JP6327453B2 - Laser welding method and apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光を用いた金属の突き合わせ溶接におけるポロシティなどの溶接欠陥の発生を抑制するレーザ溶接方法及び装置に関するものである。   The present invention relates to a laser welding method and apparatus for suppressing the occurrence of welding defects such as porosity in butt welding of metals using laser light.

レーザ溶接において、互いに対向する二つの長辺と、互いに対向する二つの短辺とを含む矩形枠によって外周が構成された開口部を有する筒状体のケースに、そのケースの開口部に挿入された蓋等の封口部材を、その封口部材の全周にわたって溶接する場合がある。このような場合に、従来のレーザ溶接方法としては、レーザ強度の高いスポット部をケース側と封口部材側とにそれぞれ配置して、溶接しているものがある(例えば、特許文献1参照。)。図6Aは、特許文献1に記載された従来のレーザ溶接方法を示す図である。図6Bは、図6Aのレーザスポット104の拡大図である。   In laser welding, a cylindrical body case having an opening having an outer periphery constituted by a rectangular frame including two long sides facing each other and two short sides facing each other is inserted into the opening of the case. A sealing member such as a lid may be welded over the entire circumference of the sealing member. In such a case, as a conventional laser welding method, there is a welding method in which spot portions having high laser intensity are arranged on the case side and the sealing member side, respectively (see, for example, Patent Document 1). . FIG. 6A is a diagram showing a conventional laser welding method described in Patent Document 1. FIG. FIG. 6B is an enlarged view of the laser spot 104 of FIG. 6A.

図6A及び図6Bにおいて、レーザスポット104は、3つのレーザスポット104a、104b、104cから構成されている。パワー密度が高いレーザスポット104b及び104cは、それぞれ金属ケース101及び蓋102に照射されている。この結果、金属ケース101と蓋102との間の隙間の大きさに関係なく、金属ケース101と蓋102とを深く溶融することができる。このため、隙間による溶接欠陥の発生を抑制している。   6A and 6B, the laser spot 104 includes three laser spots 104a, 104b, and 104c. Laser spots 104b and 104c having a high power density are applied to the metal case 101 and the lid 102, respectively. As a result, the metal case 101 and the lid 102 can be melted deeply regardless of the size of the gap between the metal case 101 and the lid 102. For this reason, generation | occurrence | production of the welding defect by a clearance gap is suppressed.

また、従来のレーザ溶接方法として、回折光学素子(Diffractive Optical Element。 以後、単に、DOEと表記。)を利用してレーザ光を分岐して多点を同時加工しているものもある(例えば、特許文献2参照。)。図7は、特許文献2に記載された従来のレーザ溶接方法を示す図である。   In addition, as a conventional laser welding method, there is a method in which a laser beam is branched using a diffractive optical element (Differential Optical Element. Hereinafter, simply referred to as DOE) to simultaneously process multiple points (for example, (See Patent Document 2). FIG. 7 is a diagram showing a conventional laser welding method described in Patent Document 2. As shown in FIG.

図7において、水晶振動子210の接続端子211,212及び基板の水晶振動子用ターミナル221,222のそれぞれを、DOE204で分岐した分岐ビーム202Aで照射することで、同時に溶接を行っている。   In FIG. 7, welding is simultaneously performed by irradiating the connection terminals 211 and 212 of the crystal resonator 210 and the crystal resonator terminals 221 and 222 of the substrate with the branched beam 202 </ b> A branched by the DOE 204.

特開2013−220462号公報JP 2013-220462 A 特許第3775410号公報Japanese Patent No. 3775410

しかしながら、前記従来の構成では、溶接部表面が付着物又は表面酸化物などによって汚染されていた場合に、その汚染部分が、溶接部の溶融池に取り込まれることになる。そのため、溶接部に、ポロシティなどの欠陥が発生してしまうという課題を有している。ここで「ポロシティ」とは、溶融金属中に発生したガスによって、凝固後の溶接金属部に生じたブローホール及び芋虫状に表面まで穴のあいたピットなどの総称として用いている。   However, in the conventional configuration, when the surface of the welded portion is contaminated by deposits or surface oxides, the contaminated portion is taken into the weld pool of the welded portion. Therefore, it has the subject that defects, such as a porosity, will generate | occur | produce in a welding part. Here, the term “porosity” is used as a general term for blow holes generated in the weld metal part after solidification by gas generated in the molten metal, pits having holes in the form of worms, and the like.

図4は、特許文献1に記載された従来のレーザ溶接方法における被溶接材206の溶融部断面の模式図である。207はスポット241の移動方向である。被溶接材206の表面の表面汚れ208は、スポット241によってガス化し、十分に拡散する前に溶融池251に取り込まれて、ポロシティ209となってしまう。従来は、これらの表面汚れ208を除去するために、事前にクリーニング等の別工程が必要となっていた。   FIG. 4 is a schematic diagram of a cross-section of a melted part of a material to be welded 206 in the conventional laser welding method described in Patent Document 1. Reference numeral 207 denotes the moving direction of the spot 241. The surface contamination 208 on the surface of the material 206 to be welded is gasified by the spots 241 and is taken into the molten pool 251 before being sufficiently diffused to become a porosity 209. Conventionally, in order to remove the surface dirt 208, another process such as cleaning has been required in advance.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、溶接部表面への付着物を溶融池に取り込まないようにするためのクリーニングを溶接時と同時に行い、溶接欠陥の発生を抑制しようとしたレーザ溶接方法及び装置を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and performs laser cleaning at the same time as welding to prevent the deposits on the surface of the welded portion from being taken into the molten pool, thereby suppressing the occurrence of welding defects. It is an object to provide a welding method and apparatus.

