JP2022011883A - Welding method, welding equipment and welding structure of metal conductor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶接方法、溶接装置、および金属導体の溶接構造に関する。 The present invention relates to a welding method, a welding device, and a welded structure of a metal conductor.
従来、レーザ光を照射することによりバスバーや端子のような金属導体同士を溶接する溶接方法が、知られている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, a welding method for welding metal conductors such as bus bars and terminals by irradiating with a laser beam is known (for example, Patent Document 1).
この種の溶接においては、いずれか一方の金属導体にめっき層が形成されている場合がある。溶接の際にめっき層を形成していた材料が溶融して溶接部に混入すると、接合強度が弱くなる虞がある。 In this type of welding, a plating layer may be formed on one of the metal conductors. If the material forming the plating layer during welding melts and mixes into the welded portion, the joint strength may be weakened.
その対策として、溶接の前に別途パルスレーザを照射するなどによりめっき層を除去する処理が行われる場合があった。しかしながら、その場合には、めっき層を除去する工程の分、加工時間が長くなってしまう上、加工の手間やコストが増大してしまうという問題があった。 As a countermeasure, a process of removing the plating layer may be performed by separately irradiating a pulse laser before welding. However, in that case, there is a problem that the processing time becomes long due to the process of removing the plating layer, and the labor and cost of processing increase.
そこで、本発明の課題の一つは、例えば、めっき層が形成された金属導体を含む複数の導体を溶接する場合にあっても当該溶接の前に別途めっき層を除去する処理を行う必要のない溶接方法、溶接装置、および金属導体の溶接構造を得ること、である。 Therefore, one of the problems of the present invention is that, for example, even when welding a plurality of conductors including a metal conductor on which a plating layer is formed, it is necessary to separately remove the plating layer before the welding. No welding method, welding equipment, and obtaining a welded structure of metal conductors.
本発明の溶接方法は、例えば、めっき層が形成された金属導体を少なくとも一つ含む複数の金属導体である加工対象の表面にレーザ光を照射して溶接する溶接方法であって、前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、500[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含み、前記第二レーザ光の照射により前記めっき層を除去する。 The welding method of the present invention is, for example, a welding method in which a surface of a processing target, which is a plurality of metal conductors including at least one metal conductor on which a plating layer is formed, is irradiated with a laser beam and welded. Includes a first laser beam having a wavelength of 800 [nm] or more and 1200 [nm] or less, and a second laser beam having a wavelength of 500 [nm] or less, and the plating layer is irradiated with the second laser beam. To remove.
前記溶接方法では、例えば、前記第二レーザ光の波長は、400[nm]以上かつ500[nm]以下である。 In the welding method, for example, the wavelength of the second laser beam is 400 [nm] or more and 500 [nm] or less.
前記溶接方法では、例えば、前記めっき層は、錫めっき層である。 In the welding method, for example, the plating layer is a tin plating layer.
前記溶接方法では、例えば、前記複数の金属導体のうち少なくとも一つの金属導体は、銅系材料で作られている。 In the welding method, for example, at least one of the plurality of metal conductors is made of a copper-based material.
前記溶接方法では、例えば、前記レーザ光は、当該レーザ光の表面上で掃引方向に掃引され、前記表面上において、前記第二レーザ光によって前記表面上に形成される第二スポットの少なくとも一部は、前記第一レーザ光によって前記表面上に形成される第一スポットよりも前記掃引方向の前方に位置している。 In the welding method, for example, the laser beam is swept in a sweep direction on the surface of the laser beam, and at least a part of a second spot formed on the surface by the second laser beam on the surface. Is located in front of the first spot formed on the surface by the first laser beam in the sweep direction.
前記溶接方法では、例えば、前記表面上において、前記第一スポットと前記第二スポットとは少なくとも部分的に重なっている。 In the welding method, for example, the first spot and the second spot overlap at least partially on the surface.
前記溶接方法では、例えば、前記表面上において、前記第二スポットの第二外縁は、前記第一スポットの第一外縁を取り囲んでいる。 In the welding method, for example, on the surface, the second outer edge of the second spot surrounds the first outer edge of the first spot.
前記溶接方法では、例えば、前記表面上において、前記第二レーザ光のパワー密度が、0.16[MW/cm2]以上かつ1.5[MW/cm2]以下である。 In the welding method, for example, the power density of the second laser beam on the surface is 0.16 [MW / cm 2 ] or more and 1.5 [MW / cm 2 ] or less.
前記溶接方法では、例えば、前記複数の金属導体のうち前記表面を有した金属導体の厚さは、0.5[mm]以上かつ1[mm]未満であり、前記第一レーザ光によって前記表面が前記レーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第一スポットのスポット径は、20[μm]以上かつ80[μm]以下であり、前記第一レーザ光のパワーは、0.3[kW]以上かつ6[kW]以下であり、前記第二レーザ光によって前記表面が前記レーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第一スポットのスポット径は、50[μm]以上かつ400[μm]以下であり、前記第二レーザ光のパワーは、0.05[kW]以上かつ1[kW]以下である。 In the welding method, for example, the thickness of the metal conductor having the surface among the plurality of metal conductors is 0.5 [mm] or more and less than 1 [mm], and the surface is subjected to the first laser beam. When is a plane perpendicular to the laser beam, the spot diameter of the first spot formed on the plane is 20 [μm] or more and 80 [μm] or less, and the power of the first laser beam is When the surface is a plane perpendicular to the laser beam by the second laser beam, the spot diameter of the first spot formed on the plane is 0.3 [kW] or more and 6 [kW] or less. , 50 [μm] or more and 400 [μm] or less, and the power of the second laser beam is 0.05 [kW] or more and 1 [kW] or less.
前記溶接方法では、例えば、前記複数の金属導体の溶接部における前記レーザ光の照射方向の単位体積あたりの前記第一レーザ光のエネルギ密度は、200[J/mm3]以上であり、前記溶接部における前記レーザ光の照射方向の単位体積あたりの前記第二レーザ光のエネルギ密度は、5[J/mm3]以上かつ49[J/mm3]以下である。 In the welding method, for example, the energy density of the first laser beam per unit volume in the irradiation direction of the laser beam in the welded portion of the plurality of metal conductors is 200 [J / mm 3 ] or more, and the welding. The energy density of the second laser beam per unit volume in the irradiation direction of the laser beam in the unit is 5 [J / mm 3 ] or more and 49 [J / mm 3 ] or less.
また、本発明の溶接装置は、例えば、レーザ発振器と、前記レーザ発振器からのレーザ光をめっき層が形成された金属導体を少なくとも一つ含む複数の金属導体に照射する光学ヘッドと、を備え、前記複数の金属導体を溶接する、溶接装置であって、前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、500[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含み、前記第二レーザ光の照射により前記めっき層を除去する。 Further, the welding apparatus of the present invention includes, for example, a laser oscillator and an optical head that irradiates a plurality of metal conductors including at least one metal conductor on which a plating layer is formed with a laser beam from the laser oscillator. A welding device for welding a plurality of metal conductors, the laser light is a first laser light having a wavelength of 800 [nm] or more and 1200 [nm] or less, and a second laser light having a wavelength of 500 [nm] or less. The plating layer is removed by irradiation with the second laser beam, including a laser beam.
前記溶接装置は、例えば、前記レーザ光を複数のビームに分割するビームシェイパを備えている。 The welding device includes, for example, a beam shaper that divides the laser beam into a plurality of beams.
前記溶接装置は、例えば、前記レーザ光を前記表面上で掃引方向に掃引するよう、前記レーザ光の照射方向を変化させるガルバノスキャナを備えている。 The welding device includes, for example, a galvano scanner that changes the irradiation direction of the laser beam so as to sweep the laser beam in the sweep direction on the surface.
前記溶接装置は、例えば、前記レーザ光によって前記表面上に形成されるスポットの所定位置に対するずれを検出する検出機構と、前記ずれを補正する補正機構と、を備えている。 The welding device includes, for example, a detection mechanism for detecting a deviation of a spot formed on the surface of the surface by the laser beam with respect to a predetermined position, and a correction mechanism for correcting the deviation.
前記溶接装置は、例えば、前記補正機構は、前記複数の金属導体と前記光学ヘッドとの相対位置を変更する。 In the welding device, for example, the correction mechanism changes the relative position of the plurality of metal conductors and the optical head.
前記溶接装置では、例えば、前記補正機構は、前記レーザ光を前記表面上で掃引方向に掃引するよう、前記レーザ光の照射方向を変化させるガルバノスキャナを含む。 In the welding apparatus, for example, the correction mechanism includes a galvano scanner that changes the irradiation direction of the laser beam so as to sweep the laser beam in the sweep direction on the surface.
