JP2005246913A - 樹脂材のレーザ溶着方法 - Google Patents

樹脂材のレーザ溶着方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 引け巣、ボイド等の溶着欠陥部の発生を防止することができる樹脂材のレーザ溶着方法を提供する。
【解決手段】 本発明のレーザ溶着方法では、レーザ光Ｌに対して吸収性のある第１の樹脂材２１と、レーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材２２とを重ね合わせ、この接合部で所定の間隔をあけた２本の溶着線Ｍ1，Ｍ2上を２つのレーザ光Ｌ1，Ｌ2がそれぞれ走査することによって両樹脂材を予備溶着し、次いで該２本の溶着線の略中間をレーザ光Ｌ3が走査することによって、両樹脂材を本溶着するものである。この場合、予備溶着部が固化した後に本溶着を行うことが好ましい。予備溶着のレーザ光と本溶着のレーザ光とを同時に照射するようにしてもよい。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レーザ光に対して透過性のある樹脂材と吸収性のある樹脂材からなり、透過性樹脂材越しにレーザ光を照射することで吸収性樹脂材を発熱させ、その熱により樹脂材を溶融することで両者を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法に関する。
従来より、レーザ光に対して透過性のある樹脂材と吸収性のある樹脂材とを重ね合わせて、その接合部に透過性樹脂材越しにレーザ光を照射することで、吸収性樹脂材を発熱させ互いを溶融することで両者を溶着するレーザ溶着は、知られている。このようなレーザ光による樹脂材の溶着技術は、レーザの低価格化とともに、製品の小型化、コストダウン及び高信頼性のニーズへの貢献が期待されている。またこのレーザ溶着工法は、従来の工法と比較して非接触、３次元加工が可能となることから、従来採用が飛躍的に増加するものと考えられている。
従来の樹脂材の溶着方法は、図（ａ）、（ｂ）に示されるように、透過性樹脂材２２と吸収性樹脂材２１との接合部に単一光のレーザ光Ｌを逐次照射して溶着Ｍする方法か、或いは、特許文献１に示されるようにレーザ光を２方向又はそれ以上の多方向から接合部に集光されるように照射して溶着する方法が用いられている。
特開２００２−３３１５８８号公報
しかしながら、上記した従来技術のレーザ溶着方法では、溶融して流動性のある樹脂が溶着部以外にはみ出す（バリとなって出る）ことで、溶融内部の圧力が抜け、引け巣やボイド等の空隙が発生するという問題があった。この問題を回避するために、両樹脂材の継ぎ手形状で溶着部を閉空間とする方法も考えられるが、この場合は、部品精度の悪い成形材料で寸法精度を確保することが難しい。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、引け巣、ボイド等の溶着欠陥部の発生を防止することができる樹脂材のレーザ溶着方法を提供することである。
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法を提供する。
請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂材と、レーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材とを重ね合わせ、この接合部で所定の間隔をあけた２本の溶着線上を２つのレーザ光がそれぞれ走査することによって両樹脂材を予備溶着し、次いでこの２本の溶着線の略中間をレーザ光が走査することによって両樹脂材を本溶着するものであり、これにより、予備溶着によって溶着される２本の溶着線によって、両樹脂材の２つの溶着部間に閉空間が形成され、次いでこの閉空間を本溶着することで溶融内部の内圧が抜けることがないので、溶着部に引け巣、ボイド等の欠陥が発生することを防止できる。
請求項２の該レーザ溶着方法は、予備溶着の際の２つのレーザ光が本溶着の際の１つのレーザ光よりも先行するように３つのレーザ光の照射位置をずらして配置し、この３つのレーザ光を同時に照射するようにしたものである。即ち、予備溶着の２つのレーザ光から遅れて本溶着の光ビームが照射させるようにすることによって、一回の走査で予備溶着と本溶着とを行うことができ、作業時間を短縮できる。
請求項３の該レーザ溶着方法は、予備溶着の際のレーザ光と本溶着の際のレーザ光とでレーザ出力を変えるようにしたものであり、これにより、予備溶着の際はレーザ光の出力を小さくして、溶着幅を小さくすることもできる。
請求項４の該レーザ溶着方法は、予備溶着を行うに際して、治具等により両樹脂材に押圧力を加えるようにしたものであり、これにより、両樹脂材の密着性を向上できるので、予備溶着のレーザ光のレーザ出力を小さくすることができる。
請求項５の該レーザ溶着方法は、本溶着で両樹脂材に加えられる押圧力を解除するようにしたものであり、これにより、本溶着では例えば加圧のいらない治具を使用することもできるので、作業工程を簡素化できる。
