JP2023110638A

JP2023110638A - Welding method and laser device

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Publication number: JP2023110638A
Application number: JP2022012217A
Authority: JP
Inventors: 佳佑林; Keisuke Hayashi; 克俊長▲崎▼; Katsutoshi Nagasaki; 健山村; Takeshi Yamamura
Original assignee: Kataoka Corp
Current assignee: Kataoka Corp
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2023-08-09

Abstract

To provide a welding method for performing metal welding using laser welding, in which a processing time can be shortened while maintaining excellent weld quality.SOLUTION: In a welding method, ends of a first member 52 and a second member 52 arranged opposite a laser device 1 are abutted on each other in order to be welded by a laser beam. In the welding method, the laser beam is composed of a first laser beam L1, and a second laser beam L2 having a smaller condensed beam diameter compared to the first laser beam L1. The first laser beam L1 is radiated across the first member and the second member to an end surface (workpiece W) at which the first member 52 and the second member 52 are abutted, whereas the second laser beam L2 is rotationally radiated to an outer peripheral edge vicinity of a region that is irradiated with the first laser beam L1.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レーザ光を用いて金属溶接を行う溶接方法およびレーザ装置に関する。 The present invention relates to a welding method and a laser apparatus for welding metals using laser light.

金属溶接を行う技術の一つとして、レーザ光を用いたレーザ溶接が利用されている。レーザ溶接は他の溶接技術と比較すると、集光レンズにより高密度化されたエネルギーで被加工物を溶接可能であり、溶接品質が高く微細な溶接に適している。
近年、ハイブリッド車や電気自動車に組み込むモータ用のステータ（固定子）の製造においてこのレーザ溶接が利用されている。ステータは、ステータコアと、ステータコアのスロットに装着された複数のセグメントコイルとから構成され、対応するセグメントコイルの端部同士をレーザ溶接により接合する。通常、個々のセグメントコイルは丸線ではなく平角導線を用いる。これにより、丸線が作る隙間を無くし接合部の密度を上げることが可能となり、低燃費且つ小型化を実現する。溶接面は数ミリ平方メートルと微細なためレーザ溶接が適している。
特許文献１には、ステータ用コイルのレーザ溶接技術が開示されている。ここでは、対応する平角導体を隙間を置いて並べ両端面をレーザ溶融する。このとき、溶融した平角導体が固化した溶融固化部分が、両端面を窪ませるように端面下に侵入していることを特徴としている。すなわち、この技術は、従来の溶接方法において、溶融池が凸レンズ上に膨らみ溶融池が深くなることがスパッタの一つの要因であると捉え、これを抑制するために、溶接中の溶融平角導体が隙間に順次流入することにより、レーザ光が照射される被照射点における溶融池を浅く形成するというものである（段落００４５参照）。 Laser welding using a laser beam is used as one of techniques for welding metals. Compared to other welding techniques, laser welding can weld workpieces with energy densified by a condensing lens, and is suitable for fine welding with high welding quality.
In recent years, this laser welding has been used in the manufacture of stators for motors incorporated in hybrid vehicles and electric vehicles. The stator is composed of a stator core and a plurality of segment coils mounted in slots of the stator core, and the ends of corresponding segment coils are joined by laser welding. Normally, individual segment coils use rectangular conductors instead of round conductors. As a result, it becomes possible to eliminate the gaps created by the round wires and increase the density of the joints, thereby achieving low fuel consumption and miniaturization. Laser welding is suitable because the welding surface is as small as several millimeters squared.
Patent Literature 1 discloses a laser welding technique for stator coils. Here, corresponding rectangular conductors are arranged with a gap therebetween and both end faces are laser-fused. At this time, it is characterized in that the melted and solidified portion of the melted rectangular conductor is intruded under the end faces so as to dent the both end faces. In other words, this technology considers that one of the causes of spatter in the conventional welding method is that the molten pool swells above the convex lens and the molten pool deepens. By sequentially flowing into the gap, a shallow molten pool is formed at the point to be irradiated with the laser beam (see paragraph 0045).

特開２０２１－９３８３２号公報JP 2021-93832 A

上記の技術によれば溶接中に生じるスパッタを抑制して溶接品質を一定に保つことが可能となる。ところで、ステータの製造工程における生産性向上が望まれているが、上記の文献には処理時間の短縮等、生産性向上に関する知見が無い。
そこで本発明は、レーザ溶接により金属溶接を行う溶接方法において、良好な溶接品質を保ちながらも処理時間を短縮することが可能な溶接方法およびレーザ装置を提供することを目的とする。 According to the above technique, it is possible to suppress the spatter generated during welding and keep the welding quality constant. By the way, although it is desired to improve the productivity in the manufacturing process of the stator, the above-mentioned documents do not provide any knowledge about productivity improvement such as shortening of the processing time.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a welding method and a laser apparatus capable of shortening the processing time while maintaining good welding quality in a welding method for metal welding by laser welding.

本発明は、上記の課題を解決するためのものであって、レーザ装置に対向して配置される第１部材および第２部材の端部を突き合わせて、レーザ光により溶接する溶接方法であって、前記レーザ光は、第１レーザ光と前記第1レーザ光に比して集光径が小さい第２レーザ光とから成り、前記第１レーザ光を、前記第１部材および前記第２部材を突き合わせた端面に対し、前記第１部材および前記第２部材を跨いで照射し、前記第２レーザ光を、前記第１レーザ光が照射される領域の外周縁近傍を旋回照射することを特徴とする。 The present invention is intended to solve the above problems, and is a welding method for butting ends of a first member and a second member arranged to face a laser device and welding them with a laser beam. , the laser beam is composed of a first laser beam and a second laser beam having a smaller focused diameter than the first laser beam, and the first laser beam is divided into the first member and the second member The butted end faces are irradiated across the first member and the second member, and the second laser beam is irradiated in a circular manner in the vicinity of the outer periphery of the region irradiated with the first laser beam. do.

本発明によると、第１レーザ光の照射により溶融池を形成しながらその周囲に集光径の小さい第２レーザ光を照射することにより、溶融池の形成が促進され、従来と比較して溶接対象のワークを早く溶融することが可能となる。
また、第２レーザ光を旋回照射することにより、溶融池内部に旋回方向の流れを生み出し、これによりポロシティを排除することが可能となる。また、第２レーザ光を旋回照射することにより、溶融池内部における局所的な熱集中を防止し、溶融池の状態を安定化さる。それにより、スパッタの発生を抑制し、高い溶接品質を実現することが可能となる。 According to the present invention, the formation of the molten pool is promoted by irradiating the periphery of the molten pool with the second laser beam having a small focused diameter while the molten pool is formed by the irradiation of the first laser beam, and the welding is compared with the conventional welding. It becomes possible to quickly melt the target work.
In addition, by rotating the second laser beam, it is possible to generate a flow in the molten pool in the rotating direction, thereby eliminating porosity. In addition, by rotating the second laser beam, local heat concentration inside the molten pool is prevented, and the state of the molten pool is stabilized. This makes it possible to suppress the generation of spatter and achieve high welding quality.

本発明の一実施形態に係るレーザ装置１の全体構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing the overall configuration of a laser device 1 according to one embodiment of the present invention; FIG. レーザ走査光学系４について説明するための図である。4 is a diagram for explaining a laser scanning optical system 4; FIG. （ａ）ステータの概略構成を示す斜視図である。（ｂ）セグメントコイル５２について説明するための図である。（ｃ）ワークＷについて説明するための図である。(a) It is a perspective view which shows schematic structure of a stator. (b) is a diagram for explaining a segment coil 52; (c) It is a figure for demonstrating the workpiece|work W. FIG. 各レーザ光の照射方法について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the irradiation method of each laser beam. 各レーザ光の集光径について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the condensing diameter of each laser beam. 加工後のワークＷの写真である。It is a photograph of work W after processing. レーザ光の照射方法の変形例について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the modification of the irradiation method of a laser beam.

