JP2018144091A - レーザ溶接装置、レーザ溶接方法及びレーザ加工用レンズ - Google Patents
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Abstract
Description
このような構成によれば、半導体レーザからは溶接安定性が高いトップハット型のレーザ光が得られ、ファイバーレーザからは溶融状態に対する応答性が高いガウス型のレーザ光が得られる。よって、トップハット型のレーザ光と、ガウス型のレーザ光とをそれぞれ適切な強度にして合成することで速度変化への対応が好適にできる。また、ファイバーレーザは出力強度の調整が比較的容易であり、出力されるガウス型のレーザ光は溶融状態に対して応答性が高いことから、相対速度に応じて適切な溶融状態となるように出力強度を調節することができる。
このような構成によれば、相対速度が速くなることに応じて第1のレーザ光の出力強度が高められることでレーザ光の照射時間が短くなる溶接対象物を好適にレーザ溶接することができるようになる。
このような構成によれば、相対速度が速くなるに応じて第1のレーザ光の出力の分散が小さくなることでレーザ光が集中するようになり、レーザ光の照射時間が短くなる溶接対象物を好適にレーザ溶接することができるようになる。
このような構成によれば、相対速度の速度差を最大3倍までにすることができる。
このような構成によれば、ガウス型である第1のレーザ光で溶融のきっかけを作り、トップハット型である第2のレーザ光での溶融のロバスト性がより好適に維持される。
上記課題を解決するレーザ溶接装置は、溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、前記溶接用レーザ光は、ガウス型の強度分布を有するレーザ光から生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する生成部を備え、前記生成部は、強度分布がガウス型であるレーザ光を所定の径で入力することで、この入力されたレーザ光をトップハット型のレーザ光に変換して出力するビームシェーパと、前記ガウス型のレーザ光を任意の径で前記ビームシェーパに入力させる調整部とを備え、前記生成部は、前記相対速度の増加に応じて、前記調整部で前記ビームシェーパに入力する前記ガウス型のレーザ光の前記任意の径を前記所定の径以下に縮径する。
好ましい構成として、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記ビームシェーパとの間には、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置から出力されるレーザ光を平行光に変換して前記ビームシェーパに入力させるコリメータレンズが設けられ、前記調整部は、前記任意の径を、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記コリメータレンズとの間の距離を変化させることにより変更する。
このような構成によれば、相対速度の速度差を最大1.89倍までにすることができる。
上記課題を解決するレーザ加工用レンズは、ガウス型の強度分布のレーザ光を所定の径で入力することで、前記レーザ光の強度分布を変換するレーザ加工用レンズであって、前記ガウス型の強度分布をトップハット型の強度分布に変換する変換部と、前記変換部に囲まれた範囲にあって、前記ガウス型の強度分布が最大値となる部分を含む所定の領域について、入力されたレーザ光を出力するときの拡散角度が、前記変換部において隣接する部分に比べて小さい緩和部とを備える。
このような構成によれば、ガウス型の強度分布が拡散せずに透過するので、周囲に比較して中央部にガウス型の強度分布が維持されたレーザ光を出力することができる。
このような構成によれば、レーザ光を拡散しない部分を設けることが容易である。
このような構成によれば、レーザ光を拡散させる部分のレンズ形状は凹レンズであることから、凹レンズである領域にあっては凹部を形成することで、凹部の底面の曲率を凹レンズの曲率よりも小さくすることができる。
図1に従って、レーザ溶接装置、及び、レーザ溶接方法を具体化した第1の実施形態について説明する。
一般に、レーザ光のエネルギー強度Pの分布である強度分布(プロファイル)の種類として、トップハット型とガウス型とがよく知られている。トップハット型は、例えば図3の強度分布D2に示すように、強度分布が矩形分布型であるものであり、ガウス型は、例えば図4の強度分布D1に示すように、強度分布が正規分布型であるものである。
また、ガウス型の強度分布を下記の式(2)の関係式を満たす強度分布とする。
ΦQ/Φ1<0.8・・・(2)
図1に示すガウスビーム発振器21は、ファイバーレーザ共振器、いわゆるファイバーレーザを用いてガウス型の強度分布D1を有する第1のレーザ光L1を出力する。ファイバーレーザ共振器は、発振器から入力されたレーザ光を増幅させる共振媒質としての光ファイバーを備えている。ファイバーレーザ共振器は、第1のレーザ光L1として、レーザ溶接に利用可能な波長のレーザ光を出力する。よって、ガウスビーム発振器21は、発振器からのレーザ光をファイバーレーザ共振器の光ファイバーの一端に入力し、この入力したレーザ光を当該光ファイバーを通じて増幅し、該光ファイバーの他端から第1のレーザ光L1として出力する。なお、アルミニウムは波長1070nm以下のレーザ光に高い吸収特性を示すことから、この範囲の波長のレーザ光によれば加熱が容易である。
