JP7547145B2 - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。

金属材料で作られた対象物を溶接する手法の一つとして、対象物の表面上にフィラーワイヤを供給しながらレーザ光を照射して溶接を実行するレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置が知られている（例えば、特許文献１）。

国際公開第２０２０／０２６７５０号

この種のレーザ溶接にあっては、フィラーワイヤを用いないレーザ溶接に比べて、例えばフィラーワイヤの直径など、設定するパラメータが増えるため、例えばビードの割れやスパッタのような溶接不良が生じないようにするための各パラメータの設定に、より長い時間を要する場合があった。

そこで、本発明の課題の一つは、例えば、フィラーワイヤを供給しながらレーザ光を照射するレーザ溶接において、より容易により溶接不良の少ないレーザ溶接を可能とするような、改善された新規なレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を得ること、である。

本発明のレーザ溶接方法は、例えば、対象物の表面上にフィラーワイヤを供給するとともに、当該表面にレーザ光を前記対象物に対して相対的に掃引方向に掃引して照射することにより、前記フィラーワイヤを溶融するとともに当該対象物を溶接するレーザ溶接方法であって、前記フィラーワイヤの直径に対する、前記レーザ光の前記表面上での前記掃引方向と直交する方向における幅の比である幅比が、０．８以上である。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記幅比が、４以下であってもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記幅比は、１．５以上３．６以下であってもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記レーザ光は、環状の第一パワー領域を有してもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記レーザ光は、第一パワー領域によって囲まれた第二パワー領域を有してもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記レーザ光は、第一パワー領域と、前記掃引方向と直交する方向における幅が前記第一パワー領域よりも狭い第二パワー領域と、を有し、前記第一パワー領域は、少なくとも部分的に前記第二パワー領域よりも前記掃引方向の前方に位置してもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記第一パワー領域における前記レーザ光のパワーに対する前記第二パワー領域における前記レーザ光のパワーの比であるパワー比が、０以上９以下であってもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記パワー比は、３／７以上７／３以下であってもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記フィラーワイヤは、前記第一パワー領域を形成する前記レーザ光が照射される位置に配置されるとともに、前記第二パワー領域を形成する前記レーザ光が照射される位置とは異なる位置に配置されてもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記第一パワー領域は、前記レーザ光の複数のビームを含んでもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記複数のビームは、円環状に配置されてもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記複数のビームは、四角形状の環状に配置されてもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記レーザ光は複数のビームを含み、前記複数のビームが、ビームシェイパによって形成されてもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記ビームシェイパは回折光学素子であってもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記フィラーワイヤは、前記表面上に形成された溶融池と接するように位置され、前記フィラーワイヤの前記溶融池と接した端面のうち前記表面に近い第一端部は、前記レーザ光の前記表面における照射中心から第一方向に離間し、前記溶融池の前記第一方向の第二端部は、前記照射中心から前記第一方向に前記第一端部よりも離れて位置してもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記第一方向は、前記掃引方向であってもよい。

前記レーザ溶接方法にあっては、前記レーザ光および前記フィラーワイヤは、前記表面に対して前記第一方向に掃引されてもよい。

本発明のレーザ溶接装置は、例えば、レーザ光を対象物の表面に照射する光学ヘッドと、前記表面上にフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給部と、を備え、前記レーザ光を前記表面に前記対象物に対して相対的に掃引方向に掃引して照射することにより、前記フィラーワイヤを溶融するとともに当該対象物を溶接するレーザ溶接装置であって、前記フィラーワイヤの直径に対する、前記レーザ光の前記表面上での前記掃引方向と直交する方向における幅の比である幅比が、０．８以上である。

本発明によれば、例えば、改善された新規なレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を得ることができる。

