JP2019181496A - 溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属板同士の間に生じている隙間が大きい場合であっても、各金属板を容易に接合することができるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】２枚の金属板Ｗ１，Ｗ２における接合領域内の６箇所に順にレーザ光を照射し該箇所を溶融させて各金属板Ｗ１，Ｗ２同士を部分的に接合させる部分溶接工程を行う。この部分溶接工程の終了後、所定時間経過後に前記接合領域の全体に亘ってレーザ光を照射していき、この接合領域の全体を溶融させて各金属板Ｗ１，Ｗ２同士を接合させる本溶接工程を行う。部分溶接工程によって、溶融金属が凝固するときの収縮によって各金属板同士の間の板隙は小さくなっているので、本溶接工程での溶融金属の量が比較的少なくても、この板隙に溶融金属が十分に入り込み各金属板に亘って溶融金属が架橋されることで各金属板が良好に接合されることになる。これにより、溶接条件の選定が容易になる。【選択図】図３

Description

本発明は、重ね合わされた複数枚の金属板において予め設定された接合領域を溶接する溶接方法に係る。

従来、複数枚の金属板同士を接合（溶接）する手法として重ね隅肉溶接が知られている。特許文献１には、２枚の金属板の重ね隅肉溶接に関し、金属板同士の間に隙間（以下、板隙という場合もある）が生じている場合に、レーザ光の照射による各金属板それぞれへの入熱量を調整することで各金属板に亘って溶融金属を架橋させて各金属板同士を接合することが開示されている。

特開２０１５−１９９１１０号公報

しかしながら、金属板同士の間に生じている隙間（板隙）が大きい場合、各金属板に亘って溶融金属を架橋させるためには、この溶融金属の量を多くする必要がある。つまり、各金属板に亘って溶融金属を架橋させるのに必要な溶融金属量を得るための溶接条件を板隙に応じて適宜選定する必要があり、溶接条件の選定の煩雑化や溶接装置の構成の複雑化を招いてしまう可能性がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金属板同士の間に生じている隙間が大きい場合であっても、各金属板を容易に接合することができる溶接方法を提供することにある。

前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、重ね合わされた複数枚の金属板において予め設定された接合領域を溶接する溶接方法を対象とする。そして、この溶接方法は、前記複数枚の金属板における前記接合領域内の少なくとも１箇所を溶融させて各金属板同士を部分的に接合させる部分溶接工程と、前記部分溶接工程の終了後、所定時間経過後に前記接合領域の全体を溶融させて各金属板同士を接合させる本溶接工程と、を行うことを特徴とする。

この特定事項により、本発明に係る溶接方法では、先ず、部分溶接工程において、複数枚の金属板における接合領域内の少なくとも１箇所を溶融させて各金属板同士を部分的に接合させる。この際、溶融金属が凝固するときの収縮によって各金属板同士の間の隙間（板隙）が小さくなる。つまり、前記接合領域における板隙が小さくなる。そして、この部分溶接工程の終了後、所定時間経過後に本溶接工程を行う。この本溶接工程では、前記接合領域の全体を溶融させて各金属板同士を接合させる。この際、前記部分溶接工程によって接合領域における板隙は小さくなっているので、本溶接工程での溶融金属の量が比較的少なくても、この板隙に溶融金属が十分に入り込み各金属板に亘って溶融金属が架橋されることで各金属板が良好に接合されることになる。このように本解決手段では本溶接工程の開始前における接合領域の板隙は小さくなっているため、各金属板に亘って溶融金属を架橋させるための溶融金属量が得られる溶接条件の選定が容易である。つまり、溶接条件の選定の煩雑化を抑制でき、溶接動作を容易に行うことが可能になる。

また、前記接合領域は、前記各金属板の重ね合わせ部分である溶接線に沿う方向に延在されており、前記部分溶接工程では、前記溶接線に沿う方向に亘って所定間隔を存した複数箇所それぞれを溶融させて各金属板同士を部分的に接合させることが好ましい。

これによれば、部分溶接工程の終了後にあっては、各金属板の重ね合わせ部分である溶接線に沿う方向の略全体において各金属板同士の間隔（板隙）が小さくなっている。これにより、本溶接工程では、各金属板における接合領域の略全体に亘って均等な溶融金属量で溶接が行われ、該接合領域の略全体に亘って均等な接合強度を得ることができる。

また、前記部分溶接工程では、前記溶接線上の複数の溶接箇所に対し、外側に位置する溶接箇所から内側に位置する溶接箇所に亘って順に溶接を行うことが好ましい。

また、前記部分溶接工程での各溶接箇所の数は、前記溶接線に沿う方向に亘って等間隔寸法を存した箇所を溶接箇所とした場合に、前記溶接線に沿う方向において各金属板上で略１０ｍｍ当たり１箇所となる数に設定されていることが好ましい。

また、前記部分溶接工程での各溶接箇所におけるそれぞれの溶接長さは略３ｍｍに設定されていることが好ましい。

また、前記部分溶接工程での溶接時間間隔としては略０．２秒間隔に設定されていることが好ましい。

また、前記金属板は、鉛直方向で重ね合わされた上板および下板であって、上板の板厚寸法は下板の板厚寸法よりも小さく設定されていることが好ましい。

これら溶接順序、溶接点数、溶接長さ、溶接時間間隔、上板の板厚寸法といったパラメータは、部分溶接工程を実施するに当たり、各金属板同士の板隙が変化する場合の該変化に影響を与えるものとなっている。そして、これらパラメータを前述の如く設定することで、部分溶接工程に要する時間を必要最小限に抑えながらも、本溶接工程の開始前における接合領域の板隙を十分に小さくすることができる。

また、前記金属板は、鉛直方向で重ね合わされた上板および下板であって、前記上板と前記下板との重ね隅肉部分に対して上方からレーザ光を照射して重ね隅肉溶接を行う際、前記本溶接工程は、前記レーザ光の照射位置を、前記各金属板の重ね合わせ部分である溶接線を跨ぐように円形または楕円形の軌跡に沿って移動させながら、その軌跡における円形または楕円形の中心を前記溶接線に沿う方向に移動させていくようにし、前記レーザ光の照射位置の前記円形または前記楕円形の軌跡に沿う移動方向が、前記溶接線に沿う方向において既に前記レーザ光が通過した範囲よりも下流側であって前記各金属板の未溶融部分を前記レーザ光が通過する際に、前記上板に前記レーザ光が照射された後、前記下板に前記レーザ光が照射される方向に規定されていることが好ましい。

