JP6198962B2 - 特に銅、銅合金、金または宝飾材料から成る複数のワークピースを、緑色の波長を有するレーザパルスによってスポット溶接する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１および請求項１１の上位概念部に記載の、特に銅、銅合金、金または宝飾材料から成る複数のワークピースを、５００〜５４０ｎｍの波長を有するレーザパルスによってスポット溶接する方法および装置に関する。

このような方法およびこのような装置は、たとえばS. Nakashiba et alの記事「Micro-welding of Copper Plate by Frequency Doubled Diode Pumped Pulsed Nd:YAG Laser」（Physics Procedia、2012年、第39号、第577-584頁）によって公知となっている。

銅および金の吸収率は、緑色の波長（５００〜５４０ｎｍ）の場合、慣用の型式のレーザの波長（≧１０６４ｎｍ）よりも高い。ＩＲ波長（１０６４ｎｍ）を有するレーザパルスでの銅のレーザ溶接時には、このレーザパルスの出力が典型的に台形の時間的なパルス推移を有している。このパルス推移は、ワークピースに溶融温度と、次いで、蒸発温度とを発生させるための真っ直ぐな立上りパルスエッジと、ワークピースに、蒸気通路を有する溶融池を形成するための平らなパルスプラトと、溶接過程を終了させるための真っ直ぐな立下りパルスエッジとを有している。しかしながら、溶接されたワークピース表面が溶融スパッタを有してしまっている。いわゆる「ハイブリッドレーザ」でのレーザ溶接時には、ＩＲ波長（１０６４ｎｍ）と緑色の波長（５３２ｎｍ）とで同時に溶接が行われ、これによって、銅材料へのエネルギ入力が改善される。銅を、いわゆる「マイクロ溶接結合」するためには、緑色の波長（５００〜５４０ｎｍ）を有するレーザパルスが利用される。この場合、溶込み深さは、最大で約０．２ｍｍである。

ユーザは、新しい（光沢のある）銅部材を有しているときもあれば、数日または数週が経過した古い（酸化した）銅部材を有しているときもある。したがって、ＩＲレーザ加工時には、加工パラメータが、ワークピースの古さもしくは表面性状に適合させられなければならない。さらに、新たに研削された銅の表面の範囲内では、溶接スポット差が生じてしまうほど強く、ＩＲレーザ放射線の入力量が変わってしまう。

これに対して、本発明の課題は、複数のワークピースを、５００〜５４０ｎｍの波長を有するレーザパルスによってスポット溶接する方法および装置を改良して、特に０．５〜１．３ｍｍの溶込み深さの場合に、可能な限り均一なサイズ（溶込み深さおよび幅）で溶接スポットが得られ、ワークピース表面に対するスパッタが回避され、ワークピース表面に可能な限り左右されない溶込み深さとスポット幅とが得られるようにすることである。

この課題は、本発明によれば、請求項１記載の特徴を有する、特に銅、銅合金、金または宝飾材料から成るワークピースをスポット溶接する方法によって解決される。

本発明によれば、レーザパルスの出力が、方形のまたは台形の時間的なパルス推移を有していてよい。本発明に係るレーザ溶接法は、緑色の波長の場合に特に良好に吸収するあらゆる材料に適している。

すなわち、本発明によれば、レーザパルスの出力が、それぞれ時間的なパルス推移を有しており、このパルス推移が、ワークピースに溶融温度と、次いで、蒸発温度とを発生させるための立上りパルスエッジの形態の時間的に第１のパルス区分と、ワークピースに、蒸気通路を有する溶融池を形成するための高いパルスプラトの形態の時間的に第２のパルス区分としての主パルス区分と、高いパルスプラトの終了時の出力の少なくとも３／４において、まず、垂直に立ち下がり、次いで、より緩勾配で立ち下がる、蒸気通路を埋め戻すためのパルスエッジの形態の時間的に第３のパルス区分と、高いパルスプラトの終了時の出力の１／３〜１／４の高さを有する、溶融液の振動を消去するための低いパルスプラトの形態の時間的に第４のパルス区分とを有している。すなわち、このパルス推移では、緑色のレーザパルスの出力が、ＩＲレーザパルスのような方形のまたは台形の時間的なパルス推移を有しておらず、パルス出力が、蒸気通路をより長い期間にわたって埋め戻すために、高いパルスプラトの終了時に、まず、垂直に立ち下がり、次いで、より緩勾配で立ち下がり、その後、低いパルスプラトに移行している。これによって、溶融液の冷却および凝固、すなわち、溶融液の振動の消去が、より長い期間にわたって延長される。遅らされた蒸気通路の埋戻しおよび遅らされた溶融液の振動の消去は、溶融液の噴出を阻止し、これによって、ワークピース表面に対してスパッタが全く発生しないかもしくは殆ど発生しないようになっている。したがって、材料への熱流量と、材料からの熱流量とが、レーザパルスの、特殊に時間的に適合された出力推移によって規定される。

