JP2023140467A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合不良を抑制できるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】実施形態に係るレーザ溶接方法は、レーザ光を照射することで第１部材に第２部材を溶接する方法である。実施形態に係るレーザ溶接方法は、準備工程と、溶接工程と、を備える。前記準備工程では、前記第１部材に前記第２部材が仮溶接され、複数の接続部を有した仮溶接部材を準備する。前記溶接工程では、前記仮溶接部材に対してレーザ光を照射することで、前記第１部材に対して前記第２部材を溶接する。前記溶接工程では、第１工程を行い、その後に、第２工程を行う。前記第１工程では、前記複数の接続部のうちの１つである第１接続部と、前記第１接続部に隣り合う第２接続部と、の間の所定位置から前記第２接続部までレーザ光を照射する。前記第２工程では、前記第１接続部から前記所定位置までレーザ光を照射する。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、レーザ溶接方法に関する。

レーザ光を照射することで複数の部材を溶接するレーザ溶接方法がある。レーザ溶接方法では、例えば、部材の溶接部分の一部を溶接して接続部を形成する仮溶接を行った後、溶接部分の全体を溶接する本溶接を行って、複数の部材を接合する。本溶接では、例えば、溶接部分の一端側から他端側まで連続的にレーザ光を照射して、溶接部分の全体を溶接する。

このようなレーザ溶接方法において、仮溶接後の複数の部材の間に隙間が生じる場合がある。このような隙間がある状態で、本溶接において、一端側の接続部から他端側の接続部に向かって連続的にレーザ光を照射すると、他端側の接続部の周辺において隙間に起因する部材のたわみが大きくなり、接合不良が発生する場合がある。

特開昭６３－７０４９０号公報

本発明が解決しようとする課題は、接合不良を抑制できるレーザ溶接方法を提供することである。

実施形態に係るレーザ溶接方法は、レーザ光を照射することで第１部材に第２部材を溶接する方法である。実施形態に係るレーザ溶接方法は、準備工程と、溶接工程と、を備える。前記準備工程では、前記第１部材に前記第２部材が仮溶接され、複数の接続部を有した仮溶接部材を準備する。前記溶接工程では、前記仮溶接部材に対してレーザ光を照射することで、前記第１部材に対して前記第２部材を溶接する。前記溶接工程では、第１工程を行い、その後に、第２工程を行う。前記第１工程では、前記複数の接続部のうちの１つである第１接続部と、前記第１接続部に隣り合う第２接続部と、の間の所定位置から前記第２接続部までレーザ光を照射する。前記第２工程では、前記第１接続部から前記所定位置までレーザ光を照射する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施形態に係るレーザ溶接方法を表す斜視図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係るレーザ溶接方法を表す斜視図である。 実施形態に係るレーザ溶接方法における溶接部分を表す平面図である。 実施形態に係るレーザ溶接方法の溶接工程を表す平面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施形態に係るレーザ溶接方法の溶接工程を表す断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施形態に係るレーザ溶接方法の溶接工程を表す断面図である。

以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施形態に係るレーザ溶接方法を表す斜視図である。
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施形態に係るレーザ溶接方法を表す斜視図である。
図３は、実施形態に係るレーザ溶接方法における溶接部分を表す平面図である。
図１（ａ）、図１（ｂ）、図２（ａ）、及び図２（ｂ）に表したように、実施形態に係るレーザ溶接方法は、準備工程と、溶接工程と、平坦化工程と、を含む。

実施形態に係るレーザ溶接方法では、まず、準備工程を行う。準備工程では、まず、図１（ａ）に表したように、溶接の対象となる第１部材１０及び第２部材２０を準備する。

第１部材１０及び第２部材２０は、例えば、アルミニウム、マグネシウム、及び銅の少なくともいずれかを含む。第２部材２０の材料は、第１部材１０の材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

第１部材１０は、例えば、開口部１６を有する筐体である。第１部材１０は、例えば、上方が開放された略矩形の箱状の構造を有する。第１部材１０は、例えば、第１側面部１１、第２側面部１２、第３側面部１３、第４側面部１４、及び底面部１５を有する。底面部１５は、第１部材１０の底部に位置する。第１側面部１１、第２側面部１２、第３側面部１３、及び第４側面部１４は、それぞれ、底面部１５から上方に立ち上がる立面部である。第１側面部１１と第３側面部１３とは、互いに対向する。第２側面部１２と第４側面部１４とは、互いに対向する。第１部材１０は、例えば、第１側面部１１の上端、第２側面部１２の上端、第３側面部１３の上端、及び第４側面部１４の上端により形成された開口部１６を有する。

