JP5536560B2 - 溶着条件の決定方法 - Google Patents
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前記少なくとも一方の樹脂成形品を振動させる際の振動速度をV、せん断速度をVsh、前記振動により溶融した樹脂の粘度をη、としたときに下記数式(II)で表されるQを、単位時間、単位面積あたり、前記当接面に発生する発熱量と定義し、
前記相関関係に基づいて溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲(EaL≦Ea≦EaH)を決定し、前記数式(IV)にEaLを代入して得られる数式(IV)’と、前記数式(IV)にEaHを代入して得られる数式(IV)”と、に基づいて溶着条件を決定する工程である(1)に記載の溶着条件の決定方法。
本発明は、一対の樹脂成形品を振動溶着法により溶着する際の溶着条件を決定する方法である。
本発明は、一方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をS1、他方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をS2としたときに、上記数式(I)から定数αを導出する工程(以下、「第一工程」という場合がある。)、
一対の樹脂成形品の溶着予定端面同士を突き当てて形成される当接面に平行な方向に、前記当接面に垂直な方向に加圧力を加えながら、少なくとも一方の樹脂成形品を振動させる際に発生する発熱量Qを上記数式(II)から導出する工程(以下、「第二工程」という場合がある。)、
上記発熱量Q、上記定数α、上記数式(III)から、上記他方の樹脂成形品側に供給される、単位時間、単位面積あたりの供給エネルギーEsを導出する工程(以下、「第三工程」という場合がある。)、
接合の前後での一方の樹脂成形品と他方の樹脂成形品との間の、前記加圧力が加わる方向の距離の差をL、溶着に要した時間をT、としたときに上記数式(IV)から、上記他方の樹脂成形品側に吸収される、単位体積あたりの吸収エネルギーEaを導出する工程(以下、「第四工程」という場合がある。)、
溶着部の溶着強度と、吸収エネルギーとの相関関係を導出する工程(以下、「第五工程」という場合がある。)、
上記相関関係に基づいて溶着条件を決定する工程(以下、「第六工程」という場合がある。)を備える。
先ず、図2(a)から(b)までの変化の過程について詳細に説明する。上記の通り、第一樹脂成形品10の溶着予定端面101と第二樹脂成形品11の溶着予定端面111とを突き当てて当接し、当接面Gを形成させる。その後、図2(a)の白抜き矢印で示す方向に加圧力Pを加えながら、第一樹脂成形品をオービタル振動させる。オービタル振動とは、溶着予定端面101、111同士を当接させた状態で、当接面Gと平行方向に第一樹脂成形品10が円を描くように運動する振動を意味する。具体的には、図3を用いて説明する。
ここで、一点鎖線Q、Qで挟まれる帯状の幅狭領域を考える。図4には、一点鎖線Q、Qで挟まれる帯状の幅狭領域の拡大図を示す。図4(a)〜(d)はそれぞれ図3(a)〜(d)での拡大図である。この領域では、オービタル振動は図4(a)〜(d)に示すように、長方形(図4中の網掛け部)の直線状の往復運動に近似することができる。長方形は縦が一点鎖線Q、Q間の長さYs、横が環状の当接面の環の幅Xsである。以下、この長方形の運動でオービタル振動を説明する。往復運動の運動方向(X方向)での長方形の中心を図4に示すようにX1、X2、X3、X4とすると、振幅ΔXが(X3−X1)の往復運動であり、この振幅は点線Pで表される円(図3(a))の直径と同じ長さになる。
図5には、第一樹脂成形品10と第二樹脂成形品11とが溶着する部分の側面断面の拡大図を模式的に示す。図5(a)〜(c)は、それぞれ、図2(b)〜(d)の拡大図である。
図5(a)に示すような溶融層は、加圧力Pにより潰される。溶融層が潰されると図5(b)に示すようにバリが発生する。また、溶融層が潰されながら、第一樹脂成形品10は加圧力Pの方向に沈み込む。このような変化の結果、図5(a)の状態から図5(b)の状態になる。
図5(b)には、第一樹脂成形品10と第二樹脂成形品11との間の、加圧力Pがかかる方向(Z方向)の距離の差が、ΔZの状態を示す。上記距離の差ΔZが、所望の値Lになるまで(又はLの値に近くなるまで)、第一樹脂成形品がオービタル振動する。なお、このように溶融層が潰されたとしても、振動運動が続くため、溶融層厚みの長さはほとんど変わらない。
ΔZがLになったら、オービタル振動を止め、溶融した樹脂が固化する前に所望の位置に第一樹脂成形品を移動させる。その後、樹脂が固化することで、図5(c)に示すように第一樹脂成形品10と第二樹脂成形品11が溶着される。
