JP6167817B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

溶接の熱源にレーザを用いるレーザ溶接は、レーザの照射部位における単位面積当たりの入熱量が高いため、高速溶接に良く利用される。その反面、レーザの照射面積が小さいので被溶接部材の溶融量が少ない。したがって、大きな隙間を隔てて対面配置された２つの金属部材をレーザ溶接する場合に、これらを繋ぐ溶接継手を形成するだけの溶融金属を作り出せないことがある。この場合、２つの金属部材は溶接できない。

特許文献１、２は、このようなレーザ溶接の欠点を補うための工夫が施されたレーザ溶接方法を開示する。特許文献１によれば、隙間を隔てた２枚の金属板の一方の金属板に更に別の金属板が補助金属板として載置される。溶接時には補助金属板にレーザが照射される。レーザ照射により補助金属板および補助金属板を載置した一方の金属板が溶融される。すなわち補助金属板が溶融することにより溶融金属が補われる。このため大きな溶接継手を形成することができ、隙間が大きい場合であっても２枚の金属板を溶接継手で溶接することができる。また、特許文献２によれば、隙間を隔てた２枚の金属板の一方の金属板の一端を折り返すことによって一方の金属板の板厚が増加される。溶接時には折り返して板厚が増加された部分にレーザが照射される。折り返しによって板厚が増加した部分がレーザ照射されて溶融されることにより、溶融金属量が増加する。このため大きな溶接継手を形成することができ、隙間が大きい場合であっても２枚の金属板を溶接継手で溶接することができる。

特開平６−２９７１７１号公報 特開２００５−１６９４５０号公報

（発明が解決しようとする課題）
特許文献１、２によれば、溶接継手を形成するための溶融金属の不足を補うための追加の部材や追加の部分が必要である。このため、被溶接部材の重量およびコストが増加する。また、特許文献１では、レーザ溶接設備に加えて補助金属板を一方の金属板上に載置するための設備が必要であり、特許文献２ではレーザ溶接設備に加えて金属板に折り返し部を形成するための設備が必要である。このため設備費用が増加し、その結果、製造コストが増加する。

本発明は、隙間を隔てて配置された２つの金属部材をレーザ溶接するにあたり、隙間が大きい場合であってもコストの増加を招くことなくこれらをレーザ溶接することができるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段）
本発明は、第１の厚さを持つ金属板と、隙間を隔てて金属板の一方面に対面する一方面を有する金属部材とを、レーザにより溶接するレーザ溶接方法であって、金属板の一方面とは反対側の面である他方面にレーザを照射することにより、レーザの照射領域に位置する金属を溶融させるとともに、溶融金属を流動させることにより、金属板に第１の厚さよりも大きい厚さを持つ盛り上がり部を形成する第１工程と、盛り上がり部にレーザを照射することにより金属板と金属部材とを溶接する第２工程と、を含む、レーザ溶接方法を提供する。この場合、前記第１工程は、金属板の他方面にレーザを照射することにより、レーザの照射領域に位置する金属を溶融させるとともに、溶融金属を他方面上における照射領域とは異なる領域に移動させることにより、金属板に第１の厚さよりも大きい厚さを持つ盛り上がり部を形成する工程であるのがよい。特に、前記第１工程は、金属板の他方面にレーザを照射することにより、レーザの照射領域に位置する金属を溶融させるとともに、溶融金属を他方面上における照射領域の隣接領域に移動させることにより、隣接領域に第１の厚さよりも大きい厚さを持つ盛り上がり部を形成する工程であるのがよい。

本発明によれば、第１工程にて金属板の他方面にレーザを照射することにより、レーザの照射領域に位置する金属が溶融される。溶融された金属は流動されて、金属板の他方面上におけるレーザ照射領域とは異なる領域、例えばレーザ照射領域の隣接領域に移動される。このため金属板に盛り上がり部が形成される。盛り上がり部の厚さは、溶融金属により嵩上げされている分だけ金属板の他の部分の厚さ（第１の厚さ）よりも大きい。そして、第２工程では、厚さの大きい盛り上がり部にレーザが照射される。このため第２工程にて溶融する金属の量は多く、溶融した金属によって大きな溶接継手が形成される。よって、金属板と金属部材との間の隙間が大きい場合であっても、大きな溶接継手で金属板と金属部材とを溶接することができる。

このように、本発明に係るレーザ溶接方法によれば、第１工程にて金属板に盛り上がり部を形成し、第２工程にて盛り上がり部にレーザ照射することにより、他の部品を用いることなく溶融金属量を増加させることができる。したがって、金属板と金属部材の隙間が大きい場合であっても、溶接材料の重量およびコストの増加を招くことなくこれらをレーザ溶接することができる。また、盛り上がり部の形成（第１工程）と溶接（第２工程）に同じレーザ照射が用いられるので、金属板の板厚を増加させるため（すなわち盛り上がり部を形成するため）のみに必要な設備を必要としない。よって、製造コストを削減できる。

本発明において、「照射領域とは異なる領域」とは、レーザが照射された領域と全く同一の領域以外の領域を言う。例えば、照射領域内の一部に盛り上がり部が形成された場合でも盛り上がり部が形成された領域は「照射領域とは異なる領域」であり、照射領域に重複した部分に盛り上がり部が形成された場合でも盛り上がり部が形成された領域は「照射領域とは異なる領域」である。また、本発明において、「隣接領域」とは、レーザの照射領域とは異なる領域部分であって、照射領域に接する領域、あるいは、照射領域に重複した部分を持つ領域を言う。

