JP2023059864A - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば、より高品質な溶接が可能となるような、改善された新規なレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を得る。【解決手段】レーザ溶接方法は、例えば、金属材料で作られた第一部材の第一方向の第一端部と、金属材料で作られた第二部材の第一方向の第二端部と、をレーザ溶接するレーザ溶接方法であって、第一端部および第二端部を第一方向と交差した第二方向に隣り合うように配置する工程と、第一端部および第二端部のうち少なくとも一方に、第一方向と交差した所定の方向に掃引しながらレーザ光を照射する工程と、レーザ光を照射する工程において第一端部と第二端部との間で掛け渡された状態で形成された溶融池を固化する工程と、を備え、レーザ光は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光と、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。

平角線のような導線の被覆が除去され芯線が露出した部位をレーザ溶接する方法が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０２０－１４２２８３号公報

この種のレーザ溶接において、スパッタが周囲に飛散すると、例えば、樹脂製の部品が損傷したり、周辺部品に不必要な短絡が生じたりする虞があるため、好ましくない。また、当該レーザ溶接において、溶接部内にボイドが生じると、溶接部の信頼性が低下したり、抵抗が増大したりする虞があるため、好ましくない。すなわち、この種のレーザ溶接においては、より高品質なレーザ溶接が望まれている。

そこで、本発明の課題の一つは、例えば、より高品質な溶接が可能となるような、改善された新規なレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を得ること、である。

本発明のレーザ溶接方法は、例えば、金属材料で作られた第一部材の第一方向の第一端部と、金属材料で作られた第二部材の前記第一方向の第二端部と、をレーザ溶接するレーザ溶接方法であって、前記第一端部および前記第二端部を前記第一方向と交差した第二方向に隣り合うように配置する工程と、前記第一端部および前記第二端部のうち少なくとも一方に、前記第一方向と交差した第三方向に掃引しながらレーザ光を照射する工程と、前記レーザ光を照射する工程において前記第一端部と前記第二端部との間で掛け渡された状態で形成された溶融池を固化する工程と、を備え、前記レーザ光は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光と、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含む。

前記レーザ溶接方法では、前記第二レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下であってもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第二レーザ光のスポットの少なくとも一部は、前記第一レーザ光のスポットより前記第三方向の前方に位置してもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第二レーザ光のスポット径は、前記第一レーザ光のスポット径より大きくてもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第二レーザ光のパワー密度が、９８［ｋＷ／ｃｍ^２］より高くてもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記照射平面における前記第一レーザ光のスポット径に対する前記照射平面における前記第二レーザ光のスポット径の比であるビーム比が、２以上であってもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記ビーム比が、４以上であってもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記照射平面における前記第一レーザ光のスポット径に対する前記照射平面における前記第二レーザ光のスポット径の比であるビーム比が、５０以下であってもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記ビーム比が、１５より小さくてもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第一レーザ光のスポット径が、８５［μｍ］以上であってもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第二レーザ光のスポット径が、１１２５［μｍ］より小さくてもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第一レーザ光のパワー密度が、１９３７［ｋＷ／ｃｍ^２］以上でありかつ５０４６５［ｋＷ／ｃｍ^２］以下であってもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第一レーザ光のパワー密度が、７１６９［ｋＷ／ｃｍ^２］以上でありかつ４９３３４［ｋＷ／ｃｍ^２］以下であってもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面と、前記第二レーザ光の焦点との、前記第一方向における距離が、１．５［ｍｍ］より短くてもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一部材による前記第二レーザ光の吸収率は、当該第一部材による前記第一レーザ光の吸収率より高く、かつ、前記第二部材による前記第二レーザ光の吸収率は、当該第二部材による前記第一レーザ光の吸収率より高くてもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一部材および前記第二部材のうち少なくとも一方は、銅系材料で作られてもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一部材および前記第二部材のうち少なくとも一方は、アルミニウム系材料で作られてもよい。

本発明のレーザ溶接装置は、例えば、金属材料で作られた第一部材の第一方向の第一端部と、金属材料で作られた第二部材の前記第一方向の第二端部と、をレーザ溶接するレーザ溶接装置であって、レーザ光を出力する光源と、前記第一端部および前記第二端部のうち少なくとも一方に前記光源からの前記レーザ光を照射する光学ヘッドと、を備え、前記レーザ光は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光と、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含む。

前記レーザ溶接装置では、前記第二レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下であってもよい。

前記レーザ溶接装置は、前記レーザ光を前記第一端部または前記第二端部に対して掃引可能な掃引機構を備えてもよい。

前記レーザ溶接装置は、前記第一方向における前記第一レーザ光の焦点位置、および前記第一方向における前記第二レーザ光の焦点位置のうち、少なくとも一方を、前記第一方向において変更可能な焦点調整機構を備えてもよい。

本発明によれば、例えば、より高品質な溶接が可能となるような、改善された新規なレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を得ることができる。

図１は、実施形態のレーザ溶接装置の例示的な概略構成図である。 図２は、実施形態のレーザ溶接方法の対象物の溶接前における例示的かつ模式的な側面図である。 図３は、実施形態のレーザ溶接方法の対象物の溶接中あるいは溶接後における例示的かつ模式的な側面図である。 図４は、実施形態のレーザ溶接方法の対象物としての部材を含む平角線の例示的かつ模式的な斜視図である。 図５は、実施形態のレーザ溶接方法の手順の一例を示すフローチャートである。 図６は、実施形態のレーザ溶接方法におけるレーザ光のビームパターンの一例を示す模式的な平面図である。 図７は、実施形態のレーザ溶接方法におけるスポット径の定義を示す説明図である。 図８は、照射するレーザ光の波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。 図９は、実施形態のレーザ溶接方法におけるレーザ光の掃引経路の一例を示す模式的な平面図である。 図１０は、実施形態の変形例のレーザ溶接装置の例示的な概略構成図である。

