(57)【要約】【課題】  エアの巻き込み等による溶着部の欠陥がなく、高い気密性と接合強度を確保でき、信頼性のある樹脂製品を得ることができる樹脂材のレーザ溶着方法を提供する。【解決手段】  レーザ光Ｌａに対して吸収性のある第１の樹脂材２１と、レーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材２２とを重ね合わせ又は突き合わせて、その接合部に第２の樹脂材を透過してレーザ光を照射して接合部を溶融して両樹脂材を溶着するに際して、この接合部での溶着線Ｌｉ上におけるレーザ光の走査を２回以上行う。同じ溶着線Ｌｉの周上で繰り返してもよいし、異なる周上を走査するようにしてもよい。また、吸収性樹脂材同志の重ね合わせ溶着及び突き合わせ溶着にも適用できる。【選択図】      図３
2005246692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂材と、レーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材とを重ね合わせ又は突き合わせて、レーザ光を前記第２の樹脂材を通して接合部に照射し、前記接合部を溶融して両樹脂材を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法において、
前記第１の樹脂材と前記第２の樹脂材との接合部での溶着線上におけるレーザ光の走査を、少なくとも２回以上行うことを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。
【請求項２】
レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂材同志を突き合わせ又は重ね合わせて、その接合部にレーザ光を照射し、前記接合部を溶融して両樹脂材を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法において、
前記第１の樹脂材同志を突き合わせた接合部での溶着線上におけるレーザ光の走査を、少なくとも２回以上行うことを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。
【請求項３】
前記レーザ光による溶着を不活性ガス等の雰囲気中で行うことを特徴とする請求項２に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
【請求項４】
前記レーザ光の走査を、両樹脂材の接合部の隙間が大きい部位では走査回数を多くし、前記隙間が小さい部位では走査回数を少なくすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
【請求項５】
前記レーザ光の走査が行われる溶着線は、同じ場所で繰り返されるか、又は前に溶着が行われた場所から隣接した場所に移して繰り返されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかいずれか一項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
【請求項６】
前記レーザ光の溶着出力が、一定か又は徐々に増加させるか減少させるかの波形で行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
【請求項７】
前記樹脂材同志の密着性を高めるために、両樹脂材が治具等により加圧されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
【請求項８】
溶着部の温度をモニタリングして、過加熱にならないようにレーザ光の溶着出力を制御することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光に対して透過性のある樹脂材と吸収性のある樹脂材、又は吸収性のある樹脂材同志を、レーザ光を照射することによって両者を溶着する樹脂材のレーザ溶着方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザ光に対して透過性のある樹脂材と吸収性のある樹脂材とを重ね合わせて、透過性樹脂材越しにレーザ光を照射することで、吸収性樹脂材を発熱させ、その熱により透過性樹脂材を溶融することで両者を溶着するレーザ光による重ね合わせ溶着と、吸収性のある樹脂材同志を突き合わせ、この突き合わせ部分にレーザ光を照射することで、吸収性樹脂材を発熱させると共に溶融し、両者を溶着するレーザ光による突き合わせ溶着が知られている。
