JP7191365B2

JP7191365B2 - 樹脂成形品の接合方法

Info

Publication number: JP7191365B2
Application number: JP2018204554A
Authority: JP
Inventors: 和広片田; 浩野中; 弘一朗村松; 匡男古屋; 伸宜土地; 良征香河
Original assignee: Takahata Precision Co Ltd
Current assignee: Takahata Precision Co Ltd
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2022-12-19
Anticipated expiration: 2038-10-31
Also published as: JP2020069703A

Description

本発明は、樹脂成形品の接合方法に関する。

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ると共に、レーザ光に対して透過性の材料からなる押え治具によって第１と第２の樹脂材とを互いに密着させるように押圧している状態で、第２の樹脂材に面する押え治具側によりレーザ光を照射して、第１の樹脂材を加熱して、互いに両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おいて、第２の樹脂材に面する押え治具の対向面に、溶着部に対応して凸条部を形成すると共に、凸条部で両樹脂材を押圧した状態で、レーザ光を凸条部を通って溶着部に照射する樹脂材のレーザ溶着方法が知られている（特許文献１）。

レーザ光に対して透過率の高い透過性樹脂材と吸収率の高い吸収性樹脂材とを重ね合わせて、透過性樹脂材側よりレーザを照射し、吸収性樹脂材を加熱して熱伝導により透過性樹脂材を加熱することによって互いの樹脂を溶着するレーザによる樹脂の溶着加工方法において、レーザ照射側の透過性樹脂材に、透過性樹脂材と吸収性樹脂材との界面で最小ビーム径となるようにレーザを集光するレンズ光路を形成したレーザによる樹脂の溶着加工方法も知られている（特許文献２）。

特開２００５－３０５９１３号公報特開２００１－３３４５７８号公報

本発明は、複数の部分成形体を接合面で接合して所定の内圧を保持可能な樹脂成形品の接合強度を向上させることができる樹脂成形品の接合方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の樹脂成形品の接合方法は、
合成樹脂からなり接合面を有する複数の部分成形体を前記接合面で接合して所定の内圧を保持可能な樹脂成形品を製造する樹脂成形品の接合方法であって、
前記樹脂成形品が前記内圧を受けた場合の前記接合面の耐圧強度が１０Ｍｐａ以上となるように、前記接合面を互いに圧接した状態で、複数の光源から出射され前記接合面の一方から単位面積（ｍｍ^２）当たりの前記接合面が受ける前記複数の光源のエネルギービームを時間積分したエネルギー総量が１．０×１０^－３Ｗｈ以上となるエネルギービームを前記接合面に同時に照射して前記接合面を溶融固化させる、
ことを特徴とする。

前記課題を解決するために、請求項２に記載の樹脂成形品の接合方法は、
合成樹脂からなり接合面を有する複数の部分成形体を前記接合面で接合して所定の内圧を保持可能な樹脂成形品を製造する樹脂成形品の接合方法であって、
前記樹脂成形品が前記内圧を受けた場合の前記接合面の耐圧強度が１０Ｍｐａ以上となるように、前記接合面を互いに圧接した状態で、単一の光源から出射され前記接合面の一方から単位面積（ｍｍ^２）当たりの前記接合面が受けるエネルギー総量が０．４×１０^－３Ｗｈ以上となるエネルギービームを前記接合面に移動しながら照射して前記接合面を溶融固化させる、
ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の樹脂成形品の接合方法において、
前記エネルギー総量Ｑは、
Ｑ［Ｗｈ］＝Ｐ×Ｔ×Ｒ／１００／３６００
である、
ことを特徴とする。
ここに、前記エネルギービームの光出力Ｐ［Ｗ］、前記エネルギービームの照射時間Ｔ［ｓｅｃ］、前記接合面の光透過率Ｒ［％］とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の樹脂成形品の接合方法において、
前記エネルギービームが、レーザビームである、
ことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の樹脂成形品の接合方法において、
前記合成樹脂が、結晶性ガラス繊維強化ポリアミド樹脂である、
ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、複数の部分成形体を接合面で接合して所定の内圧を保持可能な樹脂成形品の必要接合強度を得て、接合強度を向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、複数の部分成形体を接合面で接合して所定の内圧を保持可能な樹脂成形品の必要接合強度を得て、低コストで接合強度を向上させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、樹脂成形品の安定した接合強度を得ることができる。