以下、本発明の例示的な実施形態および変形例が開示される。以下に示される実施形態および変形例の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。本発明は、以下の実施形態および変形例に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果（派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることが可能である。

以下の実施形態および変形例は、同様の構成要素を有している。以下では、それら同様の構成要素については、共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する場合がある。

また、各図において、Ｘ方向を矢印Ｘで表し、Ｙ方向を矢印Ｙで表し、Ｚ方向を矢印Ｚで表している。Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに交差するとともに直交している。Ｚ方向は、レーザ溶接の対象物となる複数の部材が延びる方向である。なお、Ｚ方向は、略鉛直上方であるが、鉛直上方に対して傾いていてもよい。

また、本明細書において、序数は、方向や、部材、部位、レーザ光等を区別するために便宜上付与されており、優先度や順番を示すものではない。

［第１実施形態］
［レーザ溶接装置およびレーザ溶接の概要］
図１は、第１実施形態のレーザ溶接装置１００の概略構成を示す図である。図１に示されるように、レーザ溶接装置１００は、レーザ装置１１１，１１２と、光学ヘッド１２０と、光ファイバ１３０と、センサ１５０と、コントローラ２００と、を備えている。

レーザ溶接装置１００は、レーザ溶接の対象物Ｗの表面Ｗａにレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌのエネルギによって、対象物Ｗが部分的に溶融し、冷却されて固化することにより、当該対象物Ｗが溶接される。対象物Ｗは、複数の部材を有しており、レーザ溶接によって、当該複数の部材に渡る溶融池が形成され、当該溶融池が固化されることにより、複数の部材が接合される。

対象物Ｗとなる複数の部材は、それぞれ、例えば、銅や銅合金のような銅系の金属材料や、アルミニウムやアルミニウム合金のようなアルミニウム系の金属材料等で、作られうる。複数の部材は、同じ金属材料で作られてもよいし、互いに異なる金属材料で作られてもよい。なお、対象物Ｗとなる複数の部材は、導体である。

レーザ装置１１１，１１２は、それぞれ、レーザ発振器を備えており、一例としては、数ｋＷのパワーのシングルモードのレーザ光を出力できるよう構成されている。なお、レーザ装置１１１，１１２は、例えば、内部に複数の半導体レーザ素子を備え、当該複数の半導体レーザ素子の合計の出力として数ｋＷのパワーのマルチモードのレーザ光を出力できるよう構成されてもよい。また、レーザ装置１１１，１１２は、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等、様々なレーザ光源を備えてもよい。

レーザ装置１１１は、例えば、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を出力し、また、レーザ装置１１２は、例えば、５５０［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を出力する。より好ましくは、レーザ装置１１２は、例えば、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を出力する。レーザ装置１１１，１１２が有するレーザ発振器は、光源の一例である。レーザ装置１１１が出力するレーザ光は、第一レーザ光の一例であり、レーザ装置１１２が出力するレーザ光は、第二レーザ光の一例である。なお、レーザ装置１１１，１１２は、レーザ光の連続波を出力してもよいし、レーザ光のパルスを出力してもよい。

コントローラ２００は、レーザ装置１１１，１１２の作動を制御することができる。例えば、コントローラ２００は、レーザ光を出力したり、レーザ光の出力を停止したり、出力強度を変更したりするよう、レーザ装置１１１，１１２を制御することができる。

光ファイバ１３０は、レーザ装置１１１，１１２のそれぞれと光学ヘッド１２０とを光学的に接続している。言い換えると、光ファイバ１３０は、レーザ装置１１１，１１２から出力されたレーザ光を光学ヘッド１２０に導く。レーザ装置１１１，１１２が、シングルモードレーザ光を出力する場合、光ファイバ１３０は、シングルモードレーザ光を伝播するよう構成される。この場合、シングルモードレーザ光のＭ^２ビーム品質は、１．３以下に設定される。Ｍ^２ビーム品質は、Ｍ２ファクタとも称されうる。

光学ヘッド１２０は、レーザ装置１１１，１１２からのレーザ光を伝送して出力し、対象物Ｗに照射する光学装置である。光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と、集光レンズ１２２と、ミラー１２３と、波長フィルタ１２４と、ガルバノスキャナ１２６と、を有している。コリメートレンズ１２１、集光レンズ１２２、ミラー１２３、波長フィルタ１２４、およびガルバノスキャナ１２６は、光学部品とも称されうる。

コリメートレンズ１２１は、光ファイバ１３０を介して入力されたレーザ光をコリメートする。コリメートされたレーザ光は、平行光になる。

ミラー１２３は、コリメートレンズ１２１－１で平行光となった第一レーザ光を反射する。ミラー１２３で反射した第一レーザ光は、波長フィルタ１２４へ向かう。なお、第一レーザ光が光学ヘッド１２０においてＸ方向の反対方向へ進むように入力される構成にあっては、ミラー１２３は不要である。

