JPH08309577A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】重合された加工材料を表裏両面から接合するこ
とのできる、特に銅のような熱伝導率が高く且つ反射率
の高い材料を短時間で溶接するのに適したレーザ加工装
置及び方法を提供すること。 【構成】銅電解時に使用する種板１に継手２を仮止めし
て所定の位置に設置する。種板１の両側に設けられたＸ
軸ステージ３に加工ノズル４が移動可能に取り付けられ
ている。ＹＡＧレーザ発振器５から出射したレーザ光は
光ファイバー６により加工ノズル４に導かれる。ガス混
合器９で混合されたアシストガスも加工ノズル４に供給
され、集光レンズで集光されたレーザ光と同軸で溶接面
に出射する。両側から同時に夫々溶接した後、各加工ノ
ズル４を水平に移動させ、夫々の他の溶接箇所を両側か
ら同様にして溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加工材料の表裏二面に
おいて同時に溶接する、特に高反射率材料の溶接に用い
て好適なレーザ加工装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】純度９９．９９％以上の銅を電解法によ
って得る場合には、銅鉱石を精錬して得た約９９．３％
の粗銅と純度約９９．９％の銅の種板とを、電解槽内に
所定の間隔で交互に配置し、アノード側の粗銅の銅成分
を種板に電着させて最終製品を得るようにするのが一般
的である。その場合、粗銅は電解槽に取り付けるが、種
板は電解槽内に吊り下げ状態で配置する。そのため、種
板にはワイヤーを通す銅製の継手（通称、リボン）が取
り付けられるが、その概略の構成を図７に示している。
図７の（ａ）はその正面図であり、（ｂ）は側面図であ
るが、これらの図から分かるように、種板１には通常二
つの継手２が取り付けられている。

【０００３】このように種板１に継手２を取り付ける場
合、従来は種板１と継手２を重ね、３層の銅板をプレス
機械によって一体化していた。その一体化方法を図８を
用いて説明する。図８の（ａ）は種板１と継手２との取
付け部の拡大正面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線で断
面した拡大図である。尚、この場合、種板１と継手２
は、共に厚さが約１ｍｍである。これらの図から分かる
ように、一体化後には二つの孔３が形成されているが、
取り付け時にはプレス機械の工具が図（ａ）の表面側か
ら辺イ，ロ，ハを剪断しつつ辺ニを折り曲げて背面側ま
で押し切られる。その時、折り曲げられた先端はダイ側
の形状によって図（ｂ）に示すように背面と略平行に折
り曲げられ種板１と継手２とを一体化する。このため、
背面側に突起が形成され、孔３の一辺が約１５ｍｍの場
合、その高さＨは５ｍｍ程度にまでなることがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】然るに、上記のように
突起の高さＨが約５ｍｍにもなると、アノード側の粗銅
との間隔がその部分だけ極端に狭くなるため、電解時に
おいて銅の電着量がその部分だけ多くなって通常の電解
時間の間に突起の高さは１０ｍｍにも達することがあ
る。そのため、電解時においてアノード側の粗銅と接触
し易くなり、接触してショートした場合には不良品とな
り、仮に接触しない場合でもこの突起によって完成品の
外観が極めて悪くなって品質を疑われ、しかも運搬時や
保管時に積み重ねた場合、スペース的に不利であり、且
つ荷くずれの危険があるという問題点があった。また、
このような問題点を少しでも解消すべく、図８（ｂ）の
段階後に、突起を押しつぶし高さを低くする試みも行わ
れているが、厚さ１ｍｍの種板の平面性を維持しながら
低コストで行うようにすることは考えるほど容易ではな
く、その効果にも自ずから限界がある。

【０００５】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、その目的とするところは、プ
レス加工に起因する上記のような突起を発生させずに、
重ね合わされた加工材料を表裏両面から接合することの
できる、特に銅のような熱伝導率が高く且つ反射率の高
い材料を短時間で溶接するのに適したレーザ加工装置及
び方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明におけるレーザ加工装置は、レーザ発振器
から出射され光学部品によって導かれたレーザ光の集光
レンズを有すると共に、溶接加工を行うために該集光レ
ンズで集光されたレーザ光とアシストガス供給装置から
供給されたアシストガスとを、重ね合わされた加工材料
に対して同軸から出射することのできる加工ノズルを、
該加工材料の表裏近傍位置に少なくとも一つずつ配置し
ている。

