JP4728583B2 - Laser welding method - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金よりなるワークに、レーザ光を照射してレーザ溶接を実施するレーザ溶接方法に関する。 The present invention relates to a laser welding method for performing laser welding by irradiating a workpiece made of aluminum or an aluminum alloy with laser light.
従来、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金よりなるワークをレーザ溶接する場合には、300kW/cm2(一般的には、1000kW/cm2以上)を超えるような高い平均エネルギー密度のレーザ光を照射している(特許文献1及び2参照。)。
Conventionally, for example, when laser welding a workpiece made of aluminum or an aluminum alloy, a laser beam having a high average energy density exceeding 300 kW / cm 2 (generally, 1000 kW / cm 2 or more) is irradiated. (See
しかしながら、上記従来のレーザ溶接方法においては、次のような問題がある。すなわち、上記のように高い平均エネルギー密度のレーザ光を、アルミニウムやアルミニウム合金よりなるワークに照射すると、溶融材料が周囲に飛散する、いわゆるスパッタや、金属材料が蒸発して気化する、いわゆるプラズマプルーム等が発生するおそれが高い。 However, the conventional laser welding method has the following problems. That is, when a laser beam having a high average energy density is irradiated onto a workpiece made of aluminum or an aluminum alloy as described above, a so-called plasma plume in which a molten material is scattered around, or a metal material is evaporated and vaporized. Etc. are likely to occur.
そして、レーザ溶接時にスパッタやプラズマプルーム等が発生すると、レーザ溶接を行う溶接装置における集光レンズ等、光学系の汚損や損傷を生じるおそれがある。また、レーザ溶接を施したワークでは、形成した溶接ビードの表面が不整なものとなり、溶接強度が低下するおそれがある。
さらに、プラズマプルームが発生すると、このプラズマプルームはレーザ光のエネルギーを吸収する性質があるため、ワークに供給する溶接エネルギーが不足するという問題も発生する。
If spatter or plasma plume is generated during laser welding, the optical system such as a condenser lens in a welding apparatus performing laser welding may be damaged or damaged. In addition, in a workpiece subjected to laser welding, the surface of the formed weld bead becomes irregular, and the welding strength may be reduced.
Further, when a plasma plume is generated, the plasma plume has a property of absorbing the energy of the laser beam, which causes a problem that the welding energy supplied to the workpiece is insufficient.
このプラズマプルームを除去するには、例えば、レーザ溶接箇所にアシストガスを吹き付けることがある。しかし、このアシストガスの供給量や供給方向等が適切でないと、アシストガスによる有効な効果が得られないばかりでなく、アシストガス自体が、溶融金属の酸化や、不良なビード形状の原因になるおそれもある。
また、上記のスパッタの対策としては、例えば、レーザ装置の光学系に保護ガラスを設けるという対策があるが、この保護ガラスにスパッタが付着すると発光するレーザ光のエネルギー密度が低下し、エネルギー効率が低下するという問題がある。
以上のように、従来のレーザ溶接方法においては、レーザ溶接時に発生するスパッタやプラズマプルーム等に起因して、様々な問題が生じていた。
In order to remove this plasma plume, for example, an assist gas may be sprayed onto a laser welding location. However, if the amount and direction of supply of the assist gas are not appropriate, not only the effective effect of the assist gas can be obtained, but also the assist gas itself causes molten metal oxidation and a defective bead shape. There is also a fear.
In addition, as a countermeasure against the above-mentioned sputtering, for example, there is a countermeasure that a protective glass is provided in the optical system of the laser device. There is a problem of lowering.
As described above, in the conventional laser welding method, various problems have occurred due to the spatter and plasma plume generated during laser welding.
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、アルミニウム又はアルミニウム合金のレーザ溶接において、スパッタやプラズマプルーム等を抑制して良好な形状の溶接ビードを形成し得るレーザ溶接方法を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and in laser welding of aluminum or aluminum alloy, a laser welding method capable of forming a weld bead having a good shape while suppressing spatter and plasma plume. It is something to be offered.