第２部材２０は、例えば、第１部材１０の開口部１６を塞ぐ蓋である。第２部材２０は、例えば、平板状の構造を有する。図３に表したように、第２部材２０は、溶接部分２５を有する。図３では、溶接部分２５を網掛けで示している。溶接部分２５は、溶接工程において、第１部材１０と溶接（接合）される部分である。溶接部分２５は、例えば、溶接工程において、レーザ光２２０が照射される部分である。溶接部分２５は、第２部材２０のうち、第１部材１０と重なる部分に設けられる。この例では、溶接部分２５は、開口部１６と第２部材２０（蓋）とが重なる位置に設けられている。

なお、ここでは、第１部材１０が筐体であり、第２部材２０が蓋である場合を例に挙げて説明するが、第１部材１０及び第２部材２０の形状は、これらに限定されない。第１部材１０及び第２部材２０の形状は、レーザ照射により溶接可能な形状であればよい。第１部材１０及び第２部材２０は、例えば、いずれも平板状であってもよい。

準備工程では、次に、図１（ｂ）に表したように、第１部材１０に第２部材２０が仮溶接された仮溶接部材５０を準備する。仮溶接部材５０は、溶接部分２５に沿って設けられた複数の接続部３０を介して第１部材１０に第２部材２０が溶接された構造を有する。つまり、仮溶接部材５０において、第１部材１０と第２部材２０とは、複数の接続部３０を介して溶接（接合）されている。

ここでいう「仮溶接」とは、後述の溶接工程における溶接（本溶接）の前に行われる溶接であることを示している。仮溶接では、例えば、第１部材１０に第２部材２０を重ねた状態で、溶接部分２５に沿って第２部材２０の複数の箇所にレーザ光２１０を照射することにより、レーザ光２１０を照射された複数の箇所において第２部材２０を溶融させて複数の接続部３０を形成する。

第１部材１０が開口部１６を有する筐体であり、第２部材２０が蓋の場合には、例えば、準備工程において、第１部材１０（筐体）の開口部１６の全周に複数の接続部３０を介して第２部材２０（蓋）が仮溶接された仮溶接部材を準備することが好ましい。この場合、例えば、準備工程において、第１部材１０（筐体）の開口部１６の全周に等間隔にレーザ光２１０を照射することで、第１部材１０（筐体）の開口部１６の全周に等間隔に接続部３０を設けることができる。なお、複数の接続部３０の間の間隔は、等間隔でなくてもよい。

準備工程の仮溶接に使用されるレーザ光２１０を照射するレーザ装置は、例えば、パルス状の出力を一定の繰り返し周波数（パルス幅）で発振するパルスレーザであってもよいし、一定の出力を連続して発振するＣＷ(Continuous Wave)レーザであってもよい。パルスレーザの場合、パルス幅は、例えば、数フェムト秒、数ピコ秒または数ミリ秒である。レーザ光２１０の波長は、例えば、３００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下である。

実施形態に係るレーザ溶接方法では、次に、溶接工程を行う。溶接工程は、準備工程の後に行われる。溶接工程では、図２（ａ）に表したように、仮溶接部材５０に対して溶接部分２５に沿ってレーザ光２２０を照射することで、第１部材１０に対して第２部材２０を溶接する。これにより、例えば、図２（ｂ）に表したように、第２部材２０（蓋）により第１部材１０（筐体）の開口部１６が密閉された密閉部材１００が製造される。溶接工程については、後述する。

溶接工程に使用されるレーザ光２２０を照射するレーザ装置は、例えば、パルスレーザであってもよいし、ＣＷレーザであってもよい。パルスレーザの場合、パルス幅は、例えば、数フェムト秒または数ピコ秒である。レーザ光２２０の波長は、例えば、３００ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下である。溶接工程に使用されるレーザ光２２０は、準備工程の仮溶接に使用されるレーザ光２１０と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

