JP2004268427A - 樹脂成形体のレーザ溶着方法及び該方法による樹脂成形品 - Google Patents

樹脂成形体のレーザ溶着方法及び該方法による樹脂成形品 Download PDF

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Abstract

【課題】光透過性の樹脂成形体同士をレーザ溶着して一体化した樹脂成形品を提供する。
【解決手段】波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率が１５〜８０％の第１の樹脂成形体と、ガラス充填材を含み、発泡成形により透過率を０．１〜１５％に調整した第２の樹脂成形体とを密着配置させて、上記第１の樹脂成形体よりレーザ光を照射してレーザ溶着する。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２個の樹脂成形体をレーザ溶着して一体化した光透過性を有する樹脂成形品及び該レーザ溶着方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車製造分野においては、自動車の軽量化やコスト削減を図るべく、構成部品の樹脂化が進んでおり、複数の樹脂部品を互いに接合する方法としてレーザ溶着方法が利用されている。
【０００３】
従来のレーザ溶着方法は、特許文献１に開示されているように、レーザ光に対して透過性の樹脂成形体と、レーザ光に対して吸収性の樹脂成形体を密着させ、透過性樹脂成形体側より吸収性樹脂成形体に向かってレーザ光を照射する方法であり、透過性樹脂成形体を透過したレーザ光が吸収性樹脂成形体に吸収されて発熱することにより、該樹脂成形体表面が溶融して両樹脂成形体が溶着一体化する。
【０００４】
上記レーザ光に対して吸収性の樹脂成形体は、樹脂にレーザ光を吸収する添加剤を添加した樹脂組成物で構成しており、該添加剤としては、特許文献２〜４に開示されているように、染料や顔料といった着色剤が使用されている。
【０００５】
【特許文献１】
特公平５−４２３３６号公報
【特許文献２】
特開２００１−１９８９８２号公報
【特許文献３】
特開２００２−３３１５８８号公報
【特許文献４】
特表２００２−５２６２６１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ溶着方法は、レーザ光の照射領域を制御することにより、自由に溶着領域を選択することができるが、一方の樹脂成形体として、着色剤等添加剤を添加してレーザ光に対する吸収性を持たせる必要があることから、彩色性において制限がある。特に、用いるレーザ光の出力を低減し、照射時間を短縮して、省エネルギーを図る上で、カーボンブラック等黒色の着色剤を用いる場合が多く、両樹脂成形体に光透過性を持たせることが実質上困難であった。
【０００７】
本発明の課題は、光透過性の樹脂成形体同士をレーザ溶着する方法、及び該方法により一体化してなる光透過性の樹脂成形品を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一は、第１及び第２の樹脂成形体を密着させて配置し、第１の樹脂成形体より第２の樹脂成形体に向かってレーザ光を照射して、上記密着領域において両樹脂成形体を溶着一体化してなる樹脂成形品であって、
第１の樹脂成形体の、レーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＵが１５〜８０％であり、
第２の樹脂成形体が、ガラス充填材を５重量％以上含有し、レーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＬが０．１〜１５％の発泡樹脂成形体であって、当該樹脂成形体を非発泡で成形した場合のレーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＢが０．１〜６０％で、且つＴＵ≧ＴＢであることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第二は、第１及び第２の樹脂成形体を密着させて配置し、第１の樹脂成形体より第２の樹脂成形体に向かってレーザ光を照射して、上記密着領域において両樹脂成形体を溶着一体化する樹脂成形体のレーザ溶着方法であって、
第１の樹脂成形体の、レーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＵが１５〜８０％であり、
