特許 7502444 レーザ加工方法

(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】2024-06-10

(45)【発行日】2024-06-18

(54)【発明の名称】レーザ加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/067 20060101AFI20240611BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20240611BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20240611BHJP

【ＦＩ】

B23K26/067

B23K26/00 N

B23K26/21 F

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022538724

(86)(22)【出願日】2020-09-10

(86)【国際出願番号】 JP2020034367

(87)【国際公開番号】W WO2022054211

(87)【国際公開日】2022-03-17

【審査請求日】2022-06-22

【審判番号】

【審判請求日】2023-02-02

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】314017543

【氏名又は名称】Ｐｒｉｍｅｔａｌｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｊａｐａｎ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】八木 崇弘

(72)【発明者】

【氏名】加賀 慎一

(72)【発明者】

【氏名】渡部 裕二郎

(72)【発明者】

【氏名】奥田 剛久

【合議体】

【審判長】渋谷 善弘

【審判官】田々井 正吾

【審判官】菊地 牧子

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／０９９３２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０２２－５１７７１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０２９９３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１２１７１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０５２４４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２１９５９０（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】

直線状に配列される第１スポット、第２スポット及び第３スポットが被加工材の加工対象部をこの順で通過するように、前記第１スポット、前記第２スポット及び前記第３スポットを含む複数のレーザスポットに対して被加工材を相対的に動かして前記被加工材を加工するステップを備え、
前記第１スポット、前記第２スポット及び前記第３スポットにおけるレーザ光のエネルギーの総量に対し、
前記第１スポットにおけるエネルギーの比率は２０％以上３０％以下であり、
前記第２スポットにおけるエネルギーの比率は２０％以上３０％以下であり、
前記第３スポットにおけるエネルギーの比率は５０％以上５５％以下であり、
前記第１スポットにおける前記エネルギーの比率は、前記第２スポットにおける前記エネルギーの比率よりも大きく、
前記第１スポットの直径、前記第２スポットの直径及び前記第３スポットの直径が等しい
レーザ加工方法。

【請求項2】

前記第１スポット、前記第２スポット、前記第３スポットの各々の直径は、０．２５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下であり、
前記複数のレーザスポットのうち隣り合う２つのレーザスポットの中心間の距離Ｌと、前記隣り合う２つのレーザスポットの平均スポット径φ _ａｖｇ との比Ｌ／φ _ａｖｇ は、２．５以上３．５以下である
請求項１に記載のレーザ加工方法。

【請求項3】

前記第１スポットと前記第３スポットの中心間距離は、前記被加工材の前記加工対象部の厚さよりも小さい
請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。

【請求項4】

前記被加工材は、一対の板材を含み、
前記加工するステップでは、前記一対の板材の突合せ溶接を行う
請求項１乃至３の何れか一項に記載のレーザ加工方法。

【請求項5】

前記加工するステップでは、
前記第１スポット及び前記第２スポットにおいて前記被加工材の厚さよりも小さい深さのキーホールを前記被加工材に形成し、
前記第３スポットにおいて、前記被加工材を貫通するキーホールを前記被加工材に形成する
請求項１乃至４の何れか一項に記載のレーザ加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ光を集光して形成されるレーザスポットを用いて金属等の被加工材を加工することが知られている。

【0003】

特許文献１には、１本の光ファイバからのレーザ光から３つの集光スポットを形成し、これらの３つの集光スポットを用いて金属材料（被加工材）の溶接をすることが開示されている。また、特許文献１には、金属材料の溶接において、レーザスポットによる急激な加熱や冷却による欠陥発生を抑制するために、３つのうちの最初の集光スポットで予熱を行い、次の集光スポットで本加工を行い、最後の集光スポットで徐冷を行うことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０００－２７１７７３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、製鉄ライン等で用いられるレーザ溶接装置等のレーザ加工装置では、加工品質を維持しながら加工速度を向上することが求められる。しかし、レーザスポットによる加工では、加工品質を維持しながら加工速度を向上させることは難しい。例えば、加工速度を向上させるためにレーザスポットにおけるエネルギー密度を上昇させると、被加工材に細くて深いキーホールが形成される。この場合、被加工材においてキーホールと固液界面との距離が狭くなり、狭い溶融池から急激に金属蒸気が噴出しやすくなるため、溶融金属の飛散（スパッタ）が発生しやすくなる（即ち加工品質が低下する）と考えられる。

