JP2005536373A - ポリエステル樹脂組成物の物品を一体にレーザー溶接する方法、および関連する製品 - Google Patents

ポリエステル樹脂組成物の物品を一体にレーザー溶接する方法、および関連する製品 Download PDF

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Abstract

レーザービーム透明性ポリエステル物品とレーザービーム不透明性ポリエステル物品とを一体にレーザー溶接する方法。この方法は、1000cm/分以下の走査速度において100W以下のエネルギー量のレーザービームの使用に限定され、これによって物品が一体に溶接されて高い溶接強度が維持される。

Description

本発明は、熱可塑性ポリエステル樹脂の複数の物品(両方の物品が同じポリエステルで製造されている、または物品は互いに異なるポリエステルで製造されている)を一体に溶接する方法に関し、特に、互いに接触するように配置された物品の接合部に、レーザービームを使用してエネルギーを加え、それによって物品の接合部を溶融させて、一体に接合させることによって、熱可塑性ポリエステル樹脂の複数の物品を一体に溶接する方法に関する。
熱板溶接、インダクタンス溶接、抵抗溶接、回転溶接、角度溶接、超音波溶着、および振動溶着などの、熱可塑性樹脂から製造された成形物品の種々の溶接方法が存在する。各溶接技術は利点および欠点を有する。
物品の表面が接触するように2つの物品を配置し、表面の接合部または界面に合焦される所定量のレーザービームを送り、接合部を溶融させて一体に接合させることによる、それぞれレーザービームに対して不透明であるものと、レーザービームに対して透明であるものとの2種類のプラスチック物品を一体に接合させるためのレーザー溶接に最近の関心は向けられている。この方法はレーザー溶接と呼ばれることが多い。
たとえば、図1を参照すると、第1の物品2と、表面4を有する第2の物品3とが提供されている。典型的なレーザー溶接方法においては、第1の物品2はレーザービーム1に対して「透明」であり、すなわち、第1の物品2はレーザービーム1に対して高い透過率を有し、第2の物品3はレーザービーム1に対して「不透明」であり、すなわち、第2の物品3はレーザービーム1に対して高い吸収率を有する。したがって、レーザービーム1が、表面4で接合される第1の物品2および第2の物品3に向けられると、レーザービーム1は第1の物品2を介して第2の物品3に送られる。典型的には、レーザービーム1は、第1および第2の物品2および3を矢印Aの方向に横断または走査する。第2の物品3およびその表面4はレーザービーム1のエネルギーを吸収し、それによって表面4を溶融させ、次にこれを第1の物品2と接触させて押し付けることによって、第1の物品2と第2の物品3とが一体に溶接される。
レーザー溶接は、たとえば、自動車産業または電気電子産業に使用される溶接プラスチック部品の製造において、種々の用途でプラスチック部品を組み立てるのに有用である。レーザー溶接によっていくつかの利点が得られ、たとえば、レーザー溶接は単純な作業を必要とするので、労働力が節約され、生産性が改善され、製造コストが軽減されることが多い。
以上より明らかなように、プラスチック物品のレーザー溶接には、好適な透過率および好適な吸収率の両方を有する樹脂の選択が必要である。
ポリエステルなどの熱可塑性樹脂と、得られる混合物中のレーザーエネルギーの熱への変換を制御するために加えられる有機染料または顔料を含有する着色剤との、レーザー溶接に使用するための種々の混合物が提案されている。たとえば(特許文献1)、および(特許文献2)を参照されたい。
米国特許公報(特許文献3)には、接合領域に沿ってレーザービームによって一体に接合される透明な工作物部品および不透明な工作物部品が開示されており、溶接後にも実質的に均質な視覚的印象が得られるように、どちらの工作物部品もカーボンブラックなどの黒色染料顔料を含有する。
特公昭62−49850号公報 特公平05−042336号公報 米国特許第5,893,959号明細書
