JP2004058140A

JP2004058140A - レーザスポット溶接方法及びレーザスポット溶接装置

Info

Publication number: JP2004058140A
Application number: JP2002223866A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Kawahito; 川人　洋介; Toshiharu Okada; 岡田　俊治
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-07-31
Also published as: JP4098024B2

Abstract

【課題】高反射率材料は照射したレーザ光のほとんどが反射されるので効率が悪い。また、高い熱伝導率を有するために溶融が開始すると一気に加工が進行するので、加工品質が安定化できなかった。
【解決手段】レーザ発振形態が異なる第１及び第２のレーザ光を被加工物の加工点で前記両レーザ光のスポットが空間的に一致するように照射するレーザスポット溶接方法であって、第１のレーザ光６照射中に、第１のレーザ光６よりもエネルギー密度が高く照射時間が短いパルス状の第２のレーザ光４を加工点に照射し、次いで、第１のレーザ光６を単独で加工点に照射する。これにより、被加工物３に穴を形成し、穴内で第１のレーザ光６を多重散乱させて被加工物３を溶融せしめる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する利用分野】
本発明は難加工材料に好適に適用できるレーザスポット溶接方法及びレーザスポット溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高反射率材料である純銅や純アルミのレーザ接合技術は、近い将来に非常に重要な技術のひとつになると考えられる。純銅と純銅の接合の応用分野として電子部品間の半田に代わる半田フリー技術として期待できる。これはリサイクルの観点からも、半田を取り除く工程が不要になるので、コスト・環境に対しても有利な技術といえる。一方、アルミの接合も、リサイクルおよび軽量化の観点から、様々な分野に利用さている。具体的には、従来から自動車のシャーシや車載部品への応用が進められており、近年、電子機器分野（代表例として、携帯電話の電池の外装材等）へも応用が開始されている。
【０００３】
一般にレーザ溶接に用いられるレーザは、炭酸ガスレーザ（波長：１０．６μｍ）や基本波ＹＡＧレーザ（波長：１．０６４μｍ）で、これらの波長はいずれも近赤外線領域にある。純銅、純アルミ等の高反射率材料に対するこれらの波長帯の光の反射率は９９％以上であり、これらのレーザ光はほとんど吸収されない。換言すれば、炭素鋼、ニッケル等のレーザ溶接が一般的に適用される材料に比べて高反射率材料のレーザ光の吸収率は一桁以上も低い。さらにこれら高反射率材料の熱伝導率は、炭素鋼、ステンレス鋼等のレーザ溶接が一般的に適用される材料の熱伝導率の２倍以上も高い。このことは、高反射率材料では加工部に高い加工エネルギーを投入し、溶融させることが難しいことを示している。
【０００４】
加工エネルギーを投入し、溶融させることが困難であるという課題に対しては、レーザ発振形態の異なる２種類のレーザ光を加工点に同時に照射し、第１のレーザ光よりもエネルギー密度が高く、照射時間が短い第２のレーザ光で穴加工を行うと同時に、第１のレーザ光をこの穴内で多重散乱させることにより穴内に閉じ込めることで、レーザ加工効率を向上させるレーザ溶接方法が用いられている。この溶接方法によれば、投入できるエネルギー量を改善することが可能である。
【０００５】
しかし、一旦これらの材料が加熱され溶融が開始すると、吸収率が増加するため、一気に加工が進んでしまうという別の考慮すべき面も存在する。これらの理由から、純銅、純アルミに対するレーザ加工では、非常に安定した加工品質を維持するのが難しい。特に、マイクロ領域（約φ２ｍｍ以下）の溶接加工では、これらの課題が顕著化してしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
