特許 7369915 レーザ溶接装置及びそれを用いたレーザ溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-19

(45)【発行日】2023-10-27

(54)【発明の名称】レーザ溶接装置及びそれを用いたレーザ溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/082 20140101AFI20231020BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20231020BHJP

   B23K 26/244 20140101ALI20231020BHJP

   B23K 26/28 20140101ALI20231020BHJP

【ＦＩ】

B23K26/082

B23K26/21 F

B23K26/21 G

B23K26/244

B23K26/28

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2021524879

(86)(22)【出願日】2020-06-03

(86)【国際出願番号】 JP2020021951

(87)【国際公開番号】W WO2020246504

(87)【国際公開日】2020-12-10

【審査請求日】2022-12-13

(31)【優先権主張番号】P 2019105529

(32)【優先日】2019-06-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【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】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】王 静波

(72)【発明者】

【氏名】西尾 正敏

(72)【発明者】

【氏名】柴田 憲三

(72)【発明者】

【氏名】西原 学

【審査官】松田 長親

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０００８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０５４１４７５９（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２００３－１３６２６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－２１０９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２１３３７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／００－２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
前記レーザ発振器で発生した前記レーザ光を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバの出射端に取付けられ、前記光ファイバから入射された前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、
前記レーザ光出射ヘッドが取り付けられ、前記レーザ光出射ヘッドを所定の軌跡で移動させるマニピュレータと、
前記レーザ光が前記ワークの表面で二次元的に、または三次元的に走査されるように前記レーザ光出射ヘッドを制御するコントローラと、
前記レーザ光の焦点位置と前記ワークの溶け込み深さとが前記ワークの材質に関連付けられたデータを保存する記憶部と、を少なくとも備え、
前記コントローラは、前記ワークにおける溶接部位の形状と前記データとに応じて、前記ワークに照射される前記レーザ光の焦点位置を変化させるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御す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、
前記レーザ光出射ヘッドは、前記レーザ光の焦点位置を変化させるための焦点位置調整機構を少なくとも有しており、
前記コントローラは、前記焦点位置調整機構の動作を制御することを特徴とするレーザ溶接装置。

【請求項3】

請求項１に記載のレーザ溶接装置において、
前記コントローラは、前記マニピュレータを駆動して、前記レーザ光出射ヘッドから照射された前記レーザ光の光軸と平行な方向に沿って前記レーザ光出射ヘッドを変位させることで、前記ワークに照射される前記レーザ光の焦点位置を変化させることを特徴とするレーザ溶接装置。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
前記レーザ光出射ヘッドは、前記レーザ光を走査するための光走査機構をさらに有し、
前記コントローラは、前記光走査機構の動作を制御することを特徴とするレーザ溶接装置。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
前記コントローラは、前記レーザ光の焦点位置を前記ワークの表面から前記ワークの内部の所定位置までの範囲で変化させるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御す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、
前記ワークは互いに重ね合わされた複数の板材であり、
前記コントローラは、前記レーザ光が前記ワークの表面で所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記第１軌跡の中央よりも周縁において、前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で深くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。

【請求項7】

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、
前記ワークは互いに重ね合わされた複数の板材であり、
前記コントローラは、前記レーザ光が前記ワークの表面で所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記第１軌跡の中央よりも周縁に近づくにつれて、前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で深くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御す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、
前記ワークは２つの板材がＴ字形状に継ぎ合わされた継手部分を有しており、
前記コントローラは、前記レーザ光が前記ワークの継手部分の表面で所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記継手部分の端部よりも中央において、前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で深くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。

【請求項9】

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、
前記ワークは第３の板材と前記第３の板材よりも厚い第４の板材とが互いに突き合わされてなるとともに、突き合わせ部分において前記第３の板材の表面と前記第４の板材の表面とが略面一であり、
前記コントローラは、前記レーザ光が前記突き合わせ部分の表面で所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記第１軌跡が前記第３の板材側から前記第４の板材側に進むにつれて前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で深くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御す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、
前記ワークは第５の板材と前記第５の板材よりも厚い第６の板材とが互いに突き合わされてなるとともに、突き合わせ部分において前記第６の板材の表面が前記第５の板材の表面よりも前記レーザ光出射ヘッドに近い位置にあり、
前記コントローラは、前記レーザ光が前記突き合わせ部分の表面で所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記第１軌跡が前記第５の板材側の周縁から前記突き合わせ部分の継目に進むまでは前記レーザ光の焦点位置が前記第５の板材の表面近傍である一方、前記第１軌跡が前記突き合わせ部分の継目から前記第６の板材側の周縁に進むにつれて、前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で浅くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御する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、
前記ワークは第８の板材の一部に前記第８の板材よりも薄い第７の板材が重ね合わされた重ね合わせ部分を有しており、
前記コントローラは、前記レーザ光が前記重ね合わせ部分から前記第８の板材の表面にかけて所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記第１軌跡が前記第８の板材側の周縁から前記重ね合わせ部分の端部に進むまでは前記レーザ光の焦点位置が前記第８の板材の表面近傍である一方、前記第１軌跡が前記重ね合わせ部分の端部から前記第７の板材側の周縁に進むにつれて、前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で浅くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。

【請求項12】

請求項６ないし１１のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
前記コントローラは、前記第１軌跡を描くように前記レーザ光を走査しながら、前記レーザ光出射ヘッドが取り付けられた前記マニピュレータを所定の方向に沿って移動させることを特徴とするレーザ溶接装置。

【請求項13】

請求項１ないし１２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、
前記レーザ光を二次元的に、または三次元的に走査しながら前記ワークに向けて照射して、前記ワークを溶接するレーザ溶接ステップを少なくとも備え、
前記レーザ溶接ステップでは、前記ワークにおける溶接部位の形状に応じて前記レーザ光の焦点位置を変化させるとともに、前記ワークに溶融池及びキーホールを形成することを特徴とするレーザ溶接方法。

【請求項14】

請求項１３に記載のレーザ溶接方法において、
前記レーザ溶接ステップでは、前記レーザ光の焦点位置を前記ワークの表面から前記キーホールの内部の所定位置までの範囲で変化させることを特徴とするレーザ溶接方法。

