JP7269443B2 - 溶接方法および溶接装置 - Google Patents
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Description
Rb1=N12/N11 ・・・(3-1)
(ここに、Rb1は、第一粒界数比率、N11は、前記第一表面と直交しかつ前記溶接部の延び方向に沿った試験断面において、前記第一表面に沿った所定の長さの直線試験線と交差した粒界数であり、N12は、前記試験断面において、前記第一表面と直交した方向に延びた前記所定の長さの直線試験線と交差した粒界数である。)と表した場合に、前記溶接金属は、前記第一表面に対して当該第一表面から前記第二表面に向かう厚さ方向に離れて位置された第三部位と、当該第三部位と前記第一表面との間に位置され前記第一粒界数比率が前記第三部位の前記第一粒界数比率よりも低い第四部位と、を有する。
Rb2=max(N22/N21,N21/N22) ・・・(3-2)
(ここに、Rb2は、第二粒界数比率、N21は、前記第一表面と直交しかつ前記溶接部の延び方向に沿った試験断面において、前記第一表面に沿う方向および前記第一表面と直交する方向の間の第一方向に延びた所定の長さを有する直線試験線と交差した粒界数であり、N22は、前記試験断面おいて、前記第一方向と直交した第二方向に延びた前記所定の長さを有する直線試験線と交差した粒界数であり、max(N22/N21,N21/N22)は、(N22/N21)が(N21/N22)以上である場合は(N22/N21)とし、(N22/N21)が(N21/N22)未満である場合は(N21/N22)とする。)と表した場合に、前記溶接金属は、前記第一表面に対して当該第一表面から前記第二表面に向かう厚さ方向に離れて位置された第三部位と、当該第三部位と前記第一表面との間に位置され前記第二粒界数比率が前記第三部位の前記第二粒界数比率よりも高い第四部位と、を有する。
Rb1=N12/N11 ・・・(3-1)
(ここに、Rb1は、第一粒界数比率、N11は、前記第一表面と直交しかつ前記溶接部の延び方向に沿った試験断面において、前記第一表面に沿った所定の長さの直線試験線と交差した粒界数であり、N12は、前記試験断面において、前記第一表面と直交した方向に延びた前記所定の長さの直線試験線と交差した粒界数である。)と表し、かつ、第二粒界数比率Rb2を次の式(3-2)
Rb2=max(N22/N21,N21/N22) ・・・(3-2)
(ここに、Rb2は、第二粒界数比率、N21は、前記第一表面と直交しかつ前記溶接部の延び方向に沿った試験断面において、前記第一表面に沿う方向および前記第一表面と直交する方向の間の第一方向に延びた所定の長さを有する直線試験線と交差した粒界数であり、N22は、前記試験断面おいて、前記第一方向と直交した第二方向に延びた前記所定の長さを有する直線試験線と交差した粒界数であり、max(N22/N21,N21/N22)は、(N22/N21)が(N21/N22)以上である場合は(N22/N21)とし、(N22/N21)が(N21/N22)未満である場合は(N21/N22)とする。)と表した場合に、前記溶接金属は、前記第一表面に対して当該第一表面から前記第二表面に向かう厚さ方向に離れて位置された第三部位と、当該第三部位と前記第一表面との間に位置され前記第一粒界数比率が前記第三部位の前記第一粒界数比率よりも低くかつ前記第二粒界数比率が前記第三部位の前記第二粒界数比率よりも高い第四部位と、を有する。
図1は、第1実施形態のレーザ溶接装置100の概略構成図である。図1に示されるように、レーザ溶接装置100は、レーザ装置111と、レーザ装置112と、光学ヘッド120と、光ファイバ130と、を備えている。レーザ溶接装置100は、溶接装置の一例である。
ここで、金属材料の光の吸収率について説明する。図5は、照射するレーザ光Lの波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。図5のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図5には、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、およびチタン(Ti)について、波長と吸収率との関係が示されている。
