JP2010120023A - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな出力を有するレーザを用いた突き合わせ溶接において、溶接長手方向の品質のばらつきの少ない良好な溶接品質を確保することができるレーザ光の溶接方法、およびレーザ溶接装置を提供する。さらに、溶接部のくぼみを抑制するとともに、溶接の効率を低下させることなく、良好な溶接品質を確保することができるレーザ光の溶接方法、およびレーザ溶接装置を提供する。
【解決手段】光ファイバにより伝送されるレーザ光を溶接ヘッドから突き合わされた鋼板に照射し、該鋼板の幅方向の一端から他端に向かって連続的に溶接する方法であって、レーザ光の照射時間の経過に伴う鋼板表面におけるレーザ光のスポット径の変化、又は照射するレーザ光の出力を一定としたときに該レーザ光の照射時間の経過に伴う溶接部の溶け込み深さの変化に基づき、レーザ光のスポットのエネルギ密度、又は溶接部の溶け込み深さが鋼板の幅方向に均一になるようにレーザ光の出力を変更することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。

レーザ溶接は、その伝送方式の観点から、レーザ発振機から溶接用集光光学系までレーザ光をミラーで伝送するミラー伝送、および光ファイバを用いて伝送するファイバ伝送に大別できる。ミラー伝送については、発振機内で作られたリングモードやマルチモードと称されるエネルギ分布状態を、この分布状態を概ね維持しながら、伝送し、溶接加工性を高めることが可能である。しかし、配置されるミラーの光軸調整やミラー類の清浄度維持等のメンテナンスが必要であり、使用および維持について煩雑な面を有している。一方、ファイバ伝送によれば、高い自由度を有して容易にレーザ発振機からレーザ光を所定の位置まで伝送することが可能である。

このように発振機からレーザ加工用の集光光学系までの伝送が容易なレーザは、従来、比較的低いエネルギのレーザが主流であり、例えば、自動車用の薄鋼板を対象として、テーラードブランク溶接（突き合わせ溶接）等に広く利用されている。しかし、近年、ファイバ伝送が可能な高出力レーザの開発とともに、溶接速度をはじめとする溶接効率の向上や、さらに厚鋼板への適用が期待されている。

ところで、レーザ出力が高い条件下で、長時間の溶接加工が行われた場合、レーザ光の伝送・集光に用いられるレーザ光が通過する透明な光学部品は、溶接加工中に加熱され、局部的な温度上昇による屈折率の変化や熱応力による形状変化を生じ、溶接品質が変化する。すなわち、溶接開始端から終端までに亘る溶接安定性が確保できないという問題がある。

例として図１１に従来における溶接装置１００の模式図を示す。溶接装置１００では、発振機１１１から出射し、ファイバ１１２により伝送されたレーザ光は、透過型のレンズ１１４、１１５により、被溶接材１０１、１０２上に集光される。また、集光レンズ１１５と、被溶接材１０１、１０２との間には、溶接時に発生するスパッタから、高価な集光レンズ１１５を保護するため、保護ガラス１１６といわれる光透過型の平板が配置される。

ここで、レーザ光が透過するレンズ類１１４、１１５および保護ガラス１１６には、使用されるレーザ光波長に対し、極めて透過率の高い物質（例えば、高純度Ｓｉ）が用いられるが、これによってもレーザ光の出力が高くなると、発熱し、熱応力により形状が変化する。即ち、屈折率が変わり、集光点（図１１におけるＡｆ）がシフトするため、長手方向に溶接品質が変化する。

この対策として、特許文献１には、溶接加工前に、予めレーザ光を予備照射し、溶接時の透過光学部品の変化を抑制してスポット径の変動を抑制する発明が開示されている。また、特許文献２には、加工用レーザトーチの位置をレーザビーム照射時間の経過に従って連続的に調整することにより、レーザビームの焦点位置を被加工物に対して一定に保持する発明が開示されている。さらに、特許文献３には、レンズの熱変形量を計算し、この熱変形量から焦点距離変化量を計算し、レンズの位置を移動させてレーザ光の焦点を被加工物上に結ぶように制御する発明が開示されている。

また、レーザの高出力化に伴い、突き合わせ溶接部にアンダーフィルと称されるくぼみの形状不良が発生するという問題がある。図１２にくぼみの模式図を示した。これは、鋼板１０１と鋼板１０２との突き合わせ溶接において、溶接部１２０の一方側で溶接肉が欠落する部分（Ｚ）を生じるものである。いうまでもなく、このようなくぼみは、溶接継手強度の低下を招く。

このようなくぼみの主因は、突き合わせ面の隙間であるが、レーザ出力が高い条件下では、発生するスパッタ（溶接時の溶融金属の飛散）による影響も大きい。
特許文献４には、このような溶接時のくぼみの発生を抑制するため、レーザ溶接時にフィラーワイヤを用いる方法が提案されている。さらに、特許文献５には、レーザ溶接とアーク溶接を複合して用いる方法が提案されている。一方、スパッタによる溶接部のくぼみの発生に対しては、レーザ出力を下げることや、焦点位置を大きくずらすこと（一般にディフォーカスと呼ばれ、以下「ＤＦ」と記載することがある。）により対応する場合がほとんどであった。
特開平５−２８５６７８号公報 特開平１−６６０８８号公報 特開平２−６０９３号公報 特開２００４−３３０２９９号公報 特開２００４−２２３５４３号公報

