JP5118862B2 - レーザ接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を被溶接材に照射して溶接を行うレーザ接合の技術に関する。

従来、レーザ接合の品質改良について開示する文献が多く存在し、例えば、特許文献１においては、積層配置される二つの被溶接材において、上層の被溶接材に貫通穴を設け、レーザ光を貫通穴を通して、貫通穴と下層の被溶接材の境界部（溶接部位）に照射することで、二つの被溶接材を溶接することとしている。

この特許文献１に開示される技術では、前記貫通穴を設けることで、抵抗溶接による溶接スプラッシュの発生を抑えることを可能とするものであるが、二つの被溶接材の溶接部位に対して、同時にレーザ光を直接的に照射できることから、上下の被溶接材に対し、単位時間当たり略同一の熱量が与えられることになる。これにより、上層の被溶接材に貫通穴を設けないで、二つの被溶接材を溶接する場合と比較して、熱効率のよいレーザ接合が可能となることがいえる。

しかし、仮に貫通穴を設けた場合であっても、下層の被溶接材の熱容量が、上層の被溶接材の熱容量と比較して大きい場合には、下層の被溶接材が十分に温度上昇せず、十分な接合が確保できないケースが生じ得る。

例えば、ヒートシンクのような大きい部品に、小さい丸端子を接合するような場合を考える。この場合、部品の大きさ（体積）が非常に大きく異なることになる。また、ヒートシンクは放熱部材として機能させるため、アルミニウム、銅などのように、熱を加えてもその熱をすぐに周囲に伝導させる、熱伝導性に優れた材料が用いられることが一般的である。このため、ヒートシンクの溶接部位は温度が上昇しにくく、融点まで温度を上昇させるために必要となる熱量は、もう一方の被溶接材となる丸端子と比較すると、非常に大きくなる。

このような例の場合においては、例えば、特許文献１に開示される技術のように、単純に二つの被溶接材の溶接部位へのレーザ光の照射を同時に行うのでは、下層の被溶接材の温度上昇が得られずに、レーザ接合不良が生じることや、また、確実にレーザ接合を行おうとした場合には、レーザ光の照射時間を長く確保する必要が生じることが考えられる。
特開平７−６５７１７号公報

そこで、本発明は、熱容量の異なる複数の被溶接材のレーザ接合について、その接合の品質や、溶接効率を向上させるための新規な技術を提案するものである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１に記載のごとく、
第一の被溶接材に対して、前記第一の被溶接材よりも熱容量の小さい第二の被溶接材をレーザ接合するためのレーザ接合方法であって、
前記第二の被溶接材と前記第一の被溶接材とを積層配置した状態で、レーザ光を前記第二の被溶接材に形成される開口部を通過させて、前記第一の被溶接材に前記レーザ光を照射する第一工程と、
前記第一工程にて前記第一の被溶接材の温度がレーザ接合に適した規定の温度まで上昇した後に、前記第一の被溶接材、及び、第二の被溶接材における前記開口部の箇所にレーザ光を照射する第二工程と、
を含むものとするものである。

また、請求項２に記載のごとく、
前記第二の被溶接材の開口部は、連続する線形状とするものである。

また、請求項３に記載のごとく、
前記第二の被溶接材の開口部は、連続する線形状であり、
前記連続する線形状の開口部の各箇所について、順次、
前記第一工程において、第一のレーザ光照射器にて、前記第一の被溶接材の予備加熱を行い、
前記第二工程において、第二のレーザ光照射器にて、前記第一工程にて予備加熱された部位に対して接合加熱を行うこととするものである。

また、請求項４に記載のごとく、
前記第一の被溶接材に、前記第二の被溶接材の開口部に対して挿入される突起部を設けることとするものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

即ち、請求項１に記載の発明においては、熱容量の大きい第一の被溶接材について、十分な温度上昇を得ることができる。
また、熱容量の大きい第一の被溶接材を効率よく温度上昇させることが可能となることから、レーザ光の照射時間の短縮化を図ることができ、また、熱効率の高いレーザ接合を実現することができる。

