(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂部材と、前記樹脂部材と線膨張率が異なる異種部材とを接触させた状態で、接触部における前記樹脂部材を溶融させる温度に加熱する溶融用レーザ光を照射する工程と、
前記樹脂部材を軟化させる温度に加熱する軟化用レーザ光を照射する工程と
を含み、前記溶融用レーザの照射面積が、前記軟化用レーザの照射面積よりも小さく、前記異種部材が金属またはセラミクスである、異種部材のレーザ接合方法。
【請求項２】
樹脂部材と、前記樹脂部材と線膨張率が異なる異種部材とを接触させた状態で、接触部における前記樹脂部材を溶融させる温度に加熱する溶融用レーザ光を照射する工程と、
前記樹脂部材を軟化させる温度に加熱する軟化用レーザ光を照射する工程と
を含み、前記溶融用レーザの照射面積が、前記軟化用レーザの照射面積よりも小さく、前記溶融用レーザ光を照射する工程の後に、前記軟化用レーザ光を照射する工程を実施する、異種部材のレーザ接合方法。
【請求項３】
前記樹脂部材を溶融させる温度が、前記樹脂部材を軟化させる温度よりも高い、請求項１または２に記載のレーザ接合方法。
【請求項４】
前記樹脂部材が熱可塑性樹脂である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記溶融用レーザ光を照射する工程と、前記軟化用レーザ光を照射する工程とにおいて、前記異種部材側からレーザを照射する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂部材と、当該樹脂部材とは線膨張率が異なる異種部材とのレーザ接合方法に関する。本発明は、特には、接合後の応力を緩和し、信頼性の高い接合が可能な樹脂部材と異種部材とのレーザ接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂材料と金属などの非樹脂材料との接合方法としては、従来から、リベット締結による機械的な固定方法が用いられてきた。この方法は、現在でも主流ではあるが、締結部にある程度の大きさ及び重量があるため、部品の大型化・重量化が避けられず、設計の自由度も低下する。このため、大型あるいは単純な部材に適用が限定されていた。
【０００３】
接着剤により、樹脂材料と金属材料を接合する方法も知られている。これは、物理的吸着力及び化学的吸着力により、両材料を固定する方法である。接着剤を用いた方法では、接着剤が濡れ広がるため、精密なピンポイントな接合が難しい場合があった。また、接着剤の硬化に時間を要するため、生産性や管理においても課題が存在する。
【０００４】
近年、レーザを用いて、樹脂材料と金属材料とを接合する方法が提案されてきている。レーザ光源を用いて金属材料と、樹脂材料とを合わせた状態で接合部の樹脂材料に特定の大きさの気泡を発生させる温度まで加熱することにより金属材料と樹脂材料を接合する方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００５】
樹脂材料を溶融させる温度に加熱する樹脂溶融用レーザ光源と樹脂材料を分解させる温度に加熱する樹脂分解用レーザ光源を使用する、複数のレーザ光源を用いて、金属材料と樹脂材料とを接合する方法も提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開2007/029440
【特許文献２】特許第4873482号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザを用いる接合方法では、従来の機械的固定方法による制約や、接着剤を用いる方法による生産性の問題は解消しうる。しかしながら、特許文献１に提案されている方法では、接合部の局所的な加熱及び急激な冷却により、冷却後の樹脂材料に過剰な残留応力が発生する。このため、接合部及び近傍加熱部の樹脂材料の強度低下を引き起こし、十分な接合強度が得られないことが問題となる。またこの方法では、接合部及び近傍加熱部の樹脂材料内部に特定の大きさの気泡を発生させる。これにより、実接合面積の低下及び接合部の劣化を招くおそれがあり、やはり十分な接合強度が得ることができない。