しかし、ポリエステルは、近赤外領域において放射線の透過性が比較的低いためレーザー溶接に適していると常に考えられているわけではない。この低い透過性のため、物品の接合部において溶接強度が低くなることがある。
しかしこれまで、ポリエステルのレーザー溶接のある条件は、十分に対処されていなかった。このような条件としては、レーザービーム透過力、レーザービーム源と物品の接合部におけるレーザービームの衝突位置との間の焦点距離、および十分な溶接強度を有するプラスチック物品を製造するために必要なレーザービーム透過時間が挙げられる。
本発明は、レーザービーム透明性ポリエステル物品とレーザービーム不透明性ポリエステル物品とを一体にレーザー溶接する方法であって、互いに接触するように物品を配置して、それらの間に接合部を画定する工程と、1000cm/分以下の走査速度で接触領域上に合焦される100W以下のエネルギーを有するレーザービームを送り、それによって分解させることなく接合部を溶融させ、およびポリエステル物品を一体に接合する工程とを含む方法に関する。
本発明は、レーザービーム透明性ポリエステル物品と、レーザービーム不透明性ポリエステル物品とを一体にレーザー溶接する方法に関する。より詳細には、本発明者らは、このように形成されたレーザー溶接部の強度の動力学が、レーザー溶接方法に使用されるある条件と関連があることを発見した。
本発明の「ポリエステル組成物」は、少なくとも1種類のポリエステルと、場合によっては後述の種々の添加剤および成分とを含む。
本明細書で使用される用語「ポリエステル」は好ましくは、内部粘度が0.3以上であり、一般に、グリコールおよびジカルボン酸、またはそれらの反応性誘導体の線状飽和縮合生成物であるポリマーを含む。好ましくは、これらは、8〜14個の炭素原子を有する芳香族ジカルボン酸と、ネオペンチルグリコール、シクロヘキサンジメタノール、および式HO(CHOHを有し式中のnが2〜10の整数である脂肪族グリコールから選択される少なくとも1種類のグリコールとの縮合生成物を含む。50モル%までの芳香族ジカルボン酸を、8〜14個の炭素原子を有する少なくとも1種類の異なる芳香族ジカルボン酸で置き換えることができ、および/または20モル%までを2〜12個の炭素原子を有する脂肪族ジカルボン酸で置き換えることができる。
好ましいポリエステルとしては、ポリエチレンテレフタレート、ポリ(1,4−ブチレン)テレフタレート、1,4−シクロへキシレンジメチレンテレフタレート/イソフタレートコポリマー、ならびに芳香族ジカルボン酸とグリコールとから誘導されるその他の線状ホモポリマーエステルが挙げられる。好ましい芳香族ジカルボン酸としては、イソフタル酸;ビ安息香酸;1,5−、2,6−、および2,7−ナフタレンジカルボン酸などのナフタレンジカルボン酸;4,4’ジフェニレンジカルボン酸;ビス(p−カルボキシフェニル)メタン;エチレン−ビス−p−安息香酸;1,4−テトラメチレンビスp−オキシ安息香酸;エチレンビスp−オキシ安息香酸;および1,3−トリメチレンビスp−オキシ安息香酸が挙げられる。好ましいグリコールとしては、2,2−ジメチル−1,3−プロパンジオール;ネオペンチルグリコール;シクロヘキサンジメタノール;および一般式HO(CHOHを有し式中のnが2〜10の整数である脂肪族グリコール、たとえば、エチレングリコール;1,3−トリメチレングリコール;1,4−テトラメチレングリコール;1,6−ヘキサメチレングリコール;1,8−オクタメチレングリコール;1,10−デカメチレングリコール;1,3−プロピレングリコール;および1,4−ブチレングリコールよりなる群から選択されるグリコールが挙げられる。前述したように20モル%までの、好ましくはアジピン酸、セバシン酸、アゼライン酸、ドデカン二酸、または1,4−シクロヘキサンジカルボン酸が存在することができる。
