(57)【要約】  本開示のレーザ溶接制御方法は、第１の鋼板（１０）が突出部（１２）を有し、第１の鋼板（１０）に形成されている突出部（１２）の先端と第２の鋼板（１１）とが接するように、第１の鋼板（１０）と前記第２の鋼板（１１）とを重ね合わせる第１の工程と、第１の工程後に、平面視における突出部（１２）の大きさより、大きいサイズの照射パターン（９ａ，９ｂ）で、突出部（１２）に向かってレーザ光（９）を照射する第２の工程と、を有する。そして、第１の鋼板（１０）の第２の鋼板（１１）に対向する面（１０ｂ）、または、第２の鋼板（１１）の前記第１の鋼板（１０）に対向する面（１１ａ）、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の鋼板が突出部を有し、前記第１の鋼板に形成されている前記突出部の先端と、第２の鋼板とが接するように、前記第１の鋼板と前記第２の鋼板とを重ね合わせる第１の工程と、  前記第１の工程後に、平面視における前記突出部の大きさより、大きいサイズの照射パターンで、前記突出部に向かって前記レーザ光を照射する第２の工程と、を備え、  前記第１の鋼板の前記第２の鋼板に対向する面、または、前記第２の鋼板の前記第１の鋼板に対向する面、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工されているレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記平面視における前記突出部の形状は円形状で、  前記平面視における前記突出部の径は２．５ｍｍ以下であって、  前記突出部より大きいサイズの照射パターンで渦巻き状にレーザ照射する請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記平面視において、前記突出部の径より０．５ｍｍ以上大きいサイズでレーザ照射する請求項２に記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記平面視における前記突出部の形状がライン状で、  前記平面視における前記突出部の幅が２．０ｍｍ以下であって、  前記突出部より大きいサイズの照射パターンで螺旋状にレーザ照射する請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項５】
前記平面視において、前記突出部の幅より０．５ｍｍ以上大きいサイズでレーザ照射する請求項４に記載のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本開示は、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた部材である溶接対象物のレーザ溶接において、ブローホールの低減やピットの低減に効果を発揮するレーザ溶接制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  亜鉛メッキ鋼板は、防錆や防食性に優れている。そのため、近年、亜鉛メッキ鋼板は、自動車部品や建築用鉄骨部材等に用いられ、年々その需要が高まっている。【０００３】  しかしながら、亜鉛メッキ鋼板を使用する際、課題がある。亜鉛メッキ鋼板の表面にメッキされている亜鉛は、鉄より融点が低い。そのため、亜鉛メッキ鋼板を溶接すると、その亜鉛が気化し、亜鉛蒸気が溶融池や溶融金属を通過して外部に拡散しようとする。しかし、レーザ溶接は、アーク溶接などに比べて溶接速度が速いため、溶融金属の凝固が速く、外部に亜鉛蒸気が完全に拡散できない。従って、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールやピット（以下、気孔と呼ぶ）として、亜鉛蒸気が残存しやすい。このような気孔は、深刻な溶接欠陥につながる恐れもある。また、気孔が、爆飛現象により、穴あきやスパッタの発生につながることもある。【０００４】  このようなブローホール等の溶接欠陥を防止するために、重ね合わされた２枚の金属メッキ板の間にメッキ金属ガスを逃がすために微小なすき間を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。【０００５】  図８を参照しながら、特許文献１について説明する。重ね合わされた２枚のめっき鋼板（めっき鋼板１１０及びめっき鋼板１２０）は、めっき鋼板１１０の突出部１１４がめっき鋼板１２０の表面に線接触するように配置されている。突出部１１４によってめっき鋼板１１０とめっき鋼板１２０との間には、すき間Ｈ（０．１ｍｍ以上）が形成される。この時、すき間Ｈは、突出部１１４の高さｈと等しい。めっき鋼板１１０に対して、レーザビームＬＡが照射される。突出部１１４の頂部１１５の反対側である溝１１６側から、レーザビームＬＡが溝１１６に沿って照射され、めっき鋼板１１０はシーム溶接される。レーザ装置１３０の全体構成の図示は省略したが、レーザ発生装置（図示せず）から出力されるレーザビームＬＡが、レンズホルダ１３１に保持されているレンズ１３２を介して集束し、高エネルギー密度の微小スポットとしてめっき鋼板１１０に照射される。最初に、めっき鋼板１１０の照射局部が溶融し、次に、第２のめっき鋼板１２０の照射局部が溶融する。図８に二点鎖線で示す領域が、溶融池ＭＰである。このとき、めっき層１１２、めっき層１１３、めっき層１２２、及びめっき層１２３も溶融し、金属蒸気ＧＳが発生するが、めっき鋼板１１０及びめっき鋼板１２０の接合部で発生する金属蒸気ＧＳはすき間Ｈを介して大気に放出される。よって溶融池ＭＰ内に気泡が残置することはない。めっき鋼板１１０の溶融池ＭＰの表面に乱れが生ずることはなく、滑らかな面となり、アンダーカットを生ずることもない。【０００６】  次に、図９を参照しながら、特許文献２について説明する。めっき鋼板２１０は、突出部２３０と突出部２３１とを有する。そして、めっき鋼板２１０及びめっき鋼板２２０を重ね合わせた後、突出部２３０と突出部２３１との間の領域Ｒ内に、レーザ発生装置（図示せず）から出力されるレーザビーム２５０を照射して、溶接が行われる。突出部２３０および突出部２３１によってめっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０との間には、すき間Ｈができている。すき間Ｈは、��出部の高さｈと等しい。めっき鋼板２１０の突出部２３０および突出部２３１の間の領域Ｒに対し、レーザビーム２５０は照射される。ビーム照射ノズル２５１に保持されるレンズ２５２を通し、焦点をはずした微小スポットとしてレーザビーム２５０は照射される。レーザビーム２５０の照射位置は、通常は突出部２３０と突出部２３１の中間点に対して行うが、突出部２３０と突出部２３１とを除く、突出部２３０と突出部２３１の間となる領域Ｒ内であれば中間点からずれていても構わない。レーザビーム２５０の照射により、めっき鋼板２１０の照射部と、めっき鋼板２２０の照射部が順に溶融し、溶融池２６０が形成される。このとき、めっき層２１２ａ、２１２ｂ、２２２ａ、２２２ｂも溶融して金属蒸気が発生する。めっき層２１２ａ、２２２ａから発生する金属蒸気はめっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０との間に形成される空隙Ｓを通して大気中に放出される。よって溶融池２６０に気泡が残留することがない。溶融池２６０は、溶接完了時点においてブローホールが発生することなく、その表面は滑らかな面となり、溶接強度が一定となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−１５５９７４号公報
【特許文献２】特開平１０−２１６９７４号公報
【発明の概要】
【０００８】  本開示のレーザ溶接制御方法は、第１の鋼板が突出部を有し、第１の鋼板に形成されている突出部の先端と第２の鋼板とが接するように、第１の鋼板と第２の鋼板とを重ね合わせる第１の工程と、第１の工程後に、平面視における突出部の大きさより、大きいサイズの照射パターンで、突出部に向かってレーザ光を照射する第２の工程と、を有する。そして、第１の鋼板の第２の鋼板に対向する面、または、第２の鋼板の第１の鋼板に対向する面、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接装置の概略構成を示す図
【図２Ａ】本開示の実施の形態１における渦巻き状のレーザ照射を示す図
【図２Ｂ】本開示の実施の形態１における渦巻き状の照射パターンにおける突出部の径と渦巻き径との関係を示す図
【図２Ｃ】本開示の実施の形態１における別の突出部の部分図
【図３】本開示の実施の形態１における突出部の径と渦巻き径の適正範囲を示す図
【図４Ａ】本開示の実施の形態２における螺旋状のレーザ照射を示す図
