(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わされた複数の被溶接部材からなるワークに対してレーザビームを相対的に走査すると共に、前記レーザビームの照射位置へアシストガスを供給しながら、前記ワークに溶融部を形成することで前記被溶接部材同士を接合するレーザ溶接方法において、
形成される前記溶融部の断面形状が所望の断面形状になるように、前記ワークへの前記レーザビームによる入熱量（Ｑｉｎ）を、前記ワークのワーク情報、前記溶融部の設計用断面情報、及び前記所望の断面形状に対応して予め設定されており所定のアシストガスのガス供給条件と対応する形状パラメータ（α）を利用して算出する熱量算出工程と、
前記熱量算出工程で算出された前記入熱量（Ｑｉｎ）に応じて前記レーザビームの出力及び走査速度の少なくとも一方を決定するビーム照射条件決定工程と、
前記形状パラメータ（α）に基づいて前記アシストガスのガス供給条件を決定するガス供給条件設定工程と、
を備え、
複数の前記被溶接部材はステンレス鋼板であり、
前記熱量算出工程は、
前記ワークを構成する前記被溶接部材を溶融させて前記溶融部を形成するために要する溶融用熱量（Ｑｍｅｌｔ）を、前記ワーク情報及び前記設計用断面情報を利用して算出する溶融用熱量算出工程と、
前記入熱量（Ｑｉｎ）を、
【数１】
0004669427.tif 000018
によって算出する入熱量算出工程と、
を備え、
前記設計用断面情報は前記溶融部の断面での前記溶融部の目標溶融部幅（Ｗ）と、前記溶融部における前記レーザビームの照射方向の長さである目標溶融部深さ（Ｄ）とであり、
前記ワーク情報は、前記ワークの比熱（Ｓｈ）、密度（Ｍｄ）及び前記ワークの溶融に至るまでの温度に関する温度パラメータ（ΔＴ）を含んでおり、
非貫通型の前記溶融部の前記溶融用熱量（Ｑｍｅｌｔ）をＱ２ｍｅｌｔ、前記目標溶融部幅をＷ２、前記目標溶融部深さをＤ２と表したとき、Ｑ２ｍｅｌｔを、
【数２】
0004669427.tif 000019
によって算出する、
ことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記予め設定されている形状パラメータ（α）は、所定のアシストガスのガス供給条件及び入熱量（Ｑｉｎ）を用いた実験結果としての溶融部の断面形状のうち所望の断面形状に対応する形状パラメータ（α）であり、
前記熱量算出工程では、前記形状パラメータ（α）を利用して新規の入熱量（Ｑｉｎ）を算出することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記ワークの比熱（Ｓｈ）は、前記ワークを構成する前記各被接合部材の比熱の平均値であり、前記ワークの密度（Ｍｄ）は、前記ワークを構成する前記各被接合部材の密度の平均値であり、前記ワークの前記温度パラメータΔＴは、前記ワークを構成する前記各被接合部材が溶融に至るまでの温度に関する温度パラメータの平均値であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記アシストガスは、第１のガスに第２のガスをｘ％（ｘは、０以上１００未満の数）含むものであり、
前記アシストガスの供給条件は、前記第１及び第２のガスの種類、前記アシストガスの流量及び前記ｘを含んでいることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に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、重ね合わされた複数の被溶接部材をレーザビームを利用して溶接するレーザ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、レーザビームを集光して溶接箇所に照射するため、いわば高エネルギー密度の熱源によって溶接することになる。そのため、高速で溶融幅の狭い溶接が可能となっており、２枚の金属板（被溶接部材）の接合などに利用されている。このようなレーザ溶接では、所定の溶接計画ライン（走査ライン）に沿ってレーザビームを走査することによって複数の被溶接部材を接合するが、レーザビームが照射されることで溶融・凝固した溶融部における走査ラインに略直交する断面の形状（以下、「溶融部の断面形状」という）が、被溶接部材が接合されてなる接合体の強度に影響する。そのため、所望の断面形状が得られる最適な溶接条件で溶接することが求められている。例えば、特許文献１に記載のレーザ溶接方法では、ワークとしての２枚のブランク材の突き合わせ部分をレーザ溶接する工程で、レーザビームが通過した直後の溶接部（溶融部）の凹凸を評価することで、溶融部の断面形状の評価としている。そして、その計測された溶融部の断面形状に基づいて溶接条件をフィードバック制御することでより最適な溶接条件で溶接を実施している。
【特許文献１】特開２０００−１６７６８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、重ね合わされた複数の被溶接部材をレーザ溶接によって接合する場合、特許文献１のように溶融部表面の凹凸を評価しても、溶融部の断面形状の評価は困難である。また、特許文献１に記載の方法では、レーザビームが通過した後の溶融部の凹凸を計測して評価しているため、例えば、被溶接部材の材質や板厚が異なると、所望の断面形状を得ることができない場合がある。
【０００４】
そこで、本発明は、溶融部の断面形状を所望の断面形状に形成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】
【０００５】
