WO2020050320A1 - 溶接方法および溶接装置 - Google Patents

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浩治 切替
啓伍 松永
繁松　孝
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Definitions

  • the present invention relates to a welding method and a welding device.
  • Laser welding is known as one of the techniques for welding a workpiece made of a metal material.
  • Laser welding is a welding method in which laser light is applied to a portion to be welded of a processing target, and the portion is melted by the energy of the laser light.
  • a liquid pool of a molten metal material called a molten pool is formed in a portion irradiated with the laser beam, and thereafter, the molten pool is solidified to perform welding.
  • a profile of the laser light may be formed depending on the purpose.
  • a technique for shaping a profile of the laser beam is known (for example, see Patent Document 1).
  • spatter scattered matter
  • This spatter is caused by scattering of the molten metal, and it is important to reduce the occurrence of the spatter to prevent processing defects. Since the spatter is a spatter of the molten metal, when spatter occurs, the amount of the metal material at the welding location is reduced. In other words, when the generation of spatters increases, the metal material at the welding location becomes insufficient, which may cause poor strength and the like. Further, the generated spatter adheres to the periphery of the welded portion, but if the spatter subsequently separates and adheres to an electric circuit or the like, the electric circuit becomes abnormal. Therefore, it may be difficult to perform welding on components for electric circuits.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a welding method and a welding apparatus capable of suppressing generation of spatter.
  • a welding method provides a method for manufacturing a welding target including metal, by irradiating the laser light and the processing target relative to each other.
  • the laser beam is swept on the object to be processed while melting the object to be processed of the irradiated portion and welding is performed, and the laser light is applied to the main power region and the main power region.
  • the main power region has a power greater than the power of each of the sub power regions, and a power of the main power region;
  • the ratio of the power of at least one sub-power region to the sum of the powers is in the range of 144: 1 to 1: 9.
  • the metal is iron or alloy steel containing iron, steel or alloy containing steel, or aluminum or alloy containing aluminum.
  • the laser beam includes a plurality of the sub power regions, and the plurality of sub power regions are positioned so as to surround at least a part of an outer periphery of the main power region.
  • the plurality of sub power regions have a substantially ring shape surrounding the main power region or an arc shape that is a part of a substantially ring shape surrounding the periphery of the main power region.
  • the distance between the center of the sub power region and the center of the main power region is in a range from 225 ⁇ m to 900 ⁇ m.
  • the laser beam and the object to be processed move relatively.
  • the processing target is at least two members to be welded, and when arranging the processing target in an area irradiated with the laser light, the processing target includes the at least two members. It is arranged to overlap, contact, or be adjacent.
  • the metal is SUS304.
  • the main power region and the sub power region are generated by a beam shaper.
  • the beam shaper is a diffractive optical element.
  • a welding device includes a laser oscillator, a portion that receives laser light emitted from the laser oscillator, generates laser light, and irradiates the generated laser light toward a processing target and irradiates the laser light.
  • An optical head that melts and welds the object to be processed, and performs welding while performing the melting while sweeping the laser light on the object to be processed.
  • the power of the main power region is larger than the power of each of the sub power regions, and the sum of the power of the main power region and the power of the at least one sub power region. Are in the range of 144: 1 to 1: 9.
  • the object to be processed includes a metal, and the metal is iron, an alloy steel including iron, steel, an alloy including steel, or aluminum or an alloy including aluminum.
  • the laser beam includes a plurality of the sub-power regions, and the plurality of sub-power regions are positioned so as to surround at least a part of an outer periphery of the main power region.
  • the plurality of sub power regions have a substantially ring shape surrounding the main power region or an arc shape that is a part of a substantially ring shape surrounding the periphery of the main power region.
  • a distance between each center of the sub power region and the center of the main power region is in a range from 225 ⁇ m to 900 ⁇ m.
  • the laser light and the object to be processed move relatively.
  • the welding apparatus is configured such that the object to be processed overlaps, contacts, or is adjacent to at least two members to be welded.
  • the welding apparatus includes a beam shaper that generates the main power region and the sub power region.
  • the beam shaper is a diffractive optical element.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the laser welding apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a diffractive optical element.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a cross-sectional shape of a laser beam.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a situation where the laser beam melts the processing target.
  • FIG. 5A is a schematic diagram illustrating an example of a beam arrangement.
  • FIG. 5B is a schematic diagram illustrating an example of a beam arrangement.
  • FIG. 5C is a schematic diagram illustrating an example of a beam arrangement.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the arrangement of a plurality of beams of laser light when the DOE is used.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the arrangement of a plurality of beams of laser light when the DOE is used.
  • FIG. 7 is a diagram showing typical conditions under which the irradiation spot state was good in the experiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the sweep speed and the number of spatters in Comparative Example, Example 1, and Example 2.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating another example of the beam arrangement.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating still another example of the arrangement of beams.
  • FIG. 11A is a schematic diagram illustrating still another example of the arrangement of beams.
  • FIG. 11B is a schematic diagram illustrating still another example of the arrangement of beams.
  • FIG. 11C is a schematic diagram illustrating still another example of the arrangement of beams.
  • FIG. 11D is a schematic diagram illustrating still another example of the beam arrangement.
  • FIG. 11A is a schematic diagram illustrating still another example of the arrangement of beams.
  • FIG. 11B is a schematic diagram illustrating still another example of the arrangement of beams.
  • FIG. 11C is a schematic diagram illustrating still another example of the
  • FIG. 11E is a schematic diagram illustrating still another example of the arrangement of beams.
  • FIG. 11F is a schematic diagram illustrating still another example of the arrangement of beams.
  • FIG. 11G is a schematic diagram illustrating still another example of the arrangement of beams.
  • FIG. 11H is a schematic diagram illustrating still another example of the beam arrangement.
  • FIG. 11I is a schematic diagram illustrating still another example of the arrangement of beams.
  • FIG. 12 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the laser welding apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the laser welding apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the laser welding apparatus according to the fourth embodiment.
  • FIG. 15A is a schematic diagram illustrating an example of a power distribution shape of a laser beam.
  • FIG. 15B is a schematic diagram illustrating an example of a power distribution shape of a laser beam.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the laser welding apparatus according to the first embodiment.
  • the laser welding device 100 includes a laser device 110, an optical head 120, and an optical fiber 130 connecting the laser device 110 and the optical head 120.
  • the processing target W contains a metal such as iron or aluminum.
  • the processing target W is made of, for example, an iron alloy such as stainless steel or an aluminum alloy, and has a plate shape having a thickness of, for example, about 1 mm to 10 mm.
  • the laser device 110 includes a laser oscillator, and is configured to output, for example, laser light having a power of several kW.
  • the laser device 110 may include a plurality of semiconductor laser elements therein, and may be configured to output a multi-mode laser beam having a power of several kW as a total output of the plurality of semiconductor laser elements.
  • the laser device 110 may include various laser light sources such as a fiber laser, a YAG laser, and a disk laser.
  • the optical fiber 130 guides the laser light output from the laser device 110 and inputs the laser light to the optical head 120.
  • the optical head 120 is an optical device for irradiating the laser light input from the laser device 110 toward the processing target W.
  • the optical head 120 includes a collimator lens 121 and a condenser lens 122.
  • the collimator lens 121 is an optical system for converting the input laser light into parallel light.
  • the condensing lens 122 is an optical system for condensing the parallelized laser light and irradiating the laser light L to the processing target W.
  • the optical head 120 is configured to be able to change its relative position with respect to the processing target W in order to sweep the laser light L while irradiating the processing target W with the laser light L.
  • the method of changing the relative position with respect to the processing target W includes moving the optical head 120 itself, moving the processing target W, and the like. That is, the optical head 120 may be configured to be able to sweep the laser light L with respect to the fixed processing target W.
  • the irradiation position of the laser light L from the optical head 120 may be fixed, and the processing target W may be held movably with respect to the fixed laser light L.
  • the optical head 120 includes a diffractive optical element 123 as a beam shaper, disposed between the collimator lens 121 and the condenser lens 122.
  • the diffractive optical element 123 here is also called DOE (Diffractive @ Optical
  • the diffractive optical element 123 can shape the beam shape by bending or superimposing the input laser light in a direction affected by each diffraction grating.
  • the diffractive optical element 123 divides the laser light input from the collimator lens 121 into a plurality of beams. Specifically, the diffractive optical element 123 splits the laser beam and generates a main beam and at least one sub beam. At this time, the diffractive optical element 123 generates a main beam and a sub-beam such that at least a part of at least one sub-beam is positioned forward of the main beam in the sweep direction. Thereby, the laser beam L is composed of the main beam and at least one sub-beam.
  • the laser beam L formed by the diffractive optical element 123 is composed of a main beam B1 and a sub-beam B2 as shown in FIG. 3 as an example of a cross-sectional shape on a plane perpendicular to the traveling direction of the laser beam L.
  • the sweep direction SD is a direction in which the laser light L moves relative to the processing target W.
  • the sub beam B2 is located ahead of the main beam B1 in the sweep direction.
  • the front of the main beam B1 means an area A defined by a broken line passing through the position of the beam diameter on the front side in the sweep direction of the main beam B1 and perpendicular to the sweep direction SD as shown in FIG.
  • the position of the sub beam B2 is not limited to this, and if it is located anywhere in the area A, it can be considered that it is located in front of the main beam B1.
  • the main beam B1 and the sub beam B2 have, for example, a Gaussian power distribution in the radial direction of the beam cross section.
  • the diameter of a circle representing the main beam B1 and the sub beam B2 is the beam diameter of each beam.
  • the beam diameter of each beam is defined as the diameter of a region including the peak of the beam and having an intensity of 1 / e 2 or more of the peak intensity.
