JP2004058581A - 樹脂部材のレーザー溶着方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶着不良を生じない樹脂部材の溶着方法を提供すること。
【解決手段】本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、加熱源としてのレーザー光に対して透過性のある透過樹脂よりなる透過樹脂材と、レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂よりなる非透過樹脂材との当接界面を、透過樹脂材側からのレーザー光の照射により加熱溶融させて溶着するレーザー溶着方法を利用している。本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、一つの溶着工程で溶着不良の発生を抑えられた樹脂部材をレーザー溶着することができる。
【選択図】　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂部材のレーザー溶着方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、軽量化及び低コスト化等の観点より、自動車部品等、各種分野の部品を樹脂化して樹脂成形品とすることが頻繁に行われている。そして、樹脂成形品は、高生産性化等の観点から、樹脂成形品を予め複数の樹脂部材に分割して成形し、これらの樹脂部材を互いに接合して製造する手段が採られることが多くなっている。
【０００３】
そして、樹脂部材同士を接合する接合方法には、レーザー溶着方法が利用されている。レーザー溶着は、レーザー光に対して透過性のある透過樹脂材と、レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂材とを重ね合わせた後、透過樹脂材側からレーザー光を照射することにより、透過樹脂材と非透過樹脂材との当接面同士を加熱溶融させて両者を一体的に接合する方法である。
【０００４】
このレーザ溶着方法においては、透過樹脂材内を透過したレーザー光が非透過樹脂材の当接面に到達して吸収され、この当接面に吸収されたレーザー光がエネルギーとして蓄積される。その結果、非透過樹脂材の当接面が加熱溶融されるとともに、この非透過樹脂材の当接面からの熱伝達により透過樹脂材の当接面が加熱溶融される。この状態で、透過樹脂材及び非透過樹脂材の当接面同士を圧着させることで、両者が一体的に接合される。
【０００５】
ところで、上記したようなレーザー溶着では、透過樹脂材および非透過樹脂材の当接面同士を確実に溶着させて十分な接合強度を得るためには、透過樹脂材および非透過樹脂材の当接面同士の隙間を極力小さくまたは無しにする必要がある。当接面に隙間があると、非透過樹脂材の当接面における発熱が透過樹脂材の当接面に熱伝達されにくくなる。そして、透過樹脂材の当接面における加熱溶融が不十分となって、非透過樹脂材と透過樹脂材との当接面同士が十分に溶着しなくなる。
【０００６】
さらに、非透過樹脂材と透過樹脂材との当接面に隙間が存在すると、レーザー溶着により溶着が行われても、充分な溶着強度が得られないという問題がある。詳しくは、非透過樹脂材と透過樹脂材との当接面に隙間が存在した状態でレーザー溶着が行われると、非透過樹脂材が溶融したときの溶融膨張により隙間が埋められて溶着される。すなわち、非透過樹脂材の見かけ密度が低下している。このため、溶着強度が低下する。そして、当接面における隙間量が増加するにしたがって、溶着強度が低下するようになる。この当接面隙間量と溶着強度の関係を図９に示した。
【０００７】
そして、当接面の隙間は、樹脂部材の形状が複雑になったり、樹脂部材の大きさが大きくなったりすると、生じやすくなる。樹脂部材の形状が複雑になると、当接面が複雑な形状となり溶着時に圧接しにくくなる。また、樹脂部材の大きさが大きくなると、樹脂部材の表面にそりやうねりあるいはねじれが生じるようになり、当接面にずれが生じるようになり、このずれにより隙間が生じるようになる。
【０００８】
【発明を解決しようとする課題】
本発明は上記実状に考えてなされたものであり、溶着不良を生じない樹脂部材の溶着方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明者らは樹脂部材の当接面に非透過樹脂の溶融液を供給して隙間を埋めることで上記課題を解決できることを見いだした。
【００１０】
すなわち、本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、加熱源としてのレーザー光に対して透過性のある透過樹脂よりなる透過樹脂材と、レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂よりなる非透過樹脂材との当接界面を、透過樹脂材側からのレーザー光の照射により加熱溶融させて溶着する樹脂部材のレーザー溶着方法であって、非透過樹脂よりなる溶着樹脂をレーザー光の光線中に配して加熱溶融し、溶着樹脂の溶融液を両樹脂材の当接部に供給することを特徴とする。
【００１１】
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、溶着樹脂の溶融液が樹脂材の当接部に供給され、この当接部において溶融液が凝固することで両樹脂材の当接部をシールする。さらに、樹脂材の界面に隙間が生じている時には、この隙間に溶融液が侵入して隙間を埋めることで溶着不良の発生を押さえることができる。
【００１２】
また、上記課題を解決する他の方法としては、樹脂材のレーザー光が照射された樹脂材の当接部の近傍を押圧することで、隙間の発生を押さえることができることを見いだした。
【００１３】
