JP2006297452A

JP2006297452A - レーザー溶接方法

Info

Publication number: JP2006297452A
Application number: JP2005123891A
Authority: JP
Inventors: Hisayoshi Fukatsu; 尚芳深津
Original assignee: Toyota Boshoku Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】２重焦点レンズを用いて溶接割れの発生を防止しつつ高速で溶接できるようにしたレーザー溶接方法を提供すること。
【解決手段】２以上の部材をレーザー光の重ね溶接により接合する際に２重焦点レンズを用い、照射範囲の大きい予熱部分とその内部に設定される本溶接部分とを作り出しながら溶接をするレーザー溶接方法において、本溶接部分と予熱部分の熱量比を５５〜８５％：４５〜１５％の範囲として溶接する。なお、本溶接部分と予熱部分の熱量比が７０％：３０％となるように設定すると、より高速な溶接処理が行えることとなり好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、２重焦点レンズを用いて溶接割れの発生を防止しつつ高速で溶接できるようにしたレーザー溶接方法に関するものである。

例えば、自動車の車体や足回り部材やシートフレーム等の組立工程において、二つの金属部材を重ね接合するのに溶接処理することが一般的に行われている。また、最近では溶接手段として、熱量の大きいレーザー光を熱源に利用することが増えている。しかしながら、レーザー光は熱量が大きいため溶接部とその近傍との温度差が大きくなって溶接割れを発生するという現象があった。

そこで、図４〜図５に示されるように、２以上の部材をレーザー光の重ね溶接により接合する際に予熱用レーザー光と本溶接用レーザー光の２つのレーザー光を用い、ワークＷの溶接個所に本溶接部分と予熱部分とを作り出しながら溶接をすることにより、溶接割れの発生を抑えるようにしたレーザー溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

しかしながら、２つのレーザー光を用いて溶接する場合であっても、溶接速度を速くすると溶接割れが生じるという問題点があった。また、この方式の場合は、溶接の進行方向に対して予熱用レーザー光が前側、本溶接用レーザー光が後側というように２つのレーザー光の位置関係が決まっており、必ずこの位置関係で溶接処理せねばならないためワークや溶接機の配置関係等に制限が課せられるという問題点もあった。
特開２００３−９４１８４号公報

本発明は上記のような問題点を解決して、溶接割れの発生を防止しつつ高速で溶接することができ、またワークや溶接機の配置関係等に何ら制限が課せられることもなく、自由に配置設計することができるレーザー溶接方法を提供することを目的として完成されたものである。

上記課題を解決するためになされた本発明のレーザー溶接方法は、２以上の部材をレーザー光の重ね溶接により接合する際に２重焦点レンズを用い、照射範囲の大きい予熱部分とその内部に設定される本溶接部分とを作り出しながら溶接をするレーザー溶接方法において、本溶接部分と予熱部分の熱量比を５５〜８５％：４５〜１５％の範囲とすることを特徴とするものである。
また、本溶接部分と予熱部分の熱量比を７０％：３０％としたものを請求項２に係る発明とする。

本発明は、２重焦点レンズを用いて、照射範囲の大きい予熱部分とその内部に設定される本溶接部分とを作り出しながら溶接をするレーザー溶接方法において、本溶接部分と予熱部分の熱量比を５５〜８５％：４５〜１５％の範囲とすることにより、溶接速度を速くしても溶接割れが生じるのを防止することができ、また溶接機等の位置関係も何ら制限されることなく自由に配置することができるものである。
また、本溶接部分と予熱部分の熱量比が７０％：３０％である場合は、溶接速度をより速くしても溶接割れを発生させずに溶接することができる。

以下に、図面を参照しつつ本発明の好ましい形態を示す。
図１は２重焦点レンズを用いて本溶接部分と予熱部分を作り出すことを示す説明図、図２は溶接部分を示す平面図、図３は溶接装置の概略を示す斜視図である。また図１において、１は２重焦点レンズであり、Ｗはシートフレーム等の自動車用部品に使用されている高ハイテン鋼材からなる被溶接部材である。

本発明では、２以上の部材からなる被溶接部材Ｗを、レーザー光を用いた重ね溶接により接合するものであり、レーザー光を収束させるのに２重焦点レンズ１を用いるものである。即ち、図１に示すように、２重焦点レンズ１の異なる焦点距離を利用して、１つのレーザー光から被溶接部材Ｗの表面上にドーナツ状の２つの像を形成する。１つは照射範囲の大きい予熱部分であり、１つは該予熱部分の内部に設定される本溶接部分である。
このようなレーザー溶接方法においては、溶接個所が本溶接部分よりも熱量の小さい予熱部分によって予備的に加熱されつつ、本溶接部分によって溶接処理されることになるので、本溶接部、予熱部、その外側部分の順番に温度が低下することとなり、被溶接部材の急激な温度変化が緩和され、この結果、溶接割れを有効に防止することができる。

本発明では、本溶接部分と予熱部分の構成比率について研究した結果、後述する実施例の表１に示すように、本溶接部分と予熱部分の熱量比を５５〜８５％：４５〜１５％の範囲とすれば、溶接割れの発生を有効に防止できることを見出した。
即ち、予熱部分の熱量比が４５％よりも多い場合は、予熱部分の面積は広くなる分、予熱部分の単位面積当たりの熱量比が小さくなるため、予熱部分の温度が低くなり、この結果、本溶接部分と予熱部分の温度差が大きくなって溶接割れを発生させるおそれがある。一方、予熱部分の熱量比を１５％未満とした場合は、予熱部分の面積は狭くなる分、予熱部分の単位面積当たりの熱量比が大きくなるため、予熱部分の温度が高くなり、この結果、外側部分と予熱部分の温度差が大きくなって溶接割れを発生させるおそれがある。

