JP4868494B2 - 樹脂体の溶着方法および溶着装置 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂体の溶着方法および溶着装置に関し、特に、レーザ光吸収部を介して樹脂体同士を溶着する樹脂体の溶着方法および溶着装置に係るものである。

近年、プラスチック部品など樹脂体同士をレーザ光で溶着する技術が注目されており、その溶着部の溶着状態を判断する技術が例えば特許文献１に開示されている。

特許文献１の技術は、レーザ光を透過する透過性樹脂体とレーザ光を吸収する吸収性樹脂体とをレーザ光で溶着するにあたり、レーザ光を照射することにより前記樹脂体同士の当接面に形成された溶融部から透過性樹脂材を透過して放射される放射光により溶融部の温度を検出し、溶融部の温度に基づいて樹脂材同士の溶着状態を判断するものである。

この特許文献１の技術は、樹脂体同士の間に隙間または異物が存在している異常部分がある場合には溶着不良が生じやすい該異常部分の溶融温度が正常部分の温度と異なることに着眼したものであり、この技術によれば、計測された溶融部の温度に基づいて溶着状態の良否をインラインで判断しながら溶着できるという利点がある。

しかしながら、特許文献１の技術は係る利点を有するものの、透過性樹脂体の有する放射光の透過度または吸収性樹脂体の有する放射光の吸収性の不均一性により計測される溶融部の温度にバラツキが生じ、その結果、溶着状態の良否を誤判断する可能性がある。
特開２００４−１２２５６０号（段落番号０００６〜０００８）

本発明は、上記従来技術の課題を鑑み発明者らが鋭意検討してなされたものであり、管の外周面上で樹脂体同士をレーザ光で溶着するにあたり、樹脂体同士の溶着部が十分な強度を有する樹脂体の溶着方法および溶着装置を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、レーザ光透過性を有する第１樹脂体と、第２樹脂体とを、管の外周面上で重ね合わせ、レーザ光吸収性を有するレーザ光吸収部を介し、第１樹脂体と第２樹脂体とをレーザ光で溶着する樹脂体の溶着方法であって、レーザ光吸収部を介して重ね合わされた第１樹脂体と第２樹脂体とを、レーザ光が照射される領域を挟む、管の外周方向前後を所定の押圧力で押圧し、第１樹脂体の側からレーザ光をレーザ光吸収部に照射し該レーザ光吸収部に溶着部を形成するレーザ光照射工程と、前記レーザ光のエネルギー量を評価する第１評価工程と、前記溶着部の形状を評価する第２評価工程と、前記押圧力を評価する第３評価工程を少なくとも含み、第１工程乃至第３評価工程における評価に基づいて溶着部の溶着状態の良否を判別する樹脂体の溶着方法である。

かかる溶着方法によれば、第１樹脂体と第２樹脂体との間で押圧され両者と密着している状態のレーザ光吸収部に第１樹脂体の側からレーザ光を照射することにより、レーザ光吸収部が溶融するとともに該レーザ光吸収部に密着している第１樹脂体および第２樹脂体も溶融し、第１樹脂体および第２樹脂体を接合する溶着部が形成される。このとき、第１評価工程において、照射されているレーザ光のエネルギー量を評価することにより溶着部を形成するための適正な熱量が当接面に付与されているか否かが評価される。また、第２評価工程において、溶着部の形状を評価することにより溶着部が十分な強度を有しているか否かが評価される。すなわち、例えば溶着部の大きさに基づいて評価する場合には、溶着部が小さければ相対的に強度が低いと評価され、また、溶着部が大きすぎるときには過加熱により樹脂が劣化して材料強度が低下強度が低くなるので、溶着部が適正な大きさを有しているか否かにより融着部の強度が評価される。また、第３評価工程において、第１樹脂体と第２樹脂体との押圧力を評価することにより第１樹脂体と第２樹脂体との間に隙間がなく密着しているか否かが評価される。そして、第１乃至第３評価工程における評価を総合し、溶着部の溶着状態の良否を判別することにより、十分な強度を有する溶着部が形成されていることが担保される。

なお、上記態様において、前記第１評価工程において、レーザ光の発振状態に基づいて算出したレーザ光のエネルギー量または前記溶着部の温度に基づいて算出したレーザ光のエネルギー量、に基づいて溶着状態の良否を判別することができる。さらに、上記態様において、前記レーザ光照射工程において前記溶着部を筋状に形成するとともに、前記第２評価工程において計測した該溶着部の幅に基づいて溶着状態の良否を判別すれば、筋状に形成された溶着部の幅に基づいて確実に溶着部の溶着状態の良否が判別されるので好ましい。

本発明の別の態様は、上記、樹脂体の溶着方法を実施するために特に好ましいものであり、レーザ光透過性を有する第１樹脂体と、第２樹脂体とを、管の外周面上で重ね合わせ、レーザ光吸収性を有するレーザ光吸収部を介し、第１樹脂体と第２樹脂体とをレーザ光で溶着する樹脂体の溶着装置であって、（１）前記レーザ光吸収部を介して重ね合わされた前記第１樹脂体と前記第２樹脂体とを、レーザ光が照射される領域を挟む、管の外周方向前後を所定の押圧力で押圧する押圧部と、（２）前記第１樹脂体の側からレーザ光を前記レーザ光吸収部に照射し該レーザ光吸収部に溶着部を形成するレーザ光照射部と、（３）前記レーザ光照射部から照射されるレーザ光のエネルギー量を評価する第１評価手段と、前記レーザ光照射部で形成された溶着部の形状を評価する第２評価手段と、前記押圧部の押圧力を評価する第３評価手段と、第１乃至第３評価手段の評価に基づいて溶着部の溶着状態の良否を判別する判別手段とを有する演算部とを備えた樹脂体の溶着装置である。

