JP2005088355A - 樹脂材のレーザ溶着装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】透過樹脂材と吸収樹脂材とを重ね合わせて透過樹脂材側からレーザ光を照射するレーザ溶着において、透過樹脂材と吸収樹脂材のレーザ光の透過率の差が比較的小さい場合であっても、より短時間に確実に接合部を溶着させることができる樹脂材のレーザ溶着装置を提供する。
【解決手段】レーザ光ＬＢに対して透過性を有する第１樹脂材１０（透過樹脂材）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２０（吸収樹脂材）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２０ｓに向けてレーザ光を照射し、第１樹脂材と第２樹脂材とを溶着接合させる樹脂材のレーザ溶着装置であって、冷却手段４０は、レーザ光が照射されている第１樹脂材１０の表面を冷却する。そしてレーザ光を、冷却手段４０にて冷却されている第１樹脂材１０を透過させて、当該レーザ光にて第２樹脂材２０の表面を溶融させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光の透過率が異なる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装置に関する。
従来より、レーザ光に対して透過性のある透過樹脂材と、レーザ光に対して透過性のない非透過樹脂材（レーザ光をほぼ１００％吸収する樹脂材）とを重ね合わせ、透過樹脂材側からレーザ光を照射して、透過樹脂材と非透過樹脂材との接合面を溶着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１参照）。
また、溶接や切断等に用いられる従来のレーザ発振器及びレーザトーチには、一般的にアシストガスの供給装置が設けられている。このアシストガスは、燃焼反応の促進、あるいは飛散物、不要ガスを除去して加工面またはレンズ等への影響を防ぐ、溶接後の溶融部の冷却の促進等の目的で用いられている。
このような従来技術の例として、特殊な冷却手段を備えたレーザ加工ヘッドでは、溶融部から加工ヘッド側に飛散してくる溶滴（スパッタ）を固化してその飛散を防止するために、冷却手段を加工ヘッド内に備え、溶融部の上方の空間を冷却している（例えば特許文献２参照）。
また、レーザ溶接装置では、溶接部を移動させて移動先で冷却手段にて冷却し、溶接部の冷却及び凝固化を促進して垂れ落ちを抑制している（例えば特許文献３参照）。
また、軽合金ダイカスト部材の部分強化方法では、軽合金ダイカスト部材にレーザ光を照射して急速に加熱溶融させた後、当該溶融部を急速に冷却手段で冷却し、強度もしくは靭性を向上させている（例えば特許文献４参照）。
特開２００１−１０５４９９号公報 特開平１１−２２６７７０号公報 特開２００３−７１５７９号公報 特開２００３−７３７８８号公報
従来、レーザ溶着に用いられる樹脂材のレーザ光の透過率は、透過樹脂材側の透過率と吸収樹脂材（非透過樹脂材）側の透過率との差が大きいものが用いられていた。
しかし、透過率の差が小さい透過樹脂材と吸収樹脂材とを重ね合わせて透過樹脂材側からレーザ光を照射した場合、「溶融させたい吸収樹脂材側」でなく「透過させたい透過樹脂材側」がレーザ光によって加熱溶融してしまい、適切に溶着できない可能性がある。この現象を回避するにはレーザ光の出力を低下させればよいが、溶着に要する時間が非常に長くなる。
樹脂材のレーザ溶着方法（特許文献１）、レーザ加工ヘッド（特許文献２）、レーザ溶接装置（特許文献３）、軽合金ダイカスト部材の部分強化方法（特許文献４参照）等、従来の技術を用いて、透過率の差が小さい透過樹脂材と吸収樹脂材とを重ね合わせて透過樹脂材側からレーザ光を照射した場合、レーザ光を透過させたい透過樹脂材側が加熱溶融してしまう可能性がある。このため、レーザ光の出力を低下させる必要があり、溶着に要する時間が長くなる。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、透過樹脂材と吸収樹脂材とを重ね合わせて透過樹脂材側からレーザ光を照射するレーザ溶着において、透過樹脂材と吸収樹脂材のレーザ光の透過率の差が比較的小さい場合であっても、より短時間に確実に接合部を溶着させることができる樹脂材のレーザ溶着装置を提供することを課題とする。