第１工程は、金属板の他方面にレーザを照射することによりレーザの照射領域に位置する金属を溶融及び蒸発させるとともに、溶融金属が蒸発金属の圧力を受けて照射領域の隣接領域に移動することにより、金属板の他方面に盛り上がり部を形成する工程であるのがよい。これによれば、第１工程にてレーザを金属板に照射することによって蒸発した金属の圧力を利用して溶融金属を移動させる。つまり、第１工程にて金属を溶融させるためのレーザ照射により生じた金属蒸気を利用して溶融金属を移動させる。よって、溶融金属を移動させるために外力を用いる必要がないとともに、溶融金属を移動させるための設備も不必要である。したがって、設備コストを削減することができる。

また、第１工程は、金属板の他方面にレーザを照射することによりレーザの照射領域に位置する金属を溶融させるとともに、溶融金属にガスを吹き付けて溶融金属を照射領域の隣接領域に移動させることにより、金属板の他方面に盛り上がり部を形成する工程であってもよい。これによれば、溶融金属にガスを吹き付けることによって溶融金属に外力が加えられる。この外力により溶融金属は照射領域の隣接領域に移動する。このように構成すれば、溶接金属に吹き付けるガスの流速や流量を制御することにより溶融金属の移動量を制御することができ、ひいては盛り上がり部の大きさを制御することができる。

また、第１工程は、金属板の他方面の垂線に対して傾斜した方向から他方面にレーザを照射する工程であるのがよい。つまり、第１工程にて、金属板の他方面に斜め方向からレーザを照射するとよい。レーザを金属板の他方面に斜め方向から照射した場合は、垂直方向から照射した場合に比較して盛り上がり部を高くすることができる。このため第２工程におけるレーザ照射によってより多くの金属を溶融させることができる。

被溶接部材である２枚の金属板の配置状態を示す断面図である。 第１工程にて第１金属板の他方面にレーザを照射した状態を示す図である。 第１工程にて第１金属板の他方面に盛り上がり部が形成される様子を示す図である。 第２工程にて盛り上がり部にレーザが照射された状態を示す図である。 レーザ溶接装置を使用して２枚の金属板をレーザ溶接する様子を示す図である。 実施例１に係るレーザ溶接方法を示す図である。 実施例２に係るレーザ溶接方法を示す図である。 実施例３に係るレーザ溶接方法を示す図である。 実施例４に係るレーザ溶接方法を示す図である。 実施例５に係るレーザ溶接方法を示す図である。 実施例６に係るレーザ溶接方法を示す図である。 実施例７に係るレーザ溶接方法を示す図である。 実施例８に係るレーザ溶接方法を示す図である。 第１金属板の板厚と溶接可能隙間との関係を示したグラフである。 レーザ照射角と盛り上がり量との関係を表すグラフである。 レーザ出力と盛り上がり量との関係を示したグラフである。 溶融部位に吹き付けるガスの流量と盛り上がり量との関係を示したグラフである。

以下、本発明の実施形態について説明する。本実施形態に係るレーザ溶接方法は、隙間を隔てて対面配置する２枚の金属板をレーザにより溶接する方法である。図１に、被溶接部材である２枚の金属板（第１金属板１、第２金属板２）の配置状態を示す。第１金属板１の板厚はｔ１（第１の厚さ）である。第２金属板２は、その一方面２ａが第１金属板１の一方面１ａに対面するように、第１金属板１に重ね合わせて配置される。第１金属板１と第２金属板２は、その全面で対面配置していてもよいが、部分的に対面配置していてもよい。第１金属板１及び第２金属板２は、本実施形態では例えば亜鉛メッキ鋼板である。２枚の亜鉛メッキ鋼板をレーザ溶接する場合、亜鉛蒸気によるブローホールの形成を防止するために、通常は２枚の亜鉛メッキ鋼板がガス抜き用の隙間を隔てて配設される。したがって、図１に示すように、第１金属板１と第２金属板２との間に微小の隙間Ｇが設けられる。なお、本実施形態では２つの金属部材（第１金属板１、第２金属板２）が共に板材である場合について説明するが、第２金属板２に相当する金属部材は板材でなくても良い。

本実施形態に係るレーザ溶接方法は、第１工程及び第２工程を含む。第１工程では、第１金属板１の他方面１ｂ（第２金属板２に対面している一方面１ａとは反対側の面）にレーザを照射することにより、第１金属板１の他方面１ｂに盛り上がり部を形成する。図２は、第１工程にて第１金属板１の他方面１ｂにレーザを照射した状態を示す図である。図２に示すように、この例では、レーザが第１金属板１の他方面１ｂに斜め方向（他方面１ｂの垂線に対して傾斜した方向）から照射される。また、レーザの焦点が第１金属板１の他方面１ｂに合わせられる。このレーザ照射によって、照射領域Ａに位置する金属が加熱される。

図３は、第１工程にて第１金属板１の他方面１ｂに盛り上がり部が形成される様子を示す図である。第１工程にて第１金属板１の他方面１ｂにレーザが照射されることにより、照射領域Ａに位置する金属が加熱されて、照射領域Ａに位置する金属が溶融する。また、照射領域Ａに位置する金属の一部は蒸発する。蒸発金属の圧力（蒸気圧）は溶融金属に作用する。このため、溶融金属が金属蒸気の圧力を受けて流動し、図３の矢印で示すように照射領域Ａの一方側に寄せられる。このようにして、溶融金属が照射領域Ａの隣接領域Ｎに移動される。よって、第１金属板１の他方面１ｂ上の照射領域Ａの隣接領域Ｎに盛り上がり部Ｂが形成される。この盛り上がり部Ｂの厚さｔ２は、溶融金属によって嵩上げされているので、それ以外の部分の板厚ｔ１よりも大きい。つまり、第１工程では、第１金属板１の他方面１ｂにレーザを照射することにより、レーザの照射領域Ａに位置する金属を溶融させるとともに、溶融金属を照射領域Ａの隣接領域Ｎに移動させることにより、隣接領域Ｎに板厚ｔ１よりも大きい厚さｔ２を持つ盛り上がり部Ｂを形成する。