すなわち、本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、加熱源としてのレーザー光に対して透過性のある透過樹脂よりなる透過樹脂材と、レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂よりなる非透過樹脂材との当接界面を、透過樹脂材側からのレーザー光の照射により加熱溶融させて溶着するレーザー溶着方法を利用して、透過樹脂材と非透過樹脂材との当接界面にレーザー光を走査して透過樹脂材と非透過樹脂材とを溶着する樹脂部材のレーザー溶着方法であって、当接界面のレーザー光が照射された照射部の近傍でありかつレーザー光の走査する方向の前方及び後方で透過樹脂材と非透過樹脂材とが圧接されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、レーザー光が照射された照射部の近傍において透過樹脂材と非透過樹脂材とを圧接させることで、レーザー光が照射された照射部における透過樹脂材と非透過樹脂材との密着性を確保している。また、本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、一つの溶着工程で溶着不良の発生を抑えられた樹脂部材をレーザー溶着することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第一発明）
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、加熱源としてのレーザー光に対して透過性のある透過樹脂よりなる透過樹脂材と、レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂よりなる非透過樹脂材との当接界面を、透過樹脂材側からのレーザー光の照射により加熱溶融させて溶着する樹脂部材のレーザー溶着方法である。
【００１６】
このレーザー溶着は、透過樹脂材内を透過したレーザー光が非透過樹脂材の当接面に到達して吸収され、この当接面に吸収されたレーザー光がエネルギーとして蓄積される。その結果、非透過樹脂材の当接面が加熱溶融されるとともに、この非透過樹脂材の当接面からの熱伝達により透過樹脂材の当接面が加熱溶融される。この状態で、透過樹脂材及び非透過樹脂材の当接面同士を圧着させて、両者を一体的に接合する。こうして得られた接合部では、接合面同士が溶融されて接合されており、接合面同士の間では両樹脂材を構成する両樹脂が溶融して互いに入り込み絡まった状態が形成されているため、強固な接合状態を構成して高い接合強度及び耐圧強度を有している。
【００１７】
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、非透過樹脂よりなる溶着樹脂をレーザー光の光線中に配して加熱溶融し、溶着樹脂の溶融液を両樹脂材の当接部に供給する。溶着樹脂を当接界面を照射しているレーザー光の光線中に配すると、溶着樹脂が非透過樹脂よりなることから、溶着樹脂はレーザー光により加熱される。そして、溶着樹脂は溶融する。そして、溶融により生じた溶着樹脂の溶融液は、両樹脂材の当接部に供給される。当接界面に供給された溶融液は、両樹脂材の当接部における両樹脂の絡み合いと同様に、当接部の樹脂と絡み合った状態が形成される。この結果、両樹脂材のシール性が向上する。
【００１８】
さらに、当接界面に隙間が生じていたときには、当接界面に供給された溶着樹脂の溶融液がこの隙間に侵入する。隙間に溶融液が侵入することで、隙間が埋められて、溶着不良の発生が抑えられる。また、隙間に溶融液が侵入すると、溶融液自身の熱により透過樹脂材への加熱が行われ、両樹脂材の溶着不良の発生が抑えられる。
【００１９】
透過樹脂材と非透過樹脂材の当接端部の外周部には、供給された溶融液を貯留する貯留部が区画されたことが好ましい。貯留部がもうけられることで、供給された溶融液が当接端部から流失しなくなり、当接端部に充分な溶着樹脂が供給される。この結果、両樹脂材の接合強度の低下が抑えられる。
【００２０】
本発明の溶着方法において、透過樹脂材の当接端部に嵌合凸部が設けられるとともに、非透過樹脂材の当接端部に嵌合凸部が挿入可能な嵌合凹部が設けられている。樹脂材の当接端部に嵌合凹部及び嵌合凸部がもうけられることで、両樹脂材の位置決めを簡単に行うことができる。また、嵌合凹部と嵌合凸部とが当接端部に形成されることで、嵌合凹部に嵌合凸部を挿入して嵌合凸部の表面部と嵌合凹部の壁部とで溶着させることができるようになり、樹脂材同士の溶着面積が増大する。溶着面積が増加すると、樹脂材の溶着強度が増加する。
【００２１】
そして、嵌合凹部に嵌合凸部が挿入されて、嵌合凸部の一方の表面部が嵌合凹部の一方の壁部と密着したときに、嵌合凹部の他の壁部と嵌合凸部の他方の表面部とにより溶着樹脂の溶融液が貯留される貯留部が区画されることが好ましい。貯留部が区画されることで、溶着樹脂の溶融液を当接端部に保持できる。
【００２２】
すなわち、透過樹脂材の当接端部に嵌合凸部が設けられるとともに、非透過樹脂材の当接端部に嵌合凸部が挿入可能な嵌合凹部が設けられ、嵌合凹部を形成する一対の対向壁部のうちの一方の壁部が嵌合凸部の一方の表面部と溶着され、嵌合凹部の他の壁部と嵌合凸部の他方の表面部とが溶着樹脂の溶融液が貯留される貯留部を区画することが好ましい。
【００２３】
非透過樹脂材の当接端部に設けられた嵌合凹部は、嵌合凹部を形成する一対の対向壁部の他方の壁部は一方の壁部よりも低い高さで形成されていることが好ましい。高さの低い方の対向壁部側からレーザー光を照射することにより、照射されたレーザー光が非透過樹脂材（レーザー光が照射される側の対向壁部）で遮られることを抑えることができる。
【００２４】