【0006】

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、加工品質の低下を抑制しながら加工速度を向上させることが可能なレーザ加工方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の少なくとも一実施形態に係るレーザ加工方法は、
直線状に配列される第１スポット、第２スポット及び第３スポットが被加工材の加工対象部をこの順で通過するように、前記第１スポット、前記第２スポット及び前記第３スポットを含む複数のレーザスポットに対して被加工材を相対的に動かして前記被加工材を加工するステップを備え、
前記第１スポット、前記第２スポット及び前記第３スポットにおけるレーザ光のエネルギーの総量に対し、
前記第１スポットにおけるエネルギーの比率は２０％以上３０％以下であり、
前記第２スポットにおけるエネルギーの比率は２０％以上３０％以下であり、
前記第３スポットにおけるエネルギーの比率は４５％以上５５％以下である。

【発明の効果】

【0008】

本発明の少なくとも一実施形態によれば、加工品質の低下を抑制しながら加工速度を向上させることが可能なレーザ加工方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】幾つかの実施形態に係るレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置の一例を示す概略図である。

【図2】被加工材の加工対象部をレーザ光の照射方向から視た模式図である。

【図3A】一実施形態に係るレーザ加工方法の実施過程における被加工材の加工対象部を示す模式図である。

【図3B】一実施形態に係るレーザ加工方法の実施過程における被加工材の加工対象部を示す模式図である。

【図4】幾つかの実施形態に係るレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置の一例を示す概略図である。

【図5】幾つかの実施形態に係るレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置の一例を示す概略図である。

【図6】幾つかの実施形態に係るレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置の一例を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

【0011】

（レーザ加工装置の構成）
まず、幾つかのレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置について説明する。図１及び図４～６は、それぞれ、幾つかの実施形態に係るレーザ加工方法を実施するためのレーザ加工装置の一例を示す概略図である。同図に示すように、一実施形態に係るレーザ加工装置１は、レーザ発振器２と、光ファイバ４と、レーザ照射部６と、コリメート光学系８と、集光光学系１０と、を備えている。レーザ照射部６、コリメート光学系８、及び、集光光学系１０は、加工ヘッドを構成し、ハウジング（不図示）に収容されるとともに該ハウジングに支持される。

【0012】

レーザ発振器２は、例えば光ファイバ４を媒質として利用するファイバレーザ発振器であってもよい。ファイバレーザ発振器の場合、1070nm～1080nmの波長のレーザ光が得られる。レーザ発振器２で生成されたレーザ光は、光ファイバ４に伝達される。なお、レーザ発振器２は、ファイバレーザに限定されない。幾つかの実施形態では、レーザ発振器２は、例えば、ＣＯ２レーザ発振器、又はＹＡＧレーザ発振器等であってもよい。

【0013】

光ファイバ４は、一端側においてレーザ発振器２と接続され、他端側においてレーザ照射部６と接続される。光ファイバ４は、レーザ発振器２からレーザ照射部６へレーザ光を伝達するように構成されている。

【0014】

レーザ照射部６は、光ファイバ４からのレーザ光を被加工材１００に向けて照射するように構成される。コリメート光学系８は、レーザ照射部６から広がり角を持って照射されるレーザ光をコリメートするように、即ち、該平行なレーザ光を形成するように構成される。コリメート光学系８は、コリメートレンズを含んでもよい。集光光学系１０は、コリメート光学系８を通過したレーザ光（平行なレーザ光）を集光するように構成されている。集光光学系１０は、集光レンズを含んでもよい。

【0015】

レーザ加工装置１は、集光光学系１０によって集光されて高いエネルギー密度を有するレーザ光を被加工材１００の加工対象部１０２に照射することにより、該被加工材１００を加工（例えば溶接等）するように構成される。被加工材１００の加工時には、レーザ加工ヘッドに対して被加工材１００を相対的に移動させることにより、レーザ加工ヘッドからのレーザ照射による被加工材１００の加工位置（即ち、レーザ照射位置）を動かすことで加工を行う。被加工材１００は、合金等の金属材料であってもよい。

【0016】

レーザ加工装置１は、直線状に配列される第１スポットＰ１，第２スポットＰ２及び第３スポットＰ３を含む複数のレーザスポット（集光光学系１０によるレーザの集光スポット）を形成するように構成される。図１及び図４～図６に示すように、レーザ加工装置１は、３つのレーザスポットＰ１～Ｐ３（図２参照）を形成するように構成されてもよい。なお、図２は、被加工材１００の加工対象部１０２を、レーザ照射部６によるレーザ光の照射方向から視た模式図である。

【0017】

図１、図４及び図５に示す例示的な実施形態では、レーザ加工装置１は、１つのレーザ照射部６から照射されるレーザ光を３つに分岐させるためのレーザ分岐部１２を含む。図１、図４及び図５に示すレーザ分岐部１２は、コリメート光学系８と集光光学系１０との間に設けられ、コリメート光学系８からの平行なレーザ光を３つに分岐して、集光光学系１０に導くように構成される。

