(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラミネート樹脂を被覆した鋼板を重ね合わせ樹脂面が接するように狭開先部を形成して巻き締め加工が施されたラミネート鋼板に対して、当該狭開先部にレーザビームを照射しラミネート樹脂を溶融して溶着し狭開先部の隙間を封印するラミネート鋼板の加工方法であって、前記ラミネート樹脂はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂であり、レーザビームが発振波長１０．５９μｍのＣＯ２レーザから出力されるレーザビームであって、
前記レーザビームの照射は、開先部を固定してレーザビームを狭開先線に沿って走査するか、あるいはビーム照射位置を固定して狭開先部を移動させるものであり、レーザの平均パワーをＰ［Ｗ］、ビーム照射位置の相対移動方向と直角方向の集光ビーム直径をｄ［ｍｍ］、速度をＶ［ｍｍ／ｓ］、照射回数をＮとし、総投入エネルギー密度Ｕｅ［ｍＪ／ｍｍ２］を式（１）で定義し、
また、前記レーザビームの照射位置が狭開先部に対して固定された加工方法の場合、集光ビーム面積をＳ［ｍｍ２］、総照射時間をｔ［ｍｓ］とし、総投入エネルギー密度Ｕｅを式（２）で定義する時、
Ｕｅ＞２００ｍＪ／ｍｍ２であることを特徴とするラミネート鋼板の加工方法。
Ｕｅ＝（４／π）・Ｐ／（ｄ・Ｖ）・Ｎ  ［ｍＪ／ｍｍ２］    ・・・  （１）
Ｕｅ＝Ｐ・ｔ／Ｓ  ［ｍＪ／ｍｍ２］                        ・・・  （２）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家電製品、飲料缶等のラミネート鋼板を用いる製品の加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メッキした鋼板の表面に樹脂を被覆した、いわゆるラミネート鋼板は耐腐食性に優れ、塗料缶、飲料缶、家電製品等に用いられる。この様な製品を製造する際にはラミネート鋼板は切断され、所望の形状に成型される。この切断部にはメッキもラミネート樹脂も存在しないため、この部分が腐食環境にさらされると錆が発生する。従って、切断部がこの様な環境に触れないように巻き締め加工等を行う。しかしながら、巻き締め加工をしても数μｍオーダーの隙間が発生する場合があり、完全な密閉は困難である。その結果、長時間の使用では錆が発生する問題がある。
【０００３】
それを解決するために狭開先近傍をバーナーなどで加熱して樹脂を溶着させる方法があるが、広範囲に樹脂が溶融し、部分的な変質も起こるという問題がある。また加熱制御が難しく、加熱しすぎた場合は樹脂の蒸発により樹脂膜厚が著しく薄くなる、あるいは加熱不足では溶着できない等の問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、ラミネート鋼板のラミネート部同士の溶着を精度よく、且つ安定的に行うことが可能な加工方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ラミネート樹脂を被覆した鋼板を重ね合わせ樹脂面が接するように狭開先部を形成して巻き締め加工が施されたラミネート鋼板に対して、当該狭開先部にレーザビームを照射しラミネート樹脂を溶融して溶着し狭開先部の隙間を封印するラミネート鋼板の加工方法であって、前記ラミネート樹脂はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂であり、レーザビームが発振波長１０．