＜概要＞
本実施態様の一態様に係る溶接方法は、レーザ装置に対向して配置される第１部材および第２部材の端部を突き合わせて、レーザ光により溶接する溶接方法であって、前記レーザ光は、第１レーザ光と前記第1レーザ光に比して集光径が小さい第２レーザ光とから成り、前記第１レーザ光を、前記第１部材および前記第２部材を突き合わせた端面に対し、前記第１部材および前記第２部材を跨いで照射し、前記第２レーザ光を、前記第１レーザ光が照射される領域の外周縁近傍を旋回照射することを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第１レーザ光の照射領域は略円形状であって、前記略円形状の照射領域の面積は前記端面の総面積の１パーセント～３０パーセントであることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第１レーザ光の波長は、前記第２レーザ光の波長より短いことを特徴とする。 <Overview>
A welding method according to one aspect of the present embodiment is a welding method in which the ends of a first member and a second member arranged to face a laser device are butted against each other and welded with a laser beam, wherein the laser beam is , a first laser beam and a second laser beam having a focused diameter smaller than that of the first laser beam, wherein the first laser beam is directed toward the end face where the first member and the second member are butted against each other. and irradiating across the first member and the second member, and irradiating the second laser beam in a circular manner in the vicinity of the outer periphery of the region irradiated with the first laser beam.
In the welding method according to another aspect of the present embodiment, the irradiation region of the first laser beam is substantially circular, and the area of the substantially circular irradiation region is 1% to 30% of the total area of the end surface. characterized by being
A welding method according to another aspect of the present embodiment is characterized in that the wavelength of the first laser beam is shorter than the wavelength of the second laser beam.

本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第１レーザ光の波長は３００ｎｍ～６００ｎｍであることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第１レーザ光の照射領域の中心は前記端面の略中心にあり、前記第１レーザ光は溶接中に移動しないことを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第１レーザ光は前記略円形状の照射領域にほぼ均一のレーザエネルギーを照射するものであって、その出力パワーは、５００ｗ～２ｋＷであることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第２レーザ光の波長は、７８０ｎｍ～１１００ｎｍであることを特徴とする。 A welding method according to another aspect of the present embodiment is characterized in that the wavelength of the first laser light is 300 nm to 600 nm.
A welding method according to another aspect of the present embodiment is characterized in that the center of the irradiation region of the first laser beam is substantially at the center of the end face, and the first laser beam does not move during welding.
In the welding method according to another aspect of the present embodiment, the first laser beam irradiates the substantially circular irradiation area with substantially uniform laser energy, and the output power thereof is 500 w to 2 kW. characterized by
A welding method according to another aspect of the present embodiment is characterized in that the second laser beam has a wavelength of 780 nm to 1100 nm.

本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第２レーザ光の集光径は、１０μｍ～１００μｍであることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第２レーザ光を、旋回速度１００～１０００ｍｍ／ｓで旋回させながら、前記第１レーザ光が照射される領域の外周縁近傍を走査することを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第２レーザ光の出力パワーは５００ｗ～２ｋＷであることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第２レーザ光の旋回径ｒは、前記第１レーザ光の集光径をｄ１とすると、ｄ１－０．４ｍｍ≦ｒ≦ｄ１＋０．１ｍｍであることを特徴とする。 A welding method according to another aspect of the present embodiment is characterized in that the focused diameter of the second laser beam is 10 μm to 100 μm.
In the welding method according to another aspect of the present embodiment, while rotating the second laser beam at a rotation speed of 100 to 1000 mm / s, scanning the vicinity of the outer peripheral edge of the region irradiated with the first laser beam. Characterized by
A welding method according to another aspect of the present embodiment is characterized in that the output power of the second laser beam is 500 w to 2 kW.
In the welding method according to another aspect of the present embodiment, the turning radius r of the second laser beam is d1-0.4 mm ≤ r ≤ d1 + 0.1 mm, where d1 is the focused diameter of the first laser beam. It is characterized by

本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第２レーザ光の旋回径ｒは、前記第１レーザ光の照射径をｄ１とすると、０．９×ｄ１≦ｒ≦１．１×ｄ１であることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において前記第１レーザ光および前記第２レーザ光の照射時間は、５０ｍｓｅｃ以上であることを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第１部材と前記第２部材とは、ステータ用のコイルを構成する断面矩形の平角導体であって、前記レーザ装置に対向して配置される２つの平角導体の端部を突き合わせて前記レーザ光により溶接することにより前記端面に溶融玉を形成することを特徴とする。
本実施形態の別態様に係る溶接方法において、前記第１レーザ光の照射と同時若しくは照射前から、照射が終了するまで若しくはそれ以上、前記端面に対して、流量が５Ｌ／ｍｉｎ～１００Ｌ／ｍｉｎ、前記端面に対する傾き角度が０～９０°で窒素を吹き付けることを特徴とする。 In the welding method according to another aspect of the present embodiment, the turning radius r of the second laser beam is 0.9×d1≦r≦1.1×d1, where d1 is the irradiation diameter of the first laser beam. characterized by being
In the welding method according to another aspect of the present embodiment, the irradiation time of the first laser beam and the second laser beam is 50 msec or longer.
In the welding method according to another aspect of the present embodiment, the first member and the second member are flat conductors having a rectangular cross section that constitute a coil for a stator, and are arranged to face the laser device. A molten ball is formed on the end surface by abutting the ends of two rectangular conductors and welding them with the laser beam.
In the welding method according to another aspect of the present embodiment, the flow rate is 5 L / min to 100 L / min with respect to the end surface simultaneously with or before the irradiation of the first laser beam until the irradiation is completed or more. and nitrogen is blown at an inclination angle of 0 to 90° with respect to the end face.

本実施形態の一態様に係るレーザ装置において、第１部材および第２部材の端部を突き合わせて溶接するレーザ装置であって、前記第１部材および前記第２部材を突き合わせた端面に対し、前記第１部材および前記第２部材を跨いで略円形状に第１レーザ光を照射する第１レーザ照射部と、前記第１レーザ光に比して集光径が小さい第２レーザ光を前記第１レーザ光による前記略円形状の照射領域の外周縁に沿って旋回照射する第２レーザ照射部とを備えることを特徴とする。 In a laser device according to an aspect of the present embodiment, the laser device for butting and welding the ends of the first member and the second member, wherein the a first laser irradiation unit that irradiates a first laser beam in a substantially circular shape straddling the first member and the second member; and a second laser irradiating section that performs circular irradiation along an outer peripheral edge of the substantially circular irradiation area with one laser beam.

本実施形態の別態様に係るレーザ装置において、前記第1レーザ照射部は、前記第１レーザ光を発振する第1発振器と、前記第１発振器から発振された前記第1レーザ光を前記端面に対向させる第１の光学系とを含み、前記第２レーザ照射部は、前記第２レーザ光を発振する第２発振器と、前記第２発振器から発振された前記第２レーザ光を所定の旋回速度で走査させレーザ走査光学系と、前記レーザ走査光学系から出射する前記第２レーザ光を、前記端面に対向させる第２の光学系とを含み、前記レーザ装置は、更に、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記端面上に合焦する集光レンズを備えることを特徴とする。 In the laser device according to another aspect of the present embodiment, the first laser irradiation section includes a first oscillator that oscillates the first laser light, and the first laser light that is oscillated from the first oscillator onto the end face. The second laser irradiator includes a second oscillator for oscillating the second laser light, and the second laser light oscillated from the second oscillator at a predetermined turning speed. and a second optical system for causing the second laser beam emitted from the laser scanning optical system to face the end surface, wherein the laser device further comprises: the first laser beam and a condensing lens that focuses the second laser beam onto the end face.

