(57)【要約】【課題】レーザ溶接の過程で発生する光の観察によって溶接品質をより確実に判断可能な溶接継手構造を得ること。【解決手段】溶接継手構造は、第１の部材１１の突き合わせ面１１ａと、第２の部材１２の突き合わせ面１２ａとを突き合わせた突き合わせ部２０がレーザ溶接される溶接継手構造であって、第１の部材１１の突き合わせ面１１ａおよび第２の部材１２の突き合わせ面１２ａの少なくとも一方には、レーザ光１が照射される辺１１ｂから離れた位置に、レーザ光１の走査方向と平行に延びる凹み２が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材の突き合わせ面と、第２の部材の突き合わせ面とを突き合わせた突き合わせ部がレーザ溶接される溶接継手構造であって、
前記第１の部材の突き合わせ面および前記第２の部材の突き合わせ面の少なくとも一方には、レーザ光が照射される辺から離れた位置に、前記レーザ光の走査方向と平行に延びる凹みが形成されていることを特徴とする溶接継手構造。
【請求項２】
前記凹みは、前記第１の部材の突き合わせ面および前記第２の部材の突き合わせ面のうち前記レーザ光が照射される辺の反対側となる辺に沿って設けられた切欠きによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の溶接継手構造。
【請求項３】
前記第１の部材および前記第２の部材の少なくとも一方には、前記レーザ光が照射される側の反対側から前記突き合わせ部を覆う覆い部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の溶接継手構造。
【請求項４】
前記凹みは、
前記レーザ光の照射方向に沿った長さが、前記レーザ溶接の溶け込み深さの０．０５倍以上であり、
前記第１の部材の突き合わせ面に垂直な方向に沿った長さが、前記溶け込み深さの０．１倍以上であることを特徴とする請求項２または３に記載の溶接継手構造。
【請求項５】
前記凹みは、前記突き合わせ面から離れるほど前記レーザ光の照射側に近づく形状であることを特徴とする請求項２から４のいずれか１つに記載の溶接継手構造。
【請求項６】
前記第１の部材と前記第２の部材とが同じ材質であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の溶接継手構造。
【請求項７】
前記第１の部材と前記第２の部材の材質は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の溶接継手構造。
【請求項８】
第１の部材の突き合わせ面と、第２の部材の突き合わせ面とが突き合わせされた突き合わせ部をレーザ溶接するレーザ溶接方法であって、
前記第１の部材の突き合わせ面および前記第２の部材の突き合わせ面の少なくとも一方であって、レーザ光が照射される辺から離れた位置に、前記レーザ光の走査方向と平行に延びる凹みを形成するステップと、
前記突き合わせ部にレーザ光を照射するステップと、
前記レーザ光の反射光を観察するステップと、
前記反射光の変化に基づいて、前記レーザ光による前記突き合わせ部の溶け込みが前記凹みに到達したか否かを判定するステップと、を備えることを特徴とするレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接によって接合される溶接継手構造およびレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、アーク溶接および抵抗溶接等の他の溶接方法と比べて、狭い範囲に高密度のエネルギーを注入することができる。そのため、レーザ溶接は、溶接時間の削減、溶接変形の抑制という２つの長所を有している。近年、金属の溶接においては、ロボットを用いたレーザ溶接が溶接手法として取り入れられる機会が増加している。しかしながら、レーザ溶接は、狭い範囲に高密度のエネルギーを注入する手法であることから、レーザ照射位置のわずかなずれが溶接品質の悪化を招きやすい。溶接品質の悪化には、被溶接物が規定の深さまで溶け込まない溶け込み不足が例示される。
【０００３】
レーザ溶接の様子をモニタリングして溶接の品質を判断するインプロセスモニタリングと呼ばれる手法がある。インプロセスモニタリングでは、レーザ溶接の最中にモニタリングして溶接の品質を判断するため、溶接後の品質検査時間を削減できる。また、異常を検知した時点で溶接を中止すれば、その後の無駄な溶接時間を省くことができるため、製品作製にかかる時間の短縮化を図ることができる。
