JP2003305581A

JP2003305581A - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置

Info

Publication number: JP2003305581A
Application number: JP2002109461A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Matsumoto; 清市松本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2003-10-28

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザビームの強度分布を変更することによ
りレーザビームの振動効果を最大限に発揮させるように
し、もって、めっき鋼板を高品質に重ね溶接できるレー
ザ溶接方法を提供する。【解決手段】レーザトーチ１０内の集光レンズ１５の
凸面側中央を凹面状にカットして、重ね合せためっき鋼
板１、２上に照射されるレーザビームＬの照射パターン
のビーム強度分布を、中心部より周辺部の方でビーム強
度が高くなるように設定する。また、集光レンズ１５を
複数の振動子１９に支持させて、該振動子１９の作動に
よりレーザビームＬの集束ビームＬ２を回転運動させ
る。前記照射パターンの特有のビーム強度分布と集束ビ
ームＬ２の回転運動により、熱影響部を含めた溶接部の
めっき成分が急速に蒸発して溶融部から排出され、ブロ
ーホール等の欠陥のない高品質な溶接ビードが得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、めっき鋼板を重ね
合せてレーザ溶接する方法、いわゆるレーザ重ね溶接方
法と該方法の実施に用いるレーザ溶接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、亜鉛めっき鋼板やアルミニウム
めっき鋼板をレーザ重ね溶接する場合、単に鋼板同士を
重ね合せると、レーザビームの熱でめっき成分が蒸発、
飛散し、ブローホールや肌荒れ等の溶接欠陥が生じるこ
とになる。そこで、従来一般には、このようなめっき鋼
板をレーザ重ね溶接する場合は、重ね合せた鋼板間に微
小間隙を確保し、この微小間隙を通して、めっき成分の
蒸発により生じたガス（蒸気）を逃がすようにしてい
た。しかし、この対策によれば、鋼板間に微小間隙を確
保するため、重ね合せる二枚のめっき鋼板の一方または
両方に、予め塑性加工により突起あるいは凹部を形成す
る必要があり（特開平１０−２１６９７４号公報、特開
２０００−１６２３８８号公報、特公平６−７３７５５
号公報等参照）、それらの加工に余分なコストがかかる
上、微小間隙の寸法的なバラツキも避けられない、とい
う問題があった。

【０００３】ところで最近、めっき鋼板を密着して重ね
合せても、上記しためっき成分の蒸発に起因する溶接欠
陥を回避し得るレーザ重ね溶接の開発が推し進められて
おり、例えば、特開２００１−１６２３８９号公報に
は、第１溶接工程でめっき成分を蒸発させることによ
り、後の第２溶接工程（本溶接）をめっき層のない状態
で行う方法が記載されている。しかし、この方法によれ
ば、レーザ溶接を２工程に分けて行うため、生産能率の
低下が避けられず、その上、生産コストの上昇も避けら
れないようになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、例えば、特開平
１０−７１４８０号公報、特開２０００−８４６８４号
公報等には、レーザビームを溶接方向に対して交差する
方向へ振動（円運動、楕円運動、レシプロ運動等）させ
ることにより、ビーム照射を重複させてガス抜きを促進
する方法が記載されている。しかしながら、この方法に
よれば、レーザビーム特有の、山形をなす強度分布特性
により熱影響部のめっき成分の蒸発に遅滞が生じ、この
ガスが溶接金属中にトラップされてしまう危険があり、
その上、得られる溶接金属の幅（ビード幅）が狭く、強
度的問題を生じる虞もあった。これを、図７を参照して
説明すると、従来用いられているレーザビームは、同図
（Ａ）に示すようにその照射パターンＳ´が円形となっ
ており、しかもその照射パターンＳ´内におけるビーム
強度の分布は、中心部を最大として周辺部へ向けて急減
する山形をなしている。この結果、同図（Ｂ）に示すよ
うに、重ね合せた二枚のめっき鋼板１、２の相互間に形
成されるビードＢ´は、Ｖ字形となってその幅Ｗ´も狭
くなっている。したがって、このようなレーザビームＬ
´を上記したように溶接方向に交差する方向へ振動させ
たとしても、熱影響部の急速加熱は困難で、熱影響部の
めっき成分の蒸発に遅滞が生じ、また、ビード幅の拡大
にも限界がある。なお、上記した熱影響部の急速加熱、
ビーム幅の拡大はビーム強度を上げることによりある程
度達成できるが、この場合は、中心部のピーク強度が過
大となるため、溶落ちが発生し易くなるばかりか、出力
の大きなレーザ発振器が必要になって設備のコスト負担
が増大する、という新たな問題が発生し、根本的な問題
解決には至らない。