本発明に係るレーザ溶接方法は、重ね合わされた複数の被溶接部材からなるワークに対してレーザビームを相対的に走査すると共に、レーザビームの照射位置へアシストガスを供給しながら、ワークに溶融部を形成することで被溶接部材同士を接合するレーザ溶接方法において、形成される溶融部の断面形状が所望の断面形状になるように、ワークへのレーザビームによる入熱量（Ｑｉｎ）を、ワークのワーク情報、溶融部の設計用断面情報及び所望の断面形状に対応して予め設定されている形状パラメータ（α）を利用して算出する熱量算出工程と、熱量算出工程で算出された入熱量（Ｑｉｎ）に応じてレーザビームの出力及び走査速度の少なくとも一方を決定するビーム照射条件決定工程と、形状パラメータ（α）に基づいてアシストガスのガス供給条件を決定するガス供給条件設定工程と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
この方法では、形成する溶融部の断面形状を所望の断面形状とするための入熱量を算出し、算出された入熱量に基づいてレーザビームの走査速度及びレーザビームの出力の少なくとも一方を決定する。入熱量は、レーザビームの出力をレーザビームの走査速度で除したものに対応するため、レーザビームの走査速度及びレーザビームの出力の少なくとも一方を決定することでレーザビームの出力及び走査速度を設定できることになる。また、上記方法では、入熱量を算出する際に利用する形状パラメータ（α）に応じてアシストガスの供給条件を設定する。その結果、断面形状が所望の断面形状である溶融部を形成するために適したレーザビームの出力及び走査速度でワークにレーザビームを照射しながら形状パラメータ（α）に応じたガス供給条件でアシストガスをレーザビームの照射位置に供給してレーザ溶接を実施できることから、より確実に所望の断面形状の溶融部を形成することが可能である。
【０００７】
また、本発明に係るレーザ溶接方法が備える熱量算出工程は、ワークを構成する被溶接部材を溶融させて溶融部を形成するために要する溶融用熱量（Ｑｍｅｌｔ）を、ワーク情報及び設計用断面情報を利用して算出する溶融用熱量算出工程と、所望の断面形状に対応して予め設定されている形状パラメータ（α）としたとき、入熱量（Ｑｉｎ）を、
【数１】
0004669427.tif 000002
によって算出する入熱量算出工程と、を備えることが好ましい。
【０００８】
所望の断面形状に対応して予め決定されている形状パラメータ（α）と、被溶接部材を溶融させて溶融部を形成するために要する溶融用熱量（Ｑｍｅｌｔ）とを利用して式（１）から入熱量（Ｑｉｎ）を算出しているので、所望の断面形状を得るための入熱量（Ｑｉｎ）をより正確に算出できる。そして、算出された入熱量（Ｑｉｎ）によってレーザビームの出力及び走査速度を設定可能であることから、溶融部の断面形状をより確実に所望の断面形状にすることが可能である。
【０００９】
また、本発明に係るレーザ溶接方法では、設計用断面情報は溶融部の断面の面積であり、ワーク情報は、ワークの比熱（Ｓｈ）、密度（Ｍｄ）及びワークの溶融に至るまでの温度に関する温度パラメータ（ΔＴ）を含んでいることが好適である。設計用断面情報及びワーク情報として、溶融部の断面の面積や、ワークの比熱（Ｓｈ）、密度（Ｍｄ）、温度パラメータ（ΔＴ）を利用することで入熱量（Ｑｉｎ）を確実に算出できる。
【００１０】
また、本発明に係るレーザ溶接方法では、設計用断面情報は、溶融部の断面での溶融部の目標溶融部幅（Ｗ）と、溶融部におけるレーザビームの照射方向の長さである目標溶融部深さ（Ｄ）とであり、ワーク情報は、ワークの比熱（Ｓｈ）、密度（Ｍｄ）及びワークの溶融に至るまでの温度に関する温度パラメータ（ΔＴ）を含んでいることが好ましい。設計用断面情報としての目標溶融部深さ（Ｄ）及び目標溶融部幅（Ｗ）や、ワーク情報としてのワークの比熱（Ｓｈ）、密度（Ｍｄ）及び温度パラメータ（ΔＴ）を利用することで入熱量（Ｑｉｎ）を確実に算出できる。
【００１１】
また、本発明に係るレーザ溶接方法では、設計用断面情報は、溶融部の断面での溶融部の目標溶融部幅（Ｗ）と、溶融部におけるレーザビームの照射方向の長さである目標溶融部深さ（Ｄ）とであり、ワーク情報は、ワークの比熱（Ｓｈ）、密度（Ｍｄ）及びワークの溶融に至るまでの温度に関する温度パラメータ（ΔＴ）を含んでおり、熱量算出工程では、溶融部の所望の断面形状に対応する形状パラメータをαとし、貫通型の溶融部の入熱量（Ｑｉｎ）をＱ１ｉｎ、目標溶融部深さ（Ｄ）をＤ１及び目標溶融部幅（Ｗ）をＷ１と表したとき、Ｑ１ｉｎを、
【数２】
0004669427.tif 000003
によって算出し、非貫通型の溶融部の入熱量（Ｑｉｎ）をＱ２ｉｎ、目標溶融部深さ（Ｄ）をＤ２及び目標溶融部幅（Ｗ）をＷ２と表したとき、Ｑ２ｉｎを、
【数３】
0004669427.tif 000004
によって算出することが好適である。
【００１２】
溶融部としては、例えば、ワークを貫通する貫通型のものと、ワークを貫通しない非貫通型のものが考えられる。上記のように貫通型の溶融部と非貫通型の溶融部に対して異なる式（２）及び式（３）を利用することによって入熱量Ｑ１ｉｎ及び入熱量Ｑ２ｉｎを算出しているので、貫通型及び非貫通型の溶融部に対してより確実に所望の断面形状にすることが可能である。
【００１３】
また、本発明に係るレーザ溶接方法では、設計用断面情報は、溶融部の断面での溶融部の目標溶融部幅（Ｗ）と、溶融部におけるレーザビームの照射方向の長さである目標溶融部深さ（Ｄ）とであり、ワーク情報は、ワークの比熱（Ｓｈ）、密度（Ｍｄ）及びワークの溶融に至るまでの温度に関する温度パラメータ（ΔＴ）を含んでおり、溶融用熱量算出工程では、貫通型の溶融部の溶融用熱量（Ｑｍｅｌｔ）をＱ１ｍｅｌｔ、目標溶融部深さ（Ｄ）をＤ１及び目標溶融部幅（Ｗ）をＷ１と表したとき、Ｑ１ｍｅｌｔを、
