KR20210021481A

KR20210021481A - 용접 방법 및 용접 장치

Info

Publication number: KR20210021481A
Application number: KR1020207036592A
Authority: KR
Inventors: 료스케 니시이; 고스케 가시와기; 다카시 가야하라; 도모미치 야스오카; 다카시 시게마츠
Original assignee: 후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2021-02-26
Also published as: EP3812078A4; JPWO2019245053A1; CN112368104A; KR102578698B1; US20210086295A1; EP3812078A1; JP7269237B2; WO2019245053A1

Abstract

용접 방법은, 복수의 금속박을 겹친 가공 대상을, 복수의 빔에 의해 구성되는 레이저광이 조사되는 영역에 배치하고, 상기 레이저광의 복수의 빔을, 상기 가공 대상의 표면에 대하여, 상기 표면 상의 소정의 영역 내에서 상기 복수의 빔의 서로의 중심이 겹치지 않도록 위치를 분산시켜서, 상기 복수의 빔을 조사하고, 조사된 부분의 상기 가공 대상을 용융하여 용접을 행하며, 상기 복수의 빔의 각각을, 상기 금속박에 구멍이 뚫리지 않는 파워 밀도를 가지도록 설정하고, 또한, 상기 복수의 빔에 의해, 상기 가공 대상을 관통하는 용융지를 형성하도록, 상기 복수의 빔의 파워 밀도를 설정하는 것과 함께 조사 위치를 분산시켜서 조사한다.

Description

용접 방법 및 용접 장치

본 발명은, 용접 방법 및 용접 장치에 관한 것이다.

금속 재료로 이루어지는 가공 대상을 용접하는 방법의 하나로서, 레이저 용접이 알려져 있다. 레이저 용접이란, 레이저광을 가공 대상의 용접 부분에 조사하여, 레이저광의 에너지로 용접 부분을 용융시키는 용접 방법이다. 레이저광이 조사된 용접 부분에는, 용융지(溶融池)라고 불리는 용융한 금속 재료의 액고임이 형성되고, 그 후, 용융지가 고화(固化)함으로써 용접이 행해진다.

한편, 금속박을 겹쳐서 용접한 것은, 다양한 기술 분야에 있어서 사용되고 있다. 예를 들면, 구리박을 겹쳐서 용접한 것은, 리튬 이온 전지의 전극으로서 이용되고 있다. 금속박의 겹침 용접에 대해서, 품질이 안정한 용접 기술이 널리 요구되고 있다. 금속박의 겹침 용접에 관한 기술로서는, 예를 들면 특허문헌 1에 개시되어 있는 것이 있다.

일본국 공개특허 특개2014-136242호 공보

레이저 용접을 이용하여 금속박을 겹침 용접하는 경우에는, 금속박은 지극히 얇기 때문에, 레이저광의 파워 밀도가 지나치게 높으면 금속박에 구멍이나 깨짐 등이 발생하여, 허용 정도 이상의 데미지를 주는 경우가 있다. 한편, 레이저광의 파워 밀도가 지나치게 낮으면, 겹친 금속박의 최하층까지 레이저광의 에너지가 닿지 않아, 용접 프로세스가 진행되지 않는 경우가 있다. 이들의 현상은, 용접을 품질 저하시키는 원인이 된다.

본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 보다 품질이 높은 겹침 용접을 실현할 수 있는 용접 방법 및 용접 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 서술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 방법은, 복수의 금속박을 겹친 가공 대상을, 복수의 빔에 의해 구성되는 레이저광이 조사되는 영역에 배치하고, 상기 레이저광의 복수의 빔을, 상기 가공 대상의 표면에 대하여, 상기 표면 상의 소정의 영역 내에서 상기 복수의 빔의 서로의 중심이 겹치지 않도록 위치를 분산시켜서, 상기 복수의 빔을 조사하고, 조사된 부분의 상기 가공 대상을 용융하여 용접을 행하며, 상기 복수의 빔의 각각을, 상기 금속박에 구멍이 뚫리지 않는 파워 밀도를 가지도록 설정하고, 또한, 상기 복수의 빔에 의해, 상기 가공 대상을 관통하는 용융지를 형성하도록, 상기 복수의 빔의 파워 밀도를 설정하는 것과 함께 조사 위치를 분산시켜서 조사한다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 방법은, 상기 가공 대상의 특성에 따라, 상기 복수의 빔의 수, 피크 파워, 및 조사 위치의 배치, 및 상기 소정의 영역의 형상 중 적어도 하나를 설정한다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 방법은, 상기 레이저광을 상기 가공 대상을 향하여 조사하면서 상기 레이저광과 상기 가공 대상을 상대적으로 이동시켜, 상기 레이저광을 상기 가공 대상 상에서 소인(掃引)한다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 방법은, 상기 금속박이 구리를 포함한다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 방법은, 레이저광을 복수의 빔으로 분할 가능한 빔 세이퍼(Beam shaper)에 의해, 상기 가공 대상에 조사하는 상기 복수의 빔을 생성한다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 방법은, 상기 빔 세이퍼가 회절 광학 소자이다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 방법은, 상기 가공 대상의 단위 두께(㎛), 단위 용접 길이(㎜)당의 상기 가공 대상에 조사되는 상기 레이저광의 에너지(J/(㎛*㎜))가, 0.02 이상 1.67 이하이다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 방법은, 상기 가공 대상의 단위 두께(㎛), 단위 용접 길이(㎜)당의 상기 가공 대상에 조사되는 상기 레이저광의 에너지(J/(㎛*㎜))가, 0.04 이상 1.46 이하이다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 장치는, 레이저 장치와, 상기 레이저 장치로부터 출력된 레이저광을, 가공 대상을 향하여 조사하고, 조사된 부분의 상기 가공 대상을 용융하여 용접을 행하는 광학 헤드를 구비하고, 상기 가공 대상은, 복수의 금속박을 겹쳐서 구성되며, 상기 가공 대상에 조사되는 레이저광은, 복수의 빔에 의해 구성되며, 상기 가공 대상의 표면에 대하여, 상기 표면 상의 소정의 영역 내에서 상기 복수의 빔의 서로의 중심이 겹치지 않도록 위치가 분산되어 조사되며, 상기 복수의 빔의 각각을, 상기 금속박에 구멍이 뚫리지 않는 파워 밀도를 가지도록 설정하고, 또한, 상기 복수의 빔에 의해, 상기 가공 대상을 관통하는 용융지를 형성하도록, 상기 복수의 빔의 파워 밀도를 설정하는 것과 함께 조사 위치를 분산시켜서 조사한다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 장치는, 상기 가공 대상의 특성에 따라, 상기 복수의 빔의 수, 피크 파워, 및 조사 위치의 배치, 및 상기 소정의 영역의 형상 중 적어도 하나를 설정한다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 장치는, 상기 광학 헤드는, 상기 복수의 빔과 상기 가공 대상이 상대적으로 이동 가능하도록 구성되며, 상기 복수의 빔을 상기 가공 대상 상에서 소인하면서, 상기 용융을 행하여 용접을 행한다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 장치는, 상기 금속박이 구리를 포함한다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 장치는, 레이저광을 복수의 빔으로 분할 가능하며, 상기 가공 대상에 조사하는 상기 복수의 빔을 생성하는 빔 세이퍼를 추가로 구비한다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 장치는, 상기 빔 세이퍼가 회절 광학 소자이다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 장치는, 상기 가공 대상의 단위 두께(㎛), 단위 용접 길이(㎜)당의 상기 가공 대상에 조사되는 상기 레이저광의 에너지(J/(㎛*㎜))가, 0.02 이상 1.67 이하이다.

본 발명의 일 양태와 관련되는 용접 장치는, 상기 가공 대상의 단위 두께(㎛), 단위 용접 길이(㎜)당의 상기 가공 대상에 조사되는 상기 레이저광의 에너지(J/(㎛*㎜))가, 0.04 이상 1.46 이하이다.

본 발명에 의하면, 보다 품질이 높은 겹침 용접을 실현할 수 있다고 하는 효과를 가진다.

