(57)【要約】  溶接方向（２４）に移動する回転中心（ＲＣ）を周回する螺旋形状を有する軌跡（３６）に沿って溶接対象物（５０１）に対して相対的に移動するビームスポット（２３ａ）を形成するようにレーザ光（２３）を溶接対象物（５０１）に照射する。照射されたレーザ光（２３）により溶接対象物（５０１）を溶接する。レーザ光（２３）を溶接対象物（５０１）に照射する際には、溶接方向（２４）における螺旋形状を有する軌跡（３６）の重なり度合を示す値である間隔係数（Ｌ）に基づいてレーザ光（２３）を溶接対象物（５０１）に照射する。この方法により、気泡（２８）の発生を抑制し、ビード（２９）が均一の良好な溶接状態が得られる。
2016194322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接方向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ビームスポットを形成するようにレーザ光を前記溶接対象物に照射するステップと、
前記照射されたレーザ光により前記溶接対象物を溶接するステップと、
を含み、前記レーザ光を前記溶接対象物に照射するステップは、前記溶接方向における前記螺旋形状を有する前記軌跡の重なり度合を示す値である間隔係数に基づいて前記レーザ光を前記溶接対象物に照射するステップを含む、レーザ溶接方法。
【請求項２】
前記間隔係数は、前記ビームスポットが前記溶接方向の成分を有する移動速度で前記回転中心を周回する前記溶接方向における第１の幅と、前記ビームスポットが前記溶接方向の反対の方向の成分を有する移動速度で前記回転中心を周回する前記溶接方向における第２の幅との比である、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記間隔係数は前記第２の幅に対する前記第１の幅の比であり１．５〜３の範囲である、請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記間隔係数は２〜２．５の範囲である、請求項３に記載のレーザ溶接方法。
【請求項５】
溶接方向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ビームスポットを形成するようにレーザ光を前記溶接対象物に照射して前記溶接対象物を溶接するレーザ溶接システムで用いられるレーザ溶接条件決定方法であって、
前記溶接対象物に関する情報である溶接対象物情報に基づき、前記回転中心が前記溶接方向に移動する溶接速度と、前記レーザ光により前記溶接対象物に形成されるビードのビード幅と、前記レーザ光により前記溶接対象物に形成される溶接部の溶込み深さの内の１つ以上を決定するステップと、
前記レーザ光に関する情報であるレーザ光情報を設定するステップと、
前記溶接速度と前記ビード幅と前記溶込み深さの内の前記決定された少なくとも１つと前記レーザ光情報とに基づき、前記ビームスポットが前記回転中心を周回する回転周波数と、前記レーザ光のレーザ出力の内の１つ以上を決定するステップと、
を含み、
前記レーザ光情報は、前記螺旋形状を有する前記軌跡の重なり度合を示す値である間隔係数を含む、レーザ溶接条件決定方法。
【請求項６】
前記間隔係数は、前記ビームスポットが前記溶接方向の成分を有する移動速度で前記回転中心を周回する前記溶接方向における第１の幅と、前記ビームスポットが前記溶接方向の反対の方向の成分を有する移動速度で前記回転中心を周回する第２の幅との比である、請求項５に記載のレーザ溶接条件決定方法。
【請求項７】
前記間隔係数は前記第２の幅に対する前記第１の幅の比であり１．５〜３の範囲である、請求項５または６に記載のレーザ溶接条件決定方法。
【請求項８】
前記間隔係数は２〜２．５の範囲である、請求項７に記載のレーザ溶接条件決定方法。
【請求項９】
前記溶接速度と前記ビード幅と前記溶込み深さの内の前記決定された１つ以上と、前記回転周波数と前記レーザ出力の内の前記決定された１つ以上とを表示するステップと、
前記溶接速度と前記ビード幅と前記溶込み深さの内の前記決定された１つ以上のうちの少なくとも１つを再び決定するステップと、
前記溶接速度と前記ビード幅と前記溶込み深さの内の前記決定された１つ以上のうちの前記再決定された少なくとも１つに基づき、前記回転周波数と前記レーザ出力の内の前記１つ以上を再び決定するステップと、
をさらに含む、請求項７に記載のレーザ溶接条件決定方法。
【請求項１０】
前記溶接対象物情報は、前記溶接対象物の材質と継手の形状と前記溶接対象物の厚みとの内の少なくとも１つを含み、
前記レーザ光情報は、前記レーザ光のビーム径の情報をさらに含む、請求項５に記載のレーザ溶接条件決定方法。
【請求項１１】
レーザ光を溶接対象物に向けて出射するレーザ用ヘッドと、
溶接方向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前記溶接対象物に対して相対的に移動するビームスポットを形成するように前記レーザ光を前記溶接対象物に照射するように、前記レーザ用ヘッドと前記レーザ光とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記溶接対象物に関する情報である溶接対象物情報を入力するための溶接対象物情報入力部と、
レーザ光に関する情報であるレーザ光情報を入力するためのレーザ光情報入力部と、
前記溶接対象物情報に基づいて、前記回転中心が前記溶接方向に移動する溶接速度と、前記レーザ光により前記溶接対象物に形成されるビードのビード幅と、前記レーザ光により前記溶接対象物に形成される溶接部の溶込み深さの内の１つ以上の第１の推奨値を決定し、
前記レーザ光情報に基づいて、前記ビームスポットが前記回転中心を周回する回転周波数と、前記レーザ光のレーザ出力の内の１つ以上の第２の推奨値を決定する、
ように構成された溶接条件決定部と、
前記決定された前記第１推奨値を変更するパラメータ変更入力部と、
前記決定された第１推奨値と前記決定された第２推奨値とを表示する表示部と、
を有し、
前記レーザ光情報は、前記螺旋形状の前記軌跡の重なり度合を示す値である間隔係数を含む、レーザ溶接システム。
【請求項１２】
前記間隔係数は、前記溶接方向における前記溶接方向に前記ビームスポットが前記回転中心を周回する第１の幅と、前記溶接方向における前記溶接方向と反対の方向に前記ビームスポットが前記回転中心を周回する第２の幅との比であり、
前記レーザ光情報入力部は、前記間隔係数を入力する間隔係数入力部を有し、
溶接条件決定部は、前記溶接速度Ｖと前記間隔係数Ｌと前記ビード幅Ｗと前記ビームスポットのビーム径Φとにより前記回転周波数Ｆを以下の式：
Ｆ＝Ｖ×｛（Ｌ＋１）／（Ｌ−１）｝／｛２×（Ｗ−Φ）｝
で求める、請求項１１に記載のレーザ溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接対象物に対してレーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接方法、レーザ溶接条件決定方法、レーザ溶接システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光の照射により溶接対象物を溶接するレーザ溶接において、直線軌道での溶接の場合よりも位置ずれや、ギャップ裕度を高めるため、レーザを螺旋軌道で動かし、溶融金属量を増やし、接合するという技術が用いられている。【０００３】
この螺旋軌道溶接については、アルミニウム材質において一度溶接した個所を再び通過する際に、レーザによる撹拌効果で溶融部に含まれるガスの放出を促進するといった内容の技術が例えば、特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２６９０４６６号公報
