JP2022056766A - Laser welding method and laser welding device - Google Patents

Abstract

To provide a laser welding method and a laser welding device which are improved.SOLUTION: In a laser welding method, a filler wire is fed onto the surface of an object, at the same time, a laser beam is swept and applied to the surface in a sweeping direction relatively to the object, thereby, the filler wire is molten and the object is welded. Therein, a width ratio as the ratio of a width in the direction orthogonal to the sweeping direction on the surface of the laser beam with respect to a diameter of the filler wire is 0.8 or more. The width ratio may be 4 or less. Further, the width ratio is more preferably 1.5 or more and 3.6 or less. The laser beam may also have a first power area which is annular area and, further, may have a second power area surrounded by the first power area.SELECTED DRAWING: Figure 2

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 apparatus.

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 of the methods for welding an object made of a metal material, a laser welding method and a laser welding device that perform welding by irradiating a laser beam while supplying a filler wire on the surface of the object are known. (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 parameters to be set, such as the diameter of the filler wire, are increased compared to laser welding that does not use the filler wire, so that welding defects such as bead cracking and spatter do not occur. It may take longer to set each parameter to make it.

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 problems of the present invention is, for example, in laser welding in which a laser beam is irradiated while supplying a filler wire, an improved novel laser that enables laser welding more easily and with less welding defects. To obtain a welding method and a laser welding device.

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, by supplying a filler wire onto the surface of an object and irradiating the surface with a laser beam that is swept relative to the object in a sweeping direction. A laser welding method in which a filler wire is melted and an object is welded, and is a width ratio which is a ratio of the width of the laser beam to the diameter of the filler wire in a direction orthogonal to the sweep direction on the surface. However, it 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 1.5 or more and 3.6 or less.

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 beam 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 beam 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 beam has a first power region and a second power region whose width in a direction orthogonal to the sweep direction is narrower than that of the first power region. The one power region may be located at least partially in front 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, the power ratio, which is the ratio of the power of the laser beam in the second power region to the power of the laser beam in the first power region, may be 0 or more and 9 or less.

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 3/7 or more and 7/3 or less.

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 is arranged at a position where the laser beam forming the first power region is irradiated, and the laser beam forming the second power region is irradiated. It may be arranged at a position different from the position where the laser is used.

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 a plurality of beams of the laser beam.

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 plurality of beams may be arranged in an annular 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 plurality of 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 beam includes a plurality of beams, and the plurality of 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 the molten pool formed on the surface, and one end of the end face of the filler wire in contact with the molten pool, which is close to the surface. The portion is separated from the irradiation center of the surface of the laser beam in the first direction, and the second end portion of the molten pool in the first direction is from the first end portion in the first direction from the irradiation center. May be located apart.

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 beam and the filler wire may be swept in the first direction with respect 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 apparatus of the present invention includes, for example, an optical head that irradiates the surface of an object with a laser beam and a filler wire supply unit that supplies a filler wire onto the surface, and the laser beam is applied to the surface. A laser welding device that melts the filler wire and welds the object by sweeping and irradiating the object in the sweeping direction relatively, and the laser beam with respect to the diameter of the filler wire. The width ratio, which is the ratio of the widths on the surface in the direction orthogonal to the sweep direction, 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。 According to the present invention, for example, an improved novel laser welding method and laser welding apparatus can be obtained.

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 the laser welding apparatus of the 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) on the surface of an object of laser light emitted from the laser welding apparatus of the embodiment. 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 the 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 the 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 the 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 the 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 laser light emitted 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。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be disclosed. The configurations of the embodiments shown below, as well as the actions and results (effects) brought about by the configurations, are examples. The present invention can also be realized by configurations other than those disclosed in the following embodiments. Further, according to the present invention, it is possible to obtain at least one of various effects (including derivative effects) obtained by the configuration.

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。 Further, 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. Direction X, direction Y, and direction Z intersect and are orthogonal to each other. The Z direction is the normal direction of the surface Wa (processed surface) of the object W, and is the direction opposite to the irradiation direction of the laser beam 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。 Further, in the present specification, the ordinal number is given for convenience in order to distinguish parts, members, parts, regions, processes, etc., and does not indicate a priority or an 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]
[Construction of laser welding equipment]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the laser welding apparatus 100 of the embodiment. As shown in FIG. 1, the laser welding device 100 includes a laser device 110, an optical head 120, an optical fiber 130, and a filler wire F supply mechanism 140.

