CN102310562B - 熔接条件的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种熔接条件的确定方法，用于确定在利用熔接接合一对树脂成形体时的适宜的熔接条件。本发明考虑到树脂成形体的接合部熔融时所吸收的热量。特别是，在激光熔接法等利用光进行熔接而接合一对树脂成形体的情况下，考虑光的光束直径、光的透过率等，求出自光供给到树脂的供给能量，使用该供给能量并考虑热扩散系数(D)、光的扫描速度等计算树脂自光吸收的吸收能量。

Description

熔接条件的确定方法

技术领域

本发明涉及一种熔接条件的确定方法。

背景技术

作为将由热塑性树脂构成的树脂成形体彼此相互接合的方法，除了使用连结用部件(螺栓、螺钉、夹子等)、粘接剂的方法之外，还公知有热板熔接法(例如参照专利文献1)、振动熔接法(例如参照专利文献2)、超声波熔接法(例如参照专利文献3)、激光熔接法(例如参照专利文献4)等熔接法。

热板熔接法是这样一种方法，即，使一对树脂成形体的接合部与高温的热模接触而熔融，并在冷却凝固之前按压接合部从而使其接合。振动熔接法和超声波熔接法是这样的方法，即，通过固定一个树脂成形体，并一边对另一个树脂成形体进行加压，一边施加振动或超声波波动，从而利用摩擦能量使接合部熔融而接合。激光熔接法是这样一种方法，即，用激光吸收性材料构成欲接合在一起的一对树脂成形体中的一个，用激光透过性材料构成该一对树脂成形体中的另一个，将该一对树脂成形体重叠后，自透过性材料的一侧照射激光，从而由通过透过性材料的激光对吸收性材料的表面进行加热而使该材料熔融，同时，利用热传递使透过性材料也熔融，从而接合一对树脂成形体。

上述这些熔接一对树脂成形体的方法，在熔融一对树脂成形体的一个或者双方从而进行接合这一点是一样的。关于用于使树脂成形体熔融的条件等(熔接条件)，由于接合部的强度不同，故要求在适宜的熔接条件下接合一对树脂成形体。

但是，由于用于熔接一对树脂成形体的适宜的熔接条件受到树脂的种类、加热条件等各种因素的影响，所以现状是靠经验来确定熔接条件。

专利文献1：日本特开2002-028977号公报

专利文献2：日本特开2005-319613号公报

专利文献3：日本特开2006-264699号公报

专利文献4：日本特开2001-071384号公报

发明内容

本发明即是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种确定适宜的熔接条件的方法。

为了解决上述课题，本发明人们反复进行了深入的研究。其结果发现，通过考虑树脂成形体的接合部熔融时所吸收的热量，能够确定适宜的熔接条件，由此完成了本发明。更具体来说，本发明提供以下的熔接条件的确定方法。

(1)本发明提供一种熔接条件的确定方法，其具有以下工序：

第一工序：将相对于光具有透过性的光透过性树脂成形体和相对于光具有吸收性的光吸收性树脂成形体重叠而形成重叠部，并以规定的扫描速度、规定的输出能量自上述光透过性树脂成形体侧朝向上述重叠部照射上述光，从而制造上述光透过性树脂成形体与上述光吸收性树脂成形体的熔接体；

第二工序：在将上述光透过性树脂成形体相对于上述光的透过率设为T、将距上述光的照射中心的距离r的位置处的输出能量通量设为高斯函数q(r)、将该光的光束直径设为d时，根据下述式(I)计算被供给到上述重叠部中的上述距离r的位置处的上述光的供给能量Es；

【式1】

Es＝q(r)×T×d…(I)

第三工序：在将上述光吸收性树脂成形体的热扩散系数设为D、将上述光在每单位长度上的扫描时间设为t时，根据下述式(II)计算在上述重叠部中的上述距离r的位置处被上述光吸收性树脂成形体侧吸收的吸收能量Ea；

【式2】

$\mathrm{Ea}=a\×\left[\frac{\mathrm{Es}\×t}{\sqrt{D\×t}}\right]\·\·\·\left(\mathrm{II}\right)$

(在式(II)中，a为系数，D为上述光吸收性树脂成形体的热扩散系数，t为上述光在每单位长度上的扫描时间，Ea为吸收能量)

第四工序：测量上述熔接体中的上述光透过性树脂成形体和上述光吸收性树脂成形体的熔接部的熔接强度；

第五工序：改变上述规定的输出能量，并进行一次以上重复实施上述第一工序至上述第四工序而成的工序；

第六工序：基于上述第一工序至上述第五工序的结果，求出上述吸收能量Ea和上述熔接强度之间的关系；

第七工序：基于上述第六工序的结果来确定用于将上述光透过性树脂成形体和上述光吸收性树脂成形体熔接时的上述光的照射条件。

(2)根据(1)所述的熔接条件的确定方法，其中，上述第六工序是基于将上述吸收能量Ea和上述熔接强度图表化而成的图表求出上述关系的工序，上述关系具有熔接强度的极大值。

(3)根据(1)或(2)所述的熔接条件的确定方法，其中，上述输出能量通量是下式(III)所表示的平均化了的输出能量通量q_a。

【式3】

$q_a=\frac{{\∫}_0^{d/2}2\mathrm{\πr}\×q\left(r\right)\mathrm{dr}}{\mathrm{\π}{\left(\frac{d}{2}\right)}^2}\·\·\·\left(\mathrm{III}\right)$