これによれば、本溶接工程（重ね隅肉溶接）において上板にレーザ光が照射されている際に、このレーザ光の照射位置では上板の金属材料が溶融され、該上板と下板とが架橋される。この場合、レーザ光の熱は上板だけに留まらず下板にも伝達されることになり、このレーザ光の照射位置において上板と下板とが良好に溶接される。また、レーザ光の熱が上板および下板の両方に伝達されているため、この際における上板においてレーザ光の照射位置の周辺の領域にあっては入熱量が比較的少なく金属材料の溶融が十分に行われていない状態にある。その後、前記軌跡上を移動するレーザ光の照射位置が下板を経て再び上板に達することで、前記溶融が十分に行われていなかった上板の前記領域（上板と下板とが既に溶接されている位置の周辺の領域）では、レーザ光の照射によって金属材料が完全に溶融されることになり、このレーザ光の照射位置にあっても上板と下板とは良好に溶接される。

このように、円形または楕円形の軌跡に沿って移動するレーザ光の照射位置が再び上板に達した際には、この上板の照射位置では、それまで十分に溶融されていなかった領域が溶融することになる。つまり、完全に溶融されている領域に向けてレーザ光を照射するものとはなっていない。このため、完全に溶融されている領域に向けてレーザ光を照射することで溶湯（溶融金属）をキーホールの圧力で吹き飛ばしてしまうといったことは抑制され、溶接箇所（金属材料が溶融した後に凝固した領域）の厚み（ビードにおけるのど厚）を十分に確保することができ、溶接箇所における接合強度（継手強度）を十分に確保することができる。

また、前記部分溶接工程での溶接順序として、前記溶接線上の複数の溶接箇所に対し、外側に位置する溶接箇所から内側に位置する溶接箇所に亘って順に溶接を行った後、最も外側に位置する溶接箇所とその溶接箇所に隣り合って内側に位置する溶接箇所との間に溶接を行うようにしてもよい。

溶接線上の複数の溶接箇所に対し、外側に位置する溶接箇所から内側に位置する溶接箇所に亘って順に溶接を行った時点では、前記溶接線上における外側の領域の板隙が内側の領域の板隙に比べて大きくなってしまう傾向があるが、本解決手段では、最も外側に位置する溶接箇所とその溶接箇所に隣り合って内側に位置する溶接箇所との間での板隙を小さくすることができ、これによって各金属板の溶接領域の全体に亘って板隙を均等に小さくすることができる。その結果、本溶接工程での溶融金属の量が更に少なくても、板隙に溶融金属が十分に入り込み各金属板に亘って溶融金属が架橋されることで各金属板を良好に接合することができる。

本発明では、複数枚の金属板における接合領域内の少なくとも１箇所を溶融させて各金属板同士を部分的に接合させる部分溶接工程を行った後、所定時間経過後に接合領域の全体を溶融させて各金属板同士を接合させる本溶接工程を行うようにしている。このため、部分溶接工程において溶融金属が凝固するときの収縮によって各金属板同士の間の隙間（板隙）を小さくすることができる。つまり、本溶接工程の開始前における接合領域の板隙を小さくすることができるため、各金属板に亘って溶融金属を架橋させるための溶融金属量が得られる溶接条件の選定が容易であり、その選定の煩雑化を抑制できる。

実施形態に係るレーザ溶接装置を示す概略構成図である。 ２枚の金属板が重ね合わされた状態を示す斜視図である。 部分溶接工程終了後における図２相当図である。 部分溶接された箇所の断面図である。 部分溶接工程での溶接順序と部分溶接工程終了後の板隙との関係を求めるための実験結果を示す図である。 部分溶接工程での溶接点数と部分溶接工程終了後の板隙との関係を求めるための実験結果を示す図である。 部分溶接工程での溶接長さと部分溶接工程終了後の板隙との関係を求めるための実験結果を示す図である。 部分溶接工程での溶接時間間隔と部分溶接工程終了後の板隙との関係を求めるための実験結果を示す図である。 部分溶接工程での溶接時間間隔と部分溶接工程終了後の板隙との関係を求めるための他の実験結果を示す図である。 部分溶接工程での上板の板厚寸法と部分溶接工程終了後の板隙との関係を求めるための実験結果を示す図である。 本溶接工程におけるレーザ光の走査を説明するための図２相当図である。 本溶接工程におけるレーザ光の照射位置の軌跡を説明するための図である。 本溶接工程におけるレーザ光の照射位置の移動状態を説明するためのワークの溶接箇所を拡大して示す図である。 本溶接工程終了後における図２相当図である。 変形例１における図３相当図である。 変形例１における図６相当図である。 変形例２における溶接箇所を示す金属板の平面図である。 変形例３における溶接箇所を示す金属板の平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、自動車の車体の製造工程で使用されるレーザ溶接装置により実施されるレーザ溶接方法として本発明を適用した場合について説明する。

−レーザ溶接装置の概略構成−
図１は、本実施形態に係るレーザ溶接に使用されるレーザ溶接装置１を示す概略構成図である。この図１に示すように、レーザ溶接装置１は、レーザ発振器２、レーザスキャナ３、溶接ロボット４、および、ロボットコントローラ５を備えている。

レーザ発振器２はレーザ光を生成する。この生成されたレーザ光は、光ファイバーケーブル２１を経てレーザスキャナ３に導かれる。レーザ光としては、例えば炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ等を用いることができる。

