JP2001087877A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被溶接物の材料が銅のような高熱伝導金属で
あると、レーザ光の反射や熱拡散などの影響でレーザ溶
接を適切に行うことが非常に困難であった。 【解決手段】 金属材料からなる２つの被溶接物５，６
を互いの接合面５Ｂ，６Ａを密着させた状態で重ね合わ
せ、その重ね合わせ部分７にレーザ光ＬＢを照射して２
つの被溶接物５，６を溶接するに際し、レーザ光ＬＢが
照射される側の被溶接物５のレーザ照射面５Ａに熱吸収
被膜８を形成するとともに、被溶接物６の接合面６Ａに
低融点金属被膜９を形成した状態で、２つの被溶接物
５，６の重ね合わせ部分７にレーザ光ＬＢを照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料からなる
２つの被溶接物をレーザ光（レーザビーム）の照射によ
って溶接するレーザ溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザ溶接では、レーザ発振器
によって生成されたレーザ光を、２つの被溶接物の重ね
合わせ部分にスポット的に照射することにより、そのレ
ーザ照射部分でレーザ光の光エネルギーを熱エネルギー
に変換し、この変換した熱エネルギーにより２つの被溶
接物の接合面を加熱・溶融して接合する。こうしたレー
ザ溶接は、精密・微細加工が可能であることや、レーザ
光のスポット位置およびスポット径の制御が容易である
などの特長を有し、この特長を活かして多種多様な分野
で広く採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
溶接の適用に際しては、被溶接物の材料（材質）に制限
がある。即ち、被溶接物の材料が、反射率が高くかつ熱
伝導率が高い金属材料、例えば銅（Ｃｕ）などの金属材
料であると、レーザ光が金属表面で反射しかつレーザ照
射によって発生した熱が周囲に拡散するため、金属溶融
に必要な熱量を十分に確保することが困難になる。ま
た、反射や拡散等による熱量不足を補うためにレーザ光
の出力を過度に上げると、実際にレーザ光が照射された
部分に孔明きなどの欠陥症状が現れてしまう。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ溶接
方法では、金属材料からなる２つの被溶接物を互いの接
合面を密着させた状態で重ね合わせ、その重ね合わせ部
分にレーザ光を照射して２つの被溶接物を溶接するに際
し、レーザ光が照射される側の被溶接物のレーザ照射面
に熱吸収被膜を形成するとともに、２つの被溶接物の少
なくともいずれか一方の接合面に低融点金属被膜を形成
した状態で、２つの被溶接物の重ね合わせ部分にレーザ
光を照射するようにしている。

【０００５】このレーザ溶接方法においては、レーザ光
が照射される被溶接物のレーザ照射面に熱吸収被膜が存
在することにより、被溶接物でのレーザ光の反射とレー
ザ照射による熱拡散が抑制され、そこにレーザ照射によ
る熱が蓄積される。また、２つの被溶接物の少なくとも
いずれか一方の接合面に低融点金属被膜が存在すること
により、上述のごとく蓄積された熱で低融点金属が溶融
し、被溶接物の母材（金属材料）となじむ。これによ
り、２つの被溶接物の接合面に集中的に熱が加えられる
ようになるため、被溶接物を構成する金属材料が高熱伝
導金属であっても、これをレーザ溶接によって適切に接
合することが可能となる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係るレーザ溶接方
法を実施する際に用いられるレーザ溶接装置の構成例を
示す概念図である。図１において、レーザ発振器（ＹＡ
Ｇレーザ）１から出射されたレーザ光ＬＢは、入射レン
ズ２により光ファイバ３に集光される。また、光ファイ
バ３から出たレーザ光ＬＢは、出射レンズ４により被溶
接物５，６に集光される。これにより、レーザ発振器１
から出されたレーザ光ＬＢが、入射レンズ２，光ファイ
バ３，出射レンズ４等の光学系を経て被溶接物５，６の
重ね合わせ部（被接合部）に照射されることになる。な
お、ここではＹＡＧレーザによるレーザ溶接装置を例示
しているが、本発明の実施にあたってはガスレーザ（Ｃ
Ｏ₂ レーザ）によるレーザ溶接装置を用いることも可能
である。

【０００７】図２は本発明に係るレーザ溶接方法の一実
施形態を説明するもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）
はその側断面図である。図２においては、２つの被溶接
物５，６が互いに重なり合い、かつその重ね合わせ部分
７で互いの接合面（被溶接物５の下面５Ｂと被溶接物６
の上面５Ａ）が密着する状態に配置されている。これら
２つの被溶接物５，６は、いずれも熱伝導率の高い金属
材料、例えば銅によって板状に形成されている。ここ
で、上記２つの被溶接物５，６は、例えばノート型のパ
ーソナルコンピュータ等に使用される大電流インダクタ
の端子とワイヤの組み合わせからなるものである。