上記目的を達成するために、本発明の1つの態様にかかるレーザ溶接方法は、被溶接材に対して、レンズと回折光学素子とを用いて集光したレーザ光を移動しながら照射して溶接を行う方法において、
前記回折光学素子として、前記レーザ光による前記被溶接材上の集光スポットを、前記集光スポットの進行方向の前方に設けられた先行スポットと、前記先行スポットから離れて配置されかつ前記被溶接材を溶融するためのメインスポットとで構成し、前記先行スポットで前記被溶接材の表面を照射するとき、前記被溶接材の表面に付着している被溶接材以外の物質を分解してガスを発生させる温度以上まで加熱しかつ前記被溶接材の表面からの溶融深さが許容されるポロシティの直径よりも浅くなるようにエネルギ強度を設定した回折光学素子を用いながら、
前記先行スポットで前記被溶接材の表面を照射して、前記被溶接材の表面に付着している前記被溶接材以外の物質を分解して前記ガスを発生させ、
前記先行スポットの照射が終了したのち、前記メインスポットで照射される前に、前記発生したガスを拡散させ、
その後、前記メインスポットで前記被溶接材の表面を照射して前記被溶接材を溶融させ
前記先行スポットが線状であり、前記線状の先行スポットの長手方向が前記集光スポットの移動方向に対して交差する方向であって、前記線状の先行スポットの長手方向の寸法が、前記長手方向と平行な方向での前記メインスポットの幅寸法よりも大きくして、前記メインスポットで前記被溶接材を溶融させる領域を含む、より広い領域を前記線状の先行スポットで照射する、ことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a laser welding method according to one aspect of the present invention is directed to welding by irradiating a material to be welded while moving a focused laser beam using a lens and a diffractive optical element. In the way to do
As the diffractive optical element, a focused spot on the workpiece to be welded by the laser light is disposed in front of the focused spot in the traveling direction of the focused spot, away from the preceding spot, and is welded. A main spot for melting the material, and when irradiating the surface of the material to be welded with the preceding spot, the gas other than the material to be welded adhered to the surface of the material to be welded is decomposed and gas While using a diffractive optical element that is heated to a temperature that generates or higher and the energy intensity is set so that the melting depth from the surface of the workpiece to be welded is shallower than the allowable porosity diameter,
Irradiating the surface of the material to be welded with the preceding spot to decompose the substance other than the material to be welded attached to the surface of the material to be welded to generate the gas,
After the irradiation of the preceding spot, the generated gas is diffused before being irradiated at the main spot,
Then, the surface of the material to be welded is irradiated at the main spot to melt the material to be welded ,
The preceding spot is linear, the longitudinal direction of the linear preceding spot is a direction intersecting the moving direction of the focused spot, and the longitudinal dimension of the linear preceding spot is and larger than the width of the main spot in the direction parallel to the longitudinal direction, including the area for melting the material to be welded in the main spot, you irradiating a wider area of the preceding spot the linear, It is characterized by that.

上記目的を達成するために、本発明の別の態様にかかるレーザ溶接装置は、被溶接材に対して、レンズと回折光学素子とを用いて集光したレーザ光を移動しながら照射して溶接を行うレーザ溶接装置において、
前記回折光学素子として、前記レーザ光による前記被溶接材上の集光スポットを、前記集光スポットの進行方向の前方に設けられた先行スポットと、前記先行スポットから離れて配置されかつ前記被溶接材を溶融するためのメインスポットとで構成し、前記先行スポットで前記被溶接材の表面を照射するとき、前記被溶接材の表面に付着している被溶接材以外の物質を分解してガスを発生させる温度以上まで加熱しかつ前記被溶接材の表面からの溶融深さが許容されるポロシティの直径よりも浅くなるようにエネルギ強度を設定した回折光学素子を用い
前記先行スポットが線状であり、前記線状の先行スポットの長手方向が前記集光スポットの移動方向に対して交差する方向であって、前記線状の先行スポットの長手方向の寸法が、前記長手方向と平行な方向での前記メインスポットの幅寸法よりも大きいことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a laser welding apparatus according to another aspect of the present invention welds a material to be welded by irradiating a laser beam condensed by using a lens and a diffractive optical element while moving. In a laser welding apparatus that performs
As the diffractive optical element, a focused spot on the workpiece to be welded by the laser light is disposed in front of the focused spot in the traveling direction of the focused spot, away from the preceding spot, and is welded. A main spot for melting the material, and when irradiating the surface of the material to be welded with the preceding spot, the gas other than the material to be welded adhered to the surface of the material to be welded is decomposed and gas Using a diffractive optical element that is heated to a temperature higher than the temperature at which it is generated and the energy intensity is set so that the melting depth from the surface of the workpiece to be welded is shallower than the allowable porosity diameter ,
The preceding spot is linear, the longitudinal direction of the linear preceding spot is a direction intersecting the moving direction of the focused spot, and the longitudinal dimension of the linear preceding spot is It is characterized by being larger than the width dimension of the main spot in the direction parallel to the longitudinal direction .

