JP5718595B2

JP5718595B2 - レーザー光を用いた接合方法

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Publication number: JP5718595B2
Application number: JP2010173871A
Authority: JP
Inventors: 山田　功作; 功作山田; 博文村上; 藤田　和也; 和也藤田
Original assignee: Hayakawa Rubber Co Ltd
Current assignee: Hayakawa Rubber Co Ltd
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2030-08-02
Also published as: JP2012030559A

Description

本発明は、管部材同士をレーザー光を用いて接合する接合方法に関するものである。

従来から、樹脂製の管部材同士をレーザー光を用いて接合することが行われている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の接合方法では、レーザー光を吸収するレーザー光吸収性を有する樹脂製の中間部材を使用している。具体的には、一方の管部材の端面と他方の管部材の端面との間に上記中間部材を配置し、この中間部材を両管部材の端面で挟持しておき、その後、レーザー光を管部材の外側から中間部材へ向かって照射する。すると、中間部材がレーザー光を吸収して溶融し、これにより、両管部材が接合されるとともに、接合後には両管部材の間がシールされる。

特開２００４−９０６２９号公報

しかしながら、上記特許文献１の接合方法では、管部材の端面同士を接合しているので、接合面積は、管部材の肉厚に相当する面積しか確保できない。接合面積の大小は、接合強度の強弱に影響するので、できるだけ広く確保したい。そこで、管部材の端部に径方向へ延出するフランジを設けて接合面積の拡大を図ることが考えられるが、このようにした場合には、管部材を使用する実際の現場においてフランジが邪魔になることがある。

また、特許文献１の接合方法では、中間部材を両管部材の端面で挟持しているが、接合前においては、両管部材の端面が中間部材に突き当てられているだけなので、両管部材が不安定であり、そのため、中間部材が接合までの間に管部材に対して位置ずれを起こすことが考えられる。中間部材が位置ずれを起こすと、管部材の接合強度が得られなくなったり、両管部材の間のシール性を確保できなくなる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、中間部材を介して管部材同士を接合する場合に、フランジ等を設けることなく、広い接合面積で接合できるようにするとともに、接合までの間に中間部材の位置ずれを抑制できるようにし、これによって、高い接合強度を得るとともに、シール性を確保できるようにすることにある。

上記目的を達成するために、本発明では、第１管部材の端部の内側に第２管部材の端部を挿入し、中間部材を第１管部材の内周面と第２管部材の外周面との間に配置するようにした。

第１の発明は、レーザー光を透過する樹脂製の第１管部材と、該第１管部材に挿入される樹脂製の第２管部材とを用意し、上記第２管部材における上記第１管部材に挿入される部分の外周面に形成された段部に、レーザー光を吸収するエラストマーからなるレーザー光接合用中間部材を嵌め、その後、上記第１管部材に上記第２管部材を挿入して、上記第１管部材の内周面と上記第２管部材の外周面との間に上記中間部材を配置し、上記第１管部材の内周面と上記第２管部材の外周面とで上記中間部材を所定量圧縮する接合準備工程と、上記接合準備工程の後、上記第１管部材の外側からレーザー光を照射して上記中間部材を加熱することによって上記第１及び第２管部材を上記中間部材を介して接合する接合工程とを備えていることを特徴とするものである。

この構成によれば、第１管部材の内側に第２管部材が挿入され、これら管部材の間に中間部材が介在することになるので、フランジを設けなくても、第２管部材の挿入深さを深くすることによって接合面積の拡大が可能になる。

また、第１管部材の内側に第２管部材が挿入されているので、従来のように管部材の端面を突き合わせただけの場合に比べて、両管部材が接合前において安定する。そして、これら管部材の間に中間部材が配置されることで、中間部材の位置ずれが抑制される。

また、第２管部材の段部に中間部材を嵌めることで、第１管部材に第２管部材を挿入する際に中間部材の中心線方向の位置ずれが起こりにくくなる。

また、中間部材が圧縮されることにより、第１管部材の内周面及び第２管部材の外周面に密着するようになる。

第２の発明は、第１の発明において、接合準備工程では、滑り性が付与された中間部材を第１管部材の内周面と第２管部材の外周面との間に配置することを特徴とするものである。

この構成によれば、中間部材を第１管部材と第２管部材との間に配置する際に中間部材が第１管部材や第２管部材に対し滑りやすくなる。これにより、中間部材に無理な力がかかりにくくなる。

