CN112601631B - 焊接方法及焊接装置 - Google Patents

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Abstract

一种焊接方法，其中，所述焊接方法包括以下工序：朝向包含金属的加工对象照射激光，使所述加工对象的被照射的部分熔融而进行焊接，所述激光包括主功率区域和至少一个副功率区域，所述主功率区域的功率比各个所述副功率区域的功率大，所述主功率区域的功率与所述至少一个副功率区域的合计功率之比在144∶1至1∶9的范围内。

Description

焊接方法及焊接装置
技术领域
本发明涉及焊接方法及焊接装置。
背景技术
作为焊接由金属材料构成的加工对象的方法之一，已知有激光焊接。激光焊接是指向加工对象的应焊接的部分照射激光，利用激光的能量使该部分熔融的焊接方法。在被照射激光的部分形成被称为熔池的、熔融的金属材料的积液，然后，熔池固化，由此进行焊接。
另外，在向加工对象照射激光时，根据其目的，有时也将激光的轮廓成型。例如，已知有在将激光用于加工对象的切断的情况下，使激光的轮廓成形的技术(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2010-508149号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，已知在焊接时从上述熔池产生被称为溅射物的飞散物。该溅射物是熔融金属飞散而成的，减少该溅射物的产生在防止加工缺陷方面是重要的。由于溅射物是熔融金属飞散而成的，因此若产生溅射物，则焊接部位的金属材料会减少。也就是说，若溅射物的产生变多，则使得焊接部位的金属材料不足，引起强度不良等。另外，产生的溅射物会附着于焊接部位的周边，但若产生的溅射物在之后剥离并附着于电路等，则会在电路中引起异常。因此，有时难以对电路用的部件进行焊接。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种能够抑制溅射物的产生的焊接方法及焊接装置。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题并达成目的，在本发明的一方案的焊接方法中，所述焊接方法包括以下工序：一边朝向包含金属的加工对象照射激光一边使所述激光与所述加工对象相对移动，从而在所述加工对象上扫描所述激光，且使所述加工对象的被照射的部分熔融而进行焊接，所述激光包括主功率区域和至少一个副功率区域，该至少一个所述副功率区域的至少一部分相对于所述主功率区域存在于扫描方向的前方侧，所述主功率区域的功率比各个所述副功率区域的功率大，所述主功率区域的功率与所述至少一个副功率区域的合计功率之比在144∶1至1∶9的范围内。
在本发明的一方案的焊接方法中，所述金属是铁或包含铁的合金钢、或者是钢或包含钢的合金、或者是铝或包含铝的合金。
在本发明的一方案的焊接方法中，所述激光包含多个所述副功率区域，多个所述副功率区域以包围所述主功率区域的外周的至少一部分的方式配置。
在本发明的一方案的焊接方法中，多个所述副功率区域具有圆弧形状，该圆弧形状是包围所述主功率区域的大致环形状的一部分、或者是包围所述主功率区域的周围的大致环形状的一部分。
在本发明的一方案的焊接方法中，所述副功率区域的中心与所述主功率区域的中心的距离在225μm至900μm的范围内。
在本发明的一方案的焊接方法中，所述激光与所述加工对象相对移动。
在本发明的一方案的焊接方法中，所述加工对象是应被焊接的至少两个构件，在将所述加工对象配置于被所述激光照射的区域时，将所述至少两个构件以重叠、接触或相邻的方式进行配置。
在本发明的一方案的焊接方法中，所述金属是SUS304。
在本发明的一方案的焊接方法中，由光束整形器生成所述主功率区域和所述副功率区域。
在本发明的一方案的焊接方法中，所述光束整形器是衍射光学元件。
在本发明的一方案的焊接装置中，所述焊接装置包括：激光振荡器；以及光学头，其接受从激光振荡器振荡出的光而生成激光，并朝向加工对象照射生成的所述激光，从而使所述加工对象的被照射的部分熔融而进行焊接，所述激光包括主功率区域和至少一个副功率区域，所述主功率区域的功率比各个所述副功率区域的功率大，所述主功率区域的功率与所述至少一个副功率区域的合计功率之比在144∶1至1∶9的范围内。
在本发明的一方案的焊接装置中，所述加工对象包含金属，该金属是铁或包含铁的合金钢、或者是钢或包含钢的合金、或者是铝或包含铝的合金。
在本发明的一方案的焊接装置中，所述激光包含多个所述副功率区域，多个所述副功率区域以包围所述主功率区域的外周的至少一部分的方式配置。
在本发明的一方案的焊接装置中，多个所述副功率区域具有圆弧形状，该圆弧形状是包围所述主功率区域的大致环形状的一部分、或者是包围所述主功率区域的周围的大致环形状的一部分。
