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銅の微細レーザ溶接における光吸収特性と銅の微細レーザ溶接のおける光吸収特性と溶け込み深さの安定化に関する検討
溶け込み深さの安定化に関する検討
岡本
*
岡本 康寛
康寛

Y. Okamoto

１．はじめにーモニックセパレータを介して第二高調波のみを出力す

近年，電気電子制御技術の発達によりオール電化住宅，ることが可能である．

ハイブリットカー，電気自動車などの普及が進んでいる．

図 1 は光ファイバを用いた実験方法を示しており，レーまた，持続的な社会の発展を実現するためには，電気エネ

ザ光の伝送にはコア直径 100µm の SI 型光ファイバ及び，ルギーを効率的に利用する必要があり，優れた導電特性をコリメーションレンズ f=30mm，集光レンズ f=60mm を用い有する銅の接合に関する要求が増大している 1)．しかし，て焦点にてスポット直径 200µm を得た．

従来の溶接法では銅の高い熱伝導性のために吸収された熱は急速に母材側に拡散し，接合不良が生じやすいことなどが問題となっている．このため，熱が拡散しても入熱部分を溶融させるために，エネルギー密度が高く，かつ非接触で微細な接合が実現できるレーザ溶接法が注目されている 2)．
近赤外光に属する波長 1064nm の Nd:YAG レーザの基本波
では，銅に対する光吸収率は約 1.5%，波長 532nm の第二高調波は約 35.6%の吸収率を示しており 3)，波長変換により短波長化することによって光吸収率は約 24 倍と大幅に向上することから，銅に対しては波長 532nm の Nd:YAG レーザの第二高調波の方が高効率な加工が期待できる 4, 5)．
また，微細溶接を行うためにはマイクロ秒程度のパルスレーザが有効であるが，Nd:YAG レーザの第二高調波である
波長 532nm を用いた銅に対する微細溶接特性はまだ明らかとなっていない点が多い．そこで，本研究では LD 励起
パルス Nd:YAG レーザを第二高調波に変換し，得られる波

図１ 波長 532nm レーザの光ファイバ伝送による直射照長 532nm のパルスグリーン YAG レーザ，および比較のため射システムと積分球による反射率測定方法に波長 1064nm の基本波を用いて非溶融，熱伝導型，キーホール型溶接における光吸収率を明らかにし，レーザ光波長とプロセス形態の関係性も議論した．また，波長 532nm

図 2 は直接照射による実験方法を示しており，集光レンの Nd:YAG レーザの第二高調波を用いたとしても，銅の溶ズ f=60mm を用いてスポット直径 100µm を得た．いずれ

接においては溶け込み深さが突発的に変動することが報の場合においても，レーザ光を積分球内の試料に照射し，告されており，特に微細溶接においては溶け込み深さの精反射光のエネルギーを計測することで銅の吸収率を求め密な制御が求められる。そこで，ミリ秒パルスレーザを用た．なお試料には厚さ 1.0mm の無酸素銅を用いた．レー

いた銅の微細レーザ溶接法において，溶け込み深さ安定化

ザ光照射の際にはレーザ光軸に対して試料を 10 度傾け，のための適切な入熱方法も検討した．

焦点は試料表面に合わせた．溶接ビードの断面形状は，溶融領域を明確にするためにアンモニア水と過酸化水素水

２．実験方法の混合液でエッチング処理を行った後に観察した．

使用したレーザ発振器は，直接変調方式の LD 励起パル

また，波長 1064nm の Nd:YAG レーザの基本波に関し

ス型 Nd:YAG レーザであり，YAG ロッドから出力された波ては，発振器から出力されたレーザ光をファイバ伝送する

長 1064nm の基本波を共振器内部の非線形光学結晶を通過のではなく，反射ミレーにて伝送して集光レンズ f=50mmさせることで波長 532nm の第二高調波を得る．その後，ハを用いてスポット直径 30µm を得た．いずれのレーザ光波* 岡山大学

大学院自然科学研究科

准教授- 66 -

長を用いた実験においても，シールドガスとして N2 を用れる．しかしながら，光吸収率は非溶融の状態と比較していており，積分球内は N2 で満たされた状態においてレー大幅に向上している．このことから，銅に対する基本波のザ光照射実験を行った．

