雷射接合方法

2023-10-04 04:56:44 2

專利名稱：雷射接合方法
技術領域：
本發明涉及通過雷射照射而接合熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法。
背景技術：
熱塑性樹脂由於優異的加工性和形狀的自由度大，被廣泛用於汽車及電機設備或醫療、生物設備等一般產業用途，普及到了可以說沒有不使用熱塑性樹脂的領域的程度，成為身邊的材料。最初作為木材或紙等天然原材料的替代被利用，現在已經也開發出眾多的不是塑料材料就不能製作的特殊的產品。因此，為了設計開發最合適的材料及最合適的加工方法，只要可以提供，就有可能創造出至今沒有的新的產品。另外，從近年來的CO2排放限制及低成本化的潮流來看，隨著熱塑性樹脂的高功能化，金屬的替代正在逐漸地形成。但是，熱塑性樹脂一般地與金屬相比還具有耐熱溫度及機械強度低、熱膨脹大、容易變形、分解、容易溶解於有機溶劑、因水分容易膨脹等很多缺點，因此，不可能完全替代。尤其是由於近年來的產品結構的複雜化，進行有效利用熱塑性樹脂和金屬各自優點的設計，它們的二次加工技術愈發重要。其中，近年來，研究使用雷射的方法多了起來。在專利文獻I中記載有一種方法通過在使丙烯酸樹脂和具有用砂紙損傷的凹凸面的錫密合的狀態下進行雷射照射，丙烯酸樹脂浸入凹凸面中，形成牢固的接合。在專利文獻2中呈現了一種方法通過在使由熱塑性樹脂構成的成型體和金屬重合的狀態下，從金屬側進行雷射照射，即使是成型體不透射雷射的情況，也可以牢固地進行接合。另外，還記載，對金屬的接合面側的表面的表面處理對接合強度提高是有效的。在非專利文獻I中示出了一種方法通過在使塑料和金屬重合的狀態下進行高功率的雷射照射，在塑料界面附近產生微小的氣泡，利用其產生時的壓力效果，可以進行牢固的接合。現有技術文獻專利文獻專利文獻1:特開2006-15405號專利文獻2 :特開2010-76437號非專利文獻非專利文獻1: S. katayama, Y. Kawahito, A. Tange and S. Kubota,「Laser-Assisted Metal and Plastic(LAMP)joining」，Online Proc. of LAMP2006, JLPS,# 06-7(2006)非專利文獻2:西野考，「表面改性引起的高分子的功能化」科學和工業，80，(11)，512-518(2006)

發明內容
發明所要解決的課題
在專利文獻I所公開的技術中，判明雖然在為具有丙烯基那樣的氧官能團的熱塑性樹脂的情況下是有效的，但不具有氧官能團的熱塑性樹脂的情況，由於不形成與金屬面的氧化膜經由氧官能團的牢固的接合，因此，接合強度低。另外，即使如丙烯基那樣具有氧官能團，其總量也很少，因此，大多界面的密合性低，強度上不能確保充分的儲備。在專利文獻2所公開的技術中，雖然通過對金屬側的接合面實施表面處理使強度提高，但與上述專利文獻I同樣，大多界面的密合性低，強度上不能確保充分的儲備。而且，在上述專利文獻1、2中，主要是錨定效應，因此，存在雖然剪切方向的強度較強，但在拉伸方向及分離方向的強度較弱的問題。而且，由於界面強度弱，根據雷射接合時的冷卻時及可靠性試驗，在界面產生分離，結果發現，由於在一部分粘附的地方產生應力集中，因此可靠性弱。在非專利文獻I中所公開的技術中能夠確認，雖然通過使用照射高功率的雷射產生的塑料的微小氣泡而顯現強度，但熱塑性樹脂被限定，尤其是不具有氧官能團的熱塑性樹脂的情況，不能接合。這樣，在以雷射為加熱源而接合樹脂和金屬的技術中，存在可以接合的樹脂被限定的大問題。用於解決課題的手段因此，本發明人在解決上述課題時發現，在雷射照射前，使用乾式的表面改性處理在熱塑性樹脂的接合面側形成相比塊狀材料更多地含有氧官能團的氧化層，在與形成了氧化層的熱塑性樹脂的表面能相比，增大接合面的金屬的表面能的狀態下進行加壓，從熱塑性樹脂側或從金屬側進行雷射照射，由此可得到更牢固的接合。通常，已知通過粘接等對熱塑性樹脂的表面改性處理也是有效的。根據非專利文獻2，確認將聚對苯二甲酸乙二酯(PET)進行電暈處理，在150°C放置3分鐘時，完全沒有粘接。認為這是因為，在高溫下引起PET分子鏈的熱運動，應對暫時被導入的氧官能團從表面徹底消失的情況。因此，通常認為，在雷射接合中，與粘接同樣，效果也會消失。但是，本發明人等最新發現，在雷射接合時，由於是瞬間地加熱而密合，因此，在表面改性效果消失之前可以接合。此外，為本發明的情況，特徵是，由於界面的密合性提高，因此拉伸強度及分離強度也高。即，本發明提供雷射接合方法，其特徵為，在雷射接合中，具有對熱塑性樹脂的界面進行生成、增加氧官能團的表面改性處理的工序、以及將進行了表面改性處理的熱塑性樹脂的界面和金屬利用雷射照射進行加熱而進行接合的工序。發明的效果根據本發明，在熱塑性樹脂和金屬的雷射接合或熔敷中，可以通過使接合部的界面的密合性提高，抑止接合時的熱應力引起的剝離，得到可靠性高的接合。另外，迄今為止不能接合的組合也可以得到良好的接合。