【図４Ｂ】本開示の実施の形態２における螺旋状の照射パターンにおける突出部の幅と螺旋幅との関係を示す図
【図５】本開示の実施の形態２における突出部の幅と螺旋幅の適正範囲を示す図
【図６】本開示の実施の形態２におけるすき間の裕度を示す図
【図７】本開示の実施の形態２における位置ズレの裕度を示す図
【図８】従来（特許文献１）のレーザ溶接における被溶接部材の断面の概要を示す図
【図９】従来（特許文献２）のレーザ溶接における被溶接部材の断面の概要を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】  本開示の実施の形態の説明に先立ち、従来のレーザ溶接における問題点を簡単に説明する。
【００１１】  上述した特許文献１のレーザ溶接の制御方法では、めっき鋼板１１０の突出部１１４がめっき鋼板１２０の表面に線接触し、めっき鋼板１１０とめっき鋼板１２０との間には、すき間Ｈ（例えば、Ｈ＝０．１ｍｍ以上）が形成される。なお、めっき鋼板１１０のめっき鋼板１２０に対向する面から、突出部１１４の頂点１１５までの長さ（突出部１１４の高さｈ）は、すき間Ｈと等しい。めっき鋼板１１０の溝１１６に対して、レーザビームＬＡが照射され、めっき鋼板１１０およびめっき鋼板１２０がシーム溶接される。しかしながら、レーザビームＬＡが照射する際、左右への位置ズレが発生した場合、めっき鋼板１１０とめっき鋼板１２０との間にすき間がある部分がレーザ溶接されることがある。
【００１２】  また、めっき鋼板１１０に、突出部１１４以外の突出部（図示せず）が存在する場合、突出部１１４以外の突出部とめっき鋼板１２０とが接触し、突出部１１４とめっき鋼板１２０とが接触しないことがある。つまり、突出部１１４とめっき鋼板１２０との間に、すき間が存在する場合がある。突出部１１４とめっき鋼板１２０とのすき間が大きい場合、穴あきといった溶接不良につながる可能性がある。
【００１３】  また、従来の特許文献２のレーザ溶接の制御方法では、めっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０を重ね合わせた後、めっき鋼板２１０の突出部２３０と突出部２３１との間の領域Ｒ内に対し、レーザビーム２５０を照射して溶接を行う。なお、レーザビーム２５０は、レーザ発生装置（図示せず）から出力される。そして、めっき鋼板２１０の突出部２３０および突出部２３１がめっき鋼板２２０の表面に接触し、めっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０との間には、すき間Ｈ（ここではＨ＝０．１ｍｍとする）が形成される。
【００１４】  しかしながら、ワークセットや治具固定の精度により、突出部２３０と突出部２３１の両方が、めっき鋼板２２０に接触しているとは限らない。例えば一方の突出部（ここでは、突出部２３０とする）が、めっき鋼板２２０と接触せず、突出部２３０の高さｈ（本実施の形態では０．１ｍｍ）以上のすき間Ｈが、めっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０との間にできる場合がある。この時、領域Ｒ内においても、めっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０とのすき間Ｈが突出部２３０の高さｈより大きくなり、穴あきといった溶接不良につながる可能性がある。
【００１５】  なお、すき間Ｈ＞高さｈの状態については、図９には図示していない。
【００１６】  以下、本開示の実施の形態について、図１から図７を用いて説明する。図１は、レーザ溶接装置の概略構成を示す図である。図２Ａは、渦巻き状のレーザ照射を示す図である。図２Ｂは、渦巻き状の照射パターンにおける突出部１２の径ａと渦巻き径ｂとの関係を示す図である。図２Ｃは、別の突出部の部分図である。図３は、突出部１２の径ａに対する裕度の一例を示す図である。図４Ａは、螺旋状のレーザ照射を示す図である。図４Ｂは、螺旋状の照射パターンにおける突出部１２の幅ｃと螺旋幅ｄとの関係を示す図である。図５は突出部１２の幅ｃに対する裕度の一例を示す図である。図６はすき間に対する裕度の一例を示す図で、図７は位置ズレに対する裕度の一例を示す図である。
【００１７】  （実施の形態１）  本実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。
【００１８】  図１に示すレーザ溶接装置は、レーザ溶接を行う装置である。レーザ光を熱源として集光した状態で金属に照射し、金属を局部的に溶融・凝固させることによって接合する装置である。以下では、レーザ溶接装置を用い、亜鉛めっき鋼板のレーザ溶接を行う場合を例にして説明する。
【００１９】  図１に示すレーザ溶接装置は、レーザ発振器１と、ロボット２と、被溶接物である上板１０と下板１１にレーザ光９を照射するためのレーザ照射用ヘッド７と、レーザ発振器１とロボット２とレーザ照射用ヘッド７等の制御を行うロボットコントローラ３と、レーザ発振器１からレーザ照射用ヘッド７へレーザ光９を伝送する伝送ファイバ８を有する。
【００２０】  レーザ照射用ヘッド７には、レーザ発振器１および伝送ファイバ８に依存したビーム径のレーザ光９が伝送される。なお、レーザ照射用ヘッド７は、ロボット２に取り付けられている。また、レーザ照射用ヘッド７としては、例えば、ガルバノミラー等の光学機器を用いたものがある。
【００２１】  ロボットコントローラ３は、溶接条件設定制御部４と、動作制御部５と、レーザ出力制御部６と、を有する。溶接条件設定制御部４は、レーザ溶接条件の設定や他の構成要素への指令等を行う。動作制御部５は、溶接条件設定制御部４で設定された溶接条件や予め教示された動作プログラム等に基づいて、ロボット２またはレーザ照射用ヘッド７の動作を制御する。レーザ出力制御部６は、溶接条件設定制御部４で設定された溶接条件に基づいてレーザ出力を制御するためにレーザ発振器１を制御する。
【００２２】  このレーザ溶接装置は、レーザ発振器１からレーザ光９を発振し、レーザ発振器１から発振されたレーザ光９をレーザ照射用ヘッド７内にある集光レンズ（図示せず）によって集束する。そして、集光レンズによって集束されたレーザ光９が、重ね合わせた被溶接物である上板１０と下板１１とに重ね方向から（図２Ａでは上側から）照射され、上板１０と下板１１は溶接される。
【００２３】  次に、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃを用いて、亜鉛めっき鋼板のレーザ溶接方法について説明する。以下で説明するレーザ溶接は、図１に示すレーザ溶接装置を用いて行われる。
【００２４】  先ずは、図２Ａ、図２Ｂを用いて、照射パターンを渦巻き状にレーザ照射しながら溶接する亜鉛めっき鋼板の溶接について説明する。本実施の形態では、上板１０および下板１１のいずれも、亜鉛めっき鋼板である。なお、上板１０および下板１１は必ずしも、亜鉛めっき鋼板である必要はない。
【００２５】  まず、上板１０および下板１１が重ね合わされる。そして、上板１０に予め設けられている突出部１２の中心位置からレーザ光９の照射が開始される。レーザ光９の照射は、突出部１２の中心から、渦巻き状の照射パターン９ａに従って行われる。そして、レーザ光９が渦巻き状の照射パターン９ａの外周部分に到達したらレーザ照射は終了する。
【００２６】  レーザ光９の出力は、亜鉛めっき鋼板である上板１０と下板１１とを貫通させることができるエネルギー密度である。なお、エネルギー密度およびレーザ出力は、上板１０および下板１１の板厚に応じて異なり、板厚が厚くなるほど、高エネルギー密度が必要であり、レーザ光９の出力は高く設定される。
【００２７】  上板１０は、亜鉛めっき層１０ａおよび亜鉛めっき層１０ｂを有し、下板１１は亜鉛めっき層１１ａおよび亜鉛めっき層１１ｂを有する。そして、レーザ光９を照射し、上板１０および下板１１を溶接する時、亜鉛蒸気１３は上板１０と下板１１とのすき間Ｈに発生するので、亜鉛蒸気１３の影響を受けずに上板１０と下板１１とを溶接することができる。
【００２８】  上述した通り、本実施の形態のレーザ溶接方法では、図２Ｂに示すように、亜鉛めっき鋼板である上板１０に予め設けた円形状の突出部１２の中心位置から突出部１２より大きい照射パターン９ａで、渦巻き状に溶接することにより、亜鉛めっき鋼板である上板１０および下板１１との重ね合わせ面から亜鉛蒸気１３の排出経路を作り出すことができる。
【００２９】  なお、本開示において、円形状は、円状と長円状とを含む。
【００３０】  また、良好な溶接を行うためには、当然ながら、適正な条件が必要となる。
【００３１】  ここで、上板１０および下板１１との位置関係について、図２Ｂおよび図２Ｃを参照しながら説明する。