溶着樹脂は、透過樹脂材および非透過樹脂材の表面から小間隔を隔てた位置でレーザー光の光線中に配されることが好ましい。溶着樹脂が樹脂材の表面から小間隔を隔てた位置のレーザー光の光線中に配されることで、当接端部に照射されるレーザー光のロスを抑えることができる。
【００２５】
詳しくは、レーザー光の光線中に溶着樹脂を配すると、この溶着樹脂に照射されたレーザー光は溶着樹脂に吸収される。このとき、溶着樹脂に照射されないレーザー光は、そのまま、樹脂材の当接端部に照射される。そして、当接端部に照射されたレーザー光には、溶着樹脂に対応する影が生じるようになる。当接端部のこの影に対応した部位には、照射されたレーザー光のエネルギーが供給されない。そして、本発明において溶着樹脂が透過樹脂材および非透過樹脂材の表面から小間隔を隔てた位置でレーザー光の光線中に配されることで、この影となる部分の増加を抑えることができる。具体的には、溶着時にレーザー光の光線中に配される溶着樹脂を制御することで、当接端部に供給される溶着樹脂の溶融液量を調節でき、所望の溶融液量が供給された段階で、溶着樹脂をレーザー光の光線からはずして、溶着に十分なレーザー光の照射を行うことができる。
【００２６】
なお、溶着樹脂が配される透過樹脂材および非透過樹脂材の表面から小間隔を隔てた位置とは、レーザー光により溶融した溶着樹脂が溶融した状態で当接端部に供給される位置を示す。好ましくは、レーザー光が照射された当接端部の鉛直上方である。
【００２７】
溶着樹脂は、当接端部に当接した状態であらかじめ配されたことが好ましい。すなわち、あらかじめ溶着樹脂が当接端部に配されたことで、溶着樹脂の溶融液の熱のロスが生じないだけでなく、溶融液の移動（流動）時に大気中等の不純物が混入することが抑えられる。さらに、溶着樹脂を当接端部に当接した状態でレーザー光を照射するため、焦点位置が近いレーザー光を照射でき、エネルギーの損失を抑えることができる。
【００２８】
上述の当接端部の貯留部に溶着樹脂をあらかじめ配することが好ましい。
【００２９】
溶着樹脂の形態は、特に限定されるものではない。たとえば、線状、粉末状をあげることができる。
【００３０】
溶着樹脂は、線状を有することが好ましい。溶着樹脂が線状を有することで、簡単にレーザー光の光線中に溶着樹脂を配することができる。さらに、線状を有することで、溶着樹脂のレーザー光の照射量（溶着樹脂の溶融量）を制御できるようになる。詳しくは、レーザー光により溶融した溶着樹脂の溶融液が当接端部に十分に供給されたときには、溶着樹脂を光線中から取り出すことで溶融液量を制御できる。線状の溶着樹脂は、その太さがレーザー光の光線より細いことが好ましい。
【００３１】
溶着樹脂は、粉末状を有することが好ましい。粉末状の溶着樹脂は、溶着樹脂を溶融させるための加熱時間を短縮できる。すなわち、溶着樹脂を溶融させるための時間が短縮することは、すぐに樹脂材の溶融が行われることを示す。すなわち、樹脂材の加熱ムラが生じにくくなる。さらに、溶着樹脂が厚みを有する固体よりなると、レーザー光が照射されても裏面側にレーザー光のエネルギーが到達するまでにタイムラグが生じ、レーザー光があたる表面側は裏面側より高温になる。すなわち、温度差が生じ、温度差が大きくなりすぎると溶着樹脂の材質によっては熱による分解が生じる。また、溶着樹脂は、粉末状を有していればよく、溶着樹脂粉末の形態だけでなく、溶着樹脂粉末が所望の分散媒に分散してなるペーストの形態であってもよい。
【００３２】
本発明の溶着方法において、非透過樹脂材に用いる樹脂の種類としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光を透過させずに吸収しうるものであれば特に限定されない。たとえば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン、ＡＢＳ、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＰＰＳ等に、カーボンブラック、染料や顔料等の所定の着色材を混入したものをあげることができる。なお、必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維を添加したものを用いてもよい。
【００３３】
透過樹脂材に用いる樹脂の種類としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光を所定の透過率以上で透過させうるものであれば特に限定されない。たとえば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン、ＡＢＳ、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等を挙げることができる。なお、必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維や着色材を添加したものを用いてもよい。
【００３４】
非透過樹脂よりなる溶着樹脂に用いる樹脂としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光を透過させずに吸収しうるものであれば特に限定されない。たとえば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン、ＡＢＳ、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＰＰＳ等に、カーボンブラック、染料や顔料等の所定の着色材を混入したものをあげることができる。なお、必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維を添加したものを用いてもよい。
【００３５】
