JP2018051607A - レーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のレーザ光を用いたレーザ溶接において、スパッタ発生を抑制することが可能なレーザ溶接装置を提供すること。【解決手段】本発明は、２つの部材を接合する溶接部１０ｃの表面にレーザ光を照射し、前記２つの部材を接合するレーザ溶接装置１であって、レーザ発振器から発振されたレーザ光１００を、溶接部１０ｃの表面における中心に照射する第１のレーザ光２００ａと、溶接部１０ｃの表面における第１のレーザ光２００ａの中心を基準とする同心円３０上に中心が配置されるように照射する複数の第２のレーザ光２００ｂ〜２００ｉと、に分散して出力する回折光学素子２０を備え、溶接部１０ｃの表面における同心円３０の半径は、溶接部１０ｃの表面における第１のレーザ光２００ａの半径の２倍以上で、かつ、４倍以下であるレーザ溶接装置である。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ溶接装置に関する。

２つの金属部品（部材）をレーザ光により溶接するレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法は広く用いられている。レーザ溶接は、溶接する２つの部材の溶接部分に集光したレーザ光を照射し、レーザの熱により部材の溶接部分を溶融させる。そして、溶融させた溶接部分が凝固することで複数の部材が溶接される。レーザ溶接に関する関連する技術としては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１には、複数のレーザ光によって２つの金属部品を溶接することが開示されている。

特開２０１６−００２５６２号公報

ここで、モータのコイルの端部（コイルエンド）の様に、例えば、４ｍｍ四方の微小面をレーザ溶接する場合を想定する。この場合、スパッタが発生するという問題がある。スパッタは溶接する際に照射するレーザの熱によって、溶融された部材が形成する溶融池から噴出することにより発生する。スパッタが発生すると、溶融した部材がワーク上に堆積することになる。その結果、スパッタが発生すると強度不足等の品質不良を引き起こす虜がある。

特許文献１に記載されたレーザ溶接装置では、複数のレーザ照射手段を備え、複数のレーザ光により２つの部材を溶接することが開示されている。しかしながら、スパッタ発生を抑制する構成とはなっていない。このように、複数のレーザ光を用いたレーザ溶接において、スパッタ発生を抑制することは課題となる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、複数のレーザ光を用いたレーザ溶接において、スパッタ発生を抑制することが可能なレーザ溶接装置を提供することを目的とする。

本発明の１態様は、２つの部材を接合する溶接部の表面にレーザ光を照射し、前記２つの部材を接合するレーザ溶接装置であって、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、前記溶接部の表面における中心に照射する第１のレーザ光と、前記溶接部の表面における前記第１のレーザ光の中心を基準とする同心円上に中心が配置されるように照射する複数の第２のレーザ光と、に分散して出力する回折光学素子を備え、前記溶接部の表面における前記同心円の半径は、前記溶接部の表面における前記第１のレーザ光の半径の２倍以上で、かつ、４倍以下である、レーザ溶接装置である。