本発明の最も好ましいポリエステル組成物は、ポリエチレンテレフタレートホモポリマー、ポリブチレンテレフタレートホモポリマー、ポリエチレンテレフタレート/ポリブチレンテレフタレートコポリマー、ポリエチレンテレフタレートコポリマー、ポリエチレンテレフタレート/ポリブチレンテレフタレート混合物、および/またはその混合物を主成分とするが、単独、または本明細書に記載されるあらゆるポリエステルとの組み合わせのいずれかで、あらゆる他のポリエステルも存在することができる。
本発明のポリエステル組成物は、ポリエステル組成物の全重量を基準にして、好ましくは1重量%までの量、より好ましくは最大0.7重量%の量、さらにより好ましくは0.4重量%までの核剤を含むことができる。
従来の添加剤を本発明のポリエステル組成物に加えることができる。たとえば、難燃性を向上させるために難燃剤および難燃助剤を加えることができ、耐熱性を向上させ変色を紡糸するために酸化防止性および熱安定剤を加えることができる。その他の添加剤としては、充填剤、補強剤、衝撃改質剤、粘度調整剤、潤滑剤、可塑剤、離型剤、およびUV安定剤が挙げられる。
本発明のレーザービーム透明性ポリエステル組成物(以下に規定される)は、溶接後でさえも実質的に均一の視覚的印象が得られるように黒色着色剤を含有することができる。これは、たとえば自動車用途で一般的に実施されており、これより成形された物品を、カーボンブラックおよびニグロシンなどのレーザービーム吸収性着色剤を含むレーザービーム不透明性ポリエステル部品と、同じ黒色にするために実施される。これによって、得られるレーザー溶接された部品は、均一な黒色の外観を有する。黒色着色剤の好ましい量は好ましくはポリエステル組成物の0.01〜1重量%である。着色剤の量は、レーザー溶接と関連する種々の性質が必要な用途によっても決定することができる。
黒色着色剤は好ましくは、可視光領域(400〜700nm)において吸収を示し、ダイオードレーザーからほぼYAGレーザーまでの領域(800〜1200nm)で透過性を示す。可視光領域(400〜700nm)において部分的に吸収性を示し、ダイオードレーザーからほぼYAGレーザーまでの領域(800〜1200nm)で透過性を示すすべての染料を、上記黒色着色剤として使用することができる。たとえば、可視光領域を吸収する1つの構造を有する黒色染料の2種類以上の染料を混合して、可視光領域で吸収性を有する混合黒色染料を得ることも考慮することができる。
レーザービーム透明性物品の黒色着色剤中に使用される染料の好ましい例として、モノアゾ金属染料、アントラキノン染料、ペリノン染料およびキノフタロン染料を挙げることができる。それぞれを単独で使用することもできるし、他との任意の組み合わせで使用することもできる。
本発明のポリエステル組成物は、あらゆる混合方法を使用してすべての成分材料を混合することによって得ることができる。これらの混合成分は、一般にできる限り均質となることが好ましい。具体としては、ブレンダー、ニーダー、バンバリー(Banbury)ミキサー、ロール押出機などのミキサーを使用してすべての成分材料を均質に混合することで、樹脂組成物が得られる。あるいは、一部の材料をミキサーで混合し、続いて残りの材料を加えて均質となるまでさらに混合することもできる。あるいは、あらかじめ材料を乾式混合することができ、続いて加熱押出機を使用して均質となるまで溶融混練して、次に針状に押し出した後、所望の長さに切断して粒状にされる。
本発明のポリエステル組成物の物品への成形は、当業者に公知の方法に従って実施することができる。射出成形、押出成形、加圧成形、発泡成形、吹込成形、真空成形、射出吹込成形、回転成形、カレンダー成形、および溶液流延成形などの成形方法を使用することが一般に好ましい。
本発明は、レーザービーム透明性ポリエステル物品とレーザービーム不透明性ポリエステル物品とを一体にレーザー溶接する方法であって、互いに接触するように物品を配置して、それらの間に接合部を画定する工程と、1000cm/分以下、好ましくは300cm/分の走査速度で接触領域上に合焦される100W以下のエネルギーを有するレーザービームを送り、分解させることなく接合部を溶融させ、およびポリエステル物品を一体に接合する工程とを含む方法を含む。
