JP2005041073A - 樹脂材のレーザ溶着方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】第２樹脂材の透過率を適切な透過率に設定して溶融する樹脂材の量を増加させ、一般的な精度で成形された樹脂材であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法、及び突き合わせ面であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法を提供する。
【解決手段】レーザ光（Ｐａ）に対して透過性を有する第１樹脂材（１０ａ）と、第１樹脂材よりもレーザ光の透過率が低い第２樹脂材（２０ａ）とを重ね合わせ、第１樹脂材の側から第２樹脂材の接合部に向けてレーザ光を照射する樹脂材のレーザ溶着方法であって、２０％〜４０％の透過率を有する第２樹脂材を選定する。そして、第１樹脂材と第２樹脂材とを０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの間隔（Ｌａ）で重ね合わせ、溶融した第２樹脂材が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの間隔内に充填されるように、５００Ｗ以上の出力のレーザ光を、集光手段（４０）にて１ｍｍ以下の集光径に集光して第２樹脂材の接合部に集光する。
【選択図】 図１
【解決手段】レーザ光（Ｐａ）に対して透過性を有する第１樹脂材（１０ａ）と、第１樹脂材よりもレーザ光の透過率が低い第２樹脂材（２０ａ）とを重ね合わせ、第１樹脂材の側から第２樹脂材の接合部に向けてレーザ光を照射する樹脂材のレーザ溶着方法であって、２０％〜４０％の透過率を有する第２樹脂材を選定する。そして、第１樹脂材と第２樹脂材とを０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの間隔（Ｌａ）で重ね合わせ、溶融した第２樹脂材が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの間隔内に充填されるように、５００Ｗ以上の出力のレーザ光を、集光手段（４０）にて１ｍｍ以下の集光径に集光して第２樹脂材の接合部に集光する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ透過率の異なる２つの樹脂材をレーザ光にて溶着する、樹脂材のレーザ溶着方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、透過樹脂材と非透過樹脂材（透過率がほぼ０％）とを重ね合わせ、透過樹脂材側からレーザ光を照射し、非透過樹脂材の表面を溶融して溶着接合する樹脂材のレーザ溶着方法が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６０−２１４９３１号公報
【特許文献２】
特開２００１−１０５４９９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、従来の樹脂材のレーザ溶着方法で用いる非透過樹脂材２０ｚは、レーザ光Ｐｚをほぼ１００％吸収するため（透過率がほぼ０％であるため）非透過樹脂材２０ｚの表面でレーザ光Ｐｚのほぼ全エネルギーを消費する。このため、レーザ光Ｐｚにより分解（化学変化等）または燃焼させることなく溶融させるために、敢えてレーザ光Ｐｚの出力を抑えている（１００〜４００［Ｗ］程度）。また、レーザ光Ｐｚが照射される表面のみが溶融するため、溶着強度を向上させる目的で、溶着面積を広くするために、集光径Ｒｚも３［ｍｍ］程度の比較的大きな径に設定している。
非透過樹脂材２０ｚは、レーザ光Ｐｚをほぼ１００％吸収するため、溶融するのは非透過樹脂材２０ｚの表面及び表面から０．１［ｍｍ］程度の深さ（図６（Ｂ）中のＤｚ）、及び３．０［ｍｍ］程度の幅（図６（Ｂ）中のＷｚ）である。このため、溶融する樹脂の量が少なく、重ね合わせた透過樹脂材１０ｚと非透過樹脂材２０ｚとの間隔Ｌｚが０．１［ｍｍ］を越えると、溶着できない可能性がある（溶融した樹脂の量が少なく、間隔Ｌｚを埋められない可能性がある）。なお、重ね合わせる間隔Ｌｚを０．１［ｍｍ］以下にするためには、透過樹脂材１０ｚと非透過樹脂材２０ｚとを非常に高い精度で成形しなければならないため、一般的な樹脂の成形品よりも非常に高い精度が要求される。更に溶着の際、この間隔を小さくするために透過樹脂材１０ｚと非透過樹脂材２０ｚとを１００［ｋｇｆ］程度の非常に高い圧力をかけて圧接しており、多大な手間とコストがかかっている。
また、従来の樹脂材のレーザ溶着方法は、前述のように非透過樹脂材２０ｚの上に透過樹脂材１０ｚを重ね合わせ、レーザートーチ３０ｚから透過樹脂材１０ｚ側からほぼ垂直にレーザ光Ｐｚを照射する重ね合わせについて行われているが、突き合わせ面についてはレーザ溶着することができない、または非常に困難であった。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、第２樹脂材の透過率を適切な透過率に設定して溶融する樹脂材の量を増加させ、一般的な精度で成形された樹脂材であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法、及び突き合わせ面であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの樹脂材のレーザ溶着方法である。
