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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】P2024057044
(43)【公開日】2024-04-23
(54)【発明の名称】溶接方法および溶接装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/21 20140101AFI20240416BHJP
B23K 26/073 20060101ALI20240416BHJP
B23K 26/28 20140101ALI20240416BHJP
【ＦＩ】
B23K26/21 E
B23K26/073
B23K26/28
【審査請求】有
【請求項の数】33
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024027222
(22)【出願日】2024-02-27
(62)【分割の表示】P 2020541282の分割
【原出願日】2019-09-04
(31)【優先権主張番号】P 2018165499
(32)【優先日】2018-09-04
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000005290
【氏名又は名称】古河電気工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】安岡 知道
(72)【発明者】
【氏名】茅原 崇
(72)【発明者】
【氏名】酒井 俊明
(72)【発明者】
【氏名】西井 諒介
(72)【発明者】
【氏名】繁松 孝
(57)【要約】
【課題】溶融痕の底面の形状を安定化できる溶接方法および溶接装置を提供する。
【解決手段】溶接方法は、レーザ光を加工対象に向かって照射しながら前記レーザ光と前記加工対象とを相対的に移動させ、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う、工程を含み、前記レーザ光は主パワー領域と、前記主パワー領域の掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワー密度は前記副パワー領域のパワー密度以上であり、前記主パワー領域のパワー密度は、少なくともキーホールを発生させうるパワー密度である。
【選択図】図５Ａ
【解決手段】溶接方法は、レーザ光を加工対象に向かって照射しながら前記レーザ光と前記加工対象とを相対的に移動させ、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う、工程を含み、前記レーザ光は主パワー領域と、前記主パワー領域の掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワー密度は前記副パワー領域のパワー密度以上であり、前記主パワー領域のパワー密度は、少なくともキーホールを発生させうるパワー密度である。
【選択図】図５Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光を加工対象に向かって照射しながら前記レーザ光と前記加工対象とを相対的に移動させ、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う、
工程を含み、
前記レーザ光は主パワー領域と、前記主パワー領域の掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワー密度は前記副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記主パワー領域のパワー密度は、少なくともキーホールを発生させうるパワー密度であり、
前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方のみに、前記主パワー領域よりもパワー密度が低い副パワー領域をさらに有し、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接方法。
工程を含み、
前記レーザ光は主パワー領域と、前記主パワー領域の掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワー密度は前記副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記主パワー領域のパワー密度は、少なくともキーホールを発生させうるパワー密度であり、
前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方のみに、前記主パワー領域よりもパワー密度が低い副パワー領域をさらに有し、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接方法。
【請求項2】
レーザ光を加工対象に向かって照射しながら前記レーザ光と前記加工対象とを相対的に移動させ、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う、
工程を含み、
前記レーザ光は主パワー領域と、前記主パワー領域の掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワー密度は前記副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記主パワー領域のパワー密度は、少なくともキーホールを発生させうるパワー密度であり、
前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方および後方のみに、前記副パワー領域を有し、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接方法。
工程を含み、
前記レーザ光は主パワー領域と、前記主パワー領域の掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワー密度は前記副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記主パワー領域のパワー密度は、少なくともキーホールを発生させうるパワー密度であり、
前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方および後方のみに、前記副パワー領域を有し、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接方法。
【請求項3】
レーザ光を加工対象に向かって照射しながら前記レーザ光と前記加工対象とを相対的に移動させ、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う、
工程を含み、
前記レーザ光は主パワー領域と、前記主パワー領域の掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワー密度は前記副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記主パワー領域のパワー密度は、少なくともキーホールを発生させうるパワー密度であり、
前記副パワー領域は、前記主パワー領域の周囲を囲む略リング形状の一部である円弧形状を持ち、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接方法。
工程を含み、
前記レーザ光は主パワー領域と、前記主パワー領域の掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワー密度は前記副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記主パワー領域のパワー密度は、少なくともキーホールを発生させうるパワー密度であり、
前記副パワー領域は、前記主パワー領域の周囲を囲む略リング形状の一部である円弧形状を持ち、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接方法。
【請求項4】
レーザ光を加工対象に向かって照射しながら前記レーザ光と前記加工対象とを相対的に移動させ、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う、
工程を含み、
前記レーザ光は主パワー領域と、前記主パワー領域の掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワー密度は前記副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記主パワー領域のパワー密度は、少なくともキーホールを発生させうるパワー密度であり、
前記レーザ光の前記副パワー領域が複数の副ビームで構成され、
前記レーザ光の前記主パワー領域が主ビームで構成され、
前記主ビームの少なくとも一部はそれぞれの前記副ビームと重ならない領域を有し、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接方法。
工程を含み、
前記レーザ光は主パワー領域と、前記主パワー領域の掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワー密度は前記副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記主パワー領域のパワー密度は、少なくともキーホールを発生させうるパワー密度であり、
前記レーザ光の前記副パワー領域が複数の副ビームで構成され、
前記レーザ光の前記主パワー領域が主ビームで構成され、
前記主ビームの少なくとも一部はそれぞれの前記副ビームと重ならない領域を有し、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接方法。
【請求項5】
前記レーザ光の前記主パワー領域と前記副パワー領域で溶融池が形成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項6】