【請求項15】

レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
前記レーザ発振器で発生した前記レーザ光を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバの出射端に取付けられ、前記光ファイバから入射された前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、
前記レーザ光出射ヘッドが取り付けられ、前記レーザ光出射ヘッドを所定の軌跡で移動させるマニピュレータと、
前記レーザ光が前記ワークの表面で二次元的に、または三次元的に走査されるように前記レーザ光出射ヘッドを制御するコントローラと、を少なくとも備え、
前記ワークは互いに重ね合わされた複数の板材であり、
前記コントローラは、前記レーザ光が前記ワークの表面で所定の第１軌跡を描くように前記レーザ光出射ヘッドを制御するとともに、前記第１軌跡の中央よりも周縁において、前記レーザ光の焦点位置が前記ワークの内部で深くなるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とするレーザ溶接装置。

【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それを用いたレーザ溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ロボットに取り付けられたスキャナを介してレーザ光をワークに向けて照射することで高速に溶接を行うリモート溶接が広く行われている（例えば、特許文献１参照）。このスキャナには長焦点の集光レンズが搭載されている。

【0003】

このようなスキャナを利用したリモート溶接では、レーザ光をワークの表面において三次元的に走査できるため、複雑な形状を有するワークの溶接を行うことができる（例えば、特許文献２，３参照）。また、レーザ光を三次元的に走査するだけでなく、レーザ光の焦点位置を周期的に制御する構成も提案されている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００６－１８７８０３号公報

【文献】特開２０１１－１７３１４６号公報

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００９０６０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、レーザ光を三次元的に走査しながらワークの所定の領域をレーザ溶接する場合、レーザ光の焦点位置をワークの表面のみで補正する従来の方法では、溶接部の接合強度を確保する上で不足する場合がある。特に、ワークの溶接部位の形状が複雑であるとその傾向が顕著である。このようなことが起こると、溶接部位において所望の溶け込み形状が得られない部分を生じてしまい、接合強度を確保できないおそれがあった。また、溶接部位の外観がスパッタなどの発生によって損なわれ、溶接品質が低下するおそれがあった。

【0006】

しかし、特許文献１～３に開示された従来の構成は、溶接部位の形状に応じたレーザ光の焦点位置制御について、何ら具体的に示していない。

【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、ワークの溶接部位の形状に応じて、溶け込み形状を制御可能なレーザ溶接装置及びそれを用いた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】

上記の目的を達成するため、本開示に係るレーザ溶接装置は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、前記レーザ発振器で発生した前記レーザ光を伝送する光ファイバと、前記光ファイバの出射端に取付けられ、前記光ファイバから入射された前記レーザ光をワークに向けて照射するレーザ光出射ヘッドと、前記レーザ光出射ヘッドが取り付けられ、前記レーザ光出射ヘッドを所定の軌跡で移動させるマニピュレータと、前記レーザ光が前記ワークの表面で二次元的に、または三次元的に走査されるように前記レーザ光出射ヘッドを制御するコントローラと、前記レーザ光の焦点位置と前記ワークの溶け込み深さとが前記ワークの材質に関連付けられたデータを保存する記憶部と、を少なくとも備え、前記コントローラは、前記ワークにおける溶接部位の形状と前記データとに応じて、前記ワークに照射される前記レーザ光の焦点位置を変化させるように前記レーザ光出射ヘッドまたは前記マニピュレータを制御することを特徴とする。

【0009】

この構成によれば、ワークにおける溶接部位の形状に応じて、ワークの溶け込み形状を制御できる。また、ワークの接合強度を高めることができる。

【0010】

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、前記レーザ光を二次元的に、または三次元的に走査しながら前記ワークに向けて照射して、前記ワークを溶接するレーザ溶接ステップを少なくとも備え、前記レーザ溶接ステップでは、前記ワークにおける溶接部位の形状に応じて前記レーザ光の焦点位置を変化させるとともに、前記ワークに溶融池及びキーホールを形成することを特徴とする。

【0011】

この方法によれば、ワークにおける溶接部位の形状に応じて、ワークの溶け込み深さを制御できる。また、ワークの接合強度を高めることができる。

【発明の効果】

【0012】

本開示のレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法によれば、ワークにおける溶接部位の形状に応じて、ワークの溶け込み形状や溶け込み深さを制御できる。また、ワークの接合強度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本開示の実施形態１に係るレーザ溶接装置の構成を示す模式図である。

【図2】レーザ光出射ヘッドの構成を示す断面模式図である。

【図3A】ワークに形成された溶融池及びキーホールとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。

【図3B】ワークに形成された溶融池及びキーホールとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。

【図4】レーザ光の焦点位置に対するワークの溶け込み深さとの関係とが関連付けられたテーブルである。

【図5】ワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。

【図6】ワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す別の模式図である。

【図7A】本開示の実施形態２に係るワークの斜視図である。

【図7B】本開示の実施形態２に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。

【図8】本開示の実施形態３に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。

【図9】本開示の実施形態４に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。

【図10】本開示の実施形態５に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。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全くない。

【0015】

（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構成の模式図を示し、レーザ溶接装置１０００は、レーザ発振器１００とコントローラ２００と光ファイバ３００とレーザ光出射ヘッド４００とマニピュレータ５００とを備えている。

【0016】

レーザ発振器１００は、図示しない電源から電力が供給されてレーザ光ＬＢを発生させるレーザ光源である。なお、レーザ発振器１００は、単一のレーザ光源で構成されていてもよいし、複数のレーザモジュールで構成されていてもよい。後者の場合は、複数のレーザモジュールからそれぞれ出射されたレーザ光を結合してレーザ光ＬＢとして出射する。また、レーザ発振器１００で使用されるレーザ光源あるいはレーザモジュールは、被溶接物であるワーク６００の材質や溶接部位の形状等に応じて、適宜選択される。

【0017】

例えば、ファイバレーザかディスクレーザ、あるいやＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザをレーザ光源とすることもできる。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲に設定される。また、半導体レーザをレーザ光源あるいはレーザモジュールとしてもよい。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、８００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲に設定される。また、可視光レーザをレーザ光源あるいはレーザモジュールとしてもよい。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、４００ｎｍ～８００ｎｍの範囲に設定される。

【0018】

光ファイバ３００は、レーザ発振器１００に光学的に結合されており、軸心に図示しないコアを有し、コアの外周面に接してコアと同軸に図示しない第１クラッドが設けられている。コアと第１クラッドはそれぞれ石英を主成分とし、コアの屈折率が第１クラッドの屈折率よりも高くなっている。このため、レーザ発振器１００で発生したレーザ光ＬＢは、光ファイバ３００の入射端に入射されて、コアの内部を出射端に向けて伝送される。また、第１クラッドの外周面には光ファイバ３００を機械的に保護する皮膜または樹脂系の保護層（いずれも図示せず）が設けられている。

