JP7558885B2 - レーザ溶接装置と、レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

この発明は、複数の溶接部を有するワークの前記溶接部を溶接するためのレーザ溶接装置と、レーザ溶接方法に関する。

ディスク装置用サスペンションのように小さな複数の金属板からなるワークを溶接するために、特許文献１あるいは特許文献２に記載されたように、レーザ溶接が使用されることがある。例えばディスク装置用サスペンションは、ベースプレートと、ステンレス鋼の薄い板からなるロードビーム(load beam)と、ロードビームに沿って配置されたフレキシャ(flexure)とを含んでいる。前記フレキシャを前記ロードビームに固定したり、前記ロードビームを前記ベースプレートに固定したりするために、レーザ光を用いたスポット溶接（これ以降はレーザ溶接と称す）が適用されている。

１つのワークに複数の溶接部を形成する場合、溶接時間を短縮するために、いわゆる高速パルス溶接が適用される。高速パルス溶接では、例えば１秒当たり１００箇所を越える溶接部が溶接される。しかし高速パルス溶接は、複数の溶接部のうち最初に溶接する１番目の溶接部のレーザ光の出力が不安定となることがあり、溶接品質が問題となることがあった。

１番目の溶接部に溶接不良が生じることを防ぐために、いわゆるレーザ光の捨て打ちが行なわれることがある。レーザ光の捨て打ちは、１番目の溶接部を溶接する直前に、レーザ光をワーク以外の箇所に照射したり、ワークの一部で溶接とは無関係のブランク部(blank portion)にレーザ光を照射したりしている。

特開２００５－９５９３４号公報 特開平０８－２９３２９９号公報

ディスク装置用サスペンションのように微小なワークの場合、レーザ光の捨て打ちを行なうためのスペースをワークの一部に確保できないことがある。ワークが溶接ステージに向かって移動している最中に捨て打ちを行なうと、レーザ光を所定位置に集光させることができないことがある。このためワークが溶接ステージに停止した状態において、捨て打ちを行なうことが望まれるが、１つ目の溶接部を溶接するまでに余計な時間が費やされることになるため、生産性が低下するという問題がある。

従って本発明の目的は、１つのワークに多数の溶接部を形成する場合に、レーザ光の捨て打ちを行なうことなく、１つ目の溶接部に溶接不良が生じることを回避できるレーザ溶接装置と、レーザ溶接方法を提供することにある。

１つの実施形態は、パルス状に出力するレーザ光によってワークの複数の溶接部を順に溶接するレーザ溶接装置であって、励起エネルギーが注入された状態において前記溶接部のための前記レーザ光を放出するレーザ媒体と、駆動電力が供給された状態において前記レーザ媒体に前記励起エネルギーを注入する励起光源と、前記励起エネルギーのためのパルス状の前記駆動電力を前記励起光源に供給する制御部とを有している。

前記制御部は、前記複数の溶接部のうち最初に溶接する１番目の溶接部を溶接する前に、前記駆動電力よりも小さい予備励起のための電力（予備励起電力と称す）を、前記駆動電力のパルス幅よりも長い予備供給時間にわたり前記励起光源に供給する手段を含んでいる。１番目の溶接部を溶接する前に、前記励起エネルギーよりも小さいエネルギー（予備励起エネルギーと称す）が前記レーザ媒体に注入される。さらに前記制御部は、前記予備供給時間が経過したのち前記１番目の溶接部を溶接する前に、所定のインターバルを経過させる手段を具備している。

前記実施形態において、前記複数の溶接部を走査するためのガルバノスキャナを含む走査機構を有してもよい。前記レーザ媒体が放出するパルス状の前記レーザ光が、前記ガルバノスキャナを介して前記複数の溶接部に順に照射される。

前記実施形態のレーザ溶接装置は、複数の前記ワークを載置するワーク支持部と、移動機構とをさらに有してもよい。前記移動機構は、前記ワーク支持部に載置された前記ワークを溶接ステージに向けて移動させ、溶接すべき前記ワークを前記溶接ステージに停止させる。また前記制御部が、溶接すべき前記ワークが前記溶接ステージに向かって移動する間に前記予備励起電力を前記励起光源に供給する手段を有してもよい。