純銅、純アルミ等の高反射率材料のレーザ溶接方法における課題として２点挙げられる。
【０００７】
１つ目の課題は、レーザ光の波長に対して高反射率の材料（難加工材料）に対して、発振形態の異なる２種類のレーザ光を加工点で空間的、時間的に一致するように照射するレーザ溶接方法では、投入するエネルギー量が大きいという点である。例えば純銅に溶融深さ２百μｍ程度の溶融部を形成するためには数Ｊ程度のエネルギーを投入する必要がある。これに対して、炭素鋼、ステンレス等に深さ２百μｍの溶融部を形成するために必要な投入エネルギーは数十ｍＪ〜数百ｍＪである。このように、高反射率材料に対するレーザ溶接方法は、投入エネルギーに対する加工効率が悪い。このような加工性悪さを改善するには、単純にレーザ光照射時間を大きくしたり、エネルギー密度を上げたりするだけでは十分でない。その理由としては、次のような問題があるからである。レーザ光照射時間を増加させた場合、加工部周辺への熱影響や加工領域の酸化が生じる。また、エネルギー密度を上げた場合、僅かな加工表面状態の違いによって加工点での溶融の開始時間が変化すると、加工ばらつきが大きくなり、加工品質を一定に保つことが難しい。さらに、投入エネルギーが大きすぎると、溶融材料が吹き飛んでしまい、加工後に穴が埋まらず接合されない加工不良であるアンダーフィルドスポットウェルドの発生確率が増大するので、やみくもにエネルギー密度を増大させることはできない。
【０００８】
２つ目の課題は、純銅や純アルミ等の高反射率材料は、溶融させるには高いピークパワーが必要であるが、一旦溶融すると反射率が急激に低下し吸収率が増加するため、高いピークパワーのままであると一気に加工が進んでしまうという点である。この課題に対しては、上述した異なる２種類のレーザを用いた従来の加工方法では解決できず、加工品質を一定に保つことが難しく、新たな工夫が必要である。
【０００９】
以上のように、高反射率材料に対してマイクロスポットレーザ溶接を実施するには、投入エネルギーに対する加工効率の向上と、レーザのピークパワーが高い状態で溶融のための吸収率が増加することに起因する課題とを解決する必要がある。特にマイクロ領域の加工ではこれらの課題が顕在化し、加工を不安定にさせる大きな要因となっている。
【００１０】
本発明は、上記の従来の課題を解決し、投入エネルギーに対する加工効率が向上し、レーザのピークパワーが高い状態で溶融のための吸収率が増加することに起因する加工品質の不安定が解消できるレーザスポット溶接方法及び溶接装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために以下のように構成される。
【００１２】
本発明のレーザスポット溶接方法は、第１及び第２のレーザ光のスポットを被加工物の加工点に一致させるレーザスポット溶接方法であって、前記第１のレーザ光を照射中に、前記第１のレーザ光よりもエネルギー密度が高く照射時間が短いパルス状の第２のレーザ光を前記加工点に照射し、次いで、前記第１のレーザ光を単独で前記加工点に照射することにより、前記被加工物に穴を形成し、前記穴内で前記第１のレーザ光を多重散乱させて前記被加工物材料を溶融せしめることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第１のレーザスポット溶接装置は、第１及び第２のレーザ光のスポットを被加工物の加工点で一致するように照射する加工装置と、前記加工点からの反射光を計測する反射光計測装置と、前記反射光計測装置の出力信号に基づいて前記第１のレーザ光のエネルギー密度を制御するレーザ制御装置とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第２のレーザスポット溶接装置は、第１及び第２のレーザ光のスポットを被加工物の加工点で一致するように照射する加工装置と、前記加工点からの近赤外光を計測する赤外光計測装置と、前記赤外光計測装置の出力信号に基づいて前記第１のレーザ光のエネルギー密度を制御するレーザ制御装置とを備えることを特徴とする。
【００１５】