第３の発明は、第１または２の発明において、接合準備工程では、第２管部材の外周面に沿って環状に延びる帯型の中間部材を、第１管部材の内周面と第２管部材の外周面との間に配置することを特徴とするものである。

この構成によれば、中間部材が第１管部材と第２管部材の間の広い範囲に存在することになる。これにより、第１管部材と第２管部材との接合面積がより一層広くなる。

第１の発明によれば、第１管部材の内側に第２管部材を挿入するとともに、第１管部材の内周面と第２管部材の外周面との間にレーザー光を吸収する中間部材を配置し、その後、第１管部材の外側からレーザー光を照射して中間部材を加熱するようにしたので、両管部材の接合面積を拡大できるとともに、中間部材の位置ずれを抑制できる。これにより、第１及び第２管部材の接合強度及びシール性を高めることができる。

また、中間部材を第２管部材の段部に嵌めた後、第１管部材に第２管部材を挿入するようにしたので、中間部材の中心線方向の位置ずれを抑制でき、接合強度及びシール性をより一層高めることができる。

また、第１管部材の内周面と第２管部材の外周面とで中間部材を所定量圧縮するようにしたので、中間部材を第１管部材の内周面及び第２管部材の外周面に密着させることができる。これにより、接合不良の発生を抑制できる。

第２の発明によれば、滑り性が付与された中間部材を第１管部材の内周面と第２管部材の外周面との間に配置するようにしたので、第２管部材の挿入時に中間部材に無理な力がかかりにくくなり、中間部材の損傷を抑制できるとともに、所定位置に確実に配置することができる。

第３の発明によれば、第２管部材の外周面に沿って環状に延びる帯型の中間部材を、第１管部材の内周面と第２管部材の外周面との間に配置するようにしたので、接合面積がより一層広くなり、これにより、接合強度及びシール性をさらに高めることができる。

実施形態にかかる接合品の斜視図である。接合品の断面図である。接合品の分解斜視図である。第２管部材を第１管部材に挿入する前の状態を示す図２相当図である。参考例にかかる図２相当図である。参考例にかかる図４相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態にかかるレーザー光を用いた接合方法によって接合された接合品１を示すものである。接合品１は、第１管部材１０と、第１管部材１０よりも小径の第２管部材２０とが、中間部材３０により接合されてなるものである。接合時には、詳細は後述するが、レーザー光を中間部材３０に照射して加熱し、溶融状態にした後、冷却して固化させる。この接合品１は、例えば、流体が流れる配管等として用いられるものである。

第１管部材１０は、レーザー光を通すレーザー光透過性を有する樹脂材料で構成された円管部材である。レーザー光透過性とは、加熱源としてのレーザー光を殆ど反射も吸収もせずに透過させるか、レーザー光を一部透過及び／又は反射しても溶融することなく、残りのレーザー光を透過させることのできる性質をいい、レーザー光の全てを透過させるものも含む。第１管部材１０を構成する樹脂材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリブデン、塩化ビニル等が挙げられる。

第２管部材２０は、レーザー光を通すレーザー光透過性を有する材料やレーザー光を通さないレーザー光非透過性を有する材料で構成された円管部材である。レーザー光非透過性とは、レーザー光を吸収するレーザー光吸収性のことであり、加熱源としてのレーザー光を一部透過及び／又は反射しても残りを吸収する性質をいい、レーザー光の全てを吸収するものも含む。第２管部材２０を構成する樹脂材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリブデン、塩化ビニル等が挙げられる。

また、図２に示すように、第２管部材２０の外径は、第２管部材２０を第１管部材１０へ挿入可能となるように、第１管部材１０の内径よりも若干小さく設定されている。

さらに、図３に示すように、第２管部材２０における第１管部材１０との接合側の外周面には、段部２１が形成されている。第２管部材２０の段部２１が形成された領域は、第２管部材２０の接合側の端面から中心線方向の反対側へ所定距離Ａ（図４参照）だけ離れた部分までの領域である。このＡの寸法としては、例えば１ｍｍ以上５０ｍｍ以下が好ましい。段部２１の深さＢ（図４参照）は、例えば１００μｍ以上１０００μｍ以下に設定されている。

中間部材３０は、段部２１に嵌るように形成され、第２管部材の外周面に沿って環状に延びる帯型をなしている。中間部材３０の厚み寸法は、段部２１の深さＢよりも若干長めに設定されている。また、中間部材３０の幅は、寸法Ａと略同じに設定されている。

また、中間部材３０の内径は、第２管部材２０の段部２１が形成された部分の外径よりも小さめに設定されている。従って、中間部材３０を段部２１に嵌めた際に中間部材３０が段部２１から脱落しにくくなる。