＜実施形態＞
以下では、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ装置１の概略構成を示す図である。レーザ装置１は、ワーク（被処理物）Ｗに対しレーザ光を照射して、レーザ光のエネルギーを熱変換することによりワークＷの溶接を行う溶接装置である。
図１に示すように、レーザ装置１は、第１レーザ光Ｌ１を発振する第１発振器２と、第２レーザ光Ｌ２を発振する第２発振器３と、第１レーザ光Ｌ１を伝送する光ファイバである伝送ファイバ２１と、第２レーザ光Ｌ２を伝送する光ファイバである伝送ファイバ３１と、第１レーザ光Ｌ１を平行光に変換するコリメートレンズ２２と、第２レーザ光Ｌ２を平行光に変換するコリメートレンズ３２と、第２レーザ光Ｌ２を所定の周波数で旋回させるレーザ走査光学系４と、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２の光軸を一致させ、ワークＷに対向させるための複数のミラー５、６、７と、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２の集光径を縮小する集光レンズ８と、ワークＷに対しシールドガスを供給するための保護ガラス９を備えたシールドノズル１０と、ワークＷに対する第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２の照射位置を確認するために用いられる同軸カメラ１１とから構成される。
なお、ミラー７は、第１レーザ光Ｌ１の波長は反射し、第２レーザ光Ｌ２の波長は透過するダイクロイックミラーである。 <Embodiment>
EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, it demonstrates in detail, referring drawings for embodiment of this invention.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser device 1 according to one embodiment of the present invention. The laser device 1 is a welding device that welds a work W by irradiating a work (object to be processed) W with laser light and converting the energy of the laser light into heat.
As shown in FIG. 1, a laser device 1 includes a first oscillator 2 that oscillates a first laser beam L1, a second oscillator 3 that oscillates a second laser beam L2, and an optical fiber that transmits the first laser beam L1. , a transmission fiber 31 that is an optical fiber that transmits the second laser beam L2, a collimator lens 22 that converts the first laser beam L1 into parallel light, and a second laser beam L2 that is converted into parallel light a collimator lens 32 for rotating the second laser beam L2 at a predetermined frequency; Equipped with a plurality of mirrors 5, 6, 7, a condensing lens 8 for reducing the condensing diameter of the first laser beam L1 and the second laser beam L2, and a protective glass 9 for supplying shielding gas to the workpiece W. and a coaxial camera 11 used for confirming the irradiation positions of the first laser beam L1 and the second laser beam L2 on the workpiece W. As shown in FIG.
The mirror 7 is a dichroic mirror that reflects the wavelength of the first laser beam L1 and transmits the wavelength of the second laser beam L2.

レーザ装置１は、これらの構成要素に加えて、更に他の光学系、光ファイバ等を備えていても良い。
第１発振器２から発振された第１レーザ光Ｌ１は、コリメートレンズ２２により所定の径に拡張された後、ミラー６およびミラー７の反射により、ワークＷに対向する向きに光軸を偏向された後、集光レンズ８により所定の径に縮小される。そして、対向するワークＷに鉛直下向きに照射される。
第２発振器３から発振された第２レーザ光Ｌ２は、コリメートレンズ３２により所定の径に拡張された後、レーザ走査光学系４により旋回される。その後、ミラー５の反射により、ワークＷに対向する向きに光軸を偏向された後、集光レンズ８により所定の径に縮小される。そして、対向するワークＷに鉛直下向きに照射される。
このように、レーザ装置１は、ワークＷに対し２つのレーザ光Ｌ１およびＬ２を照射して溶接を行う。 In addition to these components, the laser device 1 may further include other optical systems, optical fibers, and the like.
The first laser beam L1 oscillated from the first oscillator 2 is expanded to a predetermined diameter by the collimating lens 22, and then deflected in the direction facing the workpiece W by the reflection of the mirrors 6 and 7. After that, it is reduced to a predetermined diameter by the condenser lens 8 . Then, the opposing work W is irradiated vertically downward.
The second laser beam L2 oscillated from the second oscillator 3 is expanded to a predetermined diameter by the collimating lens 32 and then rotated by the laser scanning optical system 4. As shown in FIG. After that, the optical axis is deflected in the direction facing the workpiece W by the reflection of the mirror 5 , and then reduced to a predetermined diameter by the condensing lens 8 . Then, the opposing work W is irradiated vertically downward.
Thus, the laser device 1 irradiates the workpiece W with the two laser beams L1 and L2 to perform welding.

第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２の出力パワーは５００ｗ～２ｋＷが好ましく、本実施形態では、一例として８００ｗとする。また、第１レーザ光Ｌ１の波長は、３００ｎｍ～６００ｎｍであり、第２レーザ光Ｌ２の波長は、７８０ｎｍ～１１００ｎｍである。すなわち、第１レーザ光Ｌ1および第２レーザ光Ｌ２は互いに波長が異なり、第１レーザ光Ｌ１の波長が第２レーザ光Ｌ２の波長よりも短い。ビームモードはマルチモード、シングルモードいずれを使用することも可能であるが、本実施形態では、第１レーザ光Ｌ１はマルチモード、第２レーザ光Ｌ２はシングルモードを用いている。後述するが、第２レーザ光Ｌ２は第１レーザ光Ｌ１と比較すると集光径が小さいスポット光である。そのため、第２発振器３としてシングルモードファイバレーザを用いることにより、ビーム径が小さくエネルギー強度が高尖頭値の第２レーザ光Ｌ２を効果的に生成することができる。 The output power of the first laser beam L1 and the second laser beam L2 is preferably 500 w to 2 kW, and in the present embodiment, it is 800 w as an example. The wavelength of the first laser beam L1 is 300 nm to 600 nm, and the wavelength of the second laser beam L2 is 780 nm to 1100 nm. That is, the first laser beam L1 and the second laser beam L2 have different wavelengths, and the wavelength of the first laser beam L1 is shorter than the wavelength of the second laser beam L2. The beam mode can be either multimode or single mode, but in this embodiment, the first laser light L1 uses the multimode and the second laser light L2 uses the single mode. As will be described later, the second laser beam L2 is spot light with a smaller focused diameter than the first laser beam L1. Therefore, by using a single-mode fiber laser as the second oscillator 3, it is possible to effectively generate the second laser light L2 having a small beam diameter and a high peak energy intensity.

続いて、レーザ走査光学系４について説明する。図２は、レーザ走査光学系４の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、レーザ走査光学系４は、Ｘ軸ガルバノミラー４１、Ｘ軸ガルバノミラー４１を回動させるＸ軸ガルバノモータ４２、Ｙ軸ガルバノミラー４３、Ｙ軸ガルバノミラー４３を回動させるＹ軸ガルバノモータ４４から構成される。すなわち、レーザ走査光学系４は、第２発振器３から供給される第２レーザ光Ｌ２を二次元の任意の方向に偏向する機能を有する。Ｘ軸ガルバノモータ４２およびＹ軸ガルバノモータ４４として、ステッピングモータやサーボモータ等を用いることができる。 Next, the laser scanning optical system 4 will be explained. FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the laser scanning optical system 4. As shown in FIG. As shown in the figure, the laser scanning optical system 4 rotates an X-axis galvanometer mirror 41, an X-axis galvanometer motor 42 that rotates the X-axis galvanometer mirror 41, a Y-axis galvanometer mirror 43, and a Y-axis galvanometer mirror 43. It is composed of a Y-axis galvano motor 44 . That is, the laser scanning optical system 4 has a function of deflecting the second laser beam L2 supplied from the second oscillator 3 in any two-dimensional direction. As the X-axis galvano motor 42 and the Y-axis galvano motor 44, a stepping motor, a servo motor, or the like can be used.

