JP7213439B2 - レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置に関する。

レーザ溶接は、被溶接物であるワークに照射されるレーザ光のパワー密度が高いため、高速かつ高品質の溶接を行うことができる。特に、レーザ光をワークの表面で高速にスキャンしながら溶接を行うスキャニング溶接では、溶接をしない期間中にレーザビームを次の溶接点へ高速に移動することができるため、トータルな溶接時間を短縮することができる（例えば、特許文献１参照）。また、レーザ光のスキャニング方法に関しては、ワークの表面にリサージュパターンを描くようにレーザ光を走査する方法が、従来提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。

特開２００５－０９５９３４号公報 特開昭６０－１７７９８３号公報 特開平１１－１０４８７７号公報

ところで、特許文献２，３に示される従来の構成では、通常、リサージュパターンが、その中心点（以下、原点ともいう）に関し、対称な形状となるように描画される。

しかし、実際に溶接されるワークは、種々の形状を有している。例えば、異なる厚さの板材を突き合わせ溶接する場合、板材の突き合わせ部分に対応する溶接線の両側で、ワークの熱容量が非対称となる。また、ワークの継手形状によっては、同様に、溶接線の両側で、ワークの熱容量が非対称となることがある。

この場合、前述した対称形状のリサージュパターンを描くようにレーザ光を照射して溶接を行うと、ワークの熱容量の非対称性に起因して、溶接線の両側で溶接ビードの形状が異なってしまうおそれがあった。例えば、ワークの溶接部位のうち、熱容量の小さい側に合わせてレーザ光の出力を調整すると、反対側にある熱容量の大きい部分では入熱量が不足するため、良好な形状の溶接ビードを得ることが難しかった。また、熱容量の大きい側に合わせてレーザ光の出力を調整すると、反対側にある熱容量の小さい部分では入熱量が過多となるため、溶け落ち等の溶接不良を生じるおそれがあった。また、このような問題は、レーザ光の走査パターンがリサージュパターンでない場合、例えば、２つの円形のパターンが一点で接して連続したパターンである場合にも生じる。

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、ワークの表面に所定のパターンを描くようにレーザ光を照射するレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置であって、ワークに形成される溶接ビードの形状を良好なものとすることができるレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本開示に係るレーザ溶接方法は、レーザ光を第１方向に進行させながら、前記レーザ光を二次元的に走査してワークの表面に照射することで、前記ワークを溶接する溶接ステップを備え、前記溶接ステップでは、前記ワークの表面で所定のパターンを描くように前記レーザ光を走査し、さらに、前記所定のパターンが、前記第１方向または前記第１方向と交差する第２方向に関して非対称な形状となるように、前記レーザ光を走査し、前記所定のパターンは、互いに非対称な形状の２つの環状のパターンが一点で接して連続したパターンであることを特徴とする。

本開示に係るレーザ溶接装置は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、前記レーザ光を受け取ってワークに向けて照射するレーザヘッドと、前記レーザヘッドの動作を制御するコントローラと、を少なくとも備え、前記レーザヘッドは、前記レーザ光を第１方向と前記第１方向と交差する第２方向のそれぞれに走査するレーザ光スキャナを有し、前記コントローラは、前記レーザ光が前記ワークの表面に所定のパターンを描くように、前記レーザ光スキャナを駆動制御し、さらに、前記コントローラは、前記所定のパターンが、前記第１方向または前記第１方向と交差する第２方向に関して非対称な形状となるように、前記レーザ光スキャナを駆動制御し、前記所定のパターンは、互いに非対称な形状の２つの環状のパターンが一点で接して連続したパターンであることを特徴とする。

本開示によれば、ワークに形成される溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。

図１は、実施形態１に係るレーザ溶接装置の概略構成図である。 図２は、レーザ光スキャナの概略構成図である。 図３Ａは、ワークの模式図である。 図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線での断面図である。 図４は、別のワークの断面模式図である。 図５は、レーザ光の走査パターンを示す図である。 図６は、比較のためのレーザ光の通常の走査パターンを示す図である。 図７は、変形例１に係るレーザ光の描画位置と出力との関係を示す図である。 図８は、変形例２に係るレーザ光の走査パターンを示す図である。 図９は、レーザ光の描画位置と出力との関係を示す図である。 図１０は、実施形態２に係るレーザ光の走査パターンを示す図である。 図１１は、レーザ光の描画位置と出力との関係を示す図である。 図１２は、実施形態３に係るレーザ光とワークに形成された溶融池との位置関係を示す図である。 図１３は、レーザ光の走査パターンを示す図である。 図１４は、レーザ光の描画位置と出力との関係を示す図である。 図１５は、実施形態４に係るレーザ光の描画位置に対するレーザ光の描画速度の関係を示す図である。 図１６Ａは、レーザ光の描画位置に対するレーザ光の描画速度の別の関係を示す図である。 図１６Ｂは、レーザ光の描画位置に対するレーザ光の描画速度のさらなる別の関係を示す図である。 図１７Ａは、変形例３に係るレーザ光の第１の走査パターンを示す図である。 図１７Ｂは、変形例３に係るレーザ光の第２の走査パターンを示す図である。 図１８Ａは、変形例３に係るレーザ光の第３の走査パターンを示す図である。 図１８Ｂは、変形例３に係るレーザ光の第４の走査パターンを示す図である。 図１８Ｃは、変形例３に係るレーザ光の第５の走査パターンを示す図である。 図１９は、リサージュパターンを描画するときの各パラメータの組み合わせの一例を示す図である。 図２０Ａは、変形例４に係るレーザ光の第１の走査パターンを示す図である。 図２０Ｂは、変形例４に係るレーザ光の第２の走査パターンを示す図である。 図２０Ｃは、変形例４に係るレーザ光の第３の走査パターンを示す図である。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（実施形態１）
［レーザ溶接装置及びレーザ光スキャナの構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ溶接装置の構成の模式図を示し、図２は、レーザ光スキャナの概略構成図を示す。図３Ａは、ワークの模式図を示し、図３Ｂは、図３ＡのＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線での断面図を示す。図４は、別のワークの断面模式図を示す。

なお、以降の説明において、反射ミラー３３からレーザ光スキャナ４０に向かうレーザ光ＬＢの進行方向と平行な方向をＸ方向と、レーザヘッド３０から出射されるレーザ光ＬＢの光軸と平行な方向をＺ方向と、Ｘ方向及びＺ方向とそれぞれ直交する方向をＹ方向とそれぞれ呼ぶことがある。Ｘ方向とＹ方向とを面内に含むＸＹ平面は、ワーク２００の表面が平坦面である場合、当該表面と略平行でもよく、当該表面と一定の角度をなしていてもよい。

図１に示すように、レーザ溶接装置１００は、レーザ発振器１０と光ファイバ２０とレーザヘッド３０とコントローラ５０とマニピュレータ６０とを備えている。

レーザ発振器１０は、図示しない電源から電力が供給されてレーザ光ＬＢを発生させるレーザ光源である。なお、レーザ発振器１０は、単一のレーザ光源で構成されていてもよいし、複数のレーザモジュールで構成されていてもよい。後者の場合は、複数のレーザモジュールからそれぞれ出射されたレーザ光を結合してレーザ光ＬＢとして出射する。また、レーザ発振器１０で使用されるレーザ光源あるいはレーザモジュールは、ワーク２００の材質や溶接部位の形状等に応じて、適宜選択される。

例えば、ファイバレーザかディスクレーザ、あるいはＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザをレーザ光源とすることもできる。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲に設定される。また、半導体レーザをレーザ光源あるいはレーザモジュールとしてもよい。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、８００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲に設定される。また、可視光レーザをレーザ光源あるいはレーザモジュールとしてもよい。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、４００ｎｍ～６００ｎｍの範囲に設定される。

光ファイバ２０は、レーザ発振器１０に光学的に結合されており、レーザ発振器１０で発生したレーザ光ＬＢは、光ファイバ２０に入射されて、その内部をレーザヘッド３０に向けて伝送される。

