JP2016132002A - Welding method and welding equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は溶接方法及び溶接装置に関する。本発明は特に突き合せた母材を溶融させ接合する方法及びこれに適する溶接装置に関する。 The present invention relates to a welding method and a welding apparatus. The present invention particularly relates to a method for melting and joining butted base materials and a welding apparatus suitable for the method.
特許文献1は突合せ部分に隙間がある場合の突合せ溶接方法を開示している。図1はこれと同様の溶接方法で溶接される母材の平面図である。ここで母材10a,10bの接合は溶接線13a上で行われるものとする。母材10a,10bは金属板である。
Patent Document 1 discloses a butt welding method in the case where there is a gap in the butt portion. FIG. 1 is a plan view of a base material to be welded by the same welding method. Here, the
図1に示すように高輝度のレーザー光を各母材10a,10b上のスポット11a,11bにそれぞれ照射する。スポット11a,11b周辺には溶融池12a,12bが生じる。溶融池12a,12bが拡大するとこれらは互いに接近する。このため各々溶融した各母材10a,10bがこれらの間にある隙間13bを埋めることができる。また溶融池12a,12bは互いに溶け合うため母材10a,10b同士が接合される。
As shown in FIG. 1, high-intensity laser light is irradiated to the
図1に示すようにスポット11a,11bに照射されたレーザー光は互いに同期しながら進行方向16a,16bに沿って進行する。このため隙間13bは連続的に埋められる。また母材10a,10b同士が連続的に接合される。ここで進行方向16a,16bは隙間13bの中心に位置する溶接線13aに対して平行である。
As shown in FIG. 1, the laser beams applied to the
発明者らは図1に示す方法について研究を進めた。以下、図を参照しながら説明する。図1に示すように母材10a,10bはそれぞれ突合せ面17a,17bを有する。突合せ面17a,17bは隙間13bを挟んで互いに対向している。母材10a,10bの表面は自身の酸化膜で覆われている。突合せ面17a,17bにも同様に、斜線部で表された酸化膜18a,18bで被覆されている。
The inventors proceeded with research on the method shown in FIG. Hereinafter, description will be given with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the
図1に示す方法では、溶融池12a,12bの大きさが均等になるようにスポット11a,11bに照射する各レーザー光の強度を等しくしている。このため溶融池12a及び溶融池12bの間の溶合中心線15は溶接線13a上に位置することが多い。
In the method shown in FIG. 1, the intensities of the laser beams applied to the
図1に示す溶接方法では突合せ面17a,17bは溶合中心線15に取り込まれる。このとき溶融池12a,12bは互いに溶け合ったのち凝固することで接合を行う。溶け合いがよく進めば、母材10a,10b同士の接合は良好である。しかしながら、スポット11a,11bに照射するレーザー光が通過した後において、酸化膜18a,18bが互い向き合ったまま残存している場合がある。このような場合、溶融池12a,12bは互いに溶け合うことなく凝固しやすい。
In the welding method shown in FIG. 1, the
したがって、図1に示す溶接方法で溶接した場合、母材10a,10b同士の接合の強度が低下する場合がある。また接合強度の低下した箇所から溶接部位全体にわたって割れる可能性がある。またかかる問題の原因は酸化膜に限定されない。例えば母材表面の汚れや人工的な被膜なども原因となり得る。
Therefore, when welding is performed by the welding method shown in FIG. 1, the strength of joining between the
本発明は突き合せた母材をレーザーで溶融し、かかる母材を接合する溶接方法において、溶融池同士の溶け合いを促進することで、溶接の接合強度を高めるものである。またかかる溶接方法に適する溶接装置を提供する。 According to the present invention, welding strength is increased by promoting fusion between molten pools in a welding method in which the butted base materials are melted with a laser and the base materials are joined. Moreover, the welding apparatus suitable for this welding method is provided.
本発明の一態様は、金属材の端部同士をレーザー光で溶融し接合する溶接方法である。かかる溶接方法では、第1端部の有する第1突合せ面と第2端部の有する第2突合せ面とを対向させる。また前記第1端部の表面であって前記第1突合せ面とは異なる表面である第1照射面に第1レーザー光を照射する。また、前記第2端部の表面であって前記第2突合せ面とは異なる表面である第2照射面に第2レーザー光を走査する。 One embodiment of the present invention is a welding method in which end portions of a metal material are melted with a laser beam and joined. In such a welding method, the first butting surface of the first end and the second butting surface of the second end are opposed to each other. In addition, the first laser beam is irradiated onto a first irradiation surface which is a surface of the first end portion and is a surface different from the first abutting surface. Further, the second laser beam is scanned on the second irradiation surface which is the surface of the second end portion and is different from the second butting surface.
かかる溶接方法では、前記第1及び第2レーザー光を前記第1突合せ面と前記第2突合せ面との中央線である溶接線に沿って走査し、前記第1レーザー光及び前記第2レーザー光の強度を互いに等しい周期で振動させ、かつ前記第1レーザー光及び前記第2レーザー光の間で強度差が生じるように前記振動に位相差を設ける。 In this welding method, the first laser light and the second laser light are scanned along a welding line that is a center line between the first butted surface and the second butted surface. Are oscillated at equal intervals, and a phase difference is provided in the vibration so that an intensity difference is generated between the first laser beam and the second laser beam.
本発明の溶接方法では溶接線を挟んだ両側のレーザー光の強度が位相差をもって振動する。したがって突合せ面を引き延して破壊することができる。このため溶融池同士の溶け合いを促進することで、溶接の接合強度を高めることができる。 In the welding method of the present invention, the intensity of the laser light on both sides of the weld line vibrates with a phase difference. Therefore, the butt surface can be stretched and broken. For this reason, the joint strength of welding can be raised by accelerating | stimulating the fusion of molten pools.
前記第1照射面における前記第1レーザー光の中心、及び前記第2照射面における前記第2レーザー光の中心が前記溶接線に対して互いに線対称となるように走査することが好ましい。上記態様により凝固時の左右非対称性を低減できる。 It is preferable that scanning is performed so that the center of the first laser light on the first irradiation surface and the center of the second laser light on the second irradiation surface are in line symmetry with respect to the welding line. By the said aspect, the left-right asymmetry at the time of solidification can be reduced.
前記位相差は前記周期の半分に相当する位相差であることが好ましい。かかる態様により溶接線方向に沿ってより均質な接合を実現することができる。前記走査中、前記第1レーザー光及び前記第2レーザー光のいずれか一方の強度が極大値をとるとき、他方の強度は0より大きいことが好ましい。上記態様により周期を長くしても、母材が溶融しない箇所の発生を抑えることができる。 The phase difference is preferably a phase difference corresponding to half of the period. By this aspect, a more uniform joining can be realized along the weld line direction. During the scanning, when the intensity of one of the first laser beam and the second laser beam takes a maximum value, the other intensity is preferably greater than zero. Even if a period is lengthened by the said aspect, generation | occurrence | production of the location where a base material does not fuse | melt can be suppressed.
本発明の一態様は、金属材の第1照射面及び前記金属材又は他の金属材の第2照射面にレーザー光を走査する溶接装置である。溶接装置は、原レーザー光を発する光源と、前記原レーザー光の光路上に位置する第1光学素子である偏光ビームスプリッターとを備える。 One embodiment of the present invention is a welding apparatus that scans laser light on a first irradiation surface of a metal material and a second irradiation surface of the metal material or another metal material. The welding apparatus includes a light source that emits original laser light and a polarization beam splitter that is a first optical element positioned on the optical path of the original laser light.