好ましくは、主パルス区分が、水平なパルスプラトまたは上昇するパルスプラトとして形成されている。この主パルス区分は、あらゆる溶込み深さに際して、まさにスパッタが全く発生しないように高く選択することができる。第２の主パルス区分の期間が長ければ長いほど、溶込み深さはますます大きくなる。パルスプラトの終了時のパルス出力もしくはパルスピーク出力は、焦点位置に大幅に関連している。

好ましくは、第１のパルス区分の立上りパルスエッジが、エッジ始まり範囲においてエッジ終わり範囲よりも大きな傾きを有している。これによって、推移が、ワークピースへの自然なエネルギ入力に追従している。すなわち、より急勾配の推移は材料に吸収されるほかなく、提供されたエネルギは使い果たされるはずである。したがって、エッジ終わり範囲における少ない傾きが、レーザパルスのエネルギ節約に繋がる。液状の相から蒸気状の相への相変化時の吸収率は、蒸気通路内で生じる多重反射によって急激に上昇するので、蒸発温度がワークピースに達成されると、蒸気通路を形成するために必要となる更なる出力上昇をゆっくりとまたは真っ直ぐに行うことができる。

試験から判ったように、第３のパルス区分の期間と第４のパルス区分の期間とは、先のパルス区分の期間に実質的に関係していない。その代わりに、第３のパルス区分の期間と第４のパルス区分の期間とは、蒸気通路の深さに関係している。第３のパルス区分の期間は、好ましくは約０．３ｍｓ〜約４ｍｓであり、第４のパルス区分の最短期間は、好ましくは約０．５ｍｓ〜約３ｍｓである。第４のパルス区分のより長い期間も可能ではあるものの、何の影響も与えない。

全く特に好適には、レーザパルスが、ワークピース表面にそれぞれ釣鐘状の出力密度分布で結像される。この出力密度分布はワークピース表面に、内側から外側に向かって低下する緩慢な、すなわち、急激でない温度分布を生ぜしめる。この外側に向かっての穏やかな温度低下は溶融液の噴出を阻止し、これによって、ワークピース表面に対してスパッタが全く発生しないかもしくは殆ど発生しないようになっている。蒸気通路は温度分布に相応して成形され、均一な斜めの吸収面をレーザ光に対して提供している。

前述した出力密度分布をワークピース表面に達成するためには、光ファイバ内でワークピースに導かれるレーザパルスが、光ファイバからの出射後、好ましくは少なくとも２倍〜４倍のファイバ直径に拡径され、その後、ワークピース表面に衝突する。

１つの変化態様では、光ファイバからトップハット分布で出射されたレーザパルスの拡径が、レーザパルスの焦点をワークピース表面の上方にまたは下方に相応に遠ざけて配置することによって、すなわち、レーザパルスの焦点をワークピース表面に対してずらすことよって行われるか、または前述のような出力密度分布を意図的に発生させる拡径光学系によって行われるか、またはグレーデッドインデックスファイバの使用によって行われる。

