特開 2025-25930 レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置

(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】P2025025930

(43)【公開日】2025-02-21

(54)【発明の名称】レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/32 20140101AFI20250214BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20250214BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20250214BHJP

   B23K 26/067 20060101ALI20250214BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20250214BHJP

【ＦＩ】

B23K26/32

B23K26/00 N

B23K26/082

B23K26/067

B23K26/21 W

【審査請求】未請求

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023131188

(22)【出願日】2023-08-10

(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】米永 尚訓

(72)【発明者】

【氏名】西野 史香

(72)【発明者】

【氏名】田邉 猛

(72)【発明者】

【氏名】茅原 崇

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168BA02

4E168BA04

4E168BA12

4E168BA64

4E168BA73

4E168BA87

4E168CB04

4E168DA02

4E168DA03

4E168DA12

4E168DA13

4E168DA24

4E168DA26

4E168DA28

4E168DA29

4E168DA33

4E168EA05

4E168EA06

4E168EA15

4E168KA04

(57)【要約】

【課題】例えば、溶接部中のボイドを減らすことが可能となるような、改善された新規なレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供する。
【解決手段】アルミダイキャスト品を含む加工対象としての複数の部材をレーザ溶接するレーザ溶接方法は、例えば、第一レーザ光を照射して複数の部材に渡る溶融池を形成する第一工程と、溶融池を固化して溶接部を形成する第二工程と、第二レーザ光を照射して溶接部を再度溶融する第三工程と、溶接部のうち再度溶融した部位を固化する第四工程と、を備える。第三工程では、溶接部内に残存したボイドを抜いてもよいし、加工対象の母材を溶融することなく溶接部のみを溶融してもよい。また、第二工程において、加工対象の第一工程で第一レーザ光を照射した各位置に所定時間以上第二レーザ光を照射しないことにより、溶融池を固化してもよい。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミダイキャスト品を含む加工対象としての複数の部材をレーザ溶接するレーザ溶接方法であって、
第一レーザ光を照射して前記複数の部材に渡る溶融池を形成する第一工程と、
前記溶融池を固化して溶接部を形成する第二工程と、
第二レーザ光を照射して前記溶接部を再度溶融する第三工程と、
前記溶接部のうち前記再度溶融した部位を固化する第四工程と、
を備えた、レーザ溶接方法。

【請求項2】

前記第三工程において、前記溶接部内に残存したボイドを抜く、請求項１に記載のレーザ溶接方法。

【請求項3】

前記第三工程において、前記加工対象の母材を溶融することなく前記溶接部のみを溶融する、請求項１に記載のレーザ溶接方法。

【請求項4】

前記第二工程において、前記加工対象の前記第一工程で前記第一レーザ光を照射した各位置に所定時間以上前記第二レーザ光を照射しないことにより、前記溶融池を固化する、請求項１に記載のレーザ溶接方法。

【請求項5】

前記所定時間は、１［ｓ］以上である、請求項４に記載のレーザ溶接方法。

【請求項6】

前記第三工程において、前記第二レーザ光を、前記第一工程で前記第一レーザ光を照射した位置と同じ位置に照射するとともに、前記第二レーザ光のパワー密度を、前記第一レーザ光のパワー密度以下とする、請求項１～５のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。

【請求項7】

前記第三工程において、前記第二レーザ光を、前記第一工程で前記第一レーザ光を照射した位置と同じ位置に照射するとともに、前記第二レーザ光のパワー密度を、前記第一レーザ光のパワー密度と同じにする、請求項１～５のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。

【請求項8】

前記第一工程において、前記加工対象の表面上で前記第一レーザ光のスポットを走査し、
前記第三工程において、前記加工対象の表面上で前記第二レーザ光のスポットを走査する、請求項１～５のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。

【請求項9】

前記第一工程において、前記加工対象の表面の所定の経路上を移動するよう前記第一レーザ光のスポットを走査し、
前記第三工程において、前記表面の前記第一工程と同じ経路上を移動するよう前記第二レーザ光のスポットを走査する、請求項１に記載のレーザ溶接方法。

【請求項10】

前記第三工程において、前記第一工程において前記経路上の前記第一レーザ光のスポットが走査された各位置で、前記第一工程で前記第一レーザ光が照射されてから前記第二工程で前記溶接部が形成されるのに必要な所定時間以上経過した後に前記第二レーザ光が照射されるよう、前記第二レーザ光のスポットを走査する、請求項９に記載のレーザ溶接方法。

【請求項11】

前記第一工程における前記経路上の前記第一レーザ光のスポットの第一走査方向と、前記第三工程における前記経路上の前記第二レーザ光のスポットの第二走査方向とが、同じである、請求項９または１０に記載のレーザ溶接方法。

【請求項12】

前記第一工程における前記経路上の前記第一レーザ光のスポットの第一走査方向と、前記第三工程における前記経路上の前記第二レーザ光のスポットの第二走査方向とが、互いに逆である、請求項９または１０に記載のレーザ溶接方法。