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 apparatus 100 irradiates the surface Wa of the object W with the laser beam L and supplies the filler wire F on the surface Wa. The object W and the filler wire F are melted and solidified by the energy of the laser beam L, so that the object W is welded.

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 a plurality of members (not shown), and the plurality of members 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 plurality of members to be the object W are, 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 material such as copper or a copper alloy. It can be made of metal material or the like. The plurality of members may be made of the same metal material or may be made of different metal materials from each other.

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。 The filler wire F, also referred to as a filler wire, is a wire-shaped metal material added at the time of welding. The filler wire F can supply a metal material that fills the gap when there is a gap between the plurality of members, or suppresses the formation of an intermetallic compound that weakens the bonding strength when the plurality of members are dissimilar metals. It brings advantages such as being able to supply goods.

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 includes a laser oscillator, and as an example, is configured to be able to output a single-mode laser beam having a power of several kW. The laser device 110 may be configured to include, for example, a plurality of semiconductor laser elements inside, and to output a multimode laser beam having a power of several kW as the total output of the plurality of semiconductor laser elements. Further, the laser device 110 may include various laser light sources such as a fiber laser, a YAG laser, and 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^２ビーム品質は、１．３以下に設定される。Ｍ^２ビーム品質は、Ｍ２ファクタとも称されうる。 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 apparatus 110 outputs a single-mode laser beam, the optical fiber 130 is configured to propagate the single-mode laser beam. In this case, the ^M2 beam quality of the single mode laser beam is set to 1.3 or less. ^M2 beam quality can also be referred to as 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 beam input from the laser device 110 toward the object W. The optical head 120 includes a collimating lens 121, a condenser lens 122, and a DOE123 (diffractive optical element). The collimating lens 121, the condenser lens 122, and the DOE 123 may also be referred to as optical components. The optical components included in the optical head 120 are not limited to the collimating 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 so that the relative position with respect to the object W can be changed in order to sweep the laser beam L on the surface Wa. The relative movement of the optical head 120 and the object W can be realized by the movement of the optical head 120, the movement of the object W, or the movement of both the optical head 120 and the object W. Due to the relative movement of the optical head 120 and the object W, the irradiation position of the laser beam L moves on the surface Wa of the object W in the sweep direction SD. In this embodiment, the case where the sweep direction SD is the X direction is illustrated.

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 beam. The collimated laser beam becomes parallel light. Further, the condenser lens 122 concentrates the laser light as parallel light and irradiates the object W as the laser light L (output light).

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 arranged between the collimating lens 121 and the condenser lens 122, and forms the shape of the beam of the laser 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 supply mechanism 140 of the filler wire F includes a delivery device 141 and a nozzle 142. The delivery device 141 sends out the filler wire F at a set constant speed. The nozzle 142 sends out the filler wire F sent out from the sending device 141 toward a set position on the surface Wa at a set angle. The transmission speed of the filler wire F in the transmission device 141 can be set variably. 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 in a stationary state relative to the optical head 120. As an example, the nozzle 142 is fixed to an 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。 FIG. 2 is an enlarged side view of the welded portion, and schematically shows a state in which the filler wire F is supplied onto the surface Wa and the laser beam L is irradiated to the surface to be welded. FIG. 2 is a view along the surface Wa and in a direction orthogonal 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 integrally along the surface Wa in the sweep direction SD. Further, the delivery speed of the filler wire F in the delivery device 141 is such that the form shown in FIG. 2 is maintained, that is, the filler wire F is not excessively supplied to the welded portion and is not insufficiently supplied. It is set appropriately. As a result, the laser beam L and the filler wire F move integrally with the surface Wa in the sweep direction SD while substantially maintaining the form shown in FIG.