本発明は、半導体レーザ素子が発光する半導体レーザ光を、集光レンズを介してアルミニウム又はアルミニウム合金よりなるワークの表面であるワーク表面に照射してレーザ溶接を実施するレーザ溶接方法において、
焦点距離40mm以上250mm以下の上記集光レンズを用いて上記半導体レーザ光を集光して、略長方形状をなす領域であって、その領域内での平均エネルギー密度が30kW/cm2以上300kW/cm2未満であり、かつ、長手方向の長さと、該長手方向に直交する方向の幅との比率である縦横比が、2:1を超えて、20:1以下の範囲にある照射スポットを、上記ワーク表面に形成すると共に、
該ワーク表面において、上記照射スポットの形成位置を上記長手方向に沿って相対移動させるに当たり、
上記半導体レーザ光を発光する半導体レーザ溶接装置として、複数の半導体レーザ素子を一列に配列したLDバーを、該LDバーにおける上記半導体レーザ素子の配列方向と略直交する方向に、複数積層してなるLDスタックよりなる略長方形状を呈する発光面を有してなり、複数個の該発光面から発光された上記半導体レーザ光を、光ファイバを介さずに直接的に上記ワーク表面に照射するよう構成したものを用いることにより、上記LDスタックの上記発光面の形状を活用して略長方形状をなす領域である上記照射スポットを形成することを特徴とするレーザ溶接方法にある(請求項1)。
The present invention relates to a laser welding method for performing laser welding by irradiating a semiconductor laser beam emitted from a semiconductor laser element onto a workpiece surface, which is a workpiece surface made of aluminum or an aluminum alloy, through a condenser lens.
The semiconductor laser light is condensed using the condensing lens having a focal length of 40 mm or more and 250 mm or less to form a substantially rectangular shape, and the average energy density in the region is 30 kW / cm 2 to 300 kW / An irradiation spot having an aspect ratio which is less than cm 2 and whose ratio of the length in the longitudinal direction to the width in the direction perpendicular to the longitudinal direction is more than 2: 1 and not more than 20: 1. And forming on the workpiece surface,
In relative movement of the irradiation spot formation position along the longitudinal direction on the workpiece surface,
As a semiconductor laser welding apparatus for emitting the semiconductor laser light, a plurality of LD bars in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged in a line are stacked in a direction substantially perpendicular to the arrangement direction of the semiconductor laser elements in the LD bar. A light emitting surface having a substantially rectangular shape made of an LD stack is provided, and the semiconductor laser light emitted from a plurality of light emitting surfaces is directly irradiated onto the workpiece surface without passing through an optical fiber. In the laser welding method, the irradiation spot, which is a region having a substantially rectangular shape, is formed by utilizing the shape of the light emitting surface of the LD stack.
本発明のレーザ溶接方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金よりなる上記ワークに上記半導体レーザ光を照射して、レーザ溶接を実施する方法である。そして、このレーザ溶接方法においては、焦点距離40mm以上250mm以下の上記集光レンズを用い、上記ワーク表面において、上記略長方形状もしくは上記略楕円形状を呈すると共に、その平均エネルギー密度が30kW/cm2以上300kW/cm2未満の上記照射スポットを形成する。さらに、上記ワーク表面において、上記照射スポットの形成位置を該照射スポットの長手方向に沿って相対移動させる。 The laser welding method of the present invention is a method of performing laser welding by irradiating the workpiece made of aluminum or an aluminum alloy with the semiconductor laser light. In this laser welding method, the condensing lens having a focal length of 40 mm or more and 250 mm or less is used, the surface of the workpiece exhibits the substantially rectangular shape or the substantially elliptical shape, and the average energy density is 30 kW / cm 2. The irradiation spot is formed at a rate of 300 kW / cm 2 or more. Furthermore, the irradiation spot formation position is relatively moved along the longitudinal direction of the irradiation spot on the workpiece surface.
そのため、上記レーザ溶接方法によれば、適切な形状を呈すると共に、適切な平均エネルギー密度を呈する上記照射スポットにより、レーザ溶接時のスパッタやプラズマプルーム等の発生を抑えて、良好な外観の溶接ビードを形成することができる。 Therefore, according to the laser welding method, a weld bead having a good appearance can be obtained by suppressing generation of spatter and plasma plume during laser welding by the irradiation spot exhibiting an appropriate shape and an appropriate average energy density. Can be formed.
特に、上記のごとく略長方形状もしくは略楕円形状を呈する上記半導体レーザ光の照射スポットの形成位置を、その長手方向に沿って相対移動させてレーザ溶接を実施するので、形成する溶接ビード上の各点に対して、瞬間的には比較的小さなエネルギー密度の半導体レーザ光を、比較的長い時間に渡って照射することができ、結果として充分な溶接エネルギーを与えることができる。
そしてそれ故、例えば、1本の光ファイバを介して半導体レーザ光を照射した時のような上記照射スポットにおける急加熱や、加熱後の急冷を抑制でき、これにより、溶接歪み等を抑えて良好な溶接ビードを形成できる。さらに、長手方向に細長い上記の照射スポットを、その長手方向に移動させてレーザ溶接を実施するので、レーザ溶接の特徴である溶接ビードの幅が狭い微細なレーザ加工を実現できる。
In particular, as described above, laser welding is performed by relatively moving the formation position of the irradiation spot of the semiconductor laser light exhibiting a substantially rectangular shape or a substantially elliptical shape as described above. A semiconductor laser beam having a relatively small energy density can be instantaneously irradiated to a point for a relatively long time, and as a result, sufficient welding energy can be provided.
