(57)【要約】【課題】溶接長を確保するのに必要なスペースやサイクルタイムの増加を回避しつつ、溶接終端部の穴やヒケを改善できるレーザ重ね溶接方法を提供する。【解決手段】複数重ねたワーク（１，２）にレーザ（Ｌａ）を照射して線状に重ね溶接（１１：２１）した後、レーザ照射を極短時間中断してから前記重ね溶接の終端部（１２：２２）にデフォーカスしたレーザ（Ｌｃ）を照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数重ねたワークにレーザを照射して線状に重ね溶接した後、レーザ照射を極短時間中断してから前記重ね溶接の終端部にデフォーカスしたレーザを照射することを含む、レーザ重ね溶接方法。
【請求項２】
複数重ねたワークにレーザを照射して線状に重ね溶接した後、レーザ照射を極短時間中断するとともに、前記重ね溶接の終端から始端側にレーザ光軸を移動し、その移動地点から前記重ね溶接の終端までデフォーカスしたレーザを照射することを含む、レーザ重ね溶接方法。
【請求項３】
前記デフォーカスしたレーザの照射を、前記重ね溶接時のレーザ照射よりも高速で行う、請求項１または２に記載のレーザ重ね溶接方法。
【請求項４】
前記レーザ照射の中断時間が０．０２５〜０．２５秒である、請求項１〜３の何れか一項に記載のレーザ重ね溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ重ね溶接方法に関し、さらに詳しくは、溶接終端部に発生する穴やヒケなどを改善するレーザ重ね溶接方法に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
ワークにレーザービームを照射しその光エネルギーによって照射部位の材料を加熱溶融するレーザ溶接は、非接触で高速溶接が行える等の利点がある反面、溶接終端部に穴やヒケが発生する問題がある。そのため、自動車部品では、一部の部品に限って利用され、気密性や水漏れなどに関する厳格な性能および品質管理が求められる車体溶接工程への導入が進まない要因の一つとなっていた。
【０００３】
レーザ溶接終端部に発生する穴開きやヒケは、溶接進行方向とは逆方向へ溶融金属が流れる現象により、最終的に終端部へ供給される溶融金属が不足することに起因する。この対策としては、特許文献１に開示されるように、溶接終端部でレーザ出力を徐々に低下させる制御を行うランピングあるいはフェードダウンと呼ばれる方法が公知である。
【０００４】
例えば、図６（ａ）（ｂ）に示すように、２枚の亜鉛めっき鋼板１，２を重ねてレーザ溶接するに際して、レーザ出力Ｐを終端部まで一定に維持すると、溶接ビード５１の終端部に穴５２が生じ、その分、実質的な溶接長Ｗａがレーザ照射長Ｌに比べて短くなる。
【０００５】
これに対して、図６（ｃ）（ｄ）に実線（６１）で示すように、溶接終端部でレーザ出力Ｐを徐々に低下させると、溶け込み深さが徐々に浅くなるので、溶接ビード６１の終端部における穴開きの発生頻度は低下する。しかし、この方法でも穴開きを完全に防止することはできない。穴開きに至らないケースでも、溶接終端部に比較的深いヒケ６２が残留することに加えて、実質的な溶接長Ｗａ′が一層短くなり、そのままでは強度低下などの溶接品質への影響は避けられない。これを回避するために、図６（ｃ）（ｄ）に破線（７１）で示すように、溶接長を長く（Ｌ″）することも考えられるが、その場合、溶接ビード７１の所要スペースが増加することになる。
【０００６】
上記問題に対する他の対策として、特許文献２には、溶接終端部でレーザ照射径を大きくする方法が開示されている。しかし、特許文献２の図１に示されるように、溶接終端部に停止してレーザ照射径を大きくしても穴やヒケは改善されず、上側鋼板の溶け落ちや溶融金属の飛散などの新たな欠陥を誘発する虞がある。また、溶接終端部に到達する前にレーザ照射径を大きくすれば、エネルギー密度の低下によって、前述した方法の場合と同様に実質的な溶接長が短くなる問題を生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３１３５４４号公報