【０００７】また、好ましくは、上記のレーザ加工装置
において、前記加工材料は熱伝導率が高く且つ反射率の
高い材料であって、また前記アシストガスは該材料と反
応する活性ガス及び不活性ガスを混合器で所定の割合に
混合したガスにする。

【０００８】また、本発明のレーザ加工方法は、重ね合
わされた加工材料を設置する設置面の両側に、該設置面
に向けてレーザ光とアシストガスとを同軸から出射する
ことのできる加工ノズルを少なくとも一つずつ配置し、
該設置面に設置された該加工材料の両側において該加工
ノズルによって各所定箇所の溶接を行った後、該加工ノ
ズルを該設置面に対して平行に移動させ他の所定箇所の
溶接を行わせるようにする。

【０００９】

【作用】レーザ加工装置に設けられた所定の設置位置
に、重ね合わされた加工材料をセットする。加工装置に
は、該加工材料の設置面の両側に、各々溶接面に対向さ
せて少なくとも一つずつの加工ノズルが設けられてい
る。溶接作業はシーケンサーに制御されて自動的に行わ
れる。先ず、レーザ発振器を作動させてからアシストガ
スの開閉弁を開く。酸素とアルゴンを混合させたアシス
トガスを各加工ノズルから各溶接面に出射させておいて
からレーザ発振器のシャッターを開く。レーザ光は各加
工ノズルに導かれたあと集光レンズで集光され、該アシ
ストガスと同軸で各溶接面に出射される。従って、溶接
は加工材料の表裏複数箇所で同時に行われる。溶接終了
時には該シャッターを閉じ、アシストガスの開閉弁を閉
じる。

【００１０】加工ノズルを加工材料の設置面に対して平
行移動可能に取り付けた場合には、１箇所の溶接が終わ
ったあと加工ノズルを次の溶接箇所に移動させる。その
後、上記のようにしてアシストガスの開閉弁を開き、レ
ーザ発振器のシャッターを開くことによって溶接が行わ
れる。このように加工ノズルを移動できるようにした場
合には、一つの溶接箇所を溶接する時にも、その溶接面
内で加工ノズルを移動させつつ複数点で溶接できるよう
になる。

【００１１】

【実施例】

第１実施例 上記したように銅種板と銅継手とを一体化する場合にお
ける本発明の第１実施例を図１乃至図４を用いて説明す
る。先ず、図１及び図２を用いてレーザ加工装置の構成
を説明する。図１において、加工材料である種板１と継
手２とが３層に重ね合わされて所定の位置に設置されて
いる。種板１の設置面の上下両側には、該設置面と平行
に各々Ｘ軸ステージ３が配置されており、各Ｘ軸ステー
ジ３にはＸ方向、即ち矢印方向に往復移動できるように
して加工ノズル４が取り付けられている。

【００１２】二つのＹＡＧレーザ発振器５から出射した
レーザ光は、夫々光ファイバー６によって各加工ノズル
４に導かれるようになっている。また、夫々ガスボンベ
７，８から出たアルゴンと酸素とはガス混合器９でアシ
ストガスとして混合され、そのアシストガスが各加工ノ
ズル４に供給されるようになっている。このガス混合器
９には、図２に示すように流量調整弁９ａ，９ｂと混合
室９ｃが設けられており、流量調整弁９ａ，９ｂによっ
て混合比を調整されたアシストガスは混合室９ｃから各
加工ノズル４に供給される。

【００１３】特に図示してはいないが、各ＹＡＧレーザ
発振器５の出射端にはシャッターが設けられ、また、ガ
ス混合器９と加工ノズル４との間には開閉弁が設けられ
ている。更に、図示していないが加工ノズル４には集光
レンズが内蔵されており、ＹＡＧレーザ発振器５から導
かれたレーザ光は、この集光レンズで集光されたあと、
アシストガスと共に加工ノズル４の先端から同軸的に加
工材料に向けて出射されるようになっている。

