JP5306463B2 - レーザヘッド及びレーザ照射による管状部品の接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、部品を接合するレーザ照射用レーザヘッド及びレーザ照射溶接により連結部材又は分岐部材を樹脂製の管の端部に接合する方法に関する。

熱可塑性合成樹脂製の管状部品同士の端部の突き合せ部分又は重なり合わせ部分を同時に溶接することはよく知られている。この同時溶接は、単一のレーザ光源を用いて擬似的に同時か、又は複数のレーザ光源を用いて文字通りの同時に実行される。擬似的に同時な溶接法では、部品の接合すべき部分が、環状ビーム形成装置で囲まれる。環状ビーム形成装置は、レーザ光源からのレーザビームを環状に走査し接合すべき部分に垂直に入射させるように作動する。真の同時溶接法では、接合すべき部分の周りに複数のレーザ光源が環状に配置される。この場合、複数のレーザ光源からのレーザビームは重なり合っている。

複数のレーザ光源を用いた同時溶接法に関しては、特許文献１に開示されている。特許文献１には、レーザ光源から内方に放射されたレーザビームが溶接すべき部材を挿入する位置においてエネルギー密度が均一となるように、複数のレーザ光源をハウジングに配置することが記載されている。溶接すべき部材が長い場合には、部材を中心部に挿入して配置することが困難であることが判明している。

独国特許出願公開第１０ ２００４ ００３ ６９６ Ａ１号明細書

本発明は、上記の問題に鑑み、短時間で溶接でき液密又は気密な接合部が得られる管状部品に連結部材又は分岐部材を接合する方法を提示することである。この方法では、管外周面と対応する連結部材又は分岐部材の内周面とが完全に溶接されることが重要である。

請求項１に記載のレーザヘッド並びに請求項６に記載の方法により上記課題が解決される。その他の特徴については、関連する請求項に記載されている。

本発明によるレーザヘッドが２つのヘッド構成部材に分割された状態を示す図 図１の２つのヘッド構成部材が溶接可能に組立てられた状態を示す図 ２つの管をレーザビーム溶接する際に用いる架橋部材付きの連結部材を示す図

本発明のレーザヘッドを用いたレーザ照射による管状部品の接合では、管状部品の溶接が同時にできる。管状部品は、突き合せるか又は重ね合わせて互いに溶接される。突き合せ溶接では、管状部品の端部は同じ断面形状を有するが、重ね合わせ溶接では、一方を他方に挿入する際に滑りばめ又は軽度の締まりばめとなるように断面の輪郭が同じ形状を有する。このため、スリーブ状の連結部材を一方の管状部品の端部に装着するか、又は連結部材又は分岐部材を管状部品に挿入して、レーザを照射して溶接する。

本発明では、同時溶接が簡単に実行できるように、径方向に分割できる２つのヘッド構成部材より成るレーザヘッドが部品の接合部又は接合域を完全に囲むように構成されている。レーザヘッドには、複数のレーザ光源がそれぞれからのレーザビームが接合部又は接合域において重なり合うように配置されている。接合部又は接合域において空隙なしに重なり合い且つ／又はレーザヘッドが２つのヘッド構成部材から成るような形態が好ましい。レーザヘッドが３つ以上のヘッド構成部材から成る形態も可能であるが、以下２つのヘッド構成部材から成る形態につき記載する。

ヘッド構成部材は、接合される管状部品の軸に対して垂直方向に分割できるように構成されているので、管の長さには関係無く、２つヘッド構成部材を溶接すべき部分の周りに設置できる。すなわち、管状部品の接合すべき部分が、レーザヘッドの中央の収容空間に保持される。それぞれのレーザ光源からのレーザビームは、レーザヘッドに備えられた光学系により、接合すべき部分において重なり合うように、変形され、偏向され且つ集光される。これにより、接合すべき部分の周りにおけるレーザ光源からエネルギー分布が均一になる。レーザ光源としては、一体化されたレーザ光源、レーザバー又はレーザ光源に連結した一連の光導波路などを用いてもよい。

本発明による一実施例では、締まりばめでなく滑りばめにより管状部品がその重なりあって問題なく連結できるように、レーザヘッドの収容空間の径を決めるか又は収容空間に装置を備えてもよい。

当然のことながら、締まりばめにより重ね合わせた管状部品の端部を、分割可能なレーザヘッドにより溶接して接合させてもよい。そのためには、重なり合った部分を架橋する架橋部材を一方の管状部品に形成し、その架橋部材にレーザビームを直接に照射することにより、重なり合った部分が溶接される。例えば、重なりあった部分の内周面を囲む僅かに突出した環状カラーを形成すると、単純な方式の締まりばめを生成する架橋部材が形成される。