【特許文献２】特開２００８−２６４７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、溶接長を確保するのに必要なスペースやサイクルタイムの増加を回避しつつ、溶接終端部の穴やヒケを改善できるレーザ重ね溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ重ね溶接方法は、複数重ねたワーク（１，２）にレーザ（Ｌａ）を照射して線状に重ね溶接（１１：２１）した後、レーザ照射を極短時間中断してから前記重ね溶接の終端部（１２：２２）にデフォーカスしたレーザ（Ｌｃ）を照射することを含む。
【００１０】
レーザ溶接により一度溶融状態になった金属部分へ再びレーザが照射されると、溶融状態の金属が飛散して溶け落ちなどの新たな欠陥を生じるが、ごく短時間であってもレーザ照射を中断することで、溶融金属の冷却とその周辺部分への熱拡散が促されるので、デフォーカスによりエネルギー密度が低下しかつスポット径が拡大されたレーザを照射することで、溶融金属を飛散させずにその周囲の未溶融金属を溶融させることが可能となり、新たに生じた溶融金属が溶接終端部の凹部に流入することで凹部が埋まり平坦化される。
【００１１】
しかも、溶接ビードの終端部まで実質的な溶接長が確保され、従来のように終端部の穴開きやヒケを防止するために溶接長が短縮されたり、それを回避するために、溶接ビードを延長したりする必要がなく、所要スペースの増加を防止できる。また、レーザ照射の中断中にレーザの焦点調整を実施でき、しかも、中断時間は極短時間（実用的な例では３０〜５０ミリ秒程度）であるので、サイクルタイムには殆ど影響ない。
【００１２】
本発明方法において、複数重ねたワーク（１，２）にレーザ（Ｌａ）を照射して線状に重ね溶接（１１：２１）した後、レーザ照射を極短時間中断するとともに、前記重ね溶接の終端（ｅ）から始端側にレーザ光軸を移動（Ｌｂ）し、その移動地点（ｃｓ）から前記重ね溶接の終端（ｅ）までデフォーカスしたレーザ（Ｌｃ）を照射することが好適である。
【００１３】
重ね溶接終端部にデフォーカスレーザを照射する形態としては、終端から始端側に向けて逆方向に移動しつつデフォーカスレーザを照射する形態も想定されるが、上記のように、レーザ光軸を、終端よりも先にレーザ照射がなされ既に熱拡散が開始している始端側に移動した後、その地点から終端まで重ね溶接時と同方向にデフォーカスレーザを照射することで、中断時間を最短にすることができる。しかも、レーザ照射の中断中にレーザ光軸を移動でき、本発明方法において、サイクルタイムへの影響もない。
【００１４】
さらに、前記デフォーカスレーザの照射（Ｌｃ）を、重ね溶接時のレーザ照射（Ｌａ）よりも高速で行うことがさらに好適である。
【００１５】
デフォーカスレーザの照射を高速で行うことで、単位時間当たりにレーザ被照射部位に供給されるエネルギーが減少し、結果的に、レーザ出力を低減させたのと同様の効果が得られる。したがって、エネルギー密度の低減をデフォーカスのみで行う場合に比べて、デフォーカス量を小さくでき、かつ、デフォーカスレーザ照射に要する時間を短縮できる利点がある。
【００１６】
本発明方法において、レーザ照射の中断時間が０．０２５〜０．２５秒であることが好適である。中断時間が０．０２５秒に満たないと、重ね溶接終端部における溶融金属の冷却が不充分になり、デフォーカスレーザ照射時に溶け落ちやヒケが発生し易くなり、溶接品質を維持できない。一方、中断時間が長すぎるとサイクルタイムが長くなり、生産性が低下する。したがって、レーザ照射の中断時間は、安定的な溶接品質が得られる範囲で極力短い方が有利である。
【発明の効果】
【００１７】