Therefore, for example, rapid heating at the irradiation spot as in the case of irradiating the semiconductor laser light through one optical fiber and rapid cooling after the heating can be suppressed, thereby suppressing welding distortion and the like. A weld bead can be formed. Further, since the laser beam welding is performed by moving the irradiation spot elongated in the longitudinal direction in the longitudinal direction, fine laser processing with a narrow weld bead, which is a feature of laser welding, can be realized.
なお、上記照射スポットの平均エネルギー密度が、30kW/cm2未満では、上記ワークの母材の溶融が不十分となるか、あるいは、溶接速度が低下して非効率となるおそれがある。一方、上記平均エネルギー密度が300kW/cm2以上になると、上記ワーク表面からの溶融深さが深い、いわゆる深溶込み型溶接となるおそれがあり、この場合には、スパッタやプラズマプルーム等が発生し、溶接ビードの外観が不良となるおそれが高い。 If the average energy density of the irradiation spot is less than 30 kW / cm 2 , the workpiece base material may be insufficiently melted, or the welding speed may be reduced, resulting in inefficiency. On the other hand, if the average energy density is 300 kW / cm 2 or more, there is a risk of so-called deep penetration welding where the melting depth from the workpiece surface is deep. In this case, spatter, plasma plume, etc. occur. However, the appearance of the weld bead is likely to be poor.
さらに、使用する上記集光レンズの焦点距離が40mm未満であると、上記半導体レーザ溶接装置における上記発光面と上記ワーク表面との距離が短くなり、両者が干渉するおそれがある。一方、焦点距離が300mmを超えると、半導体レーザ光の回折等に起因して上記照射スポットが拡大してその平均エネルギー密度が低下し、エネルギー効率が低下するおそれがある。 Furthermore, when the focal length of the condenser lens to be used is less than 40 mm, the distance between the light emitting surface and the workpiece surface in the semiconductor laser welding apparatus is shortened, and there is a possibility that they interfere with each other. On the other hand, when the focal length exceeds 300 mm, the irradiation spot is enlarged due to diffraction of the semiconductor laser light and the like, the average energy density is lowered, and the energy efficiency may be lowered.
本発明においては、レーザ溶接する上記ワークの材質の組み合わせとしては、同一組成のアルミニウム又はアルミニウム合金でも良く、異なる組成のアルミニウム又はアルミニウム合金の組み合わせであっても良い。
また、上記照射スポットにおける平均エネルギー密度としては、さらに好ましくは、30kW/cm2〜200kW/cm2とするのが良い。
In the present invention, the combination of the materials of the workpiece to be laser welded may be aluminum or aluminum alloy having the same composition, or may be a combination of aluminum or aluminum alloy having different compositions.
As the average energy density of the irradiation spot, and more preferably in a 30kW / cm 2 ~200kW / cm 2 .
また、上記半導体レーザ光を発光する半導体レーザ溶接装置としては、複数の半導体レーザ素子を一列に配列したLDバーを、該LDバーにおける上記半導体レーザ素子の配列方向と略直交する方向に、複数積層してなるLDスタックよりなる略長方形状を呈する発光面を有してなり、複数個の該発光面から発光された上記半導体レーザ光を、光ファイバを介さずに直接的に、上記ワーク表面に照射するように構成してあるものを用いる。 Further, as a semiconductor laser welding apparatus that emits the semiconductor laser light, a plurality of LD bars in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged in a row are stacked in a direction substantially orthogonal to the arrangement direction of the semiconductor laser elements in the LD bar. The semiconductor laser light emitted from a plurality of light emitting surfaces is directly applied to the work surface without passing through an optical fiber. What is comprised so that it may irradiate is used.
