WO2020246504A1 - レーザ溶接装置及びそれを用いたレーザ溶接方法 - Google Patents

レーザ溶接装置及びそれを用いたレーザ溶接方法 Download PDF

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laser
laser beam
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静波 王
西尾　正敏
憲三 柴田
学 西原
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a laser welding apparatus and a laser welding method using the laser welding apparatus.
  • the laser beam can be scanned three-dimensionally on the surface of the work, so that the work having a complicated shape can be welded (see, for example, Patent Documents 2 and 3). Further, a configuration has been proposed in which not only the laser beam is scanned three-dimensionally but also the focal position of the laser beam is periodically controlled (see, for example, Patent Document 3).
  • the conventional method of correcting the focal position of the laser light only on the surface of the work is to secure the joint strength of the welded portion. May be insufficient. In particular, this tendency is remarkable when the shape of the welded portion of the work is complicated. When such a situation occurs, a portion where a desired penetration shape cannot be obtained is generated at the welded portion, and there is a possibility that the joint strength cannot be secured. In addition, the appearance of the welded portion may be impaired by the generation of spatter or the like, and the welding quality may deteriorate.
  • Patent Documents 1 to 3 do not specifically show the control of the focal position of the laser beam according to the shape of the welded portion.
  • an object of the present invention is to provide a laser welding apparatus capable of controlling a penetration shape according to the shape of a welded portion of a work, and a laser welding method using the same. ..
  • the laser welding apparatus is attached to a laser oscillator that generates a laser beam, an optical fiber that transmits the laser beam generated by the laser oscillator, and an emission end of the optical fiber.
  • a laser beam emitting head that irradiates the laser beam incident from the optical fiber toward the work, a manipulator to which the laser beam emitting head is attached and the laser beam emitting head is moved in a predetermined trajectory, and the above. It includes at least a controller that controls the laser beam emitting head so that the laser beam is scanned two-dimensionally or three-dimensionally on the surface of the work, and the controller has a shape of a welded portion in the work.
  • the laser beam emitting head or the manipulator is controlled so as to change the focal position of the laser beam applied to the work.
  • the penetration shape of the work can be controlled according to the shape of the welded portion in the work.
  • the joint strength of the work can be increased.
  • the laser welding method is a laser welding method using the laser welding apparatus, in which the laser beam is irradiated toward the work while scanning two-dimensionally or three-dimensionally, and the above-mentioned At least a laser welding step for welding a work is provided, and in the laser welding step, the focal position of the laser beam is changed according to the shape of a welded portion in the work, and a molten pool and a keyhole are formed in the work. It is characterized by.
  • the penetration depth of the work can be controlled according to the shape of the welded portion in the work.
  • the joint strength of the work can be increased.
  • the penetration shape and the penetration depth of the work can be controlled according to the shape of the welded portion in the work.
  • the joint strength of the work can be increased.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of the configuration of the laser welding apparatus according to the present embodiment, and the laser welding apparatus 1000 includes a laser oscillator 100, a controller 200, an optical fiber 300, a laser beam emitting head 400, and a manipulator 500. ..
  • the laser oscillator 100 is a laser light source that generates laser light LB by supplying electric power from a power source (not shown).
  • the laser oscillator 100 may be composed of a single laser light source or a plurality of laser modules. In the latter case, the laser light emitted from each of the plurality of laser modules is combined and emitted as the laser light LB. Further, the laser light source or the laser module used in the laser oscillator 100 is appropriately selected according to the material of the work 600 to be welded, the shape of the welded portion, and the like.
  • a fiber laser, a disc laser, or a YAG (Yttrium Aluminum Garnet) laser can be used as the laser light source.
  • the wavelength of the laser beam LB is set in the range of 1000 nm to 1100 nm.
  • the semiconductor laser may be used as a laser light source or a laser module.
  • the wavelength of the laser beam LB is set in the range of 800 nm to 1000 nm.
  • the visible light laser may be used as a laser light source or a laser module.
  • the wavelength of the laser beam LB is set in the range of 400 nm to 800 nm.
  • the optical fiber 300 is optically coupled to the laser oscillator 100, has a core (not shown) at the axis, and is provided with a first clad (not shown) coaxially with the core in contact with the outer peripheral surface of the core.
  • the core and the first clad each contain quartz as a main component, and the refractive index of the core is higher than that of the first clad. Therefore, the laser light LB generated by the laser oscillator 100 is incident on the incident end of the optical fiber 300 and transmitted from the inside of the core toward the exit end. Further, a film or a resin-based protective layer (neither shown) is provided on the outer peripheral surface of the first clad to mechanically protect the optical fiber 300.
  • the laser light emitting head 400 is attached to the emitting end of the optical fiber 300, irradiates the laser beam LB transmitted by the optical fiber 300 toward the work 600, and the work 600 is laser welded.
  • the laser light emitting head 400 is configured to scan the laser light LB two-dimensionally or three-dimensionally and irradiate the work 600 toward the work 600, and the light scanning mechanism 424 that scans the laser light LB. (See FIG. 2). Further, the laser light emitting head 400 has a focal position adjusting mechanism 407 (see FIG. 2) for changing the focal position of the laser beam LB irradiated toward the work 600. Details and functions of the structure of the laser light emitting head 400, the optical scanning mechanism 424, and the focal position adjusting mechanism 407 will be described later.
  • the controller 200 controls the laser oscillation of the laser oscillator 100. Specifically, laser oscillation control is performed by supplying control signals such as an output current and an on / off time to a power source (not shown) connected to the laser oscillator 100.
  • controller 200 controls the drive of the optical scanning mechanism 424 and the focal position adjusting mechanism 407 provided in the laser beam emitting head 400 according to the content of the selected laser welding program. Further, the controller 200 controls the operation of the manipulator 500.
  • the laser welding program is stored in the storage unit 210.
  • the storage unit 210 may be provided inside the controller 200, or may be provided outside the controller 200 so that data can be exchanged with the controller 200. Further, the storage unit 210 stores data in which the focal position of the laser beam LB and the penetration depth of the work 600 are associated with the material of the work 600 (see FIG. 4).
  • the manipulator 500 is connected to the controller 200, and the laser beam emitting head 400 is moved so as to draw a predetermined trajectory according to the laser welding program described above.
  • a controller 200 that controls the operation of the manipulator 500 may be provided separately.
  • the direction parallel to the optical axis of the laser beam LB emitted from the laser beam emitting head 400 is the Z direction
  • the direction orthogonal to the Z direction is the X direction
  • the X direction and the Z direction are orthogonal to each other.
  • the directions may be referred to as the Y direction.
  • the XY plane including the X direction and the Y direction in the plane may be substantially parallel to the surface or may have a constant angle.
  • substantially parallel means that the two surfaces or members are in strictly parallel positions, including the processing tolerance of each member and the assembly tolerance of each part. Does not require up to.
  • substantially orthogonal means that they are orthogonal including the processing tolerance of each member and the assembly tolerance of each part, and does not require that they are strictly orthogonal.
  • substantially the same or substantially the same means the same or the same including the manufacturing tolerance and the assembly tolerance of each part, and it is required that both of them to be strictly compared are the same or the same. It's not something to do.
  • substantially the same or substantially the same is also used to mean that the control result of the controlled object is the same or the same including the error of the control system.
  • FIG. 2 shows the configuration of the laser light emitting head according to the present embodiment
  • the laser light emitting head 400 includes a connector 401, a lens body 402, a body case 408 (first case), a shield holder 410, and the like. It has a nozzle unit 425 (second case), a first servomotor 411, and a second servomotor 418.
  • the shield holder 410 is removable from the nozzle unit 425, but for other configurations, a plurality of shield holders 410 may be integrated.
  • the laser light emitting head 400 is connected to the optical fiber 300 via the connector 401.
  • the laser light LB is emitted into the laser light emitting head 400 while spreading at a constant angle from the emitting end (corresponding to the point A shown in FIG. 2) of the optical fiber 300.
  • the lens body 402 holds a lens holder 403 in which a collimating lens 404 and a condenser lens 405 are housed.
  • the collimating lens 404 parallelizes the laser beam LB emitted from the exit end of the optical fiber 300.
  • the laser beam LB parallelized by the collimating lens 404 is focused by the condenser lens 405 so as to be focused on the surface or inside of the work 600.
  • the lens body 402 and the lens holder 403 determine the optical positional relationship between the exit end of the optical fiber 300 and the collimating lens 404.
  • the collimating lens 404 is held by a slider 406 connected to an actuator (not shown) and housed in the lens holder 403. Although detailed mounting and connection of the actuator are omitted in the drawing, the optical axis of the laser beam LB emitted from the laser beam emitting head 400 with the collimating lens 404 held by the slider 406 in response to the control signal from the controller 200. In other words, move in the Z direction. As a result, the focal position of the laser beam LB irradiated on the work 600 changes.
  • the collimating lens 404, the slider 406, and the actuator (not shown) may be referred to as a focal position adjusting mechanism 407.
  • the actuator may be a servomotor or another type of actuator. It is preferably highly responsive, lightweight and compact.
  • the body case 408 is provided with a first rotation mechanism 420, a first parallel plate 414, and a first holder 415, which form a first optical unit 422.
  • the first rotation mechanism 420 includes a first servomotor 411 (first drive unit), a first timing belt 412 (first transmission member), and a first timing belt pulley 413 (first rotation). Member) and.
  • the first parallel plate 414 is fixed in a cylindrical first holder 415 whose both ends are held by bearings.
  • a first timing belt pulley 413 is provided on the outer peripheral surface of the first holder 415, and the first holder 415 is rotated by the first servomotor 411 via the first timing belt 412.
  • the first holder 415 is rotated about the first rotation axis, and the direction of the first rotation axis is the direction of the optical axis of the laser light LB emitted from the laser light emission head 400. That is, it is the same as the Z direction.
  • the body case 408 is provided with a second rotation mechanism 421, a second parallel plate 416, and a second holder 409, which form a second optical unit 423.
  • the second rotation mechanism 421 includes a second servomotor 418 (second drive unit), a second timing belt 419 (second transmission member), and a second timing belt pulley 417 (second rotation). Member) and.
  • the second parallel plate 416 is fixed in a cylindrical second holder 409 whose both ends are held by bearings.
