JP2020203315A - 溶接部 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる金属および合金同士の間において信頼性の問題を有さない溶接部を提供する【解決手段】第１金属材料である第１材料(1)と、第２金属材料である第２材料(2)との間における溶接部(3)であって、溶接部(3)は、0.5mm〜7mmの幅(4)を有し、溶接部(3)は、少なくともひとつの微小溶接部(8)を備え、微小溶接部(8)は、第１材料(1)の表面(6)に対して平行に画成された溶接パターン(5)を形成し、且つ、微小溶接部(8)は、20μm〜400μmの固有特定形状サイズ(7)を有する、溶接部(3)。【選択図】図１

Description

本発明は、溶接部(weld)に関する。該溶接部は、ひとつ以上の反射性材料を接合し得る。該溶接部は、低いオーム抵抗、高い剪断強度、および、高い剥離強度を有し得る。本発明はまた、上記溶接部を備える物品、および、レーザ溶接のための方法にも関している。

近赤外スペクトル(800nm〜2,500nm)におけるレーザ溶接による金、銅、アルミニウム、白金、および、銀の如き光輝金属の接合は、問題を呈する。これは、光輝金属の表面が、不十分な吸収度により高度に反射的だからである。表面の反射性を克服すると共に、金属表面内へのレーザのエネルギの結合を開始するためには、高パワー密度を有するレーザ・ビームを使用することが必要である。

光輝材料に対するレーザ・ビームの機能は、ビームの阻止(反射)および吸収に由来する非常に狭幅の作用範囲を有するという周到な機能に近い。最初に、表面は、レーザ光の実質的に全てを反射する。しかし、表面の反射率が十分なレーザ強度により一旦克服されたなら、表面の溶融が開始される。反射率はそのとき、80％超の反射率であるその本来的な高度に反射的な状態から、幾つかの金属に対しては50％未満の反射率であり得る更に低い値へと、殆ど即時的に移行する。これにより、表面上の溶融池は、極めて迅速に成長する。従って、制御することは非常に困難である。

上記問題は、薄寸で低質量の被加工材を溶接するときに大きくなる。高パワー密度は多くの場合、信頼性の低い接合部に帰着するレーザ・ビームの過剰侵入に繋がり、不都合である。逆に、レーザが、吸収度限界より僅かだけ大きい更に低いパワー密度にて動作されるなら、パルス持続期間が増大されねばならない。そのとき、溶接部を囲繞する領域内への吸収エネルギの熱流入によれば、被加工材の過熱が引き起こされ、脆弱なもしくは欠落した溶接部に帰着し得る。

銅と、金および銀の如き他の光輝金属とに関するレーザ溶接の現在において知られる好適な方法は、可視の緑色波長にて発光するレーザの使用を伴う。最も一般的なレーザは、532nmにて発光する周波数倍化された1064nmレーザである。これは、光輝金属の反射率が、近赤外波長におけるよりも、532nmにおけるほうが低いからである。斯かるレーザによる光輝金属同士のレーザ接合は、効率の負担と、複雑さと、周波数倍化に伴う負担とを以てではあるが、再現可能で一貫した溶接部を生成する。幾つかの用途においては、効率および生産性を高めるために、532nmにて発光するレーザを1064nmにおける第２のレーザと組み合わせることが必要である。斯かる二重波長システムは、溶接部の構造を解析かつ適合調整するために、洗練されたビーム監視と、リアルタイムの解析とを使用する、レーザ溶接プロセスの閉ループ監視を必要とする。斯かる診断デバイスは、レーザ制御器に対してフィードバックを提供するために、後方反射光と溶融池特性とのビデオ解析を使用する。これらのシステムは、複雑で高価である。

緑色レーザの使用は、異なる金属同士を接合する用途に特に対処せずに、光輝金属同士の溶接接合を実施するために採用されてきた。異なる金属同士に関する習用の溶接は、界面における各金属の希釈と、結果的な熱的条件とを詳細に制御して、接合部における所謂る金属間化合物に帰着する異なる金属同士の混合を最小限度に抑えるという方法に依存する。大寸の金属間化合物領域は、接合部に作用する応力に起因して割れ目が入り易く、この割れ目は、破壊するまで接合部全体を通して伝搬する。

連続的な溶接部前部または重なり合う複数のスポット溶接部により、溶接部が連続的な継目を形成するように、連続波およびパルス化レーザを備えたレーザ溶接は公知である。溶接プロセスにより引き起こされる材料内の欠陥は、脆弱さをもたらすと共に、大部分の用途においては容認されない。パルス化による溶接部は、典型的には、マイクロ秒およびミリ秒のパルスを用いて形成される。パルスは材料を溶融し、これは再凝固して溶接部を形成する。異なる材料同士を溶接するとき、溶接部界面は金属間化合物を含み得、これは、接合されつつある２種類の材料から形成された化合物であると共に、典型的に、砕けやすく、且つ、本質的に不都合である。故に上記溶接部は、機械的負荷下で、選好的にこの金属間化合物層に沿って割れ目が入り得る。

高度に反射性の材料同士の間に低オーム抵抗の溶接部を形成することは、バッテリ、太陽電池、半導体パッケージ製品、および、電子プリント回路基板の製造におけるものを含め、電子工学および電気工学の分野における重要な応用性を有している。レーザ溶接などの、種々の技術が使用される。しかし、高い反射率は、比較的に高価である可視レーザを必要とし得る。これに加え、溶接機器、プロセス、および、結果的な溶接部は、迅速な製造速度、低いオーム抵抗、高い剪断強度、および、高い剥離強度という現在の要件を満足しない。従って、レーザ溶接以外のプロセスが使用されることが多い。

たとえば、金、銅、アルミニウム、白金および銀などの一種類以上の反射性金属を備える被加工材におけるレーザ溶接部は、多くの場合、信頼性が低くて脆弱である。異なる複数の材料を備える物品におけるレーザ溶接部は典型的に、砕けやすく、且つ、本質的に不都合である。

光輝的および／または異なる金属および合金同士の間において信頼性の問題を有さない溶接部に対する要望が在り、且つ、本発明の目的は、斯かる溶接部を提供することである。

従って、本発明のひとつの非限定的な実施例においては、第１金属材料である第１材料と、第２金属材料である第２材料との間における溶接部であって、溶接部は、0.5mm〜7mmの幅を有し、溶接部は、少なくともひとつの微小溶接部を備え、微小溶接部は、第１材料の表面に対して平行に画成された溶接パターンを形成し、且つ、微小溶接部は、20μm〜100μmの固有特定形状サイズを有する、溶接部が提供される。

本発明の溶接部は、電子工学および電気工学の分野における重要な応用性を有している。1μmの波長範囲にて発光し、約1mJのパルス・エネルギを備えたナノ秒ファイバ・レーザを用いて、反射性金属に溶接部を生成する機能は、新規であり、且つ、予期されない。更に、溶接部は、先行技術の溶接部よりも大きな強度および信頼性を有し得る。溶接部は、たとえば、バッテリ、太陽電池、半導体パッケージ製品、および、電子プリント回路基板の如き物品において使用され得る。

溶接部は、少なくともひとつの微小溶接部を備える。微小溶接部は、溶接パターンを形成する。溶接パターンは、複数の微小溶接部で形成され得る。代替的に、溶接パターンは、単一の微小溶接部から形成され得る。溶接パターンは、渦巻の形態のラインを備え得る。代替的または付加的に、溶接パターンは、複数本のハッチ・ラインを備え得る。各ハッチ・ラインは、格子の形態であり得る。各ハッチ・ラインは、矩形状の格子を形成し得る。各ハッチ・ラインは、三角形状の格子を形成し得る。溶接パターンは、好適には、２次元の溶接パターンである。

第１材料および第２材料は、溶接部において実質的に非混合のままとされ得る。“実質的に非混合”という表現によれば、第１材料および第２材料により形成されて、単一の共混合された合金相で相互に組み合わされた金属間化合物成分が、溶接部の多くとも20％、好適には多くとも10％を構成することが意味される。第１材料と第２材料との間の界面における金属間化合物成分は、所定の機械的特性およびオーム抵抗を備えた接合部を達成するために差し支えないものであり得る。第１材料と第２材料との間の界面における金属間化合物成分は、再結晶により引き起こされる如き脆化を回避するに十分に小寸であり得る。

溶接部は、実質的に不均一であり得る。溶接部は、第１金属材料および第２金属材料の個々の区域を備え得る。

第１材料は、１ミクロンの光学波長にて90％超の反射率を有し得る。

第１材料は、第２材料とは異なる溶融温度を有し得る。

微小溶接部は、第１材料に形成された孔を備え得る。第１材料は、第２材料内に包含され得る。第１および第２の材料の少なくとも一方は、孔内に流入していても良い。第１材料は、頂部表面および底部表面を有し得る。底部表面は頂部表面よりも第２材料に近くあり得る。孔は頂部表面における幅および底部表面における幅を有し得ると共に、頂部表面における幅は、底部表面における幅よりも広幅である。孔は座刳り孔であり得ると共に、微小溶接部はリベットを擬態し得る。

微小溶接部は、第２材料内における第１材料の区域を備え得る。

驚くべきことに、溶接部は、光輝的で異なる金属および合金同士を接合し、溶接部により形成された各接合部上に一貫した予測的な結果を生成するための更に単純な解決策を提供する。第１および第２の材料の一方を、実質的に他方の材料と混合させずに孔内へと流入させるべく構成すると、金属間化合物の形成の阻止が支援されると共に、金属間化合物に伴う砕けやすさおよび脆弱な溶接部の如き信頼性の問題が回避される。一貫した予測的な結果は、アモルファス金属合金、鋳造材、焼結合金、および、射出形成合金などの種々の合金により実現可能である。結果はまた、イリジウム、タングステン、モリブデン、ニオブ、および、タンタルなどの耐火金属によっても実現可能である。耐火金属は、化学的に不活性であり、鉄、銅およびニッケルの如き金属よりも高い密度および高い硬度を有し、且つ、2,000℃超の溶融温度により特徴付けられる。溶接部の増大された表面積は、更なる接触領域を提供し、するとこれは、オーム抵抗を減少する。オーム抵抗を減少させることは、バッテリおよびソーラ・パネルの効率を高めるための重要な検討事項である。接続され得る部材の例としては、バッテリの内部における銅からアルミニウムへの接続構造の如き電気接続構造；撓曲可能な回路要素と薄い断面のバス・バーとの間における低プロフィルの電気接続構造；医療用電子デバイスのための金属製囲繞体；電気的構成要素の電磁干渉および高周波の遮蔽体；電気接続構造および回路盤に対する取付け用のリード線、フィラメント、および、ワイヤ；携帯電話、ラップトップ・コンピュータ、テレビの如き消費者用電子機器、および、他の消費者用電子デバイスにおける他の電気接続構造；金属製のラベルおよびタグ；宝石類における銀、白金および金の部材；および、医療デバイス、センサ、および、他の電気回路；が挙げられる。アモルファス金属合金は、３次元印刷の一形態であり、金属粉がレーザにより焼結されるという積層造形において使用される。

第１材料は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、スズ、チタン、イリジウム、タングステン、モリブデン、ニオブ、タンタル、レニウム、銀、白金、金、および、材料の内の少なくとも一種を備える合金から成る群から選択された金属を備え得る。

第２材料は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、スズ、チタン、イリジウム、タングステン、モリブデン、ニオブ、タンタル、レニウム、銀、白金、金、および、材料の内の少なくとも一種を備える合金から成る群から選択された金属を備え得る。

