(57)【要約】【課題】溶接面に塗装が施されたワークを溶接するときに、簡易で能率的な装置および方法を用いて、溶接欠陥を軽減することができるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】使用するレーザ溶接装置は、パルスＹＡＧレーザ発振器で生成したパルスレーザを光ファイバにより加工ノズルを介して塗膜が形成されたワークの所定の部位に伝送し、照射して溶接するように構成される。この装置を用い、パルスレーザのパルスの波形制御を行い、相対的に低い量のエネルギを所定時間投入した後（第１のパルス波Ｓ１）、エネルギの投入を一定時間休止し（第２のパルス波Ｓ２）、最後に、最初よりも高い量のエネルギを投入して溶接する（第３のパルス波Ｓ３）。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接面に塗装が施されたワークをレーザにより溶接するレーザ溶接方法において、
レーザ源としてパルスレーザを用い、該パルスレーザのパルス波形を制御することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
所定のパルス高さの第１のパルス波と、パルス高さが０の第２のパルス波と、該第１のパルス波よりもパルス高さの高い第３のパルス波とを順次照射す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】
前記第３のパルス波のパルス高さが前記第１のパルス波の前記所定のパルス高さ以上であることを特徴とする請求項２記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記第２のパルス波のパルス幅が、第１〜第３の全パルス波のパルス幅の総計の１／２以上であることを特徴とする請求項２記載のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接面に塗装が施されたワークをレーザにより溶接するレーザ溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接方法には、ガス溶接方法、アーク溶接方法、レーザ溶接方法等の種々の方法がある。
【０００３】
これらの溶接方法のうち、レーザ溶接方法は、高いエネルギ密度を得ることができ、また、これによりワークに対する熱影響を小さくすることができ、また、出力制御を正確に行うことができ、さらにまた、大気中で操作性よく溶接することができるという特徴を有する。
【０００４】
ところで、従来、例えば塗装パネル自動車部品等のワークを溶接するとき、塗膜を構成する、油脂成分を含む塗料が溶接時の熱によって気化し、この気化した塗料の蒸気が溶接部に混入してブローホールを発生させ、溶接欠陥となることがあった。
【０００５】
この場合、特に上記のレーザ溶接を行うときには、気化した塗料が障害となってレーザが溶接部に効率的に届かないという不具合もあった。
【０００６】
塗装を施したワークを溶接する際に生じうる上記の問題を軽減する方法として、例えば以下の溶接方法が提案されている（特許文献１参照。）。
【０００７】
すなわち、レーザ溶接やアーク溶接を行う際に、まず、通常の溶接時よりも高いエネルギのレーザビーム等を照射して、塗膜を分解，消失させるとともに溶接を行い、引き続き、通常のエネルギのレーザビーム等を照射して、溶接を続行し、ワークを接合する方法である。
【０００８】
このための具体的な手段として、レーザビームを移動させながら溶接することを前提として、レーザビームをビームスプリッタで２分割し、この分割された２つのレーザビームを移動方向の前後の近接する部位に順次照射する方法や、レーザビームにサイドガスを吹き付けることによりレーザビームを曲げて溶接位置をずらす方法等が開示されている。
【０００９】
このときの、エネルギの変化は、例えば図１に示すようなパターンとなるとされている。
【００１０】
上記の例を含め、いわゆるレーザの２段（２度）照射技術は、前記した塗装ワークの溶接欠陥を改善する技術として周知である。
【００１１】
【特許文献１】
特開平７−１００６７９号公報  （第３図等）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のいわゆるレーザの２段照射技術は、上記のように溶接装置の構造および溶接方法が複雑となる問題がある。さらに、この場合、上記したエネルギ分配の制御が必ずしも容易かつ自在ではないものと考えられる。
【００１３】
また、溶接部に対して、最初に高いエネルギを与えることにより、塗料の蒸発、除去操作と併せて溶接操作も一部行われるため、溶接部への塗料蒸気の混入を完全に解消することができず、ブローホール発生による溶接欠陥を必ずしも十分には改善することができないものと考えられる。
【００１４】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、溶接面に塗装が施されたワークを溶接するときに、簡易で能率的な装置および方法を用いて、溶接欠陥を軽減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。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ溶接方法は、溶接面に塗装が施されたワークをレーザにより溶接するレーザ溶接方法において、レーザ源としてパルスレーザを用い、該パルスレーザのパルス波形を制御することを特徴とする。