【０００４】
インプロセスモニタリングの手法には、特許文献１に示すように、溶接の際に発生する反射光またはプラズマ光を観測し、光の強度の変化に基づいて溶け込み不足を判断する手法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−９０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
溶接の際に発生する光を観察する手法では、溶接の品質の良し悪しに応じた光の強度差が小さい場合に、強度差の原因が溶け込みの差による影響なのか、外部因子による影響または測定のばらつきによる影響なのか判断が困難な状況になることがある。
【０００７】
異種材料をレーザ溶接する場合には、被溶接物の溶け込み等によって溶接の過程で被溶接材料が変化する。被溶接材料の変化によってレーザ光の吸収率も変化するため、溶接の際に発生する光の強度の変化も大きく、異種材料をレーザ溶接する場合には溶け込み不足の判断がしやすい傾向にある。
【０００８】
一方、同種の材料をレーザ溶接する場合には、溶接の過程で被溶接材料が変化しないため、溶接の際に発生する光の強度の変化が小さく、溶け込み不足の判断が難しい場合がある。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ溶接の過程で発生する光の観察によって溶接品質をより確実に判断可能な溶接継手構造を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１の部材の突き合わせ面と、第２の部材の突き合わせ面とを突き合わせた突き合わせ部がレーザ溶接される溶接継手構造であって、第１の部材の突き合わせ面および第２の部材の突き合わせ面の少なくとも一方には、レーザ光が照射される辺から離れた位置に、レーザ光の走査方向と平行に延びる凹みが形成されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、レーザ溶接の過程で発生する光の観察によって溶接品質をより確実に判断可能な溶接継手構造を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる溶接継手構造の平面図
【図２】図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面図
【図３】図２に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図
【図４】実施の形態１にかかる溶接継手構造において、被溶接材料の溶け込みが溶け込み深さｈに到達していない状態を示す図
【図５】実施の形態１にかかる溶接継手構造において、被溶接材料の溶け込みが溶け込み深さｈに到達した状態を示す図
【図６】比較例として示す溶接継手構造の断面図
【図７】実施の形態１にかかる溶接継手構造を用いたレーザ溶接の手順を示すフローチャート
【図８】実施の形態１の第１の変形例にかかる溶接継手構造の断面図
【図９】実施の形態１の第２の変形例にかかる溶接継手構造の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態にかかる溶接継手構造およびレーザ溶接方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる溶接継手構造の平面図である。図２は、図１に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。溶接継手構造は、第１の部材１１と第２の部材１２とを備える。図２に示すように、第１の部材１１と第２の部材１２とは、互いの突き合わせ面１１ａ，１２ａ同士を突き合わせた状態で配置される。溶接継手構造では、突き合わせ面１１ａ，１２ａ同士が突き合わされた突き合わせ部２０に、溶接継手構造に対する一方側の面にレーザヘッド３０からレーザ光１が照射されて、レーザ溶接が行われる。
【００１５】
