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(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】
(24)【登録日】2023-08-22
(45)【発行日】2023-08-30
(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 26/323 20140101AFI20230823BHJP
B23K 26/00 20140101ALI20230823BHJP
B23K 26/21 20140101ALI20230823BHJP
【ＦＩ】
B23K26/323
B23K26/00 N
B23K26/21 G
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2022535411
(86)(22)【出願日】2021-07-12
(86)【国際出願番号】 JP2021026146
(87)【国際公開番号】W WO2022009996
(87)【国際公開日】2022-01-13
【審査請求日】2022-07-21
(31)【優先権主張番号】P 2020119365
(32)【優先日】2020-07-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2020119366
(32)【優先日】2020-07-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
【前置審査】
(73)【特許権者】
【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】松本 暢康
(72)【発明者】
【氏名】松永 啓伍
(72)【発明者】
【氏名】安岡 知道
(72)【発明者】
【氏名】金子 昌充
(72)【発明者】
【氏名】西野 史香
(72)【発明者】
【氏名】寺田 淳
(72)【発明者】
【氏名】梅野 和行
(72)【発明者】
【氏名】尹 大烈
【審査官】永井 友子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－２１１９８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０４０１０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－３０１５８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２９７４６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－３４７４１５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２６／３２３
Ｂ２３Ｋ ２６／００
Ｂ２３Ｋ ２６／２１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一部材と、当該第一部材に対して第一方向に重なるとともに当該第一部材とは異なる材質の第二部材と、を含む加工対象の、前記第一方向とは反対方向の端部に位置した表面上にレーザ光を照射することにより、前記第一部材と前記第二部材とを溶接する溶接方法であって、前記加工対象には、前記表面から前記第一部材を前記第一方向に貫通して前記第二部材に至る溶接金属を含む溶接部が形成され、
前記溶接金属は、前記第一部材において形成される第一部位と、前記第二部材において形成される第二部位と、を含み、
前記レーザ光は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光と、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含み、
以下の式（１）および式（２）
Ｅ １ ＝Ｒ １ ×Ｐ １ ／（Ｄ １ ×Ｖ） ・・・ （１）
Ｅ ２ ＝Ｒ ２ ×Ｐ ２ ／（Ｄ ２ ×Ｖ） ・・・ （２）
ここに、Ｅ １ は、第一レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ ２ ］、Ｒ １ は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ １ は、第一レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ １ は、表面における第一レーザ光のスポット径［ｍｍ］、Ｅ ２ は、第二レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ ２ ］、Ｒ ２ は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ ２ は、第二レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ ２ は、表面における第二レーザ光のスポット径［ｍｍ］、およびＶは、掃引速度［ｍｍ／ｓ］、
で表せるエネルギ密度Ｅ １ ，Ｅ ２ を定義した場合、
前記第一部材が、アルミニウム系材料であり、前記第二部材が、銅系材料である場合にあっては、第一レーザ光のエネルギ密度Ｅ １ の、第二レーザ光のエネルギ密度Ｅ ２ に対する比（Ｅ １ ／Ｅ ２ ）を、１以上かつ２０以下にするとともに、前記第二部位の前記第一方向の溶け込み深さＷｄ２に対する前記第一方向と交差した第二方向の幅Ｗｗ２の比Ｅｗ２＝Ｗｗ２／Ｗｄ２を、１．９以上とし、
前記第一部材が、銅系材料であり、前記第二部材が、アルミニウム系材料である場合にあっては、第一レーザ光のエネルギ密度Ｅ １ の、第二レーザ光のエネルギ密度Ｅ ２ に対する比（Ｅ １ ／Ｅ ２ ）を、０以上かつ６以下にするとともに、前記第二部位の前記第一方向の溶け込み深さＷｄ２に対する前記第一方向と交差した第二方向の幅Ｗｗ２の比Ｅｗ２＝Ｗｗ２／Ｗｄ２を、１以上とする、溶接方法。
【請求項2】
前記溶接金属の前記第一方向の溶け込み深さＷｄは、前記第一部材の前記第一方向の厚さをＴ１とした場合に、Ｔ１＜Ｗｄ≦Ｔ１＋０．５［ｍｍ］である、請求項１に記載の溶接方法。
【請求項3】
前記第二レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下である、請求項１または２に記載の溶接方法。
【請求項4】
前記第一部材の前記第一方向の厚さは、０．１［ｍｍ］以上２［ｍｍ］以下であり、前記第二部材の前記第一方向の厚さは、０．１［ｍｍ］以上２［ｍｍ］以下である、請求項１～３のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
【請求項5】
レーザ発振器と、第一部材と、当該第一部材に対して第一方向に重なるとともに当該第一部材とは異なる材質の第二部材と、を含む加工対象の、前記第一方向とは反対方向の端部に位置した表面上にレーザ光を照射する光学ヘッドと、
を備え、前記第一部材と前記第二部材とを溶接する、溶接装置であって、
前記加工対象に、前記表面から前記第一部材を前記第一方向に貫通して前記第二部材に至る溶接金属を含む溶接部を形成し、
前記溶接金属は、前記第一部材において形成される第一部位と、前記第二部材において形成される第二部位と、を含み、
前記レーザ光は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光と、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含み、
以下の式（１）および式（２）
Ｅ １ ＝Ｒ １ ×Ｐ １ ／（Ｄ １ ×Ｖ） ・・・ （１）
Ｅ ２ ＝Ｒ ２ ×Ｐ ２ ／（Ｄ ２ ×Ｖ） ・・・ （２）
ここに、Ｅ １ は、第一レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ ２ ］、Ｒ １ は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ １ は、第一レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ １ は、表面における第一レーザ光のスポット径［ｍｍ］、Ｅ ２ は、第二レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ ２ ］、Ｒ ２ は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ ２ は、第二レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ ２ は、表面における第二レーザ光のスポット径［ｍｍ］、およびＶは、掃引速度［ｍｍ／ｓ］、
