(57)【要約】【課題】レーザ溶接中に溶接対象物との間の相対速度が変動するような場合であれ、レーザ溶接の精度を維持することのできるレーザ溶接装置、レーザ溶接方法、及び、レーザ溶接に利用されるレーザ加工用レンズを提供する。【解決手段】レーザ溶接装置２０は、溶接用レーザ光を電池ケース１０に照射して電池ケース１０をレーザ溶接するとともに、溶接用レーザ光と電池ケース１０との間の相対速度が可変とされる。レーザ溶接装置２０は、溶接用レーザ光は、少なくともガウス型の強度分布を有する第１のレーザ光Ｌ１を含んでいる１又は複数のレーザ光から生成した合成レーザ光Ｌ６であって、合成レーザ光Ｌ６の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する照射レーザ光Ｌｔｇとして生成するビーム生成装置２３を備え、ビーム生成装置２３は、合成レーザ光Ｌ６の強度分布の最大値を相対速度の増加に応じて大きくする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、
前記溶接用レーザ光は、少なくともガウス型の強度分布を有するレーザ光を含んでいる１又は複数のレーザ光から生成したレーザ光であって、
前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する生成部を備え、
前記生成部は、前記生成したレーザ光の前記強度分布の最大値を前記相対速度の増加に応じて大きくする
レーザ溶接装置。
【請求項２】
溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、
前記溶接用レーザ光は、強度分布がガウス型である第１のレーザ光と、強度分布がトップハット型である第２のレーザ光とを合成することにより生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有し、
前記第２のレーザ光の照射径よりも、前記第１のレーザ光の照射径を小さく設定して前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを合成することで前記溶接用レーザ光を生成する生成部を備え、
前記生成部は、前記相対速度の増加に応じて前記第１のレーザ光の強度分布の最大値を増大させる
レーザ溶接装置。
【請求項３】
前記第１のレーザ光は、ファイバーレーザから出力されるレーザ光であり、
前記第２のレーザ光は、半導体レーザから出力されるレーザ光である
請求項２に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記相対速度を取得するとともに、前記取得した相対速度が速くなることに応じて前記第１のレーザ光の出力強度を高くする制御装置を備える
請求項２又は３に記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記相対速度を取得するとともに、前記取得した相対速度が速くなることに応じて前記第１のレーザ光の出力の分散を小さくする制御装置を備える
請求項２又は３に記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記相対速度を１８０ｍｍ／秒以上、かつ、５１０ｍｍ／秒以下の範囲で可変とする
請求項４又は５に記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
トップハット型の出力が、ガウス型の出力の１．５倍以上である
請求項２〜６のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項８】
前記溶接用レーザ光は、前記溶接対象物に照射されたとき、前記第１のレーザ光の照射径が前記第２のレーザ光の照射径に対して２０％以上５０％以下の径である
請求項２〜７のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項９】
溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、
前記溶接用レーザ光は、ガウス型の強度分布を有するレーザ光から生成したレーザ光であって、
前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する生成部を備え、
前記生成部は、強度分布がガウス型であるレーザ光を所定の径で入力することで、この入力されたレーザ光をトップハット型のレーザ光に変換して出力するビームシェーパと、前記ガウス型のレーザ光を任意の径で前記ビームシェーパに入力させる調整部とを備え、
前記生成部は、前記相対速度の増加に応じて、前記調整部で前記ビームシェーパに入力する前記ガウス型のレーザ光の前記任意の径を前記所定の径以下に縮径する
レーザ溶接装置。
【請求項１０】
前記調整部は、前記ガウス型のレーザ光が前記ビームシェーパへ入力される径である前記任意の径を、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記ビームシェーパとの間の距離を変化させることにより変更する
請求項９に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１１】
前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記ビームシェーパとの間には、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置から出力されるレーザ光を平行光に変換して前記ビームシェーパに入力させるコリメータレンズが設けられ、
前記調整部は、前記任意の径を、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記コリメータレンズとの間の距離を変化させることにより変更する
請求項９に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１２】
前記相対速度を可変とする制御装置を備え、
前記制御装置は、前記相対速度を１８０ｍｍ／秒以上、かつ、３４０ｍｍ／秒以下の範囲で可変とする
請求項９〜１１のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１３】
前記溶接対象物は、電池に備えられるケース及び蓋であって、
前記ケース及び前記蓋は、アルミニウム製であり、
前記相対速度は、レーザ溶接による加熱によって生じるアルミニウムの飛散物であるスパッタが生じない速度範囲における最低速度、かつ、酸化アルミニウムが溶融する速度範囲における最高速度の間の速度範囲内で設定される
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１４】
溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置でレーザ溶接をするレーザ溶接方法であって、
前記溶接用レーザ光は、強度分布がガウス型である第１のレーザ光と、強度分布がトップハット型である第２のレーザ光とを合成することにより生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有し、
前記溶接用レーザ光を生成する生成部で、前記第２のレーザ光の照射径よりも、前記第１のレーザ光の照射径を小さく設定して前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを合成することで前記溶接用レーザ光を生成する工程と、
前記生成部で、前記相対速度の増加に応じて前記第１のレーザ光の強度分布の最大値を増大させる工程とを備える
レーザ溶接方法。
【請求項１５】
溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置でレーザ溶接をする方法であって、
レーザ溶接装置が強度分布がガウス型であるレーザ光を所定の径で入力することで、この入力されたレーザ光をトップハット型のレーザ光に変換して出力するビームシェーパを備え、
前記溶接用レーザ光を生成する生成部で、前記ガウス型の強度分布を有するレーザ光を、前記相対速度が増加することに応じて、前記所定の径以下に縮径して前記ビームシェーパに入力することで、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する
レーザ溶接方法。
【請求項１６】
ガウス型の強度分布のレーザ光を所定の径で入力することで、前記レーザ光の強度分布を変換するレーザ加工用レンズであって、
前記ガウス型の強度分布をトップハット型の強度分布に変換する変換部と、
前記変換部に囲まれた範囲にあって、前記ガウス型の強度分布が最大値となる部分を含む所定の領域について、入力されたレーザ光を出力するときの拡散角度が、前記変換部において隣接する部分に比べて小さい緩和部とを備える
レーザ加工用レンズ。
【請求項１７】
前記所定の領域を入力させる範囲は前記レーザ光を拡散しない
請求項１６に記載のレーザ加工用レンズ。
【請求項１８】
前記所定の領域は、前記レーザ光が出力される前記レーザ加工用レンズの出力側が平面である
請求項１７に記載のレーザ加工用レンズ。
【請求項１９】
前記平面は、前記レーザ加工用レンズの出力側に凹部として形成されている
請求項１８に記載のレーザ加工用レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて溶接対象となる部材を溶接するレーザ溶接装置、レーザ溶接方法、及び、レーザ溶接に利用されるレーザ加工用レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、溶接対象となる２つの部材がレーザ溶接装置によって溶接されるものの１つとして、ケースに蓋が溶接されてなる電池が知られている。こうした電池では、ケース内の電解液などが外部に漏れ出すことのない高い密閉性を維持すべくそのケースと蓋との溶接が高い精度で行われている。こうした、電池のケースと蓋との溶接としてレーザ溶接が知られている。
【０００３】
レーザ溶接は、レーザ光のエネルギーの強度分布（以下単に強度分布と称することもある）、いわゆるプロファイルを調整することによって、レーザ溶接をより好適に行うことが知られている。例えば、強度分布を調整することで、レーザ溶接を好適に行う技術の一例が特許文献１に記載されている。
【０００４】
