KR20070042882A - 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용착장치 - Google Patents

열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용착장치 Download PDF

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KR20070042882A
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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 발명은 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 용착장치(1)는, 제 1 부재(3)측으로부터 레이저광을 조사하여 제 1 부재와 제 2 부재의 접촉면의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시키는 레이저광 발생기(10)와, 제 1 부재와 제 2 부재를 상호 가압하는 클램프기구(20)와, 제 1 부재와 제 2 부재의 가압력을 조정하는 조정수단으로서 온도센서(31)와, 온도센서의 출력에 의거하여 가압력을 산출하는 퍼스널 컴퓨터(32)를 구비하여, 산출된 가압력으로 클램프기구를 제어한다.

Description

열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용착장치{METHOD AND APPARATUS FOR LASER WELDING THERMOPLASTIC RESIN MEMBERS}
도 1은 본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치의 일 실시형태의 주요부 구성도,
도 2는 도 1의 동작상태를 설명하는 도,
도 3은 본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 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 4a : 용융부
4b : 용착부 10 : 레이저광 발생기
11 : 레이저 발진기 12 : 레이저 헤드(레이저광 발생부)
13 : 이동기구 20 : 클램프기구(가압수단)
21, 22, 23 : 가압부 30, 40 : 조정수단
31 : 온도센서(온도검출수단)
32, 44 : 퍼스널 컴퓨터(가압력의 연산장치)
41, 42, 43 : 압력센서(압력 검출수단)
R : 레이저광 F1, F2, F3 : 가압력
S : 온도검출용 열선
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.
종래 이와 같은 종류의 수지성형품을 용착하는 레이저 용착장치는, 레이저 발진기에서 발생한 레이저광을 광학계에 의하여 집광하여 피가공부재에 조사함으로써 피가공부재의 용착을 행하여 광학계의 초점 렌즈와 피가공부재 사이에 배치된 가공 노즐의 선단에 피가공부재 위를 슬라이딩 가능한 슬라이딩부가 설치됨과 동시 에, 피가공부재를 가공 노즐 선단의 슬라이딩부에 대하여 가압하는 가압장치를 설치하고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
또 적어도 2개의 워크의 접촉부분에 한쪽의 워크를 투과시켜 레이저광을 조사하고, 그 접촉부분를 용융시켜 양 워크를 용착시키는 레이저 용착장치로서, 레이저광을 발사하는 레이저광 발사수단과, 상기 레이저광 발사수단의 레이저광 발사 출구의 바로 밑에 설치하여, 이 레이저광 발사출구로부터 발사되는 레이저광을 상기 접촉부분에 집광시킴과 동시에, 레이저광을 투과시키는 상기 워크의 표면을 전동하는 구체 렌즈와, 상기 구체 렌즈를 상기 워크에 대하여 가압하는 가압수단을 구비한 레이저 용착장치가 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
[특허문헌 1]
일본국 특개2003-117674호 공보
[특허문헌 2]
일본국 특개2005-81396호 공보
그런데 상기 특허문헌 1, 2에 기재된 레이저 용착장치는 가압력이나 압압력 등의 클램프압이 일정하기 때문에 접합부의 용착계면에의 압력이 부족되고, 체적수축의 영향에 의하여 강도부족이나 강도 불균일이 발생한다. 또 레이저 용착시스템의 레이저광이 통과하여 접합면을 용착한 후, 용착부의 압력이 단숨에 저하하기 때문에 용착계면에 대한 압력이 부족되어 체적수축의 영향에 의하여 강도부족이나, 큰 강도불균일이 발생한다.
