(57)【要約】  レーザ溶接に用いられる波長で低光透過率を有するポリマー物品をレーザ溶接するのに特に適しているレーザ溶接方法および装置。溶接中に照射表面を劣化から保護するように設計された保護領域が溶接される物品に設けられる。
2008531355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性ポリマーを備える第１の部材と熱可塑性ポリマーを備える第２の部材とを互いに接触させるとともに、レーザ光が前記第１の部材を通過して前記第２の部材に接触するようにレーザ光による前記第１の部材の表面の照射により前記第１および第２の部材を溶着し、さらに前記第２の部材が前記レーザ光が前記第２の部材に接触する点で前記レーザ光を吸収可能であるレーザ溶接装置であって、
レーザ光照射手段と、
前記第１および第２の部材を所定の位置に保持または固定する固定手段と、
前記第１の部材上に保護領域を形成する手段とを備えることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記第１の部材が、前記レーザ光の波長で約２５％以下のレーザ光透過率を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記保護領域を形成する手段が、レーザ光で照射される前記第１の部材の表面を冷却する手段であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記保護領域を形成する手段が、レーザ光で照射される前記第１の部材の表面から放出される揮発性物質を除去する手段であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記保護領域を形成する手段が、レーザ光で照射される前記第１の部材の表面から燃焼を助ける物質を遮断する手段であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記レーザ光で照射される前記第１の部材の表面を冷却する手段が、約０〜約５０℃の温度の気体を前記レーザ光で照射される前記第１の部材の表面上に噴射する噴射手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記レーザ光で照射される前記第１の部材の表面を冷却する手段が、前記レーザ光で照射される前記第１の部材の表面を、レーザ光を透過する冷却部材で被覆する被覆および冷却手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項８】
前記レーザ光で照射される前記第１の部材の表面を冷却する手段が、前記レーザ光で照射される表面の部分以外の点で前記第１の部材に接合されているとともに、前記レーザ光で照射される前記第１の部材の表面から熱を放散する放熱手段を備えることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項９】
前記レーザ光で照射される前記第１の部材の表面に形成される揮発性物質を除去する手段が、前記レーザ光で照射される前記第１の部材の表面上にまたは前記表面付近に気体を噴射する噴射手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項１０】
前記熱可塑性ポリマーが、ポリエステル、液晶ポリエステル、またはポリ（フェニレンスルフィド）であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記ポリエステルが、ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（ブチレンテレフタレート）、およびポリ（プロピレンテレフタレート）のうちの１つまたは複数であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
熱可塑性ポリマーを備える第１の部材を熱可塑性ポリマーを備える第２の部材と接触させるとともに、レーザ光が前記第１の部材を通過して前記第２の部材に接触するようにレーザ光による前記第１の部材の表面の照射により前記第１および第２の部材を溶着し、さらに前記第２の部材が前記レーザ光が前記第２の部材に接触する点で前記レーザ光を吸収可能であり、さらに前記第１の部材の表面をレーザ光で照射しつつ保護領域を前記第１の部材上に形成することを特徴とする、２つの部材をレーザ溶接する方法。
【請求項１３】
前記第１の部材が、前記レーザ光の波長で約２５％以下のレーザ光透過率を有することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記保護領域が、レーザ光で照射される前記第１の部材の表面を冷却手段を用いて冷却することにより形成されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記保護領域が、前記第１の部材の表面から放出される揮発性物質を除去する手段を用いることにより形成されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記保護領域が、レーザ光で照射される前記第１の部材の表面から燃焼を助ける物質を遮断する遮断手段を用いることにより形成されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記冷却手段が、約０〜約５０℃の温度の気体を前記レーザ光で照射される前記第１の部材の表面上に噴射する噴射手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記冷却手段が、前記レーザ光で照射される前記第１の部材の表面をレーザ光を透過する冷却部材で被覆する被覆および冷却手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記冷却手段が、前記レーザ光で照射される表面の部分以外の点で前記第１の部材に接合されているとともに、前記レーザ光で照射される前記第１の部材の表面から熱を放散する放熱手段を備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記揮発性物質を除去する手段が、前記レーザ光で照射される前記第１の部材の表面上にまたは前記表面付近に気体を噴射する噴射手段を備えることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関する。本発明は特に低レーザ光透過率を有する材料に適用可能なレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
より複雑な部品に機械的に組み立てることができる成形プラスチック部品を作製することが望ましいことが多い。伝統的には、プラスチック部品は接着、ボルト止め、またはねじ止めして合わせるまたはスナップフィット結合を用いるなどの機械的手段により組み立てられていた。これらの方法にはそれらが組み立てプロセスにさらなる複雑なステップを追加する恐れがあるという欠点がある。スナップフィット結合は気密または液密ではないとともに複雑な設計を必要とすることが多い。より新しい技術には振動、摩擦および超音波溶接があるが、これらも複雑な部品設計および溶接装置を必要とすることがある。さらに、これらのプロセスによる摩擦は、部品内部を汚染する恐れがある塵埃を発生させる恐れがある。これは繊細な電気的または電子的構成要素が含まれている場合特に問題である。
【０００３】
より最近開発された技術はレーザ溶接である。この方法を用いて溶接に用いられるレーザの波長において異なるレベルの光透過率を有する２つのポリマー物体（本明細書では部材または物品とも称する）を接合し得る。１つの物体は少なくともレーザ光の波長に対して部分的に透明であるが、第２の物体は入射放射線の大部分を吸収する。物品同士を接触させるとともに、レーザ光線は少なくとも部分的に物体を通過するとともに第２の物体の表面を照射するように部分的に透明な物体の表面に向けられることにより、第２の物体の表面のポリマーを溶融させ、それにより第２の物体が接触するとともにレーザ光線で照射される点で２つの物体間に接合を形成する。
【０００４】
例えば（特許文献１）および（特許文献２）は、一方がレーザ光に比較的透明である異なる合成樹脂を、レーザ光を比較的透明な合成樹脂の側に向けることにより接合する技術を開示している。
【０００５】
