KR20220134657A

KR20220134657A - 용접 방법 및 용접 장치

Info

Publication number: KR20220134657A
Application number: KR1020227031856A
Authority: KR
Inventors: 게이고 마츠나가; 다카시 가야하라; 도모미치 야스오카; 가즈키 다카다; 다카시 시게마츠
Original assignee: 후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2021-03-11
Publication date: 2022-10-05
Also published as: WO2021187311A1; EP4122635A1; US20230001508A1; EP4122635A4; JPWO2021187311A1; JP2024038423A; CN115297990A

Abstract

가공 대상에 대하여 상대적으로 스캔 방향으로 이동하는 레이저광을 가공 대상의 표면에 조사함으로써, 가공 대상의 레이저광이 조사된 부분을 용융하여 용접을 행하는, 용접 방법으로서, 레이저광은, 복수의 빔을 포함하고, 복수의 빔은, 적어도 1개의 주 빔과, 당해 주 빔보다 파워가 작은 적어도 1개의 부 빔을 포함하며, 표면 상에, 적어도 1개의 주 빔을 포함하는 주 파워 영역과, 적어도 1개의 부 빔을 포함하는 부 파워 영역이 형성되고, 표면 상에 있어서 인접하는 복수의 빔의 중심간의 최소 거리가, 75[㎛] 이하이다.

Description

용접 방법 및 용접 장치

본 발명은, 용접 방법 및 용접 장치에 관한 것이다.

금속 재료로 이루어지는 가공 대상을 용접하는 방법의 하나로서, 레이저 용접이 알려져 있다. 레이저 용접이란, 레이저광을 가공 대상의 용접해야 할 부분에 조사하고, 레이저광의 에너지로 당해 부분을 용융시키는 용접 방법이다. 레이저광이 조사된 부분에는, 용융지(溶融池)라고 불리는 용융된 금속 재료의 액 고임이 형성되고, 그 후, 용융지가 고화(固化)됨으로써 용접이 행해진다.

또한, 레이저광을 가공 대상에 조사할 때에는, 그 목적에 따라, 레이저광의 프로파일이 성형되는 경우도 있다. 예를 들면, 레이저광을 가공 대상의 절단에 이용하는 경우에, 레이저광의 프로파일을 성형하는 기술이 알려져 있다(예를 들면 특허 문헌 1 참조).

일본공표특허 특표2010-508149호 공보

그런데, 용접 시에는, 이 용융지로부터는 스퍼터라고 불리는 비산물이 발생하는 것이 알려져 있다. 이 스퍼터는, 용해 금속이 비산한 것이며, 그 발생을 줄이는 것은 가공 결함을 막는데 있어서 중요하다. 스퍼터는, 용해 금속이 비산한 것인 점에서, 스퍼터가 발생하면 용접 개소에 있어서의 금속 재료가 감소해버리는 것이 되기도 한다. 즉, 스퍼터의 발생이 많아지면, 용접 개소의 금속 재료가 부족해져버려, 강도 불량 등을 야기하는 것이 되기도 한다. 또한, 발생한 스퍼터는, 용접 개소의 주변에 부착되는 것이 되지만, 이것이 나중에 박리되어, 전기 회로 등에 부착되면, 전기 회로에 이상을 초래해버린다. 따라서, 전기 회로용의 부품에 대하여 용접을 행하는 것은 곤란한 경우가 있다.

또한, 이 종류의 용접에 있어서, 가공 대상이 보다 작은 경우나 얇은 경우에 있어서는, 용접부의 면적을 보다 작게, 즉 빔의 직경을 보다 작게 하는 것이 필요해진다.

따라서, 본 발명의 과제의 하나는, 예를 들면, 스퍼터를 억제하면서, 용접부의 면적을 보다 작게, 즉 빔의 직경을 보다 작게 하는 것이 가능한, 신규 용접 방법 및 용접 장치를 얻는 것이다.

본 발명의 용접 방법에 있어서는, 예를 들면, 가공 대상에 대하여 상대적으로 스캔 방향으로 이동하는 상기 레이저광을 상기 가공 대상의 표면에 조사함으로써, 상기 가공 대상의 상기 레이저광이 조사된 부분을 용융하여 용접을 행하는, 용접 방법으로서, 상기 레이저광은, 복수의 빔을 포함하고, 상기 복수의 빔은, 적어도 1개의 주(主) 빔과, 당해 주 빔보다 파워가 작은 적어도 1개의 부(副) 빔을 포함하고, 상기 표면 상에, 상기 적어도 1개의 주 빔을 포함하는 주 파워 영역과, 상기 적어도 1개의 부 빔을 포함하는 부 파워 영역이 형성되고, 상기 표면 상에 있어서 인접하는 상기 복수의 빔의 중심간의 최소 거리가, 75[㎛] 이하이다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 레이저광은, 싱글 모드 레이저광이어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 표면 상에 있어서, 상기 빔의 직경이 100[㎛] 이하여도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 표면 상에 있어서, 상기 스캔 방향과 직교하는 방향으로 가장 이간된 상기 복수의 빔의 중심간의 거리가, 300[㎛] 이하여도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 주 파워 영역의 파워와 상기 부 파워 영역의 파워의 비가, 72:1에서부터 1:50까지의 범위 내여도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 적어도 1개의 주 빔에 대하여, 상기 스캔 방향의 전방에, 상기 적어도 1개의 부 빔이 배치되어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 적어도 1개의 주 빔에 대하여, 상기 스캔 방향의 후방에, 상기 적어도 1개의 부 빔이 배치되어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 적어도 1개의 주 빔에 대하여, 상기 스캔 방향과 교차하는 방향으로 어긋나, 상기 적어도 1개의 부 빔이 배치되어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 적어도 1개의 주 빔에 대하여, 그 주위에, 상기 적어도 1개의 부 빔으로서의 복수의 부 빔이 배치되어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 복수의 부 빔이, 원호상(狀)으로 배치되어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 복수의 부 빔이, 사각 형상으로 배치되어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 주 파워 영역과, 상기 부 파워 영역은, 상기 주 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 주 빔에 의해 형성된 용융지와 상기 부 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 부 빔에 의해 형성된 용융지가 부분적으로 겹치도록 배치되어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 주 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 주 빔의 레이저광의 파장과, 상기 부 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 부 빔의 레이저광의 파장이, 동일해도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 부 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 부 빔의 레이저광의 파장은, 상기 주 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 주 빔의 레이저광의 파장보다, 상기 가공 대상에 대한 흡수율이 높은 파장이어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 주 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 주 빔의 레이저광과, 상기 부 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 부 빔의 레이저광이, 동일한 발진기로부터 출사되어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 주 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 주 빔의 레이저광과, 상기 부 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 부 빔의 레이저광이, 상이한 레이저 발진기로부터 출사되어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 레이저광의 M² 빔 품질은, 1.3 이하여도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 복수의 빔의 중심간의 거리가, 5[㎛] 이상이어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 복수의 빔의 배치가, 빔 쉐이퍼(beam shaper)에 의해 형성되어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 빔 쉐이퍼는 회절 광학 소자여도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 상기 가공 대상은, 적어도 2개의 부재가 겹쳐져 있어도 된다.