【数４】
0004669427.tif 000005
ただし、
【数５】
0004669427.tif 000006
によって算出し、非貫通型の溶融部の溶融用熱量（Ｑｍｅｌｔ）をＱ２ｍｅｌｔ、目標溶融部深さ（Ｄ）をＤ２及び目標溶融部幅（Ｗ）をＷ２と表したとき、Ｑ２ｍｅｌｔを、
【数６】
0004669427.tif 000007
ただし、
【数７】
0004669427.tif 000008
によって算出することが好ましい。
【００１４】
前述したように、溶融部としては、例えば、ワークを貫通する貫通型のものと、ワークを貫通しない非貫通型のものが考えられる。上記のように貫通型の溶融部と非貫通型の溶融部に対して異なる式（４），（５）及び式（６），（７）を利用することによって溶融用熱量Ｑ１ｍｅｌｔ及び溶融用熱量Ｑ２ｍｅｌｔを算出している。そして、算出された溶融用熱量Ｑ１ｍｅｌｔ及び溶融用熱量Ｑ２ｍｅｌｔを利用して、入熱量Ｑ１ｉｎ及び入熱量Ｑ２ｉｎを算出するため、貫通型及び非貫通型の溶融部に対してより確実に所望の断面形状にすることが可能である。
【００１５】
また、本発明に係るレーザ溶接方法では、ワークの比熱（Ｓｈ）は、ワークを構成する各被接合部材の比熱の平均値であり、ワークの密度（Ｍｄ）は、ワークを構成する各被接合部材の密度の平均値であり、ワークの温度パラメータΔＴは、ワークを構成する各被接合部材が溶融に至るまでの温度に関する温度パラメータの平均値である、とすることが可能である。
【００１６】
更にまた、本発明に係るレーザ溶接方法におけるアシストガスは、第１のガスに第２のガスをｘ％（ｘは、０以上１００未満の数）含むものであり、アシストガスの供給条件は、第１及び第２のガスの種類、アシストガスの流量及び上記ｘを含んでいるとすることが好ましい。
【００１７】
この場合、第１及び第２のガスの種類、アシストガスの流量、及び、第１のガスに対する第２のガスの濃度ｘ（％）によってアシストガスの供給条件が制御されることになるので、溶融部の断面形状をより所望の断面形状にすることが可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るレーザ溶接方法では、所望の断面形状を有する溶融部を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明に係るレーザ溶接方法の実施形態について説明する。
【００２０】
本実施形態のレーザ溶接方法は、図１に示すように、重ね合わされた２枚の金属板１，３をワーク５とし、金属板１，３同士を溶接する、いわゆる重ね溶接を実施するための方法である。金属板１，３は同種の材料から形成されている。ここで、「同種の材料」とは、例えば、ステンレス鋼におけるオーステナイト系、フェライト系等、また、アルミニウム合金における５０００系、６０００系、７０００系等の各系でくくられる材料である。よって、同種の材料からなる金属板１，３としては、金属板１，３が何れもオーステナイト系ステンレス鋼から形成されている場合や、金属板１，３が何れもフェライト系ステンレス鋼から形成されている場合が例示される。
【００２１】
図１に示したレーザ溶接方法では、ワーク５に設定された仮想的な溶接計画ライン（走査ライン）Ａに沿ってレーザビームＬを、例えば、図１中の白抜き矢印Ｂ方向に走査することによって、ワーク５に溶融部７を形成して金属板１，３を溶接する。このように溶接を実施するときには、レーザビームＬの照射位置ＰにアシストガスＧを供給しておく。アシストガスＧとしては、不活性ガスとしての第１のガス（例えば、Ｈｅ）Ｇ１に、第２のガスＧ２をｘ％（ｘは、０以上１００未満の数）混合したものが例示される。第２のガスＧ２としては、活性ガス（例えば、Ｏ２やＣＯ２）が好ましい。
【００２２】
本実施形態のレーザ溶接方法では、溶融部７の断面形状を所望の断面形状にするために、ワーク５への最適な入熱量Ｑｉｎ（Ｊ／ｍ）を算出し、算出された入熱量Ｑｉｎに応じてレーザビームＬの照射条件及びアシストガスＧの供給条件を設定することを一つの特徴としている。入熱量Ｑｉｎに応じて設定されるレーザビームＬの照射条件は、レーザビームＬの出力Ｅ（Ｗ：ワット）及び走査速度Ｖ（ｍ／ｍｉｎ）の少なくとも一方である。また、アシストガスＧの供給条件としては、第１及び第２のガスＧ１，Ｇ２の種類、第１のガスＧ１に対する第２のガスＧ２の濃度としての上記ｘ及びアシストガスＧの流量が例示される。
【００２３】
入熱量Ｑｉｎの算出方法、並びに、レーザビームＬの照射条件及びアシストガスＧの供給条件の設定方法について説明する。以下の説明では、形成する溶融部７の目標溶融部幅Ｗ（ｍ）及び目標溶融部深さＤ（ｍ）を、形成する溶融部７の設計用断面情報とも称す。
【００２４】
図２に示すように、ワーク５を貫通する貫通型の溶融部７を形成する場合について説明する。なお、貫通型の溶融部７の場合の入熱量Ｑｉｎを、後述する非貫通型の溶融部７の場合の入熱量と区別するためにＱ１ｉｎとも表す。なお、図２は、溶接計画ラインＡに略直交するワーク５の断面を示している。
【００２５】
先ず、金属板１，３を溶融させて溶融部７を形成するために要する熱量（以下、「溶融用熱量」と称す）Ｑｍｅｌｔ（Ｊ／ｍ）を算出する。溶融用熱量Ｑｍｅｌｔについても後述する非貫通型の溶融部７の場合の溶融用熱量Ｑｍｅｌｔと区別するために、貫通型の溶融部７についての溶融用熱量ＱｍｅｌｔをＱ１ｍｅｌｔとも表す。この溶融用熱量Ｑ１ｍｅｌｔを次式を利用して算出する。
