KR100783676B1 - 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용작장치 - Google Patents

열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용작장치 Download PDF

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도시오 와타나베
가츠히코 나카지마
히데오 나카무라
히로시 모리
스스무 후지타
미츠노부 나카타니
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

본 발명은 열가소성 수지재로 구성된 2개의 부재를 용착하였을 때의 용착강도가 높고, 강도 불균일이 작은 레이저 용착방법과 레이저 용착장치를 제공하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재(2)와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재(3)를 접촉시켜 레이저광으로 접촉면(4)을 용융하여 접합하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법은, 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)를 접촉시켜 2개의 부재의 적어도 접촉면(4)을 예가열수단(20)으로 그 용융온도보다 낮은 온도에서 예가열하고, 접촉면(4)에 레이저광 발생기(10)의 레이저광(R)을 제 1 부재측으로부터 조사하여 2개의 부재의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시킨 후, 용융부를 후가열수단(20A)으로 그 용융온도보다 낮은 온도에서 후가열하여 서냉한다. 예가열 및 후가열은 2개의 부재의 유리전이 온도 이상에서 가열하는 것이 바람직하다.

Description

열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용작장치{METHOD AND APPARATUS FOR LASER WELDING THERMOPLASTIC RESIN MEMBERS}
도 1은 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 제 1 실시형태의 주요부 구성도,
도 2는 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 제 2 실시형태의 주요부 구성도,
도 3은 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 제 3 실시형태의 주요부 구성도,
도 4는 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 제 4 실시형태의 주요부 구성도,
도 5는 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 제 5 실시형태의 주요부 구성도,
도 6은 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 제 6 실시형태의 주요부 구성도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E : 레이저 용착장치
2 : 제 1 부재(투과성 열가소성 수지부재)
3 : 제 2 부재(흡수성 열가소성 수지부재)
4 : 접촉면 5 : 예가열부
6 : 용융부 7 : 용착부
8 : 고결정화 용착부
10, 30, 35, 36, 37, 38, 40, 41, 42, 43, 50 : 레이저광 발생기
11 : 레이저 발진기
12, 31 : 레이저 헤드(레이저광 발생부)
13 : 이동기구 15 : 클램프기구
20 : 예가열수단 20A : 후가열수단
21 : 케이싱 22 : 히터(가열수단)
25 : 온풍 공급수단 32 : 렌즈(광학수단)
51 : 초점조정 이동기구
R, R2, R5, R8, R10 : 레이저광 R1 : 예가열 레이저광
R3, R11, R12 : 후가열 레이저광
R4, R7 : 예가열 레이저광(예비 레이저광)
R6, R9 : 후가열 레이저광(예비 레이저광)
본 발명은 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용착장치에 관한 것으로, 특히 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 부재를 용융하여 접합하는 레이저 용착방법과 레이저 용착장치에 관한 것이다.
최근, 자동차부품 등, 각종 분야의 부품의 경량화 및 저비용화 등의 요구에 의하여 이들 부품을 수지화하여 수지성형품으로 하는 것이 빈번하게 행하여지고 있 다. 또 수지성형품이 복잡한 형상의 경우, 생산성을 향상시키도록 수지성형품을 미리 복수로 분할하여 성형하고, 이들 분할된 성형품을 서로 용융 접합하여, 복잡한 형상의 수지성형품을 형성하는 것이 행하여지고 있다.
종래의 이와 같은 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법으로서, 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 수지부재의 레이저 용착방법은, 가열원으로서의 레이저광에 대하여 투과성이 있는 투과수지로 이루어지는 투과 수지재와, 레이저광에 대하여 투과성이 없는 비투과 수지재의 맞닿음 계면을, 투과 수지재측으로부터의 레이저광의 조사에 의하여 가열 용융시켜 용착하고, 투과 수지재 및 비투과 수지재의 맞닿음 계면을 형성하는 맞닿음면부의 적어도 한쪽이 가열되어 연화되고, 또한 투과 수지재 및 비투과 수지재가 압접한 상태에서 레이저광이 조사된다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2004-188802호 공보
그런데, 상기한 수지부재의 레이저 용착방법은, 양 수지재의 맞닿음면의 간극이 커져도 맞닿음면부를 미리 연화시킨 상태에서 레이저 용착을 행하기 때문에, 양 수지재의 맞닿음 계면의 간극을 소실시킨 상태에서 레이저광의 조사를 행할 수 있어 용착불량의 발생을 억제할 수 있으나, 예를 들면 용착부가 냉각되었을 때의 결정화도가 불충분하고 불균일함으로써 용착강도가 불충분하고, 강도 불균일이 커지는 문제점이 있었다. 또 용착되는 부재를 설치하는 환경요인의 영향이 큰 것에 의한 용착성능의 불균일을 방지하기 위함이나 고융점을 가지는 수지부재를 레이저 용착하는 경우에는 설비 비용이 비싼 고출력 레이저가 필요하였다.
이와 같은 문제점이 발생하는 이유로서는, 용착하고자 하는 수지부품의 구조적인 열용량에 의하여 부위마다의 냉각속도가 다르고, 결과로서 부위마다의 결정화도가 다른 것을 생각할 수 있다. 그리고 용착하고자 하는 수지부품이 설치되는 설비주변환경에 의하여 냉각속도가 변동하기 때문이라고 생각된다.
본 발명은 이와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 열가소성 수지부재로 구성된 2개의 부재에 레이저광을 조사하여 용착하였을 때의 용착강도가 높고, 강도 불균일이 작은 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용착장치를 제공하는 것에 있다. 또 환경요인의 영향을 받기 어렵고, 구성이 간단하며, 설비 비용이 저렴한 저출력의 레이저광을 사용하여 고융점의 수지부재이더라도 용착성능을 일정하게 할 수 있는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하도록 본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법은, 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재를 접촉시켜 레이저광으로 접촉면을 용융하여 접합하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법으로서, 상기 제 1 부재와 제 2 부재를 접촉시키고, 상기 2개의 부재의 적어도 접촉면을 그 용융온도보다 낮은 온도에서 예가열하고, 상기 접촉면에 제 1 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 상기 2개의 부재의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시킨 후, 상기 용융부 를 그 용융온도보다 낮은 온도에서 후가열하는 것을 특징으로 한다. 예가열이나 후가열의 온도는 열가소성 수지의 용융온도보다 낮은 유리전이 온도 이상의 온도가 바람직하다. 또 2개의 부재를 접촉시킬 때, 밀착시키도록 가압하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법에 의하면 제 1 부재와 제 2 부재를 접촉시켜 2개의 부재의 적어도 접촉면을 미리 예가열하고, 접촉면에 제 1 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 2개의 부재의 적어도 한쪽의 부재의 접촉면을 용융시킨 후, 용융부를 후가열하기 때문에, 예가열로 온도변동을 적게 할 수 있고, 후가열로 접촉면의 용융부가 급냉하지 않아, 냉각속도의 불균일이 적은 상태에서 저하하고, 결과로서 결정화도를 올리 수 있고, 결정화도를 균일하게 할 수 있다. 이 때문에 용착부의 강도를 향상시킬 수 있고, 강도 불균일을 저감할 수 있다. 또 미리 2개의 부재를 예가열하고 있기 때문에, 저출력 레이저광이어도 용착강도의 불균일이 적은 안정된 용착부를 얻을 수 있다.