図１は、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は、実施形態のレーザ溶接方法における溶接部位の模式的かつ例示的な側面図である。 図３は、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４は、実施形態のレーザ溶接装置から照射されたレーザ光の対象物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５Ａは、実施形態のレーザ溶接方法によって対象物の表面上に形成されたビードの一例を示す平面図である。 図５Ｂは、実施形態のレーザ溶接方法によって対象物の表面上に形成されたビードの一例を示す平面図である。 図５Ｃは、実施形態のレーザ溶接方法によって対象物の表面上に形成されたビードの一例を示す平面図である。 図５Ｄは、実施形態のレーザ溶接方法によって対象物の表面上に形成されたビードの一例を示す平面図である。 図６は、実施形態のレーザ溶接装置から照射されたレーザ光の対象物の表面上におけるビーム（スポット）の別の一例を示す模式図である。

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。

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、対象物Ｗの表面Ｗａ（加工面）の法線方向であり、レーザ光Ｌの照射方向の反対方向である。

また、本明細書において、序数は、部品や、部材、部位、領域、工程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。

［実施形態］
［レーザ溶接装置の構成］
図１は、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。図１に示されるように、レーザ溶接装置１００は、レーザ装置１１０と、光学ヘッド１２０と、光ファイバ１３０と、フィラーワイヤＦの供給機構１４０と、を備えている。

レーザ溶接装置１００は、対象物Ｗの表面Ｗａにレーザ光Ｌを照射するとともに、当該表面Ｗａ上にフィラーワイヤＦを供給する。レーザ光Ｌのエネルギによって、対象物ＷおよびフィラーワイヤＦが溶融され、固化されることにより、対象物Ｗが溶接される。

対象物Ｗは、複数の部材（不図示）を有しており、レーザ溶接によって、当該複数の部材が接合される。

対象物Ｗとなる複数の部材は、それぞれ、例えば、鉄や鉄合金のような鉄系の金属材料、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の金属材料、銅や銅合金のような銅系の金属材料等で、作られうる。複数の部材は、同じ金属材料で作られてもよいし、互いに異なる金属材料で作られてもよい。

フィラーワイヤＦは、溶加材とも称され、溶接時に追加されるワイヤ状の金属材料である。フィラーワイヤＦにより、複数の部材間に隙間がある場合に当該隙間を埋める金属材料を供給できたり、当該複数の部材が異種金属である場合に接合強度を弱める金属間化合物の生成を抑制する添加物を供給できたり、といった利点がもたらされる。

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。

光ファイバ１３０は、レーザ装置１１０と光学ヘッド１２０とを光学的に接続している。言い換えると、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。Ｍ^２ビーム品質は、Ｍ２ファクタとも称されうる。

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、対象物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。なお、光学ヘッド１２０が備える光学部品は、コリメートレンズ１２１、集光レンズ１２２、およびＤＯＥ１２３には限定されない。

光学ヘッド１２０は、表面Ｗａ上でレーザ光Ｌを掃引するために、対象物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と対象物Ｗとの相対移動は、光学ヘッド１２０の移動、対象物Ｗの移動、または光学ヘッド１２０および対象物Ｗの双方の移動により、実現されうる。光学ヘッド１２０と対象物Ｗとの相対移動により、レーザ光Ｌの照射位置は、対象物Ｗの表面Ｗａ上で、掃引方向ＳＤへ移動する。なお、本実施形態では、掃引方向ＳＤがＸ方向である場合について例示している。

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、対象物Ｗに照射する。

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。

フィラーワイヤＦの供給機構１４０は、送出装置１４１と、ノズル１４２と、を有している。送出装置１４１は、設定された一定の速度でフィラーワイヤＦを送り出す。ノズル１４２は、送出装置１４１から送り出されたフィラーワイヤＦを、設定された角度で、表面Ｗａ上の設定された位置に向けて送り出す。送出装置１４１におけるフィラーワイヤＦの送出速度は、可変に設定することができる。供給機構１４０は、フィラーワイヤ供給部の一例である。

ノズル１４２は、光学ヘッド１２０に対して相対的に静止した状態となるよう、構成されている。一例として、ノズル１４２は、光学ヘッド１２０または当該光学ヘッド１２０を移動可能に支持する支持部材に固定されている。

図２は、溶接部位を拡大した側面図であって、表面Ｗａ上にフィラーワイヤＦが供給されるとともにレーザ光Ｌが照射され、溶接されている状態を模式的に示している。図２は、表面Ｗａに沿うとともに掃引方向ＳＤに対して直交する方向に見た図である。

