Review
高速レーザ走査を用いた高速レーザ走査を用いた
金属箔の精密微細溶接法の開発
金属箔の精密微細溶接法の開発

写真位置
削除しないでください岡本*
岡本康寛康寛

Y. Okamoto
１．まえがき光は焦点距離 PP のテレセントリックタイプ fθレンズ

電気，電子産業では各種部品の小型化が進み，それにとで集光されており，焦点におけるスポット径 G は各々µP，もなって金属薄板の接合に対する要望が高まっている．しµP である．試料には厚さ µP のステンレス（;&U1L

かし，薄板は材料の保持が難しく，特に微小部品ではプロ）を用い，×PP の開口部を有するプレートにて固定

セスの自由度も重要となる．また，薄板では材料への入熱した．溶接実験はシールドガスを用いない大気中とし，焦により変形が生じやすく，それによりギャップのコントロ点を試料表面に合わせて行った．溶接長さはシングルモーールが不安定になるなど，その適応には困難がともなう．

ドファイバレーザの場合は PP と一定とした．また，パル一般に，薄板の溶接にはパルスレーザによる溶接が行われスレーザではパルス幅 PV を一定としたことから，溶接るが，加熱と冷却のサイクルが繰り返されることから試料長さはパルス幅とレーザ光走査速度の積の値である．


する報告もなされているが ，試料厚さに対して大きな接合領域を必要とする．一方，フラウンホーファー・レーザ

技術研究所はピークパワーが高いパルスレーザを高速で走査する溶接手法 6+$'2:®を開発し，試料のひずみを抑え

Weldingseam

た溶接が可能であり，高反射率の材料へも適応できると報告している  ．しかし，試料厚さが非常に小さい場合，入

熱により試料のゆがみは容易に生ずる ．また，より微細な溶接ビードが求められている．それらを満足するためには，微細なビードであり，かつ試料への投入エネルギーをFiber

Laser source

2 mmがひずむ可能性が高くなる．また，熱伝導型の溶接を適応

CCD
cameraScannerfθ lens

10 mm

Fixation plate

Laser beamSpecimen

低く抑える必要がある．つまり，微細スポットに集光され図  溶接特性検討におけるレーザ光照射装置の模式図

た高いエネルギー密度を高速で走査する手法により，ひず

みの低減と微細ビードが期待できるなど，高速走査と微小  ビードオンプレート溶接

スポットの組み合わせは薄板の溶接に有効であると考え  ステンレス箔の溶接範囲

られる．そこで本研究では，微小スポットのレーザ光を，薄板は裏面からの熱流速の反射や，熱量の蓄積のために材料の保持に自由度を持たせることが可能なガルバノス

厚板に比べて温度が上昇しやすく，入熱量をより高精度にキャナシステムで高速に走査する手法に関し，ステンレス制御することが必要となる．そこで，図２に示すように，箔の高速微細レーザ溶接特性を検討した．また，試料の変レーザ出力とレーザ光走査速度を変化させて厚さ µP の形量を低減するための取り組みに関して検討した内容にステンレス箔のビードオンプレート溶接を行い，溶接可能関しても述べる．

範囲を検討した．図２ D に示すパルス 1G<$* レーザでは，

レーザ出力の上昇にともなって溶接可能範囲が広がって２．溶接特性に関する検討いる．一方，スポット直径が小さいシングルモードファイ

 ビーム径の異なるパルスレーザとシングルモードファバレーザでは，図２ E に示すように，スポット直径の大イバレーザをガルバノスキャナにより高速走査し，金属薄きなパルス 1G<$* レーザよりも広範囲で溶接条件を制御板の微細レーザ溶接の基礎的特性に関して検討を行った．

できる．また，: と低いレーザ出力で PPV と非常  実験方法に高いレーザ光走査速度まで溶接が可能であることから，試料への入熱を低減でき，ひずみの抑制に繋がることが期