【００１４】尚、本実施例においてＹＡＧレーザ光を用
いるのは、ＣＯ2 レーザ光に比較して吸収率が良いから
である。即ち、９９．９％以上の銅板は熱伝導率が略３
９８ｋ／Ｗｍ^-1Ｋ^-1であり鉄の約５倍であるが、これに
対するＣＯ2 レーザ光の反射率が約９５％であるのに対
してＹＡＧレーザ光の場合は約８０％である。また、活
性ガスである酸素と不活性ガスであるアルゴンとの混合
ガスをアシストガスとして用いると、銅表面には酸化銅
が生成され、それがＹＡＧレーザ光の吸収率を向上させ
て溶け込みを深くし、接合強度を高めることが可能とな
る。

【００１５】次に、図３のフローチャートを用い、上記
のレーザ加工装置によって種板１に継手２を溶接する方
法の一例を説明する。この場合、種板１と継手２の各板
厚は約１ｍｍであり、溶接後の総重量は約１０ｋｇであ
る。また、図３には所定の各フロー単位で所要時間が秒
（ｓ）単位で示されている。溶接作業に入る前に、予
め、ガス混合器９の調整弁９ａ，９ｂによってアシスト
ガスの混合比を決めておく。そして、その後の溶接作業
はシーケンサーに制御されて自動的に行われる。先ず、
種板１を所定の設置位置にセットし、二つの継手２を種
板１に仮止めする。この時、上側の加工ノズル４は右側
の継手２の上方に位置し、下側の加工ノズル４は左側の
継手２の下方に位置している。

【００１６】その後、各ＹＡＧレーザ発振器５を作動さ
せてから図示していないアシストガスの開閉弁を開く。
アシストガスを各加工ノズル４によって各継手２の表面
に出射させておいてから各ＹＡＧレーザ発振器５のシャ
ッターを開く。そのため、レーザ光は各加工ノズル４に
導かれたあと集光レンズで集光され、各継手２の表面に
出射され、溶接が行われる。所定の溶接時間後にシャッ
ターを閉じると、各加工ノズル４は各Ｘ軸ステージ３に
おいて動かされ、上側の加工ノズル４は左側の継手２の
上方に移動し、下側の加工ノズル４は右側の継手２の下
方に移動する。そして、上記と同じようにして２番目の
溶接が行われる。この２番目の溶接時間後にシャッター
が閉じると、アシストガスの開閉弁が閉じ、且つ各ＹＡ
Ｇレーザ発振器５の作動も停止する。

【００１７】上記のように、本実施例においては各溶接
時間毎に２箇所の溶接が行われるので、４箇所の溶接を
１箇所ずつ行う場合に比べて、種板１枚の溶接に要する
時間が１／２に短縮される。このようにして１枚の種板
の溶接が完了すると溶接された種板が取り除かれ、次の
種板がセットされる。それらは同時に且つ自動的に行わ
れ、以後、上記と同様にして溶接作業が繰り返される。
尚、上記においては１箇所の溶接を１点で行うことを前
提にして説明したが、加工ノズル４を溶接面に対して少
しずつ移動させることにより、１箇所の溶接を連続的に
多点で行うようにしても構わない。

【００１８】上記したように、１箇所の溶接面に対して
加工ノズル４を少しずつ移動させることによって多点で
溶接するようにした場合の実験結果が図４の表に示され
ている。尚、この実験に用いた光ファイバー６は長さが
１５ｍであって、コア径が１．０ｍｍのステップインデ
ックス型のものである。また、加工ノズル４に内蔵され
ている集光レンズの焦点距離は１００ｍｍである。そし
て１箇所の溶接長は約２０ｍｍであり、一つのビーム跡
の径は約１．５ｍｍであった。

【００１９】図４に示された表からも分かるように、７
００Ｗ以下のレーザ出力では、実験例１のようにアシス
トガスとして不活性ガスであるアルゴンのみを使用した
場合、継手にビーム跡が付いたものの種板に対する継手
の溶け込み深さが２００〜５００μｍしか得られず、引
っ張り強度が全く不十分で実施不可能なものであった。
また、実験例２のようにアシストガスとして活性ガスで
ある酸素のみを使用した場合には、１ｍｍ厚の継手が切
断されてしまった。