しかしながら、溶接長手方向の溶接品質の均一化、すなわち溶接品質のばらつき防止に関し、特許文献１に記載の予熱方式では、焦点位置の変動が小さくなり、これが安定するまでの時間やエネルギが無駄になる問題がある。さらには、集光レンズを透過したエネルギの処理対策も必要となる。一方、特許文献２、３に記載の方式は、何れも、溶接加工物に対する焦点位置を一定に保つため、溶接中に、レーザトーチ又は溶接加工物を昇降させる機構が必要なため、設備が大型かつ複雑化するとともに、高コスト化する問題があった。

また、これらの方法は、板厚が同じ材料を連続的に溶接するラインでは有効であるが、多種多様な板厚・板組を溶接することが要求されるような、例えば、鋼板製造ラインにおけるコイル継ぎラインでは、次のような問題があった。すなわち、生産ライン効率を高めるためには、最もライン効率の良い溶接速度を選定することが重要となる。ところが、板厚の大きい鋼板の溶接と板厚の小さい鋼板の溶接とで同じ溶接速度を実現するためには、当然に、厚鋼板では、大きなレーザ出力、薄鋼板では、小さなレーザ出力であることが必要となる。上記したように、光学部品の熱変形は、レーザ出力に起因しており、小さなレーザ出力で所定のライン溶接速度が得られる薄鋼板の溶接では、このような焦点距離の補正は不要であり、ライン対象品構成上、薄鋼板が多いラインでは、少量の厚鋼板のために、装置が複雑化かつ高コスト化し、効率的でなくなってしまう。

また、突き合わせ溶接部のアンダーフィル欠陥の防止に関し、特許文献４や特許文献５に記載のようなフィラーワイヤを用いる手法やアーク溶接と複合する手法では、管理項目が増え、調整が煩雑となり、レーザ出力の低下やＤＦ条件の選定のためのレーザ溶接の効率（溶接速度）の大きな低下を招く問題がある。

そこで、本発明の第１の目的は、大きな出力を有するレーザを用いた突き合わせ溶接において、溶接長手方向の品質のばらつきの少ない良好な溶接品質を確保することができるレーザ光の溶接方法、およびレーザ溶接装置を提供することにある。第２の目的は、さらに、溶接部のくぼみを抑制するとともに、溶接の効率を低下させることなく、良好な溶接品質を確保することができるレーザ溶接方法、およびレーザ溶接装置を提供することにある。

以下、本発明について説明する。

発明者らは鋭意検討した結果、溶接部のくぼみの抑制に関して次のような知見を得た。すなわち、ファイバによりレーザを伝送した場合にはその焦点におけるレーザ強度分布が、いわゆるトップハット型であるマルチモードとなることが知られている（図４（ａ）参照）。このモードのレーザを大きな出力で溶接に利用した場合にくぼみを生じることが多い。そこで、ＤＦにより焦点位置以外のところで溶接をおこなえばこれを回避することができるが、単にＤＦをしたのみでは溶接効率が著しく低下する。

発明者らはさらに検討を重ね、ＤＦをした位置でのレーザ強度分布における所定部位のエネルギ密度および直径を規定し、ＤＦの条件を求めた。そしてこれにより溶接部のくぼみを抑制することができるとともに、溶接効率の低下を最小限に抑えることができることを見い出した。

さらには、本発明者らは、溶接長手方向の品質のばらつきの抑制に関し検討し、以下の知見を得た。
図７は、レーザ光の焦点位置が被溶接材よりレンズ側にある場合におけるレーザ照射時間と焦点位置のズレ量との関係を説明するための図である。図７（ａ）は、レーザ照射時間と焦点位置のズレ量との関係をグラフで示したものである。図７（ｂ）は、レーザ照射時間ｔ＝０のときと、ｔ＝ｔのときの焦点径を説明するための模式図である。
また、図８は、レーザ光の焦点位置が被溶接材を挟んでレンズ側とは反対側にある場合におけるレーザ照射時間と焦点位置のズレ量との関係を説明するための図である。図８（ａ）は、レーザ照射時間と焦点位置のズレ量との関係をグラフで示したものである。図８（ｂ）は、レーザ照射時間ｔ＝０のときと、ｔ＝ｔのときの焦点径を説明するための模式図である。

ここで、焦点位置ズレ量とは、焦点と被溶接材の表面との距離を示す。また、Ｚ_ＤＦは溶接開始時（照射時間ｔ＝０）における焦点位置ズレ量（焦点と被溶接材表面との距離）、Ｚ_ｔは照射時間ｔ経過後の焦点位置ズレ量、ΔＺ_ｔは、照射時間ｔにおける焦点位置の変化量であり、Ｚ_ＤＦ−Ｚ_ｔの絶対値（｜Ｚ_ＤＦ−Ｚ_ｔ｜）で表すことができる。ここでＺ_ＤＦは、ＤＦ量を意味する。

高出力条件下では、光学部品の熱変形等により溶接長手方向で溶接品質の変化が生じる。すなわち、図７、図８に示すように、レーザ照射時間の経過に伴いレーザ焦点位置が変化する。その結果、溶接部の溶け込み深さが溶接長手方向で異なってしまう。

