JP3538004B2 - 合成樹脂製部材の摩擦接合方法 - Google Patents

合成樹脂製部材の摩擦接合方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、合成樹脂製部材の
摩擦接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】合成樹脂製の管と管との接合等、合成樹
脂製部材同士を接合する方法として、特開昭５１−１６
３７５号公報に開示されているような摩擦接合方法が提
案されている。この摩擦接合方法は、まず、接合しよう
とする部材の一方をその軸を中心にして回転させるとと
もに、この回転している部材と他方の部材とをその接合
面が密着するように所定の接触圧力で接触させ、摩擦熱
により接合面が溶融し始めたら、接触圧力を下げて一旦
溶融した樹脂の周方向への飛び散りを防止しつつさらに
摩擦を続けて溶融範囲を広げたのち、部材の回転を停止
してそのままの圧力を保ったまま溶融樹脂を冷却固化し
て両部材を接合するようにしている。
【０００３】すなわち、この摩擦接合方法では、まず、
大きな接触圧力で接触させて短時間で溶融を開始させた
のち、樹脂が飛び散らない小さな接触圧力でさらに溶融
を続けることで、最初から溶融した樹脂が周方向に飛び
散らない小さな接触圧力で接触させた場合に比べ、短時
間で接合を行うことができるようにしている。しかしな
がら、上記のような摩擦による接合方法で部材同士を接
合しようとした場合、接合面の凹凸状態によって摩擦溶
融の際に溶融樹脂中に空気を含んだ状態になることが多
い。また、摩擦により部材を構成する樹脂に摩擦界面で
剪断力が働き、剪断による分子の切断も発生する。そし
て、このような空気や切断によって低分子化した樹脂分
が接合部分に巻き込まれ、十分な接合強度が得られなく
なることが多い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情に鑑みて、短時間で接合することができるととも
に、十分な接合強度で接合することができる合成樹脂製
部材の摩擦接合方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる合成樹脂
製部材の摩擦接合方法は、このような目的を達成するた
めに、接合する２つの合成樹脂製部材の接合面を突き合
わせ、一方の合成樹脂製部材を接合面に直交する軸を中
心に回転させ、接合面間の摩擦熱によって両接合面を溶
融し接合する合成樹脂製部材の摩擦接合方法において、
一方の合成樹脂製部材を一定速度で回転させた状態で、
接合面が磨耗現象を起こす圧力より小さく、空回りを起
こす圧力より大きい圧力で、他方の合成樹脂製部材の接
合面を一方の合成樹脂製部材の接合面に突き合わせて接
合面を融点まで昇温する第１段階と、剪断発熱が生じる
圧力まで第１段階より圧力を低下させた状態で一方の合
成樹脂製部材の回転を継続し、溶融領域を拡大する第２
段階と、一方の合成樹脂製部材の回転停止後、第１段階
および第２段階で溶融領域内に発生したボイドおよび／
または摩擦によって低分子化された樹脂分を接合部から
外側に押し出し可能な圧力まで圧力を上げて両合成樹脂
製部材を圧接し、所定時間その圧力を保持する第３段階
とを備えている構成とした。
【０００６】上記本発明の合成樹脂製部材の摩擦接合方
法において、管同士を接合する場合には、請求項２のよ
うに、合成樹脂製部材が管であって、予め合成樹脂の種
類に応じた周速度を設定し、口径が変化したとき、この
周速度に一致した回転速度で一方の管を回転させること
が好ましい。また、合成樹脂管が高密度ポリエチレン管
の場合、請求項３のように、周速度を２．６〜７．９ｍ
／ｓの範囲に設定することが好ましい。
【０００７】さらに、第３段階終了後、接合部で樹脂が
溶融状態のまま、すなわち、固化に到っていない場合、
溶融樹脂のその後冷却に伴いヒケが発生して接合部の強
度を低下させる恐れがあるので、溶融樹脂が固化するま
で、保圧の意味で低圧ながら圧力を付与していることが
好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を、
