(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの熱可塑性樹脂管を、これらの対向する端面を互いに接させた状態で、一方の樹脂管を軸心周りに回転させることにより、摩擦熱を発生させて融着させる圧接接合方法において、所定の相対速度で両樹脂管を軸方向に引寄せながら、一方の樹脂管の回転数を所定の値に達するまで上昇させ、接触部の溶融が開始する溶融開始工程と、所定の相対速度で両樹脂管を軸方向に引寄せながら、一方の樹脂管を所定の回転数で回転させることにより接合部の溶融を継続する溶融継続工程と、溶融継続工程より低い相対速度にて両樹脂管を軸方向に引寄せながら、所定の回転数で一方の樹脂管を回転させることにより溶融範囲を拡大する溶融範囲拡大工程とを含み、溶融開始工程での回転数を溶融継続工程での回転数より高く、かつ溶融範囲拡大工程での回転数を溶融継続工程での回転数より高く設定することを特徴とする熱可塑性樹脂管の圧接接合方法。
【請求項２】
樹脂管接合部の温度を熱可塑性樹脂管の融点以上かつ酸化開始点以下とするように溶融範囲拡大工程での回転数を設定する請求項１記載の熱可塑性樹脂管の圧接接合方法。
【請求項３】
溶融継続工程あるいは溶融範囲拡大工程での回転数を、周囲温度が予め実験により定めた基準値より高い場合には低めに設定し、周囲温度が上記基準値より低い場合には高めに設定する請求項１または２記載の熱可塑性樹脂管の圧接接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱可塑性樹脂管、特にポリエチレン管やポリブテン管を、摩擦接合にて融着する、熱可塑性樹脂管の圧接接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、特開平４−３９０２８号公報に開示された従来の樹脂管の圧接接合装置の一部断面の側面図である。図５において、ポリエチレン管１及び２はその端面の間に配置した管状継手３を介して融着接合される。すなわち、ポリエチレン管１、２は、油圧引寄せ機構１６、１７に連結された管固定具５、６に固定され、端面が対向する。管状継手３は継手保持具１０に保持され、回転駆動機構１４により回転自在にポリエチレン管１、２の端面の間に配置される。そして、ポリエチレン管１、２の端面と管状継手３を互いに接触させた状態で、管状継手３を回転させ、ポリエチレン管１、２と管状継手３の接触面が摩擦熱によって融点に達した時点で、油圧式引寄せ機構１６、１７によってポリエチレン管１、２の端面と管状継手３を締め付けて、これらを融着一体化する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
摩擦熱を利用した樹脂管の融着においては、接合作業を構成するそれぞれの工程で最適とされる発熱速度が異なり、発熱速度過多の場合は、樹脂温度の過上昇による酸化や、溶融時間過小のために酸化膜や汚れの不十分な排除による溶融部の品質低下が起き、発熱速度過小の場合は、作業効率の低下が起きる。上記のような従来の樹脂管の圧接接合方法とその装置では、工程毎の発熱速度の制御方法が明確でなく、これらの全ての現象を防ぐことができないという問題点があった。
本発明は、工程毎の最適発熱速度の制御を可能とし、接合部の高品質と高い作業効率の両方を同時に実現できる樹脂管の圧接接合方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１における熱可塑性樹脂管の圧接方法は、二つの熱可塑性樹脂管を、これらの対向する端面を互いに当接させた状態で、一方の樹脂管を軸心周りに回転させることにより、摩擦熱を発生させて融着させる圧接接合方法において、所定の相対速度で両樹脂管を軸方向に引寄せながら、一方の樹脂管の回転数を所定の値に達するまで上昇させ、接触部の溶融を開始する溶融開始工程と、所定の相対速度で両樹脂管を軸方向に引寄せながら、一方の樹脂管を所定の回転数で回転させることにより接合部の溶融を継続する溶融継続工程と、溶融継続工程より低い相対速度にて両樹脂管を軸方向に引