상기 용접 방법에 있어서는, 주 빔의 직경과 상기 부 빔의 직경이 동일해도 된다.

본 발명의 용접 장치에 있어서는, 예를 들면, 레이저 발진기와, 상기 레이저 발진기로부터 출사된 광을 성형한 복수의 빔을 포함하는 레이저광을 가공 대상의 표면에 조사함으로써, 상기 가공 대상의 상기 레이저광이 조사된 부분을 용융하여 용접을 행하는 광학 헤드를 구비하고, 상기 레이저광이 상기 가공 대상에 대하여 상대적으로 스캔 방향으로 이동하도록, 상기 가공 대상과 상기 광학 헤드의 적어도 일부는 상대 이동 가능하게 구성되고, 상기 복수의 빔은, 적어도 1개의 주 빔과, 당해 주 빔보다 파워가 작은 적어도 1개의 부 빔을 포함하며, 상기 표면 상에, 상기 적어도 1개의 주 빔을 포함하는 주 파워 영역과, 상기 적어도 1개의 부 빔을 포함하는 부 파워 영역이 형성되고, 상기 표면 상에 있어서 인접하는 상기 복수의 빔의 중심간의 최소 거리가, 75[㎛] 이하이다.

본 발명에 의하면, 스퍼터의 발생을 억제할 수 있음과 함께, 용접부의 면적을 보다 작게, 즉 빔의 직경을 보다 작게 할 수 있다.

도 1은, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치의 예시적인 개략 구성도이다.
도 2는, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치에 포함되는 회절 광학 소자의 원리의 개념을 나타내는 설명도이다.
도 3은, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치로부터 조사된 레이저광의 가공 대상의 표면 상에 있어서의 빔(스폿)의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 4는, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치로부터 조사된 레이저광의 가공 대상의 표면 상에 있어서의 빔(스폿)의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 5는, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치로부터 조사된 레이저광의 가공 대상의 표면 상에 있어서의 스캔 방향과 직교하는 방향에 있어서의 각 빔의 강도 분포의 일례를 나타내는 설명도이다.
도 6은, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치로부터 조사된 레이저광의 가공 대상의 표면 상에 있어서의 스캔 방향과 직교하는 방향에 있어서의 각 빔의 강도 분포의 다른 일례를 나타내는 설명도이다.
도 7은, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치에 의한 용접에 있어서의 스퍼터수의, 참고예로서의 회절 광학 소자를 가지지 않는 레이저 용접 장치에 의한 용접에 있어서의 스퍼터수에 대한 비를 나타내는 그래프이다.
도 8은, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치에 의한 용접 부위의 표면과, 스캔 방향에 있어서의 표면의 높이의 변화를 나타내는 설명도이다.
도 9는, 제 2 실시 형태의 레이저 용접 장치의 예시적인 개략 구성도이다.
도 10은, 제 3 실시 형태의 레이저 용접 장치의 예시적인 개략 구성도이다.
도 11은, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치로부터 조사된 레이저광의 가공 대상의 표면 상에 있어서의 빔(스폿)의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 12는, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치로부터 조사된 레이저광의 가공 대상의 표면 상에 있어서의 빔(스폿)의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 13은, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치로부터 조사된 레이저광의 가공 대상의 표면 상에 있어서의 빔(스폿)의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 14는, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치로부터 조사된 레이저광의 가공 대상의 표면 상에 있어서의 빔(스폿)의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 15는, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치로부터 조사된 레이저광의 가공 대상의 표면 상에 있어서의 빔(스폿)의 예를 번호가 부여된 셀을 가진 매트릭스로 설명하기 위한, 각 빔의 위치를 나타내는 번호의 배치를 나타내는 도이다.
도 16은, 도 3의 예에 대해, 빔의 배치와, 각 빔의 번호를 나타내는 설명도이다.

이하, 본 발명의 예시적인 실시 형태가 개시된다. 이하에 나타나는 실시 형태의 구성, 및 당해 구성에 의해 초래되는 작용 및 결과(효과)는, 일례이다. 본 발명은, 이하의 실시 형태에 개시되는 구성 이외에 의해서도 실현 가능하다. 또한, 본 발명에 의하면, 구성에 의해 얻어지는 다양한 효과(파생적인 효과도 포함함) 중 적어도 하나를 얻는 것이 가능하다.

이하에 나타나는 실시 형태는, 동일한 구성을 구비하고 있다. 따라서, 각 실시 형태의 구성에 의하면, 당해 동일한 구성에 의거하는 동일한 작용 및 효과가 얻어진다. 또한, 이하에서는, 그들 동일한 구성에는 동일한 부호가 부여됨과 함께, 중복하는 설명이 생략되는 경우가 있다.

또한, 각 도면에 있어서, 방향 X를 화살표 X로 나타내고, 방향 Y를 화살표 Y로 나타내며, 방향 Z를 화살표 Z로 나타내고 있다. 방향 X, 방향 Y, 및 방향 Z는, 서로 교차함과 함께 직교하고 있다. Z방향은, 가공 대상(W)의 표면(Wa)(가공면)의 법선 방향이다.

[제 1 실시 형태]

[레이저 용접 장치의 구성]

도 1은, 제 1 실시 형태의 레이저 용접 장치(100)의 개략 구성을 나타내는 도이다. 레이저 용접 장치(100)는, 레이저 장치(110)와, 광학 헤드(120)와, 레이저 장치(110)와 광학 헤드(120)를 접속하는 광 파이버(130)를 구비하고 있다. 레이저 용접 장치(100)는, 용접 장치의 일례이다.

레이저 용접 장치(100)의 가공 대상(W)은, 예를 들면, 철계의 금속 재료나, 알루미늄계의 금속 재료, 구리계의 금속 재료 등으로 만들어질 수 있다. 또한, 가공 대상(W)은, 예를 들면, 판상의 형상을 가지고, 가공 대상(W)의 두께는, 예를 들면, 1[㎜]이상, 10 [㎜] 이하이지만, 이에 한정되지 않는다. 또한, 가공 대상(W)은, 복수의 부재가 중첩된 것이다. 복수의 부재의 수나, 각 부재의 두께는, 다양하게 변경할 수 있다.

레이저 장치(110)는, 레이저 발진기를 구비하고 있으며, 일례로서는, 수kW의 파워의 싱글 모드의 레이저광을 출력할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 레이저 장치(110)는, 예를 들면, 내부에 복수의 반도체 레이저 소자를 구비하고, 당해 복수의 반도체 레이저 소자의 합계의 출력으로서 수kW의 파워의 멀티 모드의 레이저광을 출력할 수 있도록 구성되어도 된다. 또한, 레이저 장치(110)는, 파이버 레이저, YAG 레이저, 디스크 레이저 등 다양한 레이저 광원을 구비해도 된다.

광 파이버(130)는, 레이저 장치(110)로부터 출력된 레이저광을 광학 헤드(120)로 유도한다. 레이저 장치(110)가, 싱글 모드 레이저광을 출력하는 경우, 광 파이버(130)는, 싱글 모드 레이저광을 전파하도록 구성된다. 이 경우, 싱글 모드 레이저광의 M² 빔 품질은, 1.3 이하로 설정된다. M² 빔 품질은, M2 팩터라고도 칭해질 수 있다.