  • a second timing belt pulley 417 is provided on the outer peripheral surface of the second holder 409, and the second holder 409 is rotated by the second servomotor 418 via the second timing belt 419.
  • the second holder 409 is rotated about the second rotation axis, and the direction of the second rotation axis is the same as the Z direction.
  • the first optical unit 422 and the second optical unit 423 may be collectively referred to as an optical scanning mechanism 424.
  • the first optical unit 422 and the second optical unit 423 have the same direction of the first rotation axis and the direction of the second rotation axis, and are arranged symmetrically in the body case 408. Has been done. That is, they are arranged symmetrically with respect to the plane perpendicular to the first rotation axis and the second rotation axis. In FIG. 2, the first optical unit 422 and the second optical unit 423 are arranged symmetrically in the vertical direction. When arranged in this way, when the first servomotor 411 and the second servomotor 418 rotate in the same direction, the rotation direction of the first parallel plate 414 and the rotation direction of the second parallel plate 416 are opposite to each other. become.
  • the rotation direction of the first servomotor 411 that drives the first parallel plate 414 the rotation direction of the first parallel plate 414 and the rotation direction of the second parallel plate 416 are made in the same direction. It is also possible to rotate it.
  • the first optical unit 422 and the second optical unit 423 have a first rotation axis and a first rotation axis. It is desirable to arrange them so that they coincide with the two rotation axes. Further, it is preferable that the directions of the first rotation axis and the second rotation axis are the same as the directions of the optical axes of the laser beam LB when incident from the optical fiber 300. Further, it is more preferable that the first rotation axis and the second rotation axis coincide with the optical axis of the laser beam LB when incident from the optical fiber 300.
  • the laser beam LB that has passed through the collimating lens 404 and the condensing lens 405 passes through the first parallel plate 414 twice (when it is incident on the first parallel plate 414 and the first parallel plate 414). Refracts (when emitted from).
  • the thickness of the first parallel plate 414, the inclination angle of the first parallel plate 414, which is the mounting angle of the first parallel plate 414 with respect to the first rotation axis, and the refractive index of the first parallel plate 414 shifts in parallel by an amount determined by the rate.
  • the optical axis of the laser beam LB (first optical axis) incident on the first parallel plate 414 and the optical axis of the laser beam LB (second optical axis) emitted from the first parallel plate 414 are ,
  • the direction is the same and the position is out of alignment.
  • the second parallel plate 416 having the same configuration. That is, the optical axis of the laser beam LB (second optical axis) incident on the second parallel plate 416 and the optical axis of the laser beam LB (third optical axis) emitted from the second parallel plate 416 are ,
  • the direction is the same and the position is out of alignment.
  • the first parallel plate 414 and the second parallel plate 416 of the present embodiment are made of synthetic quartz, have an inclination angle of 45 ° with respect to the first rotation axis (second rotation axis), and have a refractive index of 1.44963. Is.
  • the optical axis (third optical axis) of the laser light LB is similarly shifted by 4.1 mm. Therefore, the operating range of the laser beam LB in this embodiment is within a circle having a radius of 8.2 mm.
  • the thickness and refractive index of the first parallel plate 414 and the second parallel plate 416 can be appropriately changed depending on the wavelength of the laser light LB, the required processing conditions, and the like. In that case, the laser The scanning range of the optical LB can also be changed.
  • the optical axis of the laser beam LB can be rotated around the original optical axis with a predetermined radius, and various shapes such as an arc shape and a spiral shape can be obtained with respect to the work 600.
  • the laser beam LB can be irradiated linearly. That is, the laser light emitting head 400 is configured to scan the laser light LB on the surface of the work 600 two-dimensionally or three-dimensionally by the control signal from the controller 200.
  • FIGS. 3A and 3B show the relationship between the molten pool and keyhole formed in the workpiece and the focal position of the laser beam
  • FIG. 4 shows the relationship between the focal position of the laser beam and the penetration depth of the workpiece. Shows the table.
  • FIGS. 3A and 3B FIG. 3A shows the case where the focal point of the laser beam LB is located near the surface of the work 600
  • FIG. 3B shows the case where the focal point of the laser beam LB is located inside the work 600. Each case is shown.
  • a portion irradiated with the laser beam LB is heated to cause melting, and a molten pool 800 is formed. Further, in the portion irradiated with the laser beam LB, the material constituting the molten pool 800 is violently evaporated, and the reaction force forms a keyhole 810 inside the molten pool 800.
  • the keyhole 810 When the keyhole 810 is formed, most of the laser beam LB enters the inside of the keyhole 810 while being reflected multiple times by the inner wall surface of the keyhole 810 and is absorbed by the molten pool 800.
  • the absorption rate at which the laser beam LB is absorbed by the molten pool 800 is improved, the amount of heat input to the work 600 is increased, and the penetration depth is deepened.
  • the amount is small, but a part of it is reflected by the keyhole wall near the entrance of the keyhole 810, and the reflected laser beam LB enters the keyhole 810. Instead, it is reflected to the outside and becomes a loss.
  • the keyhole 810 is an open space extending from the opening 811 of the keyhole 810 formed on the surface of the molten pool 800 toward the inside of the molten pool 800, as shown in FIG. 3B, the laser beam LB
  • the focal position reaches the inside from the surface of the work 600, specifically, the inside of the keyhole 810, the power density of the laser beam LB irradiated on the inner wall surface of the keyhole 810 becomes high and the molten pool 800
  • the amount of light absorbed by the laser increases, and the penetration depth can be made deeper than in the case shown in FIG. 3A.
  • the opening 811 of the keyhole 810 can be expanded as compared with the case shown in FIG. 3B, so that the laser beam LB is more inside the keyhole 810. It will be easier to reach.
  • the focal position of the laser beam LB is inside from the surface of the work 600, the laser beam LB enters the back of the keyhole 810 in the form of convergence near the opening 811 of the keyhole 810, so that the entrance of the keyhole 810 It becomes difficult to be reflected by the nearby keyhole wall, and the amount of light absorbed by the molten pool 800 also increases, which also leads to an increase in the penetration depth.
  • FIG. 4 shows such a relationship in more detail, and the work 600 melts in as the focal position of the laser beam LB moves above the surface of the work 600, that is, outside the work 600. The depth becomes shallow.
  • the focal position of the laser beam LB moves below the surface of the work 600, that is, to a predetermined position inside the work 600, the penetration depth of the work 600 becomes deeper. This is due to the mechanism described above.
  • the focal position of the laser beam LB moves deeper inside the work 600 than the predetermined position, the power density of the laser beam LB on the surface of the work 600 decreases, and the amount of heat input to the work 600 at the initial stage of forming the molten pool 800. Decreases. For this reason, the penetration depth becomes rather shallow.
  • the penetration depth of the work 600 can be deepened.
  • the shape of the curve shown in FIG. 4 changes depending on the material of the work 600 and the output of the laser beam LB. Therefore, in the storage unit 210, the depth of penetration of the work 600 with respect to the focal position of the laser light LB, which is associated with the material of the work 600, the output of the laser light LB, and the wavelength of the laser light LB, is data in a table format. It is saved as.
  • the change in the penetration depth of the work 600 with respect to the focal position of the laser beam LB is shown in a graph format, but in reality, each plot of the curve shown in FIG. 4 is shown. It is associated with the material of the work 600 in the data format.
  • the laser welding can be performed appropriately according to the shape of the welded part by changing the focal position of the laser beam LB based on the shape of the welded part in the work 600 and the data shown in FIG. At the same time, the joint strength of the work 600 can be increased.
  • FIG. 5 is a schematic view showing the relationship between the locus of the laser beam applied to the work and the depth of the molten region of the work and the focal position of the laser light
  • the upper side of FIG. 5 is a view of the work 600 viewed from the surface.
  • the lower side of FIG. 5 shows the cross section of the work 600, respectively.
  • the work 600 is a laminated body in which the first plate material 710 and the second plate material 720 are superposed on each other, and both the first plate material 710 and the second plate material 720 are steel plates. Is. It may be a steel plate or a steel plate having a different material or composition.
  • the laser beam LB irradiates the surface of the work 600, in this case, the surface of the first plate member 710 so as to draw a spiral locus TR1. By doing so, the laser beam LB can be evenly irradiated to the predetermined welded portion.
  • the example shown in FIG. 5 corresponds to so-called spot welding.
  • the controller 200 drives the focal position adjusting mechanism 407 so that the focal position becomes deeper inside the work 600 as the spiral locus TR1 approaches the peripheral edge rather than the center.
  • the laser beam LB is applied to the work 600.
  • the molten region 820 becomes deeper as it approaches the peripheral edge than the center thereof, and specifically, it becomes deeper by several% to 20% at the peripheral edge with respect to the center of the molten region 820. ..
  • the melting region 820 corresponds to a portion where the molten pool 800 is cooled and solidified.
  • the focal position of the laser beam LB After setting the focal position of the laser beam LB near the surface of the work 600, when laser welding a predetermined area of the work 600 while scanning the laser beam LB so as to draw a predetermined trajectory, the focal position is the work 600 during scanning. Even if it does not deviate from the surface of the locus, the amount of heat of the molten pool 800 is conducted to the work 600 in the periphery of the locus, so that the penetration tends to be shallow. In such a case, the work 600 does not sufficiently melt at the peripheral edge of the locus, the molten region 820 becomes shallow at the peripheral edge, and the joint strength between the first plate material 710 and the second plate material 720 satisfies the desired standard. There is a risk that it will not work.
  • the focal position of the laser beam LB shifts to the upper side of the surface of the work 600 due to the accuracy of the work 600 or the like, sputtering is performed because the power density of the laser beam LB is high at the periphery of the locus after the molten pool 800 is formed. May occur. If such spatter adheres to the surface of the work 600, the appearance of the welded portion may be impaired and the welding quality may be deteriorated.
  • the focal position of the laser beam LB as described above, it is possible to control the melting shape of the work 600 and the cross-sectional shape of the melting region 820.
  • the peripheral edge of the molten region 820 can be made sufficiently deep, and the joint strength between the first plate material 710 and the second plate material 720 can be increased.
