JP3935639B2

JP3935639B2 - レーザー接合方法及びその装置

Info

Publication number: JP3935639B2
Application number: JP09489099A
Authority: JP
Inventors: 努櫻井; 良樹北原; 竜也川村; 和彦妹尾
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: JP2000288755A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、丸棒状の金属棒と箔状の金属板とをレーザー溶接により接合するレーザー接合に関するもので、特に、水銀放電灯などの照明灯の電極に用いられる金属棒と金属板との接合に適したレーザー接合方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３（ａ）（ｂ）は、照明灯の一例である小型水銀放電灯の構造を示すもので、ガラス管６１の中央部を球形に膨出形成した球形部６１ａ内に対向配置された電極棒６２、６２は、それぞれ球形部６１ａから引き出されて金属箔６３に接合され、更に金属箔６３に電極リード６４を接合して、この電極リード６４はガラス管６１の外に引き出される。前記球形部６１ａ内を封止すると同時に水銀を封入するために、ガラス管６１は図１３（ｂ）に示すように、前記金属箔６３を中心とする位置で軟化もしくは溶融によって収縮させ、ガラス管６１の中空部を埋めて気密封止される。
【０００３】
上記構成における電極棒６２及び電極リード６４はタングステンの丸棒に形成され、また、金属箔６３はモリブデンを箔状にして形成されている。この電極棒６２または電極リード６４のような金属棒と、金属箔６３のような薄い金属板との接合は、従来技術においては、抵抗溶接によりなされていた。
【０００４】
図１４は、抵抗溶接による金属棒１と金属板２との接合方法を示すもので、タングステンによって形成された溶接電極５７、５８により、金属棒１と金属板２とを挟んで溶接電流を流し、金属棒１と金属板２との接触位置に発生するジュール熱により接触界面を溶融させることによって、金属棒１と金属板２との間が接合される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、照明灯電極に用いる金属板２は、モリブデンにより数１０μｍの薄さに形成された箔状であるため、溶接時に金属板に穴があく、溶接電極にこびりつく、接合強度にばらつきがある等の不良が発生しやすく、歩留りが極めて悪く、また、溶接電極のクリーニングや交換等のメンテナンスの頻度が多くなる問題点があった。更に、メンテナンスの都度、溶接条件が変化するため品質管理も困難となる問題点もあった。
【０００６】
この抵抗溶接の問題点を解決すべく、図１５に示すように、レーザー光５６の照射によって金属棒１と金属板２との接合が試みられた。しかし、金属板２は前述の通り箔状であるため、この金属板２の接合位置を金属棒１の上に接触した状態に維持することが困難であるため、安定してレーザー溶接ができない課題を有していた。また、前記照明灯電極のように、金属棒１がタングステンで形成され、金属板２がモリブデンで形成されている場合に、タングステンの融点が３５００℃であるのに対し、モリブデンの融点が２６００℃であるあるため、融点の差があるばかりでなく、熱容量の差が数百倍以上にもなるため、金属棒１のタングステンが溶融する以前に金属板２のモリブデンに穴があいてしまうことになり、このような金属棒１と金属板２との組み合わせにレーザー溶接は不可能とされていた。
【０００７】
本発明が目的とするところは、高融点材料による金属棒と箔状に形成された金属板とをレーザー光照射によって接合することを可能としたレーザー接合方法およびその装置を提供することにある。
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本願の発明は、丸棒状の金属棒を、その中心線に平行に配した箔状の金属板にレーザー接合するレーザー接合装置において、平坦な板面上に配置した金属板上の所定位置に金属棒を配置し、この金属棒を逆Ｙの字状に形成された光学ユニットの二股状の凹部で金属板側に加圧した状態にして、前記光学ユニットの上部から入射されたレーザー光を二股状の分岐経路に２分割して導波し、前記分岐経路の端部に配設された集光レンズによって集光し、この集光スポットが金属板上に配置された金属棒の金属板との接触箇所の近傍部位になるように両側からレーザー照射することを特徴とするもので、光学ユニットにより金属棒が位置決め固定されると共に、金属棒の両側で同時に接合されるので、接合加工の効率がよく接合強度も向上する。