光吸収率は試料温度の上昇とともに，あるいは溶融にともなって増加する可能性が高いと考えられる．
一方，波長 532nm の第二高調波の光吸収率は，非溶融の状態において基本波の 6 倍以上となる約 58％となっており，基本波に比べ高い光吸収率を示している．しかし，基本波の場合と異なり照射するレーザ光の強度に対する相関性は見られず，熱伝導型における光吸収率は約 50％と非溶融の場合に比べ低い値となっていた．レーザ光の強度をさらに上げてキーホール型の加工形態となった場合，光吸収率はやや向上し約 56％となっていた．キーホール

図２ 波長 532nm レーザによる直射照射システムと積分が発生した場合はレーザ光がキーホール内壁で多重反射球による反射率測定方法されることにより光吸収率が向上する効果が生じる．第二高調波においても同様の現象が発生した結果，キーホール

３．レーザ光波長が光吸収率に及ぼす影響

型加工の光吸収率が非溶融や熱伝導型に比べ高い値を示

試料に対してレーザ光を照射することによって発生すしたと考えられる．一方，熱伝導型加工の光吸収率が非溶る現象は，①照射レーザ強度が低く加工（溶融）現象が発融に比べ低下していることから，銅に対する第二高調波の生しない場合，②照射レーザ強度が中程度で熱伝導型溶接

光吸収率は試料温度の上昇，溶融開始にともなって生ずるとなる場合，③照射レーザ強度が高くキーホール型溶接と試料表面の変化やプラズマ等の諸現象が影響しているとなる場合の 3 つに大別することができる．この 3 つの現考えられる．

象はそれぞれでレーザ光照射部の温度や形状に違いがあることから，レーザ光吸収率にも変化が現れると考えられる．したがって，試料の光吸収率の測定はこの 3 つの現象それぞれにおいて実施した．具体的には，まずレーザ光の照射出力を変更して試料に照射することによって，非溶融，熱伝導型，キーホール型の各々の加工状態となる出力を確認し，次にそれぞれの出力によって積分球内で加工を行い，試料の光吸収率を測定した．なお，吸収率の測定は各条件で 10 回ずつ行いその平均値を算出した．
試料に対してパルス Nd:YAG レーザの基本波およびパルスグリーン Nd:YAG レーザを照射して測定した試料の光吸収率を図３示す．図より，波長 1064nm の基本波と波長 532nm の第二高調波で吸収率が大きく異なっていることが確認できる．さらに，いずれの波長も加工状態によって吸収率に変化が生じているが，この変化の傾向も波長によって異なっていることがわかる．基本波の光吸収率は，

図３ 銅のレーザ溶接実験におけるプロセス形態と光吸収率

非溶融の状態において 9.3％と最も低い値を示しており，熱伝導型，キーホール型の順に上昇している．すなわち，

４．溶け込み深さと試料温度が光吸収率に及ぼす影響レーザ光の照射出力が上昇し，溶込み深さが増加するほど光吸収率が向上することを示している．キーホール型の加工となる場合，試料にレーザ光を照射することで発生する

図 4 は銅に Nd:YAG レーザの第二高調波を照射した際金属蒸気の圧力によって溶融部の形状が変化し，中心付近における溶け込み深さと光吸収率との関係を示したものに深い凹形状のキーホールが形成される．これにより，キである．図 5 は，そのレーザ光照射表面と断面の一例であーホールの内壁で吸収されず反射されたレーザ光はさらる．非溶融と熱伝導型の試料の状態においては実験装置とにキーホールの内部へ導光され，再び試料へ照射されるたして図 1 を，キーホール型では図 2 に示すものを使用しめ熱伝導型に比べて吸収率が向上したと考えられる．熱伝た．キーホール型の溶融形態においては，レーザ光がキー導型の加工の場合，レーザ光の照射により試料表面は溶融ホール内壁で多重反射されることにより光吸収率が向上するがその形状に大きな変化は現れないため，キーホールする効果が知られている 6)．これと同様に，キーホール型のように光吸収率を向上させる効果は生じないと考えら