本発明は、更なる態様において、請求項１１の特徴を有する、本発明に係るスポット溶接法を実施するために適したレーザ溶接装置にも関する。

すなわち、本発明によれば、ワークピースに溶融温度と、次いで、蒸発温度とを発生させるための立上りパルスエッジの形態の時間的に第１のパルス区分と、ワークピースに、蒸気通路を有する溶融池を形成するための高いパルスプラトの形態の時間的に第２のパルス区分としての主パルス区分と、高いパルスプラトの終了時の出力の少なくとも３／４において、まず、垂直に立ち下がり、次いで、より緩勾配で立ち下がる、蒸気通路を埋め戻すためのパルスエッジの形態の時間的に第３のパルス区分と、高いパルスプラトの終了時の出力の１／３〜１／４の高さを有する、溶融液の振動を消去するための低いパルスプラトの形態の時間的に第４のパルス区分とを備えた時間的なパルス推移を有するパルス出力が特定されている。

１つの好適な態様では、レーザパルスをレーザビーム発生器からワークピースに導くために、光ファイバが設けられている。この光ファイバは、たとえばレーザパルスをトップハットプロファイルで出射するステップインデックスファイバであってよい。

１つの改良態様では、光ファイバに、たとえばレンズの形態の合焦光学系が後置されている。この合焦光学系は、直径を焦点においてトップハット分布で多くともファイバ直径以下の直径に結像する。照射直径は、焦点をずらすことによって少なくとも２倍〜４倍のファイバ直径に拡径される。１つの択一的な改良態様では、釣鐘状の分布が、光ファイバに比べて変更された出力密度分布を焦点において発生させる特性を有する、たとえばレンズの形態の後置された合焦光学系によって結像されてもよい。この場合、照射直径は０．２〜０．８ｍｍであり、ワークピースは焦点の近くに位置している。

本発明の更なる利点は、特許請求の範囲、明細書および図面から明らかである。また、前述した特徴および引き続き記載する特徴は、それぞれ単独で使用することもできるし、複数の特徴を任意に組み合わせて使用することもできる。図説する実施の形態は、確定した列挙として解釈すべきものではなく、むしろ、本発明を説明するための一例としての特徴を含んでいる。

５００〜５４０ｎｍの波長を有するレーザパルスによってスポット溶接するための本発明に係るレーザ溶接装置を示す図である。 ワークピース表面における局所的な出力密度分布を示す図である。 ワークピースを０．８ｍｍの溶込み深さでスポット溶接するための本発明によるレーザパルスの出力の時間的なパルス推移を示す図である。 ワークピースを１ｍｍの溶込み深さでスポット溶接するための本発明によるレーザパルスの出力の時間的なパルス推移を示す図である。 ワークピースを１．３ｍｍの溶込み深さでスポット溶接するための本発明によるレーザパルスの出力の時間的なパルス推移を示す図である。 本発明に係るスポット溶接法における種々異なる段階を示す図である。

以下の図面の説明では、同じ構成部材もしくは機能的に同じ構成部材に同一の符号が使用してある。

図１ａに示したレーザ溶接装置１は、特に銅、銅合金、金または宝飾材料から成る２つのワークピース２を、５００〜５４０ｎｍの緑色の波長を有するレーザパルス３によってスポット溶接するために用いられる。レーザ溶接装置１は、レーザパルス３を発生させるためのレーザビーム発生器４と、レーザパルス３をレーザビーム発生器４からワークピース２に導く光ファイバ５とを有している。レーザビーム発生器４は、周波数倍増式の固体レーザ、たとえば１０６４ｎｍの波長を有するＮｄ：ＹＡＧレーザであってよい。この固体レーザは、周波数倍増後、５３２ｎｍの緑色の波長を放射する。光ファイバ５は、たとえば、レーザパルス３をトップハットプロファイルで出射するステップインデックスファイバであってよい。レーザパルス３は、１ｍｓ〜２０ｍｓのパルス期間と、０．５ｋＷ〜６ｋＷのパルス出力と、個別パルス間の０〜６００Ｗの平均的な出力とを有している。

図２ａ〜図２ｃには、それぞれ異なる溶込み深さでレーザ溶接するためにレーザ溶接装置１により発生させられる種々異なるレーザパルス３_１，３_２，３_３の出力の時間的なパルス推移が示してある。図２ａには、０．８ｍｍの溶込み深さに対するレーザパルス３_１の時間的なパルス推移が示してあり、図２ｂには、１ｍｍの溶込み深さに対するレーザパルス３_２の時間的なパルス推移が示してあり、図２ｃには、１．３ｍｍの溶込み深さに対するレーザパルス３_３の時間的なパルス推移が示してある。