【００３２】  例えば、上板１０が複数の突出部１２を有する場合、設計精度によっては、全ての突出部１２が下板１１と接するとは限らない。突出部１２が下板１１と接する場合の位置関係を図２Ｂに示し、突出部１２が下板１１と接しない場合の位置関係を図２Ｃに示す。なお、図２Ｃは、図２Ｂの破線で囲んでいる領域に対応する箇所のみ示し、他の構成については図示を省略している。
【００３３】  図２Ｂに示すように、突出部１２と下板１１とが接している場合は、突出部１２の高さ（以下、『高さｈ』と記す）と、上板１０の下板１１に対向する面と、下板１１の上板１０に対向する面との間の長さ（以下、『すき間Ｈ』と記す）は、等しい。
【００３４】  一方、図２Ｃに示すように、突出部１２と下板１１とが接していない場合は、突出部１２の高さをｈとすると、高さｈとすき間Ｈは等しくはない。突出部１２の先端と、下板１１の上板１０に対向する面との間の長さをすき間ｈ’とすると、Ｈ＝ｈ+ｈ’となる。
【００３５】  次に、図３を用いて、平面視における突出部１２の径ａに対する渦巻き状の照射パターン９ａの渦巻き径ｂの適正範囲について説明する。なお、図３は一例であり、本開示はこれに限定させるものではない。
【００３６】  図３に示す施工評価の際の条件は以下の通りである。上板１０および下板１１として、めっきの被膜密度が４５ｇ／ｍ２、板厚が０．８ｍｍである亜鉛めっき鋼板を用いた。すき間ｈ’＝０ｍｍ、突出部１２の高さｈ=０．１ｍｍとした。溶接条件は、出力が２.５ｋＷ、速度が６ｍ／ｍｉｎとした。横軸を上板１０が有する突出部１２の径ａの長さとし、縦軸を照射パターン９ａの渦巻き径ｂとした。
【００３７】  図３に示す施工評価の結果から、溶接結果が良好となる適正範囲が分かる。図３には、溶接具合の結果を○と△で表している。目視で確認を行い、○はビード外観が良好な場合を示し、△は気孔が残存している場合を示している。突出部１２の径ａが２.５ｍｍ以下においては、突出部１２の径ａに対して渦巻き径ｂを大きく設定していれば、亜鉛蒸気１３の排出経路が確保され、良好なビード外観を得ることができることがわかる。具体的には、突出部１２の径ａに対して渦巻き径ｂを０．５ｍｍ以上大きくすれば良い。
【００３８】  例えば、突出部１２の径ａが０．５ｍｍであれば、渦巻き径ｂは１．０ｍｍ以上、突出部１２の径ａが２．５ｍｍであれば、渦巻き径ｂは３．０ｍｍ以上必要になる。しかし、突出部１２の径ａが３．０ｍｍ以上になると、上板１０と下板１１との接触面積が増加する。接触面積の増加により、突出部１２を設けた効果がなくなる。その結果、亜鉛蒸気１３の排出が難しい状態になり、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールやピットが残存することになる。
【００３９】  （実施の形態２）  次に図４Ａ、図４Ｂを用いて、突出部１２の平面視における形状がライン状の場合について説明する。本実施の形態では、照射パターン９ｂは、溶接方向１４に移動する回転中心を周回する螺旋形状を有する軌跡に沿って、溶接対象物に対して相対的に移動する。つまり、実施の形態１では、照射パターン９ａが渦巻き状であるのに対し、本実施の形態では、照射パターン９ｂが螺旋状である。また、実施の形態１では、突出部１２が円形状であるのに対し、本実施の形態では、突出部１２はライン状である。本実施の形態では、螺旋状にレーザ照射しながらライン状の突出部に対して溶接する亜鉛めっき鋼板の溶接について説明する。なお、実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する場合がある。
【００４０】  本実施の形態のレーザ溶接装置は、上板１０および下板１１のいずれも亜鉛めっき鋼板で形成されている。なお、上板１０および下板１１は必ずしも、亜鉛めっき鋼板である必要はない。
【００４１】  まず、上板１０および下板１１が重ね合わされる。そして、上板１０に予め設けた突出部１２の中心位置からレーザ光９の照射が開始される。レーザ光９の照射は、突出部１２の中心位置から、螺旋状の照射パターン９ｂに従って行われる。突出部１２の中心位置を基準に突出部１２の幅ｃよりも大きい螺旋幅ｄのレーザ照射にて溶接を行う。
【００４２】  レーザ光９の出力は、亜鉛めっき鋼板である上板１０と下板１１を貫通させることができるエネルギー密度である。なお、エネルギー密度およびレーザ出力は、上板１０および下板１１の板厚に応じて異なり、板厚が厚くなるほど、高エネルギー密度が必要であり、レーザ光９の出力は高く設定される。
【００４３】  上板１０は、亜鉛めっき層１０ａおよび亜鉛めっき層１０ｂを有し、下板１１は、亜鉛めっき層１１ａおよび亜鉛めっき層１１ｂを有する。そして、レーザ光９を照射し、上板１０および下板１１を溶接することにより、すき間Ｈから亜鉛蒸気１３が発生し、亜鉛蒸気の影響を受けずに溶接することができる。
【００４４】  上述した通り、本実施の形態のレーザ溶接方法では、図４Ｂに示すように、亜鉛めっき鋼板である上板１０に予め設けたライン状の突出部１２の中心位置から突出部１２の幅より大きい螺旋幅の照射パターンで、螺旋状にレーザ照射して溶接することにより、亜鉛めっき鋼板である上板１０および下板１１との重ね合わせ面から亜鉛蒸気１３の排出経路を作り出すことができる。
【００４５】  なお、良好な溶接を行うためには、当然ながら、適正な条件が必要となる。
【００４６】  次に、図５を用いて、平面視における突出部１２のライン幅である突出部１２の幅ｃに対する螺旋幅ｄの適正範囲について説明する。なお、図５は一例であり、本開示はこれに限定されるものではない。
【００４７】  図５に示す施工評価の際の条件は以下の通りである。
【００４８】  上板１０および下板１１として、めっきの被膜密度が４５ｇ／ｍ２、板厚が０．８ｍｍである亜鉛めっき鋼板を用いた。すき間ｈ’＝０ｍｍ、突出部１２の高さｈ=０．１ｍｍとした。溶接条件は、出力が２.５ｋＷ、速度が２ｍ／ｍｉｎとした。横軸を上板１０が有する突出部１２の幅ｃの長さとし、縦軸を照射パターン９ｂの螺旋幅ｄとした。
【００４９】  図５に示す施工評価の結果から、溶接結果が良好となる適正範囲が分かる。図５には、溶接具合の結果を○と△で表している。目視で確認を行い、○はビード外観が良好な場合を示し、△は気孔が残存している場合を示している。突出部１２の幅ｃが２.０ｍｍ以下においては、幅ｃに対して螺旋幅ｄを大きく設定していれば亜鉛蒸気１３の排出経路が確保され、良好なビード外観を得ることができることを表している。具体的には、突出部１２の幅ｃに対して螺旋幅ｄを０．５ｍｍ以上大きくすれば良い。
【００５０】  例えば、幅ｃが０．５ｍｍであれば螺旋幅ｄは１．０ｍｍ以上、幅ｃが２．０ｍｍであれば螺旋幅ｄは２．５ｍｍ以上必要になる。しかし、突出部１２の径ａが２．５ｍｍ以上になると、亜鉛めっき鋼板である上板１０に設けた突出部１２と下板１１との接触面積が増加する。この接触面積の増加により、突出部１２を設けた効果がなくなり、亜鉛蒸気１３の排出が難しい状態になり、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールやピットが残存することになる。
【００５１】  ［すき間の裕度］  図６を用いて、螺旋状にレーザ照射しながら溶接する亜鉛めっき鋼板の溶接に対するすき間の裕度の広さについて、以下に説明する。
【００５２】  図６は、すき間に対する施工裕度の広さについて、横軸に溶接法（特許文献１及び２と本開示との比較）を示し、縦軸にすき間ｈ’を示し、施工評価を行った評価結果である。なお、この施工評価は、上板および下板として、めっきの被膜密度が４５ｇ／ｍ２である亜鉛めっき鋼板の板厚０．８ｍｍを用いた。突出部の高さｈが０．１ｍｍ、突出部の幅が０．５ｍｍとした。図６に、溶接結果が良好となる適正範囲を示している。
【００５３】  図８に示す特許文献１においては、ライン状の突出部１１４の上方からライン状にレーザ照射するライン溶接の溶接法なので、突出部１１４の先端と、めっき鋼板１２０とのすき間ｈ’は０．３ｍｍが限界である。なお、図８には、すき間ｈ’を有する構成は図示していない。
【００５４】  なぜなら、ライン溶接ではビード幅が狭く、限界値を超えるすき間ｈ’に必要とする溶融金属量を確保できないためである。
【００５５】  図９に示す特許文献２においては、突出部２３０と突出部２３１との間をライン状にレーザ照射する溶接法なので、突出部２３０と突出部２３１との間の領域には、始めから突出部２３０（または突出部２３１）の高さｈによる０．１ｍｍのすき間がある。突出部２３０と突出部２３１との間の領域におけるめっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０とのすき間Ｈは０．３ｍｍが限界となる。つまり、突出部２３０の先端（または突出部２３１の先端）とめっき鋼板２２０とのすき間ｈ’は０．２ｍｍが限界となる。特許文献１と同様に、ライン状にレーザ照射するライン溶接ではビード幅が狭く、限界値を超えるすき間ｈ’に必要な溶融金属量を確保できないためである。なお、図９には、すき間ｈ’を有する構成は図示していない。
