(57)【要約】【課題】被溶接部材に均一で適切な厚さの接合層を形成して、溶接の安定化、高強度化を図ると共に、レーザビームの低エネルギー化を図ることができるレーザ溶接装置を提供すること。【解決手段】被溶接部材１にレーザビームＬを照射する照射手段２を備え、被溶接部材１を溶融接合するレーザ溶接装置において、照射手段２は、複数のレーザビームＬ１を照射すると共に、当該レーザビームＬ１の被溶接部材１に対する照射スポットが略直線状に配列された状態にてレーザビームＬ１を照射する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接部材にレーザビームを照射する照射手段を備え、前記被溶接部材を溶融接合するレーザ溶接装置において、
前記照射手段は、複数のレーザビームを照射すると共に、当該レーザビームの前記被溶接部材に対する照射スポットが略直線状に配列された状態にて前記レーザビームを照射することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記照射手段は、一つのレーザ光源からのレーザビームを複数のレーザビームに分割するレーザ分割手段を有し、これにより複数のレーザビームを照射する、ことを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記レーザ分割手段は、回折光学素子であることを特徴とする請求項２記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記照射手段は、前記被溶接部材上における前記レーザビームの送り方向に対する当該レーザビームの配列方向のなす角度を変更する配列方向変更手段を有することを特徴とする請求項１，２又は３記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記照射手段は、前記被溶接部材上における前記レーザビームの送り方向に対する当該レーザビームの配列方向のなす角度を変更する配列方向変更手段を有すると共に、
当該配列方向変更手段は、前記レーザ分割手段である回折光学素子を回転させる回転機構により構成することを特徴とする請求項３記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
前記回転機構の動作を制御して前記回折光学素子を回転させて前記レーザビームの配列方向を変更する機能を有する制御手段を備え、
当該制御手段は、前記被溶接部材に関する溶接データを記憶すると共に、このデータに基づいて前記回折光学素子の回転角度を変更するよう前記回転機構の動作を制御することを特徴とする請求項５記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記照射手段の動作を制御して前記レーザビームの出力値を制御する機能を有し、この機能が、前記溶接データと前記回折光学素子の回転角度とに基づいて前記レーザビームの出力値を制御することを特徴とする請求項６記載のレーザ溶接装置。
【請求項８】
前記被溶接部材のうち、前記レーザビームを照射する一方の部材に対して当該レーザビーム照射側とは反対側に位置する他方の部材に、冷却手段を当接させて備えたことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６又は７記載のレーザ溶接装置。
【請求項９】
前記冷却手段に、当該冷却手段と当接する前記被溶接部材の温度を検出する温度検出手段を備えると共に、当該冷却手段の温度を調整する温度調整手段を備え、
前記温度検出手段からの温度を検出すると共に、この検出値とあらかじめ記憶された前記被溶接部材に関する溶接データとに基づいて前記温度調整手段の動作を制御して前記冷却手段の温度を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項８記載のレーザ溶接装置。
【請求項１０】
前記被溶接部材のうち、前記レーザビームを照射する一方の部材に対して当該レーザビーム照射側とは反対側に位置する他方の部材に、冷却手段を当接させて備えると共に、当該冷却手段と当接する前記被溶接部材の温度を検出する温度検出手段を備え
前記制御手段が、前記温度検出手段からの検出値と前記溶接データとに基づいて前記回折光学素子の回転角度を変更するよう前記回転機構の動作を制御することを特徴とする請求項６又は７記載のレーザ溶接装置。
【請求項１１】
前記制御手段が、前記温度検出手段からの検出値と前記溶接データと前記回折光学素子の回転角度とに基づいてレーザビームの出力値を制御することを特徴とする請求項１０記載のレーザ溶接装置。
【請求項１２】