以上述べたように、本発明に係るレーザ重ね溶接方法によれば、溶接長を確保するのに必要なスペースやサイクルタイムの増加を回避しつつ、溶接終端部の穴やヒケを確実に防止でき、レーザ重ね溶接の品質向上に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明第１実施形態に係るレーザ重ね溶接におけるレーザ走査を示す平面図（ａ）、ビード形状を示す平面図（ｂ）、レーザ出力およびデフォーカス量を示すグラフ（ｃ）、レーザ走査速度を示すグラフ（ｄ）、重ね溶接部の側断面図（ｅ）、および、重ね溶接終端部の断面図（ｆ）である。
【図２】本発明第２実施形態に係るレーザ重ね溶接におけるデフォーカスレーザ照射前の溶接ビードを示す平面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図（ｂ）、デフォーカスレーザ照射後の溶接ビードを示す平面図（ｃ）およびそのＢ−Ｂ断面図（ｄ）である。
【図３】ワーク間の隙間が（ａ）０．２ｍｍ、（ｂ）０．１ｍｍ、（ｃ）０．０５ｍｍの各場合におけるデフォーカス量とヒケ深さの関係を示すグラフである。
【図４】レーザ照射中断時間とヒケ深さの関係を示すグラフである。
【図５】デフォーカス量とレーザ径および重ね溶接終端ビード幅の関係を示すグラフである。
【図６】従来のレーザ重ね溶接を示す側断面図（ａ）および平面図（ｂ）、レーザ出力を示すグラフ（ｃ）、従来の別のレーザ重ね溶接を示す側断面図（ｄ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１において、第１実施形態に係るレーザ重ね溶接１０は、２枚の鋼板１，２（亜鉛めっき鋼板）を一定長の直線状に重ね溶接する場合を示している。２枚の鋼板１，２は、例えば、予め、それらの一方（または両方）にプレス加工した図示しないエンボス（突起）を介して重ね合わされることで、２枚の鋼板１，２間に亜鉛蒸気排出用の微小な隙間ｇが形成された状態で、図示しないクランプなどの治具で保持されている。なお、エンボスを形成する代わりにスペーサ等で隙間ｇが形成されても良い。また、２枚の鋼板１，２の接合面に亜鉛めっき層が存在しない場合や、２枚の鋼板１，２が亜鉛のような低融点金属のめっき層を有さない場合には、隙間ｇを形成せずに直接重ねられても良い。
【００２１】
レーザ重ね溶接１０の実施に際しては、先ず、始端部ｓから終端部ｅに至るまで、デフォーカス量Ｄａ＝０（ジャストフォーカス）にて、一定のレーザ出力Ｐａかつ一定の走査速度Ｖａで直線状にレーザ照射Ｌａを行い、２枚の鋼板１，２に厚さ方向に貫通する溶接ビード１１を形成する。次いで、図１（ｃ）に示すように、極短時間に亘ってレーザ照射を中断すなわちレーザ出力Ｐｂ＝０にしてレーザ光軸を始端ｓ側の地点ｃｓに移動Ｌｂすると同時に、レーザの焦点制御を実施してデフォーカス量Ｄｃとし、所定のレーザ出力Ｐｃかつ走査速度Ｖｃで、移動地点ｃｓから終端部ｅまで、溶接ビード１１に重ねてデフォーカスレーザ照射Ｌｃを行う。
【００２２】
この際、レーザ照射Ｌａの終了時点では、図１（ｆ）に実線で示すように溶接ビード１１の終端部ｅに凹部１１ｂ（過渡的なヒケ）が残留しているが、極短時間の中断後に、図１（ｆ）に破線で示すようにデフォーカスによりエネルギー密度が低下しかつスポット径が拡大されたレーザ照射Ｌｃを行うことで、その周囲の未溶融金属が溶融して凹部１１ｂに流入することで凹部１１ｂが埋まり、溶接終端部１２が平坦化される。
【００２３】
デフォーカス量Ｄｃは、特に限定されるものではないが、図５のグラフに示すように、溶接ビード１１の幅Ｂａに対して溶接終端部１２に１．５〜２倍程度のビード幅Ｂｃが得られることが好適である。また、デフォーカスレーザ照射Ｌｃの長さ（ｃｓ−ｅ）は、特に限定されるものではないが、溶接ビード１１の幅（Ｂａ）の２倍程度は必要であり、好ましくは３倍以上である。
【００２４】
