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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】2024-12-20
(45)【発行日】2025-01-06
(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 20140101AFI20241223BHJP
B23K 26/067 20060101ALI20241223BHJP
【ＦＩ】
B23K26/21 F
B23K26/21 W
B23K26/067
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020097775
(22)【出願日】2020-06-04
(65)【公開番号】P2021186861
(43)【公開日】2021-12-13
【審査請求日】2023-05-23
(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】西野 史香
(72)【発明者】
【氏名】金子 昌充
(72)【発明者】
【氏名】梅野 和行
(72)【発明者】
【氏名】寺田 淳
(72)【発明者】
【氏名】尹 大烈
(72)【発明者】
【氏名】安岡 知道
【審査官】山下 浩平
(56)【参考文献】
【文献】特開２００６－３３４６４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／１５９８５７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開平０５－２００５７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２３０４２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－２４３０７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－００４６４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－３５１０８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０００５０７６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】Markus Rutering，Hybrid Solution Moves Boundaries of Copper Welding，PhotonicsViews，Vol. 16 , Issue 5，米国，John Wiley & Sons, Inc.，2019年10月09日，P46-50，https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/phvs .201900044
【文献】武田 晋，高出カダイレクト半導体レーザ発振器の動向と適用事例，レーザ 加工学会誌，Ｖol. 26 No. 3，日本，レーザ加工学会，2019年10月，P13-19，https://www.jstage.jst.go.jp/article/jlps/26/3/26_13/_pdf/-char/ja
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２６／００ － ２６／７０
Ｈ０１Ｌ ２３／３４ － ２３／４６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第一方向に重なった複数の部材の当該第一方向と交差した第二方向に延びたそれぞれの端縁が前記第一方向に並んだ端部に、当該端部の外側から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に沿って、レーザ光を照射しながら前記第二方向に掃引して当該第二方向に延びた溶接部を形成することにより、前記第一方向に隣接した前記端縁同士を溶接する溶接方法であって、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、５００［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含み、
前記端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面上において、前記第一レーザ光によって形成される第一スポットの全域は前記第二レーザ光によって形成される第二スポットと重なるとともに、前記第二スポットの第二外縁は、前記第一スポットの第一外縁を離隔して取り囲み、
前記溶接部は、
前記第一方向に隣接した前記端縁を含む端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に延びた、溶接金属と、
前記溶接金属の周囲に位置される熱影響部と、
を有し、
前記溶接金属は、前記第二レーザ光の照射による熱伝導型の溶融の後冷却されることにより形成され前記表面と接する第二部位と、前記第一レーザ光の照射によるキーホール型の溶融の後冷却されることにより形成され前記第二部位に対して前記表面とは反対側に位置し当該第二部位と接する位置から前記第三方向に延びるとともに前記表面側には露出しない第一部位と、を有し、
前記溶接金属の、前記第三方向の深さの前記第一方向の幅に対するアスペクト比を、１．５以上５以下とする、溶接方法。
【請求項2】
前記第二レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上５００［ｎｍ］以下である、請求項１に記載の溶接方法。
【請求項3】
前記第二レーザ光を、前記第一方向に隣接する前記端縁間の境界のギャップを前記第一方向に跨ぐように照射する、請求項１または２に記載の溶接方法。
【請求項4】
前記複数の部材のそれぞれは、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、およびチタン系金属材料のうちのいずれか一つで作られている、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】
レーザ光を出力するレーザ装置と、前記レーザ装置が出力した前記レーザ光を照射する光学ヘッドと、
を備え、
第一方向に重なった複数の部材の当該第一方向と交差した第二方向に延びたそれぞれの端縁が前記第一方向に並んだ端部に、当該端部の外側から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に沿って、レーザ光を照射しながら前記第二方向に掃引して当該第二方向に延びた溶接部を形成することにより、前記第一方向に隣接した前記端縁の同士を溶接する溶接装置であって、
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、５００［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含み、
前記端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面上において、前記第一レーザ光によって形成される第一スポットの全域は前記第二レーザ光によって形成される第二スポットと重なるとともに、前記第二スポットの第二外縁は、前記第一スポットの第一外縁を離隔して取り囲み、
前記溶接部は、
前記第一方向に隣接した前記端縁を含む端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に延びた、溶接金属と、
前記溶接金属の周囲に位置される熱影響部と、
を有し、
前記溶接金属は、前記第二レーザ光の照射による熱伝導型の溶融の後冷却されることにより形成され前記表面と接する第二部位と、前記第一レーザ光の照射によるキーホール型の溶融の後冷却されることにより形成され前記第二部位に対して前記表面とは反対側に位置し当該第二部位と接する位置から前記第三方向に延びるとともに前記表面側には露出しない第一部位と、を有し、