実施形態に係るレーザ溶接方法では、次に、平坦化工程を行う。平坦化工程は、溶接工程の後に行われる。平坦化工程では、図２（ｂ）に表したように、密閉部材１００の溶接部分２５に沿ってレーザ光２３０を照射することで、溶接工程後の溶接部分２５の表面を平坦化する。平坦化工程は、必要に応じて行われ、省略可能である。

平坦化工程に使用されるレーザ光２３０を照射するレーザ装置は、例えば、パルスレーザであってもよいし、ＣＷレーザであってもよい。パルスレーザの場合、パルス幅は、例えば、数フェムト秒または数ピコ秒である。レーザ光２３０の波長は、例えば、３００ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下である。平坦化工程に使用されるレーザ光２３０は、準備工程の仮溶接に使用されるレーザ光２１０と同じであってもよいし、異なっていてもよい。平坦化工程に使用されるレーザ光２３０は、溶接工程に使用されるレーザ光２２０と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

以下、溶接工程について、さらに詳しく説明する。
図４は、実施形態に係るレーザ溶接方法の溶接工程を表す平面図である。
図４は、図３に示した領域Ｒ１の拡大図である。
図４に表したように、溶接工程では、隣り合う２つの接続部３０の間を、第１工程と第２工程との２回に分けて溶接する。図４では、白抜き矢印ＰＲ１、ＰＲ３が第１工程を示しており、白抜き矢印ＰＲ２、ＰＲ４が第２工程を示している。

複数の接続部３０のうち、互いに隣り合う２つを、それぞれ、第１接続部３１及び第２接続部３２とする。第１接続部３１ａと第２接続部３２ａとは、互いに隣り合う。第１接続部３１ｂと第２接続部３２ｂとは、互いに隣り合う。第２接続部３２ａは、第１接続部３１ｂを兼ねる。

図４にＰＲ１、ＰＲ３で表したように、第１工程では、第１接続部３１と第２接続部３２との間の所定位置３５から第２接続部３２までレーザ光２２０を照射する。第１工程では、例えば、所定位置３５から第２接続部３２に向かって連続的にレーザ光２２０を照射する。第１工程では、所定位置３５から少なくとも第２接続部３２と重なる位置まで、レーザ光２２０を照射する。第１工程では、例えば、所定位置３５から第２接続部３２を超えた位置（すなわち、第２接続部３２を基準にして所定位置３５とは反対側の位置）まで、レーザ光２２０を照射することが好ましい。

図４にＰＲ２、ＰＲ４で表したように、第２工程では、第１接続部３１から所定位置３５までレーザ光２２０を照射する。第２工程では、例えば、第１接続部３１から所定位置３５に向かって連続的にレーザ光２２０を照射する。第２工程では、少なくとも第１接続部３１と重なる位置から所定位置３５まで、レーザ光２２０を照射する。第２工程では、第１接続部３１を超えない位置（すなわち、第１接続部３１を基準にして所定位置３５とは反対側の位置）から、所定位置３５を超えた位置（すなわち、所定位置３５を基準にして第１接続部３１とは反対側の位置）まで、レーザ光２２０を照射することが好ましい。第２工程においてレーザ光２２０が照射される領域の一部は、例えば、第１工程においてレーザ光２２０が照射される領域の一部と重なる。

第１接続部３１と第２接続部３２との間の距離Ｌ１は、例えば、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。所定位置３５は、例えば、第１中間地点４１から第２中間地点４２までの間に位置する。第１中間地点４１は、第１接続部３１と第２接続部３２との中間に位置する。つまり、第１接続部３１と第１中間地点４１との間の距離Ｌ２は、第１中間地点４１と第２接続部３２との間の距離Ｌ３と等しい。距離Ｌ２及び距離Ｌ３は、距離Ｌ１の半分である。第２中間地点４２は、第１中間地点４１と第２接続部３２との中間に位置する。つまり、第１中間地点４１と第２中間地点４２との間の距離Ｌ４は、第２中間地点４２と第２接続部３２との間の距離Ｌ５と等しい。距離Ｌ４及び距離Ｌ５は、距離Ｌ３の半分である。

