JP6832198B2 - Laser welding equipment, laser welding method and laser processing lens - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光を用いて溶接対象となる部材を溶接するレーザ溶接装置、レーザ溶接方法、及び、レーザ溶接に利用されるレーザ加工用レンズに関する。 The present invention relates to a laser welding apparatus for welding a member to be welded using a laser beam, a laser welding method, and a laser processing lens used for laser welding.
従来、溶接対象となる２つの部材がレーザ溶接装置によって溶接されるものの１つとして、ケースに蓋が溶接されてなる電池が知られている。こうした電池では、ケース内の電解液などが外部に漏れ出すことのない高い密閉性を維持すべくそのケースと蓋との溶接が高い精度で行われている。こうした、電池のケースと蓋との溶接としてレーザ溶接が知られている。 Conventionally, a battery in which a lid is welded to a case is known as one in which two members to be welded are welded by a laser welding device. In such a battery, the case and the lid are welded with high accuracy in order to maintain a high degree of airtightness so that the electrolytic solution in the case does not leak to the outside. Laser welding is known as such welding between the battery case and the lid.
レーザ溶接は、レーザ光のエネルギーの強度分布（以下単に強度分布と称することもある）、いわゆるプロファイルを調整することによって、レーザ溶接をより好適に行うことが知られている。例えば、強度分布を調整することで、レーザ溶接を好適に行う技術の一例が特許文献１に記載されている。 It is known that laser welding is more preferably performed by adjusting the intensity distribution of laser light energy (hereinafter, also simply referred to as intensity distribution), so-called profile. For example, Patent Document 1 describes an example of a technique for preferably performing laser welding by adjusting the intensity distribution.
特許文献１に記載のレーザ溶接装置は、２種のレーザ系からの異なった第１、第２レーザ光を重畳した強度分布を有するレーザ光を出力する。この強度分布を有するレーザ光は、第２レーザ光の被加工物上での有効スポットサイズが第１レーザ光の有効スポットサイズ未満となるように集光される。被加工物は、上記強度分布を有するレーザ光が照射されることで加工される。 The laser welding apparatus described in Patent Document 1 outputs a laser beam having an intensity distribution in which different first and second laser beams from two types of laser systems are superimposed. The laser beam having this intensity distribution is focused so that the effective spot size of the second laser beam on the workpiece is smaller than the effective spot size of the first laser beam. The work piece is processed by being irradiated with a laser beam having the above-mentioned intensity distribution.
ところで、電池のケースと蓋との溶接においては、切れ目なく連続して溶接が行われることが望ましいが、長方形状の蓋における角部分は、直線部分に比較して加工速度の低下が避けられず、レーザ光の照射時間が長くなってしまうおそれがある。例えば、特許文献１に記載の技術を用いたとしても、強度分布を直線部分に合わせて調節すると、加工速度が低下する角部分が過熱されて、溶接精度が低下するおそれがある。 By the way, in the welding of the battery case and the lid, it is desirable that the welding is performed continuously without a break, but the corner portion of the rectangular lid cannot avoid a decrease in processing speed as compared with the straight portion. , There is a risk that the irradiation time of the laser beam will be long. For example, even if the technique described in Patent Document 1 is used, if the strength distribution is adjusted according to the linear portion, the corner portion where the processing speed decreases may be overheated and the welding accuracy may decrease.
なお、このような課題は、電池の蓋をレーザ溶接する場合に限られるものではなく、レーザ溶接が可能である溶接対象物をレーザで溶接するときにも同様に生じる共通の課題である。 It should be noted that such a problem is not limited to the case of laser welding the lid of the battery, and is a common problem that also occurs when the object to be welded that can be laser welded is laser-welded.
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、レーザ溶接中に溶接対象物との間の相対速度が変動するような場合であれ、レーザ溶接の精度を維持することのできるレーザ溶接装置、レーザ溶接方法、及び、レーザ溶接に利用されるレーザ加工用レンズを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to maintain the accuracy of laser welding even when the relative speed with the object to be welded fluctuates during laser welding. It is an object of the present invention to provide a laser welding apparatus capable of performing laser welding, a laser welding method, and a laser processing lens used for laser welding.
上記課題を解決するレーザ溶接装置は、溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、前記溶接用レーザ光は、少なくともガウス型の強度分布を有するレーザ光を含んでいる１又は複数のレーザ光から生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する生成部を備え、前記生成部は、前記生成したレーザ光の前記強度分布の最大値を前記相対速度の増加に応じて大きくする。 A laser welding apparatus that solves the above problems irradiates a welding target with a welding laser beam to perform laser welding of the welding target, and at the same time, the relative speed between the welding laser beam and the welding target is variable. The welding laser beam is a laser beam generated from one or a plurality of laser beams including a laser beam having at least a Gaussian intensity distribution, and the generated laser beam. A generation unit for generating the welding laser light having a distribution in which the light intensity has the maximum value in the central portion surrounded by the peripheral portion is provided, and the generation unit is the maximum value of the intensity distribution of the generated laser light. Is increased as the relative speed increases.
上記課題を解決するレーザ溶接装置は、溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、前記溶接用レーザ光は、強度分布がガウス型である第１のレーザ光と、強度分布がトップハット型である第２のレーザ光とを合成することにより生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有し、前記第２のレーザ光の照射径よりも、前記第１のレーザ光の照射径を小さく設定して前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを合成することで前記溶接用レーザ光を生成する生成部を備え、前記生成部は、前記相対速度の増加に応じて前記第１のレーザ光の強度分布の最大値を増大させる。 A laser welding apparatus that solves the above problems irradiates a welding target with a welding laser beam to perform laser welding of the welding target, and at the same time, the relative speed between the welding laser beam and the welding target is variable. The welding laser light is a laser welding device, which is obtained by synthesizing a first laser light having a Gaussian intensity distribution and a second laser light having a top hat type intensity distribution. The generated laser beam has a distribution in which the intensity of the generated laser beam is the maximum value in the central portion surrounded by the peripheral portion, and is larger than the irradiation diameter of the second laser beam. A generation unit for generating the welding laser light by setting the irradiation diameter of the laser light to be small and synthesizing the first laser light and the second laser light is provided, and the generation unit has the relative velocity. The maximum value of the intensity distribution of the first laser beam is increased as the number of the first laser beam increases.
上記課題を解決するレーザ溶接方法は、溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置でレーザ溶接をするレーザ溶接方法であって、前記溶接用レーザ光は、強度分布がガウス型である第１のレーザ光と、強度分布がトップハット型である第２のレーザ光とを合成することにより生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有し、前記溶接用レーザ光を生成する生成部で、前記第２のレーザ光の照射径よりも、前記第１のレーザ光の照射径を小さく設定して前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを合成することで前記溶接用レーザ光を生成する工程と、前記生成部で、前記相対速度の増加に応じて前記第１のレーザ光の強度分布の最大値を増大させる工程とを備える。 In the laser welding method for solving the above problems, the welding target is irradiated with a welding laser beam to perform laser welding of the welding target, and the relative speed between the welding laser light and the welding target is variable. It is a laser welding method in which laser welding is performed with a laser welding device, wherein the welding laser beam is a first laser beam having a Gaussian intensity distribution and a second laser beam having an intensity distribution of a top hat type. It is a laser beam generated by synthesizing the laser beam, and has a distribution in which the intensity of the generated laser beam is the maximum value in the central portion surrounded by the peripheral portion, and the welding laser beam is generated. The generation unit sets the irradiation diameter of the first laser beam to be smaller than the irradiation diameter of the second laser beam, and synthesizes the first laser beam and the second laser beam. A step of generating a laser beam for welding and a step of increasing the maximum value of the intensity distribution of the first laser beam in accordance with the increase of the relative velocity are provided in the generation unit.
このような構成又は方法によれば、溶接用レーザ光の強度分布が、相対速度が変化することに応じて、具体的には、分布中央部の最大値が溶接対象物との相対速度に応じて、例えば溶接速度が速くなることに応じて大きくなる。これにより、レーザ溶接中に溶接用レーザ光と溶接対象物との間の相対速度が変動するような場合であれ、レーザ溶接の精度を維持することができるようになる。例えば、中央部の最大値を加熱によるスパッタの生じない値に設定することで、相対速度が変動したとしても、スパッタが発生しない、かつ、酸化した溶接対象物を溶融させることができる。 According to such a configuration or method, the intensity distribution of the laser beam for welding corresponds to the change in the relative speed, specifically, the maximum value at the center of the distribution depends on the relative speed with the welding object. For example, the welding speed increases as the welding speed increases. As a result, the accuracy of laser welding can be maintained even when the relative velocity between the laser beam for welding and the object to be welded fluctuates during laser welding. For example, by setting the maximum value of the central portion to a value at which spatter does not occur due to heating, even if the relative speed fluctuates, spatter does not occur and the oxidized object to be welded can be melted.
好ましい構成として、前記第１のレーザ光は、ファイバーレーザから出力されるレーザ光であり、前記第２のレーザ光は、半導体レーザから出力されるレーザ光である。
このような構成によれば、半導体レーザからは溶接安定性が高いトップハット型のレーザ光が得られ、ファイバーレーザからは溶融状態に対する応答性が高いガウス型のレーザ光が得られる。よって、トップハット型のレーザ光と、ガウス型のレーザ光とをそれぞれ適切な強度にして合成することで速度変化への対応が好適にできる。また、ファイバーレーザは出力強度の調整が比較的容易であり、出力されるガウス型のレーザ光は溶融状態に対して応答性が高いことから、相対速度に応じて適切な溶融状態となるように出力強度を調節することができる。
As a preferred configuration, the first laser beam is a laser beam output from a fiber laser, and the second laser beam is a laser beam output from a semiconductor laser.
According to such a configuration, a top hat type laser beam having high welding stability can be obtained from the semiconductor laser, and a Gaussian type laser beam having high responsiveness to the molten state can be obtained from the fiber laser. Therefore, by combining the top hat type laser beam and the Gauss type laser beam with appropriate intensities, it is possible to cope with the change in speed. In addition, since the output intensity of the fiber laser is relatively easy to adjust and the output Gaussian laser beam is highly responsive to the molten state, the molten state should be adjusted according to the relative speed. The output intensity can be adjusted.
好ましい構成として、前記相対速度を取得するとともに、前記取得した相対速度が速くなることに応じて前記第１のレーザ光の出力強度を高くする制御装置を備える。
このような構成によれば、相対速度が速くなることに応じて第１のレーザ光の出力強度が高められることでレーザ光の照射時間が短くなる溶接対象物を好適にレーザ溶接することができるようになる。
As a preferable configuration, a control device is provided which acquires the relative velocity and increases the output intensity of the first laser beam as the acquired relative velocity increases.
According to such a configuration, it is possible to suitably laser weld an object to be welded in which the irradiation time of the laser beam is shortened by increasing the output intensity of the first laser beam as the relative velocity increases. Will be.
好ましい構成として、前記相対速度を取得するとともに、前記取得した相対速度が速くなることに応じて前記第１のレーザ光の出力の分散を小さくする制御装置を備える。
このような構成によれば、相対速度が速くなるに応じて第１のレーザ光の出力の分散が小さくなることでレーザ光が集中するようになり、レーザ光の照射時間が短くなる溶接対象物を好適にレーザ溶接することができるようになる。
As a preferable configuration, a control device is provided which acquires the relative velocity and reduces the dispersion of the output of the first laser beam as the acquired relative velocity increases.
According to such a configuration, the dispersion of the output of the first laser beam becomes smaller as the relative speed becomes faster, so that the laser beam is concentrated and the irradiation time of the laser beam becomes shorter. Can be preferably laser welded.
好ましい構成として、前記制御装置は、前記相対速度を１８０ｍｍ／秒以上、かつ、５１０ｍｍ／秒以下の範囲で可変とする。
このような構成によれば、相対速度の速度差を最大３倍までにすることができる。
As a preferred configuration, the control device makes the relative speed variable in the range of 180 mm / sec or more and 510 mm / sec or less.
According to such a configuration, the speed difference of the relative speed can be increased up to 3 times.
好ましい構成として、トップハット型の出力が、ガウス型の出力の１．５倍以上である。
このような構成によれば、ガウス型である第１のレーザ光で溶融のきっかけを作り、トップハット型である第２のレーザ光での溶融のロバスト性がより好適に維持される。
As a preferred configuration, the top hat type output is 1.5 times or more the Gauss type output.
According to such a configuration, a Gauss-type first laser beam is used to trigger melting, and a top hat-type second laser beam is used to more preferably maintain the robustness of melting.
好ましい構成として、前記溶接用レーザ光は、前記溶接対象物に照射されたとき、前記第１のレーザ光の照射径が前記第２のレーザ光の照射径に対して２０％以上５０％以下の径である。 As a preferred configuration, when the welding target is irradiated with the welding laser light, the irradiation diameter of the first laser light is 20% or more and 50% or less with respect to the irradiation diameter of the second laser light. The diameter.
このような構成によれば、最低の速度と最高の速度との差が約３倍になっても、スパッタが発生しない、かつ、酸化した溶接対象物を溶融させることができる。
上記課題を解決するレーザ溶接装置は、溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、前記溶接用レーザ光は、ガウス型の強度分布を有するレーザ光から生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する生成部を備え、前記生成部は、強度分布がガウス型であるレーザ光を所定の径で入力することで、この入力されたレーザ光をトップハット型のレーザ光に変換して出力するビームシェーパと、前記ガウス型のレーザ光を任意の径で前記ビームシェーパに入力させる調整部とを備え、前記生成部は、前記相対速度の増加に応じて、前記調整部で前記ビームシェーパに入力する前記ガウス型のレーザ光の前記任意の径を前記所定の径以下に縮径する。
According to such a configuration, even if the difference between the minimum speed and the maximum speed is about three times, spatter does not occur and the oxidized object to be welded can be melted.
A laser welding apparatus that solves the above problems irradiates a welding target with a welding laser beam to perform laser welding of the welding target, and at the same time, the relative speed between the welding laser beam and the welding target is variable. The welding laser beam is a laser beam generated from a laser beam having a Gaussian intensity distribution, and the intensity of the generated laser beam is surrounded by a peripheral portion. The generation unit includes a generation unit that is generated as the welding laser light having a distribution having the maximum value in the unit, and the generation unit is input by inputting a laser beam having a Gaussian intensity distribution with a predetermined diameter. A beam shaper that converts the laser light into a top hat type laser light and outputs the laser light, and an adjusting unit that inputs the Gaussian type laser light to the beam shaper with an arbitrary diameter are provided, and the generating unit has the relative speed. The arbitrary diameter of the Gaussian laser beam input to the beam shaper by the adjusting unit is reduced to or less than the predetermined diameter in accordance with the increase in the diameter.
上記課題を解決するレーザ溶接方法は、溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置でレーザ溶接をする方法であって、レーザ溶接装置が強度分布がガウス型であるレーザ光を所定の径で入力することで、この入力されたレーザ光をトップハット型のレーザ光に変換して出力するビームシェーパを備え、前記溶接用レーザ光を生成する生成部で、前記ガウス型の強度分布を有するレーザ光を、前記相対速度が増加することに応じて、前記所定の径以下に縮径して前記ビームシェーパに入力することで、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する。 In the laser welding method for solving the above problems, the welding target is irradiated with a welding laser beam to perform laser welding of the welding target, and the relative speed between the welding laser light and the welding target is variable. It is a method of performing laser welding with a laser welding device, which is said to be a method in which a laser welding device inputs a laser beam having a Gaussian intensity distribution with a predetermined diameter, and the input laser beam is top-hat type. A beam shaper that converts and outputs laser light is provided, and in a generation unit that generates the welding laser light, the laser light having the Gaussian intensity distribution is subjected to the predetermined as the relative speed increases. By reducing the diameter to less than or equal to the diameter of the above and inputting it to the beam shaper, the intensity of the generated laser light is generated as the welding laser light having a distribution having a maximum value in the central portion surrounded by the peripheral portion.
このような構成又は方法によれば、ビームシェーパへのガウス型のレーザ光の入力径を所定の径以下にすることで、ガウス型のレーザ光の中央部の強度分布が、ビームシェーパによって分散される割合を変更する。具体的には、ガウス型のレーザ光の強度を狭い範囲に集中させることにより、ビームシェーパからも狭い範囲で出力強度が高いレーザ光が出力されるようになる。換言すると、ガウス型のレーザ光の変換にビームシェーパの一部が利用されるので、ビームシェーパから出力されるレーザ光を中央部の強度の高いレーザ光にすることができる。これにより、相対速度が速くて照射時間が短くなる溶接対象物についても高い強度のレーザ光によってレーザ溶接をすることができるようになる。 According to such a configuration or method, by setting the input diameter of the Gaussian laser beam to the beam shaper to a predetermined diameter or less, the intensity distribution in the central portion of the Gaussian laser beam is dispersed by the beam shaper. Change the ratio. Specifically, by concentrating the intensity of the Gauss-type laser beam in a narrow range, the beam shaper can also output the laser beam having a high output intensity in a narrow range. In other words, since a part of the beam shaper is used for the conversion of the Gauss-type laser light, the laser light output from the beam shaper can be converted into a high-intensity laser light in the central portion. As a result, it becomes possible to perform laser welding with a high-intensity laser beam even on a welding object having a high relative velocity and a short irradiation time.
好ましい構成として、前記調整部は、前記ガウス型のレーザ光が前記ビームシェーパへ入力される径である前記任意の径を、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記ビームシェーパとの間の距離を変化させることにより変更する。 As a preferred configuration, the adjusting unit sets the arbitrary diameter, which is the diameter at which the Gaussian laser beam is input to the beam shaper, between the position where the Gaussian laser beam is emitted and the beam shaper. It is changed by changing the distance of.
このような構成によれば、ビームシェーパへのガウス型のレーザ光の入力径を所定の径よりも小径とすることが容易に行えるようになる。
好ましい構成として、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記ビームシェーパとの間には、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置から出力されるレーザ光を平行光に変換して前記ビームシェーパに入力させるコリメータレンズが設けられ、前記調整部は、前記任意の径を、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記コリメータレンズとの間の距離を変化させることにより変更する。
According to such a configuration, the input diameter of the Gauss-type laser beam to the beam shaper can be easily made smaller than a predetermined diameter.
