JP2017042790A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワーク距離が制御されるべき距離からずれた場合であっても適切に溶接を行うことが可能なレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】溶接装置１は、レーザ光２０の焦点２２が近フォーカスの状態でレーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射する（ステップＳ１１）。溶接装置１は、レーザ光２０の焦点２２が遠フォーカスの状態でレーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射する（ステップＳ１２）。溶接装置１は、レーザ光２０の焦点２２が遠フォーカスの状態でレーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射する（ステップＳ１３）。溶接装置１は、レーザ光２０の焦点２２が近フォーカスの状態でレーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射する（ステップＳ１４）。【選択図】図７

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

重ね合わせた複数の溶接対象物（例えば金属板等）を接合する溶接方法の一つとして、加工歪みが少なく、高速溶接が可能であり、残留熱影響部も少ないなどの利点から、レーザ溶接による溶接方法が広く利用されている。レーザ溶接を行う際、複数の溶接対象物を重ね合わせて構成されるワークの表面にレーザ光の焦点を合わせると、ワーク表面（レーザ照射面）におけるレーザの径（レーザ径）が小さくなり、レーザのエネルギー密度が高くなる。これによって、ワークに穴あき等の不良が発生するおそれがある。

上記に関連し、特許文献１には、重ね合わせた金属薄板に対してレーザビーム光を照射してスポット溶接する方法が開示されている。特許文献１にかかる方法においては、レーザビーム光の焦点が、金属薄板の表面から焦点ぼかし量に相当する距離だけ手前に位置するように設定される。これによって、溶け込み深さが適切に設定され得る。

特開昭６１−２３８４８８号公報

レーザ溶接を行う際、レーザ光を照射する溶接装置とワークとの距離（ワーク距離）は、様々な要因によって、本来あるべき距離（制御されるべき目標値）からずれる（ばらつく）ことがある。ワーク距離が目標値からずれる要因として、例えば、溶接を行うロボットの位置決め精度不良、ロボットティーチングの精度不良、ワークの位置ずれ、又は溶接装置の機差等が挙げられる。このようにワーク距離がばらつくと、レーザ径もばらつくこととなる。言い換えると、レーザ照射面におけるレーザ径が安定しなくなる。

このような場合、レーザ径が制御すべきレーザ径（レーザ径の目標値）よりも小さくなる方向にばらつく（ずれる）と、ワークにおけるレーザのエネルギー密度が高すぎてしまう。これによって、ワークの穴あき等の不良が発生するおそれがある。また、レーザ径が目標値よりも大きくなる方向にばらつく（ずれる）と、ワークにおけるレーザのエネルギー密度が低すぎてしまう。これによって、ワークの裏側（レーザ照射面とは反対側）の溶接対象物への溶融が足りなくなり、したがって溶接強度が低下するおそれがある。つまり、特許文献１においては、レーザ径が安定しないことから、エネルギー密度が安定せず、したがって、適切に溶接を行うことができないおそれがある。

本発明の目的は、ワーク距離が制御されるべき距離からずれた場合であっても適切に溶接を行うことが可能なレーザ溶接方法を提供することである。

本発明にかかるレーザ溶接方法は、複数の溶接対象物が重ね合わされて構成されるワークに対してレーザ光を照射する溶接装置を用いてレーザ溶接を行うことにより、前記複数の溶接対象物を接合するレーザ溶接方法であって、前記ワークの第１の溶接位置に対してレーザ溶接を行うときに、以下の少なくとも１つの第１のステップと少なくとも１つの第２のステップとを実行するレーザ溶接方法である。レーザ溶接方法は、（１）前記レーザ光の焦点の位置が前記ワークのレーザ照射面よりも前記溶接装置に近い状態でレーザ光を前記第１の溶接位置に照射する第１のステップ、及び（２）前記レーザ光の焦点の位置が前記ワークのレーザ照射面よりも前記溶接装置から遠い状態でレーザ光を前記第１の溶接位置に照射する第２のステップ、を実行する。

上記のように構成されていることによって、本発明にかかるレーザ溶接方法は、溶接装置とワークとの距離であるワーク距離が目標値からずれた場合であっても、実際のレーザ径が目標値から拡大した状態と目標値から縮小した状態とを組み合わせてレーザ溶接を行うことが可能となる。これによって、ワーク距離が目標値からずれた場合であっても、溶接位置におけるエネルギー密度が常に上昇した状態となること、又は常に低下した状態となることが抑制される。これによって、溶接位置におけるエネルギー密度の状態が安定する。したがって、本発明にかかるレーザ溶接方法は、ワーク距離が目標値からずれた場合であっても適切に溶接を行うことが可能となる。

また、好ましくは、前記第１のステップ及び前記第２のステップにおいて、前記溶接装置に設けられたレンズを移動させることによって、前記レーザ光の焦点の位置を制御する。
本発明にかかるレーザ溶接方法は、上記のように構成されているので、第１のステップ及び第２のステップを行う際に、溶接装置自体を移動させる必要がない。したがって、本発明にかかるレーザ溶接方法は、より容易に、第１のステップ及び第２のステップを行うことが可能となる。

また、好ましくは、前記第１の溶接位置に対して行われる前記第１のステップの回数は、前記第１の溶接位置に対して行われる前記第２のステップの回数と同じである。
本発明にかかるレーザ溶接方法は、上記のように構成されているので、第１のステップ及び第２のステップを行う際の制御が容易となる。したがって、本発明にかかるレーザ溶接方法は、より容易に、溶接位置におけるエネルギー密度を安定させることが可能となる。

