JP6993879B2 - 重ねレーザ溶接のための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接のための装置および方法に関する。本発明は特に、異なる金属同士、光輝金属同士の溶接、および、消費者用電子機器、電子機器パッケージ製品、エネルギ貯蔵器、装飾設計物、および、医療デバイスにおける溶接に対して適用される。

近赤外スペクトル(800nm～2,500nm)におけるレーザ溶接による金、銅、アルミニウム、白金、および、銀の如き光輝金属の接合は、問題を呈する、と言うのも、光輝金属の表面は、不十分な吸収度により高度に反射的だからである。表面の反射性を克服すると共に、金属表面内へのレーザのエネルギの結合を開始するためには、高パワー密度を有するレーザ・ビームを使用することが必要である。

光輝材料に対するレーザ・ビームの機能は、ビームの阻止(反射)および吸収に由来する非常に狭幅の作用範囲を有するという周到な機能に近い。最初に、表面は、レーザ光の実質的に全てを反射する。しかし、表面の反射率が十分なレーザ強度により一旦克服されたなら、表面の溶融が開始される。反射率はそのとき、80％超の反射率であるその本来的な高度に反射的な状態から、幾つかの金属に対しては50％未満の反射率であり得る更に低い値へと、殆ど即時的に移行する。これにより、表面上の溶融池は、極めて迅速に成長する。従って、制御することは非常に困難である。

上記問題は、薄寸で低質量の区画を溶接するときに大きくなる。斯かる高パワー密度は多くの場合、レーザ・ビームの過剰侵入と、結果的な信頼性の低い接合部とに帰着する。逆に、近赤外レーザが、吸収度限界における、もしくは、僅かだけそれより大きいビーム強度を有する更に低いパワー密度にて動作されるなら、これは概略的に、金属表面に対するレーザ・ビームの一貫しないランダムな結合の結果として、脆弱なもしくは欠落した溶接部(weld)に帰着する。

銅と、金および銀の如き他の光輝金属とに関するレーザ溶接の現在において好適な方法は、可視の緑色波長にて発光するレーザの使用を伴う。最も一般的なレーザは、532nmにて発光する周波数倍化された1064nmレーザである。これは、光輝金属の反射率が通常は、近赤外波長におけるよりも、532nmにおけるほうが相当に低いからである。斯かるレーザによる光輝金属同士のレーザ接合は、効率の負担と、複雑さと、周波数倍化に伴う負担とを以てではあるが、再現可能で一貫した溶接部を生成する。幾つかの用途においては、効率および生産性を高めるために、532nmにて発光するレーザを1064nmにおける第２のレーザと組み合わせることが必要である。斯かる二重波長システムは、溶接部の構造を解析かつ適合調整するために、洗練されたビーム監視と、リアルタイムの解析とを使用する、レーザ溶接プロセスの閉ループ監視を必要とする。斯かる診断デバイスは、レーザ制御器に対してフィードバックを提供するために、後方反射光と溶融池特性とのビデオ解析を使用する。これらのシステムは、複雑で高価である。

緑色レーザの使用は、異なる金属同士を接合する用途に特に対処せずに、光輝金属同士の溶接接合を実施するために採用されてきた。異なる金属同士に関する習用の溶接は、界面における各金属の希釈と、結果的な熱的条件とを詳細に制御して、接合部における所謂る金属間化合物に帰着する異なる金属同士の混合を最小限度に抑えるという方法に依存する。大寸の金属間化合物領域は、接合部に作用する応力に起因して割れ目が入り易く、この割れ目は、破壊するまで接合部全体を通して伝搬する。

連続的な溶接部前部または重なり合う複数のスポット溶接部により、溶接部が連続的な継目を形成するように、連続波およびパルス化レーザを備えたレーザ溶接は公知である。溶接プロセスにより引き起こされる材料内の欠陥は、脆弱さをもたらすと共に、大部分の用途においては容認されない。パルス化による溶接部は、典型的には、マイクロ秒およびミリ秒のパルスを用いて形成され、再凝固して溶接部を形成する溶湯を生成する。異なる材料同士を溶接するとき、溶接部界面は金属間化合物を含み得、これは、接合されつつある２種類の材料から形成された化合物であると共に、典型的に、砕けやすく、且つ、本質的に不都合であることから、上記溶接部は、この金属間化合物層に沿って破断し得る。

接合部界面において引き起こされる問題なしで、光輝的で異なる金属および合金同士を接合する更に単純な解決策に対する要望が在る。その方法は、各接合部上に一貫した予測的な結果を生成し得るべきである。結果的な溶接部は、金属間化合物に付随する信頼性の問題を有すべきでない。

上述の問題を回避するレーザ溶接のための装置および方法に対する要望が在る。

本発明の非限定的な実施例に依れば、第１金属部材を第２金属部材に対してレーザ溶接する装置であって、レーザパルスの形態でレーザビームを放出するレーザと、前記第１金属部材の金属表面に関して前記レーザビームを移動させる走査器と、各レーザパルスを前記金属表面上へと焦点合わせする対物レンズと、前記走査器が前記レーザビームを前記金属表面に関して移動させて複数の焦点合わせ済みスポットを形成する如く、前記走査器を制御する制御器と、を備えるという装置において、前記装置は、前記第１金属部材における複数の溶融池と前記第２金属部材における複数の熱杭との形成を引き起こすスポットサイズおよびパルスフルエンスを以て各レーザパルスを焦点合わせし、各熱杭は、個々の溶融池から延在し且つ末端を有し、且つ、前記制御器は、各焦点合わせ済みスポットを、各溶融池を重なり合わせるに十分に小寸の距離であって、各熱杭の末端が少なくともひとつの方向において個別的であり且つ相互から離間されることを確実とするに十分に大寸であるという距離だけ離間させる、ことを特徴とする、装置が提供される。