圖1是表示本發明的熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法的一實施例的圖；圖2是表示本發明的熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法的其它實施例的圖；圖3是表示本發明的熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法的其它實施例的圖；圖4是表示本發明的熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法的其它實施例的圖。
圖5是表示本發明的熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法的其它實施例的圖。圖6是表示本發明的熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法的其它實施例的圖。圖7是表示光拾取裝置的透鏡和框體的裝配的平面圖；圖8是表示在PA6T和不鏽鋼的組合中，有無實施對樹脂的表面改性處理的情況的雷射功率和接合強度的關係的實驗結果的一個例子；圖9是在PA6T和不鏽鋼的組合中、表示增大了不鏽鋼的粗糙度時的效果的實驗結果的一個例子；圖10是表示本發明的熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法的其它實施例的圖；圖11是表示本發明的熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法的其它實施例的圖；圖12是表示本發明的熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法的其它實施例的圖；圖13是表示本發明的熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法的其它實施例的圖；圖14是表示本發明的熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法的其它實施例的圖。
具體實施例方式下面，對本發明的實施方式進行說明。本發明中使用的熱塑性樹脂包含非結晶性或結晶性樹脂。作為非結晶性樹脂，可列舉聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-苯乙烯(AS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚醚醯亞胺(PEI)、聚碳酸酯(PC)、聚芳酯(PAR)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環烯烴聚合物(C0P)、環烯烴共聚物(COC)、聚碸(PSF)、聚醚碸(PES)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVDC)。作為結晶性樹脂，可列舉聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氧甲烯(POM)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚苯硫醚(PPS)、&*6(PA6)、&龍66(PA66)、尼龍6T(PA6T)、聚醚醚酮(PEE K )、液晶聚合物(LCP)、聚四氟乙烯(PTFE)。另外，含有這些合金材料及填料的熱塑性樹脂也成為對象。一般而言，就成型性及透明性而言，非結晶性樹脂優異，與此相反，結晶性樹脂的耐熱性及耐藥品性優異。作為金屬，可列舉鐵、鋁、銅、鎳、金、鈦、合金(不鏽鋼、黃銅、鋁合金、磷青銅等)、模鑄(die cast)等。另外，在本發明中，金屬覆膜(電鍍、蒸鍍膜等)也成為對象。就雷射接合及熔敷的條件而言，在考慮了材料的雷射照射波長中的透射-吸收率、熱導率的基礎上，確定雷射點尺寸、功率、照射時間、加壓力。