광학 헤드(120)는, 레이저 장치(110)로부터 입력된 레이저광을, 가공 대상(W)을 향해 조사하기 위한 광학 장치이다. 광학 헤드(120)는, 콜리메이트 렌즈(121)와, 집광 렌즈(122)와, DOE(123)(diffractive optical element, 회절 광학 소자)를 구비하고 있다. 콜리메이트 렌즈(121), 집광 렌즈(122), 및 DOE(123)는, 광학 부품이라고도 칭해질 수 있다.

광학 헤드(120)는, 가공 대상(W) 상에서 레이저광(L)의 조사를 행하면서 레이저광(L)을 스캔하기 위해, 가공 대상(W)과의 상대 위치를 변경 가능하게 구성되어 있다. 광학 헤드(120)와 가공 대상(W)과의 상대 이동은, 광학 헤드(120)의 이동, 가공 대상(W)의 이동, 또는 광학 헤드(120) 및 가공 대상(W)의 쌍방의 이동에 의해, 실현될 수 있다.

콜리메이트 렌즈(121)는, 입력된 레이저광을 콜리메이트한다. 콜리메이트된 레이저광은, 평행광이 된다. 또한, 집광 렌즈(122)는, 평행광으로서의 레이저광을 집광하고, 레이저광(L)(출력광)으로서, 가공 대상(W)에 조사한다.

DOE(123)는, 콜리메이트 렌즈(121)와 집광 렌즈(122)와의 사이에 배치되어, 레이저광의 빔의 형상(이하, 빔 형상이라고 칭함)을 성형한다. 도 2에 개념적으로 예시된 바와 같이, DOE(123)는, 예를 들면, 주기가 상이한 복수의 회절 격자(123a)가 중첩된 구성을 구비하고 있다. DOE(123)는, 평행광을, 각 회절 격자(123a)의 영향을 받은 방향으로 구부리거나, 중첩하거나 함으로써, 빔 형상을 성형할 수 있다. DOE(123)는, 빔 쉐이퍼라고도 칭해질 수 있다.

[빔(스폿)의 형상]

DOE(123)는, 콜리메이트 렌즈(121)로부터 입력된 레이저광을, 복수의 빔으로 분할한다. 도 3, 4는, 각각, 가공 대상(W)의 표면(Wa) 상에 형성된 레이저광(L)의 빔(스폿)의 일례를 나타내는 도이다. 또한, 도 3, 4에서는, 간단함을 위해, 주 빔(B1)이 실선으로 나타나고, 부 빔(B2)이 파선으로 나타나 있다. 또한, 도 3, 4 중의 화살표 SD는, 빔의 가공 대상(W)의 표면(Wa) 상에서의 스캔 방향을 나타내고 있다. 도 3, 4에 예시되는 바와 같이, 광학 헤드(120)는, DOE(123)를 교환함으로써, 다양한 배치의 복수의 빔을 포함하는 레이저광을 출력할 수 있다.

DOE(123)는, 레이저광을 복수의 빔으로 분할한다. 복수의 빔은, 적어도 1개의 주 빔(B1)과, 적어도 1개의 부 빔(B2)을 포함한다. 부 빔(B2)은, 주 빔(B1)보다 파워가 작은 빔이다. 일례로서는, 주 빔(B1)의 파워와 부 빔(B2)의 파워의 비는, 2:1로 설정되지만, 이에 한정되지 않는다.

또한, DOE(123)는, 표면(Wa) 상에, 적어도 1개의 주 빔(B1)의 스폿과, 적어도 1개의 부 빔(B2)의 스폿이 형성되도록, 레이저광을 분할한다. 도 3의 예에서는, DOE(123)에 의한 빔의 성형에 의해, 표면(Wa) 상에는, 하나의 주 빔(B1)의 스폿과, 당해 주 빔(B1)의 스폿의 주위에 정방 형상(사각 형상)으로 나열된 복수의 부 빔(B2)의 스폿이 형성되어 있다. 또한, 도 3의 예에서는, 복수의 빔은, 3행×3열의 정방형의 매트릭스 형상으로 배치되어 있으며, 행방향(Y방향)에 있어서의 빔간의 간격과 열방향(X방향, 스캔 방향(SD))에 있어서의 빔간의 간격은 모두 동일하게 설정되어 있다. 그리고, 9개의 빔 중, 중앙의 1개의 빔이 주 빔(B1)이며, 당해 1개의 주 빔(B1)의 주위의 8개의 빔이 부 빔(B2)이다.

또한, 도 4의 예에서는, DOE(123)에 의한 빔의 성형에 의해, 표면(Wa) 상에는, 복수의 주 빔(B1)의 스폿과, 당해 복수의 주 빔(B1)의 스폿의 주위에 정방 형상(사각 형상)으로 나열된 복수의 부 빔(B2)의 스폿이 형성되어 있다. 또한, 도 4의 예에서는, 복수의 빔은, 4행×4열의 정방형의 매트릭스 형상으로 배치되어 있으며, 행방향(Y방향)에 있어서의 빔간의 간격과 열방향(X방향, 스캔 방향(SD))에 있어서의 빔간의 간격은 모두 동일하게 설정되어 있다. 그리고, 16개의 빔 중, 중앙의 4개의 빔이 주 빔(B1)이며, 당해 4개의 주 빔(B1)의 주위의 12개의 빔이 부 빔(B2)이다. 주 빔(B1)이 조사되는 영역은, 주 파워 영역의 일례이며, 부 빔(B2)이 조사되는 영역은, 부 파워 영역의 일례이다.

또한, 발명자들의 실험적인 연구에 의해, 가공 대상의 재질에 의해 스퍼터의 억제에 바람직한, 적어도 1개의 주 빔을 포함하는 주 파워 영역과, 적어도 1개의 부 빔을 포함하는 부 파워 영역의 파워비의 범위가 판명되었다. 예를 들면, 탄소강, 스테인리스강 또는 철합금 등의 철계의 금속 재료에 대해서는 적어도 1개의 주 빔을 포함하는 주 파워 영역과, 적어도 1개의 부 빔을 포함하는 부 파워 영역의 파워비가 10:1~1:20인 것이 바람직하며, 순구리, 또는 구리 합금 등의 구리계의 금속 재료에 대해서는 적어도 1개의 주 빔을 포함하는 주 파워 영역과, 적어도 1개의 부 빔을 포함하는 부 파워 영역의 파워비가 10:1~1:1인 것이 바람직하고, 또한, 순 알루미늄, 또는 알루미늄 합금 등의 알루미늄계의 금속 재료에 대해서는 적어도 1개의 주 빔을 포함하는 주 파워 영역과, 적어도 1개의 부 빔을 포함하는 부 파워 영역의 파워비가 10:1~1:1인 것이 바람직한 것이 판명되었다.

