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JP4580065B2 - Laser welding method and apparatus - Google Patents

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JP4580065B2
JP4580065B2 JP2000208871A JP2000208871A JP4580065B2 JP 4580065 B2 JP4580065 B2 JP 4580065B2 JP 2000208871 A JP2000208871 A JP 2000208871A JP 2000208871 A JP2000208871 A JP 2000208871A JP 4580065 B2 JP4580065 B2 JP 4580065B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を用いて金属部材を溶接するレーザ溶接方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザ溶接法は、金属部材の被溶接部にレーザ光を照射して、レーザエネルギーにより該被溶接部を一瞬に溶融させて冶金的に接合する技術である。従来より、レーザ溶接用の固体レーザとしてYAGレーザが多く使用されている。YAGレーザは、連続発振が可能なうえQスイッチによるジャイアントパルスの高速繰り返し発振が可能であり、レーザ出力の波形制御も容易に行える。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザ溶接法においては、反射率および熱拡散(伝導)率の高い金属は、レーザ光の吸収が低いため溶融し難く、良好な溶接接合を得るのが困難とされている。
【0004】
従来より、アルミニウム合金には連続発振のパルスレーザ光を照射するパルスレーザ法が有効とされており、本願の発明者等は特許第2984962号においてアルミニウム合金用のパルスレーザ溶接法において溶接剥がれ等の溶接欠陥のない高品質な溶接接合を保証する波形制御技術を開示している。また、最近、アルミニウム合金の溶融特性を改善する技術として、連続発振のYAGパルスレーザ光(波長1064nm)とQスイッチによる高速繰り返しパルス発振のYAGレーザ光(波長1064nm)とを異なる方向(2方向)から同一の被溶接部に向けて多重照射する技法も知られている。
【0005】
しかしながら、今日の産業界では、反射率や熱拡散率がアルミニウム合金よりも高い純アルミニウムや純銅等の金属に対して有効なレーザ溶接法が切に求められている。
【0006】
本発明は、上記のような従来の実情ないし問題点に鑑みてなされたものであり、高反射率・高熱拡散率を有する金属部材でも十分な溶け込み断面積および溶け込み深さを実現し、良好な溶接接合が得られるレーザ溶接方法および装置を提供することを目的とする。
【0007】
本発明の別の目的は、各種金属材料の溶融特性の改善に有効なレーザ溶接方法および装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ溶接方法は、レーザ光を用いて金属部材を溶接するためのレーザ溶接方法であって、所定の基本波長と所望の持続時間とを有する連続発振の基本波レーザ光を生成する第1の工程と、前記基本波レーザ光と所定のタイミングで時間的に重畳するように、前記基本波長の1/N(Nは2以上の整数)倍の波長と所望の高速繰り返しQスイッチ周波数とを有する高調波Qスイッチレーザ光を前記基本波レーザ光とは別個に生成する第2の工程と、前記基本波レーザ光と前記高調波Qスイッチレーザ光とをそれぞれの光軸がほぼ直角に交差するように同一のダイクロイックミラーに入射せしめ、それら双方のレーザ光を同一の軸上で重畳させる第3の工程と、前記同一の軸上で重畳された前記基本波レーザ光と前記高調波Qスイッチレーザ光とを共通の集光レンズを介して前記金属部材の被溶接部に集光照射し、前記被溶接部を前記基本波レーザ光および前記高調波Qスイッチレーザ光の双方のエネルギーで冶金的に接合する第4の工程とを有する。
【0009】
本発明のレーザ溶接方法によれば、所望の持続時間を有する基本波レーザ光と所望の高速繰り返しQスイッチ周波数を有する高調波Qスイッチレーザ光とを同軸上で重畳させて金属部材の被溶接部に照射することにより、異波長である両レーザ光の相乗作用が最大限に発揮されたレーザエネルギーの吸収効率が高められ、高反射率・高熱拡散率の金属部材であっても大きな溶け込み断面積および溶け込み深さを得ることができる。
【0010】
本発明において、好ましくは、前記高調波レーザ光のビーム径を前記基本波レーザ光のビーム径よりも細くしてよい。これにより、高調波レーザ光により金属部材の被溶接部に深いキーホールを形成することができる。
【0012】
本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光を用いて金属部材を溶接するためのレーザ溶接装置であって、所定の基本波長と所望の持続時間とを有する連続発振の基本波レーザ光を生成する第1のレーザ発振部と、前記基本波長の1/N(Nは2以上の整数)倍の波長と所望の高速繰り返しQスイッチ周波数とを有する高調波Qスイッチレーザ光を生成する第2のレーザ発振部と、前記基本波レーザ光と前記高調波Qスイッチレーザ光とを所定のタイミングで時間的に重畳させるように前記第1および第2のレーザ発振部のレーザ発振動作を制御する制御部と、前記第1のレーザ発振部からの前記基本波レーザ光と前記第2のレーザ発振部からの前記高調波Qスイッチレーザ光とをそれぞれの光軸がほぼ直角に交差するようにミラー両面にそれぞれ入射せしめ、前記基本波レーザ光および前記高調波Qスイッチレーザ光のうちの一方をまっすぐに透過させるとともに他方を直角に反射させることにより双方のレーザ光を同一の軸上で重畳せしめるダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーからの前記同一の軸上で重畳された前記基本波レーザ光および前記高調波Qスイッチレーザ光を集光させて前記金属部材の被溶接部に照射する集光レンズとを具備する。
【0013】
本発明のレーザ溶接装置によれば、かかる構成により、上記のような本発明のレーザ溶接方法を効果的に実施することができる。
【0014】
好ましい一態様として、前記第1のレーザ発振部が、第1の固体レーザ媒体と、第1の励起光源と、第1の光共振器とを有し、前記第1の励起光源を点灯させて、その光エネルギーを前記第1の固体レーザ媒体に供給して前記第1の固体レーザ媒体および前記第1の光共振器により連続発振で前記基本波レーザ光を出力する構成であってよい。
【0015】
また、好ましい一態様として、前記第2のレーザ発振部が、第2の固体レーザ媒体と、第2の励起光源と、Qスイッチと、第2の光共振器と、波長変換器とを有し、前記第2の励起光源を点灯させて、その光エネルギーを前記第2の固体レーザ媒体に供給して前記第2の固体レーザ媒体、前記Qスイッチおよび前記第2の光共振器により前記高速繰り返しQスイッチ周波数で前記基本波長を有する基本波のQスイッチレーザ光を出力し、前記基本波Qスイッチレーザ光を前記波長変換器により基本波長の1/N倍の波長を有する前記高調波Qスイッチレーザ光に変換する。
【0016】
また、好ましい一態様として、前記制御部が、前記基本波レーザ光を前記所望の持続時間にわたって持続的に発振出力させる前記第1のレーザ発振部を制御するとともに、前記高調波Qスイッチレーザ光を前記所望の持続時間の期間中に所望の高速繰り返しQスイッチ周波数で発振出力させるように前記第2のレーザ発振部を制御する。
【0017】
本発明のレーザ溶接装置において、好ましくは、前記第1のレーザ発振部より生成された前記基本波レーザ光もしくは前記第2のレーザ発振部より生成された前記高調波Qスイッチレーザ光を一端面に入射せしめ、その一端面に入射させた前記基本波レーザ光もしくは前記高調波Qスイッチレーザ光を他端面より出射する光ファイバと、前記光ファイバの他端面より出射される前記基本波レーザ光もしくは前記高調波Qスイッチレーザ光を平行光にして前記ダイクロイックミラー側に通すコリメータレンズとを具備する構成としてよい。さらには、前記第1のレーザ発振部より生成された前記基本波レーザ光もしくは前記第2のレーザ発振部より生成された前記高調波Qスイッチレーザ光のビーム径を所定の倍率で拡大して前記ダイクロイックミラー側に通すビームエキスパンダを具備する構成としてもよい。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、添付図を参照して本発明の実施形態を説明する。
【0019】
図1に、本発明の一実施形態におけるYAGレーザ溶接装置の構成を示す。このYAGレーザ溶接装置は、2つのYAGレーザ10,12と、両レーザ10,12を制御する制御部14と、1つの出射ユニット16とで構成されている。
【0020】
第1のYAGレーザ10において、レーザ発振器18は、YAGロッド20と、このYAGロッド20に励起用の光を供給する励起光供給部22と、YAGロッド20の両端面にそれぞれ対向し、かつ互いに所定の間隔を隔てて配置された一対の光共振器ミラーすなわち全反射ミラー24および部分反射ミラー(出力ミラー)26とを有している。
【0021】
励起光供給部22は、放電ランプまたは半導体レーザ等からなる励起光源を備えている。レーザ電源部28より供給される電力に応じて該励起光源が励起光EBを発生し、この励起光EBがYAGロッド20に供給または照射されることで、YAGロッド20が励起光EBのエネルギーによって励起され、誘導放出でロッド端面より軸方向に光が放出される。YAGロッド20の両端面より放出された光のうち共振周波数の光が全反射ミラー24と出力ミラー26との間で閉じ込められて増幅され、その一部が出力ミラー26より連続発振の基本波YAGレーザ光(波長1064nm)LBcwとして出力されるようになっている。
【0022】
第1のYAGレーザ10より生成された基本波YAGレーザ光LBcwは、反射ミラー30、入射ユニット32および光ファイバ34を介して出射ユニット16の第1レーザ光取入れ口16aまで伝送される。レーザ発振器18のレーザ出射口から入射ユニット32までのレーザ伝送路の回りには筒状の光路カバー36が設けられてよい。入射ユニット32内には集光レンズ38が配置されており、ほぼ平行光で空中を伝播してきた基本波YAGレーザLBcwは集光レンズ38により集光されて光ファイバ34の一端面に入射するようになっている。
【0023】
第2のYAGレーザ12において、レーザ発振器40は、YAGロッド42と、このYAGロッド42に励起用の光を供給する励起光供給部44と、YAGロッド42の両端面にそれぞれ対向し、かつ互いに所定の間隔を隔てて配置された一対の光共振器ミラー(全反射ミラー46および出力ミラー48)と、Qスイッチ50と、波長変換器52とを有している。
