(57)【要約】【課題】１μｍ帯の波長を有するレーザ光を用いてステンレス鋼よりなる板金を突合せ溶接することができるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】板金Ｗ１及びＷ２は板厚の１／３未満のギャップで突き合わされている。ビームスポットのうちの中心３％の熱エネルギに相当する領域の面積を第１の面積、８６％の熱エネルギに相当する領域の面積を第２の面積とする。レーザ加工機１００は、第１の面積におけるピークパワー密度で融解するのに要する融解時間を、第２の面積のビームスポットが１つの径分だけ移動するのに要する移動時間で除した値を０．０１％以上０．１６％以下とする。第２の面積のビームスポットの移動方向前側１／２の１つの板金に照射されている部分を第１の領域、移動方向後側１／２を第２の領域とする。レーザ加工機１００は、第２の領域への入熱流÷第１の領域への入熱流÷板厚の値を０．１０％より大きく０．２７％未満とする。【選択図】図１
2019025531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が１μｍ帯であるレーザ光を用い、
板厚が互いに同じであるステンレス鋼よりなる第１及び第２の板金の端部を、前記板厚の１／３未満のギャップを有して突き合わせて、
前記第１及び第２の板金に照射される前記レーザ光のビームスポットのうち、前記ビームスポットの中心から前記ビームスポットの全熱エネルギのうちの３％の熱エネルギに相当する領域の面積を第１の面積、全熱エネルギのうちの８６％の熱エネルギに相当する領域の面積を第２の面積とし、前記第１の面積におけるパワー密度をピークパワー密度としたとき、前記第１及び第２の板金が前記ピークパワー密度で融解するのに要する融解時間を、前記第２の面積のビームスポットが１つの径分だけ移動するのに要する移動時間で除した値を０．０１％以上、０．１６％以下とし、
前記第２の面積のビームスポットの移動方向前側の１／２の領域のうち、前記第１及び第２の板金のうちの一方の板金に照射されている部分を第１の領域、移動方向後側の１／２の領域を第２の領域としたとき、前記第２の領域への入熱流を前記第１の領域への入熱流で除した値をさらに前記板厚で除した値を０．１０％より大きく、０．２７％未満として、
前記レーザ光を前記ギャップに沿って移動させながら照射して前記第１及び第２の板金を溶接する
ことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
ｃを前記第１及び第２の板金の比熱、ρを前記第１及び第２の板金の密度、λを前記第１及び第２の板金の熱伝導度、Ｔを前記第１及び第２の板金の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記第１及び第２の板金の光吸収率、Ｐｄを前記ピークパワー密度として、前記第１及び第２の板金が前記ピークパワー密度で融解するのに要する融解時間は、
【数６】
2019025531.tif 000008
式（１）で算出される時間である
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、
板厚が互いに同じであるステンレス鋼よりなる第１及び第２の板金の端部が、前記板厚の１／３未満のギャップを有して突き合わされている前記第１及び第２の板金を突合せ溶接の対象とし、前記レーザ光を前記ギャップに沿って移動させながら照射して前記第１及び第２の板金を溶接するレーザ加工ユニットと、
前記レーザ発振器及び前記レーザ加工ユニットを制御することにより、前記レーザ加工ユニットによる前記第１及び第２の板金の溶接を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記第１及び第２の板金に照射される前記レーザ光のビームスポットのうち、前記ビームスポットの中心から前記ビームスポットの全熱エネルギのうちの３％の熱エネルギに相当する領域の面積を第１の面積、全熱エネルギのうちの８６％の熱エネルギに相当する領域の面積を第２の面積とし、前記第１の面積におけるパワー密度をピークパワー密度としたとき、前記第１及び第２の板金が前記ピークパワー密度で融解するのに要する融解時間を、前記第２の面積のビームスポットが１つの径分だけ移動するのに要する移動時間で除した値を０．０１％以上、０．１６％以下とする第１の条件と、
