(57)【要約】【課題】溶接時におけるスパッタの発生を抑制可能なレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】第１のレーザ光８１と、第１のレーザ光８１と光軸が同じであると共に、第１のレーザ光８１の照射領域の周縁部を照射可能な第２のレーザ光８２と、を、ワーク９に照射する工程を備え、前記照射する工程において、第２のレーザ光８２のエネルギー密度は、第１のレーザ光８１のエネルギー密度の１．５％以上４．５％以下である、レーザ溶接方法。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のレーザ光と、
前記第１のレーザ光と光軸が同じであると共に、前記第１のレーザ光の照射領域の周縁部を照射可能な第２のレーザ光と、を、ワークに照射する工程を備え、
前記照射する工程において、前記第２のレーザ光のエネルギー密度は、前記第１のレーザ光のエネルギー密度の１．５％以上４．５％以下である、
レーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワークを溶接する方法として、レーザ光をワークに照射する方法が知られている。
特許文献１には、第１のレーザ光と、第１のレーザ光の照射領域の周縁部を照射可能な第２のレーザ光と、を備えるレーザ光をワークに照射する、レーザ溶接方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０７３５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発明者らは、レーザ溶接方法に関し、以下の課題を見出した。
特許文献１に開示されているレーザ溶接方法では、第２のレーザ光のエネルギー密度を第１のレーザ光のエネルギー密度に比較して低く設定している。しかしながら、溶接時におけるスパッタの発生を抑制するためには、第２のレーザ光のエネルギー密度を第１のレーザ光のエネルギー密度に比較して適切に設定する必要がある。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、溶接時におけるスパッタの発生を抑制可能なレーザ溶接方法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】
【０００６】
上記目的を達成する一態様は、レーザ溶接方法であって、第１のレーザ光と、前記第１のレーザ光と光軸が同じであると共に、前記第１のレーザ光の照射領域の周縁部を照射可能な第２のレーザ光と、を、ワークに照射する工程を備え、前記照射する工程において、前記第２のレーザ光のエネルギー密度は、前記第１のレーザ光のエネルギー密度の１．５％以上４．５％以下である。
【０００７】
本発明に係るレーザ溶接方法では、第２のレーザ光のエネルギー密度が、第１のレーザ光のエネルギー密度の１．５％以上４．５％以下である。第２のレーザ光のみが照射されて発生する溶融池では、スパッタの発生が抑制される。また、第１のレーザ光が照射されて発生するキーホールから蒸発した溶融金属は、第２のレーザ光のみが照射されて発生する溶融池に付着する。そのため、本発明に係るレーザ溶接方法では、溶接時におけるスパッタの発生が抑制される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、溶接時におけるスパッタの発生を抑制可能なレーザ溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係るレーザ溶接装置の全体図である。
【図２】光軸に垂直な面で切断したレーザ光の断面図である。
【図３】溶接時におけるワークの斜視図である。
【図４】第２の実施形態に係るレーザ溶接装置の全体図である。
【図５】第３の実施形態に係るレーザ溶接装置の全体図である。
【図６】スパッタ量のモニタリング方法を示すフローチャートである。
【図７】カメラを用いて計測したプラズマ光強度の一例を示すグラフである。
【図８】実施例１〜２、及び比較例１〜２におけるスパッタ量の計測結果を示すグラフである。
【図９】実施例３〜８、及び比較例３〜６におけるスパッタ量の計測結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１１】
（第１の実施形態）
