JP2014100867A - レーザ溶着方法、レーザ溶着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ出射部から比較的離れた溶着部に照射されるレーザ光の光量の低下を抑えうるレーザ溶着方法を提供する。
【解決手段】レーザ溶着方法は、アウターカバー２０とランプボディ１０の溶着部同士が対向した状態で、治具４０によりアウターカバー２０とランプボディ１０とを互いに押し付ける工程と、レーザ光を治具４０内に入射する工程と、を含む。入射する工程では、治具４０内に入射されたレーザ光が少なくとも１回は治具４０内で反射してからランプボディ１０の溶着部に照射されるよう治具４０へのレーザ光の入射位置および入射角度が決められた状態でレーザ光を入射する。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ溶着方法およびレーザ溶着装置に関する。

樹脂部品同士を溶着させる方法としてガルバノ式レーザ溶着方法が知られている。本方法では、溶着部を高速かつ複数回通過するようレーザ光を照射するため、溶着部を全周同時に溶融させることができる。そのため、本方法によれば樹脂部品の寸法精度の許容幅を広げることができ、例えば熱板溶着を用いる場合と同等の寸法精度の樹脂部品でも溶着させることができる。特許文献１、２には、ガルバノ式レーザ溶着方法により樹脂部品同士を溶着させる技術が提案されている。

特開２０１０−２７７８７０号公報 特開２０１１−１０２０２９号公報

ガルバノ式レーザ溶着方法では、樹脂部品に対して位置が固定されたレーザ出射部からレーザ光を照射するため、レーザ出射部から比較的離れた溶着部ではレーザ光の入射角度が大きくなる傾向がある。入射角度が大きい部分では、樹脂部品を押さえる治具や樹脂部品の表面におけるレーザ光の反射率が大きくなり、溶着部に照射されるレーザ光の光量が低下する場合がある。そのため、レーザ溶着時間が長くなり、製造コストを押し上げうる。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、レーザ出射部から比較的離れた溶着部に照射されるレーザ光の光量の低下を抑えうるレーザ溶着方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のレーザ溶着方法は、レーザ光を透過する第１樹脂部材とレーザ光を吸収する第２樹脂部材とをレーザ溶着する方法であって、第１樹脂部材と第２樹脂部材の溶着部同士が対向した状態で、レーザ光を透過する治具により第１樹脂部材と第２樹脂部材とを互いに押し付ける工程と、レーザ光を治具内に入射する工程と、を含む。入射する工程では、治具内に入射されたレーザ光が少なくとも１回は当該治具内で反射してから第２樹脂部材の溶着部に照射されるよう治具へのレーザ光の入射位置および入射角度が決められた状態でレーザ光を入射する。

この態様によると、レーザ光は、少なくとも１回は治具内で反射してから溶着部に照射される。このため、レーザ出射部から比較的離れた溶着部にも比較的小さい角度でレーザ光を入射させることが可能となる。

本発明の別の態様は、レーザ溶着装置である。この装置は、レーザ光を透過する第１樹脂部材とレーザ光を吸収する第２樹脂部材の溶着部同士が対向した状態で配置されているとき、それらをレーザ溶着するために用いられるレーザ溶着装置であって、第１樹脂部材と第２樹脂部材とを互いに押し付ける治具を備える。治具は、レーザ光の入射口と、溶着部へレーザ光を出射する出射口と、入射口から入射されたレーザ光を、出射口に導くように反射させる反射手段と、を含む。

この態様によると、レーザ光は、入射口から治具内に入射され、反射手段により出射口に導かれる。このため、レーザ出射部から比較的離れた溶着部にも比較的小さい角度でレーザ光を入射させることが可能となる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、レーザ出射部から比較的離れた溶着部に照射されるレーザ光の光量の低下を抑えうるレーザ溶着方法を提供することができる。

第１の実施の形態に係るレーザ溶着装置の断面図である。 図２（ａ）〜（ｄ）はランプボディとアウターカバーとを溶着する工程の様子を示す図である。 第２の実施の形態に係るレーザ溶着装置の断面図である。 第２の実施の形態の変形例に係るレーザ溶着装置の断面図である。 第２の実施の形態の他の変形例に係るレーザ溶着装置の断面図である。 第２の実施の形態の他の変形例に係るレーザ溶着装置の断面図である。

以下、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

以下では、車両用灯具のアウターカバーとランプボディとを溶着する場合を例に説明する。しかしながら、これに限らず、車両用灯具の他の構成部品同士を溶着する場合にも本レーザ装置およびレーザ溶着方法を利用することができる。もちろん、車両用灯具以外の製品の構成部品同士を溶着する場合にも利用することができる。