前記第２の面積のビームスポットの移動方向前側の１／２の領域のうち、前記第１及び第２の板金のうちの一方の板金に照射されている部分を第１の領域、移動方向後側の１／２の領域を第２の領域としたとき、前記第２の領域への入熱流を前記第１の領域への入熱流で除した値をさらに前記板厚で除した値を０．１０％より大きく、０．２７％未満とする第２の条件とを満たすように、
前記レーザ発振器及び前記レーザ加工ユニットを制御する
ことを特徴とするレーザ加工機。
【請求項４】
ｃを前記第１及び第２の板金の比熱、ρを前記第１及び第２の板金の密度、λを前記第１及び第２の板金の熱伝導度、Ｔを前記第１及び第２の板金の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記第１及び第２の板金の光吸収率、Ｐｄを前記ピークパワー密度として、前記制御装置は、前記第１及び第２の板金が前記ピークパワー密度で融解するのに要する融解時間を、
【数７】
2019025531.tif 000009
式（１）で算出する
ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光によってステンレス鋼よりなる板金を突合せ溶接するレーザ溶接方法及びレーザ加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工機で使用するレーザ光を射出するレーザ発振器としては、ＣＯ２レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）等の各種の発振器がある。
【０００３】
ＣＯ２レーザ発振器は装置が大型化し、高コストである。これに対して、ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器は装置を小型化することができ、低ランニングコストであることから、近年、レーザ加工機においてファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が広く用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１１３７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＯ２レーザ発振器が射出するレーザ光の波長は１０μｍ程度であるのに対し、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザ光の波長は１μｍ程度である。よって、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザ光はビームウエストが小さく、パワー密度が高いため、板厚が薄い板金を高速で加工するのに適している。
【０００６】
ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いるレーザ加工機は、板金を切断したり、板金をスポット溶接したりする用途として普及している。ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いるレーザ加工機を、２つの板金の端部を突き合わせて、突合せ溶接する用途としたいという要望がある。
【０００７】
本発明者が、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いるレーザ加工機を用いてステンレス鋼よりなる板金を突合せ溶接したところ、例えばビードの始端で穴があき、加工品質が不良である事象が多く発生した。これは、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザ光はビームウエストが小さくパワー密度が高いため、小さな領域に熱エネルギが集中しやすいためと考えられる。
【０００８】
よって、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出する１μｍ帯の波長を有するレーザ光を用いて板金を良好な加工品質で突合せ溶接することは困難である。１μｍ帯の波長を有するレーザ光を用いてステンレス鋼よりなる板金を良好な加工品質で突合せ溶接することができるレーザ溶接方法が求められている。
【０００９】
