(57)【要約】【課題】突き合わされる両端面間に大きな隙間が存在する場合であっても、照射面でのレーザビームのパワー密度の低下を抑えつつ、そのような大きな隙間を形成する両端面の双方をレーザビームで直接照射して良好な接合状態を得る。【解決手段】被溶接部材の端面１ａ、２ａ同士を突き合わせたときに両端面１ａ、２ａ間に形成される隙間の大きさに応じて隙間設定値ｓを予め設定する。突き合わせ線３上の照射面にて楕円形断面に集光して楕円形断面の長軸長さａの値が隙間設定値ｓよりも大きくなり、かつ、隙間設定値ｓの隙間を形成する両端面１ａ、２ａの双方に照射範囲が及ぶように、該照射面での該楕円形断面の長軸長さａ及び長軸方向が調整された楕円形ビーム１２を、突き合わせ線３に沿って走査させる。両端面１ａ、２ａの双方を楕円形ビーム１２で直接照射して確実に溶融することにより、各端面１ａ、２ａ同士を良好な接合状態で一体的に接合する。【選択図】        図１
2006224184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接部材の端面同士が突き合わされて形成された突き合わせ線に沿ってレーザビームを走査させて該突き合わせ線上に該レーザビームを照射することにより、両該端面を溶融して各該端面同士を一体的に接合する突き合わせレーザ溶接方法であって、
前記被溶接部材の両前記端面同士を突き合わせたときに両該端面間に形成される隙間の大きさに応じて隙間設定値を予め設定する設定工程と、
前記被溶接部材の前記端面同士を突き合わせて前記突き合わせ線を形成する突き合わせ工程と、
前記突き合わせ線上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さの値が前記隙間設定値よりも大きくなり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両前記端面の双方に照射範囲が及ぶように、該照射面での該楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向が調整された楕円形ビームを、前記突き合わせ線に沿って走査させて、両該端面の双方を該楕円形ビームで直接照射することにより溶融して各該端面同士を一体的に接合する接合工程とを備えていることを特徴とする突き合わせレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記接合工程では、前記照射面での前記楕円形断面の長軸方向を前記突き合わせ線に対して直交する方向に一致させることを特徴とする請求項１記載の突き合わせレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記接合工程では、前記照射面に対する前記楕円形ビームの入射角を２０度以下にすることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
被溶接部材の端面同士が突き合わされて形成された突き合わせ線に沿ってレーザビームを走査させて該突き合わせ線上に該レーザビームを照射することにより、両該端面を溶融して各該端面同士を一体的に接合する突き合わせレーザ溶接に用いる突き合わせレーザ溶接装置であって、
円形断面の円形ビームを発振するレーザ発振器と、
前記円形ビームの光軸上に、光軸方向に進退動可能でかつ光軸回りに回動可能となるように配設され、第１方向における曲率が第１曲率であり該第１方向に対して直交する第２方向における曲率が該第１曲率と異なる第２曲率である複合凸曲面を有して、前記レーザ発振器から導入されて平行光として入射する該円形ビームを所定の楕円形断面をもつ集束光としての楕円形ビームに変換して出射する断面変換集束レンズと、
前記楕円形ビームの光軸上に、自己の反射面と平行な面において該楕円形ビームの該光軸上で互いに直交する第１軸及び第２軸の両軸回りにそれぞれ回動可能となるように配設され、前記断面変換集束レンズから出射した該楕円形ビームを該反射面で所定の方向に反射させて前記突き合わせ線上の所定の照射位置に照射するスキャンミラーと、
前記断面変換集束レンズについて、前記円形ビームの前記光軸方向の進退動及び前記光軸回りの回動をそれぞれ制御して、前記スキャンミラーの前記反射面で反射した前記楕円形ビームが前記突き合わせ線上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さの値が両前記端面間に形成される隙間の大きさに応じて予め設定される隙間設定値よりも大きくなり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両該端面の双方に該楕円形ビームの照射範囲が及ぶように、該照射面での該楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向をそれぞれ調整するとともに、前記スキャンミラーについて、前記第１軸及び前記第２軸の両軸回りの回動をそれぞれ独立に制御して、該反射面で反射した該楕円形ビームを該突き合わせ線に沿って走査させる制御手段とを備えていることを特徴とする突き合わせレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は突き合わせレーザ溶接方法及び突き合わせレーザ溶接装置に関し、詳しくは鋼板等の被溶接部材の端面同士が突き合わされて形成された突き合わせ線に沿ってレーザビームを走査させて該突き合わせ線上に該レーザビームを照射することにより、両該端面を溶融して各該端面同士を一体的に接合する突き合わせレーザ溶接方法及びこのような突き合わせレーザ溶接方法に好適に用いることのできる突き合わせレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板等の突き合わせレーザ溶接は、被溶接部材の端面同士を突き合わせ、この突き合わせ部に形成された突き合わせ線に沿ってレーザビームを移動させて突き合わせ線上にレーザビームを照射することにより、両端面を溶融して各端面同士を一体的に接合するものである。
【０００３】
このような突き合わせレーザ溶接で良好な接合状態を得るためには、突き合わされる両被溶接部材の両端面間における隙間の大きさと、その突き合わせ線上に照射されるレーザビームのビーム径の大きさ及びパワー密度との関係を適切に設定することが重要となる。
【０００４】
すなわち、図３に示されるように、照射面に照射されたレーザビームの該照射面でのビーム径よりも前記隙間の方が大きいと、該隙間を形成する両端面の双方に対してレーザビームの照射範囲が及ぶようにすることができないため、両端面の双方をレーザビームで直接照射して溶融させることができない。このため、良好なブリッジを形成することが困難となり、接合不良になり易い。一方、図４に示されるように、照射面でのビーム径が前記隙間よりも大きくなるようにレーザビームを照射すれば、該隙間を形成する両端面の双方に対してレーザビームの照射範囲が及ぶようにすることができるため、両端面の双方をレーザビームで直接照射することができる。しかし、この場合はビーム径の増大に伴ってそのレーザビームの照射面でのパワー密度が低下してしまうので、やはり両端面を適切に溶融させて良好なブリッジを形成することが困難となり、接合不良になり易い。
【０００５】
したがって、突き合わせレーザ溶接において良好な接合状態を得るためには、突き合わせ線上の照射面でのレーザビームのパワー密度を適切に確保しつつ、両被溶接部材の両端面間に大きな隙間がある場合でもその隙間を形成する両端面の双方に対してレーザビームの照射範囲が及ぶようにして両該端面の双方をレーザビームで直接照射することができるようにする必要がある。
