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JP7547145B2 - Laser welding method and laser welding apparatus - Google Patents
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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。 The present invention relates to a laser welding method and a laser welding device.

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)。 As one method for welding objects made of metallic materials, a laser welding method and laser welding device are known in which a filler wire is supplied onto the surface of the object while a laser beam is irradiated to perform welding (for example, Patent Document 1).

国際公開第2020/026750号International Publication No. 2020/026750

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。 In this type of laser welding, the number of parameters to be set, such as the diameter of the filler wire, increases compared to laser welding that does not use a filler wire, so it can take longer to set each parameter to prevent welding defects such as bead cracks and spatters.

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。 Therefore, one of the objectives of the present invention is to provide a new and improved laser welding method and laser welding apparatus that enables easier laser welding with fewer welding defects, for example, in laser welding in which a laser beam is irradiated while a filler wire is supplied.

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。 The laser welding method of the present invention is, for example, a laser welding method in which a filler wire is supplied onto the surface of an object, and a laser beam is irradiated onto the surface in a sweeping direction relative to the object, thereby melting the filler wire and welding the object, and the width ratio, which is the ratio of the width of the laser beam on the surface in a direction perpendicular to the sweeping direction to the diameter of the filler wire, is 0.8 or more.

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。 In the laser welding method, the width ratio may be 4 or less.

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。 In the laser welding method, the width ratio may be greater than or equal to 1.5 and less than or equal to 3.6.

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。 In the laser welding method, the laser light may have an annular first power region.

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。 In the laser welding method, the laser light may have a second power region surrounded by a first power region.

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。 In the laser welding method, the laser light has a first power region and a second power region whose width in a direction perpendicular to the sweep direction is narrower than that of the first power region, and the first power region may be at least partially located forward of the second power region in the sweep direction.

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。 In the laser welding method, a power ratio, which is the ratio of the power of the laser light in the second power region to the power of the laser light in the first power region, may be greater than or equal to 0 and less than or equal to 9.

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。 In the laser welding method, the power ratio may be greater than or equal to 3/7 and less than or equal to 7/3.

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。 In the laser welding method, the filler wire may be disposed at a position where the laser light that forms the first power region is irradiated, and may be disposed at a position different from a position where the laser light that forms the second power region is irradiated.

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。 In the laser welding method, the first power region may include multiple beams of the laser light.

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。 In the laser welding method, the multiple beams may be arranged in a circular ring shape.

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。 In the laser welding method, the multiple beams may be arranged in a rectangular ring shape.

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。 In the laser welding method, the laser light may include multiple beams, and the multiple beams may be formed by a beam shaper.

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。 In the laser welding method, the beam shaper may be a diffractive optical element.

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。 In the laser welding method, the filler wire is positioned so as to be in contact with a molten pool formed on the surface, and a first end of the filler wire that is in contact with the molten pool and is close to the surface is spaced apart in a first direction from the irradiation center of the laser light on the surface, and a second end of the molten pool in the first direction is located farther away from the irradiation center in the first direction than the first end.

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。 In the laser welding method, the first direction may be the sweep direction.

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。 In the laser welding method, the laser light and the filler wire may be swept in the first direction relative to the surface.

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。 The laser welding device of the present invention is, for example, a laser welding device that includes an optical head that irradiates a surface of an object with laser light and a filler wire supply unit that supplies a filler wire onto the surface, and that melts the filler wire and welds the object by irradiating the surface with the laser light in a sweeping direction relative to the object, and the width ratio, which is the ratio of the width of the laser light on the surface in a direction perpendicular to the sweeping direction to the diameter of the filler wire, is 0.8 or more.

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。 The present invention provides, for example, an improved and novel laser welding method and laser welding apparatus.