【数８】
0004669427.tif 000009
【００２６】
式（１）において、Ｓｈ（Ｊ/（ｋｇ・℃））はワーク５の比熱、ΔＴ（℃）は、金属板１，３から構成されるワーク５が溶融に至るまでの温度パラメータであり、ワーク５が溶融に至るまでの温度上昇分を表している。より具体的には、ワーク５の融点をＴｍ（℃）とし、潜熱をｑ（Ｊ／（ｋｇ・℃））とし、ワーク５のうち溶融部７を形成する領域において溶接計画ラインＡに沿った単位長さ分の領域の質量をＭＧ（ｋｇ）としたとき、ΔＴは、Ｔｍ＋ｑ／（Ｓｈ・ＭＧ）で表され、いわゆる潜熱ｑを考慮したワーク５の溶融に至るまでの温度を表している。
【００２７】
上記比熱Ｓｈ及び温度パラメータΔＴは、ワーク５によって決まるワーク情報である。ところで、ワーク５を構成する金属板１，３は、同種の金属から形成されていることから、金属板１，３の比熱はほぼ等しい。そのため、ワーク５の比熱Ｓｈは、例えば、金属板１及び金属板３の比熱の何れか一方としてもよいし、また、金属板１及び金属板３の比熱を平均する等の一定の演算を金属板１，３の比熱に対して実施することで算出したものとすることも可能である。ワーク５の温度パラメータΔＴについても同様の考え方で、金属板１，３の温度パラメータΔＴを利用して決めればよい。前述したように、ワーク５の温度パラメータΔＴは、比熱Ｓｈ、融点Ｔｍ、潜熱ｑ等を利用して算出可能であるため、ワーク情報が、ワーク５の融点Ｔｍ及び潜熱ｑを含んでいてもよい。
【００２８】
また、式（８）において、Ｍ１は式（９）によって算出される。
【数９】
0004669427.tif 000010
【００２９】
式（９）におけるＭｄ（ｋｇ/ｍ３）はワーク５の密度であり、ワーク５の比熱Ｓｈを決定する場合と同様の考え方で決める。このＭｄもワーク５によって決まるワーク情報の一つである。Ｄ１（ｍ）は、貫通型の溶融部７の場合における目標溶融部深さＤである。目標溶融部深さＤは、レーザビームＬの照射方向（図１中のワーク５の表面に略直交する方向）の溶融部７の長さであり、例えば、ワーク情報の一部を構成する金属板１の板厚ｄ１（ｍ）と金属板３の板厚ｄ２（ｍ）の和、すなわち、Ｄ１＝ｄ１＋ｄ２である。また、式（３）におけるＷ１（ｍ）は形成する貫通型の溶融部７の断面における目標溶融部幅Ｗであり、例えば、図２に示したように、金属板１，３の境界部の位置での幅とする。
【００３０】
式（９）より、Ｍ１の単位はｋｇ／ｍであり、Ｍ１は、いわばワーク５のうち溶融部７を形成する領域における溶接計画ラインＡに沿った単位長さ当たりの質量に対応している。なお、式（９）では、溶融用熱量Ｑ１ｍｅｌｔを算出するための溶融部７の設計用の断面形状は略長方形と近似している。式（９）で示したＭ１を利用した場合、温度パラメータΔＴを算出する際のＭＧは、溶接計画ラインＡに沿った単位長さをｔとしてｔ・Ｍ１と表される。
【００３１】
次に、式（９）で算出された溶融用熱量Ｑ１ｍｅｌｔから式（１０）を利用して入熱量Ｑ１ｉｎを算出する。
【数１０】
0004669427.tif 000011
【００３２】
式（１０）に示したαは、形成される溶融部７の断面形状を所望の断面形状にするための形状パラメータである。この形状パラメータαは、種々のガス供給条件及びαの値によって予め実施された実験によって決められており、各実験結果としての溶融部７の断面形状に対応している。よって、式（１０）を利用して入熱量Ｑ１ｉｎを算出するための形状パラメータαとしては、予め実施された上記各実験結果の中から所望の断面形状の溶融部７が形成されているときのものを選択すればよい。そして、前述したように、形状パラメータαを規定するための各実験ではガス供給条件もパラメータとなっているので、形状パラメータαを選択することによって、所望の断面形状を得るためのガス供給条件が決定されることにもなる。
【００３３】
また、入熱量Ｑ１ｉｎは、レーザビームＬの出力ＥをレーザビームＬの走査速度Ｖで除した値に対応していることから、本実施形態のレーザ溶接方法では、算出した入熱量Ｑ１ｉｎを利用して、レーザビームＬの出力Ｅ及びレーザビームＬの走査速度Ｖの少なくとも一方を決定する。決定方法としては、例えば、レーザビームＬの出力Ｅ及び走査速度Ｖの何れか一方を予め設定して、入熱量Ｑ１ｉｎから他方を決定してもよいし、入熱量Ｑ１ｉｎになるように、出力Ｅ及び走査速度Ｖの組み合わせを決定してもよい。
【００３４】
次に、図３に示すように、ワーク５を貫通していない非貫通型の溶融部７を形成する場合について、貫通型の場合との相違点を中心にして説明する。非貫通型の溶融部７を形成する場合の入熱量Ｑｉｎを、貫通型の場合と区別するためにＱ２ｉｎとも表す。なお、図３は、溶接計画ラインＡに略直交するワーク５の断面を示している。
【００３５】
この場合も、非貫通型の溶融部７を形成する場合の溶融用熱量Ｑｍｅｌｔとしての溶融用熱量Ｑ２ｍｅｌｔを次式を利用して算出する。
【数１１】
0004669427.tif 000012
ただし、
【数１２】
0004669427.tif 000013
である。なお、式（１２）では、溶融用熱量Ｑ２ｍｅｌｔを算出するための溶融部７の設計用の断面形状は略三角形と近似している。また、式（１２）で示したＭ２を利用した場合、溶融部７が非貫通型での温度パラメータΔＴを算出する際のＭＧは、溶接計画ラインＡに沿った単位長さをｔとしてｔ・Ｍ２と表される。
【００３６】
式（１２）におけるＤ２（ｍ）は、非貫通型の溶融部７の場合の目標溶融部深さＤに対応する。そして、形成する溶融部７のうち金属板３内の長さであり、金属板３における金属板１側の面３ａから溶融部７の先端７ａまでの長さをｄ３（ｍ）としたとき、例えば、Ｄ２＝ｄ１＋ｄ３である。また、式（１２）におけるＷ２は非貫通型の溶融部７の場合の目標溶融部幅Ｗであり、貫通型の場合と同様に、例えば金属板１，３の境界部の位置での幅である。
