(57)【要約】【課題】金属メッキ板の間に微小な隙間を形成するための特別な機構を不要とし、溶接品質を確保したレーザー溶接方法を提供する。【解決手段】集光レンズ１６を通してレーザー光１８を射出し、集光レンズ１６の焦点位置Ｐにレーザー光１８を集光させるレーザーヘッド１３を準備する。亜鉛メッキ鋼板１１，１２を隙間なく密着して重ね合わせる。そして、レーザーヘッド１３により、重ね合わせ部分の亜鉛メッキ鋼板１２の表面にレーザー光１８を照射することによりレーザー照射領域１９の鋼板部分を溶融して溶接接合を形成する。この時、レーザー光１８の照射領域１９が、溶接接合部に亜鉛ガスの噴出による溶接欠陥が発生しない大きさになるように、レーザー光１８の焦点位置Ｐを亜鉛メッキ鋼板１２の表面から上方にずらす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材金属板の表面に母材金属板の融点よりも低い沸点を有した金属をメッキしてなる複数の金属メッキ板を重ね合わせて、当該金属メッキ板の重ね合わせ部にレーザー光を照射して複数の該金属メッキ板を溶接する金属メッキ板のレーザー溶接方法において、
集光レンズを通してレーザー光を射出し、前記集光レンズの焦点位置にレーザー光を集光させるレーザーヘッドを準備し、
前記複数の金属メッキ板を隙間なく密着して重ね合わせる工程と、
前記レーザーヘッドにより前記重ね合わせ部分の金属メッキ板の表面にレーザー光を照射することにより、レーザー光の照射領域の母材金属板を溶融して溶接接合部を形成する工程と、を有し、
前記レーザー光の照射領域が、溶接接合部にメッキ金属ガスの噴出による溶接欠陥が発生しない大きさになるように、前記レーザー光の焦点位置を前記金属メッキ板の表面からずらしたことを特徴とする金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項２】
前記レーザー光の焦点位置を金属メッキ板の表面から上方にずらしたことを特徴とする請求項１に記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項３】
前記レーザー光を照射している間、前記レーザーヘッドを前記金属メッキ板に対して静止させることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項４】
前記母材金属板は鉄鋼であり、前記母材金属板の表面にメッキされた金属は亜鉛又はアルミニウムであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の金属メッキ板の重ね合わせ部分をレーザー溶接する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
亜鉛メッキ鋼板は母材金属板である鋼板の表面に防錆用の亜鉛メッキを施した鋼板材であり、自動車の車体の構造材等として多用されている。車体等を形成する場合に、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせて、その重ね合わせ部分にレーザー光を照射して、鋼板材を溶融、結合させるレーザー溶接法が知られている。
【０００３】
上記レーザー溶接を行うと、亜鉛の沸点（約９００℃）が鋼板（鉄）の融点（約１５００℃）より低いことに起因して溶接欠陥が発生することが知られている。つまり、レーザー光を前記重ね合わせ部分に照射することにより、鋼板が溶融するが、この時、重ね面の亜鉛がガス化する。そして、亜鉛ガスは溶融した鋼板内を通って外に抜けようとする。その結果、溶融した鋼板の一部が吹き飛ばされたり、一部の亜鉛ガスが鋼板内部に残り、ブローホールと呼ばれる気孔を形成して、溶接強度を劣化させたり、外観が悪くなる。（特許文献１を参照）
【０００４】
また、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、特許文献２、３には、重ね合わせた金属メッキ板の間に、メッキ金属ガス逃がし用の微小な隙間を形成する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２６２１８７号公報
【特許文献２】特開２００１−１６２３８７号公報
【特許文献３】特開２００７−０３８２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述のように重ね合わせた金属メッキ板間にメッキ金属ガス逃がし用の微小な隙間を形成する方法においては、微小な隙間を形成するための特別な機構を用いる必要があった。このような機構は金属メッキ板を密着して重ね合わせる機構に比べて複雑である。
