JP6845170B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、レーザ加工方法に関する。

生産効率の良い加工方法として、レーザ溶接による接合方法が広く用いられている。パルスレーザ等のレーザ光を用いて、装置内の部品同士が溶接されている。このようなレーザ溶接では、溶接する部分に割れや気泡が発生し易く、装置の信頼性が低下するという問題がある。

特開２０１１−２００９１５号公報

本発明の実施形態は、信頼性が向上したレーザ加工方法を提供する。

本発明の実施形態によれば、金属を含む被加工対象物を溶融して加工するレーザ加工方法において、出力ピーク値が３０００Ｗ以上である第１のレーザ光を、前記被加工対象物に照射する第１照射工程と、出力ピーク値が前記第１のレーザ光の６０％以上であって７０％以下である第２のレーザ光を、前記被加工対象物の前記第１照射工程で照射された第１領域に照射する第２照射工程と、前記第２照射工程の後、出力ピーク値が前記第２のレーザ光より低い第３のレーザ光を、前記被加工対象物の前記第１領域に照射する第３照射工程と、を備え、前記第３のレーザ光の出力値は、線形的に低くなるように漸減するレーザ加工方法が提供される。

実施形態に係るレーザ加工方法を示すフローチャートである。 レーザの波形を示す図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、溶接部の状態を示す図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、溶接部の状態を示す図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、溶接部の状態を示す図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、溶接部の状態を示す図である。 レーザ加工装置の構成例を示す図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、レーザ加工装置の一部をそれぞれ示す図である。 レーザ出力とボイド発生率との関係を示す図である。 レーザ出力とボイド発生率との関係を示す図である。 参考例の溶接部の状態を示す図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（本実施形態）
図１は、実施形態に係るレーザ加工方法を示すフローチャートである。
図１に示したように、被加工対象物を準備する（ステップＳ１１０）。被加工対象物は、例えば、金属材料によって構成された構造体である。被加工対象物は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や鉄（Ｆｅ）等の金属を含む。被加工対象物は、例えば、これらの金属を含む合金でも良い。例えば、アルミニウム合金は、マンガン（Ｍｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）を含んでも良い。

次に、第１の条件に基づいたレーザによって被加工対象物の表面を照射する（ステップＳ１２０）。被加工対象物の表面がレーザによって照射され、被加工対象物の表面が加熱される。レーザは、パルスレーザ等が用いられる。第１の条件とは、レーザ光の出力ピーク値が３０００Ｗ以上、例えば、３０００Ｗ以上であって３３００Ｗ以下であることに相当する。また、第１の条件とは、例えば、レーザ光の照射時間が１．０ｍｓ以上であって２．０ｍｓ以下であることに相当する。

次に、第２の条件に基づいたレーザによって被加工対象物の表面を照射する（ステップＳ１３０）。被加工対象物の表面がレーザによって照射され、被加工対象物の表面が加熱される。レーザは、ステップＳ１２０と同じパルスレーザ等が用いられ、このようなレーザによって、被加工対象物の表面であってステップＳ１２０で照射された領域が照射される。第２の条件とは、レーザ光の出力ピーク値が、第１の条件のレーザ光の出力ピーク値の６０％以上であって７０％以下、例えば、１８００Ｗ以上であって２３１０Ｗ以下であることに相当する。また、第２の条件とは、例えば、レーザ光の照射時間が２．０ｍｓ以上であって３．０ｍｓ以下であることに相当する。

次に、第３の条件に基づいたレーザによって被加工対象物の表面を照射する（ステップＳ１４０）。被加工対象物の表面がレーザによって照射され、被加工対象物の表面が加熱される。レーザは、ステップＳ１２０、Ｓ１３０と同じパルスレーザ等が用いられる。第３の条件とは、レーザ光の出力ピーク値が、第２の条件のレーザ光の出力ピーク値より低いことに相当する。例えば、第３の条件において、レーザ光の出力値が線形的に低くなるように設定される。また、第３の条件とは、例えば、レーザ光の照射時間が１．０ｍｓであることに相当する。