また、請求項２に記載の発明においては、広範囲なレーザ接合が実現可能となる。

また、請求項３に記載の発明においては、予備加熱用のレーザ光と、接合加熱用のレーザ光を順次照射して連続的にレーザ接合することにより、広範囲な溶接を短時間で実施することが可能となる。

また、請求項４に記載の発明においては、レーザ接合箇所における前記接合強度や導電性といった接合品質について、所望の接合品質を前記突起部の設計により実現することが可能となる。

次に、発明の実施の形態を説明する。
本発明の実施例は、例えば、図１に示すごとくであり、
第一の被溶接材（大熱容量部材１）に対して、前記第一の被溶接材よりも熱容量の小さい第二の被溶接材（小熱容量部材２）をレーザ接合するためのレーザ接合方法であって、
前記第二の被溶接材と前記第一の被溶接材とを積層配置した状態で、レーザ光３を前記第二の被溶接材に形成される開口部２ａを通過させて、前記第一の被溶接材に前記レーザ光を照射する第一工程と、
前記第一工程にて前記第一の被溶接材の温度がレーザ接合に適した規定の温度まで上昇した後に、前記第一の被溶接材、及び、第二の被溶接材における前記開口部２ａの箇所にレーザ光を照射する第二工程と、
を含むものとするものである。
以下では、各実施例について説明する。

図１及び図２に示すごとく、本実施例１では、熱容量の大きい大熱容量部材１に対し、前記大熱容量部材１と比較して熱容量の小さい小熱容量部材２を積層配置してレーザ接合する場合についての例であり、前記小熱容量部材２には、上面視において円形の開口部２ａが設けられ、該開口部２ａにレーザ光を通過させて、該開口部２ａの周辺において、両部材１・２をレーザ接合させるものである。尚、本実施例１では、前記開口部２ａは、図において上下方向に貫通する貫通穴に構成されているが、後の実施例３、４のように、上面視において、連続する線形状の貫通穴に構成されるものであってもよい。

レーザ接合のプロセスについて、図１を用いて順番に説明すると、まず、大熱容量部材１に対して小熱容量部材２を載置して、部品セットを完了する（ステップＳ１）。

次に、図示せぬレーザ光照射器から前記小熱容量部材２の開口部２ａに対してレーザ光３が照射される（ステップＳ２：第一工程）。
ここでは、前記レーザ光照射器と前記大熱容量部材１との距離の調整や、レーザ光照射器の内部レンズのピントの調整を行うことにより、前記レーザ光３を前記大熱容量部材１に対して直接的に照射することが可能となる。これにより、ステップＳ３に示すごとく、大熱容量部材１の温度が徐々に上昇することになる。このように、ステップＳ２・Ｓ３においては、大熱容量部材１が予備加熱されるものである。尚、レーザ光照射器は周知の技術により構成されるものであり、一般的なレーザ光照射器を利用することができる。

また、このステップＳ２・Ｓ３におけるレーザ光の照射は、大熱容量部材１の温度、より具体的には、レーザ接合に関連する前記開口部２ａの近傍の部位が、レーザ接合に適した規定の温度まで上昇するまで行われる。尚、ここでいう規定の温度とは、大熱容量部材１の材質、容積といった特性や、小熱容量部材２の材質、容積、さらには、環境温度等の外部要因に応じて適宜設定されるものである。また、規定の温度に上昇したか否かの判定は、非接触／接触センサ等によって直接的に計測することとする他、前記レーザ光照射器によるレーザ光の照射時間やレーザ光強度から推測することとしてもよく特に限定されるものではなく、また、温度測定やその測定に基づいた規定の温度への到達の有無の判断については、周知の制御装置の組み合わせにより実現可能であるので説明を省略する。

次に、前記規定の温度に上昇したと判断されると、前記レーザ光照射器によって、前記大熱容量部材１、及び、前記小熱容量部材２（開口部２ａ周辺）へのレーザ光の照射が行われる（ステップＳ４：第二工程）。ここでは、前記レーザ光照射器と前記大熱容量部材１との距離の調整や、レーザ光照射器の内部レンズのピントの調整を行うことにより、前記大熱容量部材１、及び、前記小熱容量部材２に対するレーザ光の照射が可能となる。
つまり、大熱容量部材１及び小熱容量部材２の両方に対してレーザ光を照射させることとするものである。