第２の樹脂成形体が、ガラス充填材を５重量％以上含有し、レーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＬが０．１〜１５％の発泡樹脂成形体であって、当該樹脂成形体を非発泡で成形した場合のレーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＢが０．１〜６０％で、且つＴＵ≧ＴＢであることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のレーザ溶着方法の特徴は、レーザ光を照射する側の第１の樹脂成形体については通常の光透過性の樹脂成形体を用い、レーザ光を吸収して発熱する側の第２の樹脂成形体についてはガラス充填材の添加と発泡とにより透過率を調整することによって、光透過性を維持した上で、レーザ光に対する良好な吸収性を付与し、レーザ溶着を可能にしたことにあり、低出力でレーザ溶着することにある。よって、該レーザ溶着方法により得られる本発明の樹脂成形品は、第１及び第２の樹脂成形体がいずれも光透過性を有しており、第２の樹脂成形体に着色剤を添加せずに用いることができるため、樹脂の自然色の状態で得ることができる。
【００１１】
本発明に用いられる第１及び第２の樹脂成形体の樹脂材料としては、光透過性と熱可塑性を有していれば用いることができ、具体的には、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ナイロン６やナイロン６６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（ＡＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等アクリル系樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等を用いることができる。
【００１２】
本発明にかかる第１の樹脂成形体は、レーザ光照射方向において波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＵが１５〜８０％の樹脂成形体であり、該透過率の範囲であれば上記樹脂材料をそのまま、或いは、該透過率の範囲内において、ガラス繊維やタルク、炭酸カルシウム微粉末等の無機充填材、また耐衝撃性改良用のゴム等を添加して補強することができる。また、第１の樹脂成形体の成形方法としては特に限定されず、熱可塑性樹脂の成形方法であれば、いかなる方法でも用いることができ、当該樹脂成形体の形状、寸法も限定されるものではない。
【００１３】
また、本発明にかかる第２の樹脂成形体は、上記樹脂材料に、少なくともガラス充填材を含有量が５重量％以上となるように添加した樹脂組成物を発泡成形した、レーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＬが０．１〜１５％の発泡樹脂成形体である。さらに、第２の樹脂成形体は、上記樹脂組成物を非発泡で成形した場合の、レーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＢが０．１〜６０％で、且つＴＵ≧ＴＢである。即ち、本発明にかかる第２の樹脂成形体は、ガラス充填材を含む高透過率の樹脂組成物を発泡成形することにより、透過率を低く調整した発泡樹脂成形体である。
【００１４】
本発明に用いられる上記ガラス充填材としては、ガラス繊維（ＧＦ）が好ましく用いられるが、これ以外にも、球状ガラス（ガラスビーズ）、鱗片状ガラス（ガラスフレーク）が用いられる。
【００１５】
上記第２の樹脂成形体を構成する樹脂組成物にはさらに、タルクや炭酸カルシウム微粉末等の無機充填材、また耐衝撃性改良用のゴム等を適宜添加して樹脂を補強することができ、また、該無機充填材を添加することで透過率の調整を行うこともできる。
【００１６】
上記第２の樹脂成形体は、上記透過率ＴＬを満たしていれば、発泡倍率、発泡セルの大きさ、成形方法、形状、寸法は特に限定されない。具体的には、アゾジカルボンアミド（ＡＤＣＡ）やＮ，Ｎ’−ジニトロソペンタメチレンテトラミン（ＤＰＴ）などの化学発泡剤を樹脂１００重量部に１〜５重量部添加し、金型キャビティ容積の９８〜１０５％の樹脂を射出することにより、樹脂の体積収縮分を発泡させることにより得られる。また、この際、樹脂のフローフロントで発泡ガスによる発泡模様（シルバー）を防止するため、予め空気や窒素をカウンタガスとして金型キャビティに供給しても良い。