５９μｍのＣＯ２レーザから出力されるレーザビームであって、前記レーザビームの照射は、開先部を固定してレーザビームを狭開先線に沿って走査するか、あるいはビーム照射位置を固定して狭開先部を移動させるものであり、レーザの平均パワーをＰ［Ｗ］、ビーム照射位置の相対移動方向と直角方向の集光ビーム直径をｄ［ｍｍ］、速度をＶ［ｍｍ／ｓ］、照射回数をＮとし、総投入エネルギー密度Ｕｅ［ｍＪ／ｍｍ２］を式（１）で定義し、レーザビームの照射位置が狭開先部に対して固定された加工方法の場合、集光ビーム面積をＳ［ｍｍ２］、総照射時間をｔ［ｍｓ］とし、総投入エネルギー密度Ｕｅを式（２）で定義する時、Ｕｅ＞２００ｍＪ／ｍｍ２であることを特徴とするラミネート鋼板の加工方法である。
Ｕｅ＝（４／π）・Ｐ／（ｄ・Ｖ）・Ｎ  ［ｍＪ／ｍｍ２］    ・・・  （１）
Ｕｅ＝Ｐ・ｔ／Ｓ  ［ｍＪ／ｍｍ２］                        ・・・  （２）
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を用いて本発明の実施形態と作用を説明する。
図１、２は本発明に係わるラミネート鋼板の加工方法の実施例の説明図である。鋼板はＮｉメッキ鋼板１の表裏面にＰＥＴ樹脂２を被覆したラミネート鋼板である。ＰＥＴ樹脂２の厚みは２０μｍである。この鋼板２枚を重ね合わせ、鋼板切断部５が外気から遮断されるように巻き締め加工を行い接合する。この際、ラミネート樹脂どうしが接触した狭開先部３が形成される。図２は狭開先部の断面形状の模式図である。狭開先部３でラミネート樹脂２が接している。この狭開先部３に、図２に示すようにレーザビーム４を照射する。レーザは発振波長１０．５９μｍ（発振ライン１０Ｐ（２０））の連続波ＣＯ2レーザである。図示されない集光レンズにより集光され照射部での集光形状は狭開先線方向に長軸を持つ楕円であり、長軸径ｈは２．５mm、短軸径ｄは２．０mmである。レーザパワーはＰ＝２０〜７０Wである。レーザビームは図示されないビーム走査装置により狭開先線方向にＶ＝５０〜５００mm/sの速度で走査される。
【０００７】
レーザパワーＰ、走査線速度Ｖ、同一点への照射回数Ｎを種々変更して狭開先部にレーザビームを照射し、断面観察により樹脂の溶着状態観測、残存樹脂厚測定、および端部の耐錆試験を実施した。ここで耐錆試験は３８℃の３％食塩水を５０時間噴霧した後、狭開先部からの錆の染みだし有無を評価した。その結果、溶着、残存樹脂厚、耐錆性はレーザの総投入エネルギー密度Ｕｅに大きく依存することがわかった。Ｕｅは瞬時照射パワー密度Ｕｅ′と１回のビーム通過による照射時間t′、および照射回数Ｎの積であり、鋼板が移動している場合は図３に示すパラメータを用いて次式で表される。
Ｕｅ′＝（π／４）・Ｐ／（ｈ・ｄ）
t′＝（ｈ／Ｖ）
Ｕｅ＝Ｕｅ′・t′・Ｎ＝（４/π）・Ｐ／（ｄ・Ｖ）・Ｎ
【０００８】
また、レーザ光の照射方法としてビームを狭開先に対して移動させることなく、固定して照射する場合のＵｅは、トータル照射時間をｔとすると次式で示される。
Ｕｅ＝（π／４）・Ｐ／（ｈ・ｄ）・ｔ
【０００９】
Ｕｅと残存樹脂厚の関係、狭開先部での樹脂の溶着状態、また耐錆性評価結果を図４に示す。評価は完全に溶着が行われた、錆の染みだしが全く見られなかった場合を○、溶着が不十分で一部はがれ、錆の染みだしが一部見られた場合は△、全く溶着せず、耐錆性のない場合を×としている。
【００１０】
Ｕｅを増大させることで樹脂の溶融、蒸発が観測され、図５に模式的に示すように蒸発により狭開先部近傍の樹脂厚は薄くなる。しかし、狭開先の樹脂接触部では溶着が観測された。Ｕｅの増加に対して蒸発量は増加し、膜厚は薄くなるものの残存厚が約４μｍ程度のところで飽和傾向が見られた。すなわち、比較的高いＵｅでもＰＥＴ樹脂は残存することがわかった。一方、溶着の観点ではＵｅ＝２００mJ/mm2以上ではほぼ完全な溶着が得られており、従ってＵｅ＞２００mJ/mm2の広い範囲で安定して溶着加工を行うことが可能であり、実用の際にレーザパワー、照射ビーム形状等の変動によるＵｅの変化に対する加工品質の信頼性は高い。