【００１６】
これにより、溶接部へのエネルギの投入パターンの制御を容易かつ簡易に行うことができ、溶接欠陥の発生を回避しうるのに好適なエネルギ投入パターンを設定することで、溶接面に塗装が施されたワークに溶接するときの溶接欠陥を軽減することができる。
【００１７】
この場合、所定のパルス高さの第１のパルス波と、パルス高さが０の第２のパルス波と、該第１のパルス波よりもパルス高さの高い第３のパルス波とを順次照射すると、第１のパルス波で塗料（塗膜）を確実に除去し、第２のパルス波のパルス幅の時間、すなわち、いわば待機時間を経て、第３のパルス波で塗料が除去された溶接部に対して溶接作用のみを実現することでき、より好適である。
【００１８】
ここで、パルス波のパルス高さは照射するレーザのエネルギ量に比例するものであり、パルス波のパルス幅はレーザの照射時間に対応するものである。また、第２のパルス波は、照射エネルギが０（零）で一定時間経過させるものであり、言い換えれば、第１のパルス波と第３のパルス波の間のパルス間隔であり、この第２のパルス波を設けるのは、上記したように、レーザ照射の待機時間（休止時間）、言いかえれば、冷却時間を設ける意である。
【００１９】
また、この場合、前記第３のパルス波のパルス高さが前記第１のパルス波の前記所定のパルス高さ以上であり、また、前記第２のパルス波のパルス幅が、第１〜第３の全パルス波のパルス幅の総計の１／２以上であると、より好適である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に係るレーザ溶接方法の好適な実施の形態（以下、本実施の形態例という。）について、図を参照して、以下に説明する。
【００２１】
本実施の形態例に係るレーザ溶接方法は、溶接面に塗装が施されたワークに対してパルスレーザを照射して溶接を行うものである。
【００２２】
このようなワークの代表的な例として、自動車の塗装パネル等の鋼製部品に塗装を施したものを挙げることができる。但し、本実施の形態例に係るレーザ溶接方法におけるワークの材料は、鉄鋼に限らず、例えば銅やアルミニウム等の非鉄金属であってもよい。
【００２３】
塗装に用いられる塗料は、塗膜形成要素である樹脂、油脂、顔料等を溶剤で溶解したものであり、この塗料を電着等の方法により塗布して形成された塗膜は、樹脂および油脂等が主成分となっている。
【００２４】
ワークは、例えば、数百μｍ〜数ｍｍ程度の厚みの鋼板に数〜数十μｍ程度の厚みの塗膜が形成されたものである。
【００２５】
本実施の形態例に係るレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置は、市販の装置（例えば、ＪＫ７０２Ｈ：住友重機械工業製）を用いることができる。
【００２６】
レーザ溶接装置は、図２に示すように、パルスＹＡＧレーザ発振器１０を備え、パルスＹＡＧレーザ発振器１０で生成した波長１．０６４μｍのパルスレーザを光ファイバ１２により溶接面（溶接部）まで伝送し、加工ノズル１４を介して、塗膜１６が形成されたワーク１８の所定の部位にレーザを照射して溶接するように構成されている。
【００２７】
上記のレーザ溶接装置を用いて行う本実施の形態例に係るレーザ溶接方法は、パルスレーザのパルス波形を制御して、レーザ照射によってワークに投入するエネルギ量を調整しながら溶接を行う。したがって、比較的容易でかつ簡易な装置を用いた容易でかつ簡易な溶接方法により、投入するエネルギ量の調整を精密に行なうことができる。
【００２８】
エネルギの投入パターンは、好ましくは、以下のとおりである。
【００２９】
まず、塗膜（塗料）を加熱して、分解、蒸発させて、ワークの表面から塗料蒸気を揮散させるのに必要な程度であって、かつ、ワークの溶接が行われない程度の相対的に低い量のエネルギを所定時間投入する。
【００３０】
ついで、塗料蒸気がワークの表面から完全に揮散するのを待つとともに、この間に溶接作用が発現されないように、すなわち、ワークが溶融しないように、エネルギの投入を一定時間休止する。
【００３１】
最後に、ワークを溶接するのに必要な、最初よりも高い量のエネルギを投入して溶接する。
【００３２】
これにより、塗料を予め除去した、通常の塗料が塗布されていないワークと同じような条件下で溶接が行われるため、塗料が塗布されたワークを溶接する際に生じていた従来の溶接品質の問題が改善される。
【００３３】
すなわち、塗料の蒸気が溶接部に混入してブローホールを発生させ、溶接欠陥となることを避けることができる。
【００３４】
上記のエネルギの投入パターンを実現するために、以下のようなパルスレーザのパルスの波形制御を行う。
【００３５】
すなわち、図３に示すように、ワークの１つの溶接部位（スポット）に対して、３つの波形のパルス波を順次照射する。
【００３６】
まず、所定のパルス高さ（Ｈ１）の第１のパルス波（Ｓ１）を所定のパルス幅（Ｔ１）に形成して、この波形のレーザを照射する。
【００３７】
ついで、パルス高さ（Ｈ２）が０の第２のパルス波（Ｓ２）を所定のパルス幅（Ｔ２）に形成する。これは、実際には、レーザの照射を休止する時間を設けることであり、見方を変えれば、この第２のパルス波（Ｓ２）を設けることは、上記第１のパルス波（Ｓ１）と後述する第３のパルス波（Ｓ３）とのパルス間隔を所定の時間に設定することと同じである。
