JP2007523763A

JP2007523763A - 熱可塑性プラスチックのレーザー溶接用接合部設計

Info

Publication number: JP2007523763A
Application number: JP2006542859A
Authority: JP
Inventors: カークランド，トーマス・アール
Original assignee: デュケーン・コーポレーション
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2007-08-23
Also published as: WO2005056263A3; US20050121137A1; WO2005056263A2; EP1694485A2

Abstract

【課題】クランプ力の適用方向に対して鋭角をなして延びる溶接界面を形成する、熱可塑性プラスチック製の一対の構成要素を含む溶接システムを提供する。
【解決手段】クランプ機構が二つの構成要素にクランプ力を加え、これらの構成要素を溶接界面のところで互いに押し付け、レーザー光を溶接界面に差し向け、二つの構成要素を互いに溶接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体として、熱可塑性材料のレーザー溶接に関し、更に詳細には、熱可塑性材料製の構成要素のレーザー溶接を行うためのシステムに関する。

熱可塑性プラスチックのレーザー溶接は、代表的には、近赤外スペクトルのネオジム：ヤグ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザーを使用し、透過探傷技術を使用して行われる。強力な赤外レーザー光が、その波長の光に対して比較的透過性の、例えば天然ポリマー（着色剤や充填物を含まない）等の部品を通過し、カーボン黒を含むポリマー等のアッセンブリの他方の部品の材料によって吸収（熱に変換）される。様々な色の組み合わせを溶接できるが、使用されたレーザー光の特定の波長で常に一方が比較的透過性でなければならず、他方が比較的吸収性でなければならない。

レーザー機器が比較的高価であるため、レーザー溶接は、一般的には、外部に熱、振動、又は粒子を出さずにきれいで正確な接合部が得られるという利点が最終的使用で必要とされる場合にしか使用されてこなかった。レーザー溶接の多くの用途が、他の接合技術を使用できないものであるため、初期の部品の概念から特にレーザー溶接用に設計された被レーザー溶接アッセンブリはほとんど設計されてこなかった。

特にレーザー溶接用に設計されていないアッセンブリを使用することに伴う問題点は、部品がレーザー溶接に適していないことがあるということである。従来の溶接では、アッセンブリは、二つの構成要素、例えば図１に示す構成要素１２及び１４を含む。わかるように、第１構成要素１２は実質的に平らなフランジ１６を含み、このフランジが第２構成要素の溝１８に嵌着する。二つの構成要素１２及び１４を互いに溶接するため、これらの二つの構成要素をフランジ１６が溝１８内に突出した状態で互いにクランプ止めし、溶接面界面２０を形成する。クランプ力は、溶接面界面２０に対して垂直方向に差し向けられる。図１に示す実施例では、圧壊溶接（ｃｏｌｌａｐｓｅｗｅｌｄｉｎｇ）が使用され、ばり即ち余分の材料２１が生じ、溝１８の残りを充填する。しかしながら、溶融材料の流れにより、アッセンブリに及ぼされるクランプ力が、完成した部品の強度及び外観に影響を及ぼす。クランプ力が小さ過ぎると、溶接部が弱くなり、即ち溶接部が「スキップ」するのに対し、クランプ力が大き過ぎると過剰のばり（余分の材料）が形成され、又は過剰の分子配向及び接合部のずり減粘が生じ、溶接部の強度が低下する。

図２に示す包含溶接（ｃｏｎｔａｉｎｅｄｗｅｌｄｉｎｇ）ではばりは出ない。従来の溶接用に設計されているが包含溶接に合わせて変更したアッセンブリは二つの構成要素２２及び２４を含む。わかるように、第１構成要素２２は実質的に平らなフランジ２６を含み、このフランジが第２構成要素２４の溝２８に嵌着し、溶接面界面３０を形成する。圧壊溶接におけるのと同様に、二つの構成要素を互いにクランプ止めする。クランプ力の方向は、溶接面界面３０に対して垂直方向である。使用されたクランプ力が小さ過ぎると、溶接部が弱くなり、即ち溶接部が「スキップ」するが、包含溶接の一つの利点は、クランプ力の上限が比較的高いということである。