【０００６】
そこで、本発明者は、断面形状が楕円形となるようにレーザビームを集束し、そのような楕円形断面の楕円形ビームを突き合わせ線上に照射する手法を想起した。照射面での断面形状が楕円形となるようにレーザビームを集束すれば、パワー密度の低下を抑えつつ、楕円形断面の長軸方向にレーザビームの照射範囲を延ばすことができるので、楕円形断面の長軸方向を端面同士が対向する方向（突き合わせ線が延びる溶接方向に対して直角の方向）に合わせるようにして突き合わせ線上に楕円形ビームを照射すれば、パワー密度の低下を抑えつつ、大きな隙間を形成する両端面の双方に対してレーザビームの照射範囲が及ぶようにして両該端面の双方をレーザビームで直接照射するのに有利となる。
【０００７】
ここに、楕円形断面を有する楕円形ビームを突き合わせ線上に照射する技術として、楕円形断面の楕円形ビームを発振するレーザ発振器を利用するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
この特許文献１に開示された突き合わせレーザ溶接では、レーザ発振器から出射された楕円形ビームを、所定構成の光学系を介して、楕円形断面の長軸方向を調整しながら伝送し、加工すべきワークの突き合わせ線に沿って照射するようにしている。
【０００９】
この光学系を構成する光学部品は、詳しくは、レーザ発振器から出射された楕円形ビームを反射させる第１平面ミラーと、第１平面ミラーで反射された楕円形ビームを反射させるとともに該楕円形ビームのビーム径を補正するビーム径補正用の凹面ミラーと、空間座標のＹ軸方向（溶接方向）に移動可能に配設され凹面ミラーで反射された楕円形ビームをＸ軸方向に反射させる第２平面ミラーと、Ｘ軸方向に移動可能に配設され第２平面ミラーで反射された楕円形ビームをＺ軸方向に反射させる第３平面ミラーと、Ｚ軸方向に移動可能に配設され第３平面ミラーで反射された楕円形ビームをＹ軸方向に反射させる第４平面ミラーと、同じくＺ軸方向に移動可能に配設され第４平面ミラーで反射された楕円形ビームをＺ軸方向に移動させるとともに突き合わせ線上に焦点を結ばせる集光ミラーとを備えている。そして、これらの第１〜第４平面ミラー、凹面ミラー及び集光ミラーよりなる光学系が一体となって、溶接時に、溶接方向（突き合わせ線が延びる方向であるＹ軸方向）に移動する構成とされている。
【００１０】
かかる構成の光学系を有するレーザ溶接装置では、レーザ発振器の出射出口における楕円形ビームの長軸方向がＺ軸方向となっている場合、上記光学系を経ることで、溶接方向（突き合わせ線が延びるＹ軸方向）に対して長軸方向が直角に交差する向きの楕円形ビームが該突き合わせ線上に照射されることになる。
【００１１】
ところが、このように楕円形ビームの長軸方向が溶接方向と直交する場合には、長軸方向が溶接方向に一致する場合と溶接速度を一定にして比較すると、同じ出力のレーザ発振器を使用しても溶け込み深さが浅くなるため、溶接時に未溶融部が生じて十分な溶接特性が得られない場合が生じ得る。
【００１２】
そこで、前記特許文献１では、所定数の平面ミラーの組み合わせよりなる方向変換ユニットにより、楕円形ビームの光軸方向を変化させることなく楕円形ビームの長軸方向をＺ軸方向からＸ軸方向又はＹ軸方向に変換させる技術も開示されている。この技術によれば、例えばビームの長軸方向をＺ軸方向からＸ軸方向に変換させることのできる方向変換ユニットをレーザ発振器の出射出口に組み込むことで、レーザ発振器から出射された楕円形ビームの長軸方向をＺ軸方向からＸ軸方向に変換させ、これにより溶接方向、すなわち突き合わせ線が延びるＹ軸方向に長軸方向が一致する楕円形ビームを該突き合わせ線上に照射することができる。また、平面ミラーの組み合わせの選択的な変更によりビームの長軸方向をＺ軸方向からＸ軸方向又はＹ軸方向に選択的に変換させることのできる方向変換ユニットを、前記光学系における第２及び第３平面ミラーの代わりに組み込むことで、溶接加工の進行とともにその溶接方向がＹ軸方向からＸ軸方向に変化する場合であっても、常に溶接方向、すなわち突き合わせ線が延びるＹ軸方向に長軸方向が一致する楕円形ビームを該突き合わせ線上に照射することができる。
【特許文献１】特開平６−１８２５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、前記特許文献１に開示された従来技術では、突き合わされる両端面間における隙間の大きさと、楕円形ビームの長軸長さとの関係については、何ら考慮していない。
【００１４】
このため、両被溶接部材の両端面間に大きな隙間が存在する場合に前記従来技術を適用すると、該隙間を形成する両端面の一方又は双方に対して楕円形ビームの照射範囲が及ばないことがあり、そうすると両端面の一方又は双方が楕円形ビームで直接照射されないことから、溶融不足による接合不良が発生することがある。特に、前記従来技術において、楕円形断面の長軸方向を溶接方向と一致する方向に合わせた楕円形ビームを突き合わせ線上に照射する場合は、楕円形ビームの短軸長さよりも両端面間における隙間の大きさが小さいときにはじめて該隙間を形成する両端面の双方に対して楕円形ビームの照射範囲が及ぶことになるため、前記溶融不足による接合不良が起こり易い。
【００１５】
また、前記従来技術では、多数のミラーの組み合わせよりなる光学系を介して、レーザ発振器から出射した楕円形ビームをその長軸方向を調整しながら伝送する構成とされており、前記光学系における構成要素が多くて複雑であるという問題もある。
【００１６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、突き合わされる両端面間に大きな隙間が存在する場合であっても、照射面でのレーザビームのパワー密度の低下を抑えつつ、そのような大きな隙間を形成する両端面の双方をレーザビームで直接照射して良好な接合状態を得ることのできる突き合わせレーザ溶接方法を提供することを第１の課題とするものであり、またそのような突き合わせレーザ溶接方法を実施することができる簡素な構成の突き合わせレーザ溶接装置を提供することを第２の課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記第１の課題を解決する本発明の突き合わせレーザ溶接方法は、被溶接部材の端面同士が突き合わされて形成された突き合わせ線に沿ってレーザビームを走査させて該突き合わせ線上に該レーザビームを照射することにより、両該端面を溶融して各該端面同士を一体的に接合する突き合わせレーザ溶接方法であって、前記被溶接部材の両前記端面同士を突き合わせたときに両該端面間に形成される隙間の大きさに応じて隙間設定値を予め設定する設定工程と、前記被溶接部材の前記端面同士を突き合わせて前記突き合わせ線を形成する突き合わせ工程と、前記突き合わせ線上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さの値が前記隙間設定値よりも大きくなり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両前記端面の双方に照射範囲が及ぶように、該照射面での該楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向が調整された楕円形ビームを、前記突き合わせ線に沿って走査させて、両該端面の双方を該楕円形ビームで直接照射することにより溶融して各該端面同士を一体的に接合する接合工程とを備えていることを特徴とするものである。