溶接工程では、第１工程を行い、その後、第２工程を行う。溶接工程では、少なくとも、ＰＲ１で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第１工程）を、ＰＲ２で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第２工程）よりも前に行う。溶接工程では、少なくとも、ＰＲ３で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第１工程）を、ＰＲ４で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第２工程）よりも前に行う。

溶接工程では、例えば、ＰＲ１で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第１工程）を行い、その後、ＰＲ２で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第２工程）を行い、その後、ＰＲ３で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第１工程）を行い、その後、ＰＲ４で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第２工程）を行う。つまり、溶接工程では、例えば、第１工程及び第２工程を交互に繰り返し行う。

あるいは、溶接工程では、例えば、ＰＲ１で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第１工程）を行い、その後、ＰＲ３で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第１工程）を行い、その後、ＰＲ２で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第２工程）を行い、その後、ＰＲ４で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第２工程）を行ってもよい。つまり、溶接工程では、例えば、第１工程をまとめて行った後に、第２工程をまとめて行ってもよい。

第１部材１０が開口部１６を有する筐体であり、第２部材２０が蓋の場合には、例えば、溶接工程において、開口部１６の全周に設けられたすべての複数の接続部３０の間において、第１工程及び第２工程を繰り返すことで、第１部材１０の開口部１６の全周に第２部材２０（蓋）を溶接することが好ましい。この場合も、第１工程及び第２工程を交互に繰り返し行ってもよいし、第１工程をまとめて行った後に、第２工程をまとめて行ってもよい。

以下、実施形態に係るレーザ溶接方法の効果について、説明する。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、実施形態に係るレーザ溶接方法の溶接工程を表す断面図である。
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、実施形態に係るレーザ溶接方法の溶接工程を表す断面図である。
図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）、及び図６（ｂ）は、図４に示したＡ１－Ａ２線による断面図である。
図５（ａ）は、図４のＰＲ１で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第１工程）を示している。図５（ｂ）は、図４のＰＲ２で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第２工程）を示している。図６（ａ）は、図４のＰＲ３で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第１工程）を示している。図６（ｂ）は、図４のＰＲ４で示した位置におけるレーザ光２２０の照射（第２工程）を示している。

図５（ａ）に表したように、仮溶接部材５０において、第１部材１０と第２部材２０との間には、隙間Ｇが生じる場合がある。隙間Ｇは、例えば、１０μｍ以上５０μｍ以下である。

このような場合に、例えば、溶接工程（本溶接）において、第１接続部３１ａから第２接続部３２ａに向かって連続的にレーザ光２２０を照射すると、第２接続部３２ａの周辺において隙間Ｇに起因する第２部材２０のたわみが大きくなり、接合不良が発生する場合がある。また、このような接合不良は、溶接部分２５の全域にわたって、第２接続部３２の周辺において発生する場合がある。

これに対して、実施形態に係るレーザ溶接方法では、まず、図５（ａ）に表したように、第１接続部３１ａと第２接続部３２ａとの間の所定位置３５ａから第２接続部３２ａまでレーザ光２２０を照射する第１工程を行う。そして、第１工程の後に、図５（ｂ）に表したように、第１接続部３１ａから所定位置３５ａまでレーザ光２２０を照射する第２工程を行う。

このように、所定位置３５ａから第２接続部３２ａまでのレーザ光２２０の照射（第１工程）を第１接続部３１ａから所定位置３５ａまでのレーザ光２２０の照射（第２工程）よりも前に行うことで、第２接続部３２ａの周辺において隙間Ｇに起因する第２部材２０のたわみが大きくなることを抑制できる。したがって、接合不良を抑制できる。

また、実施形態に係るレーザ溶接方法では、さらに、図６（ａ）に表したように、第１接続部３１ｂと第２接続部３２ｂとの間の所定位置３５ｂから第２接続部３２ｂまでレーザ光２２０を照射する第１工程を行う。そして、第１工程の後に、図６（ｂ）に表したように、第１接続部３１ｂから所定位置３５ｂまでレーザ光２２０を照射する第２工程を行う。

このように、第１工程と第２工程を繰り返して行うことで、すべての第２接続部３２の周辺において隙間Ｇに起因する第２部材２０のたわみが大きくなることを抑制できる。したがって、溶接部分２５の全域にわたって接合不良を抑制できる。