【発明の概要】
【０００５】
溶接方向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ビームスポットを形成するようにレーザ光を溶接対象物に照射する。照射されたレーザ光により溶接対象物を溶接する。レーザ光を溶接対象物に照射する際には、溶接方向における螺旋形状を有する軌跡の重なり度合を示す値である間隔係数に基づいてレーザ光を溶接対象物に照射する。
【０００６】
この方法により、気泡の発生を抑制し、均一ビードの良好な溶接状態が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は実施の形態におけるレーザ溶接システムの概略構成図である。
【図２】図２は実施の形態における他のレーザ溶接システムの概略構成図である。
【図３】図３は実施の形態におけるレーザ溶接システムの溶接対象物の断面図である。
【図４】図４は実施の形態におけるレーザ溶接システムの溶接対象物の断面図である。
【図５】図５は実施の形態におけるレーザ溶接システムの溶接対象物の上面図である。
【図６】図６は実施の形態におけるレーザ溶接システムの溶接対象物の上面図である。
【図７】図７は実施の形態におけるレーザ溶接システムの溶接対象物の上面図である。
【図８】図８は実施の形態におけるレーザ溶接システムの溶接対象物の上面図である。
【図９Ａ】図９Ａは実施の形態におけるレーザ溶接システムの溶接対象物の外観図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは実施の形態におけるレーザ溶接システムの溶接対象物の外観図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは実施の形態におけるレーザ溶接システムの外観図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは実施の形態におけるレーザ溶接システムの溶接対象物の外観図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは実施の形態におけるレーザ溶接システムの溶接対象物の外観図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは実施の形態におけるレーザ溶接システムの溶接対象物の外観図である。
【図１２】図１２は実施の形態におけるレーザ溶接システムのビード幅とビーム径と回転半径と溶接速度Ｖとを示す概略図である。
【図１３】図１３は実施の形態におけるレーザ溶接システムのレーザ溶接条件を決定する動作を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は実施の形態におけるレーザ溶接システム１００１の概略構成図である。レーザ溶接システム１００１は、レーザ光２３を出力するレーザ発振器１と、レーザ光２３を溶接対象物５０１に向けて出射するガルバノスキャナヘッドであるレーザ用ヘッド２と、動作制御部５を有している。レーザ用ヘッド２は、ガルバノミラー３とガルバノモータ４とＦθレンズ６とを有しており、その内部でレーザ光２３を走査する。ガルバノミラー３はレーザ光２３の軌道を変更する。ガルバノモータ４はガルバノミラー３を回転させる。ガルバノモータ４の動作は動作制御部５により制御される。Ｆθレンズ６は、レーザ光２３を溶接対象物５０１で結像させる。
【０００９】
レーザ溶接システム１００１は、レーザ用ヘッド２が取り付けられて、レーザ用ヘッド２を移動させるロボット８をさらに備えてもよい。ロボット８はレーザ用ヘッド２を狙い位置まで移動させ、レーザ用ヘッド２でレーザ光２３を相対的に走査する。
【００１０】
図１に示すレーザ溶接システム１００１は、上記構成により、指定された位置へレーザ光２３を照射する。溶接対象物５０１は、互いに重ね合わされた金属板３０、３１を有する。レーザ溶接システム１００１は金属板３０にレーザ光２３を照射することで、金属板３０と金属板３１とを溶接する。
【００１１】
図２は実施の形態におけるレーザ溶接システム１００２の概略構成図である。図２において、図１に示すレーザ溶接システム１００１と同じ部分には同じ参照番号を付す。レーザ溶接システム１００２は、レーザ発振器１と、レーザ発振器１から出力されたレーザ光２３を溶接対象物５０１に向けて出射する溶接ヘッドであるレーザ用ヘッド７と、ロボット８と、動作制御部９とを有している。レーザ用ヘッド７は、レーザ光２３を溶接対象物５０１で結像する。ロボット８の先端部分にレーザ用ヘッド７が取り付けられており、レーザ用ヘッド７を狙い位置まで移動させ、レーザ用ヘッド７自体を移動させてレーザ光２３を走査する。動作制御部９は、ロボット８の動作や、レーザ用ヘッド７の動作を制御する。
【００１２】
図２に示すレーザ溶接システム１００２は、上記構成により、指定された位置へレーザ光２３を照射する。レーザ溶接システム１００２は、金属板３０にレーザ光２３を照射することで金属板３０と金属板３１とを溶接する。
【００１３】
レーザ溶接システム１００１（１００２）は、レーザ発振器１から出力されたレーザ光２３を溶接対象物５０１に向けて出射するレーザ用ヘッド２（７）と、レーザ用ヘッド２（７）が取り付けられ、レーザ用ヘッド２（７）を移動させるロボット８と、レーザ用ヘッド２（７）とロボット８との動作およびレーザ溶接を制御する制御部１７とを備え、溶接対象物５０１に対して螺旋状にレーザ光２３を照射する。制御部１７は、溶接対象物５０１に関する情報である溶接対象物情報を入力する溶接対象物情報入力部１３と、レーザ光に関する情報であるレーザ光情報を入力するレーザ光情報入力部１４とを備える。溶接対象物情報は、例えば溶接対象物５０１の材質、継手の形状、または厚さである。レーザ光情報は例えばレーザ光２３のビーム径、または間隔係数である。制御部１７は、溶接対象物情報入力部１３に入力された情報に基づいて、溶接速度とビード幅と溶接部の溶込み深さの内の少なくとも１つ以上を推奨値Ｈａとして決定し、レーザ光情報入力部１４に入力された情報に基づいて、回転周波数とレーザ出力の内の少なくとも１つ以上を推奨値Ｈｂとして決定する、溶接条件の推奨値を決定する溶接条件決定部１１を備える。制御部１７は、溶接条件決定部１１で決定された推奨値を変更するためのパラメータ変更入力部１５と、溶接条件決定部１１で決定された推奨値を表示する表示部１６とをさらに備えている。
【００１４】
レーザ光情報は、溶接方向でのレーザ光の螺旋の軌跡の重なり度合を示す間隔係数Ｌを含む。
【００１５】
なお、レーザ溶接システム１００１、１００２の動作やレーザ溶接の制御を行う制御部１７は、一体型の制御部で無くても良く、レーザ用ヘッド２（７）とロボット８との動作の制御および溶接条件の推奨値を決定する溶接条件決定部１１を含む動作制御部と、溶接条件等の入力や表示を行う条件設定器１２とに分けられたような別体の機器である機能ブロックを含んでもよい。
【００１６】
また、入力操作の簡略化のため、制御部１７は、適正範囲内のある間隔係数Ｌと、装置仕様で決まるビーム径Φを固定値として予め記憶する記憶装置１０をさらに備えている。ビーム品質に関する情報はレーザ光情報としてレーザ光情報入力部１４から入力したり、装置仕様で決まる情報として記憶装置１０に記憶させたりしても良い。これらの装置によって、レーザ溶接経験の少ない作業者であっても、溶接対象物情報とレーザ光情報を入力するだけで、容易に溶接条件を決定することが出来、施工条件を決定する為のコスト（時間、材料、人件費、電気代など）を抑制することが出来る。
【００１７】
レーザ溶接システム１００１、１００２のレーザ溶接条件決定のための具体的な動作ステップについては後述する。
【００１８】