レーザ走査光学系４は、制御部（不図示）と接続されており、制御部から送信される制御指令に基づいて各モータ４２、４４を駆動することにより、第２レーザ光Ｌ２がミラー５の二次元平面上を旋回するように制御する。ミラー５で反射された第２レーザ光Ｌ２はワークＷへと導かれる。したがって、第２レーザ光Ｌ２は、ワークＷの二次元平面上を旋回しながら照射される。
次に、図３を用いて溶接対象のワークＷについて説明する。図３（ａ）は、電気自動車等のモータの固定子であるステータ５０の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように、ステータ５０は、略円筒形状のステータコア５１と複数のセグメントコイル５２とを有する。セグメントコイル５２は、断面が矩形状の電線すなわち平角導体である。通常、セグメントコイル５２は純銅製のものが用いられるが、銅を主成分とする合金、銅およびアルミニウムから成る合金等、高導電率を有する金属材料で構成してもよい。各セグメントコイル５２の端部はステータコア５１の上端部から突出しており、レーザ装置１は、ステータコア５１の径方向に隣接する２つのセグメントコイル（平角導体）５２の端部同士をレーザ溶接する。 The laser scanning optical system 4 is connected to a control unit (not shown), and drives the motors 42 and 44 based on a control command sent from the control unit so that the second laser beam L2 is directed to the mirror 5. Control to rotate on a two-dimensional plane. The second laser beam L2 reflected by the mirror 5 is guided to the work W. As shown in FIG. Therefore, the second laser beam L2 is irradiated onto the workpiece W while rotating on the two-dimensional plane.
Next, the workpiece W to be welded will be described with reference to FIG. FIG. 3(a) is a perspective view showing a schematic configuration of a stator 50, which is a stator of a motor such as an electric vehicle. As shown in the figure, the stator 50 has a substantially cylindrical stator core 51 and a plurality of segment coils 52 . The segment coil 52 is an electric wire with a rectangular cross section, that is, a rectangular conductor. The segment coil 52 is normally made of pure copper, but may be made of a metallic material having high electrical conductivity, such as an alloy containing copper as a main component, or an alloy consisting of copper and aluminum. The end of each segment coil 52 protrudes from the upper end of the stator core 51 , and the laser device 1 laser welds the ends of two segment coils (rectangular conductors) 52 adjacent to each other in the stator core 51 in the radial direction.

まず、図３（ｂ）のように、絶縁被膜が剥離されたセグメントコイル（平角導体）５２の突き合せ面５２ｂ同士を突き合わせる。このときジグ（不図示）を用いてセグメントコイル５２同士を突き合わせてもよい。図３（ｃ）に示すように、突き合わされた２つのセグメントコイル５２の端面５２ａが、溶接面すなわち本実施形態のワークＷとなる。ここで、溶接面のギャップは溶接不良の原因となり得る。溶接不良を抑制するために、２つのセグメントコイル５２の端面５２ａ同士が面一となるように突き合わせることが好ましい。レーザ装置１は、隣接する２つのセグメントコイル５２が付き合わせた端面５２ａに対して鉛直下向きに第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２を照射して、隣接する２つのセグメントコイル５２を溶接する。 First, as shown in FIG. 3(b), the matching surfaces 52b of the segment coils (rectangular conductors) 52 from which the insulation coating has been removed are brought into contact with each other. At this time, the segment coils 52 may be butted against each other using a jig (not shown). As shown in FIG. 3(c), the end surfaces 52a of the two segment coils 52 that are butted against each other are the welding surfaces, that is, the workpiece W of this embodiment. Here, the gap on the weld surface can cause poor welding. In order to suppress welding defects, it is preferable that the end surfaces 52a of the two segment coils 52 are butted together so that they are flush with each other. The laser device 1 irradiates the first laser beam L1 and the second laser beam L2 vertically downward to the end face 52a where the two adjacent segment coils 52 meet to weld the two adjacent segment coils 52. .

レーザ装置１による溶接方法の詳細について、図４を用いて説明する。図４は、ワークＷにおける第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２の照射領域を模式的に示す図である。ワークＷは上述したように２つのセグメントコイル５２の端部を突き合わせた矩形状をしており、その大きさは任意である。短辺の長さをａ、長辺の長さをｂとすると、通常のステータのセグメントコイルの場合、２．５ｍｍ≦ａ≦４．０ｍｍ、３．０ｍｍ≦ｂ≦５．０ｍｍ程度である。そうすると、ワークＷの総面積（ａ×ｂ）は、７．５ｍｍ^２≦（ａ×ｂ）≦２０．０ｍｍ^２程度となる。本実施形態では、一例として、ａ＝２．８ｍｍ、ｂ＝３．２ｍｍとする。 Details of the welding method by the laser device 1 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram schematically showing irradiation areas of the workpiece W with the first laser beam L1 and the second laser beam L2. As described above, the workpiece W has a rectangular shape in which the ends of the two segment coils 52 are butted against each other, and its size is arbitrary. Assuming that the length of the short side is a and the length of the long side is b, in the case of a normal stator segment coil, it is approximately 2.5 mm≦a≦4.0 mm and 3.0 mm≦b≦5.0 mm. Then, the total area (a×b) of the workpiece W is about 7.5 mm ² ≦(a×b)≦20.0 mm ² . In this embodiment, as an example, a=2.8 mm and b=3.2 mm.

第１レーザ光Ｌ１は、集光径がｄ１の円形ビームであり、ビーム中心がワークＷの中心Ｏと一致するように照射位置を合わせる。そのため、第１レーザ光Ｌ１は、２つのセグメントコイル５２を跨いで照射される。
第２レーザ光Ｌ２は、集光径がｄ２の円形ビームであり、第２レーザ光Ｌ２の集光径ｄ２は、第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１と比して小さい。第２レーザ光Ｌ２は、ワークＷ上における第１レーザ光Ｌ１の照射領域の外周縁上を旋回照射される。
第１レーザ光Ｌ１の光軸は溶接中に移動せず、略円形状の照射領域にほぼ均一のレーザエネルギーを照射する。第１レーザ光Ｌ１の照射領域が小さければ、高出力の青色レーザ光源を必要としないが、溶融に時間がかかり処理速度が低下する。そのため、第１レーザ光Ｌ１の照射面積は、ワークＷの総面積の少なくとも１パーセント以上とすることが好ましい。ワークＷの中心付近を加熱すると、中心Ｏが最も早く溶融し、熱の伝導によってワークＷの端の方も徐々に溶融していく。 The first laser beam L1 is a circular beam with a condensed diameter d1, and the irradiation position is adjusted so that the beam center coincides with the center O of the workpiece W. As shown in FIG. Therefore, the first laser beam L1 is irradiated across the two segment coils 52 .
The second laser beam L2 is a circular beam with a focused diameter d2, and the focused diameter d2 of the second laser beam L2 is smaller than the focused diameter d1 of the first laser beam L1. The second laser beam L2 circulates on the outer peripheral edge of the irradiation area of the first laser beam L1 on the workpiece W. As shown in FIG.
The optical axis of the first laser beam L1 does not move during welding, and a substantially circular irradiation area is irradiated with substantially uniform laser energy. If the irradiation area of the first laser beam L1 is small, a high-output blue laser light source is not required, but melting takes a long time and the processing speed decreases. Therefore, it is preferable that the irradiation area of the first laser beam L1 is at least 1% or more of the total area of the workpiece W. When the vicinity of the center of the work W is heated, the center O melts the fastest, and the edges of the work W gradually melt due to heat conduction.

一方、処理時間を短縮するためにはワークＷの比較的広い領域に第１レーザ光Ｌ１を照射し、その外周縁近傍に第２レーザ光Ｌ２を旋回照射することが望ましいが、広い領域に第１レーザ光Ｌ１を照射するためには、高出力のレーザ光源が必要となる。特に高出力の青色レーザ光源はいまだ手に入りにくく高価である。また、あまり広い領域に第１レーザ光Ｌ１を照射し、その周縁部に第２レーザ光Ｌ２を旋回照射すると、周縁部の溶融が進み過ぎて綺麗な溶融玉が形成できず、溶接品質上の問題が生じることがある。さらには、第２レーザ光Ｌ２によって主に周縁部が加熱され、熱の伝導によって中心に向かって徐々に溶融していくことになるが、セグメントコイルの突合せ溶接において最も溶融が必要な中心部の溶融が遅れ、結果的に溶接時間が長引く可能性がある。 On the other hand, in order to shorten the processing time, it is desirable to irradiate a relatively wide area of the workpiece W with the first laser beam L1, and circulate and irradiate the second laser beam L2 near the outer periphery thereof. A high-output laser light source is required to irradiate one laser beam L1. In particular, high-output blue laser light sources are still difficult to obtain and expensive. In addition, if the first laser beam L1 is irradiated to an excessively wide area and the second laser beam L2 is swirlingly irradiated to the peripheral portion, the melting of the peripheral portion progresses too much and a clean molten ball cannot be formed, resulting in poor welding quality. Problems can arise. Furthermore, the peripheral portion is mainly heated by the second laser beam L2, and is gradually melted toward the center due to heat conduction. Melting can be delayed, resulting in longer welding times.

