JP3862664B2 - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に係り、特に、微細領域の溶接を可能としたレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。
【0002】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
一般に、レーザ溶接は、部品周辺部への熱影響を軽減できることにより、電子部品の接合等に多く用いられてきた。
【0003】
本出願人は、特許文献1即ち特開平8−321651号公報に示すように、細かい、すなわち高速なパルス制御を実現することにより、より高精度かつバラエティーに富んだ波形制御を行なって最適な加工条件で被加工物に対する加工を行なうことができる固体レーザ装置を提供している。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−321651号公報
また、近年の時計、携帯電話、医療機器等に代表されるように、機器の小型化、部品のマイクロ化が進展したことに伴い、レーザ溶接の溶接対象もマイクロ部品へ拡張し始めている。
【0005】
従来のパルスレーザ溶接装置においては、出力エネルギーが5ジュール(J)〜100J/パルスでレーザパルス幅が0.5ms〜20msに設定されているものが多かった。このような従来のレーザ溶接装置によってステンレスに対して微細なレーザスポット溶接を施すと、最小の溶接ナゲット径が数100μm(400〜800μm)程度であり、最大の溶け込み深さが同様の数100μm程度にとどめられてしまうという不都合があった。
【0006】
一方、今日の部品の小型化に伴って要望されている溶接品質は、溶接ナゲット径としては100μm以下であり、板厚と溶接強度から溶け込み深さは、少なくとも従来と同程度の200μm以上である。
【0007】
本発明はこれらの点に鑑みなされたものであり、例えば溶接ナゲット径が100μm以下であり、溶け込み深さが200μm以上の微細領域の溶接を可能とし、装置の小型化も図ることのできるレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明のレーザ溶接方法は、レーザ光発生手段から出力されたレーザ光を入射光学ユニットを介して光ファイバに入光させ、当該光ファイバから出光したレーザ光を出射光学ユニットを介して溶接箇所に照射するレーザ溶接方法において、前記光ファイバのコア直径を100μm以内とし、前記光ファイバの入射NA値を0.05以下とし、前記光ファイバの出射NA値を0.1以下とし、前記出射光学ユニットから照射される1パルスのレーザ光のエネルギを1ジュール(J)以下としたことを特徴とする。
【0009】
また、本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光を出力するレーザ光発生手段と、レーザ光発生手段からのレーザ光を光ファイバに入光させる入射光学ユニットと、入射されたレーザ光を導くコア直径が100μm以内である光ファイバと、光ファイバから出光したレーザ光を溶接箇所に照射する出射光学ユニットと、出射光学ユニットから照射される1パルスのレーザ光のエネルギを1ジュール(J)以下に制御する制御手段とを有し、前記光ファイバの入射NA値を0.05以下とし、前記光ファイバの出射NA値を0.1以下としたことを特徴とする。
【0010】
また、レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置において、前記出射光学ユニットのコリメートレンズの焦点距離と出光レンズの焦点距離との比を4:1としてもよい。
【0011】
本発明のレーザ溶接装置を本発明のレーザ溶接方法によって動作させることにより、溶接ナゲット径が100μm以下であり、溶け込み深さが200μm以上の微細領域の溶接が可能となった。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【0013】
図1は本発明のレーザ溶接装置の1実施の形態を示す。
【0014】
図1の実施形態においては、LD励起によってレーザ光を発生させる場合を示している。具体的には、光学特性に優れたレーザ媒質の一つである円柱形状のYAGロッド1とこのYAGロッド1の側方から励起用レーザを直接照射するサイドポンピング方式により前記YAGロッド1の原子を光励起させる半導体レーザダイオードアレイ2(以下、LDA2と略す)とが配設されている。このLDA2は制御部4により電力供給を制御される電源装置3と連結されて、点灯と消灯の切換えを高速で行える高速スイッチングが可能であり、また、そのよう頻繁に切換えを行っても寿命にほとんど悪影響を及ぼされないものである。そして、前記YAGロッド1の一端側には前記YAGロッド1の端面に対して所定の間隔をおいて光を全反射させる全反射ミラー5が配設されており、他端側には前記YAGロッド1の端面に対して所定の間隔をおいて所定の固体レーザ光のみ透過させる半透過性の出力ミラー7が配設されている。
