(57)【要約】【課題】メッキをされ、重ね合わされた２つの金属板にレーザにて溶接を行う際に、ビードの形成と同時にメッキ金属のガスを排出することにより、良好な溶接を行う。【解決手段】積層体１０ａをレーザＬ１で溶接する際、レーザＬ１の照射直径部１８及び該照射直径部１８の周縁に形成されて、環状の溶接が終了する前にメッキが蒸発する温度以上の範囲である熱影響部２０が溶接途中で通過する領域を熱影響パス２６とする。環状の溶接が終了する前にメッキが蒸発する温度まで加熱される全域を熱影響範囲３０とする。溶融ビード２２で最終的に囲まれる範囲全域が、環状の溶接が終了する前にメッキの蒸発温度以上に加熱されるように、レーザＬ１を走査する。熱影響範囲３０は円形であって、その半径Ｒ１は熱影響パス２６の幅Ｗ以下に設定する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わされた２枚の金属板に対して一方の面からレーザを照射して環状に溶接するレーザ溶接方法において、
前記金属板における積層面の少なくとも一方に表面処理が施され、
溶融ビードで最終的に囲まれる範囲全域を、環状の溶接が終了する前に前記表面処理の処理材の蒸発温度以上に加熱することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ溶接方法において、
前記積層面上で、前記レーザの照射直径部及び該照射直径部の周縁に形成されて、環状の溶接が終了する前に前記処理材が蒸発する温度以上の範囲を熱影響部とし、
溶融ビードで最終的に囲まれる範囲全域に、前記熱影響部を通過させ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、重ね合わされた２枚の金属板に対して一方の面からレーザを照射して環状に溶接するレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車の車体等の構造部材として、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理された金属板が広く用いられている。
【０００３】
これらのメッキ鋼板をレーザ溶接するにあたり、スポット溶接をすると十分な面積が得られないことから、強度を考慮して円ビードで溶接する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、円ビードを形成する作業の初期段階において、該円ビードにより囲繞された範囲内はメッキが溶けることなく、そのまま残ることが考えられる。溶けずに残った囲繞部は周囲からの熱伝導により、結局は溶け、ビードが形成されることも考えられるが、該ビードの形成過程で発生するメッキ金属が蒸発したガスは、その発生時点において、中心部がすでに周囲に形成されたビードによって閉塞されているために排出されず、内圧が高まって爆飛の発生の原因となり得る。
【０００６】
また、囲繞部をなくしてメッキ金属のガスが排出される経路を確保するために、ビードをＣ字型等で形成した場合は、溶接に必要な面積が無駄に広くなって効率的でなく、疲労強度低下の原因になるとも考えられる。
【０００７】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、溶融ビードの形成が完了する前に、該溶融ビードの形成過程で処理材が蒸発して生じるガスを外部へ排出することができ、爆飛の発生を可及的に減少させることを可能にする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】
【０００８】
本発明に係るレーザ溶接方法は、重ね合わされた２枚の金属板に対して一方の面からレーザを照射して環状に溶接するレーザ溶接方法において、前記金属板における積層面の少なくとも一方に表面処理が施され、溶融ビードで最終的に囲まれる範囲全域を、環状の溶接が終了する前に前記表面処理の処理材の蒸発温度以上に加熱することを特徴とする。
【０００９】
これにより、金属板の積層面で処理材が蒸発したガスは、外部への排出経路が確保され爆飛の発生を抑制することができる。
【００１０】
前記積層面上で、前記レーザの照射直径部及び該照射直径部の周縁に形成されて、環状の溶接が終了する前に前記処理材が蒸発する温度以上の範囲を熱影響部とし、溶融ビードで最終的に囲まれる範囲全域に、前記熱影響部を通過させるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るレーザ溶接方法によれば、金属板の積層面で処理材が蒸発したガスは、外部への排出経路が確保され爆飛の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】積層体及びレーザ溶接機の一部断面側面図である。
【図２】図１に示す状態から、レーザを照射した状態を示す一部断面側面図である。
【図３】熱影響範囲について説明する図である。
【図４】第１の実施形態に係るレーザ溶接方法で形成されるビード及び熱影響範囲を示す平面図である。
【図５】第１の実施形態に係るレーザ溶接方法で形成されるビード及び熱影響範囲を示す断面側面図である。