レーザヘッド３０は、光ファイバ２０の端部に取り付けられており、光ファイバ２０から伝送されたレーザ光ＬＢをワーク２００に向けて照射する。

また、レーザヘッド３０は、光学部品として、コリメーションレンズ３２と反射ミラー３３と集光レンズ３４とレーザ光スキャナ４０とを有しており、筐体３１の内部にこれらの光学部品が所定の配置関係を保って収容されている。

コリメーションレンズ３２は、光ファイバ２０から出射されたレーザ光ＬＢを受け取って、平行光に変換し、反射ミラー３３に入射させる。また、コリメーションレンズ３２は、図示しない駆動部に連結されており、コントローラ５０からの制御信号に応じて、Ｚ方向に変位可能に構成されている。コリメーションレンズ３２をＺ方向に変位させることで、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させ、ワーク２００の形状に応じて適切にレーザ光ＬＢを照射させることができる。つまり、コリメーションレンズ３２は、図示しない駆動部との組み合わせにより、レーザ光ＬＢの焦点位置調整機構としても機能している。なお、集光レンズ３４を駆動部により変位させて、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるようにしてもよい。

反射ミラー３３は、コリメーションレンズ３２を透過したレーザ光ＬＢを反射して、レーザ光スキャナ４０に入射させる。反射ミラー３３の表面は、コリメーションレンズ３２を透過したレーザ光ＬＢの光軸と約４５度をなすように設けられている。

集光レンズ３４は、反射ミラー３３で反射され、レーザ光スキャナ４０で走査されたレーザ光ＬＢをワーク２００の表面に集光させる。

図２に示すように、レーザ光スキャナ４０は、第１ガルバノミラー４１と第２ガルバノミラー４２とを有する公知のガルバノスキャナである。第１ガルバノミラー４１は、第１ミラー４１ａと第１回転軸４１ｂと第１駆動部４１ｃとを有し、第２ガルバノミラー４２は、第２ミラー４２ａと第２回転軸４２ｂと第２駆動部４２ｃとを有している。集光レンズ３４を透過したレーザ光ＬＢは、第１ミラー４１ａで反射され、さらに第２ミラー４２ａで反射されて、ワーク２００の表面に照射される。

例えば、第１駆動部４１ｃ及び第２駆動部４２ｃは、ガルバノモータであり、第１回転軸４１ｂ及び第２回転軸４２ｂは、モータの出力軸である。図示していないが、第１駆動部４１ｃが、コントローラ５０からの制御信号に応じて動作するドライバによって回転駆動することで、第１回転軸４１ｂに取り付けられた第１ミラー４１ａが第１回転軸４１ｂの軸線回りに回転する。同様に、第２駆動部４２ｃが、コントローラ５０からの制御信号に応じて動作するドライバによって回転駆動することで、第２回転軸４２ｂに取り付けられた第２ミラー４２ａが第２回転軸４２ｂの軸線回りに回転する。

第１ミラー４１ａが第１回転軸４１ｂの軸線回りに所定の角度まで回転動作をすることで、レーザ光ＬＢがＸ方向に走査される。また、第２ミラー４２ａが第２回転軸４２ｂの軸線回りに所定の角度まで回転動作をすることで、レーザ光ＬＢがＹ方向に走査される。つまり、レーザ光スキャナ４０は、レーザ光ＬＢをＸＹ平面内で二次元的に走査してワーク２００に向けて照射するように構成されている。

コントローラ５０は、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された図示しない電源に対して出力電流やオンオフ時間等の制御信号を供給することにより、レーザ発振制御を行う。

また、コントローラ５０は、選択されたレーザ溶接プログラムの内容に応じて、レーザヘッド３０の動作を制御する。具体的には、レーザヘッド３０に設けられたレーザ光スキャナ４０及び、コリメーションレンズ３２の図示しない駆動部の駆動制御を行う。さらに、コントローラ５０は、マニピュレータ６０の動作を制御する。なお、レーザ溶接プログラムは、コントローラ５０の内部または別の場所に設けられた記憶部（図示せず）に保存され、コントローラ５０からの命令によってコントローラ５０に呼び出される。

コントローラ５０は、図示しないＬＳＩまたはマイクロコンピュータ等の集積回路を有しており、この集積回路上でソフトウェアであるレーザ溶接プログラムを実行することで、前述のコントローラ５０の機能が実現される。なお、レーザヘッド３０の動作を制御するコントローラ５０とレーザ光ＬＢの出力を制御するコントローラ５０とを別個に設けてもよい。

マニピュレータ６０は、多関節ロボットであり、レーザヘッド３０の筐体３１に取り付けられている。また、マニピュレータ６０は、コントローラ５０と信号の授受が可能に接続され、前述のレーザ溶接プログラムに応じて所定の軌跡を描くようにレーザヘッド３０を移動させる。なお、マニピュレータ６０の動作を制御する別のコントローラ（図示せず）を設けるようにしてもよい。

図１に示すレーザ溶接装置１００は、種々の形状のワーク２００に対してレーザ溶接を行うことができる。例えば、図３Ａ，３Ｂに示すように、互いに材質が同じである一方、厚さの異なる第１板材２１０と第２板材２２０とを端面同士で突き合わせたワーク２００の継手にレーザ光ＬＢを照射して、突き合わせ溶接が行われる。また、図３Ｂに示すように、第３板材２３０と第４板材２４０とを端面をずらして重ね合わせたワーク２００の継手のコーナー部にレーザ光ＬＢを照射して重ね隅肉溶接が行われる。ただし、レーザ溶接されるワーク２００の形状が図３Ａ，３Ｂや図４に示す例に限定されないことは言うまでもない。

［リサージュパターンの数式的表現］
図５は、レーザ光の走査パターンを示し、レーザ光ＬＢは、ＸＹ平面内、この場合はワーク２００の表面でリサージュパターン（以下、リサージュ図形ともいう）を描くように走査される。

図５に示すリサージュパターンは、レーザ光ＬＢをＸ方向に所定の周波数の正弦波状に振動させるとともに、Ｙ方向にＸ方向と異なる周波数（Ｘ方向の周波数の１／２である）の正弦波状に振動させることで得られる。また、前述したように、第１ミラー４１ａ及び第２ミラー４２ａの回転運動に基づいて、レーザ光ＬＢのＸ方向及びＹ方向の走査パターンが決定される。一般的に、第１ミラー４１ａの駆動によって得られるリサージュパターンの位置座標をＸ１とし、第２ミラー４２ａの駆動によって得られるリサージュパターンの位置座標をＹ１とするとき、位置座標Ｘ１，Ｙ１は、それぞれ以下の式（１）、（２）で表される。

Ｘ１＝ａ×ｓｉｎ（ｎｔ） ・・・（１）
Ｙ１＝ｂ×ｓｉｎ（ｍｔ＋φ） ・・・（２）
ここで、
ａ：リサージュパターンのＸ方向における振幅
ｂ：リサージュパターンのＹ方向における振幅
ｎ：第１ミラー４１ａの周波数
ｍ：第２ミラー４２ａの周波数
ｔ：時間
φ：第１ミラー４１ａまたは第２ミラー４２ａ駆動時の位相差であり、具体的には、第１ミラー４１ａと第２ミラー４２ａの回転運動時に設ける角度ずれ量である。

なお、式（１）、（２）に示す位置座標Ｘ１，Ｙ１は、レーザヘッド３０の位置を固定した状態でのリサージュパターンの静止座標系で表現される。

また、周波数ｎと周波数ｍは、それぞれ第１ミラー４１ａと第２ミラー４２ａの駆動周波数とそれぞれ対応する。

図５から明らかなように、本実施形態のリサージュパターンは、原点Ｏを通りＸ方向に延びる中心線に関して非対称な形状となっている。

図５におけるＹ方向で＋側に位置するレーザ光ＬＢの走査パターンをＬＳ１とすると、走査パターンＬＳ１（以下、描画パターンＬＳ１ともいう）は、式（１）、（２）において、ａ＝１，ｂ＝１，ｎ＝２，ｍ＝１，φ＝０とした場合に対応する。一方、－側に位置する走査パターンをＬＳ２とすると、走査パターンＬＳ２（以下、描画パターンＬＳ２ともいう）は、式（１）、（２）において、ａ＝０．５，ｂ＝０．５，ｎ＝２，ｍ＝１，φ＝０とした場合に対応する。つまり、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれにおいて、描画パターンＬＳ２は、描画パターンＬＳ１よりも小さな軌跡となっている。よって、描画パターンＬＳ２の描画長さは、描画パターンＬＳ１の描画長さよりも短くなっている。なお、ａとｂは、描画パターンＬＳ１の大きさを基準に１で正規化している。また、式（１）、（２）の位相差φは、０度または１８０度のどちらでもよい。