本発明は特に有用である、と言うのも、前記溶接部は、一方が光輝金属であり得るという２種類の異なる金属で形成され得ると共に、各材料とレーザ・ビームとの間における直接的な相互作用により形成され得るからである。各金属はまた、異なる融点も有し得る。結果的な溶接部は、堅牢で再現可能であり、導電性であり得ると共に、金属間化合物により引き起こされる脆弱さを有さない。

本発明はまた、第１金属部材を第２金属部材に対してレーザ溶接する方法であって、第１金属部材を第２金属部材上に載置する段階と；複数のレーザパルスの形態でレーザビームを放出するレーザを配備する段階と；前記レーザビームを前記第１金属部材の金属表面に関して移動させる走査器を配備する段階と；前記走査器が前記レーザビームを前記金属表面に関して移動させる如く、前記走査器を制御すべく適合化された制御器を配備する段階と；前記第１金属部材における複数の溶融池および前記第２金属部材における複数の熱杭の形成を引き起こすスポットサイズおよびパルスフルエンスを備えたレーザパルスを焦点合わせする段階であって、各熱杭は、個々の溶融池から延在すると共に末端を有する、という段階と；各焦点合わせ済みスポットを、各溶融池を重なり合わせるに十分に小寸の距離であって、各熱杭の末端が少なくともひとつの方向において個別的であり且つ相互から離間されることを確実とするに十分に大寸であるという距離だけ離間すべく、前記制御器を適合化する段階と；を備える方法も提供する。

本発明の装置または方法により形成されたレーザ溶接部は、内因的であり得る。

前記熱杭は、大きくとも、その深度の半分である幅を有し得る。

前記第１金属部材は被覆され得る。

前記第１金属部材は複数の層を備えて成り得る。

前記第２金属部材は複数の層を備えて成り得る。

前記第１金属部材および前記第２金属部材は、同一の金属から形成され得る。

前記第１金属部材および前記第２金属部材は、異なる金属から形成され得る。

前記第１金属部材は、銅または銅合金を備えて成り得る。

前記第１金属部材は、銅、アルミニウム、金、銀、白金、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、および、先の金属の一種を含有する青銅、真鍮、ニッケル・チタンの如き合金、および、アモルファス合金から成る群から選択された金属を備えて成り得る。

前記第１金属部材は80％超の反射率を有し得る。

前記第１金属部材は、10mJ以下のパルス・エネルギに対して露出されたときに溶融し得る。

前記金属はアルミニウムであり得る。

前記第１金属部材は銅を備えて成り得る。前記第２金属部材はニッケルメッキ鋼を備えて成り得る。

前記第１金属部材はアルミニウムを備えて成り得る。前記第２金属部材は鋼鉄を備えて成り得る。

前記第１金属部材は、前記溶接部の領域において2mm以下の厚みを有し得る。前記厚みは1mm未満であり得る。前記厚みは0.5mm未満であり得る。

前記第１金属部材のヤング率は前記第２金属部材のヤング率よりも小さくされ得る。

前記第１金属部材は第１金属を備えて成り得ると共に前記第２金属部材は第２金属を備えて成り得、且つ、前記第１金属は前記第２金属よりも実質的に延性であり得る。

各熱杭は渦巻の形態であり得る。

本発明はまた、第２金属部材に対して溶接されたときの第１金属部材を備える物品であって、溶接部は、前記第１金属部材における複数の溶融池および前記第２金属部材における複数の熱杭を備えるという物品において、各熱杭は、個々の溶融池から延在すると共に末端を有し、各溶融池は重なり合い、且つ、各熱杭の末端は、個別的であり且つ少なくともひとつの方向において相互から離間されることを特徴とする物品も提供する。

本発明はまた、本発明の方法に従って溶接された物品も提供する。

物品の例は、飲料缶、飲料缶上のタブ、携帯電話、タブレット・コンピュータ、テレビ、機械類、および、宝石類である。

次に、本発明の実施例は、添付図面を参照して例示的にのみ記述される。

本発明に係る方法において使用される装置を示す図である。 パルス式レーザ波形を示す図である。 表面上に焦点合わせされたレーザ・ビームを示す図である。 熱杭を示す図である。 被覆により覆われた第１金属部材を示す図である。 複数の層を備える第１金属部材を示す図である。 本発明に依らない先行技術の溶接部を示す図である。 熱影響区域を備える本発明に係る溶接部を示す図である。 第２金属部材に対して溶接されたタブの形態の第１金属部材を示す図である。 渦巻の形態の溶接軌跡を示す図である。 個別的な複数の熱杭を備える渦巻の形態の溶接部を示す図である。 ３個の溶接部を用いて第２金属部材に対して接合された第１金属部材を示す図である。 吸収されたエネルギ密度に対するパルス・フルエンスのグラフである。 キーホール溶接を示す図である。 連続的な渦巻の形態の溶接部を示す図である。 離間された２つの焦点合わせ済みレーザ・スポットを示す図である。 重なり合う２つの焦点合わせ済みレーザ・スポットを示す図である。

図１は、第１金属部材1を第２金属部材2に対してレーザ溶接する装置を示しており、該装置は、レーザ3、走査器4、対物レンズ5、および、制御器12を備えて成る。レーザ3は、レーザ・パルス21の形態のレーザ・ビーム6を放出する。レーザ・ビーム6は、光ファイバ・ケーブル14およびコリメーション光学機器15を介して、走査器4に対して供与されて示される。コリメーション光学機器15は、レーザ・ビーム6を拡開かつ平行化すると共に、該レーザ・ビーム6を走査器4に対して入力する。走査器4は、第１金属部材1の金属表面7に関してレーザ・ビームを移動させるためのものである。対物レンズ5は、レーザ・ビーム6を金属表面7上へと焦点合わせする。制御器12は、走査器4が金属表面7に関してレーザ・ビーム6を移動させて、金属表面7上に複数の焦点合わせ済みスポット16を形成する如く、それを制御する。

