JP2002160083A - 亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶接時に亜鉛
蒸気の発生による溶融金属の爆飛や溶接部欠陥の発生を
低減し、溶接ビード形状および品質に優れた少なくとも
２つのレーザービームを用いる亜鉛めっき鋼板の重ねレ
ーザー溶接方法を提供する。 【解決手段】 第１レーザービーム２５により接合領域
の亜鉛めっきを加熱・蒸発させた後、第２レーザービー
ム２６により前記接合領域を溶接する際に、前記の第１
レーザービームのビーム直径（Ｄ１）、第２レーザービ
ームのビーム直径（Ｄ２）、および第１レーザービーム
と第２レーザービームのビーム中心間距離（Ｌ）が０．
５６×（Ｄ１＋Ｄ２）＜Ｌ＜１．８×（Ｄ１＋Ｄ２）の
関係式を満足し、かつ前記第１レーザービームの平均エ
ネルギー密度（Ｅｌ）および第２レーザビームの平均エ
ネルギー密度（Ｅ２）が０．８×ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）
＜Ｅ１／Ｅ２＜１．６×ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）の関係式
を満足するように調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に自動車用の外
板などに用いられる亜鉛メッキ鋼板の重ねレーザー溶接
方法に関し、詳しくは溶接時の亜鉛めっき蒸気の発生に
よる溶融金属の爆飛や溶接部欠陥の発生を低減するため
に少なくとも２つのレーザービームを用いる亜鉛メッキ
鋼板の重ねレーザー溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に自動車の車体、足廻り部材などの
構造部材として鋼板表面に亜鉛めっきを施した耐食性に
優れた亜鉛を主成分とするめっき鋼板が多く用いられて
いる。また、車体や自動車の構造体を組み立てる際に
は、通常、鋼板を所望の形状にプレス成形後、その鋼板
の一部の重ね合わせて部をレーザーで溶接する重ねレー
ザー溶接が多用されている。

【０００３】亜鉛めっき鋼板をレーザーにより重ね溶接
する場合、鋼板表面の亜鉛は鋼板母材に比べ沸点が低い
ため、鋼板溶融直前あるいは溶融中に鋼板表面の亜鉛が
蒸発して亜鉛蒸気を発生し、溶融金属中に全部または一
部残留することによりブローホールまたはピットなどの
溶接欠陥となったり、特に鋼板重ね合わせ部が密着され
た状態で溶接した場合には、溶融金属中に吹き出した亜
鉛蒸気の圧力により溶融金属を爆飛させることがあり、
何れも溶接ビード形状、継ぎ手特性などの溶接品質を劣
化させる。

【０００４】この問題を解決するため、例えば、特開平
０４−２８８９８６号公報にあるようにスペーサーなど
を用いて亜鉛めっき鋼板の重ね合わせ部に所定の隙間を
設けて、溶接時に発生する亜鉛蒸気を溶融金属の周囲の
隙間から逃がす方法が従来から知られている。しかしな
がら、このような溶接時に鋼板重ね合わせ部に所定の間
隙を保持する方法は、自動車用構造部品などの複雑形状
および剛性の高いプレス成形材を重ね合わせ溶接する場
合には、溶接時に常に所定の隙間を保持することは非常
に困難であり、必然的に重ね合わせ部が密着またはその
隙間が非常に狭くなる部位が発生し、その部位にブロー
ホール等の溶接欠陥や最悪時では溶接時に溶融金属の爆
飛が発生するという問題が生ずる。

【０００５】亜鉛めっき鋼板の重ね合わせ部が密着また
はその隙間が非常に狭い状態で重ねレーザー溶接した際
に、亜鉛蒸気起因のブローホールなどの溶接欠陥を防止
する方法として、例えば、予熱用レーザーとしてビーム
径が大きくかつエネルギー密度の低いダイオードレーザ
ーと、溶接用レーザーとして炭酸ガスレーザーを組み合
わせて溶接する方法（Ｆｒａｎｈｏｆｅｒ発表、ＡＬＡ
Ｗ ２０００、Ｍａｒｃｈ １４−１５、２０００）、
１台のレーザー発振器から出力されたレーザービームを
ビーム径とエネルギー密度の異なる２つのビームに分割
してそれらを同心円上に重畳して同時に照射したり、エ
ネルギー密度の異なる２つのビームに分割してそれらを
溶接線方向の前後に配置しながら照射することにより、
低エネルギー密度のビームで亜鉛めっきを蒸発させ、高
エネルギー密度のビームで溶接する方法（特開平０４−
２３１１９０号公報）が従来から提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
２つのレーザービームを用いた重ねレーザー溶接方法に
は以下のような問題点があった。即ち、前者（Ｆｒａｎ
ｈｏｆｅｒ発表、ＡＬＡＷ ２０００、Ｍａｒｃｈ １
４−１５、２０００）のダイオードレーザーと炭酸ガス
レーザーを組み合わせて用いる方法は、２台のレーザー
発振器のために溶接機のレーザーヘッドが大きくなり実
用的でない。また、後者（特開平０４−２３１１９０号
公報）の１台のレーザー発振器からのレーザービームを
分割して低エネルギー密度のビーム照射により亜鉛めっ
き鋼板表裏面の亜鉛を蒸発・離散し、その領域を高エネ
ルギー密度のビーム照射により溶接する方法は、低エネ
ルギー密度のビーム照射により亜鉛の蒸発・離散を安定
しておこなうことは難しく、亜鉛蒸気起因の溶接部欠陥
および溶融金属の爆飛の発生を実用レベルで完全になく
すことは不可能であった。

