JP2024044505A - 熱可塑性樹脂溶接方法、及び熱可塑性樹脂溶接構造物 - Google Patents
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Abstract
【課題】機械的強度や摩耗に対して強い熱可塑性樹脂製の溶接構造物を提供することを課題とする。【解決手段】機械的強度に優れた熱可塑性樹脂同士を溶接する熱可塑性樹脂溶接方法であって、当該熱可塑性樹脂から前記補助材を作成するとともに、溶接を行う前記熱可塑性樹脂同士を所望の位置関係に組合せて接着剤を用いずに型組する準備工程と、所望の溶接個所に前記補助材を押付けながら高温空気を吹き付けて融点未満の温度で前記熱可塑性樹脂同士を溶接する溶接工程と、を備えたことを特徴とする熱可塑性樹脂溶接方法とした。【選択図】図１
Description
特許法第３０条第２項適用申請有り モノづくりフェア２０２１、令和３年１０月１３～１５日 第２７回機械要素技術展、令和４年６月２２～２４日
本発明は、機械的強度や耐摩耗性に優れた熱可塑性樹脂同士が溶接されてなされた熱可塑性樹脂溶接構造物及び熱可塑性樹脂溶接方法に関するものである。
機械的強度や耐摩耗性に優れた熱可塑性樹脂は、金属に置き換わることが可能で、例えば、モノマーキャストナイロンは、主原料ナイロンモノマーを大気圧下で重合・成型することでナイロンの特性を向上させ、引張強度が９６ＭＰａと言われており機械的強度や耐摩耗性に優れたエンジニアリングプラスチックで歯車やローラにおいて幅広く使用されている。また、ポリエチレンテレフタレートは、溶融状態から徐冷すると結晶性ポリエチレンテレフタレートになり、急冷すると非結晶性ポリエチレンテレフタレートになる。結晶性ポリエチレンテレフタレートは結晶化した部分の分子が規則正しく配列し、密度が高くなるため高い機械的強度と耐熱性が得られ、その引張強度は、９１ＭＰａと言われている。
熱可塑性樹脂の構造物を製作する際に、接着やねじ止めに加えて、溶接棒を用いた溶接によることがある。
特許文献１には、塩化ビニル同士を溶接する事項が記載されている。
特許文献１：特開２００２－１３７３０２号公報
しかしながら、特許文献１に記載の塩化ビニルは、機械的強度や摩耗に対して弱く、強度の必要な対象物に適用できないという問題があった。
本発明は、上記問題点を解決して、機械的強度や摩耗に対して強い熱可塑性樹脂製の溶接構造物を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために本発明は、機械的強度に優れた熱可塑性樹脂同士を溶接する熱可塑性樹脂溶接方法であって、
当該熱可塑性樹脂から前記補助材を作成するとともに、溶接を行う前記熱可塑性樹脂同士を所望の位置関係に組合せて接着剤を用いずに型組する準備工程と、
所望の溶接個所に前記補助材を押付けながら高温空気を吹き付けて融点未満の温度で前記熱可塑性樹脂同士を溶接する溶接工程と、
を備えたことを特徴とする熱可塑性樹脂溶接方法を提供するものである。
当該熱可塑性樹脂から前記補助材を作成するとともに、溶接を行う前記熱可塑性樹脂同士を所望の位置関係に組合せて接着剤を用いずに型組する準備工程と、
所望の溶接個所に前記補助材を押付けながら高温空気を吹き付けて融点未満の温度で前記熱可塑性樹脂同士を溶接する溶接工程と、
を備えたことを特徴とする熱可塑性樹脂溶接方法を提供するものである。
