JP5883235B2 - 樹脂、ガラス繊維強化プラスチック（ｇｆｒｐ）、炭素繊維強化プラスチック（ｃｆｒｐ）、又は炭素素材の溶接方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、アクリル等の樹脂やガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、あるいは炭素/ホウ素複合材料等の炭素素材（以下、総称して「樹脂等」という）の溶接・溶着（以下、「溶接」という）を行うための溶接用治具を用いた溶接方法に関し、特に熱風を用いて樹脂等を溶接するための溶接方法に関する。
熱風を用いて樹脂等を溶接する技術は従来から行われている。例えば、二つのプラスチック形成物の接合部を相互に近接または接触させ、接合部の近辺でプラスチックの溶接棒を熱風で溶融すると同時に、接合部及びその周辺の表面を溶融し、表面に溶融した溶接棒を押圧することによって、溶接棒を介して二つのプラスチック形成物相互を熱接着するものである（例えば、特許文献１参照）。
また、樹脂等を溶接する際に用いられる溶接用治具については、例えば図８にあるようなものが用いられている。図８における治具８１は、熱風が送られる管８２と溶接棒８３が挿通される管８４、さらに溶けた樹脂等を圧着するへら部８５から構成されている。
このような治具を用いて樹脂等を溶接する際には、溶接される樹脂８６と同質の溶接棒８３を管８４に挿通し、熱風を管８２に送り、樹脂８６に接する溶接棒８３の先端と樹脂８６の圧着すべき部分とを加熱しながら治具８１を矢印方向に動かす。その際、へら部８５で溶けた溶接棒８３の先端と樹脂８６の圧着すべき部分とを押しつけながら動かして溶接部８７を形成する。
図８は樹脂８６を１平面のみ表したが、実際の圧着は図９に示すように、樹脂８６ａと樹脂８６ｂとを所望の型になるよう合わせ、合わせた個所に溶接棒８３を当て、樹脂８６ａ、樹脂８６ｂ、溶接棒８３とが溶かされて一体となった状態をへら部８５で押さえながら樹脂８６ａと樹脂８６ｂとを溶接して溶接部８７を形成してゆく。
ところで、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、アクリル等の樹脂の溶接は、硬質及び軟質塩化ビニール樹脂の溶接とは異なり、圧着をしながら溶接をするものであり、溶接機はヒーターとファンが一体式に構成されているため、熱源の調節が難しく、溶接棒８３および樹脂８６の温度が低下するまで溶接ができないため溶接速度が遅い（０．３〜０．４m／分）という難点がある上、溶接のタイミングをつかみ圧着力をコントロールする勘が求められるので、溶接ができるのは極少数の特殊技能者のみであるという難点があった。
さらに、極少数の特殊技能者が行ってさえ、へら部８５に妨げられて溶接棒８３が角部には届かないためピンホールができやすく、直角部分にはクラックが生じる、接合する個々の部分に熱が均等に伝わらず密着していない等のトラブルが多く、その上、溶接した部分がすぐには不良品として判断されず、数工程も先に進んでから廃棄処分されることが多く、そこに至るまで次々と付加加工が行われるため、多大な時間と費用が無駄になるという難点もあった。
また、特許文献１に開示されているような溶接用治具では、熱風吹き出し口から吹き出された熱風が接合部に到達する際には外気温により温度が下がり、溶接適正温度が保てず溶接効率が低下するとともにピンホールが発生するという難点もあった。
さらに、従来の溶接用治具ではノズルは熱風を単に通過させるだけであるので、ノズル部分での温度調節ができないという難点もあった。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、気体を供給する管内にヒーターを内蔵することによりその管内で気体の温度調節を可能とし、加熱し熱風とした気体を被溶接箇所に噴射することにより接合部における温度低下が少なく、またピンホール等の欠陥のない良質な接合部を形成することができるとともにコンパクトな樹脂等の溶接用治具を用いた溶接方法を提供するものである。