【０００８】
特許文献２に提案された方法においては、溶融温度以上に樹脂を加熱する必要がある。このため、接合後に気泡が残存し、この気泡が接合性の低下を招く原因となっていた。
【０００９】
このように、従来のレーザを用いた樹脂部材と、金属部材などの異種部材との接合方法は、接合性、信頼性に劣っているため、実用化には至っていない。レーザを用いた、より信頼性の高い接合方法が求められる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、樹脂部材と当該樹脂部材とは線膨張率の異なる異種部材とをレーザ接合するにあたって、レーザにより樹脂部材を溶融し、さらに他のレーザを用いて樹脂部材の応力を緩和することに想到し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、一実施形態によれば、レーザ接合方法であって、樹脂部材と、前記樹脂部材と線膨張率が異なる異種部材とを接触させた状態で、接触部における前記樹脂部材を溶融させる温度に加熱する溶融用レーザ光を照射する工程と、前記樹脂部材を軟化させる温度に加熱する軟化用レーザ光を照射する工程とを含み、前記溶融用レーザ光の照射面積が、前記軟化用レーザ光の照射面積よりも小さい、レーザ接合方法に関する。
【００１２】
前記レーザ接合方法において、前記樹脂部材を溶融させる温度が、前記樹脂部材を軟化させる温度よりも高いことが好ましい。
【００１３】
前記レーザ接合方法において、前記溶融用レーザ光を照射する工程の後に、前記軟化用レーザ光を照射する工程を実施することが好ましい。
【００１４】
前記レーザ接合方法において、前記異種部材が、金属またはセラミクスであることが好ましい。
【００１５】
前記レーザ接合方法において、前記樹脂部材が、熱可塑性樹脂であることが好ましい。
【００１６】
前記レーザ接合方法における、前記溶融用レーザ光を照射する工程と、前記軟化用レーザ光を照射する工程とにおいて、前記異種部材側からレーザを照射することが好ましい。
【００１７】
本発明は別の局面によれば、樹脂部材と、異種部材との接合体であって、前述のいずれかの接合方法により製造された接合体である。
【００１８】
本発明は別の実施形態によれば、レーザ接合装置であって、樹脂部材を溶融させる温度に加熱する溶融用レーザと、樹脂部材を軟化させる温度に加熱する軟化用レーザとを備えてなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の接合方法によれば、樹脂部材をレーザ照射により溶融させ、かつレーザ照射により樹脂部材の応力を緩和させることで、気泡などを生じさせることなく、樹脂部材と異種部材との高い強度の接合部を均一に形成することができる。本発明の接合方法は、樹脂部材の加熱場所及び加熱温度の制御が極めて容易かつ効率的であり、結果として信頼性の高い、樹脂部材と異種部材との接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による接合方法を、模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。しかし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。また、図面は本発明を説明するための例示的な概略図であって、各部材の寸法や相対的な関係は、本発明を限定するものではない。
【００２２】