さらに、ワークＷの面積に対する照射領域が大きすぎると、照射領域の周縁部より外側には熱の逃げ道がないため、周縁部に熱が蓄積して過剰な入熱となり得る。また、第２レーザ光Ｌ２の旋回照射により生じる遠心力で溶融玉の揺れが激しくなる。この過剰な入熱および溶融玉の揺れにより、スパッタが発生しやすくなる可能性がある。
以上のことを考慮し、本実施形態においては、第１レーザ光Ｌ１の照射領域をワークＷの総面積の３０パーセント以下とする。さらに好ましくは、第１レーザ光Ｌ１の照射領域をワークＷの総面積の１０パーセント以下とする。１０パーセント以下とすることにより、低出力の青色レーザ光源を使用しながらも、大型モータを含め多くのステータコイルの溶接加工に対応することが可能となる。 Furthermore, if the irradiation area with respect to the area of the workpiece W is too large, there is no way for heat to escape outside the periphery of the irradiation area, so heat may accumulate in the periphery, resulting in excessive heat input. In addition, the centrifugal force generated by the swirling irradiation of the second laser beam L2 causes the molten ball to shake violently. This excessive heat input and rocking of the molten ball can facilitate the generation of spatter.
Considering the above, the irradiation area of the first laser beam L1 is set to 30% or less of the total area of the workpiece W in the present embodiment. More preferably, the irradiation area of the first laser beam L1 is 10% or less of the total area of the workpiece W. By setting it to 10% or less, it becomes possible to handle welding of many stator coils, including large motors, while using a low-output blue laser light source.

本実施形態では、第１レーザ光の集光径ｄ１を８００μｍとし、第２レーザ光Ｌ２は、集光径がｄ２を４０μｍとする。また、第２レーザ光Ｌ２の旋回速度は５００ｍｍ／ｓとする。第２レーザ光Ｌ２の旋回径ｒは第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１と同じく８００μｍである。
このように、レーザ装置１は、第１レーザ光Ｌ１の照射領域の周縁部付近に第２レーザ光Ｌ２を旋回照射することにより、高出力の青色レーザ光源を用いなくとも、ワークＷに対して比較的狭い領域に第１レーザ光Ｌ１を照射するだけで、高品質、高速の溶接加工が可能となる。
次に、図５を用いて各レーザ光Ｌ１、Ｌ２の集光径ｄ１、ｄ２の計算方法について説明する。レーザ光の集光径は、伝送ファイバのコア径、コリメートレンズの焦点距離、集光レンズの焦点距離に依存し、集光径＝伝送ファイバのコア径×（集光レンズの焦点距離／コリメートレンズの焦点距離）で計算することができる。 In this embodiment, the focused diameter d1 of the first laser beam is set to 800 μm, and the focused diameter d2 of the second laser beam L2 is set to 40 μm. Also, the turning speed of the second laser beam L2 is set to 500 mm/s. The turning radius r of the second laser beam L2 is 800 μm, which is the same as the focusing diameter d1 of the first laser beam L1.
In this manner, the laser device 1 irradiates the second laser beam L2 around the peripheral edge of the irradiation area of the first laser beam L1, so that the workpiece W can be irradiated without using a high-power blue laser light source. Only by irradiating the first laser beam L1 to a relatively narrow area, high-quality, high-speed welding can be performed.
Next, a method of calculating the focused diameters d1 and d2 of the laser beams L1 and L2 will be described with reference to FIG. The focused diameter of the laser beam depends on the core diameter of the transmission fiber, the focal length of the collimator lens, and the focal length of the focused lens. focal length).

本実施形態において、第１伝送ファイバ２のコア径Ｄ１＝０．４ｍｍ、第２伝送ファイバ３のコア径Ｄ２＝０．０２ｍｍ、コリメートレンズ２２の焦点距離ｆ_１＝５０ｍｍ、コリメートレンズ３２の焦点距離ｆ_１＝５０ｍｍ、集光レンズ８の焦点距離ｆ_２＝１００ｍｍとすると、第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１は、図５（ａ）に示すように、ｄ１＝０．８ｍｍ（＝８００μｍ）であり、第２レーザ光Ｌ２の集光径ｄ２は、図５（ｂ）に示すように、ｄ２＝０．０４ｍｍ（＝４０μｍ）である。
レーザ装置１は、ワークＷに対して第１レーザ光Ｌ１の照射を開始し、第１レーザ光Ｌ１の照射開始と同時若しくは１ｍｓｅｃ以上遅れて第２レーザ光Ｌ２の照射を開始する。なお、第２レーザ光Ｌ２を照射する際には、低出力で照射を開始し、指定の出力に達するまで徐々にパワーを上げるように制御してもよい。レーザ装置１は、ワークＷに対して第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２を５０ｍｓｅｃ以上照射して溶接を行う。 In this embodiment, the core diameter D1 of the first transmission fiber 2 = 0.4 mm, the core diameter D2 of the second transmission fiber 3 = 0.02 mm, the focal length f ₁ of the collimating lens 22 = 50 mm, and the focal length of the collimating lens 32 Assuming that f ₁ =50 mm and the focal length of the condenser lens 8 f ₂ =100 mm, the focused diameter d1 of the first laser beam L1 is d1=0.8 mm (=800 μm), as shown in FIG. , and the focused diameter d2 of the second laser beam L2 is d2=0.04 mm (=40 μm) as shown in FIG. 5(b).
The laser device 1 starts irradiating the work W with the first laser beam L1, and starts irradiating the work W with the second laser beam L2 at the same time as or with a delay of 1 msec or more from the start of the irradiation with the first laser beam L1. When irradiating the second laser beam L2, the irradiation may be started at a low output and controlled to gradually increase the power until reaching a specified output. The laser device 1 performs welding by irradiating the workpiece W with the first laser beam L1 and the second laser beam L2 for 50 msec or more.

第１レーザ光Ｌ１と第２レーザ光Ｌ２とを同時に照射した場合、第２レーザ光Ｌ２の高いパワー密度により、被照射部で急激な温度上昇が起こり、スパッタが発生することがある。そこで、ワークＷに対して吸収率の高い第１レーザ光Ｌ１のみを先に照射することで、被照射部の急激な温度上昇を抑制し、スパッタの発生を抑制することができる。さらに、第１レーザ光Ｌ１によって温度が高まった被照射部は、第２レーザ光Ｌ２の波長の吸収率が高まることにより、効率的に第２レーザ光Ｌ２のエネルギーをワークＷに吸収させることができ、処理時間の短縮に繋がる。第２レーザ光Ｌ２は、第１レーザ光Ｌ１の照射後、１ｍｓｅｃ以上遅れて照射することが望ましい。
上記のように、第２レーザ光Ｌ２の出力を照射開始から指定の出力にまで徐々に上げる制御を行う場合も、同様にスパッタの発生を抑制する効果が得られる。この制御を行う場合、第２レーザ光Ｌ２の照射開始は第１レーザ光Ｌ１の照射開始と同時でも良い。第２レーザ光Ｌ２の照射開始から、指定の出力に至るまでの時間は０．５ｍｓｅｃ以上が好ましい。 When the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are irradiated at the same time, the high power density of the second laser beam L2 causes a rapid temperature rise in the irradiated portion, which may cause spatter. Therefore, by first irradiating the work W with only the first laser beam L1 having a high absorptance, it is possible to suppress a rapid temperature rise in the irradiated portion and suppress the occurrence of spatter. Furthermore, the irradiated portion whose temperature is increased by the first laser beam L1 has an increased absorption rate for the wavelength of the second laser beam L2, so that the workpiece W can efficiently absorb the energy of the second laser beam L2. It can shorten the processing time. It is desirable to irradiate the second laser beam L2 with a delay of 1 msec or more after the irradiation of the first laser beam L1.
As described above, the effect of suppressing the generation of spatters can also be obtained in the case of performing control to gradually increase the output of the second laser beam L2 from the start of irradiation to the designated output. When performing this control, the irradiation of the second laser beam L2 may be started at the same time as the irradiation of the first laser beam L1. It is preferable that the time from the start of irradiation of the second laser beam L2 to the specified output is 0.5 msec or longer.