特許文献１に記載のレーザ溶接装置は、２種のレーザ系からの異なった第１、第２レーザ光を重畳した強度分布を有するレーザ光を出力する。この強度分布を有するレーザ光は、第２レーザ光の被加工物上での有効スポットサイズが第１レーザ光の有効スポットサイズ未満となるように集光される。被加工物は、上記強度分布を有するレーザ光が照射されることで加工される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５４３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、電池のケースと蓋との溶接においては、切れ目なく連続して溶接が行われることが望ましいが、長方形状の蓋における角部分は、直線部分に比較して加工速度の低下が避けられず、レーザ光の照射時間が長くなってしまうおそれがある。例えば、特許文献１に記載の技術を用いたとしても、強度分布を直線部分に合わせて調節すると、加工速度が低下する角部分が過熱されて、溶接精度が低下するおそれがある。
【０００７】
なお、このような課題は、電池の蓋をレーザ溶接する場合に限られるものではなく、レーザ溶接が可能である溶接対象物をレーザで溶接するときにも同様に生じる共通の課題である。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、レーザ溶接中に溶接対象物との間の相対速度が変動するような場合であれ、レーザ溶接の精度を維持することのできるレーザ溶接装置、レーザ溶接方法、及び、レーザ溶接に利用されるレーザ加工用レンズを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するレーザ溶接装置は、溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、前記溶接用レーザ光は、少なくともガウス型の強度分布を有するレーザ光を含んでいる１又は複数のレーザ光から生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する生成部を備え、前記生成部は、前記生成したレーザ光の前記強度分布の最大値を前記相対速度の増加に応じて大きくする。
【００１０】
上記課題を解決するレーザ溶接装置は、溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、前記溶接用レーザ光は、強度分布がガウス型である第１のレーザ光と、強度分布がトップハット型である第２のレーザ光とを合成することにより生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有し、前記第２のレーザ光の照射径よりも、前記第１のレーザ光の照射径を小さく設定して前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを合成することで前記溶接用レーザ光を生成する生成部を備え、前記生成部は、前記相対速度の増加に応じて前記第１のレーザ光の強度分布の最大値を増大させる。
【００１１】
上記課題を解決するレーザ溶接方法は、溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置でレーザ溶接をするレーザ溶接方法であって、前記溶接用レーザ光は、強度分布がガウス型である第１のレーザ光と、強度分布がトップハット型である第２のレーザ光とを合成することにより生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有し、前記溶接用レーザ光を生成する生成部で、前記第２のレーザ光の照射径よりも、前記第１のレーザ光の照射径を小さく設定して前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを合成することで前記溶接用レーザ光を生成する工程と、前記生成部で、前記相対速度の増加に応じて前記第１のレーザ光の強度分布の最大値を増大させる工程とを備える。
【００１２】
このような構成又は方法によれば、溶接用レーザ光の強度分布が、相対速度が変化することに応じて、具体的には、分布中央部の最大値が溶接対象物との相対速度に応じて、例えば溶接速度が速くなることに応じて大きくなる。これにより、レーザ溶接中に溶接用レーザ光と溶接対象物との間の相対速度が変動するような場合であれ、レーザ溶接の精度を維持することができるようになる。例えば、中央部の最大値を加熱によるスパッタの生じない値に設定することで、相対速度が変動したとしても、スパッタが発生しない、かつ、酸化した溶接対象物を溶融させることができる。
【００１３】
好ましい構成として、前記第１のレーザ光は、ファイバーレーザから出力されるレーザ光であり、前記第２のレーザ光は、半導体レーザから出力されるレーザ光である。
このような構成によれば、半導体レーザからは溶接安定性が高いトップハット型のレーザ光が得られ、ファイバーレーザからは溶融状態に対する応答性が高いガウス型のレーザ光が得られる。よって、トップハット型のレーザ光と、ガウス型のレーザ光とをそれぞれ適切な強度にして合成することで速度変化への対応が好適にできる。また、ファイバーレーザは出力強度の調整が比較的容易であり、出力されるガウス型のレーザ光は溶融状態に対して応答性が高いことから、相対速度に応じて適切な溶融状態となるように出力強度を調節することができる。
【００１４】
好ましい構成として、前記相対速度を取得するとともに、前記取得した相対速度が速くなることに応じて前記第１のレーザ光の出力強度を高くする制御装置を備える。
このような構成によれば、相対速度が速くなることに応じて第１のレーザ光の出力強度が高められることでレーザ光の照射時間が短くなる溶接対象物を好適にレーザ溶接することができるようになる。
【００１５】
好ましい構成として、前記相対速度を取得するとともに、前記取得した相対速度が速くなることに応じて前記第１のレーザ光の出力の分散を小さくする制御装置を備える。
このような構成によれば、相対速度が速くなるに応じて第１のレーザ光の出力の分散が小さくなることでレーザ光が集中するようになり、レーザ光の照射時間が短くなる溶接対象物を好適にレーザ溶接することができるようになる。
【００１６】
好ましい構成として、前記制御装置は、前記相対速度を１８０ｍｍ／秒以上、かつ、５１０ｍｍ／秒以下の範囲で可変とする。
このような構成によれば、相対速度の速度差を最大３倍までにすることができる。
【００１７】
好ましい構成として、トップハット型の出力が、ガウス型の出力の１．５倍以上である。
このような構成によれば、ガウス型である第１のレーザ光で溶融のきっかけを作り、トップハット型である第２のレーザ光での溶融のロバスト性がより好適に維持される。
【００１８】
好ましい構成として、前記溶接用レーザ光は、前記溶接対象物に照射されたとき、前記第１のレーザ光の照射径が前記第２のレーザ光の照射径に対して２０％以上５０％以下の径である。
【００１９】
このような構成によれば、最低の速度と最高の速度との差が約３倍になっても、スパッタが発生しない、かつ、酸化した溶接対象物を溶融させることができる。
上記課題を解決するレーザ溶接装置は、溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置であって、前記溶接用レーザ光は、ガウス型の強度分布を有するレーザ光から生成したレーザ光であって、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する生成部を備え、前記生成部は、強度分布がガウス型であるレーザ光を所定の径で入力することで、この入力されたレーザ光をトップハット型のレーザ光に変換して出力するビームシェーパと、前記ガウス型のレーザ光を任意の径で前記ビームシェーパに入力させる調整部とを備え、前記生成部は、前記相対速度の増加に応じて、前記調整部で前記ビームシェーパに入力する前記ガウス型のレーザ光の前記任意の径を前記所定の径以下に縮径する。
【００２０】
上記課題を解決するレーザ溶接方法は、溶接用レーザ光を溶接対象物に照射して前記溶接対象物をレーザ溶接するとともに、前記溶接用レーザ光と前記溶接対象物との間の相対速度が可変とされるレーザ溶接装置でレーザ溶接をする方法であって、レーザ溶接装置が強度分布がガウス型であるレーザ光を所定の径で入力することで、この入力されたレーザ光をトップハット型のレーザ光に変換して出力するビームシェーパを備え、前記溶接用レーザ光を生成する生成部で、前記ガウス型の強度分布を有するレーザ光を、前記相対速度が増加することに応じて、前記所定の径以下に縮径して前記ビームシェーパに入力することで、前記生成したレーザ光の強度が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する前記溶接用レーザ光として生成する。
【００２１】
このような構成又は方法によれば、ビームシェーパへのガウス型のレーザ光の入力径を所定の径以下にすることで、ガウス型のレーザ光の中央部の強度分布が、ビームシェーパによって分散される割合を変更する。具体的には、ガウス型のレーザ光の強度を狭い範囲に集中させることにより、ビームシェーパからも狭い範囲で出力強度が高いレーザ光が出力されるようになる。換言すると、ガウス型のレーザ光の変換にビームシェーパの一部が利用されるので、ビームシェーパから出力されるレーザ光を中央部の強度の高いレーザ光にすることができる。これにより、相対速度が速くて照射時間が短くなる溶接対象物についても高い強度のレーザ光によってレーザ溶接をすることができるようになる。
【００２２】
好ましい構成として、前記調整部は、前記ガウス型のレーザ光が前記ビームシェーパへ入力される径である前記任意の径を、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記ビームシェーパとの間の距離を変化させることにより変更する。
【００２３】
このような構成によれば、ビームシェーパへのガウス型のレーザ光の入力径を所定の径よりも小径とすることが容易に行えるようになる。
好ましい構成として、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記ビームシェーパとの間には、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置から出力されるレーザ光を平行光に変換して前記ビームシェーパに入力させるコリメータレンズが設けられ、前記調整部は、前記任意の径を、前記ガウス型のレーザ光が出射される位置と前記コリメータレンズとの間の距離を変化させることにより変更する。
【００２４】
このような構成によれば、ガウス型のレーザ光が出射される位置とビームシェーパとの位置が固定されていても、コリメータレンズの位置を変更させることによりビームシェーパへのガウス型のレーザ光の入力径を所定の径よりも小径とすることが容易に行えるようになる。