図１や図２に示すレーザ溶接システム１００１、１００２に用いる溶接ヘッドとは異なる構成として、溶接ヘッド内に、回転する複数のプリズムを配した構成として、指定された位置へレーザ光２３を走査して照射してもよい。
【００１９】
レーザ溶接方法に関し、レーザ出力や溶接速度Ｖに応じて変化する溶込み状態を以下に述べる。なお、以下に示す溶接対象物５０１のレーザ溶接は、例えば、図１や図２に示すレーザ溶接システム１００１、１００２により行うことができる。
【００２０】
溶接対象物５０１の溶融時に、溶融池２２に接する穴であるキーホールが発生する。キーホールを発生させた状態でレーザ溶接を行い、溶融した部分の外観に開いた微小孔よりなるピットや溶融した部分中に残留する気泡よりなるポロシティ等の不具合の発生頻度を溶接池と照射位置との関係によって確認する。まず直線軌道の溶接において上記の不具合の発生を確認し、次の溶接についても上記の不具合の発生を確認する。スピン軌道とは、照射するレーザ光によるスポットを円形状の軌道で移動させながら溶接方向に移動させるレーザ光の軌道であり、言い換えると溶接方向において、レーザ光の軌跡が回転しながら相対的に直線移動されている軌道である。
【００２１】
直線軌道での溶接を比較例の第１の溶接条件と第２の溶接条件により観察した。
【００２２】
第１の溶接条件は、溶融池内にレーザ光２３を照射するキーホール型溶接である。図３は、第１の溶接条件での溶接対象物５０１の溶接部の溶接方向２４の断面図である。この溶接では、溶融池２２の中にレーザ光２３を照射して溶融池２２の一部を動かす。したがって、この溶接は特許文献１に開示されている溶融池の攪拌に該当する。この溶接では、レーザ光２３により溶接対象物５０１の溶融した部分にから金属蒸気２６が発生し、金属蒸気の発生の反力によって溶融池２２に溶融金属に囲まれた穴であるキーホール２１が発生する。
【００２３】
レーザ光２３はキーホール２１の中で多重反射し、レーザ光２３がキーホール２１内に閉じ込められることにより溶接対象物５０１の金属のエネルギー吸収率が高くなり、溶接対象物５０１の金属の十分な溶込み量が得られる。しかし、液相である溶融池２２内にレーザ光２３が照射され、レーザ光２３が溶接対象物５０１の溶接線に沿って進む方向である溶接方向２４に移動するので、溶接方向２４でのキーホール２１の太い実線で示す液相であるキーホール前壁２５から金属蒸気２６が多量に発生する。その理由は、レーザ光２３が溶融池２２に照射されると、溶融池２２内のキーホール前壁２５へのレーザ光２３の吸収率が高まり、キーホール前壁２５が局所的に高温となるためである。その結果、キーホール２１の溶接方向２４の反対の方向のキーホール後壁２７が金属蒸気２６で押されることでキーホール後壁２７が崩れ、溶融池２２の内部に多数の気泡２８が発生する。この状態で溶融池２２が凝固して形成されたビード２９の再凝固層２９ａ内にポロシティとして気泡２８が残留する。
【００２４】
第２の溶接条件は、溶融池２２の外縁部であり、溶接方向２４での溶融池２２の前方の未溶融部３４（固相）にレーザ光２３を照射するキーホール型溶接である。図４は、第２の溶接条件での溶接対象物５０１の溶接部の溶接方向２４での断面図である。なお、第１の溶接条件では、レーザ光が進行する方向である溶接方向２４のレーザ光２３の前側に溶融池２２の溶融層（液相）があり、第２の溶接条件では溶接方向２４のレーザ光２３の前側に溶融池２２の溶融層（液相）は無い。
【００２５】
溶融池２２の外縁部であり、溶接方向２４の溶融池２２の前方である溶接対象物５０１の未溶融部３４にレーザ光２３が照射される。そのため、キーホール２１の太い実線で示すキーホール前壁２５からの金属蒸気２６の発生が抑制され、点線で示すキーホール２１のキーホール後壁２７の崩壊が抑えられ、気泡２８の発生が低減される。
【００２６】
なお、第１の溶接条件では、３ｍ／ｍｉｎ未満の低い溶接速度Ｖにより溶融池２２内にレーザ光２３を照射し、レーザ出力を調整してキーホール型溶接を行う。
【００２７】
第２の溶接条件では、３ｍ／ｍｉｎ以上の高い溶接速度Ｖにより溶融池２２の外側であり溶融池２２の前方にレーザ光２３を照射し、レーザ出力を調整してキーホール型溶接を行う。
【００２８】
以上のような溶接条件と溶接結果の関係から、良好な溶接状態が得られる溶接条件として、直線軌道の溶接において第２の溶接条件（図４参照）が好ましい。第２の溶接条件では、レーザ光２３を、溶融池２２の液相内ではなく、溶接方向２４の溶融池２２の外縁部の未溶融部３４に向かう位置で照射する。第２の溶接条件では、溶融池２２にキーホール２１を形成するキーホール型の溶接となるようなレーザ光２３のレーザのパワー密度、例えば溶接対象物が金属の場合は１０５〜１０６（ｗ／ｃｍ２）でレーザ光２３を照射してレーザ溶接を行う。これにより、ビード２９の再凝固層２９ａ内にポロシティまたはピットの発生を抑制する。実施の形態におけるレーザ溶接は、この様なレーザ出力とレーザ光を照射する位置との関係を利用している。なお、上記パワー密度は、レーザ出力とビーム径の組合せで決まる。
【００２９】
以下に、スピン軌道のレーザ溶接について説明する。図５はスピン軌道のレーザ溶接における溶接対象物５０１の上面図である。上述の第２の溶接条件であっても、スピン軌道の溶接で螺旋状にレーザ光を照射する場合は、溶融池２２の中（液相内）にレーザ光２３が照射される場合がある。したがって、溶接条件によっては、図５に示すように溶接のビードの中心線ＬＣ付近に、溶融部外観に微小な穴が開くピット３３が発生しやすい。
【００３０】
図６から図８はそれぞれスピン軌道の溶接を第３の溶接条件から第５の溶接条件で行う場合の溶接対象物５０１の上面図である。
【００３１】
ここで、図６から図８にそれぞれ示す第３の溶接条件から第５の溶接条件において、溶接方向２４への移動速度は同じである。言い換えると螺旋を形成する移動速度がそれぞれ異なる。
【００３２】
図５から図８はレーザ光２３（ビーム）のスピン軌道（螺旋状の軌跡）とビードの形状について、レーザ光２３の出射する側から見た溶接対象物５０１状態を示す。
【００３３】
ピット３３が螺旋状の軌跡の粗密の違い、言い換えると螺旋状の軌跡の間隔であるスピン間隔の粗密の違いによって、発生頻度が変化することを確認した。スピン間隔が粗であるすなわちスピン間隔が広い場合には、ピット３３が発生し難く、スピン間隔が密であるすなわちスピン間隔が狭い場合、ピット３３が発生しやすいすなわち、スピン間隔が密に成るほど、ピット３３が発生しやすい。また、図５に示すようにビード２９の溶接方向２４と直角の幅方向２４ａにおける中心である中心線ＬＣ付近に発生しやすいことを確認した。
【００３４】
なお、ビード２９の中心線ＬＣ付近において、図６に示すように、第３の溶接条件では、レーザ光２３のビームスポット２３ａが一度通過した領域をほぼ重なる様に再び通過する。
【００３５】
また、図７に示すように、第４の溶接条件では、レーザ光２３のビームスポット２３ａが一度通過した領域に接する様に通過する。
【００３６】
また、図８に示すように、第５の溶接条件では、レーザ光２３のビームスポット２３ａが一度通過した領域と離間した領域を通過する。
【００３７】
そこで、レーザ光２３を螺旋状に照射しながら相対的に溶接方向２４に移動させるレーザ光２３の軌道であるスピン軌道３６により溶接する場合において、溶接方向２４に互いに隣接するスピン軌道３６の螺旋間の間隔であるスピン間隔を、図６から図８に示す第３の溶接条件から第５の溶接条件でのスピン間隔になる様にそれぞれ溶接を行い、溶接結果を観察した。
【００３８】
