JP4075821B2 - 樹脂材のレーザ溶着方法 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光に対して透過性のある樹脂材と吸収性のある樹脂材からなり、透過性樹脂材越しにレーザ光を照射することで吸収性樹脂材を発熱させ、その熱により透過性樹脂材を溶融することで両者を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法に関する。
レーザ光による樹脂の溶着技術は、レーザの低価格化とともに、製品の小型化、コストダウン及び高信頼性のニーズへの貢献が期待されている。
従来の技術は、レーザ溶着部を気密接合させる方法として、全周レーザ走査、或いは加工テーブル走査を行い、更に溶着開始点をオーバーラップさせることでシール性を確保しているのが一般的である。しかしながら、この従来の技術では、溶着中に巻き込んだエア等の欠陥が溶着終端部で出やすくなっており、溶着終端部での強度低下及び気密不良等の重大な問題を抱える可能性がある。
事実、継手形状で試作を実施したところ、最初に巻き込んだエアが溶着終端部で多発する傾向となった。これは、比較的溶融幅の長いと考えられる樹脂中に巻き込んだエアやガス成分が溶解し、それらを引き連れて動いていることが予想され、最終凝固部に出現し易い傾向があったと考えられる。また、溶着終端部は非定常状態（連続ではない）であり、他の定常状態部（連続した部位）と比較して、冷却速度が速く、引け等のボイドが発生し易いことも考えられる。
これらの問題を解決する従来方法として、レーザ出力を徐々に低下させる、いわゆるランプダウンの方法が考えられる。しかしながら、この方法は非定常状態を無くすことで引けに対しては効果があるが、巻き込んだエアやガス成分については改善することが難しいのが現状であった。
なお、高エネルギービーム円形溶接方法において、従来、溶接の終了部を開始部とオーバーラップさせていたのに対し、本来の溶接の円周軌道を外したスローアップ部又はスローダウン部を設けて、ビームエネルギーを減衰させて溶接を終了するものが、特許文献１及び特許文献２等により知られている。
しかしながら、この溶接方法は、金属溶接に関わるものであり、その課題も金属の高エネルギービームに特有の溶接終端部の過熱及び急熱急冷による溶接割れを防止することであって、本発明の低出力レーザによる樹脂の溶着特有の隙間による巻き込みボイドを低減するものではない。また、両技術は基本的に異なるものであり、技術としての互換性がないものである。
特開平４−１２７９７９号公報 特開平６−２８５６５１号公報
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、レーザ光に対する透過性樹脂材と吸収性樹脂材との溶着線（シール部）における、巻き込みボイド等の欠陥部の発生を防止することができる樹脂材のレーザ溶着方法を提供することである。
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法を提供する。
請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂材とレーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材とを重ね合わせて、レーザ光を照射することにより、両樹脂材を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法であって、第１の樹脂材と第２の樹脂材との２次元又は３次元の閉鎖されたループ形状の溶着線に沿ってレーザ光を照射し、このループ形状の溶着線がオーバーラップ位置にきたときに、ループ形状の溶着線から外れてレーザ光を照射し、このループ形状の溶着線から分岐した終端部を成す溶着線を形成し、この終端部でレーザ光の照射を停止するようにしたものである。これによって、溶着中に巻き込んだエアやガス成分を溶着終端部に集めることができ、溶着線部分での溶着欠陥の発生を防止することができる。また、ループ状の溶着線によって囲まれた空間のシール性を確保できる。
請求項２の該レーザ溶着方法は、溶着の終端部を予め設計された場所又は製品上影響のない場所に設けるようにしたものである。即ち、例えば、捨てうち用治具を予めワークセットに取り付けて、この捨てうち用治具に終端部がくるようにして、レーザ光による溶着を行う。その後で捨てうち用治具を取り外すことによって、製品上には、何ら溶着の欠陥が見当らない製品を製作できる。或いは、終端部には欠陥が発生するが、製品の特性（強度、シール性）を決定する溶着線上には欠陥のない溶着を行うことができる。
請求項３の該レーザ溶着方法は、レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂材として、カーボンにより着色した樹脂材を特定したものである。黒色は、レーザ光の吸収に好適である。
請求項４の該レーザ溶着方法は、レーザ光の走査が、レーザ光の光学ヘッドの駆動又は溶着製品を加工テーブルで駆動させることにより行われることを規定したものである。