前記冷却手段の温度を調整する温度調整手段を備えると共に、前記制御手段が、前記温度検出手段からの検出値と前記溶接データとに基づいて前記温度調整手段の動作を制御して前記冷却手段の温度を制御することを特徴とする請求項１０又は１１記載のレーザ溶接装置。
【請求項１３】
前記被溶接部材は、平面部分を重ねた状態で溶接される融点の異なる異種金属部材であって、
前記照射手段は、前記異種金属部材のうち融点の高い部材側からレーザビームを照射すると共に、
前記冷却手段を、前記異種金属部材のうち融点の低い部材の前記レーザビーム照射側とは反対側に当接させて備えたことを特徴とする請求項８，９，１０，１１又は１２記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接装置にかかり、特に、異種金属を接合溶接することに好適なレーザ溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
融点の高い金属と融点の低い金属とを接合するレーザ溶接においては、これら被溶接部材を重ね合わせ、融点の高い金属部材側にレーザビームを照射することにより、溶接を行っていた。ここで、従来のレーザ溶接装置、方法について、図６乃至図７を参照して説明する。
【０００３】
例えば、図６（ａ）に示すように、まず、融点の高い金属部材１１１（鉄部材）を上側に、融点の低い金属部材１１２（アルミニウム部材）を下側に配置して、これらを治具１１３により上側から抑えつける（矢印Ａ１００参照）。そして、上側の部材１１１に集光したレーザビームＬ１００を、その焦点からずらした位置で照射する。このときの溶接箇所の様子を、図６（ｂ）に示す。すると、レーザが照射された鉄部材１１１からアルミニウム部材１１２へと、当該レーザからの熱が伝熱し、これにより各部材間に金属間化合物層１１４が形成されて溶接が実現される。
【０００４】
しかしながら、かかる方法によるレーザ溶接では、レーザビームＬ１００の照射箇所が局所的となり、その熱により図６（ｃ）に示すように部材が変形したり、下側のアルミニウム部材の裏面に割れが発生するなどの問題が生じていた。また、金属間化合物層１１４が局所的に厚く形成され、脆性の低い過剰な金属間化合物により接合強度が低くなるなどの問題も生じていた（例えば、図６（ｂ）に示すように金属間化合物層１１４の中央付近が厚く形成されてしまう）。さらには、塑性変形しやすいＦｅ−Ａｌ化合物の生成量が所定量よりも少ない場合には、溶接後の接合部材の靱性が低いという問題も生じていた。
【０００５】
そこで、かかるレーザ溶接時の問題点を解決すべく、以下の特許文献１に示すレーザ溶接技術が開発されている。当該特許文献１に開示されている技術を、図７を参照して説明する。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２５０６４号公報（第１図）
【０００７】
図７（ａ）に示すように、従来の異種金属（Ｆｅ−Ａｌ）を接合するレーザ溶接装置では、下側である融点の低い部材１１２（Ａｌ）の裏面に、熱容量の大きい冷却部材である当て金１２０を配置している。これにより、当て金１２０が融点の低い部材１１２からレーザ照射による熱を迅速に吸収し（矢印Ａ１０１参照）、すなわち、融点の低い部材１１２の廃熱を促進することができる。従って、割れやすい温度に達成する前に溶着現象を発現させることができるため溶接部材の割れを抑制することができ、割れなどの不都合に留意することなく、レーザビーム照射のパワー密度を高めて高速度で溶着することが可能となる。さらに、冷却速度を速めることによって、脆性の低い金属間化合物層が過剰に生成されることを抑制することができる。このように、金属結晶の粗大化と熱歪みを抑制することができ、金属間化合物層を接合に適した厚さに形成することができる（図７（ｂ）参照）。なお、溶接後の溶接箇所における金属結晶の一例を図７（ｃ）に示す。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成のレーザ溶接装置であっても、照射スポットが一つであることから、依然として被溶接部材へのレーザビームによる照射熱が局所的に集中してしまい、広範囲かつ均一な溶接を実現することができず、信頼性の高い溶接を実現することが困難となってしまう、という問題が生じる。
【０００９】
【発明の目的】
本発明は、上記従来例の有する不都合を改善し、特に、被溶接部材の接合箇所に均一かつ適切な厚さの接合層を形成して、溶接の安定化、高強度化を図ることにより溶接の信頼性を高めると共に、レーザビームの低エネルギー化を図ることができるレーザ溶接装置を提供することをその目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明では、被溶接部材にレーザビームを照射する照射手段を備え、被溶接部材を溶融接合するレーザ溶接装置において、照射手段は、複数のレーザビームを照射すると共に、当該レーザビームの被溶接部材に対する照射スポットが略直線状に配列された状態にてレーザビームを照射する、という構成を採っている。
