JP7267502B2 - 溶接方法および溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶接方法および溶接装置に関する。

金属材料からなる加工対象を溶接する手法の一つとして、レーザ溶接が知られている。レーザ溶接とは、レーザ光を加工対象の溶接すべき部分に照射し、レーザ光のエネルギーで当該部分を溶融させる溶接方法である。レーザ光が照射された部分には、溶融池と呼ばれる溶融した金属材料の液溜りが形成され、その後、溶融池が固化することによって溶接が行われる。

また、レーザ光を加工対象に照射する際には、その目的に応じ、レーザ光のプロファイルが成形されることもある。例えば、レーザ光を加工対象の切断に用いる場合に、レーザ光のプロファイルを成形する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特表２０１０－５０８１４９号公報

ところで、溶接時には、この溶融池からはスパッタと呼ばれる飛散物が発生することが知られている。このスパッタは、溶融金属が飛散したものであり、その発生を減らすことは加工欠陥を防ぐ上で重要である。スパッタは、溶融金属が飛散したものであることから、スパッタが発生すると溶接個所における金属材料が減少してしまっていることにもなる。つまり、スパッタの発生が多くなると、溶接個所の金属材料が不足してしまい、強度不良等を引き起こすことにもなる。また、発生したスパッタは、溶接個所の周辺に付着することになるが、これがのちに剥離し、電気回路等に付着すると、電気回路に異常をきたしてしまう。したがって、電気回路用の部品に対して溶接を行うことは困難な場合がある。

また、この種の溶接においても、当然ながら、所要の溶接強度が得られるのが、重要である。

そこで、本発明の課題の一つは、例えば、スパッタを抑制しながら、所要の溶接強度を得ることが可能な、新規な溶接方法および溶接装置を得ること、である。

本発明の溶接方法にあっては、例えば、金属を含む加工対象に向かってレーザ光を照射し、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う。前記レーザ光は、主パワー領域と、少なくとも一つの副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワーは、それぞれの前記副パワー領域のパワー以上であり、前記主パワー領域のパワーと、前記少なくとも一つの副パワー領域のパワーの合計とのパワー比が、１４４：１から１：１までの範囲内にある。

前記溶接方法では、前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動する。

前記溶接方法では、例えば、前記レーザ光と前記加工対象との相対的な移動により当該加工対象に形成される溶接痕の掃引方向に対して直交する幅に対する前記溶接痕の深さのアスペクト比を０．８以上とする。

前記溶接方法では、例えば、前記レーザ光と前記加工対象との相対的な移動速度が、２［ｍ／ｍｉｎ］以上３０［ｍ／ｍｉｎ］以下である。

前記溶接方法では、例えば、前記相対的な移動速度が、２［ｍ／ｍｉｎ］以上２０［ｍ／ｍｉｎ］以下である。

前記溶接方法では、例えば、前記相対的な移動速度が、５［ｍ／ｍｉｎ］以上１０［ｍ／ｍｉｎ］以下である。

また、本発明の溶接装置は、例えば、レーザ発振器と、レーザ発振器から発振された光を受け取ってレーザ光を生成し、前記生成されたレーザ光を加工対象に向かって照射して照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、によって構成され、前記レーザ光は、主パワー領域と、少なくとも一つの副パワー領域によって構成され、前記主パワー領域のパワーは、それぞれの前記副パワー領域のパワー以上であり、前記主パワー領域のパワーと、前記少なくとも一つの副パワー領域のパワーの合計とのパワー比が、１４４：１から１：１までの範囲内にある。

前記溶接装置では、前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動する。

本発明によれば、スパッタの発生を抑制することができるとともに、所要の溶接強度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、第１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、第１実施形態のレーザ溶接装置から照射されたレーザ光の加工対象の表面上におけるビーム（スポット）の一例を示す模式図である。 図４は、第１実施形態のレーザ溶接装置から照射されたレーザ光の加工対象の表面上におけるビーム（スポット）の別の一例を示す模式図である。 図５は、第１実施形態のレーザ溶接装置から照射されたレーザ光によって加工対象に形成された溶接痕を示す例示的かつ模式的な断面図である。 図６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。 図７は、第３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８は、第４実施形態に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。 図９は、第５実施形態に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。 図１０は、第６実施形態に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。 図１１は、光ファイバの構成例を示す図である。 図１２は、光ファイバの構成例を示す図である。 図１３は、実施形態のレーザ溶接装置から照射されたレーザ光の加工対象の表面上におけるビーム（スポット）の変形例を示す模式図である。

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結果（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、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。

以下に示される実施形態は、同様の構成を備えている。よって、各実施形態の構成によれば、当該同様の構成に基づく同様の作用および効果が得られる。また、以下では、それら同様の構成には同様の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される場合がある。

また、各図において、方向Ｘを矢印Ｘで表し、方向Ｙを矢印Ｙで表し、方向Ｚを矢印Ｚで表している。方向Ｘ、方向Ｙ、および方向Ｚ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Ｗの表面Ｗａ（加工面）の法線方向である。

