JP7336035B2 - 溶接方法および溶接装置 - Google Patents
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Description
E1=R1×P1/(D1×V) ・・・ (1)
E2=R2×P2/(D2×V) ・・・ (2)
ここに、E1は、第一レーザ光のエネルギ密度[J/mm2]、R1は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、P1は、第一レーザ光のパワー[W]、D1は、表面における第一レーザ光のスポット径[mm]、E2は、第二レーザ光のエネルギ密度[J/mm2]、R2は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、P2は、第二レーザ光のパワー[W]、D2は、表面における第二レーザ光のスポット径[mm]、およびVは、掃引速度[mm/s]、で表せるエネルギ密度E1,E2を定義した場合、第一レーザ光のエネルギ密度E1の、第二レーザ光のエネルギ密度E2に対する比(E1/E2)が、0以上かつ6以下であってもよい。
E1=R1×P1/(D1×V) ・・・ (1)
E2=R2×P2/(D2×V) ・・・ (2)
ここに、E1は、第一レーザ光のエネルギ密度[J/mm2]、R1は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、P1は、第一レーザ光のパワー[W]、D1は、表面における第一レーザ光のスポット径[mm]、E2は、第二レーザ光のエネルギ密度[J/mm2]、R2は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、P2は、第二レーザ光のパワー[W]、D2は、表面における第二レーザ光のスポット径[mm]、およびVは、掃引速度[mm/s]、で表せるエネルギ密度E1,E2を定義した場合、第一レーザ光のエネルギ密度E1の、第二レーザ光のエネルギ密度E2に対する比(E1/E2)が、1以上であってもよい。
E1=R1×P1/(D1×V) ・・・ (1)
E2=R2×P2/(D2×V) ・・・ (2)
ここに、E1は、第一レーザ光のエネルギ密度[J/mm2]、R1は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、P1は、第一レーザ光のパワー[W]、D1は、表面における第一レーザ光のスポット径[mm]、E2は、第二レーザ光のエネルギ密度[J/mm2]、R2は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、P2は、第二レーザ光のパワー[W]、D2は、表面における第二レーザ光のスポット径[mm]、およびVは、掃引速度[mm/s]、で表せるエネルギ密度E1,E2を定義した場合、前記コントローラは、第一レーザ光のエネルギ密度E1の、第二レーザ光のエネルギ密度E2に対する比(E1/E2)を変更可能であってもよい。
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。
図2は、レーザ溶接装置100の加工対象Wの一例である溶接構造10-1(10)の断面図である。図2の断面は、X方向と交差するとともに直交し、Y方向およびZ方向に沿っている。
図3は、平面である表面Wa上に照射されたレーザ光Lのビーム(スポット)を示す模式図である。ビームB1およびビームB2のそれぞれは、そのビームの光軸方向と直交する断面の径方向において、たとえばガウシアン形状のパワー分布を有する。ただし、ビームB1およびビームB2のパワー分布はガウシアン形状に限定されない。また、図3のように各ビームB1,B2を円で表している各図において、当該ビームB1,B2を表す円の直径が、各ビームB1,B2のビーム径である。各ビームB1,B2のビーム径は、そのビームのピークを含み、ピーク強度の1/e2以上の強度の領域の径として定義する。なお、図示されないが、円形でないビームの場合は、掃引方向SDと垂直方向(図では、Y方向)における、ピーク強度の1/e2以上の強度となる領域の長さをビーム径と定義できる。また、表面Waにおけるビーム径は、スポット径と称する。
ここで、金属材料の光の吸収率について説明する。図4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4のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図4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、不図示の保持具によって金属部材11と金属部材12とが一体的に仮止めされた溶接構造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と溶接構造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、溶接部14を介して金属部材11と金属部材12とが接合され、溶接構造10が一体化される。