レーザスキャナ３は、光ファイバーケーブル２１を経て導かれたレーザ光を、２枚のアルミニウム合金の板材（アルミニウム系金属板；以下、単に金属板という場合もある）Ｗ１，Ｗ２が重ね合わされて成るワークＷに照射する（図１の一点鎖線を参照）。レーザスキャナ３の内部には図示しないレンズ群や複数のミラー３１（図１では１個のミラー３１のみを示している）が収容されている。レンズ群としては、レーザ光を平行光にするためのコリメートレンズや、レーザ光をワークＷの加工点（ワークＷ上の所定のレーザ照射位置）において焦点を結ぶように集光させる集光レンズ等が備えられている。また、各ミラー３１はそれぞれ回動軸３２を中心に回動可能に構成されている。具体的には、前記回動軸３２は走査モータ３３に連結されており、この走査モータ３３の作動に伴う回動軸３２の回動によって各ミラー３１が回動するようになっている。そして、これらミラー３１の回動によってレーザ光を走査し、ワークＷの所定範囲内でレーザ光の照射位置を移動させることが可能となっている。これにより、レーザスキャナ３自体を移動させることなくレーザ光の照射位置を移動することが可能である。各ミラー３１は例えばガルバノミラーを用いて構成することができる。

溶接ロボット４は、レーザスキャナ３を移動可能とするように構成されている。この溶接ロボット４は、多関節ロボットによって構成されている。具体的に、本実施形態のものでは、ベース台４１、ベース台４１の内部に収容された回転機構（図示省略）、関節４２，４３，４４、および、アーム４５，４６，４７を備えている。回転機構の回転動作および各関節４２，４３，４４におけるアーム４５，４６，４７の揺動動作により、レーザスキャナ３を任意の方向に移動することが可能となっている。

ロボットコントローラ５には、予めオフラインティーチングによって、溶接対象箇所に向けてレーザスキャナ３を移動させるための情報（各関節４２，４３，４４の回動角度量等の情報）が記憶されている。そして、車体製造ライン上の溶接工程箇所まで車体が搬送されてきた際に、ロボットコントローラ５からの制御信号に従い、前記情報に基づいて溶接ロボット４が作動することで、レーザスキャナ３が溶接対象箇所に対向され、このレーザスキャナ３から溶接対象箇所に向けてレーザ光が照射されることで順次レーザ溶接が行われていくことになる。

また、前記ロボットコントローラ５には、ワークＷ上のレーザ照射位置を移動させるための制御信号を出力するレーザ光走査制御部５１が備えられている。このレーザ光走査制御部５１は、前記走査モータ３３に対して制御信号を出力する。この制御信号に従って走査モータ３３が作動することにより、各ミラー３１が回動軸３２を中心に回動してレーザ光が走査され、ワークＷ上のレーザ照射位置が移動される。このワークＷ上でのレーザ照射位置の移動については後述する。

−溶接方法−
次に、本実施形態の特徴である溶接方法について説明する。本実施形態では、鉛直方向で重ね合わされた２枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の重ね隅肉溶接を行う場合であって、この金属板Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ部分（重ね隅肉部分）に対して、前記レーザスキャナ３より出射されるレーザ光を上方から照射する場合について説明する。このため、以下では、上側の金属板を上板Ｗ１と呼び、下側の金属板を下板Ｗ２と呼ぶこととする。

図２は、２枚の金属板Ｗ１，Ｗ２が重ね合わされた状態を示す斜視図である。本実施形態における重ね隅肉溶接は、重ね合わされた上板Ｗ１と下板Ｗ２との重ね合わせ部分である溶接線Ｌに沿って金属材料を溶融させてこれら上板Ｗ１と下板Ｗ２とを溶接するものである。具体的には、上板Ｗ１の先端面（図２における手前側の端面）Ｗ１ａの位置に対して、下板Ｗ２の先端面（図２における手前側の端面）Ｗ２ａの位置を僅かに手前側に位置させ、これら上板Ｗ１の上面Ｗ１ｂおよび先端面Ｗ１ａから、下板Ｗ２の上面Ｗ２ｂに亘る所定の範囲内である接合領域内で、レーザ光を走査させて（レーザ光の集光点を走査させて）金属材料を溶融させ、これにより上板Ｗ１と下板Ｗ２とを溶接するようにしている。

そして、本実施形態の溶接工程としては、部分溶接工程と、その後に実施される本溶接工程とがある。

部分溶接工程は、各金属板Ｗ１，Ｗ２における前記溶接線Ｌを含む接合領域内の少なくとも１箇所（各金属板Ｗ１，Ｗ２に跨る箇所）にレーザ光を照射し該箇所を溶融させて各金属板Ｗ１，Ｗ２同士を部分的に接合させるものである。具体的には、図３（部分溶接工程終了後における図２相当図であって斜線を付した部分が溶融金属が硬化されて成る溶接箇所である）に示すように、前記溶接線Ｌに沿う方向に亘って所定間隔を存した６箇所それぞれにレーザ光を個別に照射し各箇所を溶融させて各金属板Ｗ１，Ｗ２同士を部分的に接合させるものである。

本溶接工程は、前記部分溶接工程の終了後、該部分溶接工程で溶融した金属（溶融金属）が硬化した後に行われるものであって、前記接合領域の全体に亘って順にレーザ光を照射していくことで、この接合領域の全体を溶融させて各金属板Ｗ１，Ｗ２同士を接合させるものである。

以下、部分溶接工程および溶接工程それぞれについて説明する。

（部分溶接工程）
部分溶接工程では、各金属板Ｗ１，Ｗ２における溶接線Ｌに沿う方向に亘って所定間隔を存した複数箇所（図３では６箇所）それぞれにレーザ光を照射し（図３の一点鎖線を参照）各箇所を溶融させて各金属板Ｗ１，Ｗ２同士を部分的に接合させる。

そして、この部分溶接工程では、溶融金属が凝固するときの収縮によって各金属板Ｗ１，Ｗ２同士の間の隙間（板隙）が小さくなる。つまり、前記接合領域における板隙が小さくなる。図４は部分溶接された箇所の断面図である。この図４に示すものでは、上板Ｗ１の先端部分（前記先端面Ｗ１ａおよびその周辺部）およびこの上板Ｗ１の先端部分に対向する下板Ｗ２の上面Ｗ２ｂの一部が、レーザ光の照射によって溶融され、その後、凝固するときの収縮によって上板Ｗ１の先端部分が下板Ｗ２側に湾曲した状態を示している。この上板Ｗ１の先端部分の湾曲により、各金属板Ｗ１，Ｗ２同士の間の隙間（板隙；上板Ｗ１の先端面Ｗ１ａの下端と下板Ｗ２の上面Ｗ２ｂとの間隔）が小さくなる。つまり、前記接合領域における板隙が小さくなる。

