(57)【要約】【課題】被覆層に起因する鋼板の溶接の品質劣化を、簡易な方法で抑制することができるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】レーザ溶接方法は、レーザ装置７から出射したレーザ光Ｌを走査しながら、亜鉛メッキ鋼板３，３の突き合わせ部３ａを溶接するレーザ溶接方法である。鋼板３，３の表面におけるレーザ光Ｌの照射スポット領域Ｆは、鋼板３，３が溶接可能な出力密度を有する溶接領域Ｆ１と、溶接領域Ｆ１よりもレーザ光Ｌの走査ラインＤ上における下流側に形成されると共に、亜鉛メッキ層を蒸発させ且つ溶接領域Ｆ１よりも低い出力密度を有する非溶接領域Ｆ２とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ装置から出射したレーザ光を走査しながら、被覆層が設けられた鋼板同士を溶接するレーザ溶接方法において、
前記鋼板の表面における前記レーザ光の照射スポット領域は、
前記鋼板の溶接が可能な出力密度を有する溶接領域と、
前記溶接領域よりも前記レーザ光の走査ライン上における下流側に形成されると共に、前記被覆層を蒸発させ且つ前記溶接領域よりも低い出力密度を有する非溶接領域と、で形成されていることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記レーザ装置は、細長い焦点形状をもつラインフォーカス型であり、
前記レーザ光の焦点を前記溶接領域に合わせた状態で、前記レーザ光の光軸は、前記走査ラインを含む平面上において、前記走査ラインに垂直な基準光軸に対して上流側又は下流側に傾けられてい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】
前記被覆層は、亜鉛メッキ層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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面加工により被覆層が設けられた鋼板にレーザ光を走査しながら鋼板を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】
従来、例えば亜鉛メッキ鋼板の溶接においては、溶融した鋼材に亜鉛が混入し、溶融鋼材中で亜鉛が蒸発することで、ポロシティやブローホールといった溶接の品質劣化が発生することが知られている。このような被覆層をもつ鋼板の溶接における品質劣化を抑制する技術として、例えば、下記特許文献１に記載された溶接方法が知られている。この方法では、重ね合わせた鋼板の溶接箇所近傍に、予めレーザ光でスポット溶接を行っている。そして、このスポット溶接による歪みで発生する鋼板同士の間隙から、溶接時に発生する亜鉛蒸気を放散することで、溶接の品質劣化を抑制することが提案されている。また、他の対策としては、化学薬品や機械的研磨によりメッキ部を予め除去しておくことも考えられる。
【特許文献１】特開平５−２２６１４５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、このような溶接方法では、上述のような前処理工程を必要とするので、作業効率の向上を図ることができない。また、化学薬品や機械的研磨による前処理では、前処理の品質管理が困難であるという問題もある。
【０００４】
そこで、本発明は、被覆層に起因する鋼板の溶接の品質劣化を、簡易な方法で抑制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。
【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、レーザ装置から出射したレーザ光を走査しながら、被覆層が設けられた鋼板同士を溶接するレーザ溶接方法において、鋼板の表面におけるレーザ光の照射スポット領域は、鋼板の溶接が可能な出力密度を有する溶接領域と、溶接領域よりもレーザ光の走査ライン上における下流側に形成されると共に、被覆層を蒸発させ且つ溶接領域よりも低い出力密度を有する非溶接領域と、で形成されていることを特徴とする。