レーザ光２３のビームスポット２３ａはスピン軌道３６上で動くため、ビームスポット２３ａはビード２９の幅方向２４ａに沿った方向１２４ａから見て、ビームスポット２３ａは１度目（実線）にビード２９の幅方向２４ａに沿った方向１２４ａに中心線ＬＣを通過し、ビード２９の幅方向２４ａに沿ってかつ方向１２４ａとは反対の方向２２４ａに２度目（破線）に中心線ＬＣを通過する。すなわちビームスポット２３ａは２回、ビード２９の中心線ＬＣを通過する。
【００３９】
図６に、溶接方向２４のビード２９の中心線ＬＣをレーザ光２３のビームスポット２３ａが一度目（実線）に通過した領域をほぼ（実質的に）重なる様な二度目に通過した領域（破線）で再び通過する第３の溶接条件で溶接した場合のレーザ光２３のビームスポット２３ａのスピン軌道３６とビード２９の形状について、レーザ光２３の出射する側から見た様子を示す。
【００４０】
ビード２９の中心線ＬＣ上において、レーザ光２３のビームスポット２３ａが溶接方向２４と同じ向きから通過した場合を実線で、溶接方向２４と反対向きから通過した場合を点線で示す。スピン軌道３６の螺旋のスピン間隔が狭い（螺旋状の軌跡が密）ため、ビード幅Ｗは変動が小さく、ビード２９の幅方向２４ａのビード端２９ｂの形状は滑らかである。
【００４１】
しかし、スピン軌道３６上で、ビード幅方向のビード２９の中心線ＬＣでは、レーザ光２３のビームスポット２３ａが通過して、溶融池２２内（液相中）にレーザ光２３のビームスポット２３ａを再び通過させることにより広い溶融池２２が形成される。それと共に、第１の溶接条件（図３参照）と同様に、レーザ光２３がスピン軌道３６の進行方向のキーホール２１の液相であるキーホール前壁２５から金属蒸気２６が多量に発生される。この金属蒸気２６により気泡２８が発生し、この結果、ピット３３が発生しやすくなる。
【００４２】
図７に、ビード幅方向のビード２９の中心線ＬＣにおいて、レーザ光２３のビームスポット２３ａが一度目（実線）に通過した領域にやや接する様な二度目に通過する領域（破線）で再び通過する第４の溶接条件で溶接した場合のビームスポット２３ａのスピン軌道３６とビード２９の形状について、レーザ光２３の出射する側から見た様子を示す。
【００４３】
ビード幅Ｗは変動があり、第３の条件（図６参照）に比べて、スピン軌道３６の螺旋のスピン間隔が広いため、ビード２９の幅方向２４ａのビード端２９ｂの形状はわずかに波打っている。
【００４４】
スピン軌道３６上で、ビード幅方向のビード２９の中心線ＬＣにおいては、レーザ光２３のビームスポット２３ａが通過して溶融している狭い溶融池２２の外縁部に接するようにレーザ光２３のビームスポット２３ａを通過させて狭い溶融池２２のみを再び通過させるため、第２の溶接条件（図４参照）と同様に、スピン軌道３６の進行方向の溶融池２２の外縁部の前方である溶接対象物５０１の未溶融部３４にレーザ光２３が照射される。そのため、キーホール２１の太い実線で示すキーホール前壁２５からの金属蒸気２６の発生が抑制され、キーホール２１のキーホール後壁２７の崩壊が抑えられて、気泡２８の発生が低減されピット３３の発生が抑制される。
【００４５】
このように金属蒸気２６による気泡２８の発生が抑制され、溶融部外観に微小な穴が開くピット３３の発生は少ない。
【００４６】
図８に幅方向２４ａのビード２９の中心線ＬＣにおいて、レーザ光２３のビームスポット２３ａが、一度目（実線）に通過した領域と、その領域に対して離間する様に二度目に通過する領域（破線）で、再び通過する第５の溶接条件で溶接した場合のビード２９のスピン軌道３６とビード２９の形状について、レーザ光２３の出射する側から見た様子を示す。
【００４７】
第５の条件では第４の条件（図７参照）に比べて、スピン軌道３６の螺旋のスピン間隔がさらに広い（螺旋状の軌跡がさらに粗）ため、ビード幅Ｗは変動が大きく、幅方向２４ａのビード端２９ｂの形状は波打っている。
【００４８】
第５の条件ではビード２９の中心線ＬＣにおける、溶接方向２４に螺旋が回転する溶接方向２４の幅においては、第３、第４の溶接条件（図６と図７参照）に比べて、スピン軌道３６の螺旋のスピン間隔が広い。逆に、溶接方向２４とは反対の方向２４ｂに、螺旋が回転する溶接方向２４の幅（螺旋の大きさ）においては、第３、第４の溶接条件（図６と図７参照）に比べて小さい。この様に、螺旋を形成する移動の速度である螺旋状に照射するレーザ光２３の速度が相対的に遅くなるため、入熱量が集中する。したがって、レーザ光２３のビームスポット２３ａが通過して溶融している溶融池２２内の液相中にレーザ光２３のビームスポット２３ａを再び通過させることになり広い溶融池２２が形成される。
【００４９】
この様に、レーザ光２３のビームスポット２３ａが溶融池２２内の液相中を再び通過している液相状態の溶融池２２の部分は、第１の溶接条件（図３参照）と同様に、スピン軌道３６のレーザ光２３の進行方向において、溶接対象物５０１のキーホール２１のキーホール前壁２５から金属蒸気２６が多量に発生される。このため、第５の条件ではビームスポット２３ａが幅方向２４ａのビード２９の中心線ＬＣを横切る際において金属蒸気２６により気泡２８が発生し、この結果、第４の溶接条件（図７参照）と比較すると、ピット３３が発生しやすくなる。
【００５０】
また、第５の条件では第３の溶接条件（図６参照）と比較するとピット３３が相対的に少ないが、方向２４ｂに螺旋が回転する溶接方向２４の幅が小さい部分、言い換えると上述の広い溶融池２２が形成された部分に、ピット３３が集中している。
【００５１】
図９Ａから図１１Ｂは、第３から第５の溶接条件（図６から図８を参照）で実際に溶接した際のビード２９の外観（表面および裏面）を示す。図９Ａと図１０Ａと図１１Ａは第３と第４と第５の溶接条件でのビード２９の表面をそれぞれ示し、図９Ｂと図１０Ｂと図１１Ｂは第３と第４と第５の溶接条件でのビード２９の裏面をそれぞれ示す。なお、図９Ａから図１１Ａに示す表面は、溶接対象物５０１のレーザビーム２３を受ける面であり、裏面はその反対側の面である。
【００５２】
第３から第５の溶接条件において、溶接方向２４への移動の速度である溶接速度Ｖは１ｍ／ｍｉｎである。レーザ出力は２．５ｋＷのレーザ光２３を溶接速度Ｖで溶接方向２４へ移動しながら螺旋状に照射されるように、レーザ光２３が回転される回転半径ｒは１．０ｍｍである。上記の第３から第５のそれぞれの溶接条件に合うようにレーザ光２３の螺旋を形成する回転周波数を調整している。第３から第５の溶接条件において溶接速度Ｖが同じなので、溶接対象物５０１に対してレーザ光２３が出力する熱量は同じである。
【００５３】
なお、回転半径ｒは、ビード２９上における幅方向２４ａのスピン軌道３６の幅の半分に等しい。
【００５４】
第３の溶接条件（図６参照）で溶接したビード２９の外観（表面）を示す図９Ａでは、ビード２９の中心線ＬＣに連続して大きなピット３３を確認できる。
【００５５】
第４の溶接条件（図７参照）で溶接したビード２９の外観（表面）を示す図１０Ａでは、ビード２９の中心線ＬＣ付近にはピット３３を確認できない。
【００５６】
第５の溶接条件（図８参照）で溶接したビード２９の外観（表面）を示す図１１Ａでは、スピン軌道３６上のビームスポット２３ａが横切る中心線ＬＣ付近で、方向２４ｂに螺旋が回転する溶接方向２４の幅が小さい部分すなわち最後に固まる中心線ＬＣ付近の凝固点付近に小さなピット３３を確認できる。
【００５７】
以下、実施の形態におけるレーザ溶接方法について説明する。
【００５８】
本実施の形態のレーザ溶接方法は、例えば、図１や図２に示すレーザ溶接システムにより行うことができる。
【００５９】
実施の形態のレーザ溶接方法では、金属板３０と金属板３１とを重ねた溶接対象物５０１に対して、金属板３０のから螺旋状にレーザ光２３を照射しながら溶接方向２４に相対的にビームスポット２３ａを移動させるスピン軌道３６でレーザ光２３を照射して溶接対象物５０１を溶接する。なお、レーザ光２３の照射が、第４の溶接条件（図７参照）に示す様に、溶融池２２である液相部分をできるだけ避け、未溶融部３４である固相を通過するように溶接対象物５０１を溶接するのが好ましい。