また、透過樹脂材、非透過樹脂材および溶着樹脂に用いる樹脂の組合せについては、互いに相溶性のあるもの同士の組合せとされる。このような組合せとしては、ナイロン６同士やナイロン６６同士等、同種の樹脂同士の組合せの他、ナイロン６とナイロン６６との組合せ、ＰＥＴとＰＣとの組合せやＰＣとＰＢＴとの組合せ等を挙げることができる。
【００３６】
レーザー光の種類としては、レーザー光を透過させる透過樹脂材の吸収スペクトルや板厚（透過長）等との関係で、透過樹脂材内での透過率が所定値以上となるような波長を有するものが適宜選定される。例えば、ガラス：ネオジム３＋レーザー、ＹＡＧ：ネオジム３＋レーザー、ルビーレーザー、ヘリウム−ネオンレーザー、クリプトンレーザー、アルゴンレーザー、Ｈ２レーザー、Ｎ２レーザー、半導体レーザー等のレーザー光をあげることができる。より好ましいレーザーとしては、ＹＡＧ：ネオジム３＋レーザー（レーザー光の波長：１０６０ｎｍ）や半導体レーザー（レーザー光の波長：５００〜１０００ｎｍ）をあげることができる。
【００３７】
レーザー光の波長は、接合される樹脂材料により異なるため一概に決定できないが、１０６０ｎｍ以下であることが好ましい。波長が１０６０ｎｍを超えると、接合面を互いに溶融させることが困難となる。
【００３８】
また、レーザー光の出力は、５０〜９００Ｗであることが好ましい。レーザー光の出力が５０Ｗ未満では、出力が低く樹脂材料の接合面を互いに溶融させることが困難となり、９００Ｗを超えると、出力が過剰となり樹脂材料が蒸発したり、変質するという問題が生じるようになる。
【００３９】
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、溶着樹脂の溶融液が樹脂材の当接部に供給され、この当接部において溶融液が凝固することで両樹脂材の当接部をシールする。さらに、樹脂材の界面に隙間が生じている時には、この隙間に溶融液が侵入して隙間を埋めることで溶着不良の発生を押さえることができる。すなわち、本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、一つの溶着工程で溶着不良の発生を抑えられた樹脂部材をレーザー溶着することができる。
【００４０】
（第二発明）
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、加熱源としてのレーザー光に対して透過性のある透過樹脂よりなる透過樹脂材と、レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂よりなる非透過樹脂材との当接界面を、透過樹脂材側からのレーザー光の照射により加熱溶融させて溶着するレーザー溶着方法を利用して、透過樹脂材と非透過樹脂材との当接界面にレーザー光を走査して透過樹脂材と非透過樹脂材とを溶着する方法である。
【００４１】
レーザー溶着は、透過樹脂材内を透過したレーザー光が非透過樹脂材の当接面に到達して吸収され、この当接面に吸収されたレーザー光がエネルギーとして蓄積される。その結果、非透過樹脂材の当接面が加熱溶融されるとともに、この非透過樹脂材の当接面からの熱伝達により透過樹脂材の当接面が加熱溶融される。この状態で、透過樹脂材及び非透過樹脂材の当接面同士を圧着させて、両者を一体的に接合する。こうして得られた接合部では、接合面同士が溶融されて接合されており、接合面同士の間では両樹脂材を構成する両樹脂が溶融して互いに入り込み絡まった状態が形成されているため、強固な接合状態を構成して高い接合強度及び耐圧強度を有している。
【００４２】
そして、透過樹脂材と非透過樹脂材との当接界面にレーザー光を走査することで、透過樹脂材と非透過樹脂材とが溶着した溶着部が長くなる。また、溶着部が長くなることで、透過樹脂材と非透過樹脂材との溶着強度が確保できる。
【００４３】
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、当接界面のレーザー光が照射された照射部の近傍でありかつレーザー光の走査する方向の前方及び後方で透過樹脂材と非透過樹脂材とが圧接されている。レーザー光の走査方向の前方および後方において両樹脂材が圧接されたことで、レーザー溶着時に透過樹脂材と非透過樹脂材との位置のずれが生じなくなる。また、照射部の近傍で両樹脂材を圧接していることから、樹脂材全体を押圧しないため、両樹脂材の溶着精度の低下が抑えられる。なお、両樹脂材が圧接される照射部の近傍は、可能な限り近いほど好ましい。
【００４４】
各当接端部には透過樹脂材と非透過樹脂材が圧接される方向に対して略垂直な方向に突出したフランジ部が形成され、透過樹脂材のフランジ部には嵌合凸部がもうけられるとともに、非透過樹脂材のフランジ部には嵌合凸部が嵌合可能な嵌合凹部がもうけられたことが好ましい。
【００４５】
すなわち、各樹脂材の各当接端部のそれぞれにフランジ部を形成することで、このフランジ部を押圧することで、透過樹脂材と非透過樹脂材の当接端部を圧接することができる。ここで、フランジ部が突出する透過樹脂材と非透過樹脂材が圧接される方向に対して略垂直な方向とは、両樹脂材を押圧する押圧力に対して略垂直な方向を示す。また、各樹脂材のフランジ部の突出する方向は、ともに同じ方向であることが好ましい。
【００４６】
また、透過樹脂材のフランジ部には嵌合凸部がもうけられるとともに、非透過樹脂材のフランジ部には嵌合凸部が嵌合可能な嵌合凹部がもうけられることで、溶着時に両樹脂材の位置決めを簡単に行うことができる。また、嵌合凹部と嵌合凸部とが当接端部に形成されることで、嵌合凹部に嵌合凸部を挿入して嵌合凸部の表面部と嵌合凹部の壁部とで溶着させることができるようになり、樹脂材同士の溶着面積が増大する。溶着面積が増加すると、樹脂材の溶着強度が増加する。
【００４７】