原則的には、連結部材又は分岐部材を他方の管状部品に形成してもよい。この場合、連結部材又は分岐部材には、一方の管状部品を受容し、好ましくは気密に保持できるように、上記の架橋部材のような構造を備えてもよい。締まりばめであっても、管の端部を、連結部材又は分岐部材の環状カラーに簡単に挿入できる。連結部材又は分岐部材との締まりばめにより、管状部品の端部の外周部と環状カラーは確実に溶接される。架橋部材は、挿入された管状部品の端部と連結部材又は分岐部材の接合部とを部分的に架橋する。

挿入された管状部品の端部の外径は、環状カラーの内径よりも僅かに大きいことが好ましい。管状部品の端部を傾斜させて形成すると、環状カラーを備えた連結部材又は分岐部材への管状部品の挿入し易くなる。管状部品の端部が接合部に挿入されると、環状カラーが僅かに変形するか又は圧縮されて、端部と架橋部材の間に締まりばめが生成される。管状部品の厚さ及び接合部の厚さによっては、管状部品の端部及び／又は接合部が変形する。

本発明による連結部材又は分岐部材と管状部品の端部との接合方法には、以下の工程が含まれる。ここでは、連結部材又は分岐部材は、管状部品の端部を受容する中空円筒状の接合部を備え、接合部に締まりばめ状態で管状部品が挿入されてシールが形成され、レーザヘッドにより同時に溶接される。

先ず、管状部品及び連結部材又は分岐部材が準備される。連結部材又は分岐部材の接合部の内周面には、管状部品の端部の外周と締まりばめ状態となるように、環状空隙を架橋する環状に形成された架橋部材が備えられている。次に、管状部品の端部が連結部材又は分岐部材の接合部に挿入されて、締まりばめ状態となる。それに続いて、連結部材又は分岐部材、少なくともその接合部を完全に囲むように径方向に分割可能なレーザヘッドが設置される。次いで、レーザヘッドの複数のレーザ光源からのレーザビームが、接合部、好ましくは架橋部材に照射される。複数のレーザ光源からのレーザビームが接合部で重なり合い、径方向に加圧されている架橋部材が、管状部品の端部に溶接されるようにレーザビームが照射される。

以下、本発明の利点、特徴及び詳細について、図面を用いて説明する。単独の実施例でも組み合わせても本発明の特徴が実現されることは言うまでもない。

図１には、管状部品１２、１３をレーザビーム照射により溶接するためのレーザヘッド１１が２片のヘッド構成部材に分割された状態が示されている。レーザヘッド１１を用いて、例えば図３に示される連結部材１を管３の内面に沿って気密に溶接することもできる。レーザヘッド１１の中央の収容空間１４において、レーザヘッド１１は部品１２、１３の溶接される部分１５又は部品１、３の接合部４を囲んで２つの部品を溶接する。図１から判るように、レーザヘッド１１は、径方向に分割できる２つのヘッド構成部材１６を備え、図２に示されるようにレーザヘッド１１が部品１、３の接合部４又は部品１２、１３の溶接される部分１５の周りに設置できる。

レーザヘッド１１には、６つのレーザ光源１７が収容空間１４の周りに円周状に均等に配置されている。複数のレーザ光源１７からのそれぞれのレーザビーム７は、収容空間１４に向けて照射されて、収容空間１４内に設置された部品１２、１３の溶接される部分１５又は部品１、３の接合部４において互いに重なり合っている。

図３には、例として、２つ熱可塑性合成樹脂製の管３の端部２をレーザ照射により溶接するための管状の連結部材１が示されている。連結部材１の両端は、管が挿入可能な中空円筒状の接合部４として形成されている。接合部４と端部２との間に環状空隙５が形成され、接合部４の内周面には架橋部材して内方にやや突出した環状カラー６が付加されて接合部４と端部２とを部分的に架橋している。環状カラー６の内径は、端部２の外径よりやや小さいので、管３が連結部材１に挿入されると管３の端部２と連結部材１の接合部４との間が締まりばめ状態となる。レーザビーム７を照射して、環状カラー６を端部２に溶接することにより液密及び気密なシールが形成される。

