JP7608074B2 - Welding method and welding equipment - Google Patents
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Description
本発明は、溶接方法および溶接装置に関する。 The present invention relates to a welding method and a welding apparatus .
従来、重ねられた二つの板状の金属部材の間に冷媒を収容する収容室が設けられ、当該二つの金属部材の周縁部を溶接することにより冷媒を封止したベーパチャンバが知られている(例えば、特許文献1)。 Conventionally, a vapor chamber has been known in which a chamber for storing a refrigerant is provided between two overlapping plate-shaped metal members, and the periphery of the two metal members is welded to seal the refrigerant (for example, Patent Document 1).
特許文献1のベーパチャンバでは、二つの板状部材は、それらの積層方向に沿って照射したレーザ光によって接合されている。このような構成にあっては、例えば、溶接部位の幅方向となる板状部材の延び方向に張り出すフランジが設けられるなどにより、金属部材ひいてはベーパチャンバが板状部材の延び方向に大きくなりやすい、という課題があった。
In the vapor chamber of
他方、二つの板状部材の境界に向けて当該板状部材の延びる方向に沿って照射されたレーザ光により当該二つの板状部材が溶接されたベーパチャンバにあっては、溶接部位の幅が板状部材の積層方向に広がる。この場合には、例えば、板厚が薄い場合への適用が難しかったり、板厚に合わせた溶接幅では溶接深さも短くなって所要の溶接強度が確保し難かったり、といった課題があった。 On the other hand, in a vapor chamber in which two plate-shaped members are welded together using laser light irradiated toward the boundary between the two members in the direction in which the plate-shaped members extend, the width of the welded area expands in the stacking direction of the plate-shaped members. In this case, there are issues such as difficulty in application to thin plate thicknesses, and the weld depth being too short when the weld width is matched to the plate thickness, making it difficult to ensure the required weld strength.
そこで、本発明の課題の一つは、例えば、重なりあった複数の部材を溶接することが可能な、より改善された新規な溶接方法および溶接装置、ならびに当該溶接方法あるいは当該溶接装置によって溶接された製品を得ること、である。 Therefore, one of the objectives of the present invention is to provide a new and improved welding method and welding apparatus capable of welding, for example, multiple overlapping members, as well as a product welded by the welding method or welding apparatus.
本発明の溶接方法にあっては、例えば、第一方向に重なった複数の部材の当該第一方向と交差した第二方向に延びたそれぞれの端縁が前記第一方向に並んだ端部に、当該端部の外側から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に沿って、ファイバレーザを含むレーザ発振器から出射されたレーザ光を照射することにより、前記第一方向に隣接した前記端縁同士を溶接する溶接方法であって、前記レーザ光の波長は、380[nm]以上かつ1200[nm]以下である。 In the welding method of the present invention, for example, a laser beam emitted from a laser oscillator including a fiber laser is irradiated from the outside of each end of a plurality of members overlapping in a first direction, the ends of which are aligned in the first direction and extend in a second direction intersecting the first direction, along a third direction intersecting the first and second directions, thereby welding the ends adjacent to each other in the first direction, and the wavelength of the laser beam is 380 nm or more and 1200 nm or less.
前記溶接方法では、例えば、前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、500[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含む。 In the welding method, for example, the laser light includes a first laser light having a wavelength of 800 nm or more and 1200 nm or less, and a second laser light having a wavelength of 500 nm or less.
前記溶接方法では、例えば、前記第二レーザ光の波長は、400[nm]以上500[nm]以下である。 In the welding method, for example, the wavelength of the second laser light is 400 nm or more and 500 nm or less.
前記溶接方法では、例えば、前記第二レーザ光を、前記第一方向に隣接する前記端縁間の境界のギャップを前記第一方向に跨ぐように照射する。 In the welding method, for example, the second laser light is irradiated so as to span the gap at the boundary between the edges adjacent in the first direction in the first direction.
前記溶接方法では、例えば、前記レーザ光は、前記端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面上で、前記第二方向に沿う掃引方向に掃引され、前記表面上において、前記第二レーザ光によって前記表面上に形成される第二スポットの少なくとも一部は、前記第一レーザ光によって前記表面上に形成される第一スポットよりも前記掃引方向の前方に位置している。 In the welding method, for example, the laser light is swept in a sweep direction along the second direction on a surface of the end portion extending in the first direction and the second direction, and at least a portion of the second spot formed on the surface by the second laser light is located forward in the sweep direction of the first spot formed on the surface by the first laser light.
前記溶接方法では、例えば、前記表面上において、前記第一スポットと前記第二スポットとは少なくとも部分的に重なっている。 In the welding method, for example, the first spot and the second spot at least partially overlap on the surface.
前記溶接方法では、例えば、前記表面上において、前記第二スポットの第二外縁は、前記第一スポットの第一外縁を取り囲んでいる。 In the welding method, for example, on the surface, the second outer edge of the second spot surrounds the first outer edge of the first spot.
前記溶接方法では、例えば、前記複数の部材のそれぞれは、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、およびチタン系金属材料のうちのいずれか一つで作られている。 In the welding method, for example, each of the plurality of components is made of any one of a copper-based metal material, an aluminum-based metal material, a nickel-based metal material, an iron-based metal material, and a titanium-based metal material.
本発明の溶接装置にあっては、例えば、ファイバレーザを含むレーザ発振器と、第一方向に重なった複数の部材の当該第一方向と交差した第二方向に延びたそれぞれの端縁が前記第一方向に並んだ端部に、当該端部の外側から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に沿って、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を照射する光学ヘッドと、を備え、前記第一方向に隣接した前記端縁同士を溶接する溶接装置であって、前記レーザ光の波長は、380[nm]以上かつ1200[nm]以下である。 The welding device of the present invention includes, for example, a laser oscillator including a fiber laser, and an optical head that irradiates laser light emitted from the laser oscillator to ends of a plurality of members overlapping in a first direction, the ends of which extend in a second direction intersecting with the first direction and are aligned in the first direction, from the outside of the ends along a third direction intersecting with the first and second directions, and welds the edges adjacent to each other in the first direction, and the wavelength of the laser light is 380 nm or more and 1200 nm or less.
前記溶接装置は、例えば、前記レーザ光を複数のビームに分割するビームシェイパを備える。 The welding device may, for example, be equipped with a beam shaper that splits the laser light into multiple beams.
前記溶接装置は、例えば、前記レーザ光が前記端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面上で前記第二方向に沿った掃引方向に移動するよう前記レーザ光の出射方向を変化させるガルバノスキャナを備える。 The welding device, for example, includes a galvanometer scanner that changes the emission direction of the laser light so that the laser light moves in a sweeping direction along the second direction on a surface of the end portion that extends in the first direction and the second direction.
前記溶接装置は、例えば、前記第一方向に沿った回転軸回りに前記端部を回転する回転機構を備える。 The welding device, for example, includes a rotation mechanism that rotates the end portion around a rotation axis along the first direction.
前記溶接装置は、例えば、前記レーザ光によって前記表面上に形成されるスポットの所定位置に対するずれを検出する検出機構と、前記ずれを補正する補正機構と、を備える。 The welding device includes, for example, a detection mechanism that detects the deviation of the spot formed on the surface by the laser light from a predetermined position, and a correction mechanism that corrects the deviation.
本発明の製品にあっては、例えば、それぞれ第二方向に延びた端縁を有し、それぞれの前記端縁が前記第二方向と交差した第一方向に並んだ状態で当該第一方向に重なった複数の部材と、前記複数の部材のうち前記第一方向に隣接した部材の前記端縁同士を溶接した溶接部と、を備え、前記溶接部は、前記第一方向に隣接した前記端縁を含む端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に延びた、溶接金属と、前記溶接金属の周囲に位置される熱影響部と、を有し、前記溶接金属は、第一部位と、当該第一部位よりも前記第二方向と交差した断面における結晶粒の断面積の平均値が大きい第二部位と、を有する。 The product of the present invention includes, for example, a plurality of members each having an edge extending in a second direction, overlapping in a first direction with the edges aligned in the first direction intersecting with the second direction, and a welded portion in which the edges of adjacent members in the first direction among the plurality of members are welded together, the welded portion having a weld metal extending from a surface extending in the first direction and the second direction of an end portion including the edge adjacent to the first direction to a third direction intersecting with the first direction and the second direction, and a heat-affected zone located around the weld metal, the weld metal having a first portion and a second portion having a larger average cross-sectional area of crystal grains in a cross section intersecting with the second direction than the first portion.
前記製品では、例えば、前記第二部位に含まれる結晶粒の断面積の平均値は、前記第一部位に含まれる結晶粒の断面積の平均値の1.8倍以上である。 In the product, for example, the average cross-sectional area of the crystal grains contained in the second portion is 1.8 times or more the average cross-sectional area of the crystal grains contained in the first portion.
前記製品では、例えば、前記溶接金属は、前記第二方向に延びる。 In the product, for example, the weld metal extends in the second direction.
前記製品では、例えば、前記溶接金属の、前記第三方向の深さの前記第一方向の幅に対するアスペクト比は、1以上5以下である。 In the product, for example, the aspect ratio of the weld metal's depth in the third direction to its width in the first direction is 1 or more and 5 or less.