以上のように、本発明の前記態様のレーザ溶接方法及び装置によれば、集光スポット進行方向前方の被溶接材表面の付着物は、深く溶け込みを起こす前にクリーニングされ、ポロシティ発生の確率を大幅に低くすることが可能となる。また、メインスポット照射前に先行スポットで表面を溶融するため、メインスポットの表面における吸収率変化が安定して、均一な溶け込みを得ることが可能となる。従って、溶接を行う前に別工程で溶接部表面の付着物又は表面酸化物などによる汚染を除去すること無く、ポロシティなどの溶接欠陥の発生を抑制することができる。   As described above, according to the laser welding method and apparatus of the above aspect of the present invention, the deposit on the surface of the workpiece to be welded in front of the focused spot traveling direction is cleaned before deep penetration and the probability of porosity generation is increased. It becomes possible to greatly lower. In addition, since the surface is melted at the preceding spot before irradiation of the main spot, the change in the absorptance on the surface of the main spot is stabilized, and uniform penetration can be obtained. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of welding defects such as porosity without removing contamination due to deposits or surface oxides on the surface of the welded part in a separate process before welding.

本発明の第1実施形態におけるレーザ溶接方法の光学系の構成図The block diagram of the optical system of the laser welding method in 1st Embodiment of this invention 本発明の第1実施形態におけるレーザ溶接方法のビームプロファイルの模式図The schematic diagram of the beam profile of the laser welding method in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態におけるレーザ溶接方法の溶融部断面の模式図The schematic diagram of the fusion | melting part cross section of the laser welding method in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態におけるレーザ溶接方法の溶融部断面の模式図The schematic diagram of the fusion | melting part cross section of the laser welding method in 1st Embodiment of this invention. 特許文献1に記載された従来のレーザ溶接方法における溶融部断面の模式図Schematic diagram of cross section of melted portion in conventional laser welding method described in Patent Document 1 本発明の第2実施形態におけるレーザ溶接方法のビームプロファイルの模式図The schematic diagram of the beam profile of the laser welding method in 2nd Embodiment of this invention 本発明の第2実施形態の変形例におけるレーザ溶接方法のビームプロファイルの模式図The schematic diagram of the beam profile of the laser welding method in the modification of 2nd Embodiment of this invention 本発明の第2実施形態の変形例におけるレーザ溶接方法のビームプロファイルの模式図The schematic diagram of the beam profile of the laser welding method in the modification of 2nd Embodiment of this invention 本発明の第2実施形態の変形例におけるレーザ溶接方法のビームプロファイルの模式図The schematic diagram of the beam profile of the laser welding method in the modification of 2nd Embodiment of this invention 特許文献1に記載された従来のレーザ溶接方法における上面図Top view in the conventional laser welding method described in Patent Document 1 図6Aのレーザスポット拡大図Enlarged view of the laser spot in FIG. 6A 特許文献2に記載された従来のレーザ溶接方法における2つの接続端子を備えた水晶振動子の基板への溶接説明図Explanatory drawing of welding to a substrate of a crystal unit having two connection terminals in the conventional laser welding method described in Patent Document 2

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態におけるレーザ溶接方法及び装置の光学系の構成図である。図1において、レーザ溶接装置30は、レーザ発振器31と、DOE2と、レンズ3とを備えて構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical system of a laser welding method and apparatus according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the laser welding apparatus 30 includes a laser oscillator 31, a DOE 2, and a lens 3.

図1において、レーザ発振器31から出射されたレーザ光1は、DOE2及びレンズ3を通して被溶接材6の上面に集光スポット4を形成している。前記集光スポット4は、集光スポット4の移動方向7に向かって移動しており、その後方に、溶接部5が被溶接材6の上面上に形成されている。   In FIG. 1, a laser beam 1 emitted from a laser oscillator 31 forms a focused spot 4 on the upper surface of a workpiece 6 through a DOE 2 and a lens 3. The said condensing spot 4 is moving toward the moving direction 7 of the condensing spot 4, and the welding part 5 is formed on the upper surface of the to-be-welded material 6 in the back.

図2は、本発明の第1実施形態におけるレーザ溶接方法の集光スポット4(図1参照)におけるビームプロファイルの模式図である。図2の上側の図(a)に示されるように、前記集光スポット4(図1)は、集光スポット4の移動方向7に対して前方に位置している線状の先行スポット42と、先行スポット42の後方に先行スポット42から離れて位置する円形状のメインスポット41とで構成される。このような形状の先行スポット42とメインスポット41とは、DOE2により形成することができる。   FIG. 2 is a schematic diagram of a beam profile at the focused spot 4 (see FIG. 1) of the laser welding method according to the first embodiment of the present invention. As shown in the upper diagram (a) of FIG. 2, the focused spot 4 (FIG. 1) includes a linear preceding spot 42 positioned forward with respect to the moving direction 7 of the focused spot 4. The circular main spot 41 is located behind the preceding spot 42 and located away from the preceding spot 42. The preceding spot 42 and the main spot 41 having such a shape can be formed by the DOE 2.