【０００５】本発明は、上記した問題点に鑑みてなされ
たもので、その課題とするところは、レーザビームの強
度分布を変更することによりレーザビームの振動効果を
最大限に発揮させるようにし、もって、めっき鋼板を高
品質に重ね溶接できるレーザ溶接方法を提供し、併せて
この方法を効率よく実施できるレーザ溶接装置を提供す
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係るレーザ溶接方法は、少なくとも一方が
めっき鋼板である二枚の鋼板の重ね合せ部にレーザビー
ムを照射して両鋼板を溶接するレーザ溶接方法におい
て、前記レーザビームの照射パターンを、中心部より周
辺部の方でビーム強度が高くなるように設定し、該レー
ザビームを目標ビード幅よりも広い幅内で振動させなが
ら溶接方向へ走査させることを特徴とする。このように
行うレーザ溶接方法においては、レーザビームの強度分
布が、中心部より周辺部の方が高いので、レーザビーム
を振動させると熱影響部を含めた溶接部のめっき成分が
急速に蒸発し、一方、溶接金属内ではビーム照射の重複
により確実にガス抜きが進む。本発明の方法において、
上記レーザビームの振動の形態は、円運動、楕円運動、
レシプロ運動等任意であるが、制御が簡単であることか
ら円運動させるのが望ましい。一方、上記課題を解決す
るため、本発明に係るレーザ加工装置は、少なくとも一
方がめっき鋼板である二枚の鋼板の重ね合せ部にレーザ
トーチからレーザビームを照射して両鋼板を溶接するレ
ーザ溶接装置において、前記レーザトーチ内に配置され
る集光レンズを、中心部より周辺部の方でビーム強度が
高くなる照射パターンが得られる形状とし、かつレーザ
ビームを溶接方向に交差する方向へ振動させるように前
記集光レンズを加振する加振手段を設けたことを特徴と
する。このように構成したレーザ溶接装置においては、
レーザトーチ内の集光レンズの形状を変更することで、
簡単にレーザビームの強度分布を変更することができ
る。本レーザ加工装置において、上記加振手段は、集光
レンズの周回り方向に配置された複数の振動子を備えて
いる構成とすることができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基いて説明する。図１および２は、本発明に係る
レーザ溶接方法の実施に用いるレーザトーチ１０を示し
たものである。両図において、１１は、内筒１２と外筒
１３とからなる二重構造のトーチ本体で、その内筒１２
内には、２つの集光レンズ１４と１５とが軸方向へ所定
の間隔で配設されている。トーチ本体１１の先端は、中
央に開口１６ａを有する蓋板１６により閉じられてお
り、この蓋板１６の内側には、その開口１６ａを覆う保
護ガラス１７が配置されている。

【０００８】上記２つの集光レンズのうち、内筒１２の
奥側に配置された第１集光レンズ１４は、図示を略すレ
ーザ発振器から送られたレーザビームＬを平行ビームＬ
１に変更するようにその形状が設定され、一方、蓋板１
６の開口１６ａ側に配置された第２集光レンズ１５は、
前記第１集光レンズ１４から出射された平行ビームＬ１
を集束ビームＬ２に変更するようにその形状が設定され
ている。レーザトーチ１０は、例えば、産業用ロボット
に支持され、溶接に際しては重ね合せた二枚のめっき鋼
板１、２に対して所定の高さ位置となるように位置決め
され、かつこの高さを維持して溶接方向Ｆへ移送され
る。この場合、レーザトーチ１０は、上側のめっき鋼板
１の上面よりも深い位置にレーザビームＬ（集束ビーム
Ｌ２）の焦点を結ぶように、すなわち焦点を外すように
その高さが設定され、これにより上側のめっき鋼板１の
上面には、所定の面積を有する照射パターンＳ（図３）
が形成される。

【０００９】しかして、上記第２集光レンズ１５は、そ
の凸面側の中央部が凹面状にカットされている。すなわ
ち、この凹面状にカットされた凹面カット部１５ａの存
在により第２集光レンズ１５の中心部は実質肉薄とな
り、この結果、図３に示すように、前記めっき鋼板１上
の照射パターンＳにおけるビーム強度分布は、中心部で
大きく落ち込み、周辺部で高くなる異形状を呈するもの
となる。換言すれば、照射パターンＳは、中心側の低ビ
ーム強度部Ｓ１と周辺側の高ビーム強度部Ｓ２とからな
る疑似ドーナツ型となっている。

