JP5313232B2 - 吸収されなかった赤外レーザー光の再循環により赤外レーザー光の吸収を高めるプラスチック赤外線溶接 - Google Patents

Description

本出願は、米国特許仮出願第６０／９２７，８９８号（「Ｐｈｏｔｏｎ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｏｒ Ｆｏｒ Ｐｌａｓｔｉｃｓ ｗｅｌｄｉｎｇ Ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ」、２００７年５月４日出願）の優先権を主張するものである。この出願の開示内容は参照により本明細書内に組み込まれる。

本開示は、プラスチック溶接に関し、特に、プラスチック部品のレーザー溶接に関する。

レーザー溶接は、一般に、熱可塑性部品などのプラスチックまたは樹脂性の部品を溶接部で接合するのに使用される。このようなレーザーを使用する例は米国特許第４，６３６，６０９号明細書に記載されている。この出願は、明確に参照により本明細書内に組み込まれる。

知られているように、レーザーは、特定の周波数で半集束性ビームを電磁放射（すなわち、コヒーレント単色放射）する。利用できる多数のタイプのレーザーがあるが、赤外レーザー光源または非コヒーレント光源は、溶接部を加熱する際に使用するための放射エネルギーの比較的経済的な光源となる。赤外線溶接の具体的な一例は、ＴＴＩｒ（Ｔｈｒｏｕｇｈ−Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｉｎｆｒａｒｅｄ）溶接として知られている。ＴＴＩｒ溶接は、レンズ、回折光学素子、光ファイバ、導波路、導光管、導光体によって、第１のプラスチック部品を通過して第２のプラスチック部品とへ入るように方向付けられる赤外線放射を生成することができる赤外レーザーを使用する。この第１のプラスチック部品は、一般に、レーザーからのレーザービームを通過させることができるので、透過片と呼ばれることが多い。一方、第２のプラスチック部品は、一般に、レーザービームの放射エネルギーを吸収して溶接部で熱を発生させるので、吸収片と呼ばれることが多い。溶接部のこの熱が、透過片と吸収片とを溶融し、密接に接触させて、互いに溶接する。

図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、プラスチックのレーザー溶接のための典型的なＴＴＩｒ（スルートランスミッション赤外線システム）１００および１００’が示されている。赤外レーザー光の光源１０４からの赤外レーザー光のビーム１０２は、溶接されるプラスチック部品１０６、１０８に方向付けられる。赤外レーザー光は、透過プラスチック部品１０６を通過して、透過プラスチック部と吸収プラスチック部品１０８との接合部である溶接界面１１０まで進む。溶接界面１１０は、当該技術分野では、溶接部位、溶接領域、または溶接範囲と呼ばれることもある。赤外吸収添加剤１１２が溶接界面１１０に添加されてもよい（図１Ａ）。レーザー光の吸収は、部分１０６と１０８との接合部である溶接界面を加熱し、溶接界面１１０で両方のプラスチック部品１０６と１０８とを溶融する。適当な時間の後、レーザー光は、例えば、レーザー光源１０２を消すことで取り除かれ、その後、溶接界面１１０で溶融したプラスチックは冷却され、このようにして２つのプラスチック部品１０６、１０８が互いに溶接される。

第２の吸収プラスチック部品１０８、または溶接界面１１０で使用される赤外吸収添加剤１１２は、赤外光の比較的低吸収性の吸収体である場合が多い。１１４で示すように、赤外レーザー光１０２の大部分は部品１０６、１０８を通過し、部品１０８から出てしまい、工程中に無駄になってしまう。

低吸収性の吸収体では、溶接部を形成する溶接界面１１０に伝えられるレーザーエネルギーは低すぎる、または溶接部を形成する溶接界面１１０で十分なエネルギーに変換するのに比較的高いレーザーエネルギーが必要である。

本開示の態様によれば、低吸収ＴＴＩｒ工程で溶接されるプラスチック部品を通過した吸収されなかった赤外レーザー光は、工程内で再吸収されるために低吸収の溶接界面まで再循環される。赤外レーザー光のビームは溶接されるプラスチック部品の第１の透過部品と第２の吸収（または部分吸収）部品に方向付けられる。赤外レーザー光は透過部品に入射して、最初に溶接される透過部品を通過して、２つの部品の接合部である溶接界面まで進む。溶接界面では、赤外レーザー光は赤外吸収添加剤によって部分的に吸収されるか、赤外レーザー光は吸収部品によって部分的に吸収される、もしくはその両方によって吸収される。吸収されない赤外レーザー光の一部は、そのまま吸収部品を通過して、反対側から出射する。その後、赤外レーザー光は溶接界面の方向に再度方向付けられる。２回目の通過（および任意のその後の通過）で、より多量の赤外レーザー光が部分吸収媒体（赤外吸収添加剤、吸収部品、またはその両方）内で吸収される。