レーザ溶接方法の１つの実施形態は、最初に溶接する１番目の溶接部を溶接する前に、励起エネルギーを生じさせる駆動電力よりも小さい予備励起電力を前記駆動電力のパルス幅よりも長い予備供給時間にわたり励起光源に供給する。これにより、前記励起エネルギーよりも小さいエネルギーをレーザ媒体に注入する。前記予備供給時間が経過したのち、前記１番目の溶接部を溶接する前に、所定のインターバルを経過させる。前記インターバルが経過したのち、前記駆動電力を前記励起光源に供給することにより、前記励起エネルギーを前記レーザ媒体に注入する。前記励起エネルギーにより、前記１番目の溶接部のための前記レーザ光を前記レーザ媒体から放出させる。

本発明によれば、複数の溶接部を有するワークの前記溶接部を形成する場合に、レーザ光の捨て打ちを行なうことなく、１つ目の溶接部に溶接不良が生じることを回避することができる。

複数の溶接部を有するワークの平面図。 １つの実施形態に係るレーザ溶接装置を模式的に示す斜視図。 図２に示されたレーザ溶接装置の一部の正面図。 同レーザ溶接装置のレーザ発振器を模式的に示す平面図。 同レーザ溶接装置の励起光源に供給される電力と時間との関係を示したタイムチャート。 １つの実施形態に係るレーザ溶接方法の前半部分を示したフローチャート。 １つの実施形態に係るレーザ溶接方法の後半部分を示したフローチャート。 予備励起の条件が互いに異なる第１から第４の実施形態について、１つ目のショットからのショット番号と、エネルギー値との関係を示した図。 単位時間あたりのショット数が互いに異なる第５から第８の実施形態について、１つ目のショットからのショット番号と、エネルギー値との関係を示した図。

以下に、１つの実施形態に係るレーザ溶接装置とレーザ溶接方法について、図１から図９を参照して説明する。
図１は、複数の溶接部を有するワーク１の一例として、ディスク装置用サスペンションを示している。ワーク１は、ステンレス鋼からなるベースプレート１０と、第１の板（ロードビーム）１１と、第２の板（フレキシャ）１２とを含んでいる。

第１の板１１と第２の板１２とは、それぞれ、ばね性を有するステンレス鋼からなる。第１の板１１と第２の板１２とは、複数の溶接部１３によって互いに固定されている。これら溶接部１３は、以下に説明するレーザ溶接装置２０とレーザ溶接方法とによって形成される。

第１の板１１は、厚さが２００μｍ以下のステンレス鋼からなる。第１の板１１の厚さは第２の板１２の厚さよりも大きい。第２の板１２は、厚さが１００μｍ以下のステンレス鋼からなる。第１の板１１の厚さの一例は３０μｍである。第２の板１２の厚さの一例は１８μｍである。第２の板１２の一方の面に沿って配線部１５が形成されている。配線部１５は、ポリイミド等の絶縁樹脂からなる絶縁層と、銅からなる導体とを含んでいる。

第２の板１２は、第１の板１１と共通の金属（例えばＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼）からなる。ＳＵＳ３０４の化学成分は、Ｃ：０．０８以下、Ｓｉ：１．００以下、Ｍｎ：２．００以下、Ｎｉ：８．００～１０．５０、Ｃｒ：１８．００～２０．００、残部がＦｅである。

図２はレーザ溶接装置２０を模式的に表わしている。レーザ溶接装置２０は、パルス状に放出するレーザ光によって、ワーク１の複数の溶接部１３を順に溶接する機能を有している。図２に示されたレーザ溶接装置２０は、複数のワーク１を支持するワーク支持部２１と、ワーク支持部２１を移動させる移動機構２２と、レーザ照射装置２３と、制御部２４とを含んでいる。制御部２４は、移動機構２２とレーザ照射装置２３とを制御するための電気的な構成と、制御のためのソフトウェアと、制御用のデータを格納するメモリなどを含んでいる。

ワーク１の第１の板１１と第２の板１２とを厚さ方向に重ねた状態において、ワーク１が押さえ治具によってワーク支持部２１に固定される。ワーク支持部２１は、ワーク１を所定の溶接ステージ２５に保持する機能を有している。溶接ステージ２５はレーザ照射装置２３と対応した位置に設けられている。ワーク支持部２１の一例はセラミックからなる。ワーク支持部２１をセラミック製とすれば、溶接部１３に生じた溶融金属がワーク支持部２１に固着することを回避できる。

