(57)【要約】  プラスチック部品のうち１つの内部の溶接経路に沿った点で、１０度〜９０度の交差角度範囲内の角度でレーザビームが互いに交差するように、同一波長を有する複数のスポットレーザビームが導かれる交差マルチビームトレースレーザ溶接を用いて、真の３Ｄ体積溶接部を伴ってプラスチック部品が溶接される。複数のレーザビームは、複数のレーザビームの交差点が溶接経路に沿って進んで、一定体積のプラスチックの内側にある接合部に沿って直線状、曲線状、平面状または３次元の溶接パターンを形成するように進められる。レーザビームが交差するプラスチック部品は、ある波長のレーザ光を部分的に吸収し、レーザビームはこの波長を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック部品のうち少なくとも１つが吸収波長のレーザ光を部分的に吸収する、複数のプラスチック部品を一緒にレーザ溶接する方法であって、
プラスチック部品を一緒に保持することと、
複数のレーザビームを生成することと、
複数のレーザビームが、部分吸収性部品内の溶接経路に沿った点で、１０度〜９０度の交差角度範囲内の角度で互いに交差するように、複数のレーザビームをプラスチック部品に導くことと
を含み、
複数のレーザビームを生成することが、各レーザビームが、吸収波長である波長と、部分吸収性プラスチック部品が作られる材料を溶融温度に到達させる強度よりも低い強度と、を有するように、および、複数のレーザビームの交差点でのレーザエネルギーの強度が、部分吸収性プラスチック部品が作られる材料を溶融温度に到達させ溶融させるのに十分高くなるほど十分高い各レーザビーム強度を有するように、各レーザビームを生成することを含む方法。
【請求項２】
複数のレーザビームの交差点が溶接経路の周りをたどるように、複数のレーザビームを進ませることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
各レーザビームを進ませることが、ガルバノミラーを用いて各レーザビームを進ませることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
レーザビームを進ませることが、レーザビームを生成するレーザが取り付けられた可動フレームを移動させて、レーザビームを進ませることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
レーザビームを進ませることが、ガルバノミラーを用いてレーザビームのうち１つを進ませることを含み、別のレーザビームを進ませることが、そのレーザビームを生成するレーザが取り付けられた可動フレームを移動させて、そのレーザビームを進ませることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
プラスチック部品のうち少なくとも１つが吸収波長のレーザ光を部分的に吸収する、レーザ溶接システムに収容された複数のプラスチック部品を一緒に溶接するための交差マルチビームレーザ溶接システムであって、
吸収波長を有するレーザビームを生成するレーザをそれぞれ有する少なくとも２つのトレースレーザ溶接サブシステムを備え、
トレースレーザ溶接サブシステムが、部分吸収性プラスチック部品内の溶接経路に沿った点で、１０度〜９０度の交差角度範囲内の角度でそれらのレーザビームが互いに交差するように、それらのレーザビームをプラスチック部品に導くように構成され、
各トレースレーザ溶接サブシステムのレーザが、部分吸収性プラスチック部品が作られる材料を溶融温度に到達させる強度よりも低い強度で、および、複数のレーザビームの交差点でのレーザエネルギーの強度が、部分吸収性プラスチック部品が作られる材料を溶融温度に到達させ溶融させるのに十分高くなるほど十分高い強度で、各トレースレーザ溶接サブシステムのレーザのレーザビームを生成するように、各トレースレーザ溶接サブシステムが構成される、交差マルチビームレーザ溶接システム。
【請求項７】
トレースレーザ溶接サブシステムが、レーザビームの交差点が溶接経路の周りをたどるようにそれぞれのレーザビームを進ませるように構成される、請求項６に記載のレーザ溶接システム。
【請求項８】
各トレースレーザ溶接サブシステムが、レーザビームを進ませるガルバノミラーを含む、請求項７に記載のレーザ溶接システム。
【請求項９】
各トレースレーザ溶接サブシステムが、レーザビームを生成するレーザが取り付けられた可動フレームを含み、可動フレームがレーザビームを進ませるように移動される、請求項７に記載のレーザ溶接システム。
【請求項１０】
トレースレーザ溶接サブシステムのうち１つが、レーザビームを進ませるガルバノミラーを含み、トレースレーザ溶接システムのうち別の１つが、レーザビームを生成するレーザ光源が取り付けられた可動フレームを含み、可動フレームがレーザビームを進ませるように移動される、請求項７に記載のレーザ溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年５月１７日に出願された米国仮特許出願第６２／５０７，２６８号明細書の利益を主張する。上記出願の開示全体は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、レーザ溶接に関する。