【0024】
YAGロッド42、励起光供給部44および光共振器ミラー46,48は、上記第1のYAGレーザ10のレーザ発振器18におけるYAGロッド20、励起光供給部22および光共振器ミラー24,26とそれぞれ同様の構成および機能を有するものであってよい。
【0025】
Qスイッチ50はたとえば音響光学Qスイッチからなる。レーザ電源部54内のQスイッチ制御回路(図示せず)がQスイッチドライバ56を介して所定の周期で一時中断する高周波電気信号によりQスイッチ50を駆動する。これにより、高周波電気信号が中断する度毎にピークパワーのきわめて高いジャイアントパルスのQスイッチYAGレーザ光LBQ(波長1064nm)が出力ミラー48より生成される。このQスイッチYAGレーザ光LBQの繰り返し周波数は、高周波電気信号を一時中断させるQスイッチ周波数に相当する。
【0026】
波長変換器52は、異方性結晶を有しており、その異方性結晶の非線型効果を利用することにより、出力ミラー48からの基本波(波長1064nm)のQスイッチYAGレーザ光LBQを第2高調波(波長532nm)のQスイッチYAGレーザ光LBSHGに変換する。
【0027】
第2のYAGレーザ12のレーザ発振器40より生成される第2高調波のQスイッチYAGレーザ光LBSHGは、光ファイバを介することなく空中を伝播して出射ユニット16の第2レーザ光取入れ口16bまで伝送される。レーザ発振器40のレーザ出射口から出射ユニット16の第2レーザ光取入れ口16bまでのレーザ伝送路の回りには筒状の光路カバー58が設けられてよい。
【0028】
制御部14は、たとえばマイクロコンピュータおよび所要の周辺装置で構成されてよく、内蔵のメモリに格納されるプログラムやユーザにより設定入力される各種条件データ等に応じて上記第1および第2のレーザ10,12におけるレーザ発振動作を各レーザ電源部28,54を通して個別的かつ統括的に制御する。
【0029】
出射ユニット16は、下端部にレーザ出射口16cを有する筒状のユニット本体60を有し、このユニット本体60内の所定位置に所要の各光学部品を配置している。より詳細には、ユニット本体60の上端部に光ファイバ34の端部を着脱可能に取り付けするためのコネクタ62を設け、このコネクタ62と下端部のレーザ出射口16cとを結ぶ一直線の軸上に所定の間隔を置いて上から順にコリメータレンズ64、ダイクロイックミラー66および集光レンズ68を配置している。
【0030】
また、ユニット本体60の中間部の一側面に上記第2のレーザ光取入れ口16bを構成する水平筒状部60aを設け、この水平筒状部60aの中に第2のレーザ12からの第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGのビーム径を所望の倍率で拡大するためのビームエキスパンダ70を配置している。ここで、ビームエキスパンダ70の光軸がコリメータレンズ64の光軸とダイクロイックミラー66にてほぼ直角に交差するように設定(位置合わせ)してよい。
【0031】
なお、レーザ溶接中にワークWの被溶接部WPを酸化防止のため周囲の空気からシールド(遮断)するのが好ましい。このシールド用の不活性ガスたとえばアルゴンガス(Ar)や窒素ガス(N2)等を出射ユニット16側から被溶接部WPに吹き付ける場合には、出射ユニット16のレーザ出射口16c付近にシールドガス噴射部(図示せず)を設けてよい。
【0032】
図2に、出射ユニット16内における光学系の詳細な構成と作用を示す。ビームエキスパンダ70は、たとえば凹レンズ72と凸レンズ74とからなるガリレオタイプでよく、凹レンズ72に入るレーザビームの径をφ1、凸レンズ74より出るレーザビームの径をφ2、凹レンズ72および凸レンズ74の焦点距離をそれぞれf1,f2とすると、倍率NはN=φ2/φ1=f2/f1で与えられる。ビームエキスパンダ70によりビーム径を広げられた第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGは、ユニット本体60内の中心部に第2のレーザ光取入れ口16bの方を向いて約45゜の傾きに配置されたダイクロイックミラー66の下面66aに入射角45゜で入射する。
【0033】
一方、光ファイバ34を介して第1のYAGレーザ10より伝送されてきた基本波YAGレーザ光LBcwは、光ファイバ34の端面より放射状に出てコリメータレンズ64に通されることで、所望のビーム径φ0を有する平行光となる。このビーム径φ0は、光ファイバ34の端面とコリメータレンズ64との間の距離を調節することで任意の値に調整できる。好ましくは、基本波YAGレーザ光LBcwのビーム径φ0を、ビームエキスパンダ70からの第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGのビーム径φ2よりも大きな(たとえば数倍以上大きな)径に設定してよい。コリメータレンズ64により所定のビーム径φ0を有するに至った平行光の基本波YAGレーザ光LBcwは、ダイクロイックミラー66の上面66bに入射角45゜で入射する。
【0034】
ダイクロイックミラー66は、ガラス基板上に誘電体多層膜をコーティングした吸収散乱の非常に少ないミラーであり、第2高調波(波長532nm)のYAGレーザ光に対しては高い(90%以上)反射率を示し、基本波(波長1064nm)のYAGレーザ光に対しては高い(90%以上)透過率を示す。したがって、コリメータレンズ64より垂直方向に直進してきた基本波YAGレーザ光LBcwは、ダイクロイックミラー66を透過してまっすぐ垂直下方へに進む。一方、ビームエキスパンダ70より水平方向に直進してきた第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGは、ダイクロイックミラー66で45゜の反射角で垂直下方に反射し(行路を曲げ)、上方からの基本波YAGレーザ光LBcwとほぼ同一の軸上で重畳(合流)する。
【0035】
上記のようにしてダイクロイックミラー66で透過または反射した基本波YAGレーザ光LBcwと第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGは、同一軸上を垂直下方にそれぞれ直進して共通の集光レンズ68に入射し、集光レンズ68により金属部材のワークWの被溶接部WP付近に集光させられる。集光レンズ68は、いわゆる色消しレンズであり、異波長の基本波YAGレーザ光LBcw(波長1064nm)と第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHG(波長532nm)に対して色収差を出さないように構成されている。
【0036】
次に、この実施形態によるYAGレーザ装置の作用を説明する。図3に、このYAGレーザ装置において純銅や純アルミニウム等の高反射率・高熱拡散率を有する金属に好適なレーザ出力波形の基本パターンを示す。
【0037】
この実施形態において、第1のレーザ10は、上記のような構成により、たとえば図3の(A)に示すように所望のパルス幅(持続時間)Tsを有する連続発振の基本波YAGパルスレーザ光LBcwを生成する。ここで、この基本波YAGパルスレーザ光LBcwのパワー(レーザ出力)Pcwは、レーザ電源部28より励起光供給部22の励起光源に与える電力を調節することにより所定範囲内で任意の値に設定できる。
【0038】
一方、第2のレーザ12は、上記のような構成により、たとえば図3の(B)に示すように所望の高速繰り返し周波数(Qスイッチ周波数)fQを有する第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGを生成する。ここで、QスイッチYAGレーザ光LBSHGのピークパワーPpや繰り返し周波数fQは、Qスイッチ50に対する高周波電気信号の変調を制御することにより任意に可変調整することができる。なお、このQスイッチYAGレーザ光LBSHGの平均パワーPaは、ピークパワーPpとディーティサイクルη(η=fQ・τp×100)との積(η・Pp)で与えられ、通常のレーザ溶接では基本波YAGパルスレーザ光LBcwのパワーPcwよりも低い値に設定されてよい。
【0039】
制御部14は、第1および第2のレーザ10,12のレーザ発振動作を統括制御することにより、図3の(A)に示すような連続発振の基本波YAGパルスレーザ光LBcwと図3の(B)に示すような高速繰り返し発振のQスイッチYAGレーザ光LBSHGとを任意のタイミングで時間的に重畳させることができる。
【0040】
好ましくは、図3の(C)に示すように、連続発振の基本波YAGパルスレーザ光LBcwが持続しているパルス時間(Ts)中は始終第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGが高速繰り返し周波数fQで発振出力されるような時間的重畳関係に設定してよい。
【0041】
図4に、この実施形態において、図3の(C)に示すような時間的重畳関係で連続発振の基本波YAGパルスレーザ光LBcwと第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGとを第1および第2のレーザ10,12よりそれぞれ発生させ、かつ両レーザ光LBcw,LBSHGを出射ユニット16にて上記のように同軸に重畳させたうえで、高反射率・高熱拡散率の金属部材(ワークW)に照射したときの被溶接部WPにおける溶融部の断面構造を模式的に示す。
【0042】
また、参考(比較)例として、図5および図6に、連続発振の基本波YAGパルスレーザ光LBcwおよび第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGをそれぞれ単独でワークWに照射した場合の溶融部の断面構造を示す。
【0043】
図4に示すように、この実施形態によれば、連続発振の基本波YAGパルスレーザ光LBcwと第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGとの同軸重畳照射による相乗作用により、ワークWが高反射率・高熱拡散率の金属部材であっても大きな溶け込み断面積および溶け込み深さを得ることができる。本発明によりこのような優れた溶融特性が得られるメカニズムは未だはっきり解明されているわけではないが、次の2つの要因が考えられる。
【0044】
1つの要因として、第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGにより形成されるキーホールKH内で基本波YAGパルスレーザ光LBcwが多重反射しながら内奥へ軸方向(垂直下方)に進むことによりレーザエネルギーの吸収効率が飛躍的に高められることが考えられる。あるいは、短波長により吸収率の高い第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGにより被溶接部WP付近の温度が上昇し、そこにパワーの大きな基本波YAGパルスレーザ光LBcwが照射することによりレーザエネルギーの吸収効率が飛躍的に上昇することが考えられる。いずれにせよ、両レーザ光LBcw,LBSHGが同軸上に重畳して被溶接部WPに入射することにより、上記の相乗作用が最大限に高められ、溶融部が横方向にも縦方向にも大きく延びる。