本発明は、１μｍ帯の波長を有するレーザ光を用いてステンレス鋼よりなる板金を良好な加工品質で突合せ溶接することができるレーザ溶接方法及びレーザ加工機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、波長が１μｍ帯であるレーザ光を用い、板厚が互いに同じであるステンレス鋼よりなる第１及び第２の板金の端部を、前記板厚の１／３未満のギャップを有して突き合わせて、前記第１及び第２の板金に照射される前記レーザ光のビームスポットのうち、前記ビームスポットの中心から前記ビームスポットの全熱エネルギのうちの３％の熱エネルギに相当する領域の面積を第１の面積、全熱エネルギのうちの８６％の熱エネルギに相当する領域の面積を第２の面積とし、前記第１の面積におけるパワー密度をピークパワー密度としたとき、前記第１及び第２の板金が前記ピークパワー密度で融解するのに要する融解時間を、前記第２の面積のビームスポットが１つの径分だけ移動するのに要する移動時間で除した値を０．０１％以上、０．１６％以下とし、前記第２の面積のビームスポットの移動方向前側の１／２の領域のうち、前記第１及び第２の板金のうちの一方の板金に照射されている部分を第１の領域、移動方向後側の１／２の領域を第２の領域としたとき、前記第２の領域への入熱流を前記第１の領域への入熱流で除した値をさらに前記板厚で除した値を０．１０％より大きく、０．２７％未満として、前記レーザ光を前記ギャップに沿って移動させながら照射して前記第１及び第２の板金を溶接することを特徴とするレーザ溶接方法を提供する。
【００１１】
また、本発明は、波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、板厚が互いに同じであるステンレス鋼よりなる第１及び第２の板金の端部が、前記板厚の１／３未満のギャップを有して突き合わされている前記第１及び第２の板金を突合せ溶接の対象とし、前記レーザ光を前記ギャップに沿って移動させながら照射して前記第１及び第２の板金を溶接するレーザ加工ユニットと、前記レーザ発振器及び前記レーザ加工ユニットを制御することにより、前記レーザ加工ユニットによる前記第１及び第２の板金の溶接を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第１及び第２の板金に照射される前記レーザ光のビームスポットのうち、前記ビームスポットの中心から前記ビームスポットの全熱エネルギのうちの３％の熱エネルギに相当する領域の面積を第１の面積、全熱エネルギのうちの８６％の熱エネルギに相当する領域の面積を第２の面積とし、前記第１の面積におけるパワー密度をピークパワー密度としたとき、前記第１及び第２の板金が前記ピークパワー密度で融解するのに要する融解時間を、前記第２の面積のビームスポットが１つの径分だけ移動するのに要する移動時間で除した値を０．０１％以上、０．１６％以下とする第１の条件と、前記第２の面積のビームスポットの移動方向前側の１／２の領域のうち、前記第１及び第２の板金のうちの一方の板金に照射されている部分を第１の領域、移動方向後側の１／２の領域を第２の領域としたとき、前記第２の領域への入熱流を前記第１の領域への入熱流で除した値をさらに前記板厚で除した値を０．１０％より大きく、０．２７％未満とする第２の条件とを満たすように、前記レーザ発振器及び前記レーザ加工ユニットを制御することを特徴とするレーザ加工機を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のレーザ溶接方法及びレーザ加工機によれば、１μｍ帯の波長を有するレーザ光を用いてステンレス鋼よりなる板金を良好な加工品質で突合せ溶接することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す斜視図である。
【図２】図１中のレーザ発振器１１をファイバレーザ発振器１１Ｆで構成した場合の概略的な構成を示す図である。
【図３】図１中のレーザ発振器１１をダイレクトダイオードレーザ発振器１１Ｄで構成した場合の概略的な構成を示す図である。
【図４】所定間隔のギャップを有して突き合わされた一対の板金にレーザ光が照射される状態を示す概念図である。
【図５】一対の板金に照射されるビームスポットのうちの中心側８６％のビームスポットが１つの径分だけ移動する状態を示す概念図である。
【図６】８６％のビームスポットの移動方向前側の第１の領域と後側の第２の領域とを示す図である。
【図７】第１の領域の面積の算出方法を説明するための図である。
【図８Ａ】番号１〜２０の実験を行った際の条件を示す図である。
【図８Ｂ】番号２１〜４５の実験を行った際の条件を示す図である。
