JP7081324B2 - レーザ溶接方法および溶接構造体 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを照射することによって積層された複数枚の鋼板を重ね合わせ溶接するレーザ溶接方法、および、このレーザ溶接方法を用いることで形成される溶接構造体に関するものである。

従来から、積層された複数枚の鋼板にレーザビームを照射して、当該複数枚の鋼板に溶融池を形成し、当該溶融池が凝固した溶接部によって複数枚の鋼板を接合するレーザ溶接方法が知られている。

もっとも、このような手法では、積層された複数枚の鋼板の板隙間を溶融金属で埋めるため、板隙間が大きい場合には、板隙間を埋めるのに用いられる溶融金属量の増加に起因して、溶融池の表面に落ち込みが生じ、溶融池が凝固した溶接部の表面が落ち込むことが知られている。そうして、このような溶接部の表面の落ち込みが生じると、溶接部ののど厚（表面側の鋼板の裏面における溶接部の外周縁と溶接部の表面との最短距離）を十分の確保することができず、接合強度が低下することがある。

そこで、例えば特許文献１には、レーザを複数枚の板に照射して、積層した複数枚の板に溶融池を形成し、溶融池の外縁部にレーザを照射して、外縁部を溶融させ、積層した複数枚の板を溶接するレーザ溶接方法が開示されている。

この特許文献１のものでは、溶融池の外縁部にレーザビームを照射することで外縁部が溶融すると、溶融した外縁部が溶融池の中央部分に流動し、溶接部の表面が平坦になることから、溶接部ののど厚が増加するので、板隙間が大きい場合であっても、接合強度が低下するのを抑えることができるとされている。

特開２０１２－２２８７１７号公報

ところで、のど厚は、鋼板の裏面における溶接部の外周縁と溶接部の表面との最短距離で決まることから、のど厚を十分に確保するには、鋼板の表面側からのアプローチと鋼板の裏面側からのアプローチとを行うことが望ましい。ここで、上記特許文献１のものでは、溶接部の表面の落ち込みを改善するという、鋼板の表面側からのアプローチは行われているものの、鋼板の裏面側からのアプローチが行われていないため、のど厚が十分に確保されているとは言い難く、この点で改善の余地がある。

また、鋼板の裏面における溶接部の外周縁には応力集中が生じ易いため、亀裂の起点となり易いところ、このような応力集中を抑えるには、のど裏角度（表面側の鋼板の裏面と溶接部の外周面とのなす角度）を大きくするのが有効であるが、上記特許文献１のものでは、溶接部が複数枚の鋼板を、積層方向と直交する平面に対して垂直に架橋しているため、のど裏角度が十分に確保されておらず、この点でも改善の余地がある。

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、積層された複数枚の鋼板を重ね合わせ溶接するレーザ溶接方法および溶接構造体において、のど厚を増加させて接合強度を向上させるとともに、のど裏角度を大きくして応力集中による亀裂の発生を抑える技術を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係るレーザ溶接方法および溶接構造体では、積層方向と直交する平面に対して大きく傾斜する外周面を有する溶接部によって鋼板同士を架橋するようにしている。

具体的には、本発明は、レーザビームを照射することによって積層された複数枚の鋼板を重ね合わせ溶接するレーザ溶接方法を対象としている。

そして、このレーザ溶接方法は、上記複数枚の鋼板は、レーザビーム照射側から順に第１鋼板、…、第ｎ鋼板（ｎは２以上の整数）から構成されており、第１レーザビームを上記第１鋼板に照射することにより、第１鋼板から第ｎ－１鋼板を積層方向に貫通し、第ｎ鋼板に達する溶融池を形成するステップと、集光径が上記第１レーザビームの集光径よりも大きく設定された第２レーザビームを、上記第１鋼板における上記溶融池の外周に沿って照射することにより、上記溶融池の周縁部を溶融させるステップと、を含み、上記第２レーザビームを照射するステップでは、上記溶融池の周縁部を溶融させた溶融金属を当該溶融池の中央部分に流動させるとともに、当該溶融池が凝固した溶接部における、上記第２鋼板内の部位での、積層方向と直交する平面に対する当該溶接部の傾斜角度よりも、上記第１鋼板と当該第２鋼板との隙間に対応する部位での、当該第１鋼板の当該第２鋼板側の面に対する当該溶接部の傾斜角度の方が小さくなるように、上記溶融池の周縁部を溶融させた溶融金属を、当該第１鋼板の当該第２鋼板側の面に対して斜めに溶け落ちさせることを特徴とするものである。