또, 본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법의 바람직한 구체적인 형태로서는, 상기 접촉면의 예가열 및 상기 용융부의 후가열은, 상기 2개의 부재를 수용하는 공간 내를 가열하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같이 구성된 레이저 용착방법에서는 2개의 부재를 케이스 등의 공간 내에 수용하고, 이 공간 내를 히터 등으로 가열하여 고온 분위기로 할 수 있고, 2개의 부재를 소정의 온도까지 예가열하여 부재의 온도 불균일을 적게 할 수 있다. 그리고 레이저광을 조사하여 용융시킨 후의 접촉면의 용융부를 후가열하고, 급냉을 방지하여 서서히 온도를 내릴 수 있기 때문에, 용착부의 결정화도를 균일하게 올려 강도향상을 달성할 수 있음과 동시에, 강도 불균일을 저감할 수 있다. 즉, 급냉하면 용융부가 비정질화하나, 서냉하기 때문에 고결정화가 가능해진다.
또한 본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법의 바람직한 구체적인 다른 형태로서는, 상기 접촉면의 예가열 및 상기 용융부의 후가열은, 상기 2개의 부재에 온풍을 내뿜어 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같이 구성된 레이저 용착방법에서는, 2개의 부재에 온풍을 내뿜어 가열함으로써 소정의 온도까지 예가열 하여 온도 불균일을 없애고, 접촉면의 용융 후에 온풍을 내뿜어 용융부의 급냉을 방지하여 서서히 온도를 내릴 수 있어, 접촉면의 용착부의 결정화도를 균일하게 올려 강도향상을 달성할 수 있음과 동시에, 강도 불균일을 저감할 수 있다.
또, 상기 접촉면의 예가열 및 상기 용융부의 후가열은, 상기 2개의 부재의 적어도 한쪽의 접촉면에 제 1 부재측으로부터 예비 레이저광을 조사하여 가열하는 것이 바람직하다. 특히 적어도 한쪽의 접촉면을 연화시킬 정도로 가열하면 적합하다. 이와 같이 구성된 레이저 용착방법에서는 2개의 부재의 적어도 한쪽의 접촉면을 연화시키도록 접촉면에 예비 레이저광을 조사하여 가열하기 때문에, 2개의 부재의 형상 등에 의한 온도변동을 적게 할 수 있고, 이어서 레이저광을 조사하여 접촉면의 적어도 한쪽의 면을 용융한 후, 예비 레이저광으로 용융온도보다 낮은 온도에서 가열하기 때문에 완만하게 냉각할 수 있다. 이 결과, 용착부의 강도가 높아져 강도 불균일을 적게 할 수 있다.
본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법의 다른 형태로서는 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재를 접촉시켜 레이저광으로 접촉면을 용융하여 접합하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법으로서, 상기 제 1 부재와 제 2 부재를 접촉시켜 상기 접촉면에 제 1 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 상기2개의 부재의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시킨 후, 상기 2개의 부재의 용융부를, 그 용융온도보다 낮은 온도에서 후가열하고, 다시 상기 용융부를 더욱 낮은 온도에서 후가열하는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같이 구성된 레이저 용착방법에서는, 제 1 부재와 제 2 부재의 접촉면에 제 1 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 2개의 부재의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시켜 용착한 후, 용착부를 용융온도보다 낮은 온도에서 후가열하고, 다시 낮은 온도에서 후가열하기 때문에, 용융부를 서냉하여 용착부의 결정화도를 균일하게 높일 수 있고, 용착강도 불균일이 낮아, 높은 용착강도를 얻을 수 있다.
본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치는, 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재를 접촉시켜 레이저광 발생수단으로부터 발생한 레이저광을 제 1 부재측으로부터 조사하여 접촉면의 적어도 한쪽의 면을 용융하여 접합하는 레이저 용착장치에 있어서, 상기 제 1 부재와 제 2 부재의 적어도 접촉면을, 그 용융온도보다 낮은 온도에서 예가열하는 예가열수단과, 상기 제 1 부재와 제 2 부재의 접촉면의 적어도 한쪽의 접촉면을 제 1 부재측으로부터 레이저광을 조 사하여 용융시키는 레이저광 발생수단과, 용융된 접촉면을 그 용융온도보다 낮은 온도에서 후가열하는 후가열수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 레이저 용착장치에 의하면, 제 1 부재와 제 2 부재를 접촉시켜 2개의 부재의 적어도 접촉면을 예가열한 후, 2개의 부재의 적어도 한쪽 면을 용융시키기 때문에 용융상태가 안정된다. 또 용융 후에 용융부를 후가열하기 때문에 용융부가 급격하게 냉각하지 않고, 서서히 냉각되기 때문에, 용착부의 결정화도를 균일하게 높일 수 있어, 용착강도를 향상할 수 있음과 동시에, 강도 불균일을 저감할 수 있다.
상기한 용착장치에서 예가열수단 및 후가열수단은, 제 1 부재와 제 2 부재를 수용하는 케이싱을 구비하고 있고, 상기 케이싱 내의 공간을 가열하는 가열수단을 구비하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면 히터 등의 가열수단으로 케이싱 내의 공간을 가열하여 예가열 및 후가열을 행할 수 있고, 레이저광으로 2개의 부재의 접촉면을 용융하기 전에 예가열로 각 부재의 온도변동을 적게 할 수 있어, 용융상태를 균일하게 할 수 있다. 그리고 용융부를 후가열하여 급격한 냉각을 방지하여 서냉할 수 있기 때문에, 결정화도를 균일하게 높여 용착강도의 향상과, 강도 불균일의 저감을 달성할 수 있다.
또, 상기한 용착장치에서 예가열수단 및 후가열수단은, 제 1 부재와 제 2 부재를 가열하는 온풍공급수단인 것이 바람직하다. 온풍공급수단은 2개의 부재를 수용하는 케이싱 내에 내뿜는 구성이어도 좋다. 제 1 부재와 제 2 부재에 온풍을 공급하여 가열함으로써 제 1 부재와 제 2 부재를 예가열하여 소정의 온도까지 상승시 키고, 그후 접착면의 적어도 한쪽의 면을 용융하여 2개의 부재를 용착하고, 다시 그후 용융부를 후가열하여 서냉하기 때문에, 결정화도를 균일하게 높혀 용착강도를 향상할 수 있음과 동시에, 강도 불균일을 저감할 수 있다.
열가소성 수지부재의 레이저 용착장치의 다른 형태로서는, 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재를 접촉시켜 레이저광 발생수단으로 조사한 레이저광으로 접촉면을 용융하여 접합하는 레이저 용착장치에 있어서, 상기 레이저광 발생수단은 상기 접촉면을 상기 용융온도보다 낮은 온도에서 예가열하는 제 1 가열수단과, 상기 접촉면의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융하는 제 2 가열수단과, 상기 접촉면을 상기 용융온도보다 낮은 온도에서 후가열하는 제 3 가열수단을 가지는 것을 특징으로 하고 있다. 3개의 가열수단은 접촉면에 투입되는 에너지밀도가 다르다.
이와 같이 구성된 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치는, 에너지밀도가 낮은 제 1 가열수단으로 2개의 부재의 적어도 접촉면을 예가열하여 온도변동을 적게 하고, 에너지밀도가 높은 제 2 가열수단으로 접촉면에 적어도 한쪽의 면을 용융하고, 이어서 에너지밀도가 낮은 제 3 가열수단으로 서냉하기 때문에, 용착부의 결정화도를 균일하게 높혀 강도를 향상할 수 있음과 동시에, 강도 불균일을 저감할 수 있다. 또제 2 가열수단으로 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시키기 전에, 사전에 예가열하기 때문에, 고출력 레이저광을 사용하지 않아도 고융점의 수지부재의 용착을 행할 수 있다.