請求項４記載の発明によれば、樹脂成形品の接合強度を向上させることができる。

請求項５記載の発明によれば、樹脂成形品の耐圧強度を向上させることができる。

二つの部分成形体を接合面で接合した樹脂成形品を一部断面で示す斜視図である。部分成形体の射出成形を示し、（ａ）は第１の部分成形体の射出成形時の断面図、（ｂ）は第２の部分成形体の射出成形時の断面図である。第１の部分成形体および第２の部分成形体を示す断面模式図である。本実施形態に係る接合方法を概念的に示す斜視図である。本実施形態に係る接合方法及びこれに用いる装置を説明する説明図である。実施例１に係る第１の部分成形体及び第２の部分成形体の各部の寸法を示す断面図である。実施例１におけるレーザ溶着のエネルギー総量と耐圧強度の関係を示す図である。変形例に係る接合方法を概念的に示す斜視図である。変形例に係る接合方法及びこれに用いる装置を説明する説明図である。実施例２におけるレーザ溶着のエネルギー総量と耐圧強度の関係を示す図である。

次に図面を参照しながら、本発明の実施形態の具体例を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
尚、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。

（１）部分成形体の成形
図１は二つの部分成形体を接合面で接合した樹脂成形品を一部断面で示す斜視図、図２は部分成形体の射出成形を示し、（ａ）は第１の部分成形体の射出成形時の断面図、（ｂ）は第２の部分成形体の射出成形時の断面図、図３は第１の部分成形体と第２の部分成形体を示す断面模式図である。
以下、図面を参照しながら、本実施形態に係る樹脂成形品の接合方法により製造される樹脂成形品の構成と接合強度について説明する。

（１．１）樹脂成形品
樹脂成形品１は、接合面の一例としての鍔部１１を有する第１の部分成形体１０と、接合面の一例としての鍔部２１を有する第２の部分成形体２０が、それぞれの鍔部１１、２１で接合された中空体である。
樹脂成形品１は、第１の部分成形体１０の上部に貫通孔１２ａが形成された膨出部１２を有し、外部から膨出部１２を介して液体が注入された場合は、注入された液体による所定の内圧を保持可能となっている。

第１の部分成形体１０、第２の部分成形体２０の成形に用いられる合成樹脂としては、ポリアミド樹脂が挙げられる。具体的には、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１、ナイロン１２のような脂肪族ポリアミドやポリヘキサメチレンテレフタラミド、ポリヘキサメチレンイソフタラミドのような半芳香族ポリアミド樹脂が挙げられる。これらの樹脂は、単独あるいは２つ以上の共重合から成り立っていても良い。更には、ガラス繊維やカーボン繊維等で強化したものでも良く、ガラス繊維が２０％ないし４０％充填された結晶性ガラス繊維強化ナイロン６６がより好ましい。

一方、例えばガラス繊維が３３％充填された結晶性ガラス繊維強化ナイロン６６（以降、ＰＡ６６－Ｇ３０と記すことがある）は、融点が２６５℃と高く、溶融させるためには大きなエネルギーが必要となる。また、熱分解温度が３２０～３５０℃であり、温度が上がり過ぎると熱分解によって諸物性の低下を引き起こし、最終的には酸素と反応して発火する虞がある。従って、後述するように、第１の部分成形体１０、第２の部分成形体２０をその鍔部１１、２１同士で溶着する場合には、接合面の樹脂温度を融点以上で熱分解温度を超えない所定の範囲に管理する必要がある。

このような樹脂成形品は、その用途は特に限定されないが、使用するガラス繊維強化ナイロン６６（ＰＡ６６－Ｇ３０）の優れた射出成形性、耐熱性、強靱性、耐クリープ特性などを利用して、温水洗浄装置の熱交換タンクとして利用される。特に、熱交換タンクとして利用される場合には、第１の部分成形体１０と第２の部分成形体２０が鍔部１１、２１で接合された中空体に温水が充満した状態で加圧されることから、接合面の耐圧強度として１．３ＭＰａ以上であることが好ましい。