この構成では、最初のステップで、第１レーザビームを第１鋼板に照射することにより、第ｎ鋼板に達する溶融池が形成されると、溶融金属によって板隙間が埋められることから、板隙間が大きい場合には溶融池の表面が第２鋼板側に大きく窪むとともに、溶融金属が第１鋼板の裏面（積層方向と直交する平面）に対して垂直に溶け落ちることになる。

もっとも、次のステップにおいて、集光径が相対的に大きく設定された、エネルギー密度が相対的に低い第２レーザビームを、第１鋼板における溶融池の外周に沿って照射して、浅く広い伝熱溶融を行うことから、溶融池が広がるように第１鋼板を穏やかに溶融させることができる。これにより、溶融金属を溶融池の中央部分に流動させて溶融池の表面の窪みを埋めることができるとともに、溶融金属を第１鋼板の裏面に対して斜めに溶け落とすことができる。

それ故、溶融池が凝固した溶接部において、溶接部の表面を窪みの小さい略平坦な面に形成することができるとともに、溶接部の外周面を第１鋼板の裏面に対して大きく傾斜させることができ、これらにより、第１鋼板の裏面における溶接部外周縁と溶接部の表面との最短距離で決まるのど厚を増大させて、接合強度を向上させることができる。さらに、第１鋼板の裏面に対して大きく傾斜する外周面を有する溶接部によって第１鋼板と第２鋼板とを架橋することから、のど裏角度を大きくすることができ、これにより、第１鋼板の裏面における溶接部の外周縁に応力集中が生じるのを抑えることができる。

また、上記レーザ溶接方法では、上記第１レーザビームを、円形を描くように走査しながら照射して上記溶融池を形成することが好ましい。

溶接部の疲労強度は、ナゲット径（第ｎ鋼板の表面における溶接部の直径）と、のど厚の大きさで決まるところ、この構成によれば、第１レーザビームを、円形を描くように走査しながら（周回させながら）照射する（所謂ＬＳＷ（Laser screw welding）を用いる）ことで、相対的に大きなナゲット径を容易に確保することができ、これにより、溶接部の疲労強度の向上を図ることができる。

さらに、上記レーザ溶接方法では、上記第１鋼板の厚さが上記第２～第ｎ鋼板の厚さよりも薄いことが好ましい。

溶融金属によって板隙間を埋める場合に、板隙間が大きく且つ第１鋼板の厚さが相対的に薄いと、のど厚の減少が顕著になる。この点、本発明では、第１鋼板における溶融池の外周に沿って浅く広い伝熱溶融を行うことで、のど厚およびのど裏角度の増大を図ることから、第１鋼板の厚さが相対的に薄い場合にも、好適に適用することができる。

また、本発明は、レーザビームを照射することによって積層された複数枚の鋼板が重ね合わせ溶接された溶接構造体をも対象としている。

そして、この溶接構造体は、上記複数枚の鋼板は、レーザビーム照射側から順に第１鋼板、…、第ｎ鋼板（ｎは２以上の整数）から構成されており、第１鋼板から第ｎ－１鋼板を積層方向に貫通し、第ｎ鋼板に達する溶融池が凝固した溶接部を備え、上記溶接部における、上記第２鋼板内の部位での、積層方向と直交する平面に対する当該溶接部の傾斜角度よりも、上記第１鋼板と当該第２鋼板との隙間に対応する部位での、当該第１鋼板の当該第２鋼板側の面に対する当該溶接部の傾斜角度の方が小さいことを特徴とするものである。

溶接部によって第１および第２鋼板が垂直に架橋される場合には、積層方向と直交する平面に対する溶接部の傾斜角度が、第２鋼板内の部位よりも、第１鋼板と第２鋼板との隙間に対応する部位の方が大きくなる。これに対し、本発明では、積層方向と直交する平面に対する溶接部の傾斜角度が、第２鋼板内の部位よりも、第１鋼板と第２鋼板との隙間に対応する部位の方が小さいことから、換言すると、のど裏角度が相対的に大きくなるように溶接部が形成されていることから、のど厚を増大させるとともに、応力集中による亀裂の発生を抑えることができる。

