JP7060335B2 - 溶接装置および溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接装置および溶接方法に関する。

金属材料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部分に照射し、レーザ光のエネルギーで溶接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溶接部分には、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、溶融池の金属材料が固まることによって溶接が行われる。

レーザ溶接の利用例として、突合せ溶接がある。突合せ溶接では、金属板をつき合わせて、その突合せ面を溶接するものである。このとき、突合せ溶接における金属板は、独立した２枚の金属板であることも、円筒状に成形された１枚の金属板の両端であることもある（例えば特許文献１～３参照）。

特開２０１１－１１５８５２号公報 特開２０１２－１８７５９０号公報 特開２０１１－２２４６５５号公報

ところで、突合せ溶接では、溶接する金属板間における段差が溶接結果に影響することがある。段差の原因には、金属板の厚さ自体が異なる場合もあれば、治具の精度によって段差が生じてしまうこともある。これら要因によって生じた段差が存在していると、照射したレーザ光による金属板の溶融が適切に裏面まで進行せず、加工速度や裏面のビード形状などの溶接結果に影響を与えることになる。

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、突合せ溶接する金属板間における段差が溶接結果に影響するのを抑制することができる溶接装置および溶接方法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装置は、第１金属板と第２金属板とを突き合せた突合せ部にレーザ光を照射して当該突合せ部を溶融させる溶接装置であって、前記第１金属板および前記第２金属板を含む加工対象に照射するためのレーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器と前記加工対象との間に配置され、前記第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと、前記第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークと、前記第１ピークおよび前記第２ピークの照射位置よりも前記レーザ光の掃引方向後方であって、前記第１金属板と前記第２金属板との突合せ面上に照射するための第３ピークと、を有するプロファイルを形成する回折光学素子と、を備える、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接装置は、前記第１ピークで溶融された溶融池と前記第２ピークで溶融された溶融池とが少なくとも一部で繋がり、前記第３ピークが当該繋がった溶融池に照射される、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接装置は、前記第１金属板の厚さが前記第２金属板の厚さよりも厚い場合、前記第１金属板に照射されるレーザ光のエネルギーは、前記第２金属板に照射されるレーザ光のエネルギーよりも大きいまたは等しい、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接装置は、前記第１金属板の厚さが前記第２金属板の厚さよりも厚い場合、前記第１ピークにおけるパワー密度は、前記第２ピークにおけるパワー密度よりも高いまたは等しい、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接装置は、前記第３ピークにおけるパワー密度は、前記第１ピークおよび前記第２ピークにおけるパワー密度よりも高いまたは等しい、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接方法は、第１金属板と第２金属板とを突き合せた突合せ部にレーザ光を照射して当該突合せ部を溶融させる溶接方法であって、前記レーザ光のプロファイルは、前記第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと、前記第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークと、前記第１ピークおよび前記第２ピークの照射位置よりも前記レーザ光の掃引方向後方であって、前記第１金属板と前記第２金属板との突合せ面上に照射するための第３ピークと、を有し、前記第１ピークで溶融された溶融池と前記第２ピークで溶融された溶融池とが少なくとも一部で繋がった溶融池上に前記第３ピークを照射する、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接方法は、前記第１金属板の厚さが前記第２金属板の厚さよりも厚い場合、前記第１金属板に照射されるレーザ光のエネルギーは、前記第２金属板に照射されるレーザ光のエネルギーよりも大きいまたは等しい、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接方法は、前記第１金属板の厚さが前記第２金属板の厚さよりも厚い場合、前記第１ピークにおけるパワー密度は、前記第２ピークにおけるパワー密度よりも高いまたは等しい、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接方法は、前記第３ピークにおけるパワー密度は、前記第１ピークおよび前記第２ピークにおけるパワー密度よりも高いまたは等しい、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接方法は、前記レーザ光のプロファイルは、レーザ発振器と加工対象との間に配置された回折光学素子によって形成される、ことを特徴とする。

本発明に係る溶接装置および溶接方法は、突合せ溶接する金属板間における段差が溶接結果に影響するのを抑制することができるという効果を奏する。

図１は、第１実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。 図２は、レーザ光のプロファイルの例を示す図である。 図３は、レーザ光のプロファイルの例を示す図である。 図４は、レーザ光のプロファイルの例を示す図である。 図５は、レーザ光のプロファイルの例を示す図である。 図６は、第２実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。 図７は、第３実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る溶接装置および溶接方法を詳細に説明する。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、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、第１実施形態に係る溶接装置１００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌ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り、ここでの加工対象Ｗは、第１金属板と第２金属板とを突き合せた突合せ部を想定している。図１に示すように、溶接装置１００は、レーザ光を発振するレーザ発振器１１０と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド１２０と、レーザ発振器１１０で発振されたレーザ光を光学ヘッド１２０へ導く光ファイバ１３０とを備えている。