（特許文献３）は使用する波長のレーザ光を吸収しない第１の樹脂部材と、使用する波長のレーザ光を吸収可能な第２の樹脂部材とを互いに接触させるとともに、その結果得られるアセンブリを第１の樹脂部材の側からレーザ光で照射して部材同士を溶接する、樹脂部材をレーザ溶接する方法を開示している。この方法は第１の樹脂部材がその内部に使用する波長のレーザ光を吸収しない着色材料が分散された第１の樹脂を備えるとともに、第２の樹脂部材がその内部に使用する波長のレーザ光を吸収する着色材料が分散された第２の樹脂を備えることを特徴とする。この方法を用いて溶接される両部材が同一色を有する溶接物品を調製し得る。同様な手法は（特許文献４）、（特許文献５）、および（特許文献６）に記載されている。しかし着色料および他の添加物の添加は樹脂の機械的特性に悪影響を与える場合がある。その結果得られる材料は不適当な強度、不十分な耐久性、および／またはその他を有する場合がある。
【０００６】
さらにまた、（特許文献７）は使用する波長のレーザ光を透過するとともに熱源として機能する樹脂部材と、使用する波長のレーザ光を透過しない樹脂部材とを接触させるとともに、透過性樹脂部材の側に向けたレーザ光の照射により、透過性樹脂部材と非透過性樹脂部材との間の接点に形成される接合面を加熱するとともに溶融して２つの部材を一体に接合する技術を開示している。この方法は透過性樹脂部材の透過率が２６％以上である波長を有するレーザ光を接合中の熱源として用いることを特徴とする。この参考文献は、この特徴が透過性樹脂部材により透過されるレーザ光のエネルギー損失を低減をさせ、接合面で十分な加熱および溶融を発生させ、さらに適正な溶接強度を確保できることを開示している。
【０００７】
（特許文献８）はレーザ溶接されるポリマー物品が、レーザ溶接の前にポリマーの溶融温度以下の温度に予熱される技術を開示している。
【０００８】
上記のレーザ溶接方法において、部分的に透明な物品は少なくとも約２５パーセントを超えるレーザ溶接に用いられる波長の光を透過しなければならない。これはこのプロセスに用いることができる材料の範囲を制限する。
【０００９】
しかし、溶接に用いられる波長の光の透過率が不十分（２５％未満など）な部分的に透明な物品材料に対してレーザ溶接が使用可能であれば、レーザ溶接に用いる物品を形成するためにより幅広い範囲の材料を用いることができる。例えば、より低い透過性材料に適用することが可能であれば、レーザ溶接にはより多くの自動車用途がある。
【００１０】
【特許文献１】特開昭６０−２１４９３１号公報
【特許文献２】特開昭６２−１４２０９２号公報
【特許文献３】特開２００１−７１３８４号公報
【特許文献４】特開２０００−３０９６９４号公報
【特許文献５】国際公開第０１／０４４３５７号パンフレット
【特許文献６】特表２００３−５１７０７５号公報
【特許文献７】特開２００１−１０５４９９号公報
【特許文献８】特開昭５３−１３４８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そのため、添加物等を材料に添加することなく低レーザ光透過率を有する材料がレーザ溶接可能な装置および方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
簡潔に述べると、本発明の一態様によれば、熱可塑性ポリマーを備える第１の部材と熱可塑性ポリマーを備える第２の部材とを互いに接触させ、レーザ光が第１の部材を通過して第２の部材に接触するようにレーザ光による第１の部材の表面の照射により第１および第２の部材を溶着し、さらに第２の部材がレーザ光が第２の部材に接触する点でレーザ光を吸収可能であるレーザ溶接装置であって、レーザ光照射手段と、第１および第２の部材を所定の位置に保持または固定する固定手段と、第１の部材上に保護領域を形成する手段とを備えることを特徴とするレーザ溶接装置が提供される。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、熱可塑性ポリマーを備える第１の部材を熱可塑性ポリマーを備える第２の部材と接触させるとともに、レーザ光が第１の部材を通過して第２の部材に接触するようにレーザ光による第１の部材の表面の照射により第１および第２の部材を溶着し、さらに第２の部材がレーザ光が第２の部材に接触する点でレーザ光を吸収可能であり、さらに第１の部材の表面をレーザ光で照射しつつ保護領域を第１の部材上に形成することを特徴とする、２つの部材をレーザ溶接する方法が提供される。
【００１４】
本発明は添付の図面と共に以下の詳細な説明からより完全に理解されよう。
【００１５】
本発明をその好適な実施形態と共に説明するが本発明をその実施形態に限定しようとするものではないことは理解されよう。反対に添付の特許請求の範囲により規定されるように本発明の趣旨および範囲内に含まれ得るようにすべての代替例、変更例、および等価物を網羅しようとするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本明細書において使用するように、用語「レーザ光透過率」は、物品により透過されるレーザ溶接に用いられる波長を有する入射光の百分率を指す。物品または部材が特定のレーザ光透過率を有していることが記されている場合、これがレーザ溶接される物品または部材の領域における物品または部材の厚さにおける、物品または部材により透過されるレーザ溶接に用いられる波長を有する入射光の百分率であることを意味する。
【００１７】
本明細書において使用するように用語「レーザ光を吸収可能な」は、物品が、レーザ光が物品の表面に入射する点において物品を溶融するのに十分なレーザ溶接で用いられる波長の入射光を吸収するということを意味する。
【００１８】
本発明はレーザ溶接装置に関する。この装置はレーザ光透過率が約２５％以下であることが好ましい第１の部材とレーザ光を吸収可能である第２の部材とを互いに接触させて接合部を形成するとともに、第１および第２の部材をレーザ光による接合部の照射により溶着するレーザ溶接装置であり、この装置はレーザ光源と、第１および第２の部材を所定の位置に保持または固定する固定手段と、第１の部材の表面上または付近に保護領域を形成する手段とを有する。
【００１９】
本発明はさらにレーザ溶接方法に関する。この方法においてレーザ光透過率が２５％以下である第１の部材とレーザ光を吸収可能な第２の部材とを互いに接触させて接合部を形成するとともに、レーザ光による接合部の照射により第１および第２の部材を溶着し、保護領域を第１の部材の表面上または付近に形成しつつレーザ光の照射を行う。保護領域はレーザ光に露出される第１の部材の表面を冷却する手段、レーザ光に露出される第１の部材の表面上に生成された揮発性物質を除去する手段、またはレーザ光に露出される第１の部材の表面の部分からのまたはレーザ光に露出される部分の付近の助燃物質を遮断する手段の使用により作製され得る。
【００２０】
本発明の装置および方法はこれまでレーザ溶接が達成困難であった低レーザ光透過率を有する材料を溶接可能にするだけでなく、従来レーザ溶接に用いられている材料の溶接にも適用可能である。
【００２１】
レーザ溶接方法を図１を参照して概略的に説明することができる。図１（ａ）は複数の部材のレーザ溶接方法の概観を示し、図１（ｂ）はレーザ溶接中に部材が加熱される領域を示す図である。本出願における参照する図の各々において同一部材は同一参照符号により示される。溶接装置およびプロセスで用いられる部材は熱可塑性樹脂を備えることが好ましい。
【００２２】
レーザ溶接方法は図１（ａ）に示すような基部１０２と、レーザ照射装置１１２（レーザと、光ファイバ１０８と、レーザ照射器１１０等とを備える）と、第１の樹脂部材と第２の樹脂部材とを所定の位置に固定する固定手段（図示せず）と、レーザ照射器の動作を制御する制御ユニット等とを備えるレーザ溶接装置を用いて行われ得る。レーザ出力およびレーザの走査速度はレーザ照射装置により制御され得る。このような装置を用いる場合、第１の部材１０４と第２の部材１０６とを互いに接触させるとともに基部１０２の上部に固定し、光ファイバ１０８とレーザ照射器１１０とを備え得るレーザ照射手段１１２により、レーザユニット（図示せず）からレーザからのレーザ光を第１の部材１０４の表面へ透過させることにより、第１の部材をレーザ光１１４で照射する。照射中、レーザ光は、例えば、矢印１１８により示されるように、第１の部材１０４の表面にわたり移動する。第１の樹脂材料が十分なレーザ光透過率を有する場合には、レーザ光は第１の樹脂材料を通過して、レーザ光を吸収可能であるように選択された樹脂材料を備える第２の部材の表面に到達し、第２の樹脂材料により吸収される。図１（ｂ）に示すように、表面領域１２０が溶融するとともに、第１の樹脂材料および第２の樹脂材料は基部上で互いに接触したまま図１（ａ）に示すように接合部１１６で溶着される。