さらに、上記溶接構造体では、上記第１鋼板の厚さが上記第２～第ｎ鋼板の厚さよりも薄いことが好ましい。

本発明では、のど裏角度が相対的に大きくなるように溶接部が形成されていることから、第１鋼板の厚さが相対的に薄い場合にも、好適に適用することができる。

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溶接構造体によれば、のど厚を増加させて接合強度を向上させるとともに、のど裏角度を大きくして応力集中による亀裂の発生を抑えることができる。

本発明の実施形態に係る溶接構造体を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置を模式的に示す概略構成図である。 溶接構造体における疲労強度を決めるパラメータを模式的に示す図である。 レーザ溶接方法を模式的に説明する斜視図である。 レーザ溶接方法を模式的に説明する図である。 レーザ溶接方法における溶融態様を模式的に説明する図であり、同図（ａ）はキーホール溶融を示し、同図（ｂ）は伝熱溶融を示す。 実験例における鋼板のセット方法を模式的に示す斜視図である。 同図（ａ）は、従来の溶接構造体の応力解析図であり、同図（ｂ）は、疲労試験後の従来の溶接構造体を模式的に示す図であり、同図（ｃ）は、のど裏角度と破断繰り返し数との関係を示すグラフ図である。 同図（ａ）は、従来のレーザ溶接方法を模式的に説明する斜視図であり、同図（ｂ）は、従来のレーザ溶接方法で形成された溶接構造体を模式的に示す断面図である。 エネルギー密度が相対的に高いレーザビームを照射した状態を模式的に説明する断面図であり、同図（ａ）は板隙間が相対的に小さい場合であり、同図（ｂ）は板隙間が相対的に大きい場合である。 従来のレーザ溶接方法を模式的に説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る溶接構造体１を模式的に示す断面図である。この溶接構造体１は、図１に示すように、レーザビームを照射することによって、積層された第１鋼板１０と第２鋼板２０とが重ね合わせ溶接されたものである。なお、以下では、図１における、第１鋼板１０の上側面を表面１０ａといい、第１鋼板１０の下側面を裏面１０ｂという。また、図１における、第２鋼板２０の上側面を表面２０ａという。

第１鋼板１０と第２鋼板２０とは、共に亜鉛めっき鋼板であり、第１鋼板１０は第２鋼板２０の板厚ｔ２よりも薄い板厚ｔ１を有している。この溶接構造体１では、第１鋼板１０と第２鋼板２０とが積層方向（図１の上下方向）に相対的に大きな板隙間Ｇを空けて対向しているとともに、当該板隙間Ｇを埋めるように形成された溶接部３０によって積層方向に連結されている。この溶接部３０は、レーザビームを照射することによって形成された、第１鋼板１０を積層方向に貫通して第２鋼板２０に達する溶融池３１（図４参照）が凝固したものである。

ここで注目すべきは、次の（１）～（３）の点である。

先ず、（１）一般にレーザビームを照射することによって重ね合わせ溶接を行うと、溶接部３０で板隙間Ｇを埋めるため、板隙間Ｇが相対的に大きい場合には、板隙間Ｇを埋めるのに用いられる溶融金属量の増加に起因して、溶融池３１の表面に落ち込みが生じ、当該溶融池３１が凝固した溶接部３０の表面３０ａが落ち込み易いにもかかわらず、この溶接構造体１では溶接部３０の表面３０ａの落ち込みが小さく略平坦である点。

また、（２）溶接部３０は通常、第１鋼板１０と第２鋼板２０とを、第１鋼板１０の裏面１０ｂ（積層方向と直交する平面）に対し垂直に架橋することが多いところ、この溶接構造体１では、第１鋼板１０の裏面１０ｂに対して大きく傾斜する外周面を有する溶接部３０によって第１鋼板１０と第２鋼板２０とが架橋されている点、換言すると、第１鋼板１０の裏面１０ｂと溶接部３０の外周面とのなす「のど裏角度θ」が相対的に大きい点。

さらに、（３）板隙間Ｇが相対的に大きく且つ第１鋼板１０が相対的に薄い（板厚ｔ１＜板厚ｔ２）場合には、のど厚Ｔ（第１鋼板１０の裏面１０ｂにおける溶接部３０の外周縁３０ｂと溶接部３０の表面３０ａとの最短距離）の減少が顕著になり易いにもかかわらず、この溶接構造体１では相対的に大きいのど厚Ｔが確保されている点である。