As a preferred configuration, the laser beam output from the position where the Gaussian laser beam is emitted is converted into parallel light between the position where the Gaussian laser beam is emitted and the beam shaper. A collimator lens to be input to the beam shaper is provided, and the adjusting unit changes the arbitrary diameter by changing the distance between the position where the Gaussian laser beam is emitted and the collimator lens.
このような構成によれば、ガウス型のレーザ光が出射される位置とビームシェーパとの位置が固定されていても、コリメータレンズの位置を変更させることによりビームシェーパへのガウス型のレーザ光の入力径を所定の径よりも小径とすることが容易に行えるようになる。 According to such a configuration, even if the position where the Gaussian laser beam is emitted and the position of the beam shaper are fixed, the position of the collimator lens can be changed to generate the Gaussian laser beam to the beam shaper. The input diameter can be easily made smaller than a predetermined diameter.
好ましい構成として、前記相対速度を可変とする制御装置を備え、前記制御装置は、前記相対速度を１８０ｍｍ／秒以上、かつ、３４０ｍｍ／秒以下の範囲で可変とする。
このような構成によれば、相対速度の速度差を最大１．８９倍までにすることができる。
As a preferred configuration, the control device is provided with a variable relative speed, and the control device makes the relative speed variable within a range of 180 mm / sec or more and 340 mm / sec or less.
According to such a configuration, the speed difference of the relative speed can be increased up to 1.89 times.
好ましい構成として、前記溶接対象物は、電池に備えられるケース及び蓋であって、前記ケース及び前記蓋は、アルミニウム製であり、前記相対速度は、レーザ溶接による加熱によって生じるアルミニウムの飛散物であるスパッタが生じない速度範囲における最低速度、かつ、酸化アルミニウムが溶融する速度範囲における最高速度の間の速度範囲内で設定される。 As a preferred configuration, the object to be welded is a case and a lid provided on the battery, the case and the lid are made of aluminum, and the relative speed is a scattered material of aluminum generated by heating by laser welding. It is set within the speed range between the minimum speed in the speed range in which spatter does not occur and the maximum speed in the speed range in which aluminum oxide melts.
このような構成によれば、電池に備えられるアルミニウム製のケース及び蓋が溶接されるようになる。
上記課題を解決するレーザ加工用レンズは、ガウス型の強度分布のレーザ光を所定の径で入力することで、前記レーザ光の強度分布を変換するレーザ加工用レンズであって、前記ガウス型の強度分布をトップハット型の強度分布に変換する変換部と、前記変換部に囲まれた範囲にあって、前記ガウス型の強度分布が最大値となる部分を含む所定の領域について、入力されたレーザ光を出力するときの拡散角度が、前記変換部において隣接する部分に比べて小さい緩和部とを備える。
According to such a configuration, the aluminum case and lid provided on the battery are welded.
The laser processing lens that solves the above problems is a laser processing lens that converts the intensity distribution of the laser light by inputting the laser light of the Gaussian type intensity distribution with a predetermined diameter, and is the Gaussian type. Input was made for a conversion unit that converts the intensity distribution into a top hat type intensity distribution and a predetermined region including a portion within the range surrounded by the conversion unit that maximizes the Gaussian intensity distribution. The conversion unit includes a relaxation unit in which the diffusion angle when the laser light is output is smaller than that of the adjacent portion.
このような構成によれば、強度が最大値となる部分を含む所定の領域に入力されたレーザ光は拡散角度が小さいため、強度が高い状態を維持したまま溶接対象物等に照射される。例えば、レーザを拡散させる部分のレンズ形状は凹レンズであることから、凹レンズである領域に凹レンズの曲率を小さくさせる緩和部を形成することで、緩和部における拡散角度を小さくすることができる。これにより、入力されたガウス型のレーザ光の最大値よりも小さいが、トップハット型のレーザ光の最大値よりは大きいレーザ光の強度を有するレーザ光を出力することができるようになる。 According to such a configuration, since the laser beam input to the predetermined region including the portion where the intensity becomes the maximum value has a small diffusion angle, it is irradiated to the welding object or the like while maintaining the high intensity state. For example, since the lens shape of the portion where the laser is diffused is a concave lens, the diffusion angle in the relaxation portion can be reduced by forming a relaxation portion that reduces the curvature of the concave lens in the region of the concave lens. As a result, it becomes possible to output a laser beam having a laser beam intensity smaller than the maximum value of the input Gaussian laser beam but larger than the maximum value of the top hat type laser beam.
好ましい構成として、前記所定の領域を入力させる範囲は前記レーザ光を拡散しない。
このような構成によれば、ガウス型の強度分布が拡散せずに透過するので、周囲に比較して中央部にガウス型の強度分布が維持されたレーザ光を出力することができる。
As a preferred configuration, the range in which the predetermined region is input does not diffuse the laser beam.
According to such a configuration, since the Gauss-type intensity distribution is transmitted without being diffused, it is possible to output a laser beam in which the Gauss-type intensity distribution is maintained in the central portion as compared with the surroundings.
好ましい構成として、前記所定の領域は、前記レーザ光が出力される前記レーザ加工用レンズの出力側が平面である。
このような構成によれば、レーザ光を拡散しない部分を設けることが容易である。
As a preferable configuration, the output side of the laser processing lens from which the laser light is output is a flat surface in the predetermined region.
According to such a configuration, it is easy to provide a portion that does not diffuse the laser beam.
好ましい構成として、前記平面は、前記レーザ加工用レンズの出力側に凹部として形成されている。
このような構成によれば、レーザ光を拡散させる部分のレンズ形状は凹レンズであることから、凹レンズである領域にあっては凹部を形成することで、凹部の底面の曲率を凹レンズの曲率よりも小さくすることができる。
As a preferred configuration, the flat surface is formed as a recess on the output side of the laser processing lens.
According to such a configuration, since the lens shape of the portion that diffuses the laser beam is a concave lens, the curvature of the bottom surface of the concave portion is made larger than the curvature of the concave lens by forming a concave portion in the region of the concave lens. It can be made smaller.
この発明によれば、レーザ溶接中に溶接対象物との間の相対速度が変動するような場合であれ、レーザ溶接の精度を維持することができる。 According to the present invention, the accuracy of laser welding can be maintained even when the relative speed with the object to be welded fluctuates during laser welding.
（第１の実施形態）
図１に従って、レーザ溶接装置、及び、レーザ溶接方法を具体化した第１の実施形態について説明する。
(First Embodiment)
A laser welding apparatus and a first embodiment embodying a laser welding method will be described with reference to FIG.
図１に示すように、レーザ溶接装置２０は、第１のレーザ光Ｌ１を出力するガウスビーム発振器２１と、第２のレーザ光Ｌ２を出力するトップハットビーム発振器２２と、第１のレーザ光Ｌ１及び第２のレーザ光Ｌ２を入力して溶接用レーザ光としての照射レーザ光Ｌｔｇを生成するビーム生成装置２３とを備える。また、レーザ溶接装置２０は、ガウスビーム発振器２１の出力を調整する制御装置３０を備える。また、レーザ溶接装置２０は、ビーム生成装置２３で作成した照射レーザ光Ｌｔｇを溶接対象物としての電池ケース１０に照射する。電池ケース１０は、照射レーザ光Ｌｔｇが照射される位置がレーザ溶接される。 As shown in FIG. 1, the laser welding apparatus 20 includes a Gaussian beam oscillator 21 that outputs a first laser beam L1, a tophat beam oscillator 22 that outputs a second laser beam L2, and a first laser beam L1. A beam generator 23 for inputting a second laser beam L2 and generating an irradiation laser beam Ltg as a welding laser beam is provided. Further, the laser welding device 20 includes a control device 30 that adjusts the output of the Gaussian beam oscillator 21. Further, the laser welding apparatus 20 irradiates the battery case 10 as a welding object with the irradiation laser beam Ltg created by the beam generator 23. The battery case 10 is laser-welded at a position where the irradiation laser beam Ltg is irradiated.
電池ケース１０は、ニッケル水素二次電池用の電池ケースであって、極板群（図示略）を挿入するための開口を有するケース１１（図６参照）と、開口を封止するための蓋１２（図６参照）とを備えている。ケース１１及び蓋１２は、アルミニウム又はアルミニウム合金から生成されている、いわゆるアルミニウム製である。すなわち、電池ケース１０は、アルミニウム製のケース１１とアルミニウム製の蓋１２との境界部分及びその周囲の照射位置に照射レーザ光Ｌｔｇが照射されることでケース１１と蓋１２とがレーザ溶接されている。 The battery case 10 is a battery case for a nickel-metal hydride secondary battery, and has a case 11 (see FIG. 6) having an opening for inserting a group of plates (not shown) and a lid for sealing the opening. 12 (see FIG. 6). The case 11 and the lid 12 are made of so-called aluminum, which is made of aluminum or an aluminum alloy. That is, in the battery case 10, the case 11 and the lid 12 are laser-welded by irradiating the irradiation position of the boundary portion between the aluminum case 11 and the aluminum lid 12 and the surrounding irradiation position with the irradiation laser beam Ltg. There is.
電池ケース１０は、制御装置３０による位置制御によって照射レーザ光Ｌｔｇの照射位置に対して相対移動する移動テーブル４０に載置されている。移動テーブル４０は、モータ等の駆動で前後方向、及び、左右方向に移動可能に構成されており、制御装置３０から入力される加減速信号等に応じてテーブルを移動させる。よって、電池ケース１０は、ケース１１と蓋１２との間の溶接対象位置に、加減速信号に基づいて移動テーブル４０が相対移動することで生じる相対速度で照射レーザ光Ｌｔｇが照射されることで、ケース１１及び蓋１２がレーザ溶接される。 The battery case 10 is placed on a moving table 40 that moves relative to the irradiation position of the irradiation laser beam Ltg by position control by the control device 30. The moving table 40 is configured to be movable in the front-rear direction and the left-right direction by driving a motor or the like, and moves the table in response to an acceleration / deceleration signal or the like input from the control device 30. Therefore, the battery case 10 is irradiated with the irradiation laser beam Ltg at the relative speed generated by the relative movement of the moving table 40 based on the acceleration / deceleration signal at the welding target position between the case 11 and the lid 12. , Case 11 and lid 12 are laser welded.
制御装置３０は、演算部や記憶部を有するコンピュータを含み構成されており、記憶部等に記憶されたプログラムの演算部での演算処理を通じて移動テーブル４０の加減速処理（相対速度の増加減処理）やレーザ光の出力強度の調整処理等の各種処理を行う。例えば、本実施形態では、制御装置３０は、移動テーブル４０の加減速を制御して照射レーザ光Ｌｔｇと電池ケース１０との間の相対速度が１８０ｍｍ／秒以上、かつ、５１０ｍｍ／秒以下の範囲で可変とする。また、制御装置３０は、出力制御信号を出力してガウスビーム発振器２１の出力強度を制御する。具体的には、制御装置３０は、相対速度が速くなることに応じてガウスビーム発振器２１の出力する第１のレーザ光Ｌ１の出力強度を上げるようにする。よって、相対速度の増加に応じて第１のレーザ光の強度分布における最大値が増大される。 The control device 30 includes a computer having a calculation unit and a storage unit, and accelerates / decelerates the moving table 40 (increase / decrease relative speed processing) through arithmetic processing in the arithmetic unit of the program stored in the storage unit or the like. ) And various processing such as adjustment processing of the output intensity of the laser beam. For example, in the present embodiment, the control device 30 controls the acceleration / deceleration of the moving table 40 so that the relative speed between the irradiation laser beam Ltg and the battery case 10 is in the range of 180 mm / sec or more and 510 mm / sec or less. It is variable with. Further, the control device 30 outputs an output control signal to control the output intensity of the Gaussian beam oscillator 21. Specifically, the control device 30 increases the output intensity of the first laser beam L1 output by the Gaussian beam oscillator 21 as the relative speed increases. Therefore, the maximum value in the intensity distribution of the first laser beam increases as the relative velocity increases.
ガウスビーム発振器２１は、第１のレーザ光Ｌ１をガウス型の強度分布を有するレーザ光として出力する。一方、トップハットビーム発振器２２は、第２のレーザ光Ｌ２をトップハット型の強度分布を有するレーザ光として出力する。 The Gaussian beam oscillator 21 outputs the first laser beam L1 as a laser beam having a Gaussian type intensity distribution. On the other hand, the top hat beam oscillator 22 outputs the second laser beam L2 as a laser beam having a top hat type intensity distribution.
まず、図３及び図４を参照してトップハット型の強度分布、及び、ガウス型の強度分布について説明する。
一般に、レーザ光のエネルギー強度Ｐの分布である強度分布（プロファイル）の種類として、トップハット型とガウス型とがよく知られている。トップハット型は、例えば図３の強度分布Ｄ２に示すように、強度分布が矩形分布型であるものであり、ガウス型は、例えば図４の強度分布Ｄ１に示すように、強度分布が正規分布型であるものである。
First, the top hat type intensity distribution and the Gauss type intensity distribution will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
In general, top hat type and Gauss type are well known as types of intensity distribution (profile) which is the distribution of energy intensity P of laser light. The top hat type has a rectangular intensity distribution as shown in the intensity distribution D2 in FIG. 3, and the Gauss type has a normal intensity distribution as shown in the intensity distribution D1 in FIG. 4, for example. It is a type.
詳述すると、バックグラウンドレベルよりも有意に大きいレーザ光の強度を有する照射領域の径を照射径Φ１とする。例えば、有意に大きいレーザ光の強度とは、レーザ光の最大強度の１％以上の出力が照射される領域である。また、レーザ光の最大強度を最大値Ｍとするとき、照射強度の値が０．９Ｍとなる部分の径を０．９Ｍ部分強度照射径ΦＱとする。つまり、０．９Ｍ部分強度照射径ΦＱは、レーザ光の最大値Ｍの１０％以上の強度が照射される領域の径である。この場合、トップハット型及びガウス型は、照射径Φ１と０．９Ｍ部分強度照射径ΦＱとの比で定義することができる。すなわち、本実施形態では、トップハット型の強度分布を下記の式（１）の関係式を満たす強度分布とする。 More specifically, the diameter of the irradiation region having a laser beam intensity significantly higher than the background level is defined as the irradiation diameter Φ1. For example, the significantly higher intensity of the laser beam is a region where an output of 1% or more of the maximum intensity of the laser beam is irradiated. When the maximum intensity of the laser beam is the maximum value M, the diameter of the portion where the irradiation intensity value is 0.9M is 0.9M partial intensity irradiation diameter ΦQ. That is, the 0.9M partial intensity irradiation diameter ΦQ is the diameter of the region where the intensity of 10% or more of the maximum value M of the laser beam is irradiated. In this case, the top hat type and the Gauss type can be defined by the ratio of the irradiation diameter Φ1 and the 0.9M partial intensity irradiation diameter ΦQ. That is, in the present embodiment, the top hat type intensity distribution is an intensity distribution that satisfies the relational expression of the following equation (1).
ΦＱ／Φ１≧０．９・・・（１）
また、ガウス型の強度分布を下記の式（２）の関係式を満たす強度分布とする。
ΦＱ／Φ１＜０．８・・・（２）
図１に示すガウスビーム発振器２１は、ファイバーレーザ共振器、いわゆるファイバーレーザを用いてガウス型の強度分布Ｄ１を有する第１のレーザ光Ｌ１を出力する。ファイバーレーザ共振器は、発振器から入力されたレーザ光を増幅させる共振媒質としての光ファイバーを備えている。ファイバーレーザ共振器は、第１のレーザ光Ｌ１として、レーザ溶接に利用可能な波長のレーザ光を出力する。よって、ガウスビーム発振器２１は、発振器からのレーザ光をファイバーレーザ共振器の光ファイバーの一端に入力し、この入力したレーザ光を当該光ファイバーを通じて増幅し、該光ファイバーの他端から第１のレーザ光Ｌ１として出力する。なお、アルミニウムは波長１０７０ｎｍ以下のレーザ光に高い吸収特性を示すことから、この範囲の波長のレーザ光によれば加熱が容易である。
ΦQ / Φ1 ≧ 0.9 ・ ・ ・ (1)
Further, the Gaussian intensity distribution is defined as an intensity distribution satisfying the relational expression of the following equation (2).
ΦQ / Φ1 <0.8 ... (2)
The Gaussian beam oscillator 21 shown in FIG. 1 uses a fiber laser resonator, a so-called fiber laser, to output a first laser beam L1 having a Gaussian intensity distribution D1. The fiber laser resonator includes an optical fiber as a resonance medium that amplifies the laser beam input from the oscillator. The fiber laser resonator outputs a laser beam having a wavelength that can be used for laser welding as the first laser beam L1. Therefore, the Gaussian beam oscillator 21 inputs the laser light from the oscillator to one end of the optical fiber of the fiber laser resonator, amplifies the input laser light through the optical fiber, and first laser light L1 from the other end of the optical fiber. Is output as. Since aluminum exhibits high absorption characteristics for laser light having a wavelength of 1070 nm or less, heating is easy with laser light having a wavelength in this range.
詳述すると、光ファイバーは、いわゆるプロセスファイバーやダブルコアファイバーである。光ファイバーは、中心部に配置されるファイバー形状の第１コア部と、ファイバー形状の第１コア部を円筒状に覆う第２コア部とを備える。さらに、光ファイバーは、第１コア部と第２コア部との間の第１クラッド部と、第２コア部の外周面の第２クラッド部と、第２クラッド部の外周面を被覆する樹脂などの外装とを備えている。光ファイバーは、励起光や信号光を第１コア部や第２コア部に入力し、この励起光の入力された第１コア部を励起させることによって発振されるレーザ光を信号光に応じて第１コア部から出力させる。 More specifically, the optical fiber is a so-called process fiber or double core fiber. The optical fiber includes a fiber-shaped first core portion arranged in a central portion and a second core portion that covers the fiber-shaped first core portion in a cylindrical shape. Further, the optical fiber includes a first clad portion between the first core portion and the second core portion, a second clad portion on the outer peripheral surface of the second core portion, a resin covering the outer peripheral surface of the second clad portion, and the like. It has the exterior of. The optical fiber inputs excitation light or signal light to the first core portion or the second core portion, and excites the first core portion to which the excitation light is input to excite the laser light oscillated according to the signal light. Output from 1 core part.