本発明の発明者らは、前記部分溶接工程を実施するに当たり、各金属板Ｗ１，Ｗ２同士の板隙が変化する場合の該変化に影響を与えるパラメータとして、溶接順序、溶接点数、溶接長さ、溶接時間間隔、上板Ｗ１の板厚寸法が挙げられるといった知見を得た。

ここで、溶接順序とは、前記溶接線Ｌに沿う方向に亘って所定間隔を存した位置に規定された複数の溶接箇所それぞれの溶接順序である。溶接点数とは、前記溶接線Ｌに沿う方向に亘って所定間隔を存した位置に規定された複数の溶接箇所の個数である。溶接長さとは、各溶接箇所における溶融部分の前記溶接線Ｌに沿う方向の長さ寸法である。溶接時間間隔とは、各溶接箇所にレーザ光を順に照射して溶接していく際のインターバル（一つの溶接箇所に対するレーザ光の照射が終了してから次の一つの溶接箇所に対するレーザ光の照射が開始されるまでの時間間隔）である。

以下、これらパラメータと部分溶接工程終了後における各金属板Ｗ１，Ｗ２同士の板隙との関係を求めるために行った実験結果について説明する。尚、以下の実験におけるレーザ溶接条件（レーザ出力、レーザ焦点位置等）は適宜設定される。つまり、スパッタの発生が抑制される範囲で所定時間内に部分溶接工程を終了させることができるレーザ溶接条件として予め設定されている。

＜溶接順序と部分溶接工程終了後の板隙との関係＞
図５は部分溶接工程での溶接順序と部分溶接工程終了後の板隙との関係を求めるために行った実験結果を示す図である。この図５の上段に示す各金属板Ｗ１，Ｗ２に付した数字は、複数（６箇所）の溶接箇所それぞれにおける溶接順序を表している。つまり、この実験では３種類の溶接順序で実験を行っている。この３種類の溶接順序のうち第１の溶接順序としては図中の右側から左側に向けて等間隔寸法で順に溶接を行ったものである。その場合の結果（部分溶接工程終了後の板隙）を図５の下段の△で示している。第２の溶接順序としては図中の中央側（内側）から順次外側に亘って等間隔寸法で溶接を行ったものである。その場合の結果を図５の下段の□で示している。第３の溶接順序としては図中の外側から順次中央側（内側）に亘って等間隔寸法で溶接を行ったものである。その結果を図５の下段の○で示している。

この実験によれば、前記３種類の溶接順序のうち、第３の溶接順序である図中の外側から順次中央側に亘って等間隔寸法で溶接を行った場合に、この中央部分において最も板隙が小さくなるといった結果が得られた（図５における測定箇所Ｃ，Ｄを参照）。具体的には、この測定箇所Ｃ，Ｄにあっては、初期板隙（部分溶接工程前の板隙；例えば０．５ｍｍ）に対して４０％程度まで板隙が小さくなっている。

以上のことから、部分溶接工程での溶接順序としては、外側から順次中央側に亘って溶接を行うことが最適であるとの結果を得た。

＜溶接点数と部分溶接工程終了後の板隙との関係＞
図６は部分溶接工程での溶接点数と部分溶接工程終了後の板隙との関係を求めるために行った実験結果を示す図である。この実験では、溶接点数を１点、２点、３点、４点、５点、６点それぞれに設定した場合についての部分溶接工程終了後の板隙を計測して行った。溶接点数が１点の場合には、前記溶接線Ｌに沿う方向の略中央部分を溶接箇所とした。また、溶接点数が複数点の場合には、前記溶接線Ｌに沿う方向に亘って等間隔寸法を存した箇所を溶接箇所とした。

図６に示すように、溶接点数が多いほど部分溶接工程終了後の板隙は小さくなるといった結果が得られた。この場合も測定箇所Ｃ，Ｄにあっては、初期板隙に対して４０％程度まで板隙が小さくなっている。

以上のことから、部分溶接工程終了後の板隙を小さくするためには、部分溶接工程での溶接点数は多い方が好ましいとの結果を得た。しかしながら、図６では示していないが溶接点数を７点以上に設定したとしても板隙を小さくする効果に殆ど変化はなかった。このため、部分溶接工程に要する時間（タクトタイム）を考慮すると、溶接点数としては６点が適切であるとの結果を得た。この実験では、各金属板Ｗ１，Ｗ２の板幅（図２における左右方向の板寸法）は６０ｍｍであった。このため、互いに隣り合う溶接箇所同士の間隔寸法は１０ｍｍ程度であることが適切であるとの結果を得た。

＜溶接長さと部分溶接工程終了後の板隙との関係＞
図７は部分溶接工程での溶接長さと部分溶接工程終了後の板隙との関係を求めるために行った実験結果を示す図である。この実験では、溶接長さを２ｍｍ、３ｍｍ、６ｍｍそれぞれに設定した場合についての部分溶接工程終了後の板隙を計測して行った。また、溶接順序としては前述したように外側から順次中央側（内側）に亘って等間隔寸法で溶接を行うものとした。

図７に示すように、溶接長さが長いほど部分溶接工程終了後の板隙は小さくなるといった結果が得られた。この場合、測定箇所Ｃ，Ｄにあっては、初期板隙に対して５０％程度まで板隙が小さくなっている。

以上のことから、部分溶接工程終了後の板隙を小さくするためには、部分溶接工程での溶接長さは長い方が好ましいとの結果を得た。しかしながら、溶接長さを６ｍｍとした場合、一部の溶接箇所では未溶着部分が発生していた。このため、全ての溶接箇所が確実に溶着される範囲で溶接長さをできるだけ長く確保するものとしては３ｍｍが適切であるとの結果を得た。