クランプ力の適用方向に対して鋭角をなして延びる溶接界面を形成する熱可塑性プラスチック製の一対の構成要素を含む溶接システムを提供する。

解決手段

〔課題を解決するための手段〕

クランプ機構が二つの構成要素にクランプ力を加え、これらの構成要素を前記溶接界面のところで互いに押圧し、レーザー光を溶接界面に差し向けて二つの構成要素を互いに溶接する。

本発明の一実施例では、熱可塑性プラスチック製の構成要素間の界面は、構成要素がクランプ力の適用に応じて互いに対して溶接界面に沿って摺動しないようにするため、構成要素に設けられた係合面を含む。係合面は、熱可塑性プラスチック製の構成要素の向き合った表面によって形成された、位置合わせされた突出部及び溝の形状をなしている。レーザー光は、好ましくは、レーザー光に対して実質的に透明な少なくとも一方の熱可塑性プラスチック製構成要素の外面から溶接界面に対して実質的に垂直な方向で溶接界面に差し向けられる。

以上の説明は、本発明の各実施例又は全ての特徴を表そうとするものではない。詳細な説明及び添付図面は、本発明の特定の例示の実施例を説明し且つ例示するものである。

本発明の上述の及び他の利点は、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。

本発明は、様々な変形例及び別の形態で実施できるかれども、特定の実施例を例として添付図面に示し且つ以下に詳細に説明する。しかしながら、本発明を開示の特定の形態に限定しようとするものではないということは理解されるべきである。というよりもむしろ、本発明は、特許請求の範囲に記載した本発明の精神及び範囲に含まれる全ての変形、等価物、及び変更を含もうとするものである。

次に図３を参照し、本発明の一実施例によるアッセンブリ４０の一つの設計を説明する。この実施例では、アッセンブリ４０は、熱可塑性プラスチック製第１構成要素４２及び熱可塑性プラスチック製第２構成要素４４を含む。これらの二つの構成要素４２及び４４は、クランプ力Ｆの適用方向に関して鋭角をなして延びる溶接界面５０を形成するかみ合い面のところで互いに嵌着する。クランプ力Ｆは、これらの構成要素４２及び４４を溶接界面のところで互いに押し付けるために加えられる。溶接界面５０は、更に、溶接される構成要素の外面に対して鋭角をなして延びる。

二つの構成要素４２、４４の噛み合う表面は、更に、これらの二つの構成要素４２、４４が溶接界面５０に沿って互いに対して摺動しないようにする係合部分を形成する。かくして、例示の実施例では、第１構成要素４２は楔状突出部４６を含み、この突出部が第２構成要素４４の溝４８に嵌着し、第１構成要素４２は、更に、構成要素４４の縁部分５６と係合するようになった溝５４を含む。

二つの構成要素４２、４４を互いに溶接するため、先ず最初に突出部４６を溝４８に挿入し、クランプ力Ｆを図３で見て垂直方向に加える。噛み合い突出部及び溝により、二つの構成要素がクランプ力Ｆに応じて溶接界面に沿って互いに対して摺動しないようにする。次いで、レーザー光５２を溶接界面５０に差し向け、二つの構成要素４２、４４を溶接界面に沿って互いに融着する。光ビームは、溶接界面５０に対してほぼ垂直方向に溶接界面に差し向けられ、溶接ゾーン５８を形成する。レーザー光は、好ましくは、レーザー光に対して実質的に透明な少なくとも一方の構成要素４２、４４の外面から溶接界面５０に差し向けられる。

レーザーは、ダイオードレーザー、ネオジム：ヤグ（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザー、紫外線レーザー、可視光レーザー、又は熱可塑性プラスチック材料で使用するのに適した任意の他のレーザーであってもよい。構成要素４２、４４のうちの少なくとも一方は、任意の所与の用途について選択された特定のレーザーが発生した光に対して実質的に透明でなければならないが、他方の構成要素は吸収性である必要がある。構成要素４２、４４は、様々な色の組み合わせであってもよいが、使用されたレーザー光の特定の波長で、一方の構成要素（この実施例では第２構成要素４４）は比較的透過性でなければならず、他方の構成要素（この実施例では第１構成要素４２）は比較的吸収性でなければならない。溶接表面界面５０での透過性を最大にするため、溶接表面界面５０は、光沢を備えていなければならない。更に、第２構成要素４４は、好ましくはアモルファス材料で形成されている。アモルファス材料は、代表的には、レーザー光を効率的に伝達する。半結晶材料を使用する実施例では、レーザー光の散乱による損失を減少するため、光入力点から表面溶接界面５０までの距離を小さくしなければならない。