【００３７】
そして、入熱量Ｑ２ｉｎを式（１３）によって算出する。
【数１３】
0004669427.tif 000014
式（１３）のαは、貫通型の溶融部７の場合と同様の考え方、すなわち、予め種々のガス供給条件とαとによって実施された各実験結果に対応して決められている形状パラメータである。また、算出した入熱量Ｑ２ｉｎからレーザビームＬの出力Ｅ及び走査速度Ｖを決定する方法は、貫通型の溶融部７の場合と同様である。更に、形状パラメータαが選択されることで、アシストガスＧのガス供給条件が決定されることも貫通型の溶融部７の場合と同様である。
【００３８】
図１に示すレーザ溶接方法では、上記のように、貫通型及び非貫通型の溶融部７に対して設定されるレーザビームＬの出力Ｅ及び走査速度Ｖを利用してレーザビームＬを溶接線計画ラインＡに沿って照射しながら、形状パラメータαを選択することで決定されるガス供給条件によってアシストガスＧをレーザビームＬの照射位置Ｐに供給して溶融部７を形成する。この場合、溶融部７の断面形状が、形状パラメータαに対応して決定される断面形状になるように入熱量Ｑｉｎを算出し、その入熱量Ｑｉｎに基づいて、レーザビームＬの照射条件（出力Ｅや走査速度Ｖ）及びガス供給条件を決定しているので、溶融部７の断面形状をより確実に所望の断面形状にすることができる。
【００３９】
また、入熱量Ｑｉｎ及び溶融用熱量Ｑｍｅｌｔを算出する際、形成する溶融部７が貫通型であるか非貫通型であるかに応じて、入熱量Ｑｉｎ及び溶融用熱量Ｑｍｅｌｔ算出用の式をそれぞれに適したものを利用しているため、より一層所望の断面形状の溶融部７を形成することができるようになっている。例えば、式（９）と式（１２）とを比較すると、式（１２）では、式（９）と異なり、目標溶融部幅Ｗ（Ｗ２）と目標溶融部深さＤ（Ｄ２）との積を２で除している。これは、前述したように、貫通型の溶融部７では、設計用の断面形状を長方形と近似し、非貫通型の溶融部７では設計用の断面形状を三角形で近似していることによるものである。このように溶融用熱量Ｑｍｅｌｔを算出する段階で、貫通型及び非貫通型の形状を反映させるため、例えば、形状パラメータαのみで溶融部７の断面形状を制御する場合よりも溶融部７の断面形状を所望の断面形状にすることができるようになっている。
【００４０】
また、形状パラメータαの選択によりガス供給条件の変更により入熱量を変えることができるので、レーザビームの走査速度に起因する位置決めなどのプログラミング変更を必要とせずに断面形状を制御できる。
【００４１】
以上説明したレーザ溶接方法は、図４に示したレーザ溶接装置Ｓで好適に実施される。
【００４２】
レーザ溶接装置Ｓは、ワーク５としての金属板１，３を載置するための支持台９と、ワーク５に照射するレーザビームＬを出力するレーザヘッド１１とを備えている。レーザヘッド１１は、レーザビームＬを連続的に出力可能なレーザ発振部１１Ａと、レーザ発振部１１Ａの光軸Ｃ上に配置された集光レンズ１１Ｂとを有する。レーザ発振部１１Ａは、レーザ溶接装置Ｓが備える制御部１７のレーザ発振制御部１７Ａによって制御されており、レーザ発振制御部１７Ａからの制御信号によって指定された出力でレーザビームＬを連続的に出力する。このレーザ発振部１１Ａから出力されたレーザビームＬは、集光レンズ１１Ｂによって集光されて、光軸Ｃ方向をレーザビームＬの照射方向としてワーク５に照射されることになる。
【００４３】
レーザヘッド１１は、アーム部１９を介してマニピュレータ２１に接続されている。マニピュレータ２１は、制御部１７の照射位置制御部１７Ｂによって制御され、レーザヘッド１１を金属板１から一定距離離して配置すると共に、アーム部１９を駆動してレーザヘッド１１をワーク５に対して相対的に移動させる。具体的には、マニピュレータ２１は、照射位置制御部１７Ｂからの制御信号に基づいてレーザビームＬが溶接計画ラインＡに沿って移動するように、図４における白抜き矢印Ｂで示す方向にレーザヘッド１１を移動させる。これにより、レーザビームＬが溶接計画ラインＡに沿って走査されることになる。なお、図４における白抜き矢印Ｂで示す方向は、図１における白抜き矢印Ｂで示す方向に対応している。
【００４４】
また、レーザ溶接装置Ｓは、レーザビームＬの照射位置ＰにアシストガスＧを供給するガス供給手段２３を有する。ガス供給手段２３は、レーザヘッド１１に取り付けられておりアシストガスＧをレーザビームＬの照射位置Ｐに噴射するガス供給ノズル２３Ａと、ガス供給ノズル２３Ａとガス導入パイプ２３Ｂで接続されており、ガス供給ノズル２３ＡにアシストガスＧを供給するガス供給部２３Ｃとを有している。
【００４５】
ガス供給部２３Ｃは、制御部１７のガス供給条件制御部１７Ｃによって制御され、ガス供給条件制御部１７Ｃによって指定されるガス供給条件に基づいたアシストガスＧをガス供給ノズル２３Ａに供給する。よって、ガス供給条件制御部１７Ｃから形状パラメータαに対応したガス供給条件でアシストガスＧを供給する旨の制御信号をガス供給部２３Ｃに送信することで、溶融部７の断面形状を所望の断面形状に制御するためのアシストガスＧがレーザビームＬの照射位置Ｐに供給されることになる。
【００４６】
なお、形状パラメータαに対応したガス供給条件のうち、アシストガスＧの流量は、例えば、ガス供給ノズル２３Ａによって調整することも可能であるし、ガス導入パイプ２３Ｂ上にポンプ等の流量調整手段を設け、流量調整手段によって流量を調整してもよい。