＜溶接時間間隔と部分溶接工程終了後の板隙との関係＞
図８および図９は部分溶接工程での溶接時間間隔と部分溶接工程終了後の板隙との関係を求めるために行った実験結果を示す図である。この実験では、溶接時間間隔を０秒間隔、０．２秒間隔、２秒間隔それぞれに設定した場合についての部分溶接工程終了後の板隙を計測して行った。また、図８に示すものは溶接順序として外側から順次中央側（内側）に亘って等間隔寸法で溶接を行ったものであり、図９に示すものは溶接順序として図中の右側から左側に向けて順に等間隔寸法で溶接を行ったものである。

図８および図９に示すように、溶接時間間隔が長いほど部分溶接工程終了後の板隙（最も板隙が小さくなっている箇所での該板隙）は小さくなるといった結果が得られた。以上のことから部分溶接工程終了後の板隙を小さくするためには、溶接時間間隔は長い方が好ましいが、部分溶接工程に要する時間（タクトタイム）を考慮すると、板隙を十分に小さくできている０．２秒間隔が適切であるとの結果を得た。

＜上板の板厚寸法と部分溶接工程終了後の板隙との関係＞
図１０は部分溶接工程での上板Ｗ１の板厚寸法と部分溶接工程終了後の板隙との関係を求めるための実験結果を示す図である。この実験では、上板Ｗ１の板厚寸法を１．２ｍｍに設定した場合および１．０ｍｍに設定した場合それぞれについての部分溶接工程終了後の板隙を計測して行った。また、溶接順序としては前述したように外側から順次中央側（内側）に亘って等間隔寸法で溶接を行うものとした。

図１０に示すように、上板Ｗ１の板厚寸法が１．２ｍｍのものに比べて１．０ｍｍのものの方が部分溶接工程終了後の板隙は小さくなるといった結果が得られた。この場合、測定箇所Ｃ，Ｄにあっては、初期板隙に対して３０％程度まで板隙が小さくなっている。

以上のことから、部分溶接工程終了後の板隙を小さくするためには、上板Ｗ１の板厚寸法は小さい方が好ましいとの結果を得た。

以上のように、前記各実験の結果によると、部分溶接工程での溶接順序としては外側に位置する溶接箇所から内側に位置する溶接箇所に亘って順に溶接を行うこと、部分溶接工程での溶接点数としては６点であること、部分溶接工程での溶接長さとしては略３ｍｍであること、部分溶接工程での溶接時間間隔としては略０．２秒間隔であること、上板Ｗ１の板厚寸法としてはできるだけ小さいこと、が部分溶接工程終了後の板隙を小さくするためには好ましいという結果を得た。

尚、前述したように、各金属板Ｗ１，Ｗ２の板幅が６０ｍｍであった場合に、部分溶接工程での溶接点数として６点が最適であった。このため、この部分溶接工程での溶接点数を設定する概念としては、溶接線Ｌに沿う方向に亘って等間隔寸法を存した箇所を溶接箇所とした場合に、各金属板Ｗ１，Ｗ２の板幅１０ｍｍ当たり１箇所となる数に設定することが好ましいことになる。また、上板Ｗ１の板厚寸法としては、車体に十分な剛性が確保できる板厚寸法の範囲内においてできるだけ小さいことが好ましいことになる。このため、車体の剛性を下板Ｗ２の板厚寸法を十分に確保することで得て、上板Ｗ１の板厚寸法を小さくする（下板Ｗ２の板厚寸法よりも小さくする）ことが好ましい。

（本溶接工程）
次に、本溶接工程について説明する。本溶接工程は、前述したように、部分溶接工程の終了後、該部分溶接工程で溶融した金属（溶融金属）が硬化した後に行われるものであって、前記接合領域の全体に亘って順にレーザ光を照射していくことで、この接合領域の全体を溶融させて各金属板Ｗ１，Ｗ２同士を接合させるものである。

そして、この本溶接工程でのレーザ光の走査（上板Ｗ１および下板Ｗ２におけるレーザ光の照射位置の移動）としては、図１１に実線の矢印（レーザ光の照射位置の軌跡）に示すように、レーザ光の照射位置を、上板Ｗ１と下板Ｗ２との重ね合わせ部分である溶接線Ｌを跨ぐように楕円形の軌跡に沿って移動させながら、その軌跡における楕円形の中心を溶接線Ｌに沿う方向（図１１における左方向）に移動させていく。図１１では前記軌跡の中心を繋いだ線を一点鎖線Ｍで示しており、この一点鎖線Ｍが前記溶接線Ｌに平行となっている。この種の溶接手法は一般にレーザウォブリング溶接と呼ばれている。

具体的には、前記溶接線Ｌに沿う方向において既にレーザ光が通過した範囲（図１１にあっては範囲Ｘ）よりも下流側（図１１にあっては左側）であって上板Ｗ１および下板Ｗ２の未溶融部分（未だレーザ光が照射されていない部分であって、図１１にあっては点Ｘ１よりも左側に位置する領域）をレーザ光が通過する際に、上板Ｗ１にレーザ光が照射された後、下板Ｗ２にレーザ光が照射される方向に規定されている。つまり、図１１における楕円形の軌跡を反時計回り方向に移動しながら、その軌跡における楕円形の中心が溶接線Ｌに沿って左方向に移動するようにレーザ光が走査されるようにしている。このレーザ光の照射位置の移動は、前述したように、レーザ光走査制御部５１からの制御信号が、前記各ミラー３１を回動させる走査モータ３３に出力され、該走査モータ３３が作動して各ミラー３１が回動することにより行われる。

また、このレーザ光の照射位置の前記楕円形の軌跡について詳述すると、例えば上板Ｗ１および下板Ｗ２の板厚寸法が１．０ｍｍ〜１．５ｍｍである場合に、図１２に示すように、楕円形の長軸方向（図１２における上下方向であって前記溶接線Ｌに対して直交する方向）の長さ寸法（振幅）Ａは２．５ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲の所定値に設定される。また、楕円形の短軸方向（図１２における左右方向であって前記溶接線Ｌに平行な方向）の長さ寸法（幅）Ｄは１．０ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲の所定値に設定される。また、溶接線Ｌに沿う方向のピッチ（前記軌跡における楕円形の中心を溶接線Ｌに沿う方向に移動させていく際の１回転当たりにおいて溶接線Ｌに沿う方向での走査移動量）Ｐは０．８ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲の所定値に設定される。これらの値はこれに限定されるものではなく、上板Ｗ１および下板Ｗ２の板厚寸法等に応じて実験またはシミュレーションによって適宜設定される。