상기 제 1, 제 2, 제 3 가열수단은, 하나의 레이저광 발생수단으로부터 발생된 레이저광을 분광하여 주가열수단을 구성하는 제 2 가열수단은 톱 해트 분포형의 강도분포를 가지는 레이저광을 발생하고, 제 1 및 제 3 가열수단은 가우시안 분포형의 강도분포를 가지는 레이저광을 발생함으로써, 에너지밀도를 다르게 하고 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면 하나의 레이저광 발생수단을 사용하여 예가열하고, 이어서 주가열하여 접촉면의 적어도 한쪽의 면을 용융하고, 다시 용융부를 후가열하여 서냉할 수 있기 때문에 용착강도를 높일 수 있으며, 강도 불균일을 저감할 수 있음과 동시에, 장치구성을 간략화할 수 있다.
상기 제 1, 제 2, 제 3 가열수단은, 각각 따로따로의 레이저광 발생수단으로구성되고, 주가열수단을 구성하는 제 2 가열수단은 톱 해트 분포형의 강도분포를 가지는 레이저광을 발생하고, 제 1 및 제 3 가열수단은 가우시안 분포형의 강도분포를 가지는 레이저광을 발생하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 에너지밀도가 낮은 제 1, 제 3 가열수단은, 각각 예가열수단, 후가열수단을 구성하고, 에너지밀도가 높은 제 2 가열수단으로 접촉면의 적어도 한쪽의 면을 용융하기 때문에, 용착강도를 높일 수 있으며, 강도 불균일을 저감할 수 있다. 또 예가열수단이나 후가열수단의 출력을 각각 임의로 설정할 수 있고, 2개의 부재의 형상에 맞추어 용착부의 상태를 설정할 수 있다.
상기 제 1, 제 2, 제 3 가열수단은, 각각 따로따로의 레이저광 발생수단으로구성되어, 주가열수단을 구성하는 제 2 가열수단으로부터 조사되는 레이저광은 상기접촉면과 초점이 일치하고, 제 1 및 제 3 가열수단으로부터 조사되는 레이저광은 상기 접촉면과 초점이 일치하고 있지 않는 것을 특징으로 하고 있다. 이 구성에 의하면, 동일한 출력의 3개의 레이저광 발생수단의 초점위치를 조정함으로써 에너지밀도를 바꿀 수 있고, 예가열, 접촉면의 용융, 후가열을 행할 수 있기 때문에, 용착강도를 향상시킬 수 있으며, 강도 불균일을 저감할 수 있다.
또, 본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치의 다른 형태로서는, 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재를 접촉시켜 레이저광으로 접촉면을 용융하여 접합하는 레이저 용착장치로서, 상기 제 1 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 제 1 부재와 제 2 부재의 접촉면의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시키는 레이저광 발생수단과, 상기 레이저광 발생수단을 이동시킴과 동시에, 발생되는 레이저광의 초점위치를 조정하는 초점조정 이동수단을 구비하고, 상기 레이저광의 초점위치를 조정하여, 상기 접촉면을 가열하는 에너지밀도를 조정하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 레이저 용착장치는, 레이저광 발생수단으로부터 발생되는 레이저광의 초점을 2개의 부재의 접촉면과 맞추지 않은 상태에서 조사함으로써 접촉면을 낮은 에너지밀도로 가열하기 때문에 접촉면이 용융되지 않은 상태에서 예가열할 수 있어, 온도변동을 적게 할 수 있다. 이어서 레이저광의 초점을 접촉면에 맞추어 조사함으로써 접촉면을 높은 에너지밀도로 가열하여 용융할 수 있다. 또한 레이저광의 초점을 접촉면과 맞추지 않은 상태에서 조사함으로써 접촉면을 낮은 에너지밀도로 가열하여 후가열하기 때문에, 접촉면의 용융부를 서냉하여 결정화도를 균일하게 높일 수 있고, 용착강도의 향상과 강도 불균일의 저감을 달성할 수 있다.
본 발명의 레이저 용착방법, 레이저 용착장치에 있어서, 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로서 사용하는 수지의 종류로서는, 열가소성을 가지고 가열원으로서의 레이저광을 투과시킬 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면 나일론 6(PA6)이나 나일론 66(PA66) 등의 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 스티렌-아크릴로니트릴공중합체, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌, ABS, 아크릴(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 등을 들 수 있다. 또한 필요에 따라 유리섬유, 카본섬유 등의 보강섬유나 착색재를 첨가한 것을 사용하여도 좋다. 레이저광을 투과한다란, 레이저광에 대한 투과율이 바람직하게는 20% 이상, 더욱 바람직하게는 50% 이상, 더 더욱 바람직하게는 80% 이상, 특히 바람직하게는 90% 이상이다.
레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로서 사용하는 수지의 종류로서는, 열가소성을 가지고, 가열원으로서의 레이저광을 투과시키지 않고 흡수할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면 나일론 6(PA6)이나 나일론 66(PA66) 등의 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 스티렌-아크릴로니트릴공중합체, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리스티렌, ABS, 아크릴(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), PPS 등에, 카본블랙, 염료나 안료 등의 소정의 착색재를 혼입한 것을 들 수 있다. 또한 필요에 따라 유리섬유, 카본섬유 등의 보강섬유를 첨가한 것을 사용하여도 좋다. 레이저광을 흡수한다란, 레이저광에 대한 투과율이 바람직하게는 10% 이하, 더욱 바람직하 게는 5% 이하, 더 더욱 바람직하게는1% 이하이다.
또, 투과성 열가소성 수지재, 흡수성 열가소성 수지재에 사용하는 수지의 조합에 대해서는, 서로 상용성이 있는 것 끼리의 조합인 것이 바람직하다. 이와 같은 조합으로서는 나일론 6 끼리나 나일론 66 끼리 등, 동종의 수지 끼리의 조합 외에, 나일론 6과 나일론 66의 조합, PET와 PC의 조합이나 PC와 PBT의 조합 등을 들 수 있다.
본 발명의 레이저 용착방법, 레이저 용착장치에서 2개의 부재의 접촉면에 조사되는 레이저광의 종류로서는 레이저광을 투과시키는 투과 수지재의 흡수 스펙트럼이나 판 두께(투과길이) 등과의 관계로부터 적절하게 선정하여 사용할 수 있다. 예를 들면 유리 : 네오듐3+ 레이저, YAG : 네오듐3+ 레이저, 루비 레이저, 헬륨 네온 레이저, 크립톤 레이저, 아르곤 레이저, H2 레이저, N2 레이저, 반도체 레이저 등의 레이저광을 들 수 있다. 더욱 바람직한 레이저로서는, YAG : 네오듐3+ 레이저(레이저광의 파장 : 1060 nm)와 반도체 레이저(레이저광의 파장 : 500∼1000 nm)를 들 수 있다.
또, 레이저광의 출력은, 10∼900 W인 것이 바람직하다. 레이저광의 출력이 10 W 미만에서는 출력이 낮아 수지재의 맞닿음면을 서로 용융시키는 것이 곤란해지고, 900 W를 넘으면 출력이 과잉이 되어 수지재가 증발하거나, 변질된다는 문제가 생기게 된다.
