(57)【要約】【課題】簡易な方法で金属蒸気による溶接欠陥の発生を抑制することができるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】レーザ溶接方法は、先ず、配置工程として、表面処理が施された金属板として構成された第１板１２及び第２板１４を重ねてクランプ用治具１６でクランプする。次いで、前処理工程として、第１レーザ光Ｌ１を第１板１２に照射する。このとき、第１レーザ光Ｌ１は、第１板１２の下側表面処理部２２ｂに到達せず、且つ第１板１２の上下面の温度差が第２板１４の上下面の温度差よりも小さくなる照射条件に設定されている。よって、第１レーザ光Ｌ１の熱によって、第２板１４が断面略Ｖ字形状に変形し、第１板１２及び第２板１４間に第１隙間３２が形成される。その後、溶接工程として、第２レーザ光Ｌ２を第１板１２から第１隙間３２を介して第２板１４に達するように照射することにより第１板１２及び第２板１４を溶接する。【選択図】図６
2011156572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね面の少なくとも一方が表面処理された金属板からなる第１板及び第２板を重ねる配置工程と、
前記配置工程の後に設けられ、前記重ね面の表面処理された部位に到達しない範囲内で、且つ前記第１板の上下面の温度差が前記第２板の上下面の温度差よりも小さくなるように前記第１板に第１レーザ光を照射する前処理工程と、
前記前処理工程の後に設けられ、前記第１板及び前記第２板に第２レーザ光を照射することにより、該第１板及び該第２板を溶接する溶接工程と、を備え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、
前記前処理工程では、前記第１板を介して前記第２板に伝達される前記第１レーザ光の熱による該第２板の変形によって前記第１板及び前記第２板間に第１隙間が形成され、
前記溶接工程は、前記第２レーザ光を前記第１板から第１隙間を介して前記第２板に達するように照射することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項３】
請求項２記載のレーザ溶接方法において、
前記第１板の剛性は、前記第２板の剛性よりも高く設定されていることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項４】
請求項３記載のレーザ溶接方法において、
前記第１板は、前記第２板よりも厚く形成されていることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において、
前記配置工程は、重ね面の少なくとも一方が表面処理された金属板からなる前記第２板及び第３板をさらに重ね、
前記前処理工程では、前記第２板の変形によって前記第２板及び前記第３板間に第２隙間が形成され、
前記溶接工程は、前記第２レーザ光を、前記第１板から前記第１隙間、前記第２板、前記第２隙間を介して前記第２板に達するように照射す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、重ね面の少なくとも一方が表面処理された金属板にレーザを照射して重ね溶接するレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、母材に表面処理（例えば、めっき処理）を施すことにより、耐食性を高めた金属材料が広汎に知られており、その代表的なものとして、亜鉛めっき鋼板がある。
【０００３】
一般に、複数の亜鉛めっき鋼板に対してレーザによる重ね溶接を行うと、亜鉛の沸点が鉄（鋼）の融点よりも低いため、溶接中に、前記亜鉛めっき鋼板の重ね面に位置する亜鉛が蒸発して亜鉛蒸気（金属蒸気）が発生する。そして、前記亜鉛蒸気は、亜鉛めっき鋼板の外部に抜けることができないため、溶融池に入り込もうとする。その結果、溶融金属の一部が吹き飛ばされてスパッタが発生したり、前記溶融池が冷却凝固して形成される溶接部に亜鉛蒸気が残留してブローホールが発生したりすることがある。
【０００４】