また、ファイバーレーザ共振器は、レーザ光の出力強度を変更することが容易である。一方、ファイバーレーザ共振器から出力されるガウス型の強度分布のレーザ光は、出力変更すると照射位置に与えるエネルギー強度Ｐが大きく変動するため溶接状態が変化しやすい。 In addition, the fiber laser resonator can easily change the output intensity of the laser beam. On the other hand, when the output of the laser beam having a Gaussian intensity distribution output from the fiber laser resonator is changed, the energy intensity P given to the irradiation position fluctuates greatly, so that the welding state is likely to change.
図１に示すトップハットビーム発振器２２は、いわゆる半導体レーザであって、レーザダイオードを発振させてトップハット型の強度分布Ｄ２を有する第２のレーザ光Ｌ２を出力する。また、トップハットビーム発振器２２は、第２のレーザ光Ｌ２として、レーザ溶接に利用可能な波長のレーザ光を出力する。本実施形態では、ガウスビーム発振器２１の出力に対して、トップハットビーム発振器２２の出力を１．５倍以上とし、強度分布が平均化されても必要強度が維持されるようにしている。半導体レーザからは、トップハット型の強度分布を有するレーザ光を出力させることは容易であるため、トップハットビーム発振器２２としての構成が簡単になりコストも抑えられる。 The tophat beam oscillator 22 shown in FIG. 1 is a so-called semiconductor laser, which oscillates a laser diode to output a second laser beam L2 having a tophat-type intensity distribution D2. Further, the tophat beam oscillator 22 outputs a laser beam having a wavelength that can be used for laser welding as the second laser beam L2. In the present embodiment, the output of the tophat beam oscillator 22 is 1.5 times or more the output of the Gaussian beam oscillator 21 so that the required intensity is maintained even if the intensity distribution is averaged. Since it is easy to output a laser beam having a top hat type intensity distribution from the semiconductor laser, the configuration as the top hat beam oscillator 22 is simplified and the cost can be suppressed.
半導体レーザは、レーザ光の出力強度を変更することが、ファイバーレーザ共振器に比較して容易ではない。また、出力変更したとしても照射位置に与えるエネルギー強度Ｐの変化量が小さく、いわゆる安定的であるため溶接状態が変化しづらい。 It is not easy for a semiconductor laser to change the output intensity of a laser beam as compared with a fiber laser cavity. Further, even if the output is changed, the amount of change in the energy intensity P given to the irradiation position is small, and the welding state is hard to change because it is so-called stable.
図２に示すように、ビーム生成装置２３は、第１のレーザ光Ｌ１を第３のレーザ光Ｌ３に変換する第１のコリメートレンズ１８１と、第２のレーザ光Ｌ２を第４のレーザ光Ｌ４に変換する第２のコリメートレンズ１８０とを備える。また、ビーム生成装置２３は、第３のレーザ光Ｌ３の進行方向を変更する全反射ミラー２００と、入力した第３のレーザ光Ｌ３及び第４のレーザ光Ｌ４を合成して強度分布Ｄ６を有する合成レーザ光Ｌ６を出力する合成器２１０とを備える。またビーム生成装置２３は、入力した合成レーザ光Ｌ６を集光することでレーザ溶接に適した照射レーザ光Ｌｔｇとして出力する集光レンズ２５０を備えている。つまり、ビーム生成装置２３は、集光レンズ２５０から出力した強度分布Ｄ６を有する照射レーザ光Ｌｔｇを溶接対象物に照射して、溶接対象物をレーザ溶接する。 As shown in FIG. 2, the beam generator 23 has a first collimating lens 181 that converts the first laser beam L1 into a third laser beam L3, and a second laser beam L2 that is converted into a fourth laser beam L4. It is provided with a second collimating lens 180 that converts to. Further, the beam generator 23 has an intensity distribution D6 by combining the total reflection mirror 200 that changes the traveling direction of the third laser beam L3, the input third laser beam L3, and the fourth laser beam L4. It is provided with a synthesizer 210 that outputs synthetic laser light L6. Further, the beam generator 23 includes a condensing lens 250 that condenses the input synthetic laser light L6 and outputs it as an irradiation laser light Ltg suitable for laser welding. That is, the beam generator 23 irradiates the welding target with the irradiation laser beam Ltg having the intensity distribution D6 output from the condenser lens 250, and laser-welds the welding target.
全反射ミラー２００は、入力されたレーザ光を少ないロスで反射させるものである。全反射ミラー２００は、第３のレーザ光Ｌ３の進行方向を変更させるためのものであり、入力した第３のレーザ光Ｌ３の進行方向を合成器２１０の方向へ変更させる。 The total reflection mirror 200 reflects the input laser light with a small loss. The total reflection mirror 200 is for changing the traveling direction of the third laser beam L3, and changes the traveling direction of the input third laser beam L3 in the direction of the synthesizer 210.
合成器２１０は、いわゆるダイクロックミラーであって、入射する第３のレーザ光Ｌ３と第４のレーザ光Ｌ４とを合成して合成レーザ光Ｌ６を生成する。合成器２１０は、第４のレーザ光Ｌ４を透過させる一方、第３のレーザ光Ｌ３を反射させる反射部２１１を備える。合成器２１０は、反射部２１１を透過した第４のレーザ光Ｌ４の光軸と、反射部２１１に反射された第３のレーザ光Ｌ３の光軸とを同一軸線上に一致させることによって、第４のレーザ光Ｌ４と第３のレーザ光Ｌ３との合成された合成レーザ光Ｌ６を生成する。 The synthesizer 210 is a so-called dichroic mirror, and combines the incident third laser light L3 and the fourth laser light L4 to generate the synthetic laser light L6. The synthesizer 210 includes a reflecting unit 211 that transmits the fourth laser beam L4 while reflecting the third laser beam L3. The synthesizer 210 aligns the optical axis of the fourth laser beam L4 transmitted through the reflecting unit 211 with the optical axis of the third laser beam L3 reflected by the reflecting unit 211 on the same axis. The combined laser light L6 of the laser light L4 of No. 4 and the third laser light L3 is generated.
図５に示すように、合成レーザ光Ｌ６は、第１のレーザ光Ｌ１の強度分布Ｄ１と、第２のレーザ光Ｌ２の強度分布Ｄ２とを合成させて、具体的には組み合わせて得られる強度分布Ｄ６を有する。つまり合成された強度分布Ｄ６は、第２のレーザ光Ｌ２のトップハット型（強度分布Ｄ２）と、このトップハット型よりも分布範囲の絞り込まれた第１のレーザ光Ｌ１のガウス型（強度分布Ｄ１）とを組み合わせることによって合成されたものとなる。従って強度分布Ｄ６は、トップハット型（強度分布Ｄ２）を土台として、その分布範囲の中心にガウス型の強度分布Ｄ１が加算される態様で合成される。換言すると、強度分布Ｄ６から強度分布Ｄ２を取り出せばトップハット型の分布をしており、強度分布Ｄ２を取り出して残る強度分布Ｄ１はガウス型の分布をしているものとなる。なお、図６は、図４のエネルギー強度のスケールの大きさが、図３のエネルギー強度のスケールの大きさの半分であるとした場合について示している。 As shown in FIG. 5, the synthetic laser light L6 is obtained by combining the intensity distribution D1 of the first laser light L1 and the intensity distribution D2 of the second laser light L2, and specifically combining them. It has a distribution D6. That is, the synthesized intensity distribution D6 has a top hat type (intensity distribution D2) of the second laser beam L2 and a Gaussian type (intensity distribution) of the first laser beam L1 whose distribution range is narrower than that of the top hat type. It will be synthesized by combining with D1). Therefore, the intensity distribution D6 is synthesized in such a manner that the Gauss type intensity distribution D1 is added to the center of the distribution range based on the top hat type (intensity distribution D2). In other words, if the intensity distribution D2 is taken out from the intensity distribution D6, it has a top hat type distribution, and if the intensity distribution D2 is taken out, the remaining intensity distribution D1 has a Gaussian type distribution. Note that FIG. 6 shows a case where the size of the energy intensity scale of FIG. 4 is half the size of the energy intensity scale of FIG.
なお、合成器２１０は、レーザ光の入力位置に応じて透過や反射するレーザ光の軸線の位置が変わるため、第３のレーザ光Ｌ３や第４のレーザ光Ｌ４の入力位置を調整することによって、第３のレーザ光Ｌ３の強度分布Ｄ１と、第４のレーザ光Ｌ４の強度分布Ｄ２との合成態様を変更することも可能である。つまり、ガウス型が加算される位置をトップハット型の分布範囲の中心部以外の位置に変更させた態様の強度分布を生成することもできる。 Since the position of the axis of the laser light transmitted or reflected by the synthesizer 210 changes according to the input position of the laser light, the input positions of the third laser light L3 and the fourth laser light L4 can be adjusted. It is also possible to change the synthesis mode of the intensity distribution D1 of the third laser beam L3 and the intensity distribution D2 of the fourth laser beam L4. That is, it is also possible to generate an intensity distribution in which the position where the Gauss type is added is changed to a position other than the central portion of the top hat type distribution range.
集光レンズ２５０は、入力されたレーザ光を所定の位置に集光させるように出力するレンズであって、入力される合成レーザ光Ｌ６を集光させた照射レーザ光Ｌｔｇを出力する。集光レンズ２５０は、合成レーザ光Ｌ６の強度分布Ｄ６を保ったまま狭い範囲に集めることによって照射レーザ光Ｌｔｇの照射範囲におけるエネルギー強度Ｐを高くする。これにより、照射レーザ光Ｌｔｇは、溶接対象部分に高いエネルギー強度Ｐで照射されるようになり、溶接対象部分の温度上昇及び溶融が好適に行われる。例えば、溶接対象である複数の金属部材を溶融させてそれら金属部材を溶接することができる。 The condensing lens 250 is a lens that outputs the input laser light so as to condense it at a predetermined position, and outputs an irradiation laser light Ltg that condenses the input synthetic laser light L6. The condensing lens 250 increases the energy intensity P in the irradiation range of the irradiation laser light Ltg by collecting the combined laser light L6 in a narrow range while maintaining the intensity distribution D6. As a result, the irradiation laser beam Ltg is irradiated to the welding target portion with a high energy intensity P, and the temperature rise and melting of the welding target portion are preferably performed. For example, a plurality of metal members to be welded can be melted and the metal members can be welded.
本実施形態のレーザ溶接装置は、トップハット型とガウス型との各強度分布Ｄ２，Ｄ１の組み合わされた強度分布Ｄ６を有する合成レーザ光Ｌ６がその分布を保ったまま集光されてなる照射レーザ光Ｌｔｇが溶接対象物の溶接対象部分に照射される。 The laser welding apparatus of the present embodiment is an irradiation laser in which synthetic laser light L6 having an intensity distribution D6 in which the intensity distributions D2 and D1 of the top hat type and the Gauss type are combined is focused while maintaining the distribution. Light Ltg is applied to the welded portion of the welded object.
続いて、レーザ光の強度分布とレーザ溶接の態様とについて説明する。
図３に示すように、トップハット型は、光軸Ｃを中心に所定の半径６１となるレーザ光が照射される範囲にレーザ光のエネルギーＰ１２を略均等に、いわゆる台形状６２に付与する。これによりレーザ光が照射される範囲に分布する熱量も平均化されるため、照射範囲全体が均等に加熱・溶融される。そして、溶接対象物は、この均等な溶融に応じた溶融状態によって安定的に溶接加工されるようになる。また、強度分布中にエネルギーの強度Ｐの高い部分が無いため、特定個所への過剰なエネルギー付与が抑制されて過熱や部品貫通などの過剰な溶融加工を生じさせるおそれが低減されるようになる。このように、トップハット型は安定的な溶接加工を可能とし、溶接に関して安定した、いわゆるロバスト性の高い制御を行うことが容易である。一方、強度分布Ｄ２が平均化されているため、つまりレーザ光のエネルギーが照射範囲に均等に分散されるために部材の加熱・溶融に時間を要するため、加工速度が低く抑えられたり、部材の溶け込み深さが浅く抑えられたりするという特性も有する。
Subsequently, the intensity distribution of the laser beam and the mode of laser welding will be described.
As shown in FIG. 3, in the top hat type, the energy P12 of the laser beam is applied to the so-called trapezoidal shape 62 substantially evenly in the range where the laser beam having a predetermined radius 61 is irradiated around the optical axis C. As a result, the amount of heat distributed in the area irradiated with the laser beam is also averaged, so that the entire irradiation range is uniformly heated and melted. Then, the object to be welded is stably welded by the molten state corresponding to this uniform melting. Further, since there is no portion having a high energy intensity P in the intensity distribution, excessive energy application to a specific portion is suppressed, and the possibility of causing excessive melting processing such as overheating and penetration of parts is reduced. .. As described above, the top hat type enables stable welding, and it is easy to perform stable, so-called robustness control with respect to welding. On the other hand, since the intensity distribution D2 is averaged, that is, the energy of the laser beam is evenly dispersed in the irradiation range, it takes time to heat and melt the member, so that the processing speed can be kept low or the member It also has the characteristic that the penetration depth is shallowly suppressed.
図４に示すように、ガウス型は、光軸Ｃを中心に所定の半径６３となるレーザ光が照射される範囲のうち中央部の狭い範囲にレーザ光のエネルギーＰ１１が集中されたエネルギー強度Ｐの高い部分６４を有し、その狭い範囲において部材を加熱・溶融させる。よって、ガウス型のレーザ光は、それが集中的に照射される狭い範囲を溶融させ、その溶融を維持させる溶融状態によって溶接対象物を溶接する。溶融状態を維持することで迅速な溶接加工を可能にする。例えば、ガウス型のレーザ光は、エネルギー強度Ｐの高い部分６４に気化した材料による凹み、いわゆるキーホールを発現させて溶融した部材の対流などを生じさせて深くまでの溶融加工を行うことのできる溶融状態とさせることが可能である。併せて、融点温度の高い酸化した金属（例えば酸化アルミニウム等）を、材料とともに溶融させることもできるようになる。よって、エネルギー強度Ｐの高い部分６４によって短時間での確実な加熱・溶融が可能であるために溶接を行いやすかったり、溶け込み深さの深い溶接加工を可能にする。一方、エネルギーの強度Ｐの高い部分６４を有することや、未照射部分との間でのエネルギー量の差が大きくなることなどから、短時間で溶接状態が変わる等加工に対する感度が高くなる。また、ロバスト性が低下したり、照射時間が少しでも長くなると過熱や貫通のおそれが生じたり、レーザ光を照射する位置を高い精度で制御しなければならない等、精度の高い制御が求められるという特性も有する。 As shown in FIG. 4, the Gaussian type has an energy intensity P in which the energy P11 of the laser beam is concentrated in a narrow range in the central portion of the range in which the laser beam having a predetermined radius 63 is irradiated about the optical axis C. It has a high portion 64, and the member is heated and melted in a narrow range thereof. Therefore, the Gaussian laser beam melts a narrow area to which it is intensively irradiated, and welds the object to be welded in a molten state that maintains the melting. By maintaining the molten state, rapid welding is possible. For example, the Gauss-type laser beam can perform deep melting processing by causing a dent due to a vaporized material in a portion 64 having a high energy intensity P, that is, a so-called keyhole and convection of a molten member. It is possible to make it in a molten state. At the same time, an oxidized metal having a high melting point temperature (for example, aluminum oxide) can be melted together with the material. Therefore, since the portion 64 having a high energy intensity P enables reliable heating and melting in a short time, it is easy to perform welding, and welding processing with a deep penetration depth is possible. On the other hand, since it has a portion 64 having a high energy intensity P and a large difference in the amount of energy between the portion and the unirradiated portion, the sensitivity to processing such as a change in the welding state in a short time is increased. In addition, high-precision control is required, such as a decrease in robustness, a risk of overheating or penetration if the irradiation time is even a little longer, and the position to irradiate the laser beam must be controlled with high accuracy. It also has characteristics.
図５に示すように、本実施形態では、照射レーザ光Ｌｔｇの強度分布Ｄ６をトップハット型の強度分布Ｄ２とガウス型の強度分布Ｄ１とを組み合わせた分布とした。また、ガウス型のレーザ光の照射範囲は、トップハット型のレーザ光の照射範囲よりも狭くしている。例えば、合成レーザ光Ｌ６の強度分布Ｄ６は、ガウス型のレーザ光の照射径がトップハット型のレーザ光の照射径に対して２０％以上５０％以下の径であることから、トップハット型の強度分布Ｄ２の中央部分にガウス型の強度分布Ｄ１が加算された形状のレーザ分布となる。このように強度分布Ｄ６と同形状の強度分布を有する照射レーザ光Ｌｔｇは、トップハット型の対応する照射範囲には平均的にエネルギーが付与されることから安定的な溶接加工が可能となり、その制御も容易である。また、ガウス型の対応する照射範囲の中心部は高いエネルギーによる確実な溶接加工が期待される。なお、ガウス型のレーザ光の照射径がトップハット型のレーザ光の照射径に対して２５％以上５０％以下の径であるとよりよい。 As shown in FIG. 5, in the present embodiment, the intensity distribution D6 of the irradiation laser beam Ltg is a distribution in which the top hat type intensity distribution D2 and the Gauss type intensity distribution D1 are combined. Further, the irradiation range of the Gauss-type laser beam is narrower than the irradiation range of the top hat-type laser beam. For example, the intensity distribution D6 of the synthetic laser light L6 is of the top hat type because the irradiation diameter of the Gaussian laser light is 20% or more and 50% or less of the irradiation diameter of the top hat type laser light. The laser distribution has a shape in which the Gaussian intensity distribution D1 is added to the central portion of the intensity distribution D2. In this way, the irradiation laser beam Ltg having the same intensity distribution as the intensity distribution D6 can be stably welded because energy is applied to the corresponding irradiation range of the top hat type on average. It is also easy to control. In addition, the central part of the corresponding irradiation range of the Gauss type is expected to be reliably welded with high energy. It is better that the irradiation diameter of the Gauss-type laser beam is 25% or more and 50% or less of the irradiation diameter of the top hat-type laser beam.