まず、図１〜３を参照して、本発明の第１の実施形態に係るレーザ溶接方法を実施するための装置（第１の実施形態に係るレーザ溶接装置）の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係るレーザ溶接装置の全体図である。図２は、光軸に垂直な面で切断したレーザ光の断面図である。図３は、溶接時におけるワークの斜視図である。
【００１２】
図１に示すように、レーザ溶接装置１は、ヘッド４、制御部５、発振器６、及びファイバー７を備える。ヘッド４は、図１に示すように、ガルバノミラー４１、４２を備える。図１に示すヘッド４内の矢印は、レーザ光の進行方向を示す。なお、図１には、レーザ溶接装置１に加えて、ワーク９を図示している。図２に示すように、レーザ光８は、第１のレーザ光８１、及び第２のレーザ光８２を備える。図３に示すように、ワーク９は、ワーク構成部材９１、９２を備える。なお、図３には、ワーク９に加えて、レーザ光８を図示している。
【００１３】
なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正方向が鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。
【００１４】
図１に示すように、ヘッド４は、発振器６から発振されたレーザ光８をワーク９に照射する部材である。ヘッド４は、ガルバノミラー４１、４２を備える。ガルバノミラー４１は、例えば図示しないｘ軸モータに接続されている。ガルバノミラー４２は、例えば図示しないｙ軸モータに接続されている。ｘ軸モータは、ガルバノミラー４１をｘ軸方向に回転可能とする。ｙ軸モータは、ガルバノミラー４２をｙ軸方向に回転可能とする。ヘッド４に入射したレーザ光８の進路方向は、ガルバノミラー４１、４２の回転によって、調節される。
【００１５】
図１に示すように、ヘッド４は、制御部５に接続されている。制御部５は、ヘッド４に入射したレーザ光８の進路方向を制御する。制御部５は、例えば、図示しないｘ軸モータ及びｙ軸モータの回転を制御することによって、レーザ光８の進路方向を制御する。制御部５は、ヘッド４に加えて、発振器６にも接続されている。発振器６は、レーザ光８を発振する。制御部５は、発振器６から発振されるレーザ光８の出力等を制御する。レーザ光８は、例えば、ファイバーレーザである。レーザ光８の波長は、例えば、１０３０ｎｍ以上１１２０ｎｍ以下とすることができる。
【００１６】
発振器６から発振されたレーザ光８は、ファイバー７を通ってヘッド４に入射する。発振器６から発振されたレーザ光８は、ファイバー７の配置によって図２に示す形状に調節される。ファイバー７は、断面円形状のコアと、コアを覆うように形成された第１クラッドと、第１クラッドを覆うように形成された第２クラッドと、を備える。コアには、イッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素がドープされている。ファイバー７の屈折率は、コア、第１クラッド、第２クラッドの順に低くなる。
【００１７】
レーザ光８は、ファイバー７において増幅される。図１に示すように、レーザ溶接装置１は、２つのファイバー７を備える。２つのファイバー７のうち一方に入射したレーザ光８は、図２に示す第１のレーザ光８１としてファイバー７から発振される。２つのファイバー７のうち他方に入射したレーザ光８は、図２に示す第２のレーザ光８２としてファイバー７から発振される。発振された第１のレーザ光８１及び第２のレーザ光８２を合成し、図２に示す形状にレーザ光８を調節する。
【００１８】
図２は、レーザ光８を光軸に垂直な面で切断した断面図である。図２に示すように、レーザ光８は、第１のレーザ光８１と第２のレーザ光８２とを備える。第１のレーザ光８１及び第２のレーザ光８２は、光軸に垂直な面で切断した切断面が、それぞれ円形状である。また、第１のレーザ光８１及び第２のレーザ光８２は、光軸が同一である。したがって、第２のレーザ光８２は、第１のレーザ光８１が照射可能な領域の周縁部を照射することができる。
【００１９】
図２に示すｄ１は、第１のレーザ光８１の半径である。図２に示すｄ２は、第２のレーザ光８２の半径である。第１のレーザ光８１の半径ｄ１は、第２のレーザ光８２の半径ｄ２よりも小さい。第１のレーザ光８１の半径ｄ１は、例えば、第２のレーザ光８２の半径の２５％以上３５％以下である。また、第２のレーザ光８２のエネルギー密度は、第１のレーザ光８１のエネルギー密度の１．５％以上４．５％以下である。
