JP2014529522A - プラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ｚ方向における溶接シーム形成のより良好な制御を行なってそれぞれの被加工品に良好に適するものとする。【解決手段】プラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接方法及び装置において、焦合されたレーザービーム（１）が互いに対向配置された２個の接合部材（２、３）の境界面（４、５）の領域における溶接区域（Ｓ）内に出射され、接合部材（２、３）間に特定のシーム深さ（Ｔ）を有する溶接シーム（７）を形成し、レーザーパワー密度が溶接区域（Ｓ）内のシーム深さ（Ｔ）の方向（ｚ）における溶接プロセス中に変調される。【選択図】図１

Description

本発明はプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接方法及び装置に関し、集束されたレーザービームが互いに対向する両接合部材の境界表面の領域内における溶接区域に放射されて、両接合部材間で特定のシーム深さ（深度）を有する溶接シームを形成するものである。

慣用のプラスチックレーザー溶接方法は、焦合（焦点調節）されたレーザービームによって熱エネルギーを溶接区域に入力して、接合部材を溶融し、その間に対応する溶接シームを形成することに基づいている。一般的な方法は所謂伝導溶接(transmission welding)と称され、レーザー放射線透過性の１つの接合部材がレーザー放射線吸収性の１つの接合部材上に配置され、次いでレーザービームが透過性接合部材を介して吸収性接合部材上に放射される。これは後者を溶融し、熱エネルギーが透過性接合部材に伝導して当該接合部材を溶融させる。その結果、溶接シームが、互いに対向する両接合部材の境界表面の領域内における溶接区域に形成される。

レーザー伝導溶接の方法及び装置は特許文献１で知られており、レーザー処理（プロセシング）ビームの焦点は、２個の接合部材間の溶接平面における歪や他の欠陥を修正するように溶接平面に垂直な方向（ｚ方向）で変位可能である。この構成要素は低速で変位される。Ｚ位置の高周波変調による目標となる熱入射区域の調節は、このシステムでは不可能である。

特許文献２は、異なる形式の文書材を接合してデビットカードのような多層セキュリティ文書本体を形成する方法を開示している。ここでは層構造に放射された電磁放射線が変調される。この変調は振幅変調又は周波数変調であり、複数の個別層間の境界表面に垂直な方向における放射線焦点位置の変調は、この開示文献においては示されていない。

プラスチック材料の溶接において一層重要になるレーザー溶接方法は所謂突合せ溶接と称される。この方法によれば、突合せ結合を形成するように互いに位置決めされ、レーザー放射線透過性である例えば２個の接合部材がレーザービームによって互いに対向している境界表面を溶融することで一緒に溶接され、対応する溶接シームはレーザービームを移動することによって突合せ結合領域の延長方向（ｘ方向）に沿って形成できる。

US 2003/0090562 A1 DE 10 2007 036 838 A2

プラスチック材料製の接合部材をレーザー溶接する基本的な問題は、レーザービームが接合部材の一方又は双方の表面を貫通して溶接区域に到達するように放射される必要があることである。使用されるプラスチック材料の透過性特性又は吸収性特性に応じて、表面は、一方では、熱衝撃による影響を受ける。他の問題は、互いに対向している境界表面の領域における実際の溶接区域がシーム深さ方向（ｚ方向）に関して小さいことであり、その結果、シームの強度及び品質が改良される必要がある。

したがって、ｚ方向における溶接シーム形成のより良好な制御を行なってそれぞれの被加工品に良好に適するようにすることが要求される。

本発明の目的は、一方では、方法請求項１に記載の特長によって達成される。他方、装置請求項５に記載の特長が適用される。

本発明にしたがえば、本発明の趣旨はシーム深さ方向（ｚ方向）での溶接プロセスのあいだにレーザーパワー密度を変調することである。レーザーパワー密度の変調周波数は、ｚ方向でのレーザー焦点位置の変調周波数によって規定され、シーム延長方向（ｘ方向）、言い換えれば慣用座標系のＸ方向でのレーザービームの供給速度に相関しており、レーザービームがシーム延長方向に移動するとき焦点が溶接シームのシーム深さにわたって少なくとも１度通過するようになっている。

その結果、低い供給速度では、変調周波数は高い供給速度におけるよりもＸ方向で対応して低くなる。所謂準同時溶接(quasi-simultaneous welding)工法において、閉じた輪郭ラインが短い間隔で数回トレースされ、供給速度はより高くなり、したがって、変調周波数はより高いレベルに設定される必要がある。

