JP5248344B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

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板からなるワークに対するレーザ溶接方法に関し、特に、レーザ溶接中に発生する表面処理層からのガスの影響を可及的に少なくしたレーザ溶接方法に関する。

従来、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。これら金属板をレーザ溶接するにあたり、表面処理層と金属板が溶融する過程で、表面処理層を形成する金属からガスが発生する。この表面処理層金属のガスの圧力で、溶融した金属板の一部が吹き飛ばされる、すなわち、スパッタや内部欠陥が発生し、溶接不良の要因となることは周知である。そこで、このような不都合を克服すべく表面処理された金属板間に適当な空間である隙間を形成し、表面処理された金属からのガスを拡散させることによって、良好な溶接を行うことができることも知られている。これに伴い、前記の如き隙間を金属板間に形成する様々な方法が提案されており、例えば、レーザフォーミングにおける、溶融金属の凝固、冷却過程において生じる積層された金属板の体積収縮の差を利用して、レーザ照射側の金属板の一端部を拘束しないことで、隙間を形成する方法も一つの好例と言えよう（例えば、特許文献１参照）。

特許第３１１５４５６号公報

しかしながら、一般的なレーザ溶接においては、溶接箇所が金属板の端部に位置するとは限らず、金属板の中央部付近となることも当然にありうる。この場合には、表面処理層からのガスを拡散させることが困難となる。

一方、レーザ溶接する位置を問わない隙間の形成方法として、レーザフォーミングがあるが、金属板の位置、形状、又はクランプ状況等に基因した金属板の剛性変化によって、所望の隙間が形成できない、という問題点があった。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、金属板の位置、形状、又はクランプ状況等に影響されずに、溶接の際に発生する表面処理層を形成していた金属のガスを拡散させ、これにより、スパッタや内部欠陥を生じることなく安定したレーザ溶接を行い、その結果、溶接品質の優れた製品を得ることを可能としたレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ溶接方法は、重ね面の少なくとも一方が表面処理された金属板からなる第１と第２のワークを積層して、レーザで溶接を行うレーザ溶接方法において、円形の開口部を有するクランプ用治具で、第１ワークの溶接箇所周辺をクランプする第１工程と、前記第１工程の後、前記溶接箇所に対して、前記レーザを照射して溶融部を形成する第２工程と、前記第２工程の後、前記溶融部の周囲に、前記レーザを照射して加熱部を形成することにより、前記第１ワークと、第２ワークとの重ね面の間に隙間を設ける第３工程と、前記第３工程の後、前記溶接箇所にレーザを照射して前記第１ワークと前記第２ワークとを本溶接するとともに、該本溶接期間中に発生する表面処理層から生じたガスを前記隙間内に拡散させる第４工程とを有することを特徴とする。

これによって、金属板の位置、形状、又はクランプ状況等に影響されずに、本溶接の際に発生する表面処理層を形成していた金属のガスを拡散させ、これにより、スパッタや内部欠陥を生じることなく安定したレーザ溶接を行い、その結果、溶接品質の優れた製品を得ることを可能にするという効果を達成することができる。

また、本発明に係るレーザ溶接方法は、前記クランプ用治具が少なくとも１箇所に該治具の外部と連通する連通口を有し、前記加熱部に前記連通口に対応してフォーミング欠落部を設けることを特徴とする。

これによって、溶接の際に発生する表面処理層を形成していた金属のガスを前記フォーミング欠落部から外部へと拡散排出することができる。

本発明に係るレーザ溶接方法によれば、金属板の位置、形状、又はクランプ状況等に影響されずに積層されたワーク間に所望の大きさを有するガス拡散用の隙間、又は排出口が形成されることにより、溶接の際に発生する表面処理層を形成していた金属のガスを拡散させ、この結果、レーザ溶接中に表面処理層から生じるガスの圧力を低減化し、これによってスパッタや内部欠陥が生じることを回避し、安定したレーザ溶接を行うと共に、品質に優れた製品を得ることができるという効果を達成することができる。