또한, 도 3에 나타나는 바와 같이, DOE(123)는, 표면(Wa) 상에 있어서, 어느부 빔(B2)의 스폿의 적어도 일부가, 스캔 방향(SD)에 있어서 주 빔(B1)의 스폿의 전방에 위치하도록, 빔을 성형한다. 구체적으로는, 어느 부 빔(B2)이, 주 빔(B1)의 전단(前端)(B1f)을 지나 스캔 방향(SD)과 직교하는 가상 직선(VL)보다 스캔 방향(SD)의 전방의 영역(A) 내에, 적어도 부분적으로, 위치하고 있으면 된다. 또한, 어느 부 빔(B2)의 스폿이, 주 빔(B1)의 스폿의 후방에 위치해도 된다. 이 경우에는, 어느 부 빔(B2)이, 주 빔(B1)의 후단(도시 생략)을 지나 스캔 방향(SD)과 직교하는 가상 직선(도시 생략)보다 스캔 방향(SD)의 후방의 영역(도시 생략) 내에, 적어도 부분적으로, 위치하고 있으면 된다.

도 5, 6은, 각각, 레이저광의 가공 대상(W)의 표면(Wa) 상에 있어서의 스캔 방향(SD)과 직교하는 방향에 있어서의 각 빔의 강도 분포의 일례를 나타내는 도이다. 도 5, 6은, 모두, 도 3 중의 위치(x1)에서의 분포를 나타내고 있다. 위치(x1)는, 주 빔(B1)의 중심의 X방향에서의 위치이다.

도 3~6에 나타나는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, Y방향, 즉 스캔 방향(SD)이 X방향인 경우의 폭방향에 있어서, 빔(B1, B2)의 조사 영역의 중심의 가까이에 주 빔(B1)이 위치되고, 중심에서부터 보다 떨어진 위치에 부 빔(B2)이 위치되어 있다. 레이저광(L)의 폭은, 폭방향으로 가장 이간된 두개의 빔의 중심간의 거리(w)라고 정의한다. 도 5의 경우, 레이저광(L)의 폭은, 폭방향의 양단에 위치하는 빔(부 빔(B2))의 중심간의 거리(w1)이며, 도 6의 경우, 레이저광(L)의 폭은, 폭방향의 양단에 위치하는 빔(부 빔(B2))의 중심간의 거리(w2)이다.

발명자들의 실험적인 연구에 의해, 레이저광(L)의 폭은 50[㎛] 이상 300[㎛] 이하인 것이 바람직하고, 50[㎛] 이상 200[㎛] 이하인 것이 더 바람직한 것이 판명되었다. 또한, 각 빔의 직경(bd)은 100[㎛] 이하인 것이 바람직하고, 25[㎛] 이하인 것이 더 바람직한 것이 판명되었다. 또한, 인접하는 복수의 빔간의 최소 거리(bi)(도 3, 4 참조)는, 75[㎛] 이하인 것이 바람직하고, 50[㎛] 이하인 것이 더 바람직한 것이 판명되었다.

또한, 복수의 빔은 통합되는 경우가 있다. 이 경우, 주 빔(B1) 및 부 빔(B2)은, 그 빔 단면의 직경 방향에 있어서, 예를 들면 가우시안 형상의 파워 분포를 가진다. 이 경우에는, 각 빔의 빔 직경은, 그 빔의 피크를 포함하고, 피크 강도의 1/e² 이상의 강도의 영역의 직경으로서 정의할 수 있다. 원형이 아닌 빔의 경우에는, 본 명세서에 있어서는 빔의 중심 부근을 지나는 긴 쪽의 축(예를 들면 장축) 혹은 긴 쪽의 축(장축)에 수직 방향의 짧은 쪽의 축(예를 들면 단축)에 있어서의, 피크 강도의 1/e² 이상의 강도가 되는 영역의 길이를 빔 직경이라고 정의한다. 또한, 각 빔의 파워는, 그 빔의 피크를 포함하고, 피크 강도의 1/e² 이상의 강도의 영역에서의 파워이다.

레이저 장치(110)나, 광 파이버(130), 콜리메이트 렌즈(121), 집광 렌즈(122), 및 DOE(123)의 적당한 설계 혹은 조정에 의해, 레이저 용접 장치(100)는, 상기 서술한 바와 같은 주 빔(B1) 및 부 빔(B2)을 포함하는 레이저광(L)을 출력할 수 있다.

[용접 방법]

레이저 용접 장치(100)를 이용한 용접에 있어서는, 먼저, 가공 대상(W)이, 레이저광(L)이 조사되는 영역에 세팅된다. 그리고, DOE(123)에 의해 분할된 주 빔(B1) 및 부 빔(B2)을 포함하는 레이저광(L)이 가공 대상(W)에 조사되고 있는 상태에서, 레이저광(L)과 가공 대상(W)이 상대적으로 이동한다. 이에 따라, 레이저광(L)이 표면(Wa) 상에 조사되면서 당해 표면(Wa) 상을 스캔 방향(SD)으로 이동한다(스캔한다). 레이저광(L)이 조사된 부분은, 용융되고, 그 후, 온도의 저하에 따라 응고됨으로써, 가공 대상(W)이 용접된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 일례로서, 스캔 방향(SD)은, X방향이지만, 스캔 방향(SD)은, Z방향과 교차하고 있으면 되고, X방향에는 한정되지 않는다.

발명자들의 실험적인 연구로부터, 레이저광(L)에 있어서, 부 빔(B2)의 적어도 일부의 영역을, 주 빔(B1)에 대하여 스캔 방향(SD)에 있어서의 전방에 위치함으로써, 스퍼터의 발생을 억제할 수 있는 것이 확인되고 있다. 이것은, 예를 들면, 주 빔(B1)이 도래하기 전에 부 빔(B2)에 의해 가공 대상(W)을 미리 가열해 둠으로써, 부 빔(B2) 및 주 빔(B1)에 의해 형성되는 가공 대상(W)의 용융지가 보다 안정화되기 때문이라고 추정할 수 있다.

그리고, 비교적 넓은 범위에 있어서 충분한 예열을 행한다고 하는 관점에서, 복수의 빔간의 최소 거리는, 5[㎛] 이상인 것이 바람직하고, 10[㎛] 이상인 것이 보다 바람직한 것이 판명되었다.

[실험 결과]

도 7은, 본 실시 형태의 레이저 용접 장치(100)에 의한 용접에 있어서의 스퍼터수의, 참고예로서의 DOE(123)를 가지지 않는 레이저 용접 장치에 의한 용접에 있어서의 스퍼터수에 대한 비를 나타내는 그래프이다.

발명자들은, 레이저 용접 장치(100)를 이용하여, 가공 대상(W)에 대하여, 실제로, 도 3, 4의 각각의 빔 형상을 가진 레이저광(L)을 조사하여 레이저 용접을 실행하여, 스퍼터수를 계측하는 실험을 행했다. 또한, 참고예로서, DOE(123)가 없고 가공 대상(W)에 조사된 레이저광이 단일의 빔(스폿)을 가지는 경우에 대해서도 동일 조건으로 스퍼터수를 계측하는 실험을 행했다. 도 7에 나타내는 그래프에서는, 도 3, 4의 각 경우의 스퍼터수의, 참고예의 경우의 스퍼터수에 대한 비를 나타내고 있다.

당해 실험에서는, 표면(Wa)과 레이저광(L)과의 상대적인 이동 속도(이하, 스캔 속도라고 칭함)가, 30[m/min], 20[m/min], 10[m/min], 5[m/min], 2[m/min], 1[m/min], 0.5[m/min]인 경우에 대해, 용접에 있어서 발생한 50[㎛]을 초과하는 스퍼터의 수를 측정했다.

