(57)【要約】【課題】溶接を効率よく行うことが可能なレーザ溶接方法を提供すること。【解決手段】本発明のレーザ溶接方法では、部材１０，１１の接合予定線ＳＳに沿って、第１及び第２の半導体レーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射する。第１の半導体レーザ光Ｌ１は第２の半導体レーザ光Ｌ２と比して波長が短く、そのため部材１０，１１における吸収率がより高い。吸収率がより高い第１の半導体レーザ光Ｌ１によって、部材１０，１１の表面は急速に活性化されて溶融する。本発明では、第１の半導体レーザ光Ｌ１に追従するように、第２の半導体レーザ光Ｌ２を照射する。そのため、表面が活性化された部材１０，１１に第２の半導体レーザ光Ｌ２を照射することになる。部材１０，１１では、かかる第２の半導体レーザ光Ｌ２によって活性化が促進され、溶融が部材１０，１１の内部までスムーズに進行する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物同士を対向させ、該対向部分に設定された接合予定線に沿って半導体レーザ光を照射することにより前記被加工物を溶接するレーザ溶接方法であって、
第１の半導体レーザ装置から出射された第１の半導体レーザ光を、前記接合予定線に沿って移動させつつ照射すると共に、
第２の半導体レーザ装置から出射され、前記第１の半導体レーザ光よりも波長が長く且つ出力パワーが大きい第２の半導体レーザ光を、前記第１の半導体レーザ光に追従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２】
前記第２の半導体レーザ光の照射スポットの少なくとも一部が、前記第１の半導体レーザ光の照射スポットにおける移動方向後方側の端部と重なるように、前記第２の半導体レーザ光を前記第１の半導体レーザ光に追従させることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
被加工物同士を対向させ、該対向部分に設定された接合予定線に沿って半導体レーザ光の照射点を移動させることにより前記被加工物を溶接するレーザ溶接方法であって、
前記照射点には、第１の半導体レーザ装置から出射された第１の半導体レーザ光と、第２の半導体レーザ装置から出射され、前記第１の半導体レーザ光よりも波長が長く且つ出力パワーが大きい第２の半導体レーザ光とが同時に照射されることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記第１の半導体レーザ装置は３００〜４５０ｎｍの波長を有する前記第１の半導体レーザ光を出射し、前記第２の半導体レーザ装置は７００〜１０００ｎｍの波長を有する前記第２の半導体レーザ光を出射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被加工物を当接させ、該当接部分に設定された接合予定線に沿ってレーザ光を照射することにより被加工物同士を溶接するレーザ溶接方法として、従来、特許文献１に記載の方法が知られている。この方法では、接合予定線に対して０．８０５μｍの単一波長を有する半導体レーザ光を照射する。
【特許文献１】特開２００２−３６１４５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来の方法では、０．８０５μｍと比較的波長が長い半導体レーザ光を用いることから、被加工物における吸収率が低い。そのため、溶接部において十分な溶け込みを確保するには、照射を長時間にわたって行わなければならず、溶接を効率よく行うことが困難となっていた。
【０００４】
そこで、長波長の半導体レーザ光に代わって短波長の半導体レーザ光を照射することが考えられる。短波長の半導体レーザ光であれば、被加工物における吸収率が高くなるので、照射時間の短縮が期待される。しかしながら、短波長の半導体レーザ光は、レーザ照射時に発生する金属蒸発物や溶接ヒュームによって散乱しやすく、そのため被加工物に至るまでに大きく減衰してしまうことがある。したがって、短波長の半導体レーザ光を用いた場合であっても、溶接を効率よく行うことが困難であった。