第一工程は、一方の樹脂成形品の溶着予定端面の接合時に溶融する面積をS1、他方の樹脂成形品の溶着予定端面の接合時に溶融する面積をS2としたときに、下記数式(I)から定数αを導出する。ここで、「一方の樹脂成形品」を第一樹脂成形品10、「他方の樹脂成形品」を第二樹脂成形品11とする。
第二工程は、一対の樹脂成形品10、11の溶着予定端面101、111同士を突き当てて形成される当接面Gに平行な方向に、上記当接面Gに垂直な方向に加圧力を加えながら、少なくとも一方の樹脂成形品(本実施形態では第一樹脂成形品10)を振動させ、上記当接面Gで発生する発熱量Qを導出する工程である。
上記の通り、第一樹脂成形品10は、点線P上を周波数fで運動する。したがって、速度Vは、以下の数式(i)で表すことができる。
粘度ηは溶融した樹脂の粘度である。樹脂の粘度はせん断速度、温度によって変化する。先ず、温度の決め方について説明する。
ここで、粘度ηは第一樹脂成形品10の振動運動により溶融したときの樹脂の粘度である。溶融した樹脂ではあるものの溶融層がある程度の形状を保持していること等を考慮すると、溶融層での樹脂の温度は、およそ樹脂の融点(Tm)以上融点(Tm)+30℃以下の範囲にあると考えられる。したがって、上記温度は、この狭い温度範囲から任意の温度を採用すればよい。
第三工程は、上記第二樹脂成形品側に供給される、単位時間、単位面積あたりの供給エネルギーEsを、上記発熱量Q、上記定数α、下記数式(III)から導出する。
第四工程では、溶着の前後での第一樹脂成形品10と第二樹脂成形品11との間の、上記加圧力Pが加わる方向の距離の差をL、溶着時間をT、としたときに下記数式(IV)から、片方の樹脂成形品側に吸収される吸収エネルギーEaを導出する。
第五工程では、溶着部の溶着強度と、吸収エネルギーとの相関関係を導出する。溶着条件を変化させても、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲はほとんど同じになる。したがって、一度、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲を導出しておけば、容易に好適な溶着条件を決定することができる。
先ず、所定の溶着条件で溶着品を製造する。この所定の溶着条件での吸収エネルギーを上記の方法で求める。そして、この溶着品の溶着部の溶着強度を測定する。溶着強度の測定方法は特に限定されないが、例えば、実施例に記載の方法で測定することができる。
次いで、所定の溶着条件から加圧力、周波数、オービタル振動の振幅等の条件を変更し、異なる溶着条件での溶着強度と吸収エネルギーを導出する。必要に応じて、さらに異なる溶着条件での溶着強度、吸収エネルギーを複数組導出する。
溶着時間Tは、設定した上記距離の差Lが大きいと長くなり、上記発熱量Qが大きいと短くなり、加圧力Pが大きいと短くなる。そこで、溶着時間を以下の数式(V)で表す。
第六工程は、上記相関関係に基づいて溶着条件を決定する。例えば、図6(a)、(b)から、大きいと判断された溶着強度、又は大きいと判断された溶着強度の範囲から、必要になる吸収エネルギーの範囲を読み取る。決定された吸収エネルギーの範囲に基づいて溶着条件を決定する。このように決定された溶着条件で溶着品を作製すれば、溶着部の溶着強度が非常に大きい溶着品が得られる。
ここでも、先ず、溶着強度が大きいと判断できる吸収エネルギーの範囲を決定する。上記の説明の場合と同様に、図6(b)のΔEの範囲(EaL≦Ea≦EaH)を溶着強度が大きいと判断したとする。このとき、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲は、以下の不等式(iv)のようになる。
定数Aの導出方法について説明する。溶着強度の大きいΔEの範囲(EaL≦Ea≦EaH)では、溶着時に、樹脂が充分に溶融する程度に樹脂の温度が高まり、且つ樹脂が熱分解しない程度に樹脂の温度が高まっていると考えられる。ここで、充分に溶融する程度に樹脂の温度を高めるために必要な吸収エネルギーがEaL以上であり、樹脂が熱分解しない程度に樹脂成形体に熱を与えるために必要な吸収エネルギーがEaH以下であると考えられる。所定の吸収エネルギーの場合に、振動により発生する熱の影響を受けて、どの程度樹脂の温度が上昇するか(昇温幅)を、下記の数式(v)から求めることができる。
実施例1では、図8(a)、(b)に示すような第一樹脂成形品と、図8(c)、(d)に示すような第二樹脂成形品とからなる溶着品を製造する際の好適な溶着条件を決定した(図8に示す第一樹脂成形品、第二樹脂成形品は、図1に示す成形品と同じ形状である。)。図8(a)、(c)はそれぞれの樹脂成形品の側面の断面を模式的に示した図であり、図8(b)は第一樹脂成形品の底面図であり、(d)は第二樹脂成形品の上面図である。第一樹脂成形品、第二樹脂成形品はともにポリフェニレンサルファイド系樹脂(ポリプラスチックス株式会社製、商品名「FORTRON(登録商標)1130T6」、融点280℃、熱分解温度420℃、密度1520kg/m3、比熱948J/kg・K)からなり、射出成形法で製造した。