【０００７】
そこで、本発明は、微小な隙間を形成するための特別な機構を用いることなく、溶接品質を確保した金属メッキ板のレーザー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】
本発明は、母材金属板の表面に母材金属板の融点よりも低い沸点を有した金属をメッキしてなる複数の金属メッキ板を重ね合わせて、当該金属メッキ板の重ね合わせ部にレーザー光を照射して複数の該金属メッキ板を溶接する金属メッキ板のレーザー溶接方法において、集光レンズを通してレーザー光を射出し、前記集光レンズの焦点位置にレーザー光を集光させるレーザーヘッドを準備し、前記複数の金属メッキ板を隙間なく密着して重ね合わせる工程と、前記レーザーヘッドにより前記重ね合わせ部分の金属メッキ板の表面にレーザー光を照射することによりレーザー照射領域の母材金属を溶融して、溶接接合を形成する工程と、を有し、前記レーザー光の照射領域が、溶接接合部にメッキ金属ガスの噴出による溶接欠陥が発生しない大きさになるように、前記レーザー光の焦点位置を前記金属メッキ板の表面からずらしたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明によれば、複数の金属メッキ板を隙間なく密着して重ね合わせた状態でレーザー照射しているので、金属メッキ板を固定する治具の機構を簡単にできる。
【００１０】
そして、本発明によれば、レーザー照射領域の面積がある程度大きくなるようにレーザー光をデフォーカスして照射しているので、レーザー照射領域における母材金属を溶融して形成される溶融池の面積も大きくなり、この溶融池を通してメッキ金属ガスを低い圧力で安定して外部に逃がすことができる。これにより、メッキ金属ガスにより溶融金属の吹き飛びや、ブローホール等の溶接欠陥を防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、金属メッキ板を隙間なく密着させた状態でレーザー光照射を行うので、金属メッキ板の間に微小な隙間を形成するための特別な機構が不要となり、しかも溶接品質を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態のレーザー加工装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態のレーザー溶接方法により形成された円形状の溶接部分を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態のレーザー溶接方法を説明する亜鉛メッキ鋼板の重ね合わせ部の断面図である。
【図４】本発明の実施形態のレーザー加工装置の他の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施形態のレーザー溶接方法により形成されたライン状の溶接部分を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について説明する。先ず、レーザー加工装置の構成を図１に基づいて説明する。図示のように、レーザー加工テーブル１０上に、２枚の亜鉛メッキ鋼板１１，１２を重ね合わせた状態で載置する。
【００１４】
亜鉛メッキ鋼板１１，１２が載置されたレーザー加工テーブル１０の上方には、レーザーヘッド１３が配置され、このレーザーヘッド１３に光ファイバー１４を介してファイバーレーザー発振器１７によって発生されたレーザー光レーザービーム１８が出力されるように構成されている。ファイバーレーザー発振器１７の代わりに、ＹＡＧレーザー発振器、ＣＯ２レーザー発振器等の他の種類のレーザー発振器を用いてもよい。
【００１５】
レーザーヘッド１３には、コリメーションレンズ１５と集光レンズ１６が収納されている。ファイバーレーザー発振器１７からのレーザー光１８は、先ず、コリメーションレンズ１５によって一旦平行光線に変換され、その平行光線が集光レンズ１６を通して射出され、所定の焦点位置Ｐに集光される。
【００１６】
また、レーザーヘッド１３は、例えば、レーザー加工ロボットのような移動手段によって、上方の亜鉛メッキ鋼板１２の面内のＸ方向及びＹ方向、亜鉛メッキ鋼板１２の表面に垂直なＺ方向に移動自在に構成されている。さらに、レーザーヘッド１３から射出されるレーザー光１８のＺ方向に対する角度は調整可能に構成されており、例えば、前記角度が±１５°の範囲で調整できるように、レーザーヘッド１３をその回転軸を中心に回転可能に構成しても良い。