レーザパルス３_１，３_２，３_３の時間的なパルス推移は、ワークピース２に溶融温度と、次いで、蒸発温度とを発生させるための立上りパルスエッジの形態の時間的に第１のパルス区分６ａと、ワークピース２に、蒸気通路（「キーホール」）を有する溶融池を形成するための高いパルスプラトの形態の時間的に第２のパルス区分（主パルス区分）６ｂと、高いパルスプラトの終了時の出力の少なくとも３／４において、まず、垂直に立ち下がり、次いで、垂直よりも緩勾配で立ち下がる、蒸気通路を埋め戻すためのパルスエッジの形態の時間的に第３のパルス区分６ｃと、高いパルスプラトの終了時の出力における１／３〜１／４の高さを有する、溶融液の振動を消去するための低いパルスプラトの形態の時間的に第４のパルス区分６ｄとを有している。

レーザパルス３_１，３_２では、第１のパルス区分６ａの立上りパルスエッジが、互いに異なる傾きを有する２つのエッジ部分６ａ_１，６ａ_２、つまり、ワークピース２に溶融温度を発生させるための急勾配で立ち上がる第１のエッジ区分６ａ_１と、ワークピース２に蒸発温度を発生させるための、第１のエッジ区分６ａ_１ほどではないにせよ急勾配で立ち上がる第２のエッジ区分６ａ_２とを有している。これに対して、レーザパルス３_３では、第１のパルス区分６ａの立上りパルスエッジが、一貫して等しい傾きを有している。

第１のパルス区分６ａの立上りパルスエッジは、その後、主パルス区分６ｂの高いパルスプラトへと移行し、しかも、たとえば、レーザパルス３_１，３_２の場合には水平なプラトへと移行し、レーザパルス３_３の場合には上昇するプラトへと移行する。主パルス区分６ｂの期間が長ければ長いほど、溶込み深さはますます大きくなる。好適には、主パルス区分の期間は約１ｍｓ〜２０ｍｓである。高いパルスプラトの終了時のパルス出力は、焦点位置に強く関係していて、好ましくは１６００Ｗ〜６０００Ｗである。

全てのレーザパルス３_１，３_２，３_３において、第３のパルス区分６ｃは、高いパルスプラトの終了時の出力の少なくとも３／４において垂直に立ち下がるエッジ区分６ｃ_１を有している。このエッジ区分６ｃ_１は、その後、より緩勾配で立ち下がるエッジ区分６ｃ_２へと移行している。第３のパルス区分６ｃの期間は、好ましくは約０．３ｍｓ〜約４ｍｓであり、第４のパルス区分６ｄの最短期間は、好ましくは約０．５ｍｓ〜約３ｍｓである。第４のパルス区分６ｄのより長い期間も可能ではあるものの、何の影響も与えない。

図１ｂに示したように、レーザパルス３_１，３_２，３_３はワークピース表面７に釣鐘状の出力密度分布で結像される。この出力密度分布はワークピース表面７に、内側から外側に向かって低下する緩慢な、すなわち、急激でない温度分布を生ぜしめる。この外側に向かっての穏やかな温度低下は溶融液の噴出を阻止し、これによって、ワークピース表面７に対してスパッタが全く発生しないかまたは殆ど発生しないようになっている。ワークピース表面７にこの釣鐘状の出力密度分布を達成するためには、レーザパルス３が、その焦点をずらすことにより、少なくとも２倍〜４倍のファイバ直径に拡径された直径でワークピース表面７に結像される。すなわち、約１００〜２００μｍのファイバ直径の場合、レーザパルス３が２００〜８００μｍの直径でワークピース表面７に結像される。光ファイバ５とワークピース２との間には、拡径光学系８（たとえばコリメータレンズと集束レンズとを備えたレンズ光学系）が配置されている。光ファイバ５からトップハット分布で出射されたレーザパルス３の拡径は、レーザパルス３の焦点をワークピース表面７の上方に相応に遠ざけて配置することによって、すなわち、レーザパルス３の焦点をワークピース表面７に対してずらすことよって行われる。