  • the focal position of the laser beam LB is changed in the range from the vicinity of the surface of the work 600 to the predetermined position inside the keyhole 810, the above-mentioned sparks are not generated and the generation of spatter is suppressed. As a result, the appearance of the welded portion is improved and the welding quality can be improved.
  • this method can be applied not only to spot welding but also to the case of continuous laser welding of the work 600 along a predetermined direction.
  • FIG. 6 is another schematic view showing the relationship between the locus of the laser beam applied to the work and the depth of the molten region of the work and the focal position of the laser light
  • the upper side of FIG. 6 is a view of the work 600 from the surface.
  • the lower side of FIG. 6 shows a cross section of the work 600.
  • the relationship between the structure of the work 600 and the depth of the molten region 820 of the work 600 and the focal position of the laser beam LB is the same as the example shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a case where so-called spot welding is performed, whereas in the example shown in FIG. 6, the work is performed along a predetermined welding direction while scanning the laser beam LB so as to draw a spiral locus TR1.
  • 600 is continuously laser welded.
  • a continuous weld bead (not shown) is formed on the work 600.
  • a continuous welding bead is formed on the work 600 by moving the tip of the manipulator 500 along a predetermined welding direction by a control signal from the controller 200 while irradiating the laser light LB from the laser light emitting head 400.
  • the peripheral edge of the molten region 820 of the work 600 can be sufficiently deepened to increase the joint strength between the first plate material 710 and the second plate material 720. Can be done.
  • the occurrence of spatter as described above can be suppressed, and the welding quality can be improved.
  • the laser beam LB was scanned so as to draw a spiral locus TR1 on the surface of the work 600, but the laser beam LB is not particularly limited to this, and as described above, it may be arcuate or arcuate.
  • the laser beam LB may be scanned so as to draw other shapes.
  • the loci of various shapes of the laser beam LB scanned on the surface of the work 600 may be referred to as a first locus.
  • the laser processing apparatus includes a laser oscillator 100 that generates a laser beam LB, an optical fiber 300 that transmits the laser beam LB generated by the laser oscillator 100, and an emission end of the optical fiber 300.
  • a laser light emitting head 400 that irradiates the work 600 with the laser light LB incident from the optical fiber 300 and a laser light emitting head 400 are attached to move the laser light emitting head 400 in a predetermined trajectory. It includes at least a manipulator 500 and a controller 200 that controls the laser beam emitting head 400 so that the laser beam LB is scanned two-dimensionally or three-dimensionally on the surface of the work 600.
  • the controller 200 controls the laser light emitting head 400 so as to change the focal position of the laser light LB irradiated on the work 600 according to the shape of the welded portion on the work 600.
  • the laser light emitting head 400 has an optical scanning mechanism 424 for scanning the laser light LB and a focal position adjusting mechanism 407 for changing the focal position of the laser light LB, and the controller 200 uses light.
  • the operation of the scanning mechanism 424 and the operation of the focus position adjusting mechanism 407 are controlled respectively.
  • the penetration shape of the work 600 and the cross-sectional shape of the molten region 820 are controlled according to the shape of the welded portion in the work 600, and the joint strength of the work 600 is increased. be able to.
  • the optical scanning mechanism 424 shifts the optical axis of the laser beam LB from the first optical axis to the second optical axis with the first parallel plate 414 and the first parallel plate 414 centered on the first rotation axis.
  • a first servomotor 411 (first drive unit) to rotate, a second parallel plate 416 that shifts the optical axis of the laser beam LB shifted to the second optical axis to the third optical axis, and a second It has a second servomotor 418 (second drive unit) that rotates the two parallel plates 416 around the second rotation axis, and has a direction of the first rotation axis and a direction of the second rotation axis.
  • the controller 200 controls the first servomotor 411 (first drive unit) and the second servomotor 418 (second drive unit) with the first parallel plate 414.
  • the laser beam LB is scanned by rotating the second parallel plate 416 independently or in conjunction with each other.
  • the optical scanning mechanism 424 By configuring the optical scanning mechanism 424 in this way, the surface of the work 600 can be irradiated with the laser beam LB so as to draw various trajectories.
  • a compact and lightweight optical scanning mechanism 424 can be realized as compared with the case of using a galvanometer as disclosed in Patent Document 3.
  • the controller 200 changes the focal position of the laser beam LB in a range from the surface of the work 600 to a predetermined position inside the work 600, specifically, a predetermined position inside the keyhole 810 formed in the work 600.
  • the focal position adjusting mechanism 407 provided in the laser beam emitting head 400 is controlled so as to cause the laser beam to be emitted.
  • the laser welding apparatus 1000 further includes a storage unit 210 that stores data in which the focal position of the laser beam LB and the penetration depth of the work 600 are associated with the material of the work 600, and the controller 200 further includes the data and the work 600.
  • the laser beam emitting head 400 is controlled so as to change the focal position of the laser beam LB irradiated on the work 600 according to the shape of the welded portion in the above.
  • the laser welding apparatus 1000 By configuring the laser welding apparatus 1000 in this way, laser welding can be appropriately performed according to the material of the work 600 and the shape of the welded portion, the joining strength of the work 600 can be increased, and the welding quality can be improved.
  • the work 600 is a first plate material 710 and a second plate material 720 that are superposed on each other, and the controller 200 controls the laser light emitting head 400 so that the laser light LB draws the above-mentioned first trajectory on the surface of the work 600.
  • the laser light emitting head 400 is controlled so that the focal position of the laser light LB becomes deeper inside the work 600 at the peripheral edge than the center of the first locus.
  • the laser beam LB can be irradiated according to the size of the welded portion, and the bonding strength between the first plate material 710 and the second plate material 720 can be increased.
  • controller 200 moves the manipulator 500 to which the laser light emitting head 400 is attached along a predetermined direction while scanning the laser light LB so as to draw a first locus.
  • a continuous weld bead can be formed on the work 600. Further, the penetration shape of the work 600 can be controlled to increase the joint strength of the work 600.
  • the laser welding method according to the present embodiment is a laser welding method using the laser welding apparatus 1000, and irradiates the work 600 while scanning the laser beam LB two-dimensionally or three-dimensionally. It is provided with at least a laser welding step for welding the work 600.
  • the focal position of the laser beam LB is changed according to the shape of the welded portion on the work 600, and the molten pool 800 and the keyhole 810 are formed on the work 600. Further, the focal position of the laser beam LB is changed in a range from the surface of the work 600 to a predetermined position inside the keyhole 810.
  • FIG. 7A shows a perspective view of the work according to the present embodiment. That is, it is a T-shaped joint.
  • FIG. 7B is a schematic view showing the relationship between the locus of the laser beam applied to the work and the depth of the molten region of the work and the focal position of the laser light
  • the upper side of FIG. 7B is a view of the work 600 viewed from the surface.
  • the lower side of FIG. 7B shows the cross section of the work 600, respectively.
  • FIGS. 7A and 7B the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the work 600 has a joint shape in which the first plate material 710 and the second plate material 720 are joined in a T shape.
  • the first plate material 710 and the second plate material 720 are both steel plates. It may be a steel plate or a steel plate having a different material or composition. Further, the first plate material 710 and the second plate material 720 may have the same thickness or different thicknesses from each other.
  • the controller 200 controls the laser beam emitting head 400 and scans the laser beam LB so as to draw a spiral locus TR1. The surface of the joint portion of the work 600 is irradiated with the laser beam LB.
  • the work 600 is irradiated with the laser beam LB so that the focal position is deeper inside the work 600 at the center than the peripheral edge of the spiral locus TR1.
  • the focal position of the laser beam LB is changed according to the shape of the joint portion, and the laser beam LB is applied so that the focal position becomes deeper inside the work 600 at the center than the end portion of the joint portion. It is irradiating toward the work 600.
  • the bonding strength of the work 600 is ensured by making the focal position of the laser beam LB deep inside the work 600 at the center rather than the peripheral edge of the spiral locus TR1. It is possible to prevent the surface shape of the lower plate material from being affected.
  • the manipulator 500 to which the laser beam emitting head 400 is attached is placed along the longitudinal direction of the joint portion. By moving it, a continuous weld bead may be formed over the entire joint portion. In this case as well, as shown in the first embodiment, the joint strength is increased and the weld bead having a good appearance can be formed. In addition, it does not affect the surface shape of the material below.
  • FIG. 8 is a schematic view showing the relationship between the locus of the laser beam applied to the work according to the present embodiment, the depth of the molten region of the work, and the focal position of the laser light.
  • the upper side of FIG. 8 shows a view of the work 600 as viewed from the surface, and the lower side of FIG. 8 shows a cross section of the work 600.
  • the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the work 600 has a butt portion in which the end face of the third plate member 730 and the end face of the fourth plate member 740 are butted against each other.
  • the surface irradiated with the laser beam LB may be referred to as a surface.
  • the third plate material 730 and the fourth plate material 740 are both steel plates. It may be a steel plate or a steel plate having a different material or composition.
  • the thickness of the fourth plate material 740 is thicker than the thickness of the third plate material 730. Further, in the abutting portion, the surface of the third plate material 730 and the surface of the fourth plate material 740 are substantially flush with each other.
  • the controller 200 controls the laser beam emitting head 400 and scans the laser beam LB so as to draw a spiral locus TR1.
  • the surface of the abutting portion of the work 600 is irradiated with the laser beam LB.
  • the controller 200 sets the laser beam emitting head 400 so that the focal position becomes deeper inside the work 600. To control.
  • the cross section of the molten region 820 of the work 600 does not cause melt-down or insufficient penetration depth.
  • the shape can be controlled and the joint strength of the work 600 can be increased.
  • FIG. 9 is a schematic view showing the relationship between the locus of the laser beam applied to the work according to the present embodiment, the depth of the molten region of the work, and the focal position of the laser light.
  • the upper side of FIG. 9 shows a view of the work 600 as viewed from the surface, and the lower side of FIG. 9 shows a cross section of the work 600.
  • the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the work 600 has a butt portion in which the end face of the fifth plate member 750 and the end face of the sixth plate member 760 are butted against each other.
  • the surface irradiated with the laser beam LB may be referred to as a surface.
  • the fifth plate material 750 and the sixth plate material 760 are both steel plates. It may be a steel plate or a steel plate having a different material or composition.
