JP2005007665A - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数回のレーザ照射を行うことにより、樹脂をレーザ溶接するにあたり、被溶接物を強固に溶接するレーザ溶接を行うことができるようにする。
【解決手段】レーザ溶接装置１は、２つの光照射部２Ａ，２Ｂを備える照射ヘッド２を有する。照射ヘッド２は、ワーク５の溶接方向に移動可能とされ、第１光出射部２Ａからは、光吸収性樹脂５Ｂの溶融温度以上になるレーザ光強度とされたレーザビームＬ１が出射され、第２光照射部２Ｂからは、光吸収性樹脂のガラス転移点温度以上になるレーザ光強度とされたレーザビームＬ２が出射される。第１光出射部２Ａから出射されたレーザビームＬ１により、ワーク５の界面がなじまされ、第２光出射部２Ｂから出射されたレーザビームＬ２によってワーク５の溶着がなされる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重ね合わせた樹脂材料からなる被溶接物に対してレーザ照射手段からレーザ光を照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光を透過する光透過性樹脂と、レーザ光を吸収して溶融する光吸収性樹脂とを重ね合わせてなるワークに、レーザ溶接を施す方法として特公昭６２−４９８５０号公報（特許文献１）に開示された接合方法がある。この接合方法は、レーザ光に対して非吸収性の樹脂と吸収性の樹脂とを重ね合わせ、非吸収性の樹脂側からレーザ光を照射して両方の樹脂を接合するというものである。
【０００３】
他方、特開平１０−１１１４７１号公報（特許文献２）においては、２本のレーザビームを用いたワークの溶接方法が開示されている。この溶接方法は、ミラーによってレーザ光を２分割し、この分割された２本のレーザ光によって金属などの被溶接部材を溶接するというものである。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭６２−４９８５０号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平１０−１１１４７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特許文献１に開示されたレーザ溶接方法などにおいては、両方の樹脂を強固に接合することが望まれる。このような強固な接合を行うために、上記特許文献２に開示されるように、２本のレーザ光を用いてレーザ溶接することが考えられる。
【０００７】
ところが、単に２本のレーザビームを用いて複数回のレーザ照射を行ったとしても、高い溶接強度を得ることができるとは限らない。このため、樹脂材料に対して２本のレーザビームを用いた際の有効な溶接条件等については、検討する余地があるものであった。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、複数回のレーザ照射を行うことにより、樹脂をレーザ溶接するにあたり、被溶接物を強固に溶接するレーザ溶接を行うことができるようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に係るレーザ溶接方法は、レーザ光を透過する光透過性樹脂とレーザ光を吸収して溶融する光吸収性樹脂とを重ね合わせてなる被溶接物に対して相対的に移動するレーザ照射手段から被溶接物にレーザ光を照射し、光吸収性樹脂を溶融させて、光透過性樹脂と光吸収性樹脂とを溶接するレーザ溶接方法であって、光透過性樹脂と光吸収性樹脂とのそれぞれの溶接面同士を向かい合わせた状態で、両樹脂を押圧手段によって押圧し、光吸収性樹脂の溶融温度以上になるレーザ光強度とされてレーザ照射手段から出射されたレーザ光を光透過性樹脂側から光吸収性樹脂に対して照射し、押圧した状態のまま、光吸収性樹脂のガラス転移点温度以上になるレーザ光強度とされてレーザ照射手段から出射されたレーザ光を光透過性樹脂側から光吸収性樹脂に対して再度照射することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係るレーザ溶接方法では、複数回のレーザ光の照射を行うにあたり、押圧手段によって光透過性樹脂と光吸収性樹脂とのそれぞれの溶着面を当接させた状態で押圧している。この状態で、まず、光吸収性樹脂の溶融温度以上になるレーザ光強度とされてレーザ照射手段から出射されたレーザ光を光透過性樹脂側から光吸収性樹脂に対して照射する。光吸収性樹脂は、レーザ光を吸収して溶融するとともに発熱する。この熱が光吸収性樹脂から光透過性樹脂に伝達され、光透過性樹脂も溶融する。このように、両樹脂が溶融したとき、両樹脂は、押圧手段によって押圧させられた当接させられた状態とされている。このため、両樹脂の溶融した部分は、両樹脂の界面から放出されず、両樹脂の隙間に流れ込んで、両樹脂の界面をなじませる。