また、発明者らは、実験的な解析において、材料の吸収率を考慮したエネルギ密度という指標を導入し、当該エネルギ密度について、好適な溶接状態が得られる条件を見いだした。当該エネルギ密度は、以下の式(1)で表すことができる。
En=Rn×Pn/(Dn×V) ・・・ (1)
ここに、Enは、エネルギ密度[J/mm2]、Rnは、レーザ光が照射される部材(第一部材)の材料におけるレーザ光の吸収率、Pnは、レーザ装置によるレーザ光のパワー[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。式(1)から明らかとなるように、エネルギ密度Enによれば、レーザ光Lが照射される加工対象Wの材料の吸収率Rnを考慮した分析が可能となる。なお、エネルギ密度は、実効エネルギ密度とも称されうる。
図5は、レーザ溶接装置100の加工対象Wの一例である溶接構造10-2(10)の断面図である。図5の断面は、X方向と交差するとともに直交し、Y方向およびZ方向に沿っている。
下記の表3は、金属部材11の厚さT1が0.5[mm]以下であり、かつ金属部材12の厚さT2が1.0[mm]である場合に、エネルギ密度[J/mm2]を異ならせた複数のサンプル(サンプルNo.1~3)についての実験結果を示している。
図6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。図6に示されるように、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7は、第2実施形態の第1変形例のレーザ溶接装置100Bの概略構成図である。図7に示されるように、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(diffractive optical element、回折光学素子)を有している。この点を除き、レーザ溶接装置100Bは、第2実施形態のレーザ溶接装置100Aと同様の構成を備えている。
11…金属部材(第一部材、第二部材)
12…金属部材(第二部材、第一部材)
14…溶接部
14a…溶接金属
14a1…第一部位
14a2…第二部位
14b…熱影響部
14b1…第一ゾーン
14b2…第二ゾーン
14c1…端部(第一端部)
14c2…端部(第二端部)
100,100A,100B…レーザ溶接装置(溶接装置)
111…レーザ装置(レーザ発振器)
112…レーザ装置(レーザ発振器)
120…光学ヘッド
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
125a…回折格子
126…ガルバノスキャナ
126a,126b…ミラー
127…フィルタ
128…ミラー
130…光ファイバ
141…コントローラ(検出機構、補正機構)
150…駆動機構(補正機構)
170…カメラ(検出機構)
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
En,E1,E2…エネルギ密度
L…レーザ光
Pn…パワー
Rn…吸収率
Re1,Re2…エネルギ密度比
SD…掃引方向
T1,T2…厚さ
V…掃引速度
W…加工対象
Wa…表面
Wd…溶け込み深さ
Wd2…溶け込み深さ
Ww2…幅
X…方向
Y…方向(第二方向)
Z…方向(第一方向)
Claims (8)
- 第一部材と、当該第一部材に対して第一方向に重なるとともに当該第一部材とは異なる材質の第二部材と、を含む加工対象の、前記第一方向とは反対方向の端部に位置した表面上にレーザ光を照射することにより、前記第一部材と前記第二部材とを溶接する溶接方法であって、
前記加工対象には、前記表面から前記第一部材を前記第一方向に貫通して前記第二部材に至る溶接金属を含む溶接部が形成され、
前記溶接金属は、前記第一部材において形成される第一部位と、前記第二部材において形成される第二部位と、を含み、
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、
以下の式(1)および式(2)
E 1 =R 1 ×P 1 /(D 1 ×V) ・・・ (1)
E 2 =R 2 ×P 2 /(D 2 ×V) ・・・ (2)
ここに、E 1 は、第一レーザ光のエネルギ密度[J/mm 2 ]、R 1 は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、P 1 は、第一レーザ光のパワー[W]、D 1 は、表面における第一レーザ光のスポット径[mm]、E 2 は、第二レーザ光のエネルギ密度[J/mm 2 ]、R 2 は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、P 2 は、第二レーザ光のパワー[W]、D 2 は、表面における第二レーザ光のスポット径[mm]、およびVは、掃引速度[mm/s]、