更に、充填物及び強化体がレーザー光をブロックし又は散乱する。従って、好ましい実施例では、第２構成要素４４はきちんとした（充填物を含まない）材料である。充填物を含む材料を使用する場合には、厚さを最小にしなければならない。構成要素の材料が着色されており、伝達距離が十分に長い場合には、進入面でのレーザーの強さにより、溶接面界面５０でなく進入点のところで溶融が生じる。

この実施例では、光がほぼ垂直に進入し且つ伝達距離が最小の状態を維持しながら、加えられるクランプ力Ｆの方向を角度をなした界面５０に沿って差し向け、表面を押圧してぴったりと接触させる。例示のアッセンブリ４０は、接合部にフランジを設ける必要がない。接合される二つの構成要素は、任意の所望の立体的形状を備えていてもよい。例えば、構成要素４２は、溶接界面表面を形成する周囲リムを持つ円形のディスクであってもよく、構成要素４４は、下周縁が溶接界面表面を形成する円形のドームであってもよい。

この設計で使用するのに適した一つのレーザー溶接技術は同時溶接（ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｗｅｌｄｉｎｇ）である。同時溶接は、代表的には、多数の光ファイバを使用し、光をダイオードレーザーのアレイから必要な形体の接合部へ送出し、接合部全体を同時に照光する。この方法では、サイクル時間が非常に早くなる。このシステムによる方法により、部品設計における自由度をかなり大きくできる。光を送出するのに必要とされるファイバには高い工具費用がかかり、長い設定時間がかかる。様々なダイオードレーザーからの光のバランスを考慮しなければならない。この種の溶接は、上文中に説明した圧壊溶接でも使用できる。

別の適切な技術は、アッセンブリの周囲を移動し、ペンが紙の上を移動するときにインクの線を残すのと全く同様に溶接線を残す、単一のレーザー光スポットを使用する賦形溶接（ｃｏｎｔｏｕｒｗｅｌｄｉｎｇ）である。賦形溶接では、部品又はビームのいずれか又は両方を移動できる。ビームを適切な箇所に差し向けるのに、光学的作用を差し向けるファイバ送出ビーム操向「ガルボ（ｇａｌｖｏ）」システム、又は移動ジグを使用してもよい。理論的には、形状のためにレーザー光を接合領域に届かせることができないことがない限り、この方法を使用して溶接できる部品の大きさ又は形体に制限がない。設定時間が短く且つ要する工具費用が低い高度にプログラム可能なシステムを形成できる。

本発明の変形例を図４に示す。この実施例では、アッセンブリ９０は、熱可塑性プラスチック製第１構成要素９２及び熱可塑性プラスチック製第２構成要素９４を含む。第１構成要素９２は、突出部９６及び噛み合い溝１０２を含み、第２構成要素９４は、溝９８及び噛み合い突出部１００を含む。この場合も、第１構成要素９２が第２構成要素９４に押し付けられる。これは、突出部９６が溝９８に嵌着し、突出部１００が溝１０４に嵌着し、Ｓ形状接合部を形成するように行われる。溶接界面１０４は、クランプ力Ｆの適用方向に対して鋭角をなして形成され且つ延びている。レーザー光１０６は溶接界面１０４に対してほぼ垂直方向で溶接界面に差し向けられ、溶接ゾーン１０８を形成する。この設計により、上文中に論じた実施例と同様の又は場合によってはそれよりも大きな設計上の自由度が得られると同時に、同じ強度について接合部での公称壁厚を小さくできる。

本発明を一つ又はそれ以上の特定の実施例を参照して説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの変更を行うことができるということは当業者には理解されよう。これらの実施例の各々及びその明らかな変更は、特許請求の範囲に記載した本発明の精神及び範囲に含まれるものと考えられる。