レーザ溶接装置100を用いた溶接にあっては、まず、保持具によって金属部材11と複数の金属箔12とが一体的に仮止めされた金属積層体10が、レーザ光Lが表面Waに照射されるようにセットされる。そして、ビームB1およびビームB2を含むレーザ光Lが表面Waに照射されている状態で、レーザ光Lと金属積層体10とが相対的に動かされる。これにより、レーザ光Lが表面Wa上に照射されながら当該表面Wa上を掃引方向SDに移動する(掃引する)。レーザ光Lが照射された部分は、溶融し、その後、温度の低下に伴って凝固することにより、金属部材11と複数の金属箔12とが溶接され、金属積層体10が一体化される。
図6は、加工対象Wに形成された溶接部14の断面図である。図6は、掃引方向SD(X方向)と垂直であるとともに厚さ方向(Z方向)に沿う断面図である。溶接部14は、掃引方向SD、すなわち図6の紙面と垂直な方向に、延びている。なお、図6は、厚さ2[mm]の1枚の銅板である加工対象Wに形成された溶接部14の断面を示している。Z方向に重ねられた金属部材11と複数の金属箔12との金属積層体10に形成される溶接部14の形態は、図6に示される1枚の金属材料である加工対象Wに形成された溶接部14の形態と略同等であると推定できる。
En=Am×Pn/(Dn×V) ・・・ (1)
ここに、Enは、実効エネルギ密度[J/mm2]、Amは、加工対象Wの材料の吸収率、Pnは、レーザ装置によるレーザ光の出力[W]、Dnは、表面Waにおけるスポット径[mm]、Vは、掃引速度[mm/s]である。ここでは、下付のnにより、各パラメータを区別しており、n=1は、第一レーザ光のパラメータ、n=2は、第二レーザ光のパラメータを示す。
R=E1/E2 ・・・ (2)
なお、比Rは、無次元数である。実効エネルギ密度E1は、第一エネルギ密度の一例であり、実効エネルギ密度E2は、第二エネルギ密度の一例である。
図8は、第一レーザ光のパワー(Pw1)に対する第二レーザ光のパワー(Pw2)の比である出力比(Rp=Pw2/Pw1)と、スパッタ抑制率との相関関係を示すグラフである。ここで、スパッタ抑制率Rsは、以下の式(3)のように定義する。
Rs=1-Nh/Nir ・・・(3)
ここに、Nhは、第一レーザ光と第二レーザ光との双方を照射した場合に所定エリア内に生じたスパッタ数であり、Nirは、Nhの計測時と同じパワーで第一レーザ光のみを照射した場合に所定エリア内に生じたスパッタ数である。また、図8は、各出力比において複数回実験を行った結果を示している。出力比に対応した線分は当該出力比における複数サンプル(少なくとも3サンプル以上)の実験結果におけるスパッタ抑制率のばらつきの範囲を示し、□は、出力比毎のスパッタ抑制率の中央値を示している。
図9は、図2の一部の拡大図である。発明者らの実験的な研究により、図9に示されるように、第一レーザ光と第二レーザ光との双方の照射により形成された溶接部14にあっては、表面Waからの深さに応じて結晶粒の向き(長手方向、成長方向)が異なることが判明した。これは、第一レーザ光の照射によるキーホール型の溶融によって得られた第三部位14a3と、第二レーザ光のビームB2中の掃引方向の後方に位置する領域B2bの照射による溶融によって得られた第四部位14a4とで、凝固時の結晶粒の成長の状況が異なることに起因するものと考えられる。ここで、第三部位14a3は、表面Waから離れて位置された部位であって、上述した第一部位14a1に相当する部位である。また、第四部位14a4は、第三部位14a3と表面Waとの間に位置した部位であって、上述した第二部位14a2に相当する部位である。
Rb1=N12/N11 ・・・(3-1)
Rb2=max(N22/N21,N21/N22) ・・・(3-2)
ここに、N11は、直線試験線L11と交差する結晶粒の数であり、N12は、直線試験線L12と交差する結晶粒の数である。N21は、直線試験線L21と交差する結晶粒の数であり、N22は、直線試験線L22と交差する結晶粒の数である。結晶粒の数は、粒界数とも称されうる。また、式(3-2)において、(N22/N21)が(N21/N22)以上である場合、max(N22/N21,N21/N22)は(N22/N21)であり、(N22/N21)が(N21/N22)未満である場合、max(N22/N21,N21/N22)は(N21/N22)である。実際の測定では、50倍で撮影されたX-Z断面の顕微鏡写真において、任意の所定箇所以上、例えば10箇所以上で上記の測定を行い、その平均値をそれぞれRb1,Rb2とすることができる。尚、溶接部14内のある点PにおいてN11,N12,N21,N22のいずれかが0となる場合、当該点Pでの粒界数はRb1,Rb2の算出に用いなくてよい。