【0045】
これに対して、図5に示すように、連続発振の基本波YAGパルスレーザ光LBcwを単独で高反射率・高熱拡散率の金属部材(ワークW)に照射した場合は、レーザエネルギーが被溶接部WPの深くまで浸透できないため、溶け込み深さd’が非常に短い(浅い)。
【0046】
また、図6に示すように、第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGを単独で高反射率・高熱拡散率の金属部材(ワークW)に照射した場合は、ある程度深いところまで溶かすことができるが、それでも連続発振の基本波YAGパルスレーザ光LBcwと同軸上に重畳して照射される場合(本実施例)に比して浅く(D’<D)、なによりも溶け込み断面積が小さすぎる。
【0047】
図7〜図9に、本発明をシーム溶接に適用して得られる溶融特性のデータを従来例と比較して示す。
【0048】
図7の実施例は、基本波YAGパルスレーザ光LBcwのパルス幅Tsを図示のように1ms〜10msの範囲で変えたときの被溶接部WPに得られる溶融部の溶け込み深さD(d)を示す。ワークWの材質を純銅(A1050)とし、主要な加工条件として、送り速度vを0.6mm/s、シールドガス(N2)の流量を30リットル/min、第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGの平均パワーPaを40W、Qスイッチ周波数fQを10kHzに選んでいる。なお、基本波YAGパルスレーザ光LBcwの繰り返し周波数(パルス周波数)はたとえば5Hzに設定してよい。
【0049】
図7のグラフから明らかなように、本発明によれば、純銅(A1050)に対して2mm以上の最大溶け込み深さdを達成することができる。一方、図7に比較例として示すように、基本波YAGパルスレーザ光LBcw単独のレーザ溶接では、0.5mm以上の溶け込み深さを実現するのは難しい。
【0050】
図8の実施例は、基本波YAGパルスレーザ光LBcwのパワーPcwおよびシーム送り速度vを変えたときの被溶接部WPに得られる溶融部の溶け込み断面積S(mm2)を示す。ワークWの材質はステンレス鋼(Type 304)であり、主要な加工条件として、シールドガス(Ar)の流量を30リットル/min、第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGの平均パワーPaを43.2W、Qスイッチ周波数fQを10kHzに選んでいる。なお、基本波YAGパルスレーザ光LBcwの繰り返し周波数(パルス周波数)はたとえば5Hzに設定してよい。
【0051】
図8のグラフから、基本波YAGパルスレーザ光LBcwのパワーPcwおよびシーム送り速度vをそれぞれ如何なる値に選んでも、本発明によれば被溶接部の溶融断面積が大幅に増大することがわかる。特に、レーザ出力値として通常使用される400〜600Wにおいて、基本波YAGパルスレーザ光LBcw単独の場合(従来技術)に比して2倍以上の溶融断面積が得られることがわかる。
【0052】
図9の実施例は、同一条件のレーザ溶接により高反射率・高熱拡散率の金属部材である純銅(A1050)、純アルミニウム(A5083)およびステンレス鋼(Type 304)でそれぞれ得られる溶融部の溶け込み断面積S(mm2)を比較して示す。主要な加工条件として、シーム送り速度vを0.6mm/s、シールドガス(N2)の流量を30リットル/min、基本波YAGパルスレーザ光LBcwのパワーPcwを275W、第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGの平均パワーPaを40W、Qスイッチ周波数fQを10kHzに選んでいる。基本波YAGパルスレーザ光LBcwの繰り返し周波数(パルス周波数)はたとえば5Hzに設定してよい。
【0053】
図9のグラフから、本発明によればいずれの金属部材でも被溶接部の溶融断面積を大幅に増大させることができる。材質別では、純銅(A1050)<純アルミニウム(A5083)<ステンレス鋼(Type 304)の大小関係で、ステンレス鋼(Type 304)で最も大きな溶融断面積が得られる。
【0054】
上記した実施形態では、第1のレーザ10より生成された基本波YAGレーザ光LBcwを光ファイバ34を介して出射ユニット16の第1レーザ光取入れ口16aに取り込むとともに、第2のレーザ12より生成された第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGを光ファイバを介さずに出射ユニット16の第2レーザ光取入れ口16bに取り込む構成であった。かかる構成は一例であり、種々の変形が可能である。たとえば、基本波YAGレーザ光LBcwを第2レーザ光取入れ口16bに取り込み、第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGを第1レーザ光取入れ口16aに取り込む構成も可能である。
【0055】
上記した実施形態では、連続発振の基本波YAGレーザ光LBcwと高速繰り返しパルス発振の第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGとを同軸上に重畳してワークWに照射した。しかし、第2高調波以外にも第3高調波(波長355nm)や第4高調波(波長266nm)等の他の高調波YAGレーザ光も使用可能である。さらには、連続発振の基本波YAGレーザ光LBcwに対して複数種類たとえば第2高調波QスイッチYAGレーザ光LBSHGおよび第3高調波QスイッチYAGレーザ光LBTHGを同軸重畳させるレーザ溶接法も可能である。この場合、出射ユニット16の中または外にもう1つのダイクロイックミラーを設ければよい。
【0056】
また、上記した実施形態はYAGレーザを利用するものであったが、本発明は他のレーザ(特に固体レーザ)を使用することもできる。
【0057】
上記した実施形態のように、本発明のレーザ溶接法は高反射率・高熱拡散率の金属部材に対して特に顕著な効果を奏するものであるが、アルミニウム合金や鉄等の他の金属部材に適用しても有効である。
【0058】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、各種金属材料の溶融特性を大幅に改善することができ、特に高反射率・高熱拡散率を有する金属部材でも十分な溶け込み断面積および溶け込み深さを実現し、良好な溶接接合を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態におけるYAGレーザ溶接装置の構成を示すブロック図である。
【図2】実施形態のYAGレーザ溶接装置における出射ユニット内の光学系の構成と作用を示す図である。
【図3】実施形態のYAGレーザ溶接装置における各部のレーザ出力波形の基本パターンを示す図である。
【図4】実施形態のレーザ溶接により得られる溶融部の断面構造を模式的に示す図である。
【図5】一比較例のレーザ溶接により得られる溶融部の断面構造を模式的に示す図である。
【図6】別の比較例のレーザ溶接により得られる溶融部の断面構造を模式的に示す図である。
【図7】本発明をシーム溶接に適用して得られる一溶融特性のデータを従来例と比較して示す図である。
【図8】本発明をシーム溶接に適用して得られる一溶融特性のデータを従来例と比較して示す図である。
【図9】本発明をシーム溶接に適用して得られる一溶融特性のデータを従来例と比較して示す図である。
【符号の説明】
10 第1のYAGレーザ
12 第2のYAGレーザ
14 制御部
16 出射ユニット
16a 第1レーザ光取入れ口
16b 第2レーザ光取入れ口
64 コリメータレンズ
66 ダイクロイックミラー
68 集光レンズ
70 ビームエキスパンダ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser welding method and apparatus for welding metal members using laser light.
[0002]
[Prior art]
The laser welding method is a technique for irradiating a welded portion of a metal member with a laser beam and melting the welded portion instantaneously by laser energy to perform metallurgical joining. Conventionally, many YAG lasers have been used as solid-state lasers for laser welding. The YAG laser can continuously oscillate and can perform high-speed repetitive oscillation of a giant pulse by a Q switch, and can easily control the waveform of the laser output.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the laser welding method, a metal having high reflectance and thermal diffusion (conductivity) is difficult to melt because of low absorption of laser light, and it is difficult to obtain a good weld joint.
[0004]
