(57)【要約】【課題】パルス上に繰り返し射出されるレーザビームを用いてレーザ溶接を行う場合に、溶接ビード幅の乱れを抑制して、均一で綺麗なビードを得る。【解決手段】任意の波形をパルス状に繰り返し射出可能としたレーザビームを溶接箇所に沿って相対移動させ、溶接箇所に沿って溶接ビードを形成するレーザ溶接方法において、レーザビームのパルス幅τを溶接箇所の溶接条件に応じて変化させつつ溶接を行う。またレーザビームのパルス幅τとレーザ出力Ｐとを変化させつつ溶接を行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の波形をパルス状に繰り返し射出可能としたレーザビームを溶接箇所に沿って相対移動させ、前記溶接箇所に沿って溶接ビードを形成するレーザ溶接方法において、前記レーザビームのパルス幅を溶接箇所の溶接条件に応じて変化させつつ溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
レーザビームのパルス幅とピーク出力とを変化させつつ溶接することを特徴とする請求項１のレーザ溶接方法。
【請求項３】
レーザビームの基本パルス波形を、パルス周期内における時間経過と出力とで設定される複数の設定点で設定し、繰り返し射出されるパルス波形を前記基本パルス波形に対する前記設定点の時間経過を溶接箇所の溶接条件に応じて段階的に変化させることによって設定することを特徴とする請求項１のレーザ溶接方法。
【請求項４】
レーザビームの基本パルス波形を、パルス周期内における時間経過と出力とで設定される複数の設定点で設定し、繰り返し射出されるパルス波形を前記基本パルス波形に対する前記設定点の時間経過および出力を溶接箇所の溶接条件に応じて段階的に変化させることによって設定することを特徴とする請求項２のレーザ溶接方法。
【請求項５】
パルス幅τのパルス周期ｔに対する比τ/ｔをデューティ比ｄと定義し、基本パルス波形のデューティ比ｄ1とこれに連続するｎ個目のパルス波形のデューティ比ｄnとの間を均等割りすることにより、２番目から（ｎ−１）番目のパルス波形におけるパルス幅を決める請求項１または３のレーザ溶接方法。
【請求項６】
ピーク出力を一定に保ちつつ時間経過と共にパルス幅を次第に小さく変化させる請求項１または３のレーザ溶接方法。
【請求項７】
溶接開始時にパルスのパルス幅を大きくし、時間経過と共に前記パルス幅およびピーク出力を減少させる請求項２または４の方法。
【請求項８】
レーザビームを溶接箇所に沿って相対移動させ、前記溶接箇所に沿って溶接ビードを形成するレーザ溶接装置において、
任意波形のレーザビームをパルス状に繰り返し射出可能なレーザビーム発生手段と、
前記レーザビーム発生手段のレーザ発振器を駆動する駆動手段と、
前記レーザビームの射出位置を溶接箇所に沿って相対移動させるビーム走査手段と、
溶接箇所に対応した適切なパルス幅を含む溶接条件を設定するための溶接条件設定手段と、
前記溶接条件に従い前記駆動手段およびビーム走査手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記駆動手段は、前記溶接条件に基づき溶接箇所に対応してレーザビームのパルス幅を変化させながらレーザビームのパルス波形を制御する、
ことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項９】
溶接条件設定手段はパルス幅とピーク出力とを含む溶接条件を設定し、制御手段は前記溶接条件に従って溶接箇所に対応してパルス幅とピーク出力とを変化させながらレーザビームのパルス波形を制御する請求項８のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、パルス状に繰り返し射出されるレーザビームを溶接箇所に照射して溶接ビードを形成しつつ溶接するレーザ溶接方法と、レーザ溶接装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザビームを用いたシーム溶接などの溶接（レーザ溶接）を行う際に、レーザ出力を変化させながら溶接ビードを形成することが公知である。例えば特許文献（１）には、「パルスレーザなどによってパルス毎に断続的に溶接を行うのではなく、ワークを連続溶接する」（段落０００９、図４、５、７）場合に、角形ＩＣパッケージの角部付近でビームの出力密度を断続的又は連続的に下げることにより（段落００１０、００１１）、角部で溶接温度が高くなり過ぎて穴が開いたり溶接跡の乱れ発生を防ぐことが提案されている。すなわちパルスレーザを用いるものではなく連続ビームを用いるものである。