【００２５】
好ましい構成として、前記相対速度を可変とする制御装置を備え、前記制御装置は、前記相対速度を１８０ｍｍ／秒以上、かつ、３４０ｍｍ／秒以下の範囲で可変とする。
このような構成によれば、相対速度の速度差を最大１．８９倍までにすることができる。
【００２６】
好ましい構成として、前記溶接対象物は、電池に備えられるケース及び蓋であって、前記ケース及び前記蓋は、アルミニウム製であり、前記相対速度は、レーザ溶接による加熱によって生じるアルミニウムの飛散物であるスパッタが生じない速度範囲における最低速度、かつ、酸化アルミニウムが溶融する速度範囲における最高速度の間の速度範囲内で設定される。
【００２７】
このような構成によれば、電池に備えられるアルミニウム製のケース及び蓋が溶接されるようになる。
上記課題を解決するレーザ加工用レンズは、ガウス型の強度分布のレーザ光を所定の径で入力することで、前記レーザ光の強度分布を変換するレーザ加工用レンズであって、前記ガウス型の強度分布をトップハット型の強度分布に変換する変換部と、前記変換部に囲まれた範囲にあって、前記ガウス型の強度分布が最大値となる部分を含む所定の領域について、入力されたレーザ光を出力するときの拡散角度が、前記変換部において隣接する部分に比べて小さい緩和部とを備える。
【００２８】
このような構成によれば、強度が最大値となる部分を含む所定の領域に入力されたレーザ光は拡散角度が小さいため、強度が高い状態を維持したまま溶接対象物等に照射される。例えば、レーザを拡散させる部分のレンズ形状は凹レンズであることから、凹レンズである領域に凹レンズの曲率を小さくさせる緩和部を形成することで、緩和部における拡散角度を小さくすることができる。これにより、入力されたガウス型のレーザ光の最大値よりも小さいが、トップハット型のレーザ光の最大値よりは大きいレーザ光の強度を有するレーザ光を出力することができるようになる。
【００２９】
好ましい構成として、前記所定の領域を入力させる範囲は前記レーザ光を拡散しない。
このような構成によれば、ガウス型の強度分布が拡散せずに透過するので、周囲に比較して中央部にガウス型の強度分布が維持されたレーザ光を出力することができる。
【００３０】
好ましい構成として、前記所定の領域は、前記レーザ光が出力される前記レーザ加工用レンズの出力側が平面である。
このような構成によれば、レーザ光を拡散しない部分を設けることが容易である。
【００３１】
好ましい構成として、前記平面は、前記レーザ加工用レンズの出力側に凹部として形成されている。
このような構成によれば、レーザ光を拡散させる部分のレンズ形状は凹レンズであることから、凹レンズである領域にあっては凹部を形成することで、凹部の底面の曲率を凹レンズの曲率よりも小さくすることができる。
【発明の効果】
【００３２】
この発明によれば、レーザ溶接中に溶接対象物との間の相対速度が変動するような場合であれ、レーザ溶接の精度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】レーザ溶接装置を具体化した第１の実施形態について、その概略構成を示す構成図。
【図２】同実施形態のビーム生成装置について、その概略構成を示す構成図。
【図３】同実施形態のトップハット型のレーザ光の強度分布の一例を模式的に示す図。
【図４】同実施形態のガウス型のレーザ光の強度分布の一例を模式的に示す図。
【図５】同実施形態の合成したレーザ光の強度分布の一例を模式的に示す図。
【図６】同実施形態でレーザ溶接される電池のケースと蓋とを模式的に示す模式図。
【図７】同実施形態で電池のケースと蓋とをレーザ溶接するときの状態を時系列で示す図であって、（ａ）は位置と加工速度との関係を示す図、（ｂ）はトップハット型のレーザ光の出力強度を示す図、（ｃ）はガウス型のレーザ光の出力強度を示す図。
【図８】同実施形態のレーザ溶接を含めて、電池のケースと蓋とをレーザ溶接するときの、溶接速度と溶融深さとの関係を示すグラフ。
【図９】同実施形態のレーザ溶接を含めて、電池のケースと蓋とをレーザ溶接するときの、溶接速度とアスペクト比との関係を示すグラフ。
【図１０】レーザ溶接装置を具体化した第２の実施形態について、その概略構成を示す構成図。
【図１１】同実施形態で利用されるレーザ光の強度分布の態様を示す図であり、（ａ）は、ガウス型のレーザ光の強度分布の一例を示す図、（ｂ）は、トップハット型のレーザ光の強度分布の一例を示す図、（ｃ）は、ガウス型をトップハット型に変換するときの中間的な強度分布の一例を示す図。
【図１２】同実施形態のレーザ溶接を含めて、電池のケースと蓋とをレーザ溶接するときの、溶接速度と溶融深さとの関係を示すグラフ。
【図１３】同実施形態のレーザ溶接を含めて、電池のケースと蓋とをレーザ溶接するときの、溶接速度とアスペクト比との関係を示すグラフ。
【図１４】レーザ溶接装置を具体化した第３の実施形態について、その概略構成を示す構成図。
【図１５】同実施形態のビーム生成装置について、その概略構成を示す構成図。
【図１６】同実施形態のビーム生成装置のレーザ加工用レンズについて示す図であって、入力されるレーザ光の強度分布を変換するレーザ加工用レンズの一例を示す図。
【図１７】同実施形態のレンズの一部を拡大して示す拡大図。
【図１８】レーザ加工用レンズを具体化したその他の実施形態について、その概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（第１の実施形態）
図１に従って、レーザ溶接装置、及び、レーザ溶接方法を具体化した第１の実施形態について説明する。
【００３５】
図１に示すように、レーザ溶接装置２０は、第１のレーザ光Ｌ１を出力するガウスビーム発振器２１と、第２のレーザ光Ｌ２を出力するトップハットビーム発振器２２と、第１のレーザ光Ｌ１及び第２のレーザ光Ｌ２を入力して溶接用レーザ光としての照射レーザ光Ｌｔｇを生成するビーム生成装置２３とを備える。また、レーザ溶接装置２０は、ガウスビーム発振器２１の出力を調整する制御装置３０を備える。また、レーザ溶接装置２０は、ビーム生成装置２３で作成した照射レーザ光Ｌｔｇを溶接対象物としての電池ケース１０に照射する。電池ケース１０は、照射レーザ光Ｌｔｇが照射される位置がレーザ溶接される。
【００３６】
電池ケース１０は、ニッケル水素二次電池用の電池ケースであって、極板群（図示略）を挿入するための開口を有するケース１１（図６参照）と、開口を封止するための蓋１２（図６参照）とを備えている。ケース１１及び蓋１２は、アルミニウム又はアルミニウム合金から生成されている、いわゆるアルミニウム製である。すなわち、電池ケース１０は、アルミニウム製のケース１１とアルミニウム製の蓋１２との境界部分及びその周囲の照射位置に照射レーザ光Ｌｔｇが照射されることでケース１１と蓋１２とがレーザ溶接されている。
【００３７】
電池ケース１０は、制御装置３０による位置制御によって照射レーザ光Ｌｔｇの照射位置に対して相対移動する移動テーブル４０に載置されている。移動テーブル４０は、モータ等の駆動で前後方向、及び、左右方向に移動可能に構成されており、制御装置３０から入力される加減速信号等に応じてテーブルを移動させる。よって、電池ケース１０は、ケース１１と蓋１２との間の溶接対象位置に、加減速信号に基づいて移動テーブル４０が相対移動することで生じる相対速度で照射レーザ光Ｌｔｇが照射されることで、ケース１１及び蓋１２がレーザ溶接される。
【００３８】
制御装置３０は、演算部や記憶部を有するコンピュータを含み構成されており、記憶部等に記憶されたプログラムの演算部での演算処理を通じて移動テーブル４０の加減速処理（相対速度の増加減処理）やレーザ光の出力強度の調整処理等の各種処理を行う。例えば、本実施形態では、制御装置３０は、移動テーブル４０の加減速を制御して照射レーザ光Ｌｔｇと電池ケース１０との間の相対速度が１８０ｍｍ／秒以上、かつ、５１０ｍｍ／秒以下の範囲で可変とする。また、制御装置３０は、出力制御信号を出力してガウスビーム発振器２１の出力強度を制御する。具体的には、制御装置３０は、相対速度が速くなることに応じてガウスビーム発振器２１の出力する第１のレーザ光Ｌ１の出力強度を上げるようにする。よって、相対速度の増加に応じて第１のレーザ光の強度分布における最大値が増大される。
【００３９】
ガウスビーム発振器２１は、第１のレーザ光Ｌ１をガウス型の強度分布を有するレーザ光として出力する。一方、トップハットビーム発振器２２は、第２のレーザ光Ｌ２をトップハット型の強度分布を有するレーザ光として出力する。
【００４０】
まず、図３及び図４を参照してトップハット型の強度分布、及び、ガウス型の強度分布について説明する。
一般に、レーザ光のエネルギー強度Ｐの分布である強度分布（プロファイル）の種類として、トップハット型とガウス型とがよく知られている。トップハット型は、例えば図３の強度分布Ｄ２に示すように、強度分布が矩形分布型であるものであり、ガウス型は、例えば図４の強度分布Ｄ１に示すように、強度分布が正規分布型であるものである。
【００４１】
詳述すると、バックグラウンドレベルよりも有意に大きいレーザ光の強度を有する照射領域の径を照射径Φ１とする。例えば、有意に大きいレーザ光の強度とは、レーザ光の最大強度の１％以上の出力が照射される領域である。また、レーザ光の最大強度を最大値Ｍとするとき、照射強度の値が０．９Ｍとなる部分の径を０．９Ｍ部分強度照射径ΦＱとする。つまり、０．９Ｍ部分強度照射径ΦＱは、レーザ光の最大値Ｍの１０％以上の強度が照射される領域の径である。この場合、トップハット型及びガウス型は、照射径Φ１と０．９Ｍ部分強度照射径ΦＱとの比で定義することができる。すなわち、本実施形態では、トップハット型の強度分布を下記の式（１）の関係式を満たす強度分布とする。
【００４２】
ΦＱ／Φ１≧０．９・・・（１）
また、ガウス型の強度分布を下記の式（２）の関係式を満たす強度分布とする。
ΦＱ／Φ１＜０．８・・・（２）
図１に示すガウスビーム発振器２１は、ファイバーレーザ共振器、いわゆるファイバーレーザを用いてガウス型の強度分布Ｄ１を有する第１のレーザ光Ｌ１を出力する。ファイバーレーザ共振器は、発振器から入力されたレーザ光を増幅させる共振媒質としての光ファイバーを備えている。ファイバーレーザ共振器は、第１のレーザ光Ｌ１として、レーザ溶接に利用可能な波長のレーザ光を出力する。よって、ガウスビーム発振器２１は、発振器からのレーザ光をファイバーレーザ共振器の光ファイバーの一端に入力し、この入力したレーザ光を当該光ファイバーを通じて増幅し、該光ファイバーの他端から第１のレーザ光Ｌ１として出力する。なお、アルミニウムは波長１０７０ｎｍ以下のレーザ光に高い吸収特性を示すことから、この範囲の波長のレーザ光によれば加熱が容易である。