Conventionally, a pulsed laser method of irradiating a continuous wave pulsed laser beam has been effective for aluminum alloys, and the inventors of the present application disclosed in Japanese Patent No. 2984962 such as welding peeling in a pulsed laser welding method for aluminum alloys. Disclosed is a waveform control technique that guarantees high-quality weld joints without weld defects. Recently, as a technique for improving the melting characteristics of aluminum alloys, continuous oscillation YAG pulsed laser light (wavelength 1064 nm) and high-speed repetitive pulsed YAG laser light (wavelength 1064 nm) using a Q switch are different directions (two directions). There is also known a technique in which multiple irradiation is performed toward the same welded part.
[0005]
However, in today's industry, a laser welding method effective for metals such as pure aluminum and pure copper, which have a higher reflectance and thermal diffusivity than aluminum alloys, is urgently required.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described conventional situations or problems, and realizes a sufficient penetration cross-sectional area and penetration depth even with a metal member having a high reflectance and a high thermal diffusivity, and is favorable. An object of the present invention is to provide a laser welding method and apparatus capable of obtaining a weld joint.
[0007]
Another object of the present invention is to provide a laser welding method and apparatus effective for improving the melting characteristics of various metal materials.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, a laser welding method of the present invention is a laser welding method for welding a metal member using laser light, and has a predetermined fundamental wavelength andDesired duration1 / N of the fundamental wavelength (N is 2 or more) so as to be temporally superimposed on the fundamental laser beam at a predetermined timing. A second step of generating a harmonic Q-switched laser beam having an integer) multiple wavelength and a desired high-speed repetitive Q-switching frequency separately from the fundamental laser beam, and the fundamental laser beam and the harmonic Q A third step of causing the switch laser light to enter the same dichroic mirror so that the optical axes thereof intersect at almost right angles, and superimposing both laser lights on the same axis; The superimposed fundamental wave laser beam and the harmonic Q-switched laser beam are condensed and irradiated to a welded portion of the metal member through a common condenser lens, and the welded portion is irradiated with the fundamental wave laser beam and the welded portion. Harmonics And a fourth step of metallurgically bonded both energy-switched laser light.
[0009]
  According to the laser welding method of the present invention,Desired durationThe fundamental wave laser beam having the above and the harmonic Q switch laser beam having the desired high-speed repetition Q-switch frequency are superimposed on the same axis and irradiated onto the welded portion of the metal member, so that both laser beams having different wavelengths can be obtained. The absorption efficiency of the laser energy that maximizes the synergistic effect is enhanced, and a large penetration cross-sectional area and penetration depth can be obtained even with a metal member having a high reflectance and a high thermal diffusivity.
[0010]
In the present invention, preferably, the beam diameter of the harmonic laser beam may be made smaller than the beam diameter of the fundamental laser beam. Thereby, a deep keyhole can be formed in the to-be-welded part of a metal member with a harmonic laser beam.
[0012]
  The laser welding apparatus of the present invention is a laser welding apparatus for welding metal members using laser light, and has a predetermined fundamental wavelength andDesired durationA first lasing unit that generates a continuous wave fundamental wave laser beam having a wavelength of 1 / N (N is an integer of 2 or more) times the fundamental wavelength and a desired high-speed repetitive Q-switch frequency. The first and second laser oscillators that generate the harmonic Q-switched laser light, the first and second harmonics so that the fundamental laser light and the harmonic Q-switched laser light are temporally superimposed at a predetermined timing. A control unit that controls the laser oscillation operation of the laser oscillation unit, the fundamental laser beam from the first laser oscillation unit, and the harmonic Q-switched laser beam from the second laser oscillation unit, respectively. The light beams are incident on both sides of the mirror so that the axes substantially intersect at right angles, and one of the fundamental laser light and the harmonic Q-switched laser light is transmitted straight and the other is reflected at right angles. Dichroic mirror for superimposing both laser beams on the same axis, and condensing the fundamental laser beam and the harmonic Q-switched laser beam superimposed on the same axis from the dichroic mirror And a condensing lens for irradiating the welded portion of the metal member.