【0019】

レーザ光出射ヘッド４００は、光ファイバ３００の出射端に取付けられており、光ファイバ３００で伝送されたレーザ光ＬＢをワーク６００に向けて照射し、ワーク６００がレーザ溶接される。

【0020】

また、レーザ光出射ヘッド４００は、レーザ光ＬＢを二次元的に、または三次元的に走査してワーク６００に向けて照射するように構成されており、レーザ光ＬＢを走査する光走査機構４２４（図２参照）を有している。また、レーザ光出射ヘッド４００は、ワーク６００に向けて照射されるレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるための焦点位置調整機構４０７（図２参照）を有している。レーザ光出射ヘッド４００や光走査機構４２４や焦点位置調整機構４０７の構造の詳細や機能については後で述べる。

【0021】

コントローラ２００は、レーザ発振器１００のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１００に接続された図示しない電源に対して出力電流やオンオフ時間等の制御信号を供給することにより、レーザ発振制御を行う。

【0022】

また、コントローラ２００は、選択されたレーザ溶接プログラムの内容に応じて、レーザ光出射ヘッド４００に設けられた光走査機構４２４及び焦点位置調整機構４０７の駆動制御を行う。さらに、コントローラ２００は、マニピュレータ５００の動作を制御する。

【0023】

なお、レーザ溶接プログラムは、記憶部２１０に保存されている。記憶部２１０は、図１に示すように、コントローラ２００の内部に設けられていてもよいし、コントローラ２００の外部に設けられ、コントローラ２００とデータのやり取りを可能に構成されていてもよい。また、記憶部２１０は、レーザ光ＬＢの焦点位置とワーク６００の溶け込み深さとがワーク６００の材質に関連付けられたデータを保存している（図４参照）。

【0024】

マニピュレータ５００はコントローラ２００に接続され、前述のレーザ溶接プログラムに応じて所定の軌跡を描くようにレーザ光出射ヘッド４００を移動させる。なお、マニピュレータ５００の動作を制御するコントローラ２００を別に設けるようにしてもよい。

【0025】

なお、以降の説明において、レーザ光出射ヘッド４００から出射されるレーザ光ＬＢの光軸と平行な方向をＺ方向と、これと直交する方向をＸ方向と、Ｘ方向及びＺ方向とそれぞれ直交する方向をＹ方向とそれぞれ呼ぶことがある。Ｘ方向とＹ方向とを面内に含むＸＹ平面は、ワーク６００の表面が平坦面である場合、当該表面と略平行でもよく、一定の角度を有してもよい。

【0026】

なお、本願明細書において、「略平行」とは、各部材の加工公差や各部品の組立公差を含んで平行であるという意味であり、２つの面あるいは部材が厳密に平行な位置にあることまでを要求するものではない。同様に、「略直交」とは、各部材の加工公差や各部品の組立公差を含んで直交しているという意味であり、厳密に直交していることまでを要求するものではない。また、「略同じ」または「略同一」とは、各部品の製造公差や組立公差を含んで同じまたは同一という意味であり、厳密に比較対象となる両者が同じまたは同一であることまでを要求するものではない。また、「略同じ」または「略同一」とは、制御系の誤差を含んで制御対象の制御結果が同じまたは同一という意味にも用いられる。

【0027】

［レーザ光出射ヘッドの構成］
図２は、本実施形態に係るレーザ光出射ヘッドの構成を示し、レーザ光出射ヘッド４００は、コネクタ４０１と、レンズボディ４０２と、ボディケース４０８（第１のケース）と、シールドホルダ４１０と、ノズルユニット４２５（第２のケース）と、第１のサーボモータ４１１及び第２のサーボモータ４１８とを有している。なお、シールドホルダ４１０は、ノズルユニット４２５に対して着脱可能であるが、その他の構成については、複数が一体化されていても構わない。

【0028】

レーザ光出射ヘッド４００は、コネクタ４０１を介して光ファイバ３００と接続されている。レーザ光ＬＢは、光ファイバ３００の出射端（図２に示す点Ａに相当）から一定の角度で広がりながら、レーザ光出射ヘッド４００内に出射される。レンズボディ４０２は、コリメートレンズ４０４と集光レンズ４０５とが収容されたレンズホルダ４０３を保持している。コリメートレンズ４０４は、光ファイバ３００の出射端から出射されたレーザ光ＬＢを平行化する。そして、コリメートレンズ４０４によって平行化されたレーザ光ＬＢは、集光レンズ４０５によってワーク６００の表面または内部で焦点を結ぶように集光される。レンズボディ４０２やレンズホルダ４０３は、光ファイバ３００の出射端とコリメートレンズ４０４との光学的な位置関係を決定している。

【0029】

コリメートレンズ４０４は、図示しないアクチュエータに連結されたスライダ４０６に保持されてレンズホルダ４０３に収容されている。アクチュエータは、図示では詳細の取付けと接続を省略するが、コントローラ２００からの制御信号に応じて、スライダ４０６に保持されたコリメートレンズ４０４をレーザ光出射ヘッド４００から出射されるレーザ光ＬＢの光軸の方向、つまり、Ｚ方向に移動させる。このことにより、ワーク６００に照射されるレーザ光ＬＢの焦点位置が変化する。なお、本願明細書において、コリメートレンズ４０４とスライダ４０６とアクチュエータ（図示せず）とを焦点位置調整機構４０７と呼ぶことがある。アクチュエータは、サーボモータでもよいし、他の種類のアクチュエータでもよい。応答性が高く、軽量かつ小型であるのが好ましい。

【0030】

ボディケース４０８には、第１の回転機構４２０と、第１の平行板４１４と、第１のホルダ４１５とが設けられ、これらにより第１の光学ユニット４２２が構成される。第１の回転機構４２０は、第１のサーボモータ４１１（第１の駆動部）と、第１のタイミングベルト４１２（第１の伝達部材）と、第１のタイミングベルトプーリー４１３（第１の回転部材）と、で構成される。第１の平行板４１４は、両端がベアリングで保持された円筒状の第１のホルダ４１５内に固定されている。第１のホルダ４１５の外周面には第１のタイミングベルトプーリー４１３が設けられ、第１のホルダ４１５は第１のタイミングベルト４１２を介して第１のサーボモータ４１１によって回転される。具体的には、第１のホルダ４１５は、第１の回転軸を中心に回転され、第１の回転軸の方向は、レーザ光出射ヘッド４００から出射されるレーザ光ＬＢの光軸の方向、つまり、Ｚ方向と同じである。