以下、このような溶接構造体１の形成を可能とする本実施形態のレーザ溶接方法について詳細に説明する。

－レーザ溶接装置－
図２は、本実施形態に係るレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置５０を模式的に示す概略構成図である。このレーザ溶接装置５０は、ワークＷから離れた位置でレーザビームＬＢを照射してレーザ溶接を行うリモートレーザとして構成されている。レーザ溶接装置５０は、図２（ａ）に示すように、レーザビームＬＢを出力するレーザ発振器５１と、ロボット５２と、ファイバケーブル５４を介してレーザ発振器５１から供給されたレーザビームＬＢを走査してワークＷに照射する３Ｄスキャナ６０と、を備えている。ロボット５２は、複数のサーボモータ（図示せず）によって駆動される複数の関節を有する多関節型ロボットであり、制御装置（図示せず）の指令に基づき、先端部に取り付けられた３Ｄスキャナ６０を移動させるように構成されている。

３Ｄスキャナ６０は、図２（ｂ）に示すように、センサー６１と、集光レンズ６２と、固定ミラー６３と、可動ミラー６４と、収束レンズ６５と、を備えている。レーザ発振器５１から３Ｄスキャナ６０に供給されたレーザビームＬＢは、センサー６１から集光レンズ６２に出射され、集光レンズ６２により集光された後、固定ミラー６３で可動ミラー６４に向けて反射され、可動ミラー６４により方向が変化された後、収束レンズ６５を介して所定の集光径となるようにワークＷに向けて照射される。このような構成により、本実施形態のレーザ溶接装置５０では、制御装置（図示せず）の指令に基づいて、可動ミラー６４が駆動することによって、例えばワークＷから５００ｍｍ離れた状態で２００ｍｍ四方の範囲内における所定の位置にレーザビームＬＢを照射することが可能になっている。

集光レンズ６２は、アクチュエータ（図示せず）により上下方向に移動可能に構成されていて、当該集光レンズ６２を上下方向に移動させることで、焦点距離が上下方向に調整されるようになっている。それ故、本実施形態のレーザ溶接装置５０では、ワークＷの上面を基準（０）とした場合における焦点Ｆを＋側または－側にシフトさせることで、集光径を変化させることが可能になっている。

－レーザ溶接方法－
次に、上記レーザ溶接装置５０を用いた本実施形態のレーザ溶接方法について説明するが、本発明を理解し易くするために、これに先立ち、板隙間Ｇが相対的に大きい場合における従来のレーザ溶接方法について説明する。

図９（ａ）は、従来のレーザ溶接方法を模式的に説明する斜視図であり、図９（ｂ）は、従来のレーザ溶接方法で形成された溶接構造体１０１を模式的に示す断面図である。従来のレーザ溶接方法では、図９（ａ）に示すように、相対的に大きい板隙間Ｇを空けて積層された第１鋼板１１０と第２鋼板１２０に対して、集光径が相対的に小さく設定された、エネルギー密度が相対的に高いレーザビームＬＢを照射することで、第１鋼板１１０を積層方向に貫通して第２鋼板１２０に達する溶融池１３１を形成する。

図１０は、エネルギー密度が相対的に高いレーザビームＬＢを照射した状態を模式的に説明する断面図であり、同図（ａ）は板隙間Ｇが相対的に小さい場合であり、同図（ｂ）は板隙間Ｇが相対的に大きい場合である。エネルギー密度が相対的に高いレーザビームＬＢを第１鋼板１１０に照射すると、図１０（ａ）に示すように、溶融金属１３２が吹き飛ばされる現象（スパッタ飛散）が生じるとともに、溶融金属が板隙間Ｇを埋めるのに用いられるため、溶融池１３１の表面が陥没する。もっとも、板隙間Ｇが相対的に小さい場合には、板隙間Ｇを埋めるのに用いられる溶融金属量が少ないことから、溶融池１３１が凝固して溶接部１３０となったときに、ある程度厚いのど厚Ｔを確保することができる。

