溶着って何?基本的な知識と種類を紹介!

溶着って何?基本的な知識と種類を紹介!

樹脂や非鉄金属を接合する技術である「溶着」。溶接と間違われやすいですが、溶接は接合後の外観を見て溶融部を確認できるのに対し、溶着は接合後の溶融部を見ても判別することができません。

溶着にはいくつか種類があり、それぞれ違った特徴があります。この記事では、溶着の基本的な知識と溶着の種類をご紹介します!

これだけは知っておくべき溶着のポイント

  • 溶着は樹脂や非鉄金属を接合するための技術

  • 溶着は加熱能力、冷却能力、加圧力によって強度・風合いが変わる

  • 溶着の種類には主に高周波溶着、熱溶着、超音波溶着がある

目次

1.溶着とは樹脂や非鉄金属を接合するために使われる技術

2.温度と力がポイント?溶着の特徴

3.溶着の種類は主に高周波溶着、熱溶着、超音波溶着がある

溶着とは樹脂や非鉄金属を接合するために使われる技術

溶着がもちいられる素材は、主に樹脂や非鉄金属。特に樹脂溶着は樹脂(プラスチック)を接合するために用いられる技術の一つです。接合させるために、熱可塑性のフィルムやシートなど、樹脂部品を融点が超えるまで加熱し、加圧・冷却します。

温度と力がポイント?溶着の特徴

溶着は熱可塑性樹脂を加熱し、加圧、冷却することにより接合させる技術であるため、加熱能力と時間、冷却能力と時間、そして加圧力によって、仕上がりの強度および風合いに違いが出てきます。

それではそれぞれどのような特徴があるのか、詳しくご説明いたします。

加熱能力

加熱には、ヒーター等を使う、被加熱物の外部にある熱源から熱伝導によって加熱する「外部加熱」と、被加熱物自体を加熱させる「内部加熱」とがあり、後述する溶着の種類によって加熱方法は異なります。

外部加熱方式においては、被加熱物の熱伝導により加熱するため時間がかかります。対して内部加熱方式では、被加熱物の溶着部分のみ内部加熱するため、短時間で済みます。

加圧力

熱可塑性物質を加熱したら、次は圧を加え接合させていきます。圧力を高くすると、その分溶着時間は短くなりますが、高すぎると十分な溶着強度が得られなかったり、変形してしまったりする危険性もあります。逆に低すぎると、樹脂が発熱しないなどの問題も生じるため、きちんとその場面に応じて圧力を変えていくことが大事になります。

冷却能力

圧力をかけたら、今度は圧力をかけながら接合部分を冷却していきます。これにより溶着の強度を上げることができます。冷却時間が十分でないと、溶融した樹脂が膨らんだ状態で再凝固するという現象がおき、内部に気泡ができてしまったりします。そうなると溶着強度が下がってしまうので、冷却時間はしっかりとらなければなりません。

冷却時間は樹脂の硬さで変わり、硬い樹脂であれば冷却時間は短く、柔らかい樹脂の場合は長くなります。

溶着の種類は主に高周波溶着、熱溶着、超音波溶着がある

溶着には、以下の種類があります。

  • 高周波溶着、

  • 熱溶着

コテ溶着

熱板式溶着

熱風式溶着

  • 超音波溶着

それではそれぞれの仕組みおよび特徴をご紹介します。

高周波溶着

高周波溶着とは、高周波誘電加熱方式を用いて溶着させる方法のことを言います。高周波エネルギーの電解作用により樹脂部材そのものの内部から発熱させます。

下の図のようにマイナス電極とプラス電極に挟まれたフィルムが高周波電解によって発熱します。高周波溶着では、被加熱物の溶着させたい箇所だけを内部加熱することが可能なので、短時間で溶着することができます。

また、周りの溶着しない部分には熱の影響がないので、仕上がりが綺麗です。

熱溶着

熱溶着には主に、コテ式溶着、熱板式溶着、熱風式溶着の3種類があり、すべて被加熱物の外部にある熱源からの熱伝導によって溶着する方法ですが、それぞれ特徴があるのでご紹介します。