（第１の実施の形態）
従来のガルバノ式レーザ溶着方法など、樹脂部材に対して位置が固定されたレーザ出射部からレーザ光を照射するレーザ溶着方法では、レーザ出射部から比較的離れた溶着部でレーザ光の入射角度が大きくなる傾向がある。入射角度が大きい部分では、樹脂部品を押さえる治具や樹脂部品の表面におけるレーザ光の反射率が大きくなり、溶着部に照射されるレーザ光の光量が低下する場合がある。そのため、入射角度が大きい部分とそうでない部分とで溶着部表面の溶融量に違いが生じ、溶着が不均一となりうる。

また、入射角度が大きい部分に合わせてレーザ光を照射すると、そうでない部分に照射されるレーザ光の光量が高くなり、過剰に溶融してしまう。その結果、外観品質が低下しうる。また、入射角度が大きい部分に合わせてレーザ光を照射すると、レーザ溶着時間が長くなり、製造コストを押し上げうる。

こうした課題を解決するため、本装置の治具は、レーザ光の入射口と、溶着部に対向する位置に設けられた出射口と、出射口の近傍に設けられたシボ加工部と、を含む。レーザ出射部から照射されたレーザ光が治具内に入射すると、シボ加工部に到達するまで治具内で反射を繰り返す。シボ加工部にレーザ光が入射するとレーザ光は乱反射し、その少なくとも一部は出射口から出射して溶着部に照射される。これにより、本装置によれば、レーザ出射部から比較的離れた位置にある溶着部にも比較的小さい入射角度でレーザ光を入射させることができ、特に、従来のガルバノ式レーザ溶着方法のように治具内でレーザ光を反射させることなく直接レーザ光を入射させる場合に比べより小さい入射角度でレーザ光を入射させることができる。そのため、樹脂部品の表面におけるレーザ光の反射が抑えられ、溶着部に照射されるレーザ光の光量の低下が抑えられる。また、レーザ出射部の死角に位置する溶着部、つまり、レーザ出射部から直接レーザ光を照射できない溶着部にも、レーザ光を照射させることができる。以下、具体的に説明する。

図１は第１の実施の形態のレーザ溶着装置１の断面図である。レーザ溶着装置１はアウターカバー２０側からレーザ光を照射し、ランプボディ１０とアウターカバー２０とを溶着する。以降、ランプボディ１０側を下側、アウターカバー２０を上側として説明する。

ランプボディ１０はレーザ溶着装置１から照射されるレーザ光に対して吸収性を有する樹脂材料によって形成されている。例えば黒色のＡＢＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂等によって形成されている。ランプボディ１０は開口部を有する浅い容器状に形成されている。

アウターカバー２０はレーザ溶着装置１から照射されるレーザ光に対して透過性を有する樹脂材料によって形成されている。例えばＰＣ樹脂、ＰＭＭＡ樹脂等によって形成されている。アウターカバー２０は上方にわずかに湾曲した板状に形成されており、ランプボディ１０の開口部を覆っている。

レーザ溶着装置１は載置台３０と、治具４０と、レーザ出射部５０と、を含む。レーザ出射部５０はレーザ溶着のためのレーザ光を照射する。ここでは、レーザ出射部５０はランプボディ１０、アウターカバー２０および治具４０に対して位置が固定されているものとする。レーザ出射部５０は内部にミラー（不図示）を有し、このミラーを制御することにより出射方向基準軸Ａに対して所定角度傾斜させてレーザ光を照射できる。レーザ光は、紙面に垂直な方向に延びる溶着部全周に渡って照射するため、出射方向基準軸Ａを中心に回転照射されるが、理解を容易にするため、以降では、方向Ｄ１および方向Ｄ２の２方向に向かって照射されたレーザ光について考えるものとする。

載置台３０はランプボディ１０を支持する。治具４０は不図示の設備に支持されている。治具４０はレーザ溶着するときにアウターカバー２０をランプボディ１０に押し付ける役割を果たす。治具４０はレーザ光に対して透過性を有する樹脂材料によって形成されており、ここではアクリル樹脂によって形成されている。治具４０はアウターカバー２０に対応した形状を有する。ここでは、上方にわずかに湾曲した板状に形成されており、その下面がアウターカバー２０の上面に接している。なお、アウターカバー２０と接する下面側だけをアウターカバー２０に対応した形状としてもよい。また、治具４０の略中央部分には凹部４１が形成されている。

