特許 7444681 溶接方法および溶接装置

(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】2024-02-27

(45)【発行日】2024-03-06

(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 20140101AFI20240228BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20240228BHJP

   B23K 26/073 20060101ALI20240228BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 E

B23K26/00 N

B23K26/073

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2020062625

(22)【出願日】2020-03-31

(65)【公開番号】P2021159931

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-01-24

(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】高田 一輝

(72)【発明者】

【氏名】茅原 崇

(72)【発明者】

【氏名】安岡 知道

(72)【発明者】

【氏名】松永 啓伍

(72)【発明者】

【氏名】田邉 猛

(72)【発明者】

【氏名】繁松 孝

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１９／２０３３６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１５９８５７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｂ２３Ｋ ２６／００

Ｂ２３Ｋ ２６／０７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加工対象に対して相対的に掃引方向に移動するレーザ光を前記加工対象の表面に照射することにより、前記加工対象の前記レーザ光が照射された部分を溶融して溶接を行う、溶接方法であって、
前記レーザ光は、複数のビームを含み、
前記複数のビームは、少なくとも一つの主ビームと、当該主ビームの周囲を取り囲むように配置された複数の副ビームと、を含み、
前記表面上に、前記少なくとも一つの主ビームを含む主パワー領域と、当該主パワー領域の周囲を取り囲む前記複数の副ビームを含む第一副パワー領域と、当該第一副パワー領域の周囲を取り囲む前記複数の副ビームを含む第二副パワー領域と、が形成され、
前記表面上において、前記第二副パワー領域の直径が１．２[ｍｍ]以下であり、
前記主パワー領域を形成する前記レーザ光のパワー密度が、１０ ^５ ［Ｗ／ｃｍ ^２ ］以上であり、
前記第一副パワー領域および第二副パワー領域を形成するレーザ光のパワー密度が、１０ ^３ ［Ｗ／ｃｍ ^２ ］以下であり、
前記第一副パワー領域および前記第二副パワー領域のうち少なくとも一方において、前記複数の副ビームが、円弧状に配置され、
前記主パワー領域と、前記第一副パワー領域とは、前記主パワー領域に含まれる前記主ビームのうちの少なくとも一つによって形成された溶融池と前記第一副パワー領域に含まれる前記副ビームのうちの少なくとも一つによって形成された溶融池とが部分的に重なるように配置される、溶接方法。

【請求項2】

前記主パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計が、前記第一副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計、および前記第二副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計より大きく、かつ、
前記第二副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計が、前記第一副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計より大きい、請求項１に記載の溶接方法。

【請求項3】

前記主パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計と前記第二副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計との差が、前記第一副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計と前記第二副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計との差より大きい、請求項２に記載の溶接方法。

【請求項4】

前記主ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光の波長と、前記副ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光の波長とが、同一である、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】

前記副ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光の波長は、前記主ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光の波長よりも、前記加工対象に対する吸収率が高い波長である、請求項１～４のうちいずれか一つに記載の溶接方法。

【請求項6】

前記主ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光と、前記副ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光とが、同一の発振器から出射される、請求項１～５のうちいずれか一つに記載の溶接方法。

【請求項7】

前記主ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光と、前記副ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光とが、異なるレーザ発振器から出射される、請求項１～６のうちいずれか一つに記載の溶接方法。