これに対して、板隙間Ｇが相対的に大きい場合に、エネルギー密度が相対的に高いレーザビームＬＢを第１鋼板１１０に照射すると、図１０（ｂ）に示すように、スパッタ飛散が生じるとともに、板隙間Ｇを埋めるのに用いられる溶融金属量が多いことから、溶融池１３１の表面が大きく陥没し、溶融池１３１が凝固して溶接部１３０となったときに、のど厚Ｔが薄くなる。

ここで、レーザビームＬＢによって重ね合わせ溶接された溶接構造体１の接合強度の評価は、引張せん断試験により評価されることが多いが、実際には、溶接構造体１には繰り返し荷重が負荷されることが多いことから、疲労強度を評価することが重要となる。そうして、溶接構造体１の疲労強度は、図３に示すように、ナゲット径ＲＮ（第２鋼板２０の表面２０ａにおける溶接部３０の直径）の大きさと、のど厚Ｔの大きさで決まることが一般的に知られている。

それ故、相対的に大きい板隙間Ｇを空けて積層された第１鋼板１１０と第２鋼板１２０に対して、エネルギー密度が相対的に高いレーザビームＬＢを照射する従来のレーザ溶接方法で形成された溶接構造体１０１では、図１０（ｂ）に示すように、溶融池１３１の表面が大きく陥没し、溶融池１３１が凝固した溶接部１３０の表面１３０ａが大きく陥没するため、相対的に大きいのど厚Ｔを確保することが困難になり、疲労強度が低下するという問題がある。

そこで、図１１（ａ）に示すように、エネルギー密度が相対的に高いレーザビームＬＢを照射して溶融池１３１を形成した後、図１１（ｂ）に示すように、エネルギー密度が相対的に高いレーザビームＬＢを溶融池１３１の外縁部に照射して、図１１（ｂ）の白抜き矢印で示すように、溶融した外縁部を溶融池１３１の中央部分に流動させて、図１１（ａ）におけるのど厚Ｔ１よりも大きいのど厚Ｔ２を確保することも考えられる。

しかしながら、第１鋼板１１０が相対的に薄い場合には、換言すると、溶融金属となる母材の体積が少ない場合には、エネルギー密度が相対的に高いレーザビームＬＢを溶融池１３１の外縁部に照射して、溶融した外縁部を溶融池１３１の中央部分に流動させても、のど厚Ｔの増加代は小さい。

また、のど厚Ｔは、第１鋼板１１０の裏面１１０ｂにおける溶接部１３０の外周縁１３０ｂと溶接部１３０の表面１３０ａとの最短距離で決まることから、のど厚Ｔを十分に確保するには、第１鋼板１１０の表面１１０ａ側からのアプローチと第１鋼板１１０の裏面１１０ｂ側からのアプローチとを行うことが望ましい。しかしながら、図１１（ｂ）に示す従来のレーザ溶接方法では、溶接部１３０の表面１３０ａの落ち込みを改善するという、第１鋼板１１０の表面１１０ａ側からのアプローチは行われているものの、第１鋼板１１０の裏面１１０ｂ側からのアプローチが行われていないため、のど厚Ｔが十分に確保されているとは言い難く、この点で改善の余地がある。

さらに、第１鋼板１１０の裏面１１０ｂにおける溶接部１３０の外周縁には応力集中が生じ易いため、亀裂の起点となり易いところ、このような応力集中を抑えるには、のど裏角度θを大きくするのが有効であるが、図９（ｂ）に示す従来の溶接構造体１０１では、溶接部１３０が第１鋼板１１０と第２鋼板１２０とを、第１鋼板１１０の裏面１１０ｂに対してほぼ垂直に架橋しているため、のど裏角度θが十分に確保されておらず、この点でも改善の余地がある。

そこで、本実施形態では、第１鋼板１０の裏面１０ｂ（積層方向と直交する平面）に対して大きく傾斜する外周面を有する溶接部３０によって第１鋼板１０と第２鋼板２０とを架橋するようにしている。具体的には、本実施形態のレーザ溶接方法では、第１レーザビームＬＢ１（図５参照）を第１鋼板１０に照射することにより、第１鋼板１０を積層方向に貫通し、第２鋼板２０に達する溶融池３１を形成するステップ（第１および第２ステップ）の他、図４に示すように、集光径Ｄ２が第１レーザビームＬＢ１の集光径Ｄ１よりも大きく設定された第２レーザビームＬＢ２を、第１鋼板１０における溶融池３１の外周に沿って照射することにより、溶融池３１の周縁部を溶融させるステップ（第３ステップ）を含むようにしている。以下、このようなレーザ溶接方法について詳細に説明する。