第１材料および第２材料に対し、他の金属が採用され得る。第１材料および第２材料は、同一であり、または、異なり得る。

幅は、0.5mm〜2.5mmであり得る。

固有特定形状サイズは、微小溶接部の幅であり得る。固有特定形状サイズは、40μm〜100μmであり得る。

本発明はまた、本発明に係る溶接部を備える物品も提供する。物品の例は、スマートフォン、携帯電話、ラップトップ・コンピュータ、タブレット・コンピュータ、テレビ、消費者用電子デバイス；バッテリ；太陽電池；集積電子回路構成要素；プリント回路基板；電気接続構造；撓曲可能な回路要素と薄い断面のバス・バーとの間における低プロフィルの電気接続構造；医療用電子デバイスのための金属製囲繞体；および、消費者用電子デバイスにおける電気接続構造；金属製のラベルおよびタグ；宝石類における銀、白金および金の部材である。

本発明はまた、
・第１材料を備える第１金属部材を、第２材料を備える第２金属部材上に載置する段階と、
・レーザ・パルスの形態でレーザ・ビームを放出するレーザを配備する段階と、
・第１金属部材の表面に関してレーザ・ビームを走査する走査器を配備する段階と、
・レーザ・パルスを表面上に焦点合わせする対物レンズを配備する段階と、
・走査器がレーザ・ビームを表面に関して移動させる如く走査器を制御すべく適合化された制御器を配備する段階と、
を備える、第１材料を第２材料に対してレーザ溶接する方法であって、
・レーザ・ビームを表面に関して移動させる段階、
・レーザ・パルスを、表面に対して平行に画成された溶接パターンの形で少なくともひとつの微小溶接部の形成を引き起こすというスポット・サイズおよびパルス・フルエンスにて焦点合わせする段階、
・レーザ・ビームを金属表面に関して移動させる段階は、溶接部が0.5mm〜7mmの幅を有する如きであること、および、
・微小溶接部は、20μm〜400μmの固有特定形状サイズを有すること、
により特徴付けられる、方法も提供する。

レーザは、第１金属部材における複数の溶融池と、第２金属部材における複数の熱杭とを形成すべく動作せしめられ得る。各熱杭は、個々の溶融池から延在し得ると共に、末端を有し得る。方法は、制御器が各焦点合わせ済みスポットを、各溶融池を重なり合わせるに十分に小寸の距離であって、各熱杭の末端が個別的であり且つ少なくともひとつの方向において相互から離間されることを確実とするに十分に大寸であるという距離だけ離間させるべく適合化する段階を含み得る。

制御器は、表面上に溶融池を生成する第１レーザ信号、第２金属部材に対する第１金属部材の溶接を開始する第２レーザ信号、および、第１金属部材を第２金属部材に対して溶接して微小溶接部を形成する第３レーザ信号を選択すべく動作され得る。第１および第２のレーザ信号は、同一であり、または、異なり得る。第１、第２および第３のレーザ信号は、表面を踏破するレーザ・ビームの単一行程において、または、表面を踏破するレーザ・ビームの複数回の行程において提供され得る。第１および第２のレーザ信号は、表面を踏破するレーザ・ビームの第１の行程において提供され得ると共に、第３レーザ信号は、表面を踏破するレーザ・ビームの第２の行程において提供され得る。

第２レーザ信号は、100psより大きいパルス幅により特徴付けられる複数のパルスを有すべく選択され得る。

第２レーザ信号は、第３レーザ信号のピーク・パワーよりも実質的に大きいピーク・パワーを有すべく選択され得る。

第１、第２および第３の信号の少なくともひとつは、金属間化合物の形成を阻止すべく選択され得る。

第１、第２および第３の信号の少なくともひとつは、レーザ溶接部の表面の円滑さを向上させるべく選択され得る。

溶接プロセスは、キーホールを形成するものであり得る。方法は、キーホールを閉じるべく選択される第４レーザ信号を提供する段階を含み得る。

第１材料は、第２材料よりも実質的に延性であり得る。

レーザは、4未満、好適には2未満、更に好適には1.3未満のビーム品質M²により特徴付けられ得る。

レーザはナノ秒レーザであり得る。

レーザは、1,000nm〜3,000nmの波長により特徴付けられ得る。

レーザは、希土類元素がドープされたファイバ・レーザであり得る。

方法は、レーザにより第１材料に孔を形成する段階と、レーザにより第１および第２の材料の少なくとも一方を溶融させる段階と、第１および第２の材料の少なくとも一方を孔内へと流入させる段階とを備え得る。

第１材料および第２材料は、溶接部において実質的に非混合のままであり得る。

孔は、第１材料の少なくとも幾分かが第２材料内に注入される如くレーザをパルス化することにより形成され得る。

孔は、先ず第１材料を貫通しない孔を形成し、次に、第１材料の少なくとも幾分かが第２材料内に注入される如くレーザをパルス化することにより形成され得る。

第１材料は、頂部表面および底部表面を有し得る。底部表面は、頂部表面よりも第２材料に近くされ得る。孔は、頂部表面における幅および底部表面における幅を有し得、頂部表面における幅は、底部表面における幅よりも広幅である。孔は座刳り孔であり得る。

方法は、第１材料および第２材料の少なくとも一方をレーザにより再溶融させる段階を含み得る。

溶接部は、第１材料および第２材料の少なくとも一方において少なくともひとつの空隙を備え得る。

パルス反復周波数は10kHz超であり得、100kHz超であり得、且つ、200kHz超であり得る。スポット・サイズ、パルス・フルエンス、パルス幅、および、パルス反復周波数は、第１材料および第２材料の少なくとも一方が、順次的なレーザ・パルス間において再凝固することにより溶接部における金属間化合物相の形成を阻止する如く選択され得る。第１材料および第２材料の少なくとも一方が迅速に冷まされることを確実とするパルス波形を選択すると、金属間化合物の成長が実質的に低減されることから、砕けやすさおよび脆弱な溶接部の如き、金属間化合物に伴う信頼性の問題が回避される。

スポット・サイズは100μm未満であり得る。スポット・サイズは60μm未満であり得る。

第１材料は第２材料よりも高い溶融温度を有し得る。

第１材料は、１ミクロンの光学波長において90％超の反射率を有し得る。

次に、本発明の実施例は、添付図面を参照して例示的にのみ記述される。

本発明に係る溶接部を示す図である。 連続的な渦巻の形態の溶接部を示す図である。 矩形状ハッチングの形態の溶接部を示す図である。 矩形状ハッチングの形態の溶接部を示す図である。 三角形状ハッチングの形態の溶接部を示す図である。 本発明に係る溶接部を作製するレーザ・システムを示す図である。 レーザによる第１材料における孔切断を示す図である。 レーザにより溶融された第２材料を示す図である。 溶融された第２材料が、レーザにより第１材料に形成された孔内へと流入されたという完成溶接部を示す図である。 第１材料を貫通しない孔を示す図である。 孔の下方における溶融された第２材料を示す図である。 溶融された第２材料が、レーザにより第１材料に形成された孔内へと流入されたという完成溶接部を示す図である。 形成されつつある溶接部を示す図である。 第２材料内における第１材料の複数の区域を有する溶接部を示す図である。 本発明に係る溶接部を作製するレーザ・システムを示す図である。 パルス式レーザ波形のパラメータを示す図である。 焦点合わせ済みレーザ・スポットのパラメータを示す図である。 離間された２つの焦点合わ済みレーザ・スポットを示す図である。 重なり合う２つの焦点合わせ済みレーザ・スポットを示す図である。 複数の微小溶接部から成る縫い付けパターンを示す図である。 溶接部を作成する間にパルス式レーザ出力が変化せしめられるレーザ・システムを示す図である。 キーホール溶接を用いて作成された微小溶接部を示す図である。 微小溶接部の断面を示す図である。 キーホールを閉じるために使用される波形を示す図である。 被覆により覆われた第１材料を示す図である。 第２材料に対して溶接された第１材料を示す図であり、第１および第２の材料は複数の層を備える。 金属間化合物および熱影響区域を備える先行技術の溶接部を示す図である。 熱影響区域を備える本発明に係る溶接部を示す図である。 溶接部により第２金属部材に対して溶接されたタブを示す図である。 パルス・フルエンスおよび吸収されたエネルギ密度のグラフである。 本発明の方法に従って作成された溶接部の実例を示す図である。 図３１に示された溶接部の剪断試験の結果を示す図である。 本発明に係る溶接部を用いて銅箔により接続された２枚のアルミニウム箔を示す図である。 真鍮および銅で形成された溶接部を示す図である。 主発振器出力増幅器構成に基づくナノ秒パルス化ファイバ・レーザにおけるパルス反復周波数によるパルス形状の進展を示す図である。 ナノ秒パルス化ファイバ・レーザにおいて同一の平均パワーを有する２つのパルス波形を示す図である。

次に、本発明に係る溶接部は、図１を参照して例示的にのみ記述される。図１は、第１材料1と第２材料2との間の溶接部3を示し、第１材料1は第１金属材料であり且つ第２材料2は第２金属材料であり、溶接部3は0.5mm〜7mmの幅4を有し、該溶接部は、少なくともひとつの微小溶接部8を備え、該微小溶接部8は、第１材料1の表面6に対して平行に画成された(拡大して示された)溶接パターン5を形成し、且つ、該微小溶接部8は、20μm〜400μmの固有特定形状サイズ7を有する。

第１材料1の表面6に対して平行であるという表現によれば、溶接部3の近傍において表面6上である、または、たとえば、溶融池の下方にて表面6の下方であることが意味される。溶接パターン5は好適には、２次元の溶接パターンである。溶接部3の幅4という表現によれば、表面6上における溶接部3の最小の縦走寸法が意味される。

図１に示された溶接パターン5は、渦巻の形態の複数の微小溶接部8を備える。各微小溶接部8の固有特定形状サイズ7は、該微小溶接部8の幅または直径である。渦巻の各腕部9は、第１離間距離10だけ離間される。各微小溶接部8は、渦巻の各腕部9において、第２離間距離11だけ離間される。第２離間距離11は、50μm〜450μmであり得る。好適には、第２離間距離11は、50μm〜200μmである。上記渦巻は、円形であり得るか、または、競争場の形態における如く長寸化され得る。他のパターンも使用され得る。

溶接部3は、渦巻22の形態である単一の微小溶接部21を備えるという図２に示された溶接パターン20の形態であり得る。微小溶接部21の固有特定形状サイズ7は、微小溶接部21の幅である。渦巻の各腕部9は、第１離間距離10だけ離間される。

溶接パターン5は、図３、図４および図５に示された如く、各々が少なくともひとつの微小溶接部8を備える複数本のハッチ・ライン31を備え得る。溶接パターン5は、図３および図５に示された如く、少なくともひとつの微小溶接部8を備える周縁リング33を備え得る。好適には、周縁リング33は、溶接部3における応力の緩和を支援し得る。微小溶接部8の固有特定形状サイズ7は、該微小溶接部8の幅である。各ハッチ・ライン31は、図３および図４に示された如く矩形状の格子を備え得、個々のハッチ・ライン31は、第１離間距離10だけ、且つ、第３離間距離32だけ離間される。各ハッチ・ライン31はまた、図５に関して示された如く、三角形状の格子も形成し得る。他の格子パターンも可能である。

図１乃至図５の第１離間距離10は、20〜2,000μmの範囲内であり得る。第１離間距離10は、50μm〜500μmの範囲内であり得る。好適には、第１離間距離10は、50μm〜250μmの範囲内である。更に好適には、第１離間距離10は、50μm〜125μmの範囲内である。

図３乃至図５における第３離間距離32は、20〜2,000μmの範囲内であり得る。第３離間距離32は、50μm〜500μmの範囲内であり得る。好適には、第３離間距離32は、50μm〜250μmの範囲内であり得る。更に好適には、第３離間距離32は、50μm〜125μmの範囲内である。第３離間距離32は、第１離間距離10と同一であり得る。

溶接部3は、図６に示された装置を用いて作成され得る。該装置は、ビーム供与ケーブル69によりレーザ走査器67に対して連結されたレーザ61を備える。レーザ61は、対物レンズ68により表面6上に焦点合わせされるレーザ・ビーム62を放出する。

