JP2024052263A - 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、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、レーザ光を加工対象の表面に照射するとともに当該表面上で相対的に走査することにより、当該加工対象を溶融して溶接を行う、レーザ溶接方法であって、レーザ光は、それぞれ表面上にスポットを形成する複数の第一レーザ光と、当該第一レーザ光とは異なる波長の第二レーザ光と、を含む。また、レーザ溶接装置は、例えば、第一レーザ光を出力する第一レーザ装置と、第一レーザ光とは異なる波長の第二レーザ光を出力する第二レーザ装置と、第一レーザ装置からの第一レーザ光および第二レーザ装置からの第二レーザ光を含むレーザ光を加工対象の表面に照射する光学ヘッドと、を備え、光学ヘッドから出力されたレーザ光を表面上で走査することにより、加工対象のレーザ光が照射された部分を溶融して溶接を行う。
【選択図】図５

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。

従来、金属部材をレーザ溶接するレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２）。

特開２０２１－１９１５８９号公報 特開２０２２－０５６７６６号公報

この種のレーザ溶接においては、例えば、加工品質をより向上することが可能になるとともに、溶接部の溶け込み深さをより深くすることが可能になるレーザ溶接方法が得られれば、有益である。

そこで、本発明の課題の一つは、例えば、加工品質をより向上することが可能になるとともに、溶接部の溶け込み深さをより深くすること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、レーザ光を加工対象の表面に照射するとともに当該表面上で相対的に走査することにより、当該加工対象を溶融して溶接を行う、レーザ溶接方法であって、前記レーザ光は、それぞれ前記表面上にスポットを形成する複数の第一レーザ光と、当該第一レーザ光とは異なる波長の第二レーザ光と、を含む。

前記レーザ溶接方法では、前記第一レーザ光の波長は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下であり、前記第二レーザ光の波長は、６００［ｎｍ］以下であってもよい。

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、前記第一レーザ光は、前記表面上に三つ以上のスポットを形成してもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第二レーザ光のスポットは、前記第一レーザ光のスポットより広くてもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一レーザ光の複数のスポットは、前記第二レーザ光のスポットと少なくとも部分的に重なったスポットを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一レーザ光の複数のスポットは、前記第二レーザ光のスポットから外れたスポットを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一レーザ光の複数のスポットは、互いに部分的に重なり合った複数のスポットを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一レーザ光の複数のスポットは、互いに離れた複数のスポットを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一レーザ光の複数のスポットは、周状に配置された複数のスポットを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一レーザ光の複数のスポットは、略環状に配置された複数のスポットを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一レーザ光の複数のスポットは、中心が格子点状に配置された複数のスポットを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一レーザ光の複数のスポットは、第一スポットと、当該第一スポットとずれるとともに当該第一スポットとは反対側が凸となるように屈曲または湾曲した形状に並べて配置された複数の第二スポットと、を含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記複数の第二スポットは、環状に配置された複数の第二スポットを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記複数の第二スポットは、前記第一スポットとは反対側が凸となるように屈曲または湾曲した線分状または塊状に配置された複数の第二スポットを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一スポットのパワー密度は、前記第二スポットのパワー密度より高くてもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一スポットは、前記第二レーザ光とともにまたは前記第二レーザ光によらず前記加工対象にキーホールを形成可能な一つのスポットまたはスポット群を含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第二スポットは、前記第二レーザ光とともにまたは前記第二レーザ光によらず前記加工対象をキーホールを形成せずに溶融可能なスポット群を含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記複数の第二スポットは、前記第一スポットを取り囲むように略多重環状に配置された複数の第二スポットを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第二スポットは、前記表面上において前記第一スポットに対して前記レーザ光の走査方向の前方に位置された第二スポットを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第二スポットは、前記表面上において前記第一スポットに対して前記レーザ光の走査方向の後方に位置された第二スポットを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一レーザ光の複数のスポットおよび前記第二レーザ光のスポットは、前記表面における前記レーザ光の照射範囲内の基準点を通って前記表面上を延びる複数の仮想線に対する相対的な配置および形状が略同じになるよう形成されてもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一レーザ光の複数のスポットおよび前記第二レーザ光のスポットは、回転対称形状を有してもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記第一レーザ光の複数のスポットは、前記第一レーザ光がビームシェイパによって分岐されたレーザ光によって形成されてもよい。

前記レーザ溶接方法では、前記ビームシェイパは、回折光学素子であってもよい。

本発明のレーザ溶接装置は、例えば、第一レーザ光を出力する第一レーザ装置と、前記第一レーザ光とは異なる波長の第二レーザ光を出力する第二レーザ装置と、前記第一レーザ光を分岐し当該分岐された第一レーザ光および前記第二レーザ光を含むレーザ光を加工対象の表面に照射する光学ヘッドと、を備え、前記光学ヘッドから出力された前記レーザ光を前記表面上で走査することにより、前記加工対象の前記レーザ光が照射された部分を溶融して溶接を行う。

