(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工機を用いて樹脂（８）を溶着するためのレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具（１０）であって、
レーザ加工機のレーザ加工ヘッドノズル（９）に固定され溶接棒（５）が挿入される溶接棒支持管（２）と、前記樹脂および前記溶接棒が溶けあった溶融部（Ｈ）を圧着して溶着するローラ（４）と、前記溶融部を冷却する冷却用エアが導入される冷却用エア導入管（１）とを備えたことを特徴とするレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具。
【請求項２】
前記レーザ加工機のエア供給部から供給されるエアを加熱して得られる熱風を導入するための熱風導入管（３）を備えたことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具。
【請求項３】
前記溶接棒支持管は、この溶接棒支持管が挿通固定される溶接棒支持管挿通固定部（７２）と前記レーザ加工ヘッドノズルが挿通固定されるノズル挿通固定部（７９）とを備え前記溶接棒支持管と前記レーザ加工ヘッドノズルとを連結固定する管・ノズル連結固定具（７）を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具。
【請求項４】
レーザ加工機を用いて樹脂（８）を溶着するための樹脂溶着方法において、
前記レーザ加工機のレーザ加工ヘッドノズル（９）に固定され溶接棒（５）が挿入される溶接棒支持管（２）と、前記樹脂および前記溶接棒が溶けあった溶融部（Ｈ）を圧着して溶着するローラ（４）と、前記溶融部を冷却する冷却用エアが導入される冷却用エア導入管（１）とを備えたレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具を用い、
前記溶接棒支持管を前記レーザ加工ヘッドノズルに固定し、前記レーザ加工ヘッドノズルから前記樹脂にレーザ光線を照射し、前記レーザ光線により前記樹脂および前記溶接棒が溶けあった前記溶融部を前記ローラで押圧し前記ローラを移動しながら前記冷却用エア導入管から冷却用エアを供給して冷却し、前記樹脂を溶着することを特徴とする樹脂溶着方法。
【請求項５】
レーザ加工機を用いて樹脂（８）を溶着するための樹脂溶着方法において、
前記レーザ加工機のレーザ加工ヘッドノズル（９）に固定され溶接棒（５）が挿入される溶接棒支持管（２）と、前記樹脂および前記溶接棒が溶けあった溶融部（Ｈ）を圧着して溶着するローラ（４）と、前記溶融部を冷却する冷却用エアが導入される冷却用エア導入管（１）とを備えたレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具を用い、
前記溶接棒支持管を前記レーザ加工ヘッドノズルに固定し、前記レーザ加工機のエア供給部から供給されるエアを加熱して得られる熱風を熱風導入管（３）に導入し、前記熱風を前記樹脂に吹きつけ前記熱風により前記樹脂および前記溶接棒が溶けあった前記溶融部を前記ローラで押圧し前記ローラを移動しながら前記冷却用エア導入管から冷却用エアを供給して冷却し、前記樹脂を溶着することを特徴とする樹脂溶着方法。
【請求項６】
レーザ加工機を用いて樹脂（８）を溶着するための樹脂溶着方法において、
前記レーザ加工機のレーザ加工ヘッドノズル（９）に固定され溶接棒（５）が挿入される溶接棒支持管（２）と、前記樹脂および前記溶接棒が溶けあった溶融部（Ｈ）を圧着して溶着するローラ（４）と、前記溶融部を冷却する冷却用エアが導入される冷却用エア導入管（１）とを備えたレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具を用い、
前記溶接棒支持管を、前記レーザ加工機のエア供給部から供給されるエアを加熱して得られる熱風を導入する熱風導入支持管（３１）に固定し、前記熱風導入支持管から前記熱風を前記樹脂に吹きつけ、前記熱風により前記樹脂および前記溶接棒が溶けあった前記溶融部を前記ローラで押圧し前記ローラを移動しながら前記冷却用エア導入管から冷却用エアを供給して冷却し、前記樹脂を溶着することを特徴とする樹脂溶着方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具およびそれを用いた樹脂溶着方法に係わり、特にポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等を溶着するためのレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具およびそれを用いた樹脂溶着方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ加工機は制御装置による制御で、金属の穴あけ、切断、溶接を自動化し、金属加工を容易にしている。