レーザ61は好適には、約1,060nmの波長にて発光するナノ秒レーザである。レーザ61に対する種々の選択肢は、後時に記述される。

ナノ秒パルス式レーザという語句によれば、1ns〜1,000nsの範囲内のパルス幅を有するパルスを放出し得るレーザが意味される。斯かるレーザはまた、更に短いパルスおよび更に長いパルスも放出し得ると共に、連続波光線も放出し得る。斯かるレーザは、溶接部を作製するために習用的に使用される先行技術のミリ秒レーザとは異なる。ミリ秒レーザは概略的に、単一パルスを放出することにより溶接部を形成し、且つ、ミリ秒レーザにより形成された溶接部は、本発明の溶接部3とは非常に異なる視覚的外観を有する。驚くべきことに、本発明の溶接部3は、高度に反射的な金属および耐火金属において形成され得ると共に、更に少ないエネルギを含む更に短いパルスに依り、溶接部3は、異なる金属、高度に反射的な金属を用いるときでさえも、極めて強固である。第１材料1および第２材料2の少なくとも一方は、パルス間に非常に迅速に冷めて、微小溶接部8内において金属間化合物を形成するための時間を不十分とする。溶接部3はまた、先行技術の手法によれば、強固で信頼性が高く、予測的な溶接部を達成することが困難とされてきた、アルミニウムおよびステンレス鋼の如き、複数種の金属の組み合わせにおいても形成され得る。

図７乃至図９に示された如く、第１材料1および第２材料2は、微小溶接部8において実質的に非混合とされ得る。図７は、レーザ61により形成された孔71を示している。図８は、レーザにより溶融された溶融済み第２材料81を示している。図９は、溶融済み第２材料81が孔71に流入して再凝固した後に形成された微小溶接部8を示している。上記流れは、レーザ・パルスにより気化された材料の急激な膨張により引き起こされた蒸気圧によるか、または、表面張力の勾配に起因した２種類の流体間の界面に沿う物質移動であるマランゴニ効果による、毛管作用の故に生じ得る。温度依存性の場合、この現象は、熱毛管対流(またはベナール・マランゴニ対流)と称され得る。

図７乃至図９に関して示された溶接部3は、頂部表面72および底部表面73を有する。孔71は、頂部表面72にて、底部表面73における幅75より広い幅74を有する。重要なこととして、斯かる配置構成は、微小溶接部8の剥離強度を高め得る。孔71は、座刳り孔であり、且つ、微小溶接部8はリベットを擬態する。幅74は200μm未満であり得る。幅74は50μm未満であり得る。幅74は20μm未満であり得る。

図１０は、第１材料1を貫通しない孔76を示している。孔76は、パルスにおけるエネルギが、第１材料1における蒸気圧を、該孔76が第１材料1の底部表面73を貫通するレベルまで上昇させるには十分でないことを確実とすることにより、形成され得る。このことは、レーザ61が、更に低いピーク・パワー、または、20ns未満のパルス幅を有するパルスの如き、更に低エネルギのパルスを供与し得る如く、該レーザを選択することにより達成され得る。走査器67は、所定形状の孔71を実現するために第１材料1上でレーザ・ビーム62を走査すべく使用され得る。(たとえば、1μmの波長において約90％超の反射率などの)高反射率材料に対しては、ピコ秒レーザ(1ps〜1,000psのパルス幅を有するパルスを放出するレーザ)が好適に使用され得る。図１１は、レーザ61により溶融された溶融済み第２材料81を示している。次にレーザ61は、今や孔76が第２表面73まで貫通して孔71を生成することから、図１２に関して示される如く第２材料2の少なくとも幾分かが孔71に流入することを許容する如く、パルス化され得る。第１材料1の少なくとも幾分かは、図１２に示された結果的な微小溶接部8の区域121により示される如く、第２材料2内に注入され得る。第２材料2においては、少なくともひとつの空隙122も生じ得る。空隙122は、蒸気圧により、第２材料2が孔71を通して流れることを支援し得る。

図１３および図１４は、第１材料1の反射性を克服するに十分なピーク・パワーと、第２材料2にキーホール133を形成するに十分なエネルギとを有するレーザ61により形成された微小溶接部8を示している。第１材料1の急激な加熱により引き起こされた蒸気圧によれば、第１材料1の少なくとも幾分かは、孔71内に注入され、または、孔71から放出される。このことは、第２材料2に形成されたキーホール133内へと注入されつつある材料131、および、孔71から外方に放出されつつある材料132により示される。材料131および132は、気相、流体相、固相、または、前述の材料相の内の少なくとも２つの組み合わせに在り得る。そのときに溶融済み第２材料81は、図１４に関して示される如く、孔71に流入し得る。微小溶接部8内には、第１材料1の区域121および空隙122が存在し得る。

図１乃至図５に関して示された微小溶接部8は、図９、図１２および図１４に関して示された微小溶接部8のひとつ以上であり得る。

微小溶接部8は、実質的に不均一であり得る。先行技術の溶接部とは異なり、微小溶接部8は、実質的に非混合であり得る。“実質的に非混合”という表現によれば、単一の共混合された合金相において、相互に組み合わされた第１材料1および第２材料2により形成された金属間化合物成分が、微小溶接部8の材料の多くとも20％、好適には多くとも10％を構成することが意味される。第１材料1と第２材料2との間の界面における金属間化合物成分は、所定の機械的特性およびオーム抵抗を備えた接合部を達成するに差し支えないものであり得る。第１材料1と第２材料2との間の界面における金属間化合物成分は、再結晶により引き起こされる如き脆化を回避するに十分に小寸であり得る。好適には、これにより、異なる金属同士の間に溶接部を形成するときに生じ得る金属間化合物に起因する砕けやすいまたは脆弱な溶接部の問題が回避される。その結果は、光輝的で異なる金属および合金同士を接合して、各溶接部にて一貫した予測的な成果を生み出すという溶接部3である。

第１材料1は、第２材料2とは異なる溶融温度を有し得る。これにより、第１および第２材料1、2の一方が、他方の材料に先立って再凝固し且つ流動することから、第１および第２材料1、2の実質的な混合を回避し得る。微小溶接部8の性能を最適化するために、パルス幅、パルス反復周波数、パルス・エネルギ、および、ピーク・パワーの如きレーザ61のパラメータは、調節され得る。第１材料1は、第２材料2の溶融温度より少なくとも50％高いまたは低い溶融温度を有し得る。

第１材料1は、第２材料2のヤング率よりも小さいヤング率により定義され得る。好適には、第１材料1は、第２材料2よりも相当に延性であり得る。このことは、溶接部3が反復的に歪ませられるならば利点を有する、と言うのも、微小溶接部8は金属疲労に対して更に耐久性があるからである。

第１材料1は、１ミクロンの光学波長140にて90％超の反射率145を有し得る。反射率145は、20℃において定義され得る。

図１乃至図５、および、図７乃至図１４に関し、第１材料1は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、スズ、チタン、イリジウム、タングステン、モリブデン、ニオブ、タンタル、レニウム、銀、白金、金、および、上記材料の内の少なくとも一種を備える合金から成る群から選択された金属を備え得る。上記合金は、青銅、真鍮、ニッケル・チタン合金、または、アモルファス合金であり得る。第２材料2は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、スズ、チタン、イリジウム、タングステン、モリブデン、ニオブ、タンタル、レニウム、銀、白金、金、および、上記材料の内の少なくとも一種を備える合金から成る群から選択された金属を備え得る。第１材料1および第２材料2に対し、他の金属が採用され得る。第１材料1および第２材料2は、同一であり、または、異なり得る。

驚くべきことに、光輝的で異なる金属および合金同士の間の溶接部3は、一貫した予測的な品質を有する。第１および第２材料1、2の一方を、他方の材料と実質的に混合させずに孔71に流入させるべく配置すると、金属間化合物の形成の阻止が支援されると共に、砕けやすく脆弱である溶接部の如き金属間化合物に伴う信頼性の問題が回避される。溶接部3の増大された表面積は更なる接触領域を提供し、するとこれは、オーム抵抗を減少する。オーム抵抗を減少することは、バッテリおよびソーラ・パネルの効率を高めるための重要な検討事項である。

幅4は、0.5mm〜2.5mmであり得る。好適には、固有特定形状サイズ7は40μm〜100μmである。

本発明はまた、開示された各図に係る少なくともひとつの溶接部3を備える物品も提供する。物品の例は、スマートフォン、携帯電話、ラップトップ・コンピュータ、タブレット・コンピュータ、テレビ、および、他の消費者用電子デバイス；バッテリ；太陽電池；集積電子回路構成要素；プリント回路基板；バッテリの内部における銅からアルミニウムへの接続構造の如き、電気接続構造；撓曲可能な回路要素と薄い断面のバス・バーとの間における低プロフィルの電気接続構造；医療用電子デバイスのための金属製囲繞体；および、消費者用電子デバイスにおける電気接続構造；金属製のラベルおよびタグ；宝石類における銀、白金および金の部材である。

次に、第１材料1を第２材料2に対してレーザ溶接する本発明に係る方法は、図１５に関して記述される。該方法は、
・第１材料1を備える第１金属部材151を、第２材料2を備える第２金属部材152上に載置する段階と、
・レーザ・パルス161の形態でレーザ・ビーム62を放出するレーザ61を配備する段階と、
・第１金属部材151の表面6に関してレーザ・ビーム62を走査するための走査器67を配備する段階と、
・レーザ・パルス161を表面6上に焦点合わせするための対物レンズ68を配備する段階と、
・走査器67がレーザ・ビーム62を表面6に関して移動する如く該走査器67を制御すべく適合化された制御器153を配備する段階とを備え、
該方法は、
・レーザ・ビーム62を表面6に関して移動させる段階と、
・レーザ・パルス161を焦点合わせして、表面6に対して平行に画成された溶接パターン5の形態の少なくともひとつの微小溶接部8の形成を引き起こす(図１７に関して示された)スポット・サイズ174およびパルス・フルエンス176を有する焦点合わせ済みスポット12を形成する段階と、
・レーザ・ビーム62を金属表面に関して移動させる上記段階は、溶接部3が0.5mm〜7mmの(図１に関して示された)幅4を有する如きであることと、
・微小溶接部8は20μm〜400μmの固有特定形状サイズ7を有することと、
により特徴付けられる。

レーザ光線62は、光ファイバ147およびコリメーション光学機器142を介して走査器67へと導向される。

レーザ・ビーム62は好適には、結果的な溶接パターン5が２次元的な溶接パターンである如く、表面6に関して２つの次元にて移動される。

図１５は、波長140と、M²値により定義されるビーム品質146とにおいて発光するレーザ61を示している。波長は1,060nmであるとして示されると共に、ビーム品質146は1.6として示されるが、これは非限定的であることが意図される。

第１金属部材151は、溶接部3の領域において、5mm以下の厚み143を有し得る。厚み143は、2mm未満であり得る。厚み143は、1mm未満であり得る。厚み143は、0.5mm未満であり得る。第２金属部材152は、溶接部3の領域において、少なくとも100μmの厚み144を有し得る。厚み144は、0.5mm未満であり得る。第１金属部材151は、80％超の反射率145を有し得る。他の反射率も可能である。

図１６は、ピーク・パワー162、平均パワー163、パルス形状164、(パルスの下方の影付き領域として示された)パルス・エネルギ165、パルス幅166、および、パルス反復周波数F_R167により定義されるパルス161を示している。平均パワー163は、パルス・エネルギ165とパルス反復周波数167との積に等しい。パルス幅166は、ピーク・パワー162の半値全幅(FWHM)として示される。同様に示されるのは、ピーク・パワー162の10％にて測定されたパルス幅168である。パルス161は、低パワー領域169により追随され得る先行パルス160を備える。