このステップＳ４におけるレーザ光の照射は、大熱容量部材１と小熱容量部材２のレーザ接合が完了するまで行われるものである。そして、このレーザ接合の完了の有無の判断は、前記レーザ光照射器によるレーザ光の照射時間から推測する等して行うことができる。この推測による判断を可能とするために、予めテストピースによるレーザ接合試験等が行われる。

そして、以上のようにして、ステップＳ４を完了することにより、レーザ接合が完了される（ステップＳ５）。このレーザ接合が完了した状態においては、前記大熱容量部材１と小熱容量部材２の間に形成される接合部位４において、規定の接合強度が確保されるものとする。特に振動を受ける環境下における接合の耐性が要求されるケースでは、高い接合強度が要求されることになる。また、両部材間において、規定の導電性を確保する必要がある場合には、必要な電気量が確保できるような接合品質が要求される。

そして、以上のような所望の接合強度、電気量といった接合品質を得るために、前記開口部２ａの開口面積や、開口形状が適宜設計されるものとしている。尚、この接合品質は、両部材の接触面積により一般的に評価できるものとされている。

以上のステップＳ１〜ステップＳ５により、レーザ接合を完了することができる。
そして、前記ステップＳ２・Ｓ３においては予備加熱が行われることにより、下層に配置される大熱容量部材１について十分な温度上昇を得ることができ、所望の接合品質を得ることが可能となる。また、熱容量の大きい大熱容量部材１に対してレーザ光を直接照射することによって、大熱容量部材１を効率よく温度上昇させることが可能となることから、レーザ光の照射時間の短縮化を図ることができ、また、熱効率の高いレーザ接合を実現することができる。

また、本実施例では、前記ステップＳ４（第二工程）にて、小熱容量部材２にもレーザ光３を照射させることとしたが、小熱容量部材２の熱容量がとても小さく、前記ステップＳ２・Ｓ３（第一工程）における大熱容量部材１の加熱の際に与えられた熱量が小熱容量部材２に伝達し、これによって、小熱容量部材２の過熱（ステップＳ４；第二工程）を省略しても接合が完了することができる場合には、前記ステップＳ４（第二工程）を省略することとしてもよい。
即ち、本実施例（以下の実施例も含む）は、熱容量の異なる二部材のレーザ接合に好適な例であり、熱容量の大きい前記第一の被溶接材（大熱容量部材１）にレーザ光を照射する第一工程（ステップＳ２・Ｓ３）を含むことが重要となり、これによってレーザ接合を完了できるのであれば、第二工程（ステップＳ４）を省略することが可能である。

また、逆に、二つの被溶接材について、熱容量の大きさの違いがあるが、その違いがそれほど大きくない場合においては、前記第一工程（ステップＳ２・Ｓ３）におけるレーザ光３の照射範囲を広げ、第二の被溶接材（小熱容量部材２）の開口部２ａの近傍の箇所の温度を上昇させることとしてもよい。

本実施例２では、図３に示すごとく、熱容量の大きい大熱容量部材１Ｂにおいて、熱容量の小さな小熱容量部材２Ｂに設けた開口部２ｂに対して挿入される突起部１ｂを設けた構成とするものである。この突起部１ｂの形状や、突出高さ等の設計は、開口部２ｂに対する寸法の関係や、レーザ接合完了後において要求される接合品質に応じて適宜設計されものである。

この実施例２においても、前記実施例１と同様に、図３に示すごとく、ステップＳＢ１〜ステップＳＢ５が実施される。
まず、前記大熱容量部材１Ｂの突起部１ｂに対して前記開口部２ｂを位置合わせし、前記大熱容量部材１Ｂに前記小熱容量部材２Ｂを載置させ、前記開口部２ｂ内に、前記突起部１ｂが挿入された状態とする（ステップＳＢ１）。このステップＳＢ１における両部材１Ｂ・２Ｂの位置合わせにおいては、前記突起部１ｂを位置決め部材として機能させることができる。