在本发明的一方案的焊接装置中，各所述副功率区域的中心与所述主功率区域的中心的距离在225μm至900μm的范围内。
在本发明的一方案的焊接装置中，所述激光与所述加工对象相对移动。
在本发明的一方案的焊接装置中，所述加工对象是通过使应被焊接的至少两个构件重叠、接触或相邻而构成。
在本发明的一方案的焊接装置中，具备光束整形器，该光束整形器生成所述主功率区域和所述副功率区域。
在本发明的一方案的焊接装置中，所述光束整形器是衍射光学元件。
发明效果
根据本发明，能够起到抑制溅射物的产生的效果。
附图说明
图1是示出实施方式1的激光焊接装置的概要结构的示意图。
图2是说明衍射光学元件的示意图。
图3是示出激光的剖面形状的例子的图。
图4是示出激光使加工对象熔融的状况的图。
图5A是说明光束的配置的一例的示意图。
图5B是说明光束的配置的一例的示意图。
图5C是说明光束的配置的一例的示意图。
图6是说明在使用DOE的情况下激光的多个光束的配置的示意图。
图7是示出在实验中照射部位状态良好时的代表性条件的图。
图8是关于比较例、实施例1、实施例2示出扫描速度与溅射物个数之间的关系的图。
图9是说明光束的配置的另一例的示意图。
图10是说明光束的配置的又一例的示意图。
图11A是说明光束的配置的又一例的示意图。
图11B是说明光束的配置的又一例的示意图。
图11C是说明光束的配置的又一例的示意图。
图11D是说明光束的配置的又一例的示意图。
图11E是说明光束的配置的又一例的示意图。
图11F是说明光束的配置的又一例的示意图。
图11G是说明光束的配置的又一例的示意图。
图11H是说明光束的配置的又一例的示意图。
图11I是说明光束的配置的又一例的示意图。
图12是示出实施方式2的激光焊接装置的概要结构的示意图。
图13是示出实施方式3的激光焊接装置的概要结构的示意图。
图14是示出实施方式4的激光焊接装置的概要结构的示意图。
图15A是说明激光的功率分布形状的例子的示意图。
图15B是说明激光的功率分布形状的例子的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明不由以下说明的实施方式限定。另外，在附图的记载中，对相同或对应的要素适当标注相同的附图标记。
(实施方式1)
图1是示出实施方式1的激光焊接装置的概要结构的示意图。激光焊接装置100具备激光装置110、光学头120、以及连接激光装置110与光学头120的光纤130。另外，加工对象W包含铁、铝等金属。加工对象W为由例如不锈钢等铁合金、铝合金构成，且厚度例如在1mm至10mm的范围内程度的板状。
激光装置110具备激光振荡器，例如构成为能够输出数kW的功率的激光。例如，激光装置110也可以构成为，在内部具备多个半导体激光元件，作为该多个半导体激光元件的合计输出，能够输出数kW的功率的多模的激光。另外，激光装置110也可以具备光纤激光器、YAG激光器、盘式激光器等各种激光源。光纤130对从激光装置110输出的激光进行波导，并使其向光学头120输入。
光学头120是用于将从激光装置110输入的激光朝向加工对象W照射的光学装置。光学头120具备准直透镜121和聚光透镜122。准直透镜121是用于使输入的激光成为平行光的光学系统。聚光透镜122是用于使被平行光化了的激光聚光从而作为激光L向加工对象W照射的光学系统。
为了在加工对象W上一边进行激光L的照射一边扫描激光L，光学头120被构成为能够变更其与加工对象W的相对位置。作为变更光学头120与加工对象W的相对位置的方法，包括对光学头120本身进行移动、对加工对象W进行移动等。即，光学头120可以构成为能够对固定的加工对象W扫描激光L。或者，也可以是，来自光学头120的激光L的照射位置固定，加工对象W以能够相对于固定的激光L移动的方式被保持。
光学头120具备作为光束整形器的衍射光学元件123，该衍射光学元件123配置于准直透镜121与聚光透镜122之间。这里所说的衍射光学元件123也被称为DOE(DiffractiveOptical Element)，如图2中所示概念那样，衍射光学元件123是将周期不同的多个衍射光栅123a构成为一体而成的元件。衍射光学元件123能够使输入的激光向受到了各衍射光栅的影响的方向弯曲或重合，从而将光束形状成形。
衍射光学元件123将从准直透镜121输入的激光分割为多个光束。具体而言，衍射光学元件123将激光分割而生成主光束和至少一个副光束。此时，衍射光学元件123以至少一条副光束的至少一部分相对于主光束位于扫描方向的前方侧的方式生成主光束和副光束。由此，激光L包括主光束和至少一条副光束。
如图3中与激光L的行进方向垂直的面中的剖面形状的一例所示，由衍射光学元件123成形的激光L包括主光束B1和副光束B2。扫描方向SD是激光L相对于加工对象W的相对移动方向。副光束B2位于主光束B1的扫描方向的前方。如图3所示，主光束B1的前方是指由通过主光束B1的扫描方向的前方侧的光束直径的位置且与扫描方向SD垂直的虚线限定的区域A。副光束B2的位置不限于此，副光束B2只要位于区域A的某处，即可视作位于主光束B1的前方。