図3に示すように、トップハット型は、光軸Cを中心に所定の半径61となるレーザ光が照射される範囲にレーザ光のエネルギーP12を略均等に、いわゆる台形状62に付与する。これによりレーザ光が照射される範囲に分布する熱量も平均化されるため、照射範囲全体が均等に加熱・溶融される。そして、溶接対象物は、この均等な溶融に応じた溶融状態によって安定的に溶接加工されるようになる。また、強度分布中にエネルギーの強度Pの高い部分が無いため、特定個所への過剰なエネルギー付与が抑制されて過熱や部品貫通などの過剰な溶融加工を生じさせるおそれが低減されるようになる。このように、トップハット型は安定的な溶接加工を可能とし、溶接に関して安定した、いわゆるロバスト性の高い制御を行うことが容易である。一方、強度分布D2が平均化されているため、つまりレーザ光のエネルギーが照射範囲に均等に分散されるために部材の加熱・溶融に時間を要するため、加工速度が低く抑えられたり、部材の溶け込み深さが浅く抑えられたりするという特性も有する。
照射レーザ光Ltgは、トップハット型の強度分布D2によって照射範囲全体を均等に加熱・溶融させ、その中心部に照射されるガウス型の強度分布D1によって中心部の加熱・溶融を補助させる。このため、ガウス型の強度分布D1だけのレーザ光による溶接に比べて、ガウス型のエネルギー強度Pの高い部分64の強度低下が可能となり、この強度低下によって溶接加工の安定性が向上する。一方、照射レーザ光Ltgは、ガウス型の強度分布D1によって中心部の迅速な温度上昇・溶融を行わせることができることに併せ、中心部の温度上昇や溶融がトップハット型の強度分布D2の部分にも迅速に伝えられるようになりトップハット型の強度分布D2による溶接加工の迅速性も向上する。つまり、トップハット型とガウス型が合成された照射レーザ光Ltgによれば、トップハット型の安定性と、ガウス型の迅速性とを兼ね備えた溶接加工を行うことができるようになる。また、合成させるトップハット型とガウス型との比率を可変とすることで、溶接対象物に好適な強度分布(プロファイル)を作成することができるようになる。
図6は、溶接対象である電池ケース10を電池としての上側から見た図である。電池ケース10は、ケース11に蓋12が溶接されている。蓋12には、正極側電極13と負極側電極14とが設けられている。電池ケース10は、ケース11の開口に載置された蓋12がケース11とレーザ溶接によって接合される。このとき、ケース11に蓋12をどの溶接部分も均一な溶接状態になるように溶接する必要があるが、溶接経路上のポイントP1〜P10には、直線部分及び角部が混在しており、例えば、移動テーブル40の制約などにより直線部分と角部とを同じ速度でレーザ溶接することができない。NC加工機等の装置は、直線部分と角部とで加工速度に差が生じることが避けられない。特に、高速溶接(一般的には10m/分以上での溶接)では、角部で大きく減速することになる傾向にある。
(1)照射レーザ光Ltgの強度分布が、相対速度が変化することに応じて、具体的には、分布中央部の最大値が電池ケース10との相対速度に応じて、例えば溶接速度が速くなることに応じて大きくなる。これにより、レーザ溶接中に照射レーザ光Ltgと電池ケース10との間の相対速度が変動するような場合であれ、レーザ溶接の精度を維持することができるようになる。例えば、中央部の最大値を加熱によるスパッタの生じない値に設定することで、相対速度が変動したとしても、スパッタが発生しない、かつ、アルミニウムの酸化物を溶融させることができる。
(6)ガウス型である第1のレーザ光L1で溶融のきっかけを作り、トップハット型である第2のレーザ光L2での溶融のロバスト性がより好適に維持される。
(第2の実施形態)
図10〜図13に従って、レーザ溶接装置、及び、レーザ溶接方法を具体化した第2の実施形態について説明する。
出射部56は、入力されたレーザ光L10を所定の拡散角度で出射する。
コリメータレンズ57は、入射された拡散角度を有する拡散レーザ光L11を任意の直径DLの平行光L12に変換する。
図12は、照射レーザ光L8の各強度分布について、材料の貫通もなく、スパッタの発生しない条件でレーザ溶接をすることができる相対速度(溶接速度)と溶融深さとの関係を示している。なお、第10グラフG20はガウス型の強度分布D10である場合を示し、第11グラフG21は中間的である強度分布D12である場合を示し、第12グラフG22はトップハット型の強度分布D11である場合を示している。また、いずれの場合も、ガウスビーム発振器21からの出力強度は同じであるものとする。また、照射レーザ光L8は、ガウス型の強度分布D10のときの集光径は0.1mm、トップハット型のときの集光径は0.45mmであるものとする。
(11)ガウス型のレーザ光L10が出射される位置とトップハットビームシェーパ53との位置が固定されていても、コリメータレンズ57の位置を変更させることによりトップハットビームシェーパ53へ入力するガウス型のレーザ光の径を所定の入力径よりも小径とすることが容易に行えるようになる。
(第3の実施形態)