前記レーザ光の前記主パワー領域と前記副パワー領域は、前記主パワー領域で形成された溶融池と、前記副パワー領域で形成された溶融池の少なくとも一部が重なる様に構成される、請求項１～３、５のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項7】
前記レーザ光の前記副パワー領域が複数の副ビームで構成され、
前記レーザ光の前記主パワー領域が主ビームで構成され、
前記主ビームの少なくとも一部はそれぞれの前記副ビームと重ならない領域を有する、請求項１～３、５、６のいずれか１項に記載の溶接方法。
前記レーザ光の前記主パワー領域が主ビームで構成され、
前記主ビームの少なくとも一部はそれぞれの前記副ビームと重ならない領域を有する、請求項１～３、５、６のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項8】
前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方に、前記主パワー領域よりもパワー密度が低い副パワー領域をさらに有する、請求項４～７のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項9】
前記主パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長と同一である、請求項１～８のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項10】
前記主パワー領域および前記副パワー領域は、同一の発振器から出射されたレーザ光で構成される、請求項１～９のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項11】
前記主パワー領域および前記副パワー領域は、異なる発振器から出射されたレーザ光で構成される、請求項１～１０のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項12】
前記主パワー領域および前記副パワー領域は、ビームシェイパによって形成される、請求項１～１１のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項13】
前記ビームシェイパは回折光学素子である、ことを特徴とする請求項１２に記載の溶接方法。
【請求項14】
前記加工対象は溶接されるべき少なくとも２つの部材であり、前記加工対象をレーザ光の照射される領域に配置する工程は、前記少なくとも２つの部材を重ねる、または接触させる、または隣接させるように配置する工程である、請求項１～１３のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項15】
レーザ発振器と、
レーザ発振器から発振された光を受け取ってレーザ光を生成し、前記生成されたレーザ光を加工対象に向かって照射して照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、
によって構成され、
前記光学ヘッドは前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動可能な様に構成され、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、前記溶融を行なって溶接を行い、
前記レーザ光は主パワー領域と、掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域によって構成され、主パワー領域のパワー密度は副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方のみに、前記副パワー領域をさらに有し、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接装置。
レーザ発振器から発振された光を受け取ってレーザ光を生成し、前記生成されたレーザ光を加工対象に向かって照射して照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、
によって構成され、
前記光学ヘッドは前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動可能な様に構成され、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、前記溶融を行なって溶接を行い、
前記レーザ光は主パワー領域と、掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域によって構成され、主パワー領域のパワー密度は副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方のみに、前記副パワー領域をさらに有し、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接装置。
【請求項16】
レーザ発振器と、
レーザ発振器から発振された光を受け取ってレーザ光を生成し、前記生成されたレーザ光を加工対象に向かって照射して照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、
によって構成され、
前記光学ヘッドは前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動可能な様に構成され、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、前記溶融を行なって溶接を行い、
前記レーザ光は主パワー領域と、掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域によって構成され、主パワー領域のパワー密度は副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方および後方のみに、前記副パワー領域をさらに有し、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接装置。
レーザ発振器から発振された光を受け取ってレーザ光を生成し、前記生成されたレーザ光を加工対象に向かって照射して照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、
によって構成され、
前記光学ヘッドは前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動可能な様に構成され、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、前記溶融を行なって溶接を行い、
前記レーザ光は主パワー領域と、掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域によって構成され、主パワー領域のパワー密度は副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方および後方のみに、前記副パワー領域をさらに有し、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接装置。
【請求項17】
レーザ発振器と、
レーザ発振器から発振された光を受け取ってレーザ光を生成し、前記生成されたレーザ光を加工対象に向かって照射して照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、
によって構成され、
前記光学ヘッドは前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動可能な様に構成され、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、前記溶融を行なって溶接を行い、
前記レーザ光は主パワー領域と、掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域によって構成され、主パワー領域のパワー密度は副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記レーザ発振器は異なる２つのレーザ発振器から構成され、前記主パワー領域および前記副パワー領域は、それぞれ前記異なる２つの発振器から出射されたレーザ光で構成され、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接装置。
レーザ発振器から発振された光を受け取ってレーザ光を生成し、前記生成されたレーザ光を加工対象に向かって照射して照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、
によって構成され、
前記光学ヘッドは前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動可能な様に構成され、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、前記溶融を行なって溶接を行い、
前記レーザ光は主パワー領域と、掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域によって構成され、主パワー領域のパワー密度は副パワー領域のパワー密度以上であり、
前記レーザ発振器は異なる２つのレーザ発振器から構成され、前記主パワー領域および前記副パワー領域は、それぞれ前記異なる２つの発振器から出射されたレーザ光で構成され、
前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である、溶接装置。
【請求項18】
前記レーザ光の前記主パワー領域と前記副パワー領域は、それぞれ溶融池を形成する様に構成される、請求項１５または１６に記載の溶接装置。
【請求項19】