【０００７】特に後者の方法は、当該特許公開公報の記
載内容から、亜鉛めっき鋼板の重ね合わせ部に隙間がな
い（密着状態）か、隙間が非常に狭い場合でも、低エネ
ルギー密度のビーム照射により亜鉛めっき鋼板の表裏層
の亜鉛を蒸発させ、それにより形成される亜鉛めっき層
厚みに相当する間隙または最初から存在した非常に狭い
間隙から離散させることを前提とするものであるが、本
発明者らの実験によれば、一方のレーザービーム照射に
よる亜鉛の蒸発後、亜鉛ガスを非常に狭い間隙を通して
大気へ逃がすことは困難であり、逃げきれず残留した亜
鉛ガスが他方のレーザービームによる溶接時に溶融金属
中に混入して溶接欠陥および溶融金属の爆飛の発生の原
因となることが判った。

【０００８】本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑み
て、亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶接時に亜鉛蒸気の
発生による溶融金属の爆飛や溶接部欠陥の発生を低減
し、溶接ビード形状および品質に優れた少なくとも２つ
のレーザービームを用いる亜鉛めっき鋼板の重ねレーザ
ー溶接方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の上記課題を解決
するものであり、その要旨とするところは、以下の通り
である。

【００１０】（１）亜鉛めっき鋼板の重ね合わせ部を少
なくとも２つのレーザービームを用いて溶接する亜鉛め
っき鋼板の重ねレーザー溶接方法において、第１レーザ
ービームにより接合領域の亜鉛めっきを加熱・蒸発させ
た後、後続する第２レーザービームにより前記接合領域
を溶接する際に、前記の第１レーザービームのビーム直
径（Ｄ１）、第２レーザービームのビーム直径（Ｄ
２）、および第１レーザービームと第２レーザービーム
のビーム中心間距離（Ｌ）が下記（１）式を満足し、か
つ前記第１レーザービームの平均エネルギー密度（Ｅ
ｌ）および第２レーザービームの平均エネルギー密度
（Ｅ２）が下記（２）式を満足するように調整すること
を特徴とする溶接部欠陥の少ない亜鉛めっき鋼板の重ね
レーザー溶接方法。 ０．５６×（Ｄ１＋Ｄ２）＜Ｌ＜１．８×（Ｄ１＋Ｄ２） ・ ・ ・（１） ０．８×ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）＜Ｅ１／Ｅ２＜１．６×ｔ１／（ｔ１＋ｔ２） ・ ・ ・（２） 但し、Ｄ１、Ｄ２：第１レーザービームおよび第２レー
ザービームのそれぞれのビーム直径（ｍｍ）、Ｌ：第１
レーザービームと第２レーザービームのビーム中心間距
離（ｍｍ）、Ｅｌ、Ｅ２：第１レーザービームおよび第
２レーザービームのそれぞれの平均エネルギー密度（ｋ
Ｗ／ｍｍ²）、ｔ１、ｔ２：上側の亜鉛めっき鋼板およ
び下側の亜鉛めっき鋼板のそれぞれの厚み（ｍｍ）、を
意味する。

【００１１】（２）さらに、前記第１レーザービームの
ビーム直径（Ｄ１）および第２レーザービームのビーム
直径（Ｄ２）がＤ１（ｍｍ）≧Ｄ２（ｍｍ）の関係を満
足するように調整することを特徴とする上記（１）項に
記載の溶接部欠陥の少ない亜鉛めっき鋼板の重ねレーザ
ー溶接方法。

【００１２】（３）少なくとも前記第１レーザービーム
の波長が１．１（μｍ）以下であることを特徴とする上
記（１）または（２）項に記載の溶接部欠陥の少ない亜
鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶接方法。

【００１３】（４）前記第１レーザービームおよび前記
第２レーザービームは、１台のレーザー発振器から出力
されたレーザービームを２分割してなることを特徴とす
る上記（１）から（３）項のうちの何れか１項に記載の
溶接部欠陥の少ない亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶接
方法。

【００１４】（５）前記第１レーザービームと前記第２
レーザービームにより溶接した後、さらに後続する第３
のレーザービームにより溶接部を再加熱することを特徴
とする上記（１）から（４）項のうちの何れか１項に記
載の溶接部欠陥の少ない亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー
溶接方法。

【００１５】（６）前記第２レーザービームのビーム直
径（Ｄ２）と前記第３のレーザービームのビーム直径
（Ｄ３）がＤ２（ｍｍ）＞Ｄ３（ｍｍ）の関係を満足す
るように調整することを特徴とする上記（５）項に記載
の溶接部欠陥の少ない亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶
接方法。

【００１６】（７）前記第１レーザービーム、前記第２
レーザービームおよび前記第３レーザービームは、１台
のレーザー発振器から出力されたレーザービームを３分
割してなることを特徴とする上記（５）または（６）項
に記載の溶接部欠陥の少ない亜鉛めっき鋼板の重ねレー
ザー溶接方法。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の詳細を説明する。

【００１８】本発明者らは、少なくとも２つのレーザー
ビーム用いて亜鉛めっき鋼板の重ね溶接をおこなう際
に、溶接時の亜鉛蒸気起因の溶融金属の爆飛および溶接
部欠陥の発生を実用レベルで問題がない程度までに低減
できる方法を鋭意検討した。

