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環状ビーム光学系を用いたプラスチックの高速レーザ溶着
株式会社レーザックス 小川 剛充、池田 剛司、坪井 昭彦
名古屋大学 徐 国建、沓名 宗春
第197回溶接法研究委員会・第187回溶接冶金研究委員会・JIW第12委員会
2007年2月8日~9日
①ビーム品質が良い②変換効率がよい③高出力化が容易である④メンテナンスが容易である⑤消耗品が少なく、小型軽量である⑥長期にわたり安定性がよい⑦ランニング費用が低い
1. 緒言
近年、高出力ファイバーレーザを用いた溶接、切断及びハイブリッド溶接などの研究開発が盛んでいる。
1.1. ファイバーレーザの特徴
本研究は、経済産業省地域新生コンソーシアム研究開発事業の1つのテーマとして行われた「最新レーザ
利用生産システム (ALIMS=Advanced Laser Integrated Manufacturing System)の開発」の研究の一環で、
2kWファイバーレーザを用いたフレキシブルな環状ビーム光学系の開発とそれによる円筒部材の高品質レーザ加工技術の適用に関するものである。
工業用のプラスチック部材を超高速、短時間にレーザ溶着する技術を開発したものである 。
1.2. 研究の背景
1.4. 環状ビームを利用した溶接・溶着加工のメリット
1.溶接欠陥の低減
欠陥の起点となるビード始点、終点が存在しない。
2.変形、偏芯の低減
360度全周の同時照射であり、均等な入熱となり、
均等な収縮により、低ひずみである。
3.加工システムの単純化
単一光源を利用する。(ビーム分割の必要が無い)
回転駆動部分が無い。
4.生産性の向上
1パルスの1ショットで超短時間で溶接が完了。
5.応用展開の自在性
軸対称形状に対する加工への展開も可能
2. 実験方法
2.1. 実験装置
環状ビーム成形システムのレイアウト及び樹脂溶着のイメージをFig.1(a)及び(b)に示す。
実験装置はIPG社製2.0kWファイバーレーザ装置で、発振器、発振器用チラー、カプラ、フィードファイバー、プロセスファイバー、環状ビーム光学系及び光学系用冷却水装置などからなる。
Fig. 1. The schematic of ring laser beam experimental equipment. (a) Layout of profile measurement for ring laser beam, and (b) image of ring plastic welding with the ring laser beam.
Fiber laser Coupler
Power sourse Chiller
Beam monitor
Cooling water
PC
Laser absorber
Ring laserbeam head
Feeding fiber Process fiber
Laser absorption plasticLaser transmission plastic
Laser transmission acrylic plate
Table
Pressure bolt and washerRing laser beam
(a) (b)
ファイバ
コネクト
ヘッド
ガイド光
サポータ
Fig. 2. Appearance of 2.0 kW fiber laser and optical head of ring laser beam. (a) 2.0 kW fiber laser, and (b) optical head of ring laser beam.
2.2. 2.0 kWファイバーレーザ及び環状ビーム光学ヘッド
(b)(a)
Fig. 3. Measurement method of beam diameter by JIS standard
Beam diameter
1/e2
86%
100%
Laser beam size (mm)
lase
r bea
m in
tens
ity (%
2.3. ビーム径の測定方法
レーザビーム強度が1/e2であるところのビームサイズをビーム径と規定した。
D
Hh
Fig. 4. Appearance of axi-cone lens.
2.4. アキシコンレンズ
アキシコンレンズの外形をFig.4に示す。アキシコンレンズの仕様決定に際しては、レンズホルダーの掴み代としてストレート部が3~4mm必要である。
即ち、H-h=3~4 mm
Scond axi-cone lens
First axi-cone lensVertical angle,f (Degree) 110Diameter, Dmm 30
Height, h (mm) 10.50
Vertical angle,f (Degree) 110Diameter, Dmm 50
Height, h (mm) 17.51
Collimate lens
Focal length, mm f=60Diameter, Dmm) 30
Refraction index 1.46
Distance between axi-cone lens 20
Numerical aperture 0.11
L12 (mm)
n
NA (rad)
Height, H (mm)
Height, H (mm)
14
21
(Synthetic fused silica, AR coating)
(Synthetic fused silica, AR coating)
(Synthetic fused silica, AR coating)
Focal length, mm f=80Diameter, Dmm) 50
Table 1 Initial set point of optical head of ring laser beam
2.5. 光学系の仕様
Fig. 5. Formative principle of ring laser beam.
