JP5690051B2 - レーザを用いた部材の接合方法 - Google Patents

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Description

本発明は、樹脂製の第１部材と金属製の第２部材とを互いに重ね合わせてレーザ光を照射し、レーザ光のエネルギーによって第１部材を溶融あるいは軟化させることにより第１及び第２部材間を接合させるレーザを用いた部材の接合方法に関する。
従来、この種のレーザを用いた部材の接合方法としては、例えば特許文献１に示すように、樹脂材料としてアクリル樹脂製の第１部材と、金属材料としてスズ製の第２部材を用い、第２部材の第１部材との境界面をサンドペーパーで研磨して凹凸面とし、第２部材の凹凸面に第１部材を重ね合わせて、第１部材側から境界面に半導体レーザ光を照射し、樹脂を溶融あるいは軟化させることにより両部材を接合させる方法が知られている。この接合方法によれば、金属の境界面を凹凸状態とすることにより、凹凸によってレーザ光の吸収率が高められ、それにより境界面が加熱されてその周囲の樹脂が溶融あるいは軟化することにより、樹脂が凹凸に食い込むいわゆるアンカー効果が発揮され、それにより両部材間の接合強度が高められるということである。しかし、この接合方法によれば、接合強度のばらつきが大きく、また境界面からの部材のはがれも生じ、安定した部材間の接合形成が困難であった。
また、非特許文献１においては、ステンレス鋼と非結晶性ポリアミド樹脂とを重ね合わせて略２００Ｗ以上の高出力のレーザ光を照射することにより直接接合させている。この接合方法では、接合面に樹脂材料が熱分解した気泡が発生し、気泡の圧力によって溶融樹脂が金属表面に密着することで強度を得るものであるが、気泡が小さすぎても大きすぎても強度が低くなる。しかし、気泡が発生するため、接合品の外観が悪くなり、その製品価値が低下する。また、レーザ光の照射パワーが高いため、装置の規模も大きくなり接合形成に要するコストも高価になるという問題がある。さらに、この接合方法は、接合させることができる部材の種類に制限があるため、部材の接合方法として汎用性に欠けるという問題もあった。
特開２００６−１５４０５
片山聖二，他，「ステンレス鋼と非結晶性ポリアミド樹脂とのレーザ直接接合」，日本溶接学会論文集，日本溶接学会発行，２００７，第２５巻，第２号，ｐｐ．３１６−３２２
本発明は、上記問題を解決しようとするもので、樹脂材料製の第１部材と金属製の第２部材とを互いに重ね合わせてレーザ光を照射し、第１及び第２部材間を十分な強度で確実に接合させることができ、接合部分の外観が良好であるレーザを用いた部材の接合方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明の特徴は、レーザ光を透過する樹脂製の第１部材と金属製の第２部材とを互いに重ね合わせてその境界面にレーザ光を照射し、レーザ光のエネルギーによって第１部材を溶融あるいは軟化させることにより第１及び第２部材間を接合させる接合方法であって、レーザ光の照射前に、第２部材の境界面をレーザ光を吸収可能なように凹凸状態にし、さらに凹凸状態にされた境界面に陽極酸化処理により直径が１μｍより小さい微小な孔を有する多孔層を形成することにある。
本発明が適用可能な金属材料は、陽極酸化処理により直径が１μｍより小さい微小な孔を有する多孔層が形成されるものであり、陽極酸化処理が可能な、アルミニウム、チタン、マグネシウム、タンタル、ニオブ、タングステン、等である。樹脂材料としては、アクリル、ポリカーボネート、アセタール樹脂等の熱可塑性樹脂の他にフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン等の熱硬化性樹脂でもよい。なお、境界面の凹凸状態の形成については、サンドブラスト処理、サンドペーパを用いた研磨処理、放電加工、エッチング加工、プレス加工等による処理が可能である。また、レーザとしては、樹脂材料を透過する半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等が好ましい。
