(57)【要約】【課題】溶接ナゲット径が１００μｍ以下であり、溶け込み深さが２００μｍ以上の微細領域の溶接を可能とし、装置の小型化も図ることのできるレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供すること。【解決手段】レーザ光発生手段１から出力されたレーザ光を入射光学ユニット９を介して光ファイバ１０に入光させ、当該光ファイバ１０から出光したレーザ光を出射光学ユニット１１を介して溶接箇所に照射するレーザ溶接方法において、前記光ファイバ１０のコア直径を１００μｍ以内とし、前記光ファイバ１０の入射ＮＡ値を０．０５以下とし、前記光ファイバ１０の出射ＮＡ値を０．１以下とし、前記出射光学ユニット１１から照射される１パルスのレーザ光のエネルギを１ジュール（Ｊ）以下としたことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光発生手段から出力されたレーザ光を入射光学ユニットを介して光ファイバに入光させ、当該光ファイバから出光したレーザ光を出射光学ユニットを介して溶接箇所に照射するレーザ溶接方法において、前記光ファイバのコア直径を１００μｍ以内とし、前記光ファイバの入射ＮＡ値を０．０５以下とし、前記光ファイバの出射ＮＡ値を０．１以下とし、前記出射光学ユニットから照射される１パルスのレーザ光のエネルギを１ジュール（Ｊ）以下としたことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
レーザ光発生手段から出力されたレーザ光を入射光学ユニットを介して光ファイバに入光させ、当該光ファイバから出光したレーザ光を出射光学ユニットを介して溶接箇所に照射するレーザ溶接方法において、前記光ファイバのコア直径を１００μｍ以内とし、前記出射光学ユニットのコリメートレンズの焦点距離と出光レンズの焦点距離との比を４：１とし、前記出射光学ユニットから照射される１パルスのレーザ光のエネルギを１ジュール（Ｊ）以下としたことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項３】
レーザ光を出力するレーザ光発生手段と、レーザ光発生手段からのレーザ光を光ファイバに入光させる入射光学ユニットと、入射されたレーザ光を導くコア直径が１００μｍ以内である光ファイバと、光ファイバから出光したレーザ光を溶接箇所に照射する出射光学ユニットと、出射光学ユニットから照射される１パルスのレーザ光のエネルギを１ジュール（Ｊ）以下に制御する制御手段とを有し、前記光ファイバの入射ＮＡ値を０．０５以下とし、前記光ファイバの出射ＮＡ値を０．１以下としたことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項４】
レーザ光を出力するレーザ光発生手段と、レーザ光発生手段からのレーザ光を光ファイバに入光させる入射光学ユニットと、入射されたレーザ光を導くコア直径が１００μｍ以内である光ファイバと、光ファイバから出光したレーザ光を溶接箇所に照射する出射光学ユニットと、出射光学ユニットから照射される１パルスのレーザ光のエネルギを１ジュール（Ｊ）以下に制御する制御手段とを有し、前記出射光学ユニットのコリメートレンズの焦点距離と出光レンズの焦点距離との比を４：１としたことを特徴とするレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に係り、特に、微細領域の溶接を可能としたレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
一般に、レーザ溶接は、部品周辺部への熱影響を軽減できることにより、電子部品の接合等に多く用いられてきた。
【０００３】
本出願人は、特許文献１即ち特開平８−３２１６５１号公報に示すように、細かい、すなわち高速なパルス制御を実現することにより、より高精度かつバラエティーに富んだ波形制御を行なって最適な加工条件で被加工物に対する加工を行なうことができる固体レーザ装置を提供している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−３２１６５１号公報
また、近年の時計、携帯電話、医療機器等に代表されるように、機器の小型化、部品のマイクロ化が進展したことに伴い、レーザ溶接の溶接対象もマイクロ部品へ拡張し始めている。
【０００５】
従来のパルスレーザ溶接装置においては、出力エネルギーが５ジュール（Ｊ）〜１００Ｊ／パルスでレーザパルス幅が０．５ｍｓ〜２０ｍｓに設定されているものが多かった。このような従来のレーザ溶接装置によってステンレスに対して微細なレーザスポット溶接を施すと、最小の溶接ナゲット径が数１００μｍ（４００〜８００μｍ）程度であり、最大の溶け込み深さが同様の数１００μｍ程度にとどめられてしまうという不都合があった。
【０００６】
一方、今日の部品の小型化に伴って要望されている溶接品質は、溶接ナゲット径としては１００μｍ以下であり、板厚と溶接強度から溶け込み深さは、少なくとも従来と同程度の２００μｍ以上である。
【０００７】