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。FIG. 1 is an exemplary schematic configuration diagram of a laser welding apparatus according to an embodiment. 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。FIG. 2 is a schematic and exemplary side view of a welded portion in the laser welding method of the embodiment. 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。FIG. 3 is an explanatory diagram showing the concept of the principle of the diffractive optical element included in the laser welding apparatus of the embodiment. 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。FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a beam (spot) of laser light irradiated from the laser welding apparatus of the embodiment on the surface of an object. 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。FIG. 5A is a plan view showing an example of a bead formed on a surface of an object by the laser welding method of the embodiment. 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。FIG. 5B is a plan view showing an example of a bead formed on a surface of an object by the laser welding method of the embodiment. 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。FIG. 5C is a plan view showing an example of a bead formed on a surface of an object by the laser welding method of the embodiment. 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。FIG. 5D is a plan view showing an example of a bead formed on a surface of an object by the laser welding method of the embodiment. 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。FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of a beam (spot) on the surface of an object of the laser light irradiated from the laser welding apparatus of the embodiment.

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。 Below, exemplary embodiments of the present invention are disclosed. The configurations of the embodiments shown below, and the actions and results (effects) brought about by said configurations, are merely examples. The present invention can also be realized with configurations other than those disclosed in the following embodiments. Furthermore, according to the present invention, it is possible to obtain at least one of the various effects (including derivative effects) obtained by the configurations.

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。 In addition, in each figure, the direction X is represented by an arrow X, the direction Y is represented by an arrow Y, and the direction Z is represented by an arrow Z. The directions X, Y, and Z intersect with each other and are perpendicular to each other. The Z direction is the normal direction of the surface Wa (machined surface) of the object W, and is the opposite direction to the irradiation direction of the laser light L.

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。 In addition, in this specification, ordinal numbers are used for convenience to distinguish between parts, materials, locations, areas, processes, etc., and do not indicate priority or order.

[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。
[Embodiment]
[Configuration of laser welding device]
Fig. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser welding apparatus 100 according to an embodiment. As shown in Fig. 1, the laser welding apparatus 100 includes a laser device 110, an optical head 120, an optical fiber 130, and a supply mechanism 140 for a filler wire F.

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。 The laser welding device 100 irradiates the surface Wa of the object W with laser light L and supplies a filler wire F onto the surface Wa. The object W and the filler wire F are melted and solidified by the energy of the laser light L, thereby welding the object W.

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。 The object W has multiple components (not shown), which are joined by laser welding.

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。 The multiple components that make up the target object W can each be made of, for example, an iron-based metal material such as iron or an iron alloy, an aluminum-based metal material such as aluminum or an aluminum alloy, or a copper-based metal material such as copper or a copper alloy. The multiple components may be made of the same metal material, or may be made of different metal materials.

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。 Filler wire F, also known as filler metal, is a wire-shaped metal material added during welding. Filler wire F offers the advantage of being able to supply metal material to fill gaps between multiple components when those gaps exist, and can supply an additive that suppresses the formation of intermetallic compounds that weaken the joint strength when the multiple components are made of dissimilar metals.

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。 The laser device 110 is equipped with a laser oscillator and is configured to output, for example, a single-mode laser beam with a power of several kW. The laser device 110 may be configured to include, for example, multiple semiconductor laser elements therein and to output a multi-mode laser beam with a power of several kW as the total output of the multiple semiconductor laser elements. The laser device 110 may also be equipped with various laser light sources, such as a fiber laser, a YAG laser, or a disk laser.

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ビーム品質は、1.3以下に設定される。Mビーム品質は、M2ファクタとも称されうる。 The optical fiber 130 optically connects the laser device 110 and the optical head 120. In other words, the optical fiber 130 guides the laser light output from the laser device 110 to the optical head 120. When the laser device 110 outputs a single mode laser light, the optical fiber 130 is configured to propagate the single mode laser light. In this case, the M2 beam quality of the single mode laser light is set to 1.3 or less. The M2 beam quality may also be referred to as an M2 factor.

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。 The optical head 120 is an optical device for irradiating the laser light input from the laser device 110 toward the object W. The optical head 120 includes a collimator lens 121, a condenser lens 122, and a DOE 123 (diffractive optical element). The collimator lens 121, the condenser lens 122, and the DOE 123 may also be referred to as optical components. Note that the optical components included in the optical head 120 are not limited to the collimator lens 121, the condenser lens 122, and the DOE 123.