【０００６】
この方法によれば、鋼板上の加工位置には、走査ライン上を走査されるレーザ光の照射スポット領域のうち、非溶接領域が溶接領域に先立って到達する。非溶接領域は出力密度が比較的低く、加工位置における鋼板表面の被覆層を蒸発させる。その後、被覆層が取り除かれた位置には、出力密度が比較的高い溶接領域が到達し、鋼板が溶融され溶接される。このように、照射スポット領域には、溶接領域よりも下流側に非溶接領域を設けることによって、被覆層が取り除かれた状態で鋼板を溶接することができる。このように、一連のレーザ光走査によって、被覆層による溶接への悪影響を簡易に抑制することができる。
【０００７】
また、レーザ装置は、細長い焦点形状をもつラインフォーカス型であり、レーザ光の焦点を溶接領域に合わせた状態で、レーザ光の光軸は、走査ラインを含む平面上において、走査ラインに垂直な基準光軸に対して上流側又は下流側に傾けられていると好適である。このような構成によれば、溶融領域にはレーザ光の焦点が合わせられているので、溶接領域における高い出力密度が得られる一方で、溶接領域の下流側には、レーザ光の焦点がボケて出力密度が低くなった領域として、上記非溶接領域を形成することができる。
【０００８】
また、本発明に係るレーザ溶接方法において、上記被覆層は、亜鉛メッキ層であってもよい。亜鉛の蒸発点は、鋼板の融点に比較して十分に低いため、溶接時に亜鉛蒸気が発生し、この亜鉛蒸気による溶接への悪影響が発生し易い。従って、亜鉛メッキ層が設けられた鋼板の溶接においては、上記レーザ溶接方法を適用することが特に好適である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のレーザ溶接方法によれば、被覆層に起因する鋼板の溶接の品質劣化を、簡易な方法で抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明に係るレーザ溶接方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１に示すように、レーザ溶接装置１は、２枚の亜鉛メッキ鋼板３，３の突き合わせ部３ａにレーザ光Ｌを走査させて、この鋼板３，３を溶接し接合する装置である。ここで用いられる鋼板３は、鋼板母体３ｃの両面に厚さ数十μｍの亜鉛メッキ層（被覆層）３ｍが設けられた板厚１．２ｍｍの自動車用の亜鉛メッキ鋼板である（図３参照）。
【００１２】
この装置１は、２枚の鋼板３，３を設置するテーブル５を備えている。更に、このテーブル５の上方には、レーザ出射部７ａから斜め下向きにレーザ光Ｌを出射する半導体レーザ装置７が設けられている。このレーザ装置７は、ラインフォーカス型のダイレクトダイオードレーザ装置であり、光軸Ｃに垂直な方向に延びる細長い焦点形状を有する。この焦点サイズを空間的出力分布における半値幅で表すと、約０．５ｍｍ×６ｍｍであり、レーザ措置７の出力は４ｋＷである。このようなラインフォーカス型の半導体レーザ装置は、赤外領域のレーザ発信器に比較してレーザ光の波長が短いので、反射率が低く、熱効率に優れている。
【００１３】
テーブル５上には、２枚の鋼板３，３が端部を突き合わせた状態で水平に設置され、レーザ装置７からのレーザ光Ｌは、この鋼板３，３上に集光する。その状態で、テーブル５がＡ方向に直線的に水平移動すると、レーザ光Ｌは、走査ラインＤ上をＢ方向に走査されることになる。このとき、突き合わせ部３ａを走査ラインＤに一致させるように鋼板３，３を設置すれば、レーザ光Ｌが突き合わせ部３ａを走査され、鋼板３，３の端部同士が溶接される。この場合、レーザ光Ｌの走査速度（テーブル５の移動速度）は、１．２ｍ／分である。また、レーザ装置７の走査の上流側には、レーザ光Ｌが集光する位置に向けて斜め上から溶接雰囲気ガスを噴出するガス供給ノズル９が設けられている。ここでは、このガス供給ノズル９から、アルゴンガスが毎分３０リットルで噴出される
