JP2007125576A

JP2007125576A - レーザ微細溶接方法及び装置

Info

Publication number: JP2007125576A
Application number: JP2005319554A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Saito; 弘己齋藤
Original assignee: Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Kikuchi Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2007-05-24

Abstract

【課題】レーザ微細溶接において、溶接部の変色やプルームの発生を防止し、２次加工を不要にして、コストの低減と、溶接品質の向上を図る。
【解決手段】レーザ光をワークの溶接部に応じて所定の微小スポット径及び所定の出力に調整し、中心軸のレーザパワー密度を拡大して照射するとともに、レーザ光の全周で所定の流量のアルゴンアシストガスをレーザ光の照射方向に噴射し、溶接部に向けて吹き付け、レーザ光の溶接速度が予め設定した基準速度よりも低下する低溶接速度域でアルゴンアシストガスの流量を増加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ微細溶接方法及び装置に関する。

従来のレーザ溶接方法では、レーザ発振機から発光されたレーザ光を集光レンズなどの光学系で集光し、ワークの溶接部に照射している（特許文献１参照）。また、近年、レーザ溶接でも、特に、精密微細溶接に適用可能な微小な照射スポットが得られるレーザ溶接の開発が進められている。
特開平５−１６９２８８号公報

しかしながら、近時の精密微細溶接に適したレーザでも、従来のレーザ溶接方法により、例えば薄い金属フォイルに微細溶接を行うと、その溶接部に変色やプルームが生じ、結果、２次加工が必要になり、コストが増大するという問題がある。

本発明は、このような従来の問題を解決するもので、この種のレーザ微細溶接方法及び装置において、溶接部の変色やプルームの発生を防止し、２次加工を不要にして、コストの低減と、溶接品質の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のレーザ微細溶接方法は、レーザ発振機から発光されるレーザ光を集光し、微小な照射スポット径でワークの溶接部に照射して微細溶接を行うレーザ微細溶接方法において、前記レーザ光を前記ワークの溶接部に応じて所定の微小スポット径及び所定の出力に調整し、中心軸のレーザパワー密度を拡大して照射するとともに、前記レーザ光の全周で所定の流量のアルゴンアシストガスを前記レーザ光の照射方向に噴射し、前記溶接部に向けて吹き付け、前記レーザ光の溶接速度が予め設定した基準速度よりも低下する低溶接速度域で前記アルゴンアシストガスの流量を増加させることをことを要旨とする。この場合、ワーク、又はレーザ光及びアルゴンアシストガスを、水平方向若しくは垂直方向若しくは旋回方向若しくはこれらを選択的に組み合わせた方向に移動して、又は水平方向若しくは垂直方向若しくはこれらを組み合わせた方向に傾動して、又はこれらの移動と傾動を組み合わせて、レーザ光の照射角度及びアシストガスの噴射方向を調整する。

また、上記目的を達成するために、本発明のレーザ微細溶接装置は、レーザ光を発光するレーザ発振機と、前記レーザ光を集光し、微小な照射スポット径でワークの溶接部に照射するレーザ溶接ヘッドと、前記レーザ発振機及び前記レーザ溶接ヘッドを制御する制御装置とを備え、前記ワークの溶接部に微細溶接を行うレーザ微細溶接装置において、前記レーザ溶接ヘッドは、レーザ光を照射する機能部と、アルゴンアシストガスを前記レーザ光の全周で前記レーザ光の照射方向に噴射し、前記溶接部に向けて吹き付ける機能部とを備え、前記制御装置は、前記レーザ光を前記ワークの溶接部に応じて所定の微小スポット径及び所定の出力に調整し、中心軸のレーザパワー密度を拡大する手段と、前記アルゴンアシストガスを前記ワークの溶接部に対する溶接速度が予め設定した基準速度以上の場合に所定の流量に調整し、前記溶接速度が前記基準速度よりも低下するときに前記アルゴンアシストガスの流量を前記所定の流量よりも増加させる手段とを備え、前記レーザパワー密度の拡大により前記ワークの溶接部の表面に発生するプルームが入射レーザ光と相互作用して入熱が前記表面に偏る現象を前記アシストガスによって制御することを要旨とする。この場合、ワークを設置する溶接テーブルを併設され、前記溶接テーブルは、前記ワークの設置面を水平方向に移動する手段、又は垂直方向に移動する手段、又は回転方向に移動する手段、又は傾動する手段から、１つ又は複数の手段を具備し、制御装置により駆動制御される。又は、レーザ溶接ヘッドを支持するヘッド支持機構を備え、前記ヘッド支持機構は、前記レーザ溶接ヘッドを水平方向に駆動する駆動手段、又は垂直方向に駆動する手段、又は回転方向に駆動する手段、又は傾動する手段、又は旋回する手段から、１つ又は複数の手段を具備し、制御装置により駆動制御される。