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。 The optical head 120 is configured to be able to change its relative position with respect to the object W in order to sweep the laser light L over the surface Wa. The relative movement between the optical head 120 and the object W can be achieved by moving the optical head 120, moving the object W, or moving both the optical head 120 and the object W. By the relative movement between the optical head 120 and the object W, the irradiation position of the laser light L moves in the sweep direction SD on the surface Wa of the object W. Note that in this embodiment, a case where the sweep direction SD is the X direction is illustrated as an example.

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。 The collimating lens 121 collimates the input laser light. The collimated laser light becomes parallel light. The focusing lens 122 focuses the parallel laser light and irradiates the laser light as laser light L (output light) onto the target W.

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。 The DOE 123 is disposed between the collimator lens 121 and the focusing lens 122, and shapes the shape of the laser light beam (hereinafter referred to as the beam shape).

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。 The filler wire F supply mechanism 140 has a feed device 141 and a nozzle 142. The feed device 141 feeds out the filler wire F at a set constant speed. The nozzle 142 feeds out the filler wire F fed out from the feed device 141 at a set angle toward a set position on the surface Wa. The feed speed of the filler wire F from the feed device 141 can be set to be variable. The supply mechanism 140 is an example of a filler wire supply unit.

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。 The nozzle 142 is configured to be stationary relative to the optical head 120. As an example, the nozzle 142 is fixed to the optical head 120 or a support member that movably supports the optical head 120.

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。 Figure 2 is an enlarged side view of the welded area, and shows a schematic diagram of the state in which filler wire F is supplied onto the surface Wa and laser light L is irradiated to weld the area. Figure 2 is a view along the surface Wa and perpendicular to the sweep direction SD.

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。 The optical head 120 and the nozzle 142 move together in the sweep direction SD along the surface Wa. The feed speed of the filler wire F in the feed device 141 is set appropriately so that the shape shown in FIG. 2 is maintained, that is, so that the filler wire F is neither oversupplied nor undersupplied to the welding site. As a result, the laser light L and the filler wire F move together in the sweep direction SD relative to the surface Wa while roughly maintaining the shape shown in FIG. 2.

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。 The optical axis center of the laser light L and the central axis of the filler wire F are approximately aligned along the same XZ plane. The XZ plane is a plane that is aligned along the X direction and the Z direction, and is a plane that is aligned along the sweep direction SD and the irradiation direction of the laser light L.

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。 The laser light L is irradiated to the surface Wa in the opposite direction to the Z direction. The filler wire F is supplied to the welding site in the supply direction S shown in FIG. 2. The supply direction S is a direction between the opposite direction of the sweep direction SD and the irradiation direction of the laser light L, that is, a direction between the opposite direction of the Z direction and the opposite direction of the X direction.

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。 In addition, as an example, the supply position of the filler wire F is shifted in the sweep direction SD from the irradiation center C of the laser light L on the surface Wa.

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。 As shown in FIG. 2, during welding, a liquid molten pool M is formed on the surface Wa by the irradiation of the laser light L, melting the object W and the filler wire F. As the laser light L moves in the sweep direction SD, the portion of the molten pool M that is outside the irradiation area of the laser light L is cooled and solidified. As a result, a bead B extends from the molten pool M on the surface Wa in the opposite direction to the sweep direction SD.

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。 In the example shown in FIG. 2, during welding, the end face Fe of the filler wire F is in contact with the surface of the liquid molten pool M. The tip e2 of the molten pool M in the sweep direction SD is located farther away from the irradiation center C of the laser light L in the sweep direction SD than the lower end e1 of the end face Fe that is closer to the surface Wa. Experimental research by the inventors has revealed that when such a configuration is obtained during welding, the molten pool M is stable and a suitable welding state with few welding defects such as cracks, humping, and spatters in the bead B can be obtained. Note that FIG. 2 is an example of a welding state with few welding defects, and the configuration of the welded portion in a welding state with few welding defects is not limited to that shown in FIG. The sweep direction SD is an example of a first direction, the lower end e1 is an example of a first end, and the tip e2 is an example of a second end.