溶接装置はさらに、前記偏光ビームスプリッターにおける出射側P偏光及び出射側S偏光の光路上、又は前記偏光ビームスプリッターにおける入射側原レーザー光の光路上に位置する偏光板を備える。 The welding apparatus further includes a polarizing plate positioned on the optical path of the exit side P-polarized light and the exit side S-polarized light in the polarization beam splitter, or on the optical path of the incident side original laser light in the polarization beam splitter.
前記偏光板は前記偏光板と平行な平面上で回転する。溶接装置においては前記第1照射面及び前記第2照射面のいずれか一方に前記P偏光を照射し、かつ他方に前記S偏光を照射する。 The polarizing plate rotates on a plane parallel to the polarizing plate. In the welding apparatus, one of the first irradiation surface and the second irradiation surface is irradiated with the P-polarized light, and the other is irradiated with the S-polarized light.
上記溶接装置は上記溶接方法の実施に適する。上記態様により第1レーザー光及び第2レーザー光を、強度の振動の位相差以外の点で均質化することを容易にすることができる。さらに原レーザー光をP偏光とS偏光に分離することで、第1レーザー光及び第2レーザー光に適した直線偏光を得る際のエネルギーロスを減らすことができる。 The welding apparatus is suitable for carrying out the welding method. By the said aspect, it can make it easy to homogenize the 1st laser beam and the 2nd laser beam in points other than the phase difference of an intense | strong vibration. Furthermore, by separating the original laser light into P-polarized light and S-polarized light, energy loss when obtaining linearly polarized light suitable for the first laser light and the second laser light can be reduced.
溶接装置は前記偏光板として、前記P偏光及び前記S偏光の光路上に位置する一の偏光板を備えることが好ましい。上記態様により位相差を維持しつつ所望の長さの周期を得ることを一枚の偏光板で実現できる。また単一の偏光板に導くことで強度の振動の周期を第1レーザー光及び第2レーザー光の間で同一とすることを容易にする。さらに第1レーザー光及び第2レーザー光の間で実質的に周期の半分に相当する位相差を生ずることを容易にする。 The welding apparatus preferably includes, as the polarizing plate, one polarizing plate positioned on the optical path of the P-polarized light and the S-polarized light. According to the above aspect, it is possible to achieve a cycle having a desired length while maintaining the phase difference with a single polarizing plate. In addition, by guiding to a single polarizing plate, it is easy to make the period of intense vibration the same between the first laser beam and the second laser beam. Furthermore, it is easy to generate a phase difference substantially corresponding to half the period between the first laser beam and the second laser beam.
溶接装置は、前記P偏光又は前記S偏光の光路上であって、前記第1光学素子及び前記偏光板の間の光路上に位置する第2光学素子をさらに備えることが好ましい。前記第2光学素子はミラー、プリズム、又は偏光ビームスプリッターであることが好ましい。上記第2光学素子に係る態様によりP偏光及びS偏光を平行にした上で、これらを単一の偏光板に導くことを容易にする。 It is preferable that the welding apparatus further includes a second optical element positioned on the optical path between the first optical element and the polarizing plate on the optical path of the P-polarized light or the S-polarized light. The second optical element is preferably a mirror, a prism, or a polarization beam splitter. The P-polarized light and the S-polarized light are made parallel by the aspect according to the second optical element, and it is easy to guide them to a single polarizing plate.
突き合せた母材をレーザーで溶融し、かかる母材を接合する溶接方法において、溶融池同士の溶け合いを促進することで、溶接の接合強度を高めることができる。またかかる溶接方法に適する溶接装置を提供できる。 In the welding method of melting the butted base materials with a laser and joining the base materials, it is possible to increase the welding joint strength by promoting the fusion of the molten pools. Moreover, the welding apparatus suitable for this welding method can be provided.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図面中、同等の構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。図2は実施形態に係る溶接方法で溶接される母材10a,10bの平面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. FIG. 2 is a plan view of the
図2に示すように本実施形態の溶接方法では2本のレーザー光23a,23bからなるビーム対を照射して母材10a,10bを溶接する。母材10a,10bはいずれも金属材である。母材10aは第1端部である端部14aを有する。母材10bは第2端部である端部14bを有する。溶接のため端部14a,14b同士を突き合せる。
As shown in FIG. 2, in the welding method of this embodiment, the
図2に示すように端部14aは第1突合せ面である突合せ面17aを有する。また端部14bは第2突合せ面である突合せ面17bを有する。突合せ面17a,17bが溶接線13aを挟むようにこれらを対向させる。端部14a,14bは溶接線13aを中心として接合される。溶接線13aは突合せ面17a,17bの間の中間点の集合である。すなわち溶接線13aは突合せ面17a,17bの中央線である。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように端部14a,14bはそれぞれ突合せ面17a,17bの近傍に照射面24a,24bを有する。照射面24a,24bは端部14a,14bの有する表面であって、突合せ面17a,17bとは異なる表面である。照射面24a,24bはそれぞれ第1、第2照射面である。照射面24a,24bは母材10a,10bの一部である。照射面24a,24bは端部14a,14bそれぞれの表面であって、突き合せた母材10a,10bに対して同じ側にある表面である。図2は特に照射面24a,24bに向かって母材10a,10bを平面視している。溶接線13aの両側の一方及び他方にはそれぞれ照射面24a,24bのいずれかが位置している。
As shown in FIG. 2, the
照射面24a上に第1レーザー光であるレーザー光23aを照射する。また照射面24b上に第2レーザー光であるレーザー光23bを照射する。ただしレーザー光23a,23bを突合せ面17a,17bの間には照射しないことが好ましい。これはレーザー光23a,23bが隙間13bを通り抜けることによって、レーザー光23a,23bの照射を予定しない箇所にレーザー光23a,23bが照射されることを防止するためである。
A
図2に示す隙間13bは突合せ面17a,17bの公差やざらつきにより生じる場合が多い。隙間13bは突合せ面17a,17bが長くなるほど大きくなりやすい。このため本実施形態の溶接方法は公差の大きい母材、ざらつきの多い母材、突合せ面の長い母材の溶接に適する。
The
図2に示すように溶接線13aに沿って並行させながらレーザー光23a,23bの走査を行う。レーザー光23a,23bは進行方向16a,16bに沿って進行する。進行方向16a,16bは隙間13bの中心に位置する溶接線13aに対して平行である。
As shown in FIG. 2, the
なお本明細書において「走査」の用語はレーザー光の照射位置が母材の表面上を移動することをいう。また、本明細書において特に明示しない限り「走査」の用語は「走査」を行うための手段によって限定されない。すなわち「走査」はレーザー光の照射源が移動する動作、レーザー光を誘導する光学素子の動作、母材の動作、その他の動作、又はこれらの複合的な動作によって行うことができる。 In this specification, the term “scanning” means that the irradiation position of the laser beam moves on the surface of the base material. Further, unless otherwise specified in the present specification, the term “scan” is not limited by the means for performing “scan”. That is, “scanning” can be performed by an operation of moving a laser beam irradiation source, an operation of an optical element for guiding the laser beam, an operation of a base material, other operations, or a combination thereof.