本発明によれば、ワーク距離が制御されるべき距離からずれた場合であっても適切に溶接を行うことが可能なレーザ溶接方法を提供できる。

実施の形態１にかかるレーザ溶接方法を用いた溶接装置を示す図である。 焦点が近フォーカスとなっている状態を示す図である。 焦点が遠フォーカスとなっている状態を示す図である。 焦点位置とレーザ径との関係を例示する図である。 焦点が近フォーカスの状態に制御されている場合においてワーク距離が目標値から大きくなる方向にずれた状態を示す図である。 焦点が遠フォーカスの状態に制御されている場合においてワーク距離が目標値から大きくなる方向にずれた状態を示す図である。 実施の形態１にかかるレーザ溶接方法を示すフローチャートである。 図７の各ステップにおける焦点位置の目標値を例示する図である。 実施の形態１にかかるレーザ溶接方法（図７）を用いてレーザ溶接を行ったときに、ワーク距離が目標値からずれた場合について説明するための図である。 実施の形態１にかかるレーザ溶接方法（図７）を用いてレーザ溶接を行ったときに、ワーク距離が目標値からずれた場合について説明するための図である。 比較例にかかる方法でレーザ溶接を行ったときに、ワーク距離が目標値からずれた場合について説明するための図である。 比較例にかかる方法でレーザ溶接を行ったときに、ワーク距離が目標値からずれた場合について説明するための図である。

（実施の形態１）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、実施の形態１にかかるレーザ溶接方法を用いた溶接装置１を示す図である。溶接装置１は、レーザ照射部２及び制御部１０を有する。また、レーザ照射部２の内部にはレンズ４が設けられている。

図１において、溶接装置１（レーザ溶接装置）は、ワーク１００にレーザ光２０を照射している。ワーク１００は、溶接対象物である鋼板１０２及び鋼板１０４が重ね合わされて構成されている。鋼板１０２及び鋼板１０４は、溶接装置１がレーザ光２０を照射してレーザ溶接を行うことにより接合（溶接）される。

ここで、ワーク１００のレーザ光が照射される面、つまり、ワーク１００の溶接装置１と対峙する面を、レーザ照射面１００ａとする。そして、溶接装置１からレーザ照射面１００ａまでの距離を、ワーク距離Ｄｗとする。より具体的には、ワーク距離Ｄｗは、レーザ照射部２においてレーザ光２０を照射する照射口の端部であるレーザ照射端部２ａから、レーザ照射面１００ａまでの距離である。ワーク距離Ｄｗは、制御部１０によって、例えばロボットティーチングにより予め定められた目標値に制御され得る。しかしながら、上述したように、制御部１０がワーク距離Ｄｗを目標値となるように制御したとしても、ワーク１００の位置ずれ等の要因によって、実際のワーク距離Ｄｗは、制御されるべきワーク距離Ｄｗ（ワーク距離Ｄｗの目標値）からずれることがある。

レーザ照射部２は、例えば三次元スキャナである。制御部１０は、レーザ照射部２の動作を制御する。レーザ照射部２は、制御部１０の制御によって、ワーク１００のレーザ照射面１００ａにレーザ光２０を照射する。具体的には、制御部１０は、レーザ照射面１００ａの溶接対象の位置である溶接位置１００ｂ（第１の溶接位置）にレーザ光２０が照射されるように、レーザ光２０の水平方向の位置を制御する。さらに、制御部１０は、レンズ４の位置を制御することによって、レーザ光２０の焦点２２の垂直方向（レーザ照射面１００ａから溶接装置１に向かう方向）の位置を制御する。

さらに具体的には、ＸＹＺ空間における座標系について、レーザ照射面１００ａに沿ってＸＹ平面が定義され、ＸＹ平面（レーザ照射面１００ａ）に垂直でありレーザ照射面１００ａからレーザ照射部２（溶接装置１）に向かう方向を正とするＺ軸が定義される。ここで、Ｚ軸方向におけるレーザ照射面１００ａの位置をＺ＝０とする。制御部１０は、レーザ照射面１００ａの溶接位置１００ｂにレーザ光２０が照射されるように、レーザ光２０のＸＹ平面上の位置（水平位置）を制御する。さらに、制御部１０は、レンズ４のＺ軸方向の位置を制御することによって、レーザ光２０のＺ軸方向の焦点２２の位置（垂直位置）を制御する。これによって、レーザ照射面１００ａにおけるレーザ光２０の径（レーザ径Ｌｄ）が制御され得る。

なお、制御部１０は、レーザ光２０のＺ軸方向の焦点２２の位置が、ワーク１００のレーザ照射面１００ａよりも溶接装置１（レーザ照射端部２ａ）に近くなるように、レーザ照射部２を制御し得る。同様に、制御部１０は、レーザ光２０のＺ軸方向の焦点２２の位置が、ワーク１００のレーザ照射面１００ａよりも溶接装置１（レーザ照射端部２ａ）から遠くなるように、レーザ照射部２を制御し得る。ここで、焦点２２の位置の方がワーク１００のレーザ照射面１００ａよりも溶接装置１に近い状態（言い換えるとレーザ照射面１００ａの方が焦点２２の位置よりも溶接装置１から遠い状態）を「近フォーカス」という。また、焦点２２の位置の方がワーク１００のレーザ照射面１００ａよりも溶接装置１から遠い状態（言い換えるとレーザ照射面１００ａの方が焦点２２の位置よりも溶接装置１に近い状態）を「遠フォーカス」という。以下、詳述する。