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。 Figure 3 is an explanatory diagram showing the concept of the principle of the DOE 123. As shown in Figure 3, the DOE 123 has a configuration in which, for example, multiple diffraction gratings 123a with different periods are superimposed. The DOE 123 can shape the beam shape by bending the parallel light in a direction influenced by each diffraction grating 123a or by superimposing the light. The DOE 123 can also be called a beam shaper.

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。 Figure 4 is a diagram showing an example of a beam (spot) of laser light L formed on the surface Wa of the object W. Note that, for simplicity, in Figure 4, the beam Lm is shown by a solid line and the beam Ls is shown by a dashed line.

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。 DOE123 splits the laser light into multiple beams. The multiple beams include at least one beam Lm and at least one beam Ls. Beam Lm may also be referred to as a main beam, and beam Ls may also be referred to as a sub beam.

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。 In the example of FIG. 4, the laser light L has one beam Lm and 16 beams Ls that surround the beam Lm in a circular ring shape. The beam Lm is positioned near the irradiation center of the laser light L, and the beam Ls is positioned farther from the irradiation center than the beam Lm. The region including the beam Lm is an example of the second power region A2, and the region including the beam Ls is an example of the first power region A1. Note that the number and arrangement of the beams Lm and beams Ls are not limited to the example of FIG. 4. By replacing the DOE 123, the optical head 120 can output laser light L including multiple beams in various arrangements.

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。 As in the example of FIG. 4, when the laser light L includes a plurality of beams, the diameter Dl (width) of the laser light L is defined as the distance between the centers of the two beams Ls that are the furthest apart in the width direction. The width direction is a direction perpendicular to the sweep direction SD, which is the Y direction in this embodiment. Each beam Ls, Lm has, for example, a Gaussian-shaped power distribution along the radial direction on the surface Wa. In this case, the beam diameter of each beam Ls, Lm can be defined as the diameter of a region that includes the peak of the beam Ls, Lm and has an intensity of 1/e2 or more of the peak intensity. In addition, the center of each beam Ls, Lm can be the position of the intensity peak.

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以上の強度の領域の直径として、定義することができる。 On the other hand, although not shown, when the laser light L includes only one beam having a Gaussian-shaped power distribution, the diameter of the laser light L can be defined as the diameter of a region that includes the peak of the beam and has an intensity equal to or greater than 1 /e2 of the peak intensity.

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。 By appropriately designing, setting, or adjusting the laser device 110, the optical fiber 130, the collimator lens 121, the focusing lens 122, and the DOE 123, the laser welding device 100 can output laser light L including the beam Lm and beam Ls as described above.

[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。
[Welding method]
In welding using the laser welding device 100, first, the object W and the filler wire F are set in an area to be irradiated with the laser light L. Then, in a state in which the laser light L including the beams Lm and Ls split by the DOE 123 is irradiated on the object W, the laser light L, the filler wire F, and the object W move relatively. As a result, the laser light L moves in the sweep direction SD on the surface Wa while being irradiated on the surface Wa, that is, the laser light L is swept on the surface Wa. In the portion irradiated with the laser light L, the object W and the filler wire F melt, and then solidify as the temperature decreases, thereby welding the object W. At this time, a bead B is formed. The bead B extends along the sweep trajectory. In the present embodiment, as an example, the sweep direction SD is the X direction, but the sweep direction SD may be any direction as long as it intersects with the Z direction, and is not limited to the X direction. Also, a curved sweep may be performed on the surface Wa, thereby forming a curved bead B.

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。 In addition, in a series of experimental studies by the inventors, it was confirmed that by positioning at least a portion of the beam Ls (first power region A1) in the laser light L forward of the beam Lm (second power region A2) in the sweep direction SD, it is possible to suppress the occurrence of welding defects such as cracks in the bead B, humping, and spatters. This can be presumed to be because, for example, the molten pool M of the object W formed by the beam Ls and the beam Lm becomes more stable due to the preheating of the object W by the beam Ls before the arrival of the beam Lm.

