JP2009248154A - 重ねレーザ溶接装置、および重ねレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、被溶接部材が傾いている場合であっても、加圧する部分を確実にその傾きに倣わせて被溶接部材を密着させてレーザビームにより接合する。
【解決手段】本発明の重ねレーザ溶接装置は、重ね合わせた複数の被溶接部材Ｗ１，Ｗ２を加圧して互いに密着させ、レーザビームＬＢを溶接箇所に照射するもので、重ね合わせた複数の被溶接部材Ｗ１，Ｗ２に対して移動可能に設けられており内部にレーザビームＬＢが案内されるノズル１と、このノズル１の先端に保持された球状部材２とを備え、ノズル１の先端内側には、球状部材２を摺動可能に保持するための球状部材保持部１０が形成されており、球状部材２は、ノズル１内に案内されたレーザビームＬＢを透過させるレーザビーム透過部２０と、その先端開口周囲にわずかに突出するよう形成されて、重ね合わせた複数の被溶接部材Ｗ１，Ｗ２に当接され加圧する加圧部２１とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、重ねレーザ溶接装置、および重ねレーザ溶接方法に関し、特に、重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧して互いに密着させ、レーザビームを溶接箇所に照射する重ねレーザ溶接装置、および、重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧して互いに密着させた状態でレーザビームを溶接箇所に照射して、前記重ね合わせた複数の被溶接部材を重ね溶接する重ねレーザ溶接方法に関するものである。

重ねレーザ溶接される被溶接部材として、例えば半導体を構成する基板上に実装されたパッドとリボンとを重ね溶接する場合、これらのパッドとリボンの間に隙間が生じていると、重ね溶接した両者の間で所定の剥離強度を得ることができない。そのため、一般に図４に示すように、ノズル１００の先端面１０１を重ね合わせたパッドＷ１とリボンＷ２に対して加圧して（図４の矢印を参照）両者Ｗ１，Ｗ２を密着させて隙間をなくした状態とし、ノズル１００内に案内されたレーザビームＬＢを照射して接合している。

ところで、パッドＷ１が実装される基板Ｗ３においては、セラミックにより成形されたものがあり、その成形時に歪が生じており、基板Ｗ３を設置するベースとなるハウジングＨのＨ１面に対して基板Ｗ３の表面Ｗ３ｂが傾斜していることがある（以下、この傾斜を基板傾きＪという）。この基板傾きＪは、基板Ｗ３の誤差として例えば最大１°まで許容されている。また、基板Ｗ３に実装されるパッドＷ１においては、ハンダＳが均一に介装されておらず、基板Ｗ３の表面Ｗ３ｂに対してパッドＷ１が傾斜している場合がある（以下、この傾斜をハンダ傾きＫという）。このパッドＷ１のハンダ傾きＫは、誤差として例えば最大３°まで許容されている。したがって、基板傾きＪとハンダ傾きＫが同じ方向である場合には、リボンＷ２を接合するパッドＷ１の表面が最大で４°傾斜していることになる。さらにまた、これらの傾きＪ，Ｋ以外にも、被溶接部材Ｗ１，Ｗ２に凹凸が生じていることもある。

ここで、図６は、ノズル１００の先端面１０１で加圧したときのパッドＷ１とリボンＷ２の間の圧力（図６の矢印を参照）を調べるために、パッドＷ１とリボンＷ２の間に感圧紙１０２を介装した状態を示した図である。また、図７は、図６に示したようにノズル１００の先端面１０１で加圧したときの感圧紙１０２の圧痕ＰＭ’を示したものである。

上述したように傾きＪ，Ｋや凹凸が生じている状態で、パッドＷ１の表面にリボンＷ２を重ね合わせてノズル１００の先端面１０１により加圧すると、図７に示すように従来のノズル１００の加圧による圧痕ＰＭ’は、ノズル１００の先端面１０１の形状の一部分しか現れないことから、パッドＷ１の表面にリボンＷ２が均一な力で加圧されておらず、パッドＷ１とリボンＷ２の間に部分的に隙間Ｍ（図４）が生じている。

図５は、被溶接部材Ｗ１，Ｗ２間に隙間Ｍが生じていない場合（０ｍｍ）と、隙間Ｍが０．０２ｍｍで生じている場合と、隙間が０．０４ｍｍで生じている場合とにおける重ね溶接の剥離強度をそれぞれ示したものである。この図５に示した例では、被溶接部材Ｗ１，Ｗ２間の隙間が０．０２ｍｍ以上生じると、剥離する方向に対する溶接強度がない（ゼロＮ）、すなわち、被溶接部材Ｗ１，Ｗ２が互いに重ね溶接されないこととなる。