【００１１】
ところが、両樹脂が溶融した後、瞬時に冷却してしまうと、両樹脂の溶融部分が隙間を埋めることなく固化してしまい、両樹脂を完全になじませることができないことが懸念される。この点本発明に係るレーザ溶接方法では、両樹脂を押圧した状態のまま、光吸収性樹脂のガラス転移点温度以上になるレーザ光強度とされてレーザ照射手段から出射されたレーザ光を光透過性樹脂側から光吸収性樹脂に対して再度照射している。このため、先のレーザ光の照射によって溶融された両樹脂の部分が両樹脂の界面に流れ込む時間を稼ぐことができるので、両樹脂が十分になじんだ状態とすることができる。その後、レーザ光の照射が終了することにより、溶融した両樹脂が固化して、両樹脂が強固に溶着した状態とすることができる。
【００１２】
なお、本発明における溶融温度とは、光吸収性樹脂の種類によって異なり、光吸収性樹脂が結晶性樹脂である場合には溶融温度は融点となり、光吸収性樹脂が非結晶性樹脂である場合には、溶融温度は軟化点温度となる。
【００１３】
ここで、先のレーザ照射手段からのレーザ光の出射が行われた後、先のレーザ照射手段とは独立して移動するレーザ照射手段からの再度のレーザ光の出射が行われる態様とすることができる。
【００１４】
このように、先のレーザ照射手段と独立に移動する次のレーザ照射手段によって次のレーザ光の出射を行うことにより、両レーザ照射手段によるレーザ照射の時間や照射間隔を容易に調整することができ、被溶接物の性状等に合わせた溶接を容易に行うことができる。特に、溶接する部位が円や直角などの場合であっても、容易にレーザ照射手段を移動させることができる。また、本発明にいう先のレーザ照射手段とは独立に移動する次のレーザ照射手段としては、先のレーザ照射手段とは別個となる次のレーザ照射手段を用いることもできるし、先のレーザ照射手段と同一であり、たとえば被溶接物の他の部位を移動した後のレーザ照射手段を次のレーザ照射手段とすることもできる。
【００１５】
このとき、レーザ照射手段として、レーザ照射部を１つ備えるシングルスポットレーザ照射手段を用いることができる。レーザ照射部を１つ備えるシングルスポットのレーザ照射手段により、簡素な構成によるレーザ照射手段とすることができる。
【００１６】
また、先の前記レーザ照射手段からのレーザ光の出射が行われた後、先のレーザ照射手段に従属して移動する次のレーザ照射手段からの再度のレーザ光の出射が行われる態様とすることもできる。
【００１７】
このように、先のレーザ照射手段に従属して移動する次のレーザ照射手段を用いることにより、レーザ照射手段を移動手段によって移動させる際に、その移動手段の構成を簡素なものとすることができる。
【００１８】
レーザ照射手段として２つのレーザ照射部を備えるダブルスポットレーザ照射手段を用い、先のレーザ照射手段から出射されるレーザ光に相当するレーザ光が一方のレーザ照射部から出射され、次のレーザ手段から出射されるレーザ光に相当するレーザ光が他方のレーザ照射部から出射される態様とすることができる。
【００１９】
あるいは、レーザ照射手段が、１つのレーザ照射部と、レーザ照射部から照射されたレーザ光を分割するレーザ光分割手段とを備えており、先のレーザ照射手段から出射されるレーザ光に相当するレーザ光および次のレーザ手段から出射されるレーザ光に相当するレーザ光が、レーザ分割手段からそれぞれ出射される態様とすることもできる。
【００２０】
これらの手段によって、先のレーザ照射手段に従属して移動する次のレーザ照射手段からの再度のレーザ光の出射が行われる態様とを容易に構成することができる。
【００２１】
また、上記課題を解決した本発明に係るレーザ溶接装置は、レーザ光を透過する光透過性樹脂とレーザ光を吸収して溶融する光吸収性樹脂とを重ね合わせてなる被溶接物に対してレーザ光を照射するレーザ照射手段と、光透過性樹脂と光吸収性樹脂とのそれぞれの溶接面同士を向かい合わせた状態で、両樹脂を押圧する押圧手段と、レーザ照射手段を被溶接物に対して相対的に移動させる移動手段と、を備え、押圧手段が、光透過性樹脂と光吸収性樹脂とのそれぞれの溶接面同士を向かい合わせた状態で、両樹脂を押圧し、レーザ照射手段が、光吸収性樹脂の溶融温度以上になるレーザ光強度とされたレーザ光を光透過性樹脂側から光吸収性樹脂に対して照射し、押圧手段で被溶接物を押圧した状態のまま、光吸収性樹脂のガラス転移点温度以上になるレーザ光強度とされたレーザ光を光透過性樹脂側から光吸収性樹脂に対して再度照射するものである。