ＤＦ位置で溶接を行う場合は、焦点位置の変化により溶接品質に与える影響が大きい。なお、通常は、レンズは水冷されており、溶接初期におけるレンズの昇温は早いが、やがて冷却能とバランスして昇温量は飽和する。また、昇温の熱源となるレーザ出力の違いによっても、焦点位置の変化の程度は異なる。

焦点位置の変化は、溶接物に照射されるスポット径の変化を意味する。図９はレーザ照射時間とスポット径の変化量との関係を模式的に示すグラフである。図９において、スポット径の変化量は、あるレーザ照射時間におけるスポット径と、レーザ照射開始時におけるスポット径との差をとり、これを絶対値で表したものである。従って、図９に例を示したように、レーザ照射開始時（ｔ＝０）においてスポット径がＤ_０、レーザ照射時間ｔ＝ｔにおいて、スポット径がＤ_ｔの場合のスポット変化量ΔＤ_ｔは、｜Ｄ_ｔ−Ｄ_０｜で表わされる。ここで、溶接開始時に焦点位置が被溶接材である鋼板に対し集光レンズ側に存在すれば、熱変形による焦点位置の変化により、図７（ａ）、図７（ｂ）からわかるようにスポット径Ｄ_ｔはＤ_０よりも大きくなる方向に変化する。一方、溶接開始時に焦点位置が被溶接材である鋼板に対し集光レンズ側とは反対側に存在するときには、図８（ａ）、図８（ｂ）からわかるように、スポット径Ｄ_ｔはスポット径Ｄ_０よりも小さくなる方向に変化する。

このように、レーザ焦点位置の変化によりスポット径が変化するため、照射時間の経過とともに、被溶接材表面に照射されるレーザエネルギ密度（総エネルギ量／スポット面積）が溶接長手方向に変化する。その結果、溶接部の溶け込み深さが溶接長手方向にばらついてしまうと推察する。

図１０は、レーザ照射時間と溶接後の溶け込み深さとの関係を示すグラフである。図１０（ａ）はレーザ照射時間ｔ＝０における焦点位置が被溶接材の表面に対してレンズ側に存在する場合のグラフである。また、図１０（ｂ）は照射時間ｔ＝０における焦点位置が被溶接材の表面に対してレンズの反対側に存在する場合のグラフである。図１０（ａ）、図１０（ｂ）中の「制御なし」のグラフは照射時間に関係なく出力を一定として溶接を行った場合を表している。このときにはレーザ照射時間の経過とともに溶け込み深さが変化することがわかる。
一方、図１０（ａ）、図１０（ｂ）中の「出力制御」はレーザ溶接時間の経過に従いレーザ出力を変更する制御をおこなったときのグラフである。これによれば、溶け込み深さはレーザ溶接時間の経過によらず一定とすることできることがわかった。従って、溶接部の溶け込み深さが幅方向に均一となるようにレーザ照射時間の経過に従いレーザ出力を変更することにより、溶接長手方向の溶接品質のばらつきを小さくすることができる。

本発明者らは、鋭意検討を重ねて得られた上記知見に基づいて、発明を完成させた。以下に説明する。

請求項１に記載の発明は、光ファイバにより伝送されるレーザ光を溶接ヘッドから突き合わされた鋼板に照射し、該鋼板の幅方向の一端から他端に向かって連続的に溶接する方法であって、レーザ光の照射時間の経過に伴う鋼板表面におけるレーザ光のスポット径の変化、又は照射するレーザ光の出力を一定としたときに該レーザ光の照射時間の経過に伴う溶接部の溶け込み深さの変化に基づき、レーザ光のスポットのエネルギ密度、又は溶接部の溶け込み深さが鋼板の幅方向に均一になるようにレーザ光の出力を変更することを特徴とする突き合わせ鋼板のレーザ溶接方法を提供することにより前記課題を解決する。

請求項２に記載の発明は、請求項1に記載の突き合わせ鋼板のレーザ溶接方法において、レーザ照射時間の経過に伴いレーザ光のスポット径が大きくなるとき、又は照射するレーザ光の出力を一定としたときに該レーザ光の照射時間の経過に伴い溶接部の溶け込み深さが浅くなるときには、レーザ照射時間の経過に従ってレーザ光の出力を連続的に増大させ、レーザ照射時間の経過に伴いレーザ光のスポット径が小さくなるとき、又は照射するレーザ光の出力を一定としたときに該レーザ光の照射時間の経過に伴い溶接部の溶け込み深さが深くなるときには、レーザ照射時間の経過に従ってレーザ光の出力を連続的に低減させることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の突き合わせ鋼板のレーザ溶接方法において、レーザ照射時間の経過に伴うレーザ光のスポット径の変化、および溶接部の溶け込み深さの変化は、予めレーザ出力を一定として鋼板の幅方向の一端から他端に向かってレーザ光を照射することにより求めておいたスポット径の変化、又は溶接部の溶け込み深さの変化を用いることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の突き合わせ鋼板のレーザ溶接方法であって、さらに、レーザ光が最初に鋼板に接する部分のレーザ断面における強度分布から、該断面の総エネルギ量に対してｍ％、およびｎ％のそれぞれのエネルギを有する部分の直径ＤｍおよびＤｎと、それぞれの該部分のエネルギ密度Ｅｍ、およびＥｎと、を得て、Ｅｍ／Ｅｎ、およびＤｍ／Ｄｎが所定の値を満たすように前記レーザ光の焦点位置を調整して溶接する突き合わせ鋼板のレーザ溶接方法を提供することにより前記課題を解決する。