前記製品では、例えば、前記アスペクト比は、1.5以上5以下である。 In the above product, for example, the aspect ratio is greater than or equal to 1.5 and less than or equal to 5.
前記製品は、例えば、第一部材と、前記第一部材との間に空間を形成した状態で前記第一部材と接合された第二部材と、を備え、前記第一部材および前記第二部材が、前記複数の部材として、前記溶接部によって接合される。 The product includes, for example, a first member and a second member joined to the first member with a space formed between the first member and the second member, and the first member and the second member are joined as the multiple members by the welds.
前記製品では、例えば、第一部材と、前記第一部材との間に空間を形成した状態で前記第一部材と第三部材を介して間接的に接合された第二部材と、を備え、前記第一部材および前記第三部材、ならびに前記第二部材および前記第三部材、のうち少なくとも一方が、前記複数の部材として、前記溶接部によって接合される。 The product includes, for example, a first member and a second member indirectly joined to the first member via a third member with a space formed between the first member and the second member, and at least one of the first member and the third member, and the second member and the third member, is joined as the plurality of members by the welded portion.
前記製品は、例えば、前記空間内に収容された流体媒質を備え、前記溶接部が、当該溶接部からの前記流体媒質の前記空間外への漏れを防ぐ状態で前記複数の部材を溶接する。 The product, for example, includes a fluid medium contained within the space, and the multiple components are welded together in a manner that prevents the fluid medium from leaking out of the space from the weld.
本発明の製品にあっては、例えば、それぞれ第二方向に延びた端縁を有し、それぞれの前記端縁が前記第二方向と交差した第一方向に並んだ状態で当該第一方向に重なった端部を構成する複数の部材と、前記複数の部材のうち前記第一方向に隣接した部材の前記端縁同士を溶接した溶接部と、を備え、前記溶接部は、前記第二方向に延びるとともに、前記端部を、前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に沿って前記端部の外側から見た場合に、当該端部の前記第一方向の両端と間隔をあけて露出している。 The product of the present invention, for example, comprises a plurality of members each having an edge extending in a second direction, the edges of which are aligned in a first direction intersecting with the second direction, and constituting an end portion overlapping in the first direction, and a welded portion formed by welding the edges of adjacent members of the plurality of members in the first direction together, the welded portion extending in the second direction and exposed at a distance from both ends of the end portion in the first direction when the end portion is viewed from the outside of the end portion along a third direction intersecting with the first direction and the second direction.
前記製品では、例えば、前記溶接部は、前記第一方向に隣接した前記端縁を含む端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に延びた、溶接金属と、前記溶接金属の周囲に位置される熱影響部と、を有し、前記溶接金属の、前記第三方向の深さの前記第一方向の幅に対するアスペクト比は、1以上5以下である。 In the product, for example, the welded portion has a weld metal extending from a surface extending in the first direction and the second direction of an end portion including the edge adjacent to the first direction to a third direction intersecting the first direction and the second direction, and a heat-affected zone located around the welded metal, and the aspect ratio of the depth of the welded metal in the third direction to the width in the first direction is 1 or more and 5 or less.
前記製品では、例えば、前記アスペクト比は、1.5以上5以下である。 In the above product, for example, the aspect ratio is greater than or equal to 1.5 and less than or equal to 5.
本発明によれば、例えば、重なりあった複数の部材を溶接することが可能な、より改善された新規な溶接方法および溶接装置、ならびに当該溶接方法あるいは当該溶接装置によって溶接された製品を、得ることができる。 The present invention provides a new and improved welding method and welding apparatus capable of welding, for example, multiple overlapping members, as well as a product welded by the welding method or welding apparatus.
以下、本発明の例示的な実施形態および変形例が開示される。以下に示される実施形態および変形例の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果(効果)は、一例である。本発明は、以下の実施形態および変形例に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果(派生的な効果も含む)のうち少なくとも一つを得ることが可能である。 Below, exemplary embodiments and variations of the present invention are disclosed. The configurations of the embodiments and variations shown below, and the actions and results (effects) brought about by said configurations, are merely examples. The present invention can also be realized by configurations other than those disclosed in the following embodiments and variations. Furthermore, according to the present invention, it is possible to obtain at least one of the various effects (including derivative effects) obtained by the configurations.
以下に示される実施形態および変形例は、同様の構成を備えている。よって、各実施形態および変形例の構成によれば、当該同様の構成に基づく同様の作用および効果が得られる。また、以下では、それら同様の構成には同様の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される場合がある。 The embodiments and modified examples shown below have similar configurations. Therefore, according to the configurations of each embodiment and modified example, similar actions and effects based on the similar configurations can be obtained. Furthermore, below, the same reference numerals are given to those similar configurations, and duplicate explanations may be omitted.
また、各図において、X方向を矢印Xで表し、Y方向を矢印Yで表し、Z方向を矢印Zで表している。X方向、Y方向、およびZ方向は、互いに交差するとともに直交している。X方向は、掃引方向SDであり、溶接部14の延び方向(長手方向)でもある。Y方向は、積層方向であり、溶接部14の幅方向(短手方向)でもある。また、Z方向は、加工対象(溶接対象)の表面Wa(加工面、溶接面)の法線方向である。
In each figure, the X direction is represented by an arrow X, the Y direction is represented by an arrow Y, and the Z direction is represented by an arrow Z. The X direction, Y direction, and Z direction intersect and are perpendicular to each other. The X direction is the sweep direction SD and also the extension direction (longitudinal direction) of the welded
また、本明細書において、序数は、部品や、部材、部位、レーザ光、方向等を区別するために便宜上付与されており、優先度や順番を示すものではない。 In addition, in this specification, ordinal numbers are used for convenience to distinguish between parts, members, locations, laser beams, directions, etc., and do not indicate priority or order.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態のレーザ溶接装置100の概略構成図である。図1に示されるように、レーザ溶接装置100は、レーザ装置111と、レーザ装置112と、光学ヘッド120と、光ファイバ130と、を備えている。レーザ溶接装置100は、溶接装置の一例である。
[First embodiment]
Fig. 1 is a schematic configuration diagram of a
レーザ装置111,112は、それぞれ、レーザ発振器を有しており、例えば、数kWのパワーのレーザ光を出力できるよう構成されている。レーザ装置111,112は、380[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長のレーザ光を出射する。レーザ装置111,112は、内部に、例えば、ファイバレーザや、半導体レーザ(素子)、YAGレーザ、ディスクレーザのような、レーザ光源を有している。レーザ装置111,112は、複数の光源の出力の合計として、数kWのパワーのマルチモードのレーザ光を出力できるよう構成されてもよい。
The
レーザ装置111は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光を出力する。レーザ装置111は、第一レーザ装置の一例である。一例として、レーザ装置111は、レーザ光源として、ファイバレーザかあるいは半導体レーザ(素子)を有する。レーザ装置111が有するレーザ発振器は、第一レーザ発振器の一例である。
The
他方、レーザ装置112は、500[nm]以下の波長の第二レーザ光を出力する。レーザ装置112は、第二レーザ装置の一例である。一例として、レーザ装置112は、レーザ光源として、半導体レーザ(素子)を有する。レーザ装置112は、400[nm]以上500[nm]以下の波長の第二レーザ光を出力するのが好適である。レーザ装置112が有するレーザ発振器は、第二レーザ発振器の一例である。
On the other hand, the
光ファイバ130は、それぞれ、レーザ装置111,112から出力されたレーザ光を光学ヘッド120に導く。
The
光学ヘッド120は、レーザ装置111,112から入力されたレーザ光を、加工対象に向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド120は、コリメートレンズ121と、集光レンズ122と、ミラー123と、フィルタ124と、を備えている。コリメートレンズ121、集光レンズ122、ミラー123、およびフィルタ124は、光学部品とも称されうる。