図２に関して示される如く、各レーザ・パルス21は、瞬間的ピーク・パワー22、平均パワー23、パルス形状24、パルス・エネルギ25、パルス幅26、および、パルス反復周波数F_R27により特性記述され得る。金属表面7を溶融させるために該金属表面7に対するパルス・エネルギ25の十分な結合が達成されることを確実とするために、該金属表面7の反射性を克服するに十分なピーク・パワー22が実現され得る如く、レーザ3を選択することが重要である。

図３は、レーザ・ビーム6を金属表面7上へと焦点合わせすることにより形成されたスポット・サイズ34を有するスポット31を示している。光学強度32は、レーザ・ビーム6の単位面積当たりのパワーである。光学強度32は、スポット31の半径に亙り、その中心におけるピーク強度39から、1/e²強度33まで、且つ、0まで変化する。スポット・サイズ34は典型的にスポット31の1/e²直径として解釈され、これは、光学強度32が、ピーク強度39の夫々の側にて1/e²強度33まで低下する直径である。スポット31の面積35は典型的に、1/e²直径内における該スポット31の断面積として解釈される。

パルス・フルエンス36は、表面7上におけるスポット31の単位面積当たりのエネルギとして定義される。パルス・フルエンスは、典型的にJ/cm²単位で測定されると共に、レーザ溶接に対する重要なパラメータである、と言うのも、溶接品質はパルス・フルエンス36により大きく影響されるからである。特定の溶接部に対する最適なパルス・フルエンス36は、種々の材料および材料厚みで変化する。金属片部材を溶接するために最適なパルス・フルエンス36は、実験を通して決定され得る。

再び図１を参照すると、上記装置は、第１金属部材1における複数の溶融池19と、第２金属部材2における複数の熱杭(heat stake)17との形成を引き起こすスポット・サイズ34およびパルス・フルエンス36を以て、各レーザ・パルス21を焦点合わせする。各熱杭17は、個々の溶融池19から延在すると共に、末端101を有している。制御器12は、各焦点合わせ済みスポット16が、各溶融池19を重なり合わせるに十分に小寸の距離であって、各熱杭17の末端101が少なくともひとつの方向108において個別的であり且つ相互から離間されることを確実とするに十分に大寸であるという距離だけ離間される如く、走査器4を制御する。

各熱杭17は、少なくともひとつのパルス21により形成され、パルス21の個数は、パルス・フルエンス36に依存する。典型的には、1mJのパルス・エネルギ25を有するレーザに対し、10個～100個のパルス21が使用される。各焦点合わせ済みスポット16の中心間の距離18は、夫々の熱杭17の中心間の距離を近似する。制御器12は走査器4により、熱杭17の各々の形成の間、焦点合わせ済みスポット16を静止して保持させる。代替的に、制御器12は走査器4により、熱杭17の各々の形成の間、好適には距離18より少ない量だけ、焦点合わせ済みスポット16を震動させ得る。距離18は、典型的には20μm～150μmであり、且つ、好適には40μm～100μmである。

重なり合う各溶融池19および各熱杭17は、複合溶接部100を形成する。明瞭化のために、図１は、立体的な描写において、焦点合わせ済みスポット16を黒色の円にて、且つ、溶接部100を断面で示している。各溶融池19は、それらの間における境界部なしで一体的に溶融して示されると共に、界面は、各溶融池19と各熱杭17との間に示される。金属学的な考察によれば、溶融池19および熱杭17の両方が、第１金属部材1および第２金属部材2の両方に由来する材料を備えて成り得ることが例証された。各金属の良好な混合が達成され得る。概略的に、各溶融池19と各熱杭17との間には、明確な境界はない。各熱杭17の末端101は、鋭利的な尖端にて終端するとして示される。しかし、このことは必ずしもそうではなく、各末端101は、実質的に湾曲され得ると共に、それらがひとつより多い端部を有する如く断片化され得る。

順次的に焦点合わせされた各レーザ・スポット16は、図１６に示された如く、各レーザ・スポット16の中心間の離間距離161がスポット・サイズ34より大きい様に離間され得る。代替的に、順次的に焦点合わせされた各レーザ・スポット16は、図１７に示された如く、離間距離161がスポット・サイズ34より小さい様に重なり合い得る。図１６および図１７において、焦点合わせされた各レーザ・スポット16は、単一のレーザ・パルス21または複数のレーザ・パルス21を表し得る。

“個別的であり且つ相互から離間される”という表現によれば、各熱杭17の末端101が全ての方向において実質的に円滑な溶接部を形成はせず、各熱杭17は、少なくともひとつの方向108において相互から少なくとも部分的に離間され得ることが意味される。代替的に、各熱杭17は、金属表面7に対して実質的に平行な全ての方向において相互から少なくとも部分的に離間され得る。“溶接部”という語句によれば、溶接もしくは接合により作成された接続構造が意味される。

溶接部100が酸化することを阻止し、または、溶接部100を清浄に維持するために、溶接部100上には、ガス供給源107からシールドガス106が付与され得る。シールドガス106は、アルゴン、ヘリウム、窒素、または、レーザ溶接において通常的に使用される他のガスである。シールドガス106は、上述のガスの混合物であり得る。ガス供給源107は、ガスボトル、ノズル、および、流量制御調整器を備えて成り得る。

溶接部100は、各熱杭17の末端101にて、実質的に鋸歯状の表面を有している。このことは、溶接部の円滑な末端が好適であると考えられる習用の溶接様式と正反対である。円滑でない溶接ラインは、先行技術における懸念に対する理由であると確信される。

上記装置は好適には、各レーザ・パルス21が、走査器4を制御すべく使用される制御信号13と同期される如きである。このことは、制御器12に対して同期信号を使用することにより、または、制御器12がレーザ3も制御する如く該制御器を適合化することにより達成され得る。

走査器4は、図１に示されたガルバノメータ・スキャン・ヘッドであり得る。代替的または付加的に、走査器4は、可動式の２次元または３次元的な並進載物台、または、ロボット・アームであり得る。走査器4は、レーザ・ビーム6を第１方向10に動かす第１ミラー8と、レーザ・ビーム6を第２方向11に動かす第２ミラー9とを備えて示される。第１および第２のミラー8、9は典型的には、(不図示の)ガルバノメータに対して取付けられる。走査器4および対物レンズ5は、当業者に公知の処理用光学機器の一部であり得る。上記処理用光学機器は、区画化ミラー、付加的な焦点制御器、および／または、ビーム成形光学機器などの付加的な光学素子を有し得る。