前記溶接金属の、前記第三方向の深さの前記第一方向の幅に対するアスペクト比を、１．５以上５以下とする、溶接装置。
【請求項6】
前記レーザ光を複数のビームに分割するビームシェイパを備えた、請求項５に記載の溶接装置。
【請求項7】
前記レーザ光が前記端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面上で前記第二方向に沿った掃引方向に移動するよう前記レーザ光の出射方向を変化させるガルバノスキャナを備えた、請求項５または６に記載の溶接装置。
【請求項8】
前記第一方向に沿った回転軸回りに前記端部を回転する回転機構を備えた、請求項５～７のうちいずれか一つに記載の溶接装置。
【請求項9】
前記レーザ光によって前記表面上に形成されるスポットの所定位置に対するずれを検出する検出機構と、前記ずれを補正する補正機構と、
を備えた、請求項５～８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、重ねられた二つの板状の金属部材の間に冷媒を収容する収容室が設けられ、当該二つの金属部材の周縁部を溶接することにより冷媒を封止したベーパチャンバが知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１６－３５３４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１のベーパチャンバでは、二つの板状部材は、それらの積層方向に沿って照射したレーザ光によって接合されている。このような構成にあっては、例えば、溶接部位の幅方向となる板状部材の延び方向に張り出すフランジが設けられるなどにより、金属部材ひいてはベーパチャンバが板状部材の延び方向に大きくなりやすい、という課題があった。
【0005】
他方、二つの板状部材の境界に向けて当該板状部材の延びる方向に沿って照射されたレーザ光により当該二つの板状部材が溶接されたベーパチャンバにあっては、溶接部位の幅が板状部材の積層方向に広がる。この場合には、例えば、板厚が薄い場合への適用が難しかったり、板厚に合わせた溶接幅では溶接深さも短くなって所要の溶接強度が確保し難かったり、といった課題があった。
【0006】
そこで、本発明の課題の一つは、例えば、重なりあった複数の部材を溶接することが可能な、より改善された新規な溶接方法および溶接装置、ならびに当該溶接方法あるいは当該溶接装置によって溶接された製品を得ること、である。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の溶接方法にあっては、例えば、第一方向に重なった複数の部材の当該第一方向と交差した第二方向に延びたそれぞれの端縁が前記第一方向に並んだ端部に、当該端部の外側から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に沿って、ファイバレーザを含むレーザ発振器から出射されたレーザ光を照射することにより、前記第一方向に隣接した前記端縁同士を溶接する溶接方法であって、前記レーザ光の波長は、３８０［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下である。
【0008】
前記溶接方法では、例えば、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、５００［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含む。
【0009】
前記溶接方法では、例えば、前記第二レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上５００［ｎｍ］以下である。
【0010】
前記溶接方法では、例えば、前記第二レーザ光を、前記第一方向に隣接する前記端縁間の境界のギャップを前記第一方向に跨ぐように照射する。
【0011】
前記溶接方法では、例えば、前記レーザ光は、前記端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面上で、前記第二方向に沿う掃引方向に掃引され、前記表面上において、前記第二レーザ光によって前記表面上に形成される第二スポットの少なくとも一部は、前記第一レーザ光によって前記表面上に形成される第一スポットよりも前記掃引方向の前方に位置している。
【0012】
前記溶接方法では、例えば、前記表面上において、前記第一スポットと前記第二スポットとは少なくとも部分的に重なっている。
【0013】
前記溶接方法では、例えば、前記表面上において、前記第二スポットの第二外縁は、前記第一スポットの第一外縁を取り囲んでいる。
【0014】
前記溶接方法では、例えば、前記複数の部材のそれぞれは、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、およびチタン系金属材料のうちのいずれか一つで作られている。
【0015】
本発明の溶接装置にあっては、例えば、ファイバレーザを含むレーザ発振器と、第一方向に重なった複数の部材の当該第一方向と交差した第二方向に延びたそれぞれの端縁が前記第一方向に並んだ端部に、当該端部の外側から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に沿って、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を照射する光学ヘッドと、を備え、前記第一方向に隣接した前記端縁同士を溶接する溶接装置であって、前記レーザ光の波長は、３８０［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下である。
【0016】
前記溶接装置は、例えば、前記レーザ光を複数のビームに分割するビームシェイパを備える。
【0017】
前記溶接装置は、例えば、前記レーザ光が前記端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面上で前記第二方向に沿った掃引方向に移動するよう前記レーザ光の出射方向を変化させるガルバノスキャナを備える。
【0018】
前記溶接装置は、例えば、前記第一方向に沿った回転軸回りに前記端部を回転する回転機構を備える。
【0019】
前記溶接装置は、例えば、前記レーザ光によって前記表面上に形成されるスポットの所定位置に対するずれを検出する検出機構と、前記ずれを補正する補正機構と、を備える。
【0020】
本発明の製品にあっては、例えば、それぞれ第二方向に延びた端縁を有し、それぞれの前記端縁が前記第二方向と交差した第一方向に並んだ状態で当該第一方向に重なった複数の部材と、前記複数の部材のうち前記第一方向に隣接した部材の前記端縁同士を溶接した溶接部と、を備え、前記溶接部は、前記第一方向に隣接した前記端縁を含む端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に延びた、溶接金属と、前記溶接金属の周囲に位置される熱影響部と、を有し、前記溶接金属は、第一部位と、当該第一部位よりも前記第二方向と交差した断面における結晶粒の断面積の平均値が大きい第二部位と、を有する。
【0021】
前記製品では、例えば、前記第二部位に含まれる結晶粒の断面積の平均値は、前記第一部位に含まれる結晶粒の断面積の平均値の１．８倍以上である。
【0022】
前記製品では、例えば、前記溶接金属は、前記第二方向に延びる。
【0023】
前記製品では、例えば、前記溶接金属の、前記第三方向の深さの前記第一方向の幅に対するアスペクト比は、１以上５以下である。
【0024】
前記製品では、例えば、前記アスペクト比は、１．５以上５以下である。
【0025】
前記製品は、例えば、第一部材と、前記第一部材との間に空間を形成した状態で前記第一部材と接合された第二部材と、を備え、前記第一部材および前記第二部材が、前記複数の部材として、前記溶接部によって接合される。