3. 実験結果及び考察
3.1. 環状ビームの成形機構
2
3X
YL12
NA
2r
H1
H2s
Laser entry
D
f
1
f
2R
Collimatelens
First axi-conelens
Scondaxi-conelens
3.1.1 レンズの構成
n1
n2
Incident angle of the ray Refraction angle of the rayn1: Refraction index as the incident sidn2: Refraction index as the refraction s
Fig. 6. Schematic drawing of the principle for optical refraction.
3.1.2. 光の屈折法則
Sinα2/ Sinα1 = n2/n1 ・・・・・・(1)
Degree Rad Degree Rad Degree Rad
0.61135 56.869 0.993 68.131 1.189
2R 2r
mm mm
22.330 9.130
Table 2 Set point of optical head of ring laser beam for collimate lens of f=60 mm
3.1.3. 環状ビームの計算値
Table1のレンズの仕様、光学屈折法則及び幾何学的関係によって、環状ビームの大きさを算出した。その結果をTable 2に示す。
3.1.4. 環状ビームの実測値と計算値の比較
Collimate lens Laser power L12 2R, mm 2r, mm Width of ring beam, mm
f=60
f=80
mm w mm
(D=30 mm)
(D=50 mm)
Calculation Measurement Measurement MeasurementCalculation Calculation
300
300
25
28
31
25
28
31
27.9
31.3
34.6
27.8
31.1
33.8
14.7
18.1
21.4
15.2
18.7
21
6.6
6.6
6.6
6.3
6.2
6.4
27.9
31.3
34.6
8.8
8.8
8.8
27.3
30.1
32.5
10.3
13.7
17
9.3
11.1
13,4
9
9.5
9.55
Table 3 Results of calculation and measurement for the ring laser beam profile using the optical head of ring laser beam
結果:測定した環状ビームの値は計算値と比べると、ほと
んど同じの寸法であった。
(a)
(b)
Fig. 7. Ring beam profiles measured by Primes Beam Monitor, L12 = 31 mm, laser power of 300. (a) Collimate lens of f = 60 mm, and (b) collimate lens of f = 80 mm.
3.1.5. コリメートレンズの焦点距離影響
結果:
コリメートレンズの焦点距離が増加しても、環状ビームの外径はほとんど変化しなく、内径が小さくなる。その結果、環状ビームの幅は大きくなる。
(a)
(b)
Fig. 8. Ring laser beam profile measured by Primes Beam Monitor using a collimate lens of f = 60 mm and laser power of 300 W. (a) Distance (L12 = 25 mm) between first axi-cone lens and second axi-cone lens, and (b) distance (L12 = 31 mm) between first axi-cone lens and second axi-cone lens.
3.1.6. アキシコンレンズ間距離(L12)の影響
結果:二枚のアキシコンレンズ
間の距離L12が長いほど、
環状ビームの外径及び内径もともに大きくなり、環状ビームの幅はほとんど変わらない。
Fig. 9. Ring laser beam Profile that can be adjusted that the coaxial performance by the position adjustment of collimate lens, first axi-cone lens and second axi-cone lens. Collimate lens of f = 60 mm, distance (L12 = 25 mm) between first axi-cone lens and second axi-cone lens, laser power of 300 W.
