JP4003698B2 - 樹脂部品のレーザ溶着方法およびレーザ溶着装置 - Google Patents

樹脂部品のレーザ溶着方法およびレーザ溶着装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、合成樹脂材料をもって形成された樹脂部品のレーザ溶着（レーザ溶接）方法とレーザ溶着装置に関し、特に一方の樹脂部材と他方の樹脂部材とをレーザ光照射による溶着をもって接合するようにした樹脂部品のレーザ溶着方法とレーザ溶着装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の樹脂部品のレーザ溶着技術として特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１に記載の技術では、レーザ光を透過する樹脂部材とレーザ光を吸収する樹脂部材とを重ね合わせた上でレーザ光を透過する樹脂部材側からレーザ光を照射して、レーザ光を吸収する樹脂部材の一部を溶融せしめるとともに、その溶融熱をもってレーザ光を透過する樹脂部材を溶融させることで双方の樹脂部材同士を溶着接合することを基本としている。
【０００３】
すなわち、上記レーザ溶着に代表されるような樹脂部品の溶着接合に際しては、それぞれの樹脂部材の周縁部に溶着代となるべき接合フランジ部を予め形成しておき、これらの接合フランジ部同士を突き合わせるように重ね合わせた上で、レーザ光を照射することになるレーザヘッドを例えばＮＣ制御等にて接合フランジ部に沿って移動させることで連続的に溶着を行うことになる。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭６２−４９８５０号公報 （第２頁および第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような樹脂部品のレーザ溶着に際しては、溶着すべき樹脂部材間に隙間があるとその溶着強度が極端に低下するという問題がある。
【０００６】
すなわち、樹脂部品のレーザ溶着に際しては、最初にレーザ光を吸収する樹脂部材が発熱・溶融し、次いでその溶融熱がレーザ光を透過する樹脂部材側に熱伝導をもって伝わることでレーザ光を透過する樹脂部材も溶融し、その結果として双方の樹脂部材同士が溶け合って溶着することになる。この場合、双方の樹脂部材間に隙間があると熱伝導性能が極端に悪化し、樹脂部材同士が十分に溶け合わないために両者の溶着強度が極端に低下することになる。
【０００７】
そこで、溶着強度不良の発生を未然に防止する方法としては、レーザ光を照射するのに先立って溶着すべき二つの樹脂部材間の隙間の大きさを計測し、その隙間の大きさが許容限界値を超えている場合には該当する樹脂部材を排除することが有効であるとされている。しかしながら、二つの樹脂部材間の隙間の大きさは非常に微小であることから、この微小隙間を定量的に計測することはきわめて困難であり、なおも改善の余地を残している。
【０００８】
また、他の方法として、レーザ溶着を施した後に樹脂部品の気密性試験を行って、その樹脂部品を形成している樹脂部材相互間の「漏れの有無」をもって溶着強度の良否もしくは適否を判断することも可能ではあるが、溶着強度が十分でなくても、双方の樹脂部材同士がわずかでも溶け合ってさえいれば気密性試験では「漏れなし」と判定されてしまい、溶着強度の適否判定結果の信頼性に乏しいものとなる。
【０００９】