另外，主光束B1及副光束B2在它们的光束剖面的径向上具有例如高斯形状的功率分布。在图3中，表示主光束B1、副光束B2的圆的直径是各光束的光束直径。各光束的光束直径定义为包含该光束的峰值且强度为峰值强度的1/e2以上的区域的直径。在不是圆形的光束的情况下，在本说明书中，将通过光束的中心附近的较长的轴(例如长轴)或与较长的轴(长轴)垂直的方向上的较短的轴(例如短轴)的、强度为峰值强度的1/e2以上的区域的长度定义为光束直径。另外，各光束的功率是包含该光束的峰值且强度为峰值强度的1/e2以上的区域中的功率。主光束B1的功率比副光束B2的功率大。
需要说明的是，优选至少主光束B1的功率分布是在某种程度上尖锐的形状。若主光束B1的功率分布是在某种程度上尖锐的形状，则能够加深熔融加工对象W时的熔入深度，因此能够确保焊接强度，且能够更适当地抑制焊接不良的产生。在使用光束直径作为主光束B1的尖锐度的指标时，主光束B1的光束直径优选为600μm以下，更优选为400μm以下。需要说明的是，若主光束B1是尖锐的形状，则能够降低用于实现相同熔入深度的功率，并且能够加快加工速度。因此，能够实现激光焊接装置100的消耗电力的降低和加工效率的提高。副光束B2的功率分布也可以与主光束B1相同程度地尖锐。
需要说明的是，对于光束直径的设计，可以通过适当设定所使用的激光装置110、光学头120、光纤130的特性来进行。例如，可以通过对从光纤130向光学头120输入的激光的光束直径的设定、对衍射光学元件123、透镜121、122等光学系统的设定来进行设定。
在使用激光焊接装置100进行焊接的情况下，首先，将加工对象W配置于激光L所照射的区域。接着，一边向加工对象W照射包含由衍射光学元件123分割而成的主光束B1及副光束B2的激光L，一边使激光L与加工对象W相对移动而进行激光L的扫描，并且使被激光L照射的部分的加工对象W熔融而进行焊接。在图1的情况下，扫描方向例如是附图的近前方向或进深方向。由此，加工对象W被焊接。
此时，在激光L中，副光束B2相对于主光束B1位于扫描方向SD的前方侧，从而能够抑制溅射物的产生。
图4是示出激光使加工对象熔融的状况的图。如图4所示，在实施方式1的激光焊接装置100以及使用该激光焊接装置100的焊接方法中，激光L包括主光束B1和副光束B2。主光束B1的功率密度例如是至少能够使锁孔产生的功率密度。需要说明的是，锁孔是指由于金属蒸气的压力而产生的凹陷、孔，该金属蒸气是加工对象W因激光的光束的高功率密度而熔融时所产生的金属蒸气。并且，功率比主光束B1小的副光束B2位于比功率大的主光束B1靠扫描方向SD的前方侧的位置。另外，副光束B2的功率密度是在存在主光束B1的情况下或单独以副光束B2能够使加工对象W熔融的功率密度。因此，在比被主光束B1照射的位置靠前方处，作为熔融区域而形成熔池WP，熔池WP具有深度比主光束B1所熔融的深度浅的区域。为了方便，将其称为浅滩区域S。
主光束B1和副光束B2的熔融强度区域可以重叠，但不一定需要重叠，只要熔池重叠即可。只要在由副光束B2形成的熔池固化之前，主光束B1所形成的熔融强度区域能够到达该熔池即可。如上所述，主光束B1及副光束B2的功率密度是能够使加工对象W熔融的功率密度，熔融强度区域是指激光的、功率密度能够使主光束B1或副光束B2的周围的加工对象W熔融的光束的范围。
在实施方式1的激光焊接装置100以及使用该激光焊接装置100的焊接方法中，在比被主光束B1照射的位置靠前方处存在浅滩区域S，由此熔池WP在主光束B1的照射位置的附近稳定化。如前所述，由于溅射物是熔融金属飞散而成的，因此认为熔池WP在主光束B1的照射位置的附近稳定化与抑制溅射物的产生有关。
需要说明的是，在图3中，优选主光束B1的功率与副光束B2的功率之比在144∶1至1∶9的范围内。
图5A～图5C是说明光束的配置的一例的示意图。需要说明的是，图5A～图5C示出加工对象W的激光L的照射面中的多个光束的配置。在图5A所示的例子中，激光L包含由衍射光学元件123分割而成的主光束B1和多个副光束B2。在图5A所示的例子中，副光束B2的数量为16。16条副光束B2以包围主光束B1的外周的方式配置。具体而言，16条副光束B2以主光束B1为中心配置成峰值间的半径为R的大致环形状。另外，也可以说，16条副光束B2以主光束B1为中心配置成从中心到顶点的距离为R的大致正十六边形状。
需要说明的是，也可以如图5B所示的激光L′那样，多个副光束B2连续重合而形成包围主光束B1的周围的大致环形状。另外，也可以如图5C所示的激光L″那样，多个副光束B2形成圆弧形状，该圆弧形状是包围主光束B1的周围的大致环形状的一部分。
在图5A所示的例子中，7条副光束B2相对于主光束B1位于扫描方向SD的前方侧。另外，2条副光束B2相对于主光束B1位于与扫描方向SD垂直的方向即侧方侧。而且，7条副光束B2相对于主光束B1位于扫描方向SD的后方侧。