3.1.7. レンズの同軸性の影響
結果:
レンズの同軸性が調節できる環状ビーム光学ヘッドに対して、環状ビームの強度分布を均一になることが分かった。
3.2. 環状ビームを用いた樹脂の高速レーザ溶着
3.2.1. 樹脂溶着の現状
0
2
4
6
8
10
1973 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1997 2001
60
80
100Steel
Nonferrous metal
Plastic
Year
Rat
ios
of u
sing
pla
stic
, ste
el a
ndno
nfer
rous
met
al (%
)
Fig. 10. Relationship between using ratios of materials and year in one normal car in the automobile industry.
1973年より2000年に至るまで、プラスチックや非鉄材料の比率が増加している。また、プラスチックの詳細な構成比率をTable 4に示す。この30年間でプラスチックの使用量が確実に増大している。
1台当たりの重量
(kg) (2001)構成比(%)
鉄鋼材料
非鉄金属
非金属プラスチック
汎用樹脂
高機能樹脂
合成樹脂合計
その他
合計
フェノール
ポリウレタン
塩化ビニル
ポリエチレン
ポリプロピレン
ABS
その他
小計
949
101
1
13
13
5
52
5
4
94
13
107
143
1500
73.0
7.8
0.1
1.0
1.0
0.4
4.0
0.4
0.3
7.2
1.0
8.2
11
100
Table 4 普通・小型乗用車1台当たりに占める主要原料構成比率
3.2.2. 熱可塑性樹脂接合の分類
熱可塑性樹脂の接合
化学的接合
物理的接合
(熱融着)
外部加熱
内部加熱
摩擦熱
射出融着
熱風溶着ー溶接用同種樹脂を熱風で溶解
熱板溶着ー熱板で融解(接触、非接触)
レーザ溶着ーレーザ光で融解
接着ー接着剤
溶剤接合ー溶剤での溶解、溶剤揮散
高周波溶着ー樹脂の誘電発熱により融解
挿入された強磁性体の高周波誘導加熱により融解
スピン溶着ー相互回転、摩擦発熱、融解
振動溶着ー相互往復振動、摩擦発熱、融解
超音波溶着ー相互微振動、摩擦発熱、融解
DSI成形ー2次射出のポリマ熱で1次ポリマ融解
(2色成形)
3.2.3 透過式レーザ溶着に利用される照射方式
輪郭溶着 同時溶着 準同時溶着 マスク溶着
部品サイズ ◎ ◎ ○ ○
自由度 ◎ × ○ △
シーム形状
の複雑さ◎ △ ○ ○
処理時間 △ ◎ ○ ○
装置コスト ○ △ △ ○
レーザタイプ Nd:YAG,Diode Diode Nd:YAG,Diode Diode
(360 m/min)
3.2.4 自動車部品の実用化例
フォグランプ
インテークマニホールド
カットオフバルブ燃料タンク部品
キャニスター燃料系部品
トヨタ自動車(株)
(株)小糸製作所
豊田合成(株)愛三工業(株)
3.2.6. 従来の樹脂溶着法との比較
○△△
◎△◎生産性
◎×(熱)×(振動)
振動溶着 レーザ溶着熱板溶着
模式図
熱板
バリ 溶着部
半導体レーザ
透過
吸収バリ
振動
溶着法
設計制約
内部影響
寺田・中村 (トヨタ自動車)
Laser beam P
P
laser transmission plastic
Laser absorption plastic
(a) Heated in laserabsorption plastic
(b) Melted in laserabsorption plastic
(c) Melted in laser absorptionplastic and tranmission plastic
(d) Both plastics welddedin cooling process
Laser beam
laser transmission plastic
Laser absorption plastic
Laser beam
laser transmission plastic
Laser absorption plastic
laser transmission plastic
Laser absorption plastic
(P: pressure load)
Fig. 11. Mechanism of Through Transmission Laser Welding (TTLW) made with a laser transmission plastic and a laser absorption plastic.
