JP2008260054A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミ系金属材料に対して、スパッタやクラック等の溶接欠陥なく深い溶け込みを実現でき、高速にパルスシーム溶接できるレーザ装置を提供する。
【解決手段】当該レーザ装置は、ＹＡＧパルスレーザ発振器１に所望のパルス幅のパルスレーザ光を発振させるための電流信号を生成するとともに、その電流信号に含まれる変動成分をマスクするためのマスク信号を生成して、そのマスク信号により変動成分がマスクされた電流信号をＹＡＧパルスレーザ発振器１へ供給するパルス電源５を備える。また、ＣＷレーザ発振器６において発振したＣＷレーザ光のスポット形状を菱形流線形状にし、そのＣＷレーザ光の集光スポットに、パルスレーザ光の円形状の集光スポットを内包させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルスレーザ光と連続発振レーザ光（ＣＷレーザ光）とを重畳して加工点へ集光するレーザ装置に関する。

従来より、携帯機器用リチウム電池に用いられるアルミ系金属容器の封口は、容器の開口部と該開口部に嵌め込まれた封口部材との接合ラインに沿ってＹＡＧパルレーザ光を照射していくパルスシーム溶接により行われている。具体的には、各加工点に対してＹＡＧパルスレーザ光を３段波形で照射している。すなわち、まず高速、高ピークのパルスレーザ光で切り込み、アルミ系金属材料が溶融を開始すると、即レーザパワーを半分程度に抑えて本溶接を行い、その後、さらにレーザパワーを半分程度にし、アニールして残留応力を無くしている。このように３段波形で溶接を行うのは、アルミ系金属材料が、高反射率および高熱伝導率であるが低融点であり、さらに、溶融するとレーザ吸収率が急増するという性質を有するためである。

しかしながら、この３段波形のＹＡＧパルスレーザ光は、携帯機器用リチウム電池の封口には使用できても、ハイブリッドカー用リチウム電池の封口には使用できない。これは、携帯機器用リチウム電池であれば、０．２ｍｍ程度の溶け込み量で十分な接合強度を得ることができるのに対し、大型のハイブリッドカー用リチウム電池では０．５ｍｍ程度の溶け込み量を必要とし、この深い溶け込みを満足できるようにレーザパワーを上げるとスパッタが発生するためである。

一方、従来より、パルスレーザ光とＣＷレーザ光とを重畳した重畳レーザ光をパルスシーム溶接に用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この重畳レーザ光を用いたパルスシーム溶接によれば、ＣＷ成分による予熱でレーザ光が溶け込みやすい状態となった加工点にパルスレーザ光を照射できるので、スパッタレスで溶接を行うことができる。以下、この重畳レーザ光を生成する従来のレーザ装置について説明する。

図６はパルスレーザ光とＣＷレーザ光とを重畳した重畳レーザ光を生成する従来のレーザ装置の概略構成を示す模式図である。このレーザ装置は、発振波長１０６４ｎｍのパルスレーザ光を発振するＹＡＧパルスレーザ発振器１０１を備えている。この発振器１０１によって発振されたパルスレーザ光は、ＳＩ型光ファイバ１０２を通って、コリメートレンズ１０３を透過し、ダイクロイックミラー１０４ヘ入射する。

また、このレーザ装置は、ＣＷレーザ光を発振する高出力半導体レーザ１０５を備えている。この高出力半導体レーザ１０５において発振したＣＷレーザ光は、ダイクロイックミラー１０４ヘ入射する。

ダイクロイックミラー１０４は、コリメートレンズ１０３を透過したパルスレーザ光と高出力半導体レーザ１０５において発振したＣＷレーザ光とを重畳して集光レンズ１０６へ与える。集光レンズ１０６は、ダイクロイックミラー１０４によって重畳されたパルスレーザ光とＣＷレーザ光とを加工点へ集光する。

光ファイバ１０２を通過したパルスレーザ光の集光スポット１０７の形状は、図６に示すように、光ファイバ１０２のコア形状と同じく円形状となる。一方、高出力半導体レーザ１０５において発振するＣＷレーザ光の集光スポット１０８は、一般には円形状とはならず、図６に示すように、ライン形状となる。