이하, 본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법을 실시하는 레 이저 용착장치의 제 1 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치의 주요부 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에서, 본 실시형태의 레이저 용착장치(1)는, 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재(2)와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재(3)를 접촉시키고, 레이저광으로 접촉면(4)을 용융하여 접합하는 레이저 용착장치이다. 그리고 레이저 용착장치(1)는, 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)의 적어도 접촉면(4)을 그 용융온도보다 낮은 온도에서 예가열하는 예가열수단(20)과, 제 1 부재(2)측으로부터 레이저광을 조사하여 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)의 접촉면의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시키는 레이저광 발생기(10)와, 용융된 접촉면(4)을 그 용융온도보다 낮은 온도에서 후가열하는 후가열수단(20A)을 구비하고 있다.
예가열수단(20)은 2개의 부재(2, 3)를 용융하지 않을 정도의 온도, 예를 들면 유리전이 온도(Tg) 이상에서 가열할 수 있다. 또 후가열수단(20A)도 2개의 부재(2, 3)를 용융하지 않을 정도의 온도로 가열하는 것이다. 예가열수단 및 후가열수단으로서, 본 실시형태에서는 2개의 부재를 수용하는 케이싱(21)과, 케이싱 내의 공간을 가열하는 히터(22) 등의 가열수단을 구비하고 있고, 예가열과 후가열의 2개의 기능을 겸용하고 있다. 즉, 2개의 부재의 접촉면을 용융하기 전에 히터에 의하여 2개의 부재를 소정의 온도까지 승온시키고, 용융 후에 히터에 의하여 용융부를 약하게 가열하여 급냉을 방지하여 2개의 부재를 서냉시킬 수 있다.
레이저광 발생기(10)는 레이저 발진기(11)와, 이 레이저 발진기와 광파이버로 접속된 레이저 헤드(12)로 구성되고, 레이저 헤드로부터 조사되는 레이저광은, 예를 들면 파장이 940 nm의 반도체 레이저이고, 출력은 10∼900 W 정도의 것이 바람직하다. 그리고 이 레이저 헤드(12)에는 용착시에 이 레이저 헤드를 예를 들면 0.1∼5 m/min 정도의 가공속도로 이동시키는 이동기구(13)가 연결되어 있다. 이동기구(13)로서는 레이저 헤드(12)에 산업용 로봇을 접속한 구성, 2차원 스테이지나 3차원 스테이지를 사용하여 부재를 이동시키는 구성, 광학렌즈와 미러의 조합에 의한 초점위치를 제어하는 구성, 또는 복수의 레이저 헤드를 사용하여 복수개소를 동시 조사하는 구성 등을 적절하게 사용할 수 있다.
제 1 부재(2)는 예를 들면 투과성 열가소성 수지재로서 나일론 6 유리 강화재로 형성되어 있다. 제 2 부재(3)는 예를 들면 나일론 6 유리 강화재에 카본블랙 또는 착색재를 혼입한 수지재로 형성되어 있다. 흡수성 열가소성 수지재로 구성된 제 2 부재(3)는, 카본블랙 또는 착색재를 혼입시킨 것으로, 레이저광에 대하여 흡수성을 가지도록 되어 있다. 그리고 제 2 부재(3)는 레이저광을 흡수하는 것으로 레이저 에너지를 축적하여 발열하는 것이다.
레이저 용착장치(1)는, 2개의 부재(2, 3)에 가압력을 부여하여 양 부재를 밀착시키는 클램프기구(15)를 구비하고 있다. 이 클램프기구(15)는 2개의 부재(2, 3)를 용착 접합할 때에, 적어도 한쪽 부재의 접촉면을 레이저광에 의하여 용융하면, 용융부가 체적 팽창하여 2개의 부재가 떨어지는 것을 방지하는 것으로, 2개의 부재를 균일하게 용착할 수 있는 기능을 가지고 있다. 클램프기구(15)로서는 스프 링기구 등에 의하여 2개의 부재를 서로 가압하는 구성의 것이나, 베이스 등에 탑재한 2개의 부재를 윗쪽으로부터 가압하는 구성 등을 사용할 수 있고, 유압 등의 유체압으로 가압하는 구성, 압축공기로 가압하는 구성 등을 사용할 수 있다.
제 1 부재(2)를 구성하는 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지재는, 레이저광의 투과율이 20% 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 50% 이상, 더 더욱 바람직하게는 80% 이상, 특히 바람직하게는 90% 이상이다. 제 2 부재(3)를 구성하는 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지재는, 레이저광의 투과율이 10% 이하, 더욱 바람직하게는 5% 이하, 더 더욱 바람직하게는 1% 이하이다. 제 2 부재(3)를 구성하는 수지재는, 레이저광을 거의 투과하지 않기 때문에, 비투과성 열가소성 수지재라고 할 수도 있다. 제 2 부재(3)는 레이저광이 조사되면 거의 투과하지 않고 흡수되기 때문에, 그 결과 제 2 부재 내에 레이저광의 에너지가 축적되어 발열한다.
상기한 바와 같이 구성된 본 실시형태의 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치(1)의 동작에 대하여 이하에 설명한다. 레이저 용착장치(1)의 케이싱(21) 내에 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)를 겹치고, 클램프기구(15)에 의하여 2개의 부재(2, 3)를 밀착상태로 가압한다. 2개의 부재의 겹침방법은 레이저 헤드(12)에 투과성을 가지는 부재(2)가 대향하도록 탑재한다. 케이싱(21) 내의 히터(22)에 통전하면 케이싱 내가 고온상태가 되고, 2개의 부재(2, 3)가 예가열되어 소정의 온도가 된다. 이 온도는 2개의 부재의 유리전이 온도(Tg) 이상의 온도가 바람직하다. 예를 들면 2개의 부재의 용융온도가 200∼250℃ 정도이고, 유리전이 온도는 80∼90℃ 정도이 다. 이와 같이 하여 2개의 부재(2, 3)의 전체가 예가열된다.
2개의 부재(2, 3)가 균일하게 예가열 된 후, 레이저 발진기(11)를 작동시켜 2개의 부재의 용착영역에 레이저 헤드(12)로부터 레이저광(R)를 조사한다. 레이저광(R)은 레이저광을 투과하는 제 1 부재(2)측으로부터 접촉면(4)에 초점이 맞은 상태에서 조사된다. 레이저광(R)은 레이저 헤드 내의 조사렌즈로 접촉면에 초점이 맞춰져 있기 때문에, 레이저광을 흡수하는 제 2 부재(3)의 윗쪽의 접촉면(4) 부근에서 발열한다. 접촉면에 소정의 레이저 에너지가 투입되면 제 2 부재(3)의 접촉면(4) 부근이 용융되고, 이것에 의하여 제 1 부재(2)의 접촉면도 용융되어 양 용융부(6)가 융합하여 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)가 융합된다. 이와 같이 하여 2개의 부재의 접촉면(4)이 용융되면 레이저 헤드(12)를 이동시키고, 용융부(6)를 연장시켜 2개의 부재의 용융부를 연속시킬 수 있다. 레이저광에 의한 용융은, 2개의 부재가 예가열수단(20)에 의하여 미리 소정의 온도까지 예가열되어 있기 때문에, 저출력의 레이저광이어도 용융상태를 안정시킬 수 있다.
이후 2개의 부재(2, 3)가 급냉하지 않도록 히터(22)를 작동시켜 후가열을 행한다. 이 후가열은 예를 들면 80∼90℃ 정도에서 가열함으로써, 200∼250℃ 이상의 용융부가 급격하게 저온이 되는 것을 방지하고 있다. 용융부가 급냉되면 결정화도가 낮아져 용착강도는 저하되나, 본 발명에서는 후가열에 의하여 서냉시키기 때문에 용착부(7)의 결정화도를 균일하게 올릴 수 있어, 결과로서 용착강도의 향상과, 강도불균일의 저감을 달성할 수 있다. 또 용착부(7)에 버르가 돌출하지 않고 용착부의 품질을 높일 수 있다. 또한 예가열과 후과열은 레이저광을 조사하는 사 이를 포함하여 연속하여 행하여도 좋고, 레이저광 발생기(10)의 작동 중은 중단하여도 좋다.
