JP2023128200A - 溶接方法およびレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ溶接により金属溶接を行う溶接方法において、良好な溶接品質を保ちながらも処理時間を短縮することが可能な溶接方法を提供する。【解決手段】レーザ装置１００に対向して配置される第１部材５２および第２部材５２の端部を突き合わせて、レーザ光Ｌ１により溶接する溶接方法であって、レーザ光Ｌ１を第1部材５２および前記第２部材５２を突き合わせた端面に対し、所定の旋回径ｒで旋回照射する、レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１は、旋回径ｒと同一または旋回径ｒより大きく、旋回照射によるレーザ光Ｌ１の照射領域は、第１部材５２および第２部材５２に跨っていることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ光を用いて金属溶接を行う溶接方法およびレーザ装置に関する。

金属溶接を行う技術の一つとして、レーザ光を用いたレーザ溶接が利用されている。レーザ溶接は他の溶接技術と比較すると、集光レンズにより高密度化されたエネルギーで被加工物を溶接可能であり、溶接品質が高く微細な溶接に適している。
近年、ハイブリッド車や電気自動車に組み込むモータ用のステータ（固定子）の製造においてこのレーザ溶接が利用されている。ステータは、ステータコアと、ステータコアのスロットに装着された複数のセグメントコイルとから構成され、対応するセグメントコイルの端部同士をレーザ溶接により接合する。通常、個々のセグメントコイルは丸線ではなく平角導線を用いる。これにより、丸線が作る隙間を無くし接合部の密度を上げることが可能となり、低燃費且つ小型化を実現する。溶接面は数ミリ平方メートルと微細なためレーザ溶接が適している。
特許文献１には、ステータ用コイルのレーザ溶接技術が開示されている。ここでは、対応する平角導体を隙間を置いて並べ両端面をレーザ溶融する。このとき、溶融した平角導体が固化した溶融固化部分が、両端面を窪ませるように端面下に侵入していることを特徴としている。すなわち、この技術は、従来の溶接方法において、溶融池が凸レンズ上に膨らみ溶融池が深くなることがスパッタの一つの要因であると捉え、これを抑制するために、溶接中の溶融平角導体が隙間に順次流入することにより、レーザ光が照射される被照射点における溶融池を浅く形成するというものである（段落００４５参照）。

特開２０２１－９３８３２号公報

上記の技術によれば溶接中に生じるスパッタを抑制して溶接品質を一定に保つことが可能となる。ところで、ステータの製造工程における生産性向上が望まれているが、上記の文献には処理時間の短縮等、生産性向上に関する知見が無い。
そこで本発明は、レーザ溶接により金属溶接を行う溶接方法において、良好な溶接品質を保ちながらも処理時間を短縮することが可能な溶接方法およびレーザ装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、レーザ装置に対向して配置される第１部材および第２部材の端部を突き合わせて、レーザ光により溶接する溶接方法であって、前記レーザ光を前記第1部材および前記第２部材を突き合わせた端面に対し、所定の旋回径で旋回照射する、前記レーザ光の集光径は、前記旋回径と同一または前記旋回径より大きく、旋回照射による前記レーザ光の照射領域は、前記第１部材および前記第２部材に跨っていることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光の集光径が旋回径と同一または旋回径よりも大きいため、溶接面の中心部分に常にレーザ光が照射される。そのため、溶接面の中心部分に対して十分なエネルギーを供給することが可能であり、中心部分から溶け始め、熱伝導により端部に向かって徐々に溶融していく。このように、溶接面の端部に熱を与え過ぎず、中心部分から溶融することにより溶接面の端部から溶融金属が溶け流れることがなく、綺麗な溶融玉を形成することが可能となる。また、レーザ光を旋回照射することにより、熱の集中を抑制すると共に溶融池内部に旋回方向の流れを生み出し、これにより溶融池を安定化させる。その結果、スパッタの発生を抑制し、高い溶接品質を実現することが可能となる。
また、上記の先行技術文献は溶接面の中心部分に常にレーザ光が照射される構成ではないため、上記の先行技術文献と比較すると、本発明の溶接方法は、中心部分の溶け始めが早い。それにより溶融池の形成が促進され、溶接対象のワークを早く溶融することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ装置１００の全体構成を示す概略図である。 ガルバノスキャナ８の構成を示す図である。 （ａ）ステータの概略構成を示す斜視図である。（ｂ）セグメントコイル５２について説明するための図である。（ｃ）ワークＷについて説明するための図である。 第１実施形態に係る溶接方法について説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザ装置１の全体構成を示す概略図である。 第２実施形態に係る溶接方法の一例（ｒ≦ｄ１の場合）について説明するための図である。 第２実施形態に係る溶接方法の一例（ｒ＞ｄ１の場合）について説明するための図である。 加工後のワークＷの写真である。 セグメントコイルの溶接について説明するための図である。

＜概要＞
本実施態様の一態様に係る溶接方法は、レーザ装置に対向して配置される第１部材および第２部材の端部を突き合わせて、レーザ光により溶接する溶接方法であって、前記レーザ光を前記第1部材および前記第２部材を突き合わせた端面に対し、所定の旋回径で旋回照射する、前記レーザ光の集光径は、前記旋回径と同一または前記旋回径より大きく、旋回照射による前記レーザ光の照射領域は、前記第１部材および前記第２部材に跨っていることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記レーザ光の波長は３００～６００μｍであることを特徴とする。 
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記端面は矩形であって、前記端面を形成する矩形の短辺の長さをａとし、前記レーザ光の集光径をｄ１とし、前記旋回径をｒとすると、ｒ≦ｄ１＜ａであることを特徴とする。