請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、レーザ光に対して透過性を有する第１樹脂材と、当該第１樹脂材よりもレーザ光の透過率が低い第２樹脂材とを重ね合わせ、第１樹脂材の側から第２樹脂材の接合部に向けてレーザ光を照射して、第１樹脂材と第２樹脂材とを溶着接合する樹脂材のレーザ溶着方法であって、２０％〜４０％の透過率を有する第２樹脂材を選定する。そして、５００Ｗ以上の出力のレーザ光を、集光手段にてレーザ光の集光径を１ｍｍ以下に集光して第２樹脂材の接合部に集光する。
このように、第２樹脂材の透過率を２０％〜４０％の適切な透過率に設定することで、レーザ光の出力を増加させても第２樹脂材を分解または燃焼させることなく溶融させることができる。また、第２樹脂材の透過率が適切な透過率であるため、レーザ光の全エネルギーを表面で消費することなく、所定の深さまでレーザ光の消費領域が広がり、より多量の樹脂材を溶融させることができる。このため、重ね合わせ面における第１樹脂材と第２樹脂材との間隔が、例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍであっても、当該間隔を溶融した樹脂材で充分埋めることができる。また、重ね合わせ面における第１樹脂材と第２樹脂材との間隔の０．１ｍｍ〜１．０ｍｍは、樹脂材の成形において一般的な精度である。したがって、一般的な精度で成形された樹脂材であってもレーザ溶着が可能となる。
【０００６】
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの樹脂材のレーザ溶着方法である。
請求項２に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、レーザ光に対して透過性を有する第１樹脂材と、当該第１樹脂材よりもレーザ光の透過率が低い第２樹脂材とを、レーザ光にて突き合わせ溶着接合する樹脂材のレーザ溶着方法であって、２０％〜４０％の透過率を有する第２樹脂材を選定する。そして、第１樹脂材の側から第２樹脂材の接合部に向けて、レーザ光を突き合わせ面に対して所定角度で照射して、第１樹脂材と第２樹脂材とを溶着接合する。
このように、第２樹脂材の透過率を２０％〜４０％の適切な透過率に設定することで、レーザ光の出力を増加させても第２樹脂材を分解または燃焼させることなく溶融させることができる。また、第２樹脂材の透過率が適切な透過率であるため、レーザ光の全エネルギーを第２樹脂材の突き合わせ面で消費することなく、所定の深さまでレーザ光の消費領域が広がり、より多量の樹脂材を溶融させることができ、突き合わせ面であってもレーザ溶着が可能となる。
【０００７】
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの樹脂材のレーザ溶着方法である。
請求項３に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、請求項２に記載の樹脂材のレーザ溶着方法であって、第１樹脂材の側から第２樹脂材の接合部に向けて、レーザ光を突き合わせ面に対して１０度〜３０度の角度で照射する。
これにより、一般的な精度で成形された樹脂材であっても、及び突き合わせ面であってもレーザ溶着が可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の樹脂材のレーザ溶着方法の一実施の形態の概略図を示している。
◆［第１の実施の形態（図１、図２）］
第１の実施の形態は、第１樹脂材１０ａと第２樹脂材２０ａとを重ね合わせた面を接合面とする場合の樹脂材のレーザ溶着方法であって、第１樹脂材１０ａと第２樹脂材２０ａとの間隔Ｌａが１．０ｍｍ程度であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法である。
【０００９】
本実施の形態では、レーザ光Ｐａにはレーザートーチ３０ａから約１０００［Ｗ］前後の出力を有するＹＡＧレーザを使用している。また、第１樹脂材１０ａにはレーザ光Ｐａの透過率が約６７％の樹脂材を用い、第２樹脂材２０ａにはレーザ光Ｐａの透過率が約３２％の樹脂材を用いている。なお、第２樹脂材２０ａは、第１樹脂材１０ａよりも透過率を低くしているが、透過率が０％ではない。
第２樹脂材２０ａは、所定の深さまで溶融させるために、０％でない透過率を有する材質（半透過性を有する材質）のものを使用している。また、第１樹脂材１０ａ及び第２樹脂材２０ａは、熱可塑性の樹脂である。
また、図１（Ａ）に示すように、本実施の形態ではレーザ光Ｐａを集光手段４０（集光レンズ等）にて集光している。この場合、最も集光される位置における集光径Ｒａは約０．６［ｍｍ］であり、当該集光径Ｒａがほぼ維持される長さを示す焦点深度Ｆａは約３〜４［ｍｍ］である。