さらに、レーザ装置１は、第１レーザ光Ｌ１の照射と同時もしくは照射前から、照射が終了するまで若しくはそれ以上、溶接面に対してシールドガスである窒素を５Ｌ／ｍｉｎ〜１００Ｌ／ｍｉｎで吹き付ける。より好ましくは、１０Ｌ／ｍｉｎ〜４０Ｌ／ｍｉｎで吹き付ける。シールドノズル１０の先端開口の径（ノズルチップ径）は、１０～２０ｍｍ程度であり、１５ｍｍ程度が好ましい。また、シールドノズル１０の先端開口からワークＷまでの距離であるワーキングディスタンスは、５～１０ｍｍ程度が好ましい。
図１に示したように、シールドノズル１０は同軸型であって、ワークＷの上方から窒素を供給することにより、レーザ装置１は、窒素雰囲気中でワークＷの溶接を行う。シールドガスにより溶接面の酸化を防止し、これにより、溶接面の酸化により生じる溶接強度の低下およびブローホールの発生を抑制することが可能となる。更には、シールドガスの流量、ノズルチップ径、ワーキングディスタンス等の条件を好適に選択することにより、溶融玉のゆれを抑制し綺麗な溶融玉を形成することが可能となる。これにより溶接品質が向上する。 Furthermore, the laser device 1 applies nitrogen, which is a shielding gas, to the welding surface at a rate of 5 L/min.100 L/min. spray with More preferably, it is sprayed at 10 L/min〜40 L/min. The diameter of the tip opening of the shield nozzle 10 (nozzle tip diameter) is about 10 to 20 mm, preferably about 15 mm. Moreover, the working distance, which is the distance from the tip opening of the shield nozzle 10 to the workpiece W, is preferably about 5 to 10 mm.
As shown in FIG. 1, the shield nozzle 10 is of a coaxial type, and by supplying nitrogen from above the work W, the laser device 1 welds the work W in a nitrogen atmosphere. The shielding gas prevents the oxidation of the weld surface, thereby suppressing the decrease in welding strength and the occurrence of blowholes caused by the oxidation of the weld surface. Furthermore, by appropriately selecting conditions such as the flow rate of the shielding gas, the nozzle tip diameter, and the working distance, it is possible to suppress the swaying of the molten ball and form a clean molten ball. This improves weld quality.

＜実施形態の効果＞
レーザ装置１は、波長が３００ｎｍ～６００ｎｍであり銅に対する熱吸収率が高い第１レーザ光Ｌ１を照射することによりワークＷに溶融池を形成する。そして、形成される溶融池の周囲に集光径が小さくエネルギー密度が高い第２レーザ光Ｌ２を高速で旋回させながら照射することにより、溶融池の外周縁において局所的に深い溶け込み深さを実現し、溶融池の形成を促進させる。ここれにより、大出力のレーザ光源を必要とすることなく、すなわち第１レーザ光Ｌ１の集光径（照射領域）をワークＷの比較的小さい領域としても、処理時間が短く品質のよい溶接が可能となる。 <Effects of Embodiment>
The laser device 1 forms a molten pool in the workpiece W by irradiating the first laser beam L1 having a wavelength of 300 nm to 600 nm and having a high heat absorption rate with respect to copper. Then, by irradiating the periphery of the formed molten pool with the second laser beam L2, which has a small condensed diameter and a high energy density, while rotating at high speed, a locally deep penetration depth is realized at the outer peripheral edge of the molten pool. and promotes the formation of a molten pool. As a result, high-quality welding can be achieved in a short processing time without requiring a high-output laser light source, that is, even if the focused diameter (irradiation area) of the first laser beam L1 is set to a relatively small area of the workpiece W. It becomes possible.

更に、レーザ装置１は、第２レーザ光Ｌ２を定点照射ではなく旋回照射させることにより、溶融池に流れを生み出す。これが高温に達した溶融池から発生する気泡を外部に排出する。これによりポロシティを抑制することができる。さらに、溶融池において局所的に熱が集中するのを防止し、溶融池を安定化させ、スパッタを軽減することが可能となる。ポロシティやスパッタは接合不良などの溶接欠陥の要因となるため、本実施形態のレーザ装置１および溶接方法を用いれば、溶接欠陥の発生を抑制することが可能となる。
図６は、本実施形態のレーザ装置１を用いてステータ５０のセグメントコイル５２を溶接した結果を示す。同図に示すように、光沢があり左右対称の綺麗な溶融玉が形成されていることが分かる。 Furthermore, the laser device 1 produces a flow in the molten pool by rotating the second laser beam L2 instead of the fixed-point irradiation. This discharges bubbles generated from the hot molten pool to the outside. Thereby, porosity can be suppressed. Furthermore, it is possible to prevent local heat concentration in the molten pool, stabilize the molten pool, and reduce spatter. Since porosity and spatter cause welding defects such as poor joining, the laser device 1 and the welding method of the present embodiment can suppress the occurrence of welding defects.
FIG. 6 shows the result of welding the segment coils 52 of the stator 50 using the laser device 1 of this embodiment. As shown in the figure, it can be seen that a beautiful molten ball is formed which is glossy and bilaterally symmetrical.

＜変形例＞
以上、本発明の一実施態様として、レーザ装置１について説明したが、本発明は上記に説明したレーザ装置１およびレーザ装置１による溶接方法に限定されないのは勿論であり、上記実施形態を以下のように変更することも可能である。ここでは、上記実施形態の変形例を説明する。上記実施形態と以下に説明する変形例とを如何様にも組み合わせることができる。
（１）上記の実施形態では、第２レーザ光Ｌ２の旋回径ｒは第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１と一致し、第２レーザ光Ｌ２は、第１レーザ光Ｌ１の照射領域の外周縁上を旋回すると説明した。しかし、本発明において、第２レーザ光Ｌ２の旋回径ｒは必ずしも第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１と一致させる必要はない。第２レーザ光Ｌ２は、第１レーザ光Ｌ１の照射領域の外周縁近傍を旋回すれば足りる。 <Modification>
Although the laser device 1 has been described as one embodiment of the present invention, the present invention is of course not limited to the laser device 1 and the welding method using the laser device 1 described above. It is also possible to change Here, a modification of the above embodiment will be described. The above-described embodiment and modifications described below can be combined in any way.
(1) In the above embodiment, the turning radius r of the second laser beam L2 matches the condensing diameter d1 of the first laser beam L1, and the second laser beam L2 is outside the irradiation area of the first laser beam L1. Said to circle around the perimeter. However, in the present invention, the turning radius r of the second laser beam L2 does not necessarily have to match the focused diameter d1 of the first laser beam L1. It is sufficient that the second laser beam L2 circulates in the vicinity of the outer periphery of the irradiation area of the first laser beam L1.

第２レーザ光Ｌ２は、図７（ａ）に示すように、第１レーザ光Ｌ１の照射領域の外周縁外側を旋回してもよいし、図７（ｂ）に示すように、第１レーザ光Ｌ１の照射領域の外周縁内側を旋回してもよい。発明者らは、第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１が８００μｍの場合、第２レーザ光Ｌ２の旋回径ｒを様々に変化させながら溶接テストを行ったが、４００μｍ≦ｒ≦９００μｍｒの範囲において、スパッタが軽減されることを確認した。したがって、上記の実施形態において、第２レーザ光Ｌ２の旋回径ｒを４００μｍ≦ｒ≦９００μｍとすることができる。
また、第１レーザ光Ｌ１の集光径をｄ１とした場合に、第２レーザ光Ｌ２の旋回径ｒは、ｄ１－０．４ｍｍ≦ｒ≦ｄ１＋０．１ｍｍとしてもよい。また、０．９×ｄ１≦ｒ≦１．１×ｄ１としてもよい。 The second laser beam L2 may rotate outside the outer periphery of the irradiation area of the first laser beam L1 as shown in FIG. 7(a), or as shown in FIG. The light L1 may circulate inside the outer peripheral edge of the irradiation area. The inventors conducted welding tests while varying the turning radius r of the second laser beam L2 when the focused diameter d1 of the first laser beam L1 was 800 μm. , it was confirmed that the spatter is reduced. Therefore, in the above embodiment, the turning radius r of the second laser beam L2 can be 400 μm≦r≦900 μm.
Further, when the focused diameter of the first laser beam L1 is d1, the turning diameter r of the second laser beam L2 may be d1−0.4 mm≦r≦d1+0.1 mm. Alternatively, 0.9×d1≦r≦1.1×d1 may be satisfied.