【００２２】
レーザ照射手段が、レーザ照射部を１つ備えるシングルスポットレーザ照射手段である態様とすることができるし、レーザ照射手段が、レーザ照射部を２つ備えるダブルスポットレーザ照射手段である態様とすることもできる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面は説明の理解を容易にするため、誇張ないし省略している部分があり、その寸法比率は必ずしも実際のそれとは一致しない。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ溶接装置の側面図である。図１に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接方法に用いるレーザ溶接装置１は、本発明のレーザ照射手段であるツインスポット照射ヘッド（以下、本実施形態において「照射ヘッド」という）２を備えている。また、照射ヘッド２には、半導体レーザ出射装置３が接続されており、半導体レーザ出射装置３から照射ヘッド２に対してレーザ光が供給される。照射ヘッド２の下方位置には、載置台４が配置されている。載置台４の上には、被溶接物であるワーク５を載置するステージ６が設けられており、このステージ６の上にワーク５が載置されている。
【００２５】
ワーク５は、レーザ光を透光する光透過性樹脂（レーザ透過性樹脂）からなる光透過性樹脂層５Ａと、レーザ光を吸収して溶融する光吸収性樹脂（レーザ吸収性樹脂）からなる光吸収性樹脂層５Ｂとを備えている。光透過性樹脂層５Ａは、光吸収性樹脂層５Ｂの下層とされており、載置台４には、光吸収性樹脂層５Ｂが接しており、その上層に光透過性樹脂層５Ａが配置されている。
【００２６】
また、照射ヘッド２には、第１光出射部２Ａと第２光出射部２Ｂが形成されている。照射ヘッド２では、供給されたレーザ光を２つに分割し、それぞれ第１光出射部２Ａおよび第２光出射部２ＢからレーザビームＬ１，Ｌ２を出射する。第１光出射部２Ａから出射されるレーザビームＬ１の光強度は、光吸収性樹脂層５Ｂを構成する光吸収性樹脂の溶融温度になるレーザ光強度とされている。また、第２光出射部２Ｂから出射されるレーザビームＬ２の光強度は、光吸収性樹脂のガラス転移点温度以上になるレーザ光強度とされている。
【００２７】
さらに、載置台４には、押圧手段である圧力掛け治具７が設けられている。圧力掛け治具７は、ワーク５の前後位置に配置され、上下方向に延在するシリンダ８を２本備えている。シリンダ８は、載置台４に固定されたシリンダ筒８Ａとシリンダ筒８Ａに出入りすることによって、シリンダ筒８Ａとその先端部との距離を伸縮させるシリンダロッド８Ｂとを備えている。シリンダロッド８Ｂがシリンダ筒８Ａに出入りすることにより、シリンダロッド８Ｂの先端部が上下動する。シリンダロッド８Ｂの先端部には、押圧パッド９が取り付けられており、シリンダロッド８Ｂの先端部を上下動させることにより押圧パッド９はシリンダ８の伸縮方向（上下方向）に移動させられる。また、押圧パッド９とワーク５との間には、ワーク５に当接して押圧力を伝達する押圧板１０が介在されている。押圧板１０は、アルミニウムによって形成されており、図２に示すように、ワーク５におけるレーザビームＬ１，Ｌ２が照射される溶接部分Ｗを除いた部分のほぼ全面に当接している。そして、シリンダ８を収縮させ、シリンダロッド８Ｂとともに押圧パッド９を下降させることにより、押圧パッド９の下面をワーク５に当接させ、光透過性樹脂層５Ａと光吸収性樹脂層５Ｂとの溶接面同士を向かい合わせた状態で、両樹脂層５Ａ，５Ｂを押圧パッド９によって押圧する。このとき、押圧板１０を用いることにより、ワーク５を均等にステージ６に押圧し、ワーク５における両樹脂層５Ａ，５Ｂ同士を確実に当接させることができる。なお、押圧板１０としては、剛性を有するものが好適に用いられる。
【００２８】
さらに、照射ヘッド２には、第１温度モニタ１１および第２温度モニタ１２が接続されている。また、照射ヘッド２には、図示しない２つの２色式表面温度センサからなる温度センサが設けられており、第１温度モニタ１１および第２温度モニタ１２は、それぞれの温度センサに接続されている。これらの温度センサでは、照射ヘッド２における光出射部２Ａ，２Ｂから出射されたレーザビームＬ１，Ｌ２が照射されるワーク５の表面温度を計測している。計測された温度は、それぞれ第１温度モニタ１１および第２温度モニタ１２に表示される。
【００２９】
