JP2008119839A - 樹脂材のレーザ溶着方法および樹脂部品 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性を犠牲にすることなく、レーザ吸収性樹脂材同士を安定してかつ十分なる溶込み深さを確保して突き合せ溶着できるようにする。
【解決手段】黒色着色剤の１つであるニグロシン染料を樹脂に含有させたレーザ吸収性樹脂材１１と１２とを突き合せ、その突き合せ部１３にレーザ光Ｌａを照射して、両樹脂材を突き合せ溶着する。黒色着色剤としてニグロシン染料を選択することで、照射表面でのレーザ吸収が低く抑えられ、レーザ光Ｌａは、表面から深い部位まで到達して、０.４ｍｍ以上の溶着深さＤを有する溶着部１４が得られ、電子部品の収納ケースの製造に適用した場合に、十分なるシール性の確保が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を照射して樹脂材同士を溶着するレーザ溶着方法およびこのレーザ溶着方法を適用して製造された樹脂部品に関する。

従来、樹脂材同士のレーザ溶着は、一般にレーザ光に対して透過性を有するレーザ透過性樹脂材とレーザ光に対して吸収性を有するレーザ吸収性樹脂材とを重ね合せて、レーザ透過性樹脂材を通して両樹脂材の合せ面にレーザ光を照射し、レーザ吸収性樹脂材の発熱によってレーザ透過性樹脂材も加熱して合せ部を融合させる方法で行われていた。なお、レーザ吸収性樹脂材としては、カーボンブラックを含有させたものが多く用いられるが、最近では、ニグロシン染料、アニリンブラックなどを含有させたものも用いられている（たとえば、特許文献１参照）。

図３は、車載用電子部品の収納ケースの製造に上記したレーザ溶着方法を適用した例を示したもので、この場合は、ケース本体１をレーザ吸収性樹脂材により、カバー２をレーザ透過性樹脂材によりそれぞれ形成し、ケース本体１にカバー２を重ね合せた状態で、カバー２の上方からレーザ光Ｌａを照射して溶着を行う。

ところで、上記した車載用電子部品の収納ケースは、温度変化や湿度変化が大きい環境に置かれることから、環境の変化に耐える高いシール性（水密性、気密性）が要求される。しかし、上記したように樹脂材同士を重ね合せて溶着を行うレーザ溶着方法においては、レーザ透過性樹脂材の透過率のばらつきによって加熱、溶融状態が変化し、未溶着、発泡、焼け（焦げ）などの不具合が発生しやい、という問題があった。特に、上記収納ケースのカバー２のような大型品（一例として、８０ｍｍ×３０ｍｍ）の樹脂成形においては、樹脂の流動性の制約や寸法安定性の確保などの都合で、多点ゲート配置を採用することが多いが、この場合には、成形体内にウエルドが形成されるため、前記透過率の大幅な変化が避けられず、前記した不具合の発生も顕著となる。また、この種の収納ケースには、強度、耐熱性、成形性等を考慮してポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）またはポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）が使用されるが、これら樹脂材は、ポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）と比べて透過率が低いため、レーザ光の出力を高く設定しなければならず、過熱により発泡が生じる危険があって、所望のシール性を有する樹脂部品を安定して得ることが困難である、という問題もあった。

一方、レーザ溶着方法としては、レーザ吸収性樹脂材同士を突き合せ、この突き合せ部にレーザ光を照射して、両樹脂材を突き合せ溶着する方法が従来より知られている。この突き合せ溶着方法によれば、樹脂材同士の突き合せ部に直接レーザ光を照射するので、これを上記収納ケースの製造に適用すれば、透過率のばらつきやウエルド形成に起因する不具合発生を防止できるものと期待される。なお、上記収納ケースの製造に突き合せ溶着方法を適用する場合は、前出図３に一点鎖線で示すように、ケース本体１とカバー２との合せ部に対してその側方からレーザ光Ｌａが照射されることになる。しかしながら、実際にレーザ吸収性樹脂材同士を突き合せ溶着すると、レーザ光のエネルギーの大部分が照射表面で吸収されてしまうため、溶込み深さが極めて浅くなり、所望のシール性を確保することが困難であった。なお、溶込み深さを拡大すべく、単にレーザ光の出力を大きくすると、照射表面が爆発的に過熱して発泡や焼けが生じ、溶着そのものが不可能となる。