レーザ発振器１１０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、レーザ発振器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１２０は、レーザ発振器１１０から導かれたレーザ光Ｌ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１２０は、内部にコリメートレンズ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、光ファイバ１３０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１２２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。

光学ヘッド１２０は、加工対象Ｗにおけるレーザ光Ｌの照射位置を掃引させるために、加工対象Ｗとの相対位置を移動可能に設けられている。加工対象Ｗとの相対位置を移動する方法としては、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。

第１実施形態に係る光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２との間に回折光学素子１２３を備えている。回折光学素子１２３は、第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと、第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークと、第１金属板と第２金属板との突合せ面上に照射するための第３ピークとを有するプロファイルを形成するためのものである。なお、レーザ光Ｌのエネルギーは、第１ピークで溶融された溶融池と第２ピークで溶融された溶融池とが少なくとも一部で繋がる大きさである。また、回折光学素子１２３は、回転可能に設ける構成とすることができる。また、交換可能に設ける構成とすることもできる。

加工対象Ｗ上としての第１金属板と第２金属板とを突き合せた突合せ部に照射するレーザ光のプロファイルが、第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと、第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークと、第１金属板と第２金属板との突合せ面上に照射するための第３ピークとを有することの作用を、図２から図５を参照しながら以下で説明する。図２から図５は、レーザ光のプロファイルの例を示す図である。

図２は、第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークとを有し、さらに、第１金属板と第２金属板との突合せ面上に照射される第３ピークを有するプロファイルのレーザ光の照射の例を示す模式図であり、図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ上面および断面を示している。なお、図２（ａ）において、レーザ光の掃引方向が図中矢印にて記されている。

図２（ａ）に示すように、レーザ光の第１ピークＰ１は第１金属板Ｗ１に照射され、第１金属板Ｗ１に第１溶融池ＷＰ１を形成する。一方、レーザ光の第２ピークＰ２は第２金属板Ｗ２に照射され、第２金属板Ｗ２に第２溶融池ＷＰ２を形成する。そして、第１ピークＰ１で溶融された第１溶融池ＷＰ１と第２ピークＰ２で溶融された第２溶融池ＷＰ２とが、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との突合せ部にて繋がっている。

図２（ａ）に示すように、レーザ光の第３ピークＰ３は、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との突合せ面上に照射される。このレーザ光の第３ピークＰ３の作用は、第１ピークＰ１と第２ピークＰ２とで溶融された溶融池の深さを確保し、第１金属板Ｗ１および第２金属板Ｗ２の厚さ方向に関する溶接を確実なものとすることである。したがって、第３ピークＰ３の照射位置は、第１ピークＰ１と第２ピークＰ２とで溶融されて繋がった溶融池であることが好ましい。また、溶融池の深さを確保するために、第３ピークＰ３におけるパワー密度は、第１ピークＰ１および第２ピークＰ２におけるパワー密度よりも高いまたは等しいことが好ましい。さらに、第１ピークＰ１と第２ピークＰ２とで溶融された溶融池が形成される位置を考えれば、第３ピークＰ３の照射位置は、第１ピークＰ１および第２ピークＰ２の照射位置よりもレーザ光の掃引方向後方であることが好ましい。

図２（ａ）に示すように、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との突合せ面上に照射される第３ピークＰ３を有する場合、第３ピークＰ３が独立しているので、第１ピークＰ１と第２ピークＰ２とで溶融された溶融池の領域を広く確保しながらも、第３ピークＰ３におけるパワー密度を高くすることが可能である。したがって、単一のピークを有するレーザ光のビーム径を大きくして（デフォーカスして）突合せ面における段差の影響を抑制する溶接方法と比較すると、第３ピークＰ３による溶融の効率および速度は高い状態を維持することが可能であり、レーザ溶接のエネルギー効率および加工速度を向上させることが可能である。