図12は、第2実施形態のレーザ溶接装置100Aの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド120は、コリメートレンズ121-1とミラー123との間に、DOE125を有している。この点を除き、レーザ溶接装置100Aは、第1実施形態のレーザ溶接装置100と同様の構成を備えている。
図14は、第3実施形態のレーザ溶接装置100Bの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド120は、フィルタ124と集光レンズ122との間に、ガルバノスキャナ126を有している。この点を除き、レーザ溶接装置100Bは、第1実施形態のレーザ溶接装置100と同様の構成を備えている。
図15は、第4実施形態のレーザ溶接装置100Cの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド120は、コリメートレンズ121-2とフィルタ124との間に、DOE125(ビームシェイパ)を有している。この点を除き、レーザ溶接装置100Cは、第3実施形態のレーザ溶接装置100Bと同様の構成を備えている。このような構成によれば、ガルバノスキャナ126を有することによる第3実施形態と同様の効果、およびDOE125(ビームシェイパ)を有することによる第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
図16は、第5実施形態のレーザ溶接装置100Dの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド120は、それぞれ別のボディ(ハウジング)によって構成された、第一レーザ光L1を照射する第一部位120-1と、第二レーザ光L2を照射する第二部位120-2と、を備えている。このような構成によっても、上記実施形態と同様の作用および効果が得られる。
10…金属積層体(積層体、電気部品)
11…金属部材
11a…端面(第一面)
12…金属箔
13p…正極材
13m…負極材
14…溶接部
14a…溶接金属
14a1…第一部位
14a2…第二部位
14a3…第三部位
14a4…第四部位
14b…熱影響部
15…セパレータ
20…外装材
20a…収容室
100,100A~100D…レーザ溶接装置(溶接装置)
111…レーザ装置(第一レーザ発振器)
112…レーザ装置(第二レーザ発振器)
120…光学ヘッド
120-1…第一部位
120-2…第二部位
121,121-1,121-2…コリメートレンズ
122…集光レンズ
123…ミラー
124…フィルタ
125…DOE(回折光学素子)
125a…回折格子
126…ガルバノスキャナ
126a,126b…ミラー
130…光ファイバ
A…結晶粒
Am…吸収率
B1…ビーム(第一スポット)
B1a…外縁
B2…ビーム(第二スポット)
B2a…外縁
B2b…領域
B2f…領域
C…中心点
D1…スポット径(外径)
D2…スポット径(外径)
Dn…スポット径
d…深さ
E…実効エネルギ密度
E1…実効エネルギ密度(第一エネルギ密度)
E2…実効エネルギ密度(第二エネルギ密度)
I…領域
L…レーザ光
L1…第一レーザ光
L2…第二レーザ光
L11,L12,L21,L22…直線試験線
N11,N12,N21,N22…粒界数
P…点
Pn…出力
R…比
R0…基準円
R1…第一基準線
R2…第二基準線
Rb1…第一粒界数比率
Rb2…第二粒界数比率
SD…掃引方向
V…掃引速度
W…加工対象
Wa…表面(第二面)
Wb…裏面
wb…(溶接金属の表面での)幅
wm…(第一領域および第二領域の)幅
X…方向(第二方向)
Y…方向
Z…方向(第一方向)
Z1…第一領域(第一部位)
Z2…第二領域(第二部位)
Claims (19)
- 金属部材の第一面上に第一方向に重ねられた複数の金属箔に対して、前記金属部材の反対側からレーザ光を照射することにより、前記金属部材と前記複数の金属箔とを溶接する溶接方法であって、
前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、550[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含み、
前記レーザ光を、前記複数の金属箔のうち前記第一方向において前記金属部材から最も離れた金属箔の前記金属部材とは反対側の第二面上に照射する、溶接方法。 - 前記金属部材および前記複数の金属箔のそれぞれは、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、およびチタン系金属材料のうちのいずれか一つで作られている、請求項1に記載の溶接方法。