【請求項13】

前記経路は、二つの端部間で延びた線分状の経路である、請求項９に記載のレーザ溶接方法。

【請求項14】

前記経路は、無端状の経路である、請求項９に記載のレーザ溶接方法。

【請求項15】

前記第一工程において、前記第一レーザ光は、複数のビームを含む、請求項１に記載のレーザ溶接方法。

【請求項16】

前記第二工程において、前記第二レーザ光は、複数のビームを含む、請求項１または１５に記載のレーザ溶接方法。

【請求項17】

前記複数のビームは、ビームシェイパによって形成される、請求項１６に記載のレーザ溶接方法。

【請求項18】

アルミダイキャスト品を含む加工対象としての複数の部材をレーザ溶接するレーザ溶接方法であって、
第一レーザ光を照射して前記複数の部材に渡る溶融池を形成する第一工程と、
前記溶融池を固化して溶接部を形成する第二工程と、
第二レーザ光を照射して前記溶接部を再度溶融する第三工程と、
前記溶接部のうち前記再度溶融した部位を固化する第四工程と、
を備えた、レーザ溶接方法、に用いる、レーザ溶接装置であって、
前記第一レーザ光および前記第二レーザ光を出力可能なレーザ装置と、
前記レーザ装置から出力された前記第一レーザ光または前記第二レーザ光を前記加工対象の表面に照射する光学ヘッドと、
を備え、
前記第一工程と、前記第三工程と、を行う、レーザ溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、溶融池の冷却速度を遅くして凝固までの時間を長くすることによりボイドの残存を抑制するレーザ溶接方法が知られている（例えば、特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００－６８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

発明者らは、鋭意研究を重ねることにより、溶接部中に残存するボイドを減らすことが可能な特許文献１とは別の手法を見出すに至った。

【0005】

そこで、本発明の課題の一つは、例えば、溶接部中のボイドを減らすことが可能となるような、改善された新規なレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を得ることである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明のレーザ溶接方法は、例えば、アルミダイキャスト品を含む加工対象としての複数の部材をレーザ溶接するレーザ溶接方法であって、第一レーザ光を照射して前記複数の部材に渡る溶融池を形成する第一工程と、前記溶融池を固化して溶接部を形成する第二工程と、第二レーザ光を照射して前記溶接部を再度溶融する第三工程と、前記溶接部のうち前記再度溶融した部位を固化する第四工程と、を備える。

【0007】

前記レーザ溶接方法では、前記第三工程において、前記溶接部内に残存したボイドを抜いてもよい。

【0008】

前記レーザ溶接方法では、前記第三工程において、前記加工対象の母材を溶融することなく前記溶接部のみを溶融してもよい。

【0009】

前記レーザ溶接方法では、前記第二工程において、前記加工対象の前記第一工程で前記第一レーザ光を照射した各位置に所定時間以上前記第二レーザ光を照射しないことにより、前記溶融池を固化してもよい。

【0010】

前記レーザ溶接方法では、前記所定時間は、１［ｓ］以上であってもよい。

【0011】

前記レーザ溶接方法では、前記第三工程において、前記第二レーザ光を、前記第一工程で前記第一レーザ光を照射した位置と同じ位置に照射するとともに、前記第二レーザ光のパワー密度を、前記第一レーザ光のパワー密度以下としてもよい。

【0012】

前記レーザ溶接方法では、前記第三工程において、前記第二レーザ光を、前記第一工程で前記第一レーザ光を照射した位置と同じ位置に照射するとともに、前記第二レーザ光のパワー密度を、前記第一レーザ光のパワー密度と同じにしてもよい。

【0013】

前記レーザ溶接方法では、前記第一工程において、前記加工対象の表面上で前記第一レーザ光のスポットを走査し、前記第三工程において、前記加工対象の表面上で前記第二レーザ光のスポットを走査してもよい。

【0014】

前記レーザ溶接方法では、前記第一工程において、前記加工対象の表面の所定の経路上を移動するよう前記第一レーザ光のスポットを走査し、前記第三工程において、前記表面の前記第一工程と同じ経路上を移動するよう前記第二レーザ光のスポットを走査してもよい。

【0015】

前記レーザ溶接方法では、前記第三工程において、前記第一工程において前記経路上の前記第一レーザ光のスポットが走査された各位置で、前記第一工程で前記第一レーザ光が照射されてから前記第二工程で前記溶接部が形成されるのに必要な所定時間以上経過した後に前記第二レーザ光が照射されるよう、前記第二レーザ光のスポットを走査してもよい。

【0016】

前記レーザ溶接方法では、前記第一工程における前記経路上の前記第一レーザ光のスポットの第一走査方向と、前記第三工程における前記経路上の前記第二レーザ光のスポットの第二走査方向とが、同じであってもよい。

【0017】

前記レーザ溶接方法では、前記第一工程における前記経路上の前記第一レーザ光のスポットの第一走査方向と、前記第三工程における前記経路上の前記第二レーザ光のスポットの第二走査方向とが、互いに逆であってもよい。