[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。
[Experimental Results]
The inventors conducted an experiment to evaluate the welding state by actually performing laser welding on an object W by irradiating the object W with laser light L having the beam shape shown in Fig. 4 using the laser welding device 100. Table 1 shows the experimental results of the welding.

Figure 0007547145000001
Figure 0007547145000001

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。 In the experiments, the material of the object W was stainless steel (SS400), and the filler wire F was carbon steel, copper-plated, whose main components were C, S, Mn, P, Si, Cr, Ni, Mo, V, and Cu, and is generally used for butt and all-position fillet welding of various welded structures using mild steel and 490 [N/ mm2 ] class high-tensile steel, such as automobiles, vehicles, home appliances, industrial machinery, light-weight steel, pipes, and steel frames.

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。 The experiment was conducted on multiple samples of the object W, changing the width ratio and power ratio. The width ratio is the ratio of the diameter Dl (width, see FIG. 4) of the laser light L to the diameter Df (width, see FIG. 2) of the filler wire F, and is Dl/Df. The power ratio is the ratio of the total power Pm of the beam Lm (main beam) in the second power region A2 to the total power Ps of the beam Ls (sub-beam) in the first power region A1, and is Pm/Ps. The experiment was conducted for width ratios of 0.2, 0.8, 2.3, 2.7, 3.1, and 4, and for power ratios of 3/7, 1, 7/3, and 9. The experiment was also conducted for the cases of only the beam Ls (only the sub-beam) and only the beam Lm (only the main beam). The case of only the beam Ls (only the sub-beam) can be said to be a case of a power ratio of 0.

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。 In addition, in all cases in the experiment, the wavelength of the laser light L output from the laser device 110 was set to 1070 [nm], the total power of the laser light L was set to 3.0 [kW], the welding speed was set to 0.5 [m/min], and the supply speed of the filler wire F was set to 1 [m/min]. In addition, the beam quality of the multimode fiber laser was a BPP value of 1.7 [mm mrad].

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。 In Table 1, the welding condition is indicated by ◎ as excellent, ○ as good, and × as poor. Excellent (◎) means that there are no cracks or large irregularities (humping) in the bead B, the flow of the molten pool M is straight, and the number of spatters within the field of view of the high-speed camera is 10 or less [pieces/15 mm]; good (○) means that there are no cracks or large irregularities (humping) in the bead B, the flow of the molten pool M is straight, and the number of spatters within the field of view of the high-speed camera is 20 or less [pieces/15 mm]; and poor (×) means that the criteria for excellent and good are not met.

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。 Note that Table 1 shows the experimental results for welding when the object W is a single plate material with a thickness of 100 mm, but it can be assumed that similar results can be obtained for other types of welding, such as welding multiple components with different thicknesses.

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。 From the experimental results in Table 1 and related experimental results, it was found that the width ratio should be 0.8 or more, preferably 4 or less, more preferably 1.5 to 3.6, and even more preferably 2.3 to 3.1.

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。 If the width ratio is less than 0.8, the density of light energy irradiated to the surface Wa of the object W and the filler wire F becomes excessive, which is believed to increase the vapor pressure of the molten metal in the molten pool M and cause the molten metal flow to become turbulent, resulting in defects such as spattering and poor bead appearance.

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。 After repeated investigations focusing on these points, the inventors discovered that good welding quality can be obtained if the width ratio is 0.8 or more.

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。 Furthermore, it was found that when the width ratio is 4 or less, the density of the light energy irradiated to the surface Wa of the object W and the filler wire F is sufficient, and the preheating effect and stabilization of the molten state can be obtained without increasing the light output.

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。 Furthermore, when the ratio is 2.3 or more and 3.1 or less, the welding condition is stabilized, spatter is suppressed, and the efficiency of light irradiation energy is improved, which is found to be superior in terms of reducing costs in mass production processes.

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。 In addition, when the width ratio is 1.5 or more and 3.6 or less, it was found that the welding condition was stabilized and spatter was suppressed, resulting in a good balance between the light energy density irradiated to the surface Wa of the target object W and the filler wire F and the preheating area.

