CN115297990A - 焊接方法以及焊接装置 - Google Patents

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茅原崇
安冈知道
高田一辉
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Abstract

一种焊接方法，其通过对加工对象的表面照射相对于加工对象沿扫描方向相对移动的激光，使加工对象的照射到激光的部分熔融而进行焊接，其中，激光包含多条光束，多条光束包含至少一条主光束和至少一条功率小于该主光束的副光束，在表面上形成包含至少一条主光束的主功率区域和包含至少一条副光束的副功率区域，在表面上相邻的多条光束的中心间的最小距离为75[μm]以下。

Description

焊接方法以及焊接装置
技术领域
本发明涉及焊接方法以及焊接装置。
背景技术
作为对由金属材料构成的加工对象进行焊接的方法之一，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，有时也整形激光的轮廓。例如，已知有在将激光用于加工对象的切断的情况下，整形激光的轮廓的技术(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
然而，已知在焊接时，会从该熔池产生被称为飞溅物的飞散物。该飞溅物是熔融金属飞散而成的产物，减少其产生在防止加工缺陷方面是重要的。由于飞溅物是熔融金属飞散而成的产物，因此当产生飞溅物时，焊接部位的金属材料也会减少。也就是说，若飞溅物的产生增多，则焊接部位的金属材料不足，也会引起强度不良等。另外，产生的飞溅物会附着于焊接部位的周边，但若其在之后剥离并附着于电路等，则会导致电路异常。因此，有时难以对电路用的部件进行焊接。
另外，在这种焊接中，在加工对象更小的情况下或加工对象更细的情况下，需要进一步缩小焊接部的面积、即进一步缩小光束的直径。
因此，本发明的课题之一是得到例如能够抑制飞溅物并且进一步缩小焊接部的面积、即进一步缩小光束的直径的新型焊接方法以及焊接装置。
用于解决课题的方案
在本发明的焊接方法中，例如，通过对加工对象的表面照射相对于所述加工对象沿扫描方向相对移动的激光，使所述加工对象的照射到所述激光的部分熔融而进行焊接，其中，所述激光包含多条光束，所述多条光束包含至少一条主光束、以及至少一条功率小于该主光束的副光束，在所述表面上形成包含所述至少一条主光束的主功率区域、以及包含所述至少一条副光束的副功率区域，在所述表面上相邻的所述多条光束的中心间的最小距离为75[μm]以下。
在所述焊接方法中，所述激光可以是单模激光。
在所述焊接方法中，所述表面上，所述光束的直径可以为100[μm]以下。
在所述焊接方法中，在所述表面上，在与所述扫描方向正交的方向上最远离的所述多条光束的中心间的距离可以为300[μm]以下。
在所述焊接方法中，所述主功率区域的功率与所述副功率区域的功率之比可以为72∶1～1∶50的范围内。
在所述焊接方法中，可以相对于所述至少一条主光束，在所述扫描方向上的前方配置所述至少一条副光束。
在所述焊接方法中，可以相对于所述至少一条主光束，在所述扫描方向上的后方配置所述至少一条副光束。
在所述焊接方法中，可以相对于所述至少一条主光束，向与所述扫描方向交叉的方向偏移地配置所述至少一条副光束。
在所述焊接方法中，可以相对于所述至少一条主光束，在其周围配置作为所述至少一条副光束的多条副光束。
在所述焊接方法中，所述多条副光束可以呈圆弧状配置。
在所述焊接方法中，所述多条副光束可以呈四边形状配置。
在所述焊接方法中，所述主功率区域和所述副功率区域可以以使通过所述主功率区域所包含的所述至少一条主光束形成的熔池与通过所述副功率区域所包含的所述至少一条副光束形成的熔池局部重叠的方式配置。
在所述焊接方法中，所述主功率区域所包含的所述至少一条主光束的激光的波长与所述副功率区域所包含的所述至少一条副光束的激光的波长可以相同。
在所述焊接方法中，所述副功率区域所包含的所述至少一条副光束的激光的波长可以是与所述主功率区域所包含的所述至少一条主光束的激光的波长相比而相对于所述加工对象的吸收率较高的波长。
在所述焊接方法中，所述主功率区域所包含的所述至少一条主光束的激光与所述副功率区域所包含的所述至少一条副光束的激光可以从同一激光振荡器射出。
在所述焊接方法中，所述主功率区域所包含的所述至少一条主光束的激光与所述副功率区域所包含的所述至少一条副光束的激光可以从不同的激光振荡器射出。
在所述焊接方法中，所述激光的M2光束质量可以为1.3以下。
在所述焊接方法中，所述多条光束的中心间的距离可以为5[μm]以上。
在所述焊接方法中，所述多条光束的配置可以通过光束整形器形成。
在所述焊接方法中，所述光束整形器可以是衍射光学元件。
在所述焊接方法中，所述加工对象可以重叠至少两个构件。