【０００３】
我々の身の回りは、金属加工品も多数あるが、樹脂加工品も多数ある。
【０００４】
特に自動車部品等において軽量化が求められるなか、大量生産製品としてポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂製のバンパー、ボンネット、フェンダー、トランク、ドア外部、ガソリンタンク、インダッシュパネル、フロントスポイラー、リヤーウイング等は射出成型された樹脂加工部品が採用されている。これらは射出成型された後に後加工として溶接を要する部分が多くあるが、金属加工のような機械による溶接は皆無であって、手作業による圧着が主流である。
【０００５】
従来の手作業による樹脂圧着には、図４に示すような、熱風が送られる管３０と、溶接棒５が挿通される管２０と、溶けた樹脂を圧着するへら部４０を備えた治具１００が用いられている。
【０００６】
図６に示すように、溶接される樹脂８と同質の溶接棒５（樹脂溶接棒５、以下同じ）を管２０に挿通し、治具１００の管３０を溶接機の支持管９０に連結し、ヒーター及びファンからなる溶接機の本体９１から管９２を通して熱風を治具１００に送り、樹脂８に接する溶接棒５の先端と樹脂８の圧着すべき部分とを加熱しながら、支持管９０を持って治具１００を矢印方向に動かす。その際、へら部４０で溶けた溶接棒５の先端と樹脂８の圧着すべき部分とを押しつけながら動かす。
【０００７】
図４および図６は樹脂８を１平面のみ表したが、実際の圧着は図５に示すように、樹脂８１と樹脂８２とを所望の型になるよう合わせ、合わせた個所に溶接棒５を当て、樹脂８１、樹脂８２、溶接棒５とが溶かされて一体となった状態をへら部４０で押さえながら樹脂８１と樹脂８２とを溶着してゆく。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述の自動車部品等に採用されているポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂の溶接は、硬質及び軟質塩化ビニール樹脂の溶接とは異なり、圧着をしながら溶接をするものであり、溶接機はヒーターとファンが一体式に構成されているため、熱源の調節ができず、溶接棒５および樹脂８等の温度が低下するまで溶接ができないため溶接速度が遅い（０．３〜０．４m／分）という難点がある上、溶接のタイミングをつかみ圧着力をコントロールする勘が求められるので、溶接ができるのは極少数の特殊技能者のみであるという難点がある。
【０００９】
更に、極少数の特殊技能者が行ってさえ、へら部４０に妨げられて溶接棒５が角部には届かないためピンホールができやすく、直角部分にはクラックが生じる、接合する個々の部分に熱が均等に伝わらず密着していない等のトラブルが多く、１００個につき約３０が不良品となっている。そのうえ、製造した部分がすぐには不良品として判断されず、５工程も先に進んでから廃棄処分されることが多く、そこに至るまで次々と付加加工が行われるため、多大な時間と費用が無駄になるという難点もある。
【００１０】
また、外気温が−３℃以下の条件では圧着加工が不可能という欠点もある。
【００１１】
一部に実施されている高周波を利用した振動溶接は、設備に多大な費用がかかるばかりでなく、単純な直線的平面同志の溶接のみが対象であって、曲線や直角部を有する個所、その他複雑な形状物の溶接は不可能である。
【００１２】
軽量化が求められる自動車部品等をはじめとする樹脂加工品の製造において、射出成型された部品に対する後加工として溶接を機械化し、特別の熟練技術がなくてもロスなく樹脂溶接を行うことができる方法の開発が求められていた。
【００１３】
また、現在レーザによる切断加工の対象となる樹脂はアクリル樹脂、べ一クライトの２種類だけで、ポリプロピレン樹脂・ポリエチレン樹脂等の切断加工は行われていない。これ等樹脂の切断加工は、作業員が電動工具（ジグソー）で切断し、穴明加工時にカッターを使用している為、樹脂の収縮が原因で、切断面が平面に対し直角に穴が明けられないという難点があった。インダッシュパネル等に使用しているＡＢＳ樹脂の切断は、ウォータージェットにより切断を行っているが、ウォータージェットの発射ノズル自体が水圧により消耗してしまい、使用する水にＡＢＳ樹脂の粉が大量に混入し、発射ノズルに目詰りを引き起こし、メンテナンスを必要とすると共に水の交換が必要で、交換した水は、産業廃棄物として廃棄費用がかかる等環境問題も発生している。
【００１４】
本願出願人は、金属の切断、溶接に優れた機能を発揮しているレーザ加工機を用いて、樹脂も同様に切断、溶接できるのではないかと鋭意研究を重ね、本発明に至ったものである。なお、レーザを用い平面的な樹脂部材同士を重ね合わせて溶着する方法は特開２００１−２３２６８７号に認められるが、レーザを用いた立体的な樹脂溶接は皆無である。
【００１５】