- 前記金属部材の前記第一方向の厚さが0.05[mm]以上2.0[mm]以下であり、かつ前記複数の金属箔の層の厚さが0.05[mm]以上2.0[mm]以下である、請求項1または2に記載の溶接方法。
- 前記レーザ光を、ウォブリング、ウィービング、または出力変調を行いながら前記第二面に照射する、請求項1~3のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
- 前記第二面上で、前記レーザ光を複数回掃引する、請求項1~4のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
- 前記第二面上で、前記レーザ光を掃引し、前記第二面上での掃引の途中で前記第二面上での掃引速度を変更する、請求項1~5のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
- 前記第二面上で、前記レーザ光を掃引し、前記第二面上での掃引の途中で前記レーザ光のパワーを変更する、請求項1~6のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
- 前記金属部材は、めっき付き金属板を含む、請求項1~7のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
- 前記第二面上において、前記第二レーザ光によって前記第二面上に形成される第二スポットは、前記第一レーザ光によって前記第二面上に形成される第一スポットより広い、請求項1~8のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
- 前記レーザ光は、前記第二面の法線方向が前記第一方向と略平行な状態で、前記第二面上に照射される、請求項1~9のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
- 前記第二面上において、前記レーザ光によって前記第二面上に形成されるスポットの形状は、当該スポットの中心に対する点対称形状を有する、請求項1~10のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
- 前記第一レーザ光と前記第二レーザ光とが同軸で照射される、請求項1~11のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
- 前記第二面上において、前記第一レーザ光によって前記第二面上に形成される第一スポットの中心と、前記第二レーザ光によって前記第二面上に形成される第二スポットの中心とが略一致する、請求項1~12のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
- 前記第二面上において、前記第一レーザ光によって前記第二面上に形成される第一スポットと、前記第二レーザ光によって前記第二面上に形成される第二スポットとが、互いにずれている、請求項1~10のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
- レーザ発振器と、
金属部材の第一面上に第一方向に重ねられた複数の金属箔に対して、前記金属部材の反対側から、前記レーザ発振器からのレーザ光を照射する光学ヘッドと、
を備え、金属部材と複数の金属箔とを溶接する溶接装置であって、
前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、500[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含み、
前記光学ヘッドは、前記レーザ光を、前記複数の金属箔のうち前記第一方向において前記金属部材から最も離れた金属箔の前記金属部材とは反対側の第二面上に照射する、溶接装置。 - 前記レーザ光を複数のビームに分割するビームシェイパを備えた、請求項15に記載の溶接装置。
- 前記レーザ光が前記第二面上で前記第一方向と交差した第二方向に沿う掃引方向に移動するよう、前記レーザ光の出射方向を変化させるガルバノスキャナを備えた、請求項15または16に記載の溶接装置。
- 前記光学ヘッドは、前記レーザ光を、ウォブリング、ウィービング、または出力変調を行いながら前記第二面に照射する、請求項15~17のうちいずれか一つに記載の溶接装置。
- 前記光学ヘッドは、前記第一レーザ光と前記第二レーザ光とを同軸で照射する、請求項15~18のうちいずれか一つに記載の溶接装置。
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