第２工程では、盛り上がり部Ｂにレーザを照射することにより第１金属板１と第２金属板２とを溶接する。図４は、盛り上がり部Ｂにレーザが照射された状態を示す図である。図４に示すように、盛り上がり部Ｂに焦点を合わせてレーザを照射すると、盛り上がり部Ｂを形成する金属が溶融する。溶融した金属は第１金属板１と第２金属板２との隙間Ｇを埋めるように下方に伸び、その先端部分が第２金属板２に進入する。このようにして隙間Ｇを横断して第２金属板２まで伸びた溶融金属が固化することにより溶接継手Ｃが形成される。この溶接継手Ｃを介して第１金属板１と第２金属板２が溶接接合される。ここで、第１工程にて形成された盛り上がり部Ｂの厚さ（ｔ２）は他の部分の厚さ（ｔ１）よりも大きい。したがって、第２工程にて盛り上がり部Ｂにレーザを照射することにより、より多くの金属を溶融させることができる。よって、隙間Ｇが大きい場合であっても、隙間Ｇを埋めて第１金属板１と第２金属板２とを接合し得るに十分な大きさの溶接継手Ｃを形成することができる。そのため、隙間Ｇが大きい場合であっても、第１金属板１と第２金属板２とを溶接することができる。

また、第２工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量（入射エネルギー）が、第１工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように、つまり、第１工程での入熱量が小さく、第２工程での入熱量が大きくなるように、それぞれの工程でのレーザの出力、照射スポット径或いは溶接速度が調整されるとよい。

図５は、レーザ溶接装置を使用して２枚の金属板をレーザ溶接する様子を示す図であり、図５（ａ）が第１工程を示し、図５（ｂ）が第２工程を示す。図５に示すように、レーザ溶接装置は、レーザ発振器５とレーザヘッド３とを備える。レーザ発振器５によりレーザが生成（発振）される。生成されたレーザはレーザヘッド３から出射される。また、レーザヘッド３は図示しない移動装置に保持される。移動装置は例えば多関節ロボットである。移動装置はレーザヘッド３の向きおよび位置を変更することができるように構成される。

第１工程では、レーザヘッド３から出射したレーザＬ１が第１金属板１の他方面１ｂに照射される。このとき照射領域Ｓ１にレーザ光の焦点が合うように、焦点距離が調節される。また、この例では、レーザヘッド３からのレーザＬ１の照射方向（出射方向）が第１金属板１の他方面１ｂの垂線に対して傾斜するように、斜め方向からレーザＬ１が第１金属板１に照射される。そして、照射領域Ｓ１が図５（ａ）の矢印Ａ１で示す方向に一定の速度で連続的に移動するように、レーザヘッド３が移動装置により移動される。

第１工程を実施することにより、レーザＬ１の照射領域に位置する金属が溶融及び蒸発するとともに、溶融金属が蒸発金属の圧力を受けて流動し、照射領域の隣接領域に移動して盛り上がり部を形成する。この盛り上がり部は、第１工程におけるレーザの照射領域の移動方向（Ａ１方向）に沿って延設するように形成される。

第１工程の実施後に第２工程が実施される。第２工程では、図５（ｂ）に示すように、レーザヘッド３から出射したレーザＬ２が盛り上がり部Ｂに照射される。このとき照射領域Ｓ２にレーザ光の焦点が合うように焦点距離が調節される。また、この例では、レーザヘッド３から出射されるレーザＬ２の盛り上がり部Ｂへの照射方向が第１金属板１の他方面１ｂの垂線に平行になるように、第１金属板１に垂直にレーザＬ２が照射される。そして、照射領域Ｓ２が図５（ｂ）の矢印Ａ２方向で示す盛り上がり部Ｂの延設方向に沿って一定の速度で連続的に移動するように、レーザヘッド３が移動装置により移動される。第２工程を実施することにより、盛り上がり部Ｂを構成する金属が溶融して第１金属板１と第２金属板２とを繋ぐ溶接継手が形成される。この場合において、盛り上がり部Ｂの厚さは溶融金属で嵩上げされている分だけ他の部分よりも大きいため、溶融金属量が多い。そのため隙間Ｇが大きい場合であってもその隙間を埋めるに十分な大きさの溶接継手を形成することができる。よって、隙間Ｇが大きい場合であっても第１金属板１と第２金属板２を溶接することができる。

上記の例では、第１工程にて、図５（ａ）に示すように第１金属板１に斜め方向からレーザＬ１を照射しているが、第１金属板１に垂直方向からレーザＬ１を照射しても、蒸発金属の圧力の作用によって盛り上がり部を形成することができる。また、上記の例では、第１工程にて、レーザ照射により蒸発した金属の圧力により溶融金属を移動させて、照射領域の隣接領域に盛り上がり部Ｂを形成するように構成されているが、レーザ照射と同時にガスを照射領域に吹き付けて、ガスの吹き付けに起因した外力により溶融金属を移動させるように構成してもよい。また、第２工程では、図５（ｂ）に示すように第１金属板１に垂直な方向からレーザＬ２を盛り上がり部Ｂに照射しているが、様々な角度からレーザＬ２を盛り上がり部Ｂに照射してもよい。

以下、本発明のレーザ溶接方法に係る複数の実施例について説明する。

（実施例１）
図６は、実施例１に係るレーザ溶接方法を示す図である。この例では、第１工程にてレーザヘッド３から出射されるレーザＬ１が図６（ａ）に示すように第１金属板１の他方面１ｂに斜め方向（第１金属板１の他方面１ｂの垂線に対して傾斜した方向）から照射される。すると、レーザＬ１の照射領域に位置する金属が溶融及び蒸発するとともに、溶融金属が蒸発金属の圧力を受けて流動し、照射領域の隣接領域Ｎに移動する。このため隣接領域Ｎに盛り上がり部Ｂが形成される。