  • the thickness of the sixth plate material 760 is thicker than the thickness of the fifth plate material 750. Further, the surface of the sixth plate material 760 is located closer to the laser light emitting head 400 than the surface of the fifth plate material 750.
  • the controller 200 controls the laser beam emitting head 400 and scans the laser beam LB so as to draw a spiral locus TR1.
  • the surface of the abutting portion of the work 600 is irradiated with the laser beam LB.
  • the controller 200 uses the laser beam so that the focal position of the laser beam LB is near the surface of the fifth plate member 750 until the spiral locus TR1 advances from the peripheral edge on the fifth plate member 750 side to the seam of the abutting portion. Controls the exit head 400.
  • the controller 200 controls the laser beam emitting head 400 so that the focal position becomes shallow inside the work 600 as the spiral locus TR1 advances from the seam of the abutting portion to the peripheral edge on the sixth plate material 760 side.
  • the cross section of the molten region 820 of the work 600 is not caused to melt down or lack of the penetration depth.
  • the shape can be controlled and the joint strength of the work 600 can be increased.
  • FIG. 10 is a schematic view showing the relationship between the locus of the laser beam applied to the work according to the present embodiment, the depth of the molten region of the work, and the focal position of the laser light.
  • the upper side of FIG. 10 shows a view of the work 600 as viewed from the surface, and the lower side of FIG. 10 shows a cross section of the work 600.
  • the same parts as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the work 600 has a superposed portion in which the seventh plate material 770 is superposed on a part of the eighth plate material 780.
  • the seventh plate material 770 and the eighth plate material 780 are both steel plates. It may be a steel plate or a steel plate having a different material or composition.
  • the thickness of the eighth plate material 780 is drawn so as to be thicker than the thickness of the seventh plate material 770, but the reverse is also possible.
  • the controller 200 controls the laser beam emitting head 400 and scans the laser beam LB so as to draw a spiral locus TR1.
  • the laser beam LB is irradiated to a predetermined region of the overlapped portion of the work 600 and the eighth plate member 780 adjacent to the overlapped portion.
  • the controller 200 is set so that the focal position of the laser beam LB is near the surface of the eighth plate material 780 until the spiral locus TR1 advances from the peripheral edge on the eighth plate material 780 side to the end of the overlapped portion.
  • the laser light emitting head 400 is controlled.
  • the controller 200 controls the laser beam emitting head 400 so that the focal position becomes shallow inside the work 600. ..
  • the work 600 is melted without causing melt-through or an extreme shortage of the penetration depth at the overlapped portion.
  • the cross-sectional shape of the region 820 can be controlled, and the joint strength of the work 600 can be increased.
  • the controller 200 controls the operation of the laser light emitting head 400, specifically, the focus position adjusting mechanism 407 in order to change the focal position of the laser light LB.
  • the method of changing the focal position of the laser beam LB is not particularly limited to this.
  • the controller 200 may drive the manipulator 500 to displace the entire laser light emitting head 400 along the Z direction to change the focal position of the laser light LB irradiated on the work 600. .. In this case, it is also possible to omit the actuator provided in the laser light emitting head 400.
  • the laser beam LB can be scanned so as to draw the various loci (first locus) described above, not limited to the spiral locus TR1.
  • the material of the work 600 may be a material other than a steel plate, for example, a structural material such as an aluminum alloy or a titanium alloy, or an electric material such as copper or an alloy thereof. Further, the work 600 may have a structure in which plates made of different materials are overlapped with each other.
  • the wavelength and output of the laser beam LB are appropriately selected according to the material of the work 600, and from the data shown in FIG. 4, the control range of the focal position of the laser beam LB is determined according to the shape of the welded portion of the work 600. Is determined as appropriate.
  • the laser welding program may describe a procedure and a control range for changing the focal position of the laser beam LB in association with the material of the work 600 and the shape of the welded portion of the work 600. In that case, it is not necessary to separately store the data shown in FIG. 5 in the storage unit 210.
  • the mechanism for scanning the laser beam LB is not particularly limited to the configuration shown in FIG. 2, and other configurations may be used.
  • a conventional 3-axis galvanized scanner may be used to scan the laser beam LB.
  • the laser welding apparatus of the present disclosure can control the penetration shape according to the shape of the welded portion of the work, it is useful for processing a work having various materials or shapes.

Abstract

レーザ溶接装置（１０００）は、レーザ発振器（１００）と、レーザ発振器（１００）で発生したレーザ光（ＬＢ）を伝送する光ファイバ（３００）と、光ファイバ（３００）の出射端に取付けられ、レーザ光（ＬＢ）をワーク（６００）に向けて照射するレーザ光出射ヘッド（４００）と、レーザ光出射ヘッド（４００）が取り付けられたマニピュレータ（５００）と、レーザ光（ＬＢ）がワーク（６００）の表面で三次元的に走査されるようにレーザ光出射ヘッド（４００）を制御するコントローラ（２００）と、を備えている。コントローラ（２００）は、ワーク（６００）の溶接部位の形状に応じて、レーザ光（ＬＢ）の焦点位置を変化させるようにレーザ光出射ヘッド（４００）を制御する。

Description

レーザ溶接装置及びそれを用いたレーザ溶接方法
　本開示はレーザ溶接装置及びそれを用いたレーザ溶接方法に関する。
　近年、ロボットに取り付けられたスキャナを介してレーザ光をワークに向けて照射することで高速に溶接を行うリモート溶接が広く行われている（例えば、特許文献１参照）。このスキャナには長焦点の集光レンズが搭載されている。
　このようなスキャナを利用したリモート溶接では、レーザ光をワークの表面において三次元的に走査できるため、複雑な形状を有するワークの溶接を行うことができる（例えば、特許文献２，３参照）。また、レーザ光を三次元的に走査するだけでなく、レーザ光の焦点位置を周期的に制御する構成も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００６－１８７８０３号公報 特開２０１１－１７３１４６号公報 米国特許出願公開第２０１８／００９０６０号明細書