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 center of the optical axis of the laser beam L and the center axis of the filler wire F substantially follow the same XZ plane. The XZ plane is a surface along the X direction and the Z direction, and is a surface along the sweep direction SD and the irradiation direction of the laser beam 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 beam L is applied to the surface Wa in the direction opposite to the Z direction. Further, the filler wire F is supplied toward the welded portion in the supply direction S shown in FIG. The supply direction S is a direction between the direction opposite to the sweep direction SD and the irradiation direction of the laser beam L, that is, a direction between the opposite direction in the Z direction and the opposite direction in 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。 Further, as an example, the supply position of the filler wire F is deviated from the irradiation center C of the laser beam L on the surface Wa in the sweep direction SD.

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 in which the object W and the filler wire F are melted by irradiation with the laser beam L is formed on the surface Wa. As the laser beam L moves in the sweep direction SD, the portion of the molten pool M outside the irradiation region of the laser beam L is cooled and solidified. As a result, the bead B extends from the molten pool M on the surface Wa in the direction opposite 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, the end face Fe of the filler wire F is in contact with the surface of the liquid molten pool M during welding. Further, the tip e2 of the sweep direction SD of the molten pool M is located farther from the irradiation center C of the laser beam L in the sweep direction SD than the lower end e1 of the end surface Fe near the surface Wa. When such a form is obtained during welding by the experimental studies of the inventors, the molten pool M is stable, and it is suitable that there are few welding defects such as cracking of the bead B, humping, and spatter. It turned out that the welded state was obtained. Note that FIG. 2 is an example of a welded state with few welding defects, and the form of the welded portion in the welded state with few welding defects is not limited to FIG. The sweep direction SD is an example of the first direction, the lower end e1 is an example of the first end portion, and the tip e2 is an example of the second end portion.

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。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing the concept of the principle of DOE123. As shown in FIG. 3, the DOE 123 has, for example, a configuration in which a plurality of diffraction gratings 123a having different periods are superposed. The DOE 123 can form a beam shape by bending or superimposing parallel light in a direction affected by each diffraction grating 123a. DOE123 can also be referred to as 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。 FIG. 4 is a diagram showing an example of a beam (spot) of the laser beam L formed on the surface Wa of the object W. In FIG. 4, for the sake of simplicity, the beam Lm is shown by a solid line and the beam Ls is shown by a broken 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。 The DOE123 divides the laser beam into a plurality of beams. The plurality of beams include at least one beam Lm and at least one beam Ls. The beam Lm may also be referred to as a main beam, and the beam Ls may also be referred to as a secondary 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 beam L has one beam Lm and 16 beams Ls that surround the beam Lm in an annular shape. The beam Lm is located near the irradiation center of the laser beam L, and the beam Ls is located 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. The number and arrangement of the beams Lm and the beams Ls are not limited to the example of FIG. By replacing the DOE 123, the optical head 120 can output a laser beam L containing a plurality of 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^２以上の強度の領域の直径として、定義することができる。また、各ビームＬｓ，Ｌｍの中心は、強度のピークの位置とすることができる。 When the laser beam L includes a plurality of beams as in the example of FIG. 4, the diameter Dl (width) of the laser beam L is defined as the distance between the centers of the two beams Ls most separated in the width direction. The width direction is a direction orthogonal to the sweep direction SD, and is the Y direction in the present embodiment. In addition, each beam Ls, Lm has a power distribution of a Gaussian shape, for example, 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 including the peak of the beam Ls, Lm and having an intensity of 1 / e2 or ^more of the peak intensity. Further, the center of each beam Ls and Lm can be the position of the peak of the intensity.

他方、図示されないが、レーザ光Ｌが、ガウシアン形状のパワー分布を有した一つのビームのみを含む場合、当該レーザ光Ｌの直径は、当該ビームのピークを含みピーク強度の１／ｅ^２以上の強度の領域の直径として、定義することができる。 On the other hand, although not shown, when the laser beam L contains only one beam having a Gaussian-shaped power distribution, the diameter of the laser beam L includes the peak of the beam and is 1 / e ² or more of the peak intensity. It can be defined as the diameter of the region of 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。 With the appropriate design, setting, or adjustment of the laser device 110, the optical fiber 130, the collimating lens 121, the condenser lens 122, and the DOE 123, the laser welding device 100 can be a laser beam including the beam Lm and the beam Ls as described above. L can be output.