次いで、図６（ｂ）に示すように、第２工程にて盛り上がり部Ｂにレーザを照射する。この場合において、第２工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量（入射エネルギー）が、第１工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように、レーザの出力、照射スポット径或いは溶接速度が調整される。また、この例では、第２工程にてレーザヘッド３から出射したレーザＬ２が、第１金属板１の他方面１ｂの垂線に平行な方向、つまり第１金属板１に垂直な方向から、盛り上がり部Ｂに照射される。第１工程におけるレーザ照射角（第１金属板１の他方面１ｂの垂線とレーザの出射方向の中心線とのなす角度（図６（ａ）の角度θ））と第２工程におけるレーザ照射角が異なるので、第１工程から第２工程に移行する間にレーザヘッド３は回転する。第２工程にて盛り上がり部ＢにレーザＬ２が照射されることにより盛り上がり部Ｂを構成する金属が溶融する。溶融金属により第１金属板１と第２金属板２との間の隙間Ｇを埋めるように溶接継手が形成されて、第１金属板１と第２金属板２が溶接される。図６（ｃ）に溶接継手Ｃにより第１金属板１と第２金属板２とが溶接された状態を示す。

この例によれば、第１工程にて斜め方向からレーザを第１金属板１に照射することにより、溶融金属が一方に寄せられるため、大きな盛り上がり部Ｂを形成することができる。さらに、第２工程にて第１金属板１に垂直な方向からレーザを盛り上がり部Ｂに照射することにより、第１金属板１と第２金属板２とを最短距離で結ぶ溶接継手が形成される。つまり、第１金属板１と第２金属板２とを結ぶ溶接継手の容積が最小化される。これらのことから、隙間Ｇがかなり大きい場合であっても第１金属板１と第２金属板２とを溶接することができる。換言すれば、この例によれば、溶接可能隙間（隙間を隔てて配置された第１金属板と第２金属板とをレーザ溶接によって溶接接合することが可能である隙間の最大値）を大きくすることができる。

（実施例２）
図７は、実施例２に係るレーザ溶接方法を示す図である。この例では、第１工程にて、実施例１と同様に、レーザヘッド３から出射されるレーザＬ１が図７（ａ）に示すように第１金属板１の他方面１ｂに斜め方向から照射される。すると、レーザＬ１の照射領域に位置する金属が溶融及び蒸発するとともに、溶融金属が蒸発金属の圧力を受けて流動し、照射領域の隣接領域Ｎに移動する。このため隣接領域Ｎに盛り上がり部Ｂが形成される。

次いで、図７（ｂ）に示すように、第２工程にて盛り上がり部Ｂにレーザを照射する。この場合において、第２工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量（入射エネルギー）が、第１工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように、レーザの出力、照射スポット径或いは溶接速度が調整される。また、この例では、第２工程にてレーザヘッド３から出射したレーザＬ２が第１工程と同じ方向（斜め方向）から盛り上がり部Ｂに照射される。第１工程におけるレーザ照射角と第２工程におけるレーザ照射角が同じであるため、第１工程から第２工程に移行する間にレーザヘッド３は平行移動する。レーザヘッド３を平行移動するだけで第１工程から第２工程への移行が完了するので、第１工程から第２工程に移行するまでの時間を短縮することができる。また、第２工程にて盛り上がり部ＢにレーザＬ２が照射されることにより盛り上がり部Ｂを構成する金属が溶融し、溶融金属によって第１金属板１と第２金属板２との隙間Ｇを埋めるように溶接継手が形成されて、第１金属板１と第２金属板２が溶接される。図７（ｃ）に溶接継手Ｃにより第１金属板１と第２金属板２とが溶接された状態を示す。

（実施例３）
図８は、実施例３に係るレーザ溶接方法を示す図である。この例では、第１工程にてレーザヘッド３から出射されるレーザＬ１が図８（ａ）に示すように第１金属板１の他方面１ｂの垂線に平行な方向から（つまり第１金属板１に垂直な方向から）第１金属板１の他方面１ｂに照射される。すると、レーザＬ１の照射領域に位置する金属が溶融及び蒸発するとともに、溶融金属が蒸発金属の圧力を受けて流動し、照射領域の隣接領域Ｎに移動する。このため隣接領域Ｎに盛り上がり部Ｂが形成される。なお、第１工程にてレーザを垂直方向から第１金属板１に照射した場合、照射領域における入熱量の局所的な差等に起因して、盛り上がり部が形成される場所や形成される盛り上がり部の形状が異なる。この例では、盛り上がり部Ｂは、照射領域の周りにリング状に形成される。

次いで、図８（ｂ）に示すように、第２工程にて盛り上がり部Ｂにレーザを照射する。この場合において、第２工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量（入射エネルギー）が、第１工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように、レーザの出力、照射スポット径或いは溶接速度が調整される。また、この例では、第２工程にてレーザヘッド３から出射したレーザＬ２が第１工程と同じ方向（第１金属板１の他方面１ｂの垂線に平行な方向）から盛り上がり部Ｂに照射される。第１工程におけるレーザ照射角と第２工程におけるレーザ照射角が同じであるため、第１工程から第２工程に移行する間にレーザヘッド３は平行移動する。レーザヘッド３を平行移動するだけで第１工程から第２工程への移行が完了するので、第１工程から第２工程に移行するまでの時間を短縮することができる。第２工程にて盛り上がり部ＢにレーザＬ２が照射されることにより盛り上がり部Ｂを構成する金属が溶融し、溶融金属によって第１金属板１と第２金属板２との隙間Ｇを埋めるように溶接継手が形成されて、第１金属板１と第２金属板２が溶接される。図８（ｃ）に溶接継手により第１金属板１と第２金属板２とが溶接された状態を示す。