  • the short axis eg, short axis
  • the longer axis eg, major axis
  • long axis passes near the center of the beam herein.
  • the length of the region where the intensity is 1 / e 2 or more of the peak intensity is defined as the beam diameter.
  • the power of each beam is a power in a region including a peak of the beam and having an intensity of 1 / e 2 or more of the peak intensity.
  • the power of the main beam B1 is larger than the power of the sub beam B2.
  • the power distribution of the main beam B1 has a sharp shape to some extent. If the power distribution of the main beam B1 is sharp to some extent, the penetration depth when melting the processing target W can be increased, so that the welding strength can be secured and the occurrence of poor welding can be more suitably suppressed.
  • the beam diameter is used as an index of the sharpness of the main beam B1
  • the beam diameter of the main beam B1 is preferably 600 ⁇ m or less, more preferably 400 ⁇ m or less. If the main beam B1 has a sharp shape, the power for realizing the same penetration depth can be reduced and the processing speed can be increased. Therefore, it is possible to reduce the power consumption of the laser welding apparatus 100 and improve the processing efficiency.
  • the power distribution of the sub beam B2 may be as sharp as the main beam B1.
  • the beam diameter can be designed by appropriately setting the characteristics of the laser device 110, the optical head 120, and the optical fiber 130 to be used. For example, it can be set by setting the beam diameter of the laser beam input from the optical fiber 130 to the optical head 120, or by setting the optical system such as the diffractive optical element 123 and the lenses 121 and 122.
  • the processing target W is arranged in an area irradiated with the laser light L. Subsequently, while irradiating the processing target W with the laser light L including the main beam B1 and the sub-beam B2 split by the diffractive optical element 123, the laser light L and the processing target W are relatively moved to make the laser light L , The welding target W is melted and welded at the portion irradiated with the laser beam L.
  • the sweep direction is, for example, a front direction or a depth direction in the drawing. Thereby, the processing target W is welded.
  • the sub beam B2 is located on the front side in the sweep direction SD with respect to the main beam B1, so that the generation of spatter can be suppressed.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state in which the laser beam melts the object to be processed.
  • the laser beam L is composed of a main beam B1 and a sub-beam B2.
  • the power density of the main beam B1 is, for example, a power density that can generate at least a keyhole.
  • the keyhole is a depression or a hole generated by the pressure of the metal vapor generated when the processing target W is melted due to the high power density of the laser beam.
  • a sub-beam B2 having a lower power than the main beam B1 is located ahead of the main beam B1 having a higher power in the sweep direction SD.
  • the power density of the sub beam B2 is a power density that can melt the processing target W in the presence of the main beam B1 or alone. Therefore, a molten pool WP having a region that is shallower than the depth at which the main beam B1 melts is formed as a molten region in front of the position where the main beam B1 is irradiated. This will be referred to as a shallow area S for convenience.
  • the melt intensity regions of the main beam B1 and the sub-beam B2 may overlap, but need not necessarily overlap, as long as the melt pools overlap. Before the molten pool formed by the sub-beam B2 is solidified, it is sufficient that the molten strength region formed by the main beam B1 can reach the molten pool.
  • the power densities of the main beam B1 and the sub-beam B2 are power densities that can melt the processing target W
  • the fusion intensity region is a state in which the processing target W around the main beam B1 or the sub-beam B2 is melted. This refers to the range of the laser beam with the obtained power density.
  • the shallow region S exists ahead of the position where the main beam B1 is irradiated, so that the molten pool is located near the irradiation position of the main beam B1.
  • WP stabilizes.
  • stabilization of the molten pool WP near the irradiation position of the main beam B1 leads to suppression of the generation of the sputter.
  • the ratio of the power of the main beam B1 to the power of the sub-beam B2 is preferably in the range of 144: 1 to 1: 9.
  • FIGS. 5A to 5C are schematic diagrams illustrating an example of a beam arrangement.
  • 5A to 5C show the arrangement of a plurality of beams on the irradiation surface of the processing target W with the laser light L.
  • the laser beam L includes a main beam B1 and a plurality of sub-beams B2 split by the diffractive optical element 123.
  • the number of the sub beams B2 is 16.
  • the 16 sub-beams B2 are located so as to surround the outer periphery of the main beam B1.
  • the 16 sub-beams B2 are positioned so as to form a substantially ring shape with a radius between peaks R around the main beam B1. It can also be said that the 16 sub-beams B2 are positioned such that the distance from the center to the apex forms a substantially regular hexagonal shape of R with respect to the main beam B1.
  • the plurality of sub-beams B2 may be continuously overlapped to form a substantially ring shape surrounding the periphery of the main beam B1.
  • the shape may be an arc shape which is a part of a substantially ring shape surrounding the main beam B1.
  • seven sub-beams B2 are located forward of the main beam B1 in the sweep direction SD.
  • the two sub beams B2 are located on the side of the main beam B1 in the direction perpendicular to the sweep direction SD. Then, the seven sub-beams B2 are located on the rear side in the sweep direction SD with respect to the main beam B1.
  • a part of the sub-beam B2 is located forward of the main beam B1 in the sweep direction SD, and
  • the ratio of the power of B1 to the sum of the powers of the sub-beams B2 is within the range of 9: 1 to 1: 9, it is possible to suppress the occurrence of spatter.
  • the sub beam B2 is located so as to form a substantially ring shape with the main beam B1 as a center, so that the sweep direction is changed from the sweep direction SD to an arbitrary direction. Also, a part of the sub beam B2 is located on the front side of the changed sweep direction with respect to the main beam B1. Therefore, the effect of suppressing the generation of spatter can be exerted in an arbitrary sweep direction. Also, in the example shown in FIG. 5C, even if the sweep direction is changed to some extent from the sweep direction SD, the effect of suppressing the generation of spatter can be exhibited.
  • DOE was prepared.
  • the diameter 2R of the ring shape was set to 600 ⁇ m on the surface to be processed. Further, the sweep direction is the upward direction in the drawing.
  • the ratio of the power of the main beam to the sum of the powers of the 16 sub beams is 9: 1, 7: 3, 5: 5, 3: 7, 1: 9, respectively, and In each case, the power of the 16 sub-beams is designed to be equal.
  • the sweep speed of the laser beam with respect to the processing target was 0.5 m / min, 1 m / min, 2 m / min, 5 m / min, 10 m / min, 20 m / min, or 30 m / min.
  • the power ratio (center: outer circumference) in the table indicates the ratio of the power of the main beam to the sum of the powers of the sub-beams.
  • the symbols “ ⁇ ” and “ ⁇ ” indicate the determination results of the degree of spatter scattering during the period in which welding was performed for a predetermined length. Specifically, the symbols “ ⁇ ” and “ ⁇ ” indicate how much the volume of the spatter scattered when the DOE is not used (the power ratio is equivalent to 10: 0) is 100%. This shows whether the volume of the spatter has been reduced.
  • the symbol “ ⁇ ” indicates that the scattered spatter volume was reduced by 20% or more as compared with the case where DOE was not used.
  • the symbol “ ⁇ ” indicates that the scattered spatter volume is reduced as compared with the case where DOE is not used, but the reduction is less than 20%.
  • the power ratio is 7: 3
  • the diameter 2R of the approximate circular shape formed by the 16 sub-beams on the surface to be processed is 450 ⁇ m, 600 ⁇ m, 800 ⁇ m, 1000 ⁇ m, 1400 ⁇ m, and 1800 ⁇ m.
  • the same irradiation experiment as described above was performed using each designed DOE. Note that the sweep speed was 5 m / min.
  • the distance between the center of each sub beam and the center of the main beam is about 225 ⁇ m, about 300 ⁇ m, about 400 ⁇ m, about 500 ⁇ m, about 700 ⁇ m, and about 900 ⁇ m.
  • FIG. 7 is a diagram showing typical conditions under which the amount of spatter scattered in the above two experiments was reduced.
  • the distance (corresponding to the radius R) between each center of the sub beam and the center of the main beam is preferably in the range of 225 ⁇ m to 900 ⁇ m.
  • the distance between the center of the sub beam located on the front side in the sweep direction and the center of the main beam is set in a range from 225 ⁇ m to 900 ⁇ m, and the plurality of sub beams and the main beam located on the side or rear side in the sweep direction are set.
  • the distance from the center may be a value outside this range.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the sweep speed and the number of scattered spatters in Comparative Example, Example 1, and Example 2.
  • the horizontal axis is the sweep speed
  • the vertical axis is the number of scattered spatters per 1 mm welding length, which is obtained by analyzing and counting images captured by a high-speed camera.
  • the comparative example is a case where the DOE in the above experimental example is not used.
  • Example 1 a laser beam as shown in FIG. 5C was formed by DOE using a laser welding apparatus having the configuration shown in FIG. 1 in the same manner as in the above-described experimental example, and a stainless steel SUS304 having a thickness of 10 mm was formed.
  • the wavelength of the laser light output from the laser device was 1070 nm, and the power was 5 kW.
  • the distance (corresponding to radius R) between the center of the main beam and the center of the arc-shaped sub-beam is set to 300 ⁇ m, and the ratio of the power of the main beam to the sum of the powers of the circular sub-beams is 1: 2. It was made to become.
  • the arc-shaped sub-beam is obtained by arranging a plurality of sub-beams having substantially the same power in an arc shape to form one arc-shaped sub-beam in which power is continuously distributed.
  • Example 2 is a case where the diameter 2R is 600 ⁇ m and the power ratio is 3: 7 in the above experimental example.
  • the laser beam is swept over the processing target.
  • making the laser beam a main beam and a plurality of sub-beams and setting the ratio of the power of the main beam to the sum of the powers of the plurality of sub-beams to be 144: 1 to 1: 9 is, for example, the case of spot welding.
