專利名稱：用于制造樹脂模具組件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種樹脂模具組件的制造方法。
背景技術：
例如，車輛燈具通常為由焊接在一起的殼體和透鏡組成的樹脂模制品，殼體由諸 如丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(ASA)的吸光樹脂制成，透鏡由例如聚甲基丙烯酸甲 酯(PMMA)的透光樹脂制成。JP-A-10-310676提出一種在熱板焊接期間能夠抑制蛛網現象的殼體組件，在該殼 體組件中，熱板夾設在透鏡與殼體之間，以加熱并熔化透鏡和殼體，并且之后移除熱板以焊 接透鏡和殼體。JP-A-2000-294013提出一種激光焊接，其中，透鏡和燈體(殼體)處于擠壓狀態(tài)， 機器人從透鏡側朝燈體表面照射激光束，以加熱并熔化燈體，燈體的熔化熱還使透鏡側的 密封腳的前部熔化，因此激光束沿透鏡的整個外周掃描。該公報描述了可在燈體的接收面上形成定位槽，以防止密封腳移位，從而能夠在 保持預定位置關系的狀態(tài)下進行激光焊接，并且即使產生一些毛刺，也能夠將這些毛刺限 制在定位槽中。JP-A-2001-243812提出使透鏡的密封腳與燈體的接收面之間的結合面傾斜，以產 生滑動并加寬射束直徑。JP-A-2004-349123提出一種利用激光束焊接殼體和透鏡的方法(包括透鏡具有 曲面的情況)，在該方法中，在透鏡的待與殼體結合的表面上布置與透鏡形狀相配的彈性導 光構件和平坦透明板，通過平坦透明板向彈性導光構件和透鏡施加壓縮負載，以使彈性導 光構件緊密接觸透鏡，并且激光束通過彈性導光件和透鏡從平坦透明板側照射，以加熱并 熔化透鏡與殼體的接觸區(qū)域。不能說用激光束焊接樹脂模具組件的方法已取得充分發(fā)展。期望提供一種通過利用激光束制造包括透光樹脂構件和吸光樹脂構件的樹脂模 具組件的方法，其中，樹脂模具組件具有緊密的粘附性、優(yōu)良的外觀和高結合強度。
發(fā)明內容
根據本發(fā)明的一個方面，提供一種用于制造樹脂模具組件的方法，該方法包括下 列步驟將透光樹脂構件布置在吸光樹脂構件上，使所述透光樹脂構件的第一焊接區(qū)域面 向所述吸光樹脂構件的第二焊接區(qū)域；在所述透光樹脂構件與所述吸光樹脂構件之間施加壓力，以使所述透光樹脂構件 的所述第一焊接區(qū)域與所述吸光樹脂構件的所述第二焊接區(qū)域在相互面對的方向上擠壓 接觸；并且通過所述透光樹脂構件在所述吸光樹脂構件的所述第二焊接區(qū)域上施加激光束，并在所述第二焊接區(qū)域的整個面積上掃描所述激光束，以在所述第二焊接區(qū)域上反復照射 所述激光束，從而同步加熱并熔化整個所述第一焊接區(qū)域和第二焊接區(qū)域，并且焊接所述 透光樹脂構件和所述吸光樹脂構件。伸展的焊接區(qū)域可沿所述焊接區(qū)域的寬度方向被分成多條焊線。所述焊接區(qū)域可在所述寬度方向上傾斜，以均化照射能量密度?？稍谒龊附訁^(qū)域的寬度方向上形成溫度梯度，以調節(jié)熔融樹脂的流動。由于整個焊接區(qū)域同步熔化，因此可能獲得增強的焊接，并且從透光樹脂構件與 吸光樹脂構件之間的區(qū)域有效地去除間隙?？蓛?yōu)選在一側處調節(jié)毛刺的形成。
圖IA至IF是示出通過向布置在平面上的(二維)焊接區(qū)域照射由電流鏡掃描的 激光束來進行焊接的圖、加工目標組件的剖視圖、焊接平面的俯視圖、示出接受試驗照射的 樣品的結構的示意立體圖、示出試驗照射的測量結果的曲線圖以及示出用于焊接圓條形區(qū) 域的激光束掃描的圖。圖2A是示出吸光樹脂的體積隨溫度變化的曲線圖，圖2B至2D是示出因激光束反 復照射造成的抵接樹脂構件的形狀變化的剖視圖，圖2E是示出吸光樹脂的溫度變化相對 于激光束反復照射的時間的曲線圖。圖3A和3B是示出通過向三維焊接區(qū)域反復照射激光束而焊接的示意立體圖和剖 視圖，圖3C至3E是示出修改例的剖視圖和圖示。圖4A至4C是激光焊接設備的示意側視圖、焊接區(qū)域的俯視圖以及在焊接區(qū)域中 具有溫度分布的組件的剖視圖，用于示出本發(fā)明人利用機器人對激光束焊接的研究。圖5是示出在不同的入射角下時間吸光樹脂的溫度變化相對于激光束反復照射 的曲線圖。圖6A至6C是示出隨著距激光源的距離的變化入射角的變化、以及補償該入射角 變化的方法的圖。圖7A至7C是示出當焊接區(qū)域在均勻溫度下熔化時液體流動的示意平面圖、示出 形成毛刺的示意剖視圖以及示出當焊接區(qū)域設置有單調溫度梯度時液體流動的示意平面 圖。圖8A至8C是示出通過向布置在二維平面上的焊接區(qū)域照射激光束來焊接并在焊 接區(qū)域的寬度方向上形成溫度梯度的示意剖視圖、焊接平面的平面圖以及示出相應焊線的 平均溫度的通用或總體變化的曲線圖。圖9是示出通過激光束的反復照射在焊接區(qū)域的寬度方向上具有溫度梯度的焊 接修改例的圖。