寄せながら、所定の回転数で一方の樹脂管を回転させることにより溶融範囲を拡大する溶融範囲拡大工程とを含み、溶融開始工程での回転数を溶融継続工程での回転数より高く、かつ溶融範囲拡大工程での回転数を溶融継続工程での回転数より高く設定することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の請求項２における熱可塑性樹脂管の圧接方法は、請求項１の構成に加えて、樹脂管接合部の温度を熱可塑性樹脂管の融点以上かつ酸化開始点以下とするように溶融範囲拡大工程での回転数を設定することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の請求項３における熱可塑性樹脂管の圧接方法は、請求項１または２の構成に加えて、溶融継続工程での回転数又は溶融範囲拡大工程での回転数を、周囲温度が予め実験により定めた基準値より高い場合には低めに設定し、周囲温度が上記基準値より低い場合には高めに設定することを特徴とする。
【００１０】
なお、本発明は、二つの樹脂管を直接接合することに限定するものではなく、二つの樹脂管の間に熱可塑性樹脂の管状継手を介在させ、該管状継手の端面を両側の樹脂管の対向する端面に当接させた状態で該管状継手を回転させ、該管状継手の両端部を同時に溶融させることにより、樹脂管を接合しても良い。
【００１１】
また、本発明は、第１の熱可塑性樹脂管および第２の熱可塑性樹脂管のそれぞれの材質が同一であることに限定するものではなく、第１の熱可塑性樹脂管と第２の熱可塑性樹脂管とで材質が異なっても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、二つの樹脂管の間に熱可塑性樹脂の管状継手を介在させ、該管状継手の端面を両側の樹脂管の対向する端面に当接させた状態で、該管状継手を回転させる場合を例に挙げて、本発明の詳細を説明する。
【００１３】
図１に示したように、本発明に係る熱可塑性樹脂管の圧接接合方法に使用する圧接接合装置は、接合すべき樹脂管１、２を保持するための固定クランプ５と可動クランプ６、樹脂管１、２の接合すべき端面間に管状継手３を保持し且つこの管状継手を樹脂管の軸心周りに回転させるための管状継手保持部４、管状継手保持部を回転自在に保持する移動ベッド２０、可動クランプ６に保持された樹脂管２をその軸心方向に移動させるための管送り機構９よりなる管支持手段と、移動ベッドに搭載され管状継手保持部を回転駆動させるための回転駆動手段と、樹脂管の圧接接合作業を構成する各工程毎に予め定めた値に樹脂管の回転数を調節することができる回転数制御手段とを有している。
【００１４】
前記固定クランプ５および可動クランプ６は、接合すべき樹脂管１、２を脱着可能にクランプすることによりこれらを保持するもので、前記可動クランプ６はスライド軸２１に案内されて樹脂管の軸心方向に移動可能である。これら固定クランプ５および可動クランプ６は、接合すべき樹脂管１、２の端面同士が同心状に対向するようにそれらの樹脂管を保持することができる。
【００１５】
前記移動ベッド２０は、前記スライド軸２１に案内されて接合すべき樹脂管方向に移動可能である。管状継手保持部４は、樹脂管を貫通させるための貫通孔を有すリング状であって、軸受により移動ベッド２０に回転自在に支持されている。
【００１６】
前記管送り機構９は、駆動手段としてスクリュー軸２２を備えており、このスクリュー軸２２が前記可動クランプ６に貫設された雌ネジ孔に装着されている。このスクリュー軸２２を回転駆動させることにより前記可動クランプ６は軸心方向に移動する。
【００１７】
移動ベッド２０は、樹脂管を挿通させるための貫通孔を有し、スライド軸２１に案内されてフリーの状態にあって自由に移動自在であるから、圧接開始時に管状継手３が樹脂管２の端面により押された時は、管状継手３に伴って樹脂管の軸心方向に移動する。
【００１８】
図２に、回転駆動手段を示す。回転駆動手段は、駆動モータ８、駆動モータの出力軸に設置されたギア７及び管状継手保持部４の外周に設けたギア４１よりなり、移動ベッド２０に搭載されている。ギア７はギア４１と噛み合っており、駆動モータ８は、これらのギアを介して管状継手保持部４および管状継手３を回転駆動する。
