(57)【要約】複数の被溶接材がレーザビームの照射により溶接された溶接継手において、前記複数の部材に渡って形成された溶接ビードの表面幅をａ、前記溶接ビードの最大溶込み深さをｈ、前記溶接ビードの溶込み深さがｈ／２となる位置での前記溶接ビードの溶込み幅をｂ、前記溶接ビードの中心位置の溶込み深さをｄとしたとき、以下の数式１乃至３、    ｂ／ａ≧０．６・・・（数式１）    ｈ／ｄ≧１．０・・・（数式２）    ｈ／ａ＜３．０・・・（数式３）を満たすことにより、キーホールを安定させ、スパッタの発生を抑制する。
2015107664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被溶接材がレーザビームの照射により溶接された溶接継手において、前記複数の部材に渡って形成された溶接ビードの表面幅をａ、前記溶接ビードの最大溶込み深さをｈ、前記溶接ビードの溶込み深さがｈ／２となる位置での前記溶接ビードの溶込み幅をｂ、前記溶接ビードの中心位置の溶込み深さをｄとしたとき、以下の数式１乃至３、
ｂ／ａ≧０．６・・・（数式１）
ｈ／ｄ≧１．０・・・（数式２）
ｈ／ａ＜３．０・・・（数式３）
を満たすことを特徴とする溶接継手。
【請求項２】
請求項１において、前記溶接ビードは、前記溶接ビードの中心位置の両外側に溶込み深さが最大となる下向きの凸部を有することを特徴とする溶接継手。
【請求項３】
複数の被溶接材の接続部分にレーザビームを照射して前記被溶接材の金属表面を蒸発させることにより前記複数の被溶接材を溶接するレーザ溶接方法において、前記複数の被溶接材に照射される前記レーザビームの先端を回転させながら前記複数の被溶接材を溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項４】
請求項３において、前記レーザビームのビーム回転周波数を６０Ｈｚ〜９００Ｈｚ、ビーム回転径を０．２ｍｍ〜２．６ｍｍと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、レーザ溶接方法及び溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、熱源のレーザビームのエネルギー密度が高いため、低歪み、高速度、高精度の溶接継手が得られることから各方面で使用されている。自動車分野において、ステンレス鋼や炭素鋼などの鉄鋼材料や、アルミ合金や、ニッケル合金などの金属材料に対し、複数の被溶接材を重ね又は突合せて溶接した製品が多い。例えば、車体や、燃料ポンプ、インジェクタ（燃料噴射弁）の製造において、パルス波または連続波のレーザ光を用いた溶接プロセスが使われている。【０００３】
また、樹脂などの非金属材料を使用したエアーフローセンサや、応力・ひずみセンサーなどの製品において、レーザ光を用いて樹脂部材を接合させるプロセスや接合装置にも開発、適用されている。【０００４】
一般的に、レーザ溶接は深溶込み型（キーホールモード）溶接方法を使用している。この方法は、被溶接材の表面に照射されたレーザビームのパワー密度（単位面積あたりのレーザ出力）が106 W/cm2以上になると、金属表面の温度が金属の沸点以上になり、プラズマの発生と共に金属蒸気がレーザ照射点から激しく飛び出し、その金属蒸気の反動力で溶融金属面が凹み、またレーザビームは凹みの中で反射を繰り返しながら入射して、深く細いキーホール型の溶接が行われる。
理論上は、キーホール内部の金属蒸気の圧力と、キーホール周辺の溶融金属の静圧と表面張力のバランスを維持することにより、レーザキーホールを形成できる。しかし、図２に示すように、被溶接材１に照射されるレーザビーム２が溶接方向に移動しながら溶接されているため、溶接過程においてキーホールを連続的に前進させる必要がある。