以下、図面に従って本発明の実施の形態の樹脂材のレーザ溶着方法について説明する。図１は、レーザ溶着設備の概略の構成を示す全体構成図であり、図２は、レーザ溶着機の側面図である。レーザ溶着設備は、レーザ光Ｌをワーク２に対して照射するレーザ溶着機１と、ワーク２をセットする治具３と、治具３を保持するＸＹテーブル４等から構成されている。またレーザ溶着機１は、レーザ発生装置１１、光ファイバ１２及びレーザ光Ｌの出射光学系である光学ヘッド１３等よりなる。この光学ヘッド１３は、図２に示すようにロボット１４によって把持されており、レーザ光Ｌの照射角度及び照射位置とがロボット１４を操作することによって変えられるようになっている。また、ワーク２がセットされる治具３はＸＹテーブル４に保持されており、ＸＹテーブル４をＸ軸方向又はＹ軸方向に移動することにより、ワーク２自体がＸ軸及びＹ軸方向に移動できるようになっている。なお、ＸＹテーブル４はＸＹ平面上で回転することもできる。したがって、レーザ光Ｌの走査は、光学ヘッド１３の移動によって行ってもよいし、又は、ワーク２側の移動によって行ってもよい。ＸＹテーブル４は、加工室５内に配設されている。
ワーク２がセットされる治具３は、下治具３１、押え治具３２及び押えボルト３３等からなっており、ワーク２は下治具３１及び押え治具３２間に加圧挟持される形でセットされる。ワーク２を挟持する加圧力は、押えボルト３３によって調整可能である。なお、押え治具３２には、照射されるレーザ光Ｌを通すための開口が形成されている。
ワーク２は、重ね合わせ溶着の場合は、レーザ光Ｌを吸収する第１の樹脂材２１とレーザ光Ｌを透過する第２の樹脂材２２とからなり、レーザ溶着を行うにあたっては、これらの第１の樹脂材２１と第２の樹脂材２２とが、レーザ光Ｌを照射する側に第２の樹脂材２２がくるように治具３によって重ね合わされてセットされ、両樹脂材２１，２２の接合部である溶着線Ｍに沿ってレーザ溶着される。この接合部の密着性を良くするために、両樹脂材２１，２２は治具３によって押圧挟持される。
レーザ光Ｌを吸収する第１の樹脂材２１の種類としては、熱可塑性を有し、レーザ光Ｌを透過せずに吸収し得るものであれば特に限定されない。例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、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）、アクリル（ＰＭＭＥ）等の樹脂材に、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使用することができる。
レーザ光Ｌを透過する第２の樹脂材２２の種類としては、熱可塑性を有し、レーザ光Ｌに対して所定以上の透過率を有するものであれば特に限定されない。基本的に上記に例示した樹脂材が使用可能である。また透過性を確保できれば、着色材を混入してもよい。
なお、第１及び第２の樹脂材２１，２２には、必要に応じてガラス繊維やカーボン繊維などの補強繊維を添加してもよい。
また、レーザ光Ｌに対して吸収性のある第１の樹脂材２１とレーザ光Ｌに対して透過性のある第２の樹脂材２２との組み合わせについては、互いに相溶性のあるもの同志の組み合わせが好適である。このような組み合わせとして、同種の樹脂同志の組み合わせの他、異種の樹脂の組み合わせも可能である。
加熱源として用いるレーザ光Ｌの種類としては、レーザ光Ｌを透過させる透過性樹脂の吸収スペクトルや板厚（透過長）等の関係で、透過性樹脂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択される。例えば、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ガラス−ネオジウムレーザ、ルビーレーザ、ヘリウム−ネオンレーザ、クリプトンレーザ、アルゴンレーザ、水素レーザ、窒素レーザ等を用いることができる。
図３は、本発明の実施の形態のレーザ溶着方法を説明する図であり、図４は、（ａ）予備溶着と（ｂ）本溶着を説明する図である。従来技術においては、図６（ａ）に示されるように、光学ヘッド１３から１つのレーザ光Ｌが照射されるようになっていたが、本発明では、光学ヘッド１３から３つのレーザ光Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3が照射されるようになっており、これら３つのレーザ光Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3のそれぞれの焦点が略２等辺三角形を形成するように照射される。この略２等辺三角形の底辺側に位置する２つのレーザ光Ｌ1，Ｌ2によって、図４（ａ）に示されるような予備溶着が行われ、頂角に位置するレーザ光Ｌ3によって、図４（ｂ）に示されるような本溶着が行われる。そのためレーザ光Ｌ1，Ｌ2は、レーザ光Ｌ3よりも先行した位置にある。
第１の樹脂材２１と第２の樹脂材２２とが重ね合わされたワーク２が、治具（図示せず）等により加圧されＸＹテーブル４上にセットされ、Ｘ軸方向移動機構４１及びＹ軸方向移動機構４２等を適宜操作することにより、レーザ発生装置１１で発生し、光ファイバ１２を経て光学ヘッド１３から照射されるレーザ光Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3の走査が、それぞれの溶着線Ｍ1，Ｍ2，Ｍ3に沿って行われる。このようにして、先行するレーザ光Ｌ1，Ｌ2によって図４（ａ）に示される予備の溶着部（溶着線）Ｍ1，Ｍ2が形成される予備溶着が行われ、次いで後行するレーザ光Ｌ3によって図４（ｂ）に示されるように予備の溶着部Ｍ1，Ｍ2間に本溶着部Ｍ3が形成される本溶着が行われる。この場合、予備の溶着部Ｍ1，Ｍ2が固化した後に本溶着のレーザ光Ｌ3が照射されるように光学ヘッド１３がレイアウトされている。このようにして、ワーク２の溶着を完了する。