実験装置の模式図を図１に示す．発振器には波長QP の シ ン グ ル モ ー ド フ ァ イ バ レ ー ザ （ 63, 社 製待できる．

63&）と波長 QP のパルス 1G<$* レーザ（+$$6

図３ D に示すように，スポット直径が大きいパルス

社製 +/3）を用いた．光ファイバにより導かれたレーザ

1G<$* レーザの場合，レーザ光照射開始点側では溶接ビ* 岡山大学

大学院自然科学研究科准教授- 68 -

ードが明瞭に確認されなかった．一方，スポット直径の小ネルギー密度の関係を示したものである．溶接ビード幅は

さいシングルモードファイバレーザの場合，)LJ E に示

エネルギー密度の変化に比例して増大している．また，溶すようにレーザ光照射初期より良好な溶接ビードが形成

け込み深さもエネルギー密度 -PP 以下ではエネルギーされていることがわかる．

密度に比例しており，この領域では溶け込み深さをエネル 以上のことから，これ以降は低出力で溶接可能範囲が広ギー密度で制御可能である．

く，良好な溶接ビードが形成されるシングルモードファイ

レーザ出力 3 :

ビード幅 :% µm

バレーザを用いた溶接特性に関して検討を行った．

エネルギー密度 ( -PP(a) ビード幅走査速度 Y PPV

レーザ出力 3 :

溶け込み深さ '3 µm(a) パルス Nd:YAG レーザ

エネルギー密度 ( -PP(b) 溶け込み深さ

走査速度 Y PPV

図  シングルモードファイバレーザにおけるビード幅(b) シングルモードファイバレーザ

および溶け込み深さとエネルギー密度の関係
図  溶接可能範囲の分布  溶接ビードの形状



図５は厚さ µP のステンレス箔に対して出力 : のシ
ングルモードファイバレーザを照射したときの溶接ビードの断面写真を示したものであり，いずれのレーザ光走査速度においても欠陥のない良好な溶接ビードが形成されていることがわかる．
10 μm



10 μm

(a) パルス Nd:YAG レーザ (b) シングルモードファイバレーザ
(P = 30 W, v = 333 mm/s)(P = 15 W, v = 666 mm/s)
図  溶接ビード表面の 6(0写真(a) v = 666 mm/s

  ビード幅と溶け込み深さ
図４はシングルモードファイバレーザによる厚さ µPのステンレス箔の溶接ビード幅および溶け込み深さとエ(c) v = 2000 mm/s

図  シングルモードファイバレーザ 15W における溶接ビード断面- 69 -(b) v = 1000 mm/s

図６は，同条件における溶接ビード表面の 6(0 写真であQP，定格出力 : の 63, 社製 <Eファイバレーザをる．レーザ光走査速度 PPV では良好な溶接ビードが形用いた．ファイバより出力されたレーザ光は連続波であり，成されている．一方，レーザ光走査速度 PPV 以上で直径約 PP のガウスモードビームをスポット直径にあわは，溶接ビード表面に周期構造が確認された．この要因とせて拡大した．高速レーザ光走査実験を行うために，ガルして，レーザ出力の不安定さやファイバの振動によるビーバノスキャナを用い，厚さ ，µP の 686 薄板に焦点ムモード変化の影響が懸念されるが，測定の結果それらの距離 PP の fθ レンズを用い，焦点位置にて照射した．