【背景技術】
【０００３】
この節は、本開示に関する背景情報を提供するが、これは必ずしも先行技術ではない。
【０００４】
透明プラスチック部品を一緒に溶接するには、トレースレーザ溶接（Ｔｒａｃｅ  ｌａｓｅｒ  ｗｅｌｄｉｎｇ）およびスキャンレーザ溶接が一般的に使用される。レーザ装置および／またはレーザビーム、ワークまたはそれらの組合せの動きに従って、スポットレーザが溶接経路を進む。トレースレーザ溶接システムは、ガントリなど、レーザ光源が取り付けられた可動フレームを使用してレーザビームを移動させ、スキャンレーザ溶接システムは、ガルボミラー（Ｇａｌｖｏ  ｍｉｒｒｏｒ）を使用してレーザビームを移動させる。しかし、レーザ溶接システムの関連では「トレースレーザ溶接」という用語は、両タイプのレーザ溶接システムに広く使用されることがあり、本明細書で使用される場合、この広い方の意味を有する。
【０００５】
図１は、トレースレーザ溶接システム１０の概略図である。トレースレーザ溶接システム１０は、制御器１４、インターフェース１６、レーザ電源１８およびチラー２０を含むレーザ支持ユニット１２を含む。トレースレーザ溶接システム１０は、レーザ支持ユニット１２に結合されたレーザ２２も含む。レーザ２２は、レーザダイオードなどのレーザ光源２４を含む。レーザ光源２４は、一緒に溶接されている部品２８、３０に導かれるレーザビーム２６を生成する。レーザビーム２６は、溶接経路３２に沿って進んで、溶接経路３２で部品２８、３０を一緒に溶接する。透明プラスチック部品は、目に対して透明（例えば、可視スペクトルで透明）であるが、プラスチック部品のうち少なくとも１つは、２ミクロンなど、レーザビームの波長のレーザ光を少なくとも部分的に吸収する材料から作られていることを理解されたい。場合によっては、単数（または複数）の透明プラスチック部品は、レーザビームを高度に吸収する。これに関連して、高度に吸収するとは、単数または複数のプラスチック部品が、レーザビームの波長で少なくとも６０％の吸収性を有する材料から作られていることを意味する。これらの場合、レーザと接合部との間のプラスチック部品は、典型的には薄く、１／４インチ以下の厚さを有する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
透明プラスチック部品は２ミクロンのレーザビームを体積的に吸収するため、レーザビームの強度が透明プラスチック部品を溶融するのに十分高い場合に、単一のレーザビームを用いて溶接経路に沿ってスポットを放射すると、強度が高すぎて、レーザビームが透明プラスチック部品の材料の実質的な体積を貫通することができない。このため、溶接は、表面溶接になる。したがって、レーザ光が通過する透明プラスチック部品は、相当に薄くなければならない。このため、前述のトレースレーザ溶接では、体積内部の真の３Ｄ溶接部は、実際には実現することはできない。したがって、本開示の目的は、真の３Ｄ体積溶接部（ｔｒｕｅ  ３Ｄ  ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  ｗｅｌｄ）を伴って透明プラスチック部品を溶接することができるレーザ溶接を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この節は、本開示の一般的な概要を提供するものであり、本開示の全範囲またはあらゆる特徴の包括的な開示ではない。
【０００８】
レーザ溶接システムでは、以下に記載される態様のうち１つ以上に従ってプラスチック部品が溶接される。プラスチック部品のうち少なくとも１つは、吸収波長のレーザ光を部分的に吸収する部分吸収性プラスチック部品である。
【０００９】
一態様では、プラスチック部品は、少なくとも２つのトレースレーザ溶接サブシステムを有する交差マルチビームレーザ溶接システムで溶接される。各トレースレーザ溶接システムは、吸収波長を有するレーザビームを生成するレーザを含む。トレースレーザ溶接サブシステムは、それらのレーザビームが、部分吸収性プラスチック部品内の溶接経路に沿った点で、１０度〜９０度の交差角度範囲内の角度で互いに交差するように、それらのレーザビームをプラスチック部品に導くように構成される。各トレースレーザ溶接サブシステムのレーザは、部分吸収性プラスチック部品が作られる材料を溶融温度に到達させる強度よりも低い強度で、および、複数のレーザビームの交差点でのレーザエネルギーの強度が、部分吸収性プラスチック部品が作られる材料を溶融温度に到達させ溶融させるのに十分高くなるほど十分高い強度で、各トレースレーザ溶接サブシステムのレーザのレーザビームを生成するように、各トレースレーザ溶接サブシステムは構成される。
【００１０】