この円形状のパルスレーザ光とライン形状のＣＷレーザ光とを重畳した重畳レーザ光を用いてパルスシーム溶接を行う場合、ＣＷレーザ光の集光スポット１０８の長径方向を接合ラインに沿った方向に設定し、その接合ラインの長手方向に沿って相対的に重畳レーザ光を移動させる。このようにすれば、ＣＷ成分による予熱でレーザ光が溶け込みやすい状態となった加工点にパルスレーザ光を照射できるので、スパッタレスで溶接を行うことができる。

しかしながら、この円形状のパルスレーザ光とライン形状のＣＷレーザ光とを重畳した重畳レーザ光は、鉄系金属容器を用いたハイブリッドカー用ＮｉＨ系電池の封口に対しては、スパッタレスで、所望の溶け込み量を満足する溶接を実現できるが、アルミ系金属容器を用いたハイブリッドカー用リチウム電池の封口に対しては、ライン形状のＣＷ成分の先端から熱が周囲に逃げてしまうため、所望の溶け込み量を満足することができない。また、予熱の効果を得るためにＣＷ成分を大きくすると、容器が変形して、容器の開口部の壁面と封口部材との間の隙間が拡大し、内部電極にレーザ光が漏れ、内部電極が破損するという問題が起こる。

以上のように、従来のレーザ溶接技術では、ハイブリッドカー用リチウム電池に用いられるアルミ系金属容器の封口のような、厚みのあるアルミ系金属材料のパルスシーム溶接はできなかった。

さらに、ハイブリッドカー用リチウム電池に用いられるアルミ系金属容器の封口には以下の問題があった。まず、アルミ系金属材料は、傷や粗さ、汚れ等の僅かな表面状態の違いでレーザ吸収率が大きく変動するため、表面状態により溶け込み量が大きく変動する。一方、アルミ系金属容器を封口するに際し、封口部材をレーザ光が貫通すると、その貫通した部位からスパッタが発生してショートを引き起こす。リチウム電池はショートを起こすと火災の危険もあるため、レーザ光が封口部材を貫通しないように溶け込み量を制御する必要がある。そのため、表面状態が変動しても溶け込み量を安定させる必要がある。

また、アルミ系金属材料は反射率が高く、特にＹＡＧパルスレーザ光に対しては７％のレーザ吸収率しかないので、アルミ系金属容器のパルスシーム溶接にはｋｗ級のＹＡＧパルスレーザ光を必要とする。そのため、励起光源に３０ｋｗを超える電力を供給してｋｗ級のＹＡＧパルスレーザ光を得るために、励起光源用の電源において、数百Ａの出力電流を制御する必要がある。一方、ハイブリッドカー用リチウム電池は携帯機器用リチウム電池よりも１０倍近く大型であるので、生産性の面から溶接の高速化が要請されている。溶接を高速化するには、パルスレーザ光のパルス幅（溶接時間）を短くする必要があり、そのためにはパルスを高速に立ち上げる必要がある。よって、励起光源用の電源において、励起光源へ供給する数百Ａの出力電流を、高速立ち上がり、短パルス幅の電流信号に制御する必要がある。

しかし、数百Ａの電流信号を高速で立ち上げるには、ドロッパ方式の電源では設備が巨大化してしまい、不向きである。一方、内部のスイッチ素子をスイッチングして出力電流制御を行うチョッパ・インバータ方式の電源ではクロック同期が不可欠であり、クロック同期では、スイッチ素子を駆動するチョッピングクロック周期信号（駆動信号）に数十μｓのジッタが発生するため、出力電流にも数十μｓのジッタが発生する。したがって、励起光源へ供給する電流信号のパルス幅を短くすると、ジッタ成分（変動成分）の割合が大きくなり、パルスレーザ光に大きなパワー変動が起こって溶け込み量が安定しない。例えば、励起光源へ供給する電流信号のパルス幅を０．３ｍｓにすると、３０μｓのジッタ成分は１０％のパワー変動を起こし、溶け込み量も１０％近く変動する。

したがって、一般的なドロッパ方式の電源やチョッパ・インバータ方式の電源では、励起光源へ供給する電流信号の短パルス化を図ることができず、通常、携帯機器用リチウム電池の封口には、パルス幅が２ｍｓ以上のＹＡＧパルスレーザ光を用いていた。

