(57)【要約】【課題】溶接ビードに生じる応力集中を緩和し、曲げ応力及びねじり応力に対する接合部の強度を高めることができるレーザー溶接方法を提供すること。【解決手段】レーザー溶接方法においては、接合工程及び均し工程を行う。接合工程においては、重ね合わされた複数の鋼板６に焦点位置Ｘを合わせた第１レーザー光Ａを、複数の鋼板６に対して照射しながら環状経路Ｐに沿って移動させる。そして、複数の鋼板６に、オーバル形状の溶接ビード６１を形成する。均し工程においては、複数の鋼板６の外部に焦点位置Ｘを合わせた第２レーザー光Ｂを、溶接ビード６１に対して照射しながら環状経路Ｐに沿って移動させる。そして、溶接ビード６１の幅方向における両端部を再溶融させる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重ね合わされた複数の鋼板に焦点位置を合わせた第１レーザー光を、該複数の鋼板に対して照射しながら環状経路に沿って移動させて、該複数の鋼板に、環状の溶接ビードを形成する接合工程と、
上記複数の鋼板の外部に焦点位置を合わせた第２レーザー光を、上記溶接ビードに対して照射しながら上記環状経路に沿って移動させて、該溶接ビードの幅方向における端部を再溶融させる均し工程と、を含むことを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項２】
上記均し工程における上記第２レーザー光の焦点位置は、該第２レーザー光が、上記溶接ビードの幅方向の全体を含む範囲に照射される状態が形成される位置として決定す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。
【請求項３】
上記接合工程における上記第１レーザー光の照射を開始する溶接の始点を、上記環状経路上に設定し、
上記接合工程においては、上記第１レーザー光を、上記溶接の始点の上を通過させて上記環状経路に沿って１周以上移動させ、
上記接合工程における上記第１レーザー光の照射を終了する溶接の終点を、上記環状経路の内周側に設定することを特徴とする請求項１又は２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、レーザー光によって複数の鋼板を溶接するレーザー溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の自動車用鋼板等の鋼板を接合する際には、スポット溶接、レーザー溶接等を行っている。外板を構成する複数の鋼板をスポット溶接によって接合すると、鋼板の表面に形成される凹凸状の溶接痕が外観を損なわせる。そこで、外板を構成する複数の鋼板をレーザー溶接によって接合することが行われている。
例えば、特許文献１においては、重ね合わされた複数の部材を溶接する際に、溶接軌跡に沿ってレーザービームを走査するとともに、溶接の始点及び終点においては、蛇行してレーザービームを走査することが記載されている。そして、溶接の始点及び終点に、拡大された溶接ビードを形成し、溶接の始点及び終点における溶接強度を向上させるとともに、溶接不良の発生を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１８３９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、レーザー溶接による母材の溶融によって形成される接合部の幅は、スポット溶接による接合部の幅に比べて狭い。そのため、レーザー溶接による接合部に曲げ応力又はねじり応力が繰り返し作用する場合には、接合部を構成する溶接ビードと母材との界面に亀裂が生じやすくなる。また、レーザー光の照射によって形成される溶接ビードは、周囲の母材から陥没しており、溶接ビードの幅方向における端部に急激な形状変化が形成される。そのため、曲げ応力又はねじり応力によって、溶接ビードに応力集中が生じやすく、上記亀裂が一層生じやすくなる。