【0031】

さらに、ボディケース４０８には、第２の回転機構４２１と、第２の平行板４１６と、第２のホルダ４０９とが設けられ、これらにより第２の光学ユニット４２３が構成される。第２の回転機構４２１は、第２のサーボモータ４１８（第２の駆動部）と、第２のタイミングベルト４１９（第２の伝達部材）と、第２のタイミングベルトプーリー４１７（第２の回転部材）と、で構成される。第２の平行板４１６は、両端がベアリングで保持された円筒状の第２のホルダ４０９内に固定されている。第２のホルダ４０９の外周面には第２のタイミングベルトプーリー４１７が設けられ、第２のホルダ４０９は第２のタイミングベルト４１９を介して第２のサーボモータ４１８によって回転される。具体的には、第２のホルダ４０９は、第２の回転軸を中心に回転され、第２の回転軸の方向は、Ｚ方向と同じ方向である。なお、本願明細書において、第１の光学ユニット４２２と第２の光学ユニット４２３とを総称して光走査機構４２４と呼ぶことがある。

【0032】

そして、第１の光学ユニット４２２と第２の光学ユニット４２３とは、第１の回転軸の方向と第２の回転軸の方向とが同じであり、かつ、ボディケース４０８内において、対称に配置されている。すなわち、第１の回転軸および第２の回転軸に鉛直な面に対して対称に配置されている。図２では、第１の光学ユニット４２２と第２の光学ユニット４２３とは、上下に対称に配置されている。このように配置すると、第１のサーボモータ４１１と第２のサーボモータ４１８とが同じ方向に回転した場合、第１の平行板４１４の回転方向と第２の平行板４１６の回転方向とは逆になる。また、第１の平行板４１４を駆動する第１のサーボモータ４１１の回転方向を逆転させることにより、第１の平行板４１４の回転方向と第２の平行板４１６の回転方向とを同じ方向に回転させることも可能である。

【0033】

なお、レーザ光出射ヘッド４００の小型化と、レーザ光出射ヘッド４００のレーザ照射範囲を広くする点から、第１の光学ユニット４２２と第２の光学ユニット４２３とは、第１の回転軸と第２の回転軸とが一致するように配置することが望ましい。また、第１の回転軸および第２の回転軸の方向は、光ファイバ３００から入射された時のレーザ光ＬＢの光軸の方向と同じであることが好ましい。さらには、第１の回転軸および第２の回転軸は、光ファイバ３００から入射された時のレーザ光ＬＢの光軸と一致することがさらに好ましい。

【0034】

また、コリメートレンズ４０４と集光レンズ４０５とを通過したレーザ光ＬＢは、第１の平行板４１４を透過する際に２度（第１の平行板４１４への入射時と第１の平行板４１４からの出射時）屈折する。これにより、第１の平行板４１４の板厚と、第１の回転軸に対する第１の平行板４１４の取り付け角度である第１の平行板４１４の傾斜角度と、第１の平行板４１４の屈折率によって定まる量だけ、レーザ光ＬＢは平行にシフトする。すなわち、第１の平行板４１４に入射するレーザ光ＬＢの光軸（第１の光軸）と、第１の平行板４１４を出射したレーザ光ＬＢの光軸（第２の光軸）とは、方向が同じであり、位置がずれている。これは、同様の構成である第２の平行板４１６においても同様である。すなわち、第２の平行板４１６に入射するレーザ光ＬＢの光軸（第２の光軸）と、第２の平行板４１６を出射したレーザ光ＬＢの光軸（第３の光軸）とは、方向が同じであり、位置がずれている。本実施形態の第１の平行板４１４と第２の平行板４１６は、合成石英製であって、第１の回転軸（第２の回転軸）に対する傾斜角４５°、屈折率は１．４４９６３である。第１の平行平板４１４と第２の平行平板４１６の板厚ｔが決まると、レーザ光ＬＢのシフト量が計算できる。例えば、ｔ＝１３ｍｍの場合、第１の平行板４１４を透過したレーザ光ＬＢの光軸（第２の光軸）は、４．１ｍｍだけシフトする。その後、レーザ光ＬＢが第２の平行板４１６を透過する際にも同様に、レーザ光ＬＢの光軸（第３の光軸）は４．１ｍｍだけシフトする。従って、本実施形態におけるレーザ光ＬＢの動作範囲は、半径が８．２ｍｍの円内である。

【0035】

なお、第１の平行板４１４及び第２の平行板４１６の板厚及び屈折率は、レーザ光ＬＢの波長や、必要とされる加工条件等によって適宜変更することができ、その場合は、レーザ光ＬＢの走査範囲も変更されうる。

【0036】

本実施形態によれば、レーザ光ＬＢの光軸を、もとの光軸の周りに所定の半径で回転させることができ、ワーク６００に対して色々な形状、例えば、円弧状やらせん状や直線状にレーザ光ＬＢを照射することができる。つまり、レーザ光出射ヘッド４００は、コントローラ２００からの制御信号によって、レーザ光ＬＢをワーク６００の表面で二次元的に、または三次元的に走査するように構成されている。

【0037】

［レーザ溶接時のレーザ光の焦点位置制御について］
図３Ａおよび図３Ｂは、ワークに形成された溶融池及びキーホールとレーザ光の焦点位置との関係を示し、図４は、レーザ光の焦点位置に対するワークの溶け込み深さとの関係とが関連付けられたテーブルを示す。なお、図３Ａおよび図３Ｂにおいて、（ａ）図は、レーザ光ＬＢの焦点がワーク６００の表面近傍に位置する場合を、（ｂ）図は、レーザ光ＬＢの焦点がワーク６００の内部に位置する場合をそれぞれ示す。

【0038】

一般に、金属からなるワーク６００をレーザ溶接する際、図３Ａ図に示すように、レーザ光ＬＢが照射された部分が加熱されて溶け込みを生じ、溶融池８００が形成される。また、レーザ光ＬＢが照射された部分では溶融池８００を構成する材料の激しい蒸発が起こり、その反力で溶融池８００の内部にキーホール８１０が形成される。