図2に示すスポット19a,20a,21aはレーザー光23aの照射位置を代表するものである。スポット19a,20a,21aはスポット19aから時間順に並べられている。同様にスポット19b,20b,21bはレーザー光23bの照射位置を代表するものである。スポット19b,20b,21bはスポット19bから時間順に並べたものである。
図2に示すスポット20a,20bは同一時点における照射位置をそれぞれ表す。スポット19a,19b及びスポット21a,21bの各組み合わせについて同様である。図2は特にレーザー光23a,23bがスポット20a,20bに到達した時点を示す。
図2に示すようにスポット20a,20bは溶接線13aに沿って互いに前後せずに並んでいる。言い換えればレーザー光23a,23bのそれぞれの照射中心26a,26bが溶接線13aに対して線対称となるように、レーザー光23a,23bを走査することが好ましい。かかる態様により凝固した後の接合の左右非対称性を低減することができる。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように照射中心線34は照射中心26a,26bを通る直線である。上記態様は照射中心線34が溶接線13aと実質的に直交するようにレーザー光23a,23bを走査するものと表すことも出来る。溶接線13aが実質的に直線であれば、レーザー光23a,23bを互いに等しい速度で走査することが好ましい。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すようにスポット19a,20a,21aを含むレーザー光23aの照射部位を中心として、端部14aが溶接線13aに沿って連続的に溶融される。またスポット19b,20b,21bを含むレーザー光23bの照射位置を中心として、端部14bが溶接線13aに沿って連続的に溶融される。
As shown in FIG. 2, the
図2に示すように溶融した端部14a,14bはそれぞれ溶融池22a,22bとなる。溶融池22a,22bは互いに重なり合い、さらに溶け合う。端部14a,14b同士が溶け合った後に、各端部14a,14bが凝固する。このため端部14a,14b同士が接合される。溶融、溶け合い及び凝固による接合は溶接線13aに沿って連続的に行われる。
As shown in FIG. 2, the melted
本実施形態では図2に示すようにレーザー光23a,23bの強度を振動させる。レーザー光23aの強度はスポット20aにおいて最大、スポット19a,21aにおいて最小となっている。レーザー光23bの強度はスポット20bにおいて最小、スポット19b,21bにおいて最大となっている。
In this embodiment, the intensity of the
本実施形態において図2に示すレーザー光23a,23bの強度の振動の周期は同一の長さを有する。さらにレーザー光23a,23bの間で上記振動に位相差が設けられている。かかる位相差によりレーザー光23a,23bの強度の間に強度差が生じる。
In the present embodiment, the period of vibration of the intensity of the
図2に示すレーザー光23a,23bは互いに強度の位相差を有する。このためレーザー光23a,23bが走査されると溶融池22a及び溶融池22bの間の溶合中心線25は溶接線13aを中心として往復する。溶合中心線25は溶接線13aに沿って連続的に溶融した溶融池22a,22bの間の中心線である。
The
図2に則して溶合中心線25を詳細に説明する。スポット19a,19bにおいてレーザー光23aの強度はレーザー光23bより小さい。したがって照射面24aに投射されるレーザー光のエネルギーは、照射面24bよりも小さい。このため溶融池22aは溶融池22bより小さい。よって溶合中心線25は溶接線13aを基準として端部14a側に寄る。
The
図2に示すスポット20a,20bにおいてレーザー光23aの強度はレーザー光23bより大きい。したがって照射面24aに投射されるレーザー光のエネルギーは、照射面24bよりも大きい。このため溶融池22aは溶融池22bより大きい。よって溶合中心線25は溶接線13aを基準として端部14b側に寄る。
In the
図2に示す溶合中心線25はスポット19a,19bと、スポット20a,20bとの間において、端部14a側から端部14b側に進行し、溶接線13aを横切る。同様に溶合中心線25はスポット20a,20bと、スポット21a,21bとの間において、端部14b側から端部14a側に進行し、溶接線13aを横切る。
The
図2に示す溶合中心線25は溶接線13aよりも長くなる。したがって溶合中心線25中のいずれかの箇所において又はその周辺において突合せ面17a,17bは引き延されるように破壊される。好ましい態様においては突合せ面17a,17bを溶融池22a,22bに溶け込ませる。
The
図2に示す酸化膜18a,18bの融点は高いのでレーザー光で溶融することが難しい。このため、応力で酸化膜18a,18bを破壊することが有効である。本実施形態の溶接方法により、突合せ面17a,17bが引き延されるのと同時に酸化膜18a,18bが破壊される。したがって、溶融池22a,22b同士がよく溶け合う。このため本実施形態の溶接方法を用いることで高い接合強度を得ることができる。
Since the melting points of the
図2に示す溶接方法では酸化膜18a,18bを予め除去せずとも高い接合強度を得ることができる。またパルスレーザー重ね合わせることで酸化膜18a,18bを除去する方法に比べて溶接速度を高くすることができる。また、上記溶接方法では酸化膜に限らず油脂などの汚れもこれを破壊して溶融池22a,22b同士の溶け合いを促進することができる。
In the welding method shown in FIG. 2, high bonding strength can be obtained without removing the
図2に示すレーザー光23a,23bの強度の位相差は、実質的に振動の周期の半分に相当することが好ましい。図に則すと、レーザー光23aの強度はスポット19a,21aにおいて極小値となっている。このときレーザー光23bの強度はスポット19b,21bにおいて極大値となっている。またレーザー光23aの強度はスポット20aにおいて極大値となっている。このときレーザー光23bの強度はスポット20bにおいて極小値となっている。かかる態様により溶接線13aの方向に沿ってより均質な接合を実現することができる。
It is preferable that the phase difference between the intensities of the
また図2に示す走査中、レーザー光23a,23bのいずれか一方の強度が極大値をとるとき、他方の強度は0より大きくともよい。図に則すと、レーザー光23aの強度はスポット19a,21aにおいて0より大きい。またレーザー光23bの強度はスポット20bにおいて0より大きい。レーザー光を走査しながら溶接する場合、強度が0近傍となる時間が長いと母材が溶融しない場合がある。しかしながら上記態様であれば強度の変動の周期を長くしても、母材が溶融しない箇所の発生を抑えることができる。
Further, during the scanning shown in FIG. 2, when the intensity of one of the
また図2に示す走査中、強度の変動の周期が短いと溶融池の大きさの変動が小さくなる場合がある。すなわち溶融池22a,22bのいずれか一方が十分に大きくなる前にレーザー光23a,23bの強度の大小が入れ替わると、溶融池22a,22bはほぼ一定の大きさとなってしまう。この場合、溶合中心線25は直線的となり、突合せ面17a,17bを引き延して破壊する効果を得にくい。また後述する実施例において好適な周期の長さの求め方の一例を説明する。
In addition, during the scanning shown in FIG. 2, if the period of intensity fluctuation is short, the fluctuation of the size of the molten pool may be small. That is, if the intensity of the
また図2に示す走査中、レーザー光23a,23bの強度の合計は一定であることが好ましい。このとき溶融池22a及び22b内の溶融金属量の合計は走査中大きく変動しない。かかる態様により溶接線13aの方向に沿ってより均質な接合を実現することができる。
In addition, during the scanning shown in FIG. 2, the total intensity of the
一方、図2に示す走査中、レーザー光23a,23bの強度は所定のタイミングで0になってもよい。かかる態様にはレーザー光23a,23bとしてパルスレーザーを利用する態様も含まれる。本実施形態に係る溶接は連続的に行うものであるため、溶融池22a,22bは互いに重なり合い、さらに溶け合う限り、レーザー光23a,23bの強度を0とすることができる。所定の場合には強度の変動の周期が十分短いことを要する。
On the other hand, during the scanning shown in FIG. 2, the intensity of the
図2に示す母材10a,10bを構成する金属材は純アルミニウム又はアルミニウム合金でもよい。金属材は亜鉛メッキ鋼板のように亜鉛メッキ膜を施された鋼材でもよい。母材10a,10bは互いに同質の金属からなっていてもよく、異質な金属からなっていてもよい。かかる亜鉛メッキ膜も上述の酸化膜と同様に破壊される。
The metal material constituting the
図2においては走査に際してレーザー光23a,23bが移動するように表されている。これに対し母材10a,10bを溶接線13aに沿って搬送することレーザー光の走査を行うこともできる。この場合、母材10a,10bの搬送方向はレーザー光23a,23bの進行方向16a,16bとは反対向きである。
In FIG. 2, the
図2に示す母材10a,10bはそれぞれその他の母材と予め接合されていてもよい。また本実施形態に係る方法により接合された母材をその他の母材とさらに接合してもよい。すなわち母材を本実施形態に係る方法により次々と接合することで三以上の母材を接合して一つながりの部材とすることができる。
Each of the
上記溶接方法では母材10a,10bからなる2個の母材を接合した。しかしながら、後述する図7に示すように1個の母材10cが2個の端部14c,14dを有していてもよい。上記溶接方法にならい各端部14c,14dを突き合せて接合する。接合後、筒形状の金属材が形成される。
In the above welding method, two base materials composed of the
後述する図3に示すようにレーザー光23a,23bを生成してもよい。すなわちコヒーレントな原レーザー光であるレーザー光41をビームスプリッター等で2本のレーザー光に分離した後、かかる2本のレーザー光をそれぞれレーザー光23a,23bのいずれか一方としてもよい。かかる態様により、レーザー光23a,23bを、強度の振動の位相差以外の点で均質化することを容易にする。なおレーザー光23a,23bはそれぞれ別個の光源から得てもよい。
以下の実施例では、上記実施形態の溶接方法の実施に適する溶接装置を示し、さらにかかる装置を用いた溶接方法を示す。また参考例を参照しつつ本実施形態の溶接方法の優れた点を詳細に説明する。 In the following examples, a welding apparatus suitable for carrying out the welding method of the above embodiment is shown, and further, a welding method using such an apparatus is shown. Moreover, the superior point of the welding method of this embodiment is demonstrated in detail, referring a reference example.
