JP2015205327A - レーザ溶接方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ溶接におけるポロシティなどの溶接欠陥を抑制するレーザ溶接方法及び装置を提供する。【解決手段】 レーザ溶接において、その集光光学系にレンズ３と回折光学素子（ＤＯＥ）２を備え、集光スポット４を先行スポット４２とメインスポット４１とで構成し、メインスポット４１による被溶接材６の溶融前に、先行スポット４２にて表面汚れ８をクリーニングしてガス化して拡散することにより、溶接欠陥が抑制されるので別工程のクリーニング工程などが不要となる。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光を用いた金属の突き合わせ溶接におけるポロシティなどの溶接欠陥の発生を抑制するレーザ溶接方法及び装置に関するものである。

レーザ溶接において、互いに対向する二つの長辺と、互いに対向する二つの短辺とを含む矩形枠によって外周が構成された開口部を有する筒状体のケースに、そのケースの開口部に挿入された蓋等の封口部材を、その封口部材の全周にわたって溶接する場合がある。このような場合に、従来のレーザ溶接方法としては、レーザ強度の高いスポット部をケース側と封口部材側とにそれぞれ配置して、溶接しているものがある（例えば、特許文献１参照。）。図６Ａは、特許文献１に記載された従来のレーザ溶接方法を示す図である。図６Ｂは、図６Ａのレーザスポット１０４の拡大図である。

図６Ａ及び図６Ｂにおいて、レーザスポット１０４は、３つのレーザスポット１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃから構成されている。パワー密度が高いレーザスポット１０４ｂ及び１０４ｃは、それぞれ金属ケース１０１及び蓋１０２に照射されている。この結果、金属ケース１０１と蓋１０２との間の隙間の大きさに関係なく、金属ケース１０１と蓋１０２とを深く溶融することができる。このため、隙間による溶接欠陥の発生を抑制している。

また、従来のレーザ溶接方法として、回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ。 以後、単に、ＤＯＥと表記。）を利用してレーザ光を分岐して多点を同時加工しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。図７は、特許文献２に記載された従来のレーザ溶接方法を示す図である。

図７において、水晶振動子２１０の接続端子２１１，２１２及び基板の水晶振動子用ターミナル２２１，２２２のそれぞれを、ＤＯＥ２０４で分岐した分岐ビーム２０２Ａで照射することで、同時に溶接を行っている。

特開２０１３−２２０４６２号公報 特許第３７７５４１０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、溶接部表面が付着物又は表面酸化物などによって汚染されていた場合に、その汚染部分が、溶接部の溶融池に取り込まれることになる。そのため、溶接部に、ポロシティなどの欠陥が発生してしまうという課題を有している。ここで「ポロシティ」とは、溶融金属中に発生したガスによって、凝固後の溶接金属部に生じたブローホール及び芋虫状に表面まで穴のあいたピットなどの総称として用いている。

図４は、特許文献１に記載された従来のレーザ溶接方法における被溶接材２０６の溶融部断面の模式図である。２０７はスポット２４１の移動方向である。被溶接材２０６の表面の表面汚れ２０８は、スポット２４１によってガス化し、十分に拡散する前に溶融池２５１に取り込まれて、ポロシティ２０９となってしまう。従来は、これらの表面汚れ２０８を除去するために、事前にクリーニング等の別工程が必要となっていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、溶接部表面への付着物を溶融池に取り込まないようにするためのクリーニングを溶接時と同時に行い、溶接欠陥の発生を抑制しようとしたレーザ溶接方法及び装置を提供す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１つの態様にかかるレーザ溶接方法は、被溶接材に対して、レンズと回折光学素子とを用いて集光したレーザ光を移動しながら照射して溶接を行う方法において、
前記回折光学素子として、前記レーザ光による前記被溶接材上の集光スポットを、前記集光スポットの進行方向の前方に設けられた先行スポットと、前記先行スポットから離れて配置されかつ前記被溶接材を溶融するためのメインスポットとで構成し、前記先行スポットで前記被溶接材の表面を照射するとき、前記被溶接材の表面に付着している被溶接材以外の物質を分解してガスを発生させる温度以上まで加熱しかつ前記被溶接材の表面からの溶融深さが許容されるポロシティの直径よりも浅くなるようにエネルギ強度を設定した回折光学素子を用いながら、
前記先行スポットで前記被溶接材の表面を照射して、前記被溶接材の表面に付着している前記被溶接材以外の物質を分解して前記ガスを発生させ、
前記先行スポットの照射が終了したのち、前記メインスポットで照射される前に、前記発生したガスを拡散させ、
その後、前記メインスポットで前記被溶接材の表面を照射して前記被溶接材を溶融させる、ことを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の別の態様にかかるレーザ溶接装置は、被溶接材に対して、レンズと回折光学素子とを用いて集光したレーザ光を移動しながら照射して溶接を行うレーザ溶接装置において、
前記回折光学素子として、前記レーザ光による前記被溶接材上の集光スポットを、前記集光スポットの進行方向の前方に設けられた先行スポットと、前記先行スポットから離れて配置されかつ前記被溶接材を溶融するためのメインスポットとで構成し、前記先行スポットで前記被溶接材の表面を照射するとき、前記被溶接材の表面に付着している被溶接材以外の物質を分解してガスを発生させる温度以上まで加熱しかつ前記被溶接材の表面からの溶融深さが許容されるポロシティの直径よりも浅くなるようにエネルギ強度を設定した回折光学素子を用いることを特徴とする。