【図６】第２の実施形態に係るレーザ溶接方法で形成されるビード及び熱影響範囲を示す平面図である。
【図７】変形例に係る積層体及びレーザ溶接機の一部断面側面図である。
【図８】図７に示す状態から、レーザを照射した状態を示す一部断面側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係るレーザ溶接方法について第１及び第２の実施形態を挙げ、添付の図１〜図８を参照しながら説明する。
【００１４】
先ず、各実施の形態で共通する基本的な手段について説明する。各実施の形態に係るレーザ溶接方法では、図１に示すように、上板１２と下板１４が重ね合わされた積層体１０ａに対して一方の面（以下、上板１２側の面とする。）に対して、図２に示すように、レーザ溶接機１６からレーザＬ１を照射させ、その照射位置を移動させながら溶接を行う。各実施の形態に係るレーザ溶接方法で溶接対象するワークは、後述する積層体１０ｂ（図７、図８参照）等でもよい。
【００１５】
レーザＬ１の照射位置を移動させる手段としては、レーザ溶接機１６のレーザ照射部の向きを変えたり、所定の光学手段を介して照射方向を変えたり、又はワーク側を移動させればよい。レーザＬ１の照射位置を移動させる手段としては、ロボットによってレーザ溶接機１６を移動させてもよい。レーザＬ１は、例えばＹＡＧレーザである。レーザＬ１の照射位置を移動する速度は基本的には一定速度とする。
【００１６】
上板１２には表面処理として亜鉛メッキが施され、鋼板１２ｃの上面１２ａ及び下面１２ｂにメッキ層（処理材）が設けられている。同様に下板１４には亜鉛メッキが施され、鋼板１４ｃの上面１４ａ及び下面１４ｂにメッキ層が設けられている。
【００１７】
上板１２の下面１２ｂと、下板１４の上面１４ａとの間にはスペーサ１５を介して適度に狭い隙間Ｇ１が確保されている。
【００１８】
図２は、上板１２の上面１２ａ側からレーザ溶接機１６より照射されたレーザＬ１が、上板１２及び下板１４に照射している状態を示す断面側面図である。レーザＬ１の照射直径部１８（図３参照）、及び該照射直径部１８の周縁に形成され、亜鉛メッキが蒸発する温度以上の範囲である熱影響部２０が、上板１２及び下板１４に形成されている。熱影響部２０は、環状の溶接が終了する前に亜鉛メッキが蒸発する範囲とする。
【００１９】
レーザＬ１の照射直径部１８及び熱影響部２０の断面は、積層面の下面１２ｂと上面１４ａで実質的に同じ面積となっている。亜鉛メッキを蒸発させることで発生する亜鉛ガス２４は、破線矢印で示すように、隙間Ｇ１から排出される。
【００２０】
図３の矢印で示すように、照射直径部１８の中心Ｏ１を点Ｐ１から点Ｐ２まで移動させたとき、該照射直径部１８が移動して通過した範囲（図３におけるダブルハッチ範囲）は溶接が行われる範囲であり、この範囲を溶融ビード２２とする。また、熱影響部２０が溶接途中で通過する領域（図３におけるハッチング範囲）は、環状の溶接が終了する前に亜鉛メッキが蒸発する領域であって、熱影響パス２６とする。
【００２１】
環状の溶接が終了する前にメッキが蒸発する温度まで加熱される全域を熱影響範囲３０（図４参照）とする。溶融ビード２２は熱影響パス２６に含まれる。熱影響パス２６の幅をＷとする。厳密には、熱影響パス２６の幅は必ずしも一定ではないが、発明の理解が容易となるように一定幅であるものとする。
【００２２】
本実施の形態に係るレーザ溶接方法では、溶融ビード２２で最終的に囲まれる範囲全域が、環状の溶接が終了する前に亜鉛メッキの蒸発温度以上に加熱されるように、レーザＬ１を走査して上板１２と下板１４との溶接を行う。また、移動途中で熱影響パス２６により囲繞される領域が生じないようにレーザＬ１の照射位置を所定の経路で移動させてもよい。
【００２３】
次に、個別の実施形態について説明する。
【００２４】
図４に示すように、第１の実施形態に係るレーザ溶接方法では、照射直径部１８の中心Ｏ１の経路３２を、基点（重心）Ａを中心として環状に一巡する閉経路として、積層面上において熱影響範囲３０を円形に形成する。このとき、最終的に形成される熱影響範囲３０の半径Ｒ１は熱影響パス２６の幅Ｗ以下に設定する。これにより、最終的な熱影響範囲３０は基点Ａを含み、しかも、溶融ビード２２で最終的に囲まれる範囲全域が、環状の溶接が終了する前に亜鉛メッキの蒸発温度以上に加熱される。また、レーザＬ１の移動途中で熱影響パス２６により囲繞される領域が生じない。図４に示す例では、熱影響部２０の端部を基点Ａに一致させている。
【００２５】
この溶接方法では、照射直径部１８が始点と終点で少なくとも一部が重なり合っていれば、経路３２は実質的に環状となり、これらの始点及び終点における応力の発生を防止できる。
【００２６】
第１の実施形態に係るレーザ溶接方法において、レーザＬ１を走査させ、照射直径部１８の中心Ｏ１が上板１２上で一巡閉経路である円形状を描いた後の、積層体１０ａの断面側面図を図５に示す。図５に示すように、溶融ビード２２の形成開始と同時に、上板１２と下板１４との積層面で亜鉛メッキが溶けて蒸発し、亜鉛ガス２４が発生するが、破線矢印で示すように隙間Ｇ１から亜鉛ガス２４は排出される。
【００２７】
このように、第１の実施の形態に係るレーザ溶接方法によれば、溶融ビード２２で最終的に囲まれる範囲全域が、環状の溶接が終了する前に亜鉛メッキの蒸発温度以上に加熱される。
