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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023112742
(43)【公開日】2023-08-15
(54)【発明の名称】レーザ溶接装置及びこれを用いたレーザ溶接方法
(51)【国際特許分類】
B23K 26/21 20140101AFI20230807BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20230807BHJP
B23K 26/046 20140101ALI20230807BHJP
B23K 26/082 20140101ALI20230807BHJP
【ＦＩ】
B23K26/21 G
B23K26/064 K
B23K26/046
B23K26/082
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022014632
(22)【出願日】2022-02-02
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】松岡 範幸
(72)【発明者】
【氏名】中川 龍幸
(72)【発明者】
【氏名】櫻井 通雄
(72)【発明者】
【氏名】藤原 潤司
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168BA86
4E168BA87
4E168CB04
4E168CB08
4E168DA02
4E168DA03
4E168DA04
4E168DA13
4E168DA32
4E168DA37
4E168DA38
4E168DA39
4E168EA02
4E168EA08
4E168EA15
4E168EA17
4E168EA24
4E168KA04
4E168KB02
(57)【要約】
【課題】溶込み深さを確保しつつ、外観美観性に優れた溶接ビードを形成することができるレーザ溶接装置を提供する。
【解決手段】レーザ溶接装置１０００は、第１及び第２レーザ発振器１００，２００とレーザヘッド５００と、を備えている。レーザ溶接装置１０００は、第１レーザ発振器１００からレーザヘッド５００まで第１レーザ光Ｌ１を伝送する第１光ファイバ３００と、第２レーザ発振器２００からレーザヘッド５００まで第２レーザ光Ｌ２を伝送する第２光ファイバ４００と、を備えている。レーザヘッド５００は、ワーク８００に向かう第１レーザ光Ｌ１の光路を第２レーザ光Ｌ２の光路と異ならせる。第１及び第２レーザ発振器１００，２００は、レーザヘッド５００に入射されるレーザ光のビームプロファイルを変更可能に構成されている。
【選択図】図１
【解決手段】レーザ溶接装置１０００は、第１及び第２レーザ発振器１００，２００とレーザヘッド５００と、を備えている。レーザ溶接装置１０００は、第１レーザ発振器１００からレーザヘッド５００まで第１レーザ光Ｌ１を伝送する第１光ファイバ３００と、第２レーザ発振器２００からレーザヘッド５００まで第２レーザ光Ｌ２を伝送する第２光ファイバ４００と、を備えている。レーザヘッド５００は、ワーク８００に向かう第１レーザ光Ｌ１の光路を第２レーザ光Ｌ２の光路と異ならせる。第１及び第２レーザ発振器１００，２００は、レーザヘッド５００に入射されるレーザ光のビームプロファイルを変更可能に構成されている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１レーザ光を出射する第１レーザ発振器と、
第２レーザ光を出射する第２レーザ発振器と、
前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を受け取って、ワークに向けて照射するレーザヘッドと、
前記第１レーザ発振器から前記レーザヘッドまで前記第１レーザ光を伝送する第１光ファイバと、
前記第２レーザ発振器から前記レーザヘッドまで前記第２レーザ光を伝送する第２光ファイバと、を備え、
前記レーザヘッドは、前記ワークに向かう前記第１レーザ光の光路を前記ワークに向かう前記第２レーザ光の光路と異ならせるように構成され、
前記第１レーザ発振器及び前記第２レーザ発振器の少なくとも一方は、前記レーザヘッドに入射されるレーザ光のビームプロファイルを変更可能に構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
第２レーザ光を出射する第２レーザ発振器と、
前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を受け取って、ワークに向けて照射するレーザヘッドと、
前記第１レーザ発振器から前記レーザヘッドまで前記第１レーザ光を伝送する第１光ファイバと、
前記第２レーザ発振器から前記レーザヘッドまで前記第２レーザ光を伝送する第２光ファイバと、を備え、
前記レーザヘッドは、前記ワークに向かう前記第１レーザ光の光路を前記ワークに向かう前記第２レーザ光の光路と異ならせるように構成され、
前記第１レーザ発振器及び前記第２レーザ発振器の少なくとも一方は、前記レーザヘッドに入射されるレーザ光のビームプロファイルを変更可能に構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項2】
請求項１に記載のレーザ溶接装置において、
前記レーザヘッドは、
前記第１レーザ光を平行化する第１コリメートレンズと、
前記第２レーザ光を平行化する第２コリメートレンズと、
前記第１コリメートレンズ及び前記第２コリメートレンズを通過した前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を重ね合わせる第１光学部材と、
前記第１光学部材で重ね合わされた前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を前記ワークに向けて集光させる第２光学部材と、を少なくとも有していることを特徴とするレーザ溶接装置。
前記レーザヘッドは、
前記第１レーザ光を平行化する第１コリメートレンズと、
前記第２レーザ光を平行化する第２コリメートレンズと、
前記第１コリメートレンズ及び前記第２コリメートレンズを通過した前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を重ね合わせる第１光学部材と、
前記第１光学部材で重ね合わされた前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を前記ワークに向けて集光させる第２光学部材と、を少なくとも有していることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項3】
請求項２に記載のレーザ溶接装置において、
前記レーザヘッドは、
前記第１光学部材に対する前記第１レーザ光の入射位置を調整する第１調整機構と、
前記第１光学部材に対する前記第２レーザ光の入射位置を調整する第２調整機構と、をさらに有していることを特徴とするレーザ溶接装置。
前記レーザヘッドは、
前記第１光学部材に対する前記第１レーザ光の入射位置を調整する第１調整機構と、
前記第１光学部材に対する前記第２レーザ光の入射位置を調整する第２調整機構と、をさらに有していることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項4】
請求項３に記載のレーザ溶接装置において、
前記第１調整機構及び前記第２調整機構の少なくとも一方を駆動することで、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の集光点を、所定の溶接線に沿って、前記第２レーザ光の集光点の前方または後方に移動させるように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
前記第１調整機構及び前記第２調整機構の少なくとも一方を駆動することで、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の集光点を、所定の溶接線に沿って、前記第２レーザ光の集光点の前方または後方に移動させるように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項5】
請求項３に記載のレーザ溶接装置において、
前記第１調整機構を駆動することで、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の集光点を、所定の溶接線に沿って、前記第２レーザ光の集光点を跨いで前方及び後方に周期的に移動させるように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
前記第１調整機構を駆動することで、前記ワークの表面における前記第１レーザ光の集光点を、所定の溶接線に沿って、前記第２レーザ光の集光点を跨いで前方及び後方に周期的に移動させるように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項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、
前記第１レーザ発振器は、前記第１レーザ光を前記第１光ファイバに入射させる第１光路変更機構を備え、
前記第１光ファイバは、
軸心に設けられた第１コアと、
半径方向で前記第１コアの外側にかつ前記第１コアと同軸に設けられた第３コアと、を少なくとも有し、
前記第１光路変更機構は、前記第１レーザ光の光路を変更することで、前記第１コア及び前記第３コアにそれぞれ入射される前記第１レーザ光の比率を変更するように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
前記第１レーザ発振器は、前記第１レーザ光を前記第１光ファイバに入射させる第１光路変更機構を備え、
前記第１光ファイバは、
軸心に設けられた第１コアと、
半径方向で前記第１コアの外側にかつ前記第１コアと同軸に設けられた第３コアと、を少なくとも有し、
前記第１光路変更機構は、前記第１レーザ光の光路を変更することで、前記第１コア及び前記第３コアにそれぞれ入射される前記第１レーザ光の比率を変更するように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項7】
請求項６に記載のレーザ溶接装置において、
前記第１光ファイバは、半径方向で前記第１コアと前記第３コアとの間にかつ前記第１コア及び前記第３コアと同軸に設けられた第２コアをさらに有し、
前記第１光路変更機構は、前記第１レーザ光の光路を変更することで、前記第１～前記第３コアにそれぞれ入射される前記第１レーザ光の比率を変更するように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
前記第１光ファイバは、半径方向で前記第１コアと前記第３コアとの間にかつ前記第１コア及び前記第３コアと同軸に設けられた第２コアをさらに有し、
前記第１光路変更機構は、前記第１レーザ光の光路を変更することで、前記第１～前記第３コアにそれぞれ入射される前記第１レーザ光の比率を変更するように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項8】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
前記第２レーザ発振器は、前記第２レーザ光を前記第２光ファイバに入射させる第２光路変更機構を備え、
前記第２光ファイバは、
軸心に設けられた第１コアと、
半径方向で前記第１コアの外側にかつ前記第１コアと同軸に設けられた第３コアと、を少なくとも有し、
前記第２光路変更機構は、前記第２レーザ光の光路を変更することで、前記第１コア及び前記第３コアにそれぞれ入射される前記第２レーザ光の比率を変更するように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
前記第２レーザ発振器は、前記第２レーザ光を前記第２光ファイバに入射させる第２光路変更機構を備え、
前記第２光ファイバは、
軸心に設けられた第１コアと、
半径方向で前記第１コアの外側にかつ前記第１コアと同軸に設けられた第３コアと、を少なくとも有し、
前記第２光路変更機構は、前記第２レーザ光の光路を変更することで、前記第１コア及び前記第３コアにそれぞれ入射される前記第２レーザ光の比率を変更するように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項9】
請求項８に記載のレーザ溶接装置において、
前記第２光ファイバは、半径方向で前記第１コアと前記第３コアとの間にかつ前記第１コア及び前記第３コアと同軸に設けられた第２コアをさらに有し、
前記第２光路変更機構は、前記第２レーザ光の光路を変更することで、前記第１～前記第３コアにそれぞれ入射される前記第２レーザ光の比率を変更するように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
前記第２光ファイバは、半径方向で前記第１コアと前記第３コアとの間にかつ前記第１コア及び前記第３コアと同軸に設けられた第２コアをさらに有し、