【0018】

図１に示す例示的な実施形態では、レーザ分岐部１２は、コリメート光学系８からのレーザ光の断面内にて互いに間隔を空けて設けられる２つの傾斜プリズム１４Ａ，１４Ｂを含む。２つの傾斜プリズム１４Ａ，１４Ｂのレーザ光の断面内における位置は、調整可能になっている。この場合、３つのレーザスポットＰ１～Ｐ３におけるレーザ光のエネルギーの比率（エネルギーの配分）は、２つの傾斜プリズム１４Ａ，１４Ｂのレーザ光の断面内への挿入量によって決まる。また、３つのレーザスポットＰ１～Ｐ３のスポット中心間の距離は、２つの傾斜プリズム１４Ａ，１４Ｂのウェッジ角θ（図１参照）によって決まる。なお、図１において、傾斜プリズム１４Ａ，１４Ｂのウェッジ角θは鋭角であるが、傾斜プリズム１４Ａ，１４Ｂのウェッジ角θは鈍角であってもよい。

【0019】

レーザスポットＰ１～Ｐ３の直径（スポット径） φ１～φ３は、光ファイバ４のコア径φ_{ｆｉｂｅｒ}と光学系の倍率Ｍによって決まる。ここで、光学系の倍率Ｍは、集光光学系１０の焦点距離（Ｆ_ｆ）と、コリメート光学系８の焦点距離（Ｆ_ｃ）との比Ｍ＝Ｆ_ｆ／Ｆ_ｃである。すなわち、上述のスポット径は、光ファイバのコア径φ_{ｆｉｂｅｒ}、集光光学系１０の焦点距離（Ｆ_ｆ）、コリメート光学系８の焦点距離（Ｆ_ｃ）、又は、光学系の倍率Ｍを変更することにより調節可能である。

【0020】

図４に示す例示的な実施形態では、レーザ分岐部１２は、コリメート光学系８からのレーザ光の通過領域内に設けられる１つの多角プリズム１５を含む。レーザ光の断面内における多角プリズム１５の位置は調整可能になっている。この場合、３つのレーザスポットＰ１～Ｐ３におけるレーザ光のエネルギーの比率（エネルギーの配分）は、レーザ光の断面内における多角プリズム１５の位置によって決まる。また、３つのレーザスポットＰ１～Ｐ３のスポット中心間の距離は、多角プリズム１５のウェッジ角によって決まる。

【0021】

図５に示す例示的な実施形態では、レーザ分岐部１２は、コリメート光学系８からのレーザ光の少なくとも一部を反射するように設けられたミラー１６Ａ～１６Ｄを含む。なお、図５中におけるミラー１６Ｃは、レーザ光の一部を反射し、レーザ光の一部を透過させるハーフミラーである。また、集光光学系１０は、ミラー１６Ａ～１６Ｄによって分岐された３つのレーザ光をそれぞれ集光するための３つの集光レンズを含む。この場合、３つのレーザスポットＰ１～Ｐ３におけるレーザ光のエネルギーの比率（エネルギーの配分）、及び、３つのレーザスポットＰ１～Ｐ３のスポット中心間の距離は、ミラー１６Ａ～１６Ｄの設置位置及び設置角度によって決まる。

【0022】

図６に示す例示的な実施形態では、３つのレーザ照射部６から照射されるレーザ光から３つのレーザスポットＰ１～Ｐ３が形成されるようになっている。すなわち、図６に示すレーザ加工装置１は３つのレーザ発振器２を含み、これらのレーザ発振器２から発振されるレーザ光が、それぞれ、光ファイバ４を介して伝達されてレーザ照射部６から照射されるようになっている。３つのレーザ照射部６からそれぞれ照射される３つのレーザ光は、それぞれ、コリメート光学系８（コリメートレンズ）によって平行光にされ、集光光学系１０（集光レンズ）によって集光されて３つのレーザスポットＰ１～Ｐ３を形成する。なお、コリメート光学系８は、３つのレーザ照射部６にそれぞれ対応する３つのコリメートレンズを含んでもよい。また、集光光学系１０は、３つのレーザ照射部６にそれぞれ対応する３つの集光レンズを含んでもよい。図６に示す実施形態の場合、３つのレーザスポットＰ１～Ｐ３におけるレーザ光のエネルギーの比率（エネルギーの配分）は、３つのレーザ発振器２の出力によって決まる。また、３つのレーザスポットＰ１～Ｐ３のスポット中心間の距離は、レーザ照射部６や集光光学系１０の配置によって決まる。

