(57)【要約】【課題】耐リーク性にすぐれた樹脂部材を得られるレーザー溶着方法を提供すること。【解決手段】本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、加熱源としてのレーザー光に対して透過性のある透過樹脂よりなる透過樹脂材と、レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂よりなる非透過樹脂材との当接界面を、透過樹脂材側からのレーザー光の照射により加熱溶融させて溶着する樹脂部材のレーザー溶着方法であって、透過樹脂材および非透過樹脂材の当接界面を形成する当接面部の少なくとも一方が加熱されて軟化し、かつ透過樹脂材および非透過樹脂材が圧接した状態でレーザー光が照射されることを特徴とする。本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、溶着不良の発生を抑えられかつ溶着部の耐リーク性にすぐれた樹脂部材をレーザー溶着により製造することができる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱源としてのレーザー光に対して透過性のある透過樹脂よりなる透過樹脂材と、該レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂よりなる非透過樹脂材との当接界面を、該透過樹脂材側からの該レーザー光の照射により加熱溶融させて溶着する樹脂部材のレーザー溶着方法であって、
該透過樹脂材および該非透過樹脂材の該当接界面を形成する当接面部の少なくとも一方が加熱されて軟化し、かつ該透過樹脂材および該非透過樹脂材が圧接した状態で該レーザー光が照射されることを特徴とする樹脂部材のレーザー溶着方法。
【請求項２】
前記当接面部の軟化は、予備加熱レーザー光の照射によりなされた請求項１記載の樹脂部材のレーザー溶着方法。
【請求項３】
前記予備加熱レーザー光は、前記透過樹脂材と前記非透過樹脂材との当接界面に該透過樹脂材側から照射される請求項２記載の樹脂部材のレーザー溶着方法。
【請求項４】
前記当接面部の軟化は、該当接面部に加熱部材を当接してなされた請求項１記載の樹脂部材のレーザー溶着方法。
【請求項５】
前記当接面部の軟化は、該当接面部に温風を吹き付けてなされた請求項１記載の樹脂部材のレーザー溶着方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂部材のレーザー溶着方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、軽量化及び低コスト化等の観点より、自動車部品等、各種分野の部品を樹脂化して樹脂成形品とすることが頻繁に行われている。そして、樹脂成形品は、高生産性化等の観点から、樹脂成形品を予め複数の樹脂材に分割して成形し、これらの樹脂材を互いに接合して製造する手段が採られることが多くなっている。
【０００３】
そして、樹脂材同士を接合する接合方法には、レーザー溶着方法が利用されている。レーザー溶着は、レーザー光に対して透過性のある透過樹脂材と、レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂材とを重ね合わせた後、透過樹脂材側からレーザー光を照射することにより、透過樹脂材と非透過樹脂材との当接面同士を加熱溶融させて両者を一体的に接合する方法である。
【０００４】
このレーザ溶着方法は、透過樹脂材内を透過したレーザー光が非透過樹脂材の当接面に到達して吸収され、当接面に吸収されたレーザー光がエネルギーとして蓄積される。そして、非透過樹脂材の当接面が加熱溶融されるとともに、この非透過樹脂材の当接面からの熱伝達により透過樹脂材の当接面が加熱溶融される。この状態で、透過樹脂材及び非透過樹脂材の当接面同士を圧着させることで、両者が一体的に接合される。
【０００５】
ところで、上記したようなレーザー溶着においては、透過樹脂材および非透過樹脂材の当接面同士を確実に溶着させて十分な接合強度を得るためには、透過樹脂材および非透過樹脂材の当接面同士の隙間を極力小さくまたは無しにする必要がある。当接面に隙間があると、非透過樹脂材の当接面における発熱が透過樹脂材の当接面に熱伝達されにくくなる。そして、透過樹脂材の当接面における加熱溶融が不十分となって、非透過樹脂材と透過樹脂材との当接面同士が十分に溶着しなくなる。
【０００６】
さらに、非透過樹脂材と透過樹脂材との当接面に隙間が存在すると、レーザー溶着により溶着が行われても、充分な溶着強度が得られないという問題がある。詳しくは、非透過樹脂材と透過樹脂材との当接面に隙間が存在した状態でレーザー溶着が行われると、非透過樹脂材が溶融したときの溶融膨張により隙間が埋められて溶着される。すなわち、非透過樹脂材の見かけ密度が低下している。このため、溶着強度が低下する。そして、当接面における隙間量が増加するにしたがって、溶着強度が低下するようになる。この当接面の隙間量と溶着強度の関係を図３に示した。