次に、前記開口部２ｂを介して図示せぬレーザ光照射器からレーザ光３を前記突起部１ｂに対して直接的に照射する（ステップＳＢ２・ＳＢ３；第一工程）。このステップＳＢ２・ＳＢ３におけるレーザ光の照射は、大熱容量部材１Ｂの温度、より具体的には、レーザ接合に関連する部位となる前記突起部１ｂが、レーザ接合に適した規定の温度まで上昇するまで行われる。

次に、前記規定の温度に上昇したと判断されると、前記レーザ光照射器によって、前記大熱容量部材１Ｂ、及び、前記小熱容量部材２Ｂへのレーザ光の照射が行われる（ステップＳＢ４；第二工程）。ここでは、前記レーザ光照射器と前記大熱容量部材１Ｂとの距離の調整や、レーザ光照射器の内部レンズのピントの調整を行うことにより、前記大熱容量部材１Ｂ（突起部１ｂ）、及び、前記小熱容量部材２Ｂ（開口部２ｂ周辺）に対するレーザ光の照射が可能となる。つまり、大熱容量部材１Ｂ（突起部１ｂ）及び小熱容量部材２（開口部２ｂ周辺）の両方に対してレーザ光を照射させることとするものである。

そして、以上のようにして、ステップＳＢ４を完了することにより、レーザ接合が完了される（ステップＳＢ５）。このレーザ接合が完了した状態においては、前記大熱容量部材１Ｂと小熱容量部材２Ｂの間において、規定の接合強度や、導電性が確保されるものとする。

また、特に本実施例においては、レーザ接合箇所における前記接合強度や導電性といった接合品質について、所望の接合品質を前記突起部１ｂの設計により実現することが可能となる。また、この突起部１ｂの形成については、大熱容量部材１Ｂと一体成形されることになどにより行うことができ、例えば、大熱容量部材１Ｂがアルミダイキャストにて成形される場合には、突起部１ｂを容易に形成することが可能となる。

本実施例３は、図４に示すごとく、より広範囲なレーザ接合を行う場合についての実施例である。
即ち、熱容量の大きい大熱容量部材１Ｃに対し、前記大熱容量部材１Ｃと比較して熱容量の小さい小熱容量部材２Ｃを積層配置してレーザ接合する場合についての例であり、前記小熱容量部材２Ｃには、連続する線形状の開口部２ｃが設けられ、該開口部２ｃにレーザ光を通過させて、該開口部２ｃの周辺において、両部材１Ｃ・２Ｃをレーザ接合させるものである。この実施例では、前記開口部２ｃは、上下方向に貫通し、上面視において直線状となる、貫通溝に構成されている。

以下図４を用いて工程順に説明すると、まず、大熱容量部材１Ｃに対して小熱容量部材２Ｃを載置して、部品セットを完了する（ステップＳＣ１）。

次に、図示せぬ第一のレーザ光照射器から前記小熱容量部材２Ｃの開口部２ｃに対して第一のレーザ光３Ａが照射される（ステップＳＣ２：第一工程）。
ここでは、前記第一のレーザ光照射器と前記大熱容量部材１Ｃとの距離の調整や、第一のレーザ光照射器の内部レンズのピントの調整を行うことにより、前記第一のレーザ光３Ａの前記大熱容量部材１Ｃに対して直接的に照射することが可能となる。これにより、ステップＳＣ３に示すごとく、大熱容量部材１Ｃの温度が徐々に上昇することになる。このように、ステップＳＣ２・ＳＣ３においては、大熱容量部材１Ｃが予備加熱されるものである。