【００１９】
ここでは、ギア群による動力伝達について説明したが、動力伝達機構は他の形式のものでも良いし、変速機能を内在したものでも良い。
【００２０】
回転数制御手段は、その指令により管状継手３の回転数を変更できるものであれば何でも良い。駆動モータの回転数を制御するものでも良いし、駆動モータと管状継手の間に介在する変速機と変速機のコントラーロとの組み合わせでも良い。駆動モータの回転数を制御する場合は、駆動モータは、インバータ駆動の誘導モータまたはＡＣサーボモータなどが望ましい。
【００２１】
軸心方向引寄せ速度の制御はエンコーダを用いたサーボモータにより行う。また、圧接圧力の制御はサーボモータのトルクを制御することで行う。ただし、軸心方向の引寄せを油圧シリンダー等で行い、変位計等で相対速度を検出し油圧サーボを利用することも可能である。この時には、ロードセル等の圧力センサで圧接圧力を制御する。
【００２２】
また、管支持手段を構成するクランプは、一方が固定型で他方が可動型である必要はなく、所定の相対速度で軸心方向に引寄せることが可能であれば、両方とも可動型であっても良い。
【００２３】
以下に、この圧接接合装置を使用した本発明の圧接接合方法を説明する。この圧接接合方法は、５つの工程よりなっている。
【００２４】
第一工程は、樹脂管１、２及び管状継手３を所定の位置に配置する工程である。まず樹脂管１を固定クランプ５に固定する。次いで、管状継手３を管状継手保持部４に固定し、その後、樹脂管１の端面と管状継手３の端面が接するように移動ベッド２０をスライドさせる。その後、樹脂管２を管状継手３に接するように可動クランプ６に固定する。接合する各端部は、パイプカッターで切断された程度に軸心に対し直角になっていれば良く、改めて端部を切削する必要は無い。また、アセトンなどの溶剤で端部の汚れを落とす必要も無い。管状継手の長さは、管状継手保持部４の管状継手との接触幅に２ヶ所の圧接接合部が熱的・物理的に干渉しないように決められ、継手保持部の長さに両側５ｍｍずつ程度を加えた長さがあれば良い。
【００２５】
第二工程は、管状継手を軸心周りに回転させ、所定の回転数まで上昇させ維持することにより、樹脂管接触部の溶融を開始する溶融開始工程である。コントローラのスイッチをオンにし、管状継手３を保持した管状継手保持部４を駆動モータ８によりギア４１で回転させる。それと同時に管送り機構９により、可動クランプ６に低速の送りをかけ、管状継手３をはさんだ状態で、樹脂管２を樹脂管１に引寄せる。可動クランプ６の軸心方向送り速度（樹脂管の相対的な引寄せ速度）を低速にして、管状継手と樹脂管の端面の摩擦を小さくすることにより、起動トルクを小さくでき、無理なく管状継手の回転数を上昇させることができる。可動クランプ６の軸心方向送り速度は、管状継手の回転数が所定の値に達した後、上昇させる。管状継手と樹脂管の端面の接触が強くなるに従い、回転している管状継手３と樹脂管１、２の接している部分には摩擦熱が発生し、溶融が開始される。
【００２６】
図４に示すように、溶融開始工程の初期では、樹脂管の相対移動量はほぼゼロ、圧接圧力もほぼゼロ、接合部の温度上昇もほとんど無い状態となる。管状継手の回転数を所定の回転数まで上昇させた後、軸心方向送り速度を上昇させることにより、管状継手と樹脂管の端面の接触が強くなり、圧接圧力は一時的に上昇するが、接触部の溶融が開始されると、圧接圧力は急激に低下する。一方、樹脂の接触部の温度は、融点まで短時間で上昇する。作業効率を向上させるためには、この工程での所定回転数はできるだけ高い方が良い。
【００２７】