【請求項8】

前記複数のビームの配置が、ビームシェイパによって形成される、請求項１～７のうちいずれか一つに記載の溶接方法。

【請求項9】

前記ビームシェイパは回折光学素子である、請求項８に記載の溶接方法。

【請求項10】

前記加工対象は、少なくとも二つの部材が重ねられている、請求項１～９のうちいずれか一つに記載の溶接方法。

【請求項11】

前記主ビームの直径と前記副ビームの直径が同一である、請求項１～１０のうちいずれか一つに記載の溶接方法。

【請求項12】

レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射された光を成形した複数のビームを含むレーザ光を加工対象の表面に照射することにより、前記加工対象の前記レーザ光が照射された部分を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、
を備え、
前記レーザ光が前記加工対象に対して相対的に掃引方向に移動するよう、前記加工対象と前記光学ヘッドの少なくとも一部とは相対移動可能に構成され、
前記レーザ光は、複数のビームを含み、
前記複数のビームは、少なくとも一つの主ビームと、当該主ビームの周囲を取り囲むように配置された複数の副ビームと、を含み、
前記表面上に、前記少なくとも一つの主ビームを含む主パワー領域と、当該主パワー領域の周囲を取り囲む前記複数の副ビームを含む第一副パワー領域と、当該第一副パワー領域の周囲を取り囲む前記複数の副ビームを含む第二副パワー領域と、が形成され、
前記表面上において、前記第二副パワー領域の直径が１．２[ｍｍ]以下であり、
前記主パワー領域を形成する前記レーザ光のパワー密度が、１０ ^５ ［Ｗ／ｃｍ ^２ ］以上であり、
前記第一副パワー領域および第二副パワー領域を形成するレーザ光のパワー密度が、１０ ^３ ［Ｗ／ｃｍ ^２ ］以下であり、
前記第一副パワー領域および前記第二副パワー領域のうち少なくとも一方において、前記複数の副ビームが、円弧状に配置され、
前記主パワー領域と、前記第一副パワー領域とは、前記主パワー領域に含まれる前記主ビームのうちの少なくとも一つによって形成された溶融池と前記第一副パワー領域に含まれる前記副ビームのうちの少なくとも一つによって形成された溶融池とが部分的に重なるように配置される、溶接装置。

【請求項13】

前記主パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計が、前記第一副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計、および前記第二副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計より大きく、かつ、
前記第二副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計が、前記第一副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計より大きい、請求項１２に記載の溶接装置。

【請求項14】

前記主パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計と前記第二副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計との差が、前記第一副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計と前記第二副パワー領域における前記レーザ光のパワーの合計との差より大きい、請求項１３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】

金属材料からなる加工対象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すべき部分に照射し、レーザ光のエネルギで当該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】

【文献】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、溶接時には、この溶融池からはスパッタと呼ばれる飛散物が発生することが知られている。このスパッタは、溶融金属が飛散したものであり、その発生を減らすことは加工欠陥を防ぐ上で重要である。スパッタは、溶融金属が飛散したものであることから、スパッタが発生すると溶接個所における金属材料が減少してしまっていることにもなる。つまり、スパッタの発生が多くなると、溶接個所の金属材料が不足してしまい、強度不良等を引き起こすことにもなる。また、発生したスパッタは、溶接個所の周辺に付着することになるが、これがのちに剥離し、電気回路等に付着すると、電気回路に異常をきたしてしまう。したがって、電気回路用の部品に対して溶接を行うことは困難な場合がある。

【0006】

また、この種の溶接において、レーザ光を効率良く出射し、レーザ光の出射に要するエネルギをより小さくできるのが望ましい。

【0007】

そこで、本発明の課題の一つは、例えば、スパッタを抑制しながら、レーザ光を効率良く出射し、レーザ光の出射に要するエネルギをより小さくすることが可能な、溶接方法および溶接装置を得ること、である。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の溶接方法にあっては、例えば、加工対象に対して相対的に掃引方向に移動するレーザ光を前記加工対象の表面に照射することにより、前記加工対象の前記レーザ光が照射された部分を溶融して溶接を行う、溶接方法であって、前記レーザ光は、複数のビームを含み、前記複数のビームは、少なくとも一つの主ビームと、当該主ビームの周囲を取り囲むように配置された複数の副ビームと、を含み、前記表面上に、前記少なくとも一つの主ビームを含む主パワー領域と、当該主パワー領域の周囲を取り囲む前記複数の副ビームを含む第一副パワー領域と、当該第一副パワー領域の周囲を取り囲む前記複数の副ビームを含む第二副パワー領域と、が形成され、前記表面上において、前記第二副パワー領域の直径が１．２[ｍｍ]以下である。

【0009】

前記溶接方法にあっては、例えば、前記主パワー領域を形成する前記レーザ光のパワー密度が、１０^５［Ｗ／ｃｍ^２］以上である。

【0010】

前記溶接方法にあっては、例えば、前記第一副パワー領域および第二副パワー領域を形成する前記レーザ光のパワー密度が、１０^５［Ｗ／ｃｍ^２］未満である。

【0011】

前記溶接方法にあっては、例えば、前記第一副パワー領域および第二副パワー領域を形成するレーザ光のパワー密度が１０^３［Ｗ／ｃｍ^２］以下である。

【0012】

前記溶接方法にあっては、例えば、前記第一副パワー領域および前記第二副パワー領域のうち少なくとも一方において、前記複数の副ビームが、円弧状に配置される。

【0013】

前記溶接方法にあっては、例えば、前記主パワー領域と、前記第一副パワー領域とは、前記主パワー領域に含まれる前記主ビームのうちの少なくとも一つによって形成された溶融池と前記第一副パワー領域に含まれる前記副ビームのうちの少なくとも一つによって形成された溶融池とが部分的に重なるように配置される。