このような溶接欠陥の対策としては、亜鉛めっき鋼板間に前記亜鉛蒸気の抜け道としての隙間を形成し、レーザ溶接時に発生する亜鉛蒸気を該隙間に放出させることで該亜鉛蒸気の溶融池への侵入を抑制するものが周知である。
【０００５】
そして、２枚の亜鉛めっき鋼板間に前記隙間を形成する方法として、金型等を用いて亜鉛めっき鋼板の重ね面に凸部を予め形成しておくものがある。しかしながら、前記金型の磨耗によって前記隙間の大きさにバラツキが生じるため、該金型の管理を頻繁に行う必要があり手間がかかる。
【０００６】
また、前記金型を利用しない方法として、上板及び下板を重ねた状態で、前記上板に対してのみレーザ光（第１レーザ光）を照射して該上板の裏面に凸部を生じさせることによって、該上板及び該下板間に隙間を形成した後に、該第１レーザ光よりも高出力のレーザ光（第２レーザ光）を前記上板及び前記下板に照射して重ね溶接するものが知られている（特許文献１参照）。この文献には、前記第２レーザ光の照射位置は、前記第１レーザ光の照射位置に一致させるのが最も好ましいことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４３５６２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の溶接方法において、第２レーザ光の照射位置を第１レーザ光の照射位置に一致させると、前記凸部が前記第２レーザ光によって溶融するので、前記隙間が消失することがある。その結果、上板及び下板間に生じる金属蒸気を該隙間に放出することができず、溶接欠陥が生じるおそれがある。
【０００９】
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、簡易な方法で金属蒸気による溶接欠陥の発生を抑制することができ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】
【００１０】
本発明に係るレーザ溶接方法は、重ね面の少なくとも一方が表面処理された金属板からなる第１板及び第２板を重ねる配置工程と、前記配置工程の後に設けられ、前記重ね面の表面処理された部位に到達しない範囲内で、且つ前記第１板の上下面の温度差が前記第２板の上下面の温度差よりも小さくなるように前記第１板に第１レーザ光を照射する前処理工程と、前記前処理工程の後に設けられ、前記第１板及び前記第２板に第２レーザ光を照射することにより、該第１板及び該第２板を溶接する溶接工程と、を備える。
【００１１】
通常、板材にレーザ光を照射すると、該レーザ光によって加熱された部位が収縮することにより、前記板材は、断面略Ｖ字形状に歪む（変形する）。
【００１２】
このような方法によれば、第１板の上下面の温度差が第２板の上下面の温度差よりも小さくなるように前記第１板にレーザ光を照射しているので、第１板に比べて第２板を断面略Ｖ字形状に大きく変形させることができる。これにより、前記第１板及び前記第２板間に容易に隙間（第１隙間）を形成させることができる。よって、溶接工程において、前記第１板及び前記第２板を重ね溶接するときに、重ね面の表面処理された部位（表面処理部）が蒸発して発生する金属蒸気を前記隙間に放出することができる。従って、前記金属蒸気が溶融池に入り込むことを抑えることができるので、該金属蒸気による溶接欠陥の発生を抑制することができる。なお、前記特許文献１のような凸部によって第１板及び第２板間に隙間を形成していないので、前記第２レーザ光の熱によって該隙間が消失することはない。
【００１３】
また、前記前処理工程では、前記第１板を介して前記第２板に伝達される前記第１レーザ光の熱による該第２板の変形によって前記第１板及び前記第２板間に第１隙間が形成され、前記溶接工程は、前記第２レーザ光を前記第１板から第１隙間を介して前記第２板に達するように照射してもよい。
【００１４】
そうすると、第２レーザ光の熱によって、前記第１板及び第２板の少なくとも一方の重ね面の表面処理部から蒸発して発生する金属蒸気を第１隙間に確実に放出することができるので、該金属蒸気が溶融池に入り込むことを一層抑えることができる。
【００１５】