このような構成によれば、複数のレーザ光を用いたレーザ溶接において、スパッタ発生を抑制することが可能となる。

本発明によれば、複数のレーザ光を用いたレーザ溶接において、スパッタ発生を抑制することが可能なレーザ溶接装置を提供することができる。

２つの部材をレーザ光により溶接した部分の側面図である。 ２つの部材をレーザ光により溶接した部分の断面図である。 実施の形態１にかかるレーザ溶接装置を模式した模式図である。 溶接部における各レーザ光の配置について説明する説明図である。 溶接部における各レーザ光の断面図である。 回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置による場合の溶融池内の対流を説明する説明図である。 実施の形態１にかかるレーザ溶接装置を用いた場合の溶融池内の対流を説明する説明図である。 回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置を用いたＣＡＥ評価におけるレーザ光の配置を説明する説明図である。 実施の形態１にかかるレーザ溶接装置を用いたＣＡＥ評価におけるレーザ光の配置を説明する説明図である。 回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置を用いたＣＡＥ評価の結果を示す図である。 回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置を用いたＣＡＥ評価の結果を示す図である。 回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置を用いたＣＡＥ評価の結果を示す図である。 実施の形態１にかかるレーザ溶接装置を用いたＣＡＥ評価の結果を示す図である。 実施の形態１にかかるレーザ溶接装置を用いたＣＡＥ評価の結果を示す図である。 実施の形態１にかかるレーザ溶接装置を用いたＣＡＥ評価の結果を示す図である。 実施の形態２にかかるレーザ溶接装置を説明する説明図である。 実施の形態２にかかるレーザ溶接装置が照射するレーザ光を表した模式図である。 実施の形態２にかかるレーザ溶接装置を用いたときの２つの部材の接合部分を表す図である。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１の説明に先立って、スパッタ発生のメカニズムについて説明する。図１は、２つの部材をレーザ光により溶接部分の側面図である。以降の図面を説明するために、ｘｙｚ軸を設けて説明を行う。ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面とする。なお、図１〜図７においてもｘｙｚ軸は一致しているものとする。図１に示す様に、レーザ溶接は、レーザ光により２つの金属を溶接する際、図示しないレーザ溶接装置から照射されたレーザ光１００を部材１０ａと部材１０ｂとを突き合わせた溶接部１０ｃの表面に照射する。溶接部１０ｃは、レーザ光の熱により溶融する。その後、溶融した部材が凝固することにより２つの部材を接合する。

図２は、溶接部１０ｃを紙面と平行な面で切った断面を表す断面図である。図１における一点鎖線で囲まれた部分を紙面と平行な面で切った断面を拡大した図である。図２は、レーザ光１００を溶接部１０ｃに照射したときの断面図であり、レーザ光１００をｘ軸正方向から負方向に移動した後の状態を表す図である。図２に示す様に、レーザ光１００を溶接部１０ｃの表面に照射すると、レーザ光１００が照射された部材の表面から部材のｚ軸負の方向に向けて空洞（キーホール１０ｄ）が形成される。キーホール１０ｄの周りは、レーザ光１００の熱により部材が溶融し、溶融池１０ｅを形成する。ここで、溶融池１０ｅ内の溶融した部材を溶融部と言う。また、溶融池１０ｅの周辺は、レーザ光１００の熱が届かないため溶融せず固体のままである。溶融部の周辺の固体の部分を固体部１０ｆと言う。図２に示す様に、レーザ光１００を溶接部１０ｃに照射すると、溶融部は、レーザ光１００の圧力により、溶融池１０ｅの中で対流が起こる。この対流は、図２の矢印の様な対流であり、溶融部が固体部１０ｆとの境界でレーザ光が照射された表面に向かって上昇する。つまり、ｚ軸正方向の流れが生じることになる。その結果、溶融部の一部（図２における溶融された部材１０ｇ）がスパッタとして噴出する。スパッタ発生条件は、溶融部の垂直方向の運動エネルギーが、表面張力を超えた場合に発生する。なお、スパッタ発生条件を数式で表すと、以下の関係式のようになる。
ここで、Ｖｚ：溶融部の垂直上方への流速（溶融部のｚ軸正方向の流速）であり、Ｒ：溶融池１０ｅの曲率半径であり、σ：溶融池１０ｅの表面張力であり、ρ：溶融物密度である。

発明者らは、上記の様なスパッタ発生条件に基づいて、より具体的にスパッタが発生する条件を、レーザＣＡＥ（Computer Aided Engineering）により溶融池１０ｅの挙動を確認することで分析を行った。その結果、スパッタは、溶融部の垂直上方への流速Ｖ_ｚが１ｍ／ｓｅｃを超過すると発生することを確認した。なお、この溶融部の垂直方向の流れの速さは、スパッタが発生する原因の一つである。

上記分析より、スパッタの発生を抑制するためには、溶融部の垂直上方への流速Ｖ_ｚを１ｍ／ｓｅｃ以下とする必要がある。そこで、以下の実施の形態にかかるレーザ溶接装置は、複数のレーザ光を用いたレーザ溶接装置でありながら、溶融部の垂直上方への流速Ｖ_ｚを１ｍ／ｓｅｃ以下に抑えることができる構成である。すなわち、複数のレーザ光を用いたレーザ溶接装置でありながら、スパッタの発生を抑制することができる構成である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態にかかるレーザ溶接装置１について説明する。本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１を模式した模式図を図３に示す。レーザ溶接装置１は、部材を突き合わせた溶接部１０ｃの表面にレーザ光を照射することにより、突き合わせた部材を溶融し、接合するレーザ溶接装置である。レーザ溶接装置１は、特に図示しないが、主に、レーザ光を発振させるためのレーザ発振器、レーザ発振器により発振したレーザ光を搬送する搬送器、上記光路が実現されるように光学要素が配置されている光学系を備える。また、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１は、さらに、回折光学素子（ＤＯＥ）２０を備える。

