特許 6684587 レーザ溶接方法

(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】6684587

(24)【登録日】2020年4月1日

(45)【発行日】2020年4月22日

(54)【発明の名称】レーザ溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/00 20140101AFI20200413BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20200413BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/00 N

   B23K26/21 F

【請求項の数】2

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2015-250920(P2015-250920)

(22)【出願日】2015年12月24日

(65)【公開番号】特開2017-113778(P2017-113778A)

(43)【公開日】2017年6月29日

【審査請求日】2018年9月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】390014672

【氏名又は名称】株式会社アマダホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100100712

【弁理士】

【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】池本 寿計

(72)【発明者】

【氏名】重藤 毅彦

【審査官】 黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１１９７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１８８９１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２２９７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２９００８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−２２４６７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長が１μｍ帯であるレーザ光を用い、
ステンレスの板材の板厚を、０．８ｍｍ〜２．０ｍｍとし、
一対の前記板材の端部をギャップなしで突き合わせて、
前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットのうち、前記ビームスポットの中心から前記ビームスポットの全熱エネルギのうちの３％の熱エネルギに相当する第１の面積におけるパワー密度をピークパワー密度とし、前記板材が、前記第１の面積における前記ピークパワー密度で融解するのに要する融解時間を、前記第１の面積のビームスポットが１つの径分だけ移動するのに要する移動時間で除した値に、板厚１．０ｍｍを基準としたときの板厚比を乗じたものを第１の指標とし、
前記ビームスポットの中心から前記ビームスポットの全熱エネルギのうちの８６％の熱エネルギに相当する第２の面積におけるパワー密度を平均パワー密度とし、前記板材が、前記第２の面積における前記平均パワー密度で融解するのに要する融解時間を、前記第２の面積のビームスポットが１つの径分だけ移動するのに要する移動時間で除した値に、前記平均パワー密度を前記ピークパワー密度で除した前記ピークパワー密度と前記平均パワー密度との比と、前記板厚比を乗じたものを第２の指標とし、
前記平均パワー密度を前記ピークパワー密度で除した前記ピークパワー密度と前記平均パワー密度との比を５０％以上、前記第１の指標を０．８２％以下、前記第２の指標を０．２５％以下とする条件で、前記一対の板材を突合せ溶接する
レーザ溶接方法。

【請求項2】

前記レーザ光のビームプロファイルは、トップハット型である請求項１に記載のレーザ溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ光によってステンレスの板材を突合せ溶接するレーザ溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ加工機で使用するレーザ光を射出するレーザ発振器としては、ＣＯ_２レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）等の各種の発振器がある。

【0003】

ＣＯ_２レーザ発振器は装置が大型化し、高コストである。これに対して、ファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器は装置を小型化することができ、低ランニングコストであることから、近年、レーザ加工機においてファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器が広く用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平５−２０８２８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＣＯ_２レーザ発振器が射出するレーザ光の波長は１０μｍ程度であるのに対し、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザ光の波長は１μｍ程度である。よって、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザ光はビームウエストが小さく、パワー密度が高いため、板厚が薄い板材を高速で加工するのに適している。

【0006】

ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いるレーザ加工機は、板材を切断したり、板材をスポット溶接したりする用途として普及している。ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いるレーザ加工機を、２つの板材の端部をギャップなし、または、所定間隔のギャップを有して突き合わせて、突合せ溶接する用途としたいという要望がある。

【0007】

本発明者が、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いるレーザ加工機を用いてステンレスの板材を突合せ溶接したところ、例えばビードの始端で穴があき、加工品質が不良である事象が多く発生した。これは、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザ光はビームウエストが小さくパワー密度が高いため、小さな領域に熱エネルギが集中しやすいためと考えられる。

【0008】

よって、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出する波長が１μｍ帯であるレーザ光を用いて板材を良好な加工品質で突合せ溶接することは困難である。波長が１μｍ帯であるレーザ光を用いてステンレスの板材を良好な加工品質で突合せ溶接することができるレーザ溶接方法が求められる。