(4)根据(1)至(3)中任一项所述的熔接条件的确定方法，其特征在于，包括以下工序：

基于上述吸收能量Ea和上述熔接强度之间的关系，设定熔接强度变大时的吸收能量的范围(ΔEa(Ea_L至Ea_H的范围))的工序；

计算根据升温幅度求出的、熔融时的在重叠部处的上述树脂材料的温度成为融点时的a’的工序，其中该升温幅度是使用下式(c)并根据Ea_L的常数倍Ea_L×a’、构成上述光吸收性树脂成形体的树脂材料的密度、比热容(以下简称为比热)计算出的；

【式4】

(式(IV)中的比热、密度为树脂成形体的比热和密度。)

计算根据升温幅度求出的、熔融时的在重叠部处的上述树脂材料的温度成为热分解点时的a”的工序，其中该升温幅度是使用上式(c)并根据E a_H的常数倍Ea_H×a”、构成上述光吸收性树脂成形体的树脂材料的密度、比热计算出的；以及

选择工序，利用该选择工序在求出的a’至a”的范围内求出任意的常数。

(5)根据(1)至(4)中任一项所述的熔接条件的确定方法，其中，上述系数a为0.18～0.21。

(6)根据(5)所述的熔接条件的确定方法，其中，上述光吸收性树脂成形体是将聚对苯二甲酸丁二醇酯系树脂组合物成形而成的成形体。

(7)本发明还提供一种熔接条件的确定方法，其确定用于利用热量使至少一个树脂成形体熔融从而将一对树脂成形体熔接起来的熔接条件，其中，求出利用上述热量进行熔融时的树脂成形体所吸收的吸收能量与熔接体的熔接强度之间的关系，并基于上述吸收能量和熔接强度之间的关系，确定熔接条件。

发明的效果

采用本发明，通过考虑树脂成形体的接合部熔融时所吸收的热量，能够容易地确定适宜的熔接条件。

附图说明

图1的(a)是表示吸收能量和熔接强度之间的关系的图，图1的(b)是表示吸收能量和熔接强度之间的关系且表示熔接强度具有极大值时的图；

图2是表示在扫描速度V₁、V₂、V₃的各条件下的吸收能量和熔接强度之间的关系的图；

图3是表示吸收能量为Ea_L、Ea_H时光的输出能量和光的扫描速度之间的关系的图；

图4的(a)是示意性地表示了熔接体的立体图，图4的(b)是示意性地表示了熔接前的光透过性树脂成形体和光吸收性树脂成形体的端面的图；

图5是表示实施例的熔接强度的测量方法的图；

图6的(a)是表示实施例、扫描速度改变评价的熔接强度和吸收能量之间的关系的图，图6的(b)是表示实施例、扫描速度改变评价、厚度改变评价的熔接强度和吸收能量之间的关系的图；

图7是表示实施例、扫描速度改变评价、厚度改变评价的光的输出能量和光的扫描速度之间的关系的图；

图8是表示形状改变评价的熔接体的示意图；

图9是表示形状改变评价的熔接强度和吸收能量之间的关系的示意图；

图10的(a)是表示评价2-1的熔接强度和输出能量之间的关系的图，图6的(b)是表示评价2-2的熔接强度和供给能量之间的关系的图。

具体实施方式

以下说明本发明的实施方式，但本发明并不限定于以下的实施方式。

本发明的熔接条件的确定方法考虑树脂成形体的接合部熔融时所吸收的热量。即使是热板熔接法、振动熔接法、超声波熔接法、激光熔接法等任一种熔接法，也对树脂成形体的接合部给予热量，接合部吸收热量而熔融。若着眼于该接合部所吸收的热量地确定熔接条件，则能够容易地确定适宜的熔接条件。以下，以激光熔接法等利用光进行的熔接法为例，说明本发明的熔接条件的确定方法。

本实施方式的熔接条件的确定方法包括第一工序至第七工序。

在第一工序中，准备相对于光具有透过性的光透过性树脂成形体和相对于光具有吸收性的光吸收性树脂成形体，使用具有规定的扫描速度、规定的输出能量的光，通过熔接来接合这些树脂成形体。

在第二工序中，计算在第一工序中所使用的光被供给到距该光的照射中心的距离r的位置处的供给能量。

在第三工序中，计算光吸收性树脂成形体在距第一工序中所使用的光的照射中心的距离r的位置处的吸收能量。

在第四工序中，测量在第一工序中接合的熔接体的熔接强度。

在第五工序中，改变所使用的光的输出能量，并进行至少一次重复第一工序至第四工序的过程。

在第六工序中，基于第四工序和第五工序的结果，求出吸收能量和熔接强度之间的关系。

在第七工序中，确定输出能量等的熔接条件，以便形成熔接强度较大的吸收能量。

采用本实施方式，在第二工序中考虑光的光束直径、光的透过率等来计算供给能量，在第三工序中考虑光吸收性树脂成形体的热扩散系数D、光的扫描速度等来计算吸收能量。其结果，熔接强度变大时的吸收能量不由熔接的树脂成形体的形状、光的扫描速度等决定。因而，即使改变所接合的树脂成形体的形状、改变光的扫描速度等，也能够采用根据本发明的方法所确定的熔接条件作为适宜的条件。以下，详细说明各工序。