また、本溶接工程におけるレーザ光の条件について説明すると、レーザ出力は３０００〜４０００Ｗの範囲の所定値に設定される。また、楕円形の軌跡に沿う走査速度は３０００〜４０００ｃｍ／ｍｉｎの範囲の所定値に設定される。これらの値はこれに限定されるものではなく、上板Ｗ１および下板Ｗ２の板厚寸法等に応じて実験またはシミュレーションによって適宜設定される。

次に、本溶接工程における金属材料の溶融状態について説明する。図１３は、この本溶接工程におけるレーザ光の照射位置の移動状態を説明するためのワークＷの溶接箇所を拡大して示す図である。この図１３における点Ｓ１〜Ｓ４はレーザ光の照射位置を示している。つまり、この図１３では、図１３（ａ）から図１３（ｄ）に移るに従って、レーザ光の照射位置が、一点鎖線で示す楕円形の軌跡上をＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の順で移動していくことを表している。

この図１３に示すように、本溶接工程では、上板Ｗ１と下板Ｗ２との重ね合わせ部分にレーザ光を照射して重ね隅肉溶接を行う際、レーザ光の照射位置は、前述したように、上板Ｗ１と下板Ｗ２との重ね合わせ部分である溶接線Ｌを跨ぐように楕円形の軌跡に沿って移動しながら、その軌跡における楕円形の中心が溶接線Ｌに沿う方向（図１３における左方向）に移動していく。そして、このレーザ光の照射位置の移動としては、図１３において、楕円形の軌跡を反時計回り方向に移動しながら、その軌跡における楕円形の中心が溶接線Ｌに沿って左方向に移動している。つまり、レーザ光の照射位置の前記楕円形の軌跡に沿う移動方向は、溶接線Ｌに沿う方向において既にレーザ光が通過した範囲Ｘ（図１１を参照）よりも下流側であって上板Ｗ１および下板Ｗ２の未溶融部分をレーザ光が通過する際に、上板Ｗ１にレーザ光が照射された後、下板Ｗ２にレーザ光が照射される方向に規定されている。

これにより、図１３（ａ）で示すレーザ光の照射状態（照射位置Ｓ１）では、上板Ｗ１にレーザ光が照射されていることで、この照射位置Ｓ１で上板Ｗ１の金属材料が溶融され、該上板Ｗ１と下板Ｗ２とが架橋されることになる。この場合、レーザ光の熱は上板Ｗ１だけに留まらず下板Ｗ２にも伝達されることになり、このレーザ光の照射位置において上板Ｗ１と下板Ｗ２とが良好に溶接される。また、レーザ光の熱が上板Ｗ１および下板Ｗ２の両方に伝達されているため、この際における上板Ｗ１においてレーザ光の照射位置Ｓ１の周辺の領域（例えば図１３（ａ）において破線で囲んだ領域）にあっては入熱量が比較的少なく金属材料の溶融が十分に行われていない状態（例えば半溶融状態）にある。その後、図１３（ｂ）で示すレーザ光の照射状態（照射位置Ｓ２）のように、前記軌跡上を移動するレーザ光の照射位置Ｓ２が下板Ｗ２上を経た後、図１３（ｃ）で示すレーザ光の照射状態（照射位置Ｓ３）のように、レーザ光の照射位置Ｓ３が再び上板Ｗ１上に達することで、前記溶融が十分に行われていなかった上板Ｗ１の前記領域（上板Ｗ１と下板Ｗ２とが既に溶接されている位置の周辺の領域；図１３（ｃ）において破線で囲んだ領域）では、レーザ光の照射によって金属材料が完全に溶融されることになり、このレーザ光の照射位置にあっても上板Ｗ１と下板Ｗ２とは良好に溶接される。つまり、図１３（ｄ）で示すレーザ光の照射状態（照射位置Ｓ４）に達すると、この図１３（ｄ）において破線で囲んだ領域が凝固することで、この領域において上板Ｗ１と下板Ｗ２とは良好に溶接されることになる。このような動作が、楕円形の軌跡に沿ってレーザ光の照射位置が１回転する度に連続して行われることで、溶接線Ｌに沿って金属材料が溶融して上板Ｗ１と下板Ｗ２とが溶接されていく。図１４は本溶接工程終了後における図２相当図である。

また、本実施形態の場合、上板Ｗ１にレーザ光が照射されている際には、この上板Ｗ１の溶融金属は重力の作用によって下板Ｗ２の溶融部分に流れ込みやすくなり、これら溶融金属が混合されることになる。つまり、上板Ｗ１と下板Ｗ２との重ね合わせ方向を鉛直方向とした場合には、重力を有効に利用することで上板Ｗ１と下板Ｗ２との架橋がより良好に行われ、溶接箇所の厚みが確保され、上板Ｗ１と下板Ｗ２とがよりいっそう高い接合強度で溶接されることになる。

このように、本溶接工程では、楕円形の軌跡に沿って移動するレーザ光の照射位置が再び上板Ｗ１に達した際には、この上板Ｗ１上の照射位置では、それまで十分に溶融されていなかった領域を溶融させることになる。つまり、完全に溶融されている領域に向けてレーザ光を照射するものとはなっていない。このため、完全に溶融されている領域に向けてレーザ光を照射することで溶湯（溶融金属）をキーホールの圧力で吹き飛ばしてしまうといったことは抑制され、溶接箇所（金属材料が溶融した後に凝固した領域）の厚み（ビードにおけるのど厚）を十分に確保することができ、溶接箇所における接合強度（継手強度）を十分に確保することができる。