而且，主光束B1的功率与16条副光束B2的合计功率之比在9∶1至1∶9的范围内。因此，在比为9∶1的情况下，主光束B1的功率与1条副光束B2的功率之比为9∶1/16＝144∶1。另外，在比为1∶9的情况下，主光束B1的功率与1条副光束B2的功率之比为1∶9/16＝16∶9。
在图5A所示的激光L中，作为16条副光束B2中的一部分的7条副光束B2相对于主光束B1位于扫描方向SD的前方侧，并且主光束B1的功率与16条副光束B2的合计功率之比在9∶1至1∶9的范围内，由此能够抑制溅射物的产生。同样，在图5B、图5C所示的激光L′、L″中，副光束B2中的一部分相对于主光束B1位于扫描方向SD的前方侧，并且主光束B1的功率与副光束B2的合计功率之比在9∶1至1∶9的范围内，由此能够抑制溅射物的产生。
另外，在图5A、图5B所示的例子中，由于副光束B2以主光束B1为中心配置成大致环形状，因此即使将扫描方向从扫描方向SD向任意的方向变更，副光束B2的一部分也相对于主光束B1位于变更后的扫描方向的前方侧。因此，能够相对于任意的扫描方向发挥抑制溅射物的产生的效果。另外，在图5C所示的例子中也是，即使将扫描方向从扫描方向SD在某种程度上进行变更，也能够发挥抑制溅射物的产生的效果。
接着，作为实验例，使用图1所示的结构的激光焊接装置，将由不锈钢SUS304构成的厚度为10mm的板材作为加工对象，并对其进行了照射激光的实验。从激光装置输出的激光的波长设为1070nm，功率设为5kW。另外，进行了不使用衍射光学元件(DOE)的情况和使用衍射光学元件(DOE)的情况的实验。
在使用DOE的情况下，如图6所示，准备了多个DOE，该多个DOE被设计成将激光分割为主光束和以主光束为中心配置成大致环形状的16条副光束。需要说明的是，将该环形状的直径2R设为在加工对象的表面为600μm。另外，扫描方向是附图的上方向。另外，各DOE被设计成使得主光束的功率与16条副光束的合计功率之比分别为9∶1、7∶3、5∶5、3∶7、1∶9，并且在任一情况下，16条副光束的功率都相等。而且，主光束的功率与16条副光束的合计功率之比在9∶1至1∶9的范围内。因此，在比为9∶1的情况下，主光束的功率与1条副光束的功率之比为9∶1/16＝144∶1。另外，在比为1∶9的情况下，主光束的功率与1条副光束的功率之比为1∶9/16＝16∶9。
另外，激光相对于加工对象的扫描速度设为0.5m/min、1m/min、2m/min、5m/min、10m/min、20m/min或30m/min。
在表1中示出实验结果。表中的功率比(中心∶外周)表示主光束的功率与副光束的合计功率之比。另外，符号“○”、“△”表示以规定长度进行焊接期间的、溅射物的飞散程度的判定结果。具体而言，在将当不使用DOE时(功率比相当于10∶0)飞散的溅射物的体积设为100％的情况下，符号“○”、“△”表示溅射物的体积相对于上述情况减少了多少。符号“○”表示飞散的溅射物的体积与不使用DOE的情况相比减少了20％以上。符号“△”表示飞散的溅射物的体积与不使用DOE的情况相比虽减少，但减少小于20％。
如表1所示，功率比在9∶1至1∶9的范围内时，在任意的扫描速度下溅射物的飞散量都减少了。
[表1]
Figure GDA0002950264200000101
接着，使用如下设计的各DOE进行与上述同样的照射的实验，即，功率比为7∶3，在加工对象的表面上，16条副光束所形成的大致环形状的近似圆形的直径2R为450μm、600μm、800μm、1000μm、1400μm、1800μm。需要说明的是，扫描速度设为5m/min。另外，在使用各个DOE的情况下，各副光束的中心与主光束的中心的距离为约225μm、约300μm、约400μm、约500μm、约700μm、约900μm。该实验的结果是，在全部直径2R的情况下，溅射物的飞散量都减少了。图7是示出在上述两个实验中溅射物的飞散量减少的代表性条件的图。从该结果可知，优选各副光束的中心与主光束的中心的距离(相当于半径R)在225μm至900μm的范围内。另外，也可以将位于扫描方向的前方侧的副光束的中心与主光束的中心的距离设为225μm至900μm的范围内，将位于扫描方向侧方侧或后方侧的多个副光束的中心与主光束的中心的距离设为该范围以外的值。
接着，图8是关于比较例、实施例1、实施例2示出扫描速度与飞散的溅射物个数之间的关系的图。横轴是扫描速度，纵轴是每1mm焊接长度的飞散的溅射物个数，是对由高速相机拍摄到的影像进行解析并计数而得到的结果。另外，比较例是指上述实验例中的不使用DOE的情况。实施例1是与上述实验例同样地使用图1所示的结构的激光焊接装置，由DOE成形如图5C所示那样的激光，并将由不锈钢SUS304构成的厚度为10mm的板材作为加工对象，对其进行照射激光的实验的情况。从激光装置输出的激光的波长设为1070nm，功率设为5kW。并且，主光束的中心与圆弧状的副光束的中心的距离(相当于半径R)设为300μm，主光束的功率与圆弧状的副光束的合计功率之比设为1∶2。需要说明的是，圆弧状的副光束是将功率大致相等的多个副光束配置成圆弧状而设为功率连续分布的1条圆弧状的副光束。另外，实施例2是在上述实验例的基础上将直径2R设为600μm，将功率比设为3∶7的情况。