本実施の形態１では、レーザ光１が照射される面に垂直なＺ軸を定義する。また、平面視において突き合わせ面１１ａ，１２ａ同士が延びる方向に沿ったＸ軸を定義する。レーザ溶接において、レーザ光１はＸ軸に沿った方向に走査される。また、Ｘ軸およびＺ軸に垂直なＹ軸を定義する。第１の部材１１の突き合わせ面１１ａと第２の部材１２の突き合わせ面１２ａは、Ｚ−Ｘ平面に平行な面である。
【００１６】
図３は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図である。第１の部材１１の突き合わせ面１１ａには、レーザ光１の走査方向であるＸ軸方向に沿って延びる凹み２が形成されている。凹み２は、突き合わせ面１１ａのうちレーザ光１が照射される辺から離れた位置に形成される。本実施の形態１では、突き合わせ面１１ａのうちレーザ光１が照射される辺１１ｂの反対側となる辺１１ｃに沿って設けられた切欠きによって凹み２が形成されている。凹み２によって、突き合わせ面１１ａと突き合わせ面１２ａとの間に空間が形成される。
【００１７】
凹み２は、レーザ光１の照射方向であるＺ軸に沿った長さが、レーザ溶接の溶け込み深さｈの０．０５倍以上であることが好ましい。また、第１の部材１１の突き合わせ面１１ａに垂直な方向に沿った長さが、溶け込み深さｈの０．１倍以上であることが好ましい。凹み２は、突き合わせ面１１ａから離れるほどレーザ光１の照射側に近づく形状となっている。溶け込み深さｈとは、レーザ溶接において被溶接材料にそれ以上の溶け込みが発生していれば、十分な品質を得られる規定の深さである。被溶接材料に溶け込み深さｈより小さい深さの溶け込みしか発生していない場合には、溶接の品質が不十分な溶け込み不足となる。なお、凹み２は、突き合わせ面１１ａから離れるほどレーザ光１の照射側に近づく形状となっていなくてもよい。
【００１８】
第２の部材１２には、レーザ光が照射される側の反対側から突き合わせ部２０を覆う覆い部２２が形成されている。
【００１９】
レーザ光１を照射して行われるレーザ溶接において、レーザ光１の反射光またはプラズマ光が反射光検出器５によって観測され、観測された光の強さがフィルターによって処理されて信号強度として抽出される。観測された光が強ければ信号強度も大きくなる。
【００２０】
図４は、実施の形態１にかかる溶接継手構造において、被溶接材料の溶け込みが溶け込み深さｈに到達していない状態を示す図である。図４に示すように、被溶接材料の溶け込みが溶け込み深さｈに到達するまでは、溶接継手構造の表面および溶け込みが発生している領域と発生していない領域との境界でレーザ光が反射して、その反射光の一部が反射光検出器５に入射するという態様が継続する。そのため、レーザ溶接の開始から被溶接材料の溶け込みが溶け込み深さｈに到達するまでは、反射光検出器５で抽出される信号の強度に大きな変化は生じない。
【００２１】
図５は、実施の形態１にかかる溶接継手構造において、被溶接材料の溶け込みが溶け込み深さｈに到達した状態を示す図である。図５に示すように、被溶接材料の溶け込みが溶け込み深さｈに到達すると、凹み２によって形成された空間にてレーザ光が反射、拡散、吸収されるため、反射光検出器５に到達する光の強度がそれまでと大きく異なるようになる。そのため、抽出される信号強度もそれまでと大きく異なる。溶け込みの凹み２への到達によって光の強度が異なるようになるので、第１の部材１１と第２の部材１２とが同材料で形成されていても、反射光検出器５に到達する光の強度が変化する。特に、凹み２が、突き合わせ面１１ａから離れるほどレーザ光１の照射側に近づく形状となっていることで、凹み２の内側でのレーザ光の反射回数を増やすことができるため、反射光の強度の変化をより大きくすることができる。
【００２２】
したがって、信号強度が大きく異なったか否かによって、突き合わせ部２０における被溶接材料の溶け込みが溶け込み深さｈに到達した否か、すなわちレーザ溶接によって十分な品質を得られる溶け込みがあったか否かを検出することができる。例えば、反射光検出器５からの信号を受信したＣＰＵ等によって、レーザ溶接によって十分な品質を得られる溶け込みがあったか否かを判別してもよい。このように、第１の部材１１と第２の部材１２とが同材料で形成されていても、反射光の観察によってレーザ溶接の品質を判定することが可能となる。例えば、第１の部材１１と第２の部材１２の両方の材質を、アルミニウムまたはアルミニウム合金としてもよい。
【００２３】