さらに、前記第１板の剛性は、前記第２板の剛性よりも高く設定されていてもよい。そうすると、第１板の剛性を第２板の剛性以下に設定した場合と比較して、第１板に対する第２板の変形量を一層大きくすることができる。これにより、第１隙間を確実に形成することができる。
【００１６】
また、前記第１板は、前記第２板よりも厚く形成されていてもよい。そうすると、第１板及び第２板を同じ材質で構成した場合においても、前記第１板の剛性を前記第２板の剛性よりも高めることができる。
【００１７】
さらに、前記配置工程は、重ね面の少なくとも一方が表面処理された金属板からなる前記第２板及び第３板をさらに重ね、前記前処理工程では、前記第２板の変形によって前記第２板及び前記第３板間に第２隙間が形成され、前記溶接工程は、前記第２レーザ光を、前記第１板から前記第１隙間、前記第２板、前記第２隙間を介して前記第２板に達するように照射してもよい。
【００１８】
そうすると、第２レーザ光の熱によって、第２板及び第３板の重ね面の少なくとも一方の表面処理部から蒸発して発生する金属蒸気を第２隙間に放出することができるので、該金属蒸気が溶融池に入り込むことを抑えることができる。これにより、第１板、第２板、及び第３板の重ね溶接においても、金属蒸気による溶接欠陥の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、第１板の上下面の温度差が第２板の上下面の温度差よりも小さくなるように前記第１板にレーザを照射しているので、前記第１板及び前記第２板間に容易に隙間を形成させることができる。これにより、溶接工程において、発生する金属蒸気を前記隙間に放出することができるので、該金属蒸気による溶接欠陥の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係るレーザ溶接方法を実施するためのクランプ用治具、第１板、及び第２板の関係を示す概略斜視図である。
【図２】第１実施形態に係るレーザ溶接方法の工程を示したフローチャートである。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図において、第１板に第１レーザ光を照射している状態を示す断面図である。
【図４】第１板に第１レーザ光を照射することによって形成される溶融池及び昇温部を示した断面図である。
【図５】第２板が変形することにより、第１板及び第２板間に隙間が形成された状態を示す断面図である。
【図６】第１板、第１隙間、及び第２板に第２レーザ光を照射することによって形成される溶融池を示す断面図である。
【図７】第２実施形態に係るレーザ溶接方法を実施するためのクランプ用治具、第１板、及び第２板の関係を示す概略斜視図である。
【図８】第２実施形態に係るレーザ溶接方法の工程を示したフローチャートである。
【図９】図７のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図において、第１板に第１レーザ光を照射している状態を示す断面図である。
【図１０】第２板が変形することにより、第１板及び第２板間に第１隙間が形成されると共に、第２板及び第３板間に第２隙間が形成された状態を示す断面図である。
【図１１】第１板、第１隙間、第２板、第２隙間、及び第３板に第２レーザ光を照射することによって形成される溶融池を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係るレーザ溶接方法について好適な実施形態を例示し、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
先ず、図１に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接方法は、第１板１２と、第２板１４と、第１板１２及び第２板１４を重ねた状態に保持するクランプ用治具１６とを用い、レーザ光を予備照射と本照射に分けて、第１板１２側に照射する。
【００２３】