前記第２光路変更機構は、前記第２レーザ光の光路を変更することで、前記第１～前記第３コアにそれぞれ入射される前記第２レーザ光の比率を変更するように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項10】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
前記第１レーザ光の波長は、前記第２レーザ光の波長よりも短いことを特徴とするレーザ溶接装置。
前記第１レーザ光の波長は、前記第２レーザ光の波長よりも短いことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項11】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
前記第１レーザ光の波長は、前記第２レーザ光の波長と同じであることを特徴とするレーザ溶接装置。
前記第１レーザ光の波長は、前記第２レーザ光の波長と同じであることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項12】
請求項１ないし１１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、
前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光のうちの一方を前記ワークの所定の溶接線に沿って照射する第１ステップと、
前記第１ステップに続けて、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光のうちの他方を前記溶接線に沿って照射する第２ステップと、を少なくとも備え、
前記第１ステップと前記第２ステップとで、前記溶接線に照射されるレーザ光のパワー密度を異ならせることを特徴とするレーザ溶接方法。
前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光のうちの一方を前記ワークの所定の溶接線に沿って照射する第１ステップと、
前記第１ステップに続けて、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光のうちの他方を前記溶接線に沿って照射する第２ステップと、を少なくとも備え、
前記第１ステップと前記第２ステップとで、前記溶接線に照射されるレーザ光のパワー密度を異ならせることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項13】
請求項１２に記載のレーザ溶接方法において、
前記第１ステップでは、前記ワークに溶接ビードを形成し、
前記第２ステップでは、前記溶接ビードの形状を整形するか、または前記溶接ビードの幅及び溶込み深さを広げることを特徴とするレーザ溶接方法。
前記第１ステップでは、前記ワークに溶接ビードを形成し、
前記第２ステップでは、前記溶接ビードの形状を整形するか、または前記溶接ビードの幅及び溶込み深さを広げることを特徴とするレーザ溶接方法。
【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これを用いたレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、１本のレーザ光を２本のレーザ光に分岐するとともに、それぞれのレーザ光を互いに異なる光ファイバを用いて、レーザヘッドに導くレーザ加工装置が開示されている。このレーザ加工装置では、レーザヘッドの内部に、２本のレーザ光を同軸の光路に導いて重畳させるとともに、同軸の光路に重畳した２本のレーザ光をワーク（被溶接物）上に集光する。
【0003】
また、特許文献２には、長波長と短波長の２本のレーザを同軸の光路に導いて重畳させる光学系と、同軸の光路に重畳した２本のレーザ光をワーク上に集光する集光レンズとを備えたレーザ加工光学装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２０－０４４５４３号公報
【特許文献2】特開２００５－３２４２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、ワークに形成される溶接ビードは、幅や溶込み深さの安定性だけでなく、外観美観性も要求される。例えば、溶接ビードの表面は滑らかで光沢を有することが求められることが多い。
【0006】
しかし、特許文献１，２には、溶込み深さの確保と外観美観性とを両立させる溶接方法に関して何ら開示されていない。
【0007】
本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、溶込み深さを確保しつつ、外観美観性に優れた溶接ビードを形成可能なレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するため、本開示に係るレーザ溶接装置は、第１レーザ光を出射する第１レーザ発振器と、第２レーザ光を出射する第２レーザ発振器と、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光を受け取って、ワークに向けて照射するレーザヘッドと、前記第１レーザ発振器から前記レーザヘッドまで前記第１レーザ光を伝送する第１光ファイバと、前記第２レーザ発振器から前記レーザヘッドまで前記第２レーザ光を伝送する第２光ファイバと、を備え、前記レーザヘッドは、前記ワークに向かう前記第１レーザ光の光路を前記ワークに向かう前記第２レーザ光の光路と異ならせるように構成され、前記第１レーザ発振器及び前記第２レーザ発振器の少なくとも一方は、前記レーザヘッドに入射されるレーザ光のビームプロファイルを変更可能に構成されていることを特徴とする。
【0009】
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、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光のうちの一方を前記ワークの所定の溶接線に沿って照射する第１ステップと、前記第１ステップに続けて、前記第１レーザ光及び前記第２レーザ光のうちの他方を前記溶接線に沿って照射する第２ステップと、を少なくとも備え、前記第１ステップと前記第２ステップとで、前記溶接線に照射されるレーザ光のパワー密度を異ならせることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本開示によれば、溶込み深さを確保しつつ、外観美観性に優れた溶接ビードを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】実施形態１に係るレーザ溶接装置の概略構成図である。
【図2】レーザ発振器の概略構成図である。
【図4】レーザ光のビーム径の定義を説明する模式図である。
【図5】溶接線に沿ったレーザ光の照射面積を説明する模式図である。
【図6】第２光ファイバから出射される第２レーザ光のビームプロファイルの一例を示す図である。
【図7】光の波長と反射率との関係を示すグラフ図である。
【図8】レーザ溶接中のレーザ光のビームプロファイルとパワー密度とピエゾアクチュエータの制御電圧とを示す模式図である。
【図9】レーザ溶接方法を説明する模式図である。
【図10】レーザ溶接方法を説明する模式図である。
【図11】レーザ溶接時の溶接ビードの形状変化を示す断面模式図である。
【図12】実施形態２に係るレーザ溶接中のレーザ光のビームプロファイルとパワー密度とピエゾアクチュエータの制御電圧とを示す模式図である。
【図13】レーザ溶接方法を説明する模式図である。
【図14】実施形態３に係るレーザ溶接中のレーザ光のビームプロファイルとパワー密度とピエゾアクチュエータの制御電圧とを示す模式図である。
【図15】レーザ溶接方法を説明する模式図である。
【図16】実施形態４に係るレーザ溶接中のレーザ光のビームプロファイルとパワー密度とピエゾアクチュエータの制御電圧とを示す模式図である。
【図17】レーザ溶接方法を説明する模式図である。
【図18】実施形態５に係るレーザ溶接中のレーザ光のビームプロファイルとパワー密度とピエゾアクチュエータの制御電圧とを示す模式図である。
【図19】実施例に係るエネルギー密度と溶込み深さとの関係を示す図である。
【図20】エネルギー密度と算術平均表面粗さとの関係を示す図である。
【図21】溶込み深さと算術平均表面粗さとの関係を示す図である。
【図22】ワークの材質毎の第１ステップ及び第２ステップにおける好ましいパラメータを示す図である。
【図23】変形例２に係るレーザ溶接方法を説明する模式図である。
【図24】別のレーザ溶接方法を説明する模式図である。
【図25】実施形態７に係るレーザ溶接方法を説明する模式図である。
【図26A】第１ステップにおける第１レーザ光のビームプロファイルの変化を示す模式図である。
【図26B】第２ステップにおける第２レーザ光のビームプロファイルを示す模式図である。
【図27】別の第１光ファイバの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、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ない。
【0013】
（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概略構成図を示し、レーザ溶接装置１０００は、第１レーザ発振器１００と、第２レーザ発振器２００と、第１光ファイバ３００と、第２光ファイバ４００と、レーザヘッド５００と、ロボット６００と、制御部７００とを備える。なお、以降の説明において、レーザヘッド５００からワーク８００に照射されるレーザ光の進行方向をＺ方向と呼ことがある。また、図１において、第１レーザ発振器１００及び第２レーザ発振器２００からレーザヘッド５００に向かう方向をＸ方向と呼び、Ｘ方向及びＺ方向とそれぞれ交差する方向をＹ方向と呼ぶことがある。
［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概略構成図を示し、レーザ溶接装置１０００は、第１レーザ発振器１００と、第２レーザ発振器２００と、第１光ファイバ３００と、第２光ファイバ４００と、レーザヘッド５００と、ロボット６００と、制御部７００とを備える。なお、以降の説明において、レーザヘッド５００からワーク８００に照射されるレーザ光の進行方向をＺ方向と呼ことがある。また、図１において、第１レーザ発振器１００及び第２レーザ発振器２００からレーザヘッド５００に向かう方向をＸ方向と呼び、Ｘ方向及びＺ方向とそれぞれ交差する方向をＹ方向と呼ぶことがある。
【0014】
第１レーザ発振器１００は、制御部７００からの指令に基づいて、第１レーザ光Ｌ１を出力する。第１レーザ光Ｌ１は、短波長のレーザ光である。第１レーザ光Ｌ１は、波長が６００ｎｍ以下（例えば、２６６ｎｍ～６００ｎｍ）の青色レーザ光である。
【0015】
第１レーザ発振器１００とレーザヘッド５００とは、第１光ファイバ３００で接続される。第１レーザ光Ｌ１は、第１光ファイバ３００を介して、第１レーザ発振器１００からレーザヘッド５００に伝送される。
【0016】
第２レーザ発振器２００は、制御部７００からの指令に基づいて、第２レーザ光Ｌ２を出力する。第２レーザ光Ｌ２は、第１レーザ光Ｌ１よりも波長の長い長波長のレーザ光である。第２レーザ光Ｌ２は、波長が８００ｎｍ以上（例えば、８００ｎｍ～１０８００ｎｍ程度）の赤外レーザ光である。
【0017】
第２レーザ発振器２００とレーザヘッド５００とは、第２光ファイバ４００で接続される。第２レーザ光Ｌ２は、第２光ファイバ４００を介して、第２レーザ発振器２００からレーザヘッド５００に伝送される。
【0018】
レーザヘッド５００は、第１光ファイバ３００及び第２光ファイバ４００から入射される第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を、ワーク８００に向けて照射する。なお、第１光ファイバ３００及び第２光ファイバ４００の構造については後で詳述する。
【0019】
レーザヘッド５００は、第１コリメートレンズ５１０と、第２コリメートレンズ５２０と、第１ミラー５３０と、第１調整機構５４０と、第２調整機構５５０と、ダイクロイックミラー５６０（第１光学部材５６０）と、ｆθレンズ５７０（第２光学部材５７０）とを有する。
【0020】
第１コリメートレンズ５１０は、第１光ファイバ３００の出射端から出射された第１レーザ光Ｌ１を平行光線に変換する。言い換えると、第１レーザ光Ｌ１を平行化する。第２コリメートレンズ５２０は、第２光ファイバ４００の出射端から出射された第２レーザ光Ｌ２を平行光線に変換する。言い換えると、第２レーザ光Ｌ２を平行化する。第１ミラー５３０は、第１コリメートレンズ５１０で平行化された第１レーザ光Ｌ１を反射して、第１調整機構５４０に導光する。
【0021】
第１調整機構５４０は、２軸ＭＥＭＳミラーで構成される。第１調整機構５４０は、第１ミラー５３０で反射された第１レーザ光Ｌ１をさらに反射して、ダイクロイックミラー５６０に導光する。第１調整機構５４０は、ミラーの角度を変更することで、ダイクロイックミラー５６０に対する第１レーザ光Ｌ１の入射位置を変更する。なお、第１調整機構５４０は、２軸のガルバノメータを用いた構成としてもよい。
【0022】