【００１０】
図６に示す従来の樹脂材のレーザ溶着方法では、約１００〜４００［Ｗ］のレーザ光Ｐｚを、約３［ｍｍ］の集光径Ｒｚに集光（この場合、集光径を大きく、またはデフォーカスすることになる）し、透過樹脂材１０ｚを透過させて、透過率がほぼ０％の非透過樹脂材２０ｚに照射して、非透過樹脂材２０ｚの表面のほぼ０．１［ｍｍ］の深さを溶融させて溶着させていた。
図１に示す本実施の形態では、約５００［Ｗ］以上の出力のレーザ光Ｐａを、第２樹脂材２０ａの表面において約１［ｍｍ］以下の集光径Ｒａに集光し、第１樹脂材１０ａを透過させて、２０％〜４０％の透過率を有する第２樹脂材２０ａに照射して、第２樹脂材２０ａの表面から所定の深さまで溶融させて第２樹脂材２０ａと第１樹脂材１０ａとを溶着させる。
【００１１】
なお、発明者は上記の数値を種々変更して実験を重ね、第２樹脂材２０ａの透過率は約３２％（第１樹脂材１０ａの透過率は約６７％）、レーザ光Ｐａの出力は約１０００［Ｗ］、集光径Ｒａは約０．６［ｍｍ］に設定することが、より好ましい結果を得られることを確認した。
なお、上記の設定の場合、溶融部２２ａの深さＤａは約１．０［ｍｍ］であり、幅Ｗａは約２．０［ｍｍ］であった。
本実施の形態では、従来と比較してレーザ光Ｐａの出力を増加して集光径Ｒａを小さくしている。このため、第２樹脂材２０ａの透過率をほぼ０％とすると溶融するよりも分解または燃焼する可能性が高い。しかし、透過率を０％でない適切な値に設定（透過率２０％〜４０％に設定）することで、レーザ光Ｐａの全エネルギーを第２樹脂材２０ａの表面で消費することなく、所定の深さまで消費を分散することができるので、分解または燃焼することなく、かつ１．０［ｍｍ］程度の深さまで溶融させることができた。
【００１２】
次に、厚さＴ１０が３．０［ｍｍ］の第１樹脂材１０ａ（透過率約６７％）、厚さＴ２０が３．０［ｍｍ］の第２樹脂材２０ａ（透過率約３２％）、出力約１０００［Ｗ］のレーザ光Ｐａを用い、第２樹脂材２０ａの表面において集光径Ｒａが約０．６［ｍｍ］となるように集光し、レーザ光Ｐａを１０［ｍｍ］／秒の速度で移動させた結果について説明する。この場合、第１樹脂材１０ａと第２樹脂材２０ａとの間隙Ｌａを約１．０［ｍｍ］まで広げてもレーザ溶着できることを発明者は確認した。
従来の樹脂材のレーザ溶着方法では、間隙Ｌａを０．１［ｍｍ］以下に設定しなければ溶着することができず、非常に高い成形精度（樹脂の成形精度）と、圧接（１００［ｋｇｆ］程度）が必要であったが、本実施の形態による樹脂材のレーザ溶着方法では１．０［ｍｍ］まで溶着が可能であるため、一般的な成形精度の樹脂成形品であっても、更に圧接を必要とすることなく、レーザ溶着が可能である。
【００１３】
次に、図２を用いて本実施の形態における溶着のプロセスを説明する。
図２（Ａ）に示すように、レーザ光Ｐａを第２樹脂材２０ａの表面に集光させて照射すると、第２樹脂材２０ａが（この場合は約３２％の透過率であるため）、約１．０［ｍｍ］の深さまで溶融され、溶融部２２ａには溶融した樹脂材が蓄積される。
更に図２（Ｂ）に示すようにレーザ光Ｐａの照射を継続すると、溶融した樹脂が膨張し、膨張部２４ａが第１樹脂材１０ａとの間隙Ｌａを埋め、第１樹脂材１０ａに到達する。
そして、第１樹脂材１０ａに到達した膨張部２４ａによる熱と、第１樹脂材１０ａ内において透過せずに消費されたレーザ光Ｐａの熱（この場合、約６７％の透過率であるため）により、第１樹脂材１０ａの接合部において溶融部１２ａが形成される。
レーザ光Ｐａの照射が終了すると、溶融部２２ａ、膨張部２４ａ、溶融部１２ａが自然に冷却され、溶着が完了する。
【００１４】
◆［第２の実施の形態（図３、図４）］
第２の実施の形態は、第１樹脂材１０ａと第２樹脂材２０ａとを（左右から）突き合わせた面を接合面とする場合の樹脂材のレーザ溶着方法であって、第１樹脂材１０ａと第２樹脂材２０ａとの間隔Ｍａが０．５ｍｍ程度であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法である。
本実施の形態におけるレーザ光Ｐａの出力、集光手段４０により集光する集光径Ｒａ、第１樹脂材１０ａの材質、第２樹脂材２０ａの材質等は、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
【００１５】
図６に示す従来の樹脂材のレーザ溶着方法では、重ね合わせ面に対しては溶着が可能であったが、突き合わせ面を溶着することはできなかった、あるいは非常に困難であった。
図３に示す本実施の形態では、約５００［Ｗ］以上の出力のレーザ光Ｐａを、約１［ｍｍ］以下の集光径Ｒａに集光し、２０％〜４０％の透過率を有する第２樹脂材２０ａに照射して、第２樹脂材２０ａの突き合わせ面から所定の深さまで溶融させて第２樹脂材２０ａと第１樹脂材１０ａとを溶着させる。なお、照射の際、第１樹脂材１０ａの側から第２樹脂材２０ａの接合部に向けて、集光手段４０で集光したレーザ光を、突き合わせ面に対して所定角度α［度］（１０度〜３０度）で照射する。
【００１６】