【0039】

キーホール８１０が形成されると、レーザ光ＬＢの大部分が、キーホール８１０の内壁面で複数回反射されながらキーホール８１０の内部に進入し、溶融池８００に吸収される。キーホール８１０の内壁面で反射を繰り返すことにより、レーザ光ＬＢが溶融池８００に吸収される吸収率が向上してワーク６００への入熱量が大きくなり、溶け込み深さが深くなる。また、ワーク６００の材質または溶接条件によって異なり、量も少ないが、一部は、キーホール８１０の入口付近のキーホール壁によって反射され、反射されたレーザ光ＬＢがキーホール８１０の中に入ることなく、その外へ反射されて損失となる。

【0040】

また、キーホール８１０は、溶融池８００の表面に形成されたキーホール８１０の開口８１１から溶融池８００の内部に向けて延びる開放空間であるため、図３Ｂ図に示すように、レーザ光ＬＢの焦点位置をワーク６００の表面から内部に、具体的には、キーホール８１０の内部に達するようにすると、キーホール８１０の内壁面に照射されるレーザ光ＬＢのパワー密度が高くなって溶融池８００に吸収される光量が増加し、図３Ａ図に示す場合よりも溶け込み深さを深くすることができる。また、レーザ光ＬＢの焦点位置をキーホール８１０の内部に達するようにすると、図３Ｂ図に示す場合よりもキーホール８１０の開口８１１を拡げられるため、キーホール８１０の内部にレーザ光ＬＢがより到達しやすくなる。なお、レーザ光ＬＢの焦点位置がワーク６００の表面から内部にあった場合、キーホール８１０の開口８１１付近においてレーザ光ＬＢが収束した形でキーホール８１０の奥に入るので、キーホール８１０の入り口付近のキーホール壁によって反射されにくくなり、溶融池８００によって吸収される光量が増加することも溶け込み深さの増加につながる。

【0041】

図４は、このような関係をさらに詳しく示したものであり、ワーク６００の表面を基準として、その上方、つまり、ワーク６００の外側にレーザ光ＬＢの焦点位置が移動するにつれて、ワーク６００の溶け込み深さは浅くなる。一方、ワーク６００の表面を基準として、その下方、つまり、ワーク６００の内部の所定位置までレーザ光ＬＢの焦点位置が移動するにつれて、ワーク６００の溶け込み深さは深くなる。これは、前述したメカニズムによる。なお、所定位置よりもワーク６００の内部深くにレーザ光ＬＢの焦点位置が移動すると、ワーク６００の表面でのレーザ光ＬＢのパワー密度が低下し、溶融池８００の形成初期におけるワーク６００に対する入熱量が減少する。このため、溶け込み深さはかえって浅くなる。

【0042】

このように、キーホール８１０の内部に達するように、レーザ光ＬＢの焦点位置をワーク６００の表面から内部の所定位置まで移動させることで、ワーク６００の溶け込み深さを深くすることができる。

【0043】

また、ワーク６００の材質やレーザ光ＬＢの出力によって、図４に示す曲線の形状は変化する。このため、記憶部２１０には、ワーク６００の材質やレーザ光ＬＢの出力、また、レーザ光ＬＢの波長に関連付けられて、レーザ光ＬＢの焦点位置に対するワーク６００の溶け込み深さがテーブル形式のデータとして保存されている。なお、図４において、説明をわかりやすくするために、グラフ形式でレーザ光ＬＢの焦点位置に対するワーク６００の溶け込み深さの変化を示したが、実際には、図４に示す曲線の各プロットがデータ形式でワーク６００の材質等に関連付けられている。

【0044】

ワーク６００をレーザ溶接するにあたって、ワーク６００における溶接部位の形状と図４に示すデータとに基づいて、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させることで、溶接部位の形状に応じて適切にレーザ溶接が行えるとともに、ワーク６００の接合強度を高めることができる。

【0045】

次に、実際にワーク６００をレーザ溶接する場合のレーザ光ＬＢの焦点位置制御に関し、図面を用いて一例を説明する。

【0046】

図５は、ワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図であり、図５の上側はワーク６００を表面から見た図を、図５の下側はワーク６００の断面をそれぞれ示す。図５の下側に示すように、ワーク６００は第１の板材７１０と第２の板材７２０とが互いに重ね合わされた積層体であり、第１の板材７１０と第２の板材７２０は、ともに鋼板である。なお、鋼板でも、異なった材質または組成の鋼板でもよい。

【0047】

また、図５の上側に示すように、レーザ光ＬＢは、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにして、ワーク６００の表面、この場合は第１の板材７１０の表面に照射される。このようにすることで、所定の溶接部位に対して満遍なくレーザ光ＬＢを照射できる。図５に示す例は、いわゆるスポット溶接に相当する。

【0048】

また、図５の下側に示すように、らせん状の軌跡ＴＲ１の中央よりも周縁に近づくにつれて、焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにコントローラ２００が焦点位置調整機構４０７を駆動し、レーザ光ＬＢがワーク６００に照射される。また、これに応じて、溶融領域８２０は、その中央よりも周縁に近づくにつれて深くなっており、具体的には、溶融領域８２０の中央に対して周縁で数％～２０％程度深くなっている。なお、溶融領域８２０は、溶融池８００が冷却、固化された部分に対応している。

【0049】

ワーク６００の表面近傍にレーザ光ＬＢの焦点位置を設定した後、所定の軌跡を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながらワーク６００の所定の領域をレーザ溶接する場合、走査時に焦点位置がワーク６００の表面からずれなくても、軌跡の周縁において溶融池８００の熱量がその周辺におけるワーク６００へ伝導されるので、溶け込みが浅くなりがちである。このような場合、軌跡の周縁でワーク６００が十分に溶融せず、溶融領域８２０が周縁で浅くなり、第１の板材７１０と第２の板材７２０との間の接合強度が所望の基準を満足しなくなるおそれがある。

【0050】

また、ワーク６００の精度などによってレーザ光ＬＢの焦点位置がワーク６００の表面の上側にずれた場合、溶融池８００が形成されてからの軌跡の周縁においてレーザ光ＬＢのパワー密度が高いためにスパッタが発生する場合がある。このようなスパッタがワーク６００の表面に付着すると、溶接部位の外観を損ね、溶接品質を低下させるおそれがあった。

