JPH06198471A - レーザ溶接方法 - Google Patents

レーザ溶接方法

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JPH06198471A JP5308557A JP30855793A JPH06198471A JP H06198471 A JPH06198471 A JP H06198471A JP 5308557 A JP5308557 A JP 5308557A JP 30855793 A JP30855793 A JP 30855793A JP H06198471 A JPH06198471 A JP H06198471A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶接部にマイクロクラッキングを生じにく
く、高信頼性の、しかも単純で安価な溶接を可能にす
る。 【構成】 第１金属部材１１の表面が層１３でメッキさ
れている場合にその第１金属部材１１の中に溶接部を形
成する方法において、第１ピークパワーおよび第１パル
ス持続時間を有する第１パルスレーザビーム１７を層１
３に向けて層１３の一部を蒸発させ、それによって第１
金属部材１１の一部を露出させる工程と、第１ピークパ
ワーよりも小さい第２ピークパワーおよび第１パルス持
続時間よりも長い第２持続時間を有する第２パルスレー
ザビーム２０を第１金属部材１１の露出部に向け、第１
金属部材１１の一部を溶融する工程とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はレーザ溶接方法に関し、
特に、例えばコバールの上に金等の別の金属をメッキし
た金属部材の溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】種々の金属部材のレーザ溶接を記述した
文献の例としては、１９８９年８月２２日に特許された
コイルらの米国特許４，８５９，８２７号がある。この
米国特許には、スリーブを光ファイバフェルールにレー
ザ溶接する方法が記載されている。光ファイバはスリー
ブ内で回転できるように配置され、その配置ができた
後、ファイバがスリーブに対して最終的に回転可能なよ
うに、スリーブをフェルールに溶接する。その溶接の際
にレーザ溶接を都合よく利用できる。
【０００３】特に、例えば海底ケーブルのように、光フ
ァイバを遠隔環境で使おうとする場合、光ファイバは長
期間の信頼性を保証できる方法で作らなければならな
い。光ファイバフェルールおよびスリーブは、上記米国
特許に記載されたように、熱膨張の相違の影響を最小限
にするために、典型的には、コバール（鉄ニッケルコバ
ルト合金の商品名）等の材料が用いられる。また、コバ
ールは、典型的には薄い金の保護層でメッキするのが普
通である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】発明者らは、金メッキ
したコバールのレーザ溶接は、マイクロクラッキング
（微少な亀裂）を生じやすく、それが信頼性を著しく損
なうことを見いだした。この問題に関する発明者らの研
究によれば、このマイクロクラッキングはコバール溶接
における過剰の金により引き起こされる。したがって、
この問題に対する一つの解決策は、溶接を行う前に金メ
ッキの一部を食刻（エッチング）で除去することであ
る。しかしこの方法によると、コバール溶接のコストお
よび複雑さが著しく増大し、光ファイバを配設した機器
の大量生産が複雑化する。
【０００５】したがって、金メッキしたコバールの溶接
を、高い信頼性で、単純に、安価に、また作業者の技量
を必要としないで行う方法が望まれている。本発明の目
的は、上述の課題を解決することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するものであって、第１の金属からなる第１金属部材の
少なくとも一表面が第２の金属からなる層でメッキされ
ている場合にその第１金属部材の中に溶接部を形成する
方法において、第１ピークパワーおよび第１パルス持続
時間を有する第１パルスレーザビームを前記層に向ける
工程を含む、その層の一部を蒸発させる工程と、その蒸
発させる工程によって第１金属部材の一部を露出させる
工程と、第１ピークパワーよりも小さい第２ピークパワ
ーおよび第１パルス持続時間よりも長い第２持続時間を
有する第２パルスレーザビームを第１金属部材の露出部
に向ける工程を含む、第１金属部材の一部を溶融する工
程とを具備する方法である。
【０００７】
【作用】上記方法によれば、溶接部にマイクロクラッキ
ングを生じにくく、高信頼性の、しかも単純で安価な溶
接を行うことができる。
【０００８】
【実施例】図１において、第１の金属部材１１は第２の
金属部材１２と接触している。第１の金属部材１１は、
例えばコバールであって、金層１３でメッキされてい
る。中間ニッケル層１４は、金層１３が第１の金属部材
１１に接着するのを助ける働きをする。例えば前述の米