このような傾きＪ，Ｋや凹凸が生じている被溶接部材Ｗ１，Ｗ２を均一な力で加圧するための従来の技術としては、特許文献１が知られている。特許文献１には、レーザ発振器から出力されたレーザ光を集光して照射し、ワークの切断や溶接等の加工を行なうレーザ加工光学系を形成し、このレーザ加工光学系をレーザ加工ヘッドに備えたレーザ加工装置において、上記レーザ加工ヘッドはレーザ発振器からのレーザ光が案内される固定ユニットと、この固定ユニットに設けられ、上記レーザ光を集光させる集光光学系を内蔵した可動ユニットと、上記固定ユニットと可動ユニットの間に設けられ、可動ユニットを弾力的に保持する弾性保持手段とを備え、上記可動ユニットは弾性保持手段によりワーク加工面の凹凸に追従する接触式ワーク倣い機構を構成し、このワーク倣い機構により集光光学系からワーク加工位置までの距離を常時略一定に保持したことを特徴とするレーザ加工装置が開示されている。そして、特許文献１には、このレーザ加工装置において、前記接触式ワーク倣い機構は、可動ユニットに備えられ、レーザ光を集光させる集光光学系を内蔵した光学トーチと、この光学トーチの先端部に設けられた接触式加工面倣いノズル手段とを有し、上記接触式加工面倣いノズル手段は、弾性保持手段によりワーク加工面を押圧し、ワーク加工面の凹凸に追従可能に構成し、さらに、接触式加工面倣いノズル手段は、光学トーチの先端部に球面軸受によりレーザ光光軸に対し傾斜可能に保持され、ワーク加工面の凹凸に追従可能に構成したものなどが開示されている。

また、特許文献１には、レーザ発振器から出力されたレーザ光をレーザ加工ヘッドに案内し、案内されたレーザ光をレーザ加工ヘッド内のレーザ加工光学系を通して被加工物、試料等のワークに照射し、ワークをレーザ光により切断したりあるいは溶接するレーザ加工を施す際、レーザ加工ユニットの接触式ワーク倣い機構を弾性保持手段でワークに押圧接触させつつ、上記可動ユニットに備えた接触式加工面倣いノズル手段をワークにワーク加工方向に沿って倣わせ、しかも、可動ユニットに内蔵された集光光学系からワーク加工位置までの距離を常に略一定に保持してレーザ加工を行なうことを特徴とするレーザ加工方法も開示されている。

特開２０００−６１６６９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されたレーザ加工装置にあっては、その図１に参照されるように、レーザ加工ノズルの基端部が球面軸受けにより接触式加工面倣いノズル手段に保持された構造であるため、ワークの加工面の傾きなどに倣ってレーザ加工ノズルの先端が大きく俯仰されると、下部ユニット内を案内されるレーザビームがレーザ加工ノズルの内面に照射されて、ワークの加工面に到達せず加工を行うことができないばかりでなく、レーザ加工ノズルが損傷したり、レーザ加工ノズルがワークに溶着されるなどの問題があった。また、特許文献１にあっては、レーザ加工ノズルの前方及び後方に接触式倣いローラ手段が設けられており、レーザ加工ノズルの先端面がワークの加工面から離れているために、加工面の傾きに対して正確にレーザ加工ノズルを俯仰させることができず、また、レーザビームを照射する部分を正確に加圧して互いに密着させることができず隙間が生じるという問題や、レーザ加工ノズルの先端周囲が複雑で大型化し設置面積を必要とするため、重ね溶接を行う加工面が比較的小さい場合には適用することができないという問題があった。

なお、特許文献１には、「 また、接触式加工面倣いノズル手段３５は下部ユニット１３の光学トーチ２２に球面軸受４１を介して旋回かつ俯仰自在に支持されており、レーザ加工ノズル４０はワークＷの加工面の傾斜に対し、常に垂直にサポートされる。このとき、レーザ光の光軸は、ワークＷに対して角度変化分だけ変化することになる。」などと記載されているが（００６８）、光学トーチに設けられた集光レンズ３８で集光されたレーザ光Ｌの光軸が、ワークの加工面の傾斜に応じて球面軸受４１により俯仰されるレーザ加工ノズル４０の角度変化分だけ変化することになるような具体的な構成は開示されていない。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、ノズルの加圧方向に対して被溶接部材が傾いている場合であっても、加圧する部分を確実にその傾きに倣わせて被溶接部材を密着させることができ、しかも、加圧する部分が熱によって被溶接部材に溶着したり変形することなく、また、品質が良好な重ね溶接を行うことができるよう構成された重ねレーザ溶接装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、ノズルの加圧方向に対して被溶接部材が傾いている場合であっても、加圧する部分を確実にその傾きに倣わせて被溶接部材を密着させることができ、もって、確実に重ね溶接を行うことができる重ねレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