【０００８】上記２つの被溶接物５，６の重ね合わせ部
分７にレーザ光を照射して溶接するに際し、本実施形態
においては、レーザ光が照射される側（図２（ｂ）の上
側）の被溶接物５のレーザ照射面（上面）５Ａに、例え
ばエポキシ被膜からなる熱吸収被膜８を形成（コーティ
ング）するようにしている。また、レーザ光が照射され
る側と反対側（図２（ｂ）の下側）の被溶接物６の接合
面（上面）６Ａには、例えばはんだ被膜からなる低融点
金属被膜９を形成するようにしている。

【０００９】エポキシ被膜からなる熱吸収被膜９の形成
手法としては、塗布方式や浸漬（ディップ）方式を採用
することができる。また、はんだ被膜からなる低融点金
属被膜９の形成手法としては、はんだディップ方式やは
んだメッキ方式を採用することができる。なお、図２
（ａ）において、矢印Ｐが指している位置（×印の交差
位置）は、２つの被溶接物５，６の重ね合わせ部分７に
対するレーザ光ＬＢの照射点を示している。

【００１０】このように被溶接物５のレーザ照射面５Ａ
に熱吸収被膜８を形成するとともに、被溶接物６の接合
面６Ａに低融点金属被膜９を形成し、この状態で２つの
被溶接物５，６の重ね合わせ部分７にレーザ光ＬＢを照
射することにより、次のような作用効果が得られる。

【００１１】即ち、２つの被溶接物５，６の重ね合わせ
部分７にレーザ光ＬＢを照射した際に、そのレーザ光Ｌ
Ｂが照射されるレーザ照射面５Ａに熱吸収被膜８が存在
することにより、被溶接物５でのレーザ光ＬＢの反射と
レーザ照射による熱拡散が抑制される。これにより、被
溶接物５での熱集中が促進されるため、そこに多量の熱
が蓄積（蓄熱）されることになる。

【００１２】また、被溶接物６の接合面６Ａに低融点金
属被膜９が存在することにより、上述のごとく蓄積され
た熱で母材（銅）よりも先に低融点金属（本例でははん
だ）が溶融し、被溶接物５，６相互になじむ。これによ
り、被溶接物５，６の接合面５Ｂ，６Ａに、レーザ照射
による熱が集中的に加えられて熱効率が高まるため、被
溶接物５，６も相互に溶融して低融点金属（主にはんだ
の主成分となる錫）と合金化（融合）する。その結果、
レーザ光ＬＢの出力を過度に上げなくても、高熱伝導金
属からなる２つの被溶接物５，６をレーザ溶接によって
適切に接合することが可能となる。

【００１３】図３は本発明に係るレーザ溶接方法の他の
実施形態を説明する図である。図３（ａ）においては、
レーザ光ＬＢが照射される側の被溶接物５のレーザ照射
面（上面）５Ａに熱吸収被膜８を形成する一方、その反
対側の接合面（裏面）５Ｂに低融点金属被膜９を形成
し、この状態で２つの被溶接物５，６の重ね合わせ部分
７にレーザ光ＬＢを照射するようにしている。

【００１４】また、図３（ｂ）においては、レーザ光Ｌ
Ｂが照射される側の被溶接物５のレーザ照射面（上面）
５Ａとその裏側の接合面（下面）５Ｂにそれぞれ熱吸収
被膜８を形成する一方、他の被溶接物６の接合面（上
面）６Ａに低融点金属被膜９を形成し、この状態で２つ
の被溶接物５，６の重ね合わせ部分７にレーザ光ＬＢを
照射するようにしている。

【００１５】一方、図３（ｄ）においては、レーザ光Ｌ
Ｂが照射される側の被溶接物５のレーザ照射面（上面）
５Ａに熱吸収被膜８を形成する一方、他の被溶接物６の
接合面（上面）６Ａとその裏面（下面）６Ｂにそれぞれ
低融点金属被膜９を形成し、この状態で２つの被溶接物
５，６の重ね合わせ部分７にレーザ光ＬＢを照射するよ
うにしている。

【００１６】また、図３（ｅ）においては、レーザ光Ｌ
Ｂが照射される側の被溶接物５のレーザ照射面（上面）
５Ａとその裏側の接合面（下面）５Ｂにそれぞれ熱吸収
被膜８を形成する一方、他の被溶接物６の接合面（上
面）６Ａとその裏面（下面）６Ｂにそれぞれ低融点金属
被膜９を形成し、この状態で２つの被溶接物５，６の重
ね合わせ部分７にレーザ光ＬＢを照射するようにしてい
る。

【００１７】上記図３（ａ）〜（ｄ）に示す他の実施形
態においても、先の実施形態（図２参照）と同様の作用
効果を得ることができる。さらに、図３（ａ）におい
て、被溶接物６の接合面６Ａ又は被溶接物６の両面６
Ａ，６Ｂに低融点金属被膜９を形成（付加）した状態
で、２つの被溶接物５，６の重ね合わせ部分７にレーザ
光ＬＢを照射するようにしても同様の作用効果が得られ
る。つまり、レーザ光ＬＢが照射される側の被溶接物５
のレーザ照射面５Ａに熱吸収被膜８を形成するととも
に、２つの被溶接物５，６の少なくともいずれか一方の
接合面５Ｂ，６Ａに低融点金属被膜９を形成した状態
で、２つの被溶接物５，６の重ね合わせ部分７にレーザ
光ＬＢを照射することにより、同様の作用効果が得られ
る。