  • the present invention is also effective for welding in which the laser beam is not swept to the object to be processed.
  • the distance between the center of each of the plurality of sub beams adjacent to the main beam and the center of the main beam is preferably 225 ⁇ m to 900 ⁇ m.
  • a laser beam L1 irradiated to a processing target is divided into a main beam B1 and three sub-beams B2.
  • Each of the three sub beams B2 is located on the front side in the sweep direction SD with respect to the main beam B1.
  • the power of the main beam B1 is greater than the power of each sub-beam B2.
  • the ratio between the power of the main beam B1 and the sum of the powers of the three sub-beams B2 is in the range from 9: 1 to 1: 9. Even with such an arrangement, it is possible to suppress the occurrence of sputter, as in the case of the first embodiment, the experimental examples, and the examples.
  • the angle ⁇ formed by a line connecting the center of the main beam B1 and the centers of two adjacent sub-beams B2 is preferably 90 ° or less. , 60 ° or less, more preferably 45 ° or less.
  • the shape of the molten pool is preferably close to line symmetry with respect to the sweep direction SD, it is preferable that the three sub-beams B2 are also arranged so as to be line-symmetric with respect to the sweep direction SD.
  • the ratio of the main beam to the sum of the powers of the two sub-beams may be 72: 1.
  • the ratio of the power of the main beam to the sum of the powers of the two sub-beams may be 72: 1.
  • the laser beam is divided into a main beam and three sub-beams using the DOE, and the three sub-beams are positioned on the front side in the sweep direction with respect to the main beam.
  • the ratio can take a value of 144: 1 or more.
  • the laser beam L2 irradiated to the processing target is divided into a main beam B1, 16 sub beams B2, and 8 sub beams B3.
  • the 16 sub-beams B2 constitute a sub-beam group G2, and are positioned so as to form a substantially ring shape with the main beam B1 as a center.
  • the eight sub-beams B3 constitute a sub-beam group G3, and are located around the main beam B1 so as to form a substantially ring shape having a smaller diameter than the ring shape formed by the sub beam B2.
  • the ratio of the power of the main beam B1 to the sum of the powers of the sub-beams B2 and B3 is in the range from 9: 1 to 1: 9. Even with such an arrangement, it is possible to suppress the occurrence of sputter, as in the case of the first embodiment, the experimental examples, and the examples.
  • FIGS. 11A to 11I are schematic diagrams illustrating still another example of the arrangement of beams.
  • the laser beam L31 includes a main beam B1 and twelve sub-beams B2.
  • the twelve sub beams B2 are positioned so as to form a substantially ring shape or a substantially regular hexagonal shape with the main beam B1 as a center.
  • the laser beam L32 includes a main beam B1 and six sub beams B2.
  • the six sub-beams B2 are located so as to form a substantially ring shape or a hexagonal shape around the main beam B1.
  • the laser beam L33 includes a main beam B1 and ten sub beams B2.
  • the ten sub beams B2 are located so as to form a substantially ring shape or a pentagonal shape with the main beam B1 as a center.
  • the laser beam L34 includes a main beam B1 and five sub beams B2.
  • the five sub beams B2 are located so as to form a substantially ring shape or a pentagonal shape with the main beam B1 as a center.
  • the laser beam L35 includes a main beam B1 and a sub beam B2.
  • the sub-beam B2 has a plurality of sub-beams overlapping so that power is continuously distributed, and is positioned so as to form a substantially ring shape or hexagonal shape with the main beam B1 as a center.
  • the laser beam L36 includes a main beam B1 and a sub beam B2.
  • the sub-beam B2 has a plurality of sub-beams overlapping so that the power is continuously distributed, and is positioned so as to form a substantially ring shape or a pentagonal shape around the main beam B1.
  • the laser beam L37 includes a main beam B1 and 16 sub beams B2.
  • the 16 sub-beams B2 are positioned so as to form a substantially ring shape or a substantially regular octagonal shape with the main beam B1 at the center.
  • the laser beam L38 includes a main beam B1 and a sub beam B2.
  • the sub-beam B2 has a plurality of sub-beams overlapping so that power is continuously distributed, and is positioned so as to form a substantially ring shape or an octagonal shape with the main beam B1 as a center.
  • the sweep directions of the laser beams L31 to L38 may be arbitrary, and may be directions deviated from the directions of the pentagon, hexagon or octagon.
  • the number of sub-beams that do not exist in the front in the sweep direction may be slightly thinned out if the sub-beams are densely arranged as shown in FIGS. 11A, 11C, and 11G. In the example shown in FIG.
  • the laser beam L37 includes a main beam B1 and 16 sub beams B2.
  • the sixteen sub beams B2 are located so as to form a substantially ring shape or a substantially octagonal shape with the main beam B1 as a center. Further, when the matrix M is defined, the main beam B1 and the sub beam B2 are arranged so as to fill the rectangular grid.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a schematic configuration of a laser welding apparatus according to the second embodiment.
  • the laser welding device 200 irradiates the processing target W1 with the laser beam L to perform welding on the processing target W1.
  • the processing target W1 is configured by stacking two plate-shaped metal members W11 and W12.
  • the laser welding apparatus 200 realizes welding by the same operation principle as the laser welding apparatus 100. Therefore, hereinafter, only the device configuration of the laser welding device 200 will be described.
  • the laser welding device 200 includes a laser device 210, an optical head 220, and an optical fiber 230.
  • the laser device 210 includes a laser oscillator, is configured in the same manner as the laser device 110, and is configured to output, for example, laser light having a power of several kW.
  • the optical fiber 230 guides the laser light output from the laser device 210 and inputs the laser light to the optical head 220.
  • the optical head 220 is an optical device for irradiating the laser light input from the laser device 210 toward the processing target W1, like the optical head 120.
  • the optical head 220 includes a collimator lens 221 and a condenser lens 222.
  • the optical head 220 has a galvano scanner arranged between the condenser lens 222 and the processing target W1.
  • the galvano scanner is a device that can control the angle of the two mirrors 224a and 224b to move the irradiation position of the laser beam L without moving the optical head 220 and sweep the laser beam L. is there.
  • the laser welding apparatus 200 includes a mirror 226 for guiding the laser beam L emitted from the condenser lens 222 to a galvano scanner. The angles of the mirrors 224a and 224b of the galvano scanner are changed by motors 225a and 225b, respectively.
  • the optical head 220 includes a diffractive optical element 223 as a beam shaper, disposed between the collimator lens 221 and the condenser lens 222. Like the diffractive optical element 123, the diffractive optical element 223 splits the laser light input from the collimator lens 221 and generates a main beam and at least one sub-beam. At least one sub-beam is at least partially located forward of the main beam in the sweep direction. The power of the main beam is greater than the power of each sub-beam, and the ratio of the power of the main beam to the sum of the power of at least one sub-beam is in the range of 9: 1 to 1: 9. Thereby, the laser welding apparatus 200 can suppress generation of spatter when welding the processing target W1. The ratio may be in the range from 144: 1 to 1: 9, depending on how the sub-beams are divided and arranged.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a schematic configuration of the laser welding apparatus according to the third embodiment.
  • the laser welding apparatus 300 irradiates the processing target W2 with the laser beam L to perform welding on the processing target W2.
  • the processing target W2 is configured such that two plate-shaped metal members W21 and W22 are adjacent to each other so as to abut each other.
  • the laser welding device 300 includes a laser oscillator, and realizes welding by the same operation principle as the laser welding devices 100 and 200.
  • the configuration of the components (the laser device 310 and the optical fiber 330) other than the optical head 320 is the same as the corresponding components of the laser welding devices 100 and 200. Therefore, only the device configuration of the optical head 320 will be described below.
  • the optical head 320 is an optical device for irradiating the laser light input from the laser device 310 toward the processing target W2, like the optical heads 120 and 220.
  • the optical head 320 includes a collimator lens 321 and a condenser lens 322.
  • the optical head 320 has a galvano scanner disposed between the collimator lens 321 and the condenser lens 322.
  • the angles of the mirrors 324a and 324b of the galvano scanner are changed by motors 325a and 325b, respectively.
  • a galvano scanner is provided at a position different from that of the optical head 220.
  • the irradiation position of the laser light L is moved and the laser light L is swept without moving the optical head 320. Can be.
  • the optical head 320 includes a diffractive optical element 323 as a beam shaper, which is disposed between the collimator lens 321 and the condenser lens 322.
  • the power of the main beam is greater than the power of each sub-beam, and the ratio of the power of the main beam to the sum of the power of at least one sub-beam is in the range of 9: 1 to 1: 9.
  • the ratio may be in the range of 144: 1: 1 to 1: 9, depending on how the sub-beams are divided and arranged.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a schematic configuration of a laser welding apparatus according to the fourth embodiment.
  • a laser welding apparatus 400 according to the fourth embodiment is an example of a configuration of an apparatus that irradiates the processing target W with laser beams L4 and L5 to melt the processing target W.
  • the laser welding apparatus 400 realizes a welding method by the same operation principle as the welding apparatus according to the first embodiment. Therefore, hereinafter, only the device configuration of the laser welding device 400 will be described.
  • the laser welding apparatus 400 includes a plurality of oscillators 411 and 412 that oscillate laser light, an optical head 420 that irradiates the laser light to the processing target W, and a light that guides the laser light oscillated by the oscillators 411 and 412 to the optical head 420. And fibers 431 and 432.
  • the oscillators 411 and 412 are configured to oscillate multi-mode laser light having an output of several kW, for example.
  • each of the oscillators 411 and 412 includes a plurality of semiconductor laser elements therein, and is configured to oscillate a multi-mode laser beam having an output of several kW as a total output of the plurality of semiconductor laser elements.