光学ヘッド１２０およびノズル１４２は、表面Ｗａに沿って掃引方向ＳＤに一体に動く。また、送出装置１４１におけるフィラーワイヤＦの送出速度は、図２に示される形態が維持されるよう、すなわち、溶接部位に対してフィラーワイヤＦが供給過多とならず、かつ供給不足とならないよう、適宜に設定される。これにより、レーザ光ＬおよびフィラーワイヤＦは、図２の形態を略維持しながら、表面Ｗａに対して、掃引方向ＳＤに一体に移動する。

レーザ光Ｌの光軸中心とフィラーワイヤＦの中心軸とは、同一のＸＺ平面に略沿っている。ＸＺ平面は、Ｘ方向およびＺ方向に沿う面であり、掃引方向ＳＤとレーザ光Ｌの照射方向とに沿う面である。

レーザ光Ｌは、表面Ｗａに対し、Ｚ方向の反対方向に向けて照射される。また、フィラーワイヤＦは、溶接部位に向けて、図２中に示される供給方向Ｓに供給される。供給方向Ｓは、掃引方向ＳＤの反対方向とレーザ光Ｌの照射方向との間の方向、すなわち、Ｚ方向の反対方向とＸ方向の反対方向との間の方向である。

また、フィラーワイヤＦの供給位置は、一例として、表面Ｗａ上におけるレーザ光Ｌの照射中心Ｃから掃引方向ＳＤにずれている。

図２に示されるように、溶接中、表面Ｗａ上には、レーザ光Ｌの照射によって対象物ＷおよびフィラーワイヤＦが溶融した液状の溶融池Ｍが形成される。レーザ光Ｌの掃引方向ＳＤへの移動に伴って、溶融池Ｍのうちレーザ光Ｌの照射領域から外れた部位が冷却され固化される。これにより、ビードＢが表面Ｗａ上において溶融池Ｍから掃引方向ＳＤの反対方向に向けて延びることになる。

図２に示される例では、溶接中、フィラーワイヤＦの端面Ｆｅは、液状の溶融池Ｍの表面と接している。また、溶融池Ｍの掃引方向ＳＤの先端ｅ２は、端面Ｆｅのうち表面Ｗａに近い下端ｅ１よりも、レーザ光Ｌの照射中心Ｃから掃引方向ＳＤに離れて位置している。発明者らの実験的な研究により、溶接中、このような形態が得られた場合には、溶融池Ｍが安定し、ビードＢの割れや、ハンピング、スパッタのような溶接不良の少ない好適な溶接状態が得られることが判明した。なお、図２は、溶接不良の少ない溶接状態の一例であって、溶接不良の少ない溶接状態における溶接部位の形態は、図２には限定されない。掃引方向ＳＤは、第一方向の一例であり、下端ｅ１は、第一端部の一例であり、先端ｅ２は、第二端部の一例である。

図３は、ＤＯＥ１２３の原理の概念を示す説明図である。図３に示されるように、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。

図４は、対象物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４では、簡単のため、ビームＬｍを実線で示し、ビームＬｓを破線で示している。

ＤＯＥ１２３は、レーザ光を複数のビームに分割する。複数のビームは、少なくとも一つのビームＬｍと、少なくとも一つのビームＬｓと、を含む。ビームＬｍは、主ビームとも称され、ビームＬｓは、副ビームとも称されうる。

図４の例では、レーザ光Ｌは、一つのビームＬｍと、当該ビームＬｍを円環状に取り囲む１６個のビームＬｓと、を有している。ビームＬｍは、レーザ光Ｌの照射中心の近くに位置され、ビームＬｓは、ビームＬｍよりも照射中心からより遠くに位置されている。ビームＬｍを含む領域は、第二パワー領域Ａ２の一例であり、ビームＬｓを含む領域は、第一パワー領域Ａ１の一例である。なお、ビームＬｍおよびビームＬｓの数や配置は、図４の例には限定されない。ＤＯＥ１２３を交換することにより、光学ヘッド１２０は、種々の配置の複数のビームを含むレーザ光Ｌを出力することができる。