レーザ3は、ファイバ・レーザ、半導体ロッド・レーザ、半導体ディスク・レーザ、もしくは、二酸化炭素レーザの如きガス・レーザであり得る。レーザ3は、ナノ秒レーザであり得る。レーザ3は好適には、イッテルビウムドープ・ファイバ・レーザ、エルビウムドープ(または、エルビウム・イッテルビウムドープ)・ファイバ・レーザ、ホルミウムドープ・ファイバ・レーザ、または、ツリウムドープ・ファイバ・レーザの如き、希土類元素がドープされたナノ秒パルス式ファイバ・レーザである。これらのレーザは典型的に、夫々、1μm、1.5μm、2μm、および、2μmの波長範囲にてレーザ光線を放出する。ナノ秒パルス式レーザという語句によれば、1ns～1,000nsの範囲内のパルス幅26を有するパルスを放出し得るレーザが意味される。斯かるレーザはまた、更に短いパルスおよび更に長いパルスも放出し得ると共に、連続波光線も放出し得る。斯かるレーザは、溶接のために習用的に使用される先行技術のミリ秒レーザとは異なる。ミリ秒レーザは概略的に、単一パルスを放出することにより溶接部を形成し得る。

次に、第１金属部材1を第２金属部材2に対してレーザ溶接する本発明に係る方法は、図１を参照して例示的にのみ記述される。該方法は、第１金属部材1を第２金属部材2上に載置する段階と；複数のレーザ・パルス21の形態でレーザ・ビーム6を放出するレーザ3を配備する段階と；レーザ・ビーム6を第１金属部材1の金属表面7に関して移動させる走査器4を配備する段階と；レーザ・ビーム6を金属表面7上へと焦点合わせする段階と；走査器4がレーザ・ビーム6を金属表面7に関して移動させる如く、それを制御すべく適合化された制御器12を配備する段階と；第１金属部材1における複数の溶融池19および第２金属部材2における複数の熱杭17の形成を引き起こすスポット・サイズ34およびパルス・フルエンス36を備えたレーザ・パルス21を焦点合わせすべく上記装置を設定する段階であって、各熱杭17は、個々の溶融池19から延在すると共に末端101を有する、という段階と；各焦点合わせ済みスポット16を、各溶融池19を重なり合わせるに十分に小寸の距離18であって、各熱杭17の末端が少なくともひとつの方向108において個別的であり且つ相互から離間されることを確実とするに十分に大寸であるという距離18だけ離間すべく、制御器12を適合化する段階と；を備えて成る。

上記方法は、ガス供給源107からシールドガス106を提供する段階と、シールドガス106を溶接部100上に適用する段階とを含み得る。シールドガス106は、アルゴン、ヘリウム、窒素、または、レーザ溶接において通常的に使用される他のガスである。シールドガス106は、上述のガスの混合物であり得る。ガス供給源107は、ガスボトル、ノズル、および、流量制御調整器を備えて成り得る。

以下においては、“反射性金属”に対して再三の参照が為されるが、該語句は、第１金属部材1が処理される温度においてレーザ3の発光波長102にて80％超の反射率を有する金属を意味することが意図される。

本発明の装置もしくは方法により形成されたレーザ溶接部100は、内因的であり得、すなわち、該溶接部を形成するために、第１および第２の金属部材1、2以外の材料は加えられない。

第１金属部材1は、溶接部100の領域において、5mm以下の厚み104を有し得る。厚み104は、2mm未満であり得る。厚み104は、1mm未満であり得る。厚み104は、0.5mm未満であり得る。第２金属部材2は、溶接部100の領域において、厚み105を有し得る。厚み105は、少なくとも100μmであり得る。厚み105は、0.5mm未満であり得る。

図４を参照すると、熱杭17は、大きくともその深度42の半分である幅41を有し得る。このことは有用である、と言うのも、熱杭17が更に貫通することが許容されると共に、第１金属部材1が第２金属部材2を更に良好に把持することが許容され得るからである。

図５において示された如く、第１金属部材1は、被覆52により覆われた金属部材51を備えて成り得る。被覆52は、ニッケルもしくはクロムの如き金属メッキであり得るか、または、陽極酸化処理の如き処理により形成された、化学的に誘起された被覆であり得る。被覆52は、ポリマ被覆であり得る。

第１金属部材1は、図６に関して示される如く、複数の層61を備えて成り得る。複数の層61は折り重ねられた同一金属の薄寸体、同一金属の複数層、または、異なる複数の金属の複数層であり得る。代替的または付加的に、第２金属部材2は、複数の層62を備えて成り得る。複数の層62は、折り重ねられた同一金属の薄寸体、同一金属の複数層、または、異なる複数の金属の複数層であり得る。各層61は、層62と同一の金属、または、異なる金属を備えて成り得る。溶接部100は、第１金属部材1を第２金属部材2に対して接合するとして示される。溶接部100は、部分的に第２金属部材2を貫通して示される。

図７は、たとえば、100mJ以上の単一の高エネルギ・パルスを用いる緑色レーザによるレーザ溶接などの先行技術を用いた第１金属部材1と第２金属部材2との間のレーザ溶接部275を示している。溶接部70は、図１に関して示された個々の溶融池19と、その付随する熱杭17との和よりも相当に大きな質量を有することから、冷めるには更に長い時間が必要である。これは、溶融池75における金属混合と、付随する境界層71の形成と、溶接部70の回りの領域であって、熱により影響されたが金属は流動してはいないという所謂る熱影響区域(HAZ)72であるという領域とに帰着する。熱影響区域72の機械的特性は、熱焼き戻しの結果として相当に低下され得ると共に、該焼き戻しは概略的には最小限度に抑えられるべきである。熱影響区域72は概略的に、第１金属部材1の頂部表面73、および、第２金属部材2の底部表面74の両方にて、(たとえば、酸によるエッチングの後で)視認可能である。