また、本発明の金属導体の溶接構造は、例えば、めっき層が形成された第一金属導体を少なくとも一つ含む複数の金属導体と、前記複数の金属導体を溶接した溶接部と、を備えた、金属導体の溶接構造であって、前記溶接部は、前記金属導体の溶接構造の表面から当該表面と交差した方向に延びた溶接金属と、当該溶接金属の周囲に位置される熱影響部と、を有し、前記溶接金属は、第一部位と、前記表面と交差した方向に沿った断面における結晶粒の断面積の平均値が前記第一部位よりも大きい第二部位と、を有している。 Further, the welded structure of the metal conductor of the present invention includes, for example, a plurality of metal conductors including at least one first metal conductor on which a plating layer is formed, and a welded portion obtained by welding the plurality of metal conductors. , A welded structure of a metal conductor, wherein the welded portion includes a welded metal extending from the surface of the welded structure of the metal conductor in a direction intersecting the surface, and a heat-affected portion located around the weld metal. The weld metal has, ing.
前記金属導体の溶接構造では、例えば、前記溶接部は、前記表面に沿って延びている。 In the welded structure of the metal conductor, for example, the weld extends along the surface.
前記金属導体の溶接構造では、例えば、前記溶接部は、前記第一金属導体を貫通し、当該第一金属導体から別の金属導体にかけて延びている。 In the welded structure of the metal conductor, for example, the weld penetrates the first metal conductor and extends from the first metal conductor to another metal conductor.
前記金属導体の溶接構造では、例えば、前記溶接部は、前記第一金属導体と当該第一金属導体と隣接した別の金属導体との間の境界に沿って延びている。 In the welded structure of the metal conductor, for example, the weld extends along a boundary between the first metal conductor and another metal conductor adjacent to the first metal conductor.
前記金属導体の溶接構造では、例えば、前記溶接部は、前記第一金属導体と当該第一金属導体と隣接した別の金属導体との間の境界を跨ぐように延びている。 In the welded structure of the metal conductor, for example, the weld extends across the boundary between the first metal conductor and another metal conductor adjacent to the first metal conductor.
本発明によれば、例えば、めっき層が形成された金属導体を含む複数の導体を溶接する場合にあっても当該溶接の前に別途めっき層を除去する処理を行う必要のない溶接方法、溶接装置、および金属導体の溶接構造を得ることができる。 According to the present invention, for example, even when welding a plurality of conductors including a metal conductor on which a plating layer is formed, a welding method and welding that do not require a separate treatment for removing the plating layer before the welding. Welded structures of equipment and metal conductors can be obtained.
以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果(効果)は、一例である。本発明は、以下の実施形態に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果(派生的な効果も含む)のうち少なくとも一つを得ることが可能である。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be disclosed. The configurations of the embodiments shown below, as well as the actions and results (effects) brought about by the configurations, are examples. The present invention can also be realized by configurations other than those disclosed in the following embodiments. Further, according to the present invention, it is possible to obtain at least one of various effects (including derivative effects) obtained by the configuration.
以下に示される実施形態は、同様の構成を備えている。よって、各実施形態の構成によれば、当該同様の構成に基づく同様の作用および効果が得られる。また、以下では、それら同様の構成には同様の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される場合がある。 The embodiments shown below have similar configurations. Therefore, according to the configuration of each embodiment, the same operation and effect based on the similar configuration can be obtained. Further, in the following, the same reference numerals are given to those similar configurations, and duplicate explanations may be omitted.
また、各図において、X方向を矢印Xで表し、Y方向を矢印Yで表し、Z方向を矢印Zで表している。X方向、Y方向、およびZ方向は、互いに交差するとともに直交している。Z方向は、加工対象Wの表面Wa(加工面、溶接面)の法線方向である。また、各図では、便宜上、レーザ光Lの表面Waにおける掃引方向SDがX方向に沿っている例が図示されているが、掃引方向SDは、表面Waに沿うとともにZ方向と交差していればよく、X方向のみに沿うものではない。 Further, in each figure, the X direction is represented by an arrow X, the Y direction is represented by an arrow Y, and the Z direction is represented by an arrow Z. The X, Y, and Z directions intersect and are orthogonal to each other. The Z direction is the normal direction of the surface Wa (processed surface, welded surface) of the processing target W. Further, in each figure, for convenience, an example in which the sweep direction SD on the surface Wa of the laser beam L is along the X direction is shown, but the sweep direction SD should be along the surface Wa and intersect the Z direction. It is good, not only along the X direction.
また、本明細書において、序数は、部品や、部材、部位、レーザ光、方向等を区別するために便宜上付与されており、優先度や順番を示すものではない。 Further, in the present specification, the ordinal number is given for convenience in order to distinguish parts, members, parts, laser beams, directions, etc., and does not indicate a priority or an order.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態のレーザ溶接装置100の概略構成図である。図1に示されるように、レーザ溶接装置100は、レーザ装置111と、レーザ装置112と、光学ヘッド120と、光ファイバ130と、コントローラ141と、を備えている。レーザ溶接装置100は、溶接装置の一例である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the
レーザ装置111,112は、それぞれ、レーザ発振器を有しており、例えば、数kWのパワーのレーザ光を出力できるよう構成されている。レーザ装置111,112は、380[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長のレーザ光を照射する。レーザ装置111,112は、内部に、例えば、ファイバレーザや、半導体レーザ(素子)、YAGレーザ、ディスクレーザのような、レーザ光源を有している。レーザ装置111,112は、複数の光源の出力の合計として、数kWのパワーのマルチモードのレーザ光を出力できるよう構成されてもよい。
Each of the
レーザ装置111は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光を出力する。レーザ装置111は、第一レーザ装置の一例である。一例として、レーザ装置111は、レーザ光源として、ファイバレーザかあるいは半導体レーザ(素子)を有する。レーザ装置111が有するレーザ発振器は、第一レーザ発振器の一例である。
The
他方、レーザ装置112は、500[nm]以下の波長の第二レーザ光を出力する。レーザ装置112は、第二レーザ装置の一例である。一例として、レーザ装置112は、レーザ光源として、半導体レーザ(素子)を有する。レーザ装置112は、400[nm]以上かつ500[nm]以下の波長の第二レーザ光を出力するのが好適である。レーザ装置112が有するレーザ発振器は、第二レーザ発振器の一例である。
On the other hand, the
光ファイバ130は、それぞれ、レーザ装置111,112から出力されたレーザ光を光学ヘッド120に導く。
The
光学ヘッド120は、レーザ装置111,112から入力されたレーザ光を、加工対象Wに向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド120は、コリメートレンズ121と、集光レンズ122と、ミラー123と、フィルタ124と、を備えている。コリメートレンズ121、集光レンズ122、ミラー123、およびフィルタ124は、光学部品とも称されうる。
The
光学ヘッド120は、加工対象Wの表面Wa上でレーザ光Lの照射を行いながらレーザ光Lを掃引するために、加工対象Wとの相対位置を変更可能に構成されている。光学ヘッド120と加工対象Wとの相対移動は、光学ヘッド120の移動、加工対象Wの移動、または光学ヘッド120および加工対象Wの双方の移動により、実現されうる。
The
なお、光学ヘッド120は、図示しないガルバノスキャナ等を有することにより、表面Wa上でレーザ光Lを掃引可能に構成されてもよい。
The
コリメートレンズ121(121-1,121-2)は、それぞれ、光ファイバ130を介して入力されたレーザ光をコリメートする。コリメートされたレーザ光は、平行光になる。
The collimating lenses 121 (121-1, 121-2) collimate the laser beam input via the
ミラー123は、コリメートレンズ121-1で平行光となった第一レーザ光を反射する。ミラー123で反射した第一レーザ光は、Z方向の反対方向に進み、フィルタ124へ向かう。なお、第一レーザ光が光学ヘッド120においてZ方向の反対方向へ進むように入力される構成にあっては、ミラー123は不要である。
The
フィルタ124は、第一レーザ光を透過し、かつ第二レーザ光を透過せずに反射するハイパスフィルタである。第一レーザ光は、フィルタ124を透過してZ方向の反対方向へ進み、集光レンズ122へ向かう。他方、フィルタ124は、コリメートレンズ121-2で平行光となった第二レーザ光を反射する。フィルタ124で反射した第二レーザ光は、Z方向の反対方向に進み、集光レンズ122へ向かう。
The
集光レンズ122は、平行光としての第一レーザ光および第二レーザ光を集光し、レーザ光L(出力光)として、加工対象Wへ照射する。
The
また、レーザ溶接装置100は、コントローラ141と、コントローラ141によって作動を制御される被制御機構とを備えている。本実施形態では、レーザ溶接装置100は、被制御機構として、例えば、駆動機構150を備えている。
Further, the
