JP7223368B2 - LASER JOINING METHOD AND LASER JOINING APPARATUS - Google Patents
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Description
本発明はレーザ接合方法及びレーザ接合装置に関し、より詳しくは、重合させた2枚の熱可塑性樹脂にレーザ光を照射して両者を接合するレーザ接合方法及びレーザ接合装置に関する。 The present invention relates to a laser bonding method and a laser bonding apparatus, and more particularly to a laser bonding method and a laser bonding apparatus for irradiating two sheets of polymerized thermoplastic resins with a laser beam to bond the two.
従来、重合させた熱可塑性樹脂同士をレーザ光によって接合する技術として特許文献1が知られている。
特許文献1の装置においては、重合させた2枚の熱可塑性樹脂にその上方側からレーザ光を照射し、レーザ光の照射位置の熱可塑性樹脂を加熱して溶融させることで、上下の熱可塑性樹脂を溶着させるようになっている。
なお、重合させた金属板にレーザ光を上方から照射して溶接する技術として特許文献2も知られている。特許文献2の溶接装置においては、先ず、上側の金属板にレーザ光を照射して貫通孔を穿設し、次に該貫通孔を介して下側の金属板にレーザ光を照射することで、上下の金属板を溶接するようになっている。
Conventionally, Patent Document 1 is known as a technique for joining polymerized thermoplastic resins with a laser beam.
In the apparatus of Patent Document 1, two sheets of polymerized thermoplastic resin are irradiated with a laser beam from above, and the thermoplastic resin at the irradiation position of the laser beam is heated and melted, so that the upper and lower thermoplastic resins are melted. It is designed to weld resin.
ところで、上記特許文献1の装置においては、レーザ光を透過しない樹脂を接合する場合に次のような問題があった。すなわち、加工対象が例えば熱可塑性炭素繊維強化樹脂(CFRTP)の場合には、重合した上下の材料間の接合面に直接レーザ光を照射する事はできない。従って、上側の材料にレーザ光を照射することで該上側の材料が加熱され、その伝熱により接合面を加熱溶融させることで、上下の材料を溶着する事になる。
しかしながら、熱可塑性炭素繊維強化樹脂の厚さ方向(繊維層間)の熱伝導率が悪いため、上側の材料の厚さが例えば3mmの場合には、上下の材料の接合面を、マトリクス樹脂(ナイロンPA6)の溶融温度である約240度に温度上昇させる為には上側の材料に対するレーザ照射は500度を超える温度となる。そのため、マトリクス樹脂が昇華し、あるいは焼損して炭素繊維がむき出しになり、接合完了後における接合箇所の接合状態が劣悪になる。このように接合箇所に炭素繊維が露出すると、接合箇所の強度が極端に低下するという問題があった。
そこで、発明の目的は、熱可塑性樹脂同士のレーザ接合を効率的に行うとともに、接合完了後の接合強度が高いレーザ接合装置とその方法を提供することである。
By the way, the apparatus disclosed in Patent Document 1 has the following problems when bonding resin that does not transmit laser light. That is, when the object to be processed is, for example, a carbon fiber reinforced thermoplastic resin (CFRTP), it is not possible to directly irradiate the laser beam onto the joint surface between the polymerized upper and lower materials. Therefore, by irradiating the upper material with a laser beam, the upper material is heated, and the heat transfer heats and melts the joint surface, thereby welding the upper and lower materials.
However, since the thermal conductivity in the thickness direction (between the fibers) of the thermoplastic carbon fiber reinforced resin is poor, when the thickness of the upper material is, for example, 3 mm, the joint surface of the upper and lower materials is made of matrix resin (nylon In order to raise the temperature to about 240 degrees, which is the melting temperature of PA6), the temperature of laser irradiation to the upper material exceeds 500 degrees. As a result, the matrix resin is sublimated or burnt out, and the carbon fibers are exposed, resulting in a poor joint state after the completion of the joint. When the carbon fibers are exposed at the joints in this manner, there is a problem that the strength of the joints is extremely reduced.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a laser bonding apparatus and a method for efficiently performing laser bonding between thermoplastic resins and providing a high bonding strength after the completion of bonding.