用於雷射接合的光源優選含有半導體雷射、YAG雷射、光纖雷射(fiber laser)的紅外區域的雷射。雷射源的強度分布可以根據高斯、平頂、環型等附屬的透鏡而形成各種強度分布，但在容易使熔敷狀態變得均勻方面，優選的是，使用採用了有平頂型或中央部的強度為最大值的50 %以上的環型的強度分布的光源。實施例1圖1是表示本發明的樹脂和金屬的雷射接合方法的實施例的平面圖。在本實施例中，其特徵為，在熱塑性樹脂1-1和金屬2-1的雷射接合前，對熱塑性樹脂1-1的接合界面側實施表面改性處理，對於不含有氧官能團的熱塑性樹脂1-1，通過進行氧官能團的生成，相比塊狀的熱塑性樹脂1-1，在界面形成有氧化層4的狀態下從熱塑性樹脂1-1側照射雷射6-1，進行雷射接合；而關於含有氧官能團的熱塑性樹脂1-1，則通過使氧官能團增大，相比塊狀的熱塑性樹脂1-1，在界面形成有氧化層4的狀態下從熱塑性樹脂1-1側照射雷射6-1，進行雷射接合。作為表面改性處理，考慮環境性及對其它零件的影響時，使用UV臭氧處理、等離子體處理、電暈處理、短脈衝(脈衝寬度為皮秒(picosecond)以下)雷射處理的任一種乾式處理即可。通過實施這種處理，切斷熱塑性樹脂1-1的主鏈3及側鏈的CC、CH鍵，使CO、COO、C = O等氧官能團生成、增加，以增大表面能。另外，熱塑性樹脂1-1使用PPS的情況下，SO3H和極性大的極性基團也重新生成。由於金屬2-1通常在表面形成氧化膜，一般而言，成為表面能非常高的狀態。於是，通過對熱塑性樹脂1-ι側實施表面改性處理，成為相互的表面能接近的狀態，因此，可以與金屬氧化膜形成牢固的接合。但是，熱塑性樹脂1-1側的表面能一方大於金屬的表面能時，由於熱塑性樹脂1-1難以濡溼，因此成為界面的密合性劣化的傾向。因此，重要的是至少在照射雷射6-1之前，相比熱塑性樹脂1-1的表面能，增大金屬2-1的表面能。另外，通過以這種狀態進行雷射接合，不僅可以提高濡溼形成的界面強度，而且，也可以形成比範德華力牢固的鍵即氫鍵。由以上來看，除濡溼的提高之外，通過氫鍵的形成，界面強度提高。予以說明，在金屬2-1的表面附著有異物等時，優選用乙醇等進行脫脂。而且，對金屬2-1側也實施表面改性處理也是有效的。但是，異物牢固地附著用時或附著物為無機物時，等離子體處理或雷射處理為最佳的方法。作為等離子體放電處理，考慮導入氧官能團最重要時，主要是氧等離子體、氮等離子體處理是有效的。優選的是，熱塑性樹脂1-ι的含有氧的氧化膜4優選至少為5nm左右。這種表面改性處理為粘接等經常使用的方法。通常，已知用粘接等也對熱塑性樹脂的表面改性處理是有效的，但已知有放置於高溫時，通過熱運動生成於界面的氧官能團潛入內部，改性效果喪失。其結果確認，如非專利文獻2所示將聚對苯二甲酸乙二酯(PET)進行電暈處理、在150°C放置3分鐘時，完全不粘接。在雷射接合中，金屬2-1的熱傳導至熱塑性樹脂1-1，熱塑性樹脂1-1熔融或軟化而濡溼，由此，熱塑性樹脂1-1和金屬密合，但與粘接的情況同樣地考慮時，接合時的溫度為數100°C以上，因此，擔心改性效果喪失。但是，本發明人等發現，雷射照射時間是瞬間的，掃描時間非常短，為數秒左右，因此，對熱塑性樹脂1-1和金屬2-1的雷射接合是有效的。予以說明，在熱塑性樹脂1-1和金屬的雷射接合中，尤其是與將熱塑性樹脂1-1彼此進行雷射熔敷的情況相比，存在如下問題熱塑性樹脂1-1的溫度需要進一步提高，因此，雷射照射的中心部容易充滿熱塑性樹脂1-1的熱並浮出，不能確保密合性。因此，將接合部的上部充分地加壓是重要的。用於加壓的加壓材料5使用透明的材料即可，特別是使用熱導率高且透明的玻璃是理想的形態。另外，優選的是，熱塑性樹脂1-ι側的密合部分設定為鏡面精加工。另外，從熱塑性樹脂1-1側入射雷射6-1時，有時熱塑性樹脂1-1的透射率成為問題。在本結構中，熱塑性樹脂1-1的顏色使用透明或天然的顏色即可，優選的是，使用至少50%以上的透射率的熱塑性樹脂1-1。在金屬面上蒸鍍碳等黑色的膜也是有效的。作為其它方法，塗布利用電著的陶瓷塗層或黑色的樹脂等，使其對雷射6-1的吸收率增加也是有效的。在此，將熱塑性樹脂1-1使用透明樹脂即C0P、金屬2-1使用不鏽鋼(SUS304)時的接合強度的評價結果示於表I。就表面改性處理而言，對熱塑性樹脂1-1使用UV臭氧處理，對金屬2-1使用氧等離子體處理。予以說明，表I是在處理I天后照射雷射6-1而進行接合時的強度評價結果。使用的COP樹脂和不鏽鋼的試驗片的尺寸為70mmX20mm，COP樹脂的厚度為2mm，不鏽鋼為1mm。