波長フィルタ１２４は、レーザ装置１１１からの第一レーザ光を透過し、レーザ装置１１２からの第二レーザ光を透過せずに反射するハイパスフィルタである。第一レーザ光は、波長フィルタ１２４を透過してＸ方向の反対方向へ進み、ガルバノスキャナ１２６へ向かう。他方、波長フィルタ１２４は、コリメートレンズ１２１－２で平行光となった第二レーザ光を反射する。波長フィルタ１２４で反射した第二レーザ光は、ガルバノスキャナ１２６へ向かう。

ガルバノスキャナ１２６は、複数のミラー１２６ａ，１２６ｂを有している。複数のミラー１２６ａ，１２６ｂの角度を変更することで、光学ヘッド１２０からのレーザ光Ｌの出射方向を切り替え、これにより、対象物Ｗの表面Ｗａ上でレーザ光Ｌの照射位置を変更することができる。ミラー１２６ａ，１２６ｂの角度は、それぞれ、例えばコントローラ２００によって制御される不図示のモータによって変更される。レーザ光Ｌを照射しながら、レーザ光Ｌの出射方向を変更することにより、対象物Ｗの表面上で、レーザ光Ｌを掃引することができる。すなわち、ガルバノスキャナ１２６は、掃引機構の一例である。

集光レンズ１２２は、ガルバノスキャナ１２６から到来した平行光としてのレーザ光を集光し、レーザ光Ｌ（出力光）として、対象物Ｗへ照射する。レーザ光Ｌは、第一レーザ光Ｌ１と、第二レーザ光Ｌ２と、を含んでいる。

図２は、対象物Ｗの溶接する前の状態を示す側面図である。図２に示されるように、対象物Ｗは、二つの部材２０（２１，２２）を有している。二つの部材２０は、いずれも金属材料で作られている。

二つの部材２０は、それぞれＺ方向に延びており、Ｚ方向の端部２０ａ（２１ａ，２２ａ）を有している。端部２０ａは、Ｚ方向と交差して広がっている。すなわち、端部２０ａは、Ｘ方向に延びるとともにＹ方向に延びている。Ｚ方向は、第一方向の一例である。端部２１ａは、第一端部の一例であり、端部２２ａは、第二端部の一例である。

二つの部材２０は、Ｚ方向と交差したＸ方向に互いに隣り合い、かつＸ方向に並ぶように配置される。Ｘ方向において互いに面する側面２１ａ１，２２ａ１の間には、隙間ｇが形成されている。Ｘ方向は、第二方向の一例である。

なお、端部２１ａ，２２ａは、それぞれ、Ｚ方向に対して僅かに傾斜し、隙間ｇがＺ方向に向かうほど小さくなるように配置されてもよい。すなわち、二つの部材２０は、少なくとも部分的に接触していてもよい。つまり、隙間ｇの大きさは、０以上である。

また、図２の例では、端部２１ａが端部２２ａに対してＺ方向の前方に位置しているが、これには限定されず、端部２２ａが端部２１ａに対してＺ方向の前方に位置してもよいし、端部２１ａと端部２２ａとのＺ方向におけるずれが無くてもよい。端部２１ａ，２２ａは、端部２１ａと端部２２ａとのずれ量δが所定長さ以内となるように配置される。

対象物Ｗ、すなわち二つの部材２０の溶接に際し、光学ヘッド１２０は、レーザ光Ｌを、端部２０ａに向けて照射する。レーザ光Ｌの照射方向は、Ｚ方向の反対方向か、あるいはＺ方向の反対方向に対して傾斜した方向である。

光学ヘッド１２０は、レーザ光Ｌを、端部２１ａおよび端部２２ａの双方に照射してもよいし、端部２１ａおよび端部２２ａのうちいずれか一方のみに照射してもよい。

図３は、対象物Ｗに溶接部２３（溶融池Ｍｐ）が形成された状態を示す側面図である。二つの端部２０ａのうちいずれか一方に対するレーザ光Ｌの照射により、図３に示されるように、端部２０ａのそれぞれにおいて部材２０は溶融し、二つの端部２０ａ上で掛け渡された状態に溶接部２３が形成される。溶接部２３は、二つの端部２０ａ間で掛け渡された状態に形成された溶融池Ｍｐが、冷却され、固化したものである。流動性を有した金属材料である溶融池Ｍｐは、表面張力によってＺ方向に膨らんだ形状を有している。これに伴って、当該溶融池Ｍｐが固化した溶接部２３もＺ方向に膨らんだ形状を有している。溶接部２３は、二つの部材２１，２２を機械的に接続する。また、二つの部材２１，２２が導電性を有する金属であるため、溶接部２３は、当該二つの部材２１，２２を電気的に接続する。なお、溶接部２３（溶融池Ｍｐ）の形状は、図３のような形状には限定されない。また、溶接部２３と溶融池Ｍｐとの間で、大きさや形状は、若干相違する場合がある。

センサ１５０（図１参照）は、例えば、対象物Ｗに形成される溶融池Ｍｐを撮影するカメラである。コントローラ２００は、センサ１５０によって取得される画像から、溶融池の表面の動き（経時変化）を取得することができる。この場合、センサ１５０は、動きセンサとも称されうる。

また、センサ１５０は、溶融池の温度を検出することが可能なサーマルカメラであってもよい。コントローラ２００は、センサ１５０によって取得される温度画像から、溶融池の温度を取得することができる。この場合、センサ１５０は、温度センサとも称されうる。

図４は、部材２０を含む導線１０の斜視図である。部材２０は、一例として、図４に示されるような導線１０の芯線（内部導体）である。導線１０は、部材２０と、部材２０の被覆３０と、を有している。本実施形態では、一例として、導線１０は、平角線である。