在所述焊接方法中，所述主光束的直径与所述副光束的直径可以相同。
在本发明的焊接装置中，例如，所述焊接装置具备：激光振荡器；以及光学头，其通过对加工对象的表面照射包含对从所述激光振荡器射出的光进行成形而得到的多条光束的激光，使所述加工对象的照射到所述激光的部分熔融而进行焊接，所述加工对象与所述光学头的至少一部分构成为能够进行相对移动，以使得所述激光相对于所述加工对象沿扫描方向相对移动，所述多条光束包含至少一条主光束、以及至少一条功率小于该主光束的副光束，在所述表面上形成包含所述至少一条主光束的主功率区域、以及包含所述至少一条副光束的副功率区域，在所述表面上相邻的所述多条光束的中心间的最小距离为75[μm]以下。
发明效果
根据本发明，能够抑制飞溅物的产生，并且能够进一步缩小焊接部的面积、即进一步缩小光束的直径。
附图说明
图1是第一实施方式的激光焊接装置的例示性的概要结构图。
图2是示出第一实施方式的激光焊接装置所包括的衍射光学元件的原理的概念的说明图。
图3是示出从第一实施方式的激光焊接装置照射的激光在加工对象的表面上的光束(点)的一例的示意图。
图4是示出从第一实施方式的激光焊接装置照射的激光在加工对象的表面上的光束(点)的一例的示意图。
图5是示出与从第一实施方式的激光焊接装置照射的激光在加工对象的表面上的扫描方向正交的方向上的各光束的强度分布的一例的说明图。
图6是示出与从第一实施方式的激光焊接装置照射的激光在加工对象的表面上的扫描方向正交的方向上的各光束的强度分布的另一例的说明图。
图7是示出由第一实施方式的激光焊接装置进行的焊接中的飞溅物数量相对于由作为参考例的不具有衍射光学元件的激光焊接装置进行的焊接中的飞溅物数量的比的曲线图。
图8是示出由第一实施方式的激光焊接装置焊接的焊接部位的表面、以及扫描方向上的表面的高度的变化的说明图。
图9是第二实施方式的激光焊接装置的例示性的概要结构图。
图10是第三实施方式的激光焊接装置的例示性的概要结构图。
图11是示出从第一实施方式的激光焊接装置照射的激光在加工对象的表面上的光束(点)的一例的示意图。
图12是示出从第一实施方式的激光焊接装置照射的激光在加工对象的表面上的光束(点)的一例的示意图。
图13是示出从第一实施方式的激光焊接装置照射的激光在加工对象的表面上的光束(点)的一例的示意图。
图14是示出从第一实施方式的激光焊接装置照射的激光在加工对象的表面上的光束(点)的一例的示意图。
图15是示出用于以带编号的单元的矩阵来说明从第一实施方式的激光焊接装置照射的激光在加工对象的表面上的光束(点)的例子的、示出各光束的位置的编号的配置的图。
图16是针对图3的例子示出光束的配置和各光束的编号的说明图。
具体实施方式
以下，公开本发明的例示性的实施方式。以下所示的实施方式的结构、以及由该结构带来的作用及结果(效果)为一例。本发明也能够通过以下的实施方式所公开的结构以外的结构来实现。另外，根据本发明，能够获得通过结构而得到的各种效果(也包含派生的效果)中的至少一个效果。
以下所示的实施方式具备同样的结构。因而，根据各实施方式的结构，可获得基于该同样的结构得到的同样的作用及效果。另外，以下，有时对这些同样的结构标注同样的附图标记，并且省略重复的说明。
另外，在各图中，以箭头X表示方向X，以箭头Y表示方向Y，以箭头Z表示方向Z。方向X、方向Y以及方向Z相互交叉并且相互正交。Z方向是加工对象W的表面Wa(加工面)的法线方向。
[第一实施方式]
[激光焊接装置的结构]
图1是示出第一实施方式的激光焊接装置100的概要结构的图。激光焊接装置100具备激光装置110、光学头120、以及将激光装置110与光学头120连接的光纤130。激光焊接装置100是焊接装置的一例。
激光焊接装置100的加工对象W例如可以由铁系的金属材料、铝系的金属材料、铜系的金属材料等制作。另外，加工对象W例如具有板状的形状，加工对象W的厚度例如为1[mm]以上且10[mm]以下，但并不限定于此。另外，加工对象W通过使多个构件重合而成。多个构件的数量、各构件的厚度能够进行各种变更。
激光装置110具备激光振荡器，作为一例，构成为能够输出几kW功率的单模的激光。需要说明的是，激光装置110例如也可以构成为在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的输出而能够输出几kW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、碟片激光器等各种各样的激光源。
光纤130将从激光装置110输出的激光引导到光学头120。在激光装置110输出单模激光的情况下，光纤130构成为传播单模激光。在该情况下，单模激光的M2光束质量被设定为1.3以下。M2光束质量也可以被称为M2因子。