（１．２）部分成形体
第１の部分成形体１０、第２の部分成形体２０は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、ＰＡ６６－Ｇ３０を用いて射出成形により製造されるが、係る射出成形には既知の射出成形機であればいずれも使用可能であり、特に制限されるものではない。
成形金型３０、４０は、ＰＬをパーティングライン面とする固定側型３１、４１と可動側型３２、４２とからなり、固定側型３１、４１と可動側型３２、４２との間に樹脂が充填されるキャビティＣ１、Ｃ２が形成されている。尚、図２（ａ）、（ｂ）においては、通常の成形金型に備えられている固定側の固定側取付板、ランナーストリッパープレート、樹脂が供給されるロケートリング等、及び可動側の可動側取付板、エジェクタ機構等は省略して不図示としている。

固定側型３１、４１と可動側型３２、４２が型締めされて形成されたキャビティＣ１、Ｃ２にはゲートＧから溶融樹脂が充填される。ＰＡ６６－Ｇ３０の融点は約２６５℃であるので、成形材料をおよそ２８０～３２０℃に加熱して溶融させて、所定の金型温度（１００℃以下、７０～９０℃）に加熱された成形金型３０に充填する（射出工程）。その際、成形材料を所定の射出速度で注入してキャビティＣ１、Ｃ２の隅々までに充填できるようにする。

その後、成形材料は徐々に固化していくため、固化に伴って成形材料が体積収縮する。そのため、体積収縮した分の成形材料を補填する必要があり、ゲートＧから成形材料を一定の圧力で注入し続ける（保圧工程）。第１の部分成形体１０、第２の部分成形体２０の肉厚やスプルーランナー部（不図示）の太さによって、注入する圧力と時間を適宜調整する。
その後、固定側型３１、４１と可動側型３２、４２との型開きを行い、エジェクタ機構（不図示）でキャビティＣ１、Ｃ２内の第１の部分成形体１０、第２の部分成形体２０を押圧して可動側型３２、４２上の成形体を取り出す。

このようにして成形された第１の部分成形体１０の鍔部１１には、図３に示すように、第２の部分成形体２０と付き合わされたときに、第２の部分成形体２０の鍔部２１と当接する溶着リブ部１３が形成されている。
本実施形態においては、溶着リブ部１３の幅をＡ、内径をＤ１とした場合、溶着リブ部１３の鍔部２１と当接する面積Ｓ（溶着面積Ｓと呼ぶ）は、Ｓ＝π（（Ｄ１＋Ａ）^２－Ｄ１^２）／４で表される。

第１の部分成形体１０と第２の部分成形体２０をそれぞれの鍔部１１、２１で接合（溶着）して所定の内圧を保持可能な樹脂成形品を得る場合、通常は溶着面積Ｓが大きい程、接合強度としての耐圧強度は高くなる。
一方、溶着リブ部１３に外部からエネルギービームを照射して溶融固化させることにより鍔部１１、１２を接合する場合には、溶着リブ部１３の溶融は、エネルギービームのエネルギー総量に依存し接合強度としての耐圧強度が変化する。

（２）部分成形体の接合
（２．１）接合装置
図４は本実施形態に係る接合方法を概念的に示す斜視図、図５は本実施形態に係る接合方法及びこれに用いる装置を説明する説明図である。
先ず、本実施形態に係る樹脂成形品１の接合方法及びこれに用いる装置について説明する。
本実施形態における樹脂成形品１は、図４に示すように、第１の部分成形体１０と第２の部分成形体２０をその鍔部１１、２１を互いに当接させて圧接した状態で第２の部分成形体２０の鍔部２１の当接面と反対側である外側面から接合面となる溶着リブ部１３に複数のレーザ光源から出射されるエネルギービームの一例としてのレーザＬを同時に照射して溶着リブ部１３を溶融固化（溶着）させる。