そこで、たとえば、特許文献２には、レーザ吸収性樹脂材同士の突き合せ部に照射するレーザ光の出力を落として、レーザ光の走査を複数回繰返すことが提案されている。しかし、このような対策によれば、レーザ光の走査を複数回繰返すため、溶着に時間がかかり、上記収納ケースのように全周の溶着を必要する場合は、生産性の低下が避けられないようになる。
特開２００３−３２０５８８号公報 特開２００５−２４６６９２号公報

本発明は、上記した技術的背景に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、生産性を犠牲にすることなく、レーザ吸収性樹脂材同士を安定してかつ十分なる溶込み深さを確保して突き合せ溶着できるレーザ溶着方法を提供し、併せて該方法を適用して製造された樹脂部品を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る樹脂材のレーザ溶着方法は、レーザ吸収性樹脂材同士を突き合せて、両樹脂材を突き合せ溶着するレーザ溶着方法において、少なくとも０.４ｍｍの溶込み深さを確保することを特徴とする。このように、少なくとも０.４ｍｍの溶込み深さとすることで、所望のシール性を確保することができる。

以下に、本発明の態様をいくつか例示し、それらについて項分けして説明する。なお、以下の説明でいうレーザ吸収性樹脂材とは、波長が１０００ｎｍ程度の近赤外レーザ光に対して吸収性を有する樹脂の意味である。

（１）黒色着色剤を含有させたレーザ吸収性樹脂材同士を突き合せ、該突き合せ部にレーザ光を照射して、両樹脂材を突き合せ溶着するレーザ溶着方法において、前記黒色着色剤として特定の着色剤を選択することにより、少なくとも０.４ｍｍの溶込み深さを確保することを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。

このように行うレーザ溶着方法においては、レーザ吸収性樹脂材に含有させる黒色着色剤として、カーボンブラックよりもレーザ吸収を低く抑える着色剤を選択することで、突き合せ部に照射されるレーザ光の透過深さが拡大し、少なくとも０.４ｍｍの溶込み深さを確保することができる。したがって、レーザ吸収性を有する樹脂材同士を突き合せ溶着しても、十分高いシール性を確保することができる。また、重ね合せ溶着のようにレーザ透過性樹脂材の透過率のばらつきの影響を受けることがないので、ウエルドを有する樹脂材の溶着はもとより、比較的透過率の低いＰＢＴやＰＰＳの溶着を安定して行うことができる。さらに、レーザ吸収が低く抑えられることから、照射表面での過熱が抑えられ、レーザ光の出力を特別に低く落してレーザ走査を複数回行う必要もなくなって、生産性が犠牲になることもない。

（２）黒色着色剤として、ニグロシン染料を選択することを特徴とする（１）項に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。

本レーザ溶着方法において、樹脂材に含有させる黒色着色剤としては、カーボンブラックよりもレーザ吸収を低く抑えるものであれば、特にその種類を問わないが、ニグロシン染料は、このような着色剤として有用である。このニグロシン染料を含有させた樹脂材は、前記特許文献１に記載されるように重ね合せ溶着の分野での使用実績があるので、入手が容易であり、本レーザ溶着方法で用いる樹脂材として好適である。

（３）上記（１）項または（２）項に記載のレーザ溶着方法を適用して製造された樹脂部品であって、表面からの溶着深さが、０.４ｍｍ以上であることを特徴とする樹脂部品。

（４）電子部品の収納ケースとして構成されていることを特徴とする（３）項に記載の樹脂部品。

（５）レーザ吸収性樹脂が、ポリブチレンテレフタレード（ＰＢＴ）またはポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）であることを特徴とする（３）項または（４）項に記載の樹脂部品。

本（３）〜（５）項に記載の樹脂部品においては、表面からの溶着深さが、０.４ｍｍ以上となっているので、強度はもちろん、シール性も十分となり、多方面に用途が拡大する。

本発明に係るレーザ溶着方法によれば、樹脂溶着部の生産性を犠牲にすることなく、レーザ吸収性樹脂材同士を安定してかつ十分なる溶込み深さを確保して突き合せ溶着できるので、その利用価値は大なるものがある。

また、本発明に係る樹脂部品によれば、強度はもちろん、シール性も十分となり、多方面に用途が拡大する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて説明する。

図１は、本発明に係るレーザ溶着方法の１つの実施形態を示したものである。本レーザ溶着方法は、レーザ吸収性を有する２つの樹脂材１１と１２とを突き合せて、その突き合せ部１３に対し、図示を略すレーザトーチからレーザ光（近赤外レーザ光）Ｌａを照射して、両樹脂材１１と１２とを突き合せ溶着するものである。