［第１実施形態］
［レーザ溶接装置の構成］
図１は、第１実施形態のレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。レーザ溶接装置１００は、レーザ装置１１０と、光学ヘッド１２０と、レーザ装置１１０と光学ヘッド１２０とを接続する光ファイバ１３０と、を備えている。レーザ溶接装置１００は、溶接装置の一例である。

レーザ溶接装置１００の加工対象Ｗは、例えば、鉄系の金属材料や、アルミニウム系の金属材料、銅系の金属材料等で作られうる。また、加工対象Ｗは、例えば、板状の形状を有し、加工対象Ｗの厚さは、例えば、１［ｍｍ］以上、１０［ｍｍ］以下であるが、これには限定されない。また、加工対象Ｗは、複数の部材が重ね合わせられたものである。複数の部材の数や、各部材の厚さは、種々に変更することができる。

レーザ装置１１０は、レーザ発振器を備えており、一例としては、数ｋＷのパワーのレーザ光を出力できるよう構成されている。また、レーザ装置１１０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１１０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く、そのレーザ光は、シングルモードでもマルチモードでもよい。また、レーザ装置１１０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。

光ファイバ１３０は、レーザ装置１１０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１１０から入力されたレーザ光を、加工対象Ｗに向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と、集光レンズ１２２と、ＤＯＥ１２３（diffractive optical element、回折光学素子）と、を備えている。コリメートレンズ１２１、集光レンズ１２２、およびＤＯＥ１２３は、光学部品とも称されうる。

光学ヘッド１２０は、加工対象Ｗ上でレーザ光Ｌの照射を行いながらレーザ光Ｌを掃引するために、加工対象Ｗとの相対位置を変更可能に構成されている。光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとの相対移動は、光学ヘッド１２０の移動、加工対象Ｗの移動、または光学ヘッド１２０および加工対象Ｗの双方の移動により、実現されうる。

コリメートレンズ１２１は、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。また、集光レンズ１２２は、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に照射する。

ＤＯＥ１２３は、コリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２との間に配置され、レーザ光のビームの形状（以下、ビーム形状と称する）を成形する。図２に概念的に例示されるよう、ＤＯＥ１２３は、例えば、周期の異なる複数の回折格子１２３ａが重ね合わせられた構成を備えている。ＤＯＥ１２３は、平行光を、各回折格子１２３ａ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。ＤＯＥ１２３は、ビームシェイパとも称されうる。

［ビーム（スポット）の形状］
ＤＯＥ１２３は、コリメートレンズ１２１から入力されたレーザ光を、複数のビームに分割する。図３は、加工対象Ｗの表面Ｗａ上に形成されたレーザ光Ｌのビーム（スポット）の一例を示す図であり、図４は、加工対象Ｗの表面Ｗａ上に形成されたレーザ光Ｌ’のビーム（スポット）の一例を示す図である。なお、図３，４中の矢印ＳＤは、ビームの加工対象Ｗの表面Ｗａ上での掃引方向を示している。ＤＯＥ１２３を交換することにより、光学ヘッド１２０はレーザ光Ｌおよびレーザ光Ｌ’の双方を出力することができる。

ＤＯＥ１２３は、表面Ｗａ上に、一つの主ビームＢ１のスポットと、少なくとも一つの副ビームＢ２のスポットとが形成されるよう、レーザ光を分割する。図３の例では、ＤＯＥ１２３によるビームの成形により、表面Ｗａ上には、一つの主ビームＢ１のスポットと、当該主ビームＢ１のスポットの周囲に、円環状に並んだ複数の副ビームＢ２のスポットとが形成されている。また、図４の例では、ＤＯＥ１２３によるビームの成形により、表面Ｗａ上には、一つの主ビームＢ１のスポットと、当該主ビームＢ１のスポットを取り囲む円環状の一つの副ビームＢ２のスポットとが、形成される。主ビームＢ１が照射される領域は、主パワー領域の一例であり、副ビームＢ２が照射される領域は、副パワー領域の一例である。

また、ＤＯＥ１２３は、表面Ｗａ上において、いずれかの副ビームＢ２のスポットの少なくとも一部が、掃引方向ＳＤにおいて主ビームＢ１のスポットの前方に位置するよう、ビームを成形する。具体的には、いずれかの副ビームＢ２が、主ビームＢ１の前端Ｂ１ｆを通り掃引方向ＳＤと直交する仮想直線ＶＬよりも掃引方向ＳＤの前方の領域Ａ内に、少なくとも部分的に、位置していればよい。

主ビームＢ１および副ビームＢ２は、そのビーム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。各ビームのビーム径は、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。円形でないビームの場合は、本明細書においてはビームの中心付近を通る長い方の軸（例えば長軸）もしくは長い方の軸（長軸）に垂直方向の短い方の軸（例えば短軸）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する。また、各ビームのパワーは、そのビームのピークを含み、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度の領域でのパワーである。レーザ装置１１０や、光ファイバ１３０、コリメートレンズ１２１、集光レンズ１２２、およびＤＯＥ１２３の適宜な設計あるいは調整により、上述したような主ビームＢ１および副ビームＢ２を含むレーザ光Ｌを形成することができる。