透過式レーザ溶着TTTLW (Through-transmission Type Laser Welding)でのメカニズムを模式的にFig.11に示す。樹脂のレーザ溶着の原理は、まず、レーザ吸収樹脂板(部品)とレーザ透過樹脂板(部品)をお互いに接触させ、すき間のないように圧力にて密着させる。レーザ光を透過樹脂板へ照射すると当然レーザ光はその樹脂板を通過し、レーザ光を吸収樹脂板表面に到達する。そこで吸収されたレーザエネルギーにより樹脂板表面では発熱、溶融が始まり、透過する樹脂板へも熱(熱伝達)を伝える。吸収・発熱・熱伝達の過程の結果、二枚の樹脂板が接合界面で溶融し溶着されるのである。
3.2.8. TTTLW樹脂溶着の原理
3.2.9 透過式レーザ溶着(TTTLW法)の特徴
【長所】
・高エネルギーによる高速、高精度加工
・熱影響層、接合領域が狭く限定される
・目視で確認できるような痕跡が外表面に現れない(にくい)
・接合前に部品のアセンブリが可能で、施工が容易
・形状、寸法による制約少なく、設計の自由度が向上する
・電子部品等振動に敏感な内蔵物のある製品にも利用可能
・非接触加工であり、安全衛生面の管理が容易
・自動化、高速化が容易
【制約】
・材料の化学的特性だけでなく光学的特性にも強く依存する
・施工中の密着、加圧力の維持が必要
板厚方向透過度分布シミュレーション結果
-0.2000
0.0000
0.2000
0.4000
0.6000
0.8000
1.0000
1.2000
0 1 2 3 4 5 6 7
表面からの距離(mm)
透過
度(I/
I0)
透過材
3.2.12 板厚方向の透過度分布のシミュレーション結果
吸収材
PCでの計算結果
温度分布シミュレーション結果
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
0 1 2 3 4 5 6 7
表面からの距離(mm)
温度
(℃)
透過材 吸収材
PCでの計算結果
3.2.13 温度分布のシミュレーション
Nd:YAGレーザ 半導体レーザ ファイバレーザ
波長(nm) 1064 808~980 1070~1090
最大出力(W) 10,000 6,000 10,000
生ビーム形状 円形 矩形 円形
エネルギー変換効率(%)
約3% 約30% 約25%
ビーム品質 ○ △ ◎
3.2.14 樹脂溶着(TTTLW)に利用されるレーザ
出力:400W 速度:17~250 スポット径:φ5
材質;ナイロン6ガラス繊維30% 板厚;3㎜
20
40
60
80
0 2.0 4.0 6.0
溶着
強度
(MP
a)
領域1領域 2 領域3
㎜/sec
出力:400W 速度:17~250 スポット径:φ5
材質;ナイロン6ガラス繊維30% 板厚;3㎜
20
40
60
80
0 2.0 4.0 6.0
溶着
強度
(MP
a)
領域1領域1領域 2領域 2 領域3領域3
㎜/sec㎜/sec
3.2.15 入熱量と溶着強度の関係
寺田・中村 (トヨタ自動車)
入熱量[J/mm2] =レーザ出力[W]/(溶着速度[mm/sec]×照射幅[mm])
入熱量(J/mm2)
Laser absorption plastiLaser transmission plastic
Fig. 12. Appearance of laser transmission plastic and laser absorption plastic with a ring form.
3.2.16. 供試材
円形の樹脂材料は内側が透過色素で着色したTPV(動的架橋型オレフェン系エラストマー)、二種類の色(黒色と黄色)があり、厚さが2mmである。外側がタルク20%強化のPP{PP-ポリプロピレン(ポリオレフェンの一種)吸収材)}であり、黒色しかなく、厚さが3mmである。リング樹脂材料を押える透明アクリル板のサイズは70×70×4mmである。
Laser absorption plasLaser transmission plastic
Fig. 13. Welded plastics using Through Transmission Laser Welding (TTLW) made with a laser transmission plastic and laser absorption plastic (laser power of 800 W, laser irradiation time of 1 s, pressure load of 200 g, and collimate lens of f = 60 mm).