本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記レーザ光の集光面積（スポット面積）は前記端面の総面積の１パーセント～３０パーセントであることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記レーザ光の出力パワーは、５００Ｗ～２ｋＷであることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記端面における前記レーザ光のエネルギー強度分布は、前記照射領域の略中心部分において最も強く、前記照射領域の前記略中心部以外の領域において弱くなり、前記照射領域外がゼロであることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法は、さらに、前記レーザ光と波長が異なる第２のレーザ光を前記端面に対して旋回照射し、前記第２のレーザ光の集光径は、前記レーザ光の集光径より小さいことを特徴とする。

本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記レーザ光の光軸と前記第２のレーザ光の光軸とが一致していることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第２のレーザ光の波長は、７８０ｎｍ～１１００ｎｍであることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第２のレーザ光の集光径は、前記レーザ光の集光径の１０分の１以下であることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第２のレーザ光の集光径は、１０μｍ～１００μｍであることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記レーザ光および前記第２のレーザ光を、旋回速度１００～１０００ｍｍ／ｓで旋回させることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記レーザ光および前記第２のレーザ光の照射時間は、５０ｍｓｅｃ以上であることを特徴とする。

本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第１部材と前記第２部材とは、ステータ用のコイルを構成する断面矩形の平角導体であって、前記レーザ装置に対向して配置される２つの平角導体の端部を突き合わせて前記レーザ光および前記第２のレーザ光により溶接することにより前記端面に溶融玉を形成することを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記レーザ光および前記第２のレーザ光の照射と同時若しくは照射前から、照射が終了するまで若しくはそれ以上、前記端面に対して、流量が５Ｌ／ｍｉｎ～１００Ｌ／ｍｉｎ、前記端面に対する傾き角度が０～９０°で窒素を吹き付けることを特徴とする。
本実施態様の一態様に係る溶接方法は、レーザ装置に対向して配置される第１部材および第２部材の端部を突き合わせて、レーザ光により溶接する溶接方法であって、前記レーザ光は、波長が異なる第１レーザ光と第２レーザ光とから成り、前記レーザ光を前記端面の略中心に対し所定の旋回径で旋回照射することにより、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が前記端面に対して環状に照射され、前記第２レーザ光の集光径は、前記第１レーザ光の集光径より小さいことを特徴とする。

本実施態様の一態様に係るレーザ装置は、第１部材および第２部材の端部を突き合わせて溶接するレーザ装置であって、レーザ光を発振する発振器と、前記レーザ光を前記端面の略中心に対し所定の旋回径で旋回照射するガルバノスキャナ部とを備え、前記レーザ光の集光径は、前記旋回径と同一または前記旋回径より大きく、旋回照射による前記レーザ光の照射領域は、前記第１部材および前記第２部材に跨っていることを特徴とする。
本実施態様の一態様に係るレーザ装置は、第１部材および第２部材の端部を突き合わせて溶接するレーザ装置であって、第１レーザ光を発振する第１発振器と、前記第１レーザ光と波長が異なる第２レーザ光を発振する第２発振器と、前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを同一の光軸上に重畳するコンバイナ部と、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記端面の略中心に対し所定の旋回径で旋回照射するガルバノスキャナ部とを備え、前記第１レーザ光の集光径は、前記旋回径と同一または前記旋回径より大きく、前記第２レーザ光の集光径は、前記第１レーザ光の集光径より小さいことを特徴とする。

本実施態様の一態様に係るレーザ装置は、第１部材および第２部材の端部を突き合わせて溶接するレーザ装置であって、第１レーザ光を発振する第１発振器と、前記第１レーザ光と波長が異なる第２レーザ光を発振する第２発振器と、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記端面の略中心に対し所定の旋回径で旋回照射する１以上のガルバノスキャナ部とを備え、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が前記端面に対して環状に照射され、前記第２レーザ光の集光径は、前記第１レーザ光の集光径より小さいことを特徴とする。
＜第１実施形態＞
ここでは、本発明の第１実施形態であるレーザ装置１００について説明する。レーザ装置１００は、熱伝導率が高い材料で形成された被加工物の突き合わせ溶接を行う装置であって、矩形形状の溶接面におけるレーザのエネルギー分布が、中心部において最も高く、周縁部においてゼロとなるようにレーザを照射することにより熱伝導溶接を行う。

図１は、レーザ装置１００の概略構成を示す図である。同図に示すように、レーザ装置１００は、第１レーザ光Ｌ１を発振する第１発振器２と、第１レーザ光Ｌ１を伝送する光ファイバである伝送ファイバ２１と、第１レーザ光Ｌ１を平行光に変換するコリメートレンズ２２と、第１レーザ光Ｌ１の集光径を縮小する集光レンズ６と、集光レンズ６を保護するための保護ガラス７と、ワークＷに対する第１レーザ光Ｌ１の照射位置を二次元的に変位させるガルバノスキャナ８と、ワークＷに対しシールドガスを供給するためのシールドノズル９ａ、９ｂとから構成される。なお、レーザ装置１００は、上記の構成要素に加え、他の光学系、光ファイバ等を備えていてもよい。
第１レーザ光Ｌ１として本実施形態では、マルチモードファイバと連結した青色半導体レーザを用いる。第１レーザ光Ｌ１は、波長が３００～６００ｎｍであればよく、青色レーザに替えて緑色レーザを用いてもよい。第１レーザ光Ｌ１の出力パワーは５００Ｗ～２ｋＷが好ましい。