以下、図面に従って本発明の実施の形態の樹脂のレーザ溶着方法について説明する。図１は、レーザ溶着設備の概略の構成を示す全体構成図であり、図２は、レーザ溶着機の側面図である。レーザ溶着設備は、レーザ光をワーク２に対して照射するレーザ溶着機１と、ワーク２をセットする治具３と、治具３を保持するＸＹテーブル４等から構成されている。またレーザ溶着機１は、レーザ発生装置１１、光ファイバ１２及びレーザ光の出射光学系である光学ヘッド１３とよりなる。この光学ヘッド１３は、図２に示すようにロボット１４によって把持されており、レーザ光の照射角度及び照射位置とがロボット１４によって変えられるようになっている。また、ワーク２がセットされる治具３はＸＹテーブルに保持されており、ＸＹテーブル４をＸ軸方向又はＹ軸方向に移動することにより、ワーク２自体がＸ及びＹ軸方向に移動できるようになっている。なお、ＸＹテーブル４は、加工室６内に配設されている。
図３は、ワーク２がセットされる治具３の拡大断面図である。ＸＹテーブル４に保持される、ワーク２がセットされる治具３は、下治具３１及び押え治具３２及び押えボルト３３等からなっており、ワーク２が下治具３１及び押え治具３２間に挟持される形でセットされる。なお、押え治具３２には、照射されるレーザ光を通すための開口３２ａが形成されている。
ワーク２は、レーザ光を吸収する第１の樹脂材２１とレーザ光を透過する第２の樹脂材２２とからなり、レーザ溶着を行うにあたっては、これらの第１の樹脂材２１と第２の樹脂材２２とが、レーザ光を照射する側に第２の樹脂材２２がくるように治具３によって重ね合わされてセットされ、溶着線Ｌに沿ってレーザ溶着される。なお、第１の樹脂材２１と第２の樹脂材２２とが溶着され易いように、一般的には、継手部２１ａが形成されており、この継手部２１ａに沿ってレーザ溶着が行われる。したがって、継手部２１ａがイコール溶着線Ｌの関係にある。図３においては、第１の樹脂材２１に２山の突起を設けることによって継手部２１ａを形成している。この継手形状は、重ね継手やレーザ溶着に有効な突起形状であれば何れを採用してもよい。
レーザ光を吸収する第１の樹脂材２１の種類としては、熱可塑性を有し、レーザ光を透過せずに吸収しうるものであれば特に限定されない。例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＥ）等の樹脂材に、カーボンブラック、染料や顔料等の所定の着色材を混入したものを使用することができる。
レーザ光を透過する第２の樹脂材２２の種類としては、熱可塑性を有し、レーザ光に対して所定以上の透過率を有するものであれば特に限定されない。基本的に上記に例示した樹脂材が使用可能である。また透過性を確保できれば着色材を混入してもよい。
なお、第１及び第２の樹脂材２１，２２には、必要に応じて、ガラス繊維やカーボン繊維などの補強繊維を添加してもよい。
また、レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂２１とレーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材２２の組み合わせについては、互いに相溶性のあるもの同志の組み合わせが好適である。このような組み合わせとして、同種の樹脂同志の組み合わせの他、異種の樹脂の組み合わせも可能である。
加熱源として用いるレーザ光の種類としては、レーザ光を透過させる透過性樹脂の吸収スペクトルや板厚（透過長）等の関係で、透過性樹脂内での透過率が所定値以上となるような波長を有するものが適宜選択される。例えば、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ガラス−ネオジウムレーザ、ルビーレーザ、ヘリウム−ネオンレーザ、クリプトンレーザ、アルゴンレーザ、水素レーザ、窒素レーザ等を用いることができる。
図４は、本発明のレーザ溶着方法の１つの実施例を示している。この実施例では、レーザ溶着方法は、樹脂製品の製造方法に適用される。まず、図４（ａ）に示されるように第１の樹脂材２１と第２の樹脂材２２とが重ね合わされたワーク２がセットされる。次いで、図４（ｂ）に示されるように、このワーク２に溶着終了の終端部Ｍとなる捨てうち用治具５が取り付けられる。次に、図４（ｃ）に示すように、レーザ光がワーク２の溶着線Ｌ（継手部２１ａ）に沿って照射される。このようにして、第１の樹脂材２１と第２の樹脂材２２とが溶着線Ｌに沿って溶着される。レーザ光の照射が溶着線Ｌを一周してオーバーラップの位置にくると、レーザ光の照射を溶着線Ｌからはずして、捨てうち用治具５の終端部Ｍまでレーザ光を照射して、この終端部Ｍで照射を終了する。したがって、レーザ光の照射のスタート地点Ｎは、捨てうち用治具５が取り付けられる近辺が好ましい。
このようにして、溶着中にレーザ光を照射することにより発生したボイド、或いは樹脂の引けにより発生するボイド、或いは融点の低い成分（水分、低分布成分等）がガス化して溶融部内に存在するボイド等を引き連れて、終端部Ｍにまで達し、ここで凝固してボイドが閉じ込められ、終端部Ｍに集められた形で欠陥が発生する。この終端部Ｍに集められたボイド（欠陥部）は、図４（ｄ）に示されるように、捨てうち用治具５が切り離されることによって、製品としてのワーク２から取り除かれる。溶着線Ｌによる溶着形状は、２次元の閉鎖されたループである矩形形状となる。このようにして、気密が必要とされる部位の溶着に用いられ、溶着線Ｌの内側のシール性を確保することができる。