第１板１２及び第２板１４は、耐食性を高めるための表面処理が施された金属板として構成されており、その表面処理の方法としては、例えば、めっき、塗装、又は溶射等が利用される。第１板１２及び第２板１４としては、例えば、亜鉛めっき鋼板等が用いられる。また、図１から諒解されるように、第１板１２は、第２板１４よりも厚く形成されている。具体的には、第１板１２の厚みは、例えば、１．２［ｍｍ］よりも厚く設定され、第２板１４の厚みは、０．５［ｍｍ］以上１．２［ｍｍ］以下に設定される。これにより、第１板１２の剛性は、第２板１４の剛性よりも高くなる。
【００２４】
クランプ用治具１６は、溶接対象部位を挟むようにして設けられた一対の押圧部材１８を有しており、各押圧部材１８は、第１板１２の母材２０の上面に設けられた表面処理部（上側表面処理部）２２ａを第２板１４側に押圧する上部押圧部１８ａと、第２板１４の母材２４の下面に設けられた表面処理部（下側表面処理部）２６ａを第１板１２側に押圧する下部押圧部１８ｂと含む。
【００２５】
なお、クランプ用治具１６にて第１板１２及び第２板１４を重ねてクランプすることによって、第１板１２の母材２０の下面に設けられた表面処理部（下側表面処理部）２２ｂと第２板１４の母材２４の上面に設けられた表面処理部（上側表面処理部）２６ｂとが接触することとなる。
【００２６】
予備照射に用いられる第１レーザ光Ｌ１は、重ねられた第１板１２及び第２板１４に対して、第１板１２側から照射する際、第１板１２のみを溶融すると共に、第１レーザ光Ｌ１の熱が第１板１２を介して第２板１４に伝達される照射条件に設定される。
【００２７】
言い換えれば、第１レーザ光Ｌ１は、第１板１２の下側表面処理部２２ｂに到達せず、且つ第１板１２の上下面の温度差が第２板１４の上下面の温度差よりも小さくなる照射条件に設定される。ここで前記温度差とは、第１レーザＬ１の設定出力又はその付近時での温度差を言う。
【００２８】
但し、第１レーザ光Ｌ１は、第１板１２の板厚方向の熱履歴（温度分布）が略一定となる照射条件に設定するのが好ましい。これにより、第１レーザ光Ｌ１による第１板１２の歪み量（変形量）を可及的に小さくすることができるからである。なお、第１レーザ光Ｌ１の第１板１２の上面に対するスポット径は、６００［μｍ］程度に設定されている。
【００２９】
第１レーザ光Ｌ１の種類としては、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ2レーザや半導体励起レーザ等が挙げられるが、その種類は問わない。
【００３０】
本照射に用いられる第２レーザ光Ｌ２は、第１板１２を貫通した後、後述する隙間３２を通過し、第２板１４に達することで、第１板１２と第２板１４とを溶接できる照射条件に設定される。なお、第２レーザ光Ｌ２の第１板１２の上面に対するスポット径は、３００［μｍ］〜６００［μｍ］の範囲に設定されている。
【００３１】
第２レーザ光Ｌ２の種類としては、第１レーザ光Ｌ１と同様であり、その種類は問わない。また、第２レーザ光Ｌ２として、第１レーザ光Ｌ１と同じものを用いることもできるが、異なるレーザ光源から出射される、異なるレーザであってもよい。
【００３２】
次に、本実施形態に係るレーザ溶接の工程について、図２〜図６を参照しながら説明する。
【００３３】
先ず、配置工程として、第１板１２及び第２板１４を重ねてクランプ用治具１６でクランプする（図２のステップＳ１）。
【００３４】
続いて、図３に示すように、前処理工程として、第１板１２に対して第１レーザ光Ｌ１を照射する（ステップＳ２）。なお、第１レーザＬ１の照射位置は、一対の押圧部材１８、１８の略中心に設定されており、各押圧部材１８は、第１レーザ光Ｌ１の照射位置から５［ｍｍ］程度離れた位置に配置されている。
【００３５】
これにより、図４に示すように、第１レーザ光Ｌ１の照射部位が加熱、溶融され、溶融池２８が形成されると共に、溶融池２８の周囲に昇温部３０が形成されるに至る。
【００３６】
具体的には、溶融池２８は、第１板１２の母材２０内に留まっており、その先端部は、第１板１２の母材２０の下部（第１板１２の下側表面処理部２２ｂの近傍）に位置している。また、昇温部３０は、第１板１２の下側表面処理部２２ｂ及び第２板１４の上側表面処理部２６ｂを介して第２板１４の母材２４の上部に達している。なお、第２板１４の母材２４の下部及び下側表面処理部２６ａは、第１レーザ光Ｌ１の照射によって昇温されることはない。