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の参考例および実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下に示す実施形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００３１】
以下に示す各参考例および実施形態は、照明灯電極の丸棒状の金属棒と箔状の金属板とをレーザー溶接によって接合するレーザー接合方法及びその装置を示すもので、接合の対象とする金属棒１はタングステンにより丸棒状に形成され、金属板２はモリブデンによって数１０μｍの厚さの箔状に形成されたものである。
【００３２】
図１は、本発明の第１の参考例に係るレーザー接合方法を示すもので、図示するように、金属板２の上に金属棒１を配置し、図１（ｂ）に示すように、金属棒１の金属板２との接触箇所の近傍部位に集光され、金属板２に照射されないようにして、レーザー出射筒４からレーザー光５を照射する。このレーザー光５は、図示するように強度分布が中心部でピークとなるガウシアン分布に調整され、数１０ｍｓのロングパルスで照射される。金属棒１のレーザー照射された部位では、その表面が溶融し、溶融物は流下して金属板２の表面に溶着するので、これを図１（ａ）に示すように、金属棒１の中心軸方向に移動させて実施することにより、金属棒１と金属板２とは接合される。
【００３３】
図２は、レーザー光５の照射位置の設定と、金属棒１の溶融による接合への推移を時間経過で示すものである。図２（ａ）において、レーザー光５は集光角度δで照射され、その中心線と、金属棒１と金属板２との接触角とがなす角度θは、θ＞δ／２を満足させた状態で金属棒１の表面に集光され、その集光スポットサイズφｄは、集光スポットの中心の金属板２の表面からの高さｈと、集光スポットの直径ｄとの関係が、ｄ＞ｈ＞ｄ／２を満足する条件に設定することにより接触箇所の近傍部位に照射される。このレーザー光５の照射により、金属棒１の表面は、図２（ｂ）に示すように溶融し、溶融物は金属棒１の表面に沿うように金属板２上に流れ落ち、溶融物により金属板２の表面は溶融する。金属棒１はタングステンで、その融点は３５００℃であり、金属板２はモリブデンで、その融点は２６００℃であるため、タングステンの溶融物によりモリブデンは瞬時に溶融される。金属棒１の溶融物が金属板２の表面を溶融させることにより、これが凝固したときには、図２（ｃ）に示すように、両者の溶融位置ではタングステンとモリブデンとの合金部９が生成された状態で接合される。
【００３４】
上記レーザー接合方法を利用したレーザー接合装置について、以下に説明する。
【００３５】
図３は、第２の参考例に係るレーザー接合装置の構成を示すもので、レーザー光源としてＬＤアレイ１２を用いたものである。ＬＤアレイ１２は、複数のレーザーダイオード（ＬＤ）を一線上に列設して構成されており、これを更に積層配置することにより所要のレーザー出力が得られるようにしたものである。
【００３６】
図３において、各ＬＤアレイ１２から出射されたレーザー光は、それぞれロッドレンズ１１（もしくはファーストアクシスレンズ）でコリメートされ、集光レンズ１０で集光されることにより、金属棒１の金属板２との接触箇所の近傍部位に集光スポット１３にして照射される。レーザー照射による接合のプロセスは第１の実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
【００３７】
図４は、第３の参考例に係るレーザー接合装置の構成を示すもので、屈折率分布型光ファイバー１４から出射されるレーザー光７によりレーザー接合するものである。屈折率分布型光ファイバー１４は、屈折率分布が中心部ほど大きくなるように構成することにより、レーザー光源からのレーザー光を導波する過程でガウシアン分布の状態にするもので、この屈折率分布型光ファイバー１４の出射口に設けたマイクロ集光レンズ１５により集光したレーザー光７を金属棒１の金属板２との接触箇所の近傍部位に照射する。
【００３８】
金属板２を放熱用セラミックプレート１７上に配置し、その上に金属棒１を配して、屈折率分布型光ファイバー１４を包み込むように配設された箔押さえ（位置決め部）１６によって金属板２を押さえると、箔状の金属板２が浮き上がることが防止されると同時に、集光スポット６にレーザー光７が照射されるように屈折率分布型光ファイバー１４を位置決めすることができる。また、箔押さえ１６は屈折率分布型光ファイバー１４を保護して、その剛性を維持し、照射位置への移動を容易にする。このレーザー照射による接合のプロセスは第１の参考例と同様であるので、その説明は省略する。
【００３９】