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、聚光透镜122以及DOE123(diffractive optical element、衍射光学元件)。准直透镜121、聚光透镜122以及DOE123也可以被称为光学部件。
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构成为能够变更与加工对象W的相对位置。光学头120与加工对象W的相对移动可以通过光学头120的移动、加工对象W的移动、或光学头120以及加工对象W这双方的移动来实现。
准直透镜121对输入的激光进行准直。准直后的激光成为平行光。另外，聚光透镜122对作为平行光的激光进行聚光，并将其作为激光L(输出光)向加工对象W照射。
DOE123配置在准直透镜121与聚光透镜122之间，成形激光的光束的形状(以下，称为光束形状)。如图2中概念性地例示的那样，DOE123例如具备使周期不同的多个衍射光栅123a重合而成的结构。DOE123能够通过使平行光在受到各衍射光栅123a的影响的方向上弯曲或重合来成形光束形状。DOE123也可以被称为光束整形器。
[光束(点)的形状]
DOE123将从准直透镜121输入的激光分割为多条光束。图3、4分别是示出形成在加工对象W的表面Wa上的激光L的光束(点)的一例的图。需要说明的是，在图3、4中，为了简单起见，以实线示出主光束B1，以虚线示出副光束B2。另外，图3、4中的箭头SD示出光束在加工对象W的表面Wa上的扫描方向。如图3、4所例示的那样，光学头120能够通过更换DOE123来输出包含各种配置的多条光束的激光。
DOE123将激光分割为多条光束。多条光束包含至少一条主光束B1和至少一条副光束B2。副光束B2是功率小于主光束B1的光束。作为一例，主光束B1的功率与副光束B2的功率之比被设定为2：1，但并不限定于此。
另外，DOE123以在表面Wa上形成至少一个主光束B1的点和至少一个副光束B2的点的方式将激光分割。在图3的例子中，通过由DOE123进行的光束的成形，在表面Wa上形成一个主光束B1的点和在该主光束B1的点的周围呈正方形状(四边形状)排列的多个副光束B2的点。另外，在图3的例子中，多条光束配置为3行×3列的正方形的矩阵状，行方向(Y方向)上的光束间的间隔和列方向(X方向、扫描方向SD)上的光束间的间隔全部被设定为相同。并且，在9条光束中，中央的1条光束为主光束B1，该1条主光束B1的周围的8条光束为副光束B2。
另外，在图4的例子中，通过由DOE123进行的光束的成形，在表面Wa上形成多个主光束B1的点和在该多个主光束B1的点的周围呈正方形状(四边形状)排列的多个副光束B2的点。另外，在图4的例子中，多条光束配置为4行×4列的正方形的矩阵状，行方向(Y方向)上的光束间的间隔和列方向(X方向、扫描方向SD)上的光束间的间隔全部被设定为相同。并且，在16条光束中，中央的4条光束为主光束B1，该4条主光束B1的周围的12条光束为副光束B2。被主光束B1照射的区域是主功率区域的一例，被副光束B2照射的区域是副功率区域的一例。
并且，通过发明人等的实验性的研究，根据加工对象的材质判明了适于抑制飞溅物的、包含至少一条主光束的主功率区域与包含至少一条副光束的副功率区域的功率比的范围。例如，对于碳钢、不锈钢钢或铁合金等铁系的金属材料，包含至少一条主光束的主功率区域与包含至少一条副光束的副功率区域的功率比优选为10∶1～1∶20，对于纯铜、或铜合金等铜系的金属材料，包含至少一条主光束的主功率区域与包含至少一条副光束的副功率区域的功率比优选为10∶1～1∶1，另外，对于纯铝、或铝合金等铝系的金属材料，包含至少一条主光束的主功率区域与包含至少一条副光束的副功率区域的功率比优选为10∶1～1∶1。
另外，如图3所示，DOE123以在表面Wa上，任一副光束B2的点的至少一部分在扫描方向SD上位于主光束B1的点的前方的方式成形光束。具体而言，任一副光束B2至少局部地位于比通过主光束B1的前端B1f且与扫描方向SD正交的假想直线VL靠扫描方向SD上的前方的区域A内即可。另外，任一副光束B2的点也可以位于主光束B1的点的后方。在该情况下，任一副光束B2至少局部地位于比通过主光束B1的后端(未图示)且与扫描方向SD正交的假想直线(未图示)靠扫描方向SD上的后方的区域(未图示)内即可。
图5、6分别是示出与激光在加工对象W的表面Wa上的扫描方向SD正交的方向上的各光束的强度分布的一例的图。图5、6均示出图3中的位置x1处的分布。位置x1是主光束B1的中心在X方向上的位置。
如图3～6所示，在本实施方式中，在Y方向、即在扫描方向SD为X方向时的宽度方向上，主光束B1位于光束B1、B2的照射区域的中心附近，副光束B2位于远离中心的位置。激光L的宽度定义为在宽度方向上最远离的两条光束的中心间的距离w。在图5的情况下，激光L的宽度为位于宽度方向上的两端的光束(副光束B2)的中心间的距离w1，在图6的情况下，激光L的宽度为位于宽度方向上的两端的光束(副光束B2)的中心间的距离w2。