【図８Ｃ】番号１〜２０の実験結果を示す図である。
【図８Ｄ】番号２１〜４５の実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、一実施形態のレーザ溶接方法及びレーザ加工機について、添付図面を参照して説明する。本実施形態においては、１μｍ帯の波長を有するレーザ光を射出するレーザ発振器として、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いた場合を説明する。ファイバレーザ発振器が射出するレーザ光の波長は一般的に１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍ、ＤＤＬ発振器が射出するレーザ光の波長は一般的に９１０ｎｍ〜９５０ｎｍである。波長９００ｎｍ〜１１００ｎｍを１μｍ帯と称する。
【００１５】
図１において、レーザ加工機１００は、レーザ光を生成して射出するレーザ発振器１１と、レーザ加工ユニット２０と、レーザ光をレーザ加工ユニット２０へと伝送するプロセスファイバ１２と、ＮＣ装置５０とを備える。ＮＣ装置５０は、レーザ発振器１１及びレーザ加工ユニット２０を制御する制御装置の一例である。レーザ加工ユニット２０は、ＮＣ装置５０による制御に基づき、レーザ発振器１１より射出されてプロセスファイバ１２によって伝送されたレーザ光によって、互いに同じ板厚を有する板金Ｗ１及びＷ２を突合せ溶接する。
【００１６】
板金Ｗ１及びＷ２は、ギャップなしで突き合わされているか、所定間隔のギャップを有して突き合わされていればよい。板金Ｗ１及びＷ２を意図的にギャップなしで突き合わせたとしても、厳密には板金Ｗ１と板金Ｗ２との間には０．０３ｍｍ程度のわずかな隙間が存在する。そこで、板金Ｗ１及びＷ２をギャップなしで突き合わせた状態も、板金Ｗ１及びＷ２が所定間隔のギャップを有して突き合わされている状態に含まれる。
【００１７】
レーザ発振器１１は、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器である。但し、波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器であれば、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器以外であってもよい。プロセスファイバ１２は、レーザ加工ユニット２０に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示せず）に沿って装着されている。ＮＣ装置５０は、レーザ発振器１１が射出するレーザ光のパワーを制御する。
【００１８】
レーザ加工ユニット２０は、板金Ｗ１及びＷ２を載せる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在である門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在であるＹ軸キャリッジ２３とを有する。また、レーザ加工ユニット２０は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット３０を有する。
【００１９】
コリメータユニット３０は、プロセスファイバ１２の射出端から射出されたレーザ光を平行光化して略平行光束とするコリメートレンズ３１と、略平行光束に変換されたレーザ光をＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー３２とを有する。また、コリメータユニット３０は、ベンドミラー３２で反射したレーザ光を集束させる集束レンズ３３と、加工ヘッド３４とを有する。
【００２０】
コリメートレンズ３１、ベンドミラー３２、集束レンズ３３、加工ヘッド３４は、予め光軸が調整された状態でコリメータユニット３０内に固定されている。レーザ光の集束位置を補正するために、コリメートレンズ３１がＸ軸方向に移動するように構成されていてもよいし、集束レンズ３３がＺ軸方向に移動するように構成されていてもよい。
【００２１】
コリメータユニット３０は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、レーザ加工ユニット２０は、加工ヘッド３４から射出されるレーザ光を照射する位置を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３は、ＮＣ装置５０による制御に基づき、板金Ｗ１及びＷ２に照射するレーザ光の位置を移動させる移動機構である。