治具４０は入射口４２と、シボ加工部４３と、出射口４４と、を有する。入射口４２は凹部４１の周面に該当する。レーザ出射部５０より照射されたレーザ光はこの入射口４２から治具４０内に入射する。そのため、入射口４２には、レーザ光が反射しないようＡＲコーティング（anti-reflective coating）などの表面処理が施されている。なお、表面処理の代わりに、レーザ光との入射角度θ１およびθ２がほぼ０度となるよう入射口４２を形成してもよい。もちろん、そのように形成した上で反射を抑止する表面処理を施してもよい。

シボ加工部４３は、治具４０のレーザ出射部５０側の表面に設けられる、治具内部側に凹む微少凹部であって、ランプボディ１０の溶着部１２およびアウターカバー２０の溶着部２２と対向する位置に設けられる。治具４０内に入射したレーザ光はこのシボ加工部４３で乱反射し、出射口４４から治具４０外に出射される。

出射口４４は、治具４０の下面側であって、ランプボディ１０の溶着部１２およびアウターカバー２０の溶着部２２に対向する位置に設けられる。したがって、出射口４４はシボ加工部４３にも対向する。シボ加工部４３で乱反射したレーザ光は出射口４４から治具４０外に出射され、アウターカバー２０を透過してランプボディ１０の溶着部１２に照射される。

入射口４２および出射口４４を除いた治具４０の表面には金属蒸着などの表面処理が施されている。このため、治具４０内に入射したレーザ光は、シボ加工部４３に到達して出射口４４からアウターカバー２０へ出射されるまで治具４０内で反射を繰り返す。別の言い方をすると、反射面となる治具４０の表面形状が綿密に設計されていなくとも、または精密に加工されていなくとも、レーザ光は治具４０内で反射を繰り返しているうちにシボ加工部４３に到達する。なお、治具４０の表面形状に加工精度等が要求されないため、その加工は比較的である。

（レーザ溶着方法）
上述のレーザ溶着装置１によってレーザ溶着する場合を説明する。
図２（ａ）〜（ｄ）はランプボディ１０とアウターカバー２０とを溶着する工程の様子を示す。

図２（ａ）はランプボディ１０とアウターカバー２０とを準備する工程を示す。この工程では、載置台３０にランプボディ１０をセットして、ランプボディ１０の上にアウターカバー２０を配置する。このとき、ランプボディ１０の溶着部１２とアウターカバー２０の溶着部２２とが対向するようアウターカバー２０を配置する。

図２（ｂ）は治具４０をセッティングする工程を示す。この工程では、治具４０をアウターカバー２０に被せ、アウターカバー２０をランプボディ１０に押し付ける。このとき、ランプボディ１０の溶着部１２とアウターカバー２０の溶着部２２とを接触させる。

図２（ｃ）はレーザ光を照射する工程を示す。この工程では、それぞれの方向におけるレーザ光の入射角度を変化させながらレーザ光を照射する。つまり、方向Ｄ１へのレーザ光の入射角度θ１を所定の範囲内で変化させながらレーザ光を照射する。同様に、方向Ｄ２へのレーザ光の入射角度θ２を所定の範囲内で変化させながらレーザ光を照射する。レーザ光の入射位置を変化させながらレーザ光を照射してもよい。

治具４０内に入射されたレーザ光は、アウターカバー２０に沿うように治具４０内を伝播する。このとき、少なくとも１回は治具４０内で反射する。そして、反射を繰り返すうちにシボ加工部４３に到達し、そこで乱反射する。シボ加工部４３で乱反射したレーザ光の一部は、アウターカバー２０を透過してランプボディ１０の溶着部１２に照射される。ランプボディ１０の溶着部１２は照射されたレーザ光のエネルギーを吸収し温度が上昇し、溶融する。その溶融部の熱がアウターカバー２０の溶着部２２に伝わり、アウターカバー２０の溶着部２２も溶融して溶着される。

図２（ｄ）は取り外し工程を示す。この工程では、治具４０によるアウターカバー２０の押圧を解除し、載置台３０から溶着されたランプボディ１０とアウターカバー２０を取り出す。

以上説明したレーザ溶着方法によれば、レーザ出射部から比較的離れた位置にある溶着部に比較的小さい入射角度θ６およびθ７でレーザ光を入射させることができる。特に、治具４０内で１回も反射されずに溶着部１２に入射するときのレーザ光の入射角度θ８およびθ９より小さくすることが可能となる。そのため、アウターカバー２０の表面におけるレーザ光の反射を抑えられ、溶着部に照射されるレーザ光の光量が低下するのを抑えられる。また、レーザ出射部５０の死角に位置する溶着部にもレーザ光を照射できる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係るレーザ溶着装置２００と第１の実施の形態に係るレーザ溶着装置１との主な違いは治具の形状と、レーザの出射方向の制御である。図３は第２の実施の形態に係るレーザ溶着装置２００の断面図である。図３は図１に対応する。

