JP2013184437A - 熱可塑性樹脂チューブの溶着装置及び溶着方法 - Google Patents

熱可塑性樹脂チューブの溶着装置及び溶着方法 Download PDF

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Abstract

【課題】透明樹脂チューブ同士を複雑なチューブ回転機構や高価なレーザースキャン機構を用いることなく、簡単な機構により、短時間で溶着加工できる装置と方法を提供する。
【解決手段】溶着装置は、２つの異径の熱可塑性樹脂製チューブである外側チューブ１と内側チューブ２とを嵌め合わせた嵌合体３を支持する支持部材６と、外側チューブ１の外周側に接触するように配置される赤外線透過性の固体ヒートシンク７と、内側チューブ２の内周に接するように内側チューブ２内に挿入される金属棒又は金属チューブ５と、固体ヒートシンク７側に配置され、当該固体ヒートシンク７を通して嵌合体３に赤外線レーザー光４を照射するレーザー光源１１とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は熱可塑性樹脂製チューブの溶着方法に関するものであり、さらに詳しくは、内外二重に嵌め合わされた２つの熱可塑性樹脂製のチューブを赤外線レーザー光の照射により溶着する装置と溶着方法に関する。
従来、赤外線レーザー光による熱可塑性樹脂部材の溶着方法として、例えば特許文献1に記載されたものが知られている。この方法は、支持体の上に２つの熱可塑性樹脂部材を重ね合せ、さらにその上に赤外線透過性固体を重ね合せて重合群を形成し、この重合群に対して赤外線透過性固体側から赤外線レーザー光を照射するものである。この場合、赤外線透過性固体と接触する熱可塑性樹脂部材の境界温度が相対的に低くなり、浸透した赤外線エネルギーにより、その内部でより高温となった領域を発現し得る。その結果、熱可塑性樹脂部材の赤外線レーザー光照射側の表層での熱損傷による表面性状の悪化が抑制される一方、２つの熱可塑性樹脂部材の境界温度が相対的に高くなって、短時間のうちにこの境界部分に溶着層を得ることができる。この方法は、透明な樹脂部材同士の溶着にも適用できる。
また、特許文献２にはこの方法の各種樹脂部材への適用実験例が示されており、樹脂チューブ溶着への応用として、軟質ポリオレフィンチューブとポリオレフィン成形体の嵌合部を回転機構を用いて溶着した実験例がある。
特開２００９−１０１５６０号公報 特許第４２７９６７４号
２つの異径の合成樹脂チューブ同士を嵌め合わせて赤外線レーザー光を照射して溶着するためには、チューブの回転機構やレーザースキャン機構などによりチューブの外周全体に赤外線レーザー光を照射することと、赤外線レーザー光照射による外挿チューブ表面の損傷を防ぐために固体ヒートシンクをチューブ回転に同期して移動させる付帯装置などが必要である。特に、極小チューブへ適用する場合には、精密なチューブ回転機構および固体ヒートシンク移動保持機構が必要となりコスト高となるなどの問題があった。
レーザー光照射による溶着以外の方法としては、接着剤による接着方法と、超音波振動の摩擦加熱による溶着方法があるが、前者は接着剤の化学的性質による用途の制限があり、後者は樹脂の種類、形状による制限があると共に、加工に比較的長時間を要する難点がある。
したがって、本発明は、レーザー光の吸収を高めるためにチューブを着色することなく、透明樹脂チューブ同士の溶着を可能とし、比較的小径の透明樹脂チューブについて、複雑なチューブ回転機構や高価なレーザースキャン機構を用いることなく、簡単な機構により、短時間で加工できる溶着装置と、それによる溶着方法を提供することを目的としている。
以下、添付図面の符号を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
上記課題を解決するための、本発明の溶着装置は、２つの異径の熱可塑性樹脂製チューブである外側チューブ１と内側チューブ２とを嵌め合わせた嵌合体３を支持する支持部材６と、外側チューブ１の外周側に接触するように配置される赤外線透過性の固体ヒートシンク７と、内側チューブ２の内周に接するように内側チューブ２内に挿入される金属棒又は金属チューブ５と、固体ヒートシンク７側に配置され、当該固体ヒートシンク７を通して嵌合体３に赤外線レーザー光４を照射するレーザー光源１１とを具備する。
また、本発明の溶着方法は、２つの異径の熱可塑性樹脂チューブである外側チューブ１と内側チューブ２とを嵌め合わせて嵌合体３を構成する工程と、小径チューブ２の内側にそれの内周に接するように金属棒又は金属チューブ５を挿入する工程と、嵌合体３を支持部材６上に支持する工程と、外側チューブ１の外周側に接触するように赤外線透過性の固体ヒートシンク７を配置する工程と、固体ヒートシンク７側のレーザー光源１１から当該固体ヒートシンク７を通して嵌合体３に赤外線レーザー光４を照射する工程とを含む。