安定性が確認された．また，ガルバノスキャナ装置のディ

ジタル動作の影響も懸念されるが，周期構造が形成される



周期は本スキャナシステムの制御時間分解能以下であった．したがって，本周期構造の生成メカニズムはレーザ光

の走査と溶融材料の挙動が関係しているものと考えられ

るが，この点に解明に関しては今後の更なる検討を要する．











1010 μmμm

210μmμm
10μm(a) v = 666 mm/s

μmμm
22μm
10(b) v = 1000 mm/s

(c) v = 2000 mm/s



図  シングルモードファイバレーザ : における溶接図  試料変形検討におけるレーザ光照射装置の模式図


ビード表面の 6(0 写真

レーザ光照射による熱変形量を評価するため，図９に示すようにレーザ変位計を用いてレーザ光照射前後におけ  重ね溶接
シングルモードファイバレーザを用いて厚さ µP のスる試料高さを測定した．測定範囲は幅 PP，長さ PP であテンレス箔  枚の重ね溶接を行った．図７に示すように欠り，レーザ変位計のスポット直径である µP 間隔ごとに陥の無い微細な溶接ビードが形成されている．また，図７

レーザ変位計と試料を相対運動させながら測定することE に示すように， 枚のステンレス箔の間に若干のギャで，測定領域全体の変形量を得た．また，光学顕微鏡を用ップが存在しても重ね溶接が可能であった．薄板の溶接のいて変位測定時と同条件の溶接ビード断面を観察し，レー場合，材料間のギャップ制御は難しいことから，このようザ光出力増加にともなうビード形状の変化を評価した．さにギャップが存在しても重ね溶接可能である点は薄板のらに，ビード形状と熱変形との関係を定量的に評価するた

接合には特に有効であると考えられる．

めに式  に示すような，溶接ビード断面から得られた溶

け込み深さとビード幅との比であるアスペクト比を適用した．

アスペクト比

溶け込み深さ    (1)ビード幅

(a) P = 15 W, v = 166 mm/s

(b) P = 30 W, v = 833 mm/s



図  重ね溶接のビード断面







３．試料変形に関する検討

金属薄板の溶接では変形量が微小であっても溶接特性

に与える影響は大きいしたがって金属薄板のレーザ微細

溶接において薄板の熱変形を理解することはプロセス精

度向上のために重要であるそこで金属薄板のレーザ微細

溶接における熱変形特性を評価，検討した．

 実験方法



図８に実験装置を模式的に示す．レーザ発振器には波長- 70 -図  試料の変形量測定方法

形角とアスペクト比の関係を示す．なおアスペクト比およ  レーザ微細溶接における熱変形
図  にビードオンプレート溶接における各溶接モード

び変形角は，同一条件で  回レーザ光照射実験を行い，その断面写真を示す．図に示すように溶接ビード形状は試料の平均値より算出した．図中，溶け落ちが生じた条件の結を貫通しない D 熱伝導型 &RQGXFWLRQ ， E 半溶け込み型