［溶接方法］
レーザ溶接装置１００を用いた溶接にあっては、まず、加工対象Ｗが、レーザ光Ｌが照射される領域にセットされる。そして、ＤＯＥ１２３によって分割された主ビームＢ１および副ビームＢ２を含むレーザ光Ｌが加工対象Ｗに照射されている状態で、レーザ光Ｌと加工対象Ｗとが相対的に移動する。これにより、レーザ光Ｌが表面Ｗａ上に照射されながら当該表面Ｗａ上を掃引方向ＳＤに移動する（掃引する）。レーザ光Ｌが照射された部分は、溶融し、その後、温度の低下に伴って凝固することにより、加工対象Ｗが溶接される。なお、本実施形態では、一例として、掃引方向ＳＤは、Ｘ方向であるが、掃引方向ＳＤは、Ｚ方向と交差していればよく、Ｘ方向には限定されない。

発明者らの実験的な研究から、レーザ光Ｌにおいて、副ビームＢ２の少なくとも一部の領域を、主ビームＢ１に対して掃引方向ＳＤにおける前方に位置することにより、スパッタの発生を抑制できることが確認されている。これは、例えば、主ビームＢ１が到来する前に副ビームＢ２によって加工対象Ｗを予め加熱しておくことにより、副ビームＢ２および主ビームＢ１によって形成される加工対象Ｗの溶融池がより安定化するからであると推定できる。

［実験結果］
図５は、加工対象Ｗの掃引方向ＳＤと直交する断面を示す模式図である。発明者らは、断面に生じる溶接痕Ｗｍのアスペクト比に着目した。アスペクト比（ｄ／ｗ）は、溶接痕Ｗｍの掃引方向ＳＤと直交する幅ｗに対する溶接痕Ｗｍの深さｄと定義される。溶接痕Ｗｍは、溶融しかつ凝固（例えば一方向凝固）が生じた、所謂溶接金属と称される領域であって、その周囲の熱影響領域Ａｈを含まないものとする。また、幅ｗは、表面Ｗａにおける幅とし、深さｄは、表面Ｗａから溶接痕Ｗｍの先端Ｗｍｔまでの深さとする。なお、幅ｗは、ＪＩＳハンドブック ４０－１ 溶接Ｉ（基本）、４．１．６ 溶接設計、１１６０５「溶接幅」に準拠し、深さｄは、ＪＩＳハンドブック ４０－１ 溶接Ｉ（基本）、４．１．６ 溶接設計、１１６１９「溶込み」に準拠する。アスペクト比（ｄ／ｗ）が小さいと、幅ｗに対する十分な深さｄが得られない上に熱影響領域Ａｈが大きくなってしまい、所要の溶接強度が得られ難くなると考えられる。

発明者らは、以下の表１に示される複数の条件について、レーザ溶接装置１００を用いて、加工対象Ｗに対して、実際に、図３のビーム形状を有したレーザ光Ｌを照射してレーザ溶接を実行し、加工対象Ｗの断面における溶接痕Ｗｍにおけるアスペクト比（ｄ／ｗ）を測定した。

当該実験では、主ビームＢ１のパワーと、副ビームＢ２のパワーの合計との比（以下パワー比と称する）が、３：７、５：５（＝１：１）、７：３、および９：１の場合のそれぞれについて、表面Ｗａとレーザ光Ｌとの相対的な移動速度（以下、掃引速度と称する）が、３０［ｍ／ｍｉｎ］、２０［ｍ／ｍｉｎ］、１０［ｍ／ｍｉｎ］、５［ｍ／ｍｉｎ］、２［ｍ／ｍｉｎ］、１［ｍ／ｍｉｎ］、０．５［ｍ／ｍｉｎ］の場合のアスペクト比が、測定された。

レーザ装置１１０から出力されるレーザ光の波長は１０７０［ｎｍ］に設定され、パワーは６［ｋＷ］に設定され、パワー比が異なる各場合において、主ビームＢ１のパワーと複数の副ビームＢ２のパワーとの総和は、同じに設定された。主ビームＢ１の中心に対して副ビームＢ２が並ぶ円周の半径Ｒ（ビーム半径）は、３００［μｍ］に設定された。

また、加工対象Ｗとしては、１０［ｍｍ］の厚さの１枚のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）が用いられた。なお、厚さ方向ＴＤ（Ｚ方向）に重ねられた加工対象Ｗが互いに密着している場合、アスペクト比は、加工対象Ｗの厚さおよび枚数にはほぼ依存しないものと推定できる。言い換えると、加工対象Ｗが厚さ方向ＴＤに互いに密着して複数枚重ねられた同一材料の板材である場合も、加工対象Ｗが１枚の板材である本実験の場合と同じ結果が得られると、推定できる。

表１では、行毎に掃引速度が異なり、列毎にパワー比が異なっている。マトリクス上の各点の数値は、当該各点が属する行の掃引速度で、当該各点が属する列のパワー比で実験が行われた場合の、アスペクト比を示している。なお、右列の数値は、参考例であって、ＤＯＥ１２３が無く加工対象Ｗに照射されたレーザ光が単一のビーム（スポット）を有する場合における、掃引速度毎のアスペクト比を示している。