本発明によれば、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、第１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装置に含まれる回折光学素子の原理の概念を示す説明図である。 図３は、照射するレーザ光の波長に対する金属の光の吸収率を示すグラフである。 図４は、実施形態のレーザ溶接方法の手順を示す例示的なフローチャートである。 図５は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のスポットの一例を示す例示的かつ模式的な平面図である。 図６は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のスポットの一例を示す例示的かつ模式的な平面図である。 図７は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のスポットの一例を示す例示的かつ模式的な平面図である。 図８は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のスポットの一例を示す例示的かつ模式的な平面図である。 図９は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のスポットの一例を示す例示的かつ模式的な平面図である。 図１０は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のスポットの一例を示す例示的かつ模式的な平面図である。 図１１は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のスポットの一例を示す例示的かつ模式的な平面図である。 図１２は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のスポットの一例を示す例示的かつ模式的な平面図である。 図１３は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のスポットの一例を示す例示的かつ模式的な平面図である。 図１４は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のスポットの一例を示す例示的かつ模式的な平面図である。 図１５は、第２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。

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および効果は、一例である。本発明は、以下の実施形態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、当該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。

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、加工対象の表面の法線方向である。

また、以下の複数の実施形態は、同様の構成要素を含んでいる。各実施形態によれば、同様の構成要素に基づく同様の効果が得られる。以下では、同様の構成要素および同様の効果についての重複する説明は、省略される場合がある。

また、本明細書において、序数は、工程や、レーザ光、スポット、装置等を区別するために便宜上付与されており、優先度や順番を限定するものではない。

［実施形態］
［レーザ溶接装置の構成］
図１は、実施形態のレーザ溶接装置１００Ａ（１００）の概略構成図である。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と、レーザ装置１１２と、光学ヘッド１２０と、光ファイバ１３０と、を備えている。レーザ溶接装置１００は、レーザ光Ｌの照射により加工対象Ｗをレーザ溶接することができる。

レーザ装置１１１，１１２は、それぞれ、レーザ発振器を有しており、例えば、数ｋＷのパワーのレーザ光を出力できるよう構成されている。レーザ装置１１１，１１２は、それぞれ、４００［ｎｍ］以上１２００［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を出力する。レーザ装置１１１，１１２は、内部に、例えば、ファイバレーザや、半導体レーザ（素子）、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザのような、レーザ光源を有している。また、レーザ装置１１１，１１２は、複数の光源の出力の合計として、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。レーザ装置１１１は、第一レーザ光を出力し、レーザ装置１１２は、第二レーザ光を出力する。

光ファイバ１３０は、レーザ装置１１１，１１２と光学ヘッド１２０とを光学的に接続している。光ファイバ１３０は、それぞれ、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。

光学ヘッド１２０は、レーザ装置１１１，１１２からのレーザ光を、加工対象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、フィルタ１２４と、回折光学素子１２５（以下、単にＤＯＥ（diffractive optical element）と称する）と、ガルバノスキャナ１２６と、を備えている。コリメートレンズ１２１、集光レンズ１２２、ミラー１２３、フィルタ１２４、ＤＯＥ１２５、およびガルバノスキャナ１２６は、光学部品とも称される。

コリメートレンズ１２１（１２１－１，１２１－２）は、それぞれ、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し、ガルバノスキャナ１２６へ向かわせる。

フィルタ１２４は、第一レーザ光を透過し、かつ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。ミラー１２３からの第一レーザ光は、フィルタ１２４を透過し、ガルバノスキャナ１２６へ向かう。他方、コリメートレンズ１２１－２からの第二レーザ光は、フィルタ１２４で反射され、ガルバノスキャナ１２６へ向かう。

図２は、ＤＯＥ１２５の原理の概念を示す説明図である。図２に概念的に例示されるよう、ＤＯＥ１２５は、例えば、周期の異なる複数の回折格子１２５ａが重ね合わせられた構成を備えている。ＤＯＥ１２５は、平行光を、各回折格子１２５ａの影響を受けた方向に曲げたり、重ね合わせたりすることにより、ビーム形状を成形することができる。ＤＯＥ１２５は、入力された第一レーザ光を複数の第一レーザ光に分岐して出力する。ＤＯＥ１２５は、ビームシェイパの一例である。なお、光学ヘッド１２０は、第二レーザ光を分岐するＤＯＥ１２５を有してもよい。

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の出力方向を切り替え、これにより、加工対象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、例えば制御装置によって制御されたモータ（いずれも不図示）によって変更される。光学ヘッド１２０は、レーザ光Ｌを照射しながら、レーザ光Ｌの出力方向を変更することにより、加工対象Ｗの表面Ｗａ上で、レーザ光Ｌを相対的に走査することができる。

集光レンズ１２２は、ガルバノスキャナ１２６によって照射され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、加工対象Ｗへ照射する。加工対象Ｗの表面Ｗａには、集光レンズ１２２を経由したレーザ光Ｌのスポットが形成される。集光レンズ１２２すなわち光学ヘッド１２０から出力されるレーザ光Ｌには、第一レーザ光と第二レーザ光とが含まれる。

加工対象Ｗは、複数の金属部材、本実施形態では、一例としてＺ方向に積み重ねられた二つの金属部材１１，１２を含んでいる。金属部材１１，１２は、例えば、Ｚ方向と交差して広がった板状部材である。ただし、加工対象Ｗは、これには限定されず、金属部材の数は、３以上であってもよいし、箔や、線材のような、板状部材とは異なる部材であってもよい。また、金属部材１１，１２は、Ｚ方向と交差した方向に並んでもよい。