【0018】

前記レーザ溶接方法では、前記経路は、二つの端部間で延びた線分状の経路であってもよい。

【0019】

前記レーザ溶接方法では、前記経路は、無端状の経路であってもよい。

【0020】

前記レーザ溶接方法では、前記第一工程において、前記第一レーザ光は、複数のビームを含んでもよい。

【0021】

前記レーザ溶接方法では、前記第二工程において、前記第二レーザ光は、複数のビームを含んでもよい。

【0022】

前記レーザ溶接方法では、前記複数のビームは、ビームシェイパによって形成されてもよい。

【0023】

本発明のレーザ溶接装置は、例えば、アルミダイキャスト品を含む加工対象としての複数の部材をレーザ溶接するレーザ溶接方法であって、第一レーザ光を照射して前記複数の部材に渡る溶融池を形成する第一工程と、前記溶融池を固化して溶接部を形成する第二工程と、第二レーザ光を照射して前記溶接部を再度溶融する第三工程と、前記溶接部のうち前記再度溶融した部位を固化する第四工程と、を備えた、レーザ溶接方法、に用いる、レーザ溶接装置であって、前記第一レーザ光および前記第二レーザ光を出力可能なレーザ装置と、前記レーザ装置から出力された前記第一レーザ光または前記第二レーザ光を前記加工対象の表面に照射する光学ヘッドと、を備え、前記第一工程と、前記第三工程と、を行う。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、改善された新規なレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】図１は、実施形態のレーザ溶接装置の例示的な模式図である。

【図2】図２は、実施形態のレーザ溶接装置に含まれる回折光学素子の原理の概念を示す説明図である。

【図3】図３は、実施形態のレーザ溶接装置によって加工対象の表面上に形成されるレーザ光のスポットの一例を示す模式図である。

【図4】図４は、実施形態のレーザ溶接方法による溶接の手順を示す例示的なフローチャートである。

【図5】図５は、実施形態のレーザ溶接方法によって加工対象に形成された溶接部の例示的かつ模式的な断面図であって、走査方向と交差した断面図である。

【図6】図６は、実施形態のレーザ溶接方法によって加工対象に形成された線状の溶接部の例示的かつ模式的な平面図であって、走査方向の一例を示す図である。

【図7】図７は、実施形態のレーザ溶接方法におけるレーザ光のスポットの走査位置の経時変化の一例を示すグラフである。

【図8】図８は、実施形態のレーザ溶接方法によって加工対象に形成された溶接部の一例の走査方向に沿った断面を示す写真画像である。

【図9】図９は、実施形態の変形例のレーザ溶接方法によって加工対象に形成された線状の溶接部の例示的かつ模式的な平面図である。

【図10】図１０は、実施形態の変形例のレーザ溶接方法によって加工対象に形成された無端状の溶接部の例示的かつ模式的な平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および効果は、一例である。本発明は、以下の実施形態に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、当該構成によって得られる種々の効果（派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることが可能である。

【0027】

各図において、Ｚ方向を矢印Ｚで表している。レーザ光は、加工対象Ｗに向けてＺ方向の反対方向に略沿って照射される。また、走査方向ＳＤ，ＳＤ１，ＳＤ２を、矢印ＳＤ，ＳＤ１，ＳＤ２で示している。Ｚ方向と走査方向ＳＤとは、互いに交差するとともに直交している。

【0028】

また、本明細書において、序数は、工程や、レーザ光等を区別するために便宜上付与されており、優先度や順番を限定するものではない。

【0029】

［実施形態］
［レーザ溶接装置および加工対象］
図１は、レーザ溶接装置１００の概略構成図である。レーザ溶接装置１００は、金属部材１１と金属部材１２とを含む加工対象Ｗの表面Ｗａにレーザ光Ｌを照射して、金属部材１１と金属部材１２とに渡る溶接部１４を形成する。金属部材１１および金属部材１２は、いずれもアルミニウム系材料で作られており、金属部材１１および金属部材１２のうち少なくとも一方は、アルミダイキャスト品である。表面Ｗａは、被照射面とも称されうる。裏面Ｗｂは、加工対象Ｗにおける表面Ｗａとは反対側の面である。

【0030】

図１の例では、二つの金属部材１１，１２が重ねられた加工対象Ｗにそれら金属部材１１，１２の積層方向にレーザ光Ｌを照射して溶接する所謂重ね合わせ溶接の場合が例示されている。この場合、溶接部１４は、金属部材１１を貫通し、金属部材１２内に部分的に存在することにより、金属部材１１と金属部材１２とを接合する。なお、加工対象Ｗに含まれる金属部材の数は２には限定されず、３以上であってもよい。また、溶接形態は、所謂重ね合わせ溶接には限定されず、突き合わせ溶接や、隅肉溶接のような、他の溶接形態であってもよい。