  • various lasers such as a fiber laser, a YAG laser, and a disk laser may be used.
  • the optical head 420 is an optical device for condensing the respective laser beams L4 and L5 guided from the oscillators 411 and 412 to a power density capable of melting the processing target W and irradiating the processing target W with the laser light L4 and L5. is there.
  • the optical head 420 includes a collimating lens 421a and a condenser lens 422a for the laser light L4, and a collimating lens 421b and a condenser lens 422b for the laser light L5.
  • the collimating lenses 421a and 421b are optical systems for collimating the laser light guided by the optical fibers 431 and 432, respectively, and the condenser lenses 422a and 422b process the collimated laser light, respectively. This is an optical system for condensing light on the target W.
  • the laser beams L4 and L5 on the processing target W are constituted by a main beam and at least one sub main beam having at least a part thereof on the front side in the sweep direction with respect to the main beam.
  • the laser beam L4 may be used for forming a main beam
  • the laser beam L5 may be used for forming a sub-beam.
  • the power of the main beam is greater than the power of each sub-beam, and the ratio of the power of the main beam to the sum of the power of at least one sub-beam is in the range of 9: 1 to 1: 9.
  • the ratio may be in the range from 144: 1 to 1: 9, depending on how the sub-beams are divided and arranged.
  • only two laser beams L4 and L5 are used.
  • the number may be increased as appropriate, and the number of laser beams shown in FIGS. What is necessary is just to be comprised so that a laser beam suitable for implementation of this invention, such as a cross-sectional shape, may be implement
  • the laser beams L4 and L5 are generated using the two oscillators 411 and 412.
  • laser light output from one resonator may be split into two by an optical splitter to generate laser lights L4 and L5.
  • the optical fibers 431 and 432, the collimator lens 421a and the condenser lens 422a, and the collimator lens 421b and the condenser lens 422b are individually provided for each of the two oscillators 411 and 412. .
  • the laser light output from each of the two oscillators 411 and 412 is guided to the optical head by a separate core, and the two lasers are used.
  • An optical head using a common collimating lens and a condensing lens for light may be used to irradiate two laser beams to a processing target as a configuration of laser beams suitable for implementing the present invention.
  • the profile (power distribution shape) of the laser beam has a discrete power region constituted by the main beam and the sub beam.
  • the power region is a region having power that contributes to melting of a processing target in a plane perpendicular to the light traveling direction of the laser light.
  • each power region alone has a power capable of melting a processing target, and it is sufficient that each power region can melt the processing target by the influence of energy applied to the processing target by another power region.
  • FIG. 15A shows a power distribution shape in the forward direction of an example of the laser light L12 having a different power distribution shape from the laser light L.
  • two power regions PA121 and PA122 arranged in the forward direction are continuous.
  • Power region PA121 has a single-peak shape having a peak, and is, for example, a main power region.
  • Power region PA122 has a shoulder shape, for example, a sub-power region.
  • the boundary between the two power regions PA121 and PA122 in the curve of FIG. 15A can be defined, for example, as the position of an inflection point existing therebetween.
  • FIG. 15B shows the power distribution shape in the forward direction of another example of the laser light L13 having a different power distribution shape from the laser light L.
  • the two arranged power regions PA131 and PA132 are continuous.
  • Each of power regions PA131 and PA132 has a single-peak shape having a peak, and for example, each is a main power region and a sub-power region.
  • the boundary between the two power regions PA131 and PA132 in the curve of FIG. 15B can be defined, for example, as the position of a minimum point existing therebetween.
  • Each of the laser beams L12 and L13 can be applied as a laser beam composed of the main power region and the sub power region in the present invention.
  • the laser beams L12 and L13 can be realized by using, as a beam shaper, an optical component such as a properly designed diffractive optical element or an optical lens or an optical fiber capable of controlling a power distribution.
  • the power distribution shapes of other laser beams such as the laser beams L, L ', L ", L1, L2, L31 to L38, which are constituted by the main power region and the sub power region in the present invention, are also beam shapers.
  • it can be realized by using an optical component such as a properly designed diffractive optical element or optical lens, or an optical fiber capable of controlling the power distribution.
  • the welding mode of the main beam may be a keyhole type welding or a heat conduction type welding.
  • the keyhole type welding here is a welding method using a keyhole.
  • heat conduction type welding is a welding method in which a processing target is melted using heat generated by absorption of laser light on a surface of the processing target.
  • all the sub-beams may have the same power, or one or some sub-beams may have higher power than the other sub-beams.