実際の変動可能なパワー密度に加えて、また、上記の変調はシーム深さの特定のｚ方向において結果的に変調される変更可能な焦点直径によって行われる。

ｚ方向におけるエネルギー入力の変調依存変動性は確定された手法においてシーム形状に有利な影響を及ぼす手段を提供する。２個の同じく透過性の接合部材が２μｍレーザーによって突合せ溶接されるとき、構成要素厚さにわたるシーム領域におけるエネルギー入力は焦点のｚ位置を変調することによって最適化される。小さなシーム深さを有する中央の空間限定された溶接シームの代わりに、ｚ方向におけるこの変調は深さがｚ方向に増大するようにシームを形成させて、シームを２個の接合部材の上下の突合端縁の近傍にまで延長させ、表面に対する被害を回避するのに十分である上下の突合端縁からの最大シーム深さ及び距離をもたらす結果となる。

パワー密度変調されたレーザー溶接にとってレーザービームの好ましい波長レンジは０．７μｍ〜２．５μｍ、言い換えれば赤外線レンジである。

レーザーパワー密度を変調させるレーザー溶接のための対応する装置の典型的な配置において、レーザービーム源及び／又はレーザービーム誘導・形成装置の対応する配置がなされて、レーザーパワー密度を溶接プロセス中にシーム深さの方向に変調する。レーザービーム誘導・形成装置がコリメートレンズ及び焦合レンズを有する焦合装置を備えるならば、レーザービームの伝導方向（光軸）に沿ってコリメートレンズ及び／又は焦合レンズを変位することによって変調が達成される。このため、一方又は双方のレンズはモータによって有利に変位可能である。この変調形式の代替例は３Ｄスキャナー装置を備える焦合装置によってレーザービームの焦点位置を変調することである。

本発明のその他の特長、詳細及び利点は、以下の支持する説明によって図面を参照して、明らかになる。

突合せ溶接プロセス中の溶接区域における２個の接合部材の斜視概略切断図である。 焦点位置変調のための変位可能焦合レンズからなるレーザービーム誘導・形成装置の概略断面図である。 焦点位置変調のための変位可能焦合レンズからなるレーザービーム誘導・形成装置の概略断面図である。 焦点位置変調のための変位可能焦合レンズからなるレーザービーム誘導・形成装置の概略断面図である。 焦点位置変調のための変位可能コリメートレンズからなるレーザービーム誘導・形成装置の概略断面図である。 焦点位置変調のための変位可能コリメートレンズからなるレーザービーム誘導・形成装置の概略断面図である。 焦点位置変調のための変位可能コリメートレンズからなるレーザービーム誘導・形成装置の概略断面図である。

以下、本発明のプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接方法及び装置における実施の形態について図面を参照して詳述する。

レーザー溶接方法は、シーム深さｚの方向における変調されたパワー密度で達成され、図１を参照して説明される。一般に、この方法は、焦合（焦点調節）されるレーザービーム１を使用して達成され、適切なプラスチック材料の２個の接合部材２、３はレーザービーム１が透過する充分な透過度を示している。他方、材料の吸収度は、レーザーエネルギーの一部が接合部材２の容積によって吸収されて溶接に要する熱エネルギーに変換されるようなものである。適切なレーザーは、例えば赤外線レーザーであって波長レンジ０．７μｍ〜２．５μｍ、特に波長２μｍを有する。図１において、２個の接合部材２、３は、溶接区域が全体としてＳによって図示され、接合部材２、３の境界４、５の領域に配置された構成で示され、これらは互いに対向して突合せ結合が形成されるようになっている。

図１に示されたレーザービーム１の焦点Ｆの位置６は、この焦点位置６を取囲む領域におけるレーザーパワーの極めて局部的な容積吸収につながり、その結果、非常に限定されたシーム深さＴを有する対応する狭い溶接シーム７の形成をもたらす。

これは、本発明では後に詳細に説明されるレーザービーム誘導・焦合（焦点調節）装置について達成される構造上の措置によるものである。焦点位置６は変調され、言い換えれば、シーム深さＴの方向に平行に延長するｚ方向に、特定の周波数で上下に移動される。これは破線又は点線で示される典型的な焦点位置６’、６”によって図１に示されている。