【００１９】その結果、第１の低エネルギー密度のレー
ザービームと第２の高エネルギー密度のレーザービーム
とを溶接線方向の前後に配置して溶接する際に、それら
のレーザービームのビーム中心間距離（ｍｍ）、ビーム
直径（ｍｍ）およびエネルギー密度（ｋＷ／ｍｍ²）が
適切条件になるように調整し、先行する第１のレーザー
ビームの照射により亜鉛めっき鋼板の表裏層の亜鉛めっ
きを蒸発し、それにより生成した亜鉛蒸気を後続の第２
のレーザービームの照射により溶接初期に形成されたキ
ーホールを通じて系外に逃がすことにより、亜鉛めっき
鋼板の重ねレーザー溶接時の亜鉛蒸気起因の溶融金属の
爆飛および溶接部欠陥の発生を低減でき、溶接ビード形
状および品質を向上できることが判った。さらに、本発
明者らの実験によれば、上記の溶接方法において第２の
レーザービームによる溶接時に熱影響部の鋼板表層亜鉛
めっき層から発生した亜鉛蒸気の溶融金属への混入も溶
接部欠陥の原因となり、これを抑制するためには、第２
のレーザービームによる溶接後に第３の低エネルギー密
度のレーザービームにより再加熱する方法を用いること
が有効であることが判った。

【００２０】本発明は、これらの知見に基づいてなされ
たものであり、その詳細を図１〜３を用いて説明する。

【００２１】図１は、本発明の溶接方法の模式図であ
る。

【００２２】図１に示すように、本発明では、先ず、溶
接方向２１に向かって先行する低エネルギー密度の第１
レーザービーム７の照射により上側亜鉛めっき鋼板１を
加熱溶融し、上側亜鉛めっき鋼板１の全厚と下側亜鉛め
っき鋼板２の少なくとも表層亜鉛めっき層５が含まれる
板厚方向の範囲で第１レーザービームによる溶融部８を
形成するとともに上側亜鉛めっき鋼板１の裏層亜鉛めっ
き層４および下側亜鉛めっき鋼板２の表層亜鉛めっき層
５を加熱して亜鉛蒸気９を発生させる。

【００２３】次ぎに、溶融部８と一部重複するように後
続の高エネルギー密度の第２レーザービーム１０を照射
して上側亜鉛めっき鋼板１および下側亜鉛めっき鋼板２
を貫通するキーホール１１を溶接初期に形成させ、前記
溶融部８とキーホール１１が互いに連結したビームホー
ル１２を形成する。これにより、第１レーザービーム７
の照射後に生成した亜鉛蒸気９はビームホール１２を通
じて上側の亜鉛めっき鋼板１の上方１３または下側の亜
鉛めっき鋼板２の下方１４から外に排出され、亜鉛めっ
き鋼板の重ね合わせ部が密着している（隙間がない）状
態で溶接した場合の亜鉛蒸気起因の溶融金属の爆飛およ
び溶接部欠陥の発生を大幅に低減でき、溶接ビード形状
や品質に優れた溶接金属が得られる。

【００２４】上記本発明において、亜鉛蒸気起因の溶融
金属の爆飛や溶接部欠陥の発生を低減するために、特
に、第１レーザービーム７と第２レーザービーム１０の
ビーム中心間距離（Ｌ）、第１レーザービーム７と第２
レーザービーム１０のそれぞれのビーム直径（Ｄ１、Ｄ
２）および平均エネルギー密度（Ｅ１、Ｅ２）が重要な
条件となる。

【００２５】図２に第１レーザービーム７と第２レーザ
ービーム１０のビーム中心間距離（Ｌ）とそれぞれのビ
ーム直径の総和（Ｄ１＋Ｄ２）との比と、溶接時の溶融
金属の爆飛量との関係を示す。

【００２６】ここで、溶融金属の爆飛量は、溶接ビード
の単位溶融金属量当たりの爆飛量（爆飛による欠損した
質量）の割合（％）であると定義する。

【００２７】先行する第１レーザービーム７と後続の第
２レーザービーム１０のビーム中心間距離（Ｌ）が第１
レーザービーム７のビーム直径（Ｄ１）と第２レーザー
ビーム１０のビーム直径（Ｄ２）の総和の０．５倍以下
となると、先行する第１レーザービーム７の照射・加熱
により上側亜鉛めっき鋼板１の裏層亜鉛めっき層４およ
び下側亜鉛めっき鋼板２の上層亜鉛めっき層５の中の亜
鉛が十分に蒸発されない前に、高エネルギー密度の第２
レーザービーム１０により急激に加熱され亜鉛めっき層
中の亜鉛が一気に蒸発且つ熱膨張するために溶融金属の
爆飛が発生する。一方、第１レーザービーム７と第２レ
ーザービーム１０のビーム中心間距離（Ｌ）が第１レー
ザービーム７のビーム直径（Ｄ１）と第２レーザービー
ム１０のビーム直径（Ｄ２）の総和の２倍以上となる
と、第１レーザービーム７により形成される溶融部８と
第２レーザービーム１０により溶接初期に形成されるキ
ーホール１１とが連結したビームホール１２が十分に形
成されなくなるため、第１レーザービーム７の照射・加
熱により生成した亜鉛蒸気９をビームホール１２を通じ
て溶融金属の外部に効率的に排出することができなくな
り、亜鉛蒸気起因の溶融金属の爆飛や溶接部欠陥を実用
レベルまでに低減できない。

【００２８】本発明では、図２から従来の亜鉛めっき鋼
板の重ねレーザー溶接時の溶融金属の爆飛量を１００％
とした場合に、それよりも爆飛量を少なくとも２０％低
減し、実用レベルでの溶接継ぎ手強度を確保できる爆飛
量が５０％未満となる条件を根拠とし、第１レーザービ
ームと第２レーザービームのビーム中心間距離（Ｌ）と
第１レーザービームのビーム直径（Ｄ１）および第２レ
ーザービームのビーム直径（Ｄ２）との関係が下記
（１）式により規定する。 ０．５６×（Ｄ１＋Ｄ２）＜Ｌ＜１．８×（Ｄ１＋Ｄ２） ・ ・ ・（１）