第２調整機構５５０は、２軸ＭＥＭＳミラーで構成される。第２調整機構５５０は、第２コリメートレンズ５２０で平行化された第２レーザ光Ｌ２を反射して、ダイクロイックミラー５６０に導光する。第２調整機構５５０は、ミラーの角度を変更することで、ダイクロイックミラー５６０に対する第２レーザ光Ｌ２の入射位置を変更する。なお、第２調整機構５５０は、２軸のガルバノメータを用いた構成としてもよい。
【0023】
ダイクロイックミラー５６０は、第２レーザ光Ｌ２を透過するとともに、第１レーザ光Ｌ１を反射する。ダイクロイックミラー５６０は、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を重ね合わせて、ｆθレンズ５７０に導光する。
【0024】
ｆθレンズ５７０は、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の入射位置において、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２をそれぞれ集光する。ｆθレンズ５７０で集光された第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２は、ワーク８００に向けて照射される。
【0025】
ここで、ｆθレンズ５７０に対する第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の入射位置は、第１調整機構５４０及び第２調整機構５５０の角度をそれぞれ変更することで移動する。これにより、第１調整機構５４０及び第２調整機構５５０によって、ワーク８００に対する第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の照射位置が変更可能となる。なお、レーザヘッド５００のレーザ出射口は、図示しない保護ガラスで覆われている。
【0026】
ロボット６００は、ロボットアーム６１０を有する。ロボットアーム６１０の先端部には、レーザヘッド５００が取り付けられる。ロボットアーム６１０は、複数の関節部６２０を有する。
【0027】
ロボット６００は、制御部７００からの指令に基づいて、レーザヘッド５００を所定の溶接方向ＷＤ（図９参照）に沿って移動させ、ワーク８００に対するレーザヘッド５００の位置を変更する。これにより、ワーク８００に対する第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の位置を移動させ、レーザ溶接を行う。
【0028】
制御部７００は、第１レーザ発振器１００、第２レーザ発振器２００、レーザヘッド５００、及びロボット６００に接続される。制御部７００は、第１レーザ発振器１００、第２レーザ発振器２００、レーザヘッド５００及びロボット６００の動作を制御する。制御部７００は、レーザヘッド５００の移動速度の他に、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の出力開始や停止、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の出力強度などを制御する機能も備える。
【0029】
なお、後で述べるように、第１レーザ発振器１００及び第２レーザ発振器２００には、それぞれの内部で第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の光路を変更させる第１光路制御部１１７及び第２光路制御部２１７が設けられている。
【0030】
第１光路制御部１１７及び第２光路制御部２１７、さらに制御部７００における前述の機能は、それぞれが有するハードウェア上で、所定の溶接プログラムを実行することで実現される。当該ハードウェアは、主にＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリで構成される。また、第１光路制御部１１７及び第２光路制御部２１７、さらに制御部７００が、図示しない上位コントローラに接続される場合がある。この場合、上位コントローラで実行される溶接プログラムに基づいた実行命令が、第１光路制御部１１７及び第２光路制御部２１７、さらに制御部７００にそれぞれ送信され、所定の処理を実行する。なお、第１光路制御部１１７及び第２光路制御部２１７と制御部７００とが一体化されて一つの制御部になっていてもよい。また、第１レーザ発振器１００及び第２レーザ発振器２００の動作を制御する制御部とレーザヘッド５００及びロボット６００の動作を制御する制御部とが別個に設けられていてもよい。ただし、その場合も、それぞれの制御部が連動してレーザ溶接装置１０００の動作を制御する。
【0031】
第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２の少なくとも一方が、ワーク８００に照射されることで、ワーク８００に溶接ビード８１０が形成される。なお、ワーク８００の構造や材質については、後で述べる。
【0032】
［第１レーザ発振器及び第２レーザ発振器の構成］
図２は、本実施形態に係る第１レーザ発振器の概略構成図を示し、第１レーザ発振器１００は、複数の第１レーザモジュール１０１と第１レーザ光合成器１０２と第１光結合ユニット１１０と第１集光ユニット１２０とを有している。複数の第１レーザモジュール１０１からそれぞれ出射されたレーザ光が第１レーザ光合成器１０２で合成されて１本の第１レーザ光Ｌ１として出射される。
図２は、本実施形態に係る第１レーザ発振器の概略構成図を示し、第１レーザ発振器１００は、複数の第１レーザモジュール１０１と第１レーザ光合成器１０２と第１光結合ユニット１１０と第１集光ユニット１２０とを有している。複数の第１レーザモジュール１０１からそれぞれ出射されたレーザ光が第１レーザ光合成器１０２で合成されて１本の第１レーザ光Ｌ１として出射される。
【0033】
第１光結合ユニット１１０は、筐体１１１の内部に第１折り返しミラー１１２と第１光路変更機構１１３とを有している。第１折り返しミラー１１２は筐体１１１の内部に固定配置されており、第１レーザ光Ｌ１を第１光路変更機構１１３に向けて反射する。
【0034】
第１光路変更機構１１３は、第１スキャンミラー１１４と第１ピエゾステージ１１５と第１ピエゾアクチュエータ１１６とを有している。第１スキャンミラー１１４は、第１折り返しミラー１１２で反射された第１レーザ光Ｌ１を第１集光ユニット１２０の第１集光レンズ１２２に向けて反射する。第１スキャンミラー１１４は第１ピエゾステージ１１５に一体に取り付けられており、第１ピエゾアクチュエータ１１６は第１ピエゾステージ１１５に取り付けられている。第１ピエゾアクチュエータ１１６を駆動することで、第１ピエゾステージ１１５及び第１スキャンミラー１１４は、Ｙ方向と平行な軸回りに傾動し、第１スキャンミラー１１４で反射された第１レーザ光Ｌ１の光軸を所定の範囲で変化させる。なお、第１光路変更機構１１３に対して第１レーザ光Ｌ１が直接入射される場合は、第１折り返しミラー１１２は省略されうる。
【0035】
第１集光ユニット１２０は、筐体１２１の内部に第１集光レンズ１２２と第１シャッタ１２３と第１ビームダンパ１２４とを有している。第１集光レンズ１２２は、第１光路変更機構１１３の第１スキャンミラー１１４で反射された第１レーザ光Ｌ１を集光して第１光ファイバ３００に入射させる。第１シャッタ１２３は、第１レーザ光Ｌ１の光路中と光路外との間を移動可能に構成されており、所定の制御信号に応じて第１レーザ光Ｌ１の光路を開閉する。第１シャッタ１２３が第１レーザ光Ｌ１の光路中に配置される場合、第１シャッタ１２３で反射された第１レーザ光Ｌ１は第１ビームダンパ１２４に入射され、熱に変換される。なお、第１レーザ光Ｌ１の集光位置を第１光ファイバ３００の入射端面に合わせるために、第１集光ユニット１２０には、図示しない第１集光位置調整部が設けられている。
【0036】
また、第１レーザ発振器１００は、第１光路制御部１１７を有している。第１光路制御部１１７は、第１ピエゾアクチュエータ１１６及び第１シャッタ１２３の駆動機構（図示せず）に電気的に接続されており、第１ピエゾアクチュエータ１１６の動作及び第１シャッタ１２３の開閉動作を制御する。第１光路制御部１１７から第１ピエゾアクチュエータ１１６に印加する制御電圧の大きさに応じて、第１光路変更機構１１３の傾動範囲が変化し、後で述べるように、第１レーザ光Ｌ１の第１光ファイバ３００への入射位置Ｐを変化させることができる。なお、第１ピエゾアクチュエータ１１６と第１シャッタ１２３の駆動機構とはそれぞれ別の制御部で制御されてもよい。
【0037】
なお、第２レーザ発振器２００の内部構成及び動作、さらに内部の各構成要素の構成及び動作は、図２に示すのと同様である。したがって、第２レーザ発振器２００の各構成要素の図示と詳細な説明は省略する。なお、図２において、第２レーザ発振器２００の各構成要素の符号を、カッコ付きで第１レーザ発振器１００の各構成要素の符号に併記して示している。例えば、第２レーザ発振器２００において、第２レーザモジュールを示す符号を２０１とし、第２光路変更機構を示す符号を２１３としている。
【0038】
【0039】
第１光ファイバ３００は、第１～第３コア３１０，３３０，３５０と第１～第３クラッド３２０，３４０，３６０と保護皮膜３７０とを有しており、保護皮膜３７０を除いてそれぞれ石英からなる。
【0040】
第１コア３１０は、第１光ファイバ３００の軸心に配置されており、断面視で円形状である。第３コア３５０は、第１光ファイバ３００の半径方向（図３中のＹ方向及びＺ方向）で第１コア３１０の外側にかつ第１コア３１０と同軸に設けられており、断面視でリング状である。第２コア３３０は、第１光ファイバ３００の半径方向で第１コア３１０と第３コア３５０との間にかつ第１コア３１０及び第３コア３５０と同軸に設けられており、断面視でリング状である。
【0041】
第１クラッド３２０は、第１コア３１０の外周面と第２コア３３０の内周面にそれぞれ接して第１コア３１０と同軸に設けられており、断面視でリング状である。第２クラッド３４０は、第２コア３３０の外周面と第３コア３５０の内周面にそれぞれ接して第１コア３１０と同軸に設けられており、断面視でリング状である。第３クラッド３６０は、第３コア３５０の外周面に接して第１コア３１０と同軸に設けられており、断面視でリング状である。
【0042】
第１コア３１０の屈折率は、第１クラッド３２０の屈折率よりも高くなるように設定される。第２コア３３０の屈折率は、第１クラッド３２０及び第２クラッド３４０のそれぞれの屈折率よりも高くなるように設定される。第３コア３５０の屈折率は、第２クラッド３４０及び第３クラッド３６０のそれぞれの屈折率よりも高くなるように設定される。第１～第３クラッド３２０，３４０，３６０の屈折率を低下させるために、例えば、第１～第３クラッド３２０，３４０，３６０のそれぞれに所定量のフッ素がドープされる。なお、第１クラッド３２０及び第２クラッド３４０のそれぞれの屈折率よりも、第３クラッド３６０の屈折率が低くなるようにするのが好ましい。このようにすることで、第３コア３５０から第３クラッド３６０に第１レーザ光Ｌ１が漏れ出すのを抑制できる。
【0043】
保護皮膜３７０は、例えば、合成樹脂からなり、石英からなる第１～第３コア３１０，３３０，３５０及び第１～第３クラッド３２０，３４０，３６０を機械的に保護するとともに、第１光ファイバ３００から第１レーザ光Ｌ１が漏れ出たり、外部から第１光ファイバ３００に光が漏れ込んだりするのを防止する。
【0044】
なお、第２光ファイバ４００の構造及び各部の機能は、図３に示すのと同様である。したがって、第２光ファイバ４００の各構成要素の図示と詳細な説明は省略する。なお、図３において、第２光ファイバ４００の各構成要素の符号を、カッコ付きで第１光ファイバ３００の各構成要素の符号に併記して示している。例えば、第２光ファイバ４００において、第１コアを示す符号を４１０とし、第１クラッドを示す符号を４２０としている。
【0045】
【0046】
なお、本願明細書において、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とを区別せずに呼称する場合、単にレーザ光ＬＢと呼ぶことがある。また、「溶接速度Ｖｗ」とは、ワーク８００の溶接線ＷＬ（例えば、図９～１１参照）に沿ったレーザ光ＬＢの進行速度を意味し、例えば、レーザ光ＬＢを出射中のレーザヘッド５００をロボット６００により溶接線ＷＬに沿って移動させる速度に相当する。
【0047】
また、図４の（ａ）図に示すように、レーザ光ＬＢの「ビーム径φ」とは、第１光ファイバ３００または第２光ファイバ４００から出射されるレーザ光ＬＢが最も絞られる位置であるビームウエストで光路と直交する断面の直径である。また、ビーム径φは、ワーク８００の平坦面にレーザ光ＬＢが照射された場合のレーザ光ＬＢのスポットの直径（以下、単にスポット径と言う）に対応している。また、「パワー密度ＰＤ」とは、レーザ光ＬＢの出力をワーク８００に照射されるレーザ光ＬＢのスポット面積Ｓｐ（図４の（ｂ）図参照）で割った値である。また、レーザ光ＬＢの出力をＬＰとすると、パワー密度ＰＤとレーザ光ＬＢのビーム径φとの関係は、式（１）に示す関係を満たす。
【0048】
ＰＤ＝ＬＰ／Ｓｐ＝ＬＰ／（π×（φ／２）２）＝４×ＬＰ／（π×φ２） ・・・（１）