본 발명의 제 2 실시형태를 도 2에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 제 2 실시형태의 주요부 구성을 나타내는 도면이다. 또한 이 실시형태는 상기한 실시형태에 대하여 예가열 및 후가열을 행하는 수단이 2개의 부재에 온풍을 내뿜어 공급하는 온풍 공급수단인 것을 특징으로 한다. 그리고 다른 실질적으로 동등한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
도 2에서 이 실시형태에서는 레이저 용착장치(1A)는, 예가열수단과 후가열수단으로서 기능하는 온풍 공급수단(25)을 구비하고 있다. 온풍 공급수단은 예를 들면 도시 생략한 전기히터와 팬을 구비하고 있고, 전기히터에서 발생시킨 열을 용착하고자 하는 2개의 부재에 팬으로 내뿜음으로써 2개의 부재를 예가열 또는 후가열하는 것이다. 전기히터의 발열량이나 팬의 송풍량은, 용착되는 부재에 따라 적절하게 설정된다. 예를 들면 2개의 부재가 작고, 용착부가 좁은 경우에는 전기히터의 발열량이나 팬의 송풍량은 낮게 설정된다. 이 실시형태의 경우도, 예가열이나 후가열의 온도설정은 2개의 부재의 유리전이 온도 이상으로 설정되는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 제 2 실시형태에서는 2개의 부재(2, 3)를 용착할 때에 온풍공급수단(25)을 작동시켜 예가열하기 때문에, 2개의 부재의 온도변동을 적게 할 수 있다. 그리고 미리 가열되어 있기 때문에 저출력의 레이저광이어도 고융점의 수지부재를 균일하게 용융할 수 있다. 레이저광 발생수단(10)을 작동시켜 2개의 부재의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시킨 후, 온풍을 공급하여 용융부(6)를 서냉하기 때문에, 용착부(7)의 결정화도가 균일하게 높아져 용착강도가 높고, 강도 불균일이 낮은 용착부를 얻을 수 있다. 또한 2개의 부재를 예가열하는 온풍 공급수단은 케이싱 내에 온풍을 내뿜어 수용되어 있는 2개의 부재를 가열하도록 구성하여도 좋으나, 케이싱을 구비하지 않고, 단지 2개의 부재에 온풍을 내뿜는 것만의 구성이어도 좋다.
본 발명의 제 3 실시형태를 도 3에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 3은 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 제 3 실시형태의 주요부 구성을 나타내는 도면이다. 또한, 이 실시형태는 상기한 실시형태에 대하여 예가열 및 후가열을 행하는 동시에, 제 1및 제 2 부재(2, 3)를 가열, 용융하는 가열수단이 하나의 레이저광 발생수단으로부터 발생한 레이저광을 분광하여 에너지밀도가 낮은 예가열수단과, 접촉면을 용융하는 에너지밀도가 높은 주가열수단 및 에너지밀도가 낮은 후가열수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 그리고 다른 실질적으로 동등한 구성에 대해서는 동일한 부호 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
도 3에서, 본 실시형태의 레이저 용착장치(1B)는, 레이저광 발생수단(30)의 레이저 헤드(31)로부터 발생된 레이저광을, 중앙부와 이동방향의 앞쪽 및 뒤쪽으로 분광하는 광학수단으로서 렌즈(32)를 구비하고 있다. 이 레이저광 발생수단은 레이저 헤드(31)로부터 발생된 레이저광을 렌즈(32)에 의하여 분광하여 저에너지밀도의 예가열 레이저광으로서 가우시안 분포형의 강도분포를 가지는 레이저광(R1)과, 고에너지밀도의 주가열 레이저광으로서 톱 해트형의 강도분포를 가지는 레이저광(R2)과, 저에너지밀도의 후가열 레이저광으로서 가우시안 분포형의 강도분포를 가지는 레이저광(R3)으로 분광한다. 예가열 레이저광인 레이저광(R1)은, 이동기구(13)에 의한 이동방향의 앞쪽에 위치하고, 후가열 레이저광인 레이저광(R3)은 뒤쪽에 위치하며, 주가열 레이저광인 레이저광(R2)은 중앙부에 위치하고 있다. 분광수단은 빔 스프리터 등, 적절한 광학수단을 사용할 수 있다.
따라서 렌즈(32)를 통과한 레이저광의 에너지분포는, 중앙부가 높은 톱 해트형(강조도)이고, 이동방향의 전후측에 가우시안 커브(약조도)를 따라 서서히 낮아지는 것 같은, 평면으로 보았을 때 이동방향으로 긴 타원형상의 분포가 된다. 환언하면중앙부의 레이저광(R2)은 에너지밀도가 높고, 이동방향의 전후측의 레이저광(R1, R3)은 에너지밀도가 낮아져 있다.
고에너지밀도의 레이저광(R2)은 레이저광을 투과하는 제 1 부재측으로부터 조사되고, 2개의 부재(2, 3)의 접촉면의 적어도 한쪽 면, 구체적으로는 레이저광을 흡수하는 제 2 부재(2, 3)의 접촉면을 강력하게 가열하여 용융한다. 예가열수단으로서 기능하는 저에너지밀도의 레이저광(R1)과 후가열수단으로서 기능하는 저에너지밀도의 레이저광(R3)은, 2개의 부재(2, 3)의 접촉면을 용융하지 않을 정도의 에너지가 주어진다. 예가열 레이저광(R1), 후가열 레이저광(R3)은 동일한 출력이어도, 다른 출력이어도 좋다. 또한 용착시간을 단축하기 위하여 예가열수단의 출력을 후가열수단의 출력보다 크게 하도록 하여도 좋고, 2개의 부재에 맞추어 적절하게 설정할 수 있다.
이와 같이 구성된 레이저 용착장치(1B)는, 레이저 헤드(1)로부터 조사되는 레이저광은 광학수단(32)으로 3개로 분광되고, 레이저광(R1)이 2개의 부재(2, 3)의 적어도 접촉면(4)을 도면의 좌단측으로부터 용융하지 않을 정도로 가열한다. 이동기구(13)로 레이저 헤드를 이동시키면, 예가열부(5)는 연장되어, 예가열부(5)에 레이저광(R2)이 조사되고, 접촉면이 용융하여 용융부(6)가 형성된다. 이동기구에 의한 레이저 헤드의 이동에 따라 예가열부(5)와 용융부(6)가 연장되고, 용융부에 후가열용 레이저광(R3)이 조사된다. 이 레이저광이 조사되면 용융부(6)는 급격하게 냉각되지 않고, 서서히 냉각되어 용착부(7)가 형성된다. 레이저광(R3)이 2개의 부재의 우단측까지 이동되면 용착동작은 완료된다.