【００２９】さらに、溶接ビードの形状不良を低減し、
溶接後の溶接ビードの後処理がなくても良好な溶接ビー
ドの形状を得るためには、図２の爆飛量が１０％以下と
なる条件を根拠とし、第１レーザービームと第２レーザ
ービームのビーム中心間距離（Ｌ）と第１レーザービー
ムのビーム直径（Ｄ１）および第２レーザービームのビ
ーム直径（Ｄ２）との関係が下記（１）’式により規定
することがより好ましい。 ０．６５×（Ｄ１＋Ｄ２）＜Ｌ＜１．５×（Ｄ１＋Ｄ２）・ ・ ・（１）’

【００３０】また、本発明では、第２レーザービーム１
０の平均エネルギー密度（Ｅ２）は、通常の重ねレーザ
溶接時の条件である上側亜鉛めっき鋼板１と下側亜鉛め
っき鋼板２を貫通するキーホール１１を溶接初期に形成
するために必要な平均エネルギー密度とする。

【００３１】また、第１レーザービーム７の平均エネル
ギー密度（Ｅ１）は、上側亜鉛めっき鋼板１の全厚と下
側亜鉛めっき鋼板２の少なくとも表層亜鉛めっき層５が
含まれる板厚方向の範囲に溶融部８を形成し、かつ上側
亜鉛めっき鋼板１の裏層亜鉛めっき層４および下側亜鉛
めっき鋼板２の表層亜鉛めっき層５を加熱して亜鉛蒸気
９を十分発生させるために必要な平均エネルギー密度と
なるように調整する必要がある。そのため、第１レーザ
ービーム７の平均エネルギー密度（Ｅ１）を、第２レー
ザービーム１０の平均エネルギー密度（Ｅ２）、上側亜
鉛めっき鋼板１の厚み（ｔ１）および下側亜鉛めっき鋼
板２の厚み（ｔ２）との関係から０．８×ｔ１／（ｔ１
＋ｔ２）×Ｅ２より大きくする。一方、第１レーザービ
ーム７の平均エネルギー密度（Ｅ１）が、１．６×ｔ１
／（ｔ１＋ｔ２）×Ｅ２以上となると、第１レーザービ
ーム７の平均エネルギー密度（Ｅ１）が過剰に大きくな
り上側亜鉛めっき鋼板１の裏層亜鉛めっき層４および下
側亜鉛めっき鋼板２の表層亜鉛めっき層５が急激に加熱
されて亜鉛めっき層中の亜鉛が一気に蒸発且つ熱膨張す
るために溶融金属の爆飛が発生する。したがって、第１
レーザービーム７の平均エネルギー密度（Ｅ１）を１．
６×ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）×Ｅ２より小さくする。

【００３２】以上の理由から、本発明では、亜鉛めっき
鋼板の重ね合わせ部を少なくとも２つのレーザービーム
を用いて溶接する亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶接方
法において、第１レーザービームにより接合領域の亜鉛
めっきを加熱・蒸発させた後、後続する第２レーザービ
ーム（１０）により前記接合領域を溶接する際に、前記
の第１レーザービームのビーム直径（Ｄ１）、第２レー
ザービームのビーム直径（Ｄ２）、および第１レーザー
ビームと第２レーザービームのビーム中心間距離（Ｌ）
が下記（１）式を満足し、かつ前記第１レーザービーム
の平均エネルギー密度（Ｅｌ）および第２レーザービー
ムの平均エネルギー密度（Ｅ２）が下記（２）式を満足
するように調整するものとする。

【００３３】 ０．５６×（Ｄ１＋Ｄ２）＜Ｌ＜１．８×（Ｄ１＋Ｄ２） ・ ・ ・（１） ０．８×ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）＜Ｅ１／Ｅ２＜１．６×ｔ１／（ｔ１＋ｔ２） ・ ・ ・（２）

【００３４】但し、Ｄ１、Ｄ２：第１レーザービームお
よび第２レーザービームのそれぞれのビーム直径（ｍ
ｍ）、Ｌ：第１レーザービームと第２レーザービームの
ビーム中心間距離（ｍｍ）、Ｅｌ、Ｅ２：第１レーザー
ビームおよび第２レーザービームのそれぞれの平均エネ
ルギー密度（ｋＷ／ｍｍ²）、ｔ１、ｔ２：上側の亜鉛
めっき鋼板および下側の亜鉛めっき鋼板のそれぞれの厚
み（ｍｍ）、を意味する。

【００３５】なお、本発明におけるレーザービームの直
径Ｄは、焦点距離から計算で求めても、感熱紙などの測
定器具または装置を用いて焦点位置において直接測定し
てもよい。

【００３６】また、先行する第１レーザービーム７の直
径（Ｄ１）が後続の第２レーザービーム１０の直径（Ｄ
２）よりも小さい場合には、高エネルギー密度の第２レ
ーザービーム１０により直接急激に加熱される領域が生
じ、その領域で亜鉛めっき中の亜鉛が一気に蒸発且つ熱
膨張するため溶融金属の爆飛の発生原因となる。

【００３７】したがって本発明では、高エネルギー密度
の第２レーザービーム１０による直接急激加熱による溶
融金属の爆飛の発生を抑制するために第１レーザービー
ム７のビーム直径（Ｄ１）および第２レーザービーム１
０のビーム直径（Ｄ２）がＤ１（ｍｍ）≧Ｄ２（ｍｍ）
の関係を満足するようにする。

