專利名稱：激光接合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過激光照射而接合熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法。
背景技術(shù)：
熱塑性樹脂由于優(yōu)異的加工性和形狀的自由度大，被廣泛用于汽車及電機(jī)設(shè)備或醫(yī)療、生物設(shè)備等一般產(chǎn)業(yè)用途，普及到了可以說沒有不使用熱塑性樹脂的領(lǐng)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(xiàn)在已經(jīng)也開發(fā)出眾多的不是塑料材料就不能制作的特殊的產(chǎn)品。因此，為了設(shè)計開發(fā)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(chuàng)造出至今沒有的新的產(chǎn)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(jī)械強(qiáng)度低、熱膨脹大、容易變形、分解、容易溶解于有機(jī)溶劑、因水分容易膨脹等很多缺點(diǎn)，因此，不可能完全替代。尤其是由于近年來的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，進(jìn)行有效利用熱塑性樹脂和金屬各自優(yōu)點(diǎn)的設(shè)計，它們的二次加工技術(shù)愈發(fā)重要。其中，近年來，研究使用激光的方法多了起來。在專利文獻(xiàn)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(tài)下進(jìn)行激光照射，丙烯酸樹脂浸入凹凸面中，形成牢固的接合。在專利文獻(xiàn)2中呈現(xiàn)了一種方法通過在使由熱塑性樹脂構(gòu)成的成型體和金屬重合的狀態(tài)下，從金屬側(cè)進(jìn)行激光照射，即使是成型體不透射激光的情況，也可以牢固地進(jìn)行接合。另外，還記載，對金屬的接合面?zhèn)鹊谋砻娴谋砻嫣幚韺雍蠌?qiáng)度提高是有效的。在非專利文獻(xiàn)I中示出了一種方法通過在使塑料和金屬重合的狀態(tài)下進(jìn)行高功率的激光照射，在塑料界面附近產(chǎn)生微小的氣泡，利用其產(chǎn)生時的壓力效果，可以進(jìn)行牢固的接合。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1:特開2006-15405號專利文獻(xiàn)2 :特開2010-76437號非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)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(xiàn)2:西野考，“表面改性引起的高分子的功能化”科學(xué)和工業(yè)，80，(11)，512-518(2006)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的課題
在專利文獻(xiàn)I所公開的技術(shù)中，判明雖然在為具有丙烯基那樣的氧官能團(tuán)的熱塑性樹脂的情況下是有效的，但不具有氧官能團(tuán)的熱塑性樹脂的情況，由于不形成與金屬面的氧化膜經(jīng)由氧官能團(tuán)的牢固的接合，因此，接合強(qiáng)度低。另外，即使如丙烯基那樣具有氧官能團(tuán)，其總量也很少，因此，大多界面的密合性低，強(qiáng)度上不能確保充分的儲備。在專利文獻(xiàn)2所公開的技術(shù)中，雖然通過對金屬側(cè)的接合面實(shí)施表面處理使強(qiáng)度提高，但與上述專利文獻(xiàn)I同樣，大多界面的密合性低，強(qiáng)度上不能確保充分的儲備。而且，在上述專利文獻(xiàn)1、2中，主要是錨定效應(yīng)，因此，存在雖然剪切方向的強(qiáng)度較強(qiáng)，但在拉伸方向及分離方向的強(qiáng)度較弱的問題。而且，由于界面強(qiáng)度弱，根據(jù)激光接合時的冷卻時及可靠性試驗(yàn)，在界面產(chǎn)生分離，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于在一部分粘附的地方產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此可靠性弱。在非專利文獻(xiàn)I中所公開的技術(shù)中能夠確認(rèn)，雖然通過使用照射高功率的激光產(chǎn)生的塑料的微小氣泡而顯現(xiàn)強(qiáng)度，但熱塑性樹脂被限定，尤其是不具有氧官能團(tuán)的熱塑性樹脂的情況，不能接合。這樣，在以激光為加熱源而接合樹脂和金屬的技術(shù)中，存在可以接合的樹脂被限定的大問題。用于解決課題的手段因此，本發(fā)明人在解決上述課題時發(fā)現(xiàn)，在激光照射前，使用干式的表面改性處理在熱塑性樹脂的接合面?zhèn)刃纬上啾葔K狀材料更多地含有氧官能團(tuán)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(tài)下進(jìn)行加壓，從熱塑性樹脂側(cè)或從金屬側(cè)進(jìn)行激光照射，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(jù)非專利文獻(xiàn)2，確認(rèn)將聚對苯二甲酸乙二酯(PET)進(jìn)行電暈處理，在150°C放置3分鐘時，完全沒有粘接。認(rèn)為這是因?yàn)?