で表せるエネルギ密度Ｅ １ ，Ｅ ２ を定義した場合、
前記第一部材が、アルミニウム系材料であり、前記第二部材が、銅系材料である場合にあっては、第一レーザ光のエネルギ密度Ｅ １ の、第二レーザ光のエネルギ密度Ｅ ２ に対する比（Ｅ １ ／Ｅ ２ ）を、１以上かつ２０以下にするとともに、前記第二部位の前記第一方向の溶け込み深さＷｄ２に対する前記第一方向と交差した第二方向の幅Ｗｗ２の比Ｅｗ２＝Ｗｗ２／Ｗｄ２を、１．９以上とし、
前記第一部材が、銅系材料であり、前記第二部材が、アルミニウム系材料である場合にあっては、第一レーザ光のエネルギ密度Ｅ １ の、第二レーザ光のエネルギ密度Ｅ ２ に対する比（Ｅ １ ／Ｅ ２ ）を、０以上かつ６以下にするとともに、前記第二部位の前記第一方向の溶け込み深さＷｄ２に対する前記第一方向と交差した第二方向の幅Ｗｗ２の比Ｅｗ２＝Ｗｗ２／Ｗｄ２を、１以上とする、溶接装置。
【請求項6】
前記レーザ発振器からの第一レーザ光および第二レーザ光の出力を変更可能なコントローラを備えた、請求項５に記載の溶接装置。
【請求項7】
前記レーザ光の前記表面上での掃引速度を変更可能なコントローラを備えた、請求項５または６に記載の溶接装置。
【請求項8】
前記光学ヘッドと前記加工対象との間の距離を変更可能なコントローラを備えた、請求項５～７のうちいずれか一つに記載の溶接装置。
【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】
従来、異種金属のレーザ溶接については、金属間化合物が生成されることによる脆化が問題となっている。その対策として、レーザ光を照射しながら走査する工程を複数回行い、各走査の位置、タイミング、およびレーザ光の出力を調整することにより金属間化合物の生成を抑制する溶接方法が、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】
【文献】特開２０１９－０８１１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上記従来の溶接方法にあっては、例えば、複数回の走査を要する分、溶接が完了するまでの所要時間が長くなったり、各走査における走査位置や、タイミング、出力等の調整が面倒であったり、といった課題が生じる虞があった。
【0005】
そこで、本発明の課題の一つは、例えば、改善された新たな溶接方法、溶接装置、および金属部材の溶接構造を得ること、である。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の溶接方法は、例えば、第一部材と、当該第一部材に対して第一方向に重なるとともに当該第一部材とは異なる材質の第二部材と、を含む加工対象の、前記第一方向とは反対方向の端部に位置した表面上にレーザ光を照射することにより、前記第一部材と前記第二部材とを溶接する溶接方法であって、前記加工対象には、前記表面から前記第一部材を前記第一方向に貫通して前記第二部材に至る溶接金属を含む溶接部が形成され、前記溶接金属の前記第一方向の溶け込み深さＷｄは、前記第一部材の前記第一方向の厚さをＴ１とした場合に、Ｔ１＜Ｗｄ≦Ｔ１＋０．５［ｍｍ］である。
【0007】
前記溶接方法では、前記溶接金属は、前記第一部材において形成される第一部位と、前記第二部材において形成される第二部位と、を含み、前記第二部位の前記第一方向の溶け込み深さＷｄ２に対する前記第一方向と交差した第二方向の幅Ｗｗ２の比Ｅｗ２＝Ｗｗ２／Ｗｄ２が、１以上であってもよい。
【0008】
また、本発明の溶接方法は、例えば、第一部材と、当該第一部材に対して第一方向に重なるとともに当該第一部材とは異なる材質の第二部材と、を含む加工対象の、前記第一方向とは反対方向の端部に位置した表面上にレーザ光を照射することにより、前記第一部材と前記第二部材とを溶接する溶接方法であって、前記加工対象には、前記表面から前記第一部材を前記第一方向に貫通して前記第二部材に至る溶接金属を含む溶接部が形成され、前記溶接金属は、前記第一部材において形成される第一部位と、前記第二部材において形成される第二部位と、を含み、前記第二部位の前記第一方向の溶け込み深さＷｄ２に対する前記第一方向と交差した第二方向の幅Ｗｗ２の比Ｅｗ２＝Ｗｗ２／Ｗｄ２が、１以上である。
【0009】
前記溶接方法では、前記レーザ光は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光と、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含んでもよい。
【0010】
前記溶接方法では、前記第二レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下であってもよい。
【0011】
前記溶接方法では、前記第二部材の融点は、前記第一部材の融点よりも低くてもよい。
【0012】
前記第一部材は、銅系材料であり、前記第二部材は、アルミニウム系材料であってもよい。
【0013】
前記溶接方法では、以下の式（１）および式（２）
Ｅ１＝Ｒ１×Ｐ１／（Ｄ１×Ｖ） ・・・ （１）
Ｅ２＝Ｒ２×Ｐ２／（Ｄ２×Ｖ） ・・・ （２）
ここに、Ｅ１は、第一レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒ１は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ１は、第一レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ１は、表面における第一レーザ光のスポット径［ｍｍ］、Ｅ２は、第二レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒ２は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ２は、第二レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ２は、表面における第二レーザ光のスポット径［ｍｍ］、およびＶは、掃引速度［ｍｍ／ｓ］、で表せるエネルギ密度Ｅ１，Ｅ２を定義した場合、第一レーザ光のエネルギ密度Ｅ１の、第二レーザ光のエネルギ密度Ｅ２に対する比（Ｅ１／Ｅ２）が、０以上かつ６以下であってもよい。
Ｅ１＝Ｒ１×Ｐ１／（Ｄ１×Ｖ） ・・・ （１）
Ｅ２＝Ｒ２×Ｐ２／（Ｄ２×Ｖ） ・・・ （２）
ここに、Ｅ１は、第一レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒ１は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ１は、第一レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ１は、表面における第一レーザ光のスポット径［ｍｍ］、Ｅ２は、第二レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒ２は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ２は、第二レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ２は、表面における第二レーザ光のスポット径［ｍｍ］、およびＶは、掃引速度［ｍｍ／ｓ］、で表せるエネルギ密度Ｅ１，Ｅ２を定義した場合、第一レーザ光のエネルギ密度Ｅ１の、第二レーザ光のエネルギ密度Ｅ２に対する比（Ｅ１／Ｅ２）が、０以上かつ６以下であってもよい。
【0014】
前記溶接方法では、前記第一部材の融点は、前記第二部材の融点よりも低くてもよい。
【0015】
前記溶接方法では、前記第二部材は、銅系材料であり、前記第一部材は、アルミニウム系材料であってもよい。
【0016】
前記溶接方法では、以下の式（１）および式（２）
Ｅ１＝Ｒ１×Ｐ１／（Ｄ１×Ｖ） ・・・ （１）
Ｅ２＝Ｒ２×Ｐ２／（Ｄ２×Ｖ） ・・・ （２）