回折光学素子（ＤＯＥ）２０は、レーザ溶接装置１から発振されたレーザ光１００を入力し、複数のレーザ光に分けて（分散させて）出力するレンズである。また、回折光学素子（ＤＯＥ）２０は、分散して出力するレーザ光を集光する。本実施の形態においては、回折光学素子（ＤＯＥ）２０は、発振器より発振されたレーザ光１００が入力されると、溶接部１０ｃの表面の中心に照射するレーザ光と、中心のレーザ光の周辺に８つのレーザ光とが配置されるように分けて出力するレンズである。具体的には、図３に示す様に、レーザ発振器から発振され、入力されたレーザ光１００は、回折光学素子（ＤＯＥ）２０により、溶接部１０ｃの表面の中心にレーザ光２００ａが照射されるように出力し、さらに、レーザ光２００ａの周辺に８つのレーザ光２００ｂ〜レーザ光２００ｉが照射されるように分散して出力する。中心のレーザ光２００ａと、周辺のレーザ光２００ｂ〜レーザ光２００ｉの分散の仕方については後述する。なお、上記では、回折光学素子（ＤＯＥ）２０は、レーザ光１００を、レーザ光２００ａと、レーザ光２００ａの周辺に８つのレーザ光を分散させることとしたが、レーザ光２００ａの周辺に分散するレーザ光の数は８つに限られず、適宜変更をすることができる。

また、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１では、レーザ発振器から発振されたレーザ光１００を、回折光学素子（ＤＯＥ）２０を用いてレーザ光２００ａ〜レーザ光２００ｉに分散して出力することから、溶接部１０ｃの溶け込み深さが不足することが懸念される。そのため、本実施の形態１にかかるレーザ溶接装置１においては、レーザ光１００の出力を最大出力とすることが好ましい。しかしながら、レーザ光１００の出力は最大出力でなくてもよく、溶接部１０ｃの溶け込み深さが所望する深さとなるような出力であれば良い。

次に、回折光学素子（ＤＯＥ）２０により分散された各レーザ光が溶接部１０ｃの表面に照射する位置関係を説明する。つまり、回折光学素子（ＤＯＥ）２０がレーザ光１００を分散（分配）する形状について説明する。図４は、溶接部１０ｃの表面における各レーザ光の配置について説明する説明図である。図４は、図３を上方から見た（ｚ軸正方向から負方向に見た）平面図である。回折光学素子（ＤＯＥ）２０は、溶接部１０ｃの表面の中心に照射されるレーザ光２００ａと、その周辺に照射されるレーザ光２００ｂ〜レーザ光２００ｉに分けて出力することから、溶接部１０ｃに照射するレーザ光は合計９つとなる。レーザ光２００ａは、溶接部１０ｃの表面の中心に照射されるため、溶接部１０ｃのｘｙ平面上では、レーザ光１００と同じ位置に照射されることになる。また、レーザ光２００ｂ〜レーザ光２００ｉは、溶接部１０ｃの表面（ｘｙ平面上）において、レーザ光２００ａの中心を基準とする（中心を同じにする）同心円上に各々の中心が位置するように配置される。なお、この同心円を同心円３０とする。ここで、ｘｙ平面上におけるレーザ光２００ａの円の半径を半径Ｒ１とし、同心円３０の半径を半径Ｒ２とする。本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１においては、半径Ｒ２が半径Ｒ１の２倍以上、かつ、４倍以下の関係を満たす同心円上に、レーザ光２００ｂ〜レーザ光２００ｉの中心が配置されるように分散させる。つまり、上記の関係を満たすような回折光学素子（ＤＯＥ）２０を用いる。