上記の説明においては、１つの光学ヘッド１３から３つのレーザ光Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3が同時に照射される場合について説明しているが、３つのレーザ光Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3がそれぞれ別の光学ヘッドから時間差をおいて照射されるようにしてもよいし、或いは予備溶着のレーザ光Ｌ1，Ｌ2と本溶着のレーザ光Ｌ3とを別の光学ヘッドから時間差をおいて照射されるようにしてもよい。更には、１つのレーザ光を利用して、溶着線Ｍ1，Ｍ2，Ｍ3を順番に走査するようにしてもよい。要は、本発明のレーザ溶着方法は、先ず所定の間隔をあけて予備の溶着部Ｍ1，Ｍ2を形成し、その後で予備の溶着部Ｍ1，Ｍ2間で本溶着を行うようにすることである。
図５は、レーザ分光方法を説明する図であり、（ａ）はスプリッタを、（ｂ）は回折光学部品を使用した場合を示している。図５（ａ）では、ビームスプリッタ１５と折り返しミラー１６とをビームの移送系に設けることによって、レーザ発生装置１１から送られてくるビーム光を分光している。即ち、レーザ発生装置１１から送り出されるビーム光Ｌは、ビームスプリッタ１５で第１ビーム光Ｌ1と第２ビーム光Ｌ2とに分光され、第１ビーム光Ｌ1はビームスプリッタ１５をそのまま通過して光ファイバ１２によって出射光学系である第１光学ヘッド１３Ａから照射され、ビームスプリッタ１５で分光された第２ビーム光Ｌ2は折り返しミラー１６によって反射され、光ファイバ１２によって出射光学系である第２光学ヘッド１３Ｂから照射される。
図５（ｂ）は、レーザ光Ｌを回折光学系である回折光学部品１７によって３つのレーザ光Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3に分光し、集光レンズ１８を介して分光されたレーザ光をそれぞれ照射するようにしている。
なお、レーザ光の分光方法に関しては、適宜他の公知の方法も採用可能である。
本発明のレーザ溶着方法によれば、樹脂材同志をレーザ光により溶着させることができ、樹脂の損傷もないため、例えばインストルメントパネル等の自動車部品、電池ケース等の電気・電子部品を製造するのに好適である。
以上説明したように、本発明のレーザ溶着方法においては、まず所定の間隔をあけた２本の溶着線に沿って２つのレーザ光を同時又は別々に照射することによって予備溶着を行い、その後に予備の溶着部間をレーザ光を走査させることによって本溶着を行っているので、本溶着の際には、予備の２つの溶着部が壁となり閉空間を形成するので、圧力が抜けることがなく、本溶着部における引け巣、ボイド等の発生による欠陥部の形成が防止できる。
レーザ溶着設備の概略の全体構成を示す図である。 レーザ溶着機の側面図である。 本発明の実施の形態のレーザ溶着方法について説明する図である。 （ａ）は予備溶着を説明する図であり、（ｂ）は本溶着を説明する図である。 レーザ光の分光方法（ａ），（ｂ）を説明する図である。 従来技術のレーザ溶着方法を示す図である。
符号の説明
１…レーザ溶着機
１１…レーザ発生装置
１３，１３Ａ，１３Ｂ…光学ヘッド
２…ワーク
２１…第１の樹脂材
２２…第２の樹脂材
３…治具
４…ＸＹテーブル
Ｌ，Ｌ1，Ｌ2，Ｌ3…レーザ光
Ｍ，Ｍ1，Ｍ2，Ｍ3…溶着線（溶着部）

Claims (5)

  1. レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂材と、レーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材とを重ね合わせ、この接合部にレーザ光を前記第２の樹脂材を通して照射し、前記接合部を溶融して両樹脂材を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法において、
    ２つのレーザ光が、所定の間隔をあけた２本の溶着線上をそれぞれ走査することによって前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材とを予備溶着し、次いで前記２本の溶着線の略中間を、レーザ光が走査することによって前記両樹脂材を本溶着することを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。
  2. 前記予備溶着の際の２つのレーザ光が、前記本溶着の際の１つのレーザ光よりも先行するように３つのレーザ光の照射位置をずらして配置し、該３つのレーザ光を同時に照射することを特徴とする請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
  3. 前記予備溶着の際のレーザ光と前記本溶着の際のレーザ光とで、レーザ出力を変えることを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
  4. 前記予備溶着を行うに際し、治具等により前記両樹脂材に押圧力を加えることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
  5. 前記本溶着では、前記両樹脂材に加えられる押圧力を解除することを特徴とする請求項１，２又は３に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
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