【０００３】
このようなレーザ光による樹脂の溶着技術は、レーザの低価格化とともに、製品の小型化、コストダウン及び高信頼性のニーズへの貢献が期待されている。これらの従来技術は、レーザの走査方法として全周レーザ走査、或いは加工テーブル走査を行い、更に１周後に溶着開始点をオーバーラップさせることでシール性を確保しているのが一般的である。
【０００４】
また、特許文献１に示すように、レーザ光透過性樹脂材とレーザ光吸収性樹脂材とを重ね合わせて、その接合部にレーザ光を２方向又はそれ以外の多方向から集光されるように照射するレーザ溶着方法が知られている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３３１５８８号公報
【０００６】
ところが、上記した従来技術は、いずれも１度に溶着を完了させる技術である。そのため、成形によってそりが発生し易く、溶着隙間が生じ易い樹脂製品においては、高い溶融状態、溶融量を確保する必要があるため、エアの巻き込み、ガス成分のボイド化等の可能性が非常に高く、溶着部に欠陥が生じ気密不良が生じる等の問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的は、エアの巻き込み等による溶着部の欠陥がなく、高い気密性と接合強度を確保でき、信頼性のある樹脂製品を得ることのできる樹脂材のレーザ溶着方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法を提供する。
請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂材と、レーザ光に対して透過性のある第２の樹脂材とを重ね合わせ又は突き合わせて、その接合部に第２の樹脂材を通してレーザ光を照射して接合部を溶融して両樹脂材を溶着するに際して、この接合部での溶着線上におけるレーザ光の走査を少なくとも２回以上行うようにしたものである。このように、レーザ光の走査を２回以上行うことにより、少ない溶着出力で溶着を行い、これを繰り返すことで溶着幅を大きくすることができるので、エアを巻き込んだり、過加熱によりガス成分がでたり、溶着による引けが発生したりすることを防止することが可能となる。
【０００９】
請求項２に記載の樹脂材のレーザ溶着方法は、レーザ光に対して吸収性のある第１の樹脂材同志を突き合わせ又は重ね合わせて、その接合部にレーザ光を照射することで接合部を溶融して両樹脂材を溶着するに際して、この接合部での溶着線上におけるレーザ光の走査を少なくとも２回以上行うようにしたものである。吸収性樹脂材に直接レーザ光を照射する突き合わせ溶着の場合は、空気中の酸素との結合や溶融が活発になるという問題はあるが、このようにレーザ光の走査を２回以上行うことにより、１回当たりのレーザ光の溶着出力を小さく抑えることができ、吸収性樹脂材同志の突き合わせ溶着も可能となる。
請求項３の該レーザ溶着方法は、不活性ガス等の雰囲気中でレーザ光による溶着を行うようにしたものであり、これにより、空気中の酸素との結合が防止でき、欠陥のない突き合わせ溶着が可能となる。
【００１０】
請求項４の該レーザ溶着方法は、レーザ光の走査を両樹脂材の接合部の隙間が大きい部位では走査回数を多くし、隙間が小さい部位では走査回数を少なくするようにしたものであり、これにより、溶着エネルギをエアを巻き込んだり、過加熱によりガス成分がでたり、引けが発生しないように、最低限の溶着出力に抑えることが可能となる。
請求項５の該レーザ溶着方法は、レーザ光の走査を同じ場所で繰り返すか、又は前に走査が行われた場所から隣接した場所に移して繰り返されるようにしたものであり、これにより、低溶着出力で溶着幅を大きくすることができ、溶着欠陥がなく、かつ接合強度を十分に確保することができる。
【００１１】
請求項６の該レーザ溶着方法は、レーザ光の溶着出力を一定で行うか、又は徐々に増加させるか減少させるかの波形で行うものであり、これにより、例えば最初は溶着を最低限に抑え、次第にレーザ出力を増加させることで溶着幅を効率良く拡大できると共に、ボイド等の欠陥の発生を防止することができる。
請求項７の該レーザ溶着方法は、樹脂材同志の密着性を高めるために、両樹脂材を治具等で加圧するようにしたものであり、これにより、低い溶着出力で効率良く、両樹脂材を溶着することができる。
