JP6987334B2 - レーザー溶接方法およびレーザー溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー溶接方法およびレーザー溶接装置に関する。

従来、複数の金属板を突き合わせ、その突き合わせ部（界面）に対してレーザーを照射することで溶接するレーザー溶接方法が知られている。

ここで、互いに融点の異なる２つの金属板をレーザー溶接するためには技術的な困難性があるが、例えば特許文献１には、レーザーの焦点位置を、互いに融点の異なる２つの金属の突き合わせ位置から融点の高い方の金属側へ所定長だけずらして、レーザー溶接する技術が開示されている。

特開２００５−２５４２８２号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、レーザー溶接後の接合面を平坦にすることは困難であったという問題がある。

本発明は、レーザー溶接後の接合面を平坦にすることが可能なレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１の金属と、前記第１の金属よりも融点の高い第２の金属とを突き合わせ、レーザーを照射して溶接するレーザー溶接方法であって、前記第１の金属の両端のうち前記第２の金属と突き合わせる方の端部の角部が削られた状態であり、前記第２の金属の両端のうち前記第１の金属と突き合わせる方の端部の角部がある状態であり、前記第１の金属と前記第２の金属との突き合わせ位置から前記第２の金属側へ所定長ずれた位置を前記レーザーの焦点位置として、前記レーザーを照射する照射工程を有する。

本発明によれば、レーザー溶接後の接合面を平坦にすることができる。

図１は、実施形態のレーザー溶接装置の概略構成の一例を示す図である。 図２は、第１の実施形態の接合部の断面を示す図である。 図３は、第１の実施形態の第１の金属の上面を示す図である。 図４は、第１の実施形態の突き合わせ面を示す図である。 図５は、対比例の接合部の断面を示す図である。 図６は、対比例の溶接後の状態を示す図である。 図７は、第１の実施形態の接合部の断面を示す図である。 図８は、第１の実施形態の溶接後の状態を示す図である。 図９は、第１の金属および第２の金属として採用可能な金属の組み合わせの表を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係るレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態のレーザー溶接装置１の概略構成の一例を示す図である。レーザー溶接装置１は、２つの金属（金属板）を突き合わせ、レーザーを照射して溶接するための装置（レーザー溶接を行うための装置）である。図１に示すように、レーザー溶接装置１は、レーザー照射部１０と、ステージ２０と、加圧部３０と、移動機構４０と、制御部５０と、を備える。

レーザー照射部１０は、レーザーを照射する装置である。図１の例では、レーザー照射部１０は、発振器１１と、光路１２と、集光部１３と、を含んで構成される。

発振器１１はレーザーを発振する。光路１２は、発振器１１で発振されたレーザーを集光部１３へ導く。例えばレーザーとしてファイバーレーザーを採用する場合、光路１２は光ファイバで構成される。集光部１３は、レーザーを集光して照射する。以上のように構成されたレーザー照射部１０は、制御部５０の制御の下、レーザーを照射する。

ステージ２０は、溶接対象の金属を載せるための部材である。ここでは、ステージ２０は、第１の金属２１と、第１の金属２１よりも融点の高い第２の金属２２と、を突き合わせた状態で載せるための部材である。第１の金属２１および第２の金属２２の各々は板状の部材である。以下では、第１の金属２１は銅であり、第２の金属２２はチタンである場合を例に挙げて説明する。

加圧部３０は、制御部５０の制御の下、ステージ２０上の第１の金属２１および第２の金属２２の各々の側面を加圧して突き合わせる装置である。移動機構４０は、ステージ２０を移動させて、レーザー照射部１０とステージ２０との相対位置を変えるための部材である。移動機構４０は、制御部５０の制御の下、ステージ２０を水平方向（Ｘ方向）および奥行方向（Ｚ方向）に移動させることができる。なお、図１では、鉛直方向はＹ方向として表記している。

