱がプラスチックの温度限界を超えると、溶着が発生するまで圧力が上昇し、バンド ブレーキがローターを停止します。  

慣性摩擦溶接

これは連続誘導摩擦溶接に似ています。ただし、バンドブレーキの代わりにエンジンフライホイールとシャフトフライホイールが使用されます。フライホイールは溶接当初は接続されていますが、摩擦や速度が限界に達すると分離します。シャフトフライホイールの低慣性モーメントにより停止します。溶接接合部が形成されるまで、圧力を継続的に加え続けます。

摩擦圧接の利点

• 最初の摩擦中に存在する酸化物や汚染物質を簡単に除去
• 異種プラスチックに適しています
• 低熱による素材の歪みや反りがない
• 高い溶接継手の品質
• 高い溶接速度
• 環境に優しい
• 消耗品や特別な電源は必要ありません

摩擦圧接の欠点

• 同じ断面の丸棒、アンギュラおよびフラットバットジョイントの場合にのみ適しています
• 初期投資コストが高い

高周波溶接

高周波溶接では、電磁場（13～100 MHz）を使用してプラスチックポリマーを溶接します。これにより、材料の内部で熱が発生します（直接熱を加える必要はありません）。オペレータは溶接が形成されるまで継続的に圧力を加えてプラスチックを融着させ、熱の除去が発生して溶接接合部が冷却されます。  

これにより、元の材料と同等またはそれ以上の特性を備えた強力な溶接接合部が生成されます。 HF 溶接は、異なるプラスチック材料に最適なプラスチック溶接プロセスです。プラスチック業界では便利ですが、互換性のある材料は限られています。一般的なものは、ポリ塩化ビニル、EVA、PET-G、およびその他の PET ファミリーのメンバーです。

高周波溶接の利点

• 分割の効果が低い
• 熱影響範囲が小さい
• 高い溶接速度 (約 100 ～ 120 m/分)

高周波溶接の欠点

• 大量の熱を放射します
• マシンによっては、加熱範囲、つまり加熱領域が狭い場合があります
• コンタクトヘッドの消耗

振動溶着

振動溶着では、プラスチック部品を特定の周波数と振幅でこすります。これにより摩擦熱が発生し、接合部が溶けて溶接接合が形成されます。振動溶着には 2 つのタイプがあります。

線形振動溶着

これは、一方のプラスチック部品をもう一方のプラスチック部品に対して所定の変位で移動させることによって発生する摩擦熱を利用して、プラスチック部品の接合部を溶かします。このプロセスは、振動が停止した後、溶接接合部が冷えるまで一定の圧力で継続されます。

軌道振動溶接

これには、プラスチック部品の上部を全方向に連続的な円運動で振動させることが含まれます。これにより熱が発生し、プラスチック部分が溶けます。振動は融点に達しなくなるため、溶接接合部は固化します。  

振動溶着の利点

• 消耗品は必要ありません
• 表面処理は必要ありません
• エネルギー効率が非常に高い
• 薄いプラスチック材料の溶接に適しています
• 不規則な形状のプラスチックの溶接に適しています

振動溶着の欠点

• 溶接面は平らで水平でなければなりません
• 互換性のあるマテリアルは限られています
• 高価な機器

ホットプレート溶接

これには、プレートを加熱し、それを使用して 2 つの熱可塑性プラスチックの接合面を溶かすことが含まれます。 2 つの半分を溶かした後、それらを一緒にして所定の期間放置すると、分子的、永久的、気密な結合が形成されます。

ホットプレート溶接には、極めて高い精度と制御が必要です。これはあらゆる熱可塑性プラスチック材料に適していますが、PP や PE などの軟質および半結晶性熱可塑性プラスチックにより適しています。

ホットプレート溶接の利点

• 大型プラスチックの接合に適しています
• 強力な溶接接合部を生成します
• プラスチックの融点に達するまでの時間に応じてサイクル時間が短くなります

ホットプレート溶接の欠点

• 0.1 インチ未満の薄いプラスチックの溶接には適していません
• この機器には高度なメンテナンスが必要です

ホットガス溶接

ホットガス溶接は熱可塑性プラスチックの製造で使用され、ガスまたは空気の蒸気を吹き付けてプラスチック溶接棒とポリマーを加熱する手持ち式溶接ガンを使用します。プラスチック材料は融点以上に加熱されると軟化し、溶接接合部を形成します。その後、冷却して固体の溶接接合部を形成します。

高温ガス溶接プロセスは、同様のプラスチック ポリマーで作られた格納容器、配管、熱交換器、水槽などの製造に適用できます。

ホットガス溶接の利点

• この機器は持ち運びに便利です
• 動作に電力は必要ありません
• 大型の機械は必要ありません
• 技術的な専門知識はあまり必要ありません

熱ガス溶接の欠点

• 加熱速度が非常に遅いため、プロセスが遅くなります
• 厚いプラスチックには適していません

スピンウェルディング

スピン溶接または回転摩擦溶接は、回転対称の接合面を持つ熱可塑性プラスチック部品を溶接するために使用されるプロセスです。これには、一方向の円運動で圧力をかけながら部品 (一方は静止) をこすり合わせることが含まれます。これにより摩擦熱が発生し、プラスチックが溶けて結合します。溶接された接合部は冷却後に固化します。