本発明のレーザを用いた部材の接合方法について、図１〜図６に基づいて説明する。レーザ光の照射前に、金属製の第２部材１２の第１部材１１との境界面１３に凹凸１３ａが形成され（図１、図２参照）、レーザ光吸収率を高めるようにされる。さらに、境界面１３に陽極酸化処理が施されることにより、凹凸１３ａ面に直径が１μｍより小さい微小な孔１３ｂが無数に形成され、多孔層となる（図３参照）。陽極酸化処理によってレーザ光吸収率がさらに高められる。第２部材１２の境界面１３に第１部材１１を重ね合わせて押え圧により密着させた状態で、レーザ光１６を第１部材１１側から境界面１３に照射すると（図４参照）、レーザ光１６が凹凸状態にされた境界面１３で吸収され、そのエネルギーによって境界面１３の周囲の樹脂製の第１部材１１を局所的に溶融あるいは軟化させる。これにより、樹脂が第２部材１２の境界面１３の凹凸１３ａに食い込み、さらに、第２部材１２の陽極酸化処理により凹凸１３ａに形成された直径が１μｍより小さい微小な孔１３ｂに食い込む（図５，図６参照）。
その結果、本発明によれば、樹脂が境界面１３の凹凸１３ａに食い込むことによるアンカー効果に加えて、陽極酸化処理による直径が１μｍより小さい微小な孔１３ｂに食い込むことによるアンカー効果が重なることにより、両部材間に強固でかつ安定した接合が形成される。また、本発明によれば、樹脂製の第１部材と金属製の第２部材の材料の選択の範囲が広く、広い用途に適用可能である。また、陽極酸化処理を行う場合、一般的には酸化膜等の汚染層を除去する前処理が必要であるが、本発明においては、第２部材の境界面１３に凹凸１３ａを形成することが、後の陽極酸化処理のための前処理を兼ねているため、他の方法による前処理が不要になる。さらに、本発明においては、低いパワーのレーザ光照射により接合形成が可能なので、気泡等の無い良好な外観の接合が得られ、接合品の製品価値が高められると共に接合品が安価に提供される。
また、本発明の他の特徴は、樹脂製の第１部材と金属製の第２部材とを互いに重ね合わせてレーザ光を照射し、レーザ光のエネルギーによって第１部材を溶融あるいは軟化させることにより第１及び第２部材間を接合させる接合方法であって、レーザ光の照射前に、第２部材の境界面に陽極酸化処理を施すことで直径が１μｍより小さい微小な孔を有する多孔層を形成し、第２部材の反対面をレーザ光を吸収可能なように凹凸状態にし、反対面側にレーザ光を照射させることにある。
なお、金属材料については、上記陽極酸化処理が可能なアルミニウム等である。樹脂材料については上述したものと同様である。さらに、反対面の凹凸状態の形成についても、上述したものと同様である。なお、レーザとしては、上述したものの他に、樹脂を透過しない炭酸ガスレーザの使用も可能になる。
他の特徴であるレーザを用いた部材の接合方法について、図７、図８に基づいて説明する。レーザ光の照射前に、金属製の第２部材１２の第１部材１１との境界面１３の反対面１４に凹凸１４ａが形成され（図７参照）、レーザ光吸収率を高めるようにされる。さらに、第２部材１２の境界面１３に陽極酸化処理が施されることにより、境界面１３に直径が１μｍより小さい微小な孔１３ｂが無数に形成され、多孔層になる。第２部材１２の境界面１３に第１部材１１を重ね合わせて押え圧により密着させた状態で、レーザ光１６を第２部材１２の反対面１４に照射すると（図８参照）、レーザ光１６が凹凸状態にされた反対面１４で吸収され、反対面１４が発熱してその熱が境界面１３に伝えられる。そのため、境界面１３周囲の樹脂製の第１部材１１を局所的に溶融あるいは軟化させることにより、樹脂が第２部材１２の陽極酸化処理により境界面１３に形成された直径が１μｍより小さい微小な孔１３ｂに食い込む。その結果、本発明によれば、樹脂が境界面１３の陽極酸化処理による直径が１μｍより小さい微小な孔１３ｂに食い込むことによるアンカー効果が発揮され、両部材間に強固でかつ安定した接合が形成される。この場合、第１部材の樹脂材料がレーザ光を透過させないようなものであっても、両部材同士を強固に安定して接合させることができる。また、本発明においては、低いパワーのレーザ光照射により接合形成が可能なので、気泡等の無い良好な外観の接合が得られ、接合品の製品価値が高められると共に接合品が安価に提供される。