以上のように、本発明の前記態様のレーザ溶接方法及び装置によれば、集光スポット進行方向前方の被溶接材表面の付着物は、深く溶け込みを起こす前にクリーニングされ、ポロシティ発生の確率を大幅に低くすることが可能となる。また、メインスポット照射前に先行スポットで表面を溶融するため、メインスポットの表面における吸収率変化が安定して、均一な溶け込みを得ることが可能となる。従って、溶接を行う前に別工程で溶接部表面の付着物又は表面酸化物などによる汚染を除去すること無く、ポロシティなどの溶接欠陥の発生を抑制することができる。

本発明の第１実施形態におけるレーザ溶接方法の光学系の構成図 本発明の第１実施形態におけるレーザ溶接方法のビームプロファイルの模式図 本発明の第１実施形態におけるレーザ溶接方法の溶融部断面の模式図 本発明の第１実施形態におけるレーザ溶接方法の溶融部断面の模式図 特許文献１に記載された従来のレーザ溶接方法における溶融部断面の模式図 本発明の第２実施形態におけるレーザ溶接方法のビームプロファイルの模式図 本発明の第２実施形態の変形例におけるレーザ溶接方法のビームプロファイルの模式図 本発明の第２実施形態の変形例におけるレーザ溶接方法のビームプロファイルの模式図 本発明の第２実施形態の変形例におけるレーザ溶接方法のビームプロファイルの模式図 特許文献１に記載された従来のレーザ溶接方法における上面図 図６Ａのレーザスポット拡大図 特許文献２に記載された従来のレーザ溶接方法における２つの接続端子を備えた水晶振動子の基板への溶接説明図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態におけるレーザ溶接方法及び装置の光学系の構成図である。図１において、レーザ溶接装置３０は、レーザ発振器３１と、ＤＯＥ２と、レンズ３とを備えて構成されている。

図１において、レーザ発振器３１から出射されたレーザ光１は、ＤＯＥ２及びレンズ３を通して被溶接材６の上面に集光スポット４を形成している。前記集光スポット４は、集光スポット４の移動方向７に向かって移動しており、その後方に、溶接部５が被溶接材６の上面上に形成されている。

図２は、本発明の第１実施形態におけるレーザ溶接方法の集光スポット４（図１参照）におけるビームプロファイルの模式図である。図２の上側の図（ａ）に示されるように、前記集光スポット４（図１）は、集光スポット４の移動方向７に対して前方に位置している線状の先行スポット４２と、先行スポット４２の後方に先行スポット４２から離れて位置する円形状のメインスポット４１とで構成される。このような形状の先行スポット４２とメインスポット４１とは、ＤＯＥ２により形成することができる。

また、図２の下側の図（ｂ）に示されるように、メインスポット４１のエネルギ強度と比較して、先行スポット４２のエネルギ強度は小さくなるように、レーザ発振器３１とＤＯＥ２とで構成している。このようにすることにより、先行スポット４２では、表面汚れ８をガス化するために十分なエネルギ強度として、必要以上に加熱して、被溶接材６の表面の溶融しないようにしている。

集光スポット４の移動方向７と直交する方向（集光スポット４の移動方向７と交差する方向の一例）の先行スポット４２の幅寸法（先行スポット４２の長手方向の寸法）Ｗ１は、メインスポット４１にて形成される集光スポット４の移動方向７に対して直交する方向の溶接部分の幅寸法（先行スポット４２の長手方向と平行な方向の寸法（直径））Ｗ２よりも広くなるようにＤＯＥ２で設定している。このように構成することにより、メインスポット４１の溶接領域に対して、当該溶接領域を含む、より広い領域を、先行スポット４２で加熱して表面汚れ８を分解してガスを発生させて拡散させることができて、表面汚れ８をより確実に除去することができる。

