JP2005288481A

JP2005288481A - 高反射部材のレーザ溶接方法

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Publication number: JP2005288481A
Application number: JP2004107199A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Koyama; 山博隆小
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】レーザ光の発振波長において高い反射率を有する部材を高い品質で効率的に溶接することができるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】まず、溶接対象となる２つの部材１，２の接合部分に、比較的低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ予備レーザパルスＬＰ１を照射して溶融池Ｍを形成する。次に、予備レーザパルスＬＰ１の照射により溶融池Ｍがレーザ光Ｌの集光スポット径Ｄと同程度の径を持つまでに径方向に成長した時点で、予備レーザパルスＬＰ１に連続する形で、予備レーザパルスＬＰ１よりも十分に高いピーク出力及びエネルギー密度を持つ主レーザパルスＬＰ２を照射する。最後に、主レーザパルスＬＰ２の照射により溶融池Ｍが十分な深さを持つまでに深さ方向に成長した時点で、主レーザパルスＬＰ２に連続する形で、予備レーザパルスＬＰ１と同程度又はそれよりも低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ徐冷レーザパルスＬＰ３を照射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の部材の接合部分に一連のレーザパルスからなるレーザ光を照射して各部材を互いに溶接するレーザ溶接方法に係り、とりわけ、レーザ光の発振波長において高い反射率を有するアルミニウムやアルミニウム合金、銅、銅合金等の高反射材料からなる部材を溶接するのに適したレーザ溶接方法に関する。

携帯電話用の電池ケースの材料として広く用いられているアルミニウムやアルミニウム合金、銅、銅合金等の材料は、常温時の特性として、近赤外域において高い反射率を有している。このため、このような材料からなる部材の接合部分に、発振波長が近赤外域にあるレーザ光（例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ光）を照射して溶接を行うと、溶接対象となる部材の接合部分の表面でレーザ光の多くが反射されてしまうこととなり、部材の接合部分でレーザ光のエネルギーが効率良く吸収されず、十分な加工効率が得られないという問題があった。

そこで、従来においては、溶接対象となる部材の接合部分に高いピーク出力を持つレーザ光を照射して溶融池を形成し、当該部材の接合部分の表面の反射率を低下させた状態で溶接を行う方法が提案されている（特許文献１）。
特開平１１−２７３６３９号公報

しかしながら、上述した従来の方法では、部材の接合部分の表面に溶融池が形成されることでその表面の反射率が低下するものの、このようにして形成される溶融池はレーザ光の集光スポットの中心部付近から徐々に成長するので、溶融池がレーザ光の集光スポット径と同程度の径を持つまでに径方向に成長するまでは、レーザ光の集光スポット径の内部の領域のうち溶融池の外周部に位置する領域（部材が溶融していない領域）の表面は高い反射率を維持している。このため、上述したような高いピーク出力を持つレーザ光を照射したとしても、レーザ光の集光スポット径の内部の領域のうち溶融池の外周部に位置する領域では、依然としてレーザ光が反射されてしまうこととなり、部材の接合部分でレーザ光のエネルギーが必ずしも効率良く吸収されているとは言い難く、加工効率を下げる原因となっていた。

本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、レーザ光の発振波長において高い反射率を有するアルミニウムやアルミニウム合金、銅、銅合金等の高反射材料からなる部材を高い品質で効率的に溶接することができるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は、高反射材料からなる複数の部材の接合部分に一連のレーザパルスからなるレーザ光を照射して当該各部材を互いに溶接するレーザ溶接方法において、溶接対象となる複数の部材の接合部分に比較的低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ予備レーザパルスを照射して溶融池を形成するステップと、前記予備レーザパルスの照射により前記溶融池がレーザ光の集光スポット径と同程度の径を持つまでに径方向に成長した時点で、前記予備レーザパルスに連続する形で、前記予備レーザパルスよりも十分に高いピーク出力及びエネルギー密度を持つ主レーザパルスを照射し、前記溶融池にキーホールを形成するステップとを含むことを特徴とするレーザ溶接方法を提供する。

