(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバーによって伝送するレーザーを用いて鋼板の溶接を行なうレーザー溶接方法において、集光ビーム径0.5〜１mmかつレーザー出力１〜６kWの大径レーザービームと、集光ビーム径0.2〜0.4mmかつレーザー出力0.5〜２kWの小径レーザービームとを２方向から前記鋼板の溶接点に照射し、該溶接点にて前記大径レーザービームと前記小径レーザービームの中心を一致させて溶接を行なうことを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項２】
前記鋼板の板厚が４mm以下であることを特徴とする請求項１に記載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、光ファイバーを利用して伝送したレーザーを鋼板に照射して溶接を行なうレーザー溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザー溶接はレーザービームを熱源とする溶接技術であり、溶接点にレーザービームを集光して溶接を行なう。したがって、熱源の寸法を小さくでき、かつ熱エネルギーを高密度で溶接点に集中することができる。レーザー溶接は、このような特性を有するので、溶込みの深い溶接を高速で行なうことが可能であるばかりでなく、ビードや熱影響部の幅を狭くすることも可能である。そのため、鋼板のレーザー溶接は、自動車製造ライン等の様々な分野で広く採用されている。
【０００３】
レーザーは、その発振媒体の種類によってガスレーザー，固体レーザーに分類され、さらに固体レーザーはNd：ＹＡＧレーザー，Yb：ＹＡＧレーザー，半導体レーザー等に分類される。これらの固体レーザーは、いずれも近赤外の波長を有しており、石英等をコアとする光ファイバーで伝送することが可能である。光ファイバーによってレーザーを伝送すれば、反射鏡を利用した光学系の伝送技術に比べて、作業環境による悪影響を軽減できる。つまり光ファイバーを利用することによって、溶接ヒュームが浮遊する作業場や十分な広さを確保できない作業場においても、安定してレーザーを伝送することができる。
【０００４】
レーザー溶接では、溶接点に集光されたレーザービームの直径（以下、集光ビーム径という）が１mm以下となる。そのため、溶接継手のセッティング（たとえば突合せ溶接における突合せギャップ，重ね溶接におけるシートギャップ等）に高い精度が要求される。高精度のセッティングに要求される厳密な許容範囲を満たすためには、溶接継手のセッティングに長時間を要するので、溶込みの深い溶接を高速で行なうというレーザー溶接の特性が損なわれる。
【０００５】
そこで、溶接継手に要求されるセッティングの精度を緩和して、溶込みの深い溶接を高速で行なうというレーザー溶接の特性を十分に活用する技術が種々検討されている。
たとえば、特許文献１には、パルスＹＡＧレーザーを２本照射して溶接を行なうツインスポット溶接方法において、溶接継手に要求されるセッティング精度を緩和する技術が開示されている。また、特許文献２には、パルスＹＡＧレーザーと連続ＹＡＧレーザーを合成するリップル溶接において、溶接継手に要求されるセッティング精度を緩和する技術が開示されている。
【０００６】
光ファイバーによって伝送したレーザーを用いてレーザー溶接を行なう場合には、このような溶接継手のセッティング精度に関わる問題に加えて、アンダーフィルや溶落ち等の溶接欠陥が発生しやすいという問題がある。アンダーフィルとは、図４に示すように、鋼板の板厚ｔ0（mm）と溶接金属中央部の厚さｔ1（mm）がｔ0＞ｔ1となり、溶接金属の表面が凹状に窪む現象を指す。また、溶落ちとは、溶接部の溶融メタルが落下して、凝固した後の溶接金属に開孔部が生じる現象を指す。
【０００７】
たとえば図５に示すように、レーザー出力４kWのNd：ＹＡＧレーザーを光ファイバーで伝送して、集光ビーム径0.6mmにて板厚1.2mmの鋼板の突合せ溶接を行なった場合には、溶接速度５〜８ｍ／分の範囲でアンダーフィルが発生し、特に溶接速度６〜７ｍ／分の範囲では溶落ちが発生する。なお、図５の溶接部厚さ比とは、ｔ1／ｔ0で算出される値である。つまり、アンダーフィルが発生した場合（ｔ0＞ｔ1）の溶接部厚さ比は、０＜溶接部厚さ比＜１となる。また、溶落ちが発生した場合（ｔ1＝０）には、溶接部厚さ比＝０となる。
