JP4492784B2 - レーザ溶着部材の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、熱可塑性樹脂等からなる複数の部品をレーザ溶着によって接合したレーザ溶着部材の製造方法に関するものである。
一体成形の困難な製品を製作したり容器の密閉等を行う場合に、複数部品の接合が必要となる。接合強度の確保や低コスト化の観点から、ボルト、ナット等の締結具を使用しない、溶着がよく行われる。金属部品間の溶着（つまり溶接）はよく知られているが、最近では、樹脂部品間の溶着が注目されている。樹脂部品間の溶着には、摩擦溶着方法およびレーザ溶着方法がある。いずれも接合部を加熱溶融させた後に接着させる点で共通する。しかし、摩擦溶着の場合、両部品を密着させつつ相対運動させて摩擦熱を発生させる必要があるため、両部品間の接合位置精度を確保し難い。これに対し、レーザ溶着の場合、両部品を固定した状態で溶着するので、摩擦溶着の場合のような欠点はない。さらに、レーザ溶着は、接合部へのレーザ照射が可能であれば行えるため、部材形状による制約を受けず、接合自由度が大きいという利点を有する。例えば、下記の特許文献１〜５に、レーザ溶着方法に関する開示がある。
特開２００３−２２５９４６号公報 特開２００１−１０５４９９号公報 特開平１１−１７０３７１号公報 特開昭６２−１４２０９２号公報 特開昭６０−２１４９３１号公報
しかし、レーザ溶着方法は、両部品の密着界面のみを加熱して溶着させるものであるため、その溶着の良否を確認し難い。また、レーザを照射した部品が溶融時に発生するガスによって、溶着品質の低下やそのガスによる溶着部（製品）の変形を生じ得ることもある。
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、レーザ溶着を行った場合であっても、溶着不良やガスによる変形を抑止し、溶着の良否を確認できるレーザ溶着部材の製造方法を提供することを目的とする。
そこで、本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、溶着する部品の少なくとも一方に開口孔を設けることを思いつき、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明のレーザ溶着部材の製造方法は、レーザを透過する透過体と該レーザを実質的に透過せずに吸収する吸収体とを接触させて配置する配置工程と、該透過体と該吸収体との接触部へ該透過体側から該レーザを照射し該接触部を加熱して、該透過体および該吸収体の少なくとも一方を溶融させ該透過体と該吸収体とを接着させる溶着工程とからなるレーザ溶着部材の製造方法において、前記透過体および／または前記吸収体には、前記レーザが照射されたときに溶融してできる溶融領域の少なくとも一部に溶融した該透過体および／または該吸収体が流れ込むように連通するとともに、該レーザの焦点の軌跡と異なる位置に開口孔が予め形成されていることを特徴とする（請求項１）。
本発明の場合、透過体および吸収体の少なくとも一方は開口孔を有する。その開口孔は、透過体および吸収体をレーザ溶着した際にできる溶融領域に連通するため、透過体および吸収体をレーザ溶着すると、溶融した透過体または吸収体が溶融領域からその開口孔へ流入する。その後、その溶融材が開口孔内で凝固すると、その開口孔の少なくとも一部はそれによって閉塞される。その閉塞状況は、開口孔の形態や溶着条件（レーザの強度）等によって異なるが、少なくとも開口孔の溶融領域側の様子は、レーザの照射前後で変化する。その変化を観察することで、溶融状況ひいては溶着状況を確認できる。具体的には、開口孔の底部の様子（例えば、開口孔の深さの変化）を目視で確認したり、ハイトセンサやレーザ光で測定したりすることで観察可能である。そこで本発明のレーザ溶着部材の製造方法は、さらに、前記溶着工程後の前記開口孔の閉塞状況により前記透過体と前記吸収体との溶着具合を検査する検査工程を備えると好適である（請求項６）。特に、透過体と吸収体との配色が異なる場合は上記目視も容易となる。例えば、黒い吸収体の溶融材が、それと色彩の異なる透過体（透明な透過体等）側に設けた開口孔へ流入し、凝固したような場合である。また、レーザを照射する側に開口孔が有ると、検査工程を行い易い。そこで、前記開口孔は、前記透過体にのみ形成されていると好適である（請求項２）。