本発明は以上のような課題に着目してなされたものであり、とりわけ二つの樹脂部材同士の間の隙間の発生に起因する溶着強度不良を的確に検知し、もってその溶着強度不良の樹脂部品を確実に排除できるようにしたレーザ溶着方法とレーザ溶着装置を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、レーザ光を透過する一方の樹脂部材とレーザ光を吸収する他方の樹脂部材のそれぞれに溶着代として予め形成された接合フランジ部同士を突き合わせた上で、一方の樹脂部材の接合フランジ部側からレーザ光を照射して樹脂部材同士を溶着することにより一体化した樹脂部品のレーザ溶着方法であって、レーザ光による溶着を仮溶着工程と本溶着工程の二工程に分けて行うとともに、仮溶着後であって本溶着前に樹脂部品の気密性試験を行い、上記本溶着は気密性試験の結果が適正である樹脂部品についてのみ施すことを特徴とする。
【００１１】
この場合、請求項２に記載のように、上記仮溶着は本溶着時よりもレーザエネルギー投与量を少なくして行うことが望ましく、より望ましくは、請求項３に記載のように、上記仮溶着は要求される溶着強度を得るのに必要なレーザエネルギー投与量よりも少ないレーザエネルギー投与量をもって行う一方、本溶着は要求される溶着強度を得るのに必要なレーザエネルギー投与量をもって行うものとする。
【００１２】
なお、仮溶着時と本溶着時とでのレーザエネルギー投与量の変化は、請求項４に記載のように、レーザ出力、樹脂部材とレーザ光との相対移動速度、レーザヘッドとレーザ照射部位とのなす距離のうちの少なくともいずれかの変化として与えることができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の技術を実質的にレーザ溶着装置としてとらえたものであり、レーザ光を透過する一方の樹脂部材とレーザ光を吸収する他方の樹脂部材のそれぞれに溶着代として予め形成された接合フランジ部同士を突き合わせた上で、一方の樹脂部材の接合フランジ部側からレーザ光を照射して樹脂部材同士を溶着，一体化するようにした樹脂部品のレーザ溶着装置を前提として、二つの樹脂部材同士を位置決めクランプした上でそれらの樹脂部材とレーザ光とを相対移動移動させる手段とは別に、樹脂部材同士の位置決めクランプ状態を維持したままでその気密性の試験を行う気密性試験手段を備えていることを特徴とする。
【００１４】
したがって、請求項１に記載の発明では、二つの樹脂部材同士の間の隙間が許容範囲内のものであれば、仮溶着を行っただけの段階でも双方の樹脂部材同士が溶け合っているために、気密性試験を行ったとしても漏れの発生はないことになる。言い換えれば、気密性試験において漏れの発生がない場合には、二つの樹脂部材同士の間の隙間が許容範囲内にある蓋然性が高く、そのまま要求される溶着強度を確保するべく本溶着に移行する。
【００１５】
その一方、二つの樹脂部材同士の間の隙間が許容範囲外のものであれば、仮溶着を行っただけの段階では双方の樹脂部材同士が溶け合わないために、気密性試験を行った場合には漏れが発生することになる。言い換えれば、気密性試験において漏れの発生が認められた場合には、二つの樹脂部材同士の間の隙間が許容範囲外のものである蓋然性が高く、本溶着に移行することなくその段階で溶着強度不良として排除する。こうすることにより、溶着強度不良の樹脂部品が流出するのを未然に防止できることになる。
【００１６】
この場合、請求項４に記載の装置を用いることで、仮溶着および本溶着のみならずその気密性試験までも同一工程内で行うとができるようになる。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、レーザ光による溶着を仮溶着工程と本溶着工程の二工程に分けて行うとともに、仮溶着後であって本溶着前に樹脂部品の気密性試験を行い、気密性試験の結果が適正である樹脂部品についてのみ本溶着を施すようにしたものであるから、二つの樹脂部材間の隙間の発生に基づく溶着強度不良の製品の発生を未然に防止できる効果がある。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、レーザ溶着工程内において気密性試験までも行うことができるために、工程数の削減と併せて生産性が向上する効果がある。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１以下の図面は本発明の好ましい実施の形態を示す図で、図２に示すように樹脂部品として内燃機関における樹脂製のインテークマニホールドを溶着接合する場合の例を示している。