【００２０】
第１の実施形態に係るレーザ溶接方法は、第１のレーザ光８１と第２のレーザ光８２とを、ワーク９に照射する工程を備える。図３に、照射する工程を行う際におけるワーク９の斜視図を示す。
【００２１】
ワーク９は、鋼製の部材である。ワーク９は、例えば、鋼鈑と鋼材との突き合せ材である。ワーク９は、ワーク構成部材９１、９２を備える。図３に示す例では、ワーク９は、直方体形状である。しかしながら、ワーク９の形状は、特に限定されない。ワーク９は、例えば、円柱形状であってもよい。ワーク構成部材９１、９２は、図３に示すように、接合面９ａにおいて接合される。
【００２２】
図３に示す例では、接合面９ａのｙ軸正方向側からｙ軸負方向側に向かって、レーザ光８の照射領域を移動させつつ接合面９ａの接合を行う。レーザ光８が照射されている領域では、ワーク構成部材９１、９２が溶融し、溶融池９ｃが形成される。
【００２３】
第１のレーザ光８１が照射されている領域は、第２のレーザ光８２のみが照射されている領域に比較して、高いエネルギー密度のレーザが照射される。したがって、第１のレーザ光８１が照射されている領域は、ワーク構成部材９１、９２の溶融が特に進行しやすい。そのため、第１のレーザ光８１が照射されている領域には、キーホール９ｄが形成される。
【００２４】
キーホール９ｄ内では、ワーク構成部材９１、９２が溶融する際に、溶融金属が蒸発する。キーホール９ｄ内で蒸発した溶融金属は、キーホール９ｄの外に飛び出すことがある。キーホール９ｄの外に飛び出した溶融金属は、キーホール９ｄの周縁部に形成されている溶融池９ｃに付着する。
【００２５】
溶融池９ｃは、レーザ光８の照射領域が移動すると、冷却し、ビード９ｂを生じる。溶融池９ｃに付着した溶融金属は、溶融池９ｃが冷却すると、溶融池９ｃと共にビード９ｂを形成する。したがって、キーホール９ｄ内で溶融金属が蒸発しても、スパッタの発生が起こりにくい。
【００２６】
また、第２のレーザ光８２のみが照射されている領域は、緩やかに加熱されて溶融池９ｃが浅い。そのため、第２のレーザ光８２のみが照射されている領域では、溶融金属の蒸発が起こりにくい。したがって、第２のレーザ光８２のみが照射されている領域では、スパッタが発生しにくい。第１の実施形態に係るレーザ溶接方法は、上記の構成によって、溶接時におけるスパッタの発生を抑制することができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施形態に係るレーザ溶接方法を実施するための装置（第２の実施形態に係るレーザ溶接装置）の構成について説明する。図４は、第２の実施形態に係るレーザ溶接装置の全体図である。レーザ溶接装置２は、図４に示すように、図１に示した構成に加えて、ＤＯＥ４３を備える。なお、図４には、レーザ溶接装置２に加えて、ワーク９を図示している。その他の構成については、第１の実施形態において説明した構成と同様であるため、重複した説明は適宜省略する。
【００２８】
レーザ溶接装置２は、ＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）４３を備える。ＤＯＥ４３は、レーザ光８の進路上であればどのような位置に配置されてもよい。ＤＯＥ４３は、例えば図４に示すように、ヘッド４内に配置される。レーザ溶接装置２では、レーザ溶接装置１におけるファイバー７の配置によるレーザ光８の形状の調節に代えて、レーザ光８をＤＯＥ４３に通過させることによって、レーザ光８の形状を図２に示すように調節する。
【００２９】
レーザ溶接装置２は、上記の構成によって、第１のレーザ光８１と第２のレーザ光８２とを、ワーク９に照射する工程を行うことができる。したがって、第２の実施形態に係るレーザ溶接方法は、溶接時におけるスパッタの発生を抑制することができる。さらに、第２の実施形態に係るレーザ溶接方法は、第１の実施形態において説明した効果と同様の効果を奏することができる。
【００３０】
（第３の実施形態）
次に、図５〜７を参照して、本発明の第３の実施形態に係るレーザ溶接方法を実施するための装置（第３の実施形態に係るレーザ溶接装置）の構成について説明する。図５は、第３の実施形態に係るレーザ溶接装置の全体図である。図５に示すヘッド４内の実線矢印は、レーザ光の進行方向を示す。図５に示すヘッド４内の点線矢印は、反射光の進行方向を示す。図６は、スパッタ量のモニタリング方法を示すフローチャートである。図７は、カメラを用いて計測したプラズマ光強度の一例を示すグラフである。