なお、上記態様において、前記レーザ光の発振状態をモニタする監視手段を有し、前記第１評価手段は、前記監視手段によりモニタされたレーザ光の発振状態に基づいてレーザ光のエネルギー量を評価する構成としたり、前記レーザ光照射部で形成された溶着部の温度を計測する温度計測手段を有し、前記第１評価手段は、前記温度計測手段により計測された溶着部の温度に基づいてレーザ光のエネルギー量を評価する構成とすることができる。

さらに、上記態様において、前記レーザ光照射部から照射されるレーザ光を前記当接面に沿い移動させるレーザ光移動手段と前記レーザ光照射手段により形成された溶着部の形状を計測する形状計測手段とを有し、前記第２評価手段は、前記形状計測手段で計測された溶着部の形状に基づいて溶着部の形状を評価する構成とすれば好ましい。また、さらに、前記押圧部が発生する押圧力を計測する圧力計測手段を有し、前記第３評価手段は、前記圧力計測手段で計測された押圧力に基づいて押圧力を評価する構成とすればなお好ましい。

本発明によれば、管の外周面上で樹脂体同士をレーザ光を使用して溶着するにあたり上記説明した構成としたので、樹脂体同士の溶着部が十分な強度を有する樹脂体の溶着方法および溶着装置を提供することができる。

以下、本発明について、その実施態様１、２に基づき図面を参照しつつ説明する。なお、実施態様１では平板状の樹脂体を対象とし、実施態様２ではチューブ状の樹脂体を対象としているが、本発明は実施態様１，２にのみ限定されるものではない。

［実施態様１］
本発明の第１態様について図１〜５に基づき説明する。図１は第１態様の溶着装置の概略構成図、図２は図１の溶着装置が照射するレーザ光のエネルギー量の監視状態および樹脂体の溶着部の大きさと強度との関係を説明する図、図３は樹脂体の溶着部の大きさと強度との相関の関係を説明する図、図４は樹脂体同士の間に隙間が生じている場合に形成された溶着部を示す図、図５は図１の溶着装置の変形例の概略構成図である。

まず、第１態様の溶着装置１の構成について説明する。溶着装置１は、レーザ光透過性を有する平板状の第１樹脂体５１とレーザ光吸収性を有する平板状の第２樹脂体５２とをレーザ光Ｌを用いて接合するものであって、第１樹脂体５１を上側にして第２樹脂体５２と重ね合わされた第１樹脂体５１を上方から所定の押圧力で押圧する押圧部１４と、第１樹脂材５１と第２樹脂材との当接面５３に第１樹脂材５１の側からレーザ光Ｌを照射し溶着部５４を形成するレーザ光照射部１２と、前記レーザ光照射部１２から照射されるレーザ光Ｌのエネルギー量を評価する第１評価手段１１１と、前記レーザ光照射部１２で形成された溶着部５４の形状を評価する第２評価手段１１２と、前記押圧部１４の押圧力を評価する第３評価手段１１３と、第１乃至第３評価手段の評価に基づいて溶着部の溶着状態の良否を判別する判別手段１１４とを有する演算部１１とを備えている。ここで、第１態様においては、レーザ光吸収部は、符号５３で示すレーザ光吸収性を有する第１樹脂体５１と第２樹脂体５２との当接面であり、見かけ上、第１樹脂体５１と第２樹脂体５２は、該レーザ光吸収部５３を介して重ね合わされた状態となっている。（場合により、符号５３が指すものを「レーザ光吸収部」または「当接面」という。）以下、第１樹脂体５１、第２樹脂体５２、押圧部１４、レーザ光照射部１２及び演算部１１の各々の構成について説明する。

[第１樹脂体]
第１樹脂体５１は、上記したようにレーザ光透過性を有する樹脂、例えばナイロン６やナイロン６６等のポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、アクリル、ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）などを平板状に成形してなるものであり、例えば波長が８０８ｎｍの半導体レーザに対して６０〜９０％程度のレーザ光透過率を有している。なお、第１樹脂体５１としては、必要に応じ、上記樹脂にガラス繊維やカーボンファイバ等を添加して強化したもの、または上記樹脂にレーザ光吸収性のない染料等で着色したものを用いてもよい。また、第１態様においては、レーザ光吸収部５３を第２樹脂体５２に配置しているが、第１樹脂体５１の下面（すなわち第２樹脂体５２との当接面）に例えば膜状または層状にレーザ光吸収部を配設してもよい。

[第２樹脂体]
第２樹脂体５２は、上記したレーザ光吸収部５３を設けるためレーザ光吸収性を有する樹脂、次述する顔料または色素が添加されたナイロン６やナイロン６６等のポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、スチレン−アクリロニトリル共重合体、ポリエステル、ポリアセタール、ポリカーボネート、アクリル、ポリスチレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）などを平板状に成形してなるものであり、例えば波長が８０８ｎｍの半導体レーザに対して７０〜９０％程度のレーザ光吸収率を有している。

この第２樹脂体５２に添加する顔料としては、具体的には、セラミックブラック、酸化鉄（無機顔料）、カーボンブラック、ボーンブラック（有機顔料）等の黒色顔料、クロムエロー、セラミックエロー、ジンククロメートエロー（無機顔料）、ニッケルアゾグリーンエロー（有機顔料）等の黄色顔料、ハイドロクロムオキサイドグリーン、クロムグリーン（無機顔料）、クロミウムオキサイドダルグリーン、フタロシアニングリーン（有機顔料）等の緑色顔料を使用することができる。また、色素としては、例えばシアニン系色素の他、フタロシアニン系、チオールニッケル錯体系、インドフェノール金属錯体系、ナフトキノン系、アゾ系、トリアゾールメタン系、分子間型ＣＴ色素等の色素を使用することができる。なお、第２樹脂体５２としては、必要に応じ、上記樹脂にガラス繊維やカーボンファイバ等を添加して強化したものを用いてもよい。