図２は、焦点２２が近フォーカスとなっている状態を示す図である。例えば、制御部１０は、レンズ４がレーザ照射面１００ａから遠くなる方向（矢印Ａ方向）に移動するように制御することによって、焦点２２が近フォーカスとなるように制御することができる。ここで、焦点２２のＺ軸方向の位置をＺｆ（焦点位置）とすると、焦点位置Ｚｆは、レーザ照射面１００ａから焦点２２までの距離（レーザ照射面１００ａから溶接装置１に向かう方向が正）に対応する。言い換えると、Ｚｆは、デフォーカス量（焦点２２の位置のレーザ照射面１００ａからのずれ量）に対応する。ここで、近フォーカスの状態では、Ｚｆ＞０である。

図３は、焦点２２が遠フォーカスとなっている状態を示す図である。例えば、制御部１０は、レンズ４がレーザ照射面１００ａに近くなる方向（矢印Ｂ方向）に移動するように制御することによって、焦点２２が遠フォーカスとなるように制御することができる。なお、焦点位置Ｚｆは、レーザ照射面１００ａから焦点２２までの距離（レーザ照射面１００ａから溶接装置１に向かう方向が正）に対応する。ここで、遠フォーカスの状態では、Ｚｆ＜０である。つまり、レーザ照射面１００ａから焦点２２までの距離の絶対値は、｜Ｚｆ｜である。

実施の形態１にかかる溶接装置１は、図２に示したように焦点２２を近フォーカスの状態にすることもできるし、図３に示したように焦点２２を遠フォーカスの状態にすることもできる。ここで、例えば、溶接装置１の制御部１０は、ワーク１００における溶接位置１００ｂそれぞれについて、ワーク距離Ｄｗの目標値Ｄｗ０及び焦点位置Ｚｆの目標値Ｚｆ０を予め記憶し得る。このとき、ロボット等によって、溶接装置１は、ワーク１００のレーザ照射面１００ａからワーク距離Ｄｗの高さにレーザ照射端部２ａが位置するように、位置決めされ得る。そして、制御部１０は、レーザ照射端部２ａから焦点２２の位置までの距離がＤｗ０−Ｚｆ０となるように、焦点２２の位置を制御し得る。これによって、制御部１０は、焦点位置Ｚｆを目標値Ｚｆ０に制御し得る。

図４は、焦点位置Ｚｆとレーザ径Ｌｄとの関係を例示する図である。焦点位置Ｚｆ＝０つまり焦点２２の位置がレーザ照射面１００ａに一致している場合に、レーザ径Ｌｄ（レーザ照射面１００ａにおけるレーザ光２０の径）は最小となる。そして、Ｚｆ＞０（つまり近フォーカスの状態）では、焦点位置Ｚｆが正の方向に移動するにつれて（つまり焦点２２の位置が溶接装置１に近づくにつれて）、レーザ径Ｌｄは大きくなる。言い換えると、Ｚｆ＞０（近フォーカス）では、焦点位置Ｚｆが大きくなるにつれて、レーザ径Ｌｄは大きくなる。一方、Ｚｆ＜０（つまり遠フォーカスの状態）では、焦点位置Ｚｆが負の方向に移動するにつれて（つまり焦点２２の位置が溶接装置１から遠ざかるにつれて）、レーザ径Ｌｄは大きくなる。言い換えると、Ｚｆ＜０（遠フォーカス）では、焦点位置Ｚｆが小さくなる（つまり焦点位置Ｚｆの絶対値が大きくなる）につれて、レーザ径Ｌｄは大きくなる。

例えば、図４の例において、焦点位置Ｚｆが３０ｍｍのとき、レーザ径Ｌｄは１３００μｍである。また、焦点位置Ｚｆが４０ｍｍのとき、レーザ径Ｌｄは１７００μｍである。また、焦点位置Ｚｆが２０ｍｍのとき、レーザ径Ｌｄは９００μｍである。また、焦点位置Ｚｆが−３０ｍｍのとき、レーザ径Ｌｄは１３００μｍである。また、焦点位置Ｚｆが−４０ｍｍのとき、レーザ径Ｌｄは１７００μｍである。また、焦点位置Ｚｆが−２０ｍｍのとき、レーザ径Ｌｄは９００μｍである。

ここで、上述したように、ワーク１００の位置ずれ等によって、ワーク距離Ｄｗが目標値からずれることがある。このずれは、上述したように、例えば、溶接を行うロボットの位置決め精度、ロボットティーチングの精度、ワークの位置ずれ、又は溶接装置の機差等によって生じるものである。一方、制御部１０は、このずれ量を認識していないものとする。以下、ワーク距離Ｄｗが目標値Ｄｗ０からずれた場合の挙動について、図５及び図６を用いて説明する。