【００１８】
この突き合わせレーザ溶接方法では、被溶接部材の両端面同士を突き合わせたときに両該端面間に実際に形成される隙間の大きさに応じて隙間設定値を予め設定しておく。そして、両端面同士を突き合わせ、その突き合わせ線上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さの値が前記隙間設定値よりも大きくなり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両前記端面の双方に照射範囲が及ぶように、照射面での楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向が調整された楕円形ビームを、前記突き合わせ線に沿って走査させて、両端面の双方を楕円形ビームで直接照射する。このため、突き合わされる両端面間に大きな隙間が存在する場合であっても、突き合わされた被溶接部材の両端面の双方に楕円形ビームの照射範囲を及ぼすことにより、両端面の双方を楕円形ビームで直接照射して確実に溶融させることができる。したがって、両端面間で良好なブリッジを形成させることができ、良好な接合状態を得ることが可能となる。
【００１９】
また、隙間の大きさに応じて円形ビームのビーム径を大きくすることにより、大きな隙間を形成する両端面の双方に対して円形ビームの照射範囲が及ぶようにする場合は、ビーム径の増大に伴って照射断面積も大きく増大するため、レーザビームのパワー密度が低下して溶融不良を起こし易いが、本発明の突き合わせレーザ溶接方法のように照射面にて楕円形断面に集光する楕円形ビームを利用すれば、楕円形ビームの照射断面積を、その楕円形ビームの長軸長さと同等のビーム径をもつ円形ビームの照射断面積よりも小さくすることができるので、大きな隙間に対応する場合であってもレーザビームのパワー密度の低下を抑えることが可能となる。
【００２０】
好適な態様において、前記接合工程では、前記照射面での前記楕円形断面の長軸方向を前記突き合わせ線に対して直交する方向に一致させる。
【００２１】
この突き合わせレーザ溶接方法では、照射面にて楕円形断面に集光する楕円形ビームにおける、該照射面での該楕円形断面の長軸方向を突き合わせ線に対して直交する方向に一致させるので、突き合わせ線に対して該楕円形断面の長軸方向が斜めに交わる場合と比較して、隙間を形成する両端面の双方に及ぶ楕円形ビームの照射範囲をより拡大させたり、あるいはより大きな隙間を形成する両端面の双方に対してその楕円形ビームの照射範囲が及ぶようにするのに有利となる。
【００２２】
好適な態様において、前記接合工程では、前記照射面に対する前記楕円形ビームの入射角を２０度以下にする。
【００２３】
この突き合わせレーザ溶接方法では、照射面に対する楕円形ビームの入射角が大きくなりすぎることにより、該照射面での光の吸収率が大きく低下してしまったり、該照射面での楕円形断面における軸長さ比（長軸長さと短軸長さの比、長軸長さ／短軸長さ）の値が大きく変形しまったりする、という不都合を解消することができる。
【００２４】
上記第２の課題を解決する本発明の突き合わせレーザ溶接装置は、被溶接部材の端面同士が突き合わされて形成された突き合わせ線に沿ってレーザビームを走査させて該突き合わせ線上に該レーザビームを照射することにより、両該端面を溶融して各該端面同士を一体的に接合する突き合わせレーザ溶接に用いる突き合わせレーザ溶接装置であって、円形断面の円形ビームを発振するレーザ発振器と、前記円形ビームの光軸上に、光軸方向に進退動可能でかつ光軸回りに回動可能となるように配設され、第１方向における曲率が第１曲率であり該第１方向に対して直交する第２方向における曲率が該第１曲率と異なる第２曲率である複合凸曲面を有して、前記レーザ発振器から導入されて平行光として入射する該円形ビームを所定の楕円形断面をもつ集束光としての楕円形ビームに変換して出射する断面変換集束レンズと、前記楕円形ビームの光軸上に、自己の反射面と平行な面において該楕円形ビームの該光軸上で互いに直交する第１軸及び第２軸の両軸回りにそれぞれ回動可能となるように配設され、前記断面変換集束レンズから出射した該楕円形ビームを該反射面で所定の方向に反射させて前記突き合わせ線上の所定の照射位置に照射するスキャンミラーと、前記断面変換集束レンズについて、前記円形ビームの前記光軸方向の進退動及び前記光軸回りの回動をそれぞれ制御して、前記スキャンミラーの前記反射面で反射した前記楕円形ビームが前記突き合わせ線上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さの値が両前記端面間に形成される隙間の大きさに応じて予め設定される隙間設定値よりも大きくなり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両該端面の双方に該楕円形ビームの照射範囲が及ぶように、該照射面での該楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向をそれぞれ調整するとともに、前記スキャンミラーについて、前記第１軸及び前記第２軸の両軸回りの回動をそれぞれ独立に制御して、該反射面で反射した該楕円形ビームを該突き合わせ線に沿って走査させる制御手段とを備えていることを特徴とするものである。
【００２５】
前記円形断面とは、断面形状が円形であることを意味するが、この円形には真円形の他に略真円形も含まれ、必ずしも断面形状が真円形であることを必須の要件として限定するものではない。例えば、出射するレーザビームの断面形状が真円形となるように設計されたレーザ発振器において、設計上の誤差等に因り、実際に出射されるレーザビームの断面形状が略真円形となっていてもよい。
【００２６】
このレーザ溶接装置では、レーザ発振器から出射した円形断面の円形ビームが平行光として断面変換集束レンズに入射する。この断面変換集束レンズは、第１方向における曲率が第１曲率であり該第１方向に対して直交する第２方向における曲率が該第１曲率と異なる第２曲率である複合凸曲面を有している。このため、この断面変換集束レンズに入射した円形ビームは、複合凸曲面の曲率比（第１曲率と第２曲率の比、第１曲率／第２曲率）に応じて定まる所定の軸長さ比（長軸長さと短軸長さの比、長軸長さ／短軸長さ）の楕円形断面を有する集束光としての楕円形ビームに変換される。この断面変換集束レンズから出射した楕円形ビームは、該楕円形ビームの光軸上に配置されたスキャンミラーの反射面で所定の方向に反射され、突き合わせ線上の所定の照射位置に照射される。そして、スキャンミラーの反射面が所定の方向に向けられることにより、該反射面で反射した楕円形ビームが突き合わせ線に沿って走査される。
【００２７】
ここに、前記断面変換集束レンズは、該断面変換集束レンズに入射する円形ビームの光軸上に、光軸方向に進退動可能でかつ光軸回りに回動可能となるように配設されている。そして、この断面変換集束レンズの進退動及び回動について、制御手段により所定の制御がなされる。すなわち、制御手段は、断面変換集束レンズについて、円形ビームの光軸方向の進退動及び該円形ビームの光軸回りの回動をそれぞれ制御して、スキャンミラーで反射した楕円形ビームが前記突き合わせ線上の照射面にて楕円形断面に集光して該照射面での該楕円形断面の長軸長さの値が両前記端面間に形成される隙間の大きさに応じて予め設定される隙間設定値よりも大きくなり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両該端面の双方に該楕円形ビームの照射範囲が及ぶように、該照射面での該楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向をそれぞれ調整する。
