JP2004195829A - レーザ溶接方法及び被溶接部材 - Google Patents

レーザ溶接方法及び被溶接部材 Download PDF

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Abstract

【課題】レーザビームを透過しやすい材料で形成された部材同士であっても溶接することのできるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】第１の部材及び第２の部材を面接触させて配置する。第１及び第２の部材が相互に接触する面の一部に、レーザビームを集光して、第１及び第２の部材を接着する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームを照射して、複数の部材を溶接するレーザ溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７（Ａ）及び（Ｂ）は、従来のレーザ溶接方法を説明するための図である。
図７（Ａ）、（Ｂ）のいずれの場合においても、たとえば半導体レーザから出射された、波長８０８ｎｍ、加工面におけるパワー２５Ｗ（レーザ発振器出口では３５Ｗ）のレーザビーム３０が加工対象物に入射する。レーザビーム３０を照射することにより、加工対象物の溶接加工を行う。いずれの場合も、レーザビームは、加工対象物上の入射位置に、直径１０ｍｍ程度の円形のビームスポットを形成する。
【０００３】
図７（Ａ）を参照する。溶接を行おうとする加工対象物は、８０８ｎｍの波長のレーザビームを透過する樹脂材料、たとえばポリカーボネートで形成された透過部材３５、及び色素（吸収剤）を混入したポリカーボネートで形成された吸収部材３６である。吸収部材３６の上面に透過部材３５が重ねて配置されており、両者は、面接触している。レーザビーム３０が、透過部材３５の上面から入射する。レーザビーム３０は、透過部材３５を透過して、両部材の接触面（界面）に到達する。接触面において、吸収部材３６及び透過部材３５の一部が溶融して、両部材が溶接される。（たとえば、特許文献１参照。）図７（Ａ）には、溶融部分を斜線で示した。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−２２５１３９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図７（Ｂ）を参照する。溶接を行おうとする加工対象物は、ともに、８０８ｎｍの波長のレーザビームを透過する樹脂材料、たとえばポリカーボネートで形成された透過部材３１及び３２である。透過部材３２の上面に透過部材３１が重ねて配置されており、透過部材３１及び３２は、面接触している。レーザビーム３０が、透過部材３１の上面から入射する。レーザビーム３０は、透過部材３１及び３２を透過するため、両部材を溶接することは困難である。
【０００６】
したがって従来は、レーザビームを透過する材料で、ビーム入射側の部材を形成し、レーザビームを吸収する材料で他方の部材を形成することによって、２つの部材のレーザ溶接を行っていた。
【０００７】
本発明の目的は、レーザビームを透過しやすい材料で形成された部材同士であっても溶接することのできるレーザ溶接方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、第１の部材及び第２の部材を面接触させて配置する工程と、前記第１及び第２の部材が相互に接触する面の一部に、レーザビームを集光して、前記第１及び第２の部材を接着する工程とを有するレーザ溶接方法が提供される。
【０００９】
このレーザ溶接方法によると、溶接しようとする部材の内部にレーザビームを集光し、部材の一部を強いエネルギで溶融して接合するため、レーザビームを透過しやすい材料で形成されている部材同士を接合することができる。
【００１０】
また、本発明の他の観点によれば、第１の材料で形成された第１の部材、及び第２の材料で形成された第２の部材が相互に面接触させて配置する工程と、前記第１及び第２の部材が接触する面の一部に、前記第１及び第２の材料よりも第１の波長における吸収率が高い領域を形成する工程と、前記吸収率が高い領域を含む領域に、前記第１の波長のレーザビームを入射させる工程とを含むレーザ溶接方法が提供される。
【００１１】
このレーザ溶接方法によると、接合しようとする２つの部材の接触面に形成されたレーザ吸収率の高い領域を中心に部材を溶融させることで、２つの部材同士を接合することができる。
【００１２】
上述の溶接方法を採用することにより、下記のように、吸収係数の差の小さな２つの部材を溶接することができる。
【００１３】
更に、本発明の他の観点によれば、第１の材料で形成された第１の部材と、該第１の材料よりも吸収係数の小さい第２の材料で形成された第２の部材とが相互に面接触し、該第１及び第２の部材が、接触する面において溶接された被溶接部材であって、該第１及び第２の材料は、４００〜３０００ｎｍの波長域において、該第１及び第２の材料の吸収係数の差の絶対値が、該第１の材料の吸収係数の３０％以下である被溶接部材が提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施例によるレーザ溶接方法で用いられるレーザ溶接装置の概略図である。レーザ光源１、たとえば半導体レーザから、波長８０８ｎｍ、パワー３５Ｗのレーザビームが出射する。レーザビームは、コリメーションレンズ２に入射し、レーザビームの光軸に対して平行なビームとして出射される。必要に応じて配置される反射ミラー３で反射され、集光光学系４で、ステージ６上に載置された加工対象物５の内部に集光される。加工位置におけるレーザビームのパワーは２５Ｗである。
【００１５】
まず、図２〜図５を参照して、第１の実施例によるレーザ溶接方法について、説明する。
【００１６】
図２は、集光レンズ１１を用いた集光光学系４に、レーザビーム１０が入射する様子を示した図である。加工対象物５は、レーザ溶接を行う８０８ｎｍの波長のレーザビームを透過しやすい樹脂材料、たとえばポリカーボネートで形成された透過部材１２及び１３である。透過部材１２及び１３は、相互に面接触をするように配置されている。集光レンズ１１により集光されたレーザビーム１０は、透過部材１２を透過して、透過部材１２及び１３の接触面（界面）に集光される。集光されたレーザビームにより、透過部材１２及び１３の一部が、両者の接触面の近傍において、スポット状に溶融する。図２には、溶融されたスポット状の領域を、斜線で示した。スポット状の溶融部分により、透過部材１２及び１３が、溶接される。従来のレーザ溶接方法では、透過部材１２及び１３の両方をレーザビームが透過し、溶接することができなかったが、実施例においては、レーザビームを微小領域に集光し、その部分の光強度を高めることにより、透過部材同士を溶接することができる。
【００１７】
上記実施例では、１個のスポット状の部分で溶接されているため、十分な溶接強度を確保できない場合がある。溶接強度が不十分である場合には、スポット状の溶融部分を複数形成して、レーザ溶接を行うことにより、溶接強度を強くすることができる。
【００１８】
図３は、レンズアレイ１５を用いた集光光学系４に、レーザビーム１０が入射する様子を示した図である。
【００１９】