他方、照射ヘッド２は、照射ヘッドを移動させる図示しない移動装置に取り付けられており、この移動装置によって照射ヘッド２をワーク５の溶接方向に沿って移動させることができる。照射ヘッド２における第１光出射部２Ａと、第２光出射部２Ｂとは、照射ヘッド２の移動方向に沿って離間して配置されており、第１光出射部２Ａは第２光出射部２Ｂよりも、矢印Ｆで示す溶接方向の前方位置に配置されている。以後、「前方」、「後方」の表現については、特に示さない限り、この溶接方向を基準とする。
【００３０】
以上の構成を有するレーザ溶接装置１によるレーザ溶接方法について説明する。レーザ溶接を行う際には、レーザ溶接装置１における載置台４の上にワーク５を載置する。ワーク５を載置したら、圧力掛け治具７によってワーク５を押圧する。このとき、ワーク５には、圧力掛け治具７によって均等に圧力が加えられる。圧力掛け治具７でワーク５を押圧したら、図示しない移動装置を駆動させて、照射ヘッド２を図２および図３に示す矢印Ｆで示す溶接方向へ移動させる。そして、照射ヘッド２の第１光出射部２Ａから出射されるレーザビームＬ１によってワーク５を照射する。第１光出射部２Ａから出射されるレーザビームＬ１は、光吸収性樹脂の溶融温度になるレーザ光強度に調節されている。このようにレーザビームＬ１を出射すると、レーザビームＬ１が照射された部分では、上層の光透過性樹脂層５Ａを透過し、光吸収性樹脂層５Ｂに到達し、レーザビームＬ１によって光吸収性樹脂層５Ｂが照射される。
【００３１】
光吸収性樹脂層５ＢにおけるレーザビームＬ１が照射された部位は、レーザビームＬ１によって溶融温度、たとえば融点以上にまで加熱されて溶融される。また、レーザビームＬ１によって光吸収性樹脂層５Ｂが加熱されることにより、光吸収性樹脂層５Ｂに生じた熱が光透過性樹脂層５Ａに伝えられて、光透過性樹脂層５Ａが溶融する。こうして、光吸収性樹脂層５Ｂおよび光透過性樹脂層５Ａが溶融した後、両樹脂層５Ａ，５Ｂは圧力掛け治具７によって押圧されている。このため、溶融した両樹脂層５Ａ，５Ｂの部分が両樹脂層５Ａ，５Ｂの界面から流出することが止められている。流出を止められた両樹脂層５Ａ，５Ｂの溶融した部分は、両樹脂層５Ａ，５Ｂの界面における隙間に流れ込んでその隙間を埋め、両樹脂層５Ａ，５Ｂの界面をなじませている。
【００３２】
続いて、図示しない移動装置によって、照射ヘッド２を溶接方向に移動させると、レーザビームＬ１が照射された位置に、第２光出射部２Ｂから出射されるレーザビームＬ２が照射される。第２光出射部２Ｂから出射されるレーザビームＬ２は、光吸収性樹脂層５Ｂのガラス転移点温度以上になるレーザ光強度に調節されている。このとき、ワーク５は、圧力掛け治具７（図１）によって押圧された状態のままである。レーザビームＬ２が照射されると、両樹脂層５Ａ，５Ｂの溶融部分が冷却された固化するのを遅らせている。両樹脂層５Ａ，５Ｂの溶融部分の固化遅らされると、その分、両樹脂層５Ａ，５Ｂが界面の隙間に流れ込む時間を稼ぐことができ、さらに良好に界面をなじませることができる。このように、光吸収性樹脂の溶融温度以上になるレーザ光強度のレーザビームＬ１が照射された部位がガラス転移点温度以上になるレーザ光強度に調節されたレーザビームＬ２を照射させることにより、溶融した部分がさらになじまされて、強固な溶着とすることができる。このようにして、ワーク５の溶接が行われる。
【００３３】
ここで、光透過性樹脂層５Ａと光吸収性樹脂層５Ｂとをなじませてから固化・溶着させるときのレーザビームの照射条件について説明する。光透過性樹脂層５Ａおよび光吸収性樹脂層５Ｂを溶融させて両樹脂層５Ａ，５Ｂをなじませ、強固に溶着するためには、両性樹脂層５Ａ，５Ｂの十分な変形量および溶融量が必要となる。これらの変形量および溶融量とは、光透過性樹脂層５Ａと光吸収性樹脂層５Ｂの間の隙間に入ってその隙間を埋めるだけの変形量および溶融量である。また、両樹脂層５Ａ，５Ｂをなじませるには、溶融した液状の部分が両樹脂層５Ａ，５Ｂの隙間を埋めるまでに移動するための十分な時間が必要である。
【００３４】
たとえば、図４（ａ）に示す両樹脂層５Ａ，５Ｂに対して第１光出射部２Ａから、光吸収性樹脂層５Ｂの溶融温度以上、たとえば溶着最適温度程度となるレーザ光強度となるレーザビームＬ１を照射し、両樹脂層５Ａ，５Ｂが十分に溶融したとする。この場合であっても、溶融した部分が十分に移動する時間を与えられていない場合、図４（ｂ）に示す状態に変わるに止まり、両樹脂層５Ａ，５Ｂの隙間を完全に埋めることができない自体が起こりえる。
【００３５】