請求項１の重ねレーザ溶接装置に係る発明は、上記目的を達成するため、重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧して互いに密着させ、レーザビームを溶接箇所に照射する重ねレーザ溶接装置であって、先端内側に球状部材保持部が形成されており、内部にレーザビームが案内されるノズルと、該ノズルの球状部材保持部に摺動可能に保持された球状部材とを備え、該球状部材は、前記ノズル内に案内されたレーザビームを透過させるレーザビーム透過部と、該レーザビーム透過部の先端開口周囲に形成されて前記重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧する加圧部とを有していることを特徴とするものである。
請求項２の重ねレーザ溶接装置に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明において、前記球状部材が、２０〜４０重量％の銅と８０〜６０重量％のタングステンとの合金であることを特徴とするものである。
また、請求項３の重ねレーザ溶接方法に係る発明は、上記目的を達成するため、重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧して互いに密着させた状態でレーザビームを溶接箇所に照射して、前記重ね合わせた複数の被溶接部材を重ね溶接する重ねレーザ溶接方法であって、内部にレーザビームが案内されるノズルの先端内側に球状部材保持部を形成するとともに、前記ノズル内に案内されたレーザビームを透過させるレーザビーム透過部と、該レーザビーム透過部の先端開口周囲に形成されて前記重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧する加圧部とを有する球状部材を、前記ノズルの球状部材保持部に摺動可能に保持することにより、傾き倣い機構を構成し、前記複数の各被溶接部材の溶接箇所を重ね合わせ、前記ノズルを軸方向に移動させてその先端に保持させた球状部材の加圧部を前記重ね合わせた複数の被溶接部材に当接させて加圧し、前記ノズル内に案内されたレーザビームを、前記レーザビーム透過部を介して溶接箇所に照射し、重ね溶接することを特徴とするものである。

請求項１のレーザ溶接装置に係る発明によれば、先端内側に球状部材保持部が形成されており、内部にレーザビームが案内されるノズルと、該ノズルの球状部材保持部に摺動可能に保持された球状部材とを備え、該球状部材は、前記ノズル内に案内されたレーザビームを透過させるレーザビーム透過部と、該レーザビーム透過部の先端開口周囲に形成されて前記重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧する加圧部とを有していることにより、重ね合わせた複数の被溶接部材を確実に加圧して互いに密着させ、レーザビームにより溶接箇所を確実に重ね溶接することができる。
請求項２のレーザ溶接装置に係る発明によれば、請求項１に記載の発明において、前記球状部材を、２０〜４０重量％の銅と８０〜６０重量％のタングステンとの合金で構成することにより、球状部材が熱によって被溶接部材に溶着したり変形することなく、また、良好な溶接強度で重ね溶接することができる。
請求項３の重ねレーザ溶接方法に係る発明によれば、内部にレーザビームが案内されるノズルの先端内側に球状部材保持部を形成するとともに、前記ノズル内に案内されたレーザビームを透過させるレーザビーム透過部と、該レーザビーム透過部の先端開口周囲に形成されて前記重ね合わせた被溶接部材を加圧する加圧部とを有する球状部材を、前記ノズルの球状部材保持部に摺動可能に保持して傾き倣い機構を構成することにより、前記重ね合わせた複数の各被溶接部材の溶接箇所を重ね合わせ、前記ノズルを軸方向に移動させてその先端に保持させた球状部材の加圧部を複数の被溶接部材に当接させて加圧し、前記ノズル内に案内されたレーザビームを、前記レーザビーム透過部を介して溶接箇所に照射すると、ノズルの加圧方向に対して被溶接部材が傾いている場合であっても、加圧する部分を確実にその傾きに倣わせて重ね合わされた複数の被溶接部材を密着させることができ、もって、確実に重ね溶接を行うことができる。

（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。請求可能発明は、少なくとも、請求の範囲に記載された発明である「本発明」ないし「本願発明」を含むが、本願発明の下位概念発明や、本願発明の上位概念あるいは別概念の発明を含むこともある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）項が請求項１に相当し、（２）項が請求項２に相当し、（６）項が請求項３に相当する。