図面を参照しつつ詳しく説明する。図１は本発明にかか
る合成樹脂製部材の摩擦接合方法の実施の形態をあらわ
している。
【０００９】この接合方法は、図示していないが、接合
する合成樹脂製部材としての２本の管のうち一方を回転
チャックに固定し、他方を空気圧シリンダによって回転
チャック方向へ進退する移動チャックに固定して両接合
面を対面させたのち、回転チャックを回転駆動させ、ま
ず、図１（ａ）に示すように一方の管を接合面の中心軸
を中心にして、一定回転速度で回転するようにしたの
ち、第１段階を開始する。
【００１０】なお、第１段階開始時間ｔ1 は、装置の応
答速度に依存して決定される。
【００１１】そして、第１段階では、空気圧シリンダに
よって移動チャックを回転チャック方向へ移動させ、図
１（ｂ）に示すように、接合面が磨耗現象を起こす圧力
より小さく、空回りを起こす圧力より大きい圧力で、両
管の接合面を突き合わせて、回転による摩擦によって接
合面を樹脂の融点まで昇温する時点まで、その圧力を保
持する。
【００１２】接合面が樹脂の融点まで昇温されると、直
ちに空気圧シリンダの押圧力を減圧して第２段階を開始
する。
【００１３】なお、第２段階開始時間ｔ2 は、第１段階
が、接合面を融点まで昇温させることを目的として行う
ようになっているため、第１段階で設定した圧力と、回
転速度の組み合わせによって変わる。したがって、第２
段階開始時間ｔ2 の適正値、すなわち、第１段階の所要
時間（ｔ2 −ｔ1 ）は、実験により予め求める必要があ
るが、合成樹脂製部材が管である場合、管の材質により
回転速度と圧力には適当なレンジが存在する。
【００１４】因みに、図２に回転速度と圧力に対する樹
脂状態を概念的にあらわすが、回転速度と圧力の適正値
は、図２でみて斜線で示したレンジとなる。すなわち、
溶融領域において、回転速度が大きいと分子切断が多量
に生じ、接合しても接合部の強度低下が避けられなくな
り、非溶融領域において、圧力が小さすぎると回転速度
を大きくしても空回りの状態で発熱量が小さくなり、圧
力が大きすぎると溶融ではなく、むしろ接合面の磨耗現
象が生じ、これも発熱の効率を落とす原因となる。
【００１５】よって、第１段階では、分子切断の量をで
きる限り抑え、効率よく樹脂の融点まで上昇させる条件
を選ぶことが必要である。
【００１６】一方、第２段階では、上述のように、第１
段階終了後、第１段階と同じ回転速度で一方の合成樹脂
製部材を回転させながら、図１（ｂ）に示すように、直
ちに空気圧シリンダの押圧力を下げ、接合面の圧力を剪
断発熱が生じる圧力に低下させて、その状態を所定時間
保持し、第１段階で融点まで上昇させ生じた溶融樹脂を
回転に伴い周方向で均一に分布させるとともに、接合部
の軸方向の溶融領域を拡大し、溶融領域幅を所定の厚さ
とする。
【００１７】すなわち、摩擦接合においては面の凹凸状
態などにより回転中に溶融樹脂中に空気を含んだ状態や
剪断摩擦による樹脂の分子切断により発生した低分子化
樹脂分が混入することが多い。そこで、後述する第３段
階で接合部外への流しだしによりそれらの排除を行うわ
けであるが、図３に示すように、所定厚さの接合可能領
域が必要なため、この第３段階での溶融樹脂の接合面外
への流しだし領域以上に当然溶融領域が必要となる。
【００１８】この第２段階終了後、図１（ａ）に示すよ
うに、回転チャックを停止して管の回転を止めるととも
に、図１（ｂ）に示すように、空気圧シリンダの空気圧
を高圧に切り替えて接合面の圧力を上げて第３段階を開
始する。なお、回転停止に要する時間は１秒以内が望ま
しい。温度低下中に回転継続する状態となって、分子切
断等が生じるのを防止するためである。また、第３段階
開始時間ｔ3 の適正値、すなわち、第２段階の所要時間
（ｔ3 −ｔ2 ）は、必要とする溶融領域の厚さ、圧力に
よって決定される。
【００１９】この第２段階での圧力は、第１段階と同レ
ベルであると、溶融した樹脂が接合部からはみ出し、ビ
ードを形成したり、周囲に飛散してしまい、溶融層が厚
くならないので、溶融樹脂のはみ出しを比較的小さく抑
えなおかつ発熱量が小さくなり過ぎないような圧力レベ
ル、つまり、溶融樹脂の剪断発熱により軸方向に溶融層