中間部材３０は、レーザー光で加熱された際に溶融するホットメルト材で構成されており、常温付近でゴム弾性を示す高分子物質（エラストマー）及びそのアロイであり、熱可塑性を有するものである。

また、中間部材３０の外周面及び内周面には、滑り性が付与されている。中間部材３０の外周面の滑り性とは、中間部材３０の外周面を第１管部材１０の内周面に接触させた状態で中心線方向に移動させる際に、中間部材３０に無理な変形や破断等が生じないように、中間部材３０の外周面を第１管部材１０の内周面に対し滑らせて移動可能な性質のことである。また、中間部材３０の内周面の滑り性とは、中間部材３０の内周面を第２管部材２０の外周面に接触させた状態で中心線方向に移動させる際に、中間部材３０に無理な変形や破断等が生じないように、中間部材３０の内周面を第２管部材２０の外周面に対し滑らせて移動可能な性質のことである。

上記滑り性は、中間部材３０を構成する樹脂が持っている性質を利用して得ることができ、その場合、樹脂の種類としては、例えば、スチレン系、ポリエステル系、ウレタン系、アクリル系のエラストマー等やそのアロイが好ましい。また、中間部材３０に滑り性を付与する方法としては、中間部材３０の外周面や内周面に、滑り性を向上させるためのコーティングを施したり、滑り性を向上させるための物質を塗布するようにしてもよい。コーティングとしては、ロールコート、ディッピング、スポンジ塗布、はけ塗り等で行うのが好ましく、また、塗布する物質としては、管部材１０，２０同士の接合を阻害しない粘着性の低いエラストマーや一般のポリマーを挙げることができ、それらに更に滑性を与える着色顔料、体質顔料や樹脂粒子を混合することができる。

中間部材３０の滑り性の具体的な値としては、静摩擦係数が０．５以下であることが好ましい。静摩擦係数が０．５よりも大きいと、中間部材３０の外周面を第１管部材１０の内周面に接触させた状態で中心線方向に移動させる際に破断等が生じ易くなる。尚、中間部材３０の静摩擦係数は、新東科学株式会社製のStatic Friction Tester HEIDON-10を用いて測定した値である。

また、中間部材３０は、弾性を有している。弾性率としては、例えば、２０℃の貯蔵弾性率を０．０５〜５００ＭＰａの範囲に設定するのが好ましい。中間部材３０が弾性を有することで、中間部材３０を第１管部材１０と第２管部材２０との間にセットする際に弾性変形させながらセットすることが可能になり、作業性が向上する。また、中間部材３０が弾性を有することで、第１管部材１０と第２管部材２０との間に中間部材３０を配置して圧縮したとき、中間部材３０が反発して第１管部材１０及び第２管部材２０に密着するようになる。

次に、上記接合品１を製造する要領について説明する。まず、図４に示すように、第２管部材２０の段部２１に中間部材３０を嵌める。このとき、中間部材３０が弾性を有しているので、中間部材３０を拡げるようにすることができ、簡単に嵌めることができる。また、中間部材３０の内周面に滑り性が付与されているので、中間部材３０を滑らせながら段部２１に嵌めることができ、このことで中間部材３０を嵌める際の作業性が向上するとともに、中間部材３０が途中に破断したりすることもない。また、中間部材３０は段部２１が形成された部分の外径よりも小径であるため、中間部材３０が段部２１から脱落しにくい。

その後、第２管部材２０の段部２１を第１管部材１０に挿入する。このとき、中間部材３０の外周面に滑り性が付与されているので、中間部材３０を第１管部材１０の内周面に滑らせながら挿入することができ、このことで第２管部材２０を第１管部材３０に挿入する作業性が向上するとともに、中間部材３０が途中に破断したりすることもない。

そして、第２管部材２０の段部２１が第１管部材１０に挿入されると、中間部材３０が第１管部材１０の内周面と第２管部材２０の外周面とで厚み方向に圧縮される。中間部材３０は弾性を持っているので、圧縮力によって薄くなるように弾性変形する。この変形後の中間部材３０の厚みは、例えば、変形前の厚み（もとの厚み）の９０％以下となるようにするのが好ましく、この変形量は、中間部材３０の厚み、第１管部材１０の内径、第２管部材２０の外径等によって任意に設定することができる。

中間部材３０をもとの厚みの９０％以下となるように圧縮することで、中間部材３０の内周面が段部２１の外周面の略全周に亘って密着し、中間部材３０の外周面が第１管部材１０の内周面の略全周に亘って密着する。