なお、発明者は上記の数値を種々変更して実験を重ね、第２樹脂材２０ａの透過率は約３２％（第１樹脂材１０ａの透過率は約６７％）、レーザ光Ｐａの出力は約１０００［Ｗ］、集光径Ｒａは約０．６［ｍｍ］、照射角度αは約２０［度］に設定することが、より好ましい結果を得られることを確認した。また、図３（Ｂ）に示すように、レーザ光Ｐａの中心線Ｚａが、第２樹脂材２０ａの突き合わせ面における、厚さＴ２０の真中に相当する位置Ｔｚを通過するようにレーザ光Ｐａを照射すると、突き合わせ面全体に渡ってより広い範囲で溶着することができ、より好ましい結果を得ることができた。なお、第１樹脂材１０ａの厚さＴ１０、及び第２樹脂材２０ａの厚さＴ２０は、どちらも３．０［ｍｍ］に設定した。
【００１７】
次に、厚さＴ１０が３．０［ｍｍ］の第１樹脂材１０ａ（透過率約６７％）、厚さＴ２０が３．０［ｍｍ］の第２樹脂材２０ａ（透過率約３２％）、出力約１０００［Ｗ］のレーザ光Ｐａを用い、集光径Ｒａが約０．６［ｍｍ］となるように集光したレーザ光を、約２０［度］の角度αにて第２樹脂材２０ａの突き合わせ面に照射し、レーザ光Ｐａを１０［ｍｍ］／秒の速度で移動させた結果について説明する。この場合、第１樹脂材１０ａと第２樹脂材２０ａとの間隙Ｍａを０．５［ｍｍ］まで広げた突き合わせ面であってもレーザ溶着できることを発明者は確認した。
従来の樹脂材のレーザ溶着方法では、突き合わせ面のレーザ溶着はできなかった、あるいは非常に困難であったが、本実施の形態による樹脂材のレーザ溶着方法によれば、たとえ０．５［ｍｍ］の間隙であっても、突き合わせ面を溶着することが可能であり、かつ、一般的な成形精度の樹脂成形品であっても、更に圧接を必要とすることなく、レーザ溶着が可能である。
【００１８】
次に、図４を用いて本実施の形態における溶着のプロセスを説明する。
図４（Ａ）に示すように、レーザ光Ｐａを第２樹脂材２０ａの突き合わせ面に向けて集光させて、突き合わせ面に対して角度α［度］（この場合、約２０［度］）で照射すると、第２樹脂材２０ａがこの場合は約３２％の透過率であるため、約１．０［ｍｍ］の深さまで溶融され、溶融部２２ａには溶融した樹脂材が蓄積される。また、約２０［度］の角度で照射するため、接合面におけるより広い領域をレーザ光Ｐａにて加熱することができる。
更に図４（Ｂ）に示すようにレーザ光Ｐａの照射を継続すると、溶融した樹脂が膨張し、膨張部２４ａが第１樹脂材１０ａとの間隙Ｍａを埋め、第１樹脂材１０ａに到達する。
そして、第１樹脂材１０ａに到達した膨張部２４ａによる熱により、第１樹脂材１０ａの接合部において溶融部１２ａが形成される。
レーザ光Ｐａの照射が終了すると、溶融部２２ａ、膨張部２４ａ、溶融部１２ａが自然に冷却され、溶着が完了する。
【００１９】
本実施の形態にて説明した樹脂材のレーザ溶着方法を用いれば、図５に示すような樹脂成形品（カバー部５２、リザーバ部５４とで構成されるリザーバタンク等）を一般的な精度にて樹脂成形し、接合部Ｓ５２及びＳ５４とを、重ね合わせ、あるいは突き合わせてレーザ溶着することが可能である。
このため、特別に高精度に樹脂成形する必要もなく、特殊な材質を用いることなく、更に特別なレーザ出力装置を用いることなく、容易にレーザ溶着を行うことが可能である。
この場合、カバー部５２及びリザーバ部５４を、各々第１樹脂材の材料及び第２樹脂材の材料を用いて成形する（あるいは、各々第２樹脂材の材料及び第１樹脂材の材料を用いて成形する）。
なお、図５に示す接合部Ｓ５２及びＳ５４はフランジ状に成形した例を示しているが、フランジ状に成形しない場合は突き合わせてレーザ溶着することが可能である。
【００２０】
本発明の樹脂材のレーザ溶着方法は、本実施の形態で説明した条件、方法等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
本発明の樹脂材のレーザ溶着方法は、種々の材質の樹脂を用いて、一般的な樹脂成形品の精度で成形された種々の樹脂製品あるいは樹脂部品の溶着に適用することが可能である。
レーザ光Ｐａには、ＹＡＧレーザの他にも半導体レーザ等、１０００［Ｗ］前後の出力を有する種々のレーザ光を用いることができる。
また、以上（≧）、以下（≦）、より大きい（＞）、未満（＜）等は、等号を含んでも含まなくてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜３のいずれかに記載の樹脂材のレーザ溶着方法を用いれば、第２樹脂材の透過率を適切な透過率に設定して溶融する樹脂材の量を増加させ、一般的な精度で成形された樹脂材であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法、及び突き合わせ面であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の樹脂材のレーザ溶着方法における、第１の実施の形態の概略図である。
【図２】第１の実施の形態における、溶接のプロセスを説明する図である。
【図３】本発明の樹脂材のレーザ溶着方法における、第２の実施の形態の概略図である。
【図４】第２の実施の形態における、溶接のプロセスを説明する図である。
【図５】本実施の形態にて説明した樹脂材のレーザ溶着方法を適用する樹脂成形品の例を説明する図である。