図６は、比較例として示す溶接継手構造の断面図である。比較例にかかる溶接継手構造では、第１の部材１１１の突き合わせ面１１１ａと第２の部材１１２の突き合わせ面１１２ａのどちらにも凹みが形成されていない。そのため、被溶接材料の溶け込みが溶け込み深さｈに到達したか否かに関わらず、反射光の態様は大きく変化しないため、反射光検出器５に到達する光の強度は大きく変化せず、レーザ溶接の品質を判定することは難しい。
【００２４】
図５に戻って、第２の部材１２に設けられた覆い部２２によって、レーザ光１の照射側の反対側から突き合わせ部２０が覆われているので、溶け込みが辺１１ｃ，１２ｃまで到達しても、溶けた材料の抜け落ちが防がれる。溶けた材料の抜け落ちが防がれることで、溶けた材料が凹み２の内側に入り込んで留まり、凹み２の内側の空間が塞がれる。これにより、レーザ光１が照射される側の反対側で、突き合わせ面１１ａと突き合わせ面１２ａとが接合されていない亀裂のような箇所がなくなり、第１の部材１１と第２の部材１２との接合強度の向上を図ることができる。
【００２５】
また、レーザ溶接の過程で溶けた被溶接材料に含まれていた水素またはシールドガスが溶接箇所に残って気泡となったブローホールが発生する場合がある。ブローホールの発生は、溶接箇所の接合強度の低下を招く場合があるため好ましくない。本実施の形態１にかかる溶接継手構造では、溶けた被溶接材料に含まれていた水素またはシールドガスが凹み２を通じて外部に排出されやすいため、ブローホールの発生を抑えて、接合強度の向上を図ることができる。
【００２６】
次に、溶接継手構造を用いたレーザ溶接の手順について説明する。図７は、実施の形態１にかかる溶接継手構造を用いたレーザ溶接の手順を示すフローチャートである。まず、第１の部材１１の突き合わせ面１１ａであって、辺１１ｂから離れた位置に凹み２を形成する（ステップＳ１）。次に、第１の部材１１と第２の部材１２とを突き合わせ、突き合わせ部２０にレーザ光１を照射する（ステップＳ２）。次に、レーザ光１の反射光を観察する（ステップＳ３）。次に、反射光の強度の変化に基づいて、レーザ溶接の品質を判定する（ステップＳ４）。
【００２７】
以上説明した溶接継手構造によれば、被溶接材料の溶け込みによる光の吸収率の変化が起きにくい構成、例えば同じ材質の部材同士をレーザ溶接する場合であっても、反射光を観察するインプロセスモニタリングによってレーザ溶接の品質をより確実に判定することが可能となる。
【００２８】
図８は、実施の形態１の第１の変形例にかかる溶接継手構造の断面図である。第１の変形例にかかる溶接継手構造では、第１の部材１１の突き合わせ面１１ａに加えて、第２の部材１２の突き合わせ面１２ａにも凹み２３が形成されている。
【００２９】
第１の変形例にかかる溶接継手構造では、突き合わせ面１２ａのうちレーザ光１が照射される辺１２ｂの反対側となる辺１２ｃに沿って設けられた切欠きによって凹み２３が形成されている。このように、第２の部材１２の突き合わせ面１２ａに凹み２３を形成しても、反射光の強度の変化によってレーザ溶接の品質をより確実に判定することが可能である。
【００３０】
図９は、実施の形態１の第２の変形例にかかる溶接継手構造の断面図である。第２の変形例にかかる溶接継手構造では、凹み２が、辺１１ｃからも離れた位置に形成されている。この場合には、凹み２よりも辺１１ｃ側となる部分が、突き合わせ部２０をレーザ光１の照射側の反対側から覆う覆い部２１として機能する。
【００３１】
なお、第２の変形例と同様に、第２の部材１２の突き合わせ面１２ａにも辺１２ｃから離れた位置に凹み２３を形成してもよい。この場合には、凹み２よりも辺１１ｃ側となる部分、および凹み２３よりも辺１２ｃ側となる部分の両方が、覆い部として機能する。
【００３２】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１  レーザ光、２，２３  凹み、５  反射光検出器、１１，１１１  第１の部材、１１ａ，１１１ａ  突き合わせ面、１１ｂ，１１ｃ  辺、１２，１１２  第２の部材、１２ａ，１１２ａ  突き合わせ面、１２ｂ，１２ｃ  辺、２０  突き合わせ部、２１，２２  覆い部、３０  レーザヘッド。
【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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