【0009】

本発明は、波長が１μｍ帯であるレーザ光を用いてステンレスの板材を良好な加工品質で突合せ溶接することができるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、波長が１μｍ帯であるレーザ光を用い、ステンレスの板材の板厚を、０．８ｍｍ〜２．０ｍｍとし、一対の前記板材の端部をギャップなしで突き合わせて、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットのうち、前記ビームスポットの中心から前記ビームスポットの全熱エネルギのうちの３％の熱エネルギに相当する第１の面積におけるパワー密度をピークパワー密度とし、前記板材が、前記第１の面積における前記ピークパワー密度で融解するのに要する融解時間を、前記第１の面積のビームスポットが１つの径分だけ移動するのに要する移動時間で除した値に、板厚１．０ｍｍを基準としたときの板厚比を乗じたものを第１の指標とし、前記ビームスポットの中心から前記ビームスポットの全熱エネルギのうちの８６％の熱エネルギに相当する第２の面積におけるパワー密度を平均パワー密度とし、前記板材が、前記第２の面積における前記平均パワー密度で融解するのに要する融解時間を、前記第２の面積のビームスポットが１つの径分だけ移動するのに要する移動時間で除した値に、前記平均パワー密度を前記ピークパワー密度で除した前記ピークパワー密度と前記平均パワー密度との比と、前記板厚比を乗じたものを第２の指標とし、前記平均パワー密度を前記ピークパワー密度で除した前記ピークパワー密度と前記平均パワー密度との比を５０％以上、前記第１の指標を０．８２％以下、前記第２の指標を０．２５％以下とする条件で、前記一対の板材を突合せ溶接するレーザ溶接方法を提供する。

【0012】

上記のレーザ溶接方法において、前記レーザ光のビームプロファイルは、トップハット型であることが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

本発明のレーザ溶接方法によれば、波長が１μｍ帯であるレーザ光を用いてステンレスの板材を突合せ溶接することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す斜視図である。

【図2】図１中のレーザ発振器１１をファイバレーザ発振器１１Ｆで構成した場合の概略的な構成を示す図である。

【図3】図１中のレーザ発振器１１をダイレクトダイオードレーザ発振器１１Ｄで構成した場合の概略的な構成を示す図である。

【図4】一対の板材をギャップなしで突き合わせた場合と、所定間隔のギャップを有して突き合わせた場合の、レーザ光が照射される状態を示す概念図である。

【図5】一対の板材をギャップなしで突き合わせた場合と、所定間隔のギャップを有して突き合わせた場合の、一対の板材に照射されるビームスポットを示す概念図である。

【図6】一対の板材を０．４ｍｍのギャップを有して突き合わせた場合の、一対の板材に照射されるビームスポットの状態を詳細に説明するための概念図である。

【図7】一対の板材をギャップを有して突き合わせた場合のピークパワー密度の定義を説明するための図である。

【図8】一対の板材をギャップなしで突き合わせた場合に、ビームスポットの中心側８６％のビームスポットが１つの径分だけ移動する状態を示す概念図である。

【図9】一対の板材をギャップを有して突き合わせた場合に、ビームスポットの中心側８６％のビームスポットが１つの径分だけ移動する状態を示す概念図である。

【図10】トップハット型のビームプロファイルを有するレーザ光を用いて一対の板材を突合せ溶接したときの加工品質の判定結果を示す図である。

【図11】ガウシアンビーム型のビームプロファイルを有するレーザ光を用いて一対の板材を突合せ溶接したときの加工品質の判定結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、一実施形態のレーザ溶接方法について、添付図面を参照して説明する。本実施形態においては、波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器として、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いた場合を説明する。ファイバレーザ発振器が射出するレーザ光の波長は一般的に１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍ、ＤＤＬ発振器が射出するレーザ光の波長は一般的に９１０ｎｍ〜９５０ｎｍである。これらの波長を１μｍ帯と称する。