レーザ溶着装置２００は載置台３０と、治具２４０と、レーザ出射部５０と、を含む。治具２４０は入射口２４２と、出射口２４４と、反射手段２４５と、を有する。入射口２４２はレーザ出射部５０の直下に設けられる。入射口２４２にはレーザ光が反射しないようＡＲコーティングなどの表面処理が施される。別の言い方をすれば、治具２４０の上面側において、レーザ光が反射しないよう表面処理が施された部分が入射口２４２に該当する。なお、表面処理の代わりに、レーザ光との入射角度が０度となるよう入射口２４２を形成してもよい。もちろん、そのように形成した上で反射を抑止する表面処理を施してもよい。

反射手段２４５は入射口２４２の下方に設けられる。反射手段２４５は、アウターカバー２０の上面２４より出射方向基準軸Ａと鋭角に交差する反射面２４６および反射面２４７を有する。この反射面２４６によってレーザ光の進行方向が出射口２４４側に大きく変更される。反射手段２４５は例えば治具２４０と空気との界面などによって構成される。

本実施の形態では、治具２４０は、所定の角度で入射されたレーザ光を出射口２４４に導くよう、その表面形状が形成される。ここでは、反射手段２４５で反射されたレーザ光が治具２４０の上面で１回だけ反射して出射口２４４から出射するようその表面形状が形成されている。また、ここでは、治具２４０と空気の界面での全反射を利用してレーザ光を反射させる。そのため、治具２４０には金属蒸着などの表面処理は施されていない。なお、表面処理を施すことによって反射させてもよいことはもちろんである。

本実施の形態では、第１の実施の形態と異なり、それぞれの方向におけるレーザ光の入射位置および入射角度が固定された状態でレーザ光を照射する。具体的には、方向Ｄ１へのレーザ光と出射方向基準軸Ａとがなす角度θ３を変化させず、固定された状態でレーザ光を照射する。同様に、方向Ｄ２へのレーザ光と出射方向基準軸Ａとがなす角度θ３も変化させず、固定された状態でレーザ光を照射する。

また、本実施の形態では、方向Ｄ１および方向Ｄ２に向かって照射されたレーザ光は、いずれもレーザ出射部５０の出射方向基準軸Ａに対して角度θ３傾斜して照射されている。そのため、溶着部の位置が出射方向基準軸Ａに対して対称でない場合は、反射面２４６と反射面２４７の傾斜角度は出射方向基準軸Ａに対して非対称に形成される。言い換えると、反射面２４６と反射面２４７とを適宜設計、加工することで、レーザ照射方向の複雑な制御なしにランプボディ１０の溶着部１２にレーザ光を照射させることができる。本実施の形態によれば、第１の実施の形態に係るレーザ溶着装置と同様の作用効果が奏される。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

（変形例１）
第１、２の実施の形態では、レーザ出射部５０内部に設けられたミラーを制御することにより出射方向基準軸Ａを中心に回転照射するレーザ装置を用いる場合、すなわちガルバノ式レーザ装置を用いる場合について説明したが、これに限られない。例えば、径の大きいレーザ光を一方向に照射するレーザ装置を用いてもよい。例えば、図３において、反射面２４６および反射面２４７を跨る大径のレーザ光を反射手段２４５に照射すれば、ガルバノ式レーザ装置を用いた場合と同様の作用効果が得られる。

また、例えば、ロボットアームでレーザヘッドの位置及び姿勢を制御することによりレーザ照射方向を制御するレーザ装置を用いてもよい。例えば、図１において、方向Ｄ１にレーザ光を照射する場合はレーザヘッドが方向Ｄ１を向くよう制御し、方向Ｄ２にレーザ光を照射する場合はレーザヘッドが方向Ｄ２を向くよう制御する。この場合も、ガルバノ式レーザ装置を用いた場合と同様の作用効果が得られる。

