特許 6674422 レーザ溶接装置、及び、部材の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6674422

(24)【登録日】2020年3月10日

(45)【発行日】2020年4月1日

(54)【発明の名称】レーザ溶接装置、及び、部材の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/073 20060101AFI20200323BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20200323BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/073

   B23K26/21 A

【請求項の数】10

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2017-176603(P2017-176603)

(22)【出願日】2017年9月14日

(65)【公開番号】特開2019-51535(P2019-51535A)

(43)【公開日】2019年4月4日

【審査請求日】2018年7月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】391002498

【氏名又は名称】フタバ産業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】山口 晃司

【審査官】 金丸 治之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１１０９０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１８６８６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１８−０６９２５８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／０７３

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ溶接のため、複数の部材のうちの少なくとも一部における溶接面にビームを照射するよう構成されたレーザ溶接装置であって、
前記溶接面における主領域と、前記主領域を囲んだ状態で前記溶接面に設けられた副領域とに前記ビームを照射するよう構成された照射部を備え、
前記照射部は、前記主領域における点状の中央領域にピークが生じると共に、前記副領域における前記中央領域を囲む外側領域に前記ピークが生じるよう設定された状態で前記ビームを照射し、且つ、前記主領域に照射される前記ビームの平均的な強度が、前記副領域に照射される前記ビームの平均的な強度よりも高くなるよう構成されており、
前記ピークとは、前記ビームの強度が局所的に最大値になることであり、前記ピークが生じている領域を跨いだ前記ビームの強度の変化は、該領域にて増加から減少に転じる
レーザ溶接装置。

【請求項2】

請求項１に記載されたレーザ溶接装置において、
前記外側領域は、前記中央領域を中心とした円周状の領域である
レーザ溶接装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載されたレーザ溶接装置において、
前記照射部は、前記中央領域である第１領域と、前記外側領域である第３領域と、前記第１領域と前記第３領域との間に位置する第２領域とに前記ピークが生じるように設定された状態で、前記ビームを照射する
レーザ溶接装置。

【請求項4】

請求項３に記載されたレーザ溶接装置において、
前記第１領域における前記ビームの強度は、前記第３領域における前記ビームの強度よりも高く、前記第３領域における前記ビームの強度は、前記第２領域における前記ビームの強度よりも高い
レーザ溶接装置。

【請求項5】

請求項３に記載されたレーザ溶接装置において、
前記第１領域における前記ビームの強度は、前記第２領域における前記ビームの強度よりも高く、前記第２領域における前記ビームの強度は、前記第３領域における前記ビームの強度よりも高い
レーザ溶接装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載されたレーザ溶接装置において、
レーザ媒体が発した光を増幅させることで、前記ビームを生成する生成部を更に備え、
前記照射部は、前記生成部にて生成された前記ビームの強度の分布を、光の進路を変更する部材により設定する
レーザ溶接装置。

【請求項7】

請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載されたレーザ溶接装置において、
前記中央領域の前記ビームの強度の測定値を１００とした場合の、前記外側領域の前記ビームの強度の測定値の比率を、測定値比率とし、
前記測定値比率は、０．６以上である
レーザ溶接装置。

【請求項8】

請求項７に記載されたレーザ溶接装置において、
前記測定値比率は、０．６以上３．０以下である
レーザ溶接装置。

【請求項9】

請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載されたレーザ溶接装置において、
前記中央領域の前記ビームの設定値と、前記外側領域の前記ビームの設定値との比をＸ１：Ｚ１とし、
６≦Ｘ１≦８、且つ、１≦Ｚ１≦３である
レーザ溶接装置。

【請求項10】

複数の部材をレーザ溶接により溶着させることにより行われる部材の製造方法であって、
前記レーザ溶接は、前記複数の部材のうちの少なくとも一部における溶接面にビームを照射するよう構成されたレーザ溶接装置を用いて行われ、
前記レーザ溶接装置は、前記溶接面における主領域と、前記主領域を囲んだ状態で前記溶接面に設けられた副領域とに前記ビームを照射するよう構成された照射部を備え、
前記レーザ溶接の際に前記ビームが照射される領域が前記溶接面を移動する方向を、溶接方向とし、
前記副領域は、前記主領域を囲む領域であり、
前記照射部は、前記主領域における点状の中央領域にピークが生じると共に、前記副領域における前記中央領域を囲む外側領域に前記ピークが生じるよう設定された状態で前記ビームを照射し、且つ、前記主領域に照射される前記ビームの平均的な強度が、前記副領域に照射される前記ビームの平均的な強度よりも高くなるよう構成されており、
前記ピークとは、前記ビームの強度が局所的に最大値になることであり、前記ピークが生じている領域を跨いだ前記ビームの強度の変化は、該領域にて増加から減少に転じる
部材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ溶接装置、及び、該レーザ溶接装置を用いたレーザ溶接による部材の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ビームを照射することで、複数の部材を溶接するレーザ溶接が知られている。特許文献１に記載されたレーザ溶接方法では、溶接のためのビームが照射された照射面のエネルギー密度の分布は、ガウス分布となっており、さらに、該照射面におけるエネルギー密度のピークは、一定以上の値となっている。これにより、ブローホールの発生が抑制される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−１６７７０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