加工対象ＷのＺ方向の端部に位置する面は、加工対象Ｗの表面Ｗａであり、加工対象ＷのＺ方向の反対方向の端部に位置する面は、加工対象Ｗの裏面Ｗｂである。

レーザ光Ｌの照射により、表面Ｗａから金属部材１２を貫通して金属部材１１に至る溶接部１４が形成され、当該溶接部１４を介して金属部材１１と金属部材１２とが接合された金属接合体１０が形成される。言い換えると、金属接合体１０は、金属部材１１，１２と、溶接部１４と、を有している。溶接部１４は、溶接金属とも称される。

金属部材１１，１２は、例えば、純アルミニウムや、アルミニウム合金のようなアルミニウム系金属材料や、無酸素銅や銅合金のような銅系金属材料で作られてもよいし、これら以外の金属材料で作られてもよい。また、金属部材１１，１２、および溶接部１４は、導体であってもよい。この場合、溶接部１４は、金属部材１１と金属部材１２とを、電気的に接続する。

［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３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３のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図３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３に示されている各金属に関しては、赤外線（ＩＲ）のレーザ光を用いるよりも、より波長の短い青や緑のレーザ光を用いた方が、光エネルギの吸収率がより高いことが理解できる。

加工対象Ｗに対して、比較的吸収率の低い、比較的波長の長いレーザ光が照射された場合、当該加工対象Ｗにおいて光エネルギが反射されるため、加工対象Ｗに熱としての影響を及ぼし難くなる。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密度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。しかし、高いパワー密度のレーザ光の照射は、溶融池の不安定化を招き、スパッタやボイドの要因となる虞がある。

他方、加工対象Ｗに対して、比較的吸収率の高い、比較的波長の短いレーザ光が照射された場合、投入される光エネルギの多くが加工対象Ｗに吸収され、熱エネルギが得られやすい。すなわち、キーホールの形成を伴わず、熱伝導型の溶融となり、溶融池は安定化しやすい。

そこで、本実施形態では、光学ヘッド１２０から波長の異なる二つのレーザ光（第一レーザ光および第二レーザ光）を含むレーザ光Ｌを出力し、当該レーザ光Ｌを加工対象Ｗの表面Ｗａに照射することにより、金属部材１１，１２を溶接する。

レーザ装置１１１（図１参照）は、第二レーザ光よりも波長が長い第一レーザ光として、例えば、８００［ｎｍ］以上１２００［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を出力する。レーザ装置１１１は、レーザ光源として、例えば、ファイバレーザや半導体レーザ（素子）等を有する。

また、レーザ装置１１２は、第一レーザ光よりも波長が短い第二レーザ光として、例えば、６００［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を出力する。レーザ装置１１２は、レーザ光源として、例えば、半導体レーザ（素子）を有する。また、レーザ装置１１２は、吸収率がより高い４００［ｎｍ］以上５００［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光を出力するのがより好ましい。

［レーザ溶接方法］
図４は、レーザ溶接装置１００による加工対象Ｗのレーザ溶接の手順の一例を示すフローチャートである。まずは、不図示の治具等を用いて、金属部材１１，１２が一体的に保持された加工対象Ｗが、当該加工対象Ｗの表面Ｗａにレーザ光Ｌを照射可能な状態に、不図示の支持部材にセットされる（Ｓ１０１）。

次に、レーザ溶接装置１００の光学ヘッド１２０から、表面Ｗａに、レーザ光Ｌが相対的に走査されながら照射され、加工対象Ｗが部分的に溶融する（Ｓ１０２）。

次に、当該レーザ光Ｌの照射によって形成された溶融池が冷却され固化することにより、金属部材１１と金属部材１２とを接合した溶接部１４が形成される（Ｓ１０３）。

［スポットパターン］
以下、実施形態のレーザ溶接装置１００において表面Ｗａ上に形成されるスポットＳの例について説明する。図５～１４は、表面Ｗａ上に形成されたスポットＳの各例である。図５～１４に示されるように、スポットＳは、ＤＯＥ１２５によって分岐された第一レーザ光に基づく複数のスポットＳ１と、第二レーザ光に基づく一つのスポットＳ２と、を含んでいる。また、各図では、スポットＳ１は、実線の円で示され、スポットＳ２は、破線の円で示されている。なお、各スポットＳ，Ｓ１，Ｓ２の照射領域は、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度の領域として定義することができ、各スポットＳ，Ｓ１，Ｓ２の直径は、当該領域の直径として定義することができる。

［スポットパターン（１）］
図５は、表面Ｗａ上に形成されるレーザ光ＬのスポットＳの一例を示す。図５の例では、スポットＳは、３個のスポットＳ１を含んでいる。

スポットＳ２は、各スポットＳ１よりも広く、かつ各スポットＳ１の群の占有面積よりも広い。また、全てのスポットＳ１は、全体的にスポットＳ２と重なっている。すなわち、スポットＳ１は、全て、スポットＳ２の外縁内、言い換えるとスポットＳ２の照射領域内に位置し、スポットＳ２の外にははみ出していない。

複数のスポットＳ１は、表面Ｗａ上で、各スポットＳ１が仮想的な多角形（図５の例では、三角形）の頂点を含むように配置されている。図５の例では、各スポットＳ１の中心は、仮想的な正三角形の頂点と略一致している。また、スポットＳ１は、互いに部分的に重なり合っている。