本発明の製造方法によると次のような効果も期待できる。レーザ溶着する際、透過体や吸収体から種々のガスが発生することがある。それらの溶融領域に上記開口孔が連通していると、レーザ溶着の際に発生したガスはその開口孔へ流れ込むことが可能となる。その結果、溶融領域にガスが残留または滞留して、ボイドの発生等によって生じるレーザ溶着部材の変形や溶着不良が抑止される。このとき、開口孔の開口端（溶融領域側の反対側にある開口端）が大気等へ解放状態となっていれば、発生したガスはそこから順次放出され、溶融領域におけるガスの残留または滞留が一層効果的に回避される。さらに、発生するガスの温度や密度にも依るが、前記溶着工程が、前記開口孔の開口を前記溶融領域よりも上方にして行う工程であると、開口孔へ流入したガスが放出され易くなり好適である（請求項３）。なお、溶融領域からのガスの放出は、レーザ溶着する全域でなされる必要はない。適当な間隔で配置した開口孔からガスが放出されれば足る。ガスの放出効果を高めたいときは、透過体や吸収体の材質または形態、レーザ照射条件等に応じて、開口孔の孔径、配置数、レーザ溶着環境等を適宜変更すれば良い。
本発明によるレーザ溶着を確実に行うためには、レーザ溶着する透過体と吸収体との接触部を密着状態としておくのが良い。そこで、前記溶着工程は、前記接触部またはその近傍を密着状態とする密着工程を含むと好適である（請求項５）。この密着工程により、透過体と吸収体とを綺麗にかつ確実に溶着させることができる。その密着状態は、透過体と吸収体とを挟持したり、一方を他方に押圧したりすれば容易に得られる。透過体と吸収体との接触部に面圧が作用する場合は、密着状態を圧接状態、密着工程を圧接工程といい換えることもできる。レーザの前後に押圧ローラを配置したり、レーザを透過するガラス板で押付けたりすれば、透過体と吸収体との一方を他方に容易に押圧することができる。
発明の実施形態を挙げて、本発明をより詳しく説明する。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なることを断っておく。
（１）開口孔
開口孔は、透過体および吸収体の両方に設けても良いし、いずれか一方のみに設けても良い。例えば、レーザは透過体側から照射するが、開口孔を吸収体側に設けても良い。但し、検査工程を行う場合、開口孔を透過体側に設けると、レーザを照射する側から検査工程を行えるので好都合である。
開口孔の形態は特に拘らない。開口孔の断面は、円状、楕円状、半円状、多角形状等でも良いし、さらにはそれらの組合わせでも良い。また、その断面は深さ方向に一定である必要もなく、開口孔は円錐状等でも良い。開口孔の深さも問わない。但し、溶着具合を目視確認する場合は、それが可能な形態の開口孔とするのが良い。開口孔の深さ（ｔ）、開口孔の径（ｄ）としたとき、その比（ｔ／ｄ）が例えば、０．９〜１．１となるように設定すると良い。
（２）透過体と吸収体
本発明でいう透過体および吸収体は、レーザ溶着が可能である限り、その材質を問わないが、特に樹脂材のレーザ溶着が重要である。そこで、透過体は、レーザを透過する透過性樹脂部品であり、吸収体は、レーザを吸収する吸収性樹脂部品であると好ましい。さらに、それらの少なくとも一方が熱可塑性樹脂材からなるとより好ましい。熱可塑性樹脂材であれば、レーザ照射により容易に溶融状態にできる。そして、レーザ照射の停止後（または通過後）、その溶融樹脂は冷却、再凝固して溶着が完了する。この場合、本発明の溶着工程は、前記接触部の熱可塑性樹脂を加熱溶融させて透過体と吸収体とを接着する工程となる（請求項４）。
このような樹脂材には、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ＡＢＳ樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等がある。透過体は、それらの樹脂材をそのまま使用すれば良い。一方、吸収体には、それらの樹脂材にレーザ吸収性を有する着色剤を添加したもの等を全体的にまたは接触部に用いると良い。その着色剤には、例えば、カーボンブラック等の炭素系材料、複合酸化物系顔料等の無機系着色料がある。勿論、透過体にも、レーザを透過する着色剤を添加したものを用いても良い。そのような着色剤として、例えば、アンスラキノン系、ペリレン系、ペリノン系、複素環系、ジスアゾ系、モノアゾ系等の有機系染料等がある。