【００１２】
請求項８の該レーザ溶着方法は、溶着部の温度をモニタリングして、過加熱にならないようにレーザ光の溶着出力を制御するようにしたものであり、これにより、高い溶融状態、溶融量によるエアの巻き込み、ガス成分のボイド化等の欠陥発生原因を除去することができ、欠陥のない溶着が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に従って本発明の実施の形態の樹脂材のレーザ溶着方法について説明する。図１は、レーザ溶着設備の概略の構成を示す全体構成図であり、図２は、レーザ溶着機の側面図である。レーザ溶着設備は、レーザ光Ｌａをワーク２に対して照射するレーザ溶着機１と、ワーク２をセットする治具３と、治具３を保持するＸＹテーブル４等から構成されている。またレーザ溶着機１は、レーザ発生装置１１、光ファイバ１２及びレーザ光Ｌａの出射光学系である光学ヘッド１３等よりなる。この光学ヘッド１３は、図２に示すようにロボット１４によって把持されており、レーザ光Ｌａの照射角度及び照射位置とがロボット１４を操作することによって変えられるようになっている。また、ワーク２がセットされる治具３はＸＹテーブル４に保持されており、ＸＹテーブル４をＸ軸方向又はＹ軸方向に移動することにより、ワーク２自体がＸ及びＹ軸方向に移動できるようになっている。したがって、レーザ光Ｌａの走査は、光学ヘッド１３の移動によって行ってもよいし、または、ワーク２側の移動によって行ってもよい。なお、ＸＹテーブル４は、加工室６内は配設されている。
【００１４】
ワーク２がセットされる治具３は、下治具３１及び押え治具３２及び押えボルト３３等からなっており、ワーク２は下治具３１及び押え治具３２間に加圧挟持される形でセットされる。ワーク２を挟持する加圧力は、押えボルト３３によって調整可能である。なお、押え治具３２には、照射されるレーザ光Ｌａを通すための開口が形成されている。
【００１５】
ワーク２は、重ね合わせ溶着の場合は、レーザ光Ｌａを吸収する第１の樹脂材２１とレーザ光Ｌａを透過する第２の樹脂材２２とからなり、レーザ溶着を行うにあたっては、これらの第１の樹脂材２１と第２の樹脂材２２とが、レーザ光Ｌａを照射する側に第２の樹脂材がくるように治具３によって重ね合わされてセットされ、両樹脂材の接合部である溶着線Ｌｉに沿ってレーザ溶着される。
突き合わせ溶着の場合は、ワーク２は、レーザ光Ｌａを吸収する２つの第１の樹脂材２１からなり、治具３もこれに対応するように変えられる。
【００１６】
レーザ光Ｌａを吸収する第１の樹脂材２１の種類としては、熱可塑性を有し、レーザ光Ｌａを透過せずに吸収し得るものであれば特に限定されない。例えば、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＥ）等の樹脂材に、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使用することができる。
レーザ光Ｌａを透過する第２の樹脂材２２の種類としては、熱可塑性を有し、レーザ光Ｌａに対して所定以上の透過率を有するものであれば特に限定されない。基本的に上記に例示した樹脂材が使用可能である。また透過性を確保できれば、着色材を混入してもよい。
なお、第１及び第２の樹脂材２１，２２には、必要に応じてガラス繊維やカーボン繊維などの補強繊維を添加してもよい。
【００１７】
また、レーザ光Ｌａに対して吸収性のある第１の樹脂材２１とレーザ光Ｌａに対して透過性のある第２の樹脂材２２の組み合わせについては、互いに相溶性のあるもの同志の組み合わせが好適である。このような組み合わせとして、同種の樹脂同志の組み合わせの他、異種の樹脂の組み合わせも可能である。
【００１８】
加熱源として用いるレーザ光Ｌａの種類としては、レーザ光Ｌａを透過させる透過性樹脂の吸収スペクトルや板厚（透過長）等の関係で、透過性樹脂内での透過率が所定値以上となるような波長を有するものが適宜選択される。例えば、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ガラス−ネオジウムレーザ、ルビーレーザ、ヘリウム−ネオンレーザ、クリプトンレーザ、アルゴンレーザ、水素レーザ、窒素レーザ等を用いることができる。
【００１９】