ステップＳ１１０〜Ｓ１４０によって、レーザにより被加工対象物が照射され、被加工対象物内の溶接部（図３（ｂ）等参照）において、レーザによる加熱によって金属が溶融された後、溶融金属が凝固することで溶接処理を行うことができる。本実施形態のレーザ加工方法は、例えば、二次電池の製造方法などに応用できる。例えば、本実施形態のレーザ加工方法を用いて、二次電池内のケースを接合したり、二次電池同士の端子を接続したりすることができる。

次に、レーザ加工によるレーザの照射条件について説明する。
図２は、レーザの波形を示す図である。図２において、レーザ光の出力値及び照射時間の関係が示されており、縦軸は、レーザ光の出力値Ｐ（Ｗ）、横軸は、照射時間ｔ（ｍｓ）をそれぞれ示している。以下において、パルスレーザにより被加工対象物を照射する場合のレーザの照射条件について説明する。

図２の線Ｌ１に示すように、第１の条件に基づいて被加工対象物の表面が照射される。例えば、レーザ光において、出力ピーク値は出力値Ｐ１（Ｗ）であって、照射時間は２．０（ｍｓ）である。例えば、出力値Ｐ１は３１００Ｗである。例えば、２．０（ｍｓ）の間、出力値Ｐ１のレーザ光が被加工対象物の表面に照射される。図２の線Ｌ１は、図１のステップＳ１２０におけるレーザの照射条件に相当する。
次に、図２の線Ｌ２に示すように、レーザ光の出力値が低くなるように設定する。

次に、図２の線Ｌ３に示すように、第２の条件に基づいて被加工対象物の表面が照射される。例えば、レーザ光において、出力ピーク値は出力値Ｐ２（Ｗ）であって、照射時間は２．０（ｍｓ）である。例えば、出力値Ｐ２は２０００Ｗである。例えば、２．０（ｍｓ）の間、出力値Ｐ２のレーザ光が被加工対象物の表面に照射される。図２の線Ｌ３は、図１のステップＳ１３０におけるレーザの照射条件に相当する。

次に、図２の線Ｌ４に示すように、第３の条件に基づいて被加工対象物の表面が照射される。例えば、レーザ光において、出力ピーク値は出力値Ｐ２（Ｗ）より低く、照射時間は１．０（ｍｓ）である。例えば、レーザ光の出力値が線形的に低くなるように漸減している。図２の線Ｌ４は、図１のステップＳ１４０におけるレーザの照射条件に相当する。
本実施形態では、図２の線Ｌ１〜線Ｌ４で表される波形のパルスレーザによって、被加工対象物を照射する。

次に、レーザ加工による被加工対象物の状態について説明する。
図３（ａ）及び図３（ｂ）〜図６（ａ）及び図６（ｂ）は、溶接部の状態を示す図である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）〜図６（ａ）及び図６（ｂ）は、本実施形態のレーザ加工において、被加工対象物内の溶接部の状態を段階的に示す図である。以下において、パルスレーザにより被加工対象物を上方から照射する場合の被加工対象物の状態について説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、被加工対象物１０が準備される。被加工対象物１０は、例えば、金属材料によって構成された構造体である。
なお、図３（ａ）に示された被加工対象物の状態は、レーザが照射される前の被加工対象物の状態であって、図１のステップＳ１１０における被加工対象物の状態に相当する。

次に、図３（ｂ）に示すように、第１の条件に基づいて被加工対象物１０の表面を照射する。レーザ光の出力ピーク値が３０００Ｗ以上となるように、被加工対象物１０の表面にレーザを照射する。被加工対象物１０の表面がレーザによって加熱されることで、被加工対象物１０が溶融して液体部１０ａが形成される。被加工対象物１０が金属材料によって形成されている場合、液体部１０ａは液体金属である。また、被加工対象物１０が溶融することで、ホール２０ａを含む溶接部２０が形成される。つまり、溶接部２０は、液体部１０ａ及びホール２０ａによって構成される。