この目的を達成するために本発明の樹脂等の溶接方法の第１の態様は、ノズル部に設けられた溶接素材供給管から第１の溶接素材を供給するとともに、気体供給部からセラミックヒーターが内蔵された熱風供給管に気体を供給してセラミックヒーターにより気体を加熱し熱風とし、熱風を熱風供給管に接続された熱風放出管に送り出し、ノズル部に設けられ熱風放出管に接続された熱風導入管に導入し、ノズル部に設けられたローラにより第１の溶接素材を先端部から後端部まで長さ方向に熱風を噴射することにより加熱、押圧して軟化、焼成し、次いでローラを第１の溶接素材の先端部に戻した後第１の溶接素材の上に幅方向が一部重なり合うように第２の溶接素材を供給し、第１の溶接素材と第２の溶接素材の重なり合う部分を熱風を噴射することにより溶融しながらノズル部に設けられたローラにより第１の溶接素材と第２の溶接素材の重なり合う部分の先端部から後端部まで長さ方向に圧力を付加して第１の溶接素材と第２の溶接素材の重なり合う部分を圧着して一体化させ、ノズル部に設けられた冷却管から冷却風を供給して第１の溶接素材と第２の溶接素材の重なり合う部分を冷却することを特徴とする。
また本発明の樹脂等の溶接方法の第２の態様は、ノズル部に設けられた溶接素材供給管から第１の溶接素材を供給するとともに、気体供給部からセラミックヒーターが内蔵された熱風供給管に気体を供給してセラミックヒーターにより気体を加熱し熱風とし、熱風を熱風供給管に接続された熱風放出管に送り出し、ノズル部に設けられ熱風放出管に接続された熱風導入管に導入し、ノズル部に設けられたローラにより第１の溶接素材を先端部から後端部まで長さ方向に熱風を噴射することにより加熱、押圧して軟化、焼成し、次いでローラを第１の溶接素材の先端部に戻した後第１の溶接素材の上に幅方向が一部重なり合うように第２の溶接素材を供給し、第１の溶接素材と第２の溶接素材の重なり合う部分を熱風を噴射することにより溶融しながらノズル部に設けられたローラにより第１の溶接素材と第２の溶接素材の重なり合う部分の先端部から後端部まで長さ方向に圧力を付加して第１の溶接素材と第２の溶接素材の重なり合う部分を圧着して一体化させ、ノズル部に設けられた冷却管から冷却風を供給して第１の溶接素材と第２の溶接素材の重なり合う部分を冷却する工程を繰り返すことを特徴とする。
さらに本発明の樹脂等の溶接方法の第３の態様は、第１の態様又は第２の態様において、セラミックヒーターは可変変圧器と接続され、可変変圧器により負荷される電圧を調整することによって熱風の温度調節が行われることを特徴とする。
本発明の樹脂等の溶接方法によれば、樹脂やＦＲＰ、炭素素材等を容易に溶接することができるようになり、治具をコンパクトにすることができ、また溶接速度を速くすることができ、さらに良質な接合部を形成することができるという顕著な効果を有する。
以下、本発明の樹脂等の溶接用治具を用いた溶接方法の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の図において原則同一の箇所には同一の符号を付すこととする。
図１は本発明の樹脂等の溶接用治具の一実施の形態を示す説明図である。図１において本発明の樹脂等の溶接用治具１は、熱風供給管２とそれに続く熱風放出管３と、ノズル部４とから構成されており、熱風供給管２の内部にはセラミックヒーター５が内蔵されている。熱風供給管２と熱風放出管３、また熱風放出管３とノズル部４はそれぞれ着脱可能とされている。
ノズル部４には溶接素材６を供給するための溶接素材供給管７及び接合部Ｈを冷却するための冷却風を送風する冷却管８が設けられている。またノズル部４には被溶接材９の接合部Ｈを圧着するためのローラ１０が着脱可能に設けられている。