【0016】

図１において、レーザ加工機１００は、レーザ光を生成して射出するレーザ発振器１１と、レーザ加工ユニット１５と、レーザ光をレーザ加工ユニット１５へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光によって、板材Ｗ１及びＷ２を突合せ溶接する。板材Ｗ１及びＷ２は、ギャップなしで突き合わされているか、所定間隔のギャップを有して突き合わされていればよい。

【0017】

レーザ発振器１１は、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器である。但し、波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器であれば、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器以外であってもよい。プロセスファイバ１２は、レーザ加工ユニット１５に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示せず）に沿って装着されている。

【0018】

レーザ加工ユニット１５は、板材Ｗ１及びＷ２を載せる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在である門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在であるＹ軸キャリッジ２３とを有する。また、レーザ加工ユニット１５は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット２９を有する。

【0019】

コリメータユニット２９は、プロセスファイバ１２の出力端から射出されたレーザ光を平行光化して略平行光束とするコリメートレンズ２８と、略平行光束に変換されたレーザ光をＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー２５とを有する。また、コリメータユニット２９は、ベンドミラー２５で反射したレーザ光を集光させる集光レンズ２７と、加工ヘッド２６とを有する。

【0020】

コリメートレンズ２８、ベンドミラー２５、集光レンズ２７、加工ヘッド２６は、予め光軸が調整された状態でコリメータユニット２９内に固定されている。焦点位置を補正するために、コリメートレンズ２８がＸ軸方向に移動するように構成されていてもよい。

【0021】

コリメータユニット２９は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、レーザ加工ユニット１５は、加工ヘッド２６から射出されるレーザ光を板材Ｗ１に照射する位置を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。

【0022】

以上の構成によって、レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光をプロセスファイバ１２によってレーザ加工ユニット１５へと伝送させ、それぞれの端部を突き合わせた板材Ｗ１及びＷ２の境界にレーザ光を照射して板材Ｗ１及びＷ２を突合せ溶接することができる。

【0023】

なお、板材Ｗ１及びＷ２を突合せ溶接するとき、板材Ｗ１及びＷ２にはシールドガスが噴射される。突き合わせ溶接におけるシールドガスの主な役割は、一般的に金属が融解しビード状に固まる過程での金属の酸化を防ぐことであり、加えて、蒸発した金属（金属蒸気）を吹き飛ばすことである。シールドガスの主成分は窒素やアルゴンガスなどである。シールドガスの噴出方法には、メインとサブに分けて複数の場所から噴出させる方法がある。なお、図１では、シールドガスを噴射する構成については図示を省略している。

【0024】

図１に示すレーザ加工機１００の代わりに、ロボット型のレーザ加工機としてもよい。

【0025】

図２は、レーザ発振器１１をファイバレーザ発振器１１Ｆで構成した場合の概略的な構成を示している。図２において、複数のレーザダイオード１１０はそれぞれ波長λのレーザ光を射出する。励起コンバイナ１１１は、複数のレーザダイオード１１０より射出されたレーザ光を空間ビーム結合させる。

【0026】

励起コンバイナ１１１より射出されたレーザ光は、２つのファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１１２，１１４間のＹｂドープファイバ１１３に入射される。Ｙｂドープファイバ１１３とは、コアに希土類のＹｂ（イッテルビウム）元素が添加されたファイバである。

【0027】

Ｙｂドープファイバ１１３に入射されたレーザ光は、ＦＢＧ１１２，１１４間で往復を繰り返し、ＦＢＧ１１４からは、波長λとは異なる概ね１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍの波長λ’のレーザ光が射出される。ＦＢＧ１１４から射出されたレーザ光は、フィーディングファイバ１１５及びビームカップラ１１６を介してプロセスファイバ１２に入射される。ビームカップラ１１６は、レンズ１１６１，１１６２を有する。