第１の実施の形態に係るレーザ溶接方法を実施するためのクランプ用治具とワークとの関係を示す概略斜視図である。 図２Ａは、第１工程後の一部縦断断面図である。図２Ｂは、第２工程で、溶融部を形成した後の一部縦断断面図である。図２Ｃは、第３工程で、加熱部を形成した後の一部縦断断面図である。図２Ｄは、第３工程で、隙間を形成した後の一部縦断断面図である。図２Ｅは、溶接作業完了後の一部縦断断面図である。 第３工程完了後の一部省略平面図である。 第２の実施の形態に係るレーザ溶接方法を実施するためのクランプ用治具とワークとの関係を示す概略斜視図である。 図５Ａは、第１工程後の一部縦断断面図である。図５Ｂは、第２工程で、溶融部を形成した後の一部縦断断面図である。図５Ｃは、第３工程で、加熱部を形成した後の一部縦断断面図である。図５Ｄは、第３工程で、隙間を形成した後の一部縦断断面図である。図５Ｅは、第４工程完了後の一部縦断断面図である。 第２の実施の形態の変形例における第２工程完了後の一部省略平面図である。 クランプ用治具の底部に連通口を複数設けた例を示す一部省略平面図である。

以下、本発明に係るレーザ溶接方法について、それを実施するための装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、本発明における第１の実施の形態に係るレーザ溶接方法は、第１の金属板である第１ワーク１２と、第２の金属板である第２ワーク１４と、クランプ用治具１６とを用いる。この場合、レーザ光を予備照射と本照射に分けて、前記第１ワーク１２側に照射する。

第１の実施の形態では、第１ワーク１２の上部表面処理層１２ａ及び下部表面処理層１２ｂ、並びに、第２ワーク１４の上部表面処理層１４ａ及び下部表面処理層１４ｂには、表面処理層として亜鉛メッキが施されている。

前記クランプ用治具１６は、用いられるレーザ光の照射では溶融しない金属からなり、直方体形状の本体１６ａと、この本体１６ａに一体的に形成された略半円状の押さえ部１６ｂとを有し、前記本体１６ａの長手方向に沿う両端部近傍に一対の肉抜き用孔部１６ｃが設けられ、一方、押さえ部１６ｂには円形状の開口部１６ｄが設けられる。前記開口部１６ｄは、一端部から他端部に至るまで同径の円形状であるが、第１ワーク１２の上部表面処理層１２ａに近づくにつれて狭径となる、円錐台形状を有してもよい。このように円錐台形状を有することによって、レーザ光の光源をクランプ用治具１６に接することなく、第１ワーク１２により近づけ、溶接点に対して正確にレーザ光を照射する作業が可能になる。しかも、前記クランプ用治具１６が第１ワーク１２の上部表面処理層１２ａとの接触面よりもレーザ光の光源側が広い円錐台形状を有していれば、レーザ溶接の進捗状況が視認し易くなる。

最初に予備照射に用いられるレーザ光Ｌ１は、重ねられた第１ワーク１２及び第２ワーク１４に対して、第１ワーク１２側から照射する際、第１ワーク１２のみを加熱又は溶融する照射条件に設定される。レーザ光Ｌ１の種類としては、例えば、ファイバーレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ₂レーザや半導体励起レーザ等が挙げられるが、その種類は問わない。

一方、本照射に用いられるレーザ光Ｌ２は、重ねられた第１ワーク１２を貫通した後、後述する隙間Ｇ１を通過し、第２ワーク１４に達することで、第１ワーク１２と、第２ワーク１４とを溶接できる照射条件に設定される。本照射に用いられるレーザ光Ｌ２の種類としては、前記レーザ光Ｌ１と同様であり、その種類は問わない。また、該レーザ光Ｌ２として、レーザ光Ｌ１と同じものを用いることもできるが、異なるレーザ光源から出射される、異なる種類のレーザであってよい。

以上のような基本的構成のクランプ用治具１６を用いて行われるレーザ溶接の工程を説明する。

第１工程として、例えば第１ワーク１２と第２ワーク１４をそれぞれ下部表面処理層１２ｂと上部表面処理層１４ａを重ね合わせて積層し、溶接箇所１８ａが、開口部１６ｄの第１ワーク１２との接触面の略中心となるように、クランプ用治具１６で、溶接箇所１８ａ周辺の第１ワーク１２を押圧してクランプする（図２Ａ参照）。すなわち、押さえ部１６ｂに形成された開口部１６ｄの略中心に前記溶接箇所１８ａが位置するようにクランプ用治具１６を位置決め固定する。