第２樹脂体５２は、必ずしも全体がレーザ光吸収性を有する必要はなく、少なくとも第１樹脂体５１との当接面５３（すなわち第２樹脂体５２の上面）がレーザ光吸収性を有していればよい。したがって、第２樹脂体５２の上面に例えば膜状または層状にレーザ光吸収部５３を設けてもよい。また、第１樹脂体５１および第２樹脂体５２とは別体の、レーザ光吸収性のあるフィルム、シート又はテープなどのレーザ光吸収材をレーザ光吸収部５３とし、該レーザ光吸収材を第１樹脂体５１及び第２樹脂体５２の間に挟みこむように設けてもよい。さらにまた、レーザ光吸収部５３は、レーザ光吸収性のある塗料を第２樹脂層５２の上面に塗布し形成することができる。さらにまた、レーザ光吸収部５３は、第１樹脂体５１と第２樹脂体５２との当接面の全体に配置されている必要はなく、レーザ光で溶着すべき場所のみに限定し、例えば連続した帯状にまたは離散して島状に配置してもよい。

［押圧部］
押圧部１４は、第１樹脂体５１と第２樹脂体５２とが重ね合わされた状態で載置される平板状のテーブル１４３と、テーブル１４３に載置された第１樹脂体５１の上面に当接可能に配設された平板状の押圧部材１４２と、押圧部材１４２の両端部に接続されたロッドを有するとともに該ロッド鉛直方向に押引するエアシリンダである押圧手段１４１と、で構成されている。なお押圧部材１４２は、レーザ光Ｌを十分透過する透明体により又は溶着部５４に対応した位置に切欠を設ける等して構成することができる。この押圧部１４によれば、押圧部材１４２が上方にある状態で、第１樹脂体５１と第２樹脂体５２をテーブル１４３の所定の位置に載置した後に、押圧手段１４１を作動させて押圧部材１４２を下降させ、押圧部材１４２によって第１樹脂体５１の上面を所定の押圧力で押圧し、第１樹脂体５１と第２樹脂体５２とを密着させる。なお、押圧部材１４２は平板状に限らず種々の形状とすることができ、さらに、押圧手段１４１としては油圧シリンダ、電気的・機械的直動部材、クランプ冶具等を使用することができる。

ここで、テーブル１４３には、押圧部１４による押圧力を計測する例えば歪ゲージや半導体で構成された圧力センサからなる圧力計測手段１５が内蔵されている。第１態様の圧力計測手段１５は、テーブル１４３に載置された第１樹脂体５１及び第２樹脂体５２に対応する位置に配置され、押圧部１４による押圧力を計測可能に構成されている。なお、押圧部１４により第１樹脂体５１及び第２樹脂体５２に与えられる押圧力は、押圧手段１４１に与えられるエネルギー、例えばエアシリンダの場合には空気圧、電気式直動部材の場合には電動機の電流値などで間接的に計測するようにしてもよい。

［レーザ光照射部］
レーザ光照射部１２は、下方に向かいレーザ光Ｌを照射可能に取付部材（不図示）に取付けされたレーザ光照射手段１２１と、光ファイバを介してレーザ光照射手段１２１に接続されたレーザ光発振手段１２２とを備えており、レーザ光発振手段１２２には、レーザ光発振手段１２２に生じる電圧により発振されるレーザ光Ｌのエネルギー量をモニタする監視手段１２２１が組込まれている。なお、レーザ光照射手段１２１は、光ファイバを介さずレーザ光発振手段１２２と直接接続されていてもよい。

ここで、レーザ照射手段１２１には複数の光学レンズが組込まれており、該光学レンズは、光ファイバを通じて伝送されたレーザ光Ｌを集光し適宜な位置に焦点を結ばせる。使用するレーザ光Ｌは特に限定されないが、樹脂に照射した場合にレーザ吸収率の高い波長が１０３０ｎｍ前後のＹＡＧレーザ、さらに好ましくは波長が９４０ｎｍまたは８０８ｎｍ程度の半導体レーザを使用することが第１樹脂体５１と第２樹脂体５２を確実に接合するためには望ましい。前記取付部材は、第１樹脂体５１の上面に対し水平方向および鉛直方向に自在に移動可能な移動手段（不図示）に設けられている。したがって、レーザ光照射手段１２１は、例えば図中矢印で示すように、レーザ光Ｌを下方に照射しながら一方向に直動したり、または曲線状に移動することができる。

［形状計測手段］
第１態様の溶着装置１は、レーザ光Ｌでレーザ光吸収部５３近傍に形成された溶着部５４の形状を計測する形状計測手段１３を備えている。形状計測手段１３は、前記レーザ光照射手段１２１が取付けられている取付部材に取付けられており、レーザ光照射手段１２１と一定の位置関係を保ちつつ前記移動手段で駆動されレーザ光照射手段１２１と同期して移動する。本態様においては、形状計測手段１３として、所定の分解能および撮像範囲を有するＣＣＤカメラを使用している。なお、ＣＣＤカメラには、溶着部５４を照明するためのリング照明や適正な画像を得るための偏光フィルタ等が適宜取付けれらていてもよい。

［演算部］
上記したように演算部１１は、第１〜第３評価手段１１１、１１２、１１３および判別手段１１４を主体として構成されており、第１評価手段１１１はレーザ光発振手段１２２に組込まれた監視手段１２２１と、第２評価手段１１２は形状計測手段１３と、第３評価手段１１３は圧力計測手段１５と、電気的に接続されている。また、第１〜第３評価手段１１１、１１２、１１３は、それぞれ判別手段１１４に電気的に接続されている。