【００１１】
このような構成にすることにより、被溶接部材上に複数の照射スポットを形成したレーザビームを照射することができ、かかるレーザ照射箇所に複数のキーホールを誘発することができる。従って、被溶接部材におけるレーザビームの吸収率の向上を図ると共に、レーザビームによる熱量の均一化を図ることができ、かかる熱により形成される溶融接合層の均一化も図ることができる。その結果、高強度な溶接を実現でき、溶接の信頼性の向上を図ることができる。また、複数の照射スポットは略直線状に配列されているため、これを被溶接部材上において走査させることにより、より均一かつ効率的に溶接を実現することができる。
【００１２】
また、照射手段は、一つのレーザ光源からのレーザビームを複数のレーザビームに分割するレーザ分割手段を有し、これにより複数のレーザビームを照射する、という構成であると望ましい。例えば、レーザ分割手段は、回折光学素子である。これにより、レーザ光源を複数設けることなく、一つの光源からのレーザビームを回折光学素子にて分割することにより、複数のレーザビームを形成することができるため、簡易な構成において上述した作用、効果を発揮することができる装置を実現することができる。
【００１３】
また、上記照射手段は、被溶接部材上におけるレーザビームの送り方向に対する当該レーザビームの配列方向のなす角度を変更する配列方向変更手段を有する、という構成であると望ましい。これにより、レーザビームの送り方向に対する略直線状である配列方向のなす角度を変更することで、当該レーザビームにて構成される照射スポットの送り方向における幅を任意に変更することができる。また、複数のレーザビームの各照射スポットが送り方向に沿って重なるよう配列方向を変更した場合には、レーザビームの出力強度を変更することなく、かかる照射箇所に加えられるレーザの熱量を増加することができる。従って、あらゆる溶接部材、溶接箇所に対応可能であり、汎用性の向上を図ることができる。
【００１４】
そして、上記構成において、照射手段がレーザ分割手段である回折光学素子を用いて構成されている場合には、配列方向変更手段は、回折光学素子を回転させる回転機構により構成すると望ましい。これにより、回折光学素子を回転させるという容易な操作により、その幅を調整することができ、溶接箇所のレーザ熱量の変更を容易に行うことができる。
【００１５】
さらに上記同様回折光学素子を用いた構成において、回転機構の動作を制御して回折光学素子を回転させてレーザビームの配列方向を変更する機能を有する制御手段を備え、当該制御手段は、被溶接部材に関する溶接データを記憶すると共に、このデータに基づいて回折光学素子の回転角度を変更するよう回転機構の動作を制御する、という構成とすると望ましい。このとき、制御手段は、照射手段の動作を制御してレーザビームの出力値を制御する機能を有し、この機能が、溶接データと回折光学素子の回転角度とに基づいてレーザビームの出力値を制御する、という構成であってもよい。これにより、制御手段が、記憶している被溶接部材の材質データや溶接形状データなどから、その溶接に適した溶接状態となるようレーザビームの照射状態を変更するよう制御するため、希望する状態の溶接部材を容易に得ることができると共に、その品質の均一化を図ることができる。
【００１６】
さらに、被溶接部材のうち、前記レーザビームを照射する一方の部材に対して当該レーザビーム照射側とは反対側に位置する他方の部材に、冷却手段を当接させて備える、という構成にすると望ましい。そして、例えば、本発明における被溶接部材は、平面部分を重ねた状態で溶接される融点の異なる異種金属部材であってもよく、かかる場合に、照射手段は、異種金属部材のうち融点の高い部材側からレーザビームを照射すると共に、異種金属部材のうち融点の低い部材のレーザビーム照射側とは反対側に、温度調整可能な冷却手段を当接させて備える、という構成を採る。これにより、上述した効果を発揮しつつ、冷却手段により被溶接部材を恒温に保つことができ、従来の構成と同様に溶接部材の割れを抑制したり、接合部材間に良好な金属間化合物層を形成することができ、より信頼性の高い溶接を実現することができる。
【００１７】