前記レーザ光の前記主パワー領域と前記副パワー領域は、前記主パワー領域で形成された溶融池と、前記副パワー領域で形成された溶融池の少なくとも一部が重なる様に構成される、請求項１５、１６、１８のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項20】
前記レーザ発振器は異なる２つのレーザ発振器から構成され、前記主パワー領域および前記副パワー領域は、それぞれ前記異なる２つの発振器から出射されたレーザ光で構成される、請求項１５、１６、１８、１９のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項21】
前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方に、前記主パワー領域よりもパワー密度が低い副パワー領域をさらに有する、請求項１７～２０のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項22】
前記レーザ光は、前記主パワー領域の周囲に、前記主パワー領域よりもパワー密度が低い前記副パワー領域をさらに分散して有する、請求項１７～２０のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項23】
前記副パワー領域は前記主パワー領域の周囲を囲むリング形状の一部である円弧形状を持つ、請求項１７～２０のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項24】
前記主パワー領域を構成するレーザ光の波長は、前記副パワー領域を構成するレーザ光の波長と同一である、請求項１５～２３のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項25】
前記光学ヘッドは単一のレーザ発振器から発振された光から前記主パワー領域および前記副パワー領域からなる前記レーザ光を生成する、請求項１５～２４のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項26】
前記光学ヘッドは前記レーザ発振器と前記加工対象との間に配置されたビームシェイパを含み、前記ビームシェイパは前記単一のレーザ発振器から発振された光から前記主パワー領域および前記副パワー領域を形成する、請求項２５に記載の溶接装置。
【請求項27】
前記ビームシェイパは回折光学素子である、請求項２６に記載の溶接装置。
【請求項28】
前記ビームシェイパは、回転可能に設けられている、請求項２６または２７に記載の溶接装置。
【請求項29】
前記加工対象は溶接されるべき少なくとも２つの部材である、請求項１５～２８のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項30】
前記レーザ発振器として複数のレーザ発振器を含み、
前記光学ヘッドは前記複数のレーザ発振器から出射された光を内部で合波して前記レーザ光を生成する、請求項１５～２９のいずれか１項に記載の溶接装置。
前記光学ヘッドは前記複数のレーザ発振器から出射された光を内部で合波して前記レーザ光を生成する、請求項１５～２９のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項31】
前記レーザ発振器として複数のレーザ発振器を含み、
前記複数のレーザ発振器から出射された光を内部で合波して前記光学ヘッドへ導くマルチコアファイバを、さらに備える、請求項１５～２９のいずれか１項に記載の溶接装置。
前記複数のレーザ発振器から出射された光を内部で合波して前記光学ヘッドへ導くマルチコアファイバを、さらに備える、請求項１５～２９のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項32】
前記光学ヘッドは前記レーザ光を、固定されている前記加工対象に対して掃引可能に構成される、請求項１５～３１のいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項33】
前記光学ヘッドからのレーザ光の照射位置は固定され、前記加工対象が前記固定されたレーザ光に対して移動可能に保持される、請求項１５～３２のいずれか１項に記載の溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、溶接方法および溶接装置に関する。
【背景技術】
【0002】
鉄や銅などの金属材料を溶接する手法の一つとして、レーザ溶接が知られている。レーザ溶接とは、レーザ光を加工対象の溶接部分に照射し、レーザ光のエネルギーで溶接部分を溶融させる溶接方法である。レーザ光が照射された溶接部分には、溶融池と呼ばれる溶融した金属材料の液溜りが形成され、その後、溶融池の金属材料が固化することによって溶接が行われる。
【0003】
また、レーザ光を加工対象に照射する際には、その目的に応じ、レーザ光のプロファイルが成形されることもある。例えば、レーザ光を加工対象の切断に用いる場合に、レーザ光のプロファイルを成形する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特表２０１０－５０８１４９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、本発明者らの実験等による調査によれば、溶接した加工対象において、溶融池が固化したものである溶融痕の底面の形状が、不規則な凹凸形状などの不安定な形状となる場合がある。溶融痕の底面の形状が不安定であると、溶接の用途によっては好ましくない場合がある。
【0006】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、溶融痕の底面の形状を安定化できる溶接方法および溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る溶接方法は、レーザ光を加工対象に向かって照射しながら前記レーザ光と前記加工対象とを相対的に移動させ、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う、工程を含み、前記レーザ光は主パワー領域と、前記主パワー領域の掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワー密度は前記副パワー領域のパワー密度以上であり、前記主パワー領域のパワー密度は、少なくともキーホールを発生させうるパワー密度である。
【0008】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方に、前記主パワー領域よりもパワー密度が低い副パワー領域をさらに有する。
【0009】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方のみに、前記主パワー領域よりもパワー密度が低い副パワー領域をさらに有する。
【0010】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方および後方のみに、前記副パワー領域を有する。
【0011】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光は、前記主パワー領域の周囲に、前記主パワー領域よりもパワー密度が低い副パワー領域をさらに分散して有する。
【0012】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記副パワー領域は、前記主パワー領域の周囲を囲む略リング形状の一部である円弧形状を持つ。
【0013】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光の前記主パワー領域と前記副パワー領域で溶融池が形成されている。
【0014】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光の前記主パワー領域と前記副パワー領域は、前記主パワー領域で形成された溶融池と、前記副パワー領域で形成された溶融池の少なくとも一部が重なる様に構成される。
【0015】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光の前記副パワー領域が複数の副ビームで構成され、前記レーザ光の前記主パワー領域が主ビームで構成され、前記主ビームの少なくとも一部はそれぞれの前記副ビームと重ならない領域を有する。
【0016】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である。
【0017】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記主パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長と同一である。
【0018】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記主パワー領域および前記副パワー領域は、同一の発振器から出射されたレーザ光で構成される。
【0019】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記主パワー領域および前記副パワー領域は、異なる発振器から出射されたレーザ光で構成される。
【0020】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記主パワー領域および前記副パワー領域は、ビームシェイパによって形成される。
【0021】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記ビームシェイパは回折光学素子である。
【0022】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記加工対象は溶接されるべき少なくとも２つの部材であり、前記加工対象をレーザ光の照射される領域に配置する工程は、前記少なくとも２つの部材を重ねる、または接触させる、または隣接させるように配置する工程である。
【0023】