続いて、図４（ａ）に示すように、第１の条件に基づいて被加工対象物１０の表面を照射する。第１の条件によって溶接部２０にレーザを照射することで、被加工対象物１０がさらに溶融して液体部１０ａの体積が大きくなる。レーザの照射位置によって溶接部２０の上部は温度が高いので、溶接部２０において、下部と比較して上部では液体部１０ａの体積が大きくなり易い。溶接部２０内において液体部１０ａの体積が増加する割合が異なることから、溶接部２０の下部にボイド２０ｂが形成される。

なお、図３（ｂ）及び図４（ａ）に示された被加工対象物の状態は、図１のステップＳ１２０における被加工対象物の状態に相当する。また、図４（ａ）に示すように、溶接部２０の下部にはボイド２０ｂが１つ形成されているが、複数形成される場合もある。

次に、図４（ｂ）に示すように、第２の条件に基づいて被加工対象物１０の表面を照射する。レーザ光の出力ピーク値を第１の条件に対して６０％以上であって７０％以下となるように、溶接部２０にレーザを照射する。これにより、ホール２０ａの体積が増加すると共に、ボイド２０ｂの体積が減少する。これは、第２の条件によってレーザを照射することで、ホール２０ａを介して、ボイド２０ｂの周囲の液体部１０ａが振動されてボイド２０ｂの体積が減少するからである。

続いて、図５（ａ）に示すように、第２の条件に基づいて被加工対象物１０の表面を照射する。第２の条件によって溶接部２０にレーザを照射することで、溶接部２０にボイド２０ｂが除去されてホール２０ａが残る。これは、第２の条件によってレーザを照射し続けることで、ホール２０ａを介して、ボイド２０ｂの周囲の液体部１０ａが振動されてボイド２０ｂが除去されるからである。つまり、図４（ａ）のような、第１の条件によるレーザ照射によって形成されたボイド２０ｂが除去される。

なお、図４（ｂ）及び図５（ａ）に示された被加工対象物の状態は、図１のステップＳ１３０における被加工対象物の状態に相当する。また、図４（ｂ）及び図５（ａ）に示すように、ボイド２０ｂの体積が減少した後に除去されているが、ボイド２０ｂの体積が減少するが除去されない場合もある。

次に、図５（ｂ）に示すように、第３の条件に基づいて被加工対象物１０の表面を照射する。レーザ光の出力ピーク値を第２の条件より低くなるように、溶接部２０にレーザを照射する。これにより、ホール２０ａが埋め込まれるように、ホール２０ａに液体部１０ａが形成される。

続いて、図６（ａ）に示すように、第３の条件に基づいて被加工対象物１０の表面を照射する。第３の条件によって溶接部２０にレーザを照射することで、ホール２０ａが埋め込まれるように、ホール２０ａに液体部１０ａが形成される。
なお、図５（ｂ）及び図６（ａ）に示された被加工対象物の状態は、図１のステップＳ１４０における被加工対象物の状態に相当する。

その後、図６（ｂ）に示すように、レーザの照射後、溶接部２０では、例えば液体金属が凝固することで、液体部１０ａが固体部１０ｂにかわる。つまり、溶融金属が凝固することで溶接処理が行われる。

次に、レーザ加工装置の構成例について説明する。
図７は、レーザ加工装置の構成例を示す図である。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、レーザ加工装置の一部をそれぞれ示す図である。
図７において、本実施形態のレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置５０が示されており、図８（ａ）及び図８（ｂ）において、レーザ加工ヘッド４の構成例がそれぞれ示されている。

図７に示すように、レーザ加工装置５０には、レーザ発振器１と、光ファイバ２と、制御装置３と、レーザ加工ヘッド４と、が設けられている。
レーザ発振器１は、例えば、ＹＡＧ等の結晶をベースとしたファイバ及びディスクレーザである。光ファイバ２は、パルスレーザの光を伝搬する。制御装置３は、レーザ発振器１に接続され、パルス発振を可能にする。制御装置３は、時間間隔に対するパルスの出力を設定する。制御装置３は、レーザ発振器１からのパルスの発振周波数と出射エネルギーを設定する。