また、パルス幅を２ｍｓ以上に設定しているため、ＹＡＧパルスレーザ光のエネルギが高くなる。そのため、従来は、ＧＩ型光ファイバを使用することができず、ＳＩ型光ファイバを使用していた。これは、ＧＩ型光ファイバは、レーザ光のエネルギが高くなるとレーザ出射口の端面からスパッタが発生するためである。しかし、ＳＩ型光ファイバは、ファイバ交換時の現場の粉塵等の付着により破損することが多い。

また、ＳＩ型光ファイバは口径が０．６ｍｍ〜０．４ｍｍと小さい。一方、ハイブリッドカー用リチウム電池は大型であるため、容器の開口部と封口部材との嵌め合いの関係で、携帯機器用リチウム電池に比べて、開口部の壁面と封口部材との間の隙間が大きい。そのため、口径の小さいＳＩ型光ファイバを用いる場合、パルスレーザ光のスポット径を大きく設定する必要があり、口径の大きいＧＩ型光ファイバに比べて、加工点へのパワー伝達率が低くなる。
特開２００４−３３７８８１号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、アルミ系金属材料に対して、スパッタやクラック等の溶接欠陥なく深い溶け込みを実現でき、高速にパルスシーム溶接できるレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載のレーザ装置は、パルスレーザ光を発振する第１のレーザ発振器と、前記第１のレーザ発振器に所望のパルス幅のパルスレーザ光を発振させるための電流信号を生成するとともに、その電流信号に含まれる変動成分をマスクするためのマスク信号を生成して、前記マスク信号により変動成分がマスクされた電流信号を前記第１のレーザ発振器へ供給するパルス電源と、連続発振レーザ光を発振する第２のレーザ発振器と、パルスレーザ光と連続発振レーザ光とを重畳して集光する第１の光学系と、パルスレーザ光の集光スポットの形状を円形状にする第２の光学系と、連続発振レーザ光の集光スポットの形状を菱形流線形状にする第３の光学系と、を備え、連続発振レーザ光の菱形流線形状の集光スポットに、パルスレーザ光の円形状の集光スポットを内包させることを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載のレーザ装置は、請求項１記載のレーザ装置であって、パルスレーザ光は、立ち上がり時間が０．１ｍｓ以下、パルス幅が０．４ｍｓ以下であることを特徴とする。

また、本発明の請求項３記載のレーザ装置は、請求項１もしくは２のいずれかに記載のレーザ装置であって、前記パルス電源は、前記第１のレーザ発振器に所望のパルス幅のパルスレーザ光を発振させるための電流信号を生成するチョッパ・インバータ方式の電源と、前記チョッパ・インバータ方式の電源からの電流信号を受けて前記第１のレーザ発振器への電流信号の供給を行うスイッチ素子と、前記マスク信号を生成して、前記スイッチ素子による前記第１のレーザ発振器への電流信号の供給を停止させるマスク回路と、を備えることを特徴とする。

本発明の好ましい形態によれば、変動成分がマスクされた電流信号を第１のレーザ発振器に供給するので、高速（高速立ち上がり、短パルス幅）、高ピークのパルスレーザ光を第１のレーザ発振器から発振させても、パルスレーザ光のパワー変動を抑えることができる。よって、溶接時間の高速化とともに、溶け込み量の安定化を図ることができる。また、高速、高ピークのパルスレーザ光を第１のレーザ発振器から発振させることで、加工対象であるアルミ系金属材料の表面状態が変動しても溶け込み量を安定させることができる。

また、ＣＷレーザ光（連続発振レーザ光）の集光スポットの形状を菱形流線形状にすることで、アルミ系金属材料をパルスシーム溶接する場合であっても、ＣＷレーザ光のパワーを大きくすることなく、加工点を効率よく予熱することができ、スパッタレスに溶接することができる。また、ＣＷレーザ光の集光スポットの内部にパルスレーザ光の集光スポットが内包されているので、微小キーホールで瞬時に溶け込みを起こす。また、溶接後、ＣＷレーザ光により加工点が除冷されるので、急激な熱変化を抑えて、クラックを防止することができる。