［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 the region irradiated with the laser beam L. Then, in a state where the laser beam L including the beams Lm and Ls divided by the DOE 123 is applied to the object W, the laser beam L, the filler wire F, and the object W move relatively. As a result, the laser beam L moves on the surface Wa in the sweep direction SD while being irradiated on the surface Wa, that is, the laser beam L is swept on the surface Wa. At the portion irradiated with the laser beam L, the object W and the filler wire F are melted, and then solidified as the temperature decreases, so that the object W is welded. At this time, bead B is formed. Bead B extends along the trajectory of the sweep. In the present embodiment, as an example, the sweep direction SD is in the X direction, but the sweep direction SD may intersect with the Z direction and is not limited to the X direction. Also, a curved sweep may be performed on the surface Wa to form 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。 Further, in a series of experimental studies by the inventors, in the laser beam L, at least a part of the beam Ls (first power region A1) has a sweep direction with respect to the beam Lm (second power region A2). It was confirmed that the position in the front of the SD can suppress the occurrence of cracking of the bead B and welding defects such as humping and spatter. It can be presumed that this is because, for example, the preheating of the object W by the beam Ls before the arrival of the beam Lm further stabilizes the molten pool M of the object W formed by the beam Ls and 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 result]
The inventors use a laser welding apparatus 100 to actually irradiate an object W with a laser beam L having the beam shape shown in FIG. 4, perform laser welding, and evaluate the welding state. Was done. Table 1 is a table showing the experimental results of welding.

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 experiment, the material of the object W is stainless steel (SS400), and the filler wire F is carbon steel containing C, S, Mn, P, Si, Cr, Ni, Mo, V, and Cu as main components. ), Carbon steel, generally used for automobiles, vehicles, home appliances, industrial machinery, lightweight shaped steel, pipes, steel frames and other mild steels, and 490 [N / mm ² ] grade high-strength steels for butting and matching of various welded structures. It is used for all-position fillet welding and the like.

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 performed for a plurality of samples of the object W with different width ratios and power ratios. The width ratio is the ratio of the diameter Dl (width, see FIG. 4) of the laser beam 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 (secondary beam) in the first power region A1 and is Pm. / Ps. Experiments were performed for each of the width ratios 0.2, 0.8, 2.3, 2.7, 3.1, and 4, with power ratios of 3/7, 1, 7/3, respectively. And 9 for each case. In addition, an experiment was also conducted in the case of only the beam Ls (only the secondary beam) and the case of only the beam Lm (only the main beam). In the case of only the beam Ls (only the sub beam), it can be said that the power ratio is 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 the experiment, in all cases, the wavelength of the laser beam L output from the laser apparatus 110 is 1070 [nm], the total power of the laser beam L is 3.0 [kW], and the welding speed is 0. The supply speed of the filler wire F was set to 1.5 [m / min] and 1 [m / min]. The beam quality of the multimode fiber laser has 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, regarding the welding state, ⊚ indicates excellent, ◯ indicates good, and × indicates poor. Excellent (◎) is when there is no crack or large unevenness (humping) in the bead B, the hot water flow of the molten pool M is rectified, and the number of spatters is 10 [pieces / 15 mm] or less in the field of view of the high-speed camera. Good (○) is when there is no crack or large unevenness (humping) in the bead B, the hot water flow of the molten pool M is rectified, and the number of spatters is 20 [pieces / 15 mm] or less in the field of view of the high-speed camera. In addition, the defect (x) was defined as the case where the criteria of excellent and good were not satisfied.

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。 Table 1 shows the experimental results for welding when the object W is a single plate having a thickness of 100 [mm], but other forms of welding such as welding of a plurality of members having different thicknesses. It can be estimated that the same result can be obtained for.

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, the width ratio may be 0.8 or more, preferably 4 or less, more preferably 1.5 or more and 3.6 or less, and 2.3 or more and 3 or less. It was found that 0.1 or less was more preferable.