このような事情に鑑み、第1の本発明は、それぞれ熱可塑性樹脂からなる第1の材料と第2の材料とを重合させた状態で、上記第1の材料にレーザ光を照射して当該第1の材料を貫通する貫通孔を形成する第1レーザ光照射工程と、上記第1レーザ光照射工程によって形成された貫通孔を介して上記第2の材料に向けてレーザ光を照射して、上記貫通孔の周辺となる上記両方の材料の重合箇所を溶融させて上記両方の材料を接合する第2レーザ光照射工程とを備え、
上記第1レーザ光照射工程及び第2レーザ光照射工程においては、断面強度分布がトップハットモードのレーザ光を照射するようになっており、
さらに、上記第1レーザ光照射工程では、上記レーザ光の焦点を上記第1の材料の表面に位置させた状態で当該第1の材料にレーザ光を照射し、
上記第2レーザ光照射工程では、上記レーザ光の焦点を、上記貫通孔内における第1の材料の厚さ方向の中央に位置させた状態、または、上記貫通孔内における第1の材料の厚さ方向の中央よりも当該第1の材料の表面側に位置させた状態で、第2の材料に向けてレーザ光を照射することを特徴とするものである。
また、第2の本発明は、それぞれ熱可塑性樹脂からなる第1の材料と第2の材料とを重合させてなるワークを保持する加工ステージと、上記加工ステージに保持されたワークにレーザ光を照射する加工ヘッドを有するレーザ光照射装置と、上記加工ステージと加工ヘッドとを上記レーザ光の光軸方向と交差する方向に相対的に移動させるワーク移動機構と、上記加工ヘッドから照射されるレーザ光の焦点を上記ワークに対してレーザ光の光軸方向に相対的に移動させる焦点移動機構と、上記ワーク移動機構及び焦点移動機構の作動を制御する制御装置とを備え、
上記制御装置は、上記第1の材料にレーザ光を照射して当該第1の材料を貫通する貫通孔を形成する第1レーザ光照射動作と、上記第1レーザ光照射動作によって形成された上記貫通孔を介して上記第2の材料に向けてレーザ光を照射して、上記貫通孔の周辺となる両方の材料の重合箇所を溶融させて上記両方の材料とを接合する第2レーザ光照射動作とを実行し、
上記レーザ光照射装置は、断面強度分布がトップハットモードのレーザ光を上記ワークに照射するようになっており、
さらに、上記第1レーザ光照射動作では、上記レーザ光の焦点を上記第1の材料の表面に位置させた状態で当該レーザ光を照射し、
上記第2レーザ光照射動作では、上記レーザ光の焦点を上記貫通孔内の上記第1の材料の厚さ方向の中央に位置させた状態、または、上記貫通孔内における第1の材料の厚さ方向の中央よりも当該第1の材料の表面側に位置させた状態で、第2の材料に向けてレーザ光を照射することを特徴とするものである。
In view of such circumstances, the first aspect of the present invention is a first and second material each made of a thermoplastic resin which are polymerized and irradiated with laser light to the first material. a first laser light irradiation step of forming a through hole penetrating the first material; and a laser light irradiation step toward the second material through the through hole formed by the first laser light irradiation step and a second laser beam irradiation step of melting the superposed portions of the two materials around the through hole to join the two materials,
In the first laser beam irradiation step and the second laser beam irradiation step, a laser beam having a cross-sectional intensity distribution of top hat mode is irradiated,
Further, in the first laser beam irradiation step, the laser beam is irradiated to the first material while the focus of the laser beam is positioned on the surface of the first material,
In the second laser light irradiation step, the focal point of the laser light is positioned at the center of the thickness direction of the first material in the through hole, or the thickness of the first material in the through hole It is characterized by irradiating the second material with a laser beam in a state where it is located closer to the surface side of the first material than the center in the vertical direction.
In a second aspect of the present invention, there is provided a processing stage for holding a workpiece obtained by polymerizing a first material and a second material each made of thermoplastic resin, and a laser beam is applied to the workpiece held by the processing stage. A laser beam irradiation device having a processing head for irradiation, a workpiece moving mechanism for relatively moving the processing stage and the processing head in a direction intersecting the optical axis direction of the laser beam, and a laser beam irradiated from the processing head. A focus moving mechanism for moving the focus of light relative to the work in the optical axis direction of the laser light, and a control device for controlling the operations of the work moving mechanism and the focus moving mechanism,
The control device includes a first laser beam irradiation operation of irradiating the first material with a laser beam to form a through-hole penetrating the first material; A second laser beam irradiation for irradiating a laser beam through the through-hole toward the second material to melt the superposed portions of both the materials around the through-hole and join the two materials together. and run the
The laser beam irradiation device is adapted to irradiate the workpiece with a laser beam having a top-hat mode cross-sectional intensity distribution,
Furthermore, in the first laser light irradiation operation, the laser light is irradiated with the laser light being focused on the surface of the first material,
In the second laser light irradiation operation, the focal point of the laser light is positioned at the center of the thickness direction of the first material in the through hole, or the thickness of the first material in the through hole is It is characterized by irradiating the second material with a laser beam in a state where it is located closer to the surface side of the first material than the center in the vertical direction.
このような構成によれば、後述する加工後の比較データから理解できるように、熱可塑性樹脂同士のレーザ接合を効率的に行うことができるとともに、接合完了後の接合箇所の強度が高いレーザ接合方法とレーザ接合装置を提供できる。 According to such a configuration, as can be understood from comparison data after processing, which will be described later, it is possible to efficiently perform laser bonding between thermoplastic resins, and laser bonding with high strength at the joint after completion of bonding. A method and laser bonding apparatus can be provided.