（１） 重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧して互いに密着させ、レーザビームを溶接箇所に照射する重ねレーザ溶接装置であって、
先端内側に球状部材保持部が形成されており、内部にレーザビームが案内されるノズルと、
該ノズルの球状部材保持部に摺動可能に保持された球状部材とを備え、
該球状部材は、前記ノズル内に案内されたレーザビームを透過させるレーザビーム透過部と、該レーザビーム透過部の先端開口周囲に形成されて前記重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧する加圧部とを有していることを特徴とする重ねレーザ溶接装置。

（１）項の発明では、内部にレーザビームが案内されるノズルの先端内側に球状部材保持部を形成し、ノズル内に案内されたレーザビームを透過させるレーザビーム透過部と、このレーザビーム透過部の先端開口周囲に形成されて前記重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧する加圧部とを有する球状部材を前記ノズルの球状部材保持部に摺動可能に保持することにより、重ね合わせた複数の被溶接部材がノズルの軸方向に対して傾いた状態であっても、球状部材の加圧部がその傾きに倣うように摺動するため、重ね合わせた複数の被溶接部材を確実に加圧して互いに密着させ、レーザビームにより溶接箇所を確実に重ね溶接することができる。

（２） 前記球状部材が、２０〜４０重量％の銅と８０〜６０重量％のタングステンとの合金であることを特徴とする（１）項に記載の重ねレーザ溶接装置。

（２）項に記載の発明では、（１）項に記載の発明において、前記球状部材を、２０〜４０重量％の銅と８０〜６０重量％のタングステンとの合金とすることにより、レーザビームによる熱で、球状部材が被溶接部材に溶着したり変形することなく、また、良好な溶接強度で重ね溶接することができる。

（３） 前記球状部材保持部に対する球状部材の摺動を規制する規制手段を有することを特徴とする（１）または（２）項に記載の重ねレーザ溶接装置。

（３）項に記載の発明では、（１）または（２）項に記載の発明において、前記球状部材保持部に対する球状部材の摺動を規制する規制手段を有することにより、ノズル内に案内されたレーザビームが球状部材のレーザビーム透過部を確実に透過して被溶接部材の溶接箇所に照射され、被溶接部材の溶接箇所を重ね溶接する。

（４） 前記球状部材保持部と球状部材との間に、直径で０．０３０〜０．０３５ｍｍのクリアランスが形成されていることを特徴とする（１）〜（３）項のいずれか１項に記載の重ねレーザ溶接装置。

（４）項の発明では、（１）〜（３）項のいずれか１項に記載の発明において、前記球状部材保持部と球状部材との間に、直径で０．０３０〜０．０３５ｍｍのクリアランスが形成されていることにより、ノズルの球状部材保持部に対して球状部材が確実且つ適切に摺動することができる。

（５） 前記球状部材保持部の先端開口に対する球状部材の圧入代が、直径で０．０５〜０．０６ｍｍであることを特徴とする（１）〜（４）項のいずれか１項に記載の重ねレーザ溶接装置。

（５）項に記載の発明では、（１）〜（４）項のいずれか１項に記載の発明において、前記球状部材保持部の先端開口に対する球状部材の圧入代が、直径で０．０５〜０．０６ｍｍであることにより、ノズルの球状部材保持部に対して球状部材を着脱・交換することができる。

（６） 重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧して互いに密着させた状態でレーザビームを溶接箇所に照射して、前記重ね合わせた複数の被溶接部材を重ね溶接する重ねレーザ溶接方法であって、
内部にレーザビームが案内されるノズルの先端内側に球状部材保持部を形成するとともに、前記ノズル内に案内されたレーザビームを透過させるレーザビーム透過部と、該レーザビーム透過部の先端開口周囲に形成されて前記重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧する加圧部とを有する球状部材を、前記ノズルの球状部材保持部に摺動可能に保持することにより、傾き倣い機構を構成し、
前記複数の各被溶接部材の溶接箇所を重ね合わせ、
前記ノズルを軸方向に移動させてその先端に保持させた球状部材の加圧部を前記重ね合わせた複数の被溶接部材に当接させて加圧し、
前記ノズル内に案内されたレーザビームを、前記レーザビーム透過部を介して溶接箇所に照射し、重ね溶接することを特徴とする重ねレーザ溶接方法。

