JP2005305906A - 樹脂材のレーザ溶着方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 両樹脂材の継ぎ手形状を考慮する必要なしに、両樹脂材の相溶層を安定かつ広範囲に実現でき、その溶着強度を改善した樹脂材のレーザ溶着方法を提供する。
【解決手段】 レーザ光Ｌに対して吸収率の高い吸収性樹脂材１とレーザ光に対して透過率の高い透過性樹脂材２とを重ね合わせて、透過性樹脂材側からレーザ光を照射することにより、両樹脂材を溶着するレーザ溶着方法であって、レーザ光の照射によるレーザ溶着中に、両樹脂材の溶着部Ｍに超音波又は振動を加える。これにより、両樹脂材が溶融している溶融層を撹拌して、相溶層の厚さ及び範囲を拡大することができ、強固な接合が得られる。
【選択図】 図１

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とを重ね合わせて、レーザ光を照射することによって両者を溶着する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、今後採用が飛躍的に増加するものと考えられている。
従来の樹脂材のレーザ溶着方法は、図２に示されるように、透過性樹脂材２と吸収性樹脂材１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する方法が用いられている。この場合、透過性樹脂材２と吸収性樹脂材１とは重ね合わせた状態で押え治具等により加圧させ、レーザ光Ｌを照射することで溶着していた。
しかしながら、上記従来技術によって溶着された溶着断面を詳細に分析したところ、レーザ照射により両樹脂材がそれぞれ溶融・固化するものの、互いが混ざり合ったいわゆる相溶層はわずかに存在するのみであった。
実際に樹脂材としてポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）を使用してレーザ溶着を行った場合、レーザ溶着後の強度は引っ張りで３０〜５０MPaが限界となり、母材強度と比較しても接合効率が低下していることが分った。
このために、先に本出願人が提案したように吸収性樹脂材の接合部にリブを設けること等で加圧力を高めることによって、相溶層を拡大することは可能であるが、このような両樹脂材の継ぎ手形状を工夫することは加工上の問題があり、設備上で解決することが必要とされている。
本発明は、レーザ溶着性が相溶層の厚さ、高分子のからみ合いが影響する点に着目することによって発明したものであり、その目的は、両樹脂材の継ぎ手形状を考慮する必要なしに、両樹脂材の相溶層を安定かつ広範囲に実現でき、その溶着強度を改善した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、レーザ光の照射によるレーザ溶着中に、重ね合わされた透過性樹脂材と吸収性樹脂材の溶着部に対して超音波又は振動を加えるようにしたものであり、これにより、両樹脂材の相溶を活発にし、溶着部での十分な相溶層の厚さを確保でき、両樹脂材を強固且つ安定的に溶着することが可能となる。
請求項２の該レーザ溶着方法は、重ね合わされた両樹脂材に加圧力を加える押え治具に超音波振動子を兼用させたものであり、これにより、新らたに超音波振動子を設ける必要がない。
請求項３の該レーザ溶着方法は、重ね合わされた両樹脂材を振動発生器に取り付けられた振動板上に載置され、固定されるようにしたものである。
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（ａ），（ｂ）は、実施例の樹脂材のレーザ溶着方法の２つの実施例を説明する図である。レーザ溶着は、レーザ光の吸収率が高い吸収性樹脂材１とレーザ光の透過率が高い透過性樹脂材２とを重ね合わせて、両者を当接した状態で、透過性樹脂材２側からレーザ光Ｌをその接合部に照射することにより行われる。この場合、重ね合わされた吸収性樹脂材１と透過性樹脂材２とは、押え治具３等により加圧されている。
透過性樹脂材２側から照射されたレーザ光Ｌは、透過性樹脂材２を透過して吸収性樹脂材１の当接面に達し、ここで吸収される。この吸収性樹脂材１の当接面に吸収されたレーザ光Ｌがエネルギとして蓄積される結果、吸収性樹脂材１の当接面が加熱溶融されると共に、この吸収性樹脂材の当接面からの熱伝達により、透過性樹脂材２の当接面が加熱溶融される。この状態で吸収性樹脂材１と透過性樹脂材２の当接面同志（接合部）を圧着させれば、両樹脂材１，２は一体的に溶着接合することができる。
このようにして得られた溶着部Ｍでは、接合面同志が溶融されて接合されており、両樹脂材１，２が溶融して互いに入り込み絡まった状態（相溶層）が形成されている。しかしながら、従来の単に押え治具３等により加圧力を加えるだけのレーザ溶着方法では、相溶層が僅かに存在するのみで十分な接合強度を得ることができない。
そこで、本実施例では、図１（ａ）に示すように押え治具３内に超音波発生装置（図示せず）を内蔵し、押え治具３を超音波振動子として兼用させ、レーザ光Ｌの照射によるレーザ溶着中に、吸収性樹脂材１と透過性樹脂材２の溶着部Ｍに押え治具３の超音波振動子により振動を与え、樹脂溶融層を撹拌する。このように溶融層を撹拌することで、両樹脂材が溶融して互いに十分に入り込み絡み合うことができ、相溶層の厚さ及び範囲を拡大することができる。従って両樹脂材１，２の溶着部Ｍは、強固な接合状態を形成し、高い接合強度及び耐圧強度を有するようになる。