　ところで、レーザ光を三次元的に走査しながらワークの所定の領域をレーザ溶接する場合、レーザ光の焦点位置をワークの表面のみで補正する従来の方法では、溶接部の接合強度を確保する上で不足する場合がある。特に、ワークの溶接部位の形状が複雑であるとその傾向が顕著である。このようなことが起こると、溶接部位において所望の溶け込み形状が得られない部分を生じてしまい、接合強度を確保できないおそれがあった。また、溶接部位の外観がスパッタなどの発生によって損なわれ、溶接品質が低下するおそれがあった。
　しかし、特許文献１～３に開示された従来の構成は、溶接部位の形状に応じたレーザ光の焦点位置制御について、何ら具体的に示していない。
　本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、ワークの溶接部位の形状に応じて、溶け込み形状を制御可能なレーザ溶接装置及びそれを用いたレーザ溶接方法を提供することにある。
　上記の目的を達成するため、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、前記レーザ発振器で発生した前記レーザ光を伝送する光ファイバと、前記光ファイバの出射端に取付けられ、前記光ファイバから入射された前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、前記レーザ光出射ヘッドが取り付けられ、前記レーザ光出射ヘッドを所定の軌跡で移動させるマニピュレータと、前記レーザ光が前記ワークの表面で二次元的に、または三次元的に走査されるように前記レーザ光出射ヘッドを制御するコントローラと、を少なくとも備え、前記コントローラは、前記ワークにおける溶接部位の形状に応じて、前記ワークに照射される前記レーザ光の焦点位置を変化させるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とする。
　この構成によれば、ワークにおける溶接部位の形状に応じて、ワークの溶け込み形状を制御できる。また、ワークの接合強度を高めることができる。
　本開示に係るレーザ溶接方法は、前記レーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、前記レーザ光を二次元的に、または三次元的に走査しながら前記ワークに向けて照射して、前記ワークを溶接するレーザ溶接ステップを少なくとも備え、前記レーザ溶接ステップでは、前記ワークにおける溶接部位の形状に応じて前記レーザ光の焦点位置を変化させるとともに、前記ワークに溶融池及びキーホールを形成することを特徴とする。
　この方法によれば、ワークにおける溶接部位の形状に応じて、ワークの溶け込み深さを制御できる。また、ワークの接合強度を高めることができる。
　本開示のレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法によれば、ワークにおける溶接部位の形状に応じて、ワークの溶け込み形状や溶け込み深さを制御できる。また、ワークの接合強度を高めることができる。
本開示の実施形態１に係るレーザ溶接装置の構成を示す模式図である。 レーザ光出射ヘッドの構成を示す断面模式図である。 ワークに形成された溶融池及びキーホールとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。 ワークに形成された溶融池及びキーホールとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。 レーザ光の焦点位置に対するワークの溶け込み深さとの関係とが関連付けられたテーブルである。 ワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。 ワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す別の模式図である。 本開示の実施形態２に係るワークの斜視図である。 本開示の実施形態２に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。 本開示の実施形態３に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。 本開示の実施形態４に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。 本開示の実施形態５に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。
　以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。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全くない。
　（実施形態１）
　［レーザ溶接装置の構成］
　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、レーザ溶接装置１０００は、レーザ発振器１００とコントローラ２００と光ファイバ３００とレーザ光出射ヘッド４００とマニピュレータ５００とを備えている。
　レーザ発振器１００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１００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１００で使用されるレーザ光源あるいはレーザモジュールは、被溶接物であるワーク６００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、あるいや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～８００ｎｍの範囲に設定される。
　光ファイバ３００は、レーザ発振器１００に光学的に結合されており、軸心に図示しないコアを有し、コアの外周面に接してコアと同軸に図示しない第１クラッドが設けられている。コアと第１クラッドはそれぞれ石英を主成分とし、コアの屈折率が第１クラッドの屈折率よりも高くなっている。このため、レーザ発振器１００で発生したレーザ光ＬＢは、光ファイバ３００の入射端に入射されて、コアの内部を出射端に向けて伝送される。また、第１クラッドの外周面には光ファイバ３００を機械的に保護する皮膜または樹脂系の保護層（いずれも図示せず）が設けられている。
　レーザ光出射ヘッド４００は、光ファイバ３００の出射端に取付けられており、光ファイバ３００で伝送されたレーザ光ＬＢをワーク６００に向けて照射し、ワーク６００がレーザ溶接される。
　また、レーザ光出射ヘッド４００は、レーザ光ＬＢを二次元的に、または三次元的に走査してワーク６００に向けて照射するように構成されており、レーザ光ＬＢを走査する光走査機構４２４（図２参照）を有している。また、レーザ光出射ヘッド４００は、ワーク６００に向けて照射されるレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるための焦点位置調整機構４０７（図２参照）を有している。レーザ光出射ヘッド４００や光走査機構４２４や焦点位置調整機構４０７の構造の詳細や機能については後で述べる。
　コントローラ２００は、レーザ発振器１００のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１００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２００は、選択されたレーザ溶接プログラムの内容に応じて、レーザ光出射ヘッド４００に設けられた光走査機構４２４及び焦点位置調整機構４０７の駆動制御を行う。さらに、コントローラ２００は、マニピュレータ５００の動作を制御する。
　なお、レーザ溶接プログラムは、記憶部２１０に保存されている。記憶部２１０は、図１に示すように、コントローラ２００の内部に設けられていてもよいし、コントローラ２００の外部に設けられ、コントローラ２００とデータのやり取りを可能に構成されていてもよい。また、記憶部２１０は、レーザ光ＬＢの焦点位置とワーク６００の溶け込み深さとがワーク６００の材質に関連付けられたデータを保存している（図４参照）。
　マニピュレータ５００はコントローラ２００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光出射ヘッド４００を移動させる。なお、マニピュレータ５００の動作を制御するコントローラ２００を別に設けるようにしてもよい。
　なお、以降の説明において、レーザ光出射ヘッド４００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、これと直交する方向をＸ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６００の表面が平坦面である場合、当該表面と略平行でもよく、一定の角度を有してもよい。
　なお、本願明細書において、「略平行」とは、各部材の加工公差や各部品の組立公差を含んで平行であるという意味であり、２つの面あるいは部材が厳密に平行な位置にあることまでを要求するものではない。同様に、「略直交」とは、各部材の加工公差や各部品の組立公差を含んで直交しているという意味であり、厳密に直交していることまでを要求するものではない。また、「略同じ」または「略同一」とは、各部品の製造公差や組立公差を含んで同じまたは同一という意味であり、厳密に比較対象となる両者が同じまたは同一であることまでを要求するものではない。また、「略同じ」または「略同一」とは、制御系の誤差を含んで制御対象の制御結果が同じまたは同一という意味にも用いられる。
　［レーザ光出射ヘッドの構成］
　図２は、本実施形態に係るレーザ光出射ヘッドの構成を示し、レーザ光出射ヘッド４００は、コネクタ４０１と、レンズボディ４０２と、ボディケース４０８（第１のケース）と、シールドホルダ４１０と、ノズルユニット４２５（第２のケース）と、第１のサーボモータ４１１及び第２のサーボモータ４１８とを有している。なお、シールドホルダ４１０は、ノズルユニット４２５に対して着脱可能であるが、その他の構成については、複数が一体化されていても構わない。
　レーザ光出射ヘッド４００は、コネクタ４０１を介して光ファイバ３００と接続されている。レーザ光ＬＢは、光ファイバ３００の出射端（図２に示す点Ａに相当）から一定の角度で広がりながら、レーザ光出射ヘッド４００内に出射される。レンズボディ４０２は、コリメートレンズ４０４と集光レンズ４０５とが収容されたレンズホルダ４０３を保持している。コリメートレンズ４０４は、光ファイバ３００の出射端から出射されたレーザ光ＬＢを平行化する。そして、コリメートレンズ４０４によって平行化されたレーザ光ＬＢは、集光レンズ４０５によってワーク６００の表面または内部で焦点を結ぶように集光される。レンズボディ４０２やレンズホルダ４０３は、光ファイバ３００の出射端とコリメートレンズ４０４との光学的な位置関係を決定している。
　コリメートレンズ４０４は、図示しないアクチュエータに連結されたスライダ４０６に保持されてレンズホルダ４０３に収容されている。アクチュエータは、図示では詳細の取付けと接続を省略するが、コントローラ２００からの制御信号に応じて、スライダ４０６に保持されたコリメートレンズ４０４をレーザ光出射ヘッド４００から出射されるレーザ光ＬＢの光軸の方向、つまり、Ｚ方向に移動させる。このことにより、ワーク６００に照射されるレーザ光ＬＢの焦点位置が変化する。なお、本願明細書において、コリメートレンズ４０４とスライダ４０６とアクチュエータ（図示せず）とを焦点位置調整機構４０７と呼ぶことがある。アクチュエータは、サーボモータでもよいし、他の種類のアクチュエータでもよい。応答性が高く、軽量かつ小型であるのが好ましい。
　ボディケース４０８には、第１の回転機構４２０と、第１の平行板４１４と、第１のホルダ４１５とが設けられ、これらにより第１の光学ユニット４２２が構成される。第１の回転機構４２０は、第１のサーボモータ４１１（第１の駆動部）と、第１のタイミングベルト４１２（第１の伝達部材）と、第１のタイミングベルトプーリー４１３（第１の回転部材）と、で構成される。第１の平行板４１４は、両端がベアリングで保持された円筒状の第１のホルダ４１５内に固定されている。第１のホルダ４１５の外周面には第１のタイミングベルトプーリー４１３が設けられ、第１のホルダ４１５は第１のタイミングベルト４１２を介して第１のサーボモータ４１１によって回転される。具体的には、第１のホルダ４１５は、第１の回転軸を中心に回転され、第１の回転軸の方向は、レーザ光出射ヘッド４００から出射されるレーザ光ＬＢの光軸の方向、つまり、Ｚ方向と同じである。
　さらに、ボディケース４０８には、第２の回転機構４２１と、第２の平行板４１６と、第２のホルダ４０９とが設けられ、これらにより第２の光学ユニット４２３が構成される。第２の回転機構４２１は、第２のサーボモータ４１８（第２の駆動部）と、第２のタイミングベルト４１９（第２の伝達部材）と、第２のタイミングベルトプーリー４１７（第２の回転部材）と、で構成される。第２の平行板４１６は、両端がベアリングで保持された円筒状の第２のホルダ４０９内に固定されている。第２のホルダ４０９の外周面には第２のタイミングベルトプーリー４１７が設けられ、第２のホルダ４０９は第２のタイミングベルト４１９を介して第２のサーボモータ４１８によって回転される。具体的には、第２のホルダ４０９は、第２の回転軸を中心に回転され、第２の回転軸の方向は、Ｚ方向と同じ方向である。なお、本願明細書において、第１の光学ユニット４２２と第２の光学ユニット４２３とを総称して光走査機構４２４と呼ぶことがある。