以下、図示実施例について本発明を説明すると、図1ないし図2において、1はレーザ接合装置であり、このレーザ接合装置1は、ワークWとしての上側材料2と下側材料3にレーザ光Lを照射してそれらをレーザ接合するようになっている。
上側材料2と下側材料3は、ともに同じ厚さと幅を備えた短冊状の熱可塑性樹脂であり、熱可塑性樹脂は加熱されると溶融する熱溶融性を備えている。そこで、本実施例においては、上側材料2と下側材料3とを重合させた状態において、それらの重合部分における複数箇所に上方からレーザ光Lを照射して両材料2,3を接合するようになっている。
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the illustrated embodiments. In FIGS. 1 and 2, 1 is a laser bonding apparatus. are irradiated to join them by laser.
Both the
本実施例のレーザ接合装置1は、上側冶具5と下側冶具6とによってワークW(上側材料2と下側材料3)を水平に保持する加工ステージ7と、X方向テーブル9とY方向テーブル10とからなり加工ステージ7を水平面のX方向とY方向に移動させる移動機構12と、加工ステージ7に保持されたワークWに向けて加工ヘッド13からレーザ光Lを照射するレーザ照射装置14と、上記加工ヘッド13を昇降させて、それに内蔵した集光レンズ15の焦点の位置を移動させる昇降機構16と、これら構成要素の作動を制御する制御装置17を備えている。
上側冶具5は、複数の保持部材18によって加工ステージ7に水平に固定されており、他方、下側冶具6は、水平状態を維持して保持部材18に沿って昇降可能であり、かつ、複数のスプリング19によって常時上方に向けて付勢されている。
一部を重合させた状態の上側材料2と下側材料3とを、上側冶具5と下側冶具6とによって上下から挟持することで、全体としてのワークWを水平に保持するようになっている。なお、所要に応じて適宜の厚さのスペーサを噛ませることで、ワークWを上側冶具5と下側冶具6とによって確実に挟持させるようになっている。本実施例では、第1の材料としての上側材料2を、第2の材料としての下側材料3に上方から重合させてあり、これら上側材料2と下側材料3とでワークWが構成される。
The laser bonding apparatus 1 of this embodiment includes a
The
By sandwiching the
移動機構12は、水平面のX方向に移動されるX方向テーブル9と、X方向と直交する水平面のY方向に移動されるY方向テーブル10とからなり、加工ステージ7は、X方向テーブル9に取り付けられて水平に支持されている。これらX方向テーブル9及びY方向テーブル10の駆動源(モータ)の作動は制御装置17によって制御されるようになっている。制御装置17がX方向テーブル9、Y方向テーブル10の駆動源の作動を制御することにより、加工ステージ7は、水平面のX方向とそれに直交するY方向に移動できるようになっている。それにより、ワークWとレーザ光Lとを水平面において相対移動させて、ワークWに対するレーザ光Lの照射位置を変更できるようになっている。
The
レーザ照射装置14は、発振波長1070~1080nmのレーザ光Lを発振するファイバレーザ発振器21と、ファイバレーザ発振器21から発振されたレーザ光Lを加工ヘッド13へ導光する光ファイバ22と、光ファイバ22によって導光されたレーザ光Lをコリメータレンズ23と集光レンズ15を介してワークWに照射する加工ヘッド13とを備えている。
ファイバレーザ発振器21の作動は制御装置17によって制御されるようになっており、制御装置17がファイバレーザ発振器21を作動させるとレーザ光Lが光ファイバ22を介して加工ヘッド13へ導光されるようになっている。
加工ヘッド13は、昇降機構16の昇降アーム16Aの先端に鉛直下方に向けて取り付けられており、制御装置17が昇降機構16の駆動源を介して昇降アーム16Aを昇降させることにより、加工ヘッド13を昇降させるようになっている。それによって、ワークWをレーザ接合する際に、ワークWに対する集光レンズ15の焦点fの位置を最適な位置に調整できるようになっている。
加工ヘッド13におけるケーシングの上面中央部に、上記光ファイバ22の端部22Aが鉛直下方に向けて取り付けられており、この端部22Aの下方側の位置にコリメータレンズ23及び集光レンズ15が所定距離を隔てて配置されている。
これにより、光ファイバ22を介して導光されたレーザ光Lは、その端部22Aから下方側へ照射されて、先ずコリメータレンズ23によって平行光に調整され、その後、集光レンズ15によって集光されてから下方側のワークWに照射されるようになっている。
The
The operation of the
The
An
As a result, the laser light L guided through the
しかして、本実施例は、ワークWにトップハットモードのレーザ光Lを照射することで、両材料2,3を接合することが特徴となっており、そのために、光ファイバ22として断面が方形の光ファイバを採用している。
これにより、集光レンズ15を介してワークWに照射される照射スポットのレーザ光Lは、断面形状が円形ではなく方形となる。また、レーザ光Lのビームウェスト径は150~170μmとなるようにしている。このように、本実施例においては、集光レンズ15の焦点fにおけるレーザ光Lのスポット形状は方形のトップハットモードとなり、その断面強度分布は図3(b)に示したようになる。
ところで、レーザ光Lとしては、外周部側から光軸中心にわたって徐々に出力が増大するガウスモードが知られている(図3(a)参照)。
しかしながら、本実施例においては、このガウスモードではなく、光軸中心から外周部付近にわたって実質的に同じ出力となるトップハットモードのレーザ光Lを用いてレーザ接合を行うようにしている。
この図3は、レーザ接合(後述する第2レーザ光照射工程S2、第2レーザ光照射動作)におけるガウスモードとトップハットモードを比較したものであり、図3(a)にガウスモードの断面強度分布を示しており、図3(b)にトップハットモードの断面強度分布を示している。なお、前述したように、本実施例では断面が方形のトップハットモードを用いるが、この図3(b)においては、両モードを比較するための便宜上、トップハットモードのスポット形状も円形の場合を示している。
図3(b)に示すトップハットモードにおいては、レーザ光Lの照射箇所の略全域においてビーム強度が均一となるため、照射箇所の略全域に亘って蒸発しきい値P1と溶融しきい値P2との間のビーム強度でワークWを加熱することができる。そのため、トップハットモードにおいては、照射箇所の略全域を溶融させることが可能である。
