KR100808125B1 - 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용착장치 - Google Patents

열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용착장치 Download PDF

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가츠히코 나카지마
도시오 와타나베
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 작으며, 버르가 발생하지 않는 레이저 용착방법과 레이저 용착장치를 제공하는 것이다.
레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성된 제 1 부재(2)와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성된 제 2 부재(3)와의 접촉면(4)을 레이저광(R)으로 용융하여 접합하는 레이저 용착장치(1)는, 제 1 부재와 제 2 부재를 수용하는 케이싱(5)과, 상기 케이싱 내를 감압시키는 진공펌프(6)와, 제 1 부재와 제 2 부재의 접촉면의 적어도 한쪽의 면을 용융시키는 레이저광 발생기(10)를 구비하고, 제 1 부재와 제 2 부재를 감압 분위기하에서 접촉시켜 레이저광을 투과하는 제 1 부재측에서 2개의 부재의 접촉면에 레이저광(R)을 조사한다.

Description

열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용착장치{METHOD AND APPARATUS FOR LASER WELDING THERMOPLASTIC RESIN MEMBERS}
도 1은 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 일 실시형태의 주요부 구성도,
도 2는 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 다른 실시형태의 주요부 구성도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 1A : 레이저 용착장치
2 : 제 1 부재(투과성 열가소성 수지부재)
3 : 제 2 부재(흡수성 열가소성 수지부재)
4 : 접촉면 5 : 케이싱
6 : 진공펌프(감압수단) 10 : 레이저광 발생기
11 : 레이저 발진기 12 : 레이저 헤드
13 : 이동기구 15 : 클램프기구
20 : 가스공급수단
21 : 봄베(저열전도율 가스 또는 불활성 가스)
R : 레이저광 4a : 용융부
4b : 용착부
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 있다. 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 수지 성형품의 용착방법으로서, 예를 들면 특허문헌 1에 기재된 수지부품의 레이저 용착방법은, 가열원으로서의 레이저광에 대하여 투과성이 있는 투과성 수지부재와, 흡수성이 있는 흡수성 수지재와의 접합에 있어서, 투과성 수지재와 흡수성 수지재와의 접합 끝면끼리를 가열 용융시켜, 투과성 수지재와 흡수성 수지재를 일체적으로 접합하는 조사공정에서 접합면의 주위 중, 접합 끝면의 적어도 한쪽 끝측을 감압 분위기로 하면서 레이저광의 조사를 행하고 있다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2002-283457호 공보
그런데 상기한 수지부품의 레이저 용착방법은, 접합 끝면 사이에 간극이 존재하여도 가공지그를 사용하지 않고 충분한 접합강도를 얻을 수 있으나, 2개의 부재의 용착부의 강도에 불균일이 생길 염려가 있다. 즉, 접촉면의 용융수지가 용착면에 넓게 분산되기 때문에 발생한 열이 확산되어 간극 충전부의 용착강도와 양 용착부의 강도에 차가 생긴다. 또 용착부의 감압측에 용융수지의 버르가 발생할 염려가 있다. 즉, 용기 내외의 압력차 때문에 내부에 용융수지가 많이 돌출하여 버르가 된다.