通过发明人等的实验性的研究，判明了激光L的宽度优选为50[μm]以上且300[μm]以下，更优选为50[μm]以上且200[μm]以下。另外，判明了各光束的直径bd优选为100[μm]以下，更优选为25[μm]以下。另外，判明了相邻的多条光束间的最小距离bi(参照图3、4)优选为75[μm]以下，更优选为50[μm]以下。
另外，存在多条光束合并的情况。在该情况下，主光束B1以及副光束B2在其光束截面的径向上具有例如高斯形状的功率分布。在该情况下，各光束的光束直径能够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)上的、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。
通过激光装置110、光纤130、准直透镜121、聚光透镜122以及DOE123的适当的设计或调整，激光焊接装置100能够输出包含上述那样的主光束B1以及副光束B2的激光L。
[焊接方法]
在使用激光焊接装置100的焊接中，首先，将加工对象W放置在被激光L照射的区域。然后，在包含被DOE123分割了的主光束B1以及副光束B2的激光L照射加工对象W的状态下，激光L与加工对象W进行相对移动。由此，激光L一边向表面Wa上照射一边在该表面Wa上沿扫描方向SD移动(扫描)。被激光L照射了的部分熔融，然后，伴随着温度的降低而凝固，由此焊接加工对象W。需要说明的是，在本实施方式中，作为一例，扫描方向SD是X方向，但扫描方向SD只要与Z方向交叉即可，并不限定于X方向。
根据发明人等的实验性的研究，确认到通过在激光L中使副光束B2的至少一部分的区域相对于主光束B1位于扫描方向SD上的前方，能够抑制飞溅物的产生。这能够推定为是因为，例如，通过在主光束B1到来之前预先利用副光束B2对加工对象W进行加热，从而由副光束B2以及主光束B1形成的加工对象W的熔池更加稳定化。
并且，从在较宽的范围内进行充分的预热的观点出发，判明了多条光束间的最小距离优选为5[μm]以上，更优选为10[μm]以上。
[实验结果]
图7是示出由本实施方式的激光焊接装置100进行的焊接中的飞溅物数量相对于由作为参考例的不具有DOE123的激光焊接装置进行的焊接中的飞溅物数量的比的曲线图。
发明人等进行了如下实验：使用激光焊接装置100对加工对象W照射实际具有图3、4各自的光束形状的激光L来执行激光焊接，并对飞溅物数量进行测量。另外，作为参考例进行了如下实验：针对没有DOE123而向加工对象W照射的激光具有单一的光束(点)的情况，也在相同的条件下对飞溅物数量进行测量。在图7所示的曲线图中，示出图3、4的各情况下的飞溅物数量相对于参考例的情况下的飞溅物数量的比。
在该实验中，针对表面Wa与激光L的相对的移动速度(以下，称为扫描速度)为30[m/min]、20[m/min]、10[m/min]、5[m/min]、2[m/min]、1[m/min]、0.5[m/min]的情况，测定了在焊接中产生的超过50[μm]的飞溅物的数量。
在该实验中，从激光装置110输出的激光的波长被设定为1070[nm]，在图3的光束形状(图7中○)、图4的光束形状(图7中口)以及参考例(图7中Δ)的各情况下，光束的数量、配置不同，但激光L的功率的合计值全部被设定为1.5[kW]。
在该实验中，在图3的光束形状以及图4的光束形状的情况下，激光L的宽度w(w1，w2)被设定为100[μm]，并且各光束的点的直径bd被设定为21[μm]。另外，在图3的光束形状的情况下，相邻的光束的中心间的X方向以及Y方向上的距离被设定为33[μm]，在图4的光束形状的情况下，相邻的光束的中心间的X方向以及Y方向上的距离被设定为25[μm]。另外，M2光束质量被设定为1.06。
另外，作为加工对象W，使用厚度为10[mm]的一张不锈钢(SUS304)。需要说明的是，在厚度方向(Z方向)上重叠的加工对象W相互密接的情况下，能够推定纵横比几乎不依赖于加工对象W的厚度以及张数。换言之，能够推定在加工对象W在厚度方向上相互密接并重叠多张而成的相同材料的板材的情况下，也能够得到与加工对象W为一张板材的本实验的情况相同的结果。
如图7所示，在实验中，针对各条件，比为1以下。换言之，在以图3的光束形状以及图4的光束形状进行焊接的所有情况下，飞溅物数量成为参考例以下。
另外，通过此次的实验，能够确认到凹凸不平减少。凹凸不平是指如下现象：在焊接时，熔融金属的表面张力的平衡被破坏，熔融金属内的向焊接行进方向后方的熔液流动速度变得间歇，熔融金属的峰和谷周期性地产生。图8示出图4的光束形状的情况下的焊接部位Wm的表面Wa、以及扫描方向上的表面Wa的高度的变化。图8的上部是焊接部位Wm的表面Wa的照片，在下部中，以实线示出上部的照片中的位置y1处的焊接部位Wm的表面Wa在Z方向上位置的变化，以虚线示出没有DOE123的参考例中的焊接部位Wm的表面Wa在Z方向上的位置的变化。如图8的下部所示，可知，本实施方式中的位置y1处的表面Wa在Z方向上的位置的最大差为δ1，参考例中的最大差为δ0，δ1<δ0。像这样，根据本实施方式，与没有DOE123的参考例相比，能够减少凹凸不平。