図２に示されたように複数のワーク１は、フレーム部材１ａによって互いに所定のピッチＰ１でワーク１の移動方向（矢印Ｍ１で示す）に接続されている。移動機構２２は、ワーク１の移動方向に沿うガイド部材２６と、アクチュエータ２７とを含んでいる。アクチュエータ２７の一例は、制御部２４によって電気的に制御されるサーボモータである。アクチュエータ２７は、ボールねじ等の力伝達機構を介して、ワーク支持部２１をガイド部材２６に沿う方向に移動させる。

移動機構２２は、ワーク支持部２１に載置されたワーク１を、溶接ステージ２５に向けて、図２に矢印Ｍ１で示す方向にピッチＰ１ずつ間欠的に移動させる。ワーク支持部２１に載置された溶接すべきワーク１を溶接ステージ２５に停止させることができる。

図２に示されたようにレーザ照射装置２３は、ガルバノスキャナ３０を備えたレーザヘッド３１を有している。走査機構として機能するガルバノスキャナ３０は、レーザ照射装置２３から放出されたレーザ光の集光位置を、停止した状態のワーク１の溶接すべき溶接部１３に移動させる機能を有している。すなわちレーザ照射装置２３のレーザ光学系の集光位置を、ガルバノスキャナ３０のスキャニング動作により、溶接部１３に向けて高速で移動させることができる。

図３は、ワーク１と、レーザ溶接装置２０の一部を模式的に示している。図３に示されたレーザ照射装置２３は、レーザ光の発生源であるレーザ発振器４０と、光学的なレンズ系４１とを含んでいる。レンズ系４１は、レーザ発振器４０が出力したレーザ光４２を集光し、エネルギー密度を高めた状態でワーク１の溶接部１３に照射する機能を有している。レーザ溶接装置２０の一例は、ＹＡＧ（Yttrium Aluminium Garnet）のロッドを使用する固体レーザである。ただし必要に応じて、ＣＯ_２レーザ等のガスレーザが使用されてもよいし、半導体レーザやファイバレーザ等が使用されてもよい。

図４はレーザ発振器４０を模式的に表わしている。光共振器として機能するレーザ発振器４０は、レーザ媒体５０と、励起光源５１と、高反射率鏡５５および低反射率鏡５６とを含んでいる。励起光源５１は、供給された駆動電力に応じてレーザ媒体５０に励起エネルギーを注入する。高反射率鏡５５と低反射率鏡５６とは、互いに対向して配置されている。制御部２４は、励起エネルギーを注入するための駆動電力を励起光源５１に供給する。

レーザ光を発振させるための電力が励起光源５１に供給されると、励起光源５１が放射する励起エネルギー５７がレーザ媒体５０に注入される。レーザ媒体５０に励起エネルギー５７が注入されると、レーザ媒体５０から放出された光６０が高反射率鏡５５と低反射率鏡５６との間で共振し、増幅される。

増幅された光６０のエネルギーがレーザ媒体５０の損失エネルギーを超えると、レーザ発振が生じ、低反射率鏡５６からレーザ光４２が放出される。励起光源５１に供給する電力に応じて、レーザ媒体５０に注入するエネルギーを変化させることが可能である。レーザ発振器４０の波長の一例は１．０６μｍである。

以下に本実施形態のレーザ溶接方法を、図５に示すタイムチャートと、図６と図７に示すフローチャートとを参照して説明する。この明細書では、溶接のためのレーザ光の１回の照射を１ショットと称することがある。

図６中のステップＳＴ１では、溶接すべきワーク１を移動機構２２によって溶接ステージ２５に向けて移動させ、ワーク１を溶接ステージ２５に停止させる。ステップＳＴ１においてワーク１が移動している間、またはワーク１が溶接ステージ２５に停止した状態において、レーザ媒体５０に予備励起のためのエネルギーを注入するステップＳＴ２が行われる。