ここで、レーザ光のエネルギー密度ｄＥ（単位：Ｗ／ｍ^２）とは、レーザ光の投入エネルギーをＥ（単位：Ｊ）、照射時間をＴ（単位：ｓ）、照射面積をＳ（単位：ｍ^２）としたとき、ｄＥ＝（Ｅ／Ｔ）／Ｓで表される。ここで、Ｅ／Ｔはレーザピークパワーと呼ばれる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のレーザスポット溶接方法では、第１のレーザ光と、これよりもエネルギー密度が高く照射時間が短いパルス状の第２のレーザ光とを同時に加工点に照射し、被加工物に穴を形成し、穴内で第１のレーザ光を多重散乱させる。これにより、高反射率材料に対する加工効率の向上を図る。一方、高反射率材料料に関するレーザのピークパワーが高い状態で溶融のための吸収率が増加することに起因する問題に関しては、第２のレーザ光を照射した後、第１のレーザ光を単独で照射することで解決を図る。
【００１７】
本発明者らは、高反射率材料の溶接加工における上述した問題は、溶接プロセスのどの段階でエネルギーをどの程度投入するかに強く起因していると考えた。つまり、溶融部が形成される前又は形成途中にどれだけのエネルギーを投入するか、また、溶融部が形成された後にどれだけのエネルギーを投入するかに起因していると考えた。溶融部の形成前及び形成途中の段階では、反射率が低いため、第１のレーザ光に加えてエネルギー密度が高い第２のレーザ光を照射する。しかしながら、溶融部が形成されると、反射率および熱伝導率が急激に減少するため加工性が向上する。その時点で第１及び第２のレーザ光を照射し続けると、投入エネルギーが過剰となるので、アンダーフィルドスポットウェルドのように溶融材料が吹き飛んでしまう欠陥が発生する。従って、溶融部が形成された後は、第１のレーザ光を単独で照射することにより、投入エネルギーを減少させ、加工の進行を抑える。これにより、高反射率材料の溶接加工においても、深い溶け込みが得られ、アンダーフィルドスポットウェルドのような加工不良の発生を防止して、加工品質を安定させることが可能になる。
【００１８】
本発明のレーザスポット溶接方法において、前記パルス状の第２のレーザ光の照射期間内に投入される前記第１のレーザ光によるエネルギー量より、前記第２のレーザ光の照射期間終了後に投入される前記第１のレーザ光によるエネルギー量が大きいことが好ましい。上述した通り、溶融後は、高反射率材料の反射率は急激に低下するので、被加工物内に蓄熱するのが容易になる。従って、溶融部の形成途中にエネルギーを投入するよりも、溶融部形成後にエネルギーを投入する方が、投入エネルギーに対する加工効率は向上する。よって、かかる好ましい構成により、少ない投入エネルギーで効率よく高反射率材料の溶接加工を行うことができる。
【００１９】
また、本発明のレーザスポット溶接方法において、前記第２のレーザ光の照射期間終了後に前記第１のレーザ光を単独で照射中に、前記被加工物材料が溶融した時に、前記第１のレーザ光のエネルギー密度を最大とすることが好ましい。これにより、投入エネルギーに対する加工効率はより一層向上する。
【００２０】
また、本発明のレーザスポット溶接方法において、前記加工点からの反射光を計測し、反射光の強度変化に基づいて前記被加工物材料が溶融したことを検知し、前記第１のレーザ光のエネルギー密度と照射時間とを制御することが好ましい。一般に、加工点からの反射光強度は、加工開始後キーホールが形成（即ち、溶融部が形成）されるまでの間は逓減し、その後、逓増する傾向がある。従って、反射光の変化から被加工物材料が溶融したことを検知し、第１のレーザ光のエネルギー密度と照射時間とを制御することにより、投入エネルギーに対する加工効率を向上させることができる。
【００２１】
また、本発明のレーザスポット溶接方法において、前記第１のレーザ光を単独で照射中に前記加工点からの近赤外線を計測し、前記近赤外線の変化に基づいて前記第１のレーザ光の照射を停止することが好ましい。本発明者らは加工表面の酸化の進行と加工点からの近赤外線の強度との間には関連性があることを見いだした。従って、かかる好ましい構成により、加工部の酸化を抑制することができる。