表１の実験から、以下の（１）～（５）の知見が得られた。
（１）パワー比が、５：５、７：３、または９：１である場合には、アスペクト比が０．８以上となり、実用的に問題のない溶接強度が得られた。パワー比が、３：７である場合には、アスペクト比が０．８未満となる場合があった。
（２）掃引速度が２［ｍ／ｍｉｎ］以上３０［ｍ／ｍｉｎ］以下である実用的な範囲において、パワー比が、５：５、７：３、または９：１である場合には、各掃引速度において、パワー比が３：７である場合よりも、より大きなアスペクト比が得られた。すなわち、より高い溶接強度が得られた。
（３）パワー比が５：５の場合、パワー比が７：３である場合、パワー比が９：１である場合のそれぞれにおいて、掃引速度が２［ｍ／ｍｉｎ］から２０［ｍ／ｍｉｎ］までの範囲内である場合のアスペクト比は、掃引速度が３０［ｍ／ｍｉｎ］である場合でのアスペクト比よりも、大きかった。すなわち、より高い溶接強度が得られた。
（４）パワー比が５：５の場合、パワー比が７：３である場合、パワー比が９：１である場合のそれぞれにおいて、アスペクト比が最大値、すなわち、溶接強度が最大となる掃引速度は、掃引速度が５［ｍ／ｍｉｎ］から１０［ｍ／ｍｉｎ］までの範囲内に存在していた。
（５）表１には示されていないが、参考例の場合、パワー比が、５：５、７：３、または９：１である場合よりもスパッタが多く、主ビームＢ１と少なくとも一つの副ビームＢ２とを含むレーザ光Ｌによるメリットが得られなかった。

なお、図３のビーム形状にあっては、レーザ光Ｌは、１６個の副ビームＢ２が含んでおり、掃引方向ＳＤにおいて主ビームＢ１の前方に位置する副ビームＢ２は１個である。したがって、主ビームＢ１が表面Ｗａ上の加工位置に到達する前に、当該加工位置を加熱しているのは主に１個の副ビームＢ２である。すなわち、パワー比が９：１の場合は、パワー比が９：１／１６＝１４４：１の場合と等価である。

表１より、主ビームと一または複数の副ビームの合計とのパワー比は、９：１～１：１の範囲とするのが好ましい。この場合、高いアスペクト比を好適に実現することができる。

また、表１より、掃引速度は、２［ｍ／ｍｉｎ］以上２０［ｍ／ｍｉｎ］以下とするのが好ましい。この場合、アスペクト比を１．１以上にすることができる。

また、表１より、掃引速度は、５［ｍ／ｍｉｎ］以上１０［ｍ／ｍｉｎ］以下とするのがより好ましい。この場合、アスペクト比を１．６以上にすることができる。

これは、掃引速度が速すぎると、深部まで十分な入熱が得られないため深さｄが小さくなり、逆に掃引速度が遅すぎると、表面Ｗａにおける入熱が大きくなり幅ｗが大きくなるからであると考えられる。

以上、説明したように、本実施形態では、例えば、主ビームＢ１（主パワー領域）のパワーと、少なくとも一つの副ビームＢ２（副パワー領域）のパワーの合計との比が、１４４：１から１：１までの範囲内に設定される。

このような溶接方法および溶接装置によれば、スパッタの発生を抑制しながら、所要の溶接強度を得ることができる。

また、本実施形態では、例えば、溶接痕Ｗｍのアスペクト比（ｄ／ｗ）を０．８以上となるよう、掃引速度（レーザ光Ｌと加工対象Ｗ（表面Ｗａ）との相対的な移動速度）、パワー比等の溶接の諸条件を設定する。

このような溶接方法および溶接装置によれば、スパッタの発生を抑制しながら、所要の溶接強度を得ることができる。

また、本実施形態では、例えば、掃引速度が、２［ｍ／ｍｉｎ］以上２０［ｍ／ｍｉｎ］以下である。

また、本実施形態では、例えば、掃引速度が、５［ｍ／ｍｉｎ］以上１０［ｍ／ｍｉｎ］以下である。

このような溶接方法および溶接装置によれば、スパッタの発生を抑制しながら、より高い溶接強度を得ることができる。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態のレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。レーザ溶接装置２００は、加工対象Ｗ１にレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗ１の溶接を行う。加工対象Ｗ１は、２枚の板状の金属部材Ｗ１１、Ｗ１２を重ね合わせて構成されている。レーザ溶接装置２００は、レーザ溶接装置１００と同様の作用原理によって溶接を実現するものである。したがって、以下では、レーザ溶接装置２００の装置構成の説明のみを行う。

レーザ溶接装置２００は、レーザ装置２１０と、光学ヘッド２２０と、光ファイバ２３０とを備えている。

レーザ装置２１０は、レーザ発振器を備えており、レーザ装置１１０と同様に構成されており、例えば数ｋＷのパワーのレーザ光を出力できるように構成されている。光ファイバ２３０は、レーザ装置２１０から出力されたレーザ光を導波し、光学ヘッド２２０に入力させる。

光学ヘッド２２０は、光学ヘッド１２０と同様に、レーザ装置２１０から入力されたレーザ光を、加工対象Ｗ１に向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド２２０は、コリメートレンズ２２１と集光レンズ２２２とを備えている。