【0031】

レーザ溶接装置１００は、レーザ装置１１０と、光学ヘッド１２０と、光ファイバ１３０と、移動機構１４０と、を備えている。

【0032】

レーザ装置１１０は、レーザ発振器を有しており、例えば、数ｋＷのパワーのレーザ光を出力できるよう構成されている。レーザ装置１１０は、例えば、４００［ｎｍ］以上１２００［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を出力する。レーザ装置１１０は、内部に、例えば、ファイバレーザや、半導体レーザ（素子）、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザのような、レーザ光源を有している。また、レーザ装置１１０は、複数の光源の出力の合計として、数ｋＷのパワーのマルチモードのレーザ光を出力できるよう構成されてもよい。

【0033】

光ファイバ１３０は、レーザ装置１１０と光学ヘッド１２０とを光学的に接続している。光ファイバ１３０は、レーザ装置１１０から出力されたレーザ光を光学ヘッド１２０に導く。

【0034】

光学ヘッド１２０は、レーザ装置１１０からのレーザ光を、加工対象Ｗに照射する光学装置である。光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と、集光レンズ１２２と、ミラー１２３と、回折光学素子１２５（diffractive optical element、以下、ＤＯＥ１２５と記す）と、ガルバノスキャナ１２６と、を備えている。コリメートレンズ１２１、集光レンズ１２２、ミラー１２３、ＤＯＥ１２５、およびガルバノスキャナ１２６は、光学部品とも称される。

【0035】

コリメートレンズ１２１は、光ファイバ１３０を介して入力されたレーザ光をコリメートする。コリメートされたレーザ光は、平行光になる。

【0036】

ミラー１２３は、コリメートレンズ１２１で平行光となったレーザ光を反射し、ガルバノスキャナ１２６へ向かわせる。なお、コリメートレンズ１２１や、ガルバノスキャナ１２６の配置によっては、ミラー１２３は不要となる。

【0037】

ガルバノスキャナ１２６は、複数のミラー１２６ａ，１２６ｂを有している。複数のミラー１２６ａ，１２６ｂの角度を変更することで、光学ヘッド１２０からのレーザ光Ｌの出力方向を切り替えることができる。ミラー１２６ａ，１２６ｂの角度は、それぞれ、例えば制御装置によって制御されたモータ（いずれも不図示）によって変更される。光学ヘッド１２０は、レーザ光Ｌを照射しながら、レーザ光Ｌの出力方向を変更することにより、加工対象Ｗの表面上で、レーザ光Ｌを相対的に走査することができる。ガルバノスキャナ１２６は、レーザスキャナの一例である。ガルバノスキャナ１２６に替えて、ガルバノスキャナ１２６とは異なるレーザスキャナを有してもよい。

【0038】

集光レンズ１２２は、ガルバノスキャナ１２６によって照射された平行光としてのレーザ光を集光し、レーザ光Ｌ（出力光）として、加工対象Ｗへ照射する。加工対象Ｗの表面には、集光レンズ１２２を経由したレーザ光Ｌのスポットが形成される。

【0039】

ＤＯＥ１２５は、コリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２との間であって、コリメートレンズ１２１とガルバノスキャナ１２６との間に、設けられている。

【0040】

図２は、ＤＯＥ１２５の原理の概念を示す説明図である。図２に示されるように、ＤＯＥ１２５は、例えば、周期の異なる複数の回折格子１２５ａが重ね合わせられた構成を備えている。ＤＯＥ１２５は、平行光を、各回折格子１２５ａの影響を受けた方向に曲げたり、重ね合わせたりすることにより、ビーム形状を成形することができる。ＤＯＥ１２５は、レーザ光を複数のビームに分割し、表面におけるスポットの形状を適宜に成形することができる。ＤＯＥ１２５は、ビームシェイパの一例である。

【0041】

図３は、加工対象Ｗの仮想的な表面Ｗａにおいてレーザ溶接装置１００から照射されたレーザ光ＬのビームのスポットＳの一例を示す平面図である。図３の例では、ＤＯＥ１２５によるビームの成形により、表面Ｗａ上において、一つのビームのスポットＳ１の周囲に、複数のビームのスポットＳ２が、周状にかつ略環状に配置されている。一例として、スポットＳ２のパワー密度は、スポットＳ１のパワー密度より低く設定されている。

【0042】

図１に示される移動機構１４０は、加工対象Ｗと光学ヘッド１２０とを相対的に移動することができる。移動機構１４０の作動により、加工対象Ｗの表面上で、レーザ光Ｌを相対的に走査することができる。すなわち、本実施形態では、加工対象Ｗの表面に対するレーザ光Ｌのスポットの相対的な走査は、ガルバノスキャナ１２６の単独の作動によって実現してもよいし、移動機構１４０の単独の作動によって実現してもよいし、移動機構１４０およびガルバノスキャナ１２６の双方の作動の組み合わせによって実現してもよい。