The
光学ヘッド120は、加工対象としての端部10aの表面Wa上でレーザ光Lの照射を行いながらレーザ光Lを掃引するために、加工対象との相対位置を変更可能に構成されている。光学ヘッド120と加工対象との相対移動は、光学ヘッド120の移動、加工対象の移動、または光学ヘッド120および加工対象の双方の移動により、実現されうる。
The
なお、光学ヘッド120は、図示しないガルバノスキャナ等を有することにより、表面Wa上でレーザ光Lを掃引可能に構成されてもよい。
The
コリメートレンズ121(121-1,121-2)は、それぞれ、光ファイバ130を介して入力されたレーザ光をコリメートする。コリメートされたレーザ光は、平行光になる。
The collimating lenses 121 (121-1, 121-2) each collimate the laser light input via the
ミラー123は、コリメートレンズ121-1で平行光となった第一レーザ光を反射する。ミラー123で反射した第一レーザ光は、Z方向の反対方向に進み、フィルタ124へ向かう。なお、第一レーザ光が光学ヘッド120においてZ方向の反対方向へ進むように入力される構成にあっては、ミラー123は不要である。
フィルタ124は、第一レーザ光を透過し、かつ第二レーザ光を透過せずに反射するハイパスフィルタである。第一レーザ光は、フィルタ124を透過してZ方向の反対方向へ進み、集光レンズ122へ向かう。他方、フィルタ124は、コリメートレンズ121-2で平行光となった第二レーザ光を反射する。フィルタ124で反射した第二レーザ光は、Z方向の反対方向に進み、集光レンズ122へ向かう。
集光レンズ122は、平行光としての第一レーザ光および第二レーザ光を集光し、レーザ光L(出力光)として、加工対象へ照射する。
The focusing
加工対象は、第一部材11と第二部材12とがY方向に重ねられた積層体10である。積層体10は、第一部材11と、第二部材12と、当該第一部材11および第二部材12を溶接した溶接部14と、を有している。積層体10は、溶接部14によって第一部材11と第二部材12とが溶接されることにより、製品となる。第一部材11および第二部材12は、それぞれ、Y方向と交差して広がった板状の形状を有している。第一部材11および第二部材12の溶接部14によって溶接される部位は、それぞれ、X方向およびZ方向に延びている。第一部材11はおよび第二部材12は、それぞれ、板状部材とも称されうる。Y方向は、第一方向の一例である。第一部材11および第二部材12は、複数の部材の一例である。
The object to be processed is a laminate 10 in which a
積層体10の端部10aは、端縁11a,12aを有している。端縁11aは、第一部材11の端縁11aと、第二部材12の端縁12aと、を含んでいる。端縁11a,12aは、それぞれ、X方向に延びている。端縁11a,12aは、端面とも称されうる。端縁11a,12aは、Y方向に並んでいる。端縁11a,12aは、略面一であるが、多少の段差を有してもよい。端縁11a,12aにより、光学ヘッド120と面した端部10aの表面Waが形作られている。X方向は、第二方向の一例である。
The
レーザ光Lは、端縁11aと端縁12aとの境界に向けて、端部10aの外側から、Z方向の反対方向に、照射される。これにより、端部10aには、表面Waから境界に沿ってZ方向の反対方向に延びる溶接部14が形成される。すなわち、溶接部14は、端縁11aと端縁12aとを接合している。また、溶接部14は、レーザ光Lの表面Waに対する掃引方向SDへの掃引により、表面Waに沿って掃引方向SD(X方向)に線状にも延びている。Z方向は、第三方向の一例である。
The laser light L is irradiated from the outside of the
図2は、積層体10の保持機構150の側面図であり、図3は、保持機構150の平面図である。図2,3に示されるように、保持機構150は、押圧部材151と、支持部材152,153と、を有している。
Figure 2 is a side view of the
押圧部材151は、例えば、Z方向と交差して広がる板状の部材であり、例えば、熱伝導性が比較的高い金属材料で作られる。二つの押圧部材151は、積層体10をY方向に挟むように配置される。また、支持部材152,153は、押圧部材151を、Z方向に挟むように配置され、押圧部材151を保持している。支持部材152,153は、二つの押圧部材151から積層体10に、Y方向の両側から第一部材11および第二部材12がY方向に互いに近づく力が印加されるよう、当該二つの押圧部材151を保持する。すなわち、保持機構150における押圧部材151および支持部材152,153の位置の調整により、積層体10をレーザ光Lに対して適切な位置および姿勢にセットすることができる。
The pressing
また、図2に示されるように、本実施形態では、溶接部14は、積層体10をZ方向の反対方向に見た場合、すなわち端部10aの外側からZ方向に沿って見た場合に、端部10aのY方向の両側の端10a1と間隔をあけて露出しており、積層体10のY方向の両端面には到達していない。
Also, as shown in FIG. 2, in this embodiment, when the laminate 10 is viewed in the opposite direction to the Z direction, i.e., when viewed from the outside of the
図4は、表面Wa上に照射されたレーザ光Lのビーム(スポット)を示す模式図である。ビームB1およびビームB2のそれぞれは、そのビームの光軸方向と直交する断面の径方向において、たとえばガウシアン形状のパワー分布を有する。ただし、ビームB1およびビームB2のパワー分布はガウシアン形状に限定されない。また、図4のように各ビームB1,B2を円で表している各図において、当該ビームB1,B2を表す円の直径が、各ビームB1,B2のビーム径である。各ビームB1,B2のビーム径は、そのビームのピークを含み、ピーク強度の1/e2以上の強度の領域の径として定義する。なお、図示されないが、円形でないビームの場合は、掃引方向SDと垂直方向における、ピーク強度の1/e2以上の強度となる領域の長さをビーム径と定義できる。また、表面Waにおけるビーム径は、スポット径と称する。 FIG. 4 is a schematic diagram showing a beam (spot) of laser light L irradiated on the surface Wa. Each of the beams B1 and B2 has, for example, a Gaussian-shaped power distribution in the radial direction of the cross section perpendicular to the optical axis direction of the beam. However, the power distribution of the beams B1 and B2 is not limited to a Gaussian shape. In addition, in each figure in which the beams B1 and B2 are represented by circles as in FIG. 4, the diameter of the circle representing the beams B1 and B2 is the beam diameter of each of the beams B1 and B2. The beam diameter of each of the beams B1 and B2 is defined as the diameter of a region including the peak of the beam and having an intensity of 1/ e2 or more of the peak intensity. Although not shown, in the case of a non-circular beam, the length of the region having an intensity of 1/e2 or more of the peak intensity in the direction perpendicular to the sweep direction SD can be defined as the beam diameter. In addition, the beam diameter on the surface Wa is called the spot diameter.
図4に示されるように、本実施形態では、一例として、レーザ光Lのビームは、表面Wa上において、第一レーザ光のビームB1と第二レーザ光のビームB2とが重なり、ビームB2がビームB1よりも大きく(広く)、かつ、ビームB2の外縁B2aがビームB1の外縁B1aを取り囲むよう、形成されている。この場合、ビームB2のスポット径D2は、ビームB1のスポット径D1よりも大きい。表面Wa上において、ビームB1は、第一スポットの一例であり、ビームB2は、第二スポットの一例である。 As shown in FIG. 4, in this embodiment, as an example, the beam of laser light L is formed on the surface Wa such that the beam B1 of the first laser light and the beam B2 of the second laser light overlap, the beam B2 is larger (wider) than the beam B1, and the outer edge B2a of the beam B2 surrounds the outer edge B1a of the beam B1. In this case, the spot diameter D2 of the beam B2 is larger than the spot diameter D1 of the beam B1. On the surface Wa, the beam B1 is an example of a first spot, and the beam B2 is an example of a second spot.
また、本実施形態では、図4に示されるように、表面Wa上において、レーザ光Lのビーム(スポット)は、中心点Cに対する点対称形状を有しているため、任意の掃引方向SDについて、スポットの形状は同じになる。よって、レーザ光Lの表面Wa上での掃引のために光学ヘッド120と加工対象とを相対的に動かす移動機構を備える場合、当該移動機構は、少なくとも相対的に並進可能な機構を有すればよく、相対的に回転可能な機構は省略できる場合がある。
In addition, in this embodiment, as shown in FIG. 4, the beam (spot) of the laser light L on the surface Wa has a point-symmetric shape with respect to the center point C, so the shape of the spot is the same for any sweep direction SD. Therefore, when a moving mechanism is provided to move the
第一部材11と第二部材12との境界Brに、端縁11a,12a同士がY方向に僅かに離間するギャップ(不図示)が存在する場合、レーザ光Lは、当該ギャップを跨ぐように照射される。一例として、レーザ溶接装置100および積層体10は、表面Waにおいて、第二レーザ光のビームB2が、Y方向に当該ギャップを跨ぐよう、セットされる。この場合には、第二レーザ光のスポットの幅(例えば、図4のスポット径D2)は、ギャップの幅よりも大きくなる。
When there is a gap (not shown) at the boundary Br between the
加工対象としての第一部材11および第二部材12は、それぞれ、熱伝導率の比較的高い金属材料で作られ得る。金属材料は、例えば、銅系金属材料や、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、チタン系金属材料などであり、具体的には、銅や、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、錫、ニッケル、ニッケル合金、鉄、ステンレス、チタン、チタン合金等である。第一部材11および第二部材12は、同じ材料で作られてもよいし、異なる材料で作られてもよい。
The
[波長と光の吸収率]
ここで、金属材料の光の吸収率について説明する。図5は、照射するレーザ光Lの波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。図5のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図5には、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、ニッケル(Ni)、銀(Ag)、タンタル(Ta)、およびチタン(Ti)について、波長と吸収率との関係が示されている。
[Wavelength and light absorption rate]
Here, the light absorptance of metal materials will be described. Fig. 5 is a graph showing the light absorptance of each metal material versus the wavelength of the irradiated laser light L. The horizontal axis of the graph in Fig. 5 is the wavelength, and the vertical axis is the absorptance. Fig. 5 shows the relationship between wavelength and absorptance for aluminum (Al), copper (Cu), gold (Au), nickel (Ni), silver (Ag), tantalum (Ta), and titanium (Ti).