スピンウェルディングの利点

• プロセスは簡単で、必要な技術的専門知識はそれほど多くありません
• 消耗品は必要ありません
• エネルギー効率が高い
• 多くの熱可塑性プラスチックと互換性があります

スピンウェルディングの欠点

• 溶接するプラスチック部品の 1 つは対称な表面を持っている必要があります
• セットアップに費用がかかる

プラスチック溶接の利点

製造用のプラスチック溶接機には多くの利点があるため、さまざまな業界やラピッドプロトタイピングに応用されています。以下にいくつかの利点を示します。

追加の消耗品

ファスナー、溶剤、接着剤などの追加の消耗品は必要ありません。したがって、余分な消耗品によって発生する複雑さ、リスク、コストが削減されます。  

あらゆるジョイント形状に対応

このプロセスはあらゆる形状の部品に適しています。さまざまな溶接技術の発展により、複雑な形状の加工が可能になりました。したがって、湾曲した形状や不規則な形状の部品を簡単に溶接できます。

換気環境は必要ありません

プラスチックに使用される一部の溶接技術 (振動ベースの溶接など) ではヒューズが生成されません。したがって、保護具や換気を助けるインフラの必要性は最小限です。

費用対効果の高いオプション

この技術では、消耗品の必要性が低く、サイクル タイムも短くて済みます。したがって、リベット留めなどの他の接合方法よりも効果的です。

汎用性の高い溶接の選択肢

あらゆるサイズや寸法の部品に適しています。これは他の結合方法とは異なります。たとえば、リベットを固定するには、リベットに応じた最小サイズの部品が必要です。したがって、必要なのは、プラスチック部品を溶接するためのすべての技術の中から最も適した技術を見つけることだけです。

機械式ファスナーを使用するよりも軽い

プラスチックの溶接には多くの消耗品は必要ありません。その結果、全体の重量に影響を与える機械式ファスナーやリベットを使用する他の方法とは異なり、最終的な溶接製品の重量が軽減されます。

溶接は永久的です

接着剤や他のプラスチック接合機構とは対照的に、溶接接合は永久的です。したがって、内部コンポーネントを侵害したくない場合には、これは合理的な選択です。

プラスチック溶接部品の用途

プラスチック溶接はいくつかの業界に適用できます。以下にいくつかのプラスチック溶接部品とそれらが適用される業界を示します。

航空

航空宇宙用プラスチックには、その特性を損なうことなく正確な永久溶接が必要です。したがって、このプロセスは、内装パネル、保持タンク、トレイなどのプラスチック溶接部品の製造に適しています。

農業

ガスケット、PVC フェンス、タンク、給水およびミストラインなどのプラスチック溶接部品は、農業において幅広い用途があります。

自動車

自動車では、プラスチックを接合してグリル、ラジエーター、バッテリー ケース、ホイール ウェル ライナー、バンパーなどを製造する際にプラスチック溶接を使用します。

海洋

このプロセスは、ボート、バラストタンク、魚を養う井戸、貯水タンク、および海洋環境で使用されるその他のプラスチック溶接部品の製造にも適用できます。海洋環境では耐食性などの特性からプラスチックが使用されています。ただし、プラスチック溶接部品は組み立てられて溶接される場合があります。

配管

プラスチック溶接は配管分野で非常に一般的であり、DWV パイプ、排水管、蛇口などの製造に適用できます。このような部品は単独で製造され、組み立てが必要です。他のプラスチック接合プロセスとは異なり、溶接は永久的であるため、これを選択する際の重要な要素となります。

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よくある質問

プラスチックがこれほど広く使用されているのはなぜですか?

プラスチックは金属に比べて容易に入手でき、低コストであるため、幅広い産業用途に使用されています。それ以外にも、成形や機械加工が簡単です。リサイクルや修理も可能です。したがって、ガラスなどの素材とは異なり、プラスチックは割れてもあまり問題になりません。

異なるプラスチックを溶接することは可能ですか?

はい、異なるプラスチックを溶接することは可能です。ただし、同様のプラスチック素材に比べて接着力は強くありません。
類似した材料の結合が最も強く、次に類似の特性を持つ異種プラスチック、その次が異なる特性を持つ異種材料です。  

溶接部は丈夫ですか?

一方で、熱可塑性溶接接合は、特に同様の材料と接合する場合に非常に強力です。これは、溶接接合部が親プラスチックと同じ特性を持っているためです。一方、異種プラスチック部品の溶接接合部は強度がありません。