また、描画パターンＬＳ１とＬＳ２とを合成したパターンは、８の字形状のリサージュパターンである。なお、実際のリサージュパターンのサイズ、つまり、Ｘ方向及びＹ方向の振幅は、それぞれ１ｍｍ～１０ｍｍ程度の範囲内にある。

ここで、図５に示すように、描画パターンＬＳ１において、所定の時間変分ΔｔにおけるリサージュパターンのＸ方向の描画距離をΔＸ、Ｙ方向の描画距離をΔＹ、時間変分Δｔにおけるリサージュパターンの描画距離をΔＬとするとき、ΔＸ、ΔＹ、ΔＬは、それぞれ以下に示す式（３）～（５）で表される。

ΔＸ＝ ａ×ｎ×ｃｏｓ（ｎｔ）×Δｔ ・・・（３）
ΔＹ＝ ｂ×ｍ×ｃｏｓ（ｍｔ＋φ）×Δｔ ・・・（４）
ΔＬ＝ Δｔ×｛（ΔＸ）^２＋（ΔＹ）^２｝^１／２ ・・・（５）
よって、リサージュパターンの描画速度Ｖは、以下に示す式（６）で表される。

Ｖ＝ ΔＬ／Δｔ ・・・（６）
一方、描画パターンＬＳ２においては、ΔＸとΔＹは数式（３）と数式（４）によって同様に計算できるが、Ｘ方向における振幅とＹ方向における振幅のみが描画パターンＬＳ１と異なる。

［レーザ溶接方法］
本実施形態では、マニピュレータ６０によってレーザヘッド３０をＸ方向に所定の速度で移動させつつ、レーザ光ＬＢをワーク２００の表面に照射している。さらに、レーザ光スキャナ４０を用いて、ワーク２００の表面で図５に示すリサージュパターンを描くように、レーザ光ＬＢを二次元的に走査している。また、本実施形態では、図３Ａ，３Ｂに示すワーク２００を突き合わせ溶接する場合を例に取って説明する。なお、本実施形態におけるレーザ光ＬＢの出力Ｐは、リサージュパターンの全長に亘って同じになるように制御される。

なお、図５に示すリサージュパターンは、１周期の間に、原点Ｏから図５に示す矢印ＡＲ１及び矢印ＡＲ２の方向にレーザ光ＬＢを走査することで得られる。具体的には、１周期の間に、原点Ｏから描画位置Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｏ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｏを通るようにレーザ光ＬＢを走査する。

ワーク２００の溶接部位にあたる第１板材２１０と第２板材２２０の突き合わせ部分に沿って、レーザ光ＬＢが照射されてレーザ溶接が行われる。図３Ａに示すように、突き合わせ部分はＸ方向に沿って延びており、前述の溶接線に対応している。一方、図３Ｂに示すように、第１板材２１０のＺ方向の厚さは、第２板材２２０のＺ方向の厚さよりも大きい。また、第１板材２１０は、第２板材２２０と同じ材質である。したがって、第１板材２１０の熱容量は、第２板材２２０の熱容量よりも大きい。つまり、第１板材２１０の端面と第２板材２２０の端面との当接面に対応する溶接線に関し、ワーク２００の熱容量は非対称となっている。

このようなワーク２００に対して、レーザ光ＬＢにより、ワーク２００の表面に通常のリサージュパターンを描画しつつレーザ溶接を行う場合、以下に示す課題を生じることがある。

図６は、比較のためのレーザ光の通常の走査パターンを示し、式（１）、（２）において、パラメータａ＝１，ｂ＝１，ｎ＝２，ｍ＝１とした場合に相当する。つまり、図６に示すリサージュパターンは、Ｘ方向及びＹ方向に関し、それぞれ対称な８の字形状のリサージュパターンである。

レーザ光ＬＢをＸ方向に進行させながら、図６に示すリサージュパターンを描くように第１板材２１０と第２板材２２０の突き合わせ部分に照射すると、溶接線に関し、ワーク２００への入熱量も対称となる。

一方、前述したように、第１板材２１０と第２板材２２０の突き合わせ部分では、溶接線に関し熱容量が非対称となっている。このため、突き合わせ部分に沿って溶接ビードを形成しようとすると、溶接ビードの形状が崩れてしまうおそれがあった。例えば、レーザ光ＬＢによるワーク２００への入熱量を熱容量の小さい第２板材２２０にあわせてレーザ溶接を行うと、熱容量の大きい第１板材２１０への入熱が不足し、溶接ビードの形状が崩れてしまうおそれがあった。反対に、レーザ光ＬＢによるワーク２００への入熱量を熱容量の大きい第１板材２１０にあわせてレーザ溶接を行うと、熱容量の小さい第２板材２２０への入熱が過多となり、溶落ち等の溶接欠陥を生じてしまうおそれがあった。

そこで、本実施形態では、リサージュパターンのうち、第１板材２１０に照射される描画パターンＬＳ１の描画長さが、第２板材２２０に照射される描画パターンＬＳ２の描画長さよりも長くなるようにレーザ光ＬＢを制御している。なお、レーザ光ＬＢの描画パターンＬＳ１は、図５に示す経路Ｏ→Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｏを通り、レーザ光ＬＢの描画パターンＬＳ２は、図５に示す経路Ｏ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｏを通る。

このようにすることで、レーザ光ＬＢにより第１板材２１０に入熱される入熱量を第２板材２２０に入熱される入熱量よりも大きくすることができる。よって、溶接線に関して熱容量が非対称となっているワーク２００の溶接部位である、第１板材２１０と第２板材２２０の突き合わせ部分に対して、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を投入させることができる。このことにより、溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。また、溶け落ち等の溶接不良の発生を抑制できる。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ溶接方法は、レーザ光ＬＢをＸ方向（第１方向）に進行させながら、レーザ光ＬＢを二次元的に走査してワーク２００の表面に照射することで、ワーク２００を溶接する溶接ステップを備えている。

溶接ステップでは、レーザ光ＬＢをＸ方向に沿って周波数ｎに対応する第１周波数を有する正弦波状に振動させるとともに、Ｙ方向に沿って周波数ｍに対応する第２周波数を有する正弦波状に振動させる。このことにより、ワーク２００の表面でリサージュパターンを描くようにレーザ光ＬＢを走査する。

さらに、リサージュパターンが、Ｘ方向に関して非対称な形状となるように、レーザ光ＬＢを走査する。具体的には、Ｘ方向に関してリサージュパターンの描画長さが異なるように、レーザ光ＬＢを走査する。さらに言うと、原点Ｏを通りＸ方向に関して延びる中心線を挟んで、一方側と他方側とでリサージュパターンの描画長さが異なるように、レーザ光ＬＢを走査する。

このようにすることで、熱容量が非対称となっているワーク２００の溶接部位に対して、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を投入させ、溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。

本実施形態では、ワーク２００における溶接部位である第１板材２１０と第２板材２２０の突き合わせ部分は、溶接線の延びる方向であるＸ方向に関して熱容量が非対称である。この場合、リサージュパターンの描画中に、溶接部位のうち、熱容量が大きい第１部位、つまり、第１板材２１０では、熱容量が小さい第２部位、つまり、第２板材２２０でよりも照射されるレーザ光ＬＢの描画長さが長くなるようにする。

このようにすることで、熱容量が非対称となっているワーク２００の溶接部位に対して、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を確実に投入させることができる。このことにより、溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。また、溶け落ち等の溶接不良の発生を抑制できる。

本実施形態に係るレーザ溶接装置１００は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１０と、レーザ光ＬＢを受け取ってワーク２００に向けて照射するレーザヘッド３０と、レーザヘッド３０の動作及びレーザ光ＬＢの出力Ｐを制御するコントローラ５０と、を少なくとも備えている。