これに対して、図3(a)に示したガウスモードの場合には、レーザ光Lの照射箇所の中心側(白い円の箇所)が蒸発しきい値P1を越えるために、そこが蒸発範囲となり、ワークWにおける当該部分の樹脂・繊維が消失する。そのため、黒い環状に示した領域だけが溶融範囲となってそこが接合箇所となる。その結果、ワークW(上側材料2と下側材料3)の接合完了後における接合箇所の強度が低下することになる。なお、このガウスモードにおいては、中心側の領域を溶融範囲にしようとすると、環状の外周部分が溶融範囲から外れることになり、この場合も、ワークWの接合完了後における接合箇所の強度が低下することになる。
他方、図3(b)に示すように、トップハットモードによるワークWの接合は、好適な溶融状態を形成するための溶融範囲を広くすることができる(黒い円で表示した部分)。そのため、接合完了後における接合箇所の強度を高めることができる。また、ビーム強度を均一にした状態で、ガウスモードよりも高いビーム強度でレーザ光LをワークWに照射できるので、短時間のうちに必要なエネルギを供給でき、接合加工を短時間で行うことができる。このような理由から、本実施例においては、ガウスモードではなく、図3(b)に示したトップハットモードのレーザ光Lを用いてワークW(上側材料2と下側材料3)の接合を行うようにしている。
Thus, this embodiment is characterized in that the two
As a result, the cross-sectional shape of the irradiation spot of the laser beam L irradiated onto the workpiece W through the
As the laser light L, a Gaussian mode is known in which the output gradually increases from the outer peripheral side to the center of the optical axis (see FIG. 3A).
However, in this embodiment, instead of the Gaussian mode laser beam L, the top hat mode laser beam L having substantially the same output from the center of the optical axis to the vicinity of the outer periphery is used for laser bonding.
FIG. 3 compares the Gaussian mode and the top hat mode in laser bonding (second laser beam irradiation step S2, second laser beam irradiation operation, which will be described later). FIG. FIG. 3(b) shows the top hat mode cross-sectional strength distribution. As described above, in this embodiment, the top-hat mode with a square cross section is used. is shown.
In the top hat mode shown in FIG. 3B, the beam intensity is uniform over substantially the entire irradiation area of the laser beam L, so that the vaporization threshold value P1 and the melting threshold value P2 are obtained over substantially the entire irradiation area. The workpiece W can be heated with a beam intensity between . Therefore, in the top hat mode, it is possible to melt substantially the entire irradiated area.
On the other hand, in the case of the Gaussian mode shown in FIG. As a result, the resin/fiber in the corresponding portion of the workpiece W disappears. Therefore, only the region indicated by the black ring becomes the melting range and becomes the joining point. As a result, the strength of the joined portion after the completion of the joining of the workpieces W (the
On the other hand, as shown in FIG. 3(b), joining the work W in the top hat mode can widen the melting range for forming a suitable melting state (portion indicated by a black circle). Therefore, it is possible to increase the strength of the joint after the completion of the joining. In addition, since the laser beam L can be irradiated to the work W with a beam intensity higher than that of the Gaussian mode while the beam intensity is uniform, the necessary energy can be supplied in a short time, and the joining process can be performed in a short time. can be done. For this reason, in this embodiment, the top hat mode laser beam L shown in FIG. I am trying to do it.