以上，如说明的那样，在本实施方式中，激光焊接装置100输出的激光L包含多条光束，多条光束包含至少一条主光束B1和至少一条功率小于该主光束B1的副光束B2，在表面Wa上形成包含至少一条主光束B1的主功率区域和包含至少一条副光束B2的副功率区域。并且，在表面Wa上相邻的多条光束的中心间的最小距离被设定为75[μm]以下。
根据这样的焊接方法以及焊接装置，能够抑制飞溅物的产生，并且进一步缩窄焊接部位Wm的宽度。
另外，通过发明人等的实验性的研究，判明了各光束(主光束B1、副光束B2)的直径在表面Wa上优选为100[μm]以下，在与扫描方向SD正交的方向上最远离的多条光束的中心间的距离在表面Wa上优选为300[μm]以下。
根据这样的焊接方法以及焊接装置，例如，能够抑制飞溅物的产生，并且进一步缩窄焊接部位Wm的宽度。
另外，激光L的M2光束质量优选为1.3以下。由此，能够抑制飞溅物的产生，并且进一步缩窄焊接部位Wm的宽度。
另外，通过发明人等的实验性的研究，判明了针对在如图3、4所示那样，至少一条副光束B2相对于至少一条主光束B1配置在扫描方向SD上的前方、至少一条副光束B2相对于至少一条主光束B1配置在扫描方向SD上的后方、至少一条副光束B2相对于至少一条主光束B1向与扫描方向SD交叉的方向偏移地配置、多条副光束B2相对于至少一条主光束B1配置在其周围、以及多条副光束呈四边形状配置的各情况，能够抑制飞溅物的产生，并且进一步缩窄焊接部位Wm的宽度。
另外，通过发明人等的实验性的研究，判明了针对主功率区域的功率与副功率区域的功率之比为72∶1～1∶50的范围内的情况，能够抑制飞溅物的产生，并且进一步缩窄焊接部位Wm的宽度。
另外，在本实施方式中，主功率区域和副功率区域也可以以使通过主功率区域所包含的至少一条主光束B1形成的熔池与通过副功率区域所包含的至少一条副光束B2形成的熔池局部重叠的方式配置。在该情况下，主光束B1的能量的至少一部分向加工对象W中的通过副光束B2形成的熔池照射。其结果是，通过主光束B1形成的熔池较稳定，能够得到抑制飞溅物的产生的效果。
另外，在本实施方式中，主光束B1也可以具有能够在加工对象W产生小孔(keyhole)的功率密度。在该情况下，能够加深焊接中的熔入深度。
另外，在本实施方式中，主功率区域所包含的至少一条主光束的激光的波长与副功率区域所包含的至少一条副光束的激光的波长也可以相同。在该情况下，能够由单一的激光生成主光束以及副光束。
另外，在本实施方式中，副功率区域所包含的至少一条副光束的激光的波长也可以是与主功率区域所包含的至少一条主光束的激光的波长相比而相对于加工对象的吸收率较高的波长。在该情况下，即使在副光束的功率或功率密度较低的情况下，也能够使赋予加工对象的能量较大，从而能够享受到照射副光束的效果。
另外，在本实施方式中，主功率区域所包含的至少一条主光束的激光与副功率区域所包含的至少一条副光束的激光也可以从同一振荡器射出。在该情况下，能够由从单一振荡器射出的激光生成主光束以及副光束。
另外，在本实施方式中，主功率区域所包含的至少一条主光束的激光与副功率区域所包含的至少一条副光束的激光也可以从不同的激光振荡器射出。在该情况下，容易单独设定主光束和副光束各自的特性。
[第二实施方式]
图9是示出第二实施方式的激光焊接装置的概要结构的图。激光焊接装置200对加工对象W1照射激光L来进行加工对象W1的焊接。加工对象W1通过使两张板状的金属构件W11、W12重合而构成。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以及光纤230。
激光装置210具备激光振荡器，与激光装置110同样地构成，例如构成为能够输出几kW功率的激光。光纤230对从激光装置210输出的激光进行导波，使其输入到光学头220。
与光学头120同样地，光学头220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(Galvanoscanner)。电扫描仪是通过控制两张反射镜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，为了将从聚光透镜222射出的激光L向电扫描仪引导而具备反射镜226。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具备配置在准直透镜221与聚光透镜222之间的作为光束整形器的DOE223。与DOE123同样地，DOE223将从准直透镜221输入的激光分割，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前方侧。在本实施方式中，也能够将功率比设定为与上述第一实施方式相同。