具體實施例方式透光(透明)樹脂構件和吸光(不透明)樹脂構件在擠壓或加壓狀態(tài)下彼此面對 并接觸，激光束從透光樹脂側照射。激光束穿過透光樹脂構件并到達吸光樹脂構件。激光 束被吸收在吸光樹脂構件中并向該吸光樹脂構件發(fā)熱。因此，吸光樹脂構件被加熱、軟化并 熔化。由于透光樹脂構件在加壓狀態(tài)下與吸光樹脂構件接觸，因此，吸光樹脂構件中的熱還傳遞到透光樹脂構件。透光樹脂構件因此也軟化，接觸區(qū)域增大，并最終使透光樹脂構件也 熔化。該兩個構件被熔化并焊接。本發(fā)明人已研究出利用機器人的激光焊接方法。圖4A是示出利用機器人的激光焊接設備的結構的側視圖。聚光光學系統(tǒng)102包括 膨脹器，聚光透鏡系統(tǒng)與連接到激光源的光纖101的遠端連接，并發(fā)射會聚激光束103。聚 光光學系統(tǒng)102由機器人104握持，并執(zhí)行包括聚光光學系統(tǒng)的三維位置和激光束的傳播 方向在內的六維控制?；?05支撐機器人104和殼體夾具106。夾具106支撐由吸光樹 脂制成的殼體108。由透光樹脂制成的透鏡109布置在殼體108上。透鏡109和殼體108 保持在加壓狀態(tài)下。機器人104將聚光光學系統(tǒng)102定位在預定起始點，發(fā)射激光束103而使激光束 通過透鏡109照向殼體108。殼體108的用激光束照射的表面區(qū)域吸收激光束并被加熱、軟 化和熔化。與已加熱的殼體108接觸的透鏡109也被加熱。如圖4B所示，設置在透鏡109的外周部的焊接區(qū)域110通常為環(huán)形。激光在起始 點處開始照射，機器人104沿環(huán)移動聚光光學系統(tǒng)，并且在移動過環(huán)的一圈之后，終止焊接加工。如圖4C中所示，當激光束傳播時，在殼體108 (和透鏡109)的焊接區(qū)域110中形 成熔化區(qū)域111和在熔化區(qū)域之前或之后的軟化(玻璃化轉變)區(qū)域112和113。在熔化 區(qū)域111中，透鏡和殼體的樹脂構件熔化并略微被壓下或變形。在激光焊接中，變形區(qū)域的 高度大約為0. Imm以下。樹脂構件表面通常具有類似焊線的突出模具區(qū)域和非平坦區(qū)域。殼體上表面上的 非平坦區(qū)域由1081 表示，透鏡下表面上的非平坦區(qū)域由109r表示。突出高度通常大約為 0. 2mm。激光束還未穿過的區(qū)域呈固相，并且突出階梯仍未變形。在突出階梯附近阻礙透鏡 與殼體之間的接觸，因此可能保留間隙。如果不去除間隙，則可能不能進行良好焊接。即使 激光束沿焊接區(qū)域移動一圈，但仍可能留下未被焊接的區(qū)域，并且焊接狀態(tài)為非氣密。人們認為因為由激光束照射產生的加熱和熔化僅在焊接區(qū)域中的局部發(fā)生，所以 形成了該局部焊接缺陷。如果整個焊接區(qū)域能夠象熱板焊接一樣被同時加熱并熔化，則預 期能夠改善局部焊接缺陷。本發(fā)明人已研究出激光束的高速掃描，以加熱并熔化整個焊接區(qū)域。如果激光束 以一定的間隔反復照射焊接區(qū)域而不允許目標冷卻下來，則預期焊接區(qū)域的溫度會升高。 然而考慮到機器人難以執(zhí)行這樣的高速掃描。可應用電掃描器結構來實現激光束的該高速 掃描。圖IA是示出使用電掃描器的激光束焊接設備的結構的示意圖。調焦光學系統(tǒng)13 布置成面向從與激光振蕩器連接的光纖11的遠端照射的激光束12。調焦光學系統(tǒng)包括可 動透鏡，該可動透鏡允許調節(jié)光路上的焦點位置。第一電流鏡14布置成面向從調焦光學系 統(tǒng)13照射的激光束，以例如在加工目標平面上進行χ-方向掃描。第二電流鏡15布置成面 向從第一電流鏡14反射的激光束，以例如在加工目標平面上進行y_方向掃描?？刂圃O備控制電流鏡14和15以及調焦光學系統(tǒng)13。發(fā)射的激光束12s能夠通 過電流鏡14和15在xy平面上進行二維掃描，并且能夠借助調節(jié)調焦光學系統(tǒng)13的調節(jié) 通過控制焦距而沿ζ-方向移動焦點位置。即，會聚激光束能夠進行三維掃描。電流鏡重量 輕，并且能夠進行高速掃描。
激光振蕩器可以是兩重或三重波YAG、半導體激光器、光纖激光器等的激光振蕩 器。如果僅使用二維掃描，則可使用配備有f θ透鏡的掃描頭來代替調焦光學系統(tǒng)。圖IB是示出加工具有布置在二維平面上的焊接區(qū)域的目標組件或制品的示意剖 視圖。透鏡22布置在由吸光樹脂制成的器皿形狀的殼體21上，透鏡由透光樹脂制成，覆蓋 殼體21的開口并面向殼體。在該實施例中，在透鏡22的下表面上形成焊接肋23。肋23不 是必要的構成元件。透明壓力板25布置在透鏡22上，以使透鏡22的下表面與殼體21的 上表面以壓力P擠壓接觸。激光束12s穿過透光壓力板25和透鏡22，并照射在與肋23接 觸的殼體21的上表面上。通過驅動電流鏡沿肋(焊接區(qū)域)掃描照射位置。布置焊接區(qū) 域的平面由xy平面表示。在圖IA中所示的結構中，第一電流鏡14沿χ-方向進行掃描，第 二電流鏡15沿y-方向進行掃描。圖IC示出二維焊接區(qū)域27的形狀的實施例，該形狀是由圓條表示的環(huán)形。激光束 反復照射掃描所述環(huán)。將加工目標制品放置在合適位置之后，同一位置受到激光束多次照 射，從其中待焊接的樹脂構件的溫度處于初始溫度的狀態(tài)直到其中焊接區(qū)域達到熔化狀態(tài) 的狀態(tài)。例如，同一位置受到激光束的多次照射，直到該同一位置到達軟化溫度(玻璃化轉 變溫度)時為止，并且進一步受到激光束的多次照射直到同一位置到達熔化狀態(tài)為止。通 過逐漸提高吸光樹脂的溫度還可以抑制形成氣泡。如圖ID中所示，形成樣品作為試驗件，樣品使由透光樹脂形成的透鏡22s布置在 由吸光樹脂形成的殼體21s上。