【0051】

一方、本実施形態によれば、前述したようにレーザ光ＬＢの焦点位置を制御することで、ワーク６００の溶け込み形状、ひいては、溶融領域８２０の断面形状を制御できる。図５に示す例では、溶融領域８２０の周縁を十分に深くでき、第１の板材７１０と第２の板材７２０との間の接合強度を高めることができる。また、レーザ光ＬＢの焦点位置をワーク６００の表面近傍からキーホール８１０の内部の所定位置までの範囲で変化させるため、上記したような火花が発生せず、スパッタの発生が抑制される。このことにより、溶接部位の外観を良好なものとし、溶接品質を高められる。

【0052】

また、この方法は、スポット溶接に限らず、所定の方向に沿ってワーク６００を連続的にレーザ溶接する場合にも適用できる。

【0053】

図６は、ワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す別の模式図であり、図６の上側はワーク６００を表面から見た図を、図６の下側はワーク６００の断面をそれぞれ示す。ワーク６００の構造やワーク６００の溶融領域８２０の深さとレーザ光ＬＢの焦点位置との関係は、図５に示す例と同じである。

【0054】

図５では、いわゆるスポット溶接を行う場合を示しているのに対し、図６に示す例では、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、所定の溶接方向に沿ってワーク６００を連続的にレーザ溶接している。このことにより、ワーク６００に連続した溶接ビード（図示せず）が形成される。なお、レーザ光出射ヘッド４００からレーザ光ＬＢを照射しながら、コントローラ２００からの制御信号によってマニピュレータ５００の先端を所定の溶接方向に沿って移動させることで、ワーク６００に連続した溶接ビードが形成される。

【0055】

図６に示す場合も、図５に示すのと同様に、ワーク６００の溶融領域８２０の周縁を十分に深くでき、第１の板材７１０と第２の板材７２０との間の接合強度を高めることができる。また、上記したようなスパッタの発生を抑制でき、溶接品質を高められる。

【0056】

なお、図５及び図６に示した例では、ワーク６００の表面でらせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査したが、特にこれに限定されず、前述したように、円弧状あるいはその他の形状を描くようにレーザ光ＬＢを走査してもよい。走査された軌跡の中央よりも周縁において、焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにレーザ光ＬＢをワーク６００に照射することで、第１の板材７１０と第２の板材７２０との間の接合強度を高めることができる。なお、以降の説明において、ワーク６００の表面に走査されるレーザ光ＬＢの種々の形状の軌跡を第１軌跡と呼ぶことがある。

【0057】

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１００と、レーザ発振器１００で発生したレーザ光ＬＢを伝送する光ファイバ３００と、光ファイバ３００の出射端に取付けられ、光ファイバ３００から入射されたレーザ光ＬＢをワーク６００に向けて照射するレーザ光出射ヘッド４００と、レーザ光出射ヘッド４００が取り付けられ、レーザ光出射ヘッド４００を所定の軌跡で移動させるマニピュレータ５００と、レーザ光ＬＢがワーク６００の表面で二次元的に、または三次元的に走査されるようにレーザ光出射ヘッド４００を制御するコントローラ２００と、を少なくとも備えている。

【0058】

コントローラ２００は、ワーク６００における溶接部位の形状に応じて、ワーク６００に照射されるレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるようにレーザ光出射ヘッド４００を制御する。

【0059】

また、レーザ光出射ヘッド４００は、レーザ光ＬＢを走査するための光走査機構４２４とレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるための焦点位置調整機構４０７とを有しており、コントローラ２００は、光走査機構４２４の動作と焦点位置調整機構４０７の動作とをそれぞれ制御している。

【0060】

レーザ溶接装置１０００をこのように構成することで、ワーク６００における溶接部位の形状に応じて、ワーク６００の溶け込み形状、ひいては、溶融領域８２０の断面形状を制御して、ワーク６００の接合強度を高めることができる。

【0061】

光走査機構４２４は、レーザ光ＬＢの光軸を第１の光軸から第２の光軸にシフトする第１の平行板４１４と、第１の平行板４１４を第１の回転軸を中心に回転させる第１のサーボモータ４１１（第１の駆動部）と、第２の光軸にシフトされたレーザ光ＬＢの光軸を第３の光軸にシフトする第２の平行板４１６と、第２の平行板４１６を第２の回転軸を中心に回転させる第２のサーボモータ４１８（第２の駆動部）と、を有し、第１の回転軸の方向と第２の回転軸の方向とは同一であり、コントローラ２００は、第１のサーボモータ４１１（第１の駆動部）と第２のサーボモータ４１８（第２の駆動部）とを制御して、第１の平行板４１４と第２の平行板４１６とをそれぞれ独立に、または連動して回転させることでレーザ光ＬＢを走査している。

【0062】

光走査機構４２４をこのように構成することで、種々の軌跡を描くようにレーザ光ＬＢをワーク６００の表面に照射させることができる。また、特許文献３に開示されるようなガルバノメーターを用いる場合に比べて、小型かつ軽量の光走査機構４２４を実現できる。

【0063】

また、コントローラ２００は、レーザ光ＬＢの焦点位置をワーク６００の表面からワーク６００の内部の所定位置、具体的には、ワーク６００に形成されたキーホール８１０の内部の所定位置までの範囲で変化させるようにレーザ光出射ヘッド４００に設けられた焦点位置調整機構４０７を制御する。

【0064】

このようにすることで、レーザ溶接中におけるスパッタの発生が抑制される。このことにより、溶接部位の外観を良好なものとし、溶接品質を高められる。

【0065】

レーザ溶接装置１０００は、レーザ光ＬＢの焦点位置とワーク６００の溶け込み深さとがワーク６００の材質に関連付けられたデータを保存する記憶部２１０をさらに備えており、コントローラ２００は、当該データとワーク６００における溶接部位の形状とに応じて、ワーク６００に照射されるレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるようにレーザ光出射ヘッド４００を制御する。

【0066】

レーザ溶接装置１０００をこのように構成することで、ワーク６００の材質や溶接部位の形状に応じて適切にレーザ溶接が行えるとともに、ワーク６００の接合強度を高めることができ、溶接品質を向上できる。