，在高溫下引起PET分子鏈的熱運(yùn)動，應(yīng)對暫時被導(dǎo)入的氧官能團(tuán)從表面徹底消失的情況。因此，通常認(rèn)為，在激光接合中，與粘接同樣，效果也會消失。但是，本發(fā)明人等最新發(fā)現(xiàn)，在激光接合時，由于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(fā)明的情況，特征是，由于界面的密合性提高，因此拉伸強(qiáng)度及分離強(qiáng)度也高。即，本發(fā)明提供激光接合方法，其特征為，在激光接合中，具有對熱塑性樹脂的界面進(jìn)行生成、增加氧官能團(tuán)的表面改性處理的工序、以及將進(jìn)行了表面改性處理的熱塑性樹脂的界面和金屬利用激光照射進(jìn)行加熱而進(jìn)行接合的工序。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，在熱塑性樹脂和金屬的激光接合或熔敷中，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(yīng)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(fā)明的熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法的一實(shí)施例的圖；圖2是表示本發(fā)明的熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法的其它實(shí)施例的圖；圖3是表示本發(fā)明的熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法的其它實(shí)施例的圖；圖4是表示本發(fā)明的熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法的其它實(shí)施例的圖。
圖5是表示本發(fā)明的熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法的其它實(shí)施例的圖。圖6是表示本發(fā)明的熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法的其它實(shí)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和不銹鋼的組合中，有無實(shí)施對樹脂的表面改性處理的情況的激光功率和接合強(qiáng)度的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一個例子；圖9是在PA6T和不銹鋼的組合中、表示增大了不銹鋼的粗糙度時的效果的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一個例子；圖10是表示本發(fā)明的熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法的其它實(shí)施例的圖；圖11是表示本發(fā)明的熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法的其它實(shí)施例的圖；圖12是表示本發(fā)明的熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法的其它實(shí)施例的圖；圖13是表示本發(fā)明的熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法的其它實(shí)施例的圖；圖14是表示本發(fā)明的熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法的其它實(shí)施例的圖。
具體實(shí)施例方式下面，對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。本發(fā)明中使用的熱塑性樹脂包含非結(jié)晶性或結(jié)晶性樹脂。作為非結(jié)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)、聚醚酰亞胺(PEI)、聚碳酸酯(PC)、聚芳酯(PAR)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環(huán)烯烴聚合物(C0P)、環(huán)烯烴共聚物(COC)、聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVDC)。作為結(jié)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(jié)晶性樹脂優(yōu)異，與此相反，結(jié)晶性樹脂的耐熱性及耐藥品性優(yōu)異。作為金屬，可列舉鐵、鋁、銅、鎳、金、鈦、合金(不銹鋼、黃銅、鋁合金、磷青銅等)、模鑄(die cast)等。另外，在本發(fā)明中，金屬覆膜(電鍍、蒸鍍膜等)也成為對象。就激光接合及熔敷的條件而言，在考慮了材料的激光照射波長中的透射-吸收率、熱導(dǎo)率的基礎(chǔ)上，確定激光點(diǎn)尺寸、功率、照射時間、加壓力。用于激光接合的光源優(yōu)選含有半導(dǎo)體激光、YAG激光、光纖激光(fiber laser)的紅外區(qū)域的激光。激光源的強(qiáng)度分布可以根據(jù)高斯、平頂、環(huán)型等附屬的透鏡而形成各種強(qiáng)度分布，但在容易使熔敷狀態(tài)變得均勻方面，優(yōu)選的是，使用采用了有平頂型或中央部的強(qiáng)度為最大值的50 %以上的環(huán)型的強(qiáng)度分布的光源。