[1.溶接装置及び光学系] 図3は実施例に係る溶接装置27の要素図である。かかる溶接装置27は溶接線13aを挟んで突き合せた母材10a,10bの表面にレーザー光23a,23bを導くためのものである。溶接装置27は搬送器29及び光学系40を備える。光学系40は偏光ビームスプリッター30、プリズム36、光源45、凸レンズ47及び偏光板50aを備える。
[1. Welding Device and Optical System] FIG. 3 is an element diagram of the
[2.光源] 図3に示す光源45は原レーザー光であるレーザー光41を発する。レーザー光41は円偏光又は楕円偏光である。レーザー光41はCW(Continuous wave)レーザーであることが好ましい。溶接は所定の時間をかけて行うことから、かかる時間スケールではCWレーザーはパルスレーザーに比べて溶接に必要なエネルギーを効率的に得ることができる。
[2. Light Source] A
図3に示す光源45はコヒーレントなレーザー光に予め光学的な処理を行った上でレーザー光41を発してもよい。光源45はレーザー光源と光学的な処理を行う光学素子とを備える複合的な光学系とすることも出来る
The
図3に示すレーザー光41はパルスレーザーでもよい。パルスレーザーはボイド又はスパッタの発生を予防できる。ただし、レーザー光23a,23bの強度の振動に実質的な影響を与えない程度に周波数の高いパルスレーザーがレーザー光41に適する。
The
[3.第1光学素子] 図3に示す偏光ビームスプリッター30はレーザー光41の光路上に位置する第1光学素子である。本明細書ではレーザー光41を、光源45及び偏光ビームスプリッター30の間の光路上におけるレーザー光とする。
[3. First Optical Element] The
図3に示す偏光ビームスプリッター30はレーザー光41をS偏光42a及びP偏光42bに分離する。所定の光学素子を通過し光学系40から出射するS偏光42a及びP偏光42bはそれぞれ上記実施形態で説明したレーザー光23a,23bとして用いることができる。本明細書ではレーザー光41を、光源45及び偏光ビームスプリッター30の間の光路上におけるレーザー光とする。
The
図3に示す偏光ビームスプリッター30はプリズム接合型であることが好ましい。かかる態様により光学系40をコンパクトにすることが出来る。また偏光ビームスプリッター30はプレート型としてもよい。
The
図3に示すように偏光ビームスプリッター30は周囲に側面32a,32b,32c,32dをこの順で備える。側面32a,32cは互いに対面に位置する。側面32b,32dは互いに対面に位置する。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すように偏光ビームスプリッター30はプリズム31a,31bを備える。プリズム31aは側面32a,32dを備える。プリズム31bは側面32b,32cを備える。プリズム31a,31bは斜面同士で接合されている。かかる斜面をまとめて偏光面33と表すものとする。偏光面33には例えば誘電体偏光膜が形成されている。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すようにレーザー光41は側面32aより偏光ビームスプリッター30に入射し、プリズム31a内を進行する。偏光ビームスプリッター30に入射するレーザー光41は円偏光又は楕円偏光であることが好ましい。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すようにS偏光42aはレーザー光41の一部が偏光面33で反射して生成する。S偏光42aはプリズム31a内を進行し、側面32dより出射する。P偏光42bはレーザー光41の一部が偏光面33を透過して生成する。P偏光42bはプリズム31b内を進行し、側面32cより出射する。
As shown in FIG. 3, the S-polarized light 42 a is generated by reflecting a part of the
[4.第2光学素子] 図3に示すプリズム36は偏光ビームスプリッター30におけるS偏光42aの出射側に位置する光学素子である。プリズム36はS偏光42aの光路上に位置する。プリズム36はS偏光42aの光路を実質的に90度曲げることを目的として設置されている。プリズム36はS偏光42aの光路上であって、偏光ビームスプリッター30及び偏光板50aの間の光路上に位置する。
[4. Second Optical Element] The
図3に示すようにプリズム36は側面37a,37b及び斜面38を備える。側面37aは側面32dに対向している。S偏光42aは側面37aより入射し、プリズム36内を進行する。S偏光42aは斜面38で反射し、プリズム36内を進行し、側面37bより出射する。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すプリズム36はS偏光42a及びP偏光42bを平行にした上で、単一の偏光板50aに導くことを容易にする。プリズム36は臨界角により斜面38で全反射を行う45度直角プリズムでもよく、斜面38に反射膜が施された45度直角反射プリズムでもよい。
The
図3に示す光路35は偏光ビームスプリッター30からプリズム36へ進行するS偏光42aの光路である。また光路35はS偏光42aが偏光面33で反射し、斜面38でさらに反射するまでの間のS偏光42aの光路である。側面32dと側面37aとが互いに面で接するとき光路35の大きさを最も小さくできる。
An
図3に示す光路35の大きさを小さくすることでS偏光42a及びP偏光42bを近接させることができる。S偏光42a及びP偏光42bを近接させることでレーザー光23a,23bの照射中心26a,26bを溶接線13aに近接させることが容易となる。
By reducing the size of the
図3に示すように照射面24a,24bに向かって平面視した時、光路35は溶接線13aと直交することが好ましい。かかる態様により照射中心線34を溶接線13aと実質的に直交させることを容易にする。またこの場合、光路35は照射中心線34と実質的に平行である。
As shown in FIG. 3, it is preferable that the
図3に示すプリズム36は上記機能を実現できるその他の形状のプリズム、ミラー、偏光ビームスプリッター及びその他の光学素子であればこれらに置き換えてもよい。かかる偏光ビームスプリッターは偏光ビームスプリッター30と同等のものでもよい。また偏光ビームスプリッター30とプリズム36をまとめて菱形偏光ビームスプリッターに置き換えてもよい。
The
[5.偏光板] 図3に示す偏光板50aは偏光ビームスプリッター30におけるS偏光42a及びP偏光42bの出射側に位置する。偏光板50aはS偏光42a及びP偏光42bのいずれの光路上に位置する。S偏光42a及びP偏光42bは両方とも一枚の偏光板50aを透過する。S偏光42aは偏光板50aを透過する前にプリズム36を経由している。
[5. Polarizing Plate] The
図3に示すように偏光板50aはS偏光42a及びP偏光42bの光路と実質的に直交することが好ましい。かかる態様により、強度の振動の周期をレーザー光23a,23bの間で同一とすることを、簡易な制御で実現できる。同様にレーザー光23a,23bの間で強度の振動の位相差を生じさせることを、簡易な制御で実現できる。
As shown in FIG. 3, the
図4は溶接装置27の有する偏光板50aの斜視図である。偏光板50aはS偏光42a及びP偏光42bの光路と直交する。S偏光42a及びP偏光42bは直線偏光である。例えば偏光板50aに対して平面視した時、プリズム36で曲げられたS偏光42aの偏光方向49aは光路35(図3)と直交する。一方P偏光42bの偏光方向49bは光路35(図3)と平行である。同一平面上において偏光方向49aと偏光方向49bとは直角を成す。
FIG. 4 is a perspective view of the
図4に示すように偏光板50aの偏光方向を変化させることで、S偏光42a及びP偏光42bの偏光板50aにおける透過率を変化させることができる。図に示す時点において、偏光板50aの偏光方向は偏光方向49aに対して平行であり、かつ偏光方向49bに対して直交する。
As shown in FIG. 4, the transmittance of the
図4に示すS偏光42aが偏光板50aを透過する際のエネルギーの損失は最小である。一方、P偏光42bが偏光板50aを透過する際のエネルギーの損失は最大である。したがってP偏光42bは実質的に偏光板50aを透過しない。
The loss of energy when the S-polarized
図4に示すように偏光板50aは偏光板50aと直交する軸52を中心に回転することが好ましい。軸52がS偏光42aとP偏光42bとの間にあることで偏光板50aを小さくすることができる。