なお、図１（ｃ）に示すように、レーザ照射Ｌａの始端ｓでは所定のレーザ出力Ｐａまで徐々に上昇させ、かつ、レーザ照射Ｌａの終端ｅではレーザ出力ＰａをＰｂ＝０まで徐々に低下させる出力制御を併用することで、溶接箇所の表面に現れる溶接ビード１１の長さに対して実質的な溶接長Ｗａは多少短くなるが、溶接ビード１１の終端部ｅに一時的に生じる凹部１１ｂが浅くなることで、デフォーカスレーザ照射Ｌｃによる溶接終端部１２の平坦化に有利であり、走査速度Ｖｃ、デフォーカス量Ｄｃ、レーザ照射の中断時間など、他の溶接条件の許容範囲が広がる利点がある。但し、デフォーカスレーザ照射Ｌｃでは実質的なパワー密度が低減されるため、出力制御は不要である。
【００２５】
次に、図２は、本発明の第２実施形態に係るレーザ重ね溶接２０におけるデフォーカスレーザ照射前の溶接ビード２１を示す平面図（ａ）およびそのＢ−Ｂ断面図（ｂ）、デフォーカスレーザ照射後の溶接ビード２１，２２を示す平面図（ｃ）およびそのＢ−Ｂ断面図（ｄ）である。第２実施形態に係るレーザ重ね溶接２０は、一部開いた円形状（Ｃ字状）の溶接ビードとしての実施形態を示しており、特に、自動車の車体溶接工程でスポット溶接の代替レーザ溶接（単位溶接）として好適な形態である。
【００２６】
溶接手順は先述した第１実施形態に係るレーザ重ね溶接１０と同様であり、単に一部開いた円形状にレーザ走査を行う点のみが異なる。閉じた円形状ではなく、一部開いた円形状にレーザ走査を行うのは、始端部ｓに再接近する終端部ｅにおいてビード２０で囲まれた内側の亜鉛蒸気の排出経路が確保されるようにするためである。
【００２７】
図２（ａ）（ｃ）に示すように、レーザ照射Ｌａの終了時点では、溶接ビード２１の終端部ｅに凹部２１ｂ（過渡的なヒケ）が形成されるが、極短時間の中断後に、図２（ａ）（ｂ）に示すように、スポット径が拡大されたデフォーカスレーザ照射Ｌｃを行うことで、終端部ｅの周囲の未溶融金属が溶融して凹部２１ｂに流入することで、溶接終端部２２が平坦化され、良好な溶接ビード２０が得られる。
【００２８】
本発明に係るレーザ重ね溶接を、自動車の車体溶接工程などにおけるスポット溶接の代替レーザ溶接として実施する場合には、上記第１実施形態の直線状のレーザ溶接１０や上記第２実施形態の円形状のレーザ溶接２０を単位溶接として、適宜間隔を有して間欠的に溶接が実施されることになる。このような溶接工程では、任意の溶接スポットにおけるレーザ重ね溶接Ｌａが終了した後、その中断時間中に、隣接した別の溶接スポットのレーザ重ね溶接Ｌａを実施し、その後、元の溶接スポットにおけるデフォーカスレーザ照射Ｌｃを行うこともできる。
【実施例】
【００２９】
次に、本発明に係るレーザ重ね溶接方法の効果を検証するために、上記第２実施形態のレーザ重ね溶接２０において、ワーク間の隙間が（ａ）ｇ＝０．２ｍｍ、（ｂ）ｇ＝０．１ｍｍ、（ｃ）ｇ＝０．０５ｍｍの各場合において、デフォーカスレーザ照射Ｌｃのデフォーカス量Ｄｃを１５〜５０ｍｍの間で変化させ、溶接ビードの品質を評価する実験を行った。
【００３０】
実験では、ＩＰＧフォトニクス社製のファイバーレーザ発振器（最大出力７ｋＷ、伝送ファイバー径：０．２ｍｍ）、および、ＨＩＧＨＹＡＧレーザテクノロジー社製スキャナヘッド（ジャストフォーカス加工焦点径：０．６ｍｍ）を使用した。
【００３１】
ワークとしては、板厚０．６５ｍｍの非めっき鋼板（１）を、板厚０．８ｍｍの亜鉛めっき鋼板（２）の上に上記各隙間ｇを有して重ねた状態で、レーザ出力４．３ｋＷ、直径７ｍｍ、不連続部１ｍｍ、設定溶接長２１ｍｍ、走査速度Ｖａ＝６．９ｍ／ｍｉｍ（前半）〜７．２ｍ／ｍｉｍ（後半）の円形状のレーザ走査Ｌａを行い、０．０３秒の中断時間を介して、走査速度Ｖｃ＝１０，１５，２０，２５ｍ／ｍｉｎに変化させてデフォーカスレーザ走査Ｌｃを行い、溶接終端部２２に最終的に残留したヒケの深さを測定した。結果を図３に示す。
【００３２】
図３（ａ）のグラフから、ワーク間の隙間がｇ＝０．２ｍｍと比較的大きく確保されている設定では、実験に使用したデフォーカス量Ｄｃ＝１５〜５０ｍｍの殆どの範囲でヒケの深さは０．４ｍｍ以下であり、溶接終端部２２の形状が実用的な溶接品質の範囲に改善されていることが確認できた。