  • a plurality of sub-beams can be classified into a plurality of groups, the sub-beams have substantially the same power within the same group, and the sub-beams may have different powers between groups. In this case, when the sub-beams classified into a plurality of different groups are compared, the powers differ stepwise.
  • the number of sub-beams included in a certain group is not limited to a plurality, and may be one. In any case, the ratio of the power of the main beam to the sum of the powers of the plurality of sub-beams is preferably 144: 1 to 1: 9.
  • the object to be processed is not limited to a plate material, and the mode of welding is not limited to lap welding or butt welding. Therefore, the object to be processed may be constituted by overlapping, contacting, or adjoining at least two members to be welded.
  • sweep may be performed by known wobbling, weaving, output modulation or the like to adjust the surface area of the molten pool.
  • the object to be processed may be a metal plate having a thin layer of another metal on the surface of the metal, such as a plated metal plate.
  • the one having a thickness of about 1 mm to 10 mm has been exemplified, but it may be thinner, about 0.01 mm, or thicker.
  • the present invention is not limited by the above embodiments.
  • the present invention also includes a configuration obtained by appropriately combining the components of the above-described embodiments. Further, further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspects of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible.
  • the present invention can be used for laser welding.

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Abstract

溶接方法は、金属を含む加工対象に向かってレーザ光を照射し、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行い、前記レーザ光は、主パワー領域と、少なくとも１つの副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワーは、それぞれの前記副パワー領域のパワーより大きく、前記主パワー領域のパワーと、前記少なくとも１つの副パワー領域のパワーの合計との比が、１４４：１から１：９までの範囲内である。

Description

溶接方法および溶接装置
　本発明は、溶接方法および溶接装置に関する。
　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ー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。
　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）。
特表２０１０－５０８１４９号公報
　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。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、スパッタの発生を抑制することができる溶接方法および溶接装置を提供することにある。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る溶接方法は、金属を含む加工対象に向かってレーザ光を照射しながら前記レーザ光と前記加工対象とを相対的に移動させ、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行い、前記レーザ光は、主パワー領域と、前記主パワー領域に対して掃引方向前方側に少なくともその一部がある少なくとも１つの副パワー領域とによって構成され、前記主パワー領域のパワーは、それぞれの前記副パワー領域のパワーより大きく、前記主パワー領域のパワーと、前記少なくとも１つの副パワー領域のパワーの合計との比が、１４４：１から１：９までの範囲内である。
　本発明の一態様に係る溶接方法は、前記金属は鉄または鉄を含む合金鋼または鋼または鋼を含む合金またはアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金である。
　本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光は、複数の前記副パワー領域を含み、前記複数の副パワー領域は、前記主パワー領域の外周の少なくとも一部を囲むように位置する。
　本発明の一態様に係る溶接方法は、前記複数の副パワー領域は、前記主パワー領域を囲む略リング形状または前記主パワー領域の周囲を囲む略リング形状の一部である円弧形状を持つ。
　本発明の一態様に係る溶接方法は、前記副パワー領域の中心と前記主パワー領域の中心との距離が、２２５μｍから９００μｍまでの範囲内である。
　本発明の一態様に係る溶接方法では、前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動する。
　本発明の一態様に係る溶接方法は、前記加工対象は溶接されるべき少なくとも２つの部材であり、前記加工対象を前記レーザ光が照射される領域に配置する際は、前記少なくとも２つの部材を重ねる、または接触させる、または隣接させるように配置する。
　本発明の一態様に係る溶接方法では、前記金属は、ＳＵＳ３０４である。
　本発明の一態様に係る溶接方法は、ビームシェイパによって、前記主パワー領域と前記副パワー領域とを生成する。
　本発明の一態様に係る溶接方法は、前記ビームシェイパは回折光学素子である。
　本発明の一態様に係る溶接装置は、レーザ発振器と、レーザ発振器から発振された光を受け取ってレーザ光を生成し、前記生成されたレーザ光を加工対象に向かって照射して照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、によって構成され、前記レーザ光を前記加工対象上で掃引しつつ、前記溶融を行なって溶接を行い、前記レーザ光は、主パワー領域と、少なくとも１つの副パワー領域によって構成され、前記主パワー領域のパワーは、それぞれの前記副パワー領域のパワーより大きく、前記主パワー領域のパワーと、前記少なくとも１つの副パワー領域のパワーの合計との比が、１４４：１から１：９までの範囲内である。
　本発明の一態様に係る溶接装置は、前記加工対象は金属を含み、当該金属は鉄または鉄を含む合金鋼または鋼または鋼を含む合金またはアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金である。
　本発明の一態様に係る溶接装置は、前記レーザ光は、複数の前記副パワー領域を含み、前記複数の副パワー領域は、前記主パワー領域の外周の少なくとも一部を囲むように位置する。
　本発明の一態様に係る溶接装置は、前記複数の副パワー領域は、前記主パワー領域を囲む略リング形状または前記主パワー領域の周囲を囲む略リング形状の一部である円弧形状を持つ。
　本発明の一態様に係る溶接装置は、前記副パワー領域のそれぞれの中心と前記主パワー領域の中心との距離が、２２５μｍから９００μｍまでの範囲内である。
　本発明の一態様に係る溶接装置では、前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動する。
　本発明の一態様に係る溶接装置は、前記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。
　本発明の一態様に係る溶接装置は、前記主パワー領域と前記副パワー領域とを生成するビームシェイパを備える。
　本発明の一態様に係る溶接装置は、前記ビームシェイパは回折光学素子である。
　本発明によれば、スパッタの発生を抑制することができるという効果を奏する。
図１は、実施形態１に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、回折光学素子を説明する模式図である。 図３は、レーザ光の断面形状の例を示す図である。 図４は、レーザ光が加工対象を溶融する状況を示す図である。 図５Ａは、ビームの配置の一例を説明する模式図である。 図５Ｂは、ビームの配置の一例を説明する模式図である。 図５Ｃは、ビームの配置の一例を説明する模式図である。 図６は、ＤＯＥを用いた場合におけるレーザ光の複数のビームの配置を説明する模式図である。 図７は、実験において照射箇所状態が良好であった代表的な条件を示す図である。 図８は、比較例、実施例１、実施例２について、掃引速度とスパッタの個数との関係を示す図である。 図９は、ビームの配置の別の一例を説明する模式図である。 図１０は、ビームの配置のさらに別の一例を説明する模式図である。 図１１Ａは、ビームの配置のさらに別の例を説明する模式図である。 図１１Ｂは、ビームの配置のさらに別の例を説明する模式図である。 図１１Ｃは、ビームの配置のさらに別の例を説明する模式図である。 図１１Ｄは、ビームの配置のさらに別の例を説明する模式図である。 図１１Ｅは、ビームの配置のさらに別の例を説明する模式図である。 図１１Ｆは、ビームの配置のさらに別の例を説明する模式図である。 図１１Ｇは、ビームの配置のさらに別の例を説明する模式図である。 図１１Ｈは、ビームの配置のさらに別の例を説明する模式図である。 図１１Ｉは、ビームの配置のさらに別の例を説明する模式図である。 図１２は、実施形態２に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。 図１３は、実施形態３に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。 図１４は、実施形態４に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。 図１５Ａは、レーザ光のパワー分布形状の例を説明する模式図である。 図１５Ｂは、レーザ光のパワー分布形状の例を説明する模式図である。
　以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。
（実施形態１）
　図１は、実施形態１に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。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。また、加工対象Ｗは、鉄やアルミニウム等の金属を含むものである。加工対象Ｗは、たとえばステンレス鋼等の鉄合金や、アルミニウム合金からなり、厚さがたとえば１ｍｍから１０ｍｍまでの範囲内程度の板状である。