【第一工序】

在第一工序中，将相对于光具有透过性的光透过性树脂成形体和相对于光具有吸收性的光吸收性树脂成形体重叠而形成重叠部，并以规定的扫描速度、规定的输出能量自上述光透过性树脂成形体侧朝向上述重叠部照射光，从而制造上述光透过性树脂成形体和上述光吸收性树脂成形体的熔接体。

首先，说明光透过性树脂成形体。光透过性树脂成形体包含的树脂只要是能够对成形体赋予使所希望的光透过的性质即可。可列举：例如，聚缩醛(POM)、聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、改性聚苯醚(m-PPE)、聚苯硫醚(PPS)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、尼龙6、尼龙66、尼龙11、尼龙12、四氟乙烯-全氟烷氧基乙烯基醚共聚物、四氟乙烯-乙烯共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯等氟树脂、聚氨酯树脂等。

在光透过性树脂成形体中，在不会损害本发明的效果的范围内，可以包含除上述那种具有光透过性的树脂以外的树脂，此外，也可以添加核剂、着色剂、抗氧化剂、稳定剂、增塑剂、润滑剂、脱模剂及阻燃剂等添加剂。

光透过性树脂成形体可以由以往公知的方法来成形。作为以往公知的方法，可列举例如挤压成形、传递模塑、注塑成形、挤塑成形、吹塑成形等各种成形方法。

利用上述这些成形方法成形的光透过性树脂成形体具有用于与光吸收性树脂成形体接合的接合预定部。

接着，说明光吸收性树脂成形体。作为光吸收性树脂成形体包含的树脂，可列举例如与成为光透过性树脂成形体的原料的树脂相同的物质，然后，可以通过混入用于减少光的透过率的碳黑、染料、颜料等规定的着色剂，或者使其含有碳素纤维、碳黑等用来吸收光的材料，从而形成光吸收性树脂成形体。

关于光吸收性树脂成形体，也可以与光透过性树脂成形体相同地含有以往公知的树脂、添加剂，此外，也可以由以往公知的方法来成形。此外，利用以往公知的方法成形的光吸收性树脂成形体具有用于与光透过性树脂成形体接合的接合预定部。

接着，说明熔接体的制造方法。关于利用熔接来接合光透过性树脂成形体和光吸收性树脂成形体而得到的熔接体，可以使用以往公知的激光熔接装置、具有闪光灯的熔接装置等来制造。例如可如下所述那样来制造熔接体。

将光透过性树脂成形体的接合预定部和光吸收性树脂成形体的接合预定部重叠而形成重叠部。在重叠部处，光透过性树脂成形体的接合预定部的至少一部分和光吸收性树脂成形体的接合预定部的至少一部分相接。

与光轴垂直方向上的截面为圆形的光以规定的扫描速度、规定的输出能量自光透过性树脂成形体侧朝向上述重叠部照射。因而，照射区域成为圆形。

透过了光透过性树脂成形体的光被光吸收性树脂成形体吸收而转化成热量。该热量使光吸收性树脂成形体的重叠部附近熔融。此外，该热量经由重叠部而被传递至光透过性树脂成形体。该传递的热量使光透过性树脂成形体熔融。

通过将熔融了的光吸收性树脂成形体的接合规定部和熔融了的光透过性树脂成形体的接合规定部重叠，从而利用熔接接合光吸收性树脂成形体和光透过性树脂成形体，由此制造出熔接体。

【第二工序】

在第二工序中，在将上述光透过性树脂成形体相对于在第一工序中所使用的光的透过率设为T、将距该光的照射中心的距离r的位置处的输出能量通量设为高斯函数q(r)、将该光的光束直径设为d，此时，根据下述式(I)计算被供给到重叠部中的距离r的位置处的光的供给能量Es。

【式5】

Es＝q(r)×T×d…(I)

供给能量Es是指被供给到重叠部中的上述距离r的位置处的光的供给能量。即，自在第1工序中照射的光的输出能量减去透过光透过性树脂成形体时消失的能量所得到的能量。以下，说明透过率T、输出能量通量q(r)、光束直径d。

透过率T表示在第1工序中所使用的光实际透过上述光透过性树脂成形体时的比率。由于使用实际透过的比率，即使在光透过由相同材料构成的成形体的情况下，所使用的透过率也因透过的路径的长度而不同。关于考虑了透过率T的式(I)，可以考虑光透过光透过性树脂成形体所引起的能量消失。透过率是自规定厚度的板状样品的一侧照射激光、并自相反侧用功率表(power meter)测量的透过光强度的结果。

距该光的照射中心的距离r的位置处的光的输出能量通量q(r)表示在以下式(a)所表示的那种高斯型的分布。本工序是考虑该输出能量通量由于光透过光透过性树脂成形体内而是否减少了怎样的程度的工序。r的位置虽然没有特别限定，但供给能量Es的值因r的位置的确定方法的不同而不同。本发明通过考虑透过率、光束直径，从而无论怎样设定r都能够确定适宜的熔接条件。

此外，若着眼于重叠部的规定的单位面积，则在光的扫描下，该单位面积的位置和光的照射中心之间的距离产生变化，且供给到该单位面积的能量也产生变化，在本发明中，因为考虑透过率、光束直径，因此即使产生这种变化，也能够确定适宜的熔接条件。