在吸光樹脂殼體21s與透光樹脂透鏡22s的相對表面的每 個上形成肋。樣品的焊接區(qū)域(即，透鏡22s與殼體21s的肋之間的接觸表面)的長度為 15cm，寬度為2cm。對樣品進行試驗照射。殼體的肋的寬度為3cm，具有寬度為2cm且高度 為Icm的肋的透鏡布置在殼體上。透鏡由PMMA制成，殼體由ASA制成。利用夾設在透鏡與 殼體之間的熱電偶測量溫度。以輸出功率為200W且掃描速率為4m/sec的激光連續(xù)進行20 次激光束照射。激光束通過電流鏡在焊接平面上的定位精度為50 μ m以下。一次掃描所需 的時間為37. 5msec。設想實物的焊線的一次掃描超過lm。在該試驗照射中，在焊線的每次 掃描照射之后插入恒定間隔，以模擬一部分實物的焊接加工。在試驗照射中，作為間隔插入 大約為0.8秒。圖IE是示出樣品的測量溫度ts隨時間變化 曲線圖。例如，激光束每照射一次 溫度升高大約40度，并且在照射之后溫度開始下降。由于下一個激光束在溫度下降到照射 之前的溫度之前照射，因此，溫度又再次升高。通過反復的激光束照射，平均溫度逐漸升高。 由于平均溫度升高，因此每一次激光束照射的溫升范圍下降，并且整體變化形狀成為向上 凸起形狀。當焊接區(qū)域中的位置變化時，以略微的時移實現類似的溫度變化。顯而易見的 是，整個焊接區(qū)域能夠同時被近似均勻地加熱。試驗之后，分開透鏡和殼體以取出熱電偶。 盡管在圖中已示出用熱電偶測得的溫度，但破壞試驗表示透鏡和殼體的良好焊接，并且設 想實際溫度比圖中所示的溫度高，達到240°C以上。圖IF是示出通過具有直線傳播的電流鏡的光學系統(tǒng)置換反射的圖?？梢钥紤]到， 第一電流鏡14的激光束入射位置是虛擬激光束光源的位置。電流鏡14和15的旋轉(擺 動)掃描二維平面中的激光照射位置。由于虛擬激光源在xy平面中的位置與圓條形焊接 區(qū)域的中心對準，因此，入射角θ在圓條形焊接區(qū)域中的任意位置處恒定。由于進行恒定 速率的掃描，因此，每單位時間的入射能量在圓條形焊接區(qū)域中的任意位置處恒定。
如果焊接區(qū)域的形狀是較大地改變與虛擬激光源的距離的形狀，則入射角變化， 照射面積也將變化。如果進行恒定速率掃描，則每單位時間和單位面積的入射能量隨位置 而變化，所到達的溫度也將變化。在該情形下，優(yōu)選的是，根據入射角或距虛擬激光源的距 離控制掃描速率，以降低在入射能量密度下降的位置處的掃描速率，并且統(tǒng)一化焊接區(qū)域 中的溫度，該控制可通過控制設備16進行。圖2A是示出ASA樹脂的體積與溫度之間的關系的曲線圖?？v坐標代表ASA樹脂的 體積，橫坐標代表溫度。在從室溫開始的一些溫度范圍內，體積隨著溫度逐漸且?guī)缀蹙€性地 增加。當溫度超過負載撓曲溫度(熱變形溫度)時，體積增加率增大，并且在溫度超過玻璃 化轉變溫度(軟化溫度)之后，體積增加率以較陡的梯度變成幾乎線性的體積增加率。所 使用的ASA是普通等級，負載撓曲溫度大約為95°C，240°C屬于流體區(qū)。圖2B至2D示出焊接區(qū)域中的假想變化。圖2B示出軟化之前的狀態(tài)。由于殼體 20與透鏡22的突出階梯，因此在殼體20與透鏡22之間存在間隙。圖2C示出殼體的溫度 超過軟化點且在熔化之前的狀態(tài)。殼體的整個焊接區(qū)域可變形，樹脂通過施加的壓力而可 變平，殼體20與透鏡22之間的間隙減小。圖2D示出熔化狀態(tài)。由于整條焊線進入熔化狀 態(tài)(至少為軟化狀態(tài)與熔化狀態(tài)的結合)，因此，殼體20與透鏡22之間的間隙消失，預期熔 融的樹脂構件21和22熔化并混合在一起，而使交界面消失。預期很可能獲得加強的焊接， 并且殼體20與透鏡22之間難以留有間隙。圖2E是簡要地示出溫度隨時間變化的曲線圖。實線表示因反復的激光束照射造 成的溫度變化。從時間t0至tl，由于激光束反復地照射，因此溫度與圖IE中所示的類似重 復地升降，并且平均溫度升高。從時間tl至t2，熔化區(qū)域擴大，至少在升溫狀態(tài)下，吸光樹 脂進入熔融狀態(tài)，兩個樹脂構件被推到一起。在時間t2處，焊接完成，溫度通過自然冷卻而 回落。為了對比，用虛線表示當機器人沿焊線一圈進行激光照射時的對比溫度變化。在 照射激光束時，因此吸光樹脂的溫度在時間t3處在單個激光發(fā)射中上升到熔融溫度。即使 當位于照射位置處的樹脂進入熔融狀態(tài)時，在其它位置仍未照射激光束，或者溫度下降，從 而其它位置處的樹脂呈固相。因此限制了樹脂構件的相互推動，并難以完全去除局部間隙。由于在同一焊線上進行激光束的反復照射，因此整條焊線的溫度同步或同時升 高。樹脂構件同步或同時軟化并熔化，從而兩個樹脂構件相互推動，并且有效地去除局部間 隙。圖3A是示出通過三維掃描的激光速焊接的示意圖。從激光振蕩器10照射的激 光束通過光纖12引到掃描頭31。掃描頭31的結構包括調焦光學系統(tǒng)、χ-方向的電流鏡、 y-方向的電流鏡以及圖IA中所示的控制設備。由吸光樹脂制成的殼體21布置在夾具36 上。殼體的焊接區(qū)域為三維結構，而不能容納在二維平面中。由透光樹脂制成并具有與殼 體21的焊接區(qū)域對應的焊接區(qū)域的透鏡22布置在殼體21上，使兩個焊接區(qū)域彼此面對。 在壓力P下沿接觸方向擠壓透鏡22和殼體21。掃描頭31沿焊接區(qū)域掃描激光束12s，以反復照射激光束。