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。 In addition, the experimental results in Table 1 and related experimental results show that the power ratio is preferably 0 to 9, and more preferably 3/7 to 7/3.

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。 When welding is performed using a beam that does not control the heat input distribution, for example, using only the main beam, the light energy density irradiated to the surface Wa of the workpiece W and the filler wire F becomes excessive, causing the vapor pressure of the molten metal in the molten pool M to increase and the flow of the molten metal to become turbulent. This leads to problems such as spatter generation and poor bead appearance.

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。 When the power ratio, in which the heat input distribution was controlled by adding a secondary beam, was between 0 and 9, it was confirmed from high-speed camera images that the end face Fe of the filler wire F blended with the surface of the liquid molten pool M. However, when the power ratio of the secondary beam was high, the energy of the secondary beam caused the filler wire F to melt and drip in the form of liquid beads before it came into contact with the molten pool M.

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。 As a result of repeated investigations of the heat input distribution, focusing on the melting stability of the filler wire F, the appearance of the bead, the stability of the molten pool M's molten metal flow, and the amount of spatter generated, it was found that better welding quality was obtained when the power ratio was 3/7 or more and 7/3 or less.

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。 Within this power ratio range, the balance between the energy contributing to preheating and the energy contributing to melting is good, so the vapor pressure of the molten metal in the molten pool M is kept within a certain range, which has the effect of stabilizing the flow of the molten metal. As a result, there was no induction of defects such as spatter generation or poor bead appearance.

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。 When the width ratio is 2.3 or more and 3.1 or less, and the power ratio is 3/7 or more and 7/3 or less, in addition to stabilizing the welding condition and suppressing spatter, there is a tolerance for misalignment of the target object W and filler wire F relative to the light irradiation position, which is superior in terms of reducing the rate of defects in the mass production process and long-term reliability.

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。 Furthermore, in the experiment, it was found that when the energy density irradiated to the filler wire F is not excessively high, such as when the filler wire F is not irradiated with the beam Lm (second power region) and only a portion of the beam Ls (first power region), the molten pool M becomes more stable and welding defects such as cracking of the bead B, humping, and spattering are unlikely to occur. When the width ratio or power ratio is excessively small, the energy density of the laser light L irradiated to the filler wire F becomes high, causing the filler wire F to melt rapidly, which in turn makes the molten pool M unstable and makes welding defects more likely to occur.

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。 Figures 5A to 5D are plan views of the bead B obtained on the surface Wa of the object W.

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。 Figure 5A is a photographic image when the width ratio is 2.7 and the power ratio is 3/7. As shown in Figure 5A, under these conditions, there were no cracks or humps in bead B, and the surface of bead B was smooth. In addition, under these conditions, almost no spatter occurred.

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。 Figure 5B is a photographic image when only the main beam is used. Under these conditions, the number of spatters within the field of view of the high-speed camera was approximately 21 to 100 [pieces/15 mm], and as shown in Figure 5B, variation in bead width was also confirmed, so it was rated as x. It is presumed that the cause of the spatters was that the light energy density irradiated to the surface Wa of the target object W and the filler wire F was too high, causing the molten metal flow in the molten pool M to become turbulent.

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。 Figure 5C is a photographic image when only the secondary beam is used. Under these conditions, the number of spatters within the field of view of the high-speed camera was approximately 11 to 20 [pieces/15 mm]. Also, under these conditions, it was confirmed that the filler wire F melted into droplets and dripped before coming into contact with the molten pool M. It was confirmed that the excessive irradiation energy of the secondary beam caused the filler wire F to melt before coming into contact with the molten pool M, resulting in random dripping and a major issue with supply stability. As shown in Figure 5C, there was a lot of humping in the bead B, so it was rated as x.

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。 Figure 5D is a photographic image when the width ratio is 2.3 and the power ratio is 9. Under these conditions, the number of spatters within the field of view of the high-speed camera was approximately 11 to 20 [pieces/15 mm]. As shown in Figure 5D, there was no humping of the bead B, so it was rated as good. It is presumed that by making the diameter Dl of the laser beam L on the surface Wa larger than the diameter Df of the filler wire F, the filler wire F and the molten pool blend well together, resulting in a preheating effect.

