JP7335923B2 - 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。

鉄や銅などの金属材料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部分に照射し、レーザ光のエネルギーで溶接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溶接部分には、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、溶融池の金属材料が固ま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型されることもある。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型する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

従前は、レーザ光発生装置の出力が低かったので、反射率の低い（吸収率の高い）金属材料に対してのレーザ溶接が実用されてきたが、近時ではレーザ光発生装置の集光性も向上している傾向にあるので、銅やアルミ等の反射率の高い金属材料に対するレーザ溶接も実用化されつつある（例えば特許文献２～４参照）。

特表２０１０－５０８１４９号公報 特開平７－２１４３６９号公報 特開２００４－１９２９４８号公報 国際公開第２０１０／１３１２９８号

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。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である。また、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、レーザ光発生装置の出力が向上しても金属材料の反射率が変わる訳でもなく、高い反射率を補う程度の強度のレーザ光を照射する必要がある。特に、加工対象が溶融し始める際には高い反射率を補うために高い強度のレーザ光を照射する必要があるが、一旦溶融が開始すると高い反射率も低くなり、レーザ光の強度が過剰になってしまう。この過剰なレーザ光のエネルギーは、蒸発金属の増大や溶融金属の不要な乱れを引き起こし、スパッタやボイドなどの溶接欠陥が発生する可能性を増大させてしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、スパッタの発生を抑制する溶接方法および溶接装置を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る溶接方法は、加工対象を、レーザ装置からのレーザ光の照射される領域に配置し、前記レーザ装置からの前記レーザ光を前記加工対象に向かって照射しながら前記レーザ光と前記加工対象とを相対的に移動させ、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う、工程を含み、前記レーザ光は主ビームと、掃引方向前方に少なくともその一部がある副ビームによって構成され、主ビームのパワー密度は副ビームのパワー密度以上である。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記主ビームのパワー密度は、少なくともキーホールを発生させうる強度である。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光は、前記主ビームの掃引方向後方に、前記主ビームよりもパワー密度が低い副ビームをさらに有する。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光は、前記主ビームの掃引方向横方向に、前記主ビームよりもパワー密度が低い副ビームをさらに有する。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光は、前記主ビームの周囲に、前記主ビームよりもパワー密度が低い副ビームをさらに分散して有する。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記副ビームは、前記主ビームの周囲を囲むリング形状または前記主ビームの周囲を囲むリング形状の一部である円弧形状を持つ。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光の前記主ビームと前記副ビームは、前記主ビームで形成された溶融池と、前記副ビームで形成された溶融池の少なくとも一部が重なる様に構成される。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記主ビームおよび前記副ビームのうち少なくとも前記副ビームを形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記主ビームを形成するレーザ光の波長は、前記副ビームを形成するレーザ光の波長と同一である。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記主ビームおよび前記副ビームは、同一の発振器から出射されたレーザ光である。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記主ビームおよび前記副ビームは、異なる発振器から出射されたレーザ光である。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記主ビームおよび前記副ビームは、前記発振器と前記加工対象との間に配置されたビーシェイパによって形成される。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記ビームシェイパは回折光学素子である。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記加工対象は溶接されるべき少なくとも２つの部材であり、前記加工対象をレーザ光の照射される領域に配置する前記工程は、前記少なくとも２つの部材を重ねる、または接触させる、または隣接させるように配置する工程である。

本発明の一態様に係る溶接方法は、前記副ビームのビーム径は、前記主ビームのビーム径と略等しい又は大きい。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、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、前記光学ヘッドは前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動可能な様に構成され、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、前記溶融を行なって溶接を行い、前記レーザ光は主ビームと、掃引方向前方に少なくともその一部がある副ビームによって構成され、主ビームのパワー密度は副ビームのパワー密度以上である。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記副ビームのパワー密度は、少なくとも前記加工対象を溶融し得る強度である。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記レーザ光は、前記主ビームの掃引方向後方に、前記主ビームよりもパワー密度が低い副ビームをさらに有する。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記レーザ光は、前記主ビームの掃引方向横方向に、前記主ビームよりもパワー密度が低い副ビームをさらに有する。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記レーザ光は、前記主ビームの周囲に、前記主ビームよりもパワー密度が低い副ビームをさらに分散して有する。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記副ビームは前記主ビームの周囲を囲むリング形状または前記主ビームの周囲を囲むリング形状の一部である円弧形状を持つ。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記レーザ光の前記主ビームと前記副ビームは、前記主ビームで形成された溶融池と、前記副ビームで形成された溶融池の少なくとも一部が重なる様に構成される。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記主ビームおよび前記副ビームのうち少なくとも前記副ビームを形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記主ビームを形成するレーザ光の波長は、前記副ビームを形成するレーザ光の波長と同一である。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記光学ヘッドは単一のレーザ発振器から発振された光から前記主ビームおよび前記副ビームからなる前記レーザ光を生成する。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記光学ヘッドは前記レーザ発振器と前記加工対象との間に配置されたビームシェイパを含み、前記回折光学素子は前記単一のレーザ発振器から発振された光から前記主ビームおよび前記副ビームを形成する。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記ビームシェイパは回折光学素子である。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記レーザ発振器は異なる２つのレーザ発信器から構成され、前記主ビームおよび前記副ビームは、それぞれ前記異なる２つの発振器から出射されたレーザ光である。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記加工対象は溶接されるべき少なくとも２つの部材である。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記副ビームのビーム径は、前記主ビームのビーム径と略等しい又は大きい。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記ビームシェイパは、回転可能に設けられている。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記レーザ発振器は複数あり、前記光学ヘッドは前記複数の発振器から出射された光を内部で合波して前記レーザ光を生成する。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記レーザ発振器は複数あり、前記複数のレーザ発振器から出射された光を内部で合波して前記光学ヘッドへ導くマルチコアファイバを、さらに備える。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記光学ヘッドは前記レーザ光を、固定されている前記加工対象に対して掃引可能に構成される。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、前記光学ヘッドからのレーザ光の照射位置は固定され、前記加工対象が前記固定されたレーザ光に対して移動可能に保持される。