しかる後、図１に示すように、第１管部材１０の外側から中間部材３０に向かってレーザー光Ｌを照射する。レーザー光Ｌの種類としては、例えば、ガスレーザー、固体レーザー、半導体レーザー等のいずれでもよく、レーザー光Ｌの種類は限定されない。レーザー光Ｌの種類は、基材２及び透光部材３の材料や、透光部材３の厚さ、意匠層４の溶融又は分解温度、透光部材３のレーザー光透過度合い等に応じて適宜選択できる。また、レーザー光Ｌは、１つの波長からなるものであってもよいし、２つ以上の波長を有するものであってもよい。

レーザー光Ｌを照射する際には、レーザー照射装置（図示せず）の照射口側は固定しておき、第１管部材１０及び第２管部材２０をその中心線周りに回転させる。

第１管部材３０に照射されたレーザー光Ｌは、第１管部材１０を透過し、中間部材３０に達する。このとき、第１管部材１０及び第２管部材２０を回転させているので、レーザー光が中間部材３０の周方向に全体に亘ってムラ無く当たることになる。レーザー光Ｌは中間部材３０に吸収され、これにより、中間部材３０が加熱されて溶融する。中間部材３０の発熱によって第１管部材１０の内周面が加熱されて溶融し、中間部材３０を構成する樹脂と混ざり、また、第２管部材２０の段部２１の外周面が加熱されて溶融し、中間部材３０を構成する樹脂と混ざる。

そして、レーザー光Ｌの照射を停止して放置すると、溶融状態にあった樹脂が固化し、ホットメルト接着または溶融接着で第１管部材１０と第２管部材２０とが中間部材３０を介して接合される。中間部材３０が圧縮状態であったため、固化しても中間部材３０と第１管部材１０との間、及び中間部材３０と第２管部材２０との間に隙間が形成されてしまうことはなく、接合状態では、第１管部材１０と第２管部材２０との間が中間部材３０により全周に亘って確実にシールされる。

したがって、この実施形態によれば、第１管部材１０の内側に第２管部材２０を挿入し、これら管部材１０，２０の間に帯型の中間部材３０を介在させて接合するようにしたので、管部材１０，２０にフランジを設けなくても、第１管部材１０及び第２管部材２０の接合面積を拡大できる。

また、第１管部材１０の内側に第２管部材２０が挿入されているので、従来のように管部材の端面を突き合わせただけの場合に比べて、両管部材１０，２０が接合前において安定する。そして、これら第１及び第２管部材１０，２０の間に中間部材３０が配置されることで、中間部材３０の位置ずれが抑制される。

以上説明したように、第１管部材１０の内側に第２管部材２０を挿入するとともに、第１管部材１０の内周面と第２管部材２０の外周面との間にレーザー光Ｌを吸収する中間部材３０を配置し、この中間部材３０をレーザー光Ｌにより加熱するようにしている。これにより、両管部材１０，２０の接合面積を拡大できるとともに、中間部材３０の位置ずれを抑制でき、第１及び第２管部材１０，２０の接合強度及びシール性を高めることができる。

また、中間部材３０を第２管部材２０の段部２１に嵌めた後、第１管部材１０に挿入するようにしたので、中間部材３０の中心線方向の位置ずれが起こらず、接合強度及びシール性をより一層高めることができる。

また、第１管部材１０の内周面と第２管部材２０の外周面とで中間部材３０を所定量圧縮するようにしたので、中間部材３０を第１管部材１０の内周面及び第２管部材２０の外周面に密着させることができる。これにより、接合不良の発生を抑制できる。

また、滑り性が付与された中間部材３０を第１管部材１０の内周面と第２管部材２０の外周面との間に配置するようにしたので、第２管部材２０を挿入する際、中間部材３０に無理な力がかかりにくくなり、中間部材３０の損傷を抑制できるとともに、所定位置に確実に配置することができる。

また、中間部材３０が環状をなしており、それを回転させながらレーザー光Ｌを照射するようにしたので、第１管部材１０及び第２管部材２０の接合部分を略均一に加熱することが可能になる。よって、加熱ムラが少なくなる。

（参考例）
図５及び図６は、本発明の参考例にかかる接合品１を示すものである。この参考例の接合品１は、実施形態のものに対し第２管部材２０の形状が異なっている。以下、実施形態と異なる部分について詳細に説明する。