【数6】

$q\left(r\right)=\frac{8P}{\mathrm{\π}{d}^2}\exp (-\frac{8r^2}{d^2})\·\·\·\left(a\right)$

(式(a)中的P为光的输出，π为圆周率)

在本发明中，优选作为输出能量通量使用下式(III)所表示的平均化了的输出能量通量。通过使用平均化了的输出能量通量q_a，能够以更容易地方法考虑接合部的整体而确定适宜的熔接条件。

【数7】

$q_a=\frac{{\∫}_0^{d/2}2\mathrm{\πr}\×q\left(r\right)\mathrm{dr}}{\mathrm{\π}{\left(\frac{d}{2}\right)}^2}\·\·\·\left(\mathrm{III}\right)$

光的照射区域如上所述成为圆形，光束直径d是重叠部的光的光轴方向上的截面的直径。光束直径越大，则光通过单位面积的时间越变长。因此，为了求出供给到重叠部的能量，需要考虑光束直径。关于光束直径的测量方法，例如可以通过如实施例所示那样自接合部破坏熔接体，并根据熔接痕迹实际测量熔接宽度。

【第三工序】

在第三工序中，在将光吸收性树脂成形体的热扩散系数设为D、将光在每单位长度上的扫描时间设为t时，根据下述式(II)计算在重叠部的上述距离r的位置处被光吸收性树脂成形体侧吸收的吸收能量Ea。

【式8】

$\mathrm{Ea}=a\×\left[\frac{\mathrm{Es}\×t}{\sqrt{D\×t}}\right]\·\·\·\left(\mathrm{II}\right)$

(在式(II)中，a为系数，D为上述光吸收性树脂成形体的热扩散系数，t为上述光在每单位长度上的扫描时间，Ea为吸收能量)

吸收能量Ea是指在重叠部的上述距离r的位置处被光吸收性树脂成形体侧吸收的能量。即，指的是自供给到上述重叠部的供给能量减去由于反射等没有被吸收的能量所得的能量。

被光吸收性树脂成形体吸收的光所产生的热量向光吸收性树脂成形体的内部扩散。因而，为了考虑被光吸收性树脂成形体吸收的能量需要考虑热量的扩散。通过如上式(II)所示那样考虑扩散系数，能够适当地评价被光吸收性树脂成形体吸收的热量，其结果，能容易地确定适宜的熔接条件。另外，热扩散系数D可由例如导热分析仪(hot disk)法来测量，但若使用树脂材料的特性数据也能够通过计算(热扩散率D＝热传导率κ/(密度ρ×比热C)求出热扩散系数D。

若光在每单位长度上的扫描时间较短，则由于光照射到上述重叠部内的规定单位面积上的时间变短，因此光吸收性树脂成形体吸收的能量也变小。另一方面，当光在每单位长度上的扫描时间较长时，由于光照射到上述重叠部内的规定单位面积上的时间变长，因此光吸收性树脂成形体吸收的能量也变大。由以上内容可知，为了考虑被光吸收性树脂成形体吸收的能量，需要考虑光在每单位长度上的扫描时间，

系数a是为了考虑在所产生的热量中的、未被光吸收性树脂成形体吸收而消失的能量而采用的系数。如后所述，在本发明中，能够确定系数a的大致范围。另外，如后所述，在确定熔接条件时，系数a的值并不重要，在确定熔接条件时可使用任意的常数。

【第四工序】

在第四工序中，测量第一工序中所制作的熔接体中的光透过性树脂成形体和光吸收性树脂成形体的熔接部的熔接强度。熔接强度的测量方法虽然没有特别的限定，但可列举出对于光透过性树脂成形体和光吸收性树脂成形体的重叠的面沿着与该面垂直的方向施加力来测量熔接强度的方法等。

【第五工序】

在第五工序中，改变在第一工序中所使用的光的规定的输出能量，并进行一次以上重复实施上述第一工序至上述第四工序的所成的工序。进行的次数虽然没有特别的限定，但是通过进行多次能够更好地确定适宜的熔接条件。

【第六工序】

在第六工序中，基于上述第一工序至上述第五工序的结果，求出上述吸收能量Ea和上述熔接强度之间的关系。虽然求出上述吸收能量和上述熔接强度之间的关系的方法没有特别的限定，但是在图1的(a)所示的图表上求出吸收能量和熔接强度之间的关系的方法简易，从而优选。而且，还优选如图1的(b)所示那样得到具有熔接强度的最大值的图表。通过如后述的、在第七工序中基于该极大值附近的数据来确定熔接条件，从而能够得到更适宜的熔接条件。另外，如图1的(b)所示，极大值的位置只要是知道其大致位置的程度即可。另外，吸收能量为Ea₁时的熔接强度为F₁，吸收能量为Ea₂时的熔接强度为F₂，吸收能量为Ea₃时的熔接强度为F₃。