本発明に係る溶接方法および溶接装置は、スパッタの発生を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、第１実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。 図２Ａは、レーザ光が加工対象を溶融する状況の比較を示す図である。 図２Ｂは、レーザ光が加工対象を溶融する状況の比較を示す図である。 図３Ａは、レーザ光の断面形状の例を示す図である。 図３Ｂは、レーザ光の断面形状の例を示す図である。 図３Ｃは、レーザ光の断面形状の例を示す図である。 図３Ｄは、レーザ光の断面形状の例を示す図である。 図３Ｅは、レーザ光の断面形状の例を示す図である。 図３Ｆは、レーザ光の断面形状の例を示す図である。 図４は、第２実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。 図５は、第３実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。 図６は、第４実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。 図７は、第５実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。 図８は、第６実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。 図９Ａは、光ファイバの構成例を示す図である。 図９Ｂは、光ファイバの構成例を示す図である。 図１０は、実験に用いたレーザ光の断面形状を示す図である。 図１１は、レーザ光の断面形状の例を示す図である。 図１２は、レーザ光の断面形状の例を示す図である。 図１３は、代表的金属材料の反射率を光の波長に関して示したグラフである。 図１４Ａは、レーザ光が加工対象を溶融する状況の比較を示す図である。 図１４Ｂは、レーザ光が加工対象を溶融する状況の比較を示す図である。 図１５は、回折光学素子の概念を説明する図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る溶接方法および溶接装置を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、第１実施形態に係る溶接装置１００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。図１に示すように、溶接装置１００は、レーザ光を発振する発振器１１０と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド１２０と、発振器１１０で発振されたレーザ光を光学ヘッド１２０へ導く光ファイバ１３０とを備えている。加工対象Ｗは、溶接されるべき少なくとも２つの部材である。

発振器１１０は、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成されている。例えば、発振器１１０は、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の出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成することとしてもよいし、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を用いてもよい。

光学ヘッド１２０は、発振器１１０から導かれたレーザ光Ｌを、加工対象Ｗを溶融し得る強度のパワー密度に集光して、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１２０は、内部にコリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２とを備えている。コリメートレンズ１２１は、光ファイバ１３０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１２２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。

光学ヘッド１２０は、加工対象Ｗにおけるレーザ光Ｌの照射位置を移動（掃引）させるために、加工対象Ｗとの相対位置を変更可能に設けられている。加工対象Ｗとの相対位置を変更する方法としては、光学ヘッド１２０自身を移動することや、加工対象Ｗを移動することなどが含まれる。すなわち、光学ヘッド１２０はレーザ光Ｌを、固定されている加工対象Ｗに対して掃引可能に構成されてもよい、または、光学ヘッド１２０からのレーザ光Ｌの照射位置は固定され、加工対象Ｗが、固定されたレーザ光Ｌに対して移動可能に保持されてもよい。加工対象Ｗをレーザ光Ｌの照射される領域に配置する工程では、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、隣接させるように配置する。

第１実施形態に係る光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２との間にビームシェイパとしての回折光学素子１２３を備えている。ここでいう回折光学素子とは、図１５に示す概念の様に周期の異なる複数の回折格子１５０１を１体にした光学素子１５０２を指している。これを通過したレーザ光は各回折格子の影響を受けた方向に曲げられ、重なり合い、任意の形にレーザ光を形成することができる。本実施形態において、回折光学素子１２３は、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、パワー密度が高い主ビームよりも移動方向前方に、主ビームよりもパワー密度が低い副ビームを有するように、レーザ光Ｌを成型するためのものである。なお、回折光学素子１２３は、回転可能に設ける構成とすることができる。また、交換可能に設ける構成とすることもできる。

ここで、主ビームまたは副ビームのパワー密度は、ピークを含み、ピーク強度の１／ｅ^２の以上の強度の領域でのパワー密度である。また、主ビームまたは副ビームのビーム径は、ピークを含み、ピーク強度の１／ｅ^２の以上の強度の領域の径である。円形でないビームの場合は、本明細書に於いては移動方向に対し垂直方向の、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。副ビームのビーム径は、主ビームのビーム径と略等しい又は大きくてもよい。

加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、パワー密度が高い主ビームよりも移動方向前方に、主ビームよりもパワー密度が低い副ビームを有することの作用は、以下の通りである。図２Ａ、２Ｂは、レーザ光が加工対象を溶融する状況の比較を示す図である。

図２Ａに示すように、従来のレーザ溶接では、レーザ光が１つのビームＢを有しているので、レーザ光が照射された位置から移動方向（矢印ｖ）の反対方向に、加工対象Ｗが溶融した溶融池ＷＰが溶融領域として形成される。一方、図２Ｂに示すように、第１実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、加工対象Ｗ上におけるレーザ光のパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、主ビームＢ１と副ビームＢ２とを有している。主ビームＢ１のパワー密度は、例えば、少なくともキーホールを発生させうる強度である。なお、キーホールについては後に詳述する。そして、パワー密度が高い主ビームＢ１よりも移動方向（矢印ｖ）の前方に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有する。また、副ビームＢ２のパワー密度は、主ビームＢ１の存在下または単独にて、加工対象Ｗを溶融し得る強度である。したがって、主ビームＢ１が照射される位置よりも前方に、主ビームＢ１が溶融する深さよりも浅い領域がある溶融池ＷＰ１が溶融領域として形成されることになる。これを便宜上、浅瀬領域Ｒと呼ぶことにする。

図２Ｂに示すように、主ビームＢ１と副ビームＢ２のレーザ光のビームの溶融強度領域は、重なってもよいが、必ずしも重なる必要はなく、溶融池が重なればよい。副ビームＢ２で形成された溶融池が固化する前に、その溶融池に主ビームＢ１が形成する溶融強度領域が到達できればよい。上記のように、主ビームＢ１および副ビームＢ２のパワー密度は加工対象Ｗを溶融し得る強度であり、溶融強度領域とは、主ビームＢ１または副ビームＢ２の周囲における加工対象Ｗを溶融し得るパワー密度のレーザ光のビームの範囲のことをいう。

第１実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、主ビームＢ１が照射される位置よりも前方に浅瀬領域Ｒが存在することで、主ビームＢ１の照射位置の近傍で溶融池ＷＰ１が安定化する。先述したように、スパッタは、溶融金属が飛散したものであるので、主ビームＢ１の照射位置の近傍で溶融池ＷＰ１が安定化することは、スパッタの発生を抑制することにつながる。実際、後述する実験でも、このスパッタの発生を抑制する効果が確かめられた。

第１実施形態に係る溶接方法は、加工対象Ｗを、レーザ装置である発振器１１０からのレーザ光Ｌの照射される領域に配置し、発振器１１０からのレーザ光Ｌを加工対象Ｗに向かって照射しながらレーザ光Ｌと加工対象Ｗとを相対的に移動させ、レーザ光Ｌを加工対象Ｗ上で掃引しつつ、照射された部分の加工対象Ｗを溶融して溶接を行う、工程を含む。このとき、レーザ光Ｌは、主ビームＢ１と、掃引方向前方に少なくともその一部がある副ビームＢ２によって構成され、主ビームＢ１のパワー密度は副ビームＢ２のパワー密度以上である。加工対象Ｗは溶接されるべき少なくとも２つの部材である。加工対象Ｗをレーザ光Ｌの照射される領域に配置する工程は、少なくとも２つの部材を重ねる、または接触させる、または隣接させるように配置する工程である。