駆動機構150は、加工対象Wに対する光学ヘッド120の相対的な位置を変更する。駆動機構150は、例えば、モータのような回転機構や、当該回転機構の回転出力を減速する減速機構、減速機構によって減速された回転を直動に変換する運動変換機構等を、有する。コントローラ141は、加工対象Wに対する光学ヘッド120のX方向、Y方向、およびZ方向における相対位置が変化するよう、駆動機構150を制御することができる。なお、コントローラ141は、レーザ装置111,112や、カメラ170の作動を制御してもよい。
The
また、レーザ溶接装置100は、カメラ170と、カメラ170へ光を導く光学部品としてのフィルタ127およびミラー128と、を有している。フィルタ127は、ミラー123とフィルタ124との間に設けられている。フィルタ127は、ミラー123からの第一レーザ光をフィルタ124へ向けて透過するとともに、表面Waからの光(例えば、可視光)をミラー128に向けて反射する。ミラー128で反射した光は、カメラ170に入力される。このような構成により、カメラ170は、表面Wa上の画像を撮影することができる。カメラ170による撮影画像には、例えば、表面Waの画像と、レーザ光Lによるビーム(スポット)の画像とが、含まれうる。よって、カメラ170による撮影画像は、表面Wa上に形成されるスポットの所定位置に対するずれの検出結果と言うことができ、カメラ170は、当該ずれを検出するセンサの一例であると言うことができる。なお、撮影画像の画角におけるスポットの位置が固定している場合にあっては、撮影画像には、レーザ光Lの照射目標が含まれていればよく、スポットの画像は含まれている必要は無い。カメラ170およびコントローラ141は、検出機構の一例である。
Further, the
また、コントローラ141は、カメラ170による撮影画像から、スポットの所定位置に対するずれを検出し、当該ずれを補正するよう、駆動機構150を制御することができる。また、コントローラ141は、当該ずれが所定の閾値以内となるようフィードバック制御を実行してもよい。コントローラ141および駆動機構150は、補正機構の一例である。このような構成により、レーザ光の照射位置の精度を高めることができる。
Further, the
加工対象Wは、複数の金属導体11,12を有した溶接構造10である。金属導体11,12は、溶接部14によって接合されている。
The processing target W is a welded
溶接構造10は、レーザ溶接装置100によって溶接されるに際し、不図示の固定具によって一体的に仮止めされ、例えば、表面Waの法線方向がZ方向と略平行となる姿勢で、セットされる。図1に示される構成では、一例として、表面Waは、溶接構造10の被溶接部分において、Z方向の端部でZ方向と交差するとともに直交して広がっている。表面Waは、レーザ光Lの被照射面とも称されうる。
When the
光学ヘッド120は、レーザ光Lを、表面Waに向けて、Z方向の反対方向に照射する。表面Waは、レーザ光Lの照射面であり、光学ヘッド120と面した対向面とも称されうる。Z方向の反対方向は、レーザ光Lの照射方向と称されうる。
The
このようなレーザ光Lの照射により、溶接部14は、表面Waから、Z方向の反対方向に向けて延びることになる。Z方向の反対方向は、溶接部14の深さ方向とも称されうる。溶接部14の深さ方向は、レーザ光Lの照射方向でもある。
By such irradiation of the laser beam L, the welded
また、レーザ光Lが照射されている状態で、駆動機構150の作動によって光学ヘッド120が加工対象Wに対して掃引方向SDに相対的に移動することにより、表面Wa上でレーザ光Lが当該掃引方向SDに掃引される。これにより、溶接部14は、図1と略同様の断面形状で、表面Waに沿って、掃引方向SD(図1ではX方向)にも延びることになる。掃引方向SDは、溶接部14の長手方向や延び方向とも称されうる。また、Z方向および掃引方向SDと交差する方向(図1ではY方向)は、溶接部14の幅方向とも称されうる。
Further, in a state where the laser beam L is irradiated, the
図2は、平面である表面Wa上に照射されたレーザ光Lのビーム(スポット)を示す模式図である。ビームB1およびビームB2のそれぞれは、そのビームの光軸方向と直交する断面の径方向において、たとえばガウシアン形状のパワー分布を有する。ただし、ビームB1およびビームB2のパワー分布はガウシアン形状に限定されない。また、図2のように各ビームB1,B2を円で表している各図において、当該ビームB1,B2を表す円の直径が、各ビームB1,B2のビーム径である。各ビームB1,B2のビーム径は、そのビームのピークを含み、ピーク強度の1/e2以上の強度の領域の径として定義する。なお、図示されないが、円形でないビームの場合は、掃引方向SDと垂直方向(図では、Y方向)における、ピーク強度の1/e2以上の強度となる領域の長さをビーム径と定義できる。また、表面Waにおけるビーム径は、スポット径と称する。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a beam (spot) of a laser beam L irradiated on a flat surface Wa. Each of the beam B1 and the beam B2 has, for example, a Gaussian-shaped power distribution in the radial direction of the cross section orthogonal to the optical axis direction of the beam. However, the power distribution of the beam B1 and the beam B2 is not limited to the Gaussian shape. Further, in each figure in which each beam B1 and B2 is represented by a circle as shown in FIG. 2, the diameter of the circle representing the beams B1 and B2 is the beam diameter of each beam B1 and B2. The beam diameter of each beam B1 and B2 includes the peak of the beam and is defined as the diameter of a region having an intensity of 1 / e2 or more of the peak intensity. Although not shown, in the case of a non-circular beam, the length of a region having an intensity of 1 / e2 or more of the peak intensity in the direction perpendicular to the sweep direction SD (Y direction in the figure) can be defined as the beam diameter. .. Further, the beam diameter on the surface Wa is referred to as a spot diameter.
図2に示されるように、本実施形態では、一例として、レーザ光Lのビームは、表面Wa上において、第一レーザ光のビームB1と第二レーザ光のビームB2とが重なり、ビームB2がビームB1よりも大きく(広く)、かつ、ビームB2の外縁B2aがビームB1の外縁B1aを取り囲むよう、形成されている。この場合、ビームB2のスポット径D2は、ビームB1のスポット径D1よりも大きい。表面Wa上において、ビームB1は、第一スポットの一例であり、ビームB2は、第二スポットの一例である。 As shown in FIG. 2, in the present embodiment, as an example, in the beam of the laser beam L, the beam B1 of the first laser beam and the beam B2 of the second laser beam overlap on the surface Wa, and the beam B2 is formed. It is larger (wider) than the beam B1 and is formed so that the outer edge B2a of the beam B2 surrounds the outer edge B1a of the beam B1. In this case, the spot diameter D2 of the beam B2 is larger than the spot diameter D1 of the beam B1. On the surface Wa, the beam B1 is an example of the first spot, and the beam B2 is an example of the second spot.
また、本実施形態では、図2に示されるように、表面Wa上において、レーザ光Lのビーム(スポット)は、中心点Cに対する点対称形状を有しているため、任意の掃引方向SDについて、スポットの形状は同じになる。よって、レーザ光Lの表面Wa上での掃引のために光学ヘッド120と加工対象Wとを相対的に動かす移動機構を備える場合、当該移動機構は、少なくとも相対的に並進可能な機構を有すればよく、相対的に回転可能な機構は省略できる場合がある。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, since the beam (spot) of the laser beam L has a point-symmetrical shape with respect to the center point C on the surface Wa, for any sweep direction SD. , The shape of the spot will be the same. Therefore, when a moving mechanism for relatively moving the
[波長と光の吸収率]
ここで、金属材料の光の吸収率について説明する。図3は、照射するレーザ光Lの波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。図3のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図3には、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、およびチタン(Ti)について、波長と吸収率との関係が示されている。
[Wavelength and light absorption rate]
Here, the light absorption rate of the metal material will be described. FIG. 3 is a graph showing the light absorption rate of each metal material with respect to the wavelength of the laser light L to be irradiated. The horizontal axis of the graph of FIG. 3 is the wavelength, and the vertical axis is the absorption rate. FIG. 3 shows the relationship between wavelength and absorption for aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), nickel (Ni), silver (Ag), tantalum (Ta), and titanium (Ti). It is shown.
材料によって特性が異なるものの、図3に示されている各金属に関しては、一般的な赤外線(IR)のレーザ光(第一レーザ光)を用いるよりも、青や緑のレーザ光(第二レーザ光)を用いた方が、エネルギの吸収率がより高いことが理解できよう。この特徴は、銅(Cu)や、金(Au)等においては顕著となる。 Although the characteristics differ depending on the material, for each metal shown in FIG. 3, a blue or green laser beam (second laser) is used rather than using a general infrared (IR) laser beam (first laser beam). It can be understood that the energy absorption rate is higher when light) is used. This feature is remarkable in copper (Cu), gold (Au), and the like.
使用波長に対して吸収率が比較的低い加工対象Wにレーザ光が照射された場合、大部分の光エネルギは反射され、加工対象Wに熱としての影響を及ぼさない。そのため、十分な深さの溶融領域を得るには比較的高いパワーを与える必要がある。その場合、ビーム中心部は急激にエネルギが投入されることで、昇華が生じ、キーホールが形成される。 When the laser beam is applied to the processing target W having a relatively low absorption rate with respect to the wavelength used, most of the light energy is reflected and does not affect the processing target W as heat. Therefore, it is necessary to apply a relatively high power in order to obtain a melting region having a sufficient depth. In that case, energy is suddenly applied to the central part of the beam, so that sublimation occurs and a keyhole is formed.