図５は、図４におけるレーザ光２００ａ、レーザ光２００ｄおよびレーザ光２００ｈの中心を結んだｘｚ平面で切った場合の断面図である。図５に示す様に、レーザ光２００ａ、レーザ光２００ｄおよびレーザ光２００ｈが照射された溶接部１０ｃは、レーザ光の熱により金属が溶融し、溶融池４０ａ、溶融池４０ｄおよび溶融池４０ｈが形成される。当然ながら、他のレーザ光が照射された溶接部１０ｃにはそれぞれ溶融池が形成される。図５に示す様に、溶融池４０ａおよび溶融池４０ｄ、溶融池４０ａおよび溶融池４０ｈは、それぞれ一部が重なっている。つまり、中心の溶融池４０ａと周辺の溶融池の一部は重なるように配置されている。そのため、溶融池同士が重なっている部分には凸部４１および凸部４２が形成される。中心の溶融池４０ａと周辺の溶融池（溶融池４０ｄおよび溶融池４０ｈ）との距離を離すことにより、凸部４１および凸部４２は徐々に抑制され、面積の広い溶融地を形成することが可能となる。つまり、中心のレーザ光２００ａとその周辺のレーザ光２００ｂ〜レーザ光２００ｉとの距離を、上述の通り、半径Ｒ２が半径Ｒ１の２倍以上４倍以下の関係を満たすようにすることで、全てのレーザ光により形成される溶融池を、面積の広い溶融池とすることができる。すなわち、全てのレーザ光により形成される溶融池は、ｘｚ平面における断面が緩やかな半円弧の溶融池とすることができる。

次に、全レーザ光により形成される溶融池内の対流について説明する。説明をする上で、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いない場合と比較をして説明をする。図６は、回折光学素子（ＤＯＥ）２０を用いないレーザ溶接装置による場合の溶融池内の対流を説明する説明図である。また、図７は、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１を用いた場合の溶融池内の対流を説明する説明図である。図６および図７は、共に溶接部１０ｃをｘｚ平面で切った断面を表す断面図である。また、図６および図７は、共にレーザ光を溶接部１０ｃに照射した際の図であるが、前提として、レーザ光を溶接部１０ｃのｘ軸正方向から負方向に走査した際の溶融地を表す図である。

図６に示す様に、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置では、溶接部１０ｃの表面にレーザ光が照射されると、キーホール５０が生成され、その周辺には溶融池５１が生成される。レーザ光をｘ軸正方向から負方向に走査しているため、形成された溶融池５１の断面はｘ軸方向に広がった形状となっている。また、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置の場合、レーザ発振器から発振されたレーザ光は分散されないため、溶接部１０ｃに照射されるレーザ光は１本である。そのため、形成された溶融池５１は、レーザ光の照射位置から離れた部分から徐々に凝固し、凝固部５２が形成される。その結果、溶融池５１は、凝固部５２の分、断面の面積が狭まってくることになり、溶融池５１の中には、段差５３が形成される。そうすると、溶融池５１の中の溶融部は、段差５３により、溶融池５１のｘ軸正方向の端部まで流れる対流とはならず、段差５３により溶接部１０ｃの表面に向けた対流となる。そのため、溶融部の垂直上方への流速Ｖ_ｚが大きい対流となる。したがって、スパッタが発生し易い対流となる。

一方、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１を用いた場合の対流について説明する。図７に示す様に、図６と同様にキーホール６０は形成される。しかし、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１では、レーザ発振器から発振されたレーザ光は分散されるため、溶接部１０ｃに照射されるレーザ光は９本である。形成された溶融池６１は、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置と同様に、レーザ光の照射位置から離れた部分から徐々に凝固してくるが、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１では、回折光学素子（ＤＯＥ）２０により分散された、周辺のレーザ光が存在する。その結果、凝固部が形成される前に、周辺のレーザ光により溶融されることになる。そのため、この場合、凝固部および段差が形成されず、形成される溶融池６１の断面は、ｘ軸正方向に広くなる。そうすると、溶融池６１の中の溶融部は、溶融池６１のｘ軸正方向の端部まで流れる対流となる。そのため、溶融部の垂直上方への流速Ｖ_ｚは、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置と比較すると小さい対流となる。したがって、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１を用いた場合には、スパッタが発生し難い対流となる。