【００６０】
なお、溶接方向２４のビード２９の中心線ＬＣ付近において、図６に示すように、第３の溶接条件では、レーザ光２３のビームスポット２３ａが一度通過した領域をほぼ重なる様に再び通過する。
【００６１】
図７に示すように、第４の溶接条件では、レーザ光２３のビームスポット２３ａが一度通過した領域に接する様に通過する。
【００６２】
図８に示すように、第５の溶接条件では、レーザ光２３のビームスポット２３ａが一度通過した領域と離間した領域を通過する。
【００６３】
以上の様に、溶接対象物５０１に対して、螺旋状にレーザ光２３を照射しながら溶接方向２４に移動させて溶接を行うレーザ溶接においては、レーザ光２３が溶融箇所を再び通過することで、溶接方向２４に照射されるレーザ光２３の螺旋の軌跡の重なり度合に基づいて、溶接状態が変化する。軌跡の重なり度合は間隔係数Ｌとして表される。
【００６４】
また、さらに、溶接速度Ｖと回転半径ｒとに対する間隔係数Ｌが指定した範囲より小さい場合や大きい場合にピット３３が発生しやすい。
【００６５】
また、溶接速度Ｖおよび回転半径ｒに対する間隔係数Ｌが指定した範囲より大きい場合に入熱にばらつきが生じ、均一なビード２９が形成されない。以上のように、間隔係数Ｌが指定した範囲より外れる溶接条件では、十分な継ぎ手強度を得ることができない。
【００６６】
螺旋状にレーザ光２３を照射しながら溶接方向２４に相対的に移動させるスピン軌道３６に伴うピット３３やポロシティ（気泡２８）の発生を抑制し、均一なビード２９を得るには、ある範囲の間隔で、溶接材料に合ったスピン軌道３６を設定する。任意の溶接速度Ｖとビード幅Ｗから適切な回転周波数Ｆを算出し、決定する方法を提供する。
【００６７】
螺旋状にレーザ光２３を照射しながら溶接方向２４に相対的に移動させて溶接を行うレーザ溶接方法においては、スピン軌道３６上の螺旋間の間隔であるスピン間隔（間隔係数Ｌとして表される）とピット３３の発生とが関係する。
【００６８】
上記のレーザ溶接方法は、螺旋軌跡の重なり度合を示す間隔係数Ｌを予め設定し、間隔係数Ｌに基づいて溶接を行う。
【００６９】
図１２は、レーザ光２３のビームスポット２３ａの螺旋状のスピン軌道３６を示す。図１２を参照して、溶接方向２４に対して螺旋状に照射されるレーザ光２３のビームスポット２３ａの移動の軌跡の重なり度合を示す間隔係数Ｌについて説明する。
【００７０】
ビームスポット２３ａは、溶接方向２４に移動する回転中心ＲＣを周回する螺旋形状を有する軌跡（スピン軌道３６）に沿って溶接対象物５０１に対して相対的に移動する。ビームスポット２３ａは、回転中心ＲＣから回転半径ｒだけ離れて回転周波数Ｆすなわち回転周期（１／Ｆ）で回転中心ＲＣを周回する。実施の形態では、回転半径ｒは所定の一定の値である。
【００７１】
スピン軌道３６のうち、ある周期で回転中心ＲＣを周回する部分３６ａは、その次の周期で回転中心ＲＣを周回する部分３６ｂと溶接方向２４で重なっている。間隔係数Ｌは、スピン軌道３６で、螺旋状に照射されるレーザ光２３の移動の軌跡の重なり度合、すなわちスピン軌道３６の部分３６ａ、３６ｂの重なり度合を示す値である。間隔係数Ｌは、レーザ光２３のビームスポット２３ａが溶接方向２４の成分を有する移動速度２３ｂで回転中心ＲＣを周回する溶接方向２４における幅Ａと、ビームスポット２３ａが溶接方向２４の逆の方向２４ｂの成分を有する移動速度２３ｂで回転中心ＲＣを周回する溶接方向２４における幅Ｂの比である。実施の形態では間隔係数Ｌは幅Ｂに対する幅Ａの比であり、ビームスポット２３ａのビーム径Φと、ビームスポット２３ａが溶接方向２４に移動する溶接速度Ｖと、螺旋状の軌跡の回転成分の回転周波数Ｆにより以下の数式にて表される。
Ｌ＝Ａ／Ｂ
Ａ＝Ｗ−Φ＋Ｖ／（２×Ｆ）
Ｂ＝Ｗ−Φ−Ｖ／（２×Ｆ）
幅Ａは、回転半径ｒの２倍の距離に、溶接速度Ｖで半周期の時間（１／２Ｆ）で進んだ距離を足して得られる。幅Ｂは回転半径ｒの２倍の距離に、溶接速度Ｖで半周期の時間（１／（２×Ｆ））で逆に進んだ距離を引いて得られる。したがって、幅Ａ、Ｂは以下の数式で表される。
Ａ＝２×ｒ＋Ｖ／（２×Ｆ）
Ｂ＝２×ｒ−Ｖ／（２×Ｆ）
ここで、回転半径ｒとは、螺旋の軌跡の回転成分としてのビード２９の幅方向２４ａの回転半径である。溶接方向２４は螺旋状の軌跡の直線成分が合成されるため、螺旋における溶接方向２４への回転ではビームスポット２３ａの移動の相対速度が上がり、逆に、螺旋の方向２４ｂへの戻り回転の時は、ビームスポット２３ａの移動の相対速度が低下する。回転半径ｒは以下の数式により、ビード２９の幅Ｗおよびビーム径Φから算出される。
ｒ＝（Ｗ−Φ）／２
以上の関係から、幅Ａ、Ｂは以下の数式で表される。
Ａ＝Ｗ−Φ＋Ｖ／（２×Ｆ）
Ｂ＝Ｗ−Φ−Ｖ／（２×Ｆ）
上記の数式によって求められ、予め設定される間隔係数Ｌは、第４の溶接条件（図７参照）に示すスピン軌道が得られるように、好ましくは１．５〜３、より好ましくは２から２．５に設定することで、ビード２９の幅方向２４ａの変動や、ピット３３等の気泡の発生を抑制したビード２９を作成することが出来る。スピン軌道３６を用いたレーザ溶接を行う際に、溶接速度Ｖやビード幅Ｗを変更した後に、間隔係数Ｌを用いて、回転半径ｒと回転周波数Ｆを算出し、決定することで、溶接速度Ｖやビード幅Ｗが変更されても、意図したレーザ光２３の螺旋の間隔係数Ｌに対応した一定の重なり度合で、スピン軌道３６の溶接を行うことができるようになり、溶接個所の入熱の粗密を容易に調整できる。
【００７２】
主な使用方法として、間隔係数Ｌの上記の最適値の範囲を満たすように、レーザ光２３のスピン軌道３６の螺旋間の間隔を調整して、溶接対象物５０１にギャップがある場合のギャップ溶接を行う。詳細には、金属板３０（上板）と金属板３１（下板）との間にギャップ３２がある場合に、ギャップ３２を溶融池２２（融液）で満たすことで、ギャップ３２への裕度を高めることや、ピット３３等の溶接欠陥が発生しにくい溶接条件を選定する。
【００７３】
実験によると、この様に上板と下板との板金間にギャップを有する重ね溶接を行う場合、直線軌道の溶接では、ギャップの間隔が上板の厚みの１／２を超えた場合に、上板に穴が開く接合不良が発生しやすいことが分かっている。実施の形態におけるレーザ溶接方法では、レーザ光２３の螺旋の軌跡の重なり度合を示す間隔係数Ｌに基づいて、レーザ光２３を螺旋状に照射しながら溶接方向２４に相対的に移動させて溶接を行うことにより、溶接対象物５０１の溶接される溶接部位を広範囲に溶融することで溶融する金属の量を増やし、ギャップ３２の間隔が上板の厚みの１／２を超えた場合であっても上記接合不良を回避することができる。この際、螺旋状にレーザ光２３のビームスポット２３ａを移動させるため、溶接対象物５０１は、ビード２９の幅方向２４ａの端部が、中心線ＬＣについて非対称となり、中心線ＬＣで分けられて方向１２４ａ、２２４ａにそれぞれ存在する両側のうち片側の凹凸が大きい非対称のビード２９が形成される（図７参照）。溶接速度Ｖに対し、螺旋の回転周波数Ｆを高くすることでこの非対称性は緩和されるが、ビームスポット２３ａが溶融池２２内を通過する回数が増えるため、ピット３３が発生しやすくなる（図６参照）。
【００７４】
実施の形態では、リモート溶接を想定しており、ワーキングディスタンスとビード幅Ｗの確保のため、ビームスポット２３ａのビーム径Φは０．３〜１．０ｍｍの範囲である。回転半径ｒが小さすぎると溶融する金属の量が不足しギャップ３２を満たすことができず、逆に回転半径ｒが大きすぎると広範囲の金属を溶融することになりレーザの出力が不足し、溶接対象物５０１を溶融できない。回転半径ｒは、金属板の厚みとギャップ３２の幅との関係から算出できるため、実験等によりあらかじめ決めることができる。