（６）項に記載の発明では、内部にレーザビームが案内されるノズルの先端内側に球状部材保持部を形成するとともに、前記ノズル内に案内されたレーザビームを透過させるレーザビーム透過部と、該レーザビーム透過部の先端開口周囲に形成されて前記重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧する加圧部とを有する球状部材を、前記ノズルの球状部材保持部に摺動可能に保持して傾き倣い機構を構成することにより、前記複数の各被溶接部材の溶接箇所を重ね合わせ、前記ノズルを軸方向に移動させてその先端に保持させた球状部材の加圧部を重ね合わせた複数の被溶接部材に当接させて加圧し、前記ノズル内に案内されたレーザビームを、前記レーザビーム透過部を介して溶接箇所に照射すると、ノズルの加圧方向に対して重ね合わせた複数の被溶接部材が傾いている場合であっても、加圧する部分を確実にその傾きに倣わせて重ね合わせた複数の被溶接部材を密着させることができ、もって、確実に重ね溶接を行うことができる。

（７） 前記ノズルの球状部材保持部の先端開口に対して球状部材を圧入することを特徴とする（６）項に記載の重ねレーザ溶接方法。

（７）項に記載の発明では、（６）項に記載の発明において、前記ノズルの球状部材保持部の先端開口に対して球状部材を圧入することにより、ノズルの球状部材保持部に対して球状部材を着脱・交換することができる。

最初に、本発明の重ねレーザ溶接装置の実施の一形態を、基板上に実装されたパッドとリボンを重ねスポット溶接する場合により、図１および図２に基づいて詳細に説明する。
本発明の重ねレーザ溶接装置は、概略、重ね合わせた複数の被溶接部材Ｗ１，Ｗ２を加圧して互いに密着させ、レーザビームＬＢを溶接箇所に照射するものであって、重ね合わせた複数の被溶接部材Ｗ１，Ｗ２に対して少なくとも軸方向に移動可能に設けられており内部にレーザビームＬＢが案内されるノズル１と、このノズル１の先端に保持された球状部材２とを備えている。ノズル１の先端内側には、球状部材２を摺動可能に保持するための球状部材保持部１０が形成されている。球状部材２は、ノズル１内に案内されたレーザビームＬＢを透過させるレーザビーム透過部２０と、このレーザビーム透過部２０の先端開口周囲にわずかに突出するよう形成されて重ね合わせた複数の被溶接部材Ｗ１，Ｗ２に当接され加圧する加圧部２１とを有している。そして、球状部材２は、２０〜４０重量％の銅と８０〜６０重量％のタングステンとの合金により構成されている。さらに、ノズル１の球状部材保持部１０に対して球状部材２の摺動を規制する規制手段３を有している。

被溶接部材の一つであるパッドＷ１は、セラミックからなる基板Ｗ３上にハンダ付けされている。基板Ｗ３は、パッドＷ１とリボンＷ２を重ね溶接する際に、ハウジングＨ上に位置決め固定される。尚、ハウジングＨの上面Ｈ１は、ハウジングＨの下面Ｈ２に対してこの製品の場合には平行に（つまり、ハウジングＨの上面Ｈ１が溶接テーブル４の上面と平行に）加工されている。したがって、この製品の場合には、基板Ｗ３を位置決め固定するハウジングＨの上面Ｈ１が後述する傾きＪ，Ｋの基準面となる。しかしながら、ハウジングＨの上面Ｈ１が下面Ｈ２に対して平行に加工されていない場合には、ハウジングＨを位置決め支持する溶接テーブル４が基準面となる。そして、基板Ｗ３は、その成形時の歪などにより、パッドＷ１をハンダ付けされた上面（表面）Ｗ３ｂが基準面に対して傾斜している基板傾きＪが生じている場合がある。この基板傾きＪは、誤差として最大で１°まで許容されている。また、基板Ｗ３上にハンダ付けされたパッドＷ１は、ハンダＳが基板Ｗ３とパッドＷ１の間に均一に拡がらず、基板Ｗ３の表面Ｗ３ｂに対して傾斜しているハンダ傾きＫが生じている場合がある。このハンダ傾きＫは、誤差として最大で３°まで許容されている。そのため、リボンＷ２をスポット溶接するパッドＷ１の表面の基準面に対する傾きは、最大で４°傾斜していることになる。

一方、リボンＷ２は、例えば薄板帯状の銅の表面に錫をメッキしたもので、先端近傍を屈曲成形することにより、パッドＷ１とスポット溶接される部分Ｗ２ａが形成されており、かかる部分Ｗ２ａがパッドＷ１の上面とほぼ平行となるよう支持されている。リボンＷ２は、その表面が錫メッキされていることによりレーザビームＬＢを吸収し易くなっており、その熱エネルギによってパッドＷ１と溶け込み接合される。

