超音波によるウェブ切断および溶接原理の応用

超音波切断および溶接の原理

超音波切断および溶接は、産業における超音波応用の分野の一つであり、環境に優しく、効率的で、見た目にも美しいという特性から、ますます広く利用されるようになっている。

超音波切断および溶接の原理

超音波によるウェビングの切断と溶接は、20～40kHzの高周波機械振動を利用し、溶接ヘッドを介してウェビングの接触面にエネルギーを伝達します。 1. エネルギー変換：超音波発生器は電気エネルギーを高周波機械振動に変換し、振幅変換器によって増幅された後、溶接ヘッドに伝達されます。 2. 摩擦熱発生：溶接ヘッドがウェビングに押し付けられると、ウェビング内部の繊維間に高周波摩擦が生じ、局所的に500～1000℃の高温が瞬時に発生します。 3. 同時溶接と切断：高温によってウェビング繊維（ナイロンやポリエステルなど）が溶融し、溶接ヘッドの圧力によって溶融部分が圧縮され、強固な溶接層が形成されます。特定の切断刃付き溶接ヘッドと併用すると、高温でウェビングを同時に切断することができ、「切断＋溶接」が一体化されます。 4．冷却と成形：振動停止後、0.1～0.5秒間圧力を維持し、溶接部を急速に冷却・凝固させることで、切断・溶接工程を完了します。（空気圧システムは緩衝作用を提供するとともに、切断・溶接工程中の冷却と成形も確保します。）

超音波切断溶接システムの構成

一般的に使用されている超音波プラスチック溶接システムは、主に3つのコンポーネントで構成されています。超音波発生器（電気ボックス）、 超音波トランスデューサ（振動子）と超音波金型（金型ヘッド、溶接ヘッド、ホーン）

超音波発生器（電気ボックス）、超音波トランスデューサー（振動子）、超音波金型（金型ヘッド、溶接ヘッド、ホーン）

1. 超音波発生器（電気ボックス）： 家庭用電源を安定した高周波・高電圧出力に変換します。

2. 超音波トランスデューサー（発振器）： 音響エネルギー変換装置であり、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する。

3. アンプ： トランスデューサの機械的振動の振幅は、あらかじめ設計されたゲイン比によって変化する。

4. 金型（溶接ヘッド、ホーン）： 溶接や切断用途のニーズに合わせて特定の寸法にカスタマイズされ、超音波システムの共振要件を満たす音響特性を備えています。以下では、いくつかの公式を用いて、応用におけるパラメータ調整現象を説明します。

エネルギー = 振幅 × 圧力 × 時間 × 定数 K = 電力 × 時間

上記の式から、溶接および切断において、超音波の振幅（発生器で設定可能）、圧力（空気圧または電動シリンダーのトルク、構造物の剛性および硬度）、および波の放出時間は、溶接および切断効果と正の相関関係にあることがわかります。言い換えれば、製品の切断がうまくいかない場合は、これらのパラメータを適切に調整することで改善できます。 これは、これらのパラメーターの値が高いほど良いという意味でしょうか？もちろん違います！

P = K∗A∗f∗δ、ここでPは溶接電力（W）を表す。

K は、その大きさが材料の音伝導率とエネルギー散逸率に関係する定数です。つまり、異なる材料は、要求を満たすために異なるパラメータの微調整が必​​要になるということです。

A これは溶接切断部の面積を表し、単位は平方メートル（㎡）です。これは溶接切断部の接触面であり、通常、切断刃の長さと角度によってこの面積が決まります。

f は超音波周波数であり、理論的には周波数が高いほど溶接が容易になります。しかし、音響的には、周波数が高いほど大きな振幅を得るのが難しくなります。単位は Hz です。

d は振幅を表し、単位はメートル（m）です。理論的には、振幅が大きいほど溶接や切断の精度が向上します。しかし、金属材料の疲労寿命は、周波数、材料特性、応力、時間、圧力、硬度などに関連しており、他のパラメータにも影響されます。

超音波切断・溶接の結果に影響を与える6つの要因：

圧力 + 時間 + 機械構造 + 製品材料 + デバッグ

1. 超音波溶接圧力

溶接面に適切な圧力を加えることで、溶接材料は弾性状態から塑性状態に変化し、分子間拡散が促進され、溶接部から残留空気が押し出され、溶接面のシール性能が向上する。圧力は一般的に0.5MPaを超えない。

2. 超音波溶接／切断時間（超音波放出時間）

適切な溶融時間と十分な冷却時間は不可欠です。一定の熱出力の場合、時間が不足すると溶接が不完全になり、時間が長すぎると溶接部の変形、スラグの溢れ、場合によっては非溶接部にホットスポット（変色）が発生します。十分な分子拡散と融合を保証するためには、溶接面が十分に熱を吸収して完全に溶融状態に達することが重要です。同時に、溶接部が十分な強度を得るためには、十分な冷却時間が必要です。

3. 超音波振幅

4. 機械構造

フレーム製造の精度と安定性は溶接効果に直接影響し、特に精密製品においては、機械構造が製品の精度に適合する必要があるため、その影響は顕著である。

5. 製品材料

溶接される部品の材質、構造、厚さ、耐圧性などの要因も、溶接効果に直接影響を与える。

6. 機器のデバッグ

結論として、製品が最高の超音波切断・溶接結果を得るためには、装置のデバッグも重要な保証となります。様々なパラメータの柔軟なマッチングと調整、そしてエンジニアによる現場でのデバッグが重要な役割を果たします。