図３は、本発明のレーザ溶着方法の第１実施例を示している。図３（ａ）に示されるように、本実施例は、レーザ光Ｌａに対して吸収性のある第１の樹脂材２１とレーザ光Ｌａに対して透過性のある第２の樹脂材２２とを重ね合わせて、その接合部である溶着線Ｌｉに沿ってレーザ光Ｌａを照射するものである。本実施例の特徴は、レーザ光Ｌａの走査を少なくとも２回以上繰り返し行うことにある。図３（ｂ）では、接合部に隙間がある部分のみ、レーザ光Ｌａの走査が繰り返し行われており、図３（ｃ）では、接合部である溶着線Ｌｉの全周に渡ってレーザ光Ｌａの走査が繰り返し行われている。図３（ｂ）、（ｃ）において、太い線の矢印が走査が繰り返し行われたことを示している。図３に示される第１実施例では、レーザ光Ｌａの走査が同じ場所で繰り返されている。
【００２０】
これに対して、図４（ａ）、（ｂ）は第１実施例の変形例を示している。この変形例では、レーザ光Ｌａの走査が同じ場所で繰り返されるのではなく、前の走査が行われた場所と隣接する場所で次の走査を行っている。図４（ａ）、（ｂ）には、３本の溶着線Ｌｉが示されているように、３回の走査が行われたことを示しており、図４（ａ）は、円形状に、図４（ｂ）は矩形状にそれぞれ溶着が行われている。なお、図には示されていないが、レーザ光Ｌａの走査をスパイラル状に行うことも可能である。
【００２１】
このようにレーザＬａの走査を繰り返し行うことにより、例えば、接合部の隙間が大きい部分においては繰り返し走査し、隙間の小さい部分については１回以上の走査で溶着を行うという方法も可能となる。
また、走査が繰り返されることから、１回当りの走査における溶着出力を小さく抑えることができ、エアを巻き込んだり、過加熱によりガス成分がでたり、溶着部に引けが発生しないようにすることが可能となる。繰り返しの走査により加圧するため最初に溶融、軟化した領域を更に沈み込ませることが可能となり、その結果、隙間を小さくすることができる。
また、小さい溶着出力で溶着を行うため、溶着面積は小さくなるが、繰り返しレーザ光Ｌａの照射を行うことによって溶着幅を大きくすることができる。
更に、繰り返しの溶着を同一周上（同じ場所）ではなく、スパイラル状や異なる円周上、或いは角周上（隣接する場所）にすることで、欠陥のない溶着が可能で、かつ接合強度を十分に確保することができる。
【００２２】
図５は、本発明のレーザ溶着方法の第２実施例を示している。先の第１実施例では、レーザ光Ｌａの走査は基本的に同じ溶着出力で繰り返し行われるが、本第２実施例では、図５のグラフに示されるようにレーザ光Ｌａの走査毎に溶着出力を変えている。即ち、１回目の走査では、その出力を小さく抑え、２回目の走査では、出力をアップし、３回目の走査では、更に出力をアップするように、段階的に出力を上げるレーザ出力の波形制御を行っている。図５において、線の太さを変えた矢印の円は、それぞれレーザ出力（溶着出力）が変えられて走査が行われていることを示している。
【００２３】
このように、最初の溶着を最低限に抑え、次第に溶着出力（レーザ出力）を増加させることで、溶着幅を効率よく拡大させることができ、かつボイド等の欠陥の発生を防ぐことができる。例えば、エアの巻き込みについては、この方法を採用することによって、エアを巻き込ませずに両サイドに逃がすことが可能となる。
【００２４】
図６は、本発明のレーザ溶着方法の第３実施例を示している。上述した実施例では、基本的に吸収性樹脂材２１と透過性樹脂材２２との重ね合わせ溶着を例として説明しているが、本発明のレーザ溶着方法は、小さい溶着出力で行うことができるので、図６に示すようにレーザ光Ｌａに対して吸収性のある第１の樹脂材２１同志を突き合わせて、その接合部を溶着することも可能である。この吸収性のある第１の樹脂材２１同志の溶着では、レーザ光Ｌａが直接樹脂材に照射されるので、溶着中のエアの巻き込みを防止するため、不活性ガス等のアシストガスを溶着部に吹き付けるアシストガス吹出手段７が設けられている。また、吸収性樹脂材２１にレーザ光Ｌａをダイレクトに照射するため、樹脂材の溶融が活発になるのを防止するために、溶着部の温度を監視するモニタリング装置８を設けて、これによってレーザ出力を制御して、溶着部が過熱されないようにする。この第３実施例でも、レーザ光Ｌａの走査は２回以上繰り返される。
なお、このモニタリング装置８は、吸収性樹脂材２１と透過性樹脂材２２の重ね合わせ溶着の場合にも当然使用可能である。
【００２５】