【００２０】そこで、実験例３，４，５のようにアシス
トガスとしてアルゴンと酸素を混合させ、夫々混合比を
変えてみたところ極めて良好な引っ張り強度が得られ、
特に実験例４の場合には４３０Kgf が得られた。また、
実験例６の場合にはアシストガスとして酸素のみを使用
する代わりにレーザ出力を下げ且つ溶接速度を早めてみ
た。その結果、溶け込み深さは若干浅く、引っ張り強度
も１５０Kgf であったが、種板の場合には上記したよう
に重量が１０ｋｇ程度なので、まずまず実施可能な範囲
の強度であった。

【００２１】第２実施例 本発明の第２実施例を図５及び図６を用いて説明する。
先ず、図５を用いて本実施例におけるレーザ加工装置の
構成を説明する。各符号は、第１実施例のものと実質的
に同じであるものには同じ符号を付けてある。本実施例
においては各ステージ１０に各々２個の加工ノズル４を
取り付けている。各加工ノズル４はステージ１０に対し
て固定されているが、１箇所の溶接面の範囲内において
移動可能に取り付け、第１実施例においても説明したよ
うに１箇所を多点で溶接できるようにすることを妨げな
い。

【００２２】ＹＡＧレーザ発振器５から出射されたレー
ザ光の伝送路はアルミニウム製のパイプで囲まれてお
り、その伝送路にミラー１１，１２が配置されている。
ミラー１１は１００％の反射ミラーであるが、ミラー１
２は石英ガラス上に誘電体多層膜を付与した５０％反射
のハーフミラーである。従って、本実施例においては加
工材料の一方の面において２箇所を同時に溶接すること
になるので、ＹＡＧレーザ発振器５の出力は第１実施例
の場合の２倍を必要とする。また、ガス混合器９によっ
て酸素とアルゴンを混合したアシストガスは、すべての
加工ノズル４に供給される。そして、その他の構成，機
能は第１実施例の場合と同じである。

【００２３】次に、図６のフローチャートを用い、上記
したレーザ加工装置によって種板１に継手２を溶接する
方法の一例を説明する。この図６の場合にも、図３の場
合と同じように所要時間が秒（ｓ）単位で示されてい
る。溶接作業に入る前に、予め、ガス混合器９によって
アシストガスの混合比を決めておく。そして、その後の
溶接作業はシーケンサーに制御されて自動的に行われ
る。先ず、各ＹＡＧレーザ発振器５を作動させてから図
示していないアシストガスの開閉弁を開く。その状態で
種板１を所定の設置位置にセットし、二つの継手２を種
板１に仮止めする。この時、上側の各加工ノズル４も下
側の各加工ノズル４も、各継手２の溶接面に対向する位
置に予め位置決めされている。従って、この状態におい
てはアシストガスは各加工ノズル４によって各継手２の
溶接面に出射されている。

【００２４】その後、各ＹＡＧレーザ発振器５のシャッ
ターを開く。レーザ光はハーフミラー１２で分光され、
透過したレーザ光はミラー１１で反射されることによっ
て、略均等なレーザ光が各加工ノズル４に導かれる。各
加工ノズル４に導かれたレーザ光は集光レンズで集光さ
れ、各継手２の表面に出射され、種板１の表裏両面から
同時に４箇所の溶接が行われる。所定の溶接時間後に各
ＹＡＧレーザ発振器５のシャッターを閉じると、溶接さ
れた種板が取り除かれ、次の種板がセットされる。それ
らは同時に且つ自動的に行われ、以後、上記と同様にし
て溶接作業が繰り返される。そして予定の枚数の溶接が
完了すると、アシストガスの開閉弁を閉じ、各ＹＡＧレ
ーザ発振器５の作動を停止させる。

【００２５】上記のように、本実施例においては一度に
４箇所の溶接を行うので、１箇所ずつ行う場合に比べ
て、種板１枚の溶接に要する時間が約１／４に短縮さ
れ、また第１実施例の場合には図３に示されているよう
に１枚の溶接作業時間（タクトタイム）が約６秒である
のに対して本実施例によれば２秒で済む。