一方で、溶融池も動的に流れているため、キーホール形状の安定化が困難である。図３にレーザ溶接におけるレーザキーホールと溶融池の断面図を示す。１は被溶接材、２はレーザビームである。キーホール４開口部付近では、一般的に溶融池５の表面がキーホールから外側に向かって流れている。しかし、キーホール内部の圧力が急激に低下したり表面張力が変動したりすることにより、図に示すように、流れが瞬間的に逆方向（キーホールに向かって溶融金属が流れる）になる場合がある。特に、キーホールは主に溶接方向に対し溶融池の前方に存在し、キーホール前方の溶融金属が非常に少ないため、キーホール後方の溶融池の表面張力と静水圧がキーホールを閉じる動力になる。このような溶融池の表面流れを受け、キーホールの開口部後方が急に狭くなり、レーザ光が溶融池表面に垂直照射し、溶融金属の激しい蒸発が発生し、スパッタ６が生じる。
従来の深溶込み型レーザ溶接では、図４に示すように、溶接ビードの表面幅ａが溶込み幅ｂより大きく上回るワインカップ状のビード形状が形成しやすい。これは、キーホール４から噴出されている高温の金属蒸気（プラズマ）の熱が金属表面に対し伝熱し、溶融池５表面を広げる効果があるためである。また、金属蒸気の噴出によりキーホール周辺の溶融池をキーホールから外へ押出すことにより溶融金属の流れが外向きになる。その二つの作用により、溶接後のビード形状は表面幅ａに対して、ビード内部の溶込み幅ｂが半分程度に狭いワインカップ状の溶接ビード形状が得られる。
また、レーザの照射により形成されたキーホール自身は膨張・収縮を繰り返し、非常に不安定である。そのキーホールの内部には金属蒸気が充満しているが、空気又は溶融金属の酸化を防止するために使用したシールドガスが巻き込まれる場合もある。その金属蒸気に巻き込まれた空気またはシールドガスが溶融池に気泡を形成し、凝固壁にトラップされ、ポロシティを生じる。
上述のようなキーホールの不安定性による生じたポロシティを抑制する為に、適切なパルス幅または周波数を設定したパルスレーザ光を用い、キーホールを安定化させることによりポロシティを低減できる。しかし、パルスレーザ光を使用した場合、レーザ照射期間でキーホールの安定化ができるが、照射を中断した期間にはキーホール開口部が完全に閉じる可能性があり、スパッタの発生が激しくなる。
近年，レーザビームを揺動させるスキャナーを用いたレーザ加工技術の研究開発が進められている。この方法は、レーザビームを高速回転しながら加工点のビームスポット径を制御することが目的としている。【０００５】
例えば特許文献１には、レーザビームのスキャナーを用いて、レーザ光スポットの径の調整、特に拡大が可能となるレーザビームスポット径の調整方法及び装置を提供している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１５２８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載されたレーザビームスポット径の調整方法及び装置は、ビームスポット径の拡大により、レーザビームが溶融池表面に照射する瞬間に溶融金属の蒸発面積が増加し、スパッタのサイズが大きくなるという課題がある。【０００８】
本発明の目的は、キーホールの不安定により生じるスパッタの発生を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は請求項に記載された発明により達成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、キーホールの不安定により生じるスパッタの発生を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例１における溶接方向から見た溶接ビード断面形状を示す図
【図２】従来技術のレーザ溶接方法を示す図
【図３】従来技術のレーザ溶接方法におけるスパッタの発生メカニズムを示す図
【図４】従来技術における溶接方向から見た溶接ビード断面形状を示す図
【図５】本発明の実施例１におけるスキャナーレーザ溶接方法を示す図
【図６】本発明の実施例１における溶融池とキーホールの断面形状を示す図
【図７】本発明の実施例１における溶接方向から見た溶融池とキーホールの断面形状を示す図