このとき、冷却手段に、当該冷却手段と当接する被溶接部材、例えば、異種金属部材のうち融点の低い部材、の温度を検出する温度検出手段を備えると共に、当該冷却手段の温度を調整する温度調整手段を備え、温度検出手段からの温度を検出すると共に、この検出値とあらかじめ記憶された被溶接部材に関する溶接データとに基づいて温度調整手段の動作を制御して冷却手段の温度を制御する制御手段を備える、という構成とすると望ましい。これにより、まず、温度検出手段から検出した温度と、あらかじめ記憶されている溶接データ、例えば、溶接に良好な温度データとに基づいて、制御手段にて温度調整手段の動作が制御される。そして、温度調整手段により被溶接部材が溶接に適した温度となるよう当該部材に当接している冷却手段自体の温度が制御される。従って、溶接時の環境を適切な状態に維持することができ、良好な溶接を実現することができる。
【００１８】
また、上記制御手段が、回折光学素子を用いた構成においては、温度検出手段からの検出値と溶接データとに基づいて回折光学素子の回転角度を変更するよう回転機構の動作を制御する、という構成であると望ましい。さらに、制御手段が、温度検出手段からの検出値と溶接データと回折光学素子の回転角度とに基づいてレーザビームの出力値を制御する、という構成としてもよい。これにより、被溶接部材のレーザ照射側とは反対側に備えた冷却手段の温度をも考慮して、すなわち、被溶接部材の廃熱状態にも基づいて、制御手段にてレーザ照射状態が制御される。従って、より溶接時の環境を適切な状態に維持することができ、良好な溶接を実現することができる。
【００１９】
また、冷却手段の温度を調整する温度調整手段を備えると共に、制御手段が、温度検出手段からの検出値と溶接データとに基づいて温度調整手段の動作を制御して冷却手段の温度を制御する、という構成としてもよい。これにより、あらゆる溶接環境を考慮しつつ、溶接状態を制御することができ、さらなる良好な溶接を実現することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
〈第１の実施形態〉
本発明の第１の実施形態を、図１乃至図５を参照して説明する。図１は、本実施形態における構成を示す概略図である。図２は、本実施形態における動作を示すフローチャートである。図３は、本発明によるレーザ溶接時の様子を示す模式図である。図４乃至図５は、レーザビームの照射の状態を示す模式図である。
【００２１】
（構成）
図１に示すように、本実施形態におけるレーザ溶接装置は、被溶接部材１にレーザビームＬを照射する照射手段２を備えていて、当該照射手段２からのレーザビームＬにより、被溶接部材１を溶融接合するレーザ溶接装置である。また、このレーザ溶接装置は、被溶接部材２に当接して、レーザ照射により被溶接部材２に印加される熱を吸収し、これにより部材の温度を調節する冷却手段３を備えている。さらには、上記照射手段１の動作を制御して、レーザビームＬの出力値などを制御する制御手段４を備えている。以下、これを詳述する。
【００２２】
（被溶接部材）
まず、図１に示すレーザ溶接の対象となる被溶接部材１は、平面部分を重ねた状態で溶接される融点の異なる異種金属部材１１，１２である。具体的には、鉄部材（Ｆｅ）１１と、アルミニウム部材（Ａｌ）１２である。各部材は平板形状であり、その平面部分を相互に当接させて、かかる箇所にレーザビームが照射され、当該当接箇所に形成される金属間化合物により溶接が行われる。この様子を図３に示すが、その詳細は後述する。但し、本発明の溶接対象となる被溶接部材１は、上記の種類に限定されない。また、必ずしも融点の異なる異種金属である必要はなく、同種類の金属同士の溶接であってもよい。
【００２３】
ここで、上記被溶接部材１は、レーザビームＬの照射側に融点の高い鉄部材（Ｆｅ）１１を、その反対側に融点の低いアルミニウム部材１２（Ａｌ）を重ねて配置する。また、アルミニウム部材１２の下、すなわち、レーザ照射側とは反対側には、上述した冷却手段３が備えられる。そして、これらが移動しないよう止め部材１３にて保持する。以上を換言すると、上面が平面である冷却手段３にアルミニウム部材１２（Ａｌ）を載置すると共に、その上部に鉄部材１１（Ｆｅ）を積層する。そして、これらを上方から止め部材１３にて押さえつけて固定し、照射手段２にて上方から鉄部材１１に対してレーザビームＬを照射する。
【００２４】
（照射手段）
そして、照射手段２は、以下の構成によりレーザビームＬを照射する。まず、照射手段２は、一つのレーザ光源（図示せず）を有している。そして、当該光源からのレーザビームＬを複数のレーザビームＬ１に分割するレーザ分割手段２１を有している。このレーザ分割手段２１は、例えば、入射波面を定められた波面に変換する回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ：ＤＯＥ）である。
【００２５】
ここで、回折光学素子２１は、その表面にミクロンオーダーレベルで形成された凹凸微細形状パターンによって、光の位相を自由に変えて、様々な機能を発揮することができる光学素子（レンズ）である。具体的には、その表面に非球面上に鋸の歯のような形状をした微細な起伏形状が多数存在している。