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。 When the width ratio is less than 0.8, the optical energy density applied to the surface Wa of the object W and the filler wire F becomes excessive, so that the vapor pressure of the molten metal increases in the molten pool M and the hot water flow is turbulent. It is presumed that this causes problems such as spatter generation 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。 As a result of repeated studies focusing on these points, the inventors have found that good welding quality can be obtained when 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。 Further, when the width ratio is 4 or less, the light energy density applied to the surface Wa of the object W and the filler wire F becomes a sufficient density, and the preheating effect and the stabilization of the molten state can be obtained without increasing the light output. I found that.

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, in the case of 2.3 or more and 3.1 or less, it was found that the efficiency of light irradiation energy can be obtained in addition to the stabilization of the welded state and the suppression of spatter, which is more excellent from the viewpoint of cost reduction in the mass production manufacturing process. rice field.

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, the welding state is stabilized and spatter suppression is obtained, so that the light energy applied to the surface Wa and the filler wire F of the object W is obtained. We found a good balance between density and 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。 Further, from the experimental results in Table 1 and related experimental results, it was found that the power ratio is preferably 0 or more and 9 or less, and more preferably 3/7 or more and 7/3 or less.

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 only with a beam that does not control the heat input distribution, for example, the main beam, the photoenergy density applied to the surface Wa of the object W and the filler wire F becomes excessive, so that the vapor pressure of the molten metal in the molten pool M becomes excessive. Increases and the flow of hot water becomes turbulent. As a result, problems such as spatter generation and poor bead appearance are induced.

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。 It was confirmed from the high-speed camera image that the end face Fe of the filler wire F blends with the surface of the liquid molten pool M when the power ratio for controlling the heat input distribution by adding a secondary beam is 0 or more and 9 or less. However, at a level where the power ratio of the sub-beam is strong, the filler wire F melts and drops in a liquid ball shape before coming into contact with the molten pool M due to the energy of the sub-beam.

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。 Therefore, as a result of repeated examinations of the heat input distribution focusing on the melt stability of the filler wire F, the appearance of the bead, the stability of the hot water flow of the molten pool M, and the amount of spatter generated, the power ratio was 3 /. When it was 7 or more and 7/3 or less, better welding quality was obtained.

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。 In this power ratio range, the balance between the energy contributing to preheating and the energy contributing to melting is good, so that the vapor pressure of the molten metal in the molten pool M is suppressed to a certain range and the hot water flow is stabilized. effective. As a result, there was no induction of problems such as spatter generation and 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 welded state and suppressing spatter, the object W or the object W with respect to the light irradiation position Since the filler wire F has a margin for misalignment, it is superior in terms of reduction of defect occurrence rate in mass production manufacturing 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。 Further, in the experiment, the filler wire F is irradiated with only a part of the beam Ls (first power region) without being irradiated with the beam Lm (second power region), for example. It was found that the molten pool M became more stable in a state where the irradiated energy density was not excessively high, and welding defects such as cracking of the bead B, humping, and spatter were unlikely to occur. When the width ratio is excessively small or the power ratio is excessively small, the energy density of the laser beam L irradiated to the filler wire F increases, so that the filler wire F melts rapidly, which causes the filler wire F to melt rapidly. It can be presumed that the molten pool M becomes unstable and welding defects are 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。 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。 FIG. 5A is a photographic image in the case where the width ratio is 2.7 and the power ratio is 3/7. As shown in FIG. 5A, under this condition, the bead B had no cracks or humping, and the surface of the bead B was smooth. Further, under the above conditions, almost no spattering 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。 FIG. 5B is a photographic image when only the main beam is used. Under this condition, the number of spatters in the field of view of the high-speed camera was about 21 to 100 [pieces / 15 mm], and as shown in FIG. 5B, variations in the bead width were also confirmed. It is presumed that the cause of the spatter is that the light energy density applied to the surface Wa of the object W and the filler wire F is excessive, so that the hot water flow of the molten pool M becomes 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。 FIG. 5C is a photographic image when only the secondary beam is used. Under this condition, the number of spatters in the field of view of the high-speed camera was about 11 to 20 [pieces / 15 mm]. Further, under this condition, it was confirmed that the filler wire F melts and drops in a liquid ball shape before coming into contact with the molten pool M. It was confirmed that since the irradiation energy of the secondary beam is excessive, the filler wire F melts out before coming into contact with the molten pool M, resulting in random dropping, and there is a big problem in supply stability. As shown in FIG. 5C, since humping frequently occurs in the bead B, it was judged 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。 FIG. 5D is a photographic image when the width ratio is 2.3 and the power ratio is 9. Under this condition, the number of spatters in the field of view of the high-speed camera was about 11 to 20 [pieces / 15 mm]. As shown in FIG. 5D, since there is no humping of the bead B, it was judged as 〇. It is presumed that the diameter Dl on the surface Wa of the laser beam L is made larger than the diameter Df of the filler wire F, so that the filler wire F and the molten pool are well-adapted and the preheating effect is obtained.