【００２０】
図２に示すように、樹脂部品としてのインテークマニホールド１は全体として略偏平矩形状の管状体構造のものとして形成されていて、その長手方向両端に相手側部材との連結のために板状の取付フランジ部２，３が一体に形成されているものである。このようなインテークマニホールド１の成形にあたっては、図３にも示すように、全周に接合フランジ部４ａ，５ａが形成された樹脂部材たる二つの半割部品４，５を例えば射出成形等により予め成形し、それらの半割部品４，５の接合フランジ部４ａ，５ａ同士を突き合わせた上でその部分にレーザ光による溶着接合を施すことで接合フランジ部４ａ，５ａを溶着代として一体化し、その結果として図２に示すようなインテークマニホールド１を得るものである。なお、一対の取付フランジ部２，３は一方の半割部品４と予め一体に成形される。
【００２１】
二つの半割部品４，５のうち一方の半割部品４にはレーザ光を吸収する特性を、他方の半割部品５にはレーザ光を透過する特性をそれぞれ具備させるべく、一方の半割部品４はレーザ光４を吸収する樹脂材料をもって、他方の半割部品５はレーザ光を透過する樹脂材料をもってそれぞれ成形してある。例えばそれぞれの半割部品４，５を射出成形するにあたり、一方の半割部品４は樹脂材料としてＰＡ６ＧＦ強化材にレーザ光を吸収する着色料を混ぜたものを用いて成形し、他方の半割部品５は樹脂材料として同じくＰＡ６ＧＦ強化材にレーザ光を透過する着色料を混ぜたものを用いて成形してある。
【００２２】
レーザ光６の照射による溶着は、図４に示すように双方の半割部品４，５の接合フランジ部４ａ，５ａ同士を重ね合わせるようにして突き合わせ、後述する押さえ治具１５にて予め押さえ付けた上で行うものとする。そして、レーザヘッド７により一方の半割部品５側からスポット状のレーザ光６を照射したならば、そのレーザヘッド７と半割部品４，５とを接合フランジ部４ａ，５ａの幅寸法を二分するような仮想溶着線すなわちレーザ光６を移動すべき軌跡８に沿って相対移動させることで行う。例えば半割部品４，５を固定側としてレーザヘッド７をＮＣ制御等によりレーザ光軌跡８に沿って移動させることで接合フランジ部４ａ，５ａ同士の溶着を行う。
【００２３】
図５は上記レーザヘッド７や押さえ治具１５を含むレーザ溶着装置の全体構造を示しており、多関節型の産業用ロボット（以下、単にロボットという）１６のアーム１７先端に支持させたレーザヘッド７以外にワークベース１８と気密性試験手段としてのリークテスター１２が用意されている。ワークベース１８およびリークテスター１２にはそれぞれにシール治具１０または１１が装着されており、溶着対象となる半割部品４の取付フランジ部２，３がそれぞれにボルト１９にてシール治具１０，１１に固定される。そして、半割部品４の上にもう一方の半割部品５を重ね合わせたならば、それら双方の半割部品４，５は金属製の押さえ治具１５にて押圧されるようにして位置決めクランプされる。
【００２４】
押さえ治具１５は一方の半割部品５の接合フランジ部５ａとほぼ同形状に形成された枠状のもので、エアシリンダ２０の伸縮作動に応じて昇降動作するようになっており、接合フランジ部５ａの周縁部の上面に接触して双方の接合フランジ部４ａ，５ａ同士を密着させる役目をする。なお、押さえ治具１５は、先に述べたレーザ光移動軌跡８と干渉しないように設定されており、レーザ溶着時にはその押さえ治具１５の内側を上記レーザ光移動軌跡８に沿ってレーザ光６が移動することになる。
【００２５】
