专利名称：激光接合方法
技术领域：
本发明涉及通过激光照射而接合热塑性树脂和金属的激光接合方法。
背景技术：
热塑性树脂由于优异的加工性和形状的自由度大，被广泛用于汽车及电机设备或医疗、生物设备等一般产业用途，普及到了可以说没有不使用热塑性树脂的领域的程度，成为身边的材料。最初作为木材或纸等天然原材料的替代被利用，现在已经也开发出众多的不是塑料材料就不能制作的特殊的产品。因此，为了设计开发最合适的材料及最合适的加工方法，只要可以提供，就有可能创造出至今没有的新的产品。另外，从近年来的CO2排放限制及低成本化的潮流来看，随着热塑性树脂的高功能化，金属的替代正在逐渐地形成。但是，热塑性树脂一般地与金属相比还具有耐热温度及机械强度低、热膨胀大、容易变形、分解、容易溶解于有机溶剂、因水分容易膨胀等很多缺点，因此，不可能完全替代。尤其是由于近年来的产品结构的复杂化，进行有效利用热塑性树脂和金属各自优点的设计，它们的二次加工技术愈发重要。其中，近年来，研究使用激光的方法多了起来。在专利文献I中记载有一种方法通过在使丙烯酸树脂和具有用砂纸损伤的凹凸面的锡密合的状态下进行激光照射，丙烯酸树脂浸入凹凸面中，形成牢固的接合。在专利文献2中呈现了一种方法通过在使由热塑性树脂构成的成型体和金属重合的状态下，从金属侧进行激光照射，即使是成型体不透射激光的情况，也可以牢固地进行接合。另外，还记载，对金属的接合面侧的表面的表面处理对接合强度提高是有效的。在非专利文献I中示出了一种方法通过在使塑料和金属重合的状态下进行高功率的激光照射，在塑料界面附近产生微小的气泡，利用其产生时的压力效果，可以进行牢固的接合。现有技术文献专利文献专利文献1:特开2006-15405号专利文献2 :特开2010-76437号非专利文献非专利文献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)非专利文献2:西野考，“表面改性引起的高分子的功能化”科学和工业，80，(11)，512-518(2006)
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献I所公开的技术中，判明虽然在为具有丙烯基那样的氧官能团的热塑性树脂的情况下是有效的，但不具有氧官能团的热塑性树脂的情况，由于不形成与金属面的氧化膜经由氧官能团的牢固的接合，因此，接合强度低。另外，即使如丙烯基那样具有氧官能团，其总量也很少，因此，大多界面的密合性低，强度上不能确保充分的储备。在专利文献2所公开的技术中，虽然通过对金属侧的接合面实施表面处理使强度提高，但与上述专利文献I同样，大多界面的密合性低，强度上不能确保充分的储备。而且，在上述专利文献1、2中，主要是锚定效应，因此，存在虽然剪切方向的强度较强，但在拉伸方向及分离方向的强度较弱的问题。而且，由于界面强度弱，根据激光接合时的冷却时及可靠性试验，在界面产生分离，结果发现，由于在一部分粘附的地方产生应力集中，因此可靠性弱。在非专利文献I中所公开的技术中能够确认，虽然通过使用照射高功率的激光产生的塑料的微小气泡而显现强度，但热塑性树脂被限定，尤其是不具有氧官能团的热塑性树脂的情况，不能接合。这样，在以激光为加热源而接合树脂和金属的技术中，存在可以接合的树脂被限定的大问题。用于解决课题的手段因此，本发明人在解决上述课题时发现，在激光照射前，使用干式的表面改性处理在热塑性树脂的接合面侧形成相比块状材料更多地含有氧官能团的氧化层，在与形成了氧化层的热塑性树脂的表面能相比，增大接合面的金属的表面能的状态下进行加压，从热塑性树脂侧或从金属侧进行激光照射，由此可得到更牢固的接合。通常，已知通过粘接等对热塑性树脂的表面改性处理也是有效的。根据非专利文献2，确认将聚对苯二甲酸乙二酯(PET)进行电晕处理，在150°C放置3分钟时，完全没有粘接。认为这是因为，在高温下引起PET分子链的热运动，应对暂时被导入的氧官能团从表面彻底消失的情况。因此，通常认为，在激光接合中，与粘接同样，效果也会消失。但是，本发明人等最新发现，在激光接合时，由于是瞬间地加热而密合，因此，在表面改性效果消失之前可以接合。此外，为本发明的情况，特征是，由于界面的密合性提高，因此拉伸强度及分离强度也高。即，本发明提供激光接合方法，其特征为，在激光接合中，具有对热塑性树脂的界面进行生成、增加氧官能团的表面改性处理的工序、以及将进行了表面改性处理的热塑性树脂的界面和金属利用激光照射进行加热而进行接合的工序。发明的效果根据本发明，在热塑性树脂和金属的激光接合或熔敷中，可以通过使接合部的界面的密合性提高，抑止接合时的热应力引起的剥离，得到可靠性高的接合。另外，迄今为止不能接合的组合也可以得到良好的接合。