図14〜図17に従って、レーザ溶接装置、レーザ溶接方法、及び、レーザ加工用レンズを具体化した第3の実施形態について説明する。
図15に示すように、強度分布変換器50には、ガウス型の強度分布D10のレーザ光L10が入力される。このレーザ光L10が出射部56から所定の拡散角度で拡散レーザ光L11として出射され、拡径した拡散レーザ光L11がコリメータレンズ57に入力される。コリメータレンズ57は、拡径した拡散レーザ光L11を平行光L12に変換して変換レンズ55に入力させる。
変換レンズ55は、ガウス型の強度分布D10のレーザ光L10が入力されると、これを、トップハット型の強度分布D15にガウス型の強度分布D10の一部が合成された強度分布D13に変換して出力する。変換レンズ55は、例えば、光の透過方向に沿う断面において入射側は平面であり、出射側が中央に窪みを有し、外周より内側に外周及び中央部の窪みよりも突出する膨らみを有する形状を有している。なお、変換レンズ55は、その構造として周知のレンズを用いることができる。
(16)レーザ光を拡散させる部分のレンズ形状は凹レンズであることから、凹レンズである領域にあっては無変換部67を凹部68に形成することで、凹部68の底面の曲率を凹レンズの曲率よりも小さくすることができる。
なお上記各実施形態は、以下の態様で実施することもできる。
・上記第3の実施形態では、変換レンズ55は、無変換部67を中央部の窪みの最深部分に合わせて凹ませた凹部68として有している場合について例示したが、これに限らず、変換レンズは、無変換部を中央部の窪みを周囲の高さまでかさ上げした形状で有していてもよい。また、変換部との間に段差が生じないように無変換部を形成してもよい。
・上記第3の実施形態では、無変換部67が平面である場合について例示したが、これに限らず、無変換部は変換部に比較して曲率を小さい曲面を含んでいてもよい。これにより中央部のガウス型のレーザ光の拡散を減らすことで中央部の強度を維持することができる。
・上記第1の実施形態では、ガウスビーム発振器21は、レーザ光の波長が1070nmである場合について例示したが、これに限らず、レーザ溶接に適切な波長であれば、レーザ光の波長が1070nm以外、例えば、1070nm未満であって、880nm〜980nmでもよい。
その他の実施形態であっても、相対速度の範囲が最低値より遅くなってもよいし、最高値より速くなってもよい。
・上記各実施形態では、ガウスビーム発振器21は、ファイバーレーザ共振器であって、ガウス型の強度分布D1を有する第1のレーザ光L1を出力する場合について例示した。しかしこれに限らず、ガウス型の強度分布のレーザ光を出力できるのであれば、ガウスビーム発振器は、ファイバーレーザ共振器以外の発振器、例えば、半導体レーザ等であってもよい。なお、出力強度の変更が容易であるとなおよい。
Claims (19)
- 溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、
前記溶接用レーザ光は、少なくともガウス型の強度分布を有するレーザ光を含んでいる1又は複数のレーザ光から生成したレーザ光であって、
前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する生成部を備え、
前記生成部は、前記生成したレーザ光の前記強度分布の最大値を前記相対速度の増加に応じて大きくする
レーザ溶接装置。 - 溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、
前記溶接用レーザ光は、強度分布がガウス型である第1のレーザ光と、強度分布がトップハット型である第2のレーザ光とを合成することにより生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有し、
前記第2のレーザ光の照射径よりも、前記第1のレーザ光の照射径を小さく設定して前記第1のレーザ光と前記第2のレーザ光とを合成することで前記溶接用レーザ光を生成する生成部を備え、
前記生成部は、前記相対速度の増加に応じて前記第1のレーザ光の強度分布の最大値を増大させる
レーザ溶接装置。 - 前記第1のレーザ光は、ファイバーレーザから出力されるレーザ光であり、
前記第2のレーザ光は、半導体レーザから出力されるレーザ光である
請求項2に記載のレーザ溶接装置。 - 前記相対速度を取得するとともに、前記取得した相対速度が速くなることに応じて前記第1のレーザ光の出力強度を高くする制御装置を備える
請求項2又は3に記載のレーザ溶接装置。 - 前記相対速度を取得するとともに、前記取得した相対速度が速くなることに応じて前記第1のレーザ光の出力の分散を小さくする制御装置を備える
請求項2又は3に記載のレーザ溶接装置。 - 前記制御装置は、前記相対速度を180mm/秒以上、かつ、510mm/秒以下の範囲で可変とする
請求項4又は5に記載のレーザ溶接装置。 - トップハット型の出力が、ガウス型の出力の1.5倍以上である
請求項2〜6のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。 - 前記溶接用レーザ光は、前記溶接対象物に照射されたとき、前記第1のレーザ光の照射径が前記第2のレーザ光の照射径に対して20%以上50%以下の径である