図８（ａ）に示すように、レーザ加工ヘッド４Ａには、レンズ５ａ１、５ａ２と、ミラー５ｂと、が設けられている。光ファイバ２からのレーザ光Ｌ１はレーザ加工ヘッド４Ａに伝送される。レーザ加工ヘッド４Ａ内においては、レーザ光Ｌ１はレンズ５ａ１によって集光された後にミラー５ｂによって反射され、レンズ５ａ２によって再度集光される。

図８（ｂ）に示すように、レーザ加工ヘッド４Ｂには、レンズ６ａ１、６ａ２が設けられている。レンズ６ａ１は、例えば、コリメートレンズである。レンズ６ａ１によって、光ファイバ２からのレーザ光Ｌ２は概ね平行な光になるように調整される。光ファイバ２からのレーザ光Ｌ２はレーザ加工ヘッド４Ｂに伝送される。レーザ加工ヘッド４Ｂ内においては、レーザ光Ｌ２はレンズ６ａ１によって概ね平行な光になった後、レンズ６ａ２によって集光される。
例えば、図７のレーザ加工ヘッド４には、レーザ加工ヘッド４Ａ、４Ｂのいずれかの構成を適用することができる。

レーザ発振器１から出力したレーザ光Ｌは、光ファイバ２に伝送される。光ファイバ２からのレーザ光Ｌはレーザ加工ヘッド４に伝送される。その後、レーザ加工ヘッド４からのレーザ光Ｌによって、被加工対象物の表面が照射される。

本実施形態のレーザ加工方法において、第１の条件として、出力ピーク値が３０００Ｗ以上であるレーザによって被加工対象物１０を照射した後、第２の条件として、出力ピーク値が第１の条件の出力ピーク値の６０％以上であって７０％以下であるレーザによって被加工対象物１０を照射する。このようなレーザの照射条件によってレーザ光を段階的に被加工対象物１０に照射すると、溶接部２０におけるボイドの発生を抑制できる。

以下、上記のようなレーザの照射条件を見出す基となった検討結果について説明する。
図９は、レーザ出力とボイド発生率との関係を示す図である。
図９において、１回目のレーザの出力ピーク値に対する２回目のレーザの出力ピーク値の比率と、ボイドの径との関係が示されている。図９の横軸は、レーザの出力ピーク値において１回目に対する２回目の比率（％）である。図９の縦軸は、ボイドの径（ｍｍ）である。なお、１回目の出力ピーク値が３１００Ｗであるレーザによって、アルミニウムを含む被加工対象物の表面を照射した場合に、溶接部に発生するボイドについて評価した。また、ボイドの径とは、例えば、ボイドの形状が球状である場合に球の直径に相当する。

図９に示すように、丸のプロットは各比率に対するボイドの径を表しており、四角のプロットは、比率０％、つまり、２回目のレーザ処理を行わない場合のボイドの径を表している。比率が６０％以上であって７０％以下である場合、つまり、出力ピーク値が第１の条件の出力ピーク値の６０％以上であって７０％以下である場合、他の比率と比較してボイドの径が小さくなっている。

なお、プロットの上下に延びている直線は、ボイドの径の範囲を示している。例えば、出力ピーク値が第１の条件の出力ピーク値の２０％である場合、ボイドの径が０．１ｍｍから０．４５ｍｍまでの範囲をとりうることを意味する。この場合、０．１ｍｍは径の最小値であって、０．４５ｍｍは径の最大値である。

図１０は、レーザ出力とボイド発生率との関係を示す図である。
図１０において、１回目のレーザの出力ピーク値に対する２回目のレーザの出力ピーク値の比率と、ボイドの数との関係が示されている。図１０の横軸は、レーザの出力ピーク値において１回目に対する２回目の比率（％）である。図１０の縦軸は、ボイドの数である。なお、１回目の出力ピーク値が３１００Ｗであるレーザによって、アルミニウムを含む被加工対象物の表面を照射した場合に、溶接部に発生するボイドについて評価した。