一態様では、部品は、透過部品が吸収部品を同軸に囲む管状部品である。赤外レーザー光は、管状部品を同軸に囲む円筒ミラーを使用して再度方向付けられる。

一態様では、円筒ミラーは赤外レーザー光が最終的に全ての方向から管状部品に入射するように赤外レーザー光を再度方向付ける。

さらに適用できる分野は、本明細書内の説明から明らかになる。説明および特定の例は、単なる一例であって、本開示の範囲を限定するものではないことを理解すべきである。

本明細書内の図面は、単なる例示であって、決して本開示の範囲を限定するものではない。

赤外レーザー光を使用してプラスチック部品を溶接するための先行技術の低吸収ＴＴＩｒレーザー溶接システムの概略図である。 赤外レーザー光を使用してプラスチック部品を溶接するための先行技術の低吸収ＴＴＩｒレーザー溶接システムの概略図である。 本開示の一態様に従って、溶接される部品の間にある溶接界面まで赤外レーザー光を再度方向付けるための無限ループを有する低吸収ＴＴＩｒレーザー溶接システムの概略図である。 本開示の一態様に従って、溶接界面まで赤外レーザー光の複数の経路を再度方向付けるための無限ループを有する低吸収ＴＴＩｒレーザー溶接システムの概略図である。 低吸収ＴＴＩｒレーザー溶接システムの溶接管状部品内の赤外レーザー光の先行技術による分散を示す概略図である。 吸収されなかった赤外レーザー光が管状部品に再循環される、低吸収ＴＴＩｒレーザー溶接システムの溶接管状部品の概略図である。 溶接管状部品の１つが継ぎ手であり、吸収されなかった赤外レーザー光が管状部品に再循環される、低吸収ＴＴＩｒレーザー溶接システムの溶接管状部品の概略図である。

以下の説明は、本来は単なる例であって、本開示、適用、または使用を限定するものではない。図面全体にわたって、対応する符号は同じまたは対応する部品および機能を示すことを理解すべきである。

本開示の一態様によれば、低吸収ＴＴＩｒ工程を使用して溶接されるプラスチック部品を通過した吸収されなかった赤外レーザー光は、工程内で再吸収されるために低吸収の溶接界面の方向に再循環して戻される。赤外レーザー光のビームは、溶接されるプラスチック部品、つまり第１の透過部品と第２の吸収（または部分吸収）部品に方向付けられる。赤外レーザー光は透過部品に入射して、まず溶接される透過部品を通過して、２つの部品の接合部である溶接界面まで進む。溶接界面では、赤外レーザー光が赤外吸収添加剤によって部分的に吸収されるか、赤外レーザー光が吸収部品によって部分的に吸収されるか、またはその両方によって吸収される。

吸収されない赤外レーザー光の一部は、そのまま吸収部品を通過し、反対側から出射する。その後、この赤外レーザー光は、ミラー、導波路、または光ファイバのいずれかを使用して溶接界面の方向に再度方向付けられる。２回目の通過で、より多量の赤外レーザー光が部分的に吸収する媒体（赤外吸収添加剤、吸収部品、またはその両方）内で吸収される。

さらに、２回目の通過でも、吸収されず、溶接される部品を通過する赤外レーザー光が一部ある。この赤外レーザー光は、再び溶接界面の方向に再度方向付けられることも可能である。この工程は何度も繰り返され、いくつかの変形形態では、無限に繰り返される可能性がある。それぞれの通過での赤外レーザー光の絶対的な吸収率は低くても、最終的には高い割合の赤外レーザー光が溶接界面で吸収されることになる。

赤外レーザー光が溶接される部品に再度方向付けられる場合、元の入射光と同じ方向に再度方向付けられ得るか、または溶接領域の方向に向けて他のある角度から再度方向付けられ得る。図２は、無限ループを有する光子再循環器２０２を有するレーザー溶接システム２００を示す図である。図２に示された実施形態では、無限の光子再循環器は、赤外レーザー光が吸収部品１０８から出射した場所からレーザー光が最初に透過部品１０６に入射した場所に戻るまで延びる光ファイバループ２０４を含む。赤外レーザー光１０２の光源１０４から直接透過部品に最初に入射された赤外レーザー光１０２と同じ方向に赤外レーザー光を再度方向付けることによって、図２に示されたように無限ループが構成される。