次いで、第２工程として、溶接箇所１８ａに対して、レーザ光Ｌ１による予備照射を行う。これによって、溶接箇所１８ａが加熱、溶融され、溶融部１９が形成されるに至る。この場合、前記溶融部１９の溶融接合は、第１ワーク１２を貫通することなく、第１ワーク１２の金属板の範囲に留まる（図２Ｂ参照）。なお、溶融部１９は、溶接箇所１８ａへ、レーザ光Ｌ１による予備照射によって形成されるため、後述する第４工程後は、その形跡が残らず、第１ワーク１２の外観への影響はない。

次に、第３工程として、前記溶融部１９が溶融状態にある間に、該溶融部１９の周囲に、レーザ光Ｌ１による照射より弱い照射条件で第１ワーク１２側から円を描くようにレーザ光Ｌ１を走査する。この際、走査された線に沿って、第１ワーク１２は溶融しない程度に加熱され、加熱部２０ａ（フォーミング部）が形成されるに至る。この場合、溶融部１９と同様に加熱部２０ａは、第１ワーク１２の金属板の範囲に留まるが、図２Ｃから諒解されるように、加熱部２０ａは、溶融部１９よりも入熱量が小さい。

これにより、加熱部２０ａは、熱膨張し、その後に凝固、冷却する。該凝固、冷却過程で、第１ワーク１２には広範囲のレーザ光Ｌ１の照射によって体積収縮が生じる。ただし、前記加熱部２０ａは、第１ワーク１２内に留まるため、その体積収縮は下部表面処理層１２ｂに比べて、上部表面処理層１２ａの方が大きい。このため、上部表面処理層１２ａには、開口部１６ｄの外縁方向へ引っ張られる力が生じるが、溶接箇所１８ａの周囲が押さえ部１６ｂによってクランプされた状態にあるため、第１ワーク１２では溶接箇所１８ａを中心として上部表面処理層１２ａ方向に持ち上げられる。また、第２工程で形成された溶融部１９を有することによって、該溶融部１９の剛性は、溶融前の状態と比べて低下しているため、溶接箇所１８ａの近傍は上部表面処理層１２ａ方向に持ち上げ易くなる。さらに、第３工程で形成された加熱部２０ａは、溶融しない程度に加熱されていることで、剛性を適度に低下させるため、第１ワーク１２の曲げの制御を確実に行い易くなる。この結果、第１ワーク１２の下部表面処理層１２ｂと、第２ワーク１４の上部表面処理層１４ａと（以下、重ね面と称することもある）の間に空間である隙間Ｇ１が形成される（図２Ｄ参照）。図３は、第３工程完了後の一部省略平面図である。

次に、第４工程として開口部１６ｄの略中心に位置する溶接箇所１８ａに対して、さらにレーザ光Ｌ２による本照射を行う。レーザ光Ｌ２は、第１ワーク１２を貫通した後、隙間Ｇ１を通過し、第２ワーク１４に達する。これと同時に、該第１ワーク１２におけるレーザ光Ｌ２の貫通部分及びその周辺部分は溶融し、第１ワーク１２が第２ワーク１４と溶着するに至る。この間、下部表面処理層１２ｂ、及び上部表面処理層１４ａにおける、レーザ光Ｌ２の貫通部分及びその周辺部分は、前記下部表面処理層１２ｂと上部表面処理層１４ａを構成する亜鉛メッキが蒸発する温度以上に加熱され、亜鉛ガス２２が発生する（図２Ｅ参照）。

発生した亜鉛ガス２２は、図２Ｅの鎖線矢印で示すように、隙間Ｇ１内に拡散する。しかしながら、該隙間Ｇ１が形成されたことによって、隙間Ｇ１内の前記亜鉛ガス２２の圧力は、溶接箇所１８ａにスパッタや内部欠陥が発生することがない程度に低減され、これによって安定したレーザ溶接が可能となると共に、品質に優れた製品を得ることができる。