ここに、Ｅ１は、第一レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒ１は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ１は、第一レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ１は、表面における第一レーザ光のスポット径［ｍｍ］、Ｅ２は、第二レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒ２は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ２は、第二レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ２は、表面における第二レーザ光のスポット径［ｍｍ］、およびＶは、掃引速度［ｍｍ／ｓ］、で表せるエネルギ密度Ｅ１，Ｅ２を定義した場合、第一レーザ光のエネルギ密度Ｅ１の、第二レーザ光のエネルギ密度Ｅ２に対する比（Ｅ１／Ｅ２）が、１以上であってもよい。
Ｅ１＝Ｒ１×Ｐ１／（Ｄ１×Ｖ） ・・・ （１）
Ｅ２＝Ｒ２×Ｐ２／（Ｄ２×Ｖ） ・・・ （２）
ここに、Ｅ１は、第一レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒ１は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ１は、第一レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ１は、表面における第一レーザ光のスポット径［ｍｍ］、Ｅ２は、第二レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒ２は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ２は、第二レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ２は、表面における第二レーザ光のスポット径［ｍｍ］、およびＶは、掃引速度［ｍｍ／ｓ］、で表せるエネルギ密度Ｅ１，Ｅ２を定義した場合、第一レーザ光のエネルギ密度Ｅ１の、第二レーザ光のエネルギ密度Ｅ２に対する比（Ｅ１／Ｅ２）が、１以上であってもよい。
【0017】
前記溶接方法では、前記第一部材の前記第一方向の厚さは、０．１［ｍｍ］以上２［ｍｍ］以下であり、前記第二部材の前記第一方向の厚さは、０．１［ｍｍ］以上２［ｍｍ］以下であってもよい。
【0018】
本発明の溶接装置は、例えば、レーザ発振器と、第一部材と、当該第一部材に対して第一方向に重なるとともに当該第一部材とは異なる材質の第二部材と、を含む加工対象の、前記第一方向とは反対方向の端部に位置した表面上にレーザ光を照射する光学ヘッドと、を備え、前記第一部材と前記第二部材とを溶接する、溶接装置であって、前記レーザ光は、第一レーザ光と当該第一レーザ光とは異なる第二レーザ光とを含む。
【0019】
前記溶接装置では、前記第一レーザ光の波長は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下であり、前記第二レーザ光の波長は、５５０［ｎｍ］以下であってもよい。
【0020】
前記溶接装置は、前記レーザ発振器からの第一レーザ光および第二レーザ光の出力を変更可能なコントローラを備えてもよい。
【0021】
前記溶接装置は、前記レーザ光の前記表面上での掃引速度を変更可能なコントローラを備えてもよい。
【0022】
前記溶接装置は、前記光学ヘッドと前記加工対象との間の距離を変更可能なコントローラを備えてもよい。
【0023】
前記溶接装置では、以下の式（１）および式（２）
Ｅ１＝Ｒ１×Ｐ１／（Ｄ１×Ｖ） ・・・ （１）
Ｅ２＝Ｒ２×Ｐ２／（Ｄ２×Ｖ） ・・・ （２）
ここに、Ｅ１は、第一レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒ１は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ１は、第一レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ１は、表面における第一レーザ光のスポット径［ｍｍ］、Ｅ２は、第二レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒ２は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ２は、第二レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ２は、表面における第二レーザ光のスポット径［ｍｍ］、およびＶは、掃引速度［ｍｍ／ｓ］、で表せるエネルギ密度Ｅ１，Ｅ２を定義した場合、前記コントローラは、第一レーザ光のエネルギ密度Ｅ１の、第二レーザ光のエネルギ密度Ｅ２に対する比（Ｅ１／Ｅ２）を変更可能であってもよい。
Ｅ１＝Ｒ１×Ｐ１／（Ｄ１×Ｖ） ・・・ （１）
Ｅ２＝Ｒ２×Ｐ２／（Ｄ２×Ｖ） ・・・ （２）
ここに、Ｅ１は、第一レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒ１は、第一レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ１は、第一レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ１は、表面における第一レーザ光のスポット径［ｍｍ］、Ｅ２は、第二レーザ光のエネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒ２は、第二レーザ光の第一部材の材料における吸収率、Ｐ２は、第二レーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄ２は、表面における第二レーザ光のスポット径［ｍｍ］、およびＶは、掃引速度［ｍｍ／ｓ］、で表せるエネルギ密度Ｅ１，Ｅ２を定義した場合、前記コントローラは、第一レーザ光のエネルギ密度Ｅ１の、第二レーザ光のエネルギ密度Ｅ２に対する比（Ｅ１／Ｅ２）を変更可能であってもよい。
【0024】
本発明の金属部材の溶接構造は、例えば、第一部材と、前記第一部材に対して第一方向に重なった第二部材と、前記第一部材内で前記第一方向に延びるとともに部分的に前記第二部材に食い込む溶接金属を含み、前記第一部材と前記第二部材とを溶接する溶接部と、を備えた、金属部材の溶接構造であって、前記溶接金属は、前記第一部材と同じ成分を含み前記第一方向と交差する第二方向に前記第一部材と並ぶ第一部位と、前記第二部材と同じ成分を含む第二部位と、を有する。
【0025】
前記金属部材の溶接構造では、前記第二部材の融点は、前記第一部材の融点よりも低くてもよい。
【0026】
前記金属部材の溶接構造では、前記第一部材は、銅系材料であり、前記第二部材は、アルミニウム系材料であってもよい。
【0027】
前記金属部材の溶接構造では、前記第一部位の前記第一方向の第一端部と、前記第二部位の前記第一方向の反対方向の第二端部とは、互いに接していてもよい。
【0028】
前記金属部材の溶接構造では、前記第一部材の前記第一方向の厚さは、０．１［ｍｍ］以上２［ｍｍ］以下であり、前記第二部材の前記第一方向の厚さは、０．１［ｍｍ］以上２［ｍｍ］以下であってもよい。
【0029】
前記金属部材の溶接構造では、前記第一部位および前記第二部位の、前記第一方向および前記第二方向に沿う断面における結晶粒のサイズの平均値は、互いに異なってもよい。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【発明を実施するための形態】
【0031】
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結果（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、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。
【0032】
以下に示される複数の実施形態は、同様の構成を備えている。よって、各実施形態の構成によれば、当該同様の構成に基づく同様の作用および効果が得られる。また、以下では、それら同様の構成には同様の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される場合がある。
【0033】
また、各図において、Ｘ方向を矢印Ｘで表し、Ｙ方向を矢印Ｙで表し、Ｚ方向を矢印Ｚで表している。Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに交差するとともに直交している。Ｚ方向は、加工対象Ｗの表面Ｗａ（加工面、溶接面）の法線方向である。また、各図では、便宜上、レーザ光Ｌの表面Ｗａにおける掃引方向ＳＤがＸ方向に沿っている例が図示されているが、掃引方向ＳＤは、表面Ｗａに沿うとともにＺ方向と交差していればよく、Ｘ方向のみに沿うものではない。