본 발명은 이와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 수지부재를 용착하였을 때의 용착강도를 향상시킬 수 있음과 동시에, 용착강도의 불균일을 저감할 수 있는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법과, 레이저 용착장치를 제공하는 것에 있다. 또 용착부에서의 버르의 돌출을 저감할 수 있어, 품질을 높일 수 있는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법과, 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, 제 1 부재와 제 2 부재를 감압 분위기하에서 접촉시키고, 제 1 부재측에서 2개의 부재의 접촉면에 레이저광을 조사하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 열가소성 수지의 레이저 용착방법은, 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재를 접촉시켜 레이저광을 투과하는 제 1 부재측에서 레이저광을 조사하면, 레이저광은 레이저광을 투과하지 않는 제 2 부재의 표면에서 에너지가 축적되어 발열한다. 레이저광을 더 조사하면 발열량은 커지고, 접촉면을 통하여 제 1 부재와의 접촉면도 동시에 가열되고, 2개의 부재의 접촉면이 용융되어 2개의 부재가 용착된다. 2개의 부재는 감압 분위기하에서 접촉하고 있기 때문에, 용착시에 발생한 열이 시스템 밖으로 확산되지 않아 용융된 폴리머가 서냉되어 폴리머의 급냉에 의한 불량현상을 배제할 수 있고, 용착부가 균일해져 용착강도를 향상할 수 있음과 동시에, 용착강도의 불균일을 저감할 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, 제 1 부재와 제 2 부재를 저열전도율 가스 또는 불활성 가스 분위기하에서 접촉시켜 제 1 부재측에서 2개의 부재의 접촉면에 레이저광을 조사하는 것을 특징으로 하고 있다. 저열전도율 가스로서는 공기의 열전도율 이하의 기체가 바람직하고, 질소, 탄산가스, 암모니아가스 등이 바람직하다. 불활성 가스로서는, 헬륨, 아르곤, 네온 등의 희석가스를 사용할 수 있다. 또 상기한 혼합가스를 사용할 수도 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법은, 용착하고자 하는 2개의 부재를 수용하는 케이싱 내를, 저열전도율 가스나 불활성 가스 등으로 치환함으로써, 케이싱 밖으로의 열확산을 억제할 수 있기 때문에, 용융한 폴리머가 서냉되어 폴리머의 급냉에 의한 불량현상을 배제할 수 있고, 냉각속도를 저하할 수 있어 결과로서 용착부의 결정화도를 올릴 수 있기 때문에 용착강도를 향상시킬 수 있어 강도 불균일을 저감할 수 있다.
또, 본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치는, 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성된 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성된 제 2 부재와의 접촉면을 레이저광으로 용융하여 접합하는 용착장치로서, 상기 제 1 부재와 제 2 부재를 수용하는 케이싱과, 상기 케이싱 내를 감압시키는 감압수단과, 상기 제 1 부재와 제 2 부재와의 접촉면의 적어도 한쪽의 면을 용융시키는 레이저광 발생기를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 레이저광은 제 1 부재측에서 2개의 부재의 접촉면에 조사된다.
이와 같이 구성된 레이저 용착장치는, 열가소성 수지로 구성되는 2개의 부재를 용착할 때, 2개의 부재를 수용하는 케이싱 내를 감압하기 때문에 열을 확산시키는 공기가 희박해지고, 레이저광의 조사로 가열되어 용융한 폴리머로부터의 열의 확산을 억제할 수 있다. 이에 의하여 부재의 형상 등에 의한 온도변동을 적게 할 수 있음과 동시에 용융부의 급격한 냉각을 방지할 수 있고, 용융부가 서냉함으로써 결정화도를 높일 수 있고, 용착강도를 향상시킬 수 있으며, 용착강도의 불균일을 저감할 수 있다.
또한 본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치의 다른 형태로서는, 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성된 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성된 제 2 부재와의 접촉면을 레이저광으로 용융하여 접합하는 용착장치로서, 제 1 부재와 제 2 부재를 수용하는 케이싱과, 상기 케이싱 내에 저열전도율 가스 또는 불활성 가스를 공급하는 가스공급수단과, 상기 제 1 부재와 제 2 부재와의 접촉면의 적어도 한쪽의 면을 용융시키는 레이저광 발생기를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 상기 가스공급수단은 질소가스, 탄산가스, 암모니아가스, 헬륨가스, 아르곤가스, 네온가스 중 어느 하나를 공급하는 가스공급수단인 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 레이저 용착장치는, 열가소성 수지로 구성되는 2개의 부재를 용착할 때, 2개의 부재를 수용하는 케이싱 내에 저열전도율 가스 또는 불활성 가스를 공급하기 때문에, 케이싱 내의 공간의 열전도율이 저하하여 레이저광의 조사로 가열되어 용융한 폴리머로부터의 열의 확산을 억제할 수 있다. 이에 의하여 부재의 형상 등에 의한 온도변동을 적게 할 수 있음과 동시에, 용융부의 급격한 냉각을 방지할 수 있고, 용융부가 서냉함으로써 결정화도를 높일 수 있어 용착강도를 향상할 수 있으며, 용착강도의 불균일을 저감할 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 바람직하게는 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 66과의 조합, PET와 PC와의 조합이나 PC와 PBT와의 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)나 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 어렵게 되고, 900 W를 넘으면 출력이 과잉이 되어 수지재가 증발하거나, 변질된다는 문제가 생기게 된다.