【００５６】  一方、図４Ａから図５を参照しながら説明した本開示の螺旋状の溶接では、突出部１２上に螺旋状の溶接をすることにより、突出部１２と対応するめっき鋼板（下板１１）とのすき間ｈ’を０．５ｍｍまで広げても問題はない。なぜなら、実施の形態２の溶接方法では、レーザを螺旋状に照射することにより、ライン状に照射するライン溶接よりもビード幅が広くなるようするため溶融金属量を多く確保できる。よって、突出部１２と対応するめっき鋼板（下板１１）とのすき間ｈ’に必要な溶融金属量を確保できる。
【００５７】  なお、板厚が０．８ｍｍの上板１０および板厚が０．８ｍｍの下板１１を重ね合わせることによるすき間の許容率は、特許文献１や特許文献２のようなライン状にレーザを照射するライン溶接では板厚に対して約１／３相当であるのに対して、本開示の螺旋状にレーザを照射するラインの溶接では板厚の約２／３相当であり、裕度を約１．７倍にできる。
【００５８】  ［位置ズレの裕度］  次に、図７を用いて、螺旋状にレーザ照射しながら溶接する亜鉛めっき鋼板の溶接に対する位置ズレ裕度の広さについて、一例を以下に説明する。
【００５９】  図７は、位置ズレに対する施工裕度の広さについて、横軸に溶接法（特許文献１及び２と本開示との比較）を示し、縦軸に位置ズレを示し、施工評価を行った評価結果である。なお、この施工評価は、上板および下板として、めっきの被膜密度４５ｇ／ｍ２である亜鉛めっき鋼板の板厚０．８ｍｍが用いられた。突出部の高さｈが０．１ｍｍ、突出部の幅が０．５ｍｍである。図７に、溶接結果が良好となる適正範囲を示している。
【００６０】  図８に示す特許文献１においては、突出部１１４の上方からレーザ照射する溶接法なので、突出部１１４の中心から突出部１１４の幅である０．５ｍｍから外れると、突出部１１４のない箇所（めっき鋼板１１０とめっき鋼板１２０とのすき間Ｈの領域）になるため、穴あきが発生しやすくなる。
【００６１】  図９に示す特許文献２においては、一定のすき間Ｈが形成されている突出部２３０と突出部２３１との間にレーザ照射する溶接法なので、溶接箇所が突出部２３０と突出部２３１と間の板厚方向のすき間が一定のすき間Ｈの領域内であれば、問題なく、溶接することができる。
【００６２】  一方、図４Ａから図５を参照しながら説明した本開示の螺旋状の溶接では、螺旋状の螺旋幅ｄに応じて位置ズレ裕度が異なる。本開示の溶接方法では、突出部１２の幅ｃに対して螺旋幅ｄを０．５ｍｍ以上大きく設定していれば、良好なビード外観を得ることができる。つまり、螺旋幅ｄを大きくすればより位置ズレ裕度は広くなる。図７に示すように例えば、螺旋幅ｄが２ｍｍの場合、位置ズレは突出部中心から±１ｍｍ、螺旋幅ｄが３ｍｍでは位置ズレは突出部中心から±２ｍｍ、螺旋幅ｄが４ｍｍでは位置ズレは突出部中心から±３ｍｍまで可能である。絶えず、亜鉛蒸気の排出がしやすい状態であり、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールやピットが残存することを抑制することができる。
【００６３】  以上の説明から明らかなように、本開示のレーザ溶接方法では、上板１０が突出部１２を有し、上板１０に形成されている突出部１２の先端と、下板１１とが接するように、上板１０と下板１１とを重ね合わせる。更に、平面視で、突出部１２より大きいサイズの照射パターン９ｂで螺旋状にレーザ照射し、少なくとも一方がめっき鋼板からなる溶接対象物（上板１０および下板１１）を重ね合わせ溶接している。これにより、少なくとも一方の鋼板に突出部１２を形成し、突出部１２と対向する下板１１に接するように、上板１０および下板１１を重ね合わせて行われる溶接において、位置ズレの裕度を確保することができる。更に、突出部１２と突出部１２に対向するめっき鋼板（下板１１）とのすき間ｈ’の裕度を向上させることができる。つまり、突出部１２と対応するめっき鋼板（下板１１）とのすき間ｈ’と、螺旋幅の大きさに応じての位置ズレと、の両方における施工の裕度を向上させることができる。
【００６４】  なお、突出部１２上にデフォーカスによる突出部１２の外形より大きいサイズのビード幅となるレーザ光を照射して溶接を行う方法の場合、エネルギー密度はビード中心が高く、ビード際に近づくにつれてエネルギー密度は低い状態になる。従って、ビード中心付近は溶け込みが深く、ビード際付近は浅くなり、ビード幅全体の溶け込みを均一にさせることはできない。本開示の螺旋状にレーザ照射する溶接では、キーホール溶接による螺旋状にレーザ照射することで、ビード幅全体の溶け込みを均一に近づけることができ、溶接性を向上させることができる。
【００６５】  本開示によれば、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた鋼板の溶接において、レーザ溶接を行う際、突出部１２上に、突出部より大きい所定のサイズの照射パターンで、渦巻き状や螺旋状にレーザ照射することで溶接時には亜鉛蒸気の影響を受けることを防止し、かつ、位置ズレやギャップを気にすることなく溶接を行うことができる。よって、溶接ビード内や溶接ビード表面に生じる気孔を抑制することができ、溶接性を向上することができる。
【００６６】  なお、本開示は、螺旋状の照射パターン９ｂだけではなく、前述している渦巻き状の照射パターン９ａについても同様の効果を得ることができる。
【００６７】  以上のように、本開示のレーザ溶接方法は、上板１０が突出部１２を有し、上板１０に形成されている突出部１２の先端と、下板１１とが接するように、上板１０と下板１１とを重ね合わせる第１の工程を有する。更に、本開示のレーザ溶接方法は、第１の工程後に、平面視における突出部１２の大きさより、大きいサイズの照射パターン９ａ（または９ｂ）で、突出部１２に向かってレーザ光を照射する第２の工程を有する。そして、上板１０の下板１１に対向する面、または、下板１１の上板１０に対向する面、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工されている。
【００６８】  よって、本開示のレーザ溶接方法では、亜鉛めっきの亜鉛蒸気を円滑に排出し、亜鉛蒸気の影響を受けることなく、良好な溶接することができる。溶接ビード内や溶接ビード表面に生じる気孔を抑制することができ、溶接性を向上することができる。
【００６９】  なお、本実施の形態では、突出部１２を上板１０に設けた例で説明してきたが、下板１１に突出部１２を設けても良い。
【００７０】  また、本実施の形態では、亜鉛めっき鋼板を用いた例について説明した。しかし、鋼板よりも融点が低い沸点である金属めっきが施された鋼板であれば、どのような表面処理鋼板でも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】  以上のように、本開示によれば、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた鋼板の溶接において、上板１０または下板１１に設けた突出部１２上に突出部１２より大きいサイズの照射パターンで、渦巻き状または螺旋状にレーザ溶接を行うことにより、蒸気（亜鉛めっきの亜鉛蒸気など）を円滑に排出し、蒸気の影響を受けることなく、良好な溶接することができる。よって、溶接ビード内や溶接ビード表面に生じる気孔を抑制することができ、溶接性を向上することができるので、表面処理が行われた部材を溶接するレーザ溶接制御方法およびレーザ溶接装置として産業上有用である。
【符号の説明】
【００７２】  １  レーザ発振器  ２  ロボット  ３  ロボットコントローラ  ４  溶接条件設定制御部  ５  動作制御部  ６  レーザ出力制御部  ７  レーザ照射用ヘッド  ８  伝送ファイバ  ９  レーザ光  ９ａ，９ｂ  照射パターン  １０  上板  １０ａ，１０ｂ  亜鉛めっき層  １１ａ，１１ｂ  亜鉛めっき層  １１  下板  １２，１１４，２３０，２３１  突出部  １３  亜鉛蒸気  １４  溶接方向  １１６  溝  ＧＳ  金属蒸気  Ｈ  すき間  Ｒ  領域  ｈ  高さ  ｈ’  すき間
【図１】
2016189855.tif 000003
【図２Ａ】
2016189855.tif 000004
【図２Ｂ】
2016189855.tif 000005
【図２Ｃ】
2016189855.tif 000006
【図３】
2016189855.tif 000007
【図４Ａ】
2016189855.tif 000008
【図４Ｂ】
2016189855.tif 000009
【図５】
2016189855.tif 000010