図４の例のように、レーザ光Ｌが複数のビームを含む場合、レーザ光Ｌの直径Ｄｌ（幅）は、幅方向に最も離間した二つのビームＬｓの中心間の距離と定義される。幅方向は、掃引方向ＳＤと直交する方向であり、本実施形態ではＹ方向となる。なお、各ビームＬｓ，Ｌｍは、表面Ｗａ上の径方向に沿って、例えばガウシアン形状のパワー分布を有する。この場合、各ビームＬｓ，Ｌｍのビーム径は、当該ビームＬｓ，Ｌｍ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直径として、定義することができる。また、各ビームＬｓ，Ｌｍの中心は、強度のピークの位置とすることができる。

他方、図示されないが、レーザ光Ｌが、ガウシアン形状のパワー分布を有した一つのビームのみを含む場合、当該レーザ光Ｌの直径は、当該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直径として、定義することができる。

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、設定、あるいは調整により、レーザ溶接装置１００は、上述したようなビームＬｍおよびビームＬｓを含むレーザ光Ｌを出力することができる。

［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、対象物ＷおよびフィラーワイヤＦ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ビームＬｍ，Ｌｓを含むレーザ光Ｌが対象物Ｗに照射されている状態で、レーザ光ＬおよびフィラーワイヤＦと対象物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、すなわち、レーザ光Ｌが表面Ｗａ上で掃引される。レーザ光Ｌが照射された部分において、対象物ＷとフィラーワイヤＦとが溶融し、その後、温度の低下に伴って凝固することにより、対象物Ｗが溶接される。この際ビードＢが形成される。ビードＢは、掃引の軌跡に沿って延びる。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。また、表面Ｗａ上で湾曲した掃引が実行され、これにより湾曲したビードＢが形成されてもよい。

また、一連の発明者らの実験的な研究において、レーザ光Ｌにおいて、ビームＬｓ（第一パワー領域Ａ１）の少なくとも一部の領域が、ビームＬｍ（第二パワー領域Ａ２）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、ビードＢの割れや、ハンピング、スパッタのような溶接不良の発生を抑制できることが確認された。これは、例えば、ビームＬｍが到来する前のビームＬｓによる対象物Ｗの予加熱により、ビームＬｓおよびビームＬｍによって形成される対象物Ｗの溶融池Ｍがより安定化するからであると推定できる。

［実験結果］
発明者らは、レーザ溶接装置１００を用いて、対象物Ｗに対して、実際に、図４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、溶接状態を評価する実験を行った。表１は、溶接を行った実験結果を示す表である。

実験において、対象物Ｗの材質はステンレス鋼（ＳＳ４００）であり、フィラーワイヤＦはＣ、Ｓ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｃｕを主成分としたカーボンスチール（ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ）、鍍銅であり、一般的に自動車、車両、家電、産業機械、軽量形鋼、パイプ、鉄骨など軟鋼および４９０［Ｎ／ｍｍ²］級高張力鋼を使用した各種溶接構造物の突合せおよび全姿勢すみ肉溶接等に使用されるものである。

実験は、対象物Ｗの複数のサンプルについて、幅比およびパワー比を変えて行った。幅比は、フィラーワイヤＦの直径Ｄｆ（幅、図２参照）に対する、レーザ光Ｌの直径Ｄｌ（幅、図４参照）の比であって、Ｄｌ／Ｄｆである。また、パワー比は、第一パワー領域Ａ１内のビームＬｓ（副ビーム）の合計のパワーＰｓに対する、第二パワー領域Ａ２におけるビームＬｍ（主ビーム）の合計のパワーＰｍの比であって、Ｐｍ／Ｐｓである。実験は、幅比が、０．２、０．８、２．３、２．７、３．１、および４のそれぞれの場合について行い、パワー比が、３／７、１、７／３、および９である各場合について行った。また、ビームＬｓのみ（副ビームのみ）の場合、ビームＬｍのみ（主ビームのみ）の場合についても、実験を行った。ビームＬｓのみ（副ビームのみ）の場合は、パワー比が０の場合と言うことができる。