【００４３】
詳述すると、光ファイバーは、いわゆるプロセスファイバーやダブルコアファイバーである。光ファイバーは、中心部に配置されるファイバー形状の第１コア部と、ファイバー形状の第１コア部を円筒状に覆う第２コア部とを備える。さらに、光ファイバーは、第１コア部と第２コア部との間の第１クラッド部と、第２コア部の外周面の第２クラッド部と、第２クラッド部の外周面を被覆する樹脂などの外装とを備えている。光ファイバーは、励起光や信号光を第１コア部や第２コア部に入力し、この励起光の入力された第１コア部を励起させることによって発振されるレーザ光を信号光に応じて第１コア部から出力させる。
【００４４】
また、ファイバーレーザ共振器は、レーザ光の出力強度を変更することが容易である。一方、ファイバーレーザ共振器から出力されるガウス型の強度分布のレーザ光は、出力変更すると照射位置に与えるエネルギー強度Ｐが大きく変動するため溶接状態が変化しやすい。
【００４５】
図１に示すトップハットビーム発振器２２は、いわゆる半導体レーザであって、レーザダイオードを発振させてトップハット型の強度分布Ｄ２を有する第２のレーザ光Ｌ２を出力する。また、トップハットビーム発振器２２は、第２のレーザ光Ｌ２として、レーザ溶接に利用可能な波長のレーザ光を出力する。本実施形態では、ガウスビーム発振器２１の出力に対して、トップハットビーム発振器２２の出力を１．５倍以上とし、強度分布が平均化されても必要強度が維持されるようにしている。半導体レーザからは、トップハット型の強度分布を有するレーザ光を出力させることは容易であるため、トップハットビーム発振器２２としての構成が簡単になりコストも抑えられる。
【００４６】
半導体レーザは、レーザ光の出力強度を変更することが、ファイバーレーザ共振器に比較して容易ではない。また、出力変更したとしても照射位置に与えるエネルギー強度Ｐの変化量が小さく、いわゆる安定的であるため溶接状態が変化しづらい。
【００４７】
図２に示すように、ビーム生成装置２３は、第１のレーザ光Ｌ１を第３のレーザ光Ｌ３に変換する第１のコリメートレンズ１８１と、第２のレーザ光Ｌ２を第４のレーザ光Ｌ４に変換する第２のコリメートレンズ１８０とを備える。また、ビーム生成装置２３は、第３のレーザ光Ｌ３の進行方向を変更する全反射ミラー２００と、入力した第３のレーザ光Ｌ３及び第４のレーザ光Ｌ４を合成して強度分布Ｄ６を有する合成レーザ光Ｌ６を出力する合成器２１０とを備える。またビーム生成装置２３は、入力した合成レーザ光Ｌ６を集光することでレーザ溶接に適した照射レーザ光Ｌｔｇとして出力する集光レンズ２５０を備えている。つまり、ビーム生成装置２３は、集光レンズ２５０から出力した強度分布Ｄ６を有する照射レーザ光Ｌｔｇを溶接対象物に照射して、溶接対象物をレーザ溶接する。
【００４８】
全反射ミラー２００は、入力されたレーザ光を少ないロスで反射させるものである。全反射ミラー２００は、第３のレーザ光Ｌ３の進行方向を変更させるためのものであり、入力した第３のレーザ光Ｌ３の進行方向を合成器２１０の方向へ変更させる。
【００４９】
合成器２１０は、いわゆるダイクロックミラーであって、入射する第３のレーザ光Ｌ３と第４のレーザ光Ｌ４とを合成して合成レーザ光Ｌ６を生成する。合成器２１０は、第４のレーザ光Ｌ４を透過させる一方、第３のレーザ光Ｌ３を反射させる反射部２１１を備える。合成器２１０は、反射部２１１を透過した第４のレーザ光Ｌ４の光軸と、反射部２１１に反射された第３のレーザ光Ｌ３の光軸とを同一軸線上に一致させることによって、第４のレーザ光Ｌ４と第３のレーザ光Ｌ３との合成された合成レーザ光Ｌ６を生成する。
【００５０】
図５に示すように、合成レーザ光Ｌ６は、第１のレーザ光Ｌ１の強度分布Ｄ１と、第２のレーザ光Ｌ２の強度分布Ｄ２とを合成させて、具体的には組み合わせて得られる強度分布Ｄ６を有する。つまり合成された強度分布Ｄ６は、第２のレーザ光Ｌ２のトップハット型（強度分布Ｄ２）と、このトップハット型よりも分布範囲の絞り込まれた第１のレーザ光Ｌ１のガウス型（強度分布Ｄ１）とを組み合わせることによって合成されたものとなる。従って強度分布Ｄ６は、トップハット型（強度分布Ｄ２）を土台として、その分布範囲の中心にガウス型の強度分布Ｄ１が加算される態様で合成される。換言すると、強度分布Ｄ６から強度分布Ｄ２を取り出せばトップハット型の分布をしており、強度分布Ｄ２を取り出して残る強度分布Ｄ１はガウス型の分布をしているものとなる。なお、図６は、図４のエネルギー強度のスケールの大きさが、図３のエネルギー強度のスケールの大きさの半分であるとした場合について示している。
【００５１】
なお、合成器２１０は、レーザ光の入力位置に応じて透過や反射するレーザ光の軸線の位置が変わるため、第３のレーザ光Ｌ３や第４のレーザ光Ｌ４の入力位置を調整することによって、第３のレーザ光Ｌ３の強度分布Ｄ１と、第４のレーザ光Ｌ４の強度分布Ｄ２との合成態様を変更することも可能である。つまり、ガウス型が加算される位置をトップハット型の分布範囲の中心部以外の位置に変更させた態様の強度分布を生成することもできる。
【００５２】
集光レンズ２５０は、入力されたレーザ光を所定の位置に集光させるように出力するレンズであって、入力される合成レーザ光Ｌ６を集光させた照射レーザ光Ｌｔｇを出力する。集光レンズ２５０は、合成レーザ光Ｌ６の強度分布Ｄ６を保ったまま狭い範囲に集めることによって照射レーザ光Ｌｔｇの照射範囲におけるエネルギー強度Ｐを高くする。これにより、照射レーザ光Ｌｔｇは、溶接対象部分に高いエネルギー強度Ｐで照射されるようになり、溶接対象部分の温度上昇及び溶融が好適に行われる。例えば、溶接対象である複数の金属部材を溶融させてそれら金属部材を溶接することができる。
【００５３】
本実施形態のレーザ溶接装置は、トップハット型とガウス型との各強度分布Ｄ２，Ｄ１の組み合わされた強度分布Ｄ６を有する合成レーザ光Ｌ６がその分布を保ったまま集光されてなる照射レーザ光Ｌｔｇが溶接対象物の溶接対象部分に照射される。
【００５４】
続いて、レーザ光の強度分布とレーザ溶接の態様とについて説明する。
図３に示すように、トップハット型は、光軸Ｃを中心に所定の半径６１となるレーザ光が照射される範囲にレーザ光のエネルギーＰ１２を略均等に、いわゆる台形状６２に付与する。これによりレーザ光が照射される範囲に分布する熱量も平均化されるため、照射範囲全体が均等に加熱・溶融される。そして、溶接対象物は、この均等な溶融に応じた溶融状態によって安定的に溶接加工されるようになる。また、強度分布中にエネルギーの強度Ｐの高い部分が無いため、特定個所への過剰なエネルギー付与が抑制されて過熱や部品貫通などの過剰な溶融加工を生じさせるおそれが低減されるようになる。このように、トップハット型は安定的な溶接加工を可能とし、溶接に関して安定した、いわゆるロバスト性の高い制御を行うことが容易である。一方、強度分布Ｄ２が平均化されているため、つまりレーザ光のエネルギーが照射範囲に均等に分散されるために部材の加熱・溶融に時間を要するため、加工速度が低く抑えられたり、部材の溶け込み深さが浅く抑えられたりするという特性も有する。
【００５５】
図４に示すように、ガウス型は、光軸Ｃを中心に所定の半径６３となるレーザ光が照射される範囲のうち中央部の狭い範囲にレーザ光のエネルギーＰ１１が集中されたエネルギー強度Ｐの高い部分６４を有し、その狭い範囲において部材を加熱・溶融させる。よって、ガウス型のレーザ光は、それが集中的に照射される狭い範囲を溶融させ、その溶融を維持させる溶融状態によって溶接対象物を溶接する。溶融状態を維持することで迅速な溶接加工を可能にする。例えば、ガウス型のレーザ光は、エネルギー強度Ｐの高い部分６４に気化した材料による凹み、いわゆるキーホールを発現させて溶融した部材の対流などを生じさせて深くまでの溶融加工を行うことのできる溶融状態とさせることが可能である。併せて、融点温度の高い酸化した金属（例えば酸化アルミニウム等）を、材料とともに溶融させることもできるようになる。よって、エネルギー強度Ｐの高い部分６４によって短時間での確実な加熱・溶融が可能であるために溶接を行いやすかったり、溶け込み深さの深い溶接加工を可能にする。一方、エネルギーの強度Ｐの高い部分６４を有することや、未照射部分との間でのエネルギー量の差が大きくなることなどから、短時間で溶接状態が変わる等加工に対する感度が高くなる。また、ロバスト性が低下したり、照射時間が少しでも長くなると過熱や貫通のおそれが生じたり、レーザ光を照射する位置を高い精度で制御しなければならない等、精度の高い制御が求められるという特性も有する。
【００５６】
図５に示すように、本実施形態では、照射レーザ光Ｌｔｇの強度分布Ｄ６をトップハット型の強度分布Ｄ２とガウス型の強度分布Ｄ１とを組み合わせた分布とした。また、ガウス型のレーザ光の照射範囲は、トップハット型のレーザ光の照射範囲よりも狭くしている。例えば、合成レーザ光Ｌ６の強度分布Ｄ６は、ガウス型のレーザ光の照射径がトップハット型のレーザ光の照射径に対して２０％以上５０％以下の径であることから、トップハット型の強度分布Ｄ２の中央部分にガウス型の強度分布Ｄ１が加算された形状のレーザ分布となる。このように強度分布Ｄ６と同形状の強度分布を有する照射レーザ光Ｌｔｇは、トップハット型の対応する照射範囲には平均的にエネルギーが付与されることから安定的な溶接加工が可能となり、その制御も容易である。また、ガウス型の対応する照射範囲の中心部は高いエネルギーによる確実な溶接加工が期待される。なお、ガウス型のレーザ光の照射径がトップハット型のレーザ光の照射径に対して２５％以上５０％以下の径であるとよりよい。
【００５７】
照射レーザ光Ｌｔｇによる作用効果を説明する。
照射レーザ光Ｌｔｇは、トップハット型の強度分布Ｄ２によって照射範囲全体を均等に加熱・溶融させ、その中心部に照射されるガウス型の強度分布Ｄ１によって中心部の加熱・溶融を補助させる。このため、ガウス型の強度分布Ｄ１だけのレーザ光による溶接に比べて、ガウス型のエネルギー強度Ｐの高い部分６４の強度低下が可能となり、この強度低下によって溶接加工の安定性が向上する。一方、照射レーザ光Ｌｔｇは、ガウス型の強度分布Ｄ１によって中心部の迅速な温度上昇・溶融を行わせることができることに併せ、中心部の温度上昇や溶融がトップハット型の強度分布Ｄ２の部分にも迅速に伝えられるようになりトップハット型の強度分布Ｄ２による溶接加工の迅速性も向上する。つまり、トップハット型とガウス型が合成された照射レーザ光Ｌｔｇによれば、トップハット型の安定性と、ガウス型の迅速性とを兼ね備えた溶接加工を行うことができるようになる。また、合成させるトップハット型とガウス型との比率を可変とすることで、溶接対象物に好適な強度分布（プロファイル）を作成することができるようになる。