接合装置５０は、図５に示すように、同軸線上に配置され、所定のタイミングで上側の受け台が昇降する上下一対の受け台５１、５２と、昇降する上側の受け台５１を下側の受け台５２に向かって押圧する押圧部（不図示）と、上側の受け台５１の上方でエネルギービームの一例としてのレーザＬを出射するレーザ光源５３からなる。
上側の受け台５１には、互いに突き合わされた第１の部分成形体１０と第２の部分成形体２０の溶着部に照射されるようにレーザＬを反射させながら導く導光孔５４が形成されている。

レーザ光源５３は、図５（ｂ）に示すように、導光孔５４に沿って複数のレーザ発光素子５５が千鳥配置されている。本実施形態におけるそれぞれのレーザ発光素子５５は、それぞれの出力が２．５ｗ、出射されるレーザＬのビーム径（１／ｅ^２）は２．２ｍｍで、総数で１８０個配置されているためにレーザ光源５３のレーザ出力は４５０Ｗである。

第１の部分成形体１０は、鍔部１１の外側（溶着リブ部１３と反対側）を下側の受け台５２で支持された状態で下側の受け台５２に軸線方向が位置決めされる。
第１の部分成形体１０は、光に対して透過性のない合成樹脂の一例としてのＰＡ６６－Ｇ３０で成形されている。
第２の部分成形体２０は、上側の受け台５１に軸線方向が位置決めされた状態で鍔部２１の外側（鍔部１１と当接する面の反対側）を上側の受け台５１で押圧されて下降し鍔部２１の内側面が第１の部分成形体１０の鍔部１１に形成された溶着リブ部１３に当接する。
第２の部分成形体２０は、光に対して透過性のある合成樹脂の一例としてのＰＡ６６－Ｇ３０で成形されている。ここで、本実施形態に係る第２の部分成形体２０の鍔部２１のレーザＬに対する光透過率は４６％である。

（２．２）レーザ溶着の作用
本実施形態においては、接合装置５０の受け台５１、５２に第１の部分成形体１０、第２の部分成形体２０を位置決めして鍔部１１、２１を当接させた状態で、レーザ光源５３を発光させて溶着部にレーザＬを照射する。
レーザＬは、樹脂成形品１が内圧を受けた場合の溶着部における接合面の耐圧強度が１０Ｍｐａ以上となるように、接合面としての鍔部１１、２１を互いに圧接した状態で第２の部分成形体２０の鍔部２１の外側から単位面積（ｍｍ^２）当たりのエネルギー総量が１．０×１０^－３Ｗｈ以上となるように照射して溶着リブ部１３を溶融固化（溶着）させる。

具体的には、レーザＬの光出力Ｐ［Ｗ］、レーザＬの照射時間Ｔ［ｓｅｃ］、接合面の光透過率Ｒ［％］としたときに、エネルギー総量Ｑは、
Ｑ［Ｗｈ］＝Ｐ×Ｔ×Ｒ／１００／３６００・・・（１）
となり、レーザ光源５３の各レーザ発光素子５５を全てレーザ照射密度１００％で発光させて、レーザＬの照射時間Ｔとして１０ｓｅｃ以上照射すると、エネルギー総量Ｑは０．８Ｗｈとなる。これを、溶着リブ部１３が、内径Ｄ１＝７８ｍｍの位置に幅Ａ＝３ｍｍで形成されている場合（図６参照）、溶着面積Ｓは７６３．４ｍｍ^２であり、単位面積（ｍｍ^２）当たりのエネルギー総量は、１．０×１０^－３Ｗｈとなる。
これにより、複数の部分成形体１０、２０を接合面で接合して所定の内圧を保持可能な樹脂成形品１の必要接合強度を得て、接合強度を向上させることができる。