【０００５】
なお、その他のレーザ溶接方法として、ＹＡＧ基本波のレーザ光およびＹＡＧ高調波のレーザ光を用いた方法も考えられる。しかしながらＹＡＧ高調波のレーザ光は、その発振効率がＹＡＧ基本波の２０％以下であることが知られている。したがってエネルギー効率が極めて低く、やはり溶接を効率よく行うことが困難であった。
【０００６】
そこで本発明は、溶接を効率よく行うことが可能な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】
【０００７】
本発明のレーザ溶接方法は、被加工物同士を対向させ、該対向部分に設定された接合予定線に沿って半導体レーザ光を照射することにより被加工物を溶接するレーザ溶接方法であって、第１の半導体レーザ装置から出射された第１の半導体レーザ光を、接合予定線に沿って移動させつつ照射すると共に、第２の半導体レーザ装置から出射され、第１の半導体レーザ光よりも波長が長く且つ出力パワーが大きい第２の半導体レーザ光を、第１の半導体レーザ光に追従するように照射することを特徴とする。
【０００８】
本発明のレーザ溶接方法では、第１及び第２の半導体レーザ光を被加工物に照射する。第１の半導体レーザ光は第２の半導体レーザ光と比して波長が短く、そのため被加工物における吸収率がより高い。吸収率がより高い第１の半導体レーザ光によって、被加工物の表面は急速に活性化されて溶融する。
【０００９】
第１の半導体レーザ光を照射すると、金属蒸発物や溶接ヒュームが発生する。第１の半導体レーザ光は波長が短いため、発生した金属蒸発物や溶接ヒュームによって散乱されてしまうことがある。一方、第１の半導体レーザ光に追従する第２の半導体レーザ光は、波長が長いため、金属蒸発物や溶接ヒュームによって散乱され難い。したがって、第２の半導体レーザ光については、あまり減衰することなく被加工物に照射されることとなる。また、第２の半導体レーザ光の照射は、第１の半導体レーザ光に追従するかたちで行われるため、第２の半導体レーザ光により発生した金属蒸発物や溶接ヒュームが、第１の半導体レーザ光を更に散乱させてしまう可能性を低減できる。
【００１０】
波長が長い第２の半導体レーザ光は、第１の半導体レーザ光と比して吸収率の点で劣る。しかしながら第２の半導体レーザ光は、溶融がまだ始まっていない部分に対してではなく、既に溶融が開始している部分に対して照射される。既に溶融が開始している部分の周囲を溶融する、すなわち溶融池を深くすることは、吸収率が比較的低い第２の半導体レーザ光でも十分に可能である。また先述したように、第２の半導体レーザ光はあまり減衰することがないため、第２の半導体レーザ光による溶融は一定に且つスムーズに進行することとなる。
【００１１】
したがって本発明では、第１の半導体レーザ光により開始された被加工物の溶融を、第２の半導体レーザ光によって引き継ぎ、促進させることができる。よって、極めて効率よく溶融を行うことができる。また本発明では、ＹＡＧではなく半導体のレーザ光を用いており、しかも第１の半導体レーザ光と第２の半導体レーザ光は別々の装置から出射されるので、エネルギー効率が非常に優れたものとなる。
【００１２】
また、本発明のレーザ溶接方法では、第２の半導体レーザ光の照射スポットの少なくとも一部が、第１の半導体レーザ光の照射スポットにおける移動方向後方側の端部と重なるように、第２の半導体レーザ光を第１の半導体レーザ光に追従させることが好ましい。この場合、第１の半導体レーザ光によって溶融性が最も高められた部分に第２の半導体レーザ光を照射することとなるため、被加工物をいっそう効率よく且つ十分に溶融させることができる。
【００１３】