【0023】

（レーザ加工方法）
次に、幾つかの実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。幾つかの実施形態に係るレーザ加工方法は、例えば、上述したレーザ加工装置１によって実行することができる。また、幾つかの実施形態に係るレーザ加工方法は、他のレーザ加工装置を用いて実行してもよい。

【0024】

幾つかの実施形態では、直線状に配列される第１スポットＰ１、第２スポットＰ２及び第３スポットＰ３が被加工材１００の加工対象部１０２をこの順で通過するように、これらの複数のレーザスポットＰ１～Ｐ３に対して被加工材１００を相対的に動かして被加工材１００を加工する（加工ステップ）。ここで、第１スポットＰ１、第２スポットＰ２及び第３スポットＰ３におけるレーザ光のエネルギーの総量（１００％）に対し、第１スポットＰ１におけるエネルギーの比率Ｅ１は２０％以上３０％以下であり、第２スポットＰ２におけるエネルギーの比率Ｅ２は２０％以上３０％以下であり、第３スポットＰ３におけるエネルギーの比率Ｅ３は４５％以上５５％以下である。

【0025】

なお、上述のように被加工材１００を加工する前に、予め、第１スポットＰ１～第３スポットＰ３におけるエネルギーの比率が上述の範囲になるように、レーザ加工装置１の調整がなされる。

【0026】

ここで、図３Ａ及び図３Ｂは、上述の実施形態に係るレーザ加工方法の実施過程における被加工材１００の加工対象部１０２を示す模式図である。図３Ａは、被加工材１００の加工対象部１０２を、レーザ照射部６によるレーザ光の照射方向から視た模式図であり、図３Ｂは、被加工材１００の模式的な断面図である。

【0027】

一般に、レーザスポットによる加工では、加工品質を維持しながら加工速度を向上させることは難しい。例えば、加工速度を向上させるためにレーザスポットにおけるエネルギー密度を上昇させると、被加工材に細くて深いキーホールが形成される。この場合、被加工材においてキーホールと固液界面との距離が狭くなり、狭い溶融池から急激に金属蒸気が噴出しやすくなるため、溶融金属の飛散（スパッタ）が発生しやすくなる（即ち加工品質が低下する）と考えられる。

【0028】

この点、上述の実施形態では、第１～第３スポットＰ１～Ｐ３におけるエネルギー密度は、第１スポットＰ１及び第２スポットＰ２で比較的小さく、第３スポットＰ３で比較的大きい。したがって、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、先ず、加工対象部１０２に第１スポットＰ１のレーザ光が照射されて、これにより、被加工材１００の加工対象部１０２に浅いキーホールＫ１及び溶融池１０１が形成される。なお、キーホールが浅い場合、スパッタは発生し難い。次に、第１スポットＰ１にて形成された溶融池１０１に第２スポットＰ２のレーザ光が照射されて、浅いキーホールＫ２が形成されるとともに、キーホールＫ２と固液界面１０３（溶融池１０１と母材の界面）との距離が拡大される。すなわち、図２Ａに示すように、第１スポットＰ１により形成されるキーホールＫ１の側方（加工方向と直交する方向における側方）における固液界面１０３との距離Ｗ１に比べ、第２スポットＰ２により形成されるキーホールＫ２の側方における固液界面１０３との距離Ｗ２が大きくなる。次に、上述のように形成された比較的浅く広い溶融池１０１に、エネルギー密度の高い第３スポットＰ３のレーザ光が照射されて、比較的深いキーホールＫ３が形成される。なお、第３スポットＰ３によるキーホールＫ３の側方における固液界面１０３との距離Ｗ３は、上述の距離Ｗ２と同等又はそれ以上になると考えられる。

【0029】

このように、上述の実施形態では、エネルギー密度が比較的小さい第１スポットＰ１及び第２スポットＰ２にて、被加工材１００の加工対象部１０２に浅く広い溶融池１０１が形成された状態で、エネルギー密度が比較的大きい第３スポットＰ３により深いキーホールＫ３を形成するようにしたので、深いキーホールＫ３と固液界面１０３との距離を大きく確保できる。すなわち、エネルギー密度が大きいレーザスポット（第３スポットＰ３）を被加工材１００に照射しているときのスパッタの発生を効果的に抑制することができる。したがって、上述の実施形態によれば、加工品質の低下を抑制しながら加工速度を向上させることができる。

【0030】

幾つかの実施形態では、第１スポットＰ１におけるエネルギーの比率Ｅ１は、第２スポットＰ２におけるエネルギーの比率Ｅ２よりも大きい。

【0031】

上述の実施形態では、第１スポットＰ１及び第２スポットＰ２におけるエネルギー密度は、第１スポットＰ１で比較的大きく、第２スポットＰ２で比較的小さい。したがって、未加熱の加工対象部（被加工材）をエネルギー密度が比較的大きい第１スポットＰ１が先ず通過することで、速やかにキーホール及び溶融池を被加工材１００の加工対象部１０２に形成することができる。よって、加工速度をより効果的に向上させることができる。