また、このステップＳＣ２・ＳＣ３における第一のレーザ光３Ａの照射は、大熱容量部材１Ｃの温度、より具体的には、レーザ接合に関連する前記開口部２ｃの近傍の部位が、レーザ接合に適した規定の温度まで上昇するまで行われる。尚、ここでいう規定の温度とは、大熱容量部材１Ｃの材質、容積といった特性や、小熱容量部材２Ｃの材質、容積、さらには、環境温度等の外部要因に応じて適宜設定されるものである。また、規定の温度に上昇したか否かの判定は、非接触／接触センサ等によって直接的に計測することとする他、前記第一のレーザ光照射器によるレーザ光の照射時間やレーザ光強度から推測することとしてもよく特に限定されるものではなく、また、温度測定やその測定に基づいた規定の温度への到達の有無の判断については、周知の制御装置の組み合わせにより実現可能であるので説明を省略する。

次に、前記規定の温度に上昇したと判断されると、第一のレーザ光照射器は開口部２ｃの溝に従って順次移動され、これにより、前記開口部２ｃに対応する位置において、前記大熱容量部材１が順次予備加熱される。

そして、本実施例では、第一のレーザ光照射器に加えて、第二のレーザ光照射器を用いることとし、前記予備加熱された部位に対して、第二のレーザ光照射器から第二のレーザ光３Ｂを照射させることとするものである。つまり、前記連続する線形状の開口部２ｃの各箇所について、順次、前記第一工程において、第一のレーザ光照射器にて、前記第一の被溶接材の予備加熱を行い、前記第二工程において、第二のレーザ光照射器にて、前記第一工程にて予備加熱された部位に対して接合加熱を行うこととするものである。

前記第二のレーザ光照射器からのレーザ光３Ｂは、前記大熱容量部材１Ｃ、及び、前記小熱容量部材２Ｃ（開口部２ｃ周辺）に照射される（ステップＳＣ４；第二工程）。ここでは、前記レーザ光照射器と前記大熱容量部材１Ｃとの距離の調整や、レーザ光照射器の内部レンズのピントの調整を行うことにより、前記大熱容量部材１Ｃ、及び、前記小熱容量部材２Ｃに対するレーザ光の照射が可能となる。つまり、大熱容量部材１Ｃ及び小熱容量部材２Ｃの両方に対してレーザ光を照射させることとするものである。

このステップＳＣ４での前記第二のレーザ光照射器によるレーザ光３Ｂの照射は、大熱容量部材１Ｃと小熱容量部材２Ｃのレーザ接合が完了するまで行われるものである。そして、このレーザ接合の完了の有無の判断は、前記レーザ光照射器によるレーザ光の照射時間から推測する等して行うことができる。この推測による判断を可能とするために、予めテストピースによるレーザ接合試験等が行われる。

そして、以上のようにして、ステップＳＣ４を完了することにより、レーザ接合が完了される（ステップＳＣ５）。このレーザ接合が完了した状態においては、前記大熱容量部材１Ｃと小熱容量部材２Ｃの間において、規定の接合強度や、導電性が確保されるものとする。

そして、以上の例のように、二つのレーザ光照射器を用いて、予備加熱用のレーザ光と、接合加熱用のレーザ光を順次照射して連続的にレーザ接合することにより、広範囲な溶接を短時間で実施することが可能となる。また、このように連続的にレーザ接合することによれば、大熱容量部材１Ｃ及び小熱容量部材２Ｃに与えられた熱量の逃げが少ない状態にて接合を行うことが可能となり、熱効率の高いレーザ接合を実現することができる。尚、実施例１・２と同様に、一つのレーザ光照射器を用いて、線形状の開口部２ｃについてのレーザ接合ができることはいうまでもない。

また、予備加熱用、接合加熱用のレーザ光によって、以降レーザ接合がされる部位に熱が伝達され、その部位の温度も上昇させることが可能となることから、レーザ接合されていない部位において、前記規定の温度に上昇するまでの時間は短いものとなり、レーザ接合完了までに要する時間を短縮することが可能となる。つまりは、短期間で、広範囲なレーザ接合が実現可能となる。

尚、図４に示すごとく、レーザ光３Ａ・３Ｂを大熱容量部材１・小熱容量部材２に対して移動させる形態とは逆に、レーザ光３Ａ・３Ｂ側を固定して大熱容量部材１・小熱容量部材２を可動ステージに乗せて移動させる形態としてもよい。