従来、例えば、光ファイバを介するために半導体レーザ光の照射形状は略円形状であったが、この場合には、上記略長方形状に構成された上記発光面の形状を積極的に活用して、上記略長方形状もしくは略楕円形状を呈する上記照射スポット形状を効率良く形成することができる。 Conventionally, for example, the irradiation shape of the semiconductor laser light through an optical fiber has been a substantially circular shape, but in this case, the shape of the light emitting surface configured in the substantially rectangular shape is actively utilized. The irradiation spot shape exhibiting the substantially rectangular shape or the substantially elliptical shape can be efficiently formed.
また、上記照射スポットにおける上記長手方向の長さと、該長手方向に直交する方向の幅との比率である縦横比は、2:1を超えて、20:1以下の範囲にある。これにより、上記照射スポットの形状をさらに適切なものとして、さらに良好な溶接ビードを形成することができる。 Moreover, the aspect ratio which is the ratio of the length in the longitudinal direction of the irradiation spot to the width in the direction perpendicular to the longitudinal direction is in the range of more than 2: 1 and 20: 1 or less . Thereby , the shape of the said irradiation spot can be made still more suitable, and a more favorable weld bead can be formed.
上記縦横比が、2:1以下であると、上記平均エネルギー密度を下げざるを得ず、上記照射スポットが相対移動する前後方向において急加熱や急冷が生じるおそれがある。一方、上記縦横比が、20:1を超えると、平均エネルギー密度が低下して、溶接ができなかったり、溶接時に歪が生じるおそれがある。
なお、上記縦横比は、3:1〜15:1がより好ましく、さらに好ましくは、8:1〜12:1とするのが良い。
If the aspect ratio is 2: 1 or less, the average energy density has to be lowered, and there is a risk that rapid heating or rapid cooling may occur in the front-rear direction in which the irradiation spot moves relatively. On the other hand, if the aspect ratio exceeds 20: 1, the average energy density is lowered, and welding may not be possible or distortion may occur during welding.
The aspect ratio is more preferably 3: 1 to 15: 1, and further preferably 8: 1 to 12: 1.
また、上記半導体レーザ光の波長は、700nm以上1000nm以下であることが好ましい(請求項2)。
この場合には、アルミニウム又はアルミニウム合金よりなる上記ワーク表面での吸収率が高いため、エネルギー効率良くレーザ溶接を実施することができる。
より好ましくは、上記半導体レーザ光の波長は、800nm以上950nm以下とするのが良い。
The wavelength of the semiconductor laser light is preferably 700 nm or more and 1000 nm or less ( claim 2 ).
In this case, since the absorption rate on the surface of the workpiece made of aluminum or an aluminum alloy is high, laser welding can be performed with high energy efficiency.
More preferably, the wavelength of the semiconductor laser light is 800 nm or more and 950 nm or less.
また、上記アルミニウム合金は、JIS1000系、JIS3000系、JIS5000系又はJIS6000系のいずれかであることが好ましい(請求項3)。
この場合には、レーザ溶接時に、スパッタやプラズマプルーム等が発生しやすいため、本発明の半導体レーザ溶接方法が特に有効となる。
なお、ここで、JISとは、日本工業規格をいい、上記のJISX000系のアルミニウム合金とは、日本工業規格によって規格化されたX000番台にあるアルミニウム合金材料をいう。
Moreover, it is preferable that the said aluminum alloy is JIS1000 type | system | group, JIS3000 type | system | group, JIS5000 type | system | group, or JIS6000 type | system | group ( Claim 3 ).
In this case, sputtering or plasma plume is likely to occur during laser welding, so the semiconductor laser welding method of the present invention is particularly effective.
Here, JIS refers to Japanese Industrial Standard, and the JISX000 series aluminum alloy refers to an aluminum alloy material in the X000 range standardized by Japanese Industrial Standard.
また、上記照射スポットにおける上記平均エネルギー密度は、50kW/cm2以上100kW/cm2以下であることが好ましい(請求項4)。
この場合には、上記照射スポットにおける上記平均エネルギー密度の範囲をさらに適切にして、レーザ溶接時のスパッタやプラズマプルーム等をさらに抑制して、一層良好な外観を呈する溶接ビードを得ることができる。
The average energy density at the irradiation spot is preferably 50 kW / cm 2 or more and 100 kW / cm 2 or less ( claim 4 ).
In this case, it is possible to obtain a weld bead exhibiting a better appearance by further suppressing the range of the average energy density at the irradiation spot and further suppressing spatter and plasma plume during laser welding.