また、所定位置３５が第１中間地点４１（図４参照）から第２中間地点４２（図４参照）までの間に位置することで、第１工程においてレーザ光２２０を照射する長さが長くなり過ぎないため、第１工程を行う際に第２接続部３２ａの周辺において隙間Ｇに起因する第２部材２０のたわみが大きくなることを抑制できる。したがって、接合不良を抑制できる。

また、溶接工程を第１工程と第２工程とに分けて行うと、溶接工程によって溶接部分２５に凹凸が形成される場合がある。そこで、実施形態に係るレーザ溶接方法では、溶接工程の後に平坦化工程を行うことで、溶接工程によって溶接部分２５に凹凸が形成されたとしても、平坦化工程によって溶接工程後の溶接部分２５の表面を平坦化することができる。

また、第１部材１０が開口部１６を有する筐体であり、第２部材２０が蓋の場合に、準備工程において、第１部材１０（筐体）の開口部１６の全周に複数の接続部３０を介して第２部材２０（蓋）が仮溶接された仮溶接部材５０を準備し、溶接工程において、開口部１６の全周に設けられたすべての複数の接続部３０の間において第１工程及び第２工程を繰り返して、開口部１６の全周に第２部材２０（蓋）を溶接することで、容易に第１部材１０の開口部１６を第２部材２０で密閉した密閉部材１００を製造することができる。

以上のように、実施形態によれば、接合不良を抑制できるレーザ溶接方法が提供される。

実施形態に係るレーザ溶接方法は、例えば、二次電池、ヒートシンク等の熱交換器、エアバッグ等に使用されるガス発生機、エアコン用の回転子などの装置の製造に好適に用いられる。

以上、本発明の実施形態を例示したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、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、変更などを行うことができる。この実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ 第１部材
１１～１４ 第１～第４側面部
１５ 底面部
１６ 開口部
２０ 第２部材
２５ 溶接部分
３０ 接続部
３１、３１ａ、３１ｂ 第１接続部
３２、３２ａ、３２ｂ 第２接続部
３５、３５ａ、３５ｂ 所定位置
４１ 第１中間地点
４２ 第２中間地点
５０ 仮溶接部材
１００ 密閉部材
２１０、２２０、２３０ レーザ光

Claims (6)

1. レーザ光を照射することで第１部材に第２部材を溶接する方法であって、
   前記第１部材に前記第２部材が仮溶接され、複数の接続部を有した仮溶接部材を準備する準備工程と、
   前記仮溶接部材に対してレーザ光を照射することで、前記第１部材に対して前記第２部材を溶接する溶接工程と、
   を備え、
   前記溶接工程において、
   前記複数の接続部のうちの１つである第１接続部と、前記第１接続部に隣り合う第２接続部と、の間の所定位置から前記第２接続部までレーザ光を照射する第１工程を行い、
   前記第１工程の後に、前記第１接続部から前記所定位置までレーザ光を照射する第２工程を行う、レーザ溶接方法。
2. 前記所定位置は、前記第１接続部と前記第２接続部との中間に位置する第１中間地点から、前記第１中間地点と前記第２接続部との中間に位置する第２中間地点まで、の間に位置する、請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 前記準備工程において、前記第１部材に前記第２部材を重ねた状態で、前記第２部材の複数の箇所にレーザ光を照射することにより、前記複数の箇所において前記第２部材を溶融させて前記複数の接続部を形成した前記仮溶接部材を準備する、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記溶接工程の後に行われ、レーザ光を照射することで、前記溶接工程において溶接された部分の表面を平坦化する平坦化工程をさらに備えた、請求項１～３のいずれか１つに記載のレーザ溶接方法。
5. 前記第１部材は、開口部を有する筐体であり、
   前記第２部材は、前記開口部を塞ぐ蓋であり、
   前記筐体及び前記蓋は、前記開口部と前記蓋とが重なる位置で溶接される、請求項１～４のいずれか１つに記載のレーザ溶接方法。
6. 前記準備工程において、前記開口部の全周に前記複数の接続部を介して前記蓋が仮溶接された仮溶接部材を準備し、
   前記溶接工程において、前記開口部の全周に設けられたすべての前記複数の接続部の間において、前記第１工程及び前記第２工程を繰り返すことで、前記開口部の全周に前記蓋を溶接する、請求項５記載のレーザ溶接方法。

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