この点、本実施形態に係るレーザ溶接方法においては、第１光出射部２Ａから出射されたレーザビームＬ１がワーク５に照射された後、同一の位置に第２光出射部２ＢからレーザビームＬ２が出射される。このレーザビームＬ２が出射されることにより、両樹脂層５Ａ，５Ｂの溶融した部分の固化を遅らせ、両樹脂層５Ａ，５Ｂの隙間に移動するための時間を確保することができる。このため、両樹脂層５Ａ，５Ｂ間の界面をなじませて、その溶着を強固なものとすることができる。
【００３６】
ワーク５におけるレーザビームＬ１，Ｌ２の照射部分の温度は、それぞれ第１温度モニタ１１および第２温度モニタ１２に表示され監視されている。各温度モニタ１１，１２に表示される温度に基づいて、溶接状態の監視を行うことができる。そして、この溶接状態の監視の結果から、溶接条件を適宜変えることができる。
【００３７】
たとえば、ワーク５の面精度が高く、良好な溶接が行われている場合には、第１温度モニタ１１に表示される温度は、図５に示すように、時間変化があった場合でもあまり大きな変化が見られないものとなる。ワーク５の面精度が高い場合には、ワーク間の隙間がほとんどないため、レーザ吸収性樹脂層５Ｂが吸収した熱量のうち、レーザ吸収性樹脂層５Ｂ自身を溶融させる熱量と、レーザ透過性樹脂層５Ａを溶融させる熱量とが均一に利用されている。このため、溶融温度が安定するので、図５に示すような温度変化の場合には、ワーク５の面精度が高いと判断することができる。
【００３８】
これに対して、ワーク５の面精度が低く、良好な溶接が行われない場合には、図６に示すように、時間変化に対してばらついた温度変化が見られる。ワーク５の面精度が低く、ワーク５の両樹脂層５Ａ，５Ｂ間の隙間が大きくなってしまうと、両樹脂層５Ａ，５Ｂが接触しているところでは一定温度となる。しかし、空気の方がワーク５よりも熱伝導率が低いことから、両樹脂層５Ａ，５Ｂが非接触のところではレーザ吸収性樹脂層５Ｂが吸収した熱量がレーザ透過性樹脂層５Ａを溶かすことに使われずにその隙間で熱がこもってしまう。その結果、隙間部分の温度は高くなってしまい、測定温度はばらつくので、図６に示すような温度変化の場合には、溶着が安定しないことを示す。
【００３９】
このように、ワークの面精度が低い場合には、溶接条件を変えることができる。たとえば、面精度が低い場合には、ワークの溶接速度を遅くして、両樹脂層５Ａ，５Ｂをなじませる時間を長くすることができる。また、レーザ光強度を高くして、ワーク５の溶融量が多くなるようにすることもできる。このとき、具体的には、たとえば第２光出射部２Ｂから出射されるレーザビームＬ２のレーザ光強度を、光吸収性樹脂層５Ｂの溶融温度にまで上昇させることもできる。あるいは、図７（ａ）に示すように、第１光出射部２Ａ（図１）から出射されるレーザビームＬ１の照射面積が大きくなるようにすることができるし、図７（ｂ）に示すように、第１光出射部２Ａから複数のレーザビームＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３…を照射する態様とすることもできる。
【００４０】
他方、圧力掛け治具７による押圧状態が悪いことも、好適な溶着を妨げる要因となる。このようなワーク５の面精度の低さや圧力掛け治具７の押圧状態の悪さは第１温度モニタ１１に表示される温度変化によってリアルタイムで監視することができる。たとえば、図８（ａ）に示す均等な山型の温度変化を示すのは、ワーク５の面精度が低い場合であり、図８（ｂ）に示すような山型がばらついてその一部が高くなるような温度変化を示すのは、圧力掛け治具７による圧力が均等に掛かっていない場合であると考えられる。また、図９（ａ）に示すようなほとんど均等であるものの１点だけが高温となる温度変化を示すのは、ワーク５の界面におおきな傷があり、その傷による生じる隙間のために温度が上昇した場合であると考えられる。さらに、図９（ｂ）に示すような途中まで均等にばらついていて、途中から異なるばらつきとなるのは、ワーク５の界面に段差が生じている場合であると考えられる。ただし、図８および図９に示したような温度変化を示していても、第２温度モニタ１２に表示される温度変化がある程度一定となっている場合には、強固な溶着が行われていると考えることができる。
【００４１】
これに対して、たとえば第２温度モニタ１２に表示された温度が、図１０（ａ）に示すように、一部が突出して他の部分がほぼ平坦な温度変化を示す場合について考える。この場合には、２回のレーザビームＬ１，Ｌ２の照射によっても、ワーク５の界面における傷の部分の隙間が埋まらなかったことを意味している。また、図１０（ｂ）に示すように、平坦な温度変化が、一部の突出した部分を境に段差を持って変わっている場合について考える。この場合には、２回のレーザビームＬ１，Ｌ２の照射によっても、ワークの界面の段差がなくならなかったことを意味している。これらの場合には、突出する部分の時間的な割合が低く、たとえば全体の１割程度である場合には、ある程度の強固な溶着が行われていると判断し、それ以外は、十分な溶着が行われなかったと判断することができる。