【0028】

なお、プロセスファイバ１２は１本の光ファイバで構成されており、板材Ｗ１及びＷ２に照射されるまで、プロセスファイバ１２で伝送されるレーザ光が他のレーザ光と合成されることはない。

【0029】

図３は、レーザ発振器１１をＤＤＬ発振器１１Ｄで構成した場合の概略的な構成を示している。図３において、複数のレーザダイオード１１７はそれぞれ互いに異なる波長λ１〜λｎのレーザ光を射出する。波長λ１〜λｎは、上記のように９１０ｎｍ〜９５０ｎｍである。

【0030】

オプティカルボックス１１８は、複数のレーザダイオード１１７より射出された波長λ１〜λｎのレーザ光を空間ビーム結合させる。オプティカルボックス１１８は、コリメートレンズ1181と、グレーティング1182と、集光レンズ1183とを有する。

【0031】

コリメートレンズ1181は、波長λ１〜λｎのレーザ光を平行光化する。グレーティング1182は、平行光化されたレーザ光の方向を９０度曲げ、集光レンズ1183に入射させる。集光レンズ1183は、入射されたレーザ光を集光してプロセスファイバ１２に入射される。

【0032】

なお、プロセスファイバ１２は１本の光ファイバで構成されており、板材Ｗ１及びＷ２に照射されるまで、プロセスファイバ１２で伝送されるレーザ光が他のレーザ光と合成されることはない。

【0033】

次に、波長が１μｍ帯であるレーザ光を用いて、板材Ｗ１及びＷ２を良好な加工品質で突合せ溶接するためにはどのようにすればよいかを考察する。

【0034】

図４（ａ）は、ギャップなしで突き合わせた板材Ｗ１及びＷ２を側面から見て、レーザ光が照射される状態を概念的に示している。レーザ光は板材Ｗ１及びＷ２の表面に照射されて入熱される。図４（ｂ）は、所定間隔のギャップを有して突き合わせた板材Ｗ１及びＷ２を側面から見て、レーザ光が照射される状態を概念的に示している。レーザ光は板材Ｗ１及びＷ２の表面及び側面に照射されて入熱される。

【0035】

従って、図４（ａ）に示すギャップなし突合せ溶接と、図４（ｂ）に示すギャップあり突合せ溶接とで、加工品質よく溶接するための条件は異なる。本実施形態においては、ステンレスの板材としてSUS304を用い、板厚０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍの板材をギャップなし突合せ溶接及びギャップあり突合せ溶接して、加工品質が良好であるか不良であるかを検証した。

【0036】

突合せ溶接の加工品質が良好とするには、板材Ｗ１及びＷ２の裏面に裏波ビードが形成されることが必要である。板材Ｗ１及びＷ２に穴が形成されず、表面から裏面まで金属が溶融して裏面に裏波ビードが形成される状態を加工品質が良好であるとする。

【0037】

板材Ｗ１及びＷ２が溶接されるには、ステンレスの溶融池ができること、及び、キーホールができることが必要である。溶融池の形成には、主にビームスポットの平均パワー密度が寄与する。キーホールの形成には、主にビームスポットのピークパワー密度が寄与する。

【0038】

図５（ａ）は、ギャップなし突合せ溶接において、板材Ｗ１及びＷ２の突合せ箇所にビームスポットＢｓが位置している状態を示している。ビームスポットＢｓの面積のうち、実際に材料の溶融に寄与するのは、ビームスポットＢｓの中心から全熱エネルギのうちのほぼ８６％の熱エネルギに相当する面積である。８６％の部分のビームスポットＢｓをビームスポットＢｓ８６と称することとする。ビームスポットＢｓの平均パワー密度とは、ビームスポットＢｓ８６の平均パワー密度である。

【0039】

ビームスポットＢｓのうちのピークとなっている部分は、ビームスポットＢｓの面積のうち、ビームスポットＢｓの中心から全熱エネルギのうちのほぼ３％の熱エネルギに相当する面積である。ピークとなっている部分をピークＢｓ０３と称することとする。ピークパワー密度とは、ピークＢｓ０３の平均パワー密度である。