次に、第２の実施の形態に係るレーザ溶接方法について説明する。この場合、第２の実施の形態に係るレーザ溶接方法について、レーザ溶接方法で用いられる構成要素と同じ構成要素については同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。

図４に示すように、第２の実施の形態において、クランプ用治具１６は、開口部１６ｄが外部と連通する円弧状の連通口１６ｅを有している。すなわち、前記第１の実施の形態において、円錐台状の開口部１６ｄに対して、連通口１６ｅを有する。連通口１６ｅは、開口部１６ｄの中心に対して２０°〜４０°、好ましくは３０°に拡開する円弧形状を有するとよい。このような形状を有することによって、後述する加熱部２０ｂの形成時に、レーザ光Ｌ１の走査箇所の目安となり、結果、第１ワーク１２の剛性を適度に低下させ、後述する隙間Ｇ２及び排出口２８の形成に好適となる。

前記第２の実施の形態におけるクランプ用治具１６を用いてレーザ溶接を行う工程について説明すれば、第１の実施の形態と同じく、前記クランプ用治具１６を用いて、その押さえ部１６ｂの開口部１６ｄの中心に溶接箇所１８ｂを位置せしめ、周囲を固定する。この第１工程終了時の一部縦断断面図を図５Ａに示す。図５Ａから容易に諒解されるように、連通口１６ｅが形成された部位はクランプ用治具１６による押圧作用がないために、その箇所はクランプされてはいない。

次に、第２工程において、溶接箇所１８ｂに対して、レーザ光Ｌ１を照射する。これによって、第１ワーク１２は加熱され、第１ワーク１２が溶融した溶融部１９が形成されるに至る。この場合、溶融部１９は、第１ワーク１２を貫通することなく、第１ワーク１２の金属板の範囲に留まる（図５Ｂ参照）。

次に、第３工程において、まず、開口部１６ｄの内側周縁に、すなわち、溶融部１９の周囲にレーザ光Ｌ１を第１ワーク１２側から走査し、加熱部２０ｂを形成する（図５Ｃ参照）。この場合、レーザ光Ｌ１は、連通口１６ｅに対応する部分には照射されない。すなわち、加熱部２０ｂも、平面視すると連通口１６ｅに対応する部分のない円弧形状を有している。連通口１６ｅの拡開角度に対応して加熱部２０ｂの欠落部位（以下、フォーミング欠落部と称する）２６は、２０°〜４０°、好ましくは３０°欠落していることになる。本実施の形態では、加熱部２０ｂを円弧形状、すなわち、フォーミング欠落部２６を１箇所としたが、複数箇所、例えば、２箇所以上設けてもよく、１箇所に限定されない。これによって、後述する排出口２８が、フォーミング欠落部２６と同数、すなわち複数設けられ、これら複数の排出口２８によって後述する隙間Ｇ２が外部と連通することで、亜鉛ガス２２の拡散や排出に好適となる。

これにより、加熱部２０ｂに沿って、上部表面処理層１２ａには、開口部１６ｄの外縁方向へ引っ張られる力が生じるが、第１工程において、第１ワーク１２が連通口１６ｅに対応する箇所を除きクランプされたことと、第２工程において、溶融部１９が形成されたことによって、第１ワーク１２は上部表面処理層１２ａ方向に持ち上げられる。さらに、第３工程において、加熱部２０ｂが形成されたことで、第１ワーク１２の曲げの制御を確実に行い易くなる。その結果、重ね面の間に空間である隙間Ｇ２が形成される（図５Ｄ参照）。この際、連通口１６ｅ、及びフォーミング欠落部２６を有することにより、重ね面の間には排出口２８が形成される。図６は、このように排出口２８が形成された後の連通口１６ｅとフォーミング欠落部２６との関係を示す一部省略平面図である。

次に、開口部１６ｄの略中心に位置する溶接箇所１８ｂに対して、レーザ光Ｌ２による本照射を行い、本溶接する。この際、下部表面処理層１２ｂ、及び上部表面処理層１４ａは、亜鉛メッキが蒸発する温度以上に加熱され、亜鉛ガス２２が発生する（図５Ｅ参照）。