【００４７】
また、レーザ溶接装置Ｓが備える制御部１７は、演算部１７Ｄと記憶部１７Ｅとを更に有する。演算部１７Ｄは、式（８）〜式（１３）を利用して、溶融用熱量Ｑｍｅｌｔ及び入熱量Ｑｉｎを算出する。また、演算部１７Ｄは、算出された入熱量Ｑｉｎに基づいて、レーザビームＬの出力Ｅ及び走査速度Ｖの少なくとも一方を決定する。記憶部１７Ｅは、演算部１７Ｄによって入熱量Ｑｉｎを算出するための演算を実行するために必要な基本情報（ワーク情報、設計用断面情報）や、形状パラメータαとガス供給条件との対応関係を示すデータベース等を格納する。
【００４８】
レーザ溶接装置Ｓは、制御部１７との間でデータの送受信可能に接続された操作部２５を更に有する。操作部２５は、例えば、液晶タッチパネルであり、レーザ溶接装置Ｓを利用して溶接を実施するために必要な上記基本情報等を制御部１７に入力する入力部としての機能を有すると共に、制御部１７から出力される各種データ（情報）を表示する表示部としての機能を有する。制御部１７から出力されるデータとしては、例えば、演算部１７Ｄで算出された入熱量Ｑｉｎや、溶融用熱量Ｑｍｅｌｔなどである。
【００４９】
次に、レーザ溶接装置Ｓを利用した本実施形態のレーザ溶接方法について図５を利用して詳細に説明する。図５は、レーザ溶接方法を示すフローチャートである。
【００５０】
以下の説明では、金属板１，３は何れもＪＩＳで規定されるステンレス鋼板ＳＵＳ３０４とする。このように金属板１，３は同じステンレス鋼板ＳＵＳ３０４であるため、ワーク情報としての比熱Ｓｈ、温度パラメータΔＴ及び密度Ｍｄは金属板１（又は金属板３）の比熱Ｓｈ、温度パラメータΔＴ及び密度Ｍｄとする。具体的には、ステンレス鋼板ＳＵＳ３０４の場合、比熱Ｓｈは０．４７Ｊ／（ｋｇ・℃）であり、温度パラメータΔＴは２０００℃であり、密度は７．９３ｇ／ｃｍ３である。また、溶融部７は図３に示した非貫通型とする。
【００５１】
更に、実現すべき所望の断面形状は、図６に示すように、溶融部深さＤａ〜Ｄｃ及び溶融部幅Ｗａ〜Ｗｃの異なる３つの断面形状のうちの何れかとする。図６（ａ）〜（ｃ）に示した断面形状は、主に溶融部深さＤａ〜Ｄｃの違いに着目したものであり、図６（ａ）に示した断面形状は、溶融部深さＤａが、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示す断面形状での溶融部深さＤｂ，Ｄｃより深い形状である。また、図６（ｃ）に示した断面形状は、溶融部深さＤｃが溶融部深さＤａより浅い形状である。そして、図６（ｂ）に示した断面形状は、図６（ａ）及び図６（ｃ）に示した断面形状の中間の形状であって、図６（ｂ）に示した断面形状での溶融部深さＤｂが図６（a）及び図６（ｃ）に示した断面形状の溶融部深さＤａ，Ｄｃの中間になっている。
【００５２】
ここでは、図６（ａ）の断面形状に対応する形状パラメータαは３とし、図６（ｂ）の断面形状に対応する形状パラメータαを４とし、図６（ｃ）の断面形状に対応する形状パラメータαを５とする。
【００５３】
また、形状パラメータαの上記３つの値とガス供給条件との対応関係を表１に示す。ここでは、第１のガスＧ１は共通として、例えばＨｅとする。レーザ溶接装置Ｓによってレーザ溶接を実施する場合には、表１に示した対応関係をデータベースとして記憶部１７Ｅに予め格納しておく。
【表１】
0004669427.tif 000015
【００５４】
レーザ溶接装置Ｓによってレーザ溶接を実施する場合には、図５に示すように、ステップＳ１０において、操作部２５を介して制御部１７に基本情報を入力する。入力する基本情報としては、例えば、金属板１，３の材質、設計用断面情報としての目標溶融部深さＤ２及び目標溶融部幅Ｗ２、ワーク情報としてのワーク５の比熱Ｓｈ、密度Ｍｄ、温度パラメータΔＴ、レーザビームＬの出力Ｅ並びに形状パラメータα（すなわち、３、４、５の何れかの値）である。また、操作部２５を介して形成する溶融部７が非貫通型である旨も基本情報として入力する。制御部１７は、例えば、入力された上記基本情報を記憶部１７Ｅに格納する。
【００５５】
なお、ワーク情報として目標溶融部深さＤ２を入力するとしたが、操作者が予め目標溶融部深さＤ２を決定していれば、目標溶融部深さＤ２の代わりに、ワーク情報としての金属板１の板厚ｄ１と、Ｄ２―ｄ１で決まるｄ３を入力してもよい。また、温度パラメータΔＴを入力する代わりに、融点Ｔｍや潜熱ｑ等の温度パラメータΔＴを算出するために必要なワーク５の物性値（比熱Ｓｈ、融点Ｔｍ、潜熱ｑ）を入力してもよい。この場合には、演算部１７Ｄが、単位長さｔを１として、ΔＴをＴｍ＋ｑ／（Ｓｈ・Ｄ２・Ｗ２／２）から算出する。
【００５６】
基本情報が入力されると、ステップＳ１１において、演算部１７Ｄは、ステップＳ１０で入力された基本情報と式（１２）及び式（１３）とを利用して溶融用熱量Ｑ２ｍｅｌｔを算出した後、ステップＳ１２において、ステップＳ１０で入力された形状パラメータαと式（１３）とを利用して入熱量Ｑ２ｉｎを算出する。次に、ステップＳ１３において、演算部１７Ｄは、記憶部１７Ｅに格納されているレーザビームＬの出力Ｅと入熱量Ｑ２ｉｎとからレーザビームＬの走査速度Ｖを算出する。また、ステップＳ１４において、ガス供給条件制御部１７Ｃは、記憶部１７Ｅに格納されているデータベースから指定された形状パラメータαに対応するガス供給条件を選択する。
【００５７】