溶接では溶け込み深さが増すほど光吸収率は上昇したと- 67 -

考えられる．一方，非溶融から熱伝導型の溶接形態においは，波長 1064nm のパルス Nd:YAG レーザでは試料の温てはそれとは逆に，溶け込み深さが増大するにつれて光吸度上昇と共に光吸収率も上昇しているが，波長 532nm の収率は低下した．

パルスグリーン Nd:YAG レーザではこれと逆に試料の温度が上昇するほど光吸収率が低下する傾向を示している．
加工形態による試料の光吸収率の変化を示した図３より，
波長 1064nm では非溶融に比べて熱伝導型加工の方が高い光吸収率を示しているが，波長 532nm ではこれと逆の傾向を示すことが確認されている．この原因は試料の光吸収率に温度依存性が影響したと考えられる．光吸収率の測定はヒータ出力の制限により 773K を上限温度としたが，熱伝導型溶接となる場合は銅の融点である 1356K を超える温度に達しているため，光吸収率の変化はさらに大きくなり，それによる影響もより明確に現れるのではないかと考えられる．

図４ 波長 532nm を用いた銅のレーザ溶接実験における光吸収率と溶け込み深さ

図６ 固相状態の銅に対するレーザ光吸収率と温度の関係

以上の結果から，試料の光吸収率は波長のみではなく試

図５ 波長 532nm を用いた異なるプロセス形態における料温度によっても変化し，その変化する傾向が波長銅のレーザ光照射痕

1064nm と 532nm で異なっていることから，これが加工形態による光吸収率の変化に影響を及ぼしているものと

図６は波長 1064nm のパルス Nd:YAG レーザと波長考えられる．

532nm のパルスグリーン Nd:YAG レーザの銅に対する光吸収率の温度依存性の測定結果を示す．最高温度を 773K

５．パルス波形がプロセス特性に及ぼす影響

として 100K 刻みで 5 設定と常温（295K）の合計 6 設定

次にパルス波形制御を用いて溶融状態を制御することの温度において測定を行い、各条件で 5 回ずつ測定した吸でより高効率な光吸収の実現が可能ではないかと考え，最収率の平均値を算出した．
測定は両波長ともパルス幅 4ms，適なパルス波形を検討した． 照射するレーザパルスの波

ピーク出力 0.46kW の山型波形を用いて行い，レーザ光に形は，パルスエネルギー2J/pulse，パルス幅 2.4ms，ピー

よって供給されたエネルギーによる試料の温度上昇を避

ク出力 1.2kW に統一した山型波形とし，最大ピーク出力けるために照射エネルギーの低い非溶融の条件とした．図の時間的位置を変化させた．さらに，それらのパルス波形

より，試料の光吸収率は僅かではあるが温度によって変化の中で最も良好な加工結果の得られたものに対して，パルし，さらにその変化する傾向が波長によって異なっている

スエネルギーを一定としたままでパルス幅を変更してそことがわかる．常温から 500K 程度まではいずれの波長にの変化を検証した．加工は各パルス波形で 5 回ずつ行い，おいても光吸収率はほぼ一定の値を示しており大きな変レーザ光を照射して得られた加工痕はこれまでと同様に化は見られない．しかし，500K を超える温度域において照射面および断面の観察を行った．

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パ ルス波形 を構成す る最小時 間単位を 1 ステップ

す影響を示している．溶け込み深さのバラつきは最大ピー0.4ms とし，6 ステップでパルス幅 2.4ms の 1 つのパル

ク出力のステップ位置に強い相関を示し，溶け込み深さのスを構成している．図 7 の左の 3 種類のパルス波形は，バラつきを低減するためには，パルス波形における最大ピそれぞれ５ステップ目，３ステップ目，２ステップ目に最ーク出力をパルスの前半に位置させることが重要であっ

大ピーク出力 1.2kW が存在するパルス波形とし，最大ピた．以上のように，前半に最大ピークがあり照射終了までークの前後は出力がなだらかに増加，減少するように同一なだらかに低下するパルス波形で，かつパルス幅を長くすの パルスエネルギーで階段状のパルス波形とした．これることによってポロシティなどの溶接欠陥や溶込み深さ

ら 3 つのパルス波形は，後半，中盤，前半にピーク出力をのバラツキを低減した良好な加工結果が得られることがもつことから，図中ではそれぞれ“Later P.p.”，“Middle確認できた．