材料によって特性が異なるものの、図5に示されている各金属に関しては、一般的な赤外線(IR)のレーザ光(第一レーザ光)を用いるよりも、青や緑のレーザ光(第二レーザ光)を用いた方が、エネルギの吸収率がより高いことが理解できよう。この特徴は、銅(Cu)や、金(Au)等においては顕著となる。 Although the characteristics differ depending on the material, it can be seen that for each metal shown in Figure 5, the energy absorption rate is higher when using blue or green laser light (second laser light) than when using general infrared (IR) laser light (first laser light). This characteristic is particularly noticeable in copper (Cu), gold (Au), etc.
使用波長に対して吸収率が比較的低い加工対象にレーザ光が照射された場合、大部分の光エネルギは反射され、加工対象に熱としての影響を及ぼさない。そのため、十分な深さの溶融領域を得るには比較的高いパワーを与える必要がある。その場合、ビーム中心部は急激にエネルギが投入されることで、昇華が生じ、キーホールが形成される。 When a laser beam is irradiated onto a workpiece that has a relatively low absorption rate for the wavelength being used, most of the light energy is reflected and does not affect the workpiece as heat. Therefore, a relatively high power must be applied to obtain a melted region of sufficient depth. In this case, the sudden input of energy into the center of the beam causes sublimation and the formation of a keyhole.
他方、使用波長に対して吸収率が比較的高い加工対象にレーザ光が照射された場合、投入されるエネルギの多くが加工対象に吸収され、熱エネルギへと変換される。すなわち、過度なパワーを与える必要はないため、キーホールの形成を伴わず、熱伝導型の溶融となる。 On the other hand, when a laser beam is irradiated onto a workpiece that has a relatively high absorption rate for the wavelength used, most of the input energy is absorbed by the workpiece and converted into thermal energy. In other words, since there is no need to apply excessive power, no keyhole is formed and the melting occurs by thermal conduction.
本実施形態では、加工対象の第二レーザ光に対する吸収率が、第一レーザ光に対する吸収率よりも高くなるよう、第一レーザ光の波長、第二レーザ光の波長、および加工対象の材質が、選択される。この場合、掃引方向が図5に示される掃引方向SDである場合、レーザ光Lのスポットの掃引により、加工対象の溶接される部位(以下、被溶接部位と称する)には、まずは、第二レーザ光のビームB2の、図5におけるSDの前方に位置する領域B2fによって、第二レーザ光が照射される。その後、被溶接部位には、第一レーザ光のビームB1が照射され、その後、第二レーザ光のビームB2の、掃引方向SDの後方に位置する領域B2bによって、再度第二レーザ光が照射される。 In this embodiment, the wavelength of the first laser light, the wavelength of the second laser light, and the material of the object to be processed are selected so that the absorptance of the second laser light by the object to be processed is higher than the absorptance of the first laser light. In this case, when the sweep direction is the sweep direction SD shown in FIG. 5, the second laser light is first irradiated to the part of the object to be welded (hereinafter referred to as the welded part) by the sweep of the spot of the laser light L by the region B2f of the beam B2 of the second laser light located in front of SD in FIG. 5. Then, the welded part is irradiated with the beam B1 of the first laser light, and then the second laser light is irradiated again by the region B2b of the beam B2 of the second laser light located behind the sweep direction SD.
したがって、被溶接部位には、まずは、領域B2fにおける吸収率が高い第二レーザ光の照射により、熱伝導型の溶融領域が生じる。その後、被溶接部位には、第一レーザ光の照射によって、より深いキーホール型の溶融領域が生じる。この場合、被溶接部位には、予め熱伝導型の溶融領域が形成されているため、当該熱伝導型の溶融領域が形成されない場合に比べて、より低いパワーの第一レーザ光によって所要の深さの溶融領域を形成することができる。さらにその後、被溶接部位には、領域B2bにおける吸収率が高い第二レーザ光の照射により、溶融状態が変化する。 Therefore, a thermal conduction type melting region is first generated in the welded area by irradiation of the second laser light, which has a high absorption rate, in the area B2f. Then, a deeper keyhole type melting region is generated in the welded area by irradiation of the first laser light. In this case, since a thermal conduction type melting region is already formed in the welded area, a melting region of the required depth can be formed by a lower power first laser light compared to a case where the thermal conduction type melting region is not formed. Then, the melted state of the welded area changes by irradiation of the second laser light, which has a high absorption rate, in the welded area B2b.
また、発明者らの実験的な研究により、図4のようなビームのレーザ光Lの照射による溶接にあっては、例えばスパッタやブローホールのような溶接欠陥を低減できることが確認されている。これは、ビームB1が到来する前にビームB2の領域B2fによって加工対象を予め加熱しておくことにより、ビームB2およびビームB1によって形成される加工対象の溶融池がより安定化するためであると推定できる。 In addition, experimental research by the inventors has confirmed that welding defects such as spatters and blowholes can be reduced when welding is performed by irradiating the laser light L of the beam as shown in FIG. 4. This is presumably because the molten pool of the workpiece formed by beam B2 and beam B1 becomes more stable by preheating the workpiece by region B2f of beam B2 before beam B1 arrives.
[溶接方法]
レーザ溶接装置100を用いた溶接にあっては、まず、積層体10が、レーザ光Lが表面Waに照射されるよう、保持機構150にセットされる。そして、ビームB1およびビームB2を含むレーザ光Lが表面Waに照射されている状態で、レーザ光Lと積層体10(保持機構150)とが相対的に動かされる。これにより、レーザ光Lが表面Wa上に照射されながら当該表面Wa上を掃引方向SDに移動する(掃引する)。レーザ光Lが照射された部分は、溶融し、その後、温度の低下に伴って凝固することにより、第一部材11と第二部材12とが溶接され、積層体10が一体化される。
[Welding method]
In welding using the
[溶接部の断面]
図6は、加工対象Wに形成された溶接部14の断面図である。図6は、掃引方向SD(X方向)と垂直であるとともに厚さ方向(Z方向)に沿う断面図である。溶接部14は、掃引方向SD、すなわち図6の紙面と垂直な方向に、延びている。なお、図6は、厚さ2[mm]の1枚の銅板である加工対象Wに形成された溶接部14の断面を示している。Y方向に重ねられた複数枚の板状の金属材料に形成される溶接部14の形態は、図6に示される1枚の金属材料である加工対象Wに形成された溶接部14の形態と略同等であると推定できる。
[Cross section of welded part]
6 is a cross-sectional view of a welded
図6に示されるように、溶接部14は、表面WaからZ方向の反対方向に延びた溶接金属14aと、当該溶接金属14aの周囲に位置される熱影響部14bと、を有している。溶接金属14aは、レーザ光Lの照射によって溶融し、その後凝固した部位である。溶接金属14aは、溶融凝固部とも称されうる。また、熱影響部14bは、加工対象の母材が熱影響を受けた部位であって、溶融はしていない部位である。
As shown in FIG. 6, the welded
溶接金属14aのY方向に沿う幅は、表面Waから離れるほど狭くなっている。すなわち、溶接金属14aの断面は、Z方向の反対方向に向けて細くなるテーパ形状を有している。 The width of the weld metal 14a in the Y direction becomes narrower as it moves away from the surface Wa. In other words, the cross section of the weld metal 14a has a tapered shape that becomes narrower in the opposite direction to the Z direction.
また、発明者らによる当該断面の詳細な分析により、溶接金属14aは、表面Waから離れた第一部位14a1と、第一部位14a1と表面Waとの間の第二部位14a2と、を含むことが判明した。 Furthermore, detailed analysis of the cross section by the inventors revealed that the weld metal 14a includes a first portion 14a1 that is separated from the surface Wa, and a second portion 14a2 that is between the first portion 14a1 and the surface Wa.
第一部位14a1は、第一レーザ光の照射によるキーホール型の溶融によって得られた部位であり、第二部位14a2は、第二レーザ光のビームB2中の掃引方向SDの後方に位置する領域B2bの照射による溶融によって得られた部位である。EBSD法(electron back scattered diffraction pattern、電子線後方散乱回折)による解析により、第一部位14a1と第二部位14a2とでは、結晶粒のサイズが異なっており、具体的には、X方向(掃引方向SD)と直交する断面において、第二部位14a2の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位14a1の結晶粒の断面積の平均値よりも大きいことが判明した。 The first portion 14a1 is a portion obtained by melting in a keyhole shape by irradiation with the first laser light, and the second portion 14a2 is a portion obtained by melting by irradiation of the region B2b located behind the sweep direction SD of the second laser light beam B2. Analysis using the electron back scattered diffraction pattern (EBSD) method revealed that the sizes of the crystal grains in the first portion 14a1 and the second portion 14a2 are different, and specifically, in a cross section perpendicular to the X direction (sweep direction SD), the average cross-sectional area of the crystal grains in the second portion 14a2 is larger than the average cross-sectional area of the crystal grains in the first portion 14a1.