上述の通り、溶融部の垂直上方への流速Ｖ_ｚが１ｍ／ｓｅｃを超過すると、スパッタが発生することになるが、回折光学素子（ＤＯＥ）２０を用いて、かつ、各レーザ光の照射位置を調節することで、溶融部の垂直上方への流速Ｖ_ｚを１ｍ／ｓｅｃ以下とすることが可能となる。すなわち、スパッタ発生を抑制することができることになる。そこで、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１では、スパッタ発生を抑制するために、半径Ｒ２が半径Ｒ１の２倍以上４倍以下となるようにレーザ光１００を分散する回折光学素子（ＤＯＥ）２０を用いる構成とする。その結果、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１を用いると、照射するレーザ光が形成する溶融池は、ｘｚ平面における断面が緩やかな半円弧の溶融池とすることができ、スパッタ発生を抑制することができる。

このように、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１によれば、スパッタ発生を抑制することができる。上述の通り、半径Ｒ２が半径Ｒ１の２倍以上４倍以下となるように、レーザ光２００ａ〜レーザ光２００ｉを配置する回折光学素子（ＤＯＥ）２０を用いることで、溶融部の垂直上方への流速Ｖ_ｚをスパッタが発生しない速度である１ｍ／ｓｅｃ以下とすることが可能となる。したがって、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置によれば、スパッタ発生を抑制することができる。

上記効果を確認するために、実施の形態１にかかるレーザ溶接装置１を用いて、ＣＡＥ評価を行った。また、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置との比較も確認するため、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置の場合のＣＡＥ評価も併せて実施した。なお、図８〜図１５におけるｘｙｚ軸は一致しているものとして説明する。

回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置におけるレーザ光の配置を図８に示す。図８に示す様に溶接部１０ｃに照射されるレーザ光は１本であり、図３および図４におけるレーザ光２００ａのみが存在する配置と同様である。レーザ移動速度は３００ｍｍ／ｓｅｃとして、レーザ溶接装置のレーザ立ち上がりは４０μｓｅｃとした。

一方、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１を用いたＣＡＥ評価におけるレーザ光の配置を図９に示す。図９に示す様に、ＣＡＥ評価におけるレーザ溶接装置１は、溶接部１０ｃの中心にレーザ光２００ａを配置し、その周辺に８つのレーザ光２００ｂ〜レーザ光２００ｉを同心円上に配置した。中心のレーザ光２００ａの径はφ９０μｍ、周辺の８つのレーザ光の中心が配置される同心円３０の径はφ２００μｍとした。また、レーザ移動速度は、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いない場合と同様に３００ｍｍ／ｓｅｃとし、レーザ溶接装置のレーザ立ち上がりは４０μｓｅｃとした。レーザ出力の分配は、全体のレーザ光の出力を１とした場合、中心のレーザ光２００ａに１／３が分配されるようにし、周辺のレーザ光２００ｂ〜レーザ光２００ｉには２／３が分配され、各レーザ光の出力は８等分となるようにした。つまり、周辺の各レーザ光の出力は全体のレーザ出力の１／１２となるようにした。

図１０〜図１２は、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置を用いたＣＡＥ評価の結果である。図１０および図１１は、照射したレーザ光により溶融された領域を表す図である。図１０は、ｘｙ平面における溶融領域を表す図である。また、図１１は、図１０の溶融された領域をｙｚ平面で切った溶融領域の断面図を表す図である。図１０に示す様に、照射したレーザ光により溶融池５１が形成される。形成された溶融池５１は、レーザ光の進行方向に向かって、レーザ光が照射される位置に近い端部（ｙ軸方向の０から遠い端部）はｘ軸方向に広い溶融領域となる。一方、レーザ光が既に照射され、時間が経過した後の溶融領域（ｙ軸方向の０に近い端部）は、徐々に凝固してくるためｘ軸方向の広さは徐々に狭くなってくる。そのため、ｘｙ平面における溶融池５１は、レーザ光が照射されている位置に近い端部のｘ軸方向の幅ｗ０とし、レーザ光が照射されている位置から遠い端部（ｙ軸方向の０に近い端部）のｘ軸方向の幅ｗ１とすると、ｗ０＞ｗ１の関係となる。

また、図１１に示す様に、溶融池５１は、ＣＡＥ評価によると深さｄ０は０．９８ｍｍとなり、使用したワークに対する所望の深さであり、溶け込み深さは問題ない結果となった。しかし、空孔５４〜空孔５６が生じる結果となった。空孔については溶接部１０ｃの体積の５％以下が好ましい結果となるが、本ＣＡＥ評価では、空孔が多数生じる結果となり、好ましい結果とはならなかった。