セラミックヒーター５には可変変圧器１１が接続されており、電圧を制御することによりセラミックヒーター５の温度を室温〜２０００℃まで可変できるようになっている。ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、アクリル等の樹脂を溶接する場合には１００℃〜３００℃程度の温度が得られればよく、また炭素素材を溶接する場合には２０００℃までで十分であり、それ以上の温度を発生させようとすると溶接治具を構成する上でセラミックヒーター５の限界温度に達する虞があるからである。
また熱風供給管２には気体供給部１２が接続されており、熱風供給管２にエアーまたは窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスが供給され、熱風供給管２に内蔵されているセラミックヒーター５によってエアーや不活性ガスが加熱され、熱風となって熱風放出管３へ送り出されるようになっている。
気体供給部１２は、気体がエアーの場合はエアーブロアーであり、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスの場合はそれらの不活性ガスが充填されているボンベなどが例示される。
熱風供給管２は支持軸１３に支持金具１４により着脱可能に装着できるようになっている。支持軸１３は例えば５軸等のロボットアームが例示され、このロボットアームに熱風供給管２を装着することによって自動で精密な、また連続した加工作業が可能となる。
図２は熱風供給管２及び熱風放出管３の断面図である。熱風供給管２には気体供給口２１が取り付けられており、気体供給部１２から気体供給口２１を通して熱風供給管２の内部へ気体が供給される。熱風供給管２の内部にはセラミックヒーター５が内蔵されており、可変変圧器１１によって所望の温度が得られるように調節された電圧が負荷され、それにより熱風供給管２の中へ供給された気体が加熱され、熱風として得られるようになっている。
熱風供給管２の熱風が吹き出す側には熱風放出管３と接続するフランジ２２が設けられており、熱風放出管３のフランジ３１と複数のボルト３２により接続されるようになっている。熱風放出管３の熱風が放出される側にはノズル部４と接続するためのフランジ３３が設けられている。
熱風供給管２には前記したようにロボットアームのような支持軸１３に装着できるような支持金具１４を取り付けることができるが、手動で溶接用治具１を取り扱うことができるようにレバー２３を取り付けることも可能である。手動で溶接作業を行う場合、レバー２３を持ちロボットアームに装着した場合にはできない場所での細かな作業を行うことができる。
図３はセラミックヒーター５の断面図を示している。図３（ａ）は横断面図。図３（ｂ）は縦断面図である。図３（ａ）において、セラミックヒーター５は略円形状で周囲に複数個所（本図においては４個所）の凹溝３４が設けられており、またセラミックヒーター５の内部にも長手方向に複数個（本図においては４個）の貫通孔３５が設けられている。
セラミックヒーター５の直径Ｌ１は、図３（ｂ）に示す熱風供給管２の内径Ｌ２に比べて熱風が通過できる程度の隙間ができるようにＬ１＜Ｌ２とされている。従って、気体供給部１１から送り込まれた気体がセラミックヒーター５によって加熱されながら熱風供給管２とセラミックヒーター５の間の隙間、凹溝３４及び貫通孔３５を通って熱風放出管３へ送り出される。このような構成により十分な量の熱風を確保することができる。セラミックヒーター５の材質としては一般に市販されているものを使用することができ、例えばアルミナヒーター、窒化珪素ヒーターなどが挙げられる。
図４はノズル部４の側面図を示している。図４（ａ）において、ノズル部４には前記したように溶接素材供給管７及び接合部Ｈを冷却するための冷却管８が設けられている。また、熱風放出管３と接続するためのフランジ４１が設けられ、図２における熱風放出管３の熱風放出側のフランジ３３と複数個のボルトにより接続されるようになっている。
熱風放出管３から放出された熱風が導入されるノズル部４の熱風導入管４２の取付け角度は鉛直方向に対して２０°〜４５°で取り付けられている。２０°未満の角度では鉛直方向に近くなっているので例えば手動で溶接作業を行う場合に手元が見難くなるなどの不都合が生じる虞があるからであり、４５°より大きな角度になると溶接治具のコンパクトさが損なわれる虞があるからである。ノズル部４にはローラ１０がローラ軸４３を中心として回動自在に取り付けられている。