【００３１】
レーザ溶接装置３は、図２に示した構成に加えて、ミラー４４、カメラ４５を備える。第１のレーザ光８１と第２のレーザ光８２とを、ワーク９に照射する工程では、第１のレーザ光８１と第２のレーザ光８２とが反射し、反射光の一部が図５に示す点線矢印に示すようにヘッド４に入射する。ミラー４４は、ヘッド４に入射した反射光の進路上に配置されている。
【００３２】
カメラ４５は、ミラー４４において反射された反射光を撮影することができる。具体的には、ヘッド４に入射した反射光の一部は、ガルバノミラー４２において反射した後に、ガルバノミラー４１を通過する。反射光の進路上にミラー４４を配置すると、カメラ４５を用いて反射光強度を撮影することができる。
【００３３】
カメラ４５は、制御部５に接続されている。レーザ溶接装置３は、第１のレーザ光８１と第２のレーザ光８２とを、ワーク９に照射する工程を行う際に、カメラ４５において撮影された反射光強度を用いて、スパッタ量のモニタリングを行うことができる。スパッタ量のモニタリング方法の具体例を図６のフローチャートに示す。
【００３４】
スパッタ量のモニタリング方法では、溶接を行う部分をｍ個の区間に分割してモニタリングを行う。ただし、ｍは２以上の整数である。スパッタ量のモニタリング方法を行う際には、第２のレーザ光８２のエネルギー密度を、第１のレーザ光８１のエネルギー密度の１．５％以上４．５％以下の所定の値とした場合における反射光強度を予めカメラ４５を用いて撮影する。そして、所定時間内における反射光強度の最大値と最小値との差分、すなわち振幅を定数Ａとする。
【００３５】
スパッタ量のモニタリング方法では、まず、第１区間目の反射光強度を計測する工程（ステップＳ１）を行う。具体的には、カメラ４５を用いて反射光を撮影し、制御部５において第１区間目の反射光強度を計測する。
【００３６】
次に、反射光強度の振幅が定数Ａよりも小さいか否かを判定する工程（ステップＳ２）を行う。図７に、ステップＳ１において計測された反射光強度の波形の一例を示す。図７において点線で示された波形のように、反射光強度の最大値と最小値との差分が定数Ａよりも小さい場合、第１区間目はスパッタの発生量が所定よりも少ないと判断する。すなわち、第１区間目における溶接が良好であると判断する。ステップＳ２において第１区間目における溶接が良好である場合、第２区間目における溶接を行う。
【００３７】
一方、図７において実線で示された波形のように、反射光強度の最大値と最小値との差分が定数Ａ以上である場合、第１区間目はスパッタの発生量が所定以上であると判断する。すなわち、第１区間目における溶接が不良である判断する。ステップＳ２において第１区間目における溶接が不良である場合、溶接を行う部分全体に対して、溶接の不良率がＢ％より小さいか否かを判断する工程（ステップＳ３）を行う。
【００３８】
溶接を行う部分全体に対して、溶接の不良率がＢ％より小さい場合、レーザ出力を調整する工程（ステップＳ４）を行い、第２区間目における溶接を行う。このように、第ｍ区間目までステップＳ１〜ステップＳ４を繰り返し行い、溶接を行う部分全体を溶接する。
【００３９】
なお、第ｎ区間目を溶接する際に、ステップＳ３において、溶接を行う部分全体に対して、溶接の質が悪い区間がＢ％以上であった場合には、第ｎ＋１区間目における溶接を中止する。溶接が中止された当該ワーク９は、溶接不良品として処分される。
【００４０】
第３の実施形態に係るレーザ溶接方法は、第１のレーザ光８１と第２のレーザ光８２とを、ワーク９に照射する工程を行う際に、上記のスパッタ量のモニタリング方法を行うことによって、溶接時におけるスパッタの発生を抑制することができる。さらに、第３の実施形態に係るレーザ溶接方法は、第１〜２の実施形態において説明した効果と同様の効果を奏することができる。
【実施例】
【００４１】
以下、本発明について実施例を示して具体的に説明する。これらの記載により本発明を制限するものではない。
【００４２】
［実施例１〜２］