[第三实施方式]
图10是示出第三实施方式的激光焊接装置的概要结构的图。激光焊接装置300对加工对象W2照射激光L来进行加工对象W2的焊接。加工对象W2通过使两张板状的金属构件W21、W22以对接的方式相邻而构成。激光焊接装置300具备激光振荡器，通过与激光焊接装置100、200同样的的作用原理来实现焊接。光学头320以外的要素(激光装置310以及光纤330)的结构与激光焊接装置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。
与光学头120、220同样地，光学头320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。
并且，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不同的位置设置电扫描仪。然而，与光学头220同样地，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具备配置在准直透镜321与聚光透镜322之间的作为光束整形器的DOE323。与DOE123、223同样地，DOE323将从准直透镜321输入的激光分割，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前方侧。在本实施方式中，也能够将功率比设定为与上述第一实施方式相同。
另外，图11～14示出加工对象W的表面Wa上的激光L的多条光束的配置的其他例子。
在图11的例子中，激光L具有一条主光束B1和一条副光束B2，副光束B2位于相对于主光束B1向扫描方向SD(X方向)上的前方分离的位置。
在图12的例子中，激光L具有配置在中央的1条主光束B1和在该1条主光束B1的周围呈环状配置的16条副光束B2。
在图13的例子中，激光L具有呈5×5的正方形的矩阵状配置的25条光束，并且具有配置在中央的1条副光束B2、在该1条光束B2的周围呈3×3的正方形状(四边形状)配置的9条主光束B1、以及在该9条主光束B1的周围呈正方形状(四边形状)配置的16条副光束B2。在该例子中，行方向(Y方向)上的光束间的间隔和列方向(X方向、扫描方向SD)上的光束间的间隔也全部被设定为相同。
在图14的例子中，激光L具有沿Y方向呈之字形(锯齿状)延伸的多条光束。换言之，各光束位于X方向上的前侧的位置、或X方向上的后侧的位置，该光束的位置随着趋向Y方向而在前侧的位置和后侧的位置交替地调换。一条主光束B1在Y方向上的中间位置位于后侧的位置。多条副光束B2相对于该主光束B1配置在Y方向以及Y方向的相反方向。彼此相邻的光束间的间隔大致相同。
多条光束的配置的图案除了上述的例子以外还能够各种各样地设定。在此，为了对光束的配置变化形式进行说明，导入图15所示那样的具有带1～49的编号的单元的7×7的矩阵。各单元示出光束的位置。在图15所例示的矩阵中，单元的编号被设定为越是X方向的相反方向(X方向上的后方)的行就越大，且越是Y方向(Y方向上前方)的列就越大。
图16示出图3的图案的情况下的、主光束B1及副光束B2的配置、配置主光束B1的单元的编号以及配置副光束B2的单元的编号。如图16所示，针对图3的图案，主光束B1配置在编号25的位置，8条副光束B2配置在编号17～19、24、26、31～33的位置。需要说明的是，图15的矩阵示出多条光束的相对位置，各光束的大小、间隔能够适当变更。
多条光束例如能够以以下的[1]～[22]的图案配置。数字是图15的矩阵中的单元的位置。
[1](图11)
主光束B1：25
副光束B2：18
[2]
主光束B1：25
副光束B2：18、32
[3]
主光束B1：25
副光束B2：17、19
[4]
主光束B1：25
副光束B2：17～19
[5]
主光束B1：25
副光束B2：11、17、19
[6]
主光束B1：24、25
副光束B2：17、18
[7]
主光束B1：25
副光束B2：18、24、26、32
[8]
主光束B1：25
副光束B2：17、19、31、33
[9](图3)
主光束B1：25
副光束B2：17～19、24、26、31～33
[10]
主光束B1：25
副光束B2：1、3、5、7、15、21、29、35、43、45、47、49
[11](图4)
主光束B1：24、25、31、32
副光束B2：16～19、23、26、30、33、37～40
[12]
主光束B1：25
副光束B2：10～12、16、20、23、27、30、34、38～40
[13]
主光束B1：25
副光束B2：9～13、16、20、23、27、30、34、37～41
[14]
主光束B1：25
副光束B2：9～13、16～20、23、24、26、27、30～34、37～41
[15](图12)