在此，进一步说明由本发明的第六工序得到的上述吸收能量Ea和上述熔接强度之间的关系。图1的图表是在第一工序中设定的规定的扫描速度的条件下的数据。将该第一工序中的光的扫描速度设为V₁，而且，图2表示了改变扫描速度时的(V₂、V₃时的)上述吸收能量Ea和上述熔接强度之间的关系。另外，当扫描速度为V₂时，吸收能量为Ea₁时的熔接强度为F₁’，吸收能量为Ea₂时的熔接强度为F₂’，吸收能量为Ea₃时的熔接强度为F₃’。当扫描速度为V₃时，吸收能量为Ea₁时的熔接强度为F₁”，吸收能量为Ea₂时的熔接强度为F₂”，吸收能量为Ea₃时的熔接强度为F₃”。

如图2所示，通过以上述吸收能量为基准，无论光的扫描速度如何，熔接强度表现为极大值时的吸收能量的位置变得非常接近。以下进一步说明这种结果被获得的情况。

如上所述，由光产生的热量使光吸收性树脂成形体的接合预定部熔融，此外，该热量也传递至光透过性树脂成形体的接合预定部并使光透过性树脂成形体熔融，通过使熔融了的部分彼此重叠，使光透过性树脂成形体和光吸收性树脂成形体接合。可以认为由熔融的程度确定熔接强度，由光产生的热量确定熔融的程度。由于光所产生的热量是由光吸收性树脂成形体所吸收的热量来确定，因此只要能够适当地评价由光吸收性树脂成形体所吸收的热量，则与光的扫描速度无关地，熔接强度表现为极大值时的吸收能量的位置会变得非常接近。采用本发明，因为能够如上述那样适当地评价吸收能量，故得到了图2所示的结果。

另外，系数a偏移是指图2的整个图表以相同的方式向+X方向或-X方向平移的意思。即使产生这样的平移，也能够与光的扫描速度无关地得到熔接强度表现为极大值时的吸收能量的位置变得非常接近的关系。因而，无论a是什么样的数值都能够确定适宜的熔接条件。在后述中进行详细说明。

【第七工序】

在第七工序中，基于上述第六工序的结果来确定将光透过性树脂成形体和光吸收性树脂成形体熔接时的光的照射条件。光的照射条件是指光的输出能量的条件和光的扫描速度的条件。光的输出能量和光的扫描速度之间的关系可根据式(I)、(II)由下式(b)所表示。以下，使用图1的(b)的结果进一步详细地说们确定熔接条件的顺序。

【式9】

$P=\frac{1}{a}\left\{\frac{E_a}{T\·d}\sqrt{\frac{\mathrm{DV}}{l}}\right\}\frac{\mathrm{\π}{d}^2}{8}\exp \left(\frac{8r^2}{d^2}\right)\·\·\·\left(b\right)$

(式(b)中的l为单位长度，V为光的扫描速度。其他与上述相同。)

首先，根据图1的(b)确定熔接强度较大时的吸收能量的范围。在此，Ea_L至Ea_H的范围(ΔEa的范围)是熔接强度较高时的吸收能量的范围。

将Ea_L代入Ea，将V₁代入V，对于r、d、D、l、T，将在上述工序中所使用的数字代入。其结果，得到如图3的虚线所示的关系。若将E a_H代入Ea并以与上述相同的方法求出P和V之间的关系，则得到如图3的实线所示的关系。通过将图3所示的、在被实线和虚线夹着的区域(图3的斜线部分)中所包含的光的输出能量、光的扫描速度作为照射条件，所得到的熔接体的熔接强度变大。

另外，a的值为任意的常数，当与实际的a的值不同时，例如估计是a的2倍大的值时，Ea的值也成为把2倍大的值代入式(b)中所得到的值，但是，由于式(b)中包含1/a，因此即使被任意确定的常数a与实际的系数a的值有偏差，也能够由该1/a进行校正。因而，被任意确定的常数a与实际的系数a的值有偏差这一点不会使确定适宜的熔接条件产生问题。

另外，作为输出能量通量，在使用上述式(III)所表示的平均化了的输出能量通量q_a时，P使用由q_a/P所表示的常数α，并将P导入式中。即，将q_a＝P×α代入式(I)的q(r)中。当使用平均化了的输出能量通量时，式(b)变形为式(b’)。

【式10】

$P=\frac{1}{a}\left\{\frac{E_a}{T\·d}\sqrt{\frac{\mathrm{DV}}{l}}\right\}\frac{1}{\mathrm{\α}}\·\·\·\·\left(b^{\text{'}}\right)$

【常数a的确认、求出方法】

使用图1的(b)的结果说明常数a的确认、求出方法。在熔接强度较大时的吸收能量ΔEa的范围内，可以认为在利用熔接来接合时，树脂的温度升高到光吸收性树脂成形体充分熔融的程度，并且树脂的温度升高到树脂不产生热分解的程度。在此，可以认为，为了将树脂的温度提高至充分熔融的程度，所需要的吸收能量需为Ea_L以上，而为了对树脂成形体施加热量到树脂不产生热分解的程度则所需要的吸收能量需为Ea_H以下。在规定的吸收能量的情况下，受到光所产生的热量的影响，能够根据下述的式(c)求出树脂的温度所上升的程度(升温幅度)。

【式11】

(式(c)中的比热、密度为树脂成形体的比热和密度。)