［第１ステップ］
図５は、レーザ溶接方法を模式的に説明する図である。本実施形態のレーザ溶接方法では、先ず、第１ステップにおいて、相対的に大きな板隙間Ｇを空けて積層された第１鋼板１０と第２鋼板２０に対して、図５（ａ）に示すように、集光径Ｄ１が相対的に小さく設定された、エネルギー密度が相対的に高い第１レーザビームＬＢ１を、所謂ＬＳＷ（Laser Screw Welding）にて円を描くように走査しながら照射する。

図６は、レーザ溶接方法における溶融態様を模式的に説明する図であり、同図（ａ）はキーホール溶融を示し、同図（ｂ）は伝熱溶融を示す。第１ステップでは、エネルギー密度が相対的に高い第１レーザビームＬＢ１を照射することから、図６（ａ）に示すようなキーホール溶融が行われる。具体的には、エネルギー密度が相対的に高い第１レーザビームＬＢ１の照射により、第１鋼板１０が昇華し、金属蒸気の対流が発生して、図６（ａ）に示すように、第１鋼板１０に深いキーホール１０ｃが空いた状態となる。このような深いキーホール１０ｃが空くことで、図６（ａ）の矢印で示すように、熱吸収面積が大きくなり、溶け込みが速く且つ激しく第１鋼板１０が溶けるため、吹き飛ばされる溶融金属量（スパッタ量）が多くなる。

このようにして形成された、第１鋼板１０を貫通して第２鋼板２０に達するとともに、相対的に小さいナゲット径ＲＮ１を有する溶融池３１では、溶融金属が板隙間Ｇを埋めるのに用いられることと、スパッタ飛散が生じることとが相俟って、図５（ａ）に示すように、溶融池３１の表面３１ａが陥没する。

［第２ステップ］
次に、第２ステップでは、第１ステップにおいて形成された溶融池３１の外周縁部に対して、図５（ｂ）に示すように、集光径Ｄ１が相対的に小さく設定された、エネルギー密度が相対的に高い第１レーザビームＬＢ１を、ＬＳＷにて円を描くように走査しながら照射することによって、溶融池３１の外周縁部を溶かして、溶融池３１を拡大する。

この第２ステップでも、エネルギー密度が相対的に高い第１レーザビームＬＢ１を照射することから、図６（ａ）に示すようなキーホール溶融が行われる。このため、相対的に大きいナゲット径ＲＮ２を有する溶融池３１が形成されるものの、溶融金属が板隙間Ｇを埋めるのに用いられることと、スパッタ飛散が生じることとが相俟って、図５（ｂ）に示すように、溶融池３１の表面３１ａが陥没する。

［第３ステップ］
次に、第３ステップでは、第２ステップにおいて拡大された溶融池３１の外周縁部に対して、図５（ｃ）に示すように、集光径Ｄ２が第１レーザビームＬＢ１の集光径Ｄ１よりも大きく設定された、エネルギー密度が相対的に低い第２レーザビームＬＢ２を、ＬＳＷにて円を描くように走査しながら照射する。

この第３ステップでは、エネルギー密度が相対的に低い第２レーザビームＬＢ２を照射することから、図６（ｂ）に示すような伝熱溶融が行われる。具体的には、エネルギー密度が相対的に低い第２レーザビームＬＢ２の照射では、第１鋼板１０が昇華する量が少ないため、図６（ｂ）に示すように、第１鋼板１０に深いキーホール１０ｃは発生せず、広く浅いキーホール１０ｄが生じる。このようなキーホール１０ｄが空くことで、図６（ａ）の矢印で示すように、熱吸収面積が小さくなるため、溶け込みが遅く且つ穏やかに第１鋼板１０が溶けることから、吹き飛ばされる溶融金属（スパッタ量）が少なくなる。

このようにして形成された、相対的に大きいナゲット径ＲＮ２を有する溶融池３１では、溶融した外周縁部が溶融池３１の中央部分に流動することと、スパッタ飛散がほとんど生じないこととが相俟って、図５（ｃ）に示すように、溶融池３１の表面３１ａの落ち込みが小さく略平坦となる（上記（１）参照）。