【0034】
また、本明細書において、序数は、部品や、部材、部位、レーザ光、方向等を区別するために便宜上付与されており、優先度や順番を示すものではない。
【0035】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態のレーザ溶接装置１００の概略構成図である。図１に示されるように、レーザ溶接装置１００は、レーザ装置１１１と、レーザ装置１１２と、光学ヘッド１２０と、光ファイバ１３０と、を備えている。レーザ溶接装置１００は、溶接装置の一例である。
図１は、第１実施形態のレーザ溶接装置１００の概略構成図である。図１に示されるように、レーザ溶接装置１００は、レーザ装置１１１と、レーザ装置１１２と、光学ヘッド１２０と、光ファイバ１３０と、を備えている。レーザ溶接装置１００は、溶接装置の一例である。
【0036】
レーザ装置１１１，１１２は、それぞれ、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１１１，１１２は、３８０［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長のレーザ光を照射する。レーザ装置１１１，１１２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。レーザ装置１１１，１１２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。
【0037】
レーザ装置１１１は、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光を出力する。レーザ装置１１１は、第一レーザ装置の一例である。一例として、レーザ装置１１１は、レーザ光源として、ファイバレーザかあるいは半導体レーザ（素子）を有する。レーザ装置１１１が有するレーザ発振器は、第一レーザ発振器の一例である。
【0038】
他方、レーザ装置１１２は、５５０［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光を出力する。レーザ装置１１２は、第二レーザ装置の一例である。一例として、レーザ装置１１２は、レーザ光源として、半導体レーザ（素子）を有する。レーザ装置１１２は、４００［ｎｍ］以上かつ５００［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光を出力するのが好適である。レーザ装置１１２が有するレーザ発振器は、第二レーザ発振器の一例である。
【0039】
光ファイバ１３０は、それぞれ、レーザ装置１１１，１１２から出力されたレーザ光を光学ヘッド１２０に導く。
【0040】
光学ヘッド１２０は、レーザ装置１１１，１１２から入力されたレーザ光を、加工対象Ｗに向かって照射するための光学装置である。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、フィルタ１２４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、およびフィルタ１２４は、光学部品とも称されうる。
【0041】
光学ヘッド１２０は、加工対象Ｗの表面Ｗａ上でレーザ光Ｌの照射を行いながらレーザ光Ｌを掃引するために、加工対象Ｗとの相対位置を変更可能に構成されている。光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとの相対移動は、光学ヘッド１２０の移動、加工対象Ｗの移動、または光学ヘッド１２０および加工対象Ｗの双方の移動により、実現されうる。
【0042】
なお、光学ヘッド１２０は、図示しないガルバノスキャナ等を有することにより、表面Ｗａ上でレーザ光Ｌを掃引可能に構成されてもよい。
【0043】
コリメートレンズ１２１（１２１－１，１２１－２）は、それぞれ、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。
【0044】
ミラー１２３は、コリメートレンズ１２１－１で平行光となった第一レーザ光を反射する。ミラー１２３で反射した第一レーザ光は、Ｚ方向の反対方向に進み、フィルタ１２４へ向かう。なお、第一レーザ光が光学ヘッド１２０においてＺ方向の反対方向へ進むように入力される構成にあっては、ミラー１２３は不要である。
【0045】
フィルタ１２４は、第一レーザ光を透過し、かつ第二レーザ光を透過せずに反射するハイパスフィルタである。第一レーザ光は、フィルタ１２４を透過してＺ方向の反対方向へ進み、集光レンズ１２２へ向かう。他方、フィルタ１２４は、コリメートレンズ１２１－２で平行光となった第二レーザ光を反射する。フィルタ１２４で反射した第二レーザ光は、Ｚ方向の反対方向に進み、集光レンズ１２２へ向かう。
【0046】
集光レンズ１２２は、平行光としての第一レーザ光および第二レーザ光を集光し、レーザ光Ｌ（出力光）として、加工対象Ｗへ照射する。
【0047】
また、レーザ溶接装置１００は、コントローラ１４１と、コントローラ１４１によって作動を制御される被制御機構と、を備えている。本実施形態では、レーザ溶接装置１００は、被制御機構として、例えば、レーザ装置１１１，１１２および駆動機構１５０を備えている。
【0048】
コントローラ１４１は、レーザ装置１１１，１１２の作動を制御することができる。具体的に、コントローラ１４１は、例えば、レーザ装置１１１，１１２の作動および作動停止を切り替えたり、レーザ装置１１１，１１２が出射するレーザ光のパワーを変更したりすることができる。
【0049】
駆動機構１５０は、加工対象Ｗに対する光学ヘッド１２０の相対的な位置を変更する。駆動機構１５０は、例えば、モータのような回転機構や、当該回転機構の回転出力を減速する減速機構、減速機構によって減速された回転を直動に変換する運動変換機構等を、有する。コントローラ１４１は、加工対象Ｗに対する光学ヘッド１２０のＸ方向、Ｙ方向、およびＺ方向における相対位置が変化するよう、駆動機構１５０を制御することができる。また、コントローラ１４１は、レーザ光Ｌのスポットの表面Ｗａ上での掃引速度が変化するよう、駆動機構１５０を制御することができる。
【0050】
また、レーザ溶接装置１００は、カメラ１７０と、カメラ１７０へ光を導く光学部品としてのフィルタ１２７およびミラー１２８と、を有している。フィルタ１２７は、ミラー１２３とフィルタ１２４との間に設けられている。フィルタ１２７は、ミラー１２３からの第一レーザ光をフィルタ１２４へ向けて透過するとともに、表面Ｗａからの光（例えば、可視光）をミラー１２８に向けて反射する。ミラー１２８で反射した光は、カメラ１７０に入力される。このような構成により、カメラ１７０は、表面Ｗａ上の画像を撮影することができる。カメラ１７０による撮影画像には、例えば、表面Ｗａの画像と、レーザ光Ｌによるビーム（スポット）の画像とが、含まれうる。よって、カメラ１７０による撮影画像は、表面Ｗａ上に形成されるスポットの所定位置に対するずれの検出結果と言うことができ、カメラ１７０は、当該ずれを検出するセンサの一例であると言うことができる。なお、撮影画像の画角におけるスポットの位置が固定している場合にあっては、撮影画像には、レーザ光Ｌの照射目標が含まれていればよく、スポットの画像は含まれている必要は無い。カメラ１７０およびコントローラ１４１は、検出機構の一例である。なお、コントローラ１４１は、カメラ１７０の作動を制御してもよい。
【0051】
また、コントローラ１４１は、カメラ１７０による撮影画像から、スポットの所定位置に対するずれを検出し、当該ずれを補正するよう、駆動機構１５０を制御することができる。また、コントローラ１４１は、当該ずれが所定の閾値以内となるようフィードバック制御を実行してもよい。コントローラ１４１および駆動機構１５０は、補正機構の一例である。このような構成により、レーザ光の照射位置の精度を高めることができる。
【0052】
本実施形態では、加工対象Ｗは、Ｚ方向に積層された複数の金属部材１１，１２を有した溶接構造１０である。
【0053】
【0054】
溶接構造１０－１は、複数の金属部材１１，１２と、溶接部１４と、を有している。複数の金属部材１１，１２は、例えば、バスバーや、電極端子、電極箔等であり、導電経路の少なくとも一部を構成している。すなわち、複数の金属部材１１，１２は、いずれも導電性を有した金属材料で作られている。ただし、本実施形態では、金属部材１１と金属部材１２とは、相異なる材料で作られている。溶接部１４は、複数の金属部材１１，１２を、機械的かつ電気的に接続している。