また、様々な方式のレーザが知られており、これらのレーザを用いてレーザ溶接を行うことが考えられる。しかしながら、レーザ溶接に用いられるレーザの特性によっては、例えば、スパッタが発生し易くなる場合、又は、適度な深さの溶融池が生成されず、十分な強度で溶接することができない場合等が想定される。なお、溶融池とは、母材におけるビームの照射により溶融した部分を意味する。

【0005】

適度な溶接強度を得つつ、スパッタの発生を抑制するのが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のレーザ溶接装置は、レーザ溶接のため、複数の部材のうちの少なくとも一部における溶接面にビームを照射するよう構成されており、照射部を備える。照射部は、溶接面における主領域と、主領域に隣接した状態で、又は、主領域に対し間隔を開けた状態で溶接面に設けられた副領域とにビームを照射するよう構成されている。また、レーザ溶接の際にビームが照射される領域が溶接面を移動する方向を、溶接方向とする。また、副領域は、主領域の溶接方向側に位置する領域を少なくとも含む。そして、照射部は、主領域と副領域との各々に、少なくとも１つのピークが生じるよう設定された状態でビームを照射し、且つ、主領域に照射されるビームの平均的な強度が、副領域に照射されるビームの平均的な強度よりも高くなるよう構成されている。また、ピークとは、ビームの強度が局所的に最大値になることであり、ピークが生じている領域を跨いだビームの強度の変化は、該領域にて増加から減少に転じる。

【0007】

レーザ溶接の際に母材に生成される溶融池では、溶融した母材の一部が外部に向かって移動し、該母材の一部が外部に飛び出すことによりスパッタが生じる。これに対し、上記構成によれば、溶接面における主領域を含む領域では、深い溶融池が生成され、該溶融池に隣接して、スパッタの発生を抑制するための浅い溶融池が生成される。そして、主領域の深い溶融池にて外部に向かって移動する母材の一部は、該溶融池に隣接する浅い溶融池にて吸収され、これにより、該母材の一部がスパッタとして外部に飛散するのが回避される。

【0008】

また、上記構成によれば、副領域は、主領域の溶接方向側に位置する領域を少なくとも含んでいる。このため、溶接方向に沿ったレーザ溶接の際、ビームが照射される各領域では、副領域に向けた強度の低いビームの照射後に、主領域に向けた強度の高いビームが照射される。これにより、照射されるビームの強度が急激に上昇するのを抑制でき、その結果、スパッタの大きさ及び／又は発生量が低減される。

【0009】

また、副領域にビームを照射することで、主領域に生成される深い溶融池の幅を太くすることができる。これにより、溶着強度が向上する。したがって、適度な溶接強度を得つつ、スパッタの発生を抑制できる。

【0010】

なお、副領域は、主領域を囲む領域であっても良い。
このような構成によれば、どのような方向にレーザ溶接が行われた場合であっても、ビームが照射される各領域では、副領域に向けた強度の低いビームの照射後に、主領域に向けた強度の高いビームが照射される。このため、どのような方向にレーザ溶接を行う場合であってもスパッタの発生を抑制でき、レーザ溶接を行う方向に制限が課されなくなる。したがって、より好適にレーザ溶接を行うことができる。

【0011】

また、照射部は、主領域に位置する第１領域と、副領域に位置する第３領域と、第１領域と第３領域との間に位置する第２領域とにピークが生じるように設定された状態で、ビームを照射しても良い。

【0012】

このような構成によれば、主領域に生成される溶融池の幅を広げることが可能になると共に、主領域の溶融池の中央に生成された深い窪み（以後、キーホール）を広げ、キーホールを安定させることが可能となる。その結果、レーザ溶接を行う複数の部材の溶着強度が向上する。

【0013】

また、第１領域におけるビームの強度は、第３領域におけるビームの強度よりも高く、第３領域におけるビームの強度は、第２領域におけるビームの強度よりも高くても良い。
このような構成によれば、スパッタの発生をより一層抑制することができる。