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。 When the surface Wa is not a flat surface having steps, the width ratio, power ratio, etc. of the laser light L are defined in a virtual irradiation plane that includes the irradiation center C on the surface Wa of the laser light L and is perpendicular to the irradiation direction of the laser light L.

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。 As explained above, the width ratio, which is the ratio of the width Dl in the direction perpendicular to the sweep direction SD on the surface Wa of the laser light L to the diameter Df of the filler wire F, is preferably 0.8 to 4, more preferably 1.5 to 3.6, and even more preferably 2.3 to 3.1.

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。 Furthermore, as in this embodiment, the power ratio (Pm/Ps), which is the ratio of the power Pm of the laser light in the second power region A2 to the power Ps of the laser light in the first power region A1, is preferably 0 to 9, and more preferably 3/7 to 7/3.

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。 The laser welding method and laser welding device 100 under these conditions have the effect of making it difficult for welding defects such as cracking of the bead B, humping, and spatter to occur. In addition, by setting the laser device 110, optical head 120, filler wire F supply mechanism 140, etc. to satisfy these conditions, it is possible to obtain the advantage that welding with fewer welding defects can be performed more easily, more quickly, or more reliably.

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。 Also, as in this embodiment, the multiple beams Ls and Lm may be formed by a DOE 123 (beam shaper).

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。 With this configuration, for example, it is possible to more easily form a laser light L having a plurality of beams Ls, Lm arranged in a predetermined layout. In addition, there is also the advantage that the arrangement of the beams Ls, Lm in the laser light L can be more easily changed by replacing the DOE 123.

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。 In addition, the laser light of at least one beam Ls included in the first power region A1 and the laser light of at least one beam Lm included in the second power region A2 may be emitted from the same oscillator. In this case, the beam Ls and the beam Lm can be generated from the laser light emitted from a single oscillator.

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。 In addition, the laser light of at least one beam Ls included in the first power region A1 and the laser light of at least one beam Lm included in the second power region A2 may be emitted from different laser oscillators. In this case, it becomes easier to set the characteristics of each of the beams Ls and Ls independently.

[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。
[Modification of Beam]
FIG. 6 is a diagram showing an example of a beam (spot) of the laser light L formed on the surface Wa of the object W. In the example of FIG. 6, the laser light L has one beam Lm and 24 beams Ls arranged along the sides of a rectangle. That is, the beams Ls arranged in a rectangular ring shape surround the beam Lm. The beam Lm is positioned near the irradiation center of the laser light L, and the beam Ls is positioned farther from the irradiation center than the beam Lm. Even with such an arrangement of the beams Ls, Lm, the density of the laser light L irradiated to the filler wire F is suppressed from becoming excessively high, the molten pool M is more stabilized, and welding defects are less likely to occur. Note that the beam Ls does not necessarily have to be annular, i.e., it does not have to cover the entire periphery of Lm, and may be arranged in the Y direction or in an arc shape in front of the sweep direction SD.

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。 Although the above is an example of an embodiment of the present invention, the above embodiment is merely an example and is not intended to limit the scope of the invention. The above embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, combinations, and modifications can be made without departing from the spirit of the invention. Furthermore, the specifications of each configuration, shape, etc. (structure, type, direction, model, size, length, width, thickness, height, number, arrangement, position, material, etc.) can be modified as appropriate.

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。 For example, the multiple beams may all have the same power, or one or more beams may have a higher power than the other beams. Also, the multiple beams may be classified into multiple groups, with beams within the same group having approximately the same power and beams between groups having different powers. In this case, the power of each beam may be made to differ in stages between the multiple groups. Note that the number of beams included in a group is not limited to multiple, and may be just one.

また、対象物の材質は、ステンレス鋼には限定されない。 In addition, the material of the object is not limited to stainless steel.

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。 The object is not limited to plate material, and the welding of the present invention can be applied to various forms of welding, such as lap welding, butt welding, and fillet welding. In other words, the object may be at least two members to be welded that are overlapped, in contact, or adjacent to each other.