【００３８】
最後に、第１のパルス波（Ｓ１）の高さよりも高いパルス高さ（Ｈ３）の第３のパルス波（Ｓ３）を所定のパルス幅（Ｔ３）に形成して、この波形のレーザを照射する。
【００３９】
このとき、第３のパルス波（Ｓ３）のパルス高さ（Ｈ３）が第１のパルス波（Ｓ１）のパルス高さ（Ｈ１）以上に設定されているため、塗料蒸発作用と溶接作用とをより明確に分離して実現することができる。
【００４０】
また、第２のパルス波（Ｓ２）のパルス幅（Ｔ２）は、十分な冷却時間を確保してワークを確実に冷却した後に本溶接を行う観点から、できるだけ大きい方が好ましく、より好適には、第１〜第３の全パルス波のパルス幅の総計（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）の１／２以上に設定することにより、蒸発した塗料が、ワークの溶解部分（溶接部）に混合することを、より確実に回避することができる。
【００４１】
これらのパルス波形条件は、用いるレーザ源の条件、ワークの溶接条件、ワークの塗装条件等に応じて適宜予備的な試験等を行うことを通じて、溶接環境に応じた好適な条件を設定することができる。
【００４２】
以上説明した本実施の形態例に係るレーザ溶接方法およびそれに用いるレーザ溶接装置において、光ファイバ伝送方式に変えてミラー伝送方式を用いてもよい。
【００４３】
また、レーザ源はパルスレーザであればＹＡＧ以外であってもよく、例えば各種の固体レーザから適宜選択して用いることができる。
【００４４】
なお、本実施の形態例に係るレーザ溶接方法における投入エネルギ量の制御は、アーク溶接方法等の場合においてもある程度実現可能と考えられる。但し、このアーク溶接のような方法の場合、本実施の形態例に係るレーザ溶接方法に比べると投入エネルギの精密な制御を行うことが必ずしも容易ではないと考えられる。また、適切に選定された種類のレーザ源を用いたレーザ溶接に比べて、アーク溶接のエネルギ投入量が過大となり、塗料の蒸気を揮散させるのに必要十分であってかつワークを溶解させるには至らない程度のエネルギ量のみを確実に溶接初期段階に投入することは必ずしも容易ではないと考えられる。
【００４５】
【実施例】
実施例および比較例を挙げて、本発明をさらに説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。
【００４６】
実施例および比較例の共通の溶接条件は以下のとおりである。
【００４７】
・溶接形態      ：コイル突き合せ溶接
・レーザ        ：ＪＫ７０２Ｈ
・スポット径    ：０．６ｍｍΦ
・加工速度      ：５ｍｍ／ｓｅｃ
・平均出力      ：１３８Ｗ
・周波数        ：２５Ｈｚ
実施例および比較例の個別の溶接条件は、図４にまとめて示した。
【００４８】
ここで、実施例１、２のパルス高さの項およびパルス幅の項のＳ１〜Ｓ３は、前記した第１〜第３のパルス波に対応するものである。
【００４９】
比較例１は、１つのパルス波のみを照射したものであり、比較例２は前記した従来例の２段（２度）照射を近似的に再現したものである。
【００５０】
溶接状態の評価は、目視観察により行った。
【００５１】
実施例および比較例のすべてのケースにおいて、それぞれ１試料のみ加工しただけであることも原因して、スパッタおよびブローホールの発生はいずれも明瞭には観察されなかった。
【００５２】
但し、ビードの表面状態からみて、比較例１についてはブローホールが発生するおそれが大きいと判断され、比較例２および実施例１、２については、いずれもブローホールが発生するおそれが小さいと判断された。なお、比較例２の２段照射の場合、タクトタイム等の問題があることは前記したとおりである。
【００５３】
【発明の効果】
本発明に係るレーザ溶接方法によれば、溶接面に塗装が施されたワークをレーザにより溶接するレーザ溶接方法において、レーザ源としてパルスレーザを用い、パルスレーザのパルス波形を制御するため、溶接部へのエネルギの投入パターンの制御を容易かつ簡易に行うことができ、溶接欠陥の発生を回避しうるのに好適なエネルギ投入パターンを設定することで、溶接面に塗装が施されたワークに溶接するときの溶接欠陥を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の２段レーザ溶接方法におけるエネルギ変化を示すグラフ図である。
【図２】本実施の形態例に係るレーザ溶接方法を行うために用いる装置の主要部の概略構成を示す図である。
【図３】本実施の形態例に係るレーザ溶接方法におけるレーザのパルス波形パターンを示すグラフ図である。
【図４】実施例および比較例の主要なレーザ溶接条件を示す表図である。
【符号の説明】
１０  パルスＹＡＧレーザ発振器
１２  光ファイバ
１４  加工ノズル
１６  塗膜
１８  ワーク
【図１】
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【図２】
2004209543.tif 000004
【図３】
2004209543.tif 000005
【図４】
2004209543.tif 000006