【0014】

また、第１領域におけるビームの強度は、第２領域におけるビームの強度よりも高く、第２領域におけるビームの強度は、第３領域におけるビームの強度よりも高くても良い。
このような構成によれば、レーザ溶接を行う複数の部材の溶着強度が向上する。

【0015】

また、レーザ溶接装置は、レーザ媒体が発した光を増幅させることで、ビームを生成する生成部を更に備えても良い。そして、照射部は、生成部にて生成されたビームの強度の分布を、光の進路を変更する部材により設定しても良い。

【0016】

このような構成によれば、ビームの強度の分布を柔軟に設定することができる。このため、例えば母材の寸法又は材質等に応じてピークの位置等を柔軟に設定でき、様々な母材のレーザ溶接を好適に行うことが可能となる。

【0017】

また、上述したレーザ溶接装置を用いて複数の部材をレーザ溶接により溶着させることにより、部材が製造されても良い。
このような構成によれば、レーザ溶接の際、適度な溶接強度を得つつ、スパッタの発生を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、レーザ溶接装置の構成を示す説明図である。

【図2】図２Ａは、第１〜第５モードのビームの強度の分布、及び、溶接への影響についての評価結果を示す表である。図２Ｂは、第１モードにおける中央領域、円周領域、主領域、及び、副領域を示す説明図である。図２Ｃは、第１モードにおけるビームの強度の分布の設定を示すグラフである。

【図3】図３Ａは、第１モードにおけるビームの強度の分布の測定値を示すグラフである。図３Ｂは、第２モードにおける中央領域、円周領域、主領域、及び、副領域を示す説明図である。図３Ｃは、第２モードにおけるビームの強度の分布の設定を示すグラフである。

【図4】図４Ａは、第２モードにおけるビームの強度の分布の測定値を示すグラフである。図４Ｂは、第３モードにおけるビームの強度の分布の設定を示すグラフである。図４Ｃは、第３モードにおけるビームの強度の分布の測定値を示すグラフである。

【図5】図５Ａは、第１〜第３モードのビームの照射により生じる溶融池の説明図である。図５Ｂは、第１モードの変形例における主領域及び副領域を示す説明図である。図５Ｃは、第５モードにおけるビームの強度の分布の測定値を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本開示の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本開示の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。

【0020】

［レーザ溶接装置の説明］
本実施形態のレーザ溶接装置は、複数の部材をレーザ溶接により溶着させるため、複数の部材のうちの少なくとも一部における溶接面にビームを照射する。なお、複数の部材とは、例えば、鉄、又は、鉄を含む合金からなる部材であっても良いし、鉄以外の金属からなる部材であっても良いし、金属以外の材料からなる部材であっても良い。また、溶接面は、１の部材の外面に設けられていても良いし、複数の部材の各々の外面に跨って設けられていても良い。また、レーザ溶接装置は、一例として、ファイバーレーザとして構成されていても良いし、レーザ溶接装置は、例えば、固体レーザ又は気体レーザ等といった、様々な種類のレーザとして構成されていても良い。

【0021】

図１に示すように、レーザ溶接装置１は、レーザ発振器３０と、光路２０と、加工ヘッド１０とを有する。
レーザ発振器３０は、レーザ媒体を励起させると共に、励起したレーザ媒体が発した光を増幅させることで、ビーム１ａを生成する。なお、レーザ溶接装置１がファイバーレーザとして構成されている場合には、希土類が添加されたファイバーがレーザ媒体として用いられても良い。

【0022】

光路２０は、レーザ発振器３０にて生成されたビーム１ａを加工ヘッド１０に導く。
加工ヘッド１０は、レーザ溶接を行うため、母材である複数の部材１００にビーム１ａを照射する。加工ヘッド１０は、コリメーション部１１と、モード設定部１２と、フォーカスレンズ１３と、位置補正部１４とを有する。なお、加工ヘッド１０は、位置補正部１４を有さなくても良い。

【0023】

コリメーション部１１は、例えば、レンズ及び／又はミラーにより、レーザ発振器３０から導かれたビーム１ａの向きを調整する部位である。
モード設定部１２は、例えば、レンズ、及び／又は、ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）等といった光の進路を変更する変更部材により、ビーム１ａのモードを設定する部位である。なお、モードとは、ビーム１ａの照射領域におけるビーム１ａの強度の分布のパターンである。また、ビーム１ａの強度とは、例えば、ビーム１ａのエネルギー密度のことであっても良い。具体的には、コリメーション部１１により向きが調整されたビーム１ａがモード設定部１２に設けられたレンズ等を通過することで、ビーム１ａのモードが設定される。なお、一例として、モード設定部１２に設けられた変更部材を変更することで、モードが切り替えられる。