また、実験では、全ての場合において、レーザ装置１１０から出力されるレーザ光Ｌの波長を１０７０［ｎｍ］とし、レーザ光Ｌのパワーの合計値を、３．０［ｋＷ］、溶接速度を０．５［ｍ／ｍｉｎ］、フィラーワイヤＦの供給速度を１［ｍ／ｍｉｎ］に設定した。また、マルチモードファイバレーザのビーム品質は、ＢＰＰ値１．７［ｍｍ・ｍｒａｄ］である。

表１中、溶接状態について、◎は優良、○は良好、×は不良を示している。優良（◎）は、ビードＢにおいて割れや大きな凹凸（ハンピング）が無く、溶融池Ｍの湯流れが整流であり、かつ高速度カメラ視野内でスパッタ数１０［個／１５ｍｍ］以下である場合、良好（○）は、ビードＢにおいて割れや大きな凹凸（ハンピング）が無く、溶融池Ｍの湯流れが整流であり、かつ高速度カメラ視野内でスパッタ数２０［個／１５ｍｍ］以下である場合、また、不良（×）は、優良および良好の基準を満たさない場合、とした。

なお、表１は、対象物Ｗが厚さ１００［ｍｍ］の１枚の板材である場合の溶接についての実験結果であるが、厚さが異なる複数の部材の溶接等、他の形態の溶接についても同様の結果が得られることが推定できる。

表１の実験結果および関連する実験結果から、幅比は、０．８以上であればよく、４以下であるのが好ましく、１．５以上３．６以下がより好ましく、２．３以上３．１以下がさらに好ましいことが判明した。

幅比０．８未満の場合、対象物Ｗの表面ＷａおよびフィラーワイヤＦに照射される光エネルギ密度が過多となるため、溶融池Ｍ内で溶融金属の蒸気圧が高まって湯流れが乱流となり、スパッタ発生やビード外観不良等の不具合を誘発するものと推定される。

発明者らは、これらの点に着目して検討を繰り返した結果、幅比が０．８以上であれば良好な溶接品質が得られることを見出した。

さらに、幅比が４以下の場合、対象物Ｗの表面ＷａおよびフィラーワイヤＦに照射される光エネルギ密度が十分な密度となり、光出力を上げずとも予熱効果、溶融状態の安定化が得られることを見出した。

さらに、２．３以上３．１以下の場合、溶接状態の安定化およびスパッタ抑制に加えて光照射エネルギの効率化が得られ、量産製造プロセスでの低コスト化の観点でより優れることを見出した。

加えて、幅比が１．５以上３．６以下の場合、溶接状態の安定化およびスパッタ抑制が得られていることから、の対象物Ｗの表面ＷａおよびフィラーワイヤＦに照射される光エネルギ密度および予熱エリアのバランスが良いことを見出した。

また、表１の実験結果および関連する実験結果から、パワー比は、０以上９以下であるのが好ましく、３／７以上７／３以下であるのがより好ましいことが判明した。

入熱分布をコントロールしないビーム、例えば主ビームのみで溶接した場合、対象物Ｗの表面ＷａおよびフィラーワイヤＦに照射される光エネルギ密度が過多となるため、溶融池Ｍ内で溶融金属の蒸気圧が高まって湯流れが乱流となる。その結果、スパッタ発生やビード外観不良等の不具合を誘発する。

副ビームを加えて入熱分布をコントロールしたパワー比が０以上９以下の場合、フィラーワイヤＦの端面Ｆｅが液状の溶融池Ｍの表面と馴染むことが高速度カメラ像より確認された。しかしながら、副ビームのパワー比が強い水準では、副ビームのエネルギによりフィラーワイヤＦが溶融池Ｍに接する前に液玉状に溶融し滴下する挙動が見られた。

そこで、フィラーワイヤＦの溶融安定性、ビードの外観、溶融池Ｍの湯流れの安定性、およびスパッタの発生量の点に着目して入熱分布の検討を繰り返した結果、パワー比が３／７以上７／３以下である場合に、より良好な溶接品質が得られた。