【０００８】
図４に示す現象は、鋼板同士を接触させて（すなわち突合せギャップを設けず）行なった突合せ溶接において認められた。したがって、このようなアンダーフィルや溶落ちは、溶接継手のセッティング精度に起因する問題ではない。
また、レーザー出力４kWのＣＯ2レーザーを反射鏡で伝送して、集光ビーム径0.6mmにて板厚1.2mmの鋼板の突合せ溶接を行なった場合には、如何なる溶接速度においてもアンダーフィルや溶落ちは発生しない。
【０００９】
したがって、アンダーフィルや溶落ちは、光ファイバーによって伝送したレーザーを用いて鋼板のレーザー溶接を行なう場合に発生する欠陥であると言える。そして、このような光ファイバーによってレーザーを伝送して行なうレーザー溶接の固有の問題点を解消する技術は、未だ実用化されていない。
【特許文献１】特開2003-200282号公報
【特許文献２】特開2002-210576号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記のような問題を解消し、光ファイバーによって伝送したレーザーを用いて鋼板のレーザー溶接を行なうにあたって、アンダーフィルや溶落ちを防止できる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】
【００１１】
発明者らは、光ファイバーによって伝送したレーザーを用いて鋼板のレーザー溶接を行なう際に、特定の溶接速度で発生するアンダーフィルや溶落ちについて鋭意研究を重ねた。得られた知見を以下に説明する。
光ファイバーによって伝送したレーザーを用いたレーザー溶接に限らず、一般のレーザー溶接は、アーク溶接等の溶接技術に比べて熱源を小さくして、鋼板の溶接点に熱エネルギーを高密度で集中できる。そのため溶接点の表面で溶融メタルが蒸発しやすくなり、その反張力によって溶融メタルの液面が押し下げられ、キーホールと呼ばれる小径の穴が溶融メタルに形成される。溶接点に照射されるレーザービームとともにキーホールが移動することによって、溶込みの深い溶接を高速で行なうことが可能となる。
【００１２】
ところがキーホールは、寸法（すなわち直径，深さ等）や溶接条件（すなわちシールドガス等）によっては、凝固した後の溶接金属に欠陥が発生する原因となる。たとえば、溶融メタルに大きいキーホールが形成されると、シールドガスがキーホールに巻き込まれて、ブローホールと呼ばれる気泡状の欠陥が溶接金属に形成されやすくなる。
発明者らは、光ファイバーによって伝送したレーザーを用いたレーザー溶接を行ない、溶融メタルの挙動を高速ビデオ等の画像処理機器で撮影した。それらの映像を詳細に解析した結果、溶融メタルの幅とキーホールの寸法がブローホールの形成に多大な影響を及ぼすことが判明した。また、ブローホールの寸法が過剰に増大した場合に、アンダーフィルや溶落ちが発生することも分かった。
【００１３】
つまり図５の溶接速度４ｍ／分以下の範囲では、レーザービームを照射するときの熱伝導によって集光ビーム径より広い幅の溶融メタルが形成される。そのため、キーホールに比べて広い幅の溶融メタルが形成され、キーホールが通過した後でビードが円滑に形成される。したがって溶接速度４ｍ／分以下の範囲では、ブローホールは形成されず、アンダーフィルや溶落ちも発生しない。
【００１４】
しかし図５の溶接速度５〜８ｍ／分の範囲では、熱伝導によって溶融する幅が減少するので、溶融メタルの幅とキーホールの寸法との差が縮小する。そのため、キーホールが通過した後でビードが形成され難くなり、溶融メタルの一部がスパッタとして裏面側に飛散する。したがって溶接速度５〜８ｍ／分の範囲では、アンダーフィルや溶落ちが発生し易くなる。
【００１５】
また図５の溶接速度９ｍ／分以上の範囲では、溶接点における熱エネルギーの相対密度が減少するので、溶融メタルの幅とキーホールの寸法との差が拡大する。そのため、キーホールに比べて広い幅の溶融メタルが形成され、キーホールが通過した後でビードが円滑に形成される。したがって溶接速度９ｍ／分以上の範囲では、ブローホールは形成されず、アンダーフィルや溶落ちも発生しない。
【００１６】
以上に説明したようなアンダーフィルや溶落ちは、光ファイバーによって伝送したレーザーを用いて、板厚４mm以下の鋼板のレーザー溶接を行なう際に顕著に認められる。