【００３８】また、溶接用の高エネルギー密度の第２レ
ーザービーム１０の波長は、その波長が１．１（μｍ）
を超える、これより長い波長（例えば、炭酸ガスレーザ
ーなど）のレーザーは、キーホール形成等の適正な溶接
条件を得るための制御範囲が狭く、制御性が難しい。し
たがって、本発明では、キーホール形成等の適正な溶接
条件におけるレーザー発振器の制御性よび安定性の観点
から少なくとも第２レーザービーム１０の波長を１．１
（μｍ）以下とする。

【００３９】なお、本発明の波長が１．１（μｍ）以下
のレーザービームとしては、例えば、ＹＡＧレーザーや
半導体レーザー等のレーザー発振器からのレーザービー
ムが挙げられるが、本発明では、これらのレーザー発振
器からのレーザービームを限定する必要はない。

【００４０】以上のように、本発明では、先行する低エ
ネルギー密度の第１レーザービーム７により接合領域の
亜鉛めっき中の亜鉛を加熱・蒸発させた後、後続する高
エネルギー密度の第２レーザービーム１０により前記接
合領域を溶接する際に、第１レーザービーム７と第２レ
ーザービーム１０のビーム中心間距離（Ｌ）、第１レー
ザービーム７と第２レーザービーム１０のそれぞれのビ
ーム直径（Ｄ１、Ｄ２）およびエネルギー密度（Ｅ１、
Ｅ２）、さらには少なくとも第２レーザービーム１０の
波長を上記のように規定することにより、亜鉛めっき鋼
板の重ね合わせ部が密着している（隙間がない）状態で
溶接した場合にも溶接時の溶融金属の爆飛量を従来に比
べて大幅に低減できる。

【００４１】さらに、本発明では、図１に示すように第
２レーザービーム１０の溶接時に溶融プ−ル１６（溶融
金属）の周囲の熱影響部の表層亜鉛めっき層中の亜鉛が
蒸発した後、その亜鉛蒸気１７が溶融金属中に混入して
凝固することで形成される溶接ビード１８中のブローホ
ール１９やピット２０等のポロシティ（溶接欠陥）の発
生を防止するために、前述のように第１レーザービーム
７と第２レーザービーム１０を用いて溶接した後、さら
に後続する低エネルギー密度の第３レーザービーム１５
により溶融・凝固前または凝固後の溶接部を再加熱し
て、溶融金属中または凝固後の溶接ビード１８中に存在
するブローホール１９やピット２０を熱拡散・離散した
り、一部溶解することにより溶接ビード１７中の欠陥の
低減および表面形状の平滑化をおこなう。

【００４２】この場合、溶接部の再加熱用として用いる
低エネルギー密度の第３レーザービーム１５のビーム直
径Ｄ３が先行する溶接用として用いる高エネルギー密度
の第２レーザービーム１０のビーム直径Ｄ２以上の場合
には、第３レーザービーム１５の照射・加熱により上側
亜鉛めっき鋼板１の熱影響部の表層亜鉛めっき層３から
新たに亜鉛蒸気１７が発生し溶融金属中に巻き込むこと
により、新たにブローホール１９やピット２０等の溶接
欠陥が発生する原因となる。したがって、このような第
３レーザービーム１５の照射に起因する新たなブローホ
ール１９やビット２０等の溶接欠陥の発生を抑制し、溶
接欠陥の少なくかつ溶接ビード形状に優れた溶接ビード
を得るために、第２レーザービームのビーム直径（Ｄ
２）と第３のレーザービームのビーム直径（Ｄ３）がＤ
２（ｍｍ）＞Ｄ３（ｍｍ）の関係を満足するようにす
る。

【００４３】本発明の第１レーザービーム７および第２
レーザービーム１０の２つのレーザービーム、または、
これらのレーザービーム７と第３レーザービーム１０と
の３つのレーザービーム１５は、それぞれ、個別のレー
ザー発振器から出力されたレーザービームを用いても、
１台の発振器から出力されたレーザービームを２つまた
は３つのレーザービームに分割して用いても上述した本
発明のビード形状および品質の点からは同様な効果が得
られる。

【００４４】しかし、複数台のレーザー発振器を用いる
場合は、溶接装置の製造コストが高くなり経済的に不利
であるとともに、レーザーヘッドが複数となり大きくな
るために複雑な形状の構造物を溶接する際には適さな
い。したがって、このような経済性および溶接作業性の
観点から１台のレーザー発振器から出力されたレーザー
ビームを２つまたは３つのレーザービームに分割して、
１つのレーザーヘッドから２つまたは３つのレーザービ
ームを照射する方法が好ましい。

【００４５】なお、本発明において、１台のレーザー発
振器から出力されたレーザービームを２つまたは３つの
レーザービームに分割する方法は特に規定する必要はな
いが、例えば、１つのレーザービームの一部を１つまた
は２つのプリズムを用いて２分割または３分割し、その
後、シリンダーレンズなどによりビーム形状の制御、集
光レンズによる焦点位置の制御をおこなうことができ
る。

【００４６】ここで、１つのレーザービームをプリズム
等により複数のレーザービームに分割した場合、レーザ
ービームのエネルギー分布は元のレーザービームに比べ
て非対称分布となるが、焦点位置でのレーザービームの
直径は、元のレーザービームとほぼ同等になる。一方、
レーザービームを分割後、さらにシリンダーレンズなど
によってビーム形状を変えた場合の焦点位置でのレーザ
ービームの直径は、本発明では、長軸と短軸の平均とし
て求められる直径と定義する。