As shown in FIG. 4, the
図4に示す偏光板50aの回転の回転角は90度より小さくてもよく、360度以下でもよく、360度より大きくてもよい。回転は一方向の継続的な回転でもよく、往復するものでもよい。
The rotation angle of the rotation of the
図4に示す偏光板50aが上記回転することで走査中にレーザー光23a,23bの強度を振動させつつ、その合計を一定に保つことを容易にする。またその位相差を実質的に周期の半分に相当するものとすることができる。
By rotating the
図3,4に示すように偏光板50aが単一の偏光板であることによって、強度の振動の周期をレーザー光23a,23b間で同一とすることができる。さらにレーザー光23a,23b間で実質的に周期の半分に相当する位相差を生ずることができる。かかる効果は偏光板50aの平面的な運動の制御のみでもたらすことができる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
図5は光学系40の有する偏光板50aの平面図である。偏光板50aは連続回転53を行ってもよい。レーザー光の走査中、連続回転53は一定の速さであることが好ましい。偏光板50aが1回転するときにレーザー光23a,23bの強度は2周期の振動をする。かかる態様によりレーザー光23a,23bの強度の振動の周期を一定に保つことができる。連続回転53は逆向きでもよい。
FIG. 5 is a plan view of the
図5に示すように偏光板50aは往復回転56を行ってもよい。往復回転56は往復中心57を中心として偏光板50aの偏光方向が往復回転するように行う。往復中心57はS偏光42aの偏光方向49a,P偏光42bの偏光方向49bと45度の角度を成す。かかる態様により母材10a,10bの間でレーザー光から受ける総エネルギー量の偏りを小さくすることができる。
As shown in FIG. 5, the
図5に示す往復回転56における往復の最大角度は90度より小さいことが好ましい。かかる態様により走査中のレーザー光23a,23bのいずれか一方の強度が極大値をとるとき、他方の強度を0より大きくすることができる。
The maximum reciprocal angle in the
図5に示す往復回転56は一定の周期を有することが好ましい。かかる態様によりレーザー光23a,23bの強度の振動の周期を一定に保つことができる。往復の最大角度を制限することでS偏光42a及びP偏光42bの強度の極大値及び極小値を制御できる。往復回転56は回転方向を折り返す時に所定の静止時間を有してもよく、有しなくともよい。
The
図3に戻る。偏光板50aは光源45と偏光ビームスプリッター30との間に位置する偏光板50bに置き換えてもよい。偏光板50bは偏光ビームスプリッター30における入射側に位置する。偏光板50bレーザー光41の光路上に位置する。偏光板50bはレーザー光41の光路と実質的に直交することが好ましい。かかる偏光板50bによって、単一の偏光板50aと同等の効果を奏することができる。
Returning to FIG. The
図3に示すように凸レンズ47はプリズム36を透過したS偏光42aの光路上に位置する。凸レンズ47を通過したS偏光42aはレーザー光23aとして溶接線13aの照射面24aに導かれる。また凸レンズ47は偏光ビームスプリッター30を透過したP偏光42bの光路上に位置する。凸レンズ47を通過したP偏光42bはレーザー光23bとして照射面24bに導かれる。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すように導かれたレーザー光23a,23bは照射面24a,24b上のスポット20a,20bに照射される。したがって上記凸レンズ47により、レーザー光23a,23bの照射中心26a,26bの間の距離を光路35よりも狭くできる。
The
図3に示す凸レンズ47はS偏光42a及びP偏光42bの光路上に位置する複数枚のレンズでもよい。凸レンズ47はS偏光42aとP偏光42bとを近付けるように集束させることができる光学素子又は2以上の光学素子群に置き換えてもよい。例えばプリズム又はプリズム群に置き換えてもよい。
The
[6.他の構成要素] 図3中の光学系40を反転させることで、S偏光42aとP偏光42bとの位置関係を入れ替えてもよい。すなわちS偏光42aをレーザー光23bとし、P偏光42bをレーザー光23aとしてもよい。またレーザー光23a,23bは互いに交差させて入れ替えてもよい。またS偏光42aとP偏光42bとを互いに交差させて入れ替えてもよい。
[6. Other Components] The positional relationship between the S-polarized
図3に示す搬送器29は溶接線13aに沿って搬送方向28に向けて母材10a,10bを搬送する。搬送方向28は進行方向16a,16bと反対向きである。搬送器29によりレーザー光23a,23bの走査を行うことができる。なお、光学系40を進行方向16a,16bと同じ方向に搬送してもよい。また光学系40がレーザー光23a,23bを掃引することでレーザー光23a,23bの走査をしてもよい。
A
図3に示すようにレーザー光41はミラー46で曲げて偏光ビームスプリッター30に導くことができる。ミラー46をプリズムに置き換えることでレーザー光41の偏光状態の変化を小さくできる。
As shown in FIG. 3, the
また図3において、光源45を偏光ビームスプリッター30の直上に偏光ビームスプリッター30に向けて設置し直せばミラー46は無くてもよい。これに対しミラー46は光源45及び偏光ビームスプリッター30の設置個所の自由度を高める。ミラー46の角度及び方向は制限されない。ミラー46はレーザー光41の光路上に複数個存在してもよい。またミラー46に代えて他の光学素子を配置し、レーザー光41の特性を変化させてもよい。ただし、偏光ビームスプリッター及び偏光板の奏する作用効果を損なわないものであることが好ましい。
In FIG. 3, the
[7.作用効果] 図3に示す溶接装置27は、偏光板50aの動作によってレーザー光23a,23bの強度を、位相差をもって振動させることができる(図2)。このため上記実施形態の溶接方法の実施に適する。
[7. Operation and Effect] The
[8.溶接方法] 図3を参照しつつ、溶接装置27を用いた溶接方法を説明する。まず母材10a,10bの端部同士を突き合せる。このとき溶接線13aを挟んで突合せ面同士を対向させる。次に光源45よりレーザー光41を発するとレーザー光41は以下のように導かれる。
[8. Welding Method] A welding method using the
図3に示すようにレーザー光41をビームスプリッターでS偏光42a及びP偏光42bに分離する。次に分離後のS偏光42a及びP偏光42bを偏光板50aに透過させる。またはレーザー光41を分離する前にレーザー光41を偏光板50bに透過させる。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すようにP偏光42b及びS偏光42aをそれぞれレーザー光23a,23bのいずれか一方とする。偏光板50a又は偏光板50bと平行な平面上でいずれかの偏光板を回転させる。これによりレーザー光23a,23bの強度を同一の長さの周期で振動させる。さらに振動に位相差を設ける。
As shown in FIG. 3, the P-polarized
図3に示すようにレーザー光23a,23bをそれぞれ照射面24a,24bに導く。溶接線13aに沿って並行させながらレーザー光23a,23bの走査を行う。強度の振動するレーザー光23a,23bをもって母材10a,10bを溶融し突合せ溶接を行う。
As shown in FIG. 3, the
かかる溶接方法は実施形態で述べた効果以外にも優れた効果を奏する。図3に示すようにレーザー光41はS偏光42a及びP偏光42bに分離される。このことはレーザー光23a,23bに適した直線偏光を得る際のエネルギーロスを減らす効果を奏する。例えば偏光ビームスプリッター30ではなく、無偏光ビームスプリッターでレーザー光41を分離して、2枚の偏光板で所望の直線偏光を得た場合に比べてその効果が顕著に高い。
This welding method has an excellent effect other than the effects described in the embodiment. As shown in FIG. 3, the