【００２３】
ポリマー樹脂を備える物品がレーザ光で照射されると、光の一部またはすべてがポリマーマトリックスまたは存在し得る添加物を始めとする樹脂の成分により散乱または吸収され得る。これにより物品のレーザ光透過率が低下する。このような低レーザ光透過率を有する材料がレーザ溶接に用いられる場合（物品の溶接される部分の厚さにおいて２５％未満の透過率を有するものなど）、膨潤／膨れ、溶融、発火、燃焼、および他のこのような欠陥が、第１の樹脂材料の表面上で表面がレーザ光で照射される点で発生する恐れがあり、その結果高品質の製品を製造することができないことが多いという点で、問題に直面し得ることが分かっている。本発明はレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関し、それによりこれらの付随する問題を経験することなく低レーザ光透過率を有する材料を溶接することが可能である。
【００２４】
上記のこれらの問題のあり得る原因を図２および図１（ｂ）を参照して説明する。図２（ａ）は低レーザ光透過率を有する樹脂材料を備える部材２０２が第１の部材として用いられる場合のレーザ溶接が行われる方法を示す。図２（ｂ）は部材２０２がレーザ溶接中に加熱される方法、および上記の図１（ｂ）を示す図である。図２（ａ）において部材２０２が低レーザ光透過率を有する樹脂材料を備える以外は図１（ａ）に記載されたものと同一の構成を有する従来のレーザ溶接装置が用いられている。この場合当たるレーザ光１１４は部材２０２と１０６との接合部に到達する前に第１の樹脂材料２０２により吸収される。温度は２０４、その表面から部材１０６に延びる物品２０２の一部において上昇する。温度の上昇が大き過ぎる場合、揮発性材料２０６が放出される恐れがある。
【００２５】
第１の部材を備える樹脂材料の過熱は（Ｉ）揮発性気体２０６（図２（ａ））を第１の部材から放出させるとともに、（ＩＩ）第１の部材を備える樹脂材料を表面上の特に照射される点で溶融させる恐れがあることが考えられる。その結果（ｉ）第１の部材を備える樹脂材料が表面上の特に照射される点で膨潤し、表面上に気泡を出現させる恐れがあり、（ｉｉ）第１の部材を備える樹脂材料が表面上の特に照射される点で溶融する恐れがあり、（ｉｉｉ）低発火点を有する不揮発性物質が生成された場合、第１の部材の高温の結果発火する恐れがある、さらに（ｉｖ）溶接される部材が到達する高温の結果として発火して、樹脂材料を燃焼させる恐れがあることが考えられる。
【００２６】
一般に、これらの種類の問題を回避するために、第１の部材に少なくとも約２５％のレーザ光透過率を有する樹脂材料を用いることが必要であることが多い。これらの問題の存在は、約２５％未満のレーザ光透過率を有する樹脂に対するレーザ溶接を不可能ではなくても困難にする恐れがある。いくつかの場合添加物を用いて樹脂のレーザ光透過率を上昇し得るが、このような添加物の使用は樹脂材料の物理的特性に悪影響を及ぼし得るとともに、その結果得られる溶接物品は不適当な強度、不十分な耐久性等を有する場合がある。本発明の装置および方法はこのような添加物を備える第１の部材の使用を必要としない。
【００２７】
本発明の一実施形態において、本発明で溶接された第１の部材は材料、好適には熱可塑性樹脂を備えるとともに、レーザ溶接される部材の点または領域における溶接に用いられるレーザ光の波長において、２５％以下または好適には１２〜２５％のレーザ光透過率を有する。適当な材料の例には結晶性ポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ポリ（プロピレンテレフタレート）などの結晶性熱可塑性ポリエステル樹脂、液晶ポリエステル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアミド樹脂（特に厚い物品の場合）、および他のこのような樹脂材料がある。これらの材料は難燃剤、無機充填剤、およびグラスファイバなどの強化剤などの添加物も含み得る。適当な材料にはポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、および難燃剤、グラスファイバ、無機充填剤等などの添加物を添加することによりレーザ光透過率が２５％以下に低下した他のこのような材料などを含む。
【００２８】
本発明をレーザ光透過率が２５％を超える材料と共に用いることもできるが、本発明は透過率が特に特定の範囲にある材料に有利である。
【００２９】
従来のレーザ溶接で用いられているレーザ光を吸収可能な材料を本発明の第２の部材に用いることができる。具体例にはポリ（エチレンテレフタレート）、ポリ（ブチレンテレフタレート）、ポリ（プロピレンテレフタレート）などの結晶または非結晶樹脂、ポリアミド樹脂、熱可塑性ポリオレフィン樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレン、および他のこのような材料など）、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂等がある。樹脂類はカーボンブラック、ニグロシン、他の赤外線吸収材料等などのレーザ溶接に用いられる波長の光を吸収する物質を含み得る。第２の部材も第２の部材がレーザ溶接により第１の部材に接合される表面におけるレーザ溶接に用いられる波長の光を吸収する物質で塗布し得る。このようなコーティングはカーボンブラック、ニグロシン、または他の赤外線吸収材料等を含み得る。
【００３０】
本発明において、第１の部材および第２の部材の厚さは、それらがレーザ溶接可能である限り特に限定されないが、第１の部材の照射部分の厚さは約１０ｍｍ以下、および／または約０．５〜４ｍｍであることがより好ましい。
【００３１】
本明細書において用語「保護領域」は、第１の部材の照射表面を過熱または上記の過熱の否定的な結果から保護するように指示される領域を指す。本発明において用語「保護手段」および「保護領域形成手段」は、保護領域を形成手段を指す。
【００３２】
本発明において保護手段または保護領域形成手段は、保護領域が所望の箇所に形成されるように、保護領域に直接または保護領域から離れた領域に間接的に適用され得る。後者の場合保護手段または保護領域形成手段は遠隔動作して所望箇所内に保護領域を形成する。
【００３３】
適当な保護手段または保護領域形成手段の例には、
（Ａ）第１の部材のレーザ光で照射される部分およびその付近を冷却する手段
（Ｂ）第１の部材の表面のレーザ光で照射される部分およびその付近上に形成された揮発性物質を除去する手段
（Ｃ）第１の部材の表面のレーザ光で照射される部分およびその付近上の揮発性物質の接触を燃焼を助ける物質（酸素など）から効果的に遮断する手段がある。
【００３４】
手段（Ａ）の例には（ａ）０〜５０℃、または好適には１０〜４０℃の空気、窒素、ヘリウムまたは他のこのような気体を、第１の部材の表面のレーザ光で照射される部分または照射中に温度が上昇する他の領域上に噴射する噴射手段、（ｂ）第１の部材の表面のレーザ光で照射される部分を、レーザ光を透過するとともに部材を冷却可能な部材で被覆する被覆および冷却手段（このような被覆および冷却手段は外部冷却できるガラスまたはポリマー（ポリ（メチルメタクリレート）などの）カバーを含み得る）、および（ｃ）高い熱伝導性部材を、レーザ光により照射される点以外の点で第１の部材に接合するとともに、過剰な熱を高伝導性部材（必要に応じて高熱伝導性部材を冷却することもできる）により放散する放熱手段がある。
【００３５】
手段（Ｂ）の一例は（ｄ）空気、窒素、ヘリウム、アルゴンまたは他のこのような気体を、レーザ光により照射される部分内またはその付近に噴射して揮発性物質を除去する噴射手段を含む。
【００３６】
手段（Ｃ）の一例は（ｅ）第１の部材の表面のレーザ光で照射される部分またはその付近がガラス、アクリル、またはそのようなレーザ透過部材で、または燃焼を助けないアルゴン、窒素、ヘリウム等の気体で被覆される燃焼防止手段を含む。この手段により酸素などの助燃物質は揮発性物質との接触が防げられて、揮発性物質の燃焼が防止される。
【００３７】
保護領域は上記の手段のうちの２つ以上から形成され得る。
【００３８】