そして、ステップＳ１５において、演算部１７Ｄで算出されたレーザビームＬの走査速度Ｖ、指定されたレーザビームの出力Ｅ及び選択されたガス供給条件に基づいて、レーザ溶接を実施する。すなわち、レーザ発振制御部１７Ａは、記憶部１７Ｅに格納されている指定されたレーザビーム出力Ｅでレーザ発振部１１ＡからレーザビームＬを連続的に出力せしめる。また、照射位置制御部１７Ｂは、算出された走査速度ＶでレーザビームＬが溶接計画ラインＡに沿って移動するようにマニピュレータ２１を制御してレーザヘッド１１を、所定方向に移動させる。更に、ガス供給条件制御部１７Ｃは、ガス供給部２３Ｃを制御して、選択されたガス供給条件に基づいてガス供給部２３Ｃからガス供給ノズル２３ＡにアシストガスＧを所定の流量で供給する。
【００５８】
これにより、選択されたガス供給条件に基づいてアシストガスＧがレーザビームＬの照射位置Ｐに供給されながら、レーザビームＬが演算部１７Ｄで算出された入熱量Ｑ２ｉｎによって決まる走査速度で溶接計画ラインＡに沿って走査される。その結果として、所望の断面形状を有する溶融部７が形成される。
【００５９】
例えば、形状パラメータαとして３を指定した場合、図６（ａ）に示した断面形状を有する溶融部７を形成できる。この場合、溶融部深さ、すなわち、溶け込み量がより深い形状であるので、金属板１，３間に多少のギャップがあっても金属板１，３同士を接合可能である。そのため、例えば、金属板１，３の一方がＲ曲げされている場合の接合に好ましい形状である。より具体的には、図６（ａ）に示した断面形状は、金属板１，３の一方を鉄道車両（拡幅車両）のＲを有する腰板としたときに、その腰板の部分への補強材としての他の金属板１，３を接合する場合に好適な形状となっている。また、図６（ａ）に示した断面形状の場合、レーザ溶接におけるエネルギー効率が向上する傾向にあるので、結果として金属板１，３同士を接合してなる接合体の製造コストの低減を図ることが可能となっている。
【００６０】
また、形状パラメータαとして５を指定した場合、図６（ｃ）に示した溶融部７の断面形状を有する溶融部７を形成できる。この形状の場合、支持台９にワーク５が載置された際に、下板となる金属板３への入熱量を少なくできる。また、ひずみ量を図６（ａ）及び図６（ｂ）に示す断面形状より少なくでき、また、ひずみが生じる場合、そのひずみの形状がＲ形状になる傾向にある。図６（ｃ）に示した溶融部７の断面形状を有する溶融部７は、金属板１，３の一方を外板（又は骨部材）とし、金属板１，３の他方を、外板（又は骨部材）に取りつける機器のブラケットとしたとき、その外板（又は骨部材）とブラケットとの結合等に好適な形状となっている。
【００６１】
更に、形状パラメータαとして４を指定した場合、図６（ｂ）に示した溶融部７の断面形状を有する溶融部７を形成できる。この形状は、図６（ａ）と図６（ｃ）に示した断面形状の中間の形状に対応するものであり、エネルギ効率とひずみ量のバランスが良い形状である。そして、この形状は、例えば、金属板１，３の一方を鉄道車両のＲのない外板とし、金属板１，３の他方を、そのＲのない外板の補強材としたとき、外板と補強材との接合に好適に利用できる形状となっている。
【００６２】
以上説明したように、形状パラメータαを利用して式（１３）によって入熱量Ｑ２ｉｎを算出して、レーザ照射条件及びガス供給条件を設定することで、前述したように、溶融部７の断面形状をより確実に所望の断面形状にすることができる。その結果、金属板１，３を溶接してなる接合体の適用箇所に応じてより適切な断面形状を有する溶融部７を形成することができる。
【００６３】
なお、レーザ溶接装置Ｓを利用したレーザ溶接の実施方法の説明では、形成する溶融部７を非貫通型としたが、貫通型に対しても同様の方法で、溶融部７の断面形状を所望の断面形状にすることが可能である。貫通型の場合には、ステップＳ１０において入力する際に、基本情報として貫通型である旨を入力し、上記説明での式（１１）〜式（１３）の代わりに、式（８）〜式（１０）を利用すればよい。
【００６４】
また、アシストガスＧに含まれる第１のガスＧ１は、形状パラメータαに対して共通としたが、形状パラメータα毎に第１及び第２のガスＧ１，Ｇ２の種類を変えてもよい。例えば、形状パラメータαが１の場合に、アシストガスＧは、第１のガスＧ１をＨｅのみからなるとし、形状パラメータαが５の場合に、第１のガスＧ１をＡｒとし、第２のガスＧ２をＣＯ２とすることもできる。
【００６５】
以上、本発明のレーザ溶接方法の実施形態について説明したが、本発明のレーザ溶接方法は、上記実施形態に限定されない。形状パラメータαは、図５に示したフローチャートを利用したレーザ溶接方法の説明では、３，４，５の何れかの値としたが、接合すべき被溶接部材１，３に対して種々の形状パラメータα及びガス供給条件によって予め実施した実験結果に対応したものであればよい。また、上記実施形態では、レーザビームＬの出力Ｅを予め制御部１７に入力しているが、レーザビームＬの走査速度Ｖを予め入力しておいてもよい。この場合には、算出されたＱｉｎに基づいてレーザビームＬの出力が決定されることになる。更に、図５に示したフローチャートでは、便宜上、ガス供給条件を決定する工程をステップＳ１４とし、ステップＳ１３の後に実行されるように表されているが、形状パラメータαを指定する段階で、ガス供給条件制御部１７Ｃが指定された形状パラメータαに対応するガス供給条件を選択すればよいので、ステップＳ１５の前であれば特に限定されない。
【００６６】
また、被溶接部材１，３は２枚に限定されず３枚以上であってもよい。被溶接部材が３枚以上の場合は、目標溶融部幅Ｗは、例えば、図４に示した支持台９上に直接接するように置かれた被溶接部材とその被溶接部材に当接するように設けられる被溶接部材との境界部の幅としてもよいし、３枚以上の被溶接部材のうち隣接する被溶接部材の境界部における幅の平均値としてもよい。更に、上記実施形態では、先ず、溶融用熱量Ｑｍｅｌｔを算出した後に、入熱量Ｑｉｎを算出しているが、例えば、式（８），（９）を式（１０）に代入することで、貫通型の溶融部７の入熱量Ｑ１ｉｎを、