第三工程は、管状継手および樹脂管端部の溶融を継続させる溶融継続工程である。樹脂管の接触部は、粘弾性体としてせん断摩擦による発熱で温度は融点以上に上昇する。そして、溶融により粘性の低下した樹脂は、圧接面から樹脂管の外面側および内面側に継続して排出される。この工程を所定の期間継続することで、当初端面にあった酸化膜や汚れは管外に完全に排出される。管状継手３の回転数が高すぎると発熱速度が速くなってしまい、酸化膜や汚れを管外に完全に排出する前に樹脂の酸化開始温度に達し、煙や臭いが生じたり、あるいは接合部の品質低下が生じる。そこで、溶融継続工程での管状継手の回転数は、酸化開始点に達するまでに、酸化膜や汚れを管外に完全に排出できるほど十分な時間が掛かるような発熱速度となるよう設定する。また、樹脂管の相対的な引寄せ速度については、前工程の後期にて上昇させた値を保つ。
【００２８】
第四工程は、圧接面からの樹脂の排出を押さえ、溶融部の範囲を拡大すると同時に均一化する溶融範囲拡大工程である。この工程では、圧接圧力がほとんどゼロとなるよう、樹脂管の相対的な引寄せ速度を低めに設定する。また、摩擦による発熱速度が放熱速度とバランスするよう、かつ溶融部の温度が融点以上で酸化開始点以下のできるだけ高い温度を保持するように、管状継手の回転数を設定する。
【００２９】
なお、実際の圧接接合作業の中で接合部の温度を計測するのは難しいため、上記回転数は実験にて予め求めておくことになる。この実験では、熱電対等の小型の温度計測手段を樹脂管の接合予定部近傍に埋めておくことになる。
【００３０】
第五工程は、管状継手とそれを挟む樹脂管の融着を行う圧接冷却工程である。管状継手３の回転を停止し、一定の圧接圧力を加えながら、第１および第２の熱可塑性樹脂管の端面を圧接し、前記管状継手と前記熱可塑性樹脂管を融着する。この過程で、融点以上に昇温され低分子化された樹脂は、粘度が低いため、管外に排出される。冷却速度は樹脂が管外に排出される速度にも依存するので、良好な継手が得られるように冷却速度を制御するために、樹脂管の相対的な引寄せ速度の制限のもとで押付ける。管外に排出された樹脂は、回転中・回転停止後にかかわらず一体となり管内外面に滑らかな形状のビードを形成する。
【００３１】
図４に示すように、圧接冷却工程での圧接圧力は、トルク制御により、一定値に保持される。接合部の温度は、回転が停止し発熱がなくなること、高温の樹脂が管内外面に押し出されることにより低下し、押付けられた状態で冷却される。ただし、軸心方向の引寄せを油圧シリンダー等で行う場合は、ロードセル等の圧力センサにて油圧を計測し、油圧サーボを利用することにより、圧接冷却工程での圧接圧力は一定値に保持される。
【００３２】
なお、周囲温度が予め設定した基準値より高い場合には、放熱速度が弱まるので、所定の溶融継続工程の時間が短めになったり、あるいは溶融範囲拡大工程での接合部温度が高めになったりすることがある。その場合には、発熱速度を下げるため、管状継手の回転数を低めに設定しても良い。逆に、周囲温度が予め設定した基準値より低い場合には、発熱速度を高めるため、溶融継続工程あるいは溶融範囲拡大工程での管状継手の回転数を高めに設定しても良い。
【００３３】
以上に、二つの樹脂管の間に熱可塑性樹脂の管状継手を介在させ、該管状継手の端面を両側の樹脂管の対向する端面に当接させた状態で、該管状継手を回転させる場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれだけに限定されるものではなく、管状継手を用いずに直接二つの樹脂管を接合する場合も含まれることは、言うまでもない。
【００３４】
【実施例】
以下に本発明の実施例を説明する。いずれの実施例も、２つの樹脂管の間に熱可塑性樹脂の管状継手を介在させ、該管状継手の端面を両側の樹脂管の対向する端面に当接させた状態で該管状継手を回転させることにより樹脂管を接合する場合である。また、管支持手段を構成するクランプは、図１に示す構成と同じように、一方は固定型であり、他方は可動型である。回転駆動手段は、図２に示す構成と同じように、ギア群にて駆動モータの動力を伝達する形式である。回転数制御手段は、駆動モータの回転数を直接変更するものである。樹脂管及び管状継手として１５０Ａの中密度ポリエチレン管を用い、管状継手の長さは１０ｃｍである。
【００３５】