本発明のレーザ微細溶接方法及び装置によれば、溶接部の変色やプルームの発生を防止し、２次加工を不要にして、コストの低減と、溶接品質の向上を図ることができる。

以下、本発明に係るレーザ微細溶接方法及び装置の一実施の形態について図を用いて説明する。図１に、当該レーザ微細溶接方法を行うためのレーザ微細溶接装置を示している。図１において、レーザ微細溶接装置Ｌは、レーザ光を発光するレーザ発振機１と、レーザ光を集光して、被溶接物であるワークの溶接部に照射するレーザ溶接ヘッド２と、ワークを設置して移動する溶接テーブル６と、ワークを撮影する撮影装置７と、撮影装置７の画像情報に基いて、レーザ発振機１、レーザ溶接ヘッド２、及び溶接テーブル５を制御する制御装置８とを備える。なお、ここでワークはステンレスフォイルやアルミフォイルなど、１ｍｍ以下の薄い金属フォイルである。

レーザ発振機１は、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ、フェムト秒レーザ、半導体レーザ、ＣО₂レーザ、ＬＤ励起固体レーザ、エキシマレーザから、適宜最適なものが選択される。この選定に当たって、レーザ発振機の最大出力は４０Ｗ〜１００Ｗが好ましい。なお、この実施の形態では、最大出力４０Ｗのファイバーレーザ又はフェムト秒レーザが採用される。また、このレーザ発振機１にオプティカルユニット１０を併せて備える。このオプティカルユニット１０は、オートフォーカス光学系共焦点レーザ顕微鏡（３次元形状観察）、ビーム整形光学系の構成を具備する。

レーザ溶接ヘッド２は、レーザ光を照射するレーザ光照射機能部３と、アルゴンアシストガスを噴射するアシストガス噴射機能部４とを備える。この場合、レーザ溶接ヘッド２は、図２に示すように、ヘッド本体が２重の筒構造からなり、内周筒３０と、外周筒４０とを有する。内周筒３０の一端（この場合、上端）にレーザ光の導入部３１が設けられ、他端（この場合、下端）にレーザ光の照射口３２が開口されて、内周筒３０の内部にレーザ光の光路３３が形成される。この光路上に集光レンズなどの光学系３４が配設される。このようにして、内周筒３０にレーザ光を集光し、微小な照射スポット径で照射するレーザ光照射機能部３が構成される。外周筒４０は一端（この場合、上端）又は外周面にアシストガスの導入部４１が設けられ、他端（この場合、下端）にアシストガスの噴出口４２が開口されて、外周筒４０と内周筒３０との間にアシストガスを噴出口４２に向けて導出するアシストガスの流路４３が形成される。このようにして外周筒４０と内周筒３０との間に内周筒３０から照射されるレーザ光の全周（囲）でアルゴンアシストガスをレーザ光の照射方向に噴射し、ワークの溶接部に向けて吹き付けるアシストガス噴射機能部４が構成される。

このレーザ溶接ヘッド２はヘッド支持機構５により支持される。このヘッド支持機構５は、レーザ溶接ヘッド２を水平方向に駆動する駆動手段５１、又は垂直方向に駆動する手段５２、又は回転方向に駆動する手段５３、又は傾動する手段５４、又は旋回する手段５５から、１つ又は複数の手段を具備し、制御装置８により駆動制御される。この場合、ヘッド支持機構５はすべての手段５１〜５５が具備される。

溶接テーブル６は、ワークの設置面６０を水平方向（ｘ−ｙ軸方向）に移動する手段６１、又は垂直方向（ｚ軸方向）に駆動する手段６２、又は回転方向に移動する手段６３、又は傾動する手段６４から、１つ又は複数の手段を具備し、制御装置８により駆動制御される。この場合、溶接テーブル６はすべての手段６１〜６４が具備される。なお、６１Ａは手動調整用、６１Ｂは自動調整用である。