鋼鉄に対して鋼鉄を溶接するとき、境界層71は、粒界面に沿うカーボン形成に帰着することで、溶接部100に割れ目が入る経路を提供し得る。同様に、境界層71は、異なる金属同士を溶接するとき、融合から凝固に至る冷却時間を反映する粒子構造を有する金属間化合物を備えて成り得る。斯かる金属間化合物は、本質的に砕けやすいことが多いことから、溶融池70における脆弱箇所を呈する。故に、同様の金属同士の溶接、または、異なる金属同士の溶接のいずれにおいても、大寸の境界層71、および、熱影響区域72の存在は望ましくない。

溶接部70が同様の金属同士から形成されるか、異なる金属同士から形成されるかに関わらず、溶融池75を構成する材料の機械的特性は、第１金属部材1および第２金属部材2を構成する母材の特性よりも脆弱であることが多い。熱影響区域72が第１および第２の金属部材1、2の外観または化学組成に影響するなら、該区域も重要である。

金属間化合物層71および熱影響区域72に付随する問題は、薄寸の板金同士を溶接するときに大きくなる。溶接部を冷ますために必要な時間に関する別の問題としては、第１および第２の金属部材1、2上のポリマの如き被覆に対する損傷が挙げられる。

図８は、図１に示された溶接部100の平面図を描いている。通常、(可能的には、化学エッチングの後に)熱影響区域81が視認可能である。しかし、図２および図３に関して示されたレーザ1およびレーザ・パルス・パラメータの適切な選択によれば、概略的に、底部表面上に視認可能な熱影響区域は無い。これは、各熱杭17は上記溶融池70よりも相当に小さい質量を有するので、更に迅速に冷えるからである。同様に、各熱杭17を囲繞する金属間化合物層71の徴侯は、殆どまたは全く無い。金属間化合物層と、第２金属部材2を貫通延在する熱影響区域との欠如は、先行技術の溶接技術との比較において大きな利点を提供する。

図９に示された第２金属部材2は、被覆93より覆われた金属部材92を備えて成り得る。被覆93は、ニッケルもしくはクロムの如き金属メッキであり得るか、または、陽極酸化処理の如き、化学的に誘起された被覆であり得る。第１金属部材1は、飲料缶において見られる如きタブ91であり得る。タブ91は、第２金属部材2に対して溶接部100により溶接して示される。

飲料缶は、厚みが250μm未満のアルミニウムの薄寸材から作成されることが多い。飲料缶において、被覆93は、通常は溶接部100が形成される前に適用されるポリマ被覆である。溶接部100を形成する方法は、被覆93を劣化させないことが重要である。本発明の装置および方法は、このことを、図１に関して示された熱杭17に依り達成する、と言うのも、先行技術の溶接部と比較して、第２金属部材2において生成される熱が少ないからである。

図１を再び参照すると、第１金属部材1および第２金属部材2は、同一の金属から形成され得る。該金属は、アルミニウムもしくは銅、または、それらの合金であり得る。代替的に、第１金属部材1および第２金属部材2は、異なる金属から形成され得る。

第１金属部材1は、銅、または、銅合金を備えて成り得る。

第１金属部材1は、銅、アルミニウム、金、銀、白金、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、および、先の金属の一種を含有する青銅、真鍮、ニッケル・チタンの如き合金、および、アモルファス合金から成る群から選択された金属を備えて成り得る。

第１金属部材1は、レーザ3により放出される波長(λ)102にて80％超の反射率103を有し得る。図１は、1,060nmである波長102を示すが、これは非限定的であることが意図される。レーザ3として使用するためには、約1,030nm～約1,100nmの波長範囲で発光するイッテルビウム・パルス式ファイバ・レーザが特に有用である。レーザ3はまた、各々が約1,550nmにて発光するエルビウムドープ、もしくは、エルビウム・イッテルビウム共ドープファイバ・レーザ、または、約2,000nmで発光するホルミウムもしくはツリウムドープ・ファイバ・レーザでもあり得る。1,500nmおよび2,000nmにて発光するレーザを使用すると、一定の用途において重要である眼球の安全性の利点が提供される。近赤外の波長にて発光する他の多くのレーザ形式も在る。

スポット・サイズ34は、25μm～100μm、好適には30μm～60μmであり得る。

第１材料1は、10mJ以下のパルス・エネルギ25に対して露出されたときに溶融し得る。パルス・エネルギ25は、4mJ以下であり得る。パルス・エネルギ25は、1mJ以下であり得る。パルス・エネルギ25は、100μJ以下であり得る。パルス・エネルギは、10μJ以下であり得る。更に厚寸の材料は、更に薄寸の材料よりも大きいパルス・エネルギ25を必要とする。

第１金属部材1は、銅を備えて成り得る。第２金属部材2は、ニッケルメッキ鋼を備えて成り得る。

第１金属部材1は、アルミニウムを備えて成り得る。第２金属部材2は、鋼鉄を備えて成り得る。

第１金属部材1は、第２金属部材2のヤング率よりも小さいヤング率により定義され得る。

第１金属部材1は第１金属を備えて成り得ると共に、第２金属部材2は、第２金属を備えて成り得る。第１金属のヤング率は、第２金属のヤング率より小さくあり得る。好適には、上記第１金属は上記第２金属よりも相当に延性であり得る。このことは、溶接部3が反復的に歪ませられるならば利点を有する、と言うのも、熱杭17は、破壊に帰着する金属疲労に対して更に耐久性があるからである。