一般的に言えば、ｚ方向における変調振幅はシーム深さＴが接合部材２、３の境界面４、５の上下端縁８、９に丁度延長するようなものである。

また、図１によって示されているように、レーザービーム１は溶接シーム７に沿ってｘ方向に連続して誘導されて境界面４、５に形成され、所謂輪郭溶接(contour welding)工法におけるようなものである。ｘ方向における供給速度ｖ_ｘは変調周波数及び焦点位置６の変位速度ｖ_ｚと相関する。接合部材２、３によって遂行されるレーザーエネルギー吸収の程度に応じて、焦点Ｆは溶接シームの全シーム深さＴを少なくとも１回又は数回さえも渡過させなければならず、このためｚ方向及びｘ方向における全シーム深さＴにわたって高品質連続溶接シーム７を形成する。例えば、焦点直径Ｄ_Ｆが０．１ｍｍ、シーム深さが１ｍｍ、接合部材２、３の厚さｄが２ｍｍ、ｘ方向における供給速度ｖ_Ｘが１００ｍｍ／ｓであるとき、焦点Ｆの変調速度は１０００ｍｍ／ｓに設定される必要があり、これによって焦点Ｆは全溶接シーム７をそのシーム深さＴにわたって少なくとも１回渡過させることを確実にする。

また、図１は、溶接区域Ｓのｚ方向におけるシーム深さＴ及びその位置の適切な調節によって接合部材２、３の上下端縁８、９からの充分な距離が維持されて、接合部材２、３の視認面への被害を回避できることを示している。

図２ａ−図２ｃ及び図３ａ−図３ｃは、接合部材２、３が伝導溶接構成において上下に配置されるレーザービーム溶接装置を示している。レーザービーム溶接装置は概略図示されたレーザービーム源１０を備え、そのレーザービーム１は適切な光ウェーブガイド１１を介し全体として１２によって示されているレーザービーム誘導・形成装置に誘導される。簡潔にするために、後者は以下の説明においてレーザー処理ヘッド１２と称する。

レーザー処理ヘッド１２において、コリメートレンズ１３が設けられ、これによって発散レーザービーム１は光ウェーブガイド１１を出光した後、コリメート（平行化）され、焦合（焦点調節）レンズ１４に伝送される。後者はレーザービーム１を接合部材２、３の領域において特定の焦点幅ｆで焦合（焦点調節）する。

図２にしたがう実施例において、焦合レンズ１４はモータ駆動部１５によって駆動されレンズ軸線方向に変位する。これによってレーザービーム１の焦点Ｆは図１を参照して詳細に説明されているように、ｚ方向に変調されるようになる。図２ａにおいて、焦点は、２個の接合部材の境界面４、５の領域内に凡そ位置している。図２ｂにしたがう位置において、焦合レンズ１４はコリメートレンズ１３から離れて接合部材２、３の方向に移動されており、焦点Ｆは下部接合部材３に向かった方向に対応して変位している。図２ｃにしたがえば、焦合レンズ１４は図２ａにしたがう原位置を越えてコリメートレンズ１３に向かって変位しており、焦点Ｆはｚ方向において上方に変位している。

したがって、モータ駆動部１５によって、焦合レンズ１４は焦点位置６、６’、６”の所望の変調周波数及び振幅にしたがって位置決め可能であり、ｚ軸線に平行な方向において振動するようになる。

したがって、モータ駆動部１５を作動させるために、複数の変調パラメータが溶接プロセスの事前に又は溶接プロセス中に変更できる。それで例えば、幾つかの形式又は構成要素が１個の装置によって作成されるとき、これらのパラメータは実際の溶接プロセスの事前に変更できる。達成されるべき対応するシーム検査のために、特に個別の構成要素に応じて、溶接プロセスの過程でｘ方向における変位経路に沿って変調パラメータを変更することは有用である。

図３ａ−図３ｃに示す典型的な実施例において、焦合レンズ１４はその位置が不動であるが、コリメートレンズ１３にモータ駆動部１５が設けられている。図３ａに示す位置から始動するものとすれば、ここではコリメートレンズ１３及び焦合レンズ１４は相互に位置決めされて焦点位置6が２個の接合部材２、３の境界面４、５の領域内に位置している。焦点Ｆの位置は、コリメートレンズ１３を焦合レンズ１４から離して変位すること（図３ｂ）又はコリメートレンズ１３を焦合レンズ１４に向かって変位すること（図３ｃ）によって変調できる。図３ｂ、図３ｃの強く誇張された図示にしたがえば、図示された焦点位置６’、６”は実際におけるものより更に大きい焦点位置６からの距離に配置される。