なお、副ビームＢ２のパワー密度は、浅瀬領域Ｒが、許容されるポロシティ（空隙状、内部から表面まで穴の開いたピット形状、ブローホール等の溶接欠陥）の直径よりも深くなるようなパワー密度とすることが好ましい。これにより、ポロシティの原因の一つである、加工対象Ｗの表面に付着した不純物が、浅瀬領域Ｒを流れて主ビームＢ１が形成する溶融池ＷＰ１に流れ込むので、ポロシティが発生しにくくなる。なお、許容されるポロシティの直径は、例えば加工対象Ｗの使用用途に応じて定まる。一般的には２００μｍ以下が許容され、１００μｍが好ましく、５０μｍ以下がさらに好ましく、３０μｍ以下がより好ましく、２０μｍ以下がより一層好ましく、１０μｍ以下がさらに一層好ましく、全く存在しない事が最も好ましい。

次に、図３Ａ～３Ｆを参照しながら、加工対象上におけるレーザ光のパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、パワー密度が高い主ビームよりも移動方向前方に、主ビームよりもパワー密度が低い副ビームを有するための、レーザ光の断面形状の例を説明する。図３Ａ～３Ｆに示すレーザ光の断面形状の例は、必須の構成ではないが、図３Ａ～３Ｆに例示されるレーザ光の断面形状が加工対象Ｗの表面に実現されるように、回折光学素子１２３を設計することで、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルが実現される。なお、図３Ａ～３Ｆに例示されるレーザ光の断面形状は、全て紙面上方（図中矢印ｖ）を移動方向としている。

図３Ａは、ピークＰ１を有しパワー密度が高い主ビームＢ１よりも移動方向前方に、ピークＰ２を有し、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を１つ有する例である。図３Ａに示すように、副ビームＢ２の周辺における加工対象を溶融し得るパワー密度の領域は、主ビームＢ１の周辺における加工対象を溶融し得るパワー密度の領域よりも、移動方向の直交方向に関して幅が広いことが好ましい。したがって、図３Ａに示すように、副ビームＢ２は点形状とせずに連続した領域に拡張されていてもよい。

図３Ｂは、パワー密度が高い主ビームＢ１よりも移動方向前方に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有するのみならず、主ビームＢ１の移動方向後方にも、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有する例である。溶接加工は必ずしも前進のみではなく、後進も行うこともある。したがって、図３Ｂに示される例のように、主ビームＢ１の移動方向後方にも、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を設ければ、光学ヘッドの向きを変えずとも本発明の効果を得ることができる。

図３Ｃは、パワー密度が高い主ビームＢ１よりも移動方向前方に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有するのみならず、主ビームＢ１の移動方向横方向にも、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有する例である。溶接加工は必ずしも直線に沿って行われるとは限らない。したがって、図３Ｃに示される例のように、主ビームＢ１の移動方向横方向にも、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を設ければ、角部分の溶接時等にも本発明の効果を得ることができる。

図３Ｄは、パワー密度が高い主ビームＢ１よりも移動方向前方に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有するのみならず、主ビームＢ１の移動方向の後方および横方向にも、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有する例である。つまり、図３Ｄに示される例は、図３Ｂおよび３Ｃに示される例の両方のメリットを併せ持つことになる。

図３Ｅは、主ビームＢ１の周囲に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を分散して有する例である。図３Ａ～３Ｄに示される例は、副ビームＢ２が線状に構成されていたが、ある程度近い間隔で副ビームＢ２を配置すれば、必ずしも副ビームＢ２が連続している必要はない。ある程度近い間隔で副ビームＢ２を配置すれば、浅瀬領域Ｒが繋がるので、実効的な効果が得られるからである。図３Ｆは、主ビームＢ１の周囲に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２をリング状に有する例である。図３Ｅとは逆に、副ビームＢ２を連続的に一周する形で設けることも可能である。

なお、主ビームＢ１と副ビームＢ２との間の距離ｄ（たとえば図３Ａに示す）は、主ビームＢ１のビーム径の外縁と、副ビームＢ２のビーム径の外縁との最短距離である。距離ｄは、副ビームＢ２で形成された溶融池が固化する前に、その溶融池に主ビームＢ１が形成する溶融領域が到達できればよいが、副ビームＢ２のビーム径の２倍未満が好ましく、１倍未満がより好ましく、０．５倍未満がさらに好ましい。

また、主ビームＢ１と副ビームＢ２とのパワー密度が等しくてもよい。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図４に示すように、第２実施形態に係る溶接装置２００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第２実施形態に係る溶接装置２００は、第１実施形態に係る溶接装置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、溶接装置２００の装置構成の説明のみを行う。

図４に示すように、溶接装置２００は、レーザ光を発振する発振器２１０と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド２２０と、発振器２１０で発振されたレーザ光を光学ヘッド２２０へ導く光ファイバ２３０とを備えている。

発振器２１０は、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成されている。例えば、発振器２１０は、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の出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成することとしてもよいし、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を用いてもよい。

光学ヘッド２２０は、発振器２１０から導かれたレーザ光Ｌを、加工対象Ｗを溶融し得る強度のパワー密度に集光して、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２２０は、内部にコリメートレンズ２２１と集光レンズ２２２とを備えている。コリメートレンズ２２１は、光ファイバ２３０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２２２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。

光学ヘッド２２０は、集光レンズ２２２と加工対象Ｗとの間に、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ることができる装置である。図４に示される例では、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。

第２実施形態に係る光学ヘッド２２０は、コリメートレンズ２２１と集光レンズ２２２との間に回折光学素子２２３を備えている。回折光学素子２２３は、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、パワー密度が高い主ビームよりも移動方向前方に、主ビームよりもパワー密度が低い副ビームを有するように、レーザ光Ｌを成型するためのものであり、その作用は第１実施形態と同様である。つまり、回折光学素子２２３は、図３Ａ～Ｆに例示されるレーザ光の断面形状のような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように設計される。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図５に示すように、第３実施形態に係る溶接装置３００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第３実施形態に係る溶接装置３００は、第１実施形態に係る溶接装置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り、光学ヘッド３２０以外の構成（発振器３１０および光ファイバ３３０）は、第２実施形態と同様である。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、発振器３１０から導かれたレーザ光Ｌを、加工対象Ｗを溶融し得る強度のパワー密度に集光して、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３２０は、内部にコリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２とを備えている。コリメートレンズ３２１は、光ファイバ３３０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３２２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。

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、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、第２実施形態と異なる位置にガルバノスキャナを設けているが、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ることができる。

第３実施形態に係る光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２との間に回折光学素子３２３を備えている。回折光学素子３２３は、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、パワー密度が高い主ビームよりも移動方向前方に、主ビームよりもパワー密度が低い副ビームを有するように、レーザ光Ｌを成型するためのものであり、その作用は第１実施形態と同様である。つまり、回折光学素子３２３は、図３に例示されるレーザ光の断面形状のような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように設計される。

（第４実施形態）
図６は、第４実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図６に示すように、第４実施形態に係る溶接装置４００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第４実施形態に係る溶接装置４００は、第１実施形態に係る溶接装置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、溶接装置４００の装置構成の説明のみを行う。

図６に示すように、溶接装置４００は、レーザ光を発振する複数の発振器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、発振器４１１，４１２で発振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。