また、レーザ光ＬＢの「エネルギー密度ＥＤ」とは、レーザ光ＬＢの出力にレーザ光ＬＢの照射時間Ｔを乗じた値をレーザ光ＬＢの照射面積Ｓで割った値である。ここで、照射面積Ｓは、溶接線ＷＬにわたってレーザ光ＬＢが照射されたワーク８００の表面の面積にあたる。また、図５に示す例で言えば、溶接線ＷＬに沿った長さをＬｗとすると、照射面積Ｓは、式（２）で示される。
また、レーザ光ＬＢの「エネルギー密度ＥＤ」とは、レーザ光ＬＢの出力にレーザ光ＬＢの照射時間Ｔを乗じた値をレーザ光ＬＢの照射面積Ｓで割った値である。ここで、照射面積Ｓは、溶接線ＷＬにわたってレーザ光ＬＢが照射されたワーク８００の表面の面積にあたる。また、図５に示す例で言えば、溶接線ＷＬに沿った長さをＬｗとすると、照射面積Ｓは、式（２）で示される。
【0049】
Ｓ＝Ｌｗ×φ＋Ｓｐ ・・・（２）
また、エネルギー密度ＥＤは、式（３）に示す関係を満たす。
また、エネルギー密度ＥＤは、式（３）に示す関係を満たす。
【0050】
ＥＤ＝ＬＰ×Ｔ／Ｓ ・・・（３）
図６は、第２光ファイバから出射される第２レーザ光のビームプロファイルの一例を示す。なお、図６に示す第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルは簡略化して図示している。また、説明の便宜上、Ｘ方向に関する一次元のビームプロファイルのみ図示しているが、実際には、Ｙ方向にも同様の形状のビームプロファイルとなる。また、図６において、光ファイバ４０に入射されるレーザ光ＬＢの出力を所定の出力値に設定した場合、それぞれの光強度の最大値を１に規格化してビームプロファイルを図示している。また、光強度が１／ｅ２となる位置で測定されたビームプロファイルの幅が、前述のビーム径φに相当する。
図６は、第２光ファイバから出射される第２レーザ光のビームプロファイルの一例を示す。なお、図６に示す第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルは簡略化して図示している。また、説明の便宜上、Ｘ方向に関する一次元のビームプロファイルのみ図示しているが、実際には、Ｙ方向にも同様の形状のビームプロファイルとなる。また、図６において、光ファイバ４０に入射されるレーザ光ＬＢの出力を所定の出力値に設定した場合、それぞれの光強度の最大値を１に規格化してビームプロファイルを図示している。また、光強度が１／ｅ２となる位置で測定されたビームプロファイルの幅が、前述のビーム径φに相当する。
【0051】
図２に示す第２光路制御部２１７から第２ピエゾアクチュエータ２１６に印加される電圧Ｖ（以下、制御電圧Ｖという）に応じて駆動し、第２光路変更機構２１３の第２スキャンミラー２１４は、Ｙ方向と平行な軸回りに所定量傾動する。このことにより、第２スキャンミラー２１４で反射された第２レーザ光Ｌ２の光軸が変化する。なお、第１光路制御部１１７から第１ピエゾアクチュエータ１１６に電圧が印加される場合も、当該電圧を制御電圧Ｖという。
【0052】
第２光路制御部２１７から第２ピエゾアクチュエータ２１６に印加する制御電圧Ｖの大きさに応じて、第２スキャンミラー２１４で反射された第２レーザ光Ｌ２の光軸が変化すると、第２光ファイバ４００に入射される第２レーザ光Ｌ２の入射位置Ｐ（図３参照；以下、単に入射位置Ｐと呼ぶことがある）も変化する。言い換えると、第２光ファイバ４００に対する第２レーザ光Ｌ２の入射位置Ｐを変化させることで、第２光ファイバ４００のコアに入射される第２レーザ光Ｌ２の入射量が変わり、第２光ファイバ４００のコア（第１コア４１０、第２コア４３０、第３コア４５０）に入射される、第２レーザ光Ｌ２の出力に対する第２レーザ光Ｌ２の比率を変化させることができる。ここで、第２レーザ光Ｌ２の出力とは、第２レーザ光Ｌ２が第２光ファイバ４００に入射する全入射量に相当する。このことを利用して、第２光ファイバ４００から出射される第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイル（以下、単に第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルと呼ぶことがある。）を変化させることができる。なお、第１光ファイバ３００から出射される第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルを、単に第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルと呼ぶことがある。
【0053】
言い換えると、第２レーザ光Ｌ２の出力に対する、第２光ファイバ４００のコアに入射される第２レーザ光Ｌ２の比率は、第２光ファイバ４００に対して照射される第２レーザ光Ｌ２の全入射量に対する、第２光ファイバ４００の各コア（第１コア４１０、第２コア４３０、第３コア４５０）に入射される第２レーザ光Ｌ２の入射量の比率に相当する。第２レーザ光Ｌ２の出力は、第２光ファイバ４００に対して照射される第２レーザ光Ｌ２の全入射量に相当する。
【0054】
第２光路制御部２１７から第２ピエゾアクチュエータ２１６に印加する制御電圧Ｖの大きさを変えることで、第２レーザ光Ｌ２の出力に対する、第２光ファイバ４００のコアに入射される第２レーザ光Ｌ２の比率を変更することができる。
【0055】
また、第１光ファイバ３００に対する第１レーザ光Ｌ１の入射位置Ｐを変化させることで、第１光ファイバ３００のコアに入射される第１レーザ光Ｌ１の入射量が変わり、第１光ファイバ３００のコア（第１コア３１０、第２コア３３０、第３コア３５０）に入射される、第１レーザ光Ｌ１の出力に対する第１レーザ光Ｌ１の比率を変化させることができる。ここで、第１レーザ光Ｌ１の出力とは、第１レーザ光Ｌ１が第１光ファイバ３００に入射する全入射量に相当する。
【0056】
言い換えると、第１レーザ光Ｌ１の出力に対する、第１光ファイバ３００のコアに入射される第１レーザ光Ｌ１の比率は、第１光ファイバ３００に対して照射される第１レーザ光Ｌ１の全入射量に対する、第１光ファイバ３００の各コア（第１コア３１０、第２コア３３０、第３コア３５０）に入射される第１レーザ光Ｌ１の入射量の比率に相当する。第１レーザ光Ｌ１の出力は、第１光ファイバ３００に対して照射される第１レーザ光Ｌ１の全入射量に相当する。
【0057】
第１光路制御部１１７から第１ピエゾアクチュエータ１１６に印加する制御電圧Ｖの大きさを変えることで、第１レーザ光Ｌ１の出力に対する、第１光ファイバ３００のコアに入射される第１レーザ光Ｌ１の比率を変更することができる。
【0058】
第２光路変更機構２１３が動作していない状態、つまり、第２光路制御部２１７から第２ピエゾアクチュエータ２１６に印加される制御電圧ＶがＶ０（＝０Ｖ）の状態で、第２レーザ光Ｌ２が第２光ファイバ４００の軸心に入射し、第１コア４１０に伝送されるように第２レーザ発振器２００の内部で各光学部品の配置関係が規定されている。この場合の入射位置ＰをＰ０（図３参照）とする。
【0059】
第２光路制御部２１７から第２ピエゾアクチュエータ２１６に印加される制御電圧ＶをＶ０からＶ１（＞Ｖ０）へ、さらにＶ２（＞Ｖ１）、Ｖ３（＞Ｖ２）へと変化させると、図３に示すように、入射位置Ｐは、Ｐ０からＰ１へ、さらに、Ｐ２、Ｐ３へと変更される。
【0060】
入射位置ＰがＰ０の場合、図６のパターン０に示すように、Ｘ＝０となる位置を中心とした単峰状のガウシアン分布となる。なお、Ｘ＝０は、第２光ファイバ４００の軸心に対応している。
【0061】
入射位置ＰがＰ１に変更されると、図３に示すように、第２レーザ光Ｌ２は、第１コア４１０と第１クラッド４２０との間に入射される。この場合、第２レーザ光Ｌ２の一部が第２コア４３０に入射されるため、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルは、図６のパターン１に示すように、中央のピークの両縁が持ち上がって裾を引くような形状となる。また、中央のピークの半値幅は、パターン０の半値幅よりも広くなる。なお、以降の説明において、パターン１をトップハット形状と呼ぶことがある。
【0062】
入射位置ＰがＰ２に変更されると、第２レーザ光Ｌ２の大部分が、第２コア４３０に入射される。この場合、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルは、図６のパターン２に示すように、中央のピークが小さくなる一方、Ｘ＝０となる位置を挟んで第２コア４３０に対応する位置にピークが現れる双峰状の形状となる。実際には、ＸＹ平面上にリング状のピークを有する分布となる。
【0063】
入射位置ＰがＰ２に変更されると、第２レーザ光Ｌ２の大部分が、第３コア４５０に入射される。この場合、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルは、図６のパターン３に示すように、第２コア４３０に対応する位置のピークが小さくなる一方、第２コア４３０の外側に位置する第３コア４５０に対応する位置にピークが現れる双峰状の形状となる。実際には、ＸＹ平面上にリング状のピークを有する分布となる。
【0064】
また、図６及び以上の説明から明らかなように、パターン１は、パターン０よりもＸ方向及びＹ方向に広がった形状となる。同様に、パターン２はパターン１よりも、パターン３はパターン２よりもそれぞれＸ方向及びＹ方向に広がった形状となる。言い換えると、ワーク８００に照射される第２レーザ光Ｌ２のスポットの直径（以下、単にスポット径という）は、パターン０→パターン１→パターン２→パターン３の順で大きくなる。
【0065】
なお、本願明細書において、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、それぞれ３．６Ｖ、６Ｖ、９Ｖであるが、特にこれに限定されない。第２ピエゾアクチュエータ２１６の種類やサイズ等に応じて適宜変更されうる。
【0066】
また、第２スキャンミラー２１４及び第２ピエゾステージ２１５は、Ｘ方向と平行な軸回りに傾動してもよい。第２光ファイバ４００の軸心からＸＹ平面上で等距離の位置に第２レーザ光Ｌ２が入射した場合、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルは同じ形状となる。例えば、第２光ファイバ４００の軸心、つまり、入射位置Ｐ＝Ｐ０を中心として、Ｐ０からＰ１までの距離を半径とした円周上に第２レーザ光Ｌ２が入射すれば、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルは、図６に示すパターン１となる。
【0067】
なお、前述したように、第１レーザ発振器１００及び第１光ファイバ３００の構成は、第２レーザ発振器２００及び第２光ファイバ４００の構成とそれぞれ同様である。したがって、第１光路変更機構１１３により、第１光ファイバ３００に入射される第１レーザ光Ｌ１の入射位置Ｐを変更することで、第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルを変化させることができる。また、第１ピエゾアクチュエータ１１６に印加される制御電圧Ｖに対する第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルの変化も、図６に示したのと同様である。なお、第１光ファイバ３００に入射される第１レーザ光Ｌ１のビーム径φに応じて、同様の形状のビームプロファイルを得るための制御電圧Ｖは、第１レーザ発振器１００と第２レーザ発振器２００とで異なっていてもよい。
【0068】
以上説明したように、本実施形態のレーザ溶接装置１０００では、レーザヘッド５００から出射される第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルを、それぞれ独立して変化させることができる。
【0069】
［レーザ溶接方法］
図７は、ワークの反射率の波長依存性を示す。図７に示すように、ワーク８００の反射率は、ワーク８００の材質によって異なる。例えば、波長が８００ｎｍ以上の赤外レーザ光をワーク８００に照射した場合（図７の破線参照）、反射率は、銀（Ａｇ）で最も高く、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）の順に低下する。言い換えると、赤外レーザ光をワーク８００に照射した場合、材質が鉄（Ｆｅ）であるワーク８００での光吸収率が最も高くなる。
反射率が７５％から８５％の間である。これを基準とすると、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）は、反射率が８５％以上であり、高反射率材料、つまり、レーザ光の光吸収率が低い材料であることが分かる。一方、鉄（Ｆｅ）は、反射率が５５％から７５％の間であり、低反射率材料、つまり、レーザ光の光吸収率が高い材料であることが分かる。なお、図７に示す反射率は、ワーク８００の温度が室温程度の場合である。ワーク８００が所定以上の温度、例えば、百数十℃～数百℃まで加熱された状態では、レーザ光の波長が８００ｎｍ以上の場合も、反射率は大幅に低下する。つまり、照射されたレーザ光がワーク８００に十分に吸収され、ワーク８００が溶融する。