したがって、アルミ系金属材料に対して、スパッタやクラック等の溶接欠陥なく深い溶け込みを実現でき、高速にパルスシーム溶接できる。また、溶け込み量が安定し、所望の溶け込み量を満足することができる。よって、ハイブリッドカー用リチウム電池に用いられるアルミ系金属容器の封口のような、厚みのあるアルミ系金属材料のパルスシーム溶接を実現できる。

また、高速、高ピークのパルスレーザ光を第１のレーザ発振器から発振させることで、１パルス毎のエネルギを低く抑えることができる。よって、ＧＩ型光ファイバを用いても、数十μレヘ゛ルの煙に近い微粉末状のスパッタがレーザ出射口の端面から発生するのみであるので、ＧＩ型光ファイバを用いることが可能となる。したがって、ＧＩ型光ファイバを用いることで、ＳＩ型光フィアバと比べ大きな口径を使用でき、加工点へのパワー伝達率が向上する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を交えて説明する。図１は本発明の実施の形態におけるレーザ装置の概略構成を示す模式図である。当該レーザ装置は、波長１０６４ｎｍのパルスレーザ光を発振するＹＡＧパルスレーザ発振器（第１のレーザ発振器）１を備えている。この発振器１によって発振されたパルスレーザ光は、コア径が０．８ｍｍのＧＩ型光ファイバ２を通って、コリメートレンズ３でコリメートされた後、ダイクロイックミラー４ヘ入射する。

また、図示しないが、ＹＡＧパルスレーザ発振器１の内部にはＹＡＧロッドと励起光源が設置されている。励起光源用のパルス電源５は、加工対象に応じて事前に求めた所望のパルス幅およびピークパワーのパルスレーザ光をＹＡＧパルスレーザ発振器１に発振させるための電流信号を生成するとともに、その電流信号に含まれる変動成分（ジッタ成分）をマスクするためのマスク信号を生成して、そのマスク信号によりジッタ成分がマスクされた電流信号をＹＡＧパルスレーザ発振器１の励起光源へ供給する。

このように、ジッタ成分がマスクされた電流信号をＹＡＧパルスレーザ発振器１の励起光源に供給することで、高速（高速立ち上がり、短パルス幅）、高ピークのパルスレーザ光をＹＡＧパルスレーザ発振器１から発振させても、パルスレーザ光のパワー変動を抑えることができる。よって、溶接時間の高速化とともに、溶け込み量の安定化を図ることができる。また、高速、高ピークのパルスレーザ光をＹＡＧパルスレーザ発振器１から発振させることで、加工対象であるアルミ系金属材料の表面状態が変動しても溶け込み量を安定させることができる。

なお、ハイブリッドカー用リチウム電池に用いるアルミ系金属容器を封口する場合は、ＹＡＧパルスレーザ発振器１から、立ち上がり時間が０．１ｍｓ以下、パルス幅が０．４ｍｓ以下、ピークパワーが５ｋＷ以上のパルスレーザ光を発振させる。より好適には、パルス幅を０．３ｍｓにする。この条件でハイブリッドカー用リチウム電池の封口を行えば、所望の溶け込み量（０．５ｍｍ）を満足するパルスシーム溶接を実現できる。

また、当該レーザ装置は、波長９１５ｎｍのＣＷレーザ光（連続発振レーザ光）を発振するＣＷレーザ発振器（第２のレーザ発振器）６を備えている。この発振器６において発振したＣＷレーザ光は、ビーム整形器７を通ってダイクロイックミラー４ヘ入射する。

ダイクロイックミラー４は、コリメートレンズ３を透過したパルスレーザ光とビーム整形器７を透過したＣＷレーザ光とを重畳して集光レンズ８へ与える。集光レンズ８は、ダイクロイックミラー４によって重畳されたパルスレーザ光とＣＷレーザ光とを加工点へ集光する。

光ファイバ２を通過したパルスレーザ光の集光スポット９の形状は、図２に示すように、光ファイバ２のコア形状と同じく円形状となる。一方、ビーム整形器７を通過したＣＷレーザ光の集光スポット１０は、ライン形状あるいは長方形とはならずに、菱形流線形状となり、このＣＷレーザ光の集光スポット１０の内部にパルスレーザ光の集光スポット９が包含される。このような重畳レーザ光を用いてパルスシーム溶接を行う場合、接合ライン１１に沿った方向にＣＷレーザ光の集光スポット１０の長径方向を設定し、その接合ライン１１の長手方向に沿って相対的に重畳レーザ光を移動させる。