図１０に示すように、丸のプロットは各比率に対するボイドの数を表しており、四角のプロットは、比率０％、つまり、２回目のレーザ処理を行わない場合のボイドの数を表している。比率が６０％以上であって７０％以下である場合、つまり、出力ピーク値が第１の条件の出力ピーク値の６０％以上であって７０％以下である場合、他の比率と比較してボイドの数が少なくなっている。

次に、本実施形態の効果について説明する。
図１１は、参考例の溶接部の状態を示す図である。
パルスレーザ等のレーザ光を用いたレーザ溶接では、溶接する部分に割れや気泡が発生し易い。例えば、図１１に示すように、被加工対象物１００の表面にレーザを照射すると、被加工対象物１００が溶融し、溶融金属が凝固して固体部１００ｂにかわることで溶接処理が行われる。この場合、溶接部２００の下部では、ボイド２００ｂが発生し易くなる。ボイド２００ｂの発生によって、溶接処理の質が低下したり、内部の部品同士を溶接する場合に装置の信頼性が低下する虞がある。

本実施形態のレーザ加工方法において、第１の条件として、出力ピーク値が３０００Ｗ以上であるレーザによって被加工対象物１０を照射した後、第２の条件として、出力ピーク値が第１の条件の出力ピーク値の６０％以上であって７０％以下であるレーザによって被加工対象物１０を照射する。このようなレーザの照射条件によってレーザ光を段階的に被加工対象物１０に照射すると、溶接部２０におけるボイド２０ｂの発生を抑制できる。

例えば、図４（ｂ）及び図５（ａ）に示されたように、レーザ光の出力ピーク値を第１の条件に対して６０％以上であって７０％以下となるように、溶接部２０にレーザを照射すると、ボイド２０ｂの体積が減少した後に除去される。つまり、溶接部２０におけるボイド２０ｂの発生が抑制される。
本実施形態によれば、信頼性が向上したレーザ加工方法を提供する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…レーザ発振器、 ２…光ファイバ、 ３…制御装置、 ４、４Ａ、４Ｂ…レーザ加工ヘッド、 ５ａ１、５ａ２、６ａ１、６ａ２…レンズ、 ５ｂ…ミラー、 １０、１００…被加工対象物、 １０ａ…液体部、 １０ｂ、１００ｂ…固体部、 ２０、２００…溶接部、 ２０ａ…ホール、 ２０ｂ、２００ｂ…ボイド、 ５０…レーザ加工装置、 Ｌ、Ｌ１、Ｌ２…レーザ光、 Ｐ１、Ｐ２…出力値

Claims (4)

1. 金属を含む被加工対象物を溶融して加工するレーザ加工方法において、
   出力ピーク値が３０００Ｗ以上である第１のレーザ光を、前記被加工対象物に照射する第１照射工程と、
   出力ピーク値が前記第１のレーザ光の６０％以上であって７０％以下である第２のレーザ光を、前記被加工対象物の前記第１照射工程で照射された第１領域に照射する第２照射工程と、
   前記第２照射工程の後、出力ピーク値が前記第２のレーザ光より低い第３のレーザ光を、前記被加工対象物の前記第１領域に照射する第３照射工程と、
   を備え、
   前記第３のレーザ光の出力値は、線形的に低くなるように漸減するレーザ加工方法。
2. 前記第１のレーザ光の照射時間が１．０ｍｓ以上であって２．０ｍｓ以下であり、
   前記第２のレーザ光の照射時間が２．０ｍｓ以上であって３．０ｍｓ以下である請求項１記載のレーザ加工方法。
3. 前記第１のレーザ光の前記出力ピーク値は３０００Ｗ以上であって３３００Ｗ以下である請求項１または２記載のレーザ加工方法。
4. 前記被加工対象物は、アルミニウムを含み、
   前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光は、パルスレーザ光である請求項１〜３のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。