P.p.”，“Early P.p.”との名称で表示し識別している．さらに， Early P.p.のパルス波形を基にパルス幅を 3.2msおよび 4.0ms とし，いずれもパルス波形 Early P.p.と同様に最大ピーク出力が 2 ステップ目に位置するパルス波形とした．パルスエネルギーおよび最大ピーク出力はこれまでと同様にそれぞれ 2J/pulse および 1.2kW と設定した．
なお，これら新たに作成したパルス波形はそれぞれ“EarlyP.p.τ3.2”，“Early P.p. τ4.0”との名称で表記している．
加えて，パルス幅 4.0ms，パルスエネルギー2J/pulse でピーク出力を 0.8kW としたパルス波形 Early P.p.0.8 τ4.0 として比較のために用いた．
図７はパルスエネルギーを 2.0J/P と統一して，図下部に示すパルス波形を用いた時の試料表面状態と溶け込み状態を示している．表面状態に関してはパルス幅が長くな

図８ 波長 532nm を用いた銅のレーザ溶接実験においてパルス波形が溶け込み深さに及ぼす影響るにつれて表面の状態が安定する傾向が得られた．また，溶接欠陥においても，発生量，その大きさ共にパルス幅が長くなるにつれて減少する傾向が見られた．溶融領域内部

図９に，Nd:YAG レーザの第二高調波のパルス波形を変でポロシティとなりうる気泡の発生後，密度差から気泡は化させた場合の光吸収率を示す．パルス幅 2.4ms でピー外部へ排気される様に上昇する．しかし，レーザ光照射がク出力位置が後半，中間，前半と異なる 3 種と，ピーク出終了し，冷却が急激に進行すると気泡が外部に放出される

力位置は前半で，パルス幅が 3.2ms と 4.0ms の 2 種，合前に凝固が始まり，内部に残留する．そこで，パルス幅を計 5 種のパルス波形を用いた．実験装置は図 1 に示す光

長くすると，溶融状態が長く続き，気泡の排出が促されるファイバ伝送方式を使用した．図より，非溶融の状態におことから溶接欠陥の低減に繋がったと考えられる．

ける光吸収率はパルス波形に依存せずほぼ一定であることがわかる．非溶融の状態とは，すなわちレーザ光を照射した際に試料の温度がほとんど変化しない状態であり，このような照射結果を得るために照射するレーザ光の出力は非常に低い．したがって，いずれのパルス波形においても試料の温度がほとんど上昇せず，単純に銅板上に微弱な光を当てて吸収率を測定している状態になっていたため，パルス波形による違いが現れなかったと考えられる．逆に，非溶融の状態において吸収率の測定結果にパルス波形の影響が現れなかったことは，パルス波形に起因する誤差の少ない正確な測定結果が得られていると考えられる．
これに対して，熱伝導型の場合はパルス波形による違いが明確に現れており，パルス幅が同一の Later P.p.，
Middle P.p.，Early P.p.では，ほぼ同一の光吸収率を示しているが，パルス幅が長くなる 3.2ms，4.0ms ではパルス

図７ 波長 532nm を用いた銅のレーザ溶接実験において幅が長くなるにつれて徐々に光吸収率が増加している．図パルス波形が溶け込み状態に及ぼす影響

６で示した試料温度による光吸収率の変化の測定結果から，波長 532nm でキーホールをともなわない加工を行っ

図８は図７で用いたパルス波形が溶け込み深さに及ぼた場合，試料温度が高いほど吸収率が低くなる傾向が明ら- 69 -

６．まとめかとなっている．さらに，用いたパルス波形はいずれも同一のパルスエネルギーとなっていることから，パルス幅が波長 532nm および波長 1064nm のミリ秒パルスレーザ長いほど最大ピーク以外のステップの出力が低下する．こを用いた銅の微細レーザ溶接法において，光吸収特性や溶のことを考慮すると，パルス幅が長いほど照射エネルギーけ込み深さ安定化のための適切な入熱方法に関して検討が時間的に分散してレーザ光照射部の最高到達温度が低した．本研究で得られた主な結言は以下のとおりである．