図５は、第４の参考例に係るレーザー接合装置の構成を示すもので、図外に配置されたＬＤアレイによるレーザー発生源からのレーザー光を大口径光ファイバー１８で所定位置に導いて接合部位に照射するものである。ＬＤアレイと大口径光ファイバー１８とはカップリング効率がよく、効果的にレーザー光を導波することができる。
【００４０】
金属板２は表面を鏡面仕上げにしたセラミックプレート２５上に、負圧穴２４から吸引された状態にして位置固定され、この金属板２の上に金属棒１が押さえ部材６０で押し付けられ状態に位置固定されている。この金属棒１の金属板２との接触箇所の近傍部位に正確にレーザー照射するために、レーザー照射部（保持部）２１は前記セラミックプレート２５を基準面として所定角度を維持できるような角度に形成されている。即ち、図外のレーザー発生源からのレーザー光を導く大口径光ファイバー１８と、この大口径光ファイバー１８の出射端面に放熱プレート１９、１９で挟まれた発振プレート２０とを保持するレーザー照射部２１は、レーザー光５０の集光スポット５１が金属棒１の金属板２との接触箇所の近傍部位に位置する角度でセラミックプレート２５の表面に接している。この被接合物の位置固定及びレーザー照射部２１の角度規制によって、レーザー照射部２１を金属棒１の軸方向に移動させたときにも、正確に金属棒１の所定部位にレーザー光の集光スポット５１が位置することになる。
【００４１】
上記構成において、大口径光ファイバー１８から導波されてきたレーザー光は、その出射端面から出射するときの角度広がりを発振プレート２０によって抑制されるので、発振プレート２０から効率よく出射されたレーザー光は集光レンズ２２で集光されて金属棒１の金属板２との接触箇所の近傍部位に正確に集光スポット５１にして照射される。この構成における発振プレート２０の発熱は、そのコート膜の熱が放熱プレート１９を介してレーザー照射部２１に放熱される。また、レーザー照射部２１の照射端側には、レーザー光５０の集光角度に形成されたフード２３が配設され、このフード２３内にはパージガスが供給されているため、放熱が促進されるだけでなく、レーザー照射によって溶融する金属棒１から発生するガスあるいはプルームがフード２３内に侵入して集光レンズ２２を汚すことが防止される。
【００４２】
この構成による金属棒１と金属板２との接合では、箔状の金属板２の平面性が維持されると同時に、この金属板２の平面性を確保するセラミックプレート２５でレーザー照射部２１によるレーザー光５０の照射角度が規制されるので、より正確なレーザー接合が可能である。また、接合点を金属棒１の軸方向に移動させるときにも位置規制が確保されるので安定した接合がなされる。また、セラミックプレート２５により金属板２の熱が放散されるので、溶融によって穴があくことが少なく、万が一穴があいても鏡面仕上げのセラミックプレート２５に付着することがなく、不良発生率が少なく、セラミックプレート２５のクリーニングメンテナンスが落である。また、フード２３の下部は箔押さえ２３ａとして金属板２の縁部を押さえるので、金属板２の平面性を保つと同時にレーザー光５０が金属板２に照射されることがない。尚、金属棒１と金属板２との接合プロセスは、第１の実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
【００４３】
図６は、本発明の実施形態に係るレーザー接合装置の構成を示すもので、金属棒１の金属板２との接触部の近傍をその両側で同時にレーザー接合するものである。図示するように、放熱用セラミックプレート１７上に金属板２を配置し、その上に金属棒１を配置して、この金属棒１の上方に逆Ｙの字状に形成されたレーザー照射部７０を配設してレーザー接合する。
【００４４】
前記レーザー照射部７０は、光ファイバー１４から導波され、その出射端面から出射したレーザー光２６をコリメートレンズ２７によってコリメートし、プリズム２８によって２分割したレーザー光２６ａ、２６ｂをそれぞれ集光レンズ３１ａ、３１ｂから接合部位に集光できるように構成されている。前記プリズム２８で２分割されたレーザー光２６ａ、２６ｂを導く光学ユニット２９は、二股状に形成され、その三角形の凹部で金属棒１を押さえたとき、前記集光レンズ３１ａ、３１ｂによってそれぞれレーザー光２６ａ、２６ｂを集光した集光スポットが金属棒１の金属板２との接触箇所の近傍部位に位置決めされるような形状である。プリズム２８で２分割された各レーザー光２６ａ、２６ｂは、この光学ユニット２９に所定角度に形成された反射端面３０ａ、３０ｂでそれぞれ反射し、各集光レンズ３１ａ、３１ｂで集光される。
【００４５】
上記構成では、レーザー照射部７０を金属棒１上に配設することにより、レーザー照射位置が位置決めされ、これを金属棒１に沿って間欠移動させ、停止位置でレーザー照射することにより、効率的に且つ正確なレーザー接合を容易に行うことができる。尚、レーザー接合のプロセスは第１の参考例で説明したものと同様なので、その説明は省略する。