【図８】本発明の実施例２における溶接方向から見た溶接ビード断面形状を示す図
【図９】本発明の実施例１におけるスパッタ数と繰返数の関係を示す図
【図１０】本発明の実施例１におけるスパッタ数とビーム回転径の関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について、詳細を説明する。
【実施例１】
【００１３】
本実施例の溶接方法は下記の通りである。本実施例の溶接方法により製造される溶接継手は、例えば、板厚１．０ｍｍのステンレス鋼の重ね継手である。【００１４】
本実施例では、例えば、波長が１０７０〜１０８０ｎｍのファイバーレーザを用いることができるが、他の波長のレーザ光を使用してもよい。また、図示しないレーザ発信器からレーザ光を発生させ、転送経路を経由し、ビームスキャナー及び集光レンズ（不図示）により集光し、上記のステンレス鋼の重ね継手の表面にレーザ光を照射する。【００１５】
図５にビームスキャナーを用いたレーザ溶接の概要図を示す。ビームスキャナーを用いてレーザビーム３を回転させながら被溶接材１に照射する。パルス状のレーザビームを用いて円を一周描く間だけレーザビームを照射することを繰り返しながら、ビームスキャナーを含んだレーザ溶接ヘッドを溶接方向に前進させることで図のような照射軌跡になる。パルスでなく連続的に照射するものであってもよい。要は、複数の部材の接続部分を単にトレースするのではなく、レーザビーム先端で接続部分に円を描くようにレーザビームを回転させながら、部材の接続部分をトレースするものであればよい。【００１６】
本実施例の深溶込み型レーザ溶接では、溶融金属の酸化を防止するために、シールドガスとして窒素を用いることができる。なお、シールドガスとしては、窒素に限定されるものでなく、Ａｒ（アルゴン）、Ｈｅ（ヘリウム）またはこれら混合ガスを使用してもよい。【００１７】
溶接条件としては、例えば、レーザ出力を２００Ｗ〜１０００Ｗ、ビームスポット径を０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍ、ビーム回転の繰返数を６０Ｈｚ〜５００Ｈｚ、ビーム回転径を３．０ｍｍ以下とする。ほかには、溶接速度を１０ｍｍ／ｓ〜１００ｍｍ／ｓ、シールドガスの流量を５．０  ｌ／ｍｉｎ〜３０．０  ｌ／ｍｉｎで適宜設定することができる。【００１８】
以下、図６、図７、図１を用い、本実施例に用いた溶接条件で溶接した場合の、キーホールと溶融池挙動及び溶接後のビード形状を説明する。【００１９】
図１は溶接方向から見た溶接ビード断面形状を示す図である。溶接方向から見た溶接ビード（溶融池）の表面幅をａとし、溶接ビード中央部の溶込み深さをｄとし、溶接ビードの最大溶込み深さをｈとし、最大溶込み深さがｈ/２である位置での溶込み幅をｂとする。キーホールの深さと溶接ビードの最大溶込み深さは、何れも被溶接材１の表面からの深さとする。以下の図においても、同じ符号は同じ位置を示す。【００２０】
図６にレーザビームを高速回転させながらビームを溶接方向に前進させる過程において、キーホール及び溶融池の断面形状を示す。レーザビーム２の先端が円を描くことにより、ビーム中心から外側にもキーホールを形成することができるので、従来のビームを回転させない溶接方法に比べ、表面幅ａが大きく広がった溶融池を形成することができる。【００２１】
図７に溶接方向から見た溶融池とキーホールの断面形状を示す。ここではキーホール４の深さを溶融池の最大溶込み深さと同じｈとする。つまり、キーホールの深さが溶融池の最も深い場所となることを示す。レーザビーム３を高速回転させながら溶接方向に前進させることにより、キーホールの回転径（キーホール同士の間隔）がビーム回転径ｅと同じとなり、溶融池の最も深い位置は溶融池の中心から外側にｅ／２ずれた位置となる。また、ビーム回転速度が非常に高く、例えば、ビーム回転径を２．０ｍｍ、回転周波数を１００Ｈｚ、ビームのスキャナー速度が６００ｍｍ／ｓ以上とすると、この速度はレーザビームを溶接方向への前進速度（溶接速度）の１２倍になる。その結果、溶接方向と直交する方向で切断した溶融池の断面形状は図７に示すように、溶融池底部の中央から外側に離れた２箇所が下に凸となっている。【００２２】