レーザ吸収性を有する樹脂材１１、１２としては、ここでは黒色着色剤の１つであるニグロシン染料を含有させたものを用いている。この場合、ニグロシン染料を含有させる樹脂の種類は任意であり、透過率の高いポリエチレン（ＰＥ）やポリプロピレン（ＰＰ）であっても、透過率の低いポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）やポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）であってよい。また、樹脂材１１と樹脂材１２との組合せは、互いに相溶性があれば、異種の樹脂同士の組合せであってもよいが、溶着部の均質性を高めるには、同種の樹脂同士を組合せるのが望ましい。

突き合せ部１３に照射するレーザ光Ｌａの種類は、近赤外レーザ光であれば任意であり、ＹＡＧレーザ、ヘリウム−ネオンレーザ、半導体レーザ、ガラス−ネオジウムレーザ、ルビーレーザ、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。

レーザ溶着に際しては、樹脂材１１と樹脂材１２とを突き合せた後、その突き合せ部１３に向けて、レーザトーチから所定の出力のレーザ光Ｌａを照射させ、該レーザ光Ｌａを突き合せ部１３の合せ線に沿って所定の速度で走査させる。このとき、レーザ光Ｌａの走査は、樹脂材１１、１２の位置を固定してレーザトーチを移動させても、レーザトーチの位置を固定して樹脂材１１、１２を移動させてもよい。このレーザ光Ｌａの走査により、樹脂材１１と１２の突き合せ部１３が連続に溶着され、これにより所定の樹脂部品が完成する。

上記のように行うレーザ溶着においては、突き合せ溶着すべき２つの樹脂材１１、１２が共に、ニグロシン染料を含有しているので、照射表面でのレーザ吸収が低く抑えられ、レーザ光Ｌａは、表面から深い部位まで到達する。これにより、突き合せ部１３における溶込み深さ（溶着深さ）は、強度およびシール性を満足する十分なる深さとなる。図１中、１４は、突き合せ部１３に形成された溶着部を示しており、その溶着深さＤは、０.４ｍｍ以上となっている。因みに、同じ黒色着色剤であるカーボンブラックを含有させた樹脂材同士をレーザ光により突き合せ溶着した場合は、レーザ光の照射表面でレーザ光のほとんどが吸収されるため、溶着部の深さは、０.２ｍｍ程度が限度であり、この場合は、強度およびシール性の面で問題が生じる。

前出図３に示した電子部品の収納ケースを構成するケース本体１とカバー２とを、後述の種々の樹脂を用いて成形し、図２に示すようにケース本体１にカバー２を合せて、両者の合せ部に横方向または上方向からレーザ光Ｌａを照射し、両者を突き合せ方式または重ね合せ方式により全周溶着して収納ケースを完成させた。また、ケース本体１の底部には、予めエア吹込口３を設け、収納ケース完成後、ケース本体１の底面にエア吹込口３に連通するエア管４を接合した。ここで、収納ケースの全体大きさは、長さＬが８０ｍｍ、紙面に垂直方向の幅が３０ｍｍ、高さＨが１６ｍｍとなっている。また、収納ケースを構成するケース本体１は、その肉厚ｔが２.０ｍｍ、その高さｈが１５ｍｍとなっており、一方、カバー２の板厚Ｔは１.０ｍｍとなっている。

ケース本体１およびカバー２の樹脂としては、ＰＢＴとＰＰＳとを選択し、表１に示すように、これに着色剤としてニグロシン染料（Ｎ）、カーボンブラック（Ｃ）を種々の割合で加えた有着色のもの（レーザ吸収性樹脂）と着色剤を加えない未着色のもの（レーザ透過性樹脂）とを用意し、これら樹脂をケース本体１とカバー２とに使い分けて成形を行った。成形は、カバー２については、その長手方向の中間部位にウエルドが形成される条件とウエルドが形成されない条件との２つの条件で行い、表１に示すようにウエルド有り、無しの２種類のカバー２を用意した。

上記したように用意されたケース本体１とカバー２とを、表１に示すように種々に組合せて溶着を行った。溶着は、合せ部に対するレーザ光Ｌａの照射径を１.５ｍｍに設定し、表１に示すようにレーザ光Ｌａの出力を種々に変更して、３０ｍｍ／秒の速度で走査させる条件で行った。そして、溶着後、完成した収納ケースについて、漏れ試験を行ってシール性を確認すると共に、最終的に破壊試験を行って溶着深さ（溶込み深さ）を測定した。漏れ試験は、前記収納ケースを冷熱サイクル槽内に納めて、−４０℃×３０分〜１４０℃×３０分の冷熱サイクルを繰返し、所定サイクル終了ごとに水槽に移して、エア管４を通して収納ケース内にエア圧０.２ＭＰａのエアを吹込み、溶着部からの漏れを目視により観察する方法で行った。表１は、前記した漏れ試験および破壊試験の結果を示したものである。