【0026】
前記製品では、例えば、第一部材と、前記第一部材との間に空間を形成した状態で前記第一部材と第三部材を介して間接的に接合された第二部材と、を備え、前記第一部材および前記第三部材、ならびに前記第二部材および前記第三部材、のうち少なくとも一方が、前記複数の部材として、前記溶接部によって接合される。
【0027】
前記製品は、例えば、前記空間内に収容された流体媒質を備え、前記溶接部が、当該溶接部からの前記流体媒質の前記空間外への漏れを防ぐ状態で前記複数の部材を溶接する。
【0028】
本発明の製品にあっては、例えば、それぞれ第二方向に延びた端縁を有し、それぞれの前記端縁が前記第二方向と交差した第一方向に並んだ状態で当該第一方向に重なった端部を構成する複数の部材と、前記複数の部材のうち前記第一方向に隣接した部材の前記端縁同士を溶接した溶接部と、を備え、前記溶接部は、前記第二方向に延びるとともに、前記端部を、前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に沿って前記端部の外側から見た場合に、当該端部の前記第一方向の両端と間隔をあけて露出している。
【0029】
前記製品では、例えば、前記溶接部は、前記第一方向に隣接した前記端縁を含む端部の前記第一方向および前記第二方向に延びた表面から前記第一方向および前記第二方向と交差した第三方向に延びた、溶接金属と、前記溶接金属の周囲に位置される熱影響部と、を有し、前記溶接金属の、前記第三方向の深さの前記第一方向の幅に対するアスペクト比は、１以上５以下である。
【0030】
前記製品では、例えば、前記アスペクト比は、１．５以上５以下である。
【発明の効果】
【0031】
本発明によれば、例えば、重なりあった複数の部材を溶接することが可能な、より改善された新規な溶接方法および溶接装置、ならびに当該溶接方法あるいは当該溶接装置によって溶接された製品を、得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【発明を実施するための形態】
【0033】
以下、本発明の例示的な実施形態および変形例が開示される。以下に示される実施形態および変形例の構成、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、以下の実施形態および変形例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。
【0034】
以下に示される実施形態および変形例は、同様の構成を備えている。よって、各実施形態および変形例の構成によれば、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。
【0035】
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。Ｘ方向は、掃引方向ＳＤであり、溶接部１４の延び方向（長手方向）でもある。Ｙ方向は、積層方向であり、溶接部１４の幅方向（短手方向）でもある。また、Ｚ方向は、加工対象（溶接対象）の表面Ｗａ（加工面、溶接面）の法線方向である。
【0036】
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。
【0037】
［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。
【0038】
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出射する。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。
【0039】
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。
【0040】
他方、レーザ装置１１２は、５００［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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
光学ヘッド１２０は、加工対象としての端部１０ａ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と加工対象との相対移動は、光学ヘッド１２０の移動、加工対象の移動、または光学ヘッド１２０および加工対象の双方の移動により、実現されうる。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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、加工対象へ照射する。
【0049】
加工対象は、第一部材１１と第二部材１２とがＹ方向に重ねられた積層体１０である。積層体１０は、第一部材１１と、第二部材１２と、当該第一部材１１および第二部材１２を溶接した溶接部１４と、を有している。積層体１０は、溶接部１４によって第一部材１１と第二部材１２とが溶接されることにより、製品となる。第一部材１１および第二部材１２は、それぞれ、Ｙ方向と交差して広がった板状の形状を有している。第一部材１１および第二部材１２の溶接部１４によって溶接される部位は、それぞれ、Ｘ方向およびＺ方向に延びている。第一部材１１はおよび第二部材１２は、それぞれ、板状部材とも称されうる。Ｙ方向は、第一方向の一例である。第一部材１１および第二部材１２は、複数の部材の一例である。
【0050】
積層体１０の端部１０ａは、端縁１１ａ，１２ａを有している。端縁１１ａは、第一部材１１の端縁１１ａと、第二部材１２の端縁１２ａと、を含んでいる。端縁１１ａ，１２ａは、それぞれ、Ｘ方向に延びている。端縁１１ａ，１２ａは、端面とも称されうる。端縁１１ａ，１２ａは、Ｙ方向に並んでいる。端縁１１ａ，１２ａは、略面一であるが、多少の段差を有してもよい。端縁１１ａ，１２ａにより、光学ヘッド１２０と面した端部１０ａの表面Ｗａが形作られている。Ｘ方向は、第二方向の一例である。
【0051】
レーザ光Ｌは、端縁１１ａと端縁１２ａとの境界に向けて、端部１０ａの外側から、Ｚ方向の反対方向に、照射される。これにより、端部１０ａには、表面Ｗａから境界に沿ってＺ方向の反対方向に延びる溶接部１４が形成される。すなわち、溶接部１４は、端縁１１ａと端縁１２ａとを接合している。また、溶接部１４は、レーザ光Ｌの表面Ｗａに対する掃引方向ＳＤへの掃引により、表面Ｗａに沿って掃引方向ＳＤ（Ｘ方向）に線状にも延びている。Ｚ方向は、第三方向の一例である。
【0052】
【0053】
押圧部材１５１は、例えば、Ｚ方向と交差して広がる板状の部材であり、例えば、熱伝導性が比較的高い金属材料で作られる。二つの押圧部材１５１は、積層体１０をＹ方向に挟むように配置される。また、支持部材１５２，１５３は、押圧部材１５１を、Ｚ方向に挟むように配置され、押圧部材１５１を保持している。支持部材１５２，１５３は、二つの押圧部材１５１から積層体１０に、Ｙ方向の両側から第一部材１１および第二部材１２がＹ方向に互いに近づく力が印加されるよう、当該二つの押圧部材１５１を保持する。すなわち、保持機構１５０における押圧部材１５１および支持部材１５２，１５３の位置の調整により、積層体１０をレーザ光Ｌに対して適切な位置および姿勢にセットすることができる。
【0054】
また、図２に示されるように、本実施形態では、溶接部１４は、積層体１０をＺ方向の反対方向に見た場合、すなわち端部１０ａの外側からＺ方向に沿って見た場合に、端部１０ａのＹ方向の両側の端１０ａ１と間隔をあけて露出しており、積層体１０のＹ方向の両端面には到達していない。
【0055】
図４は、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４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。
【0056】