制御部５０は、レーザー溶接装置１の動作を統括的に制御する装置である。

ここで、図２に示すように、本実施形態では、第１の金属２１の両端のうち第２の金属２２と突き合わせる方の端部の角部が削られた状態（面取りされた状態）で、第１の金属２１と第２の金属２２との突き合わせ位置から第２の金属２２側へ所定長Ｓ（以下の説明では「オフセット長Ｓ」と称する場合がある）ずれた位置をレーザーの焦点位置として、レーザーを照射する。つまり、本実施形態のレーザー溶接方法は、第１の金属２１の両端のうち第２の金属２２と突き合わせる方の端部の角部が削られた状態で、第１の金属２１と第２の金属２２との突き合わせ位置から第２の金属２２側へオフセット長Ｓ（所定長）ずれた位置をレーザーの焦点位置として、レーザーを照射する照射工程を有する。

制御部５０は、第１の金属２１と第２の金属２２との突き合わせ位置から第２の金属２２側へオフセット長Ｓだけずれた位置をレーザーの焦点位置とし、レーザーが突き合わせ線（突き合わせた第１の金属２１と第２の金属２２との界面を表す線）と同じ方向に沿って照射されるよう、レーザー照射部１０および移動機構４０を制御する。このようにしてレーザー溶接が行われる。なお、第１の金属２１と第２の金属２２との溶接部分の酸化等を防ぐために、例えばアルゴン、ヘリウム、窒素等のアシストガスが溶接部分に対して噴き付けられる構成を採るのが一般的である。

なお、本実施形態では、制御部５０は、レーザー照射部１０および移動機構４０の両方を制御しているが、これに限られるものではない。例えばレーザー照射部１０によるレーザーの照射を制御する装置と、移動機構４０を制御する装置とが別々に設けられる形態であってもよい。

また、例えば制御部５０は、ＣＰＵ（（Central Processing Unit）と、プログラム等の各種データを記憶する記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等）と、を備えた構成であってもよい。つまり、制御部５０のハードウェア構成として、通常のコンピュータと同様の構成を採用することもできる。このような構成の下、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、制御部５０による制御が実行される。

以下、第１の金属２１の両端のうち第２の金属２２と突き合わせる方の端部の角部が削られた状態について説明する。なお、「端部」とは、「端の部分」、つまり端の近傍を含めた、ある程度の範囲を持った領域であると考えることができる。図３は、第１の金属２１の上面を示す図である。第１の金属２１の上面は、レーザーが照射される側の面である。図４は、第１の金属２１のうち第２の金属２２と突き合わせる面を示す突き合わせ面を示す図である。突き合わせ面は、上面と隣り合う面である。

本実施形態において、第１の金属２１の両端のうち第２の金属２２と突き合わせる方の端部の角部が削られた状態は、第１の金属２１の上面のうち、上面と突き合わせ面とが交差する辺（以下、「第１の交差辺」と称する場合がある。図３参照）から第１の長さｔ１だけ第２の金属２２とは反対側に延びる面を示す第１の面（図３参照）、および、第１の金属２１の突き合わせ面のうち、上面と突き合わせ面とが交差する辺（以下、「第２の交差辺」と称する場合がある。図４参照）から第２の長さｔ２だけレーザーが照射される方向に延びる面を示す第２の面（図４参照）が削られた状態である。

つまり、第１の金属２１の端部の角部が削られた状態とは、上述の第１の面と上述の第２の面とを含む三角柱を第１の金属２１の端部から切り落とされた状態であり、その三角柱の断面は、第１の長さｔ１の辺と、第２の長さｔ２の辺とが直交する直角三角形となる。なお、上記に限らず、角部が削られた形態（面取りの形態）は任意であり、例えば角部が丸く面取りされた形態であってもよい。