照射レーザ光Ｌｔｇによる作用効果を説明する。
照射レーザ光Ｌｔｇは、トップハット型の強度分布Ｄ２によって照射範囲全体を均等に加熱・溶融させ、その中心部に照射されるガウス型の強度分布Ｄ１によって中心部の加熱・溶融を補助させる。このため、ガウス型の強度分布Ｄ１だけのレーザ光による溶接に比べて、ガウス型のエネルギー強度Ｐの高い部分６４の強度低下が可能となり、この強度低下によって溶接加工の安定性が向上する。一方、照射レーザ光Ｌｔｇは、ガウス型の強度分布Ｄ１によって中心部の迅速な温度上昇・溶融を行わせることができることに併せ、中心部の温度上昇や溶融がトップハット型の強度分布Ｄ２の部分にも迅速に伝えられるようになりトップハット型の強度分布Ｄ２による溶接加工の迅速性も向上する。つまり、トップハット型とガウス型が合成された照射レーザ光Ｌｔｇによれば、トップハット型の安定性と、ガウス型の迅速性とを兼ね備えた溶接加工を行うことができるようになる。また、合成させるトップハット型とガウス型との比率を可変とすることで、溶接対象物に好適な強度分布（プロファイル）を作成することができるようになる。
The action and effect of the irradiation laser light Ltg will be described.
The irradiation laser beam Ltg uniformly heats and melts the entire irradiation range by the top hat type intensity distribution D2, and assists the heating and melting of the central portion by the Gauss type intensity distribution D1 irradiated to the central portion thereof. Therefore, the strength of the portion 64 having a high energy intensity P of the Gauss type can be lowered as compared with the welding by the laser beam having only the Gauss type strength distribution D1, and the stability of the welding process is improved by this strength reduction. On the other hand, in the irradiation laser light Ltg, the Gaussian intensity distribution D1 enables rapid temperature rise / melting in the central portion, and the temperature rise / melting in the central portion is the portion of the top hat type intensity distribution D2. The speed of welding is also improved by the top hat type strength distribution D2. That is, according to the irradiation laser beam Ltg in which the top hat type and the Gauss type are combined, welding processing having both the stability of the top hat type and the quickness of the Gauss type can be performed. Further, by making the ratio of the top hat type and the Gauss type to be synthesized variable, it becomes possible to create a strength distribution (profile) suitable for the object to be welded.
またレーザ光の強度分布は、一般にレーザ発振器の発振するレーザ光に制約されるなどレーザ発振器による制約などが大きく、その強度分布の状態を容易に調節することはできない。しかし本実施形態によれば、上述したように、ガウスビーム発振器２１のレーザ光Ｌ１とトップハットビーム発振器２２のレーザ光Ｌ２とに基づく２つのレーザ光Ｌ３，Ｌ４を合成することで、合成レーザ光Ｌ６の強度分布Ｄ６を簡易に調整することができる。つまり本実施形態のレーザ溶接装置によれば、溶接対象物に照射するレーザ光の強度分布をより適切に設定することができる。 Further, the intensity distribution of the laser beam is generally restricted by the laser beam oscillated by the laser oscillator and is greatly restricted by the laser oscillator, and the state of the intensity distribution cannot be easily adjusted. However, according to the present embodiment, as described above, by synthesizing the two laser beams L3 and L4 based on the laser beam L1 of the Gaussian beam oscillator 21 and the laser beam L2 of the tophat beam oscillator 22, the combined laser beam light The intensity distribution D6 of L6 can be easily adjusted. That is, according to the laser welding apparatus of the present embodiment, the intensity distribution of the laser beam irradiating the object to be welded can be set more appropriately.
図６及び図７を参照して、本実施形態の作用について説明する。
図６は、溶接対象である電池ケース１０を電池としての上側から見た図である。電池ケース１０は、ケース１１に蓋１２が溶接されている。蓋１２には、正極側電極１３と負極側電極１４とが設けられている。電池ケース１０は、ケース１１の開口に載置された蓋１２がケース１１とレーザ溶接によって接合される。このとき、ケース１１に蓋１２をどの溶接部分も均一な溶接状態になるように溶接する必要があるが、溶接経路上のポイントＰ１〜Ｐ１０には、直線部分及び角部が混在しており、例えば、移動テーブル４０の制約などにより直線部分と角部とを同じ速度でレーザ溶接することができない。ＮＣ加工機等の装置は、直線部分と角部とで加工速度に差が生じることが避けられない。特に、高速溶接（一般的には１０ｍ／分以上での溶接）では、角部で大きく減速することになる傾向にある。
The operation of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7.
FIG. 6 is a view of the battery case 10 to be welded as viewed from above as a battery. The battery case 10 has a lid 12 welded to the case 11. The lid 12 is provided with a positive electrode side electrode 13 and a negative electrode side electrode 14. In the battery case 10, the lid 12 placed in the opening of the case 11 is joined to the case 11 by laser welding. At this time, it is necessary to weld the lid 12 to the case 11 so that all the welded portions are in a uniform welded state, but straight portions and corner portions are mixed at points P1 to P10 on the welding path. For example, due to restrictions of the moving table 40, the straight portion and the corner portion cannot be laser welded at the same speed. In devices such as NC processing machines, it is inevitable that there will be a difference in processing speed between the straight portion and the corner portion. In particular, in high-speed welding (generally welding at 10 m / min or more), there is a tendency for a large deceleration to occur at the corners.
詳しくは、図７（ａ）に示すように、溶接経路上においてポイントＰ１〜Ｐ１０毎に電池ケース１０の溶接位置と照射レーザ光Ｌｔｇとの相対速度が変化する。これは、照射位置の精度を維持しつつ、電池ケース１０の移動方向を変更することに伴って生じる速度変化である。具体的に説明すると、溶接開始位置及び溶接終了位置をポイントＰ２とする。つまり、レーザ溶接は、第１の長辺の端にある角部（ポイントＰ２）から溶接が開始される。次に、レーザ溶接は、角部である２つのポイントＰ２，Ｐ３の間の第１の短辺、続いて、ポイントＰ４，Ｐ５，Ｐ６を含む第２の長辺、続いて、角部である２つのポイントＰ７，Ｐ８の間の第２の短辺、続いて、ポイントＰ９，Ｐ１０，Ｐ１を含む第１の長辺、最後に、角部であるポイントＰ２の順に行われる。まず、溶接開始に伴ってポイントＰ２から相対速度が増加するが、角部であるポイントＰ２，Ｐ３は低速である必要があるのでポイントＰ３までは相対速度が低速に維持される。つまり、ポイントＰ２、第１の短辺及びポイントＰ３までは低速で溶接し、ポイントＰ３を過ぎてから加速してポイントＰ４，Ｐ５，Ｐ６は高速で溶接する。角部であるポイントＰ７及びＰ８は低速である必要があるので、ポイントＰ７の手前で減速されて、第２の短辺を通りポイントＰ８までは低速で溶接する。ポイントＰ８を過ぎてから加速してポイントＰ９，Ｐ１０，Ｐ１は高速で溶接し、ポイントＰ２の手前で減速されて溶接終了位置であるポイントＰ２で停止する。また、加工強度や安定性の観点から、開始した溶接は途中で停止することなく最後まで続けることが望ましい。 Specifically, as shown in FIG. 7A, the relative speed between the welding position of the battery case 10 and the irradiation laser beam Ltg changes at each of the points P1 to P10 on the welding path. This is a speed change caused by changing the moving direction of the battery case 10 while maintaining the accuracy of the irradiation position. Specifically, the welding start position and the welding end position are defined as points P2. That is, the laser welding starts from the corner portion (point P2) at the end of the first long side. Next, the laser welding is a first short side between two points P2 and P3 which are corners, followed by a second long side including points P4, P5 and P6, followed by a corner. The second short side between the two points P7 and P8 is followed by the first long side including the points P9, P10 and P1, and finally the corner point P2. First, the relative speed increases from the point P2 with the start of welding, but since the corner points P2 and P3 need to be low, the relative speed is maintained low until the point P3. That is, the points P2, the first short side and the point P3 are welded at a low speed, and after the point P3 is passed, the points P4, P5 and P6 are welded at a high speed by accelerating. Since the corners P7 and P8 need to be low speed, the speed is reduced before the point P7, and welding is performed at a low speed through the second short side to the point P8. After passing the point P8, the points P9, P10, and P1 are welded at high speed, decelerated before the point P2, and stopped at the welding end position, the point P2. Further, from the viewpoint of processing strength and stability, it is desirable that the started welding is continued to the end without stopping in the middle.
このとき、照射レーザ光Ｌｔｇが一定強度に維持されていると、相対速度の変化に応じて溶接位置に付与されるエネルギーに相違が生じる。例えば、相対速度が低速になれば相対的にエネルギー強度Ｐが高くなって、スパッタが生じる加熱や貫通等が生じやすくなるが、逆に、高速になれば相対的にエネルギー強度Ｐが低くなって溶け込み不足や溶接できていないおそれが生じる。そこで本実施形態では、照射レーザ光Ｌｔｇの強度分布Ｄ６を相対速度に応じて変化させるようにした。 At this time, if the irradiation laser beam Ltg is maintained at a constant intensity, the energy applied to the welding position differs according to the change in the relative velocity. For example, when the relative speed becomes low, the energy intensity P becomes relatively high, and heating or penetration that causes sputtering is likely to occur, but conversely, when the relative speed becomes high, the energy intensity P becomes relatively low. There is a risk of insufficient penetration or welding failure. Therefore, in the present embodiment, the intensity distribution D6 of the irradiation laser beam Ltg is changed according to the relative velocity.
図７（ｂ）に示すように、トップハットビーム発振器２２から出力する第２のレーザ光Ｌ２の強度は、発振開始及び発振停止のタイミングを除いて一定強度とする。これにより、レーザ溶接中に溶接対象位置には安定的に溶接用のエネルギーが供給される。つまり、第２のレーザ光Ｌ２の強度は、相対速度にかかわらず一定であるが溶接に対する安定性が高いため、スパッタが生じる加熱や貫通等は生じない。一方、安定性が高いため、迅速に溶融させることが難しいため相対速度が速いときは加熱が不十分になって溶接できないおそれがある。 As shown in FIG. 7B, the intensity of the second laser beam L2 output from the tophat beam oscillator 22 is constant except for the timings of oscillation start and oscillation stop. As a result, welding energy is stably supplied to the welding target position during laser welding. That is, although the intensity of the second laser beam L2 is constant regardless of the relative speed, it is highly stable against welding, so that heating or penetration that causes sputtering does not occur. On the other hand, since it is highly stable, it is difficult to melt it quickly, so when the relative speed is high, heating may be insufficient and welding may not be possible.
これに対して、図７（ｃ）に示すように、ガウスビーム発振器２１から出力する第１のレーザ光Ｌ１の強度は、相対速度に応じて変化する。つまり、相対速度が増加すれば強度が高くなり、相対速度が減少すれば強度が低くなるようにしている。制御装置３０は、移動テーブル４０の照射レーザ光Ｌｔｇに対する相対速度を取得し、取得した相対速度に応じてガウスビーム発振器２１に出力強度を制御する出力制御信号を出力する。そして、ガウスビーム発振器２１は、入力した出力制御信号に応じて第１のレーザ光Ｌ１の出力強度を調整する。制御装置３０は、相対速度を加減速信号、又はモータの回転数などから取得する。なお、相対速度が第１のレーザ光Ｌ１を不要とする程度に低速である場合、例えば図７（ａ）において、２つのポイントＰ２，Ｐ３の間や２つのポイントＰ７，Ｐ８の間において該程度に低速である場合、第１のレーザ光Ｌ１の強度は「０」であってもよい。 On the other hand, as shown in FIG. 7C, the intensity of the first laser beam L1 output from the Gaussian beam oscillator 21 changes according to the relative velocity. That is, the strength increases as the relative velocity increases, and the intensity decreases as the relative velocity decreases. The control device 30 acquires the relative velocity of the moving table 40 with respect to the irradiation laser beam Ltg, and outputs an output control signal for controlling the output intensity to the Gaussian beam oscillator 21 according to the acquired relative velocity. Then, the Gaussian beam oscillator 21 adjusts the output intensity of the first laser beam L1 according to the input output control signal. The control device 30 acquires the relative speed from the acceleration / deceleration signal, the rotation speed of the motor, or the like. When the relative velocity is low enough to eliminate the need for the first laser beam L1, for example, in FIG. 7A, the relative velocity is such a degree between the two points P2 and P3 and between the two points P7 and P8. When the speed is very low, the intensity of the first laser beam L1 may be “0”.
図８及び図９を参照して本実施形態の効果について説明する。なお、図８及び図９は、ガウス型の強度分布と、トップハット型の強度分布と、これらが組み合わされた強度分布との各レーザ光の溶接における特徴を比較するため、後述する条件を一例として比較したものである。よって、上述した組み合わされた強度分布の変化の態様が、ここで複数の強度分布の例として示されているわけではない。例えばここでは、トップハットビーム発振器２２からの第２のレーザ光Ｌ２の出力強度も可変とされている。なお、このような対比を第２のレーザ光Ｌ２の出力強度を一定として、第１のレーザ光Ｌ１の出力強度を変化させるようにして行われてもよい。 The effect of this embodiment will be described with reference to FIGS. 8 and 9. 8 and 9 show an example of the conditions described later in order to compare the characteristics of the Gaussian type intensity distribution, the top hat type intensity distribution, and the combined intensity distribution of each laser beam in welding. It is compared as. Therefore, the mode of change of the combined intensity distribution described above is not shown here as an example of a plurality of intensity distributions. For example, here, the output intensity of the second laser beam L2 from the tophat beam oscillator 22 is also variable. In addition, such a contrast may be performed so as to change the output intensity of the first laser beam L1 while keeping the output intensity of the second laser beam L2 constant.
図８は、照射レーザ光Ｌｔｇの各強度分布について、材料の貫通もなく、スパッタの発生しない条件でレーザ溶接をすることができる相対速度（溶接速度）と溶融深さとの関係を示している。各グラフＧ１０〜Ｇ１５について、それぞれ第１のレーザ光Ｌ１の出力強度、及び第２のレーザ光Ｌ２の出力強度について、第１のレーザ光Ｌ１の出力強度＋第２のレーザ光Ｌ２の出力強度と表記して説明する。第１グラフＧ１０は、１５００Ｗ＋１５００Ｗ、第２グラフＧ１１は、３０００Ｗ＋０Ｗ、第３グラフＧ１２は、１２００Ｗ＋１８００Ｗ、第４グラフＧ１３は、１０００Ｗ＋２０００Ｗ、第５グラフＧ１４は、８００Ｗ＋２２００Ｗ、第６グラフＧ１５は、０Ｗ＋３０００Ｗである。なお、第１のレーザ光Ｌ１の集光径は０．１ｍｍ、第２のレーザ光Ｌ２の集光径は０．４５ｍｍである。よって、第１のレーザ光Ｌ１の照射径が第２のレーザ光Ｌ２の照射径に対して２０％以上５０％以下の範囲にある約２２％である。また、第１のレーザ光Ｌ１は、溶融発生のトリガとなるが、スパッタ低減のためにはできるだけ低出力であることが好ましい。 FIG. 8 shows the relationship between the relative speed (welding speed) and the melting depth at which laser welding can be performed under the condition that there is no penetration of the material and no spatter occurs for each intensity distribution of the irradiation laser light Ltg. For each of the graphs G10 to G15, the output intensity of the first laser beam L1 and the output intensity of the second laser beam L2 are the output intensity of the first laser beam L1 + the output intensity of the second laser beam L2. Notated and explained. The first graph G10 is 1500W + 1500W, the second graph G11 is 3000W + 0W, the third graph G12 is 1200W + 180W, the fourth graph G13 is 1000W + 2000W, the fifth graph G14 is 800W + 2200W, and the sixth graph G15 is 0W + 3000W. The focusing diameter of the first laser beam L1 is 0.1 mm, and the focusing diameter of the second laser beam L2 is 0.45 mm. Therefore, the irradiation diameter of the first laser beam L1 is about 22%, which is in the range of 20% or more and 50% or less with respect to the irradiation diameter of the second laser beam L2. Further, the first laser beam L1 triggers the generation of melting, but it is preferable that the output is as low as possible in order to reduce sputtering.
電池ケース１０の溶接には、溶接深さとして０．５ｍｍよりも深く、１．０ｍｍよりも浅い深さが求められている。この深さは、電池ケース１０のケース１１及び蓋１２の材料の厚さに基づいて定まる。このとき、第１グラフＧ１０は、深すぎであり、第２グラフＧ１１及び第６グラフＧ１５は、適切な溶融深さになる溶接速度の範囲が狭いため安定的に溶接することが容易でない。これに対して、第３〜第５グラフＧ１２〜Ｇ１４は、適切な溶融深さになる溶接速度（相対速度）の範囲が広いため安定的に溶接することが容易になる。例えば、適切な溶融深さになる溶接速度になる範囲が、第３グラフＧ１２は、２８０ｍｍ／秒〜４５０ｍｍ／秒、第４グラフＧ１３は、２５０ｍｍ／秒〜４００ｍｍ／秒、第５グラフＧ１４は、２１０ｍｍ／秒〜４００ｍｍ／秒である。つまり、第２グラフＧ１１の２５０ｍｍ／秒〜３６０ｍｍ／秒、第６グラフＧ１５の１８０ｍｍ／秒〜２５０ｍｍ／秒に比べて広くなる。 Welding of the battery case 10 is required to have a welding depth deeper than 0.5 mm and shallower than 1.0 mm. This depth is determined based on the thickness of the material of the case 11 and the lid 12 of the battery case 10. At this time, the first graph G10 is too deep, and the second graph G11 and the sixth graph G15 are not easy to weld stably because the range of the welding speed at which the appropriate melting depth is obtained is narrow. On the other hand, in the third to fifth graphs G12 to G14, since the range of the welding speed (relative speed) at which the appropriate melting depth is obtained is wide, stable welding becomes easy. For example, the range of the welding speed at which the melting depth becomes appropriate is 280 mm / sec to 450 mm / sec in the third graph G12, 250 mm / sec to 400 mm / sec in the fourth graph G13, and 250 mm / sec to 400 mm / sec in the fifth graph G14. It is 210 mm / sec to 400 mm / sec. That is, it is wider than 250 mm / sec to 360 mm / sec in the second graph G11 and 180 mm / sec to 250 mm / sec in the sixth graph G15.