レーザヘッド３０は、レーザ光ＬＢをＸ方向（第１方向）とＸ方向と交差するＹ方向（第２方向）のそれぞれに走査するレーザ光スキャナ４０を有している。

コントローラ５０は、レーザ光ＬＢをＸ方向に沿って第１周波数を有する正弦波状に振動させるとともに、Ｙ方向に沿って第２周波数を有する正弦波状に振動させる。このことにより、コントローラ５０は、レーザ光ＬＢがワーク２００の表面にリサージュパターンを描くように、レーザ光スキャナ４０を駆動制御する。

さらに、コントローラ５０は、リサージュパターンが、Ｘ方向に関して非対称な形状となるように、レーザ光スキャナ４０を駆動制御する。具体的には、コントローラ５０は、Ｘ方向に関してリサージュパターンの描画長さを異ならせるように、レーザ光スキャナ４０を駆動制御する。さらに言うと、コントローラ５０は、原点Ｏを通りＸ方向に関して延びる中心線を挟んで、一方側と他方側とで、リサージュパターンの描画長さを異ならせるように、レーザ光スキャナ４０を駆動制御する。

本実施形態のレーザ溶接装置１００によれば、溶接線に関して熱容量が非対称となっているワーク２００の溶接部位に対して、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を投入させ、溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。

レーザ溶接装置１００は、レーザヘッド３０が取り付けられたマニピュレータ６０をさらに備え、コントローラ５０は、マニピュレータ６０の動作を制御する。マニピュレータ６０は、ワーク２００の表面に対して、所定の方向にレーザヘッド３０を移動させる。

このようにマニピュレータ６０を設けることで、レーザ光ＬＢの溶接方向を変化させることができる。また、複雑な形状、例えば、立体的な形状のワーク２００に対して、レーザ溶接を容易に行うことができる。

レーザ発振器１０とレーザヘッド３０とは光ファイバ２０で接続されており、レーザ光ＬＢは、光ファイバ２０を通って、レーザ発振器１０からレーザヘッド３０に伝送される。

このように光ファイバ２０を設けることで、レーザ発振器１０から離れた位置に設置されたワーク２００に対してレーザ溶接を行うことが可能となる。このことにより、レーザ溶接装置１００の各部を配置する自由度が高められる。

レーザ光スキャナ４０は、レーザ光ＬＢをＸ方向に走査する第１ガルバノミラー４１と、レーザ光ＬＢをＹ方向に走査する第２ガルバノミラー４２と、で構成されている。

レーザ光スキャナ４０をこのように構成することで、レーザ光ＬＢを簡便に二次元的に走査することができる。また、公知のガルバノスキャナをレーザ光スキャナ４０として用いているため、レーザ溶接装置１００のコストが上昇するのを抑制できる。

レーザヘッド３０は、コリメーションレンズ３２をさらに有し、コリメーションレンズ３２は、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれに交差するＺ方向に沿って、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるように構成されている。つまり、コリメーションレンズ３２は、図示しない駆動部との組み合わせにより、レーザ光ＬＢの焦点位置調整機構としても機能している。

このようにすることで、レーザ光ＬＢの焦点位置を簡便に変化させることができ、ワーク２００の形状に応じて適切にレーザ光ＬＢを照射させることができる。

なお、本実施形態では、レーザヘッド３０をＸ方向に移動させることで、レーザ光ＬＢをＸ方向に進行させるようにしたが、特にこれに限定されない。例えば、第１板材２１０と第２板材２２０の突き合わせ部分がＹ方向に延びている場合は、レーザヘッド３０をＹ方向に移動させることで、レーザ光ＬＢをＹ方向に進行させるようにしてもよい。このことに伴い、リサージュパターンの形状が変更されてもよい。ただし、その場合も、溶接線に関して熱容量が非対称となっているワーク２００の溶接部位に対して、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を投入させるようにリサージュパターンの形状及び描画長さを制御することが必要である。

また、リサージュパターンの描画方向も、前述に特に限定されない。例えば、１周期の間に、原点Ｏから描画位置Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｏ→Ｆ→Ｅ→Ｄ→Ｏを通るようにレーザ光ＬＢを走査することで、リサージュパターンが描画されてもよい。また、１周期の間に、原点Ｏから描画位置Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｏ→Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｏを通るようにレーザ光ＬＢを走査することで、リサージュパターンが描画されてもよい。１周期の間に、原点Ｏから描画位置Ｆ→Ｅ→Ｄ→Ｏ→Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｏを通るようにレーザ光ＬＢを走査することで、リサージュパターンが描画されてもよい。

なお、図４に示すワーク２００をレーザ溶接するにあたって、本実施形態に示す方法が適用されてもよい。第３板材２３０と第４板材２４０とを端面をずらして重ね合わせたワーク２００の継手のコーナー部において、第３板材２３０と第４板材２４０の重ね合わせ部分（第１部位）が、第３板材２３０のみの部分（第２部位）よりも熱容量が大きくなる。よって、当該重ね合わせ部分では、第３板材２３０のみの部分よりもレーザ光ＬＢの描画長さが長くなるようにレーザ光ＬＢを制御する。

このようにすることで、前述した効果を奏することができる。つまり、溶接線に関して熱容量が非対称となっているワーク２００の溶接部位に対して、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を投入させることができ、溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。また、溶け落ち等の溶接不良の発生を抑制できる。

＜変形例１＞
図７は、本変形例に係るレーザ光の走査パターンを示す。

本変形例に示す構成は、レーザ光ＬＢの描画位置に応じて、レーザ光ＬＢの出力Ｐを変化させている点で、実施形態１に示す構成と異なる。なお、レーザ溶接されるワーク２００の構造は、図３Ａ，３Ｂに示すのと同様である。また、レーザ光ＬＢの走査パターンは、図５に示すのと同様である。

本変形例では、リサージュパターンを描画するにあたって、第１板材２１０に照射されるレーザ光ＬＢの出力Ｐ１が、第２板材２２０に照射されるレーザ光ＬＢの出力Ｐ２よりも高くなるようにレーザ光ＬＢの出力Ｐを制御している。つまり、図５に示す経路Ｏ→Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｏを通る描画パターンＬＳ１におけるレーザ光ＬＢの出力Ｐ１が、経路Ｏ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｏを通る描画パターンＬＳ２におけるレーザ光ＬＢの出力Ｐ２よりも高くなるようにレーザ光ＬＢの出力Ｐを制御している。このようなレーザ光ＬＢの出力Ｐの制御は、コントローラ５０によって行われる。

このようにすることで、第１板材２１０への入熱量と第２板材２２０への入熱量との差を実施形態１に示す構成よりも大きくすることができる。このことについてさらに説明する。

図５に示すように、リサージュパターンをＸ方向に非対称な形状とし、描画パターンＬＳ１の描画長さを描画パターンＬＳ２の描画長さよりも長くすることで、Ｘ方向に延びる溶接線に関してワーク２００への投入熱量に差を付けることができる。

しかし、例えば、第１板材２１０と第２板材２２０との板厚の差によっては、図５に示すリサージュパターンを描画するだけでは、ワーク２００において、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を投入させても、良好なビード形状が得られない場合がある。例えば、図３Ｂの例では、ワーク２１０側の描画範囲を広くするだけでは不足で、良好な溶接ビード（この場合は、裏側のビード形状）を得るために、ワーク２１０をより深く溶融する必要があった。また、実際のリサージュパターンのサイズは、溶接に要求される仕様、例えば、ビード幅等により制約される。このため、描画パターンＬＳ１の描画長さと描画パターンＬＳ２の描画長さとの差の範囲にも制約が入り、描画パターンＬＳ１と描画パターンＬＳ２の大きさのみでは、ワーク２００において、溶接線を挟んだ両側で異なった熱量を投入させても良好なビード形状が得られない場合があった。

一方、本変形例によれば、レーザ光ＬＢでワーク２００の表面に図５に示すリサージュパターンを描画してレーザ溶接を行う。それと同時に、第１板材２１０に照射されるレーザ光ＬＢの出力Ｐ１が、第１板材２１０よりも熱容量の小さい第２板材２２０に照射されるレーザ光ＬＢの出力Ｐ２よりも高くなるようにしている。