モノマーキャストナイロンや結晶性ポリエチレンテレフタレート等の機械的強度に優れた熱可塑性樹脂同士は、引張強度が大きく金属部品の置き換えとして主に歯車やローラに使用される一方、溶接した構造物を製造する発想が従来はなかった。それは、溶接に際して必要な溶接棒が供給されていないことも主な要因と考えられる。 また、モノマーキャストナイロンや結晶性ポリエチレンテレフタレート等の熱可塑性樹脂を接着できる接着剤は市販されていない。したがって、型組する際には、万力やエビの形をした万力、又はピンポイントの熱圧着により型組を行う。 出願人は、溶接棒に替わる補助材を自作して溶接を行うこととした。この補助材は、溶接する熱可塑性樹脂と同じ組成を有しており、一般に溶接棒に備えられている軟化材が含まれていないことから、軟化させるのに時間が掛かる。 時間が掛かると言って、融点付近の高温で溶接しようとしてもうまくいかない。出願人は試行錯誤を繰り返して、融点未満の低い温度でじっくりと補助材が軟化するまで時間をかけて溶接することに成功した。 これにより、硬質物質が液体とともに流れる配管等にこの機械的強度に優れた熱可塑性樹脂の溶接構造物を使用することができ、金属に比べて軽くコストパフォーマンスの高いものを提供できる。
熱可塑性樹脂溶接方法であって、前記準備工程において、前記溶接個所に沿って前記補助材を埋め込む凹部を形成する構成としてもよい。
この構成により、強い溶接力をもつ溶接を行うことができる。
熱可塑性樹脂溶接方法であって、前記熱可塑性樹脂は、モノマーキャストナイロン、又は結晶性ポリエチレンテレフタレートである構成としてもよい。
この構成により、機械的強度や摩耗に対して強い熱可塑性樹脂製の溶接構造物を提供することができる。
また、上記課題を解決するために本発明は、機械的強度に優れた熱可塑性樹脂同士を溶接した熱可塑性樹脂溶接構造物であって、 前記熱可塑性樹脂は、モノマーキャストナイロン、又は結晶性ポリエチレンテレフタレートであることを特徴する熱可塑性樹脂溶接構造物を提供するものである。
この構成により、機械的強度や摩耗に対して強い熱可塑性樹脂製の溶接構造物を提供することができる。
本発明の熱可塑性樹脂溶接方法、及び熱可塑性樹脂溶接構造物により、機械的強度や摩耗に対して強い熱可塑性樹脂製の溶接構造物を提供することができる。
本発明の実施例１における熱可塑性樹脂溶接方法について、図１―図３を参照して説明する。図１は、本発明の実施例１におけるモノマーキャストナイロンによる配管溶接の事例を説明する写真である。図２は、本発明の実施例１におけるモノマーキャストナイロンによる埋込溶接の事例を説明する写真である。図３は、本発明の実施例１におけるモノマーキャストナイロン溶接構造物の引張せん断試験結果を示す図である。
本発明における熱可塑性樹脂は、機械的強度や耐摩耗性に優れたものを対象としている。例えば、モノマーキャストナイロンの引張強度は９６ＭＰａであり、結晶性ポリエチレンテレフタレートの引張強度は、９１ＭＰａと優れた性能を有している。これらの熱可塑性樹脂は、従来、歯車やローラなど機械的強度を活かした分野において活用されている。一方で、機械的強度の低い塩化ビニル（引張強度は６０ＭＰａ）は溶接を行って配管等の分野で活用されている。しかしながら、塩化ビニルを溶接して製造された配管内を硬質の部材が流れると配管を傷つけて劣化していく恐れがあるという問題があった。
出願人は、上記問題を解決するために、鋭意工夫して機械的強度や耐摩耗性に優れた熱可塑性樹脂の溶接に成功した。実施例１における熱可塑性樹脂溶接方法は、モノマーキャストナイロン同士を溶接させる方法である。
実施例１における熱可塑性樹脂溶接方法を説明する。 まず、準備工程を実施して、モノマーキャストナイロンの板材からモノマーキャストナイロンの補助材を作成するともに、溶接を行うモノマーキャストナイロン同士を所望の位置関係に組合せて接着剤を用いずに型組する。
つまり、従来は、モノマーキャストナイロン同士を溶接するという発想がなく溶接棒が存在しないので、溶接棒に代わる補助材を作成する。補助材は、細い丸断面の棒状にすることが望ましく、板状のモノマーキャストナイロンを削り出して製作する。