さらに、光学ヘッド２２０は、集光レンズ２２２と加工対象Ｗ１との間に配置された、ガルバノスキャナを有している。ガルバノスキャナとは、２枚のミラー２２４ａ，２２４ｂの角度を制御することで、光学ヘッド２２０を移動させることなく、レーザ光Ｌの照射位置を移動させ、レーザ光Ｌを掃引することができる装置である。レーザ溶接装置２００では、集光レンズ２２２から出射したレーザ光Ｌをガルバノスキャナへ導くためにミラー２２６を備えている。また、ガルバノスキャナのミラー２２４ａ，２２４ｂは、それぞれモータ２２５ａ，２２５ｂによって角度が変更される。

光学ヘッド２２０は、コリメートレンズ２２１と集光レンズ２２２との間に配置された、ビームシェイパとしてのＤＯＥ２２３を備えている。ＤＯＥ２２３は、ＤＯＥ１２３と同様に、コリメートレンズ２２１から入力されたレーザ光を分割し、主ビームと少なくとも１本の副ビームとを生成する。少なくとも１本の副ビームは、主ビームに対して掃引方向前方側に少なくともその一部が位置する。本実施形態においても、パワー比を、上記第１実施形態と同様に設定することができる。

［第３実施形態］
図７は、第３実施形態のレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。レーザ溶接装置３００は、加工対象Ｗ２にレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗ２の溶接を行う。加工対象Ｗ２は、２枚の板状の金属部材Ｗ２１、Ｗ２２を突き合わせるように隣接させて構成されている。レーザ溶接装置３００は、レーザ発振器を備えており、レーザ溶接装置１００、２００と同様の作用原理によって溶接を実現するものである。光学ヘッド３２０以外の要素（レーザ装置３１０および光ファイバ３３０）の構成は、レーザ溶接装置１００、２００の対応する要素と同様である。したがって、以下では、光学ヘッド３２０の装置構成の説明のみを行う。

光学ヘッド３２０は、光学ヘッド１２０、２２０と同様に、レーザ装置３１０から入力されたレーザ光を、加工対象Ｗ２に向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２とを備えている。

さらに、光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２との間に配置された、ガルバノスキャナを有している。ガルバノスキャナのミラー３２４ａ，３２４ｂは、それぞれモータ３２５ａ，３２５ｂによって角度が変更される。光学ヘッド３２０では、光学ヘッド２２０と異なる位置にガルバノスキャナを設けている。しかしながら、光学ヘッド２２０と同様に、２枚のミラー３２４ａ，３２４ｂの角度を制御することで、光学ヘッド３２０を移動させることなく、レーザ光Ｌの照射位置を移動させ、レーザ光Ｌを掃引することができる。

光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２との間に配置された、ビームシェイパとしてのＤＯＥ３２３を備えている。ＤＯＥ３２３は、ＤＯＥ１２３、２２３と同様に、コリメートレンズ３２１から入力されたレーザ光を分割し、主ビームと少なくとも１本の副ビームとを生成する。少なくとも１本の副ビームは、主ビームに対して掃引方向前方側に少なくともその一部が位置する。本実施形態においても、パワー比を、上記第１実施形態と同様に設定することができる。

［第４実施形態］
図８は、第４実施形態に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。レーザ溶接装置４００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌ１１，Ｌ１２を照射して加工対象Ｗの溶接を行う。レーザ溶接装置４００は、レーザ溶接装置１００と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものである。したがって、以下では、レーザ溶接装置４００の装置構成の説明のみを行う。

レーザ溶接装置４００は、レーザ光を出力する複数のレーザ装置４１１，４１２と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド４２０と、レーザ装置４１１，４１２から出力されたレーザ光を光学ヘッド４２０へ導く光ファイバ４３１，４３２とを備えている。

レーザ装置４１１は、レーザ装置１１０と同様に構成されており、例えば数ｋＷの出力のマルチモードまたはシングルモードのレーザ光Ｌ１１を出力できるように構成されている。レーザ装置４１２は、レーザ装置１１０と同様に構成されており、例えば数ｋＷの出力であり、それぞれがマルチモードまたはシングルモードの複数のレーザ光であるレーザ光Ｌ１２を出力できるように構成されている。

光ファイバ４３１，４３２は、レーザ光Ｌ１１，Ｌ１２をそれぞれ光学ヘッド４２０に導く。光ファイバ４３２は、複数のレーザ光であるレーザ光Ｌ１２を導くために、複数の光ファイバで構成されていてもよいし、マルチコアファイバで構成されていてもよい。

光学ヘッド４２０は、レーザ装置４１１，４１２から導かれたそれぞれのレーザ光Ｌ１１，Ｌ１２を、加工対象Ｗに向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド４２０は、レーザ光Ｌ１１のためのコリメートレンズ４２１ａと集光レンズ４２２ａと、レーザ光Ｌ１２のためのコリメートレンズ４２１ｂと集光レンズ４２２ｂとを備えている。コリメートレンズ４２１ａ，４２１ｂは、それぞれ、光ファイバ４３１，４３２によって導かれたレーザ光を一旦平行光化するための光学系であり、集光レンズ４２２ａ，４２２ｂは、平行光化されたレーザ光を加工対象Ｗに集光させるための光学系である。なお、コリメートレンズ４２１ｂと集光レンズ４２２ｂとは、それぞれ、複数のレーザ光であるレーザ光Ｌ１２を平行光化または集光するために、複数のレンズで構成されていてもよい。