いま、第１の金属２１として銅を採用し、第２の金属２２としてチタンを採用することを前提とし、図５に示すように、銅（第１の金属２１）の両端のうちチタン（第２の金属２２）と突き合わせる方の端部の角部が削られない状態とする構成を対比例として想定する。この対比例では、図５に示すように、銅（第１の金属２１）とチタン（第２の金属２２）との突き合わせ位置からチタン側へオフセット長Ｓだけずれた位置をレーザーの焦点位置としてレーザーを照射する。

この対比例によれば、溶接対象の２つの金属のうち融点の高い方のチタンを十分に溶融させ、その溶解熱を利用して融点の低い方の銅を溶融させることができるものの、図６に示すように、両者が溶融した合金層が表面よりも盛り上がってしまうという問題がある。

そこで、本実施形態では、図７に示すように、銅（第１の金属２１）の両端のうちチタン（第２の金属２２）と突き合わせる方の端部の角部が削られた状態とし、銅とチタンとの突き合わせ位置からチタン側へオフセット長Ｓだけずれた位置をレーザーの焦点位置としてレーザーを照射する。これにより、銅とチタンとが溶融した合金層を、削られた角部に相当する空間（三角柱状の空間）へ導くことができるので、図８に示すように、接合部の表面が合金層で盛り上がることを抑制できる。

ここで、上述のオフセット長Ｓが小さいほど、レーザーにより溶融された第２の金属２２が第１の金属２１側へ流れ込む量が増えるため、本実施形態では、オフセット長Ｓが小さいほど、銅（第１の金属２１）の両端のうちチタン（第２の金属２２）と突き合わせる方の端部の角部が削られた量（面取り量）を大きくする。これにより、接合部の表面が合金層で盛り上がることをより効果的に抑制できる。

また、本実施形態では、図７に示すように、上述の第１の長さｔ１は上述の第２の長さｔ２よりも長い値に設定される。これにより、銅（第１の金属２１）の端部のうち角部が削られた部分の断面の傾きを緩やかにすることができるので、角部が削られた部分の断面の傾きが急峻である場合（断面の面積は同じとする）に比べて、削られた角部に相当する空間へ合金層が導かれた後の表面をより平坦に近い状態にすることができる。なお、この例における「削られた角部」とは、上述の第１の面と上述の第２の面とを含む上記三角柱を指し、銅（第１の金属２１）の端部のうち角部が削られた部分の断面とは、上記三角柱を銅の端部から切り落としたときの断面（矩形）を指す。

なお、上記の形態に限らず、例えば第１の長さｔ１と第２の長さｔ２とが同じ値に設定される形態であってもよいし、第１の長さｔ１は第２の長さｔ２よりも短い値に設定される形態であってもよい。

要するに、本実施形態の照射工程では、第１の金属２１の両端のうち第２の金属２２と突き合わせる方の端部の角部が削られた状態とし、第１の金属２１（例えば銅）と第２の金属２２（例えばチタン）との突き合わせ位置から第２の金属２２側へオフセット長Ｓだけずれた位置をレーザーの焦点位置としてレーザーを照射する形態であればよい。これにより、第１の金属２１と第２の金属２２とが溶融した合金層を、削られた角部に相当する空間へ導くことができるので、接合部の表面が合金層で盛り上がることを抑制できる。したがって、レーザー溶接後の接合面を平坦にすることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、上述の第１の実施形態と共通する部分については適宜に説明を省略する。本実施形態では、レーザー照射部１０は、第２の金属２２の吸収率の方が第１の金属２１の吸収率よりも高い波長のレーザーを照射する。より具体的には、レーザー照射部１０は、第２の金属２２の吸収率が閾値以上となる波長のレーザーを照射する。なお、吸収率は放射率と同義であり、物質が放出する光のエネルギーを、同温の黒体が放出する光のエネルギーを１としたときの比で表すことができる。