スポットＳは、表面Ｗａにおけるレーザ光Ｌの照射範囲内の基準点Ｃを通って表面Ｗａ上を延びる複数の仮想線ＶＬに対する相対的な配置および形状が略同じになるように、形成されている。図５の例では、基準点Ｃを通り、当該基準点Ｃにおける中心角の１２０°間隔で配置された３本の仮想線ＶＬについて、各仮想線ＶＬに対するスポットＳ１，Ｓ２の相対的な配置および形状が、略同じである。この場合、スポットＳは、３回回転対称形状を有している。このような構成とすることにより、例えば、仮想線ＶＬに沿った三つのＳＤ方向への各走査においては、スポットＳを回転することなく、レーザ光Ｌの照射による同様の作用および効果を得ることができる。したがって、例えば、光学ヘッド１２０を回転する必要がなくなる分、溶接をより迅速に行うことができるという利点が得られる。なお、図５に示した走査方向ＳＤおよび仮想線ＶＬは一例であって、なお、図５のスポットＳは、図５に示したものとは異なる走査方向ＳＤについても同様の効果が得られる。

各スポットＳ１のパワー密度は、スポットＳ２のパワー密度よりも高い。また、複数のスポットＳ１（スポット群）のパワー密度や、配置、面積、数等のスペックは、スポットＳ２とともに、あるいは仮にスポットＳ２が照射されていない場合にあっても、加工対象Ｗにキーホールを形成することができるよう、設定されている。加工対象Ｗのスペックや、溶接部１４の深さや幅等のスペック、走査速度のような溶接条件、各スポットＳ１，Ｓ２のパワー密度の設定等によっては、図５のようなスポットＳが好適となる場合がある。

［スポットパターン（２）］
図６は、表面Ｗａ上に形成されるレーザ光ＬのスポットＳの別の一例を示す。図６の例では、スポットＳは、４個のスポットＳ１を含んでいる。また、複数のスポットＳ１は、表面Ｗａ上で、各スポットＳ１が仮想的な四角形の頂点を含むように配置されている。図６の例では、各スポットＳ１の中心は、仮想的な正方形の頂点と略一致している。そして、図６の例では、スポットＳは、基準点Ｃを通り、当該基準点Ｃにおける中心角の９０°間隔で配置された二つの仮想線ＶＬについて、各仮想線ＶＬに対するスポットＳ１，Ｓ２の相対的な配置および形状が、略同じである。この場合、スポットＳは、４回回転対称形状を有している。このような構成とすることにより、例えば、仮想線ＶＬに沿った四つのＳＤ方向への各走査においては、スポットＳを回転することなく、レーザ光Ｌの照射による同様の作用および効果を得ることができる。なお、図６のスポットＳは、図６に示したものとは異なる走査方向ＳＤについても同様の効果が得られる。加工対象Ｗのスペックや、溶接部１４の深さや幅等のスペック、走査速度のような溶接条件、各スポットＳ１，Ｓ２のパワー密度の設定等によっては、図６のようなスポットＳが好適となる場合がある。

［スポットパターン（３）］
図７は、表面Ｗａ上に形成されるレーザ光ＬのスポットＳの別の一例を示す。図７の例では、スポットＳは、１６個のスポットＳ１を含んでいる。また、スポットＳは、中央部に非照射領域Ｎを有し、複数のスポットＳ１は、当該非照射領域Ｎの周囲に略環状に配置されている。そして、図７の例でも、図６の例と同様、スポットＳは、基準点Ｃを通り、当該基準点Ｃにおける中心角の９０°間隔で配置された二つの仮想線ＶＬについて、各仮想線ＶＬに対するスポットＳ１，Ｓ２の相対的な配置および形状が、略同じである。すなわち、この場合も、スポットＳは、４回回転対称形状を有している。なお、例えば、複数のスポットＳ１を、基準点Ｃを中心とする仮想的な円周に沿って略等間隔（等角度間隔）で配置することにより、スポットＳを４回以上の回転対称形状とすることも可能である。加工対象Ｗのスペックや、溶接部１４の深さや幅等のスペック、走査速度のような溶接条件、各スポットＳ１，Ｓ２のパワー密度の設定等によっては、図７のようなスポットＳが好適となる場合がある。

［スポットパターン（４）］
図８は、表面Ｗａ上に形成されるレーザ光ＬのスポットＳの別の一例を示す。図８の例では、スポットＳは、１１２個のスポットＳ１を含んでいる。また、複数のスポットＳ１の中心は、表面Ｗａ上で、正方格子の格子点状に配置されている。そして、図８の例でも、図６，７の例と同様、スポットＳは、基準点Ｃを通り、当該基準点Ｃにおける中心角の９０°間隔で配置された二つの仮想線ＶＬについて、各仮想線ＶＬに対するスポットＳ１，Ｓ２の相対的な配置および形状が、略同じである。すなわち、この場合も、スポットＳは、４回回転対称形状を有している。加工対象Ｗのスペックや、溶接部１４の深さや幅等のスペック、走査速度のような溶接条件、各スポットＳ１，Ｓ２のパワー密度の設定等によっては、図８のようなスポットＳが好適となる場合がある。なお、図８の複数のスポットＳ１は、互いに離れて配置されたが、これには限定されず、隣り合うスポットＳ１は互いに重なりあってもよい。この場合、複数のスポットＳ１は、隣り合う複数のスポットＳ１間に非照射領域が存在しない状態となるように互いに重なりあってもよい。