ここで、「レーザ断面における強度分布」とは該断面におけるレーザ光の強度分布を意味し、具体的には、レーザ光の強度分布は、図４（ａ）、図４（ｂ）に例を示したように凸状を有している。さらに、図５（ａ）〜図５（ｃ）は、図４に示すレーザ光の強度分布を模式的に示す図で、図５（ａ）は総エネルギＶｏ（斜線部）を説明する図、図５（ｂ）は、総エネルギ量に対してｍ％のエネルギを有する部分（斜線部Ｖｍ）とＶｍに対応するエネルギ分布の直径Ｄｍを説明する図、図５（ｃ）は、総エネルギ量に対してｎ％のエネルギを有する部分（斜線部Ｖｎ）とＶｎに対応するエネルギ分布の直径Ｄｎを説明する図で、いずれも紙面上下方向はレーザ光の強度（紙面上ほどエネルギが高い。）を表す。図５（ａ）に示すように、「総エネルギＶｏ」は当該凸状の体積であり、「総エネルギ量に対してｍ％、およびｎ％のエネルギを有する部分」とは、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示すように、凸形状であるエネルギ分布の中心から、総エネルギ量Ｖｏに対して、ｍ％のエネルギを有する部分Ｖｍ、ｎ％のエネルギを有する部分Ｖｎを意味する。また、エネルギ密度Ｅｍは、ｍ％のエネルギを有する部分Ｖｍを面積（πＤｍ^２／４）で除すことにより、エネルギ密度Ｅｎは、ｎ％のエネルギを有する部分Ｖｎを面積（πＤｎ^２／４）で除すことにより算出される。

また、ここでｍ％、ｎ％は特に限定されるものではないが、より精度よく強度分布の態様を表すために３０≦ｍ≦７０、ｎ＝８６であることが好ましい。目的である溶接効率の低下を最小限に抑えつつ、溶接部のくぼみを抑制することに対しては、レーザスポット全体のエネルギの調和を図る必要がある。すなわち、ｍの値が小さすぎると、ビームの中心近傍の特性による影響を顕著に示し、逆に大きすぎると、ビーム全体の特性による影響を顕著に示すために、溶接効率の低下を最小限に抑え、かつ、くぼみを制御するために必要な適正な値を得られない可能性がある。またｎ＝８６は、当該溶接の分野において溶接性を表すために広く用いられていることから好ましい値とした。

さらにはｍ、ｎが、ｍ＝５０、ｎ＝８６であり、Ｅ５０／Ｅ８６≧２．６０、かつＤ５０／Ｄ８６≦０．６５を満たすことが望ましい。加えてレーザの伝送ファイバコア径、コリメーションレンズの焦点距離、集光レンズの焦点距離から下記式で算出されるレーザの焦点径が０．４８ｍｍ以下であることがさらに望ましい。
レーザの焦点径＝伝送ファイバコア径×集光レンズの焦点距離／コリメーションレンズの焦点距離

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の突き合わせ鋼板のレーザ溶接方法に供されるレーザ溶接装置であって、光ファイバで伝送可能なレーザ光を発振するレーザ発振機と、レーザ発振機から発振したレーザ光を伝送する光ファイバと、光ファイバの出力端に接続されレーザ光を溶接に適するように制御する溶接ヘッドと、を備え、さらに、レーザ発振機は、レーザ照射時間の経過に従いレーザ光の出力を変更する機能を備えるレーザ溶接装置を提供することにより前記課題を解決する。

これらの発明においては、例えば、出力が４ｋＷ以上のレーザ発振機を備えたレーザ溶接装置とすることができる。

本発明によれば、溶接長手方向に溶け込み量の変動が小さく良好な品質を有する高出力のレーザ溶接が可能となる。また、溶接長手方向に溶け込み量の変動が小さく、かつ溶接方向の全長に渡りくぼみの発生の小さな良好な品質を有する高出力のレーザ溶接が可能となる。

本発明のこのような作用および利得は、次に説明する発明を実施するための最良の形態から明らかにされる。

以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。ただし本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。

始めに、１つの実施形態に係る本発明のレーザ溶接装置１０について説明する。図１に溶接装置１０に備えられる各構成を模式的に示した。溶接装置１０は、レーザ発振機１１、光ファイバ１２、および溶接ヘッド１３を備えている。そして溶接ヘッド１３は、コリメーションレンズ１４、集光レンズ１５、および保護ガラス１６を含むものである。以下に各構成について説明する。

レーザ発振機１１は、溶接熱源となるレーザを発振する装置である。このレーザ発振機は１１、被溶接材である鋼板１、２の幅方向の一端から他端にレーザ光を照射して溶接する際に、レーザ照射時間の経過に伴ってレーザ光の出力を変更することが可能な機能を備える。すなわち、レーザ照射時間の経過に伴う焦点位置の変化又はスポット径の変化に基づき、スポットのエネルギ密度を幅方向に均一にするように、レーザ照射時間の経過に従ってレーザ光の出力を変更することが可能とされている。