なお、本発明においては、前記主レーザパルスの照射により前記溶融池が十分な深さを持つまでに深さ方向に成長した時点で、前記主レーザパルスに連続する形で、前記予備レーザパルスと同程度又はそれよりも低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ徐冷レーザパルスを照射し、前記溶融池に形成されたキーホールをその周囲の溶融部材により埋めるステップをさらに含むことが好ましい。

また、本発明においては、前記予備レーザパルスのパルス幅が１ｍｓ以上、パルスエネルギーが２Ｊ／pulse以下、ピーク出力が２ｋＷ以下、加工点でのエネルギー密度が２０Ｊ／ｍｍ^２以下であり、前記主レーザパルスのパルス幅が０．１ｍｓ以上、パルスエネルギーが０．２Ｊ／pulse以上、ピーク出力が２ｋＷ以上、加工点でのエネルギー密度が２０Ｊ／ｍｍ^２以上であり、前記徐冷レーザパルスのパルス幅が０．２ｍｓ以上、パルスエネルギーが２Ｊ／pulse以下、ピーク出力が２ｋＷ以下、加工点でのエネルギー密度が２０Ｊ／ｍｍ^２以下であることが好ましい。

さらに、本発明においては、前記主レーザパルスの照射により前記溶融池が十分な深さを持つまでに深さ方向に成長した時点で、前記予備レーザパルスと同程度又はそれよりも低いピーク出力及びエネルギー密度を持つＣＷレーザを照射し、前記溶融池に形成されたキーホールをその周囲の溶融部材により埋めるステップをさらに含むことが好ましい。ここで、前記ＣＷレーザは前記主レーザパルスの照射インターバル中に重畳的に照射されることが好ましい。

なお、本発明において、前記高反射材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅及び銅合金からなる群から選択されることが好ましい。

本発明によれば、比較的低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ予備レーザパルスを照射して、レーザ光の集光スポット径と同程度の径を持つまでに溶融池を径方向に成長させた後、予備レーザパルスよりも十分に高いピーク出力及びエネルギー密度を持つ主レーザパルスを照射して、溶融池で発生した金属蒸気によりキーホールを形成するようにしているので、比較的低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ予備レーザパルスの照射による熱伝導を利用して溶融池を径方向及び深さ方向へ成長させる一方で、予備レーザパルスよりも十分に高いピーク出力及びエネルギー密度を持つ主レーザパルスの照射によるキーホールＨの形成により溶融池を深さ方向へ成長させることができる。このため、溶融池の深さ方向への成長を熱伝導のみによって行う場合に比べて、溶融池を深さ方向へ成長させるのに必要とされるレーザパルスのパルス幅を全体として短くすることが可能となり、レーザ発振器に加えられる負荷を抑制して、パルス繰り返し数の向上ひいては溶接速度の向上を図ることができる。またこの場合、溶融池の径方向への成長に関しては、ピーク出力の低い予備レーザパルスの照射により行うことができるので、予備レーザパルスの照射時におけるキーホールの生成を抑え、溶接の安定性（溶融深さの安定性、ブローホールの発生の回避、スパッタの生成を抑えることによるビード外観の安定性等）を図ることができる。さらに、主レーザパルスは、予備レーザパルスの照射により溶融池がレーザ光の集光スポット径と同程度の径を持つまでに径方向に成長した時点で照射されるので、固体状態である場合に比べて表面の反射率が低い溶融池に主レーザパルスの大半が照射されることとなり、部材の接合部分に効率良く主レーザパルスのエネルギーが吸収される。すなわち、同一のエネルギーを投入したとしても多くのエネルギーが部材の接合部分に吸収されることとなり、効率の良い溶接を行うことができる。

また、本発明によれば、予備レーザパルス及び主レーザパルスを照射して、十分な深さを持つまでに溶融池を深さ方向に成長させた後、予備レーザパルスと同程度又はそれよりも低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ徐冷レーザパルスを照射して、溶融池に形成されたキーホールをその周囲の溶融部材により埋めるようにしているので、ブローホールが完全に消失するまで徐冷レーザパルスを持続するようにすれば、ブローホールの発生を確実に抑えることができる。

