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Jun 10, 2023

超音波溶接の仕組み

Julie Andrews canta le note alte nella commedia musicale del 1982 "Victor Victoria".

1982 年のミュージカル コメディー「ビクター ヴィクトリア」では、ジュリー アンドリュースがパリのキャバレーでの役の終わりに高音を歌います。 彼女はメモを持続し、部屋の周りのシャンパングラスが砕けました。 これは、高音または高周波音がどのように物質を分解するかを見事に実証しました。 しかし、高周波音が材料を接着するために使用できることをご存知ですか? 超音波溶接と呼ばれる技術は、医療機器から運動靴、自動車に至るまで、多くの産業の製品の組み立てに使用されています。

通常、釘、ネジ、糸などの留め具を使用して材料を接着できます。 これは、金属、木材、布地、プラスチックに適しています。 多くのプラスチックには接着剤が使用されます。 接着剤は、接着剤自体と接着されたプラスチック材料の表面との間に化学結合を形成します。 電気接続の鉛はんだなど、他の金属を結合剤として加熱することで金属を結合させることができます。 あるいは、金属を直接溶かすこともできます (溶接)。 溶けた金属の表面が冷えると、金属同士が結合します。 溶接では通常、金属表面を溶かすのに必要な高温を達成するために直火またはトーチが必要です。 したがって、一部の製造作業ではコストがかかるプロセスになる可能性があります。

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1940 年代には、よりコスト効率の高い新しい溶接方法が導入されました。 超音波溶接という技術は、高周波の音波と圧力を使用して金属を接合するもので、従来の溶接よりも少ないエネルギーで済みます。 超音波金属溶接は、装置で使用される電子機器がより高度になり、コンピューターでプロセスを制御できるようになったことで、1950 年代から 1990 年代にかけて開発されました。 この時以来、この技術はプラスチックに適用され、実際に普及しました。

この記事では、超音波溶着の装置と物理的プロセス、ニューバランスがどのように超音波溶着を使用してスポーツシューズを製造したか、そしてこの技術の長所と短所について見ていきます。 まず、音波が金属とプラスチックの両方の材料をどのように結合するかを詳しく見てみましょう。

この記事の作成にご協力いただいた New Balance のシニア製品開発者である Kenneth Straka に感謝いたします。

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両手を素早くこすり合わせます。 何か気づきましたか？ 温まりましたね？ ハンマーを使って金属の表面を素早く何度も叩いてみると、ハンマーが金属を叩いている場所も温かくなることがわかります。 これらの例では両方とも、熱は摩擦によるものです。 ここで、手をこすったり、ハンマーを毎秒何千回も叩いたりすることを想像してください。 発生する摩擦熱により、非常に短時間で温度が大幅に上昇する可能性があります。 基本的に、高周波音（超音波）は、溶接される材料内に急速な振動を引き起こします。 振動により材料が互いにこすれ合い、摩擦により接触している表面の温度が上昇します。 この急速な摩擦熱が、材料が結合する条件を設定します。

超音波溶着装置は 4 つの主要な部分から構成されます。 電源は、低周波電力 (50 ～ 60 Hz) を高周波電力 (20 ～ 40 kHz、1 kHz = 1000 Hz) に変換します。 次に、トランスデューサーまたはコンバーターが高周波電気を高周波音（超音波）に変えます。 ブースターは超音波の振動を大きくします。 最後に、ホーンまたはソノトロードが超音波振動を集中させ、溶接する材料に伝達します。 これらの部品の他に、溶接材料を積み重ねて保持するアンビルがあります。 溶接中に材料を保持するために力（通常は空気圧ピストンによって供給される空気圧）を加える方法もあります。

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それでは、どのような材料や産業がこの巧妙なプロセスを利用しているのでしょうか? プラスチックの超音波溶着は、電子機器、医療機器、自動車部品の製造に広く使用されています。 たとえば、超音波溶接は、コンピュータの回路基板に電気接続を行ったり、変圧器、電気モーター、コンデンサなどの電子部品を組み立てたりするために使用されます。 カテーテル、バルブ、フィルター、フェイスマスクなどの医療機器も超音波溶接を使用して組み立てられます。 包装業界では、この技術を使用してフィルムを作成し、チューブやブリスターパックを組み立てます。 フォード モーター カンパニーでさえ、自動車のアルミニウム シャーシを製造するために超音波溶接を使用することを検討しています。

超音波溶接の基本を理解したところで、溶接プロセス自体を見てみましょう。

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超音波溶接の基本プロセスは次の手順で説明できます。

溶接時間、加えられる圧力、および温度は、溶接装置内のコンピュータまたはマイクロプロセッサによって制御されます。 そして、溶接プロセス中に実際に何が起こるかは、材料の性質によって異なります。 金属では、超音波振動は材料の面と平行に伝わります。 摩擦熱により金属表面の温度は溶解温度の約 3 分の 1 まで上昇しますが、金属は溶解しません。 代わりに、熱により表面から金属酸化物やフィルムが除去されます。 これにより、金属原子が 2 つの表面間を移動し、金属を保持する結合を形成できるようになります。

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プラスチックの場合、振動は材料の平面に対して垂直であり、摩擦熱によりプラスチックが溶けるのに十分な温度が上昇します。 プラスチックの分子が混ざり合って結合を形成します。 冷却すると、プラスチックの表面が溶接されます。 溶接時間はさまざまですが、わずか 0.25 秒で溶接が完了します。