【図６】
2016189855.tif 000011
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年11月16日(2017.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた部材である溶接対象物のレーザ溶接において、ブローホールの低減やピットの低減に効果を発揮するレーザ溶接制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
亜鉛メッキ鋼板は、防錆や防食性に優れている。そのため、近年、亜鉛メッキ鋼板は、自動車部品や建築用鉄骨部材等に用いられ、年々その需要が高まっている。
【０００３】
しかしながら、亜鉛メッキ鋼板を使用する際、課題がある。亜鉛メッキ鋼板の表面にメッキされている亜鉛は、鉄より融点が低い。そのため、亜鉛メッキ鋼板を溶接すると、その亜鉛が気化し、亜鉛蒸気が溶融池や溶融金属を通過して外部に拡散しようとする。しかし、レーザ溶接は、アーク溶接などに比べて溶接速度が速いため、溶融金属の凝固が速く、外部に亜鉛蒸気が完全に拡散できない。従って、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールやピット（以下、気孔と呼ぶ）として、亜鉛蒸気が残存しやすい。このような気孔は、深刻な溶接欠陥につながる恐れもある。また、気孔が、爆飛現象により、穴あきやスパッタの発生につながることもある。
【０００４】
このようなブローホール等の溶接欠陥を防止するために、重ね合わされた２枚の金属メッキ板の間にメッキ金属ガスを逃がすために微小なすき間を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
【０００５】
図８を参照しながら、特許文献１について説明する。重ね合わされた２枚のめっき鋼板（めっき鋼板１１０及びめっき鋼板１２０）は、めっき鋼板１１０の突出部１１４がめっき鋼板１２０の表面に線接触するように配置されている。突出部１１４によってめっき鋼板１１０とめっき鋼板１２０との間には、すき間Ｈ（０．１ｍｍ以上）が形成される。この時、すき間Ｈは、突出部１１４の高さｈと等しい。めっき鋼板１１０に対して、レーザビームＬＡが照射される。突出部１１４の頂部１１５の反対側である溝１１６側から、レーザビームＬＡが溝１１６に沿って照射され、めっき鋼板１１０はシーム溶接される。レーザ装置１３０の全体構成の図示は省略したが、レーザ発生装置（図示せず）から出力されるレーザビームＬＡが、レンズホルダ１３１に保持されているレンズ１３２を介して集束し、高エネルギー密度の微小スポットとしてめっき鋼板１１０に照射される。最初に、めっき鋼板１１０の照射局部が溶融し、次に、第２のめっき鋼板１２０の照射局部が溶融する。図８に二点鎖線で示す領域が、溶融池ＭＰである。このとき、めっき層１１２、めっき層１１３、めっき層１２２、及びめっき層１２３も溶融し、金属蒸気ＧＳが発生するが、めっき鋼板１１０及びめっき鋼板１２０の接合部で発生する金属蒸気ＧＳはすき間Ｈを介して大気に放出される。よって溶融池ＭＰ内に気泡が残置することはない。めっき鋼板１１０の溶融池ＭＰの表面に乱れが生ずることはなく、滑らかな面となり、アンダーカットを生ずることもない。
【０００６】
次に、図９を参照しながら、特許文献２について説明する。めっき鋼板２１０は、突出部２３０と突出部２３１とを有する。そして、めっき鋼板２１０及びめっき鋼板２２０を重ね合わせた後、突出部２３０と突出部２３１との間の領域Ｒ内に、レーザ発生装置（図示せず）から出力されるレーザビーム２５０を照射して、溶接が行われる。突出部２３０および突出部２３１によってめっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０との間には、すき間Ｈができている。すき間Ｈは、突出部の高さｈと等しい。めっき鋼板２１０の突出部２３０および突出部２３１の間の領域Ｒに対し、レーザビーム２５０は照射される。ビーム照射ノズル２５１に保持されるレンズ２５２を通し、焦点をはずした微小スポットとしてレーザビーム２５０は照射される。レーザビーム２５０の照射位置は、通常は突出部２３０と突出部２３１の中間点に対して行うが、突出部２３０と突出部２３１とを除く、突出部２３０と突出部２３１の間となる領域Ｒ内であれば中間点からずれていても構わない。レーザビーム２５０の照射により、めっき鋼板２１０の照射部と、めっき鋼板２２０の照射部が順に溶融し、溶融池２６０が形成される。このとき、めっき層２１２ａ、２１２ｂ、２２２ａ、２２２ｂも溶融して金属蒸気が発生する。めっき層２１２ａ、２２２ａから発生する金属蒸気はめっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０との間に形成される空隙Ｓを通して大気中に放出される。よって溶融池２６０に気泡が残留することがない。溶融池２６０は、溶接完了時点においてブローホールが発生することなく、その表面は滑らかな面となり、溶接強度が一定となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−１５５９７４号公報
【特許文献２】特開平１０−２１６９７４号公報
【発明の概要】
【０００８】
本開示のレーザ溶接制御方法は、第１の鋼板が突出部を有し、第１の鋼板に形成されている突出部の先端と第２の鋼板とが接するように、第１の鋼板と第２の鋼板とを重ね合わせる第１の工程と、第１の工程後に、平面視における突出部の大きさより、大きいサイズの照射パターンで、突出部に向かってレーザ光を照射する第２の工程と、を有する。そして、第１の鋼板の第２の鋼板に対向する面、または、第２の鋼板の第１の鋼板に対向する面、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の実施の形態１におけるレーザ溶接装置の概略構成を示す図
【図２Ａ】本開示の実施の形態１における渦巻き状のレーザ照射を示す図
【図２Ｂ】本開示の実施の形態１における渦巻き状の照射パターンにおける突出部の径と渦巻き径との関係を示す図
【図２Ｃ】本開示の実施の形態１における別の突出部の部分図
【図３】本開示の実施の形態１における突出部の径と渦巻き径の適正範囲を示す図
【図４Ａ】本開示の実施の形態２における螺旋状のレーザ照射を示す図
【図４Ｂ】本開示の実施の形態２における螺旋状の照射パターンにおける突出部の幅と螺旋幅との関係を示す図
【図５】本開示の実施の形態２における突出部の幅と螺旋幅の適正範囲を示す図
【図６】本開示の実施の形態２におけるすき間の裕度を示す図
【図７】本開示の実施の形態２における位置ズレの裕度を示す図
【図８】従来（特許文献１）のレーザ溶接における被溶接部材の断面の概要を示す図
【図９】従来（特許文献２）のレーザ溶接における被溶接部材の断面の概要を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の実施の形態の説明に先立ち、従来のレーザ溶接における問題点を簡単に説明する。
【００１１】
上述した特許文献１のレーザ溶接の制御方法では、めっき鋼板１１０の突出部１１４がめっき鋼板１２０の表面に線接触し、めっき鋼板１１０とめっき鋼板１２０との間には、すき間Ｈ（例えば、Ｈ＝０．１ｍｍ以上）が形成される。なお、めっき鋼板１１０のめっき鋼板１２０に対向する面から、突出部１１４の頂点１１５までの長さ（突出部１１４の高さｈ）は、すき間Ｈと等しい。めっき鋼板１１０の溝１１６に対して、レーザビームＬＡが照射され、めっき鋼板１１０およびめっき鋼板１２０がシーム溶接される。しかしながら、レーザビームＬＡが照射する際、左右への位置ズレが発生した場合、めっき鋼板１１０とめっき鋼板１２０との間にすき間がある部分がレーザ溶接されることがある。
【００１２】
また、めっき鋼板１１０に、突出部１１４以外の突出部（図示せず）が存在する場合、突出部１１４以外の突出部とめっき鋼板１２０とが接触し、突出部１１４とめっき鋼板１２０とが接触しないことがある。つまり、突出部１１４とめっき鋼板１２０との間に、すき間が存在する場合がある。突出部１１４とめっき鋼板１２０とのすき間が大きい場合、穴あきといった溶接不良につながる可能性がある。
【００１３】
また、従来の特許文献２のレーザ溶接の制御方法では、めっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０を重ね合わせた後、めっき鋼板２１０の突出部２３０と突出部２３１との間の領域Ｒ内に対し、レーザビーム２５０を照射して溶接を行う。なお、レーザビーム２５０は、レーザ発生装置（図示せず）から出力される。そして、めっき鋼板２１０の突出部２３０および突出部２３１がめっき鋼板２２０の表面に接触し、めっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０との間には、すき間Ｈ（ここではＨ＝０．１ｍｍとする）が形成される。