以上の構成において、以下の様にしてワークWのレーザ接合が行われる。
先ず、作業者がワークW(上側材料2と下側材料3)を上側冶具5と下側冶具6との間に挟持させて、上側材料2及び下側材料3を加工ステージ7上に保持させる。
この後、制御装置17が、移動機構12、昇降機構16及びレーザ照射装置14の作動を制御して、以下の様にしてワークWとしての上側材料2と下側材料3の接合加工が行われる。
すなわち、この後、移動機構12のX方向テーブル9、Y方向テーブル10が所要量、水平方向に移動されて停止されるので、両材料2,3の重合部分におけるレーザ光Lが最初に照射される箇所が集光レンズ15の軸心の下方側に停止する(図1参照)。この後、昇降アーム16Aを介して加工ヘッド13が所要量だけ昇降されて停止する。これにより、集光レンズ15の焦点fの高さ位置が、上側材料2の上面(表面)2Aの高さと一致する(図2(a)参照)。
この後、ファイバレーザ発振器21からレーザ光Lが発振されるので、該レーザ光Lが光ファイバ22を介して加工ヘッド13に導光され、その後、端部22Aからコリメータレンズ23を透過して平行光に調整されてから集光レンズ15で集光されて上側材料2に照射される。
この際の加工条件は、例えば両材料2,3の板厚は2mm、ショット数は1回、発振出力は、1800W、パルス幅は1.5~2.0msec(0.0015~0.002sec)としている。ここで、前述したように、レーザ光Lは断面方形のトップハットモードのレーザ光Lであるが、発振出力を1800Wとすることで、ビーム強度が照射箇所の略全域に亘って蒸発しきい値P1を超過するようにしているため、上側材料2に短時間で貫通孔2Bが穿設される。このようにして、先ず、上側材料2に上下方向の貫通孔2Bを穿設する(図2(a)参照)。
なお、貫通孔2Bの下端2Baは下側材料3の上面3Aによって閉鎖されるので、貫通孔2Bはブラインドホールとなっている。この貫通孔2Bはか下端2Baが窄まるテーパ状となる。具体的には、焦点fの位置のビームウエスト径を150μから170μとすると、貫通孔2Bの上端開口部の口径は200μ、下端開口部の口径は100μ程度となる。
本実施例では、トップハットモードのレーザ光Lを上側材料2に照射して、それに貫通孔2Bを穿設するこの工程が、第1レーザ光照射工程S1であり、かつ、第1レーザ光照射動作となっている。
In the above configuration, the workpiece W is laser-bonded in the following manner.
First, an operator clamps the workpiece W (the
After that, the
That is, after this, the X-direction table 9 and the Y-direction table 10 of the moving
After that, a laser beam L is oscillated from the
The processing conditions at this time are, for example, the plate thickness of both
Since the lower end 2Ba of the through
In the present embodiment, the step of irradiating the
この後、昇降アーム16Aにより加工ヘッド13を所定量下降させてそこで停止させる。具体的には、集光レンズ15の焦点fの高さを、上記貫通孔2Bの上下方向の略中央の高さ、または該中央よりも上方の高さに位置させる。つまり、貫通孔2B内の上側材料2の厚さ方向の中央に位置させるか、又は、そこよりも表面2A側(上方側)にずれた高さ位置に焦点fを位置させる。なお、焦点fを厚さ方向の中央に位置させることには、焦点fが完全な中央位置からレーザ光Lの光軸に沿って上下に0.1mm程度ずれる場合も含まれる。以下では、このずれを含む意味で略中央と記載する。また、焦点fを、さらに上方(集光レンズ15側)に位置させて、貫通孔2Bの内部ではなく外部に位置させるようにしても良い。
その後、再度、貫通孔2Bを介して上方側からレーザ光Lを下側材料3に向けて照射する(図2(b)参照)。これにより、貫通孔2Bの下端2Baとその周辺となる上側材料2の下面2C及び下側材料3の上面3Aが溶融されて、そこが接合箇所となる。この2回目のワークWへのレーザ光Lの照射が第2レーザ光照射工程S2であり、かつ第2レーザ光照射動作となる。
なお、第2レーザ光照射工程S2において、集光レンズ15の焦点fの位置を貫通孔2Bの上下方向の略中央、またはそこから上方の高さに位置させるのは次のような理由による。つまり、これ以上、焦点fの位置を下側材料3に近づけると、レーザ光Lの裾が上側材料2に吸収されてしまうので、下穴としての貫通孔2Bを形成した意味が無くなるためである。これとは逆に、焦点fの位置が下側材料3からあまりに遠すぎると、接合面となる下面2Cと上面3Aでの照射スポット面積が減少し、エネルギ密度が低下して接合箇所での好適な溶融が行われなくなる。
そこで、本実施例では、貫通孔2Bの上下方向の略中央の高さ、またはそこから上方に焦点fを位置させて、レーザ光Lを再度、上側材料2及び下側材料3に向けて照射する(図2(b)参照)。この時の加工条件としては、ショット数は1回、発振出力は100W、パルス幅は0.15secとしている。
これにより、貫通孔2Bの下端2Ba及びその周辺の上側材料2の下面2Cと下側材料3の上面3Aが溶融されて、それらが接合されて接合箇所となる。
このように、本実施例においては、最初の接合箇所を対象として第1レーザ照射工程S1の後に第2レーザ照射工程S2を行って、当該、最初の接合箇所となる箇所を接合する。
この後、移動機構12による加工ステージ7の水平方向の移動と、昇降アーム16Aによる加工ヘッド13の昇降作動によって、両材料2,3の重合部分における数十箇所を接合対象として、前述した第1レーザ光照射工程S1と第2レーザ光照射工程S2を行って、それら数十箇所を接合する。それにより、上側材料2と下側材料3との重合部分がレーザ接合されるようになっている。
After that, the working
After that, the laser beam L is again irradiated from above toward the
In the second laser light irradiation step S2, the focal point f of the condensing
Therefore, in this embodiment, the focus f is positioned at or above the height of the center of the through
As a result, the lower end 2Ba of the through-
As described above, in this embodiment, the second laser irradiation step S2 is performed after the first laser irradiation step S1 for the first joint portion to join the first joint portion.