[0013]
According to the laser welding apparatus of the present invention, the above-described laser welding method of the present invention can be effectively carried out by such a configuration.
[0014]
As a preferable aspect, the first laser oscillation unit includes a first solid-state laser medium, a first excitation light source, and a first optical resonator, and the first excitation light source is turned on. The optical energy may be supplied to the first solid-state laser medium, and the fundamental laser light may be output in continuous oscillation by the first solid-state laser medium and the first optical resonator.
[0015]
  As a preferred aspect, the second laser oscillation unit includes a second solid-state laser medium, a second excitation light source, a Q switch, a second optical resonator, and a wavelength converter. The second excitation light source is turned on, and the optical energy is supplied to the second solid-state laser medium, and the second solid-state laser medium, the Q switch, and the second optical resonator repeat the high-speed repetition. The fundamental Q-switched laser light having the fundamental wavelength at the Q-switch frequency is output, and the harmonic Q-switched laser having a wavelength that is 1 / N times the fundamental wavelength by the wavelength converter. Convert to lightThe
[0016]
  Moreover, as a preferable aspect, the control unit converts the fundamental laser light into theDesired durationAnd controlling the first laser oscillation unit to continuously oscillate and output the harmonic Q-switched laser light.Desired durationThe second laser oscillation unit is controlled so as to oscillate and output at a desired high-speed repetitive Q-switch frequency during this period.
[0017]
  In the laser welding apparatus of the present invention, preferably, the fundamental laser beam generated from the first laser oscillation unit or the harmonic generated from the second laser oscillation unit.Q switchLet the laser light enter one end surface,From the other end surface, the fundamental laser beam or the harmonic Q-switched laser beam incident on the one end surfaceThe outgoing optical fiber and the other end surface of the optical fiberMore outgoingThe fundamental laser beam or the harmonicsQ switchIt is good also as a structure which comprises the collimator lens which makes a laser beam parallel light and lets it pass to the said dichroic mirror side. Further, the fundamental laser beam generated from the first laser oscillation unit or the harmonic generated from the second laser oscillation unit.Q switchIt is good also as a structure which comprises the beam expander which expands the beam diameter of a laser beam by predetermined magnification, and lets it pass to the said dichroic mirror side.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0019]
In FIG. 1, the structure of the YAG laser welding apparatus in one Embodiment of this invention is shown. This YAG laser welding apparatus includes two YAG lasers 10 and 12, a control unit 14 that controls both lasers 10 and 12, and one emission unit 16.
[0020]
In the first YAG laser 10, the laser oscillator 18 is opposed to the YAG rod 20, the excitation light supply unit 22 that supplies excitation light to the YAG rod 20, and both end faces of the YAG rod 20, and A pair of optical resonator mirrors, that is, a total reflection mirror 24 and a partial reflection mirror (output mirror) 26, which are arranged at a predetermined interval, are provided.
[0021]
The excitation light supply unit 22 includes an excitation light source made of a discharge lamp or a semiconductor laser. The excitation light source generates excitation light EB in accordance with the power supplied from the laser power supply unit 28, and the excitation light EB is supplied to or irradiated on the YAG rod 20, so that the YAG rod 20 is driven by the energy of the excitation light EB. When excited, light is emitted in the axial direction from the end face of the rod by stimulated emission. Of the light emitted from both end faces of the YAG rod 20, the light having the resonance frequency is confined and amplified between the total reflection mirror 24 and the output mirror 26, and a part of the fundamental wave YAG continuously oscillated from the output mirror 26. Laser light (wavelength 1064nm) LBcwIs output as.
[0022]
Fundamental YAG laser beam LB generated from the first YAG laser 10cwIs transmitted to the first laser beam inlet 16a of the emission unit 16 through the reflection mirror 30, the incident unit 32, and the optical fiber 34. A cylindrical optical path cover 36 may be provided around the laser transmission path from the laser emission port of the laser oscillator 18 to the incident unit 32. A condensing lens 38 is disposed in the incident unit 32, and a fundamental wave YAG laser LB that has propagated in the air with substantially parallel light.cwIs condensed by a condensing lens 38 and incident on one end face of the optical fiber 34.
[0023]
In the second YAG laser 12, the laser oscillator 40 is opposed to the YAG rod 42, the excitation light supply unit 44 that supplies excitation light to the YAG rod 42, and both end faces of the YAG rod 42. It has a pair of optical resonator mirrors (total reflection mirror 46 and output mirror 48), a Q switch 50, and a wavelength converter 52 arranged at a predetermined interval.
[0024]
The YAG rod 42, the pumping light supply unit 44, and the optical resonator mirrors 46 and 48 are respectively the same as the YAG rod 20, the pumping light supply unit 22 and the optical resonator mirrors 24 and 26 in the laser oscillator 18 of the first YAG laser 10. It may have the same configuration and function.
[0025]
The Q switch 50 is composed of an acousto-optic Q switch, for example. A Q switch control circuit (not shown) in the laser power supply unit 54 drives the Q switch 50 by a high frequency electrical signal that is temporarily interrupted at a predetermined cycle via a Q switch driver 56. As a result, every time the high-frequency electrical signal is interrupted, the Q-switched YAG laser beam LB of a giant pulse having a very high peak power is obtained.Q(Wavelength 1064 nm) is generated from the output mirror 48. This Q switch YAG laser beam LBQThe repetition frequency corresponds to the Q switch frequency for temporarily interrupting the high-frequency electrical signal.
[0026]
The wavelength converter 52 has an anisotropic crystal. By utilizing the nonlinear effect of the anisotropic crystal, the fundamental wave (wavelength 1064 nm) of the Q-switched YAG laser beam LB from the output mirror 48 is obtained.QQ-switched YAG laser beam LB of the second harmonic (wavelength 532 nm)SHGConvert to
[0027]
Second harmonic Q-switched YAG laser light LB generated from the laser oscillator 40 of the second YAG laser 12SHGIs transmitted through the air without passing through the optical fiber and transmitted to the second laser light inlet 16b of the emission unit 16. A cylindrical optical path cover 58 may be provided around the laser transmission path from the laser emission port of the laser oscillator 40 to the second laser light intake port 16b of the emission unit 16.
[0028]
The control unit 14 may be composed of, for example, a microcomputer and necessary peripheral devices, and the first and second lasers 10 are selected according to programs stored in a built-in memory, various condition data set and input by the user, and the like. , 12 are individually and comprehensively controlled through the laser power supply units 28, 54.
[0029]
The emission unit 16 has a cylindrical unit main body 60 having a laser emission port 16 c at the lower end, and necessary optical components are arranged at predetermined positions in the unit main body 60. More specifically, a connector 62 for detachably attaching the end of the optical fiber 34 is provided at the upper end of the unit main body 60, and on a straight axis connecting the connector 62 and the laser emission port 16c at the lower end. A collimator lens 64, a dichroic mirror 66, and a condensing lens 68 are arranged in order from the top at a predetermined interval.
[0030]
Further, a horizontal cylindrical portion 60a that constitutes the second laser light inlet 16b is provided on one side surface of the intermediate portion of the unit body 60, and the second laser 12 from the second laser 12 is provided in the horizontal cylindrical portion 60a. Harmonic Q switch YAG laser beam LBSHGA beam expander 70 for expanding the beam diameter at a desired magnification is disposed. Here, the beam expander 70 may be set (aligned) so that the optical axis of the collimator lens 64 and the dichroic mirror 66 intersect at substantially right angles.
[0031]
In addition, it is preferable to shield (block) the welded portion WP of the workpiece W from ambient air during laser welding in order to prevent oxidation. When this shielding inert gas such as argon gas (Ar) or nitrogen gas (N2) is blown from the emission unit 16 side to the welded part WP, a shield gas injection part is provided near the laser emission port 16c of the emission unit 16. (Not shown) may be provided.