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。
【0057】
また、本実施形態では、図４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。
【0058】
第一部材１１と第二部材１２との境界Ｂｒに、端縁１１ａ，１２ａ同士がＹ方向に僅かに離間するギャップ（不図示）が存在する場合、レーザ光Ｌは、当該ギャップを跨ぐように照射される。一例として、レーザ溶接装置１００および積層体１０は、表面Ｗａにおいて、第二レーザ光のビームＢ２が、Ｙ方向に当該ギャップを跨ぐよう、セットされる。この場合には、第二レーザ光のスポットの幅（例えば、図４のスポット径Ｄ２）は、ギャップの幅よりも大きくなる。
【0059】
加工対象としての第一部材１１および第二部材１２は、それぞれ、熱伝導率の比較的高い金属材料で作られ得る。金属材料は、例えば、銅系金属材料や、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、チタン系金属材料などであり、具体的には、銅や、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、錫、ニッケル、ニッケル合金、鉄、ステンレス、チタン、チタン合金等である。第一部材１１および第二部材１２は、同じ材料で作られてもよいし、異なる材料で作られてもよい。
【0060】
［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５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５のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図５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５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５のグラフの横軸は波長であり、縦軸は吸収率である。図５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。
【0061】
材料によって特性が異なるものの、図５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。
【0062】
使用波長に対して吸収率が比較的低い加工対象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。
【0063】
他方、使用波長に対して吸収率が比較的高い加工対象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。
【0064】
本実施形態では、加工対象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、および加工対象の材質が、選択される。この場合、掃引方向が図５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５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。
【0065】
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。
【0066】
また、発明者らの実験的な研究により、図４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、例えば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の溶融池がより安定化するためであると推定できる。
【0067】
［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、積層体１０が、レーザ光Ｌが表面Ｗａに照射されるよう、保持機構１５０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と積層体１０（保持機構１５０）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、第一部材１１と第二部材１２とが溶接され、積層体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、積層体１０が、レーザ光Ｌが表面Ｗａに照射されるよう、保持機構１５０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と積層体１０（保持機構１５０）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、第一部材１１と第二部材１２とが溶接され、積層体１０が一体化される。
【0068】
［溶接部の断面］
図６は、加工対象Ｗに形成された溶接部１４の断面図である。図６は、掃引方向ＳＤ（Ｘ方向）と垂直であるとともに厚さ方向（Ｚ方向）に沿う断面図である。溶接部１４は、掃引方向ＳＤ、すなわち図６の紙面と垂直な方向に、延びている。なお、図６は、厚さ２［ｍｍ］の１枚の銅板である加工対象Ｗに形成された溶接部１４の断面を示している。Ｙ方向に重ねられた複数枚の板状の金属材料に形成される溶接部１４の形態は、図６に示される１枚の金属材料である加工対象Ｗに形成された溶接部１４の形態と略同等であると推定できる。
図６は、加工対象Ｗに形成された溶接部１４の断面図である。図６は、掃引方向ＳＤ（Ｘ方向）と垂直であるとともに厚さ方向（Ｚ方向）に沿う断面図である。溶接部１４は、掃引方向ＳＤ、すなわち図６の紙面と垂直な方向に、延びている。なお、図６は、厚さ２［ｍｍ］の１枚の銅板である加工対象Ｗに形成された溶接部１４の断面を示している。Ｙ方向に重ねられた複数枚の板状の金属材料に形成される溶接部１４の形態は、図６に示される１枚の金属材料である加工対象Ｗに形成された溶接部１４の形態と略同等であると推定できる。
【0069】
図６に示されるように、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の周囲に位置される熱影響部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。また、熱影響部１４ｂは、加工対象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。
【0070】
溶接金属１４ａのＹ方向に沿う幅は、表面Ｗａから離れるほど狭くなっている。すなわち、溶接金属１４ａの断面は、Ｚ方向の反対方向に向けて細くなるテーパ形状を有している。
【0071】
また、発明者らによる当該断面の詳細な分析により、溶接金属１４ａは、表面Ｗａから離れた第一部位１４ａ１と、第一部位１４ａ１と表面Ｗａとの間の第二部位１４ａ２と、を含むことが判明した。
【0072】
第一部位１４ａ１は、第一レーザ光の照射によるキーホール型の溶融によって得られた部位であり、第二部位１４ａ２は、第二レーザ光のビームＢ２中の掃引方向ＳＤの後方に位置する領域Ｂ２ｂの照射による溶融によって得られた部位である。ＥＢＳＤ法（electron back scattered diffraction pattern、電子線後方散乱回折)による解析により、第一部位１４ａ１と第二部位１４ａ２とでは、結晶粒のサイズが異なっており、具体的には、Ｘ方向（掃引方向ＳＤ）と直交する断面において、第二部位１４ａ２の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位１４ａ１の結晶粒の断面積の平均値よりも大きいことが判明した。
【0073】