【００４７】

【実施例】以下の実施例により本発明の効果を説明す
る。

【００４８】（実施例１）ＨＡＡＳ社製最大出力４ｋＷ
のＹＡＧレーザー発振器（波長：１．０６μｍ）と、同
社のＴｗｉｎ Ｂｅａｍヘッドを用いた。

【００４９】図３に示すように、ＹＡＧレーザー発振器
から出力されたレーザービーム２２は、その一部を１つ
のプリズム２３により分割され、さらに、集光レンズ２
４により集光されて２枚の亜鉛めっき鋼板２７ａ、２７
ｂに照射され、溶接方向３２に沿って先行する第１レー
ザービーム２５と後続の第２レーザービーム２６（溶接
用ビーム）を形成する。なお、図３の３１に第１レーザ
ービーム２５と後続の第２レーザービーム２６の焦点位
置基準位置（上側の亜鉛めっき鋼板２７ａの表面）での
それぞれのビーム形状の一例を示す。２枚の板厚：０．
７ｍｍ、亜鉛めっき目付け量：６０ｇ／ｍ²の亜鉛メッ
キ鋼板２７ａ、２７ｂを用いて、それらの重ね合わせ部
が密着した（隙間がない）状態で溶接速度：３．０ｍ／
ｍｉｎで重ねレーザー溶接をおこなった。第２レーザー
ビーム２６のエネルギー密度は、溶接速度：３．０ｍ／
ｍｉｎにおいて第２レーザービーム２６単独で重ね溶接
した場合に、２枚の亜鉛めっき鋼板２７ａ、２７ｂを十
分に貫通できるように予め調整した。本発明法と従来法
での効果の違いを比較するために、先行する第１レーザ
ービーム２５と後続の第２レーザービーム２６のツイン
ビームで本発明の範囲内の溶接条件（本発明例）と本発
明の範囲から外れる溶接条件（比較例）でそれぞれ重ね
レーザー溶接をおこなった。さらに従来技術の比較例と
して、第２レーザービーム２６単独のシングルビームで
も同様に重ねレーザー溶接をおこなった。表１に本発明
例および比較例の溶接条件およびを溶融金属の爆飛量の
評価結果を示す。

【００５０】なお、表中の溶融金属の爆飛量は、溶接ビ
ードの単位溶融金属量当たりの爆飛量（爆飛による欠損
した量）の割合（％）で評価し、その値が１００％の場
合を“多”、５０％以下の場合を“少”、１０％以下の
場合を“極少”と３段階評価した。また、表中の焦点位
置は、集光距離（図３中の２８）：２００ｍｍにおい
て、上側の亜鉛めっき鋼板２７ａの表面を基準位置（０
ｍｍ）（図３中の２９）とし、それより上方を＋、下方
を−の距離で示した。また、表中のＴｗｉｎビーム間距
離は、第１レーザービーム２５と第２レーザービーム２
６の焦点位置基準点（上側の亜鉛めっき鋼板２７ａの表
面）でのそれぞれのビーム中心部間の距離（図３中の３
０）である。また、表中のビーム直径（ｍｍ）は、長軸
と短軸の平均として求められる直径を示す。

【００５１】

【表１】

【００５２】表１から明らかなように第１レーザービー
ムと第２レーザービームのビーム中心間距離（Ｌ）、第
１レーザービームと第２レーザービームのそれぞれのビ
ーム直径（Ｄ１、Ｄ２）および平均エネルギー密度（Ｅ
１、Ｅ２）が本発明で規定する関係を満たしている本発
明例１〜２では、溶接金属の爆飛量は、実用レベルまで
に低減することができた。

【００５３】一方、従来のシングルビーム溶接を行った
比較例１〜３、第１レーザービームと第２レーザービー
ムのビーム中心間距離（Ｌ）とそれらのビーム直径（Ｄ
１、Ｄ２）の条件が本発明で規定する範囲から外れてい
る比較例４〜８、第１レーザービームと第２レーザービ
ームの平均エネルギー密度（Ｅ１、Ｅ２）の条件が本発
明で規定する範囲から外れている比較例９〜１０は、何
れも溶接金属の爆飛量は多く、溶接ビード形状の不良が
発生した。

【００５４】（実施例２）ＨＡＡＳ社製最大出力４ｋＷ
のＹＡＧレーザー発振器（波長：１．０６μｍ）と、同
社のＴｒｉｐｌｅ Ｂｅａｍヘッドを用いた。

【００５５】図４に示すように、ＹＡＧレーザー発振器
から出力されたレーザービーム３３は、その一部をプリ
ズム３４ａ、３４ｂにより分割され、分割されたビーム
はシリンダーレンズ３５ａ、３５ｂにより偏向後、３つ
の各ビームは、集光レンズ３６により集光されて、２枚
の亜鉛めっき鋼板４０ａ、４０ｂに照射され、溶接方向
４６に沿って先行する第１レーザービーム３７と後続の
第２レーザービーム３８（溶接用ビーム）、さらに後続
の第３レーザービーム３９（再熱用ビーム）を形成す
る。なお、図４の４５に先行する第１レーザービーム３
７と後続の第２レーザービーム３８、さらに後続の第３
レーザービーム３９の焦点位置基準点（上側の亜鉛めっ
き鋼板４０ａの表面）でのそれぞれのビーム形状の一例
を示す。２枚の板厚：０．７ｍｍ、亜鉛めっき目付け
量：６０ｇ／ｍ²の亜鉛メッキ鋼板４０ａ、４０ｂを用
いて、それらの重ね合わせ部が密着した（隙間がない）
状態で溶接速度：２．０ｍ／ｍｉｎで重ねレーザー溶接
をおこなった。第２レーザービーム３８のエネルギー密
度は、溶接速度：２．０ｍ／ｍｉｎにおいて第２レーザ
ービーム３８単独で重ね溶接した場合に、２枚の亜鉛め
っき鋼板４０ａ、４０ｂを十分に貫通できるように予め
調整した。本発明法と従来法での効果の違いを比較する
ために、先行する第１レーザービーム３７と後続の第２
レーザービーム３８のツインビームで本発明の範囲内の
溶接条件（本発明例）と本発明の範囲から外れる溶接条
件（比較例）でそれぞれ重ねレーザー溶接をおこなっ
た。さらに発明例として先行する第１レーザービーム３
７と後続の第２レーザービーム３８（溶接用ビーム）に
よる溶接後に、さらに溶接部の再熱用として第３レーザ
ービーム３９により再加熱するトリプルビームによる重
ねレーザー溶接を同様におこなった。表２に本発明例お
よび比較例の溶接条件およびを溶融金属の爆飛量および
溶接ビード中のポロシチィ個数の評価結果を示す。