図７は、ワークの反射率の波長依存性を示す。図７に示すように、ワーク８００の反射率は、ワーク８００の材質によって異なる。例えば、波長が８００ｎｍ以上の赤外レーザ光をワーク８００に照射した場合（図７の破線参照）、反射率は、銀（Ａｇ）で最も高く、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）の順に低下する。言い換えると、赤外レーザ光をワーク８００に照射した場合、材質が鉄（Ｆｅ）であるワーク８００での光吸収率が最も高くなる。
反射率が７５％から８５％の間である。これを基準とすると、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）は、反射率が８５％以上であり、高反射率材料、つまり、レーザ光の光吸収率が低い材料であることが分かる。一方、鉄（Ｆｅ）は、反射率が５５％から７５％の間であり、低反射率材料、つまり、レーザ光の光吸収率が高い材料であることが分かる。なお、図７に示す反射率は、ワーク８００の温度が室温程度の場合である。ワーク８００が所定以上の温度、例えば、百数十℃～数百℃まで加熱された状態では、レーザ光の波長が８００ｎｍ以上の場合も、反射率は大幅に低下する。つまり、照射されたレーザ光がワーク８００に十分に吸収され、ワーク８００が溶融する。
【0070】
このように、ワーク８００の材質によってレーザ光の反射率が異なる場合、１種類の波長のレーザ光を１回照射するだけでは、所望の形状や外観の溶接ビード８１０を得られないことがある。
【0071】
そこで、本実施形態では、第１レーザ光Ｌ１に続けて第２レーザ光Ｌ２を照射することで、溶接ビード８１０を確実に形成しつつ、溶接ビード８１０の幅や溶込み深さを所望の値にすることができる。
【0072】
なお、本実施形態のワーク８００の材質は、銅（Ｃｕ）である。また、板厚は、１．０ｍｍ以上に設定される。また、第２光ファイバ４００に入射される第２レーザ光Ｌ２の出力は、第１光ファイバ３００に入射される第１レーザ光Ｌ１の出力よりも大きくなるように設定されている。例えば、第２レーザ光Ｌ２の出力が数ｋＷであり、第１レーザ光Ｌ１の出力が数百Ｗ～１ｋＷ程度である。ただし、これらの値は適宜変更されうる。
【0073】
図８は、レーザ溶接中のレーザ光のビームプロファイルとパワー密度とピエゾアクチュエータの制御電圧とを模式的に示す。図９，１０は、レーザ溶接方法を説明する模式図を示す。図１１は、レーザ溶接時の溶接ビードの形状変化の断面模式図を示す。
【0074】
まず、第１調整機構５４０を駆動して、溶接線ＷＬに沿って、ワーク８００の表面における第１レーザ光Ｌ１の集光点が、第２レーザ光Ｌ２の集光点の前方に移動するように調整しておく。
【0075】
図８に示すように、まず、溶接線ＷＬに沿って第１レーザ光Ｌ１を溶接方向ＷＤに移動させながら、第１レーザ光Ｌ１をワーク８００に照射する（第１ステップ）。このとき、第１光ファイバ３００に対して、第１レーザ光Ｌ１が図３に示す入射位置Ｐ０に入射されるように第１光路変更機構１１３を駆動させる。具体的には、第１光路変更機構１１３の第１ピエゾアクチュエータ１１６の制御電圧をＶ０とする。このとき、第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルは、図６に示すパターン０となる。また、第１レーザ光Ｌ１のパワー密度ＰＤをＰＤ１３とする。
【0076】
なお、以降の説明において、レーザ光ＬＢのパワー密度ＰＤをＰＤｘｙ（ｘ＝１または２、ｙ＝０，１，２，３のいずれか）と示すことがある。この場合、添字ｘは、レーザ光ＬＢが第１レーザ光Ｌ１であるか第２レーザ光Ｌ２であるかを示す。添字ｙは、パワー密度ＰＤの大小関係を示す。例えば、パワー密度ＰＤ１０～ＰＤ１３は、いずれも第１レーザ光Ｌ１のパワー密度ＰＤを示し、ＰＤ１０＜ＰＤ１１＜ＰＤ１２＜ＰＤ１３の関係を満たす。同様に、パワー密度ＰＤ２０～ＰＤ２３は、いずれも第２レーザ光Ｌ２のパワー密度ＰＤを示し、ＰＤ２０＜ＰＤ２１＜ＰＤ２２＜ＰＤ２３の関係を満たす。
【0077】
第１ステップでは、第１レーザ光Ｌ１が照射された部分Ｓｐ１（以下、照射部分Ｓｐ１という）の周りには溶融池が形成される。また、図１０に示すように、第１レーザ光Ｌ１を溶接方向ＷＤに移動させると、照射部分Ｓｐ１の溶接方向ＷＤに沿った後方に、溶接ビード８１０が形成される。
【0078】
なお、第１レーザ光Ｌ１の照射により形成された場合、溶接ビード８１０Ａ、溶融池８２０Ａ、キーホール８３０Ａ（図１３参照）及び予熱部８４０Ａ（図１５参照）と呼ぶことがある。第２レーザ光Ｌ２の照射により形成された場合、溶接ビード８１０Ｂ、溶融池８２０Ｂ、キーホール８３０Ｂ及び予熱部８４０Ｂと呼ぶことがある。
【0079】
第１ステップに続けて、溶接線ＷＬに沿って第２レーザ光Ｌ２を溶接方向ＷＤに移動させながら、第２レーザ光Ｌ２をワーク８００に照射する（第２ステップ）。このとき、第２光ファイバ４００に対して、第２レーザ光Ｌ２が図３に示す入射位置Ｐ１に入射されるように第２光路変更機構２１３を駆動させる。具体的には、第２光路変更機構２１３の第２ピエゾアクチュエータ２１６の制御電圧をＶ１とする。これにより、第２光路制御部２１７から第２ピエゾアクチュエータ２１６に印加する制御電圧Ｖの大きさに応じて、第２光路変更機構２１３の傾動範囲が変化し、第２レーザ光Ｌ２の第２光ファイバ４００への入射位置Ｐを変化させ、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルを変更することができる。このとき、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルは、図６に示すパターン１となる。また、第２レーザ光Ｌ２のパワー密度ＰＤをＰＤ２２（＜ＰＤ１３）とする。また、それぞれ溶接速度Ｖｗが同じになるように、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とが溶接線ＷＬに沿って進行する。
【0080】
この場合、図１０に示すように、第２レーザ光Ｌ２が照射された部分Ｓｐ２（以下、照射部分Ｓｐ２という）の周りには溶融池８２０Ｂが形成される。また、図１０に示すように、第１レーザ光Ｌ１を溶接方向ＷＤに移動させると、照射部分Ｓｐ２の溶接方向ＷＤに沿った後方に、溶接ビード８１０Ｂが形成される。
【0081】
図１１に示すように、第１ステップでは、ワーク８００に溶接ビード８１０Ａが形成される。図７に示すように、銅からなるワーク８００に対して、第１レーザ光Ｌ１の光吸収率は、第２レーザ光Ｌ２の光吸収率よりも高い。したがって、ワーク８００の温度が十分に高い状態でなくても、ワーク８００に溶接ビード８１０Ａを確実に形成できる。一方、第１レーザ光Ｌ１のパワー密度ＰＤが高くなりすぎると、スパッタ等が生じて溶接ビード８１０Ａの外観を損ねることがある。このため、パワー密度ＰＤ１３をあまり高めることができず、第１ステップで形成される溶接ビード８１０Ａの幅Ｗ１や溶込み深さＤ１が、それぞれ所望の値Ｗ、Ｄに達しない場合がある。
【0082】
このような場合、本実施形態に示すように、第２ステップで、第１レーザ光Ｌ１に続けて第２レーザ光Ｌ２をワーク８００に照射する。第１ステップで、既にワーク８００が加熱されており、第２レーザ光Ｌ２もワーク８００に十分に吸収される。第２レーザ光Ｌ２のビーム径φ及びパワー密度ＰＤ２２を適切に設定することで、所望の幅Ｗと溶込み深さＤを有する溶接ビード８１０（８１０Ｂ）をワーク８００に形成することができる。
【0083】
なお、図８に示すように、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルをトップハット形状とすることで、図６に示すパターン０とする場合に比べてスパッタの発生が抑制される。また、溶接ビード８１０の掘れ込み等の不良の発生が抑制される。
【0084】
なお、第１レーザ光Ｌ１のパワー密度ＰＤを調整するために、例えば、第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルを図６に示すパターン１となるようにしてもよい。このようにすることで、図８に示す例よりも、第１レーザ光Ｌ１のパワー密度ＰＤを低くでき、スパッタの発生をさらに抑制することができる。
【0085】
［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ溶接装置１０００は、第１レーザ光Ｌ１を出射する第１レーザ発振器１００と、第２レーザ光Ｌ２を出射する第２レーザ発振器２００と、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を受け取って、ワーク８００に向けて照射するレーザヘッド５００と、を少なくとも備えている。第１レーザ光Ｌ１の波長は、第２レーザ光Ｌ２の波長よりも短い。
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ溶接装置１０００は、第１レーザ光Ｌ１を出射する第１レーザ発振器１００と、第２レーザ光Ｌ２を出射する第２レーザ発振器２００と、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を受け取って、ワーク８００に向けて照射するレーザヘッド５００と、を少なくとも備えている。第１レーザ光Ｌ１の波長は、第２レーザ光Ｌ２の波長よりも短い。
【0086】
また、レーザ溶接装置１０００は、第１レーザ発振器１００からレーザヘッド５００まで第１レーザ光Ｌ１を伝送する第１光ファイバ３００と、第２レーザ発振器２００からレーザヘッド５００まで第２レーザ光Ｌ２を伝送する第２光ファイバ４００と、を備えている。
【0087】
レーザヘッド５００は、ワーク８００に向かう第１レーザ光Ｌ１の光路をワーク８００に向かう第２レーザ光Ｌ２の光路と異ならせるように構成されている。
【0088】
第１レーザ発振器１００及び第２レーザ発振器２００の少なくとも一方は、レーザヘッド５００に入射されるレーザ光ＬＢのビームプロファイルを変更可能に構成されている。
【0089】
レーザ溶接装置１０００をこのように構成することで、ワーク８００の表面で互いの集光点が異なるようにして、２本のレーザ光Ｌ１、Ｌ２をワーク８００に照射することができる。このことにより、例えば、本実施形態に示すように、光吸収率の高い波長を有する第１レーザ光Ｌ１に続けて、大出力の第２レーザ光Ｌ２を照射することで、ワーク８００に確実に溶接ビード８１０を形成することができる。また、溶接ビード８１０の形状、例えば、溶接ビード８１０の幅や溶込み深さを所望の値とすることができる。
【0090】
また、第２ステップで、レーザヘッド５００に入射される第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルを変更している。具体的には、第２光路変更機構２１３を駆動して、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルがトップハット形状になるようにしている。このようにすることで、第２レーザ光Ｌ２のパワー密度ＰＤが高くなりすぎるのを抑制し、スパッタ等の発生を低減している。このことにより、外観美観性に優れた溶接ビード８１０を形成できる。
【0091】
レーザヘッド５００は、第１レーザ光Ｌ１を平行化する第１コリメートレンズ５１０と、第２レーザ光Ｌ２を平行化する第２コリメートレンズ５２０と、を有している。また、レーザヘッド５００は、第１コリメートレンズ５１０及び第２コリメートレンズ５２０を通過した第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２を重ね合わせるダイクロイックミラー５６０（第１光学部材５６０）と、ダイクロイックミラー５６０で重ね合わされた第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２をワーク８００に向けて集光させるｆθレンズ５７０（第２光学部材５７０）と、を有している。
【0092】
レーザヘッド５００をこのように構成することで、ワーク８００の表面に第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のそれぞれの集光点を位置させることができる。
【0093】
また、レーザヘッド５００は、ダイクロイックミラー５６０に対する第１レーザ光Ｌ１の入射位置を調整する第１調整機構５４０と、ダイクロイックミラー５６０に対する第２レーザ光Ｌ２の入射位置を調整する第２調整機構５５０と、を有している。
【0094】
第１調整機構５４０を駆動することで、ワーク８００の表面における第１レーザ光Ｌ１の集光点を、溶接線ＷＬに沿って、第２レーザ光Ｌ２の集光点の前方または後方に移動させることができる。
【0095】
第１レーザ発振器１００は、第１レーザ光Ｌ１を第１光ファイバ３００に入射させる第１光路変更機構１１３を備えている。
【0096】
第１光ファイバ３００は、軸心に設けられた第１コア３１０と、半径方向で第１コア３１０の外側にかつ第１コア３１０と同軸に設けられた第３コア３５０と、半径方向で第１コア３１０と第３コア３５０との間にかつ第１コア３１０及び第３コア３５０と同軸に設けられた第２コア３３０と、を少なくとも有している。
【0097】
第１光路変更機構１１３は、第１レーザ光Ｌ１の光路を変更することで、第１～第３コア３１０，３３０，３５０にそれぞれ入射される第１レーザ光Ｌ１の比率を変更するように構成されている。
【0098】