また、レーザビームの回転速度は溶接方向に進行する速度より大幅に速いので、レーザビームの移動方向（直線の溶接方向と回転方向を組合せた螺旋線方向）に対し、キーホールの前方にある溶融池の量を少なくすることができるので、キーホールの回転径に比べ、溶融池の表面幅ａは大幅に広くなることがない。つまり、溶融池の表面から底部までの幅の変化が従来溶接方法より小さい。【００２３】
さらに、レーザビームの回転速度が非常に高いため、キーホール後方の溶融池がキーホールの開口部に逆流する時間が短くなり、開口部が閉じにくくなる。また、キーホールは直線移動せず、レーザビームの進行方向に対して回転移動するため、溶融池の流動もキーホールの回転方向に従って流動する。しかし、溶融池の流動はその慣性により一定時間滞留し、レーザビームの照射により生じたキーホールの撹拌効果が受けている。その結果、キーホールの開口部はキーホール移動方向の後方に凹みが生じ、レーザビームの溶融池表面を直接に照射すること避け、レーザビームが直接にキーホール低部まで照射でき，キーホール開口部付近に溶融金属の激しい蒸発がなくなり，スパッタの発生を抑制できる。【００２４】
具体的に、本実施例の溶接条件で溶接した溶接ビード形状は、(ｉ)  溶接ビード断面の最大溶込み深さｈに対し、溶込み深さがｈ/２位置での溶込み幅ｂと溶接ビードの表面幅ａの関係はｂ／ａ＞０．６になり、(ｉｉ)  溶接ビード中心位置の溶込み深さｄと最大溶込み深さｈの関係はｈ／ｄ＞１．０になり、（ｉｉｉ）溶接ビード断面の最大溶込み深さｈとビード表面幅ａの関係はｈ／ａ＜３．０になる。
【比較例】
【００２５】
比較例として、ビームスキャナーを使用しない従来の溶接方法を用いて溶接を実施した。溶接試験を用いられた試験片材料と寸法は実施例１に使用したものと同じである。溶接条件は、レーザ出力を２００Ｗ〜１０００Ｗ、ビームスポット径を０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍ、溶接速度を１０ｍｍ／ｓ〜１００ｍｍ／ｓ、シールドガスの流量を５．０  ｌ／ｍｉｎ〜３０．０  ｌ／ｍｉｎである。
【００２６】
上記の溶接条件で実施した溶接ビード形状の一例を図４に示す。溶接ビード形状は、表面幅ａが溶込み幅ｂの２倍以上であり、溶込み深さが最も深い位置が溶接ビードの中央部であり、ワインカップ状を呈している。また、溶接過程において、大量のスパッタが生じている。
【実施例２】
【００２７】
本実施例の溶接方法は下記の通りである。本実施例に係る重ね溶接継手は、例えば、図示しない板厚１．０ｍｍの銅板の突合せ継手である。【００２８】
本実施例のレーザ溶接では、例えば、波長が５００ｎｍ〜８８０ｎｍの可視光と近赤外線レーザを用いることができるが、他の波長のレーザ光を使用してもよい。また、図示しないレーザ発信器からレーザ光を発生させ、転送経路を経由し、ビームスキャナー及び集光レンズ（不図示）により集光し、上記の銅板の突合せ継手の表面にレーザ光を照射する。【００２９】
溶接方法は実施例１に示した溶接方法と同様に、ビームスキャナーを用いてレーザビームを回転させながら、ビームスキャナーを含んだレーザ溶接ヘッドを溶接方向に前進させることにより溶接を行う。また、溶融金属の酸化を防止するめに、シールドガスとしてＡｒ（アルゴン）を用いることができる。なお、シールドガスとしては、Ａｒに限定されるものでなく、Ｈｅ（ヘリウム）またはこれら混合ガスを使用してもよい。【００３０】
溶接条件としては、例えば、レーザ出力を２００Ｗ〜８００Ｗ、ビームスポット径を０．０４ｍｍ〜０．２ｍｍ、ビーム回転の繰返数を３００Ｈｚ〜１０００Ｈｚ、ビーム回転径を０．２ｍｍ〜３．０ｍｍとする。ほかには、溶接速度を１０ｍｍ／ｓ〜１００ｍｍ／ｓ、シールドガスの流量を５．０  ｌ／ｍｉｎ〜３０．０  ｌ／ｍｉｎで適宜設定することができる。【００３１】