本発明は、一実施形態によれば、樹脂部材と、当該樹脂部材とは線膨張率が異なる異種部材とのレーザ接合方法に関する。本実施形態において、被加工物となる一方の部材は、樹脂部材である。この樹脂部材は、加熱により流動化する樹脂、または樹脂前駆体、あるいはこれらの混合物であってよい。このような樹脂部材としては、例えば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等のポリエステル樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）樹脂、ポリスチレンやＡＢＳ等のスチレン系樹脂、アクリル系樹脂（ＰＭＭＡ等）等の熱可塑性樹脂が挙げられるが、これらには限定されない。特に主鎖、側鎖及び／または末端に極性基もしくは金属、セラミクス、ガラス等と反応性を有する基を有する樹脂材料が好ましく、ポリアミド樹脂（ＰＡ）、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）や、カルボン酸基やスルホン酸金属塩基などの極性基もしくは金属、セラミクス、ガラス等と反応性を有する基を側鎖及び／または末端に有するスチレン系樹脂、アクリル系樹脂等が好ましい。特に主鎖、側鎖及び／または末端に極性基もしくは金属、セラミクス、ガラス等と反応性を有する基を有する非晶性樹脂からなる樹脂部材が好ましい。
【００２３】
また、樹脂部材は構成原子中に酸素が存在すると、特に金属の場合は、表面の酸化物と容易に化学結合を形成して高い接合強度が得られるので好ましい。本発明における樹脂部材は、樹脂のみからなるものであってもよく、樹脂に、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維や、シリカ、アルミナ、二酸化チタン、マイカなどの無機充填剤、着色材、熱安定剤、光安定剤、難燃剤等の各種添加剤を添加したものであってもよい。
【００２４】
樹脂部材は、その厚さや形状も特には限定されないが、重ね接合する箇所において、例えば５０μｍ以上であって、１０ｍｍ程度までの部材、特には板材を一般的に用いることができる。
【００２５】
本実施形態において、接合対象となる他方の部材は、上記樹脂部材とは線膨張率が異なる部材である。本明細書において、この部材を、異種部材と指称する。異種部材としては、金属部材、セラミクス部材、ガラス、及び、上記樹脂部材とは異なる樹脂部材等が挙げられる。
【００２６】
金属部材としては、鉄、アルミニウム、チタン、銅、またはこれらを含む合金が挙げられるが、特に限定されない。金属部材は、表面に母材とは異なる金属の皮膜を備えるものであってもよい。金属部材は、特には、樹脂部材との接合力を高めるための表面処理を行ったものが好ましい。このような表面処理としては、粗面化処理が挙げられるが、特定の表面処理法によるものには限定されない。
【００２７】
セラミクス部材としては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、酸化亜鉛、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、チタン酸バリウム、フェライトが挙げられるが、これらには限定されない。また、任意の種類のガラスも本実施形態による接合対象とすることができる。さらには、接合対象は、一方の樹脂とは線膨張率が異なる別の樹脂であってもよい。
【００２８】
金属部材、セラミクス部材、ガラス、樹脂などの異種部材の厚さや形状も特には限定されないが、例えば０．１ｍｍ以上であって、１０ｍｍ程度の部材、特には板材を一般的に用いることができる。
【００２９】
本実施形態において、樹脂部材と、異種部材とは、重ね溶接により接合することができる。したがって、例えば板状の樹脂部材と、板状の異種部材とが、面で接触するように重ね合わせた状態で、レーザ溶接する。図１を参照して、樹脂部材と、異種部材の一例である金属部材との接合方法について具体的に説明する。
【００３０】
図１は、板状の樹脂部材と異種部材とを重ね合わせた箇所における、溶接方向ｄに平行な断面を模式的に示している。図１において、樹脂部材４１は、金属部材４２と重ね合わせられ、接触した状態で、試料台３に載置され、好ましくは試料台３に固定されている。重ね合わせられた樹脂部材４１と金属部材４２とを、以下、本明細書において、被加工物４と指称する場合もある。そして、被加工物４のうち、金属部材４２に対向して、溶融用レーザ１と軟化用レーザ２とが配設されている。これらの溶融用レーザ１と軟化用レーザ２とは、本発明の方法に用いるレーザ接合装置を構成する。
【００３１】