【００１４】
しかしながら、ワークセットや治具固定の精度により、突出部２３０と突出部２３１の両方が、めっき鋼板２２０に接触しているとは限らない。例えば一方の突出部（ここでは、突出部２３０とする）が、めっき鋼板２２０と接触せず、突出部２３０の高さｈ（本実施の形態では０．１ｍｍ）以上のすき間Ｈが、めっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０との間にできる場合がある。この時、領域Ｒ内においても、めっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０とのすき間Ｈが突出部２３０の高さｈより大きくなり、穴あきといった溶接不良につながる可能性がある。
【００１５】
なお、すき間Ｈ＞高さｈの状態については、図９には図示していない。
【００１６】
以下、本開示の実施の形態について、図１から図７を用いて説明する。図１は、レーザ溶接装置の概略構成を示す図である。図２Ａは、渦巻き状のレーザ照射を示す図である。図２Ｂは、渦巻き状の照射パターンにおける突出部１２の径ａと渦巻き径ｂとの関係を示す図である。図２Ｃは、別の突出部の部分図である。図３は、突出部１２の径ａに対する裕度の一例を示す図である。図４Ａは、螺旋状のレーザ照射を示す図である。図４Ｂは、螺旋状の照射パターンにおける突出部１２の幅ｃと螺旋幅ｄとの関係を示す図である。図５は突出部１２の幅ｃに対する裕度の一例を示す図である。図６はすき間に対する裕度の一例を示す図で、図７は位置ズレに対する裕度の一例を示す図である。
【００１７】
（実施の形態１）
本実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。
【００１８】
図１に示すレーザ溶接装置は、レーザ溶接を行う装置である。レーザ光を熱源として集光した状態で金属に照射し、金属を局部的に溶融・凝固させることによって接合する装置である。以下では、レーザ溶接装置を用い、亜鉛めっき鋼板のレーザ溶接を行う場合を例にして説明する。
【００１９】
図１に示すレーザ溶接装置は、レーザ発振器１と、ロボット２と、被溶接物である上板１０と下板１１にレーザ光９を照射するためのレーザ照射用ヘッド７と、レーザ発振器１とロボット２とレーザ照射用ヘッド７等の制御を行うロボットコントローラ３と、レーザ発振器１からレーザ照射用ヘッド７へレーザ光９を伝送する伝送ファイバ８を有する。
【００２０】
レーザ照射用ヘッド７には、レーザ発振器１および伝送ファイバ８に依存したビーム径のレーザ光９が伝送される。なお、レーザ照射用ヘッド７は、ロボット２に取り付けられている。また、レーザ照射用ヘッド７としては、例えば、ガルバノミラー等の光学機器を用いたものがある。
【００２１】
ロボットコントローラ３は、溶接条件設定制御部４と、動作制御部５と、レーザ出力制御部６と、を有する。溶接条件設定制御部４は、レーザ溶接条件の設定や他の構成要素への指令等を行う。動作制御部５は、溶接条件設定制御部４で設定された溶接条件や予め教示された動作プログラム等に基づいて、ロボット２またはレーザ照射用ヘッド７の動作を制御する。レーザ出力制御部６は、溶接条件設定制御部４で設定された溶接条件に基づいてレーザ出力を制御するためにレーザ発振器１を制御する。
【００２２】
このレーザ溶接装置は、レーザ発振器１からレーザ光９を発振し、レーザ発振器１から発振されたレーザ光９をレーザ照射用ヘッド７内にある集光レンズ（図示せず）によって集束する。そして、集光レンズによって集束されたレーザ光９が、重ね合わせた被溶接物である上板１０と下板１１とに重ね方向から（図２Ａでは上側から）照射され、上板１０と下板１１は溶接される。
【００２３】
次に、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃを用いて、亜鉛めっき鋼板のレーザ溶接方法について説明する。以下で説明するレーザ溶接は、図１に示すレーザ溶接装置を用いて行われる。
【００２４】
先ずは、図２Ａ、図２Ｂを用いて、照射パターンを渦巻き状にレーザ照射しながら溶接する亜鉛めっき鋼板の溶接について説明する。本実施の形態では、上板１０および下板１１のいずれも、亜鉛めっき鋼板である。なお、上板１０および下板１１は必ずしも、亜鉛めっき鋼板である必要はない。
【００２５】
まず、上板１０および下板１１が重ね合わされる。そして、上板１０に予め設けられている突出部１２の中心位置からレーザ光９の照射が開始される。レーザ光９の照射は、突出部１２の中心から、渦巻き状の照射パターン９ａに従って行われる。そして、レーザ光９が渦巻き状の照射パターン９ａの外周部分に到達したらレーザ照射は終了する。
【００２６】
レーザ光９の出力は、亜鉛めっき鋼板である上板１０と下板１１とを貫通させることができるエネルギー密度である。なお、エネルギー密度およびレーザ出力は、上板１０および下板１１の板厚に応じて異なり、板厚が厚くなるほど、高エネルギー密度が必要であり、レーザ光９の出力は高く設定される。
【００２７】
上板１０は、亜鉛めっき層１０ａおよび亜鉛めっき層１０ｂを有し、下板１１は亜鉛めっき層１１ａおよび亜鉛めっき層１１ｂを有する。そして、レーザ光９を照射し、上板１０および下板１１を溶接する時、亜鉛蒸気１３は上板１０と下板１１とのすき間Ｈに発生するので、亜鉛蒸気１３の影響を受けずに上板１０と下板１１とを溶接することができる。
【００２８】
上述した通り、本実施の形態のレーザ溶接方法では、図２Ｂに示すように、亜鉛めっき鋼板である上板１０に予め設けた円形状の突出部１２の中心位置から突出部１２より大きい照射パターン９ａで、渦巻き状に溶接することにより、亜鉛めっき鋼板である上板１０および下板１１との重ね合わせ面から亜鉛蒸気１３の排出経路を作り出すことができる。
【００２９】
なお、本開示において、円形状は、円状と長円状とを含む。
【００３０】
また、良好な溶接を行うためには、当然ながら、適正な条件が必要となる。
【００３１】
ここで、上板１０および下板１１との位置関係について、図２Ｂおよび図２Ｃを参照しながら説明する。
【００３２】
例えば、上板１０が複数の突出部１２を有する場合、設計精度によっては、全ての突出部１２が下板１１と接するとは限らない。突出部１２が下板１１と接する場合の位置関係を図２Ｂに示し、突出部１２が下板１１と接しない場合の位置関係を図２Ｃに示す。なお、図２Ｃは、図２Ｂの破線で囲んでいる領域に対応する箇所のみ示し、他の構成については図示を省略している。
【００３３】
図２Ｂに示すように、突出部１２と下板１１とが接している場合は、突出部１２の高さ（以下、『高さｈ』と記す）と、上板１０の下板１１に対向する面と、下板１１の上板１０に対向する面との間の長さ（以下、『すき間Ｈ』と記す）は、等しい。
【００３４】
一方、図２Ｃに示すように、突出部１２と下板１１とが接していない場合は、突出部１２の高さをｈとすると、高さｈとすき間Ｈは等しくはない。突出部１２の先端と、下板１１の上板１０に対向する面との間の長さをすき間ｈ’とすると、Ｈ＝ｈ+ｈ’となる。
【００３５】
次に、図３を用いて、平面視における突出部１２の径ａに対する渦巻き状の照射パターン９ａの渦巻き径ｂの適正範囲について説明する。なお、図３は一例であり、本開示はこれに限定させるものではない。
【００３６】
図３に示す施工評価の際の条件は以下の通りである。上板１０および下板１１として、めっきの被膜密度が４５ｇ／ｍ２、板厚が０．８ｍｍである亜鉛めっき鋼板を用いた。すき間ｈ’＝０ｍｍ、突出部１２の高さｈ=０．１ｍｍとした。溶接条件は、出力が２.５ｋＷ、速度が６ｍ／ｍｉｎとした。横軸を上板１０が有する突出部１２の径ａの長さとし、縦軸を照射パターン９ａの渦巻き径ｂとした。
【００３７】
図３に示す施工評価の結果から、溶接結果が良好となる適正範囲が分かる。図３には、溶接具合の結果を○と△で表している。目視で確認を行い、○はビード外観が良好な場合を示し、△は気孔が残存している場合を示している。突出部１２の径ａが２.５ｍｍ以下においては、突出部１２の径ａに対して渦巻き径ｂを大きく設定していれば、亜鉛蒸気１３の排出経路が確保され、良好なビード外観を得ることができることがわかる。具体的には、突出部１２の径ａに対して渦巻き径ｂを０．５ｍｍ以上大きくすれば良い。
【００３８】
例えば、突出部１２の径ａが０．５ｍｍであれば、渦巻き径ｂは１．０ｍｍ以上、突出部１２の径ａが２．５ｍｍであれば、渦巻き径ｂは３．０ｍｍ以上必要になる。しかし、突出部１２の径ａが３．０ｍｍ以上になると、上板１０と下板１１との接触面積が増加する。接触面積の増加により、突出部１２を設けた効果がなくなる。その結果、亜鉛蒸気１３の排出が難しい状態になり、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールやピットが残存することになる。