また、ノズル部内には冷却管８から送風される冷却風がノズル部内に拡散して接合部Ｈの冷却効率が低下しないように仕切り板４４が設けられており、冷却風が接合部Ｈに集中的に効率よく吹き付けられるようになっている。
図４（ａ）は熱風導入管４２が比較的小径の場合を示しており、その直径は１０〜１００ｍｍの場合が例示される。この場合は即ち、熱風放出管３の直径も１０〜１００ｍｍとなる。一方、図４（ｂ）は熱風導入管４２が比較的大径の場合を示しており、その直径は上限が３００ｍｍの場合が例示される。即ち、熱風放出管３の直径も３００ｍｍを上限として大径となるが、この場合には熱風導入管４２は熱風放出管３に向かって徐々に拡径する形状となっている。熱風導入管４２のノズル部の部分の直径が１０ｍｍの場合には熱風導入管４２は１０ｍｍから３００ｍｍまで拡径することになる。なお、熱風導入管４２の取付け角度は図４（ａ）と同様に２０°〜４５°が好ましい。
ここで、本発明の溶接用治具を用いて樹脂等を溶接する方法について図を用いて説明する。図５は本発明の溶接用治具を用いて樹脂等を溶接する場合の溶接方法を説明するための主要部を表した図である。
図５において、被溶接材５１ａ及び５１ｂを直角に突き合わせ、突き合わせ部分に矢印の方向に移動しながら被溶接材５１ａ及び５１ｂと同種の溶接素材６を溶接素材供給管７から供給するとともに、同時に気体供給部１２から供給した気体を熱風供給管２に導入する。熱風供給管２において内部に設けられたセラミックヒーター５に可変変圧器１１から熱風供給管２に導入された気体が所望の温度になるように電圧を負荷し、熱風を発生させ、熱風放出管３へ送り出す。熱風はノズル部４の熱風導入管４２を経由して溶接素材６に吹き出され、溶接素材６が溶けて接合部Ｈが形成される。接合部Ｈが形成されると同時にローラ１０により接合部Ｈが押圧されて圧力が付加され、被溶接材５１ａ、５１ｂ及び溶接素材６が一体化される。また同時に冷却管８から冷却風が接合部Ｈに吹き付けられ冷却される。
被溶接材５１ａ、５１ｂがポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、アクリル等の樹脂の場合、気体はエアーを用い、１００℃〜３００℃程度に加熱すればよい。一方、被溶接材５１ａ、５１ｂがＧＦＲＰ、ＣＦＲＰ、炭素/ホウ素複合材料等の炭素素材の場合、これらの素材を溶接するためには８００〜２０００℃程度に温度を上げなければ溶接できないため、セラミックヒーターや溶接素材などの酸化を防止するために気体には窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを用いるとよい。
ここで、本発明の樹脂等の溶接方法の他の実施の形態について図６及び図７を用いて説明する。図６及び図７は例えば炭素/ホウ素複合材料等の炭素素材同士の溶接方法を説明する図である。図６は本実施の形態の溶接方法の斜視図、図７は本実施の形態の溶接方法の正面図である。なお、図７において、溶接素材供給管、冷却管等は説明の便宜上図示を省略している。
まず図６において、鉄などからなる平面が平坦な若しくは表面が凹状または凸状を有する円弧状の台座６２の上に炭素/ホウ素複合材料等の炭素素材である帯状の第１の溶接素材６１ａを溶接素材供給管７から供給し、セラミックヒーター５が内蔵されている熱風供給管２、熱風放出管３に接続された熱風導入管４２から８００〜１５００℃程度の熱風を噴射して加熱しながら第１の溶接素材６１ａの先端部から後端部まで長さ方向（矢印方向）にローラ１０により押圧する。この加熱、押圧により第１の溶接素材６１ａは軟化、焼成され密度が高まる。