【０００３】
特許文献２には、密閉型電池の角形ケース蓋板（キャップ）をレーザを用いてシーム溶接する場合に、照射軌跡を角部で曲率半径を小さくする（第１の構成）、角部の溶接時のレーザ出力を直線部の溶接時よりも低減する（第２の構成）、角部でビーム走査速度を増大する（第３の構成）、ことが開示されている。これにより、接合部全周に亘って良好なレーザー溶接を可能にするものである。
【０００４】
特許文献３には、レーザー光のパワー（出力）を照射終了時に段階的あるいは連続的に低下させることによって、急激な冷却凝固を抑制し、クラック発生や気泡発生を低減させ、金属飛散量や溶接部分の残留応力を小さくする、ことが開示されている。
【０００５】
特許文献４には、加工位置に対応してレーザのピーク出力値を可変制御することが開示されている。これにより、角部での移動速度変化や、溶接加熱による温度変化などによる溶接品質の低下を防ぐ。また通常は溶接初期では温度が低く周囲に熱が放散し易いが、中間位置では直前の熱がこもっているため、あたかも過大なエネルギーが照射されたような結果になるが、これをピーク出力値を可変とすることにより防ぐものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３１３５４４号公報
【特許文献２】特開平８−３１５７８９号公報
【特許文献３】特開２００３−１４５２号公報
【特許文献４】特開昭６３−６０７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１の方法で変化させる「ビーム出力」は、ビーム出力を示す図４、５、７から明らかなように、連続ビームのピーク出力（ワット）を変化させるものである。特許文献２の第２の構成で変化させるレーザ出力も段落００３３、図８から解るように同様にワットを変化させるものである。
【０００８】
特許文献３のパワーを変化させるものでは、段落００１０、００２６，００２７に記されているように、Ｗ（ワット）を変化させ、パルス幅を一定の２ｍｓとするものである。特許文献４も同様にピーク出力はワットでありパルス幅は一定と考えられる（図２、３、第３頁右上欄〜左下欄など参照）。
【０００９】
このように従来技術は、いずれもレーザーの出力すなわちビームパワー（ワット）を制御するものであった。しかし、多数の溶接例の観察結果から、接合部の溶融深さ（溶け込み深さ）および溶接ビードの幅を出来るだけ均等にするためには、ビームパワーだけでは十分に制御できないという問題があることが解った。すなわちビード幅を均等にして乱れを小さくした最適なビームパワーにすると、溶融深さが不均等になって適切にならないという溶接例が多くなり、また逆に溶融深さを均等にするのに適したビームパワーにするとビード幅が不適切（乱れが発生する）になるものであった。
【００１０】
図７（Ａ）と図８（Ａ）は、従来の典型的なパルス波形を示す図である。図７（Ａ）のパルス波形は、同じ波形のパルスが同じ周期で出力されるものであり、この場合のビード形状は同図（Ｂ）に示すように時間経過と共にビード幅が広くなり、溶融深さは同図（Ｃ）に示すように時間経過と共に深くなっている。これは溶融部の熱がビームの移動とともに溶接部材内に伝達するため、時間経過に伴って溶接部温度が上昇するためである。
【００１１】
図８のパルス波形は、前記特許文献２（第２の構成）、特許文献３、４に示されたように、時間経過と共に出力（パワー）を減少させるものである。この場合には同図（Ｂ）のようにビード幅を一定にしようとすると、同図（Ｃ）のように溶融深さが次第に浅くなる、という問題が生じるものである。
【００１２】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、溶接ビード幅の乱れを抑制して、均一で綺麗なビードを得ることが出来るシーム溶接などのレーザ溶接方法を提供することを目的とする。またこの方法の実施に直接使用するレーザ溶接装置を提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明によればこの目的は、任意の波形をパルス状に繰り返し射出可能としたレーザビームを溶接箇所に沿って相対移動させ、前記溶接箇所に沿って溶接ビードを形成するレーザ溶接方法において、前記レーザビームのパルス幅を溶接箇所の溶接条件に応じて変化させつつ溶接を行うことを特徴とするレーザ溶接方法、により達成される。