演算部１１は、具体的にはマイクロコンピュータで構成されるものであり、上記第１〜第３評価手段１１１、１１２、１１３および判別手段１１４は、マイクロコンピュータに内蔵されたメモリー上に格納されＣＰＵで動作されるソフトウエアまたはハードウエア自体で構成される。なお、演算部１１は、第１〜第３評価手段１１１、１１２、１１３による計測の結果や判別手段１１４による溶着部５４の溶着状態の良否を表示させる表示手段（ディスプレイ）や、演算部１１に適宜に動作指示を与える入力手段（キーボード、マウス）等を備えていても良い。また、判別手段１１４による判別結果により適宜レーザ光Ｌの照射状態を補正するため、例えばレーザ光発振手段１１２に電気的に接続され、該レーザ光発振手段１１２の発振条件を補正するための補正信号を発生する補正手段を有していてもよい。

以下、第１〜第３評価手段１１１、１１２、１１３の動作について説明する。
第１評価手段１１１は、図２に示すように、監視手段１２２１でモニタされたレーザ光発振手段１２２の電圧が、予め設定された所定の電圧範囲から逸脱する場合には、照射されているレーザ光Ｌのエネルギー量が過大または過少と評価するとともに評価結果（異常・正常と問わない。）を判別手段１１４に伝送する。なお、必要に応じ、モニタされた電圧の状態を判断し、該電圧値の変動が大きい場合やノイズを含む場合には、該電圧値を時間軸方向に移動平均して電圧値の変動を抑制したり、該電圧値に周波数フィルタをかけてノイズを除去する機能を第１評価手段１１１に設けてもよい。

第２評価手段１１２は、図３（ａ）に示すように、形状計測手段１３であるＣＣＤカメラで撮像された溶着部５４の平面視の画像に基づいて溶着状態、具体的には溶着部５４の剥離強度を推定し、予め設定した所定の剥離強度より推定した剥離強度が下回った場合には異常と評価するとともに評価結果（異常・正常と問わない。）を判別手段１１４へ伝送する。

第２評価手段１１２の評価方法について、図３に示すように溶着部５４を直線状に形成した場合で説明する。第１樹脂体５１と第２樹脂体５２との当接面５３に直線状にレーザ光Ｌを照射した場合、同図（ａ）に示すように、第１樹脂体５１のレーザ光吸収率及び第２樹脂体５２のレーザ光吸収率により定まる所定の熱量を有する熱が当接面（すなわちレーザ光吸収部）５３近傍に生じ、その熱量により定まる幅Ｗを有する溶着部５４が形成される。ここで、レーザ光Ｌが照射するエネルギー量は第１評価手段１１１で評価しているので、第１樹脂体５１のレーザ光透過率及び第２樹脂体５２のレーザ光吸収率が一定である限りは、許容最大幅Ｗmaxから許容最小幅Wｍｉｎの間に幅Ｗを有する溶着部５４が形成される。

しかしながら、例えば第１樹脂体５１及び第２樹脂体５２の製造時における不可避のバラツキ、または、第１樹脂体５１と第２樹脂体５２との当接面５３に介在している異物（例えばレーザ光吸収性を低下させる水分や金属、レーザ光吸収性を高める黒鉛等）によるレーザ光透過性またはレーザ光吸収性の変動により、照射されているレーザ光Ｌのエネルギー量が一定である場合でも、当接面５３で生じる熱量が一定しない場合がある。その結果、当接面５３に生じる熱量が過大となると、図３（ｂ）に示すように、溶着部５４の幅Ｗが許容最大幅Ｗmaxよりも大きくなる。この場合には、溶着部５４の表面に過加熱による変質層５４１が形成されやすく、図２（ｂ）に示すように、溶着部５４の剥離強度が劣化する。また、当接面５３に生じる熱量が少ないと、図３（ｃ）に示すように、溶着部５４の幅Ｗが許容最小幅Ｗmｉｎよりも小さくなり、図２（ｂ）に示すように、剥離強度を保つことができない。

なお、上記剥離強度は、ＪＩＳ Ｋ６８５４−３（接着剤の剥離強さ試験方法）のＴ型剥離試験片を使用して求める方法に準じ測定されたものであり、同規格との相違点は、短冊状のＴ型試験片の幅が９ｍｍであること、Ｔ型試験片の長手方向における接合部の長さが６ｍｍであることである。

また、図２（ｂ）においては、レーザ光透過率７５％の第１樹脂体５１及びレーザ光吸収率８０％の第２樹脂体５２とを下記の条件で溶着した場合の溶着部５４の幅・剥離強度を基準値とし、レーザ光吸収率４０〜９５％の間で種々変化させた第２樹脂体５２と上記レーザ光透過率を有する第１樹脂体５１とを同一条件で溶着した溶着部５４の幅・剥離強度を該基準値に対し相対的に示している。
（１）レーザ照射速度：１ｍ／ｍｉｎ
（２）押圧力：１０Ｎ／ｍｍ^２
（３）ビームスポット面積：３ｍｍ^２
（４）レーザ光発振時の出力：１５０Ｗ

第２評価手段１１２には、上記溶着部５４の幅Ｗと溶着部５４の剥離強度の関係、具体的には図２（ｂ）の図で示されるデータが近似式化またはデータテーブル化され、評価データとして記憶されている。第２評価手段１１２は、ＣＣＤカメラで撮像された溶着部５４の画像を画像処理して溶着部５４の幅Ｗを算出するとともに算出された溶着部５４の幅Ｗを上記評価データと比較し、溶着部５４の剥離強度の良否を評価し、評価結果を判別手段１４４に伝送する。

なお、上記したように当接面５３が過加熱された場合には、溶着部５４の表面に変質層５４１が形成され、第１樹脂体５１を通して観察される溶着部５４の色が周囲の正常部の色と異なる場合もある。したがって、ＣＣＤカメラで観察された溶着部５４の色と周囲の色と第２評価手段１２２で比較して、溶着部５４の溶着状態の良否を評価することもできる。