【0014】

前記溶接方法にあっては、前記主ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光の波長と、前記副ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光の波長とが、同一である。

【0015】

前記副ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光の波長は、前記主ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光の波長よりも、前記加工対象に対する吸収率が高い波長である。

【0016】

前記溶接方法にあっては、例えば、前記主ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光と、前記副ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光とが、同一の発振器から出射される。

【0017】

前記溶接方法にあっては、例えば、前記主ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光と、前記副ビームのうちの少なくとも一つのレーザ光とが、異なるレーザ発振器から出射される。

【0018】

前記溶接方法にあっては、例えば、前記複数のビームの配置が、ビームシェイパによって形成される。

【0019】

前記溶接方法にあっては、例えば、前記ビームシェイパは回折光学素子である。

【0020】

前記溶接方法にあっては、例えば、前記加工対象は、少なくとも二つの部材が重ねられている。

【0021】

前記溶接方法にあっては、例えば、前記主ビームの直径と前記副ビームの直径が同一である。

【0022】

本発明の溶接装置にあっては、例えば、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から出射された光を成形した複数のビームを含むレーザ光を加工対象の表面に照射することにより、前記加工対象の前記レーザ光が照射された部分を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、を備え、前記レーザ光が前記加工対象に対して相対的に掃引方向に移動するよう、前記加工対象と前記光学ヘッドの少なくとも一部とは相対移動可能に構成され、前記レーザ光は、複数のビームを含み、前記複数のビームは、少なくとも一つの主ビームと、当該主ビームの周囲を取り囲むように配置された複数の副ビームと、を含み、前記表面上に、前記少なくとも一つの主ビームを含む主パワー領域と、当該主パワー領域の周囲を取り囲む前記複数の副ビームを含む第一副パワー領域と、当該第一副パワー領域の周囲を取り囲む前記複数の副ビームを含む第二副パワー領域と、が形成され、前記表面上において、前記第二副パワー領域の直径が１．２[ｍｍ]以下である。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、スパッタを抑制しながら、レーザ光を効率良く出射し、レーザ光の出射に要するエネルギをより小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、第１実施形態のレーザ溶接装置の例示的な概略構成図である。

【図2】図２は、第１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、第１実施形態のレーザ溶接装置から照射されたレーザ光の加工対象の表面上におけるビーム（スポット）の一例を示す模式図である。

【図4】図４は、第１実施形態のレーザ溶接装置により照射されるレーザ光のパワー密度の分布の一例を示すグラフである。

【図5】図５は、第２実施形態のレーザ溶接装置の例示的な概略構成図である。

【図6】図６は、第３実施形態のレーザ溶接装置の例示的な概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

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。

【0026】

以下に示される実施形態は、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。

【0027】

また、各図において、方向Ｘを矢印Ｘで表し、方向Ｙを矢印Ｙで表し、方向Ｚを矢印Ｚで表している。方向Ｘ、方向Ｙ、および方向Ｚ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）の法線方向である。

【0028】

［第１実施形態］
［レーザ溶接装置の構成］
図１は、第１実施形態のレーザ溶接装置１００の概略構成を示す図である。レーザ溶接装置１００は、レーザ装置１１０と、光学ヘッド１２０と、レーザ装置１１０と光学ヘッド１２０とを接続する光ファイバ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。

【0029】

レーザ溶接装置１００の加工対象Ｗは、例えば、鉄系の金属材料や、アルミニウム系の金属材料、銅系の金属材料等で作られうる。また、加工対象Ｗは、例えば、板状の形状を有し、加工対象Ｗの厚さは、例えば、１［ｍｍ］以上、１０［ｍｍ］以下であるが、これには限定されない。また、加工対象Ｗは、複数の部材が重ね合わせられたものである。複数の部材の数や、各部材の厚さは、種々に変更することができる。

【0030】

レーザ装置１１０は、レーザ発振器を備えており、一例としては、数ｋＷのパワーのシングルモードのレーザ光を出力できるよう構成されている。なお、レーザ装置１１０は、例えば、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。また、レーザ装置１１０は、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光源を備えてもよい。