を拡大する圧力レベルを選ぶ必要がある。
【００２０】また、高温になると熱劣化してしまう恐れ
がある樹脂については接合部の温度の上限についても注
意する必要がある。図４に示すように溶融領域は主に回
転速度と時間により決定する。回転速度には熱劣化とい
う上限と発熱不足という下限が存在するので、時間での
制御が実際には有効である。
【００２１】第３段階は、先に述べたように回転停止
後、第２段階の圧力から高圧に切り換えて、ボイドや低
分子化した樹脂分を接合面外へ流しだすとともに、熱収
縮によるヒケで残留応力が残らないように保圧する。な
お、第３段階での流しだし量は、図５に示すように、圧
力・時間の組み合わせにより決まるが、流しだし量が少
ない場合には時間による制御、流しだし量が多い場合に
は圧力による制御が好ましい。すなわち、図３により必
要な流し出し量を決定し、図５により圧力・時間を決定
する。
【００２２】そして、第３段階終了時間ｔ4 まで達する
と、空気圧シリンダの押圧力を等速度で徐々に０圧まで
減圧しながら、溶融樹脂を冷却固化し、接合管を得る。
【００２３】この摩擦接合方法は、以上のように、従来
と同様に第２段階を実施したのち、第３段階で第１段階
および第２段階で溶融領域内に発生したボイドおよび／
または摩擦によって低分子化された樹脂分を接合部から
外側に押し出し可能な圧力まで圧力を上げて両合成樹脂
製部材を圧接するようにしたので、接合部に接合強度を
弱めるボイドや低分子化された樹脂分等がなく、十分な
接合強度を有する接合管を得ることができる。
【００２４】また、第３段階経過後に、空気圧シリンダ
の押圧力を等速度で徐々に０圧まで減圧しながら、溶融
樹脂を冷却固化するようにしたので、接合部にヒケの発
生もない。すなわち、第３段階で樹脂が十分に固化して
いない場合、一気に圧力を０圧まで下げると、溶融樹脂
の冷却に伴いヒケが発生して接合部の強度を低下させる
要因となるが、上記方法では、上述のようにヒケの発生
がないため、ヒケの発生による接合強度の低下もない。
【００２５】さらに、接合される合成樹脂製部材が管で
ある場合、予め合成樹脂の種類に応じた周速度を設定
し、口径が変化したとき、この周速度に一致した回転速
度で一方の管を回転させて本発明の摩擦接合を実施する
ことができる。すなわち、このようにすれば、接合する
管の材質や口径毎に回転速度の検討を行う必要がなく、
１つの口径について検討を行えば、口径が変わっても対
応でき、管理が容易となる。
【００２６】本発明にかかる合成樹脂製部材の摩擦接合
方法は、上記の実施の形態に限定されない。たとえば、
上記の実施の形態では、合成樹脂製部材が管であった
が、棒などや他の形状の成形物であっても構わない。上
記の実施の形態では、第１段階から第２段階が終了する
まで、回転速度が一定に保たれているが、第１段階と第
２段階との間で２段階に切り替えるようにしても構わな
い。
【００２７】また、上記の実施の形態では、第３段階で
は、一定の高圧状態で一定時間保持したのち、等速度で
徐々に０圧まで減圧するようにしているが、高圧から段
階的に徐々に低圧にするようにしても構わない。
【００２８】
【実施例】以下に、本発明の実施例をより詳しく説明す
る。
【００２９】（実施例１）２本の管径１００Ａの高密度
ポリエチレン管をそれぞれ回転チャックと移動チャック
にセットし、まず、回転チャックを１０００rpm にセッ
トして駆動スイッチを入れた。そして、回転速度が１０
００rpm に安定する２秒後（第１段階開始時間）に移動
チャックを作動させ、両管の接合面を２．６kg／cm2 の
圧力で圧接し、４．５秒後（第２段階開始時間）に移動
チャックの空気圧シリンダの圧を下げて接合面での圧力
を０．５kg／cm2 としたのち、１２秒後（第３段階開始
時間）までその状態を保った。
【００３０】１２秒後に回転チャックを停止するととも
に、移動チャックの空気圧シリンダの圧を上げて接合面
での圧力を５kg／cm2 としたのち、１４秒後までその状
態を保ち、１４秒後から２０秒後に０圧になるように徐
々に圧力を減圧して、両管を接合した接合管を得た。
【００３１】（実施例２）管径１５０Ａの高密度ポリエ