光学ヘッド４２０は、レーザ光Ｌ１１，Ｌ１２のうち、レーザ光Ｌ１１を主ビームとして加工対象Ｗに照射し、レーザ光Ｌ１２を副ビームとして加工対象Ｗに照射する。すなわち、加工対象Ｗに向かって照射されるレーザ光は、主ビームと複数の副ビームとによって構成される。また、掃引する場合は、複数の副ビームは、主ビームに対して掃引方向前方側に少なくともその一部が位置する。そして、主ビームのパワーと、複数の副ビームのパワーの合計との比が、９：１～５：５である。これにより、レーザ溶接装置４００は、加工対象Ｗを溶接する際の溶接欠陥の発生を抑制することができる。なお、副ビームの配置の仕方に応じて、１４４：１～５：５としてもよい。

レーザ溶接装置４００によれば、たとえば図３，４に例示される配置を実現することができる。なお、図に示される例は、レーザ光Ｌ１１，Ｌ１２を用いているが、その数を適宜増減してもよい。

［第５実施形態］
図９は、第５実施形態に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。レーザ溶接装置５００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌ１１，Ｌ１２を照射して加工対象Ｗの溶接を行う。レーザ溶接装置５００は、レーザ溶接装置１００と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものである。したがって、以下では、レーザ溶接装置５００の装置構成の説明のみを行う。

レーザ溶接装置５００は、レーザ光を出力するレーザ装置５１０と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド５２０と、レーザ装置５１０から出力されたレーザ光を光学ヘッド５２０へ導く光ファイバ５３１，５３３，５３４とを備えている。

レーザ装置５１０は、レーザ装置１１０と同様に構成されており、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を出力できるように構成されている。レーザ装置５１０は、加工対象Ｗに照射するレーザ光Ｌ１１，Ｌ１２の両方を出力するために用いられる。そのために、レーザ装置５１０から出力されたレーザ光を光学ヘッド５２０へ導く光ファイバ５３１，５３３，５３４の間には分岐ユニット５３２が設けられている。レーザ装置５１０は、レーザ装置５１０から出力されたレーザ光を複数のレーザ光に分岐してから光学ヘッド５２０へ導くように構成されている。

光ファイバ５３１，５３３は、レーザ光Ｌ１１，Ｌ１２をそれぞれ光学ヘッド５２０に導く。光ファイバ５３３は、複数のレーザ光であるレーザ光Ｌ１２を導くために、複数の光ファイバで構成されていてもよいし、マルチコアファイバで構成されていてもよい。

光学ヘッド５２０は、分岐ユニット５３２によって分岐され、光ファイバ５３１，５３３によって導かれたレーザ光Ｌ１１，Ｌ１２を加工対象Ｗに照射するための光学装置である。そのために、光学ヘッド５２０は、レーザ光Ｌ１１のためのコリメートレンズ５２１ａと集光レンズ５２２ａと、レーザ光Ｌ１２のためのコリメートレンズ５２１ｂと集光レンズ５２２ｂとを備えている。コリメートレンズ５２１ａ，５２１ｂは、それぞれ、光ファイバ５３３，５３４によって導かれたレーザ光を一旦平行光化するための光学系であり、集光レンズ５２２ａ，５２２ｂは、平行光化されたレーザ光を加工対象Ｗに集光させるための光学系である。なお、コリメートレンズ５２１ｂと集光レンズ５２２ｂとは、それぞれ、複数のレーザ光であるレーザ光Ｌ１２を平行光化または集光するために、複数のレンズで構成されていてもよい。

光学ヘッド５２０は、レーザ光Ｌ１１，Ｌ１２のうち、レーザ光Ｌ１１を主ビームとして加工対象Ｗに照射し、レーザ光Ｌ１２を副ビームとして加工対象Ｗに照射する。すなわち、加工対象Ｗに向かって照射されるレーザ光は、主ビームと複数の副ビームとによって構成される。また、掃引する場合は、複数の副ビームは、主ビームに対して掃引方向前方側に少なくともその一部が位置する。そして、主ビームのパワーと、複数の副ビームのパワーの合計との比が、９：１～５：５である。これにより、レーザ溶接装置５００は、加工対象Ｗを溶接する際の溶接欠陥の発生を抑制することができる。なお、副ビームの配置の仕方に応じて、１４４：１～５：５としてもよい。

レーザ溶接装置５００によれば、図３，４に例示される配置を実現することができる。なお、図に示される例は、レーザ光Ｌ１１，Ｌ１２を用いているが、その数を適宜増減してもよい。

［第６実施形態］
図１０は、第６実施形態に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。レーザ溶接装置６００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗをの溶接を行う。レーザ溶接装置６００は、レーザ溶接装置１００と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものである。したがって、以下では、レーザ溶接装置６００の装置構成の説明のみを行う。