実施例２および３によれば、実施例１に係る方法に比べ、第１工程から第２工程に移行する際におけるレーザヘッド３の移動が少ないので、溶接時間を短縮することができる。

（実施例４）
図９は、実施例４に係るレーザ溶接方法を示す図である。この例では、第１工程にてレーザヘッド３から出射されるレーザＬ１が図９（ａ）に示すように第１金属板１の他方面１ｂに垂直方向から照射される。すると、レーザＬ１の照射領域に位置する金属が溶融及び蒸発するとともに、溶融金属が蒸発金属の圧力を受けて流動する。斯かる流動によって盛り上がり部Ｂが形成される。なお、レーザを垂直方向から第１金属板１に照射した場合、上述したように照射領域における入熱量の局所的な差等に起因して、盛り上がり部が形成される場所や形成される盛り上がり部の形状が異なる。この例では、盛り上がり部Ｂは、照射領域の中央部分に形成される。

次いで、図９（ｂ）に示すように、第２工程にて盛り上がり部Ｂにレーザを照射する。この場合において、第２工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量（入射エネルギー）が、第１工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように、レーザの出力、照射スポット径或いは溶接速度が調整される。また、この例ではレーザは第１工程と同じように垂直方向から盛り上がり部Ｂに照射される。さらに、この例では、第１工程にて照射領域内に盛り上がり部が形成されため、第１工程から第２工程に移行する間に、レーザヘッド３の向きや位置を変えなくてもよい。したがって、第１工程から第２工程に即座に移行することができる。第２工程にて盛り上がり部ＢにレーザＬ２が照射されることにより盛り上がり部Ｂを構成する金属が溶融し、溶融金属によって第１金属板１と第２金属板２との隙間Ｇを埋めるように溶接継手が形成されて、第１金属板１と第２金属板２が溶接される。図９（ｃ）に溶接継手Ｃにより第１金属板１と第２金属板２とが溶接された状態を示す。

（実施例５）
図１０は、実施例５に係るレーザ溶接方法を示す図である。この例では、第１工程にてレーザヘッド３から出射されたレーザＬ１が図１０（ａ）に示すように第１金属板１の他方面１ｂの垂線に平行な方向から（つまり第１金属板１に垂直な方向から）第１金属板１の他方面１ｂに照射される。また、レーザの照射と同時に、ノズル４からエアー（ガス）が照射部位に吹き付けられる。エアーの吹き付け方向は、第１金属板１の他方面１ｂの垂線に対して傾斜した方向である。すると、レーザＬ１の照射領域に位置する金属が溶融するとともに、溶融金属がエアーの吹き付けによる外力を受けて流動し、照射領域の隣接領域Ｎに移動する。このため隣接領域Ｎに盛り上がり部Ｂが形成される。

次いで、図１０（ｂ）に示すように、第２工程にて盛り上がり部Ｂにレーザを照射する。この場合において、第２工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量（入射エネルギー）が、第１工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように、レーザの出力、照射スポット径或いは溶接速度が調整される。また、この例では、第２工程にてレーザヘッド３から出射したレーザＬ２が第１金属板１の他方面１ｂに垂直な方向から盛り上がり部Ｂに照射される。第１工程におけるレーザ照射角と第２工程におけるレーザ照射角が同じであるため、第１工程から第２工程に移行する間にレーザヘッド３が平行移動する。レーザヘッド３を平行移動するだけで第１工程から第２工程への移行が完了するので第１工程から第２工程に移行するまでの時間を短縮することができる。第２工程にて盛り上がり部ＢにレーザＬ２が照射されることにより盛り上がり部Ｂを構成する金属が溶融し、溶融金属によって第１金属板１と第２金属板２との隙間Ｇを埋めるように溶接継手が形成されて、第１金属板１と第２金属板２が溶接される。図１０（ｃ）に溶接継手Ｃにより第１金属板１と第２金属板２とが溶接された状態を示す。

（実施例６）
図１１は、実施例６に係るレーザ溶接方法を示す図である。この例では、第１工程にてレーザヘッド３から出射されたレーザＬ１が図１１（ａ）に示すように斜め方向から第１金属板１の他方面１ｂに照射される。また、レーザの照射と同時に、ノズル４からエアーが照射部位に吹き付けられる。エアーの吹き付け方向は、第１金属板１の他方面１ｂの垂線に対して傾斜した方向である。すると、レーザＬ１の照射領域に位置する金属が溶融するとともに、溶融金属がエアーの吹き付けによる外力を受けて流動し、照射領域の隣接領域Ｎに移動する。このため隣接領域Ｎに盛り上がり部Ｂが形成される。

次いで、図１１（ｂ）に示すように、第２工程にて盛り上がり部Ｂにレーザを照射する。この場合において、第２工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量（入射エネルギー）が、第１工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように、レーザの出力、照射スポット径或いは溶接速度が調整される。また、この例では、第２工程にてレーザヘッド３から出射したレーザＬ２が第１金属板１の他方面１ｂに垂直な方向から盛り上がり部Ｂに照射される。第１工程におけるレーザ照射角と第２工程におけるレーザ照射角が異なるので、第１工程から第２工程に移行する間にレーザヘッド３が回転する。第２工程にて盛り上がり部ＢにレーザＬ２が照射されることにより盛り上がり部Ｂを構成する金属が溶融し、溶融金属によって第１金属板１と第２金属板２との隙間Ｇを埋めるように溶接継手が形成されて、第１金属板１と第２金属板２が溶接される。図１１（ｃ）に溶接継手Ｃにより第１金属板１と第２金属板２とが溶接された状態を示す。