将Ea_L、构成光吸收性树脂成形体的树脂(以下，或简称为“树脂”)的比热、密度代入式(c)中来求出升温幅度，并将此时的升温幅度设为ΔT_aL。同样地，也能求出吸收能量为Ea_H时的升温幅度，并将此时的升温幅度设为ΔT_aH。若以室温23℃来进行光吸收性树脂成形体和光透过性树脂成形体的熔接，则当吸收能量为Ea_L时，可以认为利用熔接来接合时的树脂材料的温度成为(23℃+ΔTa_L)，另一方面，当吸收能量为Ea_H时，可以认为利用熔接来接合时的树脂材料的温度成为(23℃+ΔT_aH)。

(23℃+ΔT_aL)必须是光吸收性树脂成形体充分熔融的程度的温度。可以认为充分熔融的温度大致为构成光吸收性树脂成形体的树脂材料的融点以上。此外，(23℃+ΔT_aH)必须是树脂材料不会产生热分解的大致温度。因而，只要(23℃+ΔT_aL)为上述树脂材料的融点以上，(23℃+ΔT_aH)为上述树脂材料的热分解点以下，则系数a是适当的。

假如不满足上述任一个条件也能够如下述那样求出适当的a。首先，Ea_L×a’为吸收能量时，求出(23℃+ΔT_aL)成为融点时的a’。接着，Ea_H×a”为吸收能量时，求出(23℃+ΔT_aH)成为热分解点时的a”。则a的适宜范围是a’～a”。所以通过在此范围内确定a从而得到适当的系数a的值。例如通过求出a’、a”的平均值作为系数a的值这种方法，能够求出适当的a的值。另外，关于融点、热分解点，即使使用融点附近、热分解点附近的温度，也能够确定适当的a的值。另外，预测a的值大致为0.18～0.21。

以上以激光熔接法等利用光进行的熔接法为例说明了本发明，但在为了确定用于利用热量使至少一个树脂成形体熔融从而熔接一对树脂成形体的熔接条件时，求出利用热量进行熔融时的树脂成形体所吸收的吸收能量和熔接体的熔接强度之间的关系，并基于吸收能量和熔接强度之间的关系，能够确定适宜的熔接条件。

以下，表示实施例和比较例，并具体说明本发明，但本发明不限定于这些实施例。

<实施例1>

在实施例1中，确定出在制造图4所示的锅型(无底)的熔接体时的适宜的熔接条件。图4的(a)是示意性地表示熔接体的立体图，图4的(b)是示意性地表示熔接前的光透过性树脂成形体和光吸收性树脂成形体的端面的图。主体为光吸收性树脂成形体，盖为光透过性树脂成形体。如图4的(b)所示，主体为筒状，熔接体为无底的锅型。光吸收性树脂成形体由聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂(商品名“DURANEX：ジユラネツクス(注册商标)711SA”，日本宝理塑料株式会社制，比热1.01Jg^-1K^-1，密度1.43g/cm³，热扩散系数D＝0.222×10^-6mm²/s)构成，光透过性树脂成形体由聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂(商品名“DURANEX：ジユラネツクス(注册商标)730LW”，日本宝理塑料株式会社制，比热1.14Jg^-1K^-1，密度1.49g/cm³，热扩散系数D＝0.200×10^-6mm²/s)构成。

【第一工序】

利用激光熔接制造了图4所示的光透过性树脂成形体和光吸收性树脂成形体的熔接体。作为激光熔接装置，使用了LEISTER(ライスタ一)株式会社制的激光熔接系统(商品名“NOVOLAS C”)。激光的条件为输出功率8W、波长940nm、焦点直径0.6mm。在扫描速度为5mm/sec的条件下通过绕环状的重叠部一周来制造熔接体。

【第二工序】

利用上述式(III)计算平均化能量通量。由于平均化能量通量为4.3W·mm^-2，输出功率为8W，因此平均化能量通量是输出功率的0.54倍(0.54相当于上述的α)。此外，作为光吸收性树脂成形体的原料的树脂材料的透过率为0.27(所透过的成形体的厚度为1.5mm时)，激光直径为1.43mm(在后述的第四工序的熔接强度测量后根据熔接痕迹算出(环状的熔接痕迹的半径方向的宽度))。根据式(I)算出被供给到重叠部的平均的供给能量Es为1.7W·mm^-2.

【第三工序】

利用上述式(II)计算了吸收能量。关于在计算中所使用的热扩散系数D，取值作为光吸收性树脂成形体的原料的树脂材料的热扩散系数和作为光透过性树脂成形体的原料的树脂材料的热扩散系数的平均值0.211。单位长度取值1mm，a取值1/2。a取值1/2的理由是因为考虑到被供给的热量的一半被光吸收性树脂成形体侧吸收，而另一半由于辐射被光透过性树脂成形体吸收的缘故。计算出Ea为0.83J·mm^-3。

【第四工序】

关于熔接体的熔接强度，是使用オリエンテツク(Orientec)公司制的万能试验机(商品名“テンシロンUTA50KN”)，如图5所示那样将熔接体固定在固定夹具上，以测试速度5mm/min的条件沿箭头方向对盖的中心施加力F，从而测量了熔接强度。熔接强度为126N。

【第五工序】

与上述相同地测定了6个不同的输出能量下的各上述吸收能量、熔接强度。

【第六工序】

根据第四工序、第五工序的结果得到7组熔接强度、吸收能量。将这些标绘到图表上(菱形的标识)。图6表示了该图表。另外，图6所表示的其他曲线是由以下的评价所求出的。此外，在本实施例中，使用市场上出售的制表软件制作出图表。