본 발명은 이와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 점은 용착하고자 하는 부재끼리의 접촉압(클램프압)을 적정하게 제어함으로써 열가소성 수지재로 구성된 2개의 부재에 레이저광을 조사하여 용착하였을 때의 용착강도가 높고, 강도 불균일이 작은 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, 상기 제 1 부재와 제 2 부재를 상호 가압하고, 상기 제 1 부재측에서 상기 2개의 부재의 접촉면을 향하여 레이저광을 조사하여, 상기 2개의 부재의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시키고, 상기 제 1 부재와 제 2 부재의 가압력을 조정하여 용착하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법은, 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와 제 2 부재를 겹치고, 양 부재의 접촉면에 서의 가압력을 조정하면서 제 1 부재측에서 레이저광을 조사하여 접촉면을 가열용융하여 2개의 부재를 용착하기 때문에, 예를 들면 가열시에 완만하게 가압하여 접합면의 수지가 용융하였을 때 서서히 가압력을 늘리고, 그후 양자를 강하게 가압함으로써 수지 용융부의 체적수축을 작게 할 수 있기 때문에, 2개의 부재의 접합면 이 균일해지고, 용착상태가 안정되어 큰 용착강도를 얻을 수 있음과 동시에 강도 불균일을 작게 할 수 있다.
가압력의 조정이란, 용착부의 용착강도를 적정하게 하도록 조정함으로써 예를 들면 2개의 부재를 밀착시키는 초기의 가압력에 대하여 용융시에 가압력을 증가시키고, 냉각시에 가압력을 더욱 증가시키는 조정이나, 2개의 부재를 밀착시키는 가압력에 대하여 용융시에 가압력을 증가시키고, 냉각시에는 원래의 가압력으로 감소시키는 조정 등을 행한다. 가압력의 조정은, 용착하고자 하는 2개의 부재의 형상이나 용적 등에 따라 적절하게 설정된다.
본 발명에 관한 레이저 용착방법의 바람직한 구체적인 형태로서는, 상기 가압력의 조정은, 상기 레이저광의 조사에 의하여 용융되는 접촉면의 용융부의 온도를 검출하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같이 구성된 레이저 용착방법에 의하면 레이저광의 조사에 의하여 용융되는 온도를 검출함으로써 용융부의 팽창상태를 검출할 수 있고, 팽창도에 맞추어 가압력을 늘리도록 피드백제어함으로써, 용융부의 팽창에 의한 2개의 부재의 이간이나, 냉각시의 체적수축에 의한 2개의 부재 사이의 공극발생을 방지하여 용착부의 밀도를 높일 수 있고, 용착강도의 향상과, 강도 불균일의 저감을 달성할 수 있다. 구체적으로는 레이저광을 조사할 때의 가압력은 작고, 용융이 시작되면 고온이 되기 때문에 서서히 강하게 가압하고, 용융부가 냉각하여 온도가 내려 갈 때에 더욱 강하게 가압하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 관한 레이저 용착방법의 바람직한 구체적인 다른 형태로서는, 상기 가압력의 조정은, 상기 레이저광의 조사에 의하여 용융되는 접촉면의 용융부에서의 압력을 검출하여 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같이 구성된 레이저 용착방법에 의하면 레이저광의 조사에 의하여 접촉면의 근방이 용융될 때의 압력상승이나, 용융부가 냉각될 때의 압력 하강을 검출함으로써 용융부의 팽창, 수축상태를 검출할 수 있고, 팽창도에 맞추어 가압력을 변화시키도록 피드백제어함으로써 용융부의 팽창에 의한 2개의 부재의 이간이나, 냉각시의 체적수축에 의한 2개의 부재 사이의 공극발생을 방지하여 용착부의 밀도를 높일 수 있고, 용착강도의 향상과, 강도 불균일의 저감을 달성할 수 있다. 구체적으로는 레이저광을 조사할 때의 가압력은 작고, 용융이 시작되면 고온이 되기 때문에 서서히 강하게 가압하고, 용융부가 냉각하여 온도가 내려 갈 때에 더욱 강하게 가압하는 것이 바람직하다.