第３評価手段１１３は、圧力計測手段１５で計測された押圧部１４による第１樹脂体５１および第２樹脂体５２の押圧力により第１樹脂体５１と第２樹脂体５２とが密着しているか否かを評価するものである。すなわち、上記したように、溶着部５４の幅Ｗに基づいて溶着部５４の剥離強度を評価した場合、図２（ｂ）において符号ｃで示すように、溶着部５４の幅Ｗは所定の範囲に収まっているものの剥離強度が基準値以下となる場合がある。これは、図４に示すように、第１樹脂体５１と第２樹脂体５２とが十分に密着しておらず、溶着部５４を形成すべき当接面５３に隙間が生じている場合である。

したがって、第１態様の溶着装置１は、圧力計測手段１５で計測された溶着中の押圧力に基づいて、第１樹脂体５１と第２樹脂体５２との間に隙間が生じない所定の範囲の押圧力が作用しているか否かを評価し、評価結果を判別手段１１４へ伝送する。

判別手段１１４は、第１〜第３評価手段１１１、１１２、１１３の評価結果のすべてにより、溶着部５４の溶着状態の良否を判断する。すなわち、第１評価手段１１１によるレーザ光発振手段１２２の電圧の評価と、第２評価手段１１２による溶着部５４の形状の評価と、第３評価手段１１３による押圧力の評価とが、全て良好な場合にのみ溶着部５４の溶着状態が良であると判断する。

上記第１態様の溶着装置１の動作について説明する。
（１）レーザ光照射工程
当接面であるレーザ光吸収部５３を介し第１樹脂体５１と第２樹脂体５２をテーブル１４３上にて重ね合わせ、押圧部１４にて所定の押圧力で第１樹脂体５１を押圧し第１樹脂体５１と第２樹脂体５２を密着させる。次いで、レーザ光照射手段１２１で第１樹脂材５１の側からレーザ光Ｌをレーザ光吸収部５３に照射し該レーザ光吸収部５３に溶着部５４を形成する。
（２）第１評価工程
監視手段１２２１でモニタしているレーザ光発振手段１２２に生じる電圧に基づいてレーザ光照射手段１２１から照射されるレーザ光Ｌのエネルギー量を演算部１１の第１評価手段１１１で評価する。
（３）第２評価工程
形状計測手段（ＣＣＤカメラ）１３により計測された溶着部５３の形状に基づき第２評価手段１１２にて溶着部５４の剥離強度を評価する。
（４）第３評価工程
テーブル１４３に組込まれた圧力計測手段１５で計測した押圧部１４による溶着中の押圧力に基づいて押圧力を評価する。
（５）溶着部の溶着状態の良否を判別する工程
上記第１工程〜第３評価工程における評価に基づいて溶着部５４の溶着状態の良否を判断する。

上記溶着装置１の変形例である溶着装置２について図５を参照し説明する。
溶着装置２は、上記第１態様の溶着装置１に、レーザ光Ｌで溶着されている溶着部５４の表面温度を計測する温度計測手段２６を付加したものである。かかる温度計測手段２６は特に限定されるものではないが、非接触で温度の計測が可能な例えば赤外線式温度センサ、放射線式温度センサなどを使用することが望ましい。この温度計測手段２６によれば、該温度計測手段２６で計測された溶着部５４の表面温度に基づき、上記監視手段１２２１に替えて、第１評価手段１１１でレーザ光Ｌのエネルギー量を評価することができる。

［実施態様２］
本発明の溶着装置を樹脂被覆鋼管の接続部の被覆するために適用した第２態様について、図面に基づき説明する。図６、第２態様の被覆装置の概略構成を示す正面図、図７は図６において矢視ａから見た矢視図、図８は図１で符号３４で示す押圧部の部分拡大図、図９は図６の被覆装置の動作を説明するための図である。

図６に示すように、第２態様で対象とする樹脂被覆鋼管９は、図において符号９１で示す鋼管の外周面がレーザ光吸収性のある樹脂を主体とした被覆層（第２樹脂体）９２で被覆され、樹脂被覆鋼管８の端部の被覆層９２が取り除かれた状態の物である。被覆層９２は、例えばポリエチレン樹脂などからなり、粘着性のあるブチルゴムなどを介して鋼管９１の外周面に被覆されている。

符号９３は、２本の樹脂被覆鋼管９ａ，９ｂの露出した鋼管９１の端面同士の全周が突合せ溶接され接続されてなる接続部である。通常、この種の樹脂被覆鋼管９を接合する場合には開先を取って全周溶接するが、開先を取らずに溶接してもよい。この接続部９３は溶接の熱により変質しているため水分や化学物質などで腐食しやすい。したがって、溶接接続後に接続部９３を包囲するように接合部９３の両側の被覆層９２の外周面に防食膜（第１樹脂体）８を巻設した後に防食膜８と被覆層９２とを接合し、防食膜８の内面、被覆層９２の端面および鋼管９１の表面で区画され密閉された密閉空間７の中で接続部９３を保護する。

防食膜８は、被覆層９２と同様な材料例えばポリエチレン樹脂を主体とした伸縮性のあるチューブ状を成したレーザ光透過性のある物であり、その内径は樹脂被覆鋼管９の直径よりやや小さく、その長さは接続部９３の両側の被覆層９２に重ね合わすことができる長さで形成されている。このチューブ状の防食膜８は、２本の樹脂被覆鋼管９ａ，９ｂを接続する前に一方の樹脂被覆鋼管９ａに通しておき、樹脂被覆鋼管９ａ，９ｂの接続後に所定の位置に移動させることにより接続部９３を包囲するように被覆層９２にほぼ密着して重ね合わされた状態とされる。このチューブ状の防食膜８を用いて樹脂被覆鋼管９を被覆する場合には、樹脂被覆鋼管９の長手方向において一方の樹脂被覆鋼管９ａの被覆層９２と重合している溶着部８ａ、他方の樹脂被覆鋼管９ｂの被覆層９２と重合している溶着部８ｂの２箇所について防食膜８を被覆層９２と接合する。

