超音波溶接

固相接合：高速の振動で、小さな接合部を 1 秒足らずで結合する

超音波溶接は、部品を押し付け合い、毎秒約 20,000 から 40,000 回という非常に速さで振動させて接合します。こすれる熱で接合部が結合し、1 秒よりはるかに短い時間で済みます。接着剤、ねじ、溶加材は不要です。自動車のライトから歯ブラシの柄まで、溶接されたプラスチックのハウジングの多くと、多くの電池や電線の接続が、この方法でつくられています。

写真：Herrmann Ultraschalltechnik, CC BY-SA 4.0, 提供： Wikimedia Commons

超音波溶接 · 溶接スタックと、接合部の拡大図丸数字は下の手順に対応しています。右の拡大図は、プラスチック部品の接合部で何が起きているかを示します。

しくみ

部品を入れる。 2 つの部品を、アンビル（部品を保持する形に作られた固定支持台）上の治具に置きます。プラスチック部品には、触れ合う場所にエネルギーダイレクターと呼ばれる小さな突起が成形されています。
プレスする。 ホーン（ソノトロードとも呼ばれる、機械の先端にある成形された金属チップ）が下りてきて、部品どうしを押し付けます。
振動させる。 発振器が高周波電流をコンバーターに送ります。コンバーターの圧電結晶（電圧で形が変わる材料）が、それを振動に変えます。ブースターとホーンが増幅し、数百分の 1 mm の動きにします。
接合部を溶かす。 摩擦で、小さな接触点に熱が集中します。そのため、エネルギーダイレクターが最初に溶け、接合部全体に広がります。部品のほかの部分は低温のままです。
保持して冷やす。 振動は止まりますが、溶けた部分が固まるまで、しばらく力をかけ続けます。これで、2 つの部品は 1 つになります。

金属では仕組みが違います。 金属のワイヤー、箔、電池のタブでは、ホーンが上下に叩くのではなく、横にこすります。こすることで表面の酸化物が壊れ、きれいな金属どうしが押し付けられるため、溶かさずに接合部ができます。

主なポイント

材料: ABS、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ナイロンなどの熱可塑性プラスチック。銅やアルミニウムの箔や線のような、薄くてやわらかい金属
代表的な部品: 自動車のライトハウジング、医療機器、フィルター、おもちゃ、ブリスターパック、電池のタブ、ワイヤーハーネスのスプライス
部品サイズ: 接合部は数ミリメートルから、ホーン 1 つで約 20–30 cm まで。金属板は通常、約 1 mm 未満
精度: 再現性が非常に高い：機械が潰れ量を制御する場合、溶着した部品の高さは通常約 ±0.05–0.1 mm 以内
表面仕上げ: きれいで、見えないことも多い接合部。絞り出されたプラスチックの小さな盛り上がり（バリ）や、金属ではホーンによる凹凸の跡が付くことがあります
向いているロット数: 大量生産向け。部品の形ごとに専用のホーンと治具が必要
金型・設備コスト: 溶接機は数万ドル。専用のホーンと治具は各数千ドル
速度: 溶接時間は通常 0.1–1 秒。1 サイクルは数秒で、1 台あたり 1 日に数千個