他方、使用波長に対して吸収率が比較的高い加工対象Wにレーザ光が照射された場合、投入されるエネルギの多くが加工対象Wに吸収され、熱エネルギへと変換される。すなわち、過度なパワーを与える必要はないため、キーホールの形成を伴わず、熱伝導型の溶融となる。 On the other hand, when the laser beam is applied to the processing target W having a relatively high absorption rate with respect to the wavelength used, most of the input energy is absorbed by the processing target W and converted into thermal energy. That is, since it is not necessary to apply excessive power, heat conduction type melting is performed without forming keyholes.
本実施形態では、加工対象Wの第二レーザ光に対する吸収率が、第一レーザ光に対する吸収率よりも高くなるよう、第一レーザ光の波長、第二レーザ光の波長、および加工対象Wの材質が、選択される。この場合、掃引方向が図2に示される掃引方向SDである場合、レーザ光Lのスポットの掃引により、加工対象Wの溶接される部位(以下、被溶接部位と称する)には、まずは、第二レーザ光のビームB2の、図2におけるSDの前方に位置する領域B2fによって、第二レーザ光が照射される。その後、被溶接部位には、第一レーザ光のビームB1が照射され、その後、第二レーザ光のビームB2の、掃引方向SDの後方に位置する領域B2bによって、再度第二レーザ光が照射される。 In the present embodiment, the wavelength of the first laser beam, the wavelength of the second laser beam, and the wavelength of the processing target W are such that the absorption rate of the processing target W with respect to the second laser light is higher than the absorption rate with respect to the first laser light. The material is selected. In this case, when the sweep direction is the sweep direction SD shown in FIG. 2, the portion to be welded (hereinafter referred to as the welded portion) of the work target W due to the sweep of the spot of the laser beam L is first, first. The second laser beam is irradiated by the region B2f of the beam B2 of the second laser beam located in front of the SD in FIG. After that, the welded portion is irradiated with the beam B1 of the first laser beam, and then the second laser beam is irradiated again by the region B2b of the beam B2 of the second laser beam located behind the sweep direction SD. To.
したがって、被溶接部位には、まずは、領域B2fにおける吸収率が高い第二レーザ光の照射により、熱伝導型の溶融領域が生じる。その後、被溶接部位には、第一レーザ光の照射によって、より深いキーホール型の溶融領域が生じる。この場合、被溶接部位には、予め熱伝導型の溶融領域が形成されているため、当該熱伝導型の溶融領域が形成されない場合に比べて、より低いパワーの第一レーザ光によって所要の深さの溶融領域を形成することができる。さらにその後、被溶接部位には、領域B2bにおける吸収率が高い第二レーザ光の照射により、溶融状態が変化する。 Therefore, in the welded portion, a heat conduction type melting region is first generated by irradiation with a second laser beam having a high absorption rate in the region B2f. After that, a deeper keyhole-type melting region is generated in the welded portion by irradiation with the first laser beam. In this case, since the heat conduction type melting region is formed in advance in the welded portion, the required depth is obtained by the first laser beam having a lower power than in the case where the heat conduction type melting region is not formed. A molten region can be formed. After that, the welded portion is changed in a molten state by irradiation with a second laser beam having a high absorption rate in the region B2b.
また、発明者らの実験的な研究により、図2のようなビームのレーザ光Lの照射による溶接にあっては、スパッタやブローホールのような溶接欠陥を低減できることが確認されている。これは、ビームB1が到来する前にビームB2の領域B2fによって加工対象Wを予め加熱しておくことにより、ビームB2およびビームB1によって形成される加工対象Wの溶融池がより安定化するためであると推定できる。 Further, experimental studies by the inventors have confirmed that welding defects such as spatters and blowholes can be reduced in welding by irradiation with a laser beam L as shown in FIG. This is because the work target W is preheated by the region B2f of the beam B2 before the beam B1 arrives, so that the molten pool of the work target W formed by the beam B2 and the beam B1 becomes more stable. It can be estimated that there is.
[溶接方法]
レーザ溶接装置100を用いた溶接にあっては、まず、不図示の保持具によって金属導体11と金属導体12とが一体的に仮止めされた溶接構造10が、レーザ光Lが表面Waに照射されるようにセットされる。そして、ビームB1およびビームB2を含むレーザ光Lが表面Waに照射されている状態で、レーザ光Lと溶接構造10とが相対的に動かされる。これにより、レーザ光Lが表面Wa上に照射されながら当該表面Wa上を掃引方向SDに移動する(掃引する)。レーザ光Lが照射された部分は、溶融し、その後、温度の低下に伴って凝固することにより、溶接部14を介して金属導体11と金属導体12とが接合され、溶接構造10が一体化される。
[Welding method]
In welding using the
[溶接部の断面]
図4は、加工対象Wに形成された溶接部14の断面図である。図4は、掃引方向SD(図4ではX方向)と垂直であるとともに厚さ方向(Z方向)に沿う断面図である。溶接部14は、掃引方向SD、すなわち図4の紙面と垂直な方向に、延びている。なお、図4は、厚さ2[mm]の1枚の銅板である加工対象Wに形成された溶接部14の断面を示している。複数の金属導体11,12に渡り形成される溶接部14の形態は、図4に示される1枚の金属材料である加工対象Wに形成された溶接部14の形態と略同等であると推定できる。
[Cross section of weld]
FIG. 4 is a cross-sectional view of a welded
図4に示されるように、溶接部14は、表面WaからZ方向の反対方向に延びた溶接金属14aと、当該溶接金属14aの周囲に位置される熱影響部14bと、を有している。溶接金属14aは、レーザ光Lの照射によって溶融し、その後凝固した部位である。溶接金属14aは、溶融凝固部とも称されうる。また、熱影響部14bは、加工対象Wの母材が熱影響を受けた部位であって、溶融はしていない部位である。
As shown in FIG. 4, the welded
溶接金属14aのY方向に沿う幅は、表面Waから離れるほど狭くなっている。すなわち、溶接金属14aの断面は、Z方向の反対方向に向けて細くなるテーパ形状を有している。
The width of the
また、発明者らによる当該断面の詳細な分析により、溶接金属14aは、表面Waから離れた第一部位14a1と、第一部位14a1と表面Waとの間の第二部位14a2と、を含むことが判明した。
Further, according to a detailed analysis of the cross section by the inventors, the
第一部位14a1は、第一レーザ光の照射によるキーホール型の溶融によって得られた部位であり、第二部位14a2は、第二レーザ光のビームB2中の掃引方向SDの後方に位置する領域B2bの照射による溶融によって得られた部位である。EBSD法(electron back scattered diffraction pattern、電子線後方散乱回折)による解析により、第一部位14a1と第二部位14a2とでは、結晶粒のサイズが異なっており、具体的には、X方向(掃引方向SD)と直交する断面において、第二部位14a2の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位14a1の結晶粒の断面積の平均値よりも大きいことが判明した。 The first portion 14a1 is a region obtained by keyhole-type melting by irradiation with the first laser beam, and the second portion 14a2 is a region located behind the sweep direction SD in the beam B2 of the second laser beam. It is a part obtained by melting by irradiation of B2b. According to the analysis by the EBSD method (electron back scattered diffraction pattern), the size of the crystal grains is different between the first site 14a1 and the second site 14a2, and specifically, the X direction (sweep direction). It was found that the average cross-sectional area of the crystal grains at the second site 14a2 was larger than the average cross-sectional area of the crystal grains at the first site 14a1 in the cross section orthogonal to SD).
発明者らは、加工対象Wに、第一レーザ光のビームB1のみが照射された場合、すなわちビームB2中の掃引方向SDの後方に位置する領域B2bの照射が無かった場合には、第二部位14a2が形成されず、第一部位14a1が表面WaからZ方向の反対方向に深く延びていることを確認した。すなわち、本実施形態にあっては、ビームB2中の掃引方向SDの後方に位置する領域B2bの照射によって、表面Waの近くに第二部位14a2が形成されるため、第一部位14a1は、当該第二部位14a2に対して表面Waとは反対側、言い換えると、表面WaからZ方向の反対方向に離れた位置に、形成されていると推定できる。 The inventors have found that when the processing target W is irradiated with only the beam B1 of the first laser beam, that is, when the region B2b located behind the sweep direction SD in the beam B2 is not irradiated, the second It was confirmed that the site 14a2 was not formed and the first site 14a1 extended deeply from the surface Wa in the opposite direction to the Z direction. That is, in the present embodiment, the second portion 14a2 is formed near the surface Wa by the irradiation of the region B2b located behind the sweep direction SD in the beam B2, so that the first portion 14a1 is the said. It can be presumed that the second portion 14a2 is formed on the opposite side of the surface Wa, in other words, at a position separated from the surface Wa in the opposite direction in the Z direction.