（実施例７）
図１２は、実施例７に係るレーザ溶接方法を示す図である。この例では、第１工程にてレーザヘッド３から出射されるレーザＬ１が図１２（ａ）に示すように斜め方向から第１金属板１の他方面１ｂに照射される。また、レーザの照射と同時に、ノズル４からエアーが照射部位に吹き付けられる。エアーの吹き付け方向は、第１金属板１の他方面１ｂの垂線に対して傾斜した方向である。すると、レーザＬ１の照射領域に位置する金属が溶融するとともに、溶融金属がエアーの吹き付けによる外力を受けて流動し、照射領域の隣接領域Ｎに移動する。このため隣接領域Ｎに盛り上がり部Ｂが形成される。

次いで、図１２（ｂ）に示すように、第２工程にて盛り上がり部Ｂにレーザを照射する。この場合において、第２工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量（入射エネルギー）が、第１工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように、レーザの出力、照射スポット径或いは溶接速度が調整される。また、この例では、第２工程にてレーザヘッド３から出射したレーザＬ２が第１工程と同じ方向（斜め方向）から盛り上がり部Ｂに照射される。第１工程におけるレーザ照射角と第２工程におけるレーザ照射角が同じであるため、第１工程から第２工程に移行する間にレーザヘッド３が平行移動する。レーザヘッド３を平行移動するだけで第１工程から第２工程への移行が完了するので、第１工程から第２工程に移行するまでの時間を短縮することができる。第２工程にて盛り上がり部ＢにレーザＬ２が照射されることにより盛り上がり部Ｂを構成する金属が溶融し、溶融金属によって第１金属板１と第２金属板２との隙間Ｇを埋めるように溶接継手が形成されて、第１金属板１と第２金属板２が溶接される。図１２（ｃ）に溶接継手Ｃにより第１金属板１と第２金属板２とが溶接された状態を示す。

実施例５，６，７によれば、第１工程にて溶融金属がガス（エアー）の吹き付けによる外力を受けて移動することにより隣接領域Ｎに盛り上がり部が形成される。したがって、外力の強さ（吹き付けるガスの流量）を制御することによって、盛り上がり部の大きさを制御することができる。

（実施例８）
図１３は、実施例８に係るレーザ溶接方法を示す図である。この例では、第１金属板１と第２金属板２がそれぞれ鉛直方向に沿って対面配置される。したがって、第１金属板１と第２金属板２は、水平方向（重力方向に垂直な方向）に隙間Ｇを隔てて離間している。図１３（ａ）に示すように、第１工程では、レーザヘッド３が第１金属板１へのレーザの照射領域よりも高い位置に配置される。そして、レーザヘッド３から出射したレーザＬ１が斜め上方から第１金属板１の他方面１ｂに照射される。すると、レーザＬ１の照射領域に位置する金属が溶融及び蒸発するとともに、溶融金属が蒸発金属の圧力を受けて流動し、照射領域の下方の隣接領域Ｎに移動する。このため隣接領域Ｎに盛り上がり部Ｂが形成される。

次いで、図１３（ｂ）に示すように、第２工程にて盛り上がり部Ｂにレーザを照射する。この場合において、第２工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量（入射エネルギー）が、第１工程のレーザ照射による第１金属板１への単位面積当たりの入熱量よりも大きくなるように、レーザの出力、照射スポット径或いは溶接速度が調整される。また、この例では、第２工程にてレーザヘッド３から出射したレーザＬ２が第１工程と同じ斜め上方から盛り上がり部Ｂに照射される。第２工程により盛り上がり部ＢにレーザＬ２が照射されることにより盛り上がり部Ｂを構成する金属が溶融及び蒸発する。ここで、第２工程にて斜め上方からレーザＬ２を盛り上がり部Ｂに照射した場合、蒸発金属の圧力が溶融金属に対し、図１３（ｃ）の矢印Ｄ１で示すようなレーザの照射方向に垂直な方向に大きく作用する。この方向への圧力は図１３（ｃ）の矢印Ｄ２で示す水平方向成分を持つ。よって、この圧力の水平方向成分によって、溶融金属が第２金属板２側に吹き飛ばされる。そのため図１３（ｃ）に示すように、第１金属板１と第２金属板２との隙間を埋めるように溶接継手Ｃが形成されて、第１金属板１と第２金属板２とが溶接される。このように、第１金属板１と第２金属板２が重力方向に垂直な方向に離間して配置されている場合であっても、本実施例によれば第１金属板１と第２金属板２をレーザ溶接することができる。つまり、被溶接部材の配置姿勢が制限されない。

（予備実験１）
第１金属板と第２金属板との間の隙間Ｇの大きさと、レーザが照射される第１金属板の板厚との関係を調査した。この場合において、亜鉛メッキ鋼板（ＳＣＧＡ２７０Ｄ）からなる第１金属板と第２金属板とを上下方向（重力方向）に沿って対面配置させた。そして、ファイバーレーザ発振器（５ｋＷ級）で発振したレーザをガルバノレーザヘッドから出射させて第１金属板に照射して、第１金属板と第２金属板との溶接を試みた。また、板厚の異なる複数の第１金属板を用いてレーザ溶接を試みることにより、第１金属板の板厚と溶接可能隙間（隙間を隔てて配置された第１金属板と第２金属板とをレーザ溶接によって溶接接合することが可能である隙間の最大値）との関係を調べた。