또한, 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 접촉시키고, 레이저광으로 접촉면을 용융하여 접합하는 장치로서, 상기 제 1 부재측에서 레이저광을 조사하여 제 1 부재와 제 2 부재의 접촉면의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시키는 레이저광 발생수단과, 상기 제 1 부재와 제 2 부재를 상호 가압하는 가압수단과, 상기 제 1 부재와 제 2 부재의 가압력을 조정하는 조정수단을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같이 구성된 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치는, 제 1 부재와 제 2 부재를 접촉시켜 2개의 부재를 서로 가압한 상태에서 접촉면에 제 1 부재측으로 부터 레이저광을 조사하여, 접촉면의 적어도 한쪽 면을 용융한다. 그리고 용융되면 가압력을 증가하여 2개의 부재의 이간을 방지하고, 용융부가 냉각될 때에는 가압력을 더욱 증가시킴으로써 용융부가 고화될 때에 공극 등이 발생하지 않고, 용착부의 밀도를 높임으로써 용착강도를 높일 수 있다. 또 부재의 형상 등에 의한 강도 불균일을 저감할 수 있다.
상기한 레이저 용착장치는, 제 1 부재와 제 2 부재의 레이저광 조사에 의한 용융부의 온도를 검출하는 온도검출수단을 구비하고 있고, 상기 조정수단은 온도검출수단의 출력에 의거하여 제 1 부재와 제 2 부재의 가압력을 조정하는 것이 바람직하다. 또 상기한 레이저 용착장치는, 제 1 부재와 제 2 부재의 레이저광 조사에 의한 용융부의 압력을 검출하는 압력 검출수단을 구비하고 있고, 상기 조정수단은 압력 검출수단의 출력에 의거하여 제 1 부재와 제 2 부재의 가압력을 조정하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성하면 2개의 부재의 접촉면 근방의 용융상태를 온도나 압력에 의하여 검출할 수 있고, 검출된 온도나 압력에 의거하여 2개의 부재에 적정한 가압력을 산출하여 2개의 부재에 부여하는 가압력을 조정하기 때문에, 용융하여 체적이 팽창되어 있을 때에는 가압력을 늘려 더욱 강하게 밀착시키고, 용융부가 냉각하여 체적이 감소할 때에는 가압력을 더욱 늘려 용융부가 고화될 때에 공극이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이 용융부의 온도, 압력을 검출하여 적정한 가압력을 부여하기 때문에 용착강도를 높일 수 있고, 강도의 불균일을 저감할 수 있다.
상기 레이저 용착장치는, 상기 레이저광 발생기를 이동시키는 이동수단을 구 비하고 있고, 상기 가압수단은 제 1 부재와 제 2 부재를 가압하는 복수의 가압부를 가지고 있으며, 상기 레이저광 발생기의 이동에 따라 복수의 가압부의 가압력을 조정하는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면 레이저광 발생기의 이동에 따라 용융부가 이동하고, 용융부의 상태에 맞추어 복수의 가압부에 의해 2개의 부재를 밀착시키는 가압력을 조정할 수 있기 때문에, 용착하고자 하는 부분이 오래 연속되어 있을 때에 용착상태를 균일하게 할 수 있고, 용착강도의 향상과 강도 불균일의 저감을 달성할 수 있다.
상기 가압수단은 스프링압, 유압, 공기압 중 어느 하나 또는 복수를 사용할 수 있다. 가압수단에 스프링압, 유압, 공기압 중 어느 하나 또는 복수를 사용함으로써 2개의 부재를 서로 안정되게 밀착시킬 수 있다. 특히 유압이나 공기압에 의한 가압력 조정은, 조정을 원활하게 행할 수 있음과 동시에, 상세하게 가압력의 제어를 할 수 있어 바람직하다.
본 발명의 레이저 용착방법, 레이저 용착장치에서, 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 곤란해지고, 900 W를 넘으면 출력이 과잉이 되어 수지재가 증발하거나, 변질된다는 문제가 생기게 된다.