【００１７】
従って、レーザーヘッド１３をＺ方向に移動させることにより、レーザーヘッド１３から射出されるレーザー光１８の焦点位置ＰをＺ方向に移動させ、照射領域１９（亜鉛メッキ鋼板１２に垂直な方向からみて円形の領域になる）の面積を変えることができる。レーザー光１８のエネルギー密度は照射領域１９の単位面積当たりのエネルギーであり、ファイバーレーザー発振器１７の出力が一定であれば、レーザー光１８のエネルギー密度は照射領域１９の面積に反比例することになる。
【００１８】
以下、本実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接法について説明する。先ず、図１に示すように、レーザー加工テーブル１０上に２枚の亜鉛メッキ鋼板１１，１２を重ね合わせた状態で載置する。この場合、亜鉛メッキ鋼板１１，１２を上下方向から固定治具で押さえて、亜鉛メッキ鋼板１１，１２の重ね合わせ部を隙間の無い密着状態にする。この場合、亜鉛メッキ鋼板１１が下板、亜鉛メッキ鋼板１２が上板になっている。
【００１９】
次に、レーザー加工ロボットにより、レーザーヘッド１３をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させ、亜鉛メッキ鋼板１１，１２の重ね合わせ部上に位置させる。そして、重ね合わせ部分の亜鉛メッキ鋼板１２の表面から内部に向けてレーザー光１８を所定時間照射することにより、レーザー光１８の照射領域１９の亜鉛メッキ鋼板１１，１２の鋼材部分を加熱溶融し、その後自然冷却することにより図２に示すような円形状の溶接接合部２０を形成する。
【００２０】
この時、図１及び図３に示すように、レーザー光１８の照射領域１９は、溶接接合部２０に亜鉛ガスの噴出による溶接欠陥が発生しない大きさになるように、レーザー光の焦点位置Ｐを亜鉛メッキ鋼板１２の表面から上方にずらしている。即ち、レーザー光を照射面（亜鉛メッキ鋼板１２の表面）からデフォーカスさせることにより、照射領域１９の面積を大きくする。
【００２１】
これにより、図３に示すように、亜鉛メッキ鋼板１１，１２の鋼材部分が溶融することにより形成される溶融池２３の平面的な面積がある程度大きくなる。レーザー光１８の照射による加熱により、照射領域１９及びその周辺の亜鉛メッキ鋼板１１，１２の密着表面の亜鉛ガス発生領域２１から、メッキされた亜鉛が気化して亜鉛ガス２２が発生する。すると、亜鉛ガス発生領域２１から発生された亜鉛ガス２２は、大きな溶融池２３を通して低い圧力で外部に逃げる。これにより、亜鉛ガス２２による溶融鋼材の吹き飛びや、ブローホール等の溶接欠陥を防止することができる。
【００２２】
また、本実施形態によれば、１回のレーザー照射により短時間で溶接を行うことができるので生産性が高いという利点もある。
【００２３】
本発明者は、図１のレーザー加工装置を用いて本発明の効果を実証するための実験を行った。この場合、亜鉛メッキ鋼板１１，１２は前述のように隙間なく密着された状態でレーザー光１８の照射が行われた。また、レーザーヘッド１３はレーザー光１８の照射の間、亜鉛メッキ鋼板１１，１２に対して静止させた。その実験結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】
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先ず、２枚の亜鉛メッキ鋼板１１，１２の厚さが各０．７ｍｍの場合、レーザー光１８の照射領域１９のスポット口径を６〜８ｍｍとし、０．５秒間のレーザー照射を行った。レーザー光出力は３ｋＷキロワットであった。
【００２５】
また、亜鉛メッキ鋼板１１，１２の厚さが各１．２ｍｍと比較的厚い場合には、
レーザー照射時間を０．８秒と少し長くし、レーザー光１８の出力電力も４ｋＷと高く設定したが、レーザー光の照射領域１９のスポット口径は６〜８ｍｍとした。これらの実験によると、溶融鋼材の吹き飛びや、ブローホール等の溶接欠陥はなく、溶接品質は良好であった。
【００２６】
これに対して、通常のレーザー溶接の条件従来技術、つまり、スポット口径が０．５〜１．０ｍｍ程度の場合には、溶融鋼材の吹き飛びや、ブローホール等の溶接欠陥が発生し、溶接品質は不良であった。
【００２７】
即ち、従来技術では亜鉛メッキ鋼板１１，１２を密着させた場合には、溶接欠陥を防止することは困難であった。これは、レーザー光１８の照射領域１９の面積が小さいと、溶融池２３の面積も小さくなり、溶融池２３を通して逃げようとする亜鉛ガス２２の溶融池２３内における圧力が高くなるためである。