【００７５】
軟鋼を直線軌道でキーホール溶接する場合、移動速度２３ｂが３ｍ／ｍｉｎ以上であれば、ピット３３等の溶接不良を抑制しやすい。したがって、スピン軌道３６で溶接する場合であっても、これ以上の移動速度２３ｂでビームスポット３２ａを移動させることが好ましい。これに加え、スピン軌道３６の場合は、ビームスポット３２ａが溶接対象物５０１を一度溶融させた場所を再度通過するので、適正な間隔係数Ｌによるスピン間隔でビームスポット２３ａを移動させることが好ましい。スピン間隔が狭い場合は、ビームスポット２３ａが溶融池２２内を複数回通過するためピット３３が発生しやすく、スピン間隔が広い場合はビード２９がより不均一（中心線ＬＣについて非対称）になる。また、ピット３３の発生の頻度は金属の種類によって異なる。ピット３３は溶接対象物５０１が軟鋼よりなる場合に発生しやすく、溶接対象物５０１がステンレスよりなる場合には発生しにくい。したがって、溶接対象物５０１の材料に応じて、スピン間隔を調整する。
【００７６】
図１３は、実施の形態におけるレーザ溶接方法のけるレーザ溶接条件の決定のフローチャートである。
【００７７】
まず、溶接対象物５０１に関する情報である溶接対象物情報を入力する（ステップＳ１０１）。溶接対象物情報は、溶接対象物５０１の材質と、継手形状と、溶接対象物５０１の厚みのうち少なくとも一つ以上を含む。レーザ光２３に関する情報であるレーザ光情報を入力する（ステップＳ１０３）。レーザ光情報は、ビーム径Φと間隔係数Ｌとを含む。溶接対象物情報から、タクトタイムや継手強度に関係する推奨値Ｈａを算出して決定する（ステップＳ１０２）。推奨値Ｈａは、溶接速度Ｖと、ビード幅Ｗと、溶接部の溶込み深さとのうちの少なくとも１つ以上である。レーザ光情報と推奨値Ｈａとからレーザ挙動に関係する推奨値Ｈｂを算出し、決定する。推奨値Ｈｂは、回転周波数Ｆと、レーザ出力のうちの少なくとも１つ以上である。
【００７８】
制御部１７は推奨値Ｈａ、推奨値Ｈｂを表示部１６（図１、図２参照）に表示する（ステップＳ１０５）。溶接対象物５０１に求められる要件に応じて作業者は推奨値Ｈａを変更するか否かを選択する（ステップＳ１０６）。推奨値Ｈａを変更する場合（ステップＳ１０６の「Ｙｅｓ」）、制御部１７は推奨値Ｈａを再計算、再決定し（ステップＳ１０７）、レーザ光情報とステップＳ１０７で再決定された推奨値Ｈａとを用いてステップＳ１０４で推奨値Ｈｂを再計算、再決定し、ステップＳ１０５において再表示する。
【００７９】
レーザ光情報は、装置によって決まる数値なので、予め入力して置いた値を保存しておいても良い。
【００８０】
推奨値Ｈａとして決定される溶接速度Ｖは加工工程のタクトタイムに関係し、ビード幅Ｗは溶接の継ぎ手強度に関係する重要なパラメータなので、実施の形態では推奨値Ｈａは変更可能とする。
【００８１】
入力操作の簡略化のため、適正範囲のある間隔係数Ｌと、装置仕様で決まるビーム径Φとは固定値として記憶装置１０に予め記憶しておき、計算に使用する際に呼び出しても良い。
【００８２】
ステップＳ１０２、Ｓ１０７で決定される溶接速度Ｖとして、使用対象のレーザ発振器に合った範囲での推奨値を提示する。作業者は、この推奨値を基準に意図するタクトタイムや継手強度になるように、ステップＳ１０７で、溶接速度Ｖやビード幅Ｗを修正することで、ステップＳ１０４で再計算された推奨値Ｈｂとしてのレーザ出力を知ることが出来る。
【００８３】
スピン軌道３６（螺旋軌道）のレーザ溶接に要するレーザ出力は、直線軌道で溶接した場合の溶接速度Ｖとレーザ出力との関係に補正係数を乗じて算出する。補正係数はレーザ光がスピン軌道３６を描くことによる熱の分散の効果を表し、１よりも大きい。
【００８４】
広いビード幅Ｗ、つまり大きい回転半径ｒを設定した場合、直線状に溶接する場合よりも熱分散が大きくなるため、より高いレーザ出力が必要となる。したがって補正係数は大きくなる。
【００８５】
ステップＳ１０４で推奨値Ｈｂとして決定される上記レーザ出力がレーザ発振器の上限出力を超える場合は、制御部１７はステップＳ１０５でレーザ出力を表示しないか、エラーメッセージを表示しても良い。
【００８６】
ステップＳ１０４で推奨値Ｈｂとして決定される回転周波数Ｆは、ステップＳ１０２またはステップＳ１０７の推奨値Ｈａとして決定される溶接速度Ｖと、ステップＳ１０３の間隔係数Ｌと、ステップＳ１０２またはステップＳ１０７で推奨値Ｈａとして決定されるビード幅Ｗと、ステップＳ１０３で入力されるビーム径Φから以下の数式によって求められる。
Ｆ＝Ｖ×｛（Ｌ＋１）／（Ｌ−１）｝／｛２×（Ｗ−Φ）｝
ここで、レーザ発振器の仕様からステップＳ１０３にてビーム径Φが設定され、ステップＳ１０２またはステップＳ１０７の推奨値Ｈａとして、要求されるタクトタイム等から溶接速度Ｖが決定され、要求される継手強度に応じてビード幅Ｗが決められる。したがって、スピン軌道３６における螺旋の軌跡の粗密を示すスピン間隔の複数の値にそれぞれ対応する間隔係数Ｌの複数の値を予め決めておけば、ステップＳ１０４で推奨値Ｈｂの回転周波数Ｆを求めることが出来る。
【００８７】
以上のようなレーザ溶接条件決定方法により、板厚や材料毎に、施工条件を決定する実験を行うことなく、施工条件を決定することができ、実験時間や材料コストを削減することが出来る。
【００８８】
実施の形態のレーザ溶接方法は、レーザ光２３の照射によって溶融した部分である液相部分でのビームスポット２３ａの通過を出来る限り避け、ビームスポット２３ａが溶融していない部分である固相部分を通過するように、スピン軌道を決定し、このスピン軌道に対応するレーザ光２３の螺旋の軌跡の重なり度合、言い換えると螺旋の軌跡の粗密を示す間隔係数Ｌに基づいて、レーザ光２３を螺旋状に照射しながら相対的に溶接方向２４に移動させて溶接対象物５０１を溶接する。
【００８９】
具体的には、第４の溶接条件（図７参照）に示すように、ビード２９の中心線ＬＣ付近において、レーザ光２３のビームスポット２３ａが一度目に通過した領域（実線）にやや接する領域（破線）で再び通過し、ビームスポット２３ａが溶融池２２である液相部分をできるだけ避け、未溶融部３４である固相を通過するように、可能な限り、レーザ光２３を溶接対象物５０１の未溶融部３４へ照射して溶接対象物５０１を溶接する。したがって、例えば、重ね溶接において、溶接対象物５０１の金属板３０、３１間にギャップ３２がある場合でもギャップ３２に対する裕度を高めると共に、気泡やピット等の発生を抑制し、均一なビートでの良好な溶接状態を得ることができる。
【００９０】
なお、レーザ光２３を溶接対象物５０１の未溶融部３４へ照射するためのスピン軌道の軌跡としての間隔係数Ｌは、好ましい値や、好ましい範囲内になるように、例えば、実験や上述の数式やデータテーブル等により、事前に求め、予め設定することが好ましい。
【００９１】
前述したレーザ光を螺旋状に照射して溶接を行う従来のレーザ溶接は、螺旋状に照射するレーザ光による溶融池の撹拌効果でガスの排出を促進としている。
【００９２】
しかし、液相部分である溶融池にレーザ光を照射することで、溶融時に形成される、溶融池に接する穴であるキーホールから気泡が発生し易くなり、かえって溶融部外観に開いているピットと言われる微小な穴や溶融部に気泡が残留して形成されるポロシティは増加してしまう恐れがある。
【００９３】
また、このように複数のパラメータの作用によって決定される溶接現象に対し、熟練作業者は自身の経験を活かすことで、比較的短時間で所望の溶接結果を得るための溶接条件を設定することができる可能性がある。しかしながら、最近では、レーザ溶接施工の経験が少ない作業者も多い。経験が少ない作業者が、適正なレーザ溶接条件をロボットやＸＹテーブルとレーザ溶接用ヘッド等に設定するには、多くの時間を費やしてしまう。