図２（ｂ）に示すように、この例では、第１金属板Ｗ１の厚さが第２金属板Ｗ２の厚さよりも厚いために段差がある場合を想定している。このとき、レーザ光の第１ピークＰ１と第２ピークＰ２とが同一の焦点距離であれば、第１ピークＰ１が第１金属板Ｗ１の表面に合焦しても、第２ピークＰ２が第２金属板Ｗ２の表面に合焦しない（デフォーカスする）。この場合、第１ピークＰ１におけるパワー密度は、第２ピークＰ２におけるパワー密度よりも高いことになる。結果、第１ピークＰ１の方が、第２ピークＰ２よりも、溶融池の深さ（板の厚さ方向）がより深くなる。すなわち、第１金属板Ｗ１の厚さが第２金属板Ｗ２の厚さよりも厚いことの不具合を相殺する方向に溶融の進み方が修正され、突合せ溶接する金属板間における段差が溶接結果に影響するのを抑制することが可能になる。

なお、第１金属板Ｗ１の厚さが第２金属板Ｗ２の厚さよりも厚い場合において、第１金属板Ｗ１に照射されるレーザ光のエネルギーを、第２金属板Ｗ２に照射されるレーザ光のエネルギーよりも大きくすることでも、上記同様の作用により、第１金属板Ｗ１の厚さが第２金属板Ｗ２の厚さよりも厚いことの不具合を相殺する方向に溶融の進み方が修正され、突合せ溶接する金属板間における段差が溶接結果に影響するのを抑制することが可能になる。

図３は、第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークとを有し、さらに、第１金属板と第２金属板との突合せ面上に照射される第３ピークを有するプロファイルのレーザ光の照射のその他の例を示す模式図であり、図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれ上面および断面を示している。なお、図３（ａ）において、レーザ光の掃引方向が図中矢印にて記されている。

図３（ａ）に示すように、レーザ光の第１ピークは、第１ピークＰ１１と第１ピークＰ１２とに分かれており、それらが第１金属板Ｗ１に照射され、第１金属板Ｗ１に第１溶融池ＷＰ１を形成する。一方、レーザ光の第２ピークは、第２ピークＰ２１と第２ピークＰ２２とに分かれており、そして、第１ピークＰ１１と第１ピークＰ１２とで溶融された第１溶融池ＷＰ１と、第２ピークＰ２１と第２ピークＰ２２で溶融された第２溶融池ＷＰ２とが、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との突合せ部にて繋がっている。

図３（ａ）に示すように、レーザ光の第３ピークＰ３は、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との突合せ面上に照射される。このレーザ光の第３ピークＰ３の作用は、第１ピークＰ１１，Ｐ１２と第２ピークＰ２１，Ｐ２２とで溶融された溶融池の深さを確保し、第１金属板Ｗ１および第２金属板Ｗ２の厚さ方向に関する溶接を確実なものとすることである。したがって、第３ピークＰ３の照射位置は、第１ピークＰ１１，Ｐ１２と第２ピークＰ２１，Ｐ２２とで溶融されて繋がった溶融池であることが好ましい。また、溶融池の深さを確保するために、第３ピークＰ３におけるパワー密度は、第１ピークＰ１１，Ｐ１２および第２ピークＰ２１，Ｐ２２におけるパワー密度よりも高いまたは等しいことが好ましい。さらに、第１ピークＰ１１，Ｐ１２と第２ピークＰ２１，Ｐ２２とで溶融された溶融池が形成される位置を考えれば、第３ピークＰ３の照射位置は、第１ピークＰ１１，Ｐ１２および第２ピークＰ２１，Ｐ２２の照射位置よりもレーザ光の掃引方向後方であることが好ましい。

本例も上記例と同様に、単一のピークを有するレーザ光のビーム径を大きくして（デフォーカスして）突合せ面における段差の影響を抑制する溶接方法と比較すると、第３ピークＰ３による溶融の効率および速度は高い状態を維持することが可能であり、レーザ溶接のエネルギー効率および加工速度を向上させることが可能である。

図３（ｂ）に示すように、この例でも、第１金属板Ｗ１の厚さが第２金属板Ｗ２の厚さよりも厚いために段差がある場合を想定している。この場合も、上記同様の作用により、第１金属板Ｗ１の厚さが第２金属板Ｗ２の厚さよりも厚いことの不具合を相殺する方向に溶融の進み方が修正され、突合せ溶接する金属板間における段差が溶接結果に影響するのを抑制することが可能になる。さらに、第１ピークが第１ピークＰ１１と第１ピークＰ１２とに分かれており、第２ピークが第２ピークＰ２１と第２ピークＰ２２とに分かれているので、照射位置が、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との突合せ部から多少ずれたとしても、その影響を受けることが少ないというメリットがある。なお、ここでの例示は２つのピークに分離するものであるが、任意の複数のピークに分離する構成を採用することが可能である。