（変形例２）
図４は第２の実施の形態の変形例に係るレーザ溶着装置３００の断面図である。図４は図３に対応する。治具３４０の反射手段３４５は、例えば治具２４０と空気との界面などによって構成される。本変形例では、反射手段３４５の反射面３４６および反射面３４７がレーザ出射部５０の出射方向基準軸Ａに対して対称に形成されている。代わりに、方向Ｄ１に照射されるレーザ光の照射角度θ４と方向Ｄ２に照射されるレーザ光の照射角度θ５とを制御し、ランプボディ１０の溶着部１２にレーザ光を照射させている。本変形例によれば第２の実施の形態に係るレーザ溶着装置と同様の作用効果が奏される。

（変形例３）
図５は第２の実施の形態の他の変形例に係るレーザ溶着装置４００の断面図である。図５は図３に対応する。本変形例では、治具の上面側に反射角度を調整するステップ４４８が形成されている。このステップによりアウターカバー２０の溶着部１２へのレーザ光の入射角度θ６およびθ７を比較的小さくすることができる。特に、図３の場合に比べ、入射角度θ６およびθ７の値を小さくすることが可能となる。その結果、アウターカバー２０の溶着部２２の表面での反射が抑えられ、溶着部に照射されるレーザ光の光量が低下するのを抑えられる。なお、ステップ４４８は出射口２４４に対向する位置に形成するのが好ましい。レーザ光の入射角度θ６、θ７をより小さくできるためである。

（変形例４）
図６は第２の実施の形態の他の変形例に係るレーザ溶着装置５００の断面図である。図６は図３に対応する。本変形例では、治具５４０は本体部５４９と、反射手段５４５と、を有する。つまり、反射手段５４５は、治具の本体部５４９とは別体として形成される。

反射手段５４５は、反射部材５４５ａと、固定部材５４５ｂと、を含む。固定部材５４５ｂは、反射部材５４５ａを本体部５４９に固定する。反射部材５４５ａは、レーザ光を出射口５４４に導く反射面５４６および反射面５４７を有する。反射面５４６、反射面５４７は、第２の実施の形態の反射手段２４５の反射面２４６、反射面２４７にそれぞれ対応する。本変形例によれば、第２の実施の形態に係るレーザ溶着装置と同様の作用効果が奏される。加えて、本変形例によれば、反射手段５４５が治具５４０の本体部５４９とは別体として形成される。そのため、反射面５４６および反射面５４７の加工が容易となる。

また、治具は所定の角度で入射されたレーザ光を出射口に導くよう、その表面形状が形成されているところ、治具によりアウターカバー２０をランプボディ１０に押し付けるときに、治具の形状が変形する場合ある。これにより、治具内での反射角度にズレが生じ、狙い通りにレーザ光を出射口に導けなくなる場合がある。これに対して、本変形例では、別体として形成される反射手段５４５の反射面を調整することで、レーザ光が出射口に導かれるよう補正できる。つまり、治具の形状の変形による影響を容易に補正することができる。

１ レーザ溶着装置、 １０ ランプボディ、 １２ 溶着部、 ２０ アウターカバー、 ２２ 溶着部、 ３０ 載置台、 ４０ 治具、 ５０ レーザ出射部。

Claims (5)

1. レーザ光を透過する第１樹脂部材とレーザ光を吸収する第２樹脂部材とをレーザ溶着する方法であって、
   前記第１樹脂部材と前記第２樹脂部材の溶着部同士が対向した状態で、レーザ光を透過する治具により前記第１樹脂部材と前記第２樹脂部材とを互いに押し付ける工程と、
   レーザ光を前記治具内に入射する工程と、を含み、
   前記入射する工程では、治具内に入射されたレーザ光が少なくとも１回は当該治具内で反射してから前記第２樹脂部材の溶着部に照射されるよう治具へのレーザ光の入射位置および入射角度が決められた状態でレーザ光を入射することを特徴とするレーザ溶着方法。
2. 前記入射する工程では、前記第１樹脂部材に沿って伝播するようレーザ光を入射することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶着方法。
3. 前記入射する工程では、レーザ光を複数の入射角度で治具に入射することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶着方法。
4. 前記第１樹脂部材と前記第２樹脂部材は、それぞれ車両用灯具のアウターカバーとランプボディであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザ溶着方法。
5. レーザ光を透過する第１樹脂部材とレーザ光を吸収する第２樹脂部材の溶着部同士が対向した状態で配置されているとき、それらをレーザ溶着するために用いられるレーザ溶着装置であって、
   前記第１樹脂部材と前記第２樹脂部材とを互いに押し付ける治具を備え、
   前記治具は、
   レーザ光の入射口と、
   前記溶着部へレーザ光を出射する出射口と、
   前記入射口から入射されたレーザ光を、前記出射口に導くように反射させる反射手段と、
   を含むことを特徴とするレーザ溶着装置。

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