さらに発明者らは、Nd：ＹＡＧレーザーのように光ファイバーによって伝送できるレーザーを用いてレーザー溶接を行なった場合に、アンダーフィルや溶落ちが発生する原因について調査した。その結果、溶接点におけるレーザービームのエネルギー強度分布（横モード）が多大な影響を及ぼすことが分かった。得られた知見を以下に説明する。
【００１７】
図１は、溶接点におけるレーザービームのエネルギー強度分布を模式的に示すグラフである。ＣＯ2レーザーのようにレーザー発振器から発振されたレーザーを反射鏡によって伝送し、集光レンズあるいは放物面鏡で集光する場合は、発振されたレーザーの強度分布が溶接点においてもそのまま反映される。そのため、シングルモード（すなわちガウスモード）では図１(a)のようなエネルギー強度分布となり、マルチモードでは図１(b)のようなエネルギー強度分布となる。
【００１８】
一方、Nd：ＹＡＧレーザーのようにレーザー発振器から発振されたレーザーを光ファイバーによって伝送し、集光レンズで集光する場合は、光ファイバーを通過する間にレーザーが均一化される。そのため、溶接点においては図１(c)に示すような平坦なエネルギー強度分布となる。
既に説明した通り、溶接点の表面で溶融メタルが蒸発することによってキーホールが発生する。つまり、溶接点で鋼板が溶融するだけではキーホールは発生しない。そのため、図１(a)および図１(b)に示すようなエネルギー強度分布を有するレーザービームを照射してレーザー溶接を行なうと、エネルギー強度の高いビーム中心部でキーホールが形成され、エネルギー強度の低い周辺部で溶融メタルが形成される。したがって、溶融メタルの幅より小さいキーホールが常に形成されることになり、キーホールが通過した後でビードが円滑に形成されるので、アンダーフィルや溶落ちは発生しない。
【００１９】
一方、図１(c)に示すようなエネルギー強度分布を有するレーザービームを照射してレーザー溶接を行なうと、中心部と周辺部のエネルギー強度の差がないので、溶融メタルの幅とキーホールの寸法の差が小さくなりやすい。したがって、キーホールが通過した後でビードが形成され難くなり、アンダーフィルや溶落ちが発生する。ただし溶接速度を減速すると、熱伝導によって溶接点の周囲が溶融するので、溶融メタルの幅とキーホールの寸法との差が拡大し、アンダーフィルや溶落ちの発生が抑制される。また溶接速度を増速すると、溶接点における熱エネルギーの相対密度が減少するので、溶融メタルの幅とキーホールの寸法との差が拡大し、アンダーフィルや溶落ちの発生が抑制される。
【００２０】
以上に説明したように、光ファイバーによって伝送できるレーザーを用いてレーザー溶接を行なう際には、溶接点におけるレーザービームのエネルギー強度分布が平坦になるので、特定の溶接速度にてアンダーフィルや溶落ちが発生し易くなる。
そこで発明者らは、光ファイバーによって伝送できるレーザーを用いてレーザー溶接を行なうにあたって、溶融メタルの幅とキーホールの寸法を調整して、アンダーフィルや溶落ちの発生を抑制するために、好適なエネルギー強度分布を有するレーザービームを溶接点に照射する技術を検討した。その結果、図２(a)に示すような集光ビーム径の小さいレーザービーム（以下、小径レーザービームという）と、図２(b)に示すような集光ビーム径の大きいレーザービーム（以下、大径レーザービームという）とを重ね合わせることが有効であることを見出した。
【００２１】
つまり図２(c)に示すように、溶接点おいて中心部のエネルギー強度が高く、周辺部のエネルギー強度が低くなるように、エネルギー強度を分布させることによって、アンダーフィルや溶落ちの発生を抑制することができる。
本発明は、これらの知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、光ファイバーによって伝送するレーザーを用いて鋼板の溶接を行なうレーザー溶接方法において、集光ビーム径0.5〜１mmかつレーザー出力１〜６kWの大径レーザービームと、集光ビーム径0.2〜0.4mmかつレーザー出力0.5〜２kWの小径レーザービームとを２方向から鋼板の溶接点に照射し、溶接点にて大径レーザービームと小径レーザービームの中心を一致させて溶接を行なうレーザー溶接方法である。
【００２２】