発振器４１１，４１２は、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成されている。例えば、発振器４１１，４１２は、それぞれの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の出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成することとしてもよいし、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を用いてもよい。

光学ヘッド４２０は、発振器４１１，４１２から導かれたそれぞれのレーザ光Ｌ１，Ｌ２を、加工対象Ｗを溶融し得る強度のパワー密度に集光して、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４２０は、レーザ光Ｌ１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Ｌ２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。

第４実施形態に係る光学ヘッド４２０も、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌ１，Ｌ２のパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、パワー密度が高い主ビームよりも移動方向前方に、主ビームよりもパワー密度が低い副ビームを有するように構成されている。すなわち、光学ヘッド４２０が加工対象Ｗに照射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２のうち、レーザ光Ｌ１を主ビーム形成のために用い、レーザ光Ｌ２を副ビーム形成のために用いればよい。なお、図に示される例は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２のみを用いているが、その数を適宜増やすことにより、図３に例示されるレーザ光の断面形状のような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように構成され得る。

（第５実施形態）
図７は、第５実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図７に示すように、第５実施形態に係る溶接装置５００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第５実施形態に係る溶接装置５００は、第１実施形態に係る溶接装置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、溶接装置５００の装置構成の説明のみを行う。

図７に示すように、溶接装置５００は、レーザ光を発振する発振器５１０と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド５２０と、発振器５１０で発振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。

第５実施形態では、発振器５１０は、例えばファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等であり、加工対象Ｗに照射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２の両方を発振するために用いられる。そのために、発振器５１０で発振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、発振器５１０で発振されたレーザ光を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。

光学ヘッド５２０は、分岐ユニット５３２で分岐されたレーザ光Ｌ１，Ｌ２を、加工対象Ｗを溶融し得る強度のパワー密度に集光して、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Ｌ１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Ｌ２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。

第５実施形態に係る光学ヘッド５２０も、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌ１，Ｌ２のパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、パワー密度が高い主ビームよりも移動方向前方に、主ビームよりもパワー密度が低い副ビームを有するように構成されている。すなわち、光学ヘッド５２０が加工対象Ｗに照射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２のうち、レーザ光Ｌ１を主ビーム形成のために用い、レーザ光Ｌ２を副ビーム形成のために用いればよい。なお、図に示される例は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２のみを用いているが、その数を適宜増やすことにより、図３に例示されるレーザ光の断面形状のような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように構成され得る。

（第６実施形態）
図８は、第６実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図８に示すように、第６実施形態に係る溶接装置６００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第６実施形態に係る溶接装置６００は、第１実施形態に係る溶接装置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、溶接装置６００の装置構成の説明のみを行う。

図８に示すように、溶接装置６００は、例えばファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等であるレーザ光を発振する複数の発振器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、発振器６１１，６１２で発振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。

第６実施形態では、発振器６１１，６１２で発振されたレーザ光は、光学ヘッド６２０へ導かれる前に結合される。そのために、発振器６１１，６１２で発振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、発振器６１１，６１２で発振されたレーザ光は、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９Ａ、９Ｂ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９Ａ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Ｃｏの周囲にコア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９Ｂに示すように、光ファイバ６３５は、いわゆるマルチコアの光ファイバである。すなわち、光ファイバ６３５は、２つのコアＣｏ１，Ｃｏ２を有し、この２つのコアＣｏ１，Ｃｏ２の周囲にコアＣｏ１，Ｃｏ２よりも屈折率が低いクラッドＣｌが形成されている。そして、結合部６３４では、光ファイバ６３１のコアＣｏと光ファイバ６３５のコアＣｏ１とが結合され、また、光ファイバ６３２のコアＣｏと光ファイバ６３５のコアＣｏ２とが結合されることになる。

図８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を溶融し得る強度のパワー密度に集光して、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。

本実施形態では、光学ヘッド６２０が回折光学素子を備えてなく、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、発振器６１１，６１２で発振されたレーザ光は、光学ヘッド６２０へ導かれる前に結合されているので、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、パワー密度が高い主ピークよりも移動方向前方に、主ビームよりもパワー密度が低い副ビームを有するように構成されている。

なお、本明細書のすべての実施形態に関して、主ビームの溶接形態は、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溶接とは、高いパワー密度を用い、加工対象Ｗが溶融した際に発生する金属蒸気の圧力により発生するくぼみや穴(キーホール)を利用した溶接方法である。一方、熱伝導型溶接とは、母材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Ｗを溶融させる溶接方法である。

（検証実験１）
ここで、本発明の効果の検証実験１の結果について説明する。本検証実験１で用いられる装置構成は、第１実施形態に係る溶接装置１００の構成であり、従来例の装置構成として、溶接装置１００から回折光学素子１２３を除いた構成を用いた。なお、共通の実験条件として、発振器１１０の出力を３ｋＷとし、光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとの相対的移動速度を毎分５ｍとし、シールドガスとして窒素ガスを用いている。

回折光学素子１２３は、図１０に示されるような、ピークＰ１を有する主ビームＢ１とピークＰ２を有する副ビームＢ２とで形成され、副ビームＢ２が、主ビームＢ１の周囲を囲むリング形状の一部である円弧状のレーザ光の断面形状が加工対象Ｗに照射されるように設計されている。この回折光学素子１２３によって成型されたレーザ光を図中矢印Ａの方向および図中矢印Ｂの方向の２通りの移動方向において、スパッタの発生を観察した。なお、従来例の装置構成では、図１０に示されるレーザ光の断面形状のうち、円弧部分が削除されたレーザ光が加工対象Ｗに照射されることになる。

すなわち、本検証実験１は、図中矢印Ａの方向に移動した場合が、パワー密度が高い主ビームＢ１よりも移動方向前方に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有する状況に対応し、図中矢印Ｂの方向に移動した場合が、パワー密度が高い主ビームＢ１よりも移動方向後方に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有する状況に対応し、従来例の構成の場合が、主ビームＢ１のみが照射される状況に対応することになる。

主ビームＢ１のみが照射される状況、および、パワー密度が高い主ビームＢ１よりも移動方向後方に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有する状況では、スパッタが多く発生しているのに対し、パワー密度が高い主ビームＢ１よりも移動方向前方に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有する状況では、スパッタの発生が顕著に少なくなり、２０％程度かそれ以下になる。

この検証実験１からも、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、パワー密度が高い主ピークよりも移動方向前方に、主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有する溶接装置およびこれを用いた溶接方法が、スパッタの発生を抑制する効果を奏することが示された。

また、窒素ガスを用いない条件においても表１のように、効果があることを確認した。表１は、４つの実験を示している。加工対象の材料は、ＳＵＳ３０４で厚さが１０ｍｍのものである。ＤＯＥは回折光学素子である。焦点位置は主ビームおよび副ビームの焦点位置であり、表面にジャストフォーカスとしている。設定出力は発振器から出力されるレーザ光のパワーである。速度は掃引速度である。外観として、実験Ｎｏ．３、４が好ましい結果であった。