溶融用レーザ１は、樹脂部材４１を溶融させる温度に加熱するレーザ装置である。溶融用レーザ１は、主として、レーザヘッド１２と集光レンズ１３とガスノズル１４とから構成され、被加工物４に溶融用レーザ光１１を照射する。ガスノズル１４は実施形態により、存在しない場合もある。一方、軟化用レーザ２は、樹脂部材４１を軟化させる温度に加熱するレーザ装置である。軟化用レーザ２は、主として、レーザヘッド２２と集光レンズ２３とから構成することができ、被加工物４に軟化用レーザ光２１を照射する。任意選択的に、軟化用レーザ２にもガスノズルを備えていてもよい。
【００３２】
溶融用レーザ１、軟化用レーザ２としては、例えば、ＹＡＧレーザ、ファイバレーザ、エキシマレーザ等のレーザ装置を用いることができる。これらのレーザ装置は同一の仕様であってもよく、異なる仕様であってもよい。特に、軟化用レーザ２としては、樹脂部材４１での吸収率が高くなるエキシマレーザ等の紫外光レーザを用いてもよい。このような態様は、図示する実施形態とは異なり、金属部材が試料台に接していて樹脂部材側にレーザ照射する場合において、特に好ましい。紫外光レーザは、樹脂部材を選択的に加熱制御するために有用だからである。また、溶融用レーザ１と軟化用レーザ２は、別個の光源を用意するのではなく、同一のレーザ光源からスプリッタ、ミラーを利用して、分岐し、それぞれの光源として用いる態様であってもよい。
【００３３】
樹脂部材４１と金属部材４２とは、相互に重ね合され、固定された状態のまま、溶融用レーザ１と軟化用レーザ２に対して、相対的に移動可能に配設される。例えば、溶融用レーザ１と軟化用レーザ２が固定され、試料台３が溶融用レーザ１と軟化用レーザ２に対し、図中の溶接方向ｄの向きに移動する構成としてもよい。あるいは、試料台３が固定され、溶融用レーザ１と軟化用レーザ２が試料台３に対し、図中の溶接方向ｄと逆向きに移動する構成としてもよい。あるいは、溶融用レーザ１及び軟化用レーザ２と、試料台３と両方を相対的に移動する構成としてもよい。
【００３４】
本実施形態における方法においては、樹脂部材４１と金属部材４２との接触部（界面）４３における前記樹脂部材４１を溶融させる温度に加熱する溶融用レーザ光１１を照射する工程と、前記樹脂部材４１を軟化させる温度に加熱する軟化用レーザ光２１を照射する工程とを含む。
【００３５】
樹脂部材４１を溶融させる温度（以下、溶融温度とも指称する）は、樹脂部材４１と金属部材４２との界面４３、及び樹脂部材４１の内部に溶融部分を発生させる温度であることが必要である。具体的には樹脂部材４１を構成する樹脂の軟化温度より高く、樹脂の主鎖が分解、低分子化し、劣化する温度未満であることが好ましい。また、溶融温度は、樹脂の過剰な気泡発生を伴うような高い温度にしないことが好ましい。樹脂中に過剰な気泡が発生すると、接合部における実接合面積の減少、及び前記樹脂の劣化による接合強度低下が発生ためである。溶融温度は、樹脂部材４１を構成する材料より異なるため、本発明の方法を実施する前に、事前実験をして決定することができる。
【００３６】
溶融用レーザ光１１を照射する際の照射条件は、樹脂を適切な溶融温度にすることができれば特には限定されないが、比較的狭い範囲で樹脂を溶融して溶融状態にすることができる照射条件を適宜設定することが好ましい。したがって、レーザのパワー、パワー密度、加工速度（移動速度）や焦点はずし距離等の照射条件は、目的に応じて適宜設定可能である。例えば、溶融用レーザ光１１のパワー密度は、５Ｗ／ｍｍ２以下が好ましいがこの条件には限定されない。レーザの焦点はずし距離を大きくすると、パワー密度が小さくなるため、それをカバーする大きなパワーのレーザを照射することができ、その結果広い条件範囲で良好な接合部が得られ、制御が容易である。溶融用レーザ光１１の照射は、連続照射であってもよく、パルス照射であってもよいが、被加工物４に対して、レーザ光１１を一方向に走査することにより、あるいは、接合面のＸＹ方向に走査することにより重ね接合を行う。溶融用レーザ光１１を照射する際に、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスからなるシールドガスｇを吹き付けてもよい。これにより、酸化防止といった効果が得られる。
