JP2008049392A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重ね面の少なくとも一方が表面処理された金属からなるワークの重ね溶接を行う場合に、簡便な方法で高品質な溶接を行う。
【解決手段】上板１０の下面１０ｂと下板１２の上面１２ａとの間の重ね面間に隙間Ｇ１が形成されるようにして前記上板１０と下板１２を重ねた後、上板１０の上面１０ａの溶接部位１４に沿って該上板１０を貫通する第１レーザＬ１を照射することにより該上板１０の下面１０ｂから突出する凸部１８を形成する。その後、凸部１８が下板１２の上面１２ａに当接するように上板１０及び下板１２を狭み込んで固定した状態で、上板１０の上面１０ａ側から第２レーザＬ２を照射して上板１０及び下板１２を溶接する。
【選択図】図５

Description

本発明は、重ね面の少なくとも一方が表面処理された金属からなるワークの重ね溶接を行うレーザ溶接方法に関する。

例えば、自動車の車体等の構造部材として、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理された金属板が広く用いられている。このような金属板（ワーク）を重ねレーザ溶接する場合には、ワークの重ね面間のメッキ、例えば、前記亜鉛メッキ鋼板では亜鉛が蒸発し、その蒸気が溶融部中に噴出してブローホール等の溶接不良（ビード荒れ）が生じることがある。これは、表面に被覆された亜鉛の沸点（９０６℃）が母材である鉄の融点（約１５００℃）よりも低いために生じる問題である。

従来から、前記問題を解決するための方法が各種提案されている。例えば、特許文献１には、重ね面の少なくとも一方が、母材金属の融点よりも低い沸点の材料でコーティングされた金属のレーザ重ね溶接を行う場合に、レーザ照射側の金属（上ワーク）に溶け込み深さｄがその肉厚ｔの０．６〜０．９５倍になる第１のレーザを照射し、該金属の下面に凸部を形成することにより重ね面間に隙間を生じさせた後、第２のレーザを照射してワーク同士を溶融接合させる方法が記載されている。

特許文献２には、亜鉛メッキ鋼板の重ね合わせ部を少なくとも２つのレーザを用いて溶接する方法において、第１レーザにより接合領域の亜鉛メッキを加熱・蒸発させた後、第２レーザにより前記接合領域を溶接する際に、各レーザの直径や平均エネルギー密度及び各レーザ同士の中心間距離を所定値に調整する方法が記載されている。

特開２００２−１７８１７８号公報 特開２００２−１６００８３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、第１のレーザによる溶け込みの深さｄを板厚ｔの０．６〜０．９５倍にする必要があるが、実際の生産ライン上でこのような微細な制御を行うことは非常に難しい。さらに、予めワークをクランプした状態で第１のレーザを照射する構成であるため、ワークの重ね面間には隙間を生じることがなく、従って、前記のような凸部が形成されにくい。

また、上記特許文献２に記載の方法では、ワークの重ね面間に隙間を設けていないため、結局、メッキ蒸気が残留し易くなってしまう。

本発明は上記課題を考慮してなされたものであり、重ね面の少なくとも一方が表面処理された金属からなるワークに対し溶接を行う場合に、簡便な方法で高品質な溶接が可能となるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ溶接方法は、重ね面の少なくとも一方が表面処理された金属からなるワークに対し溶接を行うレーザ溶接方法であって、上ワークの下面と下ワークの上面の間の重ね面間に隙間を設けて前記上ワークと下ワークを重ねた後、上ワークの上面の溶接部位に沿って該上ワークを貫通するレーザを照射して、該上ワークの下面から突出した凸部を形成する第１工程と、該第１工程の後、前記凸部が前記下ワークの上面に当接するように前記上ワーク及び前記下ワークを狭み込んで固定する第２工程と、該第２工程の後、前記上ワークの上面からレーザを照射して、前記上ワーク及び前記下ワークを溶接する第３工程と、を有することを特徴とする。