ここで溶接装置１０に用いるレーザ光の種類は、光ファイバ１２で伝送可能であれば特に限定されず、出力は４ｋＷ以上であることが好ましい。従って、レーザ発振機１１はファイバ伝送が可能なレーザを発振することができればよい。このようなレーザを発振できるものとして、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ、ファイバレーザ等の発振機を挙げることができる。このように光ファイバで伝送することができるとともに、高出力を得ることが可能なレーザ光の使用により効率よく溶接をすることができる。

光ファイバ１２は、レーザ発振機１１から溶接ヘッド１３にレーザを伝送する手段である。光ファイバの適用により容易にレーザを伝送することができ、維持も容易な溶接装置１０を提供できる。光ファイバ１２のいわゆるファイバ径は特に限定されるものではないが、通常１．０ｍｍ以下のものが用いられ、集光光学系のサイズとエネルギ密度の観点からファイバ径は小さい方がよく、０．６ｍｍ以下であることが好ましい。さらに好ましくは０．３ｍｍ以下である。

溶接ヘッド１３は、光ファイバ１２の出力端に接続され、伝送されたレーザ光を導入し、該レーザ光を溶接に適するように制御して溶接部に出射する手段である。溶接ヘッド１３にはコリメーションレンズ１４と集光レンズ１５とが含まれ、上述した光ファイバ１２の径、および両レンズの焦点距離の比により焦点径が決まる。例えば、光ファイバ１２の径を小さくするとともに、コリメーションレンズ１４の焦点距離に対して集光レンズ１５の焦点距離を小さくすることにより焦点径を小さくすることができる。

さらに溶接ヘッド１３には保護ガラス１６が備えられている。保護ガラス１６は、集光レンズ１５と被溶接材１、２との間に配置される。これにより保護ガラス１６よりレーザ発振機１１側に備えられる例えばコリメーションレンズ１４、集光レンズ１５を保護することができる。

以上のような溶接装置１０により、溶接長手方向に溶け込み深さが一定の溶接部の確保が可能となり、更に溶接部におけるくぼみの発生を小さくしつつも効率のよい溶接をすることができる。

ここで、被溶接材１、２である鋼板の種類は特に限定されるものではなく、低炭素鋼、高炭素鋼、および高張力鋼等を挙げることができる。また板厚についても特に限定されるものではないが、従来困難であった厚板の溶接が容易となり、特に板厚２ｍｍ以上で顕著な効果を有する。

次に１つの実施形態に係るレーザ溶接方法について説明する。本実施形態のレーザ溶接方法では、上記レーザ溶接装置１０を用いて、所定の条件によるＤＦにより溶接が行われる。また、ここでは好ましい実施形態としてレーザ溶接装置１０を用いた例を説明するが、本発明のレーザ溶接方法はこれに限定されることなく、他の溶接装置によるものであってもよい。

はじめに、溶接長手方向に溶接部の溶け込み量の変動を小さくすることについて説明する。これは、光ファイバにより伝送されるレーザ光を溶接ヘッドから突き合わされた鋼板に照射し、幅方向の一端から他端に向かって連続的に溶接する際に、レーザ照射時間の経過に伴うスポット径又は溶け込み深さの変化に基づき、スポットのエネルギ密度が幅方向に均一になるように、レーザ照射時間の経過に従いレーザ光の出力を変更するものである。詳しくは次の通りである。

レーザ照射時間の経過に伴うスポット径の経時変化は、レーザビームプロファイル計を用いて求めることができる。具体的には、溶接開始時の条件を基準として、一定のレーザ出力Ｐ_０で溶接を行い、溶接中のスポット径の変化を当該レーザビームプロファイル計により測定し、上記図９で説明した関係を得る。そして、時間ｔにおけるスポット径Ｄ_ｔは式（１）により算出することができる。
Ｄ_ｔ＝Ｆ（ｔ）・Ｄ_０ （１）
ここで、Ｆ（ｔ）は時間による変数、Ｄ_０は溶接開始時のスポット径である。

また、時間ｔにおけるレーザ出力をＰ_ｔとすると、時間ｔにおけるスポットのエネルギ密度Ｅ_ｔは式（２）により算出される。
Ｅ_ｔ＝Ｐ_ｔ／（πＤ_ｔ ^２／４） （２）

一方、溶接開始時のエネルギ密度Ｅ_０は、溶接開始時のレーザ出力をＰ_０とすれば、式（３）により算出される。
Ｅ_０＝Ｐ_０／（πＤ_０ ^２／４） （３）

そして、幅方向にエネルギ密度を均一化するために、Ｅ_ｔ＝Ｅ_０とし、このときのレーザ出力Ｐ_ｔは以下の式（４）で与えられる。
Ｐ_ｔ＝Ｐ_０・（πＤ_ｔ ^２／４）／（πＤ_０ ^２／４）＝Ｐ_０・（Ｆ（ｔ））^２ （４）