【0055】
また、本実施形態では、金属部材１２の融点は、金属部材１１の融点よりも低い。金属部材１１は、例えば、銅や、銅合金のような、銅系材料である。また、金属部材１２は、例えば、アルミニウムや、アルミニウム合金のような、アルミニウム系材料である。なお、少なくともいずれか一方の金属部材１１，１２の表面には、めっき層が形成されていてもよい。
【0056】
金属部材１１，１２は、Ｚ方向に重なっている。図２の例において、金属部材１１，１２は、板状あるいは箔状の形状を有し、Ｚ方向と交差して広がりＸ方向およびＹ方向に延びている。Ｚ方向は、金属部材１１，１２の厚さ方向とも称されうる。また、溶接構造１０は、積層体とも称されうる。
【0057】
図２の例では、金属部材１１は、金属部材１２に対して、Ｚ方向に重なっている。言い換えると、金属部材１２は、金属部材１１に対して、Ｚ方向の反対方向に重なっている。金属部材１１は、金属部材１２と溶接される部位においては、当該金属部材１２に対してＺ方向に隣接し、当該金属部材１２とＺ方向に略密着した状態で重なっている。図２の例において、金属部材１１は、第一部材の一例であり、金属部材１２は、第二部材の一例であり、Ｚ方向の反対方向は、第一方向の一例である。
【0058】
加工対象Ｗは、レーザ溶接装置１００によって溶接されるに際し、不図示の固定具によって図２の積層状態で一体的に仮止めされ、例えば、表面Ｗａの法線方向がＺ方向と略平行となる姿勢で、セットされる。表面Ｗａは、加工対象ＷのＺ方向の端面であり、溶接部１４が設けられる部位においては、Ｚ方向と交差するとともに直交して広がっている。
【0059】
光学ヘッド１２０は、レーザ光Ｌを、表面Ｗａに向けて、Ｚ方向の反対方向に照射する。表面Ｗａは、レーザ光Ｌの照射面であり、光学ヘッド１２０と面した対向面とも称されうる。Ｚ方向の反対方向は、レーザ光Ｌの照射方向と称されうる。
【0060】
このようなレーザ光Ｌの照射により、溶接部１４は、表面Ｗａから、Ｚ方向の反対方向に向けて延びることになる。Ｚ方向の反対方向は、溶接部１４の深さ方向とも称されうる。溶接部１４の深さ方向は、レーザ光Ｌの照射方向でもある。
【0061】
また、レーザ光Ｌが照射されている状態で、駆動機構１５０の作動によって光学ヘッド１２０が加工対象Ｗに対して掃引方向ＳＤに相対的に移動することにより、表面Ｗａ上でレーザ光Ｌが当該掃引方向ＳＤに掃引される。これにより、溶接部１４は、図２と略同様の断面形状で、表面Ｗａに沿って、掃引方向ＳＤ（図２ではＸ方向）に延びることになる。掃引方向ＳＤは、溶接部１４の長手方向や延び方向とも称されうる。また、Ｚ方向および掃引方向ＳＤと交差する方向（図２ではＹ方向）は、溶接部１４の幅方向とも称されうる。Ｙ方向は、第二方向の一例である。
【0062】
溶接部１４は、表面ＷａからＺ方向の反対方向に延びた溶接金属１４ａと、当該溶接金属１４ａの周囲に位置された熱影響部１４ｂと、を有している。溶接金属１４ａは、レーザ光Ｌの照射によって溶融し、その後凝固した部位である。溶接金属１４ａは、溶融凝固部とも称されうる。熱影響部１４ｂは、加工対象Ｗの母材が熱影響を受けた部位であって、溶融はしていない部位である。
【0063】
熱影響部１４ｂは、金属部材１１内に形成される第一ゾーン１４ｂ１と、金属部材１２内に形成される第二ゾーン１４ｂ２と、を有している。
【0064】
溶接金属１４ａは、表面Ｗａから金属部材１１をＺ方向の反対方向に延びている。溶接金属１４ａのＺ方向の反対方向の端部は、部分的に、金属部材１２に食い込んでいる。熱影響部１４ｂは、溶接金属１４ａの周囲に位置している。Ｙ方向において、熱影響部１４ｂは、溶接金属１４ａの両側に隣接している。言い換えると、Ｙ方向において、熱影響部１４ｂは、溶接金属１４ａの外側に位置している。また、熱影響部１４ｂは、部分的に、溶接金属１４ａに対して、Ｚ方向の反対方向に隣接している。
【0065】
溶接金属１４ａは、金属部材１１において形成される第一部位１４ａ１と、金属部材１２において形成される第二部位１４ａ２と、を有している。第一部位１４ａ１は、金属部材１１と同じ成分を含み、第二部位１４ａ２は、金属部材１２と同じ成分を含む。
【0066】
第一部位１４ａ１は、第一レーザ光および第二レーザ光の照射により溶融しかつ凝固した部位である。また、第二部位１４ａ２は、主として第一部位１４ａ１からの熱伝導により溶融しかつ凝固した部位である。
【0067】
第一部位１４ａ１および第二部位１４ａ２については、それぞれ、図２のような、掃引方向ＳＤと交差する断面、すなわちレーザ光Ｌの照射方向（溶接部１４の深さ方向）および溶接部１４の幅方向に沿う断面における結晶粒のサイズの平均値、および主たる元素が異なっている。第一部位１４ａ１および第二部位１４ａ２は、溶接構造１０の図２の断面に対する、ＥＢＳＤ法（electron back scattered diffraction pattern、電子線後方散乱回折)による解析、およびＥＤＳ（energy dispersive X-ray spectrometry、エネルギ分散Ｘ線分光法）による元素分析により、判別可能である。
【0068】
また、図２の例では、第一部位１４ａ１は、金属部材１１をＺ方向に貫通している。よって、第一部位１４ａ１は、金属部材１１（の母材）とＹ方向に並んでいる。
【0069】
図２の例では、第二部位１４ａ２は、第一部位１４ａ１に対してＺ方向の反対方向に隣接している。よって、図２の例では、第二部位１４ａ２のＺ方向の端部１４ｃ２は、第一部位１４ａ１のＺ方向の反対方向の端部１４ｃ１と接している。端部１４ｃ１は、第一端部の一例であり、端部１４ｃ２は、第二端部の一例である。
【0070】
発明者らの研究により、図２に示されるような第一部位１４ａ１および第二部位１４ａ２を有した溶接金属１４ａにあっては、第一部位１４ａ１の成分の第二部位１４ａ２への流出が抑制されていること、すなわち金属間化合物の生成が抑制されていることが、確認できた。これは、上述したように、第二部位１４ａ２が第一部位１４ａ１および第一ゾーン１４ｂ１からの熱が伝導されることによる溶融、すなわち熱伝導型の溶融によって得られることによるものであると推定できる。この際、第二部位１４ａ２は、金属部材１２の融点よりも高い温度まで加熱されたものと推定できる。
【0071】
第一部位１４ａ１の成分の第二部位１４ａ２への流出の抑制の程度は、例えば、Ｚ方向における第二部位１４ａ２内での金属部材１１の成分の存在量の分布で表すことができる。たとえば、流出が多い場合は、第二部位１４ａ２内で、第一部位１４ａ１（または第一ゾーン１４ｂ１）との境界面近傍の位置での存在量（質量）に対する、Ｚ方向における境界面から第二部位１４ａ２の長さ（深さ）の１／２の位置での存在量（質量）の比率が１００％となる場合がある。これに対して、流出が抑制されている場合は、当該比率が減少し、例えば５０％となる。当該比率は、流出の抑制すなわち金属間化合物の生成の抑制の観点からは、低い方が好ましく、例えば４０％、３０％、２０％、１０％と低くなるほど好ましい。
【0072】
［ビーム形状］
図３は、平面である表面Ｗａ上に照射されたレーザ光Ｌのビーム（スポット）を示す模式図である。ビームＢ１およびビームＢ２のそれぞれは、そのビームの光軸方向と直交する断面の径方向において、たとえばガウシアン形状のパワー分布を有する。ただし、ビームＢ１およびビームＢ２のパワー分布はガウシアン形状に限定されない。また、図３のように各ビームＢ１，Ｂ２を円で表している各図において、当該ビームＢ１，Ｂ２を表す円の直径が、各ビームＢ１，Ｂ２のビーム径である。各ビームＢ１，Ｂ２のビーム径は、そのビームのピークを含み、ピーク強度の１／ｅ２以上の強度の領域の径として定義する。なお、図示されないが、円形でないビームの場合は、掃引方向ＳＤと垂直方向（図では、Ｙ方向）における、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できる。また、表面Ｗａにおけるビーム径は、スポット径と称する。
図３は、平面である表面Ｗａ上に照射されたレーザ光Ｌのビーム（スポット）を示す模式図である。ビームＢ１およびビームＢ２のそれぞれは、そのビームの光軸方向と直交する断面の径方向において、たとえばガウシアン形状のパワー分布を有する。ただし、ビームＢ１およびビームＢ２のパワー分布はガウシアン形状に限定されない。また、図３のように各ビームＢ１，Ｂ２を円で表している各図において、当該ビームＢ１，Ｂ２を表す円の直径が、各ビームＢ１，Ｂ２のビーム径である。各ビームＢ１，Ｂ２のビーム径は、そのビームのピークを含み、ピーク強度の１／ｅ２以上の強度の領域の径として定義する。なお、図示されないが、円形でないビームの場合は、掃引方向ＳＤと垂直方向（図では、Ｙ方向）における、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できる。また、表面Ｗａにおけるビーム径は、スポット径と称する。