【0024】

フォーカスレンズ１３は、モード設定部１２によりモードが設定されたビーム１ａの絞りを調整する部位である。溶接の際には、母材の直前で収束するようにビーム１ａの絞りが調整される。

【0025】

位置補正部１４は、フォーカスレンズ１３を通過したビーム１ａが照射される位置を調整する部位である。
［モードについて］
上述したように、レーザ溶接装置１は、複数のモードでビームを照射可能となっている。モードは、例えば、母材の寸法、母材を構成する材料の特性、又は、レーザ溶接の際のビームの照射領域の移動速度等に応じて、適宜設定されても良い。そして、これらのモードのうちの少なくとも一部では、母材である複数の部材１００の溶接面における主領域と副領域とにビームが照射される。なお、ビームは、各領域の一部に照射されるように設定されていても良いし、各領域の全部に照射されるように設定されていても良い。また、副領域は、主領域の付近に位置する。具体的には、副領域は、主領域に隣接した状態で設けられていても良いし、主領域に対し所定値以下の間隔を開けた状態で設けられていても良い。また、副領域は、主領域の溶接方向側の領域を少なくとも含んでいる。なお、溶接方向とは、レーザ溶接の際に、ビームの照射領域が溶接面を移動する方向を意味する。

【0026】

そして、主領域に照射されるビームの強度は、副領域に照射されるビームの強度よりも高い。より詳しくは、レーザ溶接装置１は、主領域と副領域との各々には、少なくとも１つのピークが生じるよう設定された状態でビームを照射する。さらに、主領域に照射されるビームの平均的な強度は、副領域に照射されるビームの平均的な強度よりも高い。なお、ピークとは、ビームの強度が局所的に最大値になることを意味する。すなわち、ピークとは、ビームの強度がその近傍において最大値となる、つまり、ビームの強度が極大となることを意味する。ピークが生じている領域を跨いだビームの強度の変化は、該領域にて増加から減少に転ずる。以後、ピークにおけるビームの強度を、ピーク値と記載する。

【0027】

詳細は後述するが、主領域に対しては、複数の部材１００を溶着させるための深い溶融池を生成するためにビームが照射される。なお、溶融池とは、複数の部材１００における、ビームの照射により溶融した部分である。一方、副領域に対しては、スパッタの発生を抑制すべく、溶接面における主領域を含む領域に生成された溶融池に隣接して該溶融池よりも浅い溶融池を生成するために、ビームが照射される。

【0028】

本実施形態では、上述した主領域と副領域とが設けられるモードとして、第１〜第３モードを含む複数のモードが設けられている。以下では、第１〜第３モードについて説明する。以後、点状の領域を中央領域とする。また、中央領域を中心とした複数の円周状の領域を、それぞれ、第１〜第３中間領域、及び、円周領域と記載する。なお、これらの領域の半径の大小関係は、円周領域の半径＞第３中間領域の半径＞第２中間領域の半径＞第１中間領域の半径となる。

【0029】

まず、第１モードでは、図２Ａ、２Ｂに示すように、中央領域２００と円周領域２０１とにピークが生じるように設定された状態で、溶接面にビームが照射される。また、図２Ｃに示されている、中央領域２００におけるピーク値２００ａと、円周領域２０１におけるピーク値２０１ａとにおけるビームの強度の比率は、７：３に設定されている。

【0030】

これにより、一例として、中央領域２００を中心とした、直径がおよそ数１００μｍ程度の円形の領域が、主領域２０５となる。また、主領域２０５に隣接し、且つ、主領域２０５を囲むリング状の領域が、副領域２０６となる。つまり、主領域２０５と副領域２０６とは、同心円状に設けられる。なお、主領域２０５及び副領域２０６は、略同心円状に設けられても良い。そして、図２Ｃに示すように、第１モードでは、主領域２０５に照射されるビームの強度が、副領域２０６に照射されるビームの強度よりも高くなるよう設定された状態で、溶接面にビームが照射される。その結果、図３Ａに示すように、主領域２０５に実際に照射されるビームの強度は、副領域２０６に実際に照射されるビームの強度よりも高くなる。

【0031】

また、第２モードでは、図３Ｂ、３Ｃに示すように、中央領域２１０と、第１中間領域２１１と、円周領域２１２とにピークが生じるように設定された状態で、溶接面にビームが照射される。また、図３Ｃに示されている、中央領域２１０における第１ピーク値２１０ａと、第１中間領域２１１における第２ピーク値２１１ａと、円周領域２１２における第３ピーク値２１２ａとの大小関係は、第１ピーク値２１０ａ＞第２ピーク値２１１ａ＞第３ピーク値２１２ａとなっている。より詳しくは、第１ピーク値２１０ａと、第２ピーク値２１１ａと、第３ピーク値２１２ａとの比率は、一例として、８：２：１に設定されている。なお、該比率は、該大小関係が維持される範囲で、適宜変更されても良い。