【0015】
このように形成されているレーザ光を出力するレーザ光発生手段には、出力されたレーザ光を光ファイバ10に入光させる入射光学ユニット9が設けられている。この光ファイバ10の出射側には光ファイバ10から出光したレーザ光を溶接対象Wの溶接箇所に照射する出射光学ユニット11が設けられている。光ファイバ10において入射されたレーザ光を導くコア直径は100μm以内(本実施形態においては100μm)に形成されている。コア直径が100μmを超えると溶接対象Wに対して照射するレーザ光の光束の直径を細く絞ることができなくなるためである。入射光学ユニット9からの光ファイバ10への入射NA値が0.05以下とされ、前記光ファイバ10からの出射光学ユニット11に向けての出射NA値が0.1以下(本実施形態においては0.08)とされている。
【0016】
本実施の形態においては、前記のNA値を実現させるために、入射光学ユニット9の集光レンズの焦点距離f0を40mmとし、光ファイバ10への入射NA値を0.03としている。更に、制御部4を出射光学ユニット11から照射される1パルスのレーザ光のエネルギを1ジュール(J)以下に制御する制御手段とさせている。1パルスのレーザ光のエネルギが1ジュール(J)を超えると溶接対象Wに形成されるナゲットの直径が大きくなりすぎて、微細範囲のレーザ溶接を施すことができなくなるためである。本実施形態においては、図2に示すように、1パルスのレーザ光のパルス幅を60〜100μsecとして、従来の1msecの1/10以下に設定している。
【0017】
これにより本実施の形態のレーザ溶接装置によって、溶接ナゲット径が100μm以下であり、溶け込み深さが200μm以上の微細領域の溶接を行うことができる。
【0018】
次に、本発明のレーザ溶接方法に従って本実施の形態のレーザ溶接装置を動作させて、溶接対象Wとしてのステンレスの薄板(厚さ数100μm)を2枚突き合わせてレーザ溶接を施す場合を説明する。
【0019】
本実施形態のレーザ溶接装置においては、制御部4が電源装置3を介してLDA2の点灯・消灯を制御し、YAGロッド1の原子を励起する。
【0020】
本実施形態においては、LDA2のオン・オフを制御して、1パルスのレーザ光のパルス幅を60〜100μsec(本実施の形態においては60μsec)としてエネルギ調整をする。これにより出射光学ユニット11から照射される1パルスのレーザ光のエネルギが1ジュール(J)以下とされる。
【0021】
このレーザ光が出力ミラー7を通過すると、その先に配設された入射光学ユニット9において光束を絞られて光ファイバ10の直径100μmのコアへの入射NA値を0.03とされる。光ファイバ10内を伝搬されたレーザ光はコアの出光端面から出射NA値を0.08として出射光学ユニット11のコリメートレンズ12に向けて出光する。更に、コリメートレンズ12において絞られて平行なレーザ光とされ、続いて出光レンズ13においてf1:f2=4:1(本実施形態においてはf=200mm、f2=50mm)に従って1/4に絞るようにして出光され、溶接対象Wに向けて照射される。なお、この絞り比率を1/3、1/5のように変更して、微細領域の溶接を可能とする範囲においてレーザ光の先鋭度を溶接対象等の性質などに応じて変更するとよい。
【0022】
このパルス幅が60μsecのレーザ光は、1秒間の繰り返し数(pps)を調整することによって溶接対象Wに対して適正なレーザ溶接、即ち溶接ナゲット径が100μm以下であり、溶け込み深さが200μm以上の微細領域の溶接を施すようにするとよい。
【0023】
このレーザ溶接の状況を図3から図5により更に説明する。
【0024】
図3に示すように、出射光学ユニット11の出光レンズ13から溶接対象Wに向けて照射されるレーザ光は、光ファイバ10からの出射NA値を0.1以下としたことにより、中心角θ1が小さいので細長くなる。従って、図3(a)に示すように、例えば厚さ0.5mmの1枚のステンレス板に対して表面部分にレーザ光が焦点を結ぶようにしてレーザ光を照射すると、同図(b)に拡大示するように、最も絞られた焦点部分の光路の直径φ1が40μmとなるようにして照射され、図4に示すように溶接対象Wの表面部分の溶接ナゲット径が約100μmであり、図5に示すように溶け込み深さが250μm以上となっている。
【0025】