図４は、第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークとを有し、さらに、第１金属板と第２金属板との突合せ面上に照射される第３ピークを有するプロファイルのレーザ光の照射のその他の例を示す模式図であり、図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ上面および断面を示している。なお、図４（ａ）において、レーザ光の掃引方向が図中矢印にて記されている。

図４（ａ）に示すように、レーザ光の第１ピークは、第１ピークＰ１１と第１ピークＰ１２と第１ピーク１３とに分かれており、それらが第１金属板Ｗ１に照射され、第１金属板Ｗ１に第１溶融池ＷＰ１を形成する。一方、レーザ光の第２ピークは、第２ピークＰ２１と第２ピークＰ２２と第２ピークＰ２３とに分かれており、それらが第２金属板Ｗ２に照射され、第２金属板Ｗ２に第２溶融池ＷＰ２を形成する。そして、第１ピークＰ１１と第１ピークＰ１２と第１ピーク１３とで溶融された第１溶融池ＷＰ１と、第２ピークＰ２１と第２ピークＰ２２と第２ピークＰ２３とで溶融された第２溶融池ＷＰ２とが、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との突合せ部にて繋がっている。

図４（ａ）に示すように、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との突合せ面上に照射される。このレーザ光の第３ピークＰ３の作用は、第１ピークＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３と第２ピークＰ２１，Ｐ２２，Ｐ２３とで溶融された溶融池の深さを確保し、第１金属板Ｗ１および第２金属板Ｗ２の厚さ方向に関する溶接を確実なものとすることである。したがって、第３ピークＰ３の照射位置は、第１ピークＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３と第２ピークＰ２１，Ｐ２２，Ｐ２３とで溶融されて繋がった溶融池であることが好ましい、また、溶融池の深さを確保するために、第３ピークＰ３におけるパワー密度は、第１ピークＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３および第２ピークＰ２１，Ｐ２２，Ｐ２３におけるパワー密度よりも高いまたは等しいことが好ましい。

本例も上記例と同様に、単一のピークを有するレーザ光のビーム径を大きくして（デフォーカスして）突合せ面における段差の影響を抑制する溶接方法と比較すると、第３ピークＰ３による溶融の効率および速度は高い状態を維持することが可能であり、レーザ溶接のエネルギー効率および加工速度を向上させることが可能である。

さらに、図４（ａ）に示すように、本例では、第１ピークＰ１１と第１ピークＰ１２と第１ピーク１３と第２ピークＰ２１と第２ピークＰ２２と第２ピークＰ２３とが回転対称に配置されている。レーザ溶接におけるレーザ光の掃引方向は、必ずしも直線状ではなく、折れ曲がったり曲線状になったりすることがある。図４（ａ）に示すように、レーザ光のピーク位置が回転対称に配置されていれば、レーザ溶接の途中で掃引方向が変わっても、光学ヘッドの向きを変えることなく対処可能となる。なお、図４（ａ）に示される掃引方向の場合、第３ピークＰ３の照射位置は、第１ピークＰ１および第２ピークＰ２の照射位置よりもレーザ光の掃引方向後方であるが、レーザ光の掃引方向が変われば、第１ピークＰ１１，Ｐ１２，１３および第２ピークＰ２１，Ｐ２２，Ｐ２３のうち適切な第１ピークおよび第２ピークの組み合わせを選択することにより、第３ピークＰ３の照射位置が第１ピークおよび第２ピークの照射位置よりもレーザ光の掃引方向後方となる。

図４（ｂ）に示すように、この例でも、第１金属板Ｗ１の厚さが第２金属板Ｗ２の厚さよりも厚い場合を想定し、上記例と同様の作用により、第１金属板Ｗ１の厚さが第２金属板Ｗ２の厚さよりも厚いことの不具合を相殺する方向に溶融の進み方が修正され、突合せ溶接する金属板間における段差が溶接結果に影響するのを抑制することが可能になる。

図５は、第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークとを有し、さらに、第１金属板と第２金属板との突合せ面上に照射される第３ピークを有するプロファイルの設計例を示す模式図であり、図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ設計上の構成および見かけ上の構成を示している。なお、図５（ａ）において、レーザ光の掃引方向が図中矢印にて記されている。