一態様では、トレースレーザ溶接サブシステムは、レーザビームの交差点が溶接経路の周りをたどるようにそれぞれのレーザビームを進ませるように構成される。
【００１１】
一態様では、各トレースレーザ溶接サブシステムは、レーザビームを進ませるガルバノミラーを含む。
【００１２】
一態様では、各トレースレーザ溶接サブシステムは、レーザビームを生成するレーザ光源が取り付けられた可動フレームを含み、可動フレームはレーザビームを進ませるように移動される。
【００１３】
一態様では、トレースレーザ溶接サブシステムのうち１つは、レーザビームを進ませるガルバノミラーを含み、トレースレーザ溶接システムのうち別の１つは、レーザビームを生成するレーザ光源が取り付けられた可動フレームを含み、可動フレームはレーザビームを進ませるように移動される。
【００１４】
本明細書に提供される説明から、適用性のさらなる領域が明らかになるであろう。この概要の説明および特定の例は、例示のみを目的とするものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【００１５】
本明細書に記載される図面は、すべての可能な実装形態ではなく、選択された実施形態の例示のみを目的とし、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来技術のトレースレーザ溶接システムの一例の概略図である。
【図２】本開示の一態様によるトレースレーザ溶接システムの概略図である。
【図３】本開示の一態様による別のトレースレーザ溶接システムの概略図である。
【図４】図２および図３のレーザ溶接システムの混成形である、本開示の一態様によるレーザ溶接システムの概略図である。
【００１７】
対応する符号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、添付の図面を参照して、例示的な実施形態をさらに完全に説明する。
【００１９】
例示的な実施形態は、本開示が徹底的であり、当業者に範囲を完全に伝えるように提供される。本開示の実施形態の完全な理解を提供するために、特定の構成要素、装置および方法の例など、多数の特定の詳細が記載されている。特定の詳細を採用する必要はなく、例示的な実施形態は多くの異なる形態で実施することができ、いずれも本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではないことは当業者には明らかであろう。いくつかの例示的な実施形態では、公知のプロセス、公知の装置構造および公知の技術は、詳細に説明されていない。
【００２０】
本明細書で使用される用語は、特定の例示的な実施形態のみを説明するためのものであり、限定することを意図するものではない。本明細書で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈上別段の明示がない限り、複数形も含むことを意図し得る。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「有している（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であり、したがって、記載された特徴、整数、工程、動作、要素および／または構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、工程、動作、要素、構成要素および／またはそれらの群の存在または追加を除外しない。本明細書に記載される方法工程、プロセスおよび動作は、実行の順序として具体的に特定されない限り、説明または図示される特定の順序でのそれらの実行を必ずしも必要とすると解釈されるべきではない。また、追加または代替の工程が採用され得ることも理解されたい。
【００２１】
要素または層が、別の要素または層「の上に存在している」、「と係合している」、「に接続している」または「に結合している」と言及されている場合には、これは、他の要素または層の上に直に存在しているか、それに直に係合しているか、それに直に接続しているか、それに直に結合していてもよく、または介在する要素もしくは層が存在してもよい。対照的に、要素が別の要素または層「の上に直に存在している」、「と直に係合している」、「と直に接続している」または「と直に結合している」と言及されている場合には、介在する要素または層を存在させることはできない。要素間の関係を説明するために用いられる他の用語（例えば、「〜の間に」と「〜の間に直に」、「隣接する」と「直に隣接する」など）は、同じように解釈されるべきである。本明細書で使用される用語「および／または」は、関連して列挙される項目のうち１つ以上のありとあらゆる組合せを含む。
【００２２】