　そして、第１の光学ユニット４２２と第２の光学ユニット４２３とは、第１の回転軸の方向と第２の回転軸の方向とが同じであり、かつ、ボディケース４０８内において、対称に配置されている。すなわち、第１の回転軸および第２の回転軸に鉛直な面に対して対称に配置されている。図２では、第１の光学ユニット４２２と第２の光学ユニット４２３とは、上下に対称に配置されている。このように配置すると、第１のサーボモータ４１１と第２のサーボモータ４１８とが同じ方向に回転した場合、第１の平行板４１４の回転方向と第２の平行板４１６の回転方向とは逆になる。また、第１の平行板４１４を駆動する第１のサーボモータ４１１の回転方向を逆転させることにより、第１の平行板４１４の回転方向と第２の平行板４１６の回転方向とを同じ方向に回転させることも可能である。
　なお、レーザ光出射ヘッド４００の小型化と、レーザ光出射ヘッド４００のレーザ照射範囲を広くする点から、第１の光学ユニット４２２と第２の光学ユニット４２３とは、第１の回転軸と第２の回転軸とが一致するように配置することが望ましい。また、第１の回転軸および第２の回転軸の方向は、光ファイバ３００から入射された時のレーザ光ＬＢの光軸の方向と同じであることが好ましい。さらには、第１の回転軸および第２の回転軸は、光ファイバ３００から入射された時のレーザ光ＬＢの光軸と一致することがさらに好ましい。
　また、コリメートレンズ４０４と集光レンズ４０５とを通過したレーザ光ＬＢは、第１の平行板４１４を透過する際に２度（第１の平行板４１４への入射時と第１の平行板４１４からの出射時）屈折する。これにより、第１の平行板４１４の板厚と、第１の回転軸に対する第１の平行板４１４の取り付け角度である第１の平行板４１４の傾斜角度と、第１の平行板４１４の屈折率によって定まる量だけ、レーザ光ＬＢは平行にシフトする。すなわち、第１の平行板４１４に入射するレーザ光ＬＢの光軸（第１の光軸）と、第１の平行板４１４を出射したレーザ光ＬＢの光軸（第２の光軸）とは、方向が同じであり、位置がずれている。これは、同様の構成である第２の平行板４１６においても同様である。すなわち、第２の平行板４１６に入射するレーザ光ＬＢの光軸（第２の光軸）と、第２の平行板４１６を出射したレーザ光ＬＢの光軸（第３の光軸）とは、方向が同じであり、位置がずれている。本実施形態の第１の平行板４１４と第２の平行板４１６は、合成石英製であって、第１の回転軸（第２の回転軸）に対する傾斜角４５°、屈折率は１．４４９６３である。第１の平行平板４１４と第２の平行平板４１６の板厚ｔが決まると、レーザ光ＬＢのシフト量が計算できる。例えば、ｔ＝１３ｍｍの場合、第１の平行板４１４を透過したレーザ光ＬＢの光軸（第２の光軸）は、４．１ｍｍだけシフトする。その後、レーザ光ＬＢが第２の平行板４１６を透過する際にも同様に、レーザ光ＬＢの光軸（第３の光軸）は４．１ｍｍだけシフトする。従って、本実施形態におけるレーザ光ＬＢの動作範囲は、半径が８．２ｍｍの円内である。
　なお、第１の平行板４１４及び第２の平行板４１６の板厚及び屈折率は、レーザ光ＬＢの波長や、必要とされる加工条件等によって適宜変更することができ、その場合は、レーザ光ＬＢの走査範囲も変更されうる。
　本実施形態によれば、レーザ光ＬＢの光軸を、もとの光軸の周りに所定の半径で回転させることができ、ワーク６００に対して色々な形状、例えば、円弧状やらせん状や直線状にレーザ光ＬＢを照射することができる。つまり、レーザ光出射ヘッド４００は、コントローラ２００からの制御信号によって、レーザ光ＬＢをワーク６００の表面で二次元的に、または三次元的に走査するように構成されている。
　［レーザ溶接時のレーザ光の焦点位置制御について］
　図３Ａおよび図３Ｂは、ワークに形成された溶融池及びキーホールとレーザ光の焦点位置との関係を示し、図４は、レーザ光の焦点位置に対するワークの溶け込み深さとの関係とが関連付けられたテーブルを示す。なお、図３Ａおよび図３Ｂにおいて、（ａ）図は、レーザ光ＬＢの焦点がワーク６００の表面近傍に位置する場合を、（ｂ）図は、レーザ光ＬＢの焦点がワーク６００の内部に位置する場合をそれぞれ示す。
　一般に、金属からなるワーク６００をレーザ溶接する際、図３Ａ図に示すように、レーザ光ＬＢが照射された部分が加熱されて溶け込みを生じ、溶融池８００が形成される。また、レーザ光ＬＢが照射された部分では溶融池８００を構成する材料の激しい蒸発が起こり、その反力で溶融池８００の内部にキーホール８１０が形成される。
　キーホール８１０が形成されると、レーザ光ＬＢの大部分が、キーホール８１０の内壁面で複数回反射されながらキーホール８１０の内部に進入し、溶融池８００に吸収される。キーホール８１０の内壁面で反射を繰り返すことにより、レーザ光ＬＢが溶融池８００に吸収される吸収率が向上してワーク６００への入熱量が大きくなり、溶け込み深さが深くなる。また、ワーク６００の材質または溶接条件によって異なり、量も少ないが、一部は、キーホール８１０の入口付近のキーホール壁によって反射され、反射されたレーザ光ＬＢがキーホール８１０の中に入ることなく、その外へ反射されて損失となる。
　また、キーホール８１０は、溶融池８００の表面に形成されたキーホール８１０の開口８１１から溶融池８００の内部に向けて延びる開放空間であるため、図３Ｂ図に示すように、レーザ光ＬＢの焦点位置をワーク６００の表面から内部に、具体的には、キーホール８１０の内部に達するようにすると、キーホール８１０の内壁面に照射されるレーザ光ＬＢのパワー密度が高くなって溶融池８００に吸収される光量が増加し、図３Ａ図に示す場合よりも溶け込み深さを深くすることができる。また、レーザ光ＬＢの焦点位置をキーホール８１０の内部に達するようにすると、図３Ｂ図に示す場合よりもキーホール８１０の開口８１１を拡げられるため、キーホール８１０の内部にレーザ光ＬＢがより到達しやすくなる。なお、レーザ光ＬＢの焦点位置がワーク６００の表面から内部にあった場合、キーホール８１０の開口８１１付近においてレーザ光ＬＢが収束した形でキーホール８１０の奥に入るので、キーホール８１０の入り口付近のキーホール壁によって反射されにくくなり、溶融池８００によって吸収される光量が増加することも溶け込み深さの増加につながる。
　図４は、このような関係をさらに詳しく示したものであり、ワーク６００の表面を基準として、その上方、つまり、ワーク６００の外側にレーザ光ＬＢの焦点位置が移動するにつれて、ワーク６００の溶け込み深さは浅くなる。一方、ワーク６００の表面を基準として、その下方、つまり、ワーク６００の内部の所定位置までレーザ光ＬＢの焦点位置が移動するにつれて、ワーク６００の溶け込み深さは深くなる。これは、前述したメカニズムによる。なお、所定位置よりもワーク６００の内部深くにレーザ光ＬＢの焦点位置が移動すると、ワーク６００の表面でのレーザ光ＬＢのパワー密度が低下し、溶融池８００の形成初期におけるワーク６００に対する入熱量が減少する。このため、溶け込み深さはかえって浅くなる。
　このように、キーホール８１０の内部に達するように、レーザ光ＬＢの焦点位置をワーク６００の表面から内部の所定位置まで移動させることで、ワーク６００の溶け込み深さを深くすることができる。
　また、ワーク６００の材質やレーザ光ＬＢの出力によって、図４に示す曲線の形状は変化する。このため、記憶部２１０には、ワーク６００の材質やレーザ光ＬＢの出力、また、レーザ光ＬＢの波長に関連付けられて、レーザ光ＬＢの焦点位置に対するワーク６００の溶け込み深さがテーブル形式のデータとして保存されている。なお、図４において、説明をわかりやすくするために、グラフ形式でレーザ光ＬＢの焦点位置に対するワーク６００の溶け込み深さの変化を示したが、実際には、図４に示す曲線の各プロットがデータ形式でワーク６００の材質等に関連付けられている。
　ワーク６００をレーザ溶接するにあたって、ワーク６００における溶接部位の形状と図４に示すデータとに基づいて、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させることで、溶接部位の形状に応じて適切にレーザ溶接が行えるとともに、ワーク６００の接合強度を高めることができる。
　次に、実際にワーク６００をレーザ溶接する場合のレーザ光ＬＢの焦点位置制御に関し、図面を用いて一例を説明する。
　図５は、ワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図であり、図５の上側はワーク６００を表面から見た図を、図５の下側はワーク６００の断面をそれぞれ示す。図５の下側に示すように、ワーク６００は第１の板材７１０と第２の板材７２０とが互いに重ね合わされた積層体であり、第１の板材７１０と第２の板材７２０は、ともに鋼板である。なお、鋼板でも、異なった材質または組成の鋼板でもよい。
　また、図５の上側に示すように、レーザ光ＬＢは、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにして、ワーク６００の表面、この場合は第１の板材７１０の表面に照射される。このようにすることで、所定の溶接部位に対して満遍なくレーザ光ＬＢを照射できる。図５に示す例は、いわゆるスポット溶接に相当する。
　また、図５の下側に示すように、らせん状の軌跡ＴＲ１の中央よりも周縁に近づくにつれて、焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにコントローラ２００が焦点位置調整機構４０７を駆動し、レーザ光ＬＢがワーク６００に照射される。また、これに応じて、溶融領域８２０は、その中央よりも周縁に近づくにつれて深くなっており、具体的には、溶融領域８２０の中央に対して周縁で数％～２０％程度深くなっている。なお、溶融領域８２０は、溶融池８００が冷却、固化された部分に対応している。
　ワーク６００の表面近傍にレーザ光ＬＢの焦点位置を設定した後、所定の軌跡を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながらワーク６００の所定の領域をレーザ溶接する場合、走査時に焦点位置がワーク６００の表面からずれなくても、軌跡の周縁において溶融池８００の熱量がその周辺におけるワーク６００へ伝導されるので、溶け込みが浅くなりがちである。このような場合、軌跡の周縁でワーク６００が十分に溶融せず、溶融領域８２０が周縁で浅くなり、第１の板材７１０と第２の板材７２０との間の接合強度が所望の基準を満足しなくなるおそれがある。
　また、ワーク６００の精度などによってレーザ光ＬＢの焦点位置がワーク６００の表面の上側にずれた場合、溶融池８００が形成されてからの軌跡の周縁においてレーザ光ＬＢのパワー密度が高いためにスパッタが発生する場合がある。このようなスパッタがワーク６００の表面に付着すると、溶接部位の外観を損ね、溶接品質を低下させるおそれがあった。
　一方、本実施形態によれば、前述したようにレーザ光ＬＢの焦点位置を制御することで、ワーク６００の溶け込み形状、ひいては、溶融領域８２０の断面形状を制御できる。図５に示す例では、溶融領域８２０の周縁を十分に深くでき、第１の板材７１０と第２の板材７２０との間の接合強度を高めることができる。また、レーザ光ＬＢの焦点位置をワーク６００の表面近傍からキーホール８１０の内部の所定位置までの範囲で変化させるため、上記したような火花が発生せず、スパッタの発生が抑制される。このことにより、溶接部位の外観を良好なものとし、溶接品質を高められる。
　また、この方法は、スポット溶接に限らず、所定の方向に沿ってワーク６００を連続的にレーザ溶接する場合にも適用できる。
　図６は、ワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す別の模式図であり、図６の上側はワーク６００を表面から見た図を、図６の下側はワーク６００の断面をそれぞれ示す。ワーク６００の構造やワーク６００の溶融領域８２０の深さとレーザ光ＬＢの焦点位置との関係は、図５に示す例と同じである。
　図５では、いわゆるスポット溶接を行う場合を示しているのに対し、図６に示す例では、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、所定の溶接方向に沿ってワーク６００を連続的にレーザ溶接している。このことにより、ワーク６００に連続した溶接ビード（図示せず）が形成される。なお、レーザ光出射ヘッド４００からレーザ光ＬＢを照射しながら、コントローラ２００からの制御信号によってマニピュレータ５００の先端を所定の溶接方向に沿って移動させることで、ワーク６００に連続した溶接ビードが形成される。
　図６に示す場合も、図５に示すのと同様に、ワーク６００の溶融領域８２０の周縁を十分に深くでき、第１の板材７１０と第２の板材７２０との間の接合強度を高めることができる。また、上記したようなスパッタの発生を抑制でき、溶接品質を高められる。
　なお、図５及び図６に示した例では、ワーク６００の表面でらせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査したが、特にこれに限定されず、前述したように、円弧状あるいはその他の形状を描くようにレーザ光ＬＢを走査してもよい。走査された軌跡の中央よりも周縁において、焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにレーザ光ＬＢをワーク６００に照射することで、第１の板材７１０と第２の板材７２０との間の接合強度を高めることができる。なお、以降の説明において、ワーク６００の表面に走査されるレーザ光ＬＢの種々の形状の軌跡を第１軌跡と呼ぶことがある。
　［効果等］
　以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１００と、レーザ発振器１００で発生したレーザ光ＬＢを伝送する光ファイバ３００と、光ファイバ３００の出射端に取付けられ、光ファイバ３００から入射されたレーザ光ＬＢをワーク６００に向けて照射するレーザ光出射ヘッド４００と、レーザ光出射ヘッド４００が取り付けられ、レーザ光出射ヘッド４００を所定の軌跡で移動させるマニピュレータ５００と、レーザ光ＬＢがワーク６００の表面で二次元的に、または三次元的に走査されるようにレーザ光出射ヘッド４００を制御するコントローラ２００と、を少なくとも備えている。