【0043】

［レーザ溶接方法］
図４は、第１実施形態のレーザ溶接装置１００による加工対象Ｗの溶接の手順の一例を示すフローチャートである。

【0044】

図４に示されるように、まずは、加工対象Ｗが、レーザ溶接装置１００からレーザ光Ｌを照射可能な位置に、セットされる（Ｓ１０１）。

【0045】

次に、加工対象Ｗの表面Ｗａにレーザ光Ｌを照射することにより、加工対象Ｗに溶融池を形成する（Ｓ１０２）。次に、Ｓ１０２で形成された溶融池を冷却して固化することにより、第一溶接部１４ｆを形成する（Ｓ１０３）。Ｓ１０２で形成される溶融池、すなわちＳ１０３で形成される第一溶接部１４ｆは、複数の金属部材１１，１２間に渡るように形成される。よって、Ｓ１０２，Ｓ１０３により、複数の金属部材１１，１２が第一溶接部１４ｆを介して接合された金属接合体１０が得られる。Ｓ１０２は、第一工程の一例であり、Ｓ１０３は、第二工程の一例である。Ｓ１０２で照射するレーザ光は、第一レーザ光の一例であり、第一溶接部１４ｆは、溶接部の一例である。

【0046】

複数の金属部材１１，１２にアルミダイキャスト品が含まれる場合、アルミダイキャスト品が含まれない場合に比べて、溶接部中にボイドが残存しやすいことが知られている。これは、アルミダイキャスト品に含まれている空洞が一因であると考えられる。溶接部中のボイドは、強度の低下や、導電率の低下の一因となるため、なるべく残存しないようにするのが好ましい。

【0047】

そこで、溶接部１４中のボイドを低減するため、発明者らは、鋭意研究を重ねたところ、溶融池の溶融状態を特段長く維持することなく通常どおりに冷却して固化し、その後、溶接部を少なくとも部分的に再度溶融して再度固化することにより、ボイドを減らすことができる場合があることを見出した。

【0048】

このような知見から、本実施形態では、Ｓ１０３の後に、加工対象Ｗの表面Ｗａのうち第一溶接部１４ｆが形成されている部位にレーザ光Ｌを照射することにより、第一溶接部１４ｆを少なくとも部分的に再度溶融する（Ｓ１０４）。そして、第一溶接部１４ｆのうちＳ１０４で再度溶融した部位を冷却して固化することにより、第二溶接部１４ｓを形成する（Ｓ１０５）。Ｓ１０４は、第三工程の一例であり、Ｓ１０５は、第四工程の一例である。Ｓ１０４で照射するレーザ光は、第二レーザ光の一例であり、第二溶接部１４ｓは、溶接部の一例である。

【0049】

上述したように、Ｓ１０４によって第一溶接部１４ｆを再度溶融して溶融池を形成することにより、当該溶融池となった部位からボイドを抜くことができることが判明した。すなわち、Ｓ１０４は、第一溶接部１４ｆ内に残存したボイドを抜く工程である。

【0050】

図５は、Ｓ１０２～Ｓ１０５によって加工対象Ｗ（金属接合体１０）に形成された溶接部１４を示す断面図であって、加工対象Ｗの表面Ｗａ上でレーザ光Ｌを走査方向ＳＤに走査した場合における、走査方向ＳＤと交差した断面図である。図５に示されるように、溶接部１４は、第一溶接部１４ｆと第二溶接部１４ｓとを有している。第一溶接部１４ｆおよび第二溶接部１４ｓは、表面Ｗａから金属部材１１を貫通し、金属部材１２の面１２ａを超えて、金属部材１２内まで延びている。なお、図５の例では、第一溶接部１４ｆおよび第二溶接部１４ｓは、金属部材１２の内部に留まり、加工対象Ｗの裏面Ｗｂには到達していない、すなわち金属部材１２を貫通していない。しかしこれには限定されず、第一溶接部１４ｆおよび第二溶接部１４ｓの双方が金属部材１２を貫通してもよいし、第一溶接部１４ｆのみが金属部材１２を貫通してもよい。

【0051】

発明者らの鋭意研究により、Ｓ１０４において金属部材１１，１２の母材が溶融すると、当該母材が溶融した部位においてボイドが発生し、第一溶接部１４ｆ中に残存してしまう場合があることが判明した。そこで、Ｓ１０４において、レーザ光Ｌは、Ｓ１０２での照射位置と略同じ位置に照射するとともに、Ｓ１０４で照射するレーザ光Ｌのパワー密度を、Ｓ１０２で照射するレーザ光Ｌのパワー密度以下とする。Ｓ１０２およびＳ１０４において表面Ｗａ上でレーザ光ＬのスポットＳを走査する場合には、Ｓ１０２およびＳ１０４において同じ経路上でレーザ光ＬのスポットＳを走査する。これにより、Ｓ１０４において、金属部材１１，１２、すなわち加工対象Ｗの母材を溶融することなく、第一溶接部１４ｆのみを溶融することができる。この場合、図５に示されるように、第二溶接部１４ｓは、第一溶接部１４ｆの内側に形成されることになる。