図5は、溶接部14の一部を示す断面図である。図5は、EBSD法によって得られた結晶粒の境界を示している。また、図5中、一例として結晶粒径が13[μm]以下の結晶粒Aは、黒色に塗られている。なお、13[μm]は、物理的特性の閾値ではなく、当該実験結果の分析のために設定した閾値である。また、図5から、結晶粒Aは、第一部位14a1には比較的多く存在し、第二部位14a2には比較的少なく存在していることが明らかである。すなわち、第二部位14a2内の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位14a1内の結晶粒の断面積の平均値よりも大きい。発明者らは、実験的な分析により、第二部位14a2内の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位14a1内の結晶粒の断面積の平均値の1.8倍以上であることを確認した。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a part of the welded
図5中の領域I内に示されているように、このような比較的サイズが小さい結晶粒Aは、表面WaからZ方向に離れた位置で、Z方向に細長く延びた状態で密集している。また、X方向(掃引方向SD)の位置が異なる複数箇所での分析から、結晶粒Aが密集した領域は、掃引方向SDにも延びていることが確認されている。掃引しながらの溶接であるため、掃引方向SDには結晶が同様の形態に形成されることが推定できる。 As shown in the region I in FIG. 5, such relatively small crystal grains A are densely packed in a position separated from the surface Wa in the Z direction and elongated in the Z direction. There is. Further, from the analysis at a plurality of locations where the positions in the X direction (sweep direction SD) are different, it is confirmed that the region where the crystal grains A are densely extends extends to the sweep direction SD. Since the welding is performed while sweeping, it can be estimated that crystals are formed in the same shape in the sweep direction SD.
断面における外観あるいは硬度分布等からは第一部位14a1と第二部位14a2とを判別し難い場合にあっては、図4,5のような、溶接金属14aの表面Waにおける位置および幅wbから幾何学的に定めた第一領域Z1および第二領域Z2を、それぞれ、第一部位14a1および第二部位14a2としてもよい。一例として、第一領域Z1および第二領域Z2は、掃引方向SDと直交する断面において、幅wm(Y方向における等幅)で、Z方向に延びた四角形状の領域であり、第二領域Z2は、表面WaからZ方向に深さdまでの領域とし、第一領域Z1は、深さdよりもさらに深い領域、言い換えると深さdの位置に対して表面Waとは反対側の領域とすることができる。幅wmは、例えば、溶接金属14aの表面Waでの幅wb(ビード幅の平均値)の1/3とし、第二領域Z2の深さd(高さ、厚さ)は、例えば、幅wbの1/2とすることができる。また、第一領域Z1の深さは、例えば、第二領域Z2の深さdの3倍とすることができる。発明者らは、複数サンプルに対する実験的な分析により、このような第一領域Z1および第二領域Z2の設定において、第二領域Z2における結晶粒の断面積の平均値は、第一領域Z1における結晶粒の断面積の平均値よりも大きく、かつ、1.8倍以上となっていたことを確認した。このような判別も、溶接により、溶接金属14aにおいて第一部位14a1と第二部位14a2とが形成されていることの証拠となりうる。
When it is difficult to distinguish between the first portion 14a1 and the second portion 14a2 from the appearance or hardness distribution in the cross section, geometry is performed from the position and width wb of the
[レーザ光のパワー密度]
図6は、加工対象Wの表面Wa上における第一レーザ光のパワー密度Pd1と第二レーザ光のパワー密度Pd2との組み合わせにおける溶接の実験結果を示すグラフである。図6中、「○」は、ブローホールが非常に少なかった場合(優)、「△」は、ブローホール数が少なかった場合、また、「×」は、ブローホールが多かった場合(不可)を示す。ここでは、一例として、「優」は、線状の溶接部位の単位長さ(例えば、1[cm])あたりのブローホール数が1個以下であった場合を示し、「良」は、溶接部位の単位長さあたりのブローホール数が2個以上かつ5個未満である場合を示し、「不可」は、溶接部位の単位長さあたりのブローホール数が5個以上であった場合を示す。また、この実験において、第一レーザ光の波長は、1070[nm]、出力は、1.5[kW]であり、第二レーザ光の波長は、450[nm]、出力は、150[W]であった。
[Laser light power density]
FIG. 6 is a graph showing the experimental results of welding in the combination of the power density Pd1 of the first laser beam and the power density Pd2 of the second laser beam on the surface Wa of the processing target W. In FIG. 6, "○" indicates that the number of blow holes is very small (excellent), "△" indicates that the number of blow holes is small, and "×" indicates that the number of blow holes is large (impossible). Is shown. Here, as an example, "excellent" indicates the case where the number of blow holes per unit length (for example, 1 [cm]) of the linear welded portion is one or less, and "good" indicates welding. The case where the number of blow holes per unit length of the portion is 2 or more and less than 5 is indicated, and "impossible" indicates the case where the number of blow holes per unit length of the welded portion is 5 or more. .. Further, in this experiment, the wavelength of the first laser beam is 1070 [nm] and the output is 1.5 [kW], the wavelength of the second laser beam is 450 [nm], and the output is 150 [W]. ]Met.
図6に示されるように、第二レーザ光のパワー密度Pd2が、0.16[MW/cm2]以上かつ1.5[MW/cm2]以下である場合に、ブローホール数を抑制できることが判明した。これは、第二レーザ光のパワー密度Pd2が0.16[MW/cm2](下限値)未満である場合には、銅板表面に吸収される光エネルギ量が不足することにより予熱効果が充分得られないからであり、パワー密度Pd2が1.5[MW/cm2](上限値)よりも大きい場合には、第二レーザにおいてもキーホール型の溶融となるからであると、考えられる。 As shown in FIG. 6, when the power density Pd2 of the second laser beam is 0.16 [MW / cm 2 ] or more and 1.5 [MW / cm 2 ] or less, the number of blow holes can be suppressed. There was found. This is because when the power density Pd2 of the second laser beam is less than 0.16 [MW / cm 2 ] (lower limit value), the amount of light energy absorbed by the copper plate surface is insufficient, so that the preheating effect is sufficient. This is because it cannot be obtained, and when the power density Pd2 is larger than 1.5 [MW / cm 2 ] (upper limit value), it is considered that the keyhole type melting occurs even in the second laser. ..
[DOE]
また、図1に示されるように、光学ヘッド120は、コリメートレンズ121-1とミラー123との間に、DOE125を有している。
[DOE]
Further, as shown in FIG. 1, the
DOE125は、第一レーザ光のビームB1の形状(以下、ビーム形状と称する)を成形する。図7に概念的に例示されるよう、DOE125は、例えば、周期の異なる複数の回折格子125aが重ね合わせられた構成を備えている。DOE125は、平行光を、各回折格子125aの影響を受けた方向に曲げたり、重ね合わせたりすることにより、ビーム形状を成形することができる。DOE125は、ビームシェイパとも称されうる。
The DOE125 forms the shape of the beam B1 of the first laser beam (hereinafter referred to as the beam shape). As conceptually illustrated in FIG. 7, the
なお、光学ヘッド120は、コリメートレンズ121-2の後段に設けられ第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパや、フィルタ124の後段に設けられ第一レーザ光および第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパ等を有してもよい。ビームシェイパによってレーザ光Lのビーム形状を適宜に整えることにより、溶接において溶接欠陥の発生をより一層抑制することができる。また、DOE125により、第一レーザ光のビームを、複数のビームに分割することができる。
The
[金属導体の厚さ、各ビームのスポット径、各ビームのパワー]
また、発明者らは、実験的な解析により、レーザ光Lが照射される表面Waを有する金属導体(図1の例では金属導体11)の厚さ、各ビームB1,B2の表面Wa上におけるビーム径(スポット径)、および各ビームB1,B2のパワーについて、溶接構造10において好適な溶接状態が得られる条件を見いだした。ここで、好適な溶接状態とは、ブローホールの状態が上記の「優」または「良」であることを意味する。
[Thickness of metal conductor, spot diameter of each beam, power of each beam]
Further, the inventors have conducted an experimental analysis to determine the thickness of the metal conductor (
発明者らの実験的な解析により、金属導体11の、Z方向における厚さT(図1参照)が、0.2[mm]以上かつ1[mm]以下である場合にあっては、
ビームB1によるスポット径(第一スポット径)が、20[μm]以上かつ80[μm]以下であり、かつ、
ビームB1のパワー(レーザ装置111の出力)が、0.3[kW]以上かつ6[kW]以下であり、かつ、
ビームB2によるスポット径(第一スポット径)が、50[μm]以上かつ400[μm]以下であり、かつ、
ビームB1のパワー(レーザ装置112の出力)が、0.05[kW]以上かつ1[kW]以下である場合に、好適な溶接状態が得られることが、判明した。
According to the experimental analysis by the inventors, when the thickness T (see FIG. 1) of the
The spot diameter (first spot diameter) due to the beam B1 is 20 [μm] or more and 80 [μm] or less, and
The power of the beam B1 (output of the laser device 111) is 0.3 [kW] or more and 6 [kW] or less, and
The spot diameter (first spot diameter) of the beam B2 is 50 [μm] or more and 400 [μm] or less, and
It has been found that a suitable welded state can be obtained when the power of the beam B1 (output of the laser device 112) is 0.05 [kW] or more and 1 [kW] or less.