本発明によれば、内側チューブの内周に接触する金属棒または金属チューブが、樹脂を透過してきた赤外線レーザー光により加熱され、この熱を内外チューブの全周へ瞬間的に伝えることにより、内外チューブを短時間のうちに溶着できる。本発明によれば、チューブの回転または赤外線レーザー光をチューブ全周へスキャン照射する機構などを設けること無く、１点照射によるチューブの全周溶着を短時間で完了できる。
合成樹脂製チューブの溶着時の嵌合状態を示す概略的斜視図である。 合成樹脂製チューブの溶着装置の概略的縦断正面図である。 図２の溶着装置の概略的縦断側面図である。
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
図１は、溶着しようとする異径の２つの熱可塑性樹脂製チューブ１，２を嵌め合わせて嵌合体３を構成した状態を示す。矢印は、赤外線レーザー光４の照射位置を示す。
図２、３は、レーザービーム径と比較して小径の、外径３ｍｍ程度以下の熱可塑性樹脂チューブ１，２を内外二重に嵌め合わせた嵌合体３に、レーザー光源１１から赤外線レーザー光４を照射して溶着するときのモデル図である。
チューブ１，２は、別の場所で冶具等を用いて、互いに密着するように嵌め合わされる。チューブ１，２の嵌合体３における内側チューブ２の内側に、それの内周面に密着するように、金属棒または金属チューブ５が挿入される。
支持部材６上に、チューブ１，２の嵌合体３が配置され、赤外線レーザー光４の照射位置下に位置決めされる。ガラスのような赤外線透過性の固体ヒートシンク７が、赤外線レーザー光の照射前に、外側チューブ１へ接触するように位置調整機構８で位置決めされる。チューブ１と固体ヒートシンク７の接触面積により、赤外線レーザー加熱時のチューブ１から固体ヒートシンク７への放熱量が決まる。固体ヒートシンク７のチューブ１との接触部の形状は、平面、またはチューブ１の外径に適合した曲率カーブを持つ曲面である。固体ヒートシンク７の材質は、照射する赤外線レーザー光の波長を十分に透過させる透過率を有する光学固体材料を用いる。
固体ヒートシンク７の上部には、マスク９が配置される。マスク９は、赤外線レーザー４のビーム径とチューブ１の径のとの差を調整し、レーザー光照射域を最適化するためのスリット９ａを有する。
赤外線レーザー光４の強度、照射時間は、チューブ１，２の内部が溶融し、樹脂の組織結合が行われ、溶着域が得られる最適値に調整される。
赤外線レーザー光の照射が始まると、発熱部１０の領域で、チューブ１，２の樹脂に吸収された赤外線レーザー光のエネルギーに比例して温度上昇が始まると共に、樹脂を透過した赤外線レーザー光のエネルギーは金属棒５に吸収される。赤外線レーザー光の波長と金属棒５の材質、表面処理の状態により、金属棒５に吸収される光エネルギーは異なるが、一般的には、金属に吸収された光エネルギーは、比熱および質量に比例して金属の温度上昇を引き起こす。そして、金属の高い熱伝導率（樹脂の熱伝導率に比較すると、例えばアルミニウム（Ａl）の場合、約１００倍）で金属棒５の全体へ熱伝導し、全周が瞬時に温度上昇する。この金属棒５の熱により、チューブ１，２に対する赤外線レーザー光照射部以外の部位の樹脂も加熱溶着が可能となる。
赤外線レーザー光の一点照射によって全周溶着が可能な上記した熱伝導バランスは、熱可塑性樹脂チューブ１，２の外径、肉厚および樹脂材料により適宜調整して見出すことができる。
赤外線レーザー光としては、半導体レーザー（発信周波数１μｍ、波長２．８、μｍ）、ファイバーレーザー（発信周波数１．９２μｍ）、ＹＡＧレーザー（発信周波数２．８μｍ）、ＣＯレーザー（発信周波数５．５μｍ）、及びＣＯ２レーザー（発信周波数１０．６μｍ）等を用いることができ、被溶着樹脂材料により適宜選択できる。
チューブ１，２の樹脂材料：ＰＡ１２（ナイロン）溶融温度 178℃
外側チューブ１：外径０．８８ｍｍ、厚さ０．０４ｍｍ
内側チューブ２：外径０．７ｍｍ、厚さ０．０４ｍｍ
金属棒５：材質ＳＵＳ、外径０．６７ｍｍ
（チューブ１，２及び金属棒５がそれぞれ密着するよう金属棒の径を選択する。溶着後、金属棒は力学的に容易に抜き取ることができる。）
ファイバーレーザー：波長１．９μｍ、強度２０Ｗ、照射時間２．５秒、スポット径 ４．４ｍｍ
結果：チューブ１，２の接触部全体がチューブの軸方向１．３ｍｍの範囲で溶融一体化した。
チューブ１，２の樹脂材料：ＰＦＡ(フッソ樹脂、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体) 、融点３１０℃
外側チューブ１：外径：０．７ｍｍ、厚さ０．０８ｍｍ
内側チューブ２：外径：０．５ｍｍ、厚さ０．０８ｍｍ
金属棒５：材質ＳＵＳ、外径０．３ｍｍ
（チューブ１，２及び金属棒５がそれぞれ密着するよう金属棒の径を選択する。溶着後、金属棒は力学的に容易に抜き取ることができる。）
ファイバーレーザー：波長１．９μｍ、強度３７．５Ｗ、照射時間２．５秒、スポット径 ４．４ｍｍ
結果：チューブ１，２の接触部全体がチューブの軸方向１．１ｍｍの範囲で溶融一体化した。
１ 外側チューブ
２ 内側チューブ
３ チューブの嵌合体
４ 赤外線レーザー光
５ 金属棒
６ 支持部材
７ 固体ヒートシンク
８ 位置調整機構
９ マスク
９ａ スリット
１０ 発熱部