이와 같이 하여 용착된 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)는, 용착에 있어서 예가열용 레이저광(R1)으로 용융하지 않을 정도, 예를 들면 유리전이 온도 이상까지 가열되고, 온도변동이 적어진다. 그리고 레이저광(R2)으로 용융되면 용융상태가 균일해져 부재의 형상 등의 영향을 받지 않고 균일하게 용융된다. 이후 후가열용 레이저광(R3)으로 가열하여 완만하게 냉각되기 때문에, 결정화도가 균일하게 높아져 용착강도가 향상한다. 그리고 용융상태가 균일하기 때문에, 강도 불균일이 저감된다. 또한 저에너지밀도의 예가열 레이저광(R1)과, 후가열 레이저광(R3)은 이동기구에 의한 이동속도를 높임으로써, 즉 레이저 헤드를 고속 이동시킴으로써 조사되는 에너지밀도를 낮게 하도록 구성하여도 좋다. 또 저에너지밀도의 예가열 레이저광(R1)과, 후가열 레이저광(R3) 및 레이저광(R2)은 복수회 조사함으로써 출력을 조정하도록 하여도 좋다. 이 실시형태에서는 하나의 레이저광 발생기로부터 발생시 킨 레이저광을 분광하여 예가열, 주가열 및 후가열을 행하기 때문에, 장치구성을 간략화할 수 있다.
본 발명의 제 4 실시형태를 도 4에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 4는 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 제 4 실시형태의 주요부 구성을 나타내는 도면이다. 또한 이 실시형태는 상기한 실시형태에 대하여 예가열, 주가열 및 후가열을 행하는 수단(35)이, 각각 레이저광 발생기를 구비하고 있고, 예가열을 행하는 레이저광 발생기(36)는 저출력 발생부이고, 주가열을 행하는 레이저광 발생기(37)는 고출력 발생부이며, 후가열을 행하는 레이저광 발생기(38)는 저출력 발생부인 것을 특징으로 한다. 그리고 다른 실질적으로 동등한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
도 4에서 본 실시형태의 레이저 용착장치(1C)는, 레이저광 발생수단(35)을 구비하고 있고, 레이저광 발생수단은 예가열을 행하는 레이저광 발생기(제 1 가열수단) (36), 주가열을 행하는 레이저광 발생기(제 2 가열수단)(37), 후가열을 행하는 레이저광발생기(제 3 가열수단)(38)를 구비하고 있다. 레이저광 발생수단(35)의 주가열을 행하는 레이저광 발생기(37)는 탑 해트형의 강도분포를 가지는 레이저광(R5)을 발생하는 것으로 에너지밀도가 높은 가열을 행할 수 있다. 이 주가열용 레이저광 발생기(37)는 2개의 부재(2, 3)의 접촉면에 톱 해트형의 레이저광을 제 1 부재측으로부터 조사하여 접촉면의 적어도 한쪽 면, 즉 레이저광을 흡수하는 제 2 부재(3)의 표면을 강력하게 가열하여 용융할 수 있다.
예가열을 행하는 레이저광 발생기(36) 및 후가열을 행하는 레이저광 발생 기(38)는 가우시안 분포형의 강도분포를 가지는 예가열 레이저광(R4), 후가열 레이저광(R6)을 발생하는 것으로 에너지밀도가 낮은 가열을 행할 수 있다. 예가열 및 후가열을 행하는 레이저광 발생기(36, 38)는 2개의 부재(2, 3)의 접촉면에 가우시안 분포형의 강도분포를 가지는 레이저광을 조사하여 접촉면을 가열한다. 이 레이저광(R4, R6)은 수지를 용융할 정도의 에너지를 가지고 있지 않기 때문에, 접촉면 부근을 예를 들면 유리전이 온도 이상으로 가열하여 연화시키는 것이 바람직하다. 3개의 레이저광 발생기는 소정의 간격을 두고 연결되어 있으며, 도시 생략한 이동기구에 의하여 2개의 부재를 따라 이동된다.
이 실시형태에서는 제 1 및 제 2 부재(2, 3)를 용착할 때, 먼저 제 1 가열수단을 구성하는 레이저광 발생기(36)로 2개의 부재(2, 3)의 접촉면에 예가열 레이저광(R4)을 제 1 부재(2)측에서 조사하고, 레이저광은 제 2 부재(3)에 흡수되어 발열하여 예가열된다. 이 발열에 의하여 접촉면이 용융되지 않을 정도의 온도로 가열된다. 이동기구(13)에 의하여 예가열된 부분은 서서히 이동하고, 예가열부(5)에 레이저 광발생기(37)로부터 에너지밀도가 높은 레이저광(R5)이 조사되어, 접촉면의 적어도 한쪽 면이 가열되어 용융한다. 용융부(6)가 융합하여 2개의 부재가 용착되고, 이동기구에 의하여 용착부는 증가하여 간다.
이후 용착부에 대하여 레이저광 발생기(38)로부터 에너지밀도가 낮은 후가열 레이저광(R6)이 조사되고, 용착부의 급냉을 방지하도록 가열하여 서냉이 이루어진다. 이동기구에 의하여 서냉부분이 서서히 증가하여 간다. 이와 같이 레이저광 발생기(36)로부터의 레이저광(R4)에 의하여 접촉면이 예가열되고, 이후 레이저광 발생기(37)로부터의 레이저광(R5)에 의하여 접촉면이 용융되고, 또한 레이저광 발생기(38)로부터의 레이저광(R6)에 의하여 서냉됨으로써, 2개의 부재(2, 3)는 용착된다. 용착부는 레이저광(R4)에 의하여 예가열되어 온도변동이 적은 상태에서 레이저광(R5)에 의하여 용융되고, 용융후에 레이저광(R6)에 의하여 서냉되기 때문에, 결정화도가 향상함과 동시에 균일해져 용착강도가 향상하고, 강도 불균일을 저감할 수 있다. 또한 레이저광(R4, R5, R6)은, 톱 해트 분포형이나 가우시안 분포형에 한정하지 않고, 레이저광의 출력을 바꾸어 레이저광(R5)의 에너지강도를 높게, 레이저광(R4, R6)의 에너지강도를 낮게 하여도 좋다. 이 실시형태에서는 3개의 레이저광 발생기의 에너지밀도를 조정함으로써 예가열, 주가열, 후가열의 가열량을 임의로 조정할 수 있기 때문에 2개의 부재의 형상이나 용적에 따라 최적의 용착을 행할 수 있다.
본 발명의 제 5 실시형태를 도 5에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 5는 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 제 5 실시형태의 주요부 구성을 나타내는 도면이다. 도 5에서 레이저 용착장치(1D)는 가열수단을 구성하는 레이저광 발생수단(40)으로서 예가열을 행하는 레이저광 발생기(41)와, 주가열을 행하는 레이저광 발생기(42)와, 후가열을 행하는 레이저광 발생기(43)를 구비하고 있다. 예가열을 행하는 레이저광 발생기(41)는 레이저광을 투과하는 제 1 부재(2)측에서 레이저광을 조사하여 레이저 헤드의 조사 렌즈의 초점이 2개의 부재(2, 3)의 접촉면과 일치하지 않도록 설정되고, 예가열 레이저광(R7)은 접촉면의 윗쪽에 집광하고 있어 접촉면에서의 에너지밀도가 낮아져 있다.