発明者らは、加工対象Wに、第一レーザ光のビームB1のみが照射された場合、すなわちビームB2中の掃引方向SDの後方に位置する領域B2bの照射が無かった場合には、第二部位14a2が形成されず、第一部位14a1が表面WaからZ方向の反対方向に深く延びていることを確認した。すなわち、本実施形態にあっては、ビームB2中の掃引方向SDの後方に位置する領域B2bの照射によって、表面Waの近くに第二部位14a2が形成されるため、第一部位14a1は、当該第二部位14a2に対して表面Waとは反対側、言い換えると、表面WaからZ方向の反対方向に離れた位置に、形成されていると推定できる。 The inventors confirmed that when the workpiece W is irradiated with only the first laser beam B1, i.e., when the region B2b located behind the sweep direction SD of the beam B2 is not irradiated, the second portion 14a2 is not formed, and the first portion 14a1 extends deeply from the surface Wa in the opposite direction to the Z direction. That is, in this embodiment, the second portion 14a2 is formed near the surface Wa by irradiating the region B2b located behind the sweep direction SD of the beam B2, so that it can be presumed that the first portion 14a1 is formed on the opposite side of the second portion 14a2 from the surface Wa, in other words, at a position away from the surface Wa in the opposite direction to the Z direction.
図7は、溶接部14の一部を示す断面図である。図7は、EBSD法によって得られた結晶粒の境界を示している。また、図7中、一例として結晶粒径が13[μm]以下の結晶粒Aは、黒色に塗られている。なお、13[μm]は、物理的特性の閾値ではなく、当該実験結果の分析のために設定した閾値である。また、図7から、結晶粒Aは、第一部位14a1には比較的多く存在し、第二部位14a2には比較的少なく存在していることが明らかである。すなわち、第二部位14a2内の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位14a1内の結晶粒の断面積の平均値よりも大きい。発明者らは、実験的な分析により、第二部位14a2内の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位14a1内の結晶粒の断面積の平均値の1.8倍以上であることを確認した。
Figure 7 is a cross-sectional view showing a part of the welded
図7中の領域I内に示されているように、このような比較的サイズが小さい結晶粒Aは、表面WaからZ方向に離れた位置で、Z方向に細長く延びた状態で密集している。また、X方向(掃引方向SD)の位置が異なる複数箇所での分析から、結晶粒Aが密集した領域は、掃引方向SDにも延びていることが確認されている。掃引しながらの溶接であるため、掃引方向SDには結晶が同様の形態に形成されることが推定できる。 As shown in region I in Figure 7, these relatively small crystal grains A are densely packed in a position away from the surface Wa in the Z direction, elongated in the Z direction. Furthermore, analysis of multiple locations at different positions in the X direction (sweeping direction SD) has confirmed that the region where crystal grains A are densely packed also extends in the sweeping direction SD. Because welding is performed while sweeping, it can be assumed that the crystals are formed in a similar shape in the sweeping direction SD.
断面における外観あるいは硬度分布等からは第一部位14a1と第二部位14a2とを判別し難い場合にあっては、図6,7のような、溶接金属14aの表面Waにおける位置および幅wbから幾何学的に定めた第一領域Z1および第二領域Z2を、それぞれ、第一部位14a1および第二部位14a2としてもよい。一例として、第一領域Z1および第二領域Z2は、掃引方向SDと直交する断面において、幅wm(Y方向における等幅)で、Z方向に延びた四角形状の領域であり、第二領域Z2は、表面WaからZ方向に深さdまでの領域とし、第一領域Z1は、深さdよりもさらに深い領域、言い換えると深さdの位置に対して表面Waとは反対側の領域とすることができる。幅wmは、例えば、溶接金属14aの表面Waでの幅wb(ビード幅の平均値)の1/3とし、第二領域Z2の深さd(高さ、厚さ)は、例えば、幅wbの1/2とすることができる。また、第一領域Z1の深さは、例えば、第二領域Z2の深さdの3倍とすることができる。発明者らは、複数サンプルに対する実験的な分析により、このような第一領域Z1および第二領域Z2の設定において、第二領域Z2における結晶粒の断面積の平均値は、第一領域Z1における結晶粒の断面積の平均値よりも大きく、かつ、1.8倍以上となっていたことを確認した。このような判別も、溶接により、溶接金属14aにおいて第一部位14a1と第二部位14a2とが形成されていることの証拠となりうる。 In cases where it is difficult to distinguish the first portion 14a1 and the second portion 14a2 from the appearance or hardness distribution in the cross section, the first region Z1 and the second region Z2, which are geometrically determined from the position and width wb on the surface Wa of the weld metal 14a as shown in Figures 6 and 7, may be the first portion 14a1 and the second portion 14a2, respectively. As an example, the first region Z1 and the second region Z2 are rectangular regions extending in the Z direction with a width wm (equal width in the Y direction) in a cross section perpendicular to the sweep direction SD, the second region Z2 is a region from the surface Wa to a depth d in the Z direction, and the first region Z1 is a region deeper than the depth d, in other words, a region on the opposite side of the surface Wa with respect to the position of the depth d. The width wm can be, for example, 1/3 of the width wb (average bead width) on the surface Wa of the weld metal 14a, and the depth d (height, thickness) of the second region Z2 can be, for example, 1/2 of the width wb. The depth of the first region Z1 can be, for example, three times the depth d of the second region Z2. The inventors confirmed through experimental analysis of multiple samples that, with such settings of the first region Z1 and the second region Z2, the average cross-sectional area of the crystal grains in the second region Z2 is greater than the average cross-sectional area of the crystal grains in the first region Z1, and is at least 1.8 times that of the average cross-sectional area of the crystal grains in the first region Z1. This determination can also be evidence that the first portion 14a1 and the second portion 14a2 have been formed in the weld metal 14a by welding.
また、発明者らの実験的な研究により、溶接金属14aのアスペクト比、すなわち、溶接金属14aの表面Waにおける幅wbに対する深さdmの比(dm/wb)は、溶接強度の確保および溶接幅の抑制の観点から、1以上5以下であるのが好適であり、1.5以上5以下であるのがさらに好適であることが判明した。 In addition, the inventors' experimental research has revealed that the aspect ratio of the weld metal 14a, i.e., the ratio of the depth dm to the width wb at the surface Wa of the weld metal 14a (dm/wb), is preferably 1 to 5, and more preferably 1.5 to 5, from the standpoint of ensuring weld strength and reducing the weld width.
以上、説明したように、本実施形態では、例えば、ファイバレーザを含むレーザ装置111,112(レーザ発振器)から出射されたレーザ光Lを端部10aの外側からZ方向に沿って(Z方向の反対方向に)照射することによりY方向(第一方向)に隣接した端縁11a,12aが溶接される。レーザ光Lの波長は、380[nm]以上かつ1200[nm]以下である。
As described above, in this embodiment, for example, laser light L emitted from
このような構成および方法によれば、例えば、溶接幅に対する溶接深さが比較的大きく所要の溶接強度を有した溶接部14が得られやすい。また、溶接時の溶融金属内部への空気の巻き込みが抑えられ、溶接欠陥を低減できる。
With this configuration and method, for example, it is easy to obtain a
また、本実施形態では、レーザ光Lは、例えば、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、500[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含んでいる。 In addition, in this embodiment, the laser light L includes, for example, a first laser light having a wavelength of 800 nm or more and 1200 nm or less, and a second laser light having a wavelength of 500 nm or less.
また、本実施形態では、例えば、第二レーザ光の波長は、400[nm]以上500[nm]以下である。 In this embodiment, for example, the wavelength of the second laser light is 400 nm or more and 500 nm or less.
このような構成および方法によれば、例えば、よりスパッタやブローホールのような溶接欠陥の少ないより高品質な溶接部14が得られやすい。
This configuration and method makes it easier to obtain a
また、本実施形態では、例えば、端縁11a,12a間の境界Brにギャップが設けられていた場合、第二レーザ光は、表面Waにおいて、当該ギャップを跨ぐように照射される。
In addition, in this embodiment, for example, if a gap is provided at the boundary Br between the
このような構成および方法によれば、例えば、金属材料における吸収率が比較的高い第二レーザ光の照射によりギャップの両側の端縁11a,12aにおいて熱伝導型の溶融領域が生じるため、溶接部14によってギャップをより確実に埋めることができ、ひいては、より接合強度の高い溶接部14が得られやすい。
With this configuration and method, for example, the second laser light, which has a relatively high absorption rate in metal materials, generates a thermal conduction type melting region at the
また、本実施形態では、例えば、表面Wa上において、第二レーザ光のビームB2(第二スポット)の少なくとも一部は、第一レーザ光のビームB1(第一スポット)よりも掃引方向SDの前方に位置している。 In addition, in this embodiment, for example, on the surface Wa, at least a portion of the beam B2 of the second laser light (second spot) is located forward of the beam B1 of the first laser light (first spot) in the sweep direction SD.
また、本実施形態では、例えば、表面Wa上において、ビームB1とビームB2とは少なくとも部分的に重なっている。 In addition, in this embodiment, for example, beam B1 and beam B2 at least partially overlap on surface Wa.
また、本実施形態では、例えば、表面Wa上において、ビームB2は、ビームB1よりも広い。 Furthermore, in this embodiment, for example, on the surface Wa, beam B2 is wider than beam B1.