[エネルギ密度]
また、発明者らは、当該実験的な解析において、溶接構造10の単位体積あたりのレーザ光の照射のエネルギ密度という新規な指標を導入し、当該エネルギ密度について、好適な溶接状態が得られる条件を見いだした。当該エネルギ密度は、以下の式(1)で表すことができる。
En=Pn/(V×Dn×Ta) ・・・ (1)
ここに、Enは、エネルギ密度[J/mm3]、Pnは、レーザ装置によるレーザ光のパワー[W]、Vは、掃引速度[mm/s]、Dnは、表面Waにおけるスポット径[mm]、Taは、溶接構造10のZ方向の厚さ[mm]である(図1参照)。ここでは、下付のnにより、各パラメータを区別しており、n=1は、第一レーザ光のパラメータ、n=2は、第二レーザ光のパラメータを示す。
[Energy density]
Further, in the experimental analysis, the inventors introduced a new index of the energy density of laser light irradiation per unit volume of the welded
En = P n / (V × D n × Ta) ・ ・ ・ (1)
Here, En is the energy density [J / mm 3 ], P n is the power [W] of the laser beam generated by the laser device, V is the sweep speed [mm / s], and D n is the spot on the surface Wa. The diameter [mm] and Ta are the thickness [mm] of the welded
発明者らの実験的解析によれば、溶接構造10のZ方向の厚さTaが0.2[mm]以上かつ1[mm]以下である場合においては、ビームB1のエネルギ密度E1が、200[J/mm3]以上であり、かつ、ビームB2のエネルギ密度E2が、5[J/mm3]以上かつ49[J/mm3]以下である場合に、好適な溶接状態が得られることが判明した。
According to the experimental analysis of the inventors, when the thickness Ta of the welded
[溶接構造の例]
図8~15は、レーザ溶接装置100によって形成された溶接構造10(10-1~10-5)の例を示す。図8~15の例では、いずれも、金属導体11は、ハーネスの端部に接続された端子であり、金属導体12は、当該端子である金属導体11と溶接部14を介して電気的かつ機械的に接続されるバスバーである。なお、図8~15の例では、レーザ光Lの照射方向は、各溶接部14の深さ方向(後述)であり、Z方向の反対方向には限定されない。
[Example of welded structure]
8 to 15 show an example of the welding structure 10 (10-1 to 10-5) formed by the
また、図8~15の例では、いずれも、金属導体11は、平板状かつ円環状に形成されたリングを有している。また、金属導体12は、平板状の形状を有するとともに、厚さ方向(Z方向)の端面12aからZ方向に突出した突起12bを有している。突起12bは、Z方向に延びた円柱状の形状を有しており、金属導体11のZ方向に延びた円筒状の貫通孔11a(内周面)内に挿入されている。また、金属導体11のリング部のZ方向の端面と、突起12bの端面とは、略面一であり、Z方向と交差して広がっている。金属導体11のリング部と突起12bとによって、金属導体11と金属導体12との位置ずれや離間が抑制されている。このような構成において、金属導体11と金属導体12との間には、貫通孔11aと突起12bとの間の円筒状の境界BL1と、金属導体11と端面12aとの間の平面状かつ円環状の境界BL2と、が設けられる。なお、図8~15の例は一例に過ぎず、溶接構造10の例は、これら構成には限定されない。
Further, in each of the examples of FIGS. 8 to 15, the
金属導体11および金属導体12のうち少なくとも一方は、例えば、純銅のような、銅系材料で作られている。また、金属導体11および金属導体12のうち少なくとも一方の表面には、錫めっきのようなめっき層が形成されている。言い換えると、金属導体11および金属導体12のうち少なくとも一方(第一金属導体)には、めっき処理が施されている。このような複数の金属導体11,12の溶接の際に、めっき層を形成している材料が溶接部14に混入すると、溶接部14の接合強度が弱くなる虞がある。そこで、本実施形態のレーザ溶接装置100は、第一レーザ光と第二レーザ光とを含むレーザ光Lの照射によって溶接部14が形成される前に、めっき層が蒸発するよう、レーザ光Lに含まれる第二レーザ光を照射して被溶接部位を加熱する。一例として、図2に示されるように、第一レーザ光のビームB1に対して掃引方向SDの前方に第二レーザ光のビームB2の領域B2fがある場合には、ビームB1とビームB2とを表面Waに対して掃引方向SDに掃引することにより、被溶接領域にビームB1が照射されるよりも前に、ビームB2の領域B2fを照射して加熱することができる。この場合、例えば、レーザ装置111,112のパワーや、パワー密度、ビームB1,B2のスポット径、ビームB1,B2の配置、レーザ光Lの加工対象Wに対する相対的な掃引速度等を適宜に設定することにより、表面Waにおけるめっき層の融点を超えた温度上昇、当該温度上昇に基づくめっき層の蒸発、ならびに、高品質な溶接を、実現できる。めっき層の融点は、複数の金属導体11,12の双方の融点よりも低い。一例として、錫めっきである場合、めっき層の主成分である錫の融点は232℃である。発明者らは、ビームB1とビームB2とを含むレーザ光Lの照射ならびに当該レーザ光Lの掃引方向SDへの掃引によって、当該融点(232℃)を超えた温度上昇を実現できるとともに、高品質な溶接を実現できることを確認した。また、本実施形態では、ビームB1とビームB2とがレーザ光Lとして同時に照射されるとともに、例えば、ビームB1とビームB2とが、例えば、接したり少なくとも部分的に重なったりするなど、所定距離を超えて離間しないように配置されている。これにより、ビームB2によって加工対象Wに与えられるエネルギに加えて、ビームB1によって加工対象Wに与えられるエネルギも、溶接部14が形成される前の表面Waの温度上昇ならびにめっき層の蒸発に寄与する。このような設定によれば、より容易にあるいはより確実にめっき層を除去することができる。なお、ビームB1とビームB2とは、微少距離をあけて離間していてもよい。
At least one of the
図8は、一例としての溶接構造10-1(10)の平面図であり、図9は、図8のIX-IX断面図である。溶接構造10-1では、境界BL1に沿って円環状に延びる溶接部14が形成されている。また、溶接部14は、境界BL1と境界BL2との間の隅部に沿って延びている。溶接部14の深さ方向は、Z方向の反対方向であり、溶接部14の延び方向は、突起12bの周方向である。
FIG. 8 is a plan view of the welded structure 10-1 (10) as an example, and FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line IX-IX of FIG. In the welded structure 10-1, a welded
図10は、一例としての溶接構造10-2(10)の平面図であり、図11は、図10のXI-XI断面図である。溶接構造10-2では、境界BL2に沿って円弧状に延びる溶接部14が形成されている。また、溶接部14は、金属導体11の外周面と端面12aとの間の隅部に沿って、言い換えると境界BL2の径方向外縁に沿って延びている。溶接部14の深さ方向は、Z方向の反対方向と突起12bの径方向内方との間の方向であり、溶接部14の延び方向は、突起12bの周方向である。
10 is a plan view of the welded structure 10-2 (10) as an example, and FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI of FIG. In the welded structure 10-2, a welded
図12は、一例としての溶接構造10-3(10)の平面図であり、図13は、図12のXIII-XIII断面図である。溶接構造10-3では、金属導体11を貫通し境界BL2をZ方向に跨ぐ溶接部14が形成されている。溶接部14は、金属導体11から金属導体12にかけて延びている。また、溶接部14は、金属導体11の円環状部分の幅方向中央において、円環状に延びている。溶接部14の深さ方向は、Z方向の反対方向であり、溶接部14の延び方向は、突起12bの周方向である。
FIG. 12 is a plan view of the welded structure 10-3 (10) as an example, and FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line XIII-XIII of FIG. In the welded structure 10-3, a welded
図14は、一例としての溶接構造10-4(10)の平面図である。溶接構造10-4でも、図12と同様、金属導体11を貫通し境界BL2をZ方向に跨ぐ溶接部14が形成されている。また、また、溶接部14は、円環状の境界BL2を当該円環の周方向と交差する方向(図14ではY方向)に跨いでいる。溶接部14の深さ方向は、Z方向の反対方向であり、溶接部14の延び方向は、Y方向である。
FIG. 14 is a plan view of the welded structure 10-4 (10) as an example. Also in the welded structure 10-4, as in FIG. 12, a welded
図15は、一例としての溶接構造10-5(10)の図9と同等位置での断面図である。溶接構造10-5では、溶接部14は、境界BL1,BL2の双方に沿って円環状に延びている。また、溶接部14は、境界BL1と境界BL2との間の隅部に沿って延びている。溶接部14の深さ方向は、Z方向の反対方向と突起12bの径方向外方との間の方向であり、溶接部14の延び方向は、突起12bの周方向である。
FIG. 15 is a cross-sectional view of the welded structure 10-5 (10) as an example at a position equivalent to that of FIG. In the welded structure 10-5, the welded
また、図15の例では、溶接部14は、金属導体11のZ方向の端面を通っていない。このように、金属導体11の表面に溶接部14が形成されないまでも、当該端面に第二レーザ光が照射されるなどにより、当該端面においてめっき層の成分である金属の融点を超える加熱状態が得られれば、当該端面においてめっき層を除去できる場合がある。すなわち、溶接部14が形成された領域から離れた部位、言い換えると溶接金属14aの露出部位から離れた部位においても、めっき層が除去される場合がある。このような方法によれば、めっき層の成分である金属の溶接部14への混入をより確実に抑制することができる。
Further, in the example of FIG. 15, the welded
以上、説明したように、本実施形態では、例えば、めっき層が形成された金属導体を含む複数の金属導体11,12を接合する溶接部14を、レーザ光Lの照射によって形成し、当該レーザ光Lは、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長のビームB1と500[nm]以下の波長のビームB2とを含み、ビームB2を形成する第二レーザ光によって、複数の金属導体11,12のうち少なくとも一方に形成されためっき層を除去する。
As described above, in the present embodiment, for example, a welded
また、本実施形態では、例えば、第二レーザ光の波長は、400[nm]以上かつ500[nm]以下である。 Further, in the present embodiment, for example, the wavelength of the second laser beam is 400 [nm] or more and 500 [nm] or less.