[9.強度の振動周期又は周波数] 上述した通り、レーザー光の強度の振動の周期は溶融池及び溶合中心線の形成に影響を及ぼす。このためレーザー光の強度の振動の周期は適切に選択する必要がある。また周期とレーザー光の走査速度との間の関係を適切なものとする必要がある。以下に図6を参照しつつレーザー光の走査速度と強度の振動の周期との間の関係を説明し、好適な周期又は周波数を得る方法を述べる。 [9. Intensity oscillation period or frequency] As described above, the intensity oscillation period of the laser light affects the formation of the weld pool and the weld centerline. For this reason, it is necessary to appropriately select the period of vibration of the intensity of the laser beam. It is also necessary to make the relationship between the period and the scanning speed of the laser light appropriate. Hereinafter, the relationship between the scanning speed of the laser beam and the period of vibration of the intensity will be described with reference to FIG. 6, and a method for obtaining a suitable period or frequency will be described.
図6はレーザー光の強度変化を示す図である。スポット20a,20b,21a,21bはそれぞれ図2に示したスポットと同等のスポットである。すなわちスポット20a,21bにおいてレーザー光の強度が極大である。またスポット21a,20bにおいてレーザー光の強度が極小である。
FIG. 6 is a diagram showing changes in the intensity of laser light. The
図6に示すスポット60a,60bは上記極大スポット及び極小スポットの中間に位置するスポットである。スポット60a,60bにおいてそれぞれに照射しているレーザー光の強度は等しいものとする。またスポット59a,59b,61a,61bはスポット60a,60bと同様のスポットとする。
図6に示すようにレーザー光の強度はスポット59a,59bから61a,61bに至る間に一周期分、振動する。かかる周期の長さをTとする。また走査されるレーザー光の速度をvとする。走査中、vは溶接線13aの両側で等しいものとする。1×Tの時間でレーザー光が走査される距離Lは式:L=vTで表される。
As shown in FIG. 6, the intensity of the laser beam vibrates for one period between the
図6に示すレーザー光を走査中の溶融池62aの長さをDとする。Dは溶接線13aと平行な方向に係る長さを表す。なお図中ではスポット59a,61aにおいて溶融池62aの長さDを表している。
The length of the
本実施例において周期TはD=Lを満たすように決定することが好ましい。ただしDはレーザー光の強度の振動に依拠して振動する。このためDの時間平均DvがLと等しくなるようにTを決定してもよい。 In this embodiment, the period T is preferably determined so as to satisfy D = L. However, D vibrates depending on the vibration of the intensity of the laser beam. Therefore, T may be determined such that the time average Dv of D is equal to L.
またDi≦L≦Dxを満たすようにTを決定してもよい。ここでDiは振動するDの極小値を示す。Dxは振動するDの極大値を示す。またL=Di又はL=Dxを満たすようにTを決定してもよい。またDを走査中の溶融池62bの長さに置き換えてもよい。またDを溶融池62a,62bの長さの平均に置き換えてもよい。
Further, T may be determined so as to satisfy Di ≦ L ≦ Dx. Here, Di represents the minimum value of D that vibrates. Dx represents the maximum value of D that vibrates. Alternatively, T may be determined so as to satisfy L = Di or L = Dx. Further, D may be replaced with the length of the
以下に具体例を用いてレーザー光の強度の振動の周波数f(=1/T)を求める。具体例においてDa=5mm、v=3m/分とする。このとき1/T=v/Dであるから、f=600(回/分)となる。 Hereinafter, the frequency f (= 1 / T) of the vibration of the intensity of the laser beam is obtained using a specific example. In a specific example, Da = 5 mm and v = 3 m / min. At this time, since 1 / T = v / D, f = 600 (times / minute).
本実施例において速度vは例えば1m/分以上かつ30m/分以下とすることができる。また速度vは1m/分以上かつ2m/分以下とすることができる。また速度vは10m/分以上又は20m/分以上とすることができる。 In this embodiment, the speed v can be set to, for example, 1 m / min or more and 30 m / min or less. The speed v can be set to 1 m / min or more and 2 m / min or less. The speed v can be 10 m / min or more or 20 m / min or more.
周波数fは100回/分以上かつ12000回/分以下とすることができる。また周波数fは400回以下とすることができる。速度vが1m/分以上かつ30m/分以下であれば、周波数fは200回/分以上かつ6000回/分以下とすることができる。 The frequency f can be 100 times / min or more and 12000 times / min or less. The frequency f can be 400 times or less. If the speed v is 1 m / min or more and 30 m / min or less, the frequency f can be 200 times / min or more and 6000 times / min or less.
あるいは速度vが20m/分以上かつ30m/分以下であれば、周波数fは4000回/分以上かつ6000回/分以下とすることが好ましい。かかる態様により接合速度を高めつつ、上述の通り接合強度を高めることができる。 Alternatively, when the speed v is 20 m / min or more and 30 m / min or less, the frequency f is preferably 4000 times / min or more and 6000 times / min or less. In this manner, the bonding strength can be increased as described above while increasing the bonding speed.
Dは母材の材質、レーザー光の時間平均強度、速度v、突合せ面から照射中心までの距離、その他に依拠して任意に決定することができる。適切なDは経験的に求めることができる。 D can be arbitrarily determined depending on the material of the base material, the time average intensity of the laser beam, the speed v, the distance from the butt surface to the irradiation center, and the like. The appropriate D can be determined empirically.