図９は、照射レーザ光Ｌｔｇの各強度分布について、材料の貫通もなく、スパッタの発生しない条件でレーザ溶接をすることができる相対速度（溶接速度）とアスペクト比との関係を示している。ここでアスペクト比は、ビードの幅に対する溶け込み深さの割合を示す。アスペクト比が高いと、溶け込み深さが深く、アスペクト比が低いと、溶接の安定性が低いことを示す。アスペクト比が０．８〜０．６の範囲は、スパッタの発生が少なく、アルミニウムの酸化膜による溶融不良も起こりにくい溶融状態であって溶接に適している遷移領域である。アスペクト比が０．８を越えると、溶融現象がキーホール現象に傾き、スパッタの発生するおそれが顕著に増大する。 FIG. 9 shows the relationship between the relative speed (welding speed) and the aspect ratio at which laser welding can be performed under the condition that there is no penetration of the material and no spatter occurs for each intensity distribution of the irradiation laser light Ltg. Here, the aspect ratio indicates the ratio of the penetration depth to the width of the bead. A high aspect ratio indicates a deep penetration depth, and a low aspect ratio indicates low welding stability. The range of the aspect ratio of 0.8 to 0.6 is a transition region suitable for welding because it is in a molten state in which sputtering is less likely to occur and melting defects due to the aluminum oxide film are unlikely to occur. When the aspect ratio exceeds 0.8, the melting phenomenon is inclined to the keyhole phenomenon, and the possibility of spattering is significantly increased.
ここでも、第１グラフＧ１０は、アスペクト比が高すぎる。第２グラフＧ１１及び第６グラフＧ１５は、適切なアスペクト比になる溶接速度の範囲が狭いため安定的に溶接することが容易でない。これに対して、第３〜第５グラフＧ１２〜Ｇ１４は、適切なアスペクト比になる溶接速度（相対速度）の範囲が広いため安定的に溶接することが容易になる。例えば、適切な溶融深さになる溶接速度になる範囲が、第３グラフＧ１２は、３００ｍｍ／秒〜４５０ｍｍ／秒、第４グラフＧ１３は、２４０ｍｍ／秒〜４００ｍｍ／秒、第５グラフＧ１４は、２１０ｍｍ／秒〜４００ｍｍ／秒である。つまり、第２グラフＧ１１の２７０ｍｍ／秒〜５００ｍｍ／秒、第６グラフＧ１５の１８０ｍｍ／秒〜２５０ｍｍ／秒に比べて広くなる。 Again, the aspect ratio of the first graph G10 is too high. In the second graph G11 and the sixth graph G15, stable welding is not easy because the range of welding speed at which an appropriate aspect ratio is obtained is narrow. On the other hand, the third to fifth graphs G12 to G14 have a wide range of welding speeds (relative speeds) having an appropriate aspect ratio, so that stable welding becomes easy. For example, the range of the welding speed at which the melting depth becomes appropriate is 300 mm / sec to 450 mm / sec for the third graph G12, 240 mm / sec to 400 mm / sec for the fourth graph G13, and 240 mm / sec to 400 mm / sec for the fifth graph G14. It is 210 mm / sec to 400 mm / sec. That is, it is wider than 270 mm / sec to 500 mm / sec in the second graph G11 and 180 mm / sec to 250 mm / sec in the sixth graph G15.
よって、レーザ溶接に、第３グラフＧ１２、第４グラフＧ１３及び第５グラフＧ１４に対応する強度分布を適用すれば溶接に適した速度範囲が広く確保される。一方、第２グラフＧ１１に示すガウス型の強度分布Ｄ１では、例えば、２倍以上の速度を同一条件で溶接することはできない。 Therefore, if the intensity distribution corresponding to the third graph G12, the fourth graph G13, and the fifth graph G14 is applied to the laser welding, a wide speed range suitable for welding is secured. On the other hand, in the Gaussian type strength distribution D1 shown in the second graph G11, for example, it is not possible to weld at a speed of twice or more under the same conditions.
また、ビーム生成装置２３は、照射レーザ光Ｌｔｇの強度分布Ｄ６において、ガウス型の強度分布Ｄ１のレーザ光Ｌ１の出力強度を変更することができる。よって、制御装置３０は、相対速度に応じてガウス型の強度分布Ｄ１のレーザ光Ｌ１の出力強度を適切に変更するようにガウスビーム発振器２１の出力強度を制御することで、適切にレーザ溶接をすることができる相対速度の範囲を広範囲にすることができる。例えば、レーザ溶接装置２０は、相対速度を１８０ｍｍ／秒以上、かつ、５１０ｍｍ／秒以下の範囲とすることができる。 Further, the beam generator 23 can change the output intensity of the laser beam L1 of the Gaussian type intensity distribution D1 in the intensity distribution D6 of the irradiation laser beam Ltg. Therefore, the control device 30 appropriately controls the output intensity of the Gaussian beam oscillator 21 so as to appropriately change the output intensity of the laser beam L1 of the Gaussian type intensity distribution D1 according to the relative velocity, thereby appropriately performing laser welding. The range of relative velocities that can be made can be widened. For example, the laser welding apparatus 20 can have a relative speed in the range of 180 mm / sec or more and 510 mm / sec or less.
例えば、直線部を相対速度５００ｍｍ／秒、出力５００Ｗ＋２３００Ｗで溶接して、減速に応じて第１のレーザ光Ｌ１の出力を減少させ、１８０ｍｍ／秒以下で第１のレーザ光Ｌ１の出力を０Ｗにするように設定すれば、速度変化が激しくても、好適な溶接が行えるようになる。すなわち、直線部は速く溶接し、速度が低下する角部も良好に溶接することができるようになる。 For example, the linear portion is welded at a relative speed of 500 mm / sec and an output of 500 W + 2300 W to reduce the output of the first laser beam L1 according to deceleration, and reduce the output of the first laser beam L1 to 0 W at 180 mm / sec or less. If it is set to do so, suitable welding can be performed even if the speed changes drastically. That is, the straight portion can be welded quickly, and the corner portion where the speed decreases can be well welded.
また、移動テーブル４０の移動速度にしても、速度範囲が１８０ｍｍ／秒〜５１０ｍｍ／秒の範囲にあれば、制御装置３０による制御性や移動テーブル４０の移動速度として特段の困難性はないことから、移動テーブル４０の加減速制御としてもこれを行いやすい。 Further, even if the moving speed of the moving table 40 is within the range of 180 mm / sec to 510 mm / sec, there is no particular difficulty in the controllability by the control device 30 and the moving speed of the moving table 40. It is easy to perform this as acceleration / deceleration control of the moving table 40.
以上説明したように、本実施形態のレーザ溶接装置、及び、レーザ溶接方法によれば、以下に列記するような効果が得られるようになる。
（１）照射レーザ光Ｌｔｇの強度分布が、相対速度が変化することに応じて、具体的には、分布中央部の最大値が電池ケース１０との相対速度に応じて、例えば溶接速度が速くなることに応じて大きくなる。これにより、レーザ溶接中に照射レーザ光Ｌｔｇと電池ケース１０との間の相対速度が変動するような場合であれ、レーザ溶接の精度を維持することができるようになる。例えば、中央部の最大値を加熱によるスパッタの生じない値に設定することで、相対速度が変動したとしても、スパッタが発生しない、かつ、アルミニウムの酸化物を溶融させることができる。
As described above, according to the laser welding apparatus and the laser welding method of the present embodiment, the effects listed below can be obtained.
(1) When the intensity distribution of the irradiation laser beam Ltg changes according to the relative speed, specifically, the maximum value at the center of the distribution corresponds to the relative speed with the battery case 10, for example, the welding speed is high. It grows as it grows. As a result, the accuracy of laser welding can be maintained even when the relative velocity between the irradiated laser beam Ltg and the battery case 10 fluctuates during laser welding. For example, by setting the maximum value in the central portion to a value at which sputtering does not occur due to heating, even if the relative speed fluctuates, sputtering does not occur and the aluminum oxide can be melted.
（２）第１のレーザ光Ｌ１の照射径（半径６３）よりも第２のレーザ光Ｌ２の照射径（半径６１）が大きく設定されることでレーザ光の強度が中央部で最大値となる分布となる。 (2) By setting the irradiation diameter (radius 61) of the second laser beam L2 to be larger than the irradiation diameter (radius 63) of the first laser beam L1, the intensity of the laser beam becomes the maximum value in the central portion. It becomes a distribution.
（３）半導体レーザからは溶接安定性が高いトップハット型の第２のレーザ光Ｌ２が得られ、ファイバーレーザからは溶融状態に対する応答性が高いガウス型の第１のレーザ光Ｌ１が得られる。よって、トップハット型のレーザ光と、ガウス型のレーザ光とをそれぞれ適切な強度にして合成することで速度変化への対応が好適にできる。また、ファイバーレーザは出力強度の調整が比較的容易であり、出力されるガウス型のレーザ光は溶融状態に対して応答性が高いことから、相対速度に応じて適切な溶融状態となるように出力強度を調節することができる。 (3) The top hat type second laser beam L2 having high welding stability can be obtained from the semiconductor laser, and the Gaussian type first laser beam L1 having high responsiveness to the molten state can be obtained from the fiber laser. Therefore, by combining the top hat type laser beam and the Gauss type laser beam with appropriate intensities, it is possible to cope with the change in speed. In addition, since the output intensity of the fiber laser is relatively easy to adjust and the output Gaussian laser beam is highly responsive to the molten state, the molten state should be adjusted according to the relative speed. The output intensity can be adjusted.
（４）相対速度が速くなることに応じて第１のレーザ光Ｌ１の出力強度が高められることでレーザ光の照射時間が短くなる電池ケース１０を好適にレーザ溶接することができる。 (4) The battery case 10 in which the irradiation time of the laser beam is shortened by increasing the output intensity of the first laser beam L1 as the relative velocity increases can be suitably laser welded.
（５）レーザ溶接における相対速度の速度差を最大３倍までにすることができる。
（６）ガウス型である第１のレーザ光Ｌ１で溶融のきっかけを作り、トップハット型である第２のレーザ光Ｌ２での溶融のロバスト性がより好適に維持される。
(5) The speed difference of the relative speed in laser welding can be up to 3 times.
(6) The Gauss-type first laser beam L1 creates a trigger for melting, and the robustness of melting with the top hat-type second laser beam L2 is more preferably maintained.
（７）第１のレーザ光Ｌ１の照射径が第２のレーザ光Ｌ２の照射径に対して２０％以上５０％以下の径であることによっても、最低の速度と最高の速度との差が約３倍になっても、スパッタが発生しない、かつ、酸化した電池ケース１０を溶融させることができる。 (7) Even when the irradiation diameter of the first laser beam L1 is 20% or more and 50% or less of the irradiation diameter of the second laser beam L2, the difference between the minimum speed and the maximum speed is different. Even if it is about three times as large, spatter does not occur and the oxidized battery case 10 can be melted.
（８）電池に備えられるアルミニウム製のケース１１及び蓋１２が溶接されるようになる。
（第２の実施形態）
図１０〜図１３に従って、レーザ溶接装置、及び、レーザ溶接方法を具体化した第２の実施形態について説明する。
(8) The aluminum case 11 and lid 12 provided in the battery are welded together.
(Second Embodiment)
A laser welding apparatus and a second embodiment embodying a laser welding method will be described with reference to FIGS. 10 to 13.
本実施形態は、レーザ溶接装置２０Ａの構成が、第１の実施形態のレーザ溶接装置２０と相違する。その他の構成については、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明の便宜上、その詳細な説明を割愛する。なお、本実施形態におけるトップハット型の強度分布及びガウス型の強度分布は、第１の実施形態に記載した式（１）及び式（２）によって定義される分布であってもよいし、式（１）及び式（２）に定義される分布の傾向を有していればこれらの定義と多少相違した分布であってもよい。 In this embodiment, the configuration of the laser welding device 20A is different from that of the laser welding device 20 of the first embodiment. Regarding other configurations, the same reference numerals are given to the configurations similar to those in the first embodiment, and detailed description thereof will be omitted for convenience of explanation. The top hat type intensity distribution and the Gauss type intensity distribution in the present embodiment may be the distributions defined by the equations (1) and (2) described in the first embodiment, or may be the equations. As long as it has the tendency of the distribution defined in (1) and (2), the distribution may be slightly different from these definitions.
レーザ溶接は、ガウス型の強度分布のレーザ光による溶接と、トップハット型の強度分布のレーザ光による溶接とが知られている。この２つのレーザ光を比較してみると、ガウス型の強度分布のレーザ光は、高速溶接性に優れているという特徴を有するが、狙い位置や隙間の大きさにより溶接品質が大きく変化しやすかったり、スパッタを発生させやすい等使いこなしが容易ではないという課題を有する。これに対して、トップハット型の強度分布のレーザ光は、溶接の品質が安定していたり、スパッタの発生が少ないといった特徴を有するが、溶接速度が速くなると十分な溶融深さが得られないといった課題を有する。 Laser welding is known to be welding with a Gaussian type intensity distribution laser beam and welding with a top hat type intensity distribution laser beam. Comparing these two laser beams, the Gauss-type laser beam with an intensity distribution is characterized by excellent high-speed weldability, but the welding quality is likely to change significantly depending on the target position and the size of the gap. In addition, there is a problem that it is not easy to use, such as easily generating spatter. On the other hand, the top hat type laser beam with an intensity distribution has features such as stable welding quality and less spatter generation, but a sufficient melting depth cannot be obtained when the welding speed is increased. It has a problem such as.
そこで、図１０に示すように、本実施形態のレーザ溶接装置２０Ａは、ガウス型の強度分布のレーザ光Ｌ１０を、狙い位置や間隔の大きさに対する感度を低くするために強度分布を分散して広げる。つまりレーザ溶接装置２０Ａは、レーザ光Ｌ１０を、スパッタの発生を低減させるために最大値を低下させた生成レーザ光Ｌ７とする。 Therefore, as shown in FIG. 10, the laser welding apparatus 20A of the present embodiment disperses the intensity distribution of the laser beam L10 having a Gaussian intensity distribution in order to reduce the sensitivity to the target position and the size of the interval. spread. That is, the laser welding apparatus 20A uses the laser light L10 as the generated laser light L7 whose maximum value is lowered in order to reduce the occurrence of sputtering.
図１１を参照して説明すると、ガウスビーム発振器２１は、図１１（ａ）に示すガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０を出力する。ビーム生成装置２３Ａは、レーザ光Ｌ１０を入力して、入力したレーザ光Ｌ１０の強度分布Ｄ１０を変更して、例えば、図１１（ｂ）に示すトップハット型の強度分布Ｄ１１のレーザ光Ｌ７を出力する。従来、ガウスビーム発振器２１が出力する一意に特定されているレーザ光Ｌ１０の強度分布Ｄ１０を、予め定めた特定の強度分布、ここではトップハット型の強度分布Ｄ１１に変換することは可能である。これに対して、本実施形態のビーム生成装置２３Ａは、ガウスビーム発振器２１が出力するレーザ光Ｌ１０の強度分布Ｄ１０を、トップハット型の強度分布Ｄ１１に変換するだけではなく、例えば、図１１（ｃ）に示すようにレーザ光の強度分布Ｄ１０とトップハット型の強度分布Ｄ１１との間の中間的である強度分布Ｄ１２に変換することが可能である。そして、ビーム生成装置２３Ａは、トップハット型の強度分布Ｄ１１、又は、中間的である強度分布Ｄ１２に変換した後の生成レーザ光Ｌ７を溶接用レーザ光としての照射レーザ光Ｌ８として溶接対象物である電池ケース１０に対して照射する。 Explaining with reference to FIG. 11, the Gaussian beam oscillator 21 outputs the laser beam L10 of the Gaussian type intensity distribution D10 shown in FIG. 11A. The beam generator 23A inputs the laser light L10, changes the intensity distribution D10 of the input laser light L10, and outputs, for example, the laser light L7 of the top hat type intensity distribution D11 shown in FIG. 11B. To do. Conventionally, it is possible to convert the intensity distribution D10 of the uniquely specified laser beam L10 output by the Gaussian beam oscillator 21 into a predetermined specific intensity distribution, here, a top hat type intensity distribution D11. On the other hand, the beam generator 23A of the present embodiment not only converts the intensity distribution D10 of the laser beam L10 output by the Gaussian beam oscillator 21 into the top hat type intensity distribution D11, but also, for example, FIG. As shown in c), it is possible to convert to an intensity distribution D12 that is intermediate between the intensity distribution D10 of the laser beam and the top hat type intensity distribution D11. Then, the beam generator 23A uses the generated laser light L7 after conversion to the top hat type intensity distribution D11 or the intermediate intensity distribution D12 as the irradiation laser light L8 as the welding laser light in the welding object. Irradiate a certain battery case 10.
中間的である強度分布Ｄ１２とは、例えば、下記の条件の１又は複数を満たす強度分布である。条件としては、例えば、強度の最大値が、ガウス型の強度分布Ｄ１０の最大値よりも小さく、かつ、トップハット型の強度分布Ｄ１１の最大値よりも大きい。また、条件としては、例えば、平均値に対する散らばりが、ガウス型の強度分布Ｄ１０の散らばりよりも小さく、かつ、トップハット型の強度分布Ｄ１１の散らばりよりも大きい。 The intermediate intensity distribution D12 is, for example, an intensity distribution that satisfies one or more of the following conditions. As a condition, for example, the maximum value of the intensity is smaller than the maximum value of the Gauss-type intensity distribution D10 and larger than the maximum value of the top hat-type intensity distribution D11. Further, as a condition, for example, the dispersion with respect to the average value is smaller than the dispersion of the Gauss-type intensity distribution D10 and larger than the dispersion of the top hat-type intensity distribution D11.