【００５６】なお、表中の溶融金属の爆飛量は、単位溶
接ビード当たりの爆飛量（爆飛による欠損した量）の割
合（％）で評価し、その値が１００％の場合を“多”、
５０％以下の場合を“少”、１０％以下の場合を“極
少”と３段階評価した。また、溶接ビード中のポロシチ
ィ個数は、単位溶接線（溶接ビードの幅中央部を通る
線）長さ当たりのポロシチィ（ブローホールやピットな
どの溶接部欠陥）長さ（ポロシチィが溶接線を分断する
線分の長さ）の割合（％）で評価し、その値が５０％超
の場合を“多”、５０％以下の場合を“少”、１０％以
下の場合を“極少”と３段階評価した。

【００５７】また、表中の焦点位置は、集光距離（図４
中の４１）：２００ｍｍにおいて、上側の亜鉛めっき鋼
板４０ａの表面を基準（０ｍｍ）（図４中の４２）と
し、それより上方を＋、下方を−の距離で示した。ま
た、表中のＴｒｉｐｌｅビーム間距離において、第１レ
ーザービーム３７と第２レーザービーム３８の焦点位置
基準点（上側の亜鉛めっき鋼板４０ａの表面）でのそれ
ぞれのビーム中心部間の距離（図４中の４３）、第２レ
ーザービーム３８と第３レーザービーム３９の焦点位置
基準位置（上側の亜鉛めっき鋼板４０ａの表面）でのそ
れぞれのビーム中心部間の距離（図４中の４４）であ
る。また、表中のビーム直径（ｍｍ）は、長軸と短軸の
平均として求められる直径を示す。

【００５８】

【表２】

【００５９】表２から明らかなように第１レーザービー
ムと第２レーザービームのビーム中心間距離（Ｌ）、第
１レーザービームと第２レーザービームのそれぞれのビ
ーム直径（Ｄ１、Ｄ２）および平均エネルギー密度（Ｅ
１、Ｅ２）が本発明で規定する関係を満たしている本発
明例１〜２では、溶接金属の爆飛量および溶接ビード中
の溶接欠陥（ポロシティ）は、実用レベルまでに低減す
ることができた。特に、第１レーザービームと第２レー
ザービームによる発明例１のツインビーム溶接に比べ
て、これらの溶接後に第３レーザービームにより溶接部
を再加熱する発明例２のトリプルビーム溶接では、溶接
ビード中の溶接欠陥（ポロシティ）をさらに低減するこ
とができた。

【００６０】一方、第１レーザービームと第２レーザー
ビームのビーム中心間距離（Ｌ）とそれらのビーム直径
（Ｄ１、Ｄ２）の条件が本発明で規定する範囲から外れ
ている比較例１は、溶接金属の爆飛量および溶接ビード
中の溶接欠陥（ポロシティ）は多く、溶接ビード形状お
よび品質の不良が発生した。

【００６１】

【発明の効果】本発明によれば、亜鉛メッキ鋼板の重ね
レーザー溶接において、溶接時に重ね合わせ部が密着し
た状態で溶接しなければならない場合でも従来に比べて
大幅に溶融金属の爆飛および溶接欠陥（ポロシティ）を
低減できとともに、溶接継ぎ手強度などの機械的特性を
向上させることができ、特に自動車産業分野においては
利するところ甚大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の亜鉛めっき鋼板の重ね溶接方法におけ
る溶融金属の爆飛およびポロシティ低減のメカニズムを
説明するための概念図である。

【図２】第１および第２レーザービームのそれぞれのビ
ーム中心間距離（Ｌ）とそれぞれのビーム直径の総和
（Ｄ１＋Ｄ２）との比と、溶融金属の爆飛量との関係を
示すグラフである。