【００１４】
この発明の他の目的は、レーザビームを溶接箇所に沿って相対移動させ、前記溶接箇所に沿って溶接ビードを形成するレーザ溶接装置において、任意波形のレーザビームをパルス状に繰り返し射出可能なレーザビーム発生手段と、前記レーザビーム発生手段のレーザ発振器を駆動する駆動手段と、前記レーザビームの射出位置を溶接箇所に沿って相対移動させるビーム走査手段と、溶接箇所に対応した適切なパルス幅を含む溶接条件を設定するための溶接条件設定手段と、前記溶接条件に従い前記駆動手段およびビーム走査手段を制御する制御手段と、を備え、前記駆動手段は、前記溶接条件に基づき溶接箇所に対応してレーザビームのパルス幅を変化させながらレーザビームのパルス波形を制御する、ことを特徴とするレーザ溶接装置、により達成される。
【発明の効果】
【００１５】
本願の発明者は、多くの溶接例を詳細に観察した結果、レーザビームのエネルギー（出力×時間、ワット時）が接合部の温度に大きく影響し、従って溶融範囲に大きく影響することを知った。このことから、接合部の溶融深さおよび溶接ビードの幅はこのパルスのエネルギーの影響を強く受けることを予測した。このエネルギーの大きさは、パルスの時間面積（出力×時間の積分値）であるから、パルス幅が強く影響することを予測することが出来た。
【００１６】
この発明によれば、パルス幅を溶接箇所の溶接条件に応じて変化させつつ溶接を行うから、接合部の溶融範囲を管理しつつシーム溶接などのレーザ溶接を行うことが可能になる。従って溶接ビードの乱れを少なくし、ビード幅を均一化して綺麗な仕上がりとすることが可能になる。またパルスのエネルギーをパルス出力だけでなくパルス幅によって変化させることが可能になるから、溶接部の管理要素を増やすことができるという効果も得られる。請求項８の発明によればこの方法の実施に直接使用する装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例であるレーザ溶接装置を示す概念図
【図２】本発明の一実施例であるパルス波形（Ａ）と、ビード形状（Ｂ）と、溶融深さ（Ｃ）を示す図
【図３】同じく他の実施例であるパルス波形（Ａ）を示す図
【図４】パルス波形の設定例を示す図
【図５】図４のパルス波形の設定条件例を示す図
【図６】パルス波形の他の設定例を示す図
【図７】従来例であるパルス波形（Ａ）、ビード形状（Ｂ）、溶融深さ（Ｃ）を示す図
【図８】他の従来例であるパルス波形（Ａ）、ビード形状（Ｂ）、溶融深さ（Ｃ）を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
また発明者は、溶融深さ（溶け込み深さ）は、パルスエネルギーによる温度上昇が溶接部周辺に熱伝達する速度の影響を受けるものと考えた。すなわち溶融部の加熱に遅れて熱が周囲へ伝達するから、加熱速度が大きいほど周囲への熱放散が小さく、溶融深さが深くなると考えたものである。多数の溶接例を観察した結果、溶融深さはビーム出力（ワット）のピーク値（最大ビーム出力）の影響を強く受けることを知った。
【００１９】
そこで、レーザビームのパルス幅とピーク出力とを共に変化させつつ溶接を行うことにより、パルス幅により主としてビード幅を管理しつつ、ピーク出力により主として溶融深さを管理して溶接をおこなうことが可能になるものである（請求項２）。パルス状に発生するレーザビームのパルス波形は種々の形状が考えられるが、例えば基本パルス波形を決めてこれとほぼ相似形の波形として決めることが出来る。
【００２０】
ここに基本パルス波形は、パルス周期内における時間経過と出力とで設定される複数の設定点で設定することが出来、繰り返し射出されるパルス波形をこの基本パルス波形に対する前記設定点の時間経過を溶接箇所の溶接条件に応じて段階的に変化（減少または増加）させることが出来る（請求項３）。この場合には各パルス波形は、基本パルス波形を時間軸方向に圧縮または拡大した形状になるから、各パルス波形の設定が容易になる。
【００２１】