【００２２】
次に、本発明の第１のレーザスポット溶接装置では、加工点からの反射光を計測する反射光計測装置の出力信号に基づいてレーザ制御装置が第１のレーザ光のエネルギー密度を制御する。これにより、投入エネルギーに対する加工効率を向上させることができる。
【００２３】
また、本発明の第２のレーザスポット溶接装置では、加工点からの近赤外光を計測する赤外光計測装置の出力信号に基づいてレーザ制御装置が第１のレーザ光のエネルギー密度を制御する。これにより、加工部の酸化を抑制することができる。
【００２４】
以下、本発明を実施の形態を用いて説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザスポット溶接装置１の概略構成図である。図１中、２は被加工物（例えば純銅）３の板を載置し、その位置を制御するＸＹＺステージである。５は波長５３２ｎｍのレーザ光（第２のレーザ光）４を発生するＡＯＱスイッチ第２高調波ＹＡＧレーザ発振器、７は波長１０６４ｎｍのレーザ光（第１のレーザ光）６を発生する基本波ＹＡＧパルスレーザ発振器である。８は、波長５３２ｎｍのレーザ光４を反射し、波長１０６４ｎｍのレーザ光６を透過させる誘電体コートが施されたミラー、９は、波長５３２ｎｍのレーザ光４と波長１０６４ｎｍのレーザ光６とを９５％反射し、これら以外の波長の光を透過させる誘電体コートが施されたミラーである。１０は集光レンズ、１２は正反射光１１のうち波長１０６４ｎｍの光を計測するフォトセンサ、１３はレーザ発振器７を制御する制御装置である。
【００２６】
［実施例１］
図１の装置を用いて３０ｍｍ×４０ｍｍ×１００μｍ厚の純銅からなる被加工物３に溶融部を形成した。
【００２７】
レーザ発振器５から出射した波長５３２ｎｍの第２高調波ＹＡＧレーザ光４とレーザ発振器７から出射した波長１０６４ｎｍの基本波ＹＡＧレーザ光６とをミラー８に入射させ、レーザ光４を反射させ、レーザ光６を透過させて、２つのレーザ光４，６の光軸を揃えた。レーザ光４，６をミラー９で反射させ、集光レンズ１０で集光して、純銅３の加工点で各レーザ光のスポットを空間的に一致するように照射した。レーザ光４のスポット径は３０μｍ、レーザ光６のスポット径は１５０μｍとした。
【００２８】
図２（Ａ），図２（Ｂ）は、それぞれレーザ光６及びレーザ光４の波形図である。図２（Ａ），図２（Ｂ）の横軸は時間、縦軸はエネルギー密度をそれぞれ示す。図２（Ａ），図２（Ｂ）に示すように時刻ｔ０〜時刻ｔ１０の間の１０ｍｓ間に基本波ＹＡＧレーザ光６を投入エネルギー７．５Ｊで照射した。レーザ光６のエネルギー密度は４．２４×１０^７（ｋＷ／ｍ^２）で一定とした。基本波ＹＡＧレーザ光６の照射開始と同時に、エネルギー密度１．４５×１０^１０（ｋＷ／ｍ^２）の第２高調波ＹＡＧレーザ光４をパルス幅７８ｎｓで１ｋＨｚ繰り返しで４回、投入エネルギー０．８ｍＪで照射した。
【００２９】
レーザ光４を照射することにより純銅３の表面に直径３０μｍ程度の穴が形成され、レーザ光４の照射後、レーザ光６が該穴内で多重散乱して溶融部が形成された。得られた溶融部径は１７７μｍであり、アンダーフィルドスポットウェルドのような加工不良が発生することなく、深い溶け込みが得られた。
【００３０】
比較例として、基本波ＹＡＧレーザ光６の照射条件を投入エネルギー７．５Ｊで４ｍｓとする以外は上記と同様にした。その結果、溶融部径は８０μｍ程度であった。従って、本実施例１により、効率よく良好な溶け込み形状を得ることができた。
【００３１】
［実施例２］
本実施例２が実施例１と相違するのは、波長１０６４ｎｍの基本波ＹＡＧレーザ光６の照射条件を以下のように変更した点のみである。
【００３２】