本明細書では、第１、第２、第３などの用語は、様々な要素、構成要素、領域、層および／または部分を説明するために使用され得るが、これらの要素、構成要素、領域、層および／または部分は、これらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層または部分を別の領域、層または部分から区別するために使用され得るにすぎない。本明細書で使用される場合、「第１」、「第２」などの用語および他の数値は、前後関係により明確に示されない限り、連続または順番を示唆するものではない。したがって、以下で考察される第１の要素、構成要素、領域、層または部分を、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層または部分と呼ぶことができる。
【００２３】
本明細書では、「内部」、「外部」、「真下」、「下」、「下部」、「上」、「上部」などの空間的に相対的な用語は、図に示されたように、１つの要素または特徴と別の要素または特徴との関係を説明するのに、説明をわかりやすくするために使用され得る。空間的に相対的な用語は、図に示された配置に加えて、使用時または動作時の装置の異なる配置を包含することが意図され得る。例えば、図中の装置が回転されると、他の要素または特徴の「下」または「真下」と記載された要素は、他の要素または特徴の「上」に配置される。したがって、例示的用語「下」は、上および下の両方の方向を包含することができる。装置は他の方向に向けられ（９０度または他の方向に回転され）てもよく、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに従って解釈される。
【００２４】
本開示の一態様によれば、交差マルチビームトレースレーザ溶接を用いて、真の３Ｄ体積溶接部を伴ってプラスチック部品が溶接される。交差マルチビームトレースレーザ溶接では、プラスチック部品のうち１つの内部の溶接経路に沿った点で、１０度〜９０度の交差角度範囲内の角度でレーザビームが互いに交差するように、同一波長を有する複数のスポットレーザビームが部品に導かれる。複数のレーザビームの交差点が溶接経路に沿って進んで、それにより一定体積のプラスチックの内側にある接合部に沿って直線状、曲線状、平面状または３次元の溶接パターンを形成するように、複数のレーザビームは進められる。
【００２５】
レーザビームが交差するプラスチック部品は、ある波長のレーザ光を部分的に吸収し、レーザビームはこの波長を有する。レーザビームが交差するこのプラスチック部品は、本明細書では部分吸収性プラスチック部品と呼ばれてもよい。部分吸収性プラスチック部品の部分吸収性材料がレーザ光を部分的に吸収する波長は、本明細書では吸収波長と呼ばれてもよい場合がある。部分吸収性部品は、レーザ光を部分的にのみ吸収し、完全には吸収しないことを理解されたい。例えば、部分吸収性プラスチック部品は、１５パーセントから８０パーセントの範囲の吸収率を有する。例えば、ポリマーは一般に約２ミクロンの波長のレーザ光を部分的に吸収することから、この吸収波長は、２ミクロンである。この吸収波長は、２ミクロン以外でもよく、レーザビームが交差する部分吸収性プラスチック部品が作られる材料に依存していることを理解されたい。他の部品も吸収波長のレーザ光を部分的に吸収することができるが、吸収波長のレーザ光に対して透過性また不透過であり得ることを理解されたい。プラスチック部品は、目に対して透明であり、着色され、目に見えない場合があるが、部品のうち少なくとも１つは、吸収波長のレーザ光を部分的に吸収することを理解されたい。
【００２６】
各レーザビームの強度は、部分吸収性プラスチック部品のポリマーを溶融させる強度未満である。強度は、レーザビームが交差する点では、部分吸収性プラスチック部品のポリマーを溶融させる強度以上である。レーザビームは、１０度〜９０度の交差角度範囲内の角度で交差する。レーザビームが互いに交差するこの角度は、例えば、レーザビームが交差する部分吸収性透明プラスチック部品の所望の部分を溶融させるために試行錯誤に基づいて決定される。２つを超える交差レーザビームを使用することができ、任意の２つの交差レーザビーム間の角度を上記のように決定することができることを理解されたい。一態様では、部品は、透明プラスチック部品であり、これは、それらが目に対して透明であることを意味する（すなわち、可視スペクトルで透明である）。
【００２７】
図３は、透明プラスチック部品２０２、２０４を溶接するための本開示の一態様による交差マルチビームトレースレーザ溶接システム２００の簡略図である。交差マルチビームトレースレーザ溶接システム２００は、複数のトレースレーザ溶接サブシステム２０１（図２に示される例では例示的に２つ）を含む。各トレースレーザ溶接サブシステム２０１は、レーザ２０６と、そのレーザ２０６に関連付けられたガルバノミラー２０８とを含む。交差マルチビームトレースレーザ溶接システム２００は、レーザ２０６およびガルボミラー２０８を制御するように構成された制御器２１０を含む。レーザ溶接では、ガルバノミラーは、一般的にガルボミラーとして知られており、ガルバノメータ装置を有するミラーを回転させることによってレーザビームを移動させる装置である。レーザ２０６によって生成されたレーザビーム２１２は、レーザビーム２１２の波長のレーザ光を部分的に吸収する部分吸収性プラスチック部品２０２内の溶接経路２１４に沿った点で互いに交差し、レーザビーム２１２の交差点が溶接経路２１４に沿って進んで真の３Ｄ体積溶接部２１６を形成するように移動される。