このようにすることで、レーザヘッド５００から出射される第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルを確実に変更することができる。
【0099】
同様に、第２レーザ発振器２００は、第２レーザ光Ｌ２を第２光ファイバ４００に入射させる第２光路変更機構２１３を備えている。
【0100】
第２光ファイバ４００は、軸心に設けられた第１コア４１０と、半径方向で第１コア４１０の外側にかつ第１コア４１０と同軸に設けられた第３コア４５０と、半径方向で第１コア４１０と第３コア４５０との間にかつ第１コア４１０及び第３コア４５０と同軸に設けられた第２コア４３０と、を少なくとも有している。
【0101】
第２光路変更機構２１３は、第２レーザ光Ｌ２の光路を変更することで、第１～第３コア４１０，４３０，４５０にそれぞれ入射される第２レーザ光Ｌ２の比率を変更するように構成されている。
【0102】
このようにすることで、レーザヘッド５００から出射される第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルを確実に変更することができる。
【0103】
本実施形態に係るレーザ溶接方法は、レーザ溶接装置１０００を用いて、以下のステップを実行する。
【0104】
第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のうちの一方、この場合は、第１レーザ光Ｌ１をワーク８００の溶接線ＷＬ（所定の箇所）に照射する第１ステップと、第１ステップに続けて、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のうちの他方、この場合は、第２レーザ光Ｌ２を溶接線ＷＬに照射する第２ステップと、を少なくとも備えている。
【0105】
第１ステップと第２ステップとで、溶接線ＷＬに照射されるレーザ光ＬＢのパワー密度を異ならせている。
【0106】
このようにすることで、第１ステップでは、ワーク８００に溶接ビード８１０を形成し、第２ステップでは、溶接ビード８１０の幅及び溶込みを広げている。
【0107】
本実施形態によれば、ワーク８００に対して溶接ビード８１０を確実に形成することができる。また、溶接ビード８１０の幅及び溶込み深さを所望の値にすることができる。
【0108】
なお、溶接線ＷＬに沿って、第１レーザ光Ｌ１を第２レーザ光Ｌ２の前方に位置させるか、または後方に位置させるかは、ワーク８００の材質や形状、求められる溶接品質等に応じて適宜変更されうる。同様に、レーザヘッド５００に入射される第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２のいずれか、または両方のビームプロファイルをどのように変化させるかは、ワーク８００の材質や形状、求められる溶接品質等に応じて適宜変更されうる。これらについては実施形態２以降で詳述する。
【0109】
＜変形例１＞
本変形例では、ワーク８００の材質がアルミニウムまたはアルミ系合金である点を除いて、実施形態１に示す構成や方法と同じである。
本変形例では、ワーク８００の材質がアルミニウムまたはアルミ系合金である点を除いて、実施形態１に示す構成や方法と同じである。
【0110】
アルミニウムを主たる構成材料として含むワーク８００は、通常、その表面に厚い酸化膜が形成されている。この酸化膜を破壊、除去してレーザ溶接を行うために、レーザ光ＬＢのパワー密度ＰＤを上げてワーク８００に照射する必要がある。
【0111】
しかし、酸化膜には膜厚むらがあるため、酸化膜の破壊とワーク８００の溶接とを同時に行う場合、膜厚むらに起因して溶接ビード８１０の幅や溶込み深さがばらつくことがある。また、酸化膜圧が薄い部分では、ワーク８００への入熱量が大きくなりすぎて、溶融した金属が飛び散り、スパッタとなってワーク８００の表面に付着することがある。このようなスパッタは、溶接箇所の外観を損ねる。
【0112】
一方、本変形例によれば、第１ステップで、第１レーザ光Ｌ１をワーク８００に照射して、ワーク８００の表面の酸化膜を破壊、除去する。第１ステップに続けて、第２レーザ光Ｌ２をワーク８００に照射して、ワーク８００に溶接ビード８１０を形成する。このようにすることで、幅や溶込み深さのばらつきが小さい溶接ビード８１０を形成することができる。また、スパッタの発生を抑制でき、溶接ビード８１０の外観を良好なものとすることができる。
【0113】
なお、酸化膜を破壊、除去するために、第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルは、ある程度狭める必要がある。一方、第１レーザ光Ｌ１の出力があまり大きいと、第１ステップでスパッタが発生するおそれがある。このため、第１ステップにおける第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルと出力とは、酸化膜を破壊、除去できる程度の値となるように設定される。
【0114】
また、本変形例では、アルミニウムの酸化膜を破壊、除去する目的で、第１ステップを実行しているが、特にこれに限定されない。例えば、ワーク８００の表面を改質してから溶接を行う場合に、本変形例に示すように、第１ステップで、第１レーザ光Ｌ１をワーク８００に照射し、第１ステップに続けて、第２レーザ光Ｌ２をワーク８００に照射してもよい。また、この場合、第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルと出力とは、表面改質の度合いに応じて、適宜設定される。
【0115】
また、ワーク８００の表面改質を目的として、第１ステップで、第２レーザ光Ｌ２をワーク８００に照射し、第１ステップに続けて、第１レーザ光Ｌ１をワーク８００に照射してもよい。
【0116】
（実施形態２）
図１２は、本実施形態に係るレーザ溶接中のレーザ光のビームプロファイルとパワー密度とピエゾアクチュエータの制御電圧とを模式的に示す。図１３は、レーザ溶接方法を説明する模式図を示す。なお、図１２，１３及び以降に示す各図面において、説明の便宜上、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１２は、本実施形態に係るレーザ溶接中のレーザ光のビームプロファイルとパワー密度とピエゾアクチュエータの制御電圧とを模式的に示す。図１３は、レーザ溶接方法を説明する模式図を示す。なお、図１２，１３及び以降に示す各図面において、説明の便宜上、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。
【0117】
本実施形態は、第１ステップで第２レーザ光Ｌ２をワーク８００に照射し、第２ステップで第１レーザ光Ｌ１をワーク８００に照射している点で、実施形態１に示すレーザ溶接方法と異なる。また、本実施形態におけるワーク８００の材質は鉄またはステンレスである。なお、ワーク８００の材質がアルミニウムまたはアルミ系合金であってもよい。
【0118】
具体的には、図１３に示すように、第２レーザ光Ｌ２が、溶接線ＷＬに沿って第１レーザ光Ｌ１の前方に位置するように、第１調整機構５４０を駆動している。
【0119】
また、図１２に示すように、第１ステップでは、第２光路変更機構２１３の第２ピエゾアクチュエータ２１６の制御電圧をＶ１に調整して、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルを図６に示すパターン１（トップハット形状）にしている。一方、第１ステップでは、第１光路変更機構１１３の第１ピエゾアクチュエータ１１６の制御電圧をＶ３に調整して、第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルを図６に示すパターン３にしている。
【0120】
本実施形態では、第１ステップでワーク８００に溶接ビード８１０Ｂ（８１０）を形成している。また、第２ステップで溶接ビード８１０Ｂを整形している。具体的には、溶接ビード８１０Ｂの表面を軟化させるか、一部溶融して、溶接ビード８１０Ｂの表面を均している。
【0121】
ワーク８００をレーザ溶接する場合、通常、図１３に示すように、レーザ光ＬＢの照射部分、この場合は第２レーザ光Ｌ２の照射部分Ｓｐ２の中央でワーク８００を構成する金属が蒸発し、ワーク８００の表面から内部に向かうキーホール８３０Ｂ（８３０）が形成される。また、第２レーザ光Ｌ２を溶接速度Ｖｗで移動させると、照射部分Ｓｐ２の後方に溶融池８２０Ｂ（８２０）が形成される。溶接池８２０Ｂが冷却固化された部分が溶接ビード８１０Ｂになる。
【0122】
キーホール８３０が形成される際、突沸により溶融した金属がワーク８００の表面に飛び散ることがある。このような溶融金属がそのまま固化されると、溶接ビード８１０の表面凹凸が大きくなり、外観を損ねることがある。
【0123】
そこで、本実施形態に示すように、ワーク８００に溶接ビード８１０Ｂを形成した後、溶接ビード８１０にパワー密度が低いレーザ光ＬＢ、この場合は第１レーザ光Ｌ１を照射することで、溶接ビード８１０Ｂの表面を均して、外観を良好なものとすることができる。
【0124】
前述したように、第１レーザ光Ｌ１は、第２レーザ光Ｌ２よりもワーク８００に対して光吸収率が高いため、より小さなパワー密度ＰＤで溶接ビード８１０Ｂを整形できる。また、第１レーザ光Ｌ１は、出力自体が小さく、ビーム径φを広げることで、パワー密度ＰＤ１０をパワー密度ＰＤ２２よりも大幅に低下させることができる。したがって、再溶融による溶接ビード８１０Ｂの形状崩れを確実に抑制しつつ、溶接ビード８１０Ｂを整形して、外観を良好なものとできる。なお、パワー密度ＰＤ２２は、溶接ビード８１０Ｂを形成する場合の第２レーザ光Ｌ２のパワー密度である。
【0125】
なお、溶接ビード８１０Ｂの表面凹凸が大きい場合は、例えば、第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルが、図６に示すパターン２となるようにしてもよい。その場合のパワー密度ＰＤ１１は、前述したようにパワー密度ＰＤ１０よりも高くなる。
【0126】
（実施形態３）
図１４は、本実施形態に係るレーザ溶接中のレーザ光のビームプロファイルとパワー密度とピエゾアクチュエータの制御電圧とを模式的に示す。図１５は、レーザ溶接方法を説明する模式図を示す。また、本実施形態におけるワーク８００の材質は銅からなる。ワーク８００の材質が鉄またはステンレスでであってもよい。また、アルミニウムまたはアルミ系合金であってもよい。
図１４は、本実施形態に係るレーザ溶接中のレーザ光のビームプロファイルとパワー密度とピエゾアクチュエータの制御電圧とを模式的に示す。図１５は、レーザ溶接方法を説明する模式図を示す。また、本実施形態におけるワーク８００の材質は銅からなる。ワーク８００の材質が鉄またはステンレスでであってもよい。また、アルミニウムまたはアルミ系合金であってもよい。
【0127】
本実施形態は、第１ステップにおける第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイル及びパワー密度ＰＤが、実施形態１に示すレーザ溶接方法と異なる。
【0128】
前述したように、第２レーザ光Ｌ２は、銅における反射率が高く、銅からなるワーク８００に吸収されにくい。この場合、実施形態１に示すように、まず、銅における反射率が低い第１レーザ光Ｌ１をワーク８００に照射することで、ワーク８００が加熱され、また、溶接ビード８１０が形成される。
【0129】
しかし、ワーク８００の厚さが所定以上に薄い場合、第１ステップで溶接ビード８１０が形成される程度まで第１レーザ光Ｌ１のパワー密度ＰＤが高くなると、続く第２ステップでワーク８００の溶落ち等の不良が発生することがある。
【0130】
一方、本実施形態によれば、図１４に示すように、第１ステップにおける第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルを図６に示すパターン３としている。また、パワー密度ＰＤをＰＤ１０としている。このようにすることで、第１ステップでは、第１レーザ光Ｌ１によりワーク８００は加熱されるものの、溶接ビード８１０が形成されるまでには至らない。つまり、図１５に示すように、第１レーザ光Ｌ１の照射部分Ｓｐ１の後方では、予熱部８４０Ａが形成される。
【0131】
このように予熱部８４０Ａが形成されることで、ワーク８００の温度が上昇し、第２レーザ光Ｌ２の反射率が大きく低下する。第１ステップに続けて、第２ステップで第２レーザ光Ｌ２がワーク８００に照射されると、第２レーザ光Ｌ２がワーク８００に十分に吸収され、溶接ビード８１０Ｂ（８１０）が確実に形成される。
【0132】
なお、ワーク８００の材質が銅以外の場合にも、本実施形態に示すレーザ溶接方法を適用することで、第２ステップを実行する前のワーク８００の温度を高めることができる。このことにより、第２ステップの実行時に、第２レーザ光Ｌ２の照射部分Ｓｐ２での温度変化幅を低減できる。その結果、幅及び溶込み深さのばらつきが少ない溶接ビード８１０を形成できる。
【0133】
【0134】
図１６に示すように、本実施形態は、第２ステップに続けて、第１レーザ光Ｌ１をワーク８００に照射する第３ステップを備える点で、実施形態３に示すレーザ溶接方法と異なる。第３ステップでは、第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルを図６に示すパターン３にしてワーク８００に照射することで、実施形態２に示したのと同様に、溶接ビード８１０Ｂを整形している。