その防食膜８を被覆層９２の外周面に接合する被覆装置３は、図６，７に示すように、基本的な構成として、下方に向けてレーザ光Ｌを照射するレーザ光照射手段３１１を備えたレーザ光照射部３１と、防食膜８の表面をレーザ光Ｌが照射可能な状態でレーザ光照射手段３１１を樹脂被覆鋼管９の軸心廻りに回転させる回転部３２と、前記防食膜の表面において前記レーザ光が投影されてなる照射領域Ａに含まれる防食膜８を被覆層９２に対し所定の力で押圧する押圧部３４（図４参照）と、第１態様と同様な形状計測手段３３と、第１態様と同様な第１〜第３評価手段を内蔵した演算部（不図示）とを有している。以下、被覆装置３の各構成要素について説明するが、第１態様の演算部１１、レーザ光照射部１２及び形状計測手段１３と本態様の演算部、レーザ光照射部３１及び形状計測手段３３は同様な構成であるので説明を省略する。なお、不図示の演算部及びレーザ光発振手段は、図１において符号Ａで示す範囲と同様な構成のものが、溶着装置３に組込まれている。

［回転手段］
回転部３２は、樹脂被覆鋼管９の外周面を取り囲み周設される略円環状の案内手段３２１と、樹脂被覆鋼管９の軸心廻りに回転する方向のみに摺動可能に案内手段３２１に嵌着された支持部材３２３と、前記支持部材３２３に配設されるとともに前記案内手段３２１に係合して支持部材３２３を樹脂被覆鋼管９の軸心廻りに回転させる回転駆動手段３２２とから構成されている。なお、前記レーザ光照射手段３１１は、防食膜８の表面をレーザ光Ｌが照射できるようにレーザ光Ｌを照射する先端部が下方に向けられた状態で後述する水平駆動手段３２４、焦点調整手段３２５を介して支持部材３２３に取付けられている。

案内手段３２１は、樹脂被覆鋼管９の被覆層９２の外周面に下面が接触するように配置可能な等間隔で設けられた略円柱形状の６本の支柱３２１３と、樹脂被覆鋼管９の外径より大きな内径を有し樹脂被覆鋼管９の外周面に前記支柱３２１３を介して支持され固定される略円環状のベース部材３２１１と、軸心方向においてベース部材３２１１の中央部に配設された案内部材である連続して複数の歯面が並設された円環状のラック３２１２とからなる。この案内手段３２１は、樹脂被覆鋼管９への取付けが容易に行なえるように上部案内手段３２１ａ、下部案内手段３２１ｂと上下に２つに分割された構造となっている。

回転駆動手段３２２は、ラック３２１２に噛合う駆動部材である歯車３２２１と、該歯車３２２１に連結し歯車３２２１を回転させる回転駆動部材である電動機３２２２とからなる。回転駆動手段３２２は支持部材３２３に取付けられているので、その歯車３２２１が電動機３２２２で回転されることにより支持部材３２３は樹脂被覆鋼管９の軸心廻りに回転することとなる。なお、前記案内部材と駆動部材はラック３２１２と歯車３２２１の組合せ以外の構成を採ることができ、例えば案内部材としてＴ字状のレールを駆動部材として摩擦車を組込むようにしてもよい。

この回転部３２には、上記した基本的な構成に加えて、被覆装置３の操作・取扱いの容易化および自動化のため好ましい構成として、水平駆動手段３２４と焦点調整手段３２５が組込まれている。水平駆動手段３２４は、前記レーザ光照射手段３１１を樹脂被覆鋼管９の軸心方向すなわち水平方向に移動させるものであり、例えばエアシリンダや直動型アクチュエータなど周知のもので構成することができる。また、焦点調整手段３２５は、レーザ光Ｌの焦点の位置を調整するためレーザ光照射手段３１１を上下方向に位置合わせするものである。水平駆動手段３２４は、支持部材３２３に取付けられ、その先端に焦点調整手段３２５が固定されている。レーザ光照射手段３１１は、その焦点調整手段３２５に取付けられている。また、被覆装置３は、回転駆動手段３２２、水平駆動手段３２４およびレーザ光発信手段の動作制御のため、電気通信回路を介してそれらが接続された制御手段を備えており、レーザ光照射手段３１１が回転および水平移動される際の速度制御や位置制御、レーザ光Ｌを照射する際の照射条件の制御を設定した条件等で自動的に行なえる構成となっている。

［押圧手段］
押圧部３４について図８を参照し説明する。図８（ａ）は押圧部３４の正面断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の右側面図である。本態様の押圧部３４は、一対のローラ状の押圧手段３４１と、押圧手段３４１を加圧して被覆層９２の表面に押圧する加圧手段３４２とから構成され、図８（ｂ）に示すように、レーザ光照射手段３１１から伸びた、平面視においてレーザ光Ｌが通過する部分が欠けている略コの字状の連結部材３４３の両椀にそれぞれ取付けられている。