【０００５】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、溶接ビードに生じる応力集中を緩和し、曲げ応力及びねじり応力に対する接合部の強度を高めることができるレーザー溶接方法を提供しようとして得られたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、重ね合わされた複数の鋼板に焦点位置を合わせた第１レーザー光を、該複数の鋼板に対して照射しながら環状経路に沿って移動させて、該複数の鋼板に、環状の溶接ビードを形成する接合工程と、
上記複数の鋼板の外部に焦点位置を合わせた第２レーザー光を、上記溶接ビードに対して照射しながら上記環状経路に沿って移動させて、該溶接ビードの幅方向における端部を再溶融させる均し工程と、を含むことを特徴とするレーザー溶接方法にある。
【発明の効果】
【０００７】
上記レーザー溶接方法においては、環状の溶接ビードを形成する接合工程と、溶接ビードの幅方向における端部を再溶融させる均し工程とを行う。
接合工程においては、第１レーザー光によって環状の溶接ビードを形成する。これにより、レーザー溶接が行われた複数の鋼板に加わる曲げ応力及びねじり応力に対して、溶接ビードによる接合部の強度を高めることができる。
【０００８】
また、均し工程においては、複数の鋼板の外部に焦点位置を合わせた第２レーザー光を、溶接ビードに対して照射しながら環状経路に沿って移動させる。そして、焦点が合っていない第２レーザー光によって、溶接ビードの幅方向における端部を再溶融させる。なお、溶接ビードが溶融する際には、溶接ビードに隣接する鋼板の部分も溶融する。これにより、周囲の母材から陥没する溶接ビードの幅方向における端部の急激な形状変化が均され、この端部の形状変化が緩やかになる。そのため、曲げ応力又はねじり応力によって、溶接ビードに応力集中が生じにくくすることができ、溶接ビードと鋼板（母材）との境界に亀裂が生じにくくすることができる。
【０００９】
それ故、上記レーザー溶接方法によれば、溶接ビードに生じる応力集中を緩和し、曲げ応力及びねじり応力に対する接合部の強度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施例にかかる、第１レーザー光及び第２レーザー光を照射する環状経路、並びに環状経路に形成される溶接ビードを示す説明図。
【図２】実施例にかかる、接合工程において、第１レーザー光の焦点位置を複数の鋼板に合わせた状態を示す断面説明図。
【図３】実施例にかかる、接合工程において、第１レーザー光が通過する際に形成された溶接ビードを示す断面説明図。
【図４】実施例にかかる、均し工程において、溶接ビードの幅方向における両端部が再溶融した状態を示す断面説明図。
【図５】実施例にかかる、均し工程において、第２レーザー光の焦点位置が図４の場合と異なる場合について、溶接ビードの幅方向における両端部が再溶融した状態を示す断面説明図。
【図６】実施例にかかる、レーザー溶接を行う自動車ボディを示す説明図。
【図７】実施例にかかる、レーザー加工ロボットシステムによってレーザー溶接を行う状態を示す説明図。
【図８】実施例にかかる、レーザー加工ロボットシステムの電気的構成を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
上述したレーザー溶接方法における好ましい実施の形態について説明する。
上記レーザー溶接方法において、上記環状とは、オーバル形状（長円状）、楕円状、卵形状、円環状の他、種々の形状に曲がった環形状とすることができる。
特に、環状の溶接ビードを、直線状の溶接ビードの代わりに形成することを想定する場合には、互いに平行な直線状部分が長いオーバル形状とすることができる。この場合には、複数の鋼板に設定される溶接部位の幅が狭い場合でも、溶接ビードを形成しやすくなる。
【００１２】
また、上記均し工程における上記第２レーザー光の焦点位置は、該第２レーザー光が、上記溶接ビードの幅方向の全体を含む範囲に照射される状態が形成される位置として決定することが好ましい。