上記実施形態と同じ形状の第一樹脂成形品、第二樹脂成形品を用いるため、実施形態と同様に図4に示すような、長方形の往復運動からαを導出する。
上記数(II)から発熱量を導出する。上記数式(i)から振動速度を導出し、上記数式(ii)からせん断速度を導出した。導出された振動速度、せん断速度を表3に示した。また、粘度は、溶融樹脂の温度が300℃と仮定して、粘度とせん断速度との関係を表す関係式を上述の方法で求め、この関係式から導出した。粘度も表3に示した。
以上のようにして導出した振動速度、せん断速度、粘度から発熱量を導出した。導出結果を表3に示した。
定数Aは1/2として、各条件での供給エネルギーを数式(III)から導出した。そして、この供給エネルギーの値を用いて、各条件での吸収エネルギーの値を数式(IV)から導出した。溶着強度と吸収エネルギーとの関係を図10に示した。図10の実線Cは加圧力(エアー圧)が0.2MPa、0.4MPaのグラフであり、点線Dは加圧力(エアー圧)が0.6MPaのグラフである。溶着強度が高くなる吸収エネルギーの範囲は、2.6〜3.0J/mm3である。この範囲に基づいて、溶着強度が高くなる供給エネルギーの範囲を導出し、そこからさらに、溶着強度が高くなる発熱量の範囲を導出することで、好ましい溶着条件(オービタル振動の振幅、周波数等)を容易に決定することができる。
また、0.5MPa付近が、加圧力の増加による溶着強度低下の閾値になることが確認された。
溶着強度と溶着時間との関係を導出するために、図11に横軸を溶着時間、縦軸を溶着強度としたグラフを作成した。グラフの作成において、加圧力(エアー圧)が0.2MPa、0.4MPaの結果のみ用いた。上記の通り、加圧力(エアー圧)が0.6MPaの条件では加圧力の低下による溶着強度の低下が見られるからである。
吸収エネルギーが2.6J/mm3では昇温幅が1856℃であり、3.0J/mm3では昇温幅が2086℃であった。吸収エネルギーが0.95J/mm3での昇温幅が、280℃(ポリフェニレンサルファイドの融点)−測定時の樹脂の温度、となる定数Aは0.14である。また、3.0J/mm3での昇温幅が、420℃(ポリフェニレンサルファイド樹脂の熱分解点)−測定時の樹脂の温度、となる定数Aは0.19である。ここで、上記吸収エネルギーの好ましい範囲(2.6〜3.0J/mm3)は、定数Aを1/2として導出した。したがって、ポリフェニレンサルファイド系樹脂が主成分となる樹脂の場合には、定数Aを0.28〜0.38とすることで、溶着の際に光吸収性樹脂成形体が吸収する吸収エネルギーを見積もることができる。
10 第一樹脂成形品
101 第一樹脂成形品の溶着予定端面
11 第二樹脂成形品
111 第二樹脂成形品の溶着予定端面
Claims (5)
- それぞれが溶着予定端面を有する一対の樹脂成形品の、溶着予定端面同士を突き当てて形成される当接面に平行な方向に、前記当接面に垂直な方向の加圧力を加えながら、少なくとも一方の樹脂成形品を振動させて一対の樹脂成形品を溶着する溶着品を製造する際の溶着条件を決定する方法であって、
一方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をS1、他方の樹脂成形品の溶着予定端面の溶着時に溶融する面積をS2としたときに、下記数式(I)で表される定数をαと定義し、
前記少なくとも一方の樹脂成形品を振動させる際の振動速度をV、せん断速度をVsh、前記振動により溶融した樹脂の粘度をη、としたときに下記数式(II)で表されるQを、単位時間、単位面積あたり、前記当接面に発生する発熱量と定義し、
- 前記相関関係は溶着強度の極大値を有する請求項1又は2に記載の溶着条件の決定方法。
- 前記一対の樹脂成形品に含まれる樹脂成分は、ともにポリフェニレンサルファイド系樹脂を主成分とし、
前記Aは、0.28以上0.38以下であり、前記mは2、前記nは1である請求項1から3のいずれかに記載の溶着条件の決定方法。 - 前記吸収エネルギーEaと溶着強度との関係に基づいて、溶着強度が大きくなる吸収エネルギーの範囲(ΔEa(EaLからEaHの範囲))を設定する工程と、
EaLの定数倍EaL×A’、樹脂成形品を構成する樹脂の密度、比熱から下記式(v)を用いて算出される昇温幅から導出される、溶着時の前記樹脂の温度が融点になるようなA’を算出する工程と、
EaHの定数倍EaH×A”、樹脂成形品を構成する樹脂の密度、比熱から上記式(v)を用いて算出される昇温幅から導出される、溶着時の前記樹脂の温度が熱分解点になるようなA”を算出する工程と、
導出されたA’からA”の範囲で任意の定数Aを選択する工程と、をさらに備える請求項1から4のいずれかに記載の溶着条件の決定方法。
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