【００４２】
ところで、レーザによる樹脂の溶着では、レーザによる溶融速度を速くすると溶融深さが浅くなる。また、樹脂は熱に対する応答が遅く、溶融粘度が樹脂の種類によって異なる。これらの点を加味して、図１１（ａ）に示すように、形状精度が低い樹脂、図１１（ｂ）に示す表面精度が低い樹脂を溶融する場合には、両樹脂層５Ａ，５Ｂをなじませるための対策として、溶融速度を遅くする、スポットサイズを大きくする、温度を十分に上げることなどが考えられる。溶融速度を遅くすることにより、光吸収性樹脂層５Ｂが変形し溶融移動して両樹脂層５Ａ，５Ｂ間の隙間を埋める時間や変形、溶融量を稼ぐ時間をとることができる。また。溶融温度を上げることにより、両樹脂層５Ａ，５Ｂを十分に溶融させることにより、両樹脂層５Ａ，５Ｂをなじませやすくすることができる。
【００４３】
次に、本実施形態に係るレーザ溶接方法の効果について説明する。
【００４４】
本発明者らは、従来のレーザ溶接方法によるワークの溶接強度と本発明に係るレーザ溶接方法によるワークの溶接強度を比較する実験を行った。従来のレーザ溶接方法として、いわゆるシングルスポットによる１回の溶接により、ワークを溶接した。また、本実施形態に係るレーザ溶接方法として、上記実施形態に示すレーザ溶接方法によるレーザ溶接により、ワークを溶接した。そのときの溶着面の温度と引っ張り強さとの関係を測定した。なお、溶接速度は、ともに５０ｍｍ／ｓとした。その結果を図１２に示す。また、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、第２温度モニタ１２に表示される温度を測定した。
【００４５】
図１２に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、従来の溶接方法における同一の温度であっても、ほとんどの温度で高い引っ張り強度を示した。この結果から判るように、本実施形態に係るレーザ溶接によれば、強固な溶着を行うことができる。
【００４６】
ここで、上記実施形態においては、光吸収性樹脂層５Ｂの溶融温度およびガラス転移点温度を用いているが、これらの温度は、樹脂の種類によって異なる。光吸収性樹脂層５Ｂを構成する樹脂が結晶性樹脂の場合には、溶融温度は融点となり、光吸収性樹脂層５Ｂを構成する樹脂が非結晶性樹脂の場合には溶融温度は軟化点となる。各樹脂におけるガラス転移点温度、融点、および軟化点温度は、それぞれ表１に示す通りである。
【００４７】
【表１】

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１３は、本実施形態に係るワーク溶接装置の側面図である。本実施形態においては、レーザ照射手段として、シングルスポット照射ヘッドを備えている点で、上記第１の実施形態と主に異なり、その相違点について主に説明する。図１３に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接装置２０は、レーザ照射手段としてシングルスポット照射ヘッド（以下、本実施形態において「照射ヘッド」という）２１を備えている。照射ヘッド２１には、半導体レーザ出射装置３が接続されており、半導体レーザ出射装置３から照射ヘッド２１に対してレーザ光が供給される。また、半導体レーザ出射装置３は、照射ヘッド２１から出射するレーザビームのレーザ光強度を調整する強度調整機能を備えている。
【００４８】
また、照射ヘッド２１には、温度モニタ２２が接続されている。また、照射ヘッド２１には、図示しない２色式表面温度センサからなる温度センサが設けられている。この温度センサは、温度モニタ２２に接続され、照射ヘッド２１から出射されたレーザビームＬが照射されるワーク５の表面温度を計測して、温度モニタ２２に出力している。
【００４９】
次に、本実施形態に係るレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法について説明する。レーザ溶接を行う際には、上記第１の実施形態と同様、圧力掛け治具７によってワークをステージ６に押圧し、ワーク５における両樹脂層５Ａ，５Ｂの溶接面同士を当接させる。この状態で、図示しない移動装置を用いて照射ヘッド２１を溶接方法に移動させる。このとき、照射ヘッド２１から出射されるレーザビームＬのレーザ光強度は、光吸収性樹脂層５Ｂの溶融温度以上の温度、たとえば溶融最適温度となるように調整されている。図１４（ａ）に示すように、このようなレーザ光強度に調整されたレーザビームＬ２１を照射することにより、光吸収性樹脂層５Ｂが加熱されて溶融し、光吸収性樹脂層５Ｂの熱により光透過性樹脂層５Ａも溶融する。この両樹脂層５Ａ，５Ｂの溶融した部分が両樹脂層５Ａ，５Ｂの隙間に入り込み、両樹脂層５Ａ，５Ｂの間の界面をなじませる。