After that, by moving the
以上のように、本実施例では、断面が方形となるトップハットモードのレーザ光Lにより上記第1レーザ光照射工程S1と第2レーザ光照射工程S2を実施してワークW(両材料2,3)をレーザ接合するようにしている。
本実施例によってワークWを接合した場合と、ガウスモードでワークWを接合した場合について、接合完了後の接合箇所の状態をカメラで撮影した比較してみたのが図4、図5である。両モードとも、加工条件は、トップハットモードでは、発振出力:100W、パルス幅:0.15secであり、ガウスモードでは、発振出力:25W、パルス幅:0.6secである。いずれも板厚:2mm、ショット数:1としている。
なお、ガウスモードのレーザ光による加工を、トップハットモードのレーザ光による加工と同じ加工条件にすると、ワークWにおける樹脂・繊維の蒸散が著しく、接合範囲も狭く、接着自体が行えなかった。そこで、トータルエネルギを両モードとも15J(トップハットモードでは、0.15sec×100W×=15J(W・s)、ガウスモードでは、0.6sec×25W=15J(W・s))となるように加工条件を揃えることで、ガウスモードによる接合においても樹脂・繊維の蒸散を抑えた状態で比較したものである。
また、図4、図5ともに、接合後の上側材料2と下側材料3とを剥がして、下側材料3の接合部分(上面3A)を上方からカメラで撮影したものである。
図4は、トップハットモードのレーザ光を用いた本実施例の場合を示しており、図5は、ガウスモードのレーザ光によって上側材料と下側材料を接合した場合を示している。
図4と図5の写真から明らかなように、図5に示すガウスモードによる加工では、上側材料2の貫通孔2Bに対応する位置の近傍まで炭化が進んで真黒になっている。この炭化した部分は接合されていない箇所であり、繊維の破断も生じているため、その分だけ接合箇所の強度が低下することになる。
他方、図4に示すトップハットモードによる加工(本実施例)では、上側材料2の貫通孔2Bに対応する部分は、炭化しておらず白くなっている。つまり、炭化することなく溶融されて、そこが確実に接合されている。
図4と図5の写真から明らかなように、図5に示すガウスモードによる加工よりも、図4に示すトップハットモードによる加工(本実施例)の方が接合箇所の強度が高くなることが理解できる。
As described above, in the present embodiment, the first laser beam irradiation step S1 and the second laser beam irradiation step S2 are performed with the top hat mode laser beam L having a rectangular cross section to perform the work W (both
FIGS. 4 and 5 are photographs taken with a camera of the state of the joint after the completion of joining in the case where the work W is joined by the present embodiment and the case where the work W is joined in the Gaussian mode. In both modes, the machining conditions are an oscillation output of 100 W and a pulse width of 0.15 sec in the top hat mode, and an oscillation output of 25 W and a pulse width of 0.6 sec in the Gauss mode. In both cases, the plate thickness is 2 mm and the number of shots is 1.
When processing with a Gaussian mode laser beam was performed under the same processing conditions as processing with a top hat mode laser beam, the resin/fibers in the workpiece W were remarkably evaporated, and the bonding range was narrow, making bonding itself impossible. Therefore, the total energy is set to 15 J in both modes (0.15 sec x 100 W x = 15 J (W s) in top hat mode, 0.6 sec x 25 W = 15 J (W s) in Gauss mode). By matching the processing conditions, the comparison was made in a state in which resin/fiber evaporation was suppressed even in Gaussian mode bonding.
In both FIGS. 4 and 5, the
FIG. 4 shows the case of this embodiment using top hat mode laser light, and FIG. 5 shows the case of joining the upper material and the lower material with Gauss mode laser light.
As is clear from the photographs of FIGS. 4 and 5, in the Gaussian mode processing shown in FIG. 5, carbonization progresses to the vicinity of the position corresponding to the through
On the other hand, in the top hat mode processing (this embodiment) shown in FIG. 4, the portion corresponding to the through
As is clear from the photographs of FIGS. 4 and 5, the strength of the joint is higher in the top hat mode processing (this example) shown in FIG. 4 than in the Gauss mode processing shown in FIG. It can be understood.