１・・・レーザービーム
２、３・・・接合部材
４、５・・・境界面
６、６’、６”・・・焦点位置
７・・・溶接シーム
１０・・・レーザービーム源
１２・・・レーザービーム誘導・形成装置
１３・・・コリメートレンズ
１４・・・焦合レンズ
１５・・・駆動部
Ｓ・・・溶接区域
Ｔ・・・シーム深さ
ｚ・・・方向（ビーム伝導方向）
ｘ・・・シーム延長方向
Ｆ・・・焦点
Ｄ_Ｆ・・・直径

Claims (8)

1. 焦合されたレーザービーム（１）が互いに対向する２個の接合部材（２、３）の境界面（４、５）の領域における溶接区域（Ｓ）内に出射され、接合部材（２、３）間に特定のシーム深さ（Ｔ）を有する溶接シーム（７）を形成して、レーザーパワー密度が溶接区域（Ｓ）内のシーム深さ（Ｔ）の方向（ｚ）における溶接プロセス中に変調されるプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接方法において、
   レーザーパワー密度の変調がシーム深さ（Ｔ）の方向（ｚ）におけるレーザービーム（１）の焦点位置（６、６’、６”）の変調によって達成され、レーザービーム（１）がシーム延長方向（ｘ）に移動されるとき焦点（Ｆ）が溶接シーム（７）のシーム深さ（Ｔ）を少なくとも１回渡過するようにシーム深さ（Ｔ）の方向（ｚ）におけるレーザーパワー密度の変調周波数がシーム延長方向（ｘ）におけるレーザービーム（１）の供給速度と相関することを特徴とするプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接方法。
2. レーザーパワー密度の変調がその焦点（Ｆ）におけるレーザービーム（１）の直径（Ｄ_Ｆ）の変調によって達成されることを特徴とする請求項１記載のプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接方法。
3. 溶接シーム（７）によって、２個の接合部材（２、３）は互いに位置決めされ突合せ結合が形成されるように一緒に接合されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接方法。
4. レーザービーム（１）の波長レンジは０．７μｍ〜２．５μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３何れか１項記載のプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接方法。
5. 焦合されたレーザービーム（１）が互いに対向する２個の接合部材（２、３）の境界面（４、５）の領域における溶接区域（Ｓ）内に出射され、接合部材（２、３）間に特定のシーム深さ（Ｔ）を有する溶接シーム（７）を形成するプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接装置、特に請求項１乃至請求項５何れか１項記載の２個の接合部材のレーザー溶接装置であって、レーザー溶接装置は、
   レーザービーム源（１０）と、
   焦合されたレーザービーム（１）を溶接区域（Ｓ）内に形成し、誘導するレーザービーム誘導・形成装置（１２）とを備えるプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接装置において、
   レーザーパワー密度が溶接区域（Ｓ）内のシーム深さ（Ｔ）の方向（ｚ）における溶接プロセス中に変調されるようにレーザービーム源（１０）及び／又の配置レーザービーム誘導・形成装置（１２）の配置がなされ、レーザーパワー密度の変調がシーム深さ（Ｔ）の方向（ｚ）におけるレーザービーム（１）の焦点位置（６、６’、６”）の変調によって達成され、レーザービーム（１）がシーム延長方向（ｘ）に移動されるとき焦点（Ｆ）が溶接シーム（７）のシーム深さ（Ｔ）を少なくとも１回渡過するようにシーム深さ（Ｔ）の方向（ｚ）におけるレーザーパワー密度の変調周波数がシーム延長方向（ｘ）におけるレーザービーム（１）の供給速度と相関することを特徴とするプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接装置。
6. レーザービーム誘導・形成装置（１２）はコリメートレンズ（１３）及び焦合レンズ（１４）を有する焦合装置を備え、レーザービーム（１）の焦点位置（６、６’、６”）はコリメートレンズ（１３）及び／又は焦合レンズ（１４）をビーム伝導方向（ｚ）に沿って変調速度で変位することによってシーム深さ（Ｔ）の方向（ｚ）に変調されることを特徴とする請求項５記載のプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接装置。
7. コリメートレンズ（１３）及び／又は焦合レンズ（１４）は駆動部（１５）によってビーム伝導方向（ｚ）に沿って変調速度で変位可能であることを特徴とする請求項６記載のプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接装置。
8. レーザービーム誘導・形成装置（１２）はレーザービーム（１）の焦点位置（６、６’、６”）の変調のための３Ｄスキャナー装置を有する焦合装置を備えることを特徴とする請求項６記載のプラスチック材料の２個の接合部材のレーザー溶接装置。

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