発明者らは、加工対象Ｗに、第一レーザ光のビームＢ１のみが照射された場合、すなわちビームＢ２中の掃引方向ＳＤの後方に位置する領域Ｂ２ｂの照射が無かった場合には、第二部位１４ａ２が形成されず、第一部位１４ａ１が表面ＷａからＺ方向の反対方向に深く延びていることを確認した。すなわち、本実施形態にあっては、ビームＢ２中の掃引方向ＳＤの後方に位置する領域Ｂ２ｂの照射によって、表面Ｗａの近くに第二部位１４ａ２が形成されるため、第一部位１４ａ１は、当該第二部位１４ａ２に対して表面Ｗａとは反対側、言い換えると、表面ＷａからＺ方向の反対方向に離れた位置に、形成されていると推定できる。
【0074】
図７は、溶接部１４の一部を示す断面図である。図７は、ＥＢＳＤ法によって得られた結晶粒の境界を示している。また、図７中、一例として結晶粒径が１３［μｍ］以下の結晶粒Ａは、黒色に塗られている。なお、１３［μｍ］は、物理的特性の閾値ではなく、当該実験結果の分析のために設定した閾値である。また、図７から、結晶粒Ａは、第一部位１４ａ１には比較的多く存在し、第二部位１４ａ２には比較的少なく存在していることが明らかである。すなわち、第二部位１４ａ２内の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位１４ａ１内の結晶粒の断面積の平均値よりも大きい。発明者らは、実験的な分析により、第二部位１４ａ２内の結晶粒の断面積の平均値は、第一部位１４ａ１内の結晶粒の断面積の平均値の１．８倍以上であることを確認した。
【0075】
図７中の領域Ｉ内に示されているように、このような比較的サイズが小さい結晶粒Ａは、表面ＷａからＺ方向に離れた位置で、Ｚ方向に細長く延びた状態で密集している。また、Ｘ方向（掃引方向ＳＤ）の位置が異なる複数箇所での分析から、結晶粒Ａが密集した領域は、掃引方向ＳＤにも延びていることが確認されている。掃引しながらの溶接であるため、掃引方向ＳＤには結晶が同様の形態に形成されることが推定できる。
【0076】
断面における外観あるいは硬度分布等からは第一部位１４ａ１と第二部位１４ａ２とを判別し難い場合にあっては、図６，７のような、溶接金属１４ａの表面Ｗａにおける位置および幅ｗｂから幾何学的に定めた第一領域Ｚ１および第二領域Ｚ２を、それぞれ、第一部位１４ａ１および第二部位１４ａ２としてもよい。一例として、第一領域Ｚ１および第二領域Ｚ２は、掃引方向ＳＤと直交する断面において、幅ｗｍ（Ｙ方向における等幅）で、Ｚ方向に延びた四角形状の領域であり、第二領域Ｚ２は、表面ＷａからＺ方向に深さｄまでの領域とし、第一領域Ｚ１は、深さｄよりもさらに深い領域、言い換えると深さｄの位置に対して表面Ｗａとは反対側の領域とすることができる。幅ｗｍは、例えば、溶接金属１４ａの表面Ｗａでの幅ｗｂ（ビード幅の平均値）の１／３とし、第二領域Ｚ２の深さｄ（高さ、厚さ）は、例えば、幅ｗｂの１／２とすることができる。また、第一領域Ｚ１の深さは、例えば、第二領域Ｚ２の深さｄの３倍とすることができる。発明者らは、複数サンプルに対する実験的な分析により、このような第一領域Ｚ１および第二領域Ｚ２の設定において、第二領域Ｚ２における結晶粒の断面積の平均値は、第一領域Ｚ１における結晶粒の断面積の平均値よりも大きく、かつ、１．８倍以上となっていたことを確認した。このような判別も、溶接により、溶接金属１４ａにおいて第一部位１４ａ１と第二部位１４ａ２とが形成されていることの証拠となりうる。
【0077】
また、発明者らの実験的な研究により、溶接金属１４ａのアスペクト比、すなわち、溶接金属１４ａの表面Ｗａにおける幅ｗｂに対する深さｄｍの比（ｄｍ／ｗｂ）は、溶接強度の確保および溶接幅の抑制の観点から、１以上５以下であるのが好適であり、１．５以上５以下であるのがさらに好適であることが判明した。
【0078】
以上、説明したように、本実施形態では、例えば、ファイバレーザを含むレーザ装置１１１，１１２（レーザ発振器）から出射されたレーザ光Ｌを端部１０ａの外側からＺ方向に沿って（Ｚ方向の反対方向に）照射することによりＹ方向（第一方向）に隣接した端縁１１ａ，１２ａが溶接される。レーザ光Ｌの波長は、３８０［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下である。
【0079】
このような構成および方法によれば、例えば、溶接幅に対する溶接深さが比較的大きく所要の溶接強度を有した溶接部１４が得られやすい。また、溶接時の溶融金属内部への空気の巻き込みが抑えられ、溶接欠陥を低減できる。
【0080】
また、本実施形態では、レーザ光Ｌは、例えば、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下の波長の第一レーザ光と、５００［ｎｍ］以下の波長の第二レーザ光と、を含んでいる。
【0081】
また、本実施形態では、例えば、第二レーザ光の波長は、４００［ｎｍ］以上５００［ｎｍ］以下である。
【0082】
このような構成および方法によれば、例えば、よりスパッタやブローホールのような溶接欠陥の少ないより高品質な溶接部１４が得られやすい。
【0083】
また、本実施形態では、例えば、端縁１１ａ，１２ａ間の境界Ｂｒにギャップが設けられていた場合、第二レーザ光は、表面Ｗａにおいて、当該ギャップを跨ぐように照射される。
【0084】
このような構成および方法によれば、例えば、金属材料における吸収率が比較的高い第二レーザ光の照射によりギャップの両側の端縁１１ａ，１２ａにおいて熱伝導型の溶融領域が生じるため、溶接部１４によってギャップをより確実に埋めることができ、ひいては、より接合強度の高い溶接部１４が得られやすい。
【0085】
また、本実施形態では、例えば、表面Ｗａ上において、第二レーザ光のビームＢ２（第二スポット）の少なくとも一部は、第一レーザ光のビームＢ１（第一スポット）よりも掃引方向ＳＤの前方に位置している。
【0086】
また、本実施形態では、例えば、表面Ｗａ上において、ビームＢ１とビームＢ２とは少なくとも部分的に重なっている。
【0087】
また、本実施形態では、例えば、表面Ｗａ上において、ビームＢ２は、ビームＢ１よりも広い。
【0088】
また、本実施形態では、例えば、表面Ｗａ上において、ビームＢ２の外縁Ｂ２ａ（第二外縁）は、ビームＢ１の外縁Ｂ１ａ（第一外縁）を取り囲んでいる。
【0089】
上述したように、発明者らは、表面Ｗａ上にこのようなビームＢ１，Ｂ２を形成するレーザ光Ｌのビームの照射による溶接にあっては、溶接欠陥を低減できることを確認した。これは、上述したように、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。よって、このようなビームＢ１，Ｂ２を有したレーザ光Ｌによれば、例えば、より溶接欠陥の少ないより溶接品質の高い溶接を実行することができる。また、このようなビームＢ１，Ｂ２の設定によれば、例えば、第一レーザ光のパワーをより低くすることができるという利点も得られる。また、ビームＢ１とビームＢ２とが同軸で照射される場合にあっては、光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとの相対的な回転が不要となるという利点も得られる。
【0090】
また、本実施形態では、例えば、溶接金属１４ａのアスペクト比は、好適には、１以上５以下であり、さらに好適には１．５以上５以下である。
【0091】
このような構成によれば、例えば、所要の溶接強度が得られやすい上、溶接幅が大きくなり過ぎるのを抑制することができる。
【0092】
また、本実施形態では、例えば、加工対象は、銅系金属材料、アルミニウム系金属材料、ニッケル系金属材料、鉄系金属材料、およびチタン系金属材料のうちのいずれかで作られる。
【0093】
本実施形態の溶接方法による効果は、加工対象が上記材料のうちのいずれかで作られている場合に、得られる。なお、金属材料は、導電性を有してもよいし、導電性を有しなくてもよい。
【0094】
［保持機構の変形例］