スポットパターン（１）～（４）によれば、複数のスポットＳ１およびスポットＳ２によって、所要の深さのキーホールを有するとともに、当該キーホールの周辺部分では温度分布が比較的緩やかな溶融池を形成することができる。スポットＳ２は、加工対象Ｗの溶融の促進による溶融池の面積の拡大に寄与し、複数のスポットＳ１、特に表面Ｗａ上で３箇所以上にずれて配置された複数のスポットＳ１は、キーホールの形成と、溶融池の面積の拡大に寄与する。これらの場合において、溶融池のＺ方向と交差した方向の位置に応じた温度分布は、例えば、一つの高いピークを有するガウシアン形状よりも、ピークが低いあるいは見られないトップハット形状や、温度差の比較的小さい複数のピークを有したなだらかな形状に近い分布となるものと推定される。したがって、スポットパターン（１）～（４）によれば、例えば、加工対象ＷがＺ方向に長い（厚い）ような場合にもＺ方向に所要の深さを有した溶接部１４を形成することができるとともに、Ｓ１０２において溶融池の激しい動きを抑制できる分、スパッタやブローホールの少ないより高品質な溶接部１４を形成することができる、という利点が得られる。なお、スポットＳ１，Ｓ２のパワー密度や、大きさ、配置、数等のスペックは、例示した態様から適宜に変更して実施することができる。

［スポットパターン（５）］
図９は、表面Ｗａ上に形成されるレーザ光ＬのスポットＳの別の一例を示す。図９の例では、第一レーザ光のスポットＳ１は、図中に太い実線で示すパワー密度の比較的高いスポットＳ１１と、図中に細い実線で示すパワー密度の比較的低いスポットＳ１２と、を含んでいる。複数のスポットＳ１２は、スポットＳ１１の周囲を間隔をあけて取り囲むように略環状に配置されている。なお、複数のスポットＳ１２は、スポットＳ１１とずれるとともに当該スポットＳ１１とは反対側が凸となるように湾曲した形状に配置されているということができる。スポットＳ１１，Ｓ１２（Ｓ１）は、全て、第二レーザ光のスポットＳ２内に位置している。また、スポットＳ１１とスポットＳ２とは、基準点Ｃについて、同心円状に配置されている。スポットＳ１１は、第一スポットの一例であり、スポットＳ１２は、第二スポットの一例である。

スポットＳ１１のパワー密度は、スポットＳ２とともにあるいはスポットＳ２によらず、加工対象Ｗにキーホールを形成可能な高さに設定されている。また、複数のスポットＳ１２のパワー密度は、スポットＳ２とともにあるいはスポットＳ２によらず、スポットＳ１１の照射領域の周辺において加工対象Ｗをキーホールを形成することなく溶融可能な高さに設定されている。複数のスポットＳ１２は、スポット群とも称されうる。

また、図９の例の場合も、スポットＳ１１，Ｓ１２およびスポットＳ２の、パワー密度や、大きさ、配置、数等のスペックの適宜な調整により、所要の深さのキーホールを有するとともに、当該キーホールの周辺部分では温度分布が比較的緩やかな溶融池を形成することができる。加工対象Ｗのスペックや、溶接部１４の深さや幅等のスペック、走査速度のような溶接条件、各スポットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２のパワー密度の設定等によっては、図９のようなスポットＳが好適となる場合がある。

そして、図９の例でも、図６～８の例と同様、スポットＳは、基準点Ｃを通り、当該基準点Ｃにおける中心角の９０°間隔で配置された二つの仮想線ＶＬについて、各仮想線ＶＬに対するスポットＳ１，Ｓ２の相対的な配置および形状が、略同じである。すなわち、この場合も、スポットＳは、４回回転対称形状を有している。また、いずれの走査方向ＳＤに走査された場合にあっても、複数のスポットＳ１２は、スポットＳ１１に対して走査方向の前方に位置するスポットＳ１２と、スポットＳ１１に対して走査方向の前方に位置するスポットＳ１２とを含んでいる。また、このように、スポットＳ１としてスポットＳ１１，Ｓ１２を有する場合も、例えば、当該複数のスポットＳ１１，Ｓ１２を、基準点Ｃを中心とする仮想的な円周に沿って略等間隔（等角度間隔）で配置することにより、スポットＳを４回以上の回転対称形状とすることが可能である。