発明を実施するための形態

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

まず、図１(a)(b)(c)及び図２により、本発明の一実施の形態に係るレーザ溶接方法について説明する。

図１(a)(b)(c)に示すように、本実施の形態においては、高反射材料からなる２つの部材１，２の接合部分に一連のレーザパルスからなるレーザ光Ｌを集光レンズ５を介して所定の集光スポット径Ｄで照射して当該各部材１，２を互いに溶接する。なお、溶接対象となる部材１，２はアルミニウム合金からなるものであり、レーザ光（例えばＮｄ：ＹＡＧレーザ光）の発振波長（例えば近赤外域）において高い反射率を有している。

ここで、溶接対象となる部材１，２に照射されるレーザ光Ｌは、図２に示すような複数種類のレーザパルス（予備レーザパルスＬＰ１、主レーザパルスＬＰ２及び徐冷レーザパルスＬＰ３）を含み、それぞれがＬＰ１，ＬＰ２，ＬＰ３の順番で出射される。図２に示すように、予備レーザパルスＬＰ１、主レーザパルスＬＰ２及び徐冷レーザパルスＬＰ３は互いに連続しており、全体として一つのレーザパルスを構成している。なお、予備レーザパルスＬＰ１、主レーザパルスＬＰ２及び徐冷レーザパルスＬＰ３は、そのパルス形状が互いに異なっており、それに伴ってピーク出力及びエネルギー密度が異なっている。

図１(a)に示すように、本実施の形態に係るレーザ溶接方法においては、まず、溶接対象となる２つの部材１，２の接合部分に予備レーザパルスＬＰ１を照射して溶融池Ｍを形成する。なお、予備レーザパルスＬＰ１は、図２に示すように、パルス幅がｔ_１、レーザ光出力がＰ_２の矩形状のパルス形状を有するものであり、部材１，２の接合部分に形成される溶融池Ｍの温度が沸点に到達しない程度の比較的低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ。

ここで、予備レーザパルスＬＰ１は、図２に示すように、時間０〜ｔ_１までの期間（溶融池形成期間）に亘って２つの部材１，２の接合部分に照射される。このとき、予備レーザパルスＬＰ１の照射開始直後においては、図１(a)に示すように、レーザ光Ｌの集光スポットの中心近傍の極く限られた部分のみが溶融して溶融池Ｍを形成し、その後に溶融池Ｍの径が大きくなっていく。このため、溶融池Ｍの径がレーザ光Ｌの集光スポット径Ｄと同程度の径を持つまでに径方向に成長するまでは、レーザ光Ｌの集光スポット径Ｄの内部の領域のうち溶融池Ｍの外周部に位置する領域（金属が溶融していない領域）の表面が高い反射率を維持し、当該領域においてレーザ光Ｌが反射されてしまう。しかしながら、溶融池Ｍがレーザ光Ｌの集光スポット径Ｄと同程度の径を持つまでに径方向に成長すると、部材１，２の接合部分でレーザ光Ｌのエネルギーが効率良く吸収される。

なお、このようにして形成された溶融池Ｍは、レーザ光Ｌの集光スポット径Ｄの外部の領域においても熱伝導によってその径方向に拡がりながら成長し、また、その深さ方向にも径方向と同様に拡がっていく。

ここで、レーザ光Ｌの集光スポット径Ｄの外部の領域における溶融池Ｍの径方向への成長速度は、溶接対象となるアルミニウム合金の基本物性や照射レーザ条件に依存するものではあるが、例えばアルミニウム合金であるＡ３００３に対してレーザ光（ピーク出力が１ｋＷ程度、集光スポット径が０．４ｍｍ程度）を照射した場合には、集光スポット径である０．４ｍｍの外部に位置する領域で溶融池Ｍが径方向へ拡がる速度は数１０μｍ／ｍｓ程度となる。このため、レーザ光Ｌのパルス幅が数ｍｓ程度である場合には、この段階で最終的に得られる溶融池Ｍの径は０．５ｍｍ程度となる。