如图8所示，在实施例1、实施例2的情况下，即使在任意的扫描速度下，与比较例相比，溅射物个数都大幅减少。
需要说明的是，以上说明了对加工对象扫描激光的情况。但是，使激光包括主光束和多个副光束并将主光束的功率与多个副光束的合计功率之比设为144∶1～1∶9，例如在像点焊那样的不使激光相对于加工对象扫描的焊接的情况下也是有效的。需要说明的是，优选为与主光束相邻的多个副光束各自的中心与主光束的中心的距离为225μm～900μm。
(光束的配置的另一例)
对光束的配置的另一例进行说明。例如，在图9所示的例子中，向加工对象照射的激光L1被分割为主光束B1和3条副光束B2。并且，3条副光束B2均相对于主光束B1位于扫描方向SD的前方侧。主光束B1的功率比各个副光束B2的功率大。另外，主光束B1的功率与3条副光束B2的合计功率之比在9∶1至1∶9的范围内。即使是这样的配置，也能够与上述实施方式1、实验例、实施例的情况同样地抑制溅射物的产生。
需要说明的是，在如图9的前方方向的那样的光束配置的情况下，连结主光束B1的中心与相邻的2条副光束B2的中心的线所成的角θ优选为90°以下，更优选为60°以下，进一步优选为45°以下。
另外，由于优选为熔池的形状相对于扫描方向SD接近线对称，因此优选为3条副光束B2也以相对于扫描方向SD线对称的方式配置。
另外，如参照图6所说明的那样，在使用DOE将激光分割成主光束和16条副光束的情况下，主光束的功率与1条副光束的功率之比可以是144∶1。将该比应用于使用DOE而将激光分割为主光束和2条副光束且使2条副光束相对于主光束位于扫描方向的前方侧的情况。于是，主光束的功率与2条副光束的合计功率之比为144∶2＝72∶1。因此，主光束的功率与2条副光束的合计功率之比可以是72∶1。另外，例如如图9那样，在使用DOE将激光分割为主光束和3条副光束，并且使3条副光束相对于主光束位于扫描方向的前方侧的情况下，该比也可以是144∶3＝48∶1。这样，该比可以取144∶1以上的值。
另外，例如，在图10所示的例子中，向加工对象照射的激光L2被分割为主光束B1、16条副光束B2以及8条副光束B3。16条副光束B2构成副光束组G2，并以主光束B1为中心配置成大致环形状。8条副光束B3构成副光束组G3，并以主光束B1为中心，配置成直径比副光束B2所形成的环形状的直径小的大致环形状。主光束B1的功率与副光束B2及副光束B3的合计功率之比在9∶1至1∶9的范围内。即使是这样的配置，也能够与上述实施方式1、实验例、实施例的情况同样地抑制溅射物的产生。
图11A～图11I是说明光束的配置的又一例的示意图。在图11A所示的例子中，激光L31包含主光束B1和12条副光束B2。12条副光束B2以主光束B1为中心配置成大致环形状或大致正六边形状。在图11B所示的例子中，激光L32包含主光束B1和6条副光束B2。6条副光束B2以主光束B1为中心配置成大致环形状或六边形状。在图11C所示的例子中，激光L33包含主光束B1和10条副光束B2。10条副光束B2以主光束B1为中心配置成大致环形状或五边形状。在图11D所示的例子中，激光L34包含主光束B1和5条副光束B2。5条副光束B2以主光束B1为中心配置成大致环形状或五边形状。在图11E所示的例子中，激光L35包含主光束B1和副光束B2。副光束B2的多个副光束以功率连续分布的方式重合，且以主光束B1为中心配置成大致环形状或六边形状。在图11F所示的例子中，激光L36包含主光束B1和副光束B2。副光束B2的多个副光束以功率连续分布的方式重合，且以主光束B1为中心配置成大致环形状或五边形状。在图11G所示的例子中，激光L37包含主光束B1和16条副光束B2。16条副光束B2以主光束B1为中心配置成大致环形状或大致正八边形状。在图11H所示的例子中，激光L38包含主光束B1和副光束B2。副光束B2的多个副光束以功率连续分布的方式重合，且以主光束B1为中心配置成大致环形状或八边形状。在图11A～图11H所示的例子中，激光L31～L38的扫描方向可以是任意的，也可以是从五边形、六边形或八边形的角的朝向偏离的方向。另外，若如图11A、图11C、图11G那样将副光束密集地配置，则不存在于扫描方向的前方的副光束的数量也可以稍微减少。另外，在图11I所示的例子中，激光L39包含主光束B1和16条副光束B2。16条副光束B2以主光束B1为中心配置成大致环形状或大致八边形状。另外，主光束B1及副光束B2在定义了矩阵M的情况下，以填埋其矩形的网格的方式配置。