ノズル１は、重ね合わされた被溶接部材Ｗ１，Ｗ２の所定の溶接箇所に対して軸方向に移動して加圧することができるよう、例えばロボットのアームにより任意の位置に移動可能に支持されている。ノズル１は、円形状となる中空の略筒状に形成されたもので、レーザ発振装置から出力され所定の焦点に集光されたレーザビームＬＢが先端に向かって照射されるよう案内される。ノズル１は、例えばアルミナ分散銅などにより構成することができる。また、ノズル１には、必要に応じて不活性ガスあるいは反応性ガス、アシストガス、シールドガスなどを内部に供給し溶接箇所に向かって噴出させることができるよう構成することもできる。レーザ発振装置の種類や出力されるレーザビームＬＢのモード、発信時間、出力などは、被溶接部材Ｗ１，Ｗ２の種類や厚さなどに応じて適当に選択されるため、本発明では特に限定されることはない。ノズル１の先端内側には、球状部材保持部１０が形成されている。球状部材保持部１０の開口部１０ａの内径は、球状部材２の外径よりもわずかに小さく、所定の圧入代が形成されている。また、この開口部１０ａから図１の下方の内周側壁３０は、後述するように、球状部材２の摺動を規制する規制手段３を構成している。

球状部材２は、ノズル１の球状部材保持部１０内で回動するように摺動することができるよう全体が略球状に形成されているが、ノズル１の先端から露出する部分が円筒状にわずかに突出して、その先端面が重ね合わせた被溶接部材Ｗ２に当接され加圧する加圧部２１を構成している。そして、加圧部２１の、中心から反対側に貫通するように孔が穿設されていることによりレーザビーム透過部２０が形成されている。なお、レーザビーム透過部２０は、レーザビームＬＢをノズル１内から被溶接部材Ｗ１，Ｗ２に向かって照射させることができるものであれば、例えば円筒状の透明なガラス部材とするなど、球状部材２に穿設された孔に限定されることはない。レーザビーム透過部２０の内径は、後述するように球状部材２がノズル１の球状部材保持部１０内で摺動した際にレーザビームＬＢが干渉しないように、ノズル１内を案内されるレーザビームＬＢの径や、ノズル１の球状部材保持部１０に対する球状部材２の摺動許容範囲などに応じて設定される。円筒状にわずかに突出する加圧部２１の外周側壁３１は、後述するように、球状部材保持部１０の開口部１０ａから図１の下方の内周側壁３０とともに、球状部材２の摺動を規制する規制手段３を構成している。

球状部材保持部１０の内径と球状部材２の外径との差（すなわちクリアランス）は、この実施の形態の場合、直径で０．０３０〜０．０３５ｍｍ程度に設定されている。また球状部材２の表面は、その粗さがＲａ０．４以下で形成されている。このクリアランスと表面粗さにより、球状部材２は、溶接時の熱による膨張に影響されることなく、加圧部２１の外周側壁３１が球状部材保持部１０の内周側壁３０に当接されて規制される範囲で、リボンＷ２が重ね合わされたパッドＷ１の傾きに応じて、焼き付を起こすことなく、球状部材保持部１０内で全方向に自在に摺動することができる。そのため、パッドＷ１が基準面に対して傾斜している場合であっても、ノズル１を軸方向（図では鉛直方向）に移動させて加圧する際に、その傾きに倣うように加圧部２１が従動する傾き倣い機構が構成されている。

また、球状部材保持部１０の開口部１０ａの内径と球状部材２の外径との差（すなわち圧入代）は、この実施の形態の場合、直径で０．０５〜０．０６ｍｍ程度に設定されている。この圧入代により、球状部材２をノズル１の球状部材保持部１０内に組み込み確実に保持させることができ、また、必要に応じて球状部材２をノズル１の球状部材保持部１０内から確実に取り出し交換することができる。

ここで、球状部材２を構成する材質について説明する。図２は、球状部材２を各種材料によって成形して実験を行なった場合の、それぞれ被溶接部材との溶着と、変形と、溶接強度との評価を示す図表である。溶接時のレーザビームＬＢの熱エネルギにより、球状部材２の特に加圧部２１が、被溶接部材として錫メッキが施されたリボンＷ２と溶着したり、加圧により変形することなく、所定の強度で溶接することができた材質は、銅とタングステンの合金の場合だけであることが判明した。そのため、本発明では、球状部材２を、２０〜４０重量％の銅と８０〜６０重量％のタングステンとの合金により構成することとした。