図１（ｂ）は、別の実施例を示しており、重ね合わされた吸収性樹脂材１と透過性樹脂材２とは、振動発生器５に取り付けられた振動板４上に載置され、固定されている。こうして、図１（ａ）と同様にレーザ光Ｌの照射によるレーザ溶着中に振動板４を振動させ、両樹脂材１，２の溶着部Ｍに振動を与え、樹脂溶融層を撹拌することで、両樹脂材１，２が溶融して互いに十分に入り込み絡み合うことができ、相溶層の厚さ及び範囲を拡大することができる。これにより、溶着部Ｍの強度を改善することができる。
なお、図１（ａ）及び（ｂ）において、レーザ光の走査は、レーザ光の照射側で行うことが好ましい。
以上に述べた実施例において、樹脂溶融層を攪拌する超音波振動あるいは振動は、レーザ光Ｌの照射によって溶融した樹脂を攪拌するようにその周波数、振幅、振動方向などを設定することができる。溶接工程においては、超音波振動あるいは振動を与え始めた後に、その超音波振動あるいは振動を与え続けながら、レーザ光Ｌの照射を開始して対象部位の樹脂を溶融させ始め、振動状態の下で溶融を進行させることができる。これに代えて、レーザ光Ｌを照射して対象部位の樹脂を溶融させた後に、超音波振動あるいは振動を与え始めることができる。レーザ光Ｌの照射部位の移動につれて溶融される部位が移動する場合には、振動が加えられる部位もまた移動してもよい。また、溶融した樹脂を充分に攪拌するために、樹脂が溶融状態にある間に、所定の期間にわたって振動が与られるように、レーザ光Ｌのエネルギ、照射時間などの溶融条件と、超音波振動あるいは振動の開始時期、停止時期などの振動条件とが調整される。溶接工程においては、振動状態の下で溶融した樹脂の再硬化を進行させ、樹脂が再硬化した後に振動を停止させることができる。これに代えて、振動状態を停止させた後に、樹脂の再硬化を進行させることもできる。さらに、振動を減衰させながら樹脂の再硬化を進行させることもできる。
本発明が適用される実施例においては、レーザ光Ｌの吸収率が高い吸収性樹脂材１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の透過率が高い透過性樹脂材２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、吸収性樹脂材１及び透過性樹脂材２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、吸収性樹脂材１と透過性樹脂材２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材の吸収スペクトルや板厚（透過長）等の関係で、透過性樹脂材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。
また、超音波発生装置及び振動発生装置としては、従来公知の装置を適宜使用できるものである。但し、レーザ照射効果を低下させるような振動は避ける必要がある。
以上説明したように、本実施例により、従来問題とされていたレーザ溶着部の強度を著しく向上させることができ、ケース類の気密接合だけでなく、製品構造にとって重要な部位の強度接合も可能となり、レーザ溶着の製品適用が拡大できる。
また、本実施例の樹脂材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強固に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、インテークマニホールド、サージタンク等の自動車部品、電池ケース等の電気・電子部品を好適に製造することができる。
本発明の実施の形態の樹脂材のレーザ溶着方法の２つの実施例（ａ），（ｂ）を説明する図である。 従来のレーザ溶着方法を説明する図である。
符号の説明
１…吸収性樹脂材
２…透過性樹脂材
３…押え治具（超音波振動子）
４…振動板
５…振動発生器
Ｌ…レーザ光
Ｍ…溶着部

Claims (3)

  1. レーザ光に対して吸収率の高い吸収性樹脂材と、レーザ光に対して透過率の高い透過性樹脂材とを重ね合わせて、前記透過性樹脂材越しにレーザ光を照射することにより、両樹脂材を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法において、
    レーザ光の照射によるレーザ溶着中に、前記両樹脂材の溶着部に対して超音波又は振動を加えることを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。
  2. 重ね合わされた前記両樹脂材に加圧力を加える押え治具が、超音波振動子を兼用してい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. 重ね合わされた前記両樹脂材が、振動発生器に取り付けられた振動板上に載置され、固定され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。
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