電流鏡14和15控制 二維xy平面中的位置，調焦光學系統(tǒng)13控制ζ-方向的焦距，以保持恒定的聚焦條件。圖3B示出聚焦條件的實施例。在所謂的后焦點狀態(tài)下，會聚的激光束12s的焦點 位置在焊接區(qū)域27的后方。對焊接區(qū)域散焦使大面積的焊接區(qū)域被照射并熔化，以獲得增強的結合。通過取代后焦點的前焦點可獲得散焦。作為一實施例，對具有三維結構的車輛后組合燈具進行焊接加工。由透光樹脂材 料制成的透鏡和由吸光樹脂材料制成的殼體在三維結構的焊接區(qū)域處被焊接。在焊接區(qū)域 的一圈長度為lm、激光輸出功率為150W、掃描速率為lOm/sec并且總照射長度(200圈)為 200m的情況下進行焊接。焊接加工之后的破壞試驗表示沿整個長度未檢測到剝離，并且獲 得加強的焊接。在三維結構的焊接區(qū)域中，入射角以及照射面積變化。吸光樹脂構件表面處的入 射角可變?yōu)榇蠹s60度。與垂直入射相比，入射角為60度的照射面積加倍。如果使用肋，則 期望肋寬具有足夠的裕度。肋寬優(yōu)選為2mm至3mm。肋高優(yōu)選為0. 5mm以上，用于樹脂熔化 和推動。如果肋的整個高度要被熔化并推動，則肋高優(yōu)選為Imm以下，以減小照射能量(激 光輸出功率)。在該情形下，肋高優(yōu)選為0. 5mm至1mm。例如，在肋寬為3mm且肋高為0. 5mm 的情況下，獲得穩(wěn)定且良好的焊接。激光束通過透光樹脂構件照射到吸光樹脂構件。透光樹脂構件的上表面還構成光 學界面，并反射激光束。當透光樹脂構件的上表面處的入射角超過70度時，樹脂構件中的 入射效率大大降低，因此通常實踐上不使用。圖3C示出從透光壓力板25輸入激光束的模式，透光壓力板25經由與透光樹脂構 件22的上表面形狀匹配的彈性透光構件33布置。彈性透光構件33例如由透明硅樹脂制 成。對于該彈性透光構件，可以參照圖1和2以及通過引用結合于此的JP-A-2004-349123 的第007段至0013段的公開內容。圖3D示出從多個掃描頭31a和31b同時照射多個激光束的模式。掃描頭31a和 31b可供應來自不同激光源的激光束，或者可供應通過分割來自一個激光源的激光束而獲 得的激光束。激光束分別分配給通過分割焊接區(qū)域而獲得的兩個或多個部分的相應部分。 由于照射區(qū)域被分割，因此，待由一個掃描頭掃描的每個激光照射區(qū)域變窄，從而可以降低 最大入射角，并且增大總體激光照射面積。掃描頭與焊接區(qū)域形狀的結合可采用各種構造。在激光束的寬度相對于焊接區(qū)域 的寬度較短的情況下，可在焊接區(qū)域上設置多條焊線，多條焊線在焊接區(qū)域的寬度方向上 具有不同位置，并且激光束在每條焊線處照射多次。如圖3E所示，焊接區(qū)域27可被分成多條焊線27_1、27_2和27_3。激光束順序地 照射到各焊線。激光束12s在焊接區(qū)域27的焊線27-1、27-2和27-3上反復掃描。與上述 實施方式類似，在將加工目標組件放置在合適位置之后，同一位置受到激光束的多次照射 而從其中待焊接的樹脂構件的溫度處于初始溫度的狀態(tài)直到其中焊接區(qū)域處于熔化狀態(tài) 的狀態(tài)。在使用電流鏡的焊接加工中，由于激光源固定，因此距激光源的距離可隨激光照 射位置而變化。焊接區(qū)域的法線與激光束之間的角(即入射角)可隨著激光照射位置而變 化。激光束的照射面積隨著入射角而變化。如果進行恒定速率掃描，則每單位時間或每單 位面積的入射能量可隨位置而變化，因此到達溫度可隨位置而變化。為了觀察因入射角的差引起的到達溫度的差，形成焊接區(qū)域寬度為2cm且焊接區(qū) 域長度為15cm的樣品，并且進行試驗照射。樣品的形狀與圖ID中所示的形狀相似。激光 源布置在樣品中心上方50cm的位置處，樣品表面沿其寬度方向傾斜，以設置0、30和60度的最小入射角，以進行激光束的反復掃描。在透鏡與殼體之間夾設熱電偶，以測量溫度。透 鏡由PMMA制成，殼體由ASA制成。在激光輸出功率為200W且掃描速率為4m/sec時，激光 束連續(xù)照射20次。在該試驗中，焊線每通過一個掃描照射一次，插入大約0. Ssec的間隔， 以模擬一部分實物的焊接加工。圖5是示出在最小入射角為0、30和60度的情況下，溫度隨激光照射時間而變化 的曲線圖。如從該曲線圖可見，在最小入射角為0度時，焊接區(qū)域的到達溫度在最大時大約 為190°C，而在最小入射角為60度時，焊接區(qū)域的到達溫度在最大時僅大約為130°C?？梢?看出，在入射角變大時，到達溫度相對下降。從不同的角度來說，在入射角變大時，到達需要 溫度所花費的時間延長。實物的焊接區(qū)域通常具有復雜的結構，并且在某些情況下為三維結構。提議在焊 接區(qū)域中入射角和到達溫度可呈現多種變形。在該情形下，可能存在導致產生氣泡的局部 過分加熱或者因加熱不足而導致無熔融狀態(tài)的缺陷焊接。優(yōu)選的是，抑制待照射到焊接區(qū) 域的激光束的入射角改變并抑制到達溫度變化。本發(fā)明人已研究出在使用電流鏡的焊接加 工中，能夠抑制焊接區(qū)域中入射角和到達溫度的變化的加工目標結構。圖6A和6B示出來自固定激光源的掃描激光束的入射角變化的實施例。圖6A是 側視圖，圖6B是俯視圖。用來自固定在位置51處的激光源的激光束照射在χ-方向上延伸 的條形焊接表面50，位置51與條形焊接表面50在y_方向上隔開40cm，在ζ-方向上隔開 50cm。