實(shí)施例1圖1是表示本發(fā)明的樹脂和金屬的激光接合方法的實(shí)施例的平面圖。在本實(shí)施例中，其特征為，在熱塑性樹脂1-1和金屬2-1的激光接合前，對熱塑性樹脂1-1的接合界面?zhèn)葘?shí)施表面改性處理，對于不含有氧官能團(tuán)的熱塑性樹脂1-1，通過進(jìn)行氧官能團(tuán)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(tài)下從熱塑性樹脂1-1側(cè)照射激光6-1，進(jìn)行激光接合；而關(guān)于含有氧官能團(tuán)的熱塑性樹脂1-1，則通過使氧官能團(tuán)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(tài)下從熱塑性樹脂1-1側(cè)照射激光6-1，進(jìn)行激光接合。作為表面改性處理，考慮環(huán)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、短脈沖(脈沖寬度為皮秒(picosecond)以下)激光處理的任一種干式處理即可。通過實(shí)施這種處理，切斷熱塑性樹脂1-1的主鏈3及側(cè)鏈的CC、CH鍵，使CO、COO、C = O等氧官能團(tuán)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(tuán)也重新生成。由于金屬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(tài)。于是，通過對熱塑性樹脂1-ι側(cè)實(shí)施表面改性處理，成為相互的表面能接近的狀態(tài)，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(cè)的表面能一方大于金屬的表面能時，由于熱塑性樹脂1-1難以濡濕，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激光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(tài)進(jìn)行激光接合，不僅可以提高濡濕形成的界面強(qiáng)度，而且，也可以形成比范德華力牢固的鍵即氫鍵。由以上來看，除濡濕的提高之外，通過氫鍵的形成，界面強(qiáng)度提高。予以說明，在金屬2-1的表面附著有異物等時，優(yōu)選用乙醇等進(jìn)行脫脂。而且，對金屬2-1側(cè)也實(shí)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(jī)物時，等離子體處理或激光處理為最佳的方法。作為等離子體放電處理，考慮導(dǎo)入氧官能團(tuán)最重要時，主要是氧等離子體、氮等離子體處理是有效的。優(yōu)選的是，熱塑性樹脂1-ι的含有氧的氧化膜4優(yōu)選至少為5nm左右。這種表面改性處理為粘接等經(jīng)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，但已知有放置于高溫時，通過熱運(yùn)動生成于界面的氧官能團(tuán)潛入內(nèi)部，改性效果喪失。其結(jié)果確認(rèn)，如非專利文獻(xiàn)2所示將聚對苯二甲酸乙二酯(PET)進(jìn)行電暈處理、在150°C放置3分鐘時，完全不粘接。在激光接合中，金屬2-1的熱傳導(dǎo)至熱塑性樹脂1-1，熱塑性樹脂1-1熔融或軟化而濡濕，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(shù)100°C以上，因此，擔(dān)心改性效果喪失。但是，本發(fā)明人等發(fā)現(xiàn)，激光照射時間是瞬間的，掃描時間非常短，為數(shù)秒左右，因此，對熱塑性樹脂1-1和金屬2-1的激光接合是有效的。予以說明，在熱塑性樹脂1-1和金屬的激光接合中，尤其是與將熱塑性樹脂1-1彼此進(jìn)行激光熔敷的情況相比，存在如下問題熱塑性樹脂1-1的溫度需要進(jìn)一步提高，因此，激光照射的中心部容易充滿熱塑性樹脂1-1的熱并浮出，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。用于加壓的加壓材料5使用透明的材料即可，特別是使用熱導(dǎo)率高且透明的玻璃是理想的形態(tài)。另外，優(yōu)選的是，熱塑性樹脂1-ι側(cè)的密合部分設(shè)定為鏡面精加工。另外，從熱塑性樹脂1-1側(cè)入射激光6-1時，有時熱塑性樹脂1-1的透射率成為問題。在本結(jié)構(gòu)中，熱塑性樹脂1-1的顏色使用透明或天然的顏色即可，優(yōu)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，涂布利用電著的陶瓷涂層或黑色的樹脂等，使其對激光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使用不銹鋼(SUS304)時的接合強(qiáng)度的評價結(jié)果示于表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天后照射激光6-1而進(jìn)行接合時的強(qiáng)度評價結(jié)果。使用的COP樹脂和不銹鋼的試驗(yàn)片的尺寸為70mmX20mm，COP樹脂的厚度為2mm，不銹鋼為1mm。另外，COP樹脂的表面設(shè)定為鏡面精加工，因此，為Rzl. O μ m以下。不銹鋼的表面實(shí)施拋光，在形成為Rzl. 5 μ m左右的狀態(tài)下進(jìn)行了評價。