図１７は、レーザ・ビーム62を表面6上に焦点合わせすることにより形成されたスポット・サイズ174を有するスポット12を示している。光学強度172は、レーザ・ビーム62の単位面積当たりのパワーである。光学強度172は、スポット12の半径に亙り、その中心におけるピーク強度179から、1/e²強度173まで、且つ、0まで変化する。スポット・サイズ174は典型的にスポット12の1/e²直径として解釈され、これは、光学強度172が、ピーク強度179の夫々の側にて1/e²強度173まで低下する直径である。スポット12の面積175は典型的に、1/e²直径内における該スポット12の断面積として解釈される。パルス・フルエンス176は、表面6上におけるスポット12の単位面積当たりのエネルギとして定義される。パルス・フルエンスは、典型的にJ/cm²単位で測定されると共に、レーザ溶接に対する重要なパラメータである、と言うのも、溶接品質はパルス・フルエンス176により大きく影響されるからである。

レーザ61、コリメーション光学機器142、および、対物レンズ68は、表面6の反射性を克服するに十分な光学強度172およびパルス・フルエンス176が獲得され得る如く選択されるべきである。先行パルス160は、第１材料1の反射性を克服するために、且つ、図７乃至図１４に関して示された孔71を形成するために使用され得る。低パワー領域169は、第２材料2を溶融させるべく使用され得る。図１６に関して示されたレーザ・パラメータは、溶接部3の所望の特性を最適化すべく調節され得る。特定の溶接部に対する最適なパルス・フルエンス176は、種々の材料および材料厚みで変化する。金属片部材を溶接するために最適なパルス・フルエンス176は、実験を通して決定され得る。

図１５におけるレーザ61は、第１金属部材151における複数の溶融池19、および、第２金属部材152における複数の熱杭(heat stake)17を形成すべく操作され得る。各熱杭17は、個々の溶融池19から延在すると共に、末端154を有している。上記方法は、レーザ61および走査器67が、焦点合わせ済みの各スポット12を、各溶融池19を重なり合わせるに十分に小寸の距離であって、各熱杭17の末端154が少なくともひとつの方向155において個別的であり且つ相互から離間されることを確実とするに十分に大寸であるという距離だけ離間させる如く、制御器153を適合化する段階を含む。

“個別的であり且つ相互から離間される”という表現によれば、各熱杭17の末端154が全ての方向において実質的に円滑な溶接部を形成はせず、各熱杭17は、少なくともひとつの方向155において相互から少なくとも部分的に離間され得ることが意味される。代替的に、各熱杭17は、金属表面6に対して実質的に平行な全ての方向において相互から少なくとも部分的に離間され得る。“溶接部”という語句によれば、溶接もしくは接合により作成された接続構造が意味される。

順次的に焦点合わせされた各レーザ・スポット12は、図１８に示された如く、各レーザ・スポット12の中心間の離間距離181がスポット・サイズ34より大きい様に離間され得る。代替的または付加的に、順次的に焦点合わせされた各レーザ・スポット12は、図１８に示された如く、離間距離181がスポット・サイズ34より小さい様に重なり合い得る。もし各レーザ・スポット12が図１８に示された如く離間されるなら、各熱杭17は、ひとつより多い方向155において、個別的であり且つ相互から離間され得る。但し、各レーザ・スポット12が図１９に示された如く重なり合うなら、結果的な微小溶接部8は、図２０に示された如く線形の溶接部であり得る。パターン5は、示された如き複数の微小溶接部8から形成され得るか、または、単一の微小溶接部8のパターン5により形成され得る。後者の場合、各熱杭17は、ひとつの方向155においてのみ、個別的であり且つ相互から離間される。図１７および図１８において、焦点合わせされた各レーザ・スポット12は、単一のレーザ・パルス161または複数のレーザ・パルス161を表すと共に、上記の考察は、微小溶接部8の固有特定形状サイズ7を増大するためにレーザ・スポット12が震動されるという場合まで拡張される。

各熱杭17は、少なくともひとつのパルス161により形成され、パルス161の個数は、パルス・フルエンス176に依存する。典型的には、1mJのパルス・エネルギ165を有するレーザに対し、10個〜100個のパルス161が使用される。各焦点合わせ済みスポット12の中心間の距離181は、夫々の熱杭17の中心間の距離18を近似する。制御器153は走査器67により、熱杭17の各々の形成の間、焦点合わせ済みスポット12を静止して保持させる。代替的に、制御器153は走査器67により、熱杭17の各々の形成の間、好適には距離18より少ない量だけ、焦点合わせ済みスポット12を震動させ得る。距離18は、典型的には20μm〜150μmであり、且つ、好適には40μm〜100μmである。

溶接部3は、各溶融池19および各熱杭17を重なり合わせて形成された複合溶接部であり得る。明瞭化のために、図１５は、立体的な描写において、焦点合わせ済みスポット12を黒色の円にて、且つ、溶接部3を断面で示している。各溶融池19は、それらの間における境界部なしで一体的に溶融して示されると共に、界面は、各溶融池19と各熱杭17との間に示される。金属学的な考察によれば、溶融池19および熱杭17の両方が、第１材料1および第２材料2の両方に由来する材料を備え得ることが例証された。

各金属の良好な混合が達成され得、このことは、第１および第２材料1、2の両方がステンレス鋼であるときには好適であり得る。この場合、各溶融池19と各熱杭17との間には、概略的に、明確な境界はない。

各熱杭17の末端154は、鋭利的な尖端にて終端するとして示される。しかし、このことは必ずしもそうではなく、各末端154は、実質的に湾曲され得ると共に、それらがひとつより多い端部を有する如く断片化され得る。

図１５に関して示された如く、上記方法は、ガス供給源156からシールドガス155を提供する段階と、シールドガス155を溶接部3上に適用する段階とを含み得る。シールドガスは、溶接部3の酸化の阻止を維持するために、または、溶接部3を清浄に維持するために使用され得る。シールドガス155は、アルゴン、ヘリウム、窒素、または、レーザ溶接において通常的に使用される他のガスである。シールドガス155は、複数種のガスの混合物であり得る。ガス供給源156は、ガスボトル、ノズル、および、流量制御調整器を備え得る。

溶接部3は、各熱杭17の末端154にて、実質的に鋸歯状の表面を有している。このことは、溶接部の円滑な末端が好適であると考えられる習用の溶接様式と正反対である。円滑でない溶接ラインは、先行技術における懸念に対する理由であると確信される。

上記装置は好適には、各レーザ・パルス161が、走査器67を制御すべく使用される制御信号157と同期される如きである。このことは、制御器153に対して同期信号を適用することにより、または、制御器153がレーザ61も制御する如く該制御器を適合化することにより達成され得る。

走査器67は、ガルバノメータ・スキャン・ヘッドであり得る。代替的または付加的に、走査器67は、可動式の２次元または３次元的な並進載物台、または、ロボット・アームであり得る。走査器67は、それがレーザ・ビーム62を第１方向158および第２方向159に移動させ得る如きである。走査器67および対物レンズ68は、当業者に公知の処理用光学機器の一部であり得る。上記処理用光学機器は、区画化ミラー、付加的な焦点制御器、および／または、ビーム成形光学機器などの付加的な光学素子を有し得る。

図２１に示された如く、本発明の方法は、制御器153を操作して、表面6上に溶融池19を生成する第１レーザ信号201、第２金属部材152に対する第１金属部材151の溶接を開始する第２レーザ信号202、および、第１金属部材151を第２金属部材152に対して溶接して微小溶接部8を形成する第３レーザ信号203を選択する段階を備え得る。第１、第２および第３のレーザ信号201、202、203は、複数のレーザ・パルス161を備えるべく描かれる。好適には、制御器153は、第１、第２および第３のレーザ信号201、202、203が走査器67と同期される如くレーザ61を制御する。

第１断面221は、第１期間204の間において第１材料1による第１レーザ信号201の吸収により引き起こされた溶融池19を示している。反射性金属同士を溶接するとき、金属による吸収は、溶融池19が生成されるときに相当に増大し得る。故に、溶接特性を最適化するためには、反射率145が一旦変化したなら、制御器153が、第２レーザ信号202を選択することが重要であり得る。

第２断面222は、第２期間205における溶接の開始を示している。第２レーザ信号202は、溶融池19を、第１金属部材151を通して第２金属部材152内へと延在させている。溶融池19の末端226は、第２金属部材152を貫通して示される。溶融池19は次に、第１金属部材151および第２金属部材152の両方からの金属を含有し始める。代替的または付加的に、第１金属部材151からの金属が、第２金属部材152内へと貫通し得る。いずれの場合においても、溶接が開始されたと称され得る。キーホール133が存在して示される。キーホール133は、図１３に関して記述され、且つ、図２２および図２３に関して更に記述される。キーホール133は、第２期間205の間に生じないことがあり、且つ、全く生じないこともある。キーホール133が存在するなら、レーザ・ビーム62の大部分は、キーホール133により吸収され得る。故に、反射性金属同士を溶接するときには、キーホール133から生ずる噴出を制限するために、レーザ・ビーム62の増大する吸収量と共に、第２レーザ信号202のピーク・パワー162およびパルス・エネルギ165の少なくとも一方が減少することが有用であり得る。もし、制御器153が第３レーザ信号203へと変更されることなく溶接プロセスが継続するのであれば、過剰に多いエネルギが第１および第２の金属部材151、152により吸収され得ることから、キーホール133からの材料の激しい噴出に帰着し、結果として、特に宝石類、および、人体内に挿入される医療デバイスなどに対して不都合である粗い表面に帰着し得る。

第３断面223は、第３レーザ信号203により第３期間206において第２金属部材152に対して溶接されつつある第１金属部材151を示している。このことは、第１および第２のレーザ信号201および202が印加されるという表面6を踏破するレーザ・ビーム62の同一の行程において、または、次続的な行程において行われ得る。もし第１材料1が高度に反射性であるなら、第３レーザ信号203のピーク・パワー162は、それが第２レーザ信号202のピーク・パワー162よりも小さい様に選択され得、このことは、キーホール133から引き起こされる溶融材料の激しい噴出を少なくする効果がある。一定の状況において、第３レーザ信号203は連続波信号であることが好適であり得る。溶融池19は、第１および第２の断面221、222における溶融池19よりも大寸であるとして示されるが、このことは非限定的であることが意味される。レーザ・ビーム62は、キーホール133内に焦点合わせされて示される。溶融池19の末端226は、更に第２金属部材152内へと延在して示される。キーホール133は、第３期間206の間において存在しないこともある。

図２２においては、キーホール溶接が更に詳細に示される。このプロセスにおいて、レーザ・ビーム62は、第１および第２の金属部材151、152を溶融させるだけでなく、蒸気も生成する。散逸する蒸気は、溶融金属225に対して圧力を及ぼし、それを部分的に変位させる。結果は、キーホール133と称される、深底で狭幅である蒸気が充填された孔である。斯かるプロセスは、本発明の装置および方法において微小溶接部8および(存在するなら)熱杭17の形成に含まれ得る。

上記方法は、キーホール133が、溶融金属225により囲繞されると共に、レーザ・ビーム62が走査される方向226においてレーザ・ビーム62と共に移動するという方法であり得る。溶融金属225は、キーホール133が移動するにつれて、その背後で凝固し、微小溶接部8を形成する。微小溶接部8は、深底かつ狭幅であり得る。レーザ・ビーム62は、キーホール133内で高効率で吸収される、と言うのも、それは複数回に亙り反射されるからである。図２３に示された如く、微小溶接部8は、その幅229よりも大きい深度228を有し得る。溶接部深度228は、溶接部幅229の１０倍まで大寸であり得る。代替的に、溶接部深度228は、溶接部幅229の１０倍よりも大寸であり得る。