図５（ｂ）に示すように、円弧状にレーザ光を照射する場合、図５（ａ）に示すように、複数のレーザ光のピークを連続的に配置することによって、見かけ上のレーザ光の照射領域を円弧状にすることがある。このような場合も、図５（ａ）に示された複数のレーザ光のピークのうち何れかが、第１金属板Ｗ１を溶融するためのパワー密度の第１ピークＰ１であり、第２金属板Ｗ２を溶融するためのパワー密度の第２ピークＰ２であり、しかも、第１ピークＰ１で溶融された第１溶融池ＷＰ１と第２ピークＰ２で溶融された第２溶融池ＷＰ２とが繋がっている。

したがって、この例でも、上記同様の作用により、第１金属板Ｗ１の厚さが第２金属板Ｗ２の厚さよりも厚いことの不具合を相殺する方向に溶融の進み方が修正され、突合せ溶接する金属板間における段差が溶接結果に影響するのを抑制することが可能になる。

さらに、本例では、図５（ａ）に示すように、レーザ光の第３ピークＰ３は、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との突合せ面上に照射される。したがって、上記例と同様に、単一のピークを有するレーザ光のビーム径を大きくして（デフォーカスして）突合せ面における段差の影響を抑制する溶接方法と比較すると、第３ピークＰ３による溶融の効率および速度は高い状態を維持することが可能であり、レーザ溶接のエネルギー効率および加工速度を向上させることが可能である。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図６に示すように、第２実施形態に係る溶接装置２００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌ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り、ここでの加工対象Ｗは、第１金属板と第２金属板とを突き合せた突合せ部を想定している。第２実施形態に係る溶接装置２００は、第１実施形態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、溶接装置２００の装置構成の説明のみを行う。

図６に示すように、溶接装置２００は、レーザ光を発振するレーザ発振器２１０と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド２２０と、レーザ発振器２１０で発振されたレーザ光を光学ヘッド２２０へ導く光ファイバ２３０とを備えている。

レーザ発振器２１０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、レーザ発振器２１０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２２０は、レーザ発振器２１０から導かれたレーザ光Ｌ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２２０は、内部にコリメートレンズ２２１と集光レンズ２２２とを備えている。コリメートレンズ２２１は、光ファイバ２３０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２２２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。

光学ヘッド２２０は、集光レンズ２２２と加工対象Ｗとの間に、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の照射位置を掃引させることができる装置である。図６に示される例では、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。

第２実施形態に係る光学ヘッド２２０は、コリメートレンズ２２１と集光レンズ２２２との間に回折光学素子２２３を備えている。回折光学素子２２３は、第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと、第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークと、を有するプロファイルを形成するためのものである。なお、レーザ光Ｌのエネルギーは、第１ピークで溶融された溶融池と第２ピークで溶融された溶融池とが少なくとも一部で繋がる大きさである。つまり、回折光学素子２２３は、図２から図５に例示されるような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように設計されている。また、回折光学素子２２３は、回転可能に設ける構成とすることができる。また、交換可能に設ける構成とすることもできる。

第２実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと、第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークと、を有するプロファイルのレーザ光を用いることにより、第１金属板の厚さが第２金属板の厚さよりも厚いことの不具合を相殺する方向に溶融の進み方が修正され、突合せ溶接する金属板間における段差が溶接結果に影響するのを抑制することが可能になる。さらに、第１金属板と第２金属板との突合せ面上に照射される第３ピークを有する場合、単一のピークを有するレーザ光のビーム径を大きくして（デフォーカスして）突合せ面における段差の影響を抑制する溶接方法と比較すると、第３ピークによる溶融の効率および速度は高い状態を維持することが可能であり、レーザ溶接のエネルギー効率および加工速度を向上させることが可能である。

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図７に示すように、第３実施形態に係る溶接装置３００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌ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り、ここでの加工対象Ｗは、第１金属板と第２金属板とを突き合せた突合せ部を想定している。第３実施形態に係る溶接装置３００は、第１実施形態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り、光学ヘッド３２０以外の構成（レーザ発振器３１０および光ファイバ３３０）は、第２実施形態と同様である。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、レーザ発振器３１０から導かれたレーザ光Ｌ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３２０は、内部にコリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２とを備えている。コリメートレンズ３２１は、光ファイバ３３０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３２２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。

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、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、第２実施形態と異なる位置にガルバノスキャナを設けているが、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の照射位置を掃引させることができる。