당해 실험에서는, 레이저 장치(110)로부터 출력되는 레이저광의 파장은 1070[nm]으로 설정되고, 도 3의 빔 형상의 경우(도 7중 ○), 도 4의 빔 형상의 경우(도 7 중 □), 및 참고예의 경우(도 7 중 △)의 각각에 있어서, 빔의 수나 배치가 상이하지만, 레이저광(L)의 파워의 합계값은, 모두 1.5[kW]로 설정되었다.

당해 실험에서는, 도 3의 빔 형상 및 도 4의 빔 형상의 경우에 있어서, 레이저광(L)의 폭(w(w1, w2))은, 100[㎛]으로 설정됨과 함께, 각 빔의 스폿의 직경(bd)은, 21[㎛]로 설정되었다. 또한, 인접하는 빔의 중심간의 X방향 및 Y방향에 있어서의 거리는, 도 3의 빔 형상의 경우에 있어서는 33[㎛]으로 설정되고, 도 4의 빔 형상의 경우에 있어서는 25[㎛]로 설정되었다. 또한, M² 빔 품질은, 1.06으로 설정되었다.

또한, 가공 대상(W)으로서는, 10[㎜]의 두께의 1매의 스테인리스강(SUS304)이 이용되었다. 또한, 두께 방향(Z방향)으로 겹쳐진 가공 대상(W)이 서로 밀착하고 있는 경우, 애스펙트비는, 가공 대상(W)의 두께 및 매수에는 대략 의존하지 않는다라고 추정할 수 있다. 바꿔 말하면, 가공 대상(W)이 두께 방향으로 서로 밀착하여 복수매 겹쳐진 동일 재료의 판재인 경우에도, 가공 대상(W)이 1매의 판재인 본 실험의 경우와 동일한 결과가 얻어진다고, 추정할 수 있다.

도 7에 나타나는 바와 같이, 실험에서는, 각 조건에 대해, 비가 1 이하가 되었다. 바꿔 말하면, 도 3의 빔 형상 및 도 4의 빔 형상으로 용접을 행한 모든 경우에 있어서, 스퍼터수가 참고예 이하가 되었다.

또한, 금회의 실험에 의해, 험핑이 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 험핑이란, 용접 시에, 용해 금속의 표면 장력의 밸런스가 무너져, 용해 금속 내의 용접 진행 방향 후방으로의 탕(湯) 흐름 속도가 간헐적이게 되어, 용해 금속의 마루(mountain)와 골(valley)이 주기적으로 발생하는 현상이다. 도 8은, 도 4의 빔 형상의 경우의 용접 부위(Wm)의 표면(Wa)과, 스캔 방향에 있어서의 표면(Wa)의 높이의 변화를 나타내고 있다. 도 8의 상단(上段)은, 용접 부위(Wm)의 표면(Wa)의 사진이며, 하단(下段)은, 상단의 사진 중의 위치(y1)에 있어서의 용접 부위(Wm)의 표면(Wa)의 Z방향의 위치의 변화를 실선으로 나타내고, DOE(123) 없음의 참고예에서의 용접 부위(Wm)의 표면(Wa)의 Z방향의 위치의 변화를 파선으로 나타내고 있다. 도 8의 하단에 나타나는 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서의 위치(y1)에서의 표면(Wa)의 Z방향의 위치의 최대차는 δ1이고, 참고예에 있어서의 최대차는 δ0이며, δ1<δ0인 것을 알 수 있다. 이와 같이, 본 실시 형태에 의하면, DOE(123) 없음의 참고예에 비해, 험핑을 저감할 수 있다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 레이저 용접 장치(100)가 출력하는 레이저광(L)은, 복수의 빔을 포함하고, 복수의 빔은, 적어도 1개의 주 빔(B1)과, 당해 주 빔(B1)보다 파워가 작은 적어도 1개의 부 빔(B2)을 포함하고, 표면(Wa) 상에, 적어도 1개의 주 빔(B1)을 포함하는 주 파워 영역과, 적어도 1개의 부 빔(B2)을 포함하는 부 파워 영역이 형성된다. 그리고, 표면(Wa) 상에 있어서 인접하는 복수의 빔의 중심간의 최소 거리가 75[㎛] 이하로 설정된다.

이와 같은 용접 방법 및 용접 장치에 의하면, 스퍼터의 발생을 억제하면서, 용접 부위(Wm)의 폭을 보다 좁게 할 수 있다.

또한, 발명자들의 실험적 연구에 의해, 각 빔(주 빔(B1), 부 빔(B2))의 직경은, 표면(Wa) 상에 있어서, 100[㎛] 이하인 것이 바람직하고, 스캔 방향(SD)과 직교하는 방향으로 가장 이간된 복수의 빔의 중심간의 거리는, 표면(Wa) 상에 있어서, 300[㎛] 이하인 것이 바람직한 것이 판명되었다.

이와 같은 용접 방법 및 용접 장치에 의하면, 예를 들면, 스퍼터의 발생을 억제하면서, 용접 부위(Wm)의 폭을 보다 좁게 할 수 있다.

또한, 레이저광(L)의 M² 빔 품질은, 1.3 이하인 것이 바람직하다. 이에 따라, 스퍼터의 발생을 억제하면서, 용접 부위(Wm)의 폭을 보다 좁게 할 수 있다.

또한, 발명자들의 실험적 연구에 의해, 도 3, 4에 나타나는 바와 같이, 적어도 1개의 주 빔(B1)에 대하여 스캔 방향(SD)의 전방에 적어도 1개의 부 빔(B2)이 배치되는 경우, 적어도 1개의 주 빔(B1)에 대하여 스캔 방향(SD)의 후방에 적어도 1개의 부 빔(B2)이 배치되는 경우, 적어도 1개의 주 빔(B1)에 대하여 스캔 방향(SD)과 교차하는 방향으로 어긋나 적어도 1개의 부 빔(B2)이 배치되는 경우, 적어도 1개의 주 빔(B1)에 대하여 그 주위에 복수의 부 빔(B2)이 배치되는 경우, 및 복수의 부 빔이 사각 형상으로 배치되는 경우의 각각에 대해, 스퍼터의 발생을 억제하면서, 용접 부위(Wm)의 폭을 보다 좁게 할 수 있는 것이 판명되었다.