【数１４】
0004669427.tif 000016
によって算出し、式（１１），（１２）を式（１３）に代入することで、非貫通型の溶融部７の入熱量Ｑ２ｉｎを、
【数１５】
0004669427.tif 000017
によって算出してもよい。
【００６７】
また、非貫通型の溶融部７を形成する際に利用する式（１２）では、溶融部７の形状を三角形で近似しているが、三角形に限定されず、長方形でもよいし、五角形でもよい。更に、設計用断面情報は、目標溶融部幅Ｗ及び目標溶融部深さＤとしたが、形成する溶融部７の断面の面積Ａｒとすることもできる。この場合、式（９）及び式（１４）では、Ｄ１とＷ１の積を面積Ａｒで置き換えらればよい、また、式（１２）及び式（１５）では、（Ｄ２・Ｗ２）／２を面積Ａｒで置き換えればよい。
【００６８】
更にワーク情報として、ワーク５の比熱Ｓｈ、密度Ｍｄ及び温度パラメータΔＴとしたが、前述したように、ワーク５の比熱Ｓｈ、密度Ｍｄ及び温度パラメータΔＴは、ワーク５を構成する複数の被溶接部材の対応する物性値によって決まるので、ワーク情報としては、ワーク５を構成する複数の被溶接部材の比熱Ｓｈ、密度Ｍｄ及び温度パラメータΔＴとすることも可能である。また、ワーク５を構成する被溶接部材１，３の材質は金属に限定されず、ポリプロピレン系等の樹脂材料のものでもよい。
【００６９】
更に、レーザ溶接装置Ｓを利用してレーザ溶接を実施する方法の説明では、ワーク５に対してレーザヘッド１１を移動させたが、レーザビームＬがワーク５に対して相対的に走査されていればよいため、例えば、レーザヘッド１１（又はレーザビームＬ）に対して支持台９を移動させることでワーク５を移動させてもよい。
【００７０】
また、形状パラメータαに対応するガス供給条件は、第１及び第２のガスＧ１，Ｇ２の種類、第１のガスＧ１に対する第２のガスＧ２の濃度、アシストガスＧの流量の組み合わせとしたがこれに限定されず、これらのうちの少なくとも一つの条件を変えるだけでもよいし、他の条件を加えることも可能である。例えば、ガス供給条件として、光軸Ｃに対するアシストガスＧの供給方向、より具体的には、光軸Ｃとガス供給ノズル２３Ａの軸線２５（図１及び図４参照）との間のなす角度を条件として更に加えることも可能であるし、ガス供給ノズル２３Ａの軸線２５と光軸Ｃ（レーザビームＬの照射方向）との間のなす角度と、上記第１及び第２のガスＧ１，Ｇ２の種類、第１のガスＧ１に対する第２のガスＧ２の濃度、アシストガスＧの流量のうち少なくとも一つとを組み合わせることも可能である。その他、ガス供給条件としては、ガス供給ノズル２３Ａの直径やガス供給ノズル２３Ａの先端部の形状等が考えられる。
【００７１】
また、アシストガスＧは、第１のガスＧ１に第２のガスＧ２がｘ％（ｘは、０以上１００未満の数）含まれているものとしたがこれに限定されない。アシストガスＧは、３種類以上のガスが混合されたものとすることも可能である。例えば、アシストガスＧは、第１及び第２のガスＧ１，Ｇ２に加えて第３のガスを更に含んだものとすることができる。この場合には、種々の第１〜第３のガスの種類、濃度、アシストガスＧの流量等によって予め金属板１，３を溶接する実験を実施し、前述したように、取得された断面形状と形状パラメータαとを対応させておき、形状パラメータαを決定することでガス供給条件を決定する。
【００７２】
更にまた、図４に示したレーザ溶接装置Ｓを利用してレーザ溶接を実施する場合、レーザヘッド１１からレーザビームＬを連続的に出力してワーク５に照射するとしたが、本発明に係るレーザ溶接方法は、レーザビームＬをパルス的にワーク５に照射する場合にも適用可能である。レーザビームＬをパルス的にワーク５に照射する場合には、例えば、レーザヘッド１１が有するレーザ発振部１１Ａとして、レーザビームＬをパルス的に出力可能なレーザ発振部を利用すればよい。
【００７３】
また、目標溶融部幅Ｗとして金属板１，３の境界部の位置での幅を例示したがこれに限定されずに、例えば、目標溶融部幅Ｗは、形成する溶融部７のうち金属板１のレーザヘッド１１側の面の位置での幅とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態の一工程を示す工程図である。
【図２】貫通型の溶融部の断面形状の模式図である。
【図３】非貫通型の溶融部の断面形状の模式図である。
【図４】本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態を実施するためのレーザ溶接装置の構成を概略的に示す構成図である。
【図５】本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態のフローチャートである。
【図６】形状パラメータに対応する断面形状の模式図である。
【符号の説明】
【００７５】
１，３…金属板（被溶接部材）、５…ワーク、７…溶融部、Ｃ…光軸（レーザビームの照射方向）、Ｄ，Ｄ１，Ｄ２…目標溶融部深さ、Ｗ，Ｗ１，Ｗ２…目標溶融部幅、Ｇ…アシストガス、Ｇ１…第１のガス、Ｇ２…第２のガス、Ｌ…レーザビーム、Ｐ…照射位置。
【図１】
0004669427.tif 000020
【図２】
0004669427.tif 000021
【図３】
0004669427.tif 000022
【図４】
0004669427.tif 000023
【図５】
0004669427.tif 000024
【図６】
0004669427.tif 000025