図５は、焦点２２が近フォーカスの状態に制御されている場合においてワーク距離Ｄｗが目標値から大きくなる方向にずれた状態を示す図である。図５において、制御されるべきワーク距離にある場合のワーク１００が破線で示されている。ここで、制御されるべきワーク距離の目標値をＤｗ１０とする。このとき、制御部１０は、焦点位置Ｚｆが目標値Ｚｆ１０（＞０）となるように制御する。言い換えると、制御部１０は、レーザ照射端部２ａから焦点２２の位置までの距離がＤｗ１０−Ｚｆ１０となるように、焦点２２の位置を制御する。また、このときの制御すべきレーザ径Ｌｄ（レーザ径Ｌｄの目標値である目標レーザ径）をＬｄ１０とする。

ここで、図５の矢印Ｅで示すように、ワーク１００の位置が溶接装置１から遠ざかる方向にずれているとする。このときのワーク距離Ｄｗ１１は、目標値Ｄｗ１０よりも大きくなる。一方、制御部１０は、ワーク距離ＤｗがＤｗ１０であるものとして焦点２２の位置を制御する。したがって、制御部１０は、レーザ照射端部２ａから焦点２２の位置までの距離がＤｗ１０−Ｚｆ１０となるように焦点２２の位置を制御する。このとき、実際の焦点位置Ｚｆ１１は、焦点位置Ｚｆの目標値Ｚｆ１０よりも大きくなる。つまり、Ｚｆ１１＞Ｚｆ１０である。また、これに伴い、実際のレーザ径Ｌｄ１１は、レーザ径Ｌｄの目標レーザ径Ｌｄ１０よりも大きくなる。つまり、Ｌｄ１１＞Ｌｄ１０である。

逆に、焦点２２を近フォーカスに制御している場合においてワーク距離Ｄｗが目標値から小さくなる方向（矢印Ｅとは逆方向）にずれた場合、実際の焦点位置Ｚｆは、目標値Ｚｆ１０よりも小さくなる。また、これに伴い、実際のレーザ径Ｌｄは、目標レーザ径Ｌｄ１０よりも小さくなる。つまり、ワーク距離Ｄｗが目標値からずれることによって、焦点位置Ｚｆが目標値からずれ、さらにレーザ径Ｌｄが目標値からずれることとなる。

例えば、図４の矢印Ａに示すように、焦点位置Ｚｆの目標値Ｚｆ１０が３０ｍｍの場合に焦点位置Ｚｆが＋１０ｍｍずれる（つまり焦点位置Ｚｆが４０ｍｍになる）と、レーザ径Ｌｄは目標値である１３００μｍから１７００μｍに拡大する。一方、図４の矢印Ｂに示すように、焦点位置Ｚｆの目標値Ｚｆ１０が３０ｍｍの場合に焦点位置Ｚｆが−１０ｍｍずれる（つまり焦点位置Ｚｆが２０ｍｍになる）と、レーザ径Ｌｄは目標値である１３００μｍから９００μｍに縮小する。

図６は、焦点２２が遠フォーカスの状態に制御されている場合においてワーク距離Ｄｗが目標値から大きくなる方向にずれた状態を示す図である。図６において、制御されるべきワーク距離にある場合のワーク１００が破線で示されている。ここで、制御されるべきワーク距離の目標値をＤｗ２０とする。このとき、制御部１０は、焦点位置Ｚｆが目標値Ｚｆ２０（＜０）となるように制御する。言い換えると、制御部１０は、レーザ照射端部２ａから焦点２２の位置までの距離がＤｗ２０−Ｚｆ２０となるように、焦点２２の位置を制御する。また、このときの制御すべきレーザ径Ｌｄ（レーザ径Ｌｄの目標値である目標レーザ径）をＬｄ２０とする。

ここで、図６の矢印Ｅで示すように、ワーク１００の位置が溶接装置１から遠ざかる方向にずれているとする。このときのワーク距離Ｄｗ２１は、目標値Ｄｗ２０よりも大きくなる。一方、制御部１０は、ワーク距離ＤｗがＤｗ２０であるものとして焦点２２の位置を制御する。したがって、制御部１０は、レーザ照射端部２ａから焦点２２の位置までの距離がＤｗ２０−Ｚｆ２０となるように焦点２２の位置を制御する。このとき、実際の焦点位置Ｚｆ２１（＜０）は、焦点位置Ｚｆの目標値Ｚｆ２０よりも大きくなる。言い換えると、Ｚｆ２１の絶対値は目標値Ｚｆ２０の絶対値よりも小さくなる。つまり、０＞Ｚｆ２１＞Ｚｆ２０である。また、これに伴い、実際のレーザ径Ｌｄ２１は、レーザ径Ｌｄの目標レーザ径Ｌｄ２０よりも小さくなる。つまり、Ｌｄ２１＜Ｌｄ２０である。

逆に、焦点２２を遠フォーカスに制御している場合においてワーク距離Ｄｗが目標値から小さくなる方向（矢印Ｅとは逆方向）にずれた場合、実際の焦点位置Ｚｆ（＜０）は、焦点位置Ｚｆの目標値Ｚｆ２０よりも小さくなる。言い換えると、実際の焦点位置Ｚｆの絶対値は目標値Ｚｆ２０の絶対値よりも大きくなる。また、これに伴い、実際のレーザ径Ｌｄは、目標レーザ径Ｌｄ２０よりも大きくなる。つまり、ワーク距離Ｄｗが目標値からずれることによって、焦点位置Ｚｆが目標値からずれ、さらにレーザ径Ｌｄが目標値からずれることとなる。