【0032】

幾つかの実施形態では、第１スポットＰ１の直径（スポット径）φ１、第２スポットＰ２の直径φ２、及び第３スポットＰ３直径φ３は、それぞれ、０．２５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下である。

【0033】

上述の実施形態では、第１～第３スポットＰ１～Ｐ３の直径φ１～φ３は、それぞれ０．２５ｍｍ以上であるので、各々のレーザスポットＰ１～ｐ３にて被加工材１００を効果的に加熱することができ、被加工材１００の加工に必要な母材の溶融量が得られやすい。また、上述の実施形態では、第１～第３スポットＰ１～Ｐ３の直径φ１～φ３は、それぞれ０．４ｍｍ以下であるので、スポット径が大きいことによるスパッタの増加を効果的に抑制することができる。よって、上述の実施形態によれば、加工品質の低下の抑制と加工速度の向上とを両立しやすくなる。

【0034】

幾つかの実施形態では、複数のレーザスポットＰ１～Ｐ３のうち隣り合う２つのレーザスポットの中心間の距離Ｌと、前述の隣り合う２つのレーザスポットの平均スポット径φ_ａｖｇとの比Ｌ／φ_ａｖｇは、２．５以上３．５以下である。すなわち、隣り合う第１スポットＰ１と第２スポットＰ２の中心間の距離Ｌ_１２（図２参照）と、第１スポットＰ１と第２スポットＰ２の平均スポット径φ_ａｖｇ（＝（φ１＋φ２）／２）との比（２×Ｌ_１２）／（φ１＋φ２）は、２．５以上３．５以下である。あるいは、隣り合う第２スポットＰ２と第３スポットＰ３の中心間の距離Ｌ_２３（図２参照）と、第２スポットＰ２と第３スポットＰ３の平均スポット径φ_ａｖｇ（＝（φ２＋φ３）／２）との比（２×Ｌ_２３）／（φ２＋φ３）は、２．５以上３．５以下である。

【0035】

上述の実施形態では、上述の比Ｌ／φ_ａｖｇが２．５以上であり、隣り合う２つのレーザスポットの平均スポット径φ_ａｖｇに対してスポット中心間の距離Ｌがある程度大きい。このため、近接する２つのレーザスポットで形成されるキーホール同士が合体してしまい見かけ上大きな１つのキーホールになってしまうのを抑制することができる。よって、スパッタの発生を効果的に抑制することができる。また、上述の実施形態では、上述の比Ｌ／φ_ａｖｇが３．５以下であり、隣合う２つのレーザスポットの平均スポット径φ_ａｖｇに対してスポット中心間の距離Ｌが大き過ぎない。このため、被加工材１００の加工対象部１０２を、隣り合う２つのレーザスポットの一方（第１スポットＰ１又は第２スポットＰ２）が通過してから、他方のレーザスポット（第２スポットＰ２又は第３スポットＰ３）が到達するまでの間に生じ得る溶融金属の冷却による再凝固を抑制することができ、レーザスポットにより形成されるキーホールの周囲の融液を効果的に増やすことができる。これにより、第３スポットＰ３で深いキーホールを形成するときのスパッタの発生を効果的に抑制することができる。

【0036】

幾つかの実施形態では、被加工材１００は、一対の板材を含み、上述の加工ステップでは、一対の板材の突合せ溶接を行う。

【0037】

上述の実施形態に係る方法によれば、複数のレーザスポットＰ１～Ｐ３による一対の板材の突合せ溶接において、加工品質の低下を抑制しながら加工速度を向上させることができる。

【0038】

なお、板材同士の突合せ溶接の場合、レーザスポットの直径が０．２５ｍｍよりも小さいと、板材同士の間隙を十分に満たせるだけの母材の溶融量を得ることが難しい。そこで、板座同士の突合せ溶接の場合、第１～第３スポットＰ１～Ｐ３の直径φ１～φ３をそれぞれ、０．２５ｍｍ以上とすることで、母材の溶融量を十分に得やすくなる。これにより、溶接品質の低下を効果的に抑制することができる。

【0039】

幾つかの実施形態では、第１スポットＰ１と第３スポットＰ３の中心間距離Ｌ_１３（図２参照）は、被加工材１００の加工対象部１０２の厚さ（例えば、上述の板材の厚さ）よりも小さい。