【００３７】
軟化させる温度（以下、軟化温度とも指称）は、溶融温度よりも低い温度であって、樹脂部材４１を構成する樹脂のガラス転移点(Ｔｇ)よりも高い温度である。軟化温度も樹脂部材４１を構成する材料より異なり、事前実験により決定することができる。このような軟化温度は、界面４３での応力緩和を可能にする。
【００３８】
軟化用レーザ光２１を照射する際の照射条件も、レーザ光２１の照射により樹脂を軟化して応力緩和に好適な照射条件を適宜設定することができ、軟化用レーザ光２１の照射条件は、特定の条件には限定されない。軟化用レーザ光２１のパワー密度は、５Ｗ／ｍｍ２以下とすることが好ましいがこの条件には限定されない。また、軟化用レーザ光２１の照射も、連続照射であってもよく、パルス照射であってもよい。また、軟化用レーザ光２１を照射する際にも、加熱したシールドガスを吹き付けてもよい。軟化用レーザ光２１とともに、樹脂部材４１の軟化に寄与し、樹脂部材４１の応力緩和効果が得られるためである。
【００３９】
溶融用レーザ光１１を照射する工程と、軟化用レーザ光２１を照射する工程とは、溶融用レーザ光１１の照射面積が、前記軟化用レーザ光２１の照射面積よりも小さくなるように、各レーザの照射条件を設定する。これによって、所望の場所に高い接合強度を有する接合部を作り出すことができるためである。熱応力は樹脂の結晶融点、すなわち流動可能な温度に依存し、流動可能な温度が高い程、熱応力は大きくなる。また、金属部材４２（他の実施形態においては、セラミクス、ガラス、他の樹脂などの異種部材）と樹脂部材４１の熱膨張係数の差にも依存し、熱膨張係数の差が大きい程、熱応力は大きくなるため、これら樹脂の熱特性に応じて、照射面積を適宜設定することが必要である。軟化用レーザ光２１の照射面積を設定する際には、レーザの焦点はずし距離によって照射面積を設定できる。またレーザ光２１の照射角度を変更し、照射面のビームスポット形状を楕円形に変更することでも照射面積を設定することができる。さらにレーザ光２１の焦点はずし距離と照射角度を両方変更することでも照射面積を設定できる。
【００４０】
溶融用レーザ光１１を照射する工程と軟化用レーザ光２１を照射する工程は、同時に行ってもよい。溶融用レーザ光１１を照射する工程と軟化用レーザ光２１を照射する工程を同時に行うとは、被加工物４上のある部位に、溶融用レーザ光１１と軟化用レーザ光２１を同時に照射することをいう。前述のように、本発明において、溶融用レーザ光１１と軟化用レーザ光２１では照射面積が異なるため、軟化用レーザ光２１のスポット内に、溶融用レーザ光１１のスポットがある場合に、同時であるといえる。
【００４１】
あるいは溶融用レーザ光１１を照射する工程後に、軟化用レーザ光２１を照射する工程を実施してもよい。溶融用レーザ光１１を照射する工程後に、軟化用レーザ光２１を照射する工程を実施するとは、被加工物４上のある部位に溶融用レーザ光１１を照射した後、所定の時間後に同じ部位に軟化用レーザ光２１を照射することをいう。この場合、その時間差は特には限定されない。溶融用レーザ光１１を照射した後、金属部材４２と接触している樹脂部材４１がガラス転移点以上になっている状態で、軟化用レーザ光２１を照射してもよい。あるいは、樹脂部材４１が溶融した後、ガラス転移点以下の温度にまで温度が下降した後において軟化用レーザ光２１を照射してもよい。
【００４２】
なお、図示する実施形態においては、金属部材４２側からレーザ光１１、２１の照射を行っているが、レーザ光１１、２１の照射は、いずれの部材側から行っても強固な接合部を形成することができる。金属側からレーザ照射を行った場合は樹脂のレーザ吸収率に影響を受けず所定の加熱状態とすることが容易なため、より有利な場合がある。すなわち、樹脂部材の色調等に制限はなく、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維や着色材、熱安定剤、光安定剤等を添加した樹脂部材の接合においても、用いることができる。