【００１４】
ここで、亜鉛の蒸発点は、鋼板３の融点に比較して十分に低いため、溶接時には亜鉛メッキ層３ｍの蒸発により亜鉛蒸気が発生し、溶融した鋼材に亜鉛蒸気が混入し易い。そして、溶融鋼材中で亜鉛が再び蒸発することで、ポロシティやブローホールが発生し、溶接の品質が劣化することが問題となる。
【００１５】
そこで、この溶接の品質劣化の対策として、このレーザ溶接装置１では、レーザ光Ｌの光軸Ｃが、鉛直軸（基準光軸）Ｙに対して走査の上流側に１５°傾くように、レーザ装置７が傾けられて設置されている。ここで、レーザ装置７の配置を更に説明するため、走査ラインＤを含む鉛直平面を基準面Ｚとする。この場合、レーザ光Ｌの光軸Ｃは基準面Ｚ内に存在すると共に、７５°の角度をもって水平面に交差するので、レーザ光Ｌは、鋼板３，３に対して７５°の入射角で斜め上から照射される。また、レーザ光Ｌの細長い焦点は、光軸Ｃと直交する方向に上記基準面Ｚ内で延びており、この焦点の上流側の端が突き合わせ部３ａ上の位置に合うように、レーザ装置７が位置決めされている。なお、ここでは、レーザ光Ｌの鋼板３，３に対する入射角を、７５°としているが、適宜変更してもよい。この入射角としては、６０〜８５°の角度が好ましい。
【００１６】
このような構成に基づき、レーザ光Ｌが照射されると、突き合わせ部３ａ上における照射スポット領域Ｆは、突き合わせ部３ａに沿って延びる形状を有することになる。そして、照射スポット領域Ｆは、上流側において焦点が合っており、その下流側は焦点よりもレーザ装置７から離れていくので、焦点がボケると共に面積が広がっていくことになる。従って、照射スポット領域Ｆにおけるレーザ光の出力分布は、図２〜図４に示すようなものとなる。すなわち、照射スポット領域Ｆは、走査の上流側において最も出力密度が高い領域をもち、下流側にいくほど出力密度が下がるような出力分布を示す。なお、図２は、照射スポット領域Ｆにおけるレーザ光の出力分布を示すグラフである。図３の（ａ）は照射スポット領域Ｆを上方から見た出力分布を等高線で表した図、（ｂ）はその出力分布を側面からみた図、（ｃ）はその出力分布を走査方向Ｂから見た図である。また、図４の（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ、図２に示すI−I面〜VII−VII面における、走査方向に直交する方向の出力分布を示した図である。
【００１７】
そして、照射スポット領域Ｆのうち、上流側の最も出力密度が高い位置には、鋼板を溶融させ溶接させる出力密度をもつ溶接領域Ｆ１が形成され、下流側には、亜鉛メッキ層を蒸発させ、且つ鋼板母材３ｃを溶融させない程度の比較的低い出力密度をもつ非溶接領域Ｆ２が形成されることになる。なお、このような溶接領域Ｆ１の出力密度は、約２．０×１０５Ｗ／ｃｍ２であり、非溶接領域Ｆ２の出力密度は、約５．０×１０４Ｗ／ｃｍ２である。
【００１８】
図３に示すように、レーザ光Ｌが突き合わせ部３ａに照射された状態で、テーブル５が移動しレーザ光Ｌが突き合わせ部３ａに走査されると、加工位置Ｍには、走査されるレーザ光Ｌの照射スポット領域Ｆのうち、下流側に位置する非溶接領域Ｆ２が、溶接領域Ｆ１に先立って到達する。そして、非溶接領域Ｆ２は、加工位置Ｍにおける鋼板３，３表面の亜鉛メッキ層３ｍを蒸発させる（図３（ａ））。その後、レーザ光ＬがＢ方向に進行すると、亜鉛メッキ層３ｍが取り除かれた加工位置Ｍには、溶接領域Ｆ１が到達し（図３（ｂ））、鋼板母体３ｃが溶融され接合されて、鋼板３，３同士が溶接された溶接部３ｄが形成されていく。
【００１９】
このように、亜鉛メッキ層３ｍが取り除かれた状態で鋼板３，３を溶接することができるので、鋼板の溶接部３ｄに亜鉛が混入することによるポロシティやブローホールの発生が抑制される。このように、上記溶接方法によれば、一連のレーザ光走査によって、簡易に亜鉛メッキ層３ｍによる溶接への悪影響を抑制することができる。
【００２０】