本発明は、被加工物同士を対向させ、該対向部分に設定された接合予定線に沿って半導体レーザ光の照射点を移動させることにより被加工物を溶接するレーザ溶接方法であって、照射点には、第１の半導体レーザ装置から出射された第１の半導体レーザ光と、第２の半導体レーザ装置から出射され、第１の半導体レーザ光よりも波長が長く且つ出力パワーが大きい第２の半導体レーザ光とが同時に照射されることを特徴とする。
【００１４】
本発明では、波長が短い第１の半導体レーザ光を照射することにより、被加工物の表面を急速に溶融させることができる。照射地点に第１及び第２の半導体レーザ光を同時照射するということは、第１の半導体レーザ光が表面を溶融させている最中に、波長の長い第２の半導体レーザ光を照射するということになる。したがって、溶融範囲をより早く、被加工物の内部まで拡大することができる。よって本発明によれば、被加工物を効率よく溶融させることが可能となる。また本発明では、ＹＡＧではなく半導体のレーザ光を用いており、しかも第１の半導体レーザ光と第２の半導体レーザ光は別々の装置から出射されるので、エネルギー効率が非常に優れたものとなる。
【００１５】
本発明のレーザ溶接方法では、第１の半導体レーザ装置は３００〜４５０ｎｍの波長を有する第１の半導体レーザ光を出射し、第２の半導体レーザ装置は７００〜１０００ｎｍの波長を有する第２の半導体レーザ光を出射することが好ましい。このような波長の第１及び第２の半導体レーザ光を用いることにより、機械的特性に優れた溶接部を確実に得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、機械的特性に優れた溶接部を得ることが可能なレーザ溶接方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１８】
本実施形態に係るレーザ溶接方法は、例えば図１に示すような鉄道車両用台車の製造に用いることができる。図１の鉄道車両用台車１は、大別して、台車枠２と、台車枠２を支持する輪軸３と、輪軸３を回転駆動させるダイレクトドライブモータ４と、ダイレクトドライブモータ４と台車枠２とを連結する連結部６と、輪軸３の振動を緩衝し車体の乗り心地を良くする空気ばね７とを備えている。台車枠２は、側梁８を有している。以下、この側梁８の組み立てに本実施形態に係るレーザ溶接方法を用いた場合について説明する。
【００１９】
側梁８を組み立てる際にはまず、図２に示されるように、二つの部材（被加工物）１０，１１を用意する。部材１０，１１はアルミニウムを含む断面コの字型の部材であって、側梁８を二分割した形状を呈している。用意した部材１０と部材１１とを、長手方向に沿って延びる端面が互いに対向するように配置する。なお、部材１０，１１の端面には開先加工が施されていてもよい。
【００２０】
次に、図３，図４に示すように、部材１０，１１の接合予定線ＳＳに沿って、第１の半導体レーザ装置１２から出射された第１の半導体レーザ光Ｌ１を矢印Ｘ方向に連続移動させつつ照射する。接合予定線ＳＳとは、部材１０，１１の対向部分に設定された線であり、より具体的には、部材１０，１１の端面を対向させせることで生じた部材１０，１１の境界線である。第１の半導体レーザ装置１２は、波長が３００〜４５０ｎｍの第１の半導体レーザ光Ｌ１を出射する。第１の半導体レーザ光Ｌ１の矢印Ｘ方向への移動は、第１の半導体レーザ装置１２を矢印Ｘ方向に移動させる、あるいは部材１０，１１を矢印Ｘ方向と逆の方向に移動させることで実現される。
【００２１】
第１の半導体レーザ光Ｌ１を追従するように、第２の半導体レーザ装置１３から出射された第２の半導体レーザ光Ｌ２を矢印Ｘ方向に連続移動させつつ照射する。第２の半導体レーザ光Ｌ２の波長は第１の半導体レーザ光Ｌ１の波長と比して長く、より具体的には７００〜１０００ｎｍの波長を有している。
【００２２】
第２の半導体レーザ光Ｌ２は、その照射スポットＦ２が第１の半導体レーザ光Ｌ１の照射スポットＦ１と一部重なるように、第１の半導体レーザ光Ｌ１に対して追従する。ここで、照射スポットＦ１とは第１の半導体レーザ光Ｌ１が現在照射されている領域を指し、照射スポットＦ２とは第２の半導体レーザ光Ｌ２が現在照射されている領域を指す。照射スポットＦ１のうち、矢印Ｘ方向後方側に位置する端部ＦＸと、照射スポットＦ２とが重なっている。