図１５および図２１に関して示された熱杭17は、図２３に示された微小溶接部8の少なくとも一部分を形成し得る。幅229は、図１乃至図５および図１５に関して示された固有特定形状サイズ7であり得る。熱杭17という語句によれば、第２金属部材152内へと貫通する溶接部が意味される。熱杭17は、第２金属部材152を貫通するスパイクを擬態し得る。代替的に、熱杭17は、自身の丈に沿い直線状または湾曲状である深底貫通溶接部であり得る。第１および第２材料1、2は、熱杭17において相互に混合され得るか、または、それらは実質的に非混合とされ得る。代替的に、熱杭17は、主として第１材料1を備え得る。

たとえば、各溶接材料が実質的に異なる溶融温度を有するときなどの、幾つかの場合、キーホール133は、適切に閉じないで、溶接部3に空隙122を残置し得る。これは、図２４に関して示された第４レーザ信号240を提供することにより解決され得、該レーザ信号240は、キーホール133を閉じるべく選択される。第４レーザ信号240の平均パワー163は、時間と共に減少され得る。図２４において、第４レーザ信号240は、第３レーザ信号203のパルス反復周波数167よりも小さいパルス反復周波数167を以て、複数のパルス161を備える。これに加え、ピーク・パワー162は、時間と共に減少される。他の第４レーザ信号240も可能である。

再び図２１を参照すると、微小溶接部8は、それが冷めた後の断面で示される。微小溶接部8は、第２金属部材152内へと延在する選択的な熱杭17を備えるとして示される。溶接部3の表面上の材料132、および、第２金属部材152内の空隙122も示される。材料132および空隙122は、図１３に関して先に記述された。図１乃至図１４に関して記述された如く、パターン5は、図２１に示された複数の微小溶接部8、または、パターン5を形成する単一の微小溶接部8を備え得る。

上記溶接方法は、以下の判断基準の内のひとつ以上に関して向上もしくは最適化され得る：(i)材料132の排除もしくは減少、(ii)空隙122の排除もしくは減少、(iii)溶接部3の表面粗さの低減もしくは表面の改善、(iv)溶接部3を形成するために必要とされる時間の短縮、(v)溶接部3の強度、および、(vi)溶接部3の信頼性。上記最適化は、第１、第２、第３および第４のレーザ信号201、202、203および240の選択、対物レンズ68の選択および焦点合わせ、および、走査器67の走査速度の選択により、達成され得る。最適化は、実験を通して達成され得る。たとえば、第１、第２および第３のレーザ信号201、202、203の内の少なくともひとつは、金属間化合物の形成を阻止すべく選択され得る。これにより、溶接部3の強度および信頼性は高められるはずである。種々の材料および厚み143、144における溶接部を最適化するためのパラメータは、制御器153およびレーザ61に記憶され得る。

微小溶接部8は、表面6を踏破するレーザ・ビーム62の単一行程により、または、表面6を踏破するレーザ・ビーム62の複数回の行程において形成され得る。第１、第２および第３のレーザ信号201、202、203は、レーザ・ビーム62の単一行程において提供され得る、と言うのも、それは微小溶接部8を形成するからである。代替的に、第１および第２のレーザ信号201、202は、表面6を踏破するレーザ・ビーム62の一行程において、且つ、第３レーザ信号203は、表面6を踏破するレーザ・ビーム62の別の行程において提供され得る。

幾つかの場合において、溶接部3を形成する方法は、可及的に単純であり、且つ、好適には異なる材料に対して同一の段階を使用することが重要である。この場合、第１、第２、第３および第４のレーザ信号201、202、203および240の内の少なくとも２つは、同一の波形を有するパルス161を備え得る。

図１５および図２１に関して記述された本発明の方法は、図７乃至図１４に関して記述された段階を備え得る。該方法は、レーザ61により第１材料1に孔71を形成する段階と、レーザ61により第１および第２材料1、2の少なくとも一方を溶融させる段階と、第１および第２材料1、2の少なくとも一方を流動させる段階とを含み得る。第１および第２材料1、2は、孔71内へと流入され得る。第１材料1および第２材料2は、図８に示された如く、微小溶接部8内で実質的に非混合のままであり得る。孔71は、図１２および図１３に示された如く、第１材料1の少なくとも幾分かが第２材料2内へと注入される如く、レーザ61をパルス化することにより形成され得る。

孔71を形成する段階は、第１材料1を切断する段階を含み得る。切断という語句によれば、切断または彫り込みが意味される。上記段階は、第２材料2を切断する段階を含み得る。

第１および第２材料1、2の少なくとも一方を溶融して流動させる上記段階は、微小溶接部8を踏破するレーザ・ビーム62の付加的な行程において提供され得る。

孔71を形成する段階は、第１材料1と第２材料2との間に微小溶接部8を形成する段階を含み得る。但し、微小溶接部8は、必要とされる強度、構造もしくは外観を有さないこともある。第１および第２材料1、2の少なくとも一方を溶融させる段階、および、第１および第２材料1、2の少なくとも一方を流動させる段階は、微小溶接部8の強度、構造もしくは外観を向上させ得る。好適には、図１６に関して記述されたレーザ・パラメータの幾つかまたは全ては、第１および第２材料1、2の少なくとも一方を溶融して流動させるときに、微小溶接部8における金属間化合物271の形成を阻止すべく選択される。

第１および第２材料1、2の少なくとも一方を溶融させる段階は、パルス・フルエンス176が、第１および第２材料1、2の一方を、第１および第２材料1、2の他方に優先して溶融させる如く、レーザ61を操作する段階を含み得る。好適には、第１および第２材料1、2の一方を溶融させる段階は、金属間化合物271の形成を阻止し得る。

第１および第２材料1、2の少なくとも一方を溶融させる段階は、第１および第２材料1、2の両方を溶融させるパルス・フルエンス176およびパルス反復周波数167を以てレーザ61を動作させる段階を含み得る。好適には、パルス・フルエンス176およびパルス反復周波数167は、第１および第２材料1、2の少なくとも一方が、順次的なパルス161の間において凝固する如く選択される。これにより、微小溶接部8における金属間化合物の形成が阻止され得る。

第１材料1は、10mJ以下のパルス・エネルギ165に対して露出されたときに溶融し得る。パルス・エネルギ165は、4mJ以下であり得る。パルス・エネルギ165は、1mJ以下であり得る。パルス・エネルギ165は、100μJ以下であり得る。パルス・エネルギ165は、10μJ以下であり得る。更に厚寸の材料は、更に薄寸の材料よりも大きいパルス・エネルギ165を必要とする。

図１０乃至図１２に示された如く、孔71は、第１材料1を貫通しない孔76を形成してから、第１材料1の少なくとも幾分かが第２材料2内へと注入される如くレーザ61をパルス化することにより形成され得る。

孔71を形成する段階は、100ns以下の半値全幅値により定義されるパルス幅166を有する少なくとも一個のパルス161によりレーザ61をパルス化する段階を含み得る。パルス幅166は、10ns以下であり得る。レーザ61は、ナノ秒パルス式レーザであり得る。

孔71もしくは孔76を形成する段階は、20ns以下のパルス幅166を有する少なくとも一個のパルス161によりレーザ61をパルス化する段階を含み得る。パルス幅166は、1ns以下であり得る。パルス幅166は、100ps以下であり得る。パルス幅166は、10ps以下であり得る。レーザ61は、ピコ秒パルス式レーザであり得る。好適には、レーザ61は、それが(1ns未満の)ピコ秒パルスおよび(1μs未満の)ナノ秒パルスの両方を放出し得る如きである。1ns未満のパルス幅166を有することの利点は、パルス161において少ないエネルギが提供されることであり、このことは、第１材料1の表面粗さもしくは貫通なしに該第１材料1に孔76を切り込むことを支援し得る。孔71または孔76を切り込むために、複数のパルス161が採用され得る。

本発明の装置もしくは方法により形成されたレーザ溶接部3は、内因的であり得、すなわち、溶接部3を形成する上で、付加的な(充填材)材料は加えられない。

図６、図１５および図２１を参照すると、レーザ61は、ファイバ・レーザ、半導体ロッド・レーザ、半導体ディスク・レーザ、もしくは、二酸化炭素レーザの如きガス・レーザ、または、それらの組み合わせであり得る。レーザ61は、パルス161を生成するための音響光学的変調器の如き外部の光学変調器を備えたレーザ源であり得る。レーザ61は、Qスィッチング式レーザ、変調式連続波レーザ、または、準連続波レーザであり得る。レーザ61は、好適には、主発振器出力増幅器である。レーザ61は好適には、レーザ・パルス161、ならびに、連続波出力を出力し得る。

レーザ61は、1〜25のビーム品質M²値109により定義され得る。M²値109は、1〜10、1〜5、または、2〜5の範囲内であり得る。好適には、M²値109は、1.3〜2の範囲内であり得る。M²値109は、1.3未満であり得る。

レーザ61は好適には、イッテルビウムドープ・ファイバ・レーザ、エルビウムドープ・ファイバ・レーザ、ホルミウムドープ・ファイバ・レーザ、または、ツリウムドープ・ファイバ・レーザの如き、希土類元素がドープされたナノ秒パルス式ファイバ・レーザである。これらのレーザは典型的に、夫々、1μm、1.5μm、2μm、および、2μmの波長範囲における波長140にてレーザ光線を放出する。

レーザ61は、約10ps〜3,000ns、好適には100ps〜1,000nsの範囲内、更に好適には1ns〜1,000nsの範囲内のパルス幅166を有するレーザ・パルス161を放出し得るレーザであり得る。レーザ61はまた、連続波レーザ信号も放出し得る。好適には、レーザ61は、溶接部3の特性および作製コストを最適化するために選択され得る種々のパルス形状およびパルス・パラメータを有する。斯かるレーザの例は、ナノ秒式のイッテルビウムドープ・ファイバ・レーザである、英国、サウサンプトンのSPI Lasers UK社により製造されたモデルSPI G4 70 EP-Zである。上記レーザは、1059nm〜1065nmの範囲における波長140にて発光する。表１は、上記レーザの操作者により選択可能である36 通りの波形(wfm0〜wfm35)に対するパルス・パラメータ・データを示している。各波形は、最大のパルス・ピーク・パワーが得られる最小パルス反復周波数PRF0、および、最小のパルス・ピーク・パワーが得られる最大パルス反復周波数PRFmaxを有している。最大のパルス・エネルギEmaxは、最小パルス反復周波数PRF0にて得られると共に、上記レーザが該最小パルス反復周波数未満で動作されても、増大されない。最小パルス反復周波数PRF0にて獲得可能なピーク・パワーは、Emaxに対応するピーク・パワーであり、右欄に示される。

図３５は、表１に示された波形WF0に対するパルス反復周波数167により、パルス形状164が如何に変化するかを示している。パルス反復周波数167が増大するにつれ、ピーク・パワー162は減少し、且つ、半パワー全幅(FWHP)パルス幅166は、10kHzにおける約20nsから、560kHzにおける約220nsまで増大する。平均パワー163は、各パルス波形に対して約70Wであり、パルス・エネルギ165は、増大するパルス反復周波数167により減少する。

図３６は、最小パルス反復周波数PRF0において表１に示された２つの異なるパルス波形に対するパルス形状164を示している。各パルス波形に対し、平均パワー163は約70Wである。

上記レーザはまた、第３または第４のレーザ信号203、240として選択され得る連続波(cw)レーザ・ビーム62も提供し得る。

ナノ秒ファイバ・レーザを使用し、1μmの波長範囲で発光し、且つ、約1mJのパルス・エネルギ165により、高度に反射的な金属を溶接する機能は、新規であり、且つ、予期されない。