【0135】
なお、本実施形態では、第１調整機構５４０を周期的に傾動することで、第１レーザ光Ｌ１の照射位置が切り替えられる。具体的には、図１７に示すように、溶接線ＷＬに沿って、第２レーザ光Ｌ２の照射部分Ｓｐ２の前方に第１レーザ光Ｌ１を照射する。その後、第１調整機構５４０を駆動して、第２レーザ光Ｌ２の照射部分Ｓｐ２の後方に第１レーザ光Ｌ１を照射する。つまり、レーザ溶接装置１０００は、第１調整機構５４０を駆動することで、ワーク８００の表面における第１レーザ光Ｌ１の集光点を、溶接方向ＷＤに沿って、第２レーザ光Ｌ２の集光点を跨いで前方及び後方に周期的に移動させるように構成されている。
【0136】
本実施形態によれば、第２レーザ光Ｌ２の光吸収率が低い材質のワーク８００に対して、溶接ビード８１０Ｂを確実に形成できる。また、溶接ビード８１０Ｂの表面を均して、その外観を良好なものとすることができる。なお、第１ステップにおける第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルを図６に示すパターン２とし、パワー密度ＰＤをＰＤ１１としてもよい。同様に、第３ステップにおける第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルを図６に示すパターン２とし、パワー密度ＰＤをＰＤ１１としてもよい。第２ステップを実行する前に必要なワーク８００の温度や第２ステップで形成された溶接ビード８１０の表面凹凸に応じて、第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルやパワー密度ＰＤは、適宜変更されうる。
【0137】
また、ワーク８００の材質がアルミニウムまたはアルミ系合金である場合、第１ステップにおける第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルを図６に示すパターン０とし、パワー密度ＰＤをＰＤ１３とするのが好ましい。このようにすることで、ワーク８００の表面の酸化膜を確実に破壊、除去でき、幅や溶込み深さのばらつきが小さい溶接ビード８１０Ｂ（８１０）を形成することができる。また、溶接ビード８１０Ｂ（８１０）の表面を均して、その外観を良好なものとすることができる。
【0138】
（実施形態５）
実施形態１～４において、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２の波長が異なる場合、具体的には、第１レーザ光Ｌ１が青色レーザ光で、第２レーザ光Ｌ２が赤外レーザ光である場合について説明してきた。
実施形態１～４において、第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２の波長が異なる場合、具体的には、第１レーザ光Ｌ１が青色レーザ光で、第２レーザ光Ｌ２が赤外レーザ光である場合について説明してきた。
【0139】
しかし、本開示のレーザ溶接装置１０００及びレーザ溶接方法には、第１レーザ光Ｌ１の波長と第２レーザ光Ｌ２の波長とが同じである場合も含まれる。
【0140】
本実施形態及び以降に示す各実施形態において、第１レーザ光Ｌ１及び第２レーザ光Ｌ２が、ともに同じ波長の赤外レーザ光である場合について説明する。
【0141】
図１８は、本実施形態に係るレーザ溶接中のレーザ光のビームプロファイルとパワー密度とピエゾアクチュエータの制御電圧とを模式的に示す。
【0142】
本実施形態に示すレーザ溶接方法において、第２ステップで、第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルが図６に示すパターン２であり、パワー密度ＰＤがＰＤ１１である点で、実施形態２に示すレーザ溶接方法と異なる。なお、パワー密度ＰＤ１１は、前述のパワー密度ＰＤ１０よりも高く、第１ステップにおける第２レーザ光のパワー密度ＰＤ２２よりも低い。ただし、第２ステップで、第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルを図６に示すパターン３とし、パワー密度ＰＤをＰＤ１０としてもよい。
【0143】
本実施形態では、実施形態２に示すのと同様に、第１ステップでワーク８００に溶接ビード８１０を形成している。また、第２ステップで溶接ビード８１０の表面を均して溶接ビード８１０を整形している。前述したように、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルをトップハット形状とすることで、スパッタの発生が抑制される。また、溶接ビード８１０の掘れ込み等の不良の発生が抑制される。
【0144】
また、第２ステップで、溶接ビード８１０の表面を均すことで、表面粗さが小さく光沢のある美しい外観の溶接ビード８１０を形成できる。
【0145】
なお、本実施形態に示すレーザ溶接方法は、ワーク８００の材質によらず、前述の効果を奏する。特に、ワーク８００が、アルミ系合金やマグネシウム合金等の熱伝導率の高い軽金属材料である場合は有効である。
【0146】
例えば、ワーク８００の材質がアルミニウムやアルミ合金の場合、熱伝導度が高く、また、溶融後に冷え固まりやすいため、溶融池８２０の振動、または突沸現象により生じた凹凸が、そのまま溶接ビード８１０の外観として残りやすい。
【0147】
一方、本実施形態によれば、溶接ビード８１０を形成した後に、ビームプロファイルを広げ、かつパワー密度ＰＤを低下させて第１レーザ光Ｌ１を照射している。このことにより、溶接ビード８１０の表面凹凸を適切に均して、表面粗さを小さくすることができる。その結果、光沢のある美しい外観の溶接ビード８１０を形成できる。
【0148】
なお、実施形態２に示すレーザ溶接方法を用いても同様に、熱伝導率の高い軽金属材料からなるワーク８００に光沢のある美しい外観の溶接ビード８１０を形成できることは言うまでもない。
【0149】
なお、本願発明者等の検討により、ワーク８００の溶込み深さや溶接ビード８１０の表面粗さは、ワーク８００に照射されるレーザ光ＬＢのエネルギー密度ＥＤと相関関係を有していることがわかった。以下、この点について具体的に説明する。
【実施例0150】
以下に示す条件で板材のワーク８００に第１レーザ光Ｌ１を照射した。
【0151】
ワーク８００の材質：Ａ５０５２（Ｍｇ添加 アルミ系合金）
ワーク８００の厚さ：６ｍｍ
溶接速度 ：３ｍ／ｍｉｎ
第１レーザ光Ｌ１の出力：５ｋＷ
第１レーザ光Ｌ１の波長：９７０ｎｍ
また、上記の条件を同じにして、第１光路制御部１１７から第１ピエゾアクチュエータ１１６に印加される制御電圧ＶをＶ０からＶ３まで所定の電圧間隔で変化させ、ワーク８００に溶接ビード８１０を形成した。その都度、ワーク８００の溶込み深さＤ及び算術平均表面粗さＲａ（以下、単に表面粗さＲａという）を測定した。その結果を、図１９～２１に示す。
ワーク８００の厚さ：６ｍｍ
溶接速度 ：３ｍ／ｍｉｎ
第１レーザ光Ｌ１の出力：５ｋＷ
第１レーザ光Ｌ１の波長：９７０ｎｍ
また、上記の条件を同じにして、第１光路制御部１１７から第１ピエゾアクチュエータ１１６に印加される制御電圧ＶをＶ０からＶ３まで所定の電圧間隔で変化させ、ワーク８００に溶接ビード８１０を形成した。その都度、ワーク８００の溶込み深さＤ及び算術平均表面粗さＲａ（以下、単に表面粗さＲａという）を測定した。その結果を、図１９～２１に示す。
【0152】
【0153】
図１９に示すように、エネルギー密度ＥＤが増加すると、溶込み深さＤも単調に増加した。また、図２０に示すように、エネルギー密度ＥＤが増加すると、表面粗さＲａも単調に増加した。ただし、溶込み深さＤが３ｍｍ以上になると、表面粗さＲａが測定不能となった（図２１も参照）。これは、溶接ビード８１０の表面凹凸が大きすぎたためと考えられた。なお、溶込み深さＤが３ｍｍとなる場合のエネルギー密度ＥＤは、１０，０００Ｊ／ｃｍ２であった。
【0154】
一方、図２１に示すように、溶込み深さＤが３ｍｍになるまでは、溶込み深さＤが増加すると、表面粗さＲａも単調に増加した。ただし、図２１に示すデータを詳細に分析すると、溶込み深さＤが１ｍｍ以下の場合は、表面粗さＲａが小さく、かつ大きく変化していない。その結果、溶接ビード８１０の表面は滑らであった（図２１中の下側の写真参照）。一方、溶込み深さＤが１ｍｍを超えてくると、表面粗さＲａの増加の度合いも大きくなり、また、溶接ビード８１０の表面で凹凸が大きくなってくるのが確認できた（図２１中の上側の写真参照）。また、図２０から読み取れるように、エネルギー密度ＥＤが６，０００Ｊ／ｃｍ２以下である場合、表面粗さＲａが１μｍ以下でかつ大きく変化しないことが確認できた。
【0155】
第１ステップで、ワーク８００の溶接を確実に行うためには、溶込み深さＤを所定値以上にする必要がある。また、第２ステップで、溶接ビード８１０の外観を滑らかで美しいものにするためには、表面粗さＲａを所定値以下にする必要がある。
【0156】
今回の検討から、第１ステップで、ワーク８００に照射される第１レーザ光Ｌ１のエネルギー密度ＥＤまたは溶込み深さＤを所定値以上になるように制御することで、ワーク８００に確実に溶接ビード８１０を形成できることが分かった。また、第２ステップで、第２レーザ光Ｌ２のエネルギー密度ＥＤまたは溶込み深さＤを所定値以下になるように制御することで、表面粗さが小さく、滑らかで光沢のある美しい外観の溶接ビード８１０を形成できることが分かった。
【0157】
また、今回の検討で、ワーク８００の材質によって、エネルギー密度ＥＤまたは溶込み深さＤの好ましい範囲が変動することがわかった。
【0158】
図２２は、ワークの材質毎の第１ステップ及び第２ステップにおける好ましいパラメータを示す。
【0159】
図２２に示すように、ワーク８００の材質が、アルミ系合金、この場合はＡ５０５２である場合、第１ステップでは、溶込み深さＤを３．０ｍｍ以上とするか、または、エネルギー密度ＥＤを１０，０００Ｊ／ｃｍ２以上とすることが好ましいことが分かった。また、第２ステップでは、溶込み深さＤを１．０ｍｍ以下とするか、または、エネルギー密度ＥＤを６，０００Ｊ／ｃｍ２以下とすることが好ましいことが分かった。このようにすることで、表面粗さＲａが１．０μｍ以下となり安定した。
【0160】
ワーク８００の材質が、ステンレス、この場合はＳＵＳ３０４である場合、第１ステップでは、溶込み深さＤを３．０ｍｍ以上とするか、または、エネルギー密度ＥＤを６，０００Ｊ／ｃｍ２以上とすることが好ましいことが分かった。また、第２ステップでは、溶込み深さＤを２．０ｍｍ以下とするか、または、エネルギー密度ＥＤを６，０００Ｊ／ｃｍ２以下とすることが好ましいことが分かった。このようにすることで、表面粗さＲａが４．０μｍ以下となり安定した。
【0161】
ワーク８００の材質が、軟鋼である場合、第１ステップでは、溶込み深さＤを３．０ｍｍ以上とするか、または、エネルギー密度ＥＤを６，０００Ｊ／ｃｍ２以上とすることが好ましいことが分かった。また、第２ステップでは、溶込み深さＤを２．０ｍｍ以下とするか、または、エネルギー密度ＥＤを６，０００Ｊ／ｃｍ２以下とすることが好ましいことが分かった。このようにすることで、表面粗さＲａが４．０μｍ以下となり安定した。
【0162】
以上をまとめると、本開示のレーザ溶接方法は、以下の構成を備えていてもよい。
【0163】
第１ステップで、ワーク８００に溶接ビード８１０を形成する場合は、ワーク８００に照射されるレーザ光ＬＢのエネルギー密度ＥＤを第１の値以上とする。一方、溶接ビード８１０の形状を整形する場合は、ワーク８００に照射されるレーザ光ＬＢのエネルギー密度ＥＤを第１の値よりも低い第２の値以下とする。第１の値及び第２の値は、ワーク８００の材質に応じてそれぞれ設定される。
【0164】
また、本開示のレーザ溶接方法は、以下の構成を備えていてもよい。
【0165】
第１ステップで、ワーク８００に溶接ビード８１０を形成する場合は、レーザ光ＬＢを照射した場合のワーク８００の溶込み深さＤを第３の値以上とする。一方、溶接ビード８１０の形状を整形する場合は、レーザ光ＬＢを照射した場合のワーク８００の溶込み深さＤを第３の値よりも小さい第４の値以下とする。第３の値及び第４の値は、ワーク８００の材質に応じてそれぞれ設定される。
【0166】
（実施形態６）
本実施形態に示すレーザ溶接方法は、第１レーザ光Ｌ１の波長が第２レーザ光Ｌ２と同じである点を除いて、実施形態３に示すレーザ溶接方法と同様である。ただし、本実施形態の第１ステップにおける第１レーザ光Ｌ１のパワー密度ＰＤが、図１４に示すパワー密度ＰＤ１０と必ずしも同じでなくてもよい。
本実施形態に示すレーザ溶接方法は、第１レーザ光Ｌ１の波長が第２レーザ光Ｌ２と同じである点を除いて、実施形態３に示すレーザ溶接方法と同様である。ただし、本実施形態の第１ステップにおける第１レーザ光Ｌ１のパワー密度ＰＤが、図１４に示すパワー密度ＰＤ１０と必ずしも同じでなくてもよい。
【0167】
本実施形態では、実施形態３に示すのと同様に、第１ステップでワーク８００を予熱し、第２ステップでワーク８００に溶接ビード８１０を形成している。このようにすることで、実施形態３に示すのと同様に、幅及び溶込み深さのばらつきが少ない溶接ビード８１０を形成できる。
【0168】