【0032】

これにより、一例として、中央領域２１０を中心とした、直径がおよそ数１００μｍ程度の円形の領域が、主領域２１５となる。また、主領域２１５に隣接し、且つ、主領域２１５を囲むリング状の領域が、副領域２１６となる。つまり、主領域２１５と副領域２１６とは、同心円状に設けられる。なお、主領域２１５及び副領域２１６は、略同心円状に設けられても良い。また、中央領域２１０は主領域２１５に位置し、円周領域２１２は副領域２１６に位置する。また、第１中間領域２１１は、主領域と円周領域２１２との間に位置する。図３Ｃに示すように、第２モードでは、主領域２１５に照射されるビームの強度が、副領域２１６に照射されるビームの強度よりも高くなるよう設定された状態で、溶接面にビームが照射される。その結果、図４Ａに示すように、主領域２１５に実際に照射されるビームの強度は、副領域２１６に実際に照射されるビームの強度よりも高くなる。

【0033】

また、第３モードでは、第２モードと同様に、中央領域２１０と、第１中間領域２１１及び円周領域２１２とにピークが生じるように設定された状態で、溶接面にビームが照射される。しかし、図４Ｂに示すように、第３モードでは、第１〜第３ピーク値２１０ａ〜２１２ａの大小関係は、第１ピーク値２１０ａ＞第３ピーク値２１２ａ＞第２ピーク値２１１ａとなっている点で、第２モードと異なる。より詳しくは、第３モードでは、第１ピーク値２１０ａと、第２ピーク値２１１ａと、第３ピーク値２１２ａとの比率は、一例として、６：１．５：２．５に設定されている。なお、該比率は、該大小関係が維持される範囲で、適宜変更されても良い。

【0034】

これにより、一例として、第２モードと同様、中央領域２１０を中心とした、直径がおよそ数１００μｍ程度の円形の領域が、主領域２１５となる。また、主領域２１５に隣接し、且つ、主領域２１５を囲むリング状の領域が、副領域２１６となる。図４Ｂに示すように、第３モードでは、主領域２１５に照射されるビームの強度が、副領域２１６に照射されるビームの強度よりも高くなるよう設定された状態で、溶接面にビームが照射される。その結果、図４Ｃに示すように、主領域２１５に実際に照射されるビームの強度は、副領域２１６に実際に照射されるビームの強度よりも高くなる。

【0035】

［溶接部材の製造方法ついて］
本実施形態の溶接部材の製造方法では、上述したレーザ溶接装置１によりビームを照射することで、複数の部材１００のレーザ溶接が行われる。なお、複数の部材１００におけるビームの照射方向に沿った厚さの総和は、一例として４ｍｍ以上であっても良い。この時、例えば、第１〜第３モードのいずれかでビームが照射されても良い。また、この時、複数の部材１００のスポット状の溶接が行われても良いし、ビームの照射領域を溶接方向に移動させることで、複数の部材１００が溶接されても良い。そして、これにより、溶着された複数の部材１００を含む溶接部材が製造される。なお、溶接部材とは、例えば、自動車等の車両に用いられる部材であっても良い。

【0036】

溶接面にビームが照射されると、主領域及び副領域では母材が溶融し、溶融池が生じる。上述したように、主領域に照射されるビームの強度は、副領域に照射されるビームの強度よりも高い。このため、溶接面における主領域を含む領域には、複数の部材１００を十分な強度で溶着させるための、深くて適度な幅の溶融池が生成される。また、該ビームにより、主領域の溶融池にキーホールが生成される場合もある。また、副領域に照射されたビームにより、主領域の溶融池に隣接した状態で、主領域の溶融池よりも浅い溶融池が生成される。

【0037】

図５Ａは、第１〜第３モードのいずれかのビームにより複数の部材１００に生成された溶融池１２０を示している。一例として、複数の部材１００は、２つの板状の部材を積層したものとなっており、図５Ａ中の上側の部材の外面に存在する溶接面１１０にビームが照射される。この時、主領域１１１に照射されたビームにより、下側の部材に到達する深い溶融池１２１が生成される。また、図５Ａでは、一例として、主領域の溶融池１２１の中央に、キーホール１２３が生成されている。一方、副領域１１２に照射されたビームにより、主領域１１１の溶融池１２１を囲み、且つ、主領域１１１の溶融池１２１に隣接した状態で、浅い溶融池１２２が生成される。なお、円周領域は、溶接面１２０における浅い溶融池１２２が生成される領域に位置する。