図１１、１２は、レーザ光の断面形状の例を示す図であって、パワー密度が高い主ビームＢ１よりも移動方向前方に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低いＶ字状の副ビームＢ２を有する例である。図１１は主ビームＢ１と副ビームＢ２とが重なっている例であり、図１２は主ビームＢ１と副ビームＢ２とが重なっていない例である。

（金属材料の反射率）
ここで、金属材料の反射率について説明する。図１３に示すグラフは、代表的金属材料の反射率を光の波長に関して示したものである。図１３に示すグラフは、横軸を波長とし、縦軸を反射率とするものであり、金属材料の例として、アルミニウム、銅、金、ニッケル、白金、銀、ステンレス鋼、チタン、およびスズを記載している。なお、図１３に示すグラフは、ＮＡＳＡ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＮＯＴＥ （Ｄ－５３５３）に記載のデータをグラフ化したものである。

図１３に示すグラフから読みとれるように、ステンレス鋼などと比べると、銅およびアルミニウムなどは反射率が高い。特に、レーザ溶接において一般的に用いられる赤外レーザ光の波長領域ではその差は顕著である。例えば、１０７０ｎｍ付近では銅やアルミニウムの反射率が９５％程度であることから、照射したレーザ光のエネルギーの５％程度しか加工対象に吸収されないことになる。これは、ステンレス鋼と比較すると、照射するエネルギーの効率が６分の１程度になってしまっていることを意味する。

一方、銅やアルミニウムなどの反射率が高いといっても、全ての波長の光に対して反射率が高いわけではない。特に、銅における反射率の変化は顕著である。上述のように、１０７０ｎｍ付近での銅の反射率は９５％程度であったものが、黄色の波長（例えば６００ｎｍ）では、銅の反射率は７５％程度となり、そこから急峻に減少し、紫外光の波長（例えば３００ｎｍ）では、銅の反射率は２０％程度となる。したがって、一般的な赤外レーザ光を用いるよりも、青や緑のレーザ光を用いたレーザ溶接の方がエネルギーの効率が高い。具体的には、３００ｎｍから６００ｎｍの間の波長のレーザ光を用いることが好ましい。

なお、上記波長の範囲は一例であり、対象材料の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長のレーザ光を用いてレーザ溶接を行えば、反射率の観点で、エネルギーの効率が高い溶接が行える。この場合の赤外領域とは、一般的なレーザ溶接に用いられる赤外レーザ光の波長である１０７０ｎｍとすることが好ましい。

以下で説明する本発明の実施形態に係る溶接方法および溶接装置は、上記特性を活用したものである。

（第７実施形態）
第７実施形態に係る溶接装置は、図１に示す第１実施形態に係る溶接装置１００によって実現できる。

レーザ発振器１１０は、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成されている。例えば、レーザ発振器１１０は、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の出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成することとしてもよい。第７実施形態では、レーザ発振器１１０は、上記観点から、３００ｎｍから６００ｎｍの間の波長のレーザ光を発振するように構成されていることが好ましい。さらに、加工対象Ｗに応じて、当該加工対象Ｗの反射率が低くなる波長を発振するレーザ発振器１１０を選択することがより好ましい。

第７実施形態に係る光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２との間にビームシェイパとしての回折光学素子１２３を備えている。回折光学素子１２３は、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の掃引方向に関するプロファイルが、主ビームよりも掃引方向前方に位置する副ビームを有するように、レーザ光Ｌを成型するためのものである。したがって、第７実施形態に係る溶接装置１００は、同一のレーザ発振器１１０から出射されたレーザ光を、回折光学素子１２３によって分離する構成であり、結果として、主ビームおよび副ビームの両方のビームを形成するレーザ光の波長が同一である。なお、回折光学素子１２３は、回転可能に設ける構成とすることができる。また、交換可能に設ける構成とすることもできる。

加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の掃引方向に関するプロファイルが、主ビームと、主ビームよりも掃引方向前方に位置する副ビームを有することの作用は、以下の通りである。図１４Ａ、１４Ｂは、レーザ光が加工対象を溶融する状況の比較を示す図である。

図１４Ａに示すように、従来のレーザ溶接では、レーザ光が１つのビームＢを有しているので、レーザ光が照射される位置から掃引方向（矢印ｖ）前方の溶融前金属Ｗ１が、レーザ光のエネルギーによって溶融し、レーザ光が照射された位置から掃引方向（矢印ｖ）の反対方向に、加工対象Ｗが溶融した溶融池ＷＰが形成される。その後、溶融池ＷＰが再凝固して再凝固金属Ｗ２となり、加工対象Ｗが溶接されることになる。

一方、図１４Ｂに示すように、第１１実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、加工対象Ｗ上におけるレーザ光のパワー密度の掃引方向に関するプロファイルが、主ビームＢ１と副ビームＢ２とを有している。そして、パワー密度が高い主ビームＢ１よりも掃引方向（矢印ｖ）の前方に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有する。また、副ビームＢ２のパワー密度は、主ビームＢ１の存在下または単独にて、加工対象Ｗを溶融し得る強度である。したがって、主ビームＢ１が照射される位置よりも前方に、主ビームＢ１が溶融する深さよりも浅い溶融池が形成されることになる。これを便宜上、前方溶融池ＷＰｆと呼ぶことにする。

図１４Ｂに示すように、主ビームＢ１と副ビームＢ２のレーザ光のビームの溶融強度領域は、必ずしも重なる必要はなく、溶融池が重なればよい。つまり、副ビームＢ２で形成された溶融池が固化する前に、前方溶融池ＷＰｆに主ビームＢ１が形成する溶融強度領域が到達できればよい。上記のように、主ビームＢ１および副ビームＢ２のパワー密度は加工対象Ｗを溶融し得る強度であり、溶融強度領域とは、主ビームＢ１または副ビームＢ２の周囲における加工対象Ｗを溶融し得るパワー密度のレーザ光のビームの範囲のことをいう。

第１１実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、主ビームＢ１が照射される位置よりも前方に前方溶融池ＷＰｆが存在することで、主ビームＢ１の照射位置の近傍で溶融池ＷＰの状態が安定化する。先述したように、スパッタは、溶融金属が飛散したものであるので、主ビームＢ１の照射位置の近傍で溶融池ＷＰの状態が安定化することは、スパッタの発生を抑制することにつながる。

しかも、第７実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、主ビームＢ１および副ビームＢ２のうち少なくとも副ビームＢ２（本例では両方）を形成するレーザ光の波長は、加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長であるので、銅やアルミニウムなどの赤外波長における反射率が高い金属材料であっても、前方溶融池ＷＰｆを効率良く形成することができる。