【０００７】
さらに、非透過樹脂材と透過樹脂材との当接面に隙間が存在すると、溶接後の樹脂部材のシール性が低下するという問題もあった。具体的には、両樹脂材の当接面にすき間が存在した状態でレーザー溶着を行うと、樹脂部材の溶着部にすき間が残る。すなわち、溶着部を気体や液体などの流体が通過可能となり、樹脂部材の気密性、液密性が十分に確保できなかった。
【０００８】
両樹脂材の当接面の隙間は、樹脂材の形状が複雑になったり、樹脂材の大きさが大きくなったりしたときに生じやすくなっていた。樹脂材の形状が複雑になると、当接面が複雑な形状となり溶着時に圧接しにくくなる。また、樹脂材の大きさが大きくなると、樹脂部材の表面にそりやうねりあるいはねじれが生じるようになり、当接面にずれが生じるようになり、このずれにより隙間が生じるようになる。
【０００９】
このレーザー溶着方法を用いた溶着方法としては、たとえば、特許文献１，２に示されている。
【００１０】
特許文献１には、「共に熱可塑性を有し、一方のみがレーザ光を透過する透過性を有する第１、第２の樹脂材を密着せしめ、または少なくとも一方が透過性を有する第１、第２の部材をレーザ光を吸収して加熱されることで接着作用を有する接着材を介して密着せしめ、前記透過性を有する樹脂材又は前記透過性を有する部材を介してレーザ光を照射し、第１、第２の樹脂材又は前記第１、第２の部材を接着するようにしたレーザによる部材の接着方法。」が開示されている。
【００１１】
特許文献１に記載の溶着方法には、溶着される二つの樹脂材の当接面の間に接着材を配した溶着方法が開示されているが、当接面のすき間が大きくなると、接着材の熱が照射された側の樹脂材（透過樹脂材）にしか伝達されず、十分な溶着性能が得られないという問題があった。
【００１２】
特許文献２には、「熱可塑性合成樹脂からなるものであって所定のレーザ光を透過する物体からなるもの（以下透明部材という）の、その端部のところに、熱可塑性合成樹脂からなるものであって所定のレーザ光を吸収する物体からなるもの（以下不透明部材という）を接触させ、しかる後に、上記透明部材側から所定のレーザ光を、上記透明部材と不透明部材とが接するところに、その焦点が合致するように照射し、更に、このようなレーザ光の照射の後、上記両熱可塑性合成樹脂製部材の接触部周りが柔軟性を帯びるようになった状態において、これら両者の間を所定の手段にて圧着するようにした工程からなることを特徴とする熱可塑性合成樹脂製部材のレーザ光による溶着方法。」が開示されている。
【００１３】
特許文献２に記載の溶着方法には、二つの樹脂材の当接面を溶融させてローラーにより圧着させた溶着方法が開示されているが、高い溶着性を確保するためには加圧のためのリブを形成する必要があり、樹脂材の形状が複雑な形状となると、ローラーによる加圧が困難となるという問題があった。さらに、ガラス等の材質を立ち壁部に溶着するような場合においては、両者の加圧が十分に行うことができないという問題があった。
【００１４】
【特許文献１】
特公平５−４２３３６号公報
【特許文献２】
特開平１１−１７０３７１号公報
【００１５】
【発明を解決しようとする課題】
本発明は上記実状に考えてなされたものであり、耐リーク性にすぐれた樹脂部材を得られるレーザー溶着方法を提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明者らはあらかじめ樹脂材の当接面を加熱して軟化させた状態でレーザー溶着することで上記課題を解決できることを見いだした。
【００１７】
すなわち、本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、加熱源としてのレーザー光に対して透過性のある透過樹脂よりなる透過樹脂材と、レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂よりなる非透過樹脂材との当接界面を、透過樹脂材側からのレーザー光の照射により加熱溶融させて溶着する樹脂部材のレーザー溶着方法であって、透過樹脂材および非透過樹脂材の当接界面を形成する当接面部の少なくとも一方が加熱されて軟化し、かつ透過樹脂材および非透過樹脂材が圧接した状態でレーザー光が照射されることを特徴とする。
【００１８】