例えば、図４の矢印Ｃに示すように、焦点位置Ｚｆの目標値Ｚｆ２０が−３０ｍｍの場合に焦点位置Ｚｆが＋１０ｍｍずれる（つまり焦点位置Ｚｆが−２０ｍｍになる）と、レーザ径Ｌｄは目標値である１３００μｍから９００μｍに縮小する。一方、図４の矢印Ｄに示すように、焦点位置Ｚｆの目標値Ｚｆ２０が−３０ｍｍの場合に焦点位置Ｚｆが−１０ｍｍずれる（つまり焦点位置Ｚｆが−４０ｍｍになる）と、レーザ径Ｌｄは目標値である１３００μｍから１７００μｍに拡大する。

上述したように、ワーク距離Ｄｗが目標値から大きくなるようにずれた場合、近フォーカスの状態のときはレーザ径Ｌｄが目標値から大きくなるのに対し、遠フォーカスのときはレーザ径Ｌｄが目標値から小さくなる。また、ワーク距離Ｄｗが目標値から小さくなるようにずれた場合、近フォーカスの状態のときはレーザ径Ｌｄが目標値から小さくなるのに対し、遠フォーカスのときはレーザ径Ｌｄが目標値から大きくなる。実施の形態１にかかるレーザ溶接方法は、以下に説明するように、上記の性質を考慮して行われる。

次に、実施の形態１にかかるレーザ溶接方法について説明する。
図７は、実施の形態１にかかるレーザ溶接方法を示すフローチャートである。まず、溶接装置１は、レーザ光２０の水平位置を溶接位置１００ｂに制御する（ステップＳ１０）。具体的には、溶接装置１の制御部１０は、レーザ光２０のＸＹ平面上における中心位置を、ワーク１００のレーザ照射面１００ａにおける溶接位置１００ｂに対応させるように制御する。これによって、レーザ照射面１００ａの溶接位置１００ｂにレーザ光２０が照射され得る。

図８は、図７の各ステップＳ１１〜Ｓ１４における焦点位置の目標値を例示する図である。以下に示すステップＳ１１〜Ｓ１４において、溶接装置１は、近フォーカスの状態と遠フォーカスの状態とを織り交ぜるように、焦点位置Ｚｆを制御する。言い換えると、実施の形態１にかかる溶接装置１は、ある溶接位置１００ｂについてレーザ溶接を行う際に、近フォーカスの状態及び遠フォーカスの状態で、溶接位置１００ｂにレーザ光２０を照射する。つまり、溶接装置１の制御部１０は、レンズ４をワーク１００に近づけたり遠ざけたりするように制御する。さらに言い換えると、実施の形態１にかかるレーザ溶接方法は、溶接位置１００ｂに対してレーザ溶接を行う際に、焦点２２の位置が近フォーカスの状態でレーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射するステップ（第１のステップ）と、焦点２２の位置が遠フォーカスの状態でレーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射するステップ（第２のステップ）とを実行する。なお、溶接装置１は、ステップＳ１１〜Ｓ１４の各ステップから次のステップへの移行の際（つまりレンズ４の移動中）に、レーザ光２０を照射したままであってもよい。一方、溶接装置１は、各ステップの移行の際にはレーザ光２０の照射を停止し、レンズ４が各ステップに対応する位置に移動したときに、レーザ光２０の照射を開始してもよい。

溶接装置１は、レーザ光２０の焦点２２が近フォーカスの状態でレーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射する（ステップＳ１１）。具体的には、図８に例示するように、例えば、溶接装置１の制御部１０は、焦点位置Ｚｆが３０ｍｍとなるようにレーザ照射部２を制御する。言い換えると、制御部１０は、焦点位置Ｚｆの目標値を３０ｍｍに設定して、レンズ４を制御する。このとき、ワーク距離Ｄｗが目標値からずれていなければ、レーザ径Ｌｄは１３００μｍとなる。溶接装置１は、この状態を維持したまま、予め定められた時間（例えば０．１秒程度）、レーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射する。

次に、溶接装置１は、レーザ光２０の焦点２２が遠フォーカスの状態でレーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射する（ステップＳ１２）。具体的には、図８に例示するように、例えば、溶接装置１の制御部１０は、焦点位置Ｚｆが−２０ｍｍとなるようにレーザ照射部２を制御する。言い換えると、制御部１０は、焦点位置Ｚｆの目標値を−２０ｍｍに設定して、レンズ４を制御する。このとき、ワーク距離Ｄｗが目標値からずれていなければ、レーザ径Ｌｄは９００μｍとなる。溶接装置１は、この状態を維持したまま、予め定められた時間（例えば０．１秒程度）、レーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射する。

次に、溶接装置１は、レーザ光２０の焦点２２が遠フォーカスの状態でレーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射する（ステップＳ１３）。具体的には、図８に例示するように、例えば、溶接装置１の制御部１０は、焦点位置Ｚｆが−３０ｍｍとなるようにレーザ照射部２を制御する。言い換えると、制御部１０は、焦点位置Ｚｆの目標値を−３０ｍｍに設定して、レンズ４を制御する。このとき、ワーク距離Ｄｗが目標値からずれていなければ、レーザ径Ｌｄは１３００μｍとなる。溶接装置１は、この状態を維持したまま、予め定められた時間（例えば０．１秒程度）、レーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射する。