この場合には、第２レーザー光の連続した１回の照射によって、溶接ビードの幅方向における両端部、及びこの両端部に隣接する鋼板の部分を同時に溶融させることができる。そのため、溶接ビードの幅方向における両端部を迅速に溶融させることができる。
【００１３】
また、上記接合工程における上記第１レーザー光の照射を開始する溶接の始点を、上記環状経路上に設定し、上記接合工程においては、上記第１レーザー光を、上記溶接の始点の上を通過させて上記環状経路に沿って１周以上移動させ、上記接合工程における上記第１レーザー光の照射を終了する溶接の終点を、上記環状経路の内周側に設定することが好ましい。
【００１４】
第１レーザー光の照射を開始する溶接の始点は、第１レーザー光の照射によって貫通穴又は陥没穴が生じやすい部位である。そして、溶接の始点を環状経路上に設定することにより、溶接の始点に貫通穴又は陥没穴が形成された場合でも、この貫通穴又は陥没穴の上を２周目の第１レーザー光が通過することになる。そして、２周目の第１レーザー光が通過する際に、溶接の始点に形成された貫通穴又は陥没穴を塞ぐことができる。これにより、接合部に曲げ応力又はねじり応力が作用する際に、溶接の始点に応力集中が生じにくくすることができる。
【００１５】
また、第１レーザー光の照射を終了する溶接の終点も、第１レーザー光の照射によって貫通穴又は陥没穴が生じやすい部位である。また、環状の溶接ビードの内周側の部位は、曲げ応力及びねじり応力に対する接合部の強度にほとんど影響しない部位である。そのため、溶接の終点を環状経路の内周側の位置に設定することにより、溶接の終点に応力集中が生じたとしても、曲げ応力及びねじり応力に対する接合部の強度の低下を防止することができる。
【００１６】
また、上記レーザー溶接方法においては、上記均し工程を省略することも考えられる。この場合には、レーザー溶接方法の構成は次のようにすることができる。
すなわち、本発明の他の態様としては、複数の鋼板に焦点を合わせたレーザー光を、該複数の鋼板に対して照射しながら環状経路に沿って１周以上移動させて、該複数の鋼板に、環状の溶接ビードを形成するに当たって、上記レーザー光の照射を開始する溶接の始点を、上記環状経路上に設定し、上記レーザー光を、上記溶接の始点の上を通過させて上記環状経路に沿って１周以上移動させ、上記レーザー光の照射を終了する溶接の終点を、上記環状経路の内周側に設定することを特徴とするレーザー溶接方法がある。
この場合には、上記接合工程について説明した場合と同様の作用効果が得られる。
【００１７】
また、上記第２レーザー光の照射強度は、上記第１レーザー光の照射強度と同じにすることができ、上記第１レーザー光の照射強度と異ならせることもできる。
また、上記均し工程においては、第１レーザー光に比べて照射強度が低い第２レーザー光を用い、この第２レーザー光の焦点位置を複数の鋼板に合わせて、この第２レーザー光を複数の鋼板に対して照射しながら環状経路に沿って移動させることも考えられる。ただし、この場合には、第２レーザー光を溶接ビードの幅方向における端部に照射するために、第２レーザー光の環状経路への照射位置を、複数の鋼板の面方向に少しずらす必要がある。
【実施例】
【００１８】
以下に、レーザー溶接方法にかかる実施例について、図面を参照して説明する。
本例のレーザー溶接方法においては、接合工程及び均し工程を行う。接合工程においては、図２に示すように、重ね合わされた複数の鋼板６に焦点位置Ｘを合わせた第１レーザー光Ａを、複数の鋼板６に対して照射しながら環状経路Ｐに沿って移動させる。そして、図１、図３に示すように、複数の鋼板６に、オーバル形状の溶接ビード６１を形成する。均し工程においては、図４、図５に示すように、複数の鋼板６の外部に焦点位置Ｘを合わせた第２レーザー光Ｂを、溶接ビード６１に対して照射しながら環状経路Ｐに沿って移動させる。そして、溶接ビード６１の幅方向における両端部６１１を再溶融させる。
【００１９】
以下に、本例のレーザー溶接方法について、図１〜図８を参照して詳説する。