また、本発明において、凹凸状態の形成が、サンドブラスト、サンドペーパによる研磨処理により行われることが好ましい。これにより、第２部材の境界面あるいは反対面を、簡易な操作により、レーザ光吸収率の高い状態にさせることができる。
本発明によれば、レーザ光の照射前に、第２部材の境界面をレーザ光を吸収可能なように凹凸状態にし、さらに凹凸状態にされた境界面に陽極酸化処理を施すことにより、レーザ光が凹凸状態にされた境界面で吸収され、境界面周囲の樹脂製の第１部材を局所的に溶融あるいは軟化させることにより、樹脂が第２部材の境界面の凹凸に食い込み、さらに、第２部材の陽極酸化処理により境界面に形成された直径が１μｍより小さい無数の微小な孔に食い込む。その結果、本発明によれば、樹脂が境界面の凹凸に食い込むことによるアンカー効果に加えて、陽極酸化処理による直径が１μｍより小さい微小な孔に食い込むことによるアンカー効果が重なることにより、両部材間に強固でかつ安定した接合が形成される。
また、本発明によれば、レーザ光の照射前に、第２部材の境界面に陽極酸化処理を施し、第２部材の反対面をレーザ光を吸収可能なように凹凸状態にし、反対面側にレーザ光を照射することにより、反対面が発熱してその熱が境界面に伝えられる。そのため、境界面周囲の樹脂製の第１部材を局所的に溶融あるいは軟化させることにより、樹脂が第２部材の陽極酸化処理により境界面に形成された直径が１μｍより小さい無数の微小な孔に食い込む。その結果、本発明によれば、樹脂が境界面の陽極酸化処理による直径が１μｍより小さい微小な孔に食い込むことによるアンカー効果が発揮され、両部材間に強固でかつ安定した接合が形成される。
本発明の実施例１である第１部材と第２部材の関係を示す模式図である。 第２部材の凹凸部分を拡大して示す模式図である。 第２部材の陽極酸化処理を施した部分を拡大して示す模式図である。 第１部材と第２部材を重ね合せてレーザ光を照射した状態を示す模式図である。 第１部材と第２部材が接合された状態を示す模式図である。 第１部材と第２部材の接合部分を拡大して示す模式図である。 実施例２である第１部材と第２部材の関係を示す模式図である。 第１部材と第２部材を重ね合せてレーザ光を照射した状態を示す模式図である。 第２部材の境界面の前処理状態と、レーザ光吸収率との関係を示すグラフである。 第２部材の境界面の前処理状態と、第１及び第２部材間の接合強度との関係を示すグラフである。
以下、本発明の一実施例について図面を用いて説明する。図１から図６は、実施例１である樹脂材料として透明アクリル樹脂製の第１部材１１と、金属材料としてアルミニウム製の第２部材１２を重ね合わせて、半導体レーザ光１６を照射して、第１及び第２部材１１，１２間に接合を形成する行程を模式図により示したものである。
第１部材１１は厚さが３ｍｍであり、第２部材１２は厚さが０．２ｍｍである。第２部材１２の境界面１３が、まずサンドブラストで５秒間処理されて凹凸状態にされる。ここで、サンドブラストの噴射剤の粒度としては、６０番あるいは１２０番が好ましい。２２０番以上はレーザ光吸収には十分だが、汚染層の除去には処理時間５秒では不十分であり、処理時間をもっと長くする必要がある。これにより、境界面１３におけるレーザ光吸収率が高められ、境界面１３にレーザ光を照射したとき、境界面１３が周囲の樹脂材料を溶融あるいは軟化させるに十分な程度に発熱するようになる。さらに、境界面１３に電気化学的処理として陽極酸化処理が施されることにより、凹凸１３ａの面に直径が１μｍより微小な孔１３ｂが無数に形成され、多孔層となる。陽極酸化処理によってレーザ光吸収率がさらに高められる。陽極酸化処理には８重量％のリン酸水溶液を使用し、印加電圧１０Ｖ、温度２５℃の条件で２０分間処理を行った。ここで、境界面１３を凹凸１３ａに処理したことが、陽極酸化のための前処理（汚染層除去）を兼ねているので、さらに他の方法によって汚染層の除去を行う必要はない。
つぎに、第２部材１２の境界面１３に第１部材１１を重ね合わせて押え圧により密着させた状態で、半導体レーザ１６を第１部材１１側から境界面１３に照射する。照射する半導体レーザは、波長９２０ｎｍ、最大出力５０Ｗ、連続発振、ビームモードはトップハット形である。半導体レーザの照射条件については、照射点スポット径１ｍｍ、出力３５Ｗ、走査速度１ｍｍ／ｓ、走査距離１０ｍｍとした。