すなわち、図６に示すように、一方の半割部品５はレーザ光６を透過し、他方の半割部品４はレーザ光６を吸収するが故に、一方の半割部品５の接合フランジ部５ａを透過したレーザ光６は接合面９（接合フランジ部４ａ，５ａ同士の合わせ面）にて他方の半割部品４の接合フランジ部４ａにて吸収され、その接合フランジ部４ａの一部を溶融させる。同時に、その溶融熱を受けて他方の半割部品５の接合フランジ部５ａの一部も溶融し、これにより双方の接合フランジ部４ａ，５ａ同士が相溶層１４をもって溶着接合される。
【００２６】
この場合において、接合面９にて双方の接合フランジ部４ａ，５ａ同士が隙間なく密着することが理想ではあるが、各半割部品４，５の成形精度等により接合面９に隙間が発生することがあり、このような双方の接合フランジ部４ａ，５ａ同士の間の隙間が両者の溶着強度（接合強度）に大きな影響を与えることは先に述べた。
【００２７】
図７は、双方の接合フランジ部４ａ，５ａ同士の間の隙間と溶着強度との関係の一例を示したのもので、例えば要求される溶着強度を３０ＭＰａとした場合、接合フランジ部４ａ，５ａ同士の間の隙間が０．１ｍｍ以下でなければ要求強度を満たすことはできない。なお、接合フランジ部４ａ，５ａ同士の間の隙間の許容限界を０．１ｍｍとしたのは、その接合フランジ部４ａ，５ａ同士の接合部９の要求溶着強度を得るのに必要なレーザ光６のエネルギーたるレーザ出力が例えば７５Ｗであった場合に、レーザ出力をそれよりも低い例えば３０Ｗとして溶着を行ったときには、接合フランジ部４ａ，５ａ同士の間の隙間が０．１ｍｍを越えればその溶着部である接合面９が気密性不良となって漏れが発生することが実験的に認められたためである。
【００２８】
そこで、本実施の形態では、図８に示すように、上記のようなレーザ溶着を仮溶着と本溶着の二工程に分けて行う一方で、接合フランジ部４ａ，５ａ同士の間の隙間と溶着強度との相関を利用して、仮溶着後であって本溶着前に気密性試験をもって接合フランジ部４ａ，５ａ同士の間の隙間ひいては溶着強度の適否判定を行うものとする。
【００２９】
一回目の溶着である仮溶着は、要求される溶着強度を得るのに必要なレーザエネルギー投与量（ここでは、レーザ出力レベルで例えば７５Ｗとする）よりも少ないレーザエネルギー投与量（ここでは、レーザ出力レベルで例えば３０Ｗとする）のもとでレーザ溶着を行い、それに続いて気密性試験を行うものとする。
【００３０】
図４，５から明らかなように、レーザ溶着装置には、一方の取付フランジ部３に対応するシール治具１０を備えたワークベース１８と、他方の取付フランジ部２に対応するシール治具１１を備えた気密性試験手段としてのリークテスター１２が予め付帯していて、仮溶着後のインテークマニホールド（中間成形段階のインテークマニホールド）１が予めそれらに位置決めクランプされていることから、仮溶着に続いて、その状態のままでインテークマニホールド１の内部を密閉空間としてリークテスター１２にて気密性試験を行う。なお、この気密性試験は、インテークマニホールド１の内部が所定の圧力になるまで負圧もしくは正圧をかけた状態で所定時間内での圧力変化を監視することによりその良否判定を行う公知の方法である。
【００３１】
図１の（Ａ）は、仮溶着後において溶着代である接合フランジ部４ａ，５ａ同士の間の隙間Ｇが許容範囲Ｇ0内（０．１ｍｍ以下）のものである場合の接合面９の模式的断面図を示す。同図から明らかなように、隙間Ｇが許容範囲Ｇ0内にあれば、レーザエネルギー投与量を少なくした仮溶着であっても接合フランジ部４ａ，５ａ同士が相互に溶け込んで溶着しているために、気密性試験において漏れの発生はない。なお、溶着部たる接合面９では、一方の接合フランジ部４ａ側の材料が溶融して膨出部１３が形成されており、この膨出部１３の頂部が他方の接合フランジ部５ａに接触して相溶層１４を形成していることで両者が溶着されている。したがって、図１の（Ａ）の場合には仮溶着後の双方の接合フランジ部４ａ，５ａ同士が膨出部１３の相溶層１４をもって確実に密着しているので、気密性試験においても漏れの発生はない。