レンズアレイ１５に入射したレーザビーム１０は、複数のレーザ光束に分割され、透過部材１２及び１３の接触面に集光される。レーザ光束が集光された複数の位置には、スポット状の溶融部分が形成され、溶融部分により、透過部材１２及び１３が接合される。複数の溶融部分で溶接されるため、溶接強度を向上させることができる。また、レンズアレイのように、入射したレーザビームを複数のレーザ光束に分割し、その各々を集光する光学系（分割集光光学系）を用いることによって、同時に複数の位置で溶接を行うことが可能であるため、単レンズで集光する場合に比べ、加工速度を向上させることができる。更に、ここでは、分割集光光学系として、レンズアレイを用いたが、回折光学素子（ＤＯＥ，Diffractive Optical Element）やフライアイレンズ等を使用することもできる。なお、分割集光光学系で集光した場合、溶接する部材を溶融することができないほど、レーザビームのパワーが小さいときには、単レンズを用いてレーザ溶接を行う。
【００２０】
更に、以下に記すように、透過部材１２及び１３の溶融部分を拡大することで、溶接の接合強度を高めることができる。
【００２１】
図４は、集光光学系４が、レンズアレイ１５及びレンズ移動機構１６を含んで構成されるレーザ溶接装置を用いて行われる、レーザ溶接を説明するための図である。レンズ移動機構１６は、集光光学系、ここではレンズアレイ１５を保持し、透過部材１２及び１３の接触面と平行な方向、及び接触面と交差する方向に移動させることができる。レンズアレイ１５を移動させることにより、複数のレーザ光束の集光位置を、透過部材１２及び１３の内部で移動させることができる。
【００２２】
まず、レンズアレイ１５を透過部材１２及び１３の厚さ方向に移動させる。このとき、複数のレーザ光束の集光位置も、透過部材１２及び１３の厚さ方向に移動し、集光位置の近傍の透過部材１２及び１３が溶融する。図４には、透過部材１２及び１３の溶融部分を斜線で示した。レンズアレイ１５を移動させることで、透過部材１２及び１３の溶融部分が、両部材の厚さ方向に拡大されている。図２または図３を用いて説明したような、スポット状の溶融部分を形成して溶接する溶接方法においては、レーザビームを正確に接触面に集光する必要があった。
レーザビームの集光位置を、透過部材１２と１３の接触面と交差する方向に移動させ、２つの部材の溶融部分を、両部材の厚さ方向に拡大して溶接を行うと、両部材の接触面と集光位置との位置合わせに余裕ができるため、加工の歩留まりを向上させることができる。
【００２３】
図５は、レンズ移動機構１６によって、レンズアレイ１５を、透過部材１２及び１３の接触面の面内方向と平行な方向に移動させて行うレーザ溶接方法を説明するための図である。レンズ移動機構１６により、レンズアレイ１５を、たとえば、面内方向と平行な方向において、任意方向に直線的に移動させたり、円状に移動させたりする。その結果、レーザビームの集光位置は、透過部材１２及び１３の接触面内を移動し、ビームの集光位置の近傍において、透過部材１２及び１３を溶融させる。図５には、両部材の溶融部分を斜線で示した。溶融部分は、接触面の面内方向に拡大されている。溶融部分が広がるため、溶接強度を向上させることができる。
【００２４】
なお、ここでは、集光光学系を移動させることにより、加工対象物（接合すべき部材）の溶融部分を拡大したが、ステージ６により、加工対象物５（透過部材１２及び１３）を移動させることによって、ビームの集光位置と加工対象物５との相対位置を変化させ、溶融部分を広げることもできる。
【００２５】
図６は、第２の実施例によるレーザ溶接方法を説明するための図である。まず、図３を用いて説明したように、たとえばレンズアレイ１５でレーザビームを集光し、透過部材１２及び１３の接触面に溶融部分を形成する。これらの溶融部分は、透過部材１２及び１３を形成する材料（ポリカーボネート）よりも、波長８０８ｎｍのレーザビームを多く吸収する。図６には、これらの溶融部分を、高吸収率部分２０として示した。
【００２６】
次に、図１に示したレーザ溶接装置のレーザビームの光路から集光光学系４を外し、レーザビーム１０を、高吸収率部分２０を含む領域に入射させる。レーザビーム１０は、たとえば、形成されたすべての高吸収率部分２０を含むことのできるビーム断面積を有している。レーザビーム１０は、透過部材１２及び１３の接触面において、高吸収率部分２０に選択的に吸収され、それを中心にして、接触面近傍に、広い溶融領域を形成する。図６には、形成された溶融領域を、斜線で示した。この溶融領域により、透過部材１２及び１３が溶接される。
【００２７】
このように、照射するレーザビームの波長に対する吸収係数が、両部材の吸収係数より大きい部分（高吸収率部分２０）を、透過部材１２及び１３の接触面に形成し、それを含むようにレーザビームを照射することによっても、透過部材１２と１３とを溶接することができる。ここでは、高吸収率部分２０を、集光したレーザビームを入射させることで形成したが、接触面において部材に傷を与えるなど、他の方法で高吸収率部分２０を形成することもできる。
【００２８】
第１及び第２の実施例によるレーザ溶接方法によれば、レーザビームを透過しやすい材料で形成された部材同士であっても溶接することができる。４００ｎｍ〜３０００ｎｍの波長領域において、透過部材１２及び１３を形成する材料の吸収係数の差の絶対値が、透過部材１２及び１３を形成する材料のうち、吸収係数の大きい方の材料の吸収係数の３０％以下であっても、４００ｎｍ〜３０００ｎｍの波長のレーザビームを用いて、溶接を行うことができる。
【００２９】
なお、レーザ光源は、半導体レーザでなくてもよい。たとえば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザなどであってもよい。また、溶接を行う加工対象物は、樹脂で形成された部材同士でなくてもよい。たとえば、樹脂で形成された部材と、無機材料で形成された部材とを溶接することができる。
【００３０】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザビームを透過しやすい材料で形成された部材同士であっても溶接することのできるレーザ溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるレーザ溶接方法で用いられるレーザ溶接装置の概略図である。
【図２】集光レンズを用いた集光光学系に、レーザビームが入射する様子を示した図である。
【図３】レンズアレイを用いた集光光学系に、レーザビームが入射する様子を示した図である。
【図４】集光光学系が、レンズアレイとレンズ移動機構とを含んで構成されるレーザ溶接装置を用いて行われる、レーザ溶接を説明するための図である。
【図５】集光光学系が、レンズアレイとレンズ移動機構とを含んで構成されるレーザ溶接装置を用いて行われる、レーザ溶接を説明するための図である。
【図６】第２の実施例によるレーザ溶接方法を説明するための図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、従来のレーザ溶接方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ コリメーションレンズ
３ 反射ミラー
４ 集光光学系
５ 加工対象物
６ ステージ
１０ レーザビーム
１１ 集光レンズ
１２、１３ 透過部材
１５ レンズアレイ
１６ レンズ移動機構
２０ 高吸収率部分
３０ レーザビーム
３１、３２、３５ 透過部材
３３、３４、３６ 吸収部材