さらには、透過体や吸収体は、ガラス繊維、金属繊維等の補強材を分散させた複合材料等でも良い。透過体にレーザを透過する非晶質性樹脂を使用し、吸収体にレーザを吸収する晶質性樹脂を使用しても良い。黒色セラミック等のレーザ吸収材をその両側から透過性樹脂材で挟持して、３層構造のレーザ溶着部材としても良い。この場合、両側の透過性樹脂材が本発明でいう透過体となり、中央のレーザ吸収材が吸収体となる。なお、本明細書でいうレーザの透過性やレーザの吸収性は、相対的なものに過ぎないことを断っておく。
透過体と吸収体とは共に樹脂製である必要性はない。他の組合わせとして、ガラスと樹脂、樹脂と金属、ガラスと金属等、種々のものを考えることができる。また、それらの接着性（相性）が悪いときは、両者の接触部に適当な接着剤を予め介在させておけば良い。その接着剤をレーザで加熱することでレーザ溶着を強化しても良い。
（３）レーザ
レーザは、種々のものを使用できるが、透過体や吸収体の材質、接合幅、生産性等を考慮して、波長や出力等の適当なものを選択する。このようなレーザとして、各種ガスレーザ、半導体レーザ等を用いることができる。代表的なものは、ＹＡＧレーザである。使用する波長は、透過体および吸収体の材質により異なるが、それらが樹脂製の場合、概ね８０８〜１０６４ｎｍ程度である。その出力は、数〜数数百Ｗである。溶着幅は、レーザの絞り（集光径）により変更できる。通常は、１〜５ｍｍである。また、レーザの焦点は、接触部またはその近傍に合わせると良い。その焦点位置の調整により、加熱幅の制御も可能である。
レーザは、レーザ発生器で発生した後、光ファイバーを通り、レンズで集光させて、接触部に照射しても良い。この場合、レーザ発生器、光ファイバーおよびレンズによりレーザ照射手段が構成される。
レーザ溶着する部分（溶着部）が複数の点状または線状等である場合、レーザを透過体等に対して相対移動させれば良い。レーザ側を移動させる場合、例えば、透過体と吸収体とを押圧治具でテーブルに固定し、レーザの照射部をロボットのアームに把持させて移動させれば良い。ちなみに、そのような押圧治具は、金属製でも、ガラス製でも、樹脂製でも良い。もっとも、透過体に押圧治具を覆い被せるときは、接触部の接着状況を目視確認し易いように、押圧治具に透明なガラスやアクリル板等を使用すると良い。
実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
レーザ溶着される樹脂部品として、ＰＢＴＣ（ポリブチレンテレフタレート）製の透過性樹脂板１１（透過体、透過性樹脂部品）と、そのＰＣにカーボンブラックを混練して成形した黒色の吸収性樹脂板１２（吸収体、吸収性樹脂部品）とを用意した。透過性樹脂板１１と吸収性樹脂板１２との厚さ（ｔ）は共に１ｍｍの平板である。透過性樹脂板１１と吸収性樹脂板１２とを溶着させてできるレーザ溶着部材１はエアバッグ用回路を収納するケースである。
次に、透過性樹脂板１１を上側にして透過性樹脂板１１と吸収性樹脂板１２とを積層してテーブルＴ上に載置した。透過性樹脂板１１の上面に透明なガラスからなる押圧治具Ｇを載せ、その押圧治具Ｇを油圧プレスＰ（押圧手段）で加圧して、透過性樹脂板１１と吸収性樹脂板１２とを接触部Ｂで密着させた（密着工程または押圧工程）。このとき、透過性樹脂板１１と吸収性樹脂板１２との接合面間の面圧は０．３〜０．５ＭＰａ程度とした。
次に、その押圧治具Ｇの直上からレーザＬを照射した（照射工程）。透過性樹脂板１１および吸収性樹脂板１２の材質に合わせて、波長：１０６４ｎｍ、出力：５ＷのＹＡＧレーザを使用した。そのレーザ発生器（図示せず）から光ファイバー（図示せず）およびレンズ（図示せず）を介して、接触部Ｂ付近にレーザ光を集光させた。そして、レーザが照射された吸収性樹脂板１２の接触部Ｂ近傍を溶融させ、溶融領域Ｙを一時的に形成した。この操作を所望の軌跡に沿って順次行うことで、透過性樹脂板１１と吸収性樹脂板１２との溶着が完成する。なお、レーザの照射位置の変遷は、レーザ照射部Ｓを工業用ロボットのアーム（図示せず）に把持させ、それをプログラムに沿って順次移動させることで容易に行える。