図６に示すように、本例のレーザー溶接方法においては、自動車ボディ５における、鋼板６としての外板（アウターパネル）同士の接合を行う。本例の鋼板６としての外板は、亜鉛メッキ鋼板である。本例のレーザー溶接方法によって溶接を行う部位は、自動車ボディ５における左右の側部５１である。本例の溶接ビード６１は、オーバル形状（長円形状）を有している（図１参照）。レーザー溶接を行う部位は、自動車ボディ５の左右の側部５１の前側部分の端部と後側部分の端部とが上下方向Ｈに連続して重なり合う部分である。そして、レーザー溶接方法においては、オーバル形状の直線部分が上下方向Ｈを向く状態で、上下方向Ｈに並ぶ複数の溶接ビード６１を形成する。
【００２０】
図１に示すように、接合工程においては、第１レーザー光Ａを、オーバル形状の環状経路Ｐに沿って、１周以上２周未満移動させて照射する。本例の接合工程においては、第１レーザー光Ａは、環状経路Ｐを１．０５〜１．３周巡回して照射する。環状経路Ｐは、２本の平行な直線状経路Ｐ１と、２本の直線状経路Ｐ１の一端部同士と、２本の直線状経路Ｐ１の他端部同士をそれぞれ円弧状に接続する円弧状経路Ｐ２とによって構成される。また、溶接ビード６１は、直線状経路Ｐ１及び円弧状経路Ｐ２に沿って形成される。
【００２１】
図７に示すように、本例において、レーザー溶接を行う、鋼板６の端部６０１は、周囲の一般部から突出した形状に形成されている。そして、この端部６０１の幅は狭い。この幅が狭い端部６０１が伸びる方向に対して平行に、環状経路Ｐの一対の直線状経路Ｐ１を設定することにより、幅が狭い端部６０１のレーザー溶接を可能にすることができる。なお、レーザー光Ａ，Ｂは、鋼板の端部６０１が突出する側から照射することができ、鋼板の端部６０１が窪んだ側から照射することもできる。
【００２２】
図１に示すように、接合工程における、第１レーザー光Ａの照射を開始する溶接の始点Ｒ１は、環状経路Ｐ上に設定されている。本例の溶接の始点Ｒ１は、一方の直線状経路Ｐ１上の位置として設定される。また、接合工程における、第１レーザー光Ａの照射を終了する溶接の終点Ｒ２は、環状経路Ｐの内周側に設定されている。本例の溶接の終点Ｒ２は、環状経路Ｐの内周側における略中央位置に設定される。接合工程においては、第１レーザー光Ａが、溶接の始点Ｒ１から環状経路Ｐを一巡して移動した後、環状経路Ｐの内周側の溶接の終点Ｒ２に移動する。
【００２３】
同図に示すように、均し工程においては、第２レーザー光Ｂが環状経路Ｐを一巡すればよく、第２レーザー光Ｂの照射を開始する均しの始点Ｓ１、及び第２レーザー光Ｂの照射を終了する均しの終点Ｓ２は、任意に決定することができる。本例の均し工程においては、一方の直線状経路Ｐ１における溶接の終点Ｒ２に近い位置が、均しの始点Ｓ１及び均しの終点Ｓ２となる。
なお、図１においては、環状経路Ｐを二点鎖線で示す。そして、接合工程における環状経路Ｐは、分かりやすくするために、環状経路Ｐから少しずらした位置に実線Ｐ’によって示し、均し工程における環状経路Ｐは、分かりやすくするために、環状経路Ｐから少しずらした位置に破線Ｐ’’によって示す。
【００２４】
図２に示すように、接合工程における第１レーザー光Ａの焦点位置Ｘは、通常のレーザ溶接を行う場合と同様に、複数の鋼板６の厚みの範囲内に設定される。言い換えれば、第１レーザー光Ａは複数の鋼板６にフォーカスされる。
一方、図４、図５に示すように、均し工程における第２レーザー光Ｂの焦点位置Ｘは、複数の鋼板６の厚みの範囲外に設定される。言い換えれば、第２レーザー光Ｂは複数の鋼板６にデフォーカスされる。第２レーザー光Ｂの焦点位置は、図４に示すように、レーザー加工機２（反射ミラー２３）から見て、複数の鋼板６よりも遠い位置に設定することができる。また、第２レーザー光Ｂの焦点位置は、図５に示すように、レーザー加工機２（反射ミラー２３）から見て、複数の鋼板６よりも近い位置に設定することもできる。
【００２５】
また、図４、図５に示すように、均し工程における第２レーザー光Ｂの焦点位置Ｘは、第２レーザー光Ｂが、溶接ビード６１の幅方向の全体を含む範囲に照射される状態が形成される位置として決定する。そして、本例の均し工程においては、第２レーザー光Ｂの連続した１回の照射によって、溶接ビード６１の幅方向における両端部６１１、及びこの両端部６１１に隣接する鋼板の部分６１２を同時に溶融させる。