[0032]
FIG. 2 shows the detailed configuration and operation of the optical system in the emission unit 16. The beam expander 70 may be, for example, a Galileo type composed of a concave lens 72 and a convex lens 74. , F1 and f2, respectively, the magnification N is given by N = φ2 / φ1 = f2 / f1. Second harmonic Q-switched YAG laser beam LB whose beam diameter has been expanded by the beam expander 70SHGIs incident on the lower surface 66a of the dichroic mirror 66 disposed at an inclination of about 45 ° toward the second laser light inlet 16b toward the center of the unit main body 60 at an incident angle of 45 °.
[0033]
On the other hand, the fundamental wave YAG laser beam LB transmitted from the first YAG laser 10 through the optical fiber 34.cwIs emitted radially from the end face of the optical fiber 34 and is passed through the collimator lens 64, whereby parallel light having a desired beam diameter φ0 is obtained. This beam diameter φ 0 can be adjusted to an arbitrary value by adjusting the distance between the end face of the optical fiber 34 and the collimator lens 64. Preferably, the fundamental wave YAG laser beam LBcwOf the second harmonic Q-switched YAG laser beam LB from the beam expander 70.SHGThe beam diameter may be set larger than (for example, several times larger) than the beam diameter φ2. A fundamental wave YAG laser beam LB of parallel light having a predetermined beam diameter φ0 by the collimator lens 64cwIs incident on the upper surface 66b of the dichroic mirror 66 at an incident angle of 45 °.
[0034]
The dichroic mirror 66 is a mirror having a very small absorption and scattering in which a dielectric multilayer film is coated on a glass substrate, and has a high (90% or higher) reflectivity for the second harmonic (wavelength 532 nm) YAG laser light. It shows a high transmittance (90% or more) for the YAG laser light of the fundamental wave (wavelength 1064 nm). Therefore, the fundamental wave YAG laser beam LB that has traveled straight in the vertical direction from the collimator lens 64.cwPasses through the dichroic mirror 66 and proceeds vertically downward. On the other hand, the second harmonic Q-switched YAG laser beam LB that has traveled straight from the beam expander 70 in the horizontal direction.SHGIs reflected by the dichroic mirror 66 vertically downward at a reflection angle of 45 ° (bending path), and the fundamental wave YAG laser beam LB from above is reflected.cwAre superimposed (joined) on almost the same axis.
[0035]
The fundamental wave YAG laser beam LB transmitted or reflected by the dichroic mirror 66 as described above.cwAnd second harmonic Q-switched YAG laser beam LBSHGAre linearly moved vertically downward on the same axis and are incident on a common condensing lens 68, and are condensed by the condensing lens 68 in the vicinity of the welded portion WP of the workpiece W of the metal member. The condenser lens 68 is a so-called achromatic lens and has a fundamental wave YAG laser beam LB having a different wavelength.cw(Wavelength 1064 nm) and second harmonic Q-switched YAG laser light LBSHGIt is configured not to produce chromatic aberration with respect to (wavelength 532 nm).
[0036]
Next, the operation of the YAG laser device according to this embodiment will be described. FIG. 3 shows a basic pattern of a laser output waveform suitable for a metal having high reflectivity and high thermal diffusivity, such as pure copper and pure aluminum, in this YAG laser apparatus.
[0037]
In this embodiment, the first laser 10 has a fundamental wave YAG pulsed laser beam having a desired pulse width (duration) Ts as shown in FIG. LBcwIs generated. Here, this fundamental wave YAG pulse laser beam LBcwThe power (laser output) Pcw can be set to an arbitrary value within a predetermined range by adjusting the power supplied from the laser power supply unit 28 to the excitation light source of the excitation light supply unit 22.
[0038]
On the other hand, the second laser 12 has a desired high-speed repetition frequency (Q switch frequency) f as shown in FIG.QSecond harmonic Q-switched YAG laser beam LB havingSHGIs generated. Here, the Q switch YAG laser beam LBSHGPeak power Pp and repetition frequency fQCan be arbitrarily variably adjusted by controlling the modulation of the high-frequency electrical signal to the Q switch 50. This Q switch YAG laser beam LBSHGThe average power Pa of the peak power Pp and the duty cycle η (η = fQ(Τp × 100) and the product (η · Pp). In ordinary laser welding, the fundamental wave YAG pulsed laser beam LBcwIt may be set to a value lower than the power Pcw.
[0039]
The control unit 14 performs overall control of the laser oscillation operations of the first and second lasers 10 and 12, thereby allowing a continuous wave fundamental wave YAG pulsed laser beam LB as shown in FIG.cwAnd a Q-switched YAG laser beam LB having a high-speed repetition oscillation as shown in FIG.SHGCan be temporally superimposed at an arbitrary timing.
[0040]
Preferably, as shown in FIG. 3C, a continuous wave fundamental wave YAG pulsed laser beam LB is used.cwThe second harmonic Q-switched YAG laser light LB throughout the pulse time (Ts) during whichSHGIs the fast repetition frequency fQIt may be set to a temporal superposition relationship such that oscillation is output at.
[0041]
FIG. 4 shows a continuous wave fundamental wave YAG pulse laser beam LB in a temporal superposition relationship as shown in FIG.cwAnd second harmonic Q-switched YAG laser beam LBSHGAre generated by the first and second lasers 10 and 12, respectively, and both laser beams LB are generated.cw, LBSHGIs schematically shown as a cross-sectional structure of the melted part in the welded part WP when the metal unit (work W) with high reflectivity and high thermal diffusivity is irradiated with the output unit 16 on the same axis as described above. Shown in
[0042]
As a reference (comparative) example, FIGS. 5 and 6 show a continuous wave fundamental wave YAG pulsed laser beam LB.cwAnd second harmonic Q-switched YAG laser beam LBSHGThe cross-sectional structure of the fusion | melting part at the time of each irradiating to the workpiece | work W independently is shown.
[0043]
  As shown in FIG. 4, according to this embodiment, the continuous wave fundamental wave YAGpulseLaser beam LBcwAnd second harmonic Q-switched YAG laser beam LBSHGWith the synergistic effect of coaxial superimposing irradiation, a large penetration cross-sectional area and penetration depth can be obtained even if the workpiece W is a metal member having a high reflectance and a high thermal diffusivity. The mechanism by which such excellent melting characteristics can be obtained by the present invention has not yet been clearly clarified, but the following two factors can be considered.
[0044]
One factor is the second harmonic Q-switched YAG laser beam LBSHGIn the keyhole KH formed by the fundamental wave YAG pulse laser beam LBcwIt is conceivable that the absorption efficiency of laser energy can be dramatically improved by proceeding in the axial direction (vertically downward) with multiple reflection. Alternatively, the second harmonic Q-switched YAG laser light LB having a high absorption rate due to a short wavelength.SHGAs a result, the temperature in the vicinity of the welded part WP rises, and there is a high-power fundamental wave YAG pulse laser beam LB.cwIt is conceivable that the absorption efficiency of laser energy increases dramatically by irradiation. In any case, both laser beams LBcw, LBSHGAre superimposed on the same axis and incident on the welded part WP, the above synergistic effect is maximized, and the melted part greatly extends both in the horizontal and vertical directions.
[0045]
On the other hand, as shown in FIG. 5, a continuous wave fundamental wave YAG pulse laser beam LB is obtained.cwIs irradiated to a metal member (work W) having a high reflectance and a high thermal diffusivity alone, the laser energy cannot penetrate deep into the welded part WP, so that the penetration depth d 'is very short (shallow).
[0046]
Further, as shown in FIG. 6, the second harmonic Q-switched YAG laser beam LBSHGIs irradiated to a metal member (work W) having high reflectivity and high thermal diffusivity alone, it can be melted to a certain depth, but it is still a continuous wave fundamental wave YAG pulsed laser beam LB.cwWhen compared with the case of being irradiated on the same axis (D '<D), the penetration cross-sectional area is too small.