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、当接面部をあらかじめ軟化させた状態でレーザー溶着を行うため、透過樹脂材と非透過樹脂材の当接界面のすき間を消失させた状態でレーザー光の照射を行うことができる。すなわち、溶着された樹脂部材の透過樹脂材と非透過樹脂材の当接界面にすき間が残留しなくなっている。この結果、本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、溶着不良の発生を抑えられかつ溶着部の耐リーク性にすぐれた樹脂部材をレーザー溶着により製造することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、加熱源としてのレーザー光に対して透過性のある透過樹脂よりなる透過樹脂材と、レーザー光に対して透過性のない非透過樹脂よりなる非透過樹脂材との当接界面を、透過樹脂材側からのレーザー光の照射により加熱溶融させて溶着する樹脂部材のレーザー溶着方法である。
【００２０】
レーザー溶着は、レーザー光をエネルギー源として透過樹脂材と非透過樹脂材の界面に照射し、両者の当接界面を加熱溶融させた後に凝固させて溶着する。
【００２１】
具体的には、まず、透過樹脂材内を透過したレーザー光が非透過樹脂材の当接面に到達し、当接面から非透過樹脂材に吸収される。当接面から吸収されたレーザー光がエネルギーとして蓄積される。そして、蓄積されたエネルギーが非透過樹脂材の当接面を加熱溶融するとともに、熱伝達により当接した透過樹脂材の当接面を加熱溶融する。加熱溶融した両樹脂材の溶融液が混合して絡み合った界面を形成する。この状態で溶融液が凝固し、両樹脂材を構成する両樹脂が溶融して互いに入り込み絡まった溶着部が形成される。このことから、レーザー溶着は、強固な接合状態を構成して高い接合強度及び耐圧強度を有する樹脂部材を得ることができる。
【００２２】
本発明のレーザー溶着方法は、透過樹脂材および非透過樹脂材の当接界面を形成する当接面部の少なくとも一方が加熱されて軟化し、かつ透過樹脂材および非透過樹脂材が圧接した状態でレーザー光が照射される。透過樹脂材および非透過樹脂材の少なくとも一方の当接面部が軟化して両樹脂材が圧接されることで、両樹脂材の当接界面におけるすき間が消失する。そして、このすき間が消失した当接界面にレーザー光の照射が行われることで、両樹脂材が加熱溶融して凝固することで、両樹脂材が溶着される。
【００２３】
本発明のレーザー溶着方法において、透過樹脂材および非透過樹脂材の当接面部の軟化は、少なくとも一方の当接面部においてなされていればよく、両樹脂材の当接面部がともに軟化していることが好ましい。
【００２４】
本発明のレーザー溶着方法において、透過樹脂材および非透過樹脂材の当接面部の軟化は、両樹脂材が圧接されたときに両樹脂材の当接界面のすき間を塑性変形により埋めることができる程度に軟化していればよい。
【００２５】
本発明のレーザー溶着方法において、透過樹脂材および非透過樹脂材の当接面部を軟化させる方法は、特に限定されない。
【００２６】
当接面部の軟化は、予備加熱レーザー光の照射によりなされたことが好ましい。予備加熱レーザー光を照射することで、少なくとも非透過樹脂材の当接面部を軟化させることができる。
【００２７】
予備加熱レーザーは、透過樹脂材と非透過樹脂材とが圧接した状態で照射されることが好ましい。すなわち、透過樹脂材と非透過樹脂材とが溶着される状態で圧接された状態で予備加熱レーザー光が照射されることで、予備加熱レーザー光により軟化させた後に、レーザー溶着を行うことが可能となり、非透過樹脂材に蓄積した熱エネルギーをレーザー溶着に利用できる。さらに、当接面部が軟化した樹脂材の移動がなく、樹脂材の当接面部の変形が生じにくくなり、寸法精度の低下が抑えられる。
【００２８】
なお、予備加熱レーザー光は、照射された樹脂材を軟化できるレーザー光であれば限定されない。すなわち、レーザー溶着時に照射されるレーザー光を発生させるレーザー発生源から発生したレーザー光でも、異なるレーザー発生源から発生したレーザー光でも、どちらでもよい。ここで、予備加熱レーザーとレーザー溶着時に照射されるレーザー光が同一のレーザー発生源から発せられたレーザー光である場合には、レーザー光の出力や照射時間を変化させて、予備加熱レーザー光の照射時に溶着が生じないようにする。
【００２９】
当接面部の軟化は、当接面部に加熱部材に当接してなされたことが好ましい。加熱部材を当接面部に当接させることで、加熱部材からの熱が当接面部に伝導し、当接面部が熱により軟化する。加熱部材による加熱は、当接面からの距離と樹脂材の温度がほぼ比例することから、当接面部の形状が複雑化したときに、加熱ムラの発生を抑えることができる。
【００３０】
加熱部材は当接面部に当接したときに当接面部に熱を伝導できる部材であれば特に限定されない。たとえば、加熱された部材等をあげることができる。
【００３１】
当接面部の軟化は、当接面部に温風を吹き付けてなされたことが好ましい。温風を吹き付けることで、安価にかつ簡単に当接面部を軟化させることができる。
【００３２】