【0038】

そして、主領域１１１の溶融池１２１では、溶融された母材の一部が溶接面に向かって上昇し、該母材の一部が溶融面の外に飛び出すと、スパッタが生じる。これに対し、本実施形態では、主領域１１１の深い溶融池１２１に隣接して、副領域１１２に浅い溶融池１２２が生成される。このため、主領域１１１の溶融池１２１にて溶接面に向かう母材の一部は、副領域１１２の溶融池１２２に吸収され、これにより、該母材の一部がスパッタとして外部に飛散するのが回避される。その結果、スパッタの発生が抑制される。

【0039】

［変形例について］
第１〜第３モードにおいては、円周領域、又は、円周領域及び第１中間領域にピークが生じるようにビームが設定されている。しかしながら、これらの領域に替えて、中央領域の溶接方向側に位置する点状又は線状の１又は複数の領域にピークが生じるように、ビームが設定されていても良い。

【0040】

具体的には、例えば、図５Ｂに示すように、第１モードにおいて、円周領域２０１に替えて、円周領域２０１の一部をなす弧状の区間２２１にピークが生じるように、ビームが設定されても良い。なお、区間２２１は、中央領域２２０の溶接方向２３０側に位置する。この場合、円形の主領域２２５が生成されると共に、主領域２２５の溶接方向２３０側に隣接して、帯状の副領域２２６が生成される。

【0041】

この他にも、例えば、第２又は第３モードにおいて、第１中間領域２１１及び円周領域２１２に替えて、第１中間領域２１１の一部をなす弧状の区間と、円周領域２１２の一部をなす弧状の区間とにピークが生じるように、ビームが設定されても良い。なお、これらの区間は、中央領域の溶接方向側に位置する。この場合においても、円形の主領域が生成されると共に、主領域の溶接方向側に隣接して、帯状の副領域が生成される。

【0042】

そして、変形例が適用された場合においても、溶接面における主領域を含む領域に、第１〜第３モードと同様の深い溶融池が生成される。そして、副領域に照射されたビームにより、主領域の溶融池の溶接方向側に隣接する浅い溶融池が生成される。このため、第１〜第３モードと同様にして、主領域の溶融池にて上昇した母材の一部は、副領域の溶融池に吸収され、これにより、該母材の一部がスパッタとして外部に飛散するのが回避される。

【0043】

［各モードの比較について］
次に、本開示の実施例である上述した第１〜第３モード、及び、第４モードによるレーザ溶接が行われた際の、溶接への影響について説明する。また、第１〜第４モードに対する比較例として、第５モードによるレーザ溶接が行われた際の溶接への影響について説明する。

【0044】

第４モードでは、第１モードと同様、中央領域と円周領域とにピークが生じるように設定された状態で溶接面にビームが照射され、中央領域と円周領域とのビームの強度の比率は、７：３に設定されている。このため、第４モードにおいても、円形の領域にビームが照射される。しかし、第４モードでは、ビームの絞りが不十分であり、母材の直前でビームが十分に収束しない。このため、図５Ｃに示すように、第４モードでは、ビームの照射領域が広がっている。

【0045】

一方、第５モードでは、図２Ａに示すように、中央領域のみにピークが生じるように設定された状態で、溶接面にビームが照射される。このため、第５モードでは、中央領域を中心とする円形の領域にビームが照射される。つまり、第５モードでは、主領域に対してのみ第１〜第３モードと同様にしてビームが照射され、副領域にはビームが照射されない。

【0046】

図２Ａは、第１〜第５モードが用いられた場合の、中央領域と、第１〜第３中間領域及び円周領域とにおけるビームの強度の比率（以後、測定値比率）を示している。具体的には、測定値比率とは、中央領域のビームの強度の測定値に対する各領域のビーム強度の測定値の比率であり、中央領域のビームの強度を１００として算出されている。また、図２Ａは、第１〜第５モードが用いられた場合の、スパッタの抑制度合い、及び、溶接の強度の評価結果を、Ａ〜Ｃの３段階で示している。

【0047】

なお、Ｃ、Ｂ、Ａの順で評価が高くなる。また、溶接の強度の評価結果がＡの場合には、主領域の溶融池の幅が太くなると共に、該溶融池に安定した状態でキーホールが生成される。また、スパッタの抑制度合いとは、スパッタの量及び大きさの双方又は一方が低減された度合いを示す。