本発明によると、上記条件下で前記接合部において接合させた熱可塑性ポリエステルから製造された物品の溶接強度は比較的高く、剪断速度2mm/分における典型的な剪断強度が20MPa以上であり、物品の接合部に加えられるレーザービーム出力に対応して変動する。
ポリエステル物品の厚さが変化する場合、通常は作業条件の変更が必要となる。部品の厚さが増加する場合にはレーザー出力の増加またはレーザー走査速度の低下が行われることが多く、逆に、部品の厚さが薄くなる場合にはレーザー出力の低下またはレーザー走査速度の増加が行われることが多い。
好ましくは、レーザー溶接物品は、レーザー溶接の使用に好適な吸収率を有する少なくとも1種類のプラスチック部品(「吸収性部品」または「レーザービーン不透明性物品」)と、前述の最も一般的なポリエステル成形用組成物によって選択されるポリエステル組成物から製造される少なくとも1種類のプラスチック部品(「透過性物品」または「レーザービーム透明性物品」)とを含む。あらゆる「吸収性部品」は、1つ以上の界面あらゆる「透過性部品」とレーザー溶接することができ、透過性部品と同じポリエステルで製造されてもよいし、透過性部品とは異なるポリエステルで製造されてもよい。より好ましくは、レーザー溶接物品は、2つ以上の「吸収性部品」、および2つ以上の「透過性部品、および部品間の複数の界面または接合部を含み、すなわち、あらゆる部品をあらゆる別の1つ以上の部品と、1つ以上の界面でレーザー溶接することができる。当然ながら、これらの部品は、形状、寸法、大きさ、および組成が異なっていてもよい。
レーザービーム透明性部品と吸収性部品とが、100W以上の比較的高い出力で一体に接合される場合、吸収性部品の着色剤の重量%値が、黒色着色剤としてカーボンブラックを使用する場合に0.15重量%を超え、黒色着色剤としてニグロシンを使用する場合に1.0重量%を超えると好ましいことが分かった。好ましくは、好適な吸収率を有するプラスチック部品は、ポリエステル組成物から製造された部品であり、好ましくは、800nm〜1200nmの範囲内の波長を有するあらゆるレーザーを吸収する。
本発明のレーザー溶接物品を製造するために使用すると好ましいレーザーは、800nm〜1200nmの範囲内の波長を有するあらゆるレーザーである。特に好ましいレーザーを実施例に記載している。
以下の実施例は本発明の好ましい実施態様を例示しており、本発明がこれらの実施例に限定されるものではない。
実施例で使用した成分を以下のように区別する:
PET1:以下の成分、a)テレフタル酸とエチレングリコールとから得られるポリエチレンテレフタレートであって、フェノールおよびジクロロベンゼンの重量比1/1の混合溶液中1%溶液として25℃で測定した固有粘度が0.85であるポリエチレンテレフタレートと、b)チバガイギー・カンパニー(Ciba Geigy Co.)製造の酸化防止剤:イルガノックス(Irganox)1010(商品名)と、c)PPGカンパニー(PPG Co)製造のガラス繊維:チョップドガラス繊維PPG 3563(商品名)とを混合することで得られる、30%ガラス繊維強化PET。
PET2:以下の成分、a)テレフタル酸とエチレングリコールとから得られるポリエチレンテレフタレートであって、フェノールおよびジクロロベンゼンの重量比1/1の混合溶液中1%溶液として25℃で測定した固有粘度が0.78であるポリエチレンテレフタレートと、b)チバガイギー・カンパニー(Ciba Geigy Co.)製造の酸化防止剤:イルガノックス(Irganox)1010(商品名)と、c)PPGカンパニー(PPG Co)製造のガラス繊維:チョップドガラス繊維PPG 3563(商品名)と、d)核剤:ナトリウム塩(ヒミラン(Himilan)(登録商標)、三井・デュポンポリケミカル株式会社(Mitsui−DuPont Polychemical K.K.)製造)と、e)ライオン株式会社(Lion K.K.)製造の可塑剤:ライオノンDEH40(Lionon DEH40)(商標)とを混合することで得られる、30%ガラス繊維強化PET。