環状ビーム外径Φ54mm及び内径Φ47mm、その幅3.5mmである
3.2.17. 溶着した樹脂の写真
(b)Micro-photograph of cross section×25
(a) Macro-photograph cross section
Laser transmission plastic
Laser absorption plastic
Fig. 14. Macro- and micro-photography of cross section for welded plastics. Laser power of 800 W, laser irradiation time of 1 s and pressure load of 200 g, collimate lens of f = 60 mm.
3.2.18. 溶着した樹脂の断面マクロ及び顕微鏡写真
溶着した樹脂材料サンプルを横断して、エポキシ樹脂とヱポマウント硬化剤の混合物に埋めた後、ヱメリー紙で1500#までペーパー研磨を行った。その横断面マクロ写真及び光学顕微鏡写真をFig.14に示す。二枚樹脂のインターフェースでお互いに突入の形で接合したことが確認された
3.2.19. 樹脂のレーザ溶着の結果
Fig.15. Effect of laser power on interface thermal cycle (laser irradiation time of 0.1 s)
50
100
150
200
250
300
0 0.5 1 1.5
600 W
200 W
400 W
800 W
300 W
500 W
1400 W
1000 W1200 W
Time (s)
Tem
pera
ture
(o C)
2
170
170℃~250℃の温度範囲が適正接合温度範囲である。
Fig. 16. Effect of laser power and irradiation time on bonding property
この最高溶着速度を通常の走行溶着速度に換算すると、
約118 m/min
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
0.1 1
Lase
r pow
er (k
W)
Laser irradiation time (s)
No bondedOver melting of pp
BondedPartiality bonded
0.04
3.2.20. 適正な接合条件
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
0.4s
0.6s
0.08s
0.06s
0.1s
Laser Power(W)
Wel
ded
wid
th(m
m)
0.2
50
Fig.17. Effect of laser power and irradiation time on bonding width
3.2.21. 接合幅
Fig.18. Effect of laser power on tensile strength
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
Tens
ile s
treng
th (M
Pa)
power (kW)
0.6s0.4s0.1s0.08s0.06s
3.2.22. 接合部の引張強さ
① コリメートレンズの焦点距離が増加すると、環状ビームの外径寸法は変化しないが、内径寸法は小さくなる。その結果環状ビームのビーム幅は大きく。
② 二枚のアキシコンレンズ間距離(L12)が増加すると、環状ビームの外径及び内径寸法は同時に大きくなり、環状ビームの幅はほとんど変化しない。
③ 二枚アキシコンレンズを水平面に左右調節できる環状ビーム光学系を用いることで、環状ビーム光学系のビーム強度分布を均一に調整できることを確認した。
④ 環状ビーム光学系を用いた樹脂の瞬間レーザ溶着が実現された。これを走行速度に換算すると約118m/minの溶接速度である。また、その溶着樹脂の強度は十分であった。
4. 結論
2
3X
YL12
NA
2r
H1
H2
H3
L23
F
s
t
4
5
6
Laser entry
D
f
1
f
2R
Lb
Laser exit
Collimatelens
First axi-conelens
Scondaxi-conelens
Focusingaxi-cone lens
Degree Rad Degree Rad Degree Rad Degree Rad Degree Rad Degree Rad
0.61135 56.869 0.993 68.131 1.189 15 0.262 22.202 0.388 7.202 0.126
2R 2r
mm mm
22.330 9.130
Table 2 Set point of optical head of ring laser beam for collimate lens of f=60 mm