【００３７】
このとき、第１板１２の板厚方向の熱履歴は略一定となると共に、第１板１２の上下面の温度差が第２板１４の上下面の温度差よりも小さくなる。そのため、図５に示すように、第２板１４の昇温された部位が収縮することによって、第２板１４は断面略Ｖ字形状に変形する。なお、図５において、第１レーザ光Ｌ１による第１板１２の変形は微小であると考えられるので、第１板１２の変形の図示は省略した。その結果、第１板１２及び第２板間１４に隙間（第１隙間）３２が形成されることとなる。
【００３８】
次に、図６に示すように、溶接工程として、第１板１２及び第２板１４に第２レーザ光Ｌ２を照射する（ステップＳ３）。なお、第２レーザ光Ｌ２の照射位置は、第１レーザ光Ｌ１の照射位置と略一致している。これにより、第２レーザ光Ｌ２は、隙間３２に照射されることとなる。
【００３９】
第１板１２及び第２板１４に第２レーザ光Ｌ２を照射すると、第１板１２の下側表面処理部２２ｂ及び第２板１４の上側表面処理部２６ｂが第２レーザ光Ｌ２の熱によって蒸発して金属蒸気が発生すると共に、第１板１２の上部から第２板１４の下部にかけて溶融池３４が形成される。このとき、図６の矢印に示すように、前記金属蒸気は、隙間３２に放出される。これにより、該金属蒸気が溶融池３４に入り込むことを抑えることができる。よって、該金属蒸気による溶接欠陥の発生を抑制することができる。
【００４０】
その後、前記溶融池３４が冷却凝固することにより、第１板１２及び第２板１４が溶接されるに至る。
【００４１】
本実施形態のレーザ溶接方法によれば、上述した特許文献１のような凸部によって隙間３２を形成していないので、第２レーザ光Ｌ２によって隙間３２が消失することはない。
【００４２】
また、第２レーザ光Ｌ２を第１板１２及び第２板１４間に形成された隙間３２に照射しているので、該隙間３２に前記金属蒸気を確実に放出することができる。
【００４３】
さらに、第１板１２の剛性を第２板１４の剛性よりも大きく設定しているので、第１板１２の剛性を第２板１４の剛性以下に設定した場合と比較して、第１板１２に対する第２板１４の変形量を一層大きくすることができる。これにより、前記隙間３２を確実に形成することができる。
【００４４】
本実施形態は、上述したレーザ溶接方法に限定されない。第２レーザ光の照射位置は、第１レーザ光の照射位置と一致していなくてもよい。要するに、第２レーザ光は、隙間部に照射可能であればその照射位置を任意に設定してよい。
【００４５】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係るレーザ溶接方法について図７〜図１１を参照しながら説明する。なお、本実施形態は、第１実施形態と共通する構成には同一の参照符号を付し重複する説明を省略する。
【００４６】
本実施形態に係るレーザ溶接方法は、図７に示すように、第１板１２と同様の構成をした第３板３６が追加され、第１板１２、第２板１４、及び第３板３６が重ねて配置されている。つまり、第３板３６は、母材３８と、母材３８の上面に設けられた上側表面処理部４０ａと、母材３８の下面に設けられた下側表面処理部４０ｂとを有する。
【００４７】
また、クランプ用治具１６は、第２板１４が変形した際に第１隙間３２及び後述する第２隙間４２が形成可能なように構成されている。つまり、クランプ用治具１６は、第２板１４が変形した際に第１隙間３２及び前記第２隙間４２が形成可能な剛性を有している。
【００４８】
第２レーザ光Ｌ２は、第１板１２及び第２板１４を貫通した後、第１隙間３２及び前記第２隙間４２を通過し、第３板３６に達することで、第１板１２、第２板１４、及び第３板３６を溶接できる照射条件に設定される。なお、第２レーザ光Ｌ２の第１板１２の上面に対するスポット径は、３００［μｍ］〜６００［μｍ］の範囲に設定されている。
【００４９】
また、第２レーザ光Ｌ２は、第１板１２、第２板１４、及び第３板３６に対して２本照射される。この第２レーザ光Ｌ２の照射は、１本ずつ行ってもよいし、２本同時に行ってもよい。
【００５０】