撮影装置７は、ＣＣＤカメラで、ヘッド支持機構５に溶接テーブル６に向けて取り付けられる。

制御装置８は、レーザ発振機１をコントロールし、レーザ光の照射スポット径及び出力を調整する手段、撮影装置７の画像情報に基いて、ヘッド支持機構５及び溶接テーブル６の各手段５１〜５５及び６１〜６４をコントロールし、レーザ光の照射方向、照射角度（入射角度）、照射位置、及び溶接速度を、アシストガスの噴射方向、吹き付け角度、吹き付け位置、及び吹き付け速度とともに調整する手段、アシストガス源４４をコントロールし、アルゴンアシストガスの流量を調整する手段などを備える。この制御装置８により、レーザ光を、ワークの溶接部の材質、厚さその他各種溶接条件に応じて、所定の微小スポット径及び所定の出力に調整し、中心軸のレーザパワー密度を拡大して、レーザ光を溶接部に最適なレーザパワー密度で照射する制御と、アルゴンアシストガスを、ワークの溶接部に対する溶接速度が予め設定した基準速度以上の場合に所定の流量に調整し、溶接速度が基準速度よりも低下するときにアルゴンアシストガスの流量を当該所定の流量よりも増加させて、アルゴンアシストガスを溶接部に対して最適な吹き付け流量で吹き付ける制御を行う。なお、この実施の形態の場合、制御装置８はＰＣ（パソコン）で実現され、上記制御を実行する制御プログラムがメモリに格納される。このようにしてレーザ精密微細溶接を高品質に、かつ高速に行うとともに、レーザパワー密度の拡大によりワークの溶接部の表面に発生するプルームが入射レーザ光と相互作用して入熱が表面に偏る現象を、アシストガスによって制御する。

次に、このレーザ微細溶接装置Ｌを用いて、レーザ微細溶接方法について説明する。この場合、連続波（ＣＷ）とパルス波の２種類で、ステンレスフォイルなどの薄い金属フォイルにボス立て溶接を行うものとする。

図１において、まず、ワークを溶接テーブル６のワークの設置面６０に公知のチャックで固定する。次いで、制御装置８により、ワークの溶接部の材質、厚さその他各種溶接条件に応じて、レーザ発振機１をコントロールしてレーザ光を所定の照射スポット径及び所定の出力に設定し、併せてアシストガス源４４をコントロールし、アルゴンアシストガスの所定の流量を設定する。続いて、制御装置８により、ヘッド支持機構５のレーザ溶接ヘッド２を垂直方向に駆動する手段５２、回転方向に駆動する手段５３、及び傾動する手段５４をコントロールして、図３又は図４に示すように、レーザ溶接ヘッド２のレーザ光のワークの溶接部に対する照射方向、照射角度、照射位置を、アシストガスの噴射方向、吹き付け角度、吹き付け位置とともに設定して、このヘッド支持機構５を固定する。そして、制御装置８により、溶接テーブル６を回転方向に駆動する手段６３をコントロールして、溶接テーブル６の回転速度（ワークに対する溶接速度及びアルゴンアシストガスの吹き付け速度）を設定し、これを回転駆動して、レーザ光の照射及びアルゴンアシストガスの噴射を開始する。

すなわち、図２に示すように、レーザ発振機１から発光されるレーザ光をレーザ溶接ヘッド２（のレーザ光照射機能部３）で集光し、所定の微小な照射スポット径で溶接部の全周に照射して、微細溶接を行い、同時にこのレーザ溶接ヘッド２（のアシストガス噴射機能部４）により、アルゴンアシストガスをレーザ光の全周で（レーザ光を包囲して）レーザ光の照射方向に噴射し、溶接部に向けて吹き付ける。このようにしてレーザ光をアルゴンアシストガスの中を通して溶接部に照射することにより、アルゴンガス雰囲気を維持し、溶接ビードの酸化を防止することができる。また、レーザ光の微小なスポット径により、わずか数十ワットのレーザパワーでも中心軸はこの種のレーザとしては極めて高いレーザパワー密度を得て、高効率の深溶け込み溶接を実現し、その結果、幅が狭く、高アスペクト比の溶融部が得られるなど、レーザ精密微細溶接を高品質に、しかも高速に行うことができる。他面で、溶接速度が基準速度よりも低下すると、レーザ光の高いパワー密度により、ワークの溶接部の表面に金属プルームが発生し、入射レーザ光と相互作用して入熱が表面に偏る、金属プルームの影響と見られる現象が生じることがあるが、このような低溶接速度域では、制御装置８により、アルゴンアシストガスを当該所定の流量よりも増加して、溶接部前方からワークへのレーザ光入射点に向けて噴射し、このアルゴンアシストガスを金属プルームに吹き付けるので、これに伴う熱伝達による冷却効果、あるいはプルーム除去効果などにより、当該現象を制御し、抑制する。その結果、ワークの溶接部に特に焼けや変色はなく、プルームの発生も抑えて、レーザ精密微細溶接を高品質に行うことができる。