【0052】

また、発明者らの鋭意研究により、Ｓ１０４において、レーザ光Ｌは、Ｓ１０２での照射位置と略同じ位置に照射するとともに、Ｓ１０４で照射するレーザ光Ｌのパワー密度を、Ｓ１０２で照射するレーザ光Ｌのパワー密度と同じにしてもよいことが、判明した。この場合、図示しないが、第二溶接部１４ｓは、第一溶接部１４ｆとほぼ重なった状態となる。

【0053】

図６は、Ｓ１０２～Ｓ１０５において、表面Ｗａ上に、線状の溶接部１４を形成した場合の平面図である。この例では、Ｓ１０２とＳ１０４とで、レーザ光ＬのスポットＳが表面Ｗａにおいて同じ線分状の経路Ｐｔ上で走査され、略一定幅で線分状に延びた溶接部１４のビードが形成されている。上述したように、第二溶接部１４ｓは、第一溶接部１４ｆの内側に位置している。なお、図中、経路Ｐｔは、スポットＳの照射中心の経路を示しており、溶接部１４のビードの中心線ＣＬと略一致している。

【0054】

また、図６の例では、Ｓ１０２とＳ１０４とで、経路Ｐｔにおける走査の始点Ｐｓと終点Ｐｅとが同じであり、Ｓ１０２における経路Ｐｔ上での走査方向ＳＤ１と、Ｓ１０４における経路Ｐｔ上での走査方向ＳＤ２とが、同じである。始点Ｐｓおよび終点Ｐｅは、線分状の経路Ｐｔの端部の一例である。走査方向ＳＤ１は、第一走査方向の一例であり、走査方向ＳＤ２は、第二走査方向の一例である。

【0055】

図７は、図６の場合、ただし、Ｓ１０２とＳ１０４とをほぼ同じ条件で行い、第一溶接部１４ｆと第二溶接部１４ｓとがほぼ同じ大きさになる場合における、時刻ｔと経路Ｐｔ上のスポットＳの位置（走査位置）との関係を示すグラフである。図７に示されるように、Ｓ１０２では、時刻ｔ１ｓから時刻ｔ１ｅにかけてスポットＳを始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動する、すなわち走査する。また、Ｓ１０４では、時刻ｔ２ｓから時刻ｔ２ｅにかけてスポットＳを始点Ｐｓから終点Ｐｅまで移動する、すなわち走査する。レーザ光Ｌの照射は、時刻ｔ２ｅにおいて停止される。

【0056】

この例では、Ｓ１０２およびＳ１０４における走査速度Ｖは、一定（等速度）であるとともに同じであり、次の式（１）
Ｖ＝Ｌｐ／（Ｔ－Ｔｍ） ・・・（１）
で表すことができる。ここに、Ｌｐは、始点Ｐｓから終点Ｐｅまでの経路Ｐｔの長さ（図６参照）である。時間Ｔは、始点Ｐｓから終点Ｐｅまでの経路Ｐｔ上の各位置Ｐにおいて、Ｓ１０２においてレーザ光ＬのスポットＳが位置してからＳ１０４においてレーザ光ＬのスポットＳが位置するまでの時間である。当該時間Ｔは、始点Ｐｓにおいては、時刻ｔ１ｓから時刻ｔ２ｓまでの時間であり、終点Ｐｅにおいては、時刻ｔ１ｅから時刻ｔ２ｅまでの時間である。また、時間Ｔｍは、レーザ光ＬのスポットＳがＳ１０２の終点ＰｅからＳ１０４の始点Ｐｓまで移動するのに要する時間である。

【0057】

Ｓ１０２，Ｓ１０４におけるレーザ光Ｌのパワー密度は、走査速度Ｖでの走査によって各位置Ｐで、第一溶接部１４ｆおよび第二溶接部１４ｓの所要の大きさ（深さは幅）が得られるよう、設定される。

【0058】

各位置ＰにおけるＳ１０３は、Ｓ１０２においてレーザ光ＬのスポットＳが位置してからＳ１０４においてレーザ光ＬのスポットＳが再度当該位置Ｐに位置するまでの時間、すなわち時間Ｔにおいて、レーザ光Ｌを照射することなく放置する、すなわち自然冷却することにより、行われる。各位置ＰにおいてＳ１０２が行われる時間Ｔは、Ｓ１０２においてレーザ光ＬのスポットＳが位置した時刻ｔ１Ｐから、Ｓ１０４においてレーザ光ＬのスポットＳが位置した時刻ｔ２Ｐまでに経過した時間である。

【0059】

なお、Ｓ１０３において、第一溶接部１４ｆを自然冷却ではなく何らかの冷却手段によって強制冷却する場合には、時間Ｔをより短く設定することができる場合がある。その場合、式（１）からわかるように、時間Ｔの短縮に応じて、走査速度Ｖをより高めることができ、ひいては、経路Ｐｔの全区間に対するＳ１０２の所要時間、すなわち時刻ｔ１ｓから時刻ｔ１ｅまでの時間を、短縮することができる場合がある。ただし、走査速度Ｖを高めた場合、レーザ光Ｌのパワーの増大が必要となり、それに応じて加工対象Ｗにおける溶融池の形成状況等も変化するため、走査速度Ｖの上限値は、それらの条件が満たされる範囲で設定されることになる。