このようにすることで、溶接線に関して熱容量が非対称となっているワーク２００の溶接部位である、第１板材２１０と第２板材２２０の突き合わせ部分に対して、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を確実に投入させることができると同時に、溶接ビード形状のコントロールも可能となる。このことにより、溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。また、溶け落ち、溶け込み不足等の溶接不良の発生を抑制できる。

なお、レーザ光ＬＢの出力Ｐを変化させるにあたって、図７に破線で示すように、レーザ光ＬＢの出力Ｐの立ち上がり部分及び立下り部分をそれぞれ制御するようにしてもよい。

例えば、レーザ光ＬＢの描画位置が原点ＯからＤに移動する場合に、レーザ光ＬＢが原点Ｏを通過した時点から期間ｔ１を経過するまでに、レーザ光ＬＢの出力ＰをＰ１からＰ２に低下させてもよい。この場合の出力Ｐの制御曲線Ｓ１は、直線状でも曲線状でもよい。また、レーザ光ＬＢの描画位置が原点ＯからＡに移動する場合に、レーザ光ＬＢが原点Ｏを通過した時点から期間ｔ２を経過するまでに、レーザ光ＬＢの出力ＰをＰ２からＰ１に上昇させてもよい。この場合の出力Ｐの制御曲線Ｓ２は、直線状でも曲線状でもよい。

レーザ光ＬＢの出力Ｐを制御曲線Ｓ１、Ｓ２に示すように制御することで、出力Ｐを目標値に安定して到達させることが容易となる。

＜変形例２＞
図８は、本変形例に係るレーザ光の走査パターンを、図９は、レーザ光の描画位置と出力との関係をそれぞれ示す。なお、説明の便宜上、図８，９及び以降に示す各図面において、実施形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本変形例は、リサージュパターンの描画方向が実施形態１に示す構成と異なる。図８に示すリサージュパターンは、１周期の間に、原点Ｏから図７に示す矢印ＡＲ３及び矢印ＡＲ４の方向にレーザ光ＬＢを走査することで得られる。具体的には、１周期の間に、原点Ｏから描画位置Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｏ→Ｆ→Ｅ→Ｄ→Ｏを通るようにレーザ光ＬＢを走査する。

なお、本変形例においても、図９に示すように、第１板材２１０に照射されるレーザ光ＬＢの出力Ｐ１が、第２板材２２０に照射されるレーザ光ＬＢの出力Ｐ２よりも高くなるようにレーザ光ＬＢの出力Ｐを制御している。つまり、図８に示す経路Ｏ→Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｏを通る描画パターンＬＳ１におけるレーザ光ＬＢの出力Ｐ１が、経路Ｏ→Ｆ→Ｅ→Ｄ→Ｏを通る描画パターンＬＳ２におけるレーザ光ＬＢの出力Ｐ２よりも高くなるようにレーザ光ＬＢの出力Ｐを制御している。

本変形例においても、変形例１に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。つまり、溶接線に関して熱容量が非対称となっているワーク２００の溶接部位に対して、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を確実に投入させることができ、両側のレーザ光ＬＢの出力も変えることでワークの裏側の溶け込み深さをも所定のレベルまで得られるようになり、溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。また、溶け落ち、溶け込み不足等の溶接不良の発生を抑制できる。

（実施形態２）
図１０は、本実施形態に係るレーザ光の走査パターンを示し、図１１は、レーザ光の描画位置と出力との関係を示す。なお、図示しないが、本実施形態におけるワーク２００の溶接部位は、溶接線を挟んだ両側で熱容量が同じになるように設定されている。

本実施形態では、リサージュパターンの描画中に、リサージュパターンの原点Ｏの近傍では、それ以外の部分よりもレーザ光ＬＢの出力Ｐが低くなるようにしている点で、実施形態１に示す構成と異なる。

具体的には、図１０，１１に示すように、原点Ｏと各描画位置Ａ’，Ｃ’，Ｄ’，Ｆ’との間のそれぞれで、レーザ光ＬＢの出力ＰがＰ３となるようにし、それ以外のリサージュパターンの描画位置では、レーザ光ＬＢの出力ＰがＰ１（Ｐ１＞Ｐ３）となるようにしている。このようなレーザ光ＬＢの出力Ｐの制御は、コントローラ５０によって行われる。

前述したように、レーザ光ＬＢによりワーク２００の表面にリサージュパターンを描く場合、１周期の間に、例えば、描画位置Ａでは、レーザ光ＬＢが１回通過するのに対し、原点Ｏでは、レーザ光ＬＢが２回通過する。また、通常、マニピュレータ６０によってレーザヘッド３０をＸ方向に進行させる速度、つまり、レーザ光ＬＢのＸ方向への進行速度は、リサージュパターンを描く場合のレーザ光ＬＢの描画速度Ｖに比べて非常に低い。

このため、リサージュパターンの描画中の原点Ｏへの入熱量は、他の描画位置、例えば、描画位置Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆへの入熱量に比べて大きくなってしまう。このように、ワーク２００の表面への入熱量が場所的に不均一になることで、溶接ビートの形状が悪化することは既に述べたとおりである。

そこで、本実施形態では、リサージュパターンの原点Ｏの近傍で、レーザ光ＬＢの出力Ｐがそれ以外の部分よりも低くなるようにすることで、ワーク２００の表面への入熱量が場所的に不均一になるのを抑制している。このことにより、溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。また、溶け落ち等の溶接不良の発生を抑制できる。

なお、原点Ｏから各描画位置Ａ’，Ｃ’，Ｄ’，Ｆ’までの距離は、ワーク２００の溶接部位の形状やワーク２００の材質等に応じて適宜変更されうる。例えば、リサージュパターンの１周期を３６０度として見た場合に、当該距離を、原点Ｏを基準として見た角度に置き換えると、当該角度は０度より大きく３度～１５度以下であることが好ましい。

（実施形態３）
図１２は、本実施形態に係るレーザ光とワークに形成された溶融池との位置関係を示す。図１３は、レーザ光の走査パターンを示し、図１４は、レーザ光の描画位置と出力との関係を示す。

図１２に示すように、レーザ光ＬＢがワーク２００に照射されると、ワーク２００を構成する金属が急激に加熱、溶融され、レーザ光ＬＢの照射部位及びその近傍に溶融池２０１が形成される。また、レーザ光ＬＢの照射部位では、金属が蒸発して、ワーク２００の表面から内部に向けてキーホール２０２が形成される。キーホール２０２の内部にレーザ光ＬＢが到達することで、ワーク２００の内部まで金属が溶融され、ワーク２００の溶け込み深さが確保される。なお、図１２に示すレーザ光ＬＢの照射位置は、図５に示すリサージュパターンの原点Ｏに相当する。

また、溶接の進行方向、この場合は、Ｙ方向に沿って、レーザ光ＬＢの照射位置よりも前方に位置する第３部位２０３では、ワーク２００が十分に加熱されておらず、溶融池２０１は形成されていない。一方、レーザ光ＬＢの照射位置よりも後方に位置する第４部位２０４は、既にレーザ光ＬＢによって十分に加熱されている。よって、第４部位２０４は、溶融池２０１の内部に位置しているか、あるいは溶融池２０１が固化した部分に位置している。つまり、第４部位２０４には溶融池２０１が含まれる。

このように、溶接線に沿って、レーザ光ＬＢの照射位置に相当するリサージュパターンの原点Ｏの前方では、ワーク２００を溶融するために大きな入熱量が必要とされる。一方、リサージュパターンの原点Ｏの後方では、既に形成された溶融池２０１が維持される程度の入熱量で十分である。

リサージュパターンの原点Ｏの後方にあわせて、入熱量、この場合は、レーザ光ＬＢの出力Ｐを調整する場合を考える。図６に示すように、リサージュパターンが対称形状であると、原点Ｏの前方では、ワーク２００への入熱量が不足し、溶接ビードの形状、特に、ビードの際の形状が不ぞろいになってしまうおそれがあった。一方、リサージュパターンの原点Ｏの前方にあわせて、レーザ光ＬＢの出力Ｐを調整すると、原点Ｏの後方で溶融池２０１への入熱が過多となり、溶融池２０１が不安定となるおそれがあった。この場合、良好な形状の溶接ビードを得ることが難しかった。また、このような課題は、溶接線を挟んだ両側で、ワーク２００の熱容量が同等となっている場合及び非対称になっている場合の両方で生じうる。