【００２８】
また、前記スキャンミラーは、前記楕円形ビームの光軸上に、自己の反射面と平行な面において該楕円形ビームの該光軸上で互いに直交する第１軸及び第２軸の両軸回りにそれぞれ回動可能となるように配設されている。そして、このスキャンミラーの両軸回りの回動について、制御手段により所定の制御がなされる。すなわち、制御手段は、スキャンミラーについて、前記第１軸及び前記第２軸の両軸回りの回動をそれぞれ独立に制御して、反射面で反射した楕円形ビームを突き合わせ線に沿って走査させる。
【００２９】
このため、制御手段で所定の制御をすれば、突き合わせ線上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向が所定のものとされた楕円形ビーム、すなわち該照射面での該楕円形断面の長軸長さが前記隙間設定値よりも大きな値となり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両端面の双方に照射範囲が及ぶような楕円形ビームを、該突き合わせ線に沿って走査させて該突き合わせ線上に照射させることができる。したがって、突き合わされる両端面間に大きな隙間が存在する場合であっても、突き合わされた両端面の双方に楕円形ビームの照射範囲を及ぼすことにより、両端面の双方を楕円形ビームで直接照射して確実に溶融させることができる。よって、両端面間で良好なブリッジを形成させることができ、良好な接合状態を得ることが可能となる。
【００３０】
また、本発明の突き合わせレーザ溶接装置は、レーザ発振器から導かれた円形ビームを、突き合わせ線上の照射面にて所定の長軸長さ及び長軸方向の楕円形断面に集光するような楕円形ビームに変換しつつ伝送する光学系要素が、前記断面変換集束レンズとスキャンミラーだけであるため、構成が簡素である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の突き合わせレーザ溶接方法は、被溶接部材の端面同士が突き合わされて形成された突き合わせ線に沿ってレーザビームを走査させて該突き合わせ線上に該レーザビームを照射することにより、両該端面を溶融して各該端面同士を一体的に接合する突き合わせレーザ溶接方法であって、設定工程と、突き合わせ工程と、接合工程とを備えている。
【００３２】
前記被溶接部材の種類としては特に限定されず、例えば、Ｚｎ等よりなるめっき層が母材表面に被覆されためっき鋼板や、めっき層が被覆されていない裸鋼板の他、アルミニウム合金、銅合金やステンレス鋼等に本発明を適用することができる。
【００３３】
レーザの種類も特に限定されず、ＹＡＧレーザ、ＣＯ2 レーザや半導体レーザ等を適宜用いることができるが、好適にはＣＯ2 レーザを用いることができる。
【００３４】
前記設定工程では、突き合わされる被溶接部材の両端面間に実際に形成される隙間の大きさに応じて隙間設定値を予め設定する。この隙間設定値としては、例えば、両端面間に実際に形成される隙間のうち最も大きな隙間の値（最大隙間値）としたり、あるいは両端面間に実際に形成される隙間の平均値（平均隙間値）としたりすることができる。
【００３５】
前記突き合わせ工程では、被溶接部材の端面同士を突き合わせて突き合わせ線を形成する。なお、本発明では、両端面間に実際に形成される隙間の大きさとしては、最大隙間値が０．６〜１．２ｍｍ程度で、平均隙間値が０．２〜０．４ｍｍ程度を想定している。
【００３６】
前記接合工程では、突き合わせ線上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さの値が設定工程で設定した前記隙間設定値よりも大きくなり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両前記端面の双方に照射範囲が及ぶように、該照射面での該楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向が調整された楕円形ビームを、突き合わせ線に沿って走査させて、両該端面の双方を該楕円形ビームで直接照射することにより溶融して各該端面同士を一体的に接合する。
【００３７】
この突き合わせ線上の照射面での楕円形断面の長軸長さとしては、前記隙間設定値よりも大きい値であればよいが、照射面でのレーザビームのパワー密度の低下を抑えつつ、隙間を形成する両端面に対してより確実に楕円形ビームの照射範囲が及ぶようにするという観点より、該照射面での楕円形断面の長軸長さは前記隙間設定値の１．８〜２．０倍程度とすることが好ましい。隙間設定値に対して前記長軸長さの値を過度に大きくすると、レーザビームのパワー密度が低下するおそれがある。一方、隙間設定値に対して前記長軸長さの値を大きくする程度が低すぎると、隙間を形成する両端面に対して確実に楕円形ビームの照射範囲が及ぶようにすることが困難になる。なお、照射面での楕円形断面の長軸長さと短軸長さとの関係については、軸長さ比（長軸長さの短軸長さに対する比、長軸長さ：短軸長さ）が、（長軸長さ）／（短軸長さ）＝２〜２．４程度であることが好ましい。この軸長さ比の値が小さすぎると、円形状に近づき楕円形断面にすることの効果が小さくなる。一方、軸長さ比の値が過度に大きくなると、楕円形ビームのパワー密度が低くなりすぎ、溶融不足となる。
【００３８】
そして、接合工程では、前記隙間設定値の隙間を形成する両端面の双方に楕円形ビームの照射範囲が及ぶように、突き合わせ線上の照射面での楕円形断面の長軸方向及び長軸長さを調整しながら、該突き合わせ線に沿って楕円形ビームを走査させる。このとき、両前記端面の双方に及ぶ楕円形ビームの照射範囲をより拡大させる観点から、突き合わせ線上の照射面における楕円形断面の長軸方向の向きを前記突き合わせ線に対して直交する方向に近づけるほど好ましく、該楕円形断面の長軸方向を前記突き合わせ線（溶接方向）に対して直交する方向に一致させることが特に好ましい。
【００３９】
ここに、突き合わせ線上の照射面に照射された楕円形ビームの、該照射面（被溶接部）での光の吸収率は、該照射面に対する楕円形ビームの入射角に応じて変化する。すなわち、照射面に楕円形ビームが入射する際の入射角（楕円形ビームが入射点で照射面の法線となす角）が大きくなりすぎると、該照射面での光の吸収率が低下してしまい、それに伴って熱効率（エネルギ効率）も低下してしまう。また、突き合わせ線上の照射面に照射された楕円形ビームの、該照射面での楕円形断面は、該照射面に対する楕円形ビームの入射角に応じて形状（軸長さ比）が変化する。例えば、円形断面の円形ビームが照射面に所定の入射角で斜めに入射する場合、入射角が４８度以上になると、該照射面での楕円形断面における軸長さ比（長軸長さと短軸長さの比、長軸長さ／短軸長さ）が１．５以上になる一方、入射角が２０度以内であれば、前記軸長さ比が１．０６以下になり、ほぼ１となる。すなわち、照射面に対する楕円形ビームの入射角が２０度以内であれば、該照射面での楕円形断面は入射する前の楕円形断面とほぼ同様の形状となり（入射の前後で楕円形断面の軸長さ比がほとんど変化しない）、楕円形ビームが照射面に斜め入射することによって断面形状が変化してしまう不都合を回避することができる。以上の観点より、照射面に対する楕円形ビームの入射角は２０度以下にすることが好ましい。