PBT:テレフタル酸と1,4−ブタンジオールから得られるポリブチレンテレフタレートであって、フェノールおよびジクロロベンゼンの重量比1/1の混合溶液中1%溶液として25℃で測定した固有粘度が0.85であるポリブチレンテレフタレート、b)チバガイギー・カンパニー(Ciba Geigy Co.)製造の酸化防止剤:イルガノックス(Irganox)1010(商品名)、およびc)PPGカンパニー(PPG Co)製造のガラス繊維:チョップドガラス繊維PPG 3563(商品名)。
カーボンブラック:キャボット・コーポレーション(Cabot Corp.)製造のポリエチレンで希釈された30%黒色マスターバッチ。
ニグロシン:ポリエチレンで希釈された50%黒色マスターバッチ。
以下の表1および2に示される黒色着色剤のパーセント値は、他に明記しない限りは重量%で記載されている。
以下の表1および2に示される混合物を混合して、図2に示される全体形状を有する2つの試験棒11に射出成形した。この棒の寸法は以下の通りである:試験片全体の厚さは3mmであり段を画定するために1.5mmまで減少し、試験片の全体の長さは80mmであり段を画定する長さ20mmを有し、試験片の全体の幅は20mmである。試験片の射出成形は、スミトモ(Sumitomo)製造の名称ネットスタル・サイキャップ165/75(Netstal Sycap165/75)の射出成形機を使用して行った。溶融温度は、それぞれPETの場合290℃、PBTの場合270℃であり、成形温度は、PETの場合100℃、PBTの場合80℃であった。
図1に概略的に示されるように、ロフィン−シナール(Rofin−Sinar)のDLx50S上のダイオードレーザー(940nm、焦点におけるビーム直径:3mm、最大出力500W)を使用して、実施例1〜12の成形試験片をレーザー溶接した。
島津製作所(Shimadzu Seisakusho)のAG20kNDを使用して剪断速度2mm/分で、溶接した試験片の引張剪断強度を測定した
表2に示される樹脂について数種類の溶接条件下において収集した剪断強度データを図3〜6にプロットした。図3〜6から、表2に記載される各試料の溶接強度の最大値、およびリースで80%のピーク強度が維持される溶接で得られたレーザー出力範囲を確認できた。これらの結果は表1および2にも、それぞれEおよびIとして含まれている。
図7は、高い溶接強度を維持するために、100W以下のレーザービームエネルギーおよび1000cm/分以下の走査速度を維持した場合の耐久性を示している。
以下の表1において、「BK着色剤の種類およびBK%含有率」の列は、黒色着色剤の種類と、ポリエステル組成物中のその重量%とを示しており、BK−Aは前述のカーボンブラックである。
表1および図3のデータから分かるように、レーザービーム出力および走査速度が低下すると、溶接強度が比較的高くなる。
Figure 2005536373
以下の表2において、「BK着色剤の種類およびBK%含有率」の列は、黒色着色剤の種類と、ポリエステル組成物中のその重量%とを示しており、BK−Aはカーボンブラックであり。BK−Aはカーボンブラックであり、BK−Bは前述のニグロシンである。
Figure 2005536373
以上の結果は、レーザービーム不透明性物品を製造するためにポリエステル組成物中に含まれる黒色着色剤の量が溶接強度に影響を与えることを明確に示している。上記データから分かるように、本発明の0.15重量%未満のカーボンブラックまたは0.6重量%未満のニグロシンを含有するポリエステル組成物またはその混合物は、比較例と比べて溶接強度が改善されている(実施例5、6、7、9、11、および12)。
好ましい実施態様であると現在見なされる実施態様に関して本発明を説明してきたが、本発明が開示される実施態様に限定されるものではないことを理解されたい。逆に、本発明は、添付の特許請求の範囲の意図および範囲内に含まれる種々の修正ならびに等価の変更を含むことを意図している。特許請求の範囲は、すべてのこのような変形および等価の配合および機能を包含するように最も広い解釈が与えられる。