このような方法によれば、前記第１工程において前記重ね面間に隙間を設けた状態でレーザを照射することにより、上ワークの下面に凸部を確実に形成することができると共に、該レーザ照射により加熱蒸発した表面処理層（表面処理部）、例えば、メッキ部の蒸気が残留することを確実に防ぐことができる。この際、前記レーザは上ワークを貫通するように照射されるため、前記凸部を一層確実に形成することができ、さらに、該第１工程で重ね面の前記メッキ部をも蒸発させておくことができる。このため、前記第３工程でのレーザ照射時に生じる前記メッキ部からの蒸気量を低減させることができ、溶接後のビード荒れを一層確実に防止することができる。また、前記のように第１工程でのレーザが上ワークを貫通するように照射することにより、該レーザの制御や機器構造の簡略化により作業効率の向上やコスト低減が可能となる。

本発明のレーザ溶接方法において、前記第１工程では、前記隙間の高さを、前記レーザにより形成される凸部の高さ以上となるように設定すると、前記下ワークの上面により凸部の形成が妨害されることがなく、従って、所望の高さを持った凸部を一層確実に形成することができる。

また、前記第１工程でのレーザ照射により、前記重ね面の表面処理層を除去しておくと、その後の第３工程でのレーザ照射時に生じる該表面処理層からの蒸気量を低減させることができ、溶接後のビード荒れをより一層確実に防止することができる。この場合、該第１工程でのレーザ照射では、前記重ね面の表面処理層の少なくとも一部を除去すれば、前記蒸気量の低減効果を得ることができる。

さらに、前記第１工程で照射するレーザよりも前記第３工程で照射するレーザの焦点径を大きく設定すると、上ワークと下ワークとを溶接する際のビード幅を十分に確保できるため、溶接強度の向上が可能となる。

本発明によれば、ワークの重ね面間に隙間を設けた状態でレーザを照射することにより、該重ね面間に凸部を確実に形成することができ、該ワークをクランプした際に前記凸部により重ね面間に隙間を確保することができる。従って、レーザ照射により加熱蒸発する重ね面での表面処理層、例えば、メッキ部の蒸気が溶融部等に残留することを防止することができる。

また、本発明によれば、前記レーザを上ワークを貫通するように照射するため、前記凸部を一層確実に形成することができると共に、前記重ね面における前記メッキ部を蒸発させておくことができる。従って、その後のレーザ照射による溶接時、前記メッキ部からの蒸気量を低減させ且つ確実に外部へと逃がすことができる。このため、簡便な手法により溶接後のビード荒れを一層確実に防止できると共に、高品質な溶接が可能となる。

以下、本発明に係るレーザ溶接方法について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法により溶接するワークを重ねた状態を示す概略斜視図である。本実施形態に係るレーザ溶接方法は、表面処理（コーティング）された金属板からなるワークである上板（上ワーク）１０及び下板（下ワーク）１２を重ねた状態でレーザ溶接を行い、これらを接合する溶接方法である。

以下、前記上板１０及び下板１２として、亜鉛メッキ鋼板を用いる場合を例示して説明する。すなわち、図１に示すように、上板１０の上面１０ａ及び下面１０ｂ、並びに、下板１２の上面１２ａ及び下面１２ｂには、表面処理層を構成する亜鉛メッキＺｎが施されている。なお、本発明を適用可能なワークとしては、亜鉛メッキ鋼板以外にも、例えば、アルミメッキ鋼板やクロムメッキ鋼板等が挙げられる。

次に、上板１０及び下板１２を重ねた後、溶接を行うレーザ溶接方法について、図１〜図５を参照して説明する。このレーザ溶接方法では、焦点径の細いレーザ（１パス目）と、それよりも焦点径の太いレーザ（２パス目）による合計２パスからなるレーザ照射を行い、上板１０及び下板１２を重ね溶接する。

図２は、図１に示す上板１０の上面１０ａ側から第１レーザＬ１を照射している状態を説明するための概略斜視図であり、図３は、図２に示す第１レーザＬ１の照射後、上板１０及び下板１２をクランプしている状態を説明するための概略斜視図であり、図４は、上板１０及び下板１２をクランプした状態で、第２レーザＬ２を照射している状態を説明するための概略斜視図である。また、図５Ａ〜図５Ｅは、本実施形態に係るレーザ溶接方法の各工程でのワークの断面状態を説明するための概略断面図である。