第７実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、主ビームＢ１におけるパワー密度よりも、副ビームＢ２におけるパワー密度が低いことが好ましい。より具体的には、副ビームＢ２におけるパワー密度は、１×１０^７Ｗ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。副ビームＢ２の目的は、主ビームＢ１が照射される位置よりも前方に前方溶融池ＷＰｆを形成することであり、前方溶融池ＷＰｆの作用は、主ビームＢ１の照射位置の近傍で溶融池ＷＰの状態が安定化することにある。前方溶融池ＷＰｆの深さは、溶融池ＷＰを安定させる程度の浅いもので十分であり、しかも、先述のように、副ビームＢ２を形成するレーザ光を加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長とすることで加工対象に対する反射率が低減されるので、パワー密度が過度に高いことが要求されない。副ビームのパワー密度が過度に高いと、副ビーム自体がスパッタ発生の一因となってしまう。一方、主ビームの目的は加工対象Ｗを十分に溶融し、加工対象を確実に溶接することが求められている。これらを考慮すると、主ビームＢ１におけるパワー密度よりも、副ビームＢ２におけるパワー密度が低いことが好ましいことになる。

加工対象上におけるレーザ光のパワー密度の掃引方向に関するプロファイルが、主ビームよりも掃引方向前方に位置する副ビームを有するための、レーザ光の断面形状の例は、図３Ａ～３Ｆ、１１、１２に示すとおりである。

副ビームＢ２に配されるレーザ光は、溶接を目的とする主ビームＢ１に比べパワー密度が低いため、たとえ副ビームＢ２が目的の前方向以外に配されていても本来の溶接作業を阻害することはない。例えば、主ビームＢ１を形成するレーザ光の強度を１ｋＷとし、副ビームＢ２を形成するレーザ光の強度を３００Ｗとする。

なお、上記説明した例からも明らかであるが、副ビームＰ２は必ずしも尖頭値が一点になるプロファイルでなくてもよい。ある程度の領域（線状を含む）において尖頭値を有するプロファイルや、尖頭値を有する点がある程度近い間隔で配置されているプロファイルであっても、形成される溶融池に実質的な影響を与えないからである。したがって、これらを区別することなく副ビームＰ２と呼ぶことにする。

（第８実施形態）
第８実施形態に係る溶接装置は、図４に示す第２実施形態に係る溶接装置２００によって実現できる。

レーザ発振器２１０は、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成されている。例えば、レーザ発振器２１０は、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の出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成する。レーザ発振器２１０は、第８実施形態と同様に、３００ｎｍから６００ｎｍの間の波長のレーザ光を発振するように構成されていることが好ましい。さらに、加工対象Ｗに応じて、当該加工対象Ｗの反射率が低くなる波長を発振するレーザ発振器２１０を選択することがより好ましい。

第８実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、主ビームおよび副ビームのうち少なくとも副ビーム（本例では両方）を形成するレーザ光の波長は、加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長であるので、銅やアルミニウムなどの赤外波長における反射率が高い金属材料であっても、前方溶融池を効率良く形成することができる。

（第９実施形態）
第９実施形態に係る溶接装置は、図５に示す第３実施形態に係る溶接装置３００によって実現できる。

光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２との間にビームシェイパとしての回折光学素子３２３を備えている。回折光学素子３２３は、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の掃引方向に関するプロファイルが、主ビームよりも掃引方向前方に位置する副ビームを有するように、レーザ光Ｌを成型するためのものである。つまり、回折光学素子３２３は、図３Ａ～３Ｆ、１１、１２に例示されるレーザ光の断面形状のような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように設計される。

第９実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、主ビームおよび副ビームのうち少なくとも副ビーム（本例では両方）を形成するレーザ光の波長は、加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長であるので、銅やアルミニウムなどの赤外波長における反射率が高い金属材料であっても、前方溶融池を効率良く形成することができる。

（第１０実施形態）
第１０実施形態に係る溶接装置は、図６に示す第４実施形態に係る溶接装置４００によって実現できる。

第１０実施形態では、レーザ発振器４１１とレーザ発振器４１２とは、異なるレーザ発振器であり、同一の波長のレーザ光を発振してもよいが、異なるレーザ光を発振するように構成してもよい。その場合、主ビームおよび副ビームのうち副ビームを形成するレーザ光Ｌ２の波長が３００ｎｍから６００ｎｍの間の波長となるように、レーザ発振器４１２を構成する。

光学ヘッド４２０は、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌ１，Ｌ２のパワー密度の掃引方向に関するプロファイルが、主ビームよりも掃引方向前方に位置する副ビームを有するように構成されている。すなわち、光学ヘッド４２０が加工対象Ｗに照射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２のうち、レーザ光Ｌ１を主ビーム形成のために用い、レーザ光Ｌ２を副ビーム形成のために用いればよい。なお、図に示される例は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２のみを用いているが、その数を適宜増やすことにより、図３Ａ～３Ｆ、１１、１２に例示されるレーザ光の断面形状のような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように構成され得る。

第１０実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、主ビームおよび副ビームのうち少なくとも副ビームを形成するレーザ光の波長は、加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長であるので、銅やアルミニウムなどの赤外波長における反射率が高い金属材料であっても、前方溶融池を効率良く形成することができる。一方、主ビームを形成するレーザ光Ｌ１の波長は、必ずしも加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長とする必要がないので、レーザ発振器４１１は、従来品と同様に、赤外波長の高出力レーザ発振器を用いることができる。つまり、本実施形態では、副ビームを形成するレーザ光の波長は、主ビームを形成するレーザ光の波長における加工対象の反射率よりも低い反射率を持つ波長となる。赤外波長における反射率が高い金属材料であっても、溶融状態では反射率が低くなるので、レーザ発振器４１１は、例えばファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等の赤外波長の高出力レーザ発振器を用いても十分に加工対象を溶融することができる。

（第１１実施形態）
第１１実施形態に係る溶接装置は、図７に示す第５実施形態に係る溶接装置５００によって実現できる。

光学ヘッド５２０は、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌ１，Ｌ２のパワー密度の掃引方向に関するプロファイルが、主ビームよりも掃引方向前方に位置する副ビームを有するように構成されている。すなわち、光学ヘッド５２０が加工対象Ｗに照射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２のうち、レーザ光Ｌ１を主ビーム形成のために用い、レーザ光Ｌ２を副ビーム形成のために用いればよい。なお、図に示される例は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２のみを用いているが、その数を適宜増やすことにより、図３Ａ～３Ｆ、１１、１２に例示されるレーザ光の断面形状のような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように構成され得る。

第１１実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、主ビームおよび副ビームのうち少なくとも副ビーム（本例では両方）を形成するレーザ光の波長は、加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長であるので、銅やアルミニウムなどの赤外波長における反射率が高い金属材料であっても、前方溶融池を効率良く形成することができる。

（第１２実施形態）
第１２実施形態に係る溶接装置は、図８に示す第６実施形態に係る溶接装置６００によって実現できる。

第１２実施形態では、レーザ発振器６１１とレーザ発振器６１２とは、異なるレーザ発振器であり、同一の波長のレーザ光を発振してもよいが、異なるレーザ光を発振するように構成してもよい。その場合、主ビームおよび副ビームのうち副ビームを形成するレーザ光の波長が３００ｎｍから６００ｎｍの間の波長となるように、レーザ発振器６１２を構成する。