部材２０は、導電性を有した金属材料で作られている。部材２０の、延び方向に対して直交する断面の形状は、略四角形状である。

また、被覆３０は、部材２０を取り囲んでいる。被覆３０は、絶縁性を有しており、例えば、エナメルや、合成樹脂材料等で作られる。被覆３０は、ポリイミドやポリアミドイミドで構成されるエナメル層のみを有してもよいし、エナメル層と当該エナメル層を取り囲む押出樹脂層とを有してもよい。また、合成樹脂材料は、一例としては、ポリエーテルエーテルケトンであるが、これには限定されない。

レーザ溶接装置１００は、このような導線１０の芯線としての部材２０の被覆３０から露出した端部２０ａ同士のレーザ溶接に、適用される。この場合、溶接に先立ち、二つの導線１０の延び方向の端部の近傍において、被覆３０が除去される。

そして、図２に示されるように、同じ方向（延び方向）を向く姿勢で隣り合うように配置された二つの部材２０の端部２０ａを含む露出区間２０ｂ（２１ｂ，２２ｂ）が、レーザ溶接装置１００によって溶接される。

導線１０は、電気装置としての回転電機に設けられるセグメントコイル（巻線）を構成してもよい。すなわち、本実施形態のレーザ溶接装置１００によるレーザ溶接方法は、ステータコアにセットされた互いに隣り合うセグメントコイルの端部の溶接に適用することができる。この場合、図３に示される対象物Ｗは、電気装置の一部であってもよい。

また、導線１０は、平角線には限定されず、例えば、丸線のような、他の導線であってもよい。

また、溶接に際し、ガスノズル（不図示）から、端部２０ａ（２１ａ，２２ａ）、溶融池Ｍｐ、および被覆３０のうち、少なくともいずれか一つに向けて、ガスが供給されてもよい。ガスは、不活性ガスであり、アシストガスとも称されうる。不活性ガスは、ここでは、化学的に安定し反応が生じ難いガスを指し、例えば、窒素や、アルゴン、二酸化炭素、あるいはこれらの混合ガスを含むものとする。ガスを供給することにより、端部２０ａや、溶融池Ｍｐ、溶接部２３等の酸化を抑制することができるとともに、端部２０ａや、溶融池Ｍｐ、被覆３０等を適宜に冷却し、溶接によって生じた熱による被覆３０の劣化を抑制することができる。

図５は、レーザ溶接方法の手順を示すフローチャートである。図５に示されるように、まずは、対象物Ｗとしての二つの導線１０の被覆３０が部分的に除去され、部材２０の露出区間２０ｂが形成される（Ｓ１）。

次に、対象物Ｗがセットされる（Ｓ２）。Ｓ２では、図２に示されるように、端部２０ａ（２１ａ，２２ａ）が、Ｚ方向に延びるとともに、Ｘ方向に隣り合うように、配置される。

次に、二つの端部２０ａ（２１ａ，２２ａ）のうち少なくとも一方に、レーザ光Ｌが照射されることにより、溶融池Ｍｐが形成される（Ｓ３）。Ｓ３において、レーザ光Ｌは、Ｚ方向と交差した方向に掃引されながら照射される。

次に、溶融池Ｍｐが冷却されることにより固化し、図３に示されるような、二つの端部２０ａ間、すなわち二つの導線１０間に渡る溶接部２３が形成され（Ｓ４）、これにより、二つの端部２０ａがレーザ溶接される。なお、Ｓ４において、溶融池Ｍｐおよび溶接部２３は、自然冷却されてもよいし、強制冷却されてもよい。

［レーザ光のビームパターン］
図６は、本実施形態の光学ヘッド１２０から出力されたレーザ光Ｌの照射平面ｚｅ上のビームパターンの一例を示す平面図である。ここで、照射平面ｚｅは、図２に示されるように、レーザ光Ｌが照射される前の二つの端部２１ａ，２２ａのうちＺ方向の前方に位置する端部２０ａ（図２では、一例として、端部２１ａ）の位置において、Ｚ方向と交差しかつ直交した仮想平面と定義する。なお、図６では、ビームＢ１を実線で示し、ビームＢ２を破線で示している。

上述したように、レーザ光Ｌは、第一レーザ光Ｌ１と第二レーザ光Ｌ２とを含み、レーザ光Ｌによるビームは、図６に示されるように、第一レーザ光Ｌ１によるビームＢ１と、第二レーザ光Ｌ２によるビームＢ２と、を含んでいる。本実施形態では、一例として、ビームＢ１，Ｂ２ともに、略円形状の断面を有しているが、これには限定されない。ビームＢ１，Ｂ２のパワー密度は、それぞれ独立して設定することができる。

ビームＢ１およびビームＢ２のそれぞれは、そのビームの光軸方向と直交する断面の径方向において、例えばガウシアン形状のパワー分布を有する。ただし、ビームＢ１およびビームＢ２のパワー分布はガウシアン形状には限定されない。図６において、当該ビームＢ１，Ｂ２を表す円の直径であるＤ１，Ｄ２が、各ビームＢ１，Ｂ２のビーム径（スポット径）である。各ビームＢ１，Ｂ２のビーム径Ｄ１，Ｄ２は、そのビームのピークを含み、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度の領域の径として定義することができる。また、図示されないが、円形でないビームの場合は、平面視において掃引方向ＳＤに対する垂直方向における、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度となる領域の長さをビーム径と定義できる。ビーム径は、ビーム幅とも称されうる。また、掃引方向ＳＤは、第三方向の一例である。