另外，COP樹脂的表面設定為鏡面精加工，因此，為Rzl. O μ m以下。不鏽鋼的表面實施拋光，在形成為Rzl. 5 μ m左右的狀態下進行了評價。雷射6-1使用混合有波長940nm和808nm的IOmmX Imm尺寸的線雷射，以速度5mm/s照射長度20mm，對IOmmX20mm的區域進行雷射照射。利用雷射6_1進行接合的或樹脂熔融的寬度依賴於雷射功率而變大，但在本結果中，表示接合寬度為IOmm左右時的結果。接合的樣品沿剪切方向以速度l.Omm/min.進行拉伸，測定其破壞強度。另外，根據接合後的面積和破壞強度計算每單位面積的接合強度。該結果表明，在熱塑性樹脂1-1不具有極性基團的COP中，至少作為前處理對COP側進行表面改性處理，由此在剪切試驗時顯出COP樹脂斷裂的程度的強度。在本結果中雖然僅顯示有雷射功率300W的結果，但對COP側沒有實施處理的情況，可以確認既使在325-425W也沒有接合。表I
權利要求
1.雷射接合方法，其特徵在於，具有對熱塑性樹脂的界面進行生成、增加氧官能基的表面改性處理的工序、以及將進行了所述表面改性處理的熱塑性樹脂的界面和金屬通過利用雷射照射進行加熱而接合的工序。
2.如權利要求1所述的雷射接合方法，其特徵在於，所述表面改性處理是UV臭氧、等離子、電暈處理、短脈衝雷射處理的任一種乾式處理。
3.如權利要求1或2所述的雷射接合方法，其特徵在於，所述接合的工序以與進行了所述表面改性處理的界面的表面能相比增大接合的面的金屬的表面能的狀態進行。
4.如權利要求1 3中任一項所述的雷射接合方法，其特徵在於，經由所述熱塑性樹脂向所述金屬的接合面照射所述雷射。
5.如權利要求1 3中任一項所述的雷射接合方法，其特徵在於，從所述金屬側進行雷射照射，使向所述金屬和所述熱塑性樹脂的接合部傳熱。
6.如權利要求1 5中任一項所述的雷射接合方法，其特徵在於，以與所述熱塑性樹脂的表面粗糙度相比增大所述金屬的表面粗糙度的狀態進行所述接合。
7.如權利要求1 6中任一項所述的雷射接合方法，其特徵在於，所述熱塑性樹脂在其主鏈不含極性基。
8.如權利要求4所述的雷射接合方法，其特徵在於，在與所述熱塑性樹脂的接合面的相反面實施所述表面改性處理，通過加壓材料按壓該相反面，同時使水介於所述熱塑性樹脂和所述加壓材料之間，經由所述加壓材料、所述水及所述熱塑性樹脂進行雷射照射。
9.如權利要求1 8中任一項所述的雷射接合方法，其特徵在於，在所述熱塑性樹脂或金屬上形成有凸部，使該凸部和粘接對象即所述熱塑性樹脂或金屬接觸，在所述接觸的部分照射比所述凸部的寬度大的雷射點的所述雷射。
10.如權利要求9所述的雷射接合方法，其特徵在於，所述凸部設於所述金屬上。
11.如權利要求9所述的雷射接合方法，其特徵在於，所述凸部設於所述熱塑性樹脂上，所述金屬側設有寬度比所述凸部寬的凹部，在將所述凸部插入凹部內的狀態下進行雷射照射。
12.如權利要求1 8中任一項所述的雷射接合方法，其特徵在於，所述金屬在照射所述雷射的部分具有槽。
13.如權利要求1 3中任一項所述的雷射接合方法，其特徵在於，由金屬制的加壓材料按壓所述熱塑性樹脂的接合面的相反面，同時對所述金屬制的加壓材料進行雷射照射，使向所述金屬和所述熱塑性樹脂的接合部傳熱而進行接合。
14.如權利要5所述的雷射接合方法，其特徵在於，對所述熱塑性樹脂的與所述金屬的相反面進行所述表面改性處理，在接合部件與該相反面相接的狀態下從所述金屬側進行所述雷射照射，將所述熱塑性樹脂和所述接合部件接合。
15.如權利要求14所述的雷射接合方法，其特徵在於，所述接合部件是金屬或熱塑性樹脂。
16.如權利要求4所述的雷射接合方法，其特徵在於，在所述金屬的兩面設有進行了所述表面改性處理的熱塑性樹脂，通過經由之一的所述熱塑性樹脂進行雷射照射，在所述金屬的兩面接合所述熱塑性樹
全文摘要
本發明提供可靠性高的熱塑性樹脂和金屬的雷射接合方法，在雷射接合方法中，通過提高熱塑性樹脂和金屬的界面的密合性，抑止接合時的熱應力引起的剝離。因此，在接合前，具有通過至少對熱塑性樹脂的接合界面側實施表面改性處理，形成與塊狀熱塑性樹脂相比更多地含有氧官能團的氧化層的工序，在相比形成有氧化層的熱塑性樹脂的表面能，增大了接合面的金屬的表面能的狀態下進行加壓並照射雷射，將熱塑性樹脂和金屬進行接合。
文檔編號B23K26/20GK103052493SQ201180038409
公開日2013年4月17日 申請日期2011年6月29日 優先權日2010年8月11日
發明者荒井聰, 日向野健史 申請人:株式會社日立製作所