チレン管を用いるとともに、回転速度を実施例１と同じ
周速度となるように６６７rpm とした以外は、実施例１
と同様にして接合管を得た。
【００３２】（比較例１）１２秒後に圧力を０圧にした
以外は、実施例１と同様にして接合管を得た。上記実施
例１，２および比較例１で得られた接合管の接合部の引
張降伏強度試験および全周ノッチクリープ試験を行い、
それぞれの引張降伏強度および破断時間を母材の試験結
果とともに表１に示した。
【００３３】なお、引張降伏強度は、ＪＩＳ Ｋ ６７
７４付属書３の方法、全周ノッチクリープ試験は、ＪＩ
Ｓ Ｋ ６７７４付属書３の方法に基づき８ＭＰａで行
った。また、実施例２の引張降伏強度試験のダンベル試
験片は、実施例１と同形状に作製して評価した。
【００３４】
【表１】
【００３５】上記表１から本発明の方法によれば、接合
部が母材と変わらない強度を備えたものとなることがよ
く分かる。また、管を接合する場合には、回転速度は各
径とも周速度が略一定になるように管理すれば、口径が
異なってもつねに同様の接合強度が得られることがわか
る。
【００３６】
【発明の効果】本発明にかかる合成樹脂製部材の摩擦接
合方法は、以上のように構成されているので、短時間で
接合することができるとともに、十分な接合強度で接合
することができる。
【００３７】また、接合される合成樹脂製部材が管の場
合、請求項２のように、合成樹脂の種類に応じて予め設
定された周速度にあう回転速度で一方の合成樹脂製部材
を回転させるようにすれば、口径の変更による作業条件
の管理が容易である。さらに、樹脂が高密度ポリエチレ
ンの場合、請求項３のようにすれば、確実に接合強度に
優れた接合管を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる合成樹脂製部材の摩擦接合方法
の実施の形態をあらわし、その回転速度プロファイルお
よび圧力プロファイルである。
【図２】摩擦接合時の回転速度と圧力と樹脂の状態との
関連を説明する概念図である。
【図３】第２段階終了時の接合面近傍の樹脂の状態を模
式的にあらわす模式図である。
【図４】溶融領域の厚さ毎の回転速度と時間との関係を
あらわすグラフである。
【図５】流しだし量毎の圧力と時間との関係をあらわす
グラフである。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】接合する２つの合成樹脂製部材の接合面を
    突き合わせ、一方の合成樹脂製部材を接合面に直交する
    軸を中心に回転させ、接合面間の摩擦熱によって両接合
    面を溶融し接合する合成樹脂製部材の摩擦接合方法にお
    いて、一方の合成樹脂製部材を一定速度で回転させた状
    態で、接合面が磨耗現象を起こす圧力より小さく、空回
    りを起こす圧力より大きい圧力で、他方の合成樹脂製部
    材の接合面を一方の合成樹脂製部材の接合面に突き合わ
    せて接合面を融点まで昇温する第１段階と、剪断発熱が
    生じる圧力まで第１段階より圧力を低下させた状態で一
    方の合成樹脂製部材の回転を継続し、溶融領域を拡大す
    る第２段階と、一方の合成樹脂製部材の回転停止後、第
    １段階および第２段階で溶融領域内に発生したボイドお
    よび／または摩擦によって低分子化された樹脂分を接合
    部から外側に押し出し可能な圧力まで圧力を上げて両合
    成樹脂製部材を圧接し、所定時間その圧力を保持する第
    ３段階とを備えていることを特徴とする合成樹脂製部材
    の摩擦接合方法。
  2. 【請求項２】合成樹脂製部材が管であって、予め合成樹
    脂の種類に応じた周速度を設定し、口径が変化したと
    き、この周速度に一致した回転速度で一方の管を回転さ
    せる請求項１に記載の合成樹脂製部材の摩擦接合方法。
  3. 【請求項３】管が高密度ポリエチレン製であって、周速
    度が２．６〜７．９ｍ／ｓの範囲に設定される請求項２
    に記載の合成樹脂製部材の摩擦接合方法。
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