　レーザ装置１１０は、レーザ発振器を備えており、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。例えば、レーザ装置１１０は、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に構成することとしてもよい。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いてもよい。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導波し、光学ヘッド１２０に入力させる。
　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、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とを備えている。コリメートレンズ１２１は、入力されたレーザ光を平行光にするための光学系である。集光レンズ１２２は、平行光化されたレーザ光を集光し、レーザ光Ｌとして加工対象Ｗに照射するための光学系である。
　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。加工対象Ｗとの相対位置を変更する方法としては、光学ヘッド１２０自身を移動することや、加工対象Ｗを移動することなどが含まれる。すなわち、光学ヘッド１２０は、レーザ光Ｌを、固定されている加工対象Ｗに対して掃引可能に構成されてもよい。または、光学ヘッド１２０からのレーザ光Ｌの照射位置は固定され、加工対象Ｗが、固定されたレーザ光Ｌに対して移動可能に保持されてもよい。
　光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２との間に配置された、ビームシェイパとしての回折光学素子１２３を備えている。ここでいう回折光学素子１２３は、ＤＯＥ（Diffractive　Optical　Element）とも呼ばれ、図２に概念的に示すように、周期の異なる複数の回折格子１２３ａを一体に構成したものである。回折光学素子１２３は、入力されたレーザ光を、各回折格子の影響を受けた方向に曲げたり、重ね合わせたりして、ビーム形状を成形することができる。
　回折光学素子１２３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。具体的には、回折光学素子１２３は、レーザ光を分割し、主ビームと、少なくとも１つの副ビームとを生成する。このとき、回折光学素子１２３は、少なくとも１本の副ビームの少なくとも一部が、主ビームに対して掃引方向前方側に位置するように、主ビームと副ビームとを生成する。これにより、レーザ光Ｌは、主ビームと、少なくとも１本の副ビームとによって構成されるものとなる。
　回折光学素子１２３によって成形されるレーザ光Ｌは、図３に、レーザ光Ｌの進行方向と垂直な面における断面形状の一例を示すように、主ビームＢ１と、副ビームＢ２とによって構成されている。掃引方向ＳＤは加工対象Ｗに対するレーザ光Ｌの相対的な移動方向である。副ビームＢ２は、主ビームＢ１の掃引方向前方に位置する。主ビームＢ１の前方とは、図３に示すように主ビームＢ１の掃引方向前方側におけるビーム径の位置を通り掃引方向ＳＤと垂直な破線で規定される、領域Ａを意味する。副ビームＢ２の位置はこれに限られず、領域Ａのどこかに位置すれば、主ビームＢ１の前方に位置すると見なすことができる。
　また、主ビームＢ１および副ビームＢ２は、そのビーム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。図３において、主ビームＢ１、副ビームＢ２を表す円の直径が、各ビームのビーム径である。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／ｅ２以上の強度の領域の径として定義する。円形でないビームの場合は、本明細書に於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／ｅ２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／ｅ２以上の強度の領域でのパワーである。主ビームＢ１のパワーは、副ビームＢ２のパワーより大きい。
　なお、少なくとも主ビームＢ１のパワー分布はある程度鋭い形状であることが好ましい。主ビームＢ１のパワー分布がある程度鋭い形状であれば、加工対象Ｗを溶融する際の溶け込み深さを深くできるので、溶接強度を確保でき、溶接不良の発生をより好適に抑制することができる。主ビームＢ１の鋭さの指標として、ビーム径を用いると、主ビームＢ１のビーム径が６００μｍ以下が好ましく、４００μｍ以下がより好ましい。なお、主ビームＢ１が鋭い形状であると、同じ溶け込み深さを実現するためのパワーを低減でき、かつ加工速度を速めることができる。そのため、レーザ溶接装置１００の消費電力の低減と加工効率の向上とを実現できる。副ビームＢ２のパワー分布は、主ビームＢ１と同程度に鋭くてもよい。
　なお、ビーム径の設計は、使用するレーザ装置１１０、光学ヘッド１２０、光ファイバ１３０の特性を適宜設定すること可能である。たとえば、光ファイバ１３０から光学ヘッド１２０に入力するレーザ光のビーム径の設定や、回折光学素子１２３やレンズ１２１，１２２等の光学系の設定によって、設定可能である。
　レーザ溶接装置１００を用いて溶接を行う場合、まず、加工対象Ｗを、レーザ光Ｌが照射される領域に配置する。つづいて、回折光学素子１２３によって分割された主ビームＢ１および副ビームＢ２を含むレーザ光Ｌを加工対象Ｗに照射しながら、レーザ光Ｌと加工対象Ｗとを相対的に移動させてレーザ光Ｌの掃引をしつつ、レーザ光Ｌが照射された部分の加工対象Ｗを溶融して溶接を行う。図１の場合は、掃引方向は、たとえば図面の手前方向または奥行き方向である。これにより、加工対象Ｗは溶接される。
　このとき、レーザ光Ｌにおいて、副ビームＢ２が、主ビームＢ１に対して掃引方向ＳＤの前方側に位置することによって、スパッタの発生を抑制することができる。
　図４は、レーザ光が加工対象を溶融する状況を示す図である。図４に示すように、実施形態１に係るレーザ溶接装置１００およびこれを用いた溶接方法では、レーザ光Ｌが、主ビームＢ１と副ビームＢ２とで構成されている。主ビームＢ１のパワー密度は、例えば、少なくともキーホールを発生させうるパワー密度である。なお、キーホールとは、レーザ光のビームの高いパワー密度によって、加工対象Ｗが溶融した際に発生する金属蒸気の圧力により発生する、くぼみや穴のことである。そして、パワーが大きい主ビームＢ１よりも掃引方向ＳＤの前方側に、主ビームＢ１よりもパワーが小さい副ビームＢ２が位置する。また、副ビームＢ２のパワー密度は、主ビームＢ１の存在下または単独にて、加工対象Ｗを溶融し得るパワー密度である。したがって、主ビームＢ１が照射される位置よりも前方に、主ビームＢ１が溶融する深さよりも浅い領域がある溶融池ＷＰが溶融領域として形成されることになる。これを便宜上、浅瀬領域Ｓと呼ぶことにする。　
　主ビームＢ１と副ビームＢ２の溶融強度領域は、重なってもよいが、必ずしも重なる必要はなく、溶融池が重なればよい。副ビームＢ２で形成された溶融池が固化する前に、その溶融池に主ビームＢ１が形成する溶融強度領域が到達できればよい。上記のように、主ビームＢ１および副ビームＢ２のパワー密度は加工対象Ｗを溶融し得るパワー密度であり、溶融強度領域とは、主ビームＢ１または副ビームＢ２の周囲における加工対象Ｗを溶融し得るパワー密度のレーザ光のビームの範囲のことをいう。
　実施形態１に係るレーザ溶接装置１００およびこれを用いた溶接方法では、主ビームＢ１が照射される位置よりも前方に浅瀬領域Ｓが存在することで、主ビームＢ１の照射位置の近傍で溶融池ＷＰが安定化する。先述したように、スパッタは、溶融金属が飛散したものであるので、主ビームＢ１の照射位置の近傍で溶融池ＷＰが安定化することは、スパッタの発生を抑制することにつながると考えられる。
　なお、図３において、主ビームＢ１のパワーと、副ビームＢ２のパワーの比は、１４４：１から１：９までの範囲内であることが好ましい。
　図５Ａ～図５Ｃは、ビームの配置の一例を説明する模式図である。なお、図５Ａ～図５Ｃは、加工対象Ｗのレーザ光Ｌの照射面における複数のビームの配置を示している。図５Ａに示す例では、レーザ光Ｌは、回折光学素子１２３によって分割された、主ビームＢ１と、複数の副ビームＢ２とを含んでいる。図５Ａに示す例では副ビームＢ２の数は１６である。１６本の副ビームＢ２は、主ビームＢ１の外周を囲むように位置している。具体的には、１６本の副ビームＢ２は、主ビームＢ１を中心として、ピーク間の半径がＲの略リング形状を成すように位置している。また、１６本の副ビームＢ２は、主ビームＢ１を中心として、中心から頂点までの距離がＲの略正十六角形状を成すように位置しているということもできる。
　なお、図５Ｂに示すレーザ光Ｌ´のように、複数の副ビームＢ２が連続的に重なり合って、主ビームＢ１の周囲を囲む略リング形状を成していてもよい。また、図５Ｃに示すレーザ光Ｌ´´のように、主ビームＢ１の周囲を囲む略リング形状の一部である円弧形状を成していてもよい。
　図５Ａに示す例では、７本の副ビームＢ２が、主ビームＢ１に対して掃引方向ＳＤの前方側に位置する。また、２本の副ビームＢ２が、主ビームＢ１に対して掃引方向ＳＤと垂直方向の側方側に位置する。そして、７本の副ビームＢ２が、主ビームＢ１に対して掃引方向ＳＤの後方側に位置する。
　さらに、主ビームＢ１のパワーと、１６本の副ビームＢ２のパワーの合計との比が、９：１から１：９までの範囲内である。したがって、比が９：１の場合は、主ビームＢ１のパワーと、１本の副ビームＢ２のパワーとの比は、９：１／１６＝１４４：１となる。また、比が１：９の場合は、主ビームＢ１のパワーと、１本の副ビームＢ２のパワーとの比は、１：９／１６＝１６：９となる。
　図５Ａに示すレーザ光Ｌにおいて、１６本の副ビームＢ２のうちの一部である７本が、主ビームＢ１に対して掃引方向ＳＤの前方側に位置し、かつ、主ビームＢ１のパワーと、１６本の副ビームＢ２のパワーの合計との比が、９：１から１：９までの範囲内であることによって、スパッタの発生を抑制することができる。同様に、図５Ｂ、図５Ｃに示すレーザ光Ｌ´、Ｌ´´において、副ビームＢ２のうちの一部が、主ビームＢ１に対して掃引方向ＳＤの前方側に位置し、かつ、主ビームＢ１のパワーと、副ビームＢ２のパワーの合計との比が、９：１から１：９までの範囲内であることによって、スパッタの発生を抑制することができる。
　また、図５Ａ、図５Ｂに示す例では、副ビームＢ２は、主ビームＢ１を中心として略リング形状を成すように位置しているので、掃引方向を掃引方向ＳＤから任意の方向に変更したとしても、主ビームＢ１に対して、変更後の掃引方向の前方側に副ビームＢ２の一部が位置することとなる。したがって、任意の掃引方向に対して、スパッタの発生の抑制効果を発揮できる。また、図５Ｃに示す例でも、掃引方向を掃引方向ＳＤからある程度変更したとしても、スパッタの発生の抑制効果を発揮できる。
　つぎに、実験例として、図１に示す構成のレーザ溶接装置を用いて、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４からなる厚さが１０ｍｍの板材を加工対象とし、これにレーザ光を照射する実験を行った。レーザ装置から出力されるレーザ光の波長は１０７０ｎｍ、パワーは５ｋＷとした。また、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いない場合と用いる場合との実験を行った。
　ＤＯＥを用いる場合は、図６に示すように、レーザ光を、主ビームと、主ビームを中心として略リング形状を成すように位置する１６本の副ビームとに分割するように設計した複数のＤＯＥを準備した。なお、このリング形状の直径２Ｒが加工対象の表面において６００μｍになるようにした。また、掃引方向は図面上方向である。また、各ＤＯＥは、主ビームのパワーと、１６本の副ビームのパワーの合計との比が、それぞれ、９：１、７：３、５：５、３：７、１：９となり、かついずれも、１６本の副ビームのパワーは等しくなるように設計したものである。さらに、主ビームのパワーと、１６本の副ビームのパワーの合計との比が、９：１から１：９までの範囲内である。したがって、比が９：１の場合は、主ビームのパワーと、１本の副ビームのパワーとの比は、９：１／１６＝１４４：１となる。また、比が１：９の場合は、主ビームのパワーと、１本の副ビームのパワーとの比は、１：９／１６＝１６：９となる。
　また、加工対象に対するレーザ光の掃引速度は、０．５ｍ／ｍｉｎ、１ｍ／ｍｉｎ、２ｍ／ｍｉｎ、５ｍ／ｍｉｎ、１０ｍ／ｍｉｎ、２０ｍ／ｍｉｎ、または３０ｍ／ｍｉｎとした。