次に、本発明の重ねレーザ溶接方法の実施の一形態を、上述したように構成された重ねレーザ溶接装置を用いる場合によって、その作動とともに詳細に説明する。なお、上述した重ねレーザ溶接装置の実施の形態と重複する部分や相当する部分については同じ符号を付してその説明を省略する。
本発明の重ねレーザ溶接方法は、概略、重ね合わせた複数の被溶接部材Ｗ１，Ｗ２を加圧して互いに密着させた状態でレーザビームＬＢを溶接箇所に照射して、重ね合わせた複数の被溶接部材Ｗ１，Ｗ２を重ね溶接するものであって、内部にレーザビームＬＢが案内されるノズル１の先端内側に球状部材保持部１０を形成するとともに、ノズル１内に案内されたレーザビームＬＢを透過させるレーザビーム透過部２０と、このレーザビーム透過部２０の先端開口周囲に形成されて重ね合わせた複数の被溶接部材Ｗ１，Ｗ２を加圧する加圧部２１とを有する球状部材２を形成して、この球状部材２をノズル１の球状部材保持部１０に摺動可能に保持することにより、傾き倣い機構を構成する。そして、複数の各被溶接部材Ｗ１，Ｗ２の溶接箇所を重ね合わせ、ノズル１を軸方向に移動させてその先端に保持させた球状部材２の加圧部２１を重ね合わせた複数の被溶接部材Ｗ１，Ｗ２に当接させて加圧して各被溶接部材Ｗ１，Ｗ２の溶接箇所の間の隙間Ｍを無くした状態で、ノズル１内に案内されたレーザビームＬＢを、球状部材２のレーザビーム透過部２０を介して溶接箇所に照射し、重ね溶接するものである。

基板Ｗ３上にハンダ付けされたパッドＷ１に対してリボンＷ２をスポット溶接するに際しては、基板Ｗ３をハウジングＨ上に固定し、さらにそのハウジングＨを溶接テーブル４上に位置決め固定し、リボンＷ２のスポット溶接される部分Ｗ２ａをパッドＷ１の上面に重ね合わせる。このとき、上述したようにパッドＷ２の上面は、ハンダ傾きＫや基板傾きＪなどによって、基準面であるハウジングＨの上面Ｈ１あるいは溶接テーブル４の上面に対して傾斜している場合がある。

次いで、ロボットのアームを駆動して、ノズル１の軸方向がハウジングＨの上面あるいは溶接テーブル４の上面に対して鉛直となり、且つ、溶接箇所と対応するように配置し、ノズル１をハウジングＨの上面あるいは溶接テーブル４の上面に対して鉛直方向に移動させて、球状部材２のノズル１先端から突出した加圧部２１をリボンＷ２の溶接箇所に当接させ、溶接テーブル４に載置されたハウジングＨと加圧部２１との間で基板Ｗ３上のパッドＷ１とリボンＷ２との溶接箇所の隙間Ｍを無くするよう、すなわち両者Ｗ１，Ｗ２を密着させるよう加圧する。このとき、ノズル１の球状部材保持部１０に球状部材２を保持させて倣い機構を構成していることにより、パッドＷ１が基準面であるハウジングＨの上面Ｈ１あるいは溶接テーブル４の上面に対して傾斜している場合であっても、ノズル１を軸方向に移動させて加圧することにより（図１の矢印を参照）球状部材２がパッドＷ１の傾斜に応じてノズル１の球状部材保持部１０内で摺動することとなる。そのため、図６に示した場合と同様に、パッドＷ１とリボンＷ２の間に感圧紙１０２（図６の符号１０２を参照）を介装してパッドＷ１とリボンＷ２の間の圧力を調べると、図３に示すように、加圧部２１の形状のとおりの圧痕ＰＭが感圧紙に現れたことから、溶接箇所の周囲が全周にわたって均等に加圧されていることが証明された。したがって、溶接箇所においてリボンＷ２がパッドＷ１の表面に対して密着した状態が保障されている。なお、ロボットの駆動による球状部材２の加圧部２１の加圧力は、例えば２ｋｇｆとして、パッドＷ１に対してリボンＷ２が充分に密着し得る強さに設定することができる。また、ノズル１の基端側をその軸方向に移動可能に支持するとともに、ノズル１が伸張する方向（図１では下降する）への移動を規制し、且つ、ノズル１を伸張させる方向に付勢するばねを設けて、このばねの付勢力によって、例えば２ｋｇｆなど、所望の球状部材２の加圧部２１の加圧力を得るように構成することもできる。