【0073】
図３に示されるように、本実施形態では、一例として、レーザ光Ｌのビームは、表面Ｗａ上において、第一レーザ光のビームＢ１と第二レーザ光のビームＢ２とが重なり、ビームＢ２がビームＢ１よりも大きく（広く）、かつ、ビームＢ２の外縁Ｂ２ａがビームＢ１の外縁Ｂ１ａを取り囲むよう、形成されている。この場合、ビームＢ２のスポット径Ｄ２は、ビームＢ１のスポット径Ｄ１よりも大きい。表面Ｗａ上において、ビームＢ１は、第一スポットの一例であり、ビームＢ２は、第二スポットの一例である。
【0074】
また、本実施形態では、図３に示されるように、表面Ｗａ上において、レーザ光Ｌのビーム（スポット）は、中心点Ｃに対する点対称形状を有しているため、任意の掃引方向ＳＤについて、スポットの形状は同じになる。よって、レーザ光Ｌの表面Ｗａ上での掃引のために光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとを相対的に動かす移動機構を備える場合、当該移動機構は、少なくとも相対的に並進可能な機構を有すればよく、相対的に回転可能な機構は省略できる場合がある。
【0075】
［波長と光の吸収率］
ここで、金属材料の光の吸収率について説明する。図４は、照射するレーザ光Ｌの波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。図４のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図４には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、およびチタン（Ｔｉ）について、波長と吸収率との関係が示されている。
ここで、金属材料の光の吸収率について説明する。図４は、照射するレーザ光Ｌの波長に対する各金属材料の光の吸収率を示すグラフである。図４のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図４には、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、およびチタン（Ｔｉ）について、波長と吸収率との関係が示されている。
【0076】
材料によって特性が異なるものの、図４に示されている各金属に関しては、一般的な赤外線（ＩＲ）のレーザ光（第一レーザ光）を用いるよりも、青や緑のレーザ光（第二レーザ光）を用いた方が、エネルギの吸収率がより高いことが理解できよう。この特徴は、銅（Ｃｕ）や、金（Ａｕ）等においては顕著となる。
【0077】
使用波長に対して吸収率が比較的低い加工対象Ｗにレーザ光が照射された場合、大部分の光エネルギは反射され、加工対象Ｗに熱としての影響を及ぼさない。そのため、十分な深さの溶融領域を得るには比較的高いパワーを与える必要がある。その場合、ビーム中心部は急激にエネルギが投入されることで、昇華が生じ、キーホールが形成される。
【0078】
他方、使用波長に対して吸収率が比較的高い加工対象Ｗにレーザ光が照射された場合、投入されるエネルギの多くが加工対象Ｗに吸収され、熱エネルギへと変換される。すなわち、過度なパワーを与える必要はないため、キーホールの形成を伴わず、熱伝導型の溶融となる。
【0079】
本実施形態では、加工対象Ｗの第二レーザ光に対する吸収率が、第一レーザ光に対する吸収率よりも高くなるよう、第一レーザ光の波長、第二レーザ光の波長、および加工対象Ｗの材質が、選択される。この場合、掃引方向が図３に示される掃引方向ＳＤである場合、レーザ光Ｌのスポットの掃引により、加工対象Ｗの溶接される部位（以下、被溶接部位と称する）には、まずは、第二レーザ光のビームＢ２の、図３におけるＳＤの前方に位置する領域Ｂ２ｆによって、第二レーザ光が照射される。その後、被溶接部位には、第一レーザ光のビームＢ１が照射され、その後、第二レーザ光のビームＢ２の、掃引方向ＳＤの後方に位置する領域Ｂ２ｂによって、再度第二レーザ光が照射される。
【0080】
したがって、被溶接部位には、まずは、領域Ｂ２ｆにおける吸収率が高い第二レーザ光の照射により、熱伝導型の溶融領域が生じる。その後、被溶接部位には、第一レーザ光の照射によって、より深いキーホール型の溶融領域が生じる。この場合、被溶接部位には、予め熱伝導型の溶融領域が形成されているため、当該熱伝導型の溶融領域が形成されない場合に比べて、より低いパワーの第一レーザ光によって所要の深さの溶融領域を形成することができる。さらにその後、被溶接部位には、領域Ｂ２ｂにおける吸収率が高い第二レーザ光の照射により、溶融状態が変化する。このような観点から、第二レーザ光の波長は５５０［ｎｍ］以下が好ましく、５００［ｎｍ］以下がより好ましい。
【0081】
また、発明者らの実験的な研究により、図３のようなビームのレーザ光Ｌの照射による溶接にあっては、スパッタやブローホールのような溶接欠陥を低減できることが確認されている。これは、ビームＢ１が到来する前にビームＢ２の領域Ｂ２ｆによって加工対象Ｗを予め加熱しておくことにより、ビームＢ２およびビームＢ１によって形成される加工対象Ｗの溶融池がより安定化するためであると推定できる。
【0082】
［溶接方法］
レーザ溶接装置１００を用いた溶接にあっては、まず、不図示の保持具によって金属部材１１と金属部材１２とが一体的に仮止めされた溶接構造１０が、レーザ光Ｌが表面Ｗａに照射されるようにセットされる。そして、ビームＢ１およびビームＢ２を含むレーザ光Ｌが表面Ｗａに照射されている状態で、レーザ光Ｌと溶接構造１０とが相対的に動かされる。これにより、レーザ光Ｌが表面Ｗａ上に照射されながら当該表面Ｗａ上を掃引方向ＳＤに移動する（掃引する）。レーザ光Ｌが照射された部分は、溶融し、その後、温度の低下に伴って凝固することにより、溶接部１４を介して金属部材１１と金属部材１２とが接合され、溶接構造１０が一体化される。
レーザ溶接装置１００を用いた溶接にあっては、まず、不図示の保持具によって金属部材１１と金属部材１２とが一体的に仮止めされた溶接構造１０が、レーザ光Ｌが表面Ｗａに照射されるようにセットされる。そして、ビームＢ１およびビームＢ２を含むレーザ光Ｌが表面Ｗａに照射されている状態で、レーザ光Ｌと溶接構造１０とが相対的に動かされる。これにより、レーザ光Ｌが表面Ｗａ上に照射されながら当該表面Ｗａ上を掃引方向ＳＤに移動する（掃引する）。レーザ光Ｌが照射された部分は、溶融し、その後、温度の低下に伴って凝固することにより、溶接部１４を介して金属部材１１と金属部材１２とが接合され、溶接構造１０が一体化される。
【0083】
［エネルギ密度］
また、発明者らは、実験的な解析において、材料の吸収率を考慮したエネルギ密度という指標を導入し、当該エネルギ密度について、好適な溶接状態が得られる条件を見いだした。当該エネルギ密度は、以下の式（１）で表すことができる。
Ｅｎ＝Ｒｎ×Ｐｎ／（Ｄｎ×Ｖ） ・・・ （１）
ここに、Ｅｎは、エネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒｎは、レーザ光が照射される部材（第一部材）の材料におけるレーザ光の吸収率、Ｐｎは、レーザ装置によるレーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄｎは、表面Ｗａにおけるスポット径［ｍｍ］、Ｖは、掃引速度［ｍｍ／ｓ］である。ここでは、下付のｎにより、各パラメータを区別しており、ｎ＝１は、第一レーザ光のパラメータ、ｎ＝２は、第二レーザ光のパラメータを示す。式（１）から明らかとなるように、エネルギ密度Ｅｎによれば、レーザ光Ｌが照射される加工対象Ｗの材料の吸収率Ｒｎを考慮した分析が可能となる。なお、エネルギ密度は、実効エネルギ密度とも称されうる。
また、発明者らは、実験的な解析において、材料の吸収率を考慮したエネルギ密度という指標を導入し、当該エネルギ密度について、好適な溶接状態が得られる条件を見いだした。当該エネルギ密度は、以下の式（１）で表すことができる。
Ｅｎ＝Ｒｎ×Ｐｎ／（Ｄｎ×Ｖ） ・・・ （１）
ここに、Ｅｎは、エネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］、Ｒｎは、レーザ光が照射される部材（第一部材）の材料におけるレーザ光の吸収率、Ｐｎは、レーザ装置によるレーザ光のパワー［Ｗ］、Ｄｎは、表面Ｗａにおけるスポット径［ｍｍ］、Ｖは、掃引速度［ｍｍ／ｓ］である。ここでは、下付のｎにより、各パラメータを区別しており、ｎ＝１は、第一レーザ光のパラメータ、ｎ＝２は、第二レーザ光のパラメータを示す。式（１）から明らかとなるように、エネルギ密度Ｅｎによれば、レーザ光Ｌが照射される加工対象Ｗの材料の吸収率Ｒｎを考慮した分析が可能となる。なお、エネルギ密度は、実効エネルギ密度とも称されうる。