ここで、第２部材１２の境界面１３の前処理状態と、レーザ光吸収率との関係について、具体例で説明する。試料は、バフ研磨処理したものとこれに陽極酸化処理を加えたもの、噴射剤の粒度６０番，１２０番，２２０番でサンドブラスト処理したもの（ＳＢ＃６０、ＳＢ＃１２０、ＳＢ＃２２０）とこれに陽極酸化処理を組み合わせたものの合計８種類とした。レーザ光吸収率の測定は、試料表面の温度測定と熱伝導解析を組み合わせた逆問題解法を用いて行われた。試験結果を図９に示す。バフ研磨を行ったものは凹凸が非常に小さく、そのためレーザ光吸収率も低い値であった。サンドブラスト処理を行ったものは、レーザ光吸収率がほぼ３０〜４０％の範囲であった。また、陽極酸化処理を加えることにより、レーザ光吸収率は高められる傾向であった。その結果、サンドブラスト処理を行ったもの、あるいはこれに陽極酸化処理を加えたものは、レーザ光照射により、境界面が十分な温度に加熱されることが明らかになった。
半導体レーザ発振器から出力されたレーザ光１６は光ファイバにより伝送されてコリメータから出力され、重ね合わされた第１及び第２部材１１，１２の境界面で設定したスポット径になるように照射される。これにより、第２部材１２の境界面１３の凹凸１３ａで半導体レーザ光が吸収され、凹凸１３ａ部分が発熱してその周囲のアクリル材料を局所的に溶融あるいは軟化させることにより、樹脂が第２部材１２の境界面１３の凹凸１３ａに食い込む。さらに、溶融あるいは軟化した樹脂が、第２部材１２の陽極酸化処理により境界面１３に形成された直径が１μｍより小さい無数の微小な孔１３ｂに食い込む。その結果、実施例１によれば、樹脂が境界面１３の凹凸１３ａに食い込むことによるアンカー効果に加えて、陽極酸化処理による直径が１μｍより小さい微小な孔１３ｂに食い込むことによるアンカー効果が重なることにより、両部材１１，１２間に強固でかつ安定した接合が形成される。また、実施例１によれば、第１部材１１の樹脂材料や、第２部材１２の金属材料の種類に限定されず、両部材同士を強固に安定して接合させることができる。さらに、実施例１においては、低いパワーのレーザ光照射により接合形成が可能なので、気泡等の無い良好な外観の接合が得られ、接合品の製品価値が高められると共に接合品が安価に提供される。
つぎに、第２部材の境界面の処理状態と、第１及び第２部材間の接合強度との関係についての具体例について説明する。試料は、粒度６０番，１２０番，２２０番のサンドブラスト処理（ＳＢ＃６０、ＳＢ＃１２０、ＳＢ＃２２０）と陽極酸化処理を組み合わせた３種類と、汚染層除去のためのバフ研磨を行った後に粒度６０番，１２０番，２２０番のサンドブラスト処理と陽極酸化処理を組み合わせた３種類の合計６種類である。接合強度の測定は、せん断試験により行った。接合強度は、両部材の接合部をせん断破壊するのに要した力を、接合面積で割ることにより求められた。試験結果を図１０に示す。
粒度２２０番でサンドブラスト処理を行ったもの以外は、バフ研磨の有無によって接合強度に大きな差は見られなかった。これらの接合強度は、平均で３０ＭＰａ程度以上はあり、従来のサンドブラストのみの場合の１０ＭＰａ程度に比べて大幅に改善されている。なお、接合強度のデータのばらつきが大きい理由は、両部材の接合面積の測定値のばらつきによるものと考えられる。また、粒度２２０番でサンドブラスト処理を行ったものについては、バフ研磨を行わないものの接合強度が低かったが、これについては、粒度２２０番でサンドブラスト処理を５秒行うのでは表面の酸化膜等の汚染層を十分に除去できず、そのため陽極酸化処理が適切に行われなかったためと考えられる。粒度２２０番でもサンドブラストの処理時間を３０秒にして汚染層を十分に除去した後に陽極酸化を行った場合は、接合強度が他の場合と同程度になることを確認している。
つぎに、実施例２について図面により説明する。