次に、溶接装置１は、レーザ光２０の焦点２２が近フォーカスの状態でレーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射する（ステップＳ１４）。具体的には、図８に例示するように、例えば、溶接装置１の制御部１０は、焦点位置Ｚｆが２０ｍｍとなるようにレーザ照射部２を制御する。言い換えると、制御部１０は、焦点位置Ｚｆの目標値を２０ｍｍに設定して、レンズ４を制御する。このとき、ワーク距離Ｄｗが目標値からずれていなければ、レーザ径Ｌｄは９００μｍとなる。溶接装置１は、この状態を維持したまま、予め定められた時間（例えば０．１秒程度）、レーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射する。

図９は、実施の形態１にかかるレーザ溶接方法（図７）を用いてレーザ溶接を行ったときに、ワーク距離Ｄｗが目標値からずれた場合について説明するための図である。図９は、ワーク距離Ｄｗが目標値から大きくなる方向にずれた場合について例示している。具体的には、図９においては、焦点位置Ｚｆが目標値から＋１０ｍｍずれた（焦点位置Ｚｆが目標値から１０ｍｍ大きくなる方向にずれた）場合について例示されている。

ステップＳ１１においては、フォーカス方向（ワーク１００に対する焦点２２の位置の方向）は近フォーカスであって、焦点位置Ｚｆの目標値は３０ｍｍである。このとき、焦点位置Ｚｆが目標値から＋１０ｍｍずれると、実際の焦点位置Ｚｆは、４０ｍｍとなる。このとき、実際のレーザ径Ｌｄは、１７００μｍとなる。ここで、レーザ径Ｌｄの目標値は１３００μｍであるので、レーザ径Ｌｄは、目標値から拡大している。

ステップＳ１２においては、フォーカス方向は遠フォーカスであって、焦点位置Ｚｆの目標値は−２０ｍｍである。このとき、焦点位置Ｚｆが目標値から＋１０ｍｍずれると、実際の焦点位置Ｚｆは、−１０ｍｍとなる。このとき、実際のレーザ径Ｌｄは、５００μｍとなる。ここで、レーザ径Ｌｄの目標値は９００μｍであるので、レーザ径Ｌｄは、目標値から縮小している。

ステップＳ１３においては、フォーカス方向は遠フォーカスであって、焦点位置Ｚｆの目標値は−３０ｍｍである。このとき、焦点位置Ｚｆが目標値から＋１０ｍｍずれると、実際の焦点位置Ｚｆは、−２０ｍｍとなる。このとき、実際のレーザ径Ｌｄは、９００μｍとなる。ここで、レーザ径Ｌｄの目標値は１３００μｍであるので、レーザ径Ｌｄは、目標値から縮小している。

ステップＳ１４においては、フォーカス方向は近フォーカスであって、焦点位置Ｚｆの目標値は２０ｍｍである。このとき、焦点位置Ｚｆが目標値から＋１０ｍｍずれると、実際の焦点位置Ｚｆは、３０ｍｍとなる。このとき、実際のレーザ径Ｌｄは、１３００μｍとなる。ここで、レーザ径Ｌｄの目標値は９００μｍであるので、レーザ径Ｌｄは、目標値から拡大している。

図１０は、実施の形態１にかかるレーザ溶接方法（図７）を用いてレーザ溶接を行ったときに、ワーク距離Ｄｗが目標値からずれた場合について説明するための図である。図１０は、ワーク距離Ｄｗが目標値から小さくなる方向にずれた場合について例示している。図１０においては、焦点位置Ｚｆが目標値から−１０ｍｍずれた（焦点位置Ｚｆが目標値から１０ｍｍ小さくなる方向にずれた）場合について例示されている。

ステップＳ１１（近フォーカス）において、焦点位置Ｚｆが目標値から−１０ｍｍずれると、実際の焦点位置Ｚｆは、２０ｍｍとなる。このとき、実際のレーザ径Ｌｄは、９００μｍとなる。したがって、レーザ径Ｌｄは、目標値から縮小している。また、ステップＳ１２（遠フォーカス）において、焦点位置Ｚｆが目標値から−１０ｍｍずれると、実際の焦点位置Ｚｆは、−３０ｍｍとなる。このとき、実際のレーザ径Ｌｄは、１３００μｍとなる。したがって、レーザ径Ｌｄは、目標値から拡大している。

また、ステップＳ１３（遠フォーカス）において、焦点位置Ｚｆが目標値から−１０ｍｍずれると、実際の焦点位置Ｚｆは、−４０ｍｍとなる。このとき、実際のレーザ径Ｌｄは、１７００μｍとなる。したがって、レーザ径Ｌｄは、目標値から拡大している。また、ステップＳ１４（近フォーカス）において、焦点位置Ｚｆが目標値から−１０ｍｍずれると、実際の焦点位置Ｚｆは、１０ｍｍとなる。このとき、実際のレーザ径Ｌｄは、５００μｍとなる。したがって、レーザ径Ｌｄは、目標値から縮小している。