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。 When irradiating the laser light, known wobbling, weaving, output modulation, etc. may be performed to adjust the surface area of the molten pool.

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。 The object may also be a metal object with a thin layer of another metal on its surface, such as a plated metal sheet.

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
100... laser welding apparatus 110... laser apparatus (laser oscillator)
120: Optical head 121: Collimator lens 122: Condenser lens 123: DOE (diffractive optical element, beam shaper)
123a...diffraction grating 130...optical fiber 140...supply mechanism (filler wire supply unit)
141... Delivery device 142... Nozzle A1... First power region A2... Second power region B... Bead C... Irradiation center Df... (filler wire) diameter Dl... (laser light) diameter F... Filler wire Fe... End surface e1... Lower end (first end)
e2: tip (second end)
L...Laser light Lm, Ls...Beam M...Molten pool Pm, Ps...Power S...Supply direction SD...Sweeping direction W...Object Wa...Surface X...Direction Y...Direction Z...Direction

Claims (14)

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。
1. A laser welding method for supplying a filler wire onto a surface of an object, and irradiating the surface with a laser beam in a sweeping direction relative to the object, thereby melting the filler wire and welding the object, comprising:
a width ratio, which is a ratio of a width of the filler wire in a direction perpendicular to the sweep direction of the laser light on the surface to a diameter of the filler wire, is 0.8 or more;
the laser beam has a second power region and an annular first power region surrounding the second power region,
a power ratio that is a ratio of the power of the laser light in the second power region to the power of the laser light in the first power region is 3/7 or more and 7/3 or less .
前記表面は平面状であり、the surface is planar;
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。The laser welding method of claim 1 , wherein substantially the entire area of the first power region and the second power region is irradiated onto the planar surface.
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。 The laser welding method according to claim 1 or 2 , wherein the width ratio is 4 or less. 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。 The laser welding method according to claim 1 , wherein the width ratio is 1.5 or more and 3.6 or less. 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、請求項のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to any one of claims 1 to 4, wherein the filler wire is arranged at a position where the laser light forming the first power region is irradiated, and at a position different from a position where the laser light forming the second power region is irradiated. 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、請求項のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method of claim 1 , wherein the first power region includes a plurality of beams of the laser light. 前記複数のビームは、円環状に配置される、請求項に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method of claim 6 , wherein the plurality of beams are arranged in a circular ring shape. 前記複数のビームは、四角形状の環状に配置される、請求項に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method of claim 6 , wherein the plurality of beams are arranged in a square-shaped ring. 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~のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。
the laser light includes a plurality of beams;
The laser welding method according to any one of claims 1 to 8 , wherein the plurality of beams are formed by a beam shaper.
前記ビームシェイパは回折光学素子である、請求項に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method of claim 9 , wherein the beam shaper is a diffractive optical element. 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。
The filler wire is positioned in contact with a molten pool formed on the surface;
a first end portion of the end face of the filler wire that is in contact with the molten pool and that is close to the surface is spaced apart from an irradiation center of the laser light on the surface in a first direction;
The laser welding method according to any one of claims 1 to 10 , wherein a second end of the molten pool in the first direction is located farther from the irradiation center in the first direction than the first end.
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。 The laser welding method of claim 11 , wherein the first direction is the sweep direction. 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。 13. The laser welding method of claim 11 or 12 , wherein the laser light and the filler wire are swept in the first direction relative to the surface. 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。
an optical head that irradiates a laser beam onto a surface of an object;
a filler wire supply section that supplies a filler wire onto the surface;
a laser welding apparatus for irradiating the surface with the laser light in a sweeping direction relative to the object, thereby melting the filler wire and welding the object,
a width ratio, which is a ratio of a width of the filler wire in a direction perpendicular to the sweep direction of the laser light on the surface to a diameter of the filler wire, is 0.8 or more;
the laser beam has a second power region and an annular first power region surrounding the second power region,
A laser welding device , wherein a power ratio, which is a ratio of the power of the laser light in the second power region to the power of the laser light in the first power region, is greater than or equal to 3/7 and less than or equal to 7/3 .
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