【0060】

また、各位置ＰにおけるＳ１０５は、Ｓ１０４においてレーザ光ＬのスポットＳが位置してから、所定時間、レーザ光Ｌを照射することなく放置する、すなわち自然冷却することにより行われる。Ｓ１０２とＳ１０４とを同じ条件で行い、第一溶接部１４ｆと第二溶接部１４ｓとを略同じ大きさにする場合、Ｓ１０５の所要時間は、Ｓ１０２の所要時間と略同じに設定することができる、すなわち時間Ｔとすることができる。

【0061】

図７のグラフ中の二点鎖線Ｅは、経路Ｐｔ上の各位置ＰにおいてＳ１０５が終了した時刻ｔ３Ｐを示す。各位置Ｐにおいて、時刻ｔ３Ｐは、Ｓ１０４においてレーザ光ＬのスポットＳが位置した時刻ｔ２Ｐから、時間Ｔが経過した時刻である。始点Ｐｓにおいては、時刻ｔ３ｓでＳ１０５が終了し、終点Ｐｅにおいては、時刻ｔ３ｅでＳ１０５が終了する。なお、上述したように、レーザ光Ｌの照射は、時刻ｔ２ｅにおいて停止されている。よって、時刻ｔ２ｅから時刻ｔ３ｓまでの時間Ｔｍは、レーザ光ＬのスポットＳが終点Ｐｅから始点Ｐｓへ移動する時刻ｔ１ｅから時刻ｔ２ｓまでの時間Ｔｍと長さが同じではあるものの、当該時刻ｔ２ｅから時刻ｔ３ｓまでの時間Ｔｍにおいて、レーザ光ＬのスポットＳは照射されないし、終点Ｐｅから始点Ｐｓへ移動することもない。

【0062】

発明者らの鋭意研究により、金属部材１１，１２のうち少なくとも一方がアルミダイキャスト品である場合において、Ｓ１０３およびＳ１０５における時間Ｔは、溶融池が溶融状態でなくなり略完全に固化するのに要する時間である。このような観点から、時間Ｔは、１［ｓ］以上であるのが好ましいことが判明した。時間Ｔは、所定時間の一例である。

【0063】

図８は、上述したＳ１０１～Ｓ１０５を行うことにより作られた金属接合体１０の断面の写真画像である。図８に示されるように、上述したＳ１０１～Ｓ１０５を行うことにより、溶接部１４中からボイドを好適に除去できることが判明した。

【0064】

また、発明者らの鋭意研究により、Ｓ１０２およびＳ１０４において加工対象Ｗに照射されるレーザ光Ｌは、図３のように複数のビームに分割し、スポットＳに複数のスポットＳ１，Ｓ２を含めるのが好ましいことが判明した。これは、レーザ光Ｌを複数のビームに分割することにより、溶融池の場所による温度差を低減して溶融池の動きを抑制し、当該溶融池の動きによってボイドが発生するのを抑制できるからであると推定される。

【0065】

以上、説明したように、本実施形態によれば、Ｓ１０２（第一工程）、Ｓ１０３（第二工程）、Ｓ１０４（第三工程）、およびＳ１０５（第四工程）を行うことにより、ボイドの少ない好適な溶接部１４を介して複数の金属部材１１，１２が接合された金属接合体１０を得ることができる。

【0066】

［変形例１］
図９は、実施形態の変形例１によって形成された金属接合体１０の平面図であって、Ｓ１０２～Ｓ１０５において、表面Ｗａ上に、線状の溶接部１４を形成した場合の平面図である。この例では、上記実施形態の図６と同様に、Ｓ１０２とＳ１０４とで、レーザ光ＬのスポットＳが表面Ｗａにおいて同じ線分状の経路Ｐｔ上で走査され、略一定幅で線分状に延びた溶接部１４のビードが形成されている。上述したように、第二溶接部１４ｓは、第一溶接部１４ｆの内側に位置している。

【0067】

ただし、変形例１では、図９に示されるように、Ｓ１０２における経路Ｐｔ上での走査方向ＳＤ１と、Ｓ１０４における経路Ｐｔ上での走査方向ＳＤ２とが、互いに逆である。すなわち、Ｓ１０２の始点Ｐｓ１とＳ１０４の始点Ｐｓ２とが異なり、Ｓ１０２の終点Ｐｅ１とＳ１０４の終点Ｐｅ２とが異なっている。また、Ｓ１０２の始点Ｐｓ１とＳ１０４の終点Ｐｅ２とが同じであり、Ｓ１０２の終点Ｐｅ１とＳ１０４の始点Ｐｓ２とが同じである。始点Ｐｓ１，Ｐｓ２および終点Ｐｅ１，Ｐｅ２は、線分状の経路Ｐｔの端部の一例である。