도 1은, 실시형태 1과 관련되는 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 2는, 회절 광학 소자를 설명하는 모식도이다.
도 3은, 복수의 빔을 설명하는 모식도이다.
도 4a는, 레이저광의 상태와 그에 대응하는 가공 대상의 용융 상태를 설명하는 모식도이다.
도 4b는, 레이저광의 상태와 그에 대응하는 가공 대상의 용융 상태를 설명하는 모식도이다.
도 4c는, 레이저광의 상태와 그에 대응하는 가공 대상의 용융 상태를 설명하는 모식도이다.
도 4d는, 레이저광의 상태와 그에 대응하는 가공 대상의 용융 상태를 설명하는 모식도이다.
도 5는, 실시예 1의 겹침 용접한 구리박의 표면 및 이면의 사진을 나타내는 도면이다.
도 6은, 도 5의 단면의 사진을 나타내는 도면이다.
도 7은, 실시예 2의 겹침 용접한 구리박의 표면 및 이면의 사진을 나타내는 도면이다.
도 8은, 도 7의 일부 확대도이다.
도 9는, 도 7의 단면의 사진을 나타내는 도면이다.
도 10a는, 회절 광학 소자가 레이저광을 복수의 빔으로 분할하는 예를 설명하는 모식도이다.
도 10b는, 회절 광학 소자가 레이저광을 복수의 빔으로 분할하는 예를 설명하는 모식도이다.
도 10c는, 회절 광학 소자가 레이저광을 복수의 빔으로 분할하는 예를 설명하는 모식도이다.
도 10d는, 회절 광학 소자가 레이저광을 복수의 빔으로 분할하는 예를 설명하는 모식도이다.
도 10e는, 회절 광학 소자가 레이저광을 복수의 빔으로 분할하는 예를 설명하는 모식도이다.
도 10f는, 회절 광학 소자가 레이저광을 복수의 빔으로 분할하는 예를 설명하는 모식도이다.
도 10g은, 회절 광학 소자가 레이저광을 복수의 빔으로 분할하는 예를 설명하는 모식도이다.
도 10h는, 회절 광학 소자가 레이저광을 복수의 빔으로 분할하는 예를 설명하는 모식도이다.
도 11은, 실시형태 2와 관련되는 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 12는, 실시형태 3과 관련되는 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 13은, 실시형태 4와 관련되는 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 14는, 실시형태 5와 관련되는 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 15는, 실시형태 6과 관련되는 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다.
도 16a는, 광파이버의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 16b는, 광파이버의 구성예를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태를 상세하게 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 대응하는 요소에는 적절히 동일한 부호를 붙이고 있다.

(실시형태 1)

도 1은, 실시형태 1과 관련되는 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 레이저 용접 장치(100)는, 레이저 장치(110)와, 광학 헤드(120)와, 레이저 장치(110)와 광학 헤드(120)를 접속하는 광파이버(130)와, 고정 장치(140)를 구비하고 있다. 가공 대상(W)은, 금속박을 복수매 중첩하여 구성되어 있다. 개개의 금속박의 두께는 예를 들면 2㎛~20㎛이지만 특별히 한정은 되지 않는다. 또한, 금속박의 매수는 예를 들면 10~100이지만 특별히 한정은 되지 않는다. 금속박은 구리나 알루미늄을 포함하지만, 금속박의 재료는 특별히 한정은 되지 않는다.

레이저 장치(110)는, 예를 들면 수㎾의 파워의 레이저광을 출력할 수 있도록 구성되어 있다. 예를 들면, 레이저 장치(110)는, 내부에 복수의 반도체 레이저 소자를 구비하고, 당해 복수의 반도체 레이저 소자의 합계의 출력으로서 수㎾의 파워의 멀티 모드의 레이저광을 출력할 수 있도록 구성하는 것으로 하여도 된다. 또한, 레이저 장치(110)는, 파이버 레이저, YAG 레이저, 디스크 레이저 등 다양한 레이저광원을 구비하고 있어도 된다. 광파이버(130)는, 레이저 장치(110)로부터 출력된 레이저광을 도파(導波)하여, 광학 헤드(120)에 입력시킨다. 고정 장치(140)는, 가공 대상(W)을 표면측 및 이면측으로부터 사이에 두어서 고정하는 장치이다. 여기에서, 표면측이란 레이저광이 조사되는 주표면의 측이다. 고정 장치(140)는, 가공 대상에 있어서 레이저광을 조사할 예정의 개소와 그 주위가 노출되도록, 구멍이나 홈 등의 개구가 마련되어 있다. 고정 장치(140)는, 금속박의 사이에 가능한 한 간극이 없도록 가공 대상(W)을 고정할 수 있는 것이 바람직하다.

광학 헤드(120)는, 레이저 장치(110)로부터 입력된 레이저광을, 가공 대상(W)을 향하여 조사하기 위한 광학 장치이다. 광학 헤드(120)는, 콜리메이트 렌즈(121)와 집광 렌즈(122)를 구비하고 있다. 콜리메이트 렌즈(121)는, 입력된 레이저광을 평행광으로 하기 위한 광학계이다. 집광 렌즈(122)는, 평행광화된 레이저광을 집광하고, 레이저광(L)으로서 가공 대상(W)에 조사하기 위한 광학계이다.

광학 헤드(120)는, 가공 대상(W) 상에서 레이저광(L)의 조사를 행하면서 레이저광(L)을 소인하기 위해서, 가공 대상(W)과의 상대 위치를 변경 가능하게 구성되어 있다. 가공 대상(W)과의 상대 위치를 변경하는 방법으로서는, 광학 헤드(120) 자신을 이동하는 것이나, 가공 대상(W)을 이동하는 것 등이 포함된다. 즉, 광학 헤드(120)는, 레이저광(L)을, 고정되어 있는 가공 대상(W)에 대하여 소인 가능하게 구성되어도 된다. 또는, 광학 헤드(120)로부터의 레이저광(L)의 조사 위치는 고정되고, 가공 대상(W)이, 고정된 레이저광(L)에 대하여 이동할 수 있도록 보지(保持)되어도 된다.

광학 헤드(120)는, 콜리메이트 렌즈(121)와 집광 렌즈(122)의 사이에 배치된, 빔 세이퍼의 일례로서의 회절 광학 소자(123)를 구비하고 있다. 여기에서 말하는 회절 광학 소자(123)는, 도 2에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 주기가 다른 복수의 회절 격자(123a)를 일체로 구성한 것이다. 회절 광학 소자(123)는, 입력된 레이저광을, 각 회절 격자의 영향을 받은 방향으로 구부리거나, 겹치거나 해서, 빔 형상을 성형할 수 있다. 본 실시형태에서는 회절 광학 소자(123)는, 콜리메이트 렌즈(121)와 집광 렌즈(122)의 사이에 배치하고 있지만, 콜리메이트 렌즈(121)보다 광파이버(130)측이나, 집광 렌즈(122)보다 가공 대상(W)측에 설치하여도 된다.

회절 광학 소자(123)는, 콜리메이트 렌즈(121)로부터 입력된 레이저광을 복수의 빔으로 분할한다. 구체적으로는, 회절 광학 소자(123)는, 광학 헤드(120)가, 가공 대상(W)의 표면에 대하여, 그 표면 상의 소정의 영역 내에서 복수의 빔의 서로의 중심이 겹치지 않도록 위치를 분산시켜서, 복수의 빔을 조사 가능하도록, 레이저광을 분할한다.