이하, 본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치의 일 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치의 주요부 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에서 본 실시형태의 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치(1)는, 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재(2)와, 레이저광을 흡수 하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재(3)를 접촉시켜 레이저광으로 접촉면(4)을 용융하여 접합하는 레이저 용착장치이다. 그리고 레이저 용착장치(1)는, 제 1 부재와 제 2 부재를 감압 분위기하에서 접촉시켜 레이저광을 투과하는 제 1 부재측에서 2개의 부재의 접촉면(4)에 레이저광 발생기(10)로부터 발생시킨 레이저광을 조사하여 2개의 부재(2, 3)를 용융하여 접합하는 용착장치이다.
레이저 용착장치(1)는, 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)를 수용하는 케이싱(5)을 구비하고 있고, 이 케이싱 내를 대기압보다 낮은 압력으로 감압하는 진공펌프(6) 등에 감압수단을 구비하고 있다. 진공펌프(6)를 기능시킴으로써, 케이싱(5) 내를 감압환경으로 하고, 2개의 부재(2, 3)를 감압 분위기하에 수용하여 용착할 수 있도록 구성되어 있다. 레이저 용착장치(1)는 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)의 접촉면(4)의 적어도 한쪽의 면을 용융시키는 레이저광 발생기(10)를 구비하고 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 이용하여 부재를 이동시키는 구성, 광학렌즈와 미러와의 조합에 의한 초점위치를 제어하는 구성, 또는 복수의 레이저 헤드를 이용하여 복수개소를 동시에 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 한쪽의 부재의 접촉면을 레이저광에 의하여 용융하면용융부가 체적 팽창하여 2개의 부재가 떨어지는 것을 방지하는 것으로, 2개의 부재를 균일하게 용착할 수 있는 기능을 가지고 있다. 클램프기구(15)로서는 스프링기구 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 열 가소성 수지재라 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(5) 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 겹치는 방법은 레이저 헤드(12)에 투과성을 가지는 부재(2)가 대향하도록 탑재한다. 이 상태에서 진공펌프(6)를 작동시키면 케이싱(5) 내의 공기가 배출되어 감압된다. 감압되는 압력은 진공에 가까울 수록 바람직하다. 구체적으로는 바람직하게는 0 ∼ 1 kPa, 더욱 바람직하게는 0 ∼ 0.1 kPa의 압력으로 한다.
케이싱(5) 내를 감압한 후, 레이저광 발생기(10)를 작동시켜 2개의 부재(2, 3)의 접촉면(4)을 향하여 레이저광(R)을 조사하면 레이저광(R)은 레이저 헤드 내의 조사렌즈로 접촉면에 초점이 맞춰져 있기 때문에, 레이저광을 흡수하는 제 2 부재(3)의 윗쪽의 접촉면(4) 부근에서 발열한다. 접촉면(4)에 소정의 레이저 에너지가 투입되면, 제 2 부재(3)의 접촉면(4) 부근이 용융되고, 이것에 따라 제 1 부재(2)의 접촉면도 용융되고, 양 용융부(4a)가 융합하여 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)의 접촉면(4)이 융합한다. 이와 같이 하여 2개의 부재의 접촉면(4)이 용융되면, 레이저 헤드(12)를 이동기구(13)로 이동시키고, 용융부(4a)를 연장시켜 2개의 부재의 용융부를 연속시킬 수 있다.