で表せるエネルギ密度E 1 ,E 2 を定義した場合、
前記第一部材が、アルミニウム系材料であり、前記第二部材が、銅系材料である場合にあっては、第一レーザ光のエネルギ密度E 1 の、第二レーザ光のエネルギ密度E 2 に対する比(E 1 /E 2 )を、1以上かつ20以下にするとともに、前記第二部位の前記第一方向の溶け込み深さWd2に対する前記第一方向と交差した第二方向の幅Ww2の比Ew2=Ww2/Wd2を、1.9以上とし、
前記第一部材が、銅系材料であり、前記第二部材が、アルミニウム系材料である場合にあっては、第一レーザ光のエネルギ密度E 1 の、第二レーザ光のエネルギ密度E 2 に対する比(E 1 /E 2 )を、0以上かつ6以下にするとともに、前記第二部位の前記第一方向の溶け込み深さWd2に対する前記第一方向と交差した第二方向の幅Ww2の比Ew2=Ww2/Wd2を、1以上とする、溶接方法。 - 前記溶接金属の前記第一方向の溶け込み深さWdは、前記第一部材の前記第一方向の厚さをT1とした場合に、T1<Wd≦T1+0.5[mm]である、請求項1に記載の溶接方法。
- 前記第二レーザ光の波長は、400[nm]以上かつ500[nm]以下である、請求項1または2に記載の溶接方法。
- 前記第一部材の前記第一方向の厚さは、0.1[mm]以上2[mm]以下であり、前記第二部材の前記第一方向の厚さは、0.1[mm]以上2[mm]以下である、請求項1~3のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
- レーザ発振器と、
第一部材と、当該第一部材に対して第一方向に重なるとともに当該第一部材とは異なる材質の第二部材と、を含む加工対象の、前記第一方向とは反対方向の端部に位置した表面上にレーザ光を照射する光学ヘッドと、
を備え、前記第一部材と前記第二部材とを溶接する、溶接装置であって、
前記加工対象に、前記表面から前記第一部材を前記第一方向に貫通して前記第二部材に至る溶接金属を含む溶接部を形成し、
前記溶接金属は、前記第一部材において形成される第一部位と、前記第二部材において形成される第二部位と、を含み、
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、
以下の式(1)および式(2)
E 1 =R 1 ×P 1 /(D 1 ×V) ・・・ (1)
E 2 =R 2 ×P 2 /(D 2 ×V) ・・・ (2)
ここに、E 1 は、第一レーザ光のエネルギ密度[J/mm 2 ]、R 1 は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、P 1 は、第一レーザ光のパワー[W]、D 1 は、表面における第一レーザ光のスポット径[mm]、E 2 は、第二レーザ光のエネルギ密度[J/mm 2 ]、R 2 は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、P 2 は、第二レーザ光のパワー[W]、D 2 は、表面における第二レーザ光のスポット径[mm]、およびVは、掃引速度[mm/s]、
で表せるエネルギ密度E 1 ,E 2 を定義した場合、
前記第一部材が、アルミニウム系材料であり、前記第二部材が、銅系材料である場合にあっては、第一レーザ光のエネルギ密度E 1 の、第二レーザ光のエネルギ密度E 2 に対する比(E 1 /E 2 )を、1以上かつ20以下にするとともに、前記第二部位の前記第一方向の溶け込み深さWd2に対する前記第一方向と交差した第二方向の幅Ww2の比Ew2=Ww2/Wd2を、1.9以上とし、
前記第一部材が、銅系材料であり、前記第二部材が、アルミニウム系材料である場合にあっては、第一レーザ光のエネルギ密度E 1 の、第二レーザ光のエネルギ密度E 2 に対する比(E 1 /E 2 )を、0以上かつ6以下にするとともに、前記第二部位の前記第一方向の溶け込み深さWd2に対する前記第一方向と交差した第二方向の幅Ww2の比Ew2=Ww2/Wd2を、1以上とする、溶接装置。 - 前記レーザ発振器からの第一レーザ光および第二レーザ光の出力を変更可能なコントローラを備えた、請求項5に記載の溶接装置。
- 前記レーザ光の前記表面上での掃引速度を変更可能なコントローラを備えた、請求項5または6に記載の溶接装置。
- 前記光学ヘッドと前記加工対象との間の距離を変更可能なコントローラを備えた、請求項5~7のうちいずれか一つに記載の溶接装置。
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