【0031】

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。レーザ装置１１０が、シングルモードレーザ光を出力する場合、光ファイバ１３０は、シングルモードレーザ光を伝播するよう構成される。この場合、シングルモードレーザ光のＭ^２ビーム品質は、１．３以下に設定される。また、レーザ装置１１０が、マルチモードレーザ光を出力する場合、光ファイバ１３０はマルチモードレーザ光を伝播するよう、構成される。

【0032】

光学ヘッド１２０は、レーザ装置１１０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、ＤＯＥ１２３（diffractive optical element、回折光学素子）と、を備えている。コリメートレンズ１２１、集光レンズ１２２、およびＤＯＥ１２３は、光学部品とも称されうる。

【0033】

光学ヘッド１２０は、加工対象Ｗ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。

【0034】

コリメートレンズ１２１は、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。また、集光レンズ１２２は、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に照射する。

【0035】

ＤＯＥ１２３は、コリメートレンズ１２１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２に概念的に例示されるよう、ＤＯＥ１２３は、例えば、周期の異なる複数の回折格子１２３ａが重ね合わせられた構成を備えている。ＤＯＥ１２３は、平行光を、各回折格子１２３ａ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。ＤＯＥ１２３は、ビームシェイパとも称されうる。

【0036】

［ビーム（スポット）の形状］
ＤＯＥ１２３は、コリメートレンズ１２１から入力されたレーザ光を、複数のビームに分割する。図３は、加工対象Ｗの表面Ｗａ上に形成されたレーザ光Ｌのビーム（スポット）の一例を示す図である。なお、図３では、簡単のため、主ビームＢ１が実線で示され、第一副ビームＢ２１が破線で示され、第二副ビームＢ２２一点鎖線で示されている。また、図３中の矢印ＳＤは、ビームの加工対象Ｗの表面Ｗａ上での掃引方向を示している。なお、光学ヘッド１２０は、ＤＯＥ１２３を交換することにより、種々の配置の複数のビームを含むレーザ光を出力することができる。

【0037】

複数のビームは、少なくとも一つの主ビームＢ１と、複数の第一副ビームＢ２１と、複数の第二副ビームＢ２２と、を含む。第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２は、主ビームＢ１よりもパワーが小さいビームであり、副ビームの一例である。

【0038】

また、ＤＯＥ１２３は、表面Ｗａ上に、少なくとも一つの主ビームＢ１のスポットと、複数の第一副ビームＢ２１のスポットと、複数の第二副ビームＢ２２のスポットと、が形成されるよう、レーザ光を分割する。図３の例では、ＤＯＥ１２３によるビームの成形により、表面Ｗａ上には、一つの主ビームＢ１のスポットと、当該主ビームＢ１のスポットの周囲に円環状に並んだ複数の第一副ビームＢ２１のスポットと、当該複数の第一副ビームＢ２１のスポットの周囲に並んだ複数の第二副ビームＢ２２のスポットと、が形成されている。本実施形態では、一例として、中央の１個のビームが主ビームＢ１であり、当該１個の主ビームＢ１の周囲の８個のビームが第一副ビームＢ２１であり、当該８個の第一副ビームＢ２１の周囲の１６個のビームが第二副ビームＢ２２である。主ビームＢ１が照射される領域は、主パワー領域の一例であり、第一副ビームＢ２１が照射される領域は、第一副パワー領域の一例であり、第二副ビームＢ２２が照射される領域は、第二副パワー領域の一例である。

【0039】

また、ＤＯＥ１２３は、表面Ｗａ上において、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２のうちいずれか一つのビームの少なくとも一部が、掃引方向ＳＤにおいて主ビームＢ１のスポットの前方に位置するよう、ビームを成形する。具体的には、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２のうちいずれか一つのビームが、主ビームＢ１の前端Ｂ１ｆを通り掃引方向ＳＤと直交する仮想直線よりも掃引方向ＳＤの前方の領域Ａ内に、少なくとも部分的に、位置していればよい。また、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２のうちいずれか一つのビームのスポットが、主ビームＢ１のスポットの後方に位置してもよい。この場合には、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２のうちいずれか一つのビームが、主ビームＢ１の後端（不図示）を通り掃引方向ＳＤと直交する仮想直線（不図示）よりも掃引方向ＳＤの後方の領域（不図示）内に、少なくとも部分的に、位置してもよい。