ステップＳＴ２では、最初に溶接する１番目の溶接部１３を溶接する直前に、予備励起のためのエネルギーを注入する。すなわちステップＳＴ２は、レーザ媒体５０に励起エネルギーを生じさせる駆動電力Ｐｗ１（図５に示す）よりも小さい電力（予備励起電力Ｐｗ２と称す）を、駆動電力Ｐｗ１のパルス幅Ｔ１よりも長い予備供給時間Ｔ２にわたり、励起光源５１に供給する。ステップＳＴ２によって、励起エネルギーよりも小さいエネルギー（予備励起エネルギーと称す）がレーザ媒体５０に注入される。

ステップＳＴ２は、ステップＳＴ１においてワーク１が溶接ステージ２５に向けて移動している間に行ってもよい。すなわちステップＳＴ２は、ワーク１が溶接ステージ２５に向けて移動している間に、予備励起電力Ｐｗ２を励起光源５１に供給する手段として機能する。このようにステップＳＴ２は、最初に溶接する１番目の溶接部を溶接する前に、駆動電力Ｐｗ１よりも小さい予備励起電力Ｐｗ２を、パルス幅Ｔ１よりも長い予備供給時間Ｔ２にわたり、励起光源５１に供給する。

図６に示すステップＳＴ３では、レーザ照射装置２３から放出されるレーザ光の集光先がワーク１の１番目（１ショット目）の溶接部に向かうように、ガルバノスキャナ３０のスキャニング動作が制御される。

前記ステップＳＴ２において予備供給時間Ｔ２（図５に示す）が経過したのち、１番目の溶接部を溶接する直前に、ステップＳＴ４にて所定のインターバルＴ３（図５に示す）を経過させる。インターバルＴ３は、駆動電力Ｐｗ１のパルス幅Ｔ１と同じか、パルス幅Ｔ１よりも長い。またインターバルＴ３は予備供給時間Ｔ２よりも短く、かつ、駆動電力Ｐｗ１のパルス間隔Ｔ４よりも短い。ステップＳＴ４は、１番目の溶接部を溶接する前に、所定のインターバルＴ３を経過させる手段として機能する。

インターバルＴ３が経過したのち、図７に示すステップＳＴ５において、パルス状の駆動電力Ｐｗ１を励起光源５１に供給することにより、励起エネルギーをレーザ媒体５０に注入する。レーザ媒体５０に注入された励起エネルギーにより、ステップＳＴ６において、１番目の溶接部のためのレーザ光がレーザ媒体５０から放出される。すなわちステップＳＴ５は、ワーク１が溶接ステージ２５に停止した状態において駆動電力Ｐｗ１を励起光源５１に供給する手段として機能する。

ステップＳＴ７では、１つのワークの全ての溶接部の溶接が終了したか否かが判断される。全ての溶接部の溶接が終了していなければ（ステップＳＴ７において“ＮＯ”）、ステップＳＴ８に進み、２番目以降の溶接部の準備に移る。

ステップＳＴ８では、レーザ照射装置２３から出力されるレーザ光の集光先が２番目以降の溶接部に向かうように、ガルバノスキャナ３０のスキャニング動作が制御される。そののち、ステップＳＴ５とステップＳＴ６とにより、２番目以降の溶接部が形成される。

ステップＳＴ７において、１つのワークの全ての溶接部が溶接されたと判断されれば（ステップＳＴ７において“ＹＥＳ”）、ステップＳＴ９に進む。ステップＳＴ９では、全てのワークの溶接が終了したか否かが判断される。

ステップＳＴ９において、全てのワークの溶接が終了していないと判断されれば（ステップＳＴ９において“ＮＯ”）、図６のステップＳＴ１に戻り、次のワーク（２個目以降のワーク）が溶接ステージ２５に移動してくる。そして再びステップＳＴ２からステップＳＴ９までの一連の工程が繰り返されることにより、２個目以降のワークの溶接が行なわれる。なお、各ワークの配列ピッチが小さい場合には、ステップＳＴ１に戻ることなく、隣りのワークの溶接部に対してステップＳＴ５とステップＳＴ６とを繰り返してもよい。

本実施形態では、複数の溶接部ごとに共通の大きさの駆動電力Ｐｗ１を励起光源５１に供給する。しかしワークによっては、溶接部の厚さや材質が異なることもある。その場合、ワークの厚さや材質に応じて、駆動電力Ｐｗ１の大きさを変化させるなどして、レーザ光の出力（エネルギー値）を調整してもよい。