図８に上記の溶接条件で溶接したビード断面形状を示す。(ｉ)  溶接ビード中央部の溶込み深さｄが最も深く（ｄ＝ｈ）、溶込み深さがｈ/２位置での溶接溶込み幅ｂと溶接ビードの表面幅ａの関係がｂ／ａ≧０．６になり、(ｉｉ)  溶接ビード中心位置の溶込み深さｄと最大溶込み深さｈの関係がｈ／ｄ＝１．０になり、（ｉｉｉ）溶接ビード断面の最大溶込み深さｈとビード表面幅ａの関係はｈ／ａ＜３．０になる。【００３２】
また、溶接途中でスパッタの発生が観察されなかった。【００３３】
以上の結果を纏めたものを図９と図１０に示す。図９に、スパッタ発生数と回転繰返数(周波数)の関係を示す。図１０に、スパッタ発生数と回転繰返数(周波数)の関係を示す。図中から、ビーム回転周波数を６０Ｈｚ〜９００Ｈｚ、ビーム回転径を０．２ｍｍ〜２．６ｍｍとした場合、従来方法よりスパッタ数を半減できることがわかった。
【符号の説明】
【００３４】
１  被溶接材（母材）
２  レーザビーム
３  レーザビーム
４  キーホール
５  溶融池（溶接ビード）
６  スパッタ
【図１】
2015107664.tif 000003
【図２】
2015107664.tif 000004
【図３】
2015107664.tif 000005
【図４】
2015107664.tif 000006
【図５】
2015107664.tif 000007
【図６】
2015107664.tif 000008
【図７】
2015107664.tif 000009
【図８】
2015107664.tif 000010
【図９】
2015107664.tif 000011
【図１０】
2015107664.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成26年5月13日(2014.5.13)
【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】
複数の被溶接材がレーザビームの照射により溶接された溶接継手において、前記複数の部材に渡って形成された溶接ビードの表面幅をａ、前記溶接ビードの最大溶込み深さをｈ、前記溶接ビードの溶込み深さがｈ／２となる位置での前記溶接ビードの溶込み幅をｂ、前記溶接ビードの中心位置の溶込み深さをｄとしたとき、以下の数式１乃至３、
ｂ／ａ≧０．６・・・（数式１）
ｈ／ｄ≧１．０・・・（数式２）
ｈ／ａ＜３．０・・・（数式３）
を満たすことを特徴とする溶接継手。
【請求項２】
請求項１において、前記溶接ビードは、前記溶接ビードの中心位置の両外側に溶込み深さが最大となる下向きの凸部を有することを特徴とする溶接継手。
【請求項３】
複数の被溶接材の接続部分にレーザビームを照射して前記被溶接材の金属表面を蒸発させることにより前記複数の被溶接材を溶接するレーザ溶接方法において、前記複数の被溶接材に照射される前記レーザビームの先端を回転させながら前記複数の被溶接材を溶接することにより形成される溶接ビードの表面幅をａ、前記溶接ビードの最大溶込み深さをｈ、前記溶接ビードの溶込み深さがｈ／２となる位置での前記溶接ビードの溶込み幅をｂ、前記溶接ビードの中心位置の溶込み深さをｄとしたとき、以下の数式１乃至３、
ｂ／ａ≧０．６・・・（数式１）
ｈ／ｄ≧１．０・・・（数式２）
ｈ／ａ＜３．０・・・（数式３）
を満たすことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項４】
請求項３において、前記レーザビームのビーム回転周波数を６０Ｈｚ〜９００Ｈｚ、ビーム回転径を０．２ｍｍ〜２．６ｍｍとすることを特徴とするレーザ溶接方法。
【国際調査報告】
2015107664.tif 000013
2015107664.tif 000014
2015107664.tif 000015
2015107664.tif 000016
2015107664.tif 000017
2015107664.tif 000018
2015107664.tif 000019
2015107664.tif 000020