【００１１】
本発明においてＵｅを高くした時の樹脂の蒸発量に飽和が見られ、広いＵｅの範囲で安定した溶着が可能な理由は、樹脂のレーザ光吸収の波長依存性を考慮すると次のように考察される。
本実施例で使用した波長１０．５９μｍの光は、ＰＥＴ樹脂の透過率が比較的高く、２０μｍ厚では約５０％の透過率をもち、残りの５０％が吸収され加熱に寄与する。透過したレーザ光は下地の鋼板に到達する。Ｎｉメッキ鋼板の１０．６μｍ波長に対する吸収率は約２０％であり、この吸収により鋼板は加熱されて樹脂溶融の熱源となる。従って、本発明の方法では樹脂の溶融に利用されるレーザ光は投入パワーのせいぜい６０％程度であるが、樹脂の表層からと鋼板の界面からの双方から加熱されるため、樹脂の厚み方向は比較的均一に加熱されると考えられる。また、本発明の方法でも樹脂の溶融・蒸発が進むと膜厚が薄くなり、鋼板への到達熱量も増加するが、鋼板の熱伝導率は約７０［W/m・K］と高いため、鋼板の温度上昇は飽和する。従って、樹脂膜厚が薄くなってからは樹脂の過剰な蒸発が押さえられるため、比較的高いＵｅまで樹脂が残存するものと考えられる。すなわち、本発明の特徴は被加工物である樹脂に対して比較的高い透過率を持つ波長を利用し、下地の鋼板からの加熱も利用するとともに、鋼板の高熱伝導により過剰な樹脂の蒸発を抑制して安定した溶着加工を行うことにある。
【００１２】
なお、ＣＯ2レーザの発振ラインは今回使用した波長１０．６μｍ帯（１０Ｐライン）の他に、９．６μｍ帯（９Ｐライン）、９．３μｍ帯（９Ｒライン）、１０．３μｍ帯（１０Ｒライン）において１００本以上の発振ラインが選択可能である。この波長帯域ではＰＥＴ樹脂の透過率は変動があるものの、１０％〜５０％以上の透過率を持つため、上述の作用により、いずれの波長でも均一で安定した溶着が可能である。従って、最適な照射エネルギー密度範囲は多少変化するものの、使用する波長はＣＯ2レーザの発振可能ラインのいずれであってもよい。
【００１３】
【発明の効果】
本発明よればラミネート鋼板のラミネート部同士の溶着をレーザビームの集光径程度の位置精度で、且つレーザ照射エネルギー密度の変化に対して溶着部の品質変動が少なく、安定的にラミネート鋼板の溶着加工を行うことができ、巻き締め加工等で接合した鋼板端部を外気から封印し、耐錆性の優れた接合部を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の説明図。
【図２】本発明の実施例の説明図。
【図３】本発明に係るレーザ照射パラメータの説明図。
【図４】本発明の実施例におけるエネルギー密度Ｕｅと残存樹脂厚、溶着状態の関係図。
【図５】本発明によるラミネート鋼板の樹脂溶着部の模式図。
【符号の説明】
１    メッキ鋼板
２    ラミネート樹脂（ＰＥＴ）
３    狭開先部
４    レーザビーム
５    鋼板切断端部
Ｐ    レーザパワー
Ｖ    レーザビームの狭開先方向の走査線速度
ｈ    ビームの走査方向と平行方向の集光ビーム径
ｄ    ビームの走査方向と直角方向の集光ビーム径
Ｓ    集光ビーム面積
ｔ    照射時間
Ｕｅ    総照射エネルギー密度
ｔ′    １回のビーム通過による照射時間
Ｕｅ′  １回の照射による照射エネルギー密度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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