さらに、溶融池３１の外周縁部を伝熱溶融により穏やかに溶融させることで、図５（ｃ）の符号３３で示すように、溶融金属が第１鋼板１０の裏面１０ｂに対して斜めに溶け落ちることになる。これにより、溶融池３１が凝固した溶接部３０では、図１に示すように、第２鋼板２０内の部位における、積層方向と直交する平面に対する傾斜角度βよりも、第１鋼板１０と第２鋼板２０との板隙間Ｇに対応する部位における、積層方向と直交する平面に対する傾斜角度αの方が小さくなる。

このように、積層方向と直交する平面に対する傾斜角度αを相対的に小さくすることで、第１鋼板１０の裏面１０ｂと溶接部３０の外周面とのなす角度、つまり、のど裏角度θを相対的に大きくすることができる（上記（２）参照）。

加えて、溶融池３１の表面３１ａの落ち込みが小さく略平坦となることと、のど裏角度θを相対的に大きくすることとが相俟って、板隙間Ｇが相対的に大きく且つ第１鋼板１０が相対的に薄いにもかかわらず、相対的に大きいのど厚Ｔを確保することができる（上記（３）参照）。

このように、本実施形態によれば、集光径Ｄ２が相対的に大きく設定された、エネルギー密度が相対的に低い第２レーザビームＬＢ２を、第１鋼板１０における溶融池３１の外周に沿って照射して、溶融池３１の周縁部を伝熱溶融させるという簡単な構成で、のど厚Ｔを増加させて接合強度を向上させるとともに、のど裏角度θを大きくして、部位３０ｂへの応力集中による亀裂の発生を抑えることができる。

－実験例－
次に、本実施形態のレーザ溶接方法の効果を確認するために行った実験例について説明する。

実験例では、第１鋼板１０として厚さ０．７ｍｍの亜鉛めっき鋼板を、また、第２鋼板２０として厚さ１．４ｍｍの亜鉛めっき鋼板をそれぞれ用意し、板隙間Ｇを０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍの３水準で変化させて、第１鋼板１０と第２鋼板２０とを積層し、上記レーザ溶接装置５０（レーザ最大出力６０００.Ｗ）を用いた上記レーザ溶接方法で溶接を行った。より詳しくは、円形状の溶接パターンで、且つ、打点ピッチ６ｍｍにて、各４００打点の計１２００打点行った。なお、板隙間Ｇの調整は、図７に示すように、第１鋼板１０と第２鋼板２０と間にスペーサ４０を挟むことで行った。

このような実験を行った結果、板隙間Ｇが０．１ｍｍ、０．３ｍｍ、０．５ｍｍのいずれの水準でも、上記図１で示したような、（１）溶接部３０の表面３０ａの落ち込みが小さく略平坦であり、（２）のど裏角度θが相対的に大きく、（３）相対的に大きいのど厚Ｔが確保された溶接構造体１を確実に形成可能であることが確認された。

－疲労はく離試験およびＣＡＥ応力解析－
次に、のど裏角度θを相対的に大きくすることのメリットを確認するために行った疲労はく離試験（ＪＩＳ Ｚ ３１３８等）およびＣＡＥ応力解析の結果について説明する。

図８（ａ）は、従来の溶接構造体１０１のＣＡＥ応力解析図であり、図８（ｂ）は、疲労試験後の従来の溶接構造体１０１を模式的に示す図であり、図８（ｃ）は、のど裏角度θと破断繰り返し数Ｎｆとの関係を示すグラフ図である。のど裏角度θが相対的に小さい従来の溶接構造体１０１について、疲労試験時にＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析を行った結果、図８（ａ）に示すように、第１鋼板１１０の裏面１１０ｂにおける溶接部１３０の外周縁に応力集中が生じることが確認された。また、疲労試験後の従来の溶接構造体１０１では、図８（ｂ）のＸ部で示すように、第１鋼板１１０の裏面１１０ｂにおける溶接部１３０の外周縁が亀裂の起点となって、図８（ｂ）の白抜き矢印で示す方向に亀裂が進展することが確認された。