本発明は、上記従来の難点を解決するためになされたもので、レーザ加工機を用いてポリプロピレン、ポリエチレン等の樹脂切断、樹脂溶着加工を行い、樹脂の切断、溶着を自動化可能とするレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具およびそれを用いた樹脂溶着方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具は、レーザ加工機を用いて樹脂を溶着するためのレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具であって、レーザ加工機のレーザ加工ヘッドノズルに固定され溶接棒が挿入される溶接棒支持管と、樹脂および溶接棒が溶けあった溶融部を圧着して溶着するローラと、溶融部を冷却する冷却用エアが導入される冷却用エア導入管とを備えている。
【００１７】
また、本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具は、レーザ加工機のエア供給部から供給されるエアを加熱して得られる熱風を導入するための熱風導入管を備えている。
【００１８】
さらに、本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具は、溶接棒支持管は、この溶接棒支持管が挿通固定される溶接棒支持管挿通固定部とレーザ加工ヘッドノズルが挿通固定されるノズル挿通固定部とを備え、溶接棒支持管とレーザ加工ヘッドノズルとを連結固定する管・ノズル連結固定具を備えている。
【００１９】
本発明によれば、レーザ加工機を用いて樹脂を溶着するための樹脂溶着方法において、レーザ加工機のレーザ加工ヘッドノズルに固定され溶接棒が挿入される溶接棒支持管と、樹脂および溶接棒が溶けあった溶融部を圧着して溶着するローラと、溶融部を冷却する冷却用エアが導入される冷却用エア導入管とを備えたレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具を用い、溶接棒支持管をレーザ加工ヘッドノズルに固定し、レーザ加工ヘッドノズルから樹脂にレーザ光線を照射し、レーザ光線により樹脂および溶接棒が溶けあった溶融部をローラで押圧しローラを移動しながら冷却用エア導入管から冷却用エアを供給して冷却し、樹脂を溶着するものである。
【００２０】
さらに、本発明によれば、レーザ加工機を用いて樹脂を溶着するための樹脂溶着方法において、レーザ加工機のレーザ加工ヘッドノズルに固定され溶接棒が挿入される溶接棒支持管と、樹脂および溶接棒が溶けあった溶融部を圧着して溶着するローラと、溶融部を冷却する冷却用エアが導入される冷却用エア導入管とを備えたレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具を用い、溶接棒支持管をレーザ加工ヘッドノズルに固定し、レーザ加工機のエア供給部から供給されるエアを加熱して得られる熱風を熱風導入管に導入し、熱風を樹脂に吹きつけ熱風により樹脂および溶接棒が溶けあった溶融部をローラで押圧しローラを移動しながら冷却用エア導入管から冷却用エアを供給して冷却し、樹脂を溶着するものである。
【００２１】
また、本発明によれば、レーザ加工機を用いて樹脂を溶着するための樹脂溶着方法において、レーザ加工機のレーザ加工ヘッドノズルに固定され溶接棒が挿入される溶接棒支持管と、樹脂および溶接棒が溶けあった溶融部を圧着して溶着するローラと、溶融部を冷却する冷却用エアが導入される冷却用エア導入管とを備えたレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具を用い、溶接棒支持管を、レーザ加工機のエア供給部から供給されるエアを加熱して得られる熱風を導入する熱風導入支持管に固定し、熱風導入支持管から熱風を樹脂に吹きつけ、熱風により樹脂および溶接棒が溶けあった溶融部をローラで押圧しローラを移動しながら冷却用エア導入管から冷却用エアを供給して冷却し、樹脂を溶着するものである。
【００２２】
このような本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具およびそれを用いた樹脂溶着方法によれば、レーザ加工機の制御で、樹脂の切断、溶接が自動化され、ロスのない樹脂加工が実現される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具およびそれを用いた樹脂溶着方法の実施の形態例について図面を参照して詳述する。
【００２４】
本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具は、図１（ａ）に示すように、レーザ加工機（図示せず）を用いて樹脂８を溶着するためのレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具１０であって、レーザ加工機のレーザ加工ヘッドノズル９に固定され溶接棒５が挿入される溶接棒支持管２と、樹脂８および溶接棒５が溶けあった溶融部Ｈを圧着して溶着するローラ４と、溶融部Ｈを冷却する冷却用エアが導入される冷却用エア導入管１と、ローラ４の進行方向後方に溶接棒５を切断するための切断歯６２を備えている。ローラ４の径は加工対象樹脂の形状や選択される溶接棒５の太さによって適宜選択される。この冷却用エア導入管１は、レーザ加工機が備えている公知の強制冷却エア供給部に管（図示せず）で連結される。