図８は、予備励起電力Ｐｗ２と予備供給時間Ｔ２とを変えて実験を行った４つの実施例（第１の実施例から第４の実施例）について、それぞれのショット番号とエネルギー値との関係を示している。図８中の横軸の“１”は、１ショット目の溶接部（１番目の溶接部）である。いずれの実施例も、１秒あたりのショット数（溶接数）が２００、各ショットの励起エネルギー（駆動電力）が１００Ｗである。

図８中の黒丸は第１の実施例であり、予備励起電力Ｐｗ２が３０Ｗ、予備供給時間Ｔ２が１０ｍｓである。第１の実施例の１ショット目のエネルギー値は0.0772Jであり、２ショット目以降と比較して、エネルギーの低下は見られなかった。このため１番目の溶接部に溶接不良が生じることが回避された。第１の実施例では、予備励起電力Ｐｗ２を与えたときに僅かにレーザ光の放出が確認されたが、ワークを溶融させるほどのエネルギーではなかった。

図８中の白丸は第２の実施例であり、予備励起電力Ｐｗ２が２５Ｗ、予備供給時間Ｔ２が１０ｍｓである。第２の実施例の１ショット目のエネルギー値は0.0767Jであり、２ショット目以降と比較して、実質的にエネルギーの低下は見られなかった。このため１番目の溶接部に溶接不良が生じることが回避された。第２の実施例では、予備励起電力Ｐｗ２を与えたときにレーザ光の放出は確認されなかった。

図８中の白三角は第３の実施例であり、予備励起電力Ｐｗ２が２０Ｗ、予備供給時間Ｔ２が１０ｍｓである。第３の実施例の１ショット目のエネルギー値は0.0758Jであり、２ショット目以降と比較して、１ショット目のエネルギーの低下が大きかった。このため１番目の溶接部に溶接不良が生じる原因となった。

図８中の黒四角は第４の実施例であり、予備励起電力Ｐｗ２が３０Ｗ、予備供給時間Ｔ２が５ｍｓである。第４の実施例の１ショット目のエネルギー値は0.07459Jであり、２ショット目以降と比較して、エネルギーが大きく低下した。このため１番目の溶接部に溶接不良が生じる原因となった。

図９は、予備励起エネルギーを与えずに溶接を行った場合で、単位時間あたりのショット数が互いに異なる４つの実施例（第５の実施例から第８の実施例）について、それぞれのショット番号とエネルギー値との関係を示している。図９中の横軸の“１”は、１ショット目の溶接部（１番目の溶接部）を示している。“PPS”は１秒あたりのショット数（Pulse per Second）の略語である。

図９中の黒丸は第５の実施例であり、１秒あたりのパルス数が４２である。この第５の実施例の１ショット目のエネルギー値は0.0600Jであり、２ショット目以降と比較して、エネルギーの低下は見られなかった。このような低速パルス溶接では、１番目の溶接部の品質が問題となることはない。しかしワーク１つあたりの溶接時間が長くなるため、生産効率が低下するという問題がある。

図９中の白三角は第６の実施例であり、１秒あたりのパルス数が１００である。この第６の実施例の１ショット目のエネルギー値は0.0599Jであり、２ショット目以降と比較して、エネルギーの低下が見られた。このため１番目の溶接部の品質が問題となる可能性がある。

図９中の白四角は第７の実施例であり、１秒あたりのパルス数が２００である。この第７の実施例の１ショット目のエネルギー値は0.0598Jであり、２ショット目以降と比較して、エネルギーの低下が見られた。このため１番目の溶接部の品質が問題となる可能性がある。

図９中の白丸は第８の実施例であり、１秒あたりのパルス数が５００である。この第８の実施例の１ショット目のエネルギー値は0.0582Jであり、２ショット目以降と比較して、エネルギーが大きく低下した。このため第８の実施例は、１番目の溶接部の品質が悪化した。

以上述べたように、１秒当たりのショット数が１００以上の高速パルス溶接の場合に、１ショット目のエネルギー値の低下が問題となった。高速パルス溶接は多数の溶接部を比較的短時間で溶接でき、生産性が高いという利点がある反面、１番目の溶接部の品質が問題となる。