非透過樹脂材の当接端部に設けられた嵌合凹部は、嵌合凹部を形成する一対の対向壁部の他方の壁部は一方の壁部よりも低い高さで形成されていることが好ましい。高さの低い方の対向壁部側からレーザー光を照射することにより、照射されたレーザー光が非透過樹脂材（レーザー光が照射される側の対向壁部）で遮られることを抑えることができる。
【００４８】
透過樹脂材と非透過樹脂材との押圧は、両樹脂材のフランジ部が積層した状態で厚さ方向に圧縮することができる一対の治具を有する押圧部材により行うことができる。すなわち、積層した状態のフランジ部を厚さ方向に圧縮することで、両樹脂部材を圧接できる。
【００４９】
押圧部材は、レーザー光源と一体に形成されたことが好ましい。押圧部材とレーザー光源が一体に形成されることで、樹脂材の当接界面に照射されるレーザー光の照射部と押圧部材との間隔を固定することができ、レーザー光を走査したときにレーザー光が押圧部材を照射することを抑えられる。また、レーザー光の照射部と押圧部材の距離を短い距離で固定できる効果を有するため、レーザー溶着に用いられる装置の体格の粗大化を抑えることができる。
【００５０】
透過樹脂材のフランジ部の嵌合凸部の形成された表面に背向した表面および／または非透過樹脂材のフランジ部の嵌合凹部の形成された表面に背向した表面に断面凹字状の溝が形成され、レーザー光を照射するときに透過樹脂材と非透過樹脂材を押圧する押圧部材が、溝の内部を走行するローラーを有することが好ましい。
【００５１】
両樹脂材の少なくとも一方のフランジ部に断面凹字状の溝が形成され、押圧部材がこの溝の内部を走行するローラーを有することで、レーザー溶着時にレーザー光の走査を容易に行うことができる。すなわち、溝とローラーとがガイドとして機能して、溶着時に両樹脂材がずれることを抑えることができる。
【００５２】
本発明の溶着方法において、透過樹脂材と非透過樹脂材の当接界面を圧接するときの押圧力は、特に限定されない。すなわち、溶着される透過樹脂材と非透過樹脂材の材質や溶着後に要求される溶着強度によりお適宜決定される。
【００５３】
本発明の溶着方法において、非透過樹脂材に用いる樹脂の種類としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光を透過させずに吸収しうるものであれば特に限定されない。たとえば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン、ＡＢＳ、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＰＰＳ等に、カーボンブラック、染料や顔料等の所定の着色材を混入したものをあげることができる。なお、必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維を添加したものを用いてもよい。
【００５４】
透過樹脂材に用いる樹脂の種類としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光を所定の透過率以上で透過させうるものであれば特に限定されない。たとえば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン、ＡＢＳ、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等を挙げることができる。なお、必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維や着色材を添加したものを用いてもよい。
【００５５】
レーザー光の種類としては、レーザー光を透過させる透過樹脂材の吸収スペクトルや板厚（透過長）等との関係で、透過樹脂材内での透過率が所定値以上となるような波長を有するものが適宜選定される。例えば、ガラス：ネオジム３＋レーザー、ＹＡＧ：ネオジム３＋レーザー、ルビーレーザー、ヘリウム−ネオンレーザー、クリプトンレーザー、アルゴンレーザー、Ｈ２レーザー、Ｎ２レーザー、半導体レーザー等のレーザー光をあげることができる。より好ましいレーザーとしては、ＹＡＧ：ネオジム３＋レーザー（レーザー光の波長：１０６０ｎｍ）や半導体レーザー（レーザー光の波長：５００〜１０００ｎｍ）をあげることができる。
【００５６】
レーザー光の波長は、接合される樹脂材料により異なるため一概に決定できないが、１０６０ｎｍ以下であることが好ましい。波長が１０６０ｎｍを超えると、接合面を互いに溶融させることが困難となる。
【００５７】
また、レーザー光の出力は、５０〜９００Ｗであることが好ましい。レーザー光の出力が５０Ｗ未満では、出力が低く樹脂材料の接合面を互いに溶融させることが困難となり、９００Ｗを超えると、出力が過剰となり樹脂材料が蒸発したり、変質するという問題が生じるようになる。
【００５８】
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、レーザー光が照射された照射部の近傍において透過樹脂材と非透過樹脂材とを圧接させることで、レーザー光が照射された照射部における透過樹脂材と非透過樹脂材との密着性を確保している。また、本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、一つの溶着工程で溶着不良の発生を抑えられた樹脂部材をレーザー溶着することができる。
【００５９】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【００６０】
本発明の実施例として、樹脂材のレーザー溶着を行い、樹脂成形品を製造した。
【００６１】
なお、レーザー溶着に用いられるレーザー光は、波長が９４０ｎｍの半導体レーザーであり、出力は５０〜９００Ｗ、加工速度は０．５〜５ｍ／ｍｉｎとした。
【００６２】