図１４は、上記の実験結果をグラフに示したものであり、横軸が第１金属板の板厚であり、縦軸が溶接可能隙間である。図１４に示すように、板厚が大きいほど溶接可能隙間が大きい。これは、板厚が大きいほどレーザの照射により溶融する金属が増加して、埋めることができる隙間の大きさが増加するためである。このことから、盛り上がり部の大きさ（高さ）を大きくして板厚を増加することにより、溶接可能隙間が大きくなることがわかる。

（予備実験２）
次に、レーザ照射角と盛り上がり部の大きさとの関係を調査した。この場合において、亜鉛メッキ鋼板（ＳＣＧＡ２７０Ｄ）からなる金属板にレーザを照射して、金属板に盛り上がり部を形成した。また、レーザ照射角を変化させて金属板にレーザを照射することにより、レーザ照射角と盛り上がり部の高さ（盛り上がり量）との関係を調べた。

図１５は、レーザ照射角と盛り上がり量（照射面からの盛り上がり部の高さ）との関係を表すグラフであり、横軸がレーザ照射角、縦軸が盛り上がり量である。図１５に示すように、レーザ照射によって盛り上がり部を形成することにより、板厚が増加することがわかる。また、照射角度が０°であっても盛り上がり部が形成されることがわかる。また、レーザを斜めから照射することにより、溶融金属を特定の方向に寄せることができるために盛り上がり量を大きくすることができ、照射角度を大きくすればするほど盛り上がり量が増加する、すなわち板厚が増加することがわかる。よって、第１工程にて、レーザ照射角を大きくすることにより、大きな盛り上がり部を形成することができる。

（予備実験３）
また、レーザの強度（出力）と盛り上がり部の大きさとの関係を調査した。この場合において、亜鉛メッキ鋼板（ＳＣＧＡ２７０Ｄ）からなる金属板にレーザを照射した。また、レーザ出力を変化させて金属板にレーザを照射することにより、レーザの強度と盛り上がり部の高さ（盛り上がり量）との関係を調べた。

図１６は、レーザ出力と盛り上がり量との関係を示したグラフであり、横軸がレーザ出力、縦軸が盛り上がり量である。図１６に示すように、レーザ出力が増加すればするほど盛り上がり量は大きくなる。これは、レーザ出力が増加すると金属板への入熱量が増加してより多くの金属が溶融するためである。しかし、レーザ出力が大きすぎる場合には、盛り上がり量は極端に低下する。これは、レーザ出力が大きすぎる場合は、金属板への入熱量が多すぎて金属板に貫通孔が形成され、溶融金属が貫通孔から落下してしまったためである。したがって、金属板を貫通させない範囲でレーザ出力を大きくするほど盛り上がり量を大きくできることがわかる。したがって、第１工程にて、第１金属板１が貫通しない程度に大きな出力でレーザを第１金属板１に照射することにより、大きな盛り上がり部を第１金属板に形成することができる。

以上の予備実験から得られる知見に基づくと、第１工程にてレーザ照射角およびレーザ出力を大きくすることで、大きな盛り上がり部が形成される。そして、第２工程にてこの大きな盛り上がり部にレーザを照射することによって大きな溶接継手が形成される。大きな溶接継手が形成されることにより、第１金属板と第２金属板との間の隙間が大きい場合であっても、両者を溶接することが可能となる。

図１７は、レーザ照射によって溶融した部位にガスを吹き付けることによって盛り上がり部を形成する場合（実施例５，６，７）において、溶融部位に吹き付けるガスの流量と盛り上がり量との関係を示したグラフであり、横軸がガス流量、縦軸が盛り上がり量である。図１７からわかるように、ガス流量が少なすぎると、溶融金属を移動させる外力が弱いために、盛り上がり量は小さい。一方、ガス流量が多すぎると、溶融金属に作用する外力が強すぎて溶融金属が飛散してしまい、金属板上に残る溶融金属が減少する。したがって、盛り上がり量を最も大きくするためのガス流量の最適値が存在する。よって、最適ガス流量を実験等により求め、求めた最適ガス流量でガスを溶融金属に吹き付けることにより、盛り上がり量を最も大きくすることができる。

以上のように、本実施形態に係るレーザ溶接方法は、第１の厚さｔ１を持つ第１金属板１と、隙間Ｇを隔てて第１金属板１の一方面１ａに対面する一方面２ａを有する第２金属板２とを、レーザにより溶接するレーザ溶接方法であって、第１金属板１の一方面１ａとは反対側の面である他方面１ｂにレーザを照射することにより、レーザの照射領域に位置する金属を溶融させるとともに、溶融金属を流動させることにより、第１金属板１に第１の厚さｔ１よりも大きい厚さｔ２を持つ盛り上がり部Ｂを形成する第１工程と、盛り上がり部Ｂにレーザを照射することにより第１金属板１と第２金属板２とを溶接する第２工程と、を含む。

また、本実施形態に係るレーザ溶接方法は、第１の厚さｔ１を持つ第１金属板１と、隙間Ｇを隔てて第１金属板１の一方面１ａに対面する一方面２ａを有する第２金属板２とを、レーザにより溶接するレーザ溶接方法であって、第１金属板１の一方面１ａとは反対側の面である他方面１ｂにレーザを照射することにより、レーザの照射領域に位置する金属を溶融させるとともに、溶融金属を第１金属板１の他方面１ｂ上における照射領域とは異なる領域である照射領域の隣接領域Ｎに移動させることにより、隣接領域Ｎに第１の厚さｔ１よりも大きい厚さｔ２を持つ盛り上がり部Ｂを形成する第１工程と、盛り上がり部Ｂにレーザを照射することにより第１金属板１と第２金属板２とを溶接する第２工程と、を含む。