【0067】

ワーク６００は互いに重ね合わされた第１の板材７１０及び第２の板材７２０であり、コントローラ２００は、レーザ光ＬＢがワーク６００の表面で前述の第１軌跡を描くようにレーザ光出射ヘッド４００を制御するとともに、第１軌跡の中央よりも周縁において、レーザ光ＬＢの焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにレーザ光出射ヘッド４００を制御する。

【0068】

このようにすることで、溶接部位のサイズに合わせてレーザ光ＬＢを照射できるとともに、第１の板材７１０と第２の板材７２０との間の接合強度を高めることができる。

【0069】

また、コントローラ２００は、第１軌跡を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、レーザ光出射ヘッド４００が取り付けられたマニピュレータ５００を所定の方向に沿って移動させる。

【0070】

このようにすることで、ワーク６００に連続した溶接ビードを形成できる。また、ワーク６００の溶け込み形状を制御して、ワーク６００の接合強度を高めることができる。

【0071】

また、本実施形態に係るレーザ溶接方法は、レーザ溶接装置１０００を用いたレーザ溶接方法であって、レーザ光ＬＢを二次元的に、または三次元的に走査しながらワーク６００に向けて照射して、ワーク６００を溶接するレーザ溶接ステップを少なくとも備えている。

【0072】

レーザ溶接ステップでは、ワーク６００における溶接部位の形状に応じてレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるとともに、ワーク６００に溶融池８００及びキーホール８１０を形成する。また、レーザ光ＬＢの焦点位置をワーク６００の表面からキーホール８１０の内部の所定位置までの範囲で変化させる。

【0073】

このようにすることで、ワーク６００における溶接部位の形状に応じて、ワーク６００の溶け込み深さを制御して、ワーク６００の接合強度を高めることができる。

【0074】

なお、本実施形態において、２枚の板材７１０，７２０が互いに重ね合わせられた積層体のワーク６００をレーザ溶接する例を示したが、重ね合わされる板材の枚数は特にこれに限定されず、３枚以上であってもよい。

【0075】

（実施形態２）
実施形態１に示したレーザ溶接装置１０００を用いて、種々の構造を有するワーク６００に対してレーザ溶接を行うことで、溶接部位におけるワーク６００の接合強度を高めることができる。

【0076】

図７Ａは、本実施形態に係るワークの斜視図を示す。すなわち、Ｔ型継手である。図７Ｂは、ワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図であり、図７Ｂの上側はワーク６００を表面から見た図を、図７Ｂの下側はワーク６００の断面をそれぞれ示す。なお、図７Ａ，７Ｂにおいて、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。

【0077】

本実施形態において、図７Ａに示すように、ワーク６００は、第１の板材７１０と第２の板材７２０とがＴ字形状に継ぎ合わされた継手形状をしている。なお、実施形態１と同様に、第１の板材７１０及び第２の板材７２０は、ともに鋼板である。なお、鋼板でも、異なった材質または組成の鋼板でもよい。また、第１の板材７１０と第２の板材７２０とは互いに厚さが同じであってもよいし、異なっていてもよい。このような構造のワーク６００をレーザ溶接するにあたって、図７Ｂに示すように、コントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御して、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、ワーク６００の継手部分の表面にレーザ光ＬＢを照射する。

【0078】

この場合、実施形態１とは異なり、らせん状の軌跡ＴＲ１の周縁よりも中央において、焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにレーザ光ＬＢをワーク６００に照射する。具体的には、継手部分の形状に応じてレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させており、継手部分の端部よりも中央において、焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにレーザ光ＬＢをワーク６００に向けて照射している。

【0079】

Ｔ型継手では、下の板材、この場合は第２の板材７２０の接合部付近において、できるだけその表面形状に影響を与えないよう溶接することが求められる場合がある。そのため、図７Ｂにおいては、らせん状の軌跡ＴＲ１の周縁よりもむしろ中央で、レーザ光ＬＢの焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにすることで、ワーク６００の接合強度を確保すると共に、下の板材の表面形状に影響を与えないようにすることができる。

【0080】

なお、図示しないが、図６に示すように、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、レーザ光出射ヘッド４００が取り付けられたマニピュレータ５００を継手部分の長手方向に沿って移動させることで、継手部分全体に連続した溶接ビードを形成するようにしてもよい。この場合も、実施形態１に示すのと同様に、接合強度が高められ、外観が良好な溶接ビードを形成できる。また、下の材料の表面形状に影響を与えることがない。

【0081】

（実施形態３）
図８は、本実施形態に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。図８の上側はワーク６００を表面から見た図を、図８の下側はワーク６００の断面をそれぞれ示す。なお、図８において、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。

【0082】

図８に示すように、ワーク６００は、第３の板材７３０の端面と第４の板材７４０の端面とが互いに突き合わされた突き合わせ部分を有している。なお、突き合わせ部分において、レーザ光ＬＢが照射される面を表面と呼ぶことがある。第３の板材７３０及び第４の板材７４０は、ともに鋼板である。なお、鋼板でも、異なった材質または組成の鋼板でもよい。第４の板材７４０の厚さは第３の板材７３０の厚さよりも厚くなっている。また、突き合わせ部分において、第３の板材７３０の表面と第４の板材７４０の表面とは略面一の位置にある。

【0083】

このような構造のワーク６００をレーザ溶接するにあたって、図８に示すように、コントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御して、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、ワーク６００の突き合わせ部分の表面にレーザ光ＬＢを照射する。

【0084】

この場合、らせん状の軌跡ＴＲ１が第３の板材７３０側の周縁から第４の板材７４０側の周縁に進むにつれて、焦点位置がワーク６００の内部で深くなるようにコントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御する。

【0085】

このようにすることで、板厚の異なる第３の板材７３０と第４の板材７４０との突き合わせ部分において、溶け落ちや溶け込み深さの不足等を生じることなく、ワーク６００の溶融領域８２０の断面形状を制御でき、ワーク６００の接合強度を高めることができる。

【0086】

（実施形態４）
図９は、本実施形態に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。図９の上側はワーク６００を表面から見た図を、図９の下側はワーク６００の断面をそれぞれ示す。なお、図９において、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。

【0087】

図９に示すように、ワーク６００は、第５の板材７５０の端面と第６の板材７６０の端面とが互いに突き合わされた突き合わせ部分を有している。なお、突き合わせ部分において、レーザ光ＬＢが照射される面を表面と呼ぶことがある。第５の板材７５０及び第６の板材７６０は、ともに鋼板である。なお、鋼板でも、異なった材質または組成の鋼板でもよい。第６の板材７６０の厚さは第５の板材７５０の厚さよりも厚くなっている。また、第６の板材７６０の表面は、第５の板材７５０の表面よりもレーザ光出射ヘッド４００に近い位置にある。