【００１７】
また、発泡剤としては、二酸化炭素、メタン、エタン、プロパンなどの炭化水素及びその一部をフッ素で置換したフロン、窒素、これらの混合物などのガス体を用いることもでき、中でも二酸化炭素が好ましく用いられる。
【００１８】
また、国際公開第０２／５３３４７号パンフレットや特開２００２−３３１５４２号公報に記載された成形方法を用いることもできる。これらの成形方法は表面層が非発泡或いは非発泡に近い低発泡倍率であるため、外観上好ましく用いられる。以下に具体的に説明する。
【００１９】
国際公開第０２／５３３４７号パンフレットに開示された成形方法は、二酸化炭素を溶解させた溶融樹脂を該二酸化炭素が発泡しない圧力以上にガス体で加圧した金型キャビティに射出充填し、溶融樹脂を金型壁面に押し付けて表面を固化させて表面層を形成した後、金型キャビティ容積を拡大するか、或いは、上記表面層で包まれた溶融樹脂の一部を金型キャビティ外へ排出することで、表面層で包まれた溶融樹脂を発泡させて、非発泡の表面層と該表面層で覆われた発泡層を有する成形体を得る方法である。
【００２０】
また、特開２００２−３３１５４２号公報に記載された成形方法は、発泡剤を含む溶融樹脂を金型キャビティに射出し、該溶融樹脂中に該発泡剤が発泡しない圧力の加圧ガスを注入して、中空部を有する溶融樹脂で金型キャビティ内を満たした後に、中空部周囲の溶融樹脂の一部を破って内部の加圧ガスを放出させることにより該中空部で溶融樹脂を発泡させ、緻密な表面層と該表面層で覆われた発泡層を有する成形体を得る方法である。当該方法においても、金型キャビティを予め溶融樹脂に含まれる発泡剤が発泡しない圧力以上にガス体で加圧することにより、非発泡の表面層を形成することができる。
【００２１】
上記２通りの成形方法では、非発泡或いは非発泡に近い低発泡倍率の表面層と、該表面層よりも発泡倍率の高い発泡層が形成される。当該表面層は内部の発泡層よりも透過率が高いため、レーザ光照射によって充分な発熱を生じないが、内部の発泡層がレーザ光照射によって発熱し、該発熱が表面層に伝わって該表面層が溶融し、第１の樹脂成形体と溶着することができる。従って、本発明にかかる第２樹脂成形体としては、全体が均一に発泡した発泡樹脂成形体のみならず、このような非発泡或いは非発泡に近い低発泡倍率の表面層と該表面層よりも高発泡の発泡層とを有する樹脂成形体をも含むものとする。
【００２２】
本発明において、第１及び第２の樹脂成形体の組合せとしては、互いに相溶性を有する樹脂材料を選択すればよく、同種の樹脂材料、或いは、同じＰＡであるナイロン６とナイロン６６、ＰＥＴとＰＣ、ＰＣとＰＢＴといった組合せが好ましい。
【００２３】
本発明のレーザ溶着方法に用いられるレーザ光としては、波長が５００〜１２００ｎｍの範囲で適宜選択される。具体的には、ＹＡＧ：Ｎｄレーザ（波長：１０６０ｎｍ）や半導体レーザ（波長：５００〜１０００ｎｍ）を用いることができ、出力や照射密度、レーザ光の移動速度等の照射条件は、樹脂の種類や成形体の形状、寸法、照射領域の形状、面積により適宜設定すればよい。
【００２４】
本発明において、上記透過率ＴＵ、ＴＢ、ＴＬの測定方法としては、ＪＩＳ Ｋ７３６１（ＩＳＯ １３４６８−１）「透明材料の全光線透過率の試験方法」に準じる。本発明においては、島津自記分光光度計「ＵＶ−３１５０」に積分球付属装置「ＩＳＲ−３１００」を用い、波長５００〜１２００ｎｍの範囲の全光線透過率を測定し、本発明にかかる透過率とする。
【００２５】
また、レーザ溶着に際しては、溶着させる２個の樹脂成形体を密着させて配置するが、その際、必要に応じて治具等を用いることにより被溶着面を全面にわたって密着させることが望ましい。
【００２６】
さらに、本発明においては、着色剤を添加せずにレーザ溶着して自然色の樹脂成形品を得ることができるが、本発明に規定する透過率の範囲内で、各樹脂成形体にそれぞれ適宜着色剤を添加して所望の色に着色することが可能である。
【００２７】
【実施例】
下記樹脂材料とガラス繊維（ＧＦ）を用いて第１及び第２の各樹脂成形体を成形し、表１に示す条件でレーザ溶着を行い、評価した。
【００２８】
〔樹脂材料〕
ＡＢＳ：旭化成社製「スタイラック １２１Ｂ」
ＡＢＳ＋ＧＦ５重量％：旭化成社製「スタイラック Ｒ２４０Ａ」と「スタイラック １２１Ｂ」をペレットブレンドし、ＧＦの含有量が５重量％となるように添加した。