(実施例1)
本例は、アルミニウム合金に対するレーザ溶接方法に関する例である。本例の内容について、図1〜図7を用いて説明する。
本例のレーザ溶接方法は、図1に示すごとく、半導体レーザ溶接装置1を構成する半導体レーザ素子11(図2参照。)が発光する半導体レーザ光を、図示しない集光レンズを介してアルミニウム又はアルミニウム合金よりなるワーク20の表面であるワーク表面201に照射してレーザ溶接を実施するものである。
(Example 1)
This example relates to a laser welding method for an aluminum alloy. The contents of this embodiment will be described with reference to FIGS.
In the laser welding method of this example, as shown in FIG. 1, the semiconductor laser light emitted from the semiconductor laser element 11 (see FIG. 2) constituting the semiconductor
本例のレーザ溶接方法では、焦点距離40mm以上250mm以下の集光レンズを用いて半導体レーザ光を集光して、略長方形状もしくは略楕円形状をなす領域であって、その領域内での平均エネルギー密度が30kW/cm2以上300kW/cm2未満である照射スポット150(図4及び図5参照。)を、ワーク表面201に形成すると共に、該ワーク表面201において、照射スポット150の形成位置をその長手方向に沿って相対移動させる。
以下に、この内容について詳しく説明する。
In the laser welding method of this example, a semiconductor laser beam is condensed using a condensing lens having a focal length of 40 mm or more and 250 mm or less to form a substantially rectangular shape or a substantially elliptical shape, and an average in the region An irradiation spot 150 (see FIGS. 4 and 5) having an energy density of 30 kW / cm 2 or more and less than 300 kW / cm 2 is formed on the
This content will be described in detail below.
本例の半導体レーザ溶接装置1は、図1に示すごとく、波長808nmの半導体レーザ光を発光する発光部10を有する装置である。発光部10は、図2及び図3に示すごとく、複数の半導体レーザ素子11を一列上に配列したLDバー12を、該LDバー12における半導体レーザ素子11の配列方向と略直交する方向に、複数積層してなるLDスタック15よりなる。該LDスタック15は、略長方形状を呈する発光面100を形成している。そして、上記半導体レーザ溶接装置1では、略長方形状を呈する発光面100を有する1個のLDスタック15から半導体レーザ光を発光して、ワーク表面に略長方形状もしくは略楕円形状の照射スポット150を形成する。
The semiconductor
この半導体レーザ溶接装置1は、同図に示すごとく、溶接台103に載置すると共に、押さえ部材101で固定したワーク20を、レーザ溶接するように構成してある。なお、溶接台103は、ワーク20を載置した状態で、ワーク表面201に形成した照射スポット150の長手方向に移動するように構成してある。半導体レーザ溶接装置1では、溶接台103の上記の移動動作により、ワーク表面201において、相対的に、照射スポット150の形成位置をその長手方向に沿って移動できる。
As shown in the figure, the semiconductor
また、この半導体レーザ溶接装置1は、図1に示すごとく、溶接箇所に向けてシールドガスを供給するアシストガスノズル102を有する。なお、本例では、このシールドガスとしてアルゴンガスを用い、そのアルゴンガスを流量20リットル/分の割合で吹き付けした。なお、本例では、スパッタ、プラズマプルームから集光レンズ(図示略)を保護する作用を得るため、溶接箇所の側方から窒素ガスを吹き付けした。
Further, as shown in FIG. 1, the semiconductor
上記半導体レーザ溶接装置1は、集光レンズを介して集光した半導体レーザ光を、光ファイバ等を介さずに直接、ワーク表面201に照射するように構成してある。
なお、本例では、集光レンズとしては、焦点距離f=100mmと200mmのものを準備した。
The semiconductor
In this example, as the condensing lens, lenses having focal lengths f = 100 mm and 200 mm were prepared.