【００５０】
こうして、ワーク５における溶接位置の溶接が一通り済んだら、圧力掛け治具７でワーク５を押圧した状態のまま、照射ヘッド２１を同一の位置に移動させ、一回レーザ光を照射した溶接位置に、再びレーザビームＬを照射する。図１４（ｂ）に示すように、再びレーザビームＬ２２を照射する際のレーザビームＬのレーザ光強度は、光吸収性樹脂層５Ｂのガラス転移点以上となる温度となるように調整されている。このようなレーザ光強度に調整されたレーザビームＬ２２を照射することにより、両樹脂層５Ａ，５Ｂの溶融部分の固化遅らせることができる。したがって、その分、両樹脂層５Ａ，５Ｂが界面の隙間に流れ込む時間を稼ぐことができて良好に界面をなじませることができるので、両樹脂層５Ａ，５Ｂを強固に溶着とすることができる。このようにして、ワーク５の溶接が行われる。
【００５１】
このように、本実施形態に係るシングルスポットの照射ヘッド２１を用いて、最初に光吸収性樹脂層５Ｂの溶融温度以上の温度となるレーザ光強度でレーザビームＬ２１を照射し、続いて光吸収性樹脂層５Ｂのガラス転移点以上の温度となるレーザ光強度のレーザビームＬ２２を照射することにより、ワーク５を強固に溶着させることができる。
【００５２】
また、本実施形態に係るレーザ溶接装置２０は、シングルスポットの照射ヘッド２１を用いて、これを複数回移動させることで、複数回のレーザビームの照射を行うようにしている。このため、溶接位置が円や直角などのツインスポットでの溶接が比較的困難な位置であっても、容易に溶接を行うことができる。
【００５３】
さらに、複数回のレーザビームの照射を行う際に、高速かつ確実な溶接を行おうとすれば、レーザビームの照射形状を工夫することができる。たとえば、図１５（ａ）に示すように、溶接方向に沿って長径部分が配置されただ円形の照射形状となるレーザビームＬ２３とすることもできるし、図１５（ｂ）に示すように、溶接方向に沿って長辺が配置された長方形形状の照射形状となるレーザビームＬ２４とすることもできる。
【００５４】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、ワーク形状が複雑であったり、材質が途中で変化したりする場合には、それらの形状や材質に合わせて、レーザ光強度を設定する態様とすることもできる。
【００５５】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明によれば、複数回のレーザ照射を行うことにより、樹脂をレーザ溶接するにあたり、被溶接物を強固に溶接するレーザ溶接を行うことができるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るレーザ溶接装置の側面図である。
【図２】第１の実施形態に係るレーザ溶接装置の平面図である。
【図３】溶接を行っている状態を示す側断面図である。
【図４】（ａ）は、溶接が行われる前のワークの側断面図、（ｂ）は、最初のレーザビームが照射された後のワークの断面図である。
【図５】ワークの面精度が高い場合のワークの温度変化の一例を示すグラフである。
【図６】ワークの面精度が低い場合のワークの温度変化の一例を示すグラフである。
【図７】（ａ）は照射面積を大きくしたレーザビームが照射されるワークの平面図、（ｂ）は複数のレーザビームが照射されるワークの平面図である。
【図８】（ａ），（ｂ）とも、ワークの面精度が低い場合のワークの温度変化の一例を示すグラフである。
【図９】（ａ），（ｂ）とも、ワークの面精度が低い場合のワークの温度変化の一例を示すグラフである。
【図１０】（ａ），（ｂ）とも、ワークの面精度が低く、溶接不良と判断される場合のワークの温度変化の一例を示すグラフである。
【図１１】（ａ）は形状精度が低い場合の樹脂の側断面図、（ｂ）は表面精度が低い樹脂の表面部分の拡大図である。
【図１２】シングルスポット照射およびダブルスポット照射における溶着面の温度と引っ張り強さとの関係を示すグラフである。
【図１３】第２の実施形態に係るレーザ溶接装置の側面図である。
【図１４】（ａ）は最初のレーザビームの照射を行っている際のワークの側断面図、（ｂ）は２回目のレーザビームの照射を行っている際のワークの側断面図である。