図３には、本発明に係るスポット溶接法におけるワークピース２の種々異なる段階（ａ）〜（ｅ）が概略的に示してある。

衝突する第１のパルス区分６ａによって、まず、上側のワークピース２がワークピース表面７から溶融され、これによって、溶融液９が形成され（段階（ａ））、その後、この溶融液が蒸発をもし始める。

第２のパルス区分６ｂが、溶融液９内に付加的に蒸気通路（「キーホール」）１０を形成し（段階（ｂ））、溶融池を発生させるための本来の主パルスを成している。蒸気通路１０は下側のワークピース２内にまで延在している。

主パルスは、第３のパルス区分６ｃの垂直なパルスエッジ６ｃ_１で終了させられ、第３のパルス区分６ｃのより緩勾配で立ち下がるパルスエッジ６ｃ_２によって、蒸気通路１０が、より長い期間にわたって埋め戻され（段階（ｃ））、これによって、溶融液９の噴出とスパッタとが殆ど生じないようになっている。

第４のパルス区分６ｄの低いプラトによって、溶融液９が、より長い期間にわたって冷却される（段階（ｄ））。これによって、スパッタなしに、溶融液９の振動のゆっくりとした消去および溶融液９の凝固が達成される（段階（ｅ））。

レーザの波長によるワークピース２内へのエネルギの確実な吸収と共に、局所的な温度管理と時間的な温度管理とを組み合わせることによって、スパッタなしのかつサイズの再現が可能な溶接スポット１１を形成するレーザ溶接法が可能となる。試験からさらに判ったように、「赤外」の溶接スポットと異なり、「緑色」の溶接スポット１１はワークピース表面の性質に左右されず、高い直径不変性を有している。レーザ溶接時には、溶融温度において、異なる表面が形成される。つまり、ＩＲレーザ放射線による溶接時には、極めて良好で十分に平滑な鏡面が形成され、緑色のレーザ放射線による溶接時には、当初の表面性質に左右されない、ＩＲレーザ放射線による溶接時ほど良好でない湾曲させられた鏡面が形成される。

Claims (16)