押圧手段３４１は、図８（ａ）に示すように、防食膜８に当接する胴体と回転軸とを有するローラ３４１１と回転軸を回転可能に軸支するハウジング３４１２とからなり、ハウジング３４１２とローラ３４１１の回転軸との間にはすべり軸受３４１３が嵌着されている。ここで符号Ａは、防食膜８の表面においてレーザ光Ｌが投影されてなる照射領域（いわゆるレーザスポット）であり、押圧手段３４１は、照射領域Ａの外側すなわち非照射領域であって図において矢印で示すレーザ光照射手段３１１の回転方向に沿い相対する位置に配設されている。したがって、一対の押圧手段３４１は照射されるレーザ光Ｌに押圧手段３４１が直接触れず、該一対の押圧手段３４１の間で形成される平面内に照射領域Ａを実質的に包含することとなる。なお、押圧手段３４１は、レーザ光Ｌに触れない範囲で出来るだけ照射領域Ａの近くに配設することが望ましい。

加圧手段３４２は、図８（ａ）に示すように、押圧手段３４１のハウジング３４１２の上部に形成された螺子孔に螺設されるとともに連結部材３４３に形成された孔３４３１に上下方向に移動自在に挿入された２本の支持軸３４２２と、支持軸３４２２に挿着された圧縮バネ３４２１とからなり、押圧手段３４１のローラ３４１１が防食膜８に当接したときに圧縮バネ３４２１が所定の量だけ圧縮され、押圧手段３４１を所定の力で下方に押圧するように構成されている。また、符号３５は、圧縮バネ３４２１と連結部材３４３との間に位置するように支持軸３４２２に嵌着された圧力計測手段である圧力センサであり、圧縮バネ３４２１で生じた押圧力を計測する。なお、加圧手段３４２は上記に限らず、例えばエアシリンダや直動型アクチュエータなど周知の構成を採ることができる。

上記押圧部３４は、連結部材３４３がレーザ光照射手段３１１に取付けられているので、回転駆動手段３２２によるレーザ光照射手段３１１の回転と同期してレーザ光Ｌの照射領域Ａとの位置関係を保ちつつ移動する。そして、その押圧部１４１は、防食膜８の表面に当接するとともに加圧部１４２で防食膜８に押圧されているので、照射領域Ａにおける防食膜８は、該押圧部１４１で被覆層９２に押し付けられ被覆層９２と密着している状態となる。

上記構成の被覆装置３による被覆方法について図９を参照し説明する。
まず、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光照射手段３１１が頂部に固定された上部案内手段３２１ａを樹脂被覆鋼管９の上側に置き、次に樹脂被覆鋼管９の下方から下部案内手段３２１ｂを上部案内手段３２１ａと接続し、被覆装置３を組み上げるとともに防食膜８と被覆層９２の一方の溶着部８ａにレーザ光Ｌが照射されるように樹脂被覆鋼管９の軸心方向について被覆装置３の位置を調整し、被覆装置３を固定する。その後、焦点調整手段３２５によりレーザ光照射手段３１１の高さを変えてレーザ光Ｌの焦点位置を調整する。

次に、図９（ｃ）に示すように、被覆装置３を起動して制御手段に設定した条件で樹脂被覆鋼管９の中心からみて反時計回りにレーザ光照射手段３１１を所定の速度で回転させてレーザ光Ｌを円周方向に走査しつつ防食膜８と被覆層９２の溶着部８ａにレーザ光Ｌを照射していく。ここで、図８に基づいて説明したように、上記押圧部３４はレーザ光照射手段３１１の回転とともにレーザ光Ｌの照射領域Ａとの位置関係を保ちつつ移動するので、レーザ光Ｌの走査される円周方向に沿い相対する位置の防食膜８の表面は、押圧手段３４１で押圧されている状態となっている（図８参照）。つまり、この押圧手段３４１の内側にある照射領域Ａに対応した防食膜８は被覆層９２に押し付けられている。したがって、レーザ光Ｌが照射され防食膜８と被覆層９２が溶融・固化されているときの照射領域Ａの防食膜８と被覆層９２とは常に密着している状態にあるので、接合する際の被覆層９２からの防食膜８の浮き上がりが防止され、良好な接合状態が実現される。

次に、図９（ｄ）に示すように、レーザ光照射手段３１１を樹脂被覆鋼管９の廻りを一回転させることにより、一方の溶着部８ａについて防食膜８と被覆層９２の接合が終了する。このとき、レーザ光照射手段３１１はレーザ光Ｌを照射しつつ樹脂被覆鋼管９の廻りを連続的に回転しているので、防食膜８と被覆層９２の溶着部は、接合の開始点から終了点まで切れ目無く連続した一条の筋状に形成されている。

ここで、溶着装置３においても、上記溶着装置１と同様に、監視手段１２２１でモニタしているレーザ光発振手段１２２の電圧に基づいてレーザ光照射手段３１１から照射されるレーザ光Ｌのエネルギー量を第１評価手段１１１で評価し（第１評価工程）、形状計測手段（ＣＣＤカメラ）３３により計測された溶着部８ａの形状に基づき第２評価手段１１２にて溶着部５４の剥離強度を評価し（第２評価工程）、圧力計測手段３５で計測した押圧部３４による溶着中の押圧力に基づいて押圧力を評価す第３評価工程し（第３評価工程）、上記第１工程〜第３評価工程における評価に基づいて溶着部８ａの溶着状態の良否を判断する。

次に、図９（ｅ）に示すように、他方の溶着部８ｂを接合するため溶着部８ｂの位置に合わせて被覆装置３を固定し、上記と同様に溶着部８ｂの防食膜８と被覆層９２を接合する。その結果、チューブ状の防食膜８の両端は被覆層９２と接合された状態となり、図６に示すように、該防食膜８、被覆層９２および鋼管９１とで形成された密閉空間７は密閉された状態となり、接続部９３は外気から遮断され腐食等が防止される。なお、本態様の被覆方法では、溶着部８ａの接合完了後に、被覆装置３を樹脂被覆鋼管９から一旦取り外し溶着部８ｂの位置に付け替えたが、溶着部８ａの接合完了後に、溶着部８ｂの位置までレーザ光照射手段３１１を水平駆動手段３２４で水平移動させて、溶着部８ｂを接合するようにすれば作業が効率的になり好ましい。