f=100mmの集光レンズを装着した半導体レーザ溶接装置1が発光する半導体レーザ光は、垂直面へのレーザ照射時に、図4に示すエネルギー分布を呈する。なお、同図(A)は、エネルギーの分布を、その大きさを高さにより表現して3次元表示したものである。そして、同図(B)は、ほぼガウス分布を呈する半導体レーザ光のエネルギー分布について、最大出力の1/e2以上(eは自然対数の底。)、すなわち最大エネルギーのおよそ86%以上のエネルギーを呈する領域を表示したものである。
同図に示すごとく、本例の半導体レーザ溶接装置1では、f=100mmの集光レンズを用いると、平均エネルギー密度が179kW/cm2であって、L×Wが0.67mm×2.5mmの照射スポット150が形成される。
The semiconductor laser light emitted by the semiconductor
As shown in the figure, in the semiconductor
また、f=200mmの集光レンズを装着したときには、垂直面へのレーザ照射時に、図5に示すエネルギー分布を呈する。なお、同図(A)は、エネルギーの分布を、その大きさを高さにより表現して3次元表示したものである。そして、同図(B)は、ほぼガウス分布を呈する半導体レーザ光のエネルギー分布について、最大出力の1/e2以上、すなわち最大エネルギーのおよそ86%以上のエネルギーを呈する領域を表示したものである。
同図に示すごとく、本例の半導体レーザ溶接装置1では、f=200mmの集光レンズを用いると、平均エネルギー密度が51kW/cm2であって、L×Wが1.28mm×4.6mmの照射スポット150が形成される。
When a condenser lens with f = 200 mm is attached, the energy distribution shown in FIG. 5 is exhibited when the vertical surface is irradiated with laser. FIG. 3A is a three-dimensional display of the energy distribution with its magnitude expressed by height. FIG. 4B shows a region exhibiting energy of 1 / e 2 or more of the maximum output, that is, approximately 86% or more of the maximum energy, with respect to the energy distribution of the semiconductor laser light substantially exhibiting a Gaussian distribution. .
As shown in the figure, in the semiconductor
本例では、上記の半導体レーザ溶接装置1を用い、1mm厚の板状のアルミニウム合金(AA5022及びAA6016)よりなるワーク20について、レーザ溶接を実施した。ここでは、ワーク表面201におけるレーザ照射位置の移動速度である溶接速度を実験条件に設定して、継手を形成せずに母材をそのまま溶加材なしで溶接する、いわゆるメルトラン溶接を行った。なお、本例では、上記のワーク20をレーザ溶接するに当たって、半導体レーザ溶接装置1のレーザ出力を3kWに設定した。
In this example, laser welding was performed on the
以上の実験の結果を、図6及び図7に示す。なお、これらの図では、横軸に溶接速度を規定すると共に、縦軸には、板状のワーク20の溶接裏面における溶接ビード幅である裏面ビード幅を規定している。また、図6には、AA5022よりなるワークについての実験結果を示し、図7には、AA6016よりなるワークについての実験結果を示している。さらにまた、両図では、実線aに焦点距離100mmの集光レンズでの結果を示し、一点鎖線bには、焦点距離200mmの集光レンズでの結果を示してある。
The results of the above experiment are shown in FIGS. In these drawings, the horizontal axis defines the welding speed, and the vertical axis defines the back bead width that is the weld bead width on the weld back surface of the plate-
図6及び図7によれば、f=200mmの集光レンズを用いた場合の方が、裏面ビード幅が広くなっている。そして、f=200mmの集光レンズの場合では、照射した半導体レーザ光がワーク20を貫通し得る最大の溶接速度である貫通溶接速度(すなわち、裏面ビード幅が0mmとなる溶接速度。)が、AA5022では9m/分、AA6016では6m/分と、アーク溶接に比べて格段に速くなった。
すなわち、本例のように略長方形状もしくは略楕円形状を呈する照射スポット150によるレーザ溶接では、照射スポット150の幅(長手方向に直交する方向の寸法。)が上記裏面ビード幅に、照射スポットの長手方向の寸法が上記貫通溶接速度に影響を与えていることが解る。
According to FIG.6 and FIG.7, the back surface bead width is wider when the condenser lens with f = 200 mm is used. In the case of a condenser lens with f = 200 mm, the penetration welding speed (that is, the welding speed at which the back bead width becomes 0 mm), which is the maximum welding speed at which the irradiated semiconductor laser light can penetrate the
That is, in the laser welding using the
そして、上記の知見に基づけば、半導体レーザ光による照射スポット150における長手方向の長さと、該長手方向に直交する方向の幅との縦横比を4:1とすれば貫通溶接速度を6m/分以上と大幅に向上でき、レーザ溶接作業の効率を向上することができる。
Based on the above knowledge, if the aspect ratio between the length in the longitudinal direction of the
(実施例2)
本例は、実施例1の半導体レーザ溶接方法に基づいて、アルミニウム合金A5182よりなる板厚1mmの板状体についてメルトラン溶接を実施した例である。本例の内容について、表1を用いて説明する。
表1に示すごとく、本例では、数点の溶接条件を設定してレーザ溶接を実施し、そのときの貫通溶接速度、スパッタやプラズマプルームの発生の有無及び溶接ビードの外観の良否を調べている。
(Example 2)
This example is an example in which melt-run welding was performed on a plate-like body made of aluminum alloy A5182 and having a thickness of 1 mm based on the semiconductor laser welding method of Example 1. The contents of this example will be described with reference to Table 1.