【００３２】
一方、図９の（Ａ）は、仮溶着後において溶着代である接合フランジ部４ａ，５ａ同士の隙間Ｇが許容範囲Ｇ0外（０．１ｍｍを越えるもの）のものである場合の接合面９の模式的断面図を示す。同図から明らかなように、隙間Ｇが許容範囲Ｇ0を越えていれば、レーザエネルギー投与量を少なくした仮溶着の際に接合フランジ部４ａ，５ａ同士が溶け込まずに溶着不十分となっているために、気密性試験において漏れが発生する。すなわち、一方の接合フランジ部４ａ側の材料が溶融して膨出部１３が形成されてはいても、それが他方の接合フランジ部５ａに十分に接触しないために、図１の（Ａ）のような相溶層１４が形成されずに溶着不十分となっている。したがって、図９の（Ａ）の場合には仮溶着後の双方の接合フランジ部４ａ，５ａ同士が膨出部１３で密着していないので、気密性試験において確実に漏れが発生する。なお、図１，９ともに図４の（Ａ）のＤ−Ｄ線に沿う断面での拡大図としてある。
【００３３】
このように、仮溶着後の気密性試験において漏れの発生が認められたものについては、図８に示すようにその気密性試験の良否判定をもって不良品として直ちに排除し、気密性試験において漏れの発生がなかったもののみについて後述する二回目の溶着として本溶着を施す。これにより、接合フランジ部４ａ，５ａ同士の接合面９での要求溶着強度を満たさない製品が後工程に流出するのを未然に防止できることになる。
【００３４】
気密性試験に続き二回目の溶着として行われる本溶着は、要求される溶着強度を得るのに必要なレーザエネルギー投与量（先に述べたように、レーザ出力レベルで例えば７５Ｗとする）のもとでレーザ溶着を行う。
【００３５】
図１の（Ｂ）は、同図（Ａ）の仮溶着に続いて本溶着を施した場合の溶着部たる接合面９の模式的断面図を示す。同図から明らかなように、溶着部たる接合面９では本溶着時のレーザエネルギーを受けて一方の接合フランジ部４ａ側の膨出部１３が一段と成長して、一段と広い範囲すなわちより大きな相溶層１４をもって他方の接合フランジ部５ａに接触することで両者が溶着している。したがって、要求強度を満たし得るだけの十分な溶着強度を得ることができる。
【００３６】
ここで、参考までに、仮溶着後の気密性試験の際に漏れの発生が認められたものすなわち図９の（Ａ）の仮溶着に続いて本溶着を施したと仮定した場合の接合面９の模式的断面図を図９の（Ｂ）に示す。同図から明らかなように、相手側となる接合フランジ部５ａに膨出部１３が接触していて相溶層１４の形成は認められるものの、隙間Ｇが許容範囲Ｇ0を超えているために図１の（Ｂ）と比較して両接合フランジ部４ａ，５ａ同士の溶け込み深さが不十分であり、要求される溶着強度が得られないことになる。
【００３７】
さらに、接合フランジ部４ａ，５ａ同士の隙間Ｇが許容範囲Ｇ0を超えている場合であって、且つ仮溶着を経ることなくいきなり要求される溶着強度を得るのに必要なレーザエネルギー投与量（先に述べたように、レーザ出力レベルで例えば７５Ｗとする）のもとで本溶着を行った場合を想定してみる。この場合には、溶着部たる接合面９の状態は図９の（Ｂ）とほぼ同様な形態となるものと予想されることから、本溶着後に気密性試験を行った場合には、要求される溶着強度を満たしていないにもかかわらず漏れの発生がないものとして、すなわち要求溶着強度を満たす正規の製品であると判定しまう可能性があることになる。
【００３８】
ここで、上記の実施の形態では、仮溶着時と本溶着時とでレーザエネルギー投与量を変化させる方法としてレーザ出力そのものを変化させているが、これ以外に、例えばレーザ溶着時におけるレーザ光６と樹脂部品１との相対移動速度を変化させたり、あるいは図４の（Ｂ）に示したレーザヘッド７とレーザ照射部たる接合面９との間の距離を変化させても同様の効果が得られる。
【００３９】