変形形態では、赤外レーザー光は別の角度から溶接界面の方向に再度方向付けられる、すなわち、元の入射された赤外レーザー光の方向と異なる方向で溶接界面の方向に再度方向付けられる。この変形形態では、図３に示されたように、複数の通過角度が例として設定されており、赤外レーザー光の経路は１つ以上のミラーによって再度方向付けられて、溶接界面１１０を赤外レーザー光１０２が２回以上通過する光子再循環器３０１を備えることができる。図３に示された実施形態では、レーザー溶接システム３００は、例えば、３つのミラー３０２、３０４、３０６などの複数のミラーを含む。赤外レーザー光１０２のビームは、溶接される部品１０６、１０８に方向付けられる。赤外レーザー光１０２は最初に、透過部品１０６を通過して溶接界面１１０まで進む。吸収されない赤外レーザー光１０２の一部は、ミラー３０２によってミラー３０４に向けて反射され、ミラー３０４によって部品１０６、１０８まで戻り、ここで溶接界面１１０を通過する。ミラー３０４によって反射され、透過部品１０６を出射する赤外レーザー光１０２の吸収されなかった部分は、ミラー３０６によって反射されて部品１０６、１０８に戻り、ここで溶接界面１１０を通過する。ミラー３０６によって反射された赤外レーザー光１０２の吸収されなかった部分は、ミラー３０４によって、赤外レーザー光１０２を反射して部品１０６、１０８に戻すミラー３０２に向けて反射され、ここで溶接界面１１０を通過する。図３の実施形態では、赤外レーザー光１０２は部品１０６、１０８、および溶接界面１１０を４回通過することになる。

図４を参照すると、管状プラスチック部品では、管状部品４０２、４０４上に入射する赤外レーザー光１０２は、赤外レーザー光が管状部品４０２、４０４を通過する時に管状部品４０２、４０４がレンズを形成するように反射する。このことで、図４に示されるように、赤外レーザー光１０２が外側部品４０２上に最初に入射した面の反対側に赤外レーザー光１０２がほぼ半円状に分散する。例示では、部品４０２は透過プラスチック部品であり、吸収プラスチック部品である部品４０４を同軸に囲む。

図５は、分散した赤外レーザー光１０２を溶接される部品４０２、４０４まで再循環させる光子再循環器５０２を有するレーザー溶接システム５００を示す図である。図５の実施形態では、光子再循環器５０２は、管状部品４０２、４０４の周囲に同軸上に配置された円筒ミラー５０４を含む。例示では、円筒ミラー５０４は、赤外レーザー光１０２が赤外レーザー光源１０４によって方向付けられる開口部を含む。円筒ミラー５０４は分散した赤外レーザー光１０２を反射して、分散した赤外レーザー光を管状部品４０２、４０４まで再循環させる。円筒ミラー５０４は、図５に示されるように、レーザー光を再循環し続けて、最終的に赤外レーザー光が溶接される管状部品４０２、４０４の周囲の全方向から入射するような形状となる。最終的に、レーザー光１０２の多くはは、溶接工程で使用される低吸収性の吸収体により吸収される。この吸収体は、吸収プラスチック部品４０４であるか、管状部品４０２、４０４の接合部に配置される赤外吸収添加剤１１２（図１）のような赤外吸収添加剤であるか、またはその両方である。

円筒ミラー５０４は、連続円筒体でなくてもよいことを理解すべきである。例えば、円筒ミラー５０４は、管状部品４０２、４０４を円筒ミラー５０４に出し入れするためのコンベヤシステムの使用を容易にするスロットを含んでもよい。

図６は、管状部品６０４が接合部、エルボ、ユニオンなどの継ぎ手である管状部品６０２、６０４を溶接するのに使用するためのレーザー溶接システム６００を示す図である。例示では、管状部品６０２の端部は継ぎ手６０４で受承される。この実施形態では、部品６０２、６０４の互いに当接する表面が溶接界面である。例示では、継ぎ手６０４は透過部品であり、管状部品６０２は吸収部品である。管状部品６０２が透過部品で、継ぎ手６０４が吸収部品であってもよいことを理解すべきである。この場合、継ぎ手６０４は、例示では、継ぎ手６０２の端部で受承される。また、赤外吸収添加剤が管状部品６０２と接合部６０４との間の溶接界面（複数可）に配置されてもよいことを理解すべきである。