続いてガルバノスキャナ８について説明する。図２は、ガルバノスキャナ８の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、ガルバノスキャナ８は、Ｘ軸ガルバノミラー８１、Ｘ軸ガルバノミラー８１を回動させるＸ軸ガルバノモータ８２、Ｙ軸ガルバノミラー８３、Ｙ軸ガルバノミラー８３を回動させるＹ軸ガルバノモータ８４から構成される。すなわち、ガルバノスキャナ８は、第１レーザ光Ｌ１を二次元の任意の方向に偏向する機能を有する。Ｘ軸ガルバノモータ４２およびＹ軸ガルバノモータ４４として、ステッピングモータやサーボモータ等を用いることができる。

ガルバノスキャナ８は、制御部（不図示）と接続されており、制御部から送信される制御指令に基づいて各モータ８２、８４を駆動することにより、第１レーザ光Ｌ１のワークＷ上における照射位置を二次元的に制御する。より具体的には、ワークＷの二次元平面上を第１レーザ光Ｌ１が旋回するように制御する。
図３を用いて溶接対象のワークＷについて説明する。図３（ａ）は、電気自動車等のモータの固定子であるステータ５０の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように、ステータ５０は、略円筒形状のステータコア５１と複数のセグメントコイル５２とを有する。セグメントコイル５２は、断面が矩形状の電線すなわち平角導体である。通常、セグメントコイル５２は純銅製のものが用いられるが、銅を主成分とする合金、銅およびアルミニウムから成る合金等、高導電率を有する金属材料で構成してもよい。各セグメントコイル５２の端部はステータコア５１の上端部から突出しており、レーザ装置１００は、ステータコア５１の径方向に隣接する２つのセグメントコイル（平角導体）５２の端部同士をレーザ溶接する。

まず、図３（ｂ）のように、絶縁被膜が剥離されたセグメントコイル（平角導体）５２の突き合せ面５２ｂ同士を突き合わせる。このときジグ（不図示）を用いてセグメントコイル５２同士を突き合わせてもよい。図３（ｃ）に示すように、突き合わされた２つのセグメントコイル５２の端面５２ａが、溶接面すなわち本実施形態のワークＷとなる。ここで、溶接面のギャップは溶接不良の原因となり得る。溶接不良を抑制するために、２つのセグメントコイル５２の端面５２ａ同士が面一となるように突き合わせることが好ましい。レーザ装置１００は、隣接する２つのセグメントコイル５２が付き合わせた端面５２ａに対して第１レーザ光Ｌ１を旋回照射して、隣接する２つのセグメントコイル５２を溶接する。

次に、図４を参照してレーザ装置１００による溶接方法の詳細について説明する。
図４（ａ）は、ガルバノスキャナ８が停止している状態のワークＷにおける第１レーザ光Ｌ１の照射領域を模式的に示す図である。ワークＷは上述したように２つのセグメントコイル５２の端部を突き合わせた矩形状をしており、その大きさは任意である。短辺の長さをａ、長辺の長さをｂとすると、通常のステータのセグメントコイルの場合、２．５ｍｍ≦ａ≦４．０ｍｍ、３．０ｍｍ≦ｂ≦５．０ｍｍ程度である。そうすると、ワークＷの総面積（ａ×ｂ）は、７．５ｍｍ^２≦（ａ×ｂ）≦２０．０ｍｍ^２程度となる。本実施形態では、一例として、ａ＝２．８ｍｍ、ｂ＝３．２ｍｍとする。
図４（ａ）に示すように、第１レーザ光Ｌ１の集光径をｄ１として、この第１レーザ光Ｌ１を矢印で示すように、ワークＷの中心Ｏに対して旋回径ｒで旋回させる。このとき、ｒ≦ｄ１＜ａとなる。好ましくはｒ＜ｄ１＜ａである。
また、第１レーザ光Ｌ１の集光面積（図４（ａ）のグレーの領域）がワークＷの総面積の１パーセント～３０パーセントとなるように集光径ｄ１を決定してもよい。ここでは一例として、旋回径ｒを８００μｍとし、集光径ｄ１を１０５０μｍとする。

この状態から第１レーザ光Ｌ１を旋回させると、図４（ｂ）に示すように、第１レーザ光Ｌ１の照射領域Ｓ（図４（ｂ）の淡いグレーの領域）は円形となり、その径はｄ１＋ｒとなる。ここで、ワークＷに綺麗な溶融玉を形成するためには、第１レーザ光Ｌ１の照射領域Ｓの外周縁からワークＷのエッジ部分までの距離ａ´は少なくとも０．２ｍｍ以上の間隔が開いていることが望ましい。照射領域Ｓの外周縁からワークＷのエッジ部分までの距離ａ´が短すぎると、スパッタが発生したり、溶融金属が溶け流れる可能性がある。
図４（ｂ）に示すように、ワークＷの中心部分における径がｄ１－ｒである円形領域ｓ（図４（ｂ）の濃いグレーの領域）には、第１レーザ光Ｌ１が常時照射される。すなわち、第１レーザ光Ｌ１のエネルギー分布は、ワークＷの中心部分である円形領域ｓが最も高く、それ以外の領域では中心部分よりも低く一定であり、照射領域Ｓの外部には第１レーザ光Ｌ１が照射されないため、エネルギー分布はゼロとなる。
レーザ装置１００は、第１レーザ光Ｌ１を旋回速度５００ｍｍ／ｓで旋回させる。また、第１レーザ光Ｌ１の照射時間は、５０ｍｓｅｃ以上とする。