【００２２】
以上の構成によって、レーザ加工機１００は、レーザ発振器１１より射出されたレーザ光をプロセスファイバ１２によってレーザ加工ユニット２０へと伝送させ、それぞれの端部を突き合わせた板金Ｗ１及びＷ２の境界にレーザ光を照射して板金Ｗ１及びＷ２を突合せ溶接することができる。
【００２３】
なお、板金Ｗ１及びＷ２を突合せ溶接するとき、板金Ｗ１及びＷ２にはシールドガスが噴射される。突き合わせ溶接におけるシールドガスの主な役割は、一般的に金属が融解しビード状に固まる過程での金属の酸化を防ぐことであり、加えて、蒸発した金属（金属蒸気）を吹き飛ばすことである。シールドガスの主成分は窒素またはアルゴンガスなどである。シールドガスの噴出方法には、メインとサブに分けて複数の場所から噴出させる方法がある。図１では、シールドガスを噴射する構成については図示を省略している。
【００２４】
図１に示すレーザ加工機１００の代わりに、ロボット型のレーザ加工機としてもよい。
【００２５】
図２は、レーザ発振器１１をファイバレーザ発振器１１Ｆで構成した場合の概略的な構成を示している。図２において、複数のレーザダイオード１１０はそれぞれ波長λのレーザ光を射出する。励起コンバイナ１１１は、複数のレーザダイオード１１０より射出されたレーザ光を空間ビーム結合させる。
【００２６】
励起コンバイナ１１１より射出されたレーザ光は、２つのファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１１２，１１４間のＹｂドープファイバ１１３に入射される。Ｙｂドープファイバ１１３とは、コアに希土類のＹｂ（イッテルビウム）元素が添加されたファイバである。
【００２７】
Ｙｂドープファイバ１１３に入射されたレーザ光は、ＦＢＧ１１２，１１４間で往復を繰り返し、ＦＢＧ１１４からは、波長λとは異なる概ね１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍの波長λ’のレーザ光が射出される。ＦＢＧ１１４から射出されたレーザ光は、フィーディングファイバ１１５及びビームカップラ１１６を介してプロセスファイバ１２に入射される。ビームカップラ１１６は、レンズ１１６１及び１１６２を有する。
【００２８】
なお、プロセスファイバ１２は１本の光ファイバで構成されており、板金Ｗ１及びＷ２に照射されるまで、プロセスファイバ１２で伝送されるレーザ光が他のレーザ光と合成されることはない。
【００２９】
図３は、レーザ発振器１１をＤＤＬ発振器１１Ｄで構成した場合の概略的な構成を示している。図３において、複数のレーザダイオード１１７はそれぞれ互いに異なる波長λ１〜λｎのレーザ光を射出する。波長λ１〜λｎは、上記のように９１０ｎｍ〜９５０ｎｍである。
【００３０】
オプティカルボックス１１８は、複数のレーザダイオード１１７より射出された波長λ１〜λｎのレーザ光を空間ビーム結合させる。オプティカルボックス１１８は、コリメートレンズ１１８１と、グレーティング１１８２と、集束レンズ１１８３とを有する。
【００３１】
コリメートレンズ１１８１は、波長λ１〜λｎのレーザ光を平行光化する。グレーティング１１８２は、平行光化されたレーザ光の方向を９０度曲げ、集束レンズ１１８３に入射させる。集束レンズ１１８３は、入射されたレーザ光を集束してプロセスファイバ１２に入射させる。
【００３２】
同様に、プロセスファイバ１２は１本の光ファイバで構成されており、板金Ｗ１及びＷ２に照射されるまで、プロセスファイバ１２で伝送されるレーザ光が他のレーザ光と合成されることはない。
【００３３】
次に、波長が１μｍ帯であるレーザ光を用いて、板金Ｗ１及びＷ２を良好な加工品質で突合せ溶接するためにはどのようにすればよいかを考察する。
【００３４】
図４は、板金Ｗ１及びＷ２の両端部が距離ＬなるギャップＧを有して突き合わされていて、ビームスポットＢｓがギャップＧを中心として板金Ｗ１及びＷ２の両端部に照射されている状態を概念的に示している。板金Ｗ１及びＷ２が溶接されるには、金属の溶融池が形成され、キーホールが形成されることが必要である。溶融池について具体的には、板金Ｗ１及びＷ２が溶融（融解）した溶融金属が表面張力によってギャップＧを連結して、ギャップＧが消滅するように溶融池が形成されることが必要である。
【００３５】