次に、本実施形態のレーザ溶接方法の工程について、図８〜図１１を参照しながら説明する。
【００５１】
先ず、配置工程として、第１板１２、第２板１４、及び第３板３６を重ねてクランプ用治具１６でクランプする（図８のステップＳ１１）。
【００５２】
続いて、図９に示すように、前処理工程として、第１板１２に対して第１レーザ光Ｌ１を照射する（ステップＳ１２）。これにより、図１０に示すように、第１実施形態の場合と同様に第２板１４が断面略Ｖ字形状に変形する。
【００５３】
その結果、第１板１２及び第２板１４間に第１隙間３２が形成されると共に、第２板１４及び第３板間３６に第２隙間４２が形成されることとなる。
【００５４】
次に、図１１に示すように、溶接工程として、第１板１２、第２板１４及び第３板３６に２本の第２レーザ光Ｌ２を照射する（ステップＳ１３）。なお、第２レーザ光Ｌ２の照射位置は、第１レーザ光Ｌ１の照射位置に対して押圧部材１８側に所定量だけオフセットしている。これにより、第２レーザ光Ｌ２は、第１隙間３２及び第２隙間４２に照射されることとなる。つまり、第２レーザ光Ｌ２は、第２板１４の断面略Ｖ字形状に変形した部位と第３板３６との接触部位には照射されない。
【００５５】
第１板１２、第２板１４、及び第３板３６に２本の第２レーザ光Ｌ２を照射すると、第２板１４の下側表面処理部２６ａ及び第３板３６の上側表面処理部４０ａが第２レーザ光Ｌ２の熱によって蒸発して金属蒸気が発生すると共に、第１板１２の上部から第３板３６の母材３８にかけて溶融池４４、４４が形成される。つまり、第１板１２及び第２板１４間と、第２板１４及び第３板３６間とに前記金属蒸気が発生することとなる。
【００５６】
このとき、図１２に示すように、前記金属蒸気は、第１隙間３２及び第２隙間４２に放出される。これにより、該金属蒸気が溶融池４４、４４に入り込むことを抑えることができる。よって、該金属蒸気による溶接欠陥の発生を抑制することができる。
【００５７】
その後、前記溶融池４４、４４が冷却凝固することにより、第１板１２、第２板１４、及び第３板３６が溶接されるに至る。
【００５８】
本実施形態は、上述したレーザ溶接方法に限定されない。第２レーザ光は、２本である必要はなく、１本又は３本以上であってもよい。
【００５９】
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、種々の構成及び方法を採り得ることはもちろんである。
【００６０】
本発明に係るレーザ溶接方法は、第１レーザ光及び第２レーザ光を線状に連続的に照射してもよいし、点状に断続的に照射してもよい。
【００６１】
上述した実施形態では、第１板を第２板よりも厚く形成することにより、第１板の剛性を第２板の剛性よりも高くしたが、第１板を高張力鋼等の変形しにくい材質で構成することにより、第１板の剛性を第２板の剛性よりも高くしてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１２…第１板                            １４…第２板
１６…クランプ用治具                    ２０、２４、３８…母材
２２ａ、２６ｂ、４０ａ…上側表面処理部  ２２ｂ、２６ａ、４０ｂ…下側表面処理部
３２…第１隙間                          ３６…第３板
４２…第２隙間                          Ｌ１…第１レーザ光
Ｌ２…第２レーザ光
【図１】
2011156572.tif 000003
【図２】
2011156572.tif 000004
【図３】
2011156572.tif 000005
【図４】
2011156572.tif 000006
【図５】
2011156572.tif 000007
【図６】
2011156572.tif 000008
【図７】
2011156572.tif 000009
【図８】
2011156572.tif 000010
【図９】
2011156572.tif 000011
【図１０】
2011156572.tif 000012
【図１１】
2011156572.tif 000013