また、加工位置Ｍにおける鋼板母体３ｃは、非溶接領域Ｆ２によって予め加熱され、その後、加工位置Ｍ上を照射スポット領域Ｆが通過して行くに従って、この加工位置Ｍを加熱するレーザ光の出力密度が高くなっていく。従って、この加工位置Ｍにおいて鋼板母体３ｃは緩やかに温度上昇するので、鋼板母体３ｃの良好な溶接が行われる。
【００２１】
本発明者らは、上記レーザ溶接装置１を用いて、上述した溶接方法を実施し、溶接部のＸ線による透過試験を行った。その結果、ポロシティやブローホールといった溶接の品質劣化は発見されず、良好な溶接部が形成されたことが確認できた。
【００２２】
（第２実施形態）
図４に示すように、レーザ溶接装置５１では、レーザ装置７が走査の下流側に１５°傾けて設置されている。また、レーザ光Ｌの細長い焦点は、基準面Ｚ内で延びており、この焦点の上流側の端が鋼板３，３上に位置するように、レーザ装置７が位置決めされている。このようなレーザ溶接装置５１によれば、照射スポット領域Ｆは、上流側において焦点が合い、その下流側は焦点よりもレーザ装置７に近づいていくので、焦点がボケると共に面積が広がっていくことになる。その結果、レーザ溶接装置５１においても、レーザ光Ｌの焦点が合った溶接領域Ｆ１と、焦点がボケた非溶接領域Ｆ２とが形成されるので、レーザ溶接装置１と同様の作用効果を奏することができる。なお、このレーザ溶接装置５１において、レーザ溶接装置１と同一又は同等な構成については、図面に同一符号を付し、その説明は省略する。
【００２３】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、本発明は、亜鉛メッキ鋼板の溶接に限らず、樹脂コーティング層等の他の被覆層が設けられた鋼板の溶接にも適用することができる。また、上記実施形態では、レーザ光Ｌを斜めから鋼板に照射することによって、照射スポット領域Ｆ内の出力密度の差を設け、溶接領域Ｆ１と非溶接領域Ｆ２とを形成したが、例えば、レーザ装置の発振モードを設定することにより、レーザ光Ｌの出力分布自体を、溶接領域Ｆ１と非溶接領域Ｆ２とが形成されるような分布としてもよい。また、レーザ装置７を複数の出射点で構成し、出射点ごとの出力配分によって、溶接領域Ｆ１と非溶接領域Ｆ２とを形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るレーザ溶接方法が適用されるレーザ溶接装置の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】照射スポット領域Ｆにおけるレーザ光の出力分布を示すグラフである。
【図３】（ａ）は照射スポット領域Ｆを上方から見た出力分布を等高線で表した図、（ｂ）はその出力分布を側面からみた図、（ｃ）はその出力分布を走査方向Ｂから見た図である。
【図４】（ａ）〜（ｇ）は、それぞれ、図２に示すI−I面〜VII−VII面における、走査方向に直交する方向の出力分布を示した図である。
【図５】（ａ）は、照射スポット領域の非溶接領域が加工位置に到達した状態を示し、（ｂ）は、照射スポット領域の溶接領域が加工位置に到達した状態を示す突き合わせ部に沿った断面図である。
【図６】本発明に係るレーザ溶接方法が適用されるレーザ溶接装置の第２実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２５】
１…レーザ溶接装置、３…亜鉛メッキ鋼板、３ｍ…亜鉛メッキ層（被覆層）、７…レーザ装置、Ｂ…走査方向、Ｃ…光軸、Ｄ…走査ライン、Ｆ…照射スポット領域、Ｆ１…溶接領域、Ｆ２…非溶接領域、Ｌ…レーザ光、Ｙ…基準光軸。
【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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【図６】
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