【００１０】上記第２集光レンズ１５はまた、内筒１２
と外筒１３との間の環状室１８内に配設した複数の振動
子（振動アクチュエータ）１９にその周縁部が支持され
ている。振動子１９は、ここでは円周方向に等配して３
個配設されており、それぞれには、振動子制御装置（図
示略）から信号線２０を経て制御信号が送られるように
なっている。各振動子１９は前記振動子制御装置からの
制御信号に応じて所定の位相をもって往復運動を行うよ
うになっており、これにより第２集光レンズ１５から出
射される集束ビームＬ２は円運動を行い、これに伴い上
側のめっき鋼板１上の照射パターンＳも円運動を行うよ
うになる。したがって、前記振動子１８および振動子制
御装置は、レーザビームＬを溶接方向Ｆに対して交差す
る方向へ振動させるように第２集光レンズを加振する加
振手段を構成している。

【００１１】一方、トーチ本体１０の先端には、その円
周方向に等配して複数（ここでは、４個）の光センサ２
１が配設されている。この光センサ２１は、溶融部（溶
融池）から反射するレーザビームの反射光を検出する役
割をなすもので、その信号は、欠陥検出回路（図示略）
へ送出されるようになっている。前記欠陥検出回路は、
前記各光センサ２１にて検出した反射光の強度変化から
溶接不良を検出する機能を有しており、したがって、前
記光センサ２１と欠陥検出回路とは溶接不良検出装置を
構成している。なお、光センサ２１は、ここではレーザ
ビームの反射光だけの取込みを可能にするバンドパスフ
ィルタを備えた構造となっている。

【００１２】ここで、上記めっき鋼板１、２は、比較的
低温度で蒸発する金属を含むめっき層を有しており、例
えば、亜鉛めっき鋼板、アルミニウムめっき鋼板、ニッ
ケル亜鉛めっき鋼板等がこれに相当する。レーザ溶接に
際しては、先ず、溶接すべき二枚のめっき鋼板１、２を
密着して重ね合せ、この重ね合せた二枚のめっき鋼板
１、２の上方に、例えば、産業用ロボットを用いて本レ
ーザトーチ１０を位置決めする。そして、図示を略すレ
ーザ発振器を起動させてレーザビームＬを重ね合せため
っき鋼板１、２に対して照射し、これを溶接方向Ｆへ走
査させる。また、このレーザビームＬの照射開始と同時
に、図示を略す振動子制御装置から各振動子１９へ制御
信号を送出し、第２集光レンズ１５を振動させてこれか
ら出射される集束ビームＬ２を円運動させる。

【００１３】すると、図４に示すように、上側のめっき
鋼板１上における照射パターンＳが螺旋状の軌跡を描き
ながら溶接方向Ｆへ移動する。この時、照射パターンＳ
の中心軌跡Ｏ１（破線で示す）の振幅Ｈに対し、照射パ
ターンＳの中心線上の対極点である周辺部軌跡Ｏ２、Ｏ
３（実線で示す）は前記中心軌跡Ｏ１の振幅Ｈの外側に
照射パターンＳの半径Ｒ分だけ食み出して振動する。す
なわち、照射パターンＳの周辺側の高ビーム強度部Ｓ２
（図３）が照射パターンＳの直径を超えて広い範囲で振
動し、これにより照射パターンＳの直径よりも広い範囲
が急速に加熱され、溶接部のめっき成分（金属）が広い
範囲にわたって急速に蒸発する。

【００１４】一方、照射パターンＳの中心軌跡Ｏ１の振
幅Ｈ内では、前記照射パターンＳの高ビーム強度部Ｓ２
が密に重複して照射されるので、その振幅Ｈの範囲内の
母材は急速に溶融、攪拌し、これによりめっき金属の蒸
発により発生したガスの排出（ガス抜き）が進む。この
結果、図３（Ｂ）に示すように二枚のめっき鋼板１と２
との相互間には、ブローホール等の欠陥のない品質良好
な溶接ビードＢが形成される。また、この溶接ビードＢ
は、前記した中心部より周辺部の方がビード強度が高く
なる疑似ドーナツ型の照射パターンＳにより台形状とな
り、得られるビード幅Ｗは、従来のＶ字形の溶接ビード
Ｂ´の幅Ｗ´（図７）に比べて大幅に拡大し、これによ
り接合強度も向上する。ここで、上記溶接中、各光セン
サ２１から前記欠陥検出回路に信号が連続に送られてお
り、該欠陥検出回路は、溶融部からのレーザ反射光の強
度を平均化して経時的に観察し、その検出結果に異常が
ある場合は、溶接不良と判断してレーザ発振器に停止信
号を送出する。