또한, 발명자들의 실험적 연구에 의해, 주 파워 영역의 파워와 부 파워 영역의 파워의 비가 72:1에서부터 1:50까지의 범위 내인 경우에 대해, 스퍼터의 발생을 억제하면서, 용접 부위(Wm)의 폭을 보다 좁게 할 수 있는 것이 판명되었다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 주 파워 영역과 부 파워 영역이, 주 파워 영역에 포함되는 적어도 1개의 주 빔(B1)에 의해 형성된 용융지와 부 파워 영역에 포함되는 적어도 1개의 부 빔(B2)에 의해 형성된 용융지가 부분적으로 겹쳐지도록 배치되어도 된다. 이 경우, 주 빔(B1)의 에너지의 적어도 일부가 가공 대상(W) 중 부 빔(B2)에 의해 형성된 용융지에 조사된다. 그 결과, 주 빔(B1)에 의해 형성되는 용융지가 비교적 안정되어, 스퍼터의 발생을 억제하는 효과가 얻어진다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 주 빔(B1)이 가공 대상(W)에 키 홀을 발생시킬 수 있는 파워 밀도를 가져도 된다. 이 경우, 용접에 있어서의 용입 깊이를 깊게 할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 주 파워 영역에 포함되는 적어도 1개의 주 빔의 레이저광의 파장과, 부 파워 영역에 포함되는 적어도 1개의 부 빔의 레이저광의 파장이, 동일해도 된다. 이 경우, 단일의 레이저광으로부터 주 빔 및 부 빔을 생성할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 부 파워 영역에 포함되는 적어도 1개의 부 빔의 레이저광의 파장은, 주 파워 영역에 포함되는 적어도 1개의 주 빔의 레이저광의 파장보다, 가공 대상에 대한 흡수율이 높은 파장이어도 된다. 이 경우, 부 빔의 파워 또는 파워 밀도가 비교적 낮은 경우에 있어서도, 가공 대상에 주는 에너지를 비교적 크게 할 수 있어, 부 빔을 조사하는 것의 효과를 향수(享受)할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 주 파워 영역에 포함되는 적어도 1개의 주 빔의 레이저광과, 부 파워 영역에 포함되는 적어도 1개의 부 빔의 레이저광이, 동일한 발진기로부터 출사되어도 된다. 이 경우, 단일의 발진기로부터 출사된 레이저광으로부터 주 빔 및 부 빔을 생성할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 있어서는, 주 파워 영역에 포함되는 적어도 1개의 주 빔의 레이저광과, 부 파워 영역에 포함되는 적어도 1개의 부 빔의 레이저광이, 상이한 레이저 발진기로부터 출사되어도 된다. 이 경우, 주 빔 및 부 빔의 각각의 특성을 독립적으로 설정하기 쉬워진다.

[제 2 실시 형태]

도 9는, 제 2 실시 형태의 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 도이다. 레이저 용접 장치(200)는, 가공 대상(W1)에 레이저광(L)을 조사하여 가공 대상(W1)의 용접을 행한다. 가공 대상(W1)은, 2매의 판상의 금속 부재(W11, W12)를 중첩하여 구성되어 있다. 레이저 용접 장치(200)는, 레이저 용접 장치(100)와 마찬가지의 작용 원리에 의해 용접을 실현하는 것이다. 따라서, 이하에서는, 레이저 용접 장치(200)의 장치 구성의 설명만을 행한다.

레이저 용접 장치(200)는, 레이저 장치(210)와, 광학 헤드(220)와, 광 파이버(230)를 구비하고 있다.

레이저 장치(210)는, 레이저 발진기를 구비하고 있으며, 레이저 장치(110)와 마찬가지로 구성되어 있고, 예를 들면 수kW의 파워의 레이저광을 출력할 수 있도록 구성되어 있다. 광 파이버(230)는, 레이저 장치(210)로부터 출력된 레이저광을 도파하여, 광학 헤드(220)에 입력시킨다.

광학 헤드(220)는, 광학 헤드(120)와 마찬가지로, 레이저 장치(210)로부터 입력된 레이저광을, 가공 대상(W1)을 향해 조사하기 위한 광학 장치이다. 광학 헤드(220)는, 콜리메이트 렌즈(221)와 집광 렌즈(222)를 구비하고 있다.

또한, 광학 헤드(220)는, 집광 렌즈(222)와 가공 대상(W1)과의 사이에 배치된, 갈바노 스캐너를 가지고 있다. 갈바노 스캐너란, 2매의 미러(224a, 224b)의 각도를 제어함으로써, 광학 헤드(220)를 이동시키지 않고, 레이저광(L)의 조사 위치를 이동시켜, 레이저광(L)을 스캔할 수 있는 장치이다. 레이저 용접 장치(200)에서는, 집광 렌즈(222)로부터 출사된 레이저광(L)을 갈바노 스캐너로 유도하기 위해 미러(226)를 구비하고 있다. 또한, 갈바노 스캐너 미러(224a, 224b)는, 각각 모터(225a, 225b)에 의해 각도가 변경된다.

광학 헤드(220)는, 콜리메이트 렌즈(221)와 집광 렌즈(222)와의 사이에 배치된, 빔 쉐이퍼로서의 DOE(223)을 구비하고 있다. DOE(223)는, DOE(123)와 마찬가지로, 콜리메이트 렌즈(221)로부터 입력된 레이저광을 분할하고, 주 빔과 적어도 1개의 부 빔을 생성한다. 적어도 1개의 부 빔은, 주 빔에 대하여 스캔 방향 전방측에 적어도 그 일부가 위치한다. 본 실시 형태에 있어서도, 파워비를, 상기 제 1 실시 형태와 마찬가지로 설정할 수 있다.

[제 3 실시 형태]

도 10은, 제 3 실시 형태의 레이저 용접 장치의 개략 구성을 나타내는 도이다. 레이저 용접 장치(300)는, 가공 대상(W2)에 레이저광(L)을 조사하여 가공 대상(W2)의 용접을 행한다. 가공 대상(W2)은, 2매의 판상의 금속 부재(W21, W22)를 맞대도록 인접시켜 구성되어 있다. 레이저 용접 장치(300)는, 레이저 발진기를 구비하고 있으며, 레이저 용접 장치(100, 200)와 마찬가지의 작용 원리에 의해 용접을 실현하는 것이다. 광학 헤드(320) 이외의 요소(레이저 장치(310) 및 광 파이버(330))의 구성은, 레이저 용접 장치(100, 200)가 대응하는 요소와 마찬가지이다. 따라서, 이하에서는, 광학 헤드(320)의 장치 구성의 설명만을 행한다.

광학 헤드(320)는, 광학 헤드(120, 220)와 마찬가지로, 레이저 장치(310)로부터 입력된 레이저광을, 가공 대상(W2)을 향해 조사하기 위한 광학 장치이다. 광학 헤드(320)는, 콜리메이트 렌즈(321)와 집광 렌즈(322)를 구비하고 있다.

또한, 광학 헤드(320)는, 콜리메이트 렌즈(321)와 집광 렌즈(322)와의 사이에 배치된, 갈바노 스캐너를 가지고 있다. 갈바노 스캐너의 미러(324a, 324b)는, 각각 모터(325a, 325b)에 의해 각도가 변경된다. 광학 헤드(320)에서는, 광학 헤드(220)와 상이한 위치에 갈바노 스캐너를 마련하고 있다. 그러나, 광학 헤드(220)와 마찬가지로, 2매의 미러(324a, 324b)의 각도를 제어함으로써, 광학 헤드(320)를 이동시키지 않고, 레이저광(L)의 조사 위치를 이동시켜, 레이저광(L)을 스캔할 수 있다.