【0048】

そして、図２Ａが示す評価結果から、以下の点が把握される。
（１）第３中間領域の測定値比率が１．２以上となるようビームの強度を設定すると、スパッタの抑制度合いが良好になると考えられる。また、第３中間領域の測定値比率が１．５以上となるようビームの強度を設定すると、スパッタの抑制度合いがさらに良好になると考えられる。

【0049】

（２）第２中間領域の測定値比率が３．８以上となるようビームの強度を設定すると、スパッタの抑制度合いが良好になる。さらに、この場合、主領域に生じる深い溶融池の幅が太くなり、該溶融池に安定した状態でキーホールが生成され、十分な溶接強度が得られると考えられる。なお、さらに、第２中間領域の測定値比率が３．８以上４．６以下となるよう、ビームの強度が設定されても良い。

【0050】

（３）第１中間領域の測定値比率が７以上となるようビームの強度が設定された場合にも、（２）と同様の効果が得られると考えられる。さらに、第１中間領域の測定値比率が７以上８以下となるよう、ビームの強度が設定されても良い。

【0051】

（４）また、中央領域と第１中間領域と円周領域とにピークが生じるように設定された場合において、中央領域のピーク値の設定値と、第１中間領域のピーク値の設定値と、円周領域のピーク値の設定値との比をＸ０：Ｙ０：Ｚ０とする。Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０の数値範囲を、６≦Ｘ０≦８、１．５≦Ｙ０≦２、且つ、１≦Ｚ０≦２．５とすることで、（２）と同様の効果が得られると考えられる。

【0052】

（５）また、中央領域のピーク値の設定値と、円周領域のピーク値の設定値との比をＸ１：Ｚ１とする。Ｘ１、Ｚ１の数値範囲を、６≦Ｘ１≦８、且つ、１≦Ｚ１≦３とすることで、適度な溶接強度を得つつ、スパッタの発生を抑制できると考えられる。

【0053】

（６）また、第１中間領域の測定値比率が２以上となるよう、ビームの強度が設定されても良い。なお、Ｘ１、Ｚ１を（５）に示された数値範囲としつつ、第１中間領域の測定値比率が２以上となるよう、ビームの強度が設定されても良い。これにより、適度な溶接強度を得つつ、スパッタの発生を抑制できると考えられる。

【0054】

（７）また、Ｘ１、Ｚ１の数値範囲を、６≦Ｘ１≦８、且つ、１≦Ｚ１≦２．５とすることで、（２）と同様の効果が得られると考えられる。これに加え、第１中間領域の測定値比率が７以上、及び／又は、第３中間領域の測定値比率が１．２以上となるよう、ビームの強度が設定されても良い。これにより、（２）と同様の効果が得られると考えられる。

【0055】

（８）また、円周領域の測定値比率が０．６以上となるよう、ビームの強度が設定されても良い。これにより、スパッタの抑制度合いが良好になる。また、円周領域の測定値比率が３．０以上となるようビームの強度が設定されても良い。これにより、スパッタの抑制度合いがさらに良好になる。さらに、円周領域の測定値比率が０．６以上３．０以下となるようビームの強度が設定されても良い。これにより、より適度な溶接強度が得られる。

【0056】

［効果］
（１）ファイバーレーザは、集光性が高く、高出力である。このため、ファイバーレーザをレーザ溶接に用いると、例えばＣＯ２レーザを用いた場合に比べ、母材には幅が狭く深い溶融池が生成される。これにより、溶融池が不安定となり、スパッタが多く発生する。その結果、スパッタを遮るスパッタカバーが必要となるが、スパッタカバーを配置することにより、レーザ溶接が妨げられる恐れがある。また、ファイバーレーザをレーザ溶接に用いると、溶着部分の幅が狭くなると共に、溶融池に生成されるキーホールは、幅が狭く不安定となり、その結果、溶接強度が低くなる。

【0057】

これに対し、上記実施形態のレーザ溶接装置１をファイバーレーザとして構成した場合、上述したように、主領域の溶融池に隣接して浅い溶融池が生成される。これにより、スパッタの発生が抑制される。その結果、スパッタカバーの使用を回避したり、スパッタカバーを小型化したりすることが可能となる。

【0058】

また、副領域は、主領域の溶接方向側に位置する領域を少なくとも含んでいる。このため、溶接方向に沿ったレーザ溶接の際、ビームが照射される各領域は、副領域に向けた強度の低いビームの照射後に、主領域に向けた強度の高いビームが照射される。これにより、照射されるビームの強度が急激に上昇するのを抑制でき、その結果、スパッタの大きさ及び／又は発生量を低減できる。