また、このような熱伝導による溶融の場合には、椀状の溶融池が形成されるので、その深さ方向の寸法は、径方向の寸法の半分以下程度となる。このため、同一の条件で予備レーザパルスＬＰ１の照射を継続しても、熱伝導による溶融のみにより形成される溶融池Ｍでは、その深さ方向への成長に限界がある。

そこで、予備レーザパルスＬＰ１の照射により溶融池Ｍがレーザ光Ｌの集光スポット径Ｄと同程度の径を持つまでに径方向に成長した時点で、予備レーザパルスＬＰ１に連続する形で主レーザパルスＬＰ２を照射し、溶融池ＭにキーホールＨを形成する。なお、主レーザパルスＬＰ２は、図２に示すように、パルス幅が（ｔ_２−ｔ_１）、レーザ光出力がＰ_３の矩形状のパルス形状を有するものであり、予備レーザパルスＬＰ１よりも十分に高いピーク出力及びエネルギー密度を持つ。

ここで、主レーザパルスＬＰ２は、図２に示すように、時間ｔ_１〜ｔ_２までの期間（深溶け込み期間）に亘って２つの部材１，２の接合部分に照射される。このとき、主レーザパルスＬＰ２は、予備レーザパルスＬＰ１よりも十分に高いピーク出力及びエネルギー密度を持つので、図１(b)に示すように、主レーザパルスＬＰ２の照射によって溶融池Ｍで発生した金属蒸気によりキーホールＨが形成されることとなり、溶融池Ｍが十分な深さを持つまでに深さ方向に成長する。なお、このようにして形成されるキーホールＨは、図１(b)に示すように、径方向の寸法は溶融池Ｍの径よりも小さいが、深さ方向の寸法は溶融池Ｍよりもかなり大きいものである。ここで、主レーザパルスＬＰ２は、溶融池Ｍがレーザ光Ｌの集光スポット径Ｄと同程度の径を持つまでに径方向に成長した時点で照射されるので、固体状態である場合に比べて表面の反射率が低い溶融池Ｍに主レーザパルスＬＰ２の大半が照射されることとなり、部材１，２の接合部分に効率良く主レーザパルスＬＰ２のエネルギーが吸収される。すなわち、同一のエネルギーを投入したとしても多くのエネルギーが部材１，２の接合部分に吸収されることとなり、効率の良い溶接を行うことができる。

最後に、主レーザパルスＬＰ２の照射により溶融池Ｍが十分な深さを持つまでに深さ方向に成長した時点で、主レーザパルスＬＰ２に連続する形で徐冷レーザパルスＬＰ３を照射し、溶融池Ｍに形成されたキーホールＨをその周囲の溶融金属（溶融部材）により埋める。なお、徐冷レーザパルスＬＰ３は、図２に示すように、パルス幅が（ｔ_３−ｔ_２）、レーザ光出力がＰ_１〜Ｐ_２のスロープ形状のパルス形状を有するものであり、予備レーザパルスＬＰ１と同程度又はそれよりも低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ。

ここで、徐冷レーザパルスＬＰ３は、時間ｔ_２〜ｔ_３までの期間（溶融池整形期間）に亘って２つの部材１，２の接合部分に照射される。このとき、溶融池ＭのうちキーホールＨの周囲にはそれよりも十分に大きな体積を持つ溶融金属があるので、主レーザパルスＬＰ２の照射が終了して溶融金属の凝固が進むときにキーホールＨは埋められてしまい、ブローホールの発生が抑えられる。ここで、ブローホールが完全に消失するまで徐冷レーザパルスＬＰ３を持続するようにすれば、ブローホールの発生は確実に抑えられる。