［スポット径］
図７は、ビーム径Ｄ１，Ｄ２（スポット径）の定義の説明図である。図７に示される光路は、第一レーザ光Ｌ１および第二レーザ光Ｌ２のそれぞれについて得られる。図７において、Ａｘは、光軸、ｆ_１は、コリメートレンズ１２１の焦点距離、ｆ_２は、集光レンズ１２２の焦点距離、θ_１は、ビーム発散角、θ_２は、ビーム広がり角、Ｄ_ｃは、コリメート光のビーム径、Ｄ_ｆは、焦点Ｐ_ｆでのビーム径、Ｄ_ａは、デフォーカス位置としての照射平面ｚｅ上でのビーム径（スポット径）、ａは、焦点Ｐ_ｆと照射平面ｚｅとの間の距離である。

第一レーザ光Ｌ１および第二レーザ光Ｌ２のそれぞれについて、次の式（１）～（３）が成り立つ。
Ｄ_ｃ＝２θ_１ｆ_１ ・・・（１）
Ｄ_ｆ＝（４ｆ_２／πＤ_ｃ）Ｍ^２λ ・・・（２）
Ｄ_ａ＝Ｄ_ｆ√｛１＋（４ａλ／πＤ_ｆ ^２）^２｝ ・・・（３）
ここに、Ｍ^２は、ビーム品質であり、λは、波長である。第一レーザ光Ｌ１の場合のビーム径Ｄ_ａがビーム径Ｄ１であり、第二レーザ光Ｌ２の場合のビーム径Ｄ_ａがビーム径Ｄ２である。ビーム径Ｄ１，Ｄ２は、上記式（３）によって定義してもよい。

［波長と光の吸収率］
ここで、金属材料の光の吸収率について説明する。図８は、照射するレーザ光Ｌの波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。図８のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図８には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、およびチタン（Ｔｉ）について、波長と吸収率との関係が示されている。

材料によって特性が異なるものの、図８に示されている各金属に関しては、一般的な赤外線（ＩＲ）のレーザ光（第一レーザ光）を用いるよりも、青や緑のレーザ光（第二レーザ光）を用いた方が、エネルギの吸収率がより高いことが理解できよう。この特徴は、銅（Ｃｕ）や、金（Ａｕ）等においては顕著となる。

使用波長に対して吸収率が比較的低い対象物Ｗにレーザ光が照射された場合、大部分の光エネルギは反射され、対象物Ｗに熱としての影響を及ぼさない。そのため、十分な深さの溶融領域を得るには比較的高いパワーを与える必要がある。その場合、ビーム中心部は急激にエネルギが投入されることで、昇華が生じ、キーホールが形成される。

他方、使用波長に対して吸収率が比較的高い対象物Ｗにレーザ光が照射された場合、投入されるエネルギの多くが対象物Ｗに吸収され、熱エネルギへと変換される。すなわち、過度なパワーを与える必要はないため、キーホールの形成を伴わず、熱伝導型の溶融となる。

本実施形態では、対象物Ｗの第二レーザ光に対する吸収率が、第一レーザ光に対する吸収率よりも高くなるよう、対象物Ｗの材質に応じて、第一レーザ光および第二レーザ光（の波長）が設定される。図６に示されるように、ビーム径Ｄ２がビーム径Ｄ１よりも大きいレーザ光Ｌのスポットが、掃引方向ＳＤに掃引される場合、対象物Ｗの溶接される部位（以下、被溶接部位と称する）には、まずは、ビームＢ２の、図６における掃引方向ＳＤの前方に位置する領域Ｂ２ｆによって、第二レーザ光Ｌ２が照射される。その後、被溶接部位には、ビームＢ１が照射され、その後、ビームＢ２の、掃引方向ＳＤの後方に位置する領域Ｂ２ｂによって、再度第二レーザ光Ｌ２が照射されることになる。

したがって、被溶接部位には、まずは、領域Ｂ２ｆにおける吸収率が高い第二レーザ光Ｌ２の照射により、熱伝導型の溶融領域が生じる。その後、被溶接部位には、第一レーザ光Ｌ１の照射によって、より深いキーホール型の溶融領域が生じる。この場合、被溶接部位には、予め熱伝導型の溶融領域が形成されているため、当該熱伝導型の溶融領域が形成されない場合に比べて、より低いパワーの第一レーザ光Ｌ１によって所要の深さの溶融領域を形成することができる。さらにその後、被溶接部位には、領域Ｂ２ｂにおける吸収率が高い第二レーザ光Ｌ２の照射により、溶融状態が変化する。このような観点から、第二レーザ光Ｌ２の波長は５５０［ｎｍ］以下とするのが好ましく、５００［ｎｍ］以下とするのがより好ましい。

そして、発明者らの実験的な研究により、図６のようなビームＢ１，Ｂ２を形成するレーザ光Ｌの照射によるレーザ溶接にあっては、スパッタやブローホールのような溶接欠陥を低減できることが確認された。これは、ビームＢ１が到来する前にビームＢ２の領域Ｂ２ｆによって対象物Ｗを予め加熱しておくことにより、ビームＢ２およびビームＢ１によって形成される溶融池Ｍｐがより安定化するためであると推定できる。