【００２６】
そして、本実施形態における回折光学素子２１は、もともと１本であったレーザビームＬを複数本のレーザビームＬ１に分割し、さらには、これら分割されたレーザビームＬ１による被溶接部材１に対する複数の照射スポットが、略直線状に配列された状態となるよう分割するという特性を有している。これにより、後述する図５（ａ），（ｂ）に示すように、略直線状に配列された複数のレーザビームＬ１を、被溶接部材１に照射することができる。
【００２７】
また、略直線状に配列されたレーザビームＬ１の当該ビームの送り方向に対する角度は、回折光学素子２１を回転させることで変更することができる。このため、回折光学素子２１にはモータなどの回転機構である配列変更手段（図示せず）が備えられている。これにより、後述する図４（ｃ）に示すように、略直線状のレーザビームＬ１の配列方向と、被溶接部材１上におけるレーザビームＬ１の送り方向とのなす角度を容易に変更することができ、直線配列のレーザビーム照射幅を調整することができる。但し、レーザビームＬ１を分割するレーザ分割手段は、回折光学素子２１であることに限定されず、従って、レーザの照射配列方向を変更する配列変更手段も回転機構に限定されない。
【００２８】
ここで、上述した回折光学素子２１を回転する手段である配列変更手段には、当該回折光学素子２１の回転角度を検出する検出手段２２（エンコーダ）が備えられている。このエンコーダ２２は、回折光学素子２１を回転させるモータの軸に備えられていてもよく、図１に示すように回折光学素子２１自体に直接備えられていてもよい。かかる場合におけるエンコーダ２２は、回折光学素子２１と共にその外周に当接して回転する円形状のものである。但し、回折光学素子２１の回転角度を検出するエンコーダ２２は、上記のものに限定されるものではない。なお、後述するが、エンコーダ２２からの検出値である回折光学素子２１の回転角度は、制御手段４としてのコンピュータに送信される。そして、例えば検出した回転角度が参照されて、制御手段４により回折光学素子２１の回転角度が制御される。
【００２９】
そして、当然のことながら、照射手段２には、レーザビームＬ１を集光して適切な焦点位置にて当該レーザビームＬ１を被溶接部材１に照射する集光ミラー２３が設けられている。具体的に、この集光ミラー２３は放物面鏡であって、レーザ光源と被溶接部材１との位置関係に応じて光源からのレーザビーム１を被溶接部材１に向かって適切に反射するような角度にて配置されている。そして、分割されて形成された複数のレーザビームＬ１による多焦点（Ｍｕｌｔｉ  Ｆｏｃｕｓｉｎｇ）が形成される。これにより、ディ・フォーカシング法やカライド・スコープ法などと比較して、ビームの品質を損なうことなく、ビームのパワー分布のみを任意に変えることができる。そして、局所的なキーホールを複数誘発して、ビームの吸収率を高めることができ、従来の方法よりも少ないエネルギーで溶着を行うことができると共に、接合層も均一にすることができる。
【００３０】
（冷却手段）
ここで、上述した冷却手段３について説明する。冷却手段３は、被溶接部材１を載置する土台となるものであり、レーザビームＬ１の照射側とは反対側に配置されたアルミニウム部材１２に当接している。そして、この冷却手段３の内部には、流路が形成されていて、恒温槽３１の機能により冷却水３３が循環するようになっている。
【００３１】
また、冷却手段３の表面、すなわち、アルミニウム部材１２に当接する箇所には、温度検出手段３２である温度センサが備えられている。このセンサ３２からの検出値は、後述するように制御手段４に送信される。そして、その値に応じて恒温槽３１から出力される冷却水３３の温度や、上述したレーザの送り方向に対する照射スポットの配列方向の角度、さらには、レーザビームの出力値などが制御されることとなる。
【００３２】
（制御手段）
上述したように、本装置には、制御手段４としての制御装置、すなわち、コンピュータが備えられている。この制御装置４は、上述したエンコーダ２２と、照射装置２と、温度センサ３２と、恒温槽３１とに信号線にて接続されていている。特に照射手段２への信号線は、レーザビーム光源からの出力値を制御する装置や、回折光学素子２１の回転機構であるモータに接続されている。そして、制御装置４は、エンコーダ２２や温度センサ３２からの出力値を読み取る機能、レーザビームの出力値、回折光学素子２１の回転角度を制御する機能、さらには、恒温槽３１の動作を制御して冷却手段３の温度を制御する機能などを備えている。
【００３３】
また、制御装置４には、あらかじめ実験などから求めた被溶接部材への入熱量Ｑと、これにより生成される金属間化合物層の厚さｔとの関係を表すデータや、実際に接合する被接合部材１の熱容量ｑ１，ｑ２に関するデータ（板厚の違いも考慮した熱容量）、さらには、レーザビームの出力値Ｅ、レーザビームの被溶接部材上の送り速度Ｆ、溶接形状に関するデータなど、溶接データ（図１の符号Ｄ１参照）が記憶されている。但し、溶接データは上記のものに限定されない。