【００９４】
さらに近年では、溶接品質の向上が強く要望されている。継手形状、必要な溶込み量や継手強度によって、溶接速度やレーザ出力等の溶接条件は異なる。経験の少ない作業者にとって、ロボットやＸＹテーブル等のマニピュレータを調整したら良いのか、レーザ用ヘッドを調整したら良いのか、レーザ出力を調整したら良いのかが判り難い。このため、適正な溶接条件を導出するためには、繰り返しレーザ溶接を行う必要があり、多くの時間を消費してしまう。
【００９５】
上述のように、本実施の形態のレーザ溶接方法は、上下に重ねられた２枚以上の金属板３０、３１をレーザ光２３により溶接すると共に、レーザ溶接時に、主にキーホール後壁２７から発生する気泡２８を抑制する。そのため、本実施の形態のレーザ溶接方法は、可能な限り、金属板３０、３１の固相部分にレーザ光２３が通過するように溶接対象物にレーザ光２３を照射して、溶接対象物５０１を溶接する。また、溶接時のレーザ出力は、キーホール型溶接になる値以上を選択し、例えば、溶接方向２４へ移動する溶接速度Ｖは、１ｍ／ｍｉｎ以上であることが好ましい。また、溶接時の溶接速度Ｖは、可能な限りビームスポット２３ａが、大きい溶融池２２にかからないような速度以上を選択するのが好ましい。
【００９６】
このような本実施の形態のレーザ溶接方法によれば、金属板３０、３１の板厚に拘らず、良好な溶接状態を得ることができる。
【００９７】
なお、本実施の形態では、２枚の金属板３０、３１を重ねてレーザ溶接を行うが、上記のレーザ溶接方法は３枚以上の金属板を重ねてレーザ溶接を行う際にも適用することができる。
【００９８】
また、スピン軌道３６の螺旋の軌跡である螺旋形状の軌跡は、単純な螺旋形状だけでなく、また、円状や、四角や三角等の多角形状や、一部途切れた不連続な円弧状など、レーザ光２３が走査されて照射されることにより形成される形状の連続的な軌跡であれば、種々の形状とすることができる。間隔係数Ｌは、この螺旋の軌跡の粗密度合（重なり度合）を示す。
【００９９】
また、スピン軌道３６のレーザ光２３のビームスポット２３ａの溶接方向２４に対しての照射の回転方向は、時計回りであっても良いし、反時計回りであっても良い。
【０１００】
また、本実施の形態では、良好な溶接結果を得るため、レーザ光２３の溶接速度Ｖや、レーザ光２３の間隔係数Ｌや、レーザ光２３のレーザ出力等を適切にする。なお、これらのパラメータは、これら全て、あるいは、全ての内から複数を選択する等、適宜組み合わせて実施するようにしても良い。
【０１０１】
これまで溶接対象物５０１として、重ね継手への適用を例に説明したが、このレーザ溶接方法、レーザ溶接条件決定方法、レーザ溶接システムは、溶接対象物５０１として、重ね隅肉継手、突合せ継手、Ｔ字継手、角継手、へり継手、フレア継手の溶接にも適用することが出来る。
【０１０２】
このように、実施の形態におけるレーザ溶接方法では、気泡の発生を抑制し、均一なビード２９を得ることで、良好な溶接状態が得られる。
【０１０３】
実施の形態におけるレーザ溶接条件設定方法およびレーザ溶接装置により、作業者が、溶接対象物５０１に関する情報とレーザ光２３に関する情報を設定することで、それに適したレーザ出力や溶接速度Ｖや溶接パターンや溶接部の強度や溶接部の溶込みといった溶接条件の推奨値Ｈａを決定して表示することができる。さらに、作業者が、表示された推奨値Ｈａを変更した場合でも、変更後の値に適した溶接条件の推奨値Ｈｂを再決定して表示することができる。
【０１０４】
タクトタイムに関係する溶接速度Ｖと、継手強度に関係するビード幅Ｗを作業者が変更可能なシステムとすることで、より使い勝手が向上する。
【０１０５】
このため、溶接条件を決定するまでの試行錯誤を行う時間や労力を低減することができ、溶接条件の設定に関する作業者の負担を軽減することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明におけるレーザ溶接方法は、気泡の発生を抑制して良好な溶接状態を実現でき、溶接対象物にレーザ光を照射してレーザ溶接を行うレーザ溶接方法として有用である。
【符号の説明】
【０１０７】
１    レーザ発振器
１０    記憶装置
１１    溶接条件決定部
１２    条件設定器
１３    溶接対象物情報入力部
１４    レーザ光情報入力部
１５    パラメータ変更入力部
１６    表示部
１７    制御部
２１    キーホール
２２    溶融池
２３    レーザ光
２３ａ    ビームスポット
２４    溶接方向
２５    キーホール前壁
２６    金属蒸気
２７    キーホール後壁
２８    気泡
２９    ビード
２９ａ    再凝固層
２９ｂ    ビード端
３０    金属板
３１    金属板
３２    ギャップ
３３    ピット
３４    未溶融部
３６    スピン軌道
５０１    溶接対象物
Ａ    幅
Ｂ    幅
Φ    ビーム径
Ｗ    ビード幅
ｒ    回転半径
【図１】
2016194322.tif 000003
【図２】
2016194322.tif 000004
【図３】
2016194322.tif 000005
【図４】
2016194322.tif 000006
【図５】
2016194322.tif 000007
【図６】
2016194322.tif 000008
【図７】
2016194322.tif 000009
【図８】
2016194322.tif 000010
【図９Ａ】
2016194322.tif 000011
【図９Ｂ】
2016194322.tif 000012
【図１０Ａ】
2016194322.tif 000013
【図１０Ｂ】
2016194322.tif 000014
【図１１Ａ】
2016194322.tif 000015
【図１１Ｂ】
2016194322.tif 000016
【図１２】
2016194322.tif 000017
【図１３】
2016194322.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成29年9月19日(2017.9.19)
【手続補正１】
【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】
溶接方向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ビームスポットを形成するようにレーザ光を前記溶接対象物に照射するステップと、
前記照射されたレーザ光により前記溶接対象物を溶接するステップと、
を含み、前記レーザ光を前記溶接対象物に照射するステップは、前記溶接方向における前記螺旋形状を有する前記軌跡の重なり度合を示す値である間隔係数に基づいて前記レーザ光を前記溶接対象物に照射するステップを含む、レーザ溶接方法。
【請求項２】
前記間隔係数は、前記ビームスポットが前記溶接方向の成分を有する移動速度で前記回転中心を周回する前記溶接方向における第１の幅と、前記ビームスポットが前記溶接方向の反対の方向の成分を有する移動速度で前記回転中心を周回する前記溶接方向における第２の幅との比である、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記間隔係数は前記第２の幅に対する前記第１の幅の比であり１．５〜３の範囲である、請求項２に記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記間隔係数は２〜２．５の範囲である、請求項３に記載のレーザ溶接方法。
【請求項５】
前記照射されたレーザ光により前記溶接対象物を溶接する前記ステップは、前記照射されたレーザ光により前記溶接対象物にビードを形成するように前記溶接対象物を溶接するステップを含み、