本実施形態に係るレーザ溶接方法によれば、第１工程にて第１金属板１の他方面１ｂにレーザを照射することにより、レーザの照射領域に位置する金属が溶融される。溶融された金属は流動し、例えば第１金属板１の他方面１ｂのレーザ照射領域の隣接領域Ｎに移動される。このため隣接領域Ｎに盛り上がり部Ｂが形成される。盛り上がり部Ｂの厚さｔ２は、溶融金属により嵩上げされている分だけ第１金属板１の他の部分の厚さ（第１の厚さ）ｔ１よりも大きい。そして、第２工程では、厚さの大きい盛り上がり部Ｂにレーザが照射される。厚さの大きい盛り上がり部Ｂにレーザ照射するため溶融金属量は多い。そのため溶融金属によって大きな溶接継手を形成することができる。よって、２枚の金属板間の隙間が大きい場合であっても大きな溶接継手でこれらを溶接することができる。

このように、本実施形態に係るレーザ溶接方法によれば、他の部品を用いることなく第１金属板１に板厚の大きい部分（盛り上がり部Ｂ）を形成することができ、この板厚の大きい部分にレーザを照射させることで、溶融金属量を増加させることができる。よって、溶接材料の重量およびコストの増加を招くことなく２枚の金属板をレーザ溶接することができる。また、レーザ照射により盛り上がり部を形成するため、第１金属板１の板厚を増加させるために別途設備を必要としない。よって、製造コストを削減できる。

また、実施例１〜４，８に示す第１工程では、第１金属板１の他方面１ｂにレーザを照射することによりレーザの照射領域に位置する金属を溶融及び蒸発させるとともに、溶融金属が蒸発金属の圧力を受けて隣接領域に移動することにより、第１金属板１の他方面１ｂに盛り上がり部Ｂを形成する。これによれば、第１工程にて実施されるレーザ照射により生じた金属蒸気を利用して溶融金属を移動させるので、溶融金属を移動させるために外力を用いる必要がないとともに、溶融金属を移動させるための設備を必要としない。よって、設備コストを削減することができる。

また、実施例５〜７に示す第１工程では、第１金属板１の他方面１ｂにレーザを照射することによりレーザの照射領域に位置する金属を溶融させるとともに、溶融金属にガスを吹き付けて溶融金属を照射領域の隣接領域に移動させることにより、第１金属板１の他方面１ｂに盛り上がり部Ｂを形成する。溶融金属にガスを吹き付けることにより外力を加えて溶融金属を照射領域の隣接領域に移動させるので、吹き付けるガスの流速や流量を制御することにより、溶融金属の移動量を制御することができ、ひいては盛り上がり部の厚さを制御することができる。

また、実施例１，２，６，７に示す第１工程では、第１金属板１の他方面１ｂの垂線に対して傾斜した方向から他方面１ｂにレーザを照射している。このように斜め方向からレーザを照射することにより、大きな盛り上がり部を形成することができる。

以上、本発明の各種実施例について説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。例えば、上記各実施例では、２つの金属板をレーザ溶接する例を示したが、レーザ照射されない側の金属部材（上記実施例の第２金属板２に相当する金属部材）は板状でなくてもよく、金属部材であればよい。また、上記各実施例では、第１工程にてレーザの照射領域の隣接領域、或いは照射領域内の領域に盛り上がり部を形成する例を示したが、盛り上がり部がレーザの照射領域から離れた領域（照射領域に接していない領域）に形成されてもよい。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、変形可能である。

１…第１金属板、１ａ…一方面、１ｂ…他方面、２…第２金属板、２ａ…一方面、３…レーザヘッド、４…ノズル、５…レーザ発振器、Ａ…照射領域、Ｂ…盛り上がり部、Ｃ…溶接継手、Ｇ…隙間，Ｎ…隣接領域

Claims (6)

1. 第１の厚さを持つ金属板と、隙間を隔てて前記金属板の一方面に対面する一方面を有する金属部材とを、レーザにより溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記金属板の前記一方面とは反対側の面である他方面にレーザを照射することにより、レーザの照射領域に位置する金属を溶融させるとともに、溶融金属を流動させることにより、前記金属板に前記第１の厚さよりも大きい厚さを持つ盛り上がり部を形成する第１工程と、
   前記盛り上がり部にレーザを照射することにより前記金属板と前記金属部材とを溶接する第２工程と、
   を含む、レーザ溶接方法。
2. 請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１工程は、前記金属板の前記他方面にレーザを照射することにより、レーザの照射領域に位置する金属を溶融させるとともに、溶融金属を前記他方面上における前記照射領域とは異なる領域に移動させることにより、前記金属板に前記第１の厚さよりも大きい厚さを持つ盛り上がり部を形成する工程である、レーザ溶接方法。
3. 請求項１または２に記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１工程は、前記金属板の前記他方面にレーザを照射することにより、レーザの照射領域に位置する金属を溶融させるとともに、溶融金属を前記他方面上における前記照射領域の隣接領域に移動させることにより、前記隣接領域に前記第１の厚さよりも大きい厚さを持つ盛り上がり部を形成する工程である、レーザ溶接方法。
4. 請求項３に記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１工程は、前記他方面にレーザを照射することによりレーザの照射領域に位置する金属を溶融及び蒸発させるとともに、溶融金属が蒸発金属の圧力を受けて前記隣接領域に移動することにより、前記他方面に前記盛り上がり部を形成する工程である、レーザ溶接方法。
5. 請求項３に記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１工程は、前記金属板の他方面にレーザを照射することによりレーザの照射領域に位置する金属を溶融させるとともに、溶融金属にガスを吹き付けて前記溶融金属を前記隣接領域に移動させることにより、前記他方面に前記盛り上がり部を形成する工程である、レーザ溶接方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項２に記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１工程は、前記金属板の前記他方面の垂線に対して傾斜した方向から前記他方面にレーザを照射する工程である、レーザ溶接方法。

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