이하, 본 발명에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법을 실시하는 레이저 용착장치의 일 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 관한 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치의 주요부 구성을 나타내는 도, 도 2는 도 1의 동작상태를 설명하는 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. 레이저 용착장치(1)는 레이저광을 투과하는 제 1 부재(2)측에서 레이저광(R)을 2개의 부재(2, 3)의 접촉면(4)에 조사하는 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 사용하여 부재를 이동시키는 구성, 광학렌즈와 미러의 조합에 의한 초점위치를 제어하는 구성, 또는 복수의 레이저 헤드를 사용하여 복수개소를 동시에 조사하는 구성 등을 적절하게 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.
레이저 용착장치(1)는 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)에 가압력을 부여하여 밀착시키는 가압수단으로서 클램프기구를 구비하고 있다. 클램프기구(20)는 2개의 부재(2, 3)를 상호 가압하는 기구로서, 2개의 부재의 바깥쪽으로부터 접촉면(4)방향으로 가압하여 접촉압을 조정할 수 있는 기구이다. 본 실시형태에서는 유압장치로부터 압송되는 압유가 실린더에 공급되고, 실린더의 피스톤이 슬라이딩하여 2개의 부재(2, 3)를 상호 밀착시키도록 구성되어 있다.
클램프기구(20)는 도면으로 나타내는 예에서는 대향하는 3쌍의 가압부를 구비하고 있고, 1쌍의 가압부(21, 21)는 2개의 부재의 왼쪽을 상하방향으로부터 끼워 가압하는 구성이다. 또 중앙의 1쌍의 가압부(22, 22)는 2개의 부재의 중앙부를 상하방향으로부터 끼워 가압하고, 가압부(23, 23)는 2개의 부재의 오른쪽을 상하방향으로부터 끼워 가압하는 구성이다. 가압부는 금속 등의 충분한 경도를 가지는 재질이 바람직하다. 또 가압부의 개수는 2개의 부재의 형상이나 크기에 맞추어 적절하게 설정된다.
클램프기구(20)는 예를 들면 유압 실린더 등을 사용하여 3쌍의 가압부의 가압력을, 각각 따로따로 조정할 수 있도록 구성되어 있다. 클램프기구에 의한 가압력은 겹친 2개의 부재를 밀착시키는 방향을 플러스로 한 경우, 마이너스방향(2개의 부재를 떼어 내는 방향)의 가압력은 부여하지 않는다. 즉, 클램프기구(20)는 플러스방향의 가압력을 조정하여 접촉면의 용융상태에 적합한 가압력을 부여하도록 기능한다.
레이저 용착장치(1)는, 가압력을 조정하는 수단(30)으로서, 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)의 레이저광 조사에 의한 용융부의 온도를 검출하는 온도검출수단(온도센서)(31)을 구비하고 있다. 이 온도센서(31)는 용융부로부터 방사되는 열선(S) 을, 투과성을 가지는 제 1 부재(2)측으로부터 검출하고, 예를 들면 모니터장치에 찍어 온도를 측정하는 것이다. 측정된 온도는 퍼스널 컴퓨터(PC)(32) 등의 연산장치에 입력되고, PC(32)는 측정된 온도에 의거하여 적정한 가압력을 산출하고, 클램프기구(20)로 피드백하여 가압력을 실시간 제어하고 있다. 따라서 클램프기구(20)로부터 2개의 부재에 부여되는 가압력은, 측정된 온도에 의거하여 산출하고, 피드백제어된다. 온도센서(31)는 접촉면의 용융부의 온도상태를 검출할 수 있도록 수평방향으로 이동하는 이동기구(33)에 연결되어 있다. 또한 온도센서는 레이저 헤드의 이동을 방해하지 않도록 비스듬하게 윗쪽으로부터 온도를 검출하는 구성이어도 좋으나, 바로 윗쪽부터의 온도검출이 더욱 바람직하다.
상기한 바와 같이 용융부의 온도를 검출하고, 이 온도에 의거하여 클램프기구(20)의 적정한 가압력을 산출하여, 산출된 가압력으로 2개의 부재(2, 3)를 상호 가압하는 실시간 제어장치로서는, 얻어진 용융부의 상황을 컴퓨터 프로그램에 의하여 미리 압력 변화 프로그램을 준비하여 가압력을 산출하고, 클램프기구를 제어하도록 구성하여도 좋다.