ここで本発明のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を図３〜７を参照してより詳細に説明する。
【００３９】
図３は本発明のレーザ溶接装置を示す概略的ブロック図である。本発明のレーザ溶接装置はレーザ光照射手段３０２と、第１の部材３１６と、第２の部材３１８と、第１および第２の部材を所定の位置に保持または固定する固定手段を含む基部３１４と、保護領域３０４を形成する手段３０６と、レーザ光照射装置３０２または基部３１４を制御して図１に示すような溶接を行う制御手段３１２とを有し、線３０８および／または３１０はレーザ溶接装置の要素を接続する働きをするケーブルである。制御手段により溶接プロセス中にレーザ光源を第１および第２の手段に対して、または第１および第２の手段をレーザ光源に対して移動させる装置を意味する。制御手段を用いてレーザ光ならびに第１および第２の部材が互いに対して移動する速度である走査速度を制御し得る。
【００４０】
図３の参照を続けると、レーザ光照射手段３０２はレーザ光源と、溶接される部材を照射するレーザ照射器と、レーザ光源をレーザ照射器と接続する光ファイバとを備える。これらの構造要素は一体化されてもよい。本発明で用いることができるレーザ光源の例には、ＹＡＧレーザ（１０６４ｎｍで動作する）およびダイオードレーザ（８０８ｎｍ、９４０ｎｍ、または９８０ｎｍの近赤外領域内の波長を有するものを含む）等がある。
【００４１】
保護領域形成手段３０６（図３）は保護領手段（Ａ）〜（Ｃ）のうちの１つまたは複数を提供可能にする。噴射手段（ａ）または（ｄ）の一例は特定の気体をブロワー等により噴射する機能を有するデバイスである。被覆および冷却手段（ｂ）の一例は冷却可能なレーザ光透過シート、プレート等である。放熱手段（ｃ）の一例は第１の部材の表面上に所望のレーザ光照射経路に対応する開口を有する鋼鉄または他の高熱伝導性材料で作製されたプレートである。燃焼防止手段（ｅ）の一例はレーザ光透過シート、プレート、もしくはガラス、アクリルまたは使用するレーザ光に対して十分に透明な他の材料で作製された他のデバイス、あるいは不活性気体を噴射するデバイスである。
【００４２】
基部３１４（図３）は第１および第２の部材の溶接部を固定する一方でこれらの部材を互いに接触してさせておく手段と、必要に応じて保護領域形成手段（またはその一部）を固定する手段とを有する。固定手段は保護領域形成手段のタイプに応じて、第１の部材と、第２の部材と、保護領域形成手段（またはその一部）とを単一の固定手段で固定するように設計され得る。代替的には保護領域形成手段は別体のデバイスを用いて所定の位置に保持され得る。
【００４３】
基部３１４は上記の固定手段を有する限り特に制限されない。基部３１４は固定基部、ＸＹＺステージ等であり得る。本明細書で用いられるように用語「固定基部」により、装置の他の部分に対して移動しない基部を意味する。基部がＸＹＺステージである場合それは下記の制御手段として機能することができる。第１および第２の部材を所定の位置に保持する固定手段はクランプまたは空気圧であってもよい。
【００４４】
制御手段３１２を用いてレーザ光照射装置３０２および／または基部３１４を溶接経路に沿って移動し得る。また、制御手段を用いて溶接のパラメータを設定および制御し得る。制御手段は産業ロボットと、ＸＹＺステージ（基部としても機能し得る）と、第１および第２の部材が配置され得る回転可能な表面を有する基部（回転可能な表面は基部としても機能し得る）とを備え得る。コンピュータを用いて制御手段を制御し得る。
【００４５】
本発明のレーザ溶接方法はこれらのデバイスを用いて、第１および第２の部材が固定的接触を保つとともに保護領域３０４が形成された状態でレーザ光を第１の部材３１６の表面に向けることにより溶接を行う。
【００４６】
本発明の第１の実施形態を図４および図５を参照して説明する。この実施形態は上記した保護手段（ａ）および／または（ｄ）を用いるが、保護領域は約０〜約５０℃またはより好適には約１０℃〜約４０℃の温度の空気、窒素、ヘリウムまたは他のこのような気体を、第１の部材のレーザ光で照射される部分またはその付近で装置の部分内に噴射することにより設けられる。
【００４７】
図４（ａ）は、本実施形態で用いることができるレーザ溶接装置の概略図であり、図４（ｂ）はレーザ照射器の概略図を示し、さらに図４（ｃ）および（ｄ）は保護領域形成手段３０６の部分概略図である。図５（ａ）および（ｂ）は保護領域が形成された状態で本発明により行われるレーザ溶接方法を説明する図である。
【００４８】
本発明のレーザ溶接装置は、図４（ａ）に示すように、レーザ光照射手段３０２と、保護領域３０４を形成する保護領域形成手段３０６と、レーザ光照射手段を走査するアーム４１４と、固定手段４２４を有する基部３１４（溶接部を保持または固定する）とを有する。
【００４９】
レーザ光照射手段３０２は、例えば、レーザ光源４０８と、溶接部をレーザ光で照射するレーザ照射器４１２と、レーザ光源とレーザ照射器とを接続する光ファイバ４１０とを有する。図４（ａ）は複数の構造要素で構成されたレーザ光照射手段３０２を示し、これらの要素はレーザ照射器４１２と一体化され得る。
【００５０】
図４（ｂ）に示すように、レーザ照射器４１２は、光ファイバ４１０により誘導されたレーザ光を平行光束に変換する第１のレンズ４１８と、レーザ光を集束させる第２のレンズ４２０とを有する。集束レーザ光１１４はレーザ照射器４１２から放射されるとともに第１の部材の表面に向けられる。また、本実施形態は以下に説明する保護領域形成手段３０６の気体排出器４０２（図４（ｃ））を保持するホルダ４１６を有することが好ましい。このホルダを有するレーザ照射器を用いる場合、レーザ光が移動するにつれて保護領域を第１の部材の表面にわたって移動させ、気体排出器がレーザ照射器付近に配置される限り第１の部材の表面付近の適当な位置に保護領域を形成可能にすることができる。ホルダ４１６（図４（ｃ））は以下に説明する気体排出器４０２（図４（ｃ））が放射レーザ光の位置に応じて所望の位置に配置できるように、設定位置および角度が変更可能であるように調整可能であることが好ましい。例えば、ホルダは気体排出器の角度を変更可能な固定具または他のそのような機構、もしくは気体排出器をレーザ照射器の周辺の周りに回転させることができる機構を有する摺動または伸縮部材を備え得る。
【００５１】
図４（ａ）を再度参照すると、本実施形態において、保護領域形成手段３０６は気体排出器４０２と、所望の気体で充填された円筒であり得る気体供給部４０４と、気体を気体排出器に送達する送達ライン４０６とを有する。
【００５２】
気体排出器４０２は気体排出器ホルダ４１６および送達ライン４０６に接続されているとともに、図４（ｃ）および（ｄ）に示すように、気体が長方形排出口４２２から排出できるように設計されている。図４（ｃ）および（ｄ）の気体排出器４０２は一例として示されており、排出部および排出口の形状は長方形、円形、または他の形状などの多くの形状を取ることができる。形成される保護領域のタイプに応じて形状を選択することができるとともに、当業者により容易に選択を行うことができる。また、気体排出口４２２は送達ライン４０６とは別に形成され得るとともに、送達ラインの一端に接続され得るかまたは送達ライン４０６の一端は気体排出器４０２または排出口４２２内に直接構築され得る。
【００５３】
本実施形態の保護領域形成手段は、レーザ光照射により生成された熱を拡散させる、または揮発性物質を除去する上記したような手段（ａ）および／または（ｄ）であるとともに、用いられる気体はこれらの目的が達成できる限り特に限定されない。例えば温度の観点で必要に応じて制御された、好適には０℃〜約５０℃、またはより好適には約１０℃〜約４０℃である空気、窒素、アルゴン、ヘリウムまたは他のこのような不活性気体を用いることが可能である。本実施形態では気体が排出されるため、保護領域３０４の構成は任意である。例えば、保護領域は図４（ａ）に示すような積層構成を有し得る、または不定形状を有し得る。気体を備える保護領域は気体を広幅および狭幅オリフィス内を第１の部材の表面に平行な方向に押し込むことにより積層構成に形成され得る。また、保護領域は不定形状を有し得る。
【００５４】