【0040】

例えば、各レーザスポットＰ１～Ｐ３の直径φ１～φ３の各々が０．２５ｍｍであり、かつ、上述の比Ｌ／φ_ａｖｇが、２．５である場合、被加工材１００の加工対象部１０２の厚さは１．２ｍｍ以上とする。あるいは、各レーザスポットＰ１～Ｐ３の直径φ１～φ３の各々が０．４ｍｍであり、かつ、上述の比Ｌ／φ_ａｖｇが、３．５である場合、被加工材１００の加工対象部１０２の厚さは２．８ｍｍ以上とする。

【0041】

上述の実施形態によれば、被加工材１００の加工対象部１０２の厚さよりも長さが短い比較的小さな領域に形成される複数のレーザスポットＰ１～Ｐ３による加工において、上述したように、加工品質の低下を抑制しながら加工速度を向上させることができる。

【0042】

幾つかの実施形態では、上述の加工ステップにおいて、第１スポットＰ１及び第２スポットＰ２において被加工材１００の厚さよりも小さい深さのキーホールＫ１及びＫ２を被加工材１００に形成し、第３スポットＰ３において、被加工材１００を貫通するキーホールＫ３を被加工材１００に形成する。すなわち、このようなキーホールＫ１～Ｋ３を形成可能なレーザ出力及び加工速度にて、上述の加工ステップを行う。

【0043】

上述の実施形態によれば、第１スポットＰ１及び第２スポットＰ２において被加工材１００の厚さよりも小さい深さのキーホールＫ１，Ｋ２を被加工材１００に形成するとともに、第３スポットＰ３において、被加工材１００を貫通するキーホールＫ３を形成する。したがって、被加工材１００を貫通するキーホールを形成する工程を含む加工（例えば、上述の板材同士の突合せ溶接による貫通溶接等）において、上述したように、加工品質の低下を抑制しながら加工速度を向上させることができる。

【実施例】

【0044】

図１に示すレーザ加工装置１を用いて、表１に示す試験例１～９の試験条件にて上述の加工ステップに従い、板厚６ｍｍの板材同士の突合せ溶接を行った。すなわち、レーザ加工装置１により直線状に配列される第１スポットＰ１、第２スポットＰ２及び第３スポットＰ３を形成し、これらのレーザスポットＰ１～Ｐ３が被加工材（板材）の加工対象部をこの順で通過するように、これらの複数のレーザスポットＰ１～Ｐ３に対して板材を相対的に動かして板材同士の突合せ溶接を行った。表１に示す試験条件の定義は以下のとおりである。

【0045】

スポット直径φ（ｍｍ）：第１～第３スポットの直径（φ＝φ１＝φ２＝φ３）
スポット間距離Ｌ（ｍｍ）：第１スポット－第２スポット間の距離Ｌ_１２、及び第２スポット－第３スポット間の距離Ｌ_２３（Ｌ＝Ｌ_１２＝Ｌ_２３）
ビームエネルギー比率Ｅ１～Ｅ３（％）：第１～第３スポットにおけるレーザ光のエネルギーの総量（１００％）に対する第１～第３スポットの各々におけるエネルギーの比率
溶接速度（ｍ／ｍｉｎ）：溶接方向におけるレーザスポットＰ１～Ｐ３に対する板材の相対速度

【0046】

また、上述の溶接を行った後、各試験例について、溶接品質（加工品質）の評価を行った。溶接品質の評価指標は以下のとおりである。評価結果を表１～表３に示す。（なお、表２，３に示す各試験例の試験条件は、表１に記載した試験条件と同一である。）

【0047】

スパッタ：目視にて、スパッタ量が少ない場合は「良好」と評価し、スパッタ量が多い場合は「不良」と評価した。
ビード（試験例４，５，８，９について；表２～３参照）：板材の両面のうち片側又は両側にてアンダーフィルが生じていない場合「良好」と評価し、アンダーフィルが生じている場合に「不良」と評価した。

【0048】

【表1】

【0049】

表１からわかるように、ビームエネルギー比率Ｅ１が２０％以上３０％以下、Ｅ２が２０％以上３０％以下、かつ、Ｅ３が４５％以上５５％以下である試験例３～５，８，９では、溶接速度が３．５ｍ／ｍｉｎ以上において、発生したスパッタの量が少なく溶接品質が良好であった。これに対し、ビームエネルギー比率Ｅ１～Ｅ３が、上述の範囲外である試験例１，２，６，７では、発生したスパッタの量が多く溶接品質が不良であった。このことから、ビームエネルギー比率Ｅ１を２０％以上３０％以下、Ｅ２が２０％以上３０％以下、かつ、Ｅ３が４５％以上５５％以下とすることにより、スパッタの発生を抑制しやすく、したがって、加工品質の低下を抑制しながら加工速度を向上させやすいことが確認できる。