図８は、保持機構１５０Ａの別の一例を示す側面図である。保持機構１５０Ａは、上記第１実施形態の保持機構１５０に替えて装備されうる。保持機構１５０Ａは、押圧部材１５１Ａと、ベース１５４と、支持部材１５５と、を有している。二つの押圧部材１５１Ａは、積層体１０をＹ方向に挟むように配置されている。二つの支持部材１５５は、それぞれ、Ｙ方向に沿った回転軸Ａｘ回りに回転可能に、押圧部材１５１Ａを支持している。また、二つの支持部材１５５は、積層体１０に対してＹ方向の両側に配置され、それぞれ、ベース１５４上にＹ方向の位置を変更可能に取り付けられている。そして、二つの支持部材１５５は、二つの押圧部材１５１から積層体１０に、Ｙ方向の両側から第一部材１１および第二部材１２がＹ方向に互いに近づく力が印加されるよう、ベース１５４に固定される。すなわち、保持機構１５０Ａにおける支持部材１５５の位置の調整により、積層体１０をレーザ光Ｌに対して適切な位置および姿勢にセットすることができる。また、支持部材１５５に対して押圧部材１５１Ａおよび積層体１０を回転軸Ａｘ回りに回転させることにより、端部１０ａの表面Ｗａに対してレーザ光Ｌを掃引することができる。
図８は、保持機構１５０Ａの別の一例を示す側面図である。保持機構１５０Ａは、上記第１実施形態の保持機構１５０に替えて装備されうる。保持機構１５０Ａは、押圧部材１５１Ａと、ベース１５４と、支持部材１５５と、を有している。二つの押圧部材１５１Ａは、積層体１０をＹ方向に挟むように配置されている。二つの支持部材１５５は、それぞれ、Ｙ方向に沿った回転軸Ａｘ回りに回転可能に、押圧部材１５１Ａを支持している。また、二つの支持部材１５５は、積層体１０に対してＹ方向の両側に配置され、それぞれ、ベース１５４上にＹ方向の位置を変更可能に取り付けられている。そして、二つの支持部材１５５は、二つの押圧部材１５１から積層体１０に、Ｙ方向の両側から第一部材１１および第二部材１２がＹ方向に互いに近づく力が印加されるよう、ベース１５４に固定される。すなわち、保持機構１５０Ａにおける支持部材１５５の位置の調整により、積層体１０をレーザ光Ｌに対して適切な位置および姿勢にセットすることができる。また、支持部材１５５に対して押圧部材１５１Ａおよび積層体１０を回転軸Ａｘ回りに回転させることにより、端部１０ａの表面Ｗａに対してレーザ光Ｌを掃引することができる。
【0095】
［第２実施形態］
図９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。本実施形態では、光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１－１とミラー１２３との間に、ＤＯＥ１２５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９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。本実施形態では、光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１－１とミラー１２３との間に、ＤＯＥ１２５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。
【0096】
ＤＯＥ１２５は、第一レーザ光のビームＢ１の形状（以下、ビーム形状と称する）を成形する。図１０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、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。
【0097】
なお、光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１－２の後段に設けられ第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパや、フィルタ１２４の後段に設けられ第一レーザ光および第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパ等を有してもよい。ビームシェイパによってレーザ光Ｌのビーム形状を適宜に整えることにより、溶接欠陥の発生をより一層抑制することができる。
【0098】
また、図９の構成にあっては、ＤＯＥ１２５によって第二レーザ光のビーム形状と同等のビームを生成することができ、これにより、レーザ装置１１２を省略することができる。この場合も、溶接においてスパッタの発生を抑制することができる。
【0099】
［第３実施形態］
図１１は、第３実施形態のレーザ溶接装置１００Ｂの概略構成図である。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１００Ｂ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１１は、第３実施形態のレーザ溶接装置１００Ｂの概略構成図である。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１００Ｂ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。
【0100】
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、例えば不図示のモータによって変更される。このような構成によれば、光学ヘッド１２０と加工対象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。
【0101】
［第４実施形態］
図１２は、第４実施形態のレーザ溶接装置１００Ｃの概略構成図である。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（ビームシェイパ）を有している。この点を除き、レーザ溶接装置１００Ｃは、第３実施形態のレーザ溶接装置１００Ｂと同様の構成を備えている。このような構成によれば、ガルバノスキャナ１２６を有することによる第３実施形態と同様の効果、およびＤＯＥ１２５（ビームシェイパ）を有することによる第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
図１２は、第４実施形態のレーザ溶接装置１００Ｃの概略構成図である。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（ビームシェイパ）を有している。この点を除き、レーザ溶接装置１００Ｃは、第３実施形態のレーザ溶接装置１００Ｂと同様の構成を備えている。このような構成によれば、ガルバノスキャナ１２６を有することによる第３実施形態と同様の効果、およびＤＯＥ１２５（ビームシェイパ）を有することによる第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0102】
なお、本実施形態においても、光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１－１の後段に設けられ第一レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパや、フィルタ１２４の後段に設けられ第一レーザ光および第二レーザ光のビーム形状を調整するビームシェイパ等を有してもよい。
【0103】
［第５実施形態］
図１３は、第５実施形態のレーザ溶接装置１００Ｄの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド１２０は、それぞれ別のボディ（ハウジング）によって構成された、第一レーザ光Ｌ１を照射する第一部位１２０－１と、第二レーザ光Ｌ２を照射する第二部位１２０－２と、を備えている。このような構成によっても、上記実施形態と同様の作用および効果が得られる。
図１３は、第５実施形態のレーザ溶接装置１００Ｄの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド１２０は、それぞれ別のボディ（ハウジング）によって構成された、第一レーザ光Ｌ１を照射する第一部位１２０－１と、第二レーザ光Ｌ２を照射する第二部位１２０－２と、を備えている。このような構成によっても、上記実施形態と同様の作用および効果が得られる。
【0104】