도 3은, 복수의 빔을 설명하는 모식도이다. 레이저광(L)은, 회절 광학 소자(123)에 의해 분할된 복수의 빔(B)을 포함하고 있다. 빔(B)을 나타내는 원의 직경이 빔 직경이다. 원형의 영역(A)은 가공 대상(W)의 표면 상의 소정의 영역이며, 복수(본 실시형태에서는 16)의 빔(B)은, 영역(A) 내에서, 서로의 중심이 겹치지 않도록 위치가 분산된 상태로 가공 대상(W)의 영역(A)에 조사된다. 본 실시형태 1에서는, 구체적으로는 빔(B)은 영역(A) 내에서 직경(D)의 링형상으로 배치된다. 영역(A)은 빔(B)의 배치의 외륜곽의 형상에 상당하는 형상이다. 개개의 빔(B)은, 그 빔 단면의 직경방향에 있어서 가우시안 형상의 파워 분포를 가진다. 다만, 빔(B)의 파워 분포는 가우시안 형상에 한정되지 않는다. 또한, 본 명세서에 있어서의 가우시안 형상이란, 정확하게 가우시안 형상인 형상에 한정되지 않으며, 가우시안 형상과 근사할 수 있는 형상도 포함한다.

또한, 빔(B)의 빔 직경은, 피크를 포함하며, 피크 강도의 1/e² 이상의 강도의 영역의 직경으로서 정의한다. 원형이 아닌 빔의 경우에는, 본 명세서에 있어서는 소인 방향과는 수직방향에 있어서의, 피크 강도의 1/e² 이상의 강도가 되는 영역의 길이를 빔 직경이라고 정의한다.

레이저 용접 장치(100)를 이용하여 용접을 행할 경우, 우선, 가공 대상(W)을, 레이저광(L)이 조사되는 영역에 배치한다. 계속하여, 회절 광학 소자(123)에 의해 분할된 복수의 빔(B)을 포함하는 레이저광(L)을 가공 대상(W)에 조사하면서, 레이저광(L)과 가공 대상(W)을 상대적으로 이동시켜서 레이저광(L)의 소인을 하면서, 레이저광(L)이 조사된 부분의 가공 대상(W)을 용융하여 용접을 행한다.

여기에서, 용접 시에, 가공 대상(W)의 표면에 조사되는 레이저광이 가공 대상(W)을 용융하는 상태를 설명한다. 여기에서는, 도 4a~4d를 참조하여, 4개의 경우에 대하여 레이저광의 상태와 그에 대응하는 가공 대상의 용융 상태의 설명을 행한다. 또한, 도 4a~4d에 있어서, 흰 화살표는 레이저광에 의한 열의 전달을 모식적으로 나타내는 것이다.

도 4a와 같이, 용접을 위한 레이저광(LA)의 파워 분포가 가우시안 분포이지만, 그 피크 파워가 낮으며, 피크에 있어서의 파워 밀도가 낮은 경우를 생각한다. 이러한 레이저광(LA)은, 예를 들면 레이저광을 디포커스의 상태로 하여, 가공 대상(W)에 조사함으로써 실현된다. 디포커스란, 광학 헤드의 집광 렌즈에 의한 레이저광의 집광 위치를, 가공 대상(W)의 표면 위치로부터 비켜 놓는 것이다. 이 경우, 가공 대상(W)의 표면에 레이저광(LA)을 조사하면, 가공 대상(W)에는 용융지(P)가 형성되지만, 키홀은 형성되지 않는다. 그러나, 이 경우에는, 레이저광(LA)의 파워 밀도가 낮기 때문에, 용융지(P)가 그다지 넓혀지지 않아, 용접 프로세스가 진행되지 않는 경우가 있다. 그러나, 용융지(P)를 적정하게 넓히기 위하여 피크 파워가 높아지도록 디포커스의 상태를 조정하면, 용접 불량이 발생하기 쉬워진다. 또한, 이러한 디포커스의 상태로 하면, 레이저광(LA)에 의해 부여된 에너지 중, 용접에 기여하지 않는 에너지가 많아져, 비효율적이다. 따라서, 가우시안 분포의 레이저광을 디포커스의 상태로 하여도 용접을 적합하게 행하는 것은 곤란하다.

이들에 대하여, 도 4b와 같은 레이저광(L)으로 하면, 개개의 빔은 가우시안 분포와 같은 단봉형(單峰型)의 파워 분포를 가지고 있어도, 그들의 피크 파워는 비교적 낮다. 그 결과, 키홀이 형성되지 않는, 소위 열전도형 용접을 실현할 수 있다. 게다가, 개개의 빔은 도 4a의 경우보다도 파워 밀도가 높다. 그 때문에 용융지(P)는 도 4a의 경우보다도 넓혀지고, 가공 대상(W)의 이면(W1)에까지 도달시키는 상태로 하는 것이, 비교적으로 용이하게 할 수 있다. 여기에서, 이면(W1)은, 레이저광(L)이 조사되는 표면과는 반대측의 면이다. 그 결과, 가공 대상(W)에 대하여, 보다 품질이 높은 겹침 용접을 실현할 수 있다. 또한, 도 4b와 같은 레이저광(L)으로 하였을 경우에, 개개의 빔에 의해 키홀이 형성되는 경우도 있지만, 그 키홀을 얕게 하여, 복수 개소에 분산시키도록 레이저광(L)을 설정하면, 결과적으로 열전도형 용접이 지배적이게 된다.

한편, 도 4c와 같이, 용접을 위한 레이저광(LB)의 파워 분포가, 피크 파워가 높은 가우시안 분포인 경우, 피크에 있어서의 파워 밀도가 높다. 이 경우, 도 4c와 같이, 가공 대상(W)의 표면에 레이저광(LB)을 조사하면, 가공 대상(W)에는 용융지(P)와 키홀(KH)이 형성되고, 소위 키홀형 용접이 지배적이게 된다. 키홀형 용접의 경우에는, 가공 대상(W)의 구성 재료가 급격하게 증발하거나, 스패터가 되어서 비산(飛散)되거나 하는 경우가 있다. 그 결과, 가공 대상(W)을 구성하는 금속박의 질량이 손실되기 때문에, 금속박에 구멍이 뚫리거나 깨지거나 하여, 용접 불량이 되는 경우가 있다. 또한, 키홀(KH)이 가공 대상(W)의 이면(W1)의 가까이 도달하면, 용융 금속이 적어지기 때문에 금속박이 깨져, 용접이 곤란하게 된다.

또한, 도 4d에서는, 레이저광(L)의 빔이 형성하는 원의 중심에 추가로 빔을 가지는 형상의 레이저광(LC)을 이용하였을 경우를 나타내고 있다. 도 4d에서는, 가공 대상(W)에는 용융지(P)와 키홀(KH)이 형성되어 있다. 예를 들면, 가공 대상(W)의 두께가 두꺼운 등의 경우에는, 중심의 빔에 의해 적절한 크기의 키홀(KH)을 형성하여 용융지(P)의 깊이(용입(溶入) 깊이)를 확보하면서, 그 주위의 빔에 의해 가공 대상(W)의 금속박을 용융시켜도 된다. 이로써 금속박의 깨짐이 없는 용접이 실현된다.

도 4b와 같은 열전도형 용접이 되는 상태, 또는 도 4d와 같이 키홀(KH)이 형성되지만 열전도형 용접이 지배적인 상태를 실현하기 위해서는, 빔(B)의 각각을, 가공 대상(W)을 구성하는 각 금속박에 구멍이 뚫리지 않는 파워 밀도를 가지도록 설정하는 것이 바람직하다. 그리고, 빔(B)에 의해 가공 대상(W)을 이면(W1)까지 관통하는 용융지를 형성하도록, 빔(B)의 파워 밀도를 설정하는 것과 함께 그 조사 위치를 분산시켜서 조사하는 것이 바람직하다. 다만, 용융 금속이 이면(W1)측으로부터 적하(滴下)되지 않도록 빔(B)의 파워 밀도나 조사 위치 등을 설정하는 것이 바람직하다.

게다가, 가공 대상(W)의 특성(금속박의 재질, 두께, 겹침 매수 등)에 따라, 복수의 빔(B)의 수, 피크 파워, 및 조사 위치의 배치를 설정하거나, 영역(A)의 형상을 설정하거나 하는 것이 바람직하다. 이들의 항목 중 적어도 하나를 설정함으로써, 보다 품질이 높은 겹침 용접을 실현할 수 있지만, 두개 이상을 적절히 조합하여 설정함으로써, 한층 더 품질이 높은 겹침 용접을, 편차 없이 안정적으로 실현할 수 있다.