請求項2〜7のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。 - 溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、
前記溶接用レーザ光は、ガウス型の強度分布を有するレーザ光から生成したレーザ光であって、
前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する生成部を備え、
前記生成部は、強度分布がガウス型であるレーザ光を所定の径で入力することで、この入力されたレーザ光をトップハット型のレーザ光に変換して出力するビームシェーパと、前記ガウス型のレーザ光を任意の径で前記ビームシェーパに入力させる調整部とを備え、
前記生成部は、前記相対速度の増加に応じて、前記調整部で前記ビームシェーパに入力する前記ガウス型のレーザ光の前記任意の径を前記所定の径以下に縮径する
レーザ溶接装置。 - 前記調整部は、前記ガウス型のレーザ光が前記ビームシェーパへ入力される径である前記任意の径を、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記ビームシェーパとの間の距離を変化させることにより変更する
請求項9に記載のレーザ溶接装置。 - 前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記ビームシェーパとの間には、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置から出力されるレーザ光を平行光に変換して前記ビームシェーパに入力させるコリメータレンズが設けられ、
前記調整部は、前記任意の径を、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記コリメータレンズとの間の距離を変化させることにより変更する
請求項9に記載のレーザ溶接装置。 - 前記相対速度を可変とする制御装置を備え、
前記制御装置は、前記相対速度を180mm/秒以上、かつ、340mm/秒以下の範囲で可変とする
請求項9〜11のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。 - 前記溶接対象物は、電池に備えられるケース及び蓋であって、
前記ケース及び前記蓋は、アルミニウム製であり、
前記相対速度は、レーザ溶接による加熱によって生じるアルミニウムの飛散物であるスパッタが生じない速度範囲における最低速度、かつ、酸化アルミニウムが溶融する速度範囲における最高速度の間の速度範囲内で設定される
請求項1〜12のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。 - 溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置でレーザ溶接をするレーザ溶接方法であって、
前記溶接用レーザ光は、強度分布がガウス型である第1のレーザ光と、強度分布がトップハット型である第2のレーザ光とを合成することにより生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有し、
前記溶接用レーザ光を生成する生成部で、前記第2のレーザ光の照射径よりも、前記第1のレーザ光の照射径を小さく設定して前記第1のレーザ光と前記第2のレーザ光とを合成することで前記溶接用レーザ光を生成する工程と、
前記生成部で、前記相対速度の増加に応じて前記第1のレーザ光の強度分布の最大値を増大させる工程とを備える
レーザ溶接方法。 - 溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置でレーザ溶接をする方法であって、
レーザ溶接装置が強度分布がガウス型であるレーザ光を所定の径で入力することで、この入力されたレーザ光をトップハット型のレーザ光に変換して出力するビームシェーパを備え、
前記溶接用レーザ光を生成する生成部で、前記ガウス型の強度分布を有するレーザ光を、前記相対速度が増加することに応じて、前記所定の径以下に縮径して前記ビームシェーパに入力することで、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する
レーザ溶接方法。 - ガウス型の強度分布のレーザ光を所定の径で入力することで、前記レーザ光の強度分布を変換するレーザ加工用レンズであって、
前記ガウス型の強度分布をトップハット型の強度分布に変換する変換部と、
前記変換部に囲まれた範囲にあって、前記ガウス型の強度分布が最大値となる部分を含む所定の領域について、入力されたレーザ光を出力するときの拡散角度が、前記変換部において隣接する部分に比べて小さい緩和部とを備える
レーザ加工用レンズ。 - 前記所定の領域を入力させる範囲は前記レーザ光を拡散しない
請求項16に記載のレーザ加工用レンズ。 - 前記所定の領域は、前記レーザ光が出力される前記レーザ加工用レンズの出力側が平面である
請求項17に記載のレーザ加工用レンズ。 - 前記平面は、前記レーザ加工用レンズの出力側に凹部として形成されている
請求項18に記載のレーザ加工用レンズ。
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