なお、このレーザ微細溶接方法では、制御装置８により、ヘッド支持機構５のレーザ溶接ヘッド２を垂直方向に駆動する手段５２、回転方向に駆動する手段５３、及び傾動する手段５４をコントロールして、レーザ溶接ヘッド２（レーザ光）のワークの溶接部に対する所定の照射方向、照射角度、照射位置を設定しているが、制御装置８により、溶接テーブル６のワークの設置面６０を垂直方向に移動する手段６２、回転方向に移動する手段６３、及び傾動する手段６４をコントロールして、レーザ溶接ヘッド２をワークの溶接部に対する所定の照射方向、照射角度、照射位置を設定してもよく、さらに、制御装置８により、ヘッド支持機構５のレーザ溶接ヘッド２を垂直方向に駆動する手段５２、回転方向に駆動する手段５３、及び傾動する手段５４と、溶接テーブル６を垂直方向に移動する手段６２、回転方向に移動する手段６３、及び傾動する手段６４を選択的にコントロールして、レーザ溶接ヘッド２のワークの溶接部に対する所定の照射方向、照射角度、照射位置を設定してもよい。また、このレーザ微細溶接方法では、制御装置８により、ワークの設置面６０を回転する手段６３をコントロールして、ワークの全周を溶接しているが、制御装置８により、レーザ溶接ヘッド２を旋回する手段５５をコントロールして、溶接テーブル６上のワークの全周を溶接してもよい。さらに、制御装置８により、ヘッド支持機構５のレーザ溶接ヘッド２を水平方向（ｘ−ｙ軸方向）に駆動する手段５１をコントロールすることにより、又は溶接テーブル６を水平方向（ｘ−ｙ軸方向）に駆動する手段６１をコントロールすることにより、又はこれら両方をコントロールすることにより、レーザ光又はワークを水平方向（ｘ−ｙ軸方向）に駆動して、溶接することもできる。

以上説明したように、このレーザ微細溶接方法及び装置によれば、ステンレスフォイルなど特に薄い金属フォイルに微小な照射スポット径でレーザ微細溶接を行う場合に、安定した溶接で、溶接部の変色やプルームの発生を防止し、２次加工を不要にして、コストの低減と、溶接品質の向上を図ることができる。

なお、このレーザ微細溶接方法及び装置によれば、ステンレスフォイルの他、アルミフォイルにも適用することができる。この場合、レーザはパルス波が好ましく、制御装置８により、同様に、レーザ光の照射スポット径及び出力、並びにワークの溶接部に対する照射方向、照射角度、照射位置、溶接速度、併せてアルゴンアシストガスの流量、噴射方向、吹き付け角度、吹き付け位置、吹き付け速度を調整して行えばよい。このようにすることで、ステンレスフォイルの場合と同様に、ガス環境の中で溶接部の変色やプルームの発生を防止して、レーザ微細溶接加工を高品質に行うことができる。

本発明の一実施の形態におけるレーザ微細溶接方法に用いる装置の構成を示すブロック図同装置の要部を示す拡大正面図（ａ）同装置によるレーザ光のワークの溶接部に対する照射方向、照射角度、照射位置、及びアシストガスの噴射方向、吹き付け角度、吹き付け位置の一例を示す平面図（ｂ）同正面図（ａ）同装置によるレーザ光のワークの溶接部に対する照射方向、照射角度、照射位置、及びアシストガスの噴射方向、吹き付け角度、吹き付け位置の別の例を示す平面図（ｂ）同正面図