そこで、本実施形態では、前述の第３部位２０３と第４部位２０４とで、照射されるレーザ光ＬＢの出力Ｐを変化させるようにしている。具体的には、本実施形態に示す構成は、以下に示す点で実施形態１に示す構成と異なる。

つまり、リサージュパターンの描画中に、ワーク２００に形成される溶融池２０１よりもＹ方向に沿って前方にレーザ光ＬＢが照射される第３部位２０３では、溶融池２０１を含んで第３部位２０３よりも後方にレーザ光ＬＢが照射される第４部位２０４よりも入熱量が大きくなるようにしている。

具体的には、図１３，１４に示すように、リサージュパターンのうち、Ｙ方向に沿って、原点Ｏよりも前方に描画される描画パターンＬＳ１の描画部分、または原点Ｏより前方に描画される描画パターンＬＳ２の描画部分のレーザ光ＬＢの出力が、原点Ｏよりも後方に描画される描画パターンＬＳ１の描画部分、または原点Ｏより後方に描画される描画パターンＬＳ２の描画部分より高くなるようにレーザ光ＬＢを制御している。

このことにより、未だ加熱、溶融されていない第３部位２０３に溶融池２０１が形成されるのを促進できる。また、溶融池２０１が過度に振動するのを抑制できる。このことにより、溶接ビードが波立った形状となるのを抑制できる。また、ワーク２００の溶け込み深さが所望の値よりも深くなるのを抑制して、溶け落ち等の溶接不良が発生するのを低減し、溶接品質の向上が図れる。さらに、必要以上に第４部位２０４への熱量を投入しないようにするために、レーザエネルギーを節約することができる。

本実施形態では、描画パターンＬＳ１と描画パターンＬＳ２を描画中に、レーザ光ＬＢの出力Ｐの制御は、コントローラ５０によって行われる。

このようにすることで、未だ加熱、溶融されていない第３部位２０３に溶融池２０１を確実に形成さきる。また、溶融池２０１が過度に振動するのを抑制できる。このことにより、溶接ビードが波立った形状となるのを抑制できる。また、ワーク２００の溶け込み深さが所望の値よりも深くなるのを抑制して、溶け落ち等の溶接不良が発生するのを低減し、また、溶接品質の向上が図れる。さらに、必要以上に第４部位２０４への熱量を投入しないようにするために、レーザエネルギーを節約することができる。

（実施形態４）
図１５は、本実施形態に係るレーザ光の描画位置に対するレーザ光の描画速度の関係を示す。図１６Ａは、レーザ光の描画位置に対するレーザ光の描画速度の別の関係を示す。図１６Ｂは、レーザ光の描画位置に対するレーザ光の描画速度のさらなる別の関係を示す。なお、本実施形態におけるレーザ光ＬＢの走査パターンは、図５に示すのと同様である。

実施形態１～３及び変形例１において、図１５に示すように、リサージュパターンの描画中に、レーザ光ＬＢの描画速度Ｖが一定となるようにしてもよい。言い換えると、リサージュパターンの全長に亘って、レーザ光ＬＢの描画速度Ｖが一定となるようにしてもよい。このようにすることで、溶融池２０１（図１２参照）への入熱量の制御が容易となる。

また、変形例１では、リサージュパターンにおけるレーザ光ＬＢの描画位置に応じて、レーザ光ＬＢの出力Ｐを制御することで、溶接線に関して熱容量が非対称となっているワーク２００の溶接部位に対して、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を投入させていた。

しかし、レーザ光ＬＢの描画位置に応じて、レーザ光ＬＢの描画速度Ｖを変化させることによっても、ワーク２００への入熱量を変化させることができる。例えば、レーザ光ＬＢの描画速度Ｖを低くすることで、単位描画長さ当たりの入熱量は大きくなる。つまり、レーザ光ＬＢの出力Ｐを高くするのと同様の効果が得られる。

したがって、図７に示すように、リサージュパターンにおけるレーザ光ＬＢの描画位置に応じて、レーザ光ＬＢの出力Ｐを制御する代わりに、図１６に示すように、レーザ光ＬＢの描画速度Ｖを制御してもよい。このようなレーザ光ＬＢの描画速度Ｖの制御は、コントローラ５０によって行われる。

つまり、図３Ａ，３Ｂに示すワーク２００に対し、第１板材（第１部位）２１０に照射される描画パターンＬＳ１の描画長さが、第１板材２１０よりも熱容量が小さい第２板材（第２部位）２２０に照射される描画パターンＬＳ１の描画長さよりも長くなるようにする。それと同時に、描画パターンＬＳ１を描画中のレーザ光ＬＢの描画速度Ｖ２が、描画パターンＬＳ２を描画中のレーザ光ＬＢの描画速度Ｖ１よりも低くなるようにする（Ｖ１＞Ｖ２）。

このようにすることで、変形例１に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。つまり、溶接線に関して熱容量が非対称となっているワーク２００の溶接部位に対して、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を確実に投入させることができ、溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。また、溶け落ち等の溶接不良の発生を抑制できる。

また、図１４に示すように、溶融池２０１の前方と溶融池２０１とでレーザ光ＬＢの出力Ｐを変化させる代わりに、図１６Ｂに示すように、レーザ光ＬＢの描画速度Ｖを制御してもよい。このようなレーザ光ＬＢの描画速度Ｖの制御は、コントローラ５０によって行われる。

このようにすることで、実施形態３に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。つまり、第３部位２０３に溶融池２０１が形成されるのを促進できるとともに、溶接ビードが波立った形状となるのを抑制できる。また、溶け落ち等の溶接不良が発生するのを低減し、また、溶接品質の向上が図れる。さらに、必要以上に第４部位２０４への熱量を投入しないようにするために、レーザエネルギーを節約することができる。

なお、図示しないが、図１１に示すように、リサージュパターンの原点Ｏの近傍でレーザ光ＬＢの出力Ｐを変化させる代わりに、レーザ光ＬＢの描画速度Ｖを制御してもよい。

このようなレーザ光ＬＢの描画速度Ｖの制御は、コントローラ５０によって行われる。

例えば、原点Ｏと図１１に示す各描画位置Ａ’，Ｃ’，Ｄ’，Ｆ’との間のそれぞれで、レーザ光ＬＢの描画速度ＶがＶ１となるようにし、それ以外のリサージュパターンの描画位置では、レーザ光ＬＢの描画速度ＶがＶ２（Ｖ１＞Ｖ２）となるようにしてもよい。

本実施形態によれば、実施形態１～３及び変形例１，２に示す構成が奏するのと同様に、溶接線に関して熱容量が非対称となっているワーク２００の溶接部位に対して、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を投入させ、溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。

また、未だ加熱、溶融されていない第３部位２０３に溶融池２０１が形成されるのを促進できる。また、溶融池２０１が過度に振動するのを抑制できる。このことにより、溶接ビードが波立った形状となるのを抑制できる。また、ワーク２００の溶け込み深さが所望の値よりも深くなるのを抑制して、溶け落ち等の溶接不良が発生するのを低減し、また、溶接品質の向上が図れる。

なお、レーザ光ＬＢの描画速度Ｖを変化させるにあたって、図１６Ａまたは図１６Ｂに破線で示すように、描画速度Ｖの立ち上がり部分及び立下り部分をそれぞれ制御するようにしてもよい。

図１６Ａまたは図１６Ｂに示す例で言えば、レーザ光ＬＢの描画位置が原点ＯからＤに移動する場合に、レーザ光ＬＢが原点Ｏを通過した時点から期間ｔ３を経過するまでに、レーザ光ＬＢの描画速度ＶをＶ２からＶ１に上昇させてもよい。この場合の描画速度Ｖの制御曲線Ｓ３は、直線状でも曲線状でもよい。また、レーザ光ＬＢの描画位置が原点ＯからＡに移動する場合に、レーザ光ＬＢが原点Ｏを通過した時点から期間ｔ４を経過するまでに、レーザ光ＬＢの描画速度ＶをＶ２からＶ１に低下させてもよい。この場合の描画速度Ｖの制御曲線Ｓ４は、直線状でも曲線状でもよい。