【００２８】
これに対して、本発明者は、レーザー光１８の焦点位置Ｐを意図的に亜鉛メッキ鋼板１２の表面からずらしてレーザー光１８の照射領域１９を大きくすることにより、溶接欠陥を防止できることを見出した。これは、溶融池２３の平面的な面積を大きくすることにより、亜鉛ガス２２の溶融池２３内の圧力が低くなるからである。
【００２９】
この場合、溶接欠陥を防止するためにレーザー光１８の焦点位置Ｐをどの程度ずらすかについては、亜鉛メッキ鋼板１１，１２の厚さ、レーザー光１８の出力電力、照射時間等の諸条件によって異なるが、先ず、諸条件の下で、亜鉛メッキ鋼板１１、１２のテストサンプルを用いて、レーザー光１８の焦点位置Ｐ（レーザー光１８の照射領域１９を大きさ）を実験的に決定し、その後、その決定されたレーザー光１８の焦点位置Ｐ（レーザー光１８の照射領域１９を大きさ）の下で、本番の亜鉛メッキ鋼板１１，１２のレーザー溶接を行うことが好ましい。
【００３０】
上述の実施形態では、レーザーヘッド１３をＺ方向に上昇させた位置で固定することにより、レーザー光１８の焦点位置Ｐを亜鉛メッキ鋼板１２の表面から上方にずらしているが、これにより、レーザーヘッド１３と亜鉛メッキ鋼板１２の固定治具との干渉を防止することができるという副次的な効果が得られる。
【００３１】
このような干渉のおそれがない場合は、図４に示すように、レーザーヘッド１３を亜鉛メッキ鋼板１２の表面に近接させることにより、レーザー光１８をデフォーカスさせても良い。つまり、レーザー光１８の焦点位置Ｐは、亜鉛メッキ鋼板１２の表面から下方にずらされる。この構成においても、レーザー光１８の照射領域１９の面積を大きくすることができるので、上述の実施形態と同様に、溶接欠陥の防止効果が得られる。
【００３２】
また、上述の実施形態では、レーザーヘッド１３はレーザー光１８の照射の間、亜鉛メッキ鋼板１１，１２に対して静止させて、円形状の溶接接合部２０を形成しているが、レーザーヘッド１３をＸ方向又はＹ方向に移動させることにより、デフォーカスした照射領域１９を移動させて、ライン状の溶接接合部２４を形成することもできる。
【００３３】
照射領域１９は、図５では亜鉛メッキ鋼板１１，１２の重ね合わせ部に設定されているが、重ね合わされた亜鉛メッキ鋼板１１，１２の境界部に設定しても良い。本発明者の実験によれば、溶接欠陥を防止するために、レーザー光１８の照射領域１９の移動速度は、１．４ｍ／分と通常のレーザー溶接の５ｍ／分程度に比して小さくする必要があった。この場合についても、前述と同様に、事前に亜鉛メッキ鋼板１１，１２のテストサンプルを用いて、移動速度等の条件出しをしておくことが好ましい。
【００３４】
また、上記実施形態においては、２枚の亜鉛メッキ鋼板１１，１２を重ね合わせた状態でレーザー溶接を行っているが、本発明は、３枚以上の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態でレーザー溶接を行う場合にも適用することができる。このような場合でも大きな溶融池を形成することで亜鉛ガス２２の圧力を下げることができるからである。
【００３５】
さらに、本発明のレーザー溶接の対象となる金属メッキ板は、亜鉛メッキ鋼板に限らず、鋼板の表面に、鋼板の融点よりも低い沸点を有した金属、例えば、アルミニウム、或いは錫をメッキしてなる金属メッキ板であってもよい。また、母材金属板の材料も鉄に限定されることはなく、例えば、鉄と他の元素との合金でもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１０・・・レーザー加工テーブル      １１・・・亜鉛メッキ鋼板
１２・・・亜鉛メッキ鋼板            １３・・・レーザーヘッド
１４・・・光ファイバー              １５・・・コリメーションレンズ
１６・・・集光レンズ                １７・・・ファイバーレーザー発振器
１８・・・レーザー光                １９・・・レーザー光照射領域
２０・・・円形状の溶接接合部        ２１・・・亜鉛ガス発生領域
２３・・・溶融池                    ２２・・・亜鉛ガス
２４・・・ライン状の溶接接合部
【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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