図２１を参照すると、第２レーザ信号202は、複数のパルス161を有すべく選択され得る。パルス幅166は、100ps超であり得る。

第２レーザ信号202は、実質的に第３レーザ信号203のピーク・パワー162よりも大きいピーク・パワー162を有すべく選択され得る。

第２レーザ信号202は、実質的に第３レーザ信号203のパルス反復周波数167よりも小さいパルス反復周波数167を有すべく選択され得る。第２レーザ信号202の平均パワー163は、実質的に第３レーザ信号203の平均パワー163に等しい平均パワーにより特性記述され得る。第３レーザ信号203は連続波信号であり得、このことは、反射性金属を溶接するときに好適であり得る、と言うのも、それによれば、第１材料1における蒸気圧を増大して微小溶接部8からの材料の噴出に帰着するというパルス・エネルギ165の急激な吸収が回避されるからである。第２および第３のレーザ信号202、203は、第１材料1を踏破するレーザ・ビーム62の同一行程にて、または、異なる行程にて印加され得る。

第１レーザ信号201のピーク・パワー162は、第２レーザ信号202のピーク・パワー162より大きいピーク・パワー162を有すべく選択され得る。これにより、第１材料1に対するレーザ・ビーム62の結合が支援され得る、と言うのも、第１材料1の反射率145を克服するためには高いピーク・パワー162が必要とされるからである。

第１レーザ信号201のパルス・エネルギ165は、第２レーザ信号202のパルス・エネルギ165より小さいパルス・エネルギ165を有すべく選択され得る。

第２レーザ信号202のパルス幅166は、2.5ms未満、好適には1ms未満、更に好適には100ns未満となるべく選択され得る。

第２レーザ信号202のパルス反復周波数167は、1kHz超、好適には10kHz超、更に好適には100kHz超であるべく選択され得る。

最適化された溶接プロセスとは、レーザ溶接部3の表面231の滑らかさを向上させるものであり得る。代替的または付加的に、最適化された溶接プロセスとは、レーザ溶接部3の強度を高めるものであり得る。代替的または付加的に、最適化された溶接プロセスとは、レーザ溶接部3を形成するために必要とされる時間を短縮するものであり得る。

図２５に示された如く、第１材料1は被覆251により覆われ得る。被覆251は、ニッケルもしくはクロムの如き金属メッキであり得るか、または、陽極酸化処理の如き、化学的に誘起された被覆であり得る。被覆251は、ポリマ被覆であり得る。

第１金属部材151は、図２６に関して示される如く、複数の層231を備え得る。複数の層231は折り重ねられた同一金属の薄寸体、同一金属の複数層、または、異なる複数の金属の複数層であり得る。代替的または付加的に、第２金属部材152は、複数の層232を備え得る。複数の層232は、折り重ねられた同一金属の薄寸体、同一金属の複数層、または、異なる複数の金属の複数層であり得る。各層231は、層232と同一の金属、または、異なる金属を備え得る。溶接部3は、第１金属部材151を第２金属部材152に対して接合するとして示される。溶接部3は、部分的に第２金属部材152を貫通して示される。

図２７は、たとえば、100mJ以上の単一の高エネルギ・パルスを用いる緑色レーザによるレーザ溶接、または、準連続波ファイバ・レーザによる溶接などの先行技術を用いた第１金属部材151と第２金属部材152との間の溶融池270を備えるレーザ溶接部275を示している。溶接部275は、図１に示された溶接部3と同様の全体サイズを有する。従って、溶融池270は、図１乃至図５、および、図７乃至図１４に関して示された溶融物が更に大きな熱質量を有するときに、各微小溶接部8よりも相当に大寸であり、冷めるには更に長い時間が必要である。これは、金属混合に帰着する。しかし混合が良好に十分でなければ、これは付随する境界層271の形成に帰着し、該境界層は、異なる金属同士を溶接するときに、砕けやすい金属間化合物を含有する。溶融池270の回りには、熱により影響されたが金属は流動しないという領域、すなわち、所謂る熱影響区域(HAZ)272も在る。熱影響区域272の機械的特性は、熱焼き戻しの結果として相当に低下され得ると共に、概略的には最小限度に抑えられるべきである。熱影響区域272は概略的に、第１金属部材151の頂部表面273、および、第２金属部材152の底部表面274の両方にて、(たとえば、酸によるエッチングの後で)視認可能である。

鋼鉄に対して鋼鉄を溶接するとき、境界層271は、粒界面に沿うカーボン形成に帰着することで、溶接部3に割れ目が入る経路を提供し得る。同様に、境界層271は、異なる金属同士を溶接するとき、融合から凝固に至る冷却時間を反映する粒子構造を有する金属間化合物を備え得る。斯かる金属間化合物は、本質的に砕けやすいことが多いことから、溶融池270における脆弱箇所を呈する。故に、同様の金属同士の溶接、または、異なる金属同士の溶接のいずれにおいても、境界層271および熱影響区域272の存在は望ましくない。

溶接部275が同様の金属同士から形成されるか、異なる金属同士から形成されるかに関わらず、該溶接部275を構成する材料の機械的特性は、第１金属部材151および第２金属部材152を構成する母材の特性よりも脆弱であることが多い。熱影響区域272が第１および第２の金属部材151、152の外観または化学組成に影響するなら、該区域も重要である。

金属間化合物層271および熱影響区域272に付随する問題は、(1mmよりも)薄寸の板金同士を溶接するときに大きくなる。溶接部を冷ますために必要な時間に関する別の問題としては、第１および第２の金属部材151、152上のポリマの如き被覆に対する損傷が挙げられる。

図２８は、図１に示された溶接部3の平面図を描いている。此処で溶接部3は、金属表面6上でレーザ・ビーム62を周回走査することにより達成される円形である。通常、(可能的には、化学エッチングの後に)熱影響区域281が視認可能である。しかし、図１６および図１７に関して示されたレーザ61およびレーザ・パルス・パラメータの適切な選択によれば、概略的に、底部表面上に視認可能な熱影響区域は無い。これは、各微小溶接部8は上記溶融池270よりも相当に小さい質量を有するので、更に迅速に冷えるからである。同様に、各微小溶接部8を囲繞する金属間化合物層271の徴侯は、殆どまたは全く無い。これらの特徴は、先行技術の溶接技術との比較において大きな利点を提供する。

図１６および図１７を参照すると、本発明の方法は、パルス反復周波数167は10kHz超であり、且つ、スポット・サイズ174、パルス・フルエンス176、パルス幅166、および、パルス反復周波数167は、第１材料1および第２材料2の少なくとも一方が、順次的なレーザ・パルス161の間において再凝固することで、溶接部3における金属間化合物相の形成を阻止する如く選択される、という方法であり得る。パルス反復周波数167は、100kHz超であり得ると共に、200kHz超であり得る。パルス反復周波数167は、500kHz超であり得る。

スポット・サイズ174は、100μm未満であり得る。スポット・サイズ174は、60μm未満であり得る。第１および第２材料1、2は、他の材料よりも高い溶融温度を有し得る。第１材料1は、１ミクロンの光学波長140にて、90％超の反射率145を有し得る。

図２９に示された第２金属部材152は、被覆293より覆われた金属部材292を備え得る。被覆293は、ニッケルもしくはクロムの如き金属メッキであり得るか、または、陽極酸化処理の如き、化学的に誘起された被覆であり得る。第１金属部材151は、飲料缶において見られる如きタブ291であり得る。タブ291は、第２金属部材152に対して溶接部3により溶接して示される。

飲料缶は、厚みが250μm未満のアルミニウムの薄寸材(第２金属部材152)から作成されることが多い。飲料缶において、被覆293は、通常は溶接部3が形成される前に適用されるポリマ被覆である。溶接部3を形成する方法は、被覆293を劣化させないことが重要である。本発明の装置および方法は、このことを、図１乃至図２４に関して示された微小溶接部8に依り達成する、と言うのも、先行技術の溶接部と比較して、第２金属部材152において生成される熱が少ないからである。

図３０は、パルス・フルエンス176および吸収エネルギ密度303のグラフを示しており、その場合、吸収エネルギ密度303は、単位面積当たりで第１および第２の金属部材151、152により吸収されたレーザ・パルス161による合計のパルス・エネルギ165である。図１乃至図５、図７乃至図１５、図１８乃至図２４、および、図２５に関して示された溶接部3を開始するためには、少なくとも第１パルス・フルエンス閾値301と等しいパルス・フルエンス176を使用する必要がある。これは、金属表面6の溶融を開始するためである。金属表面6が一旦溶融し始めたなら、残りのパルス161は、少なくとも第２パルス・フルエンス閾値302に等しいパルス・フルエンス176を有すべきである。第２パルス・フルエンス閾値302は、実質的に、第１パルス・フルエンス閾値301よりも小さくされ得る。パルス161の各々が吸収されるにつれ、それらは、吸収エネルギ密度303に寄与する。焦点合わせ箇所12の各々にて吸収される吸収エネルギ密度303は、微小溶接部8が第２金属部材152を貫通し始める第１エネルギ密度閾値304に少なくとも等しいが、溶接部3が不適切に砕けやすくなる第２エネルギ密度閾値305よりも小さくされるべきである。もし溶接部3により過剰なエネルギが吸収されたなら、第１および第２材料1、2の過剰な加熱があり、金属間化合物が形成されるに十分な時間、および、脆弱な溶接部3に帰着する。図１６および図１７に示されたパルス・パラメータ、すなわち、パルス161の個数、および、焦点合わせ済みスポット12同士の間の距離181を変更することにより、先行技術の手法と比較して、溶接部3に対する大きな制御性、更には、それの形成、故に、機械的特性に関する大きな制御性が存在することが理解され得る。好適な値は、種々の材料、および、材料の厚みに対して変更されると共に、実験により見出され得る。

図１５および図２１に関して記述された方法は、第１および第２材料1、2の少なくとも一方をレーザ61により再溶融させる段階を含み得る。これにより、溶接部3の装飾的な外観が向上され得ると共に、剪断強度、剥離強度、気孔率、および、オーム抵抗の如き物理的特性も向上され得る。

以下に提供される実例１および２において、レーザ61は、ナノ秒式のイッテルビウムドープ・ファイバ・レーザである、英国、サウサンプトンのSPI Lasers UK社により製造されたモデルSPI G4 70 EP-Zであった。レーザ61は、図３５および図３６に関して記述される主発振器出力増幅器である。ビーム品質146は、約1.6のM²値を有していた。走査器67は、ドイツ、ミュンヘンのRaylase社により製造された(不図示の)10mmビーム開口を備えたガルバノメータ・スキャナ・モデルSuper ScanIIであった。それは、ドイツ、ミュンヘンのSCAPS社により認可されたSCAPSスキャナ・アプリケーションが動作するWindows 8オペレーティング・システムを備えたデスクトップ・コンピュータの如き(不図示の)制御器により制御され得る。これは、レーザ・ビーム62を操向するコードをプログラムし、動作させ、且つ、記憶するために使用され得る。レンズ68は、163mm焦点距離のF−シータ・レンズであった。

上記機器は、40μmのスポット・サイズ174(1/e²直径)および1.256×10^-5cm²の面積175を有する焦点合わせ済みスポットを以て、レーザ・ビーム62を第１材料1の表面6上へと形成して平行移動すべく使用され得る。

実例１
図３１は、100μmの厚み143を有する銅と、400μmの厚み144を有するアルミニウムとの間に形成された溶接部310を貫通する断面の美観的印象を示している。溶接部310は、図２に関して示された渦巻の形状であり、各渦巻腕部9間における50μmの第１離間距離10と、1mmの直径4とを備えていた。孔71の幅74は、約5μm〜20μmであった。溶接部310はレーザ61からの複数のパルス161を用いて形成され、各パルス161は、第１材料1上において面積で約95％〜98％だけ相互に重なり合わされた。レーザ61は、銅である第１材料1を切断し、第２材料2(アルミニウム)は孔71内へと流入した。第１材料1を備える区域121により例証される如く、第１材料1の少なくとも幾分かは第２材料2内へと注入されていた。各区域121は、第２材料2内へと約300μm〜400μmだけ延在する。空隙122も存在する。各孔71の下方には、深度311である略々三角形状の破線により示された熱影響区域281が存在する。明瞭化のために、各熱影響区域281の内のひとつのみが示される。この熱影響区域281は、熱可塑性物質部材同士を溶接するときに一般的に見られる熱杭を擬態する。