また、先行スポット４２とメインスポット４１との間隔Ｌは、先行スポット４２による被溶接材６の表面のクリーニング効果を確実に得るために、先行スポット４２によって生じる溶融部がメインスポット４１によって生じる溶融部と一体化してしまって、そのクリーニング効果が得られなくなることを防ぐために、５０μｍ〜５ｍｍの間隔にＤＯＥ２で設定している。

先行スポット４２と集光スポット４との移動方向７沿いの間隔Ｌは、少なくとも先行スポット４２の移動方向７沿いの寸法の１倍よりも離している。

図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の第１実施形態におけるレーザ溶接方法の溶融部３０の断面の模式図である。これを用いて作用の説明を行う。

まず、被溶接材６に対して、レンズ３と回折光学素子２とを用いて、被溶接材６の表面にレーザ光１を集光させ、集光したレーザ光１を移動させながら被溶接材６の表面に照射して溶接を開始する。このとき、まず、集光したレーザ光１である集光スポット４のうちの先行スポット４２を、被溶接材６の表面の、溶接すべき溶接部を含む領域に照射する。図３Ａに示すように、先行スポット４２が照射された領域において、被溶接材６の表面に存在している付着物又は酸化物の表面汚れ（被溶接材以外の物質）８は、先行スポット４２が照射されると、表面汚れ８を分解してガスを発生させる温度以上まで加熱する。すなわち、先行スポット４２により表面汚れ８自体がガスとなり、発生ガス８１が生じる。この発生ガス８１が、溶融池５１に取り込まれてそのまま凝固してしまうと、溶接欠陥となってしまう。しかしながら、第１実施形態では、先行スポット４２とメインスポット４１との間に所定間隔Ｌを維持しているため、先行スポット４２の照射後には、メインスポット４１がすぐに照射されず、先行スポット４２で照射された領域の温度が一旦低下するとともに、その間（先行スポット４２の照射後からメインスポット４１の照射までの間の時間）に、発生ガス８１が拡散する。この発生ガス８１の拡散を促進するためには、吸排気装置（図示せず）を設けてもよい。その結果、メインスポット４１が照射されてメインスポット４１によって溶融池５１が生じる際には、先行スポット４２で生じる発生ガス８１は既に拡散してしまって取り込まれることがなく、ポロシティなどの溶接欠陥が発生することがない。また、このように間隔Ｌが先行スポット４２とメインスポット４１との間に存在することにより、先行スポット４２で加熱された部分の温度が、一旦、下がることになり、先行スポット４２に続けてメインスポット４１で加熱した場合に過加熱となるのを防止することができる。このとき、図３Ｂに示すように、溶接時に許容されるポロシティの直径９１よりも、先行スポット４２によって生じる被溶接材６の表面の溶融した溶接深さ５２が浅くなるように、先行スポット４２のエネルギ強度を設定している。本第１実施形態の場合、実施可能な一例として、以下の様なパラメータである。

メインスポット４１のエネルギ強度Ｉ_１に対する先行スポット４２のエネルギ強度Ｉ_２は、 Ｉ_１×１％≦Ｉ_２≦Ｉ_１×２０％とする。

集光スポット４の移動方向７に対して直交する方向の先行スポット４２の幅寸法Ｗ１は１ｍｍとする。

先行スポット４２とメインスポット４１との間隔Ｌは１５０μｍとする。

また、第１実施形態においては、メインスポット４１が照射される位置での被溶接材６の表面状態が溶融した液体状のため、固体時のように表面粗さなどによってレーザ光１の吸収係数が左右されず、前記吸収係数が被溶接材６に依存した一定値となるため、安定した溶融状態が保たれることが特徴である。

