溶着

溶着技術：樹脂と金属の接合を支える多様な手法

溶着とは、樹脂や非鉄金属といった材料を分子レベルで結合させる接合技術です。溶接との違いは、接合部が外観から確認できるかどうかです。溶接は接合部が見た目でわかるのに対し、溶着は接合後も溶融部が判別できません。ただし、この分類は英語にはなく、どちらもWeldingと訳されます。添加材の有無は溶着と溶接の区別には関係ありません。特に樹脂溶着では、異物の混入は接合強度を低下させるため、部材と同組成の樹脂しか使用できません。

樹脂部材の溶着では、熱可塑性樹脂を融点以上に加熱し、圧力を加えることで分子結合を実現します。プラスチック溶着とも呼ばれ、専用のプラスチック溶着機（プラスチックウエルダー）を使用します。インパルスシーラーも広義には溶着機ですが、一般的には工業生産で使用される機械・技術を指します。金属部材でも、ジュール熱や摩擦熱などによる界面溶融で接合が生じる場合、溶着とみなすことができます。固相接合も溶着と解釈できますが、一般的には「接合」と呼ばれています。

類義語には融着と固着があります。融着は溶着とほぼ同義ですが、固着は、例えば瀬戸物同士が長期間圧力下にあった場合のように、分子レベルで近接して結合する現象を指します。圧接も類似した技術です。

溶着技術の歴史

熱可塑性樹脂を加熱して接合できることは古くから知られていましたが、工業生産で広く用いられるようになったのは、浮き輪やビーチボール製造に使われた高周波溶着からです。1961年、精電舎電子工業が超音波溶着機を発表すると、超音波溶着が急速に普及しました。その後、フェライト振動子よりも高性能なPZT振動子が搭載されるようになり、超音波溶着は世界的な主流技術となりました。近年では、誘導溶着、振動溶着、レーザー溶着などの新しい技術も開発されていますが、タクトタイムの速さと設備費用の低さから、超音波溶着は依然として樹脂二次加工技術の中核を担っています。

溶着方法の種類

溶着は加熱方法によって様々な種類があります。

熱風溶着（溶接）: 熱風で樹脂シート同士、または溶接棒と呼ばれる棒状樹脂を溶かして接合します。
超音波溶着: 15～50キロヘルツの超音波振動と圧力を用いて摩擦熱で接合します。独特の高周波音が発生し、部材の材質や大きさによって周波数や出力を調整します。超音波ゲートカット、超音波カッター、樹脂かしめ、金属部材インサートなどにも利用されます。微細な粉塵が発生するため、医療機器分野ではレーザー溶着への移行が進んでいます。
振動溶着: 100～300ヘルツの低周波数と大きな振幅の横振動で強力に溶着します。大型素材に適していますが、コストが高いのが欠点です。近年は大出力の超音波溶着機に代替される傾向にあります。
誘導溶着: 電磁誘導コイルで被誘導体に電流を流し、発熱させる方法です。剥離性バージンシールなど、アルミ膜コーティング樹脂の溶解を利用した技術や、ナット・ボルトの誘導加熱による樹脂へのインサートにも用いられます。近年は真鍮への適用も可能になっています。非接触熱板溶着のように、金属板を高温に加熱し、輻射熱で樹脂を溶着させる方法もあります。
高周波溶着: 高周波エネルギーの電界作用で樹脂部材を内部から発熱させます。物理的な振動がないため、表面仕上がりが綺麗です。塩化ビニールなど特定の素材に限定されます。
半導体レーザー・ダイオードレーザー溶着: 透過性樹脂と吸収性樹脂を重ね合わせ、レーザーを照射して接合します。
熱溶着: 熱伝導を利用した加熱方法です。広義には全ての溶着を含む概念ですが、一般的にはヒーターを用いた熱板溶着を指します。立体面にも対応しやすく、気密・液密性が高いのが特徴です。インパルス式溶着やコテ式溶着も含まれます。
スピン溶着: 一方の部材を回転させ、摩擦熱で接合します。溶け量が多く、気密・液密性に優れ、自動車部品などに多く用いられます。

溶着の用途

溶着技術は、防水シートの接合、自動車部品、医療機器、家電製品、マイクロ流体デバイスなど、幅広い分野で使用されています。

関連技術

圧接、溶接、接着

もう一度検索