特に、ワーク８００が、レーザ溶接中に発生する熱により割れが生じやすい材料、例えば、高張力鋼やクロムモリブデン鋼等の合金鋼や高炭素鋼等の場合、本実施形態に示すレーザ溶接方法は有効である。これについてさらに説明する。
【0169】
本実施形態によれば、第１ステップでワーク８００を予熱することにより、第２ステップにおいて、第２レーザ光Ｌ２の照射箇所での温度変化の幅を小さくできる。このことにより、ワーク８００が溶接中に割れるのを抑制できる。また、溶接後の冷却速度が遅くなることにより、第２レーザ光Ｌ２の照射箇所が、マルテンサイトを代表とした硬くて脆い金属組織となることを抑制でき、ワーク８００の割れを抑制できる。このことによっても、ワーク８００が溶接中に割れるのを抑制できる。
【0170】
なお、ワーク８００の材質が、ステンレスやアルミである場合、溶接中に発生するガス等の影響で、ワーク８００の内部にブローホールが生じることがある。ブローホールは、ワーク８００の内部に形成された空洞状の欠陥である。ブローホールが形成されると溶接強度及び溶接品質が低下してしまう。
【0171】
一方、本実施形態によれば、溶接後の冷却速度を遅くできるため、ブローホールの原因となるガスが溶融池８２０から外部に排出される時間を長くできる。このことにより、ブローホールの発生を抑制して、溶接強度及び溶接品質の低下を抑制することができる。
【0172】
なお、実施形態３に示すレーザ溶接方法を用いても、本実施形態に示す方法が奏するのと同様の効果を奏することができるのは言うまでもない。つまり、溶接中のワーク８００の割れを防止できる。また、ワーク８００にマルテンサイトを代表とした硬くて脆い金属組織が形成されるのを抑制できる。ブローホールの発生を抑制して、溶接強度及び溶接品質の低下を抑制できる。
【0173】
【0174】
本変形例では、ワーク８００が、第１板材８００Ａと第２板材８００Ｂとが端面同士で突き合わされた構造の場合を例に取って説明する。また、第１板材８００Ａは、クロムモリブデン鋼であり、第２板材８００Ｂは、炭素鋼（Ｓ２５Ｃ）である。なお、ワーク８００が別の構造、例えば、平板が重ね合わされた構造等であってもよい。
【0175】
本変形例に示すレーザ溶接方法は、第２ステップにおける溶接線ＷＬに対して、第１ステップにおける溶接線ＷＬ２を第１板材８００Ａ側にずらしている点で、実施形態４や実施形態６に示すレーザ溶接方法と異なる。このことについて、まず、図２３を用いて説明する。なお、図２３，２４から明らかなように、第２ステップにおける溶接線ＷＬは、第１板材８００Ａと第２板材８００Ｂとの境界線を含んでいる。
【0176】
第１板材８００Ａは、第２板材８００Ｂに比べて、溶接中に割れが生じやすい材料である。したがって、第１ステップにおける溶接線ＷＬ２を第２ステップにおける溶接線ＷＬから第１板材８００Ａ側にずらすことで、第２ステップにおける温度変化の幅を第２板材８００Ｂよりも第１板材８００Ａで小さくできる。このことにより、割れを生じやすい第１板材８００Ａにおいて、溶接中の割れを確実に抑制できる。つまり、ワーク８００が溶接中に割れるのを確実に抑制できる。また、溶接後の冷却速度も第２板材８００Ｂよりも第１板材８００Ａで遅くできる。このことにより、第１板材８００Ａに、マルテンサイトを代表とした硬くて脆い金属組織が形成されるのを抑制でき、ワーク８００の割れを抑制できる。
【0177】
また、第１ステップにおいて、第１レーザ光Ｌ１をワーク８００に照射する場合、ワーク８００の表面はわずかに溶融し、溶融池８２０（図２３中では示さず）が形成される。続く第２ステップで、溶融状態である溶融池８２０に第２レーザ光Ｌ２が照射されると、前述したブローホール等の欠陥が生じやすい。また、これらの欠陥が生じた状態でワーク８００が冷却されることで、ワーク８００に割れが生じやすくなる。この傾向が、割れが生じやすい第１板材でより顕著であるのは言うまでもない。
【0178】
そこで、本変形例に示すように、第１ステップにおける溶接線ＷＬ２を第２ステップにおける溶接線ＷＬから第１板材８００Ａ側にずらすことで、第１板材８００Ａにおける温度変化の幅を小さくし、また、冷却速度を遅くする。このことにより、ブローホール等の欠陥の発生を抑制し、割れを生じやすい第１板材８００Ａにおいて、溶接中の割れを確実に抑制できる。つまり、ワーク８００が溶接中に割れるのを確実に抑制できる。
【0179】
なお、実施形態４に示すように、第２ステップに続けて、第３ステップでワーク８００に第１レーザ光Ｌ１を照射するようにしてもよい。この場合、図２４に示すように、第２レーザ光Ｌ２の後方に照射される第１レーザ光Ｌ１も、溶接線ＷＬ２に沿って照射される。つまり、第３ステップにおける溶接線ＷＬ２も第２ステップにおける溶接線ＷＬから第１板材８００Ａ側にずらすのが好ましい。
【0180】
このように第３ステップを設け、さらに溶接線ＷＬ２を溶接線ＷＬから第１板材８００Ａ側にずらすことで、溶接ビード８１０が形成された後の第１板材８００Ａの温度変化の幅を小さくすることができる。また、溶接後の第１板材８００Ａの冷却速度を第２板材８００Ｂの冷却速度よりも遅くすることができる。このことにより、割れを生じやすい第１板材８００Ａにおいて、溶接中の割れを確実に抑制できる。つまり、ワーク８００が溶接中に割れるのを確実に抑制できる。また、第１板材８００Ａに、マルテンサイトを代表とした硬くて脆い金属組織が形成されるのを抑制でき、ワーク８００の割れを抑制できる。
【0181】
（実施形態７）
図２５は、本実施形態に係るレーザ溶接方法を説明する模式図を示す。図２６Ａは、第１ステップにおける第１レーザ光のビームプロファイルの変化を模式的に示す。図２６Ｂは、第２ステップにおける第２レーザ光のビームプロファイルを模式的に示す。
図２５は、本実施形態に係るレーザ溶接方法を説明する模式図を示す。図２６Ａは、第１ステップにおける第１レーザ光のビームプロファイルの変化を模式的に示す。図２６Ｂは、第２ステップにおける第２レーザ光のビームプロファイルを模式的に示す。
【0182】
本実施形態に示すレーザ溶接方法は、第１ステップにおいて、ビームプロファイルを周期的に変化させながら、溶接線ＷＬに沿って第１レーザ光Ｌ１をワーク８００に照射している点で、実施形態１～６に示すレーザ溶接方法と異なる。このことについてさらに説明する。
【0183】
図２５に示すように、第２ステップでワーク８００に照射される第２レーザ光Ｌ２は、ビームプロファイルが一定であり、図２６Ｂに示すパターン２（図６参照）となるように、第２光路変更機構２１３により、第１光ファイバ３００への入射位置Ｐが調整されている。
【0184】
一方、第１ステップでワーク８００に照射される第１レーザ光Ｌ１は、溶接線ＷＬに沿って第２レーザ光Ｌ２の前方に照射される。また、第１レーザ光Ｌ１は、周波数ｆでビームプロファイルが周期的に変化している。具体的には、図２６Ａに示すように、ビームプロファイルがパターン０（図６参照）からパターン２（図６参照）へ、また、パターン０へと周期的に変化するように、第１光路変更機構１１３が駆動される。なお、本実施形態における周波数ｆは、２００Ｈｚ程度であるが、特にこれに限定されず、適宜変更しうる。
【0185】
例えば、ワーク８００が、赤外レーザ光に対する反射率の高いアルミニウムやアルミ系合金である場合、前述したように、表面に形成された酸化膜を破壊、除去することで、幅や溶込みのばらつきが少ない溶接ビード８１０を形成できる。
【0186】
本実施形態によれば、第１ステップにおいて、ビームプロファイルがパターン０である第１レーザ光Ｌ１を照射している期間で、表面の酸化膜の破壊、除去を行っている。また、ビームプロファイルがパターン２である第１レーザ光Ｌ１を照射している期間で、ワーク８００に溶接ビード８１０を形成している。つまり、第１ステップにおいて、ワーク８００の表面改質と溶接とを同時に行っている。このことにより、幅や溶込みのばらつきが少ない溶接ビード８１０を形成できる。
【0187】
また、第２ステップでは、第１ステップにおける第１レーザ光Ｌ１のビームプロファイルのうち、幅の広いパターン２に合わせて、第２レーザ光Ｌ２のビームプロファイルを制御している。このようにすることで、第１ステップで形成された溶接ビード８１０の幅を大きく変えることがない。また、パワー密度ＰＤも一定であるため、最終的に形成される溶接ビード８１０の溶込み深さのばらつきを小さくできる。さらに、第２ステップにおいて、第１ステップで形成された溶接ビード８１０の表面が均されるため、良好な美観を有する溶接ビード８１０を形成できる。
【0188】
（その他の実施形態）
実施形態１～７及び変形例１，２に示す各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、実施形態３に示すレーザ溶接方法において、ワーク８００の構造等に応じて、実施形態６に示すように、第２ステップでの溶接線ＷＬ２を第２ステップでの溶接線ＷＬとずらすようにしてもよい。
実施形態１～７及び変形例１，２に示す各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、実施形態３に示すレーザ溶接方法において、ワーク８００の構造等に応じて、実施形態６に示すように、第２ステップでの溶接線ＷＬ２を第２ステップでの溶接線ＷＬとずらすようにしてもよい。
【0189】
また、本願明細書では、第１光ファイバ３００が、第１～第３コア３１０，３３０，３５０を有する、いわゆる３層コア構造を例に取って説明したが、特にこれに限定されず、２層以上のコアを有していればよい。
【0190】
例えば、図２７に示すように、第１光ファイバ３００が第１コア３１０と第３コア３５０を有するか、あるいは第１コア３１０と第２コア３３０を有する構造であってもよい。この場合も、第１光路変更機構１１３により第１レーザ光Ｌ１の第１光ファイバ３００への入射位置Ｐを変更することで、第１レーザ光Ｌ１の出力に対する第１コア３１０に入射される第１レーザ光Ｌ１の比率を変化させることができる。このことにより、本開示のレーザ溶接方法の各ステップで、ワーク８００に対して第１レーザ光Ｌ１による所望の処理を行うことができる。また、図示しないが、第２光ファイバ４００が第１コア４１０と第３コア４５０を有するか、あるいは第１コア４１０と第２コア４３０を有する構造であってもよいことは言うまでもない。
【0191】
なお、本願明細書では、第１調整機構５４０を駆動することで、ワーク８００の表面における第１レーザ光Ｌ１の集光点を、溶接線ＷＬに沿って、第２レーザ光Ｌ２の集光点の前方または後方に移動させるようにしたが、特にこれに限られない。第２調整機構５５０または第１調整機構５４０及び第２調整機構５５０の両方を駆動することで、ワーク８００の表面における第１レーザ光Ｌ１の集光点を、溶接線ＷＬに沿って、第２レーザ光Ｌ２の集光点の前方または後方に移動させるようにしてもよい。
【0192】
また、第１レーザ光Ｌ１または第２レーザ光Ｌ２のいずれかで、ビームプロファイルが固定されて使用される場合は、第１光路変更機構１１３または第２光路変更機構２１３のいずれかが省略されてもよい。
【0193】
なお、第１ピエゾアクチュエータ１１６及び第２ピエゾアクチュエータ２１６の代わりに別のアクチュエータ、例えば、ステッピングモータを用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0194】
本開示のレーザ溶接装置は、溶込み深さを確保しつつ、外観美観性に優れた溶接ビードを形成することができるため、有用である。
【符号の説明】
【0195】
１００ 第１レーザ発振器
１１３ 第１光路変更機構
２００ 第２レーザ発振器
２１３ 第２光路変更機構
３００ 第１光ファイバ
３１０ 第１コア
３２０ 第１クラッド
３３０ 第２コア
３４０ 第２クラッド
３５０ 第３コア
３６０ 第３クラッド
４００ 第２光ファイバ
４１０ 第１コア
４２０ 第１クラッド
４３０ 第２コア
４４０ 第２クラッド
４５０ 第３コア
４６０ 第３クラッド
５００ レーザヘッド
５１０ 第１コリメートレンズ
５２０ 第２コリメートレンズ
５３０ 第１ミラー
５４０ 第１調整機構
５５０ 第２調整機構
５６０ ダイクロイックミラー（第１光学部材）
５７０ ｆθレンズ（第２光学部材）
６００ ロボット
７００ 制御部
８００ ワーク
８１０ 溶接ビード
８２０ 溶融池
８３０ キーホール
８４０ 余熱部
１０００ レーザ溶接装置
１１３ 第１光路変更機構
２００ 第２レーザ発振器
２１３ 第２光路変更機構
３００ 第１光ファイバ
３１０ 第１コア
３２０ 第１クラッド
３３０ 第２コア
３４０ 第２クラッド
３５０ 第３コア
３６０ 第３クラッド
４００ 第２光ファイバ
４１０ 第１コア
４２０ 第１クラッド
４３０ 第２コア
４４０ 第２クラッド
４５０ 第３コア
４６０ 第３クラッド
５００ レーザヘッド
５１０ 第１コリメートレンズ
５２０ 第２コリメートレンズ
５３０ 第１ミラー
５４０ 第１調整機構
５５０ 第２調整機構
５６０ ダイクロイックミラー（第１光学部材）
５７０ ｆθレンズ（第２光学部材）
６００ ロボット
７００ 制御部
８００ ワーク
８１０ 溶接ビード
８２０ 溶融池
８３０ キーホール
８４０ 余熱部
１０００ レーザ溶接装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26A】
【図26B】
【図27】