JP7201693B2

JP7201693B2 - ガスシールド赤外線溶着およびステーキングシステム

Info

Publication number: JP7201693B2
Application number: JP2020536923A
Authority: JP
Inventors: ポールエイチキャスカート
Original assignee: デューケインアイエーエスエルエルシー
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2018-09-17
Publication date: 2023-01-10
Anticipated expiration: 2038-09-17
Also published as: CN111107981A; JP2020534192A; US10562234B2; WO2019055907A1; EP3684600A1; US20190084245A1

Description

本発明は一般に、熱可塑性材料の溶着に関し、より詳細には、熱可塑性材料の溶着およびステーキングに使用されるガスシールド赤外線溶着に関する。

関連出願の相互参照
本願は、２０１７年９月１８日出願の米国特許出願第１５／７０７，３６０号に対する優先権を主張するものであり、その全体を本願に引用して援用する。

本発明は一般に、赤外線（ＩＲ）溶着に関する。より詳細には、本発明は、プラスチック溶着工業における、溶着またはステーキング中の熱可塑性構成要素の一部を溶融させるための、ＩＲ加熱装置の使用に関する。ＩＲ溶着の実際の応用の一例は、自動車の吸気マニホールドの２つの半部を１つに溶着することである。そのようなマニホールドを溶着する従来の方法では、高温ガス加熱または赤外線（ＩＲ）加熱が利用される。

高温ガス法では、抵抗式加熱装置を利用して不活性ガスを加熱し、これを溶融させるべき表面に対して吹き付ける。ガス自体は、溶融部を生成するためのエネルギーを抵抗式加熱装置からプラスチック表面まで運ぶための輸送手段である。この方法では、不活性ガスの場が溶着区域を取り囲み、プラスチックの酸化または燃焼を防止するという副次的効果がある。この方法では、プラスチック部品の変化に対する許容性がほとんど無い。部品が歪んで加熱装置に近づくかまたは加熱装置から遠ざかると、溶融部正面の温度は大きく変化する。

ＩＲ法は単純に、プラスチックを放射加熱して溶融部を生成するためにＩＲ熱源を利用する。ＩＲ源の主要な利点は、プラスチックを加熱するための他の手段よりも目立って大きい、赤外線エネルギーの伝達距離である。伝達距離の増大により、部品が加熱装置に向かってまたは加熱装置から離れるように歪んだ結果生じる加熱装置と部品の間の距離の変化に関わらず、部品表面のはるかに高い一貫性で加熱することが可能になる。ＩＲ加熱法の欠点は、生成中の溶融部の表面が酸化または燃焼し、溶着中の２つの部品を１つに接合する際に溶着部の強度の低下をもたらす可能性のあることである。

一実施形態によれば、熱可塑性材料で作製された２つの部品を接合するための赤外線溶着方法は、２つの熱可塑性部品のそれぞれを、互いに相手から離間させた状態で、赤外線加熱装置と隣り合わせて配置することと、赤外線加熱装置に電力供給して赤外線熱を放射させ、放射された赤外線熱を部品の対向する表面の選択された部分上へと誘導し、このとき同時に、溶融した熱可塑性材料の発火を防止するために、不活性ガスを前記選択された部分上へと誘導することによって、対向する表面の少なくとも一部を溶融させることと、２つの部品の少なくとも一方を他方の部品に向けて移動させることによって２つの部品を締め合わせて、部品の溶融した表面を互いと接触するように押し付けることと、２つの部品をこれらが締め合わされて互いと直接接触したままである間に冷却して、溶融した熱可塑性材料を固化させ、これにより２つの部品を１つに溶着することと、を含む。

好ましい実施形態では、不活性ガスは、赤外放射が熱可塑性部品に衝突する際にその赤外放射を取り囲み、赤外放射はシールドされて、溶融される部品に赤外放射が限定される。

溶着される２つの熱可塑性部品の一部を溶融させるための２つの放射加熱ユニットによって形成された放射熱溶着システムの断面図である。溶着される２つの熱可塑性部品の一部の溶融を図示した、図１に示したものと同じ断面図である。放射加熱ユニットを取り外した状態で、溶着される部品が互いに向けて移動するのを示す、図１に示した熱可塑性部品と同じ断面図である。溶着される部品を互いに相手に対して押し付けて赤外線加熱によって溶融させた部品の一部を接合した後の、図１に示したものと同じ断面図である。図１および２に示した２つの放射加熱ユニットの一方の上面斜視図である。図５に示したユニットの縮小した上面図である。図６の線７－７に沿った断面図である。「詳細Ａ」として特定された図７の一部の拡大図である図５～８に示したシステムの分解斜視図である。