【００５８】
またレーザ光の強度分布は、一般にレーザ発振器の発振するレーザ光に制約されるなどレーザ発振器による制約などが大きく、その強度分布の状態を容易に調節することはできない。しかし本実施形態によれば、上述したように、ガウスビーム発振器２１のレーザ光Ｌ１とトップハットビーム発振器２２のレーザ光Ｌ２とに基づく２つのレーザ光Ｌ３，Ｌ４を合成することで、合成レーザ光Ｌ６の強度分布Ｄ６を簡易に調整することができる。つまり本実施形態のレーザ溶接装置によれば、溶接対象物に照射するレーザ光の強度分布をより適切に設定することができる。
【００５９】
図６及び図７を参照して、本実施形態の作用について説明する。
図６は、溶接対象である電池ケース１０を電池としての上側から見た図である。電池ケース１０は、ケース１１に蓋１２が溶接されている。蓋１２には、正極側電極１３と負極側電極１４とが設けられている。電池ケース１０は、ケース１１の開口に載置された蓋１２がケース１１とレーザ溶接によって接合される。このとき、ケース１１に蓋１２をどの溶接部分も均一な溶接状態になるように溶接する必要があるが、溶接経路上のポイントＰ１〜Ｐ１０には、直線部分及び角部が混在しており、例えば、移動テーブル４０の制約などにより直線部分と角部とを同じ速度でレーザ溶接することができない。ＮＣ加工機等の装置は、直線部分と角部とで加工速度に差が生じることが避けられない。特に、高速溶接（一般的には１０ｍ／分以上での溶接）では、角部で大きく減速することになる傾向にある。
【００６０】
詳しくは、図７（ａ）に示すように、溶接経路上においてポイントＰ１〜Ｐ１０毎に電池ケース１０の溶接位置と照射レーザ光Ｌｔｇとの相対速度が変化する。これは、照射位置の精度を維持しつつ、電池ケース１０の移動方向を変更することに伴って生じる速度変化である。具体的に説明すると、溶接開始位置及び溶接終了位置をポイントＰ２とする。つまり、レーザ溶接は、第１の長辺の端にある角部（ポイントＰ２）から溶接が開始される。次に、レーザ溶接は、角部である２つのポイントＰ２，Ｐ３の間の第１の短辺、続いて、ポイントＰ４，Ｐ５，Ｐ６を含む第２の長辺、続いて、角部である２つのポイントＰ７，Ｐ８の間の第２の短辺、続いて、ポイントＰ９，Ｐ１０，Ｐ１を含む第１の長辺、最後に、角部であるポイントＰ２の順に行われる。まず、溶接開始に伴ってポイントＰ２から相対速度が増加するが、角部であるポイントＰ２，Ｐ３は低速である必要があるのでポイントＰ３までは相対速度が低速に維持される。つまり、ポイントＰ２、第１の短辺及びポイントＰ３までは低速で溶接し、ポイントＰ３を過ぎてから加速してポイントＰ４，Ｐ５，Ｐ６は高速で溶接する。角部であるポイントＰ７及びＰ８は低速である必要があるので、ポイントＰ７の手前で減速されて、第２の短辺を通りポイントＰ８までは低速で溶接する。ポイントＰ８を過ぎてから加速してポイントＰ９，Ｐ１０，Ｐ１は高速で溶接し、ポイントＰ２の手前で減速されて溶接終了位置であるポイントＰ２で停止する。また、加工強度や安定性の観点から、開始した溶接は途中で停止することなく最後まで続けることが望ましい。
【００６１】
このとき、照射レーザ光Ｌｔｇが一定強度に維持されていると、相対速度の変化に応じて溶接位置に付与されるエネルギーに相違が生じる。例えば、相対速度が低速になれば相対的にエネルギー強度Ｐが高くなって、スパッタが生じる加熱や貫通等が生じやすくなるが、逆に、高速になれば相対的にエネルギー強度Ｐが低くなって溶け込み不足や溶接できていないおそれが生じる。そこで本実施形態では、照射レーザ光Ｌｔｇの強度分布Ｄ６を相対速度に応じて変化させるようにした。
【００６２】
図７（ｂ）に示すように、トップハットビーム発振器２２から出力する第２のレーザ光Ｌ２の強度は、発振開始及び発振停止のタイミングを除いて一定強度とする。これにより、レーザ溶接中に溶接対象位置には安定的に溶接用のエネルギーが供給される。つまり、第２のレーザ光Ｌ２の強度は、相対速度にかかわらず一定であるが溶接に対する安定性が高いため、スパッタが生じる加熱や貫通等は生じない。一方、安定性が高いため、迅速に溶融させることが難しいため相対速度が速いときは加熱が不十分になって溶接できないおそれがある。
【００６３】
これに対して、図７（ｃ）に示すように、ガウスビーム発振器２１から出力する第１のレーザ光Ｌ１の強度は、相対速度に応じて変化する。つまり、相対速度が増加すれば強度が高くなり、相対速度が減少すれば強度が低くなるようにしている。制御装置３０は、移動テーブル４０の照射レーザ光Ｌｔｇに対する相対速度を取得し、取得した相対速度に応じてガウスビーム発振器２１に出力強度を制御する出力制御信号を出力する。そして、ガウスビーム発振器２１は、入力した出力制御信号に応じて第１のレーザ光Ｌ１の出力強度を調整する。制御装置３０は、相対速度を加減速信号、又はモータの回転数などから取得する。なお、相対速度が第１のレーザ光Ｌ１を不要とする程度に低速である場合、例えば図７（ａ）において、２つのポイントＰ２，Ｐ３の間や２つのポイントＰ７，Ｐ８の間において該程度に低速である場合、第１のレーザ光Ｌ１の強度は「０」であってもよい。
【００６４】
図８及び図９を参照して本実施形態の効果について説明する。なお、図８及び図９は、ガウス型の強度分布と、トップハット型の強度分布と、これらが組み合わされた強度分布との各レーザ光の溶接における特徴を比較するため、後述する条件を一例として比較したものである。よって、上述した組み合わされた強度分布の変化の態様が、ここで複数の強度分布の例として示されているわけではない。例えばここでは、トップハットビーム発振器２２からの第２のレーザ光Ｌ２の出力強度も可変とされている。なお、このような対比を第２のレーザ光Ｌ２の出力強度を一定として、第１のレーザ光Ｌ１の出力強度を変化させるようにして行われてもよい。
【００６５】
図８は、照射レーザ光Ｌｔｇの各強度分布について、材料の貫通もなく、スパッタの発生しない条件でレーザ溶接をすることができる相対速度（溶接速度）と溶融深さとの関係を示している。各グラフＧ１０〜Ｇ１５について、それぞれ第１のレーザ光Ｌ１の出力強度、及び第２のレーザ光Ｌ２の出力強度について、第１のレーザ光Ｌ１の出力強度＋第２のレーザ光Ｌ２の出力強度と表記して説明する。第１グラフＧ１０は、１５００Ｗ＋１５００Ｗ、第２グラフＧ１１は、３０００Ｗ＋０Ｗ、第３グラフＧ１２は、１２００Ｗ＋１８００Ｗ、第４グラフＧ１３は、１０００Ｗ＋２０００Ｗ、第５グラフＧ１４は、８００Ｗ＋２２００Ｗ、第６グラフＧ１５は、０Ｗ＋３０００Ｗである。なお、第１のレーザ光Ｌ１の集光径は０．１ｍｍ、第２のレーザ光Ｌ２の集光径は０．４５ｍｍである。よって、第１のレーザ光Ｌ１の照射径が第２のレーザ光Ｌ２の照射径に対して２０％以上５０％以下の範囲にある約２２％である。また、第１のレーザ光Ｌ１は、溶融発生のトリガとなるが、スパッタ低減のためにはできるだけ低出力であることが好ましい。
【００６６】
電池ケース１０の溶接には、溶接深さとして０．５ｍｍよりも深く、１．０ｍｍよりも浅い深さが求められている。この深さは、電池ケース１０のケース１１及び蓋１２の材料の厚さに基づいて定まる。このとき、第１グラフＧ１０は、深すぎであり、第２グラフＧ１１及び第６グラフＧ１５は、適切な溶融深さになる溶接速度の範囲が狭いため安定的に溶接することが容易でない。これに対して、第３〜第５グラフＧ１２〜Ｇ１４は、適切な溶融深さになる溶接速度（相対速度）の範囲が広いため安定的に溶接することが容易になる。例えば、適切な溶融深さになる溶接速度になる範囲が、第３グラフＧ１２は、２８０ｍｍ／秒〜４５０ｍｍ／秒、第４グラフＧ１３は、２５０ｍｍ／秒〜４００ｍｍ／秒、第５グラフＧ１４は、２１０ｍｍ／秒〜４００ｍｍ／秒である。つまり、第２グラフＧ１１の２５０ｍｍ／秒〜３６０ｍｍ／秒、第６グラフＧ１５の１８０ｍｍ／秒〜２５０ｍｍ／秒に比べて広くなる。
【００６７】
図９は、照射レーザ光Ｌｔｇの各強度分布について、材料の貫通もなく、スパッタの発生しない条件でレーザ溶接をすることができる相対速度（溶接速度）とアスペクト比との関係を示している。ここでアスペクト比は、ビードの幅に対する溶け込み深さの割合を示す。アスペクト比が高いと、溶け込み深さが深く、アスペクト比が低いと、溶接の安定性が低いことを示す。アスペクト比が０．８〜０．６の範囲は、スパッタの発生が少なく、アルミニウムの酸化膜による溶融不良も起こりにくい溶融状態であって溶接に適している遷移領域である。アスペクト比が０．８を越えると、溶融現象がキーホール現象に傾き、スパッタの発生するおそれが顕著に増大する。
【００６８】
ここでも、第１グラフＧ１０は、アスペクト比が高すぎる。第２グラフＧ１１及び第６グラフＧ１５は、適切なアスペクト比になる溶接速度の範囲が狭いため安定的に溶接することが容易でない。これに対して、第３〜第５グラフＧ１２〜Ｇ１４は、適切なアスペクト比になる溶接速度（相対速度）の範囲が広いため安定的に溶接することが容易になる。例えば、適切な溶融深さになる溶接速度になる範囲が、第３グラフＧ１２は、３００ｍｍ／秒〜４５０ｍｍ／秒、第４グラフＧ１３は、２４０ｍｍ／秒〜４００ｍｍ／秒、第５グラフＧ１４は、２１０ｍｍ／秒〜４００ｍｍ／秒である。つまり、第２グラフＧ１１の２７０ｍｍ／秒〜５００ｍｍ／秒、第６グラフＧ１５の１８０ｍｍ／秒〜２５０ｍｍ／秒に比べて広くなる。
【００６９】
よって、レーザ溶接に、第３グラフＧ１２、第４グラフＧ１３及び第５グラフＧ１４に対応する強度分布を適用すれば溶接に適した速度範囲が広く確保される。一方、第２グラフＧ１１に示すガウス型の強度分布Ｄ１では、例えば、２倍以上の速度を同一条件で溶接することはできない。
【００７０】
また、ビーム生成装置２３は、照射レーザ光Ｌｔｇの強度分布Ｄ６において、ガウス型の強度分布Ｄ１のレーザ光Ｌ１の出力強度を変更することができる。よって、制御装置３０は、相対速度に応じてガウス型の強度分布Ｄ１のレーザ光Ｌ１の出力強度を適切に変更するようにガウスビーム発振器２１の出力強度を制御することで、適切にレーザ溶接をすることができる相対速度の範囲を広範囲にすることができる。例えば、レーザ溶接装置２０は、相対速度を１８０ｍｍ／秒以上、かつ、５１０ｍｍ／秒以下の範囲とすることができる。
【００７１】
例えば、直線部を相対速度５００ｍｍ／秒、出力５００Ｗ＋２３００Ｗで溶接して、減速に応じて第１のレーザ光Ｌ１の出力を減少させ、１８０ｍｍ／秒以下で第１のレーザ光Ｌ１の出力を０Ｗにするように設定すれば、速度変化が激しくても、好適な溶接が行えるようになる。すなわち、直線部は速く溶接し、速度が低下する角部も良好に溶接することができるようになる。
【００７２】