なお、第１実施形態において、レーザ光１の進行方向に対して、レンズ３の前にＤＯＥ２を配置しているが、その順番を逆としても良い。

第１実施形態によれば、集光スポット進行方向７の前方の被溶接材６の表面の付着物８が深く溶け込みを起こす前に、先行スポット４２よりクリーニングされ、ガス化され、先行スポット４２の照射後からメインスポット４１の照射前に所定の間隔Ｌが維持されていることにより、メインスポット４１の照射前にガス化したガスを拡散させることができる。よって、ポロシティ発生の確率を大幅に低くすることが可能となる。また、メインスポット照射前に先行スポット４２で表面を溶融するため、メインスポット４１の表面における吸収率の変化が安定して、均一な溶け込みを得ることが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態におけるレーザ溶接方法及び装置では、第１実施形態とビームプロファイルの形状が異なっている。図５Ａ〜図５Ｄは、本発明の第２実施形態におけるレーザ溶接方法及び装置での種々のビームプロファイルの模式図である。これらの種々のビームプロファイルは、ＤＯＥ２により形成することができる。図５Ａ〜図５Ｄにおいて、図１から図３Ｂと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。また、第１実施形態で示した溶接部５の断面図と、図３Ａ及び図３Ｂと第２実施形態の溶接部５の断面とは同じであるので、説明を省略する。

まず、図５Ａに示すように、メインスポット４１を二分割して、２つの円形の分割メインスポット４１ａ，４１ｂでメインスポット４１を構成することができる。このような構成においては、メインスポット４１を二分割することで、突き合わせ溶接時の界面を前記二分割された分割メインスポット４１ａ，４１ｂの間に持ってくることによって、前記突き合わせ界面におけるポロシティ発生のリスクを減らすことができる。なお、この第２実施形態において、メインスポット４１の分割数を二分割としているが、二分割よりも大きな任意の数への分割としても良い。

次に、図５Ｂ示すように、先行スポット４２を、１つの直線上に配列された複数の分割先行スポット４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅに分割することで、先行スポット４２を、線状ではなく点状の集合体とすることを特徴とする。このとき、分割先行スポット４２ａ〜４２ｅのスポット間に位置する被溶接材６の表面が、隣接する分割先行スポット４２ａ〜４２ｅによって溶融するように分割先行スポット４２ａ〜４２ｅにエネルギを配分している。これによって、ＤＯＥ２の設計を、ビーム分割のみで済ませられるといった簡便化を図ることが可能となる。また、分割先行スポット４２ａ〜４２ｅに振り分けるエネルギを相対的に少なくすることが可能となる。このときの分割先行スポット４２ａ〜４２ｅのスポット径とスポット間隔との関係は、（スポット間隔＝スポット径の２〜１０倍）となっている。

また、図５Ｃに示すように、分割先行スポット４２ａ〜４２ｅの並び方は、メインスポット４１側に閉じるかのように湾曲した曲線、言い換えれば、曲率半径の中心が集光スポット４の移動方向７のメインスポット４１側に配置された曲線上に配置してもよい。このように先行分割スポット４２ａ〜４２ｅを湾曲して配置することで、メインスポット４１からの距離が等しくなり、メインスポット４１に対する予熱効果の効率が上がるため、メインスポット４１に入射するエネルギを相対的に少なくする効果がある。

図５Ｄは、メインスポット４１を中心として点対称状に取り囲むように（言い換えれば、メインスポット４１の周辺を取り囲むように）先行スポット４２ａ〜４２ｌを配置したことを特徴としている。このことによって、集光スポット４の移動方向７とビームプロファイルの相対配置とに制約がなくなり、どの方向に集光スポット４を動かしても溶接欠陥抑制効果が発揮される。

なお、第２実施形態において、先行スポット４２として５個の分割先行スポット４２ａ〜４２ｅ及び１０個の分割先行スポット４２ａ〜４２ｌを設けたが、分割数はそれらにとらわれるものではなく、線状〜多数個の先行スポット数としても良い。

なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明のレーザ溶接方法及び装置は、事前のクリーニング工程などを設けることなく、集光スポット部のビームプロファイルに先行スポットを設けることによって溶接欠陥の発生を抑制する効果を有し、蓄電池における封口溶接等の欠陥発生が許されない溶接の用途にも適用できる。

１ レーザ光
２ ＤＯＥ
３ レンズ
３０ レーザ溶接装置
３１ レーザ発振器
４ 集光スポット
４１ メインスポット
４１ａ，４１ｂ 分割メインスポット
４２ 先行スポット
４２ａ〜４２ｌ 分割先行スポット
５ 溶接部
５１ 溶融池
５２ 溶融深さ
６ 被溶接材
７ 集光スポットの移動方向
８ 表面汚れ
８１ 発生ガス
９ ポロシティ
９１ ポロシティ直径
１０１ 金属ケース
１０２ 蓋
１０４、１０４ａ〜１０４ｃ レーザスポット
２０２Ａ…分岐ビーム
２０４…回折光学素子
２１０…水晶振動子
２１１，２１２…水晶振動子の接続端子
２２１，２２２…基板の水晶振動子用ターミナル