Claims (6)

  1. 第１の部材及び第２の部材を面接触させて配置する工程と、前記第１及び第２の部材が相互に接触する面の一部に、レーザビームを集光して、前記第１及び第２の部材を接着する工程と
    を有するレーザ溶接方法。
  2. 更に、前記レーザビームを集光する位置を、前記接触する面と交差する方向に移動させる工程を含む請求項１に記載のレーザ溶接方法。
  3. 更に、前記レーザビームを集光する位置を、前記接触する面の面内方向に移動させる工程を含む請求項１に記載のレーザ溶接方法。
  4. 前記第１及び第２の部材が、ともに前記レーザビームを透過する材料で形成されており、前記レーザビームを前記第１及び第２の部材の一方を透過させて両者の界面まで到達させる請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
  5. 第１の材料で形成された第１の部材、及び第２の材料で形成された第２の部材が相互に面接触させて配置する工程と、
    前記第１及び第２の部材が接触する面の一部に、前記第１及び第２の材料よりも第１の波長における吸収率が高い領域を形成する工程と、
    前記吸収率が高い領域を含む領域に、前記第１の波長のレーザビームを入射させる工程と
    を含むレーザ溶接方法。
  6. 第１の材料で形成された第１の部材と、該第１の材料よりも吸収係数の小さい第２の材料で形成された第２の部材とが相互に面接触し、該第１及び第２の部材が、接触する面において溶接された被溶接部材であって、該第１及び第２の材料は、４００〜３０００ｎｍの波長域において、該第１及び第２の材料の吸収係数の差の絶対値が、該第１の材料の吸収係数の３０％以下である被溶接部材。
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