【００３４】
そして、制御装置４による回折光学素子２１の回転制御やレーザビームの出力値の制御は、上記溶接データや温度センサ３２、さらには、エンコーダ２２からの出力値を参照して行う。また、同様に、冷却手段３内を流れる冷却水の温度制御は、溶接データや温度センサ３２の出力値に応じて恒温槽３１の動作を制御することで行っている。その制御方法については、後述する。
【００３５】
（動作）
次に、上記構成であるレーザ溶接装置の動作を、図２乃至図５を参照して説明する。まず、操作者が、溶接対象である被溶接部材１１，１２の熱容量ｑ１，ｑ２や、入熱量に対する金属間化合物層の厚さｔとの関係データ、レーザ出力値Ｅ、送り速度Ｆ、溶接形状データなど、溶接データＤ１を制御装置４に入力する（ステップＳ１）。
【００３６】
そして、制御装置４に制御されて、入力されたレーザ出力値Ｅ、送り速度Ｆにて、レーザ溶接装置が作動し、溶接形状データに基づいてレーザを被溶接部材１に照射することで、レーザ溶接が開始される（ステップＳ２）。すると、レーザ光源からのレーザＬ１は、回折光学素子２１にて分割され、集光ミラー２３を介して被溶接部材１の鉄部材１１側に照射される。このようにすることにより、図３に示すように、鉄部材１１には複数の集光されたレーザビームを照射することができ、それぞれに局所的なキーホールが誘発されるため、ビーム吸収率を高めつつ、均一のレーザビームを照射することができる。従って、接合層である金属間化合物１４を均一に形成することができ、割れの発生を抑制することができると共に、少ないエネルギーで溶着を実現することができる。
【００３７】
このとき、図４（ａ）に被溶接部材１に照射された照射スポットを上方から見た図を示すが、この図に示すように、複数のレーザビームが略直線的に配列されているため、その照射幅（溶接幅）は符号Ｗ１で示すようになる。そして、基本的には、かかる配列と垂直の方向Ｙに送り方向がとられる（符号Ｐ１の位置）。また、送り方向の照射スポット自体の幅は、符号Ｄで示すように各レーザビームの照射時の直径となる。
【００３８】
続いて、溶接時、すなわち、レーザビーム送り時には、常に溶接データに記憶された溶接形状データや、エンコーダ２２からの回折光学素子２１の回転角度データ、さらには、温度センサ３２からの温度データが読み出される。そして、例えば、記憶されている溶接形状データに変更があるとき（ステップＳ３で肯定判断）、具体的には、溶接箇所の幅を狭くすべきであると溶接形状データに基づいて制御装置４にて判断された場合には、当該制御装置４から回折光学素子２を回転すべき指令が発せられる（ステップＳ７）。そして、回折光学素子２が所定角度回転されると、照射スポットの配列方向は図４（ａ）の符号Ｐ２の位置に示すような方向となり、送り方向に対しては溶接幅Ｗ２が狭くなる。このとき、回転角度は、エンコーダ２２からの検出値を参照にしながら設定される。但し、エンコーダ２２を用いずに、常に制御装置４が、回折光学素子２１の回転機構であるモータの回転角度を監視してその回転角度を制御してもよい。
【００３９】
上記のように回折光学素子２１を回転させて溶接幅Ｗ２を狭くすると、被溶接部材１に照射される単位面積当たりのレーザ熱量が多くなる。そして、熱量Ｑが多くなると、被溶接部材間に形成される金属間化合物の厚さｔが厚くなってしまうため、当該厚さｔを均一に保って溶接を行う場合には、レーザビーム自体の出力値Ｅを低くする必要がある。従って、溶接データ等を参照して制御装置４にてそのように判断された場合には（ステップＳ８で肯定判断）、レーザビームの出力値Ｅが制御される（ステップＳ９）。
【００４０】
そして、溶接動作中に、再び、あらかじめ定められた溶接形状に基づいて溶接幅Ｗ１の変更が必要であると判断されると、上記処理が繰り返され、例えば、図４（ａ）に示す溶接幅Ｗ３まで狭くなることもある（符号Ｐ３の位置）。
【００４１】
また、上述したように、溶接時には常に冷却手段３の温度、すなわち、被溶接部材１のうちレーザ照射されていない部材（アルミニウム部材１２）の裏側の温度が監視されている。このとき、その温度上昇速度があらかじめ定められた範囲内にある速度値よりも速かったり、あるいは遅かったりすると、制御装置４にて温度変化が異常であると判断され（ステップＳ４）、冷却手段３の温度制御が行われたり、レーザビームの幅が制御されたりする。
【００４２】