【００２５】
同図（ｂ）に示すように、ローラ４は溶接棒５が半分入って逃がさずきれいに押し込みができるよう、断面が緩やかなＵ字形に構成され、治具本体６にねじ６１等で軸支される。
【００２６】
樹脂溶着治具１０とレーザ加工ヘッドノズル９との固定は、図１（ａ）のように固定具７‘としてバンドでも好適であるが、同図（ｃ）に示すように、溶接棒支持管２が挿通固定される溶接棒支持管挿通固定部７２とレーザ加工ヘッドノズル９が挿通固定されるノズル挿通固定部７９とを備え溶接棒支持管２とレーザ加工ヘッドノズル９とを連結固定する管・ノズル連結固定具７を用いるとより好適である。
【００２７】
管・ノズル連結固定具７による溶接棒支持管２とレーザ加工ヘッドノズル９の固定は、溶接棒支持管挿通固定部７２とノズル挿通固定部７９が連結状態または一体的なので、溶接棒支持管２とレーザ加工ヘッドノズル９を挿通して、管・ノズル連結固定具７のひれ部７０に採用されるボタン式の篏着、ねじ止め等によって行われる。
【００２８】
本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具は、図２に示すように、レーザ加工機のレーザ加工ヘッドノズル９に固定され溶接棒５が挿入される溶接棒支持管２と、樹脂８および溶接棒５が溶けあった溶融部Ｈを圧着して溶着するローラ４と、溶融部Ｈを冷却する冷却用エアが導入される冷却用エア導入管１と、レーザ加工機のエア供給部から供給されるエアを加熱して得られる熱風を導入するための熱風導入管３を備えている。この熱風導入管３は、レーザ加工機が備えている公知の強制冷却エア供給部に管（図示せず）で連結され、エア供給部と熱風導入管３との間に公知のヒータを挿入してエアを熱風にしている。
【００２９】
なお、本発明のレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具１０は、放熱性の高いアルミやセラミックで構成されるのが望ましい。
【００３０】
本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具を用いた樹脂溶着方法は、ＹＡＧレーザ切断機の出力を下げてレーザ光線を使用するもので、図３に示すように、レーザ加工機に装着される樹脂溶着治具１０の溶接棒支持管２をレーザ加工ヘッドノズル９に固定し、レーザ加工ヘッドノズル９の先端からポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等の樹脂８にレーザ光線を照射し、レーザ光線により樹脂８および溶接棒５が溶けあった溶融部Ｈをローラ４で押圧しながらローラ４を移動させる。同時に冷却用エア導入管１から冷却用エアを供給して圧着された溶融部Ｈを冷却し、樹脂８１と樹脂８２とを溶着する。なお、レーザ光線照射に際しては、樹脂８から１０ｍｍ〜５０ｍｍ離し、かつレーザ光線を１点に集中させず、５ｍｍ〜１０ｍｍ幅になるよう照射する。樹脂８とノズル９の先端の距離は、樹脂８の厚さや溶接棒５の形状により適宜選択される。
【００３１】
また、本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具を用いた樹脂溶着方法は、図２（ａ）に示すように、レーザ加工機に装着される樹脂溶着治具１０の溶接棒支持管２をレーザ加工ヘッドノズル９に固定し、熱風導入管３にレーザ加工機が備えているエア供給部から供給されるエアをヒータで加熱して得られる熱風を導入し、熱風を樹脂８に吹きつけ、熱風により樹脂８および溶接棒５が溶けあった溶融部Ｈをローラ４で押圧しながらローラ４を移動させ冷却用エア導入管１から冷却用エアを供給して冷却し、樹脂８を溶着するものである。ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等を溶接する際の熱風は、ヒーターを加熱して１８０℃〜２５０℃にしたものである。
【００３２】
なお、図２（ｂ）に示すように、レーザ加工機に装着される樹脂溶着治具１０の溶接棒支持管２を、レーザ加工機が備えているエア供給部から供給されるエアをヒータで加熱して得られる熱風を導入する熱風導入管端部３１に固定し、熱風導入支持管３１に供給された熱風を樹脂８に吹きつけ、熱風により樹脂８および溶接棒５が溶けあった溶融部Ｈをローラ４で押圧しながらローラ４を移動させ冷却用エア導入管１から冷却用エアを供給して冷却し、樹脂８を溶着するものである。
【００３３】
このようなレーザ発射を行わず、強制冷却用エアーを分岐し、１００Ｖの熱源ヒータで冷却用エアーを１８０℃〜２５０℃に暖めた熱風を利用して樹脂を加熱する方法によれば、省エネ化がはかられる。