【0040】

また、図３に示されるように、本実施形態では、Ｙ方向、すなわち掃引方向ＳＤがＸ方向である場合の幅方向において、複数のビームの照射領域の中心の近くに主ビームＢ１が位置され、中心からより離れた位置に第一副ビームＢ２１が位置され、当該第一副ビームＢ２１よりも中心から離れた位置に第二副ビームＢ２２が位置されている。第二副パワー領域の直径ｗ、言い換えると照射領域の直径は、幅方向に最も離間した二つの第二副ビームＢ２２の中心間の距離と定義する。図３の場合、第二副パワー領域の直径ｗは、幅方向の両端に位置する第二副ビームＢ２２の中心間の距離である。

【0041】

発明者らの実験的な研究により、溶融地の安定化という観点から、第二副パワー領域の直径ｗは５０［μｍ］以上１．２［ｍｍ］以下であることが好適であると判明した。

【0042】

また、複数のビームは統合される場合がある。この場合、主ビームＢ１、第一副ビームＢ２１、および第二副ビームＢ２２は、そのビーム断面の径方向において、例えばガウシアン形状のパワー分布を有する。この場合は、各ビームのビーム径は、そのビームのピークを含み、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度の領域の径として定義することができる。円形でないビームの場合は、本明細書にお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）における、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度となる領域の長さをビーム径と定義する。また、各ビームのパワーは、そのビームのピークを含み、ピーク強度の１／ｅ^２以上の強度の領域でのパワーである。

【0043】

レーザ装置１１０や、光ファイバ１３０、コリメートレンズ１２１、集光レンズ１２２、およびＤＯＥ１２３の適宜な設計あるいは調整により、レーザ溶接装置１００は、上述したような主ビームＢ１、第一副ビームＢ２１、および第二副ビームＢ２２を含むレーザ光Ｌを出力することができる。

【0044】

［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、加工対象Ｗが、レーザ光Ｌが照射される領域にセットされる。そして、ＤＯＥ１２３によって分割された主ビームＢ１、第一副ビームＢ２１、および第二副ビームＢ２２を含むレーザ光Ｌが、加工対象Ｗに照射されている状態で、レーザ光Ｌと加工対象Ｗとが相対的に移動する。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、加工対象Ｗが溶接される。なお、本実施形態では、一例として、掃引方向ＳＤは、Ｘ方向であるが、掃引方向ＳＤは、Ｚ方向と交差していればよく、Ｘ方向には限定されない。

【0045】

発明者らの実験的な研究から、レーザ光Ｌにおいて、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２の少なくとも一つのビームを、主ビームＢ１に対して掃引方向ＳＤにおける前方に位置することにより、スパッタの発生を抑制できることが確認されている。これは、例えば、主ビームＢ１が到来する前に第一副ビームＢ２１または第二副ビームＢ２２によって加工対象Ｗを予め加熱しておくことにより、溶融池がより安定化するからであると推定できる。

【0046】

［実験結果］
表１は、本実施形態のレーザ溶接装置１００による溶接におけるスパッタ数の、参考例としてのＤＯＥ１２３を有しないレーザ溶接装置による溶接におけるスパッタ数に対する多少を示している。

【表1】

【0047】

発明者らは、レーザ溶接装置１００を用いて、加工対象Ｗに対して、実際に、図３のビーム形状を有したレーザ光Ｌを照射してレーザ溶接を実行し、スパッタ数を計測する実験を行った。当該実験は、図３のビーム形状において、主ビームＢ１、第一副ビームＢ２１、および第二副ビームＢ２２のパワー比が異なる複数のケースについて行った。また、参考例として、ＤＯＥ１２３が無く加工対象Ｗに照射されたレーザ光が単一のビーム（スポット）を有する場合についても同条件でスパッタ数を計測する実験を行った。表１では、図３の各場合のスパッタ数が参考例の場合のスパッタ数よりも少ない場合を○と表し、多い場合を×と表した。

【0048】

当該実験では、主ビームＢ１のパワーの合計、第一副ビームＢ２１のパワーの合計、および第二副ビームＢ２２のパワーの合計の比が、７：１：２の場合（ケース１）および５：２：３の場合（ケース２）のそれぞれについて、溶接において生じた最大長が５０［μｍ］を超えるスパッタ、言い換えると５０［μｍ］の円形領域をはみ出すスパッタの数を、測定した。