このように、レーザ装置１００では、ワークＷの中心部分に常に第１レーザ光Ｌ１が照射されるため、ワークＷの中心部分に対して十分なエネルギー密度で第１レーザ光Ｌ１を照射することが可能となる。そのため、中心部分の溶け始めが速く、ワークＷの中心部分から端部に向かって熱伝導によって徐々に溶融していく。ここで、ワークＷは熱伝導率が非常に高い銅であるが、ワークＷのエッジ部分は周囲に熱の逃げ場が無いため、ワークＷのエッジ部分に熱を与え過ぎると溶融金属が溶け流れて綺麗な溶融玉を形成することができない。したがって、本実施形態のレーザ装置１００は、ワークＷのエッジ部分にはレーザ光を照射せず、ワークＷの中心部分から端部に向かって徐々に溶融していくことにより、綺麗な溶融玉を形成することができる。
また、第１レーザ光Ｌ１を旋回照射することにより、集光径が大きく且つ大出力のレーザ光源を用いなくとも、ワークＷに対して必要なエネルギーを供給することが可能となる。

レーザ装置１００は、第１レーザ光Ｌ１の照射と同時もしくは照射前から、照射が終了するまで若しくはそれ以上、溶接面に対してシールドガスである窒素を５Ｌ／ｍｉｎ～１００Ｌ／ｍｉｎで吹き付ける。より好ましくは、１０Ｌ／ｍｉｎ～４０Ｌ／ｍｉｎで吹き付ける。図１に示すように、本実施形態では２本のシールドノズル９ａ、９ｂを用いて左右から窒素を吹き付ける。ワークＷに対する各シールドノズル９ａ、９ｂの角度は一例として３０度である。シールドノズル９ａ、９ｂの先端開口の径（ノズルチップ径）は、１～１０ｍｍ程度が好ましい。また、シールドノズル９ａ、９ｂの先端開口からワークＷまでの距離であるワーキングディスタンスは、５～１５ｍｍ程度が好ましい。
シールドノズル９ａ、９ｂによってワークＷに対し窒素を供給することにより、レーザ装置１００は、窒素雰囲気中でワークＷの溶接を行う。シールドガスにより溶接面の酸化を防止し、これにより、溶接面の酸化により生じる溶接強度の低下およびポロシティの発生を抑制することが可能となる。更には、シールドガスの流量、ノズルチップ径、ワーキングディスタンス等の条件を好適に選択することにより、溶融玉のゆれを抑制し綺麗な溶融玉を形成することが可能となる。特に、左右から窒素を吹き付けることにより、左右対称の綺麗な溶融玉が形成される。これにより溶接品質が向上する。

＜第２実施形態＞
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１レーザ光Ｌ１に更に第２レーザ光Ｌ２を追加で照射することにより、溶接処理を更に高速で行うことができる溶接方法である。
図５は、第２実施形態に係るレーザ装置１の概略構成を示す図である。同図に示すように、レーザ装置１は、第１レーザ光Ｌ１を発振する第１発振器２と、第２レーザ光Ｌ２を発振する第２発振器３と、第１レーザ光Ｌ１を伝送する光ファイバである伝送ファイバ２１と、第２レーザ光Ｌ２を伝送する光ファイバである伝送ファイバ３１と、第１レーザ光Ｌ１を平行光に変換するコリメートレンズ２２と、第２レーザ光Ｌ２を平行光に変換するコリメートレンズ３２と、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２の光軸を一致させるためのミラー４、５と、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２の集光径を縮小する集光レンズ６と、集光レンズ６を保護するための保護ガラス７と、ワークＷに対する第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２の照射位置を変位させるガルバノスキャナ８と、ワークＷに対しシールドガスを供給するためのシールドノズル９ａ、９ｂとから構成される。

レーザ装置１は、これらの構成要素に加えて、更に他の光学系、光ファイバ等を備えていても良い。
第１発振器２、第２発振器３から発振された第１レーザ光Ｌ１、第２レーザ光Ｌ２は、それぞれコリメートレンズ２２、３２にて平行光化される。コリメートレンズ２２、３２を通過した第１レーザ光Ｌ１、第２レーザ光Ｌ２は、ミラー４およびミラー５により光軸が一致するように重畳される。その後、集光レンズ６に向けて光軸が変更され、集光レンズ６により所定の径に縮小される。そして、ガルバノスキャナ８にて対向するワークＷに対し旋回照射される。なお、ミラー５は、第１レーザ光Ｌ１の波長は反射し、第２レーザ光Ｌ２の波長は透過するダイクロイックミラーである。このように、レーザ装置１は、ワークＷに対し２つのレーザ光Ｌ１およびＬ２を照射して溶接を行う。

第１レーザ光Ｌ１については、基本的に第１実施形態と同様である。すなわち、第１レーザ光Ｌ１の出力パワーは５００Ｗ～２ｋＷが好ましく、本実施形態では、一例として６００Ｗとする。第２レーザ光Ｌ２の出力パワーは５００Ｗ～２ｋＷが好ましく、本実施形態では一例として９００Ｗとする。
また、第１レーザ光Ｌ１の波長は、３００ｎｍ～６００ｎｍであり、第２レーザ光Ｌ２の波長は、７８０ｎｍ～１１００ｎｍである。すなわち、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２は互いに波長が異なり、第１レーザ光Ｌ１の波長が第２レーザ光Ｌ２の波長よりも短い。ビームモードはマルチモード、シングルモードいずれを使用することも可能であるが、本実施形態では、第１レーザ光Ｌ１はマルチモード、第２レーザ光Ｌ２はシングルモードを用いている。後述するが、第２レーザ光Ｌ２は第１レーザ光Ｌ１と比較すると集光径が小さいスポット光である。そのため、第２発振器３としてシングルモードファイバレーザを用いることにより、ビーム径が小さくエネルギー強度が高尖頭値の第２レーザ光Ｌ２を効果的に生成することができる。