主光束B1：25
副光束B2：3～5、9、13、15、21、22、28、29、35、37、41、45～47
[16]
主光束B1：25
副光束B2：10～12、16～20、23、24、26、27、30～34、38～40
[17]
主光束B1：18、24～26、32
副光束B2：10～12、16、17、19、20、23、27、30、31、33、34、38～40
[18]
主光束B1：17～19、24～26、31～33
副光束B2：10～12、16、20、23、27、30、34、38～40
[19]
主光束B1：17～19、24、26、31～33
副光束B2：10～12、16、20、23、25、27、30、34、38～40
[20]
主光束B1：18、24～26、32
副光束B2：9～13、16、17、19、20、23、27、30、31、33、34、37～41
[21]
主光束B1：17～19、24～26、31～33
副光束B2：9～13、16、20、23、27、30、34、37～41
[22](图12)
主光束B1：17～19、24、26、31～33
副光束B2：9～13、16、20、23、25、27、30、34、37～41
如图12所示，多条副光束B2也可以呈大致圆环状或大致圆弧状配置。在该情况下，各副光束B2的中心也可以配置在同一圆周上。
以上，例示了本发明的实施方式，但上述实施方式是一例，并不意在限定发明的范围。上述实施方式能够以其他各种各样的形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、组合、变更。另外，各结构、形状等规格(构造、种类、方向、型号、大小、长度、宽度、厚度、高度、数量、配置、位置、材质等)能够适当变更而实施。
例如，在上述各实施方式中，主光束(主功率区域)的焊接方式可以是小孔型焊接，也可以是热传导型焊接。这里所说的小孔型焊接是利用小孔的焊接方法。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使加工对象熔融的焊接方法。
另外，副光束可以全都具有相同功率，也可以是一条或一部分副光束的功率比其他副光束的功率高。另外，也可以将多条副光束分类成多个组，在相同的组内，副光束是大致相同的功率，在组间，副光束是不同的功率。在该情况下，若将被分类成多个不同的组的副光束进行比较，则功率阶段性地不同。需要说明的是，某一组中所包含的副光束并不限定于多条，也可以是一条。
另外，加工对象的材质并不限定于不锈钢。
另外，加工对象并不限定于板材，焊接的方式也并不限定于重合焊接、对接焊接。因此，加工对象也可以通过使应焊接的至少两个构件重叠、接触、相邻而构成。
另外，也可以是，在对加工对象扫描激光的情况下，通过公知的摇摆(wobbling)、横摆(weaving)、输出调制等来进行扫描，并调节熔池的表面积。
另外，加工对象也可以是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的加工对象。
工业实用性
本发明能够利用于焊接方法以及焊接装置。
附图标记说明
100，200，300…激光焊接装置(焊接装置)
110，210，310…激光装置(激光振荡器)
120，220，320…光学头
121，221，321…准直透镜
122，222，322…聚光透镜
123，223，323…DOE(衍射光学元件)
123a…衍射光栅
130，230，330…光纤
224a，224b，226，324a，324b…反射镜
225a，225b，325a，325b…马达
A…(扫描方向上的前方的)区域
B1…主光束(光束、主功率区域)
B1f…前端
B2…副光束(光束、副功率区域)
bd…(光束的)直径
bi…(光束间的)最小距离
L…激光
SD…扫描方向
VL…假想直线
W，W1，W2…加工对象
Wa…表面
W11，W12，W21，W22…金属构件
Wm…焊接部位
w，w1，w2…距离(宽度)
x1，y1…位置
X…方向
Y…方向
Z…方向(法线方向)。

Claims (23)

1.一种焊接方法，其通过对加工对象的表面照射相对于所述加工对象沿扫描方向相对移动的激光，使所述加工对象的照射到所述激光的部分熔融而进行焊接，其中，
所述激光包含多条光束，
所述多条光束包含至少一条主光束、以及至少一条功率小于该主光束的副光束，
在所述表面上形成包含所述至少一条主光束的主功率区域、以及包含所述至少一条副光束的副功率区域，
在所述表面上相邻的所述多条光束的中心间的最小距离为75[μm]以下。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其中，
所述激光是单模激光。
3.根据权利要求1或2所述的焊接方法，其中，
在所述表面上，所述光束的直径为100[μm]以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的焊接方法，其中，