第３実施形態に係る光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２との間に回折光学素子３２３を備えている。回折光学素子３２３は、第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと、第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークと、を有するプロファイルを形成するためのものである。なお、レーザ光Ｌのエネルギーは、第１ピークで溶融された溶融池と第２ピークで溶融された溶融池とが少なくとも一部で繋がる大きさである。つまり、回折光学素子３２３は、図２から図５に例示されるような、本発明の実施に好適なレーザ光のプロファイルを実現するように設計されている。また、回折光学素子３２３は、回転可能に設ける構成とすることができる。また、交換可能に設ける構成とすることもできる。

第３実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと、第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークと、を有するプロファイルのレーザ光を用いることにより、第１金属板の厚さが第２金属板の厚さよりも厚いことの不具合を相殺する方向に溶融の進み方が修正され、突合せ溶接する金属板間における段差が溶接結果に影響するのを抑制することが可能になる。さらに、第１金属板と第２金属板との突合せ面上に照射される第３ピークを有する場合、単一のピークを有するレーザ光のビーム径を大きくして（デフォーカスして）突合せ面における段差の影響を抑制する溶接方法と比較すると、第３ピークによる溶融の効率および速度は高い状態を維持することが可能であり、レーザ溶接のエネルギー効率および加工速度を向上させることが可能である。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、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の範疇に含まれる。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。

１００，２００，３００ 溶接装置
１１０，２１０，３１０ レーザ発振器
１２０，２２０，３２０ 光学ヘッド
１２１，２２１，３２１ コリメートレンズ
１２２，２２２，３２２ 集光レンズ
１２３，２２３，３２３ 回折光学素子
２２４ａ，２２４ｂ，２２６，３２４ａ，３２４ｂ ミラー
２２５ａ，２２５ｂ，３２５ａ，３２５ｂ モータ
１３０，２３０，３３０ 光ファイバ

Claims (5)

1. 第１金属板と第２金属板とを突き合せた突合せ部にレーザ光を照射して当該突合せ部を溶融させる溶接装置であって、
   前記第１金属板および前記第２金属板を含む加工対象に照射するためのレーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器と前記加工対象との間に配置され、前記第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと、前記第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークと、前記第１ピークおよび前記第２ピークの照射位置よりも前記レーザ光の掃引方向後方であって、前記第１金属板と前記第２金属板との突合せ面上に照射するための第３ピークと、を有するプロファイルを形成する回折光学素子と、を備え、
   前記第１金属板の厚さが前記第２金属板の厚さよりも厚い場合、前記第１ピークにおけるパワー密度は、前記第２ピークにおけるパワー密度よりも高く、
   前記第３ピークにおけるパワー密度は、前記第１ピークおよび前記第２ピークにおけるパワー密度よりも高く、
   前記第１ピークで溶融された溶融池と前記第２ピークで溶融された溶融池とが少なくとも一部で繋がり、前記第３ピークが当該繋がった溶融池に照射される、
   ことを特徴とする溶接装置。
2. 前記第３ピークは、前記第１ピークおよび前記第２ピークの少なくともいずれか一方と重なる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
3. 第１金属板と第２金属板とを突き合せた突合せ部にレーザ光を照射して当該突合せ部を溶融させる溶接方法であって、
   前記レーザ光のプロファイルは、前記第１金属板を溶融するためのパワー密度の第１ピークと、前記第２金属板を溶融するためのパワー密度の第２ピークと、前記第１ピークおよび前記第２ピークの照射位置よりも前記レーザ光の掃引方向後方であって、前記第１金属板と前記第２金属板との突合せ面上に照射するための第３ピークと、を有し、
   前記第１ピークで溶融された溶融池と前記第２ピークで溶融された溶融池とが少なくとも一部で繋がった溶融池上に前記第３ピークを照射し、
   前記第１金属板の厚さが前記第２金属板の厚さよりも厚い場合、前記第１ピークにおけるパワー密度は、前記第２ピークにおけるパワー密度よりも高く、
   前記第３ピークにおけるパワー密度は、前記第１ピークおよび前記第２ピークにおけるパワー密度よりも高い、
   ことを特徴とする溶接方法。
4. 前記レーザ光のプロファイルは、レーザ発振器と加工対象との間に配置された回折光学素子によって形成される、
   ことを特徴とする請求項３に記載の溶接方法。
5. 前記第３ピークは、前記第１ピークおよび前記第２ピークの少なくともいずれか一方と重なる、
   ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の溶接方法。

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