第１部材１１と第２部材１２については、実施例１と同様である。図７に示すように、第２部材１２の境界面１３に対して、まずバフ研磨により汚染層除去が行われ、さらに反対面１４がサンドブラスト処理により凹凸１４ａにされる。その後、境界面１３に陽極酸化処理が行われ、直径が１μｍより小さい無数の微小な孔１３ｂからなる多孔層が形成される。第２部材１２の境界面１３に第１部材１１を重ね合わせて押え圧により密着させた状態で、図８に示すように、レーザ光１６を第２部材１２の反対面１４に照射すると、レーザ光１６が凹凸状態にされた反対面１４で吸収され、反対面１４が発熱してその熱が境界面１３に伝えられる。そのため、境界面１３周囲の樹脂製の第１部材１１が局所的に溶融あるいは軟化させられ、第２部材１２の陽極酸化処理により境界面１３に形成された直径が１μｍより小さい微小な孔１３ｂに食い込む。
その結果、実施例２によれば、樹脂が境界面１３の陽極酸化処理による直径が１μｍより小さい微小な孔１３ｂに食い込むことによるアンカー効果が発揮され、両部材間に強固でかつ安定した接合が形成される。実施例２では、第１部材１１の樹脂材料がレーザ光を透過させないようなものであっても、両部材同士を強固に安定して接合させることができる。さらに、実施例２においても、実施例１と同様、低いパワーのレーザ光照射により接合形成が可能なので、気泡等の無い良好な外観の接合が得られ、接合品の製品価値が高められると共に接合品が安価に提供される。
なお、実施例１，２においては、アクリル板とアルミニウム板との間の接合形成について説明しているが、それ以外の、陽極酸化処理が可能な、チタン、マグネシウム、タンタル、ニオブ、タングステン等と、ポリカーボネート、アセタール樹脂等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン等の熱硬化性樹脂との接合形成も可能である。その他、上記実施例１，２に示した半導体レーザを用いた部材の接合方法については、一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変更実施することが可能である。
本発明は、レーザ光の照射前に、金属製の第２部材の境界面をレーザ光を吸収可能なように凹凸状態にし、さらに凹凸状態にされた境界面に陽極酸化処理を施すことにより直径が１μｍより小さい微小な孔を有する多孔層を形成し、境界面にレーザ光を照射して、樹脂製の第１部材を局所的に溶融させ、樹脂を第２部材の境界面の凹凸及び陽極酸化処理により境界面に形成された直径が１μｍより小さい無数の微小な孔に食い込ませることにより、両部材間に強固でかつ安定した接合を形成できるので、有用である。
１１…第１部材、１２…第２部材、１３…境界面、１３ａ…凹凸、１３ｂ…直径が１μｍより小さい微小な孔、１４…反対面、１４ａ…凹凸、１６…半導体レーザ光。

Claims (3)

  1. レーザ光を透過する樹脂製の第１部材と金属製の第２部材とを互いに重ね合わせてその境界面にレーザ光を照射し、該レーザ光のエネルギーによって前記第１部材を溶融あるいは軟化させることにより該第１及び第２部材間を接合させる接合方法であって、
    前記レーザ光の照射前に、前記第２部材の境界面を該レーザ光を吸収可能なように凹凸状態にし、さらに凹凸状態にされた該境界面に陽極酸化処理を施すことで直径が１μｍより小さい微小な孔を有する多孔層を形成することを特徴とするレーザを用いた部材の接合方法。
  2. 樹脂製の第１部材と金属製の第２部材とを互いに重ね合わせてレーザ光を照射し、該レーザ光のエネルギーによって前記第１部材を溶融あるいは軟化させることにより該第１及び第２部材間を接合させる接合方法であって、
    前記レーザ光の照射前に、前記第２部材の境界面に陽極酸化処理を施すことで直径が１μｍより小さい微小な孔を有する多孔層を形成し、該第２部材の反対面を該レーザ光を吸収可能なように凹凸状態にし、該反対面側にレーザ光を照射させることを特徴とするレーザを用いた部材の接合方法。
  3. 前記凹凸状態の形成が、サンドブラスト、サンドペーパによる研磨処理により行われることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザを用いた部材の接合方法。
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