本発明の一態様に係る溶接方法は、前記副パワー領域の面積は、前記主パワー領域の面積と略等しいまたは大きい。
【0024】
本発明の一態様に係る溶接装置は、レーザ発振器と、レーザ発振器から発振された光を受け取ってレーザ光を生成し、前記生成されたレーザ光を加工対象に向かって照射して照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、によって構成され、前記光学ヘッドは前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動可能な様に構成され、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、前記溶融を行なって溶接を行い、前記レーザ光は主パワー領域と、掃引方向側方に少なくともその一部がある副パワー領域によって構成され、主パワー領域のパワー密度は副パワー領域のパワー密度以上である。
【0025】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記副パワー領域のパワー密度は、少なくとも前記加工対象を溶融し得るパワー密度である。
【0026】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方に、前記主パワー領域よりもパワー密度が低い副パワー領域をさらに有する。
【0027】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方のみに、前記副パワー領域をさらに有する。
【0028】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記レーザ光は、前記主パワー領域の掃引方向側方および後方のみに、前記副パワー領域をさらに有する。
【0029】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記レーザ光は、前記主パワー領域の周囲に、前記主パワー領域よりもパワー密度が低い前記副パワー領域をさらに分散して有する。
【0030】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記副パワー領域は前記主パワー領域の周囲を囲むリング形状の一部である円弧形状を持つ。
【0031】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記レーザ光の前記主パワー領域と前記副パワー領域は、それぞれ溶融池を形成する様に構成される。
【0032】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記レーザ光の前記主パワー領域と前記副パワー領域は、前記主パワー領域で形成された溶融池と、前記副パワー領域で形成された溶融池の少なくとも一部が重なる様に構成される。
【0033】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記主パワー領域および前記副パワー領域のうち少なくとも前記副パワー領域を形成するレーザ光の波長は、前記加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長である。
【0034】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記主パワー領域を構成するレーザ光の波長は、前記副パワー領域を構成するレーザ光の波長と同一である。
【0035】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記光学ヘッドは単一のレーザ発振器から発振された光から前記主パワー領域および前記副パワー領域からなる前記レーザ光を生成する。
【0036】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記光学ヘッドは前記レーザ発振器と前記加工対象との間に配置されたビームシェイパを含み、前記ビームシェイパは前記単一のレーザ発振器から発振された光から前記主パワー領域および前記副パワー領域を形成する。
【0037】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記ビームシェイパは回折光学素子である。
【0038】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記レーザ発振器は異なる２つのレーザ発振器から構成され、前記主パワー領域および前記副パワー領域は、それぞれ前記異なる２つの発振器から出射されたレーザ光で構成される。
【0039】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記加工対象は溶接されるべき少なくとも２つの部材である。
【0040】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記副パワー領域の面積は、前記主パワー領域の面積と略等しいまたは大きい。
【0041】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記ビームシェイパは、回転可能に設けられている。
【0042】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記レーザ発振器として複数のレーザ発振器を含み、前記光学ヘッドは前記複数のレーザ発振器から出射された光を内部で合波して前記レーザ光を生成する。
【0043】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記レーザ発振器は複数あり、前記複数のレーザ発振器から出射された光を内部で合波して前記光学ヘッドへ導くマルチコアファイバを、さらに備える。
【0044】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記光学ヘッドは前記レーザ光を、固定されている前記加工対象に対して掃引可能に構成される。
【0045】
本発明の一態様に係る溶接装置は、前記光学ヘッドからのレーザ光の照射位置は固定され、前記加工対象が前記固定されたレーザ光に対して移動可能に保持される。
【発明の効果】
【0046】
本発明に係る溶接方法および溶接装置は、溶融痕の底面の形状を安定化できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0047】
【発明を実施するための形態】
【0048】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る溶接方法および溶接装置を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【0049】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、第１実施形態に係る溶接装置１００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。図１に示すように、溶接装置１００は、レーザ光を発振する発振器１１０と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド１２０と、発振器１１０で発振されたレーザ光を光学ヘッド１２０へ導く光ファイバ１３０とを備えている。加工対象Ｗは、溶接されるべき少なくとも２つの部材で構成されている。
図１は、第１実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、第１実施形態に係る溶接装置１００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。図１に示すように、溶接装置１００は、レーザ光を発振する発振器１１０と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド１２０と、発振器１１０で発振されたレーザ光を光学ヘッド１２０へ導く光ファイバ１３０とを備えている。加工対象Ｗは、溶接されるべき少なくとも２つの部材で構成されている。
【0050】
発振器１１０は、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成されている。例えば、発振器１１０は、内部に複数の半導体レーザ素子を備え、当該複数の半導体レーザ素子の合計の出力として数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成することとしてもよいし、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等様々なレーザを用いてもよい。
【0051】
光学ヘッド１２０は、発振器１１０から導かれたレーザ光Ｌを、所定のパワー密度に集光して、加工対象Ｗに照射するための光学装置である。そのために、光学ヘッド１２０は、内部にコリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２とを備えている。コリメートレンズ１２１は、光ファイバ１３０によって導かれたレーザ光Ｌを一旦平行光化するための光学系であり、集光レンズ１２２は、平行光化されたレーザ光Ｌを加工対象Ｗに集光させるための光学系である。
【0052】
光学ヘッド１２０は、加工対象Ｗにおけるレーザ光Ｌの照射位置を移動（掃引）させるために、加工対象Ｗとの相対位置を変更可能に設けられている。加工対象Ｗとの相対位置を変更する方法としては、光学ヘッド１２０自身を移動することや、加工対象Ｗを移動することなどが含まれる。すなわち、光学ヘッド１２０はレーザ光Ｌを、固定されている加工対象Ｗに対して掃引可能に構成されてもよい、または、光学ヘッド１２０からのレーザ光Ｌの照射位置は固定され、加工対象Ｗが、固定されたレーザ光Ｌに対して移動可能に保持されてもよい。加工対象Ｗをレーザ光Ｌの照射される領域に配置する工程では、溶接されるべき少なくとも２つの部材を重ねる、または接触させるまたは、隣接させるように配置する。
【0053】