図１４，１５は、レーザ溶接装置１００Ｄによって表面Ｗａ上に形成されたレーザ光のビームＢ１，Ｂ２の例を示している。図１４，１５に示されるように、レーザ溶接装置１００Ｄによれば、第一部位１２０－１と第二部位１２０－２との相対位置や姿勢の設定により、ビームＢ１，Ｂ２の相対位置を、任意に設定することができる。発明者らの研究により、表面Ｗａ上において、図１４，１５のように、ビームＢ２（第二スポット）の少なくとも一部がビームＢ１（第一スポット）よりも掃引方向ＳＤの前方に位置している場合、およびビームＢ１とビームＢ２とが互いに接するかあるいは少なくとも部分的に重なっている場合においては、ビームＢ２の予熱効果による第１実施形態と同様の効果が得られることが判明している。また、ビームＢ２の少なくとも一部がビームＢ１よりも掃引方向ＳＤの前方に位置している場合にあっては、ビームＢ１とビームＢ２とは微少距離離間していてもよいことも判明している。なお、図１４，１５は、それぞれ一例に過ぎず、レーザ溶接装置１００Ｄによって得られるビームＢ１，Ｂ２の配置や各ビームＢ１，Ｂ２のサイズは、図１４，１５の例には限定されない。
【0105】
［第６実施形態］
図１６は、第６実施形態のベーパチャンバ１０Ｅの斜視図であり、図１７は、図１６のXVII－XVII断面図である。図１６に示されるように、ベーパチャンバ１０Ｅは、扁平な四角形状かつ板状の第一部材１１および第二部材１２を備えている。第一部材１１および第二部材１２は、熱伝導性の比較的高い金属材料で作られる。また、第一部材１１および第二部材１２は、Ｙ方向に重なっている。そして、ベーパチャンバ１０Ｅでは、Ｙ方向に重なった第一部材１１および第二部材１２の周縁部としての端部１０ａにおいて、端縁１１ａ，１２ａが溶接部１４によって全周溶接されている。ベーパチャンバ１０Ｅは、製品の一例である。
図１６は、第６実施形態のベーパチャンバ１０Ｅの斜視図であり、図１７は、図１６のXVII－XVII断面図である。図１６に示されるように、ベーパチャンバ１０Ｅは、扁平な四角形状かつ板状の第一部材１１および第二部材１２を備えている。第一部材１１および第二部材１２は、熱伝導性の比較的高い金属材料で作られる。また、第一部材１１および第二部材１２は、Ｙ方向に重なっている。そして、ベーパチャンバ１０Ｅでは、Ｙ方向に重なった第一部材１１および第二部材１２の周縁部としての端部１０ａにおいて、端縁１１ａ，１２ａが溶接部１４によって全周溶接されている。ベーパチャンバ１０Ｅは、製品の一例である。
【0106】
図１７に示されるように、第一部材１１と第二部材１２との間には、流体媒質Ｆの収容室１０ｂが設けられている。収容室１０ｂは、例えば、第二部材１２に第一部材１１に向けて開口した有底の凹部が設けられることにより、形成されている。凹部は、開口部とも称されうる。収容室１０ｂは、空間の一例である。
【0107】
ベーパチャンバ１０Ｅは、高温部と低温部とに渡って設けられる。高温部は、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）のような発熱体であり、低温部は、例えば、ヒートシンクのような放熱体である。流体媒質Ｆは、高温部から受熱することにより液相から気相に変化するとともに、低温部へ放熱することにより気相から液相に変化する。収容室１０ｂ内の高温部と隣接する領域で気体となった流体媒質Ｆは、当該気体の状態で、収容室１０ｂ内を、当該収容室１０ｂ内の低温部と隣接した領域へ移動する。また、収容室１０ｂ内の低温部と隣接した領域で液体となった流体媒質Ｆは、収容室１０ｂ内を、毛細管現象により、収容室１０ｂ内の高温部と隣接した領域へ移動する。このような、流体媒質Ｆによる熱の輸送により、ベーパチャンバ１０Ｅは、高温部の冷却機構として機能することができる。
【0108】
図１７に示されるように、端縁１１ａと端縁１２ａとが、溶接部１４によって接合されている。溶接部１４は、上述した実施形態や変形例に示された溶接方法およびレーザ溶接装置１００，１００Ａ～１００Ｄによって形成されうる。溶接部１４は、上記第１実施形態の溶接部１４と同様の構成を有している。第一部材１１および第二部材１２の周縁部としての端部１０ａが溶接部１４によって全周溶接されることにより、収容室１０ｂ内に流体媒質Ｆが封止される。
【0109】
以上の本実施形態によれば、上記実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、本実施形態のベーパチャンバ１０Ｅによれば、例えば、溶接幅に対する溶接深さが比較的大きくより高い溶接強度を有した溶接部１４や、より溶接欠陥の少ないより高品質な溶接部１４が得られやすい。
【0110】
［第６実施形態の変形例］
図１８～２２は、第６実施形態の変形例のベーパチャンバ１０Ｆ～１０Ｉを示している。図１８に示される第１変形例のベーパチャンバ１０Ｆでは、第一部材１１のフランジ１１ｂの端縁１１ａと第二部材１２の端縁１２ａとが溶接部１４によって溶接されている。このベーパチャンバ１０Ｆでも、第一部材１１および第二部材１２の周縁部としての端部１０ａが溶接部１４によって全周溶接されることにより、収容室１０ｂ内に流体媒質Ｆが封止される。本変形例では、収容室１０ｂを形成する凹部は、第一部材１１のみに設けられている。
図１８～２２は、第６実施形態の変形例のベーパチャンバ１０Ｆ～１０Ｉを示している。図１８に示される第１変形例のベーパチャンバ１０Ｆでは、第一部材１１のフランジ１１ｂの端縁１１ａと第二部材１２の端縁１２ａとが溶接部１４によって溶接されている。このベーパチャンバ１０Ｆでも、第一部材１１および第二部材１２の周縁部としての端部１０ａが溶接部１４によって全周溶接されることにより、収容室１０ｂ内に流体媒質Ｆが封止される。本変形例では、収容室１０ｂを形成する凹部は、第一部材１１のみに設けられている。
【0111】
図１９に示される第２変形例のベーパチャンバ１０Ｇでは、第一部材１１の外周面としての端縁１１ａと第二部材１２の端縁１２ａとが溶接部１４によって溶接されている。このベーパチャンバ１０Ｇでも、第一部材１１および第二部材１２の周縁部としての端部１０ａが溶接部１４によって全周溶接されることにより、収容室１０ｂ内に流体媒質Ｆが封止される。本変形例でも、収容室１０ｂを形成する凹部は、第一部材１１のみに設けられている。
【0112】
図２０に示される第３変形例のベーパチャンバ１０Ｈでは、第一部材１１の外周面としての端縁１１ａと第二部材１２の外周面としての端縁１２ａとが溶接部１４によって溶接されている。このベーパチャンバ１０Ｈでも、第一部材１１および第二部材１２の周縁部としての端部１０ａが溶接部１４によって全周溶接されることにより、収容室１０ｂ内に流体媒質Ｆが封止される。本変形例では、収容室１０ｂを形成する凹部は、第一部材１１および第二部材１２の双方に設けられている。
【0113】
図２１は、第４変形例のベーパチャンバ１０Ｉの分解斜視図であり、図２２は、ベーパチャンバ１０Ｉの略中心を通るＹ方向に沿った断面図である。本変形例では、第一部材１１と第二部材１２との間に、第三部材１３が介在している。第三部材１３は、扁平な四角形状かつ板状の部材であり、熱伝導性の比較的高い金属材料で作られる。また、第三部材１３は、第一部材１１および第二部材１２と、Ｙ方向に重なっている。第三部材１３には、Ｙ方向（積層方向）に貫通した貫通穴としての複数のスリット１３ｂが設けられている。各スリット１３ｂのＹ方向の両側が第一部材１１および第二部材１２によって塞がれることにより、ベーパチャンバ１０Ｉ内に、流体媒質Ｆの収容室１０ｂが形成されている。貫通穴は、開口部の一例である。なお、スリット１３ｂに替えて第三部材１３を開口しない凹部が設けられてもよいし、スリット１３ｂ（貫通穴）は一つであってもよい。
【0114】
そして、ベーパチャンバ１０Ｉでは、Ｙ方向に重なった第一部材１１および第三部材１３の周縁部としての端部１０ａにおいて、端縁１１ａ，１３ａが溶接部１４によって全周溶接されている。また、Ｙ方向に重なった第二部材１２および第三部材１３の周縁部としての端部１０ａにおいて、端縁１２ａ，１３ａが溶接部１４によって全周溶接されている。第三部材１３は、複数の部材のうちの一つである。本変形例のベーパチャンバ１０Ｉでも、溶接部１４による全周溶接により、収容室１０ｂ内に流体媒質Ｆが封止される。以上の第１～第４変形例によっても、第６実施形態と同様の効果が得られる。