図７は、本発明のレーザ溶着方法の第４実施例を示している。本実施例では、レーザ光Ｌａに対して吸収性のある第１の樹脂材２１同志を重ね合わせて、その接合部を２回繰り返してレーザ光Ｌａの走査を行うことによって、両者を溶着させている。この場合においても、アシストガス吹出手段７が設けられ、アシストガスにより溶着部を保護していると共に、モニタリング装置８を設けて溶着部の過熱を防止している。図７（ａ）は、第１回目のレーザ光Ｌａの走査を行った場合（パス１）の溶着状態を示しており、図７（ｂ）は、第２回目のレーザ光Ｌａの走査を行った場合（パス２）の溶着状態を示している。本実施例では、図７（ｃ）に示すように、パス１の場合は、レーザ出力を高くし、パス２の場合は、パス１の場合よりも低いレーザ出力で溶着を行う。このように、レーザ出力を最初に高くしておき、次第にレーザ出力を下げるようにしてもよい。
【００２６】
図８は、図６に示された本発明の第３実施例の変形例である。この実施例では、吸収性のある第１の樹脂材２１同志がＶ字状に突き合わされており、図８（ａ）、（ｂ）に示されるように２回繰り返してレーザ光Ｌａの走査を行っている。この場合、図８において太い矢印で示されるように、治具等（図示されていない）によって樹脂材の左右から圧力を加えて、溶着中に溶着部が離れないようにすると共に、両樹脂材間の隙間を小さくしてやる必要がある。
【００２７】
図９は、本発明のレーザ溶着方法の第５実施例を示している。本実施例では、透過性のある第２の樹脂材２２を介して吸収性のある第１の樹脂材２１同志が突き合わされて接合しており、この第２の樹脂材２２と第１の樹脂材２１との２個所の接合部を溶着している。図９（ａ）は、これらの樹脂材２１，２２がセットされた状態を示しており、樹脂材２１，２２には治具等によって左右から圧力が加えられている。この場合においては、１度に２個所の溶着を行うために、レーザ光Ｌａは、同時に２方向からそれぞれの接合部に照射される。図９（ｂ）は、第１回目のレーザ光Ｌａの走査（パス１）による溶着状態を示しており、図９（ｃ）は、第２回目のレーザ光Ｌａの走査（パス２）による溶着状態を示している。
このように、レーザ光Ｌａの走査を２回以上繰り返すことによって、突き合わせ溶着においても、樹脂材の板厚の幅一杯に渡って溶着を行うことができる。
【００２８】
また本発明のレーザ溶着方法によれば、樹脂材同志をレーザ光により溶着させることができ、樹脂の損傷もないため、例えばインストルメントパネル等の自動車部品、電池ケース等の電気・電子部品を好適に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】レーザ溶着設備の概略の全体構成を示す図である。
【図２】レーザ溶着機の側面図である。
【図３】本発明のレーザ溶着方法の第１実施例を説明する図であり、（ａ）は斜視図を、（ｂ）は、隙間部分の繰り返しの走査を、（ｃ）は全周の繰り返しの走査を示している。
【図４】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ第１実施例の変形例を示している図である。
【図５】本発明のレーザ溶着方法の第２実施例を説明するグラフである。
【図６】本発明のレーザ溶着方法の第３実施例を説明する図である。
【図７】本発明のレーザ溶着方法の第４実施例を説明する図であり、（ａ）はパス１の場合の溶着状態を、（ｂ）はパス２の場合の溶着状態を、（ｃ）はそれぞれの場合のレーザ出力を示すグラフである。
【図８】図３の第３実施例の変形例を説明する図であり、（ａ）はパス１の場合を、（ｂ）はパス２の場合の溶着状態を示している。
【図９】本発明のレーザ溶着方法の第５実施例を説明する図であり、（ａ）はセットした状態を、（ｂ）はパス１の場合の溶着状態を、（ｃ）はパス２の場合の溶着状態を示している。
【符号の説明】
【００３０】
１…レーザ溶着機
１１…レーザ発生装置
１３…光学ヘッド
２…ワーク
２１…第１の樹脂材（吸収性樹脂材）
２２…第２の樹脂材（透過性樹脂材）
３…治具
４…ＸＹテーブル
７…アシストガス吹出手段
８…モニタリング装置
Ｌａ…レーザ光
Ｌｉ…溶着線
【図１】
2005246692.tif 000003
【図２】
2005246692.tif 000004
【図３】
2005246692.tif 000005
【図４】
2005246692.tif 000006
【図５】
2005246692.tif 000007
【図６】
2005246692.tif 000008
【図７】
2005246692.tif 000009
【図８】
2005246692.tif 000010
【図９】
2005246692.tif 000011