【0050】

次に、下記表２からわかるように、「スパッタ」に係る評価結果が良好と判定された試験例４，５，８，９のうち、レーザスポットのスポット直径φが０．２５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲内である試験例５では、溶接速度が７ｍ／ｍｉｎ以上において、アンダーフィルが発生せず、溶接品質が特に良好であった。すなわち、高速な加工と、良好な加工品質とが両立された。

【0051】

これに対し、スポット直径φが０．２５ｍｍ未満である試験例８では、高速な加工（溶接速度が７ｍ／ｍｉｎ）においてスパッタの発生が少なかったが、アンダーフィルが発生した。これは、スポット直径φが小さいことにより、被加工材１００の加工に必要な母材の溶融量が十分に得られなかったためと考えられる。また、スポット直径が０．４ｍｍ超の試験例９では、高速な加工（溶接速度が７ｍ／ｍｉｎ）においてスパッタの発生が少なかったが、アンダーフィルが発生した。これは、スポット径が大きいことによりスパッタが生じやすくなったためと考えられる。なお、スポット直径が０．４ｍｍ超の試験例４では、アンダーフィルは生じなかったが、加工速度が５ｍ／ｍｉｎに止まり、試験例５ほどの良好な結果とはならなかった。これらのことから、スポット直径φを０．２５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲内とすることにより、加工品質の低下の抑制と加工速度の向上とを両立しやすくなることが確認できる。

【0052】

【表2】

【0053】

次に、下記表３からわかるように、「スパッタ」に係る評価結果が良好と判定された試験例５，８，９のうち、スポット間距離Ｌと、レーザスポットのスポット直径φとの比Ｌ／φが２．５以上３．５以下の範囲内である試験例５では、溶接速度が７ｍ／ｍｉｎ以上において、アンダーフィルが発生せず、溶接品質が特に良好であった。すなわち、高速な加工と、良好な加工品質とが両立された。

【0054】

これに対し、上述の比Ｌ／φが上述の範囲外である試験例８，９では、高速な加工（溶接速度が７ｍ／ｍｉｎ）においてスパッタの発生が少なかったが、アンダーフィルが発生した。試験例８では、スポット間距離Ｌがスポット直径φに対して相対的に大きくなったことで、スポット間の冷却が進みやすくなり、溶融池幅を効果的に広げることができず、溶融池の体積が不足したため、アンダーフィルが発生した可能性がある。試験例９では、スポット間距離Ｌがスポット直径φに対して相対的に小さくなったことで、キーホール間の溶融池が狭くなり、キーホール同士が部分的に繋がってしまい、これにより溶融池が押し出されて底面側から抜け落ちて融液が減少したため、アンダーフィルが発生した可能性がある。これらのことから、スポット間距離Ｌと、レーザスポットのスポット直径φとの比Ｌ／φを２．５以上３．５以下の範囲内とすることにより、加工品質の低下の抑制と加工速度の向上とを両立しやすくなることが確認できる。

【0055】

【表3】

【0056】

以下、幾つかの実施形態に係るレーザ加工方法について概要を記載する。

【0057】

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るレーザ加工方法は、
直線状に配列される第１スポット、第２スポット及び第３スポットが被加工材の加工対象部をこの順で通過するように、前記第１スポット、前記第２スポット及び前記第３スポットを含む複数のレーザスポットに対して被加工材を相対的に動かして前記被加工材を加工するステップを備え、
前記第１スポット、前記第２スポット及び前記第３スポットにおけるレーザ光のエネルギーの総量に対し、
前記第１スポットにおけるエネルギーの比率は２０％以上３０％以下であり、
前記第２スポットにおけるエネルギーの比率は２０％以上３０％以下であり、
前記第３スポットにおけるエネルギーの比率は４５％以上５５％以下である。

【0058】

上記（１）の方法では、第１～第３スポットにおけるエネルギー密度は、第１スポット及び第２スポットで比較的小さく、第３スポットで比較的大きい。したがって、エネルギー密度が比較的小さい第１スポット及び第２スポット、被加工材の加工対象部に比較的浅く広い溶融池が形成された状態で、エネルギー密度が比較的大きい第３スポットにより深いキーホールが形成される。したがって、第３スポットで形成される深いキーホールと固液界面との距離を大きく確保できる。すなわち、エネルギー密度が大きいレーザスポット（第３スポット）を被加工材に照射するときのスパッタの発生を効果的に抑制することができる。したがって、上記（１）の方法によれば、加工品質の低下を抑制しながら加工速度を向上させることができる。

【0059】

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、
前記第１スポットにおける前記エネルギーの比率は、前記第２スポットにおける前記エネルギーの比率よりも大きい。