激光6-1使用混合有波長940nm和808nm的IOmmX Imm尺寸的線激光，以速度5mm/s照射長度20mm，對IOmmX20mm的區(qū)域進(jìn)行激光照射。利用激光6_1進(jìn)行接合的或樹脂熔融的寬度依賴于激光功率而變大，但在本結(jié)果中，表示接合寬度為IOmm左右時的結(jié)果。接合的樣品沿剪切方向以速度l.Omm/min.進(jìn)行拉伸，測定其破壞強(qiáng)度。另外，根據(jù)接合后的面積和破壞強(qiáng)度計算每單位面積的接合強(qiáng)度。該結(jié)果表明，在熱塑性樹脂1-1不具有極性基團(tuán)的COP中，至少作為前處理對COP側(cè)進(jìn)行表面改性處理，由此在剪切試驗(yàn)時顯出COP樹脂斷裂的程度的強(qiáng)度。在本結(jié)果中雖然僅顯示有激光功率300W的結(jié)果，但對COP側(cè)沒有實(shí)施處理的情況，可以確認(rèn)既使在325-425W也沒有接合。表I
權(quán)利要求
1.激光接合方法，其特征在于，具有對熱塑性樹脂的界面進(jìn)行生成、增加氧官能基的表面改性處理的工序、以及將進(jìn)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激光照射進(jìn)行加熱而接合的工序。
2.如權(quán)利要求1所述的激光接合方法，其特征在于，所述表面改性處理是UV臭氧、等離子、電暈處理、短脈沖激光處理的任一種干式處理。
3.如權(quán)利要求1或2所述的激光接合方法，其特征在于，所述接合的工序以與進(jìn)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(tài)進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的激光接合方法，其特征在于，經(jīng)由所述熱塑性樹脂向所述金屬的接合面照射所述激光。
5.如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的激光接合方法，其特征在于，從所述金屬側(cè)進(jìn)行激光照射，使向所述金屬和所述熱塑性樹脂的接合部傳熱。
6.如權(quán)利要求1 5中任一項(xiàng)所述的激光接合方法，其特征在于，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(tài)進(jìn)行所述接合。
7.如權(quán)利要求1 6中任一項(xiàng)所述的激光接合方法，其特征在于，所述熱塑性樹脂在其主鏈不含極性基。
8.如權(quán)利要求4所述的激光接合方法，其特征在于，在與所述熱塑性樹脂的接合面的相反面實(shí)施所述表面改性處理，通過加壓材料按壓該相反面，同時使水介于所述熱塑性樹脂和所述加壓材料之間，經(jīng)由所述加壓材料、所述水及所述熱塑性樹脂進(jìn)行激光照射。
9.如權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的激光接合方法，其特征在于，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激光點(diǎn)的所述激光。
10.如權(quán)利要求9所述的激光接合方法，其特征在于，所述凸部設(shè)于所述金屬上。
11.如權(quán)利要求9所述的激光接合方法，其特征在于，所述凸部設(shè)于所述熱塑性樹脂上，所述金屬側(cè)設(shè)有寬度比所述凸部寬的凹部，在將所述凸部插入凹部內(nèi)的狀態(tài)下進(jìn)行激光照射。
12.如權(quán)利要求1 8中任一項(xiàng)所述的激光接合方法，其特征在于，所述金屬在照射所述激光的部分具有槽。
13.如權(quán)利要求1 3中任一項(xiàng)所述的激光接合方法，其特征在于，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(jìn)行激光照射，使向所述金屬和所述熱塑性樹脂的接合部傳熱而進(jìn)行接合。
14.如權(quán)利要5所述的激光接合方法，其特征在于，對所述熱塑性樹脂的與所述金屬的相反面進(jìn)行所述表面改性處理，在接合部件與該相反面相接的狀態(tài)下從所述金屬側(cè)進(jìn)行所述激光照射，將所述熱塑性樹脂和所述接合部件接合。
15.如權(quán)利要求14所述的激光接合方法，其特征在于，所述接合部件是金屬或熱塑性樹脂。
16.如權(quán)利要求4所述的激光接合方法，其特征在于，在所述金屬的兩面設(shè)有進(jìn)行了所述表面改性處理的熱塑性樹脂，通過經(jīng)由之一的所述熱塑性樹脂進(jìn)行激光照射，在所述金屬的兩面接合所述熱塑性樹
全文摘要
本發(fā)明提供可靠性高的熱塑性樹脂和金屬的激光接合方法，在激光接合方法中，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(yīng)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?zhèn)葘?shí)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(tuán)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(tài)下進(jìn)行加壓并照射激光，將熱塑性樹脂和金屬進(jìn)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(yōu)先權(quán)日2010年8月11日
發(fā)明者荒井聰, 日向野健史 申請人:株式會社日立制作所