【００２３】
第１及び第２の半導体レーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射する一方で、照射スポットＦ１，Ｆ２に向けてガス供給ノズル１４からアシストガスＧを噴射する。アシストガスＧとしては、例えばアルゴンガスを用いることができる。アシストガスＧを噴射させつつ照射スポットＦ１，Ｆ２を矢印Ｘ方向に移動させることにより、溶接部ＬＪが形成される。
【００２４】
ここで、溶接部ＬＪの形成過程について説明する。本実施形態のレーザ接合方法では、第１の半導体レーザ光Ｌ１を照射し、これに追従するように第２の半導体レーザ光Ｌ２を照射する。第１の半導体レーザ光Ｌ１の波長は３００〜４５０ｎｍと短いので、部材１０，１１における吸収率が高い。よって、部材１０，１１の表面を急速に溶融させることができる。部材１０，１１の表面が溶融すると、これに伴って部材１０，１１の内部も溶融しやすい状態となる。そのため、第１の半導体レーザ光Ｌ１に追従するように第２の半導体レーザ光Ｌ２を照射すると、部材１０，１１の内部は第２の半導体レーザ光Ｌ２によってスムーズに溶融されることとなる。その結果、溶接部ＬＪの形成を効率よく行うことができる。
【００２５】
このように本実施形態のレーザ溶接方法では、部材１０，１１の表面を第１の半導体レーザ光Ｌ１によって溶融させ、表面の溶融が開始したところで、第２の半導体レーザ光Ｌ２を照射する。第１の半導体レーザ光Ｌ１を照射すると、金属蒸発物や溶接ヒュームが発生する。第１の半導体レーザ光Ｌ１は波長が短いため、発生した金属蒸発物や溶接ヒュームによって散乱されてしまうことがある。一方、第１の半導体レーザ光Ｌ１に追従する第２の半導体レーザ光Ｌ２は、波長が長いため、金属蒸発物や溶接ヒュームによって散乱され難い。したがって、第２の半導体レーザ光Ｌ２については、あまり減衰することなく部材１０，１１に照射されることとなる。また、第２の半導体レーザ光Ｌ２の照射は、第１の半導体レーザ光Ｌ１に追従するかたちで行われるため、第２の半導体レーザ光Ｌ２により発生した金属蒸発物や溶接ヒュームが第１の半導体レーザ光Ｌ１を更に散乱させてしまう可能性を低減できる。
【００２６】
波長が長い第２の半導体レーザ光Ｌ２は、第１の半導体レーザ光Ｌ１と比して吸収率の点で劣る。しかしながら第２の半導体レーザ光Ｌ２の照射は、溶融がまだ始まっていない部分に対してではなく、既に溶融が開始している部分に対して行われる。既に溶融が開始している部分の周囲を溶融する、すなわち溶融池を深くすることは、吸収率が比較的低い第２の半導体レーザ光Ｌ２でも十分に可能である。また先述したように、第２の半導体レーザ光Ｌ２はあまり減衰することがないため、第２の半導体レーザ光Ｌ２による溶融は一定に且つスムーズに進行することとなる。
【００２７】
したがって本実施形態のレーザ溶接方法では、第１の半導体レーザ光Ｌ１により開始された部材１０，１１の溶融を、第２の半導体レーザ光Ｌ２によって引き継ぎ、促進させることができる。その結果、極めて効率よくかつ十分に溶融を行うことができる。
【００２８】
更に、本実施形態では、ＹＡＧではなく半導体のレーザ光を用いており、しかも第１の半導体レーザ光Ｌ１と第２の半導体レーザ光Ｌ２は別々の装置１２，１３から出射されるので、ＹＡＧ基本波およびＹＡＧ高調波のレーザ光を用いた方法と比して、エネルギー効率が極めて優れたものとなる。また、一般的に半導体レーザ装置はＹＡＧレーザ装置を比べて安価であるため、溶接にかかるコストも低く抑えることができる。
【００２９】
本実施形態のレーザ溶接方法では、第２の半導体レーザ光Ｌ２を照射する際に、第２の半導体レーザ光Ｌ２の照射スポットＦ２を、第１の半導体レーザ光Ｌ１の照射スポットＦ１に重ねている。より具体的に述べると、照射スポットＦ１のうち、特に矢印Ｘ方向後方側に位置する端部ＦＸに、照射スポットＦ２を重ねている。このような部分に照射スポットＦ２を重ねる理由について、図５を参照しつつ説明する。