次に、図１２は、溶融池５１内のスパッタ吹き出し方向（ｚ軸正方向）の速度分布を表す図である。黒色の部分が生じると、スパッタ吹き出し方向（ｚ軸正方向）の速度成分が閾値である１ｍｍ／ｓｅｃを超過する部分が生じることを表している。図１２に示す様に、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置を用いたＣＡＥ評価では、速度の閾値１ｍｍ／ｓｅｃを超過する部分（点線で囲まれた部分）が生じる結果となった。つまり、この閾値を超過すると、スパッタが発生することになる。したがって、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いないレーザ溶接装置ではスパッタが発生する結果となった。

続いて、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１を用いたＣＡＥ評価の結果を図１３〜図１５に示す。図１３および図１４は、照射したレーザ光により溶融された領域を表す図である。図１３は、ｘｙ平面における溶融領域を表す図である。また、図１４は、図１３の溶融された領域をｙｚ平面で切った溶融領域の断面図を表す図である。図１３に示す様に、照射したレーザ光により溶融池６１が形成される。形成された溶融池６１は、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いない場合と同様に、レーザ光の進行方向に向かって、ｙ軸方向の０から遠い端部はｘ軸方向に広い溶融領域となる。また、レーザ光が既に照射され、時間が経過した後の溶融領域（ｙ軸方向の０に近い端部）は、徐々に凝固してくるためｘ軸方向の広さは徐々に狭くなってくる。しかし、本実施の形態１にかかるレーザ溶接装置では、回折光学素子（ＤＯＥ）２０を用いることから、中心のレーザ光に加えて周辺のレーザ光により溶融され、凝固する領域は狭くなる。そのため、ｘｙ平面における溶融池６１は、レーザ光が照射されている位置に近い端部のｘ軸方向の幅ｗ２とし、レーザ光が照射されている位置から遠い端部（ｙ軸方向の０に近い端部）のｘ軸方向の幅ｗ３とすると、ｗ２とｗ３とは、ほぼ同じ大きさとなる。つまり、略矩形の溶融池となる。

また、図１４に示す様に、溶融池６１は、ＣＡＥ評価によると深さｄ１となった。深さｄ１は、使用したワークに対する所望の深さであり、溶け込み深さは問題ない結果となった。さらに、本実施の形態においても空孔６２および空孔６３は生じることになるが、溶接部１０ｃの体積の５％以下となり好ましい結果となった。

次に、図１５は、溶融池６１内のスパッタ吹き出し方向（ｚ軸正方向）の速度分布を表す図である。図１２と同様に、黒色の部分が生じると、スパッタ吹き出し方向（ｚ軸正方向）の速度成分が閾値である１ｍｍ／ｓｅｃを超過する部分が生じることを表している。図１５に示す様に、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１を用いると、点線で囲まれた部分がｚ軸正方向の速度成分が測定されるが、総じて速度の閾値１ｍｍ／ｓｅｃを超過する部分は生じない結果となった。つまり、図１２においては、速度の閾値１ｍｍ／ｓｅｃを超過する黒色の部分が生じるが、図１５においては、速度の閾値１ｍｍ／ｓｅｃを超過する黒色の部分が生じない事を確認した。すなわち、スパッタの発生を抑制することを確認した。このように、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１を用いると、スパッタ発生を抑制することができることをＣＡＥ評価においても確認することができた。

（実施の形態２）
続いて、実施の形態２にかかるレーザ溶接装置について説明するが、まず、レーザ溶接における課題事項を説明する。上述の通り、レーザ溶接における１つ目の課題事項はスパッタ発生である。スパッタ発生については、実施の形態１にかかるレーザ溶接装置１により解消することを説明した。また、レーザ溶接においては、別の課題事項が挙げられる。別の課題事項としてレーザ抜けである。レーザ溶接は、２つの部材を重ねて溶接する。この際、部材を量産する過程において、製品形状にバラツキが生じることになる。そのため、２つの部材の間に隙間を生じさせることなく重ね合せることは困難である。その結果、製品形状のバラツキにより、２つの部材の間の隙間が大きくなると、隙間にレーザ光が照射されることになる。これをレーザ抜けと呼ぶこととする。レーザ抜けが起こると、照射されたレーザ光により銅線の被膜の損傷を引き起こすことになる。