表面張力を考慮すると、距離Ｌは板金Ｗ１及びＷ２の板厚ｔｈの１／３よりも短いことが必要である。即ち、ｔｈ／３＞Ｌであり、１＞Ｌ／（ｔｈ／３）と表すことができる。Ｌ／（ｔｈ／３）の値を指標１とし、指標１が１未満の値であることを良好な加工品質で突合せ溶接するために必要な条件とする。
【００３６】
溶融池の形成には、主にビームスポットＢｓの平均パワー密度が寄与する。キーホールの形成には、主にビームスポットＢｓのピークパワー密度が寄与する。ビームスポットＢｓの面積のうち、実際に金属の融解に寄与するのは、ビームスポットＢｓの中心から全光エネルギのうちのほぼ８６％の光エネルギに相当する面積である。８６％の部分のビームスポットＢｓをビームスポットＢｓ８６と称することとする。
【００３７】
ビームスポットＢｓのうちのピークとなっている部分は、ビームスポットＢｓの面積のうち、ビームスポットＢｓの中心から全光エネルギのうちのほぼ３％の光エネルギに相当する面積である。ピークとなっている部分をピークＢｓ０３と称することとする。
【００３８】
これらのビームスポットＢｓ８６またはピークＢｓ０３における光エネルギによる伝熱（輻射伝熱）が金属を融解させる。
【００３９】
ビームスポットＢｓの平均パワー密度とはビームスポットＢｓ８６の平均パワー密度であるとする。ビームスポットＢｓのピークパワー密度とは、ピークＢｓ０３の平均パワー密度であるとする。
【００４０】
図５は、ビームスポットＢｓ８６がビームスポットＢｓ８６の１つの径分だけ移動する状態を示している。レーザ光は板金Ｗ１及びＷ２の表面及び突き合わせられている端部（ギャップＧの両側面）に入射して、板金Ｗ１及びＷ２を融解させる。ビームスポットＢｓ８６が１つの径分だけ移動するとき、金属が融解する準備となる加熱があり、ピークＢｓ０３が到達する直前で表面側に溶融池ができ、ピークＢｓ０３が到達するとキーホールができる。
【００４１】
ピークＢｓ０３が通り過ぎると裏面側に溶融池ができ、ビームスポットＢｓ８６が通過すると裏波ビードとなって融解した金属が固まる。
【００４２】
ここで、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の融解温度は１４００〜１４５０℃である。ＳＵＳ３０４はＡＩＳＩ規格の３０４またはＵＮＳ規格の３０４００に相当し、いわゆる１８−８ステンレスとも称される。ＳＵＳ３０４は、含有する化学成分が炭素（Ｃ）、ケイ素（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）であって、Ｎｉが８重量％以上でＣｒが１８重量％以上であるステンレス鋼である。ステンレス鋼の種類が異なれば含有する化学成分が異なり、融解温度域等の性質も変化する。ステンレス鋼が融解するのに要する時間ｔは次の式（１）で表される。
【００４３】
【数１】
2019025531.tif 000003
【００４４】
式（１）において、ｃはステンレス鋼の比熱（Ｊ／ｋｇ・℃）、ρはステンレス鋼の密度（ｋｇ／ｍ３）、λはステンレス鋼の熱伝導度（Ｗ／ｍ・℃）、Ａはステンレス鋼の光吸収率（％）、Ｐｄはレーザ光のパワー密度（Ｗ／ｍ２）、Ｔはステンレス鋼の融解温度（℃）、Ｔ０は環境温度（℃）である。これらにおいて、摂氏℃の代わりにケルビンＫであってもよい。
【００４５】
ステンレス鋼は、入熱しすぎると放熱に時間がかかりすぎて穴があいてしまう。入熱が足りなければ溶融池またはキーホールが形成されない。そこで、ビームスポットＢｓ８６が図５のように移動するとき、ビームスポットＢｓ８６が１つの径分だけ移動するのに要する移動時間あたりの、ピークＢｓ０３におけるパワー密度（ピークパワー密度）での融解時間は、加工品質が良好な突合せ溶接を実現する上で重要な要素となる。
【００４６】
そこで、板金Ｗ１及びＷ２がピークパワー密度で融解するのに要する融解時間を、ビームスポットＢｓ８６が１つの径分だけ移動するのに要する移動時間で除した値を指標２とする。ＮＣ装置５０は、板金Ｗ１及びＷ２がピークパワー密度で融解するのに要する融解時間、及び、ビームスポットＢｓ８６が１つの径分だけ移動するのに要する移動時間を算出することができるから、指標２を算出することができる。
【００４７】
本発明者は、実験に基づき、板金Ｗ１及びＷ２を良好な加工品質で突合せ溶接するためには、指標２がどのような値をとる必要があるのかを検証した。検証結果については後述する。
【００４８】