[10.変形例] 図7は変形例に係る溶接装置67を表す要素図である。図3に示す溶接装置27の各構成要素は溶接装置67の各構成要素と適宜置き換えてもよい。以下に溶接装置67と溶接装置27との相違点を説明する。
[10. Modification] FIG. 7 is an element diagram showing a
図7に示すように溶接装置67は光学系70を備える。偏光ビームスプリッター30及びプリズム36において側面32dと側面37aとは対向していない。側面37aは側面32cと対向している。一方、側面32dは後述する偏光板50dと対向している。したがってP偏光がプリズム36に入射し、S偏光はプリズム36に入射しない。
As shown in FIG. 7, the
図7に示すようにP偏光42cはレーザー光41の一部が偏光面33を透過して生成する。S偏光42dはレーザー光41の一部が偏光面33で反射して生成する。プリズム36はP偏光42cの光路上に位置する。P偏光42cは側面37aより入射し、プリズム36内を進行する。P偏光42cは斜面38で反射し、プリズム36内を進行し、側面37bより出射する。
As shown in FIG. 7, the P-polarized
図7に示す光路75は偏光ビームスプリッター30からプリズム36へ進行するP偏光42cの光路である。また光路75はP偏光42cが偏光面33を透過し、斜面38で反射するまでの間のP偏光42cの光路である。側面32cと側面37aとが互いに面で接するとき光路75の大きさを最も小さくできる。光路75と他の構成要素との位置関係は図3に示す光路35に準ずる。
An
図7に示すように光学系70は偏光板50aに代えて、P偏光用の偏光板50c及びS偏光用の偏光板50dを備える。偏光板50cはP偏光42cの光路上に位置し、S偏光42dの光路上に位置しない。偏光板50dはS偏光42dの光路上に位置し、P偏光42cの光路上に位置しない。偏光板50c,50dは偏光板50aと同様に回転することが好ましい。偏光板50c,50dの回転は同期することが好ましい。偏光板50c,50dの回転は互いに逆向きでもよい。
As shown in FIG. 7, the
なお図7のプリズム36の配置に代えて、図3に示すようにプリズム36がS偏光42aの光路上に位置してもよい。この場合は偏光板50cが光路35の光路上に位置してもよい。
Instead of the arrangement of the
また図7に示す偏光板50c,50dに代えて、図3に示す偏光板50aを用いてもよい。この場合、偏光板50aは、プリズム36を経由したP偏光42c及びS偏光42dのいずれの光路上にも位置することとなる。
Further, instead of the
図7に示すように凸レンズ47はプリズム36を透過したP偏光42cの光路上に位置する。また凸レンズ47は偏光ビームスプリッター30を透過したS偏光42dの光路上に位置する。P偏光42c及びS偏光42dをそれぞれレーザー光23c,23dとする。
As shown in FIG. 7, the
図7はさらに溶接方法にかかる変形を示す。かかる溶接方法では2個の端部14c,14dを有する1個の母材10cの各端部を突き合せる。次にレーザー光23c,23dを照射面24c,24d上のスポット20c,20dに導く。スポット20c,20dは図3に示すスポット20a,20bと同等であるが、照射される直線偏光の偏光方向が逆転している。
FIG. 7 further shows a modification of the welding method. In such a welding method, the respective end portions of one
図7に示すように端部14c,14d同士をレーザー光23c,23dで溶融し接合する。かかる接合により母材10cを筒状の構造体とすることができる。上記実施形態にならい隙間13bにはレーザー光23c,23dを照射しない。したがって筒状の構造体の内部に母材10cを溶融する強度のレーザー光を照射することを回避することができる。
As shown in FIG. 7, the
かかる作用効果の恩恵が得られるのは筒状の構造体を製造する時に限らない。例えば筒状又は容器状の構造体に他の部材を接合する場合でも内部へのレーザー光の照射を避けることができる。例えば電池筐体の封緘に本実施例の溶接方法を利用することが好ましい。なぜなら電池筐体の封緘時に、筐体内にレーザー光を照射することは電池の内部構成要素を損傷する恐れがあるからである。 The benefits of such operational effects are not limited to the manufacture of cylindrical structures. For example, even when another member is joined to a cylindrical or container-like structure, it is possible to avoid irradiation with laser light. For example, it is preferable to use the welding method of this embodiment for sealing a battery casing. This is because, when the battery casing is sealed, irradiating the casing with laser light may damage the internal components of the battery.
図7に示すようにレーザー光73をスポット74に照射してもよい。ここでレーザー光73は母材10cを溶融するほど強度の大きいものではない。これはレーザー光73が端部14c,14d間の隙間に進入し、照射面24c,24dの裏側の空間に到達することによる。
As shown in FIG. 7, the
スポット74はスポット20c,20dを包含する。したがってレーザー光73はレーザー光23c,23dのエネルギーで生じる溶融池にさらにエネルギーを付与する。このため溶融池の凝固が遅れる。一方、レーザー光73を照射しない場合、溶融池が急速に凝固することでボイド又はクラックがする場合がある。レーザー光73はかかる問題を解消するのに適する。
The
図7に示す溶接装置67がレーザー光73を照射してもよい。一方レーザー光73を用いない場合は、溶接装置67をより簡素な装置とすることができる。またレーザー光73とレーザー光23c,23dとの間の位置の調整や、これらの強度の調整が不要となる。
A
図7に示すように端部14c,14dの有する突合せ面は互いに対向しつつ、曲がっていてもよい。すなわち溶接線13cは弧を描くように曲がっていてもよい。このときレーザー光23c,23dの進行方向16c,16dは溶接線13cに沿って連続的に変化する。
As shown in FIG. 7, the butting surfaces of the
なお上述する実施形態において走査されるレーザー光の進行する速度vは溶接線を挟んだ両側で等しいものとした。溶接線13cを上記の通り曲げる場合はレーザー光23c,23dの進行速度の平均をvとして扱い、強度の振動の周期T又は周波数fを決定してもよい。また両側のレーザー光23c,23dの進行速度を比較して小さい方をvとしてもよい。
In the embodiment described above, the traveling speed v of the scanned laser beam is the same on both sides of the weld line. When the
[11.参考例] 図8は参考例に係る溶接方法で溶接される母材10a,10bの平面図である。かかる溶接方法はレーザー光のスポット81a,81bが溶接線13aに沿って交互に進む(ウィービングする)ことを特徴とする。
[11. Reference Example] FIG. 8 is a plan view of
図8に示すレーザー光のスポット81a,81bは母材10a,10b上を進行する。ここで溶接線13aと平行な方向におけるレーザー光のスポット81a,81bの位置関係は周期的に変化する。かかるレーザー光のスポット81a,81bの態様は例えば光学回折素子(DOE)80によって実現することができる。本例では光学回折素子80が首振り運動することでこれを通過するレーザー光のスポット81a,81bの位置を上記の通り変化させる。
The
図8に示すレーザー光のスポット81aがレーザー光のスポット81bの後ろに位置すると、溶合中心線85bは母材10b側から母材10a側に向かって溶接線13aを横断する。一方、レーザー光のスポット81aがレーザー光のスポット81bの前に位置することで、溶合中心線85cは母材10a側から母材10b側に向かって溶接線13aを横断する。
When the
図8に示す溶合中心線85b,85cは溶合中心線85aよりも引き延されている。したがって、溶融池82a,82b中で突合せ面17a,17bに対して剪断応力が発生する。このため、酸化膜18a,18bは引き延されて破壊される。したがって溶融池82a,82bは互いによく溶け合う。このため母材10a,10b同士は良好に接合される。
The
図8に示す溶接方法は上記実施例に係る溶接方法と異なりいくつかの課題を有する。図9は本参考例に係る溶接方法で溶接される母材の斜視図である。本参考例に限らず母材10a,10bは必ずしも全体に厚みが均一な板ではない。例えば突合せ面17a,17b近傍において母材10a,10bの上面が盛り上がっている場合がある。
The welding method shown in FIG. 8 has several problems, unlike the welding method according to the above embodiment. FIG. 9 is a perspective view of a base material to be welded by the welding method according to this reference example. Not only the present reference example, the
上位の場合、図9に示すレーザー光の照射中心86a,86bの進行に伴って、母材10a,10bの高さが変動する。この場合、図8に示す溶融池82a,82bが所望の大きさとならない。このため溶融池82a,82bが溶け合わないので接合強度を弱める可能性がある。
In the upper case, the heights of the
また図9では突合せ面17bの一部が湾曲している。かかる湾曲は公差又はざらつきの範囲内である。かかる湾曲により隙間13bの幅が均一ではない。かかる場合、照射中心86bが母材10bから外れる可能性がある。このとき図2に示す溶融池12bが十分に形成されない。このため溶融池82a,82bが溶け合わないので接合強度を弱める可能性がある。またレーザー光が母材の裏に抜けて、想定されない箇所に照射される可能性がある。
In FIG. 9, a part of the
上記の課題はいずれもウィービングに起因する。これに対し、図2に示した実施形態に係る方法では、ウィービングをしなくとも溶合中心線25は溶接線13aよりも長くなる。したがって溶合中心線25中のいずれかの箇所において又はその周辺において突合せ面17a,17bは引き延されるように破壊される。このため酸化膜を破壊することで溶融池の溶け合いを促進する効果をウィービングに依拠せずに得ることができる。
All of the above problems are caused by weaving. On the other hand, in the method according to the embodiment shown in FIG. 2, the
なお、本発明は上記実施形態又は実施例に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば実施形態又は実施例に係る溶接方法又は溶接装置に対し、上記ウィービングに係る光学的操作又は光学機構を組み合わせてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiment or examples, and can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. For example, you may combine the optical operation or optical mechanism which concerns on the said weaving with respect to the welding method or welding apparatus which concerns on embodiment or an Example.