レーザ光ＬＢの描画速度Ｖを制御曲線Ｓ３、Ｓ４に示すように制御することで、描画速度Ｖを目標値に安定して到達させることが容易となる。

＜変形例３＞
図１７Ａは、本変形例に係るレーザ光の第１の走査パターンを、図１７Ｂは、第２の走査パターンをそれぞれ示す。図１８Ａは、本変形例に係るレーザ光の第３の走査パターンを、図１８Ｂは、第４の走査パターンを、図１８Ｃは、第５の走査パターンをそれぞれ示す。図１９は、リサージュパターンを描画するときの各パラメータの組み合わせの一例を示す。

実際のレーザ溶接では、ワーク２００の材質、継手形状、求められるビード形状幅などに応じ、式（１）、（２）に示す前述のパラメータａ，ｂ，ｎ，ｍは、適宜変更されうる。したがって、レーザ光ＬＢの走査パターンは、図５に示したパターンに特に限定されない。

例えば、図１７Ａ，１７Ｂに示すように、描画パターンＬＳ１、ＬＳ２のそれぞれにおいて、パラメータａを小さくして、リサージュパターンのＸ方向の振幅が小さくなるようにしてもよい。また、図１８Ａに示すように、周波数ｎ＝１、周波数ｍ＝２とすることで、図５に示すリサージュパターンを９０度回転させた走査パターンを生成してもよい。また、図１８Ｂ，１８Ｃに示すように、描画パターンＬＳ１、ＬＳ２のそれぞれにおいて、パラメータｂを小さくして、図１８Ａに示すリサージュパターンのＹ方向の振幅が小さくなるようにしてもよい。

また、式（１）、（２）に示すパラメータａ，ｂの値は、図１７Ａ，１７Ｂ及び図１８Ａ～１８Ｃに示す例に特に限定されず、例えば、図１９に示す範囲で適当な値を取りうる。なお、図１９において、図５及び図１７Ａ，１７Ｂに示すリサージュパターンをパターン群１とし、図１８Ａ～１８Ｃに示すリサージュパターンをパターン群２としている。

また、第１ミラー４１ａの周波数ｎ及び第２ミラー４２ａの周波数ｍの比、言い換えると、レーザ光ＬＢのＸ方向の振動周波数である第１周波数とＹ方向の振動周波数である第２周波数の比を２：１または１：２とすることで、８の字形状のリサージュパターンを得ることができる。また、この周波数の比率さえ守れば、ワーク２００の形状または要求されるビード形状に応じ第１ミラー４１ａ及び第２ミラー４２ａの駆動周波数をそれぞれ変更してもよい。

＜変形例４＞
図２０Ａ～２０Ｃは、本変形例に係るレーザ光の第１～第３の走査パターンをそれぞれ示す。なお、図２０Ａ～２０Ｃにおいて、矢印はレーザ光ＬＢの描画方向を示す。

本開示のレーザ光ＬＢの走査パターンは、実施形態１や変形例３に示したリサージュパターンに限られない。例えば、図２０Ａに示すように、それぞれ原点Ｏで接してＸ軸を挟んで配置された、互いに非対称な形状を有する２つの円形パターンの合成パターンであってもよい。また、図２０Ｂに示すように、それぞれ原点Ｏで接してＸ軸を挟んで配置された、互いに非対称な形状を有する２つの楕円パターンの合成パターンであってもよい。図２０Ｂに示す例では、２つの楕円パターンのそれぞれにおいて、長軸はＹ方向であり、短軸はＸ方向であるが、長軸をＸ方向、短軸をＹ方向にしてもよい。図２０Ｃに示すように、それぞれ原点Ｏで接してＸ軸を挟んで配置された、互いに非対称な形状を有する２つのひし形パターンの合成パターンであってもよい。なお、図示しないが、図２０Ａ～図２０Ｃに示す各走査パターンが、Ｙ軸に関して非対称に配置された２つの環状のパターンの合成パターンであってもよい。また、この場合、２つの環状のパターンのそれぞれが、図２０Ａ～図２０Ｃに示す例から９０度回転したパターンであってもよい。さらに、２つの環状のパターンのそれぞれの大きさも適宜変更されうる。

つまり、本願明細書におけるレーザ光ＬＢの走査パターンは、２つの環状のパターンが一点で接して連続したパターンであればよく、図２０Ａ～図２０Ｃに示す例やその変形例に限定されない。なお、これらのパターンは、第１ミラー４１ａ及び第２ミラー４２ａをそれぞれ所定の駆動パターンに則って駆動させることで得られる。

また、本変形例及び実施形態１～４、さらに変形例１～３に示す構成を総合してみれば、本開示に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置１００は、以下に示す構成を備えていると言える。

つまり、本開示に係るレーザ溶接方法は、所定のパターンが、Ｘ方向またはＹ方向に関して非対称な形状となるように、レーザ光ＬＢを走査する。また、所定のパターンは、Ｘ方向またはＹ方向に関して、描画長さが異なっている。さらに言うと、原点Ｏを通りＸ方向またはＹ方向に延びる中心線を挟んで、一方側と他方側とで、所定のパターンの描画長さが異なるように、レーザ光ＬＢを走査する。このことにより、所定のパターンにおけるレーザ光ＬＢの描画位置に応じて、ワーク２００への入熱量を制御する。

また、本開示に係るレーザ溶接装置１００において、コントローラ５０は、所定のパターンが、Ｘ方向またはＹ方向に関して非対称な形状となるように、レーザ光スキャナ４０を駆動制御する。また、コントローラ５０は、Ｘ方向またはＹ方向に関して、所定のパターンの描画長さを異ならせるように、レーザ光スキャナ４０を駆動制御する。さらに言うと、コントローラ５０は、原点Ｏを通りＸ方向またはＹ方向に延びる中心線を挟んで、一方側と他方側とで、所定のパターンの描画長さを異ならせるように、レーザ光スキャナ４０を駆動制御する。このことにより、所定のパターンにおけるレーザ光ＬＢの描画位置に応じて、ワーク２００への入熱量を制御する。

レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置１００をこのように構成することで、溶接線に関して熱容量が非対称となっているワーク２００の溶接部位に対して、溶接線を挟んだ両側で異なる熱量を投入させ、溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。

また、未だ加熱、溶融されていない第３部位２０３に溶融池２０１が形成されるのを促進できる。また、溶融池２０１が過度に振動するのを抑制できる。このことにより、溶接ビードが波立った形状となるのを抑制できる。また、ワーク２００の溶け込み深さが所望の値よりも深くなるのを抑制して、溶け落ち等の溶接不良が発生するのを低減し、また、溶接品質の向上が図れる。

なお、レーザ光ＬＢの走査パターンである「所定のパターン」とは、互いに非対称な形状である２つの環状のパターンが一点、この場合は原点Ｏで接して連続したパターンである。当該「所定のパターン」に本願明細書に開示したリサージュパターンが含まれることは言うまでもない。

（その他の実施形態）
実施形態１～４及び変形例１～４に示した各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。

例えば、変形例３，４に示す各走査パターンを描画するにあたって、変形例１や実施形態２，３に示すように、レーザ光ＬＢの出力Ｐを制御することもできる。また、実施形態４に示すように、レーザ光ＬＢの描画速度Ｖを制御することもできる。

また、実施形態２～４及び変形例１～４において、例えば、１周期の間に、原点Ｏから描画位置Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｏ→Ｆ→Ｅ→Ｄ→Ｏを通るようにレーザ光ＬＢを走査することで、リサージュパターンが描画されてもよい。また、１周期の間に、原点Ｏから描画位置Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｏ→Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｏを通るようにレーザ光ＬＢを走査することで、リサージュパターンが描画されてもよい。１周期の間に、原点Ｏから描画位置Ｆ→Ｅ→Ｄ→Ｏ→Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｏを通るようにレーザ光ＬＢを走査することで、リサージュパターンが描画されてもよい。また、描画位置の順番が変更されるのに応じて、レーザ光ＬＢの描画速度Ｖや出力Ｐを変化させるタイミング等が変更されることは言うまでもない。