この状態でレーザビームＬＢを出力すると、レーザビームＬＢはノズル１の内部を案内されて球状部材２のレーザビーム透過部２０を通ってリボンＷ２上に照射され、リボンＷ２とパッドＷ１の溶接箇所がレーザビームＬＢの熱エネルギによって溶け込み接合される。このとき、例えば、レーザビームＬＢの径を、ノズル１内の所定の位置で０．６３ｍｍ程度とし、リボンＷ２の表面上で０．６０ｍｍ程度に集光されるものとすると、ノズル１の内径が１．８ｍｍで、球状部材２のレーザビーム透過部２０の内径が１．６ｍｍで形成されている。そして、基準面に対してパッドＷ１が想定された角度以上に傾斜している場合には、球状部材２の加圧部２１の外周側壁３１が球状部材保持部１０の開口部１０ａの内周側壁３０に当接し、球状部材保持部１０に対する球状部材２の回転するような摺動が規制される。そのため、球状部材２が球状部材保持部１０内で過度に回転するよう摺動してレーザビーム透過部２０がレーザビームＬＢに干渉することが防止される。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されることはなく、基板Ｗ３上にハンダ付けされたパッドＷ１とリボンＷ２を接合する場合以外にも、レーザビームＬＢによって複数の被溶接部材を重ね溶接するものであれば、適用することができる。

本発明の重ねレーザ溶接装置の実施の一形態を説明するために示した要部断面図である。 球状部材を各種材料によって成形して実験を行なった場合の、それぞれ被溶接部材との溶着と、変形と、溶接強度との評価を示す図表である。 本発明の場合の、パッドとリボンの間に感圧紙を介装して加圧したときの、加圧部の圧痕である。 従来の重ねレーザ溶接装置を説明するために示した要部断面図である。 被溶接部材間の隙間と剥離強度の関係を説明するために示した図表である。 図４に示した従来の重ねレーザ溶接装置において、ノズルによる加圧の状態を調べるために、感圧紙をパッドとリボンの間に介装した状態を説明するために示した要部断面図である。 図４に示した従来の技術の場合の、パッドとリボンの間に感圧紙を介装して加圧したときの、ノズルの先端面の圧痕である。

符号の説明

Ｗ１：パッド（被溶接部材）、 Ｗ２：リボン（被溶接部材）、 ＬＢ：レーザビーム、 １：ノズル、 ２：球状部材、 ３：規制手段、 １０：球状部材保持部、 ２０：レーザビーム透過部、 ２１：加圧部

Claims (3)

1. 重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧して互いに密着させ、レーザビームを溶接箇所に照射する重ねレーザ溶接装置であって、
   先端内側に球状部材保持部が形成されており、内部にレーザビームが案内されるノズルと、
   該ノズルの球状部材保持部に摺動可能に保持された球状部材とを備え、
   該球状部材は、前記ノズル内に案内されたレーザビームを透過させるレーザビーム透過部と、該レーザビーム透過部の先端開口周囲に形成されて前記重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧する加圧部とを有していることを特徴とする重ねレーザ溶接装置。
2. 前記球状部材が、２０〜４０重量％の銅と８０〜６０重量％のタングステンとの合金であることを特徴とする請求項１に記載の重ねレーザ溶接装置。
3. 重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧して互いに密着させた状態でレーザビームを溶接箇所に照射して、前記重ね合わせた複数の被溶接部材を重ね溶接する重ねレーザ溶接方法であって、
   内部にレーザビームが案内されるノズルの先端内側に球状部材保持部を形成するとともに、前記ノズル内に案内されたレーザビームを透過させるレーザビーム透過部と、該レーザビーム透過部の先端開口周囲に形成されて前記重ね合わせた複数の被溶接部材を加圧する加圧部とを有する球状部材を、前記ノズルの球状部材保持部に摺動可能に保持することにより、傾き倣い機構を構成し、
   前記複数の各被溶接部材の溶接箇所を重ね合わせ、
   前記ノズルを軸方向に移動させてその先端に保持させた球状部材の加圧部を前記重ね合わせた複数の被溶接部材に当接させて加圧し、
   前記ノズル内に案内されたレーザビームを、前記レーザビーム透過部を介して溶接箇所に照射し、重ね溶接することを特徴とする重ねレーザ溶接方法。
   

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