先ず、図１及び図５Ａに示すように、上板１０と下板１２とを重ね、重ね面である上板１０の下面１０ｂと下板１２の上面１２ａとの間（重ね面間）に、所定の隙間Ｇ１を確保した状態とする。前記隙間Ｇ１は、少なくとも上板１０の上面１０ａ上に想定される溶接部位１４の長手方向に沿った周辺部に設けられていればよく、上板１０と下板１２との重ね面間全体に及んでいる必要はない。

なお、前記隙間Ｇ１を確保するために、例えば、上板１０と下板１２の間に図示しないスペーサを挟んだり、図示しない治具を用いたりしてもよい。また、ワークの形状により単に重ねただけで隙間Ｇ１を確保できる場合には、前記スペーサ等を用いる必要はない。すなわち、ワークを重ねた状態で前記隙間Ｇ１が形成されるように予めワークの形状を加工したものや、湾曲等を有することにより重ねると自然に前記隙間Ｇ１が形成されるようなワーク等では、前記のようなスペーサ等を用いる必要がない。

次に、上板１０と下板１２の重ね面間に前記隙間Ｇ１を確保した状態で、図２に示すように、上板１０の上面１０ａ側から前記溶接部位１４に沿って第１レーザＬ１を走査させる。この際、第１レーザＬ１は上板１０を貫通するように照射する（図５Ｂ参照）。これにより、該第１レーザＬ１が照射され加熱された上板１０の溶融部では、一部が下面１０ｂから下方に突出した後、瞬時に（例えば、１／１００秒程度で）冷えて固まり、該下面１０ｂに凸状のビードからなる凸部１８が形成される（第１工程）。同時に、上板１０における前記凸部１８の上方には、該上板１０を貫通したビード２０が前記溶接部位１４に沿って延在するように形成される。

従って、前記隙間Ｇ１は第１レーザＬ１の照射により重ね面間に凸部１８を確実に形成できる高さ（大きさ）に設定しておくことが望ましい。すなわち、上記特許文献２に記載の従来技術のように、隙間Ｇ１を確保していない場合や、隙間Ｇ１の高さが不十分であって重ね面間に十分な空間が確保されていない場合には、下板１２の上面１２ａによって前記凸部１８の形成（成長）が妨害され、所望の高さを有した凸部１８を形成することが難しいからである。

前記第１レーザＬ１としては焦点径の極めて細いもの、例えば、ファイバーレーザが好適に使用され、前記のように上板１０を貫通するように照射される（図５Ｂ参照）。そうすると、第１レーザＬ１により上板１０が貫通（裏抜け）するまでの入熱で、上板１０の上面１０ａ表面及び下面１０ｂ表面の亜鉛メッキＺｎだけでなく、下板１２の上面１２ａ表面の亜鉛メッキＺｎも蒸発し、これら亜鉛蒸気は前記隙間Ｇ１から外部へと逃げてゆく（図５Ｂ中の破線矢印参照）。また、前記第１レーザＬ１は、上板１０の下面１０ｂでの凸部１８の形成を目的としているため、余分な出力をかけず、さらに、誤って上板１０と下板１２とを接合しないためにも、前記のような焦点径の細いレーザを用いることが好ましい。

次に、図３に示すように、図示しないクランプ装置等により、上板１０の上面１０ａ側と下板１２の下面１２ｂ側とから、これら上板１０及び下板１２を挟み込んで固定する。すなわち、上板１０及び下板１２をクランプする。

そうすると、図５Ｃに示すように、前記凸部１８が上板１０と下板１２との間で介在しているため、該凸部１８が支柱となり、少なくとも該凸部１８の周辺部において、上板１０と下板１２とは完全には密着しない。すなわち、上板１０と下板１２とをクランプした状態において、これらの重ね面間の凸部１８周辺部に凸部１８の高さと略等しい隙間Ｇ２が形成される。この場合、前記隙間Ｇ２の高さは、凸部１８の高さに依存するため、当然、隙間Ｇ１よりも低いものとなる。