第１実施形態に係る光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２との間にビームシェイパとしての回折光学素子１２３を備えている。ここでいう回折光学素子とは、図２に概念を示す様に、周期の異なる複数の回折格子１５０１を１体にした光学素子１５０２を指している。これを通過したレーザ光は各回折格子の影響を受けた方向に曲げられ、重なり合い、任意の形にレーザ光を形成することができる。回折光学素子１２３は、回転可能に設ける構成とすることができる。また、交換可能に設ける構成とすることもできる。
【0054】
本実施形態において、回折光学素子１２３は、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、パワー密度が高い主ビームよりも移動方向測方に、パワー密度が主ビームのパワー密度以下である副ビームを有するように、レーザ光Ｌを成形するためのものである。
【0055】
回折光学素子１２３によって成形されるレーザ光Ｌは、図３に、レーザ光Ｌの進行方向と垂直な面における断面形状の一例を示すように、ピークＰ１を有する主ビームＢ１と、ピークＰ２を有する２つの副ビームＢ２とによって構成されている。矢印ｖは加工対象Ｗに対するレーザ光Ｌの相対的な移動方向であり、掃引方向に相当するものである。２つの副ビームＢ２は、掃引方向を前方として、主ビームＢ１の側方に位置する。主ビームＢ１の側方とは、図３に示すように主ビームＢ１のビーム径の位置を通り掃引方向と平行な破線で規定される、領域Ａ１、Ａ２を意味する。図３に示す例では、２つの副ビームＢ２は、互いのビーム径の中心を結ぶ線が主ビームＢ１のビーム径の略中心を通り、かつその線が掃引方向と略垂直になるように配置されている。ただし、副ビームＢ２の位置はこれに限られず、領域Ａ１、Ａ２のどこかに位置すれば、主ビームＢ１の側方に位置すると見なすことができる。また、主ビームＢ１の後方とは、領域Ａ１と領域Ａ２とに挟まれた領域において、移動方向とは反対側の方である。
【0056】
なお、主ビームまたは副ビームのパワー密度は、ピークを含み、ピーク強度の１／ｅ２以上の強度の領域でのパワー密度である。また、主ビームまたは副ビームのビーム径は、ピークを含み、ピーク強度の１／ｅ２以上の強度の領域の径である。円形でないビームの場合は、本明細書に於いてはビームの中心付近を通る長い方の軸（例えば長軸）もしくは長い方の軸（長軸）に垂直方向の短い方の軸（例えば短軸）の、ピーク強度の１／ｅ２以上の強度となる領域の長さをビーム径と定義する。副ビームのビーム径は、主ビームのビーム径と略等しいまたは大きくてもよい。したがって、副ビームの面積は、主ビームの面積と略等しいまたは大きくてもよい。
【0057】
また、少なくとも主ビームＢ１のパワー分布はある程度鋭い形状であることが好ましい。主ビームＢ１のパワー分布がある程度鋭い形状であれば、加工対象Ｗを溶融する際の溶け込み深さを深くできるので、溶接強度を確保できる。主ビームＢ１の鋭さの指標として、ビーム径を用いると、主ビームＢ１のビーム径が６００μｍ以下が好ましく、４００μｍ以下がより好ましい。なお、主ビームＢ１が鋭い形状であると、同じ溶け込み深さを実現するためのパワーを低減でき、かつ加工速度を速めることができる。そのため、レーザ溶接装置１００の消費電力の低減と加工効率の向上とを実現できる。副ビームＢ２のパワー分布は、主ビームＢ１と同程度に鋭くてもよい。
【0058】
なお、ビーム径は、使用するレーザ装置１１０、光学ヘッド１２０、光ファイバ１３０の特性を適宜設定することにより調整可能である。例えば、光ファイバ１３０から光学ヘッド１２０に入力するレーザ光のビーム径の設定や、回折光学素子１２３やレンズ１２１，１２２等の光学系の設定により、調整可能である。
【0059】
加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、パワー密度が高い主ビームよりも移動方向側方に、主ビームよりもパワー密度が低い副ビームを有することの作用は、必ずしも明らかにはされていないが、たとえば以下のように考えられる。図４Ａ～５Ｂは、レーザ光が加工対象を溶融する状況を示す図である。
【0060】
図４Ａは、レーザ光の移動方向（矢印ｖ）に沿った加工対象Ｗの断面を示し、図４Ｂは図４Ａの断面に垂直な断面を示している。レーザ光が１つのビームＢによって構成されている場合、レーザ光のビームＢが照射された位置から移動方向とは反対方向に延びるように、加工対象Ｗが溶融した溶融池ＷＰ１が溶融領域として形成される。溶融池ＷＰ１は固化して溶融痕Ｗ１となるが、その底面ＢＳ１１の形状が不規則な凹凸形状などの不安定な形状となる場合がある。
【0061】
その理由は必ずしも明らかにはされていないが、溶融池ＷＰ１の底面ＢＳ１１が不安定な形状となっており、その形状をある程度反映したまま固化して溶融痕Ｗ１となったためと考えられる。この場合、たとえば、ビームＢにより与えられたエネルギー、または、それにより発生したキーホールＫＨによって、溶融池ＷＰ１の液面が不安定に揺らぎ、それに伴って底面ＢＳ１１が不安定な形状になったとも考えられる。
【0062】
これに対して、図５Ａ、図５Ｂに示すように、第１実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、主ビームＢ１と２つの副ビームＢ２とを有している。主ビームＢ１のパワー密度は、たとえば、少なくともキーホールを発生させうる強度である。２つの副ビームＢ２は、いずれもパワー密度が主ビームＢ１よりも低く、主ビームＢ１に対して、レーザ光Ｌの移動方向側方に位置する。副ビームＢ２のパワー密度は、主ビームＢ１の存在下または単独にて、加工対象Ｗを溶融し得る密度である。したがって、図５Ｂに示すように、主ビームＢ１が照射される位置の側方の、副ビームＢ２が照射される位置までに広がった溶融池ＷＰ２が溶融領域として形成されることになる。副ビームＢ２のパワー密度が主ビームＢ１よりも低い場合、副ビームＢ２によって主ビームＢ１が溶融する深さよりも浅い領域である浅瀬領域が形成される。
【0063】
なお、主ビームＢ１と副ビームＢ２の溶融強度領域は、重なってもよいが、必ずしも重なる必要はなく、各ビームによって形成される溶融池が繋がればよい。溶融強度領域とは、主ビームＢ１または副ビームＢ２の周囲における加工対象Ｗを溶融し得るパワー密度のレーザ光のビームの範囲のことをいう。
【0064】
第１実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、溶融池ＷＰ２が固化した溶融痕Ｗ２の底面ＢＳ２２の形状は、図４に示すビームＢによる底面ＢＳ１２よりも、凹凸がより少なく、平坦性がより高い、安定した形状となる。その理由は必ずしも明らかにはされていないが、溶融池ＷＰ２の底面ＢＳ２１がより安定な形状となっていると考えられる。その理由は、たとえば、主ビームＢ１および副ビームＢ２によって、図４の場合よりも側方に広がった溶融池ＷＰ２が形成されるので、エネルギーが拡散されて溶融池ＷＰ２の液面の揺らぎが抑制され、あるいは、キーホールＫＨの不安定な動きが抑制され、それに伴って底面ＢＳ２１が安定な形状になったとも考えられる。
【0065】
第１実施形態に係る溶接方法は、加工対象Ｗを、レーザ装置である発振器１１０からのレーザ光Ｌの照射される領域に配置し、発振器１１０からのレーザ光Ｌを加工対象Ｗに向かって照射しながらレーザ光Ｌと加工対象Ｗとを相対的に移動させ、レーザ光Ｌを加工対象Ｗ上で掃引しつつ、照射された部分の加工対象Ｗを溶融して溶接を行う、工程を含む。このとき、レーザ光Ｌは、主ビームＢ１と、掃引方向側方に少なくともその一部がある副ビームＢ２によって構成され、主ビームＢ１のパワー密度は副ビームＢ２のパワー密度以上である。加工対象Ｗをレーザ光Ｌの照射される領域に配置する工程は、少なくとも２つの部材を重ねる、または接触させる、または隣接させるように配置する工程である。
【0066】
次に、図６Ａ～６Ｇを参照しながら、加工対象上におけるレーザ光のパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、主ビームの移動方向側方に副ビームを有するための、レーザ光の断面形状の例を説明する。図６に示すレーザ光の断面形状の例は、必須の構成ではないが、図６に例示されるレーザ光の断面形状が加工対象Ｗの表面に実現されるように、回折光学素子１２３を設計することで、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルが実現される。
【0067】
図６Ａは、ピークＰ１を有する主ビームＢ１の移動方向左側方に、ピークＰ２を有する副ビームＢ２が配置された例である。副ビームＢ２の周辺における加工対象を溶融し得るパワー密度の領域は、主ビームＢ１の周辺における加工対象を溶融し得るパワー密度の領域よりも、移動方向に関して広いことが好ましい。したがって、副ビームＢ２は或る方向に延びた形状としてもよい。このような副ビームＢ２の形状は、複数のビームを近接して並べて実現してもよいし、単一のビームで実現してもよい。
【0068】
図６Ｂは、主ビームＢ１の移動方向左右側方に、それぞれ副ビームＢ２が配置された例である。
【0069】
図６Ｃは、主ビームＢ１の移動方向左側方に副ビームＢ２が配置されたのみならず、主ビームＢ１の移動方向後方にも、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を有する例である。この例では、主ビームＢ１および副ビームＢ２の移動方向が変化した場合にも、主ビームＢ１の移動方向側方に副ビームＢ２を配置させることができる。
【0070】
図６Ｄは、主ビームＢ１の移動方向左右側方にそれぞれ副ビームＢ２が配置されたのみならず、主ビームＢ１の移動方向後方にも、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２が配置された例である。この例でも、主ビームＢ１および副ビームＢ２の移動方向が変化した場合にも、主ビームＢ１の移動方向側方に副ビームＢ２を配置させることができる。
【0071】