本発明について特定の好ましい実施形態と関連付けて記載するが、本発明はこれらの特定の実施形態に限定されないことが理解されよう。反対に、本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の精神および範囲内に含まれ得る、全ての代替形態、変形形態、および等価な構成を包含することを意図している。

これらの図面では、図１～９は、互いに溶着される１対の熱可塑性部品Ｐ１とＰ２の選択された部分を加熱するための１対の同一の上側放射加熱ユニット１０ａと下側放射加熱ユニット１０ｂを含むＩＲ溶着システムを示す。図１では、上側加熱ユニット１０ａは部品Ｐ１を加熱し、下側加熱ユニット１０ｂは部品Ｐ２を加熱する。部品Ｐ１およびＰ２の加熱される部分は、それぞれの部品Ｐ１およびＰ２の表面からそれぞれの加熱ユニット１０ａおよび１０ｂに向かって外向きに延びている環状のリブＰ１ａおよびＰ２ａである。部品Ｐ１およびＰ２の、リブＰ１ａおよびＰ２ａを含む表面は互いに対向しており、このためリブＰ１ａとＰ２ａは、これらを溶融させた後で、部品Ｐ１とＰ２を接合するために互いに係合させることが可能である。

加熱ユニット１０ａおよび１０ｂのそれぞれは、典型的には電流を流すことで電力供給される抵抗性要素を石英で包囲することによって作製される赤外線加熱コイル１１を含む。各加熱ユニットにおいて、加熱コイル１１は、正面シールドプレート２１の中央開口３１内に収容されている。平行な背面シールドプレート２２が、正面プレート２１から４つのシールドサイドバー２３ａ～２３ｄによって間隔を空けられて配置される。図９に見ることができるように、複数のねじ２４により、対向する２つのプレート２１および２２が、サイドバー２３ａ～２３ｄに押し付けられて緊密に固定される。図１および２に見ることができるように、シールドサイドバー２３ａ～２３ｄは、２つのプレート２１と２２を互いに相手から離間させて保持する。

シールドプレート２１、２２およびサイドバー２３ａ～２３ｄは、典型的には、アルミニウムまたは２つの別個の機能を果たす類似の材料で作製される。１つの機能は、熱可塑性部品Ｐ１およびＰ２ならびに周囲の要素の加熱してはいけない領域を保護することである。これらはまた、加熱コイル１２の完全性を保護する役割も果たす。

加熱ユニット１０のそれぞれにおいて、赤外線加熱コイル１１は、背面シールドプレート２２に装着された３つのクランプ３０によって支持されている。クランプ３０により、コイル１１が正面シールドプレート２１の中央開口３１内に位置付けられ、この中にはシールドシリンダ３２も受け入れられる。シリンダ３２は、開口３１および加熱コイル１１を通って、背面シールドプレート２２の中央部の凹部３３内へと延びている。シリンダ３２は、シリンダ３２の中央の穴を通過し背面シールドプレート２２の適合するねじ穴にねじ込まれるねじ３２ａによって所定位置に保持される。

シリンダ３２の直径は開口３１の直径よりも小さく、この結果、シリンダ３２と正面プレート２１の間に、環状の間隙３４が形成される。赤外線加熱コイル１１は間隙３４内に位置決めされ、コイル１１からの赤外放射は間隙３４を通過し、溶着のため溶融される隣接する部分に至るようになっている。

１対のシールドプレート２１および２２のそれぞれの底部には、シールド要素２１、２２および２３ａ～２３ｄから伝導により熱を取り去る冷却水を循環させるための通路４１を含む水冷式ヒートシンク４０が取り付けられる。このことにより、周囲の構成要素および溶着するべき熱可塑性部品が更に保護される。

間隙３４の外側端と隣接し、プレート２１およびシリンダ３２の対向する表面５０および５１は互いに向かってテーパしており、この結果、間隙の外側端の幅は、溶着される部品の突出した部分の幅と略同じになる。表面５０および５１は、熱コイル１１からの赤外放射が間隙３４を通って溶融される熱可塑性部品のその部分の表面に向かって導かれていくように、研磨されて反射表面を形成している。

それぞれの部品Ｐ１およびＰ２の少なくともリブＰ１ａおよびＰ２ａは、好ましくは、これらのリブの表面部分が短時間で溶融され、冷却され固化すると強固な溶着接合部を形成するように、全体が熱可塑性材料で作製される。例えば、リブＰ１ａおよびＰ２ａを合計で２０秒間加熱してもよく、これは対向させたリブの表面部分を溶融させるのに十分な時間である。