アーム４１４をレーザ照射器を走査するように移動させ得る。産業ロボットまたは例えばアームなどの他のこのような可動部を用いてレーザ照射器を移動させ得るとともに、レーザ照射器を可動部の保持または固定手段によって保持または固定し得る。レーザ照射器を所定の位置に着脱可能に保持または固定することができる限り、ホルダまたは同様なデバイスを保持または固定手段として用いることができる。レーザ照射器を移動させるために用いられるデバイス（特に例えば産業ロボットのアーム等）は、溶接が制御手段３１２（図３に示す）によって行われる経路に沿って走査が適当に行われるようにプログラムされている（走査プログラムはコンピュータをプログラミングすることにより、または学習ロボットを教育（指示）することにより生成され得る）。
【００５５】
本実施形態のレーザ溶接装置においてレーザ照射器４１２が走査され得る、またはレーザ照射器が所定の位置に固定され得るとともに、ＸＹＺステージまたは可動基部を用いることにより第１および第２の部材がレーザ照射装置に対して移動され得る。この場合基部は、例えばコンピュータプログラムまたは適当に指示された学習ロボットによって走査が適当に行われるようにプログラムおよび制御される。
【００５６】
基部３１４は第１および第２の部材を固定するとともに保持する一方で、それらの表面の一部分を互いに接触維持する手段を有する。基部は固定手段を有する限り特に限定されないが、可能な例には固定基部、ＸＹＺステージ等がある。固定手段の他の可能な例には第１の部材と第２の部材との接合部に、クランプまたは空気圧もしくは他のこのような従来の固定手段で圧力を印加するデバイスがある。第１および第２の部材を所定の位置に保持または固定することができる限り固定手段は任意の箇所に設け得る。例えば長方形部が図４（ａ）に示すように所定の位置に保持または固定される場合、対角線上の第１および第２の部材の角部が保持され得る、または第１および第２の部材の４つの角部が所定の位置に保持または固定され得る。さもなければ、第１および第２の部材のいくつかの辺または２つの対辺が所定の位置に保持または固定され得る。
【００５７】
ここで図５（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明のレーザ溶接方法の実施形態を説明する。図５（ａ）は上方から見た溶接装置の図であり、図５（ｂ）は側方から見た溶接装置の図である。簡略化のため図５（ａ）および（ｂ）はレーザ照射器４１２、光ファイバ４１０、気体排出器４０２、気体を気体排出器に送達する送達ライン４０６、第１の部材３１６、第２の部材３１８、第１および第２の部材を所定の位置に固定する固定手段４２４、保護領域３０４、レーザ照射器４１２の移動方向１１８、レーザ光１１４、および溶接部３２０のみを示している。
【００５８】
ここで溶接される第１の部材３１６および第２の部材３１８が適当な固定手段４２４（例えば第１および第２の部材間の接合部に圧力を印加するとともに第１および第２の部材をクランプまたは空気圧で所定の位置に固定するデバイス）により基部３１４（図３に示す）上の所望の箇所で所定の位置に固定された、本発明の実施形態を開示する図５（ｂ）を参照する。気体排出器４０２がホルダ４１６によって保持されているレーザ照射器４１２が溶接動作の開始点に配置される。照射器は産業ロボット（図３に示す制御手段３１２）のアームを用いて配置され、産業ロボットには走査経路等に関する情報が提供される。
【００５９】
図５（ｂ）の参照を続けると、特定量の空気、不活性気体、または他のそのような気体が保護領域形成手段３０６（図４に示す）の送達ライン４０６を介して気体排出器４０２から排出される。排出される気体量は約０．０２ｍ／秒〜約１０．０ｍ／秒であることが好ましく、約０．０２ｍ／秒〜約６．０ｍ／秒であることがより好ましい。気体が排出されている間、レーザ照射器４１２は産業ロボット（図示せず）のアームまたは当業者に既知の他の方法によって、第１の部材の表面に沿って（例えば矢印１１８の方向に従って）走査される。走査速度は溶接される材料に応じて変化するが、例えば約６０〜約６００ｃｍ／分の走査速度をポリ（ブチレンテレフタレート）（ＰＢＴ）などのポリエステル樹脂と共に用いることができる。有用なレーザ出力も溶接材料に応じて変わるが、例えば約１５〜約１５０Ｗの出力をポリ（ブチレンテレフタレート）（ＰＢＴ）などのポリエステル樹脂と共に用いることができる。
【００６０】
保護領域３０４は気体排出器４０２からの気体５０２の排出により形成されるとともに、レーザ光によって加熱された第１の部材３１６の一部分が冷却されるおよび／または揮発性物質２０６が除去される（例えば図５（ｂ）内の矢印５０４の方向に散乱される）。保護領域は本実施形態の保護領域の機能を確保するためにレーザ光の照射中に形成されることが好ましい。
【００６１】
直線溶接を図５（ａ）および（ｂ）で説明したが、溶接方法はこの選択肢のみに限定されないとともに他の変形例によって行うことができる。また、溶接部材（第１および第２の部材）は図５に示すような長方形である必要はなく、それらの用途に応じて円形状、円筒形状、半球形状、もしくは他の規則的または不規則形状などの様々な形状を有することができる。また、これらの部材は同じまたは異なる厚さを有し、または段差を有して形成し得る。２つの部材の段差部を、それらが重なり合うとともに接触部分をレーザ光で照射することができるように互いに接触させることができる（このような実施形態は実施例に示されている）。
【００６２】
上記の説明において、走査はレーザ照射器４１２を移動させることにより行われたが、例えば走査パターンに応じて基部３１４（図３に示す）をＸＹＺステージとして動作させてもよい。
【００６３】
ここで本発明の第２の実施形態を示す図６を参照する。この実施形態において、被覆および冷却手段（ｂ）が用いられ、保護領域はレーザ光を透過するとともにレーザ照射器を被覆する部材であり、この部材が冷却される。
【００６４】
図６（ａ）および（ｂ）は、本実施形態で用いることができるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を図示する概略図である。図６（ａ）および（ｂ）に示された本実施形態のレーザ溶接装置は、被覆部材６０８と、被覆部材を冷却する冷却手段６０２と、保護領域形成手段３０６（図４）として機能する他の構成要素とを含む。他の構成要素は図４および５を参照して上述した実施形態のものと同一であるため、それらの説明（構成、動作条件等）は本実施形態の説明に組み込まれる。図６はレーザ照射器４１２と、光ファイバ４１０と、被覆部材６０８と、冷却手段６０２と、第１の部材３１６と、第２の部材３１８と、固定手段４２４（第１および第２の部材を固定する）と、その移動方向１１８と、レーザ光１１４（図２）と、溶接部３２０とを示す。
【００６５】
図６の参照を続けると、被覆部材が第１の部材の冷却される部分を被覆しているとともに、レーザ光を透過する材料（ガラス、アクリル樹脂等など）であることが好ましい。材料は高熱伝導性を有することが好ましい。好適な材料は溶接に用いられるレーザの波長における高透過率と高熱伝導帯性とを有する結晶物質である。被覆部材はクランプまたは空気圧あるいは他のそのような適当な保持方法（図示せず）により、第１の部材のレーザ光で照射される部分と接触した状態で所定の位置に保持または固定される。第１の部材のレーザ光で照射される部分内の過剰な熱を効率的に除去できる限り、被覆部材の形状は特に限定されない。可能な例には長方形、円形、または他のそのようなプレート状部材がある。被覆部材６０８には冷却手段６０２からの冷却媒体等を通過可能にする機構を設けることもできる。具体的には、例えば、被覆部材は、冷却媒体を図６（ｃ）に示すような被覆部材を通過可能にする入口６１０と出口６１２とを有する通路６１４が設けられたプレート状部材でもよく、または被覆部材は図６（ｄ）に示すような入口６１０と出口６１２とを有する中空部６１６を有するプレート状部材でもよい。
【００６６】
冷却手段６０２は被覆部材を冷却できる任意の装置であり得る。一例は冷却媒体を用いる冷却デバイス６０４と、冷却媒体を被覆部材６０８に供給する供給ライン６０６とを有する冷却装置である。この場合、冷却媒体は被覆部材６０８は効率的に冷却することができるように供給ラインに送達される。例えば、液体冷却媒体の場合、媒体を被覆部材の周囲に循環させるように供給ラインを設けることが可能であり、または気体冷却媒体の場合、冷たい空気または他の気体が被覆部材全体に流れるまたは周囲を循環できるように供給ラインを設けることができる。例えば液体または気体冷却媒体を循環させる場合、適用可能な方法には冷却媒体を通す管を被覆部材の周囲と接触して配置するものがある。冷気を用いる場合、適用可能な方法には被覆部材の長手方向に複数の冷気噴気孔を有する管の利用がある。他の可能な選択肢は、図６（ｃ）および（ｄ）に示すように、レーザ光を透過するとともに入口と出口とが設けられた通路を有する被覆部材を用いること、または入口と出口とが設けられた中空被覆部材を用いること、および冷却媒体（気体または液体）が通路または中空部内を入口から出口の方向に流れて循環する冷却手段を用いることである。他の可能な方法はレーザ光を透過する被覆部材がそれ自体前もって冷却される構成を用いることであり、部材は第１の部材の表面のレーザ光で照射される部分と接触を保った状態で所定の位置に固定される。冷却媒体は第１の部材の表面から熱を運び去ることが可能な気体、液体、または他の流体である。