　表１に実験結果を示す。表中のパワー比（中心：外周）とは、主ビームのパワーと、副ビームのパワーの合計との比を示す。また、記号「〇」、「△」は、所定の長さだけ溶接を行った期間における、スパッタの飛散の程度の判定結果を示している。具体的には、記号「〇」、「△」は、ＤＯＥを用いない場合（パワー比が１０：０に相当）に飛散するスパッタの体積を１００％とした場合に、これに対してどれだけスパッタの体積が減少したかを示している。記号「〇」は、飛散したスパッタの体積がＤＯＥを用いない場合と比較して２０％以上減少したことを示している。記号「△」は、飛散したスパッタの体積がＤＯＥを用いない場合と比較して減少しているが、減少が２０％未満であることを示している。
　表１に示すように、パワー比が９：１から１：９までの範囲内の場合、いずれの掃引速度においてもスパッタの飛散量が減少していた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　つづいて、パワー比が７：３であるが、加工対象の表面において１６本の副ビームが成す略リング形状の円形近似の直径２Ｒが４５０μｍ、６００μｍ、８００μｍ、１０００μｍ、１４００μｍ、１８００μｍとなるように設計した各ＤＯＥを用いて、上記の同様の照射の実験を行った。なお、掃引速度５ｍ／ｍｉｎとした。また、それぞれのＤＯＥを用いた場合、副ビームのそれぞれの中心と主ビームの中心との距離は、約２２５μｍ、約３００μｍ、約４００μｍ、約５００μｍ、約７００μｍ、約９００μｍである。この実験の結果、全ての直径２Ｒの場合において、スパッタの飛散量は減少した。図７は、上記２つの実験において、スパッタの飛散量が減少した代表的な条件を示す図である。この結果から分かるように、副ビームのそれぞれの中心と主ビームの中心との距離（半径Ｒに相当）は２２５μｍから９００μｍまでの範囲内であることが好ましい。また、掃引方向前方側に位置する副ビームの中心と主ビームの中心との距離を２２５μｍから９００μｍまでの範囲内として、掃引方向側方側または後方側に位置する複数の副ビームと主ビームの中心との距離を、この範囲以外の値としてもよい。
　つづいて、図８は、比較例、実施例１、実施例２について、掃引速度と飛散したスパッタの個数との関係を示す図である。横軸は掃引速度であり、縦軸は、１ｍｍの溶接長さ当たりの飛散したスパッタの個数であり、高速度カメラで撮影した映像を解析し、計数したものである。また、比較例とは、上記実験例におけるＤＯＥを用いない場合である。実施例１は、上記実験例と同様に図１に示す構成のレーザ溶接装置を用いて、ＤＯＥによって図５Ｃに示すようなレーザ光を成形し、ステンレス鋼であるＳＵＳ３０４からなる厚さが１０ｍｍの板材を加工対象とし、これにレーザ光を照射する実験を行った場合である。レーザ装置から出力されるレーザ光の波長は１０７０ｎｍ、パワーは５ｋＷとした。そして、主ビームの中心と円弧状の副ビームの中心との距離（半径Ｒに相当）を３００μｍとし、主ビームのパワーと、円孔状の副ビームのパワーの合計との比が１：２となるようにした。なお、円弧状の副ビームは、パワーが略等しい複数の副ビームを円弧状に配置し、パワーが連続的に分布する１本の円弧状の副ビームとしたものである。また、実施例２は、上記実験例において、直径２Ｒを６００μｍとし、パワー比を３：７とした場合である。
　図８に示すように、実施例１、実施例２の場合は、いずれの掃引速度においても、比較例と比べてスパッタの個数が大きく減少した。
　なお、上記では、レーザ光を加工対象に対して掃引する場合について説明した。ただし、レーザ光を主ビームと複数の副ビームとによって構成し、主ビームのパワーと複数の副ビームのパワーの合計との比を１４４：１～１：９にすることは、たとえばスポット溶接のように、レーザ光を加工対象に対して掃引しない溶接の場合にも効果的である。なお、主ビームと隣接する複数の副ビームのそれぞれの中心と主ビームの中心との距離は２２５μｍ～９００μｍが好ましい。
（ビームの配置の別の例）
　ビームの配置の別の例について説明する。たとえば、図９に示す例では、加工対象に照射されるレーザ光Ｌ１が、主ビームＢ１と、３本の副ビームＢ２に分割されている。そして、３本の副ビームＢ２はいずれも、主ビームＢ１に対して掃引方向ＳＤの前方側に位置している。主ビームＢ１のパワーは、それぞれの副ビームＢ２のパワーより大きい。また、主ビームＢ１のパワーと、３本の副ビームＢ２のパワーの合計との比は、９：１から１：９までの範囲内である。このような配置であっても、上記実施形態１や実験例、実施例の場合と同様に、スパッタの発生を抑制することができる。
　なお、図９のような前方方向のようなビーム配置の場合、主ビームＢ１の中心と、互いに隣接する２本の副ビームＢ２の中心とを結ぶ線の成す角θは、９０°以下が好ましく、６０°以下がより好ましく、４５°以下がさらに好ましい。
　また、溶融池の形状は掃引方向ＳＤに対して線対称に近いことが好ましいので、３本の副ビームＢ２も掃引方向ＳＤに対して線対称になるように配置されていることが好ましい。
　また、図６を参照して説明したように、ＤＯＥを用いてレーザ光を、主ビームと１６本の副ビームとに分割した場合、主ビームのパワーと、１本の副ビームのパワーとの比は、１４４：１でよい。この比を、ＤＯＥを用いてレーザ光を、主ビームと２本の副ビームとに分割し、かつ２本の副ビームを主ビームに対して掃引方向の前方側に位置させた場合に適用する。すると、主ビームのパワーと、２本の副ビームのパワーの合計との比は、１４４：２＝７２：１となる。したがって、主ビームのパワーと、２本の副ビームのパワーの合計との比は、７２：１でもよい。また、たとえば図９のように、ＤＯＥを用いてレーザ光を、主ビームと３本の副ビームとに分割し、かつ３本の副ビームを主ビームに対して掃引方向の前方側に位置させた場合は、当該比は、１４４：３＝４８：１でもよい。このように、当該比は、１４４：１以上の値をとり得る。
　また、たとえば、図１０に示す例では、加工対象に照射されるレーザ光Ｌ２が、主ビームＢ１と、１６本の副ビームＢ２と、８本の副ビームＢ３とに分割されている。１６本の副ビームＢ２は、副ビーム群Ｇ２を構成し、主ビームＢ１を中心として略リング形状を成すように位置している。８本の副ビームＢ３は、副ビーム群Ｇ３を構成し、主ビームＢ１を中心として、副ビームＢ２の成すリング形状よりも直径が小さい略リング形状を成すように位置している。主ビームＢ１のパワーと、副ビームＢ２および副ビームＢ３のパワーの合計との比は、９：１から１：９までの範囲内である。このような配置であっても、上記実施形態１や実験例、実施例の場合と同様に、スパッタの発生を抑制することができる。
　図１１Ａ～図１１Ｉは、ビームの配置のさらに別の例を説明する模式図である。図１１Ａに示す例では、レーザ光Ｌ３１は、主ビームＢ１と、１２本の副ビームＢ２とを含んでいる。１２本の副ビームＢ２は、主ビームＢ１を中心として、略リング形状または略正六角形状を成すように位置している。図１１Ｂに示す例では、レーザ光Ｌ３２は、主ビームＢ１と、６本の副ビームＢ２とを含んでいる。６本の副ビームＢ２は、主ビームＢ１を中心として、略リング形状または六角形状を成すように位置している。図１１Ｃに示す例では、レーザ光Ｌ３３は、主ビームＢ１と、１０本の副ビームＢ２とを含んでいる。１０本の副ビームＢ２は、主ビームＢ１を中心として、略リング形状または五角形状を成すように位置している。図１１Ｄに示す例では、レーザ光Ｌ３４は、主ビームＢ１と、５本の副ビームＢ２とを含んでいる。５本の副ビームＢ２は、主ビームＢ１を中心として、略リング形状または五角形状を成すように位置している。図１１Ｅに示す例では、レーザ光Ｌ３５は、主ビームＢ１と、副ビームＢ２とを含んでいる。副ビームＢ２は、複数の副ビームが、パワーが連続的に分布するように重なり合っており、主ビームＢ１を中心として、略リング形状または六角形状を成すように位置している。図１１Ｆに示す例では、レーザ光Ｌ３６は、主ビームＢ１と、副ビームＢ２とを含んでいる。副ビームＢ２は、複数の副ビームが、パワーが連続的に分布するように重なり合っており、主ビームＢ１を中心として、略リング形状または五角形状を成すように位置している。図１１Ｇに示す例では、レーザ光Ｌ３７は、主ビームＢ１と、１６本の副ビームＢ２とを含んでいる。１６本の副ビームＢ２は、主ビームＢ１を中心として、略リング形状または略正八角形状を成すように位置している。図１１Ｈに示す例では、レーザ光Ｌ３８は、主ビームＢ１と、副ビームＢ２とを含んでいる。副ビームＢ２は、複数の副ビームが、パワーが連続的に分布するように重なり合っており、主ビームＢ１を中心として、略リング形状または八角形状を成すように位置している。図１１Ａ～図１１Ｈに示す例では、レーザ光Ｌ３１～Ｌ３８の掃引方向は任意でよく、五角形、六角形または八角形の角の向きからずれた向きでもよい。また、掃引方向前方に存在しない副ビームの数は、図１１Ａ、図１１Ｃ、図１１Ｇのように副ビームが密に配置されていれば、少し間引いても良い。また、図１１Ｉに示す例では、レーザ光Ｌ３７は、主ビームＢ１と、１６本の副ビームＢ２とを含んでいる。１６本の副ビームＢ２は、主ビームＢ１を中心として、略リング形状または略八角形状を成すように位置している。また、主ビームＢ１および副ビームＢ２は、マトリクスＭを定義した場合に、その矩形のグリッドを埋めるように配置されている。
（実施形態２）
　図１２は、実施形態２に係る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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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回折光学素子２２３を備えている。回折光学素子２２３は、回折光学素子１２３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。主ビームのパワーは、それぞれの副ビームのパワーより大きく、主ビームのパワーと、少なくとも１本の副ビームのパワーの合計との比は、９：１から１：９までの範囲内である。これにより、レーザ溶接装置２００は、加工対象Ｗ１を溶接する際のスパッタの発生を抑制することができる。なお、当該比は、副ビームの分割、配置の仕方に応じて、１４４：１から１：９までの範囲内としてもよい。
（実施形態３）
　図１３は、実施形態３に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。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。
　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。
　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。
　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回折光学素子３２３を備えている。回折光学素子３２３は、回折光学素子１２３、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。主ビームのパワーは、それぞれの副ビームのパワーより大きく、主ビームのパワーと、少なくとも１本の副ビームのパワーの合計との比は、９：１から１：９までの範囲内である。これにより、レーザ溶接装置３００は、加工対象Ｗを溶接する際の溶融欠陥の発生を抑制することができる。なお、当該比は、副ビームの分割、配置の仕方に応じて、１４４：１：１から１：９までの範囲内としてもよい。
（実施形態４）
　図１４は、実施形態４に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。図１４に示すように、実施形態４に係るレーザ溶接装置４００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌ４、Ｌ５を照射して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例である。レーザ溶接装置４００は、実施形態１に係る溶接装置と同様の作用原理によって溶接方法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４００の装置構成の説明のみを行う。　
　レーザ溶接装置４００は、レーザ光を発振する複数の発振器４１１、４１２と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド４２０と、発振器４１１、４１２で発振されたレーザ光を光学ヘッド４２０へ導く光ファイバ４３１、４３２とを備えている。
　発振器４１１、４１２は、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成されている。例えば、発振器４１１、４１２は、それぞれの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の出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成することとしてもよいし、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を用いてもよい。