[0047]
7 to 9 show data on melting characteristics obtained by applying the present invention to seam welding in comparison with a conventional example.
[0048]
  In the embodiment of FIG. 7, the pulse width Ts of the fundamental wave YAG pulse laser beam LBcw is set toAs shown in the range of 1ms-10msThe penetration depth D (d) of the melted part obtained in the welded part WP when changed is shown. The material of the workpiece W is pure copper (A1050). The main processing conditions are a feed rate v of 0.6 mm / s, a flow rate of shield gas (N2) of 30 l / min, and a second harmonic Q-switched YAG laser beam LB.SHGAverage power Pa is 40W, Q switch frequency fQIs selected to be 10 kHz. The fundamental wave YAG pulse laser beam LBcwThe repetition frequency (pulse frequency) may be set to 5 Hz, for example.
[0049]
As is apparent from the graph of FIG. 7, according to the present invention, a maximum penetration depth d of 2 mm or more can be achieved with respect to pure copper (A1050). On the other hand, as shown in FIG. 7 as a comparative example, the fundamental wave YAG pulse laser beam LBcwWith a single laser welding, it is difficult to achieve a penetration depth of 0.5 mm or more.
[0050]
The embodiment of FIG. 8 shows a fundamental wave YAG pulse laser beam LB.cwWelding cross section S (mm) of the melted part obtained in the welded part WP when the power Pcw and the seam feed speed v are changed2). The material of the workpiece W is stainless steel (Type 304), and the main processing conditions are a flow rate of shield gas (Ar) of 30 liters / min, and a second harmonic Q-switched YAG laser beam LB.SHGAverage power Pa is 43.2 W, Q switch frequency fQIs selected to be 10 kHz. The fundamental wave YAG pulse laser beam LBcwThe repetition frequency (pulse frequency) may be set to 5 Hz, for example.
[0051]
From the graph of FIG. 8, the fundamental wave YAG pulse laser beam LBcwIt can be seen that, regardless of the values of the power Pcw and the seam feed speed v, the melt cross-sectional area of the welded portion is greatly increased according to the present invention. In particular, at 400 to 600 W that is normally used as a laser output value, the fundamental wave YAG pulsed laser beam LBcwIt can be seen that a melting cross-sectional area of twice or more is obtained as compared with the case of the single case (prior art).
[0052]
In the embodiment of FIG. 9, the melted portion melted by pure copper (A1050), pure aluminum (A5083) and stainless steel (Type 304), which are metal members having high reflectivity and high thermal diffusivity by laser welding under the same conditions. Cross-sectional area S (mm2) For comparison. As main processing conditions, the seam feed speed v is 0.6 mm / s, the flow rate of the shield gas (N2) is 30 liters / min, and the fundamental wave YAG pulse laser beam LB.cwPower Pcw of 275 W, second harmonic Q-switched YAG laser beam LBSHGAverage power Pa is 40W, Q switch frequency fQIs selected to be 10 kHz. Fundamental wave YAG pulse laser beam LBcwThe repetition frequency (pulse frequency) may be set to 5 Hz, for example.
[0053]
From the graph of FIG. 9, according to the present invention, the melt cross-sectional area of the welded portion can be greatly increased with any metal member. By material, pure copper (A1050) <pure aluminum (A5083) <stainless steel (Type 304), and the largest melting cross section is obtained with stainless steel (Type 304).
[0054]
In the above-described embodiment, the fundamental wave YAG laser beam LB generated from the first laser 10.cwIs taken into the first laser light inlet 16a of the emission unit 16 through the optical fiber 34, and the second harmonic Q-switched YAG laser light LB generated by the second laser 12 is used.SHGWas taken into the second laser light inlet 16b of the emission unit 16 without passing through an optical fiber. Such a configuration is an example, and various modifications are possible. For example, fundamental wave YAG laser beam LBcwIs taken into the second laser beam inlet 16b, and the second harmonic Q-switched YAG laser beam LBSHGIt is also possible to adopt a configuration in which the light is taken into the first laser light inlet 16a.
[0055]
In the above-described embodiment, the continuous wave fundamental wave YAG laser beam LB is used.cwAnd high-speed repetitive pulse oscillation second harmonic Q-switched YAG laser beam LBSHGWere superimposed on the same axis and irradiated onto the workpiece W. However, in addition to the second harmonic, other harmonic YAG laser beams such as a third harmonic (wavelength 355 nm) and a fourth harmonic (wavelength 266 nm) can be used. Furthermore, a continuous wave fundamental wave YAG laser beam LBcwFor example, the second harmonic Q-switched YAG laser beam LBSHGAnd third harmonic Q-switched YAG laser beam LBTHGA laser welding method in which the two are coaxially superimposed is also possible. In this case, another dichroic mirror may be provided inside or outside the emission unit 16.
[0056]
Moreover, although the above-described embodiment uses a YAG laser, the present invention can also use other lasers (particularly solid lasers).
[0057]
As in the above-described embodiment, the laser welding method of the present invention has a particularly remarkable effect on a metal member having a high reflectivity and a high thermal diffusivity, but it can be applied to other metal members such as an aluminum alloy and iron. It is effective even when applied.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the melting characteristics of various metal materials can be greatly improved, and a sufficient penetration cross-sectional area and penetration depth can be realized even for metal members having high reflectivity and high thermal diffusivity. And good weld joints can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a YAG laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration and an operation of an optical system in an emission unit in the YAG laser welding apparatus of the embodiment.
FIG. 3 is a view showing a basic pattern of a laser output waveform of each part in the YAG laser welding apparatus of the embodiment.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a melted portion obtained by laser welding according to an embodiment.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a melted portion obtained by laser welding of a comparative example.
FIG. 6 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a fusion zone obtained by laser welding of another comparative example.
FIG. 7 is a diagram showing one melting characteristic data obtained by applying the present invention to seam welding in comparison with a conventional example.
FIG. 8 is a diagram showing one melting characteristic data obtained by applying the present invention to seam welding in comparison with a conventional example.
FIG. 9 is a diagram showing one melting characteristic data obtained by applying the present invention to seam welding in comparison with a conventional example.
[Explanation of symbols]
10 First YAG laser
12 Second YAG laser
14 Control unit
16 Output unit
16a First laser beam inlet
16b Second laser beam inlet
64 collimator lens
66 Dichroic Mirror
68 condenser lens
70 beam expander

Claims (9)

レーザ光を用いて金属部材を溶接するためのレーザ溶接方法であって、
所定の基本波長と所望の持続時間とを有する連続発振の基本波レーザ光を生成する第1の工程と、
前記基本波レーザ光と所定のタイミングで時間的に重畳するように、前記基本波長の1/N(Nは2以上の整数)倍の波長と所望の高速繰り返しQスイッチ周波数とを有する高調波Qスイッチレーザ光を前記基本波レーザ光とは別個に生成する第2の工程と、
前記基本波レーザ光と前記高調波Qスイッチレーザ光とをそれぞれの光軸がほぼ直角に交差するように同一のダイクロイックミラーに入射せしめ、それら双方のレーザ光を同一の軸上で重畳させる第3の工程と、
前記同一の軸上で重畳された前記基本波レーザ光と前記高調波Qスイッチレーザ光とを共通の集光レンズを介して前記金属部材の被溶接部に集光照射し、前記被溶接部を前記基本波レーザ光および前記高調波Qスイッチレーザ光の双方のエネルギーで冶金的に接合する第4の工程と
を有するレーザ溶接方法。
A laser welding method for welding metal members using laser light,
A first step of generating a continuous wave fundamental laser beam having a predetermined fundamental wavelength and a desired duration ;
A harmonic Q having a wavelength 1 / N (N is an integer of 2 or more) times the fundamental wavelength and a desired high-speed repetitive Q switch frequency so as to be temporally superimposed on the fundamental laser beam at a predetermined timing. A second step of generating switch laser light separately from the fundamental laser light;
The fundamental laser beam and the harmonic Q-switched laser beam are incident on the same dichroic mirror so that the optical axes thereof intersect at almost right angles, and the third laser beam is superimposed on the same axis. And the process of
The fundamental wave laser beam and the harmonic Q-switched laser beam superimposed on the same axis are condensed and irradiated to a welded portion of the metal member through a common condenser lens, and the welded portion is And a fourth step of metallurgically joining the energy of both the fundamental laser beam and the harmonic Q-switched laser beam.