(실시예 1)

두께 8㎛의 구리박을 20매 겹쳐서 가공 대상을 구성하고, 이에 대하여 레이저광을 조사하여 레이저 용접을 행하였다. 레이저 장치로부터 출력되는 레이저광은, 가우시안 분포를 가지며, 그 파장은 1070㎚이다. 레이저광의 파워는 600W, 700W, 또는 800W로 하였다. 그리고, 이 레이저광을, 회절 광학 소자로, 도 3에 나타내는 바와 같이 직경 466㎛의 링형상으로 배열한 16개의 빔으로 분할하여, 가공 대상에 조사하였다. 가공 대상에 대한 레이저광의 소인 속도는, 3㎜/s, 5㎜/s, 또는 10㎜/s로 하였다.

도 5는, 실시예 1의 겹침 용접한 구리박의 표면 및 이면의 사진을 나타내는 도면이다. 도 6은, 도 5의 단면의 사진을 나타내는 도면이다. 도 5, 6은, 레이저광의 파워를 700W, 소인 속도를 5㎜/s로 하였을 경우를 나타내고 있다. 도 5, 6에 나타내는 바와 같이, 표면 및 이면에 있어서 구멍이나 깨짐이 없는, 품질이 높은 겹침 용접이 실현되었다.

(실시예 2)

두께 8㎛의 구리박을 50매 겹쳐서 가공 대상을 구성하고, 이에 대하여 레이저광을 조사하여 레이저 용접을 행하였다. 레이저 장치로부터 출력되는 레이저광은, 가우시안 분포를 가지며, 그 파장은 1070㎚이다. 레이저광의 파워는 1000W로 하였다. 그리고, 이 레이저광을, 회절 광학 소자로, 도 4d에 나타나 있는 바와 같은 직경 466㎛의 링형상으로 배열한 16개의 빔과, 그 중심에 배치한 1개의 빔으로 분할하여, 가공 대상에 조사하였다. 중심의 빔의 파워와, 16개의 링형상의 빔의 파워의 합계의 비는, 5:5로 하였다. 가공 대상에 대한 레이저광의 소인 속도는, 5㎜/s로 하였다.

도 7은, 실시예 2의 겹침 용접한 구리박의 표면 및 이면의 사진을 나타내는 도면이다. 도 8은, 도 7의 일부 확대도이며, 용접 비드를 확대하여 나타내고 있다. 도 9는, 도 7의 단면의 사진을 나타내는 도면이다. 도 7, 8, 9에 나타내는 바와 같이, 표면 및 이면에 있어서 구멍이나 깨짐이 없는, 품질이 높은 겹침 용접이 실현되었다.

마찬가지로, 상기 서술한 레이저광의 파워와 소인 속도를 적정하게 조합시킨 조건에 있어서, 품질이 높은 겹침 용접이 실현되는 것을 확인하였다. 예를 들면, 품질이 높은 겹침 용접을 위해서는, 소인 속도를 높게 할 경우에는 레이저광의 파워를 높게 하고, 소인 속도를 낮게 할 경우에는 레이저광의 파워를 낮게 하고, 단위 시간당에 가공 대상으로 투입하는 레이저광의 에너지를 적정한 범위로 하는 것이 바람직한 것을 확인하였다.

(레이저광의 분할)

레이저광의 분할의 양태에 대해서는, 도 3에 나타내는 것에 한정되지 않는다. 도 10a~도 10h는, 회절 광학 소자(123)가 레이저광을 복수의 빔으로 분할하는 예를 설명하는 모식도이다. 또한, 소인 방향(SD)은 지면 상방을 향하고 있는 것으로 한다. 도 10a에 나타내는 예에서는, 도 4d의 경우와 마찬가지로, 가공 대상(W)에 조사되는 레이저광(L1)은, 각각이 가우시안 형상인 17개의 빔(B1)을 포함하고 있다. 빔(B1)은, 가공 대상(W)의 표면 상의 소정의 영역인 원형의 영역(A1) 내에서, 16개가 링형상으로 배치되고, 1개가 링의 중심에 배치되어서 영역(A1)에 조사된다. 중심의 빔(B1)의 파워와, 16개의 링형상의 빔(B1)의 파워의 합계의 비는, 예를 들면 1:9이다. 도 10b에 나타내는 예에서는, 가공 대상(W)에 조사되는 레이저광(L2)은, 각각이 가우시안 형상인 9개의 빔(B2)을 포함하고 있으며, 가공 대상(W)의 표면 상의 소정의 영역인 사각 형상의 영역(A2) 내에서, 사각 형상으로 배치되어서 영역(A2)에 조사된다. 도 10c에 나타내는 예에서는, 가공 대상(W)에 조사되는 레이저광(L3)은, 각각이 가우시안 형상인 6개의 빔(B3)을 포함하고 있으며, 가공 대상(W)의 표면 상의 소정의 영역인 삼각 형상의 영역(A3) 내에서, 삼각 형상으로 배치되어서 영역(A3)에 조사된다.

도 10d에 나타내는 예에서는, 가공 대상(W)에 조사되는 레이저광(L4)은, 각각이 가우시안 형상인 21개의 빔(B4)을 포함하고 있다. 이들의 빔(B4)은, 가공 대상(W)의 표면 상의 소정의 영역인 원형의 영역(A4) 내에서, 12개가 최외주에서 제 1 링형상으로 배치되고, 8개가 제 1 링형상의 내주측에서 제 2 링형상으로 배치되고, 1개가 링의 중심에 배치되어서, 영역(A4)에 조사된다. 도 10e에 나타내는 예에서는, 가공 대상(W)에 조사되는 레이저광(L5)은, 각각이 가우시안 형상인 13개의 빔(B5)을 포함하고 있다. 이들의 빔(B5)은, 가공 대상(W)의 표면 상의 소정의 영역인 원형의 영역(A5) 내에서, 8개가 최외주에서 제 1 링형상으로 배치되고, 4개가 제 1 링형상의 내주측에서 제 2 링형상으로 배치되고, 1개가 링의 중심에 배치되어서, 영역(A5)에 조사된다. 또한, 제 1 링형상을 이루는 빔(B5)과 제 2 링형상을 이루는 빔(B5)은 겹쳐 있는 것이 있다.

도 10f에 나타내는 예에서는, 가공 대상(W)에 조사되는 레이저광(L6)은, 각각이 가우시안 형상인 20개의 빔(B6)을 포함하고 있다. 각 빔(B6)은 빔군(G1)과 빔군(G2) 중 어느 것에 포함된다. 빔군(G1)은 소인 방향(SD)에 정상부가 향하고 있는 산형의 형상을 이루고 있으며, 빔군(G2)은 빔군(G1)의 후방에 위치하며, 직선을 이루고 있다. 빔군(G1,G2)은, 가공 대상(W)의 표면 상의 소정의 영역인 삼각 형상의 영역(A6) 내에 배치되어서 영역(A6)에 조사된다.

도 10g에 나타내는 예에서는, 가공 대상(W)에 조사되는 레이저광(L7)은, 각각이 가우시안 형상인 13개의 빔(B7)을 포함하고 있다. 빔(B7)은 도 6(g)의 빔군(G1)과 마찬가지의 산형의 형상을 이루고 있다. 빔(B7)은, 가공 대상(W)의 표면 상의 소정의 영역인 삼각 형상의 영역(A7) 내에 배치되어서 영역(A7)에 조사된다.

도 10h에 나타내는 예에서는, 레이저광(L8)은, 17개의 빔(B8)을 포함하고 있다. 16개의 빔(B8)은, 1개의 빔(B8)을 중심으로 하여, 대략 링형상 또는 대략 팔각 형상을 이루도록 위치하고 있다. 또한, 17개의 빔(B8)은, 매트릭스(M)를 정의하였을 경우에, 그 직사각형의 그리드를 메우도록 배치되어 있다. 이처럼, 빔은, 그리드를 메우도록 배치하여도 되고, 보다 자유롭게 배치하여도 된다.