【0040】

図５（ｂ）は、ギャップあり突合せ溶接において、板材Ｗ１及びＷ２の突合せ箇所にビームスポットＢｓが位置している状態を示している。ギャップあり突合せ溶接においては、ピークＢｓ０３はギャップ内に位置しており、板材Ｗ１及びＷ２の溶融にさほど寄与しない。そこで、ギャップあり突合せ溶接においては、ピークＢｓ０３とは異なる部分の密度をピークパワー密度とみなす必要がある。

【0041】

図６は、ギャップの間隔が０．４ｍｍのとき、板材Ｗ１及びＷ２の突合せ箇所にビームスポットＢｓが位置している状態を示している。ギャップの間隔が０．４ｍｍのとき、ビームスポットＢｓの面積のうち、ビームスポットＢｓの中心から全熱エネルギのうちのほぼ４５％の熱エネルギに相当する面積の円が板材Ｗ１及びＷ２に当接している。４５％の部分のビームスポットＢｓをビームスポットＢｓ４５と称することとする。

【0042】

ビームスポットＢｓ４５の外周のうち、２％が板材Ｗ１の端部を溶融するのに寄与し、２％が板材Ｗ２の端部を溶融するのに寄与するとみなす。ビームスポットＢｓ４５の外周の２％の部分を円弧C4502とする。板材Ｗ１及びＷ２の板厚をｔｈとすると、図７に示すように、２×C4502×ｔｈの面積が、板材Ｗ１及びＷ２を溶融するのに寄与する。２×C4502×ｔｈの面積によって入熱されるパワーの密度を、ギャップあり突合せ溶接におけるピークパワー密度とみなすことができる。

【0043】

図示を省略するが、ギャップの間隔が０．１ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍのとき、それぞれ、ビームスポットＢｓの中心からほぼ３％，１１％，２５％の熱エネルギに相当する面積の円が板材Ｗ１及びＷ２に当接する。よって、ギャップが０．１ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍのとき、それぞれ、３％，１１％，２５％の熱エネルギに相当する面積の円の外周の２×２％×ｔｈの面積が、板材Ｗ１及びＷ２を溶融するのに寄与する。

【0044】

ギャップの間隔が０．１ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍのときも同様に、それぞれ、３％，１１％，２５％の熱エネルギに相当する面積の円の外周の２×２％×ｔｈの面積によって入熱されるパワーの密度がピークパワー密度となる。

【0045】

図６において、板材Ｗ１及びＷ２を溶融するのに寄与するビームスポットＢｓの平均パワー密度は、本来であれば、ビームスポットＢｓ８６のうち、板材Ｗ１及びＷ２の表面に照射されている部分であるハッチングを付した部分の平均パワー密度である。ハッチングを付した部分の平均パワー密度を算出するのは計算が煩雑となる。そこで、ギャップが０．４ｍｍのときを例とすれば、ビームスポットＢｓ８６からビームスポットＢｓ４５を除いた部分の平均パワー密度を、ギャップあり突合せ溶接におけるビームスポットＢｓの平均パワー密度とする。

【0046】

勿論、ビームスポットＢｓ８６のうちのハッチングを付した部分の平均パワー密度を求めてもよい。ビームスポットＢｓ８６からビームスポットＢｓ４５を除いた部分の平均パワー密度と、ハッチングを付した部分の平均パワー密度とは大差はないため、ビームスポットＢｓ８６からビームスポットＢｓ４５を除いた部分の平均パワー密度を、ハッチングを付した部分の平均パワー密度とみなすことができる。

【0047】

図８は、ギャップなし突合せ溶接において、ビームスポットＢｓ８６がビームスポットＢｓ８６の１つの径分だけ移動する状態を示している。ビームスポットＢｓ８６が１つの径分だけ移動するとき、ステンレスが溶融する準備となる加熱があり、ピークＢｓ０３が到達する直前で表面側に溶融池ができ、ピークＢｓ０３が到達するとキーホールができる。