　コントローラ２００は、ワーク６００における溶接部位の形状に応じて、ワーク６００に照射されるレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるようにレーザ光出射ヘッド４００を制御する。
　また、レーザ光出射ヘッド４００は、レーザ光ＬＢを走査するための光走査機構４２４とレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるための焦点位置調整機構４０７とを有しており、コントローラ２００は、光走査機構４２４の動作と焦点位置調整機構４０７の動作とをそれぞれ制御している。
　レーザ溶接装置１０００をこのように構成することで、ワーク６００における溶接部位の形状に応じて、ワーク６００の溶け込み形状、ひいては、溶融領域８２０の断面形状を制御して、ワーク６００の接合強度を高めることができる。
　光走査機構４２４は、レーザ光ＬＢの光軸を第１の光軸から第２の光軸にシフトする第１の平行板４１４と、第１の平行板４１４を第１の回転軸を中心に回転させる第１のサーボモータ４１１（第１の駆動部）と、第２の光軸にシフトされたレーザ光ＬＢの光軸を第３の光軸にシフトする第２の平行板４１６と、第２の平行板４１６を第２の回転軸を中心に回転させる第２のサーボモータ４１８（第２の駆動部）と、を有し、第１の回転軸の方向と第２の回転軸の方向とは同一であり、コントローラ２００は、第１のサーボモータ４１１（第１の駆動部）と第２のサーボモータ４１８（第２の駆動部）とを制御して、第１の平行板４１４と第２の平行板４１６とをそれぞれ独立に、または連動して回転させることでレーザ光ＬＢを走査している。
　光走査機構４２４をこのように構成することで、種々の軌跡を描くようにレーザ光ＬＢをワーク６００の表面に照射させることができる。また、特許文献３に開示されるようなガルバノメーターを用いる場合に比べて、小型かつ軽量の光走査機構４２４を実現できる。
　また、コントローラ２００は、レーザ光ＬＢの焦点位置をワーク６００の表面からワーク６００の内部の所定位置、具体的には、ワーク６００に形成されたキーホール８１０の内部の所定位置までの範囲で変化させるようにレーザ光出射ヘッド４００に設けられた焦点位置調整機構４０７を制御する。
　このようにすることで、レーザ溶接中におけるスパッタの発生が抑制される。このことにより、溶接部位の外観を良好なものとし、溶接品質を高められる。
　レーザ溶接装置１０００は、レーザ光ＬＢの焦点位置とワーク６００の溶け込み深さとがワーク６００の材質に関連付けられたデータを保存する記憶部２１０をさらに備えており、コントローラ２００は、当該データとワーク６００における溶接部位の形状とに応じて、ワーク６００に照射されるレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるようにレーザ光出射ヘッド４００を制御する。
　レーザ溶接装置１０００をこのように構成することで、ワーク６００の材質や溶接部位の形状に応じて適切にレーザ溶接が行えるとともに、ワーク６００の接合強度を高めることができ、溶接品質を向上できる。
　ワーク６００は互いに重ね合わされた第１の板材７１０及び第２の板材７２０であり、コントローラ２００は、レーザ光ＬＢがワーク６００の表面で前述の第１軌跡を描くようにレーザ光出射ヘッド４００を制御するとともに、第１軌跡の中央よりも周縁において、レーザ光ＬＢの焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにレーザ光出射ヘッド４００を制御する。
　このようにすることで、溶接部位のサイズに合わせてレーザ光ＬＢを照射できるとともに、第１の板材７１０と第２の板材７２０との間の接合強度を高めることができる。
　また、コントローラ２００は、第１軌跡を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、レーザ光出射ヘッド４００が取り付けられたマニピュレータ５００を所定の方向に沿って移動させる。
　このようにすることで、ワーク６００に連続した溶接ビードを形成できる。また、ワーク６００の溶け込み形状を制御して、ワーク６００の接合強度を高めることができる。
　また、本実施形態に係るレーザ溶接方法は、レーザ溶接装置１０００を用いたレーザ溶接方法であって、レーザ光ＬＢを二次元的に、または三次元的に走査しながらワーク６００に向けて照射して、ワーク６００を溶接するレーザ溶接ステップを少なくとも備えている。
　レーザ溶接ステップでは、ワーク６００における溶接部位の形状に応じてレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるとともに、ワーク６００に溶融池８００及びキーホール８１０を形成する。また、レーザ光ＬＢの焦点位置をワーク６００の表面からキーホール８１０の内部の所定位置までの範囲で変化させる。
　このようにすることで、ワーク６００における溶接部位の形状に応じて、ワーク６００の溶け込み深さを制御して、ワーク６００の接合強度を高めることができる。
　なお、本実施形態において、２枚の板材７１０，７２０が互いに重ね合わせられた積層体のワーク６００をレーザ溶接する例を示したが、重ね合わされる板材の枚数は特にこれに限定されず、３枚以上であってもよい。
　（実施形態２）
　実施形態１に示したレーザ溶接装置１０００を用いて、種々の構造を有するワーク６００に対してレーザ溶接を行うことで、溶接部位におけるワーク６００の接合強度を高めることができる。
　図７Ａは、本実施形態に係るワークの斜視図を示す。すなわち、Ｔ型継手である。図７Ｂは、ワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図であり、図７Ｂの上側はワーク６００を表面から見た図を、図７Ｂの下側はワーク６００の断面をそれぞれ示す。なお、図７Ａ，７Ｂ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。
　本実施形態において、図７Ａに示すように、ワーク６００は、第１の板材７１０と第２の板材７２０とがＴ字形状に継ぎ合わされた継手形状をしている。なお、実施形態１と同様に、第１の板材７１０及び第２の板材７２０は、ともに鋼板である。なお、鋼板でも、異なった材質または組成の鋼板でもよい。また、第１の板材７１０と第２の板材７２０とは互いに厚さが同じであってもよいし、異なっていてもよい。このような構造のワーク６００をレーザ溶接するにあたって、図７Ｂに示すように、コントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御して、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、ワーク６００の継手部分の表面にレーザ光ＬＢを照射する。
　この場合、実施形態１とは異なり、らせん状の軌跡ＴＲ１の周縁よりも中央において、焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにレーザ光ＬＢをワーク６００に照射する。具体的には、継手部分の形状に応じてレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させており、継手部分の端部よりも中央において、焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにレーザ光ＬＢをワーク６００に向けて照射している。
　Ｔ型継手では、下の板材、この場合は第２の板材７２０の接合部付近において、できるだけその表面形状に影響を与えないよう溶接することが求められる場合がある。そのため、図７Ｂにおいては、らせん状の軌跡ＴＲ１の周縁よりもむしろ中央で、レーザ光ＬＢの焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにすることで、ワーク６００の接合強度を確保すると共に、下の板材の表面形状に影響を与えないようにすることができる。
　なお、図示しないが、図６に示すように、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、レーザ光出射ヘッド４００が取り付けられたマニピュレータ５００を継手部分の長手方向に沿って移動させることで、継手部分全体に連続した溶接ビードを形成するようにしてもよい。この場合も、実施形態１に示すのと同様に、接合強度が高められ、外観が良好な溶接ビードを形成できる。また、下の材料の表面形状に影響を与えることがない。
　（実施形態３）
　図８は、本実施形態に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。図８の上側はワーク６００を表面から見た図を、図８の下側はワーク６００の断面をそれぞれ示す。なお、図８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。
　図８に示すように、ワーク６００は、第３の板材７３０の端面と第４の板材７４０の端面とが互いに突き合わされた突き合わせ部分を有している。なお、突き合わせ部分において、レーザ光ＬＢが照射される面を表面と呼ぶことがある。第３の板材７３０及び第４の板材７４０は、ともに鋼板である。なお、鋼板でも、異なった材質または組成の鋼板でもよい。第４の板材７４０の厚さは第３の板材７３０の厚さよりも厚くなっている。また、突き合わせ部分において、第３の板材７３０の表面と第４の板材７４０の表面とは略面一の位置にある。
　このような構造のワーク６００をレーザ溶接するにあたって、図８に示すように、コントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御して、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、ワーク６００の突き合わせ部分の表面にレーザ光ＬＢを照射する。
　この場合、らせん状の軌跡ＴＲ１が第３の板材７３０側の周縁から第４の板材７４０側の周縁に進むにつれて、焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにコントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御する。
　このようにすることで、板厚の異なる第３の板材７３０と第４の板材７４０との突き合わせ部分において、溶け落ちや溶け込み深さの不足等を生じることなく、ワーク６００の溶融領域８２０の断面形状を制御でき、ワーク６００の接合強度を高めることができる。
　（実施形態４）
　図９は、本実施形態に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。図９の上側はワーク６００を表面から見た図を、図９の下側はワーク６００の断面をそれぞれ示す。なお、図９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。
　図９に示すように、ワーク６００は、第５の板材７５０の端面と第６の板材７６０の端面とが互いに突き合わされた突き合わせ部分を有している。なお、突き合わせ部分において、レーザ光ＬＢが照射される面を表面と呼ぶことがある。第５の板材７５０及び第６の板材７６０は、ともに鋼板である。なお、鋼板でも、異なった材質または組成の鋼板でもよい。第６の板材７６０の厚さは第５の板材７５０の厚さよりも厚くなっている。また、第６の板材７６０の表面は、第５の板材７５０の表面よりもレーザ光出射ヘッド４００に近い位置にある。
　このような構造のワーク６００をレーザ溶接するにあたって、図９に示すように、コントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御して、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、ワーク６００の突き合わせ部分の表面にレーザ光ＬＢを照射する。
　この場合、らせん状の軌跡ＴＲ１が第５の板材７５０側の周縁から突き合わせ部分の継目に進むまではレーザ光ＬＢの焦点位置が第５の板材７５０の表面近傍に来るようにコントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御する。
　一方、らせん状の軌跡ＴＲ１が突き合わせ部分の継目から第６の板材７６０側の周縁に進むにつれて、焦点位置がワーク６００の内部で浅くなるようにコントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御する。
　このようにすることで、板厚の異なる第５の板材７５０と第６の板材７６０との突き合わせ部分において、溶け落ちや溶け込み深さの不足等を生じることなく、ワーク６００の溶融領域８２０の断面形状を制御でき、ワーク６００の接合強度を高めることができる。
　（実施形態５）
　図１０は、本実施形態に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。図１０の上側はワーク６００を表面から見た図を、図１０の下側はワーク６００の断面をそれぞれ示す。なお、図１０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。
　図１０に示すように、ワーク６００は、第８の板材７８０の一部に第７の板材７７０が重ね合わされた重ね合わせ部分を有している。第７の板材７７０及び第８の板材７８０は、ともに鋼板である。なお、鋼板でも、異なった材質または組成の鋼板でもよい。第８の板材７８０の厚さは第７の板材７７０の厚さよりも厚くなっているように描いているが、その逆でもよい。
　このような構造のワーク６００をレーザ溶接するにあたって、図１０に示すように、コントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御して、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、ワーク６００の重ね合わせ部分及び当該重ね合わせ部分に隣接する第８の板材７８０の所定の領域にレーザ光ＬＢを照射する。