当該式（４）により求められたＰ_ｔの時間変化に基づいてレーザ出力を変化させて溶接をおこなう。これにより、溶接長手方向に溶け込み量の変動を小さくすることができる。

上記説明では、スポット径の計測により出力Ｐ_ｔを求めて溶接長手方向に溶け込み量の変動を小さくする溶接方法を説明した。この他にも例えば、溶け込み深さから、制御すべきレーザ出力Ｐ_ｔを求めることもできる。以下に他の例として説明する。

図２は、横軸にレーザ出力、縦軸に溶け込み深さをとったグラフである。例えばレーザ出力をＰ_１で一定として溶接開始部から溶接終端部まで溶接すると、その溶け込み深さは、溶接開始部でＹ_１、溶接終端部でＹ_２となる。すなわち溶接開始部と溶接終端部で溶け込み深さが異なる。一方、同様に、レーザ出力をＰ_２で一定として溶接開始部から溶接終端部まで溶接すると、その溶け込み深さは、溶接開始部でＹ_２、溶接終端部でＹ_３となり、この場合も溶接開始部と溶接終端部で溶け込み深さが異なる。

しかし、レーザ出力Ｐ_１における溶接終端部の溶け込み深さと、レーザ出力Ｐ_２における溶接開始部の溶け込み深さとは、いずれもＹ_２であり同じである。そこで、図中に矢印Ｂで示したように、溶接開始部においてはレーザ出力をＰ_２とし、これを適宜変更しつつ溶接終端部においてレーザ出力をＰ_１とすれば、溶接開始部から溶接終端部までの溶け込み深さがＹ_２で概ね一定である溶接部を得ることができる。

このようにして、レーザ出力Ｐ_ｔを制御する溶接方法によっても、溶接長手方向に溶け込み量の変動を小さくすることができる。

なお、この方法では、制御すべき出力の基準となる設定条件は、溶接長手方向の任意の位置であるが、たとえば、溶接開始点を基準とし、溶接が進むにつれてスポット径が大きくなる方向に変化する場合、出力も同様に大きくなる方向に制御する必要が生じ、設備の定格を超える可能性がある。そのため、制御する出力の変化方向を見極め、溶接端部（開始側・終端側のいずれか）の設定条件を上限とすることが好ましい。

次に、さらにくぼみの発生が小さいことにより良好な品質が得られることについて説明する。

図３には図１にＡｆで示した焦点付近におけるレーザ光の形状を模式的に表した。このようにレーザ光は集光レンズ１５の作用により焦点位置Ｘ１でくびれるように集光し、その前後では焦点位置Ｘ１よりも大きな径を有するように広がる。ＤＦでは、焦点位置Ｘ１から少しずらした位置である例えばＸ２で示した位置が鋼板の表面となるように設定して、溶接を行うものである。

図４には、焦点位置Ｘ１、および位置Ｘ２におけるレーザ光の強度分布を３次元的に表した例を示した。図４（ａ）は焦点位置Ｘ１における強度分布、図４（ｂ）は位置Ｘ２における強度分布である。図４からわかるように、焦点位置Ｘ１と位置Ｘ２とでは総エネルギ（強度分布の体積）は同じであるがその分布は異なる。具体的には、焦点位置Ｘ１ではいわゆるトップハット型の強度分布を有している。これはファイバ伝送によってレーザが伝送されることにより生じる形態である。一方、位置Ｘ２における強度分布は円錐状である。

本実施形態では当該強度分布が所定の形状である位置Ｘ２で溶接をおこなうものである。これにより溶接部に生じるくぼみを抑制しつつ効率の良い溶接を可能とする。具体的には、図５に示した強度分布の２次元図を参照しつつ説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）は上述した、図４に示すレーザ光の強度分布を模式的に示す図である。図５（ａ）は総エネルギＶｏ（斜線部）を説明する図、図５（ｂ）は、総エネルギ量に対してｍ％のエネルギを有する部分（斜線部Ｖｍ）とＶｍに対応するエネルギ分布の直径Ｄｍを説明する図、図５（ｃ）は、総エネルギ量に対してｎ％のエネルギを有する部分（斜線部Ｖｎ）とＶｎに対応するエネルギ分布の直径Ｄｎを説明する図で、いずれも紙面上下方向はレーザ光の強度（紙面上ほどエネルギが高い。）を表す。

はじめに、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示したように総エネルギ量Ｖｏに対してｍ％、ｎ％のエネルギ量Ｖｍ、Ｖｎを有する部位を選択する。次にｍ％のエネルギを有する部分Ｖｍを面積（πＤｍ^２／４）で除すことによりエネルギ密度Ｅｍを算出する。同様に、ｎ％のエネルギを有する部分Ｖｎを面積（πＤｎ^２／４）で除すことによりエネルギ密度Ｅｎを算出する。そしてこれらエネルギ密度（Ｅｍ、Ｅｎ）、および直径（Ｄｍ、Ｄｎ）に関し、Ｅｍ／Ｅｎ、およびＤｍ／Ｄｎを算出して、これらが所定の値を満たす強度分布を有する位置Ｘ２で溶接をする。