図６Ｅは、主ビームＢ１の周囲に、主ビームＢ１よりもパワー密度が低い副ビームＢ２を分散して有する例である。副ビームＢ２は、主ビームＢ１の周囲を囲む略リング形状の一部である円弧形状を成すように配置されている。図６Ａ～図６Ｅに示される例は、副ビームＢ２が線状に構成されていたが、図６Ｅでは、ある程度近い間隔で副ビームＢ２を配置し、それらの副ビームＢ２で形成された溶融池が繋がる。
【0072】
図６Ｆ、図６Ｇは、主ビームＢ１の移動方向側方から後方にわたって、主ビームＢ１よりもパワー密度が低いＶ字状の副ビームＢ２を有する例である。図６Ｆは主ビームＢ１と副ビームＢ２とが重なっている例であり、図６Ｇは主ビームＢ１と副ビームＢ２とが重なっていない例である。
【0073】
図６Ｃ～図６Ｇは、主ビームＢ１の側方に副ビームＢ２の少なくとも一部がある例であり、かつ主ビームＢ１の移動方向側方および後方のみに、副ビームＢ２を有する例である。図６Ａ、図６Ｂは、主ビームＢ１の移動方向側方のみに、副ビームＢ２を有する例である。
【0074】
なお、主ビームＢ１と副ビームＢ２との間の距離ｄ（たとえば図６Ａに示す）は、主ビームＢ１のビーム径の外縁と、副ビームＢ２のビーム径の外縁との最短距離である。距離ｄは、副ビームＢ２で形成された溶融池とその溶融池に主ビームＢ１が形成する溶融領域が接触できればよく、主ビームのビーム径の１０倍未満が好ましく、６倍未満がより好ましく、３倍未満がさらに好ましく、１倍未満がさらにより好ましい。
【0075】
また、主ビームＢ１と副ビームＢ２とのパワー密度が等しくてもよい。
【0076】
【0077】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図７に示すように、第２実施形態に係る溶接装置２００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第２実施形態に係る溶接装置２００は、第１実施形態に係る溶接装置と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものである。したがって、以下では、溶接装置２００の装置構成の説明のみを行う。
図７は、第２実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図７に示すように、第２実施形態に係る溶接装置２００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第２実施形態に係る溶接装置２００は、第１実施形態に係る溶接装置と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものである。したがって、以下では、溶接装置２００の装置構成の説明のみを行う。
【0078】
図７に示すように、溶接装置２００は、レーザ光を発振する発振器２１０と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド２２０と、発振器２１０で発振されたレーザ光を光学ヘッド２２０へ導く光ファイバ２３０とを備えている。
【0079】
発振器２１０は、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成されている。例えば、発振器２１０は、内部に複数の半導体レーザ素子を備え、当該複数の半導体レーザ素子の合計の出力として数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成することとしてもよいし、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等様々なレーザを用いてもよい。
【0080】
光学ヘッド２２０は、発振器２１０から導かれたレーザ光Ｌを、所定のパワー密度に集光して、加工対象Ｗに照射するための光学装置である。そのために、光学ヘッド２２０は、内部にコリメートレンズ２２１と集光レンズ２２２とを備えている。コリメートレンズ２２１は、光ファイバ２３０によって導かれたレーザ光を一旦平行光化するための光学系であり、集光レンズ２２２は、平行光化されたレーザ光を加工対象Ｗに集光させるための光学系である。
【0081】
光学ヘッド２２０は、集光レンズ２２２と加工対象Ｗとの間に、ガルバノスキャナを有している。ガルバノスキャナとは、２枚のミラー２２４ａ，２２４ｂの角度を制御することで、光学ヘッド２２０を移動させることなく、レーザ光Ｌの照射位置を移動させることができる装置である。図７に示される例では、集光レンズ２２２から出射したレーザ光Ｌをガルバノスキャナへ導くためにミラー２２６を備えている。また、ガルバノスキャナのミラー２２４ａ，２２４ｂは、それぞれモータ２２５ａ，２２５ｂによって角度が変更される。
【0082】
第２実施形態に係る光学ヘッド２２０は、コリメートレンズ２２１と集光レンズ２２２との間に回折光学素子２２３を備えている。回折光学素子２２３は、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、主ビームの移動方向側方に、パワー密度が主ビームのパワー密度以下である副ビームを有するように、レーザ光Ｌを成形するためのものであり、その作用は第１実施形態と同様である。つまり、回折光学素子２２３は、図６に例示されるレーザ光の断面形状のような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように設計される。
【0083】
（第３実施形態）
図８は、第３実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図８に示すように、第３実施形態に係る溶接装置３００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第３実施形態に係る溶接装置３００は、第１実施形態に係る溶接装置と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものであり、光学ヘッド３２０以外の構成（発振器３１０および光ファイバ３３０）は、第２実施形態と同様である。したがって、以下では、光学ヘッド３２０の装置構成の説明のみを行う。
図８は、第３実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図８に示すように、第３実施形態に係る溶接装置３００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第３実施形態に係る溶接装置３００は、第１実施形態に係る溶接装置と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものであり、光学ヘッド３２０以外の構成（発振器３１０および光ファイバ３３０）は、第２実施形態と同様である。したがって、以下では、光学ヘッド３２０の装置構成の説明のみを行う。
【0084】
光学ヘッド３２０は、発振器３１０から導かれたレーザ光Ｌを、所定のパワー密度に集光して、加工対象Ｗに照射するための光学装置である。そのために、光学ヘッド３２０は、内部にコリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２とを備えている。コリメートレンズ３２１は、光ファイバ３３０によって導かれたレーザ光を一旦平行光化するための光学系であり、集光レンズ３２２は、平行光化されたレーザ光を加工対象Ｗに集光させるための光学系である。
【0085】
光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２との間に、ガルバノスキャナを有している。ガルバノスキャナのミラー３２４ａ，３２４ｂは、それぞれモータ３２５ａ，３２５ｂによって角度が変更される。光学ヘッド３２０では、第２実施形態と異なる位置にガルバノスキャナを設けているが、同様に、２枚のミラー３２４ａ，３２４ｂの角度を制御することで、光学ヘッド３２０を移動させることなく、レーザ光Ｌの照射位置を移動させることができる。
【0086】
第３実施形態に係る光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２との間に回折光学素子３２３を備えている。回折光学素子３２３は、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、主ビームの移動方向側方に、パワー密度が主ビームのパワー密度以下である副ビームを有するように、レーザ光Ｌを成形するためのものであり、その作用は第１実施形態と同様である。つまり、回折光学素子３２３は、図６に例示されるレーザ光の断面形状のような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように設計される。
【0087】
（第４実施形態）
図９は、第４実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図９に示すように、第４実施形態に係る溶接装置４００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第４実施形態に係る溶接装置４００は、第１実施形態に係る溶接装置と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものである。したがって、以下では、溶接装置４００の装置構成の説明のみを行う。
図９は、第４実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図９に示すように、第４実施形態に係る溶接装置４００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第４実施形態に係る溶接装置４００は、第１実施形態に係る溶接装置と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものである。したがって、以下では、溶接装置４００の装置構成の説明のみを行う。
【0088】