(实施方式2)
图12是示出实施方式2的激光焊接装置的概要结构的图。激光焊接装置200向加工对象W1照射激光L而进行加工对象W1的焊接。加工对象W1以将两张板状的金属构件W11、W12重合的方式构成。激光焊接装置200通过与激光焊接装置100同样的作用原理来实现焊接。因此，以下仅进行激光焊接装置200的装置结构的说明。
激光焊接装置200具备激光装置210、光学头220及光纤230。
激光装置210具备激光振荡器，且与激光装置110同样地构成，例如构成为能够输出数kW的功率的激光。光纤230对从激光装置210输出的激光进行波导，并使其向光学头220输入。
光学头220与光学头120同样，是用于将从激光装置210输入的激光朝向加工对象W1照射的光学装置。光学头220具备准直透镜221和聚光透镜222。
并且，光学头220具有配置在聚光透镜222与加工对象W1之间的电扫描仪。电扫描仪是通过控制两枚反射镜224a、224b的角度，从而不使光学头220移动就能够使激光L的照射位置移动而扫描激光L的装置。在激光焊接装置200中具备反射镜226，该反射镜226用于将从聚光透镜222射出的激光L向电扫描仪引导。另外，电扫描仪的反射镜224a、224b分别借助马达225a、225b来变更角度。
光学头220具备作为光束整形器的衍射光学元件223，该衍射光学元件223配置在准直透镜221与聚光透镜222之间。衍射光学元件223与衍射光学元件123同样，将从准直透镜221输入的激光分割而生成主光束和至少一条副光束。至少一条副光束的至少一部分相对于主光束位于扫描方向的前方侧。主光束的功率比各个副光束的功率大，主光束的功率与至少一条副光束的合计功率之比在9∶1至1∶9的范围内。由此，激光焊接装置200能够抑制焊接加工对象W1时的溅射物的产生。需要说明的是，该比也可以根据副光束的分割、配置的形式而设置在144∶1至1∶9的范围内。
(实施方式3)
图13是示出实施方式3的激光焊接装置的概要结构的示意图。激光焊接装置300向加工对象W2照射激光L而进行加工对象W2的焊接。加工对象W2以使两张板状的金属构件W21、W22对接的方式相邻而构成。激光焊接装置300具备激光振荡器，且通过与激光焊接装置100、200同样的作用原理来实现焊接。光学头320以外的要素(激光装置310及光纤330)的构成与激光焊接装置100、200的对应要素相同。因此，以下仅进行光学头320的装置结构的说明。
光学头320与光学头120、220同样，是用于将从激光装置310输入的激光朝向加工对象W2照射的光学装置。光学头320具备准直透镜321和聚光透镜322。
而且，光学头320具有配置在准直透镜321与聚光透镜322之间的电扫描仪。电扫描仪的反射镜324a、324b分别借助马达325a、325b来变更角度。在光学头320中，在与光学头220不同的位置设置有电扫描仪。然而，与光学头220同样，通过控制两张反射镜324a，324b的角度，从而不使光学头320移动就能够使激光L的照射位置移动而扫描激光L。
光学头320具备作为光束整形器的衍射光学元件323，该衍射光学元件323配置在准直透镜321与聚光透镜322之间。衍射光学元件323与衍射光学元件123、223同样，将从准直透镜321输入的激光分割而生成主光束和至少一条副光束。至少一条副光束的至少的一部分相对于主光束位于扫描方向的前方侧。主光束的功率比各个副光束的功率大，主光束的功率与至少一条副光束的合计功率之比在9∶1至1∶9的范围内。由此，激光焊接装置300能够抑制焊接加工对象W2时的熔融缺陷的产生。需要说明的是，该比也可以根据副光束的分割、配置的形式而设置在144∶1∶1至1∶9的范围内。
(实施方式4)
图14是示出实施方式4的激光焊接装置的概要结构的图。如图14所示，实施方式4的激光焊接装置400是向加工对象W照射激光L4、L5而使加工对象W熔融的装置的结构的一例。激光焊接装置400通过与实施方式1的焊接装置同样的作用原理来实现焊接方法。因此，以下仅进行激光焊接装置400的装置结构的说明。
激光焊接装置400具备振荡出激光的多个振荡器411、412、向加工对象W照射激光的光学头420、以及将由振荡器411、412振荡出的激光向光学头420引导的光纤431、432。
振荡器411、412构成为能够振荡出例如数kW的输出的多模的激光。例如，振荡器411、412可以构成为，在各自的内部具备多个半导体激光元件，且作为该多个半导体激光元件的合计输出，能够振荡出数kW的输出的多模的激光，振荡器411、412也可以使用光纤激光器、YAG激光器、盘式激光器等各种激光器。
光学头420是用于将从振荡器411、412引导来的激光L4、L5分别聚光为能够使加工对象W熔融的强度的功率密度，并向加工对象W照射的光学装置。为此，光学头420具备用于激光L4的准直透镜421a和聚光透镜422a、以及用于激光L5的准直透镜421b和聚光透镜422b。准直透镜421a、421b是分别用于将由光纤431、432引导来的激光暂时平行光化的光学系统，聚光透镜422a、422b是用于使被平行光化了的激光聚光于加工对象W的光学系统。