광학 헤드(320)는, 콜리메이트 렌즈(321)와 집광 렌즈(322)와의 사이에 배치된, 빔 쉐이퍼로서의 DOE(323)를 구비하고 있다. DOE(323)는, DOE(123, 223)와 마찬가지로, 콜리메이트 렌즈(321)로부터 입력된 레이저광을 분할하고, 주 빔과 적어도 1개의 부 빔을 생성한다. 적어도 1개의 부 빔은, 주 빔에 대하여 스캔 방향 전방측에 적어도 그 일부가 위치한다. 본 실시 형태에 있어서도, 파워비를, 상기 제 1 실시 형태와 마찬가지로 설정할 수 있다.

또한, 도 11~14에, 가공 대상(W)의 표면(Wa) 상에 있어서의 레이저광(L)의 복수의 빔의 배치의 다른 예를, 나타내고 있다.

도 11의 예에 있어서, 레이저광(L)은, 하나의 주 빔(B1)과, 하나의 부 빔(B2)을 가지고, 부 빔(B2)은, 주 빔(B1)에 대하여 스캔 방향(SD)(X방향)의 전방에 떨어져 위치되어 있다.

도 12의 예에 있어서, 레이저광(L)은, 중앙에 배치된 1개의 주 빔(B1)과, 그 주위에 환상(環狀)으로 배치된 16개의 부 빔(B2)을 가지고 있다.

도 13의 예에 있어서, 레이저광(L)은, 5×5의 정방형의 매트릭스 형상으로 배치된 25개의 빔을 가짐과 함께, 중앙에 배치된 1개의 부 빔(B2)과, 그 주위에 3×3의 정방 형상(사각 형상)으로 배치된 9개의 주 빔(B1)과, 그 주위에 정방 형상(사각 형상)으로 배치된 16개의 부 빔(B2)을 가지고 있다. 이 예에서도, 행방향(Y방향)에 있어서의 빔간의 간격과 열방향(X방향, 스캔 방향(SD))에 있어서의 빔간의 간격은 모두 동일하게 설정되어 있다.

도 14의 예에 있어서, 레이저광(L)은, Y방향을 따라 지그재그(Z자 형상)로 연장된 복수의 빔을 가지고 있다. 바꿔 말하면, 각 빔은, X방향에 있어서의 전측의 위치이거나, 혹은 X방향에 있어서의 후측의 위치에 위치하고 있으며, 당해 빔의 위치는, Y방향을 향함에 따라, 전측의 위치와 후측의 위치에서 번갈아 교체하고 있다. 하나의 주 빔(B1)은, Y방향의 중간 위치에 있어서 후측의 위치에 위치하고 있다. 복수의 부 빔(B2)은, 당해 주 빔(B1)에 대하여 Y방향 및 Y방향의 반대 방향에 배치되어 있다. 서로 인접하는 빔간의 간격은 대략 동일하다.

복수의 빔의 배치의 패턴은, 상기 서술한 예 이외에도, 다양하게 설정 가능하다. 여기서는, 빔의 배치의 베리에이션을 설명하기 위해, 도 15에 나타나는 바와 같은, 1~49의 번호가 부여된 셀을 가진 7×7의 매트릭스를 도입한다. 각 셀은, 빔의 위치를 나타내고 있다. 도 15에 예시되는 매트릭스에 있어서는, 셀의 번호는, X방향의 반대 방향(X방향에 있어서의 후방)의 행일수록 커지고, 또한 Y방향(Y방향에 있어서의 전방)의 열일수록 커지도록 설정되어 있다.

도 16은, 도 3의 패턴의 경우에 있어서의, 주 빔(B1) 및 부 빔(B2)의 배치와, 주 빔(B1)이 배치되는 셀의 번호와, 부 빔(B2)이 배치되는 셀의 번호를 나타내고 있다. 도 17에 나타나는 바와 같이, 도 3의 패턴에 대해서는, 주 빔(B1)은, 번호 25의 위치에 배치되고, 8개의 부 빔(B2)은, 번호 17~19, 24, 26, 31~33의 위치에 배치된다. 또한, 도 15의 매트릭스는, 복수의 빔의 상대적인 위치를 나타내는 것이며, 각 빔의 크기나 간격은 적당히 변경할 수 있다.

복수의 빔은, 예를 들면, 이하의 [1]~[22]의 패턴으로 배치할 수 있다. 숫자는 도 15의 매트릭스 중의 셀의 위치이다.

[1] (도 11)

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 18

[2]

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 18, 32

[3]

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 17, 19

[4]

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 17~19

[5]

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 11, 17, 19

[6]

주 빔(B1): 24, 25

부 빔(B2): 17, 18

[7]

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 18, 24, 26, 32

[8]

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 17, 19, 31, 33

[9] (도 3)

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 17~19, 24, 26, 31~33

[10]

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 1, 3, 5, 7, 15, 21, 29, 35, 43, 45, 47, 49

[11] (도 4)

주 빔(B1): 24, 25, 31, 32

부 빔(B2): 16~19, 23, 26, 30, 33, 37~40

[12]

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 10~12, 16, 20, 23, 27, 30, 34, 38~40

[13]

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 9~13, 16, 20, 23, 27, 30, 34, 37~41

[14]

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 9~13, 16~20, 23, 24, 26, 27, 30~34, 37~41

[15] (도 12)

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 3~5, 9, 13, 15, 21, 22, 28, 29, 35, 37, 41, 45~47

[16]

주 빔(B1): 25

부 빔(B2): 10~12, 16~20, 23, 24, 26, 27, 30~34, 38~40

[17]

주 빔(B1): 18, 24~26, 32

부 빔(B2): 10~12, 16, 17, 19, 20, 23, 27, 30, 31, 33, 34, 38~40

[18]

주 빔(B1): 17~19, 24~26, 31~33

부 빔(B2): 10~12, 16, 20, 23, 27, 30, 34, 38~40

[19]

주 빔(B1): 17~19, 24, 26, 31~32

부 빔(B2): 10~12, 16, 20, 23, 25, 27, 30, 34, 38~40

[20]

주 빔(B1): 18, 24~26, 32

부 빔(B2): 9~13, 16, 17, 19, 20, 23, 27, 30, 31, 33, 34, 37~41

[21]

주 빔(B1): 17~19, 24~26, 31~33

부 빔(B2): 9~13, 16, 20, 23, 27, 30, 34, 37~41

[22] (도 12)

주 빔(B1): 17~19, 24, 26, 31~33

부 빔(B2): 9~13, 16, 20, 23, 25, 27, 30, 34, 37~41

도 12에 나타나는 바와 같이, 복수의 부 빔(B2)은, 대략 원환상 혹은 대략 원호상으로 배치되어도 된다. 이 경우, 각 부 빔(B2)의 중심이 동일 원주 상에 배치되어도 된다.

이상, 본 발명의 실시 형태가 예시되었지만, 상기 실시 형태는 일례이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 상기 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 조합, 변경을 행할 수 있다. 또한, 각 구성이나, 형상, 등의 스펙(구조나, 종류, 방향, 형식, 크기, 길이, 폭, 두께, 높이, 수, 배치, 위치, 재질 등)은, 적절히 변경하여 실시할 수 있다.

예를 들면, 상기 각 실시 형태에 있어서, 주 빔(주 파워 영역)의 용접 형태는, 키 홀형 용접이어도 되고, 열전도형 용접이어도 된다. 여기서 말하는 키 홀형 용접이란, 키 홀을 이용한 용접 방법이다. 한편, 열전도형 용접이란, 가공 대상의 표면에서 레이저광이 흡수되어 발생한 열을 이용하여 가공 대상을 용융시키는 용접 방법이다.