【００４６】
以上説明した各参考例および実施形態において、金属棒１の金属板２との接触箇所の近傍部位にレーザー光２６を照射したとき、図７に示すように、金属棒１の表面で反射した反射レーザー光２６ａが金属板２を溶融させる場合がある。金属板２が１０〜２０μｍの薄い状態にあるとき、反射レーザー光２６ａによっても穴があく可能性を示している。このような場合の対策を図８及び図９を参照して説明する。
【００４７】
図８に示すように、金属棒１の金属板２に接する側を軸方向に平面にカットし、カットされた平面で金属板２に接触させ、接触箇所の近傍部位にレーザー光５２を照射する。この場合のレーザー光５２は、平行光に近い小ＮＡ（開口数）のスポット光を金属棒１の金属板２と平行な直径方向位置より下に照射すると、反射は図示するように拡散するため、反射光が集光することによる金属板２の溶融は防止できる。
【００４８】
また、図９に示すように、金属棒１の半径に相当する凹部２ａを金属板２に形成し、この凹部２ａに金属棒１を配置しても、金属棒１を平面カットした場合と同様の作用により、反射光による金属板２の溶融が防止できる。
【００４９】
図１０は、本発明の第５の参考例に係るレーザー接合方法を示すもので、レーザー光４２、４２により金属板２の一部が照射されるようにしたことを特徴とするものである。尚、図１０（ｃ）は図１０（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、図１０（ｄ）は図１０（ｂ）のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【００５０】
図１０（ａ）（ｃ）において、金属板２上に金属棒１を加圧した状態に配設し、図１０（ｃ）に示すように、レーザー光４２、４２の集光ビーム内に金属板２の一部が位置するようにして、その集光スポット５３が金属棒１の金属板２との接触箇所の近傍部位となるようにレーザー照射する。このようなレーザー照射を図１０（ａ）に示すように、金属板２の端辺に至るまで行うと、金属板２は溶融して表面張力により縮まり、図１０（ｂ）に示すように、金属棒１の溶融部分と一体化して凝固し、更に金属板２は金属棒１からの熱伝導により舌状に溶融合金化した部分が形成された接合合金部４０により金属棒１と金属板２とが接合される。
【００５１】
図１１は、第６の参考例に係るレーザー接合方法を示すもので、金属棒１の端面にレーザー光４３を照射して金属棒１と金属板２とを接合する。尚、図１１（ｃ）は図１１（ａ）の側面図、図１１（ｄ）は図１１（ｂ）の側面図である。
【００５２】
図１１（ａ）（ｃ）において、金属板２の所定位置に金属棒１を加圧した状態に配設し、金属棒１の平面カットされた端面の金属板２にできるだけ近い位置に集光スポット４４が位置するようにレーザー光４３を照射する。このレーザー照射により金属棒１の端面が溶融した溶融物が流れ落ちて金属板２の表面を溶融させ、これが凝固すると、図１１（ｂ）（ｄ）に示すように、接合合金部４１が形成され、金属棒１と金属板２とが接合される。また、金属棒１の溶融時の熱の伝導により金属棒１に接する金属板２が溶融して、図１１（ｂ）に示すように接合合金部４１は舌状に延長され、接合をより強固なものにする。
【００５３】
図１２は、第７の参考例に係るレーザー接合装置の構成を示すもので、金属板２の両側に２本の金属棒１、１を同時に接合することができるように構成されている。照明灯電極は、先に図１３に示したように、金属箔６３の両側に電極棒６２と電極リード６４とを接合して構成されており、これは金属板２の両側にそれぞれ金属棒１、１を接合することになり、金属板２に２本の金属棒を同時に接合する本実施形態の構成では、照明灯電極の製造を効率的に行うことができることになる。
【００５４】
図１２において、所定位置に配設された放熱用セラミックプレート１７上に金属板２を配置し、この金属板２の中心線上に位置決めホルダ３８、３８によってそれぞれ位置決めして２本の金属棒１、１を配設した両側に、第１のレーザー照射部４６ａと第２のレーザー照射部４６ｂとが配設され、これらの第１及び第２のレーザー照射部４６ａ、４６ｂは、金属棒１の軸方向と平行に移動できるようになっている。
【００５５】
第１及び第２のレーザー照射部４６ａ、４６ｂは同一の構成で、図外のレーザー発生源からのレーザー光は、光ファイバー３２で導波されて第１及び第２のレーザー照射部４６ａ、４６ｂ内に入射され、これをコリメートレンズ３３によってコリメートする。このレーザー光は５０％反射ミラー３４と全反射ミラー３５とによってそれぞれ９０度方向に反射し、それぞれ集光レンズ３６、３６によって集光され、その集光スポットが各金属棒１、１の金属板２との接触部の近傍に位置するように照射される。