激光束53以大約39度的入射角到達焊接平面52，當如圖6B中所示在水平面觀看 時，激光束53以直角傳播到焊接平面50的位置52，該傳播如在圖6A中所示為傾斜入射。 激光束57以大約53度的入射角到達焊接平面56，當如圖6B中所示在水平面觀看時，激光 束57傳播到位置56，位置56與位置52在χ-方向上隔開大約50cm。入射角變化較大?，F 在考慮使焊接平面傾斜。焊接平面在位置56處傾斜成面向激光源51?？蓪崿F大約39度的 激光束入射角。然后，入射角變?yōu)榻频扔谖恢?2處的入射角?？梢钥闯觯赏ㄟ^使焊接 面在寬度方向上從位置52逐漸向位置56傾斜以面向各激光源，來抑制入射角的變化。當 所述位置與位置56進一步間隔開時，入射角進一步增大。如圖6C中所示，在焊接區(qū)域中具有最大入射角的位置處，例如焊接平面在寬度方 向上傾斜以使入射角降低，以使能量密度最大。在其它位置，焊接平面在寬度方向上傾斜， 以實現恒定入射角，或者至少抑制入射角的變化。由于抑制了入射角的變化，因此抑制于入 射能量密度的變化，并且可使到達溫度統(tǒng)一化。當焊接平面在朝激光源的方向上傾斜時，入射能量密度增大，并且當焊接平面在 遠離激光源的方向上傾斜時，入射能量密度減小。通常不允許變化焊接平面在ζ-方向上的 位置。因此焊接平面在寬度方向上傾斜。盡管在上述說明中焊接區(qū)域布置在二維平面上， 但是該實施方式類似地可應用于三維結構的焊接區(qū)域?？紤]到激光束自身的強度分布(例如高斯分布)，在寬度方向上傾斜的焊接區(qū)域 可以是曲面，而不是平面。該修改可更加有助于照射平面中的溫度偏差統(tǒng)一化。通過傾斜焊接平面，在統(tǒng)一化入射角、入射能量密度和到達溫度上可能存在一些 限制。通過根據入射角控制激光束掃描速率，可抑制沿激光掃描方向的到達溫度的變 化。例如，在入射角變大而每單位面積的入射能量和發(fā)熱量相對降低的位置處，優(yōu)選的是，降低掃描速率以增大每單位時間的發(fā)熱量，以由此統(tǒng)一化激光掃描方向上的溫度偏差。該 控制可通過圖IA中所示的控制設備16進行。如上所述，響應于當焊接區(qū)域的寬度方向與水平面平行時的虛擬入射角，通過使 焊接表面在寬度方向上連續(xù)傾斜，可抑制焊接區(qū)域中入射角變化。在抑制到達溫度變化的 狀態(tài)下，還通過控制激光掃描速率，可幾乎同時或同步地加熱、熔化和焊接整個焊接區(qū)域。當焊接區(qū)域進入軟化和熔融的狀態(tài)時，提供可變形性和流動性。圖7A是示出夾設在上下固體狀態(tài)區(qū)域之間的焊接區(qū)域的板狀熔融狀態(tài)的平面 圖。熔融樹脂因壓力趨于徑向延伸，同時填埋間隙，如箭頭50和51或箭頭52和53所示在 寬度方向上(圖7A中的上下方向)流向外側。如圖7B所示，樹脂構件21和22混合地熔化，間隙和交界面消失，以允許進行增強 的焊接。此時，在寬度方向上排出到焊接區(qū)域的兩側的熔融樹脂構件形成稱作毛刺的排出 區(qū)域23。不希望形成毛刺，因為會降低樹脂模具組件的外觀質量。為了保證結合強度，必須用熔融樹脂構件填充間隙并去除間隙。在該情形下，熔融 樹脂構件一定程度上流向焊接區(qū)域的外側。難以完全抑制毛刺的形成。如果可在焊接區(qū)域的兩側有選擇地形成毛刺則存在優(yōu)選情形。例如，在樹脂膜制 品需要密封的情況下，如果在樹脂模制品的外側形成毛刺，則可在激光加工中去除該毛刺。 因此，不會降低最終模制品的外觀質量，并且獲得增強的結合。即使在不需要密封的樹脂模 制品的情形下，如果在樹脂模制品的一側不形成毛刺，則與在允許兩側均形成毛刺的情況 相比，可縮短用于去除毛刺的時間。在生產效率方面這也是優(yōu)選的。如果可限制熔融樹脂 的流動性，則形成在焊接區(qū)域的外側的毛刺可被限制成僅位于一側。通常而言，在包括熔融樹脂的液體中，在溫度與粘度之間保持負相關。當液體的溫 度升高時，其粘度減小，當液體溫度降低時，其粘度增大。液體的粘度限定為代表液體流動 與抵抗流動的阻力之間的關系的比例常數。如果液體具有高粘度，則抵抗液體流動的阻力 高，而如果液體具有低粘度，則抵抗液體流動的阻力低。因此在液體的溫度與抵抗液體流動 的阻力之間滿足負相關。因此，保持這樣的關系當液體溫度變高/降低時粘度減小/增 大，而當粘度減小/增大時，抵抗液體流動的阻力也減小/增大。通過使用液體的上述一般特性，可以例如通過在焊接區(qū)域中形成溫度梯度，并且 通過在焊接區(qū)域中形成粘度和抵抗流動的阻力的偏差，來控制熔融樹脂的流動朝具有低阻 力的區(qū)域流動。圖7C是示出在焊接區(qū)域中沿寬度方向(圖7C中的χ-軸方向)存在溫度梯度的狀 態(tài)的示意圖。假設例如在焊接區(qū)域中沿X-軸正向溫度變高，則相應地在X-軸位置方向上 粘度下降并且抵抗流動的阻力也下降。當在相互推動的方向上向透鏡和殼體施加壓力時， 如箭頭60和61所示，更多的熔融樹脂在X-軸正向上朝低阻力區(qū)域流動。因此在X-軸正 向上可能形成更多的毛刺。通過以上述方式在焊接區(qū)域中沿寬度方向形成溫度梯度并形成粘度和抵抗流動 的阻力的偏差，可以使熔融樹脂在低阻力方向上流動，并且優(yōu)選在焊接區(qū)域的一側形成毛 刺。在下列實施方式中，進行激光束焊接，以根據上述原理優(yōu)選在焊接區(qū)域的一側形成毛 刺。