在所述表面上，在与所述扫描方向正交的方向上最远离的所述多条光束的中心间的距离为300[μm]以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的焊接方法，其中，
所述主功率区域的功率与所述副功率区域的功率之比处于72∶1～1∶50的范围内。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的焊接方法，其中，
相对于所述至少一条主光束，在所述扫描方向上的前方配置所述至少一条副光束。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的焊接方法，其中，
相对于所述至少一条主光束，在所述扫描方向上的后方配置所述至少一条副光束。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的焊接方法，其中，
相对于所述至少一条主光束，向与所述扫描方向交叉的方向偏移地配置所述至少一条副光束。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的焊接方法，其中，
相对于所述至少一条主光束，在其周围配置作为所述至少一条副光束的多条副光束。
10.根据权利要求9所述的焊接方法，其中，
所述多条副光束呈圆弧状配置。
11.根据权利要求9所述的焊接方法，其中，
所述多条副光束呈四边形状配置。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的焊接方法，其中，
所述主功率区域和所述副功率区域以使通过所述主功率区域所包含的所述至少一条主光束形成的熔池与通过所述副功率区域所包含的所述至少一条副光束形成的熔池局部重叠的方式配置。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的焊接方法，其中，
所述主功率区域所包含的所述至少一条主光束的激光的波长与所述副功率区域所包含的所述至少一条副光束的激光的波长相同。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的焊接方法，其中，
所述副功率区域所包含的所述至少一条副光束的激光的波长是与所述主功率区域所包含的所述至少一条主光束的激光的波长相比而相对于所述加工对象的吸收率较高的波长。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的焊接方法，其中，
所述主功率区域所包含的所述至少一条主光束的激光与所述副功率区域所包含的所述至少一条副光束的激光从同一振荡器射出。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的焊接方法，其中，
所述主功率区域所包含的所述至少一条主光束的激光与所述副功率区域所包含的所述至少一条副光束的激光从不同的激光振荡器射出。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的焊接方法，其中，
所述激光的M2光束质量为1.3以下。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的焊接方法，其中，
所述多条光束的中心间的距离为5[μm]以上。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的焊接方法，其中，
所述多条光束的配置通过光束整形器形成。
20.根据权利要求19所述的焊接方法，其中，
所述光束整形器是衍射光学元件。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的焊接方法，其中，
所述加工对象重叠至少两个构件。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的焊接方法，其中，
所述主光束的直径与所述副光束的直径相同。
23.一种焊接装置，其中，
所述焊接装置具备：
激光振荡器；以及
光学头，其通过对加工对象的表面照射包含对从所述激光振荡器射出的光进行成形而得到的多条光束的激光，使所述加工对象的照射到所述激光的部分熔融而进行焊接，
所述加工对象与所述光学头的至少一部分构成为能够进行相对移动，以使得所述激光相对于所述加工对象沿扫描方向相对移动，
所述多条光束包含至少一条主光束、以及至少一条功率小于该主光束的副光束，
在所述表面上形成包含所述至少一条主光束的主功率区域、以及包含所述至少一条副光束的副功率区域，
在所述表面上相邻的所述多条光束的中心间的最小距离为75[μm]以下。
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