상기한 바와 같이 구성된 본 실시형태의 레이저 용착장치의 동작에 대하여 이하에 설명한다. 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)를 겹치고, 클램프기구(20)에 의하여 2개의 부재(2, 3)를 밀착상태로 가압한다. 2개의 부재의 겹침방법은 레이저 헤드(12)에 투과성을 가지는 부재(2)가 대향하도록 탑재한다. 이 때의 클램프기구(20)에 의한 가압력은 모든 가압부가 2개의 부재(2, 3)를 가볍게 밀착시키는 정도의 가압력(F1)으로 한다.
레이저광 발생수단의 레이저 발진기(11)를 작동시키고, 2개의 부재의 용착영역에 레이저 헤드(12)로부터 레이저광(R)를 조사한다. 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 따라 제 1 부재(2)의 접촉면도 용융하고, 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
온도센서(31)는 이동기구(33)에 의하여 이동되고, 용융부로부터 방사되는 열선(S)을 검출하여 온도를 검출한다. 검출된 온도가 소정 온도 이상에서 접촉면의 근방에서 용융되고 있는 것이 검출되면 이 검출온도가 PC(32)에 입력되고, PC에서는 가압력의 초기값(F1)보다 큰 가압력(F2)을 산출한다. 이와 같이 하여 산출된 가압력(F2)은, 클램프기구(20)로 피드백되고, 클램프기구는 검출된 온도위치에 가까운 가압부(21, 21)의 가압력(F1)을 F2로 증가시킨다. 이 가압력 증가에 의하여 용융부에서의 체적 팽창에 의한 2개의 부재의 이간을 방지할 수 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이 레이저 헤드(12)의 이동에 의하여 용융부가 연장되어 가면 제일 먼저 용융된 부분은 냉각이 시작된다. 용융부의 냉각을 온도센서(31)가 검출하면 온도 하강이 PC에 입력되고, PC(32)는 온도 하강에 의거하여 이미 부여되어 있는 가압력(F2)보다 큰 가압력(F3)을 산출하고, 클램프기구(20)로 피 드백한다. 클램프기구(20)는, 가압부(21)의 가압력(F2)을 산출된 가압력(F3)으로 증가시키기 때문에 용융부의 수축에 따르는 체적 감소에 의한 용융부의 공극발생을 방지할 수 있다.
레이저 헤드(12)가 이동기구(13)로 이동되고, 용융부(4a)가 연장됨과 동시에, 최초의 용융부가 서서히 냉각하고, 냉각상태가 온도센서(31)에 의하여 검출되면 그 부분에 가까운 가압부의 가압력을 증가시킴으로써 용융부의 공극발생을 방지할 수 있다. 연속하는 모든 용융부에 대하여 차례로 가압력을 증가시키고, 모든 용융부가 냉각하여 고화됨으로써 2개의 부재의 용착이 완료된다. 즉, 조정수단(30)을 구성하는 PC(32)는 레이저 헤드(12)의 이동에 따라 가압력을 F1∼F2로 증가시키고, 다시 F3으로 증가시키도록 복수의 가압부(21∼23)에 공급하는 가압력을 산출하고 있다.
이와 같이 가압력(F1)으로 밀착된 2개의 부재(2, 3)의 레이저광 조사에 따르는 온도변화를 검출하여 초기의 작은 가압력(F1)으로부터 접촉면이 용융하였을 때 가압력을 F2로 증가시키고, 용융부가 냉각될 때에 더욱 큰 가압력(F3)으로 증가시켜 적정 가압력이 되도록 복수의 가압부(21∼23)의 가압력을 조정함으로써 용착상태가 균일해져 용착부의 밀도를 높게 유지할 수 있으므로 용착강도가 높아지고, 용착강도의 불균일을 줄일 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태를 도 3에 의거하여 상세하게 설명한다. 도 3은 본 발명에 관한 레이저 용착장치의 다른 실시형태의 주요부 구성을 나타내는 도면이다. 또한 이 실시형태는 상기한 실시형태에 대하여 2개의 부재의 접촉면을 용융시 킨 용융부의 상태로서 압력을 검출하여 가압력을 조정하는 것을 특징으로 한다. 그리고 다른 실질적으로 동등한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다.