次いでローラ１０を第１の溶接素材６１ａの先端部まで戻し、第１の溶接素材６１ａと同種の別の帯状の第２の溶接素材６１ｂを第１の溶接素材６１ａの上に幅方向の一部が第１の溶接素材６１ａに重なり合うように溶接素材供給管７から供給する。そしてこの重なり合う部分Ｗに熱風供給管２、熱風放出管３、熱風導入管４２からやはり８００〜１５００℃程度の熱風を噴射するとともに加熱しながら第１の溶接素材６１ａと第２の溶接素材６１ｂの重なり合う部分Ｗの先端部から後端部まで長さ方向にローラ１０により押圧する。ローラ１０により押圧された第１の溶接素材６１ａと第２の溶接素材６１ｂの重なり合う部分Ｗは熱風により焼成され、溶融しかつ圧力が付加され圧着され一体化する。
図７は本実施の形態を説明するための正面図である。図７において、まず台座６２の上に炭素/ホウ素複合材料等の炭素素材である帯状の第１の溶接素材６１ａが溶接素材供給管７から供給され、熱風供給管２、熱風放出管３に接続された熱風導入管４２から８００〜１５００℃程度の熱風が噴射されローラ１０により長さ方向に加熱、押圧される。次いで第１の溶接素材６１ａと同種の別の帯状の第２の溶接素材６１ｂが第１の溶接素材６１ａの上に幅方向の一部が重なり合うように供給され、熱風供給管２、熱風放出管３に接続された熱風導入管４２から８００〜１５００℃程度の熱風が噴射されるとともに重なり合う部分Ｗがローラ１０により長さ方向に加熱、押圧される。
この結果、まず第１の溶接素材６１ａが熱風により軟化し、焼成され、密度が高まり、次いで第２の溶接素材６１ｂが第１の溶接素材６１ａの上にそれぞれの幅方向の一部が重なり合うように配置され、この重なり合う部分Ｗが熱風により加熱され、焼成され、溶融し、ローラ１０により押圧されて圧力が付加されることによって第１の溶接素材６１ａと第２の溶接素材６１ｂが圧着され一体化する。
本実施の形態における溶接方法は、第１の溶接素材と第２の溶接素材を重ね合わせて一体化した後に第２の溶接素材と第３の溶接素材を一体化し、さらに第３の溶接素材と第４の溶接素材を一体化するというような工程を適宜目的とする製品を得ることができるまで繰り返して行うこともできる。
ローラ１０により第１の溶接素材６１ａと第２の溶接素材６１ｂの重なり合う部分Ｗを押圧する際には２０〜２００ｋｇｆの圧力を付加する。このようにすると第１の溶接素材６１ａと第２の溶接素材６１ｂの重なり合う部分Ｗが軟化、焼成、溶融して圧着され、第１の溶接素材６１ａと第２の溶接素材６１ｂが一体化される。この第１の溶接素材６１ａと第２の溶接素材６１ｂの重なり合う部分Ｗが一体化されると同時に冷却管８から冷却風が吹き付けられ、直ちに第１の溶接素材６１ａと第２の溶接素材６１ｂの重なり合う部分Ｗは硬化し、高強度となる。
ローラ１０により接合部Ｈを押圧する力は２０〜２００ｋｇｆが好ましい。２０ｋｇｆ未満では押圧力が不足し、接合部Ｈの品質が確保されない虞があるからであり、２００ｋｇｆを超える場合には押圧力が大きすぎて接合部Ｈを破壊してしまう虞が出てくるからである。このような本実施の形態は特に航空機用ボディの溶接に用いられることが好ましい。
このように本発明の樹脂等の溶接方法によれば、樹脂やＦＲＰ、炭素素材等を容易に溶接することができるようになり、治具をコンパクトにすることができ、また溶接速度を速くすることができ、さらに良質な接合部を形成することができるという優れた効果を有する。
本発明の樹脂等の溶接方法については、一般的なポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、アクリル等の樹脂の溶接の他、ＦＲＰや炭素素材が用いられている自動車用ボディや航空機用ボディの溶接にも適用することができる。
１ 溶接用治具
２ 熱風供給管
３ 熱風放出管
４ ノズル部
５ セラミックヒーター
６ 溶接素材
７ 溶接素材供給管
８ 冷却管
９ 被溶接材
１０ ローラ
１１ 可変変圧器
１２ 気体供給部
１３ 支持軸
１４ 支持金具
２１ 気体供給口
２２ フランジ
２３ レバー
３１ フランジ
３２ ボルト
３３ フランジ
３４ 凹溝
３５ 貫通孔
４１ フランジ
４２ 熱風導入管
４３ ローラ軸
４４ 仕切り板
５１ａ、５１ｂ 被溶接材
