高温ガス溶接

ホットガス溶接は、熱可塑性材料を接合するための手作業によるプラスチック溶接プロセスです。ホットガストーチを用いて、接合面と溶接棒の両方に熱風を吹き付け、材料を軟化温度まで加熱します。加熱された溶接棒を接合面に加圧することで、材料が接合され、完全な溶接部が形成されます。この技術は自動化が容易ではなく、主に修理や小型・複雑な部品の個別製造に使用されます。

溶接技術

高温ガス溶接で使用される一般的な溶接技術には、手溶接とスピード溶接の2種類があります。実際の溶接工程を行うために部品を所定の位置に固定するために、仮溶接が使用される場合があります。

手溶接

手溶接は、溶接棒を溶接工が直接接合部に当てる溶接技術です。フリーハンド溶接またはファン溶接とも呼ばれます。^{[ 1 ]}片手で高温ガストーチを操作し、溶接棒と接合面を振り子のように素早く連続的に加熱します。溶接棒に圧力を加え、ノズルを使用せずに手で制御します。この技術はほとんどの構成に適しており、溶接棒の適用範囲が溶接可能な位置に限定されるため、狭く制約のある領域や複雑な接合部の溶接に効果的です。

スピード溶接

スピード溶接では、高温ガストーチと溶接棒を一体化したシステムとして機能させる特殊設計のノズルを採用しています。このノズルにより、溶接棒がフィーダーチューブを通して接合部に容易に適用されます。ノズルは溶接棒を均一に加熱し、制御された圧力の適用を可能にします。ノズルの底部は、接合面を加熱し、溶接棒を溝に導くように設計されています。ノズルは、特定の溶接棒の形状と寸法に対応するようにフィーダーチューブに合わせて製造されており、一般的なサイズの丸棒または三角形の棒に使用できます。スピード溶接は、ノズルのサイズとシステムの操作性のため、接合部の設計と方向が単純な用途に限定されます。^{[ 1 ]}

プロセスパラメータ

ガス温度、印加圧力、溶接移動速度、ガス流量、トーチの向きはすべて、完成した溶接部の完全性と機械的特性に影響を与えます。ガス温度と流量は、システム入力に基づいて制御可能なパラメータです。印加圧力、溶接移動速度、トーチの向きはすべて、溶接を行うオペレータの判断に依存します。これらのパラメータは相互に関連しており、いずれも最終的な溶接品質に大きな影響を与えます。

ガス温度と流量

ガス温度は、溶接プロセスを開始する前に精度を監視する必要がある制御入力です。高温ガス温度は、材料の融点またはガラス転移温度よりも高い値に選択されます。材料の活性化エネルギーを克服するには十分な温度が必要であり、その結果、粘度が低下し、流動性が向上して溶接界面全体の拡散が促進されます。材料メーカーの推奨を超える高温に長時間さらされると、酸化、変形、または分子劣化が発生し、接合部の破損につながる可能性があります。^{[ 2 ]}出力の校正と検証は、溶接ガン内のガス温度が安定した後に行う必要があります。スピードチップノズルは、特定の領域の接合部に熱を直接集中させ、溶接面への効果的な熱伝達を実現します。十分な溶接移動速度が維持されない場合、これらの溶接領域で材料のガラス転移温度または融点を超える推奨溶接温度を超え、欠陥につながる可能性があります。^{[ 1 ]}

溶接工程における熱膨張は、部品が適切に固定されていない場合、変形や溶接欠陥の発生につながる可能性があります。接合面の加熱不足による溶け込み不足や溶融不足につながる熱損失を避けるため、作業面の材質にも配慮する必要があります。 ^{[ 1 ] [ 2 ]}

溶接棒と接合面を十分かつ均一に加熱するには、十分な高温ガス流量が必要です。流量は、送風機またはエアコンプレッサーを用いて制御できます。溶接部の汚染を防ぐため、供給する高温ガスには水分や不純物が含まれていてはなりません。個々の溶接ガンに内蔵されていない場合は、適切なサイズの送風機またはエアコンプレッサーを複数の高温ガストーチに使用することができます。^{[ 1 ]}

溶接エネルギー

高温ガス溶接中に溶接面に与えられる溶接エネルギーは、完成した継手全体の強度を予測するために使用できます。溶接エネルギー（E _w）は、ガス温度と流量を用いて以下の関係式で決定されます。

${\displaystyle E_{w}={\frac {c_{p}{\bigl (}T_{2}-T_{1}{\bigr )}q_{v}\rho }{S_{w}}}}$

ここで、高温ガスパラメータには、比熱（c _p）、初期温度と最終温度（それぞれT ₁とT ₂ ）、体積流量（q _v）、密度（）が含まれます。これらの特性は、溶接移動速度（S _w）で除算されます。^{[ 2 ]}半結晶性材料に関する研究では、表面への溶接エネルギー入力が高いほど、接合強度が高くなると結論付けられています。^{[ 2 ]}溶接エネルギーが高いと、溶接表面の粘度が低くなることが知られています。粘性が低い表面では、溶接界面全体での拡散が増加し、より強力な溶接が得られますが、粘度が高いと拡散がサポートされにくくなり、接合強度が低下する可能性があります。^{[ 3 ]}${\displaystyle \rho }$