図１０に示すように、レーザ溶接装置２０Ａは、ガウスビーム発振器２１と、生成部としてのビーム生成装置２３Ａと、制御装置３０Ａとを備える。ビーム生成装置２３Ａは、ガウスビーム発振器２１からガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０を入力するとともに、強度分布を変換して生成した生成レーザ光Ｌ７に基づく照射レーザ光Ｌ８を出力する。 As shown in FIG. 10, the laser welding device 20A includes a Gaussian beam oscillator 21, a beam generating device 23A as a generating unit, and a control device 30A. The beam generator 23A inputs the laser beam L10 of the Gaussian type intensity distribution D10 from the Gaussian beam oscillator 21, and outputs the irradiation laser beam L8 based on the generated laser beam L7 generated by converting the intensity distribution.
ビーム生成装置２３Ａは、強度分布が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する溶接用レーザ光である生成レーザ光Ｌ７を生成する強度分布変換器５０を備えている。 The beam generator 23A includes an intensity distribution converter 50 that generates a generated laser beam L7 which is a laser beam for welding having a distribution in which the intensity distribution has a maximum value in a central portion surrounded by a peripheral portion.
強度分布変換器５０は、変換前のレーザ光Ｌ１０を入力させる入力部５１と、レーザ光Ｌ１０を出射する出射部５６と、拡散する入射光を平行光に変更するコリメータレンズ５７と、コリメータレンズ５７を出射部５６の出射方向に対して相対移動させる調整部としての駆動支持体５２とを備える。また、強度分布変換器５０は、入射したガウス型の強度分布Ｄ１０をトップハット型の強度分布Ｄ１１に変換するトップハットビームシェーパ５３を備える。 The intensity distribution converter 50 includes an input unit 51 for inputting the laser light L10 before conversion, an exit unit 56 for emitting the laser light L10, a collimator lens 57 for changing the diffused incident light to parallel light, and a collimator lens 57. Is provided with a drive support 52 as an adjusting unit that moves the light emitting unit 56 relative to the emitting direction. Further, the intensity distribution converter 50 includes a top hat beam shaper 53 that converts the incident Gauss-type intensity distribution D10 into a top hat-type intensity distribution D11.
入力部５１は、ガウスビーム発振器２１からの光ファイバーが接続される部分である。
出射部５６は、入力されたレーザ光Ｌ１０を所定の拡散角度で出射する。
コリメータレンズ５７は、入射された拡散角度を有する拡散レーザ光Ｌ１１を任意の直径ＤＬの平行光Ｌ１２に変換する。
The input unit 51 is a portion to which the optical fiber from the Gaussian beam oscillator 21 is connected.
The emitting unit 56 emits the input laser beam L10 at a predetermined diffusion angle.
The collimator lens 57 converts the incident diffusion laser light L11 having a diffusion angle into parallel light L12 having an arbitrary diameter DL.
駆動支持体５２は、ガウス型の強度分布Ｄ１０である平行光Ｌ１２を任意の直径ＤＬでトップハットビームシェーパ５３に入力させるものである。駆動支持体５２は、出射部５６からトップハットビームシェーパ５３との間でコリメータレンズ５７の出射部５６までの距離を変化させる方向に平行移動させる案内機構を備える。駆動支持体５２は、制御装置３０Ａからの位置指令に応じたモータの駆動により移動する案内機構によってコリメータレンズ５７を平行移動させ、出射部５６までの距離ｄが変更される。 The drive support 52 causes the tophat beam shaper 53 to input parallel light L12 having a Gaussian intensity distribution D10 with an arbitrary diameter DL. The drive support 52 includes a guide mechanism that translates between the exit portion 56 and the tophat beam shaper 53 in a direction that changes the distance from the exit portion 56 of the collimator lens 57. The drive support 52 moves the collimator lens 57 in parallel by a guide mechanism that moves by driving a motor in response to a position command from the control device 30A, and the distance d to the exit portion 56 is changed.
トップハットビームシェーパ５３は、所定の入力径を有する平行光Ｌ１２として入射したガウス型のレーザ光Ｌ１０を、トップハット型の生成レーザ光Ｌ７に変換する。すなわち、トップハットビームシェーパ５３は、平行光Ｌ１２の直径ＤＬが、入力径と同じ大きさに設定された平行光Ｌ１２が入力されることに応じて、この入力された平行光Ｌ１２をトップハット型の生成レーザ光Ｌ７に変換して出力する。一方、本実施形態のトップハットビームシェーパ５３は、平行光Ｌ１２の直径ＤＬが、入力径として設定された径よりも縮径された径である平行光Ｌ１２が入力されると、この入力された平行光Ｌ１２を中間的な強度分布Ｄ１２であるレーザ光Ｌ７に変換して出力する。 The top hat beam shaper 53 converts the Gaussian laser beam L10 incident as parallel light L12 having a predetermined input diameter into the top hat type generated laser beam L7. That is, the top hat beam shaper 53 uses the input parallel light L12 as a top hat type in response to the input of the parallel light L12 in which the diameter DL of the parallel light L12 is set to the same size as the input diameter. Is converted to the generated laser beam L7 and output. On the other hand, the tophat beam shaper 53 of the present embodiment is input when the parallel light L12 whose diameter DL of the parallel light L12 is reduced from the diameter set as the input diameter is input. The parallel light L12 is converted into the laser light L7 having an intermediate intensity distribution D12 and output.
また、トップハットビームシェーパ５３は、出力する生成レーザ光Ｌ７の強度分布の中央部分が、入力される平行光Ｌ１２の直径ＤＬの大きさに反比例してエネルギー密度が高くなるように変化する。具体的には、トップハットビームシェーパ５３は、入力径に対して直径ＤＬが縮径された割合に応じて中間的な強度分布Ｄ１２における、強度の最大値や、平均値に対する散らばりが変化する。例えば、縮径された割合が大きくなると、強度の最大値は小さくなり、平均値に対する散らばりは大きくなる。よって、コリメータレンズ５７と出射部５６との距離ｄが短くなることに応じてコリメータレンズ５７から出力される平行光Ｌ１２の直径ＤＬが小さくなるから、駆動支持体５２が距離ｄを短くさせることに応じて入力径に対して縮径された直径ＤＬの割合に応じた中間的な強度分布Ｄ１２が生成レーザ光Ｌ７として出力される。 Further, the tophat beam shaper 53 changes so that the central portion of the intensity distribution of the output generated laser light L7 increases the energy density in inverse proportion to the size of the diameter DL of the input parallel light L12. Specifically, in the tophat beam shaper 53, the maximum value of the intensity and the dispersion with respect to the average value in the intermediate intensity distribution D12 change according to the ratio of the diameter DL being reduced with respect to the input diameter. For example, as the diameter reduction ratio increases, the maximum value of the intensity decreases and the dispersion with respect to the average value increases. Therefore, as the distance d between the collimator lens 57 and the exit portion 56 becomes shorter, the diameter DL of the parallel light L12 output from the collimator lens 57 becomes smaller, so that the drive support 52 shortens the distance d. An intermediate intensity distribution D12 corresponding to the ratio of the diameter DL reduced to the input diameter is output as the generated laser beam L7.
制御装置３０Ａは、移動テーブル４０に加減速信号を与えて移動テーブル４０を移動させることに基づいて電池ケース１０と照射レーザ光Ｌ８とを相対移動させる。また、制御装置３０Ａは、駆動支持体５２に位置指令を与えてコリメータレンズ５７の出射部５６からの距離ｄを変化させることに基づいて中間的な強度分布Ｄ１２の生成レーザ光Ｌ７についてその強度の分布を変化させる。 The control device 30A relatively moves the battery case 10 and the irradiation laser beam L8 based on moving the moving table 40 by giving an acceleration / deceleration signal to the moving table 40. Further, the control device 30A gives a position command to the drive support 52 to change the distance d from the exit portion 56 of the collimator lens 57, and the intensity of the generated laser light L7 of the intermediate intensity distribution D12 is increased. Change the distribution.
具体的には、制御装置３０Ａは、電池ケース１０と照射レーザ光Ｌ８との間の相対速度が速くなると平行光Ｌ１２の直径ＤＬを縮径させるために出射部５６とコリメータレンズ５７との間の距離ｄを短くすることで生成レーザ光Ｌ７の強度分布を変更する。一方、制御装置３０Ａは、電池ケース１０と照射レーザ光Ｌ８との間の相対速度が遅くなると平行光Ｌ１２の直径ＤＬを拡径させるために出射部５６とコリメータレンズ５７との間の距離ｄを長くすることで生成レーザ光Ｌ７の強度分布を変更する。仮に、図７を参照して説明すると、制御装置３０Ａは、図７（ａ）に示すように速度が変化するとき、相対速度が速くなることに応じて距離ｄを短くし、相対速度が遅くなることに応じて距離ｄを長くするように制御することができる。 Specifically, the control device 30A between the exit unit 56 and the collimator lens 57 in order to reduce the diameter DL of the parallel light L12 when the relative speed between the battery case 10 and the irradiation laser light L8 increases. By shortening the distance d, the intensity distribution of the generated laser beam L7 is changed. On the other hand, the control device 30A increases the distance d between the exit portion 56 and the collimator lens 57 in order to increase the diameter DL of the parallel light L12 when the relative speed between the battery case 10 and the irradiation laser light L8 becomes slow. By lengthening it, the intensity distribution of the generated laser beam L7 is changed. Assuming that the relative speed changes, the control device 30A shortens the distance d as the relative speed increases and the relative speed decreases as shown in FIG. 7A. The distance d can be controlled to be lengthened accordingly.
図１２及び図１３を参照して本実施形態の効果について説明する。
図１２は、照射レーザ光Ｌ８の各強度分布について、材料の貫通もなく、スパッタの発生しない条件でレーザ溶接をすることができる相対速度（溶接速度）と溶融深さとの関係を示している。なお、第１０グラフＧ２０はガウス型の強度分布Ｄ１０である場合を示し、第１１グラフＧ２１は中間的である強度分布Ｄ１２である場合を示し、第１２グラフＧ２２はトップハット型の強度分布Ｄ１１である場合を示している。また、いずれの場合も、ガウスビーム発振器２１からの出力強度は同じであるものとする。また、照射レーザ光Ｌ８は、ガウス型の強度分布Ｄ１０のときの集光径は０．１ｍｍ、トップハット型のときの集光径は０．４５ｍｍであるものとする。
The effects of this embodiment will be described with reference to FIGS. 12 and 13.
FIG. 12 shows the relationship between the relative speed (welding speed) and the melting depth at which laser welding can be performed under the condition that there is no penetration of the material and no spatter occurs for each intensity distribution of the irradiation laser beam L8. The tenth graph G20 shows the case of the Gauss type intensity distribution D10, the eleventh graph G21 shows the case of the intermediate intensity distribution D12, and the twelfth graph G22 shows the case of the top hat type intensity distribution D11. It shows a case. Further, in each case, it is assumed that the output intensity from the Gaussian beam oscillator 21 is the same. Further, it is assumed that the irradiation laser beam L8 has a focusing diameter of 0.1 mm in the case of the Gaussian type intensity distribution D10 and a focusing diameter of 0.45 mm in the case of the top hat type.
電池ケース１０の溶接には、溶接深さとして０．５ｍｍよりも深く、１．０ｍｍよりも浅い深さが求められている。このとき、第１０グラフＧ２０は、溶融深さが適当な深さになるには溶接速度が２６０ｍｍ／秒以上必要であり、直線部を加工するときの高速度には対応できるものの、角部を加工するときの低速度に対応できない。つまり、低速度に対する柔軟性が低い。第１１グラフＧ２１は、溶融深さが適当な深さであるとともに、溶接速度が２１０ｍｍ／秒〜３５０ｍｍ／秒の範囲にあり、角部を加工するときの低速度、及び、直線部を加工するときの高速度の両方の速度に対応することができる。また、低速度と高速度との速度差を大きくすることができるので、加減速に対する柔軟性が高い。第１２グラフＧ２２は、溶融深さが適当であるときの溶接速度が１８０ｍｍ／秒〜２４０ｍｍ／秒の範囲にあり、角部を加工するときの低速度には対応できるものの、直線部を加工するときの高速度には対応することができない。つまり、高速度に対する柔軟性が低い。 Welding of the battery case 10 is required to have a welding depth deeper than 0.5 mm and shallower than 1.0 mm. At this time, in the tenth graph G20, a welding speed of 260 mm / sec or more is required for the melting depth to reach an appropriate depth, and although it can cope with a high speed when machining a straight portion, the corner portion is machined. It cannot cope with the low speed of the time. That is, the flexibility for low speed is low. In the eleventh graph G21, the melting depth is an appropriate depth, the welding speed is in the range of 210 mm / sec to 350 mm / sec, the low speed when machining the corner portion, and the straight portion are machined. It can handle both high speeds of time. Further, since the speed difference between the low speed and the high speed can be increased, the flexibility for acceleration / deceleration is high. In the 12th graph G22, the welding speed when the melting depth is appropriate is in the range of 180 mm / sec to 240 mm / sec, and although it can cope with a low speed when machining a corner portion, a straight portion is machined. It cannot cope with the high speed of the time. That is, it has low flexibility for high speeds.
図１３は、照射レーザ光Ｌ８の各強度分布について、材料の貫通もなく、スパッタの発生しない条件でレーザ溶接をすることができる相対速度（溶接速度）とアスペクト比との関係を示している。ここでアスペクト比は、ビードの幅に対する溶け込み深さの割合を示す。アスペクト比が高いと、溶け込み深さが深く、アスペクト比が低いと、溶接の安定性が低いことを示す。 FIG. 13 shows the relationship between the relative speed (welding speed) and the aspect ratio at which laser welding can be performed under the condition that there is no penetration of the material and no spatter occurs for each intensity distribution of the irradiation laser light L8. Here, the aspect ratio indicates the ratio of the penetration depth to the width of the bead. A high aspect ratio indicates a deep penetration depth, and a low aspect ratio indicates low welding stability.
ここでも、第１０グラフＧ２０は、適切なアスペクト比になる溶接速度が２７０ｍｍ／秒〜３４０ｍｍ／秒で高く、低速度に対する柔軟性が低い。第１１グラフＧ２１は、適切なアスペクト比になる溶接速度が２２０ｍｍ／秒〜３１０ｍｍ／秒であり、低速度及び高速度の両方に対応できる。第１２グラフＧ２２は、適切なアスペクト比になる溶接速度が１８０ｍｍ／秒〜２２０ｍｍ／秒で低く、高速度に対する柔軟性が低い。 Here, too, in the tenth graph G20, the welding speed at which an appropriate aspect ratio is obtained is high at 270 mm / sec to 340 mm / sec, and the flexibility for low speed is low. The eleventh graph G21 has a welding speed of 220 mm / sec to 310 mm / sec, which provides an appropriate aspect ratio, and can handle both low and high speeds. In the twelfth graph G22, the welding speed at which an appropriate aspect ratio is obtained is low at 180 mm / sec to 220 mm / sec, and the flexibility for high speed is low.
すなわち、第１０グラフＧ２０は、溶接に適した速度範囲が２７０ｍｍ／秒〜３４０ｍｍ／秒であり、範囲が７０ｍｍ／秒ある。また、第１１グラフＧ２１は、溶接に適した速度範囲が２２０ｍｍ／秒〜３１０ｍｍ／秒にあり、範囲が９０ｍｍ／秒ある。また、第１２グラフＧ２２は、溶接に適した速度範囲が２１０ｍｍ／秒〜２２０ｍｍ／秒にあり、範囲が１０ｍｍ／秒ある。よって、レーザ溶接に、第１１グラフＧ２１となる中間的である強度分布Ｄ１２を使用することで溶接に適した速度範囲が広く確保される。 That is, in the tenth graph G20, the speed range suitable for welding is 270 mm / sec to 340 mm / sec, and the range is 70 mm / sec. Further, in the eleventh graph G21, the speed range suitable for welding is 220 mm / sec to 310 mm / sec, and the range is 90 mm / sec. Further, in the twelfth graph G22, the speed range suitable for welding is in the range of 210 mm / sec to 220 mm / sec, and the range is 10 mm / sec. Therefore, by using the intermediate intensity distribution D12, which is the 11th graph G21, for laser welding, a wide speed range suitable for welding is secured.
また、ビーム生成装置２３Ａは、照射レーザ光Ｌ８の強度分布を、ガウス型の強度分布Ｄ１０〜中間的である強度分布Ｄ１２〜トップハット型の強度分布Ｄ１１の範囲で変更可能である。ここで、照射レーザ光Ｌ８の強度分布は、距離ｄが長くなることに応じて、ガウス型の強度分布Ｄ１０からトップハット型の強度分布Ｄ１１へ変化する。具体的な変化の態様としては、距離ｄが長くなることに応じて、徐々に照射範囲が拡大していくとともに、徐々に強度の山の部分が平均値に近くなるようにつぶれ、広がっていくように遷移する。よって、制御装置３０Ａは、相対速度に応じて適切な強度分布となるようにビーム生成装置２３Ａを制御することで、適切にレーザ溶接をすることができる相対速度の範囲を広範囲にすることができる。例えば、レーザ溶接装置２０Ａは、相対速度を１８０ｍｍ／秒以上、かつ、３４０ｍｍ／秒以下の範囲とすることができる。相対速度を１８０ｍｍ／秒以上、かつ、３２０ｍｍ／秒以下の範囲とするとより好ましい。例えば、図７（ａ）に示すように相対速度が変化する場合、相対速度が低下すると距離ｄを長くし、相対速度が上昇すると距離ｄを短くすることで、相対速度に応じて、ガウス型の出力強度を変化させるようにすることもできる。 Further, the beam generator 23A can change the intensity distribution of the irradiation laser beam L8 in the range of the Gaussian type intensity distribution D10 to the intermediate intensity distribution D12 to the top hat type intensity distribution D11. Here, the intensity distribution of the irradiation laser beam L8 changes from the Gauss-type intensity distribution D10 to the top hat-type intensity distribution D11 as the distance d increases. As a specific mode of change, as the distance d becomes longer, the irradiation range gradually expands, and the peak portion of the intensity gradually collapses and expands so as to approach the average value. Transition like this. Therefore, the control device 30A can widen the range of the relative speed at which laser welding can be appropriately performed by controlling the beam generation device 23A so that the intensity distribution is appropriate according to the relative speed. .. For example, the laser welding apparatus 20A can have a relative speed in the range of 180 mm / sec or more and 340 mm / sec or less. It is more preferable that the relative speed is in the range of 180 mm / sec or more and 320 mm / sec or less. For example, when the relative speed changes as shown in FIG. 7A, the distance d is lengthened when the relative speed decreases, and the distance d is shortened when the relative speed increases, so that the Gaussian type is used according to the relative speed. It is also possible to change the output intensity of.