图1是表示本发明的热塑性树脂和金属的激光接合方法的一实施例的图；图2是表示本发明的热塑性树脂和金属的激光接合方法的其它实施例的图；图3是表示本发明的热塑性树脂和金属的激光接合方法的其它实施例的图；图4是表示本发明的热塑性树脂和金属的激光接合方法的其它实施例的图。
图5是表示本发明的热塑性树脂和金属的激光接合方法的其它实施例的图。图6是表示本发明的热塑性树脂和金属的激光接合方法的其它实施例的图。图7是表示光拾取装置的透镜和框体的装配的平面图；图8是表示在PA6T和不锈钢的组合中，有无实施对树脂的表面改性处理的情况的激光功率和接合强度的关系的实验结果的一个例子；图9是在PA6T和不锈钢的组合中、表示增大了不锈钢的粗糙度时的效果的实验结果的一个例子；图10是表示本发明的热塑性树脂和金属的激光接合方法的其它实施例的图；图11是表示本发明的热塑性树脂和金属的激光接合方法的其它实施例的图；图12是表示本发明的热塑性树脂和金属的激光接合方法的其它实施例的图；图13是表示本发明的热塑性树脂和金属的激光接合方法的其它实施例的图；图14是表示本发明的热塑性树脂和金属的激光接合方法的其它实施例的图。
具体实施例方式下面，对本发明的实施方式进行说明。本发明中使用的热塑性树脂包含非结晶性或结晶性树脂。作为非结晶性树脂，可列举聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-苯乙烯(AS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚碳酸酯(PC)、聚芳酯(PAR)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环烯烃聚合物(C0P)、环烯烃共聚物(COC)、聚砜(PSF)、聚醚砜(PES)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏二氯乙烯(PVDC)。作为结晶性树脂，可列举聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氧甲烯(POM)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚苯硫醚(PPS)、&*6(PA6)、&龙66(PA66)、尼龙6T(PA6T)、聚醚醚酮(PEE K )、液晶聚合物(LCP)、聚四氟乙烯(PTFE)。另外，含有这些合金材料及填料的热塑性树脂也成为对象。一般而言，就成型性及透明性而言，非结晶性树脂优异，与此相反，结晶性树脂的耐热性及耐药品性优异。作为金属，可列举铁、铝、铜、镍、金、钛、合金(不锈钢、黄铜、铝合金、磷青铜等)、模铸(die cast)等。另外，在本发明中，金属覆膜(电镀、蒸镀膜等)也成为对象。就激光接合及熔敷的条件而言，在考虑了材料的激光照射波长中的透射-吸收率、热导率的基础上，确定激光点尺寸、功率、照射时间、加压力。用于激光接合的光源优选含有半导体激光、YAG激光、光纤激光(fiber laser)的红外区域的激光。激光源的强度分布可以根据高斯、平顶、环型等附属的透镜而形成各种强度分布，但在容易使熔敷状态变得均匀方面，优选的是，使用采用了有平顶型或中央部的强度为最大值的50 %以上的环型的强度分布的光源。实施例1图1是表示本发明的树脂和金属的激光接合方法的实施例的平面图。