【００５６】
この第１及び第２のレーザー照射部４６ａ、４６ｂからロングパルスでレーザー光３９を４ヵ所から照射し、金属棒１の軸方向と平行に移動させることにより、各金属棒１、１は同時に金属板２にレーザー接合される。レーザー接合のプロセスは、第１の参考例において説明したものと同様である。
【００５７】
上記説明した本発明の実施形態においては、照明灯電極に使用する金属棒１と金属板２とのレーザー接合方法について説明したが、これは照明灯電極に限ることなく、箔状の金属板２に丸棒状の金属棒１をレーザー接合する場合にも同様に利用することができる。また、金属棒１と金属板２とが、その融点の差がある場合、あるいは体積差がある場合でも、実施形態に示したようにレーザー接合が可能である。このような状態は、照明灯電極に限らず、半導体製品や電子部品実装においても存在し、このレーザー接合方法を適用することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明の通り本発明によれば、丸棒状である金属棒と箔状である金属板との間をレーザー接合により接合することが可能となり、この接合方法は照明灯電極の形成に好適であるばかりでなく、体積差があり、それぞれの材料の融点の差がある金属間をレーザー接合するにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の参考例のレーザー接合方法を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図２】レーザー接合のプロセスを（ａ）（ｂ）（ｃ）の順に示す説明図。
【図３】第２の参考例のレーザー接合装置を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図４】第３の参考例のレーザー接合装置を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図５】第４の参考例のレーザー接合装置を示す（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図６】本発明の実施形態のレーザー接合装置を示す側面図。
【図７】レーザー光の反射による弊害を説明する説明図。
【図８】レーザー光の反射の影響を排除する方法を示す説明図。
【図９】レーザー光の反射の影響を排除する方法を示す説明図。
【図１０】第５の参考例のレーザー接合方法を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は接合後の状態を示す平面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図、（ｄ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図１１】第６の参考例のレーザー接合方法を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は接合後の状態を示す平面図、（ｃ）は（ａ）の側面図、（ｄ）は（ｂ）の側面図。
【図１２】第７の参考例のレーザー接合装置を示す平面図。
【図１３】照明灯の一例を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は側面図。
【図１４】従来の抵抗溶接による接合方法を示す説明図。
【図１５】従来のレーザー溶接による接合方法を示す説明図。

Claims

丸棒状の金属棒を、その中心線に平行に配した箔状の金属板にレーザー接合するレーザー接合装置において、
平坦な板面上に配置した金属板上の所定位置に金属棒を配置し、この金属棒を逆Ｙの字状に形成された光学ユニットの二股状の凹部で金属板側に加圧した状態にして、前記光学ユニットの上部から入射されたレーザー光を二股状の分岐経路に２分割して導波し、前記分岐経路の端部に配設された集光レンズによって集光し、この集光スポットが金属板上に配置された金属棒の金属板との接触箇所の近傍部位になるように両側からレーザー照射することを特徴とするレーザー接合装置。
金属棒を、その中心線に平行に配した箔状の金属板にレーザー接合するレーザー接合方法において、
平坦な板面上に配置した金属板上の所定位置に金属棒を配置し、この金属棒を逆Ｙの字状に形成された光学ユニットの二股状の凹部で金属板側に加圧した状態にして、前記光学ユニットの上部から入射されたレーザー光を二股状の分岐経路に２分割し、前記分岐経路の端部に配設された集光レンズによって前記金属棒と前記金属板との接触箇所の近傍部位に前記金属棒の両側から前記レーザー光を集光させて前記金属棒と前記金属板との間を接合することを特徴とするレーザー接合方法。