As shown in Table 1, in this example, laser welding was performed with several welding conditions set, and the penetration welding speed at that time, the presence or absence of spatter and plasma plume, and the quality of the weld bead were examined. Yes.
なお、同表中の各項目のうち、出力(kW)は、半導体レーザ溶接装置で設定したレーザ出力であり、平均エネルギー密度(kW/cm2)は、照射スポットにおける平均のエネルギー密度であり、L(mm)は、照射スポットの長手方向の長さを、W(mm)は、照射スポットの幅を、焦点距離(mm)は、使用した集光レンズの焦点距離を示しており、貫通溶接速度(m/分)は、照射した半導体レーザ光がワークを貫通し得る最大の溶接速度である。 Of each item in the table, the output (kW) is the laser output set by the semiconductor laser welding apparatus, the average energy density (kW / cm 2 ) is the average energy density at the irradiation spot, L (mm) is the length of the irradiation spot in the longitudinal direction, W (mm) is the width of the irradiation spot, and the focal length (mm) is the focal length of the condenser lens used. The speed (m / min) is the maximum welding speed at which the irradiated semiconductor laser light can penetrate the workpiece.
表1中、本例の試験データは、試験番号4〜6、10〜13及び16〜20に示すものである。これらの試験データは、集光レンズの焦点距離が40mm以上250mm以下であって、かつ、上記照射スポットにおける長手方向と該長手方向に直交する方向の比率である縦横比が2:1を超えて20:1以下の範囲にあり、かつ、その平均エネルギー密度が30kW/cm2以上300kW/cm2未満であるという好ましい溶接条件のもとで得られたものである。 In Table 1, the test data of this example is shown in test numbers 4-6, 10-13, and 16-20. In these test data, the focal length of the condenser lens is 40 mm or more and 250 mm or less, and the aspect ratio which is the ratio of the longitudinal direction in the irradiation spot to the direction perpendicular to the longitudinal direction exceeds 2: 1. It was obtained under preferable welding conditions in which the average energy density is in the range of 20: 1 or less and the average energy density is 30 kW / cm 2 or more and less than 300 kW / cm 2 .
同表に示すごとく、本例の上記各試験番号に基づく溶接条件によれば、効率良く溶接作業を実施し得る貫通溶接速度である2m/分以上が実現されており、かつ、スパッタ及びプラズマプルームの発生が抑制されて良好な外観を呈する溶接ビードが得られている。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例1と同様である。
As shown in the table, according to the welding conditions based on the above test numbers of the present example, a penetration welding speed of 2 m / min or more at which a welding operation can be efficiently performed is realized, and sputter and plasma plumes are realized. The weld bead which suppresses generation | occurrence | production and exhibits a favorable external appearance is obtained.
Other configurations and operational effects are the same as those in the first embodiment.
(比較例1)
本例は、実施例1を基にして、好ましい範囲から外れた溶接条件に沿って半導体レーザ溶接を実施した比較例である。この比較例の内容について、表1を用いて説明する。
本例の試験データは、表1における試験番号1〜3、7〜9、14、15及び21に示してある。
(Comparative Example 1)
This example is a comparative example in which semiconductor laser welding was performed based on Example 1 and under welding conditions deviating from the preferred range. The contents of this comparative example will be described using Table 1.
The test data of this example are shown in
同表に示すごとく、本例の各溶接条件では、集光レンズの焦点距離が40mm以上250mm以下であること、照射スポットにおける平均エネルギー密度が30kW/cm2以上300kW/cm2未満であることのうちの少なくとも1つが満たされていない。 As shown in the table, under the welding conditions of this example, the focal length of the condenser lens is 40 mm or more and 250 mm or less, and the average energy density at the irradiation spot is 30 kW / cm 2 or more and less than 300 kW / cm 2. At least one of them is not satisfied.