【0049】

当該実験では、表面Ｗａとレーザ光Ｌとの相対的な移動速度（以下、掃引速度と称する）が、２［ｍ／ｍｉｎ］、５［ｍ／ｍｉｎ］、および１０［ｍ／ｍｉｎ］の場合について、溶接において生じた５０［μｍ］を超えるスパッタの数を測定した。

【0050】

当該実験では、レーザ装置１１０から出力されるレーザ光の波長は１０７０［ｎｍ］に設定され、ケース１、ケース２、および参考例において、レーザ光Ｌのパワーの合計値は、全て５．０［ｋＷ］に設定された。

【0051】

また、当該実験では、図３のビーム形状および参考例の各場合において、レーザ光Ｌの直径ｗ（幅）は、１．２［ｍｍ］に設定された。

【0052】

また、加工対象Ｗとしては、２０［ｍｍ］の厚さの１枚のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）が用いられた。なお、厚さ方向（Ｚ方向）に重ねられた加工対象Ｗが互いに密着している場合、アスペクト比は、加工対象Ｗの厚さおよび枚数にはほぼ依存しないものと推定できる。言い換えると、加工対象Ｗが厚さ方向に互いに密着して複数枚重ねられた同一材料の板材である場合も、加工対象Ｗが１枚の板材である本実験の場合と同じ結果が得られると、推定できる。

【0053】

表１に示されるように、実験では、ケース２の掃引速度が２［ｍ／ｍｉｎ］の場合を除き、ケース１～ケース２について、スパッタ数が参考例以下となった。

【0054】

図４は、レーザ光Ｌのパワー密度の分布の一例を示すグラフである。図４は、主パワー領域の中心を通るＹ軸上のパワー密度の分布を示している。横軸は、Ｙ方向の位置であり、照射領域の中心でのＹ座標を０としている。図４の分布は、発明者らによる実験において、良好な結果が得られたケースにおけるパワー密度の分布である。照射領域の直径ｗは、例えば、１．２［ｍｍ］である。

【0055】

図４に示されるように、本実施形態では、一例として、レーザ光の照射領域のＹ方向の中央（Ｙ＝０）に位置する主パワー領域を形成するレーザ光のパワー密度は、１０^５［Ｗ／ｃｍ^２］以上に設定されている。ビームのパワー密度が１０^５［Ｗ／ｃｍ^２］以上である場合、加工対象Ｗにはキーホールが形成されることが判明している。これにより、溶接における溶け込み深さを深くすることができる。

【0056】

また、本実施形態では、一例として、第一副パワー領域および第二副パワー領域を形成するレーザ光、すなわち第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２（副ビーム）を形成するレーザ光のパワー密度は、１０^５［Ｗ／ｃｍ^２］未満である。ビームのパワー密度が１０^５［Ｗ／ｃｍ^２］未満である場合、加工対象Ｗにはキーホールが形成されない。これにより、レーザ光の照射領域のパワー密度が全体的に高くなるのを抑制することができる。パワー密度が全体的に高くなると、溶融地が安定せず、例えば、スパッタが増大したり、レーザ光が加工対象Ｗを貫通したりといった、不都合な事象が生じる虞がある。本実施形態のように、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２を形成するレーザ光のパワー密度を、１０^５［Ｗ／ｃｍ^２］未満とする設定は、このような不都合な事象を回避できる。

【0057】

また、本実施形態では、一例として、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２を形成するレーザ光のパワー密度は、１０^５［Ｗ／ｃｍ^２］未満である。これにより、予備的な加熱および溶融の効果が得られる範囲を超えた、無駄なエネルギ消費を抑制することができる。

【0058】

以上、説明したように、本実施形態では、レーザ溶接装置１００が出力するレーザ光Ｌは、複数のビームを含み、複数のビームは、少なくとも一つの主ビームＢ１と、当該少なくとも一つの主ビームを取り囲むように配置された複数の第一副ビームＢ２１および複数の第二副ビームＢ２２（複数の副ビーム）と、を含み、表面Ｗａ上に、少なくとも一つの主ビームＢ１を含む主パワー領域と、当該主パワー領域を取り囲む複数の第一副ビームＢ２１を含む第一副パワー領域と、当該第一副パワー領域を取り囲む複数の第二副ビームＢ２２を含む第二副パワー領域と、が形成される。そして、発明者らの実験的研究により、表面Ｗａ上において、第二副パワー領域の直径ｗが１．２［ｍｍ］以下であるのが好適であることが判明した。