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装置である。
請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着装置は、レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、冷却手段とを備え、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、第１樹脂材と第２樹脂材とを溶着接合させる樹脂材のレーザ溶着装置である。そして、冷却手段は、レーザ光が照射されている第１樹脂材の表面を冷却する。このように、冷却手段による第１樹脂材の表面の冷却と、レーザ光照射手段による第２樹脂材の表面の溶融とを同時に行う。
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装置である。
請求項２に記載の樹脂材のレーザ溶着装置は、請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着装置であって、冷却手段として、冷却ガス、エアーまたは冷却液のいずれかを使用する。
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装置である。
請求項３に記載の樹脂材のレーザ溶着装置は、請求項１または２に記載のレーザ溶着装置であって、レーザ光の透過率の差が２０〜３０％となるような、５０〜７０％の透過率を有する第１樹脂材と、２０〜５０％の透過率を有する第２樹脂材とを溶着接合させる。このように、レーザ光の透過率の差が比較的小さい（２０〜３０％）透過樹脂材（第１樹脂材）と吸収樹脂材（第２樹脂材）とを用いる。
請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着装置を用いれば、冷却手段にて第１樹脂材の表面を冷却するので、レーザ光による第１樹脂材の加熱溶融を抑制することができ、レーザ光による第１樹脂材の溶融を抑制しながら第２樹脂材の表面を溶融させることができる。このため、レーザ光の透過率の差が比較的小さい透過樹脂材（第１樹脂材）と吸収樹脂材（第２樹脂材）とを重ね合わせて透過樹脂材側からレーザ光を照射した場合であっても、レーザ光の出力を大きくすることができ、より短時間に確実に接合部を溶着させることができる。
また、請求項２に記載の樹脂材のレーザ溶着装置を用いれば、冷却手段を容易に実現することができる。例えばエアーを用いた場合、工場内で生産設備等に使用しているエアーを用いることができる。この場合、フィルタ等を通過させたエアーを用いれば安価な冷却手段を容易に実現することができる。
また、請求項３に記載の樹脂材のレーザ溶着装置は、レーザ光の透過率の差が比較的小さい（差が２０〜３０％程度）透過樹脂材と吸収樹脂材とを重ね合わせて透過樹脂材側からレーザ光を照射した場合であっても、レーザ光の出力を大きくすることができ、より短時間に確実に接合部を溶着させることができる。
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。
図５は、従来の樹脂材のレーザ溶着方法を示しており、レーザ光ＬＢに対して透過性を有する（所定の透過率を有する）透過樹脂材１０（第１樹脂材）と、当該透過樹脂材１０よりもレーザ光ＬＢの透過率が低い吸収樹脂材２０（第２樹脂材）とを重ね合わせて透過樹脂材１０側から吸収樹脂材２０の接合部２０ｓに向けて、レーザトーチ３０（レーザ光照射手段）からレーザ光ＬＢを照射している。なお、この例ではレーザトーチ３０内に集光手段（集光レンズ等）が設けられており、レーザ光ＬＢが接合部２０ｓに向けて集光されている。