図３において（ａ）は、管３を連結部材１に挿入する前の状態を示し、（ｂ）は管３を挿入した後の状態を示している。連結部材１の内面の中央部には、管３を挿入する際のストッパとして作用する環状凸部９が形成されている。連結部材１の接合部４をシールするために、管３の端部２を環状凸部９に溶接する必要はなく、環状カラー６の溶接で十分である。外側からレーザビームを照射して管３の端部２を接合部４に溶接するためには、連結部材１はレーザ光に対して透明であることが必要である。その場合、レーザ光は接合部４を障害なく透過する。

簡単な場合には、管３の端部２に溶接される環状カラー６は、レーザ光により管３を加熱することにより軟化される。そのためには、管３はレーザビーム７を吸収する熱可塑性合成樹脂製とする必要がある。溶接によって接合されるように、端部２の環状カラー６に対応する部分を融点以上に加熱すると融けた部分により環状カラー６が軟化して一体化されるので、溶融部が固化すると管３と連結部材１とが接合される。

レーザ光に対して透明な管３も連結部材１に溶接することができる。そのためには、環状カラー６はレーザ光を吸収する材料で形成する必要がある。環状カラー６はレーザビーム７により溶融されて環状カラー６に対応する管３の端部２が軟化されて接合部４と溶接される。レーザ光を吸収する環状カラー６の厚さは０．１〜０．５ｍｍが好ましく、例えば、２Ｋ（２液型）スプレーにより環状カラー層が形成できる。

１ 連結部材
２ 端部
３ 管
４ 接合部
５ 空隙
６ 環状カラー
７ レーザビーム
９ 環状凸部
１１ レーザヘッド
１２ 部品
１３ 部品
１４ 収容空間
１５ 溶接される部分
１６ ヘッド構成部材
１７ レーザ光源

Claims (6)

1. レーザ照射によって管状部品同士（１、３；１２、１３）を溶接するためのレーザヘッド（１１）であって、
   レーザヘッド（１１）は少なくとも２つに径方向に分割可能なヘッド構成部材（１６）を備え、該ヘッド構成部材（１６）により溶接すべき管状部品同士（１、３；１２、１３）を囲む収容空間（１４）が形成され、
   ヘッド構成部材（１６）には複数のレーザ光源（１７）が備えられ、該レーザ光源は上記管状部品同士の全周が同時に溶接されるように、該レーザ光源からのそれぞれのレーザビーム（７）が収容空間（１４）に向け照射されて、そこで重なり合うように配置され、
   溶接時には、接合部（４）又は上記管状部品同士の溶接される部分（１５）が収容空間（１４）に囲まれるように設置されることを特徴とするレーザヘッド。
2. 溶接時には、レーザビーム（７）が接合部（４）又は上記管状部品同士の溶接される部分（１５）において隙間なく重なり合わせられることを特徴とする請求項１に記載のレーザヘッド。
3. 前記径方向に分割可能なヘッド構成部材（１６）は、２分割可能なヘッド構成部材であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザヘッド。
4. ヘッド構成部材（１６）は、溶接すべき管状部品同士（１、３；１２、１３）の溶接されるべき部分（１５）を径方向に押圧していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーザヘッド。
5. レーザビーム（７）は、同軸に重なり合った管状部品度同士（１、３；１２、１３）の端部の間の空隙（５）を架橋する架橋部材（６）に向けて照射されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のレーザヘッド。
6. 熱可塑性合成樹脂製の管（３）の端部（２）を受容し且つ気密に保持されて管（３）の端部（２）の間に空隙（５）を形成する中空の接合部（４）を備えた連結部材又は分岐部材（１）と、管（３）の端部（２）をレーザ照射によって溶接する方法であって、
   端部（２）を有する管（３）を準備する工程、
   管（３）の端部（２）を締まりばめ状態に保持して空隙（５）を部分的に架橋するように内周面に架橋部材（６）が形成された接合部（４）を備えた連結部材又は分岐部材（１）を準備する工程、
   連結部材又は分岐部材（１）の接合部（４）内に管（３）の端部（２）を挿入して架橋部材（６）との間を締まりばめ状態とする工程、
   連結部材又は分岐部材（１）の少なくとも接合部（４）を完全に囲むように分分割可能なヘッド構成部材（１６）を設置してレーザヘッド（１１）を構成する工程、
   ヘッド構成部材（１６）に備えられた複数のレーザ光源（１７）よりそれぞれのレーザビーム（７）が溶接されるべき部分（１５）において重なり合うように、接合部（４）の架橋部材（６）に向けて照射する工程、及び
   締まりばめよって生成される径方向への圧力下において、架橋部材（６）が管（３）の端部（２）の外周部に溶接される工程とを含むことを特徴とする方法。

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