【0084】
発明者らは、図２の溶接構造１０－１に対する実験的解析により、第一レーザ光のエネルギ密度Ｅ１の、第二レーザ光のエネルギ密度Ｅ２の比Ｒｅ１（＝Ｅ１／Ｅ２、以下、エネルギ密度比と称する）によって、溶接状態が変化することを見いだした。
【0085】
【表1】
【0086】
【0087】
コントローラ１４１は、比Ｒｅ１が変化するよう、例えばレーザ装置１１１，１１２や駆動機構１５０のような被制御機構を制御することができる。
【0088】
【0089】
図５に例示される溶接構造１０－２は、図２に例示される溶接構造１０－１と同じ材料の金属部材１１，１２を有している。ただし、溶接構造１０－２は、Ｚ方向における金属部材１１，１２の配置（積層順）が、溶接構造１０－１とは逆である。
【0090】
すなわち、図５の例では、金属部材１２は、金属部材１１に対して、Ｚ方向に重なっている。言い換えると、金属部材１１は、金属部材１２に対して、Ｚ方向の反対方向に重なっている。金属部材１２は、金属部材１１と溶接される部位においては、当該金属部材１１に対してＺ方向に隣接し、当該金属部材１１とＺ方向に略密着した状態で重なっている。図５の例においては、金属部材１２は、第一部材の一例であり、金属部材１１は、第二部材の一例である。
【0091】
図５の例では、溶接金属１４ａは、金属部材１２内に形成され熱伝導型の溶融によって得られた第二部位１４ａ２と、金属部材１１内に形成され熱伝導型の溶融によって得られた第一部位１４ａ１と、を有している。第二部位１４ａ２は、金属部材１２を貫通している。第一部位１４ａ１は、第二部位１４ａ２に対してＺ方向の反対方向に隣接している。第二部位１４ａ２のＺ方向の反対方向の端部１４ｃ２と、第一部位１４ａ１のＺ方向の端部１４ｃ１とは、互いに接している。
【0092】
発明者らは、図５の溶接構造１０－２に対する実験的解析により、この場合も、第一レーザ光のエネルギ密度Ｅ１の、第二レーザ光のエネルギ密度Ｅ２の比Ｒｅ２（＝Ｅ１／Ｅ２、エネルギ密度比）によって、溶接状態が変化することを見いだした。
【0093】
【表2】
【0094】
また、表２は、金属部材１１の厚さＴ１が０．１［ｍｍ］以上２［ｍｍ］以下であり、かつ金属部材１２の厚さＴ２が０．１［ｍｍ］以上２［ｍｍ］以下である場合の実験結果を示している。
【0095】
また、コントローラ１４１は、比Ｒｅ２が変化するよう、例えばレーザ装置１１１，１１２や駆動機構１５０のような被制御機構を制御することができる。
【0096】
レーザ溶接装置１００は、コントローラ１４１によって、それぞれの場合に適した条件でレーザ装置１１１，１１２や、駆動機構１５０の作動を制御することにより、図２の溶接構造１０－１、図５の溶接構造１０－２、および図示されないその他の溶接構造について、より接続強度が高くかつより高品質な溶接を行うことができる。
【0097】
［溶け込み深さおよびアスペクト比］
下記の表３は、金属部材１１の厚さＴ１が０．５［ｍｍ］以下であり、かつ金属部材１２の厚さＴ２が１．０［ｍｍ］である場合に、エネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］を異ならせた複数のサンプル（サンプルＮｏ．１～３）についての実験結果を示している。
下記の表３は、金属部材１１の厚さＴ１が０．５［ｍｍ］以下であり、かつ金属部材１２の厚さＴ２が１．０［ｍｍ］である場合に、エネルギ密度［Ｊ／ｍｍ２］を異ならせた複数のサンプル（サンプルＮｏ．１～３）についての実験結果を示している。
【表3】
【0098】
表３中、Ｗｄ２（図２参照）は、溶接金属１４ａの第二部位１４ａ２の溶け込み深さであって、第二部位１４ａ２のＺ方向の端部１４ｃ２（Ｚ方向において金属部材１２のＺ方向の端面と同じ位置）から第二部位１４ａ２のＺ方向の反対方向の先端までの深さである。なお、溶接金属１４ａの全体の溶け込み深さＷｄ（図２参照）は、金属部材１１の厚さＴ１と、第二部位１４ａ２の溶け込み深さＷｄ２との和であり、Ｗｄ＝Ｔ１＋Ｗｄ２の式で表される。ここに、溶け込み深さＷｄ，Ｗｄ２は、ＪＩＳハンドブック ４０－１ 溶接Ｉ（基本）、４．１．６ 溶接設計、１１６１９「溶込み」に準拠している。
【0099】
表３中、Ｅｗ２は、第二部位１４ａ２の溶け込み深さＷｄ２に対する、第二部位１４ａ２の端部１４ｃ２におけるＹ方向での幅Ｗｗ２（図２参照）の比であり、Ｅｗ２＝Ｗｗ２／Ｗｄ２の式で表される。この比Ｅｗ２は、第二部位１４ａ２のアスペクト比とも称されうる。ここに、幅Ｗｗ２は、ＪＩＳハンドブック ４０－１ 溶接Ｉ（基本）、４．１．６ 溶接設計、１１６０５「溶接幅」に準拠している。
【0100】
また、表３中、「評価」において、×は、所要の接合強度が得られなかった場合、○は、所要の接合強度が得られた場合、◎は、十分な接合強度が得られた場合、を示す。なお、接合強度として、ＪＩＳ Ｚ ３１３６に準拠して各サンプルの剪断力を測定し、単位面積あたりの剪断力、すなわち剪断応力の最大値を算出した。一般に、純アルミニウムの剪断応力の最大値が５０［ＭＰａ］、純銅の剪断応力の最大値が２００［ＭＰａ］程度であり、銅およびアルミニウムの異材溶接の場合、剪断応力の最大値が例えば１００［ＭＰａ］以上であれば、十分に接合強度が得られているといえる。
【0101】
（知見１）溶接金属１４ａの溶け込み深さＷｄについては、表３のサンプルを含む複数サンプルの実験結果の解析等から、当該溶け込み深さＷｄが金属部材１１の厚さＴ１に対して深すぎると、すなわち、第二部位１４ａ２の溶け込み深さＷｄ２が深すぎると、溶接金属１４ａ内、特に第二部位１４ａ２内で金属間化合物が増加し、所要の接合強度が得られ難くなることが判明した。具体的に、溶接金属１４ａの溶け込み深さＷｄについては、Ｗｄ≦Ｔ１＋０．５［ｍｍ］であるのが好ましいことが判明した。表３のサンプル１，２では、いずれも、第二部位１４ａ２の溶け込みＷｄ２は５００［μｍ］以下、すなわち、Ｗｄ≦Ｔ１＋０．５［ｍｍ］であるとともに、剪断応力の最大値が１００［Ｍｐａ］以上となっており、所要の接合強度が得られている。
【0102】
逆に、溶接金属１４ａの溶け込み深さＷｄが、金属部材１１の厚さＴ１に対して浅すぎる場合、言い換えると、溶接金属１４ａが金属部材１１を貫通せず、金属部材１２に至らないような場合にも、所要の接合強度が得られ難くなることが判明した。
【0103】
このように、溶接金属１４ａは、少なくとも金属部材１１を貫通する必要はあるものの、第二部位１４ａ２の溶け込み深さＷｄ２は、それほど深くないのが好ましいことが判明した。言い換えると、溶接金属１４ａは少なくとも金属部材１１を貫通するとともに、当該溶接金属１４ａの全体の溶け込み深さＷｄとしては、金属部材１１の厚さＴ１と略同じか僅かに深い（厚い、長い）状態であるのが好ましい、具体的には、Ｔ１＜Ｗｄ≦Ｔ１＋０．５［ｍｍ］であるのが好ましいことが、判明した。
【0104】
（知見２）比Ｅｗ２（アスペクト比）については、Ｅｗ２＝Ｗｗ２／Ｗｄ２が、１以上であれば、溶接金属１４ａの溶け込み深さＷｄおよび第二部位１４ａ２の溶け込み深さＷｄ２が深くなりすぎず、好ましいことが判明した。表３のサンプル１，２では、いずれも、比Ｅｗ２は、１以上となっており、これらの場合において、剪断応力の最大値が１００［Ｍｐａ］以上となって、所要の接合強度が得られている。
【0105】
また、発明者らは、知見１および知見２については、金属部材１１と金属部材１２との位置が入れ替わった溶接構造１０－２においても同様であることを確認した。
【0106】
以上、説明したように、本実施形態では、例えば、溶接金属１４ａは、第一部位１４ａ１および第二部位１４ａ２を有し、第一部位１４ａ１は、金属部材１１（第一部材）内でＺ方向の反対方向（第一方向）に延び、第二部位１４ａ２は、金属部材１２（第二部材）内に位置するとともに第一部位１４ａ１に対してＺ方向の反対方向に隣接するかあるいは離間している。
【0107】
このような構成の溶接金属１４ａを含む溶接部１４を有した溶接構造１０－１は、第一レーザ光および第二レーザ光を含むレーザ光Ｌの照射による溶接によって得られる。当該溶接構造１０－１によれば、例えば、第一部位１４ａ１の成分の第二部位１４ａ２への流出、すなわち金属間化合物の生成を、抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、例えば、より容易にあるいはより迅速に、所要の接合強度を有した溶接構造１０－１を得ることができる。