高温ガスの特性は、溶接に使用する媒体の種類によって異なります。ほとんどの用途では空気が使用されます。ただし、他の溶接条件下では健康や安全上のリスクが生じる可能性がある場合、材料メーカーは二酸化炭素や窒素などの他の種類の高温ガスの使用を推奨することがあります。^{[ 1 ]}

プレッシャー

加圧は溶接全体の溶け込みと継手品質に影響を与えます。圧力は、溶接棒を通して直接、またはスピードチップノズルを通して手動で加えられます。^{[ 3 ]}溶接技術と継手の設計はどちらも、溶接部に伝達される圧力の量に影響を与えます。

圧力が不十分だと、溶接界面に気孔が生じ、濡れ性が低下し、融合欠陥が不足する可能性があります。高温ガスが溶接棒と接合面の間に閉じ込められ、気孔が形成される可能性があります。気孔の発生を抑える一つの方法は、接合部の設計にルートギャップを設け、高温ガスを逃がすことです。^{[ 2 ]}溶接部の未融合領域と気孔の存在は、接合部全体の強度を著しく低下させる可能性があります。

手溶接では、スピードチップを使用する場合に比べて圧力の適用効果が低くなる可能性がありますが、どちらも作業者のスキルに依存します。ダブルVジョイント設計は、シングルVジョイントに比べて高い有効溶接圧力に耐えることができ、溶融欠陥が発生しにくいです。^{[ 2 ]}

溶接移動速度

溶接対象部品の材質特性、高温ガス温度、溶接棒のサイズ、そして使用される技術はすべて、溶接移動速度に影響を与えます。高温ガス溶接は手作業であるため、通常、他の熱可塑性プラスチック溶接方法よりも時間がかかります。スピードチップを使用することで、溶接移動速度を上げることができます。高温ガスを溶接面に局所的に集中させることで、熱可塑性プラスチックの加熱が促進され、流れやすくなるため、溶接速度を向上させることができます。^{[ 2 ]}溶接速度が速すぎると、溶接棒が伸び、接合部が不均一に充填され、全体的な溶接強度が低下する可能性があります。速度が遅すぎると、長時間の高温曝露による溶接損傷が発生する可能性があります。

トーチの向き

溶接トーチと溶接棒の向きの角度は、溶接技術、棒の材質、および接合部の設計によって異なります。

スピード溶接

スピードチップ溶接において、接合溝への適切な位置合わせを維持しながら均一な圧力を確保するには、溶接者は高温のガスガンの下にグリップを配置することが推奨されます。十分な溶け込みと溶接品質は、溶接棒をフィーダーチューブから送り出す際にわずかに加圧し、同時に下向きの引張運動を溶接パス全体にわたって一定の移動速度で維持することで得られます。^{[ 1 ]}

手溶接

手溶接において、開先に対する溶接棒の向きは材料によって異なります。推奨される溶接棒角度は、接合部に欠陥や余分な応力を発生させることなく適切な溶け込みが得られることを基準に、材料ごとに設定されています。正確な位置合わせにより、ルート部に目に見える「弓形波」効果が現れ、溶接界面全体に拡散が生じたことを示します。角度が適切でないと、加熱ムラや溶接欠陥、あるいは強固な接合部を形成するための圧力不足が生じる可能性があります。^{[ 1 ]}

溶接工資格

工業用途において、高温ガス溶接プロセスは、EN 13067またはAWS B2.4に詳述されているプロセスについて認定を受けた、訓練を受けた資格のある作業者によって適切に実施されます。^{[ 3 ]} EN 13067は、熱可塑性プラスチック溶接アセンブリの溶接工の資格に関する国際規格であり、高温ガス溶接の技術とプロセスが含まれています。米国溶接協会（AWS）は、熱可塑性プラスチック溶接の手順と性能に関する資格に関する米国規格としてAWS B2.4を発行しました。これらの規格は、様々な溶接状況において採用すべき適切な技術と接合部設計を詳述しています。

参考文献

1. 『プラスチック接合ハンドブック：実用ガイド』 トラウトン、マイケル・ジョン（第2版） ノーウィッチ、ニューヨーク州：ウィリアム・アンドリュー。2008年。ISBN 9780815515814. OCLC  302420421 .
2. Balkan, Onur; Demirer, Halil; Ezdeşir, Ayhan; Yıldırım, Hüseyin (2008-04-01). 「溶接手順が高温ガス突合せ溶接PE、PP、およびPVCシートの機械的特性および形態学的特性に及ぼす影響」. Polymer Engineering & Science . 48 (4): 732– 746. doi : 10.1002/pen.21014 . ISSN 1548-2634 . 
3. Marczis, B.; Czigany, T. (2006). 「高温ガス溶接ポリプロピレンの溶接パラメータ間の相互関係」.ポリマー工学＆サイエンス. 46 (9): 1173– 1181. doi : 10.1002/pen.20570 .