すなわち、参考例では、第２管部材２０における第１管部材１０との接合側の外周面に段部を形成せず、テーパー面２２を設けている。テーパー面２２は、第２管部材２０の接合側の端部に近づくほど小径となるように形成されている。

中間部材３０の内径は、第２管部材２０におけるテーパー面２２が形成された部分の外径よりも小さめに設定されている。

次に、上記接合品１を製造する要領について説明する。まず、第２管部材２０のテーパー面２２に中間部材３０を嵌める。このとき、中間部材３０が弾性を有しているので、中間部材３０を拡げるようにすることができ、簡単に嵌めることができる。また、中間部材３０の内周面に滑り性が付与されているので、中間部材３０を滑らせながらテーパー面２２に嵌めることができる。また、中間部材３０はテーパー面２２が形成された部分の外径よりも小径であるため、中間部材３０がテーパー面２２から脱落しにくい。

その後、第２管部材２０のテーパー面２２を第１管部材１０に挿入する。このとき、中間部材３０の外周面に滑り性が付与されているので、中間部材３０を第１管部材１０の内周面に滑らせながら挿入することができる。

そして、第２管部材２０の段部２１が第１管部材１０に挿入されると、中間部材３０が第１管部材１０の内周面と第２管部材２０の外周面とで厚み方向に圧縮される。中間部材３０は弾性を持っているので、圧縮力によって薄くなるように弾性変形し、中間部材３０の内周面がテーパー面２２の外周面の略全周に亘って密着し、中間部材３０の外周面が第１管部材１０の内周面の略全周に亘って密着する。

その後、実施形態と同様に、レーザー光Ｌを照射する。これにより、第１管部材１０と第２管部材２０とが接合される。

したがって、この参考例によれば、実施形態と同様に、第１及び第２管部材１０，２０の接合強度及びシール性を高めることができる。

尚、第２管部材２０には、段部２１やテーパー面２２を設けなくてもよい。

また、図示しないが、第１管部材１０における第２管部材２０との接合側の内周面にテーパー面を設けてもよい。このテーパー面は、第１管部材２０の接合側の端部に近づくほど大径となるように形成する。

また、中間部材３０は、上記のように溶融させてもよいが、溶融させずに軟化させるだけであってもよい。

また、上記実施形態では、第１管部材１０と第２管部材２０とを溶着する際、両管部材１０，２０を回転させながらレーザー光Ｌを照射している。この場合、レーザー光Ｌを、単一の軌跡上に１回だけ照射するようにしてもよいし、単一の軌跡上に複数回照射するようにしてもよいし、複数本の軌跡を描くように照射してもよい。レーザー光Ｌを複数本の軌跡を描くように照射する場合、軌跡がその一部において重なるように照射してもよいし、軌跡が全く重ならないように間隔をあけて照射してもよい。軌跡をその一部において重なるように複数回照射すれば、レーザー光Ｌのトータルの照射面積が広くなり、有効な接合面積を広くできるという利点がある。

以上説明したように、本発明にかかるレーザー光を用いた接合方法によれば、例えば、配水管等を接合することができる。

１接合品
１０第１管部材
２０第２管部材
２１段部
２２テーパー面
３０中間部材
Ｌレーザー光

Claims

レーザー光を透過する樹脂製の第１管部材と、該第１管部材に挿入される樹脂製の第２管部材とを用意し、上記第２管部材における上記第１管部材に挿入される部分の外周面に形成された段部に、レーザー光を吸収するエラストマーからなるレーザー光接合用中間部材を嵌め、その後、上記第１管部材に上記第２管部材を挿入して、上記第１管部材の内周面と上記第２管部材の外周面との間に上記中間部材を配置し、上記第１管部材の内周面と上記第２管部材の外周面とで上記中間部材を所定量圧縮する接合準備工程と、
上記接合準備工程の後、上記第１管部材の外側からレーザー光を照射して上記中間部材を加熱することによって上記第１及び第２管部材を上記中間部材を介して接合する接合工程とを備えていることを特徴とするレーザー光を用いた接合方法。
請求項１に記載のレーザー光を用いた接合方法において、
接合準備工程では、滑り性が付与された中間部材を第１管部材の内周面と第２管部材の外周面との間に配置することを特徴とするレーザー光を用いた接合方法。
請求項１または２に記載のレーザー光を用いた接合方法において、
接合準備工程では、第２管部材の外周面に沿って環状に延びる帯型の中間部材を、第１管部材の内周面と第２管部材の外周面との間に配置することを特徴とするレーザー光を用いた接合方法。