L12=10mm L12=14mm L12=18mm
Outside distancex-axis :28.53mmy-axis:28.50mm
Outside distancex-axis :32.73mmy-axis:31.88mm
Outside distancex-axis :36.93mmy-axis:37.01mm
Collimate lens f100
CCtP-WIRE-HARNESS
POM
PA 6
STRAINER FUEL
PA 6
CYL BRAKE MASTER
PA 6
PP
HARNESS WIRE
PVC
ABS
LDPE
PP
PPG
PA 6
POM
フェノール
CYL CLUTCH MASTER
PA 6
PP
CAP OIL FILTER
フェノール
PA 6
CAP DIST
フェノール
FENDER MIRROR
ABS
POMTANK RADIATOR
PAG6
TUBEFUEL
PA12
SHROUD RADIATOR
PP
FAN COOLING
PP
LAMPSIDE TURN SIGNAL
PMMA PVC
PP
NOZZLE
HDPE
PP-composit
ノリル
HEATER ASSY
PVC LDPE ABS
HDPE POM PP
PC
BUMPER
PP
PC
ウレタン
GRILLERADIATOR
ABS PP
LOGLOVE
ABS
PP-composit
ウレタン
TANK WASHER
PP
SUNVISOR
PVC
ウレタン
PA 6
布地
BOX GLOVE
PP-composit
ABS
ノリル
PAD-INST
ウレタン
PVC
PANEL-INST
PP-composit
ABS
ノリル
GRILLE DEF
ABS PP ノリル
AIR CLEANER
PP
HOOD LOUVER
PBT
ノリル
LIDCLUSTER
PP-composit
ABS
ノリル
METERFRONT
PMMA
SOCKET METER LAMP
POM
FINPOOR
PVC
ウレタン
ボード
ASSIST GRIP
PVC
ASHTRAY
フェノール
PA 66
REG ASSY DOOR WDW
PA 66
POM
CAPFUEL FLLER
ABS PA 5
POM PBT
BADGEDRAFTER
ABS
GRILLEDRAFTER
ABS
ARMREST
PVC
ウレタン
PP
SHELF RR PARCEL
PVC ボード
PP 布地
STRG WHEEL
ウレタン PVC ABS
ABSG CAB PP
EMBLEM
ABS
PE
GARN PILLAR
ABS
PP
LAMP RR COMB
PMMA
PP
MAT TRUNK
PVC
PP
COVERCOL
PP ABS
HEAD LINING
PVC 布地
TANKFUEL
HDPE
HANDLE DOOR OUTER
POM PC
COVERWHEEL
ABS
PROTECTORBODY
PVC
TRAY PACKAGE
PP-composit
ABS
FIN DASH SIDE
PP
PVC
ABS
CRIPCARPET
PA 6
POM
SW TURN SIGNAL
POM PVC PP
SEAT
PVC
ABS
HDPE LDPE
PP
PA 6
ウレタン
CONSOLECTR
PP-composit
ABS
HIPS
PVC
ウレタン
KNOBPARKING BRAKE
ウレタン
PVC
CAB
KNOBTRANS CONTROL
ウレタン
PVC
CAB
■ PA ■ POM
■ ABS
■ PP
■ PE
■ PC
自動車における樹脂材料利用
締結部品(金属ボルト、ナット、 カラー、ガスケット全13点)レーザ溶着部
ACIS valve
Surge tank
レーザ樹脂溶着の実施例(自動車産業)
インテークマニホールド(トヨタ自動車)
従来構造(ボルト締結) 新構造(レーザ溶着)
寺田・中村 (トヨタ自動車)
パイプ形状での比較
Laser welded pipe Vibration welded port of intake manifold
レーザ樹脂溶着の実施例(自動車産業)
寺田・中村 (トヨタ自動車)
レーザ樹脂溶着の実施例(自動車産業)
製品構成及び工程
<工程>
レーザ溶着
(開発工法)
ボルト締結
(従来工法)
<製品構成>
ACIS内周ガスケット組付
サージ レーザ溶着 完成
ACIS カラー組付内周ガスケット組付
サージボルト締結
完成ナット圧入
外周ガスケット組付
3工程削減
外周ガスケット
ボルト・カラー・ナット 4式
取付フランジ
13部品削減
Surge tank
ACIS valve
Laser beam
インテークマニホールド(トヨタ自動車)
寺田・中村 (トヨタ自動車)
3.2.7. レーザ溶着のメリット
(5)振動レス、省エネルギー、省スペース
(4)熱影響範囲が小さい
(2)フランジレスによる形状自由度
(1)溶着バリの抑制による意匠性
(3)溶着分割面の設計自由度