さらに、図6ないし図7は、上記各モードによる接合加工における引張りせん断強度及びレーザ照射合計時間等を比較した結果を示したものである。なお、加工条件は、各モードにおいて最も好適な接合加工を行った場合のものであり、それを図6に示している。トップハットモード(本実施例)の方が1つの貫通孔に対する溶融面積が大きくなるため、ガウスモードよりも貫通孔の数が少なくなっている。つまり、レーザ光Lの照射箇所(接合箇所)は、トップハットモードの場合(本実施例)の方がガウスモードの場合よりも大幅に少なくなっている。結果として、ガウスモードの場合と比較してトップハットモード(本実施例)の方が、引張せん断強度が18%アップし、加工時間は4分の1に短縮されたことになる。
また、接合完了後において同じ引張せん断強度を得るという条件で、ガウスモードとトップハットモードによる加工結果を比較したものが図7である。この場合においても、ガウスモードと比較してトップハットモード(本実施例)の方が、接合1箇所当たりの引張せん断強度は278%アップ、加工時間は82%短縮されている。
Further, FIGS. 6 and 7 show the results of comparison of the tensile shear strength, the total laser irradiation time, etc., in the joining processes in each of the above modes. The processing conditions are those for the most suitable joining processing in each mode, which are shown in FIG. Since the melted area per through-hole is larger in the top-hat mode (this embodiment), the number of through-holes is smaller than in the Gauss mode. In other words, the number of irradiation points (joint points) of the laser light L is significantly smaller in the case of the top hat mode (this embodiment) than in the case of the Gauss mode. As a result, in the top hat mode (this example), the tensile shear strength was increased by 18% and the processing time was shortened to 1/4 as compared to the case of the Gauss mode.
Further, FIG. 7 shows a comparison of the processing results in the Gauss mode and the top hat mode under the condition that the same tensile shear strength is obtained after the completion of joining. Even in this case, the top hat mode (this example) has a 278% higher tensile shear strength per joint and an 82% shorter processing time than the Gaussian mode.
図4ないし図7に示した両モードによる加工後の比較データから理解できるように、本実施例のレーザ接合装置1及びレーザ接合方法によれば、熱可塑性樹脂からなる上側材料2と下側材料3のレーザ接合を効率的に行うことができ、接合完了後における接合箇所の強度が高くなるという効果を得ることができる。 As can be understood from the comparison data after processing in both modes shown in FIGS. 3 can be efficiently performed, and the effect of increasing the strength of the joint after the completion of the joining can be obtained.
なお、上記実施例は、ワークWを構成する上側材料2及び下側材料3として熱可塑性樹脂を想定しているが、熱可塑性炭素繊維強化樹脂(CFRTP)もレーザ接合装置1の加工対象となることは勿論である。
また、レーザ接合装置1の加工対象となる上側材料2(第1の材料)と下側材料3(第2の材料)の組み合わせとしては、次のような組み合わせ(1)~(4)でも良い。
(1)上側材料:レーザ不透過(有色)の熱可塑性樹脂
下側材料:レーザ不透過(有色)の熱可塑性樹脂
(2)上側材料:繊維強化熱可塑性樹脂
下側材料:レーザ不透過(有色)の熱可塑性樹脂
(3)上側材料:レーザ不透過(有色)の熱可塑性樹脂
下側材料:繊維強化熱可塑性樹脂
(4)上側材料:繊維強化熱可塑性樹脂
下側材料:繊維強化熱可塑性樹脂
また、上記実施例においては、加工ヘッド13を昇降機構16で昇降させることで集光レンズ15の焦点fの位置を変更しているが、加工ヘッド13自体は固定し、それに内蔵した集光レンズ15を昇降させることで焦点fの位置を変更するようにしても良い。
また、上記実施例では、断面が方形の光ファイバ22を用いてトップハットモードのレーザ光を形成しているが、通常用いられる断面円形の光ファイバと回折光学素子(DOE)等のトップハットビームシェイパを使用してトップハットモードのレーザ光Lを形成するようにしても良い。
さらに、上記実施例では、上側材料2と下側材料3とを上下で重ねた状態で上方からレーザ光を照射する構成となっているが、ワークWを90°回転させて両材料2,3の重合面が鉛直方向となった状態において、横方向からワークWにレーザ光Lを照射する構成を採用しても良い。
In the above embodiment, the
As a combination of the upper material 2 (first material) and the lower material 3 (second material) to be processed by the laser bonding apparatus 1, the following combinations (1) to (4) may be used. .