ここで選択される２箇所のｍ％、ｎ％の部分は特に限定されるものではないが、より精度よく強度分布の態様を表すために３０≦ｍ≦７０、ｎ＝８６であることが好ましい。ｍの値が小さすぎると、ビームの中心近傍の特性による影響を顕著に示し、逆に大きすぎると、ビーム全体の特性による影響を顕著に示すために、溶接効率の低下を最小限に抑え、かつ、くぼみを抑制するために必要な適切な値を得られない可能性がある。またｎ＝８６は、当該溶接の分野において溶接性を表すために広く用いられていることから好ましい値とした。
そしてｍ＝５０、ｎ＝８６とした場合におけるＥ５０／Ｅ８６、およびＤ５０／Ｄ８６の値はそれぞれ、
Ｅ５０／Ｅ８６≧２．６０
Ｄ５０／Ｄ８６≦０．６５
を満たすことが好ましい。
これにより、溶接部のくぼみの発生が小さい溶接部を得ることができる。

以上のようなレーザ溶接方法により、溶接長手方向の全長に亘り、溶接部のくぼみを抑制しつつも効率のよい溶接を提供することができる。

次に実施例によりさらに詳しく説明する。ただし、本発明は本実施例に限定されるものではない。
本実施例では、出力１０ｋＷのレーザ溶接装置を使用し、板厚４．５ｍｍ、板幅１０００ｍｍの低炭素鋼板を幅方向の一端から他端に向けて貫通溶接をした。条件は次の通りである。

＜溶接速度＞
溶接速度はそれぞれの設定のＤＦ位置で連続した裏波が得られる最高速度とした。具体的には３．０〜８．０ｍ／分である。
＜ＤＦ量＞
溶接開始時のＤＦ量（焦点位置と非溶接材表面との距離）は、２〜１０ｍｍの範囲とした。

＜溶け込み深さ一定について＞
長手方向溶け込み深さ一定の条件ついては、図６に示したように、予め求めた必要出力と経過時間との関係に基づいて設定した。なお、図６は、集光レンズの焦点距離２００（ｆ２００）ｍｍ、設定ＤＦ量８ｍｍ、溶接速度４．０ｍ／分とし、レーザ出力を８．０〜１０．０ｋＷまで、０．５ｋＷずつ変化させ、貫通溶接が得られる溶接開始端からの距離を求め、これをレーザ照射時間に換算してプロットしたものである。スポット径の経時変化から、必要出力は、放物線的に変化するものと推測（図６に破線で示した線）されるが、その変化量が小さいことから、ここでは、必要レーザ出力をＰ＝Ｐ_０＋α・ｔで近似し、α＝０．８７とした。

上記の条件下で、溶接部のくぼみ量および溶接長手方向の溶接部肉厚のばらつきを評価した。他の条件および評価結果を表１〜表３に示した。表１は集光レンズがｆ２００ｍｍ、表２はｆ２５０ｍｍ、および表３はｆ３５０ｍｍの場合である。

ここで、「溶接終端部のくぼみ程度（Ｘ）」は、終端から２０ｍｍにおける表面のくぼみ深さを測定し、くぼみ程度Ｘ（くぼみ深さ／母材板厚×１００％）で評価した。評価は、
極小：Ｘ≦５％
小：５＜Ｘ≦１０％
大：Ｘ＞１０％
とし、「極小」および「小」である場合が良好であるといえる。

また、「溶接長手方向のバラツキ程度（Ｙ）」は、溶接長１０００ｍｍに対し、２０ｍｍ毎に、表面のくぼみ深さを測定し、その最大値と最小値を求め、くぼみ深さのバラツキ量Ｙを評価した。Ｙは、Ｙ＝（（最大値−最小値）／母材肉厚）×１００％により求める。
評価は、
小：０＜Ｙ≦１０％
中：１０＜Ｙ≦１５％
大：１５％＜Ｙ
とし、「小」である場合が良好であるといえる。

また、表１〜表３において、「伝送ファイバ径」は伝送ファイバのコア径を表し、０．３ｍｍとした。「焦点径」は焦点におけるレーザスポットの径を意味し、（伝送ファイバコア径）×（集光レンズ焦点距離）／（コリメ−ションレンズ焦点距離）により算出される。また、「設定焦点ずらし量」は、ＤＦ量を表し、溶接開始時における鋼板表面と焦点との距離である。「熱レンズ制御の有無」において、「有」とは、図６に基づき、照射時間の経過に従い出力を制御したものである。一方、「無」は、照射時間の経過にかかわらず、溶接長さ方向にレーザ光の出力を一定として溶接したことを意味する。

「Ｅ５０」は上記説明したＥｍについて、ｍ＝５０である場合、「Ｅ８６」は、Ｅｎにおきてｎ＝８６である場合をそれぞれ示している。同様に、「Ｄ５０」は上記説明したＤｍにおいてｍ＝５０である場合、「Ｄ８６」はＤｎにおいてｎ＝８６である場合を示している。

表１からわかるように、熱レンズ制御をおこなった場合には、設定焦点ずらし量にかかわらず、溶接長手方向バラツキ量を「小」とすることができた。一方、熱レンズ制御を行わなかった場合には、いずれも溶接長手方向バラツキ量は「中」であった。従って、熱レンズ制御をおこなうことにより、溶接部肉厚のばらつきを小さく抑え、溶接品質が均一である溶接部を得ることができた。