熱杭17は好適には、溶接部100の剪断強度を高めるために、線形ではない列にて形成される。たとえば、各熱杭17は、図１０に関して示された如き渦巻110の形態で形成され得る。渦巻110は、制御器12によりレーザ・ビーム6を、該渦巻110の形態の軌跡117であって、渦巻の内部であるとして示された第１箇所111と、渦巻の外部上であるとして示された第２箇所112とを有するという軌跡117にて移動させることにより形成される。概略的に、渦巻状軌跡117は第１箇所111から開始することが好適であるが、代替的に、第２箇所112から開始しても良い。図１１は、結果的な溶接部116を貫通する断面であって、図１に関して示された重なり合う各溶融池19の下方であるという断面を示している。図１６に関して示された如く、順次的に焦点合わせされた各レーザ・スポット16は、スポット・サイズ34より大きい距離161だけ離間される。レーザ3は、焦点合わせ済みスポット16の各々上にて、少なくとも１回、好適には１０回～１００回だけパルス駆動されることが好適である。この手段によれば、溶接部116の各部分へと注入される熱の量を非常に正確に制御することにより、溶接部116の強度を最適化することが可能である。第１箇所111から開始するか第２箇所112から開始するかの選択は、結果的な溶接部116の強度から実験的に決定され得る。図１１において、２つの熱杭17の中心間の距離113、および、隣接する各渦巻腕部115の中心間の距離114が示される。距離113は、100μm未満、75μm未満、好適には50μm未満であり得る。距離114は、250μm未満、200μm未満、150μm未満、好適には100μm未満であり得る。距離113、114の最適化は、剥離強度、剪断強度、および、電気接触抵抗の如き物理的パラメータを測定することにより実験的に達成され得る。

図１２は、３つの溶接部100により第２金属部材2に対して溶接された第１金属部材1を示している。各溶接部100は、図１１に関して示された渦巻状溶接部116であり得る。各溶接部100は、0.5～2mm、好適には0.75～1.5mmの直径122を有し得る。複数の溶接部100を使用することにより、更なる強度および剛性が得られる。

図１３は、パルス・フルエンス36および吸収エネルギ密度133のグラフを示しており、その場合、吸収エネルギ密度133は、単位面積当たりで第１および第２の金属部材1、2により吸収されたレーザ・パルス21による合計のパルス・エネルギ25である。図１に関して示された溶接部100を開始するためには、少なくとも第１パルス・フルエンス閾値131と等しいパルス・フルエンス36を使用する必要がある。これは、金属表面7に対するレーザ・ビーム6の結合と、金属表面7の溶融とを開始するためである。金属表面7が一旦溶融し始めたなら、残りのパルス21は、少なくとも第２パルス・フルエンス閾値132に等しいパルス・フルエンスを有すべきである。第２パルス・フルエンス閾値132は、実質的に、第１パルス・フルエンス閾値131よりも小さくされ得る。高反射率、すなわち、レーザ・ビーム6の波長にて80％超の反射率を備えて成る第１金属部材1に対し、第２パルス・フルエンス閾値132は、第１パルス・フルエンス閾値131の1/2～1/10であり得る。パルス21の各々が吸収されるにつれ、それらは吸収エネルギ密度133に寄与する。焦点合わせ箇所16の各々にて吸収される吸収エネルギ密度133は、レーザ・ステーク17が第２金属部材2を貫通し始める第１エネルギ密度閾値134に少なくとも等しいが、溶接部100が不適切に砕けやすくなる第２エネルギ密度閾値135よりも小さくされるべきである。図２および図３に示されたパルス・パラメータ、すなわち、パルスの個数、および、焦点合わせ済みスポット16同士の間の距離18を変更することにより、先行技術の手法と比較して、溶接部100に対する大きな制御性、更には、それの形成、故に、機械的特性に関する大きな制御性が存在することが理解され得る。

図１４は、第１金属部材1を第２金属部材2に対して接合するキーホール溶接部140を示している。このプロセスにおいて、レーザ・ビーム6は、第１および第２の金属部材1、2を溶融させるだけでなく、(不図示の)蒸気も生成する。散逸する蒸気は、溶融金属143に対して圧力を及ぼし、それを部分的に変位させる。結果は、キーホール141と称される、深底で狭幅である蒸気が充填された孔である。斯かるプロセスは、本発明の装置および方法において熱杭17の形成に含まれ得る。

キーホール141は、溶融金属143により囲繞されると共に、レーザ・ビーム6が走査される方向142においてレーザ・ビーム6と共に移動する。溶融金属143は、キーホール141が移動するにつれて、その背後で凝固し、溶接線144を形成する。溶接線144は、深底かつ狭幅であり得る。図１５に関して示される如く、溶接部深度145は、溶接部幅151の１０倍まで大寸であり得る。レーザ・ビーム6は、キーホール141内で高効率で吸収される、と言うのも、それは複数回に亙り反射されるからである。

本発明の装置および方法は、図１５に関して示された如く、熱杭17が連続溶接部156を形成する場合まで拡張される。此処で、制御器12は、図１７に関して示される順次的な焦点合わせ済みスポット16が重なり合う様に、レーザ・ビーム6を図１０に関して示された渦巻110にて走査すべく走査器4を制御した。各焦点合わせ済みスポット16は、渦巻腕部115の方向においては連続的であるが径方向157においては少なくとも部分的に離間する熱杭17に帰着した。径方向157は、図１における方向108であり得る。図１における断面により示される如く、各溶融池19は重なり合うことが好適である。図１および図１２に関して示された溶接部100は、図１５の連続溶接部156であり得る。溶接部100は、図１４に関して記述されたキーホール141を以て形成され得る。