도 10a~10h 중 어느 것 있어서도, 소정의 영역은, 분산 배치된 복수의 빔이 이루는 형상의 외륜곽에 상당하는 형상이다.

또한, 도 3, 도 10a, 10d, 10e, 10h에서는, 복수의 빔이 등방적으로 배치되어 있으므로, 소인 방향을 임의로 변경하여도, 가공 대상(W)에 대한 용융 특성이 바뀌지 않는다고 하는 효과가 있다.

도 10a~10h에 나타내는 예는, 회절 광학 소자(123)를 구성하는 회절 격자의 특성을 적절히 설계함으로써 실현된다.

(그 외의 실시예)

그 외의 실시예로서, 다양한 조건을 조합시켜서 용접을 행하였다. 우선, 두께 8㎛의 구리박을 20매 겹쳐서 제 1 가공 대상을 구성하였다. 또한, 두께 8㎛의 구리박을 50매 겹쳐서 제 2 가공 대상을 구성하였다. 이들에 대하여 레이저광을 조사하여 레이저 용접을 행하였다. 레이저 장치로부터 출력되는 레이저광은, 가우시안 분포를 가지며, 그 파장은 1070㎚이다. 레이저광의 파워는, 제 1 가공 대상에 대해서는, 600W, 700W, 또는 800W로 하고, 제 2 가공 대상에 대해서는, 1000W, 1300W, 또는 1500W로 하였다. 그리고, 이 레이저광을, 회절 광학 소자로, 도 10a에 나타나 있는 바와 같은 직경 600㎛의 링형상으로 배열한 16개의 빔과, 그 중심에 배치한 1개의 빔으로 분할하여, 가공 대상에 조사하였다. 중심의 빔의 파워와, 16개의 링형상의 빔의 파워의 합계의 비는, 제 1 가공 대상에 대해서는 1:9로 하고, 제 2 가공 대상에 대해서는 5:5로 하였다. 가공 대상에 대한 레이저광의 소인 속도는, 제 1 가공 대상에 대해서는 3㎜/s, 5㎜/s, 또는 10㎜/s로 하고, 제 2 가공 대상에 대해서는 3㎜/s, 5㎜/s, 10㎜/s, 20㎜/s, 30㎜/s, 60㎜/s, 또는 100㎜/s로 하였다. 그리고, 레이저광의 소인 방향에 있어서의 길이인 용접 길이 l(㎜), 레이저광의 파워 p(W), 소인 속도 v(㎜/s), 및 구리박의 두께와 매수로부터 산출되는 가공 대상의 두께 d(㎛)로부터, 단위 용접 길이(㎜), 단위 두께(㎛)당의, 가공 대상에 조사되는 레이저광의 에너지(투입 에너지) E=(l/v)*(p/d)(J/(㎛*㎜))를 계산하였다. 또한, 본 실시예에서는 용접 길이 l은 10㎜로 하였다.

표 1은, 그 외의 실시예에 있어서, 단위 용접 길이(㎜), 단위 두께(㎛)당의 투입 에너지와 용접 결과의 관계를 나타내고 있다. 또한, 용접 결과는, 기호 「A」는 용접 길이의 전체 길이에 걸쳐 양호한 용접 상태인 것을 나타내고, 기호 「B」는 용접 길이의 2/3 이상에 걸쳐 양호한 용접 상태인 것을 나타내고, 기호 「C」는 용접 길이의 2/3 이하에 걸쳐 양호한 용접 상태인 것을 나타낸다. 또한, 구리박에 구멍을 뚫어서 관통되어 있을 경우, 관통되지는 않아도 구멍이 있는 등 표면에 결함이 보이는 경우, 이면에 용접 자국이 없는 경우 즉 용접되어 있지 않은 금속박이 있는 경우 등의 경우에는, 용접 상태가 양호하지 않다고 판단하였다. 표 1에 나타내는 바와 같이, 단위 용접 길이(㎜), 단위 두께(㎛)당의 투입 에너지는 0.02(J/(㎛*㎜)) 이상 1.67(J/(㎛*㎜)) 이하가 바람직하고, 0.04(J/(㎛*㎜)) 이상 1.46 이하(J/(㎛*㎜))가 보다 바람직한 것이 확인되었다.

(실시형태 2)

도 11은, 실시형태 2와 관련되는 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 레이저 용접 장치(200)는, 가공 대상(W)에 레이저광(L)을 조사하여 가공 대상(W)의 용접을 행한다. 레이저 용접 장치(200)는, 레이저 용접 장치(100)와 마찬가지의 작용 원리에 의해 용접을 실현하는 것이다. 따라서, 이하에서는, 레이저 용접 장치(200)의 장치 구성의 설명만을 행한다.

레이저 용접 장치(200)는, 레이저 장치(210)와, 광학 헤드(220)와, 광파이버(230)와 고정 장치(240)를 구비하고 있다.

레이저 장치(210)는, 레이저 장치(110)와 마찬가지로 구성되어 있으며, 예를 들면 수㎾의 파워의 레이저광을 출력할 수 있도록 구성되어 있다. 광파이버(230)는, 레이저 장치(210)로부터 출력된 레이저광을 도파하여, 광학 헤드(220)에 입력시킨다. 고정 장치(240)는, 가공 대상(W)을 고정한다.

광학 헤드(220)는, 광학 헤드(120)와 마찬가지로, 레이저 장치(210)로부터 입력된 레이저광을, 가공 대상(W)을 향하여 조사하기 위한 광학 장치이다. 광학 헤드(220)는, 콜리메이트 렌즈(221)와 집광 렌즈(222)를 구비하고 있다.

추가로, 광학 헤드(220)는, 집광 렌즈(222)와 가공 대상(W)의 사이에 배치된, 갈바노 스캐너를 가지고 있다. 갈바노 스캐너란, 2매의 미러(224a,224b)의 각도를 제어함으로써, 광학 헤드(220)를 이동시키는 일 없이, 레이저광(L)의 조사 위치를 이동시켜, 레이저광(L)을 소인할 수 있는 장치이다. 레이저 용접 장치(200)에서는, 집광 렌즈(222)로부터 출사된 레이저광(L)을 갈바노 스캐너로 유도하기 위하여 미러(226)를 구비하고 있다. 또한, 갈바노 스캐너의 미러(224a,224b)는, 각각 모터(225a,225b)에 의해 각도가 변경된다. 모터(225a,225b)는 도시 생략의 드라이버에 의해 구동된다.

광학 헤드(220)는, 콜리메이트 렌즈(221)와 집광 렌즈(222)의 사이에 배치된, 빔 세이퍼로서의 회절 광학 소자(223)를 구비하고 있다. 회절 광학 소자(223)는, 회절 광학 소자(123)와 마찬가지로, 콜리메이트 렌즈(221)로부터 입력된 레이저광을, 피크 파워가 동등한 복수의 빔으로 분할한다. 구체적으로는, 회절 광학 소자(223)는, 광학 헤드(220)가, 가공 대상(W)의 표면에 대하여, 그 표면 상의 소정의 영역 내에서 복수의 빔의 서로의 중심이 겹치지 않도록 위치를 분산시켜서, 복수의 빔을 조사 가능하도록, 레이저광을 분할한다. 또한, 회절 광학 소자(223)는, 레이저광을, 예를 들면 도 3이나 도 10a~10g와 같이 복수의 빔으로 분할하도록 설계된다. 이에 의해, 레이저 용접 장치(200)는, 가공 대상(W)을 보다 품질 높게 겹침 용접할 수 있다. 또한, 실시형태 1과 마찬가지로 회절 광학 소자(223)는 콜리메이트 렌즈(221)와 집광 렌즈(222)의 사이에 배치하고 있지만, 콜리메이트 렌즈(221)보다 광파이버(230)측이나, 집광 렌즈(222)보다 가공 대상(W)측에 설치하여도 된다.