［スポットパターン（６）］
図１０は、表面Ｗａ上に形成されるレーザ光ＬのスポットＳの別の一例を示す。図１０の例では、第一レーザ光のスポットＳ１は、図中により太い実線で示すパワー密度の比較的高いスポットＳ１１と、図中により細い実線で示すパワー密度の比較的低いスポットＳ１２１，Ｓ１２２と、を含んでいる。複数のスポットＳ１２１は、スポットＳ１１の周囲を間隔をあけて取り囲むように略環状に配置されている。また、複数のスポットＳ１２２は、スポットＳ１１の周囲を間隔をあけて取り囲むように略環状に配置されている。複数のスポットＳ１２１および複数のスポットＳ１２２は、スポットＳ１１を取り囲むように略多重環状に配置されている。スポットＳ１１，Ｓ１２１は、全て、第二レーザ光のスポットＳ２内に位置している。また、スポットＳ１２２は、スポットＳ２の外縁上に、当該外縁に略沿って配置されている。すなわち、全てのスポットＳ１２２は、スポットＳ２と部分的に重なっている。言い換えると、スポットＳ１２２は、それぞれ、スポットＳ２と重なる領域と、スポットＳ２とは重ならず当該スポットＳ２からはみ出した領域と、を有している。スポットＳ１１は、第一スポットの一例であり、スポットＳ１２１，Ｓ１２２は、第二スポットの一例である。

スポットＳ１２１のパワー密度およびスポットＳ１２２のパワー密度は、スポットＳ２とともにあるいはスポットＳ２によらず、スポットＳ１１の照射領域の周辺において加工対象Ｗをキーホールを形成することなく溶融可能な高さに設定されている。複数のスポットＳ１２１および複数のスポットＳ１２２は、それぞれ、スポット群とも称されうる。また、Ｓ１２２のパワー密度は、スポットＳ１２１のパワー密度およびスポットＳ１１のパワー密度よりも低い。また、スポットＳ１２２の数は、スポットＳ１２１の数よりも大きい。この場合、スポットＳ１２２の照射領域におけるパワー密度は、スポットＳ１２１の照射領域におけるパワー密度よりも低い。

また、図１０の例でも、図６～９の例と同様、スポットＳは、基準点Ｃを通り、当該基準点Ｃにおける中心角の９０°間隔で配置された二つの仮想線ＶＬについて、各仮想線ＶＬに対するスポットＳ１，Ｓ２の相対的な配置および形状が、略同じである。すなわち、この場合も、スポットＳは、４回回転対称形状を有している。加工対象Ｗのスペックや、溶接部１４の深さや幅等のスペック、走査速度のような溶接条件、各スポットＳ１１，Ｓ１２１，Ｓ１２２，Ｓ２のパワー密度の設定等によっては、図１０のようなスポットＳが好適となる場合がある。

［スポットパターン（７）］
図１１は、表面Ｗａ上に形成されるレーザ光ＬのスポットＳの別の一例を示す。図１１のスポットＳも、図９のスポットＳと同様、スポットＳ１として、パワー密度および基準点Ｃからの距離が異なる複数のスポットＳ１１，Ｓ１２を含んでいる。ただし、この例では、スポットＳ１１とＳ１２とが密着して配置されている。加工対象Ｗのスペックや、溶接部１４の深さや幅等のスペック、走査速度のような溶接条件、各スポットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２のパワー密度の設定等によっては、図１１のようなスポットＳが好適となる場合がある。

［スポットパターン（８）］
図１２は、表面Ｗａ上に形成されるレーザ光ＬのスポットＳの別の一例を示す。図１２のスポットＳも、図９のスポットＳと同様、スポットＳ１として、パワー密度および基準点Ｃからの距離が異なる複数のスポットＳ１１，Ｓ１２を含んでいる。ただし、この例では、複数のスポットＳ１２は、図９のように略環状に配置されるのではなく、スポットＳ１１の周囲の一部において、すなわち、当該スポットＳ１１の片側、走査方向ＳＤの前方において、当該スポットＳ１１を取り囲むように、略半円状、略円弧状、かつ線状に配置されている。これら複数のスポットＳ１２は、全体として、スポットＳ１１とずれるとともに当該スポットＳ１１とは反対側が凸となるように屈曲または湾曲した形状に配置されている。また、図１２の例では、複数のスポットＳ１２は、スポットＳ１１に対して走査方向ＳＤにおいて前方に位置する複数のスポットＳ１２と、スポットＳ１１に対して走査方向ＳＤと交差した方向に略並んだ複数のスポットＳ１２と、を含んでいる。加工対象Ｗのスペックや、溶接部１４の深さや幅等のスペック、走査速度のような溶接条件、各スポットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２のパワー密度の設定等によっては、図１２のようなスポットＳが好適となる場合がある。

［スポットパターン（９）］
図１３は、表面Ｗａ上に形成されるレーザ光ＬのスポットＳの別の一例を示す。図１３のスポットＳも、図９のスポットＳと同様、スポットＳ１として、パワー密度および基準点Ｃからの距離が異なる複数のスポットＳ１１，Ｓ１２を含んでいる。ただし、この例では、複数のスポットＳ１２は、図９のように略環状に配置されるのではなく、図１２と同様に、スポットＳ１１の周囲の一部において、すなわち、当該スポットＳ１１の片側、走査方向ＳＤの前方において、当該スポットＳ１１を取り囲むように、略半円状、略円弧状、比較的太い線状、あるいは塊状に、配置されている。これら複数のスポットＳ１２は、全体として、スポットＳ１１とずれるとともに当該スポットＳ１１とは反対側が凸となるように屈曲または湾曲した形状に配置されている。また、図１２の例とは、スポットＳ１２の数が異なるとともに、複数のスポットＳ１２を有するスポット群の幅、すなわち基準点Ｃに対する径方向におけるスポット群の幅が、図１２の例よりも広くなっている。さらに、スポットＳ１は、複数のスポットＳ１１を含んでいる。図１３の例では、三つのスポットＳ１１が、走査方向ＳＤと交差した方向に互いに接するように並んでいる。ただし、図１３は一例であって、スポットＳ１１の数はこれには限定されないし、互いに離れてもよいし、走査方向ＳＤに多少ずれてもよい。加工対象Ｗのスペックや、溶接部１４の深さや幅等のスペック、走査速度のような溶接条件、各スポットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２のパワー密度の設定等によっては、図１３のようなスポットＳが好適となる場合がある。