本実施例４では、図５に示すごとく、熱容量の大きい大熱容量部材１Ｄにおいて、熱容量の小さな小熱容量部材２Ｄに設けた連続する線形状の開口部２ｄに対して挿入される突起部１ｄを設けた構成とするものである。この突起部１ｄの形状や、突出高さ等の設計は、開口部２ｄに対する寸法の関係や、レーザ接合完了後において要求される接合品質に応じて適宜設計されものである。

この実施例４においても、前記実施例３と同様に、図５に示すごとく、ステップＳＤ１〜ステップＳＤ５が実施される。
まず、前記大熱容量部材１Ｄの突起部１ｄに対して前記開口部２ｄを位置合わせし、前記大熱容量部材１Ｄに前記小熱容量部材２Ｄを載置させ、前記開口部２ｄ内に、前記突起部１ｄが挿入された状態とする（ステップＳＤ１）。このステップＳＤ１における両部材１Ｄ・２Ｄの位置合わせにおいては、前記突起部１ｄを位置決め部材として機能させることができる。

次に、前記開口部２ｄを介して図示せぬ第一のレーザ光照射器から第一のレーザ光３Ａを前記突起部１ｄに対して照射する（ステップＳＤ２・ＳＤ３；第一工程）。このステップＳＤ２・ＳＤ３における第一のレーザ光３Ａの照射は、大熱容量部材１Ｄの温度、より具体的には、レーザ接合に関連する部位となる前記突起部１ｄが、レーザ接合に適した規定の温度まで上昇するまで行われる。

次に、前記規定の温度に上昇したと判断されると、図示せぬ第二のレーザ光照射器によって、前記大熱容量部材１Ｄ、及び、前記小熱容量部材２Ｄへの第二のレーザ光３Ｂの照射が行われる（ステップＳＤ４；第二工程）。

そして、以上のようにして、ステップＳＤ４を完了することにより、レーザ接合が完了される（ステップＳＤ５）。このレーザ接合が完了した状態においては、前記大熱容量部材１Ｄと小熱容量部材２Ｄの間において、規定の接合強度や、導電性が確保されるものとする。

また、特に本実施例においては、レーザ接合箇所における前記接合強度や導電性といった接合品質について、所望の接合品質を前記突起部１ｄの設計により実現することが可能となる。尚、その他の内容や構成については、実施例３と同様である。

実施例１のレーザ接合方法の手順について示す図。 実施例１のレーザ接合方法における開口部の形状について示す図。 実施例２のレーザ接合方法の手順について示す図。 実施例３のレーザ接合方法の手順について示す図。 実施例４のレーザ接合方法の手順について示す図。

１ 大熱容量部材
１ｂ 突起部
２ 小熱容量部材
２ａ 開口部
３ レーザ光
３Ａ 第一のレーザ光
３Ｂ 第二のレーザ光

Claims (4)

1. 第一の被溶接材に対して、前記第一の被溶接材よりも熱容量の小さい第二の被溶接材をレーザ接合するためのレーザ接合方法であって、
   前記第二の被溶接材と前記第一の被溶接材とを積層配置した状態で、レーザ光を前記第二の被溶接材に形成される開口部を通過させて、前記第一の被溶接材に前記レーザ光を照射する第一工程と、
   前記第一工程にて前記第一の被溶接材の温度がレーザ接合に適した規定の温度まで上昇した後に、前記第一の被溶接材、及び、第二の被溶接材における前記開口部の箇所にレーザ光を照射する第二工程と、
   を含むレーザ接合方法。
2. 前記第二の被溶接材の開口部は、連続する線形状とする、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ接合方法。
3. 前記第二の被溶接材の開口部は、連続する線形状であり、
   前記連続する線形状の開口部の各箇所について、順次、
   前記第一工程において、第一のレーザ光照射器にて、前記第一の被溶接材の予備加熱を行い、
   前記第二工程において、第二のレーザ光照射器にて、前記第一工程にて予備加熱された部位に対して接合加熱を行うこととする、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ接合方法。
4. 前記第一の被溶接材に、前記第二の被溶接材の開口部に対して挿入される突起部を設けることとする、
   ことを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のレーザ接合方法。

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