前記間隔係数Ｌは、前記第１の幅Ａと、前記第２の幅Ｂと、前記ビームスポットのビーム径Φと、前記ビームスポットが前記溶接方向に移動する溶接速度Ｖと、前記ビームスポットが前記回転中心を周回する回転周波数Ｆと、前記ビードのビード幅Ｗとにより以下の数式：
Ｌ＝Ａ／Ｂ
Ａ＝Ｗ−Φ＋Ｖ／（２×Ｆ）
Ｂ＝Ｗ−Φ−Ｖ／（２×Ｆ）
で表される、請求項２に記載のレーザ溶接方法。
【請求項６】
前記回転中心が前記溶接方向に移動する溶接速度Ｖと、前記間隔係数Ｌと、前記ビード幅Ｗと、前記ビーム径Φとにより前記回転周波数Ｆは以下の式：
Ｆ＝Ｖ×｛（Ｌ＋１）／（Ｌ−１）｝／｛２×（Ｗ−Φ）｝
で求められる、請求項５に記載のレーザ溶接方法。
【請求項７】
前記第１の幅は、前記ビームスポットが前記溶接方向の前記成分を有する前記移動速度で前記回転中心を周回するときに前記ビームスポットが照射される範囲の前記溶接方向における幅であり、
前記第２の幅は、前記ビームスポットが前記溶接方向の反対の前記方向の前記成分を有する前記移動速度で前記回転中心を周回するときに前記ビームスポットが照射される範囲の前記溶接方向における幅である、請求項２から６のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法。
【請求項８】
前記照射されたレーザ光により前記溶接対象物を溶接する前記ステップは、前記照射されたレーザ光により前記溶接対象物を溶融して溶融池を形成するステップを含み、
前記レーザ光を前記溶接対象物に照射する前記ステップは、前記軌跡に沿って移動する方向で前記溶融池の外縁部の前方に位置する前記溶接対象物の未溶融部に前記レーザ光を照射するステップを含む、請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項９】
溶接方向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ビームスポットを形成するようにレーザ光を前記溶接対象物に照射して前記溶接対象物を溶接するレーザ溶接システムで用いられるレーザ溶接条件決定方法であって、
前記溶接対象物に関する情報であって前記溶接対象物の材質と継手の形状と前記溶接対象物の厚みとの内の少なくとも１つを含む溶接対象物情報に基づき、前記回転中心が前記溶接方向に移動する溶接速度と、前記レーザ光により前記溶接対象物に形成されるビードのビード幅と、前記レーザ光により前記溶接対象物に形成される溶接部の溶込み深さの内の１つ以上を決定するステップと、
前記レーザ光に関する情報であって前記軌跡の重なり度合を示す値である間隔係数と前記レーザ光のビーム径の情報とを含むレーザ光情報を設定するステップと、
前記溶接速度と前記間隔係数と前記ビード幅と前記ビーム径の前記情報とに基づき、前記ビームスポットが前記回転中心を周回する回転周波数を決定するステップと、
を含む、レーザ溶接条件決定方法。
【請求項１０】
前記間隔係数は、前記ビームスポットが前記溶接方向の成分を有する移動速度で前記回転中心を周回する前記溶接方向における第１の幅と、前記ビームスポットが前記溶接方向の反対の方向の成分を有する移動速度で前記回転中心を周回する前記溶接方向における第２の幅との比である、請求項９に記載のレーザ溶接条件決定方法。
【請求項１１】
前記間隔係数は１．５〜３の範囲である、請求項９または１０に記載のレーザ溶接条件決定方法。
【請求項１２】
前記間隔係数は２〜２．５の範囲である、請求項１１に記載のレーザ溶接条件決定方法。
【請求項１３】
前記溶接速度と前記ビード幅と前記溶込み深さの内の前記決定された１つ以上と、前記回転周波数と前記レーザ出力の内の前記決定された１つ以上とを表示するステップと、
前記溶接速度と前記ビード幅と前記溶込み深さの内の前記決定された１つ以上のうちの少なくとも１つを変更し再決定するステップと、
前記溶接速度と前記ビード幅と前記溶込み深さの内の前記決定された１つ以上のうちの前記再決定された少なくとも１つに基づき、前記回転周波数と前記レーザ出力の内の前記１つ以上を再決定するステップと、
をさらに含む、請求項１１に記載のレーザ溶接条件決定方法。
【請求項１４】
前記第１の幅は、前記ビームスポットが前記溶接方向の前記成分を有する前記移動速度で前記回転中心を周回するときに前記ビームスポットが照射される範囲の前記溶接方向における幅であり、
前記第２の幅は、前記ビームスポットが前記溶接方向の反対の前記方向の前記成分を有する前記移動速度で前記回転中心を周回するときに前記ビームスポットが照射される範囲の前記溶接方向における幅である、請求項１０から１３のいずれか一項に記載のレーザ溶接条件決定方法。
【請求項１５】
前記回転中心が前記溶接方向に移動する溶接速度Ｖと、前記間隔係数Ｌと、前記ビード幅Ｗと、前記ビーム径Φとにより前記回転周波数Ｆは以下の式：
Ｆ＝Ｖ×｛（Ｌ＋１）／（Ｌ−１）｝／｛２×（Ｗ−Φ）｝
で求められる、請求項９に記載のレーザ溶接条件決定方法。
【請求項１６】
レーザ光を溶接対象物に向けて出射するレーザ用ヘッドと、
溶接方向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前記溶接対象物に対して相対的に移動するビームスポットを形成するように前記レーザ光を前記溶接対象物に照射するように、前記レーザ用ヘッドと前記レーザ光とを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記溶接対象物に関する情報であって前記溶接対象物の材質と継手の形状と前記溶接対象物の厚みとの内の少なくとも１つを含む溶接対象物情報を入力するための溶接対象物情報入力部と、
前記レーザ光に関する情報であって前記軌跡の重なり度合を示す値である間隔係数と前記レーザ光のビーム径の情報とを含むレーザ光情報を入力するためのレーザ光情報入力部と、
前記溶接対象物情報に基づいて、前記回転中心が前記溶接方向に移動する溶接速度と、前記レーザ光により前記溶接対象物に形成されるビードのビード幅と、前記レーザ光により前記溶接対象物に形成される溶接部の溶込み深さの内の１つ以上の第１の推奨値を決定し、
前記レーザ光情報の前記間隔係数と前記ビーム径の前記情報と前記１つ以上の第１の推奨値の内の前記溶接速度と前記ビード幅の第１の推奨値とに基づいて、前記ビームスポットが前記回転中心を周回する回転周波数と、前記レーザ光のレーザ出力の内の１つ以上の第２の推奨値を決定する、
ように構成された溶接条件決定部と、
を有する、レーザ溶接システム。
【請求項１７】
前記間隔係数は、前記溶接方向に前記ビームスポットが前記回転中心を周回する前記溶接方向における第１の幅と、前記溶接方向と反対の方向に前記ビームスポットが前記回転中心を周回する前記溶接方向における第２の幅との比であり、
前記レーザ光情報入力部は、前記間隔係数を入力する間隔係数入力部を有し、
前記溶接条件決定部は、前記溶接速度Ｖと前記間隔係数Ｌと前記ビード幅Ｗと前記ビームスポットのビーム径Φとにより前記回転周波数Ｆを以下の式：
Ｆ＝Ｖ×｛（Ｌ＋１）／（Ｌ−１）｝／｛２×（Ｗ−Φ）｝
で求める、請求項１６に記載のレーザ溶接システム。
【請求項１８】
前記第１の幅は、前記ビームスポットが前記溶接方向の前記成分を有する前記移動速度で前記回転中心を周回するときに前記ビームスポットが照射される範囲の前記溶接方向における幅であり、
前記第２の幅は、前記ビームスポットが前記溶接方向の反対の前記方向の前記成分を有する前記移動速度で前記回転中心を周回するときに前記ビームスポットが照射される範囲の前記溶接方向における幅である、請求項１７に記載のレーザ溶接システム。
【国際調査報告】
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