またパルス幅とピーク出力の両方を変化させる場合には、繰り返し射出されるパルス波形を前記基本パルス波形に対する前記設定点の時間経過および出力を溶接箇所の溶接条件に応じて段階的に変化させることが出来る（請求項４）。このように各パルスのパルス幅だけでなくピーク出力も設定する場合には、ビード幅だけでなく溶融深さも別々にかつ同時に設定することが出来る。また、パルス幅τのパルス周期ｔに対する比τ/ｔをデューティ比ｄと定義し、基本パルス波形のデューティ比ｄ1とこれに連続するｎ個目のパルス波形のデューティ比ｄnとの間を均等割りすることにより、２番目から（ｎ−１）番目のパルス波形におけるパルス幅（および出力）を決めることも出来る（請求項５）。
【００２２】
パルス幅は、ピーク出力を一定に保ちつつ溶接時間経過と共に次第に小さく変化させることが出来る（請求項６）。一般に溶接時間経過によりワーク（溶接部、被溶接部材）温度が上昇するから、パルス幅を小さくすることにより溶接部の温度変化を小さくすることが出来る。また溶接開始時にパルスのパルス幅を大きくし、溶接時間経過と共に前記パルス幅およびピーク出力を減少させるようにしても同様の効果が得られる（請求項７）。なおこの発明は、パルス幅やピーク出力は、角形パッケージの角部と直線部で変化させるようにして、角部のビード幅と溶融深さを均一に管理するものを含む。
【００２３】
この発明は、任意の波形をパルス状に繰り返し射出可能としたレーザビームを用いる場合に適用することが出来る。レーザとしては、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザなど種々のレーザ発生装置のレーザを用いることが出来る。
【実施例１】
【００２４】
図１において符号１０はファイバレーザを用いたレーザビーム発生手段であり、後記する駆動手段３０の出力に基づいて、任意波形のレーザビームをパルス状に繰り返し射出可能である。このファイバレーザ１０は、複数個のレーザダイオード（ＬＤ）１２（１〜ｎ）が出力するレーザを光ファイバ１４により集合して全反射ミラーであるＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）１６、アクティブファイバ（共振器）１８、出力ミラーであるＦＢＧ２０に導く。ＦＢＧ１６、２０はファイバーコア内に書き込まれたブラッグ・グレーティングである。
【００２５】
ここにＦＢＧ１６は高反射率（ＨＲ、Ｈｉｇｈ  Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）であり、ＦＢＧ２０は低反射率（ＬＲ、Ｌｏｗ  Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）である。各ＬＤ１２が出力するレーザはアクティブファイバ１８内で共振して同位相かつ所定波形となり、レーザビームとなってＦＢＧ２０から出力される。
【００２６】
このレーザビームは光ファイバ２２によって出射ヘッド２４に導かれ、溶接対象物２６に照射される。ここに出射ヘッド２４と溶接対象物２６の相対位置が後記制御手段３２および走査手段２８（図１）によって制御され、レーザビームは所定の溶接ライン（走査ライン）に沿って走査されてシーム溶接される。走査手段２８は、制御手段３２の制御信号に基づいてこの走査を行う。なお光ファイバ２２は、その一部がループ状に巻かれていて、出射ヘッド２４の移動に対応して光ファイバ２２の繰り出し長さを変更可能としている。
【００２７】
３０は駆動手段であり、前記ＬＤ１２を駆動するものである。すなわち各ＬＤ１２は後記制御手段３２によって、所定のパルス幅とピーク出力とが制御され、ＲＢＧ２０から出力するレーザビームのパルス状波形を所定の形状にする。なおこの実施例では、連続するレーザパルスの出射周期ｔは後記するように一定としている（図２、３）。
【００２８】
３２は制御手段であり、後記溶接条件設定手段３４により設定された溶接条件に従い前記駆動手段３０およびビーム走査手段２８を制御する。ここに溶接条件は例えば図２に示すように、時間Ｔの経過に対して同一周期ｔでパルス波形のパルス幅τ（τ1、‥‥τn）が順次減少する波形とすることが出来る。これらの波形は例えば図４に示す基本パルス波形Ｐ1を時間Ｔ方向に順次圧縮率を大きくして圧縮した形状とすることが出来る。
【００２９】
この場合、前記溶接条件設定手段３４は、タッチパネルやキーボードを用いて、基本パルス波形（１波形目）Ｐ1を例えば５つのポイント（点）で設定する。すなわち図４において、パルスの立ち上がり時点をポイント１（Ｐｏｉｎｔ＃１）、ピーク出力となる時点をポイント２（Ｐｏｉｎｔ＃２）、ピーク出力の保持時間を決める時点をポイント３（Ｐｏｉｎｔ＃３）、出力減少の中間点となる時点をポイント４（Ｐｏｉｎｔ＃４）、出力が０に戻る終点を決めるポイント５（Ｐｏｉｎｔ＃５）として入力する。