このように、実施の形態１においては、ワーク距離Ｄｗのずれによって焦点位置Ｚｆが目標値から正方向又は負方向のいずれの方向にずれた場合であっても、実際のレーザ径Ｌｄが目標値から拡大した状態と目標値から縮小した状態とを組み合わせて、レーザ溶接を行うことが可能となる。これによって、焦点位置Ｚｆが目標値からずれた場合であっても、溶接位置１００ｂにおけるエネルギー密度が常に上昇した状態となること、又は常に低下した状態となることが抑制される。これによって、溶接位置１００ｂにおけるエネルギー密度の状態が安定する。したがって、実施の形態１においては、ワーク距離が目標値からずれた場合であっても適切に溶接を行うことが可能となる。

（比較例）
以下、本実施の形態との比較例について説明する。比較例においては、ある溶接位置１００ｂにおいて、フォーカス方向が近フォーカス又は遠フォーカスの一方のみでレーザ溶接が行われる。これ以外の点については、実施の形態１と同様である。ここで、比較例では、図７に示したステップＳ１１〜Ｓ１４が、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４に置き換えられている。以下、図１１及び図１２において、ステップＳ１０１〜Ｓ１０４の全てにおいてフォーカス方向が近フォーカスとなっている場合について説明する。

図１１は、比較例にかかる方法でレーザ溶接を行ったときに、ワーク距離Ｄｗが目標値からずれた場合について説明するための図である。図１１は、図９と同様に、ワーク距離Ｄｗが目標値から大きくなる方向にずれた場合について例示している。具体的には、図１１においては、図９と同様に、焦点位置Ｚｆが目標値から＋１０ｍｍずれた場合について例示されている。

ステップＳ１０１においては、フォーカス方向は近フォーカスであって、焦点位置Ｚｆの目標値は３０ｍｍである。このとき、焦点位置Ｚｆが目標値から＋１０ｍｍずれると、実際の焦点位置Ｚｆは、４０ｍｍとなる。このとき、実際のレーザ径Ｌｄは、１７００μｍとなる。ここで、レーザ径Ｌｄの目標値は１３００μｍであるので、レーザ径Ｌｄは、目標値から拡大している。

ステップＳ１０２においては、フォーカス方向は近フォーカスであって、焦点位置Ｚｆの目標値は２０ｍｍである。このとき、焦点位置Ｚｆが目標値から＋１０ｍｍずれると、実際の焦点位置Ｚｆは、３０ｍｍとなる。このとき、実際のレーザ径Ｌｄは、１３００μｍとなる。ここで、レーザ径Ｌｄの目標値は９００μｍであるので、レーザ径Ｌｄは、目標値から拡大している。

ステップＳ１０３は、ステップＳ１０１と実質的に同様である。したがって、ステップＳ１０３においては、レーザ径Ｌｄは、目標値から拡大している。また、ステップＳ１０４は、ステップＳ１０２と実質的に同様である。したがって、ステップＳ１０４においては、レーザ径Ｌｄは、目標値から拡大している。したがって、比較例においては、焦点位置Ｚｆが目標値から正方向にずれた場合、常に、レーザ径Ｌｄが、目標値から拡大することとなる。

図１２は、比較例にかかる方法でレーザ溶接を行ったときに、ワーク距離Ｄｗが目標値からずれた場合について説明するための図である。図１２は、図１０と同様に、ワーク距離Ｄｗが目標値から小さくなる方向にずれた場合について例示している。具体的には、図１２においては、図１０と同様に、焦点位置Ｚｆが目標値から−１０ｍｍずれた場合について例示されている。

ステップＳ１０１において、焦点位置Ｚｆが目標値から−１０ｍｍずれると、実際の焦点位置Ｚｆは、２０ｍｍとなる。このとき、実際のレーザ径Ｌｄは、９００μｍとなる。したがって、レーザ径Ｌｄは、目標値から縮小している。また、ステップＳ１０２において、焦点位置Ｚｆが目標値から−１０ｍｍずれると、実際の焦点位置Ｚｆは、１０ｍｍとなる。このとき、実際のレーザ径Ｌｄは、５００μｍとなる。したがって、レーザ径Ｌｄは、目標値から縮小している。

ステップＳ１０３は、ステップＳ１０１と実質的に同様である。したがって、ステップＳ１０３においては、レーザ径Ｌｄは、目標値から縮小している。また、ステップＳ１０４は、ステップＳ１０２と実質的に同様である。したがって、ステップＳ１０４においては、レーザ径Ｌｄは、目標値から縮小している。したがって、比較例においては、焦点位置Ｚｆが目標値から負方向にずれた場合、常に、レーザ径Ｌｄが、目標値から縮小することとなる。

焦点位置Ｚｆが目標値からずれた場合において、レーザ径Ｌｄが常に目標値よりも大きくなるようにレーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射すると、上述したように、溶接位置１００ｂにおけるエネルギー密度が常に低下した状態となるおそれがある。そして、これによって、ワークの裏側の溶接対象物への溶融が足りなくなり、したがって溶接強度が低下するおそれがある。

逆に、焦点位置Ｚｆが目標値からずれた場合において、レーザ径Ｌｄが常に目標値よりも小さくなるようにレーザ光２０を溶接位置１００ｂに照射すると、上述したように、溶接位置１００ｂにおけるエネルギー密度が常に上昇した状態となるおそれがある。そして、これによって、ワークの穴あき等の不良が発生するおそれがある。