熱可塑性材料が赤外放射によって溶融される際に燃焼するのを回避するために、加熱していない加圧不活性ガス、例えば窒素が、熱可塑性材料の溶融中の部分の周囲の空間内に分配される。図１および２に見ることができるように、不活性ガスは、サイドバー２３ａおよび２３ｃにあるポート６０および６１を通して、シールドプレート２１とシールドプレート２２の間の空間内へと供給される。

不活性ガスは、加熱ユニット１０から、赤外放射が加熱コイル１１から溶融中の部品へと伝わる際に通るのと同じ間隙３４を通して分配される。プレート２１およびシリンダ３２のテーパした表面により、加圧不活性ガスが、図１および２の断面図の円形の点描領域によって描かれているように、赤外放射によって溶着中の部品の周囲の空間内へと誘導される。

不活性ガスは、間隙３４から出て熱可塑性材料の溶着区域上に至るガスの流れを一貫させるために、低圧で分配される。シールド不活性ガスの流量は、熱可塑性材料が溶融する際にこれらが酸化するのを防止し、このことにより溶融中の熱可塑性材料のいかなる燃焼も防止するのに、十分であるべきである。

加圧不活性ガスは、２つのプレート２１および２２の間の空間内へと、この空間の対向する両側にある２つのポート６０および６１から供給される。その後不活性ガスは赤外線加熱コイル１１の両側を流れ、赤外放射が外に出るのと同じ環状の間隙３４を通って外に出る。環状の間隙３４の両側の壁は、互いに向かってテーパし、間隙３４の出口端部に隣接している。

部品Ｐ１およびＰ２の互いに溶着されるべき部分が赤外放射によって少なくとも部分的に溶融された後で、加熱要素が部品Ｐ１と部品Ｐ２の間から取り去られ、２つの部品のリブＰ１ａおよびＰ２ａが互いに押し付けられて係合し、この結果、２つの部品Ｐ１およびＰ２の溶融した表面が、互いに相手と一体になる。部品Ｐ１およびＰ２の垂直移動は好ましくは、少なくとも１つのサーボ制御式アクチュエータによって制御される。

部品Ｐ１およびＰ２の軟化した部分が押し付けられて互いに係合した後で、部品を冷却し固化させる。溶融した表面を有する部品は、これらがＩＲ加熱の無い状態で冷却され固化する間、緊密に締め合わされたままである。このように、部品Ｐ１およびＰ２を加圧下で放冷し、このことにより溶融した熱可塑性材料を固化させることによって、溶着部が完成する。次いで最終的な溶着済み製品の締め合わせを解除し、溶着ステーションから取り出す。

本発明の特定の実施形態および応用を例示し記載してきたが、本発明が本明細書に開示される厳密な構造および構成に限定されないことが理解されるべきであり、上記の説明から、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変形、変更、改変が明らかになり得る。