本発明はこれらの点に鑑みなされたものであり、例えば溶接ナゲット径が１００μｍ以下であり、溶け込み深さが２００μｍ以上の微細領域の溶接を可能とし、装置の小型化も図ることのできるレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明のレーザ溶接方法は、レーザ光発生手段から出力されたレーザ光を入射光学ユニットを介して光ファイバに入光させ、当該光ファイバから出光したレーザ光を出射光学ユニットを介して溶接箇所に照射するレーザ溶接方法において、前記光ファイバのコア直径を１００μｍ以内とし、前記光ファイバの入射ＮＡ値を０．０５以下とし、前記光ファイバの出射ＮＡ値を０．１以下とし、前記出射光学ユニットから照射される１パルスのレーザ光のエネルギを１ジュール（Ｊ）以下としたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光を出力するレーザ光発生手段と、レーザ光発生手段からのレーザ光を光ファイバに入光させる入射光学ユニットと、入射されたレーザ光を導くコア直径が１００μｍ以内である光ファイバと、光ファイバから出光したレーザ光を溶接箇所に照射する出射光学ユニットと、出射光学ユニットから照射される１パルスのレーザ光のエネルギを１ジュール（Ｊ）以下に制御する制御手段とを有し、前記光ファイバの入射ＮＡ値を０．０５以下とし、前記光ファイバの出射ＮＡ値を０．１以下としたことを特徴とする。
【００１０】
また、レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置において、前記出射光学ユニットのコリメートレンズの焦点距離と出光レンズの焦点距離との比を４：１としてもよい。
【００１１】
本発明のレーザ溶接装置を本発明のレーザ溶接方法によって動作させることにより、溶接ナゲット径が１００μｍ以下であり、溶け込み深さが２００μｍ以上の微細領域の溶接が可能となった。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は本発明のレーザ溶接装置の１実施の形態を示す。
【００１４】
図１の実施形態においては、ＬＤ励起によってレーザ光を発生させる場合を示している。具体的には、光学特性に優れたレーザ媒質の一つである円柱形状のＹＡＧロッド１とこのＹＡＧロッド１の側方から励起用レーザを直接照射するサイドポンピング方式により前記ＹＡＧロッド１の原子を光励起させる半導体レーザダイオードアレイ２（以下、ＬＤＡ２と略す）とが配設されている。このＬＤＡ２は制御部４により電力供給を制御される電源装置３と連結されて、点灯と消灯の切換えを高速で行える高速スイッチングが可能であり、また、そのよう頻繁に切換えを行っても寿命にほとんど悪影響を及ぼされないものである。そして、前記ＹＡＧロッド１の一端側には前記ＹＡＧロッド１の端面に対して所定の間隔をおいて光を全反射させる全反射ミラー５が配設されており、他端側には前記ＹＡＧロッド１の端面に対して所定の間隔をおいて所定の固体レーザ光のみ透過させる半透過性の出力ミラー７が配設されている。
【００１５】
このように形成されているレーザ光を出力するレーザ光発生手段には、出力されたレーザ光を光ファイバ１０に入光させる入射光学ユニット９が設けられている。この光ファイバ１０の出射側には光ファイバ１０から出光したレーザ光を溶接対象Ｗの溶接箇所に照射する出射光学ユニット１１が設けられている。光ファイバ１０において入射されたレーザ光を導くコア直径は１００μｍ以内（本実施形態においては１００μｍ）に形成されている。コア直径が１００μｍを超えると溶接対象Ｗに対して照射するレーザ光の光束の直径を細く絞ることができなくなるためである。入射光学ユニット９からの光ファイバ１０への入射ＮＡ値が０．０５以下とされ、前記光ファイバ１０からの出射光学ユニット１１に向けての出射ＮＡ値が０．１以下（本実施形態においては０．０８）とされている。
【００１６】
本実施の形態においては、前記のＮＡ値を実現させるために、入射光学ユニット９の集光レンズの焦点距離ｆ０を４０ｍｍとし、光ファイバ１０への入射ＮＡ値を０．０３としている。更に、制御部４を出射光学ユニット１１から照射される１パルスのレーザ光のエネルギを１ジュール（Ｊ）以下に制御する制御手段とさせている。１パルスのレーザ光のエネルギが１ジュール（Ｊ）を超えると溶接対象Ｗに形成されるナゲットの直径が大きくなりすぎて、微細範囲のレーザ溶接を施すことができなくなるためである。本実施形態においては、図２に示すように、１パルスのレーザ光のパルス幅を６０〜１００μｓｅｃとして、従来の１ｍｓｅｃの１／１０以下に設定している。
【００１７】
これにより本実施の形態のレーザ溶接装置によって、溶接ナゲット径が１００μｍ以下であり、溶け込み深さが２００μｍ以上の微細領域の溶接を行うことができる。
【００１８】
次に、本発明のレーザ溶接方法に従って本実施の形態のレーザ溶接装置を動作させて、溶接対象Ｗとしてのステンレスの薄板（厚さ数１００μｍ）を２枚突き合わせてレーザ溶接を施す場合を説明する。
【００１９】