　この場合、らせん状の軌跡ＴＲ１が第８の板材７８０側の周縁から重ね合わせ部分の端部に進むまではレーザ光ＬＢの焦点位置が第８の板材７８０の表面近傍に来るようにコントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御する。
　一方、らせん状の軌跡ＴＲ１が重ね合わせ部分の端部から第７の板材７７０側の周縁に進むにつれて、焦点位置がワーク６００の内部で浅くなるようにコントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御する。
　このようにすることで、第７の板材７７０と第８の板材７８０との重ね合わせ部分において、溶け落ちや重ね合わせ部分での溶け込み深さの極端な不足等を生じることなく、ワーク６００の溶融領域８２０の断面形状を制御でき、ワーク６００の接合強度を高めることができる。
　（その他の実施形態）
　なお、実施形態１～５において、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるために、コントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００、具体的には焦点位置調整機構４０７の動作を制御する例を示したが、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させる手法は特にこれに限られない。
　例えば、コントローラ２００がマニピュレータ５００を駆動して、Ｚ方向に沿ってレーザ光出射ヘッド４００の全体を変位させることで、ワーク６００に照射されるレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるようにしてもよい。なお、この場合、レーザ光出射ヘッド４００に設けられたアクチュエータを省略することも可能である。
　また、実施形態２～５において、らせん状の軌跡ＴＲ１に限られず、レーザ光ＬＢを前述した種々の軌跡（第１軌跡）を描くように走査できることは言うまでもない。
　また、ワーク６００の材質は鋼板以外の材料、例えば、アルミニウム合金またはチタン合金などの構造材料や、銅またはその合金などのような電気材料でもよい。また、互いに異なる材質の板材を重ね合わせ等した構造のワーク６００であってもよい。ワーク６００の材質に応じて、レーザ光ＬＢの波長や出力が適宜選択され、また、図４に示したデータから、ワーク６００の溶接部位の形状に応じて、レーザ光ＬＢの焦点位置の制御範囲が適宜決定される。
　なお、レーザ溶接プログラムに、ワーク６００の材質やワーク６００の溶接部位の形状に関連付けられて、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させる手順や制御範囲が記述されていてもよい。その場合、図５に示すデータを記憶部２１０に別個に保存しなくてもよい。
　また、レーザ光ＬＢを走査させる機構は図２に示した構成に特に限定されず、他の構成であってもよい。例えば、従来の３軸ガルバスキャナを用いてレーザ光ＬＢを走査するようにしてもよい。
　本開示のレーザ溶接装置は、ワークの溶接部位の形状に応じて、溶け込み形状を制御できるため、種々の材質あるいは形状を有するワークを加工する上で有用である。
１００　　レーザ発振器
２００　　コントローラ
２１０　　記憶部
３００　　光ファイバ
４００　　レーザ光出射ヘッド
４０４　　コリメートレンズ
４０５　　集光レンズ
４０６　　スライダ
４０７　　焦点位置調整機構
４１１　　第１のサーボモータ（第１の駆動部）
４１２　　第１のタイミングベルト（第１の回転部材）
４１３　　第１のタイミングベルトプーリー（第１の伝達部材）
４１４　　第１の平行板
４１６　　第２の平行板
４１７　　第２のタイミングベルトプーリー（第２の伝達部材）
４１８　　第２のサーボモータ（第２の駆動部）
４１９　　第２のタイミングベルト（第２の回転部材）
４２０　　第１の回転機構
４２１　　第２の回転機構
４２２　　第１の光学ユニット
４２３　　第２の光学ユニット
４２４　　光走査機構
５００　　マニピュレータ
６００　　ワーク
７１０～７８０　第１～第８の板材
８００　　溶融池
８１０　　キーホール
８２０　　溶融領域
１０００　レーザ溶接装置
ＬＢ　　　レーザ光
ＴＲ１　　らせん状の軌跡

Claims (15)

  1. 　レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
    　前記レーザ発振器で発生した前記レーザ光を伝送する光ファイバと、
    　前記光ファイバの出射端に取付けられ、前記光ファイバから入射された前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、
    　前記レーザ光出射ヘッドが取り付けられ、前記レーザ光出射ヘッドを所定の軌跡で移動させるマニピュレータと、
    　前記レーザ光が前記ワークの表面で二次元的に、または三次元的に走査されるように前記レーザ光出射ヘッドを制御するコントローラと、を少なくとも備え、
    　前記コントローラは、前記ワークにおける溶接部位の形状に応じて、前記ワークに照射される前記レーザ光の焦点位置を変化させるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
  2. 　請求項１に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記レーザ光の焦点位置と前記ワークの溶け込み深さとが前記ワークの材質に関連付けられたデータを保存する記憶部をさらに備え、
    　前記コントローラは、前記ワークにおける溶接部位の形状と前記データとに応じて、前記ワークに照射される前記レーザ光の焦点位置を変化させるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
  3. 　請求項１または２に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記レーザ光出射ヘッドは、前記レーザ光の焦点位置を変化させるための焦点位置調整機構を少なくとも有しており、
    　前記コントローラは、前記焦点位置調整機構の動作を制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
  4. 　請求項１または２に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記コントローラは、前記マニピュレータを駆動して、前記レーザ光出射ヘッドから照射された前記レーザ光の光軸と平行な方向に沿って前記レーザ光出射ヘッドを変位させることで、前記ワークに照射される前記レーザ光の焦点位置を変化させることを特徴とするレーザ溶接装置。
  5. 　請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記レーザ光出射ヘッドは、前記レーザ光を走査するための光走査機構をさらに有し、
    　前記コントローラは、前記光走査機構の動作を制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
  6. 　請求項１ないし５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、前記レーザ光の焦点位置を前記ワークの表面から前記ワークの内部の所定位置までの範囲で変化させるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
  7. 　請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記ワークは互いに重ね合わされた複数の板材であり、
    　前記コントローラは、前記レーザ光が前記ワークの表面で所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記第１軌跡の中央よりも周縁において、前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で深くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
  8. 　請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記ワークは互いに重ね合わされた複数の板材であり、
    　前記コントローラは、前記レーザ光が前記ワークの表面で所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記第１軌跡の中央よりも周縁に近づくにつれて、前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で深くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
  9. 　請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記ワークは２つの板材がＴ字形状に継ぎ合わされた継手部分を有しており、
    　前記コントローラは、前記レーザ光が前記ワークの継手部分の表面で所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記継手部分の端部よりも中央において、前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で深くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
  10. 　請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記ワークは第３の板材と前記第３の板材よりも厚い第４の板材とが互いに突き合わされてなるとともに、突き合わせ部分において前記第３の板材の表面と前記第４の板材の表面とが略面一であり、
    　前記コントローラは、前記レーザ光が前記突き合わせ部分の表面で所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記第１軌跡が前記第３の板材側から前記第４の板材側に進むにつれて前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で深くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
  11. 　請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記ワークは第５の板材と前記第５の板材よりも厚い第６の板材とが互いに突き合わされてなるとともに、突き合わせ部分において前記第６の板材の表面が前記第５の板材の表面よりも前記レーザ光出射ヘッドに近い位置にあり、
    　前記コントローラは、前記レーザ光が前記突き合わせ部分の表面で所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記第１軌跡が前記第５の板材側の周縁から前記突き合わせ部分の継目に進むまでは前記レーザ光の焦点位置が前記第５の板材の表面近傍である一方、前記第１軌跡が前記突き合わせ部分の継目から前記第６の板材側の周縁に進むにつれて、前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で浅くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
  12. 　請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記ワークは第８の板材の一部に前記第８の板材よりも薄い第７の板材が重ね合わされた重ね合わせ部分を有しており、
    　前記コントローラは、前記レーザ光が前記重ね合わせ部分から前記第８の板材の表面にかけて所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記第１軌跡が前記第８の板材側の周縁から前記重ね合わせ部分の端部に進むまでは前記レーザ光の焦点位置が前記第８の板材の表面近傍である一方、前記第１軌跡が前記重ね合わせ部分の端部から前記第７の板材側の周縁に進むにつれて、前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で浅くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
  13. 　請求項７ないし１２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軌跡を描くように前記レーザ光を走査しながら、前記レーザ光出射ヘッドが取り付けられた前記マニピュレータを所定の方向に沿って移動させることを特徴とするレーザ溶接装置。
  14. 　請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、
    　前記レーザ光を二次元的に、または三次元的に走査しながら前記ワークに向けて照射して、前記ワークを溶接するレーザ溶接ステップを少なくとも備え、
    　前記レーザ溶接ステップでは、前記ワークにおける溶接部位の形状に応じて前記レーザ光の焦点位置を変化させるとともに、前記ワークに溶融池及びキーホールを形成することを特徴とするレーザ溶接方法。
  15. 　請求項１４に記載のレーザ溶接方法において、
    　前記レーザ溶接ステップでは、前記レーザ光の焦点位置を前記ワークの表面から前記キーホールの内部の所定位置までの範囲で変化させることを特徴とするレーザ溶接方法。
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