なお、以上において、予備レーザパルスＬＰ１、主レーザパルスＬＰ２及び徐冷レーザパルスＬＰ３の照射条件は、溶接対象となるアルミニウム合金の基本物性等に依存するものであるが、予備レーザパルスＬＰ１は、そのパルス幅が１ｍｓ以上、パルスエネルギーが２Ｊ／pulse以下、ピーク出力が２ｋＷ以下、加工点でのエネルギー密度が２０Ｊ／ｍｍ^２以下であることが好ましい。また、主レーザパルスＬＰ２は、そのパルス幅が０．１ｍｓ以上、パルスエネルギーが０．２Ｊ／pulse以上、ピーク出力が２ｋＷ以上、加工点でのエネルギー密度が２０Ｊ／ｍｍ^２以上であることが好ましい。さらに、徐冷レーザパルスＬＰ３は、そのパルス幅が０．２ｍｓ以上、パルスエネルギーが２Ｊ／pulse以下、ピーク出力が２ｋＷ以下、加工点でのエネルギー密度が２０Ｊ／ｍｍ^２以下であることが好ましい。

また、予備レーザパルスＬＰ１、主レーザパルスＬＰ２及び徐冷レーザパルスＬＰ３のパルス形状は、図２に示すようなものに限らず、例えば、図３(a)(b)に示すものや、図４(a)(b)(c)(d)に示すものとしてもよい。なお、図２、図３(a)(b)及び図４(a)(b)(c)(d)に示すものはいずれも、予備レーザパルスＬＰ１及び主レーザパルスＬＰ２の照射後に徐冷レーザパルスＬＰ３を照射して、溶融池Ｍに形成されたキーホールＨをその周囲の溶融金属により埋めるようにするものであるが、要求される溶融池Ｍの溶け込み深さや加工速度、溶接品位等によっては、図５(a)(b)に示すように、予備レーザパルスＬＰ１及び主レーザパルスＬＰ２のみを照射し、徐冷レーザパルスＬＰ３を照射しないようにすることもできる。

ここで、上述した一連のレーザパルス（予備レーザパルスＬＰ１、主レーザパルスＬＰ２及び徐冷レーザパルスＬＰ３）は、例えば図６に示すようなレーザ装置１０によりレーザ光の波形制御を行うことにより得ることができる。

具体的には、図６に示すレーザ装置１０は、励起ランプ１１ａを有するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１に任意の大きさの駆動電力を印加するスイッチング電源１２と、スイッチング電源１２によりレーザ発振器１１に印加される駆動電力を制御する制御用マイコン１３とを備えている。なお、制御用マイコン１３は、通信路１５を介して制御用パーソナルコンピュータ１４に接続されており、制御用パーソナルコンピュータ１４からの指示の下で、予備レーザパルスＬＰ１、主レーザパルスＬＰ２及び徐冷レーザパルスＬＰ３をこの順でかつ互いに連続する形でレーザ発振器１１から出射させるよう、スイッチング電源１２を制御するようになっている。ここで、制御用マイコン１３及び制御用パーソナルコンピュータ１４により制御用コンピュータが構成されている。

すなわち、図６に示すレーザ装置１０において、レーザ発振器１１から出射されるレーザパルスのパルス形状は、スイッチング電源１２により印加される駆動電力の波形に応じて制御され、制御用マイコン１３及び制御用パーソナルコンピュータ１４による制御の下でスイッチング電源１２によりレーザ発振器１１に印加される駆動電力の波形が変更されることにより、レーザ発振器１１から所定のピーク出力及びエネルギー密度を持つ一連のレーザパルス（予備レーザパルスＬＰ１、主レーザパルスＬＰ２及び徐冷レーザパルスＬＰ３）が出射されるようになっている。なお、以上のとおり、レーザ発振器１１から出射されるレーザパルスのパルス形状は、スイッチング電源１２により印加される駆動電力の波形に応じて制御されるので、予備レーザパルスＬＰ１、主レーザパルスＬＰ２及び徐冷レーザパルスＬＰ３のパルス形状、パルス幅、パルスエネルギー及び投入タイミング等を独立に変更することが可能である。