本発明のレーザー溶接方法においては、鋼板の板厚が４mm以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、光ファイバーによって伝送したレーザーを用いて鋼板のレーザー溶接を行なうにあたって、アンダーフィルや溶落ちを防止し、健全な溶接継手を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明では、２本の光ファイバーを用いてレーザーを伝送し、片方の集光ビーム径（すなわちレーザービームを溶接点に集光する直径）を小さくし、他方のレーザービームの集光ビーム径を大きくする。溶接点において、集光ビーム径の小さいレーザービーム（すなわち小径レーザービーム）のエネルギー強度は図２(a)のような分布を示し、集光ビーム径の大きいレーザービーム（すなわち大径レーザービーム）のエネルギー強度は図２(b)のような分布を示す。
【００２５】
これらの小径レーザービームと大径レーザービームを鋼板の溶接点に照射してレーザー溶接を行なう。その際、レーザーの伝送機器（たとえば光ファィバー等）や集光装置（たとえば集光レンズ等）を２組ずつ配設しなければならない。そのため、図３に示すように、小径レーザービーム３と大径レーザービーム４を異なる角度で２方向から照射する。その際、小径レーザービーム３の中心位置と大径レーザービーム４の中心位置を一致させる。
【００２６】
このようにして小径レーザービームと大径レーザービームを照射することによって、溶接点におけるエネルギー強度は図２(c)に示すような分布となる。つまり溶接点において、中心部のエネルギー強度を高くし、周辺部のエネルギー強度を低くする。
小径レーザービームのレーザー出力が２kWを超えると、細径ファイバーでの伝送が困難となり、0.4mm以下のビーム径に集光することが困難となる。したがって、小径レーザービームのレーザー出力は２kW以下が好ましい。ただし、出力が0.5kW未満では、安定したキーホールの形成が困難になる。そのため、小径レーザービームのレーザー出力は0.5〜２kWの範囲内とする。
【００２７】
また小径レーザービームの集光ビーム径が0.4mmを超えると、溶融幅が狭いというレーザー溶接のメリットを活かしつつ、さらに溶融幅よりも小さいキーホールを形成させるという本発明の特徴を達成し難くなる。したがって、小径レーザービームの集光ビーム径は0.4mm以下が好ましい。ただし、集光ビーム径を0.2mm未満とするためには、集光レンズ等の集光装置の精度を著しく高める必要があるので、集光装置の製作コストが上昇する。そのため、小径レーザービームの集光ビーム径は0.2〜0.4mmの範囲内とする。
【００２８】
一方、大径レーザービームのレーザー出力が６kWを超えると、大径レーザービームのエネルギー密度が高くなり、大径レーザービーム照射部でキーホールが形成されるようになり、本発明の効果が十分に得られなくなる。したがって、大径レーザービームのレーザー出力は６kW以下が好ましい。ただし、出力が１kW未満では、高速溶接を行なうときに十分な溶接幅，溶込み深さが得られなくなる。そのため、大径レーザービームのレーザー出力は１〜６kWの範囲内とする。
【００２９】
また大径レーザービームの集光ビーム径が0.5mm未満では、小径レーザービームの集光ビーム径との差が小さくなる。その結果、小径レーザービームと大径レーザービームを溶接点に照射しても、図２(c)に示すようなエネルギー強度分布が得られなくなる。したがって、大径レーザービームの集光ビーム径は0.5mm以上が好ましい。ただし、集光ビーム径が１mmを超えると、溶融幅が増大してレーザー溶接のメリットが失われる、あるいは高速溶接を行なうときに十分な溶込み深さが得られなくなる。そのため、大径レーザービームの集光ビーム径は0.5〜１mmの範囲内とする。
【００３０】
本発明は、アンダーフィルや溶落ちが発生しやすい薄鋼板の突合せ溶接で大きい効果を得ることができる。すなわち板厚４mm以下の鋼板の溶接において顕著な効果が得られる。
このようにして鋼板の溶接点に小径レーザービームと大径レーザービームを照射することによって、小径レーザービームの集光ビーム径に相当する寸法のキーホールが形成され、かつ大径レーザービームの集光ビーム径に相当する幅の溶融メタルが形成される。その結果、溶接速度に関わらず、ビードを円滑に形成することが可能となり、アンダーフィルや溶落ちの発生を抑制できる。