このように本発明によれば、1点のみの微細なレーザ溶接を施すことができるので、リードフレームの微細な配線溶接をしたり、医療機器の1種であるカテーテルの表面部分に配置されている細いメッシュ状金属の微細な溶接をしたり、時計用の微細な歯車と軸とを軸の全周に亘って溶接したりすることができる。
【0026】
また、本発明によれば、出射光学ユニット内に配置されるレンズは小型のものでよいため(本実施例形態において使用したレンズの直径は30mmである)出射光学ユニットを小型化できるという効果もある。
【0027】
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、必要に応じて変更することができる。
【0028】
たとえば、前述したLDA2は、前記YAGロッド1に対して側方に配置される、いわゆるサイドポンピング方式であったが、これを、YAGロッド1の端面の方向から励起用レーザ光を入射するように配置するエンドポンピング方式としてもよい。更に、YAGロッド1の励起はランプ形式であってもよい。
【0029】
また、固体レーザ媒質もYAGに限らず、ルビーやガラスおよびYLFなどでもよく、円柱形状以外の四角柱やスラブ形状としてもよい。
【0030】
更に、レーザ発生手段としては半導体レーザ発生器等のいかなるものも用いることができる。
【0031】
【発明の効果】
このように本発明のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置は構成され作用するものであるから、例えば溶接ナゲット径が100μm以下であり、溶け込み深さが200μm以上の微細領域の溶接を確実に行うことができる。更に、光ファイバに対する入射NA値および出射NA値を小さくしているので、出射光学ユニットのコリメートレンズおよび出光レンズを小さく形成することができ、ひいては出射光学ユニットの小型も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のレーザ溶接装置の1実施形態を示す構成図
【図2】 本発明方法によって付与される1パルス幅を示す線図
【図3】 (a)および(b)は本発明による溶接状態を示すレーザ光の照射状態を示す断面図および部分拡大図
【図4】 図3による溶接を施した溶接対象の表面図
【図5】 図4の5−5線に沿った断面図
【符号の説明】
1 YAGロッド
4 制御部
9 入射光学ユニット
10 光ファイバ
11 出射光学ユニット
12 コリメートレンズ
13 出光レンズ
Claims (4)
- レーザ光発生手段から出力されたレーザ光を入射光学ユニットを介して光ファイバに入光させ、当該光ファイバから出光したレーザ光を出射光学ユニットを介して溶接箇所に照射するレーザ溶接方法において、前記光ファイバのコア直径を100μm以内とし、前記光ファイバの入射NA値を0.05以下とし、前記光ファイバの出射NA値を0.1以下とし、前記出射光学ユニットから照射される1パルスのレーザ光のエネルギを1ジュール(J)以下としたことを特徴とするレーザ溶接方法。
- レーザ光発生手段から出力されたレーザ光を入射光学ユニットを介して光ファイバに入光させ、当該光ファイバから出光したレーザ光を出射光学ユニットを介して溶接箇所に照射するレーザ溶接方法において、前記光ファイバのコア直径を100μm以内とし、前記出射光学ユニットのコリメートレンズの焦点距離と出光レンズの焦点距離との比を4:1とし、前記出射光学ユニットから照射される1パルスのレーザ光のエネルギを1ジュール(J)以下としたことを特徴とするレーザ溶接方法。
- レーザ光を出力するレーザ光発生手段と、レーザ光発生手段からのレーザ光を光ファイバに入光させる入射光学ユニットと、入射されたレーザ光を導くコア直径が100μm以内である光ファイバと、光ファイバから出光したレーザ光を溶接箇所に照射する出射光学ユニットと、出射光学ユニットから照射される1パルスのレーザ光のエネルギを1ジュール(J)以下に制御する制御手段とを有し、前記光ファイバの入射NA値を0.05以下とし、前記光ファイバの出射NA値を0.1以下としたことを特徴とするレーザ溶接装置。
- レーザ光を出力するレーザ光発生手段と、レーザ光発生手段からのレーザ光を光ファイバに入光させる入射光学ユニットと、入射されたレーザ光を導くコア直径が100μm以内である光ファイバと、光ファイバから出光したレーザ光を溶接箇所に照射する出射光学ユニットと、出射光学ユニットから照射される1パルスのレーザ光のエネルギを1ジュール(J)以下に制御する制御手段とを有し、前記出射光学ユニットのコリメートレンズの焦点距離と出光レンズの焦点距離との比を4:1としたことを特徴とするレーザ溶接装置。
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