図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明のレーザ溶着方法のそれぞれ別の実施例を示している。この実施例では、レーザ溶着方法は、樹脂製品の製造方法に適用される。図４の実施例では、終端部Ｍが捨てうち用治具５に設けられているが、図５（ａ），（ｂ）では、第１の樹脂材２１と第２の樹脂材２２とが、２次元の閉鎖されたループである円形の溶着線Ｌに沿って溶着されており、終端部Ｍが製品上影響のないワーク２内に設けられている。図５（ｃ）に示す実施例では、第１の樹脂材２１と第２の樹脂材２２とは、２次元の閉鎖されたループである矩形形状の溶着線Ｌに沿って溶着されており、終端部Ｍが製品上影響のないワーク２内に設けられている。この樹脂製品の製造方法によると、少なくとも２つの樹脂部品を接合してなる樹脂製品が製造される。この樹脂製品は、樹脂部品間に形成され、線状に延びる接合部を有する。しかも、その線状接合部は、少なくとも一方の樹脂部品を一旦溶融させた後に再度硬化させて形成されている。その線状接合部は、レーザの照射によって生じたものである。線状の接合部は、両樹脂部品に設けられ、それら樹脂部品が接合されるべき部位に沿って延びている。線状の接合部は、さらに、そのレーザ照射の終端を有する。この終端は、両樹脂部品が接合されるべき部位から外れた位置に位置している。終端は、レーザ照射の痕跡として認識しうる。線状の接合部は、閉曲線をなして延びていることが望ましい。この閉曲線状の線状接合部の場合には、レーザ照射の終端は、その閉曲線から延びだした形状として認識されうる。樹脂製品上におけるレーザ照射の痕跡の終端は、その終端がレーザ照射の痕跡として残されても樹脂製品に求められる性能、機能、美観などに影響を与えない部位に位置づけられる。
このように本発明のレーザ溶着方法は、溶着線Ｌの終端部Ｍを予め設計された場所である捨てうち用治具５に設けてもよいし、製品上影響のないワーク２内に設けるようにしてもよい。
また、溶着線Ｌによる溶着形状は、２次元の閉鎖ループを形成する円形、矩形のみならず２次元の任意の形状とすることができ、更に３次元の閉鎖ループを形成する形状であってもよい。
レーザ光の走査する速度は、任意の速度を採用することができると共に、走査方法においても、レーザ光を照射する光学ヘッド１３を走査するようにしてもよいし、或いはＸＹテーブル４を移動させて、溶着製品となるワーク２を移動させるようにしてもよい。
以上説明したように、本発明では、溶着線にずらして終端部を設けることにより、欠陥の発生を製品の性能に影響のない終端部に集中させることができ、溶着線内での欠陥の発生を抑制することができ、高度なシール性をもつ溶着部が得られる。
レーザ溶着設備の概略の全体構成を示す図である。 レーザ溶着機の側面図である。 ワークを治具にセットしてレーザ光を照射する状態を説明する図である。 本発明の実施の形態のレーザ溶着方法を説明する図である。 本発明のレーザ溶着方法の別の実施例を説明する図である。
符号の説明
１…レーザ溶着機
１１…レーザ発生装置
１３…光学ヘッド
２…ワーク
２１…第１の樹脂材
２１ａ…継手部
２２…第２の樹脂材
３…治具
３１…下治具
３２…押え治具
４…ＸＹテーブル
５…捨てうち用治具
Ｌ…溶着線
Ｍ…終端部
Ｎ…スタート部

Claims (4)

  1. レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂材と、レーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材とを重ね合わせて、レーザ光を照射することにより、両樹脂材を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法において、
    前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材との２次元又は３次元の閉鎖されたループ形状の溶着線上にレーザ光を照射し、前記ループ形状の溶着線がオーバーラップ位置にきたときに、前記ループ形状の溶着線から外れてレーザ光を照射し、前記ループ形状の溶着線から分岐した終端部を成す溶着線を形成し、前記終端部でレーザ光の照射を停止することを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。
  2. 前記終端部が、予め設計された場所又は製品上影響のない場所に設けられることを特徴とする請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
  3. 前記第１の樹脂材がカーボンにより着色された材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
  4. レーザ光の走査が、レーザ光の光学ヘッドの駆動又は溶着製品を加工テーブルで駆動させることにより行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
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