第１２実施形態では、レーザ発振器６１１，６１２で発振されたレーザ光は、光学ヘッド６２０へ導かれる前に結合される。そのために、レーザ発振器６１１，６１２で発振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、レーザ発振器６１１，６１２で発振されたレーザ光は、光ファイバ６３５中を並列して導波されることになる。

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を溶融し得る強度のパワー密度に集光して、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。

本実施形態では、光学ヘッド６２０がビームシェイパを備えてなく、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、レーザ発振器６１１，６１２で発振されたレーザ光は、光学ヘッド６２０へ導かれる前に結合されているので、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の掃引方向に関するプロファイルが、主ビームよりも掃引方向前方に位置する副ビームを有するように構成されている。

第１２実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、主ビームおよび副ビームのうち少なくとも副ビームを形成するレーザ光の波長は、加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長であるので、銅やアルミニウムなどの赤外波長における反射率が高い金属材料であっても、前方溶融池を効率良く形成することができる。一方、主ビームを形成するレーザ光Ｌ１の波長は、必ずしも加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長とする必要がないので、レーザ発振器６１１は、従来品と同様に、赤外波長の高出力レーザ発振器を用いることができる。つまり、本実施形態では、副ビームを形成するレーザ光の波長は、主ビームを形成するレーザ光の波長における加工対象の反射率よりも低い反射率を持つ波長となる。赤外波長における反射率が高い金属材料であっても、溶融状態では反射率が低くなるので、レーザ発振器６１１は、例えばファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等の赤外波長の高出力レーザ発振器を用いても十分に加工対象を溶融することができる。

先に挙げたすべての実施形態に関して、主ビームの溶接形態は熱伝導型溶接だけでなく、キーホール型溶接であってもよい。

（検証実験２）
ここで、本発明の効果の検証実験２の結果について説明する。本検証実験２で用いられる装置構成は、第７実施形態に係る溶接装置の構成であり、溶接装置１００と同じ構成である。比較例としての第１の実験条件は、溶接装置１００から回折光学素子１２３を除いた構成を用いたものであり、本発明に対応する第２の実験条件は、照射面形状が図１０に示されるプロファイルで加工対象Ｗにレーザ光が照射されるように設計された回折光学素子１２３を備えるが、用いるレーザ光の波長が青色領域のものである。なお、共通の実験条件として、光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとの掃引速度を毎分５ｍとし、シールドガスとして窒素ガスを用いている。なお、加工対象Ｗは厚み２ｍｍのタフピッチ銅を採用している。

より詳しくは、第１の実験条件では、レーザ発振器１１０として、発振波長１０７０ｎｍのマルチモードファイバレーザ装置を用い、これを３ｋＷの出力で使用する。そして、回折光学素子１２３を介さずに加工対象に単スポットして照射することにより、集光点のスポット径は１００μｍであり、その平均パワー密度は３．８×１０^７Ｗ／ｃｍ^２とする。

第２の実験条件では、レーザ発振器１１０として、発振波長４５０ｎｍの半導体レーザ装置を用い、これを１ｋＷの出力で使用する。使用する回折光学素子１２３は、図１０に示されるような照射面形状のレーザ光が加工対象Ｗに照射されるように設計されたものである。出力の分配は、１ｋＷの出力のうち３００Ｗを半円状の副ビームにほぼ均等に分配している。このとき、主ビームの平均パワー密度は２．２×１０^６Ｗ／ｃｍ^２であり、副ビームの平均パワー密度は８．０×１０^４Ｗ／ｃｍ^２である。

上記実験条件の下、検証実験を行ったところ、以下のような結果が得られた。

第１の実験条件では、集光点のパワー密度が純銅の溶融閾値を超えキーホールを形成し溶接ができたが、同時にスパッタや溶接欠陥が頻発した。

一方、第２の実験条件では、レーザ発振器の出力が１ｋＷであったにも拘わらず、銅材は波長４５０ｎｍにおける吸収率が高いので、所望の深さまで溶接をすることができ、しかも、掃引方向前方に配した３００Ｗの半円状の副ビームクによって前方溶融池を形成することも可能であった。結果、副ビームによって形成された前方溶融池の効果により、スパッタおよび溶接欠陥が顕著に少なくなり、２０％程度またはそれ以下になることが高速度カメラ観察から確認された。

この検証実験からも、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、主ビームよりも移動方向前方に位置する副ビームを有し、その主ビームおよび副ビームのうち少なくとも副ビームを形成するレーザ光の波長が加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である溶接装置およびこれを用いた溶接方法が、スパッタの発生を抑制する効果を奏することが示された。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明の範疇に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００，２００，３００，４００，５００，６００ 溶接装置
１１０，２１０，３１０，４１１，４１２，５１０，６１１，６１２ 発振器
１２０，２２０，３２０，４２０，５２０，６２０ 光学ヘッド
１２１，２２１，３２１，４２１ａ，４２１ｂ，５２１ａ，５２１ｂ，６２１ コリメートレンズ
１２２，２２２，３２２，４２２ａ，４２２ｂ，５２２ａ，５２２ｂ，６２２ 集光レンズ
１２３，２２３，３２３ 回折光学素子
２２４ａ，２２４ｂ，２２６，３２４ａ，３２４ｂ ミラー
２２５ａ，２２５ｂ，３２５ａ，３２５ｂ モータ
１３０，２３０，３３０，４３１，４３２，５３１，５３３，５３４，６３１，６３２，６３５ 光ファイバ
５３２ 分岐ユニット
６３４ 結合部

Claims (31)