図６は、図５のように移動するビームスポットＢｓ８６のある瞬間の状態を概念的に示している。ビームスポットＢｓ８６の矢印にて示す移動方向に対して、破線で示す中央の位置から前側の１／２の領域は板金Ｗ１及びＷ２の金属が融解し始めている領域、後側の１／２の領域は溶融池が形成されている領域とみなすことができる。このとき、金属へのレーザ光による入熱と、金属内での熱伝導による放熱とのバランスが取れた状態となっている。
【００４９】
図６において、ビームスポットＢｓ８６における前側の１／２の領域のうち、板金Ｗ１及びＷ２のうちの一方（ここでは板金Ｗ１）に照射されている部分を、第１の領域Ｂｓ８６１と称することとする。後側の１／２の領域を、第２の領域Ｂｓ８６２と称することとする。前側の１／２の領域ではギャップＧが存在するから、ギャップＧを除く第１の領域Ｂｓ８６１について考える。第２の領域Ｂｓ８６２は溶融池となって、二点鎖線で示すようにギャップＧは消滅しているから、後側の１／２の全体の領域である第２の領域Ｂｓ８６２について考える。
【００５０】
板金Ｗ１及びＷ２の板厚ｔｈが厚いほど、第２の領域Ｂｓ８６２にける溶融池を維持しやすくなる。そこで、第２の領域Ｂｓ８６２への入熱流を第１の領域Ｂｓ８６１への入熱流で除した値をさらに板厚ｔｈで除した値を指標３とする。ＮＣ装置５０は、第１の領域Ｂｓ８６１及び第２の領域Ｂｓ８６２への入熱流を算出することができ、溶接しようとしている板金Ｗ１及びＷ２の板厚ｔｈの情報を有しているので、指標３を算出することができる。入熱流（単位Ｗ）とは、金属に入力される単位時間当たりの熱量である。
【００５１】
本発明者は、実験に基づき、板金Ｗ１及びＷ２を良好な加工品質で突合せ溶接するためには、指標３がどのような値をとる必要があるのかを検証した。検証結果については後述する。
【００５２】
本発明者は、図８Ａ〜図８Ｄに示す番号１〜４５の各条件で板金Ｗ１及びＷ２を突合せ溶接し、良好な加工品質が得られるか否かについて実験した。そして、本発明者は、良好な加工品質を得るためには、指標１〜３がどのような値をとる必要があるのかを検証した。
【００５３】
図８Ａ及び図８Ｂにおける第１の領域Ｂｓ８６１の面積（Ｓ１）と第２の領域Ｂｓ８６２の面積（Ｓ２）は、図７に示すように求めることができる。図７において、ビームスポットＢｓ８６の半径をｒ、第１の領域Ｂｓ８６１のギャップＧに沿った部分の距離をｘ、ビームスポットＢｓ８６の中心から第１の領域Ｂｓ８６１の外縁である円弧とギャップＧに沿った線との交点まで引いた直線とがなす角度をθとする。
【００５４】
距離ｘは式（２）で表される。角度θは式（３）で表される。第１の領域Ｂｓ８６１の面積Ｓ１は式（４）で算出することができ、第２の領域Ｂｓ８６２の面積Ｓ２は式（５）で算出することができる。
【００５５】
【数２】
2019025531.tif 000004
【００５６】
【数３】
2019025531.tif 000005
【００５７】
【数４】
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【００５８】
【数５】
2019025531.tif 000007
【００５９】
図８Ａに示すように、番号１〜２０は、レーザ発振器１１として図３に示すＤＤＬ発振器１１Ｄを用い、板金Ｗ１及びＷ２の表面にビームウエストを位置させたジャストフォーカスの状態でレーザ光を照射した場合の実験結果を示している。
【００６０】
図８Ｂに示すように、番号２１〜４０は、レーザ発振器１１として図２に示すファイバレーザ発振器１１Ｆの１つの型式のレーザ発振器を用い、板金Ｗ１及びＷ２の表面から所定距離上方に離れた位置にビームウエストを位置させたデフォーカスの状態でレーザ光を照射した場合の実験結果を示している。番号４１及び４２は、番号２１〜４０と同じ型式のファイバレーザ発振器１１Ｆを用い、ジャストフォーカスの状態でレーザ光を照射した場合の実験結果を示している。
【００６１】
番号４３〜４５は、レーザ発振器１１としてファイバレーザ発振器１１Ｆの他の型式のレーザ発振器を用い、板金Ｗ１及びＷ２の表面上方にビームウエストを位置させたデフォーカスの状態でレーザ光を照射した場合の実験結果を示している。
【００６２】
番号１〜４５それぞれにおける板厚、ギャップＧの距離Ｌ、ビームスポットＢｓ８６の直径、第１の領域Ｂｓ８６１の面積Ｓ１、第２の領域Ｂｓ８６２の面積Ｓ２は図８Ａ及び図８Ｂに示すとおりである。番号１〜２０それぞれにおける平均パワー密度、第１の領域Ｂｓ８６１への入熱流、第２の領域Ｂｓ８６２への入熱流は図８Ｃに示すとおりである。番号２１〜４５それぞれにおける平均パワー密度、第１の領域Ｂｓ８６１への入熱流、第２の領域Ｂｓ８６２への入熱流は図８Ｄに示すとおりである。