本発明の第１態様の溶着装置の概略構成図である。 図１の溶着装置が照射するレーザ光のエネルギー量の監視状態および樹脂体の溶着部の大きさと強度との関係を説明する図である。 図１の樹脂体の溶着部の大きさと強度との相関の関係を説明する図である。 図１の樹脂体同士の間に隙間が生じている場合に形成された溶着部を示す図である。 図１の溶着装置の変形例の概略構成図である。 本発明の第２態様の被覆装置３の概略構成を示す正面図である。 図６について矢視ａから見た矢視図である。 図６の押圧部の部分拡大図である。 図６の被覆装置の動作を説明するための図である。

符号の説明

１（２） ：溶着装置
１１ ：演算部
１１１ ：第１評価手段
１１２ ：第２評価手段
１１３ ：第３評価手段
１２ ：レーザ光照射部
１２１ ：レーザ光照射手段
１２２ ：レーザ光発振手段
１２２１：監視手段
１３ ：形状計測手段
１４ ：押圧部
１４１ ：押圧手段
１４２ ：押圧部材
１４３ ：テーブル
１５ ：圧力検出手段
３ ：被覆装置
３１ ：レーザ照射部
３１１ ：レーザ照射手段
３１２ ：レーザ発信手段
３１３ ：光ファイバ
３２ ：回転部
３２１ ：案内手段
３２２ ：回転駆動手段
３２３ ：支持部材
３２４ ：水平駆動手段
３２５ ：焦点調整手段
３３ ：形状計測手段
３４ ：押圧部
３４１ ：押圧手段
３４２ ：加圧手段
３４３ ：連結部材
３５ ：圧力検出手段
５１ ：第１樹脂体
５２ ：第２樹脂体
８ ：防食膜
８１ ：重合部
８２ ：突合部
９ ：樹脂被覆鋼管
９１ ：鋼管
９２ ：被覆層
９３ ：接合部

Claims (9)

1. レーザ光透過性を有する第１樹脂体と、第２樹脂体とを、管の外周面上で重ね合わせ、レーザ光吸収性を有するレーザ光吸収部を介し、第１樹脂体と第２樹脂体とをレーザ光で溶着する樹脂体の溶着方法であって、レーザ光吸収部を介して重ね合わされた第１樹脂体と第２樹脂体のレーザ光が照射される領域を挟む、管の外周方向前後を所定の押圧力で押圧し、第１樹脂体の側からレーザ光をレーザ光吸収部に照射し該レーザ光吸収部に溶着部を形成するレーザ光照射工程と、前記レーザ光の熱量を評価する第１評価工程と、前記溶着部の形状を評価する第２評価工程と、前記押圧力を評価する第３評価工程を少なくとも含み、第１工程乃至第３評価工程における評価に基づいて溶着部の溶着状態の良否を判別する樹脂体の溶着方法。
2. 前記第１樹脂体は伸縮性を有する膜状の樹脂体であり、前記第２の樹脂体は管の外周面上に被覆された樹脂体であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂体の溶着方法。
3. 前記第１評価工程において、レーザ光の発振状態に基づいて算出したレーザ光の熱量に基づいて溶着状態の良否を判別する請求項１または２に記載の樹脂体の溶着方法。
4. 前記レーザ光照射工程において前記溶着部を筋状に形成するとともに、前記第２評価工程において計測した該溶着部の幅に基づいて溶着状態の良否を判別する請求項１または２に記載の樹脂体の溶着方法。
5. レーザ光透過性を有する第１樹脂体と、第２樹脂体とを、管の外周面上で重ね合わせ、レーザ光吸収性を有するレーザ光吸収部を介し、第１樹脂体と第２樹脂体とをレーザ光で溶着する樹脂体の溶着装置であって、
   （１）前記レーザ光吸収部を介して重ね合わされた前記第１樹脂体と前記第２樹脂体のレーザ光が照射される領域を挟む、管の外周方向前後を所定の押圧力で押圧する押圧部と、
   （２）前記第１樹脂体の側からレーザ光を前記レーザ光吸収部に照射し該レーザ光吸収部に溶着部を形成するレーザ光照射部と、
   （３）前記レーザ光照射部から照射されるレーザ光の熱量を評価する第１評価手段と、前記レーザ光照射部で形成された溶着部の形状を評価する第２評価手段と、前記押圧部の押圧力を評価する第３評価手段と、第１乃至第３評価手段の評価に基づいて溶着部の溶着状態の良否を判別する判別手段とを有する演算部と
   を備えた樹脂体の溶着装置。
6. 前記第１樹脂体は伸縮性を有する膜状の樹脂体であり、前記第２の樹脂体は管の外周面上に被覆された樹脂体であることを特徴とする請求項５に記載の樹脂体の溶着装置。
7. 前記レーザ光の発振状態をモニタする監視手段を有し、前記第１評価手段は、前記監視手段によりモニタされたレーザ光の発振状態に基づいてレーザ光の熱量を評価する請求項５または６に記載の樹脂体の溶着装置。
8. 前記レーザ光照射部から照射されるレーザ光を前記当接面に沿い移動させるレーザ光移動手段と前記レーザ光照射手段により形成された溶着部の形状を計測する形状計測手段とを有し、前記第２評価手段は、前記形状計測手段で計測された溶着部の形状に基づいて溶着部の形状を評価する請求項５または６に記載の溶着装置。
9. 前記押圧部が発生する押圧力を計測する圧力計測手段を有し、前記第３評価手段は、前記圧力計測手段で計測された押圧力に基づいて押圧力を評価する請求項５または６に記載の樹脂体の溶着装置。
   

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