【００４０】
このような本発明の突き合わせレーザ溶接方法は、以下に示す本発明の突き合わせレーザ溶接装置を用いて、好適に実施することができる。
【００４１】
すなわち、本発明の突き合わせレーザ溶接装置は、被溶接部材の端面同士が突き合わされて形成された突き合わせ線に沿ってレーザビームを走査させて該突き合わせ線上に該レーザビームを照射することにより、両該端面を溶融して各該端面同士を一体的に接合する突き合わせレーザ溶接に用いる突き合わせレーザ溶接装置であって、レーザ発振器と、断面変換集束レンズと、スキャンミラーと、制御手段とを備えている。
【００４２】
前記レーザ発振器は、円形断面、すなわち断面形状が真円形又は略真円形である円形ビームを発振するものである。このレーザ発振器の種類は特に限定されず、例えばＹＡＧレーザ、ＣＯ2 レーザや半導体レーザを採用することができるが、好適にはＣＯ2 レーザを用いることができる。
【００４３】
前記断面変換集束レンズは、第１方向における曲率が第１曲率であり該第１方向に対して直交する第２方向における曲率が該第１曲率と異なる第２曲率である複合凸曲面を有している。この複合凸曲面を有する断面変換集束レンズに、平行光としての円形ビームが入射すると、複合凸曲面における曲率比（第１曲率と第２曲率の比、第１曲率／第２曲率）に対応した軸長さ比（長軸長さと短軸長さの比、長軸長さ／短軸長さ）の楕円形断面をもつ集束光としての楕円形ビームが該断面変換集束レンズから出射する。なお、複合凸曲面における前記曲率比が大きくなるほど、すなわち第１曲率に対して第２曲率の大きさ（曲面の曲がる度合）が相対的に大きくなるほど、この断面変換集束レンズから出射する楕円形ビームの楕円形断面における前記軸長さ比（長軸長さ／短軸長さ）が大きくなる。このため、断面変換集束レンズの複合凸曲面における前記曲率比は、突き合わせ線上の照射面に照射された楕円形ビームの、該照射面での楕円形断面における軸長さ比（長軸長さと短軸長さの比、長軸長さ／短軸長さ）が所定のものとなるように適切に設定しておく。なお、前述のとおり、突き合わせ線上の照射面に照射された楕円形ビームの、該照射面での楕円形断面は、該照射面に対する楕円形ビームの入射角に応じて形状（軸長さ比）が変化するので、この入射角に応じた断面形状の変化も考慮に入れて、前記複合凸曲面における曲率比を設定しておく必要がある。
【００４４】
前記断面変換集束レンズは、レーザ発振器から導かれた前記円形ビームの光軸上に、該円形ビームの光軸方向に進退動可能でかつ光軸回りに回動可能となるように配置されている。レーザ発振器から導かれた円形ビームの光軸上で断面変換集束レンズが光軸方向に進退動することにより、この断面変換集束レンズからスキャンミラーを介して突き合わせ線上の照射面に入射する楕円形ビームにおける、該照射面に対する該楕円形ビームの焦点位置が変動し、ひいては該照射面での楕円形断面の長軸長さが変化する。また、レーザ発振器から導かれた円形ビームの光軸上で断面変換集束レンズが光軸回りに回動することにより、この断面変換集束レンズから出射する楕円形ビームの長軸方向の向きが変化し、ひいては前記照射面での楕円形断面の長軸方向の向きが変化する。また、これらの断面変換集束レンズの進退動及び回動は、後述するように制御手段により制御される。
【００４５】
なお、レーザ発振器から出射した円形ビームは、所定の光学系要素（ミラー、レンズや光ファイバー等）よりなる伝送手段を介して、平行光として断面変換集束レンズに導かれる。
【００４６】
前記スキャンミラーは、前記楕円形ビームの光軸上に、自己の反射面と平行な面において該楕円形ビームの該光軸上で互いに直交する第１軸及び第２軸の両軸回りにそれぞれ回動可能となるように配設されている。断面変換集束レンズから出射した楕円形ビームの光軸上でスキャンミラーが第１軸及び第２軸の両軸回りにそれぞれ回動することにより、このスキャンミラーの反射面の向きが変化して該反射面で反射される楕円形ビームの反射方向が変化する。すなわち、反射面を任意の方向及び角度で傾斜させることができるので、断面変換集束レンズから出射した楕円形ビームを任意の方向に反射させて任意の照射位置に照射することができる。また、同反射面の向きを連続的に変化させることにより、所定の突き合わせ線に沿って楕円形ビームを走査させることができる。このスキャンミラーの両軸回りの回動は、後述するように制御手段により制御される。
【００４７】
前記制御手段は、前記断面変換集束レンズについて、前記円形ビームの前記光軸方向の進退動及び前記光軸回りの回動をそれぞれ制御して、前記スキャンミラーで反射した前記楕円形ビームが前記突き合わせ線上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さの値が両前記端面間に形成される隙間の大きさに応じて予め設定される隙間設定値よりも大きくなり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両該端面の双方に該楕円形ビームの照射範囲が及ぶように、該照射面での該楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向をそれぞれ調整する。
【００４８】
すなわち、制御手段は、レーザ発振器から導かれた円形ビームの光軸上で断面変換集束レンズを光軸方向に所定距離だけ進退動させることにより、この断面変換集束レンズからスキャンミラーを介して突き合わせ線上の照射面に入射する楕円形ビームについて、該照射面に対する焦点位置を変動させることにより該照射面での楕円形断面の長軸長さを所定の長さに調整する。また、制御手段は、レーザ発振器から導かれた円形ビームの光軸上で断面変換集束レンズを光軸回りに所定角度だけ回動させることにより、この断面変換集束レンズからスキャンミラーを介して突き合わせ線上の照射面に入射する楕円形ビームについて、該照射面での楕円形断面の長軸方向を所定の向きに調整する。このように、制御手段は、断面変換集束レンズの進退動及び回動を制御することにより、照射面での楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向を調整し、これにより該照射面での楕円形断面の長軸長さが前記隙間設定値よりも大きくなり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両端面の双方に楕円形ビームの照射範囲が及ぶようにする。
【００４９】
また、制御手段は、断面変換集束レンズから出射した楕円形ビームの光軸上でスキャンミラーを第１軸及び第２軸の両軸回りに独立に回動させることにより、このスキャンミラーの反射面を所定の向きにして、楕円形ビームを所定の向きに反射させて所定の突き合わせ線上に照射する。そして、この反射面の向きを連続的に変化させることにより、楕円形ビームを所定の突き合わせ線に沿って走査させる。
【００５０】
なお、スキャンミラーにおける反射面の傾斜方向と、該反射面に入射する楕円形ビームにおける楕円形断面の長軸方向との関係によっては、該反射面での反射によって該長軸方向の向きが変化してしまうことがある。このため、このような反射面での反射による長軸方向の向きの変化を考慮に入れながら、突き合わせ線上の照射面での楕円形断面の長軸方向が所定の向きとなるように、制御手段の制御により前記断面変換集束レンズの回動を制御して、該断面変換集束レンズから出射してスキャンミラーの反射面に入射する楕円形ビームの長軸方向の向きを調整する必要がある。
