JP6800963B2 - ワークピースのレーザー溶接のためのレーザー加工機および方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークピースのレーザー溶接、特にＤＢＣ構造体の重ね溶接のためのレーザー加工機に関する。このレーザー加工機は、レーザービームを生成するためのレーザービーム生成器と、このレーザービームを加工面に結像させるための結像光学系とを備えている。本発明はまた、レーザービームを用いた、加工面における、ワークピースのレーザー溶接、特にＤＢＣ構造体の重ね溶接のための方法にも関する。

独国特許発明第１０００５５９３号明細書（ＤＥ１０００５５９３Ｃ１）から、ワークピースを点溶接するための方法が既知である。ここでは、焦点合わせレンズと、片面が平面で、もう片面が円錐状のレンズ（いわゆる「アキシコン」）とから成る光学系が、レーザービームを次のように成形する。すなわち、加工面である焦点面において、一方では大きいビームスポットが得られ、他方ではリング状のエネルギー分布が得られるように成形する。

ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ（ダイレクトボンド銅））構造体は、高性能電子回路において使用され、セラミック基板とその上に延在する銅の導体路とから成る多層のシステムから成る。銅は、熱と電流を通し、セラミックは、熱は通すが、電流は通さない。銅の導体路は、それぞれ、銅から成る接続コンタクトと電気的に接続されていなければならない。これは、これまで、超音波溶接によって行われてきたが、これは、セラミック基板における破れおよび熱の滞留を引き起こすことがあり、したがって、確かな成果をもたらさない。ＤＢＣ構造体では、セラミック上の銅の層は極めて薄いので、溶接プロセスは、極めて確実に、かつ、正確に再現可能な溶接深さで行われなければならない。

独国特許発明第１０００５５９３号明細書

したがって、本発明の課題は、冒頭に記載した様式のレーザー加工機および方法を改善して、レーザー溶接プロセスを極めて確実に、かつ、正確に再現可能な溶接深さで行うことである。

上述の課題は、本発明では、次のことによって解決される。すなわち、結像光学系が、レーザービームを加工面において少なくとも±２ｍｍの焦点深度で、有利には少なくとも±５ｍｍの焦点深度で次のように結像させるビーム成形光学系を有していることによって解決される。すなわち、この焦点深度に沿って、ビーム軸線に対して直角の各面において、レーザービームの半径方向の出力密度分布がベル形に形成されており、かつ、焦点深度に沿ったこれらのベル形の出力密度分布の最大値相互の変動が１０％、有利には５％を下回るように結像させる。

出力測定が示しているように、本発明のビーム成形光学系によって、焦点深度の領域において、
・数ミリメートルにわたる、放射方向（ｚ方向）における大きい出力不変性と、
・再現可能な溶接深さを生じさせる、放射方向に対して半径方向のベル形の出力密度分布と、
が得られる。

再現可能な溶接深さは、温度に敏感な基盤を伴う構成部分のレーザー溶接を可能にする。したがって、通常、レーザー溶接時に、溶接深さが深すぎることで生じ得る導電性コンタクトの基盤（例えばセラミック基板）の損傷を回避することができる。本発明は、セラミック基板上の銅の層が極めて薄いＤＢＣ構造体において、セラミック基板を破壊することなく、正確に再現可能な溶接深さを備える極めて確実な溶接プロセスを可能にし、かつ、ベル形の出力密度分布に基づいて、溶接されるべき銅構成部分間の熱の滞留も阻止する。このような熱の滞留は、例えば、リング状の出力密度分布において生じ得る。

本発明の第１の有利な実施形態では、ビーム成形光学系は、凸型のアキシコンまたは凹型のアキシコンとして形成されており、ここでアキシコンが凸型の場合には、加工面は、結像光学系の焦点面の前方に位置する上方焦点領域に位置し、アキシコンが凹型の場合には、加工面は、焦点面の後方に位置する下方焦点領域に位置する。アキシコンが、レーザービームの拡散性のビーム路に配置されていても、平行するビーム路に配置されていてもよい。ここで、後者の場合には、アキシコンは、存在する複数の光学系に容易に付加的に導入可能である。