このパワー比の範囲では、予熱に寄与するエネルギおよび溶融に寄与するエネルギのバランスが良好であることから、溶融池Ｍ内で溶融金属の蒸気圧がある範囲に抑制され、湯流れを安定化させる効果がある。その結果、スパッタ発生やビード外観不良等の不具合の誘発がなかった。

幅比が２．３以上３．１以下であり、かつ、パワー比が３／７以上７／３以下の場合、溶接状態の安定化およびスパッタ抑制に加えて、光照射位置に対する対象物ＷやフィラーワイヤＦの位置ずれに対する裕度があることから、量産製造プロセスでの不具合発生率の低減および長期信頼性の観点でより優れていた。

また、実験において、フィラーワイヤＦには、例えば、ビームＬｍ（第二パワー領域）が照射されずビームＬｓ（第一パワー領域）の一部のみが照射される場合のように、フィラーワイヤＦに照射されるエネルギ密度が過度に高くない状態において、溶融池Ｍがより安定的になり、ビードＢの割れや、ハンピング、スパッタのような溶接不良が生じ難いことが判明した。幅比が過度に小さい場合や、パワー比が過度に小さい場合にあっては、フィラーワイヤＦに照射されるレーザ光Ｌのエネルギ密度が高くなることによって、フィラーワイヤＦが急激に溶融し、これに伴って溶融池Ｍが不安定になり、溶接不良が生じ易くなっている場合があるものと推定できる。

図５Ａ～図５Ｄは、対象物Ｗの表面Ｗａ上に得られたビードＢの平面図である。

図５Ａは、幅比が２．７でありかつパワー比が３／７である場合での写真画像である。図５Ａに示されるように、この条件では、ビードＢに割れやハンピングが無く、ビードＢの表面が滑らかであった。また、当該条件にあっては、スパッタも殆ど生じなかった。

図５Ｂは、主ビームのみである場合の写真画像である。この条件では、高速度カメラ視野内でのスパッタ数は２１～１００［個／１５ｍｍ］程度であり、図５Ｂに示されるように、ビード幅のばらつきも確認されたことから、×判定とした。スパッタ発生の原因は、対象物Ｗの表面ＷａおよびフィラーワイヤＦに照射される光エネルギ密度が過多であるが故、溶融池Ｍの湯流れが乱流となったためと推察される。

図５Ｃは、副ビームのみである場合の写真画像である。この条件では、高速度カメラ視野内でのスパッタ数が１１～２０［個／１５ｍｍ］程度であった。また、この条件では、フィラーワイヤＦが溶融池Ｍに接する前に液玉状に溶融し滴下する挙動が確認された。副ビームの照射エネルギが過多であるためフィラーワイヤＦが溶融池Ｍに接する前に溶け出してしまうが故、ランダムな滴下となり、供給安定性に大きな課題があることが確認された。図５Ｃに示されるように、ビードＢにハンピングが多発していることから、×判定とした。

図５Ｄは、幅比が２．３でありかつパワー比が９である場合の写真画像である。この条件では、高速度カメラ視野内でのスパッタ数が１１～２０［個／１５ｍｍ］程度であった。図５Ｄに示されるように、ビードＢのハンピングが無いことから〇判定とした。レーザ光Ｌの表面Ｗａ上での直径ＤｌをフィラーワイヤＦの直径Ｄｆより大きくしたことで、フィラーワイヤＦと溶融池の馴染みが良く予熱効果が得られているものと推察される。

なお、表面Ｗａが段差を有するような平面でない場合のレーザ光Ｌの幅比やパワー比等については、レーザ光Ｌの表面Ｗａ上の照射中心Ｃを含みレーザ光Ｌの照射方向に対して直交する仮想的な照射平面において、規定されるものとする。

以上、説明したように、フィラーワイヤＦの直径Ｄｆに対する、レーザ光Ｌの表面Ｗａ上での掃引方向ＳＤと直交する方向における幅Ｄｌの比である幅比は、０．８以上４以下であるのが好ましく、１．５以上３．６以下であるのがより好ましく、２．３以上３．１以下がさらに好ましい。