【００５１】
このため、制御手段で所定の制御をすれば、突き合わせ線上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向が所定のものとされた楕円形ビーム、すなわち該照射面での該楕円形断面の長軸長さが前記隙間設定値よりも大きな値となり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両端面の双方に照射範囲が及ぶような楕円形ビームを、該突き合わせ線に沿って走査させて該突き合わせ線上に照射させることができる。したがって、突き合わされる両端面間に大きな隙間が存在する場合であっても、突き合わされた両端面の双方に楕円形ビームの照射範囲を及ぼすことにより、両端面の双方を楕円形ビームで直接照射して確実に溶融させることができる。よって、両端面間で良好なブリッジを形成させることができ、良好な接合状態を得ることが可能となる。
【００５２】
そして、本発明の突き合わせレーザ溶接装置では、断面変換集束レンズにより円形ビームを楕円形ビームに変換するとともに、この断面変換集束レンズの進退動及び回動を制御手段で制御することにより楕円形ビームの長軸長さ及び長軸方向を調整することができ、しかもスキャンミラーの２軸回りの回動を制御手段で制御することにより楕円形ビームを走査させることができるので、少ない構成要素で、しかも断面変換集束レンズの進退動及び回動並びにスキャンミラーの回動という簡単な動作により、本発明の突き合わせレーザ溶接方法を実施することが可能となる。
【００５３】
なお、上述した本発明の突き合わせレーザ溶接装置を用いなくても、本発明の突き合わせレーザ溶接方法を実施することは可能である。
【００５４】
例えば、前記スキャンミラーの代わりに、前記楕円形ビームの光軸上に配設され、前記断面変換集束レンズから出射した該楕円形ビームを所定の方向に反射させて前記突き合わせ線上の所定の照射位置に照射する反射ミラーを用いることもできる。
【００５５】
すなわち、例えば、前記断面変換集束レンズから出射した楕円形ビームの光軸上に配設され、反射ミラーの反射面で反射した該楕円形ビームが前記突き合わせ線上の所定の照射位置に照射されうるように、該光軸に対して反射面が所定の方向及び角度で傾斜するように設定された固定式の反射ミラーとすることができる。
【００５６】
なお、このような固定式の反射ミラーとする場合は、前記断面変換集束レンズ及び該反射ミラーを一体として前記突き合わせ線に対して相対移動させることにより、該反射ミラーで反射した前記楕円形ビームを該突き合わせ線に沿って走査させる走査手段を設ける必要がある。このような走査手段により、断面変換集束レンズ及び反射ミラーを一体として突き合わせ線に対して相対移動させれば、反射ミラーで反射した楕円形ビームを突き合わせ線上の照射面に対して一定の入射角で入射させつつ該突き合わせ線に沿って走査させることができる。
【００５７】
また、この走査手段により、断面変換集束レンズ及び反射ミラーと共に、前記レーザ発振器やこのレーザ発振器から出射した円形ビームを断面変換集束レンズまで平行光として導く伝送手段（ミラー、レンズや光ファイバー等）を一体として、前記突き合わせ線に対して相対移動させてもよい。
【００５８】
また、前記断面変換集束レンズの代わりに、第１方向における曲率が第１曲率である第１凸曲面を有する第１集束レンズと、第２方向が第１方向に対して直交するように配設され、該第２方向における曲率が第１曲率と異なる第２曲率である第２凸曲面を有する第２集束レンズとの組み合わせレンズを用いてもよい。
【００５９】
さらに、断面変換集束レンズでビームの断面形状を変えることにより平行光としての円形ビームを集束光としての楕円形ビームに変換する代わりに、集束レンズで平行光としての円形ビームを集束光としての集束円形ビームに変換し、この集束円形ビームをスキャンミラー等で所定の方向に反射させて前記突き合わせ線上の照射面に対して斜め照射させることによって、該照射面でのビーム形状を楕円形断面としてもよい。
【００６０】
このとき、照射面での楕円形断面の長軸長さは、スキャンミラー等で集束円形ビームを反射させる角度を変えて、照射面に斜め照射される集束円形ビームの照射面に対する入射角を変えることによって調整したり、あるいは集束レンズに入射する円形ビームの光軸上で該集束レンズを制御手段により光軸方向に進退動させて、集束レンズからスキャンミラー等を介して突き合わせ線上の照射面に斜め入射する集束円形ビームについて、該照射面に対する焦点位置を変動させることによって調整したりすることができる。また、照射面での楕円形断面の長軸方向は、スキャンミラー等で集束円形ビームを反射させる方向を変えたり、あるいは集束レンズ及び固定式の反射ミラー等を一体として走査手段等により突き合わせ線に対して照射面と平行な面内で相対回転させたりして、照射面に斜め照射される集束円形ビームの照射面に対する入射方向を変えることによって調整することができる。
【００６１】
ただし、集束円形ビームを照射面に対して斜め照射させることによって、該照射面でのビーム形状を楕円形断面とする場合は、前述のとおり、所定値以上の軸長さ比を有する楕円形断面を得るべく、照射面に対する集束円形ビームの入射角を大きくする必要があり、これによって照射面での光の吸収率が低下してエネルギ効率が低下してしまうことから、照射面での光の吸収率を所定値以上に確保して所定のエネルギ効率を確保しつつ、照射面での楕円形断面における軸長さ比を所定値以上とするように制御することが困難となる。
【実施例】
【００６２】
以下、実施例により、本発明を更に詳しく説明するが本発明はこれらに限定されるものではない。
【００６３】
本実施例は、被溶接部材としての鋼材１、２の端面１ａ、２ａ同士が突き合わされて形成された突き合わせ線３に沿ってレーザビームを走査させて突き合わせ線３上にレーザビームを照射する突き合わせレーザ溶接により、両端面１ａ，２ａを溶融して各端面１ａ、２ａ同士を一体的に接合して鋼材１、２を突き合わせ溶接するものである。
【００６４】
本実施例に係る突き合わせレーザ溶接装置は、レーザ発振器４と、平凸レンズ５と、断面変換集束レンズ６と、反射面８をもつスキャンミラー７と、制御手段９とを備えている。
【００６５】
レーザ発振器４は、以下の出力条件等で、断面形状が真円形又は略真円形である円形ビームを発振するものである。
【００６６】
レーザ    ：ＣＯ2 レーザ
レーザ出力：３．５ｋＷ
平凸レンズ５は、レーザ発振器４から出射された円形ビームを平行光としての円形ビーム１０に変換して出射し、この円形ビーム１０を断面変換集束レンズ６に導入するものである。なお、レーザ発振器４から出射された円形ビームは図示しない光学系要素（レンズ及びミラー）を介して平凸レンズ５に導入される。
【００６７】
断面変換集束レンズ６は、第１方向Ａにおける曲率が第１曲率であり該第１方向Ａに対して直交する第２方向Ｂにおける曲率が該第１曲率と異なる第２曲率である複合凸曲面６ａを有している。この複合凸曲面６ａを有する断面変換集束レンズ６に、平行光としての円形ビーム１０が入射すると、複合凸曲面６ａにおける曲率比（第１曲率／第２曲率）に対応した軸長さ比（長軸長さ／短軸長さ）をもち、かつ、長軸方向が第１方向Ａに一致するとともに短軸方向が第２方向Ｂに一致する楕円形断面を有する集束光としての楕円形ビーム１１が断面変換集束レンズ６から出射する。
【００６８】