本発明の第２の有利な実施形態では、ビーム成形光学系は、デュアルフォーカス対物レンズによって形成されている。この場合には加工面は、デュアルフォーカス対物レンズの２つの焦点の間に位置している。有利には、デュアルフォーカス対物レンズの前には、均一化光学系が位置する。この均一化光学系は、レーザービームの半径方向の出力密度分布を混合するまたは均一化する。この均一化光学系は例えば、光導体（例えばレーザー用光ケーブル）を有していてよく、レーザービームは光導体軸線に対して偏心的に、この光導体に入力される。

本発明は別の態様では、レーザービームを用いた、加工面における、ワークピースのレーザー溶接、特にＤＢＣの重ね溶接のための方法にも関する。ここで本発明では、レーザービームは加工面において少なくとも±２ｍｍの焦点深度で、有利には少なくとも±５ｍｍの焦点深度で、次のように結像される。すなわち、この焦点深度に沿って、ビーム軸線に対して直角の各面において、レーザービームの半径方向の出力密度分布がベル形に形成されており、かつ、焦点深度に沿ったこれらのベル形の出力密度分布の最大値相互の変動が１０％、有利には５％を下回るように結像される。

銅から成るワークピース同士は有利には、パルス状の緑色のレーザービーム（波長は例えば５１５ｎｍまたは５３２ｎｍ）で、または、パルス状のＩＲレーザービームで相互に溶接される。

本発明の構成要件の別の有利な構成は、明細書、特許請求の範囲および図面から明らかである。同様に、上述した、さらに詳細に説明される特徴は、単独でまたは複数の任意の組み合わせで使用されてよい。図示および説明された実施形態は最終的な列挙として理解されるべきではなく、むしろ本発明の描写に対して例示的な性質を有している。

半径方向およびｚ方向におけるレーザービームの属する出力密度分布を伴うアキシコンの形態のビーム成形光学系を備える第１の本発明のレーザー加工機。 半径方向およびｚ方向におけるレーザービームの属する出力密度分布を伴う光導体とデュアルフォーカス対物レンズの形態のビーム成形光学系を備える第２の本発明のレーザー加工機。

以降の図面の説明では、同一の、または、機能が同等の構成部分に対して、同一の参照符号が用いられている。

図１に示されたレーザー加工機１は、例えば、パルス状のレーザービーム５を用いた、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ）構造体４の、銅から成る接続コンタクト２と、銅の導体路３との重ね溶接に用いられる。ＤＢＣ構造体４はここでは、セラミック基板６を有しており、このセラミック基板６上に、銅の導体路３が被着されている。セラミック基板６上の銅の導体路３は極めて薄いので、レーザー溶接プロセスは極めて確実に、かつ、正確に再現可能な溶接深さで行われなければならない。

レーザー加工機１は、レーザービーム５を生成するレーザービーム生成器７と、レーザービーム５が入力されるレーザー用光ケーブル（ＬＬＫ）８と、ＬＬＫ８から放出されたレーザービーム５を加工面１０に結像させる結像光学系９とを含んでいる。

結像光学系９は、拡散的にＬＬＫ８から放出されたレーザービーム５をコリメートするコリメートレンズ１１と、コリメートされたレーザービーム５を焦点面１３で焦点合わせする焦点合わせレンズ１２とを有している。焦点合わせされたレーザービーム５に配置されている保護ガラス１４は、焦点合わせレンズ１２を損傷から保護する。拡散性のレーザービーム５に、すなわち、ＬＬＫ８とコリメートレンズ１１との間に、ビーム成形光学系が、片面が平面で、もう片面が円錐状のレンズ（いわゆる「アキシコン」）１５の形態で、例えば０.１°のエッジ角度βで、光軸１６に対して同軸に配置されている。ここで円錐状の面は、ＬＬＫ８の方を向いている。アキシコン１５は、入射する拡散性のレーザービーム５をリング状のレーザービーム５に変形し、このリング状のレーザービームの外側の縁部放射５ａはコリメートされて、かつ、このリング状のレーザービームの内側の縁部放射５ｂは拡散性に、焦点合わせレンズ１２に入射する。外側の縁部放射５ａは、焦点合わせレンズ１２によって、焦点面１３に、すなわち、焦点Ｆに焦点合わせされる。他方で、内側の縁部放射５ｂは、焦点合わせレンズ１２によって影響されない。加工面１０は、焦点面１３の前に位置する上方焦点領域に、例えば焦点面１３の２０ｍｍ前に位置する。