レーザ溶接装置６００は、レーザ光を出力する複数のレーザ装置６１１，６１２と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド６２０と、レーザ装置６１１，６１２から出力されたレーザ光を光学ヘッド６２０へ導く光ファイバ６３１，６３２，６３５とを備えている。

レーザ装置６１１は、レーザ装置１１０と同様に構成されており、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を出力できるように構成されている。レーザ装置６１２は、レーザ装置１１０と同様に構成されており、例えば数ｋＷの出力であり、それぞれがマルチモードまたはシングルモードの複数のレーザ光を出力できるように構成されている。

レーザ溶接装置６００では、レーザ装置６１１，６１２から出力されたレーザ光は、光学ヘッド６２０へ導かれる前に結合される。そのために、レーザ装置６１１，６１２から出力されたレーザ光を光学ヘッド６２０へ導く光ファイバ６３１，６３２，６３５の間には結合部６３４が設けられている。レーザ装置６１１，６１２から出力されたレーザ光は、光ファイバ６３５中を並列して導波されることになる。

ここで、図１１，１２を参照しながら、光ファイバ６３１（および６３２）および光ファイバ６３５の構成例を説明する。図１１に示すように、光ファイバ６３１（および６３２）は、通常の光ファイバである。すなわち、光ファイバ６３１（および６３２）は、１つのコア領域Ｃｏの周囲にコア領域Ｃｏよりも屈折率が低いクラッドＣｌが形成された光ファイバである。一方、図１２に示すように、光ファイバ６３５は、マルチコアファイバである。すなわち、光ファイバ６３５は、２つのコア領域Ｃｏ１，Ｃｏ２を有し、この２つのコア領域Ｃｏ１，Ｃｏ２の周囲にコア領域Ｃｏ１，Ｃｏ２よりも屈折率が低いクラッドＣｌが形成されている。さらに、コア領域Ｃｏ２は複数のコア領域を含んでいる。そして、結合部６３４では、光ファイバ６３１のコア領域Ｃｏと光ファイバ６３５のコア領域Ｃｏ１とが結合され、また、光ファイバ６３２のコア領域Ｃｏと光ファイバ６３５のコア領域Ｃｏ２とが結合されることになる。レーザ装置６１２から出力された複数のレーザ光のそれぞれは、コア領域Ｃｏ２の複数のコア領域のそれぞれによって導波される。

図１０の参照に戻る。光学ヘッド６２０は、結合部６３４によって結合されたレーザ光Ｌを加工対象Ｗに照射するための光学装置である。そのために、光学ヘッド６２０は、内部にコリメートレンズ６２１と集光レンズ６２２とを備えている。

レーザ溶接装置６００は、光学ヘッド６２０が回折光学素子を備えておらず、また、複数のレーザ光のための独立した光学系も有していないが、レーザ装置６１１，６１２から出力されたレーザ光は、光学ヘッド６２０へ導かれる前に結合されている。これにより、加工対象Ｗに向かって照射されるレーザ光Ｌは、主ビームと複数の副ビームとによって構成される。また、掃引する場合は、複数の副ビームは、主ビームに対して掃引方向前方側に少なくともその一部が位置する。そして、主ビームのパワーと、複数の副ビームのパワーの合計との比が、９：１～５：５である。これにより、レーザ溶接装置６００は、加工対象Ｗを溶接する際の溶接欠陥の発生を抑制することができる。なお、副ビームの配置の仕方に応じて、１４４：１～５：５としてもよい。

レーザ溶接装置６００によれば、図３，４に例示される配置を実現することができる。なお、図に示される例は、レーザ装置６１１，６１２から出力されたレーザ光を用いているが、その数を適宜増減してもよい。

なお、上記実施形態では、分割した主ビームと複数の副ビームとは、互いに重ならないが、主ビームと副ビーム、または副ビーム同士が重なってもよい。

［ビーム（スポット）の形状の変形例］
図１３は、加工対象Ｗの表面Ｗａ上に形成されたレーザ光Ｌのビーム（スポット）の一例を示す図である。図１３の例では、副ビームＢ２の全てが主ビームＢ１の前方に配置されている。また、主ビームＢ１のパワーと、副ビームＢ２のパワーとの比が、２９：０．２であるため、主ビームのパワーと、複数（５個）の副ビームのパワーの合計との比は、２９：１である。このような配置によれば、加工対象の予熱をより効果的に行うことができ、好ましい。

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、上記各実施形態において、主ビーム（主パワー領域）の溶接形態は、キーホール型溶接であってもよいし、熱伝導型溶接であってもよい。ここでいうキーホール型溶接とは、キーホールを利用した溶接方法である。他方、熱伝導型溶接とは、加工対象の表面でレーザ光が吸収されて発生した熱を利用して加工対象を溶融させる溶接方法である。

また、副ビームはすべてが同じパワーを持っていてもよいし、一つまたは一部の副ビームのパワーがその他の副ビームのパワーより高くてもよい。また、複数の副ビームが複数のグループに分類でき、同じグループ内では副ビームは略同じパワーであり、グループ間では副ビームは異なるパワーであってもよい。この場合、複数の異なるグループに分類された副ビームを比較すると、パワーが段階的に異なる。なお、或るグループに含まれる副ビームは複数に限られず、一つでもよい。