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。 The width ratio, power ratio, etc. of the laser beam L when the surface Wa is not a flat surface having a step are orthogonal to the irradiation direction of the laser beam L including the irradiation center C on the surface Wa of the laser beam L. It shall be specified in the virtual irradiation plane.

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 described above, the width ratio, which is the ratio of the width Dl to the diameter Df of the filler wire F in the direction orthogonal to the sweep direction SD on the surface Wa of the laser beam L, is 0.8 or more and 4 or less. Is preferable, 1.5 or more and 3.6 or less are more preferable, and 2.3 or more and 3.1 or less are further preferable.

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。 Further, as in the present 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 0 or more and 9 or less. It is preferably present, and more preferably 3/7 or more and 7/3 or less.

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。 According to the laser welding method and the laser welding apparatus 100 under such conditions, it is possible to obtain the effect that the bead B is less likely to be cracked and welding defects such as humping and spatter are unlikely to occur. Further, by setting the laser device 110, the optical head 120, the supply mechanism 140 of the filler wire F, and the like so as to satisfy such conditions, for example, welding with few welding defects can be performed more easily, more quickly, or. The advantage is that it can be executed 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。 Further, as in the present embodiment, the plurality of beams Ls and Lm may be formed by DOE123 (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。 According to such a configuration, for example, a laser beam L having a plurality of beams Ls and Lm arranged in a predetermined layout can be more easily formed. Further, by exchanging the DOE123, there is an advantage that the arrangement of the beams Ls and Lm in the laser beam L can be changed more easily.

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。 The laser beam of at least one beam Ls included in the first power region A1 and the laser beam 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 beam 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。 Further, the laser beam of at least one beam Ls included in the first power region A1 and the laser beam 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 easy to set the respective characteristics of the beam Ls and the beam 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。 [Transformation example of beam]
FIG. 6 is a diagram showing an example of a beam (spot) of the laser beam L formed on the surface Wa of the object W. In the example of FIG. 6, the laser beam L has one beam Lm and 24 beams Ls arranged along the sides of the quadrangle. That is, a plurality of beams Ls arranged in a square shape and a ring shape surround the beam Lm. The beam Lm is located near the irradiation center of the laser beam L, and the beam Ls is located farther from the irradiation center than the beam Lm. Even with such arrangement of the beams Ls and Lm, it is suppressed that the density of the laser beam L irradiated to the filler wire F becomes excessively high, the molten pool M is more stabilized, and welding defects are less likely to occur. The effect is obtained. The beams Ls do not necessarily have to be annular, that is, cover the entire circumference 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 embodiments of the present invention have been exemplified above, the above-described embodiment is an example and is not intended to limit the scope of the invention. The above embodiment can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, combinations, and changes can be made without departing from the gist of the invention. In addition, specifications such as each configuration and shape (structure, type, direction, model, size, length, width, thickness, height, number, arrangement, position, material, etc.) are changed as appropriate. Can be carried out.

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 plurality of beams may all have the same power, or the power of one or more beams may be higher than the power of the other beams. Further, a plurality of beams can be classified into a plurality of groups, the beams may have substantially the same power within the same group, and the beams may have different powers among the groups. Further, in that case, the power of each beam may be gradually different among the plurality of groups. The number of beams included in the group is not limited to a plurality, and may be one.