【0048】

ピークＢｓ０３が通り過ぎると裏面側に溶融池ができ、ビームスポットＢｓ８６が通過すると裏波ビードとなって溶融したステンレスが固まる。

【0049】

図９は、ギャップあり突合せ溶接において、ビームスポットＢｓ８６がビームスポットＢｓ８６の１つの径分だけ移動する状態を示している。ここでも、ギャップが０．４ｍｍである場合を例とする。図９においては、図７で説明した２×C4502×ｔｈの面積の部分が到達する直前で表面側に溶融池ができ、その部分が到達するとキーホールができる。その部分が通り過ぎると裏面側に溶融池ができ、ビームスポットＢｓ８６が通過すると裏波ビードとなって溶融したステンレスが固まる。

【0050】

ここで、ステンレス（SUS304）の融解温度は１４００〜１４５０℃である。SUS304はAISI規格の304またはUNS規格の30400に相当し、いわゆる18-8ステンレスとも称する。SUS304は、含有する化学成分が炭素(C)、ケイ素（Si）、マンガン（Mn）、ニッケル（Ni）、クロム（Cr）であって、Niが8重量%以上でCrが18重量%以上であるステンレス鋼である。ステンレスの種類が異なれば含有する化学成分が異なり、その性質も変化するが、同時に融解温度域も変化する。ステンレスが融解するのに要する時間ｔは次の式（１）で表される。

【0051】

【数1】

【0052】

式（１）において、ｃは比熱（Ｊ／ｋｇ・℃）、ρは密度（ｋｇ／ｍ^３）、λは熱伝導度（Ｗ／ｍ・℃）、Ａは吸収率（％）、Ｐｄはパワー密度（Ｗ／ｍ^２）、Ｔは融解温度（℃）、Ｔ０は入熱前の温度（℃）である。これらにおいて、摂氏℃の代わりにケルビンＫであってもよい。なお、ステンレス鋼へのレーザ光による入熱は材料の表層面から伝導されるものとする。

【0053】

ステンレスは、入熱しすぎると放熱に時間がかかりすぎて穴があいてしまう。入熱が足りなければ溶融池やキーホールは形成されない。そこで、ビームスポットＢｓ８６が図８のように移動するとき、ピークＢｓ０３が１つの径分だけ移動するのに要する移動時間あたりの、ピークＢｓ０３におけるパワー密度（ピークパワー密度）での融解時間は、加工品質が良好な突合せ溶接を実現する上で重要な要素となる。

【0054】

同様に、ビームスポットＢｓ８６が図９のように移動するとき、ビームスポットＢｓ８６が１つの径分だけ移動するのに要する移動時間あたりの、２×C4502×ｔｈの面積の部分におけるパワー密度（ピークパワー密度）での融解時間は、加工品質が良好な突合せ溶接を実現する上で重要な要素となる。

【0055】

図８及び図９において、（ピークパワー密度での融解時間）／（ピークＢｓ０３が１つの径分だけ移動するのに要する移動時間）を式（２）とする。（平均パワー密度での融解時間）／（ビームスポットＢｓ８６が１つの径分だけ移動するのに要する移動時間）を式（３）とする。式（２）におけるピークパワー密度と、式（３）における平均パワー密度の定義は前述のとおりである。

【0056】

まず、ＤＤＬ発振器１１Ｄを用いる場合について説明する。ＤＤＬ発振器１１Ｄが射出するレーザ光のビームプロファイルはトップハット型である。

【0057】

ギャップなし突合せ溶接においては、式（２）に板厚比を乗じたものを指標１とする。板厚比とは、板厚１．０ｍｍを基準とし、板厚０．８ｍｍであれば板厚比は０．８、板厚１．５あれば板厚比は１．５である。また、式（３）に、ピークパワー密度（ピークＰｄ）と平均パワー密度（平均Ｐｄ）との比と、板厚比を乗じたものを指標２とする。ピークＰｄと平均Ｐｄとの比とは、平均ＰｄをピークＰｄで除した値である。