例えば、温度上昇速度、すなわち、温度変化速度が遅い場合には（ステップＳ５で否定判断）、必要な金属間化合物の生成温度に到達しないことが考えられる。従って、かかる場合には、回折光学素子２１の回転角度を制御して、レーザビームの幅を狭くし、かかる箇所の入熱量の増加を図る（ステップＳ７）。一方、温度上昇速度（温度変化速度）が速すぎる場合には（ステップＳ５で肯定判断）、恒温槽３１の動作を制御して、冷却手段３の冷却速度を速め、過剰な金属間化合物の生成を抑制する（ステップＳ６）。また、回折光学素子２１の回転角度を制御してレーザビームの幅を広くし、エネルギー密度を下げる（ステップＳ７）。ここで、温度上昇速度が速すぎる場合に、必ずしも冷却手段３の温度制御を行わなければならないわけではなく、回折光学素子２１を回転してレーザビームの幅の制御のみを行ってもよい。すなわち、図２及び上述した制御例は一例にすぎない。そして、あらかじめ入力した溶接が終了するまで上記処理が繰り返される（ステップＳ１０）。
【００４３】
なお、図示しないが、ステップＳ６に示す恒温槽３１の制御、すなわち、冷却手段３の温度制御は、溶接対象である被溶接部材１の種類によって頻繁に行われ、これにより溶接箇所の温度が均一に保たれる。
【００４４】
ここで、レーザビームの照射スポット幅と、被溶接部材間の生成される金属化合物層の厚さｔの関係を図４（ｂ），（ｃ）に示す。図４（ｂ）は、被溶接部材の断面図を示し、図４（ｃ）は、その上面図を示す。この図に示すように、送り方向Ｙに進むにつれて、照射スポットの配列方向と送り方向とのなす角が小さくなるよう変形しているが、かかる場合には、図４（ｂ）に示すように形成される金属間化合物層の厚さｔが大きくなる。これは、照射スポットの幅である溶接幅が狭くなると、被溶接部材１に照射されるレーザビームの単位面積当たりの照射量が多くなり、入熱量が増加するためである。
【００４５】
以上のように、本発明では、あらかじめ実験などにより得られたデータなどの溶接データを入力しておき、これらに基づいて、被溶接部材１にとって、強い接合に必要な金属間化合物だけが成長するよう、さらには、かかる化合物層の厚さが最適となるよう、冷却手段３の温度制御や、回折光学素子２１の回転制御、さらには、レーザビームの出力値Ｅ制御を実行している。これにより、板厚や組み合わせる異材の熱容量の違いなどにより、最適なエネルギーが均一でない加工物に対しても、適切な溶接が実現するよう対応することができる。また、被溶接部材１の熱による変形や、融点の低い金属の割れを抑制することができる。さらには、レーザ照射側の金属１１の組織も、冷却手段３による冷却を促進することによって溶接に適切な金属組織だけを拡張することができる。
【００４６】
ここで、レーザビームの照射スポットについて図５を参照して説明する。一つの照射スポット当たりの径Ｄは、集光ミラー２３にて集光されたレーザビームの焦点位置と被溶接部材１との関係により異なる。すなわち、図５（ａ）に示すように、焦点位置から離れた位置に被溶接部材１を配置すると（符号Ａ参照）、その径は大きくなる（図５（ｂ）の符号Ｄ１参照）。一方、焦点近くに配置すると（符号Ｂ参照）、その径は小さくなる（図５（ｂ）の符号Ｄ２参照）。従って、スポット径の大小により照射熱量が異なるため、被溶接部材１の材質や板厚などにより必要とされる熱量に応じて、当該スポット径、すなわち被溶接部材の位置を設定すればよい。なお、例えば、スポット径Ｄ１，Ｄ２は６ｍｍ以下であり、これらが集合した配列幅である溶接幅Ｗは１０ｍｍ以下である。
【００４７】
また、照射スポットの配列は、一列であるものを例示したが、これに限定されるものではない。レーザビームを複数列に分割し、これにより複数列の照射スポットを形成して被溶接部材に照射してもよい。さらに、各照射スポットの間隔は、等間隔でも不等間隔であってもよい。
【００４８】
ここで、本実施形態では、冷却手段３を有するレーザ溶接装置を例示したが、必ずしもこれに限定されない。本発明は、冷却手段３を備えずに、レーザ溶接を行う装置であってもよい。すなわち、分割された複数のレーザビームＬ１にて溶接を行うことで、被溶接部材の溶接箇所に均一なレーザビームを照射することができるため、割れの発生を抑制することができ、良好な溶接を行うことができるという効果を有する。
【００４９】
〈第２の実施形態〉
以下、本発明の第２の実施形態を説明する。第２の実施形態におけるレーザ溶接装置は、上述した第１の実施形態における装置とほぼ同様の構成要素を備えている。但し、本実施形態では、照射手段の構成が異なる。
【００５０】
本実施形態における照射手段は、図１に示すように、１つのレーザビームを照射直前に分割手段を用いて分割して、複数のレーザビームとして照射するのではなく、あらかじめ分割されたレーザビームをそれぞれ光ファイバーケーブルなどにより誘導し、複数の光ファイバーケーブルを例えば略直線状に配列して、被溶接部材レーザビームを照射するという構成を採っている。これにより、略直線状に配列された複数のレーザビームの配置の変更などが容易となり、照射位置の変更も容易となる。