６１ａ 第１の溶接素材
６１ｂ 第２の溶接素材
６２ 台座
Ｈ 接合部
Ｗ 溶接素材同士の重なり合う部分
２ 熱風供給管
３ 熱風放出管
４ ノズル部
５ セラミックヒーター
６ 溶接素材
７ 溶接素材供給管
８ 冷却管
９ 被溶接材
１０ ローラ
１１ 可変変圧器
１２ 気体供給部
１３ 支持軸
１４ 支持金具
２１ 気体供給口
２２ フランジ
２３ レバー
３１ フランジ
３２ ボルト
３３ フランジ
３４ 凹溝
３５ 貫通孔
４１ フランジ
４２ 熱風導入管
４３ ローラ軸
４４ 仕切り板
５１ａ、５１ｂ 被溶接材
６１ａ 第１の溶接素材
６１ｂ 第２の溶接素材
６２ 台座
Ｈ 接合部
Ｗ 溶接素材同士の重なり合う部分
Claims (3)
- ノズル部に設けられた溶接素材供給管から第１の溶接素材を供給するとともに、気体供給部からセラミックヒーターが内蔵された熱風供給管に気体を供給して前記セラミックヒーターにより前記気体を加熱し熱風とし、前記熱風を前記熱風供給管に接続された熱風放出管に送り出し、前記ノズル部に設けられ前記熱風放出管に接続された熱風導入管に導入し、前記ノズル部に設けられたローラにより前記第１の溶接素材を先端部から後端部まで長さ方向に前記熱風を噴射することにより加熱、押圧して軟化、焼成し、次いで前記ローラを前記第１の溶接素材の先端部に戻した後前記第１の溶接素材の上に幅方向が一部重なり合うように第２の溶接素材を供給し、前記第１の溶接素材と前記第２の溶接素材の重なり合う部分を前記熱風を噴射することにより溶融しながら前記ノズル部に設けられたローラにより前記第１の溶接素材と前記第２の溶接素材の重なり合う部分の先端部から後端部まで長さ方向に圧力を付加して前記第１の溶接素材と前記第２の溶接素材の重なり合う部分を圧着して一体化させ、前記ノズル部に設けられた冷却管から冷却風を供給して前記第１の溶接素材と前記第２の溶接素材の重なり合う部分を冷却することを特徴とする樹脂、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、又は炭素素材の溶接方法。
- ノズル部に設けられた溶接素材供給管から第１の溶接素材を供給するとともに、気体供給部からセラミックヒーターが内蔵された熱風供給管に気体を供給して前記セラミックヒーターにより前記気体を加熱し熱風とし、前記熱風を前記熱風供給管に接続された熱風放出管に送り出し、前記ノズル部に設けられ前記熱風放出管に接続された熱風導入管に導入し、前記ノズル部に設けられたローラにより前記第１の溶接素材を先端部から後端部まで長さ方向に前記熱風を噴射することにより加熱、押圧して軟化、焼成し、次いで前記ローラを前記第１の溶接素材の先端部に戻した後前記第１の溶接素材の上に幅方向が一部重なり合うように第２の溶接素材を供給し、前記第１の溶接素材と前記第２の溶接素材の重なり合う部分を前記熱風を噴射することにより溶融しながら前記ノズル部に設けられたローラにより前記第１の溶接素材と前記第２の溶接素材の重なり合う部分の先端部から後端部まで長さ方向に圧力を付加して前記第１の溶接素材と前記第２の溶接素材の重なり合う部分を圧着して一体化させ、前記ノズル部に設けられた冷却管から冷却風を供給して前記第１の溶接素材と前記第２の溶接素材の重なり合う部分を冷却する工程を繰り返すこと特徴とする樹脂、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、又は炭素素材の溶接方法。
- 前記セラミックヒーターは可変変圧器と接続され、前記可変変圧器により負荷される電圧を調整することによって前記熱風の温度調節が行われることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の樹脂、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、又は炭素素材の溶接方法。
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