ただ、通常の溶接棒（例えば、塩化ビニルの溶接棒）は、加熱することで早く軟化する軟化材が含まれているが、上記の補助材は軟化材等を含まないモノマーキャストナイロンからなっている。これにより、後述するように、補助材が軟化するまで時間をかけて加熱して溶接することが求められる。
また、溶接を行うモノマーキャストナイロン同士を所望の位置関係に組合せて接着剤を用いずに型組する。つまり、モノマーキャストナイロン同士を接着する接着剤は市販されていないので、接着剤を用いずに万力などを使って固定するか、ポイントのみを熱溶着し、所望の位置関係に組合せて型組する。
なお、準備工程において、溶接個所に沿って補助材を埋め込む凹部を形成してもよい。凹部形成は、上述の型組の前に行ってもよいし、型組の後に行ってもよい。また、凹部の断面はＶ形状でもよいし、円弧状であってもよく、任意の形状を選択できる。該凹部に補助材を埋め込むように溶接することで強力な溶接力を得ることができる。
そして次に、溶接工程を実施する。溶接工程では、所望の溶接個所に製作した補助材を前述の凹部に押付けながら高温空気を吹き付けてモノマーキャストナイロン及び補助材を加熱して溶接する。なお、凹部が形成されていないときには、溶接個所に補助材を押付けて加熱する。このとき、モノマーキャストナイロンの加熱温度は融点未満の低めの温度とすることが望ましい（モノマーキャストナイロンの融点は２２２℃）。加熱温度を高くすると気泡が発生して仕上がり状態が悪くなる。後述の比較例である塩化ビニルの溶接時の加熱温度は１００℃～１５０℃であるが、この温度よりも低くするのが望ましい。この低めの加熱温度で補助材が軟化するまでゆっくりと時間をかけて溶接していく。溶接時間は、比較例である塩化ビニルの溶接に比べて３倍以上の時間を要する。
図１にモノマーキャストナイロンによる配管溶接の事例の写真を示す。図中のＡが溶接個所であり、配管同士を溶接している。また、図２にモノマーキャストナイロンによる埋込の事例写真を示す。図中のＡは溶接個所であり、Ｂは埋め込んだ箇所を示す。必要に応じて溶接部分の盛り上がりは機械的に削り取ることができる。
図３に、モノマーキャストナイロン同士を溶接した４つのサンプル（図６参照）で試験した引張せん断試験結果を示す。図３の横軸は変位（ｍｍ）を示し、縦軸は、引張力（ＭＰａ）を示す。これによると、引張力１４Ｍｐａ付近でいずれのサンプルもせん断し、そのときの変位は約１ｍｍである。これを比較例の塩化ビニルの溶接における４つのサンプルで行った引張せん断試験結果（図５参照）と比較すると、塩化ビニル溶接と同等以上の溶接力を有していることがわかる。
このように、実施例１においては、機械的強度に優れた熱可塑性樹脂同士を溶接する熱可塑性樹脂溶接方法であって、 当該熱可塑性樹脂から前記補助材を作成するとともに、溶接を行う前記熱可塑性樹脂同士を所望の位置関係に組合せて接着剤を用いずに型組する準備工程と、 所望の溶接個所に前記補助材を押付けながら高温空気を吹き付けて融点未満の温度で前記熱可塑性樹脂同士を溶接する溶接工程と、を備えたことを特徴とする熱可塑性樹脂溶接方法により、機械的強度や摩耗に対して強い熱可塑性樹脂製の溶接構造物を提供することができる。
また、実施例１においては、機械的強度に優れた熱可塑性樹脂同士を溶接した熱可塑性樹脂溶接構造物であって、 前記熱可塑性樹脂は、モノマーキャストナイロンであることを特徴する熱可塑性樹脂溶接構造物を実現することができる。
本発明の実施例２における熱可塑性樹脂溶接方法は、結晶性ポリエチレンテレフタレート同士を溶接させる方法である。実施例２について、図４を参照して説明する。図４は、本発明の実施例２における結晶性ポリエチレンテレフタレート溶接構造物の引張せん断試験結果を示す図である。