また、移動テーブル４０の移動速度にしても、速度範囲が１８０ｍｍ／秒〜５１０ｍｍ／秒の範囲にあれば、制御装置３０による制御性や移動テーブル４０の移動速度として特段の困難性はないことから、移動テーブル４０の加減速制御としてもこれを行いやすい。
【００７３】
以上説明したように、本実施形態のレーザ溶接装置、及び、レーザ溶接方法によれば、以下に列記するような効果が得られるようになる。
（１）照射レーザ光Ｌｔｇの強度分布が、相対速度が変化することに応じて、具体的には、分布中央部の最大値が電池ケース１０との相対速度に応じて、例えば溶接速度が速くなることに応じて大きくなる。これにより、レーザ溶接中に照射レーザ光Ｌｔｇと電池ケース１０との間の相対速度が変動するような場合であれ、レーザ溶接の精度を維持することができるようになる。例えば、中央部の最大値を加熱によるスパッタの生じない値に設定することで、相対速度が変動したとしても、スパッタが発生しない、かつ、アルミニウムの酸化物を溶融させることができる。
【００７４】
（２）第１のレーザ光Ｌ１の照射径（半径６３）よりも第２のレーザ光Ｌ２の照射径（半径６１）が大きく設定されることでレーザ光の強度が中央部で最大値となる分布となる。
【００７５】
（３）半導体レーザからは溶接安定性が高いトップハット型の第２のレーザ光Ｌ２が得られ、ファイバーレーザからは溶融状態に対する応答性が高いガウス型の第１のレーザ光Ｌ１が得られる。よって、トップハット型のレーザ光と、ガウス型のレーザ光とをそれぞれ適切な強度にして合成することで速度変化への対応が好適にできる。また、ファイバーレーザは出力強度の調整が比較的容易であり、出力されるガウス型のレーザ光は溶融状態に対して応答性が高いことから、相対速度に応じて適切な溶融状態となるように出力強度を調節することができる。
【００７６】
（４）相対速度が速くなることに応じて第１のレーザ光Ｌ１の出力強度が高められることでレーザ光の照射時間が短くなる電池ケース１０を好適にレーザ溶接することができる。
【００７７】
（５）レーザ溶接における相対速度の速度差を最大３倍までにすることができる。
（６）ガウス型である第１のレーザ光Ｌ１で溶融のきっかけを作り、トップハット型である第２のレーザ光Ｌ２での溶融のロバスト性がより好適に維持される。
【００７８】
（７）第１のレーザ光Ｌ１の照射径が第２のレーザ光Ｌ２の照射径に対して２０％以上５０％以下の径であることによっても、最低の速度と最高の速度との差が約３倍になっても、スパッタが発生しない、かつ、酸化した電池ケース１０を溶融させることができる。
【００７９】
（８）電池に備えられるアルミニウム製のケース１１及び蓋１２が溶接されるようになる。
（第２の実施形態）
図１０〜図１３に従って、レーザ溶接装置、及び、レーザ溶接方法を具体化した第２の実施形態について説明する。
【００８０】
本実施形態は、レーザ溶接装置２０Ａの構成が、第１の実施形態のレーザ溶接装置２０と相違する。その他の構成については、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明の便宜上、その詳細な説明を割愛する。なお、本実施形態におけるトップハット型の強度分布及びガウス型の強度分布は、第１の実施形態に記載した式（１）及び式（２）によって定義される分布であってもよいし、式（１）及び式（２）に定義される分布の傾向を有していればこれらの定義と多少相違した分布であってもよい。
【００８１】
レーザ溶接は、ガウス型の強度分布のレーザ光による溶接と、トップハット型の強度分布のレーザ光による溶接とが知られている。この２つのレーザ光を比較してみると、ガウス型の強度分布のレーザ光は、高速溶接性に優れているという特徴を有するが、狙い位置や隙間の大きさにより溶接品質が大きく変化しやすかったり、スパッタを発生させやすい等使いこなしが容易ではないという課題を有する。これに対して、トップハット型の強度分布のレーザ光は、溶接の品質が安定していたり、スパッタの発生が少ないといった特徴を有するが、溶接速度が速くなると十分な溶融深さが得られないといった課題を有する。
【００８２】
そこで、図１０に示すように、本実施形態のレーザ溶接装置２０Ａは、ガウス型の強度分布のレーザ光Ｌ１０を、狙い位置や間隔の大きさに対する感度を低くするために強度分布を分散して広げる。つまりレーザ溶接装置２０Ａは、レーザ光Ｌ１０を、スパッタの発生を低減させるために最大値を低下させた生成レーザ光Ｌ７とする。
【００８３】
図１１を参照して説明すると、ガウスビーム発振器２１は、図１１（ａ）に示すガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０を出力する。ビーム生成装置２３Ａは、レーザ光Ｌ１０を入力して、入力したレーザ光Ｌ１０の強度分布Ｄ１０を変更して、例えば、図１１（ｂ）に示すトップハット型の強度分布Ｄ１１のレーザ光Ｌ７を出力する。従来、ガウスビーム発振器２１が出力する一意に特定されているレーザ光Ｌ１０の強度分布Ｄ１０を、予め定めた特定の強度分布、ここではトップハット型の強度分布Ｄ１１に変換することは可能である。これに対して、本実施形態のビーム生成装置２３Ａは、ガウスビーム発振器２１が出力するレーザ光Ｌ１０の強度分布Ｄ１０を、トップハット型の強度分布Ｄ１１に変換するだけではなく、例えば、図１１（ｃ）に示すようにレーザ光の強度分布Ｄ１０とトップハット型の強度分布Ｄ１１との間の中間的である強度分布Ｄ１２に変換することが可能である。そして、ビーム生成装置２３Ａは、トップハット型の強度分布Ｄ１１、又は、中間的である強度分布Ｄ１２に変換した後の生成レーザ光Ｌ７を溶接用レーザ光としての照射レーザ光Ｌ８として溶接対象物である電池ケース１０に対して照射する。
【００８４】
中間的である強度分布Ｄ１２とは、例えば、下記の条件の１又は複数を満たす強度分布である。条件としては、例えば、強度の最大値が、ガウス型の強度分布Ｄ１０の最大値よりも小さく、かつ、トップハット型の強度分布Ｄ１１の最大値よりも大きい。また、条件としては、例えば、平均値に対する散らばりが、ガウス型の強度分布Ｄ１０の散らばりよりも小さく、かつ、トップハット型の強度分布Ｄ１１の散らばりよりも大きい。
【００８５】
図１０に示すように、レーザ溶接装置２０Ａは、ガウスビーム発振器２１と、生成部としてのビーム生成装置２３Ａと、制御装置３０Ａとを備える。ビーム生成装置２３Ａは、ガウスビーム発振器２１からガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０を入力するとともに、強度分布を変換して生成した生成レーザ光Ｌ７に基づく照射レーザ光Ｌ８を出力する。
【００８６】
ビーム生成装置２３Ａは、強度分布が周辺部に囲まれた中央部で最大値となる分布を有する溶接用レーザ光である生成レーザ光Ｌ７を生成する強度分布変換器５０を備えている。
【００８７】
強度分布変換器５０は、変換前のレーザ光Ｌ１０を入力させる入力部５１と、レーザ光Ｌ１０を出射する出射部５６と、拡散する入射光を平行光に変更するコリメータレンズ５７と、コリメータレンズ５７を出射部５６の出射方向に対して相対移動させる調整部としての駆動支持体５２とを備える。また、強度分布変換器５０は、入射したガウス型の強度分布Ｄ１０をトップハット型の強度分布Ｄ１１に変換するトップハットビームシェーパ５３を備える。
【００８８】
入力部５１は、ガウスビーム発振器２１からの光ファイバーが接続される部分である。
出射部５６は、入力されたレーザ光Ｌ１０を所定の拡散角度で出射する。
コリメータレンズ５７は、入射された拡散角度を有する拡散レーザ光Ｌ１１を任意の直径ＤＬの平行光Ｌ１２に変換する。
【００８９】
駆動支持体５２は、ガウス型の強度分布Ｄ１０である平行光Ｌ１２を任意の直径ＤＬでトップハットビームシェーパ５３に入力させるものである。駆動支持体５２は、出射部５６からトップハットビームシェーパ５３との間でコリメータレンズ５７の出射部５６までの距離を変化させる方向に平行移動させる案内機構を備える。駆動支持体５２は、制御装置３０Ａからの位置指令に応じたモータの駆動により移動する案内機構によってコリメータレンズ５７を平行移動させ、出射部５６までの距離ｄが変更される。
【００９０】
トップハットビームシェーパ５３は、所定の入力径を有する平行光Ｌ１２として入射したガウス型のレーザ光Ｌ１０を、トップハット型の生成レーザ光Ｌ７に変換する。すなわち、トップハットビームシェーパ５３は、平行光Ｌ１２の直径ＤＬが、入力径と同じ大きさに設定された平行光Ｌ１２が入力されることに応じて、この入力された平行光Ｌ１２をトップハット型の生成レーザ光Ｌ７に変換して出力する。一方、本実施形態のトップハットビームシェーパ５３は、平行光Ｌ１２の直径ＤＬが、入力径として設定された径よりも縮径された径である平行光Ｌ１２が入力されると、この入力された平行光Ｌ１２を中間的な強度分布Ｄ１２であるレーザ光Ｌ７に変換して出力する。
【００９１】
また、トップハットビームシェーパ５３は、出力する生成レーザ光Ｌ７の強度分布の中央部分が、入力される平行光Ｌ１２の直径ＤＬの大きさに反比例してエネルギー密度が高くなるように変化する。具体的には、トップハットビームシェーパ５３は、入力径に対して直径ＤＬが縮径された割合に応じて中間的な強度分布Ｄ１２における、強度の最大値や、平均値に対する散らばりが変化する。例えば、縮径された割合が大きくなると、強度の最大値は小さくなり、平均値に対する散らばりは大きくなる。よって、コリメータレンズ５７と出射部５６との距離ｄが短くなることに応じてコリメータレンズ５７から出力される平行光Ｌ１２の直径ＤＬが小さくなるから、駆動支持体５２が距離ｄを短くさせることに応じて入力径に対して縮径された直径ＤＬの割合に応じた中間的な強度分布Ｄ１２が生成レーザ光Ｌ７として出力される。
【００９２】
制御装置３０Ａは、移動テーブル４０に加減速信号を与えて移動テーブル４０を移動させることに基づいて電池ケース１０と照射レーザ光Ｌ８とを相対移動させる。また、制御装置３０Ａは、駆動支持体５２に位置指令を与えてコリメータレンズ５７の出射部５６からの距離ｄを変化させることに基づいて中間的な強度分布Ｄ１２の生成レーザ光Ｌ７についてその強度の分布を変化させる。
【００９３】
具体的には、制御装置３０Ａは、電池ケース１０と照射レーザ光Ｌ８との間の相対速度が速くなると平行光Ｌ１２の直径ＤＬを縮径させるために出射部５６とコリメータレンズ５７との間の距離ｄを短くすることで生成レーザ光Ｌ７の強度分布を変更する。一方、制御装置３０Ａは、電池ケース１０と照射レーザ光Ｌ８との間の相対速度が遅くなると平行光Ｌ１２の直径ＤＬを拡径させるために出射部５６とコリメータレンズ５７との間の距離ｄを長くすることで生成レーザ光Ｌ７の強度分布を変更する。仮に、図７を参照して説明すると、制御装置３０Ａは、図７（ａ）に示すように速度が変化するとき、相対速度が速くなることに応じて距離ｄを短くし、相対速度が遅くなることに応じて距離ｄを長くするように制御することができる。