図３（Ａ），図３（Ｂ）は、それぞれレーザ光６及びレーザ光４の波形図である。図３（Ａ），図３（Ｂ）の横軸は時間、縦軸はエネルギー密度をそれぞれ示す。図３（Ａ），図３（Ｂ）に示すように時刻ｔ０〜時刻ｔ１０の間の１０ｍｓ間に基本波ＹＡＧレーザ光６を投入エネルギー７．５Ｊで照射した。基本波ＹＡＧレーザ光６の照射開始と同時に、エネルギー密度１．４５×１０^１０（ｋＷ／ｍ^２）の第２高調波ＹＡＧレーザ光４をパルス幅７８ｎｓで１ｋＨｚ繰り返しで４回、投入エネルギー０．８ｍＪで照射した。レーザ光６は、レーザ光４が照射される時刻ｔ０〜時刻ｔ２の期間（３ｍｓ）内に全投入エネルギー７．５Ｊのうちの１．７割に相当する１．３Ｊを、レーザ光４の照射期間終了後の時刻ｔ２〜時刻ｔ１０の期間（７ｍｓ）内に残りの８．１割に相当する６．１Ｊを投入した。レーザ光６のエネルギー密度は、時刻ｔ０〜時刻ｔ２の間は２．５０×１０^７（ｋＷ／ｍ^２）で一定とし、時刻ｔ２〜時刻ｔ１０の間は４．９９×１０^７（ｋＷ／ｍ^２）で一定とした。
【００３３】
レーザ光４を照射することにより純銅３の表面に直径３０μｍ程度の穴が形成され、レーザ光４の照射後、レーザ光６が該穴内で多重散乱して溶融部が形成された。得られた溶融部径は２８１μｍであり、実施例１より効率よく溶融部を形成することができた。また、溶融部は厚さ１００μｍの純銅３の裏面（レーザ光の入射側とは反対側の面）まで達し、裏面での溶融部径は１８６μｍであった。また、実施例１と同様にアンダーフィルドスポットウェルドのような加工不良が発生することなく、深い溶け込みが得られた。
【００３４】
［実施例３］
本実施例３が実施例１と相違するのは、純銅３の加工点からの正反射光を測定し、正反射光の強度変化に基づいて純銅３が溶融したことを検知し、基本波ＹＡＧレーザ光６のエネルギー密度と照射時間を制御した点、及び、波長１０６４ｎｍの基本波ＹＡＧレーザ光６の照射条件を以下のように変更した点のみである。
【００３５】
図１に示す装置を用い、純銅３の加工点での正反射光１１を集光レンズ１０を通過させ、更にその一部をミラー９を透過させてフォトセンサ１２に入射させた。フォトセンサ１２は、正反射光１１のうち波長１０６４ｎｍの光の強度に応じた信号を出力し、制御装置１３は、この信号強度に応じてレーザ発振器７を制御して、これから出射される波長１０６４ｎｍのレーザ光６のエネルギー密度と照射時間が調整されるように設定されている。
【００３６】
図４（Ａ），図４（Ｂ）は、それぞれレーザ光６及びレーザ光４の波形図である。図４（Ａ），図４（Ｂ）の横軸は時間、縦軸はエネルギー密度をそれぞれ示す。図４（Ａ），図４（Ｂ）に示すように時刻ｔ０〜時刻ｔ１０の間の１０ｍｓ間に基本波ＹＡＧレーザ光６を投入エネルギー７．５Ｊで照射した。基本波ＹＡＧレーザ光６の照射開始と同時に、エネルギー密度１．４５×１０^１０（ｋＷ／ｍ^２）の第２高調波ＹＡＧレーザ光４をパルス幅７８ｎｓで１ｋＨｚ繰り返しで４回、投入エネルギー０．８ｍＪで照射した。
【００３７】
図５にフォトセンサ１２で検出された波長１０６４ｎｍの反射光強度を示す。図５において、横軸は時間、縦軸は正反射光１１の強度である。正反射光１１の強度は、時刻ｔ０でレーザ光４，６の照射を開始した後徐々に減衰し、レーザ光４の照射が終了した後の時刻ｔ４〜時刻ｔ５の約２ｍｓ間一定の値になってから、時刻ｔ５で再び増加し始めた。この正反射光１１の変化をフォトセンサー１２で検知し、正反射光１１が増加し始めた時刻ｔ５（レーザ光の照射開始から７ｍｓ経過した時）に、レーザ光６のエネルギー密度を増加させた。即ち、図４（Ａ）に示すように、時刻ｔ５にレーザ光６のエネルギー密度を１３．１×１０^７（ｋＷ／ｍ^２）に上昇させ、時刻ｔ５から１ｍｓの間に、レーザ光６の全投入エネルギー７．５Ｊの３．１割に相当する２．３２Ｊを投入した。この期間以外のレーザ光６のエネルギー密度は３．２６×１０^７（ｋＷ／ｍ^２）で一定とした。
【００３８】
得られた溶融部径は、レーザ光の入射側の面で２７２μｍ、レーザ光の出射側の面で１８８μｍであった。実施例２に比べて、溶融部径の表裏の差が小さくなり（即ち、溶融部のテーパ角度が小さくなり）、溶融部形状が改善された。また、実施例１と同様にアンダーフィルドスポットウェルドのような加工不良が発生することなく、深い溶け込みが得られた。