［掃引経路］
図９は、端部２１ａ，２２ａにおけるレーザ光Ｌの掃引経路Ｒ１の一例を示す説明図（平面図）である。図９の例では、レーザ光Ｌは、Ｚ方向と交差する方向に、掃引経路Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４の順に、直線状に掃引される。掃引経路Ｒ１１，Ｒ１２は、レーザ光Ｌが、端部２１ａ上を掃引される経路であり、掃引経路Ｒ１３，Ｒ１４は、レーザ光Ｌが、端部２２ａ上を掃引される経路である。掃引経路Ｒ１１，Ｒ１３にあっては、レーザ光Ｌは、Ｙ方向に掃引され、掃引経路Ｒ１２，Ｒ１４にあっては、レーザ光Ｌは、Ｙ方向の反対方向に掃引されている。このように、端部２１ａ，２２ａにレーザ光Ｌを照射し、当該端部２１ａ，２２ａ上に溶融池を形成する工程（Ｓ３）は、レーザ光Ｌを複数回掃引する工程を含む。

図９に示されるように、端部２１ａおよび端部２２ａは、平面視において、いずれも四角形状の形状を有しており、本実施形態では、一例として、Ｘ方向に延びた辺とＹ方向に延びた辺とを有するとともに、Ｘ方向に相対的に短くかつＹ方向に相対的に長い、長方形状の形状を有している。この場合、Ｙ方向は幅方向あるいは断面の長手方向と称することができ、Ｘ方向は厚さ方向あるいは断面の短手方向と称することができる。なお、図９の例では、一例として、端部２１ａおよび端部２２ａは同一の形状を有しているが、これには限定されない。

また、図９の例において、レーザ光Ｌは、例えば、端部２１ａのＸ方向の中心Ｃ１よりも端部２２ａに近い領域Ａ１と、端部２２ａのＸ方向の中心Ｃ２よりも端部２１ａに近い領域Ａ２と、において掃引されている。ただし、掃引される位置、すなわち照射領域は、領域Ａ１，Ａ２内には限定されない。

なお、図９の掃引経路Ｒ１は一例に過ぎず、本実施形態の好適な結果が得られる掃引経路は、図９の掃引経路Ｒ１には限定されない。

［実験結果］
発明者らは、図９の視線におけるＹ方向に沿う長辺の長さが３．０［ｍｍ］、Ｘ方向に沿う短辺の長さが２．０［ｍｍ］であり、かつ材質がＣ１０２０である二本の部材２０としての平角線について、複数の条件で端部２０ａ同士のレーザ溶接を行うことにより、好適な結果が得られる条件を見出した。

表１は、その実験結果の一部を示している。表１において、ｚ１は、第一レーザ光Ｌ１の焦点Ｐ_ｆの照射平面ｚｅに対するＺ方向における位置を示し、ｚ２は、第二レーザ光Ｌ２の焦点Ｐ_ｆの照射平面ｚｅに対するＺ方向における位置を示している。ここに、Ｚ方向の位置（ｚ１，ｚ２）は、Ｚ方向の前方、すなわち集光レンズ１２２に近付く方向を正（＋）とし、Ｚ方向の後方、すなわち集光レンズ１２２から遠ざかる方向を負（－）としている。

ビーム比（＝Ｄ２／Ｄ１）は、照射平面ｚｅにおける、第一レーザ光Ｌ１のビームＢ１のビーム径Ｄ１に対する第二レーザ光Ｌ２のビームＢ２のビーム径Ｄ２の比である。

表１において、Ｐｗ１は、レーザ装置１１１が出力した第一レーザ光Ｌ１のパワーであり、Ｐｗ２は、レーザ装置１１２が出力した第二レーザ光Ｌ２のパワーである。また、Ｐｄ１は、照射平面ｚｅにおける第一レーザ光Ｌ１のスポットのパワー密度であり、Ｐｄ２は、照射平面ｚｅにおける第二レーザ光Ｌ２のスポットのパワー密度である。パワー密度比（＝Ｐｄ１／Ｐｄ２）は、パワー密度Ｐｄ２に対するパワー密度Ｐｄ１の比である。

レーザ溶接の開始から完了までの時間におけるスパッタの数により評価を行った。スパッタの数が１０個以下の場合を、最良状態（◎）と判定し、スパッタの数が１１個以上かつ３０個以下である場合を、良好状態（○）と判定し、スパッタの数が３０個より多い場合を、不良状態（×）と判定した。

表１に示される実験結果から、第二レーザ光Ｌ２のパワー密度Ｐｄ２は、９８［ｋＷ／ｃｍ^２］より高いのが好ましく、１１２［ｋＷ／ｃｍ^２］以上であるのがより好ましいことが判明した。これは、第二レーザ光Ｌ２のパワー密度Ｐｄ２が低過ぎると、被溶接部位の予加熱が不十分になり、第一レーザ光Ｌ１の照射によりスパッタが生じ易くなるからであると推定できる。

また、第二レーザ光Ｌ２のパワー密度Ｐｄ２が、９８［ｋＷ／ｃｍ２］より高い範囲において、ビーム比は、２以上であるのが好ましく、４以上であるのがより好ましいことが判明した。これは、ビーム比が大きいほど、被溶接部位の場所による温度変化がより緩やかになり、溶融池Ｍｐがより安定化して、スパッタが生じ難くなるからであると推定できる。