−実施形態の効果−
以上説明したように、本実施形態では、部分溶接工程において、複数枚の金属板Ｗ１，Ｗ２における接合領域内の少なくとも１箇所にレーザ光を照射し該箇所を溶融させて各金属板Ｗ１，Ｗ２同士を部分的に接合させている。そして、この際、溶融金属が凝固するときの収縮によって各金属板Ｗ１，Ｗ２同士の間の隙間（板隙）を小さくしている。そして、この部分溶接工程の終了後、所定時間経過後に本溶接工程を行っている。この本溶接工程では、前記部分溶接工程によって接合領域における板隙は小さくなっているので、本溶接工程での溶融金属の量が比較的少なくても、この板隙に溶融金属が十分に入り込み各金属板Ｗ１，Ｗ２に亘って溶融金属が架橋されることで各金属板Ｗ１，Ｗ２が良好に接合されることになる。このように本実施形態では、本溶接工程の開始前における接合領域の板隙は小さくなっているため、各金属板Ｗ１，Ｗ２に亘って溶融金属を架橋させるための溶融金属量が得られる溶接条件の選定が容易である。つまり、溶接条件の選定の煩雑化を抑制でき、溶接動作を容易に行うことが可能になる。

また、本実施形態では、接合領域が、各金属板Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ部分である溶接線Ｌに沿う方向に延在されており、前記部分溶接工程では、前記溶接線Ｌに沿う方向に亘って所定間隔を存した複数箇所それぞれを溶融させて各金属板Ｗ１，Ｗ２同士を部分的に接合している。このため、部分溶接工程の終了後にあっては、各金属板Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ部分である溶接線Ｌに沿う方向の略全体において各金属板Ｗ１，Ｗ２同士の間隔（板隙）が小さくなっている。これにより、本溶接工程では、各金属板Ｗ１，Ｗ２における接合領域の略全体に亘って均等な溶融金属量で溶接が行われ、該接合領域の略全体に亘って均等な接合強度を得ることができる。

−変形例１−
次に、変形例１について説明する。本変形例は、部分溶接工程での溶接箇所および溶接順序が前記実施形態のものと異なっている。従って、ここでは、部分溶接工程での溶接箇所および溶接順序についてのみ説明する。

図１５は、本変形例における図３相当図である。また、図１６は、本変形例における図６相当図である。これらの図に示すように、本変形例における溶接順序としては、第１番目の溶接箇所（図１６において最も右側に位置する溶接箇所）と第３番目の溶接箇所との間に第７番目の溶接箇所を設定しておくと共に、第２番目の溶接箇所（図１６において最も左側に位置する溶接箇所）と第４番目の溶接箇所との間に第８番目の溶接箇所を設定しておく。そして、図中の外側から順次中央側（内側）に亘って等間隔寸法で溶接を行った後に（第１番目の溶接箇所から第６番目の溶接箇所に亘って順に等間隔寸法で溶接を行った後に）、前記第７番目の溶接箇所の溶接を行う。また、この第７番目の溶接箇所の溶接を行った後に、前記第８番目の溶接箇所の溶接を行う。

これにより、第７番目の溶接箇所および第８番目の溶接箇所（測定箇所Ｆ，Ａ）にあっては、前記実施形態の如く等間隔寸法で６箇所の溶接を行った場合に比べて、板隙が小さくなっており、これによって各金属板Ｗ１，Ｗ２の溶接領域の全体に亘って板隙が均等に小さくなっている。

その結果、前記実施形態のものに比べて本溶接工程での溶融金属の量が更に少なくても、板隙に溶融金属が十分に入り込み各金属板Ｗ１，Ｗ２に亘って溶融金属が架橋されることで各金属板Ｗ１，Ｗ２が良好に接合されることになる。

尚、本変形例の効果を十分に得るためには、第７番目の溶接箇所の溶接を行う際には、第１番目の溶接箇所および第３番目の溶接箇所それぞれにおいて溶融金属が完全に硬化していないことが好ましい。同様に、第８番目の溶接箇所の溶接を行う際には、第２番目の溶接箇所および第４番目の溶接箇所それぞれにおいて溶融金属が完全に硬化していないことが好ましい。本変形例では、このことを考慮して溶接時間間隔が設定されることになる。例えば前記実施形態で設定した０．２秒間隔であればこれを実現することが可能である。

−変形例２−
次に、変形例２について説明する。本変形例は、２枚の金属板（上板Ｗ１および下板Ｗ２）が重ね合わされて成るワークＷを重ね合わせ溶接する場合に本発明を適用したものである。

図１７は、本変形例における溶接箇所を示すワークＷ（上板Ｗ１および下板Ｗ２）の平面図である。本変形例における溶接工程では、先ず、部分溶接工程において、図１７（ａ）に示すように、互いに近接した３箇所を溶接箇所として設定し、それぞれに個別にレーザ光を照射することで（図１７（ａ）の一点鎖線を参照）金属板同士を部分的に溶接させる。ここで使用されるレーザ溶接方法としてはレーザスクリューウェルディング（ＬＳＷ）が挙げられる。つまり、ワークＷの溶接箇所の中心位置の周囲の全周に亘ってレーザ光を走査していき、この溶接箇所を溶融させることで溶接を行うものである。この際にも、前記実施形態の場合と同様に、溶融金属が凝固するときの収縮によって各金属板Ｗ１，Ｗ２同士の間の隙間（板隙）が小さくなる。つまり、接合領域における板隙が小さくなる。

その後、本溶接工程では、図１７（ｂ）に示すように、前記部分溶接工程での溶接箇所の周囲を囲む領域にレーザ光を照射していき（図１７（ｂ）の一点鎖線を参照）、各接合領域を溶接する。この本溶接工程では、前記部分溶接工程によって接合領域における板隙は小さくなっているので、溶融金属の量が比較的少なくても、板隙に溶融金属が十分に入り込み各金属板Ｗ１，Ｗ２に亘って溶融金属が架橋されることで各金属板Ｗ１，Ｗ２が良好に接合されることになる。

−変形例３−
次に、変形例３について説明する。本変形例も、２枚の金属板（上板Ｗ１および下板Ｗ２）が重ね合わされて成るワークＷを重ね合わせ溶接する場合に本発明を適用したものである。