くなった結果，吸収率が上昇したものと考えられる．

(1)

銅の光吸収率は波長や加工形態によって異なり，非また，キーホール型溶接の場合もパルス幅が長いほど光吸

溶 融 の 条 件 で は 波 長 532nm の 光 吸 収 率 は 波 長収率が上昇する傾向にある．前述の通り，キーホール型溶1064nm に比べ 5 倍以上高い値を示す．しかし，キ接の場合，レーザ光はキーホールの内壁で多重反射されなーホールの発生をともなう場合は波長 532nm の方がら中心部へ導光されるため，熱伝導型と比べて試料の光が高い光吸収率を示すものの，波長 1064nm に対す吸収率は上昇する．したがって，パルス幅が長いほどキーる増加率は約 1.7 倍と低くなる．
(2)

ホールの持続時間が長くなり，このために光吸収率が上昇

波長 532nm においても波長 1064nm と同様，熱伝導型からキーホール型へ溶接形態が変化することで，したと考えられる．

その光吸収率は増大する．
(3)照射エネルギーが同一であってもパルス波形によって加工結果に変化が生じ，前半に最大ピーク出力を有し，かつパルス幅の長いパルス波形を用いることで．ポロシティの残留が少なく溶込みの深い良好な加工結果が得られる．

(4)

非溶融状態においてパルス波形は光吸収率に影響を及ぼさないが，熱伝導型およびキーホール型溶接ではパルス幅の長い方が光吸収率は増大する．

(5)

パルス波形によって光吸収率は異なり，相似性をもつパルス波形同士であれば光吸収率と溶込み深さの間に正の相関関係を示す．しかし，パルス幅も波形形状も大きく異なるパルス波形同士では，光吸収率と溶込み深さに相似関係は示されない．

図９ 波長 532nm を用いた銅のレーザ溶接実験において謝 辞

パルス波形が光吸収率に及ぼす影響

本研究の一部は，公益財団法人天田財団からの研究助成により実施した研究に基づいていることを付記するとと図７で示した加工はいずれもキーホール型溶接となっもに，同財団に感謝いたします．

ていたことから図９の右側に示した一群がこの加工結果に対応する光吸収率である．パルス幅 2.4ms である 3 つ

参考文献のパルス波形 Later P.p.，Middle P.p.，Early P.p.を比較

1)金属材料活用事典編集委員会：金属材料活用事典，

すると，溶込み深さおよび光吸収率はいずれも Later P.p.
＞Middle P.p.＞Early P.p.の順に大きくなっており，両者(2000), pp.74-77, 648-650，産業調査会.
2)永井治彦：増強改訂版レーザプロセス技術，(2008),pp.64-6，オプトロニクス社 8.の間に正の相関があることがわかる．また，最大ピーク出力が前半に位置するパルス幅の異なる 3 つのパルス波形

3)国立天文台編：理科年表 1990 年版，(1990), pp.99，丸Early P.p.，Early P.p.τ3.2，Early P.p. τ4.0 を比較す善株式会社.

ると，これらも溶込み深さおよび光吸収率に正の相関性が4)S. Engler, R. Ramsayer and R. Poprawe : Processあり，両者の値は Early P.p. τ4.0＞Early P.p. τ3.2＞

Studies on Laser Welding of Copper with Brilliant

Early P.p.とパルス幅が長くなる順に光吸収率も大きくなGreen and Infrared Lasers, Physics Procedia, 12,(2011) 339–346.っている．したがって，ある程度の相似性を有したパルス波形同士であれば溶込み深さと光吸収率の間に相関性が5)F. Otte, S. Pamin, J. Hermsdorf, D. Kracht and R.

あり，光吸収率が大きいほど深い溶込みが得られる．本実

Kling : Enhancement of Process Stability for Laser

験で実施した光吸収率の測定方法では，レーザ光照射中のSpot Micro Welding by Using 532 nm Radiation,
Proceedings of LAMP2009, (2009) #09-114.

試料に外部から全く影響を与えないため，加工しながら光吸収率を測定することによって加工を行った試料の溶込

6)宮本勇：レーザ溶接(1)，第 40 回レーザ熱加工研究会論文集，(1997), pp.93-102.

み深さを推定することが可能になると考えられる．

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