また、本実施形態では、例えば、表面Wa上において、ビームB2の外縁B2a(第二外縁)は、ビームB1の外縁B1a(第一外縁)を取り囲んでいる。 Furthermore, in this embodiment, for example, on the surface Wa, the outer edge B2a (second outer edge) of the beam B2 surrounds the outer edge B1a (first outer edge) of the beam B1.
上述したように、発明者らは、表面Wa上にこのようなビームB1,B2を形成するレーザ光Lのビームの照射による溶接にあっては、溶接欠陥を低減できることを確認した。これは、上述したように、ビームB1が到来する前にビームB2の領域B2fによって加工対象Wを予め加熱しておくことにより、ビームB2およびビームB1によって形成される加工対象Wの溶融池がより安定化するためであると推定できる。よって、このようなビームB1,B2を有したレーザ光Lによれば、例えば、より溶接欠陥の少ないより溶接品質の高い溶接を実行することができる。また、このようなビームB1,B2の設定によれば、例えば、第一レーザ光のパワーをより低くすることができるという利点も得られる。また、ビームB1とビームB2とが同軸で照射される場合にあっては、光学ヘッド120と加工対象Wとの相対的な回転が不要となるという利点も得られる。
As described above, the inventors have confirmed that welding defects can be reduced in welding by irradiation of the laser light L that forms such beams B1 and B2 on the surface Wa. This is presumably because, as described above, the workpiece W is preheated by the region B2f of the beam B2 before the arrival of the beam B1, and the molten pool of the workpiece W formed by the beam B2 and the beam B1 is more stabilized. Therefore, with the laser light L having such beams B1 and B2, for example, it is possible to perform welding with fewer welding defects and higher welding quality. In addition, with such settings of the beams B1 and B2, for example, it is possible to obtain the advantage that the power of the first laser light can be lowered. In addition, when the beams B1 and B2 are irradiated coaxially, it is also possible to obtain the advantage that the relative rotation between the
また、本実施形態では、例えば、溶接金属14aのアスペクト比は、好適には、1以上5以下であり、さらに好適には1.5以上5以下である。 In addition, in this embodiment, for example, the aspect ratio of the weld metal 14a is preferably 1 or more and 5 or less, and more preferably 1.5 or more and 5 or less.
このような構成によれば、例えば、所要の溶接強度が得られやすい上、溶接幅が大きくなり過ぎるのを抑制することができる。 With this configuration, for example, it is easier to obtain the required weld strength and the weld width can be prevented from becoming too large.
また、本実施形態では、例えば、加工対象は、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、およびチタン系金属材料のうちのいずれかで作られる。 In addition, in this embodiment, for example, the workpiece is made of any one of a copper-based metal material, an aluminum-based metal material, a nickel-based metal material, an iron-based metal material, and a titanium-based metal material.
本実施形態の溶接方法による効果は、加工対象が上記材料のうちのいずれかで作られている場合に、得られる。なお、金属材料は、導電性を有してもよいし、導電性を有しなくてもよい。 The effect of the welding method of this embodiment can be obtained when the workpiece is made of any of the above materials. Note that the metal material may or may not be conductive.
[保持機構の変形例]
図8は、保持機構150Aの別の一例を示す側面図である。保持機構150Aは、上記第1実施形態の保持機構150に替えて装備されうる。保持機構150Aは、押圧部材151Aと、ベース154と、支持部材155と、を有している。二つの押圧部材151Aは、積層体10をY方向に挟むように配置されている。二つの支持部材155は、それぞれ、Y方向に沿った回転軸Ax回りに回転可能に、押圧部材151Aを支持している。また、二つの支持部材155は、積層体10に対してY方向の両側に配置され、それぞれ、ベース154上にY方向の位置を変更可能に取り付けられている。そして、二つの支持部材155は、二つの押圧部材151から積層体10に、Y方向の両側から第一部材11および第二部材12がY方向に互いに近づく力が印加されるよう、ベース154に固定される。すなわち、保持機構150Aにおける支持部材155の位置の調整により、積層体10をレーザ光Lに対して適切な位置および姿勢にセットすることができる。また、支持部材155に対して押圧部材151Aおよび積層体10を回転軸Ax回りに回転させることにより、端部10aの表面Waに対してレーザ光Lを掃引することができる。
[Modification of holding mechanism]
FIG. 8 is a side view showing another example of the
[第2実施形態]
図9は、第2実施形態のレーザ溶接装置100Aの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド120は、コリメートレンズ121-1とミラー123との間に、DOE125を有している。この点を除き、レーザ溶接装置100Aは、第1実施形態のレーザ溶接装置100と同様の構成を備えている。
[Second embodiment]
9 is a schematic diagram of a
DOE125は、第一レーザ光のビームB1の形状(以下、ビーム形状と称する)を成形する。図10に概念的に例示されるよう、DOE125は、例えば、周期の異なる複数の回折格子125aが重ね合わせられた構成を備えている。DOE125は、平行光を、各回折格子125aの影響を受けた方向に曲げたり、重ね合わせたりすることにより、ビーム形状を成形することができる。DOE125は、ビームシェイパとも称されうる。
The
なお、光学ヘッド120は、コリメートレンズ121-2の後段に設けられ第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパや、フィルタ124の後段に設けられ第一レーザ光および第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパ等を有してもよい。ビームシェイパによってレーザ光Lのビーム形状を適宜に整えることにより、溶接欠陥の発生をより一層抑制することができる。
The
また、図9の構成にあっては、DOE125によって第二レーザ光のビーム形状と同等のビームを生成することができ、これにより、レーザ装置112を省略することができる。この場合も、溶接においてスパッタの発生を抑制することができる。
In addition, in the configuration of FIG. 9, the
[第3実施形態]
図11は、第3実施形態のレーザ溶接装置100Bの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド120は、フィルタ124と集光レンズ122との間に、ガルバノスキャナ126を有している。この点を除き、レーザ溶接装置100Bは、第1実施形態のレーザ溶接装置100と同様の構成を備えている。
[Third embodiment]
11 is a schematic diagram of a
ガルバノスキャナ126は、2枚のミラー126a,126bを有しており、当該2枚のミラー126a,126bの角度を制御することで、光学ヘッド120を移動させることなく、レーザ光Lの照射位置を移動させ、レーザ光Lを掃引することができる装置である。ミラー126a,126bの角度は、それぞれ、例えば不図示のモータによって変更される。このような構成によれば、光学ヘッド120と加工対象とを相対的に移動する機構が不要になり、例えば、装置構成を小型化できるという利点が得られる。
The
[第4実施形態]
図12は、第4実施形態のレーザ溶接装置100Cの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド120は、コリメートレンズ121-2とフィルタ124との間に、DOE125(ビームシェイパ)を有している。この点を除き、レーザ溶接装置100Cは、第3実施形態のレーザ溶接装置100Bと同様の構成を備えている。このような構成によれば、ガルバノスキャナ126を有することによる第3実施形態と同様の効果、およびDOE125(ビームシェイパ)を有することによる第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
[Fourth embodiment]
12 is a schematic diagram of a
なお、本実施形態においても、光学ヘッド120は、コリメートレンズ121-1の後段に設けられ第一レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパや、フィルタ124の後段に設けられ第一レーザ光および第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパ等を有してもよい。
In this embodiment, the
[第5実施形態]
図13は、第5実施形態のレーザ溶接装置100Dの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド120は、それぞれ別のボディ(ハウジング)によって構成された、第一レーザ光L1を照射する第一部位120-1と、第二レーザ光L2を照射する第二部位120-2と、を備えている。このような構成によっても、上記実施形態と同様の作用および効果が得られる。
[Fifth embodiment]
13 is a schematic diagram of a