超音波溶接で変化する要因は、音波の周波数 (通常は 20、30、または 40 kHz)、材料を保持するために加えられる圧力、および超音波が適用される時間 (1 秒の何分の一から 200 kHz 以上) です。一秒）。

これまで説明した超音波溶接技術は、類似した材料 (金属、プラスチック) に適しています。 しかし、類似していない材料についてはどうでしょうか。 ニューバランスがどのように超音波溶接を使用してスポーツシューズを組み立てたかを見て、この質問に答えてみましょう。

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運動靴を見てください。 従来の靴はキャンバスやスエード レザーなどの単一の素材で作られていますが、多くの運動靴は軽量のプラスチック ポリマー、スエードまたは合成スエード、メッシュの組み合わせなど、複数の素材で作られています。 これらの複合材料により、シューズは軽量、柔軟性、耐久性、通気性に優れています。 たとえば、ニューバランスの運動靴の 1 つのスタイルには、3 つの部分からなる上部があります。

しかし、これらの材料をどうやって組み合わせるのでしょうか? 最も一般的には、靴会社が材料を縫い合わせます。 しかし、ニューバランスは2～3年ほど前から、シューズのアッパー部分を無縫製で作ることに着手した。 ポリマー接着フィルムとアイロンを試した後、彼らは超音波溶着を使用して靴のこの部分を作る方法を思いつきました。

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靴の上部を組み立てるために、労働者は合成スエード素材から始めます。 アイロンプレスを使用して、ホットメルトフィルムの薄いシートを素材の裏側に接着します。 次に、超音波溶接アセンブリでパターン バンプをスエード素材に押し込みます。 同様に、同様の超音波溶接機を使用して、別の合成スエードからサドルアイ列をプレスします。 ヴァンプの形状はスエードから切り出されます。 サドルのアイ列とメッシュ素材がバンプに超音波溶着されます。 その際、超音波溶着機の摩擦熱によりホットメルトフィルムが溶け、サドルアイ列とメッシュ素材がバンプに接着されます。 完成したヴァンプは成形され、水性溶剤を使用してソールとヒール部分に接着されます。

New Balance のシニア製品開発者である Kenneth Straka 氏によると、超音波溶着方法により時間が節約され、生産性が向上しました。 超音波ウェルダーはアイロンプレスよりも熱を均一に分散するだけでなく、加熱と冷却がより速くなります。 そのため、組み立てプロセスに必要な手順は従来の縫製方法よりも少なく、迅速です。

超音波溶接を使用してさまざまな材料を接合する方法を説明しました。次に、この技術の長所と短所を見てみましょう。

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超音波溶接には、従来の方法に比べて多くの利点があります。 まず、溶接は他の方法に比べて低温で行われます。 そのため、メーカーは高温に達するために大量の燃料やその他のエネルギーを消費する必要がありません。 これにより、プロセスが安価になります。 また、より速く、より安全です。

このプロセスは数秒から数秒で行われます。 そのため、他の方法よりも早く実行できます。 実際、接着剤よりもプラスチックをより効果的に、より速く接着できます。 たとえば、車の新しいスマートキーにはトランスポンダーチップが組み込まれています。 車はチップを感知した場合にのみ始動できます。 キーを作成するには、金属キーの一方の端をブランクにし、チップをプラスチックの上部の半分に配置します。 残りの半分をその上に置き、ベース半分に接着します。 この接着は通常接着剤で行われるため、硬化するのに時間がかかります。 超音波溶接を使用すると、同じ作業を 1 秒以内に実行できます。

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超音波溶接は可燃性燃料や裸火を必要としないため、他の溶接方法と比較して安全なプロセスです。 労働者は可燃性ガスや有害な溶剤にさらされません。 エレクトロニクスでは、通常、銅線ははんだを使用して回路基板の電気接点に接着されます。 超音波溶接を使用すると、同じ作業を短時間で行うことができ、作業者を鉛はんだのくすぶりから出る煙にさらすことなく行うことができます。 高周波音にさらされると作業者の聴覚が損傷を受ける可能性がありますが、超音波溶接機を安全ボックスやケージに入れたり、耳の保護具を使用したりすることで、この潜在的な危険を簡単に軽減できます。

最後に、超音波溶接は、同じ材料の従来の溶接と同じくらい強力で耐久性があります。これが、この方法が自動車製造に使用されている理由の 1 つにすぎません。 自動車を軽量化し、燃費を向上させるために、自動車メーカーは車体の主要な金属としてアルミニウムに注目しています。 超音波溶接を使用すると、従来の溶接よりも短時間かつ低温で金属を接合できます。

ただし、超音波溶接には限界があります。 まず、溶接の深さが 1 ミリメートル未満であるため、このプロセスはプラスチック、ワイヤー、薄い金属シートなどの薄い材料に最適です。 建物の鋼桁を超音波溶接することは現実的ではありません。 第二に、同様のプラスチックや同様の金属などの同様の材料を溶接する場合に最も効果的です。 ニューバランスのシューズで見たように、異種素材を超音波溶接するには追加の素材が必要です。ニューバランスのシューズの場合、それは合成スエードとメッシュの間に接着できるフィルムです。

これらの制限にもかかわらず、超音波溶接の人気と可能性は成長し続けています。

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