また、レーザー溶着により溶着される樹脂材は、上記レーザー光に対して透過性を有する樹脂よりなる透過樹脂材１と、上記レーザー光に対して透過性のない樹脂よりなる非透過樹脂材２とからなる。
【００６３】
透過樹脂材１を構成する樹脂は、ナイロン６ガラス強化材であり、レーザー光に対する透過率が２０％以上であった。
【００６４】
非透過樹脂材２を構成する樹脂はナイロン６ガラス強化材にカーボンブラックおよび着色材を混入したものであり、レーザー光に対する吸収率は、８０％以上であった。
【００６５】
すなわち、透過樹脂材１および非透過樹脂材２は、互いに相溶性を有する樹脂よりなっている。
【００６６】
ここで、レーザー光に対する透過率は、厚さ３ｍｍの板状に形成された樹脂の厚さ方向にレーザー光を照射し、この樹脂を透過したレーザー光を分光計により測定することで決定された。
【００６７】
また、レーザー透過率は、厚さ３ｍｍの板状に形成された樹脂の厚さ方向にレーザー光を照射し、この樹脂を透過したレーザー光を分光計により測定することで決定された。
【００６８】
（実施例１）
実施例１は、レーザー光の光線中に線状の溶着樹脂を配して樹脂部材のレーザー溶着を行った例である。本実施例のレーザー溶着の様子を図１〜２に示した。
【００６９】
透過樹脂材１のレーザー溶着により溶着される当接端部１０には、下方に突出する嵌合凸部１１が設けられている。この嵌合凸部１１は、レーザ光が照射される側の表面１１ａは透過樹脂材１ののびる方向と略一致する平面状に形成され、背向する表面１１ｂは先端側（下方側）に向かって厚さが薄くなるように傾斜して形成されている。
【００７０】
非透過樹脂材２の当接端部２０には、上記嵌合凸部１１が挿入される嵌合凹部２１が設けられている。この嵌合凹部２１は、上記嵌合凸部１１が挿入可能な断面凹字状に形成されている。そして、上記嵌合凸部１１が嵌合凹部２１に挿入されたときには、嵌合凹部２１を形成する一対の対向壁部２１ａ，２１ｂのうちの一方の壁部２１ｂが嵌合凸部１１の傾斜して形成された表面１１ｂと一致するように形成されている。そして、嵌合凹部２１の他方（レーザー光が照射される側）の壁部２１ａは、嵌合凸部１１のレーザー光が照射される側の表面１１ａとの間に空間が形成できるようにもうけられている。この空間が貯留部３となる。そして、嵌合凹部２１の他方の壁部２１ａは一方の壁部２１ｂよりも低い高さで形成されている。すなわち、レーザ光が照射される側の対向壁部は、反対側の高対向壁部よりも低い高さとされている。
【００７１】
両樹脂材１，２のレーザー溶着は、まず、透過樹脂材１と非透過樹脂材２とを所定の位置にセットする。詳しくは、非透過樹脂材２の嵌合凹部２１の一方の壁部２１ｂの表面に透過樹脂材１の嵌合凸部１１の傾斜した表面１１ｂが当接するように、透過樹脂材１と非透過樹脂材２とをセットする。このとき、嵌合凸部１１の先端面と嵌合凹部２１の底面の一部も密着した状態にある。また、両樹脂材１，２の当接面にずれが生じないように、両樹脂材１，２が保持された。
【００７２】
そして、両樹脂材１，２の当接界面に上記レーザー光の照射を行った。このとき、レーザー光は、両樹脂材１，２が当接する方向（図１および２においては鉛直方向）に対して傾斜した角度で照射された。この照射により照射されたレーザー光が透過樹脂材１を透過する透過長を短くできる。
【００７３】
そして、レーザー光の光線中でありかつ貯留部３の鉛直上方の位置に、レーザー光に対して透過性のない樹脂よりなる線状の樹脂ワイヤ４を供給した。この樹脂ワイヤ４の供給は、レーザー光を発するレーザーヘッド５１に一体にもうけられた樹脂ワイヤ供給装置５２を用いて行われた。この樹脂ワイヤ供給装置５２は、レーザーヘッド５１から照射されたレーザー光の光線中に連続的に樹脂ワイヤ４を供給できる。レーザー光の光線中に配された樹脂ワイヤ４はレーザー光のエネルギーを吸収して温度が上昇する。そして、樹脂ワイヤ４は溶融し、溶融液４１が樹脂ワイヤ４から落下して、貯留部３に貯留される。
【００７４】
樹脂ワイヤ４は、ナイロン６にカーボンブラックおよび着色材を混入してなる。この樹脂ワイヤ４は、レーザー光に対する吸収率が８０％以上であった。
【００７５】
また、このとき、樹脂ワイヤ４に吸収されないレーザー光は、両樹脂材１，２の当接界面に照射された。当接界面に照射されたレーザー光は、まず、透過樹脂材１を透過して非透過樹脂材２の表面に到達し、吸収される。そして、透過樹脂材２に吸収されたレーザー光はエネルギーとして蓄積される。この結果、非透過樹脂材２の当接面が加熱溶融されるとともに、この非透過樹脂材２の当接面からの熱伝達により透過樹脂材１の当接面が加熱溶融される。
【００７６】
この状態で、透過樹脂材１及び非透過樹脂材２を押圧して、嵌合凹部２１と嵌合凸部１１の当接面同士を圧着させて、両者を一体的に接合する。このとき、透過樹脂材１と非透過樹脂材２の当接界面に隙間が存在していると、貯留部３に滴下した樹脂ワイヤ４の溶融液４１がこの隙間に侵入する。そして、透過樹脂材１と非透過樹脂材２の溶着に必要な樹脂が供給される。この結果、当接界面における溶着不良が生じなくなっている。
【００７７】
こうして得られた接合部では、接合面同士が溶融されて接合されており、接合面同士の間では両樹脂材を構成する両樹脂が溶融して互いに入り込み絡まった状態が形成されているため、強固な接合状態を構成して高い接合強度及び耐圧強度を有している。
【００７８】
また、両樹脂材の当接界面の表面側には、樹脂ワイヤの溶融液が供給されていることから、この溶融液が当接界面の外表面部で凝固して両樹脂材の当接界面が露出しなくなっている。すなわち、両樹脂材がレーザー溶着されてなる樹脂成形体のシール性が向上している。
【００７９】