図14,15は、レーザ溶接装置100Dによって表面Wa上に形成されたレーザ光のビームB1,B2の例を示している。図14,15に示されるように、レーザ溶接装置100Dによれば、第一部位120-1と第二部位120-2との相対位置や姿勢の設定により、ビームB1,B2の相対位置を、任意に設定することができる。発明者らの研究により、表面Wa上において、図14,15のように、ビームB2(第二スポット)の少なくとも一部がビームB1(第一スポット)よりも掃引方向SDの前方に位置している場合、およびビームB1とビームB2とが互いに接するかあるいは少なくとも部分的に重なっている場合においては、ビームB2の予熱効果による第1実施形態と同様の効果が得られることが判明している。また、ビームB2の少なくとも一部がビームB1よりも掃引方向SDの前方に位置している場合にあっては、ビームB1とビームB2とは微少距離離間していてもよいことも判明している。なお、図14,15は、それぞれ一例に過ぎず、レーザ溶接装置100Dによって得られるビームB1,B2の配置や各ビームB1,B2のサイズは、図14,15の例には限定されない。
Figures 14 and 15 show examples of beams B1 and B2 of laser light formed on the surface Wa by the
[第6実施形態]
図16は、第6実施形態のベーパチャンバ10Eの斜視図であり、図17は、図16のXVII-XVII断面図である。図16に示されるように、ベーパチャンバ10Eは、扁平な四角形状かつ板状の第一部材11および第二部材12を備えている。第一部材11および第二部材12は、熱伝導性の比較的高い金属材料で作られる。また、第一部材11および第二部材12は、Y方向に重なっている。そして、ベーパチャンバ10Eでは、Y方向に重なった第一部材11および第二部材12の周縁部としての端部10aにおいて、端縁11a,12aが溶接部14によって全周溶接されている。ベーパチャンバ10Eは、製品の一例である。
Sixth Embodiment
FIG. 16 is a perspective view of a
図17に示されるように、第一部材11と第二部材12との間には、流体媒質Fの収容室10bが設けられている。収容室10bは、例えば、第二部材12に第一部材11に向けて開口した有底の凹部が設けられることにより、形成されている。凹部は、開口部とも称されうる。収容室10bは、空間の一例である。
As shown in FIG. 17, a
ベーパチャンバ10Eは、高温部と低温部とに渡って設けられる。高温部は、例えば、CPU(central processing unit)のような発熱体であり、低温部は、例えば、ヒートシンクのような放熱体である。流体媒質Fは、高温部から受熱することにより液相から気相に変化するとともに、低温部へ放熱することにより気相から液相に変化する。収容室10b内の高温部と隣接する領域で気体となった流体媒質Fは、当該気体の状態で、収容室10b内を、当該収容室10b内の低温部と隣接した領域へ移動する。また、収容室10b内の低温部と隣接した領域で液体となった流体媒質Fは、収容室10b内を、毛細管現象により、収容室10b内の高温部と隣接した領域へ移動する。このような、流体媒質Fによる熱の輸送により、ベーパチャンバ10Eは、高温部の冷却機構として機能することができる。
The
図17に示されるように、端縁11aと端縁12aとが、溶接部14によって接合されている。溶接部14は、上述した実施形態や変形例に示された溶接方法およびレーザ溶接装置100,100A~100Dによって形成されうる。溶接部14は、上記第1実施形態の溶接部14と同様の構成を有している。第一部材11および第二部材12の周縁部としての端部10aが溶接部14によって全周溶接されることにより、収容室10b内に流体媒質Fが封止される。
As shown in FIG. 17, the
以上の本実施形態によれば、上記実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、本実施形態のベーパチャンバ10Eによれば、例えば、溶接幅に対する溶接深さが比較的大きくより高い溶接強度を有した溶接部14や、より溶接欠陥の少ないより高品質な溶接部14が得られやすい。
According to the present embodiment, the same effects as those of the above embodiment can be obtained. That is, according to the
[第6実施形態の変形例]
図18~22は、第6実施形態の変形例のベーパチャンバ10F~10Iを示している。図18に示される第1変形例のベーパチャンバ10Fでは、第一部材11のフランジ11bの端縁11aと第二部材12の端縁12aとが溶接部14によって溶接されている。このベーパチャンバ10Fでも、第一部材11および第二部材12の周縁部としての端部10aが溶接部14によって全周溶接されることにより、収容室10b内に流体媒質Fが封止される。本変形例では、収容室10bを形成する凹部は、第一部材11のみに設けられている。
[Modification of the sixth embodiment]
Figures 18 to 22
図19に示される第2変形例のベーパチャンバ10Gでは、第一部材11の外周面としての端縁11aと第二部材12の端縁12aとが溶接部14によって溶接されている。このベーパチャンバ10Gでも、第一部材11および第二部材12の周縁部としての端部10aが溶接部14によって全周溶接されることにより、収容室10b内に流体媒質Fが封止される。本変形例でも、収容室10bを形成する凹部は、第一部材11のみに設けられている。
In the
図20に示される第3変形例のベーパチャンバ10Hでは、第一部材11の外周面としての端縁11aと第二部材12の外周面としての端縁12aとが溶接部14によって溶接されている。このベーパチャンバ10Hでも、第一部材11および第二部材12の周縁部としての端部10aが溶接部14によって全周溶接されることにより、収容室10b内に流体媒質Fが封止される。本変形例では、収容室10bを形成する凹部は、第一部材11および第二部材12の双方に設けられている。
In the
図21は、第4変形例のベーパチャンバ10Iの分解斜視図であり、図22は、ベーパチャンバ10Iの略中心を通るY方向に沿った断面図である。本変形例では、第一部材11と第二部材12との間に、第三部材13が介在している。第三部材13は、扁平な四角形状かつ板状の部材であり、熱伝導性の比較的高い金属材料で作られる。また、第三部材13は、第一部材11および第二部材12と、Y方向に重なっている。第三部材13には、Y方向(積層方向)に貫通した貫通穴としての複数のスリット13bが設けられている。各スリット13bのY方向の両側が第一部材11および第二部材12によって塞がれることにより、ベーパチャンバ10I内に、流体媒質Fの収容室10bが形成されている。貫通穴は、開口部の一例である。なお、スリット13bに替えて第三部材13を開口しない凹部が設けられてもよいし、スリット13b(貫通穴)は一つであってもよい。
21 is an exploded perspective view of the
そして、ベーパチャンバ10Iでは、Y方向に重なった第一部材11および第三部材13の周縁部としての端部10aにおいて、端縁11a,13aが溶接部14によって全周溶接されている。また、Y方向に重なった第二部材12および第三部材13の周縁部としての端部10aにおいて、端縁12a,13aが溶接部14によって全周溶接されている。第三部材13は、複数の部材のうちの一つである。本変形例のベーパチャンバ10Iでも、溶接部14による全周溶接により、収容室10b内に流体媒質Fが封止される。以上の第1~第4変形例によっても、第6実施形態と同様の効果が得られる。
In the
[第7実施形態]
図23は、第5実施形態のレーザ溶接装置100Jの概略構成図である。本実施形態のレーザ溶接装置100Jは、第2実施形態のレーザ溶接装置100Aをベースとして改変されている。レーザ溶接装置100Jは、レーザ溶接装置100Aの構成要素に加えて、制御部161、カメラ162、駆動機構163、ミラー164、およびフィルタ165を備えている。
[Seventh embodiment]
23 is a schematic diagram of a
フィルタ165は、ミラー123とフィルタ124との間に設けられている。フィルタ165は、ミラー123からの第一レーザ光をフィルタ124へ向けて透過するとともに、表面Waからの光(例えば、可視光)をミラー164に向けて反射する。ミラー164で反射した光は、カメラ162に入力される。このような構成により、カメラ162は、表面Wa上の画像を撮影することができる。カメラ162による撮影画像には、例えば、端縁11a,12aの境界の画像と、レーザ光Lによるビーム(スポット)の画像とが、含まれている。すなわち、画像には、表面Wa上に形成されるレーザ光Lのスポットの、レーザ光Lが本来照射されるべき境界の位置(所定位置)に対するずれが、現れていることになる。よって、カメラ162による撮影画像は、表面Wa上に形成されるスポットの所定位置に対するずれの検出結果と言うことができ、カメラ162は、当該ずれを検出する検出機構の一例であると言うことができる。なお、撮影画像の画角におけるスポットの位置が固定している場合にあっては、撮影画像にスポットの画像は含まれている必要は無く、制御部161は、撮影画像中の端縁11a,12aの境界の画像の位置から、表面Wa上に形成されるスポットの所定位置に対するずれを検出することができる。
The
制御部161は、カメラ162による撮影画像から、スポットの所定位置に対するずれを検出し、当該ずれを補正するよう、駆動機構163を制御する。駆動機構163は、制御部161からの指令(電気信号)に応じて作動するアクチュエータであり、光学ヘッド120を、Z方向と交差する方向、例えばY方向に、動かすことができる。駆動機構163は、例えば、モータのような回転機構や、当該回転機構の回転出力を減速する減速機構、減速機構によって減速された回転を直動に変換する運動変換機構等を、有することができる。この際、制御部161は、ずれが所定の閾値以内となるまで制御を実行するフィードバック制御を実行してもよい。制御部161および駆動機構163は、補正機構の一例である。このような構成により、溶接部14の所定位置に対する位置ずれを減らすことがき、ひいては、溶接部14の溶接強度をより高めることができるという、利点が得られる。
The
なお、第3実施形態や第4実施形態のように、ガルバノスキャナ126を有するレーザ溶接装置100B,100Cに適用する場合、制御部161は、駆動機構163により光学ヘッド120の位置を変更するのに変えて、レーザ光Lの照射方向を変更し、ひいては表面Waにおけるスポットの位置を変更してもよい。このような構成によっても、同様の作用および効果を得ることができる。この場合、制御部161およびガルバノスキャナ126が、補正機構の一例となる。
When applied to
以上、本発明の実施形態が例示されたが、上記実施形態は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック(構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等)は、適宜に変更して実施することができる。 Although the above is an example of an embodiment of the present invention, the above embodiment is merely an example and is not intended to limit the scope of the invention. The above embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, combinations, and modifications can be made without departing from the spirit of the invention. Furthermore, the specifications of each configuration, shape, etc. (structure, type, direction, model, size, length, width, thickness, height, number, arrangement, position, material, etc.) can be modified as appropriate.
例えば、ベーパチャンバは製品の一例であって、製品は、ベーパチャンバには限定されない。 For example, a vapor chamber is an example of a product, and products are not limited to vapor chambers.