Claims (8)

  1. ２つの異径の熱可塑性樹脂チューブである外側チューブと内側チューブとを密着するように嵌め合わせた嵌合体を赤外線レーザー光を用いて加熱溶着する装置であって、
    前記嵌合体を支持する支持部材と、
    前記外側チューブの外周側に接触するように配置される赤外線透過性の固体ヒートシンクと、
    前記内側チューブの内周に接するように内側チューブ内に挿入される金属棒又は金属チューブと、
    前記固体ヒートシンク側に配置され、当該固体ヒートシンクを通して前記嵌合体に赤外線レーザー光を照射するレーザー光源とを具備することを特徴とする熱可塑性樹脂チューブの溶着装置。
  2. 前記固体ヒートシンクとレーザー光源との間に、前記嵌合体に照射される赤外線レーザー光の断面積を規定するマスクが介設されることを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性樹脂チューブの溶着装置。
  3. 前記嵌合体に照射される赤外線レーザー光の直径が、前記外側チューブの直径以上に設定されることを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性樹脂チューブの溶着装置。
  4. 前記外側チューブの外径が３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱可塑性樹脂チューブの溶着装置。
  5. ２つの異径の熱可塑性樹脂チューブである外側チューブと内側チューブとを密着するように嵌め合わせて嵌合体を構成する工程と、
    前記小径チューブの内側にそれの内周に接するように金属棒又は金属チューブを挿入する工程と、
    前記嵌合体を支持部材上に支持する工程と、
    前記外側チューブの外周側に接触するように赤外線透過性の固体ヒートシンクを配置する工程と、
    前記固体ヒートシンク側のレーザー光源から当該固体ヒートシンクを通して前記嵌合体に赤外線レーザー光を照射する工程とを含むことを特徴とする熱可塑性樹脂チューブの溶着方法。
  6. 前記固体ヒートシンクとレーザー光源との間に、前記嵌合体に照射される赤外線レーザー光の断面積を規定するマスクを介設する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の熱可塑性樹脂チューブの溶着方法。
  7. 前記嵌合体に照射される赤外線レーザー光の直径が、前記外側チューブの直径以上に設定されることを特徴とする請求項５に記載の熱可塑性樹脂チューブの溶着方法。
  8. 前記外側チューブの外径が３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５ないし７に記載の熱可塑性樹脂チューブの溶着方法。
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