该光学头420也具有如下功能，即，使得加工对象W上的激光L4、L5包括主光束和至少一个副主光束，该至少一个副主光束的至少一部分相对于主光束存在于扫描方向的前方侧。即，在光学头420向加工对象W所照射的激光L4、L5中，将激光L4用于形成主光束，将激光L5用于形成副光束即可。主光束的功率比各个副光束的功率大，主光束的功率与至少一条副光束的合计功率之比在9∶1至1∶9的范围内。需要说明的是，该比也可以根据副光束的分割、配置的形式而设置在144∶1至1∶9的范围内。另外，图示的例子仅使用了激光L4、L5这两个激光，但也可以适当增加其数量，只要构成为实现如图3、5、9～11所例示的激光的剖面形状那样的适合于本发明的实施的激光即可。
另外，在实施方式4中，使用两个振荡器411、412来产生激光L4、L5。然而，也可以利用光分路器将从一个谐振器输出的激光分为两部分来产生激光L4、L5。另外，在实施方式4中，针对于两个振荡器411、412中的各振荡器，分别具备光纤431、432、准直透镜421a和聚光透镜422a、以及准直透镜421b和聚光透镜422b。然而，也可以代替光纤431、432而使用具备两个以上的芯的多芯光纤，将从两个振荡器411、412分别输出的激光用不同的芯向光学头引导，并由对两个激光使用共同的准直透镜和聚光透镜的光学头，将两个激光作为适于本发明的实施的激光结构向加工对象进行照射。
另外，在上述实施方式中，激光的轮廓(功率分布形状)具有由主光束及副光束构成的离散的功率区域。在此，功率区域是指在与激光的光行进方向垂直的面内具有有助于加工对象的熔融的功率的区域。但是，各个功率区域不一定需要具有能够单独使加工对象熔融的功率，各功率区域只要能够借助由其他功率区域施加于加工对象的能量的影响来使加工对象熔融即可。
但是，功率区域不限于离散的区域，多个功率区域也可以是以线对称或非对称的分布连续的区域。例如，在图15A中，示出了功率分布形状与激光L不同的一例的激光L12在前方向上的功率分布形状。在该激光L12的功率分布形状中，在前方向上配置的两个功率区域PA121、PA122连续。功率区域PA121是具有峰值的单峰型的形状，例如是主功率区域。另外，功率区域PA122是肩状的形状，例如是副功率区域。图15A的曲线中的两个功率区域PA121、PA122的边界例如可以规定为存在于它们之间的拐点的位置。
另一方面，在图15B中，示出了功率分布形状与激光L不同的另一例的激光L13在前方向上的功率分布形状。在该激光L13的功率分布形状中，所配置的两个功率区域PA131、PA132连续。功率区域PA131、PA132中任一个都是具有峰值的单峰型的形状，例如分别是主功率区域、副功率区域。图15B的曲线中的两个功率区域PA131、PA132的边界例如可以规定为存在于其间的最小值的位置。激光L12、L13中任一个都能够作为由本发明中的主功率区域及副功率区域构成的激光来应用。激光L12、L13能够通过作为光束整形器而使用例如适当设计的衍射光学元件、光学透镜、能够控制功率分布的光纤等光学部件来实现。同样，关于激光L、L′、L″、L1、L2、L31～L38等的、由本发明中的主功率区域及副功率区域构成的其他激光的功率分布形状，也能够通过作为光束整形器而使用例如适当设计的衍射光学元件、光学透镜、能够控制功率分布的光纤等光学部件来实现。
需要说明的是，关于本说明书的全部实施方式，主光束(主功率区域)的焊接方式可以是锁孔型焊接，也可以是热传导型焊接。这里所说的锁孔型焊接是利用了锁孔的焊接方法。另一方面，热传导型焊接是利用在加工对象的表面吸收激光而产生的热来使加工对象熔融的焊接方法。
另外，副光束可以全部具有相同的功率，也可以一个或一部分副光束的功率比其他副光束的功率高。另外，也可以是，多个副光束能够分类为多个组，在相同的组内副光束为大致相同的功率，在组之间副光束为不同的功率。在该情况下，当比较被分类成多个不同的组的副光束时，功率呈分级性地不同。需要说明的是，包含在某个组中的副光束不限于多个，也可以是一个。在任一种情况下，主光束的功率与多个副光束的合计功率之比均为144∶1～1∶9。
另外，加工对象不限于板材，焊接的方式也不限于搭接焊接、对接焊接。因此，加工对象通过使应被焊接的至少两个构件重叠、接触或相邻而构成。
另外，也可以在对加工对象扫描激光的情况下，通过公知的抖动、横摆、输出调制等来进行扫描并调节熔池的表面积。
另外，加工对象也可以如带镀层的金属板那样，在金属的表面存在薄的其他金属层。另外，对于加工对象，例示了厚度为1mm～10mm左右的情况，但也可以更薄至0.01mm左右，也可以更厚。