레이저 헤드(12)를 이동기구(13)로 이동시켜 용착하고자 하는 부분을 모두 용융한 후, 레이저광 발생기(10)를 정지시킨다. 레이저광(R)의 조사가 정지되면 용융부(4a)는 냉각되나, 케이싱(5) 내가 감압상태에서 대기가 희박하여 열확산이 억제되어 있기 때문에 시스템 밖으로의 열확산이 억제되고, 용융된 폴리머의 냉각속도가 저하하여 폴리머는 급냉하지 않고 완만하게 서냉되어 용착부(4b)가 형성된다. 이와 같이 용융부가 서냉되기 때문에, 부재의 형상에 의한 온도변동을 작게 할 수 있고, 이 결과, 용착부(4b)의 결정화도가 높아져 용착강도가 향상함과 동시에 강도 불균일이 저감된다. 또 케이싱(5) 내가 감압되어 있고, 수지 자체의 융점이 내려 가기 때문에 저출력의 레이저광이어도 용착이 가능해져 설비비용을 저감할 수 있다. 또한 감압환경하에서 용착하여도 2개의 부재 전체가 감압 분위기하에 존재하기 때문에 버르의 발생이 없다.
이와 같이 본 실시형태의 레이저 용착장치(1)는, 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재(2)와, 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재(3)를 감압 분위기하에서 접촉시켜 레이저광을 투과하는 제 1 부재(2)측에서 접촉면(4)에 레이저광을 조사하여 용착하기 때문에, 시스템 밖으로의 열확산이 억제되어 용융한 폴리머가 서냉됨과 동시에, 부재의 형상 등에 의한 온도 불균일이 적어지기 때문에, 용착부의 결정화도가 향상하여 용착강도가 높아지고, 강도 불균일을 저감할 수 있어 버르의 발생을 억제하여 용착품질을 높일 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태를 도 2에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치의 다른 실시형태의 주요부 구성 을 나타내는 도면이다. 또한 이 실시형태는 상기한 실시형태에 대하여 용착하고자 하는 2개의 부재를 수용하는 케이싱 내를 저열전도율 가스 또는 불활성 가스로 치환하여 용착하는 것을 특징으로 하고 있다. 그리고 다른 실질적으로 동등한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
도 2에서 본 실시형태의 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치(1A)는, 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재(2)와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재(3)를 접촉시켜 레이저광 발생기(10)로부터 조사되는 레이저광으로 접촉면(4)을 용융하여 접합하는 레이저 용착장치이다. 그리고 레이저 용착장치(1A)는, 제 1 부재와 제 2 부재를 저열전도율 가스 또는 불활성 가스 분위기하에서 접촉시켜 레이저광을 투과하는 제 1 부재측에서 2개의 부재의 접촉면(4)에 레이저광을 조사하여 2개의 부재(2, 3)를 용착하는 장치이다.
레이저 용착장치(1A)는, 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)를 수용하는 케이싱(5)을 구비하고 있고, 이 케이싱 내에 봄베(21)에 저류된 저열전도율 가스 또는 불활성 가스를 공급하는 가스공급수단(20)을 구비하고 있다. 가스공급수단(20)에 의하여 케이싱(5) 내를 저열전도율 가스 또는 불활성 가스로 치환하고, 2개의 부재(2, 3)를 저열전도율 가스 또는 불활성 가스 환경하에 수용하여 용착할 수 있도록 구성되어 있다. 또한 케이싱 내를 100 % 저열전도율 가스 또는 불활성 가스로 치환할 필요는 없고, 예를 들면 50 % 이상 치환하도록 하여도 좋다.