【００２６】
図７、図８に示すように、レーザー溶接方法を実行する際には、リモートレーザー加工を行うレーザー加工ロボットシステム１を用いる。レーザー加工ロボットシステム１は、レーザー光Ａ，Ｂを発生させるレーザー発振機２０、レーザー光Ａ，Ｂを照射するレーザー加工機２、レーザー加工機２が移動先端部３１に取り付けられたロボット３、レーザー発振機２０、レーザー加工機２及びロボット３の動作を制御する制御装置４、鋼板６をセットする治具等を備えている。
【００２７】
制御装置４には、作業者が、レーザー加工機２及びロボット３の動作をオフラインで教示するための教示ペンダント４１が設けられている。作業者は、教示ペンダント４１を用いて、ロボット３の移動先端部３１の位置及び姿勢、並びにレーザー加工機２における焦点方向及び焦点距離を、複数の鋼板６における複数の環状経路Ｐについて順次設定する。
【００２８】
図７に示すように、レーザー加工機２は、レーザー光Ａ，Ｂを出射するレーザー光源２１と、レーザー光源２１から出射されたレーザー光Ａ，Ｂの焦点距離を可変させる焦点レンズ２２と、焦点レンズ２２を通過したレーザー光Ａ，Ｂの照射方向を可変させる反射ミラー２３とを有している。レーザー加工機２におけるレーザー光源２１は、ファイバーケーブル等を介してレーザー発振機２０に接続されている。レーザー発振機２０は、レーザー光Ａ，Ｂの照射強度を変更させることが可能である。ただし、本例の接合工程における第１レーザー光Ａの照射強度と、均し工程における第２レーザー光Ｂの照射強度とは同じにしている。
【００２９】
ロボット３の各関節を構成するサーボモータ３２、焦点レンズ２２、反射ミラー２３の各動作は、教示ペンダント４１によって調整、教示が可能である。レーザー光Ａ，Ｂの焦点位置Ｘは、焦点レンズ２２によって焦点距離を調整することによって決定される。焦点レンズ２２の調整によって、レーザー光Ａ，Ｂが三角錐状に絞られる長さが変化し、レーザー光Ａ，Ｂの焦点位置Ｘは、三角錐状のレーザー光Ａ，Ｂの頂点位置となる。
【００３０】
また、作業者が、教示ペンダント４１を使用してレーザー光Ａ，Ｂの焦点距離及び照射方向を調整する際には、レーザー光Ａ，Ｂと同芯状に照射する可視光線を利用することができる。そして、作業者は、可視光線を視認して、ロボット３の移動先端部３１の位置及び姿勢、並びにレーザー加工機２における焦点方向及び焦点距離の、オフラインでの教示を行うことができる。
【００３１】
図７に示すように、複数の鋼板６に設定された複数の環状経路Ｐへのレーザー光Ａ，Ｂの照射は、ロボット３の移動先端部３１によってレーザー加工機２を移動させながら行う。また、ロボット３の移動先端部３１によってレーザー加工機２を移動させる際に、各環状経路Ｐが、レーザー加工機２によるレーザー光Ａ，Ｂの照射可能範囲内に入るごとに、各環状経路Ｐに対してレーザー溶接が行われる。
【００３２】
次に、本例のレーザー加工システムを用いたレーザー溶接方法、及びその作用効果について説明する。
まず、教示工程として、作業者がオフラインの状態でロボット３及びレーザー加工機２を動作させて、２枚の鋼板６が合わさる位置に、複数の環状経路Ｐを教示によって設定し、制御装置４に記憶させる。
【００３３】
次いで、レーザー加工システムをオンラインで動作させ、接合工程においては、図１、図２に示すように、反射ミラー２３によって第１レーザー光Ａの照射方向が、複数の鋼板６の環状経路Ｐにおける溶接の始点Ｒ１に合わせられ、焦点レンズ２２によって第１レーザー光Ａの焦点位置Ｘが複数の鋼板６の厚みの範囲内に合わせられる。ここで、図２〜図５は、第１レーザー光Ａが通過する環状経路Ｐ上の一断面を示す。
【００３４】
そして、反射ミラー２３によって、第１レーザー光Ａが溶接の始点Ｒ１から溶接の終点Ｒ２まで環状経路Ｐに沿って照射される。こうして、図１、図３に示すように、環状経路Ｐに沿ってオーバル形状の溶接ビード６１が形成される。溶接ビード６１がオーバル形状に形成されることにより、レーザー溶接が行われた複数の鋼板６に加わる曲げ応力及びねじり応力に対して、溶接ビード６１による接合部６２の強度を高めることができる。