また、本実施形態のように、第一パワー領域Ａ１におけるレーザ光のパワーＰｓに対する第二パワー領域Ａ２におけるレーザ光のパワーＰｍの比であるパワー比（Ｐｍ／Ｐｓ）は、０以上９以下であるのが好ましく、３／７以上７／３以下であるのがより好ましい。

このような条件でのレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置１００によれば、ビードＢの割れや、ハンピング、スパッタのような溶接不良が生じ難いという効果が得られる。また、このような条件を満たすようレーザ装置１１０や、光学ヘッド１２０、フィラーワイヤＦの供給機構１４０等をセッティングすることにより、例えば、溶接不良の少ない溶接を、より容易に、より迅速に、あるいはより確実に実行することができるという利点が得られる。

また、本実施形態のように、複数のビームＬｓ，Ｌｍは、ＤＯＥ１２３（ビームシェイパ）によって形成されてもよい。

このような構成によれば、例えば、所定のレイアウトで配置された複数のビームＬｓ，Ｌｍを有したレーザ光Ｌを、より容易に形成することができる。また、ＤＯＥ１２３の交換により、レーザ光ＬにおけるビームＬｓ，Ｌｍの配置を、より容易に変更することができるという利点も得られる。

なお、第一パワー領域Ａ１に含まれる少なくとも一つのビームＬｓのレーザ光と、第二パワー領域Ａ２に含まれる少なくとも一つのビームＬｍのレーザ光とは、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ビームＬｓおよびビームＬｍを生成できる。

また、第一パワー領域Ａ１に含まれる少なくとも一つのビームＬｓのレーザ光と、第二パワー領域Ａ２に含まれる少なくとも一つのビームＬｍのレーザ光とは、異なるレーザ発振器から出射されてもよい。この場合、ビームＬｓおよびビームＬｓのそれぞれの特性を独立に設定し易くなる。

［ビームの変形例］
図６は、対象物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。図６の例では、レーザ光Ｌは、一つのビームＬｍと、四角形の辺に沿うように並ぶ２４個のビームＬｓと、を有している。すなわち、四角形状かつ環状に並ぶ複数のビームＬｓは、ビームＬｍを取り囲んでいる。ビームＬｍは、レーザ光Ｌの照射中心の近くに位置され、ビームＬｓは、ビームＬｍよりも照射中心からより遠くに位置されている。このようなビームＬｓ，Ｌｍの配置によっても、フィラーワイヤＦに照射されるレーザ光Ｌの密度が過度に高くなるのが抑制し、溶融池Ｍがより安定化して、溶接不良が生じ難くなるという効果が得られる。なお、ビームＬｓは必ずしも環状、すなわちＬｍの周囲全体を覆う必要はなく、掃引方向ＳＤの前方において、Ｙ方向また円弧状に配置してもよい。

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。

例えば、複数のビームはすべてが同じパワーを有していてもよいし、一つまたは複数のビームのパワーが他のビームのパワーより高くてもよい。また、複数のビームが複数のグループに分類でき、同じグループ内ではビームは略同じパワーを有し、グループ間ではビームは異なるパワーを有してもよい。また、その場合に、複数のグループ間で、各ビームのパワーを、段階的に異ならせてもよい。なお、グループに含まれるビームは複数に限られず、一つでもよい。

また、対象物の材質は、ステンレス鋼には限定されない。

また、対象物は板材に限定されないし、本発明の溶接は、重ね合わせ溶接や、突き合わせ溶接、隅肉溶接など、種々の形態の溶接に適用可能である。すなわち、対象物は溶接対象となる少なくとも２つの部材が重ねられた、接触された、または隣接されたものであればよい。