なお、図１に示す例では、集光レンズ３４は、レーザ光スキャナ４０の前段に配置されていたが、レーザ光スキャナ４０の後段、つまり、レーザ光スキャナ４０とレーザヘッド３０の光出射口との間に配置されていてもよい。

また、レーザ光ＬＢをＸ方向に沿って第１周波数を有する余弦波状に振動させるとともに、Ｙ方向に沿って第２周波数を有する余弦波状に振動させることで、レーザ光ＬＢの走査パターンがリサージュパターンとなるようにしてもよい。この場合、第１ミラー４１ａ及び第２ミラー４２ａの振幅ａ，ｂや第１ミラー４１ａ及び第２ミラー４２ａの周波数ｎ，ｍ、さらに位相φが適宜変更されることは言うまでもない。

本開示のレーザ溶接方法及びレーザ溶接方法は、溶接ビードの形状を良好にすることができ、有用である。

１０ レーザ発振器
２０ 光ファイバ
３０ レーザヘッド
３１ 筐体
３２ コリメーションレンズ
３３ 反射ミラー
３４ 集光レンズ
４０ レーザ光スキャナ
４１ 第１ガルバノミラー
４１ａ 第１ミラー
４１ｂ 第１回転軸
４１ｃ 第１駆動部
４２ 第２ガルバノミラー
４２ａ 第２ミラー
４２ｂ 第２回転軸
４２ｃ 第２駆動部
５０ コントローラ
６０ マニピュレータ
２００ ワーク
２０１ 溶融池
２０２ キーホール
２０３ 第３部位
２０４ 第４部位
２１０ 第１板材（第１部位）
２２０ 第２板材（第２部位）
２３０ 第３板材
２４０ 第４板材

Claims (20)

1. レーザ光を第１方向に進行させながら、前記レーザ光を二次元的に走査してワークの表面に照射することで、前記ワークを溶接する溶接ステップを備え、
   前記溶接ステップでは、
   前記ワークの表面で所定のパターンを描くように前記レーザ光を走査し、
   さらに、前記所定のパターンが、前記第１方向または前記第１方向と交差する第２方向に関して非対称な形状となるように、前記レーザ光を走査し、
   前記所定のパターンは、互いに非対称な形状の２つの環状のパターンが一点で接して連続したパターンであることを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
   前記所定のパターンは、８の字状または∞字状のリサージュパターンであり、
   前記溶接ステップでは、前記レーザ光を前記第１方向に沿って第１周波数を有する正弦波状に振動させるとともに、前記第１方向と交差する第２方向に沿って第２周波数を有する正弦波状に振動させることで、前記ワークの表面で前記リサージュパターンを描くように前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザ溶接方法。
3. 請求項２に記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１周波数と前記第２周波数との比は、２：１か、または１：２であることを特徴とするレーザ溶接方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において、
   前記所定のパターンは、前記第１方向または前記第２方向に関して、描画長さが異なっていることを特徴とするレーザ溶接方法。
5. 請求項４に記載のレーザ溶接方法において、
   前記ワークにおける溶接部位は、溶接線を挟んで一方に第１部位を、他方に前記第１部位よりも熱容量の小さい第２部位を有しており、
   前記第１部位に照射される前記レーザ光の描画パターンの描画長さが、前記第２部位に照射される前記レーザ光の描画パターンの描画長さよりも長くなるようにすることを特徴とするレーザ溶接方法。
6. 請求項４または５に記載のレーザ溶接方法において、
   前記所定のパターンの描画中に、前記第１方向に沿って、前記ワークに形成される溶融池よりも前方に前記レーザ光が照射される部分を第３部位とし、前記溶融池を含んで前記第３部位よりも後方に前記レーザ光が照射される部分を第４部位とするとき、
   前記第３部位に照射される前記レーザ光の出力が、前記第４部位に照射される前記レーザ光の出力よりも高くなるようにすることを特徴とするレーザ溶接方法。
7. 請求項５に記載のレーザ溶接方法において、
   前記所定のパターンの描画中に、前記第１部位では、前記第２部位よりも前記レーザ光の出力が高くなるようにするようにすることを特徴とするレーザ溶接方法。
8. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において、
   前記所定のパターンの描画中に、前記所定のパターンの原点の近傍では、それ以外の部分よりも前記レーザ光の出力が低くなるようにすることを特徴とするレーザ溶接方法。
9. 請求項５に記載のレーザ溶接方法において、
   前記所定のパターンの描画中に、前記第１部位では、前記第２部位よりも前記レーザ光の描画速度が低くなるようにするようにすることを特徴とするレーザ溶接方法。
10. 請求項６に記載のレーザ溶接方法において、
    前記第３部位では、前記第４部位よりも前記レーザ光の描画速度が低くなるようにすることを特徴とするレーザ溶接方法。
11. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において、
    前記所定のパターンの描画中に、前記所定のパターンの原点の近傍では、それ以外の部分よりも前記レーザ光の描画速度が高くなるようにすることを特徴とするレーザ溶接方法。
12. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において、
    前記所定のパターンの全長に亘って、前記レーザ光の描画速度が一定となるようにすることを特徴とするレーザ溶接方法。
13. レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
    前記レーザ光を受け取ってワークに向けて照射するレーザヘッドと、
    前記レーザヘッドの動作を制御するコントローラと、を少なくとも備え、
    前記レーザヘッドは、前記レーザ光を第１方向と前記第１方向と交差する第２方向のそれぞれに走査するレーザ光スキャナを有し、
    前記コントローラは、前記レーザ光が前記ワークの表面に所定のパターンを描くように、前記レーザ光スキャナを駆動制御し、
    さらに、前記コントローラは、前記所定のパターンが、前記第１方向または前記第１方向と交差する第２方向に関して非対称な形状となるように、前記レーザ光スキャナを駆動制御し、
    前記所定のパターンは、互いに非対称な形状の２つの環状のパターンが一点で接して連続したパターンであることを特徴とするレーザ溶接装置。
14. 請求項１３に記載のレーザ溶接装置において、
    前記所定のパターンは、８の字状または∞字状のリサージュパターンであり、
    前記コントローラは、前記レーザ光を前記第１方向に沿って第１周波数を有する正弦波状に振動させるとともに、前記第１方向と交差する第２方向に沿って第２周波数を有する正弦波状に振動させることで、前記ワークの表面で前記リサージュパターンを描くように前記レーザ光スキャナを駆動制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
15. 請求項１４に記載のレーザ溶接装置において、
    前記第１周波数と前記第２周波数との比は、２：１か、または１：２であることを特徴とするレーザ溶接装置。
16. 請求項１３ないし１５のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    前記コントローラは、前記第１方向または前記第２方向に関して、前記所定のパターンの描画長さを異ならせるように、前記レーザ光スキャナを駆動制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
17. 請求項１３ないし１６のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    前記レーザヘッドが取り付けられたマニピュレータをさらに備え、
    前記コントローラは、前記マニピュレータの動作を制御し、
    前記マニピュレータは、前記ワークの表面に対して、所定の方向に前記レーザヘッドを移動させることを特徴とするレーザ溶接装置。
18. 請求項１３ないし１７のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    前記レーザ発振器と前記レーザヘッドとは光ファイバで接続されており、
    前記レーザ光は、前記光ファイバを通って、前記レーザ発振器から前記レーザヘッドに伝送されることを特徴とするレーザ溶接装置。
19. 請求項１３ないし１８のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    前記レーザ光スキャナは、前記レーザ光を前記第１方向に走査する第１ガルバノミラーと、前記レーザ光を前記第１方向と交差する第２方向に走査する第２ガルバノミラーと、で構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
20. 請求項１３ないし１９のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    前記レーザヘッドは、焦点位置調整機構をさらに有し、
    前記焦点位置調整機構は、前記第１方向及び前記第２方向のそれぞれに交差する方向に沿って、前記レーザ光の焦点位置を変化させるように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。

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