前記高調波Qスイッチレーザ光のビーム径を前記基本波レーザ光のビーム径よりも細くする、請求項1に記載のレーザ溶接方法。  The laser welding method according to claim 1, wherein a beam diameter of the harmonic Q-switched laser light is made smaller than a beam diameter of the fundamental laser light. 前記高調波Qスイッチレーザ光は、前記基本波長の1/2倍の波長を有する第2高調波のQスイッチレーザ光である、請求項1または請求項2に記載のレーザ溶接方法。  3. The laser welding method according to claim 1, wherein the harmonic Q-switched laser beam is a second harmonic Q-switched laser beam having a wavelength that is ½ times the fundamental wavelength. 4. レーザ光を用いて金属部材を溶接するためのレーザ溶接装置であって、
所定の基本波長と所望の持続時間とを有する連続発振の基本波レーザ光を生成する第1のレーザ発振部と、
前記基本波長の1/N(Nは2以上の整数)倍の波長と所望の高速繰り返しQスイッチ周波数とを有する高調波Qスイッチレーザ光を生成する第2のレーザ発振部と、
前記基本波レーザ光と前記高調波Qスイッチレーザ光とを所定のタイミングで時間的に重畳させるように前記第1および第2のレーザ発振部のレーザ発振動作を制御する制御部と、
前記第1のレーザ発振部からの前記基本波レーザ光と前記第2のレーザ発振部からの前記高調波Qスイッチレーザ光とをそれぞれの光軸がほぼ直角に交差するようにミラー両面にそれぞれ入射せしめ、前記基本波レーザ光および前記高調波Qスイッチレーザ光のうちの一方をまっすぐに透過させるとともに他方を直角に反射させることにより双方のレーザ光を同一の軸上で重畳せしめるダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーからの前記同一の軸上で重畳された前記基本波レーザ光および前記高調波Qスイッチレーザ光を集光させて前記金属部材の被溶接部に照射する集光レンズと
を具備することを特徴とするレーザ溶接装置。
A laser welding apparatus for welding metal members using laser light,
A first laser oscillation unit that generates a continuous wave fundamental laser beam having a predetermined fundamental wavelength and a desired duration ;
A second laser oscillation unit that generates a harmonic Q-switched laser beam having a wavelength that is 1 / N (N is an integer of 2 or more) times the fundamental wavelength and a desired high-speed repetition Q-switch frequency;
A control unit that controls the laser oscillation operations of the first and second laser oscillation units so that the fundamental laser beam and the harmonic Q-switched laser beam are temporally superimposed at a predetermined timing;
The fundamental laser beam from the first laser oscillation unit and the harmonic Q-switched laser beam from the second laser oscillation unit are incident on both sides of the mirror so that their optical axes intersect at almost right angles. A dichroic mirror that transmits one of the fundamental wave laser beam and the harmonic Q-switched laser beam straight and reflects the other at a right angle to superimpose both laser beams on the same axis;
A condensing lens that condenses the fundamental laser beam and the harmonic Q-switched laser beam superimposed on the same axis from the dichroic mirror and irradiates the welded portion of the metal member. A laser welding apparatus characterized by the above.
前記第1のレーザ発振部が、第1の固体レーザ媒体と、第1の励起光源と、第1の光共振器とを有し、前記第1の励起光源を点灯させて、その光エネルギーを前記第1の固体レーザ媒体に供給して前記第1の固体レーザ媒体および前記第1の光共振器により連続発振で前記基本波レーザ光を出力する、請求項4に記載のレーザ溶接装置。  The first laser oscillation unit includes a first solid-state laser medium, a first excitation light source, and a first optical resonator, and the first excitation light source is turned on, and the light energy is changed. The laser welding apparatus according to claim 4, wherein the laser beam is supplied to the first solid-state laser medium and the fundamental wave laser light is output in continuous oscillation by the first solid-state laser medium and the first optical resonator. 前記第2のレーザ発振部が、第2の固体レーザ媒体と、第2の励起光源と、Qスイッチと、第2の光共振器と、波長変換器とを有し、前記第2の励起光源を点灯させて、その光エネルギーを前記第2の固体レーザ媒体に供給して前記第2の固体レーザ媒体、前記Qスイッチおよび前記第2の光共振器により前記高速繰り返しQスイッチ周波数で前記基本波長を有する基本波のQスイッチレーザ光を出力し、前記基本波Qスイッチレーザ光を前記波長変換器により基本波長の1/N倍の波長を有する前記高調波Qスイッチレーザ光に変換する、請求項4または請求項5に記載のレーザ溶接装置。  The second laser oscillation unit includes a second solid-state laser medium, a second excitation light source, a Q switch, a second optical resonator, and a wavelength converter, and the second excitation light source And the optical energy is supplied to the second solid-state laser medium, and the fundamental wavelength at the fast repetition Q-switch frequency by the second solid-state laser medium, the Q switch, and the second optical resonator. The fundamental Q-switched laser light having a wavelength of 1 is output, and the fundamental Q-switched laser light is converted into the harmonic Q-switched laser light having a wavelength 1 / N times the fundamental wavelength by the wavelength converter. The laser welding apparatus according to claim 4 or 5. 前記制御部が、前記基本波レーザ光を前記所望の持続時間にわたって持続的に発振出力させる前記第1のレーザ発振部を制御するとともに、前記高調波Qスイッチレーザ光を前記所望の持続時間の期間中に所望の高速繰り返しQスイッチ周波数で発振出力させるように前記第2のレーザ発振部を制御する、請求項4〜6のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。The control unit controls the first laser oscillation unit that continuously oscillates and outputs the fundamental laser beam for the desired duration, and outputs the harmonic Q-switched laser beam for the duration of the desired duration. The laser welding apparatus according to any one of claims 4 to 6, wherein the second laser oscillation unit is controlled to oscillate and output at a desired high-speed repetition Q switch frequency. 前記第1のレーザ発振部より生成された前記基本波レーザ光もしくは前記第2のレーザ発振部より生成された前記高調波Qスイッチレーザ光を一端面に入射せしめ、その一端面に入射させた前記基本波レーザ光もしくは前記高調波Qスイッチレーザ光を他端面より出射する光ファイバと、
前記光ファイバの他端面より出射される前記基本波レーザ光もしくは前記高調波Qスイッチレーザ光を平行光にして前記ダイクロイックミラー側に通すコリメータレンズと
を具備する、請求項4〜6のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
The fundamental laser beam generated from the first laser oscillation unit or the harmonic Q-switched laser beam generated from the second laser oscillation unit is incident on one end surface, and is incident on the one end surface. An optical fiber for emitting a fundamental laser beam or the harmonic Q-switched laser beam from the other end surface;
The collimating lens which comprises the said fundamental wave laser beam or the said harmonic Q switch laser beam radiate | emitted from the other end surface of the said optical fiber as parallel light, and passes along the said dichroic mirror side. The laser welding apparatus according to item.
前記第1のレーザ発振部より生成された前記基本波レーザ光もしくは前記第2のレーザ発振部より生成された前記高調波Qスイッチレーザ光のビーム径を所定の倍率で拡大して前記ダイクロイックミラー側に通すビームエキスパンダを具備する、請求項4〜8のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。  A beam diameter of the fundamental laser beam generated from the first laser oscillation unit or the harmonic Q-switched laser beam generated from the second laser oscillation unit is enlarged by a predetermined magnification to the dichroic mirror side The laser welding apparatus as described in any one of Claims 4-8 which comprises the beam expander which lets it pass to.
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