【図６】従来の樹脂材のレーザ溶着方法を説明する図である。
【符号の説明】
Ｐａ レーザ光
Ｒａ 集光径
Ｆａ 焦点深度
１０ａ 第１樹脂材
２０ａ 第２樹脂材
１２ａ、２２ａ 溶融部
２４ａ 膨張部
３０ａ レーザートーチ
４０ 集光手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ透過率の異なる２つの樹脂材をレーザ光にて溶着する、樹脂材のレーザ溶着方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、透過樹脂材と非透過樹脂材（透過率がほぼ０％）とを重ね合わせ、透過樹脂材側からレーザ光を照射し、非透過樹脂材の表面を溶融して溶着接合する樹脂材のレーザ溶着方法が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６０−２１４９３１号公報
【特許文献２】
特開２００１−１０５４９９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、従来の樹脂材のレーザ溶着方法で用いる非透過樹脂材２０ｚは、レーザ光Ｐｚをほぼ１００％吸収するため（透過率がほぼ０％であるため）非透過樹脂材２０ｚの表面でレーザ光Ｐｚのほぼ全エネルギーを消費する。このため、レーザ光Ｐｚにより分解（化学変化等）または燃焼させることなく溶融させるために、敢えてレーザ光Ｐｚの出力を抑えている（１００〜４００［Ｗ］程度）。また、レーザ光Ｐｚが照射される表面のみが溶融するため、溶着強度を向上させる目的で、溶着面積を広くするために、集光径Ｒｚも３［ｍｍ］程度の比較的大きな径に設定している。
非透過樹脂材２０ｚは、レーザ光Ｐｚをほぼ１００％吸収するため、溶融するのは非透過樹脂材２０ｚの表面及び表面から０．１［ｍｍ］程度の深さ（図６（Ｂ）中のＤｚ）、及び３．０［ｍｍ］程度の幅（図６（Ｂ）中のＷｚ）である。このため、溶融する樹脂の量が少なく、重ね合わせた透過樹脂材１０ｚと非透過樹脂材２０ｚとの間隔Ｌｚが０．１［ｍｍ］を越えると、溶着できない可能性がある（溶融した樹脂の量が少なく、間隔Ｌｚを埋められない可能性がある）。なお、重ね合わせる間隔Ｌｚを０．１［ｍｍ］以下にするためには、透過樹脂材１０ｚと非透過樹脂材２０ｚとを非常に高い精度で成形しなければならないため、一般的な樹脂の成形品よりも非常に高い精度が要求される。更に溶着の際、この間隔を小さくするために透過樹脂材１０ｚと非透過樹脂材２０ｚとを１００［ｋｇｆ］程度の非常に高い圧力をかけて圧接しており、多大な手間とコストがかかっている。
また、従来の樹脂材のレーザ溶着方法は、前述のように非透過樹脂材２０ｚの上に透過樹脂材１０ｚを重ね合わせ、レーザートーチ３０ｚから透過樹脂材１０ｚ側からほぼ垂直にレーザ光Ｐｚを照射する重ね合わせについて行われているが、突き合わせ面についてはレーザ溶着することができない、または非常に困難であった。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、第２樹脂材の透過率を適切な透過率に設定して溶融する樹脂材の量を増加させ、一般的な精度で成形された樹脂材であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法、及び突き合わせ面であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの樹脂材のレーザ溶着方法である。
請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、レーザ光に対して透過性を有する第１樹脂材と、当該第１樹脂材よりもレーザ光の透過率が低い第２樹脂材とを重ね合わせ、第１樹脂材の側から第２樹脂材の接合部に向けてレーザ光を照射して、第１樹脂材と第２樹脂材とを溶着接合する樹脂材のレーザ溶着方法であって、２０％〜４０％の透過率を有する第２樹脂材を選定する。そして、５００Ｗ以上の出力のレーザ光を、集光手段にてレーザ光の集光径を１ｍｍ以下に集光して第２樹脂材の接合部に集光する。
このように、第２樹脂材の透過率を２０％〜４０％の適切な透過率に設定することで、レーザ光の出力を増加させても第２樹脂材を分解または燃焼させることなく溶融させることができる。また、第２樹脂材の透過率が適切な透過率であるため、レーザ光の全エネルギーを表面で消費することなく、所定の深さまでレーザ光の消費領域が広がり、より多量の樹脂材を溶融させることができる。このため、重ね合わせ面における第１樹脂材と第２樹脂材との間隔が、例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍであっても、当該間隔を溶融した樹脂材で充分埋めることができる。また、重ね合わせ面における第１樹脂材と第２樹脂材との間隔の０．１ｍｍ〜１．０ｍｍは、樹脂材の成形において一般的な精度である。したがって、一般的な精度で成形された樹脂材であってもレーザ溶着が可能となる。
【０００６】
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの樹脂材のレーザ溶着方法である。