国特許に記載された例に適用するならば、第１の金属部
材１１は金属製スリーブであって、第２の金属部材１２
は光ファイバを保持するフェルールであればよい。金メ
ッキの目的は、第１の金属部材１１を酸化その他の環境
汚染から守ることにある。
【０００９】この発明が解決しようとする問題点は、第
１の金属部材１１と第２の金属部材１２とを永久的に接
合する際に、第１の金属部材１１を通してレーザ溶接に
よって行う場合、溶接の信頼性があまり高くないことで
ある。金層１３はわずか２ないし９μｍの厚さである
が、発明者らの研究によれば、溶接部にマイクロクラッ
キングが生じやすく、このマイクロクラッキングは、生
成された溶接部に過剰の金が存在することが原因であ
る。
【００１０】本発明の第１の実施例によれば、図２に示
すように、レーザ溶接の前に、金層１３の一部を除去し
て空洞１６を形成し、第１の金属部材１１の表面を露出
させる。レーザによる除去（アブレーション）は、金層
１３の一部のきわめて急速な蒸発の結果であり、金層１
３の粒子を加速させて空洞１６を形成する小規模爆発の
性格を持つ。この急速な蒸発は、レーザ１８からの、比
較的高いピークパワーで比較的短いパルス持続時間の第
１のパルスレーザビーム１７によって起こされる。もし
も第１のパルスレーザビーム１７が、より低いピークパ
ワーまたは比較的長いパルス持続時間であると、金層１
３、中間ニッケル層１４、第１の金属部材（コバール）
１１が、ただ単に溶融するだけの結果となる傾向にあ
る。
【００１１】金層１３が蒸発した後、図３に示すよう
に、第２のパルスレーザビーム２０によって第１の金属
部材１１が溶融し、第２の金属部材１２の中にまで延び
る溶融部２１を形成する。第１の金属部材１１と第２の
金属部材１２はともにコバールであってもよく、その場
合、溶融部２１は、ほとんどがコバールであって金をほ
とんど含まない。金層１３があらかじめ除去されている
からである。このようにして、溶融部２１が凝固する
と、第１の金属部材１１と第２の金属部材１２とを接合
する信頼性の高い溶接が形成される。これは例えば光フ
ァイバの配置に好ましいものである。発明者らの研究に
よれば、このような溶接は、前述のマイクロクラッキン
グを生じない。
【００１２】図２、図３の実施例は、ただ一つのレーザ
１８で実施できることが利点である。このレーザ１８
は、例えば、ネオジミウム：イットリウム・アルミニウ
ム・ガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）パルスレーザである。
図２に示すアブレーションは、例えば、エネルギ０．８
ジュール、パルス幅０．１ｍｓ、光点の大きさ４００μ
ｍ、公称パルス繰り返し率５Ｈｚの、レーザのただ一つ
のパルスにより実施できる。この例では、ピークパワー
は８ｋＷとなる。
【００１３】図３の第２のパルスレーザビーム２０は、
例えば、エネルギ３．０ジュール、パルス幅５．０ｍ
ｓ、パルス繰り返し率５Ｈｚ、光点の大きさ４００μ
ｍ、ピークパワー６００Ｗである。この例からわかるよ
うに、第１のパルスレーザビーム１７を第２のパルスレ
ーザビーム２０と比べると、ピークパワーははるかに高
く、パルス持続時間ははるかに短い。
【００１４】図２の空洞１６に露出される第１の金属部
材１１の部分の面積をもっと大きくしたい場合は、第１
の金属部材１１をレーザ１８に対して相対的に動かすこ
ともできる。そのとき、空洞１６のような空洞を他の空
洞と一部重複させながら形成することにより、より大き
な面積の露出部を形成できる。
【００１５】より大きな面積の露出部を作るのにより正
確な方法を他の実施例として図４に示す。ここで、前述
の実施例と同様に、第１の金属部材１１は第２の金属部
材１２と接触している。第１の金属部材１１は金層１３
に覆われている。中間ニッケル層は簡単のために図示を
省略する。金層１３は、Ｑスイッチを伴うＮｄ：ＹＡＧ
レーザ２３を使用し、光偏向器２４による偏向を行うこ
とによって除去される。レーザ２３によって生成された
レーザビーム２５は金層１３を走査し、決められたとお
りの開口部２６を形成する。
【００１６】２ないし２０μｍの厚さの層に、平均レー
ザパワー４ワット、パルス繰り返し率６００Ｈｚ、パル
ス幅１００ｎｓ、線から線への増加ステップ０．０２５
ｍｍで、決められた開口部を形成することができる。金
層１３の厚さが２μｍの場合、直線的走査率は、例え
ば、３３ｍｍ／ｓ程度である。金層１３の厚さが９μｍ
の場合は、走査率は約１９ｍｍ／ｓであり、厚さが１
８．７５μｍの場合、走査率は約１０．５ｍｍ／ｓであ
る。開口部２６が形成された後、図３に示すように、レ
ーザ１８により、レーザ溶接をすることができる。
【００１７】図４の実施例では、開口部２６を正確に制
御することができるのみならず、より厚いメッキを除去
するにあたって図２の実施例よりも効果的である。しか
し、図４の実施例では、通常、図３の溶接の際に使用さ
れるものと異なるレーザを、開口部２６を作るために使
用しなければならない点が不利である。両方の実施例に