また、図2の下側の図(b)に示されるように、メインスポット41のエネルギ強度と比較して、先行スポット42のエネルギ強度は小さくなるように、レーザ発振器31とDOE2とで構成している。このようにすることにより、先行スポット42では、表面汚れ8をガス化するために十分なエネルギ強度として、必要以上に加熱して、被溶接材6の表面の溶融しないようにしている。   Further, as shown in the lower diagram (b) of FIG. 2, the laser oscillator 31 and the DOE 2 are configured so that the energy intensity of the preceding spot 42 is smaller than the energy intensity of the main spot 41. ing. In this way, the preceding spot 42 is heated more than necessary with sufficient energy intensity to gasify the surface dirt 8 so that the surface of the material 6 to be welded is not melted.

集光スポット4の移動方向7と直交する方向(集光スポット4の移動方向7と交差する方向の一例)の先行スポット42の幅寸法(先行スポット42の長手方向の寸法)W1は、メインスポット41にて形成される集光スポット4の移動方向7に対して直交する方向の溶接部分の幅寸法(先行スポット42の長手方向と平行な方向の寸法(直径))W2よりも広くなるようにDOE2で設定している。このように構成することにより、メインスポット41の溶接領域に対して、当該溶接領域を含む、より広い領域を、先行スポット42で加熱して表面汚れ8を分解してガスを発生させて拡散させることができて、表面汚れ8をより確実に除去することができる。   The width dimension (longitudinal dimension of the preceding spot 42) W1 of the preceding spot 42 in the direction orthogonal to the moving direction 7 of the condensed spot 4 (an example of the direction intersecting the moving direction 7 of the condensed spot 4) is the main spot. The width dimension of the welded portion in the direction orthogonal to the moving direction 7 of the focused spot 4 formed at 41 (the dimension (diameter) in the direction parallel to the longitudinal direction of the preceding spot 42) W2 is larger. It is set with DOE2. With this configuration, a wider area including the welding area is heated with the preceding spot 42 to decompose the surface dirt 8 and generate gas to diffuse with respect to the welding area of the main spot 41. And surface dirt 8 can be removed more reliably.

また、先行スポット42とメインスポット41との間隔Lは、先行スポット42による被溶接材6の表面のクリーニング効果を確実に得るために、先行スポット42によって生じる溶融部がメインスポット41によって生じる溶融部と一体化してしまって、そのクリーニング効果が得られなくなることを防ぐために、50μm〜5mmの間隔にDOE2で設定している。   Further, the interval L between the preceding spot 42 and the main spot 41 is set so that the melting portion generated by the preceding spot 42 is caused by the main spot 41 in order to reliably obtain the cleaning effect of the surface of the workpiece 6 by the preceding spot 42. In order to prevent the cleaning effect from being obtained, the DOE 2 is set at an interval of 50 μm to 5 mm.

先行スポット42と集光スポット4との移動方向7沿いの間隔Lは、少なくとも先行スポット42の移動方向7沿いの寸法の1倍よりも離している。   The distance L along the moving direction 7 between the preceding spot 42 and the focused spot 4 is at least one time larger than the dimension along the moving direction 7 of the preceding spot 42.

図3A及び図3Bは、本発明の第1実施形態におけるレーザ溶接方法の溶融部30の断面の模式図である。これを用いて作用の説明を行う。   3A and 3B are schematic views of a cross section of the fusion zone 30 of the laser welding method according to the first embodiment of the present invention. The operation will be described using this.