溶接部310は、剪断試験により例証される如く、優れた剪断抵抗を有していた。図３２は、図３１に示された形式の３個の溶接部310が剪断されるときの破壊形態を示している。第１材料1は、各溶接部310を貫通してではななく、各溶接部310の回りにて破壊したことから、各溶接部310は周囲材料よりも強固であることが示された。これは、予期されない結果であり、且つ、特性的に砕けやすい金属間化合物を形成せずに孔71内へと第２材料2を流入させる機能の重要性を示している。

溶接部310は、驚くべきことに、良好な剪断抵抗、および、優れたオーム抵抗を有している。これにより、図１５、図２１および図３１に関して記述された溶接プロセスは、第１材料1および第２材料2の薄寸材同士を接合させるために適切とされ、その場合、溶接部3は、第１材料1と第２材料2との間の電気接触を提供する。図３３の実例において、第１材料1は銅であり且つ第２材料2はアルミニウムであり、これらの材料の組み合わせは、バッテリにおいて見られることが多い。

付加的な剥離強度は、図７に示された如く、孔71の座刳度を増大することにより獲得され得よう。

実例２
図３４は、第１材料1の銅と第２材料2の真鍮との間における溶接部340の断面の美観的印象を示している。溶接部340もまた、図３１に関して示された溶接部310と同様な渦巻状に形成された。驚くべきことに、上記真鍮は、殆ど金属間混合なしで、銅材料に流入して溶接部340を形成した。溶接部340は、実質的に不均一である。上記銅および真鍮は流動したが、相互に混合して新たな均一材料相は形成しなかった。上記銅および真鍮の夫々の材料相は殆ど非混合であり、銅および真鍮はそれらの本来的な材料相である。このことは特に、真鍮が銅および亜鉛の合金であるとすると、驚くべきことである。第２材料2内に包含された第１材料1の区域121が在る。空隙122も在る。溶接部340により形成された結果的な接合部は、優れた剪断強度を有する。

実例３乃至実例１０
実例３乃至実例１０で使用されたレーザ61は、ナノ秒式のイッテルビウムドープ・ファイバ・レーザである、英国、サウサンプトンのSPI Lasers UK社により製造されたモデルSPI G4 70W HS-Hであった。該レーザは、実例１および実例２において使用されたレーザと実質的に同様であるが、概略的にM²＝1.6から概略的にM²＝3まで増大された更に不十分なビーム品質146を有していた。スポット・サイズ174は、実例１および実例２において使用された更に高輝度のレーザにより得られたものの約２倍の大きさの約80μmであった。レーザに対しては、表１および図２５および図３６に関して記述されたものと同様の波形が提供される。

表２は、実例３乃至実例１０における溶接部3の詳細を示している。各実例において列挙された第１金属は第１材料1であり、且つ、列挙された第２金属は第２材料2であった。

溶接パターン5は、図３の矩形状ハッチングであった。第１離間距離10および第３離間距離32は、いずれも相互に等しく、且つ、0.2mm〜2mmで変化された。実例３乃至実例１０の各々において、最適値は約0.5mmであると見出された。

微小溶接部8の固有特定形状サイズ7は、各微小溶接部の幅であり、使用される材料に依存して約60μm〜250μmであった。

各溶接部3の幅4は、各金属およびそれらの厚みに依存して、1.5mm〜5mmであった。更に厚寸の金属に対しては、更に大きな幅が使用された。

実例５乃至実例１０においては、シールドガス155としてアルゴンが使用された。実例３および実例４において、シールドガスは使用されなかった。ニッケル合金は、INCONEL 718の商標名で販売されているオーステナイト系のニッケル・クロム・鉄合金であった。ステンレス鋼は、SS316の商標名とされたモリブデン軸受グレードのオーステナイト系ステンレス鋼であった。

表２において、第１欄は、相互に溶接された材料を示している。各実例において、述べられた第１金属は第１材料1であり、且つ、述べられた第２金属は第２材料2であった。第１および第２材料1、2の厚み143、144は、mm単位のサイズとして示される。

各実例においては、図３に関して示されたのと同一のパターン5にて、レーザ・ビーム62の２回の行程があった。第１の行程のパラメータは、各実例の第１行に示され、且つ、第２の行程のパラメータは、各実例の第２行に示される。各パラメータは、溶接部3の外観および強度を最適化すべく変更され、且つ、表中には、最適化されたパラメータが示される。

第１の行程は、第２の行程のピーク・パワー162よりも大きなピーク・パワー162を有していた。第１の行程は、第１材料1において、図８に関して示された如き孔71を生成した。各孔71はまた、第２材料2内へも延在し得る。上記第１の行程は、溶接部3も生成し得る。但し、第１の行程により生成された溶接部3の大部分は、容易に破壊され得ると共に、概略的には強固でなく、且つ、外観は不十分であった。第２の行程は、第１および第２材料1、2の少なくとも一方を溶融させた。もし第２材料2が第１材料1に優先して溶融したなら、該第２材料2は、図９に関して記述された如く、孔71内へと流入した。但し、もし第１材料1が第２材料2に優先して溶融したなら、該第１材料1は、第２材料2内へと延在し得る孔71内へと流入した。実例３乃至実例１０の各々における結果は、第１の行程により達成されたよりも相当に強固な溶接部3であった。これは、金属間化合物の形成が阻止されたからであると確信される。これに加え、第２の行程は表面6を清浄化し、溶接部3に対して円滑で清浄な外観を与えた。

実例９を除く実例の各々において、第１の行程は、266kHzのパルス反復周波数167にて、13kWのピーク・パワー162を有していた。実例９に対し、第１材料1は銅であり、且つ、第１の行程は、更に低速の走査速度、および、25kWのピーク・パワー162にて実施された。第２材料2が高い反射率145を有する銅であるという実例４および１０においても、更に低速の走査速度が必要とされた。実例７においては、走査速度を減少する必要はなかった。本発明の有効範囲を制限することを意図するのではなく、これは、チタンが銅より高い融点を有するからであり得ると確信される。

第２の行程において使用されたレーザ・パラメータは溶接部3の強度および外観を最適化するために変化せしめられた。驚くべきことに、各々の場合に、連続波信号により、良好な溶接部が作製され得た。但し、実例３乃至実例９においては、更に高い周波数の波形が更に強固な溶接部を作製した。実例４乃至実例９において、パルス反復周波数167は600kHzであり、第１の行程におけるのと比較して約44％のパルス・エネルギ165を有するパルス161に帰着した。実例３においては、使用された更に低い平均パワーの結果として、第２の行程におけるパルス・エネルギ165は、第１の行程のパルス・エネルギ165の32％であった。更に低い蒸気圧に帰着する更に低いパルス・エネルギは、レーザ・ビーム62が第２の行程の間に吸収されるときに生成されると確信される。実例１０に対する第２の行程は、50Wの平均パワー163に等しいピーク・パワー162を有する連続波信号を用いて行われた。走査速度は20mm/sであり、これは第１の行程の30mm/sの走査速度よりも遅かった。全てが銅の溶接段階を含む実例４、実例９および実例１０における第２の行程に対しては、(75〜80mm/sと比較して20〜25mm/sであるという)比較的に低速の走査速度が必要とされた。実例７にて、チタンを銅に対して溶接するとき、第２の行程に対する走査速度は80mm/sであった。

実例３乃至実例１０により作製された溶接部3は、先行技術の溶接部とは相当に異なる外観を有している。レーザから獲得可能である種々のパルス波形を利用することにより、これまでは溶接することが困難であった、ステンレス鋼の如き材料からアルミニウムに対する強固な溶接部を実現することが可能であった。

実例１１
以下に述べられること以外、実例１１乃至実例１３は、実例１および実例２に対して使用されたのと同一の装置を使用して作成された。図１５を参照すると、第１材料1は、150μm厚みを有する銅グレードC110であり、且つ、第２材料2は、500μm厚みを有するアルミニウム・グレード5052であった。ピーク・パワー162、パルス形状164、パルス・エネルギ165、パルス幅166、および、パルス・フルエンス176を決定する実験に続き、金属表面6を踏破する50mm/sの線形速度にて、且つ、(図１８に関して示された)順次的な焦点合わせ済みスポット12同士の間における(中心間で測定された)0.7μmの距離181を以て、レーザ・ビーム62を走査することが決定された。これは、70kHzのパルス反復周波数167に対応する。従って、その後、制御器153およびレーザ61の設定に対しては、適切な制御パラメータが提供された。レーザ・ビーム62は、70kHzのパルス反復周波数167にて反復的にパルス化されると共に、図２に関して示された渦巻22にて金属表面6上で走査された。渦巻22は、50mm/sの線形速度を以て形成された。渦巻22の全長は15.8mmであり、且つ、該渦巻の内側部23から外側部24まで形成された。溶接部3の直径4は、1mmであった。パルス幅166は、半値全幅FWHMにて、115nsであった。パルス幅168は、ピーク・パワー162の10％にて520nsであった。合計のパルス・エネルギ165は、70Wの平均パワー163および5kWのピーク・パワー162を以て、1mJであった。各レーザ・パルス161は、79.6J/cm²のパルス・フルエンス176にて、3.98×10⁺⁸W/cm²のピーク・パワー強度を有していた。50％アルゴンおよび50％ヘリウムのシールドガス混合物155が使用された。ガス供給源156は、溶接部3の上方に載置された6mm直径の銅ノズルであった。上記ガスは、毎時10立方フィートにて流量制御調整器を通して供給された。形成された溶接部3は、図２および図１５に示された形式である。各熱杭17は、渦巻22に沿って連続的なラインを形成し、且つ、図１５に示された方向155に対応する、該渦巻22と交差する径方向25にて少なくとも部分的に離間される。各溶融池19は、溶接部3の全表面領域に亙り連続的であるが、図１５に示された如く、溶接部3の表面は円滑ではない。溶接部3を観察したところ、頂部表面6上にアルミニウムによる着色が露呈され、アルミニウムが溶融されて流動したことが表された。溶接部3において、銅およびアルミニウムは少なくとも部分的に混合していた。各溶接部3は、それらのサイズに対して極めて強固であることが観察された。

実例１２
図１５に関し、第１材料1は150μmの厚み143を備えた銅グレードC110であり、且つ、第２材料2は、150μmの厚み144を備えた銅グレードC110であった。実験後、実例１１に関して記述されたのと同一のプロセス・パラメータが使用され得ることが決定された。結果的な溶接部は、それらのサイズに対して極めて強固であることが観察された。