在本实施例中，其特征为，在热塑性树脂1-1和金属2-1的激光接合前，对热塑性树脂1-1的接合界面侧实施表面改性处理，对于不含有氧官能团的热塑性树脂1-1，通过进行氧官能团的生成，相比块状的热塑性树脂1-1，在界面形成有氧化层4的状态下从热塑性树脂1-1侧照射激光6-1，进行激光接合；而关于含有氧官能团的热塑性树脂1-1，则通过使氧官能团增大，相比块状的热塑性树脂1-1，在界面形成有氧化层4的状态下从热塑性树脂1-1侧照射激光6-1，进行激光接合。作为表面改性处理，考虑环境性及对其它零件的影响时，使用UV臭氧处理、等离子体处理、电晕处理、短脉冲(脉冲宽度为皮秒(picosecond)以下)激光处理的任一种干式处理即可。通过实施这种处理，切断热塑性树脂1-1的主链3及侧链的CC、CH键，使CO、COO、C = O等氧官能团生成、增加，以增大表面能。另外，热塑性树脂1-1使用PPS的情况下，SO3H和极性大的极性基团也重新生成。由于金属2-1通常在表面形成氧化膜，一般而言，成为表面能非常高的状态。于是，通过对热塑性树脂1-ι侧实施表面改性处理，成为相互的表面能接近的状态，因此，可以与金属氧化膜形成牢固的接合。但是，热塑性树脂1-1侧的表面能一方大于金属的表面能时，由于热塑性树脂1-1难以濡湿，因此成为界面的密合性劣化的倾向。因此，重要的是至少在照射激光6-1之前，相比热塑性树脂1-1的表面能，增大金属2-1的表面能。另外，通过以这种状态进行激光接合，不仅可以提高濡湿形成的界面强度，而且，也可以形成比范德华力牢固的键即氢键。由以上来看，除濡湿的提高之外，通过氢键的形成，界面强度提高。予以说明，在金属2-1的表面附着有异物等时，优选用乙醇等进行脱脂。而且，对金属2-1侧也实施表面改性处理也是有效的。但是，异物牢固地附着用时或附着物为无机物时，等离子体处理或激光处理为最佳的方法。作为等离子体放电处理，考虑导入氧官能团最重要时，主要是氧等离子体、氮等离子体处理是有效的。优选的是，热塑性树脂1-ι的含有氧的氧化膜4优选至少为5nm左右。这种表面改性处理为粘接等经常使用的方法。通常，已知用粘接等也对热塑性树脂的表面改性处理是有效的，但已知有放置于高温时，通过热运动生成于界面的氧官能团潜入内部，改性效果丧失。其结果确认，如非专利文献2所示将聚对苯二甲酸乙二酯(PET)进行电晕处理、在150°C放置3分钟时，完全不粘接。在激光接合中，金属2-1的热传导至热塑性树脂1-1，热塑性树脂1-1熔融或软化而濡湿，由此，热塑性树脂1-1和金属密合，但与粘接的情况同样地考虑时，接合时的温度为数100°C以上，因此，担心改性效果丧失。但是，本发明人等发现，激光照射时间是瞬间的，扫描时间非常短，为数秒左右，因此，对热塑性树脂1-1和金属2-1的激光接合是有效的。予以说明，在热塑性树脂1-1和金属的激光接合中，尤其是与将热塑性树脂1-1彼此进行激光熔敷的情况相比，存在如下问题热塑性树脂1-1的温度需要进一步提高，因此，激光照射的中心部容易充满热塑性树脂1-1的热并浮出，不能确保密合性。因此，将接合部的上部充分地加压是重要的。用于加压的加压材料5使用透明的材料即可，特别是使用热导率高且透明的玻璃是理想的形态。另外，优选的是，热塑性树脂1-ι侧的密合部分设定为镜面精加工。另外，从热塑性树脂1-1侧入射激光6-1时，有时热塑性树脂1-1的透射率成为问题。在本结构中，热塑性树脂1-1的颜色使用透明或天然的颜色即可，优选的是，使用至少50%以上的透射率的热塑性树脂1-1。在金属面上蒸镀碳等黑色的膜也是有效的。作为其它方法，涂布利用电着的陶瓷涂层或黑色的树脂等，使其对激光6-1的吸收率增加也是有效的。在此，将热塑性树脂1-1使用透明树脂即C0P、金属2-1使用不锈钢(SUS304)时的接合强度的评价结果示于表I。就表面改性处理而言，对热塑性树脂1-1使用UV臭氧处理，对金属2-1使用氧等离子体处理。予以说明，表I是在处理I天后照射激光6-1而进行接合时的强度评价结果。使用的COP树脂和不锈钢的试验片的尺寸为70mmX20mm，COP树脂的厚度为2mm，不锈钢为1mm。另外，COP树脂的表面设定为镜面精加工，因此，为Rzl. O μ m以下。不锈钢的表面实施抛光，在形成为Rzl. 5 μ m左右的状态下进行了评价。激光6-1使用混合有波长940nm和808nm的IOmmX Imm尺寸的线激光，以速度5mm/s照射长度20mm，对IOmmX20mm的区域进行激光照射。利用激光6_1进行接合的或树脂熔融的宽度依赖于激光功率而变大，但在本结果中，表示接合宽度为IOmm左右时的结果。接合的样品沿剪切方向以速度l.Omm/min.进行拉伸，测定其破坏强度。另外，根据接合后的面积和破坏强度计算每单位面积的接合强度。该结果表明，在热塑性树脂1-1不具有极性基团的COP中，至少作为前处理对COP侧进行表面改性处理，由此在剪切试验时显出COP树脂断裂的程度的强度。在本结果中虽然仅显示有激光功率300W的结果，但对COP侧没有实施处理的情况，可以确认既使在325-425W也没有接合。表I