次に、図６および図７を用いてレーザ装置１による溶接方法の詳細について説明する。上記の第１実施形態では、第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１は、ｒ≦ｄ１＜ａであり、集光径ｄ１は旋回径ｒよりも大きく、ワークＷの中心に常に第１レーザ光Ｌ１を照射する構成であった。一方で、第２実施形態では、第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１は、旋回径ｒと比較して大きくてもよいし、小さくてもよいし、同サイズでもよい。
図６は、第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１が、第１実施形態と同様にｒ≦ｄ１である場合の溶接方法の一例を示している。図７は、第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１が、ｒ＞ｄ１である場合の溶接方法の一例を示している。
先ずは、ｒ≦ｄ１の例を説明する。図６（ａ）は、ガルバノスキャナ８が停止している状態のワークＷにおける第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２の照射領域を模式的に示す図である。ワークＷについては既に第１実施形態で説明した通りであり、本実施形態においてもワークＷの大きさは一例として、ａ＝２．８ｍｍ、ｂ＝３．２ｍｍとする。

図６（ａ）に示すように、第１レーザ光Ｌ１、第２レーザ光Ｌ２は、光軸が同一であり、集光径がそれぞれｄ１、ｄ２の円形ビームである。この第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２を矢印で示すように、ワークＷの中心Ｏに対して旋回径ｒで旋回させる。ここでは一例として、第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１を１０５０μｍとし、旋回径ｒを、８００μｍとする。また、第２レーザ光Ｌ２の集光径ｄ２は、第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１と比して小さく、例えば、ｄ２はｄ１の１０分の１以下である。ここでは一例として、ｄ２を４０μｍとする。
また、第１実施形態と同様に、第１レーザ光Ｌ１の集光面積（図６（ａ）のグレーの領域）がワークＷの総面積の１パーセント～３０パーセントとなるように集光径ｄ１を決定してもよい。

この状態から第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２を旋回させると、図６（ｂ）に示すように、第１レーザ光Ｌ１の照射領域Ｓ（図６（ｂ）の淡いグレーの領域）は円形となり、その径はｄ１＋ｒとなる。ワークＷに綺麗な溶融玉を形成するためには、第１レーザ光Ｌ１の照射領域Ｓの外周縁からワークＷのエッジ部分までの距離ａ´は少なくとも０．２ｍｍ以上の間隔が開いていることが望ましい。照射領域Ｓの外周縁からワークＷのエッジ部分までの距離ａ´が短すぎると、スパッタが発生したり、溶融金属が溶け流れる可能性がある。
図６（ｂ）に示すように、ワークＷの中心部分における径がｄ１－ｒである円形領域ｓ（図６（ｂ）の濃いグレーの領域）には、第１レーザ光Ｌ１が常時照射される。すなわち、第１レーザ光Ｌ１のエネルギー分布は、ワークＷの中心部分である円形領域ｓが最も高く、それ以外の領域では中心部分よりも低く一定であり、照射領域Ｓの外部には第１レーザ光Ｌ１が照射されないため、エネルギー分布はゼロとなる。

第２実施形態では、第２レーザ光Ｌ２の照射が追加されたことにより、第２レーザ光Ｌ２の照射領域Ｒは、図６（ｂ）示すように環状となる。ここで、第２レーザ光Ｌ２は、ワークＷに対しエネルギー、すなわち溶融に必要な熱を供給するために追加照射されるものであり、ワークＷにキーホールを形成することが目的ではない。したがって、本実施形態におけるレーザ装置１は、第２レーザ光Ｌ２の照射によりキーホールを形成してもよいし、キーホールを形成しなくてもよい。
このようにｒ≦ｄ１の場合、ワークＷの中心部分には常に第１レーザ光Ｌ１が照射されるため、ワークＷの中心部分に対して十分なエネルギー密度で第１レーザ光Ｌ１を照射することが可能となる。そのため、中心部分に最も熱が蓄積され、２つのセグメントコイル５２の接合面において最も温度が上昇し、突合せ面５２ｂに深い溶融池が形成される。そして熱伝導によってワークＷの端部に向かって徐々に溶融していく。すなわち、本実施形態のレーザ装置１も第１実施形態のレーザ装置１００と同様に熱伝導溶接を行う。
レーザ装置１は、第１レーザ光Ｌ１の照射により熱吸収率が高まっている状態のワークＷに対し、さらに、第２レーザ光Ｌ２も照射する。これにより、被加工物の溶融が加速されて、溶接処理の高速化が可能となる。