【実施例】
【００３１】
冷延軟鋼板（板厚1.2mm，引張強さ270Ｎ／mm2）と熱延高張力鋼板（板厚2.3mm，引張強さ590Ｎ／mm2）から、それぞれ溶接用試験片（横250mm，縦600mm）を複数枚切り取った。次に、各鋼板から切り取った溶接用試験片をそれぞれ２枚ずつ組み合わせて、その600mm長の端面を突き合わせて、レーザー溶接を行なった。
レーザー溶接では、小径レーザービームとして照射するレーザーは、レーザー出力1.5kWで発振したNd：ＹＡＧレーザーを直径0.3mmの光ファイバーで伝送し、溶接点における集光ビーム径を0.3mm とした。また、大径レーザービームとして照射するレーザーは、レーザー出力2.5kWで発振したNd：ＹＡＧレーザーを直径0.6mmの光ファイバーで伝送し、溶接点における集光ビーム径を0.6mmとした。
【００３２】
小径レーザービームと大径レーザービームを照射するにあたって、図３に示すように小径レーザービーム３の中心位置と大径レーザービーム４の中心位置を一致させた。また、小径レーザービーム３の中心軸は鋼板１（すなわち溶接用試験片）に対して垂直とし、大径レーザービーム４の中心軸は溶接方向に傾けた。ここで、小径レーザービーム３の中心軸と大径レーザービーム４の中心軸とのなす角θは30°とした。溶接速度は表１に示す通りである。これを発明例とする。
【００３３】
一方、比較例として、レーザー出力4.0kWで発振したNd：ＹＡＧレーザーを直径0.6mmの光ファイバーで伝送し、溶接点における集光ビーム径を0.6mmとするレーザービームのみを使用してレーザー溶接を行なった。これは、発明例の大径レーザービームに相当するレーザービームのみで溶接を行なったことを意味する。溶接速度は表１に示す通りである。
【００３４】
【表１】
0004797659.tif 000002
【００３５】
レーザー溶接を行なった後、溶接開始位置から100mm，200mm，300mmの位置で試料を採取して溶接部の断面を観察し、溶落ちの有無を調査した。さらに、図４に示すような鋼板１の板厚ｔ0（mm）と溶接金属中央部の厚さｔ1（mm）を測定し、得られたｔ0 値とｔ1 値から、それぞれの位置における溶接部厚さ比（＝ｔ1／ｔ0）を算出した。その結果は表１に示す通りである。
【００３６】
表１から明らかなように、発明例では、いずれも溶落ちは認められなかった。また溶接部厚さ比は全て1.0であり、アンダーフィルが発生しなかったことが分かる。
一方、比較例では、板厚1.2mmの冷延軟鋼板を溶接速度６，７ｍ／分でレーザー溶接した例にて溶落ちが発生した。したがって、それらの例では溶接金属中央部の厚さｔ1 を測定できないので、溶接部厚さ比を算出できなかった。さらに比較例のうちの板厚1.2mm の冷延軟鋼板を溶接速度５，８ｍ／分でレーザー溶接した例、および板厚2.3mmの熱延高張力鋼板を溶接速度３，４ｍ／分でレーザー溶接した例にて溶接部厚さ比＜１となった。したがって、これらの例ではアンダーフィルが発生したことが分かる。
【００３７】
このようにして、本発明を適用して鋼板のレーザー溶接を行なうことによって、アンダーフィルや溶落ちの発生を抑制し、健全な溶接継手が得られることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】溶接点におけるレーザービームのエネルギー強度分布を模式的に示すグラフである。
【図２】光ファイバーによって伝送したレーザービームを用いた場合の溶接点におけるエネルギー強度分布を模式的に示すグラフである。
【図３】本発明を適用してレーザー溶接を行なう際のレーザービームの配置の例を示す側面図である。
【図４】溶接継手の例を模式的に示す断面図である。
【図５】溶接速度と溶接部厚さ比との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１  鋼板
２  溶接金属
３  小径レーザービーム
４  大径レーザービーム
【図１】
0004797659.tif 000003
【図２】
0004797659.tif 000004
【図３】
0004797659.tif 000005
【図４】
0004797659.tif 000006
【図５】
0004797659.tif 000007