このように、ＣＷレーザ光の集光スポットの形状を菱形流線形状にすることで、アルミ系金属材料をパルスシーム溶接する場合であっても、ＣＷレーザ光のパワーを大きくすることなく、加工点を効率よく予熱することができ、スパッタレスに溶接することができる。また、図２に示すように、パルスレーザ光の集光スポット９の円弧とＣＷレーザ光の集光スポット１０の円弧が接するようにするのが好適である。このようにすれば、ＣＷレーザ光のレーザパワーが最大となる集光スポット１０の中心部にパルスレーザ光の集光スポット９が重畳され、微小キーホールで瞬時に溶け込みを起こす。

以上のように、本実施の形態では、パルスレーザ光とＣＷレーザ光とを重畳して集光する第１の光学系としてダイクロイックミラー４と集光レンズ８を備える。また、パルスレーザ光の集光スポットの形状を円形状にする第２の光学系として、光ファイバ２、コリメートレンズ３、および集光レンズ８を備える。

続いて、ビーム整形器７について、図３を用いて詳述する。図３はビーム整形器７の概略構成を示す模式図であり、図３（ａ）はＣＷレーザ発振器６およびビーム整形器７を上から見た模式図を示している。また、図３（ｂ）はＣＷレーザ光のＦＡＳＴ方向のパワー分布を示している。また、図３（ｃ）はＣＷレーザ発振器６およびビーム整形器７を横から見た模式図を示している。また、図３（ｄ）はＣＷレーザ光のＳＬＯＷ方向のパワー分布を示している。

まず、ＣＷレーザ光のＦＡＳＴ方向のパワー分布について説明する。ＣＷレーザ発振器６は複数個の半導体レーザアレイバーが積層されたＬＤスタックによって構成されている。ここでは、半導体レーザアレイバーとして、複数個の半導体レーザエミッタがＦＡＳＴ方向に並べられているものを用いる。また、ＬＤスタックのレーザ出射口の前方にＦＡＳＴレンズが取り付けられている場合について説明するが、ＦＡＳＴレンズを持たないＬＤスタックを用いる場合には、ビーム整形器７にＦＡＳＴレンズを設ければよい。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体レーザアレイバー１２からのＣＷレーザ光は、ＦＡＳＴレンズ１３によりそのＦＡＳＴ方向の幅が「ｄ１」にコリメートされて、ビーム整形器７へ入射する。このビーム整形器７へ入射するＣＷレーザ光のＦＡＳＴ方向のパワー分布（図３（ａ）のＡ−Ａ’部のパワー分布）２０は、幅ｄ１のＴＯＰハット状となる。

ビーム整形器７へ入射したＣＷレーザ光は、その一部が偏向ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４に直接入射する。残りの一部は、まず１／２波長板１５によりその振動面が紙面と水平な方向に偏向され、次に４５度ミラー１６により９０度折り曲げられて、ＰＢＳ１４に入射する。ＰＢＳ１４は、直接入射された光と、１／２波長板１５および４５度ミラー１６を介して入射された光を合成して、焦点距離ｆ１の凹型シリンドリカルレンズ１７および焦点距離ｆ２の凸型シリンドリカルレンズ１８からなるエキスパンダ手段へ与える。このエキスパンダ手段へ入射するＣＷレーザ光のＦＡＳＴ方向のパワー分布（図３（ａ）のＢ−Ｂ’部のパワー分布）２１は、幅ｄ２（＜ｄ１）のＴＯＰハット状となる。エキスパンド手段は、ＣＷレーザ光のＦＡＳＴ方向の幅を拡張して、前述したダイクロイックミラー４へ与える。