【００２８】
これにより、溶融ビード２２が環状に閉じる前に、上板１２と下板１４との積層面で発生する亜鉛ガス２４を外部へ排出する排出路が確保され、換言すれば、溶融ビード２２が閉じたときには、その内部の亜鉛メッキはすでに蒸発して外部に排出されており、その内圧が高まることはなく爆飛の発生を抑制することができる。
【００２９】
仮に、環状の内部にガスが発生しても、その内圧が高まらない程度に微量であり、爆飛の発生を抑制することができる。また、経路３２は環状であって、溶接後には始点及び終点の区別がなく、疲労強度の低下を防止できる。さらに、溶融ビード２２の面積が、照射直径部１８より大きくなり、溶接の接合強度が高まる。
【００３０】
さらにまた、熱影響範囲３０を円形とすることによって、強度指向性のない安定した溶接が可能となるとともに、外観がよくなる。照射の経路を、一巡する閉経路に設定することにより安定し且つ無駄のない溶接が可能となる。
【００３１】
図６に示すように、第２の実施形態に係るレーザ溶接方法では、照射直径部１８の中心Ｏ１の経路３４を、基点Ａを基準とする正三角形となるような環状の一巡経路とし、且つ、基点Ａから経路３４による正三角形の頂点までの距離αを熱影響部２０の半径β（＝Ｗ／２）以下に設定しておく。これにより、三角形状の溶融ビード２２が得られ、例えば、板材３６の隅部形状に略合わせて溶接をすることができる。
【００３２】
上記の各実施例では、上板１２と下板１４との間に隙間Ｇ１（図２参照）が設けられており、該隙間Ｇ１からガスが排出されるものとしたが、次に示すように、上板１２と下板１４は接触して積層されていてもよい。
【００３３】
すなわち、図７に示すように、上板１２と下板１４を接して積層させて、その間に隙間はない。この場合、レーザＬ２は、所定の光学手段によって比較的短い焦点距離とし、照射直径部１８及び熱影響部２０の断面を、上板１２の上面を長辺、下板１４の下面１４ｂ側を短辺として、ある程度傾斜角度のある台形にしておくとよい。
【００３４】
このようにレーザＬ２を照射していると、照射直径部１８、又は熱影響部２０の範囲に溶融ビード２２が形成されるが、該溶融ビード２２の凝固、冷却過程で上板１２及び下板１４には体積収縮が生じる。このとき、図８に示すように、レーザＬ２の照射直径部１８及び熱影響部２０の断面図の形状から、レーザ溶接機１６に近い方が、照射直径部１８及び熱影響部２０を合わせた領域が広いために、前記体積収縮は大きく、遠い方が前記体積収縮は小さい。よって、上板１２と下板１４との間には前記体積収縮の差に伴う隙間Ｇ２が周囲に形成される。
【００３５】
これによって、所定経路によって溶融ビード２２が形成される前に、該溶融ビード２２の形成過程で発生する亜鉛ガス２４を隙間Ｇ２から外部へ排出することができ、爆飛の発生を可及的に減少させるという効果を達成することができる。
【００３６】
上述した実施の形態では、レーザＬ１、Ｌ２の照射により溶融ビード２２で最終的に囲まれる範囲全域を、環状の溶接が終了する前に表面処理材の蒸発温度以上となるように加熱しているが、加熱方法としてはこれに限らず、例えば、溶接用のレーザＬ１、Ｌ２とは別の熱源を用意してもよい。別の熱源による加熱は、レーザＬ１、Ｌ２と同期する必要はなく、適度に早い段階から加熱してもよい。
【００３７】
一方、本実施例のように加熱にレーザ走査を利用すると、構成がシンプルになり好適である。
【００３８】
また、上板１２及び下板１４は、その上下両面に亜鉛メッキが施されたものであるとしたが、これに限らず、上板１２と下板１４との間の重ね面の少なくとも一方、すなわち、上板１２の下面１２ｂ、又は下板１４の上面１４ａの少なくとも一方にメッキが施されていれば、本実施の形態に係るレーザ溶接方法は有効に適用することができる。
【００３９】
上述した実施の形態では、亜鉛メッキ鋼板であるとしたが、アルミメッキ鋼板やクロムメッキ鋼板等の表面処理でもよく、亜鉛メッキ鋼板に限定されない。
【００４０】
本発明に係るレーザ溶接方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４１】
１０ａ、１０ｂ…積層体                    １２…上板
１２ａ、１４ａ…上面                      １２ｂ、１４ｂ…下面
１４…下板                                １６…レーザ溶接機
１８…照射直径部                          ２０…熱影響部
２２…溶融ビード                          ２４…亜鉛ガス
２６…熱影響パス                          ３０…熱影響範囲
３２、３４、３６                          Ｇ１、Ｇ２…隙間
Ｌ１、Ｌ２…レーザ                        Ｏ１…照射直径部の中心
【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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