【第七工序】

根据图6的图表，设定了吸收能量为0.95～1.35J/mm³的范围是熔接强度较高的范围。使用上述式(b’)求出吸收能量分别为0.95J/mm³和1.35J/mm³时的P(光的输出能量)和V(光的扫描速度)之间的关系。用式(V)、(VI)表示了这些关系。图7用图表分别表示了吸收能量为0.95J/mm³时的式(V)和吸收能量为1.35J/mm³时的式(VI)。若在表示式(V)的直线(连接空心矩形的直线)和表示式(VI)的直线(连接黑色矩形的直线)所夹着的区域设定熔接条件，则能得到熔接强度较大的熔接体。

【式12】

$P=\frac{1}{\frac{1}{2}}\left\{\frac{0.95}{0.27\&CenterDot;1.43}\sqrt{\frac{0.211\&CenterDot;V}{l}}\right\}\frac{1}{0.54}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(V\right)$

【式13】

$P=\frac{1}{\frac{1}{2}}\left\{\frac{1.35}{0.27\&CenterDot;1.43}\sqrt{\frac{0.211\&CenterDot;V}{l}}\right\}\frac{1}{0.54}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(\mathrm{VI}\right)$

<求出系数a>

首先，使用上述式(c)求出升温幅度。在此，关于比热、密度，使用了光吸收性树脂成形体所包含的聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂和光透过性树脂成形体所包含的聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂的平均值。

吸收能量为0.95J/mm³时的升温幅度为605℃，吸收能量为1.35J/mm³时的升温幅度为860℃。吸收能量为0.95J/mm³时的升温幅度是230℃(聚对苯二甲酸丁二醇酯的融点)-测量时的树脂温度，此时的系数a为0.18。此外，吸收能量为1.35J/mm³时的升温幅度是375℃(聚对苯二甲酸丁二醇酯的热分解点)-测量时的树脂温度，此时的系数a为0.21。确认在0.18～0.21的范围内确定系数a即可。

<评价1>

对如上述实施例那样确定的熔接条件的通用性进行了评价。具体来说，进行了改变扫描速度后的评价(扫描速度改变评价)、改变盖侧的光透过性树脂成形体的厚度后的评价(厚度改变评价)、改变光透过性树脂成形体和光吸收性树脂成形体的形状后的评价(形状改变评价)。

【扫描速度改变评价】

除了将扫描速度的条件改变为10mm/s、在第五工序中求出7组吸收能量和熔接强度以外，与上述实施例相同地求出吸收能量和熔接强度之间的关系(图6的连接矩形(内部为点状图形)的曲线)。此外，除了将扫描速度的条件改变为20mm/s、在第五工序求出7组吸收能量和熔接强度以外，与上述实施例相同地求出吸收能量和熔接强度之间的关系(图6的连接空心三角形的曲线)。与扫描速度的条件无关，熔接强度成为极大时的吸收能量基本为相同值。因而，即使是扫描速度不同的条件，也能够采用通过实施例的方法确定的熔接条件。

【厚度改变评价】

除了将光透过性树脂成形体的厚度由1.5mm改变成1.0mm、将扫描速度的条件改变成20mm/s以外，与实施例相同地求出熔接强度和吸收能量之间的关系，然后进一步地将扫描速度的条件改变成30mm/s、50mm/s并求出了吸收能量和熔接强度之间的关系。结果表示在图6的(b)上(关于标识与结果的关系参照表1)。在此，当厚度为1.0mm时，透过率T为0.41，激光直径为0.77，α为1.86。

除了将光透过性树脂成形体的厚度由1.5mm改变成2.0mm以外，与实施例相同地求出熔接强度和吸收能量之间的关系，然后进一步将扫描速度的条件改变成7.5mm/s、10mm/s并求出了吸收能量和熔接强度之间的关系。结果表示在图6的(b)上(关于标识与条件的关系参照表1)。在此，当厚度为2.0mm时，透过率T为0.19，激光直径为2.43，α为0.19。

另外，在表示了本评价结果的图6的(b)中也一并表示了图6(a)的结果(关于标识与条件的关系参照表1)。

【表1】

根据上述“扫描速度改变评价”的结果所确认的那样，即使扫描速度不同，也仍然能用大致相同的曲线表示吸收能量和熔接强度之间的关系。因此，按照每种厚度进行划分，用图6的(b)的曲线表示了吸收能量和熔接强度之间的关系。与上述厚度无关，熔接强度成为极大时的吸收能量基本为相同值。因而，即使是上述厚度的条件不同的条件，也能够采用通过实施例的方法确定的熔接条件。另外，在图7中还表示了按照每种厚度求出P(光的输出能量)和V(光的扫描速度)之间的关系，并将其图表化了的结果(空心圆圈、黑色圆圈表示盖厚为1mmt的情况，空心三角、黑色三角表示盖厚为2mmt的情况，并分别用连接各点的直线表示)。

【形状改变评价】

将光透过性树脂成形体的形状和光吸收性树脂成形体的形状改变成图8所示的板状，并如图8所示那样进行重叠，并由激光扫描从而熔接图8所示的5.5mm的部分。激光照射条件除了将焦点直径改变成1.2mm以外与实施例相同。