(실시형태 3)

도 12는, 실시형태 3과 관련되는 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 모식도이다. 레이저 용접 장치(300)는, 가공 대상(W)에 레이저광(L)을 조사하여 가공 대상(W)의 용접을 행한다. 레이저 용접 장치(300)는, 레이저 용접 장치(100,200)와 마찬가지의 작용 원리에 의해 용접을 실현하는 것이다. 광학 헤드(320) 이외의 요소(레이저 장치(310), 광파이버(330) 및 고정 장치(340))의 구성은, 레이저 용접 장치(100,200)가 대응하는 요소와 마찬가지이다. 따라서, 이하에서는, 광학 헤드(320)의 장치 구성의 설명만을 행한다.

광학 헤드(320)는, 광학 헤드(120,220)와 마찬가지로, 레이저 장치(310)로부터 입력된 레이저광을, 가공 대상(W)을 향하여 조사하기 위한 광학 장치이다. 광학 헤드(320)는, 콜리메이트 렌즈(321)와 집광 렌즈(322)를 구비하고 있다.

추가로, 광학 헤드(320)는, 콜리메이트 렌즈(321)와 집광 렌즈(322)의 사이에 배치된, 갈바노 스캐너를 가지고 있다. 갈바노 스캐너의 미러(324a,324b)는, 각각 모터(325a,325b)에 의해 각도가 변경된다. 모터(325a,325b)는 도시 생략의 드라이버에 의해 구동된다. 광학 헤드(320)에서는, 광학 헤드(220)와 다른 위치에 갈바노 스캐너를 마련하고 있다. 그러나, 광학 헤드(220)와 마찬가지로, 2매의 미러(324a,324b)의 각도를 제어함으로써, 광학 헤드(320)를 이동시키는 일 없이, 레이저광(L)의 조사 위치를 이동시켜, 레이저광(L)을 소인할 수 있다.

광학 헤드(320)는, 콜리메이트 렌즈(321)와 집광 렌즈(322)의 사이에 배치된, 빔 세이퍼로서의 회절 광학 소자(323)를 구비하고 있다. 회절 광학 소자(323)는, 회절 광학 소자(123,223)와 마찬가지로, 콜리메이트 렌즈(321)로부터 입력된 레이저광을, 피크 파워가 동등한 복수의 빔으로 분할한다. 구체적으로는, 회절 광학 소자(323)는, 광학 헤드(320)가, 가공 대상(W)의 표면에 대하여, 그 표면 상의 소정의 영역 내에서 복수의 빔의 서로의 중심이 겹치지 않도록 위치를 분산시켜서, 복수의 빔을 조사 가능하도록, 레이저광을 분할한다. 또한, 회절 광학 소자(323)는, 레이저광을, 예를 들면 도 3이나 도 10a~10g와 같이 복수의 빔으로 분할하도록 설계된다. 이에 의해, 레이저 용접 장치(300)는, 가공 대상(W)을 보다 품질 높게 겹침 용접할 수 있다. 또한, 실시형태 1과 마찬가지로 회절 광학 소자(323)는 콜리메이트 렌즈(321)와 집광 렌즈(322)의 사이에 배치하고 있지만, 콜리메이트 렌즈(321)보다 광파이버(330)측이나, 집광 렌즈(322)보다 가공 대상(W)측에 설치하여도 된다.

(실시형태 4)

도 13은, 실시형태 4와 관련되는 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 레이저 용접 장치(400)는, 가공 대상(W)에 레이저광을 조사하여 가공 대상(W)의 용접을 행한다. 레이저 용접 장치(400)는, 레이저 용접 장치(100)와 마찬가지의 작용 원리에 의해 용접 방법을 실현하는 것이다. 따라서, 이하에서는, 레이저 용접 장치(400)의 장치 구성의 설명만을 행한다.

레이저 용접 장치(400)는, 레이저광을 출력하는 복수의 레이저 장치와, 레이저광을 가공 대상(W)에 조사하는 광학 헤드(420)와, 레이저 장치로부터 출력된 레이저광을 광학 헤드(420)로 유도하는 복수의 광파이버를 구비하고 있다. 또한, 도에서는, 복수의 레이저 장치 중, 2개의 레이저 장치(411,412)를 나타내고, 복수의 광파이버 중, 광파이버(431,432)를 나타내고 있다.

레이저 장치(411)는, 레이저 장치(110)와 마찬가지로 구성되어 있으며, 예를 들면 수㎾의 출력의 멀티 모드의 레이저광(L11)을 출력할 수 있도록 구성되어 있다. 레이저 장치(412)는, 레이저 장치(110)와 마찬가지로 구성되어 있으며, 예를 들면 수㎾의 출력이며, 각각이 멀티 모드의 복수의 레이저광인 레이저광(L12)을 출력할 수 있도록 구성되어 있다. 그 외의 레이저 장치도 레이저 장치(110)와 마찬가지로 구성되어 있다.

광파이버(431,432)는, 레이저광(L11,L12)을 각각 광학 헤드(420)로 유도한다. 그 외의 광파이버에 관해서도 마찬가지이다. 복수의 광파이버는, 멀티 코어 파이버로 치환하여도 된다.

광학 헤드(420)는, 레이저 장치(411,412)를 포함하는 복수의 레이저 장치로부터 유도된 각각의 레이저광(L11,L12) 등의 레이저광을, 가공 대상(W)을 향하여 조사하기 위한 광학 장치이다. 광학 헤드(420)는, 레이저광(L11)을 위한 콜리메이트 렌즈(421a)와 집광 렌즈(422a)와, 레이저광(L12)을 위한 콜리메이트 렌즈(421b)와 집광 렌즈(422b)와, 그 외의 레이저광을 위한 콜리메이트 렌즈 및 집광 렌즈를 구비하고 있다. 콜리메이트 렌즈(421a,421b) 등의 콜리메이트 렌즈는, 각각, 광파이버(431,432) 등에 의해 유도된 레이저광을 일단 평행광화하기 위한 광학계이며, 집광 렌즈(422a,422b) 등의 집광 렌즈는, 평행광화된 레이저광을 가공 대상(W)에 집광시키기 위한 광학계이다. 또한, 콜리메이트 렌즈와 집광 렌즈는, 각각, 복수의 레이저광을 평행광화 또는 집광하기 위해서, 복수의 렌즈로 구성되어 있어도 된다.

광학 헤드(420)는, 레이저광(L11,L12)을 포함하는 복수의 레이저광을 가공 대상(W)에 조사한다. 즉, 가공 대상(W)을 향하여 조사되는 레이저광은, 복수의 빔에 의해 구성된다. 빔의 각각을, 가공 대상(W)을 구성하는 각 금속박에 구멍이 뚫리지 않는 파워 밀도를 가지도록 설정하는 것이 바람직하다. 그리고, 빔에 의해 가공 대상(W)을 이면까지 관통하는 용융지를 형성하도록, 빔의 파워 밀도를 설정하는 것과 함께 그 조사 위치를 분산시켜서 조사하는 것이 바람직하다. 다만, 용융 금속이 가공 대상의 이면측으로부터 적하되지 않도록 빔의 파워 밀도나 조사 위치 등을 설정하는 것이 바람직하다.

레이저 용접 장치(400)에 의하면, 도 3, 도 10a~10h에 예시되는 배치를 실현할 수 있다. 또한, 빔의 수는 적절히 증감하여도 된다.

(실시형태 5)

도 12는, 실시형태 5와 관련되는 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 레이저 용접 장치(500)는, 가공 대상(W)에 레이저광을 조사하여 가공 대상(W)의 용접을 행한다. 레이저 용접 장치(500)는, 레이저 용접 장치(100)와 마찬가지의 작용 원리에 의해 용접 방법을 실현하는 것이다. 따라서, 이하에서는, 레이저 용접 장치(500)의 장치 구성의 설명만을 행한다.