圖8A是示出具有布置在二維平面上的焊接區(qū)域的加工目標制品的示意剖視圖。由透光樹脂制成的透鏡22布置在由吸光樹脂制成的殼體21上，使兩者的焊接區(qū)域彼此面 對。在該實施例中，用于焊接的肋24形成在殼體的局部上表面上。肋24不是必要的構成 元件。透鏡22的下表面與形成在殼體21的上表面上的肋24以壓力P加壓并接觸。激光 束12s穿過透鏡22并照射形成在殼體21上的肋24的上表面。通過驅動電流鏡沿肋(焊 接區(qū)域)掃描照射位置。布置焊接區(qū)域的平面由xy平面表示。在圖IA中所示的結構中， 第一電流鏡14進行χ-方向掃描，第二電流鏡15進行y-方向掃描。圖8B是示出環(huán)形(示意地繪制成圓條形)的二維焊接區(qū)域27的示意圖。在該實 施例中，在焊接區(qū)域的寬度方向上限定三條焊線，該三條焊線順序地受到反復的激光束照 射。首先，激光束反復照向焊線27a。如圖IE的曲線圖中所示的溫度變化所示，焊線27a被 加熱，經過軟化狀態(tài)而進入熔融狀態(tài)，然后在照射結束后允許降低其溫度。在該情況下，將 不會有效地去除間隙，因為焊線27b和27c仍未被激光束照射，并且呈固相。緊接著，在焊線27a的溫度下降并且焊線27a呈固相之前，向焊線27b反復地照射 激光束，以加熱并熔化焊線27b。類似地，在焊線27a和27b的溫度下降并且焊線27a和27b 呈固相之前，向焊線27c反復照射激光束，以加熱并熔化焊線27c。此時，整個焊接區(qū)域進入熔融狀態(tài)。施加壓力可以有效地去除間隙。在激光束結 束反復照射之后，由于焊線27a和27b的溫度因時間的流逝自然冷卻而下降，因此焊接區(qū)域 在溫度和粘度上具有偏差。如從圖8B中示意地示出的曲線圖可見，焊接區(qū)域中的溫度分布 從焊線27a至焊線27c為階梯式梯度。加壓的熔融樹脂將流向具有較高溫度和較低阻力的 焊線27c，更多的熔融樹脂將排出焊接區(qū)域的外周。圖8C是示出在每條焊線處平均溫度的時間變化的曲線圖。具體而言，激光束的反 復照射使得溫度重復升降，以逐漸加熱各焊線。在該曲線圖中，示出平均溫度變化(通過激 光束反復照射而反復的溫度升降的平均)。以Tg表示熔化殼體所需要的溫度(玻璃化轉變 溫度)。從時間tlO至tll，熔化線27a通過激光束的反復照射而被逐漸加熱，到達比玻璃 化轉變溫度Tg足夠高的溫度并進入熔融狀態(tài)。在時間tll處，激光束的反復照射從焊線 27a轉到焊線27b，焊線27a的溫度因自然冷卻而開始下降。此時，由于焊線27b和27c不 照射激光束，因此將不會有效地去除間隙。從時間tll至tl2，焊線27b通過激光束的反復照射而逐漸被加熱并熔化。在時間 tl2處，激光束的反復照射從焊線27a轉到焊線27b，焊線27a的溫度因自然冷卻而開始下 降。此時，由于焊線27c不照射激光束，因此將不會有效地去除間隙。從時間tl2至tl3，焊線27c通過激光束的反復照射而被加熱。在時間tl3處，焊 線27c到達玻璃化轉變溫度Tg，并且在時間tl3之后也被加熱。由于整個區(qū)域進入熔化狀 態(tài)，因此兩個樹脂構件熔化在一起，因此，通過施加壓力而可以有效地去除間隙。從時間114至115，如從圖8B中示意地示出的曲線圖可見，通過時移激光束照射形 成從焊線27a到焊線27c順序呈高溫的階梯溫度梯度?；跍囟?、粘度與液體阻力之間的 關系，加壓熔融樹脂朝具有高溫和低阻力的焊線27c流動，更多的熔融樹脂排出焊接區(qū)域 的外周。在時間tl5之后，由于自然冷卻，溫度順序地以從焊線27a至焊線27c的順序變得 比玻璃化轉變溫度低，而使各焊線為固相。在固相下，將不發(fā)生樹脂的變形和流動，排出焊 接區(qū)域外部的熔融樹脂固化而形成毛刺。在最終狀態(tài)下，焊接區(qū)域穩(wěn)固地結合，并且優(yōu)選在焊接區(qū)域的一側形成毛刺。如上所述，激光束以高速掃描，以加熱并熔化焊線，在加熱并熔化的焊線降低溫度 而變?yōu)楣滔嘀?，激光束照射位置順序地移動到未用激光束照射的另一條焊線。整個焊接 區(qū)域被同步地加熱并熔化，并且因激光束照射差而在焊接區(qū)域中形成溫度梯度。即，在焊接 區(qū)域的寬度方向上限定沿焊接區(qū)域的延伸方向的多條焊線，并且相應的焊線被賦予加熱、 熔化和冷卻的相應時間(定時)差，以在焊接區(qū)域的寬度方向上形成溫度梯度。因此粘度 與抵抗熔融樹脂的流動的阻力形成偏差。因此可以在焊接區(qū)域中向較高溫度側排出更多的 熔融樹脂，同時可以有效地去除間隙并獲得增強的結合。本發(fā)明人通過形成樣品作為試驗件而進行試驗照射。樣品的肋寬為3mm，肋長為 15cm。透鏡由PMMA制成，殼體由ASA制成。通過在肋的寬度上設置三條焊線，并且以輸出 功率為190W、掃描速率為lOm/sec的激光多次掃描各線的中心，來進行焊接。照射激光束的 直徑設定為2mm和3mm。在該試驗照射中，插入大約0. 1秒的間隔，以模擬一部分實物的焊 接加工。焊接加工之后的破壞試驗表示在沿整個長度的焊接區(qū)域中未觀察到裂縫的破壞模 式，因此獲得增強焊接。觀察到在試驗件的外側上形成毛刺。在該試驗照射中，在具有3mm肋寬的焊接區(qū)域上等距地設置三條焊線。由于激光 束直徑為2mm至3mm，因此靠近焊線的邊界的區(qū)域被雙重加熱。