【００３３】
また、図３（ｂ）（ｃ）の各グラフから、ワーク間の隙間がｇ＝０．１ｍｍおよび０．０５ｍｍの比較的小さい設定では、走査速度Ｖｃが１５ｍ／ｍｉｎ（２倍速）以上であれば、デフォーカス量Ｄｃ＝１５〜５０ｍｍの範囲でヒケの深さは０．４ｍｍ以下、デフォーカス量Ｄｃ＝２５〜５０ｍｍの範囲では０．２５ｍｍ以下であり、極めて良好な結果が得られることが確認できた。これは、基本的に隙間ｇが小さい方が、隙間に浸入する溶融金属の量が少なくなり、ヒケを抑制するのに有利であることを示している。
【００３４】
一方、走査速度Ｖｃが等速に近い１０ｍ／ｍｉｎでありかつデフォーカス量Ｄｃが３０ｍｍ以下の小さい範囲では溶け落ちが発生した。これは、実質的なパワー密度が充分に低減されておらず、亜鉛蒸気の排出や熱拡散が不充分であったものと推察される。したがって、２枚の鋼板１，２間の隙間ｇが小さい設定では、デフォーカス量Ｄｃを大きく（３５ｍｍ以上）するか、走査速度Ｖｃを大きく（走査速度Ｖａの２倍以上）して、レーザ照射Ｌｃにおける実質的なパワー密度が充分に低減されるようにすればよい。
【００３５】
次に、上記第２実施形態のレーザ重ね溶接２０において、レーザ照射の中断時間が溶接品質に与える影響を調べる実験を行った。実験では、前記同様の溶接装置およびワークを用い、隙間ｇ＝０．２ｍｍとして、走査速度Ｖａ＝６．９ｍ／ｍｉｍ（前半）〜７．２ｍ／ｍｉｍ（後半）の円形状のレーザ走査Ｌａを行った後、中断時間（０．００９〜０．１００秒）を介して、走査速度Ｖｃ＝１５ｍ／ｍｉｎ、デフォーカス量Ｄｃ＝５０ｍｍにてレーザ走査Ｌｃを行い、溶接終端部２２に最終的に残留したヒケの深さを測定した。結果を図４に示す。
【００３６】
図４のグラフから、レーザ照射の中断時間が０．００９秒および０．０１８秒のサンプルではヒケが上側の鋼板（１）を貫通した溶け落ちが確認されたが、それ以外のサンプルでは、いずれもヒケ深さが何れも０．３ｍｍ以下であり、良好な結果が得られた。上側の鋼板（１）の板厚０．６５ｍｍではヒケ深さは０．４ｍｍ程度まで許容されることを考慮すると、レーザ照射の中断時間が０．０２５秒以上であれば、安定的な溶接品質が得られると言える。
【００３７】
以上、本発明のいくつかの実施の形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。
【００３８】
例えば、上記各実施形態では、レーザ照射の中断時間中に始端側にレーザ光軸を移動Ｌｂし、その移動地点ｃｓから終端ｅまでデフォーカスレーザ照射を行う場合について述べたが、終端ｅから始端ｓ側に向けてデフォーカスレーザ照射を行うこともできる。その場合、レーザ照射の中断時間を多少長く設定する必要がある。
【００３９】
また、上記各実施形態では、２枚の鋼板を重ねてレーザ溶接する場合を示したが、本発明のレーザ重ね溶接方法は、他の形態のワークに対しても実施可能であり、また、３枚重ね以上のレーザ重ね溶接としても実施可能である。また、上記実施形態では溶接ビードが、直線形状および円形状（円弧形状）の場合を示したが、本発明のレーザ重ね溶接方法は、これら以外の任意の溶接形状に実施可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１、２  鋼板（ワーク）
１０，２０  レーザ重ね溶接（溶接ビード）
１１，２１  溶接ビード
１２，２２  溶接終端部
ｇ  隙間
Ｄｃ  デフォーカス量
Ｌａ  レーザ照射（レーザ走査）
Ｌｂ  レーザ光軸移動
Ｌｃ  デフォーカスレーザ照射（デフォーカスレーザ走査）
Ｐａ，Ｐｃ  レーザ出力
Ｖａ，Ｖｃ  走査速度（溶接速度）
【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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