【００３４】
樹脂８と樹脂溶接棒５の溶融部Ｈは、レーザ光線照射あるいは熱風の吹きつけによってまず樹脂８の表面が溶かされ、その反射熱を利用して溶接棒５が溶かされて得られるので、レーザ加工機のあらかじめ設定された動作で溶融部Ｈにローラ４を用いて０．３ｋｇ〜０．５ｋｇの圧力を掛けながらローラ４を移動させる。冷却用エア導入管１から強制冷却用エアを供給して冷却し、溶融部Ｈを短時間で圧着させ、レーザ加工機のロボットアームを停止させ、３ｍｍ〜５ｍｍ垂直に下げ、切断歯６２によって溶接棒５を切断し、ロボットアームを３ｍｍ〜５ｍｍ垂直に上げて作業を終了する。作業速度は１．５ｍ／分前後まで高速化される。
【００３５】
なお、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂等の切断加工にレーザ切断機が使用されていない理由として、レーザの熱により有毒ガスの発生が考えられていたが、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂をレーザ切断機で切断し、環境管理センターにガスの採取及び分析を依頼、ガスは無害との結果がえられている（表１〜１５）ので、必要に応じ、レーザ加工機で樹脂を切断後、引き続いて樹脂溶着を行い、極少数の特殊技能者に頼っていたポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等の切断溶接加工が自動化される。
【００３６】
本発明によって、樹脂の切断溶接加工が自動化がされ、それに伴って、従来の圧着加工ライン全長約１０ｍ以上を１／２に縮小できると共に作業者の削減、圧着加工ラインの設備費用及びランニング費用の削減もはかられる。
【００３７】
【表１】
0003881246.tif 000002
【００３８】
【表２】
0003881246.tif 000003
【００３９】
【表３】
0003881246.tif 000004
【００４０】
【表４】
0003881246.tif 000005
【００４１】
【表５】
0003881246.tif 000006
【００４２】
【表６】
0003881246.tif 000007
【００４３】
【表７】
0003881246.tif 000008
【００４４】
【表８】
0003881246.tif 000009
【００４５】
【表９】
0003881246.tif 000010
【００４６】
【表１０】
0003881246.tif 000011
【００４７】
【表１１】
0003881246.tif 000012
【００４８】
【表１２】
0003881246.tif 000013
【００４９】
【表１３】
0003881246.tif 000014
【００５０】
【表１４】
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【００５１】
【表１５】
0003881246.tif 000016
【００５２】
【発明の効果】
以上の説明からも明らかなように、本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具それを用いた樹脂溶着方法によれば、レーザ加工機の制御で、樹脂の切断、溶接が自動化され、複雑な形状物の接合が可能となり、しかも密着不良、ピンホール、クラック等の現象を大幅に削減し、加工ラインの縮小、作業者の削減、設備費用及びランニング費用の削減が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具を示した図で、（ａ）は全体図、（ｂ）はローラ拡大図、（ｃ）は樹脂溶着治具に附属する管・ノズル連結固定具を示す図である。
【図２】  （ａ）、（ｂ）は共に本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具の他の実施例を示した図である。
【図３】本発明によるレーザ加工機に装着される樹脂溶着治具を使用した樹脂溶着方法を示した図である。
【図４】従来の樹脂溶着時に使用される治具を示した図である。
【図５】  従来の治具による樹脂溶着を示した図である。
【図６】  従来の治具を使用した樹脂溶着方法を示した図である。
【符号の説明】
１．．．冷却用エア導入管
２．．．溶接棒支持管
３．．．熱風導入管
３１．．．熱風導入支持管
４．．．ローラ
５．．．溶接棒
７．．．管・ノズル連結固定具
７２．．．溶接棒支持管挿通固定部
７９．．．ノズル挿通固定部
８．．．樹脂
９．．．レーザ加工ヘッドノズル
１０．．．樹脂溶着治具
Ｈ．．．溶融部
【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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【図６】
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