权利要求
1.激光接合方法，其特征在于，具有对热塑性树脂的界面进行生成、增加氧官能基的表面改性处理的工序、以及将进行了所述表面改性处理的热塑性树脂的界面和金属通过利用激光照射进行加热而接合的工序。
2.如权利要求1所述的激光接合方法，其特征在于，所述表面改性处理是UV臭氧、等离子、电晕处理、短脉冲激光处理的任一种干式处理。
3.如权利要求1或2所述的激光接合方法，其特征在于，所述接合的工序以与进行了所述表面改性处理的界面的表面能相比增大接合的面的金属的表面能的状态进行。
4.如权利要求1 3中任一项所述的激光接合方法，其特征在于，经由所述热塑性树脂向所述金属的接合面照射所述激光。
5.如权利要求1 3中任一项所述的激光接合方法，其特征在于，从所述金属侧进行激光照射，使向所述金属和所述热塑性树脂的接合部传热。
6.如权利要求1 5中任一项所述的激光接合方法，其特征在于，以与所述热塑性树脂的表面粗糙度相比增大所述金属的表面粗糙度的状态进行所述接合。
7.如权利要求1 6中任一项所述的激光接合方法，其特征在于，所述热塑性树脂在其主链不含极性基。
8.如权利要求4所述的激光接合方法，其特征在于，在与所述热塑性树脂的接合面的相反面实施所述表面改性处理，通过加压材料按压该相反面，同时使水介于所述热塑性树脂和所述加压材料之间，经由所述加压材料、所述水及所述热塑性树脂进行激光照射。
9.如权利要求1 8中任一项所述的激光接合方法，其特征在于，在所述热塑性树脂或金属上形成有凸部，使该凸部和粘接对象即所述热塑性树脂或金属接触，在所述接触的部分照射比所述凸部的宽度大的激光点的所述激光。
10.如权利要求9所述的激光接合方法，其特征在于，所述凸部设于所述金属上。
11.如权利要求9所述的激光接合方法，其特征在于，所述凸部设于所述热塑性树脂上，所述金属侧设有宽度比所述凸部宽的凹部，在将所述凸部插入凹部内的状态下进行激光照射。
12.如权利要求1 8中任一项所述的激光接合方法，其特征在于，所述金属在照射所述激光的部分具有槽。
13.如权利要求1 3中任一项所述的激光接合方法，其特征在于，由金属制的加压材料按压所述热塑性树脂的接合面的相反面，同时对所述金属制的加压材料进行激光照射，使向所述金属和所述热塑性树脂的接合部传热而进行接合。
14.如权利要5所述的激光接合方法，其特征在于，对所述热塑性树脂的与所述金属的相反面进行所述表面改性处理，在接合部件与该相反面相接的状态下从所述金属侧进行所述激光照射，将所述热塑性树脂和所述接合部件接合。
15.如权利要求14所述的激光接合方法，其特征在于，所述接合部件是金属或热塑性树脂。
16.如权利要求4所述的激光接合方法，其特征在于，在所述金属的两面设有进行了所述表面改性处理的热塑性树脂，通过经由之一的所述热塑性树脂进行激光照射，在所述金属的两面接合所述热塑性树
全文摘要
本发明提供可靠性高的热塑性树脂和金属的激光接合方法，在激光接合方法中，通过提高热塑性树脂和金属的界面的密合性，抑止接合时的热应力引起的剥离。因此，在接合前，具有通过至少对热塑性树脂的接合界面侧实施表面改性处理，形成与块状热塑性树脂相比更多地含有氧官能团的氧化层的工序，在相比形成有氧化层的热塑性树脂的表面能，增大了接合面的金属的表面能的状态下进行加压并照射激光，将热塑性树脂和金属进行接合。
文档编号B23K26/20GK103052493SQ201180038409
公开日2013年4月17日 申请日期2011年6月29日 优先权日2010年8月11日
发明者荒井聪, 日向野健史 申请人:株式会社日立制作所