또한, 부 빔은 모두가 동일한 파워를 가지고 있어도 되고, 하나 또는 일부의 부 빔의 파워가 그 밖의 부 빔의 파워보다 높아도 된다. 또한, 복수의 부 빔이 복수의 그룹으로 분류될 수 있고, 동일한 그룹 내에서는 부 빔은 대략 동일한 파워이며, 그룹간에서는 부 빔은 상이한 파워여도 된다. 이 경우, 복수의 상이한 그룹으로 분류된 부 빔을 비교하면, 파워가 단계적으로 상이하다. 또한, 어느 그룹에 포함되는 부 빔은 복수로 한정되지 않고, 하나여도 된다.

또한, 가공 대상의 재질은, 스테인리스강에는 한정되지 않는다.

또한, 가공 대상은 판재에 한정되지 않고, 용접의 양태는 중첩 용접이나 맞댐 용접에도 한정되지 않는다. 따라서, 가공 대상은 용접되어야 할 적어도 2개의 부재를 겹침, 또는 접촉시킴, 또는 인접시킴으로써 구성되는 것이어도 된다.

또한, 가공 대상에 대하여 레이저광을 스캔하는 경우에는, 공지의 워블링나 위빙이나 출력 변조 등에 의해 스캔을 행하여, 용융지의 표면적을 조절하도록 해도 된다.

또한, 가공 대상은, 도금된 금속판과 같이, 금속의 표면에 얇은 다른 금속의 층이 존재하는 것이어도 된다.

본 발명은, 용접 방법 및 용접 장치에 이용할 수 있다.

100, 200, 300…레이저 용접 장치(용접 장치)
110, 210, 310…레이저 장치(레이저 발진기)
120, 220, 320…광학 헤드
121, 221, 321…콜리메이트 렌즈
122, 222, 322…집광 렌즈
123, 223, 323…DOE(회절 광학 소자)
123a…회절 격자
130, 230, 330…광 파이버
224a, 224b, 226, 324a, 324b…미러
225a, 225b, 325a, 325b…모터
A…(스캔 방향에 있어서의 전방의) 영역
B1…주 빔(빔, 주 파워 영역)
B1f…전단
B2…부 빔(빔, 부 파워 영역)
bd…(빔의) 직경
bi…(빔간의) 최소 거리
L…레이저광
SD…스캔 방향
VL…가상 직선
W, W1, W2…가공 대상
Wa…표면
W11, W12, W21, W22…금속 부재
Wm…용접 부위
w, w1, w2…거리(폭)
x1, y1…위치
X…방향
Y…방향
Z…방향(법선 방향)

Claims

가공 대상에 대하여 상대적으로 스캔 방향으로 이동하는 레이저광을 상기 가공 대상의 표면에 조사함으로써, 상기 가공 대상의 상기 레이저광이 조사된 부분을 용융하여 용접을 행하는, 용접 방법으로서,
상기 레이저광은, 복수의 빔을 포함하고,
상기 복수의 빔은, 적어도 1개의 주 빔과, 당해 주 빔보다 파워가 작은 적어도 1개의 부 빔을 포함하며,
상기 표면 상에, 상기 적어도 1개의 주 빔을 포함하는 주 파워 영역과, 상기 적어도 1개의 부 빔을 포함하는 부 파워 영역이 형성되고,
상기 표면 상에 있어서 인접하는 상기 복수의 빔의 중심간의 최소 거리가, 75[㎛] 이하인, 용접 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 레이저광은, 싱글 모드 레이저광인, 용접 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 표면 상에 있어서, 상기 빔의 직경이 100[㎛] 이하인, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표면 상에 있어서, 상기 스캔 방향과 직교하는 방향으로 가장 이간된 상기 복수의 빔의 중심간의 거리가, 300[㎛] 이하인, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주 파워 영역의 파워와 상기 부 파워 영역의 파워의 비가, 72:1에서부터 1:50까지의 범위 내에 있는, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 1개의 주 빔에 대하여, 상기 스캔 방향의 전방에, 상기 적어도 1개의 부 빔이 배치되는, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 1개의 주 빔에 대하여, 상기 스캔 방향의 후방에, 상기 적어도 1개의 부 빔이 배치되는, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 1개의 주 빔에 대하여, 상기 스캔 방향과 교차하는 방향으로 어긋나, 상기 적어도 1개의 부 빔이 배치되는, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 1개의 주 빔에 대하여, 그 주위에, 상기 적어도 1개의 부 빔으로서의 복수의 부 빔이 배치되는, 용접 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 복수의 부 빔이, 원호 형상으로 배치되는, 용접 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 복수의 부 빔이, 사각 형상으로 배치되는, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주 파워 영역과, 상기 부 파워 영역은, 상기 주 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 주 빔에 의해 형성된 용융지와 상기 부 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 부 빔에 의해 형성된 용융지가 부분적으로 겹치도록 배치된, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 주 빔의 레이저광의 파장과, 상기 부 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 부 빔의 레이저광의 파장이, 동일한, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 부 빔의 레이저광의 파장은, 상기 주 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 주 빔의 레이저광의 파장보다, 상기 가공 대상에 대한 흡수율이 높은 파장인, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 주 빔의 레이저광과, 상기 부 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 부 빔의 레이저광이, 동일한 발진기로부터 출사된, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 주 빔의 레이저광과, 상기 부 파워 영역에 포함되는 상기 적어도 1개의 부 빔의 레이저광이, 다른 레이저 발진기로부터 출사된, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저광의 M² 빔 품질은, 1.3 이하인, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 빔의 중심간의 거리가, 5[㎛] 이상인, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 빔의 배치가, 빔 쉐이퍼에 의해 형성되는, 용접 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 빔 쉐이퍼는 회절 광학 소자인, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가공 대상은, 적어도 2개의 부재가 겹쳐져 있는, 용접 방법.
제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주 빔의 직경과 상기 부 빔의 직경이 동일한, 용접 방법.
레이저 발진기와,
상기 레이저 발진기로부터 출사된 광을 성형한 복수의 빔을 포함하는 레이저광을 가공 대상의 표면에 조사함으로써, 상기 가공 대상의 상기 레이저광이 조사된 부분을 용융하여 용접을 행하는 광학 헤드를 구비하고,
상기 레이저광이 상기 가공 대상에 대하여 상대적으로 스캔 방향으로 이동하도록, 상기 가공 대상과 상기 광학 헤드의 적어도 일부는 상대 이동 가능하게 구성되며,
상기 복수의 빔은, 적어도 1개의 주 빔과, 당해 주 빔보다 파워가 작은 적어도 1개의 부 빔을 포함하고,
상기 표면 상에, 상기 적어도 1개의 주 빔을 포함하는 주 파워 영역과, 상기 적어도 1개의 부 빔을 포함하는 부 파워 영역이 형성되며,
상기 표면 상에 있어서 인접하는 상기 복수의 빔의 중심간의 최소 거리가, 75[㎛] 이하인, 용접 장치.