【００５１】
なお、複数のレーザビームは、必ずしも一つのレーザ光源から出力されたものを分割して形成したものに限定されず、複数のレーザ光源から出力されたものをそのまま用いてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成され機能するので、これによると、照射手段が、照射スポットが略直線状に配列された状態にて複数のレーザビームを照射することにより、被溶接部材上に照射された複数の照射スポットによりレーザ照射箇所に複数のキーホールを誘発することができ、被溶接部材におけるレーザビームの吸収率の向上を図ると共に、レーザビームによる熱量の均一化を図ることができ、また、かかる熱により形成される溶融接合層の均一化も図ることができるため、局所的にレーザビームが照射されることによる被溶接部材の割れや変形を抑制することができ、溶接の信頼性を高めることができる、という従来にない優れた効果を有する。
【００５３】
また、複数のレーザビームを、一つのレーザ光源からのレーザビームを分割手段にて分割することにより形成すると、レーザ光源を複数設ける必要がないため、装置の簡略化を図ることができる。
【００５４】
さらに、被溶接部材上におけるレーザビームの送り方向に対する当該レーザビームの配列方向のなす角度を変更する配列方向変更手段を設けることにより、レーザビームにて構成される照射スポットの送り方向における幅を任意に変更することができ、レーザビームの出力強度を変更することなく、かかる照射箇所に加えられるレーザの熱量の増減を調整することができるため、あらゆる溶接部材、溶接箇所に対応可能であり、汎用性の向上を図ることができる。このとき、上述したレーザ分割手段を回折光学素子を用いて構成している場合には、上記配列方向変更手段を、回折光学素子を回転させる回転機構により構成することで、当該回折光学素子を回転させるという容易な操作により、その幅を調整することができ、溶接箇所のレーザ熱量の変更を容易に実行することができる。
【００５５】
また、上記構成において、被溶接部材のレーザビーム照射側とは反対側に、温度調整可能な冷却手段を当接させて備えることとすることで、上述した効果を発揮しつつ、冷却手段により被溶接部材を恒温に保つことができ、従来の構成と同様に溶接部材の割れを抑制したり、接合部材間に良好な金属間化合物層を形成することができる。
【００５６】
そして、冷却手段に、被溶接部材の温度を検出する温度検出手段を備えると共に、当該冷却手段の温度を調整する温度調整手段とを備え、検出した温度に応じて冷却手段の温度を調整したり、さらには、レーザビームの照射幅を変更するよう制御する構成とすることで、被溶接部材に適した温度、入熱量により溶接を行うことができ、溶接時の環境を適切な状態に維持することができ、信頼性の高い溶接を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における動作を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態におけるレーザ溶接時の様子を示す模式図である。
【図４】図４は、第１の実施形態におけるレーザビーム照射状態を示す模式図である。図４（ａ），（ｃ）は、照射スポットの変化を示す説明図であり、図４（ｂ）は、図４（ｃ）のように照射スポットを変化させたときの被溶接部材の様子を示す断面図である。
【図５】図５は、第１の実施形態におけるレーザビーム照射状態を示す模式図である。図５（ａ）は、レーザビームの照射スポットの位置を説明する図であり、図５（ｂ）は、照射スポットの形状を示す図である。
【図６】図６は、従来技術におけるレーザ溶接の様子を示す模式図である。図６（ａ）は、レーザの照射状態を示す図であり、図６（ｂ）は、レーザ照射による被溶接部材の様子を示す断面図である。図６（ｃ）は、溶接後の溶接部材の様子を示す図である。
【図７】図７は、従来技術におけるレーザ溶接の様子を示す模式図である。図７（ａ）は、レーザの照射状態を示す図であり、図７（ｂ）は、レーザ照射による被溶接部材の様子を示す断面図である。図７（ｃ）は、溶接後の溶接部材の金属塑性を示す図である。
【符号の説明】
１  被溶接部材
２  照射手段
３  冷却手段
４  制御手段（制御装置）
１１  鉄部材
１２  アルミニウム部材
２１  レーザ分割手段（回折光学素子）
２３  集光ミラー
３１  温度調整手段（恒温槽）
３２  温度検出手段（温度センサ）
【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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