「実施例１」
図６は実施例１に係る第１の部分成形体１０、第２の部分成形体２０の各部の寸法を示す断面図である。
本実施例においては、第１の部分成形体１０を黒色の結晶性ガラス繊維強化ナイロン６６（レオナ１３００Ｇ（商標）：旭化成）を用いて成形し、第２の部分成形体２０を自然色の結晶性ガラス繊維強化ナイロン６６（レオナ１３００Ｇ（商標）：旭化成）を用いて成形した。
それぞれの代表寸法は、図６に示すとおりであり、基本肉厚は３ｍｍ、鍔部１１、２１の肉厚も３ｍｍとなるように成形した。
また、自然色の結晶性ガラス繊維強化ナイロン６６（レオナ１３００Ｇ（商標）：旭化成）は、光吸収係数が０．３３であり、レーザＬを照射する第１の部分成形体１０の鍔部１１は、肉厚３ｍｍで光透過率Ｒは４６％となる。

このような第１の部分成形体１０及び第２の部分成形体２０を接合装置５０の受け台５１、５２に位置決めして、レーザ出力Ｐ＝４５０Ｗでレーザ照射時間をＴ＝１０～２０ｓｅｃの範囲で変化させて溶着した樹脂成形品１の接合部における耐圧強度を測定した。
耐圧強度は、第１の部分成形体１０と第２の部分成形体２０を溶着した樹脂成形品１内に水を満たした状態で、貫通孔１２ａが形成された膨出部１２から水を加圧注入し、破壊時の圧力を測定することにより測定した。

図７に実施例１におけるレーザ溶着のエネルギー総量［Ｗｈ］と耐圧強度［ＭＰａ］の関係を示す。耐圧強度１．３ＭＰａ（溶着された接合面の強度としては１０ＭＰａ）以上の接合強度を安定的に得るためには、エネルギー総量Ｑは０．８［Ｗｈ］以上が必要であるとの結果になった。ここに、エネルギー総量Ｑ＝０．８［Ｗｈ］は、接合（溶着）部の単位面積（ｍｍ^２）当たり１．０×１０^－３［Ｗｈ］となる。

「変形例」
図８は変形例に係る接合方法を概念的に示す斜視図、図９は変形例に係る接合方法及びこれに用いる装置を説明する説明図である。
変形例に係る接合方法で接合される樹脂成形品１は、図８に示すように、第１の部分成形体１０と第２の部分成形体２０をその鍔部１１、２１を互いに当接させて圧接した状態で第２の部分成形体２０の鍔部２１の当接面と反対側である外側面から接合面となる溶着リブ部１３に単一のレーザ光源５６（不図示）から出射されるエネルギービームの一例としてのレーザＬを移動しながら照射して溶着リブ部１３を溶融固化（溶着）させる。

図９に示すように、接合装置５０Ａは、同軸線上に配置され、所定のタイミングで上側の受け台が昇降する上下一対の受け台５１Ａ、５２と、昇降する上側の受け台５１Ａを下側の受け台５２に向かって押圧する押圧部（不図示）と、上側の受け台５１Ａの上方でエネルギービームの一例としてのレーザＬを出射するレーザ光源５６とレーザＬを走査するガルバノスキャニングミラー５７（不図示）からなる。
上側の受け台５１Ａは、レーザ光源５６から出射して接合部に照射されるレーザＬが透過するように透明ガラスで形成されている。

樹脂成形品１が内圧を受けた場合の接合部における接合面の耐圧強度が１０ＭＰａ以上となるように、接合面としての鍔部１１、２１を互いに圧接した状態で第２の部分成形体２０の鍔部２１の外側からレーザ光源５６から出射されるレーザＬを所定の走査速度で接合部に対して複数回周回移動しながら単位面積（ｍｍ^２）当たりのエネルギー総量が０．４×１０^－３Ｗｈ以上となるように照射して、溶着リブ部１３を溶融固化（溶着）させる。

具体的には、レーザ光源５６を光出力２００Ｗで発光させて、走査速度３００ｍｍ／ｓｅｃで１５周回以上照射すると照射時間Ｔは１２．７ｓｅｃに達し、エネルギー総量Ｑは０．３Ｗｈ以上となる。これを、溶着リブ部１３が、内径Ｄ１＝７８ｍｍの位置に幅Ａ＝３ｍｍで形成されている場合、溶着面積Ｓは７６３．４ｍｍ^２であり、単位面積（ｍｍ^２）当たりのエネルギー総量は、０．４×１０^－３Ｗｈとなる。
これにより、複数の部分成形体を接合面で接合して所定の内圧を保持可能な樹脂成形品１の必要接合強度を得て、低コストで接合強度を向上させることができる。