請求項２に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、レーザ光に対して透過性を有する第１樹脂材と、当該第１樹脂材よりもレーザ光の透過率が低い第２樹脂材とを、レーザ光にて突き合わせ溶着接合する樹脂材のレーザ溶着方法であって、２０％〜４０％の透過率を有する第２樹脂材を選定する。そして、第１樹脂材の側から第２樹脂材の接合部に向けて、レーザ光を突き合わせ面に対して所定角度で照射して、第１樹脂材と第２樹脂材とを溶着接合する。
このように、第２樹脂材の透過率を２０％〜４０％の適切な透過率に設定することで、レーザ光の出力を増加させても第２樹脂材を分解または燃焼させることなく溶融させることができる。また、第２樹脂材の透過率が適切な透過率であるため、レーザ光の全エネルギーを第２樹脂材の突き合わせ面で消費することなく、所定の深さまでレーザ光の消費領域が広がり、より多量の樹脂材を溶融させることができ、突き合わせ面であってもレーザ溶着が可能となる。
【０００７】
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの樹脂材のレーザ溶着方法である。
請求項３に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、請求項２に記載の樹脂材のレーザ溶着方法であって、第１樹脂材の側から第２樹脂材の接合部に向けて、レーザ光を突き合わせ面に対して１０度〜３０度の角度で照射する。
これにより、一般的な精度で成形された樹脂材であっても、及び突き合わせ面であってもレーザ溶着が可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の樹脂材のレーザ溶着方法の一実施の形態の概略図を示している。
◆［第１の実施の形態（図１、図２）］
第１の実施の形態は、第１樹脂材１０ａと第２樹脂材２０ａとを重ね合わせた面を接合面とする場合の樹脂材のレーザ溶着方法であって、第１樹脂材１０ａと第２樹脂材２０ａとの間隔Ｌａが１．０ｍｍ程度であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法である。
【０００９】
本実施の形態では、レーザ光Ｐａにはレーザートーチ３０ａから約１０００［Ｗ］前後の出力を有するＹＡＧレーザを使用している。また、第１樹脂材１０ａにはレーザ光Ｐａの透過率が約６７％の樹脂材を用い、第２樹脂材２０ａにはレーザ光Ｐａの透過率が約３２％の樹脂材を用いている。なお、第２樹脂材２０ａは、第１樹脂材１０ａよりも透過率を低くしているが、透過率が０％ではない。
第２樹脂材２０ａは、所定の深さまで溶融させるために、０％でない透過率を有する材質（半透過性を有する材質）のものを使用している。また、第１樹脂材１０ａ及び第２樹脂材２０ａは、熱可塑性の樹脂である。
また、図１（Ａ）に示すように、本実施の形態ではレーザ光Ｐａを集光手段４０（集光レンズ等）にて集光している。この場合、最も集光される位置における集光径Ｒａは約０．６［ｍｍ］であり、当該集光径Ｒａがほぼ維持される長さを示す焦点深度Ｆａは約３〜４［ｍｍ］である。
【００１０】
図６に示す従来の樹脂材のレーザ溶着方法では、約１００〜４００［Ｗ］のレーザ光Ｐｚを、約３［ｍｍ］の集光径Ｒｚに集光（この場合、集光径を大きく、またはデフォーカスすることになる）し、透過樹脂材１０ｚを透過させて、透過率がほぼ０％の非透過樹脂材２０ｚに照射して、非透過樹脂材２０ｚの表面のほぼ０．１［ｍｍ］の深さを溶融させて溶着させていた。
図１に示す本実施の形態では、約５００［Ｗ］以上の出力のレーザ光Ｐａを、第２樹脂材２０ａの表面において約１［ｍｍ］以下の集光径Ｒａに集光し、第１樹脂材１０ａを透過させて、２０％〜４０％の透過率を有する第２樹脂材２０ａに照射して、第２樹脂材２０ａの表面から所定の深さまで溶融させて第２樹脂材２０ａと第１樹脂材１０ａとを溶着させる。
【００１１】
なお、発明者は上記の数値を種々変更して実験を重ね、第２樹脂材２０ａの透過率は約３２％（第１樹脂材１０ａの透過率は約６７％）、レーザ光Ｐａの出力は約１０００［Ｗ］、集光径Ｒａは約０．６［ｍｍ］に設定することが、より好ましい結果を得られることを確認した。
なお、上記の設定の場合、溶融部２２ａの深さＤａは約１．０［ｍｍ］であり、幅Ｗａは約２．０［ｍｍ］であった。
本実施の形態では、従来と比較してレーザ光Ｐａの出力を増加して集光径Ｒａを小さくしている。このため、第２樹脂材２０ａの透過率をほぼ０％とすると溶融するよりも分解または燃焼する可能性が高い。しかし、透過率を０％でない適切な値に設定（透過率２０％〜４０％に設定）することで、レーザ光Ｐａの全エネルギーを第２樹脂材２０ａの表面で消費することなく、所定の深さまで消費を分散することができるので、分解または燃焼することなく、かつ１．０［ｍｍ］程度の深さまで溶融させることができた。
【００１２】
次に、厚さＴ１０が３．０［ｍｍ］の第１樹脂材１０ａ（透過率約６７％）、厚さＴ２０が３．０［ｍｍ］の第２樹脂材２０ａ（透過率約３２％）、出力約１０００［Ｗ］のレーザ光Ｐａを用い、第２樹脂材２０ａの表面において集光径Ｒａが約０．６［ｍｍ］となるように集光し、レーザ光Ｐａを１０［ｍｍ］／秒の速度で移動させた結果について説明する。この場合、第１樹脂材１０ａと第２樹脂材２０ａとの間隙Ｌａを約１．０［ｍｍ］まで広げてもレーザ溶着できることを発明者は確認した。