当接面部の軟化は、透過樹脂材および／または非透過樹脂材の当接面部が導電体が分散してなり、電磁誘導により加熱されたことが好ましい。
【００３３】
本発明の溶着方法において、非透過樹脂材に用いる樹脂の種類としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光を透過させずに吸収しうるものであれば特に限定されない。たとえば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン、ＡＢＳ、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＰＰＳ等に、カーボンブラック、染料や顔料等の所定の着色材を混入したものをあげることができる。なお、必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維を添加したものを用いてもよい。
【００３４】
透過樹脂材に用いる樹脂の種類としては、熱可塑性を有し、加熱源としてのレーザ光を透過させうるものであれば特に限定されない。たとえば、ナイロン６（ＰＡ６）やナイロン６６（ＰＡ６６）等のポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスチレン、ＡＢＳ、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等を挙げることができる。なお、必要に応じて、ガラス繊維、カーボン繊維等の補強繊維や着色材を添加したものを用いてもよい。
【００３５】
また、透過樹脂材、非透過樹脂材および弾性材に用いる樹脂の組合せについては、互いに相溶性のあるもの同士の組合せであることが好ましい。このような組合せとしては、ナイロン６同士やナイロン６６同士等、同種の樹脂同士の組合せの他、ナイロン６とナイロン６６との組合せ、ＰＥＴとＰＣとの組合せやＰＣとＰＢＴとの組合せ等を挙げることができる。
【００３６】
本発明の溶着方法において当接界面に照射されるレーザー光の種類としては、レーザー光を透過させる透過樹脂材の吸収スペクトルや板厚（透過長）等との関係から適宜選定して用いることができる。例えば、ガラス：ネオジム3+レーザー、ＹＡＧ：ネオジム3+レーザー、ルビーレーザー、ヘリウム−ネオンレーザー、クリプトンレーザー、アルゴンレーザー、Ｈ2レーザー、Ｎ2レーザー、半導体レーザー等のレーザー光をあげることができる。より好ましいレーザーとしては、ＹＡＧ：ネオジム3+レーザー（レーザー光の波長：１０６０ｎｍ）や半導体レーザー（レーザー光の波長：５００〜１０００ｎｍ）をあげることができる。
【００３７】
また、レーザー光の出力は、５０〜９００Ｗであることが好ましい。レーザー光の出力が５０Ｗ未満では、出力が低く樹脂材の当接面を互いに溶融させることが困難となり、９００Ｗを超えると、出力が過剰となり樹脂材が蒸発したり、変質するという問題が生じるようになる。
【００３８】
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、当接面部をあらかじめ軟化させた状態でレーザー溶着を行うため、透過樹脂材と非透過樹脂材の当接界面のすき間を消失させた状態でレーザー光の照射を行うことができる。すなわち、溶着された樹脂部材の透過樹脂材と非透過樹脂材の当接界面にすき間が残留しなくなっている。この結果、本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、溶着不良の発生を抑えられかつ溶着部の耐リーク性にすぐれた樹脂部材をレーザー溶着により製造することができる。
【００３９】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【００４０】
本発明の実施例として、透過性樹脂材と非透過性樹脂材のレーザー溶着を行った。
【００４１】
（実施例１）
本実施例は、透過性樹脂よりなる試験片と、非透過性樹脂よりなり弾性材が一体に形成された試験片と、を成形し、両試験片をレーザー溶着により溶着した。本実施例の様子を図１に示した。
【００４２】
まず、非透過性樹脂よりなる試験片１を成形した。非透過性樹脂よりなる試験片１は、ナイロン６ガラス強化材にカーボンブラックおよび着色材を混入してなる。非透過樹脂材１は、カーボンブラックおよび着色材を混入させたことで、レーザー光に対して吸収性を持つようになっている。
【００４３】
つづいて、透過性樹脂よりなる試験片２を成形した。透過性樹脂よりなる試験片１は、ナイロン６ガラス強化材よりなる。
【００４４】
その後、両試験片１、２を圧接させた。両試験片１、２が圧接した状態で、両試験片１、２の当接界面にレーザーヘッドから発せられた予備加熱レーザー光３を当接界面に沿って走査するように照射した。照射された予備加熱レーザー光３は、試験片２を透過して試験片１の表面に到達し、吸収された。そして、試験片１に吸収された予備加熱レーザー光はエネルギーとして蓄積される。この結果、試験片１の当接面部が加熱されて軟化した。