【００３９】
（実施の形態２）
次に図４Ａ、図４Ｂを用いて、突出部１２の平面視における形状がライン状の場合について説明する。本実施の形態では、照射パターン９ｂは、溶接方向１４に移動する回転中心を周回する螺旋形状を有する軌跡に沿って、溶接対象物に対して相対的に移動する。つまり、実施の形態１では、照射パターン９ａが渦巻き状であるのに対し、本実施の形態では、照射パターン９ｂが螺旋状である。また、実施の形態１では、突出部１２が円形状であるのに対し、本実施の形態では、突出部１２はライン状である。本実施の形態では、螺旋状にレーザ照射しながらライン状の突出部に対して溶接する亜鉛めっき鋼板の溶接について説明する。なお、実施の形態１と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する場合がある。
【００４０】
本実施の形態のレーザ溶接装置は、上板１０および下板１１のいずれも亜鉛めっき鋼板で形成されている。なお、上板１０および下板１１は必ずしも、亜鉛めっき鋼板である必要はない。
【００４１】
まず、上板１０および下板１１が重ね合わされる。そして、上板１０に予め設けた突出部１２の中心位置からレーザ光９の照射が開始される。レーザ光９の照射は、突出部１２の中心位置から、螺旋状の照射パターン９ｂに従って行われる。突出部１２の中心位置を基準に突出部１２の幅ｃよりも大きい螺旋幅ｄのレーザ照射にて溶接を行う。
【００４２】
レーザ光９の出力は、亜鉛めっき鋼板である上板１０と下板１１を貫通させることができるエネルギー密度である。なお、エネルギー密度およびレーザ出力は、上板１０および下板１１の板厚に応じて異なり、板厚が厚くなるほど、高エネルギー密度が必要であり、レーザ光９の出力は高く設定される。
【００４３】
上板１０は、亜鉛めっき層１０ａおよび亜鉛めっき層１０ｂを有し、下板１１は、亜鉛めっき層１１ａおよび亜鉛めっき層１１ｂを有する。そして、レーザ光９を照射し、上板１０および下板１１を溶接することにより、すき間Ｈから亜鉛蒸気１３が発生し、亜鉛蒸気の影響を受けずに溶接することができる。
【００４４】
上述した通り、本実施の形態のレーザ溶接方法では、図４Ｂに示すように、亜鉛めっき鋼板である上板１０に予め設けたライン状の突出部１２の中心位置から突出部１２の幅より大きい螺旋幅の照射パターンで、螺旋状にレーザ照射して溶接することにより、亜鉛めっき鋼板である上板１０および下板１１との重ね合わせ面から亜鉛蒸気１３の排出経路を作り出すことができる。
【００４５】
なお、良好な溶接を行うためには、当然ながら、適正な条件が必要となる。
【００４６】
次に、図５を用いて、平面視における突出部１２のライン幅である突出部１２の幅ｃに対する螺旋幅ｄの適正範囲について説明する。なお、図５は一例であり、本開示はこれに限定されるものではない。
【００４７】
図５に示す施工評価の際の条件は以下の通りである。
【００４８】
上板１０および下板１１として、めっきの被膜密度が４５ｇ／ｍ２、板厚が０．８ｍｍである亜鉛めっき鋼板を用いた。すき間ｈ’＝０ｍｍ、突出部１２の高さｈ=０．１ｍｍとした。溶接条件は、出力が２.５ｋＷ、速度が２ｍ／ｍｉｎとした。横軸を上板１０が有する突出部１２の幅ｃの長さとし、縦軸を照射パターン９ｂの螺旋幅ｄとした。
【００４９】
図５に示す施工評価の結果から、溶接結果が良好となる適正範囲が分かる。図５には、溶接具合の結果を○と△で表している。目視で確認を行い、○はビード外観が良好な場合を示し、△は気孔が残存している場合を示している。突出部１２の幅ｃが２.０ｍｍ以下においては、幅ｃに対して螺旋幅ｄを大きく設定していれば亜鉛蒸気１３の排出経路が確保され、良好なビード外観を得ることができることを表している。具体的には、突出部１２の幅ｃに対して螺旋幅ｄを０．５ｍｍ以上大きくすれば良い。
【００５０】
例えば、幅ｃが０．５ｍｍであれば螺旋幅ｄは１．０ｍｍ以上、幅ｃが２．０ｍｍであれば螺旋幅ｄは２．５ｍｍ以上必要になる。しかし、突出部１２の幅ｃが２．５ｍｍ以上になると、亜鉛めっき鋼板である上板１０に設けた突出部１２と下板１１との接触面積が増加する。この接触面積の増加により、突出部１２を設けた効果がなくなり、亜鉛蒸気１３の排出が難しい状態になり、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールやピットが残存することになる。
【００５１】
［すき間の裕度］
図６を用いて、螺旋状にレーザ照射しながら溶接する亜鉛めっき鋼板の溶接に対するすき間の裕度の広さについて、以下に説明する。
【００５２】
図６は、すき間に対する施工裕度の広さについて、横軸に溶接法（特許文献１及び２と本開示との比較）を示し、縦軸にすき間ｈ’を示し、施工評価を行った評価結果である。なお、この施工評価は、上板および下板として、めっきの被膜密度が４５ｇ／ｍ２である亜鉛めっき鋼板の板厚０．８ｍｍを用いた。突出部の高さｈが０．１ｍｍ、突出部の幅が０．５ｍｍとした。図６に、溶接結果が良好となる適正範囲を示している。
【００５３】
図８に示す特許文献１においては、ライン状の突出部１１４の上方からライン状にレーザ照射するライン溶接の溶接法なので、突出部１１４の先端と、めっき鋼板１２０とのすき間ｈ’は０．３ｍｍが限界である。なお、図８には、すき間ｈ’を有する構成は図示していない。
【００５４】
なぜなら、ライン溶接ではビード幅が狭く、限界値を超えるすき間ｈ’に必要とする溶融金属量を確保できないためである。
【００５５】
図９に示す特許文献２においては、突出部２３０と突出部２３１との間をライン状にレーザ照射する溶接法なので、突出部２３０と突出部２３１との間の領域には、始めから突出部２３０（または突出部２３１）の高さｈによる０．１ｍｍのすき間がある。突出部２３０と突出部２３１との間の領域におけるめっき鋼板２１０とめっき鋼板２２０とのすき間Ｈは０．３ｍｍが限界となる。つまり、突出部２３０の先端（または突出部２３１の先端）とめっき鋼板２２０とのすき間ｈ’は０．２ｍｍが限界となる。特許文献１と同様に、ライン状にレーザ照射するライン溶接ではビード幅が狭く、限界値を超えるすき間ｈ’に必要な溶融金属量を確保できないためである。なお、図９には、すき間ｈ’を有する構成は図示していない。
【００５６】
一方、図４Ａから図５を参照しながら説明した本開示の螺旋状の溶接では、突出部１２上に螺旋状の溶接をすることにより、突出部１２と対応するめっき鋼板（下板１１）とのすき間ｈ’を０．５ｍｍまで広げても問題はない。なぜなら、実施の形態２の溶接方法では、レーザを螺旋状に照射することにより、ライン状に照射するライン溶接よりもビード幅が広くなるようするため溶融金属量を多く確保できる。よって、突出部１２と対応するめっき鋼板（下板１１）とのすき間ｈ’に必要な溶融金属量を確保できる。
【００５７】
なお、板厚が０．８ｍｍの上板１０および板厚が０．８ｍｍの下板１１を重ね合わせることによるすき間の許容率は、特許文献１や特許文献２のようなライン状にレーザを照射するライン溶接では板厚に対して約１／３相当であるのに対して、本開示の螺旋状にレーザを照射する螺旋状の溶接では板厚の約２／３相当であり、裕度を約１．７倍にできる。
【００５８】
［位置ズレの裕度］
次に、図７を用いて、螺旋状にレーザ照射しながら溶接する亜鉛めっき鋼板の溶接に対する位置ズレ裕度の広さについて、一例を以下に説明する。
【００５９】
図７は、位置ズレに対する施工裕度の広さについて、横軸に溶接法（特許文献１及び２と本開示との比較）を示し、縦軸に位置ズレを示し、施工評価を行った評価結果である。なお、この施工評価は、上板および下板として、めっきの被膜密度４５ｇ／ｍ２である亜鉛めっき鋼板の板厚０．８ｍｍが用いられた。突出部の高さｈが０．１ｍｍ、突出部の幅が０．５ｍｍである。図７に、溶接結果が良好となる適正範囲を示している。
【００６０】
図８に示す特許文献１においては、突出部１１４の上方からレーザ照射する溶接法なので、突出部１１４の中心から突出部１１４の幅である０．５ｍｍから外れると、突出部１１４のない箇所（めっき鋼板１１０とめっき鋼板１２０とのすき間Ｈの領域）になるため、穴あきが発生しやすくなる。
【００６１】
図９に示す特許文献２においては、一定のすき間Ｈが形成されている突出部２３０と突出部２３１との間にレーザ照射する溶接法なので、溶接箇所が突出部２３０と突出部２３１と間の板厚方向のすき間が一定のすき間Ｈの領域内であれば、問題なく、溶接することができる。
【００６２】