本発明の方法は次に、図１に関して記述された装置および方法、および、以下に示される非限定的な実例に関して記述される。レーザ3は、ナノ秒式のイッテルビウムドープ・ファイバ・レーザである、英国、サウサンプトンのSPI Lasers UK社により製造されたモデルSPI G4 70 EP-Zであった。レーザ3は、図２に示されたレーザ・パラメータ、すなわち、ピーク・パワー22、平均パワー23、パルス形状24、パルス・エネルギ25、パルス幅26、および、パルス反復周波数F_R27に対して優れた制御性を有する主発振器出力増幅器である。走査器4は、ドイツ、ミュンヘンのRaylase社により製造された(不図示の)10mmビーム開口を備えたガルバノメータ・スキャナ・モデルSuper ScanIIであった。制御器12は、レーザ・ビーム6を操向する走査器4に対するコードをプログラムし、動作させ、且つ、記憶するためにドイツ、ミュンヘンのSCAPS社により認可されたSCAPSスキャナ・アプリケーションが使用されたという、Windows（登録商標） 8オペレーティング・システムを備えたデスクトップ・コンピュータを備えていた。レンズ5は、163mm焦点距離のF－シータ・レンズであった。コリメータ15は、75mmの焦点距離を有していた。レンズ5、コリメータ15、および、走査器4は、40μmのスポット・サイズ34および1.256×10^-5cm²の面積35を有する焦点合わせ済みスポット16を以て、レーザ・ビーム6を第１金属部材1の表面7上へと形成して平行移動すべく設定された。

実例１
図１２を参照すると、第１金属部材1は、150μm厚みを有する銅グレードC110であり、且つ、第２金属部材2は、500μm厚みを有するアルミニウム・グレード5052であった。ピーク・パワー22、パルス形状24、パルス・エネルギ25、パルス幅26、および、パルス・フルエンス36を決定する実験に続き、金属表面7を踏破する50mm/sの線形速度にて、且つ、(図１７に関して示された)順次的な焦点合わせ済みスポット16同士の間における(中心間で測定された)0.7μmの距離161を以て、レーザ・ビーム6を走査することが決定された。これは、70kHzのパルス反復周波数27に対応する。従って、その後、制御器12およびレーザ3の設定に対しては、適切なパラメータが提供された。レーザ・ビーム6は、70kHzのパルス反復周波数27にて反復的にパルス化されると共に、図１０に関して示された渦巻110にて金属表面7で走査された。上記渦巻は、50mm/sの線形速度を以て形成された。渦巻110の全長は、15.8mmであり、且つ、第１箇所111から第２箇所112まで形成された。溶接部100の直径122は、1mmであった。パルス幅26は、半値全幅FWHMにて115nsであり、且つ、瞬間的ピーク・パワー22の10％にて520nsであった。合計のパルス・エネルギ25は、70Wの平均パワー23および5kWのピーク・パワー22を以て、1mJであった。各レーザ・パルス21は、79.6J/cm²のパルス・フルエンス36にて、3.98×10⁺⁸W/cm²のピーク・パワー強度を有していた。溶接部100の上方の6mm直径の銅ノズル107から毎時10立方フィートにて流量制御調整器を通して供給される50％アルゴンおよび50％ヘリウムのシールドガス混合物106が使用された。形成された溶接部100は、図１５に示された形式である。各熱杭17は、上記渦巻に沿って連続的なラインを形成し、且つ、図１に示された方向108に対応する、上記渦巻と交差する径方向157にて少なくとも部分的に離間される。各溶融池19は、溶接部100の全表面領域に亙り連続的であるが、図１に示された如く、溶接部100の表面は円滑ではない。溶接部100を観察したところ、その頂部表面上にアルミニウムによる着色が露呈され、各金属が上記溶接部において混合されたことが表された。各溶接部100は、それらのサイズに対して極めて強固であることが観察された。

実例２
図１２に関し、第１金属部材1は150μmの厚みを備えた銅グレードC110であり、且つ、第２金属部材2は、150μmの厚みを備えた銅グレードC110であった。実験後、実例１に関して記述されたのと同一のプロセス・パラメータが使用され得ることが決定された。結果的な溶接部は、それらのサイズに対して極めて強固であることが観察された。

実例３
図１２に関し、第１金属部材1は、250μmの厚み104を備えたステンレス鋼グレード304であり、且つ、第２部材2は、250μmの厚み105を備えたステンレス鋼グレード304であった。ピーク・パワー22、パルス形状24、パルス・エネルギ25、パルス幅26、および、パルス・フルエンス36を決定する実験に続き、金属表面7を踏破する225mm/sの線形速度にて、且つ、(図１７に関して示された)順次的な焦点合わせ済みスポット16同士の間における(中心間で測定された)0.225μmの距離161を以て、レーザ・ビーム6を走査することが決定された。これは、1MHzのパルス反復周波数27に対応する。従って、その後、制御器12およびレーザ3の設定に対しては、適切な制御パラメータが提供された。レーザ・ビーム6は、1MHzのパルス反復周波数27にて反復的にパルス化されると共に、図１０に関して示された渦巻110にて金属表面7上で走査された。渦巻110は、225mm/sの線形速度を以て形成された。渦巻110は、第１箇所111から第２箇所112まで形成された。溶接部100の直径122は、1mmであった。パルス幅26は、半値全幅FWHMにて9nsであり、且つ、瞬間的ピーク・パワー22の10％にて9nsであった。合計のパルス・エネルギ25は、70Wの平均パワー23および8kWのピーク・パワー22を以て、7μJであった。各レーザ・パルス21は、5.6J/cm²のパルス・フルエンス36にて、6.36×10⁺⁸W/cm²のピーク・パワー強度を有していた。溶接部100の上方の6mm直径の銅ノズル107から毎時10立方フィートにて流量制御調整器を通して供給される50％アルゴンおよび50％ヘリウムのシールドガス混合物106が使用された。形成された溶接部100は、図１５に示された形式である。各熱杭17は、上記渦巻に沿う連続的なラインを形成し、且つ、図１に示された方向108に対応する、該渦巻と交差する径方向157にて少なくとも部分的に離間される。各溶融池19は、溶接部100の全表面領域に亙り連続的であるが、図１に示された如く、溶接部100の表面は円滑ではない。異なるパラメータが使用されたので、溶接部100は、各金属の良好な混合による習用的な重ね溶接を擬態したが、(図７に関して示された)熱影響区域72は殆ど無視可能であった。但し、上記溶接部からは連続的な複数の熱杭17が延在し、溶接部100の半径157に亙り、図１に示された如き非平坦な表面に帰着した。但し、溶接部100からの熱杭17の延在範囲は、実例１および実例２の銅／アルミニウム溶接部および銅／銅溶接部に対して観察されたよりも相当に短かった。各溶接部100は、それらのサイズに対して極めて強固であることが観察された。