これらに対し、のど裏角度θが相対的に大きい本実施形態の溶接構造体１については、疲労試験後に亀裂が生じることはなかった。さらに、図８（ｃ）に示すように、のど裏角度θと破断繰り返し数Ｎｆとには正の相関関係（相関係数ｒ＝０．９８）があり、のど裏角度θが相対的に大きい本実施形態の溶接構造体１では、疲労強度が向上することが確認された。

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

上記実施形態におけるステップ１および２では、円を描くような第１レーザビームＬＢ１の走査を行ったが、溶融池３１を形成することができるのであれば、これに限らず、他のパターンで第１レーザビームＬＢ１の走査を行ってもよい。

また、上記実施形態では、第１鋼板１０と第２鋼板２０とを積層した溶接構造体１に本発明を適用したが、これに限らず、３枚以上の鋼板を積層した溶接構造体に本発明を適用してもよい。

さらに、上記実施形態では、板厚ｔ１が１ｍｍ以下の相対的に薄肉な第１鋼板１０の溶接に本発明を適用したが、これに限らず、板厚ｔ１が１ｍｍを超えるような第１鋼板１０の溶接に本発明を適用してもよい。

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明によると、のど厚を増加させて接合強度を向上させるとともに、のど裏角度を大きくして応力集中による亀裂の発生を抑えることができるので、レーザビームを照射することによって積層された複数枚の鋼板を重ね合わせ溶接するレーザ溶接方法および溶接構造体に適用して極めて有益である。

１ 溶接構造体
１０ 第１鋼板
２０ 第２鋼板
３０ 溶接部
３１ 溶融池
Ｄ１ 集光径
Ｄ２ 集光径
ＬＢ１ 第１レーザビーム
ＬＢ２ 第２レーザビーム

Claims (5)

1. レーザビームを照射することによって積層された複数枚の鋼板を重ね合わせ溶接するレーザ溶接方法であって、
   上記複数枚の鋼板は、レーザビーム照射側から順に第１鋼板、…、第ｎ鋼板（ｎは２以上の整数）から構成されており、
   第１レーザビームを上記第１鋼板に照射することにより、第１鋼板から第ｎ－１鋼板を積層方向に貫通し、第ｎ鋼板に達する溶融池を形成するステップと、
   集光径が上記第１レーザビームの集光径よりも大きく設定された第２レーザビームを、上記第１鋼板における上記溶融池の外周に沿って照射することにより、上記溶融池の周縁部を溶融させるステップと、を含み、
   上記第２レーザビームを照射するステップでは、上記溶融池の周縁部を溶融させた溶融金属を当該溶融池の中央部分に流動させるとともに、当該溶融池が凝固した溶接部における、上記第２鋼板内の部位での、積層方向と直交する平面に対する当該溶接部の傾斜角度よりも、上記第１鋼板と当該第２鋼板との隙間に対応する部位での、当該第１鋼板の当該第２鋼板側の面に対する当該溶接部の傾斜角度の方が小さくなるように、上記溶融池の周縁部を溶融させた溶融金属を、当該第１鋼板の当該第２鋼板側の面に対して斜めに溶け落ちさせることを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 上記請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
   上記第１レーザビームを、円形を描くように走査しながら照射して上記溶融池を形成することを特徴とするレーザ溶接方法。
3. 上記請求項１または２に記載のレーザ溶接方法において、
   上記第１鋼板の厚さが上記第２～第ｎ鋼板の厚さよりも薄いことを特徴とするレーザ溶接方法。
4. レーザビームを照射することによって積層された複数枚の鋼板が重ね合わせ溶接された溶接構造体であって、
   上記複数枚の鋼板は、レーザビーム照射側から順に第１鋼板、…、第ｎ鋼板（ｎは２以上の整数）から構成されており、
   第１鋼板から第ｎ－１鋼板を積層方向に貫通し、第ｎ鋼板に達する溶融池が凝固した溶接部を備え、
   上記溶接部における、上記第２鋼板内の部位での、積層方向と直交する平面に対する当該溶接部の傾斜角度よりも、上記第１鋼板と当該第２鋼板との隙間に対応する部位での、当該第１鋼板の当該第２鋼板側の面に対する当該溶接部の傾斜角度の方が小さいことを特徴とする溶接構造体。
5. 上記請求項４に記載の溶接構造体において、
   上記第１鋼板の厚さが上記第２～第ｎ鋼板の厚さよりも薄いことを特徴とする溶接構造体。

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