【００３０】
図５の（Ａ）で示す設定図は、この基本パルス波形のポイント１〜５における出射時間とレーザ出力（ピーク出力）の設定例を示している。この設定図（Ａ）で出射時間はポイント１を始点とする累積時間表示であり、レーザ出力はレーザビーム発生手段１０の最大出力に対する相対出力（％）である。また同図（Ｂ）は、各パルスの周期ｔが４０ｍｓｅｃで一定であることを示す。この時の基本パルス波形Ｐ1のデューティ比（出射時間÷周期）は、３０／４０＝０．７５（７５％）である。同図（Ｃ）は、最後のパルス波形Ｐ10のデューティ比を１０％にすることを設定している。
【００３１】
ポイント３と５の間にポイント４を設定するのは、出力が急激に減少すると溶融後の凝固温度変化が急激になってクラックが発生したり気泡が混入したりするのを防ぐためである。このようにして基本パルス波形Ｐ1を設定した後、これに続く（またはこれに先行する）他のパルスＰ2〜Ｐ10を設定するためには、各パルスＰ2〜Ｐ10に対して所定の比率で、各ポイント１〜５設定することが出来る。
【００３２】
図５の図（Ｄ）は、前記した基本パルス波形（１波形目）のデューティ比（７５％）と、パルス波形Ｐ10（波形＃１０）のデューティ比（１０％）との間を等間隔に均等割りした場合のデューティ比ｄを示している。各波形Ｐ2〜Ｐ10に対する各ポイント１〜５は、｛（各波形＃のデューティ比ｄ2〜ｄn）÷（基本パルス波形＃１のデューテイ比ｄ1）｝で求める比率を、基本パルス波形（１波形目）のポイント＃の出射時間にそれぞれ積算することにより求めることが出来る。
【００３３】
例えばパルス波形Ｐ2（２波形目）のデューティ比は６７．８％（図５の（Ｄ）参照）であるから、このパルス波形Ｐ2の各ポイント１〜５の設定時間は図５の（Ｅ）に示すようになる。図４はこのように設定した場合のパルス波形Ｐ1〜Ｐ10を示している。図４、５に示した実施例では、図４から明らかなように、各パルス波形Ｐ1〜Ｐ10のピーク出力は同一にしてパルス幅だけを変化させるように設定している。
【００３４】
図６はパルス波形のパルス幅と共にピーク出力も順番に変化させた場合のパルス波形を示している。この場合に基本パルス波形のポイント１〜５は前記図４に示したようにして設定したものを用いることが出来る。そしてデユーティ比に対してパルス幅とピーク出力を比例して変化させる。例えば１０波形目に前記図４、５の基本パルス波形Ｐ1となるように設定するためには、図５（Ｄ）により、１波形目はピーク出力を１０波形目のピーク出力７５％に対して１０％に設定すればよい。
【００３５】
溶接条件設定手段３４には、以上のようにして、レーザビームのパルス形状を設定すると共に、溶接ルートを示す走査情報（走査位置と走査速度を含む）と、この溶接位置によって最適な溶接を行うためのパルス形状を入力して記憶させておく。例えば角形の半導体パッケージにキャップを封着（シーム溶接）する場合には、パルス波形が同一ではパッケージの直線部から角部に入る時にビーム密度が高くなり、溶接温度が高くなる。そこで図４、５に示したようにして、パルス波形のパルス幅を変化させ、あるいは図６に示すようにパルス幅と共にピーク出力を変化させて、溶接ビード幅の変化や乱れを抑制したり、溶融深さの不揃いを抑制する。
【００３６】
例えば図２に示すパルス波形の変化は、実質的に図４、５に示すものと同じであるが、この場合溶接ビードは同図（Ｂ）に示すようにように均一幅とし、また溶融深さは同図（Ｃ）に示すように均一深さとすることが出来る。また図３に示すパルス波形の変化は実質的に図６に示すものと同じであり、この場合には図２の（Ｂ）、（Ｃ）と同様にビード幅と溶融深さを均一化することにより溶接品質の向上が可能になる。
【符号の説明】
【００３７】
１０  レーザビーム発生手段
１２  レーザダイオード（ＬＤ）
２４  出射ヘッド
２６  溶接対象物
２８  走査手段
３０  駆動手段
３２  制御手段
３４  溶接条件設定手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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