発生した亜鉛ガス２２は、図５Ｅの鎖線矢印で示すように、隙間Ｇ２内に拡散し、排出口２８から排出される。これによって、隙間Ｇ２内は、溶接箇所１８ｂにスパッタが発生するような圧力とはならず、安定したレーザ溶接を行うと共に、品質に優れた製品を得ることが可能となる。

変形例としては、図６の斜線で示すように、第２工程として、レーザ光Ｌ１を、開口部１６ｄ内の第１ワーク１２の域内に照射し、該開口部１６ｄ内全体を加熱してもよい。これによって、第１ワーク１２の剛性が下がり、隙間Ｇ２の形成が容易となる。

上述した実施の形態では、第１ワーク１２及び第２ワーク１４は、その上下両面に表面処理として亜鉛メッキが施されたものであるとしたが、これに限らず、重ね面の少なくとも一方、すなわち、下部表面処理層１２ｂ、又は上部表面処理層１４ａの少なくとも一方に亜鉛メッキが施されていれば、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。

また、上述した実施の形態では、連通口１６ｅを円弧形状に、１箇所形成しているが、図７に破線で示すようにクランプ用治具１６の底面を切り欠いて、前記連通口１６ｅを複数箇所、例えば、２箇所以上設けてもよく、１箇所に限定されない。これによって、排出口２８が、連通口１６ｅと同数、すなわち複数設けられ、これら複数の排出口２８によって隙間Ｇ２が外部と連通することで、亜鉛ガス２２の排出がより一層容易となる。

さらに、上述した実施の形態では、亜鉛メッキ鋼板であるとしたが、アルミメッキ鋼板やクロムメッキ鋼板等でもよい。

上述したように、本実施の形態に係るレーザ溶接方法によれば、鋼板の位置、形状、又はクランプ状況等に影響されずに、重ね面間に所望の大きさを有するガス拡散用の隙間、又は排出口が形成されることで、溶接の際に発生する表面処理層を形成していた金属のガスを拡散排出させることができ、よって、スパッタや内部欠陥が生じることを回避し、しかも安定したレーザ溶接を行うと共に、品質に優れた製品を得ることが可能となる。

本発明に係るレーザ溶接方法は、上述の実施の形態に限らず、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もちろんである。

１２…第１ワーク １２ａ、１４ａ…上部表面処理層
１２ｂ、１４ｂ…下部表面処理層 １４…第２ワーク
１６…クランプ用治具 １６ａ…本体
１６ｂ…押さえ部 １６ｃ…肉ぬき用孔部
１６ｄ…開口部 １６ｅ…連通口
１８ａ、１８ｂ…溶接箇所 １９…溶融部
２０ａ、２０ｂ…加熱部 ２２…亜鉛ガス
２６…フォーミング欠落部 ２８…排出口
Ｌ１、Ｌ２…レーザ光 Ｇ１、Ｇ２…隙間

Claims (2)

1. 重ね面の少なくとも一方が表面処理された金属板からなる第１と第２のワークを積層して、レーザで溶接を行うレーザ溶接方法において、
   円形の開口部を有するクランプ用治具で、第１ワークの溶接箇所周辺をクランプする第１工程と、
   前記第１工程の後、前記溶接箇所に対して、前記レーザを照射して溶融部を形成する第２工程と、
   前記第２工程の後、前記溶融部の周囲に、前記レーザを照射して加熱部を形成することにより、前記第１ワークと、第２ワークとの重ね面の間に隙間を設ける第３工程と、
   前記第３工程の後、前記溶接箇所にレーザを照射して前記第１ワークと前記第２ワークとを本溶接するとともに、該本溶接期間中に発生する表面処理層から生じたガスを前記隙間内に拡散させる第４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、
   前記クランプ用治具は少なくとも１箇所に該治具の外部と連通する連通口を有し、
   前記加熱部に前記連通口に対応してフォーミング欠落部を設けること
   を特徴とするレーザ溶接方法。

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