一方、図４Ａから図５を参照しながら説明した本開示の螺旋状の溶接では、螺旋状の螺旋幅ｄに応じて位置ズレ裕度が異なる。本開示の溶接方法では、突出部１２の幅ｃに対して螺旋幅ｄを０．５ｍｍ以上大きく設定していれば、良好なビード外観を得ることができる。つまり、螺旋幅ｄを大きくすればより位置ズレ裕度は広くなる。図７に示すように例えば、螺旋幅ｄが２ｍｍの場合、位置ズレは突出部中心から±１ｍｍ、螺旋幅ｄが３ｍｍでは位置ズレは突出部中心から±２ｍｍ、螺旋幅ｄが４ｍｍでは位置ズレは突出部中心から±３ｍｍまで可能である。絶えず、亜鉛蒸気の排出がしやすい状態であり、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールやピットが残存することを抑制することができる。
【００６３】
以上の説明から明らかなように、本開示のレーザ溶接方法では、上板１０が突出部１２を有し、上板１０に形成されている突出部１２の先端と、下板１１とが接するように、上板１０と下板１１とを重ね合わせる。更に、平面視で、突出部１２より大きいサイズの照射パターン９ｂで螺旋状にレーザ照射し、少なくとも一方がめっき鋼板からなる溶接対象物（上板１０および下板１１）を重ね合わせ溶接している。これにより、少なくとも一方の鋼板に突出部１２を形成し、突出部１２と対向する下板１１に接するように、上板１０および下板１１を重ね合わせて行われる溶接において、位置ズレの裕度を確保することができる。更に、突出部１２と突出部１２に対向するめっき鋼板（下板１１）とのすき間ｈ’の裕度を向上させることができる。つまり、突出部１２と対応するめっき鋼板（下板１１）とのすき間ｈ’と、螺旋幅の大きさに応じての位置ズレと、の両方における施工の裕度を向上させることができる。
【００６４】
なお、突出部１２上にデフォーカスによる突出部１２の外形より大きいサイズのビード幅となるレーザ光を照射して溶接を行う方法の場合、エネルギー密度はビード中心が高く、ビード際に近づくにつれてエネルギー密度は低い状態になる。従って、ビード中心付近は溶け込みが深く、ビード際付近は浅くなり、ビード幅全体の溶け込みを均一にさせることはできない。本開示の螺旋状にレーザ照射する溶接では、キーホール溶接による螺旋状にレーザ照射することで、ビード幅全体の溶け込みを均一に近づけることができ、溶接性を向上させることができる。
【００６５】
本開示によれば、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた鋼板の溶接において、レーザ溶接を行う際、突出部１２上に、突出部より大きい所定のサイズの照射パターンで、渦巻き状や螺旋状にレーザ照射することで溶接時には亜鉛蒸気の影響を受けることを防止し、かつ、位置ズレやギャップを気にすることなく溶接を行うことができる。よって、溶接ビード内や溶接ビード表面に生じる気孔を抑制することができ、溶接性を向上することができる。
【００６６】
なお、本開示は、螺旋状の照射パターン９ｂだけではなく、前述している渦巻き状の照射パターン９ａについても同様の効果を得ることができる。
【００６７】
以上のように、本開示のレーザ溶接方法は、上板１０が突出部１２を有し、上板１０に形成されている突出部１２の先端と、下板１１とが接するように、上板１０と下板１１とを重ね合わせる第１の工程を有する。更に、本開示のレーザ溶接方法は、第１の工程後に、平面視における突出部１２の大きさより、大きいサイズの照射パターン９ａ（または９ｂ）で、突出部１２に向かってレーザ光を照射する第２の工程を有する。そして、上板１０の下板１１に対向する面、または、下板１１の上板１０に対向する面、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工されている。
【００６８】
よって、本開示のレーザ溶接方法では、亜鉛めっきの亜鉛蒸気を円滑に排出し、亜鉛蒸気の影響を受けることなく、良好な溶接することができる。溶接ビード内や溶接ビード表面に生じる気孔を抑制することができ、溶接性を向上することができる。
【００６９】
なお、本実施の形態では、突出部１２を上板１０に設けた例で説明してきたが、下板１１に突出部１２を設けても良い。
【００７０】
また、本実施の形態では、亜鉛めっき鋼板を用いた例について説明した。しかし、鋼板よりも融点が低い金属めっきが施された鋼板であれば、どのような表面処理鋼板でも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
以上のように、本開示によれば、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた鋼板の溶接において、上板１０または下板１１に設けた突出部１２上に突出部１２より大きいサイズの照射パターンで、渦巻き状または螺旋状にレーザ溶接を行うことにより、蒸気（亜鉛めっきの亜鉛蒸気など）を円滑に排出し、蒸気の影響を受けることなく、良好な溶接することができる。よって、溶接ビード内や溶接ビード表面に生じる気孔を抑制することができ、溶接性を向上することができるので、表面処理が行われた部材を溶接するレーザ溶接制御方法およびレーザ溶接装置として産業上有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１    レーザ発振器
２    ロボット
３    ロボットコントローラ
４    溶接条件設定制御部
５    動作制御部
６    レーザ出力制御部
７    レーザ照射用ヘッド
８    伝送ファイバ
９    レーザ光
９ａ，９ｂ    照射パターン
１０    上板
１０ａ，１０ｂ    亜鉛めっき層
１１ａ，１１ｂ    亜鉛めっき層
１１    下板
１２，１１４，２３０，２３１    突出部
１３    亜鉛蒸気
１４    溶接方向
１１６    溝
ＧＳ    金属蒸気
Ｈ    すき間
Ｒ    領域
ｈ    高さ
ｈ’    すき間
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の鋼板が突出部を有し、前記第１の鋼板に形成されている前記突出部の先端と第２の鋼板とが接するように、前記第１の鋼板と前記第２の鋼板とを重ね合わせる第１の工程と、
前記第１の工程後に、平面視における前記突出部の大きさより、大きいサイズの照射パターンで、前記突出部に向かってレーザ光を照射する第２の工程と、
を備え、
前記第１の鋼板の前記第２の鋼板に対向する面、または、前記第２の鋼板の前記第１の鋼板に対向する面、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工され、
前記平面視における前記突出部の形状は円形状で、
前記平面視における前記突出部の径は０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であって、
前記突出部の径より０.５ｍｍ以上大きいサイズの照射パターンで渦巻き状にレーザ照射するレーザ溶接方法。
【請求項２】
第１の鋼板が突出部を有し、前記第１の鋼板に形成されている前記突出部の先端と第２の鋼板とが接するように、前記第１の鋼板と前記第２の鋼板とを重ね合わせる第１の工程と、
前記第１の工程後に、平面視における前記突出部の大きさより、大きいサイズの照射パターンで、前記突出部に向かってレーザ光を照射する第２の工程と、
を備え、
前記第１の鋼板の前記第２の鋼板に対向する面、または、前記第２の鋼板の前記第１の鋼板に対向する面、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工され、
前記平面視における前記突出部の形状がライン状で、
前記平面視における前記突出部の幅が０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であって、
前記レーザ光の螺旋状の前記照射パターンの螺旋幅が、前記突出部の幅より０．５ｍｍ以上大きいレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記第２の工程において、前記突出部と前記第２の鋼板との間のすき間は、前記突起部の高さと前記第１の鋼板の板厚の和の５／９以下である請求項２記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記第２のステップにおいて、前記螺旋幅は、前記突起部に対する溶接の位置ズレの長さより１ｍｍ以上大きい請求項２記載のレーザ溶接方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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2016189855.tif 000028
2016189855.tif 000029
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