도 3에서 이 실시형태의 레이저 용착장치(1A)는 클램프기구(20)의 가압력을 조정하는 수단(40)으로서, 제 1 부재(2)와 제 2 부재(3)의 레이저광 조사에 의한 용융부의 압력을 검출하는 압력 검출수단(압력센서)(41∼43)을 구비하고 있다. 이 압력센서(41∼43)는 예를 들면 가압부(21∼23)의 피스톤부분에 장착되고, 레이저광(R)으로 용융된 용융부(4a)의 체적 팽창에 따르는 변형으로부터 왜곡 게이지 등의 압력센서에 의해 압력을 검출하고 있다. 이와 같이 검출된 압력은 퍼스널 컴퓨터(PC)(44) 등의 연산장치에 입력되고, 이 압력에 의거하여 적정한 가압력을 산출하고, 클램프기구(20)로 피드백하여 가압력을 실시간 제어하고 있다.
이와 같이 구성된 본 실시형태의 레이저 용착장치(1A)에서는, 2개의 부재(2, 3)의 접촉면(4)이 레이저광(R)의 조사로 용융되면 용융부(4a)의 체적팽창에 의하여 가압부(21)에 장착된 압력센서(41)로부터의 출력이 변화된다. 구체적으로는 가압부(21)는 초기의 가압력(F1)으로 가압되어 있으나, 체적팽창에 따르는 압력이 가해짐으로써 압력센서(41)로부터 출력되는 가압력이 증가한다. 이와 같이 하여 레이저광(R)이 조사된 부분이 용융된 것을 검출하면 압력센서(41)로부터의 출력에 의거하여 PC (44)는 적정 압력이 되도록 가압력(F1)보다 큰 가압력(F2)을 산출한다. 이와 같이 하여 산출된 가압력(F2)은 클램프기구(20)로 피드백되고, 클램프기구는 검출된 압력위치에 가까운 가압부(21)의 가압력(F1)을 F2로 증가시킨다. 이 가압 력 증가에 의하여 용융부(4a)에서의 체적팽창에 의한 2개의 부재의 이간을 방지할 수 있다.
레이저 헤드(12)의 이동에 의하여 용융부(4a)가 연장되어 가면, 제일 먼저 용융된 부분은 냉각이 시작된다. 즉, 용융하여 팽창한 용융부가 냉각하여 체적 수축하여 용착부(4b)가 되면, 용융부(4a)의 냉각을 압력센서(41)가 검출한다. 이 압력 하강이 PC(44)에 입력되고, PC(44)는 압력 하강에 의거하여 이미 부여되어 있는 가압력(F2)보다 더욱 큰 가압력(F3)을 산출하고, 클램프기구(20)로 피드백한다. 클램프기구(20)는 가압부(21)의 가압력을 F2로부터 F3으로 증가시킨다.
클램프기구(20)는 가압부(21)의 가압력(F2)을 산출된 가압력(F3)으로 증가시키기 때문에, 용융부(4a)의 수축에 따르는 체적감소에 의한 용착부(4b)의 공극발생을 방지할 수 있다. 레이저 헤드(12)가 이동기구(13)로 이동되고,용융부(4a)가 연장됨과 동시에, 최초의 용융부가 서서히 냉각하고, 냉각상태가 압력센서에 의하여 검출되면, 그 부분에 가까운 가압부의 가압력을 증가시킴으로써 용착부(4b)의 공극발생을 방지할 수 있다. 연속되는 모든 용융부에 대하여 차례로 가압력을 증가시키고, 모든 용융부가 냉각 고화하여 용착부가 됨으로써 2개의 부재의 용착이 완료된다.