そこで、本課題を解決するために、実施の形態２にかかるレーザ溶接装置１は、スパッタ発生を抑制する構成としつつ、併せてレーザ抜けも抑制する構成である。

図１６は、実施の形態２にかかるレーザ溶接装置１を説明する説明図である。本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１では、照射するレーザ光を２本生成する。図１６に示す様に部材１０ａおよび部材１０ｂをレーザ光により溶接する場合、部材１０ａおよび部材１０ｂの製品形状にバラツキが生じると、隙間７０が生じることになる。この場合、隙間７０に近い位置にレーザ光を照射すると、隙間７０にレーザ光が入り込むことになり、レーザ抜けが発生する。

そこで、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置は、隙間７０からｘｙ平面上で近い位置では無く、部材１０ａおよび部材１０ｂの隙間７０から離れた位置に２本のレーザ光３００およびレーザ光３０１を照射する。部材１０ａおよび部材１０ｂに照射したレーザ光により溶融池８０および溶融池８１は形成される。形成された溶融池８０および溶融池８１の溶融された部材により、部材１０ａおよび部材１０ｂを溶接することが出来る。このように、ｘｙ平面上において、隙間７０から離れた位置（ｘ方向で離れた位置）にレーザ光３００およびレーザ光３０１を照射することで隙間７０に照射したレーザ光が入り込むことが無くなり、レーザ抜けが発生することを抑制する。

また、この構成であると、スパッタが発生することが懸念される。そのため、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１では、スパッタ発生を抑制することを目的として、照射するレーザ光３００およびレーザ光３０１を、実施の形態１にかかるレーザ溶接装置にかかる回折光学素子（ＤＯＥ）２０を用いることで解消する。図１７は、実施の形態２にかかるレーザ溶接装置１が照射するレーザ光を表した模式図である。図１７に示す様に、実施の形態２にかかるレーザ溶接装置１は、回折光学素子（ＤＯＥ）２０を用いてレーザ光３００およびレーザ光３０１を実施の形態１と同様に分散させる。そして、分散させたレーザ光３００およびレーザ光３０１を部材１０ａおよび部材１０ｂに照射する。その結果、実施の形態１と同様に、レーザ光３００およびレーザ光３０１により形成される溶融池８０の面積は広がる。そして、ｚ軸の正方向の溶融部の垂直上方の流速Ｖ_ｚを小さいものとし、スパッタ発生を抑制する

本実施の形態にかかるレーザ溶接装置によれば、レーザ抜けを抑制しつつ、併せてスパッタ発生も抑制することができる。その結果、銅線被膜の破損を防止することが可能となる。図１８は、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１を用いたときの２つの部材の接合部分を表す図である。図１８に示す様に、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置１を用いることで、２つの部材の隙間にレーザビームが侵入することを抑制し、併せてスパッタ発生も抑制したものと考えられる。

さらに、本実施の形態にかかるレーザ溶接装置によれば、部材を量産する過程において、製品形状にバラツキが生じた場合でも、レーザ抜けを抑制しつつ、レーザ溶接を行うことが可能となる。その結果、部材の量産化に影響を与えることがないレーザ溶接装置とすることが可能となる。

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。

１ レーザ溶接装置
１０ａ、１０ｂ、１０ｇ 部材
１０ｃ 溶接部
１０ｄ、５０、６０ キーホール
１０ｅ、４０ａ、４０ｄ、４０ｈ、５１、６１、８０、８１、８２ 溶融池
１０ｆ 固体部
２０ 回折光学素子（ＤＯＥ）
３０ 同心円
５２ 凝固部
５３ 段差
５４〜５６、６２、６３ 空孔
７０ 隙間
１００、２００ａ〜２００ｉ、３００、３０１ レーザ光

Claims (1)

1. ２つの部材を接合する溶接部の表面にレーザ光を照射し、前記２つの部材を接合するレーザ溶接装置であって、
   レーザ発振器から発振されたレーザ光を、前記溶接部の表面における中心に照射する第１のレーザ光と、前記溶接部の表面における前記第１のレーザ光の中心を基準とする同心円上に中心が配置されるように照射する複数の第２のレーザ光と、に分散して出力する回折光学素子を備え、
   前記溶接部の表面における前記同心円の半径は、
   前記溶接部の表面における前記第１のレーザ光の半径の２倍以上で、かつ、４倍以下である、
   レーザ溶接装置。