この断面変換集束レンズ６は、レーザ発振器４から導かれて平凸レンズ５から出射した前記円形ビーム１０の光軸１０ａ上に、円形ビーム１０の光軸１０ａ方向に進退動可能で、かつ、光軸１０ａ回りに回動可能となるように配置されている。円形ビーム１０の光軸１０ａ上で断面変換集束レンズ６が光軸１０ａ方向に進退動することにより、この断面変換集束レンズ６から出射した楕円形ビーム１１及びスキャンミラー７で反射した楕円形ビーム１２における、突き合わせ線３上の照射面に対する焦点位置が変動し、ひいては該照射面での楕円形断面の長軸長さが変化する。また、円形ビーム１０の光軸１０ａ上で断面変換集束レンズ６が光軸１０ａ回りに回動することにより、この断面変換集束レンズ６から出射する楕円形ビーム１１及びスキャンミラー７で反射した楕円形ビーム１２における楕円形断面の長軸方向の向きが変化し、ひいては前記照射面での楕円形断面の長軸方向の向きが変化する。
【００６９】
スキャンミラー７は、平凸レンズ５から出射した円形ビーム１０の光軸１０ａ上で、かつ、断面変換集束レンズ６から出射した楕円形ビーム１１の光軸１１ａ上に、自己の反射面８と平行な面において楕円形ビーム１１の光軸１１ａ上で互いに直交する第１軸７ａ及び第２軸７ｂの両軸回りにそれぞれ回動可能となるように配設されている。断面変換集束レンズ６から出射した楕円形ビーム１１の光軸１１ａ上でスキャンミラー７が第１軸７ａ及び第２軸７ｂの両軸回りにそれぞれ回動することにより、このスキャンミラー７の反射面８の向きが変化して該反射面８で反射される楕円形ビーム１１の反射方向が変化する。すなわち、反射面８を任意の方向及び角度で傾斜させることができるので、断面変換集束レンズ６から出射した楕円形ビーム１１を任意の方向に反射させて任意の照射位置に照射することができる。
【００７０】
制御手段９は、断面変換集束レンズ６について、円形ビーム１０の光軸１０ａ方向の進退動及び光軸１０ａ回りの回動をそれぞれ制御して、スキャンミラー７で反射した楕円形ビーム１２が突き合わせ線３上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さの値が両前記端面１ａ、２ａ間に形成される隙間の大きさに応じて予め設定される隙間設定値（後述する）よりも大きくなり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両端面１ａ、２ａの双方に楕円形ビーム１２の照射範囲が及ぶ（図２参照）ように、該照射面での該楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向をそれぞれ調整する。
【００７１】
すなわち、本実施例では、制御手段９は、レーザ発振器４から導かれて平凸レンズ５から出射した円形ビーム１０の光軸１０ａ上で断面変換集束レンズ６を光軸１０ａ方向に所定距離だけ進退動させることにより、この断面変換集束レンズ６からスキャンミラー７を介して突き合わせ線３上の照射面に入射する楕円形ビーム１２について、該照射面に対する焦点位置を変動させることにより該照射面での楕円形断面の長軸長さを所定の長さに調整する。また、制御手段９は、レーザ発振器４から導かれて平凸レンズ５から出射した円形ビーム１０の光軸１０ａ上で断面変換集束レンズ６を光軸１０ａ回りに所定角度だけ回動させることにより、この断面変換集束レンズ６からスキャンミラー７を介して突き合わせ線３上の照射面に入射する楕円形ビーム１２について、該照射面での楕円形断面の長軸方向を所定の向きに調整する。このように、制御手段９は、断面変換集束レンズ６の進退動及び回動を制御することにより、照射面での楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向を調整し、これにより該照射面での楕円形断面の長軸長さの値が前記隙間設定値よりも大きくなり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両端面１ａ，２ａの双方に楕円形ビーム１２の照射範囲が及ぶようにする。
【００７２】
また、制御手段９は、断面変換集束レンズ６から出射した楕円形ビーム１１の光軸１１ａ上でスキャンミラー７を第１軸７ａ及び第２軸７ｂの両軸回りに独立に回動させることにより、このスキャンミラー７の反射面８を所定の向きにして、楕円形ビーム１１を所定の向きに反射させて所定の突き合わせ線３上に照射する。そして、この反射面８の向きを所定の方向に連続的に変化させることにより、楕円形ビーム１２を所定の突き合わせ線３に沿って走査させる。
【００７３】
ここに、断面変換集束レンズ６の複合凸曲面６ａにおける前記曲率比は、突き合わせ線３上の照射面に照射された楕円形ビーム１２の、該照射面での楕円形断面における軸長さ比（長軸長さ／短軸長さ）が所定のものとなるように適切に設定しておくことができる。
【００７４】
また、突き合わせ線３に沿って楕円形ビーム１２を走査させて突き合わせレーザ溶接する際、突き合わせ線３上の照射面に照射される楕円形ビーム１２の該照射面に対する入射角が２０度以下となるように、すなわち−２０〜２０度の範囲内に収まるように、スキャンミラー７と突き合わせ線３との位置関係等を適切に設定しておくことができる。
【００７５】
さらに、スキャンミラー７の反射面８の向きを変化させて突き合わせ線３に沿って楕円形ビーム１２を走査させて突き合わせ線３上を突き合わせレーザ溶接する際、反射面８で楕円形ビーム１１が反射することによって、反射後の楕円形ビーム１２における楕円形断面の長軸方向の向きが所定範囲から外れてしまわないように（突き合わせ線３上の照射面での楕円形ビーム１２の照射範囲が両端面１ａ及び２ａの双方に及ぶように）、スキャンミラー７と突き合わせ線３との位置関係等を適切に設定しておくことができる。
【００７６】
このため、制御手段９で所定の制御をすれば、突き合わせ線３上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さ及び長軸方向が所定のものとされた楕円形ビーム１２、すなわち該照射面での該楕円形断面の長軸長さが前記隙間設定値よりも大きな値となり、かつ、該隙間設定値の隙間を形成する両端面１ａ、２ａの双方に照射範囲が及ぶような楕円形ビーム１２を、該突き合わせ線３に沿って走査させて該突き合わせ線３上に照射させることができる。
【００７７】
そして、本実施例の突き合わせレーザ溶接装置では、断面変換集束レンズ６により円形ビーム１０を楕円形ビーム１１に変換するとともに、この断面変換集束レンズ６の進退動及び回動を制御手段９で制御することにより楕円形ビーム１１及び１２の長軸長さ及び長軸方向を調整することができ、しかもスキャンミラー７の２軸回りの回動を制御手段９で制御することにより楕円形ビーム１２を走査させることができるので、少ない構成要素で、しかも断面変換集束レンズ６の進退動及び回動並びにスキャンミラー７の回動という簡単な動作により、以下に示すような本実施例の突き合わせレーザ溶接方法を実施することが可能となる。
【００７８】
なお、上述したような本実施例のレーザ溶接装置によれば、例えば、ワークディスタンス（スキャンミラー７から突き合わせ線３までの距離）：１２００ｍｍ、楕円形ビーム１２の突き合わせ線３上の照射面に対する入射角の範囲：２０度以下（−２０〜２０度）として、８２０ｍｍ×８２０ｍｍの正方形の照射範囲にて、リモート溶接による突き合わせレーザ溶接が可能となる。
【００７９】
以下、上記構成の突き合わせレーザ溶接装置を用いた本実施例の突き合わせレーザ溶接方法について説明する。
【００８０】