레이저 용접 장치(500)는, 레이저광을 출력하는 레이저 장치(510)와, 레이저광을 가공 대상(W)에 조사하는 광학 헤드(520)와, 레이저 장치(510)로부터 출력된 레이저광을 광학 헤드(520)로 유도하는 복수의 광파이버를 구비하고 있다. 또한, 도에서는, 복수의 광파이버 중, 광파이버(531,533,534)를 나타내고 있다.

레이저 장치(510)는, 레이저 장치(110)와 마찬가지로 구성되어 있으며, 예를 들면 수㎾의 출력의 멀티 모드의 레이저광을 출력할 수 있도록 구성되어 있다. 레이저 장치(510)는, 가공 대상(W)에 조사하는 복수의 레이저광을 출력하기 위하여 이용된다. 그 때문에, 레이저 장치(510)로부터 출력된 레이저광을 광학 헤드(520)로 유도하는 광파이버에 있어서, 광파이버(531)와, 광파이버(533,534)를 포함하는 복수의 광파이버의 사이에는 분기 유닛(532)이 마련되어 있다. 레이저 장치(510)는, 레이저 장치(510)로부터 출력된 레이저광을 복수의 레이저광으로 분기하고 나서 광학 헤드(520)로 유도하도록 구성되어 있다.

광파이버(531,533)를 포함하는 복수의 광파이버는, 레이저광을 각각 광학 헤드(520)로 유도한다. 복수의 광파이버는, 멀티 코어 파이버로 치환하여도 된다.

광학 헤드(520)는, 분기 유닛(532)에 의해 분기되어, 광파이버(531,533)를 포함하는 복수의 광파이버에 의해 유도된, 레이저광(L11,L12)을 포함하는 복수의 레이저광을 가공 대상(W)에 조사하기 위한 광학 장치이다. 그 때문에, 광학 헤드(520)는, 레이저광(L11)을 위한 콜리메이트 렌즈(521a)와 집광 렌즈(522a)와, 레이저광(L12)을 위한 콜리메이트 렌즈(521b)와 집광 렌즈(522b)와, 그 외의 레이저광을 위한 콜리메이트 렌즈 및 집광 렌즈를 구비하고 있다. 콜리메이트 렌즈(521a,521b) 등은, 각각, 광파이버(533,534) 등에 의해 유도된 레이저광을 일단 평행광화하기 위한 광학계이며, 집광 렌즈(522a,522b) 등은, 평행광화된 레이저광을 가공 대상(W)에 집광시키기 위한 광학계이다. 또한, 콜리메이트 렌즈와 집광 렌즈는, 각각, 복수의 레이저광을 평행광화 또는 집광하기 위해서, 복수의 렌즈로 구성되어 있어도 된다.

광학 헤드(520)는, 레이저광(L11,L12)을 포함하는 복수의 레이저광 가공 대상(W)에 조사한다. 즉, 가공 대상(W)을 향하여 조사되는 레이저광은, 복수의 빔에 의해 구성된다. 그리고, 빔에 의해 가공 대상(W)을 이면까지 관통하는 용융지를 형성하도록, 빔의 파워 밀도를 설정하는 것과 함께 그 조사 위치를 분산시켜서 조사하는 것이 바람직하다. 다만, 용융 금속이 가공 대상의 이면측으로부터 적하되지 않도록 빔의 파워 밀도나 조사 위치 등을 설정하는 것이 바람직하다.

레이저 용접 장치(500)에 의하면, 도 3, 도 10a~10h에 예시되는 배치를 실현할 수 있다. 또한, 도면에 나타내지는 예는, 또한, 빔의 수는 적절히 증감하여도 된다.

(실시형태 6)

도 15는, 실시형태 6과 관련되는 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 레이저 용접 장치(600)는, 가공 대상(W)에 레이저광(L)을 조사하여 가공 대상(W)의 용접을 행한다. 레이저 용접 장치(600)는, 레이저 용접 장치(100)와 마찬가지의 작용 원리에 의해 용접 방법을 실현하는 것이다. 따라서, 이하에서는, 레이저 용접 장치(600)의 장치 구성의 설명만을 행한다.

레이저 용접 장치(600)는, 레이저광을 출력하는 복수의 레이저 장치와, 레이저광을 가공 대상(W)에 조사하는 광학 헤드(620)와, 복수의 레이저 장치로부터 출력된 레이저광을 광학 헤드(620)로 유도하는 복수의 광파이버를 구비하고 있다. 또한, 도에서는, 복수의 레이저 장치 중, 레이저 장치(611,612)를 나타내고 있으며, 복수의 광파이버 중, 광파이버(631,632,635)를 나타내고 있다.

레이저 장치(611)는, 레이저 장치(110)와 마찬가지로 구성되어 있으며, 예를 들면 수㎾의 출력의 멀티 모드의 레이저광을 출력할 수 있도록 구성되어 있다. 레이저 장치(612)는, 레이저 장치(110)와 마찬가지로 구성되어 있으며, 예를 들면 수㎾의 출력이며, 각각이 멀티 모드의 복수의 레이저광을 출력할 수 있도록 구성되어 있다. 그 외의 레이저 장치도 레이저 장치(110)와 마찬가지로 구성되어 있다.

레이저 용접 장치(600)에서는, 레이저 장치(611,612)를 포함하는 복수의 레이저 장치로부터 출력된 레이저광은, 광학 헤드(620)로 유도되기 전에 결합된다. 그 때문에, 레이저 장치(611,612)를 포함하는 복수의 레이저 장치로부터 출력된 레이저광을 광학 헤드(620)로 유도하는 광파이버(631,632)를 포함하는 복수의 광파이버와, 광파이버(635)의 사이에는 결합부(634)가 마련되어 있다. 레이저 장치(611,612)를 포함하는 복수의 레이저 장치로부터 출력된 레이저광은, 광파이버(635) 중을 병렬하여 도파되게 된다.

여기에서, 도 15a, 도 15b를 참조하면서, 광파이버(631)(및 632) 및 광파이버(635)의 구성예를 설명한다. 도 15a에 나타내는 바와 같이, 광파이버(631)(및 632)는, 통상의 광파이버이다. 즉, 광파이버(631)(및 632)는, 1개의 코어 영역(Co)의 주위에 코어 영역(Co)보다도 굴절률이 낮은 클래드(Cl)가 형성된 광파이버이다. 또한, 레이저 장치(611,612) 이외의 레이저 장치와 결합부(634)의 사이에 마련된 그 외의 광파이버도, 광파이버(631)와 마찬가지로 통상의 광파이버이다. 한편, 도 15b에 나타내는 바와 같이, 광파이버(635)는, 멀티 코어 파이버이다. 즉, 광파이버(635)는, 복수의 코어 영역을 가지며, 이 복수의 코어 영역의 주위에 코어 영역보다도 굴절률이 낮은 클래드(Cl)가 형성되어 있다. 또한, 도에서는, 2개의 코어 영역(Co1,Co2)을 나타내고 있다. 추가로, 코어 영역(Co2)은 복수의 코어 영역을 포함하고 있다. 그리고, 결합부(634)에서는, 복수의 레이저 장치의 각각과 접속된 광파이버의 코어 영역과, 광파이버(635)의 코어 영역의 각각이 결합되게 된다. 복수의 레이저 장치로부터 출력된 레이저광의 각각은, 코어 영역(Co2)의 복수의 코어 영역의 각각에 의해 도파된다.

도 15의 참조로 되돌아간다. 광학 헤드(620)는, 결합부(634)에 의해 결합된 레이저광(L)을 가공 대상(W)에 조사하기 위한 광학 장치이다. 그 때문에, 광학 헤드(620)는, 내부에 콜리메이트 렌즈(621)를 포함하는 복수의 콜리메이트 렌즈와, 집광 렌즈(622)를 포함하는 복수의 집광 렌즈를 구비하고 있다.