［スポットパターン（１０）］
図１４は、表面Ｗａ上に形成されるレーザ光ＬのスポットＳの別の一例を示す。図１４のスポットＳも、図９のスポットＳと同様に、スポットＳ１としてのスポットＳ１１，Ｓ１２およびスポットＳ２を含んでいる。ただし、図１４の例では、スポットＳ２と、スポットＳ１１，Ｓ１２の配置領域とが互いにずれている。具体的に、スポットＳ２の重心Ｃ２が、複数のスポットＳ１１，Ｓ１２の重心Ｃ１に対して、走査方向ＳＤの前方にずれている。この場合、スポットＳ２に対する第二レーザ光の照射によって、スポットＳ１に対する第一レーザ光の照射に先立って加工対象Ｗが加熱される分、加工対象Ｗの場所による温度差をよりなだらかにし、ひいては溶融池をより安定化して、スパッタやブローホールの形成を抑制できることがある。また、複数のスポットＳ１２は、スポットＳ２から外れたスポットＳ１２を含んでいる。加工対象Ｗのスペックや、溶接部１４の深さや幅等のスペック、走査速度のような溶接条件、各スポットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２のパワー密度の設定等によっては、図１４のようなスポットＳが好適となる場合がある。なお、重心Ｃ１，Ｃ２は、スポットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２を表面Ｗａ上の平面図形と見做した場合の幾何中心である。

スポットパターン（５）～（１０）によれば、スポットＳが、スポットＳ１として、パワー密度および配置が異なる複数のスポットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１２１，Ｓ１２２等を有することにより、溶融池の温度分布をより緻密に調整することができ、ひいては溶融池のより一層好適な温度分布を得ることが可能となる。したがって、スポットパターン（５）～（１０）によれば、例えば、加工対象ＷがＺ方向に長い（厚い）ような場合にもＺ方向に所要の深さを有した溶接部１４を形成することができるとともに、Ｓ１０２において溶融池の激しい動きを抑制できる分、スパッタやブローホールの少ないより高品質な溶接部１４を形成することができる、という利点が得られる。なお、スポットＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１２１，Ｓ１２２，Ｓ２のパワー密度や、大きさ、配置、数等のスペックは、例示した態様から適宜に変更して実施することができる。

［第２実施形態］
図１５は、第２実施形態のレーザ溶接装置１００Ｂ（１００）の概略構成図である。本実施形態では、レーザ溶接装置１００Ｂは、ガルバノスキャナ１２６に替えて、光学ヘッド１２０を移動する移動機構１４０を備えている。移動機構１４０は、加工対象Ｗに対して相対的に光学ヘッド１２０を動かすことにより、レーザ光Ｌのスポットを表面Ｗａ上で走査することができる。なお、レーザ溶接装置１００は、移動機構１４０およびガルバノスキャナ１２６の双方を備えてもよい。

以上、本発明の実施形態が例示されたが、上記実施形態は一例であって、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、複数のビームを有したレーザ光は、本実施形態とは異なる構造あるいは方法によって実現してもよい。例えば、複数の導波路を有した光伝送部材の当該導波路に、それぞれ別の光源からのレーザ光あるいは一つの光源からのレーザ光を分岐したレーザ光を結合し、当該光伝送部材から複数のビームを含むレーザ光を出力してもよい。この場合、各光源の出力の変更や各導波路への分岐比の変更により、レーザ光における各ビームの強度、すなわちレーザ光における強度分布を、変更することができる。また、各導波路の数や、形状、レイアウトに応じて、レーザ光におけるビームの数や、大きさ、レイアウトを変更することができる。複数の導波路を有した光伝送部材とは、例えば、マルチコア光ファイバである。この場合、複数の導波路は、例えば、光ファイバの中心軸付近に位置するセンタコアと、当該センタコアを例えば同心状に取り囲む１以上のリングコアとを含んでもよい。また、音響光学素子等の空間変調手段により各導波路に結合されるレーザ光の光路、ひいては各導波路へのレーザ光の結合比を変更し、これにより、レーザ光におけるビームの強度やレイアウトを、変更してもよい。さらに、位相関係が制御された複数のレーザ光を、光伝送部材において所定の位置関係で配列された各導波路でそれぞれ伝送し、光伝送部材から出力された複数のビームを干渉させて、加工対象上の加工点（照射点）におけるレーザ光の強度分布や、形状、レイアウト等を設定してもよい。この場合、複数のレーザ光の位相関係を変更することによって、レーザ光の干渉状態が変化し、これにより加工点におけるレーザ光の強度分布、形状やレイアウトを変更することができる。なお、光伝送部材は、例えば、複数のシングルコア光ファイバで構成されてもよい。