例えばレーザー照射部１０は、第２の金属２２の吸収スペクトル（物質がどの波長の光をどの程度吸収するかを表す）において吸光度が最大となる波長（極大波長）のレーザーを照射することもできる。なお、レーザーの波長は発振媒体で決まるので、所望の波長のレーザーを発振する発振媒体を予め選定しておく。

いま、例えばレーザーとして、光ファイバを増幅媒質とする固体レーザーであるファイバーレーザーを使用する場合を想定する。ここでは、一例として、ファイバーレーザーの波長は１０７０ｎｍであることを前提とする。この場合、第２の金属２２であるチタンの上記ファイバーレーザーの吸収率は上記閾値（例えば０．３以上の値）を超える値を示すものの、第１の金属２１である銅の吸収率は上記閾値を大幅に下回る値を示す。なお、上記閾値は任意に変更可能であり、チタン（第２の金属２２）を十分に溶融させることが可能な値であればよい。

本実施形態では、上述の第１の実施形態と同様に、銅（第１の金属２１）の両端のうちチタン（第２の金属２２）と突き合わせる方の端部の角部が削られた状態とする（図７参照）。そして、銅とチタンとの突き合わせ位置からチタン側へオフセット長Ｓだけずれた位置をレーザーの焦点位置として、チタンの吸収率の方が銅の吸収率よりも高い波長の上記ファイバーレーザーを照射する。これにより、溶接対象の２つの金属のうち融点の高い方のチタンを十分に溶融させ、その溶解熱を利用して融点の低い方の銅を溶融させることができるので、両者を十分に溶融させて接合しつつ、溶接後の接合面を平坦にできる。

以上より、本実施形態によれば、互いに融点が異なる異種金属を十分に溶融させて接合しつつ、溶接後の接合面を平坦にできるという有利な効果を奏する。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

以下に変形例を記載する。以下の変形例は、上述の各実施形態と任意に組み合わせることができるし、変形例同士を組み合わせることもできる。

（１）変形例１
上述の各実施形態では、第１の金属２１として銅を採用し、第２の金属２２としてチタンを採用した場合を例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、第１の金属２１および第２の金属２２の種類は任意である。例えばレーザーとして上述のファイバーレーザー（波長１０７０ｎｍ）を使用する場合、第１の金属２１として、銅、金、銀、アルミニウムのうちの何れかを採用し、第２の金属２２として、チタンおよびインコネルの何れかを採用することもできる。また、例えばレーザーとして波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザーを使用する場合、第１の金属２１としてアルミニウムを採用し、第２の金属２２として金を採用する形態であってもよい。

また、例えば図９に示す表において、「〇」が付された組み合わせとなる２つの金属は、従来のレーザー溶接では溶接困難であった組み合わせを示している。これらの組み合わせであっても、上述したように、第１の金属２１と第２の金属２２との突き合わせ位置から第２の金属２２側へオフセット長Ｓずれた位置をレーザーの焦点位置として、第２の金属２２の吸収率の方が第１の金属２１の吸収率よりも高い波長のレーザーを照射することで、適切に溶接することが可能になる。なお、第１の金属２１および第２の金属２２として採用可能な２つの金属の組み合わせは、図９に示す表において「〇」が付された組み合わせに限られるものではなく、互いに融点の異なる２つの金属を、第１の金属２１および第２の金属２２として採用可能である。

また、第２の金属２２としては、第１の金属２１よりも融点が高く、かつ、第１の金属２１の沸点よりも融点が低い金属を採用することが望ましい。例えば第２の金属２２として、第１の金属２１の沸点よりも融点が高い金属を採用すると、第２の金属２２の溶融時に第１の金属２１が気化してしまい、接合部にブローホールなどの欠陥空洞が発生し、接合強度が著しく低下するという問題が起こる。そのため、第２の金属２２としては、第１の金属２１よりも融点が高く、かつ、第１の金属２１の沸点よりも融点が低い金属を採用することが望ましい。