【0108】
また、本実施形態のレーザ溶接装置１００（溶接装置）によれば、コントローラ１４１が、レーザ装置１１１，１１２や駆動機構１５０のような被制御機構の作動を切り替えて制御することにより、溶接構造１０－１，１０－２を含め、金属部材の材質や、配置、厚さのようなスペックの異なる種々の加工対象Ｗに適合した溶接部１４を形成することができる。このような構成によれば、例えば、加工対象Ｗ毎に別のレーザ溶接装置を用いて溶接を行う必要がなくなる分、溶接をより迅速に行うことができたり、溶接の手間やコストを減らすことができたり、といった利点が得られる。
【0109】
［第２実施形態］
図６は、第２実施形態のレーザ溶接装置１００Ａの概略構成図である。図６に示されるように、本実施形態では、光学ヘッド１２０は、フィルタ１２４と集光レンズ１２２との間に、ガルバノスキャナ１２６を有している。この点を除き、レーザ溶接装置１００Ａは、第１実施形態のレーザ溶接装置１００と同様の構成を備えている。
図６は、第２実施形態のレーザ溶接装置１００Ａの概略構成図である。図６に示されるように、本実施形態では、光学ヘッド１２０は、フィルタ１２４と集光レンズ１２２との間に、ガルバノスキャナ１２６を有している。この点を除き、レーザ溶接装置１００Ａは、第１実施形態のレーザ溶接装置１００と同様の構成を備えている。
【0110】
ガルバノスキャナ１２６は、２枚のミラー１２６ａ，１２６ｂを有しており、当該２枚のミラー１２６ａ，１２６ｂの角度を制御することで、光学ヘッド１２０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、レーザ光Ｌを掃引することができる装置である。ミラー１２６ａ，１２６ｂの角度は、それぞれ、例えばコントローラ１４１によって制御された不図示のモータによって変更される。また、コントローラ１４１は、レーザ光Ｌのスポットの表面Ｗａ上での掃引速度が変化するよう、モータ等を制御することができる。このような構成によれば、光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとを相対的に移動する機構が不要になり、例えば、装置構成を小型化できるという利点が得られる。
【0111】
また、本実施形態でも、コントローラ１４１は、カメラ１７０による撮影画像から、スポットの所定位置に対するずれを検出し、当該ずれを補正するよう、ガルバノスキャナ１２６を制御することができる。また、コントローラ１４１は、当該ずれが所定の閾値以内となるようフィードバック制御を実行してもよい。コントローラ１４１およびガルバノスキャナ１２６は、補正機構の一例である。このような構成により、レーザ光の照射位置の精度を高めることができる。
【0112】
本実施形態によれば、加工対象Ｗに対する第一レーザ光および第二レーザ光を含むレーザ光Ｌの照射により、第１実施形態と同様の構成の溶接金属１４ａを含む溶接部１４を有した溶接構造１０を得ることができる。したがって、本実施形態によれば、例えば、より容易にあるいはより迅速に、所要の接合強度を有した溶接構造１０を得ることができる。
【0113】
［第１変形例］
図７は、第２実施形態の第１変形例のレーザ溶接装置１００Ｂの概略構成図である。図７に示されるように、本実施形態では、光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１－２とフィルタ１２４との間に、ＤＯＥ１２５（diffractive optical element、回折光学素子）を有している。この点を除き、レーザ溶接装置１００Ｂは、第２実施形態のレーザ溶接装置１００Ａと同様の構成を備えている。
図７は、第２実施形態の第１変形例のレーザ溶接装置１００Ｂの概略構成図である。図７に示されるように、本実施形態では、光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１－２とフィルタ１２４との間に、ＤＯＥ１２５（diffractive optical element、回折光学素子）を有している。この点を除き、レーザ溶接装置１００Ｂは、第２実施形態のレーザ溶接装置１００Ａと同様の構成を備えている。
【0114】
ＤＯＥ１２５は、コリメートレンズ１２１－２と集光レンズ１２２との間に配置され、レーザ光のビームの形状（以下、ビーム形状と称する）を成形する。図８に概念的に例示されるよう、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、より好適なビーム形状を成形することができる。ＤＯＥ１２５は、ビームシェイパとも称されうる。なお、ＤＯＥ１２５は、コリメートレンズ１２１－１と集光レンズ１２２との間に配置されてもよい。また、レーザ装置１１１，１１２のうち一方のみから出力されたレーザ光のビームをＤＯＥ１２５によって成形した上で、加工対象Ｗに照射してもよい。
【0115】
以上、本発明の実施形態および変形例が例示されたが、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。
【0116】
例えば、金属部材の数は、３以上であってもよい。また、加工対象に対してレーザ光を掃引する際に、公知のウォブリングやウィービングや出力変調等により掃引を行い、溶融池の表面積を調節するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0117】
本発明は、溶接方法、溶接装置、および金属部材の溶接構造に利用することができる。
【符号の説明】
【0118】
１０，１０－１～１０－２…溶接構造
１１…金属部材（第一部材、第二部材）
１２…金属部材（第二部材、第一部材）
１４…溶接部
１４ａ…溶接金属
１４ａ１…第一部位
１４ａ２…第二部位
１４ｂ…熱影響部
１４ｂ１…第一ゾーン
１４ｂ２…第二ゾーン
１４ｃ１…端部（第一端部）
１４ｃ２…端部（第二端部）
１００，１００Ａ，１００Ｂ…レーザ溶接装置（溶接装置）
１１１…レーザ装置（レーザ発振器）
１１２…レーザ装置（レーザ発振器）
１２０…光学ヘッド
１２１，１２１－１，１２１－２…コリメートレンズ
１２２…集光レンズ
１２３…ミラー
１２４…フィルタ
１２５…ＤＯＥ
１２５ａ…回折格子
１２６…ガルバノスキャナ
１２６ａ，１２６ｂ…ミラー
１２７…フィルタ
１２８…ミラー
１３０…光ファイバ
１４１…コントローラ（検出機構、補正機構）
１５０…駆動機構（補正機構）
１７０…カメラ（検出機構）
Ｂ１…ビーム（第一スポット）
Ｂ１ａ…外縁
Ｂ２…ビーム（第二スポット）
Ｂ２ａ…外縁
Ｂ２ｂ…領域
Ｂ２ｆ…領域
Ｃ…中心点
Ｄ１…スポット径（外径）
Ｄ２…スポット径（外径）
Ｄｎ…スポット径
Ｅｎ，Ｅ１，Ｅ２…エネルギ密度
Ｌ…レーザ光
Ｐｎ…パワー
Ｒｎ…吸収率
Ｒｅ１，Ｒｅ２…エネルギ密度比
ＳＤ…掃引方向
Ｔ１，Ｔ２…厚さ
Ｖ…掃引速度
Ｗ…加工対象
Ｗａ…表面
Ｗｄ…溶け込み深さ
Ｗｄ２…溶け込み深さ
Ｗｗ２…幅
Ｘ…方向
Ｙ…方向（第二方向）
Ｚ…方向（第一方向）
１１…金属部材（第一部材、第二部材）
１２…金属部材（第二部材、第一部材）
１４…溶接部
１４ａ…溶接金属
１４ａ１…第一部位
１４ａ２…第二部位
１４ｂ…熱影響部
１４ｂ１…第一ゾーン
１４ｂ２…第二ゾーン
１４ｃ１…端部（第一端部）
１４ｃ２…端部（第二端部）
１００，１００Ａ，１００Ｂ…レーザ溶接装置（溶接装置）
１１１…レーザ装置（レーザ発振器）
１１２…レーザ装置（レーザ発振器）
１２０…光学ヘッド
１２１，１２１－１，１２１－２…コリメートレンズ
１２２…集光レンズ
１２３…ミラー
１２４…フィルタ
１２５…ＤＯＥ
１２５ａ…回折格子
１２６…ガルバノスキャナ
１２６ａ，１２６ｂ…ミラー
１２７…フィルタ
１２８…ミラー
１３０…光ファイバ
１４１…コントローラ（検出機構、補正機構）
１５０…駆動機構（補正機構）
１７０…カメラ（検出機構）
Ｂ１…ビーム（第一スポット）
Ｂ１ａ…外縁
Ｂ２…ビーム（第二スポット）
Ｂ２ａ…外縁
Ｂ２ｂ…領域
Ｂ２ｆ…領域
Ｃ…中心点
Ｄ１…スポット径（外径）
Ｄ２…スポット径（外径）
Ｄｎ…スポット径
Ｅｎ，Ｅ１，Ｅ２…エネルギ密度
Ｌ…レーザ光
Ｐｎ…パワー
Ｒｎ…吸収率
Ｒｅ１，Ｒｅ２…エネルギ密度比
ＳＤ…掃引方向
Ｔ１，Ｔ２…厚さ
Ｖ…掃引速度
Ｗ…加工対象
Ｗａ…表面
Ｗｄ…溶け込み深さ
Ｗｄ２…溶け込み深さ
Ｗｗ２…幅
Ｘ…方向
Ｙ…方向（第二方向）
Ｚ…方向（第一方向）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】