【００６７】
ここで図６（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明のレーザ溶接方法の実施形態を説明する。
【００６８】
本実施形態において、溶接される第１の部材３１６および第２の部材３１８は、適当な固定手段４２４によって基部３１４（図示せず）に所定の位置で固定される。図６は第１および第２の部材の４つの角部が所定の位置に固定されている例を示す。次に、保護領域３０４が第１の部材のレーザ光で照射される部分上に形成される。本実施形態では被覆および冷却手段３０６の被覆部材が保護領域内に載置される。被覆部材は適当なホルダ（例えばクランプまたは空気圧で第１および第２の部材間の接合部への圧力の印加により第１および第２の部材が所定の位置に固定される手段）（図示せず）によって、第１の部材と接触した状態で所定の位置に固定されることにより載置される。被覆部材６０８として用いるのに適した例は上記されている。冷却手段６０２は被覆部材６０８に接続されている。上述した様々な手段によって被覆部材を冷却することができる。例えば、冷却媒体を供給ライン６０６を介して冷却デバイス６０４から被覆部材６０８に供給し得る。そして、冷却手段を被覆部材を冷却するように動作させる。溶接中、第１の部材の表面温度が上昇する度合いは、レーザ溶接条件（レーザ出力、走査速度等）の関数が調整されると変化するため、冷却媒体が循環する速度を保護領域の温度が上昇しないように調整しなければならない。例えば、適当な循環速度を第１の部材の表面温度が約１００℃以下である、より好適には約６０℃以下であるように設定しなければならない。
【００６９】
次に、レーザ照射器４１２が溶接される部分の開始点が設定される。その点は走査経路等に関する情報が与えられた産業ロボット（図３に示す制御手段３１２）のアームを用いて設定され得る。次に、被覆部材が冷却されると、レーザ照射器４１２は、例えば、産業ロボット（図示せず）のアームを用いて第１の部材の表面に沿って（例えば矢印１１８の方向に沿って）走査されるとともに、レーザ溶接が行われる。レーザの出力、走査速度、および他のパラメータは第１の実施形態で説明したものと同一である。
【００７０】
本実施形態において、被覆部材６０８を有する領域は保護領域３０４として機能するとともに、第１の部材３１６のレーザ光により加熱された部分が冷却される。保護領域は本実施形態における保護領域の機能を確保するためにレーザ光の照射が行われている間に形成することが好ましい（手段（ａ）の機能）。
【００７１】
直線溶接を図６で説明したが、溶接方法はこの選択肢のみに限定されないとともに様々なパターンに応じて行うことができる。また、溶接部材（第１および第２の部材）は図６に示すような長方形である必要はなく、それらの用途に応じて円形状、円筒形状、半球形状、もしくは他の規則的または不規則形状などの様々な形状を有することができる。また、これらの部材は同じまたは異なる厚さを有し、または段差を有して形成し得る。２つの部材の段差部を、それらが重なり合うとともに接触部分をレーザ光で照射することができるように互いに接触させることができる（このような実施形態は実施例に示されている）。
【００７２】
上記の説明において、走査はレーザ照射器４１２を移動させることにより行われたが、例えば所望の溶接パターンに応じて基部３１４（図４（ａ））をＸＹＺステージとして動作させてもよい。また第１および第２の部材ならびに被覆部材は別々に所定の位置に保持または固定されていたが、それらは単一の固定手段を用いて所定の位置に保持または固定してもよい。
【００７３】
なお、本発明のこの実施形態は以下に説明する本発明の第４の実施形態の機能も有する。
【００７４】
本発明の第３の実施形態を図７を参照して図示する。この実施形態は上記の手段（ｃ）に対応する例であり、保護領域は高伝導性部材を第１の部材に接着することにより過剰な熱を放散させる放熱手段により設けられる。このような場合放熱手段は、レーザ光が放熱手段により遮断されずに第１の部材の表面上に直接当たることを可能にする経路が存在するように設計されている。
【００７５】
図７（ａ）および（ｂ）は、本実施形態で用いることができるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を図示する概略図である。図７（ａ）および（ｂ）に示された本実施形態のレーザ溶接装置は、保護領域形成手段３０６（図４）として被覆部材７０２を用いる。他の構成要素は図４および５を参照して上述した本発明の第１の実施形態のものと同一であるため、それらの説明（構成、動作条件等）は本実施形態の説明に組み込まれる。簡略化および明確化のため図７はレーザ照射器４１２、光ファイバ４１０、保護手段（被覆部材７０２）、基部３１４、第１の部材３１６、第２の部材３１８、固定手段４２４（第１および第２の部材ならびに被覆部材７０２を固定する）、レーザ照射器４１２の移動方向１１８、レーザ光１１４、および溶接部３２０のみを示している。
【００７６】
図７の参照を続けると、本発明のこの実施形態のレーザ溶接装置は、レーザ光の照射による第１の部材３１６内の過熱を防止する保護手段３０６（図３）を提供する。この保護手段は第１の部材３１６内の過剰な熱を放散させる被覆部材７０２を含む。
【００７７】
図７の参照を続けると、被覆部材７０２が第１の部材上に配置されており、第１の部材を冷却するように設計されており、さらに高熱伝導性材料（例えば鉄、鋼鉄、またはアルミニウムなどの金属）で作製されていることが好ましい。被覆部材は、被覆部材と第１の部材との間の接合部に圧力を印加するとともにクランプまたは空気圧もしくは他のそのような固定手段で被覆部材を所定の位置に保持する固定手段によって、第１の部材と接触した状態で所定の位置に固定される。図７に示す実施形態において、第１および第２の部材の両方を所定の位置に保持または固定する固定手段４２４が被覆部材の固定手段としても用いられている例が示されている。第１の部材３１６、第２の部材３１８、および被覆部材７０２は、第１および第２の部材が互いに固定されるとともに被覆部材が別に固定されるように固定され得る。固定手段の可能な例は厚さ方向に圧力を印加するとともに、クランプまたは空気圧で第１および第２の部材を所定の位置に固定するデバイスである。
【００７８】
図７（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明のレーザ溶接方法の実施形態を説明する。
【００７９】
本実施形態において、溶接される第１の部材３１６および第２の部材３１８が基部３１４上に配置されるとともに、図７（ａ）に示すように、レーザ光の照射経路に沿って開口７０４を有する被覆部材７０２が第１の部材上に配置される。被覆部材７０２は、例えば、鋼板または良好な熱伝導性を有する他のそのような材料から作製され得る。本実施形態において、適当な固定手段により（例えばクランプまたは空気圧で被覆部材と第１の部材との間の接合部に圧力を印加するとともに被覆部材を所定の位置に保持することにより）これらの部材を所定の位置に固定することができる。固定中、これらの部材は、熱伝導性を効率的に利用できるように被覆部材が第１の部材に固着されるように保持されることが好ましい。
【００８０】
次に、レーザ照射器４１２が溶接の開始点に配置される。照射器は走査経路等に関する情報が与えられた、産業ロボットのアームまたは当業者に既知の他の方法（制御手段３１２、図示せず）を用いて配置される。次に、レーザ照射器４１２が産業ロボット（図示せず）のアームによって、溶接部３２０に沿って（例えば矢印１１８に沿って）走査されるとともにレーザ溶接が行われる。レーザの出力、走査速度、および他のパラメータは第１の実施形態で説明したものと同一である。
【００８１】