【0059】

このような溶接方法および溶接装置によれば、スパッタの発生を抑制しながら、レーザ光を効率良く出射し、レーザ光の出射に要するエネルギをより小さくすることができる。

【0060】

また、発明者らの実験的研究により、主パワー領域を形成するレーザ光のパワー密度は、１０^５［Ｗ／ｃｍ^２］以上であるのが好適であり、第一副パワー領域および第二副パワー領域を形成するレーザ光のパワー密度が１０^５［Ｗ／ｃｍ^２］未満であるのがより好適であり、第一副パワー領域および第二副パワー領域を形成するレーザ光のパワー密度が１０^３［Ｗ／ｃｍ^２］以下であるのがより好適であることが判明した。

【0061】

このような設定によれば、例えば、スパッタの発生を抑制しながら、レーザ光をより効率良く出射し、レーザ光の出射に要するエネルギをより一層小さくすることができる。

【0062】

また、本実施形態にあっては、主パワー領域と、第一副パワー領域とは、少なくとも一つの主ビームＢ１によって形成された溶融池と少なくとも一つの第一副ビームＢ２１によって形成された溶融池とが部分的に重なるように、配置されてもよい。この場合、主ビームＢ１のエネルギの少なくとも一部が加工対象Ｗのうち第一副ビームＢ２１によって形成された溶融池に照射される。その結果、主ビームＢ１によって形成される溶融池が比較的安定し、スパッタの発生を抑制する効果が得られる。

【0063】

また、本実施形態にあっては、少なくとも一つの主ビームＢ１のレーザ光の波長と、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２のうち少なくとも一つのビームのレーザ光の波長とが、同一であってもよい。この場合、単一のレーザ光から、主ビームＢ１のうちの少なくとも一つと、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２のうちの少なくとも一つのビームとを、生成できる。

【0064】

また、本実施形態にあっては、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２のうち少なくとも一つのビームのレーザ光の波長は、少なくとも一つの主ビームＢ１のレーザ光の波長よりも、加工対象に対する吸収率が高い波長であってもよい。この場合、第一副ビームＢ２１または第二副ビームＢ２２のパワーまたはパワー密度が比較的低い場合にあっても、加工対象に与えるエネルギを比較的大きくでき、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２を照射することの効果を享受できる。

【0065】

また、本実施形態にあっては、少なくとも一つの主ビームＢ１のレーザ光と、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２のうち少なくとも一つのビームのレーザ光とが、同一の発振器から出射されてもよい。この場合、単一の発振器から出射されたレーザ光から主ビームおよび副ビームを生成できる。

【0066】

また、本実施形態にあっては、少なくとも一つの主ビームＢ１のレーザ光と、第一副ビームＢ２１および第二副ビームＢ２２のうち少なくとも一つのビームのレーザ光とが、異なるレーザ発振器から出射されてもよい。この場合、主ビームおよび副ビームのそれぞれの特性を独立に設定し易くなる。

【0067】

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態のレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。レーザ溶接装置２００は、加工対象Ｗ１にレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗ１の溶接を行う。加工対象Ｗ１は、２枚の板状の金属部材Ｗ１１、Ｗ１２を重ね合わせて構成されている。レーザ溶接装置２００は、レーザ溶接装置１００と同様の作用原理によって溶接を実現するものである。したがって、以下では、レーザ溶接装置２００の装置構成の説明のみを行う。

【0068】

レーザ溶接装置２００は、レーザ装置２１０と、光学ヘッド２２０と、光ファイバ２３０とを備えている。

【0069】

レーザ装置２１０は、レーザ発振器を備えており、レーザ装置１１０と同様に構成されており、例えば数ｋＷのパワーのレーザ光を出力できるように構成されている。光ファイバ２３０は、レーザ装置２１０から出力されたレーザ光を導波し、光学ヘッド２２０に入力させる。

【0070】

光学ヘッド２２０は、光学ヘッド１２０と同様に、レーザ装置２１０から入力されたレーザ光を、加工対象Ｗ１に向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド２２０は、コリメートレンズ２２１と集光レンズ２２２とを備えている。

【0071】

さらに、光学ヘッド２２０は、集光レンズ２２２と加工対象Ｗ１との間に配置された、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、レーザ光Ｌを掃引することができる装置である。レーザ溶接装置２００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。