本実施形態のレーザ溶接装置においては、制御部４が電源装置３を介してＬＤＡ２の点灯・消灯を制御し、ＹＡＧロッド１の原子を励起する。
【００２０】
本実施形態においては、ＬＤＡ２のオン・オフを制御して、１パルスのレーザ光のパルス幅を６０〜１００μｓｅｃ（本実施の形態においては６０μｓｅｃ）としてエネルギ調整をする。これにより出射光学ユニット１１から照射される１パルスのレーザ光のエネルギが１ジュール（Ｊ）以下とされる。
【００２１】
このレーザ光が出力ミラー７を通過すると、その先に配設された入射光学ユニット９において光束を絞られて光ファイバ１０の直径１００μｍのコアへの入射ＮＡ値を０．０３とされる。光ファイバ１０内を伝搬されたレーザ光はコアの出光端面から出射ＮＡ値を０．０８として出射光学ユニット１１のコリメートレンズ１２に向けて出光する。更に、コリメートレンズ１２において絞られて平行なレーザ光とされ、続いて出光レンズ１３においてｆ１：ｆ２＝４：１（本実施形態においてはｆ＝２００ｍｍ、ｆ２＝５０ｍｍ）に従って１／４に絞るようにして出光され、溶接対象Ｗに向けて照射される。なお、この絞り比率を１／３、１／５のように変更して、微細領域の溶接を可能とする範囲においてレーザ光の先鋭度を溶接対象等の性質などに応じて変更するとよい。
【００２２】
このパルス幅が６０μｓｅｃのレーザ光は、１秒間の繰り返し数（ｐｐｓ）を調整することによって溶接対象Ｗに対して適正なレーザ溶接、即ち溶接ナゲット径が１００μｍ以下であり、溶け込み深さが２００μｍ以上の微細領域の溶接を施すようにするとよい。
【００２３】
このレーザ溶接の状況を図３から図５により更に説明する。
【００２４】
図３に示すように、出射光学ユニット１１の出光レンズ１３から溶接対象Ｗに向けて照射されるレーザ光は、光ファイバ１０からの出射ＮＡ値を０．１以下としたことにより、中心角θ１が小さいので細長くなる。従って、図３（ａ）に示すように、例えば厚さ０．５ｍｍの１枚のステンレス板に対して表面部分にレーザ光が焦点を結ぶようにしてレーザ光を照射すると、同図（ｂ）に拡大示するように、最も絞られた焦点部分の光路の直径φ１が４０μｍとなるようにして照射され、図４に示すように溶接対象Ｗの表面部分の溶接ナゲット径が約１００μｍであり、図５に示すように溶け込み深さが２５０μｍ以上となっている。
【００２５】
このように本発明によれば、１点のみの微細なレーザ溶接を施すことができるので、リードフレームの微細な配線溶接をしたり、医療機器の１種であるカテーテルの表面部分に配置されている細いメッシュ状金属の微細な溶接をしたり、時計用の微細な歯車と軸とを軸の全周に亘って溶接したりすることができる。
【００２６】
また、本発明によれば、出射光学ユニット内に配置されるレンズは小型のものでよいため（本実施例形態において使用したレンズの直径は３０ｍｍである）出射光学ユニットを小型化できるという効果もある。
【００２７】
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、必要に応じて変更することができる。
【００２８】
たとえば、前述したＬＤＡ２は、前記ＹＡＧロッド１に対して側方に配置される、いわゆるサイドポンピング方式であったが、これを、ＹＡＧロッド１の端面の方向から励起用レーザ光を入射するように配置するエンドポンピング方式としてもよい。更に、ＹＡＧロッド１の励起はランプ形式であってもよい。
【００２９】
また、固体レーザ媒質もＹＡＧに限らず、ルビーやガラスおよびＹＬＦなどでもよく、円柱形状以外の四角柱やスラブ形状としてもよい。
【００３０】
更に、レーザ発生手段としては半導体レーザ発生器等のいかなるものも用いることができる。
【００３１】
【発明の効果】
このように本発明のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置は構成され作用するものであるから、例えば溶接ナゲット径が１００μｍ以下であり、溶け込み深さが２００μｍ以上の微細領域の溶接を確実に行うことができる。更に、光ファイバに対する入射ＮＡ値および出射ＮＡ値を小さくしているので、出射光学ユニットのコリメートレンズおよび出光レンズを小さく形成することができ、ひいては出射光学ユニットの小型も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ溶接装置の１実施形態を示す構成図
【図２】本発明方法によって付与される１パルス幅を示す線図
【図３】（ａ）および（ｂ）は本発明による溶接状態を示すレーザ光の照射状態を示す断面図および部分拡大図
【図４】図３による溶接を施した溶接対象の表面図
【図５】図４の５−５線に沿った断面図
【符号の説明】
１  ＹＡＧロッド
４  制御部
９  入射光学ユニット
１０  光ファイバ
１１  出射光学ユニット
１２  コリメートレンズ
１３  出光レンズ
【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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