【0115】
［第７実施形態］
図２３は、第５実施形態のレーザ溶接装置１００Ｊの概略構成図である。本実施形態のレーザ溶接装置１００Ｊは、第２実施形態のレーザ溶接装置１００Ａをベースとして改変されている。レーザ溶接装置１００Ｊは、レーザ溶接装置１００Ａの構成要素に加えて、制御部１６１、カメラ１６２、駆動機構１６３、ミラー１６４、およびフィルタ１６５を備えている。
図２３は、第５実施形態のレーザ溶接装置１００Ｊの概略構成図である。本実施形態のレーザ溶接装置１００Ｊは、第２実施形態のレーザ溶接装置１００Ａをベースとして改変されている。レーザ溶接装置１００Ｊは、レーザ溶接装置１００Ａの構成要素に加えて、制御部１６１、カメラ１６２、駆動機構１６３、ミラー１６４、およびフィルタ１６５を備えている。
【0116】
フィルタ１６５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１６５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１６４に向けて反射する。ミラー１６４で反射した光は、カメラ１６２に入力される。このような構成により、カメラ１６２は、表面Ｗａ上の画像を撮影することができる。カメラ１６２による撮影画像には、例えば、端縁１１ａ，１２ａの境界の画像と、レーザ光Ｌによるビーム（スポット）の画像とが、含まれている。すなわち、画像には、表面Ｗａ上に形成されるレーザ光Ｌのスポットの、レーザ光Ｌが本来照射されるべき境界の位置（所定位置）に対するずれが、現れていることになる。よって、カメラ１６２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１６２は、当該ずれを検出する検出機構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、撮影画像にスポットの画像は含まれている必要は無く、制御部１６１は、撮影画像中の端縁１１ａ，１２ａの境界の画像の位置から、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を検出することができる。
【0117】
制御部１６１は、カメラ１６２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１６３を制御する。駆動機構１６３は、制御部１６１からの指令（電気信号）に応じて作動するアクチュエータであり、光学ヘッド１２０を、Ｚ方向と交差する方向、例えばＹ方向に、動かすことができる。駆動機構１６３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、有することができる。この際、制御部１６１は、ずれが所定の閾値以内となるまで制御を実行するフィードバック制御を実行してもよい。制御部１６１および駆動機構１６３は、補正機構の一例である。このような構成により、溶接部１４の所定位置に対する位置ずれを減らすことがき、ひいては、溶接部１４の溶接強度をより高めることができるという、利点が得られる。
【0118】
なお、第３実施形態や第４実施形態のように、ガルバノスキャナ１２６を有するレーザ溶接装置１００Ｂ，１００Ｃに適用する場合、制御部１６１は、駆動機構１６３により光学ヘッド１２０の位置を変更するのに変えて、レーザ光Ｌの照射方向を変更し、ひいては表面Ｗａにおけるスポットの位置を変更してもよい。このような構成によっても、同様の作用および効果を得ることができる。この場合、制御部１６１およびガルバノスキャナ１２６が、補正機構の一例となる。
【0119】
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。
【0120】
例えば、ベーパチャンバは製品の一例であって、製品は、ベーパチャンバには限定されない。
【0121】
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。
【0122】
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】
【0123】
１０…積層体（製品）
１０Ｅ～１０Ｉ…ベーパチャンバ（製品）
１０ａ…端部
１０ａ１…端
１０ｂ…収容室（空間）
１１…第一部材
１１ａ…端縁
１１ｂ…フランジ
１２…第二部材
１２ａ…端縁
１３…第三部材
１３ａ…端縁
１３ｂ…スリット
１４…溶接部
１４ａ…溶接金属
１４ａ１…第一部位
１４ａ２…第二部位
１４ｂ…熱影響部
１００，１００Ａ～１００Ｄ，１００Ｊ…レーザ溶接装置（溶接装置）
１１１…レーザ装置（第一レーザ発振器）
１１２…レーザ装置（第二レーザ発振器）
１２０…光学ヘッド
１２０－１…第一部位
１２０－２…第二部位
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（回折光学素子）
１２５ａ…回折格子
１２６…ガルバノスキャナ（補正機構）
１２６ａ，１２６ｂ…ミラー
１３０…光ファイバ
１５０，１５０Ａ…保持機構
１５１，１５１Ａ…押圧部材
１５２，１５３…支持部材
１５４…ベース
１５５…支持部材
１６１…制御部（補正機構）
１６２…カメラ（検出機構）
１６３…駆動機構（補正機構）
１６４…ミラー
１６５…フィルタ
Ａ…結晶粒
Ａｘ…回転軸
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
Ｂｒ…境界
Ｃ…中心点
Ｄ１…スポット径（外径）
Ｄ２…スポット径（外径）
ｄ…深さ
ｄｍ…（溶接金属の）深さ
Ｆ…流体媒質
Ｉ…領域
Ｌ…レーザ光
Ｌ１…第一レーザ光
Ｌ２…第二レーザ光
ＳＤ…掃引方向
Ｗ…加工対象
Ｗａ…表面
ｗｂ…（溶接金属の表面での）幅
ｗｍ…（第一領域および第二領域の）幅
Ｘ…方向（第二方向）
Ｙ…方向（第一方向、積層方向）
Ｚ…方向（第三方向）
Ｚ１…第一領域（第一部位）
Ｚ２…第二領域（第二部位）
１０Ｅ～１０Ｉ…ベーパチャンバ（製品）
１０ａ…端部
１０ａ１…端
１０ｂ…収容室（空間）
１１…第一部材
１１ａ…端縁
１１ｂ…フランジ
１２…第二部材
１２ａ…端縁
１３…第三部材
１３ａ…端縁
１３ｂ…スリット
１４…溶接部
１４ａ…溶接金属
１４ａ１…第一部位
１４ａ２…第二部位
１４ｂ…熱影響部
１００，１００Ａ～１００Ｄ，１００Ｊ…レーザ溶接装置（溶接装置）
１１１…レーザ装置（第一レーザ発振器）
１１２…レーザ装置（第二レーザ発振器）
１２０…光学ヘッド
１２０－１…第一部位
１２０－２…第二部位
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（回折光学素子）
１２５ａ…回折格子
１２６…ガルバノスキャナ（補正機構）
１２６ａ，１２６ｂ…ミラー
１３０…光ファイバ
１５０，１５０Ａ…保持機構
１５１，１５１Ａ…押圧部材
１５２，１５３…支持部材
１５４…ベース
１５５…支持部材
１６１…制御部（補正機構）
１６２…カメラ（検出機構）
１６３…駆動機構（補正機構）
１６４…ミラー
１６５…フィルタ
Ａ…結晶粒
Ａｘ…回転軸
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
Ｂｒ…境界
Ｃ…中心点
Ｄ１…スポット径（外径）
Ｄ２…スポット径（外径）
ｄ…深さ
ｄｍ…（溶接金属の）深さ
Ｆ…流体媒質
Ｉ…領域
Ｌ…レーザ光
Ｌ１…第一レーザ光
Ｌ２…第二レーザ光
ＳＤ…掃引方向
Ｗ…加工対象
Ｗａ…表面
ｗｂ…（溶接金属の表面での）幅
ｗｍ…（第一領域および第二領域の）幅
Ｘ…方向（第二方向）
Ｙ…方向（第一方向、積層方向）
Ｚ…方向（第三方向）
Ｚ１…第一領域（第一部位）
Ｚ２…第二領域（第二部位）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】