このように、前記凸部１８の高さは、上板１０と下板１２とをクランプした状態で重ね面間に所望の高さを有した隙間Ｇ２を形成できる高さ、つまり、後述する第２レーザＬ２により溶接を行う際に、亜鉛蒸気を外部へと十分に逃がすことができる高さであればよい。

次いで、前記のように上板１０及び下板１２をクランプした状態で、図４に示すように、前記第１レーザＬ１の照射部位と同位置、つまり、ビード２０に沿って、第２レーザＬ２を走査させる。このように前記第２レーザＬ２が照射されることで、上板１０と下板１２とが溶接され強固に接合されて、第２レーザＬ２の照射部位に沿ったビード２２が形成される（図４及び図５Ｅ参照）。

この場合、第２レーザＬ２の照射前に第１レーザＬ１により凸部１８を形成しているので、上板１０と下板１２とがクランプされた状態であっても、隙間Ｇ２から外部へと亜鉛メッキＺｎが蒸発した亜鉛蒸気を逃がすことができる（図５Ｄ中の破線矢印参照）。換言すれば、第１レーザＬ１により前記凸部１８を確実に形成して隙間Ｇ２を確保しておくことにより、例えば、上板１０及び下板１２をより強固にクランプした場合であっても、該隙間Ｇ２を介して第２レーザＬ２による亜鉛蒸気を外部へと確実に逃がすことができる。このように、前記第２レーザＬ２による溶接時に、上板１０及び下板１２を強固にクランプしておくことが可能となるため、容易且つ正確に第２レーザＬ２の照射による溶接工程を実行することができ、溶接後の接合強度や外観を向上させることができる。

また、前記のように、第２レーザＬ２を第１レーザＬ１の照射部位と同位置に照射させると、前記隙間Ｇ２を有効に利用して第２レーザＬ２による亜鉛蒸気を外部へと逃すことができると共に、ワークに形成されるビード数を最小限にできるため、溶接後のワークの外観及び防錆性を確保し易くなる。なお、溶接後のワークの使用条件等によっては、第１レーザＬ１と第２レーザＬ２の照射位置を別位置としてもよい。

前記第２レーザＬ２は、上板１０と下板１２との間に必要な接合強度を得るのに十分な幅のビードを形成するため、第１レーザＬ１よりも焦点径の大きなレーザを用いることが望ましく、その種類としては、例えば、ＹＡＧレーザ、ＣＯ₂レーザや半導体励起レーザ等が挙げられる。また、該第２レーザＬ２として第１レーザＬ１と同じものを用いることもできる。

以上のように、本実施形態に係るレーザ溶接方法によれば、上板１０と下板１２との間の重ね面間に十分な隙間Ｇ１を確保した状態で第１レーザＬ１を上板１０を貫通させるように照射する。従って、上板１０の下面１０ｂに所望の大きさからなる凸部１８を容易且つ確実に形成することができると共に、隙間Ｇ１から亜鉛蒸気を外部へと確実に逃がすことができる。さらに、その後、凸部１８を利用して隙間Ｇ２を確保することにより、第２レーザＬ２による溶接時、亜鉛メッキＺｎから生じる亜鉛蒸気を該隙間Ｇ２から外部へと容易に逃がすことができる。このように、本実施形態に係るレーザ溶接方法によれば、溶接時における亜鉛蒸気による噴出しを防止してビード荒れを防止することができる。

この際、第１レーザＬ１により凸部１８を形成した後、上板１０と下板１２とをクランプすることにより、上記特許文献１に記載の従来技術のように予めワークを重ねてクランプした後、凸部を形成する場合に比べて、一層容易且つ確実に所望の大きさからなる凸部１８を形成することができる。つまり、凸部１８の形成後に上板１０及び下板１２をクランプすることにより、該クランプをより強固に行った状態で第２レーザＬ２による溶接工程を行うことができるため、溶接作業をより正確且つ迅速に行うことができる。