まず、被溶接材6に対して、レンズ3と回折光学素子2とを用いて、被溶接材6の表面にレーザ光1を集光させ、集光したレーザ光1を移動させながら被溶接材6の表面に照射して溶接を開始する。このとき、まず、集光したレーザ光1である集光スポット4のうちの先行スポット42を、被溶接材6の表面の、溶接すべき溶接部を含む領域に照射する。図3Aに示すように、先行スポット42が照射された領域において、被溶接材6の表面に存在している付着物又は酸化物の表面汚れ(被溶接材以外の物質)8は、先行スポット42が照射されると、表面汚れ8を分解してガスを発生させる温度以上まで加熱する。すなわち、先行スポット42により表面汚れ8自体がガスとなり、発生ガス81が生じる。この発生ガス81が、溶融池51に取り込まれてそのまま凝固してしまうと、溶接欠陥となってしまう。しかしながら、第1実施形態では、先行スポット42とメインスポット41との間に所定間隔Lを維持しているため、先行スポット42の照射後には、メインスポット41がすぐに照射されず、先行スポット42で照射された領域の温度が一旦低下するとともに、その間(先行スポット42の照射後からメインスポット41の照射までの間の時間)に、発生ガス81が拡散する。この発生ガス81の拡散を促進するためには、吸排気装置(図示せず)を設けてもよい。その結果、メインスポット41が照射されてメインスポット41によって溶融池51が生じる際には、先行スポット42で生じる発生ガス81は既に拡散してしまって取り込まれることがなく、ポロシティなどの溶接欠陥が発生することがない。また、このように間隔Lが先行スポット42とメインスポット41との間に存在することにより、先行スポット42で加熱された部分の温度が、一旦、下がることになり、先行スポット42に続けてメインスポット41で加熱した場合に過加熱となるのを防止することができる。このとき、図3Bに示すように、溶接時に許容されるポロシティの直径91よりも、先行スポット42によって生じる被溶接材6の表面の溶融した溶接深さ52が浅くなるように、先行スポット42のエネルギ強度を設定している。本第1実施形態の場合、実施可能な一例として、以下の様なパラメータである。   First, using the lens 3 and the diffractive optical element 2 with respect to the material to be welded 6, the laser beam 1 is condensed on the surface of the material to be welded 6, and the collected laser beam 1 is moved while being moved. 6 is irradiated to start welding. At this time, first, the preceding spot 42 of the focused spot 4 that is the focused laser beam 1 is irradiated on the surface of the material 6 to be welded including the welded portion to be welded. As shown in FIG. 3A, in the region irradiated with the preceding spot 42, the deposit or oxide surface contamination (substance other than the material to be welded) 8 existing on the surface of the workpiece 6 is removed from the preceding spot 42. Is heated to a temperature at which the surface dirt 8 is decomposed and gas is generated. That is, due to the preceding spot 42, the surface dirt 8 itself becomes a gas, and a generated gas 81 is generated. If the generated gas 81 is taken into the molten pool 51 and solidifies as it is, a welding defect occurs. However, in the first embodiment, since the predetermined interval L is maintained between the preceding spot 42 and the main spot 41, the main spot 41 is not immediately irradiated after the preceding spot 42 is irradiated, and the preceding spot 42 is not irradiated. The temperature of the region irradiated in step 1 temporarily decreases, and the generated gas 81 diffuses during that time (the time between the irradiation of the preceding spot 42 and the irradiation of the main spot 41). In order to promote the diffusion of the generated gas 81, an intake / exhaust device (not shown) may be provided. As a result, when the main spot 41 is irradiated and the molten pool 51 is generated by the main spot 41, the generated gas 81 generated in the preceding spot 42 is not already diffused and taken in, and welding defects such as porosity are not generated. It does not occur. Further, since the interval L exists between the preceding spot 42 and the main spot 41 in this way, the temperature of the portion heated by the preceding spot 42 is once lowered, and the main spot is continued from the preceding spot 42. When heated at the spot 41, overheating can be prevented. At this time, as shown in FIG. 3B, the preceding spot 42 is formed so that the melted welding depth 52 of the surface of the material 6 to be welded generated by the preceding spot 42 becomes shallower than the diameter 91 of the porosity allowed at the time of welding. The energy intensity is set. In the case of the first embodiment, as an example that can be implemented, the following parameters are used.

メインスポット41のエネルギ強度Iに対する先行スポット42のエネルギ強度Iは、 I×1%≦I≦I×20%とする。 Energy intensity I 2 of the preceding spot 42 with respect to energy intensity I 1 of the main spot 41, and I 1 × 1% ≦ I 2 ≦ I 1 × 20%.

集光スポット4の移動方向7に対して直交する方向の先行スポット42の幅寸法W1は1mmとする。   The width dimension W1 of the preceding spot 42 in the direction orthogonal to the moving direction 7 of the focused spot 4 is 1 mm.

先行スポット42とメインスポット41との間隔Lは150μmとする。   An interval L between the preceding spot 42 and the main spot 41 is 150 μm.

また、第1実施形態においては、メインスポット41が照射される位置での被溶接材6の表面状態が溶融した液体状のため、固体時のように表面粗さなどによってレーザ光1の吸収係数が左右されず、前記吸収係数が被溶接材6に依存した一定値となるため、安定した溶融状態が保たれることが特徴である。   Further, in the first embodiment, since the surface state of the material 6 to be welded at the position where the main spot 41 is irradiated is a molten liquid, the absorption coefficient of the laser beam 1 is varied depending on the surface roughness as in the case of a solid. Since the absorption coefficient is a constant value depending on the material to be welded 6, the stable melting state is maintained.

なお、第1実施形態において、レーザ光1の進行方向に対して、レンズ3の前にDOE2を配置しているが、その順番を逆としても良い。   In the first embodiment, the DOE 2 is disposed in front of the lens 3 with respect to the traveling direction of the laser light 1, but the order may be reversed.

第1実施形態によれば、集光スポット進行方向7の前方の被溶接材6の表面の付着物8が深く溶け込みを起こす前に、先行スポット42よりクリーニングされ、ガス化され、先行スポット42の照射後からメインスポット41の照射前に所定の間隔Lが維持されていることにより、メインスポット41の照射前にガス化したガスを拡散させることができる。よって、ポロシティ発生の確率を大幅に低くすることが可能となる。また、メインスポット照射前に先行スポット42で表面を溶融するため、メインスポット41の表面における吸収率の変化が安定して、均一な溶け込みを得ることが可能となる。   According to the first embodiment, before the deposit 8 on the surface of the material 6 to be welded in front of the focused spot traveling direction 7 is deeply melted, it is cleaned and gasified from the preceding spot 42, and Since the predetermined interval L is maintained after the irradiation and before the irradiation of the main spot 41, the gasified before the irradiation of the main spot 41 can be diffused. Therefore, the probability of occurrence of porosity can be greatly reduced. Further, since the surface is melted at the preceding spot 42 before the main spot irradiation, the change in the absorptance on the surface of the main spot 41 is stabilized, and uniform melting can be obtained.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態におけるレーザ溶接方法及び装置では、第1実施形態とビームプロファイルの形状が異なっている。図5A〜図5Dは、本発明の第2実施形態におけるレーザ溶接方法及び装置での種々のビームプロファイルの模式図である。これらの種々のビームプロファイルは、DOE2により形成することができる。図5A〜図5Dにおいて、図1から図3Bと同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。また、第1実施形態で示した溶接部5の断面図と、図3A及び図3Bと第2実施形態の溶接部5の断面とは同じであるので、説明を省略する。
(Second Embodiment)
In the laser welding method and apparatus according to the second embodiment of the present invention, the shape of the beam profile is different from that of the first embodiment. 5A to 5D are schematic diagrams of various beam profiles in the laser welding method and apparatus according to the second embodiment of the present invention. These various beam profiles can be formed by DOE2. 5A to 5D, the same components as those in FIGS. 1 to 3B are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. Moreover, since the cross-sectional view of the welded portion 5 shown in the first embodiment and the cross-section of the welded portion 5 of the second embodiment are the same as those in FIGS. 3A and 3B, description thereof will be omitted.