【0059】

また、副領域にビームを照射することで、主領域の深い溶融池の幅を太くすると共に、該幅の変動を抑えることが可能となる。これにより、溶着強度が向上する。また、レーザ溶接に要する時間を短縮できる。

【0060】

したがって、適度な溶接強度を得つつ、スパッタの発生を抑制できる。特に、上記実施形態のレーザ溶接装置１によれば、母材の厚さが一例として４ｍｍ以上の場合であっても、適度な溶接強度を得つつ、スパッタの発生を抑制できる。

【0061】

（２）また、上記実施形態によれば、主領域及び副領域は、同心円状、又は、略同心円状に設けられる。このため、どのような方向にレーザ溶接が行われた場合であっても、ビームが照射される各領域は、副領域に向けた強度の低いビームの照射後に、主領域に向けた強度の高いビームが照射される。その結果、どのような方向にレーザ溶接を行う場合であってもスパッタの発生を抑制でき、レーザ溶接を行う方向に制限が課されなくなる。つまり、レーザ溶接に指向性が生じるのを抑制でき、スパッタの発生を抑制し、且つ、溶接の質が変動するのを抑えながら、全方位にレーザ溶接を行うことが可能となる。したがって、より好適にレーザ溶接を行うことができる。

【0062】

（３）また、第２及び第３モードでは、中央領域及び円周領域２１２に加え、さらに、第１中間領域２１１にピークが設定されている。これにより、第１モードに比べ、主領域の境界付近におけるビームの強度が高くなる。このため、主領域の溶融池の幅が広がると共に、主領域の溶融池の中央に生成されたキーホールが広がり、キーホールが安定する。その結果、複数の部材１００の溶着強度が向上する。

【0063】

（４）また、第３モードでは、第１中間領域２１１のピーク値は、円周領域２１２のピーク値よりも小さい。これにより、スパッタの発生をより一層抑制することができる。
（５）また、第２モードでは、第１中間領域２１１のピーク値は、円周領域２１２のピーク値よりも大きい。このような構成によれば、複数の部材１００の溶着強度が向上する。

【0064】

（６）また、上記実施形態のレーザ溶接装置１によれば、レーザ発振器３０等によりレーザ媒体が発した光を増幅させることでビームが生成される。そして、加工ヘッド１０のモード設定部１２にて、生成されたビームのモードが設定される。このため、例えば、レーザ発振器３０等でビームを生成する段階においてモードを設定する場合に比べ、柔軟にモードを設定することができる。したがって、例えば母材の寸法又は材質等に応じて柔軟にモードを設定でき、様々な母材のレーザ溶接を好適に行うことが可能となる。

【0065】

［他の実施形態］
（１）上記実施形態のレーザ溶接装置１のモードは、第１〜第３モードとして例示したものに限定されない。具体的には、第１〜第３モードにおいては、主領域は円形であると共に、副領域はリング状となっている。しかしながら、例えば、ビームのピークが生じる中央領域、又は、円周領域の形状を変えることで、主領域、又は、副領域の形状を変化させても良い。また、第２、第３モードでは、同心円状に配置された２つの円周領域にピークが設定される。しかしながら、例えば、同心円状に配置された３つ以上の円周領域にピークが設定されても良い。つまり、副領域における３つ以上の領域に、ピークが設定されても良い。また、例えば、主領域における２つ以上の領域に、ピークが設定されても良い。

【0066】

（２）また、上記実施形態のレーザ溶接装置１では、ビームがモード設定部１２に設けられたレンズ等を通過することで、ビームのモードが設定される。しかしながら、ビームのモードの設定方法は、これに限定されない。具体的には、例えば、複数のレーザ発振器で生じたビームを重ね合わせたりすることで、ビームのモードが設定されても良い。

【0067】

（３）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

【0068】

［特許請求の範囲との対応］
上記実施形態の説明で用いた用語と、特許請求の範囲の記載に用いた用語との対応を示す。

【0069】

加工ヘッド１０が照射部の一例に、レーザ発振器３０が生成部の一例に相当する。また、中央領域２１０が第１領域の一例に、第１中間領域２１１が第２領域の一例に、円周領域２１２が第３領域の一例にそれぞれ相当する。

【符号の説明】

【0070】

１…レーザ溶接装置、１０…加工ヘッド、１２…モード設定部、１３…フォーカスレンズ、３０…レーザ発振器、１００…複数の部材、１１０…溶接面、１１１…主領域、１１２…副領域、１２０〜１２２…溶融池、１２３…キーホール、２００、２１０…中央領域、２０１、２１２…円周領域、２０５、２１５、２２５…主領域、２０６、２１６、２２６…副領域、２１１…第１中間領域。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】