また、上記実施形態で述べたように、ワークＷの面積に対する第１レーザ光Ｌ１の照射領域が大きい場合に、その外周縁上に第２レーザ光Ｌ２を旋回照射すると、照射領域の周縁部に熱が蓄積して過剰な入熱となり得る。そこで、周縁部における過剰な入熱を抑制するために、ワークＷに対する第１レーザ光Ｌ１の照射径が大きい場合には、第２レーザ光Ｌ２を外周縁上に旋回照射させるのではなく、照射領域の内側を旋回照射するようにしてもよい。第１レーザ光Ｌ１の照射領域の大きさに応じて、第２レーザ光Ｌ２の適切な旋回径ｒを選択するとしてもよい。これにより、周縁部における過剰な入熱を抑制し、スパッタの発生を抑制するこが可能となる。 Further, as described in the above embodiment, when the irradiation area of the first laser beam L1 with respect to the area of the workpiece W is large, if the second laser beam L2 is circlingly irradiated onto the outer peripheral edge of the workpiece W, the peripheral edge of the irradiation area Heat can build up resulting in excessive heat input. Therefore, in order to suppress excessive heat input at the peripheral edge, when the irradiation diameter of the first laser beam L1 to the workpiece W is large, the second laser beam L2 is not circularly irradiated on the outer peripheral edge. The inside of the region may be swirlingly irradiated. An appropriate turning radius r of the second laser beam L2 may be selected according to the size of the irradiation area of the first laser beam L1. As a result, it is possible to suppress excessive heat input to the peripheral portion and to suppress the occurrence of spatter.

（２）第1レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１は、８００μｍに限定されない。上記で説明したように、第１レーザ光Ｌ１の照射領域がワークＷの総面積の１パーセント～３０パーセントとなるように集光径ｄ１を選択することが可能である。図７（ｃ）に示すように、第１レーザ光Ｌ１の集光径ｄ１を４００μｍとしてもよい。発明者らは、ｄ１＝４００μｍで溶接した場合とｄ１＝８００μｍで溶接した場合とを比較し、加熱面積の大きい８００μｍの方がスパッタが抑制されることを確認している。
また、第２レーザ光Ｌ２の集光径ｄ２は４０μｍに限定されない。第２レーザ光Ｌ２の集光径ｄ２は、１０～１００μｍ程度とすることが可能である。発明者らは、ｄ２＝１５μｍで溶接した場合とｄ２＝４０μｍで溶接した場合とを比較し、４０μｍで溶接した方が照射パワー密度が低いにも拘らず、溶接時間が短縮されることを確認している。
図５で説明したように、各レーザ光の集光径は、伝送ファイバのコア径、コリメートレンズの焦点距離、集光レンズの焦点距離を調整することにより変更することが可能である。 (2) The focused diameter d1 of the first laser beam L1 is not limited to 800 μm. As described above, the focused diameter d1 can be selected so that the irradiation area of the first laser beam L1 is 1% to 30% of the total area of the workpiece W. As shown in FIG. 7C, the focused diameter d1 of the first laser beam L1 may be 400 μm. The inventors compared welding with d1 = 400 µm and welding with d1 = 800 µm, and confirmed that 800 µm, which has a larger heating area, suppresses spatter.
Also, the focused diameter d2 of the second laser beam L2 is not limited to 40 μm. A focused diameter d2 of the second laser beam L2 can be set to about 10 to 100 μm. The inventors compared the case of welding with d2 = 15 µm and the case of welding with d2 = 40 µm, and confirmed that the welding time was shortened when welding with 40 µm despite the lower irradiation power density. are doing.
As explained in FIG. 5, the focused diameter of each laser beam can be changed by adjusting the core diameter of the transmission fiber, the focal length of the collimating lens, and the focal length of the collecting lens.

（３）上記の実施形態では、第２レーザ光Ｌ２の旋回速度を５００ｍｍ／ｓとして説明したが、第２レーザ光Ｌ２の旋回速度はこれに限定されず、１００～１０００ｍｍ／ｓの範囲でよい。
（４）上記の実施形態では、第１レーザ光Ｌ１はマルチモードであり、第２レーザ光Ｌ２はシングルモードであると説明したが、これは一例であり、各レーザ光のビームモードは限定されない。
（５）上記の実施形態では、同軸ノズル型のシールドノズル１０を用いたが、シールドノズルは同軸ノズル型に限定されないのは勿論である。サイドノズル型やチャンバー型を用いてもよい。また、複数のノズルからシールドガスを吹き付ける構成であってもよい。何れの場合も溶接面に対して傾き角度０～９０°で窒素を吹き付け、窒素雰囲気中で溶接することが可能であればよい。 (3) In the above embodiment, the turning speed of the second laser beam L2 is set to 500 mm/s, but the turning speed of the second laser beam L2 is not limited to this, and may be in the range of 100 to 1000 mm/s. .
(4) In the above embodiment, the first laser beam L1 is multimode and the second laser beam L2 is single mode, but this is an example, and the beam mode of each laser beam is not limited. .
(5) In the above embodiment, the coaxial nozzle type shield nozzle 10 is used, but the shield nozzle is of course not limited to the coaxial nozzle type. A side nozzle type or a chamber type may be used. Alternatively, the shielding gas may be sprayed from a plurality of nozzles. In any case, it suffices if it is possible to spray nitrogen onto the welding surface at an inclination angle of 0 to 90° and perform welding in a nitrogen atmosphere.

（６）上記の実施形態では、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２は、ワークＷ（溶接面）上に焦点を合わせているが、本発明においては、第１レーザ光Ｌ１および第２レーザ光Ｌ２はともに、溶接面から鉛直方向に±２ｍｍの範囲の位置に焦点を合わせてもよい。
（７）上記の実施形態において第１レーザ光Ｌ１は円形ビームであったが、第１レーザ光Ｌ１のビーム形状はこれに限定されない。例えば、楕円形状のビームや矩形形状のビームを用いてもよい。この場合、矩形の溶接面において長手方向を長径とすることが好ましい。
（８）上記の実施形態では被処理物としてステータ用コイルを例に説明した。しかしながら、上記の溶接方法およびレーザ装置１は、ステータ用コイルの溶接に使用する場合に限定されないのはもちろんである。 (6) In the above embodiment, the first laser beam L1 and the second laser beam L2 are focused on the workpiece W (welding surface), but in the present invention, the first laser beam L1 and the second laser beam L2 Both laser beams L2 may be focused to a position within ±2 mm vertically from the weld surface.
(7) Although the first laser beam L1 is a circular beam in the above embodiment, the beam shape of the first laser beam L1 is not limited to this. For example, elliptical beams or rectangular beams may be used. In this case, it is preferable that the longitudinal direction of the rectangular welding surface is the major axis.
(8) In the above embodiment, the stator coil was described as an example of the object to be processed. However, the welding method and laser device 1 described above are not limited to welding of stator coils.