レーザー溶接方法の概略図である。 レーザー溶接のためのポリエステル試験片の斜視図である。 500〜2,000cm/分の範囲の3つの異なるレーザービーム走査速度における、レーザー出力(約150Wまで)の関数としての溶接した試験片の剪断強度のグラフである。 レーザービーム透明性ポリエステル物品中に使用した着色剤(BK−A)の4種類の異なる量における、レーザー出力の関数としての溶接した試験片の剪断強度のグラフである。 レーザービーム不透明性ポリエステル物品に使用した着色剤(BK−B)の2種類の異なる量における、レーザー出力の関数としての溶接した試験片の剪断強度のグラフである。 レーザービーム透明性物品中およびレーザービーム不透明性ポリエステル物品中にそれぞれ使用される着色剤BK−AおよびBK−Bの3種類の異なる量における、レーザー出力の関数としての溶接した試験片の剪断強度のグラフであり、各着色剤量において重量%BK−A=重量%BK−Bである。 100〜2,000cm/分の範囲の6種類の異なるレーザービーム走査速度における、レーザー出力(約200Wまで)の関数としての溶接した試験片の剪断強度のグラフである。

Claims (9)

  1. レーザービーム透明性ポリエステル物品とレーザービーム不透明性ポリエステル物品とを一体にレーザー溶接する方法であって、互いに接触するように前記物品を配置して、それらの間に接合部を画定する工程と、1000cm/分以下の走査速度で接触領域上に合焦される100W以下のエネルギーを有するレーザービームを送り、それによって分解させることなく前記接合部を溶融させ、および前記ポリエステル物品を一体に接合する工程とを含むことを特徴とする方法。
  2. 前記レーザービームのエネルギーが100W以下であり、300cm/分以下の走査速度で前記接触領域上に合焦されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 前記レーザービームのエネルギーが70W以下であり、300cm/分以下の走査速度で前記接触領域上に合焦されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  4. 前記レーザービーム透明性ポリエステル物品および前記レーザービーム不透明性ポリエステル物品が、ポリエチレンテレフタレートおよびポリブチレンテレフタレートよりなる群から選択されるポリエステル組成物から製造され、前記レーザービーム透明性物品および前記レーザービーム不透明性物品のポリエステルの種類が異なることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  5. 前記レーザービーム透明性ポリエステル物品および前記レーザービーム不透明性ポリエステル物品が両方ともに、ポリエチレンテレフタレートおよびポリブチレンテレフタレートよりなる群から選択されるポリエステル組成物から製造され、前記レーザービーム透明性物品および前記レーザービーム不透明性物品のポリエステルの種類が異なることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  6. 前記レーザービーム不透明性ポリエステル物品が、前記物品中の前記ポリエステル組成物の全重量を基準にして0.15重量%のカーボンブラックを含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。
  7. 前記レーザービーム不透明性ポリエステル物品が、前記物品中の前記ポリエステル組成物の全重量を基準にして1.0重量%のニグロシン染料を含むことを特徴とする請求項4に記載の方法。
  8. カーボンブラックとニグロシンとの混合物が、前記レーザービーム不透明性ポリエステル物品のポリエステル組成物中に含まれることを特徴とする請求項4に記載の方法。
  9. 請求項1に記載のレーザー溶接方法により製造されるレーザー溶接物品の製品。
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