JP2011200915A - アルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄肉化されて使用される高強度のアルミニウム合金材をパルスレーザ溶接する場合においても、溶接割れの発生を防止し、生産性が高いアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】被溶接材は、Ｍｎを０．１乃至１．８質量％、Ｍｇを０．４乃至１．２質量％、Ｃｕを０．１乃至３．０質量％、Ｓｉを０．３質量％未満、及びＦｅを１．０質量％未満含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなる。この被溶接材を１対配置し、被溶接材に第１のパルスレーザ光１及び第２のパルスレーザ光２からなる２段波形のパルスレーザ光を照射してパルスレーザ溶接を行う。第１及び第２のパルスレーザ光は、ピーク出力値の比Ｐ_２／Ｐ_１が０．３乃至０．６であり、照射時間の比ｔ_２／ｔ_１が１．５以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金からなる被溶接材にパルスレーザ光を照射して溶接するアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法に関する。

従来、例えば携帯電話、並びに電気自動車及びハイブリッドカー等の動力源として、リチウムイオン電池等の二次電池が使用されており、軽量で放熱性が優れ、強度も高いという理由から、これらの二次電池のケース材等としては、ＪＩＳ Ａ ３００４等のアルミニウム合金材が使用されている。

二次電池の製造においては、上記アルミニウム合金の板材を、例えば深絞り加工することにより、二次電池のケース材を成形し、その後、ケース材に電極及び電解溶液等の内容物を充填し、蓋材となるアルミニウム合金材をケース材に重ね合わせて、蓋材とケース材とを、溶接により接合する。

パルスレーザ溶接は、生産性に優れた溶接方法であり、このような二次電池等の部材同士を接合する場合に好適である。特に、被溶接材の肉厚が薄い場合において、パルスレーザ溶接は、好適な溶接方法である。

アルミニウム合金材のパルスレーザ溶接において、溶接継手部の品質を向上させるために、種々の検討が行われている。図７は、従来のパルスレーザ溶接に使用されるパルスレーザ光の波形を示す図である。図７に示すように、従来のパルスレーザ溶接においては、パルスレーザ光は矩形波（図７（ａ））又は三角波（図７（ｂ））の波形のものが使用されている。しかしながら、二次電池用ケースには、電解溶液等の有機物が付着している場合があり、パルスレーザ光の波形を従来の矩形波又は三角波とした場合に、溶融したアルミニウム合金と有機物とが熱反応したり、有機物が蒸発して溶接部に穴が形成され、溶接継手の接合強度が低下する場合がある。この問題点を解決するために、特許文献１には、二次電池等に使用されるアルミニウム合金材を重ね合わせレーザ溶接する方法において、矩形波のパルスレーザ光により被溶接材の表面の有機物成分が溶融池に入り込まない条件で有機物成分を蒸発させた後、矩形波よりもパルスピーク出力が大きい三角波のパルスレーザ光を照射して被溶接材同士を接合する技術が開示されている。

特許文献２には、航空機、自動車及び電気電子機器部品等に使用されるアルミニウム合金板において、アルミニウム合金材の組成を工夫することにより、アルミニウム合金板をパルスレーザ溶接により溶接した場合においても、アルミニウム合金板の強度を高め、溶接部の割れを防止する技術が開示されている。

特開平１１−２４５０６６号公報 特開２００６−１０４５８０号公報

しかしながら、上述の従来技術には以下のような問題点がある。近時、携帯電話及びハイブリッドカー等の需要は、ますます増加しており、従って、これらのアルミニウム合金材からなる部品の製造においては、その生産性を向上させることが望まれている。このような部品の製造において、生産性を向上させるためには、例えばパルスレーザ光の溶接入熱を増加することが必要とされている。この場合に、被溶接材に照射するパルスレーザ光が矩形波又は三角波である場合においては、溶接部に溶接割れが発生するという問題点がある。一方、アルミニウム合金材は、軽量化が望まれており、薄肉化のために、例えばＭｇ、Ｃｕ、Ｆｅ及びＳｉ等の成分を多く含有させ、これによりアルミニウム合金材の耐圧強度を高める必要がある。しかしながら、このような耐圧強度を高める合金成分を含有する場合においては、アルミニウム合金材の割れ感受性が高くなり、パルスレーザ溶接時に、溶接割れが生じやすいという問題点がある。特に、ＪＩＳ Ａ ３００４等のアルミニウム合金のように、Ｍｇを多量に含有するアルミニウム合金材を使用した場合においては、溶接割れの発生は顕著となる。