表１に示す結果より、区分１〜６に記載されるように、ケース本体１およびカバー２共に、ニグロシン染料（Ｎ）を含有させたレーザ吸収性樹脂により成形したものを組合せて、突き合せ方式により溶着した場合は、冷熱サイクルを１０００サイクル繰返しても漏れは生ぜず、シール性は極めて良好となっている。また、この区分１〜６の組合せでは、溶着部の溶込み深さが０.４ｍｍ以上となっており、前記した良好なシール性は、この溶込み深さが深いことによってもたらされたものと推定される。また、区分１，２と区分３〜６との比較より、ニグロシン染料（Ｎ）の含有量が多いほど、溶込み深さが浅くなる傾向にあるが、０.５０％含有の区分３〜６でも、少なくとも０.４０ｍｍの溶込み深さが得られており、シール性の面で全く問題がないといえる。さらに、区分１〜６内での比較より、ＰＢＴとＰＰＳとの樹脂種類、カバー２におけるウエルドの有無が溶込み深さ、シール性にほとんど影響しないことが明らかである。

これに対し、ケース本体１およびカバー２共に、ニグロシン染料（Ｎ）を含有させたレーザ吸収性樹脂により成形したものを組合せて、重ね合せ方式により溶着した場合は、カバー２内をレーザ光Ｌａが透過しないため、区分７，８に記載されるように、当然のこととして溶着不能となっている。また、未着色のレーザ透過性樹脂により成形したカバー２とニグロシン染料（Ｎ）を含有させたレーザ吸収性樹脂により成形したケース本体１とを組合せて、重ね合せ溶接を行った場合は、区分９，１０および区分１３，１４に記載されるように、カバー２にウエルドが存在すると、溶着したままでも漏れが生じ（サイクル０）、電子部品の収納ケースの製造にこの組合せを適用することは不可能であることが分かった。また、カバー２にウエルドが存在しない場合でも、５００サイクルの冷熱サイクルの繰返しで漏れが生じ、該収納ケースの製造への適用に不安が残ることが明らかとなった。これは、カバー２を構成するレーザ透過性樹脂の透過率のばらつきが影響したためと、推定される。

一方、ケース本体１およびカバー２共に、カーボンブラック（Ｃ）を含有させたレーザ吸収性樹脂により成形したものを組合せて、突き合せ方式により溶着した場合は、区分１１，１２および区分１５，１６に記載されるように、溶着したままでも漏れが生じた（サイクル０）。これは、溶込み深さが０.１８ｍｍ以下と浅いことに加え、照射表面が爆発的に過熱されて焼けが生じたためであり、電子部品の収納ケースの製造に対するこれらの組合せの適用は、実質不可能である、といえる。

本発明に係る樹脂材のレーザ溶着方法の１つの実施形態を示す模式図である。 電子部品の収納ケースを対象にした本発明の実施例を示す模式図である。 電子部品の収納ケースを対象にした従来の溶着方法を示す模式図である。

符号の説明

１ ケース本体
２ カバー
１１、１２ レーザ吸収性樹脂材
１３ 突き合せ部
Ｌａ レーザ光

Claims (5)

1. 黒色着色剤を含有させたレーザ吸収性樹脂材同士を突き合せ、該突き合せ部にレーザ光を照射して、両樹脂材を突き合せ溶着するレーザ溶着方法において、前記黒色着色剤として特定の着色剤を選択することにより、少なくとも０.４ｍｍの溶込み深さを確保することを特徴とする樹脂材のレーザ溶着方法。
2. 黒色着色剤として、ニグロシン染料を選択することを特徴とする請求項１に記載の樹脂材のレーザ溶着方法。
3. 請求項１または２に記載のレーザ溶着方法を適用して製造された樹脂部品であって、表面からの溶着深さが、０.４ｍｍ以上であることを特徴とする樹脂部品。
4. 電子部品の収納ケースとして構成されていることを特徴とする請求項３に記載の樹脂部品。
5. レーザ吸収性樹脂が、ポリブチレンテレフタレートまたはポリフェニレンスルフィドであることを特徴とする請求項３または４に記載の樹脂部品。

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