【0072】

光学ヘッド２２０は、コリメートレンズ２２１と集光レンズ２２２との間に配置された、ビームシェイパとしてのＤＯＥ２２３を備えている。ＤＯＥ２２３は、ＤＯＥ１２３と同様に、コリメートレンズ２２１から入力されたレーザ光を分割し、主ビームと少なくとも１本の副ビームとを生成する。少なくとも１本の副ビームは、主ビームに対して掃引方向前方側に少なくともその一部が位置する。本実施形態においても、パワー比を、上記第１実施形態と同様に設定することができる。

【0073】

［第３実施形態］
図６は、第３実施形態のレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。レーザ溶接装置３００は、加工対象Ｗ２にレーザ光Ｌを照射して加工対象Ｗ２の溶接を行う。加工対象Ｗ２は、２枚の板状の金属部材Ｗ２１、Ｗ２２を突き合わせるように隣接させて構成されている。レーザ溶接装置３００は、レーザ発振器を備えており、レーザ溶接装置１００、２００と同様の作用原理によって溶接を実現するものである。光学ヘッド３２０以外の要素（レーザ装置３１０および光ファイバ３３０）の構成は、レーザ溶接装置１００、２００の対応する要素と同様である。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。

【0074】

光学ヘッド３２０は、光学ヘッド１２０、２２０と同様に、レーザ装置３１０から入力されたレーザ光を、加工対象Ｗ２に向かって照射するための光学装置である。光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２とを備えている。

【0075】

さらに、光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２との間に配置された、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、光学ヘッド２２０と異なる位置にガルバノスキャナを設けている。しかしながら、光学ヘッド２２０と同様に、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、レーザ光Ｌを掃引することができる。

【0076】

光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２との間に配置された、ビームシェイパとしてのＤＯＥ３２３を備えている。ＤＯＥ３２３は、ＤＯＥ１２３、２２３と同様に、コリメートレンズ３２１から入力されたレーザ光を分割し、主ビームと少なくとも１本の副ビームとを生成する。少なくとも１本の副ビームは、主ビームに対して掃引方向前方側に少なくともその一部が位置する。本実施形態においても、パワー比を、上記第１実施形態と同様に設定することができる。

【0077】

以上、本発明の実施形態が例示されたが、上記実施形態は一例であって、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。

【0078】

また、第一副ビームおよび第二副ビームはすべてが同じパワーを持っていてもよいし、第一副ビームおよび第二副ビームのうちの一つのビーム（副ビーム）のパワーが他のビーム（副ビーム）のパワーより高くてもよい。

【0079】

また、加工対象の材質は、ステンレス鋼には限定されない。

【0080】

また、加工対象は板材に限られないし、溶接の態様は重ね合わせ溶接や突き合わせ溶接にも限られない。したがって、加工対象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、または隣接させることにより構成されるものでよい。

【0081】

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。

【0082】

また、加工対象は、めっき付き金属板のように、金属の表面に薄い他の金属の層が存在するものでもよい。

【符号の説明】

【0083】

１００，２００，３００…レーザ溶接装置（溶接装置）
１１０，２１０，３１０…レーザ装置（レーザ発振器）
１２０，２２０，３２０…光学ヘッド
１２１，２２１，３２１…コリメートレンズ
１２２，２２２，３２２…集光レンズ
１２３，２２３，３２３…ＤＯＥ（回折光学素子）
１２３ａ…回折格子
１３０，２３０，３３０…光ファイバ
２２４ａ，２２４ｂ，２２６，３２４ａ，３２４ｂ…ミラー
２２５ａ，２２５ｂ，３２５ａ，３２５ｂ…モータ
Ａ…（掃引方向における前方の）領域
Ｂ１…主ビーム（主パワー領域）
Ｂ１ｆ…前端
Ｂ２１…第一副ビーム（副ビーム、第一副パワー領域）
Ｂ２２…第二副ビーム（副ビーム、第二副パワー領域）
ｂｄ…（ビームの）直径
Ｌ…レーザ光
ＳＤ…掃引方向
Ｗ，Ｗ１，Ｗ２…加工対象
Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ２１，Ｗ２２…金属部材
Ｗａ…表面
ｗ…直径（距離、幅）
Ｘ…方向
Ｙ…方向
Ｚ…方向（法線方向）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】