このような方法によれば、例えば、第二レーザ光によってめっき層を除去することができるため、溶接部14にめっき層の成分である金属が混入して溶接部14の接合強度が低下するのを、抑制することができる。また、溶接の前に別途パルスレーザを照射するなどによりめっき層を除去する必要が無くなる分、加工時間をより短くすることができる上、加工の手間やコストをより低減することができる。さらに、ビームB1,B2を形成するレーザ光Lの照射により、スパッタやブローホールの少ないより高品質な溶接を実行することができるという利点も得られる。
According to such a method, for example, the plating layer can be removed by the second laser beam, so that the metal which is a component of the plating layer is mixed in the welded
また、本実施形態では、例えば、第一レーザ光と第二レーザ光とを含むレーザ光Lが表面Wa上で掃引方向SDに掃引され、溶接部14は、表面Waに沿って当該X方向に沿って延びている。
Further, in the present embodiment, for example, the laser beam L including the first laser beam and the second laser beam is swept in the sweep direction SD on the surface Wa, and the welded
また、本実施形態では、例えば、表面Wa上において、第二レーザ光のビームB2(第二スポット)の少なくとも一部は、第一レーザ光のビームB1(第一スポット)よりも掃引方向SDの前方に位置している。 Further, in the present embodiment, for example, on the surface Wa, at least a part of the beam B2 (second spot) of the second laser beam has a sweep direction SD more than the beam B1 (first spot) of the first laser beam. It is located in front.
また、本実施形態では、例えば、表面Wa上において、ビームB1とビームB2とは少なくとも部分的に重なっている。 Further, in the present embodiment, for example, the beam B1 and the beam B2 partially overlap each other on the surface Wa.
また、本実施形態では、例えば、表面Wa上において、ビームB2は、ビームB1よりも広い。 Further, in the present embodiment, for example, on the surface Wa, the beam B2 is wider than the beam B1.
また、本実施形態では、例えば、表面Wa上において、ビームB2の外縁B2a(第二外縁)は、ビームB1の外縁B1a(第一外縁)を取り囲んでいる。 Further, in the present embodiment, for example, on the surface Wa, the outer edge B2a (second outer edge) of the beam B2 surrounds the outer edge B1a (first outer edge) of the beam B1.
上述したように、発明者らは、表面Wa上にこのようなビームB1,B2を形成するレーザ光Lの照射による溶接にあっては、溶接欠陥をより一層低減できることを確認した。これは、上述したように、ビームB1が到来する前にビームB2の領域B2fによって加工対象Wを予め加熱しておくことにより、ビームB2およびビームB1によって形成される加工対象Wの溶融池がより安定化するためであると推定できる。よって、このようなビームB1,B2を有したレーザ光Lによれば、例えば、より溶接欠陥の少ないより溶接品質の高い溶接を実行することができる。また、このようなビームB1,B2の設定によれば、例えば、第一レーザ光のパワーをより低くすることができるという利点も得られる。また、ビームB1とビームB2とが同軸で照射される場合にあっては、光学ヘッド120と加工対象Wとの相対的な回転が不要となるという利点も得られる。
As described above, the inventors have confirmed that welding defects can be further reduced in welding by irradiation with laser light L forming such beams B1 and B2 on the surface Wa. This is because, as described above, the processing target W is preheated by the region B2f of the beam B2 before the beam B1 arrives, so that the molten pool of the processing target W formed by the beam B2 and the beam B1 is further formed. It can be presumed that this is for stabilization. Therefore, according to the laser beam L having such beams B1 and B2, for example, welding with less welding defects and higher welding quality can be performed. Further, according to such settings of the beams B1 and B2, there is an advantage that, for example, the power of the first laser beam can be further lowered. Further, when the beam B1 and the beam B2 are irradiated coaxially, there is an advantage that the relative rotation between the
また、本実施形態では、例えば、複数の金属導体11,12のうちの少なくとも一つの金属導体は、銅系材料で作られており、めっき層は、例えば、錫めっき層である。本実施形態による効果は、このような構成である場合に得られる。
Further, in the present embodiment, for example, at least one of the plurality of
[第2実施形態]
図16は、第2実施形態のレーザ溶接装置100Aの概略構成図である。図16に示されるように、本実施形態では、駆動機構150は、加工対象Wを光学ヘッド120に対して相対的に移動することにより、光学ヘッド120から照射されるレーザ光Lを表面Wa上で掃引する。駆動機構150の作動は、コントローラ141によって制御される。この場合、レーザ光Lを表面Wa上で掃引方向SDに掃引するためには、駆動機構150は、加工対象Wを、光学ヘッド120に対して掃引方向SDとは反対方向に移動する。
[Second Embodiment]
FIG. 16 is a schematic configuration diagram of the
また、本実施形態でも、コントローラ141は、カメラ170による撮影画像から、スポットの所定位置に対するずれを検出し、当該ずれを補正するよう、駆動機構150を制御することができる。また、コントローラ141は、当該ずれが所定の閾値以内となるようフィードバック制御を実行してもよい。コントローラ141および駆動機構150は、補正機構の一例である。このような構成により、レーザ光の照射位置の精度を高めることができる。
Further, also in the present embodiment, the
本実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の効果が得られる。 The same effect as that of the first embodiment can be obtained by this embodiment as well.
[第3実施形態]
図17は、第3実施形態のレーザ溶接装置100Bの概略構成図である。図17に示されるように、本実施形態では、光学ヘッド120は、フィルタ124と集光レンズ122との間に、ガルバノスキャナ126を有している。この点を除き、レーザ溶接装置100Bは、第1実施形態のレーザ溶接装置100と同様の構成を備えている。
[Third Embodiment]
FIG. 17 is a schematic configuration diagram of the
ガルバノスキャナ126は、2枚のミラー126a,126bを有しており、当該2枚のミラー126a,126bの角度を制御することで、光学ヘッド120を移動させることなく、レーザ光Lの照射位置を移動させ、レーザ光Lを掃引することができる装置である。ミラー126a,126bの角度は、それぞれ、例えばコントローラ141によって制御された不図示のモータによって変更される。このような構成によれば、光学ヘッド120と加工対象Wとを相対的に移動する機構が不要になり、例えば、装置構成を小型化できるという利点が得られる。
The
また、本実施形態でも、コントローラ141は、カメラ170による撮影画像から、スポットの所定位置に対するずれを検出し、当該ずれを補正するよう、ガルバノスキャナ126を制御することができる。また、コントローラ141は、当該ずれが所定の閾値以内となるようフィードバック制御を実行してもよい。コントローラ141およびガルバノスキャナ126は、補正機構の一例である。このような構成により、レーザ光の照射位置の精度を高めることができる。
Further, also in the present embodiment, the
以上、本発明の実施形態が例示されたが、上記実施形態は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック(構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等)は、適宜に変更して実施することができる。 Although the embodiments of the present invention have been exemplified above, the above-described embodiment is an example and is not intended to limit the scope of the invention. The above embodiment can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, combinations, and changes can be made without departing from the gist of the invention. In addition, specifications such as each configuration and shape (structure, type, direction, model, size, length, width, thickness, height, number, arrangement, position, material, etc.) are changed as appropriate. Can be carried out.