1. レーザ装置からのレーザ光を加工対象に向かって照射し、前記加工対象を溶融して溶接を行う、
   工程を含み、
   前記レーザ光は主ビームと、掃引方向前方に少なくともその一部がある副ビームによって構成され、前記主ビームのパワー密度は、少なくともキーホールを発生させ得る強度であり、前記副ビームのパワー密度は、少なくとも前記加工対象を溶融し得る強度であり、
   前記レーザ光は、前記副ビームが照射される領域に、前記主ビームが照射される領域に形成される溶融池より浅い溶融池である浅瀬領域を形成し、
   前記主ビームを形成するレーザ光の波長および前記副ビームを形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域における反射率よりも低い反射率を持つ青色領域の波長である、
   加工対象をレーザによって溶接する方法。
2. 前記副ビームを形成するレーザ光の波長は、前記主ビームを形成するレーザ光の波長における前記加工対象の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、
   請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記レーザ光は、前記主ビームの掃引方向後方に、前記主ビームよりもパワー密度が低い副ビームをさらに有する、請求項１または２に記載の溶接方法。
4. 前記レーザ光は、前記主ビームの掃引方向横方向に、前記主ビームよりもパワー密度が低い副ビームをさらに有する、請求項１または２に記載の溶接方法。
5. 前記レーザ光は、前記主ビームの周囲に、前記主ビームよりもパワー密度が低い副ビームをさらに分散して有する、請求項１または２に記載の溶接方法。
6. 前記副ビームは、前記主ビームの周囲を囲むリング形状または前記主ビームの周囲を囲むリング形状の一部である円弧形状を持つ、請求項１または２に記載の溶接方法。
7. 前記レーザ光の前記主ビームと前記副ビームは、前記主ビームで形成された溶融池と、前記副ビームで形成された溶融池の少なくとも一部が重なる様に構成される、請求項１から請求項６の何れか１項に記載の溶接方法。
8. 前記主ビームと前記副ビームとの間の距離は、前記副ビームのビーム径の２倍未満である、請求項７に記載の溶接方法。
9. 前記主ビームおよび前記副ビームは、前記発振器と前記加工対象との間に配置されたビームシェイパによって形成される、請求項１から請求項８の何れか１項に記載の溶接方法。
10. 前記ビームシェイパは回折光学素子である、ことを特徴とする請求項９に記載の溶接方法。
11. 前記加工対象は溶接されるべき少なくとも２つの部材であり、前記加工対象をレーザ光の照射される領域に配置する前記工程は、前記少なくとも２つの部材を重ねる、または接触させる、または隣接させるように配置する工程である、請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の溶接方法。
12. 前記副ビームのビーム径は、前記主ビームのビーム径と略等しい又は大きい、請求項１から請求項１１の何れか１項に記載の溶接方法。
13. レーザ装置からのレーザ光を加工対象に向かって照射し、前記加工対象を溶融して溶接を行う、
    工程を含み、
    前記レーザ光は主ビームと、掃引方向前方に少なくともその一部がある副ビームによって構成され、前記主ビームは、少なくともキーホールを発生させ得る強度であり、前記副ビームは、少なくとも前記加工対象を溶融し得る強度であり、
    前記レーザ光は、前記副ビームが照射される領域に、前記主ビームが照射される領域に形成される溶融池より浅い溶融池である浅瀬領域を形成し、
    前記主ビームを形成するレーザ光の波長および前記副ビームを形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域における反射率よりも低い反射率を持つ青色領域の波長である、
    加工対象をレーザによって溶接する方法。
14. 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、
    前記光学ヘッドは前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動可能な様に構成され、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、前記溶融を行なって溶接を行い、
    前記レーザ光は主ビームと、掃引方向前方に少なくともその一部がある副ビームによって構成され、前記主ビームのパワー密度は、少なくともキーホールを発生させ得る強度であり、前記副ビームのパワー密度は、少なくとも前記加工対象を溶融し得る強度であり、
    前記レーザ光は、前記副ビームが照射される領域に、前記主ビームが照射される領域に形成される溶融池より浅い溶融池である浅瀬領域を形成し、
    前記主ビームを形成するレーザ光の波長および前記副ビームを形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域における反射率よりも低い反射率を持つ青色領域の波長である、
    加工対象をレーザによって溶接するレーザ溶接装置。
15. 前記副ビームを形成するレーザ光の波長は、前記主ビームを形成するレーザ光の波長における前記加工対象の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、
    請求項１４に記載のレーザ溶接装置。
16. 前記レーザ光は、前記主ビームの掃引方向後方に、前記主ビームよりもパワー密度が低い副ビームをさらに有する、請求項１４または１５に記載のレーザ溶接装置。
17. 前記レーザ光は、前記主ビームの掃引方向横方向に、前記主ビームよりもパワー密度が低い副ビームをさらに有する、請求項１４または１５に記載のレーザ溶接装置。
18. 前記レーザ光は、前記主ビームの周囲に、前記主ビームよりもパワー密度が低い副ビームをさらに分散して有する、請求項１４または１５に記載のレーザ溶接装置。
19. 前記副ビームは前記主ビームの周囲を囲むリング形状または前記主ビームの周囲を囲むリング形状の一部である円弧形状を持つ、請求項１４または１５に記載のレーザ溶接装置。
20. 前記レーザ光の前記主ビームと前記副ビームは、前記主ビームで形成された溶融池と、前記副ビームで形成された溶融池の少なくとも一部が重なる様に構成される、請求項１４から請求項１９の何れか１項に記載のレーザ溶接装置。
21. 前記光学ヘッドは前記レーザ発振器と前記加工対象との間に配置されたビームシェイパを含み、前記回折光学素子は前記単一のレーザ発振器から発振された光から前記主ビームおよび前記副ビームを形成する、請求項１４から請求項２０の何れか１項に記載のレーザ溶接装置。
22. 前記ビームシェイパは回折光学素子である、ことを特徴とする請求項２１に記載のレーザ溶接装置。
23. 前記レーザ発振器は異なる２つのレーザ発振器から構成され、前記主ビームおよび前記副ビームは、それぞれ前記異なる２つの発振器から出射されたレーザ光である、請求項１４から請求項２０の何れか１項に記載のレーザ溶接装置。
24. 前記加工対象は溶接されるべき少なくとも２つの部材である、請求項１４から請求項２３の何れか１項に記載のレーザ溶接装置。
25. 前記副ビームのビーム径は、前記主ビームのビーム径と略等しい又は大きい、請求項１４から請求項２４の何れか１項に記載のレーザ溶接装置。
26. 前記ビームシェイパは、回転可能に設けられている、請求項２１に記載のレーザ溶接装置。
27. 前記レーザ発振器は複数あり、
    前記光学ヘッドは前記複数の発振器から出射された光を内部で合波して前記レーザ光を生成する、請求項１４から請求項２６の何れか１項に記載のレーザ溶接装置。
28. 前記レーザ発振器は複数あり、
    前記複数のレーザ発振器から出射された光を内部で合波して前記光学ヘッドへ導くマルチコアファイバを、さらに備える、請求項１４から請求項２６の何れか１項に記載のレーザ溶接装置。
29. 前記光学ヘッドは前記レーザ光を、固定されている前記加工対象に対して掃引可能に構成される、請求項１４から請求項２８の何れか１項に記載のレーザ溶接装置。
30. 前記光学ヘッドからのレーザ光の照射位置は固定され、前記加工対象が前記固定されたレーザ光に対して移動可能に保持される、請求項１４から請求項２８の何れか１項に記載のレーザ溶接装置。
31. 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、
    前記レーザ光は主ビームと、掃引方向前方に少なくともその一部がある副ビームによって構成され、前記主ビームは、少なくともキーホールを発生させ得る強度であり、前記副ビームは、少なくとも前記加工対象を溶融し得る強度であり、
    前記レーザ光は、前記副ビームが照射される領域に、前記主ビームが照射される領域に形成される溶融池より浅い溶融池である浅瀬領域を形成し、
    前記主ビームを形成するレーザ光の波長および前記副ビームを形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域における反射率よりも低い反射率を持つ青色領域の波長である、
    加工対象をレーザによって溶接するレーザ溶接装置。

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