ところで、本実施例の場合、透過性樹脂板１１側に、孔径（ｄ）１ｍｍの開口孔１１１を１０ｍｍ間隔で設けた。この開口孔は鉛直方向の貫通孔とした。その上端側の開口は押圧治具Ｇによって塞がれているが、その下端側の開口は溶融領域Ｙに連通する位置に調整してある。つまり、レーザＬの焦点から開口孔１１１の中心までの距離ｌが、レーザＬの焦点を中心に形成される溶融領域Ｙの溶融面積Ｄ内に収るように調整してある。また、本実施例の場合、レーザＬの軌跡上に開口孔１１１を設けていない。
この開口孔１１１の存在により、溶融領域Ｙで発生したガスｇ（例えば、ＰＢＴ分子ガス）はその開口孔１１１へ流れ込み、レーザ溶着部への残存が抑止される。その結果、溶着不良や接触部Ｂにおけるレーザ溶着部材１の変形も抑制される。
また、溶融領域Ｙで生じた吸収性樹脂板１２の溶融樹脂の一部も開口孔１１１へ流れ込み込む。レーザＬの通過後、その溶融樹脂が冷却して凝固すると、透過性樹脂板１１と吸収性樹脂板１２とが接触部Ｂで溶着接合されると共に、開口孔１１１の下側開口へ流れ込んだ溶融樹脂は凝固して閉塞部ｙを形成する。この閉塞部ｙは吸収性樹脂板１２と同色の黒色であり、透過性樹脂板１１と色彩が異なるため、閉塞部ｙを容易に目視で確認できる。この閉塞部ｙの形成が確認されると、透過性樹脂板１１と吸収性樹脂板１２との溶着が正常になされたと見なせる（検査工程）。勿論、目視以外にも、例えば、レーザ溶着後の開口孔１１１の深さ（ｈ）を測定して、その深さ（ｈ）が透過性樹脂板１１の厚さ（ｔ）よりも小さければ、上記閉塞部ｙが形成されており、透過性樹脂板１１と吸収性樹脂板１２との溶着が正常になされたと判断しても良い。
なお、閉塞部ｙが正常に形成されないような場合は、吸収性樹脂板１２の溶融が不十分であると考えられる。その場合、照射するレーザ出力を増強したりその移動速度を下げたりすると良い。レーザ出力が適切である場合は、開口孔１１１を設ける位置が適切でないと考えられる。そこで、上述した距離ｌが溶融面積Ｄ内に収るような位置に開口孔１１１を設けると良い。すなわち、開口孔１１１の中心をレーザＬの中心に近づけると良い。
本実施例のレーザ溶着方法を概念的に示す断面図である。
符号の説明
１ レーザ溶着部材
１１ 透過性樹脂板
１１１ 開口孔
１２ 吸収性樹脂板１２
Ｂ 接触部
Ｙ 溶融領域
Ｇ 押圧治具
Ｌ レーザ

Claims (6)

  1. レーザ光を透過する透過体と該レーザを実質的に透過せずに吸収する吸収体とを接触させて配置する配置工程と、
    該透過体と該吸収体との接触部へ該透過体側から該レーザを照射し該接触部を過熱して、該透過体および該吸収体の少なくとも一方を溶融させ該透過体と該吸収体とを接着させる溶着工程とからなるレーザ溶着部材の製造方法において、
    前記透過体および／または前記吸収体には、前記レーザが照射されたときに溶融してできる溶融領域の少なくとも一部に溶融した該透過体および／または該吸収体が流れ込むように連通するとともに、該レーザの焦点の軌跡と異なる位置に開口孔が予め形成されていることを特徴とするレーザ溶着部材の製造方法。
  2. 前記開口孔は、前記透過体に形成されている請求項１に記載のレーザ溶着部材の製造方法。
  3. 前記溶着工程は、前記開口孔の開口を前記溶融領域よりも上方にして行う工程である請求項１に記載のレーザ溶着部材の製造方法。
  4. 前記透過体および前記吸収体の少なくとも一方は熱可塑性樹脂からなり、
    前記溶着工程は、前記接触部の該熱可塑性樹脂を加熱溶融させて前記透過体と前記吸収体とを接着する工程である請求項１に記載のレーザ溶着部材の製造方法。
  5. 前記溶着工程は、前記接触部またはその近傍を密着状態とする密着工程を含む請求項１に記載のレーザ溶着部材の製造方法。
  6. さらに、前記溶着工程後の前記開口孔の閉塞状況により前記透過体と前記吸収体との溶着具合を検査する検査工程を備える請求項１に記載のレーザ溶着部材の製造方法。
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