このように本実施の形態によれば、比較的低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ予備レーザパルスＬＰ１を照射して、レーザ光Ｌの集光スポット径Ｄと同程度の径を持つまでに溶融池Ｍを径方向に成長させた後、予備レーザパルスＬＰ１よりも十分に高いピーク出力及びエネルギー密度を持つ主レーザパルスＬＰ２を照射して、溶融池Ｍで発生した金属蒸気によりキーホールＨを形成するようにしているので、比較的低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ予備レーザパルスＬＰ１の照射による熱伝導を利用して溶融池Ｍを径方向及び深さ方向へ成長させる一方で、予備レーザパルスＬＰ１よりも十分に高いピーク出力及びエネルギー密度を持つ主レーザパルスＬＰ２の照射によるキーホールＨの形成により溶融池Ｍを深さ方向へ成長させることができる。このため、溶融池Ｍの深さ方向への成長を熱伝導のみによって行う場合に比べて、溶融池Ｍを深さ方向へ成長させるのに必要とされるレーザパルスのパルス幅を全体として短くすることが可能となり、レーザ発振器１１に加えられる負荷を抑制して、パルス繰り返し数の向上ひいては溶接速度の向上を図ることができる。またこの場合、溶融池Ｍの径方向への成長に関しては、ピーク出力の低い予備レーザパルスＬＰ１の照射により行うことができるので、予備レーザパルスＬＰ１の照射時におけるキーホールＨの生成を抑え、溶接の安定性（溶融深さの安定性、ブローホールの発生の回避、スパッタの生成を抑えることによるビード外観の安定性等）を図ることができる。さらに、主レーザパルスＬＰ２は、予備レーザパルスＬＰ１の照射により溶融池Ｍがレーザ光Ｌの集光スポット径Ｄと同程度の径を持つまでに径方向に成長した時点で照射されるので、固体状態である場合に比べて表面の反射率が低い溶融池Ｍに主レーザパルスＬＰ２の大半が照射されることとなり、部材１，２の接合部分に効率良く主レーザパルスＬＰ２のエネルギーが吸収される。すなわち、同一のエネルギーを投入したとしても多くのエネルギーが部材１，２の接合部分に吸収されることとなり、効率の良い溶接を行うことができる。

また、本実施の形態によれば、予備レーザパルスＬＰ１及び主レーザパルスＬＰ２を照射して、十分な深さを持つまでに溶融池Ｍを深さ方向に成長させた後、予備レーザパルスＬＰ１と同程度又はそれよりも低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ徐冷レーザパルスＬＰ３を照射して、溶融池Ｍに形成されたキーホールＨをその周囲の溶融金属（溶融部材）により埋めるようにしているので、ブローホールが完全に消失するまで徐冷レーザパルスＬＰ３を持続するようにすれば、ブローホールの発生を確実に抑えることができる。

なお、上述した実施の形態においては、図６に示すようなレーザ装置１０によって一つのレーザパルスの波形を制御することにより、互いに連続した一連のレーザパルス（予備レーザパルスＬＰ１、主レーザパルスＬＰ２及び徐冷レーザパルスＬＰ３）を擬似的に生成するようにしているが、これに限らず、パルス形状の異なる複数のレーザ光を重ね合わせることにより一連のレーザパルス（予備レーザパルスＬＰ１、主レーザパルスＬＰ２及び徐冷レーザパルスＬＰ３）を得るようにしてもよい。

また、上述した実施の形態においては、予備レーザパルスＬＰ１及び主レーザパルスＬＰ２の照射後に徐冷レーザパルスＬＰ３を照射し、溶融池Ｍに形成されたキーホールＨをその周囲の溶融金属により埋めるようにしているが、徐冷レーザパルスＬＰ３に代えて、予備レーザパルスＬＰ１と同程度又はそれよりも低いピーク出力及びエネルギー密度を持つＣＷ（continuous-wave）レーザを照射するようにしてもよい。なおこの場合、ＣＷレーザは、徐冷レーザパルスＬＰ３と同様に、主レーザパルスＬＰ２の照射後に照射するようにしてもよいが、主レーザパルスＬＰ２の照射インターバル中に重畳的に照射してもよい。