まず、図5Aに示すように、メインスポット41を二分割して、2つの円形の分割メインスポット41a,41bでメインスポット41を構成することができる。このような構成においては、メインスポット41を二分割することで、突き合わせ溶接時の界面を前記二分割された分割メインスポット41a,41bの間に持ってくることによって、前記突き合わせ界面におけるポロシティ発生のリスクを減らすことができる。なお、この第2実施形態において、メインスポット41の分割数を二分割としているが、二分割よりも大きな任意の数への分割としても良い。   First, as shown in FIG. 5A, the main spot 41 can be divided into two, and the main spot 41 can be constituted by two circular divided main spots 41a and 41b. In such a configuration, by dividing the main spot 41 into two parts, the interface at the time of butt welding is brought between the divided main spots 41a and 41b divided into two, thereby generating porosity at the butt interface. Risk can be reduced. In the second embodiment, the number of divisions of the main spot 41 is two. However, it may be divided into an arbitrary number larger than two divisions.

次に、図5B示すように、先行スポット42を、1つの直線上に配列された複数の分割先行スポット42a,42b,42c,42d,42eに分割することで、先行スポット42を、線状ではなく点状の集合体とすることを特徴とする。このとき、分割先行スポット42a〜42eのスポット間に位置する被溶接材6の表面が、隣接する分割先行スポット42a〜42eによって溶融するように分割先行スポット42a〜42eにエネルギを配分している。これによって、DOE2の設計を、ビーム分割のみで済ませられるといった簡便化を図ることが可能となる。また、分割先行スポット42a〜42eに振り分けるエネルギを相対的に少なくすることが可能となる。このときの分割先行スポット42a〜42eのスポット径とスポット間隔との関係は、(スポット間隔=スポット径の2〜10倍)となっている。   Next, as shown in FIG. 5B, the preceding spot 42 is divided into a plurality of divided preceding spots 42a, 42b, 42c, 42d, and 42e arranged on one straight line. It is characterized by a point-like aggregate. At this time, energy is distributed to the divided preceding spots 42a to 42e so that the surface of the workpiece 6 positioned between the divided preceding spots 42a to 42e is melted by the adjacent divided preceding spots 42a to 42e. As a result, it becomes possible to simplify the design of the DOE 2 such that the beam can be designed only by beam splitting. Further, it is possible to relatively reduce the energy allocated to the divided preceding spots 42a to 42e. At this time, the relationship between the spot diameter and the spot interval of the divided preceding spots 42a to 42e is (spot interval = 2 to 10 times the spot diameter).

また、図5Cに示すように、分割先行スポット42a〜42eの並び方は、メインスポット41側に閉じるかのように湾曲した曲線、言い換えれば、曲率半径の中心が集光スポット4の移動方向7のメインスポット41側に配置された曲線上に配置してもよい。このように先行分割スポット42a〜42eを湾曲して配置することで、メインスポット41からの距離が等しくなり、メインスポット41に対する予熱効果の効率が上がるため、メインスポット41に入射するエネルギを相対的に少なくする効果がある。   Further, as shown in FIG. 5C, the arrangement of the divided preceding spots 42a to 42e is a curved curve as if closing to the main spot 41 side, in other words, the center of the radius of curvature is in the moving direction 7 of the focused spot 4. You may arrange | position on the curve arrange | positioned at the main spot 41 side. By arranging the preceding divided spots 42a to 42e in a curved manner in this way, the distance from the main spot 41 becomes equal, and the efficiency of the preheating effect on the main spot 41 increases. Has the effect of reducing.

図5Dは、メインスポット41を中心として点対称状に取り囲むように(言い換えれば、メインスポット41の周辺を取り囲むように)先行スポット42a〜42lを配置したことを特徴としている。このことによって、集光スポット4の移動方向7とビームプロファイルの相対配置とに制約がなくなり、どの方向に集光スポット4を動かしても溶接欠陥抑制効果が発揮される。   FIG. 5D is characterized in that the preceding spots 42a to 42l are arranged so as to surround the main spot 41 in a point-symmetric manner (in other words, so as to surround the periphery of the main spot 41). As a result, there is no restriction on the moving direction 7 of the focused spot 4 and the relative arrangement of the beam profile, and the weld defect suppressing effect is exhibited no matter which direction the focused spot 4 is moved.