まず、準備工程を実施して、結晶性ポリエチレンテレフタレートの板材から結晶性ポリエチレンテレフタレート補助材を作成するとともに、溶接を行う結晶性ポリエチレンテレフタレート同士を所望の位置関係に組合せて接着剤を用いずに型組する。
つまり、従来は、結晶性ポリエチレンテレフタレート同士を溶接するという発想がなく溶接棒が存在しないので、溶接棒に代わる補助材を作成する。補助材は、断面２～３ｍｍφの棒状とすることが望ましく、板状の結晶性ポリエチレンテレフタレートを削り出して製作する。
ただ、通常の溶接棒（例えば、塩化ビニルの溶接棒）は、加熱することで早く軟化する軟化材が含まれていることが多いが、上記の補助材は軟化材等を含まない結晶性ポリエチレンテレフタレートからなっている。これにより、後述するように、補助材が軟化するまで時間をかけて加熱して溶接することが求められる。
また、溶接を行う結晶性ポリエチレンテレフタレート同士を所望の位置関係に組合せて接着剤を用いずに型組する。つまり、結晶性ポリエチレンテレフタレート同士を接着する接着剤は市販されていないので、接着剤を用いずに万力などを使って固定するか、ポイントのみを熱溶着し、所望の位置関係に組合せて型組する。
なお、準備工程において、溶接個所に沿って補助材を埋め込む凹部を形成してもよい。凹部形成は、上述の型組の前に行ってもよいし、型組の後に行ってもよい。また、凹部の断面はＶ形状でもよいし、円弧状であってもよく、任意の形状を選択できる。該凹部に補助材を埋め込むように溶接することで強力な溶接力を得ることができる。
そして次に、溶接工程を実施する。溶接工程では、所望の溶接個所に製作した補助材を前述の凹部に押付けながら高温空気を吹き付けて結晶性ポリエチレンテレフタレートを加熱して溶接する。なお、凹部が形成されていないときには、溶接個所に補助材を押付けて加熱する。このとき、結晶性ポリエチレンテレフタレートの加熱温度は融点未満の低めの温度とすることが望ましい（結晶性ポリエチレンテレフタレートの融点は２５２℃）。加熱温度を高くすると気泡が発生して仕上がり状態が悪くなる。後述の比較例である塩化ビニルの溶接時の加熱温度は１００℃～１５０℃であるが、この温度よりも低くするのが望ましい。この低めの加熱温度で補助材が軟化するまでゆっくりと時間をかけて溶接していく。溶接時間は、比較例である塩化ビニルの溶接に比べて３倍以上の時間を要する。
図４に、結晶性ポリエチレンテレフタレート同士を溶接した４つのサンプル（図６参照）で試験した引張せん断試験結果を示す。図４の横軸は変位（ｍｍ）を示し、縦軸は、引張力（ＭＰａ）を示す。これによると、引張力１６～１８Ｍｐａ付近でいずれのサンプルもせん断し、そのときの変位は約１ｍｍである。これ
を比較例の塩化ビニルの溶接における４つのサンプルで行った引張せん断試験結果（図５参照）と比較すると、塩化ビニル溶接と同等以上の溶接力を有していることがわかる。
を比較例の塩化ビニルの溶接における４つのサンプルで行った引張せん断試験結果（図５参照）と比較すると、塩化ビニル溶接と同等以上の溶接力を有していることがわかる。
このように、実施例２においても、機械的強度に優れた熱可塑性樹脂同士を溶接する熱可塑性樹脂溶接方法であって、 当該熱可塑性樹脂から前記補助材を作成するとともに、溶接を行う前記熱可塑性樹脂同士を所望の位置関係に組合せて接着剤を用いずに型組する準備工程と、 所望の溶接個所に前記補助材を押付けながら高温空気を吹き付けて融点未満の温度で前記熱可塑性樹脂同士を溶接する溶接工程と、を備えたことを特徴とする熱可塑性樹脂溶接方法により、機械的強度や摩耗に対して強い熱可塑性樹脂製の溶接構造物を提供することができる。