従来技術によるレーザー溶接アッセンブリを示す図である。従来技術による別のレーザー溶接アッセンブリを示す図である。本発明の一実施例によるレーザー溶接アッセンブリを示す図である。本発明の別の実施例によるレーザー溶接アッセンブリを示す図である。

符号の説明

４０レーザー溶接アッセンブリ
４２第１構成要素
４４第２構成要素
４６楔状突出部
４８溝
５０溶接界面
５２レーザー光
５４溝
５６縁部分
５８溶接ゾーン

Claims

熱可塑性プラスチック製の二つの構成要素を溶接する方法において、
クランプ力の適用方向に対して鋭角をなして延びる溶接界面を、互いに溶接されるべき二つの構成要素間に形成する工程、及び
クランプ力を加えることによって前記二つの構成要素を前記溶接界面のところで互いに押し付けた状態でレーザー光を前記溶接界面に差し向けることによって、前記構成要素を互いに溶接する工程を含む、方法。
請求項１に記載の方法において、前記構成要素間の界面は、前記構成要素が前記クランプ力の適用に応じて互いに対して前記溶接界面に沿って摺動しないようにするため、前記構成要素に設けられた係合面を含む、方法。
請求項２に記載の方法において、前記係合面は、前記構成要素の向き合った表面によって形成された、位置合わせされた突出部及び溝を含む、方法。
請求項１に記載の方法において、前記レーザー光は、前記溶接界面に対して実質的に垂直な方向で前記溶接界面に差し向けられる、方法。
請求項１に記載の方法において、前記レーザー光は、レーザー光に対して実質的に透明な前記構成要素のうちの少なくとも一方の外面から、前記溶接界面に差し向けられる、方法。
熱可塑性プラスチック製の二つの構成要素を溶接する方法において、
前記構成要素のうちの少なくとも一方の外面に対して鋭角をなして延びる溶接界面を、互いに溶接されるべき二つの構成要素間に形成する工程、
前記構成要素が前記クランプ力の適用に応じて互いに対して前記溶接界面に沿って摺動しないようにするため、前記構成要素に設けられた係合面を形成する工程、及び
クランプ力を加えることによって前記二つの構成要素を前記溶接界面のところで互いに押し付けた状態でレーザー光を前記溶接界面に差し向けることによって、前記構成要素を互いに溶接する工程を含む、方法。
熱可塑性プラスチック製の二つの構成要素を溶接するための溶接システムにおいて、
クランプ力の適用方向に対して鋭角をなして延びる溶接界面を形成する熱可塑性プラスチック製の一対の構成要素、
前記構成要素にクランプ力を加え、前記構成要素を前記溶接界面のところで互いに押し付けるクランプ機構、及び
前記二つの構成要素を互いに溶接するため、前記溶接界面に差し向けられるレーザー光の光源を含む、溶接システム。
請求項７に記載の溶接システムにおいて、前記構成要素間の前記界面は、前記構成要素が前記クランプ力の適用に応じて互いに対して前記溶接界面に沿って摺動しないようにするため、前記構成要素に設けられた係合面を含む、溶接システム。
請求項８に記載の溶接システムにおいて、前記係合面は、前記構成要素の向き合った表面によって形成された、位置合わせされた突出部及び溝を含む、、溶接システム。
請求項７に記載の溶接システムにおいて、前記レーザー光は、前記溶接界面に対して実質的に垂直な方向で前記溶接界面に差し向けられる、溶接システム。
請求項７に記載の溶接システムにおいて、前記レーザー光は、レーザー光に対して実質的に透明な前記構成要素のうちの少なくとも一方の外面から、前記溶接界面に差し向けられる、溶接システム。
熱可塑性プラスチック製の二つの構成要素を溶接するための溶接システムにおいて、
前記構成要素のうちの少なくとも一方の外面に対して鋭角をなして延びる溶接界面を形成する熱可塑性プラスチック製の一対の構成要素、
前記構成要素にクランプ力を加え、前記構成要素を前記溶接界面のところで互いに押し付けるクランプ機構、
前記構成要素が前記クランプ力の適用に応じて互いに対して前記溶接界面に沿って摺動しないようにするため、前記構成要素に設けられた係合面、及び
前記二つの構成要素を互いに溶接するため、前記溶接界面に差し向けられるレーザー光の光源を含む、溶接システム。