なお、第2実施形態において、先行スポット42として5個の分割先行スポット42a〜42e及び10個の分割先行スポット42a〜42lを設けたが、分割数はそれらにとらわれるものではなく、線状〜多数個の先行スポット数としても良い。   In the second embodiment, five divided preceding spots 42a to 42e and ten divided preceding spots 42a to 42l are provided as the preceding spot 42. However, the number of divisions is not limited to them, and is linear to many. It may be the number of preceding spots.

なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。   In addition, it can be made to show the effect which each has by combining arbitrary embodiment or modification of the said various embodiment or modification suitably.

本発明のレーザ溶接方法及び装置は、事前のクリーニング工程などを設けることなく、集光スポット部のビームプロファイルに先行スポットを設けることによって溶接欠陥の発生を抑制する効果を有し、蓄電池における封口溶接等の欠陥発生が許されない溶接の用途にも適用できる。   The laser welding method and apparatus of the present invention have the effect of suppressing the occurrence of welding defects by providing a preceding spot in the beam profile of the condensing spot portion without providing a preliminary cleaning step, etc., and sealing welding in a storage battery It can also be applied to welding applications where the occurrence of defects such as these is not allowed.

1 レーザ光
2 DOE
3 レンズ
30 レーザ溶接装置
31 レーザ発振器
4 集光スポット
41 メインスポット
41a,41b 分割メインスポット
42 先行スポット
42a〜42l 分割先行スポット
5 溶接部
51 溶融池
52 溶融深さ
6 被溶接材
7 集光スポットの移動方向
8 表面汚れ
81 発生ガス
9 ポロシティ
91 ポロシティ直径
101 金属ケース
102 蓋
104、104a〜104c レーザスポット
202A…分岐ビーム
204…回折光学素子
210…水晶振動子
211,212…水晶振動子の接続端子
221,222…基板の水晶振動子用ターミナル
1 Laser light 2 DOE
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Lens 30 Laser welding apparatus 31 Laser oscillator 4 Condensing spot 41 Main spot 41a, 41b Division | segmentation main spot 42 Advance spot 42a-42l Division precedence spot 5 Welding part 51 Molten pool 52 Melting depth 6 Welding material 7 Focus spot Movement direction 8 Surface contamination 81 Generated gas 9 Porosity 91 Porosity diameter 101 Metal case 102 Lid 104, 104a to 104c Laser spot 202A ... Branch beam 204 ... Diffractive optical element 210 ... Crystal resonator 211, 212 ... Crystal resonator connection terminal 221 , 222 ... Terminal for crystal resonator on substrate

Claims (10)