なお、本実施例は、部分的なレーザー溶着において説明したが、図３に示したように、レーザー光を走査させることで連続的にレーザー溶着を行うことができる。このとき、レーザー光の走査は、非透過樹脂材が十分に加熱されかつ、樹脂ワイヤの溶融液が十分に供給できる速度で走査されることができる。
【００８０】
本実施例は、一度のレーザー光の照射で溶着不良の発生を抑えることができる効果を示した。
【００８１】
（実施例２）
実施例２は、樹脂ワイヤにかえて、粉末状の溶着樹脂を用いてレーザー溶着を行った以外は実施例１と同様な例である。溶着時の様子を図４に示した。
【００８２】
本実施例においても実施例１と同様に、透過樹脂材１と非透過樹脂材２との当接界面にレーザーヘッド５１からのレーザー光を照射し、このレーザー光中にレーザーヘッド５１と一体にもうけられた樹脂粉末供給装置５３からの溶着樹脂粉末４’を供給した。ここで、レーザー光中に供給された溶着樹脂粉末４’は、実施例１の樹脂ワイヤ４と同じ樹脂より形成された粉末であり、平均粒径が５０μｍであった。
【００８３】
レーザー溶着時にレーザー光線中に供給された溶着樹脂粉末４’は、レーザー光線を吸収してただちに、貯留部３に溶融状態で落下し、貯留部３に貯留される。そして、実施例１と同様に透過樹脂材１と非透過樹脂材２との当接界面に供給され、両樹脂材１，２を溶着する。
【００８４】
実施例２においても、実施例１と同様に溶着不良を生じさせることなく、強固に両樹脂材を溶着できた。
【００８５】
なお、本実施例においても、実施例１と同様に、図５に示したように、レーザー光を走査させることで連続的にレーザー溶着を行うことができる。
【００８６】
また、
（実施例３）
本実施例は、実施例１および２において溶着された透過樹脂材および非透過樹脂材のそれぞれの当接端部が異なる形態の樹脂材をレーザー溶着した。
【００８７】
実施例３の透過樹脂材１は、図７にその断面が示されたように、レーザー溶着により溶着される当接端部１０には、レーザー光が照射される側に突出したフランジ部１５と、フランジ部１５の下方に突出する嵌合凸部１６と、が設けられている。この嵌合凸部１６は、先端側（下方側）に向かって漸次縮小して突出する略台形状の断面形状をなしている。そして、レーザー光が照射される側の短傾斜側面１６ａは、反対側の長傾斜側面１６ｂよりも短い長さとされている。また、フランジ部１５の嵌合凸部１６が突出しない表面には、断面凹字状の溝条（図示せず）が形成されている。
【００８８】
また、非透過樹脂材２の当接端部２０には、レーザー光が照射される側に突出したフランジ部２５と、フランジ部２５の表面上に嵌合凸部１５と嵌合可能な断面に区画された嵌合凹部２６と、が設けられている。この嵌合凹部２６は、嵌合凸部１６と整合する形状とされ、底面から上方に向かって漸次開口が拡がる略台形状の断面形状をなしている。そして、嵌合凹部２６を形成する一対の対向壁部２６ａ，２６ｂのうちの一方２６ａは他方よりも低い高さで形成されている。すなわち、レーザ光が照射される側の低対向壁部２６ａは、反対側の高対向壁部２６ｂよりも低い高さとされている。なお、低対向壁部の内面が、短傾斜側面と当接してレーザ溶着される短傾斜側面となり、高対向壁部の内面が、長傾斜側面と当接してレーザ溶着される長傾斜側面となる。
【００８９】
両樹脂材１，２のレーザー溶着は、まず、透過樹脂材１と非透過樹脂材２とを所定の位置にセットする。詳しくは、非透過樹脂材２の嵌合凹部２６に透過樹脂材の嵌合凸部１６を嵌合させた。そして、両樹脂材１，２の当接面にずれが生じないように、両樹脂材１，２が保持された。なお、嵌合凹部２６に嵌合凸部１６が嵌合された状態においては、両樹脂部材１，２のフランジ部１５，２５は積層した状態にある。
【００９０】
つづいて、レーザー溶着装置を用いてレーザー溶着を行った。
【００９１】
本実施例において用いられたレーザー溶着装置は、両樹脂材の当接界面を加熱するレーザー光を照射するレーザーヘッド（図示せず）と、レーザーヘッドと一体に形成された積層したフランジ部を積層した厚さ方向に圧縮する押圧部材６と、を有する。
【００９２】
押圧部材６は、透過樹脂材１のフランジ部１５を非透過樹脂材２方向に押圧するとともにフランジ部１５に沿って走行するローラー６１と、非透過樹脂材２のフランジ部２５の嵌合凹部２６が形成されていない表面を押圧する押圧治具６２と、を有する。
【００９３】
本実施例において行われたレーザー溶着を、以下に説明する。
【００９４】
まず、透過樹脂材１と非透過樹脂材２とを所定の位置にセットする。詳しくは、非透過樹脂材２の嵌合凹部２６に透過樹脂材１の嵌合凸部１５が嵌入されて嵌合凹部２６の表面と嵌合凸部１６の表面とが当接するように、透過樹脂材１と非透過樹脂材２とがセットされた。
【００９５】
そして、透過樹脂材１と非透過樹脂材２の積層した状態にあるフランジ部１５，２５にレーザー溶着装置の押圧部材６をセットし、フランジ部１５，２５を押圧する。このとき、ローラー６１がこの溝条に沿って移動可能な状態で、フランジ部１５に形成された溝条に押圧部材６のローラー６１がはめ込まれてセットされた。この押圧により、嵌合凹部２６と嵌合凸部１６とは密着した。なお、押圧部材６による押圧は、嵌合した状態にある嵌合凹部２６と嵌合凸部１６との当接界面に隙間が生じない圧力で押圧された。
【００９６】
両樹脂材１，２のフランジ部１５，２５が圧縮された状態で、レーザーヘッドからレーザー光を照射させる。そして、このレーザー光が照射された状態で、レーザー溶着装置をローラー６１によりガイドされた状態で走査させた。このレーザー光の照射により、実施例１および２において生じたように、両樹脂材の当接界面において加熱溶融が生じ、両樹脂材が溶着を生じた。
【００９７】
以上のように、レーザー光を走査させることで、透過樹脂材と非透過樹脂材とが溶着された。
【００９８】
本実施例は、一度のレーザー光の照射で溶着不良の発生を抑えることができる効果を示した。