レーザー溶接システム６００は、部品６０２、６０４を通過するレーザー光１０２を再循環させる光子再循環器６０６を含む。レーザー光１０２は部品６０２、６０４によって分散され、溶接界面１１０に戻る。光子再循環器６０６は、球面ミラー６０８を含む。図６の実施形態では、球面ミラー６０８は、対向する第１および第２の半球面ミラー６１０を含み、互いに空間６１２だけ離間して部品６０２、６０４を光子再循環器６０６内に配置するのを容易にする。

ミラー、導波路、または光ファイバが、赤外レーザー光を再度方向付けるのに使用されてもよいことを理解すべきである。ミラーは効率が高いという利点がある。導波路および光ファイバは、ミラーを使用した場合に必要な直線の光路より形状が柔軟であるという利点がある。導波路および光ファイバは、ミラー列よりも受光角が大きく、無限ループ構成で使用するには都合がよい。

赤外レーザー光は、何度も通過するように溶接界面に再度方向付けられ得る。追加で一回、またはより少ない回数で通過するのは、簡潔さという点では利点がある。多数回の通過するのは、溶接される部品による全吸収効率が高くなるという利点がある。

有利には、管状部品と同軸の円筒ミラーの配置が、赤外レーザー光を溶接される管状部品に全角度から方向付けることができ、溶接工程で低吸収性の吸収体の全吸収効率を高くする再循環の無限ループを構成する。

ミラーは、高い反射効率の薄膜コーティングの金属製としてもよいし、反射プリズムとしてもよい。導波路は、正透過誘電体の導波路か、または負反射の導波路としてもよい。光ファイバは、単一モードファイバ、マルチモードファイバ、セルフォックファイバ、ホーリーファイバ、ホローファイバとしてもよい。

溶接されるプラスチック部品は、溶接界面で赤外吸収添加剤を使用することができ、または一方の（または両方の）部品に赤外体積吸収体（ｖｏｌｕｍｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｂｓｏｒｂｅｒ）を使用することができる。赤外再循環では、赤外吸収体は全吸収体ではないので、最初の通過から赤外光の一部が溶接される部品から漏れ出ると推測される。

工程で使用される赤外レーザー光は、赤外レーザー光源または広帯域赤外線源とすることができる。平行赤外レーザーはより方向付けしやすく、したがってよりミラーとの適用性に優れる。

赤外レーザー光の再循環は溶接効率を非常に高くするので、それ以外では溶接できなかった低吸収の工程での部品の溶接が可能になる。レーザー光または広帯域赤外レーザー光のパワーをより少なくして使用する必要があるので、溶接機械のコストを下げることにつながる。

管状部品に対して赤外レーザー光を再循環させることで、工程での全体の吸収効率を改善し、かつ赤外光を全角度から管状組立部に伝えなければならない光学系の複雑さを低減することができる。

Claims (6)

1. 低吸収スルートランスミッション赤外線溶接工程において、透過部品と吸収部品とを含むプラスチック部品を溶接する方法であって、
   赤外レーザー光の光源から赤外レーザー光のビームを部品に方向付けるステップであって、赤外レーザー光のビームが透過部品に入射し、透過部品を通過して透過部品と吸収部品との接合部である溶接界面まで進み、赤外レーザー光の一部が吸収部品を通過して吸収部品から出射するステップと、
   吸収されなかった赤外レーザー光を、光ファイバを使用して溶接界面の方向に再度方向付け、赤外レーザー光の全吸収を高めるステップとを含む、前記方法。
2. 吸収されなかった赤外レーザー光を再度方向付けて、赤外レーザー光が最初に透過部品に入射した方向と同じ方向で透過部品上に入射するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 吸収されなかった赤外レーザー光を、赤外レーザー光が最初に透過部品に入射した方向とは異なる方向に再度方向付けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 吸収されなかった赤外レーザー光を、溶接界面を通過する無限ループ内で再度方向付けるステップを含む、請求項１に記載の方法。
5. 低吸収スルートランスミッション赤外線溶接工程を使用して、透過部品と吸収部品とを含むプラスチック部品を溶接するための赤外レーザー溶接システムであって、
   赤外レーザー光の光源と、
   吸収されなかった赤外レーザー光をプラスチック部品の接合部である溶接界面に再度方向付ける、光ファイバを含む光子再循環器とを備える、システム。
6. 光ファイバが、吸収されなかった赤外レーザー光が吸収部品から出射した場所から赤外レーザー光が最初に透過部品に入射した場所まで延びる、請求項５に記載のシステム。

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