【００２６】尚、上記の各実施例においては溶接箇所が
４箇所の場合で説明したが、本発明においては加工材料
の両面から同時に溶接作業が行えれば良いわけであり、
特に溶接箇所の数には制限がない。また、上記の各実施
例においてはレーザ発振器を二つ設けているが、出力の
大きさに制約がなければ一つであっても構わない。更
に、加工材料が銅のように高反射率を有する材料の場合
には、ＹＡＧレーザが適しており、また、アシストガス
は活性ガスと不活性ガスの混合ガスが適しているが、本
発明は特にこれらに限定されるものではない。

【００２７】以上説明したことからも明らかなように、
以下に示す構成も本発明の特徴である。 （１）各加工ノズルは、重ね合わされた加工材料の表裏
面に対して各々平行に移動するステージに固定されてい
ることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。 （２）重ね合わされた加工材料の表裏近傍位置には各加
工ノズルが各々複数個配置され、該複数個の加工ノズル
にはレーザ光が分光光学部品を介して略均等に供給され
るようにしたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ
加工装置。 （３）重ね合わされた加工材料は、銅電解時に電解槽に
吊り下げられる銅製の種板と、吊り下げ用の銅継ぎ手で
あることを特徴とする請求項１乃至３及び上記（１），
（２）の何れかに記載のレーザ加工装置又は方法。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、複数箇
所の溶接を加工材料の両面から行えるので、両面溶接を
必要とする一つの加工材料の溶接時間を短くすることが
できる。また、銅の電解時に使用する種板に対して継手
を取り付ける場合に適用すると、従来のようにプレス加
工を行った場合に比較して取り付け部に大きな突起が発
生せず、それによって完成品の外観が良くなるだけでな
く、突起への電解集中がなくなるので電解時の不純物が
減り純度の高い電気銅が作製でき、しかも保管スペース
に優れ且つ荷くずれの危険が減り、且つ電解時における
ショートの虞もなく生産性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における第１実施例のレーザ加工装置を
示す説明図である。

【図２】第１実施例に用いられるガス混合器の説明図で
ある。

【図３】第１実施例による加工工程を示すフローチャー
トである。

【図４】第１実施例に関連して行った実験の加工条件と
引っ張り強度との関係を示す図である。

【図５】本発明における第２実施例のレーザ加工装置を
示す説明図である。

【図６】第２実施例による加工工程を示すフローチャー
トである。

【図７】銅電解に用いられる一般の種板形状を示してお
り、（ａ）は正面図であり、（ｂ）は側面図である。

【図８】図７に示された種板の一部を詳細に示したもの
であり、（ａ）は継手の取り付け部を拡大した図であ
り、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。

【符号の説明】

１ 種板 ２ 継手 ３ Ｘ軸ステージ ４ 加工ノズル ５ ＹＡＧレーザ発振器 ６ 光ファイバー ７，８ ガスボンベ ９ ガス混合器 ９ａ，９ｂ 調整弁 ９ｃ 混合室 １０ ステージ １１ ミラー １２ ハーフミラー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発振器から出射され光学部品によ
   って導かれたレーザ光の集光レンズを有すると共に、溶
   接加工を行うために該集光レンズで集光されたレーザ光
   とアシストガス供給装置から供給されたアシストガスと
   を、重ね合わされた加工材料に対して同軸から出射する
   ことのできる加工ノズルを、該加工材料の表裏近傍位置
   に少なくとも一つずつ配置したことを特徴とするレーザ
   加工装置。
2. 【請求項２】 前記加工材料は熱伝導率が高く且つ反射
   率の高い材料であって、また前記アシストガスは該材料
   と反応する活性ガス及び不活性ガスを混合器で所定の割
   合に混合したガスであることを特徴とする請求項１に記
   載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 重ね合わされた加工材料を設置する設置
   面の両側に、該設置面に向けてレーザ光とアシストガス
   とを同軸から出射することのできる加工ノズルを少なく
   とも一つずつ配置し、該設置面に設置された該加工材料
   の両側において該加工ノズルによって各所定箇所の溶接
   を行った後、該加工ノズルを該設置面に対して平行に移
   動させ他の所定箇所の溶接を行わせるようにしたことを
   特徴とするレーザ加工方法。