【００６３】
番号１〜４５の各条件で板金Ｗ１及びＷ２を突合せ溶接したときに、板金Ｗ１及びＷ２に穴が形成されず、表面から裏面まで金属が融解して裏面に裏波ビードが形成される状態を加工品質が良好であるとして、判定結果を良好とした。穴が形成されるか、裏波ビードが形成されない状態を加工品質が良好でないとして、判定結果を不良とした。
【００６４】
前述のように、指標１は１未満の値を必要な条件としている。図８Ｃ及び図８Ｄにハッチングを付して示すように、指標１が１を超えるときに判定結果が不良となっており、指標１が１未満の値であることが必要ということが確かめられた。
【００６５】
指標２について判定結果が良好となる条件を検討すると、指標２はハッチングを付していない０．０１％以上、０．１６％以下とすることが必要である。指標３について判定結果が良好となる条件を検討すると、指標３はハッチングを付していない０．１０％より大きく、０．２７％未満とすることが必要である。
【００６６】
以上を総合すると、レーザ加工機１００が１μｍ帯の波長を有するレーザ光を用いてステンレス鋼よりなる板金Ｗ１及びＷ２を良好な加工品質で突合せ溶接するには、次の（１）〜（３）の条件を満たせばよい。
【００６７】
（１）板金Ｗ１及びＷ２は、指標１として、板厚ｔｈの１／３未満のギャップＧを有して突き合わされている。前述のように、意図的に板金Ｗ１及びＷ２をギャップなしで突き合わせたとしても、厳密には板金Ｗ１と板金Ｗ２との間にはわずかな隙間が存在するので、板厚ｔｈの１／３未満のギャップＧを有して突き合わされている状態である。
【００６８】
（２）板金Ｗ１及びＷ２に照射されるレーザ光のビームスポットＢｓのうち、ビームスポットＢｓの中心からビームスポットＢｓの全熱エネルギのうちの３％の熱エネルギに相当する領域の面積を第１の面積とする。全熱エネルギのうちの８６％の熱エネルギに相当する領域の面積を第２の面積とする。第１の面積におけるパワー密度をピークパワー密度とする。板金Ｗ１及びＷ２が、ピークパワー密度で融解するのに要する融解時間を、第２の面積のビームスポットＢｓ８６が１つの径分だけ移動するのに要する移動時間で除した値を指標２とする。ＮＣ装置５０は、指標２を０．０１％以上、０．１６％以下とするよう、レーザ発振器１１及びレーザ加工ユニット２０を制御する。
【００６９】
（３）第２の面積のビームスポットＢｓ８６の移動方向前側の１／２の領域のうち、板金Ｗ１及びＷ２のうちの一方の板金に照射されている部分を第１の領域とし、移動方向後側の１／２の領域を第２の領域とする。第２の領域への入熱流を第１の領域への入熱流で除した値をさらに板金Ｗ１及びＷ２の板厚ｔｈで除した値を指標３とする。ＮＣ装置５０は、指標３を０．１０％より大きく、０．２７％未満とするよう、レーザ発振器１１及びレーザ加工ユニット２０を制御する。
【００７０】
図８Ａ〜図８Ｄに示すように、レーザ発振器１１の種別にかかわらず、集束状態にかかわらず、複数の板厚ｔｈ及び複数の距離ＬのギャップＧで、（１）〜（３）の条件を満たせば良好な加工品質で突合せ溶接することができることが確かめられている。
【００７１】
なお、レーザ発振器１１が射出するレーザ光のビームプロファイルはトップハット型とするのがよい。ＤＤＬ発振器１１Ｄが射出するレーザ光のビームプロファイルは通常トップハット型である。ファイバレーザ発振器１１Ｆが射出するレーザ光のビームプロファイルは通常ガウシアンビーム型である。レーザ発振器１１としてファイバレーザ発振器１１Ｆを用いる場合であっても、ビームシェイパを用いることによって、ビームプロファイルをトップハット型とすることができる。
【００７２】
本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１１  レーザ発振器
１１Ｄ  ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）
１１Ｆ  ファイバレーザ発振器
２０  レーザ加工ユニット
５０  ＮＣ装置（制御装置）
１００  レーザ加工機
Ｗ１，Ｗ２  板金
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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