また、第二レーザ光Ｌ２のパワー密度Ｐｄ２が、９８［ｋＷ／ｃｍ２］より高い範囲において、ビーム比は、５０以下であるのが好ましく、１５より小さいのがより好ましく、９．６以下であるのがより一層好ましいことが判明した。これは、ビーム比が大きすぎると、第二レーザ光Ｌ２のパワー密度が低くなりすぎてしまい、当該第二レーザ光Ｌ２による予加熱によって場所による温度変化を緩和する効果が得られ難くなるからであると推定できる。同様の理由から、照射平面ｚｅにおける第一レーザ光Ｌ１のビーム径Ｄ１は、８５［μｍ］以上であるのが好ましく、また、照射平面ｚｅにおける第二レーザ光Ｌ２のビーム径Ｄ２は、１１２５［μｍ］より小さいのが好ましいことが判明した。なお、第一レーザ光Ｌ１が、シングルモードのレーザ光である場合、当該第一レーザ光Ｌ１のビーム径Ｄ１は、１０［μｍ］以上かつ５０［μｍ］以下となるが、この場合においても好適な溶接を行える場合があることが確認された。

さらに、表１に示される実験結果から、第一レーザ光Ｌ１のパワー密度Ｐｄ１は、１９３７［ｋＷ／ｃｍ^２］以上であるのが好ましく、７１６９［ｋＷ／ｃｍ^２］以上であるのがより好ましいことが判明した。これは、第一レーザ光Ｌ１のパワー密度Ｐｄ１が低いほどエネルギが不足し十分な溶融池Ｍｐを形成でき難くからであると推定できる。

また、第一レーザ光Ｌ１のパワー密度Ｐｄ１は、５０４６５［ｋＷ／ｃｍ^２］以下であるのが好ましく、４９３３４［ｋＷ／ｃｍ^２］以下であるのがより好ましいことが判明した。これは、第一レーザ光Ｌ１のパワー密度Ｐｄ１が高いほど溶融池Ｍｐが安定しなくなり、スパッタが生じ易くなってしまうからであると推定できる。

また、照射平面ｚｅと第二レーザ光Ｌ２の焦点Ｐ_ｆとの距離（｜ｚ２｜）は、１．５［ｍｍ］より短いのが好ましいことが判明した。これは、距離｜ｚ２｜が長過ぎると、第二レーザ光Ｌ２のパワー密度Ｐｄ２が低下し、当該第二レーザ光Ｌ２の照射によるスパッタ低減の効果が得られ難くなるからであると推定できる。

また、スパッタが少ないほど、溶接部２３中のボイドも少なくなることが、実験的に確認できた。

以上、説明したように、本実施形態のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置１００によれば、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光と、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含むレーザ光Ｌを照射することにより、より高品質なレーザ溶接を実行することができる。また、条件の適切な設定により、より一層高品質なレーザ溶接を実行可能であることが判明した。

［変形例］
図１０は、実施形態の変形例のレーザ溶接装置１００の概略構成を示す図である。図１０に示されるように、本変形例のレーザ溶接装置１００は、第一レーザ光Ｌ１の焦点Ｐ_ｆをＺ方向に変更可能な焦点調整機構１４０と、第二レーザ光Ｌ２の焦点Ｐ_ｆをＺ方向に変更可能な焦点調整機構１４０と、を備えている。焦点調整機構１４０は、いずれも、コリメートレンズ１２１（１２１－１，１２１－２）の光軸上の位置を変更することができる。コリメートレンズ１２１－１がレーザ装置１１１に近付くほど、焦点Ｐ_ｆの位置がＺ方向に移動してビーム径Ｄ１が小さくなり、コリメートレンズ１２１－１がレーザ装置１１１から遠ざかるほど、焦点Ｐ_ｆの位置がＺ方向の反対方向に移動してビーム径Ｄ１が大きくなる。また、コリメートレンズ１２１－２がレーザ装置１１２に近付くほど、焦点Ｐ_ｆの位置がＺ方向に移動してビーム径Ｄ２が小さくなり、コリメートレンズ１２１－２がレーザ装置１１２から遠ざかるほど、焦点Ｐ_ｆの位置がＺ方向の反対方向に移動してビーム径Ｄ２が大きくなる。

この場合、コントローラ２００は、センサ１５０の検出結果に基づいて、第一レーザ光Ｌ１および第二レーザ光Ｌ２のうち少なくとも一方について、好適な焦点Ｐ_ｆの位置ひいては好適なビーム径Ｄ１，Ｄ２やパワー密度Ｐｄ１，Ｐｄ２等が得られるよう、焦点調整機構１４０を制御することができる。

本変形例によれば、光学ヘッド１２０に対する対象物Ｗの相対位置等に応じて、第一レーザ光Ｌ１および第二レーザ光Ｌ２のうち少なくとも一方の焦点Ｐ_ｆの位置を変更することにより、より好適な条件によって、より高品質なレーザ溶接を実行しやすい。

以上、本発明の実施形態および変形例が例示されたが、上記実施形態および変形例は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック（構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。