【００３９】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２にかかるレーザスポット溶接装置１４の概略構成図である。図６中、２は被加工物（例えば純銅）３の板を載置し、その位置を制御するＸＹＺステージである。５は波長５３２ｎｍのレーザ光（第２のレーザ光）４を発生するＡＯＱスイッチ第２高調波ＹＡＧレーザ発振器、７は波長１０６４ｎｍのレーザ光（第１のレーザ光）６を発生する基本波ＹＡＧパルスレーザ発振器である。８は、波長５３２ｎｍのレーザ光４を反射し、波長１０６４ｎｍのレーザ光６を透過させる誘電体コートが施されたミラー、１５は、波長５３２ｎｍのレーザ光４と波長１０６４ｎｍのレーザ光６とを反射し、波長１．２５μｍ以上の近赤外光を透過させる誘電体コートが施されたミラーである。１０は集光レンズ、１７は加工点から出射し、集光レンズ１０及びミラー１５を透過した波長１．５５μｍの近赤外光１６を計測するＩｎＧａＡｓのフォトセンサ、１８はレーザ発振器７を制御する制御装置である。
【００４０】
［実施例４］
図６の装置を用いて３０ｍｍ×４０ｍｍ×２００μｍ厚の純銅からなる被加工物３に溶融部を形成した。
【００４１】
レーザ発振器５から出射した波長５３２ｎｍの第２高調波ＹＡＧレーザ光４とレーザ発振器７から出射した波長１０６４ｎｍの基本波ＹＡＧレーザ光６とをミラー８に入射させ、レーザ光４を反射させ、レーザ光６を透過させて、２つのレーザ光４，６の光軸を揃えた。レーザ光４，６をミラー１５で反射させ、集光レンズ１０で集光して、純銅３の加工点で各レーザ光のスポットを空間的に一致するように照射した。レーザ光４のスポット径は３０μｍ、レーザ光６のスポット径は１５０μｍとした。
【００４２】
図７（Ａ），図７（Ｂ）は、それぞれレーザ光６及びレーザ光４の波形図である。図７（Ａ），図７（Ｂ）の横軸は時間、縦軸はエネルギー密度をそれぞれ示す。図７（Ａ），図７（Ｂ）に示すように時刻ｔ０〜時刻ｔ１０の間の２０ｍｓ間に基本波ＹＡＧレーザ光６を投入エネルギー２０Ｊで照射した。レーザ光６のエネルギー密度は５．６６×１０^７（ｋＷ／ｍ^２）で一定とした。基本波ＹＡＧレーザ光６の照射開始と同時に、エネルギー密度１．４５×１０^１０（ｋＷ／ｍ^２）の第２高調波ＹＡＧレーザ光４をパルス幅７８ｎｓで１ｋＨｚ繰り返しで７回、投入エネルギー０．８ｍＪで照射した。加工点から出射した波長１．５５μｍの近赤外光１６を集光レンズ１０、ミラー１５を順に透過させてフォトセンサ１７に入射させた。
【００４３】
フォトセンサ１７により計測された近赤外光１６の強度を図８に示す。図８において、横軸は時間、縦軸は近赤外光１６の正規化された強度である。図８に示すように、近赤外光１６はレーザ光４，６の照射を開始した時刻ｔ０から１２ｍｓ経過した時刻ｔ６まで増加し、その後、約２ｍｓの間減少し、時刻ｔ７から再び増加に転じた。
【００４４】
図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）、図９（Ｄ）は、レーザ光６の照射時間を順に１０ｍｓ、１２ｍｓ、１４ｍｓ、２０ｍｓとした以外は図７（Ａ），図７（Ｂ）と同じ条件でレーザ光４，６を照射したときの純銅３のレーザ光照射側の面の加工部を写した写真である。これらから、図９（Ｃ）の１４ｍｓ程度で加工を終了したとき、加工形状、表面の溶融状態、および加工部周辺部の酸化状態が良好であることが分かる。レーザ光の照射開始から１４ｍｓは、図８より近赤外光１６の強度が減少傾向から再び増加に転じる時刻ｔ７に相当する。
【００４５】
そこで、次に、上記と同様の条件でレーザ光４，６を照射しながら、フォトセンサ１７で近赤外光１６を計測し、制御装置１８を用いて近赤外光１６の強度が減少傾向から再び増加に転じる時刻ｔ７を検出し、レーザ発振器７を停止するように制御したところ（レーザ光６の投入エネルギーは１４Ｊ）、形状、溶融状態、および酸化状態が良好な加工部を得ることができた。
【００４６】
上記の実施例１〜４では、単層の純銅にレーザ光を照射して溶融部を形成する例を示した。実際の溶接加工では金属板が２枚以上積層される。この場合も上記の実施例で得られたのと定性的に同じ結果が得られることを確認した。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明により、高反射率材料の溶接加工においても、深い溶け込みが得られ、アンダーフィルドスポットウェルドのような加工不良の発生を防止して、加工品質を安定させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるレーザスポット溶接装置の概略構成を示した図