【００９４】
図１２及び図１３を参照して本実施形態の効果について説明する。
図１２は、照射レーザ光Ｌ８の各強度分布について、材料の貫通もなく、スパッタの発生しない条件でレーザ溶接をすることができる相対速度（溶接速度）と溶融深さとの関係を示している。なお、第１０グラフＧ２０はガウス型の強度分布Ｄ１０である場合を示し、第１１グラフＧ２１は中間的である強度分布Ｄ１２である場合を示し、第１２グラフＧ２２はトップハット型の強度分布Ｄ１１である場合を示している。また、いずれの場合も、ガウスビーム発振器２１からの出力強度は同じであるものとする。また、照射レーザ光Ｌ８は、ガウス型の強度分布Ｄ１０のときの集光径は０．１ｍｍ、トップハット型のときの集光径は０．４５ｍｍであるものとする。
【００９５】
電池ケース１０の溶接には、溶接深さとして０．５ｍｍよりも深く、１．０ｍｍよりも浅い深さが求められている。このとき、第１０グラフＧ２０は、溶融深さが適当な深さになるには溶接速度が２６０ｍｍ／秒以上必要であり、直線部を加工するときの高速度には対応できるものの、角部を加工するときの低速度に対応できない。つまり、低速度に対する柔軟性が低い。第１１グラフＧ２１は、溶融深さが適当な深さであるとともに、溶接速度が２１０ｍｍ／秒〜３５０ｍｍ／秒の範囲にあり、角部を加工するときの低速度、及び、直線部を加工するときの高速度の両方の速度に対応することができる。また、低速度と高速度との速度差を大きくすることができるので、加減速に対する柔軟性が高い。第１２グラフＧ２２は、溶融深さが適当であるときの溶接速度が１８０ｍｍ／秒〜２４０ｍｍ／秒の範囲にあり、角部を加工するときの低速度には対応できるものの、直線部を加工するときの高速度には対応することができない。つまり、高速度に対する柔軟性が低い。
【００９６】
図１３は、照射レーザ光Ｌ８の各強度分布について、材料の貫通もなく、スパッタの発生しない条件でレーザ溶接をすることができる相対速度（溶接速度）とアスペクト比との関係を示している。ここでアスペクト比は、ビードの幅に対する溶け込み深さの割合を示す。アスペクト比が高いと、溶け込み深さが深く、アスペクト比が低いと、溶接の安定性が低いことを示す。
【００９７】
ここでも、第１０グラフＧ２０は、適切なアスペクト比になる溶接速度が２７０ｍｍ／秒〜３４０ｍｍ／秒で高く、低速度に対する柔軟性が低い。第１１グラフＧ２１は、適切なアスペクト比になる溶接速度が２２０ｍｍ／秒〜３１０ｍｍ／秒であり、低速度及び高速度の両方に対応できる。第１２グラフＧ２２は、適切なアスペクト比になる溶接速度が１８０ｍｍ／秒〜２２０ｍｍ／秒で低く、高速度に対する柔軟性が低い。
【００９８】
すなわち、第１０グラフＧ２０は、溶接に適した速度範囲が２７０ｍｍ／秒〜３４０ｍｍ／秒であり、範囲が７０ｍｍ／秒ある。また、第１１グラフＧ２１は、溶接に適した速度範囲が２２０ｍｍ／秒〜３１０ｍｍ／秒にあり、範囲が９０ｍｍ／秒ある。また、第１２グラフＧ２２は、溶接に適した速度範囲が２１０ｍｍ／秒〜２２０ｍｍ／秒にあり、範囲が１０ｍｍ／秒ある。よって、レーザ溶接に、第１１グラフＧ２１となる中間的である強度分布Ｄ１２を使用することで溶接に適した速度範囲が広く確保される。
【００９９】
また、ビーム生成装置２３Ａは、照射レーザ光Ｌ８の強度分布を、ガウス型の強度分布Ｄ１０〜中間的である強度分布Ｄ１２〜トップハット型の強度分布Ｄ１１の範囲で変更可能である。ここで、照射レーザ光Ｌ８の強度分布は、距離ｄが長くなることに応じて、ガウス型の強度分布Ｄ１０からトップハット型の強度分布Ｄ１１へ変化する。具体的な変化の態様としては、距離ｄが長くなることに応じて、徐々に照射範囲が拡大していくとともに、徐々に強度の山の部分が平均値に近くなるようにつぶれ、広がっていくように遷移する。よって、制御装置３０Ａは、相対速度に応じて適切な強度分布となるようにビーム生成装置２３Ａを制御することで、適切にレーザ溶接をすることができる相対速度の範囲を広範囲にすることができる。例えば、レーザ溶接装置２０Ａは、相対速度を１８０ｍｍ／秒以上、かつ、３４０ｍｍ／秒以下の範囲とすることができる。相対速度を１８０ｍｍ／秒以上、かつ、３２０ｍｍ／秒以下の範囲とするとより好ましい。例えば、図７（ａ）に示すように相対速度が変化する場合、相対速度が低下すると距離ｄを長くし、相対速度が上昇すると距離ｄを短くすることで、相対速度に応じて、ガウス型の出力強度を変化させるようにすることもできる。
【０１００】
また、移動テーブル４０の移動速度にしても、速度範囲が１８０ｍｍ／秒〜３４０ｍｍ／秒の範囲にあれば、制御装置３０Ａによる制御性や移動テーブル４０の移動速度として特段の困難性はないことから、移動テーブル４０の加減速制御としてもこれを行いやすい。
【０１０１】
以上説明したように、本実施形態のレーザ溶接装置、及び、レーザ溶接方法によれば、上記第１の実施形態に記載した（１）の効果に加えて、以下に列記するような効果が得られるようになる。
【０１０２】
（９）トップハットビームシェーパ５３へのガウス型のレーザ光Ｌ１０の平行光Ｌ１２の入力径を所定の入力径以下にすることで、ガウス型のレーザ光Ｌ１０の中央部の強度分布が、トップハットビームシェーパ５３によって分散される割合を変更する。具体的には、ガウス型のレーザ光Ｌ１０の強度を狭い範囲に集中させることにより、トップハットビームシェーパ５３からも狭い範囲で出力強度が高いレーザ光が出力されるようになる。換言すると、ガウス型のレーザ光の変換にトップハットビームシェーパ５３の一部が利用されるので、トップハットビームシェーパ５３から出力されるレーザ光を中央部の強度の高いレーザ光にすることができる。これにより、相対速度が速くて照射時間が短くなる溶接対象物についても高い強度のレーザ光によってレーザ溶接をすることができるようになる。
【０１０３】
（１０）トップハットビームシェーパ５３へのガウス型のレーザ光Ｌ１０の入力径を所定の径よりも小径とすることが容易に行えるようになる。
（１１）ガウス型のレーザ光Ｌ１０が出射される位置とトップハットビームシェーパ５３との位置が固定されていても、コリメータレンズ５７の位置を変更させることによりトップハットビームシェーパ５３へ入力するガウス型のレーザ光の径を所定の入力径よりも小径とすることが容易に行えるようになる。
【０１０４】
（１２）相対速度の速度差を最大１．８９倍までにすることができる。
（第３の実施形態）
図１４〜図１７に従って、レーザ溶接装置、レーザ溶接方法、及び、レーザ加工用レンズを具体化した第３の実施形態について説明する。
【０１０５】
本実施形態は、変換レンズ５５の構成が第２の実施形態のトップハットビームシェーパ５３の構成と相違する。その他の構成については、第１及び第２の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明の便宜上、その詳細な説明を割愛する。
【０１０６】
図１４に示すように、変換レンズ５５は、ビーム生成装置２３Ａにおいて、駆動支持体５２によって該変換レンズ５５に対して遠近方向に相対移動されるコリメータレンズ５７から出力されるレーザ光である平行光Ｌ１２が入力されるようになっている。変換レンズ５５は、入力される平行光Ｌ１２の直径ＤＬが、コリメータレンズ５７が変換レンズ５５から離れると縮径され、コリメータレンズ５７が変換レンズ５５に近づくと拡径される。換言すると、平行光Ｌ１２の直径ＤＬは、コリメータレンズ５７が出射部５６に近づくと縮径され、コリメータレンズ５７が出射部５６から離れると拡径される。
【０１０７】
制御装置３０Ａは、電池ケース１０と照射レーザ光Ｌ１４との間の相対速度が速くなると平行光Ｌ１２の直径ＤＬを縮小させることで生成レーザ光Ｌ１３のエネルギー密度を高める。具体的には、制御装置３０Ａは、平行光Ｌ１２の直径ＤＬを縮小させるため、出射部５６とコリメータレンズ５７との間の距離ｄが近づくようにコリメータレンズ５７を移動させる。
【０１０８】
一方、制御装置３０Ａは、電池ケース１０と照射レーザ光Ｌ１４との間の相対速度が遅くなると平行光Ｌ１２の直径ＤＬを拡大させることで生成レーザ光Ｌ１３のエネルギー密度を低下させる。具体的には、制御装置３０Ａは、平行光Ｌ１２の直径ＤＬを拡大させるため、出射部５６とコリメータレンズ５７との間の距離ｄが離れるようにコリメータレンズ５７を移動させる。仮に、図７を参照して説明すると、制御装置３０Ａは、図７（ａ）に示すように速度が変化するとき、相対速度が速くなることに応じて距離ｄを短くし、相対速度が遅くなることに応じて距離ｄを長くするように制御することができる。
【０１０９】
図１５を参照して、本実施形態の変換レンズ５５が出力する生成レーザ光Ｌ１３について説明する。
図１５に示すように、強度分布変換器５０には、ガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０が入力される。このレーザ光Ｌ１０が出射部５６から所定の拡散角度で拡散レーザ光Ｌ１１として出射され、拡径した拡散レーザ光Ｌ１１がコリメータレンズ５７に入力される。コリメータレンズ５７は、拡径した拡散レーザ光Ｌ１１を平行光Ｌ１２に変換して変換レンズ５５に入力させる。
【０１１０】
図１５及び図１６に示すように、変換レンズ５５は、ガウス型の強度分布Ｄ１０を有する平行光Ｌ１２を、トップハット型の強度分布Ｄ１５と、強度分布Ｄ１５の中央部に突出するガウス型の強度分布Ｄ１４とを組み合わせた形状に合成された強度分布Ｄ１３に変換して生成レーザ光Ｌ１３として出力する。そして、生成レーザ光Ｌ１３が集光レンズ２５０を通過することで出力される照射レーザ光Ｌ１４が溶接対象である電池ケース１０の溶接部に照射される。
【０１１１】
図１６及び図１７を参照して、変換レンズ５５について説明する。
変換レンズ５５は、ガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０が入力されると、これを、トップハット型の強度分布Ｄ１５にガウス型の強度分布Ｄ１０の一部が合成された強度分布Ｄ１３に変換して出力する。変換レンズ５５は、例えば、光の透過方向に沿う断面において入射側は平面であり、出射側が中央に窪みを有し、外周より内側に外周及び中央部の窪みよりも突出する膨らみを有する形状を有している。なお、変換レンズ５５は、その構造として周知のレンズを用いることができる。
【０１１２】