ここで、凹型シリンドリカルレンズ１７および凸型シリンドリカルレンズ１８からなるエキスパンダ手段は、拡張比（｜ｆ２／ｆ１｜）を２．５倍以上に設定する。また、凹型シリンドリカルレンズ１７として、焦点距離ｆ１が‘−２５ｍｍ’〜‘−３０ｍｍ’の局率半径の大きなものを用いる。この構成により、エキスパンダ手段を透過したＣＷレーザ光のＦＡＳＴ方向のパワー分布（図３（ａ）のＣ−Ｃ’部のパワー分布）２２は、幅ｄ３（＞ｄ２）の丘状となる。すなわち、エキスパンダ手段を透過したＣＷレーザ光は、エキスパンダ手段の球面収差による拡がり部１９を除いた幅ｄ３（＞ｄ２）の部分がコリメートされる。このモードのＣＷレーザ光を前述した球面収差の無い集光レンズ８で集光すると、加工点におけるＣＷレーザ光のＦＡＳＴ方向のパワー分布（図３（ａ）のＤ−Ｄ’部のパワー分布）２３は、最大幅ｄ４（＜ｄ３）の釣鐘形状となる。

一方、ＳＬＯＷ方向については、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、凹型シリンドリカルレンズ１７および凸型シリンドリカルレンズ１８からなるエキスパンダ手段の球面収差の影響を受けず、集光レンズ８により加工点へ集光されたＣＷレーザ光のＳＬＯＷ方向のパワー分布（図３（ｃ）のＥ−Ｅ’部のパワー分布）２４は、幅ｄ５の長方形となる。したがって、加工点におけるＣＷレーザ光の集光スポット（輝度が他の領域よりも高い領域）１０の形状はＦＡＳＴ方向のパワー分布で決まり、菱形流線形状となる。すなわち、球面収差がなければＬＤスタックのレーザ出射口は長方形であるので、加工点におけるスポット形状は長方形になるが、エキスパンダ手段を設けることで、長方形のスポットの角の部分のレーザパワーが低くなり、その部分が暗くなって菱形流線形状となる。

なお、好適な具体例としては、ｄ１＝１０ｍｍ、ｄ２＝２ｍｍ、ｆ１＝−２５ｍｍ、ｆ２＝１００ｍｍに設定する。このように設定すれば、ｄ３＝２０ｍｍ、ｄ４＝２ｍｍ、ｄ５＝０．６ｍｍ程度になる。

以上のように、本実施の形態では、ＣＷレーザ光の集光スポットの形状を菱形流線形状にする第３の光学系として、ＦＡＳＴレンズ１３、ビーム整形器７、および集光レンズ８を備え、マスクを使用することなくＣＷレーザ光の集光スポットの形状を菱形流線形状にすることができ、効率よくＬＤパワーを加工点へ伝えることができる。

続いて、パルス電源５について詳細に説明する。図１に示すように、パルス電源５は、通常のチョッパ・インバータ方式の電源２５と、チョッパ・インバータ方式の電源２５からの電流信号２８を受けてＹＡＧパルスレーザ発振器１への電流信号の供給を行うスイッチ素子であるＧＴＯサイリスタ２６と、ＧＴＯサイリスタ２６のゲートを制御するマスク回路２７と、からなる。

当該レーザ装置によりハイブリッドカー用リチウム電池を封口する場合、チョッパ・インバータ方式の電源２５において、ＹＡＧパルスレーザ発振器１に、立ち上がり時間が０．１ｍｓ以下、パルス幅が０．４ｍｓ以下、ピークパワーが５ｋＷ以上のパルスレーザ光を発振させるための電流信号を生成する。

しかし、内部のスイッチ素子をスイッチングして出力電流制御を行うチョッパ・インバータ方式の電源ではクロック同期が不可欠であり、クロック同期では、スイッチ素子を駆動するチョッピングクロック周期信号（駆動信号）に数十μｓのジッタが発生するため、出力電流にも数十μｓのジッタが発生する。そのため、励起光源へ供給する電流信号のパルス幅を短くすると、ジッタ成分（変動成分）の割合が大きくなり、パルスレーザ光に大きなパワー変動が起こって溶け込み量が安定しない。例えば、図４に示すように、チョッパ・インバータ方式の電源２５においてパルス幅が０．３ｍｓの電流信号２８を生成すると、３０μｓのジッタ成分３１が発生する。したがって、この電流信号をそのまま励起光源へ供給すると、パルスレーザ光は１０％のパワー変動を起こし、溶け込み量も１０％近く変動する。通常、リチウム電池を封口するパルスシーム溶接では、溶け込み量の変動は３％程度（パルス幅０．３ｍｓに対して１０μｓ以下のジッタ成分）に抑える必要がある。