10a,10b,10c 母材 11a,11b スポット
12a,12b 溶融池 13a,c 溶接線
13b 隙間 14a,14b,14c,14d 端部
15 溶合中心線 16a,16b,16c,16d 進行方向
17a,17b 突合せ面 18a,18b 酸化膜
19a,19b,20a,20b,20c,20d,21a,21b スポット
22a,22b 溶融池
23a,23b,23c,23d レーザー光
24a,24b,24c,24d 照射面 25 溶合中心線
26a,26b 照射中心 27 溶接装置
28 搬送方向 29 搬送器
30 偏光ビームスプリッター 31a,31b プリズム
32a,32b,32c,32d 側面 33 偏光面
34 照射中心線 35 光路
36 プリズム 37a,37b,37c 側面
38 斜面 40 光学系
41 レーザー光 42a,42b,42c,42d 偏光
45 光源 46 ミラー
47 凸レンズ 49a,49b 偏光方向
50a,50b,50c,50d 偏光板 52 軸
53 連続回転 56 往復回転
57 往復中心 59a,59b,60a,60b,61a,61b スポット 62a,62b 溶融池
64a,64b 端部 67 溶接装置
70 光学系 73 レーザー光
74 スポット 75 光路
80 光学回折素子 81a,81b スポット
82a,82b 溶融池 85a,85b,85c 溶合中心線
86a,86b 照射中心 D 走査中の溶融池62aの長さ
L レーザー光が走査される距離
10a, 10b, 10c Base material 11a, 11b Spot 12a, 12b Weld pool 13a, c Weld line 13b Gap 14a, 14b, 14c, 14d End 15 Weld center line 16a, 16b, 16c, 16d Advancing direction 17a, 17b Surface 18a, 18b Oxide film 19a, 19b, 20a, 20b, 20c, 20d, 21a, 21b Spot 22a, 22b Weld pool 23a, 23b, 23c, 23d Laser beam 24a, 24b, 24c, 24d Irradiation surface 25 Fusion center line 26a, 26b Irradiation center 27 Welding device 28 Transport direction 29 Transporter 30 Polarizing beam splitter 31a, 31b Prism 32a, 32b, 32c, 32d Side surface 33 Polarizing surface 34 Irradiation center line 35 Optical path 36 Prism 37a, 37b, 37c Side surface 38 Slope 40 Optical system 41 Laser Light 42a, 42b, 42c, 42d Polarized light 45 Light source 46 Mirror 47 Convex lens 49a, 49b Polarization direction 50a, 50b, 50c, 50d Polarizing plate 52 Axis 53 Continuous rotation 56 Reciprocal rotation 57 Reciprocal center 59a, 59b, 60a, 60b, 61a , 61b Spot 62a, 62b End of weld pool 64a, 64b 67 Welding device 70 Optical system 73 Laser light 74 Spot 75 Optical path 80 Optical diffraction element 81a, 81b Spot 82a, 82b Weld pool 85a, 85b, 85c Weld centerline 86a, 86b Irradiation center D Length L of molten pool 62a during scanning Distance scanned by laser beam
Claims (7)
第1端部の有する第1突合せ面と第2端部の有する第2突合せ面とを対向させ、
前記第1端部の表面であって前記第1突合せ面とは異なる表面である第1照射面に第1レーザー光を、前記第2端部の表面であって前記第2突合せ面とは異なる表面である第2照射面に第2レーザー光を、前記第1突合せ面と前記第2突合せ面との中央線である溶接線に沿って走査し、
前記第1レーザー光及び前記第2レーザー光の強度を互いに等しい周期で振動させ、かつ
前記第1レーザー光及び前記第2レーザー光の間で強度差が生じるように前記振動に位相差を設ける、
溶接方法。 It is a welding method in which ends of metal materials are melted and joined with laser light,
The first abutting surface of the first end and the second abutting surface of the second end are opposed to each other,
The first laser light is applied to a first irradiation surface which is a surface of the first end portion and is different from the first abutting surface, and the surface of the second end portion is different from the second abutting surface. The second laser beam is scanned on the second irradiation surface, which is the surface, along a weld line that is a center line between the first butting surface and the second butting surface,
Oscillating the intensities of the first laser light and the second laser light at equal intervals, and providing a phase difference in the vibration so as to produce an intensity difference between the first laser light and the second laser light;
Welding method.
請求項1に記載の溶接方法。 Scanning so that the center of the first laser beam on the first irradiation surface and the center of the second laser beam on the second irradiation surface are in line symmetry with respect to the welding line;
The welding method according to claim 1.
請求項1又は2に記載の溶接方法。 The phase difference is a phase difference corresponding to half of the period.
The welding method according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれかに記載の溶接方法。 During the scanning, when the intensity of one of the first laser light and the second laser light takes a maximum value, the other intensity is greater than 0.
The welding method according to claim 1.
原レーザー光を発する光源と、
前記原レーザー光の光路上に位置する第1光学素子である偏光ビームスプリッターと、
前記偏光ビームスプリッターにおける出射側P偏光及び出射側S偏光の光路上、又は前記偏光ビームスプリッターにおける入射側原レーザー光の光路上に位置する偏光板と、を備え、
前記偏光板は前記偏光板と平行な平面上で回転し、
前記第1照射面及び前記第2照射面のいずれか一方に前記P偏光を照射し、かつ他方に前記S偏光を照射する、
溶接装置。 A welding apparatus that scans a laser beam on a first irradiation surface of a metal material and a second irradiation surface of the metal material or another metal material,
A light source that emits the original laser beam;
A polarizing beam splitter which is a first optical element located on the optical path of the original laser beam;
A polarizing plate positioned on the optical path of the exit side P-polarized light and the exit side S-polarized light in the polarization beam splitter, or on the optical path of the incident side original laser light in the polarization beam splitter,
The polarizing plate rotates on a plane parallel to the polarizing plate,
Irradiating one of the first irradiation surface and the second irradiation surface with the P-polarized light and irradiating the other with the S-polarized light;
Welding equipment.
請求項5に記載の溶接装置。 As the polarizing plate, comprising one polarizing plate located on the optical path of the P-polarized light and the S-polarized light,
The welding apparatus according to claim 5.
前記第2光学素子はミラー、プリズム、又は偏光ビームスプリッターである、
請求項6に記載の溶接装置。 A second optical element positioned on the optical path between the first optical element and the polarizing plate on the optical path of the P-polarized light or the S-polarized light;
The second optical element is a mirror, a prism, or a polarizing beam splitter;
The welding apparatus according to claim 6.
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