次に、ｒ＞ｄ１の例を説明する。図７（ａ）は、ガルバノスキャナ８が停止している状態のワークＷにおける第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２の照射領域を模式的に示す図である。この状態から第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２を旋回させると、図７（ｂ）に示すように、ワークＷの中心部分は第１レーザ光Ｌ１が照射されず、第１レーザ光Ｌ１の照射領域Ｓ（図７（ｂ）のグレーの領域）は環状となる。照射領域Ｓの外径はｄ１＋ｒであり、内径はｒ－ｄ１である。照射領域Ｓの外周縁からワークＷのエッジ部分までの距離ａ´は少なくとも０．２ｍｍ以上の間隔が開いていることが望ましい。また、第２レーザ光Ｌ２の照射領域Ｒは、図７（ｂ）に示すように環状となる。
このように、ワークＷの中心部分に第１レーザ光Ｌ１が照射されない場合であっても、第２レーザ光Ｌ２の照射が追加されることにより、照射開始直後は、第２レーザ光Ｌ２が照射された部分から溶け始めるが、ワークＷの中心部分に熱が伝播し、中心部分に最もエネルギーが蓄積される。そのため、２つのセグメントコイル５２の接合面において最も温度が上昇し、突合せ面５２ｂに深い溶融池が形成される。更に、第２レーザ光Ｌ２の照射により、被加工物の溶融が加速されて、溶接処理の高速化が可能となる。また、ワークＷのエッジ部分にはレーザ光が照射されないので、ワークＷの中心部分から端部に向かって徐々に溶融し、綺麗な溶融玉を形成することができる。

レーザ装置１は、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２を旋回速度５００ｍｍ／ｓで旋回させる。また、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２の照射時間は、５０ｍｓｅｃ以上とする。また、レーザ装置１は、第１実施形態と同様に、シールドノズル９ａ、９ｂによってワークＷに対し窒素を供給しながら、窒素雰囲気中でワークＷの溶接を行う。シールドガスの流量やノズルの条件などは、第１実施形態と同様である。
＜実施形態の効果＞
レーザ装置１００は、波長が３００ｎｍ～６００ｎｍであり銅に対する光吸収率が高い第１レーザ光Ｌ１を旋回照射することによりワークＷに溶融池を形成する。そして、レーザ装置１００は、照射面の中心に強いエネルギー、照射面の周縁部にはレーザ光を照射しない。このようなエネルギー分布で第１レーザ光Ｌ１を照射することにより、熱伝導率が高い被加工物に対して綺麗な溶融玉を形成することが可能となる。

仮に第１レーザ光Ｌ１を旋回照射せず定点照射する場合は、大出力の青色レーザ光源が必要となるが、大出力の青色レーザ光源はいまだ手に入りにくく高価である。更に、第１レーザ光Ｌ１を定点照射した場合は、スパッタが大量に発生する可能性がある。
レーザ装置１は、波長が３００ｎｍ～６００ｎｍであり銅に対する光吸収率が高い第１レーザ光Ｌ１を旋回照射することによりワークＷに溶融池を形成する。そして、形成される溶融池内部において集光径が小さくエネルギー密度が高い第２レーザ光Ｌ２を高速で旋回させながら照射することにより、溶融池内部において局所的に深い溶け込み深さを実現し、溶融池の形成を促進させる。
また、レーザ装置１、レーザ装置１００は、従来の溶接装置と比較すると、集光径が大きい第１レーザ光Ｌ１を溶接に用いる。その第１レーザ光Ｌ１を、レーザ装置１、レーザ装置１００は更に旋回照射することにより、ワークＷに対し効果的に熱を与えて熔融することができる。

更に、レーザ装置１、レーザ装置１００は、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２を定点照射ではなく旋回照射させることにより、溶融池に流れを生み出す。これが高温に達した溶融池から発生する気泡を外部に排出する。これによりポロシティを抑制することができる。さらに、溶融池において局所的に熱が集中するのを防止し、溶融池を安定化させ、スパッタを軽減することが可能となる。ポロシティやスパッタは接合不良などの溶接欠陥の要因となるため、レーザ装置１、レーザ装置１００，およびこれらの装置を用いた溶接方法によれば、溶接欠陥の発生を抑制することが可能となる。
図８は、第２実施形態のレーザ装置１を用いてステータ５０のセグメントコイル５２を溶接した結果を示す。同図に示すように、光沢があり左右対称の綺麗な溶融玉が形成されていることが分かる。
また、レーザ装置１、レーザ装置１００はガルバノスキャナ８により各レーザ光の光軸を二次元的に変位することが可能であるから、ガルバノスキャナ８を備えていないレーザ装置と比較すると、各段にステータ用のセグメントコイルの溶接に要する処理時間を短縮させることが可能となる。

ガルバノスキャナを備えていないレーザ装置でセグメントコイルの溶接を行う場合、図９（ａ）に示すように、先ず、ワークＷ１にレーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射位置を合わせた後、レーザ照射する。次に、ワークＷ２の溶接を行うため照射ノズルをワークＷ２に対向させるべくレーザ装置１を搬送手段（不図示）によって搬送し、ワークＷ２にレーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射位置を合わせた後、レーザ照射する。ワークＷ３、ワークＷ４についても同様に、レーザ装置の搬送、位置決め、レーザ照射を繰り返し行う必要がある。
一方で、ガルバノスキャナ８を備えるレーザ装置１、レーザ装置１００を用いれば、図９（ｂ）に示すように、ガルバノスキャナ８にてワークＷ１に対するレーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射位置を合わせた後、レーザ照射する。次に、ワークＷ２の溶接を行うため、ガルバノスキャナ８にてワークＷ２に対するレーザ光Ｌ１、Ｌ２の照射位置を合わせた後、レーザ照射する。すなわち、レーザ装置１、レーザ装置１００では、ガルバノスキャナ８を用いることにより、レーザ装置の搬送が不要となる。ワークＷ３、ワークＷ４についても同様に、各ワークの溶接加工の都度レーザ装置を搬送する必要がなく、位置決めおよびレーザ照射を繰り返し行うことができる。