【0088】

このような構造のワーク６００をレーザ溶接するにあたって、図９に示すように、コントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御して、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、ワーク６００の突き合わせ部分の表面にレーザ光ＬＢを照射する。

【0089】

この場合、らせん状の軌跡ＴＲ１が第５の板材７５０側の周縁から突き合わせ部分の継目に進むまではレーザ光ＬＢの焦点位置が第５の板材７５０の表面近傍に来るようにコントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御する。

【0090】

一方、らせん状の軌跡ＴＲ１が突き合わせ部分の継目から第６の板材７６０側の周縁に進むにつれて、焦点位置がワーク６００の内部で浅くなるようにコントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御する。

【0091】

このようにすることで、板厚の異なる第５の板材７５０と第６の板材７６０との突き合わせ部分において、溶け落ちや溶け込み深さの不足等を生じることなく、ワーク６００の溶融領域８２０の断面形状を制御でき、ワーク６００の接合強度を高めることができる。

【0092】

（実施形態５）
図１０は、本実施形態に係るワークに照射されるレーザ光の軌跡及びワークの溶融領域の深さとレーザ光の焦点位置との関係を示す模式図である。図１０の上側はワーク６００を表面から見た図を、図１０の下側はワーク６００の断面をそれぞれ示す。なお、図１０において、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。

【0093】

図１０に示すように、ワーク６００は、第８の板材７８０の一部に第７の板材７７０が重ね合わされた重ね合わせ部分を有している。第７の板材７７０及び第８の板材７８０は、ともに鋼板である。なお、鋼板でも、異なった材質または組成の鋼板でもよい。第８の板材７８０の厚さは第７の板材７７０の厚さよりも厚くなっているように描いているが、その逆でもよい。

【0094】

このような構造のワーク６００をレーザ溶接するにあたって、図１０に示すように、コントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御して、らせん状の軌跡ＴＲ１を描くようにレーザ光ＬＢを走査しながら、ワーク６００の重ね合わせ部分及び当該重ね合わせ部分に隣接する第８の板材７８０の所定の領域にレーザ光ＬＢを照射する。

【0095】

この場合、らせん状の軌跡ＴＲ１が第８の板材７８０側の周縁から重ね合わせ部分の端部に進むまではレーザ光ＬＢの焦点位置が第８の板材７８０の表面近傍に来るようにコントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御する。

【0096】

一方、らせん状の軌跡ＴＲ１が重ね合わせ部分の端部から第７の板材７７０側の周縁に進むにつれて、焦点位置がワーク６００の内部で浅くなるようにコントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００を制御する。

【0097】

このようにすることで、第７の板材７７０と第８の板材７８０との重ね合わせ部分において、溶け落ちや重ね合わせ部分での溶け込み深さの極端な不足等を生じることなく、ワーク６００の溶融領域８２０の断面形状を制御でき、ワーク６００の接合強度を高めることができる。

【0098】

（その他の実施形態）
なお、実施形態１～５において、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるために、コントローラ２００がレーザ光出射ヘッド４００、具体的には焦点位置調整機構４０７の動作を制御する例を示したが、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させる手法は特にこれに限られない。

【0099】

例えば、コントローラ２００がマニピュレータ５００を駆動して、Ｚ方向に沿ってレーザ光出射ヘッド４００の全体を変位させることで、ワーク６００に照射されるレーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるようにしてもよい。なお、この場合、レーザ光出射ヘッド４００に設けられたアクチュエータを省略することも可能である。

【0100】

また、実施形態２～５において、らせん状の軌跡ＴＲ１に限られず、レーザ光ＬＢを前述した種々の軌跡（第１軌跡）を描くように走査できることは言うまでもない。

【0101】

また、ワーク６００の材質は鋼板以外の材料、例えば、アルミニウム合金またはチタン合金などの構造材料や、銅またはその合金などのような電気材料でもよい。また、互いに異なる材質の板材を重ね合わせ等した構造のワーク６００であってもよい。ワーク６００の材質に応じて、レーザ光ＬＢの波長や出力が適宜選択され、また、図４に示したデータから、ワーク６００の溶接部位の形状に応じて、レーザ光ＬＢの焦点位置の制御範囲が適宜決定される。

【0102】

なお、レーザ溶接プログラムに、ワーク６００の材質やワーク６００の溶接部位の形状に関連付けられて、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させる手順や制御範囲が記述されていてもよい。その場合、図５に示すデータを記憶部２１０に別個に保存しなくてもよい。

【0103】

また、レーザ光ＬＢを走査させる機構は図２に示した構成に特に限定されず、他の構成であってもよい。例えば、従来の３軸ガルバスキャナを用いてレーザ光ＬＢを走査するようにしてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0104】

本開示のレーザ溶接装置は、ワークの溶接部位の形状に応じて、溶け込み形状を制御できるため、種々の材質あるいは形状を有するワークを加工する上で有用である。

【符号の説明】

【0105】

１００ レーザ発振器
２００ コントローラ
２１０ 記憶部
３００ 光ファイバ
４００ レーザ光出射ヘッド
４０４ コリメートレンズ
４０５ 集光レンズ
４０６ スライダ
４０７ 焦点位置調整機構
４１１ 第１のサーボモータ（第１の駆動部）
４１２ 第１のタイミングベルト（第１の回転部材）
４１３ 第１のタイミングベルトプーリー（第１の伝達部材）
４１４ 第１の平行板
４１６ 第２の平行板
４１７ 第２のタイミングベルトプーリー（第２の伝達部材）
４１８ 第２のサーボモータ（第２の駆動部）
４１９ 第２のタイミングベルト（第２の回転部材）
４２０ 第１の回転機構
４２１ 第２の回転機構
４２２ 第１の光学ユニット
４２３ 第２の光学ユニット
４２４ 光走査機構
５００ マニピュレータ
６００ ワーク
７１０～７８０ 第１～第８の板材
８００ 溶融池
８１０ キーホール
８２０ 溶融領域
１０００ レーザ溶接装置
ＬＢ レーザ光
ＴＲ１ らせん状の軌跡

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】