また、移動テーブル４０の移動速度にしても、速度範囲が１８０ｍｍ／秒〜３４０ｍｍ／秒の範囲にあれば、制御装置３０Ａによる制御性や移動テーブル４０の移動速度として特段の困難性はないことから、移動テーブル４０の加減速制御としてもこれを行いやすい。 Further, even if the moving speed of the moving table 40 is within the range of 180 mm / sec to 340 mm / sec, there is no particular difficulty in the controllability by the control device 30A and the moving speed of the moving table 40. It is easy to perform this as acceleration / deceleration control of the moving table 40.
以上説明したように、本実施形態のレーザ溶接装置、及び、レーザ溶接方法によれば、上記第１の実施形態に記載した（１）の効果に加えて、以下に列記するような効果が得られるようになる。 As described above, according to the laser welding apparatus and the laser welding method of the present embodiment, in addition to the effect of (1) described in the first embodiment, the effects listed below are obtained. Will be able to be.
（９）トップハットビームシェーパ５３へのガウス型のレーザ光Ｌ１０の平行光Ｌ１２の入力径を所定の入力径以下にすることで、ガウス型のレーザ光Ｌ１０の中央部の強度分布が、トップハットビームシェーパ５３によって分散される割合を変更する。具体的には、ガウス型のレーザ光Ｌ１０の強度を狭い範囲に集中させることにより、トップハットビームシェーパ５３からも狭い範囲で出力強度が高いレーザ光が出力されるようになる。換言すると、ガウス型のレーザ光の変換にトップハットビームシェーパ５３の一部が利用されるので、トップハットビームシェーパ５３から出力されるレーザ光を中央部の強度の高いレーザ光にすることができる。これにより、相対速度が速くて照射時間が短くなる溶接対象物についても高い強度のレーザ光によってレーザ溶接をすることができるようになる。 (9) By setting the input diameter of the parallel light L12 of the Gaussian laser beam L10 to the top hat beam shaper 53 to be equal to or smaller than the predetermined input diameter, the intensity distribution of the central portion of the Gaussian laser beam L10 becomes the top hat. The ratio distributed by the beam shaper 53 is changed. Specifically, by concentrating the intensity of the Gauss-type laser beam L10 in a narrow range, the tophat beam shaper 53 also outputs a laser beam having a high output intensity in a narrow range. In other words, since a part of the tophat beam shaper 53 is used for the conversion of the Gaussian laser beam, the laser beam output from the tophat beam shaper 53 can be converted into a high-intensity laser beam in the central portion. .. As a result, it becomes possible to perform laser welding with a high-intensity laser beam even on a welding object having a high relative velocity and a short irradiation time.
（１０）トップハットビームシェーパ５３へのガウス型のレーザ光Ｌ１０の入力径を所定の径よりも小径とすることが容易に行えるようになる。
（１１）ガウス型のレーザ光Ｌ１０が出射される位置とトップハットビームシェーパ５３との位置が固定されていても、コリメータレンズ５７の位置を変更させることによりトップハットビームシェーパ５３へ入力するガウス型のレーザ光の径を所定の入力径よりも小径とすることが容易に行えるようになる。
(10) The input diameter of the Gauss-type laser beam L10 to the tophat beam shaper 53 can be easily made smaller than a predetermined diameter.
(11) Even if the position where the Gauss-type laser beam L10 is emitted and the position of the tophat beam shaper 53 are fixed, the Gauss-type input to the tophat beam shaper 53 is performed by changing the position of the collimator lens 57. It becomes possible to easily make the diameter of the laser beam of the above laser light smaller than a predetermined input diameter.
（１２）相対速度の速度差を最大１．８９倍までにすることができる。
（第３の実施形態）
図１４〜図１７に従って、レーザ溶接装置、レーザ溶接方法、及び、レーザ加工用レンズを具体化した第３の実施形態について説明する。
(12) The speed difference of the relative speed can be increased up to 1.89 times.
(Third Embodiment)
A third embodiment embodying a laser welding apparatus, a laser welding method, and a laser processing lens will be described with reference to FIGS. 14 to 17.
本実施形態は、変換レンズ５５の構成が第２の実施形態のトップハットビームシェーパ５３の構成と相違する。その他の構成については、第１及び第２の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明の便宜上、その詳細な説明を割愛する。 In this embodiment, the configuration of the conversion lens 55 is different from the configuration of the tophat beam shaper 53 of the second embodiment. Regarding other configurations, the same reference numerals are given to the configurations similar to those of the first and second embodiments, and detailed description thereof will be omitted for convenience of explanation.
図１４に示すように、変換レンズ５５は、ビーム生成装置２３Ａにおいて、駆動支持体５２によって該変換レンズ５５に対して遠近方向に相対移動されるコリメータレンズ５７から出力されるレーザ光である平行光Ｌ１２が入力されるようになっている。変換レンズ５５は、入力される平行光Ｌ１２の直径ＤＬが、コリメータレンズ５７が変換レンズ５５から離れると縮径され、コリメータレンズ５７が変換レンズ５５に近づくと拡径される。換言すると、平行光Ｌ１２の直径ＤＬは、コリメータレンズ５７が出射部５６に近づくと縮径され、コリメータレンズ５７が出射部５６から離れると拡径される。 As shown in FIG. 14, the conversion lens 55 is a parallel light that is a laser beam output from the collimator lens 57 that is moved relative to the conversion lens 55 in the perspective direction by the drive support 52 in the beam generator 23A. L12 is input. The diameter DL of the input parallel light L12 of the conversion lens 55 is reduced when the collimator lens 57 is separated from the conversion lens 55, and is enlarged when the collimator lens 57 approaches the conversion lens 55. In other words, the diameter DL of the parallel light L12 is reduced when the collimator lens 57 approaches the emitting portion 56, and is enlarged when the collimator lens 57 is separated from the emitting portion 56.
制御装置３０Ａは、電池ケース１０と照射レーザ光Ｌ１４との間の相対速度が速くなると平行光Ｌ１２の直径ＤＬを縮小させることで生成レーザ光Ｌ１３のエネルギー密度を高める。具体的には、制御装置３０Ａは、平行光Ｌ１２の直径ＤＬを縮小させるため、出射部５６とコリメータレンズ５７との間の距離ｄが近づくようにコリメータレンズ５７を移動させる。 The control device 30A increases the energy density of the generated laser light L13 by reducing the diameter DL of the parallel light L12 when the relative velocity between the battery case 10 and the irradiation laser light L14 increases. Specifically, the control device 30A moves the collimator lens 57 so that the distance d between the exit portion 56 and the collimator lens 57 is reduced in order to reduce the diameter DL of the parallel light L12.
一方、制御装置３０Ａは、電池ケース１０と照射レーザ光Ｌ１４との間の相対速度が遅くなると平行光Ｌ１２の直径ＤＬを拡大させることで生成レーザ光Ｌ１３のエネルギー密度を低下させる。具体的には、制御装置３０Ａは、平行光Ｌ１２の直径ＤＬを拡大させるため、出射部５６とコリメータレンズ５７との間の距離ｄが離れるようにコリメータレンズ５７を移動させる。仮に、図７を参照して説明すると、制御装置３０Ａは、図７（ａ）に示すように速度が変化するとき、相対速度が速くなることに応じて距離ｄを短くし、相対速度が遅くなることに応じて距離ｄを長くするように制御することができる。 On the other hand, the control device 30A reduces the energy density of the generated laser light L13 by increasing the diameter DL of the parallel light L12 when the relative velocity between the battery case 10 and the irradiation laser light L14 becomes slow. Specifically, the control device 30A moves the collimator lens 57 so that the distance d between the exit portion 56 and the collimator lens 57 is increased in order to expand the diameter DL of the parallel light L12. Assuming that the relative speed changes, the control device 30A shortens the distance d as the relative speed increases and the relative speed decreases as shown in FIG. 7A. The distance d can be controlled to be lengthened accordingly.
図１５を参照して、本実施形態の変換レンズ５５が出力する生成レーザ光Ｌ１３について説明する。
図１５に示すように、強度分布変換器５０には、ガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０が入力される。このレーザ光Ｌ１０が出射部５６から所定の拡散角度で拡散レーザ光Ｌ１１として出射され、拡径した拡散レーザ光Ｌ１１がコリメータレンズ５７に入力される。コリメータレンズ５７は、拡径した拡散レーザ光Ｌ１１を平行光Ｌ１２に変換して変換レンズ５５に入力させる。
The generated laser beam L13 output by the conversion lens 55 of the present embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 15, the laser beam L10 of the Gaussian intensity distribution D10 is input to the intensity distribution converter 50. The laser light L10 is emitted from the emitting unit 56 as the diffused laser light L11 at a predetermined diffusion angle, and the expanded diameter diffused laser light L11 is input to the collimator lens 57. The collimator lens 57 converts the expanded diameter diffused laser light L11 into parallel light L12 and causes the conversion lens 55 to input the light.
図１５及び図１６に示すように、変換レンズ５５は、ガウス型の強度分布Ｄ１０を有する平行光Ｌ１２を、トップハット型の強度分布Ｄ１５と、強度分布Ｄ１５の中央部に突出するガウス型の強度分布Ｄ１４とを組み合わせた形状に合成された強度分布Ｄ１３に変換して生成レーザ光Ｌ１３として出力する。そして、生成レーザ光Ｌ１３が集光レンズ２５０を通過することで出力される照射レーザ光Ｌ１４が溶接対象である電池ケース１０の溶接部に照射される。 As shown in FIGS. 15 and 16, the conversion lens 55 projects the parallel light L12 having the Gaussian intensity distribution D10 into the top hat type intensity distribution D15 and the central portion of the intensity distribution D15. It is converted into the intensity distribution D13 synthesized into a shape combined with the distribution D14 and output as the generated laser beam L13. Then, the irradiation laser light L14 output by the generated laser light L13 passing through the condenser lens 250 is irradiated to the welded portion of the battery case 10 to be welded.
図１６及び図１７を参照して、変換レンズ５５について説明する。
変換レンズ５５は、ガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０が入力されると、これを、トップハット型の強度分布Ｄ１５にガウス型の強度分布Ｄ１０の一部が合成された強度分布Ｄ１３に変換して出力する。変換レンズ５５は、例えば、光の透過方向に沿う断面において入射側は平面であり、出射側が中央に窪みを有し、外周より内側に外周及び中央部の窪みよりも突出する膨らみを有する形状を有している。なお、変換レンズ５５は、その構造として周知のレンズを用いることができる。
The conversion lens 55 will be described with reference to FIGS. 16 and 17.
When the laser beam L10 of the Gauss-type intensity distribution D10 is input, the conversion lens 55 converts it into the intensity distribution D13 in which a part of the Gauss-type intensity distribution D10 is combined with the top hat-type intensity distribution D15. And output. The conversion lens 55 has, for example, a shape in which the incident side is flat in the cross section along the light transmission direction, the exit side has a dent in the center, and the conversion lens 55 has a bulge inward from the outer circumference and protruding from the dent in the outer circumference and the central portion. Have. As the conversion lens 55, a lens known as its structure can be used.
詳述すると、変換レンズ５５は、ガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０をトップハット型の強度分布Ｄ１５に変換する変換部６６と、入力された強度分布を維持する、すなわち変換しない緩和部としての無変換部６７とを備えている。変換部６６は、変換レンズ５５に所定の入力径Ｗ３１で入射されたガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０をトップハット型の強度分布Ｄ１５に変換する。無変換部６７は、入力径Ｗ３１より狭い範囲であって、光軸Ｃを中心とする出力径Ｗ３２の範囲に設けられ、この出力径Ｗ３２の範囲から出射するレーザ光の強度分布Ｄ１４を入力されたときの強度分布に維持して出力する。ところで、変換レンズ５５は、中央部の窪みの部分に水平面からなる無変換部６７を有している。そこで水平面を形成するため、変換レンズ５５は、中央部の窪みの最深部分に合わせて凹ませた凹部６８を形成し、その底面を無変換部６７としている。 More specifically, the conversion lens 55 serves as a conversion unit 66 that converts the laser beam L10 of the Gauss-type intensity distribution D10 into a top hat-type intensity distribution D15, and a relaxation unit that maintains the input intensity distribution, that is, does not convert. It is provided with a non-conversion unit 67 of. The conversion unit 66 converts the laser beam L10 of the Gaussian intensity distribution D10 incident on the conversion lens 55 with a predetermined input diameter W31 into the top hat type intensity distribution D15. The non-conversion unit 67 is provided in a range narrower than the input diameter W31 and in the range of the output diameter W32 centered on the optical axis C, and the intensity distribution D14 of the laser light emitted from the range of the output diameter W32 is input. The output is maintained with the intensity distribution at the time. By the way, the conversion lens 55 has a non-conversion portion 67 formed of a horizontal plane in a recessed portion in the central portion. Therefore, in order to form a horizontal plane, the conversion lens 55 forms a recess 68 recessed in accordance with the deepest portion of the recess in the central portion, and the bottom surface thereof is a non-conversion portion 67.
この変換レンズ５５によれば、合成された強度分布Ｄ１３として、光軸Ｃを中心とする出力径Ｗ３２の範囲を変換しない強度分布Ｄ１４と、光軸Ｃを中心とする出力径Ｗ３２の範囲を除いた入力径Ｗ３１の範囲を変換したトップハット型の強度分布Ｄ１５とを合成した強度分布が得られる。 According to this conversion lens 55, the combined intensity distribution D13 excludes the intensity distribution D14 that does not convert the range of the output diameter W32 centered on the optical axis C and the range of the output diameter W32 centered on the optical axis C. An intensity distribution obtained by combining the top hat type intensity distribution D15 obtained by converting the range of the input diameter W31 is obtained.
変換レンズ５５によれば、ガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０が入力されたときの出力の強度分布Ｄ１４は、入力されたガウス型の強度分布Ｄ１０のうち光軸Ｃを中心とする出力径Ｗ３２に対応する範囲の分布であり、強度分布Ｄ１５は、入力径Ｗ３１の範囲を変換して出力径Ｗ３３としたトップハット型の分布を有している。 According to the conversion lens 55, the output intensity distribution D14 when the laser beam L10 of the Gaussian intensity distribution D10 is input is the output diameter centered on the optical axis C of the input Gaussian intensity distribution D10. It is a distribution of a range corresponding to W32, and the intensity distribution D15 has a top hat type distribution in which the range of the input diameter W31 is converted to the output diameter W33.
以上説明したように、本実施形態のレーザ溶接装置、レーザ溶接方法、及び、レーザ加工用レンズによれば、上記第１の実施形態に記載した（１）の効果に加えて、以下に列記するような効果が得られるようになる。 As described above, according to the laser welding apparatus, the laser welding method, and the laser processing lens of the present embodiment, in addition to the effect of (1) described in the first embodiment, the effects are listed below. The effect will be obtained.
（１３）強度が最大値となる部分を含む所定の領域（出力径Ｗ３２）に入力されたレーザ光は拡散角度が小さいため、強度が高い状態を維持したまま溶接対象物等に照射される。例えば、レーザを拡散させる部分のレンズ形状は凹レンズであることから、凹レンズである領域に凹レンズの曲率を小さくさせる無変換部６７を形成することで、無変換部６７における拡散角度を小さくすることができる。これにより、レーザ光の最大値が、入力されたガウス型のレーザ光Ｌ１０の最大値よりも小さいが、トップハット型のレーザ光の最大値よりは大きい強度を有するレーザ光を出力することができるようになる。 (13) Since the laser beam input to the predetermined region (output diameter W32) including the portion where the intensity becomes the maximum value has a small diffusion angle, the laser beam is irradiated to the welding object or the like while maintaining the high intensity state. For example, since the lens shape of the portion where the laser is diffused is a concave lens, it is possible to reduce the diffusion angle in the non-conversion portion 67 by forming a non-conversion portion 67 that reduces the curvature of the concave lens in the region of the concave lens. it can. As a result, it is possible to output a laser beam having an intensity smaller than the maximum value of the input Gaussian laser beam L10 but larger than the maximum value of the top hat type laser beam. Will be.
（１４）出力径Ｗ３２の範囲は、ガウス型の強度分布Ｄ１０が拡散せずに透過するので、周囲に比較して中央部にガウス型の強度分布が維持されたレーザ光を出力することができる。 (14) Since the Gauss-type intensity distribution D10 is transmitted in the range of the output diameter W32 without diffusing, it is possible to output the laser beam in which the Gauss-type intensity distribution is maintained in the central portion as compared with the surroundings. ..
（１５）無変換部６７を平面とすることでレーザ光を拡散しない部分を設けることが容易である。
（１６）レーザ光を拡散させる部分のレンズ形状は凹レンズであることから、凹レンズである領域にあっては無変換部６７を凹部６８に形成することで、凹部６８の底面の曲率を凹レンズの曲率よりも小さくすることができる。
(15) By making the non-conversion portion 67 flat, it is easy to provide a portion that does not diffuse the laser beam.
(16) Since the lens shape of the portion that diffuses the laser light is a concave lens, the curvature of the bottom surface of the concave portion 68 is changed to the curvature of the concave lens by forming the non-conversion portion 67 in the concave portion 68 in the region of the concave lens. Can be smaller than.
（その他の実施形態）
なお上記各実施形態は、以下の態様で実施することもできる。
・上記第３の実施形態では、変換レンズ５５は、無変換部６７を中央部の窪みの最深部分に合わせて凹ませた凹部６８として有している場合について例示したが、これに限らず、変換レンズは、無変換部を中央部の窪みを周囲の高さまでかさ上げした形状で有していてもよい。また、変換部との間に段差が生じないように無変換部を形成してもよい。
(Other embodiments)
It should be noted that each of the above embodiments can also be implemented in the following embodiments.
-In the third embodiment, the case where the conversion lens 55 has the non-conversion portion 67 as a recess 68 recessed in accordance with the deepest portion of the recess in the central portion is illustrated, but the present invention is not limited to this. The conversion lens may have a non-conversion portion having a recess in the center raised to a peripheral height. Further, a non-conversion portion may be formed so that a step does not occur between the conversion portion and the conversion portion.