ここで、透過樹脂材１０と吸収樹脂材２０とのレーザ光ＬＢの透過率の差が比較的小さい場合（差が２０〜３０％程度の場合）、透過樹脂材１０に吸収されるレーザ光ＬＢの量が比較的多くなる（吸収樹脂材２０にて吸収されるレーザ光ＬＢに対する透過樹脂材１０にて吸収されるレーザ光ＬＢの割合が多くなる）。
吸収されたレーザ光ＬＢは熱に変わり、この熱により透過樹脂材１０が溶融し、溶融部にて透過樹脂材１０の損傷（気泡、白濁、焼損等）が発生する場合がある。透過樹脂材１０に一旦損傷が発生すると、当該位置の透過率が低下して更にレーザ光ＬＢの吸収が促進され、損傷が助長されていく。この現象は透過樹脂材１０の表面１０ｓ（レーザ光ＬＢの照射部）で最も顕著に現れる。このため、溶融させたい吸収樹脂材２０の接合部２０ｓが溶融せずに、レーザ光ＬＢを透過させたい透過樹脂材１０の表面１０ｓが加熱溶融してしまう可能性がある。この現象が発生すると、レーザ光ＬＢは透過樹脂材１０を透過できないため、吸収樹脂材２０に到達できず、所望する吸収樹脂材２０の接合部２０ｓを溶着することが困難である。
このため、レーザ光ＬＢの出力を低下させる必要があり、溶着に要する時間が長くなる場合がある。
以下に説明する第１〜第４の実施の形態は、冷却手段を適切に用いてレーザ光ＬＢを透過させたい透過樹脂材１０の加熱溶融を抑制するので、レーザ光ＬＢの出力を低下させる必要がない。従って、溶着に要する時間を短縮することができる。
なお、透過樹脂材１０と吸収樹脂材２０の定義としては、溶着させるために透過率の異なる２種類の樹脂材を比較した場合に、透過率の高い方を透過樹脂材１０と定義し、透過率の低い方を吸収樹脂材２０と定義している。
●［第１の実施の形態におけるレーザ溶着方法（図１）］
図１に示す第１の実施の形態では、透過樹脂材１０側から吸収樹脂材２０の接合部２０ｓに向けてレーザ光ＬＢを照射するとともに、冷却手段４０（冷却媒体吐出ノズル等）にて冷却媒体４０ａ（冷却ガス、エアー、冷却液等）を、レーザ光ＬＢが照射されている透過樹脂材１０の表面１０ｓに供給する。なお、図１（Ａ）は斜視図を示し、図１（Ｂ）は断面図を示している。
これにより、透過樹脂材１０の表面１０ｓの過熱溶融を抑制することができ、透過樹脂材１０の損傷を抑制することができる。このため、透過樹脂材１０の損傷部に吸収されることなく吸収樹脂材２０の接合部２０ｓに到達させるレーザ光ＬＢの出力を減少させる必要がない。
これにより、レーザ光ＬＢの出力を従来よりも上げることができるため、溶着時間を短縮することができる。また、従来よりも出力の大きなレーザ光ＬＢを、吸収樹脂材２０の表面の接合部２０ｓに適切に到達させることができるため、溶融量を増加させることができ、溶着強度をより向上させることができる。
なお、吸収樹脂材２０の透過率を０％（吸収率１００％）とすることなく、例えば２０〜５０％の透過率の樹脂を選定した場合、レーザ光ＬＢが吸収樹脂材２０の接合部２０ｓの表面から吸収樹脂材２０の内部に透過しながら過熱溶融するため、より深く（より多くの量の）樹脂を溶融することができ、溶着強度をより向上させることができる。
また、工場内で生産設備等に使用しているエアーを用いた場合、フィルタ等を通過させたエアーを用いれば安価な冷却手段を容易に実現することができる。
●［第２の実施の形態におけるレーザ溶着方法（図２）］
図２に示す第２の実施の形態は、第１の実施の形態に対して冷却手段４０の構造が異なる。第２の実施の形態では、冷却手段４０（冷却媒体通路）を透過樹脂材１０の表面に当接するように配置し、当該冷却手段４０内に冷却媒体４０ａを流す。そして、レーザ光ＬＢを冷却媒体４０ａ、冷却手段４０、及び透過樹脂材１０を透過させて、吸収樹脂材２０の表面の接合部２０ｓに到達させる。以下、第１の実施の形態との相違点について説明する。
このとき、冷却媒体４０ａ及び冷却手段４０にはレーザ光ＬＢが透過するものを選定している。また、冷却手段４０の材質は熱伝導率が高いことが好ましい。
これにより、透過樹脂材１０の表面１０ｓの過熱溶融を抑制することができ、透過樹脂材１０の損傷を抑制することができる。また、従来よりも出力の大きなレーザ光ＬＢを、吸収樹脂材２０の表面の接合部２０ｓに適切に到達させることができるため、溶着強度をより向上させることができるとともに、溶着時間を短縮することができる。