コテ式溶着

コテと聞くと、ヘアアイロンのコテのようなものを想像される方もいらっしゃるかもしれませんが、このコテ式溶着でのコテは、2枚のシートの間に挟む加熱版のこと。このコテを挿入し、ローラーの加圧により溶着します。

ほとんどのフィルム・シートに適していて、風合いも非常に良いのが特徴です。

熱板式溶着

被加熱物を、上下の加熱板でしっかりと挟み、被加熱物を加熱させ溶着させる方法で、文具ケース等の加工に用いられる間欠式と、テントシートなどの加工に用いられる連続送り式があります。

対象素材を選ばないのが大きな特徴です。

以下は熱板式連続溶着機でシートを溶着している様子です(連続送り式)

熱風式溶着

2枚のシートの間に熱風を吹き付け、ローラーによって加圧し溶着させる方法です。溶着面に熱風を吹き付けるため、対象物の暑さを問わないのが特徴です。

高周波溶着で加工しにくいとされているオレフィン素材の加工に用いられる方法で、もう一つの特徴として、他の溶着方法では困難である曲線加工ができる点が挙げられます。

下の表は、それぞれの熱溶着方法の特徴と主な用途をまとめた表です。

コテ式溶着 熱板式溶着 熱風式溶着
特徴 他の熱溶着方式に比べ風合いが美しい 対象素材を選ばない 曲線加工ができる
用途 UVシートやエステル帆布など厚手の生地の加工 間欠式:文具ケース 連続式:テントシート、防炎シートなど フレキシブルコンテナバック、風管など

超音波溶着

20kHz(1秒間に20,000回の振動)以上の周波数で超音波エネルギーを、ホーン(共鳴体)から出る超音波振動を被加熱物に伝えることにより強力な摩擦熱を発生させ溶着させる方法です。

超音波溶着では、次の3つの要素がとても重要な要素となります

  • 溶着時間:超音波振動を与える時間

  • 振幅:超音波振動の大きさ

  • 加圧力:与える荷重

これら3つの要素の組み合わせによって溶着強度が変わってきます。

溶着時間

通常は溶着時間が長ければよく溶け、溶着強度も上がりますが、あまり長すぎると樹脂の融点を超えてしまい炭化現象が起こる可能性もあります。そうなると、溶着強度は劇的に下がってしまうので注意が必要です。

振幅

振幅が高いと溶着性はよくなります。ですが振幅が極端に高くなってしまうと母材(接合したい材料)に傷やクラックが発生してしまうことがあります。振幅には各樹脂材を溶着する為に最低限必要な振幅(しきい値)というものがあります。振幅がこのしきい値を超えなければ、どんなに溶着時間を長くしても溶着はできません。しきい値を基準に、振幅を高くしすぎないようにすることが大切です。

加圧力

圧力を高くすれば溶着時間が短くなります。しかし高すぎるとエネルギーダイレクター(ED)が潰れてしまい完全に溶けません。そうなると充分な溶着強度が得られなかったり、ワークが変形してしまったりするおそれがあるので、加圧力にも注意が必要です。

まとめ

いかがでしたでしょうか。

「溶着」とは熱可塑性樹脂を「加熱・加圧・冷却」することによって接合させる技術で、高周波溶着、熱溶着、超音波溶着という種類があること、それぞれの特徴などをご紹介しました。

用途や母材に合わせて溶着方法を選び、それぞれの方法のなかでも最適な条件で溶着させることにより、適切な溶着強度や美しい風合いを得ることができます。

母材自体を物理的に溶かし溶融・一体化させる「溶接」とは違い、「溶着」は熱可塑性樹脂を溶かすことにより接合させます。

溶接と溶着について知識が曖昧だった方は、これで違いがはっきりとわかり、更に溶着についての知識も深まりましたね!

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