【００３０】
図５は、第１の半導体レーザ光Ｌ１の照射スポットＦ１を示す上面図である。今、図５（ａ）に示すように、接合予定線ＳＳ上のある地点Ｐ１に第１の半導体レーザ光Ｌ１が照射されているとする。更に、地点Ｐ１は、第１の半導体レーザ光Ｌ１の照射スポットＦ１の矢印Ｘ方向前方側に位置しているとする。第１の半導体レーザ装置１２を矢印Ｘ方向に移動させると、これに伴い照射スポットＦ１も移動する。照射スポットＦ１の移動により、当初、照射スポットＦ１の矢印Ｘ方向前方側に位置していた地点Ｐ１は、図５（ｂ）に示すように照射スポットＦ１の中央に位置し、そして図５（ｃ）に示すように照射スポットＦ１の矢印Ｘ方向後方側に位置することとなる。照射スポットＦ１が移動している間、接合予定線ＳＳ上の地点Ｐ１には、第１の半導体レーザ光Ｌ１が照射され続けることになる。したがって、地点Ｐ１が照射スポットＦ１の矢印Ｘ方向後方側に位置する頃には、地点Ｐ１の表面は、第１の半導体レーザ光Ｌ１によって十分に溶融あるいは軟化された状態となっている。このことから、照射スポットＦ１の矢印Ｘ方向後方側に位置する部分に第２の半導体レーザ光Ｌ２を照射した場合には、溶融性が十分に高められた部分に第２の半導体レーザ光Ｌ２を照射することとなるため、部材１０，１１をいっそう効率よく且つ十分に溶融させることができる。
【００３１】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。
【００３２】
例えば、本実施形態では、第１の半導体レーザ光Ｌ１に追従させて第２の半導体レーザ光Ｌ２を照射するとした。これを、第１の半導体レーザ光Ｌ１が照射されている地点に、第２の半導体レーザ光Ｌ２を同時照射するとしてもよい。
【００３３】
第１の半導体レーザ光Ｌ１が照射されている地点に第２の半導体レーザ光Ｌ２を同時照射するということは、第１の半導体レーザ光Ｌ１が表面を溶融させている最中に、波長の長い第２の半導体レーザ光Ｌ２が照射されるということになる。したがって、溶融範囲をより早く、部材１０，１１の内部まで拡大することができる。これにより、部材１０，１１を効率よくかつ十分に溶融することができる。
【００３４】
また、本実施形態では、第１の半導体レーザ光Ｌ１の照射スポットＦ１と第２の半導体レーザ光Ｌ２の照射スポットＦ２とを一部重ねるとしたが、重なっていなくてもよい。ただしこの場合には、第１の半導体レーザ光Ｌ１の照射直後に第２の半導体レーザ光Ｌ２を照射することが好ましい。
【００３５】
また、本実施形態のレーザ溶接方法を台車枠２の側梁８の組み立てに用いた場合について説明したが、本実施形態のレーザ溶接方法がその他種々の部品の組み立てについても適用可能であることはいうまでもなく、また突合せ溶接に限られないこともいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】鉄道車両用台車を示す側面図である。
【図２】側梁の組み立て工程を示す図である。
【図３】本実施形態に係る溶接方法により部材が溶接されている状態を示す斜視図である。
【図４】本実施形態に係る溶接方法により部材が溶接されている状態を示す側面図である。
【図５】第１の半導体レーザ光の照射スポットについて、その位置を示す上面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…鉄道車両用台車、２…台車枠、８…側梁、１０，１１…部材、１２…第１の半導体レーザ装置、１３…第１の半導体レーザ装置、Ｆ１，Ｆ２…照射スポット、Ｌ…半導体レーザ光、ＬＪ…溶接部、ＳＳ…接合予定線。
【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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