【図３】本発明の実施形態の一例であるツインビーム溶
接方法の概念図である。

【図４】本発明の実施形態の一例であるトリプルビーム
溶接方法の概念図である。

【符号の説明】

１ 上側亜鉛めっき鋼板 ２ 下側亜鉛めっき鋼板 ３ 上側亜鉛めっき鋼板の表層亜鉛めっき層 ４ 上側亜鉛めっき鋼板の裏層亜鉛めっき層 ５ 下側亜鉛めっき鋼板の表層亜鉛めっき層 ６ 下側亜鉛めっき鋼板の裏層亜鉛めっき層 ７ 第１レーザービーム ８ 第１レーザービームによる溶融部 ９ 重ね面で発生した亜鉛蒸気 １０ 第２レーザービーム（溶接用ビーム） １１ 第２レーザービームによるキーホール １２ ビームホール １３ 亜鉛蒸気の上方離散ルート １４ 亜鉛蒸気の下方離散ルート １５ 第３レーザービーム（再加熱用ビーム） １６ 溶融プール １７ 熱影響部の鋼板表面から発生した亜鉛蒸気 １８ 溶接ビード １９ ブローホール（ポロシティの一形態） ２０ ピット（ポロシティの一形態） ２１ 溶接方向 ２２ レーザービーム ２３ プリズム ２４ 集光レンズ ２５ 第１レーザービーム ２６ 第２レーザービーム（溶接用ビーム） ２７ａ 上側亜鉛めっき鋼板 ２７ｂ 下側亜鉛めっき鋼板 ２８ 集光距離 ２９ 焦点位置の基準位置（０ｍｍ） ３０ ビーム中心間距離（第１ビーム−第２ビーム間） ３１ ビーム形状（バンパターン） ３２ 溶接方向 ３３ レーザービーム ３４ａ、３４ｂ プリズム ３５ａ、３５ｂ シリンダ−レンズ ３６ 集光レンズ ３７ 第１レーザービーム ３８ 第２レーザービーム（溶接用ビーム） ３９ 第３レーザービーム（再熱用ビーム） ４０ａ 上側の亜鉛めっき鋼板 ４０ｂ 下側の亜鉛めっき鋼板 ４１ 焦光距離 ４２ 焦点位置の基準位置（０ｍｍ） ４３ ビーム中心間距離（第１ビーム−第２ビーム間） ４４ ビーム中心間距離（第２ビーム−第３ビーム間） ４５ ビーム形状（バンパターン） ４６ 溶接方向

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮崎 康信 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 (72)発明者 田中 隆 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内 Ｆターム(参考） 4E068 AA05 AJ04 BF00 CA01 CA07 DA14 DB01 DB15

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 亜鉛めっき鋼板の重ね合わせ部を少なく
   とも２つのレーザービームを用いて溶接する亜鉛めっき
   鋼板の重ねレーザー溶接方法において、第１レーザービ
   ームにより接合領域の亜鉛めっきを加熱・蒸発させた
   後、後続する第２レーザービームにより前記接合領域を
   溶接する際に、前記の第１レーザービームのビーム直径
   （Ｄ１）、第２レーザービームのビーム直径（Ｄ２）、
   および第１レーザービームと第２レーザービームのビー
   ム中心間距離（Ｌ）が下記（１）式を満足し、かつ前記
   第１レーザービームの平均エネルギー密度（Ｅｌ）およ
   び第２レーザービームの平均エネルギー密度（Ｅ２）が
   下記（２）式を満足するように調整することを特徴とす
   る溶接部欠陥の少ない亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶
   接方法。 ０．５６×（Ｄ１＋Ｄ２）＜Ｌ＜１．８×（Ｄ１＋Ｄ２） ・ ・ ・（１） ０．８×ｔ１／（ｔ１＋ｔ２）＜Ｅ１／Ｅ２＜１．６×ｔ１／（ｔ１＋ｔ２） ・ ・ ・（２） 但し、Ｄ１、Ｄ２：第１レーザービームおよび第２レー
   ザービームのそれぞれのビーム直径（ｍｍ）、Ｌ：第１
   レーザービームと第２レーザービームのビーム中心間距
   離（ｍｍ）、Ｅｌ、Ｅ２：第１レーザービームおよび第
   ２レーザービームのそれぞれの平均エネルギー密度（ｋ
   Ｗ／ｍｍ²）、ｔ１、ｔ２：上側の亜鉛めっき鋼板およ
   び下側の亜鉛めっき鋼板のそれぞれの厚み（ｍｍ）
2. 【請求項２】 さらに、前記第１レーザービームのビー
   ム直径（Ｄ１）および第２レーザービームのビーム直径
   （Ｄ２）がＤ１（ｍｍ）≧Ｄ２（ｍｍ）の関係を満足す
   るように調整することを特徴とする請求項１に記載の溶
   接部欠陥の少ない亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶接方
   法。
3. 【請求項３】 少なくとも前記第１レーザービームの波
   長が１．１（μｍ）以下であることを特徴とする請求項
   １または請求項２に記載の溶接部欠陥の少ない亜鉛めっ
   き鋼板の重ねレーザー溶接方法。
4. 【請求項４】 前記第１レーザービームおよび前記第２
   レーザービームは、１台のレーザー発振器から出力され
   たレーザービームを２分割してなることを特徴とする請
   求項１から請求項３のうちの何れか１項に記載の溶接部
   欠陥の少ない亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶接方法。
5. 【請求項５】 前記第１レーザービームと前記第２レー
   ザービームにより溶接した後、さらに後続する第３のレ
   ーザービームにより溶接部を再加熱することを特徴とす
   る請求項１から請求項４のうちの何れか１項に記載の溶
   接部欠陥の少ない亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶接方
   法。
6. 【請求項６】 前記第２レーザービームのビーム直径
   （Ｄ２）と前記第３のレーザービームのビーム直径（Ｄ
   ３）がＤ２（ｍｍ）＞Ｄ３（ｍｍ）の関係を満足するよ
   うに調整することを特徴とする請求項５に記載の溶接部
   欠陥の少ない亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶接方法。
7. 【請求項７】 前記第１レーザービーム、前記第２レー
   ザービームおよび前記第３レーザービームは、１台のレ
   ーザー発振器から出力されたレーザービームを３分割し
   てなることを特徴とする請求項５または請求項６に記載
   の溶接部欠陥の少ない亜鉛めっき鋼板の重ねレーザー溶
   接方法。