このように、レーザ装置１、レーザ装置１００はレーザ装置の搬送に要する時間が不要となり、加工時間を短縮することが可能となる。
＜変形例＞
以上、本発明の一実施態様として、レーザ装置１およびレーザ装置１００について説明したが、本発明は上記に説明したレーザ装置１、レーザ装置１００およびこれらの装置による溶接方法に限定されないのは勿論であり、上記実施形態を以下のように変更することも可能である。
ここでは、上記実施形態の変形例を説明する。上記実施形態と以下に説明する変形例とを如何様にも組み合わせることができる。

（１）第２実施形態において、レーザ装置１は互いに波長が異なるレーザ光Ｌ１、Ｌ２を重畳している。ここで、光の屈折率はその光の波長に依存しており、波長の異なる複数のレーザ光を重畳してレンズ等を通過させると、ワークＷ上において第１レーザ光Ｌ１の照射位置と、第２レーザ光Ｌ２の照射位置とがずれてしまうことがある。これを抑制するために、レーザ装置１がｆθレンズを備えてもよいし、ガルバノスキャナ８に替えて３Ｄガルバノスキャナを用いてもよい。更に他の光学系、光ファイバ等を備えていても良い。
（２）第１実施形態、第２実施形態において、第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１は、１０５０μｍに限定されない。上記で説明したように、第１レーザ光Ｌ１の照射領域の面積（集光面積、スポット面積）がワークＷの総面積の１パーセント～３０パーセントとなるように集光径ｄ１を選択することが可能である。
また、第２実施形態において、第２レーザ光Ｌ２の集光径ｄ２は４０μｍに限定されない。第２レーザ光Ｌ２の集光径ｄ２は、１０～１００μｍ程度とすることが可能であり、第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１の１０分の１以下とすることが好ましい。

各レーザ光の集光径は、伝送ファイバのコア径、コリメートレンズの焦点距離、集光レンズの焦点距離に依存し、集光径＝伝送ファイバのコア径×（集光レンズの焦点距離／コリメートレンズの焦点距離）で計算することができる。したがって、これらの光学系を調整することにより、各レーザ光の集光径を変更することが可能である。
（３）上記の第１実施形態、第２実施形態では、第１レーザ光Ｌ１、第２レーザ光Ｌ２の旋回速度を５００ｍｍ／ｓとして説明したが、第１レーザ光Ｌ１、第２レーザ光Ｌ２の旋回速度はこれに限定されず、１００～１０００ｍｍ／ｓの範囲であればよい。
（４）上記の第２実施形態では、第１レーザ光Ｌ１はマルチモードであり、第２レーザ光Ｌ２はシングルモードであると説明したが、これは一例であり、各レーザ光のビームモードは限定されない。

（５）上記の第１実施形態、第２実施形態では、ガルバノスキャナ８の動作との干渉を避け、効果的に窒素を供給するためにサイドノズル型のシールドノズル９ａ、９ｂを用いたが、シールドノズルはサイドノズル型に限定されないのは勿論である。シールドノズルは、溶接面に対して傾き角度０～９０°で窒素を吹き付け、窒素雰囲気中で溶接することが可能であればよい。
（６）上記の第１実施形態、第２実施形態では、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２は、ワークＷ（溶接面）上に焦点を合わせているが、本発明においては、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２はともに、溶接面から鉛直方向に±２ｍｍの範囲の位置に焦点を合わせてもよい。
（７）上記の第１実施形態、第２実施形態において第１レーザ光Ｌ１、第２レーザ光Ｌ２は円形ビームであったが、第１レーザ光Ｌ１、第２レーザ光Ｌ２のビーム形状はこれに限定されない。例えば、楕円形状のビームや矩形形状のビームを用いてもよい。この場合、矩形の溶接面において長手方向を長径とすることが好ましい。

（８）上記の第１実施形態、第２実施形態では被加工物としてステータ用コイルを例に説明した。しかしながら、上記の溶接方法およびレーザ装置１、レーザ装置１００は、ステータ用コイルの溶接に使用する場合に限定されないのは勿論である。
（９）第２実施形態では第１レーザ光Ｌ１の光軸と第２レーザ光Ｌ２の光軸とを一致させてガルバノスキャナ８で旋回照射している。しかし本発明はこれには限定されず、第１レーザ光Ｌ１の光軸と第２レーザ光Ｌ２の光軸とが不一致でもよく、それぞれを別個のレーザ走査光学系（ガルバノスキャナ）で旋回させることも可能である。すなわち、レーザ装置１００が２つのガルバノスキャナを備えており、一方のガルバノスキャナが第１レーザ光Ｌ１を旋回させて、他方のガルバノスキャナが第２レーザ光Ｌ２を旋回させる構成も本発明に含まれる。

１、１００ レーザ装置
２ 第１発振器
３ 第２発振器
４、５ ミラー（コンバイナ部）
６ 集光レンズ
７ 保護ガラス
８ ガルバノスキャナ
９ａ、９ｂ シールドノズル
２１、３１ 伝送ファイバ
２１、３２ コリメートレンズ
５２ セグメントコイル（第１部材、第２部材）
５２ａ 端面

Claims (19)