従来の樹脂材のレーザ溶着方法では、間隙Ｌａを０．１［ｍｍ］以下に設定しなければ溶着することができず、非常に高い成形精度（樹脂の成形精度）と、圧接（１００［ｋｇｆ］程度）が必要であったが、本実施の形態による樹脂材のレーザ溶着方法では１．０［ｍｍ］まで溶着が可能であるため、一般的な成形精度の樹脂成形品であっても、更に圧接を必要とすることなく、レーザ溶着が可能である。
【００１３】
次に、図２を用いて本実施の形態における溶着のプロセスを説明する。
図２（Ａ）に示すように、レーザ光Ｐａを第２樹脂材２０ａの表面に集光させて照射すると、第２樹脂材２０ａが（この場合は約３２％の透過率であるため）、約１．０［ｍｍ］の深さまで溶融され、溶融部２２ａには溶融した樹脂材が蓄積される。
更に図２（Ｂ）に示すようにレーザ光Ｐａの照射を継続すると、溶融した樹脂が膨張し、膨張部２４ａが第１樹脂材１０ａとの間隙Ｌａを埋め、第１樹脂材１０ａに到達する。
そして、第１樹脂材１０ａに到達した膨張部２４ａによる熱と、第１樹脂材１０ａ内において透過せずに消費されたレーザ光Ｐａの熱（この場合、約６７％の透過率であるため）により、第１樹脂材１０ａの接合部において溶融部１２ａが形成される。
レーザ光Ｐａの照射が終了すると、溶融部２２ａ、膨張部２４ａ、溶融部１２ａが自然に冷却され、溶着が完了する。
【００１４】
◆［第２の実施の形態（図３、図４）］
第２の実施の形態は、第１樹脂材１０ａと第２樹脂材２０ａとを（左右から）突き合わせた面を接合面とする場合の樹脂材のレーザ溶着方法であって、第１樹脂材１０ａと第２樹脂材２０ａとの間隔Ｍａが０．５ｍｍ程度であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法である。
本実施の形態におけるレーザ光Ｐａの出力、集光手段４０により集光する集光径Ｒａ、第１樹脂材１０ａの材質、第２樹脂材２０ａの材質等は、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
【００１５】
図６に示す従来の樹脂材のレーザ溶着方法では、重ね合わせ面に対しては溶着が可能であったが、突き合わせ面を溶着することはできなかった、あるいは非常に困難であった。
図３に示す本実施の形態では、約５００［Ｗ］以上の出力のレーザ光Ｐａを、約１［ｍｍ］以下の集光径Ｒａに集光し、２０％〜４０％の透過率を有する第２樹脂材２０ａに照射して、第２樹脂材２０ａの突き合わせ面から所定の深さまで溶融させて第２樹脂材２０ａと第１樹脂材１０ａとを溶着させる。なお、照射の際、第１樹脂材１０ａの側から第２樹脂材２０ａの接合部に向けて、集光手段４０で集光したレーザ光を、突き合わせ面に対して所定角度α［度］（１０度〜３０度）で照射する。
【００１６】
なお、発明者は上記の数値を種々変更して実験を重ね、第２樹脂材２０ａの透過率は約３２％（第１樹脂材１０ａの透過率は約６７％）、レーザ光Ｐａの出力は約１０００［Ｗ］、集光径Ｒａは約０．６［ｍｍ］、照射角度αは約２０［度］に設定することが、より好ましい結果を得られることを確認した。また、図３（Ｂ）に示すように、レーザ光Ｐａの中心線Ｚａが、第２樹脂材２０ａの突き合わせ面における、厚さＴ２０の真中に相当する位置Ｔｚを通過するようにレーザ光Ｐａを照射すると、突き合わせ面全体に渡ってより広い範囲で溶着することができ、より好ましい結果を得ることができた。なお、第１樹脂材１０ａの厚さＴ１０、及び第２樹脂材２０ａの厚さＴ２０は、どちらも３．０［ｍｍ］に設定した。
【００１７】
次に、厚さＴ１０が３．０［ｍｍ］の第１樹脂材１０ａ（透過率約６７％）、厚さＴ２０が３．０［ｍｍ］の第２樹脂材２０ａ（透過率約３２％）、出力約１０００［Ｗ］のレーザ光Ｐａを用い、集光径Ｒａが約０．６［ｍｍ］となるように集光したレーザ光を、約２０［度］の角度αにて第２樹脂材２０ａの突き合わせ面に照射し、レーザ光Ｐａを１０［ｍｍ］／秒の速度で移動させた結果について説明する。この場合、第１樹脂材１０ａと第２樹脂材２０ａとの間隙Ｍａを０．５［ｍｍ］まで広げた突き合わせ面であってもレーザ溶着できることを発明者は確認した。
従来の樹脂材のレーザ溶着方法では、突き合わせ面のレーザ溶着はできなかった、あるいは非常に困難であったが、本実施の形態による樹脂材のレーザ溶着方法によれば、たとえ０．５［ｍｍ］の間隙であっても、突き合わせ面を溶着することが可能であり、かつ、一般的な成形精度の樹脂成形品であっても、更に圧接を必要とすることなく、レーザ溶着が可能である。
【００１８】
次に、図４を用いて本実施の形態における溶着のプロセスを説明する。
図４（Ａ）に示すように、レーザ光Ｐａを第２樹脂材２０ａの突き合わせ面に向けて集光させて、突き合わせ面に対して角度α［度］（この場合、約２０［度］）で照射すると、第２樹脂材２０ａがこの場合は約３２％の透過率であるため、約１．０［ｍｍ］の深さまで溶融され、溶融部２２ａには溶融した樹脂材が蓄積される。また、約２０［度］の角度で照射するため、接合面におけるより広い領域をレーザ光Ｐａにて加熱することができる。