被溶接材に対して、レンズと回折光学素子とを用いて集光したレーザ光を移動しながら照射して溶接を行う方法において、
前記回折光学素子として、前記レーザ光による前記被溶接材上の集光スポットを、前記集光スポットの進行方向の前方に設けられた先行スポットと、前記先行スポットから離れて配置されかつ前記被溶接材を溶融するためのメインスポットとで構成し、前記先行スポットで前記被溶接材の表面を照射するとき、前記被溶接材の表面に付着している被溶接材以外の物質を分解してガスを発生させる温度以上まで加熱しかつ前記被溶接材の表面からの溶融深さが許容されるポロシティの直径よりも浅くなるようにエネルギ強度を設定した回折光学素子を用いながら、
前記先行スポットで前記被溶接材の表面を照射して、前記被溶接材の表面に付着している前記被溶接材以外の物質を分解して前記ガスを発生させ、
前記先行スポットの照射が終了したのち、前記メインスポットで照射される前に、前記発生したガスを拡散させ、
その後、前記メインスポットで前記被溶接材の表面を照射して前記被溶接材を溶融させ
前記先行スポットが線状であり、前記線状の先行スポットの長手方向が前記集光スポットの移動方向に対して交差する方向であって、前記線状の先行スポットの長手方向の寸法が、前記長手方向と平行な方向での前記メインスポットの幅寸法よりも大きくして、前記メインスポットで前記被溶接材を溶融させる領域を含む、より広い領域を前記線状の先行スポットで照射する、
レーザ溶接方法。
In a method for performing welding by irradiating a workpiece with a laser beam condensed using a lens and a diffractive optical element,
As the diffractive optical element, a focused spot on the workpiece to be welded by the laser light is disposed in front of the focused spot in the traveling direction of the focused spot, away from the preceding spot, and is welded. A main spot for melting the material, and when irradiating the surface of the material to be welded with the preceding spot, the gas other than the material to be welded adhered to the surface of the material to be welded is decomposed and gas While using a diffractive optical element that is heated to a temperature that generates or higher and the energy intensity is set so that the melting depth from the surface of the workpiece to be welded is shallower than the allowable porosity diameter,
Irradiating the surface of the material to be welded with the preceding spot to decompose the substance other than the material to be welded attached to the surface of the material to be welded to generate the gas,
After the irradiation of the preceding spot, the generated gas is diffused before being irradiated at the main spot,
Then, the surface of the material to be welded is irradiated at the main spot to melt the material to be welded ,
The preceding spot is linear, the longitudinal direction of the linear preceding spot is a direction intersecting the moving direction of the focused spot, and the longitudinal dimension of the linear preceding spot is and larger than the width of the main spot in the direction parallel to the longitudinal direction, including the area for melting the material to be welded in the main spot, you irradiating a wider area of the preceding spot the linear,
Laser welding method.
前記先行スポットで発生する前記ガスが前記メインスポットの照射までに拡散するような間隔を前記先行スポットと前記メインスポットとの間に維持して、前記メインスポットが前記先行スポットから離すことにより、前記先行スポットの照射後でかつ前記メインスポットの照射前に、前記先行スポットで発生する前記ガスが拡散するための時間を確保して、前記先行スポットの照射が終了したのち、前記メインスポットで照射される前に、前記発生したガスを拡散させる請求項1に記載のレーザ溶接方法。   Maintaining an interval between the preceding spot and the main spot such that the gas generated at the preceding spot diffuses before the irradiation of the main spot, and separating the main spot from the preceding spot, After irradiation of the preceding spot and before irradiation of the main spot, a time for the gas generated at the preceding spot to be diffused is secured, and after irradiation of the preceding spot is completed, irradiation is performed at the main spot. The laser welding method according to claim 1, wherein the generated gas is diffused before starting. 前記先行スポットが複数の分割先行スポットで構成され、前記複数の分割先行スポットを前記先行スポットとして前記被溶接材の表面を照射する、請求項1又は2に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 1 or 2 , wherein the preceding spot is composed of a plurality of divided preceding spots, and the surface of the workpiece is irradiated with the plurality of divided preceding spots as the preceding spots. 前記複数の分割先行スポットが前記メインスポットの周辺を取り囲んで構成され、前記複数の分割先行スポットを前記先行スポットとして前記被溶接材の表面を照射する、請求項に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 3 , wherein the plurality of divided preceding spots are configured to surround a periphery of the main spot, and the surface of the workpiece is irradiated with the plurality of divided preceding spots as the preceding spots. 前記メインスポットが複数の分割メインスポットで構成され、前記複数の分割メインスポットを前記メインスポットとして前記被溶接材の表面を照射して前記被溶接材を溶融させる、請求項1に記載のレーザ溶接方法。   2. The laser welding according to claim 1, wherein the main spot is composed of a plurality of divided main spots, and the surface of the material to be welded is irradiated with the plurality of divided main spots as the main spots to melt the material to be welded. Method. 被溶接材に対して、レンズと回折光学素子とを用いて集光したレーザ光を移動しながら照射して溶接を行うレーザ溶接装置において、
前記回折光学素子として、前記レーザ光による前記被溶接材上の集光スポットを、前記集光スポットの進行方向の前方に設けられた先行スポットと、前記先行スポットから離れて配置されかつ前記被溶接材を溶融するためのメインスポットとで構成し、前記先行スポットで前記被溶接材の表面を照射するとき、前記被溶接材の表面に付着している被溶接材以外の物質を分解してガスを発生させる温度以上まで加熱しかつ前記被溶接材の表面からの溶融深さが許容されるポロシティの直径よりも浅くなるようにエネルギ強度を設定した回折光学素子を用い
前記先行スポットが線状であり、前記線状の先行スポットの長手方向が前記集光スポットの移動方向に対して交差する方向であって、前記線状の先行スポットの長手方向の寸法が、前記長手方向と平行な方向での前記メインスポットの幅寸法よりも大きいレーザ溶接装置。
In a laser welding apparatus for performing welding by irradiating a welded material while moving a laser beam condensed using a lens and a diffractive optical element,
As the diffractive optical element, a focused spot on the workpiece to be welded by the laser light is disposed in front of the focused spot in the traveling direction of the focused spot, away from the preceding spot, and is welded. A main spot for melting the material, and when irradiating the surface of the material to be welded with the preceding spot, the gas other than the material to be welded adhered to the surface of the material to be welded is decomposed and gas Using a diffractive optical element that is heated to a temperature higher than the temperature at which it is generated and the energy intensity is set so that the melting depth from the surface of the workpiece to be welded is shallower than the allowable porosity diameter ,
The preceding spot is linear, the longitudinal direction of the linear preceding spot is a direction intersecting the moving direction of the focused spot, and the longitudinal dimension of the linear preceding spot is A laser welding apparatus larger than the width dimension of the main spot in a direction parallel to the longitudinal direction .
前記先行スポットで発生する前記ガスが前記メインスポットの照射までに拡散するような間隔を前記先行スポットと前記メインスポットとの間に維持して、前記メインスポットが前記先行スポットから離れている、請求項に記載のレーザ溶接装置。 The main spot is separated from the preceding spot by maintaining an interval between the preceding spot and the main spot such that the gas generated at the preceding spot diffuses before the irradiation of the main spot. Item 7. The laser welding apparatus according to Item 6 . 前記先行スポットが複数の分割先行スポットで構成されている、請求項6又は7に記載のレーザ溶接装置。 The laser welding apparatus according to claim 6 or 7 , wherein the preceding spot is composed of a plurality of divided preceding spots. 前記複数の分割先行スポットが前記メインスポットの周辺を取り囲んで構成されている、請求項に記載のレーザ溶接装置。 The laser welding apparatus according to claim 8 , wherein the plurality of divided preceding spots are configured to surround a periphery of the main spot. 前記メインスポットが複数の分割メインスポットで構成されている、請求項に記載のレーザ溶接装置。 The laser welding apparatus according to claim 6 , wherein the main spot is composed of a plurality of divided main spots.
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