表１に示すように、本溶接部分と予熱部分の熱量比を５５％：４５％とした実施例１では、溶接速度を２．０m/min（アーク溶接の場合は、溶接速度０．６m/min程度）と速くしても溶接割れを発生させることなく溶接することができた。しかし、溶接速度を３．０m/min以上とより速くした場合は、予熱部分の面積が比較的大きい分、予熱部分の単位面積当たりの熱量比が小さくなるため、予熱部分の温度が低くなり、この結果、本溶接部分と予熱部分の温度差が大きくなって溶接割れを発生させるおそれがある。
また、本溶接部分と予熱部分の熱量比を８５％：１５％とした実施例３では、溶接速度を溶接速度を３．０m/minと速くしても溶接割れを発生させることなく溶接することができた。しかし、溶接速度を４．０m/min以上とより速くした場合は、予熱部分の面積が比較的小さい分、予熱部分の単位面積当たりの熱量比が大きくなるため、予熱部分の温度が高くなり、この結果、外側部分と予熱部分の温度差が大きくなって溶接割れを発生させるおそれがある。

特に、本溶接部分と予熱部分の熱量比を７０％：３０％とした実施例２では、本溶接部分と予熱部分と外側部分の温度が調度よくバランスされて溶接割れの発生を有効に防止できるとともに、溶接速度を５．０m/minと速くしても溶接割れを発生させずに溶接できることが判明し、特に有効であることを確認している。
以上のように、本溶接部分と予熱部分の熱量比を所定範囲のものとしてレーザー溶接すると、図２に示すように、本溶接部分のビード外周全体を予熱部分のビードが囲うように
接合が行われ、溶接割れの発生がなくなる。

図３は、本発明を実施する溶接装置の一例を示すものである。図において、１は２重焦点レンズ、２は溶接装置本体、３はレーザー発振器、４はミラーヘッドである。
このような装置においては、レーザー発振器３で生じたレーザー光が２重焦点レンズ１を通してドーナツ状の２重光となり、ミラーヘッド４により方向が調整されて被溶接部材Ｗの所定の表面上に照射され溶接処理を行うこととなる。この場合、被溶接部材Ｗの溶接個所には本溶接部分と予熱部分とが形成された状態で溶接が進行し、溶接割れの発生が防止されることとなる。

高ハイテン鋼材（９８０材）からなる被溶接部材を、図３に示す装置により、ＣＯ_２レーザー（発振器：スラブ●ＣＯ_２ 4.5kW）を用いてレーザー溶接した。２重焦点レンズは焦点径が、φ０．６ｍｍ、本溶接部分の焦点距離がｆ＝１５００ｍｍ、予熱部分の焦点距離がｆ＝１４００〜１４７５ｍｍのものを用いた。
この結果、表１に示されるように、本溶接部分と予熱部分の熱量比を５５〜８５％：４５〜１５％の範囲とすれば、溶接割れの発生を有効に防止できることが確認できた。また、溶接速度は１．０〜５．０ｍｍ／ｍｉｎの範囲内で調整し、ビード長：１５ｍｍの溶接を行ったところ、実施例１では溶接速度が３．０ｍｍ／ｍｉｎ以上で割れが発生したサンプルがあり、また実施例２では溶接速度が２．０ｍｍ／ｍｉｎ以下で割れが発生したサンプルがあったが、実施例３では全く割れの発生はなかった。
参考例として、従来の１重焦点レンズを用いて同じ条件で溶接した場合を示すが、いずれの溶接速度においても割れの発生が認められた。

以上の説明からも明らかなように、本発明は２重焦点レンズを用いて、照射範囲の大きい予熱部分とその内部に設定される本溶接部分とを作り出しながら溶接をするレーザー溶接方法において、本溶接部分と予熱部分の熱量比を５５〜８５％：４５〜１５％の範囲としたことにより、溶接速度を速くしても溶接割れが生じるのを防止して溶接処理することができることとなる。また、１個の２重焦点レンズのみを用いて本溶接部分と予熱部分を形成するため、溶接機等の位置関係も何ら制限されることなく自由に配置することができ優れた作業性も発揮することができるという利点もある。

本発明の２重焦点レンズを用いて本溶接部分と予熱部分を作り出すことを示す説明図である。本発明の溶接部分を示す平面図である。本発明の溶接装置の概略を示す斜視図である。従来例を示す正面図である。従来例を示す平面図である。

符号の説明

１２重焦点レンズ
２溶接装置本体
３レーザー発振器
４ミラーヘッド
Ｗ被溶接部材

Claims

２以上の部材をレーザー光の重ね溶接により接合する際に２重焦点レンズを用い、照射範囲の大きい予熱部分とその内部に設定される本溶接部分とを作り出しながら溶接をするレーザー溶接方法において、本溶接部分と予熱部分の熱量比を５５〜８５％：４５〜１５％の範囲とすることを特徴とするレーザー溶接方法。
本溶接部分と予熱部分の熱量比が７０％：３０％である請求項１に記載のレーザー溶接方法。