【００４５】
両試験片１、２は圧接しているため、両試験片１、２の当接界面にすき間が存在していると、試験片１の軟化した当接面部が塑性変形を生じてこのすき間が試験片１により埋められる。
【００４６】
両試験片１、２の間のすき間が埋められた状態で、両試験片１、２の当接界面にレーザーヘッドから発せられたレーザー光４を当接界面に沿って走査するように照射した。照射されたレーザー光４は、試験片２を透過して試験片１の表面に到達し、吸収された。そして、試験片１に吸収されたレーザー光はエネルギーとして蓄積される。この結果、試験片１の当接面部が加熱溶融されるとともに、この試験片１の当接面からの熱伝達により試験片２の当接面が加熱溶融される。そして、両試験片１、２が圧接されていることから、試験片１、２が一体的に接合した。
【００４７】
本実施例のレーザー溶着に用いられたレーザー光は、波長が９４０ｎｍの半導体レーザーであり、出力は５０〜９００Ｗ、加工速度は０．５〜５ｍ／ｍｉｎとした。予備加熱レーザー光は、前述のレーザー光より低い出力で照射された。なお、レーザー溶着のレーザー光と予備加熱レーザー光はともに半導体レーザーから発せられた光線であるが、本実施例において両レーザー光は、異なるレーザーヘッドから発せられた。
【００４８】
本実施例のレーザー溶着は、両試験片１、２の間のすき間が埋められた状態で行われていることから、両試験片１、２の溶着部にすき間がなくなっている。すなわち、溶着部のすき間により生じるリークの発生が生じなくなっている。また、両試験片１、２は、十分な溶着強度で溶着できた。
【００４９】
以上に示したように、本実施例は、両試験片１、２の溶着部における溶着不良およびリークが生じなくなっている。
【００５０】
（実施例２）
まず、実施例１と同様の試験片１、２を成形した。
【００５１】
成形された両試験片１、２の当接面を熱板５に当接させた。この熱板５と両試験片１、２の当接により、両試験片１、２の当接面部が軟化した。
【００５２】
その後、ただちに両試験片１、２を圧接して、両試験片１、２の当接面部同士を密着させた。この当接面部同士の密着により、両試験片１、２の間のすき間が埋められた。詳しくは、当接面が凹凸を有していても、軟化した状態で密着することで、当接面部を形成する樹脂が塑性変形を生じ、凹凸が消失したためである。
【００５３】
両試験片１、２の間のすき間が埋められた状態で、両試験片１、２の当接界面にレーザーヘッドから発せられたレーザー光４を当接界面に沿って走査するように照射した。照射されたレーザー光４は、試験片２を透過して試験片１の表面に到達し、吸収された。そして、試験片１に吸収されたレーザー光はエネルギーとして蓄積される。この結果、試験片１の当接面部が加熱溶融されるとともに、この試験片１の当接面からの熱伝達により試験片２の当接面が加熱溶融される。そして、両試験片１、２が圧接されていることから、試験片１、２が一体的に接合した。
【００５４】
なお、本実施例において当接界面に照射されたレーザー光は、実施例１と同様なレーザー光である。
【００５５】
本実施例のレーザー溶着は、両試験片１、２の間のすき間が埋められた状態で行われていることから、両試験片１、２の溶着部にすき間がなくなっている。すなわち、溶着部のすき間により生じるリークの発生が生じなくなっている。また、両試験片１、２は、十分な溶着強度で溶着できた。
【００５６】
以上に示したように、本実施例は、両試験片１、２の溶着部における溶着不良およびリークが生じなくなっている。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、当接面部をあらかじめ軟化させた状態でレーザー溶着を行うため、透過樹脂材と非透過樹脂材の当接界面のすき間を消失させた状態でレーザー光の照射を行うことができる。すなわち、溶着された樹脂部材の透過樹脂材と非透過樹脂材の当接界面にすき間が残留しなくなっている。この結果、本発明の樹脂部材のレーザー溶着方法は、溶着不良の発生を抑えられかつ溶着部の耐リーク性にすぐれた樹脂部材をレーザー溶着により製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のレーザー溶着を示した図である。
【図２】実施例２のレーザー溶着を示した図である。
【図３】樹脂部材の当接面の隙間量と溶着強度の関係を示した図である。
【符号の説明】
１…非透過性樹脂材よりなる試験片
２…透過性樹脂材よりなる試験片
３…予備加熱レーザー光
４…レーザー光
５…熱板
【図１】
2004188802.tif 000002
【図２】
2004188802.tif 000003
【図３】
2004188802.tif 000004