１レーザ装置
２第１発振器
３第２発振器
４レーザ走査光学系
５、６、７ミラー（ダイクロイックミラー）
８集光レンズ
９保護ガラス
１０シールドノズル
１１同軸カメラ
２１、３１伝送ファイバ
２１、３２コリメートレンズ
５２セグメントコイル（第１部材、第２部材）
５２ａ端面

Reference Signs List 1 laser device 2 first oscillator 3 second oscillator 4 laser scanning optical system 5, 6, 7 mirror (dichroic mirror)
8 condenser lens 9 protective glass 10 shield nozzle 11 coaxial camera 21, 31 transmission fiber 21, 32 collimator lens 52 segment coil (first member, second member)
52a end face

Claims

レーザ装置に対向して配置される第１部材および第２部材の端部を突き合わせて、レーザ光により溶接する溶接方法であって、
前記レーザ光は、第１レーザ光と前記第1レーザ光に比して集光径が小さい第２レーザ光とから成り、
前記第１レーザ光を、前記第１部材および前記第２部材を突き合わせた端面に対し、前記第１部材および前記第２部材を跨いで照射し、
前記第２レーザ光を、前記第１レーザ光が照射される領域の外周縁近傍を旋回照射する
ことを特徴とする溶接方法。 A welding method in which the ends of a first member and a second member arranged to face a laser device are butted against each other and welded by a laser beam,
The laser beam is composed of a first laser beam and a second laser beam having a smaller focused diameter than the first laser beam,
irradiating the first laser beam straddling the first member and the second member to the end face where the first member and the second member are butted against each other;
A welding method, wherein the second laser beam is swirlingly irradiated in the vicinity of an outer peripheral edge of a region irradiated with the first laser beam.

前記第１レーザ光の照射領域は略円形状であって、前記略円形状の照射領域の面積は前記端面の総面積の１パーセント～３０パーセントである
ことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。 2. The method according to claim 1, wherein the irradiation area of the first laser beam is substantially circular, and the area of the substantially circular irradiation area is 1% to 30% of the total area of the end surface. Welding method.

前記第１レーザ光の波長は、前記第２レーザ光の波長より短い
ことを特徴とする請求項２に記載の溶接方法。 The welding method according to claim 2, wherein the wavelength of the first laser beam is shorter than the wavelength of the second laser beam.

前記第１レーザ光の波長は３００ｎｍ～６００ｎｍである
ことを特徴とする請求項３に記載の溶接方法。 The welding method according to claim 3, wherein the first laser light has a wavelength of 300 nm to 600 nm.

前記第１レーザ光の照射領域の中心は前記端面の略中心にあり、前記第１レーザ光は溶接中に移動しない
ことを特徴とする請求項４に記載の溶接方法。 5. The welding method according to claim 4, wherein the center of the irradiation area of the first laser beam is substantially at the center of the end face, and the first laser beam does not move during welding.

前記第１レーザ光は前記略円形状の照射領域にほぼ均一のレーザエネルギーを照射するものであって、その出力パワーは、５００ｗ～２ｋＷである
ことを特徴とする請求項４に記載の溶接方法。 The welding method according to claim 4, wherein the first laser beam irradiates the substantially circular irradiation area with substantially uniform laser energy, and has an output power of 500 w to 2 kW. .

前記第２レーザ光の波長は、７８０ｎｍ～１１００ｎｍである
ことを特徴とする請求項３に記載の溶接方法。 The welding method according to claim 3, wherein the wavelength of the second laser light is 780 nm to 1100 nm.

前記第２レーザ光の集光径は、１０μｍ～１００μｍである
ことを特徴とする請求項７に記載の溶接方法。 The welding method according to claim 7, wherein the focused diameter of the second laser beam is 10 µm to 100 µm.

前記第２レーザ光を、旋回速度１００～１０００ｍｍ／ｓで旋回させながら、前記第１レーザ光が照射される領域の外周縁近傍を走査する
ことを特徴とする請求項７に記載の溶接方法。 The welding method according to claim 7, wherein the vicinity of the outer periphery of the region irradiated with the first laser beam is scanned while the second laser beam is rotated at a rotation speed of 100 to 1000 mm/s.

前記第２レーザ光の出力パワーは５００ｗ～２ｋＷである
ことを特徴とする請求項７に記載の溶接方法。 The welding method according to claim 7, wherein the output power of said second laser light is 500w to 2kW.

前記第２レーザ光の旋回径ｒは、前記第１レーザ光の集光径をｄ１とすると、
ｄ１－０．４ｍｍ≦ｒ≦ｄ１＋０．１ｍｍである
ことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。 The rotation radius r of the second laser beam is given by the following, where d1 is the focused diameter of the first laser beam:
The welding method according to claim 1, wherein d1-0.4mm≤r≤d1+0.1mm.

前記第２レーザ光の旋回径ｒは、前記第１レーザ光の照射径をｄ１とすると、
０．９×ｄ１≦ｒ≦１．１×ｄ１である
ことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。 Assuming that the irradiation diameter of the first laser beam is d1, the turning radius r of the second laser beam is:
2. The welding method according to claim 1, wherein 0.9*d1≤r≤1.1*d1.

前記第１レーザ光および前記第２レーザ光の照射時間は、５０ｍｓｅｃ以上である
ことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。 The welding method according to claim 1, wherein the irradiation time of the first laser beam and the second laser beam is 50 msec or longer.

前記第１部材と前記第２部材とは、ステータ用のコイルを構成する断面矩形の平角導体であって、
前記レーザ装置に対向して配置される２つの平角導体の端部を突き合わせて前記レーザ光により溶接することにより前記端面に溶融玉を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。 The first member and the second member are flat conductors having a rectangular cross section and forming a stator coil,
2. The welding method according to claim 1, wherein a molten ball is formed on the end surface by abutting the ends of two rectangular conductors arranged facing the laser device and welding them with the laser beam.

前記第１レーザ光の照射と同時若しくは照射前から、照射が終了するまで若しくはそれ以上、前記端面に対して、流量が５Ｌ／ｍｉｎ～１００Ｌ／ｍｉｎ、前記端面に対する傾き角度が０～９０°で窒素を吹き付ける
ことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。 Simultaneously with or before the irradiation of the first laser beam, until the irradiation is completed or more, the flow rate is 5 L/min to 100 L/min with respect to the end face, and the inclination angle with respect to the end face is 0 to 90°. The welding method according to claim 1, characterized by blowing nitrogen.

第１部材および第２部材の端部を突き合わせて溶接するレーザ装置であって、
前記第１部材および前記第２部材を突き合わせた端面に対し、前記第１部材および前記第２部材を跨いで略円形状に第１レーザ光を照射する第１レーザ照射部と、
前記第１レーザ光に比して集光径が小さい第２レーザ光を前記第１レーザ光による前記略円形状の照射領域の外周縁に沿って旋回照射する第２レーザ照射部とを備える
ことを特徴とするレーザ装置。 A laser device that butts and welds ends of a first member and a second member,
a first laser irradiation unit that irradiates a substantially circular first laser beam straddling the first member and the second member to an end face where the first member and the second member are butted against each other;
a second laser irradiator that circulates and irradiates a second laser beam having a focused diameter smaller than that of the first laser beam along an outer peripheral edge of the substantially circular irradiation area of the first laser beam; A laser device characterized by:

前記第1レーザ照射部は、
前記第１レーザ光を発振する第1発振器と、
前記第１発振器から発振された前記第1レーザ光を前記端面に対向させる第１の光学系とを含み、
前記第２レーザ照射部は、
前記第２レーザ光を発振する第２発振器と、
前記第２発振器から発振された前記第２レーザ光を所定の旋回速度で走査させるレーザ走査光学系と、
前記レーザ走査光学系から出射する前記第２レーザ光を、前記端面に対向させる第２の光学系とを含み、
前記レーザ装置は、更に、
前記第１レーザ光および前記第２レーザ光を前記端面上に合焦する集光レンズを備える
ことを特徴とする請求項１６に記載のレーザ装置。

The first laser irradiation unit
a first oscillator that oscillates the first laser light;
a first optical system for causing the first laser beam oscillated from the first oscillator to face the end face,
The second laser irradiation unit is
a second oscillator that oscillates the second laser light;
a laser scanning optical system for scanning the second laser beam oscillated from the second oscillator at a predetermined turning speed;
a second optical system for causing the second laser beam emitted from the laser scanning optical system to face the end face,
The laser device further
17. The laser device according to claim 16, further comprising a condensing lens that focuses the first laser beam and the second laser beam onto the end surface.