また、加工対象の材質は、ステンレス鋼には限定されない。

また、加工対象は板材に限られないし、溶接の態様は重ね合わせ溶接や突き合わせ溶接にも限られない。したがって、加工対象は溶接されるべき少なくとも２つの部材を重ねる、または接触させる、または隣接させることにより構成されるものでよい。

また、加工対象に対してレーザ光を掃引する場合には、公知のウォブリングやウィービングや出力変調等により掃引を行い、溶融池の表面積を調節するようにしてもよい。

また、加工対象は、めっき付き金属板のように、金属の表面に薄い他の金属の層が存在するものでもよい。

本発明は、溶接方法および溶接装置に利用することができる。

１００，２００，３００…レーザ溶接装置（溶接装置）
１１０，２１０，３１０…レーザ装置（レーザ発振器）
１２０，２２０，３２０…光学ヘッド
１２１，２２１，３２１…コリメートレンズ
１２２，２２２，３２２…集光レンズ
１２３，２２３，３２３…ＤＯＥ（回折光学素子）
１２３ａ…回折格子
１３０，２３０，３３０…光ファイバ
２２４ａ，２２４ｂ，２２６，３２４ａ，３２４ｂ…ミラー
２２５ａ，２２５ｂ，３２５ａ，３２５ｂ…モータ
４００…レーザ溶接装置
４１１，４１２…レーザ装置
４２０…光学ヘッド
４２１ａ，４２１ｂ…コリメートレンズ
４２２ａ，４２２ｂ…集光レンズ
４３１，４３２…光ファイバ
５００…レーザ溶接装置
５１０…レーザ装置
５２０…光学ヘッド
５２１ａ，５２１ｂ…コリメートレンズ
５２２ａ，５２２ｂ…集光レンズ
５３１，５３４…光ファイバ
５３２…分岐ユニット
５３３…光ファイバ
６００…レーザ溶接装置
６１１，６１２…レーザ装置
６２０…光学ヘッド
６２１…コリメートレンズ
６２２…集光レンズ
６３１，６３２，６３５…光ファイバ
６３４…結合部
Ａ…（掃引方向における前方の）領域
Ａｈ…熱影響領域
Ｂ１…主ビーム（主パワー領域）
Ｂ１ｆ…前端
Ｂ２…副ビーム（副パワー領域）
Ｃｌ…クラッド
Ｃｏ，Ｃｏ１，Ｃｏ２…コア領域
ｄ…深さ
Ｌ，Ｌ’，Ｌ１１，Ｌ１２…レーザ光
Ｒ…半径
ＳＤ…掃引方向
ＴＤ…厚さ方向
ＶＬ…仮想直線
Ｗ，Ｗ１，Ｗ２…加工対象
Ｗａ…表面
Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ２１，Ｗ２２…金属部材
Ｗｍ…溶接痕
Ｗｍｔ…先端
ｗ…幅
Ｘ…方向
Ｙ…方向
Ｚ…方向（法線方向）

Claims (7)

1. 金属を含む加工対象に向かってレーザ光を照射し、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行い、
   前記レーザ光は、主パワー領域と、少なくとも一つの副パワー領域とによって構成され、
   前記主パワー領域のパワーは、それぞれの前記副パワー領域のパワー以上であり、
   前記主パワー領域のパワーと、前記少なくとも一つの副パワー領域のパワーの合計とのパワー比が、１４４：１から１：１までの範囲内にあり、
   前記レーザ光と前記加工対象との相対的な移動により当該加工対象に形成される溶接痕の掃引方向に対して直交する幅に対する前記溶接痕の深さのアスペクト比を０．８以上とする、溶接方法。
2. 前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動する、請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記レーザ光と前記加工対象との相対的な移動速度が、２［ｍ／ｍｉｎ］以上３０［ｍ／ｍｉｎ］以下である、請求項２に記載の溶接方法。
4. 前記相対的な移動速度が、２［ｍ／ｍｉｎ］以上２０［ｍ／ｍｉｎ］以下である、請求項２に記載の溶接方法。
5. 前記相対的な移動速度が、５［ｍ／ｍｉｎ］以上１０［ｍ／ｍｉｎ］以下である、請求項２に記載の溶接方法。
6. レーザ発振器と、
   レーザ発振器から発振された光を受け取ってレーザ光を生成し、前記生成されたレーザ光を加工対象に向かって照射して照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、
   によって構成され、
   前記レーザ光は、主パワー領域と、少なくとも一つの副パワー領域によって構成され、
   前記主パワー領域のパワーは、それぞれの前記副パワー領域のパワー以上であり、
   前記主パワー領域のパワーと、前記少なくとも一つの副パワー領域のパワーの合計とのパワー比が、１４４：１から１：１までの範囲内にあり、
   前記レーザ光と前記加工対象との相対的な移動により当該加工対象に形成される溶接痕の掃引方向に対して直交する幅に対する前記溶接痕の深さのアスペクト比を０．８以上とする、溶接装置。
7. 前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動する、請求項６に記載の溶接装置。

Images