実例１３
図１５に関し、第１材料1は、250μmの厚み143を備えたステンレス鋼グレード304であり、且つ、第２材料2は、250μmの厚み144を備えたステンレス鋼グレード304であった。ピーク・パワー162、パルス形状164、パルス・エネルギ165、パルス幅166、および、パルス・フルエンス176を決定する実験に続き、金属表面6を踏破する225mm/sの線形速度にて、且つ、(図１８に関して示された)順次的な焦点合わせ済みスポット12同士の間における(中心間で測定された)0.225μmの距離181を以て、レーザ・ビーム62を走査することが決定された。これは、1MHzのパルス反復周波数167に対応する。従って、その後、制御器153およびレーザ61の設定に対しては、適切な制御パラメータが提供された。レーザ・ビーム62は、1MHzのパルス反復周波数167にて反復的にパルス化されると共に、図２に関して示された渦巻22にて金属表面6上で走査された。渦巻22は、225mm/sの線形速度を以て形成された。渦巻22は、内側部23から外側部24まで形成された。溶接部3の直径4は、1mmであった。パルス幅166は、半値全幅FWHMにて、9nsであった。パルス幅168は、ピーク・パワー162の10％にて9nsであった。合計のパルス・エネルギ165は、70Wの平均パワー163および8kWのピーク・パワー162を以て、7μJであった。各レーザ・パルス161は、5.6J/cm²のパルス・フルエンス176にて、6.36×10⁺⁸W/cm²のピーク・パワー強度179を有していた。溶接部3の上方の6mm直径の銅ノズルから毎時10立方フィートにて流量制御調整器を通して供給される50％アルゴンおよび50％ヘリウムのシールドガス混合物155が使用された。形成された溶接部3は、図２および図１５に示された形式である。各熱杭17は、渦巻22に沿う連続的なラインの形態で溶接部3から延在し、且つ、図１５に示された方向155に対応する、該渦巻と交差する径方向25にて少なくとも部分的に離間される。各溶融池19は、溶接部3の全表面領域に亙り連続的であるが、図１５に示された如く、溶接部3の表面は円滑ではない。溶接部3の頂部表面は、各金属の良好な混合による習用的な重ね溶接を擬態したが、(図２７に関して示された)熱影響区域272は殆ど無視可能であった。但し、溶接部3からの熱杭17の延在範囲は、実例１１および実例１２の銅／アルミニウム溶接部および銅／銅溶接部に対して観察されたよりも相当に短かった。各溶接部3は、それらのサイズに対して極めて強固であることが観察された。

本発明はまた、本発明の方法に係る溶接部3も提供する。

本発明はまた、本発明の方法に従って溶接された物品も提供する。物品の例は、スマートフォン、携帯電話、ラップトップ・コンピュータ、タブレット・コンピュータ、テレビ、消費者用電子デバイス；バッテリ；太陽電池；集積電子回路構成要素；プリント回路基板；電気接続構造；撓曲可能な回路要素と薄い断面のバス・バーとの間における低プロフィルの電気接続構造；医療用電子デバイスのための金属製囲繞体；および、消費者用電子デバイスにおける電気接続構造；金属製のラベルおよびタグ；宝石類における銀、白金および金の部材である。

各図および各実例に関して上記に与えられた本発明の各実施例は、例示的にのみ与えられており、且つ、改変が為され得ることは理解される。各図に示された個々の構成要素、および、各実例において示された個々の値は、他の図および他の実例、および、本発明の全ての見地において使用され得る。

Claims (43)

1. 第１金属材料である第１材料と、第２金属材料である第２材料との間における溶接部であって、
   ・前記溶接部は、0.5mm〜7mmの幅を有し、
   ・前記溶接部は、少なくともひとつの微小溶接部を備え、
   ・前記微小溶接部は、前記第１材料の表面に対して平行に画成された溶接パターンを形成し、且つ、
   ・前記微小溶接部は、20μm〜400μmの固有特定形状サイズを有する、
   溶接部。
2. 前記溶接パターンは、渦巻の形態のラインを備える、請求項１記載の溶接部。
3. 前記溶接パターンは、格子の形態の複数本のハッチ・ラインを備える、請求項１または２に記載の溶接部。
4. 前記第１材料および前記第２材料は、前記溶接部において実質的に非混合である、先行請求項のいずれか一項に記載の溶接部。
5. 前記溶接部は実質的に不均一である、先行請求項のいずれか一項に記載の溶接部。
6. 前記溶接部は、前記第１金属材料および前記第２金属材料の個々の区域を備える、先行請求項のいずれか一項に記載の溶接部。
7. 前記第１材料は、１ミクロンの光学波長にて90％超の反射率を有する、先行請求項のいずれか一項に記載の溶接部。
8. 前記第１材料は、前記第２材料とは異なる溶融温度を有する、先行請求項のいずれか一項に記載の溶接部。
9. 前記微小溶接部は前記第１材料に形成された孔を備え、且つ、前記第１および第２の材料の少なくとも一方は前記孔内に流入している、先行請求項のいずれか一項に記載の溶接部。
10. 前記第１材料は頂部表面および底部表面を有し、前記底部表面は前記頂部表面よりも前記第２材料に近く、前記孔は前記頂部表面における幅および前記底部表面における幅を有し、且つ、
    前記頂部表面における前記幅は、前記底部表面における前記幅よりも広幅である、請求項９記載の溶接部。
11. 前記微小溶接部は、前記第２材料内における前記第１材料の区域を備える、先行請求項のいずれか一項に記載の溶接部。
12. 前記第１材料は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、スズ、チタン、イリジウム、タングステン、モリブデン、ニオブ、タンタル、レニウム、銀、白金、金、および、前記材料の内の少なくとも一種を備える合金から成る群から選択された金属を備える、先行請求項のいずれか一項に記載の溶接部。
13. 前記第２材料は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、スズ、チタン、イリジウム、タングステン、モリブデン、ニオブ、タンタル、レニウム、銀、白金、金、および、前記材料の内の少なくとも一種を備える合金から成る群から選択された金属を備える、先行請求項のいずれか一項に記載の溶接部。
14. 前記幅は0.5mm〜2.5mmである、先行請求項のいずれか一項に記載の溶接部。
15. 前記固有特定形状サイズは40μm〜100μmである、先行請求項のいずれか一項に記載の溶接部。
16. 先行請求項のいずれか一項に記載の少なくともひとつの溶接部を備える、物品。
17. スマートフォン、携帯電話、ラップトップ・コンピュータ、タブレット・コンピュータ、テレビ、消費者用電子デバイス；バッテリ；太陽電池；集積電子回路構成要素；プリント回路基板；電気接続構造；撓曲可能な回路要素と薄い断面のバス・バーとの間における低プロフィルの電気接続構造；医療用電子デバイスのための金属製囲繞体；および、消費者用電子デバイスにおける電気接続構造；金属製のラベルおよびタグ；宝石類における銀、白金および金の部材の形態である、請求項１６記載の物品。
18. ・第１材料を備える第１金属部材を、第２材料を備える第２金属部材上に載置する段階と、
    ・レーザ・パルスの形態でレーザ・ビームを放出するレーザを配備する段階と、
    ・前記第１金属部材の表面に関して前記レーザ・ビームを走査する走査器を配備する段階と、
    ・前記レーザ・パルスを前記表面上に焦点合わせする対物レンズを配備する段階と、
    ・前記走査器が前記レーザ・ビームを前記表面に関して移動させる如く前記走査器を制御すべく適合化された制御器を配備する段階と、
    を備える、第１材料を第２材料に対してレーザ溶接する方法であって、
    ・前記レーザ・ビームを前記表面に関して移動させる段階、
    ・前記レーザ・パルスを、前記表面に対して平行に画成された溶接パターンの形で少なくともひとつの微小溶接部の形成を引き起こすというスポット・サイズおよびパルス・フルエンスにて焦点合わせする段階、
    ・前記レーザ・ビームを前記金属表面に関して移動させる前記段階は、前記溶接部が0.5mm〜7mmの幅を有する如きであること、および、
    ・前記微小溶接部は、20μm〜400μmの固有特定形状サイズを有すること、
    により特徴付けられる、方法。
19. 前記レーザは、前記第１金属部材における複数の溶融池と、前記第２金属部材における複数の熱杭とを形成すべく動作せしめられ、各熱杭は、個々の溶融池から延在し且つ末端を有し、且つ、
    前記方法は、前記制御器が各焦点合わせ済みスポットを、各溶融池を重なり合わせるに十分に小寸の距離であって、各熱杭の末端が個別的であり且つ少なくともひとつの方向において相互から離間されることを確実とするに十分に大寸であるという距離だけ離間させるべく適合化する段階を含む、
    請求項１８記載の方法。
20. 前記制御器は、前記表面上に溶融池を生成する第１レーザ信号、前記第２金属部材に対する前記第１金属部材の溶接を開始する第２レーザ信号、および、前記第１金属部材を前記第２金属部材に対して溶接して前記微小溶接部を形成する第３レーザ信号を選択すべく動作される、請求項１８または１９に記載の方法。
21. 前記第２レーザ信号は、100psより大きいパルス幅により特徴付けられる複数のパルスを有すべく選択される、請求項２０記載の方法。
22. 前記第２レーザ信号は、前記第３レーザ信号のピーク・パワーよりも実質的に大きいピーク・パワーを有すべく選択される、請求項２０または２１に記載の方法。
23. 前記第１、第２および第３の信号の少なくともひとつは、金属間化合物の形成を阻止すべく選択される、請求項２０乃至２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 前記第１、第２および第３の信号の少なくともひとつは、前記レーザ溶接部の表面の円滑さを向上させるべく選択される、請求項２０乃至２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 前記溶接プロセスは、キーホールを形成するものであり、
    前記方法は、前記キーホールを閉じるべく選択される第４レーザ信号を提供する段階を含む、請求項２０乃至２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 前記第１材料は、前記第２材料よりも実質的に延性である、請求項１８乃至２５のいずれか一項に記載の方法。
27. 前記レーザは、4未満、好適には2未満、更に好適には1.3未満のビーム品質M²により特徴付けられる、請求項１８乃至２６のいずれか一項に記載の方法。
28. 前記レーザはナノ秒レーザである、請求項１８乃至２７のいずれか一項に記載の方法。
29. 前記レーザは、1,000nm〜3,000nmの波長により特徴付けられる、請求項１８乃至２８のいずれか一項に記載の方法。
30. 前記レーザは、希土類元素がドープされたファイバ・レーザである、請求項１８乃至２９のいずれか一項に記載の方法。
31. 前記方法は、
    前記レーザにより前記第１材料に孔を形成する段階と、
    前記レーザにより前記第１および第２の材料の少なくとも一方を溶融させる段階と、
    前記第１および第２の材料の少なくとも一方を前記孔内へと流入させる段階とを備える、請求項１８乃至３０のいずれか一項に記載の方法。
32. 前記第１材料および前記第２材料は、前記溶接部において実質的に非混合のままである、請求項３１記載の方法。
33. 前記孔は、前記第１材料の少なくとも幾分かが前記第２材料内に注入される如く前記レーザをパルス化することにより形成される、請求項３０または３１に記載の方法。
34. 前記孔は、先ず前記第１材料を貫通しない孔を形成し、次に、前記第１材料の少なくとも幾分かが前記第２材料内に注入される如く前記レーザをパルス化することにより形成される、請求項３１乃至３３のいずれか一項に記載の方法。
35. 前記第１材料は頂部表面および底部表面を有し、前記底部表面は前記頂部表面よりも前記第２材料に近く、前記孔は前記頂部表面における幅および前記底部表面における幅を有し、前記頂部表面における前記幅は、前記底部表面における前記幅よりも広幅である、請求項３１乃至３４のいずれか一項に記載の方法。
36. 前記孔は座刳り孔である、請求項３５記載の方法。
37. 前記第１材料および前記第２材料の少なくとも一方を前記レーザにより再溶融させる段階を含む、請求項１８乃至３６のいずれか一項に記載の方法。
38. 前記溶接部は、前記第１材料および前記第２材料の少なくとも一方において少なくともひとつの空隙を備える、請求項１８乃至３７のいずれか一項に記載の方法。
39. パルス反復周波数は10kHz超であり、且つ、前記スポット・サイズ、前記パルス・フルエンス、前記パルス幅、および、前記パルス反復周波数は、前記第１材料および前記第２材料の少なくとも一方が、順次的なレーザ・パルス間において再凝固することにより前記溶接部における金属間化合物相の形成を阻止する如く選択される、請求項１８乃至３８のいずれか一項に記載の方法。
40. 前記スポット・サイズは100μm未満である、請求項１８乃至３９のいずれか一項に記載の方法。
41. 前記スポット・サイズは60μm未満である、請求項４０記載の方法。
42. 前記第１材料は前記第２材料よりも高い溶融温度を有する、請求項１８乃至４１のいずれか一項に記載の方法。
43. 前記第１材料は、１ミクロンの光学波長において90％超の反射率を有する、請求項１８乃至４２のいずれか一項に記載の方法。

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