「実施例２」

第１の部分成形体１０及び第２の部分成形体２０を接合装置５０Ａの上側の受け台５１Ａ、下側の受け台５２に位置決めした後、押圧力０．５ＭＰａで押圧した状態で、レーザ出力Ｐ＝１６０Ｗ、１８０Ｗ、２００Ｗ、レーザ照射時間をＴ＝８．５ｓｅｃ、１２．７ｓｅｃ、１７ｓｅｃ、２１．２ｓｅｃと変化させて溶着した樹脂成形品１の接合部における耐圧強度を測定した。
耐圧強度は、第１の部分成形体１０と第２の部分成形体２０を溶着した樹脂成形品１内に水を満たした状態で、貫通孔１２ａが形成された膨出部１２から水を加圧注入し、破壊時の圧力を測定することにより測定した。

図１０に実施例２におけるレーザ溶着のエネルギー総量［Ｗｈ］と耐圧強度［ＭＰａ］の関係を示す。耐圧強度１．３ＭＰａ（接合された接合面の強度としては１０ＭＰａ）以上の接合強度を安定的に得るためには、エネルギー総量Ｑは０．３［Ｗｈ］以上が必要であるとの結果になった。エネルギー総量Ｑ＝０．３［Ｗｈ］は、接合部の単位面積（ｍｍ^２）当たり０．４×１０^－３［Ｗｈ］となる。

１・・・樹脂成形品
１０・・・第１の部分成形体
１１・・・鍔部
１３・・・溶着リブ部
２０・・・第２の部分成形体
２１・・・鍔部
５０、５０Ａ・・・接合装置
５１、５１Ａ・・・受け台（上側）
５２・・・受け台（下側）
５３、５６・・・レーザ光源
５７・・・ガルバノスキャニングミラー

Claims

合成樹脂からなり接合面を有する複数の部分成形体を前記接合面で接合して所定の内圧を保持可能な樹脂成形品を製造する樹脂成形品の接合方法であって、
前記樹脂成形品が前記内圧を受けた場合の前記接合面の耐圧強度が１０Ｍｐａ以上となるように、前記接合面を互いに圧接した状態で、複数の光源から出射され前記接合面の一方から単位面積（ｍｍ^２）当たりの前記接合面が受ける前記複数の光源のエネルギービームを時間積分したエネルギー総量が１．０×１０^－３Ｗｈ以上となるエネルギービームを前記接合面に同時に照射して前記接合面を溶融固化させる、
ことを特徴とする樹脂成形品の接合方法。
合成樹脂からなり接合面を有する複数の部分成形体を前記接合面で接合して所定の内圧を保持可能な樹脂成形品を製造する樹脂成形品の接合方法であって、
前記樹脂成形品が前記内圧を受けた場合の前記接合面の耐圧強度が１０Ｍｐａ以上となるように、前記接合面を互いに圧接した状態で、単一の光源から出射され前記接合面の一方から単位面積（ｍｍ^２）当たりの前記接合面が受けるエネルギー総量が０．４×１０^－３Ｗｈ以上となるエネルギービームを前記接合面に移動しながら照射して前記接合面を溶融固化させる、
ことを特徴とする樹脂成形品の接合方法。
前記エネルギー総量Ｑは、
Ｑ［Ｗｈ］＝Ｐ×Ｔ×Ｒ／１００／３６００
である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂成形品の接合方法。
ここに、前記エネルギービームの光出力Ｐ［Ｗ］、前記エネルギービームの照射時間Ｔ［ｓｅｃ］、前記接合面の光透過率Ｒ［％］とする。
前記エネルギービームが、レーザビームである、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の樹脂成形品の接合方法。
前記合成樹脂が、結晶性ガラス繊維強化ポリアミド樹脂である、
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の樹脂成形品の接合方法。