図９に示すように、溶接装置４００は、レーザ光を発振する複数の発振器４１１，４１２と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド４２０と、発振器４１１，４１２で発振されたレーザ光を光学ヘッド４２０へ導く光ファイバ４３１，４３２とを備えている。
【0089】
発振器４１１，４１２は、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成されている。例えば、発振器４１１，４１２は、それぞれの内部に複数の半導体レーザ素子を備え、当該複数の半導体レーザ素子の合計の出力として数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成することとしてもよいし、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等様々なレーザを用いてもよい。
【0090】
光学ヘッド４２０は、発振器４１１，４１２から導かれたそれぞれのレーザ光Ｌ１，Ｌ２を、所定のパワー密度に集光して、加工対象Ｗに照射するための光学装置である。そのために、光学ヘッド４２０は、レーザ光Ｌ１のためのコリメートレンズ４２１ａと集光レンズ４２２ａと、レーザ光Ｌ２のためのコリメートレンズ４２１ｂと集光レンズ４２２ｂとを備えている。コリメートレンズ４２１ａ，４２１ｂは、それぞれ、光ファイバ４３１，４３２によって導かれたレーザ光を一旦平行光化するための光学系であり、集光レンズ４２２ａ，４２２ｂは、平行光化されたレーザ光を加工対象Ｗに集光させるための光学系である。
【0091】
第４実施形態に係る光学ヘッド４２０も、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌ１，Ｌ２のパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、主ビームの移動方向側方に、パワー密度が主ビームのパワー密度以下である副ビームを有するように構成されている。すなわち、たとえは、光学ヘッド４２０が加工対象Ｗに照射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２のうち、レーザ光Ｌ１を主ビーム形成のために用い、レーザ光Ｌ２を副ビーム形成のために用いればよい。なお、図に示される例は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２のみを用いているが、その数を適宜増やしてもよく、図６に例示されるレーザ光の断面形状のような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように構成されればよい。なお、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の波長は同じでもよいし、互いに異なっていてもよい。同様に、レーザ光の数を３以上とするときには、それらのうち少なくとも２つのレーザ光の波長が互いに異なっていてもよいし、全てのレーザ光の波長が同じでもよい。また、主ビームおよび副ビームのうち少なくとも副ビームを形成するレーザ光の波長は、加工対象の赤外領域の反射率よりも低い反射率を持つ波長、たとえば可視領域の波長でもよい。
【0092】
（第５実施形態）
図１０は、第５実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図１０に示すように、第５実施形態に係る溶接装置５００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第５実施形態に係る溶接装置５００は、第１実施形態に係る溶接装置と同様の作用によって溶接方法を実現するものである。したがって、以下では、溶接装置５００の装置構成の説明のみを行う。
図１０は、第５実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図１０に示すように、第５実施形態に係る溶接装置５００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第５実施形態に係る溶接装置５００は、第１実施形態に係る溶接装置と同様の作用によって溶接方法を実現するものである。したがって、以下では、溶接装置５００の装置構成の説明のみを行う。
【0093】
図１０に示すように、溶接装置５００は、レーザ光を発振する発振器５１０と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド５２０と、発振器５１０で発振されたレーザ光を光学ヘッド５２０へ導く光ファイバ５３１，５３３，５３４とを備えている。
【0094】
第５実施形態では、発振器５１０は、例えばファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等であり、加工対象Ｗに照射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２の両方を発振するために用いられる。そのために、発振器５１０で発振されたレーザ光を光学ヘッド５２０へ導く光ファイバ５３１，５３３，５３４の間には分岐ユニット５３２が設けられ、発振器５１０で発振されたレーザ光を分岐してから光学ヘッド５２０へ導くように構成されている。
【0095】
光学ヘッド５２０は、分岐ユニット５３２で分岐されたレーザ光Ｌ１，Ｌ２を、所定のパワー密度に集光して、加工対象Ｗに照射するための光学装置である。そのために、光学ヘッド５２０は、レーザ光Ｌ１のためのコリメートレンズ５２１ａと集光レンズ５２２ａと、レーザ光Ｌ２のためのコリメートレンズ５２１ｂと集光レンズ５２２ｂとを備えている。コリメートレンズ５２１ａ，５２１ｂは、それぞれ、光ファイバ５３３，５３４によって導かれたレーザ光を一旦平行光化するための光学系であり、集光レンズ５２２ａ，５２２ｂは、平行光化されたレーザ光を加工対象Ｗに集光させるための光学系である。
【0096】
第５実施形態に係る光学ヘッド５２０も、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌ１，Ｌ２のパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、主ビームの移動方向側方に、パワー密度が主ビームのパワー密度以下である副ビームを有するように構成されている。すなわち、たとえば、光学ヘッド５２０が加工対象Ｗに照射するレーザ光Ｌ１，Ｌ２のうち、レーザ光Ｌ１を主ビーム形成のために用い、レーザ光Ｌ２を副ビーム形成のために用いればよい。なお、図に示される例は、レーザ光Ｌ１，Ｌ２のみを用いているが、その数を適宜増やしてもよく、図６に例示されるレーザ光の断面形状のような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように構成されればよい。
【0097】
（第６実施形態）
図１１は、第６実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図１１に示すように、第６実施形態に係る溶接装置６００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第６実施形態に係る溶接装置６００は、第１実施形態に係る溶接装置と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものである。したがって、以下では、溶接装置６００の装置構成の説明のみを行う。
図１１は、第６実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図１１に示すように、第６実施形態に係る溶接装置６００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。第６実施形態に係る溶接装置６００は、第１実施形態に係る溶接装置と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものである。したがって、以下では、溶接装置６００の装置構成の説明のみを行う。
【0098】
図１１に示すように、溶接装置６００は、例えばファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等であるレーザ光を発振する複数の発振器６１１，６１２と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド６２０と、発振器６１１，６１２で発振されたレーザ光を光学ヘッド６２０へ導く光ファイバ６３１，６３２，６３５とを備えている。
【0099】
第６実施形態では、発振器６１１，６１２で発振されたレーザ光は、光学ヘッド６２０へ導かれる前に結合される。そのために、発振器６１１，６１２で発振されたレーザ光を光学ヘッド６２０へ導く光ファイバ６３１，６３２，６３５の間には結合部６３４が設けられ、発振器６１１，６１２で発振されたレーザ光は、光ファイバ６３５中を並列して導波されることになる。
【0100】
ここで、図１２Ａ，１２Ｂを参照しながら、光ファイバ６３１（および６３２）および光ファイバ６３５の構成例を説明する。図１２Ａに示すように、光ファイバ６３１（および６３２）は、通常の光ファイバである。すなわち、光ファイバ６３１（および６３２）は、１つのコアＣｏの周囲にコアＣｏよりも屈折率が低いクラッドＣｌが形成された光ファイバである。一方、図１２Ｂに示すように、光ファイバ６３５は、いわゆるマルチコアの光ファイバである。すなわち、光ファイバ６３５は、２つのコアＣｏ１，Ｃｏ２を有し、この２つのコアＣｏ１，Ｃｏ２の周囲にコアＣｏ１，Ｃｏ２よりも屈折率が低いクラッドＣｌが形成されている。そして、結合部６３４では、光ファイバ６３１のコアＣｏと光ファイバ６３５のコアＣｏ１とが結合され、また、光ファイバ６３２のコアＣｏと光ファイバ６３５のコアＣｏ２とが結合されることになる。
【0101】
図１１の参照に戻る。光学ヘッド６２０は、結合部６３４によって結合されたレーザ光Ｌを、所定のパワー密度に集光して、加工対象Ｗに照射するための光学装置である。そのために、光学ヘッド６２０は、内部にコリメートレンズ６２１と集光レンズ６２２とを備えている。