주가열을 행하는 레이저광 발생기(42)는 레이저 헤드의 조사 렌즈의 초점이 접촉면과 일치하여 합초상태이고, 접촉면에서의 에너지밀도가 높고, 레이저광(R8)은 제 1 부재(2)측으로부터 조사되어 접촉면을 가열 용융할 수 있다. 후가열을 행하는 레이저광 발생기(43)는, 마찬가지로 제 1 부재(2)측으로부터 레이저광을 조사하여 레이저 헤드의 조사 렌즈의 초점이 접촉면과 일치하고 있지 않도록 설정되고, 후가열 레이저광(R9)은 접촉면의 윗쪽에 집광하고 있어 접촉면에서의 에너지밀도가 낮아져 있다. 그리고 다른 실질적으로 동등한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
이와 같이 구성된 레이저 용착장치(1D)는 예가열을 행하는 레이저광 발생기(41)로부터 조사된 예가열 레이저광(R7)은 접촉면과 초점이 일치하지 않고, 흐릿한 상태에서 레이저광이 조사되기 때문에, 에너지밀도가 낮게 예가열이 행하여져 2개의 부재(2, 3)의 접촉면은 용융되지 않게 예가열을 행할 수 있어 예가열부(5)가 형성된다. 그리고 주가열을 행하는 레이저광 발생기(42)로부터 조사된 레이저광(R8)은 2개의 부재(2, 3)의 접촉면과 초점이 일치하고 있기 때문에, 레이저광이 스폿적으로 집중하여 에너지밀도가 높기 때문에 접촉면이 급격하게 발열하여 용융되어 용융부(6)가 형성된다. 또한 주가열 전에 예가열되어 온도가 일정하게 유지되어 있기 때문에, 용융온도가 안정되어 용융상태가 균일해진다.
이후 후가열을 행하는 레이저광 발생기(43)로부터 조사된 후가열 레이저광(R9)에 의하여 용융부(6)를 낮은 에너지밀도로 가열하여 용융부가 급격하게 냉각되는 것을 방지하여 서냉하여, 용착부(7)가 형성된다. 이에 의하여 용융부가 냉각 된 용착부(7)의 결정화도가 균일하게 높아져 용착강도를 향상시킬 수 있다. 또 용융상태가 균일하기 때문에 용착강도의 불균일을 적게 할 수 있다. 이 실시형태에서는 3개의 레이저광 발생기의 상하 위치를 조정함으로써 예열하는 예가열, 접촉면의 적어도 한쪽 면을 용융하는 주가열 및 용융부를 서냉하는 후가열을 행할 수 있고, 예가열, 주가열, 후가열의 가열량을 자유롭게 설정할 수 있다.
본 발명의 제 6 실시형태를 도 6에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 6은 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 제 6 실시형태의 주요부 구성을 나타내는 도면이다. 또한 이 실시형태는 상기한 실시형태에 대하여 하나의 레이저광 발생수단을 사용하여 접촉면을 용융하는 주가열과, 용융부를 서냉하는 제 1 후가열 및 제 2 후가열을 행하는 것을 특징으로 하고 있다. 즉, 하나의 레이저 헤드로부터 조사되는 레이저광을 레이저광을 투과하는 제 1 부재측에서 조사하여 2개의 부재의 접촉면에 초점을 맞춘 상태에서 주가열하고, 그후 동일한 레이저 헤드로부터 조사되는 레이저광의 초점을 어긋나게 한 상태에서 제 1 후가열을 행하고, 또한 동일한 레이저 헤드로부터 조사되는 레이저광의 초점을 더욱 어긋나게 한 상태에서 제 2 후가열을 행한다.
도 6에서 레이저 용착장치(1E)는 2개의 부재(2, 3)의 접촉면의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시키는 레이저광 발생기(50)와, 레이저광 발생기를 이동시킴과 동시에, 발생되는 레이저광의 초점위치를 조정하는 초점조정 이동수단(51)을 구비하고, 레이저광의 초점위치를 조정하여 접촉면을 가열하는 에너지밀도를 조정하고 있다. 즉, 초점조정 이동수단(51)은 레이저광 발생기(50)의 레이저 헤드를 수평방향 으로 이동시킴과 동시에, 상하이동시킬 수 있도록 구성되어 있고, 레이저 헤드로부터 조사되는 레이저광의 초점위치를 이동시킬 수 있도록 구성되어 있다. 그리고 레이저광의 초점위치를 조정함으로써, 초점이 일치하여 에너지밀도가 높은 가열을 행함과 동시에, 초점을 어긋나게 하여 넓은 면적을 조사함으로써 에너지밀도가 낮은 가열을 행할 수 있는 구성으로 되어 있다.
이와 같이 구성된 레이저 용착장치(1E)는 2개의 부재(2, 3)를 용착할 때에는 먼저 레이저광 발생기(50)의 레이저 헤드로부터 조사되는 레이저광의 초점을 접촉면에 맞춘 상태에서 레이저광(R10)을 제 1 부재측으로부터 조사시켜 높은 에너지밀도로 가열함으로써 접촉면의 적어도 한쪽 면을 용융시킨다. 그리고 레이저광 발생기(50)의 레이저 헤드를 수평방향으로 이동시켜 용융부(6)를 연장하고, 소정의 스트로크만 이동시킨 후, 용융공정을 종료하여 레이저광의 조사를 정지하고 원래의 위치로 레이저 헤드를 복귀시킨다(제 1 주사).
이후, 초점조정 이동기구(51)에 의하여 레이저 헤드를 상승시키고, 조사되는 레이저광(R11)의 초점과 접촉면을 어긋나게 하여 레이저 에너지가 집중하는 위치를 접촉면으로부터 윗쪽의 위치에 맞추어 낮은 에너지밀도로 제 1 후가열을 행한다(제 2 주사). 제 1 후가열은, 용융된 접촉면의 수지가 유리전이 온도 이상일 때에 행할 필요가 있다. 이와 같이 레이저광(R11)이 집중하는 위치를 접촉면으로부터 어긋나게 한 상태에서 레이저광을 조사하면서 수평방향으로 이동시키면 용융된 부분에 저밀도의 레이저 에너지가 공급되어 용융부의 급냉을 방지하고 서냉함으로써 유리전이 온도 이상의 에너지가 공급되는 시간을 연장할 수 있기 때문에, 결정화도를 균일하게 높인 용착부(7)를 형성할 수 있다. 초점조정 이동기구(51)에 의하여 소정의 스트로크만큼 레이저 헤드를 이동시키고, 제 1 후가열을 종료하여 레이저 헤드를 원래의 위치로 복귀시킨다.
이후 초점조정 이동기구(51)에 의하여 레이저 헤드를 더욱 상승시켜 조사되는 레이저광(R12)의 초점과 접촉면을 더욱 크게 어긋나게 하여 레이저 에너지가 집중하는 위치를 접촉면(4)으로부터 더욱 윗쪽의 위치에 맞추어 낮은 에너지밀도로 제 2 후가열을 행한다(제 3 주사). 제 2 후가열도, 용융된 접촉면의 수지가 유리전이 온도 이상일 때에 행할 필요가 있다. 이와 같이 레이저광(R12)이 집중하는 위치를 접촉면(4)으로부터 더욱 크게 어긋나게 한 상태에서 레이저광을 조사하면서 수평방향으로 이동시키면 용융된 부분에 더욱 저밀도의 레이저 에너지가 공급되고, 용융부는 더욱 완만하게 서냉되어 서냉시간을 대폭으로 연장할 수 있어, 유리전이 온도 이상의 상태를 길게 계속할 수 있기 때문에, 결정화도를 더욱 균일하게 높인 치밀한 고결정화 용착부(8)를 형성할 수 있다.