さらに、Ｅ５０／Ｅ８６≧２．６０、かつ、Ｄ５０／Ｄ８６≦０．６５を満たすようにレーザ光の焦点位置を調整し、かつ熱レンズ制御をおこなったものは、設定焦点ずらし量にかかわらず、くぼみ量が小さく抑制されるとともに、くぼみ量の溶接長手方向の変動を小さく抑えることができ、溶接部肉厚のばらつきも小さいので溶接品質が良好であった。

以上、現時点において最も実践的であり、かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う、鋼板のレーザ溶接方法、およびレーザ溶接装置も本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

１つの実施形態に係るレーザ溶接装置の模式図である。 レーザ出力制御の他の例を説明するための図である。 レーザ焦点位置付近のレーザ形状を模式的に示す図である。 レーザ光の所定位置におけるレーザ強度分布である。 図５（ａ）は総エネルギＶｏ（斜線部）を説明する図、図５（ｂ）は、総エネルギ量に対してｍ％のエネルギを有する部分（斜線部Ｖｍ）とＶｍに対応するエネルギ分布の直径Ｄｍを説明する図、図５（ｃ）は、総エネルギ量に対してｎ％のエネルギを有する部分（斜線部Ｖｎ）とＶｎに対応するエネルギ分布の直径Ｄｎを説明する図である。 実施例における必要レーザ出力の算出方法を説明するための図である。 レーザ焦点位置が被溶接材と溶接ヘッドとの間に配置されたときにおける焦点位置ズレ量を説明するための図である。 レーザ焦点位置が被溶接材を挟んで、溶接ヘッドとは反対側に配置されたときにおける焦点位置ズレ量を説明するための図である。 レーザ照射時間とスポット径の変化量との関係を説明する図である。 レーザ照射時間と、溶接部の溶け込み深さとの関係を説明するための図である。 従来の溶接装置を説明するための図である。 溶接部のくぼみを説明するための図である。

符号の説明

１ 被溶接材（鋼材）
２ 被溶接材（鋼材）
１０ レーザ溶接装置
１１ レーザ発振機
１２ 伝送ファイバ
１３ 溶接ヘッド
１４ コリメーションレンズ
１５ 集光レンズ
１６ 保護ガラス

Claims (5)

1. 光ファイバにより伝送されるレーザ光を溶接ヘッドから突き合わされた鋼板に照射し、該鋼板の幅方向の一端から他端に向かって連続的に溶接する方法であって、
   前記レーザ光の照射時間の経過に伴う前記鋼板表面における前記レーザ光のスポット径の変化、又は照射するレーザ光の出力を一定としたときに該レーザ光の照射時間の経過に伴う溶接部の溶け込み深さの変化に基づき、前記レーザ光のスポットのエネルギ密度、又は溶接部の溶け込み深さが前記鋼板の幅方向に均一になるように前記レーザ光の出力を変更することを特徴とする突き合わせ鋼板のレーザ溶接方法。
2. 前記レーザ照射時間の経過に伴い前記レーザ光のスポット径が大きくなるとき、又は照射するレーザ光の出力を一定としたときに該レーザ光の照射時間の経過に伴い溶接部の溶け込み深さが浅くなるときには、前記レーザ照射時間の経過に従って前記レーザ光の出力を連続的に増大させ、
   前記レーザ照射時間の経過に伴い前記レーザ光のスポット径が小さくなるとき、又は照射するレーザ光の出力を一定としたときに該レーザ光の照射時間の経過に伴い溶接部の溶け込み深さが深くなるときには、前記レーザ照射時間の経過に従って前記レーザ光の出力を連続的に低減させることを特徴とする請求項1に記載の突き合わせ鋼板のレーザ溶接方法。
3. 前記レーザ照射時間の経過に伴う前記レーザ光のスポット径の変化、および前記溶接部の溶け込み深さの変化は、予めレーザ出力を一定として鋼板の幅方向の一端から他端に向かってレーザ光を照射することにより求めておいたスポット径の変化、又は溶接部の溶け込み深さの変化を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の突き合わせ鋼板のレーザ溶接方法。
4. 請求項1〜３のいずれか１項に記載の突き合わせ鋼板のレーザ溶接方法であって、
   さらに、前記レーザ光が最初に前記鋼板に接する部分のレーザ断面における強度分布から、該断面の総エネルギ量に対してｍ％、およびｎ％のそれぞれのエネルギを有する部分の直径ＤｍおよびＤｎと、それぞれの該部分のエネルギ密度Ｅｍ、およびＥｎと、を得て、Ｅｍ／Ｅｎ、およびＤｍ／Ｄｎが所定の値を満たすように前記レーザ光の焦点位置を調整して溶接する突き合わせ鋼板のレーザ溶接方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の突き合わせ鋼板のレーザ溶接方法に供されるレーザ溶接装置であって、
   光ファイバで伝送可能なレーザ光を発振するレーザ発振機と、
   前記レーザ発振機から発振したレーザ光を伝送する光ファイバと、
   前記光ファイバの出力端に接続されレーザ光を溶接に適するように制御する溶接ヘッドと、を備え、
   さらに、前記レーザ発振機は、レーザ照射時間の経過に従いレーザ光の出力を変更する機能を備えるレーザ溶接装置。

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