試験番号1〜3、8、9及び15の溶接条件では、ワーク表面に形成した照射スポットにおける平均エネルギー密度が不足しているため、ワークの母材を十分に溶融できない場合(同表中、未溶融と表示。)や、貫通溶融速度が不足(適正な貫通溶融速度は2m/分以上。)する場合が生じる。そのため、これらの溶接条件では、溶接作業を実施できないか、あるいは、効率良く溶接作業を実施することができないおそれが高い。なお、同表中では、問題となる現象に×印を付してある。
In the welding conditions of
試験番号7、14の溶接条件では、焦点距離が適正な範囲を下回っていると共に、照射スポットの縦横比が1となっている。そのため、これらの溶接条件下の半導体レーザ溶接では、スパッタ及びプラズマプルームが発生し、これに起因して溶接ビードの外観が不良となっている。
試験番号21は、照射スポットの縦横比が1であって、かつ、焦点距離が適正範囲を下回っているのに加えて、さらに、平均エネルギー密度が過大である。そのため、この溶接条件下での半導体レーザ溶接では、スパッタ及びプラズマプルームが発生し、それ故、溶接ビードの外観が不良となっている。
Under the welding conditions of Test Nos. 7 and 14, the focal length is below the appropriate range, and the aspect ratio of the irradiation spot is 1. For this reason, in semiconductor laser welding under these welding conditions, spatter and plasma plume are generated, resulting in poor appearance of the weld bead.
In Test No. 21, the aspect ratio of the irradiation spot is 1, and the focal length is below the appropriate range, and the average energy density is excessive. Therefore, in the semiconductor laser welding under this welding condition, spatter and plasma plume are generated, and therefore the appearance of the weld bead is poor.
以上のごとく、溶接条件が適正な範囲から外れた比較例では、効率良く溶接作業を実施できないか、あるいは、スパッタやプラズマプルーム等の発生により溶接ビードの外観が不良となるおそれが高い。
なお、その他の構成及び作用効果については実施例1と同様である。
As described above, in the comparative example where the welding conditions deviate from the appropriate range, there is a high possibility that the welding operation cannot be performed efficiently, or the appearance of the weld bead becomes poor due to the occurrence of spatter, plasma plume, or the like.
Other configurations and operational effects are the same as those in the first embodiment.
1 半導体レーザ溶接装置
10 発光部
100 発光面
101 押さえ部材
102 アシストガスノズル
103 溶接台
11 半導体レーザ素子
12 LDバー
15 LDスタック
150 照射スポット
20 ワーク
201 ワーク表面
DESCRIPTION OF
Claims (4)
焦点距離40mm以上250mm以下の上記集光レンズを用いて上記半導体レーザ光を集光して、略長方形状をなす領域であって、その領域内での平均エネルギー密度が30kW/cm2以上300kW/cm2未満であり、かつ、長手方向の長さと、該長手方向に直交する方向の幅との比率である縦横比が、2:1を超えて、20:1以下の範囲にある照射スポットを、上記ワーク表面に形成すると共に、
該ワーク表面において、上記照射スポットの形成位置を上記長手方向に沿って相対移動させるに当たり、
上記半導体レーザ光を発光する半導体レーザ溶接装置として、複数の半導体レーザ素子を一列に配列したLDバーを、該LDバーにおける上記半導体レーザ素子の配列方向と略直交する方向に、複数積層してなるLDスタックよりなる略長方形状を呈する発光面を有してなり、複数個の該発光面から発光された上記半導体レーザ光を、光ファイバを介さずに直接的に上記ワーク表面に照射するよう構成したものを用いることにより、上記LDスタックの上記発光面の形状を活用して略長方形状をなす領域である上記照射スポットを形成することを特徴とするレーザ溶接方法。 In a laser welding method of performing laser welding by irradiating a semiconductor laser beam emitted from a semiconductor laser element onto a workpiece surface, which is a workpiece surface made of aluminum or an aluminum alloy, through a condenser lens,
The semiconductor laser light is condensed using the condensing lens having a focal length of 40 mm or more and 250 mm or less to form a substantially rectangular shape, and the average energy density in the region is 30 kW / cm 2 to 300 kW / An irradiation spot having an aspect ratio which is less than cm 2 and whose ratio of the length in the longitudinal direction to the width in the direction perpendicular to the longitudinal direction is more than 2: 1 and not more than 20: 1. And forming on the workpiece surface,
In relative movement of the irradiation spot formation position along the longitudinal direction on the workpiece surface,
As a semiconductor laser welding apparatus for emitting the semiconductor laser light, a plurality of LD bars in which a plurality of semiconductor laser elements are arranged in a line are stacked in a direction substantially perpendicular to the arrangement direction of the semiconductor laser elements in the LD bar. A light emitting surface having a substantially rectangular shape made of an LD stack is provided, and the semiconductor laser light emitted from a plurality of light emitting surfaces is directly irradiated onto the workpiece surface without passing through an optical fiber. A laser welding method characterized in that the irradiation spot, which is a region having a substantially rectangular shape, is formed by utilizing the shape of the light emitting surface of the LD stack.
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