【００２９】
ＡＢＳ＋ＧＦ２０重量％：旭化成社製「スタイラック Ｒ２４０Ａ」
ＰＡ６６：旭化成社製「レオナ１４０２Ｓ」
ＰＡ６６＋ＧＦ３３重量％：旭化成社製「レオナ１４０２Ｇ」
【００３０】
〔成形方法〕
国際公開第０２／５３３４７号パンフレットに記載された成形方法に準じて６０ｍｍ×１２０ｍｍ×３ｍｍの第１及び第２の樹脂成形体を成形した。ＡＢＳは樹脂温度を２４０℃、金型温度を４０℃に設定し、ＰＡ６６は樹脂温度を２９０℃、金型温度を８０℃に設定して成形した。発泡成形体については、いずれの材料も発泡剤として二酸化炭素ガスを射出シリンダのベント部から４ＭＰａの圧力で供給し、樹脂充填量を通常成形の樹脂充填量の約９０％として発泡成形を行った。得られた樹脂成形体は非発泡、発泡のいずれも自然色であった。
【００３１】
〔透過率〕
樹脂成形体の中央部の厚さ（３ｍｍ）方向の透過率を前述した測定方法に従って測定した。表１には、波長：５００〜１２００ｎｍにおける透過率を示す。
【００３２】
〔レーザ照射条件〕
各例の組合せで第１及び第２の樹脂成形体を３ｍｍの厚さ方向に重ね、第１の樹脂成形体をガラス板側として、テーブルとガラス板とでクランプし、ガラス板側からレーザ光を照射した。レーザ溶着機としては、ライスター社製「ＭＯＤＵＬＵＳ−Ｃ」（最大出力：５０Ｗ、波長：９４０ｎｍの半導体ダイオードレーザ溶着機）を用い、第１及び第２の樹脂成形体の境界面（被溶着面）において、レーザ光の照射径がΦ＝２ｍｍとなるように調整した。
【００３３】
〔溶着評価方法〕
実施例、比較例の各組合せで短辺６０ｍｍ幅のほぼ中央を約５０ｍｍの長さで溶着し、該溶着部の中央近辺を、溶着部を中心に、溶着部長さ：５ｍｍ、幅：１０ｍｍになるように切り出した後、第１の樹脂成形体、第２の樹脂成形体をそれぞれ引張試験機のチャックでつかみ、５ｍｍ／ｍｉｎの速度で引っ張り、破壊強度を測定した。荷重３０ｋｇ以上で、溶着幅によって異なるが破壊応力が約３００ｋｇ／ｃｍ２以上を○、該数値未満を×と評価した。
【００３４】
【表１】
Figure 2004268427
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、着色剤を添加していない自然色で光透過性を有する樹脂成形体同士を良好に溶着して、未着色で光透過性の樹脂成形品を提供することができる。よって、より広い用途においてレーザ溶着による樹脂成形品の利用が可能となる。

Claims (2)

  1. 第１及び第２の樹脂成形体を密着させて配置し、第１の樹脂成形体より第２の樹脂成形体に向かってレーザ光を照射して、上記密着領域において両樹脂成形体を溶着一体化してなる樹脂成形品であって、
    第１の樹脂成形体の、レーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＵが１５〜８０％であり、
    第２の樹脂成形体が、ガラス充填材を５重量％以上含有し、レーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＬが０．１〜１５％の発泡樹脂成形体であって、当該樹脂成形体を非発泡で成形した場合のレーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＢが０．１〜６０％で、且つＴＵ≧ＴＢであることを特徴とする樹脂成形品。
  2. 第１及び第２の樹脂成形体を密着させて配置し、第１の樹脂成形体より第２の樹脂成形体に向かってレーザ光を照射して、上記密着領域において両樹脂成形体を溶着一体化する樹脂成形体のレーザ溶着方法であって、
    第１の樹脂成形体の、レーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＵが１５〜８０％であり、
    第２の樹脂成形体が、ガラス充填材を５重量％以上含有し、レーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＬが０．１〜１５％の発泡樹脂成形体であって、当該樹脂成形体を非発泡で成形した場合のレーザ光照射方向における波長５００〜１２００ｎｍの光に対する透過率ＴＢが０．１〜６０％で、且つＴＵ≧ＴＢであることを特徴とする樹脂成形体のレーザ溶着方法。
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