果は>@を用いてプロットしており，上部の赤いハッチン

4XDVLSHQHWUDWLRQ ，および，試料を貫通した F 貫通型

グ領域は，ビード断面の観察によって溶接モードが貫通型溶接 )XOOSHQHWUDWLRQ の  種類に大別される．

溶接であった条件を示している．
図中下部の白い領域，つまり溶接モードが熱伝導型または半溶け込み型溶接の場合，アスペクト比が大きくなると

変形角も増大した．一方，貫通型溶接の場合，アスペクト

比が増加すると変形角が減少した．また，スポット直径が異なっても同様の傾向を示し，溶接モードとアスペクト比で変形角を整理できる．

v = 1000mm/s, d = 35.0µm



図  レーザ出力によるビード形状の比較



ここでは，レーザ光走査速度 PPV，スポット直径µP を一定とし，レーザ光出力のみを変化させた．エ

ネルギー密度が低い場合，レーザ光照射後の試料は図 D

に示すように下向き（凹形状）に変形し，溶接モードは熱

伝導型または半溶け込み型溶接となった．一方，エネルギ

ー密度の高い場合では図 E に示すように上向き（凸形状）に変形し，貫通型溶接となった．これは試料厚さが µP

変形角度 δº

図  はレーザ光照射前後の試料高さの差より，厚さ
µP における試料の変形量を算出した結果を示している．

アスペクト比と非常に薄いことから，貫通型の溶接ビードによって試料

図 異なるスポット直径における試料の変形角度と溶が板厚方向に収縮したためと考えられる．以上のように，接ビードアスペクト比の関係

エネルギー密度の増加にともない，試料は凹から凸形状に
変形形状が推移したことから，適切なレーザ光照射条件を 変形角度を微小に抑えた照射条件

選択することで，変形を微小に抑えることが可能と考えら

前述のとおり，適切なレーザ光照射条件を選択することれる ．で，スポット直径にかかわらず試料の変形角度を微小に抑えることができた．しかし，試料厚さが異なると，図 

に示すように，試料の変形角度を微小にできる条件において得られたビード形状は各々異なっていた．























v = 1000mm/s, d = 35.0µm図  変形量の測定結果

v = 1000mm/s, d = 35.0µm



図  各試料厚さで低変角度となる溶接ビード形状 ビード形状が熱変形に及ぼす影響
次に，スポット直径 µP でレーザ光照射実験を行い，

試料厚さ µP における変形角とビード形状の関係を検討 試料厚さの影響した．ここでは，レーザ光走査速度 PPV を一定とし試料厚さが µP と µP のものを用い，各照射条件でて，スポット直径 µP ではレーザ光出力を :，ス得られた変形角とアスペクト比の関係を図  に示す．変ポット直径 µP では : の切断に至らない範囲でレ形角を微小にできる溶接ビードは試料厚さによって異なーザ光照射実験を行った．図  は各スポット直径での変ったものの，変形が微小となるのは変曲点付近であること- 71 -

接ビードのアスペクト比の変化形態に着目することがわかった．
以上のように，熱変形とビード形状の間には相互関係がで試料の変形角度極小化の可能性が示された．

あり，アスペクト比によってその関係性をある程度整理で

３）微細スポットでは溶接深さをエネルギー密度で制御きることがわかる．したがって，試料厚さごとのアスペクでき，若干のギャップが存在しても  枚のステンレト比を理解することで，金属薄板での微細レーザ溶接におス箔を重ね溶接することが可能であった．


いて熱変形を微小に抑えた接合継手が得られると考えら

謝 辞れる．

本研究の一部は，公益財団法人天田財団からの一般研究



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

とともに，同財団に感謝いたします．また，本研究を遂行

するにあたり，多大なるご支援を頂いたフラウンホーファ

名誉教授宮本勇先生に謝意を表する．そして，本研究を遂行するにあたり尽力頂いた岡山大学特殊加工学研究室に所属した学生の皆様に感謝いたします．



変形角度 δº

ー・レーザ技術研究所 3URI'U53RSUDZH と大阪大学

参考文献

1) 舟田義則，阿部信行：半導体レーザの直接加工による超薄板ステンレス鋼の重ね溶接，先端加工学会誌, 25，

アスペクト比

1 (2007) 45．

2) T. Kramer, A. Olowinsky and F. Durand: SHADOW –A

図 異なる試料厚さにおける試料の変形角度と試料のNew Welding Technique, Proceedings of SPIE 4637,

変形角度と溶接ビードアスペクト比の関係(2002) 545.

４．まとめ3) D. Radaj : Heat Effects of Welding, Springer-Verlag, (1992),
pp.1, 9-11, 14, 149.

本検討で得られた主な結論は以下のとおりである．
１）ステンレス箔に対してビーム直径の小さい方が低入

4) Y. Okamoto, S. Matsuoka, M. I. S. Ismail and A. Okada :熱で広い条件下にて溶接を行い，レーザ光照射開始

Thermal Deformation in Micro-welding of Thin Stainless

点より良好な溶接ビードを形成できた．

Steel Sheet by Single-mode Fiber Laser Proceedings of10th International Conference on Progress of Machining２）試料の変形角度を微小にできる溶接モードおよび溶接ビード形状は試料厚さによって異なるものの，溶- 72 -Technology, (2012) pp.199-202.