【0102】
本実施形態では、光学ヘッド６２０が回折光学素子を備えておらず、また、複数のレーザ光のための独立した光学系も有していないが、発振器６１１，６１２で発振されたレーザ光は、光学ヘッド６２０へ導かれる前に結合されているので、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌのパワー密度の移動方向に関するプロファイルが、主ビームの移動方向側方に、パワー密度が主ビームのパワー密度以下である副ビームを有するように構成されている。
【0103】
なお、本明細書のすべての実施形態に関して、主ビームの溶接形態は、キーホール型溶接であってもよいし、熱伝導型溶接であってもよい。ここでいうキーホール型溶接とは、キーホールを利用した溶接方法である。一方、熱伝導型溶接とは、母材の表面でレーザ光が吸収されて発生した熱を利用して加工対象Ｗを溶融させる溶接方法である。
【0104】
（実験例）
つぎに、実験例について説明する。実験例のうち、実施例の装置構成は、第１実施形態に係る溶接装置１００の構成であり、比較例の装置構成として、溶接装置１００から回折光学素子１２３を除いた構成を用いた。なお、共通の実験条件として、発振器１１０の出力を３ｋＷとし、光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとの相対的移動速度を毎分５ｍとした。
つぎに、実験例について説明する。実験例のうち、実施例の装置構成は、第１実施形態に係る溶接装置１００の構成であり、比較例の装置構成として、溶接装置１００から回折光学素子１２３を除いた構成を用いた。なお、共通の実験条件として、発振器１１０の出力を３ｋＷとし、光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとの相対的移動速度を毎分５ｍとした。
【0105】
回折光学素子１２３は、図１３に示されるような、ピークＰ１を有する主ビームＢ１とピークＰ２を有する副ビームＢ２とで形成され、副ビームＢ２が、主ビームＢ１の周囲を囲むリング形状の一部である円弧状のレーザ光の断面形状が加工対象Ｗに照射されるように設計されている。この回折光学素子１２３によって成形されたレーザ光を図中矢印ｖで示す移動方向として実験を行った。また、比較例の装置構成では、図１３に示されるレーザ光の断面形状のうち、円弧部分が削除されたレーザ光が加工対象Ｗに照射されることになる。
【0106】
表１は、二つの実験例を示している。加工対象の材料は、ＳＵＳ３０４で厚さが１０ｍｍのものである。ＤＯＥは回折光学素子である。焦点位置は主ビームおよび副ビームの焦点位置であり、表面にジャストフォーカスとしている。設定出力は発振器から出力されるレーザ光のパワーである。速度は掃引速度である。発明者らは、各実験例の加工対象を切断して、溶融痕の底面の形状を観察した。
【表1】
【0107】
図１４Ａは、表１の実験Ｎｏ．１の比較例における加工対象の断面を示す写真であり、図１４Ｂは、表１の実験Ｎｏ．２の実施例における加工対象の断面を示す写真である。図１４Ａに示されるように、実験Ｎｏ．１の比較例では底面が凹凸のある不安定な形状であったのに対し、図１４Ｂに示されるように、実験Ｎｏ．２の実施例では底面が平坦な安定した形状であった。図１４Ａおよび図１４Ｂを比較すれば、第１実施形態に係る溶接装置１００により形状の平坦化および安定化を図れることが理解できよう。
【0108】
また、上記実施形態では、レーザ光のプロファイル（パワー分布形状）が、主ビームおよび副ビームによって構成される離散的なパワー領域を有している。ここで、パワー領域とは、レーザ光の光進行方向と垂直な面内において、加工対象の溶融に寄与するパワーを有する領域である。ただし、個々のパワー領域が単独で加工対象を溶融できるパワーを有することは必ずしも必要ではなく、各パワー領域は他のパワー領域が加工対象に与えるエネルギーの影響によって加工対象を溶融できればよい。
【0109】
上記実施例では、副パワー領域を９本のビームで構成した。そして、主パワー領域のパワーと副パワー領域のパワーの比を６：４から１：９まで変化させたところ、いずれも底面が平坦な安定した形状であった。比が６：４の場合は、主ビームのパワーと、１本の副ビームのパワーとの比は、６：４／９＝２７：２となる。また、比が１：９の場合は、主ビームのパワーと、１本の副ビームのパワーとの比は、１：９／９＝１：１となる。
【0110】
また、上記実施例と同様の条件で、副パワー領域を２１本のビームで構成して、主パワー領域のパワーと副パワー領域のパワーの比を１０：２１として実験した。この場合も、底面が平坦な安定した形状であった。主ビームのパワーと１本の副ビームのパワーとの比は、１０：２１／２１＝１０：１となる。
【0111】
ただし、パワー領域は離散的なものに限られず、複数のパワー領域が、線対称あるいは非対称な分布で、連続的であってもよい。たとえば、図１５Ａには、レーザ光Ｌとはパワー分布形状が異なる一例のレーザ光Ｌ１２の側方向におけるパワー分布形状を示している。このレーザ光Ｌ１２のパワー分布形状では、側方向において配置されている２つのパワー領域ＰＡ１２１、ＰＡ１２２が連続している。パワー領域ＰＡ１２１はピークを有する単峰型の形状であり、たとえば主パワー領域である。また、パワー領域ＰＡ１２２はショルダー状の形状であり、たとえば副パワー領域である。図１５Ａの曲線における２つのパワー領域ＰＡ１２１、ＰＡ１２２の境界は、たとえばその間に存在する変曲点の位置として規定できる。
【0112】
一方、図１５Ｂには、レーザ光Ｌとはパワー分布形状が異なる他の例のレーザ光Ｌ１３の測方向におけるパワー分布形状を示している。このレーザ光Ｌ１３のパワー分布形状では、配置されている２つのパワー領域ＰＡ１３１、ＰＡ１３２が連続している。パワー領域ＰＡ１３１、ＰＡ１３２のいずれも、ピークを有する単峰型の形状であり、たとえば、それぞれが主パワー領域、副パワー領域である。図１５Ｂの曲線における２つのパワー領域ＰＡ１３１、ＰＡ１３２の境界は、たとえばその間に存在する極小点の位置として規定できる。レーザ光Ｌ１２、Ｌ１３のいずれも、本発明における主パワー領域および副パワー領域によって構成されるレーザ光として適用できる。レーザ光Ｌ１２、Ｌ１３は、ビームシェイパとして、たとえば適正に設計された回折光学素子や光学レンズ、パワー分布を制御できる光ファイバ等の光学部品を使用することで実現することができる。
【0113】
なお、上記実施形態のように溶融痕の底面の形状を安定化させることができる溶接技術は、たとえば３次元造形に好適に適用できる。すなわち、３次元造形において、レーザ溶接によって材料を溶融、固化して堆積し、３次元形状を形成する際に、その溶融痕の底面に相当する界面が安定であると、３次元造形の精度の向上等、様々な好適な効果が得られる。
【0114】
また、加工対象に対してレーザ光を掃引する場合には、公知のウォブリングやウィービング、出力変調等により掃引を行い、溶融池を安定化させてもよい。
【0115】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明の範疇に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【0116】
１００、２００、３００、４００、５００、６００ 溶接装置
１１０、２１０、３１０、４１１、４１２、５１０、６１１、６１２ 発振器
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０ 光学ヘッド
１２１、２２１、３２１、４２１ａ、４２１ｂ、５２１ａ、５２１ｂ、６２１ コリメートレンズ
１２２、２２２、３２２、４２２ａ、４２２ｂ、５２２ａ、５２２ｂ、６２２ 集光レンズ
１２３、２２３、３２３ 回折光学素子
１３０、２３０、３３０、４３１、４３２、５３１、５３３、５３４、６３１、６３２、６３５ 光ファイバ
２２４ａ、２２４ｂ、２２６、３２４ａ、３２４ｂ ミラー
２２５ａ、２２５ｂ、３２５ａ、３２５ｂ モータ
５３２ 分岐ユニット
６３４ 結合部
１５０１ 回折格子
１５０２ 光学素子
Ａ１、Ａ２ 領域
Ｂ ビーム
Ｂ１ 主ビーム
Ｂ２ 副ビーム
ＢＳ１１、ＢＳ１２、ＢＳ２１、ＢＳ２２ 底面
Ｃｌ クラッド
Ｃｏ、Ｃｏ１、Ｃｏ２ コア
Ｌ、Ｌ１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ２ レーザ光
Ｐ１、Ｐ２ ピーク
ＰＡ１２１、ＰＡ１２２、ＰＡ１３１、ＰＡ１３２ パワー領域
Ｗ 加工対象
Ｗ１、Ｗ２ 溶融痕
ＷＰ１、ＷＰ２ 溶融池
ｖ 矢印
１１０、２１０、３１０、４１１、４１２、５１０、６１１、６１２ 発振器
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０、６２０ 光学ヘッド
１２１、２２１、３２１、４２１ａ、４２１ｂ、５２１ａ、５２１ｂ、６２１ コリメートレンズ
１２２、２２２、３２２、４２２ａ、４２２ｂ、５２２ａ、５２２ｂ、６２２ 集光レンズ
１２３、２２３、３２３ 回折光学素子
１３０、２３０、３３０、４３１、４３２、５３１、５３３、５３４、６３１、６３２、６３５ 光ファイバ
２２４ａ、２２４ｂ、２２６、３２４ａ、３２４ｂ ミラー
２２５ａ、２２５ｂ、３２５ａ、３２５ｂ モータ
５３２ 分岐ユニット
６３４ 結合部
１５０１ 回折格子
１５０２ 光学素子
Ａ１、Ａ２ 領域
Ｂ ビーム
Ｂ１ 主ビーム
Ｂ２ 副ビーム
ＢＳ１１、ＢＳ１２、ＢＳ２１、ＢＳ２２ 底面
Ｃｌ クラッド
Ｃｏ、Ｃｏ１、Ｃｏ２ コア
Ｌ、Ｌ１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ２ レーザ光
Ｐ１、Ｐ２ ピーク
ＰＡ１２１、ＰＡ１２２、ＰＡ１３１、ＰＡ１３２ パワー領域
Ｗ 加工対象
Ｗ１、Ｗ２ 溶融痕
ＷＰ１、ＷＰ２ 溶融池
ｖ 矢印
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図6G】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】