（２）変形例２
上述の各実施形態では、移動機構４０は、ステージ２０を移動させて、レーザー照射部１０とステージ２０の相対位置を変えているが、これに限られるものではない。例えば移動機構４０は、レーザー照射部１０を移動させて、レーザー照射部１０とステージ２０の相対位置を変える形態であってもよいし、レーザー照射部１０とステージ２０の両方を移動させて、レーザー照射部１０とステージ２０の相対位置を変える形態であってもよい。要するに、移動機構４０は、レーザー照射部１０およびステージ２０の少なくとも一方を移動させて、レーザー照射部１０とステージ２０の相対位置を変えるための部材であればよい。また、上記に限らず、例えばレーザー照射部１０とステージ２０を動かさずに、レーザーの照射位置を変える方法を採用してもよい。例えばレンズを用いたガルバノ方式を採用することもできる。

また、上述した各実施形態の制御部５０で実行されるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよいし、インターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。また、各種プログラムを、例えばＲＯＭ等の不揮発性の記憶媒体に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

１ レーザー溶接装置
１０ レーザー照射部
１１ 発振器
１２ 光路
１３ 集光部
２０ ステージ
２１ 第１の金属
２２ 第２の金属
３０ 加圧部
４０ 移動機構
５０ 制御部

Claims (8)

1. 第１の金属と、前記第１の金属よりも融点の高い第２の金属とを突き合わせ、レーザーを照射して溶接するレーザー溶接方法であって、
   前記第１の金属の両端のうち前記第２の金属と突き合わせる方の端部の角部が削られた状態であり、
   前記第２の金属の両端のうち前記第１の金属と突き合わせる方の端部の角部がある状態であり、
   前記第１の金属と前記第２の金属との突き合わせ位置から前記第２の金属側へ所定長ずれた位置を前記レーザーの焦点位置として、前記レーザーを照射する照射工程を有する、
   レーザー溶接方法。
2. 前記角部が削られた量は、前記所定長が小さいほど大きい、
   請求項１に記載のレーザー溶接方法。
3. 前記第１の金属および前記第２の金属の各々は板状の部材であり、
   前記第１の金属の上面は前記レーザーが照射される側の面であり、
   前記第１の金属のうち前記第２の金属と突き合わせる面を示す突き合わせ面は前記上面と隣り合う面であり、
   前記角部が削られた状態は、前記上面のうち、前記上面と前記突き合わせ面とが交差する辺から第１の長さだけ前記第２の金属とは反対側に延びる面と、前記突き合わせ面のうち、前記上面と前記突き合わせ面とが交差する辺から第２の長さだけ前記レーザーが照射される方向に延びる面と、が削られた状態である、
   請求項１または２に記載のレーザー溶接方法。
4. 前記第１の長さは前記第２の長さよりも長い、
   請求項３に記載のレーザー溶接方法。
5. 前記照射工程では、前記第２の金属の吸収率の方が前記第１の金属の吸収率よりも高い波長の前記レーザーを照射する、
   請求項１乃至４のうちの何れか１項に記載のレーザー溶接方法。
6. 前記照射工程では、前記第２の金属の吸収率が閾値以上となる波長の前記レーザーを照射する、
   請求項５に記載のレーザー溶接方法。
7. 前記第１の金属は銅であり、
   前記第２の金属はチタンである、
   請求項１乃至６のうちの何れか１項に記載のレーザー溶接方法。
8. 第１の金属と、前記第１の金属よりも融点の高い第２の金属とを突き合わせた状態で載せるためのステージと、
   前記第１の金属の両端のうち前記第２の金属と突き合わせる方の端部の角部が削られた状態であり、
   前記第２の金属の両端のうち前記第１の金属と突き合わせる方の端部の角部がある状態であり、
   前記第１の金属と前記第２の金属との突き合わせ位置から前記第２の金属側へ所定長ずれた位置をレーザーの焦点位置として、前記レーザーを照射するレーザー照射部と、を備える、
   レーザー溶接装置。

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