　光学ヘッド４２０は、発振器４１１、４１２から導かれたそれぞれのレーザ光Ｌ４、Ｌ５を、加工対象Ｗを溶融し得る強度のパワー密度に集光して、加工対象Ｗに照射するための光学装置である。そのために、光学ヘッド４２０は、レーザ光Ｌ４のためのコリメートレンズ４２１ａと集光レンズ４２２ａと、レーザ光Ｌ５のためのコリメートレンズ４２１ｂと集光レンズ４２２ｂとを備えている。コリメートレンズ４２１ａ、４２１ｂは、それぞれ、光ファイバ４３１、４３２によって導かれたレーザ光を一旦平行光化するための光学系であり、集光レンズ４２２ａ、４２２ｂは、平行光化されたレーザ光を加工対象Ｗに集光させるための光学系である。
　この光学ヘッド４２０も、加工対象Ｗ上におけるレーザ光Ｌ４、Ｌ５が、主ビームと、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ある少なくとも１つの副主ビームとによって構成されるようにする機能を有する。すなわち、光学ヘッド４２０が加工対象Ｗに照射するレーザ光Ｌ４、Ｌ５のうち、レーザ光Ｌ４を主ビーム形成のために用い、レーザ光Ｌ５を副ビーム形成のために用いればよい。主ビームのパワーは、それぞれの副ビームのパワーより大きく、主ビームのパワーと、少なくとも１本の副ビームのパワーの合計との比は、９：１から１：９までの範囲内である。なお、当該比は、副ビームの分割、配置の仕方に応じて、１４４：１から１：９までの範囲内としてもよい。また、図に示される例は、レーザ光Ｌ４、Ｌ５の２つのレーザ光のみを用いているが、その数を適宜増やしてもよく、図３、５、９～１１に例示されるレーザ光の断面形状のような、本発明の実施に好適なレーザ光を実現するように構成されればよい。
　また、実施形態４では、２つの発振器４１１、４１２を用いてレーザ光Ｌ４、Ｌ５を発生させている。しかし、１つの共振器から出力されるレーザ光を光分岐器によって２分割し、レーザ光Ｌ４、Ｌ５を発生させてもよい。また、実施形態４では、２つの発振器４１１、４１２のそれぞれに対して個別に、光ファイバ４３１、４３２とコリメートレンズ４２１ａと集光レンズ４２２ａと、コリメートレンズ４２１ｂと集光レンズ４２２ｂとを備えている。しかし、光ファイバ４３１、４３２に換えて２つ以上のコアを備えるマルチコアファイバを用いて、２つの発振器４１１、４１２のそれぞれから出力したレーザ光を別々のコアにて光学ヘッドに導き、２つのレーザ光に対して共通のコリメートレンズと集光レンズとを用いる光学ヘッドにて、２つのレーザ光を、本発明の実施に好適なレーザ光の構成として加工対象に照射してもよい。
　また、上記実施形態では、レーザ光のプロファイル（パワー分布形状）が、主ビームおよび副ビームによって構成される離散的なパワー領域を有している。ここで、パワー領域とは、レーザ光の光進行方向と垂直な面内において、加工対象の溶融に寄与するパワーを有する領域である。ただし、個々のパワー領域が単独で加工対象を溶融できるパワーを有することは必ずしも必要ではなく、各パワー領域は他のパワー領域が加工対象に与えるエネルギーの影響によって加工対象を溶融できればよい。
　ただし、パワー領域は離散的なものに限られず、複数のパワー領域が、線対称あるいは非対称な分布で、連続的であってもよい。たとえば、図１５Ａには、レーザ光Ｌとはパワー分布形状が異なる一例のレーザ光Ｌ１２の前方向におけるパワー分布形状を示している。このレーザ光Ｌ１２のパワー分布形状では、前方向において配置されている２つのパワー領域ＰＡ１２１、ＰＡ１２２が連続している。パワー領域ＰＡ１２１はピークを有する単峰型の形状であり、たとえば主パワー領域である。また、パワー領域ＰＡ１２２はショルダー状の形状であり、たとえば副パワー領域である。図１５Ａの曲線における２つのパワー領域ＰＡ１２１、ＰＡ１２２の境界は、たとえばその間に存在する変曲点の位置として規定できる。
　一方、図１５Ｂには、レーザ光Ｌとはパワー分布形状が異なる他の例のレーザ光Ｌ１３の前方向におけるパワー分布形状を示している。このレーザ光Ｌ１３のパワー分布形状では、配置されている２つのパワー領域ＰＡ１３１、ＰＡ１３２が連続している。パワー領域ＰＡ１３１、ＰＡ１３２のいずれも、ピークを有する単峰型の形状であり、たとえば、それぞれが主パワー領域、副パワー領域である。図１５Ｂの曲線における２つのパワー領域ＰＡ１３１、ＰＡ１３２の境界は、たとえばその間に存在する極小点の位置として規定できる。レーザ光Ｌ１２、Ｌ１３のいずれも、本発明における主パワー領域および副パワー領域によって構成されるレーザ光として適用できる。レーザ光Ｌ１２、Ｌ１３は、ビームシェイパとして、たとえば適正に設計された回折光学素子や光学レンズ、パワー分布を制御できる光ファイバ等の光学部品を使用することで実現することができる。同様に、レーザ光Ｌ、Ｌ´、Ｌ´´、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３１～Ｌ３８等の、本発明における主パワー領域および副パワー領域によって構成される他のレーザ光のパワー分布形状についても、ビームシェイパとして、たとえば適正に設計された回折光学素子や光学レンズ、パワー分布を制御できる光ファイバ等の光学部品を使用することで実現することができる。
　なお、本明細書のすべての実施形態に関して、主ビーム（主パワー領域）の溶接形態は、キーホール型溶接であってもよいし、熱伝導型溶接であってもよい。ここでいうキーホール型溶接とは、キーホールを利用した溶接方法である。一方、熱伝導型溶接とは、加工対象の表面でレーザ光が吸収されて発生した熱を利用して加工対象を溶融させる溶接方法である。
　また、副ビームはすべてが同じパワーを持っていてもよいし、１つまたは一部の副ビームのパワーがその他の副ビームのパワーより高くてもよい。また、複数の副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副ビームは略同じパワーであり、グループ間では副ビームは異なるパワーであってもよい。この場合、複数の異なるグループに分類された副ビームを比較すると、パワーが段階的に異なる。なお、或るグループに含まれる副ビームは複数に限られず、１つでもよい。いずれの場合も、主ビームのパワーと、複数の副ビームのパワーの合計との比が、１４４：１～１：９であることが好ましい。
　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。
　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。
　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。また、加工対象について、厚さが１ｍｍ～１０ｍｍ程度のものを例示したが、より薄く０．０１ｍｍ程度となってもよいし、より厚くてもよい。
　また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
　本発明は、レーザ溶接に利用することができる。
１００、２００、３００、４００　レーザ溶接装置
１１０、２１０、３１０　レーザ装置
１２０、２２０、３２０、４２０　光学ヘッド
１２１、２２１、３２１、４２１ａ、４２１ｂ　コリメートレンズ
１２２、２２２、３２２、４２２ａ、４２２ｂ　集光レンズ
１２３、２２３、３２３　回折光学素子
１２３ａ　回折格子
１３０、２３０、３３０、４３１、４３２　光ファイバ
２２４ａ、２２４ｂ、２２６、３２４ａ、３２４ｂ　ミラー
２２５ａ、２２５ｂ、３２５ａ、３２５ｂ　モータ
４１１、４１２　発振器
Ｂ１　主ビーム
Ｂ２、Ｂ３　副ビーム
Ｇ２、Ｇ３　副ビーム群
Ｌ、Ｌ´、Ｌ´´、Ｌ１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ２、Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３、Ｌ３４、Ｌ３５、Ｌ３６、Ｌ３７、Ｌ３８、Ｌ４、Ｌ５　レーザ光
ＰＡ１２１、ＰＡ１２２、ＰＡ１３１、ＰＡ１３２
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２　加工対象
Ｗ１１、Ｗ１２、Ｗ２１、Ｗ２２　金属部材

Claims (19)

  1. 　金属を含む加工対象に向かってレーザ光を照射し、照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行い、
    　前記レーザ光は、主パワー領域と、少なくとも１つの副パワー領域とによって構成され、
    　前記主パワー領域のパワーは、それぞれの前記副パワー領域のパワーより大きく、
    　前記主パワー領域のパワーと、前記少なくとも１つの副パワー領域のパワーの合計との比が、１４４：１から１：９までの範囲内である、
    　溶接方法。
  2. 　前記金属は鉄または鉄を含む合金鋼または鋼または鋼を含む合金またはアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金である、
    　請求項１に記載の溶接方法。
  3. 　前記レーザ光は、複数の前記副パワー領域を含み、前記複数の副パワー領域は、前記主パワー領域の外周の少なくとも一部を囲むように位置する、
    　請求項１または２に記載の溶接方法。
  4. 　前記複数の副パワー領域は、前記主パワー領域を囲む略リング形状または前記主パワー領域の周囲を囲む略リング形状の一部である円弧形状を持つ、
    　請求項３に記載の溶接方法。
  5. 　前記副パワー領域の中心と前記主パワー領域の中心との距離が、２２５μｍから９００μｍまでの範囲内である、
    　請求項４に記載の溶接方法。
  6. 　前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動する、請求項１～５のうちいずれか一つに記載の溶接方法。
  7. 　前記加工対象は溶接されるべき少なくとも２つの部材であり、前記加工対象を前記レーザ光が照射される領域に配置する際は、前記少なくとも２つの部材を重ねる、または接触させる、または隣接させるように配置する、
    　請求項１～６のいずれか一つに記載の溶接方法。
  8. 　前記金属は、ＳＵＳ３０４である、請求項１～７のいずれか一つに記載の溶接方法。
  9. 　ビームシェイパによって、前記主パワー領域と前記副パワー領域とを生成する、
    　請求項１～８のいずれか一つに記載の溶接方法。
  10. 　前記ビームシェイパは回折光学素子である、
    　請求項９に記載の溶接方法。
  11. 　レーザ発振器と、
    　レーザ発振器から発振された光を受け取ってレーザ光を生成し、前記生成されたレーザ光を加工対象に向かって照射して照射された部分の前記加工対象を溶融して溶接を行う光学ヘッドと、
    　によって構成され、
    　前記レーザ光は、主パワー領域と、少なくとも１つの副パワー領域によって構成され、
    　前記主パワー領域のパワーは、それぞれの前記副パワー領域のパワーより大きく、
    　前記主パワー領域のパワーと、前記少なくとも１つの副パワー領域のパワーの合計との比が、１４４：１から１：９までの範囲内である、
    　溶接装置。
  12. 　前記加工対象は金属を含み、当該金属は鉄または鉄を含む合金鋼または鋼または鋼を含む合金またはアルミニウムまたはアルミニウムを含む合金である、
    　請求項１１に記載の溶接装置。
  13. 　前記レーザ光は、複数の前記副パワー領域を含み、前記複数の副パワー領域は、前記主パワー領域の外周の少なくとも一部を囲むように位置する、
    　請求項１１または１２に記載の溶接装置。
  14. 　前記複数の副パワー領域は、前記主パワー領域を囲む略リング形状または前記主パワー領域の周囲を囲む略リング形状の一部である円弧形状を持つ、
    　請求項１３に記載の溶接装置。
  15. 　前記副パワー領域のそれぞれの中心と前記主パワー領域の中心との距離が、２２５μｍから９００μｍまでの範囲内である、
    　請求項１４に記載の溶接装置。
  16. 　前記レーザ光と前記加工対象とが相対的に移動する、請求項１１～１５のうちいずれか一つに記載の溶接装置。
  17. 　前記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、
    　請求項１１～１６のいずれか一つに記載の溶接装置。
  18. 　前記主パワー領域と前記副パワー領域とを生成するビームシェイパを備える、
    　請求項１１～１７のいずれか一つに記載の溶接装置。
  19. 　前記ビームシェイパは回折光学素子である、
    　請求項１８に記載の溶接装置。
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