（実施例１）周囲温度２３℃において、圧接接合を行った。まず溶融開始工程で、可動クランプの軸方向送り速度を０．０１ｍｍ／秒に設定し、管状継手の回転数は最高回転数である１２００ｒｐｍまで上昇させた。その後、可動クランプの軸方向送り速度を０．１ｍｍ／秒まで上昇させ、樹脂管接触部を融点まで昇温した。次の溶融継続工程では、可動クランプの軸方向送り速度を０．１ｍｍ／秒に保ちながら、管状継手の回転を７００ｒｐｍに設定し、接触部の温度を融点である１３５℃以上かつ酸化開始点である２５０℃以下に維持しながら、酸化膜や汚れは管外に完全に排出した。次いで、溶融範囲拡大工程では、可動クランプの軸方向送り速度を０．０１ｍｍ／秒とし、管状継手の回転を８００ｒｐｍに設定した。ここまでの所要時間は６０秒であった。最後の圧接冷却工程では、回転を停止し、可動クランプの軸方向送り速度を４ｍｍ／秒以下と制限し、圧接圧力を一定に保つため、駆動モータの押し付けトルクを定格の６０％に制御することで良好な継手を得ることができた。この時の圧接圧力は１．５ｋｇ／ｃｍ2であった。
【００３６】
（実施例２）周囲温度−５℃において、圧接接合を行った。まず溶融開始工程で、可動クランプの軸方向送り速度を０．０１ｍｍ／秒に設定し、管状継手の回転数は最高回転数である１２００ｒｐｍまで上昇させた。その後、可動クランプの軸方向送り速度を０．１ｍｍ／秒まで上昇させ、融点まで昇温した。次の溶融継続工程では、可動クランプの軸方向送り速度を０．１ｍｍ／秒に保ちながら、管状継手の回転数を８００ｒｐｍに設定し、接触部の温度を融点である１３５℃以上かつ酸化開始点である２５０℃以下に維持しながら、酸化膜や汚れは管外に完全に排出した。次いで、溶融範囲拡大工程では、可動クランプの軸方向送り速度を０．０１ｍｍ／秒とし、管状継手の回転を１０００ｒｐｍに設定した。ここまでの所要時間は６０秒であった。最後の圧接冷却工程では、回転を停止し、可動クランプの軸方向送り速度を４ｍｍ／秒以下に制限しながら、圧接圧力を一定に保つため、押し付けトルクを定格の６０％に制御することで良好な継手を得ることができた。この時の圧接圧力は１．５ｋｇ／ｃｍ2であった。
【００３７】
以上のように周囲温度が変わっても、管状継手の回転数を調整することで、同程度の時間で良好な圧接接合が可能であった。
【００３８】
【発明の効果】
以上に述べた本発明の熱可塑性樹脂管の圧接接合方法によれば、それぞれの工程に応じ回転駆動手段の回転数を制御することにより、発熱過多による接合部の酸化や品質低下を起こすこともなく、発熱過小による作業効率低下を招くこともなく、最適の時間による圧接接合を実現できる。また、周囲温度に関わらず、同程度の接合時間で、信頼性の高い良好な継手性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る熱可塑性樹脂管の圧接接合方法に使用する圧接接合装置の一実施形態における装置構成を模式的に示す側面図である。
【図２】  本発明に係る熱可塑性樹脂管の圧接接合方法に使用する圧接接合装置の一実施形態における管状継手の保持機構および回転駆動機構を示す断面図である。
【図３】  本発明に係る熱可塑性樹脂管の圧接接合方法に使用する圧接接合装置の一実施形態における装置の斜視図である。
【図４】  本発明に係る熱可塑性樹脂管の圧接接合方法における各種パラータの経時変化を示す概念図である。上から順に、（１）樹脂管の相対的な引寄せ速度、（２）は樹脂管の相対的な移動量、（３）は管状継手回転数、（４）は圧接圧力、（５）は接合部温度を示す。
【図５】  従来技術での熱可塑性樹脂管の圧接接合装置の一部断面の側面図である。
【符号の説明】
１  樹脂管
２  樹脂管
３  管状継手
４  管状継手保持部
５  固定クランプ
６  可動クランプ
７  ギア
８  モータ
９  管送り機構
２０  移動ベッド
【図１】
0003780925.tif 000002
【図２】
0003780925.tif 000003
【図３】
0003780925.tif 000004
【図４】
0003780925.tif 000005
【図５】
0003780925.tif 000006