また、レーザ光の照射に際し、公知のウォブリングや、ウィービング、出力変調等が行われ、溶融池の表面積が調節されてもよい。

また、対象物は、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あってもよい。

１００…レーザ溶接装置
１１０…レーザ装置（レーザ発振器）
１２０…光学ヘッド
１２１…コリメートレンズ
１２２…集光レンズ
１２３…ＤＯＥ（回折光学素子、ビームシェイパ）
１２３ａ…回折格子
１３０…光ファイバ
１４０…供給機構（フィラーワイヤ供給部）
１４１…送出装置
１４２…ノズル
Ａ１…第一パワー領域
Ａ２…第二パワー領域
Ｂ…ビード
Ｃ…照射中心
Ｄｆ…（フィラーワイヤの）直径
Ｄｌ…（レーザ光の）直径
Ｆ…フィラーワイヤ
Ｆｅ…端面
ｅ１…下端（第一端部）
ｅ２…先端（第二端部）
Ｌ…レーザ光
Ｌｍ，Ｌｓ…ビーム
Ｍ…溶融池
Ｐｍ，Ｐｓ…パワー
Ｓ…供給方向
ＳＤ…掃引方向
Ｗ…対象物
Ｗａ…表面
Ｘ…方向
Ｙ…方向
Ｚ…方向

Claims (14)

1. 対象物の表面上にフィラーワイヤを供給するとともに、当該表面にレーザ光を前記対象物に対して相対的に掃引方向に掃引して照射することにより、前記フィラーワイヤを溶融するとともに当該対象物を溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記フィラーワイヤの直径に対する、前記レーザ光の前記表面上での前記掃引方向と直交する方向における幅の比である幅比が、０．８以上であり、
   前記レーザ光は、第二パワー領域と、当該第二パワー領域の周囲を取り囲む環状の第一パワー領域と、を有し、
   前記第一パワー領域における前記レーザ光のパワーに対する前記第二パワー領域における前記レーザ光のパワーの比であるパワー比は、３／７以上７／３以下である、レーザ溶接方法。
2. 前記表面は平面状であり、
   前記第一パワー領域および前記第二パワー領域の略全域が、前記平面状の表面上に照射される、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記幅比が、４以下である、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記幅比は、１．５以上３．６以下である、請求項１～３のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。
5. 前記フィラーワイヤは、前記第一パワー領域を形成する前記レーザ光が照射される位置に配置されるとともに、前記第二パワー領域を形成する前記レーザ光が照射される位置とは異なる位置に配置される、請求項１～４のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。
6. 前記第一パワー領域は、前記レーザ光の複数のビームを含む、請求項１～５のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。
7. 前記複数のビームは、円環状に配置される、請求項６に記載のレーザ溶接方法。
8. 前記複数のビームは、四角形状の環状に配置される、請求項６に記載のレーザ溶接方法。
9. 前記レーザ光は複数のビームを含み、
   前記複数のビームが、ビームシェイパによって形成される、請求項１～８のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。
10. 前記ビームシェイパは回折光学素子である、請求項９に記載のレーザ溶接方法。
11. 前記フィラーワイヤは、前記表面上に形成された溶融池と接するように位置され、
    前記フィラーワイヤの前記溶融池と接した端面のうち前記表面に近い第一端部は、前記レーザ光の前記表面における照射中心から第一方向に離間し、
    前記溶融池の前記第一方向の第二端部は、前記照射中心から前記第一方向に前記第一端部よりも離れて位置した、請求項１～１０のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。
12. 前記第一方向は、前記掃引方向である、請求項１１に記載のレーザ溶接方法。
13. 前記レーザ光および前記フィラーワイヤは、前記表面に対して前記第一方向に掃引される、請求項１１または１２に記載のレーザ溶接方法。
14. レーザ光を対象物の表面に照射する光学ヘッドと、
    前記表面上にフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給部と、
    を備え、前記レーザ光を前記表面に前記対象物に対して相対的に掃引方向に掃引して照射することにより、前記フィラーワイヤを溶融するとともに当該対象物を溶接するレーザ溶接装置であって、
    前記フィラーワイヤの直径に対する、前記レーザ光の前記表面上での前記掃引方向と直交する方向における幅の比である幅比が、０．８以上であり、
    前記レーザ光は、第二パワー領域と、当該第二パワー領域の周囲を取り囲む環状の第一パワー領域と、を有し、
    前記第一パワー領域における前記レーザ光のパワーに対する前記第二パワー領域における前記レーザ光のパワーの比であるパワー比は、３／７以上７／３以下である、レーザ溶接装置。

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