例えば、図１８に示すように、変換レンズ５５Ａは、入力された強度分布を変換する変換部６６と、入力された強度分布を維持する無変換部６９とを備えていてもよい。そして、無変換部６９を、変換部６６との境界部分に接続する平面として形成してもよい。これにより、入力された強度分布を出力径Ｗ４２に維持しているとともに、入力径Ｗ４１の範囲を変換して出力径Ｗ４３のトップハット型の分布としたレーザ光が出力される。 For example, as shown in FIG. 18, the conversion lens 55A may include a conversion unit 66 that converts the input intensity distribution and a non-conversion unit 69 that maintains the input intensity distribution. Then, the non-conversion unit 69 may be formed as a plane connected to the boundary portion with the conversion unit 66. As a result, the input intensity distribution is maintained at the output diameter W42, and the laser beam is output by converting the range of the input diameter W41 into a top hat type distribution having the output diameter W43.
・また、無変換部６７は、中央を少しかさ上げするとともに、変換部との境界を少し凹ませた形状とが合わさった形状であってもよい。
・上記第３の実施形態では、無変換部６７が平面である場合について例示したが、これに限らず、無変換部は変換部に比較して曲率を小さい曲面を含んでいてもよい。これにより中央部のガウス型のレーザ光の拡散を減らすことで中央部の強度を維持することができる。
Further, the non-conversion unit 67 may have a shape in which the center is slightly raised and the boundary with the conversion unit is slightly recessed.
-In the third embodiment, the case where the non-conversion unit 67 is a flat surface has been illustrated, but the present invention is not limited to this, and the non-conversion unit may include a curved surface having a smaller curvature than the conversion unit. As a result, the intensity of the central portion can be maintained by reducing the diffusion of the Gauss-type laser beam in the central portion.
・上記第２及び第３の実施形態では、コリメータレンズ５７を平行移動させ、出射部５６までの距離ｄが変更されることで平行光Ｌ１２の直径ＤＬが変更される場合について例示した。しかしこれに限らず、トップハットビームシェーパや変換レンズ、又は、出射部を平行移動させて、トップハットビームシェーパや変換レンズと、出射部との間の距離を変更してトップハットビームシェーパや変換レンズに入力されるレーザ光の直径を変更してもよい。 In the second and third embodiments, the case where the collimator lens 57 is translated and the distance d to the exit portion 56 is changed to change the diameter DL of the parallel light L12 has been illustrated. However, the present invention is not limited to this, and the tophat beam shaper or conversion lens or the output portion is moved in parallel to change the distance between the top hat beam shaper or conversion lens and the exit portion to change the tophat beam shaper or conversion. The diameter of the laser beam input to the lens may be changed.
・上記各実施形態では、レーザ溶接装置２０に制御装置３０，３０Ａが含まれる場合について例示したが、これに限らず、レーザ溶接装置が相対速度に応じて出力強度を変更したり、強度分布を変更したりすることができるのであれば、レーザ溶接装置に制御装置が含まれていなくてもよい。 -In each of the above embodiments, the case where the laser welding apparatus 20 includes the control devices 30 and 30A has been illustrated, but the present invention is not limited to this, and the laser welding apparatus changes the output intensity according to the relative speed and changes the intensity distribution. The laser welding device may not include a control device as long as it can be changed.
・上記第１の実施形態では、第１のレーザ光Ｌ１の出力強度を変更する場合について例示した。しかしこれに限らず、第１のレーザ光の分散を変更してもよい。第１のレーザ光の分散が大きくなれば、エネルギー集中が緩和されることから溶融の安定性を高めることができるため低速での溶接が可能にもなる。逆に、相対速度が速くなるに応じて第１のレーザ光の出力の分散が小さくなればレーザ光が集中するようになり、レーザ光の照射時間が短くなる溶接対象物を好適にレーザ溶接することができるようになる。 -In the first embodiment, the case where the output intensity of the first laser beam L1 is changed has been illustrated. However, the present invention is not limited to this, and the dispersion of the first laser beam may be changed. If the dispersion of the first laser beam becomes large, the energy concentration is relaxed and the stability of melting can be improved, so that welding at a low speed becomes possible. On the contrary, if the dispersion of the output of the first laser beam becomes smaller as the relative speed becomes faster, the laser beam becomes concentrated, and the object to be welded in which the irradiation time of the laser beam becomes shorter is preferably laser welded. You will be able to do it.
・上記第１の実施形態では、トップハットビーム発振器２２は、出力が一定である場合について例示したが、トップハットビーム発振器の出力を変化させてもよい。
・上記第１の実施形態では、ガウスビーム発振器２１は、レーザ光の波長が１０７０ｎｍである場合について例示したが、これに限らず、レーザ溶接に適切な波長であれば、レーザ光の波長が１０７０ｎｍ以外、例えば、１０７０ｎｍ未満であって、８８０ｎｍ〜９８０ｎｍでもよい。
-In the first embodiment, the tophat beam oscillator 22 illustrates the case where the output is constant, but the output of the tophat beam oscillator 22 may be changed.
-In the first embodiment, the Gaussian beam oscillator 21 illustrates the case where the wavelength of the laser beam is 1070 nm, but the present invention is not limited to this, and the wavelength of the laser beam is 1070 nm if the wavelength is suitable for laser welding. Other than that, for example, it may be less than 1070 nm and may be 880 nm to 980 nm.
・上記第１の実施形態では、トップハットビーム発振器２２は、レーザ光の波長が９４０ｎｍ〜１０２４ｎｍである場合について例示したが、これに限らず、レーザ溶接に適切な波長であれば、レーザ光の波長が９４０ｎｍ〜１０２４ｎｍ以外、例えば、８８０ｎｍ以上９４０ｎｍ未満でもよい。 -In the first embodiment, the tophat beam oscillator 22 illustrates the case where the wavelength of the laser light is 940 nm to 1024 nm, but the present invention is not limited to this, and any wavelength suitable for laser welding can be used. The wavelength may be other than 940 nm to 1024 nm, for example, 880 nm or more and less than 940 nm.
・上記第１の実施形態では、ガウスビーム発振器２１の出力に対して、トップハットビーム発振器２２の出力を１．５倍とした場合について例示したが、これに限らず、レーザ溶接が好適になされるのであれば、１．５倍未満であってもよいし、逆に、１．５倍より大きくてもよい。 -In the first embodiment, the case where the output of the tophat beam oscillator 22 is 1.5 times the output of the Gaussian beam oscillator 21 has been illustrated, but the present invention is not limited to this, and laser welding is preferably performed. If so, it may be less than 1.5 times, or conversely, it may be larger than 1.5 times.
・上記第１の実施形態では、制御装置３０は、相対速度を１８０ｍｍ／秒未満にしてもよいし、５１０ｍｍ／秒より速くすることができてもよい。
その他の実施形態であっても、相対速度の範囲が最低値より遅くなってもよいし、最高値より速くなってもよい。
-In the first embodiment, the control device 30 may have a relative speed of less than 180 mm / sec or faster than 510 mm / sec.
In other embodiments, the range of relative velocity may be slower than the minimum value or faster than the maximum value.
なお、いずれの実施形態であれ、少なくとも溶接開始時や溶接終了時には相対速度は０ｍｍ／秒〜１８０ｍｍ／秒未満の間で変化することになることは言うまでもない。
・上記各実施形態では、ガウスビーム発振器２１は、ファイバーレーザ共振器であって、ガウス型の強度分布Ｄ１を有する第１のレーザ光Ｌ１を出力する場合について例示した。しかしこれに限らず、ガウス型の強度分布のレーザ光を出力できるのであれば、ガウスビーム発振器は、ファイバーレーザ共振器以外の発振器、例えば、半導体レーザ等であってもよい。なお、出力強度の変更が容易であるとなおよい。
Needless to say, in any of the embodiments, the relative speed changes between 0 mm / sec and less than 180 mm / sec at least at the start of welding and the end of welding.
In each of the above embodiments, the case where the Gaussian beam oscillator 21 is a fiber laser resonator and outputs a first laser beam L1 having a Gaussian type intensity distribution D1 has been illustrated. However, the present invention is not limited to this, and the Gaussian beam oscillator may be an oscillator other than the fiber laser cavity, for example, a semiconductor laser or the like, as long as it can output a laser beam having a Gaussian intensity distribution. It is even better that the output intensity can be easily changed.
・上記第１の実施形態では、トップハットビーム発振器２２は、いわゆる半導体レーザであって、トップハット型の強度分布Ｄ２を有する第２のレーザ光Ｌ２を出力する場合について例示した。しかしこれに限らず、トップハット型の強度分布のレーザ光を出力できるのであれば、トップハットビーム発振器は、半導体レーザ以外の発振器、例えば、ファイバーレーザ共振器等であってもよい。 -In the first embodiment, the case where the top hat beam oscillator 22 is a so-called semiconductor laser and outputs a second laser beam L2 having a top hat type intensity distribution D2 has been illustrated. However, the present invention is not limited to this, and the tophat beam oscillator may be an oscillator other than a semiconductor laser, for example, a fiber laser resonator or the like, as long as it can output a laser beam having a tophat type intensity distribution.
・上記第１の実施形態では、トップハット型の強度分布及びガウス型の強度分布を式（１）及び式（２）によって定義する場合について例示したが、これに限らず、式（１）及び式（２）に定義される分布の傾向を有していればこれらの定義と多少相違した分布であってもよい。例えば、式（１）及び式（２）の定義に含まれていなくとも、式（１）の定義に近い分布をトップハット型に含め、式（２）定義に近い分布をガウス型に含めてもよい。 -In the first embodiment, the case where the top hat type intensity distribution and the Gauss type intensity distribution are defined by the equations (1) and (2) has been illustrated, but the present invention is not limited to this, and the equations (1) and The distribution may be slightly different from these definitions as long as it has the tendency of the distribution defined in the equation (2). For example, even if it is not included in the definitions of equations (1) and (2), the distribution close to the definition of equation (1) is included in the top hat type, and the distribution close to the definition of equation (2) is included in the Gauss type. May be good.
・上記各実施形態では、電池ケース１０の移動方向が移動テーブル４０で変更される場合について例示した。しかしこれに限らず、照射レーザ光が移動されてもよいし、電池ケース及び照射レーザ光が共に移動されてもよい。 -In each of the above embodiments, the case where the moving direction of the battery case 10 is changed by the moving table 40 is illustrated. However, the present invention is not limited to this, and the irradiation laser light may be moved, or the battery case and the irradiation laser light may be moved together.
・上記各実施形態では、電池ケース１０は、ニッケル水素二次電池用の電池ケースである場合について例示したが、電池ケースは、リチウムイオン二次電池用の電池ケース等であってもよい。 -In each of the above embodiments, the case where the battery case 10 is a battery case for a nickel-metal hydride secondary battery is illustrated, but the battery case may be a battery case for a lithium ion secondary battery or the like.
・上記各実施形態では、電池ケース１０を溶接する場合について例示したが、これに限らず、溶接加工を要するものであれば、電池ケース以外のものを溶接対象物にしてもよい。これにより、レーザ溶接装置を適用することのできる範囲の拡張が図られるようになる。 -In each of the above embodiments, the case of welding the battery case 10 has been illustrated, but the present invention is not limited to this, and any object other than the battery case may be used as the object to be welded as long as it requires welding. As a result, the range to which the laser welding apparatus can be applied can be expanded.
・上記各実施形態では、溶接対象物が金属製の部材である場合について例示した。しかしこれに限らず、溶接対象の部材は、レーザにより溶融させることができる材料であれば、例えば樹脂など、金属以外の材料からなる部材であってもよい。これにより、レーザ溶接装置として設計の自由度が向上されるようになる。 -In each of the above embodiments, the case where the object to be welded is a metal member has been illustrated. However, the present invention is not limited to this, and the member to be welded may be a member made of a material other than metal, such as resin, as long as it is a material that can be melted by a laser. As a result, the degree of freedom in designing the laser welding device is improved.
１０…電池ケース、１１…ケース、１２…蓋、１３…正極側電極、１４…負極側電極、２０，２０Ａ…レーザ溶接装置、２１…ガウスビーム発振器、２２…トップハットビーム発振器、２３，２３Ａ…ビーム生成装置、３０，３０Ａ…制御装置、４０…移動テーブル、５０…強度分布変換器、５１…入力部、５２…駆動支持体、５３…トップハットビームシェーパ、５５，５５Ａ…変換レンズ、５６…出射部、５７…コリメータレンズ、６１…半径、６６…変換部、６７…無変換部、６８…凹部、６９…無変換部、１８０…第２のコリメートレンズ、１８１…第１のコリメートレンズ、２００…全反射ミラー、２１０…合成器、２１１…反射部、２５０…集光レンズ。 10 ... Battery case, 11 ... Case, 12 ... Lid, 13 ... Positive electrode side electrode, 14 ... Negative electrode side electrode, 20, 20A ... Laser welding device, 21 ... Gaussian beam oscillator, 22 ... Tophat beam oscillator, 23, 23A ... Beam generator, 30, 30A ... Control device, 40 ... Moving table, 50 ... Intensity distribution converter, 51 ... Input unit, 52 ... Drive support, 53 ... Tophat beam shaper, 55, 55A ... Conversion lens, 56 ... Ejecting part, 57 ... Collimator lens, 61 ... Radius, 66 ... Converting part, 67 ... Non-converting part, 68 ... Recessed part, 69 ... Non-converting part, 180 ... Second collimator lens, 181 ... First collimator lens, 200 ... full reflection mirror, 210 ... synthesizer, 211 ... reflector, 250 ... condenser lens.
Claims (8)
前記溶接用レーザ光は、強度分布がガウス型である第１のレーザ光と、強度分布がトップハット型である第２のレーザ光とを合成することにより生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有し、
前記第２のレーザ光の照射径よりも、前記第１のレーザ光の照射径を小さく設定して前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを合成することで前記溶接用レーザ光を生成する生成部と、
前記相対速度を取得するとともに、前記取得した相対速度が速くなることに応じて前記第１のレーザ光の出力の分散を小さくする制御装置とを備え、
前記生成部は、前記相対速度の増加に応じて前記第１のレーザ光の強度分布の最大値を増大させる
レーザ溶接装置。 A laser welding apparatus that irradiates a welding target with a welding laser beam to perform laser welding of the welding target, and the relative speed between the welding laser light and the welding target is variable.
The welding laser beam is a laser beam generated by synthesizing a first laser beam having a Gaussian intensity distribution and a second laser beam having an intensity distribution of a top hat type. It has a distribution in which the intensity of the laser beam is maximized in the central part surrounded by the peripheral part.
By setting the irradiation diameter of the first laser beam to be smaller than the irradiation diameter of the second laser beam and synthesizing the first laser beam and the second laser beam, the welding laser beam a generating unit that generates a,
It is provided with a control device that acquires the relative velocity and reduces the dispersion of the output of the first laser beam as the acquired relative velocity increases.
The generator is a laser welding apparatus that increases the maximum value of the intensity distribution of the first laser beam in response to an increase in the relative velocity.
前記第２のレーザ光は、半導体レーザから出力されるレーザ光である
請求項１に記載のレーザ溶接装置。 The first laser beam is a laser beam output from a fiber laser.
The laser welding apparatus according to claim 1 , wherein the second laser beam is a laser beam output from a semiconductor laser.
請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置。 The laser welding apparatus according to claim 1 or 2 , further comprising a control device for acquiring the relative velocity and increasing the output intensity of the first laser beam as the acquired relative velocity increases.
請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。 The laser welding device according to any one of claims 1 to 3, wherein the control device is variable in the range of 180 mm / sec or more and 510 mm / sec or less.
請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。 The laser welding apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein the output of the top hat type is 1.5 times or more the output of the Gauss type.
請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。 When the welding target is irradiated with the laser beam for welding, the irradiation diameter of the first laser beam is 20% or more and 50% or less of the irradiation diameter of the second laser beam. Item 6. The laser welding apparatus according to any one of Items 1 to 5.
前記ケース及び前記蓋は、アルミニウム製であり、
前記相対速度は、レーザ溶接による加熱によって生じるアルミニウムの飛散物であるスパッタが生じない速度範囲における最低速度、かつ、酸化アルミニウムが溶融する速度範囲における最高速度の間の速度範囲内で設定される
請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。 The object to be welded is a case and a lid provided on the battery.
The case and the lid are made of aluminum.
The relative speed is set within a speed range between a minimum speed in a speed range in which spatter, which is a scattered material of aluminum generated by heating by laser welding, does not occur, and a maximum speed in a speed range in which aluminum oxide melts. Item 6. The laser welding apparatus according to any one of Items 1 to 6.
前記溶接用レーザ光は、強度分布がガウス型である第１のレーザ光と、強度分布がトップハット型である第２のレーザ光とを合成することにより生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有し、
前記溶接用レーザ光を生成する生成部で、前記第２のレーザ光の照射径よりも、前記第１のレーザ光の照射径を小さく設定して前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを合成することで前記溶接用レーザ光を生成する工程と、
前記相対速度を取得するとともに、前記取得した相対速度が速くなることに応じて前記第１のレーザ光の出力の分散を小さくするように制御する工程と、
前記生成部で、前記相対速度の増加に応じて前記第１のレーザ光の強度分布の最大値を増大させる工程とを備える
レーザ溶接方法。 The welding target is irradiated with a welding laser beam to perform laser welding of the welding target, and laser welding is performed with a laser welding device in which the relative speed between the welding laser light and the welding target is variable. Laser welding method
The welding laser beam is a laser beam generated by synthesizing a first laser beam having a Gaussian intensity distribution and a second laser beam having an intensity distribution of a top hat type. It has a distribution in which the intensity of the laser beam is maximized in the central part surrounded by the peripheral part.
In the generation unit that generates the laser beam for welding, the irradiation diameter of the first laser beam is set smaller than the irradiation diameter of the second laser beam, and the first laser beam and the second laser beam are set to be smaller. The process of generating the laser beam for welding by synthesizing light and
A step of acquiring the relative velocity and controlling the dispersion of the output of the first laser beam to be reduced as the acquired relative velocity increases.
A laser welding method comprising a step of increasing the maximum value of the intensity distribution of the first laser beam in accordance with an increase in the relative velocity in the generation unit.
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