また、対象物の材質は、ステンレス鋼には限定されない。 Further, 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。 Further, the object is not limited to the 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. That is, the object may be an object in which at least two members to be welded are overlapped, contacted, 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。 Further, when the laser beam is irradiated, known wobbling, weaving, output modulation and the like 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。 Further, the object may be an object having another thin metal layer on the surface of the metal, such as a plated metal plate.

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 device 110 ... Laser device (laser oscillator)
120 ... Optical head 121 ... Collimating lens 122 ... Condensing lens 123 ... DOE (diffractive optical element, beam shaper)
123a ... Diffraction grating 130 ... Optical fiber 140 ... Supply mechanism (filler wire supply unit)
141 ... Transmission device 142 ... Nozzle A1 ... First power region A2 ... Second power region B ... Bead C ... Irradiation center Df ... Diameter Dl ... (of filler wire) Diameter F ... Filler wire Fe ... End face e1 … Lower end (first end)
e2 ... Tip (second end)
L ... Laser light Lm, Ls ... Beam M ... Molten pond Pm, Ps ... Power S ... Supply direction SD ... Sweep direction W ... Object Wa ... Surface X ... Direction Y ... Direction Z ... Direction

Claims (18)

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、レーザ溶接方法。 By supplying the filler wire onto the surface of the object and irradiating the surface with a laser beam that is swept relative to the object in the sweep direction, the filler wire is melted and the object is welded. It is a laser welding method for welding.
A laser welding method in which the width ratio, which is the ratio of the width of the laser beam to the diameter of the filler wire in the direction orthogonal to the sweep direction on the surface, is 0.8 or more. 前記幅比が、４以下である、請求項１に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 1, 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 1.5 or more and 3.6 or less. 前記レーザ光は、環状の第一パワー領域を有した、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 any one of claims 1 to 3, wherein the laser beam has an annular first power region. 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た、請求項３に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 3, wherein the laser beam has a second power region surrounded by a first power region. 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た、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。 The laser beam has a first power region and a second power region whose width in a direction orthogonal to the sweep direction is narrower than that of the first power region.
The laser welding method according to claim 1 or 2, wherein the first power region is located at least partially in front of the second power region in the sweep direction. 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以下である、請求項５または６に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 5 or 6, wherein the 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, is 0 or more and 9 or less. 前記パワー比は、３／７以上７／３以下である、請求項７に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 7, wherein the power ratio is 3/7 or more and 7/3 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５～８のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。 The filler wire is arranged at a position where the laser beam forming the first power region is irradiated, and is arranged at a position different from the position where the laser light forming the second power region is irradiated. The laser welding method according to any one of claims 5 to 8. 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５～９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 5 to 9, wherein the first power region includes a plurality of beams of the laser beam. 前記複数のビームは、円環状に配置される、請求項１０に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 10, wherein the plurality of beams are arranged in an annular 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１０に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 10, wherein the plurality of beams are arranged in a rectangular ring shape. 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１～１２のうちいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。 The laser beam includes a plurality of beams and contains a plurality of beams.
The laser welding method according to any one of claims 1 to 12, 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１３に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 13, 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１～１４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 so as to be in contact with the molten pool formed on the surface.
The first end of the filler wire in contact with the molten pool, which is close to the surface, is separated in the first direction from the irradiation center of the surface of the laser beam.
The second end portion in the first direction of the molten pool is located in the first direction away from the first end portion in the first direction from the irradiation center, according to any one of claims 1 to 14. Laser welding method. 前記第一方向は、前記掃引方向である、請求項１５に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 15, 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１５または１６に記載のレーザ溶接方法。 The laser welding method according to claim 15 or 16, wherein the laser beam and the filler wire are swept in the first direction with respect 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以上である、レーザ溶接装置。 An optical head that irradiates the surface of an object with laser light,
A filler wire supply unit that supplies the filler wire onto the surface,
A laser welding device that melts the filler wire and welds the object by irradiating the surface with the laser beam in the sweep direction relative to the object.
A laser welding apparatus having a width ratio of 0.8 or more, which is a ratio of the width of the laser beam to the diameter of the filler wire in a direction orthogonal to the sweep direction on the surface.

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