레이저 용접 장치(600)는, 광학 헤드(620)가 회절 광학 소자를 구비하고 있지 않으며, 또한, 복수의 레이저광을 위한 독립한 광학계도 가지고 있지 않지만, 각 레이저 장치로부터 출력된 레이저광은, 광학 헤드(620)로 유도되기 전에 결합되어 있다. 이에 의해, 가공 대상(W)을 향하여 조사되는 레이저광(L)은, 복수의 빔에 의해 구성된다. 그리고, 빔에 의해 가공 대상(W)을 이면까지 관통하는 용융지를 형성하도록, 빔의 파워 밀도를 설정하는 것과 함께 그 조사 위치를 분산시켜서 조사하는 것이 바람직하다. 다만, 용융 금속이 가공 대상의 이면측으로부터 적하되지 않도록 빔의 파워 밀도나 조사 위치 등을 설정하는 것이 바람직하다.

레이저 용접 장치(600)에 의하면, 도 3, 도 10a~10h에 예시되는 배치를 실현할 수 있다. 또한, 빔의 수는 적절히 증감하여도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는, 회절 광학 소자는, 레이저광을, 피크 파워가 동등한 복수의 빔으로 분할한다. 그러나, 복수의 빔의 피크 파워는 동등하지 않아도 된다. 즉, 금속박에 구멍이나 깨짐 등을 발생시키는 정도로 돌출한 피크를 가지는 빔이 포함되어 있지 않으면 된다. 또한, 각 빔의 파워 분포는 가우시안 형상에 한정되지 않고, 다른 단봉형의 형상이어도 된다.

또한, 가공 대상(W)에 대하여 레이저광(L)을 소인하는 경우에는, 공지된 워블링이나 위빙에 의해 소인을 행하여도 된다.

또한, 상기 실시형태에서는, 가공 대상은 복수의 금속박만으로 구성되어 있지만, 복수의 금속박을 겹치고, 이에 추가로 두께가 100㎛ 이상의 금속판을 겹쳐서, 가공 대상을 구성하여도 된다. 금속판은, 예를 들면 구리나 알루미늄을 포함한다.

또한, 사용하는 레이저광은 멀티 모드에 한하지 않고 싱글 모드의 레이저광을 사용하여도 된다.

또한, 상기에서는, 레이저광을 가공 대상에 대하여 소인하는 경우에 대하여 설명하였다. 다만, 레이저광을 복수의 빔에 의해 구성하고, 복수의 빔의 각각을, 금속박에 구멍이 뚫리지 않는 파워 밀도를 가지도록 설정하고, 또한, 복수의 빔에 의해, 가공 대상을 관통하는 용융지를 형성하도록, 복수의 빔의 파워 밀도를 설정하는 것과 함께 조사 위치를 분산시켜서 조사하는 것은, 예를 들면 스폿 용접과 같이, 레이저광을 가공 대상에 대하여 소인하지 않는 용접의 경우에도 효과적이다.

또한, 상기 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 상기 서술한 각 실시형태의 구성 요소를 적절히 조합하여 구성한 것도 본 발명에 포함된다. 또한, 추가적인 효과나 변형예는, 당업자에 의해 용이하게 도출될 수 있다. 따라서, 본 발명의 보다 광범한 양태는, 상기의 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 다양한 변경이 가능한다.

본 발명은, 금속박의 겹침 용접에 적용하여 바람직한 것이다.

100,200,300 레이저 용접 장치
110,210,310 레이저 장치
120,220,320 광학 헤드
121,221,321 콜리메이트 렌즈
122,222,322 집광 렌즈
123,223,323 회절 광학 소자
123a 회절 격자
130,230,330 광파이버
140,240,340 고정 장치
224a,224b,226,324a,324b 미러
225a,225b,325a,325b 모터
A,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7 영역
B,B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8 빔
G1,G2 빔군
L,L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8 레이저광
P 용융지
SD 소인 방향
W 가공 대상
W1 이면

Claims

복수의 금속박을 겹친 가공 대상을, 복수의 빔에 의해 구성되는 레이저광이 조사되는 영역에 배치하고,
상기 레이저광의 복수의 빔을, 상기 가공 대상의 표면에 대하여, 상기 표면 상의 소정의 영역 내에서 상기 복수의 빔의 서로의 중심이 겹치지 않도록 위치를 분산시켜서, 상기 복수의 빔을 조사하고,
조사된 부분의 상기 가공 대상을 용융하여 용접을 행하며,
상기 복수의 빔의 각각을, 상기 금속박에 구멍이 뚫리지 않는 파워 밀도를 가지도록 설정하고, 또한, 상기 복수의 빔에 의해, 상기 가공 대상을 관통하는 용융지를 형성하도록, 상기 복수의 빔의 파워 밀도를 설정하는 것과 함께 조사 위치를 분산시켜서 조사하는, 용접 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 가공 대상의 특성에 따라, 상기 복수의 빔의 수, 피크 파워, 및 조사 위치의 배치, 및 상기 소정의 영역의 형상 중 적어도 하나를 설정하는, 용접 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 레이저광을 상기 가공 대상을 향하여 조사하면서 상기 레이저광과 상기 가공 대상을 상대적으로 이동시켜, 상기 레이저광을 상기 가공 대상 상에서 소인하는, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속박이 구리를 포함하는, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저광을 복수의 빔으로 분할 가능한 빔 세이퍼에 의해, 상기 가공 대상에 조사하는 상기 복수의 빔을 생성하는, 용접 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 빔 세이퍼가 회절 광학 소자인, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가공 대상의 단위 두께(㎛), 단위 용접 길이(㎜)당의 상기 가공 대상에 조사되는 상기 레이저광의 에너지(J/(㎛*㎜))가, 0.02 이상 1.67 이하인, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가공 대상의 단위 두께(㎛), 단위 용접 길이(㎜)당의 상기 가공 대상에 조사되는 상기 레이저광의 에너지(J/(㎛*㎜))가, 0.04 이상 1.46 이하인, 용접 방법.
레이저 장치와,
상기 레이저 장치로부터 출력된 레이저광을, 가공 대상을 향하여 조사하고, 조사된 부분의 상기 가공 대상을 용융하여 용접을 행하는 광학 헤드를 구비하고,
상기 가공 대상은, 복수의 금속박을 겹쳐서 구성되며,
상기 가공 대상에 조사되는 레이저광은, 복수의 빔에 의해 구성되며, 상기 가공 대상의 표면에 대하여, 상기 표면 상의 소정의 영역 내에서 상기 복수의 빔의 서로의 중심이 겹치지 않도록 위치가 분산되어 조사되며,
상기 복수의 빔의 각각을, 상기 금속박에 구멍이 뚫리지 않는 파워 밀도를 가지도록 설정하고, 또한, 상기 복수의 빔에 의해, 상기 가공 대상을 관통하는 용융지를 형성하도록, 상기 복수의 빔의 파워 밀도를 설정하는 것과 함께 조사 위치를 분산시켜서 조사하는, 용접 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 가공 대상의 특성에 따라, 상기 복수의 빔의 수, 피크 파워, 및 조사 위치의 배치, 및 상기 소정의 영역의 형상 중 적어도 하나를 설정하는, 용접 장치.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 광학 헤드는, 상기 복수의 빔과 상기 가공 대상이 상대적으로 이동 가능하도록 구성되며, 상기 복수의 빔을 상기 가공 대상 상에서 소인하면서, 상기 용융을 행하여 용접을 행하는, 용접 장치.
제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 금속박이 구리를 포함하는, 용접 장치.
제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저광을 복수의 빔으로 분할 가능하며, 상기 가공 대상에 조사하는 상기 복수의 빔을 생성하는 빔 세이퍼를 추가로 구비하는, 용접 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 빔 세이퍼가 회절 광학 소자인, 용접 장치.
제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가공 대상의 단위 두께(㎛), 단위 용접 길이(㎜)당의 상기 가공 대상에 조사되는 상기 레이저광의 에너지(J/(㎛*㎜))가, 0.02 이상 1.67 이하인, 용접 장치.
제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가공 대상의 단위 두께(㎛), 단위 용접 길이(㎜)당의 상기 가공 대상에 조사되는 상기 레이저광의 에너지(J/(㎛*㎜))가, 0.04 이상 1.46 이하인, 용접 장치.