이와 같이 본 실시형태에서도 밀착된 2개의 부재의 압력상태를 검출하여 복수의 가압부에 부여되는 가압력을 초기의 작은 가압력(F1)으로부터, 접촉면이 용융되었을 때 가압력을 F2로 증가시키고, 용융부가 냉각될 때에 더욱 큰 가압력(F3)으로 증가시킴으로써 용착상태가 균일해지고, 용착부(4b)의 밀도를 높게 유지할 수 있으므로 용착강도가 높아져 용착강도의 불균일을 줄일 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 2개의 부재를 상호 가압하는 수단으로서, 2개의 부재를 상하방향으로부터 끼워 가압하는 구성에 대하여 설명하였으나, 2개의 부재를 고정 베이스 등에 탑재하고, 위쪽으로부터 가압력을 부여하도록 구성하여도 좋다.
열가소성 수지로서 상기한 것 외에 범용 열가소성 수지, 범용 엔지니어링 플라스틱, 수퍼 엔지니어링 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 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 용착가 가능하며, 또 용착부에 버르 등이 발생하지 않고 용착부의 품질을 높일 수 있기 때문에, 여러가지의 수지제품이나 수지부품의 용착에 적용할 수 있다.
본 발명의 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법 및 레이저 용착장치는, 용 착하고자 하는 피가공부재를 적정한 가압력으로 가압하도록 실시간으로 가압력을 제어함으로써 용융부의 체적팽창과, 용착부의 체적 수축을 보정할 수 있고, 용착강도를 향상시킬 수 있으며, 용착강도의 불균일을 저감할 수 있다.

Claims (8)

  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 상호 가압하고, 상기 제 1 부재측으로부터 상기 2개의 부재의 접촉면을 향하여 레이저광을 조사하고, 상기 2개의 부재의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시키고, 상기 제 1 부재와 제 2 부재 가압력을 조정하여 용착하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가압력의 조정은, 상기 레이저광의 조사에 의하여 용융되는 상기 접촉면의 용융부의 온도를 검출하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가압력의 조정은, 상기 레이저광의 조사에 의하여 용융되는 상기 접촉면의 용융부에서의 압력을 검출하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착방법.
  4. 레이저광을 투과하는 투과성 열가소성 수지로 구성되는 제 1 부재와, 레이저광을 흡수하는 흡수성 열가소성 수지로 구성되는 제 2 부재를 접촉시키고, 레이저광으로 접촉면을 용융하여 접합하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치에 있어서,
    상기 제 1 부재측으로부터 레이저광을 조사하여 제 1 부재와 제 2 부재의 접촉면의 적어도 한쪽의 접촉면을 용융시키는 레이저광 발생수단과,
    상기 제 1 부재와 제 2 부재를 상호 가압하는 가압수단과,
    상기 제 1 부재와 제 2 부재의 가압력을 조정하는 조정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 레이저 용착장치는, 상기 제 1 부재와 제 2 부재의 레이저광 조사에 의한 용융부의 온도를 검출하는 온도 검출수단을 구비하고 있고,
    상기 조정수단은, 상기 온도 검출수단의 출력에 의거하여 제 1 부재와 제 2 부재의 가압력을 조정하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 레이저 용착장치는, 상기 제 1 부재와 제 2 부재의 레이저광 조사에 의한 용융부의 압력을 검출하는 압력 검출수단을 구비하고 있고,
    상기 조정수단은, 상기 압력 검출수단의 출력에 의거하여 제 1 부재와 제 2 부재의 가압력을 조정하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
  7. 제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 용착장치는, 상기 레이저광 발생기를 이동시키는 이동수단을 구비하고 있고,
    상기 가압수단은, 상기 제 1 부재와 제 2 부재를 가압하는 복수의 가압부를 가지고 있으며, 상기 레이저광 발생기의 이동에 따라 복수의 가압부의 가압력을 조정하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
  8. 제 4항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가압수단은, 스프링압, 유압, 공기압 중 어느 하나 또는 복수를 사용하는 것을 특징으로 하는 열가소성 수지부재의 레이저 용착장치.
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