１０…金属接合体
１１…金属部材
１２…金属部材
１４…溶接部
１６
１００，１００Ａ，１００Ｂ…レーザ溶接装置
１１１，１１２…レーザ装置
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…フィルタ
１２５…回折光学素子（ＤＯＥ）
１２５ａ…回折格子
１２６…ガルバノスキャナ
１２６ａ，１２６ｂ…ミラー
１３０…光ファイバ
１４０…移動機構
Ｃ…基準点
Ｃ１，Ｃ２…重心
Ｌ…レーザ光
Ｎ…非照射領域
Ｓ…スポット
Ｓ１…スポット
Ｓ２…スポット
Ｓ１１，Ｓ１２…スポット
Ｓ１２１…スポット（第一スポット）
Ｓ１２２…スポット（第二スポット）
ＳＤ…走査方向
Ｗ…加工対象
Ｗａ…表面
Ｗｂ…裏面
Ｘ…方向
Ｙ…方向
Ｚ…方向

Claims (26)

1. レーザ光を加工対象の表面に照射するとともに当該表面上で相対的に走査することにより、当該加工対象を溶融して溶接を行う、レーザ溶接方法であって、
   前記レーザ光は、それぞれ前記表面上にスポットを形成する複数の第一レーザ光と、当該第一レーザ光とは異なる波長の第二レーザ光と、を含むレーザ溶接方法。
2. 前記第一レーザ光の波長は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下であり、前記第二レーザ光の波長は、６００［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２に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記第一レーザ光は、前記表面上に三つ以上のスポットを形成する、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
5. 前記第二レーザ光のスポットは、前記第一レーザ光のスポットより広い、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
6. 前記第一レーザ光の複数のスポットは、前記第二レーザ光のスポットと少なくとも部分的に重なったスポットを含む、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
7. 前記第一レーザ光の複数のスポットは、前記第二レーザ光のスポットから外れたスポットを含む、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
8. 前記第一レーザ光の複数のスポットは、互いに部分的に重なり合った複数のスポットを含む、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
9. 前記第一レーザ光の複数のスポットは、互いに離れた複数のスポットを含む、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
10. 前記第一レーザ光の複数のスポットは、周状に配置された複数のスポットを含む、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
11. 前記第一レーザ光の複数のスポットは、略環状に配置された複数のスポットを含む、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
12. 前記第一レーザ光の複数のスポットは、中心が格子点状に配置された複数のスポットを含む、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
13. 前記第一レーザ光の複数のスポットは、第一スポットと、当該第一スポットとずれるとともに当該第一スポットとは反対側が凸となるように屈曲または湾曲した形状に並べて配置された複数の第二スポットと、を含む、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
14. 前記複数の第二スポットは、環状に配置された複数の第二スポットを含む、請求項１３に記載のレーザ溶接方法。
15. 前記複数の第二スポットは、前記第一スポットとは反対側が凸となるように屈曲または湾曲した線分状または塊状に配置された複数の第二スポットを含む、請求項１３に記載のレーザ溶接方法。
16. 前記第一スポットのパワー密度は、前記第二スポットのパワー密度より高い、請求項１３に記載のレーザ溶接方法。
17. 前記第一スポットは、前記第二レーザ光とともにまたは前記第二レーザ光によらず前記加工対象にキーホールを形成可能な一つのスポットまたはスポット群を含む、請求項１６に記載のレーザ溶接方法。
18. 前記第二スポットは、前記第二レーザ光とともにまたは前記第二レーザ光によらず前記加工対象をキーホールを形成せずに溶融可能なスポット群を含む、請求項１７に記載のレーザ溶接方法。
19. 前記複数の第二スポットは、前記第一スポットを取り囲むように略多重環状に配置された複数の第二スポットを含む、請求項１４に記載のレーザ溶接方法。
20. 前記第二スポットは、前記表面上において前記第一スポットに対して前記レーザ光の走査方向の前方に位置された第二スポットを含む、請求項１３に記載のレーザ溶接方法。
21. 前記第二スポットは、前記表面上において前記第一スポットに対して前記レーザ光の走査方向の後方に位置された第二スポットを含む、請求項１３に記載のレーザ溶接方法。
22. 前記第一レーザ光の複数のスポットおよび前記第二レーザ光のスポットは、前記表面における前記レーザ光の照射範囲内の基準点を通って前記表面上を延びる複数の仮想線に対する相対的な配置および形状が略同じになるよう形成される、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
23. 前記第一レーザ光の複数のスポットおよび前記第二レーザ光のスポットは、回転対称形状を有した、請求項４に記載のレーザ溶接方法。
24. 前記第一レーザ光の複数のスポットは、前記第一レーザ光がビームシェイパによって分岐されたレーザ光によって形成される、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
25. 前記ビームシェイパは、回折光学素子である、請求項２４に記載のレーザ溶接方法。
26. 第一レーザ光を出力する第一レーザ装置と、
    前記第一レーザ光とは異なる波長の第二レーザ光を出力する第二レーザ装置と、
    前記第一レーザ光を分岐し当該分岐された第一レーザ光および前記第二レーザ光を含むレーザ光を加工対象の表面に照射する光学ヘッドと、
    を備え、
    前記光学ヘッドから出力された前記レーザ光を前記表面上で走査することにより、前記加工対象の前記レーザ光が照射された部分を溶融して溶接を行う、レーザ溶接装置。

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