例えば、対象物は、三つ以上の部材を含んでもよい。また、対象物に含まれる複数の部材の材質は、同一でなくてもよい。

また、光学ヘッドは、例えばＤＯＥ（回折光学素子）のようなビームを成形するビームシェイパを備えてもよい。

また、掃引機構は、ガルバノスキャナには限定されず、例えば、対象物と光学ヘッドとを相対的に移動する機構のような、別の機構であってもよい。

また、レーザ光の照射に際し、公知のウォブリングや、ウィービング、出力変調等が行われ、溶融池の大きさ等が調節されてもよい。

１０…導線
２０…部材
２０ａ…端部
２０ｂ…露出区間
２１…部材（芯線）
２１ａ…端部（第一端部）
２１ａ１…側面
２２…部材（芯線）
２２ａ…端部（第二端部）
２２ａ１…側面
２３…溶接部
３０…被覆
１００…レーザ溶接装置
１１１…レーザ装置（光源）
１１２…レーザ装置（光源）
１２０…光学ヘッド
１２１，１２１－１，１２１－２…コリメートレンズ
１２２…集光レンズ
１２３…ミラー
１２４…波長フィルタ
１２６…ガルバノスキャナ
１２６ａ，１２６ｂ…ミラー
１３０…光ファイバ
１４０…焦点調整機構
１５０…センサ
２００…コントローラ
ａ…距離
Ａｘ…光軸
Ａ１，Ａ２…領域
Ｂ１…ビーム
Ｂ２…ビーム
Ｂ２ｂ，Ｂ２ｆ…領域
Ｃ１，Ｃ２…中心
Ｄ１…ビーム径（スポット径）
Ｄ２…ビーム径（スポット径）
Ｄ_ａ…ビーム径（スポット径）
Ｄ_ｃ，Ｄ_ｆ…ビーム径
ｆ_１，ｆ_２…焦点距離
ｇ…隙間
Ｌ…レーザ光
Ｌ１…第一レーザ光
Ｌ２…第二レーザ光
Ｍｐ…溶融池
Ｐｄ１，Ｐｄ２…パワー密度
Ｐ_ｆ…焦点
Ｒ１，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４…掃引経路
ＳＤ…掃引方向（第三方向）
Ｗ…対象物
Ｗａ…表面
Ｘ…方向（第二方向）
Ｙ…方向
Ｚ…方向（第一方向）
ｚｅ…照射平面
δ…ずれ量
θ_１…ビーム発散角
θ_２…ビーム広がり角

Claims (21)

1. 金属材料で作られた第一部材の第一方向の第一端部と、金属材料で作られた第二部材の前記第一方向の第二端部と、をレーザ溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記第一端部および前記第二端部を前記第一方向と交差した第二方向に隣り合うように配置する工程と、
   前記第一端部および前記第二端部のうち少なくとも一方に、前記第一方向と交差した第三方向に掃引しながらレーザ光を照射する工程と、
   前記レーザ光を照射する工程において前記第一端部と前記第二端部との間で掛け渡された状態で形成された溶融池を固化する工程と、
   を備え、
   前記レーザ光は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光と、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含む、レーザ溶接方法。
2. 前記第二レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下である、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第二レーザ光のスポットの少なくとも一部は、前記第一レーザ光のスポットより前記第三方向の前方に位置した、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第二レーザ光のスポット径は、前記第一レーザ光のスポット径よりも大きい、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
5. 前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第二レーザ光のパワー密度が、９８［ｋＷ／ｃｍ^２］より高い、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
6. 前記照射平面における前記第一レーザ光のスポット径に対する前記照射平面における前記第二レーザ光のスポット径の比であるビーム比が、２以上である、請求項５に記載のレーザ溶接方法。
7. 前記ビーム比が、４以上である、請求項６に記載のレーザ溶接方法。
8. 前記照射平面における前記第一レーザ光のスポット径に対する前記照射平面における前記第二レーザ光のスポット径の比であるビーム比が、５０以下である、請求項５に記載のレーザ溶接方法。
9. 前記ビーム比が、１５より小さい、請求項８に記載のレーザ溶接方法。
10. 前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第一レーザ光のスポット径が、８５［μｍ］以上である、請求項５に記載のレーザ溶接方法。
11. 前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第二レーザ光のスポット径が、１１２５［μｍ］より小さい、請求項５に記載のレーザ溶接方法。
12. 前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第一レーザ光のパワー密度が、１９３７［ｋＷ／ｃｍ^２］以上でありかつ５０４６５［ｋＷ／ｃｍ^２］以下である、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
13. 前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面において、前記第一レーザ光のパワー密度が、７１６９［ｋＷ／ｃｍ^２］以上でありかつ４９３３４［ｋＷ／ｃｍ^２］以下である、請求項１２に記載のレーザ溶接方法。
14. 前記第一端部および前記第二端部のうち前記レーザ光が照射される前記第一方向の端部に位置し前記第一方向と交差した照射平面と、前記第二レーザ光の焦点との、前記第一方向における距離が、１．５［ｍｍ］より短い、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
15. 前記第一部材による前記第二レーザ光の吸収率は、当該第一部材による前記第一レーザ光の吸収率よりも高く、かつ、前記第二部材による前記第二レーザ光の吸収率は、当該第二部材による前記第一レーザ光の吸収率よりも高い、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
16. 前記第一部材および前記第二部材のうち少なくとも一方は、銅系材料で作られた、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
17. 前記第一部材および前記第二部材のうち少なくとも一方は、アルミニウム系材料で作られた、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
18. 金属材料で作られた第一部材の第一方向の第一端部と、金属材料で作られた第二部材の前記第一方向の第二端部と、をレーザ溶接するレーザ溶接装置であって、
    レーザ光を出力する光源と、
    前記第一端部および前記第二端部のうち少なくとも一方に前記光源からの前記レーザ光を照射する光学ヘッドと、
    を備え、
    前記レーザ光は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光と、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含む、レーザ溶接装置。
19. 前記第二レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下である、請求項１８に記載のレーザ溶接装置。
20. 前記レーザ光を前記第一端部または前記第二端部に対して掃引可能な掃引機構を備えた、請求項１８または１９に記載のレーザ溶接装置。
21. 前記第一方向における前記第一レーザ光の焦点位置、および前記第一方向における前記第二レーザ光の焦点位置のうち、少なくとも一方を、前記第一方向において変更可能な焦点調整機構を備えた、請求項１８または１９に記載のレーザ溶接装置。

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