ここに、本実施例では、断面変換集束レンズ６の複合凸曲面６ａにおける前記曲率比は、突き合わせ線３上の照射面に照射された楕円形ビーム１２の、該照射面での楕円形断面における軸長さ比（長軸長さ／短軸長さ）が所定のものとなるように適切に設定されている。具体的には、後述する接合工程で、スキャンミラー７の反射面８の向きを変化させて突き合わせ線３に沿って楕円形ビーム１２を走査させて、突き合わせレーザ溶接する際に、照射面に入射する楕円形ビーム１２の入射角が変化することによって軸長さ比が変化した場合であっても、該照射面での楕円形断面における軸長さ比が１．５〜２．０の範囲内に収まるように設定されている。
【００８１】
また、本実施例では、後述する接合工程で突き合わせ線３に沿って楕円形ビーム１２を走査させて突き合わせレーザ溶接する際、突き合わせ線３上の照射面に照射される楕円形ビーム１２の該照射面に対する入射角が２０度以下になるように、すなわち−２０〜２０度の範囲内に収まるように、スキャンミラー７と突き合わせ線３との位置関係等が設定されている。これにより、楕円形ビーム１２が突き合わせ線３に沿って走査する際に、突き合わせ線３上の照射面に対する楕円形ビーム１２の入射角が変化することによる不都合、すなわち該照射面での楕円形断面における軸長さ比が所定の範囲から外れたり、あるいは該照射面での光の吸収率が大きく低下してエネルギ効率が大きく低下してしまったりするような不都合を回避することができる。
【００８２】
さらに、本実施例では、後述する接合工程で、スキャンミラー７の反射面８の向きを変化させて突き合わせ線３に沿って楕円形ビーム１２を走査させて突き合わせ線３上を突き合わせレーザ溶接する際、反射面８で楕円形ビーム１１が反射することによっては、反射前の楕円形ビーム１１における楕円形断面の長軸方向の向きと反射後の楕円形ビーム１２における楕円形断面の長軸方向の向きとが変化してしまうことがないように、設定されている。具体的には、断面変換集束レンズ６から出射した楕円形ビーム１１における楕円形断面の長軸方向（第１方向Ａ）に平行な第１軸７ａ回りにスキャンミラー７を回転させて反射面８を該第１軸７ａ回りに回転させることで、楕円形ビーム１２を突き合わせ線３に沿って走査させている。このため、突き合わせ線３に沿って楕円形ビーム１２を走査させたとき、反射面８で反射した後の楕円形ビーム１２も、反射前の楕円形ビーム１１と同様、楕円形断面の長軸方向が第１方向Ａと一致する。
【００８３】
＜設定工程＞
まず、突き合わされる鋼板１、２の両端面１ａ、２ａ間に実際に形成される隙間の大きさに応じて隙間設定値ｓを予め設定した。
【００８４】
＜突き合わせ工程＞
そして、鋼板１、２を水平に保持した状態で、鋼板１、２の端面１ａ、２ａ同士を突き合わせて突き合わせ線３を形成した。なお、この突き合わせ線３は水平に延びている。
【００８５】
＜接合工程＞
そして、制御手段９により、断面変換集束レンズ６について、円形ビーム１０の光軸１０ａ方向の進退動を制御して、突き合わせ線３上の照射面に照射される楕円形ビーム１２の該照射面での楕円形断面における長軸長さａが前記隙間設定値ｓよりも大きくなるように調整した。
【００８６】
また、制御手段９により、断面変換集束レンズ６について、円形ビーム１０の光軸１０ａ回りの回動を制御して、突き合わせ線３上の照射面に照射される楕円形ビーム１２の該照射面での楕円形断面における長軸方向が、突き合わせ線３に対して直交する方向に一致するように調整した。すなわち、断面変換集束レンズ６から出射される楕円形ビーム１１における楕円形断面の長軸方向が水平方向となるように前記回動を制御して、複合凸曲面６ａにおける第１方向Ａが水平方向となるようにした。これにより、断面変換集束レンズ６から出射した楕円形ビーム１１における楕円形断面の長軸方向は水平方向となり、したがってスキャンミラー７の反射面８で反射した後の楕円形ビーム１２における楕円形断面及びこの楕円形ビーム１２が突き合わせ線３上の照射面に照射された照射面での楕円形断面の長軸方向も突き合わせ線３に対して直交する水平方向になるようにした。
【００８７】
このように、制御手段９により、断面変換集束レンズ６の進退動及び回動を制御して、突き合わせ線３上の照射面に照射される楕円形ビーム１２の該照射面における楕円形断面の長軸方向及び長軸長さａを調整しつつ、断面変換集束レンズ６から出射した楕円形ビーム１１における楕円形断面の長軸方向（第１方向Ａ）に平行な第１軸７ａ回りにスキャンミラー７を回転させて反射面８を該第１軸７ａ回りに回転させることで、楕円形ビーム１２を突き合わせ線３に沿って走査させた。
【００８８】
こうして突き合わせ線３上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さａの値が隙間設定値ｓよりも大きくなり、かつ、該隙間設定値ｓの隙間を形成する両端面１ａ、２ａの双方に照射範囲が及ぶように、該照射面での該楕円形断面の長軸長さａ及び長軸方向が調整された楕円形ビーム１２を、突き合わせ線３に沿って走査させて、両端面１ａ、２ａの双方を該楕円形ビーム１２で直接照射することにより溶融して各端面１ａ、２ａ同士を一体的に接合した。
【００８９】
このように本実施例の突き合わせレーザ溶接方法では、突き合わせ線３上の照射面にて楕円形断面に集光して該楕円形断面の長軸長さａの値が前記隙間設定値ｓよりも大きくなり、かつ、該隙間設定値ｓの隙間を形成する両端面１ａ、２ａの双方に照射範囲が及ぶように、照射面での楕円形断面の長軸長さａ及び長軸方向が調整された楕円形ビーム１２を、突き合わせ線３に沿って走査させて、両端面１ａ、２ａの双方を楕円形ビーム１２で直接照射する。このため、突き合わされる両端面１ａ、２ａ間に大きな隙間が存在する場合であっても、突き合わされた両端面１ａ、２ａの双方に楕円形ビーム１２の照射範囲を及ぼすことにより、両端面１ａ、２ａの双方を楕円形ビーム１２で直接照射して確実に溶融させることができる。したがって、両端面１ａ、２ａ間で良好なブリッジを形成させることができ、良好な接合状態を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施例に係り、突き合わせレーザ溶接装置の構成を模式的に説明する構成図である。
【図２】本発明の実施例に係り、突き合わせ線上の照射面に楕円形ビームが照射された状態を模式的に示す説明図である。
【図３】従来例に係り、照射面に照射されたレーザビームの該照射面でのビーム径よりも、突き合わされた両端面間の隙間の方が大きい場合を模式的に示す説明図である。
【図４】従来例に係り、照射面に照射されたレーザビームの該照射面でのビーム径の方が、突き合わされた両端面間の隙間よりも大きい場合を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００９１】
１、２…鋼板（被溶接部材）          １ａ、２ａ…端面
３…突き合わせ線                    ４…レーザ発振器
６…断面変換集束レンズ              ６ａ…複合凸曲面
７…スキャンミラー                  ８…反射面
９…制御手段                        １０…円形ビーム
１１、１２…楕円形ビーム            １０ａ、１１ａ…光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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