【0068】

このように走査方向ＳＤ１と走査方向ＳＤ２とが互いに逆となる場合においても、経路Ｐｔ上の各位置でＳ１０３を行う時間、すなわち冷却時間を、上記時間Ｔ以上確保できる条件であれば、ボイドの少ない溶接部１４を介して金属部材１１，１２が接合された金属接合体１０が得られる。特に、この例では、Ｓ１０２の終点Ｐｅ１でレーザ光Ｌの照射を終了した後、当該終点Ｐｅ１と同じ位置であるＳ１０４の始点Ｐｓ２でレーザ光Ｌの照射を開始するまでの時間、すなわち当該位置でレーザ光Ｌの照射を一時停止する時間を、上記時間Ｔ以上とすればよいことになる。当該一時停止する時間は、待機時間とも称されうる。

【0069】

［変形例２］
図１０は、実施形態の変形例２によって形成された金属接合体１０の平面図であって、Ｓ１０２～Ｓ１０５において、表面Ｗａ上に、無端状の溶接部１４を形成した場合の平面図である。金属部材１１は、円板状の形状を有し、金属部材１２は、円筒状の形状を有している。変形例２では、金属部材１１の縁と、金属部材１１の円形リング状の軸方向の端部とが、円周状の溶接部１４を介して接合され、金属接合体１０が得られている。

【0070】

この場合、Ｓ１０２およびＳ１０４において、経路Ｐｔは無端状である。すなわち、経路Ｐｔの始点Ｐｓおよび終点Ｐｅが同じである。よって、終点Ｐｅから始点Ｐｓへの移動に要する時間を無くすことができ、その分、Ｓ１０２～Ｓ１０５の所要時間をより短縮できる場合がある。変形例２では、走査方向ＳＤ１，ＳＤ２は、同じ方向（反時計回り方向）に設定される。なお、走査方向ＳＤ１，ＳＤ２は、双方とも時計回り方向であってもよい。

【0071】

このように無端状の経路Ｐｔで走査される場合においても、経路Ｐｔ上の各位置でＳ１０３を行う時間、すなわち冷却時間を、上記時間Ｔ以上確保できる条件であれば、ボイドの少ない溶接部１４を介して金属部材１１，１２が接合された金属接合体１０が得られる。一例として、走査方向ＳＤ１，ＳＤ２が同じであり、かつＳ１０２，Ｓ１０４において走査速度Ｖが同じであるとともに一定である場合、Ｓ１０２において始点Ｐｓから終点Ｐｅまでの走査の所要時間を上記時間Ｔ以上とすればよいことになる。

【0072】

以上、本発明の実施形態が例示されたが、上記実施形態および変形例は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック（構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。

【0073】

例えば、上記実施形態および変形例では、レーザ光のスポットの走査速度が一定である場合が例示されたが、これには限定されず、走査の途中で走査速度が変化するよう構成されてもよい。また、第一工程における経路の終点と第三工程における経路の始点とが異なる場合にあっても、当該第三工程の前に、当該第三工程の始点にレーザ光を照射できる状態で、言い換えるとレーザ装置（光源）からレーザ光が出力されれば当該始点にレーザ光が照射される状態で、レーザ光の照射を一時停止している時間（待機時間）を設けてもよい。

【0074】

また、スポットが走査される経路の形状は、直線状の線分や、円形状には限定されず、種々の形状とすることができる。

【符号の説明】

【0075】

１０…金属接合体
１１…金属部材
１２…金属部材
１２ａ…面
１４…溶接部
１４ｆ…第一溶接部（溶接部）
１４ｓ…第二溶接部（溶接部）
１００…レーザ溶接装置
１１０…レーザ装置
１２０…光学ヘッド
１２１…コリメートレンズ
１２２…集光レンズ
１２３…ミラー
１２５…回折光学素子（ＤＯＥ）
１２５ａ…回折格子
１２６…ガルバノスキャナ
１２６ａ，１２６ｂ…ミラー
１３０…光ファイバ
１４０…移動機構
Ｅ…二点鎖線
Ｌ…レーザ光
Ｌｐ…長さ
Ｐ…位置
Ｐｅ，Ｐｅ１，Ｐｅ２…終点
Ｐｓ，Ｐｓ１，Ｐｓ２…始点
Ｐｔ…経路
Ｓ…スポット
Ｓ１…スポット
Ｓ２…スポット
ＳＤ１…走査方向（第一走査方向）
ＳＤ２…走査方向（第二走査方向）
ｔ，ｔ１ｓ，ｔ１ｅ，ｔ２ｓ，ｔ２ｅ，ｔ３ｓ，ｔ３ｅ，ｔ１Ｐ，ｔ２Ｐ，ｔ３Ｐ…時刻
Ｔ…時間（所定時間）
Ｔｍ…時間
Ｖ…走査速度
Ｗ…加工対象
Ｗａ…表面
Ｗｂ…裏面
Ｚ…方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】