さらに、上述した実施の形態においては、溶接対象となる２つの部材１，２の材料としてアルミニウム合金を用いているが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、レーザ光の発振波長において高い反射率を有する同様の高反射材料（アルミニウムや銅、銅合金等）にも同様にして適用することができる。

本発明の一実施の形態に係るレーザ溶接方法を説明するための図。本発明の一実施の形態に係るレーザ溶接方法で用いられるレーザ光（レーザパルス）の一例を示す図。本発明の一実施の形態に係るレーザ溶接方法で用いられるレーザ光（レーザパルス）の他の例を示す図。本発明の一実施の形態に係るレーザ溶接方法で用いられるレーザ光（レーザパルス）のさらに他の例を示す図。本発明の一実施の形態に係るレーザ溶接方法で用いられるレーザ光（レーザパルス）のさらに他の例を示す図。本発明の一実施の形態に係るレーザ溶接方法で用いられるレーザ装置の構成を示す図。

符号の説明

１，２溶接対象となる部材
５集光レンズ
１０レーザ装置
１１レーザ発振器
１１ａ励起ランプ
１２スイッチング電源
１３制御用マイコン
１４制御用コンピュータ
１５通信路
Ｌレーザ光
ＬＰ１予備レーザパルス
ＬＰ２主レーザパルス
ＬＰ３徐冷レーザパルス
Ｍ溶融池
Ｄ集光スポット径

Claims

高反射材料からなる複数の部材の接合部分に一連のレーザパルスからなるレーザ光を照射して当該各部材を互いに溶接するレーザ溶接方法において、
溶接対象となる複数の部材の接合部分に比較的低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ予備レーザパルスを照射して溶融池を形成するステップと、
前記予備レーザパルスの照射により前記溶融池がレーザ光の集光スポット径と同程度の径を持つまでに径方向に成長した時点で、前記予備レーザパルスに連続する形で、前記予備レーザパルスよりも十分に高いピーク出力及びエネルギー密度を持つ主レーザパルスを照射し、前記溶融池にキーホールを形成するステップとを含むことを特徴とするレーザ溶接方法。
前記予備レーザパルスのパルス幅が１ｍｓ以上、パルスエネルギーが２Ｊ／pulse以下、ピーク出力が２ｋＷ以下、加工点でのエネルギー密度が２０Ｊ／ｍｍ^２以下であり、
前記主レーザパルスのパルス幅が０．１ｍｓ以上、パルスエネルギーが０．２Ｊ／pulse以上、ピーク出力が２ｋＷ以上、加工点でのエネルギー密度が２０Ｊ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
前記主レーザパルスの照射により前記溶融池が十分な深さを持つまでに深さ方向に成長した時点で、前記主レーザパルスに連続する形で、前記予備レーザパルスと同程度又はそれよりも低いピーク出力及びエネルギー密度を持つ徐冷レーザパルスを照射し、前記溶融池に形成されたキーホールをその周囲の溶融部材により埋めるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
前記徐冷レーザパルスのパルス幅が０．２ｍｓ以上、パルスエネルギーが２Ｊ／pulse以下、ピーク出力が２ｋＷ以下、加工点でのエネルギー密度が２０Ｊ／ｍｍ^２以下であることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
前記主レーザパルスの照射により前記溶融池が十分な深さを持つまでに深さ方向に成長した時点で、前記予備レーザパルスと同程度又はそれよりも低いピーク出力及びエネルギー密度を持つＣＷレーザを照射し、前記溶融池に形成されたキーホールをその周囲の溶融部材により埋めるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
前記ＣＷレーザは前記主レーザパルスの照射インターバル中に重畳的に照射されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
前記高反射材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅及び銅合金からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。