出力測定が示しているように、この付加的なアキシコン１５によって、レーザービーム５は、加工面１０において、少なくとも±２ｍｍの焦点深度Δｄで、次のように結像される。すなわち、この焦点深度Δｄに沿って、ビーム軸線に対して直角の各面において、レーザービーム５の半径方向の出力密度分布Ｐ_ｒがベル形に形成されており、かつ、焦点深度Δｄに沿って、光軸１６の方向（ｚ方向）において、これらのベル形の出力密度分布Ｐ_ｒの最大値Ｐ_ｍａｘ相互の変動が５％を下回るように結像される。すなわち、これの最大値Ｐ_ｍａｘは全て、５％の変動範囲１７内に位置している。

したがって、焦点深度Δｄの領域において、レーザービーム５は、数ミリメートルにわたる、自身の光軸１６に沿った大きい出力均一性とそれぞれ、ベル形の半径方向の出力密度分布Ｐ_ｒとを有している。これによって、加工面１３において、極めて正確な溶接深さのもとでのパラメータの大きいトレランスと、ひいては再現可能な溶接深さとが得られ、ベル形の出力密度分布Ｐ_ｒによって、溶接されるべき銅の構成部分２、３の間での熱の滞留が阻止される。

選択的に、アキシコン１５が、レーザービーム５の平行するビーム路に、すなわち、コリメートレンズ１１と焦点合わせレンズ１２との間に配置されていてもよい。

図１ではアキシコン１５は、凸型のアキシコンとして形成されており、したがって、加工面１０は、結像光学系９の焦点面１３の前に位置する上方焦点領域に位置する。選択的に、アキシコンが凹型のアキシコンとして形成されていてもよく、したがって、加工面１０は、焦点面１３の後方に位置する下方焦点領域に、例えば焦点面１３の２０ｍｍ後方に位置する。

図２に示されているレーザー加工機１は、図１と、以下の点において異なっている。すなわち、図２では、ビーム成形光学系が、レーザー用光ケーブル（ＬＬＫ）２１として形成されている光学的な均一化光学系と、後置されているデュアルフォーカス対物レンズ２２（内側領域にある焦点距離ｆ_１＞外側領域にある焦点距離ｆ_２）とによって形成されており、加工面１０がデュアルフォーカス対物レンズ２２の２つの焦点Ｆ_１とＦ_２の間に位置している。レーザービーム５は、半径方向の出力密度分布を混合するまたは均一化する目的で、ＬＬＫ軸線２３に対して偏心的に、ＬＬＫ２１に入力される。ＬＬＫ２１から拡散性に放出されたレーザービーム５は、デュアルフォーカス対物レンズ２２に入射する。このデュアルフォーカス対物レンズは、自身の内側領域に入射する、レーザービーム５の内側ビーム束２４ａを焦点Ｆ_１に焦点合わせし、自身の外側領域に入射する、レーザービーム５のビーム束２４ｂを焦点Ｆ_２に焦点合わせする。

ここでも出力測定が示しているように、ＬＬＫ２１とデュアルフォーカス対物レンズ２２とによって、レーザービーム５は、加工面１０において、少なくとも±２ｍｍの焦点深度Δｄで、次のように結像される。すなわち、この焦点深度Δｄに沿って、ビーム軸線に対して直角の各面において、レーザービーム５の半径方向の出力密度分布Ｐ_ｒがベル形に形成されており、かつ、焦点深度Δｄに沿って、光軸方向（ｚ方向）において、これらのベル形の出力密度分布Ｐ_ｒの最大値Ｐ_ｍａｘ相互の変動が５％を下回るように結像される。すなわち、これの最大値Ｐ_ｍａｘは全て、５％の変動範囲１７内に位置している。