激光束具有通常的強度分 布(例如高斯分布)。在靠近焊線的邊界的區(qū)域中，照射能量密度比激光束中央低，因此，溫 度升高較低。在靠近焊線的邊界的區(qū)域中的雙重照射將相對地補償因能量密度比激光束中 心低造成的加熱不足?？拷妇€的邊界的溫度呈現相鄰焊線的中心處的溫度之間的中間溫 度。整個焊接區(qū)域中的溫度梯度可以不是如圖8B中所示的階梯狀，而實際上是漸進且連續(xù) 的溫度梯度。在該實施方式中，盡管使用二維焊接區(qū)域，但該實施方式還可應用于三維焊接區(qū) 域。當將下列方法結合到該實施方式時，促進焊接區(qū)域中的毛刺的選擇性形成。例如，對于在焊接區(qū)域中形成毛刺一側上具有更高溫度的焊線，激光束的掃描速 率可下降，以提高吸光樹脂每單位面積的吸光量和發(fā)熱量，并且提升焊接區(qū)域中的溫度梯 度。圖IA中所示的控制設備16可進行激光束的掃描速率控制。還存在一種通過單調地變化焊接區(qū)域中焊線的寬度來提升焊接區(qū)域中溫度梯度 的方法。較窄的焊線將被加熱至較高的溫度。如果采用這些方法，則激光束可不掃描成使 得相應的焊線被順序地加熱到熔融狀態(tài)，而是可以掃描成使得相應的焊線同時被照射，以 同時被加熱成具有由每單位面積的發(fā)熱量差給出的溫度梯度。圖9是示出熔融狀態(tài)中的焊接區(qū)域的一部分的示意圖。箭頭表示待由激光束反復 照射的軌跡或焊線。焊線寬度朝毛刺形成側單調減小(每單位面積的焊線數量單調增加)。 激光束直徑隨著焊線寬度而順序減小。例如，通過順序地朝毛刺形成側移動而進行每條焊 線的加熱和熔化。由于毛刺形成側的每單位面積的發(fā)熱量變得較大，因此，如圖9中右側的 示意曲線圖所示，可以促進焊接區(qū)域中的溫度梯度，在該情形下，在焊接區(qū)域寬度方向上形 成溫度梯度的方法可不伴隨有通過利用加熱/冷卻相應焊線的時間(正時)差形成溫度梯 度。例如，激光束可從一側到另一側順序地照射焊線，并且該順序可重復，以加熱并熔化整 個焊接區(qū)域。各焊線被均勻地加熱并熔化。由于焊線寬度朝毛刺形成側單調遞減，因此，毛刺形成側上每單位面積的發(fā)熱量變得較大，可在焊接區(qū)域寬度方向上形成溫度梯度。通過同時照射具有不同能量密度的激光束，可以促進焊接區(qū)域中的溫度梯度。以上已描述了多個實施方式。本發(fā)明不局限于這些實施方式。例如，透光樹脂構 件與吸光樹脂構件的結合不限于透鏡和殼體。可形成用于例如寶石之類的小精致產品的陳 列柜?？梢允瞧渌鞣N應用。本領域技術人員應明白，可以進行各種變更、替換、改良、組合等。
權利要求
一種用于制造樹脂模具組件的方法，該方法包括下列步驟將透光樹脂構件布置在吸光樹脂構件上，使所述透光樹脂構件的第一焊接區(qū)域面向所述吸光樹脂構件的第二焊接區(qū)域；在所述透光樹脂構件與所述吸光樹脂構件之間施加壓力，以使所述透光樹脂構件的所述第一焊接區(qū)域與所述吸光樹脂構件的所述第二焊接區(qū)域在相互面對的方向上擠壓接觸；并且通過所述透光樹脂構件在所述吸光樹脂構件的所述第二焊接區(qū)域上施加激光束，在所述第二焊接區(qū)域的整個面積上掃描所述激光束，以在所述第二焊接區(qū)域上反復照射所述激光束，從而同步加熱并熔化整個所述第一焊接區(qū)域和第二焊接區(qū)域，并且焊接所述透光樹脂構件和所述吸光樹脂構件。
2.根據權利要求1所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，通過使用包括電流鏡 的掃描器進行所述激光束的所述掃描。
3.根據權利要求2所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，所述掃描器還包括調 焦光學系統(tǒng)。
4.根據權利要求3所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，所述激光束的焦點從 所述第二焊接區(qū)域的表面散焦。
5.根據權利要求1所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，在所述掃描期間，在所 述第二焊接區(qū)域上限定多條焊線，并且沿相應的焊線進行所述掃描。
6.根據權利要求1所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，所述透光樹脂構件為 透鏡，所述吸光樹脂構件為殼體。
7.根據權利要求1所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，在所述第二焊接區(qū)域 中的同一位置上用所述激光束多次照射所述吸光樹脂構件，直到到達玻璃化轉變溫度時為 止，并且用所述激光束進一步照射多次，直到到達熔化狀態(tài)時為止。
8.根據權利要求1所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，所述第一焊接區(qū)域與 所述第二焊接區(qū)域之間的接觸面具有三維結構，所述激光束在所述接觸面上的入射角隨著 位置而變化，所述激光束的掃描速率隨著所述位置而變化，以平均化加熱溫度。
9.根據權利要求1所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，如果所述激光束在與 所述第二焊接區(qū)域接觸的虛擬平面上的入射角隨著位置而變化，則所述激光束的掃描速率 變化，以平均化加熱溫度。