例えば、金属導体の数は、3以上であってもよいし、その場合に、めっき層が形成された金属導体の数は、1以上である。 For example, the number of metal conductors may be 3 or more, and in that case, the number of metal conductors on which the plating layer is formed is 1 or more.
また、加工対象に対してレーザ光を掃引する際に、公知のウォブリングやウィービングや出力変調等により掃引を行い、溶融池の表面積を調節するようにしてもよい。 Further, when the laser beam is swept to the object to be processed, the surface area of the molten pool may be adjusted by sweeping by known wobbling, weaving, output modulation or the like.
10,10-1~10-5…溶接構造
11…金属導体(第一金属導体)
11a…貫通孔
12…金属導体(第一金属導体)
12a…端面
12b…突起
14…溶接部
14a…溶接金属
14a1…第一部位
14a2…第二部位
14b…熱影響部
100,100A,100B…レーザ溶接装置(溶接装置)
111…レーザ装置(レーザ発振器)
112…レーザ装置(レーザ発振器)
120…光学ヘッド
121,121-1,121-2…コリメートレンズ
122…集光レンズ
123…ミラー
124…フィルタ
125…DOE(回折光学素子)
125a…回折格子
126…ガルバノスキャナ
126a,126b…ミラー
127…フィルタ
128…ミラー
130…光ファイバ
141…コントローラ(検出機構、補正機構)
150…駆動機構(補正機構)
170…カメラ(検出機構)
A…結晶粒
B1…ビーム(第一スポット)
B1a…外縁
B2…ビーム(第二スポット)
B2a…外縁
B2b…領域
B2f…領域
BL1,BL2…境界
C…中心点
D1…スポット径(外径)
D2…スポット径(外径)
Dn…スポット径
d…深さ
En,E1,E2…エネルギ密度
I…領域
L…レーザ光
Pd1,Pd2…パワー密度
Pn…パワー
SD…掃引方向
T…(レーザ光が照射される金属導体の)厚さ
Ta…(加工対象の)厚さ
V…掃引速度
W…加工対象
Wa…表面
wb…(溶接金属の表面での)幅
X…方向
Y…方向
Z…方向
Z1…第一領域
Z2…第二領域
10,10-1 to 10-5 ... Welded
11a ... Through
12a ...
111 ... Laser device (laser oscillator)
112 ... Laser device (laser oscillator)
120 ...
125a ...
150 ... Drive mechanism (correction mechanism)
170 ... Camera (detection mechanism)
A ... Crystal grain B1 ... Beam (first spot)
B1a ... Outer edge B2 ... Beam (second spot)
B2a ... Outer edge B2b ... Region B2f ... Region BL1, BL2 ... Boundary C ... Center point D1 ... Spot diameter (outer diameter)
D2 ... Spot diameter (outer diameter)
D n ... Spot diameter d ... Depth E n , E 1 , E 2 ... Energy density I ... Region L ... Laser light Pd 1, Pd 2 ... Power density P n ... Power SD ... Sweeping direction T ... (Laser light is irradiated. (Metal conductor) Thickness Ta ... (Processing target) Thickness V ... Sweeping speed W ... Processing target Wa ... Surface wb ... Width X ... Direction Y ... Direction Z ... Direction Z1 ... First Area Z2 ... Second area
Claims (21)
前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、500[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含み、
前記第二レーザ光の照射により前記めっき層を除去する、溶接方法。 It is a welding method in which a surface of a processing target, which is a plurality of metal conductors including at least one metal conductor on which a plating layer is formed, is irradiated with a laser beam and welded.
The laser light includes a first laser light having a wavelength of 800 [nm] or more and 1200 [nm] or less, and a second laser light having a wavelength of 500 [nm] or less.
A welding method for removing the plating layer by irradiation with the second laser beam.
前記表面上において、前記第二レーザ光によって前記表面上に形成される第二スポットの少なくとも一部は、前記第一レーザ光によって前記表面上に形成される第一スポットよりも前記掃引方向の前方に位置している、請求項1~4のうちいずれか一つに記載の溶接方法。 The laser beam is swept in the sweep direction on the surface of the laser beam.
On the surface, at least a part of the second spot formed on the surface by the second laser beam is in front of the first spot formed on the surface by the first laser beam in the sweep direction. The welding method according to any one of claims 1 to 4, which is located in.
前記第一レーザ光によって前記表面が前記レーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第一スポットのスポット径は、20[μm]以上かつ80[μm]以下であり、
前記第一レーザ光のパワーは、0.3[kW]以上かつ6[kW]以下であり、
前記第二レーザ光によって前記表面が前記レーザ光と垂直な平面である場合の当該平面上に形成される第一スポットのスポット径は、50[μm]以上かつ400[μm]以下であり、
前記第二レーザ光のパワーは、0.05[kW]以上かつ1[kW]以下である、請求項1~8のうちいずれか一つに記載の溶接方法。 Among the plurality of metal conductors, the thickness of the metal conductor having the surface is 0.5 [mm] or more and less than 1 [mm].
When the surface of the surface is a plane perpendicular to the laser beam due to the first laser beam, the spot diameter of the first spot formed on the plane is 20 [μm] or more and 80 [μm] or less.
The power of the first laser beam is 0.3 [kW] or more and 6 [kW] or less.
When the surface of the surface is a plane perpendicular to the laser beam due to the second laser beam, the spot diameter of the first spot formed on the plane is 50 [μm] or more and 400 [μm] or less.
The welding method according to any one of claims 1 to 8, wherein the power of the second laser beam is 0.05 [kW] or more and 1 [kW] or less.
前記溶接部における前記レーザ光の照射方向の単位体積あたりの前記第二レーザ光のエネルギ密度は、5[J/mm3]以上かつ49[J/mm3]以下である、請求項1~9のうちいずれか一つに記載の溶接方法。 The energy density of the first laser beam per unit volume of the laser beam in the welded portion of the plurality of metal conductors is 200 [J / mm 3 ] or more.
Claims 1 to 9 that the energy density of the second laser beam per unit volume in the irradiation direction of the laser beam in the welded portion is 5 [J / mm 3 ] or more and 49 [J / mm 3 ] or less. The welding method described in any one of them.
前記レーザ発振器からのレーザ光をめっき層が形成された金属導体を少なくとも一つ含む複数の金属導体に照射する光学ヘッドと、
を備え、前記複数の金属導体を溶接する、溶接装置であって、
前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、500[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含み、
前記第二レーザ光の照射により前記めっき層を除去する、溶接装置。 Laser oscillator and
An optical head that irradiates a plurality of metal conductors including at least one metal conductor on which a plating layer is formed with a laser beam from the laser oscillator.
A welding device that welds the plurality of metal conductors.
The laser light includes a first laser light having a wavelength of 800 [nm] or more and 1200 [nm] or less, and a second laser light having a wavelength of 500 [nm] or less.
A welding device that removes the plating layer by irradiation with the second laser beam.
前記ずれを補正する補正機構と、
を備えた、請求項11~13のうちいずれか一つに記載の溶接装置。 A detection mechanism that detects deviations of spots formed on the surface by the laser beam from a predetermined position, and
A correction mechanism that corrects the deviation and
The welding apparatus according to any one of claims 11 to 13.
前記複数の金属導体を溶接した溶接部と、
を備えた、金属導体の溶接構造であって、
前記溶接部は、前記金属導体の溶接構造の表面から当該表面と交差した方向に延びた溶接金属と、当該溶接金属の周囲に位置される熱影響部と、
を有し、
前記溶接金属は、第一部位と、前記表面と交差した方向に沿った断面における結晶粒の断面積の平均値が前記第一部位よりも大きい第二部位と、を有した、金属導体の溶接構造。 A plurality of metal conductors including at least one first metal conductor on which a plating layer is formed, and
A welded portion obtained by welding a plurality of metal conductors, and a welded portion.
It is a welded structure of a metal conductor equipped with
The welded portion includes a welded metal extending from the surface of the welded structure of the metal conductor in a direction intersecting the surface, and a heat-affected zone located around the welded metal.
Have,
The weld metal is a weld of a metal conductor having a first portion and a second portion in which the average cross-sectional area of crystal grains in a cross section along a direction intersecting the surface is larger than that of the first portion. Construction.
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JP (1) | JP2022011883A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2023167136A1 (en) * | 2022-03-02 | 2023-09-07 | 株式会社アイシン | Method for bonding metal members, method for bonding members, and structure for bonding metal members |
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2020
- 2020-06-30 JP JP2020113286A patent/JP2022011883A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2023167136A1 (en) * | 2022-03-02 | 2023-09-07 | 株式会社アイシン | Method for bonding metal members, method for bonding members, and structure for bonding metal members |
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