図１８は、本変形例における溶接箇所を示すワークＷ（上板Ｗ１および下板Ｗ２）の平面図である。本変形例における溶接工程では、先ず、部分溶接工程において、図１８（ａ）に示すように、６箇所の溶接箇所を１組の溶接群として設定し、３箇所に溶接群を形成している。ここで使用されるレーザ溶接方法としてもレーザスクリューウェルディング（ＬＳＷ）が挙げられる。この際にも、前記実施形態の場合と同様に、溶融金属が凝固するときの収縮によって各金属板Ｗ１，Ｗ２同士の間の隙間（板隙）が小さくなる。つまり、各溶接群の形成領域における板隙が小さくなる。

その後、本溶接工程では、図１８（ｂ）に示すように、前記部分溶接工程で形成された各溶接群の周囲を囲む領域にレーザ光を照射していき、各溶接群の形成領域を溶接する。この本溶接工程では、前記部分溶接工程によって各溶接群における板隙は小さくなっているので、溶融金属の量が比較的少なくても、板隙に溶融金属が十分に入り込み各金属板Ｗ１，Ｗ２に亘って溶融金属が架橋されることで各金属板Ｗ１，Ｗ２が良好に接合されることになる。

−他の実施形態−
尚、本発明は、前記実施形態および前記各変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲および該範囲と均等の範囲で包含される全ての変形や応用が可能である。

例えば、前記実施形態および前記各変形例では、自動車の車体の製造工程で使用されるレーザ溶接装置１により実施されるレーザ溶接方法として本発明を適用した場合について説明したが、その他の部材のレーザ溶接に対しても本発明は適用することが可能である。また、レーザ溶接に替えてアーク溶接によっても本発明は実現が可能である。

また、前記実施形態では、本溶接工程におけるレーザ光の照射位置を楕円形の軌跡に沿って移動させながら２枚のアルミニウム系金属板で成る上板Ｗ１と下板Ｗ２との重ね隅肉溶接を行う場合について説明した。本発明はこれに限らず、レーザ光の照射位置を円形（真円形状）の軌跡に沿って移動させながら重ね隅肉溶接を行うようにしてもよい。また、３枚の金属板に対して重ね隅肉溶接を行う場合にも本発明は適用が可能である。つまり、３枚の金属板に跨ってレーザ光の照射位置を円形または楕円形の軌跡に沿って移動させるものである。また、鋼板に対して重ね隅肉溶接を行う場合にも本発明は適用が可能である。また、各金属板の重ね合わせ方向を水平方向やその他の方向とした重ね隅肉溶接を行う場合にも本発明は適用が可能である。

本発明は、レーザ光によるアルミニウム系金属板の重ね隅肉溶接を行うレーザ溶接方法に適用可能である。

１ レーザ溶接装置
Ｗ ワーク
Ｗ１ 上板（金属板）
Ｗ２ 下板（金属板）

Claims (9)

1. 重ね合わされた複数枚の金属板において予め設定された接合領域を溶接する溶接方法であって、
   前記複数枚の金属板における前記接合領域内の少なくとも１箇所を溶融させて各金属板同士を部分的に接合させる部分溶接工程と、
   前記部分溶接工程の終了後、所定時間経過後に前記接合領域の全体を溶融させて各金属板同士を接合させる本溶接工程と、を行うことを特徴とする溶接方法。
2. 請求項１記載の溶接方法において、
   前記接合領域は、前記各金属板の重ね合わせ部分である溶接線に沿う方向に延在されており、
   前記部分溶接工程では、前記溶接線に沿う方向に亘って所定間隔を存した複数箇所それぞれを溶融させて各金属板同士を部分的に接合させることを特徴とする溶接方法。
3. 請求項２記載の溶接方法において、
   前記部分溶接工程では、前記溶接線上の複数の溶接箇所に対し、外側に位置する溶接箇所から内側に位置する溶接箇所に亘って順に溶接を行うことを特徴とする溶接方法。
4. 請求項２または３記載の溶接方法において、
   前記部分溶接工程での各溶接箇所の数は、前記溶接線に沿う方向に亘って等間隔寸法を存した箇所を溶接箇所とした場合に、前記溶接線に沿う方向において各金属板上で略１０ｍｍ当たり１箇所となる数に設定されていることを特徴とする溶接方法。
5. 請求項２、３または４記載の溶接方法において、
   前記部分溶接工程での各溶接箇所におけるそれぞれの溶接長さは略３ｍｍに設定されていることを特徴とする溶接方法。
6. 請求項２〜５のうち何れか一つに記載の溶接方法において、
   前記部分溶接工程での溶接時間間隔としては略０．２秒間隔に設定されていることを特徴とする溶接方法。
7. 請求項２〜６のうち何れか一つに記載の溶接方法において、
   前記金属板は、鉛直方向で重ね合わされた上板および下板であって、上板の板厚寸法は下板の板厚寸法よりも小さく設定されていることを特徴とする溶接方法。
8. 請求項１〜７のうち何れか一つに記載の溶接方法において、
   前記金属板は、鉛直方向で重ね合わされた上板および下板であって、前記上板と前記下板との重ね隅肉部分に対して上方からレーザ光を照射して重ね隅肉溶接を行う際、
   前記本溶接工程は、
   前記レーザ光の照射位置を、前記各金属板の重ね合わせ部分である溶接線を跨ぐように円形または楕円形の軌跡に沿って移動させながら、その軌跡における円形または楕円形の中心を前記溶接線に沿う方向に移動させていくようにし、
   前記レーザ光の照射位置の前記円形または前記楕円形の軌跡に沿う移動方向が、前記溶接線に沿う方向において既に前記レーザ光が通過した範囲よりも下流側であって前記各金属板の未溶融部分を前記レーザ光が通過する際に、前記上板に前記レーザ光が照射された後、前記下板に前記レーザ光が照射される方向に規定されていることを特徴とする溶接方法。
9. 請求項２記載の溶接方法において、
   前記部分溶接工程では、前記溶接線上の複数の溶接箇所に対し、外側に位置する溶接箇所から内側に位置する溶接箇所に亘って順に溶接を行った後、最も外側に位置する溶接箇所とその溶接箇所に隣り合って内側に位置する溶接箇所との間に溶接を行うことを特徴とする溶接方法。

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