詳述すると、変換レンズ５５は、ガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０をトップハット型の強度分布Ｄ１５に変換する変換部６６と、入力された強度分布を維持する、すなわち変換しない緩和部としての無変換部６７とを備えている。変換部６６は、変換レンズ５５に所定の入力径Ｗ３１で入射されたガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０をトップハット型の強度分布Ｄ１５に変換する。無変換部６７は、入力径Ｗ３１より狭い範囲であって、光軸Ｃを中心とする出力径Ｗ３２の範囲に設けられ、この出力径Ｗ３２の範囲から出射するレーザ光の強度分布Ｄ１４を入力されたときの強度分布に維持して出力する。ところで、変換レンズ５５は、中央部の窪みの部分に水平面からなる無変換部６７を有している。そこで水平面を形成するため、変換レンズ５５は、中央部の窪みの最深部分に合わせて凹ませた凹部６８を形成し、その底面を無変換部６７としている。
【０１１３】
この変換レンズ５５によれば、合成された強度分布Ｄ１３として、光軸Ｃを中心とする出力径Ｗ３２の範囲を変換しない強度分布Ｄ１４と、光軸Ｃを中心とする出力径Ｗ３２の範囲を除いた入力径Ｗ３１の範囲を変換したトップハット型の強度分布Ｄ１５とを合成した強度分布が得られる。
【０１１４】
変換レンズ５５によれば、ガウス型の強度分布Ｄ１０のレーザ光Ｌ１０が入力されたときの出力の強度分布Ｄ１４は、入力されたガウス型の強度分布Ｄ１０のうち光軸Ｃを中心とする出力径Ｗ３２に対応する範囲の分布であり、強度分布Ｄ１５は、入力径Ｗ３１の範囲を変換して出力径Ｗ３３としたトップハット型の分布を有している。
【０１１５】
以上説明したように、本実施形態のレーザ溶接装置、レーザ溶接方法、及び、レーザ加工用レンズによれば、上記第１の実施形態に記載した（１）の効果に加えて、以下に列記するような効果が得られるようになる。
【０１１６】
（１３）強度が最大値となる部分を含む所定の領域（出力径Ｗ３２）に入力されたレーザ光は拡散角度が小さいため、強度が高い状態を維持したまま溶接対象物等に照射される。例えば、レーザを拡散させる部分のレンズ形状は凹レンズであることから、凹レンズである領域に凹レンズの曲率を小さくさせる無変換部６７を形成することで、無変換部６７における拡散角度を小さくすることができる。これにより、レーザ光の最大値が、入力されたガウス型のレーザ光Ｌ１０の最大値よりも小さいが、トップハット型のレーザ光の最大値よりは大きい強度を有するレーザ光を出力することができるようになる。
【０１１７】
（１４）出力径Ｗ３２の範囲は、ガウス型の強度分布Ｄ１０が拡散せずに透過するので、周囲に比較して中央部にガウス型の強度分布が維持されたレーザ光を出力することができる。
【０１１８】
（１５）無変換部６７を平面とすることでレーザ光を拡散しない部分を設けることが容易である。
（１６）レーザ光を拡散させる部分のレンズ形状は凹レンズであることから、凹レンズである領域にあっては無変換部６７を凹部６８に形成することで、凹部６８の底面の曲率を凹レンズの曲率よりも小さくすることができる。
【０１１９】
（その他の実施形態）
なお上記各実施形態は、以下の態様で実施することもできる。
・上記第３の実施形態では、変換レンズ５５は、無変換部６７を中央部の窪みの最深部分に合わせて凹ませた凹部６８として有している場合について例示したが、これに限らず、変換レンズは、無変換部を中央部の窪みを周囲の高さまでかさ上げした形状で有していてもよい。また、変換部との間に段差が生じないように無変換部を形成してもよい。
【０１２０】
例えば、図１８に示すように、変換レンズ５５Ａは、入力された強度分布を変換する変換部６６と、入力された強度分布を維持する無変換部６９とを備えていてもよい。そして、無変換部６９を、変換部６６との境界部分に接続する平面として形成してもよい。これにより、入力された強度分布を出力径Ｗ４２に維持しているとともに、入力径Ｗ４１の範囲を変換して出力径Ｗ４３のトップハット型の分布としたレーザ光が出力される。
【０１２１】
・また、無変換部６７は、中央を少しかさ上げするとともに、変換部との境界を少し凹ませた形状とが合わさった形状であってもよい。
・上記第３の実施形態では、無変換部６７が平面である場合について例示したが、これに限らず、無変換部は変換部に比較して曲率を小さい曲面を含んでいてもよい。これにより中央部のガウス型のレーザ光の拡散を減らすことで中央部の強度を維持することができる。
【０１２２】
・上記第２及び第３の実施形態では、コリメータレンズ５７を平行移動させ、出射部５６までの距離ｄが変更されることで平行光Ｌ１２の直径ＤＬが変更される場合について例示した。しかしこれに限らず、トップハットビームシェーパや変換レンズ、又は、出射部を平行移動させて、トップハットビームシェーパや変換レンズと、出射部との間の距離を変更してトップハットビームシェーパや変換レンズに入力されるレーザ光の直径を変更してもよい。
【０１２３】
・上記各実施形態では、レーザ溶接装置２０に制御装置３０，３０Ａが含まれる場合について例示したが、これに限らず、レーザ溶接装置が相対速度に応じて出力強度を変更したり、強度分布を変更したりすることができるのであれば、レーザ溶接装置に制御装置が含まれていなくてもよい。
【０１２４】
・上記第１の実施形態では、第１のレーザ光Ｌ１の出力強度を変更する場合について例示した。しかしこれに限らず、第１のレーザ光の分散を変更してもよい。第１のレーザ光の分散が大きくなれば、エネルギー集中が緩和されることから溶融の安定性を高めることができるため低速での溶接が可能にもなる。逆に、相対速度が速くなるに応じて第１のレーザ光の出力の分散が小さくなればレーザ光が集中するようになり、レーザ光の照射時間が短くなる溶接対象物を好適にレーザ溶接することができるようになる。
【０１２５】
・上記第１の実施形態では、トップハットビーム発振器２２は、出力が一定である場合について例示したが、トップハットビーム発振器の出力を変化させてもよい。
・上記第１の実施形態では、ガウスビーム発振器２１は、レーザ光の波長が１０７０ｎｍである場合について例示したが、これに限らず、レーザ溶接に適切な波長であれば、レーザ光の波長が１０７０ｎｍ以外、例えば、１０７０ｎｍ未満であって、８８０ｎｍ〜９８０ｎｍでもよい。
【０１２６】
・上記第１の実施形態では、トップハットビーム発振器２２は、レーザ光の波長が９４０ｎｍ〜１０２４ｎｍである場合について例示したが、これに限らず、レーザ溶接に適切な波長であれば、レーザ光の波長が９４０ｎｍ〜１０２４ｎｍ以外、例えば、８８０ｎｍ以上９４０ｎｍ未満でもよい。
【０１２７】
・上記第１の実施形態では、ガウスビーム発振器２１の出力に対して、トップハットビーム発振器２２の出力を１．５倍とした場合について例示したが、これに限らず、レーザ溶接が好適になされるのであれば、１．５倍未満であってもよいし、逆に、１．５倍より大きくてもよい。
【０１２８】
・上記第１の実施形態では、制御装置３０は、相対速度を１８０ｍｍ／秒未満にしてもよいし、５１０ｍｍ／秒より速くすることができてもよい。
その他の実施形態であっても、相対速度の範囲が最低値より遅くなってもよいし、最高値より速くなってもよい。
【０１２９】
なお、いずれの実施形態であれ、少なくとも溶接開始時や溶接終了時には相対速度は０ｍｍ／秒〜１８０ｍｍ／秒未満の間で変化することになることは言うまでもない。
・上記各実施形態では、ガウスビーム発振器２１は、ファイバーレーザ共振器であって、ガウス型の強度分布Ｄ１を有する第１のレーザ光Ｌ１を出力する場合について例示した。しかしこれに限らず、ガウス型の強度分布のレーザ光を出力できるのであれば、ガウスビーム発振器は、ファイバーレーザ共振器以外の発振器、例えば、半導体レーザ等であってもよい。なお、出力強度の変更が容易であるとなおよい。
【０１３０】
・上記第１の実施形態では、トップハットビーム発振器２２は、いわゆる半導体レーザであって、トップハット型の強度分布Ｄ２を有する第２のレーザ光Ｌ２を出力する場合について例示した。しかしこれに限らず、トップハット型の強度分布のレーザ光を出力できるのであれば、トップハットビーム発振器は、半導体レーザ以外の発振器、例えば、ファイバーレーザ共振器等であってもよい。
【０１３１】
・上記第１の実施形態では、トップハット型の強度分布及びガウス型の強度分布を式（１）及び式（２）によって定義する場合について例示したが、これに限らず、式（１）及び式（２）に定義される分布の傾向を有していればこれらの定義と多少相違した分布であってもよい。例えば、式（１）及び式（２）の定義に含まれていなくとも、式（１）の定義に近い分布をトップハット型に含め、式（２）定義に近い分布をガウス型に含めてもよい。
【０１３２】
・上記各実施形態では、電池ケース１０の移動方向が移動テーブル４０で変更される場合について例示した。しかしこれに限らず、照射レーザ光が移動されてもよいし、電池ケース及び照射レーザ光が共に移動されてもよい。
【０１３３】
・上記各実施形態では、電池ケース１０は、ニッケル水素二次電池用の電池ケースである場合について例示したが、電池ケースは、リチウムイオン二次電池用の電池ケース等であってもよい。
【０１３４】
・上記各実施形態では、電池ケース１０を溶接する場合について例示したが、これに限らず、溶接加工を要するものであれば、電池ケース以外のものを溶接対象物にしてもよい。これにより、レーザ溶接装置を適用することのできる範囲の拡張が図られるようになる。
【０１３５】
・上記各実施形態では、溶接対象物が金属製の部材である場合について例示した。しかしこれに限らず、溶接対象の部材は、レーザにより溶融させることができる材料であれば、例えば樹脂など、金属以外の材料からなる部材であってもよい。これにより、レーザ溶接装置として設計の自由度が向上されるようになる。
【符号の説明】
【０１３６】
１０…電池ケース、１１…ケース、１２…蓋、１３…正極側電極、１４…負極側電極、２０，２０Ａ…レーザ溶接装置、２１…ガウスビーム発振器、２２…トップハットビーム発振器、２３，２３Ａ…ビーム生成装置、３０，３０Ａ…制御装置、４０…移動テーブル、５０…強度分布変換器、５１…入力部、５２…駆動支持体、５３…トップハットビームシェーパ、５５，５５Ａ…変換レンズ、５６…出射部、５７…コリメータレンズ、６１…半径、６６…変換部、６７…無変換部、６８…凹部、６９…無変換部、１８０…第２のコリメートレンズ、１８１…第１のコリメートレンズ、２００…全反射ミラー、２１０…合成器、２１１…反射部、２５０…集光レンズ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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