これに関して、レーザビーム２１２は、溶接経路２１４に沿って進められる際に、溶接経路に沿った点で互いに交差する。レーザビーム２１２はそれぞれ、部分吸収性プラスチック部品２０２がレーザ光を吸収する、２ミクロンなどの吸収波長を有する。各レーザ２０６は、部分吸収性プラスチック部品２０２が作られる材料を溶融温度に到達させるのに必要な強度よりも低い強度でそのレーザビーム２１２を生成するように制御器２１０によって制御される。レーザビーム２１２が溶接経路２１４に沿った点で交差するレーザエネルギーの強度は、部分吸収性プラスチック部品２０２が作られる材料を溶融温度に到達させ溶融させる強度以上である。
【００２８】
図３は、交差マルチビームトレース溶接システム２００の変形例である、本開示の一態様による交差マルチビームトレースレーザ溶接システム３００の簡略図であり、ここでは相違点のみを説明する。交差マルチビームトレースレーザ溶接システム３００では、トレースレーザ溶接サブシステム３０１は、溶接される部品２０２、２０４に対して移動可能な可動フレーム３０２に取り付けられたレーザ２０６を有する。制御器２１０は、部品２０２、２０４に対するフレーム３０２の移動を制御して、レーザビーム２１２の交差点が溶接経路２１４に沿って進むようにレーザビーム２１２を移動させるように構成される。
【００２９】
図４は、交差マルチビームトレース溶接システム２００および３００の変形例である、本開示の一態様による交差マルチビームトレースレーザ溶接システム４００の簡略図であり、ここでは相違点のみを考察する。マルチビームトレースレーザ溶接システム４００は、交差マルチビームレーザ溶接システム２００（図２）および３００（図３）の混成形である。マルチビームトレースレーザ溶接システム４００は、レーザ２０６と、そのレーザ２０６に関連付けられたガルバノミラー２０８とを有するトレースレーザ溶接サブシステム２０１を含む。また、マルチビームトレースレーザ溶接システム４００は、可動フレーム３０２’に取り付けられたレーザ２０６を有するトレースレーザ溶接システム３０１’を含む。制御器２１０は、ガルボミラー２０８を制御して、ガルボミラー２０８が関連付けられたレーザ２０６によって生成されたレーザビーム２１２を移動させ、部品２０２、２０４に対する可動フレーム３０２’の移動を制御して、レーザビーム２１２の交差点が溶接経路２１４に沿って進むようにレーザビーム２１２を移動させるように構成される。
【００３０】
部分吸収性プラスチック部品２０２は、２ミクロン以外の吸収波長のレーザ光を部分的に吸収する材料から作ることができることを理解されたい。この場合、レーザビーム２１２はこの吸収波長を有するようになる。
【００３１】
制御器２１０は、上述のロジックを実装するソフトウェアによってプログラムされたデジタルプロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラまたは他のプログラマブルデバイスのいずれかであり得るか、それらを含む。あるいは、制御器２１０は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、コンプレックスプログラマブルロジックデバイス（ＣＰＬＤ）または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの他のロジックデバイスであるか、それらを含むことを理解されたい。制御器２１０が機能を実行するか、機能を実行するように構成されると述べられている場合、制御器２１０が（例えばソフトウェア、ロジックデバイスまたはそれらの組合せ内の）適切なロジックを用いてそうするように構成されることを理解されたい。制御器２１０が機能のためのロジックを有すると述べられている場合、そのようなロジックがハードウェア、ソフトウェアまたはそれらの組合せを含むことができることを理解されたい。
【００３２】
実施形態の前述の説明は、例示および説明のために提供されてきた。実施形態の前述の説明は、網羅的であること、または本開示を限定することを意図するものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は、一般にその特定の実施形態に限定されないが、特に示されていないまたは記載されていない場合であっても、適用可能であれば、交換可能であり、かつ選択された実施形態で使用することができる。同じことは、多くの点で変化し得る。そのような変形例は、本開示からの逸脱とみなされるべきではなく、そのような変更はいずれも、本開示の範囲内に含まれることが意図される。
【図１】
2020520315.tif 000003
【図２】
2020520315.tif 000004
【図３】
2020520315.tif 000005
【図４】
2020520315.tif 000006
【国際調査報告】
2020520315.tif 000007