また、加工対象に対してレーザ光を掃引する際に、公知のウォブリングやウィービングや出力変調等により掃引を行い、溶融池の表面積を調節するようにしてもよい。 In addition, when sweeping the laser light over the workpiece, the surface area of the molten pool may be adjusted by known methods such as wobbling, weaving, or output modulation.
また、加工対象は、めっき付き金属板のように、金属の表面に薄い他の金属の層が存在するものでもよい。 The object to be processed may also be a metal with a thin layer of another metal on its surface, such as a plated metal sheet.
10…積層体(製品)
10E~10I…ベーパチャンバ(製品)
10a…端部
10a1…端
10b…収容室(空間)
11…第一部材
11a…端縁
11b…フランジ
12…第二部材
12a…端縁
13…第三部材
13a…端縁
13b…スリット
14…溶接部
14a…溶接金属
14a1…第一部位
14a2…第二部位
14b…熱影響部
100,100A~100D,100J…レーザ溶接装置(溶接装置)
111…レーザ装置(第一レーザ発振器)
112…レーザ装置(第二レーザ発振器)
120…光学ヘッド
120-1…第一部位
120-2…第二部位
121,121-1,121-2…コリメートレンズ
122…集光レンズ
123…ミラー
124…フィルタ
125…DOE(回折光学素子)
125a…回折格子
126…ガルバノスキャナ(補正機構)
126a,126b…ミラー
130…光ファイバ
150,150A…保持機構
151,151A…押圧部材
152,153…支持部材
154…ベース
155…支持部材
161…制御部(補正機構)
162…カメラ(検出機構)
163…駆動機構(補正機構)
164…ミラー
165…フィルタ
A…結晶粒
Ax…回転軸
B1…ビーム(第一スポット)
B1a…外縁
B2…ビーム(第二スポット)
B2a…外縁
B2b…領域
B2f…領域
Br…境界
C…中心点
D1…スポット径(外径)
D2…スポット径(外径)
d…深さ
dm…(溶接金属の)深さ
F…流体媒質
I…領域
L…レーザ光
L1…第一レーザ光
L2…第二レーザ光
SD…掃引方向
W…加工対象
Wa…表面
wb…(溶接金属の表面での)幅
wm…(第一領域および第二領域の)幅
X…方向(第二方向)
Y…方向(第一方向、積層方向)
Z…方向(第三方向)
Z1…第一領域(第一部位)
Z2…第二領域(第二部位)
10...Laminate (product)
10E to 10I...Vapor chamber (product)
10a... end portion 10a1...
11...
111...laser device (first laser oscillator)
112...laser device (second laser oscillator)
120...Optical head 120-1...First part 120-2...
125a...
126a, 126b... mirror 130...
162...Camera (detection mechanism)
163... Driving mechanism (correction mechanism)
164...mirror 165...filter A...crystal grain Ax...rotation axis B1...beam (first spot)
B1a...Outer edge B2...Beam (second spot)
B2a...Outer edge B2b...Area B2f...Area Br...Border C...Center point D1...Spot diameter (outer diameter)
D2: Spot diameter (outer diameter)
d...depth dm...depth (of weld metal) F...fluid medium I...area L...laser light L1...first laser light L2...second laser light SD...sweeping direction W...processing object Wa...surface wb...width (on the surface of the weld metal) wm...width (of the first and second regions) X...direction (second direction)
Y...direction (first direction, stacking direction)
Z…direction (third direction)
Z1...First area (first part)
Z2...Second area (second part)
Claims (9)
前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、500[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含み、
前記端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面上において、前記第一レーザ光によって形成される第一スポットの全域は前記第二レーザ光によって形成される第二スポットと重なるとともに、前記第二スポットの第二外縁は、前記第一スポットの第一外縁を離隔して取り囲み、
前記溶接部は、
前記第一方向に隣接した前記端縁を含む端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に延びた、溶接金属と、
前記溶接金属の周囲に位置される熱影響部と、
を有し、
前記溶接金属は、前記第二レーザ光の照射による熱伝導型の溶融の後冷却されることにより形成され前記表面と接する第二部位と、前記第一レーザ光の照射によるキーホール型の溶融の後冷却されることにより形成され前記第二部位に対して前記表面とは反対側に位置し当該第二部位と接する位置から前記第三方向に延びるとともに前記表面側には露出しない第一部位と、を有し、
前記溶接金属の、前記第三方向の深さの前記第一方向の幅に対するアスペクト比を、1.5以上5以下とする、溶接方法。 A welding method for welding adjacent edges in a first direction, the method comprising: irradiating a laser beam from an outside of an end portion of a plurality of members overlapping in a first direction, the end portions extending in a second direction intersecting the first direction, with the laser beam being swept in the second direction to form a weld extending in the second direction, the method comprising:
the laser light includes a first laser light having a wavelength of 800 nm or more and 1200 nm or less, and a second laser light having a wavelength of 500 nm or less,
on a surface of the end portion extending in the first direction and the second direction, an entire area of a first spot formed by the first laser light overlaps with a second spot formed by the second laser light, and a second outer edge of the second spot surrounds the first outer edge of the first spot at a distance;
The welded portion is
a weld metal extending in a third direction intersecting the first direction and the second direction from a surface extending in the first direction and the second direction of an end portion including the edge adjacent to the first direction;
a heat-affected zone located around the weld metal;
having
the weld metal has a second portion in contact with the surface, which is formed by being cooled after being melted by heat conduction type due to the irradiation of the second laser light, and a first portion in contact with the surface, which is formed by being cooled after being melted by keyhole type due to the irradiation of the first laser light, which is located on the opposite side of the surface with respect to the second portion, extends in the third direction from a position in contact with the second portion, and is not exposed on the surface side ,
The welding method according to claim 1, wherein an aspect ratio of the depth of the weld metal in the third direction to the width of the weld metal in the first direction is 1.5 or more and 5 or less .
前記レーザ装置が出力した前記レーザ光を照射する光学ヘッドと、
を備え、
第一方向に重なった複数の部材の当該第一方向と交差した第二方向に延びたそれぞれの端縁が前記第一方向に並んだ端部に、当該端部の外側から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に沿って、レーザ光を照射しながら前記第二方向に掃引して当該第二方向に延びた溶接部を形成することにより、前記第一方向に隣接した前記端縁の同士を溶接する溶接装置であって、
前記レーザ光は、800[nm]以上かつ1200[nm]以下の波長の第一レーザ光と、500[nm]以下の波長の第二レーザ光と、を含み、
前記端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面上において、前記第一レーザ光によって形成される第一スポットの全域は前記第二レーザ光によって形成される第二スポットと重なるとともに、前記第二スポットの第二外縁は、前記第一スポットの第一外縁を離隔して取り囲み、
前記溶接部は、
前記第一方向に隣接した前記端縁を含む端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に延びた、溶接金属と、
前記溶接金属の周囲に位置される熱影響部と、
を有し、
前記溶接金属は、前記第二レーザ光の照射による熱伝導型の溶融の後冷却されることにより形成され前記表面と接する第二部位と、前記第一レーザ光の照射によるキーホール型の溶融の後冷却されることにより形成され前記第二部位に対して前記表面とは反対側に位置し当該第二部位と接する位置から前記第三方向に延びるとともに前記表面側には露出しない第一部位と、を有し、
前記溶接金属の、前記第三方向の深さの前記第一方向の幅に対するアスペクト比を、1.5以上5以下とする、溶接装置。 A laser device that outputs laser light;
an optical head that irradiates the laser light outputted from the laser device;
Equipped with
A welding device which welds adjacent edges in a first direction to each other by irradiating laser light from an outside of an end portion of a plurality of members overlapping in a first direction, the end portions extending in a second direction intersecting the first direction, along a third direction intersecting the first direction and the second direction, while sweeping the laser light in the second direction to form a weld extending in the second direction, the welding device comprising:
the laser light includes a first laser light having a wavelength of 800 nm or more and 1200 nm or less, and a second laser light having a wavelength of 500 nm or less,
on a surface of the end portion extending in the first direction and the second direction, an entire area of a first spot formed by the first laser light overlaps with a second spot formed by the second laser light, and a second outer edge of the second spot surrounds the first outer edge of the first spot at a distance;
The welded portion is
a weld metal extending in a third direction intersecting the first direction and the second direction from a surface extending in the first direction and the second direction of an end portion including the edge adjacent to the first direction;
a heat-affected zone located around the weld metal;
having
the weld metal has a second portion in contact with the surface, which is formed by being cooled after being melted by heat conduction type due to the irradiation of the second laser light, and a first portion in contact with the surface, which is formed by being cooled after being melted by keyhole type due to the irradiation of the first laser light, which is located on the opposite side of the surface with respect to the second portion, extends in the third direction from a position in contact with the second portion, and is not exposed on the surface side ,
The aspect ratio of the weld metal's depth in the third direction to its width in the first direction is 1.5 or more and 5 or less .
前記ずれを補正する補正機構と、
を備えた、請求項5~8のうちいずれか一つに記載の溶接装置。 a detection mechanism for detecting a deviation of a spot formed on the surface by the laser light from a predetermined position;
A correction mechanism for correcting the deviation;
The welding device according to any one of claims 5 to 8, comprising:
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