そこで、本実施の形態では、ＧＴＯサイリスタ２６とマスク回路２７により、強制的にジッタ成分をカットしている。すなわち、チョッパ・インバータ方式の電源２５は、内部のスイッチ素子（図示せず）をスイッチングするチョッピングクロック周期信号２９を生成しており、このチョッピングクロック周期信号２９をマスク回路２７へ与える。マスク回路２７は、チョッパ・インバータ方式の電源２５からのチョッピングクロック周期信号２９をゲート駆動信号３０としてＧＴＯサイリスタ２６のゲートへ与える。これにより、ＧＴＯサイリスタ２６は、チョッピングクロック周期信号２９に同期してスイッチング動作する。また、チョッピングクロック周期信号２９はジッタを含むため、ゲート駆動信号３０はそのジッタ成分を含む信号となるが、マスク回路２７は、所望のパルス幅のマスク信号を生成して、このマスク信号によりゲート駆動信号３０をマスクする。例えば、励起光源へ供給する電流信号のパルス幅を０．３ｍｓにする場合、図５に示すように、０．３ｍｓのパルス幅のマスク信号３２を生成する。このようにゲート駆動信号３０をマスクすることで、ＧＴＯサイリスタ２６の動作開始から０．３ｍｓ経過したときに、ＧＴＯサイリスタ２６はターンオフし、ＧＴＯサイリスタ２６によるＹＡＧレーザ発振器１への電流信号の供給が停止する。したがって、ジッタ成分をマスク（カット）した電流信号３３をＹＡＧレーザ発振器の励起光源へ供給することができ、パルスレーザ光のパルス幅を安定させることができる。

以上のように構成されたパルス電源５を用いて、パルスレーザ光のパルス幅を０．４ｍｓ以下で安定させ、０．８ｍｍ径のＧＩ型光ファイバを用いて平均パワーが１ｋｗのパルスレーザ光をアルミ系金属材料へ照射すると、深い溶け込み深さを得ることができる。例えば、パルス幅が０．３ｍｓ、ピークパワーが６ｋｗ、すなわち１．８Ｊのエネルギをアルミ系金属材料へ照射した場合、０．４ｍｍもの溶け込み深さを８０ｍｍ／ｓの溶接速度でスパッタレスに実現できる。

このように、本実施の形態によれば、ジッタ成分をカットしてパルスレーザ光のパルス幅を精度よく制御できるので、１ショット毎のレーザエネルギを安定させることができ、スパッタが発生する前にパルスレーザ光の発光を停止することができる。なお、本実施の形態ではスイッチ素子としてＧＴＯサイリスタを用いたが、これに限定されるものではない。

また、ＣＷ成分なしで、立ち上がり時間が０．１ｍｓ以下、パルス幅が０．４ｍｓ以下、ピークパワーが５ｋＷ以上の高速、高ピークのパルスレーザ光を照射すると、あまりにも高速に立ち上がり、ハイピークなため、クラックが発生しないと言われている純アルミでも、パルスレーザ光のスポットのキーホール中心部にクラックが発生する。これに対し、本実施の形態のように、円形状のパルスレーザ光と菱形流線形状のＣＷレーザ光とを重畳した重畳レーザ光を照射した場合、溶接後、ＣＷレーザ光により加工点が除冷されるので、急激な熱変化を抑えて、クラックを防止することができる。さらに、パルス列のラップ率を大きくでき、クラックレスおよびスパッタレスのビードを形成することができる。また、この重畳レーザ光によるパルスシーム溶接は、高ピーク切り込みであるため、アルミ系金属材料の表面状態の影響も小さく、１００ｍｍ／ｓを超える溶接速度も可能となる。また、高速溶接できるので、加工対象の熱変形を抑制できる。また、予熱や徐冷に必要な部分にのみＣＷレーザ光が照射されているので、ロスを最小にすることができる。特に、菱形流線形状の長径を短径の１．４倍から２倍にするのが好適である。また、溶接速度を高速化するのに合わせて、菱形流線形状の長径を長く設定すれば、予熱、除冷効果がより有効になる。

また、高速、高ピークのパルスレーザ光を発振させるので、ＧＩ型光ファイバを用いることができる。よって、容器の開口部と封口部材との間の隙間が大きなハイブリッドカー用リチウム電池の封口を、パルスレーザ光のスポット径を大きくすることなく実現でき、加工点へのパワー伝達率が向上する。