したがって、焦点深度Δｄの領域において、レーザービーム５は、数ミリメートルにわたる、自身の光軸１６に沿った大きい出力均一性とそれぞれ、ベル形の半径方向の出力密度分布Ｐ_ｒとを有している。これによって、加工面１３において、極めて正確な溶接深さのもとでのパラメータの大きいトレランスと、ひいては再現可能な溶接深さとが得られ、ベル形の出力密度分布Ｐ_ｒによって、溶接されるべき銅の構成部分２、３の間での熱の滞留が阻止される。

Claims (6)

1. ワークピース（２，３）のレーザー溶接のためのレーザー加工機（１）であって、レーザービーム（５）を生成するためのレーザービーム生成器（７）と、前記レーザービーム（５）を加工面（１０）に結像させるための結像光学系（９）とを備えているレーザー加工機（１）において、
   前記結像光学系（９）は、アキシコン（１５）を有しており、
   当該アキシコン（１５）は、入射する拡散性のレーザービーム（５）をリング状のレーザービーム（５）に変形し、前記リング状のレーザービームの外側の縁部放射（５ａ）はコリメートされて焦点合わせレンズ（１２）に入射して、前記焦点合わせレンズ（１２）によって、焦点面（１３）に焦点合わせされ、かつ前記リング状のレーザービームの内側の縁部放射（５ｂ）は拡散して前記焦点合わせレンズ（１２）に入射し、前記焦点合わせレンズ（１２）の影響を受けず、前記アキシコン（１５）は、前記レーザービーム（５）を、前記加工面（１０）において少なくとも±２ｍｍの焦点深度（Δｄ）で当該焦点深度（Δｄ）に沿って、ビーム軸線（１６）に対して直角の各面において、前記レーザービーム（５）の半径方向の出力密度分布（Ｐ_ｒ）がベル形に形成されており、かつ、前記焦点深度（Δｄ）に沿った、ベル形の前記出力密度分布（Ｐ_ｒ）の最大値（Ｐ_ｍａｘ）相互の変動が１０％を下回るように、結像させる、
   ことを特徴とする、レーザー加工機（１）。
2. 前記アキシコン（１５）は、凸型に形成されており、前記加工面（１０）は、前記結像光学系（９）の焦点面（１３）の前方に位置する上方焦点領域に位置する、請求項１に記載のレーザー加工機。
3. 前記アキシコン（１５）は、凹型に形成されており、前記加工面（１０）は、前記結像光学系（９）の焦点面（１３）の後方に位置する下方焦点領域に位置する、請求項１に記載のレーザー加工機。
4. 前記アキシコン（１５）は、前記レーザービーム（５）の平行するまたは拡散性のビーム路に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項に記載のレーザー加工機。
5. 前記レーザービーム（５）は、パルス状の緑色のレーザービームである、請求項１から４までのいずれか１項に記載のレーザー加工機。
6. レーザービーム（５）を用いた、加工面（１０）における、ＤＢＣ構造体（４）の重ね溶接での結像光学系（９）としてのアキシコン（１５）またはデュアルフォーカス対物レンズ（２２）の使用方法において、
   前記レーザービーム（５）は、前記加工面（１０）において少なくとも±２ｍｍの焦点深度（Δｄ）で、当該焦点深度（Δｄ）に沿って、ビーム軸線（１６）に対して直角の各面において、前記レーザービーム（５）の半径方向の出力密度分布（Ｐ_ｒ）がベル形に形成されており、かつ、前記焦点深度（Δｄ）に沿った、ベル形の前記出力密度分布（Ｐ_ｒ）の最大値（Ｐ_ｍａｘ）相互の変動が１０％を下回るように、結像される、
   ことを特徴とする、レーザービーム（５）を用いた、加工面（１０）における、使用方法。

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