【0060】

上記（２）の方法によれば、第１及び第２スポットにおけるエネルギー密度は、第１スポットで比較的大きく、第２スポットで比較的小さい。したがって、未加熱の加工対象部（被加工材）をエネルギー密度が比較的大きい第１スポットが先ず通過することで、速やかにキーホール及び溶融池を形成することができる。よって、加工速度をより効果的に向上させることができる。

【0061】

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の方法において、
前記第１スポット、前記第２スポット、前記第３スポットの各々の直径は、０．２５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下である。

【0062】

上記（３）の方法では、第１～第３スポットの各々の直径は０．２５ｍｍ以上であるので、各々のレーザスポットにて被加工材を効果的に加熱することができ、被加工材の加工に必要な母材の溶融量が得られやすい。また、上記（３）の方法では、第１～第３スポットの各々の直径は０．４ｍｍ以下であるので、スポット径が大きいことによるスパッタの増加を効果的に抑制することができる。よって、上記（３）の方法によれば、加工品質の低下の抑制と加工速度の向上とを両立しやすくなる。

【0063】

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの方法において、
前記複数のレーザスポットのうち隣り合う２つのレーザスポットの中心間の距離Ｌと、前記隣り合う２つのレーザスポットの平均スポット径φ_ａｖｇとの比Ｌ／φ_ａｖｇは、２．５以上３．５以下である。

【0064】

上記（４）の方法によれば、上述の比Ｌ／φ_ａｖｇが２．５以上であり、隣り合う２つのレーザスポットの平均スポット径φ_ａｖｇに対してスポット中心間の距離Ｌがある程度大きい。このため、近接する２つのレーザスポットで形成されるキーホール同士が合体してしまい見かけ上大きな１つのキーホールになってしまうのを抑制することができる。よって、スパッタの発生を効果的に抑制することができる。また、上記（４）の方法によれば、上述の比Ｌ／φ_ａｖｇが３．５以下であり、隣合う２つのレーザスポットの平均スポット径φ_ａｖｇに対してスポット中心間の距離Ｌが大き過ぎない。このため、被加工材の加工対象部を、隣り合う２つのレーザスポットの一方（第１スポット又は第２スポット）が通過してから、他方のレーザスポット（第２スポット又は第３スポット）が到達するまでの間に生じ得る溶融金属の冷却による再凝固を抑制することができ、レーザスポットにより形成されるキーホールの周囲の融液を効果的に増やすことができる。これにより、第３スポットで深いキーホールを形成するときのスパッタの発生を効果的に抑制することができる。

【0065】

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの方法において、
前記第１スポットと前記第３スポットの中心間距離は、前記被加工材の前記加工対象部の厚さよりも小さい。

【0066】

上記（５）の方法によれば、被加工材の加工対象部の厚さよりも長さが短い比較的小さな領域に形成される複数のレーザスポットによる加工において、上記（１）で述べたように、加工品質の低下を抑制しながら加工速度を向上させることができる。

【0067】

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの方法において、
前記被加工材は、一対の板材を含み、
前記加工するステップでは、前記一対の板材の突合せ溶接を行う。

【0068】

上記（６）の方法によれば、複数のレーザスポットによる一対の板材の突合せ溶接において、上記（１）で述べたように、加工品質の低下を抑制しながら加工速度を向上させることができる。

【0069】

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの方法において、
前記加工するステップでは、
前記第１スポット及び前記第２スポットにおいて前記被加工材の厚さよりも小さい深さのキーホールを前記被加工材に形成し、
前記第３スポットにおいて、前記被加工材を貫通するキーホールを前記被加工材に形成する。

【0070】

上記（７）の方法によれば、第１スポット及び第２スポットにおいて被加工材の厚さよりも小さい深さのキーホールを被加工材に形成するとともに、第３スポットにおいて、被加工材を貫通するキーホールを形成する。したがって、被加工材を貫通するキーホールを形成する工程を含む加工（貫通溶接等）において、上記（１）で述べたように、加工品質の低下を抑制しながら加工速度を向上させることができる。

【0071】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

【0072】

本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

【符号の説明】

【0073】

１ レーザ加工装置
２ レーザ発振器
４ 光ファイバ
６ レーザ照射部
８ コリメート光学系
１０ 集光光学系
１２ レーザ分岐部
１４Ａ，１４Ｂ 傾斜プリズム
１５ 多角プリズム
１６Ａ～１６Ｄ ミラー
１００ 被加工材
１０１ 溶融池
１０２ 加工対象部
１０３ 固液界面
Ｋ１～Ｋ３ キーホール
Ｐ１ 第１スポット（レーザスポット）
Ｐ２ 第２スポット（レーザスポット）
Ｐ３ 第３スポット（レーザスポット）

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】