また、実施例２においては、機械的強度に優れた熱可塑性樹脂同士を溶接した熱可塑性樹脂溶接構造物であって、 前記熱可塑性樹脂は、結晶性ポリエチレンテレフタレートであることを特徴する熱可塑性樹脂溶接構造物を実現することができる。
従来から行われている塩化ビニルの溶接を行い、比較例として引張せん断試験を行った。図６に示すような塩化ビニル同士を溶接した板厚６ｍｍのサンプルを４個製作した。このときの溶接速度は、約５～６秒／ｃｍであった。そして、この各サンプルを両側から引っ張ってせん断試験を行った。試験結果は図５に示す通りである。つまり、引張力１４～２１ＭＰａ付近でいずれのサンプルもせん断し、そのときの変位は約０．７～１ｍｍである。この結果は、前述したように、モノマーキャストナイロンの溶接サンプル４個の試験結果及び結晶性ポリエチレンテレフタレートの溶接サンプル４個の試験結果とほぼ同等であり、モノマーキャストナイロンの溶接力、及び結晶性ポリエチレンテレフタレートの溶接力は、従来から行われている塩化ビニルの溶接力と同等であることが判明した。
本発明における熱可塑性樹脂溶接方法、及び熱可塑性樹脂溶接構造物は、機械的強度や摩耗に対して強い熱可塑性樹脂製の溶接の分野に広く適用することができる。
Ａ：溶接個所 Ｂ：埋込箇所
上記課題を解決するために本発明は、機械的強度及び摩耗に優れた熱可塑性樹脂同士を溶接する熱可塑性樹脂溶接方法であって、
当該熱可塑性樹脂からなる補助材を削り出しにより作成するとともに、溶接を行う前記熱可塑性樹脂同士を所望の位置関係に組合せて接着剤を用いずに型組する準備工程と、
所望の溶接個所に前記補助材を押付けながら高温空気を吹き付けて融点未満の温度で、前記補助剤が軟化するまで時間をかけて前記熱可塑性樹脂同士を溶接する溶接工程と、
を備えたことを特徴とする熱可塑性樹脂溶接方法を提供するものである。
当該熱可塑性樹脂からなる補助材を削り出しにより作成するとともに、溶接を行う前記熱可塑性樹脂同士を所望の位置関係に組合せて接着剤を用いずに型組する準備工程と、
所望の溶接個所に前記補助材を押付けながら高温空気を吹き付けて融点未満の温度で、前記補助剤が軟化するまで時間をかけて前記熱可塑性樹脂同士を溶接する溶接工程と、
を備えたことを特徴とする熱可塑性樹脂溶接方法を提供するものである。
熱可塑性樹脂溶接方法であって、前記準備工程における前記型組は、万力を用いるか、ポイントのみを熱溶着して所望の位置関係に組合せる構成としてもよい。
この構成により、熱可塑性樹脂同士の型組が接着剤を用いずにできる。
Claims (4)
- 機械的強度に優れた熱可塑性樹脂同士を溶接する熱可塑性樹脂溶接方法であって、
当該熱可塑性樹脂から前記補助材を作成するとともに、溶接を行う前記熱可塑性樹脂同士を所望の位置関係に組合せて接着剤を用いずに型組する準備工程と、
所望の溶接個所に前記補助材を押付けながら高温空気を吹き付けて融点未満の温度で前記熱可塑性樹脂同士を溶接する溶接工程と、
を備えたことを特徴とする熱可塑性樹脂溶接方法。 - 前記準備工程において、前記溶接個所に沿って前記補助材を埋め込む凹部を形成することを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性樹脂溶接構造物製造方法。
- 前記熱可塑性樹脂は、モノマーキャストナイロン、又は結晶性ポリエチレンテレフタレートであることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱可塑性樹脂溶接構造物製造方法。
- 機械的強度に優れた熱可塑性樹脂同士を溶接した熱可塑性樹脂溶接構造物であって、
前記熱可塑性樹脂は、モノマーキャストナイロン、又は結晶性ポリエチレンテレフタレートであることを特徴する熱可塑性樹脂溶接構造物。
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