このように本実施の形態によれば、レーザ溶着を仮溶着と本溶着の二工程に分けて行うことを前提として、その仮溶着と本溶着の間に気密性試験を行うことで、接合フランジ部４ａ，５ａ間の隙間Ｇの過大に起因して要求溶着強度を満たし得ないインテークマニホールド１の生産を事前に排除することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施の形態として図２に示すインテークマニホールドの製造過程を示す図で、（Ａ）は仮溶着後の接合フランジ部の拡大断面図、（Ｂ）は本溶着後の接合フランジ部の拡大断面図。
【図２】樹脂部品の一例として樹脂製のインテークマニホールドの概略を示す図で、（Ａ）はその平面説明図、（Ｂ）はその側面説明図、（Ｃ）は同図（Ａ）の左側面説明図。
【図３】図２に示すインテークマニホールドの分解図。
【図４】（Ａ）は図１に示すレーザ溶着を司るレーザ溶着装置の平面説明図、（Ｂ）は同レーザ溶着装置の側面説明図。
【図５】レーザ溶着装置全体の構成説明図。
【図６】図１に示した接合フランジ部同士の理想とされる溶着状態を示す拡大断面図。
【図７】図１に示した接合フランジ部同士の間の隙間と溶着強度との関係を示す特性図。
【図８】本発明の好ましい実施の形態として仮溶着と本溶着および気密性試験を含む全体の手順を示すフローチャート。
【図９】（Ａ），（Ｂ）ともに図１の溶着形態において接合フランジ部同士の間の隙間が許容範囲を超えている場合の拡大断面図。
【符号の説明】
１…インテークマニホールド（樹脂部品）
４…半割部品（樹脂部材）
４ａ…接合フランジ部
５…半割部品（樹脂部材）
５ａ…接合フランジ部
６…レーザ光
７…レーザヘッド
９…接合面
１２…リークテスター（気密性試験手段）
Ｇ…接合フランジ部同士の隙間
Ｇ0…隙間の許容範囲

Claims (5)

  1. レーザ光を透過する一方の樹脂部材とレーザ光を吸収する他方の樹脂部材のそれぞれに溶着代として予め形成された接合フランジ部同士を突き合わせた上で、一方の樹脂部材の接合フランジ部側からレーザ光を照射して樹脂部材同士を溶着することにより一体化した樹脂部品のレーザ溶着方法であって、
    レーザ光による溶着を仮溶着工程と本溶着工程の二工程に分けて行うとともに、
    仮溶着後であって本溶着前に樹脂部品の気密性試験を行い、
    上記本溶着は気密性試験の結果が適正である樹脂部品についてのみ施すことを特徴とする樹脂部品のレーザ溶着方法。
  2. 上記仮溶着は本溶着時よりもレーザエネルギー投与量を少なくして行うことを特徴とする請求項１に記載の樹脂部品のレーザ溶着方法。
  3. 上記仮溶着は要求される溶着強度を得るのに必要なレーザエネルギー投与量よりも少ないレーザエネルギー投与量をもって行う一方、
    本溶着は要求される溶着強度を得るのに必要なレーザエネルギー投与量をもって行うことを特徴とする請求項２に記載の樹脂部品のレーザ溶着方法。
  4. 仮溶着時と本溶着時とでのレーザエネルギー投与量の変化は、レーザ出力、樹脂部材とレーザ光との相対移動速度、レーザヘッドとレーザ照射部位とのなす距離のうちの少なくともいずれかの変化として与えるものであることを特徴とする請求項２または３に記載の樹脂部品のレーザ溶着方法。
  5. レーザ光を透過する一方の樹脂部材とレーザ光を吸収する他方の樹脂部材のそれぞれに溶着代として予め形成された接合フランジ部同士を突き合わせた上で、一方の樹脂部材の接合フランジ部側からレーザ光を照射して樹脂部材同士を溶着，一体化するようにした樹脂部品のレーザ溶着装置であって、
    二つの樹脂部材同士を位置決めクランプした上でそれらの樹脂部材とレーザ光とを相対移動移動させる手段とは別に、樹脂部材同士の位置決めクランプ状態を維持したままでその気密性の試験を行う気密性試験手段を備えていることを特徴とする樹脂部品のレーザ溶着装置。
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