【００３５】
次いで、均し工程においては、図４、図５に示すように、焦点レンズ２２によって第２レーザー光Ｂの焦点位置Ｘを、意図的に複数の鋼板６の外部に合わせる。
そして、反射ミラー２３によって、第２レーザー光Ｂが均しの始点Ｓ１から均しの終点Ｓ２まで環状経路Ｐに沿って照射される。こうして、オーバル形状の溶接ビード６１の幅方向における両端部６１１が再溶融し、これと同時に、両端部６１１に隣接する鋼板の部分６１２が溶融する。
【００３６】
これにより、周囲の母材から陥没する溶接ビード６１の幅方向における両端部６１１の急激な形状変化が均され、両端部６１１及び鋼板の部分６１２によって、緩やかな形状変化の部分（曲面状の部分）が形成される。そのため、曲げ応力又はねじり応力によって、溶接ビード６１に応力集中が生じにくくすることができ、溶接ビード６１と鋼板（母材）６との境界に亀裂が生じにくくすることができる。
【００３７】
なお、複数の環状経路Ｐに対して、接合工程と均し工程とはどのように行ってもよい。具体的には、１つの環状経路Ｐに対して接合工程及び均し工程を行った後に、他の環状経路Ｐに対しても順次接合工程及び均し工程を行うことができる。また、複数の環状経路Ｐに対して順次接合工程を行った後に、この複数の環状経路Ｐに対して順次均し工程を行うこともできる。
【００３８】
また、本例の接合工程においては、溶接の始点Ｒ１が環状経路Ｐ上に設定されることにより、溶接の始点Ｒ１に貫通穴又は陥没穴が形成された場合でも、この貫通穴又は陥没穴の上を２周目の第１レーザー光Ａが通過することになる。そして、２周目の第１レーザー光Ａが通過する際に、溶接の始点Ｒ１に形成された貫通穴又は陥没穴の周辺の鋼板（母材）６が溶け出し、貫通穴又は陥没穴を塞ぐことができる。これにより、接合部６２に曲げ応力又はねじり応力が作用する際に、溶接の始点Ｒ１に応力集中が生じにくくすることができる。
【００３９】
また、オーバル形状の溶接ビード６１の内周側の部位は、曲げ応力及びねじり応力に対する接合部６２の強度にほとんど影響しない部位である。そして、溶接の終点Ｒ２がオーバル形状の環状経路Ｐの内周側の位置に設定されることにより、溶接の終点Ｒ２に形成された貫通穴又は陥没穴に応力集中が生じたとしても、曲げ応力及びねじり応力に対する接合部６２の強度の低下を防止することができる。
【００４０】
また、本例のレーザー溶接は、亜鉛メッキ鋼板である鋼板６に対して行った。金属メッキが施された鋼板６に対して幅が広い溶接ビードを形成する際には、鋼板６同士が合わさる部分からメッキガスが蒸発して、鋼板６の内部にブローホールが形成されるおそれがある。これに対し、本例のレーザー溶接による溶接ビード６１の幅は狭い。そのため、メッキガスの蒸発を抑えて、ブローホールの形成を極力抑えることができる。これにより、接合部６２の強度の低下を防止することができる。
【００４１】
それ故、本例のレーザー溶接方法によれば、溶接ビード６１に生じる応力集中を緩和し、曲げ応力及びねじり応力に対する接合部６２の強度を高めることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  レーザー加工ロボットシステム
２  レーザー加工機
３  ロボット
４  制御装置
５  自動車ボディ
６  鋼板
６１  溶接ビード
６２  接合部
Ａ，Ｂ  レーザー光
Ｐ  環状経路
Ｘ  焦点位置
Ｒ１  溶接の始点
Ｒ２  溶接の終点
【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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【図７】
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【図８】
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