●［第３の実施の形態におけるレーザ溶着方法（図３）］
図３に示す第３の実施の形態は、第２の実施の形態に対して冷却手段４０（冷却媒体通路）の構造が異なる。以下、第２の実施の形態との相違点について説明する。
冷却手段４０は、矩形の筒状部材の両端を上方に向けた冷媒槽４０ｂと、当該冷媒槽４０ｂの両端を接続する配管４０ｈと、配管４０ｈの一方から冷却媒体４０ａを吸引して配管４０ｈの他方に冷却媒体４０ａを吐出するポンプ４０ｐにて構成される。なお、配管４０ｈに熱交換器等を設けるようにしてもよい。
ここで、冷媒槽４０ｂに冷却媒体４０ａを入れ、ポンプ４０ｐにて冷却媒体４０ａを循環させる。このとき、冷媒槽４０ｂのレーザ光照射部表面４０ｓよりも高い位置まで冷却媒体４０ａを冷媒槽４０ｂに入れておけば、冷媒槽４０ｂの水平部（透過樹脂材１０と当接する部分）に、気泡等が入り込むことなく且つ波立つこともなく、冷媒槽４０ｂ内で冷却媒体４０ａを循環させることができる。そして、レーザ光ＬＢを冷媒槽４０ｂの上面、冷却媒体４０ａ、冷媒槽４０ｂの底面、及び透過樹脂材１０を透過させて、吸収樹脂材２０の表面の接合部２０ｓに到達させる。
これにより、透過樹脂材１０の表面１０ｓの過熱溶融を抑制することができ、透過樹脂材１０の損傷を抑制することができる。また、従来よりも出力の大きなレーザ光ＬＢを、吸収樹脂材２０の表面の接合部２０ｓに適切に到達させることができるため、溶着強度をより向上させることができるとともに、溶着時間を短縮することができる。
●［第４の実施の形態におけるレーザ溶着方法（図４）］
図４に示す第４の実施の形態は、第２の実施の形態に対して冷却手段４０（冷却媒体通路）の構造が異なる。以下、第２の実施の形態との相違点について説明する。
冷却手段４０は上蓋が開口した箱状部材であり、内部に冷却媒体４０ａが充填されている。
図４（Ａ）に示すレーザ溶着方法では、上側が透過樹脂材１０となるように透過樹脂材１０と吸収樹脂材２０とを重ね、冷却手段４０内の冷却媒体４０ａに浸している。このとき、透過樹脂材１０の表面（レーザ光ＬＢが照射される表面であり、この場合は上面）が冷却媒体４０ａに浸るようにする。そしてレーザ光ＬＢを上側から照射して、冷却媒体４０ａ及び透過樹脂材１０を透過させて、吸収樹脂材２０の接合部に到達させる。なお、冷却媒体４０ａには、レーザ光ＬＢを透過するものを選定している。
図４（Ｂ）に示すレーザ溶着方法では、図４（Ａ）とは反対に、下側が透過樹脂材１０となるように透過樹脂材１０と吸収樹脂材２０とを重ね、冷却手段４０内の冷却媒体４０ａに浸している。このとき、透過樹脂材１０の表面（レーザ光ＬＢが照射される表面であり、この場合は底面）が冷却媒体４０ａに浸るようにする。そしてレーザ光ＬＢを下側から照射して、冷却手段４０、冷却媒体４０ａ及び透過樹脂材１０を透過させて、吸収樹脂材２０の接合部に到達させる。なお、冷却手段４０及び冷却媒体４０ａには、レーザ光ＬＢが透過するものを選定している。
これにより、透過樹脂材１０の表面１０ｓの過熱溶融を抑制することができ、透過樹脂材１０の損傷を抑制することができる。また、従来よりも出力の大きなレーザ光ＬＢを、吸収樹脂材２０の表面の接合部２０ｓに適切に到達させることができるため、溶着強度をより向上させることができるとともに、溶着時間を短縮することができる。
以上、第１〜第４の実施の形態にて説明した樹脂材のレーザ溶着方法において、透過樹脂材１０及び吸収樹脂材２０は、透過性を有する透明な材質であれば、特に材質を限定しない。また、レーザ光ＬＢの透過率が約５０〜７０％の透過樹脂材１０と、レーザ光ＬＢの透過率が約２０〜５０％の吸収樹脂材２０とを選定して、透過率の差が比較的小さい場合（約２０〜３０％程度の場合）であっても、レーザ光ＬＢの出力を低下させることなく、より短時間に確実に接合部を溶着させることができる。