共通の不利な点は、レーザアブレーションによって相当
量の破片が生成され、この破片によって周辺の光機器が
汚染される可能性があることである。しかし、そのよう
な汚染が問題とならないような場合には、本発明は、マ
イクロクラッキングを生じる従来の方法、および金メッ
キの化学的エッチングを必要とする代替方法に比べて明
らかに有利である。
【００１８】本発明の他の実施例として、保護金属層が
金でなく、銀等他の金属であってもよい。また、第１、
第２の金属部材はコバール以外の材料でもよい。前述の
ように、コバールは熱膨張特性が優れていることから、
好んで採用される。
【００１９】
【発明の効果】本発明によれば、溶接部にマイクロクラ
ッキングを生じにくく、高信頼性の、しかも単純で安価
な溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザ溶接方法の一実施例の施行
前の状態を示す断面図である。
【図２】本発明によるレーザ溶接方法の一実施例の一工
程を示す断面図である。
【図３】本発明によるレーザ溶接方法の一実施例におけ
る図２の工程の後の一工程を示す断面である図。
【図４】本発明によるレーザ溶接方法の他の実施例を示
す断面図である。
【符号の説明】
１１ 第１の金属部材 １２ 第２の金属部材 １３ 金層 １４ 中間ニッケル層 １６ 空洞 １７ 第１のパルスレーザビーム １８ レーザ ２０ 第２のパルスレーザビーム ２１ 溶融部 ２３ レーザ ２４ 光偏向器 ２５ レーザビーム ２６ 開口部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード ジェームズ コイル アメリカ合衆国 08648 ニュージャージ ー、マーサー カウンティ、ローレンスヴ ィル、カットバード コート ４ (72)発明者 ケヴィン マシュー ホーガン アメリカ合衆国 19608 ペンシルヴェニ ア、バークス カウンティ、シンキング スプリング、アシュレイ レーン 3112 (72)発明者 ポール ジョセフ サカチ アメリカ合衆国 08088 ニュージャージ ー、バーリントン カウンティ、ヴィンセ ンタウン、リッジ ロード 218 (72)発明者 パトリック ポール ソラン アメリカ合衆国 08691 ニュージャージ ー、マーサー カウンティ、ロビンスヴィ ル、リチャードソン ロード 96

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１の金属からなる第１金属部材の少な
    くとも一表面が第２の金属からなる層でメッキされてい
    る場合にその第１金属部材の中に溶接部を形成する方法
    において、 第１ピークパワーおよび第１パルス持続時間を有する第
    １パルスレーザビームを前記層に向け、その層の一部を
    蒸発させ、それによって前記第１金属部材の一部を露出
    させる蒸発露出工程と、 前記第１ピークパワーよりも小さい第２ピークパワーお
    よび前記第１パルス持続時間よりも長い第２持続時間を
    有する第２パルスレーザビームを前記第１金属部材の露
    出部に向ける工程によって、前記第１金属部材の一部を
    溶融する溶融工程とからなることを特徴とするレーザ溶
    接方法。
  2. 【請求項２】 前記溶融工程は、前記第１金属部材をこ
    れと接触する第２金属部材と溶接するべく、その第２金
    属部材の一部を溶融する工程を含むことを特徴とする請
    求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記第１パルスレーザビームおよび第２
    パルスレーザビームは、一つの共通のレーザで生成され
    ることを特徴とする請求項２の方法。
  4. 【請求項４】 前記蒸発露出工程は前記第１パルスレー
    ザビームのただ一つのパルスの結果として起こることを
    特徴とする請求項３の方法。
  5. 【請求項５】 前記蒸発露出工程は、前記第１パルスレ
    ーザビームのただ一つのパルスによって前記層の第１部
    分を蒸発させ、前記第１金属部材を前記第１パルスレー
    ザビームに対して相対的に移動させ、前記第１部分と重
    複する前記層の第２部分を蒸発させる工程を含むことを
    特徴とする請求項３の方法。
  6. 【請求項６】 前記蒸発は前記層の一部分を除去するも
    のであることを特徴とする請求項３の方法。
  7. 【請求項７】 前記第１パルスレーザビームおよび第２
    パルスレーザビームは、それぞれ別個のレーザで生成さ
    れることを特徴とする請求項２の方法。
  8. 【請求項８】 蒸発には、前記第１パルスレーザビーム
    の複数のパルスを使用し、 前記層の前記部分を蒸発させるために、前記第１パルス
    レーザビームがその層の一定領域を走査することを特徴
    とする請求項７の方法。
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