Claims (12)

1. 被溶接材に対して、レンズと回折光学素子とを用いて集光したレーザ光を移動しながら照射して溶接を行う方法において、
   前記回折光学素子として、前記レーザ光による前記被溶接材上の集光スポットを、前記集光スポットの進行方向の前方に設けられた先行スポットと、前記先行スポットから離れて配置されかつ前記被溶接材を溶融するためのメインスポットとで構成し、前記先行スポットで前記被溶接材の表面を照射するとき、前記被溶接材の表面に付着している被溶接材以外の物質を分解してガスを発生させる温度以上まで加熱しかつ前記被溶接材の表面からの溶融深さが許容されるポロシティの直径よりも浅くなるようにエネルギ強度を設定した回折光学素子を用いながら、
   前記先行スポットで前記被溶接材の表面を照射して、前記被溶接材の表面に付着している前記被溶接材以外の物質を分解して前記ガスを発生させ、
   前記先行スポットの照射が終了したのち、前記メインスポットで照射される前に、前記発生したガスを拡散させ、
   その後、前記メインスポットで前記被溶接材の表面を照射して前記被溶接材を溶融させる、
   レーザ溶接方法。
2. 前記先行スポットで発生する前記ガスが前記メインスポットの照射までに拡散するような間隔を前記先行スポットと前記メインスポットとの間に維持して、前記メインスポットが前記先行スポットから離すことにより、前記先行スポットの照射後でかつ前記メインスポットの照射前に、前記先行スポットで発生する前記ガスが拡散するための時間を確保して、前記先行スポットの照射が終了したのち、前記メインスポットで照射される前に、前記発生したガスを拡散させる請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記先行スポットが線状であり、前記線状の先行スポットの長手方向が前記集光スポットの移動方向に対して交差する方向であって、前記線状の先行スポットの長手方向の寸法が、前記長手方向と平行な方向での前記メインスポットの幅寸法よりも大きくして、前記メインスポットで前記被溶接材を溶融させる領域を含む、より広い領域を前記線状の先行スポットで照射する、請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記先行スポットが複数の分割先行スポットで構成され、前記複数の分割先行スポットを前記先行スポットとして前記被溶接材の表面を照射する、請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ溶接方法。
5. 前記複数の分割先行スポットが前記メインスポットの周辺を取り囲んで構成され、前記複数の分割先行スポットを前記先行スポットとして前記被溶接材の表面を照射する、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
6. 前記メインスポットが複数の分割メインスポットで構成され、前記複数の分割メインスポットを前記メインスポットとして前記被溶接材の表面を照射して前記被溶接材を溶融させる、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
7. 被溶接材に対して、レンズと回折光学素子とを用いて集光したレーザ光を移動しながら照射して溶接を行うレーザ溶接装置において、
   前記回折光学素子として、前記レーザ光による前記被溶接材上の集光スポットを、前記集光スポットの進行方向の前方に設けられた先行スポットと、前記先行スポットから離れて配置されかつ前記被溶接材を溶融するためのメインスポットとで構成し、前記先行スポットで前記被溶接材の表面を照射するとき、前記被溶接材の表面に付着している被溶接材以外の物質を分解してガスを発生させる温度以上まで加熱しかつ前記被溶接材の表面からの溶融深さが許容されるポロシティの直径よりも浅くなるようにエネルギ強度を設定した回折光学素子を用いるレーザ溶接装置。
8. 前記先行スポットで発生する前記ガスが前記メインスポットの照射までに拡散するような間隔を前記先行スポットと前記メインスポットとの間に維持して、前記メインスポットが前記先行スポットから離れている、請求項７に記載のレーザ溶接装置。
9. 前記先行スポットが線状であり、前記線状の先行スポットの長手方向が前記集光スポットの移動方向に対して交差する方向であって、前記線状の先行スポットの長手方向の寸法が、前記長手方向と平行な方向での前記メインスポットの幅寸法よりも大きい、請求項７又は８に記載のレーザ溶接装置。
10. 前記先行スポットが複数の分割先行スポットで構成されている、請求項７〜９のいずれか１つに記載のレーザ溶接装置。
11. 前記複数の分割先行スポットが前記メインスポットの周辺を取り囲んで構成されている、請求項１０に記載のレーザ溶接装置。
12. 前記メインスポットが複数の分割メインスポットで構成されている、請求項７に記載のレーザ溶接装置。

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