Claims

熱可塑性材料で作製された２つの部品の一部を接合するための赤外線溶着方法であって、前記方法は、
前記２つの部品を互いに相手から離間させた状態で、シールド組立体に収容された赤外線加熱装置と隣り合わせて配置することと、
前記赤外線加熱装置に電力供給して赤外放射を放射させ、前記放射された赤外放射を、互いに直接接合される前記２つの部品の表面上へと誘導することによって、前記２つの部品の対向する表面の少なくとも一部を溶融させることであって、前記赤外放射が溶着中の前記２つの部品に限定されるように、前記赤外線加熱装置がシールド組立体によってシールドされた状態で、前記表面の少なくとも一部を溶融させることと、
前記シールド組立体内に、ついで前記赤外線加熱装置の周りを通って前記シールド組立体の間隙から外に、そして前記２つの部品の一方のまたは両方の前記表面上へと非加熱の不活性ガスを誘導することであって、前記２つの部品が溶融する際にこれらが酸化するのを防止し、溶融中の前記熱可塑性材料のいかなる燃焼も防止するのに十分な流量で、前記赤外放射を受ける前記２つの部品の一方のまたは両方の前記表面上へと前記非加熱の不活性ガスを誘導することと、
前記部品の少なくとも一方を前記２つの部品の他方に向けて移動させることによって前記２つの部品を締め合わせて、前記２つの部品の溶融した前記表面を互いに接触するように押し付けることと、
前記２つの部品をこれらが締め合わされて互いに直接接触したままである間に冷却して、溶融した前記熱可塑性材料を固化させ、これにより前記２つの部品を一体に溶着することと、
を含む、赤外線溶着方法。
請求項１に記載の赤外線溶着方法であって、前記２つの部品は前記溶融および締め合わせ中に互いに位置合わせされることを特徴とする赤外線溶着方法。
請求項１に記載の赤外線溶着方法であって、前記２つの部品の前記対向する表面は、２つの別個の赤外線加熱装置によって加熱されることを特徴とする赤外線溶着方法。
請求項１に記載の赤外線溶着方法であって、前記赤外放射と前記非加熱の不活性ガスは同じ位置から溶融される前記表面上へと誘導されることを特徴とする赤外線溶着方法。
請求項１に記載の赤外線溶着方法であって、前記非加熱の不活性ガスは溶融される各前記表面を当該表面の前記溶融中に覆うこと特徴とする赤外線溶着方法。
請求項１に記載の赤外線溶着方法であって、前記赤外線加熱装置への前記電力供給を所定の時間間隔後に終了させることを特徴とする赤外線溶着方法。
請求項１に記載の赤外線溶着方法であって、前記２つの部品の前記表面上への前記非加熱の不活性ガスの前記誘導は、前記赤外線加熱装置への前記電力供給を終了させた後で終了されることを特徴とする赤外線溶着方法。
請求項１に記載の赤外線溶着方法であって、前記非加熱の不活性ガスは前記部品上へと誘導される前記赤外放射を取り囲むことを特徴とする赤外線溶着方法。
熱可塑性材料で作製された２つの部品の一部を接合するための赤外線溶着システムであって、前記システムは、
一体に溶着される前記２つの部品の溶着される部分に適合する構成を有する赤外線加熱コイルを有し、前記赤外線加熱コイルからの赤外放射が互いに溶着される前記２つの部品の部分を加熱し溶融させるようになっている、１対の赤外線加熱装置と、
前記赤外線加熱コイルに電力供給する電源と、
前記赤外線加熱コイルを収容するシールド組立体であって、前記赤外線加熱コイルからの赤外放射を溶接中の前記２つの部品の一部上へと誘導するシールド組立体と、
加圧された非加熱の不活性ガスの供給源と、
を含み、
前記システムは、
前記シールド組立体内に、ついで前記赤外線加熱コイルの周りを通って前記シールド組立体の間隙から外に、そして前記赤外放射を受ける前記２つの部品の一方のまたは両方の表面上へと前記非加熱の不活性ガスを誘導し、
前記２つの部品の少なくとも一方を前記２つの部品の他方に向けて移動させることによって前記２つの部品を締め合わせて、前記部品の溶融した前記表面を互いに接触するように押し付け、
前記２つの部品をこれらが締め合わされて互いに直接接触したままである間に冷却して、溶融した熱可塑性材料を固化させ、これにより前記２つの部品を１つに溶着する、
ように構成されている、
赤外線溶着システム。
請求項９に記載の赤外線溶着システムであって、前記２つの部品は溶融および締め合わせ中に互いに位置合わせされることを特徴とする赤外線溶着システム。
請求項９に記載の赤外線溶着システムであって、前記２つの部品の対向する表面は、２つの別個の赤外線加熱装置によって加熱されることを特徴とする赤外線溶着システム。
請求項９に記載の赤外線溶着システムであって、前記赤外放射および前記非加熱の不活性ガスは共通のポートを通して溶融される各前記表面上へと誘導されることを特徴とする赤外線溶着システム。
請求項９に記載の赤外線溶着システムであって、前記非加熱の不活性ガスは溶融される各前記表面を当該表面の前記加熱および前記溶融中に覆うこと特徴とする赤外線溶着システム。
請求項９に記載の赤外線溶着システムであって、前記赤外線加熱装置への前記電力供給を所定の時間間隔後に終了させることを特徴とする赤外線溶着システム。
請求項９に記載の赤外線溶着システムであって、前記２つの部品の前記表面上への前記非加熱の不活性ガスの誘導は、前記赤外線加熱装置への前記電力供給を終了させた後で終了されることを特徴とする赤外線溶着システム。
請求項９に記載の赤外線溶着システムであって、前記非加熱の不活性ガスは前記２つの部品上へと誘導される前記赤外放射を取り囲むことを特徴とする赤外線溶着システム。
請求項９に記載の赤外線溶着システムであって、前記赤外線加熱装置は前記赤外放射を前記溶着中の前記部品に限定するように前記シールド組立体によってシールドされていることを特徴とする赤外線溶着システム。