また、ＣＷレーザ光のパワーをパルスレーザ光の平均パワーよりも大きくすることにより、表面がより滑らかなビードを形成することができる。

本発明にかかるレーザ装置は、アルミ系金属材料に対して、スパッタやクラック等の溶接欠陥なく深い溶け込みを実現でき、高速にパルスシーム溶接でき、ハイブリッドカー用リチウム電池に用いられるアルミ系金属容器の封口のような、厚みのあるアルミ系金属材料のパルスシーム溶接に有用である。

本発明の実施の形態におけるレーザ装置の概略構成を示す模式図 本発明の実施の形態におけるパルスレーザ光およびＣＷレーザ光の集光スポットの形状を示す模式図 本発明の実施の形態におけるビーム整形器の概略構成を示す模式図 本発明の実施の形態におけるパルス電源が具備するチョッパ・インバータ方式の電源が生成する電流信号の一例を示す図 本発明の実施の形態におけるパルス電源が生成する電流信号の一例を示す図 従来のレーザ装置の概略構成を示す模式図

符号の説明

１、１０１ ＹＡＧパルスレーザ発振器
２ ＧＩ型光ファイバ
３、１０３ コリメートレンズ
４、１０４ ダイクロイックミラー
５ パルス電源
６ ＣＷレーザ発振器
７ ビーム整形器
８、１０６ 集光レンズ
９ パルスレーザ光の集光スポット
１０ ＣＷレーザ光の集光スポット
１１ 接合ライン
１２ 半導体レーザアレイバー
１３ ＦＡＳＴレンズ
１４ 偏向ビームスプリッタ
１５ １／２波長板
１６ ４５度ミラー
１７ 凹型シリンドリカルレンズ
１８ 凸型シリンドリカルレンズ
１９ 拡がり部
２０〜２３ ＣＷレーザ光のＦＡＳＴ方向のパワー分布
２４ ＣＷレーザ光のＳＬＯＷ方向のパワー分布
２５ チョッパ・インバータ方式の電源
２６ ＧＴＯサイリスタ
２７ マスク回路
２８ チョッパ・インバータ方式の電源の電流信号
２９ チョッピングクロック周期信号
３０ ゲート駆動信号
３１ ジッタ成分
３２ マスク信号
３３ パルス電源の電流信号
１０２ ＳＩ型光ファイバ
１０５ 高出力半導体レーザ
１０７ パルスレーザ光の集光スポット
１０８ ＣＷレーザ光の集光スポット

Claims (3)

1. パルスレーザ光を発振する第１のレーザ発振器と、
   前記第１のレーザ発振器に所望のパルス幅のパルスレーザ光を発振させるための電流信号を生成するとともに、その電流信号に含まれる変動成分をマスクするためのマスク信号を生成して、前記マスク信号により変動成分がマスクされた電流信号を前記第１のレーザ発振器へ供給するパルス電源と、
   連続発振レーザ光を発振する第２のレーザ発振器と、
   パルスレーザ光と連続発振レーザ光とを重畳して集光する第１の光学系と、
   パルスレーザ光の集光スポットの形状を円形状にする第２の光学系と、
   連続発振レーザ光の集光スポットの形状を菱形流線形状にする第３の光学系と、
   を備え、連続発振レーザ光の菱形流線形状の集光スポットに、パルスレーザ光の円形状の集光スポットを内包させることを特徴とするレーザ装置。
2. パルスレーザ光は、立ち上がり時間が０．１ｍｓ以下、パルス幅が０．４ｍｓ以下であることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
3. 前記パルス電源は、
   前記第１のレーザ発振器に所望のパルス幅のパルスレーザ光を発振させるための電流信号を生成するチョッパ・インバータ方式の電源と、
   前記チョッパ・インバータ方式の電源からの電流信号を受けて前記第１のレーザ発振器への電流信号の供給を行うスイッチ素子と、
   前記マスク信号を生成して、前記スイッチ素子による前記第１のレーザ発振器への電流信号の供給を停止させるマスク回路と、
   を備えることを特徴とする請求項１もしくは２のいずれかに記載のレーザ装置。

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