以上のことから、１秒当たりのショット数が１００以上の高速パルス溶接において、２５Ｗ以上の予備励起電力Ｐｗ２を、１０ｍｓ以上の予備供給時間Ｔ２で励起光源５１に供給することが、レーザ溶接の効率を下げることなしに、１番目の溶接部の溶接不良を防止する上で有効であるとの知見が得られた。

なお本発明を実施するに当たり、レーザ照射装置や制御部、ワーク支持部等の具体的な構成を種々に変更して実施できることは言うまでもない。また本発明は、ディスク装置用サスペンション以外のワークの溶接に適用することもできる。

１…ワーク、１１…第１の板、１２…第２の板、１３…溶接部、２０…レーザ溶接装置、２１…ワーク支持部、２２…移動機構、２３…レーザ照射装置、２４…制御部、２５…溶接ステージ、３０…ガルバノスキャナ、３１…レーザヘッド、４０…レーザ発振器、４２…レーザ光、５０…レーザ媒体、５１…励起光源、Ｐｗ１…駆動電力、Ｐｗ２…予備励起電力、Ｔ１…パルス幅、Ｔ２…予備供給時間、Ｔ３…インターバル、Ｔ４…パルス間隔。

Claims (6)

1. パルス状に出力するレーザ光によってワークの複数の溶接部を順に溶接するレーザ溶接装置であって、
   励起エネルギーが注入された状態において前記溶接部のための前記レーザ光を放出するレーザ媒体と、
   駆動電力が供給された状態において前記レーザ媒体に前記励起エネルギーを注入する励起光源と、
   前記励起エネルギーのためのパルス状の前記駆動電力を前記励起光源に供給する制御部とを有し、
   前記制御部が、
   前記複数の溶接部のうち最初に溶接する１番目の溶接部を溶接する前に、
   前記駆動電力よりも小さい予備励起電力を前記駆動電力のパルス幅よりも長い予備供給時間にわたり前記励起光源に供給することにより、前記励起エネルギーよりも小さいエネルギーを前記レーザ媒体に注入する手段と、
   前記予備供給時間が経過したのち前記１番目の溶接部を溶接する前に所定のインターバルを経過させる手段と、
   を具備したことを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 請求項１に記載のレーザ溶接装置において、
   前記複数の溶接部を走査するためのガルバノスキャナを含み前記レーザ媒体が放出するパルス状の前記レーザ光を前記複数の溶接部に順に照射する走査機構を有したことを特徴とするレーザ溶接装置。
3. 請求項２に記載のレーザ溶接装置において、
   複数の前記ワークを載置するワーク支持部と、
   前記ワーク支持部に載置された前記ワークを溶接ステージに向けて移動させ、溶接すべき前記ワークを前記溶接ステージに停止させる移動機構とをさらに有し、
   前記制御部が、
   溶接すべき前記ワークが前記溶接ステージに向かって移動する間に前記予備励起電力を前記励起光源に供給する手段を有したことを特徴とするレーザ溶接装置。
4. パルス状に出力するレーザ光によってワークの複数の溶接部を順に溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記複数の溶接部のうち最初に溶接する１番目の溶接部を溶接する前に、励起エネルギーを生じさせる駆動電力よりも小さい予備励起電力を前記駆動電力のパルス幅よりも長い予備供給時間にわたり励起光源に供給することにより、前記励起エネルギーよりも小さいエネルギーをレーザ媒体に注入し、
   前記予備供給時間が経過したのち前記１番目の溶接部を溶接する前に所定のインターバルを経過させ、
   前記インターバルが経過したのち、前記駆動電力を前記励起光源に供給することにより前記励起エネルギーを前記レーザ媒体に注入し、
   前記励起エネルギーにより前記１番目の溶接部のための前記レーザ光を前記レーザ媒体から放出させることを特徴とするレーザ溶接方法。
5. 請求項４に記載のレーザ溶接方法において、
   前記インターバルが前記駆動電力のパルス幅以上であり、かつ、前記インターバルが前記予備供給時間よりも短いことを特徴とするレーザ溶接方法。
6. 請求項４に記載のレーザ溶接方法において、
   前記複数の溶接部ごとに同じ大きさの前記駆動電力を前記励起光源に供給し、１秒あたり１００を越える高速パルス溶接により前記複数の溶接部を溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。

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