更に図４（Ｂ）に示すようにレーザ光Ｐａの照射を継続すると、溶融した樹脂が膨張し、膨張部２４ａが第１樹脂材１０ａとの間隙Ｍａを埋め、第１樹脂材１０ａに到達する。
そして、第１樹脂材１０ａに到達した膨張部２４ａによる熱により、第１樹脂材１０ａの接合部において溶融部１２ａが形成される。
レーザ光Ｐａの照射が終了すると、溶融部２２ａ、膨張部２４ａ、溶融部１２ａが自然に冷却され、溶着が完了する。
【００１９】
本実施の形態にて説明した樹脂材のレーザ溶着方法を用いれば、図５に示すような樹脂成形品（カバー部５２、リザーバ部５４とで構成されるリザーバタンク等）を一般的な精度にて樹脂成形し、接合部Ｓ５２及びＳ５４とを、重ね合わせ、あるいは突き合わせてレーザ溶着することが可能である。
このため、特別に高精度に樹脂成形する必要もなく、特殊な材質を用いることなく、更に特別なレーザ出力装置を用いることなく、容易にレーザ溶着を行うことが可能である。
この場合、カバー部５２及びリザーバ部５４を、各々第１樹脂材の材料及び第２樹脂材の材料を用いて成形する（あるいは、各々第２樹脂材の材料及び第１樹脂材の材料を用いて成形する）。
なお、図５に示す接合部Ｓ５２及びＳ５４はフランジ状に成形した例を示しているが、フランジ状に成形しない場合は突き合わせてレーザ溶着することが可能である。
【００２０】
本発明の樹脂材のレーザ溶着方法は、本実施の形態で説明した条件、方法等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
本発明の樹脂材のレーザ溶着方法は、種々の材質の樹脂を用いて、一般的な樹脂成形品の精度で成形された種々の樹脂製品あるいは樹脂部品の溶着に適用することが可能である。
レーザ光Ｐａには、ＹＡＧレーザの他にも半導体レーザ等、１０００［Ｗ］前後の出力を有する種々のレーザ光を用いることができる。
また、以上（≧）、以下（≦）、より大きい（＞）、未満（＜）等は、等号を含んでも含まなくてもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜３のいずれかに記載の樹脂材のレーザ溶着方法を用いれば、第２樹脂材の透過率を適切な透過率に設定して溶融する樹脂材の量を増加させ、一般的な精度で成形された樹脂材であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法、及び突き合わせ面であっても溶着が可能な樹脂材のレーザ溶着方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の樹脂材のレーザ溶着方法における、第１の実施の形態の概略図である。
【図２】第１の実施の形態における、溶接のプロセスを説明する図である。
【図３】本発明の樹脂材のレーザ溶着方法における、第２の実施の形態の概略図である。
【図４】第２の実施の形態における、溶接のプロセスを説明する図である。
【図５】本実施の形態にて説明した樹脂材のレーザ溶着方法を適用する樹脂成形品の例を説明する図である。
【図６】従来の樹脂材のレーザ溶着方法を説明する図である。
【符号の説明】
Ｐａ レーザ光
Ｒａ 集光径
Ｆａ 焦点深度
１０ａ 第１樹脂材
２０ａ 第２樹脂材
１２ａ、２２ａ 溶融部
２４ａ 膨張部
３０ａ レーザートーチ
４０ 集光手段
Claims (3)
- レーザ光に対して透過性を有する第１樹脂材と、当該第１樹脂材よりもレーザ光の透過率が低い第２樹脂材とを重ね合わせ、第１樹脂材の側から第２樹脂材の接合部に向けてレーザ光を照射して、第１樹脂材と第２樹脂材とを溶着接合する樹脂材のレーザ溶着方法であって、
２０％〜４０％の透過率を有する第２樹脂材を選定し、
５００Ｗ以上の出力のレーザ光を、集光手段にてレーザ光の集光径を１ｍｍ以下に集光して第２樹脂材の接合部に集光する、ことを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。 - レーザ光に対して透過性を有する第１樹脂材と、当該第１樹脂材よりもレーザ光の透過率が低い第２樹脂材とを、レーザ光にて突き合わせ溶着接合する樹脂材のレーザ溶着方法であって、
２０％〜４０％の透過率を有する第２樹脂材を選定し、
第１樹脂材の側から第２樹脂材の接合部に向けて、レーザ光を突き合わせ面に対して所定角度で照射して、第１樹脂材と第２樹脂材とを溶着接合する、ことを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。 - 請求項２に記載の樹脂材のレーザ溶着方法であって、
第１樹脂材の側から第２樹脂材の接合部に向けて、レーザ光を突き合わせ面に対して１０度〜３０度の角度で照射する、ことを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。
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-
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