さらに、前記第１レーザＬ１は、上板１０を貫通させるように照射するため、該第１レーザＬ１の制御や機器構造を簡略化することができ、作業効率の向上やコスト低減等が可能となり、生産ライン等では特に有効である。

さらにまた、第１レーザＬ１を上板１０を貫通させることにより、該第１レーザＬ１によって、上板１０の下面１０ｂの亜鉛メッキＺｎだけでなく、下板１２の上面１２ａの亜鉛メッキＺｎもある程度蒸発させておくことができる。従って、後段の第２レーザＬ２での溶接時での重ね面間での亜鉛蒸気の発生を少なくすることができ、溶接後のビード荒れを一層確実に防止することができる。また、前記のように亜鉛蒸気の発生が減少するため、凸部１８を最小限の高さに形成し、該凸部１８による前記隙間Ｇ２の高さを最小限とすることも可能となる。これにより、第２レーザＬ２により溶接され接合された後の上板１０と下板１２との間に余計な隙間等が形成されることがなく、一層外観のよい強固な溶接が可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは当然可能である。

例えば、第１レーザＬ１及び第２レーザＬ２の種類や焦点径の大きさ等は必ずしも変更する必要はなく、同様のものを用いてもよい。

また、上記実施形態では、上板１０及び下板１２はその両面に亜鉛メッキＺｎが施されたものであるとしたが、これに限らず、上板１０と下板１２との間の重ね面の少なくとも一方、すなわち、上板１０の下面１０ｂ又は下板１２の上面１２ａの少なくとも一方に表面処理（亜鉛メッキＺｎ）が施されている場合であれば、本発明のレーザ溶接方法は有効に適用することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法により溶接するワークである上板及び下板を重ねた状態を示す概略斜視図である。 図１に示す上板の上面側から第１レーザを照射している状態を説明するための概略斜視図である。 図２に示す第１レーザの照射後、上板及び下板をクランプしている状態を説明するための概略斜視図である。 上板及び下板をクランプした状態で、第２レーザを照射している状態を説明するための概略斜視図である。 図５Ａは、上板及び下板を重ねた状態を説明するための概略断面図であり、図５Ｂは、図５Ａに示す上板及び下板に第１レーザを照射している状態を説明するための概略断面図であり、図５Ｃは、第１レーザを照射した後、上板及び下板をクランプした状態を説明するための概略断面図であり、図５Ｄは、図５Ｃに示す上板及び下板に第２レーザを照射している状態を説明するための概略断面図であり、図５Ｅは、第２レーザを照射して上板及び下板を溶接した状態を説明するための概略断面図である。

符号の説明

１０…上板 １０ａ、１２ａ…上面
１０ｂ、１２ｂ…下面 １２…下板
１４…溶接部位 １８…凸部
２０、２２…ビード
Ｇ１、Ｇ２…隙間 Ｌ１、Ｌ２…レーザ

Claims (4)

1. 重ね面の少なくとも一方が表面処理された金属からなるワークに対し溶接を行うレーザ溶接方法であって、
   上ワークの下面と下ワークの上面の間の重ね面間に隙間を設けて前記上ワークと下ワークを重ねた後、上ワークの上面の溶接部位に沿って該上ワークを貫通するレーザを照射して、該上ワークの下面から突出した凸部を形成する第１工程と、
   該第１工程の後、前記凸部が前記下ワークの上面に当接するように前記上ワーク及び前記下ワークを狭み込んで固定する第２工程と、
   該第２工程の後、前記上ワークの上面からレーザを照射して、前記上ワーク及び前記下ワークを溶接する第３工程と、
   を有することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 請求項１記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１工程では、前記隙間の高さを、前記レーザにより形成される凸部の高さ以上となるように設定することを特徴とするレーザ溶接方法。
3. 請求項１又は２記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１工程でのレーザ照射により、前記重ね面の表面処理層を除去することを特徴とするレーザ溶接方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１工程で照射するレーザよりも前記第３工程で照射するレーザの焦点径を大きく設定することを特徴とするレーザ溶接方法。

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