【図１５】（ａ）はだ円形の照射形状となるレーザビームが照射されたワークの平面図、（ｂ）は長方形形状の照射形状となるレーザビームが照射されたワークの平面図である。
【符号の説明】
１…レーザ溶接装置、２…照射ヘッド、２Ａ，２Ｂ…光出射部、３…半導体レーザ出射装置、４…載置台、５…ワーク、５Ａ…レーザ透過性樹脂層、５Ｂ…レーザ吸収性樹脂層、６…ステージ、７…圧力掛け治具、８…シリンダ、８Ａ…シリンダ筒、８Ｂ…シリンダロッド、９…押圧パッド、１０…押圧板、１１，１２…温度モニタ、２０…レーザ溶接装置、２１…照射ヘッド、２２…温度モニタ、Ｌ，Ｌ１，Ｌ２…レーザビーム、Ｗ…溶接部分。

Claims (9)

1. レーザ光を透過する光透過性樹脂とレーザ光を吸収して溶融する光吸収性樹脂とを重ね合わせてなる被溶接物に対して相対的に移動するレーザ照射手段から前記被溶接物にレーザ光を照射し、前記光吸収性樹脂を溶融させて、前記光透過性樹脂と前記光吸収性樹脂とを溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記光透過性樹脂と前記光吸収性樹脂とのそれぞれの溶接面同士を向かい合わせた状態で、前記両樹脂を押圧手段によって押圧し、
   前記光吸収性樹脂の溶融温度以上になるレーザ光強度とされて前記レーザ照射手段から出射されたレーザ光を前記光透過性樹脂側から前記光吸収性樹脂に対して照射し、
   押圧した状態のまま、前記光吸収性樹脂のガラス転移点温度以上になるレーザ光強度とされて前記レーザ照射手段から出射されたレーザ光を前記光透過性樹脂側から前記光吸収性樹脂に対して再度照射することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 先の前記レーザ照射手段からのレーザ光の出射が行われた後、前記先のレーザ照射手段とは独立して移動する次のレーザ照射手段からの再度のレーザ光の出射が行われる請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記レーザ照射手段として、レーザ照射部を１つ備えるシングルスポットレーザ照射手段を用いる請求項２に記載のレーザ溶接方法。
4. 先の前記レーザ照射手段からのレーザ光の出射が行われた後、前記先のレーザ照射手段に従属して移動する次のレーザ照射手段からの再度のレーザ光の出射が行われる請求項１に記載のレーザ溶接方法。
5. 前記レーザ照射手段として２つのレーザ照射部を備えるダブルスポットレーザ照射手段を用い、前記先のレーザ照射手段から出射されるレーザ光に相当するレーザ光が一方のレーザ照射部から出射され、前記次のレーザ手段から出射されるレーザ光に相当するレーザ光が他方のレーザ照射部から出射される請求項４に記載のレーザ溶接方法。
6. 前記レーザ照射手段が、１つのレーザ照射部と、前記レーザ照射部から照射されたレーザ光を分割するレーザ光分割手段とを備えており、
   前記先のレーザ照射手段から出射されるレーザ光に相当するレーザ光および前記次のレーザ手段から出射されるレーザ光に相当するレーザ光が、前記レーザ分割手段からそれぞれ出射される請求項４に記載のレーザ溶接方法。
7. レーザ光を透過する光透過性樹脂とレーザ光を吸収して溶融する光吸収性樹脂とを重ね合わせてなる被溶接物に対してレーザ光を照射するレーザ照射手段と、
   前記光透過性樹脂と前記光吸収性樹脂とのそれぞれの溶接面同士を向かい合わせた状態で、前記両樹脂を押圧する押圧手段と、
   前記レーザ照射手段を前記被溶接物に対して相対的に移動させる移動手段と、
   を備え、
   前記押圧手段が、前記光透過性樹脂と前記光吸収性樹脂とのそれぞれの溶接面同士を向かい合わせた状態で、前記両樹脂を押圧し、
   前記レーザ照射手段が、前記光吸収性樹脂の溶融温度以上になるレーザ光強度とされたレーザ光を前記光透過性樹脂側から前記光吸収性樹脂に対して照射し、
   前記押圧手段で前記被溶接物を押圧した状態のまま、前記光吸収性樹脂のガラス転移点温度以上になるレーザ光強度とされたレーザ光を前記光透過性樹脂側から前記光吸収性樹脂に対して再度照射することを特徴とするレーザ溶接装置。
8. 前記レーザ照射手段が、レーザ照射部を１つ備えるシングルスポットレーザ照射手段である請求項７に記載のレーザ溶接装置。
9. 前記レーザ照射手段が、レーザ照射部を２つ備えるダブルスポットレーザ照射手段である請求項７に記載のレーザ溶接装置。

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