10.根據權利要求1所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，所述透光樹脂構件 在與所述吸光樹脂構件相對的表面上具有肋，所述肋的寬度為2mm至3mm，高度為0. 5mm至 Imm0
11.根據權利要求1所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，所述第一焊接區(qū)域與 所述第二焊接區(qū)域之間的接觸面沿寬度方向具有傾角。
12.根據權利要求4所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中沿所述第二焊接區(qū)域 的延伸方向限定多條焊線；在整個所述第一焊接區(qū)域與所述第二焊接區(qū)域熔化的狀態(tài)下， 在所述第二焊接區(qū)域的寬度方向上形成溫度梯度。
13.根據權利要求12所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，通過控制所述激光 束的照射定時形成所述溫度梯度。
14.根據權利要求12所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，所述多條焊線限定 為具有等寬度，所述激光束反復地照射在每個所述焊線上，以從所述第二焊接區(qū)域的一側 向另一側順序地加熱并熔化所述相應的焊線。
15.根據權利要求12所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，所述激光束的能量 密度對于所述多條焊線中的每個發(fā)生變化。
16.根據權利要求12所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，所述多條焊線的寬 度從一側向另一側單調減小。
17.根據權利要求12所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，通過掃描所述激光 束而從所述一側上的一條焊線到所述另一側上的另一條焊線順序地進行加熱并熔化，以加 熱并熔化整個所述第一焊接區(qū)域和第二焊接區(qū)域。
18.根據權利要求16所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，所述激光束照射所 述一側上的一條焊線，并且朝向所述另一側上的另一條焊線順序地照射所述焊線，反復地 進行該照射順序，以加熱并熔化整個所述第一焊接區(qū)域和第二焊接區(qū)域。
19.根據權利要求15所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，反復照射所述焊線 的所述激光束的掃描速率對于每個所述焊線不同。
20.根據權利要求12所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，所述激光束的直徑 比所述焊線的寬度大一至三倍。
21.一種用于制造樹脂模具組件的方法，該方法包括下列步驟將透光樹脂構件布置在吸光樹脂構件上，使所述透光樹脂構件的第一焊接區(qū)域面向所 述吸光樹脂構件的第二焊接區(qū)域；在所述透光樹脂構件與所述吸光樹脂構件之間施加壓力，以使所述透光樹脂構件的所 述第一焊接區(qū)域與所述吸光樹脂構件的所述第二焊接區(qū)域在相互面對的方向上擠壓接觸； 并且通過所述透光樹脂構件在所述吸光樹脂構件的所述第二焊接區(qū)域上施加多個激光束， 并在所述第二焊接區(qū)域的整個面積上掃描所述激光束，以在所述第二焊接區(qū)域上反復照射 所述激光束，從而同步加熱并熔化整個所述第一焊接區(qū)域和第二焊接區(qū)域，并且焊接所述 透光樹脂構件和所述吸光樹脂構件。
22.根據權利要求21所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，所述焊接區(qū)域被分 成多個部分，所述多個激光束分別分配到所述部分。
23.根據權利要求21所述的用于制造樹脂模具組件的方法，其中，用作所述多個激光 束的具有不同光學強度的多個激光束照射限定在所述第二焊接區(qū)域上的多條焊線。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于制造樹脂模具組件的方法，在制造該樹脂模具組件時，將透光樹脂構件的第一焊接區(qū)域與吸光樹脂構件的第二焊接區(qū)域彼此面對地布置，所述透光樹脂構件的所述第一焊接區(qū)域與所述吸光樹脂構件的所述第二焊接區(qū)域在相互面對的方向上擠壓接觸，掃描激光束，以使所述激光束入射在所述透光樹脂構件上，并且反復照射在所述第二焊接區(qū)域上，以同步加熱并熔化整個所述第一焊接區(qū)域和第二焊接區(qū)域，由此焊接所述透光樹脂構件和所述吸光樹脂構件。
文檔編號B29C65/16GK101898420SQ201010193050
公開日2010年12月1日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權日2009年5月29日
發(fā)明者梅山辰也, 財津吉裕, 鉾田和晃 申請人:斯坦雷電氣株式會社