1. レーザ装置に対向して配置される第１部材および第２部材の端部を突き合わせて、レーザ光により溶接する溶接方法であって、
   前記レーザ光を前記第1部材および前記第２部材を突き合わせた端面に対し、所定の旋回径で旋回照射する、
   前記レーザ光の集光径は、前記旋回径と同一または前記旋回径より大きく、
   旋回照射による前記レーザ光の照射領域は、前記第１部材および前記第２部材に跨っている
   ことを特徴とする溶接方法。
2. 前記レーザ光の波長は３００～６００μｍである
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記端面は矩形であって、
   前記端面を形成する矩形の短辺の長さをａとし、前記レーザ光の集光径をｄ１とし、前記旋回径をｒとすると、
   ｒ≦ｄ１＜ａである
   ことを特徴とする請求項２に記載の溶接方法。
4. 前記レーザ光の集光面積は前記端面の総面積の１パーセント～３０パーセントである
   ことを特徴とする請求項３に記載の溶接方法。
5. 前記レーザ光の出力パワーは、５００Ｗ～２ｋＷである
   ことを特徴とする請求項４に記載の溶接方法。
6. 前記端面における前記レーザ光のエネルギー強度分布は、前記照射領域の略中心部分において最も強く、前記照射領域の前記略中心部以外の領域において弱くなり、前記照射領域外がゼロである
   ことを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の溶接方法。
7. 前記溶接方法は、さらに、
   前記レーザ光と波長が異なる第２のレーザ光を前記端面に対して旋回照射し、
   前記第２のレーザ光の集光径は、前記レーザ光の集光径より小さい
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
8. 前記レーザ光の光軸と前記第２のレーザ光の光軸とが一致している
   ことを特徴とする請求項７に記載の溶接方法。
9. 前記第２のレーザ光の波長は、７８０ｎｍ～１１００ｎｍである
   ことを特徴とする請求項８に記載の溶接方法。
10. 前記第２のレーザ光の集光径は、前記レーザ光の集光径の１０分の１以下である
    ことを特徴とする請求項９に記載の溶接方法。
11. 前記第２のレーザ光の集光径は、１０μｍ～１００μｍである
    ことを特徴とする請求項９に記載の溶接方法。
12. 前記レーザ光および前記第２のレーザ光を、旋回速度１００～１０００ｍｍ／ｓで旋回させる
    ことを特徴とする請求項７から請求項１１の何れか一項に記載の溶接方法。
13. 前記レーザ光および前記第２のレーザ光の照射時間は、５０ｍｓｅｃ以上である
    ことを特徴とする請求項７から請求項１２の何れか一項に記載の溶接方法。
14. 前記第１部材と前記第２部材とは、ステータ用のコイルを構成する断面矩形の平角導体であって、
    前記レーザ装置に対向して配置される２つの平角導体の端部を突き合わせて前記レーザ光および前記第２のレーザ光により溶接することにより前記端面に溶融玉を形成する
    ことを特徴とする請求項１から請求項１３の何れか一項に記載の溶接方法。
15. 前記レーザ光および前記第２のレーザ光の照射と同時若しくは照射前から、照射が終了するまで若しくはそれ以上、前記端面に対して、流量が５Ｌ／ｍｉｎ～１００Ｌ／ｍｉｎ、前記端面に対する傾き角度が０～９０°で窒素を吹き付ける
    ことを特徴とする請求項１から請求項１４の何れか一項に記載の溶接方法。
16. レーザ装置に対向して配置される第１部材および第２部材の端部を突き合わせて、レーザ光により溶接する溶接方法であって、
    前記レーザ光は、波長が異なる第１レーザ光と第２レーザ光とから成り、
    前記レーザ光を前記端面の略中心に対し所定の旋回径で旋回照射することにより、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が前記端面に対して環状に照射され、
    前記第２レーザ光の集光径は、前記第１レーザ光の集光径より小さい
    ことを特徴とする溶接方法。
17. 第１部材および第２部材の端部を突き合わせて溶接するレーザ装置であって、
    レーザ光を発振する発振器と、
    前記レーザ光を前記端面の略中心に対し所定の旋回径で旋回照射するガルバノスキャナ部とを備え、
    前記レーザ光の集光径は、前記旋回径と同一または前記旋回径より大きく、
    旋回照射による前記レーザ光の照射領域は、前記第１部材および前記第２部材に跨っている
    ことを特徴とするレーザ装置。
18. 第１部材および第２部材の端部を突き合わせて溶接するレーザ装置であって、
    第１レーザ光を発振する第１発振器と、
    前記第１レーザ光と波長が異なる第２レーザ光を発振する第２発振器と、
    前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを同一の光軸上に重畳するコンバイナ部と、
    前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記端面の略中心に対し所定の旋回径で旋回照射するガルバノスキャナ部とを備え、
    前記第１レーザ光の集光径は、前記旋回径と同一または前記旋回径より大きく、
    前記第２レーザ光の集光径は、前記第１レーザ光の集光径より小さい
    ことを特徴とするレーザ装置。
19. 第１部材および第２部材の端部を突き合わせて溶接するレーザ装置であって、
    第１レーザ光を発振する第１発振器と、
    前記第１レーザ光と波長が異なる第２レーザ光を発振する第２発振器と、
    前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記端面の略中心に対し所定の旋回径で旋回照射する１以上のガルバノスキャナ部とを備え、
    前記第１レーザ光および前記第２レーザ光が前記端面に対して環状に照射され、
    前記第２レーザ光の集光径は、前記第１レーザ光の集光径より小さい
    ことを特徴とするレーザ装置。
    
    

Images