레이저광 발생기(10)는, 상기한 실시형태와 마찬가지로, 레이저 발진기(11) 와, 이 레이저 발진기와 광파이버로 접속된 레이저 헤드(12)로 구성되어 있다. 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. 또 레이저 용착장치(1A)는 2개의 부재(2, 3)에 가압력을 부여하여 양 부재를 밀착시키는 클램프기구(15)를 구비하고 있다. 이들 구성은, 상기한 실시형태와 동등하기 때문에, 상세한 설명은 생략한다. 또 제 1 부재(2), 제 2 부재(3)에 대해서도 상기한 실시형태와 동등하기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
이 실시형태의 레이저 용착장치(1A)에서 용착을 행할 때는, 케이싱(5) 내에 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)를 겹쳐서 클램프기구(15)에 의해 2개의 부재(2, 3)를 밀착상태로 가압한다. 2개의 부재의 겹치는 방법은 레이저 헤드(12)에 투과성을 가지는 부재(2)가 대향하도록 탑재한다. 이 상태에서 가스공급수단(20)을 작동시켜, 예를 들면 케이싱(5) 내에 저열전도율을 가지는 가스를 공급하여 케이싱 내를 치환한다. 저열전도율 가스로서는, 공기의 열전도율(0.0221 kcal/mh℃)보다 작은 가스가 바람직하다. 예를 들면 질소가스(0.0207 kcal/mh℃), 탄산가스(0.0125 kcal/mh℃), 암모니아가스(0.0188 kca1/mh℃) 등이 바람직하다.
케이싱(5) 내를 저열전도율 가스 또는 불활성 가스로 치환한 상태에서 레이저광 발생기(10)를 작동시켜 2개의 부재(2, 3)의 접촉면(4)에 레이저광(R)를 조사하여 가열하고, 접촉면의 근방을 용융하여 용융부(4a)가 형성된다. 2개의 부재(2, 3)의 주위에는 저열전도율 가스 또는 불활성 가스가 존재하고 있고, 이들 가스를 통하여 용융부에서 확산되는 열량이 제한되기 때문에, 용융부(4a)의 폴리머가 급격 하게 냉각하지 않고 서서히 냉각되어 용착부(4b)가 형성된다. 즉, 시스템 밖으로의 열확산이 억제되어 냉각속도를 내릴 수 있고, 결과로서 용착부(4b)의 결정화도를 올릴 수 있으며, 용착부의 용착강도의 향상과, 강도 불균일의 저감을 달성할 수 있다.
이와 같이 본 실시형태의 레이저 용착장치(1A)는, 2개의 부재(2, 3)를 저열전도율 가스 또는 불활성 가스로 치환한 환경하에서 접촉시켜 접촉면에 레이저광 투과성을 가지는 수지로 구성되는 제 1 부재측에서 레이저광을 조사하여 용착하기 때문에 시스템 밖으로의 열확산이 억제되어 용융한 폴리머가 서냉됨과 동시에, 온도 불균일이 적어지기 때문에, 용착부의 결정화도가 향상하여 용착강도가 높아지고, 강도 불균일을 저감할 수 있으며, 버르의 발생을 억제하여 용착품질을 높일 수 있다.
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.
열가소성 수지로서 상기한 것 외에, 범용 열가소성 수지, 범용 엔지니어링 플라스틱, 수퍼엔지니어링 플라스틱, 열가소성 일래스토머 등을 사용할 수 있는 것도 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 바람직하며, 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 가능하기 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 있다. 또 용착부에서의 버르의 돌출을 방지할 수 있기 때문에, 용착된 수지부재의 품질을 높일 수 있다. 또한 설비비용이 저렴한 저출력 레이저를 사용하여 융점이 높은 수지부재이어도 높은 용착강도를 얻을 수 있으며, 강도 불균일을 저감할 수 있다.

Claims (6)

  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 감압 분위기하에서 접촉시켜 상기 제 1 부재측에서 상기 2개의 부재의 접촉면에 상기 레이저광을 조사하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성된 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성된 제 2 부재와의 접촉면을 레이저광으로 용융하여 접합하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치에 있어서,
    상기 제 1 부재와 제 2 부재를 수용하는 케이싱과, 상기 케이싱 내를 감압시키는 감압수단과, 상기 제 1 부재와 제 2 부재와의 접촉면의 적어도 한쪽의 면을 용융시키는 레이저광 발생기를 구비하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
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