実施例１では、第２のレーザ光８２のエネルギー密度を、第１のレーザ光８１のエネルギー密度の１．８％として、ワーク９の溶接を行った。なお、実施例１における第１のレーザ光８１の半径ｄ１は、第２のレーザ光８２の半径ｄ２を１として、０．２５であった。また、実施例１において使用したワーク９は、鋼鈑と鋼材との突き合わせ材であった。実施例２では、第２のレーザ光８２のエネルギー密度を、第１のレーザ光８１のエネルギー密度の４．５％として、それ以外は実施例１と同様にして、ワーク９の溶接を行った。
【００４３】
［比較例１〜２］
比較例１では、第２のレーザ光８２のエネルギー密度を、第１のレーザ光８１のエネルギー密度の０％として、それ以外は実施例１と同様にして、ワーク９の溶接を行った。比較例２では、第２のレーザ光８２のエネルギー密度を、第１のレーザ光８１のエネルギー密度の１００％として、それ以外は実施例１と同様にして、ワーク９の溶接を行った。
【００４４】
（スパッタ量の計測）
実施例１〜２、及び比較例１〜２におけるスパッタ量を計測した。計測結果を図８に示す。図８に示すように、実施例１〜２は、比較例１〜２に比較して、スパッタ量が少なかった。このことから、第２のレーザ光８２のエネルギー密度を、第１のレーザ光８１のエネルギー密度の１．５％以上４．５％以下とすると、溶接時におけるスパッタの発生を抑制可能であることが確認された。
【００４５】
［実施例３〜８］
実施例３では、溶接深さ、すなわちキーホール９ｄの深さが１．２ｍｍとなるように溶接を行った。なお、実施例３における第２のレーザ光８２のエネルギー密度は、第１のレーザ光８１のエネルギー密度の４．５％であった。実施例４では、溶接深さが３ｍｍとなるようにし、それ以外は実施例３と同様にして溶接を行った。実施例５では、溶接深さが３．８ｍｍとなるようにし、それ以外は実施例３と同様にして溶接を行った。
【００４６】
実施例６では、溶接深さが４ｍｍとなるようにし、それ以外は実施例３と同様にして溶接を行った。実施例７では、溶接深さが４．１ｍｍとなるようにし、それ以外は実施例３と同様にして溶接を行った。実施例８では、溶接深さが４．２ｍｍとなるようにし、それ以外は実施例３と同様にして溶接を行った。
【００４７】
［比較例３〜６］
比較例３では、溶接深さが１．５ｍｍとなるように溶接を行った。なお、比較例３における第２のレーザ光８２のエネルギー密度は、第１のレーザ光８１のエネルギー密度の１００％であった。比較例４では、溶接深さが３ｍｍとなるようにし、それ以外は比較例３と同様にして溶接を行った。比較例５では、溶接深さが３．２ｍｍとなるようにし、それ以外は比較例３と同様にして溶接を行った。比較例６では、溶接深さが４ｍｍとなるようにし、それ以外は比較例３と同様にして溶接を行った。
【００４８】
（スパッタ量の計測）
実施例３〜８、及び比較例３〜６におけるスパッタ量を計測した。計測結果を図９に示す。図９に示すように、実施例３〜８は、比較例３〜６に比較して、スパッタ量が少なかった。このことから、第２のレーザ光８２のエネルギー密度を、第１のレーザ光８１のエネルギー密度の１．５％以上４．５％以下とすると、溶接時におけるスパッタの発生を抑制可能であることが確認された。
【００４９】
比較例３〜６に示すように、溶接深さが深くなると、スパッタの発生が増加する。しかしながら、実施例３〜８では、溶接深さが深くなっても、スパッタの発生の増加を抑制可能であることが明らかになった。
【００５０】
以上で説明した本実施の形態に係る発明により、溶接時におけるスパッタの発生を抑制可能なレーザ溶接方法を提供することができる。
【００５１】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１、２、３  レーザ溶接装置
４  ヘッド
４１、４２  ガルバノミラー
４４  ミラー
４５  カメラ
５  制御部
６  発振器
７  ファイバー
８  レーザ光
８１  第１のレーザ光
８２  第２のレーザ光
９  ワーク
９１、９２  ワーク構成部材
９ａ  接合面
９ｂ  ビード
９ｃ  溶融池
９ｄ  キーホール
【図１】
2020044543.tif 000003
【図２】
2020044543.tif 000004
【図３】
2020044543.tif 000005
【図４】
2020044543.tif 000006
【図５】
2020044543.tif 000007
【図６】
2020044543.tif 000008
【図７】
2020044543.tif 000009
【図８】
2020044543.tif 000010
【図９】
2020044543.tif 000011