本実施形態において、被覆部材７０２を有する領域は保護領域３０４として機能するとともに、第１の部材３１６のレーザ光により加熱された部分が被覆部材７０２の熱伝導性により冷却される。レーザ光により照射が行われる間に保護領域が形成される。
【００８２】
直線溶接を図７で説明したが、溶接方法はこの選択肢のみに限定されないとともに様々なパターンに応じて行うことができる。また、溶接部材（第１および第２の部材）は図７に示すような長方形である必要はなく、それらの用途に応じて円形状、円筒形状、半球形状、もしくは他の規則的または不規則形状などの様々な形状を有することができる。また、これらの部材は同じまたは異なる厚さを有し、または段差を有して形成し得る。２つの部材の段差部を、それらが重なり合うとともに接触部分をレーザ光で照射することができるように互いに接触させることができる。この実施形態の一例は図９および１０に示されている。
【００８３】
上記の説明において、走査はレーザ照射器４１２を移動させることにより行われたが、例えば所望の溶接パターンに応じて基部３１４をＸＹＺステージとして動作させてもよい。
【００８４】
本実施形態の被覆部材は必要に応じて冷却し得る（この場合は第３の実施形態に含まれる）。第３の実施形態に記載された冷却装置を冷却手段として用いることができる。
【００８５】
本発明のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法の第４の実施形態を図８を参照して図示する。本発明のこの実施形態において保護領域は燃焼防止手段（ｅ）を用いて設けられる。第１の部材の表面のレーザ光で照射される部分またはその付近の領域はレーザ光を透過する部材で被覆され、酸素などの助燃物質が第１の部材から放出された揮発性物質と接触しないようにすることにより揮発性物質の燃焼を防止する。
【００８６】
図８（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態で用いることができるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を説明する概略図である。図８（ａ）および（ｂ）に示された本発明の本実施形態のレーザ溶接装置は、保護領域形成手段３０６（図４）として遮断部材８０２を用いる。他の構成要素は図４および５を参照して上述した第１の実施形態のものと同一であるため、それらの説明（構成、動作条件等）は本実施形態の説明に組み込まれる。簡略化および明確化のため、図８はレーザ照射器４１２、光ファイバ４１０、保護手段としての遮断部材８０２（燃焼防止手段）、固定手段４２４（第１および第２の部材ならびに遮断部材８０２）、基部３１４、第１の部材３１６、レーザ照射器の移動方向１１８、レーザ光１１４、および溶接部３２０のみを示している。
【００８７】
本実施形態のレーザ溶接装置は、上記の手段（ｅ）に対して説明した機能を有する燃焼防止手段である遮断部材８０２を有する。遮断部材８０２は酸素などの助燃物質が、レーザ光の照射により生成された熱によって第１の部材３１６から放出された揮発性物質と接触しないようにする。この遮断部材は第１の部材のレーザ光で照射される部分を被覆するとともに、レーザ光を透過する材料（ガラス、アクリル樹脂等など）で作製されることが好適である。遮断部材は、遮断部材と第１の部材との間の接合部に圧力を印加するとともにクランプまたは空気圧もしくは他のそのような固定手段で被覆部材を所定の位置に保持する固定手段によって、第１の部材のレーザ光で照射される部分と接触された状態で固定される。図８に示した実施形態において、遮断部材は、第１および第２の部材を所定の位置に固定するために用いられる同じ固定手段４２４によって所定の位置に固定される。
【００８８】
遮断部材の形状は、第１の部材上の助燃物質を遮断することができる限り特に限定されない。それは図８に示す長方形平坦プレート状部材であってもよく、もしくは円形プレート状部材であってもよくまたは他の規則的または不規則形状を有してもよい。遮断部材は第１の部材と固着されるように第１の部材上で所定の位置に固定される。この配置の目的は、外部助燃物質と、第１の部材と遮断部材との間のレーザ光の照射により生成される揮発性物質との間の接触を効率的に防止することである。他の方法によれば、保護領域を窒素、アルゴン、ヘリウム、または燃焼を助けない他の気体で形成することができる。この場合、遮断部材８０２は気体であるとともに、上記の本発明の第１の実施形態の方法を変更せずに用いて保護領域をこの気体で保護領域を形成することができる。
【００８９】
ここで図８（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明のレーザ溶接方法の実施形態を説明する。
【００９０】
ここで図８（ｂ）を参照すると、本実施形態において、溶接される第１の部材３１６および第２の部材３１８が基部３１４上に配置されるとともに、遮断部材８０２が第１の部材のレーザ光で照射される部分上に載置される。これらの部材は適当な固定手段（例えば厚さ方向に圧力を印加するとともにクランプまたは空気圧で第１および第２の部材ならびに遮断部材を所定の位置に固定する手段）によって所定の位置に固定される。適当な固定手段により第１の部材の上部と接触した状態で遮断部材を所定の位置に固定することができる。
【００９１】
次に、レーザ照射器４１２が溶接経路の開始点に配置される。照射器は走査経路等に関する情報が与えられた産業ロボットのアームまたは当業者に既知の他の方法（例えばコントローラ３１２、図３）を用いて配置される。次に、レーザ照射器４１２が例えば産業ロボット（図示せず）のアームによって、溶接部３２０に沿って（例えば矢印１１８に沿って）走査されるとともにレーザ溶接が行われる。レーザの出力、走査速度、および他のパラメータは第１の実施形態で説明したものと同一である。
【００９２】
本実施形態において、遮断部材８０２を有する領域は保護領域３０４（図３）として機能するとともに、照射された場合部材３１６から放出された揮発物質の接触から遮断される。保護領域は気体であり、本実施形態の保護領域の機能を確保するためにレーザ光の照射が行われている間に連続して形成されることが好ましい（例えば上記した手段（ｅ）の機能）。
【００９３】
直線溶接を図８で説明したが、溶接方法はこの選択肢のみに限定されないとともに様々なパターンに応じて行うことができる。また、溶接部材（第１および第２の部材）は図８に示すような長方形である必要はなく、それらの用途に応じて円形状、円筒形状、半球形状、もしくは他の規則的または不規則形状などの様々な形状を有することができる。また、これらの部材は同じまたは異なる厚さを有し、または段差を有して形成し得る。２つの部材の段差部を、それらが重なり合うとともに接触部分をレーザ光で照射することができるように互いに接触させることができる（このような実施形態は実施例に示されている）。
【００９４】
上記の説明において、走査はレーザ照射器４１２を移動させることにより行われたが、例えば、走査パターンに応じて基部３１４をＸＹＺステージとして動作させてもよい。第１おび第２の部材ならびに被覆部材は同じ固定手段４２４で所定の位置に固定されていたが、別体の固定デバイスを用いてもよい。
【００９５】
上記の実施形態は手段（Ａ）〜（Ｃ）および（ａ）〜（ｅ）の具体例であるが、複数のこれらの手段を保護領域（保護手段）として設けて、上記の（ｉ）〜（ｉｖ）で説明した問題をより効果的に防止することもできる。例えば、第２の実施形態は第１の部材を冷却する効果および助燃物質を除去する効果の両方を有する。また、第１および第３の実施形態を組み合わせることにより、冷却を行うことおよび揮発性物質を除去することが共に可能である。他の可能性は第２の実施形態の冷却手段と第３の実施形態とを組み合わせることにより冷却効率をさらに向上させることである。さらに他の可能性は第２の実施形態の冷却手段を第４の実施形態と組み合わせることにより、冷却して過剰な熱を放散させることとともに助燃物質を遮断することの両方の効果を有する保護領域を形成することである。
【実施例】
【００９６】
以下の実施例において、保護領域は、第１の部材の表面のレーザ光で照射される部分付近に空気を噴射することにより手段（ａ）および（ｅ）によって形成されるが、この実施例は本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。
【００９７】
（実施例１〜３ならびに比較例１および２）
実施例１〜３ならびに比較例１および２において、以下のポリエステル樹脂組成物を採用するとともにこの組成物から生成された標本を用いて溶接を行った。