添付図面に関して上記に記述された本発明の各実施例は、例示的にのみ与えられており、且つ、効率性を高めるために、改変、および、付加的な段階および構成要素が提供され得ることは理解される。各図に示された個々の構成要素は、それらの図中での使用に限られず、他の図および本発明の全ての見地において使用され得る。本発明は、単独でまたは組み合わされて選択された上述の各特徴まで及んでいる。

Claims (28)

1. 第１金属である第１金属部材を前記第１金属とは異なる第２金属である第２金属部材に対してレーザ溶接する装置であって、
   ・レーザ・パルスの形態でレーザ・ビームを放出するレーザと、
   ・前記第１金属部材の金属表面に関して前記レーザ・ビームを移動させる走査器と、
   ・各レーザ・パルスを前記金属表面上へと焦点合わせする対物レンズと、
   ・前記走査器が前記レーザ・ビームを前記金属表面に関して移動させて複数の焦点合わせ済みスポットを形成する如く、前記走査器を制御する制御器と、
   を備え、
   ・前記装置は、前記第１金属部材における複数の溶融池と前記第２金属部材における複数の熱杭との形成を引き起こすスポット・サイズおよびパルス・フルエンスを以て各レーザ・パルスを焦点合わせするように構成され、
   ・各熱杭は、個々の溶融池から延在し且つ末端を有し、
   ・前記制御器は、各焦点合わせ済みスポットを、各溶融池を重なり合わせるに十分に小寸の距離であって、各熱杭の末端が少なくともひとつの方向において個別的であり且つ相互から離間されることを確実とするに十分に大寸の距離だけ離間させるように前記走査器を移動するように構成され、
   ・前記レーザは、1ns～1000nsの範囲のパルス幅を持つパルスを放出することができること、
   を特徴とする、装置。
2. 前記スポット・サイズは25μm～100μmである、請求項１に記載の装置。
3. 前記スポット・サイズは30μm～60μmである、請求項２に記載の装置。
4. 前記レーザは、10mJ以下のパルス・エネルギを提供するように構成される、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記パルス・エネルギは1mJ以下である、請求項４に記載の装置。
6. 前記レーザは、前記焦点合わせ済みスポット上に10～100個のパルスを提供するように構成される、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記第１金属部材は、銅、アルミニウム、金、銀、白金、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、青銅、真鍮、および、ニッケル・チタンを含む群から選択された金属を備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。
8. 第１金属である第１金属部材を前記第１金属とは異なる第２金属である第２金属部材に対してレーザ溶接する方法であって、
   ・第１金属部材を第２金属部材上に載置する段階と、
   ・複数のレーザ・パルスの形態でレーザ・ビームを放出するレーザを配備する段階と、
   ・前記レーザ・ビームを前記第１金属部材の金属表面に関して移動させる走査器を配備する段階と、
   ・各レーザ・パルスを前記金属表面上へと焦点合わせする対物レンズを配備する段階と、
   ・前記走査器が前記レーザ・ビームを前記金属表面に関して移動させるように前記走査器を制御すべく適合化された制御器を配備する段階と、
   ・前記第１金属部材における複数の溶融池および前記第２金属部材における複数の熱杭の形成を引き起こすスポット・サイズおよびパルス・フルエンスを備えたレーザ・パルスを焦点合わせする段階であって、各熱杭は、個々の溶融池から延在すると共に末端を有する、という段階と、
   ・各焦点合わせ済みスポットを、各溶融池を重なり合わせるに十分に小寸の距離であって、各熱杭の末端が少なくともひとつの方向において個別的であり且つ相互から離間されることを確実とするに十分に大寸であるという距離だけ離間すべく、前記制御器を適合化する段階と、
   を備え、
   ・前記レーザは、1ns～1000nsの範囲のパルス幅を持つパルスを放出することができる、方法。
9. 前記スポット・サイズは25μm～100μmである、請求項８に記載の方法。
10. 前記スポット・サイズは30μm～60μmである、請求項９に記載の方法。
11. 前記レーザは、10mJ以下のパルス・エネルギを供給するように構成される、請求項８～１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記パルス・エネルギは1mJ以下である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記レーザは、前記焦点合わせ済みスポット上に10～100個のパルスを提供するように構成される、請求項８～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. レーザ溶接部は内因的である、請求項８～１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記熱杭は、その深度の半分以下の幅を有する、請求項８～１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記第１金属部材は被覆される、請求項８～１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記第１金属部材は複数の層を備える、請求項８～１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記第２金属部材は複数の層を備える、請求項８～１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記第１金属部材および前記第２金属部材は、異なる金属から形成される、請求項８～１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 前記第１金属部材は、銅、アルミニウム、金、銀、白金、ニッケル、チタン、ステンレス鋼、青銅、真鍮、および、ニッケル・チタンを含む群から選択された金属を備える、請求項８～１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記第１金属部材はアルミニウムを備え、且つ、前記第２金属部材は鋼鉄を備える、請求項２０に記載の方法。
22. 前記第１金属部材は、前記溶接部の領域において2mm以下の厚みを有する、請求項８～２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記厚みは1mm未満である、請求項２２に記載の方法。
24. 前記厚みは0.5mm未満である、請求項２３に記載の方法。
25. 前記第２金属部材は、前記溶接部の領域において少なくとも100μmの厚みを有する、請求項８～２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 前記溶接部の領域における前記第２金属部材の厚みは0.5mm未満である、請求項２５に記載の方法。
27. 各熱杭は渦巻の形態である、請求項８～２６のいずれか一項に記載の方法。
28. 前記距離は、各焦点合わせ済みスポットが少なくともひとつの方向において相互に重なり合う如きである、請求項８～２７のいずれか一項に記載の方法。

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