【００４３】
また、軟化用レーザ光２１として、複数に分岐したレーザ光を用い、レーザの走査線上に並べて照射することで、応力緩和時間を長く設定することもできる。すなわち、金属部材４２上のある一点に着目すると、溶融用レーザ光２１が照射された後、複数の別個の軟化用レーザ光２１が、順に照射される態様となる。
【００４４】
従来、単一の照射位置に単一のレーザ光を用いて接合部の樹脂材料を加熱すると、パワー密度分布を適当に制御できない場合、レーザ照射部に過剰な気泡が発生したり、金属部材と樹脂部材との熱膨張差、及び急冷による応力緩和ができないことにより樹脂部材内の熱応力が発生したりして、高い接合強度を得られない場合があった。これに対し、本発明においては、接合部の樹脂部材の加熱場所と加熱温度を自在に制御して、溶融用レーザ光と軟化用レーザ光の少なくとも二つのレーザ光を使用することができる。これにより、接合に必要な部分の局所的な加熱、溶融と所望範囲の樹脂部材の軟化が可能になり、軟化に伴う応力緩和させることできる。そして、樹脂部材と金属などの異種部材とが、アンカー効果などの機械的な接合力及び／または金属などの酸化物を通した化学的な接合力により接合体を形成することができ、樹脂部材と異種部材との接合強度を向上させることができる。そして、本発明の方法によって金属部材と樹脂部材とが接合された複合体は、樹脂母材破断となり、樹脂母材と同等の強度を有する強固な接合部を有することができる。
【実施例】
【００４５】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。しかし、実施例は本発明の実施形態の一例であって、本発明の方法は下記の実施例に限定されるものではない。
【００４６】
図１に示す構成の装置を用いて、本発明に係る接合を実施する。溶融用レーザ１光源として、波長１０３０〜１１００ｎｍの連続発振ファイバレーザ光を用い、軟化用レーザ２光源として、波長１０３０〜１１００ｎｍの連続発振ファイバレーザ光を用いる。レーザ光１１に関しては、レーザ加工ヘッド１２にレーザ光１１を導入し、被加工物の０．５ｍｍ厚のステンレス鋼ＳＵＳ３１６の上に、被加工物の２ｍｍのＰＡ６（ポリアミド６）薄板を重ねたものに照射する。溶融用レーザ光１１は、パワーが２５Ｗで、レンズ１３の焦点位置に対し、ビームスポット形状が、Φ４．０ｍｍの円形である状態で照射する。一方、軟化用レーザ２に関しては、レーザ加工ヘッド２２にレーザ光２１を導入し、パワーが６０Ｗで、ビームスポット形状が、Φ８．０ｍｍの円形である状態で照射する。試料台３を方向ｄに移動し、レーザ溶接速度７５ｍｍ／ｍｉｎとした。レーザ加工ヘッド１２に取り付けた直径６ｍｍのガスノズル１４から、シールドガスｇの窒素ガスを２０Ｌ／ｍｉｎで吹きかける。
【００４７】
得られた接合体について、試験片の幅１０ｍｍでの引張せん断試験を実施すると、引張せん断強さは８ＭＰａ以上である。比較例として、軟化用レーザを照射しない以外はすべて同じ条件で接合した接合体を作製し、同条件で引張せん断試験を実施すると、引張せん断強さは８ＭＰａであることから、二種類のレーザ光を使用した方が高い接合強度が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明によるレーザ接合方法は、樹脂部材と、金属、セラミクス、ガラス、他の樹脂などの異種部材とを接合する種々の場面に使用することができる。特に、電気・電子機器分野を含む産業分野全般の設計や材料選択の自由度が増え、樹脂部材と異種部材の複合体を製造する上で極めて有用である。
【符号の説明】
【００４９】
１    溶融用レーザ
１１  溶融用レーザ光
１２  レーザヘッド
１３  集光レンズ
１４  ガスノズル
２    軟化用レーザ
２１  軟化用レーザ光
２２  レーザヘッド
２３  集光レンズ
３    試料台
４    被加工物
４１  樹脂部材
４２  金属部材（異種部材）
４３  界面（接触部）
ｄ    接合進行方向
ｇ    シールドガス
【図１】
0006724443.tif 000002