これに対し、実施の形態１にかかるレーザ溶接方法は、上述したように、ある溶接位置１００ｂについてレーザ溶接を行う際に、近フォーカスと遠フォーカスとを組み合わせて、溶接位置１００ｂにレーザ光２０を照射する。これにより、溶接位置１００ｂについてレーザ溶接を行う際に、レーザ径Ｌｄが常に目標値よりも大きくなること、又は、レーザ径Ｌｄが常に目標値よりも小さくなることが抑制される。これにより、ワーク距離Ｄｗが目標値からずれたことによって焦点位置Ｚｆが目標値からずれた場合であっても、溶接位置１００ｂにおけるエネルギー密度は、上昇した状態と低下した状態とが組み合わされ得る。したがって、実施の形態１においては、溶接位置１００ｂにおけるエネルギー密度が、過度に上昇すること又は過度に低下することが抑制される。したがって、実施の形態１においては、ワークの裏側の溶接対象物への溶融が足りなくなって溶接強度が低下すること、及び、ワークの穴あき等の不良が発生することが、抑制される。つまり、実施の形態１においては、ワーク距離が制御されるべき距離からずれた場合であっても適切に溶接を行うことが可能となる。

（変形例）
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、図１等において、ワーク１００は２枚の鋼板が重なって構成されているが、ワークは、鋼板が３枚以上重なって構成されていてもよい。つまり、ワークは、複数の鋼板（溶接対象物）が重ね合されて構成されている。

また、上述した実施の形態においては、溶接装置１の制御部１０は、ワーク１００における溶接位置１００ｂそれぞれについて、ワーク距離Ｄｗの目標値及び焦点位置Ｚｆの目標値を予め記憶するとしたが、制御部１０は、目標値を予め記憶しなくてもよい。この場合、制御部１０は、溶接装置１の外部の制御装置から、各目標値を受け付けてもよい。

また、上述した実施の形態においては、レーザ照射部２は三次元スキャナとしたが、レーザ照射部２は三次元スキャナに限られない。例えば、レーザ照射部２は、二次元スキャナであってもよい。この場合、制御部１０は、実施の形態１にかかるレンズ４を移動させる代わりに、レーザ照射部２自体をワーク１００に対して近づけたり遠ざけたりしてもよい。一方、実施の形態１にかかる溶接装置１は、三次元スキャナに内蔵されたレンズ４を移動させるように構成されているので、図７に示したステップＳ１１〜Ｓ１４の制御を行う際にレーザ照射部２を移動させる必要がない。したがって、実施の形態１においては、より容易に、近フォーカスの状態及び遠フォーカスの状態に制御することが可能となる。

また、図７に示した処理の順序は、適宜、変更可能である。例えば、制御部１０は、まず、近フォーカスの状態に制御して、遠フォーカスの状態に制御し、その後、遠フォーカスの状態ではなく近フォーカスの状態に制御してもよい。さらに、図７においては、近フォーカスの状態に制御するステップと遠フォーカスの状態に制御するステップとがそれぞれ２回ずつであるとしたが、ステップの数は、それぞれ１回ずつであってもよいし、

また、上述した実施の形態においては、近フォーカスの状態に制御するステップの回数と遠フォーカスの状態に制御するステップの回数とがそれぞれ同じ（２回ずつ）であるとしたが、互いに同じ回数である必要なない。溶接位置１００ｂにおいてエネルギー密度が安定すれば、近フォーカスの状態に制御するステップの回数と遠フォーカスの状態に制御するステップの回数とが異なっていてもよい。例えば、回数の少ない方のステップにおけるレーザ光の照射時間を、回数の多い方のステップにおける照射時間よりも長くするようにしてもよい。

一方、近フォーカスの状態に制御するステップの回数と遠フォーカスの状態に制御するステップの回数とを同じ回数とすることで、各ステップにおける照射時間を互いに同じとすることができる。これにより、各ステップにおける制御が容易となる。したがって、近フォーカスの状態に制御するステップの回数と遠フォーカスの状態に制御するステップの回数とを同じ回数とすることで、より容易に、溶接位置１００ｂにおけるエネルギー密度を安定させることが可能となる。

１ 溶接装置
２ レーザ照射部
２ａ レーザ照射端部
４ レンズ
１０ 制御部
２０ レーザ光
２２ 焦点
１００ ワーク
１００ａ レーザ照射面
１００ｂ 溶接位置

Claims (3)

1. 複数の溶接対象物が重ね合わされて構成されるワークに対してレーザ光を照射する溶接装置を用いてレーザ溶接を行うことにより、前記複数の溶接対象物を接合するレーザ溶接方法であって、
   前記ワークの第１の溶接位置に対してレーザ溶接を行うときに、以下の少なくとも１つの第１のステップと少なくとも１つの第２のステップとを実行するレーザ溶接方法、
   （１）前記レーザ光の焦点の位置が前記ワークのレーザ照射面よりも前記溶接装置に近い状態でレーザ光を前記第１の溶接位置に照射する第１のステップ、及び
   （２）前記レーザ光の焦点の位置が前記ワークのレーザ照射面よりも前記溶接装置から遠い状態でレーザ光を前記第１の溶接位置に照射する第２のステップ。
2. 前記第１のステップ及び前記第２のステップにおいて、前記溶接装置に設けられたレンズを移動させることによって、前記レーザ光の焦点の位置を制御する
   請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記第１の溶接位置に対して行われる前記第１のステップの回数は、前記第１の溶接位置に対して行われる前記第２のステップの回数と同じである
   請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。

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