(1) Upper material: laser-impermeable (colored) thermoplastic resin Lower material: laser-impermeable (colored) thermoplastic resin (2) Upper material: fiber-reinforced thermoplastic resin Lower material: laser-impermeable (colored) ) thermoplastic resin (3) upper material: laser-impermeable (colored) thermoplastic resin lower material: fiber reinforced thermoplastic resin (4) upper material: fiber reinforced thermoplastic resin lower material: fiber reinforced thermoplastic resin In the above embodiment, the position of the focal point f of the condensing
In the above-described embodiment, the
Furthermore, in the above embodiment, the
1‥レーザ接合装置 W‥ワーク
2‥上側材料(第1の材料) 2B‥貫通孔
3‥下側材料(第2の材料) 12‥移動機構(ワーク移動機構)
13‥加工ヘッド 14‥レーザ照射装置
15‥集光レンズ 16‥昇降機構(焦点移動機構)
17‥制御装置 L‥レーザ光
S1‥第1レーザ光照射工程 S2‥第2レーザ光照射工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Laser joining apparatus W...
13..
17.. Control device L.. Laser beam S1.. First laser beam irradiation step S2.. Second laser beam irradiation step
Claims (2)
上記第1レーザ光照射工程及び第2レーザ光照射工程においては、断面強度分布がトップハットモードのレーザ光を照射するようになっており、
さらに、上記第1レーザ光照射工程では、上記レーザ光の焦点を上記第1の材料の表面に位置させた状態で当該第1の材料にレーザ光を照射し、
上記第2レーザ光照射工程では、上記レーザ光の焦点を、上記貫通孔内における第1の材料の厚さ方向の中央に位置させた状態、または、上記貫通孔内における第1の材料の厚さ方向の中央よりも当該第1の材料の表面側に位置させた状態で、第2の材料に向けてレーザ光を照射することを特徴とするレーザ接合方法。 In a state in which a first material and a second material each made of a thermoplastic resin are polymerized, the first material is irradiated with a laser beam to form a through hole penetrating the first material. A laser beam irradiation step, and a laser beam is irradiated toward the second material through the through hole formed in the first laser beam irradiation step to polymerize both the materials forming the periphery of the through hole. A second laser beam irradiation step of melting the part and joining both materials,
In the first laser beam irradiation step and the second laser beam irradiation step, a laser beam having a cross-sectional intensity distribution of top hat mode is irradiated,
Further, in the first laser beam irradiation step, the laser beam is irradiated to the first material while the focus of the laser beam is positioned on the surface of the first material,
In the second laser light irradiation step, the focal point of the laser light is positioned at the center of the thickness direction of the first material in the through hole, or the thickness of the first material in the through hole A laser bonding method, comprising irradiating a laser beam toward the second material while the second material is positioned closer to the surface of the first material than the center in the longitudinal direction.
上記制御装置は、上記第1の材料にレーザ光を照射して当該第1の材料を貫通する貫通孔を形成する第1レーザ光照射動作と、上記第1レーザ光照射動作によって形成された上記貫通孔を介して上記第2の材料に向けてレーザ光を照射して、上記貫通孔の周辺となる両方の材料の重合箇所を溶融させて上記両方の材料とを接合する第2レーザ光照射動作とを実行し、
上記レーザ光照射装置は、断面強度分布がトップハットモードのレーザ光を上記ワークに照射するようになっており、
さらに、上記第1レーザ光照射動作では、上記レーザ光の焦点を上記第1の材料の表面に位置させた状態で当該レーザ光を照射し、
上記第2レーザ光照射動作では、上記レーザ光の焦点を上記貫通孔内の上記第1の材料の厚さ方向の中央に位置させた状態、または、上記貫通孔内における第1の材料の厚さ方向の中央よりも当該第1の材料の表面側に位置させた状態で、第2の材料に向けてレーザ光を照射することを特徴とするレーザ接合装置。 Laser light irradiation having a processing stage for holding a workpiece obtained by polymerizing a first material and a second material each made of a thermoplastic resin, and a processing head for irradiating a laser beam to the workpiece held by the processing stage a workpiece moving mechanism for relatively moving the apparatus, the machining stage and the machining head in a direction intersecting the optical axis direction of the laser beam; and a focus of the laser beam emitted from the machining head to the workpiece. Equipped with a focus movement mechanism that relatively moves in the optical axis direction of the laser beam, and a control device that controls the operation of the work movement mechanism and the focus movement mechanism,
The control device includes a first laser beam irradiation operation of irradiating the first material with a laser beam to form a through-hole penetrating the first material; A second laser beam irradiation for irradiating a laser beam through the through-hole toward the second material to melt the superposed portions of both the materials around the through-hole and join the two materials together. and run the
The laser beam irradiation device is adapted to irradiate the workpiece with a laser beam having a top-hat mode cross-sectional intensity distribution,
Furthermore, in the first laser light irradiation operation, the laser light is irradiated with the laser light being focused on the surface of the first material,
In the second laser light irradiation operation, the focal point of the laser light is positioned at the center of the thickness direction of the first material in the through hole, or the thickness of the first material in the through hole is A laser bonding apparatus that irradiates a laser beam toward the second material while the second material is positioned closer to the surface side of the first material than the center in the longitudinal direction.
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