【0058】

ギャップあり突合せ溶接において、式（２）に、（２×２％×ｔｈの面積）／（ビームスポットＢｓ８６の面積）の平方根を乗じたものを指標１とする。（２×２％×ｔｈの面積）／（ビームスポットＢｓ８６の面積）の平方根を面積比と称することとする。また、式（３）に、ピークＰｄと平均Ｐｄとの比と、面積比を乗じたものを指標２とする。

【0059】

図１０は、板材Ｗ１及びＷ２の板厚０．８ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍとし、ギャップ０ｍｍ，０．１ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍ，０．４ｍｍのそれぞれにおける次の事項と、加工品質が良好であるのか不良であるのかの判定結果を示している。図１０においては、指標１及び２と、ビームスポットＢｓ８６の径とギャップの間隔との比と、ピークＰｄと平均Ｐｄとの比を示している。

【0060】

本発明者による加工品質が良好であるのか不良であるのかの検証の結果、図１０に示すように、ハッチングを付していない箇所が、加工品質が良好であり、ハッチングを付した箇所が、加工品質が不良であることが判明した。

【0061】

図１０より、ギャップあり突合せ溶接において、ギャップの間隔をビームスポットＢｓ８６の径で除したビームスポットＢｓ８６の径とギャップとの比は、６０％未満であることが必要である。ギャップなし突合せ溶接においては、ビームスポットＢｓ８６の径とギャップとの比は０％であり、６０％未満である。ギャップなし突合せ溶接及びギャップあり突合せ溶接のいずれにおいても、ピークＰｄと平均Ｐｄとの比は、５０％以上であることが必要である。

【0062】

ギャップなし突合せ溶接においては、指標１が０．８２％以下であり、指標２が０．２５％以下であることが必要である。ギャップあり突合せ溶接においては、指標１が０．８２％以下であり、指標２が０．１９％以下であることが必要である。

【0063】

次に、ファイバレーザ発振器１１Ｆを用いる場合について説明する。ファイバレーザ発振器１１Ｆが射出するレーザ光のビームプロファイルはガウシアンビーム型である。図１１は、図１０と同様の検証結果を示している。

【0064】

図１１より、ギャップあり突合せ溶接において、ギャップの間隔をビームスポットＢｓ８６の径で除したビームスポットＢｓ８６の径とギャップとの比は、６０％未満であることが必要である。ギャップなし突合せ溶接においては、ビームスポットＢｓ８６の径とギャップとの比は０％であり、６０％未満である。ギャップなし突合せ溶接及びギャップあり突合せ溶接のいずれにおいても、ピークＰｄと平均Ｐｄとの比は５０％未満であり、正の値であることが必要である。

【0065】

ギャップなし突合せ溶接においては、指標１が０．７０％以下であり、指標２が０．５８％以下であることが必要である。ギャップあり突合せ溶接においては、指標１が０．７０％以下であり、指標２が０．６９％以下（但し、負は不可）であることが必要である。

【0066】

ところで、ファイバレーザ発振器１１Ｆを用いる場合であっても、ビームシェイパを用いることによって、ファイバレーザ発振器１１Ｆが射出するレーザ光のビームプロファイルを、ＤＤＬ発振器１１Ｄが射出するレーザ光と同様のトップハット型とすることができる。

【0067】

この場合には、ファイバレーザ発振器１１Ｆを用いても、図１０に示す条件が、良好な加工品質を実現するための条件となる。

【0068】

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

【符号の説明】

【0069】

１１ レーザ発振器
１１Ｄ ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）
１１Ｆ ファイバレーザ発振器
１００ レーザ加工機
Ｗ１，Ｗ２ 板材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】