另外，本发明并不限定于上述实施方式。将上述各实施方式的构成要素适当组合而构成的方案也包含在本发明中。另外，本领域技术人员能够容易地导出进一步的效果、变形例。因此，本发明的更宽泛的方案并不限定于上述的实施方式，而能够进行各种变更。
工业实用性
本发明能够用于激光焊接。
附图标记说明：
100、200、300、400 激光焊接装置
110、210、310 激光装置
120、220、320、420 光学头
121、221、321、421a、421b 准直透镜
122、222、322、422a、422b 聚光透镜
123、223、323 衍射光学元件
123a 衍射光栅
130、230、330、431、432 光纤
224a、224b、226、324a、324b 反射镜
225a、225b、325a、325b 马达
411、412 振荡器
B1 主光束
B2、B3 副光束
G2、G3 副光束组
L、L′、L″、L1、L12、L13、L2、L31、L32、L33、L34、L35、L36、L37、L38、L4、L5 激光
PA121、PA122、PA131、PA132 功率区域
W、W1、W2 加工对象
W11、W12、W21、W22 金属构件。

Claims (17)

1.一种焊接方法，其中，
所述焊接方法包括以下工序：朝向包含金属的加工对象照射激光，使所述加工对象的被照射的部分熔融而进行焊接，
所述激光包括主功率区域和至少一个副功率区域，
所述主功率区域的功率比各个所述副功率区域的功率大，
所述主功率区域的功率与所述至少一个副功率区域的合计功率之比在144∶1至1∶9的范围内，
所述激光包含一个或多个所述副功率区域，一个或多个所述副功率区域以包围所述主功率区域的外周的至少一部分的方式配置。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其中，
所述金属是铁或包含铁的合金钢、或者是钢或包含钢的合金、或者是铝或包含铝的合金。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其中，
一个或多个所述副功率区域具有圆弧形状，该圆弧形状是包围所述主功率区域的大致环形状的一部分、或者是包围所述主功率区域的周围的大致环形状的一部分。
4.根据权利要求3所述的焊接方法，其中，
一个或多个所述副功率区域各自的中心与所述主功率区域的中心的距离在225μm至900μm的范围内。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的焊接方法，其中，
所述激光与所述加工对象相对移动。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的焊接方法，其中，
所述加工对象是应被焊接的至少两个构件，在将所述加工对象配置于被所述激光照射的区域时，将所述至少两个构件以重叠、接触或相邻的方式进行配置。
7.根据权利要求1～4中任一项所述的焊接方法，其中，
所述金属是SUS304。
8.根据权利要求1～4中任一项所述的焊接方法，其中，
由光束整形器生成所述主功率区域和所述副功率区域。
9.根据权利要求8所述的焊接方法，其中，
所述光束整形器是衍射光学元件。
10.一种焊接装置，其中，
所述焊接装置包括：
激光振荡器；以及
光学头，其接受从所述激光振荡器振荡出的光而生成激光，并朝向加工对象照射生成的所述激光，从而使所述加工对象的被照射的部分熔融而进行焊接，
所述激光包括主功率区域和至少一个副功率区域，
所述主功率区域的功率比各个所述副功率区域的功率大，
所述主功率区域的功率与所述至少一个副功率区域的合计功率之比在144∶1至1∶9的范围内，
所述激光包含一个或多个所述副功率区域，一个或多个所述副功率区域以包围所述主功率区域的外周的至少一部分的方式配置。
11.根据权利要求10所述的焊接装置，其中，
所述加工对象包含金属，该金属是铁或包含铁的合金钢、或者是钢或包含钢的合金、或者是铝或包含铝的合金。
12.根据权利要求10所述的焊接装置，其中，
一个或多个所述副功率区域具有圆弧形状，该圆弧形状是包围所述主功率区域的大致环形状的一部分、或者是包围所述主功率区域的周围的大致环形状的一部分。
13.根据权利要求12所述的焊接装置，其中，
一个或多个所述副功率区域各自的中心与所述主功率区域的中心的距离在225μm至900μm的范围内。
14.根据权利要求10～13中任一项所述的焊接装置，其中，
所述激光与所述加工对象相对移动。
15.根据权利要求10～13中任一项所述的焊接装置，其中，
所述加工对象是通过使应被焊接的至少两个构件重叠、接触或相邻而构成。
16.根据权利要求10～13中任一项所述的焊接装置，其中，
所述焊接装置具备光束整形器，该光束整形器生成所述主功率区域和所述副功率区域。
17.根据权利要求16所述的焊接装置，其中，
所述光束整形器是衍射光学元件。
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