また、本実施の形態に示した樹脂材のレーザ溶着方法を実現するレーザ溶着装置は、レーザ光ＬＢを照射するレーザ光照射手段（レーザトーチ３０等）と、冷却手段４０とを備え、冷却手段４０にてレーザ光ＬＢが照射されている透過樹脂材１０の表面を冷却する。そして、レーザ光ＬＢを冷却手段４０にて冷却されている透過樹脂材１０を透過させて、当該レーザ光ＬＢにて吸収樹脂材２０の表面を溶融させる。
ここで、透過性を有する樹脂材におけるレーザ光ＬＢの透過率は、照射するレーザ光ＬＢの波長によって変動するため、使用するレーザ光に合わせて透過率を再確認する必要がある。
なお、発明者は本実施の形態にて説明した樹脂材のレーザ溶着装置にて、半導体レーザを用いた場合には、約７０％の透過率（半導体レーザに対する透過率）を有する透過樹脂材１０と、約５０％の透過率（半導体レーザに対する透過率）を有する吸収樹脂材２０とを、より短時間に確実に溶着接合できることを確認した。また、ＹＡＧレーザを用いた場合には、約５０％の透過率（ＹＡＧレーザに対する透過率）を有する透過樹脂材１０と、約２０％の透過率（ＹＡＧレーザに対する透過率）を有する吸収樹脂材２０とを、より短時間に確実に溶着接合できることを確認した。
本発明の樹脂材のレーザ溶着装置は、本実施の形態で示した構成、形状、外観、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。
冷却方法は、本実施の形態にて示した方法の他にも種々の方法が考えられる。また、冷却媒体４０ａ（冷却ガス、エアーまたは冷却液等）に用いるガス、液体等には、常温のガス、液体等を用いてもよいし、低温のガス、液体等を用いてもよい。また、冷却媒体４０ａには種々の媒体を用いることができる。
レーザ光ＬＢには、ＹＡＧレーザや半導体レーザ等、種々のレーザ光を用いることができる。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例である。
本発明の樹脂材のレーザ溶着装置は、「透過樹脂材１０のレーザ光の透過率」＞「吸収樹脂材２０のレーザ光の透過率」となるような、レーザ光の透過率が異なる２種類の樹脂材を、従来と比較して透過率の差の大きさに拘束されることなく選択することができるので、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。また、溶着時間を短縮し、溶着強度を向上させることができるため、作業効率及び品質を向上させることができる。
第１の実施の形態における樹脂材のレーザ溶着方法を説明する図である。 第２の実施の形態における樹脂材のレーザ溶着方法を説明する図である。 第３の実施の形態における樹脂材のレーザ溶着方法を説明する図である。 第４の実施の形態における樹脂材のレーザ溶着方法を説明する図である。 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
１０ 透過樹脂材（第１樹脂材）
１０ｓ （透過樹脂材の）表面
２０ 吸収樹脂材（第２樹脂材）
２０ｓ （吸収樹脂材の）接合部
３０ レーザトーチ
４０ 冷却手段
４０ａ 冷却媒体
ＬＢ レーザ光

Claims (3)

  1. レーザ光を照射するレーザ光照射手段と、冷却手段とを備え、
    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、第１樹脂材と第２樹脂材とを溶着接合させる樹脂材のレーザ溶着装置であって、
    冷却手段は、レーザ光が照射されている第１樹脂材の表面を冷却する、
    ことを特徴とする樹脂材のレーザ溶着装置。
  2. 冷却手段として、冷却ガス、エアーまたは冷却液のいずれかを使用する請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着装置。
  3. 請求項１または２に記載の樹脂材のレーザ溶着装置であって、
    レーザ光の透過率の差が２０〜３０％となるような、５０〜７０％の透過率を有する第１樹脂材と、２０〜５０％の透過率を有する第２樹脂材とを溶着接合させる、
    ことを特徴とする樹脂材のレーザ溶着装置。

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