【図２】図２（Ａ），図２（Ｂ）は、それぞれ本発明の実施例１における基本波ＹＡＧレーザ光及び第２高調波ＹＡＧレーザ光の波形図
【図３】図３（Ａ），図３（Ｂ）は、それぞれ本発明の実施例２における基本波ＹＡＧレーザ光及び第２高調波ＹＡＧレーザ光の波形図
【図４】図４（Ａ），図４（Ｂ）は、それぞれ本発明の実施例３における基本波ＹＡＧレーザ光及び第２高調波ＹＡＧレーザ光の波形図
【図５】本発明の実施例３において、加工部からの波長１０６４ｎｍの反射強度の変化を示した図
【図６】本発明の実施の形態２にかかるレーザスポット溶接装置の概略構成を示した図
【図７】図７（Ａ），図７（Ｂ）は、それぞれ本発明の実施例４における基本波ＹＡＧレーザ光及び第２高調波ＹＡＧレーザ光の波形図
【図８】本発明の実施例４において、加工部からの近赤外光の強度の変化を示した図
【図９】図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）、図９（Ｄ）は、本発明の実施例３において、基本波レーザ光の照射時間を１０ｍｓ、１２ｍｓ、１４ｍｓ、２０ｍｓとしたときの純銅のレーザ光照射側の面の加工部を写した写真
【符号の説明】
１　レーザスポット溶接装置
２　ＸＹＺステージ
３　被加工物
４　高調波ＹＡＧレーザ光（第２のレーザ光）
５　ＡＯＱスイッチ第２高調波ＹＡＧレーザ発振器
６　基本波ＹＡＧレーザ光（第１のレーザ光）
７　基本波ＹＡＧパルスレーザ発振器
８　ミラー
９　ミラー
１０　集光レンズ
１１　正反射光
１２　フォトセンサ
１３　レーザ制御装置
１４　レーザスポット溶接装置
１５　ミラー
１６　近赤外光
１７　フォトセンサ
１８　レーザ制御装置

Claims

第１及び第２のレーザ光のスポットを被加工物の加工点に一致させるレーザスポット溶接方法であって、
前記第１のレーザ光を照射中に、前記第１のレーザ光よりもエネルギー密度が高く照射時間が短いパルス状の第２のレーザ光を前記加工点に照射し、次いで、前記第１のレーザ光を単独で前記加工点に照射することにより、
前記被加工物に穴を形成し、前記穴内で前記第１のレーザ光を多重散乱させて前記被加工物材料を溶融せしめることを特徴とするレーザスポット溶接方法。
前記第２のレーザ光の照射期間内に投入される前記第１のレーザ光によるエネルギー量より、前記第２のレーザ光の照射期間終了後に投入される前記第１のレーザ光によるエネルギー量が大きいことを特徴とする請求項１に記載のレーザスポット溶接方法。
前記第２のレーザ光の照射期間終了後で前記被加工物材料が溶融した時に、前記第１のレーザ光のエネルギー密度を最大とすることを特徴とする請求項１に記載のレーザスポット溶接方法。
前記加工点からの反射光を計測し、反射光の強度変化に基づいて前記被加工物材料が溶融したことを検知し、前記第１のレーザ光のエネルギー密度と照射時間とを制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザスポット溶接方法。
前記第１のレーザ光を単独で照射中に前記加工点からの近赤外線を計測し、前記近赤外線の変化に基づいて前記第１のレーザ光の照射を停止することを特徴とする請求項１に記載のレーザスポット溶接方法。
第１及び第２のレーザ光のスポットを被加工物の加工点で一致するように照射する加工装置と、
前記加工点からの反射光を計測する反射光計測装置と、
前記反射光計測装置の出力信号に基づいて前記第１のレーザ光のエネルギー密度を制御するレーザ制御装置とを備えることを特徴とするレーザスポット溶接装置。
第１及び第２のレーザ光のスポットを被加工物の加工点で一致するように照射する加工装置と、
前記加工点からの近赤外光を計測する赤外光計測装置と、
前記赤外光計測装置の出力信号に基づいて前記第１のレーザ光のエネルギー密度を制御するレーザ制御装置とを備えることを特徴とするレーザスポット溶接装置。