【００１８】ここで、本発明者による実験結果では、上
記実施形態の採用により、２つの被溶接物５，６の重ね
合わせ部分（被接合部）７で孔明き等の欠陥症状を引き
起こすことなく、実用上十分に高い接合強度（引っ張り
強度）をもって２つの被溶接物５，６が溶接されること
が確認されている。また、レーザ溶接後の接合破断面を
成分分析した結果でも、低融点金属被膜９が剥離するこ
となく、被溶接物５，６の双方にそれぞれ融合し、レー
ザ溶接が適切になされていることが確認されている。

【００１９】参考までに、上記の実験では、被溶接物５
に厚さ０．１３ｍｍの銅材、被溶接物６に厚さ０．２ｍ
ｍの銅材を用いた。また、被溶接物５のレーザ照射面
（上面）５Ａに液体エポキシ樹脂を塗布して熱吸収被膜
８を形成するとともに、被溶接物６の接合面（上面）６
Ａに重量比でＳｎ９０％，Ｐｂ１０％組成のはんだメッ
キ被膜（無光沢）を６〜１０μｍ厚で形成した。一方、
レーザ溶接の条件としては、ＹＡＧレーザの発振波長を
１．０６４μｍ、レーザパルス幅を２０ｍｓで固定、レ
ーザビーム径を０．５ｍｍ、焦点位置をジャストフォー
カス（被溶接物に対してレーザスポット径を最小）、被
溶接物を治具にて密着固定、焦点距離を１００ｍｍ、焦
点角度をレーザ照射面に対して垂直、ファイバのコア径
をφ０．６ｍｍとした。

【００２０】なお、上記実施形態においては、２つの被
溶接物５，６の材料として銅を例示したが、本発明に係
るレーザ溶接方法は、銅以外の金属材料容、例えば金
（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、タング
ステン（Ｗ）等の金属材料からなる２つの被溶接物をレ
ーザ溶接する場合にも同様に適用可能である。

【００２１】また、熱吸収被膜８としては、照射された
レーザ光の反射と熱拡散を抑制し得るものであればよ
く、よってエポキシ被膜以外にも、例えば被溶接物５の
表面を酸化処理して得られる金属酸化被膜であってもよ
い。さらに、低融点金属被膜９の被膜材料としては、溶
接母材である銅よりも融点が低く、さらには融点が３５
０℃以下の低融点金属材料を用いるのが望ましく、また
熱伝導率が低くて母材（銅）となじみ易く、しかも化合
物化する金属材料がより望ましい。具体的には、はんだ
被膜以外に、例えばはんだの主成分となる錫（Ｓｎ）を
メッキにて被膜形成したものを用いることができる。

【００２２】さらに本発明に係るレーザ溶接方法は、電
池の製造方法において、例えば非水電解液系の二次電池
（リチウムイオン二次電池）の組み立て過程でアルミニ
ウム製の電極リードを溶接する場合に応用可能である。
また本発明は、陰極線管用の電子銃の製造方法におい
て、例えば陰極構体の構成部品となる２つの金属筒にス
トラップ状の金属支持片を溶接する場合にも応用可能で
ある。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、レ
ーザ光が照射される側の被溶接物のレーザ照射面に熱吸
収被膜を形成するとともに、２つの被溶接物の少なくと
もいずれか一方の接合面に低融点金属被膜を形成した状
態で、２つの被溶接物の重ね合わせ部分にレーザ光を照
射することにより、被溶接物を構成する金属材料が高熱
伝導金属であっても適切に接合（レーザ溶接）すること
ができる。これにより、レーザ溶接の適用範囲を大幅に
拡大することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施に用いられるレーザ溶接装置の構
成例を示す概念図である。

【図２】本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態を説
明する図である。

【図３】本発明に係るレーザ溶接方法の他の実施形態を
説明する図である。

【符号の説明】

５，６…被溶接物、５Ａ…レーザ照射面、５Ｂ，６Ａ…
接合面、７…重ね合わせ部分、８…熱吸収被膜、９…低
融点金属被膜、ＬＢ…レーザ光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属材料からなる２つの被溶接物を互い
   の接合面を密着させた状態で重ね合わせ、その重ね合わ
   せ部分にレーザ光を照射して前記２つの被溶接物を溶接
   するに際し、 前記レーザ光が照射される側の前記被溶接物のレーザ照
   射面に熱吸収被膜を形成するとともに、前記２つの被溶
   接物の少なくともいずれか一方の接合面に低融点金属被
   膜を形成した状態で、前記２つの被溶接物の重ね合わせ
   部分にレーザ光を照射することを特徴とするレーザ溶接
   方法。