이와 같이 제 6 실시형태에서는 주가열을 행할 때에는 레이저 헤드의 조사 렌즈의 초점이 접촉면과 일치하고, 합초상태에서 레이저 헤드에 의하여 2개의 부재의 접촉면을 강력하게 가열하여 용융하여 양 부재(2, 3)를 용착한다. 용융부의 온도는 200∼250℃ 정도이고, 이후 레이저 헤드의 조사 렌즈의 초점이 2개인 부재의 접촉면과 일치하지 않은 상태에서 제 1 후가열을 행함으로써 완만하게 가열하는 것으로 용융부를 서냉한다. 그리고 더욱 초점을 어긋나게 한 제 2 후가열을 행하여 용융부를더욱 완만하게 가열함으로써 용융부가 유리전이 온도 이상의 상태를 오래 유지할 수 있기 때문에, 용융부의 결정화도를 균일하게 높일 수 있다. 이와 같이 용착부의 냉각을 2회에 걸쳐 완만하게 가열함으로써 용착부의 고결정화가 가능해지고, 용착강도를 더욱 향상할 수 있으며, 강도 불균일의 저감이 더욱 가능해진다. 또한 이 실시형태에서는 레이저 헤드를 3회 주사하는 예를 나타내었으나, 주회(周回)형상으로 주사하여 레이저 헤드를 3주(三周) 이동시키도록 구성하여도 좋다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 정신을 일탈하지 않는 범위에서 여러가지의 설계변경을 행할 수 있는 것이다. 예를 들면 레이저광 발생수단을 구성하는 레이저 발진기와 레이저 헤드를 일체화하여 케이싱 내에 이동 자유롭게 설치하여도 좋다. 또 레이저광 발생수단을 이동시키는 방향은 일직선형상의 예를 나타내었으나, 곡선형상으로 이동시켜도 좋고, 주회형상으로 이동시켜 원래의 위치로 되돌아가도록 이동시켜도 좋다.
열가소성 수지로서 상기한 것 외에, 범용 열가소성 수지, 범용 엔지니어링 플라스틱, 수퍼엔지니어링 플라스틱, 열가소성 일래스토머 등을 사용할 수도 있는 것은 물론이다. 또 제 1 부재를 구성하는 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지는 투과율이 높고, 제 2 부재를 구성하는 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지는 투과율이 낮은 것이 바람직하고, 2개의 부재의 투과율의 차가 큰 것이 바람직하다.
본 발명은 레이저광의 투과율이 다른 투과성 열가소성 수지제의 제 1 부재와, 흡수성 열가소성 수지제의 제 2 부재를 선택하여 용착강도를 향상할 수 있고, 강도 불균일을 저감할 수 있는 용착이 가능하며, 또 용착부에 버르 등이 발생하지 않아 용착부의 품질을 높일 수 있기 때문에 여러가지의 수지제품이나 수지부품의 용착에 적용할 수 있다.
본 발명의 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용착장치는, 열가소성 수지로 구성된 2개의 부재의 용착을, 높은 용착강도로 균일하게 용착할 수 있고, 용착성능을 일정하게 할 수 있다. 또 설비 비용이 저렴한 저출력 레이저를 사용하여, 융점이 높은 수지부재이어도 높은 용착강도를 얻는 수 있고, 강도 불균일을 저감할 수 있다. 또한 용착부에 버르 등이 발생하지 않아, 용착된 수지부재의 품질을 높일 수 있다.

Claims (13)

  1. 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재를 접촉시켜 레이저광으로 접촉면을 용융하여 접합하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법에 있어서,
    상기 제 1 부재와 제 2 부재를 접촉시켜 상기 2개의 부재의 적어도 접촉면을그 용융온도보다 낮은 온도에서 예가열하고, 상기 접촉면에 제 1 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 상기 2개의 부재의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시킨 후, 상기 용융부를 그 용융온도보다 낮은 온도에서 후가열하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 접촉면의 예가열 및 상기 용융부의 후가열은, 상기 2개의 부재를 수용하는 공간 내를 가열하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 접촉면의 예가열 및 상기 용융부의 후가열은, 상기 2개의 부재에 온풍을 내뿜어 이루어지는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 접촉면의 예가열 및 상기 용융부의 후가열은, 상기 2개의 부재의 적어도 한쪽의 접촉면에 제 1 부재측으로부터 예비 레이저광을 조사하여 가열하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법.
  5. 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재를 접촉시켜 레이저광으로 접촉면을 용융하여 접합하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법에 있어서,
    상기 제 1 부재와 제 2 부재를 접촉시키고, 상기 접촉면에 제 1 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 상기 2개의 부재의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시킨 후, 상기 2개의 부재의 용융부를 그 용융온도보다 낮은 온도에서 후가열하고, 다시 상기 용융부를 더욱 낮은 온도에서 후가열하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법.
  6. 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재를 접촉시켜 레이저광으로 접촉면을 용융하여 접합하는 레이저 용착장치에 있어서,
    상기 제 1 부재와 제 2 부재의 적어도 접촉면을, 그 용융온도보다 낮은 온도에서 예가열 하는 예가열수단과, 상기 제 1 부재와 제 2 부재의 접촉면의 적어도 한쪽의 접촉면을 제 1 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 용융시키는 레이저광 발생수단과, 용융된 접촉면을 그 용융온도보다 낮은 온도에서 후가열하는 후가열수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 예가열수단 및 후가열수단은, 상기 제 1 부재와 제 2 부재를 수용하는 케이싱을 구비하고 있고, 상기 케이싱 내의 공간을 가열하는 가열수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 예가열수단 및 후가열수단은, 상기 제 1 부재와 제 2 부재를 가열하는 온풍 공급수단인 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
  9. 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재를 접촉시켜 레이저광 발생수단으로부터 발생한 레이저광을 제 1 부재측으로부터 조사하여 접촉면의 적어도 한쪽 면을 용융하여 접합하는 레이저 용착장치에 있어서,
    상기 레이저광 발생수단은, 상기 접촉면을 그 용융온도보다 낮은 온도에서 예가열하는 제 1 가열수단과, 상기 접촉면의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융하는 제 2 가열수단과, 상기 접촉면을 그 용융온도보다 낮은 온도에서 후가열하는 제 3 가열수단을 가지는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 제 3 가열수단은, 하나의 레이저광 발생수단으로부터 발생된 레이저광을 분광하고, 주가열수단을 구성하는 제 2 가열수단은 톱 해트 분포형의 강도분포를 가지는 레이저광을 발생하며, 제 1 및 제 3 가열수단은 가우시안 분포형의 강도분포를 가지는 레이저광을 발생하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 제 3 가열수단은, 각각 따로따로의 레이저광 발생수단으로구성되어 주가열수단을 구성하는 제 2 가열수단은 톱 해트 분포형의 강도분포를 가지는 레이저광을 발생하고, 제 1 및 제 3 가열수단은 가우시안 분포형의 강도분포를 가지는 레이저광을 발생하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2, 제 3 가열수단은, 각각 따로따로의 레이저광 발생수단으로구성되어 주가열수단을 구성하는 제 2 가열수단으로부터 조사되는 레이저광은 상기 접촉면과 초점이 일치하고, 제 1 및 제 3 가열수단으로부터 조사되는 레이저광은 상기 접촉면과 초점이 일치하지 않는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레 이저 용착장치.
  13. 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재를 접촉시켜 레이저광으로 접촉면을 용융하여 접합하는 레이저 용착장치에 있어서,
    상기 제 1 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 제 1 부재와 제 2 부재의 접촉면의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시키는 레이저광 발생수단과,
    상기 레이저광 발생수단을 이동시킴과 동시에, 발생되는 레이저광의 초점위치를 조정하는 초점조정 이동수단을 구비하고,
    상기 레이저광의 초점위치를 조정하여 상기 접촉면을 가열하는 에너지밀도를 조정하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
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