1. 複数のワークピース（２）を、５００〜５４０ｎｍの波長を有するレーザパルス（３_１，３_２，３_３）であって、約１６００Ｗ〜約６０００Ｗのパルスピーク出力を有する約１ｍｓ〜約２０ｍｓ持続する主パルス区分（６ｂ）を備えたレーザパルス（３_１，３_２，３_３）によって、０．５ｍｍよりも大きな溶込み深さを形成してスポット溶接するレーザ溶接法において、
   前記レーザパルス（３_１，３_２，３_３）の出力が、それぞれ時間的なパルス推移を有しており、該パルス推移が、前記ワークピース（２）に溶融温度と、次いで、蒸発温度とを発生させるための立上りパルスエッジの形態の時間的に第１のパルス区分（６ａ）と、前記ワークピース（２）に、蒸気通路（１０）を有する溶融池を形成するための時間的に第２のパルス区分としての前記主パルス区分（６ｂ）と、該主パルス区分（６ｂ）の終了時の出力の少なくとも３／４において、まず、垂直に立ち下がり、次いで、より緩勾配で立ち下がる、前記蒸気通路（１０）を埋め戻すためのパルスエッジの形態の時間的に第３のパルス区分（６ｃ）と、前記主パルス区分（６ｂ）の終了時の前記出力の１／３〜１／４の高さを有する、溶融液（９）の振動を消去するための低いパルスプラトの形態の時間的に第４のパルス区分（６ｄ）とを有していることを特徴とする、レーザ溶接法。
2. 前記主パルス区分（６ｂ）が、水平なパルスプラトまたは上昇するパルスプラトとして形成されている、請求項１記載のレーザ溶接法。
3. 前記第１のパルス区分（６ａ）の前記立上りパルスエッジが、エッジ始まり範囲においてエッジ終わり範囲よりも大きな傾きを有している、請求項１または２記載のレーザ溶接法。
4. 前記第３のパルス区分（６ｃ）が、約０．３ｍｓ〜約４ｍｓ持続している、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ溶接法。
5. 前記第４のパルス区分（６ｄ）が、約０．５ｍｓ〜約３ｍｓの最短期間を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載のレーザ溶接法。
6. 前記レーザパルス（３_１，３_２，３_３）をそれぞれ釣鐘状の局所的な出力密度分布でワークピース表面（７）に結像する、請求項１から５までのいずれか１項記載のレーザ溶接法。
7. 釣鐘状の局所的な出力密度分布を、焦点をずらすことによって前記レーザパルス（３_１，３_２，３_３）のトップハット分布を用いて前記ワークピース表面（７）に発生させる、請求項６記載のレーザ溶接法。
8. 釣鐘状の局所的な出力密度分布を、前記レーザパルス（３_１，３_２，３_３）のトップハット分布から焦点において前記ワークピース表面（７）に釣鐘状分布を発生させるレンズ光学系（８）を介して発生させる、請求項６記載のレーザ溶接法。
9. 光ファイバ（５）内で導かれた前記レーザパルス（３_１，３_２，３_３）を少なくとも２倍〜４倍のファイバ直径に拡径し、その後、ワークピース表面（７）に衝突させる、請求項１から８までのいずれか１項記載のレーザ溶接法。
10. 前記光ファイバ（５）から出射された前記レーザパルス（３_１，３_２，３_３）の拡径を、該レーザパルス（３_１，３_２，３_３）の焦点を前記ワークピース表面（７）の上方に相応に遠ざけて配置することによって行う、請求項９記載のレーザ溶接法。
11. 複数のワークピース（２）をレーザ溶接するレーザ溶接装置（１）であって、５００〜５４０ｎｍの波長と、約１６００Ｗ〜約６０００Ｗのパルスピーク出力である約１ｍｓ〜約２０ｍｓ持続する主パルス区分（６ｂ）とを有するレーザパルス（３_１，３_２，３_３）を発生させるためのレーザビーム発生器（４）を備えたレーザ溶接装置（１）において、
    前記レーザパルス（３_１，３_２，３_３）の出力が、それぞれ時間的なパルス推移を有しており、該パルス推移が、前記ワークピース（２）に溶融温度と、次いで、蒸発温度とを発生させるための立上りパルスエッジの形態の時間的に第１のパルス区分（６ａ）と、前記ワークピース（２）に、蒸気通路（１０）を有する溶融池を形成するための高いパルスプラトの形態の時間的に第２のパルス区分（６ｂ）としての前記主パルス区分（６ｂ）と、前記高いパルスプラトの終了時の出力の少なくとも３／４において、まず、垂直に立ち下がり、次いで、より緩勾配で立ち下がる、前記蒸気通路を埋め戻すためのパルスエッジの形態の時間的に第３のパルス区分（６ｃ）と、前記高いパルスプラトの終了時の前記出力の１／３〜１／４の高さを有する、溶融液（９）の振動を消去するための低いパルスプラトの形態の時間的に第４のパルス区分（６ｄ）とを有していることを特徴とする、レーザ溶接装置（１）。
12. 前記レーザパルス（３_１，３_２，３_３）を前記レーザビーム発生器（４）から前記ワークピース（２）に導くための光ファイバ（５）が設けられている、請求項１１記載のレーザ溶接装置。
13. 前記レーザパルス（３_１，３_２，３_３）が、その焦点をずらすことにより、少なくとも２倍〜４倍のファイバ直径に拡径された直径でワークピース表面（７）に衝突するようになっている、請求項１２記載のレーザ溶接装置。
14. 前記ワークピース表面（７）に衝突する前記レーザパルス（３_１，３_２，３_３）の直径を少なくとも２倍〜４倍のファイバ直径に拡径する拡径光学系（８）が、前記光ファイバ（５）に後置されている、請求項１３記載のレーザ溶接装置。
15. 前記複数のワークピース（２）が、銅、銅合金、金または宝飾材料を含む、請求項１から１０までのいずれか１項記載のレーザ溶接法。
16. 前記複数のワークピース（２）が、銅、銅合金、金または宝飾材料を含む、請求項１１から１４までのいずれか１項記載のレーザ溶接装置。

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