【００１５】なお、本発明は、二枚のめっき鋼板１、２
のうちの一方を非めっき鋼板としてもよいもので、この
場合は、めっき鋼板と非めっき鋼板との重ね順序は任意
である。また、上記実施の形態においては、照射パター
ンＳを、中心側の低ビーム強度部Ｓ１と周辺側の高ビー
ム強度部Ｓ２とからなる疑似ドーナツ型としたが、本発
明は、中心側の低ビーム強度部Ｓ１をビーム強度ゼロと
した完全ドーナツ型としてもよいものである。また、上
記実施の形態においては、二枚のめっき鋼板１と２とを
密着して重ね合せるようにしたが、本発明は、この二枚
のめっき鋼板１と２とを微小間隙を有して重ね合せるよ
うにしてもよいもので、この場合は、該微小間隙を通し
てめっき成分のガスが排出されるので、得られる溶接品
質はより一層向上するようになる。さらに、上記実施の
形態においては、溶接トーチ１０を溶接方向Ｆへ移動さ
せるようにしたが、これに代えて、溶接トーチ１０を位
置固定してめっき鋼板板１、２を移動させるようにして
もよいことはもちろんである。

【００１６】

【実施例】溶接すべき二枚のめっき鋼板１、２として、
板厚１.２ｍｍの亜鉛めっき鋼板を選択し、ＹＡＧレー
ザ発振器から出力３.５ｋＷのレーザビームＬを発振さ
せ、上記したレーザトーチ１０を用いて、その振動子１
９の作動により照射パターンＳを２ｋＨｚで振動させな
がら、３.５Ｍ／ｍｉｎの送り速度で走査させてレーザ
重ね溶接を行い、溶接後、溶接部の状態を顕微鏡的に観
察した。図５は、得られた溶接ビードＢを表面的に観察
したもので、溶接ビードＢには肌荒れやビード切れは全
く認められず、良好に仕上っている。一方、図６は、溶
接部の断面組織を示したもので、溶接ビード（溶接金
属）Ｂの内部にはブローホール等の内部欠陥は認められ
ず、本発明の方法がめっき鋼板の重ね溶接に向けて極め
て有用であることが確認できた。

【００１７】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明に係るレ
ーザ溶接方法および装置によれば、中心部より周辺部の
方でビーム強度が高くなるように照射パターンを設定し
たレーザビームを用い、これを目標ビード幅よりも広い
幅内で振動させながら溶接方向へ走査させるので、熱影
響部を含めた溶接部のめっき成分を急速に蒸発させるこ
とができ、めっき鋼板を高品質にかつ効率よく重ね溶接
することができる。また、出力の大きいレーザ発振器を
用いる必要がないので、コスト的に有利となり、その利
用価値は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ溶接方法の実施に用いるレ
ーザトーチの構造を模式的に示す断面図である。

【図２】図１に示したレーザトーチの先端形状を示す平
面図である。

【図３】本発明に係るレーザ溶接方法におけるレーザビ
ームの照射パターンおよびビーム強度分布（Ａ）と溶接
後のビード形状（Ｂ）とを示す模式図である。

【図４】本レーザ溶接方法におけるレーザビームの軌跡
を示す模式図である。

【図５】レーザ溶接後の溶接部の表面状態を示す写真で
ある。

【図６】レーザ溶接後の溶接部の内部組織を示す顕微鏡
写真である。

【図７】従来のレーザ溶接方法におけるレーザビームの
照射パターンおよびビーム強度分布（Ａ）と溶接後のビ
ード形状（Ｂ）とを示す模式図である。

【符号の説明】

１、２めっき鋼板１０レーザトーチ１１トーチ本体１４第１集光レンズ１５第２集光レンズ１５ａ第２集光レンズの凹面カット部１９振動子（加振手段）２１光センサＬレーザビームＳレーザビームの照射パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｂ 26/10 Ｇ０２Ｂ 26/10 Ｇ // Ｂ２３Ｋ 103:04 Ｂ２３Ｋ 103:04 103:16 103:16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方がめっき鋼板である二枚
の鋼板の重ね合せ部にレーザビームを照射して両鋼板を
溶接するレーザ溶接方法において、前記レーザビームの
照射パターンを、中心部より周辺部の方でビーム強度が
高くなるように設定し、該レーザビームを目標ビード幅
よりも広い幅内で振動させながら溶接方向へ走査させる
ことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】レーザビームを円運動させることを特徴
とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】少なくとも一方がめっき鋼板である二枚
の鋼板の重ね合せ部にレーザトーチからレーザビームを
照射して両鋼板を溶接するレーザ溶接装置において、前
記レーザトーチ内に配置される集光レンズを、中心部よ
り周辺部の方でビーム強度が高くなる照射パターンが得
られる形状とし、かつレーザビームを溶接方向に対して
交差する方向へ振動させるように前記集光レンズを加振
する加振手段を設けたことを特徴とするレーザ溶接装
置。
【請求項４】加振手段が、集光レンズの周回り方向に
配置された複数の振動子を備えていることを特徴とする
請求項３に記載のレーザ溶接装置。