【００９８】
（１）ポリ（ブチレンテレフタレート）Ａ（ＰＢＴ−Ａ））
この樹脂組成物は３０重量パーセント（組成物の全重量に対して）のガラス繊維をポリ（ブチレンテレフタレート）と溶融混合させるにより調製されたガラス繊維強化ポリ（ブチレンテレフタレート）樹脂組成物である。
【００９９】
（２）ポリブチレンテレフタレートＢ（ＰＢＴ−Ｂ））
この樹脂組成物は０．６重量パーセントの炭素を有する３０重量パーセントのガラス繊維を、ポリ（ブチレンテレフタレート）と溶融混合させることにより調製されたガラス繊維強化ポリ（ブチレンテレフタレート）樹脂組成物であり、重量パーセントは組成物の全重量を基準にしている。
【０１００】
これらの組成物を用いて、図９に示すように、ハーフラップの形状とバー９０２の寸法とを有するテストバーを、射出成形機を用いて２７０℃の樹脂温度および８０℃の成形温度で成形した。テストバーは８０ｍｍの長さと、１８ｍｍの幅と、４ｍｍの全体厚さと、２ｍｍのハーフラップの厚さとを有していた。２つの標本のハーフラップの表面９０４を合わせて互いに重畳させ、図１０（ａ）に示すように第１の部材３１６および第２の部材３１８を形成した。空気圧を印加することにより２つの部材を所定の位置に固定した。ロフィン  シナール（Ｒｏｆｉｎ  Ｓｉｎａｒ）（独国）により製造されたダイオードレーザ（波長：９４０ｎｍ、焦点径：３ｍｍ、最大出力：５００Ｗ）を用いて溶接した。図１０（ｂ）および図４および５に示すとともに第１の実施形態の説明で説明したように、本発明の第１の実施形態で説明した保護領域形成手段を有する装置を用いて溶接を行った。レーザ溶接中に用いられる条件（つまり用いた２つのＰＢＴ樹脂の各々で作製したテストバーの組み合わせ；レーザ出力；溶接速度；保護領域の有無（すなわち冷却および揮発性気体除去を行う気体噴出装置を用いたか否か））が表１に示されている。実施例１〜３の場合気体噴射装置を用いた。比較例１および２の場合保護手段を用いなかった。
【０１０１】
レーザ溶接後得られた成形物品を裸眼で観察して、レーザ光で照射された表面上の表面欠陥（燃焼および／または焼成）の状態を判断した。また、島津製作所（Ｓｈｉｍａｄｚｕ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）により製造された引張試験機を用いて、２ｍｍ／分の引張速度で溶接成形物品の引張剪断強度（表中「溶接強度」と称される）を測定した。その結果が表１に示されている。表１において、「ＮＡ」は表面外観またはレーザ溶接性が不良ということを示す。「ＯＫ」は表面外観またはレーザ溶接性が良好であるということを示す。表１に示すように、この実験を３回繰り返した。
【０１０２】
（実施例４〜６）
これらの例は第１の部材が２５％を超えるレーザ光透過率を有する場合でも本発明の方法および装置を用いることができることを図示する。使用した樹脂組成物およびそれから調製した標本は以下の通りであった。
【０１０３】
（１）ポリアミドＡ）
ポリアミド６を有する３０重量パーセント（組成物の全重量に対して）のガラス繊維により調製されたガラス繊維強化樹脂組成物。
【０１０４】
（２）ポリアミドＢ）
ポリアミド６を有する３０重量パーセントのガラス繊維および０．６重量パーセントのカーボンブラックにより調製されたガラス繊維強化樹脂組成物（重量パーセントは組成物の全重量を基準にしている）。
【０１０５】
これらの組成物を用いて、図９に示すようなバー９０２のハーフラップの形状と寸法とを有するテストバーを、射出成形機を用いて２７０℃の樹脂温度および８０℃の成形温度で成形した。テストバーは８０ｍｍの長さと、１８ｍｍの幅と、４ｍｍの全体厚さと、２ｍｍのハーフラップの厚さとを有していた。実施例１〜３ならびに比較例１および２に用いたものと同じ手順ならびに表２に示す条件を用いてテストバーをレーザ溶接した。その結果が表２に示されている。表２から明らかであるように、溶接は成功であるとともに溶接強度は十分であった。
【０１０６】
このように、本発明のレーザ溶接装置および溶接方法は、レーザ照射側の樹脂が２５％を超える透過率を有する場合でも良好に用いることができる。
【０１０７】
そのため、上記に記載した目的と利点とを十分に満足させるレーザ溶接装置および方法が本発明により提供されたことが明らかである。本発明をその特定の実施形態に関連して説明したが、多くの代替例、変更例、および変形例が当業者に明らかであることは明白である。従って、添付の特許請求の範囲の趣旨と広い範囲内にあるこのような代替例、変更例、および変形例をすべて包含しようとするものである。
【０１０８】
【表１】
2008531355.tif 000003
【０１０９】
【表２】
2008531355.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１Ａ】従来のレーザ溶接方法を示す概略図であり、レーザ溶接条件を図示する図である。
【図１Ｂ】従来のレーザ溶接方法を示す概略図であり、レーザ光の照射により加熱された樹脂の一部分を示す図である。
【図２Ａ】従来のレーザ溶接方法に伴う問題を示す概略図であり、レーザ溶接条件を図示する図である。
【図２Ｂ】従来のレーザ溶接方法に伴う問題を示す概略図であり、レーザ光の照射により加熱された樹脂の一部分を示す図である。
【図２Ｃ】
【図３】本発明のレーザ溶接装置を示すブロック図である。
【図４Ａ】本発明の第１の実施形態のレーザ溶接装置を示す概略図であり、装置構成を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の第１の実施形態のレーザ溶接装置を示す概略図であり、レーザ照射器を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の第１の実施形態のレーザ溶接装置を示す概略図であり、保護領域形成手段を示す図である。
【図４Ｄ】本発明の第１の実施形態のレーザ溶接装置を示す概略図であり、保護領域形成手段を示す図である。
【図５Ａ】本発明の第１の実施形態のレーザ溶接方法を図示する部分外略図であり、上方からの図である。
【図５Ｂ】本発明の第１の実施形態のレーザ溶接方法を図示する部分外略図であり、断面図である。
【図６Ａ】本発明の第２の実施形態のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を図示する部分概略図であり、上方からの図である。
【図６Ｂ】本発明の第２の実施形態のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を図示する部分概略図であり、断面図である。
【図６Ｃ】本発明の第２の実施形態のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を図示する部分概略図であり、保護手段の具体例を示す図である。
【図６Ｄ】本発明の第２の実施形態のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を図示する部分概略図であり、保護手段の具体例を示す図である。
【図７Ａ】本発明の第３の実施形態のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を説明する部分概略図であり、上方からの図である。
【図７Ｂ】本発明の第３の実施形態のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を説明する部分概略図であり、断面図である。
【図８Ａ】本発明の第４の実施形態のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を説明する部分概略図であり、上方からの図である。
【図８Ｂ】本発明の第４の実施形態のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を説明する部分概略図であり、断面図である。
【図９】本発明の実施例で溶接するために用いられる樹脂部材を示す図である。
【図１０Ａ】本発明の実施例で用いられるレーザ溶接手順を示す図である。
【図１０Ｂ】本発明の実施例で用いられるレーザ溶接手順を示す図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【国際調査報告】
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