符号の説明

Ｌレーザ微細溶接装置
１レーザ発振機
１０オプティカルユニット
２レーザ溶接ヘッド
３レーザ光照射機能部
３０内周筒
３１レーザ光の導入部
３２レーザ光の照射口
３３レーザ光の光路
３４光学系
４アシストガス噴射機能部
４０外周筒
４１アシストガスの導入部
４２アシストガスの噴出口
４３アシストガスの流路
４４アシストガス源
５ヘッド支持機構
５１レーザ溶接ヘッドを水平方向に駆動する手段
５２レーザ溶接ヘッドを垂直方向に駆動する手段
５３レーザ溶接ヘッドを回転方向に駆動する手段
５４レーザ溶接ヘッドを傾動する手段
５５レーザ溶接ヘッドを旋回する手段
６溶接テーブル
６０ワークの設置面
６１ワークの設置面を水平方向に移動する手段
６２ワークの設置面を垂直方向に移動する手段
６３ワークの設置面を回転方向に移動する手段
６４ワークの設置面を傾動する手段
７ＣＣＤカメラ
８制御装置

Claims

レーザ発振機から発光されるレーザ光を集光し、微小な照射スポット径でワークの溶接部に照射して微細溶接を行うレーザ微細溶接方法において、
前記レーザ光を前記ワークの溶接部に応じて所定の微小スポット径及び所定の出力に調整し、中心軸のレーザパワー密度を拡大して照射するとともに、前記レーザ光の全周で所定の流量のアルゴンアシストガスを前記レーザ光の照射方向に噴射し、前記溶接部に向けて吹き付け、前記レーザ光の溶接速度が予め設定した基準速度よりも低下する低溶接速度域で前記アルゴンアシストガスの流量を増加させることを特徴とするレーザ微細溶接方法。
ワーク、又はレーザ光及びアルゴンアシストガスを、水平方向若しくは垂直方向若しくは旋回方向若しくはこれらを選択的に組み合わせた方向に移動して、又は水平方向若しくは垂直方向若しくはこれらを組み合わせた方向に傾動して、又はこれらの移動と傾動を組み合わせて、レーザ光の照射角度及びアシストガスの噴射方向を調整する請求項１に記載のレーザ微細溶接方法。
レーザ光を発光するレーザ発振機と、前記レーザ光を集光し、微小な照射スポット径でワークの溶接部に照射するレーザ溶接ヘッドと、前記レーザ発振機及び前記レーザ溶接ヘッドを制御する制御装置とを備え、前記ワークの溶接部に微細溶接を行うレーザ微細溶接装置において、
前記レーザ溶接ヘッドは、
レーザ光を照射する機能部と、
アルゴンアシストガスを前記レーザ光の全周で前記レーザ光の照射方向に噴射し、前記溶接部に向けて吹き付ける機能部とを備え、
前記制御装置は、
前記レーザ光を前記ワークの溶接部に応じて所定の微小スポット径及び所定の出力に調整し、中心軸のレーザパワー密度を拡大する手段と、
前記アルゴンアシストガスを前記ワークの溶接部に対する溶接速度が予め設定した基準速度以上の場合に所定の流量に調整し、前記溶接速度が前記基準速度よりも低下するときに前記アルゴンアシストガスの流量を前記所定の流量よりも増加させる手段とを備え、
前記レーザパワー密度の拡大により前記ワークの溶接部の表面に発生するプルームが入射レーザ光と相互作用して入熱が前記表面に偏る現象を前記アシストガスによって制御することを特徴とするレーザ微細溶接装置。
ワークを設置する溶接テーブルを併設され、前記溶接テーブルは、前記ワークの設置面を水平方向に移動する手段、又は垂直方向に移動する手段、又は回転方向に移動する手段、又は傾動する手段から、１つ又は複数の手段を具備し、制御装置により駆動制御される請求項３に記載のレーザ微細溶接装置。
レーザ溶接ヘッドを支持するヘッド支持機構を備え、前記ヘッド支持機構は、前記レーザ溶接ヘッドを水平方向に駆動する駆動手段、又は垂直方向に駆動する手段、又は回転方向に駆動する手段、又は傾動する手段、又は旋回する手段から、１つ又は複数の手段を具備し、制御装置により駆動制御される請求項３又は４に記載のレーザ微細溶接装置。