【００９９】
【発明の効果】
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、溶着樹脂の溶融液が樹脂材の当接部に供給され、この当接部において溶融液が凝固することで両樹脂材の当接部をシールする。さらに、樹脂材の界面に隙間が生じている時には、この隙間に溶融液が侵入して隙間を埋めることで溶着不良の発生を押さえることができる。すなわち、本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、一つの溶着工程で溶着不良の発生を抑えられた樹脂部材をレーザー溶着することができる。
【０１００】
また、本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、レーザー光が照射された照射部の近傍において透過樹脂材と非透過樹脂材とを圧接させることで、レーザー光が照射された照射部における透過樹脂材と非透過樹脂材との密着性を確保している。本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、一つの溶着工程で溶着不良の発生を抑えられた樹脂部材をレーザー溶着することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の透過樹脂材と非透過樹脂材とが当接端部において当接した状態を示した図である。
【図２】実施例１においてレーザー光を照射した状態を側方から観測した図である。
【図３】実施例１においてレーザー光を照射した状態を上方から観測した図である。
【図４】実施例１においてレーザー光を照射した状態を示した図である。
【図５】実施例２においてレーザー光を照射した状態を側方から観測した図である。
【図６】実施例２においてレーザー光を照射した状態を上方から観測した図である。
【図７】実施例３の透過樹脂材と非透過樹脂材とが当接端部において当接した状態を示した図である。
【図８】実施例３においてレーザー光を照射した状態を上方から観測した図である。
【図９】当接面隙間量と溶着強度の関係を示した図である。
【符号の説明】
１…透過樹脂材　　　１０…当接端部
１１、１６…嵌合凸部　　　１５…フランジ部
２…非透過樹脂材　　２０…当接端部
２１、２６…嵌合凹部　　　２５…フランジ部
３…貯留部
４…樹脂ワイヤ　　　４’…溶着樹脂粉末
４１…溶融液
５１…レーザーヘッド　５２…樹脂ワイヤ供給装置
５３…樹脂粉末供給装置
６…押圧部材　　　　６１…ローラー
６２…押圧治具

Claims (9)

  1. 加熱源としてのレーザー光に対して透過性のある透過樹脂よりなる透過樹脂材と、該レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂よりなる非透過樹脂材との当接界面を、該透過樹脂材側からの該レーザー光の照射により加熱溶融させて溶着する樹脂部材のレーザー溶着方法であって、
    該非透過樹脂よりなる溶着樹脂を該レーザー光の光線中に配して加熱溶融し、該溶着樹脂の溶融液を両樹脂材の当接端部に供給することを特徴とする樹脂部材のレーザー溶着方法。
  2. 前記透過樹脂材の前記当接端部に嵌合凸部が設けられるとともに、前記非透過樹脂材の前記当接端部に該嵌合凸部が挿入可能な嵌合凹部が設けられ、
    該嵌合凹部を形成する一対の対向壁部のうちの一方の壁部が該嵌合凸部の一方の表面部と溶着され、該嵌合凹部の他の壁部と該嵌合凸部の他方の表面部とが前記溶着樹脂の前記溶融液が貯留される貯留部を区画する請求項１記載の樹脂部材のレーザー溶着方法。
  3. 前記溶着樹脂は、前記透過樹脂材および前記非透過樹脂材の表面から小間隔を隔てた位置で前記レーザー光の光線中に配される請求項１記載の樹脂部材のレーザー溶着方法。
  4. 前記溶着樹脂は、前記当接端部に当接した状態であらかじめ配された請求項１記載の樹脂部材のレーザー溶着方法。
  5. 前記溶着樹脂は、線状を有する請求項１記載の樹脂部材の溶着方法。
  6. 前記溶着樹脂は、粉末状を有する請求項１記載の樹脂部材の溶着方法。
  7. 加熱源としてのレーザー光に対して透過性のある透過樹脂よりなる透過樹脂材と、該レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂よりなる非透過樹脂材との当接界面を、該透過樹脂材側からの該レーザー光の照射により加熱溶融させて溶着するレーザー溶着方法を利用して、該透過樹脂材と該非透過樹脂材との該当接界面に該レーザー光を走査して該透過樹脂材と該非透過樹脂材とを溶着する樹脂部材のレーザー溶着方法であって、
    該当接界面の該レーザー光が照射された照射部の近傍でありかつ該レーザー光の走査する方向の前方及び後方で該透過樹脂材と該非透過樹脂材とが圧接されていることを特徴とする樹脂部材のレーザー溶着方法。
  8. 各前記当接端部には、前記透過樹脂材と前記非透過樹脂材が押圧される方向に対して略垂直な方向に突出したフランジ部が形成され、
    該透過樹脂材の該フランジ部には嵌合凸部がもうけられるとともに、該非透過樹脂材の該フランジ部には該嵌合凸部が嵌合可能な嵌合凹部がもうけられた請求項７記載の樹脂部材のレーザー溶着方法。
  9. 前記透過樹脂材の前記フランジ部の前記嵌合凸部の形成された表面に背向した表面および／または前記非透過樹脂材の前記フランジ部の前記嵌合凹部の形成された表面に背向した表面に断面凹字状の溝が形成され、
    レーザー光を照射するときに該透過樹脂材と該非透過樹脂材を押圧する押圧部材が、該溝の内部を走行するローラーを有する請求項８記載の樹脂部材のレーザー溶着方法。
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