此外，将第四工序改变成卡盘(chuck)间的距离为50mm、测试速度为5mm/min的条件的拉伸剪切强度评价，并与实施例相同地求出熔接强度和吸收能量之间的关系。与上述实施例、评价相同地将求出的结果图表化。图9表示了该图表，表2表示了各标识与条件的关系。

【表2】

从图9的结果所确认那样，即使改变形状，也能确认到吸收能量为0.95～1.35J·mm^-3的范围可以说是熔接强度较高的范围。因而，即使光透过性树脂成形体的形状改变为不同形状，也能够采用通过实施例的方法确定的熔接条件。

<评价2>

在评价2中，替代求出熔接强度和吸收能量之间的关系，而进行求出熔接强度与输出能量之间的关系的评价(评价2-1)、及求出熔接强度与由下式(VII)表示的供给能量之间的关系的评价(评价2-2)。

【评价2-1】

将实施例的结果改变成熔接强度和输出能量的关系。用图10的(a)表示改变后的图表(表3表示了条件与标识的关系)。

【表3】

【评价2-2】

将实施例的结果改变成熔接强度与上述供给能量的关系。用图10的(b)表示改变后的图表(条件与标识的关系与表3相同)。

【式14】

从图10的结果可明显看出，若不像本发明那样考虑求出的吸收能量，则熔接强度的极大值在横轴方向上的位置会产生偏移，而不能像本发明那样容易地确定适宜的熔接条件。

Claims (6)

1.一种熔接条件的确定方法，其具有以下工序：

第一工序：将相对于光具有透过性的光透过性树脂成形体和相对于光具有吸收性的光吸收性树脂成形体重叠而形成重叠部，并以规定的扫描速度、规定的输出能量自上述光透过性树脂成形体侧朝向上述重叠部照射上述光，从而制造上述光透过性树脂成形体与上述光吸收性树脂成形体的熔接体；

第二工序：在将上述光透过性树脂成形体相对于上述光的透过率设为T、将距上述光的照射中心的距离r的位置处的输出能量通量设为高斯函数q(r)、将该光的光束直径设为d时，根据下述式I计算被供给到上述重叠部的上述距离r的位置处的上述光的供给能量Es；

Es＝q(r)×T×d…I

第三工序：在将上述光吸收性树脂成形体的热扩散系数设为D、将上述光在每单位长度上的扫描时间设为t时，根据下述式II计算在上述重叠部的上述距离r的位置处被上述光吸收性树脂成形体侧吸收的吸收能量Ea；

$\mathrm{Ea}=a\&times;\left[\frac{\mathrm{E\; s}\&times;t}{\sqrt{D\&times;t}}\right]\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\mathrm{II}$

在式II中，a为系数，D为上述光吸收性树脂成形体的热扩散系数，t为上述光在每单位长度上的扫描时间，Ea为吸收能量，

第四工序：测量上述熔接体中的上述光透过性树脂成形体和上述光吸收性树脂成形体的熔接部的熔接强度；

第五工序：改变上述规定的输出能量，并进行一次以上重复实施上述第一工序至上述第四工序而成的工序；

第六工序：基于上述第一工序至上述第五工序的结果，求出上述吸收能量Ea和上述熔接强度之间的关系；

第七工序：基于上述第六工序的结果来确定将上述光透过性树脂成形体和上述光吸收性树脂成形体熔接时的上述光的照射条件。

2.根据权利要求1所述的熔接条件的确定方法，其中，

上述第六工序是基于将上述吸收能量Ea和上述熔接强度图表化的图表求出上述关系的工序，上述关系具有熔接强度的极大值。

3.根据权利要求1或2所述的熔接条件的确定方法，其中，

上述输出能量通量是下式III所表示的平均化了的输出能量通量q_a，

$q_a=\frac{{\&Integral;}_0^{d/2}2\mathrm{\&pi;r}\&times;q\left(r\right)\mathrm{dr}}{\mathrm{\&pi;}{(d/2)}^2}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\mathrm{III}.$

4.根据权利要求1或2所述的熔接条件的确定方法，其特征在于，包括以下工序：

基于上述吸收能量Ea和上述熔接强度之间的关系，设定熔接强度变大时的吸收能量的范围ΔEa的工序，其中，ΔEa是指Ea_L至Ea_H的范围；

计算根据升温幅度求出的、熔融时的重叠部中的上述树脂材料的温度成为融点时的a’的工序，其中该升温幅度是使用下式IV并根据Ea_L的常数倍Ea_L×a’、构成上述光吸收性树脂成形体的树脂材料的密度、比热计算出的；

式IV中的比热、密度为树脂成形体的比热和密度，升温幅度的单位为℃，

计算根据升温幅度求出的、熔融时的重叠部中的上述树脂材料的温度成为热分解点时的a”的工序，其中该升温幅度是使用上式IV并根据Ea_H的常数倍Ea_H×a”、构成上述光吸收性树脂成形体的树脂材料的密度、比热计算出的；以及

选择工序，利用该选择工序在求出的a’至a”的范围内求出任意的常数。

5.根据权利要求1或2所述的熔接条件的确定方法，其中，

上述系数a为0.18～0.21。

6.根据权利要求5所述的熔接条件的确定方法，其中，

上述光吸收性树脂成形体是将聚对苯二甲酸丁二醇酯系树脂组合物成形而成的成形体。