特許文献１の技術は、被溶接部材に電解溶液等の有機物が付着している場合の問題点を解決するためのものであり、矩形波と三角波のパルスレーザ光を組み合わせているが、被溶接材を接合するためのパルスレーザ光は実質的には三角波である。従って、生産性向上のためにパルスレーザ光の溶接入熱を増加させた場合、従来の矩形波又は三角波のパルスレーザ光を使用した場合と同様に、溶接部に割れが発生する。また、アルミニウム合金材が薄肉化のためのＭｇ等の成分を多く含有している場合においても、アルミニウム合金材の割れ感受性が高くなり、溶接割れが発生してしまう。

また、特許文献２には、アルミニウム合金材のパルスレーザ溶接時に、溶接部の割れを抑制する組成が開示されているものの、特許文献２のアルミニウム合金材は、パルスレーザ溶接時の溶接条件によっては、溶接部に割れが発生することを防止することができない。特に、生産性を向上させるために溶接入熱を増やした場合においては、溶接部の割れが顕著に発生してしまう。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、薄肉化されて使用される高強度のアルミニウム合金材をパルスレーザ溶接する場合においても、溶接割れの発生を防止し、生産性が高いアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に係るアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法は、Ｍｎを０．１乃至１．８質量％、Ｍｇを０．４乃至１．２質量％、Ｃｕを０．１乃至３．０質量％、Ｓｉを０．３質量％未満、及びＦｅを１．０質量％未満含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなる１対の被溶接材にパルスレーザ光を照射して溶接するアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法において、前記パルスレーザ光は、矩形波形の第１のパルスレーザ光と、この第１のパルスレーザ光に続く矩形波形の第２のパルスレーザ光と、からなる２段波形であり、前記第１のパルスレーザ光のピーク出力値をＰ_１、前記第１のパルスレーザ光の前記被溶接材への照射時間をｔ_１、前記第２のパルスレーザ光のピーク出力値をＰ_２、前記第_２のパルスレーザ光の前記被溶接材への照射時間をｔ_２としたときに、前記第１のパルスレーザ光のピーク出力値に対する前記第２のパルスレーザ光のピーク出力値の比Ｐ_２／Ｐ_１が０．３乃至０．６であり、前記第１のパルスレーザ光の照射時間に対する前記第２のパルスレーザ光の照射時間の比ｔ_２／ｔ_１が１．５以上であることを特徴とする。

上述のアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法において、前記アルミニウム合金は、更にＺｒを０．０５乃至０．２５質量％含有することが好ましい。

上述のアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法において、前記Ｐ_１は、例えば１．５乃至５ｋＷであり、前記ｔ_１は、例えば０．１乃至５ｍｓｅｃである。

本発明のアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法においては、被溶接材を構成するアルミニウム合金材の組成を適正に規定した上で、被溶接材に照射するパルスレーザ光を第１及び第２のパルスレーザ光からなる連続パルスによる２段波形とし、第１及び第２のパルスレーザ光については、ピーク出力値の比と被溶接材への照射時間の比とを適正な範囲で規定している。これにより、被溶接材は、薄肉化されて使用される場合においても、高い耐圧強度を有しており、パルスレーザ光の出力及び照射時間の制御により、溶接部に割れを生じることなく、生産性よく被溶接材を溶接することができる。

本発明のパルスレーザ光の波形を示す図である。 例えばパルスレーザ溶接により線溶接を行う場合のパルスレーザ光の波形を一例として示す図である。 点溶接部及び線溶接部を示す模式図である。 パルスレーザ光の波形を一例として示す図である。 本発明の溶接方法により形成された溶接部をマクロ観察した図である。 溶接部が１層に形成され、割れが生じた場合を示すマクロ観察図である。 従来のパルスレーザ溶接におけるパルスレーザ光の波形を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法について説明する。先ず、本発明のパルスレーザ溶接方法により溶接される被溶接材の構成について説明する。本発明における被溶接材は、アルミニウム合金からなり、Ｍｎを０．１乃至１．８質量％、Ｍｇを０．４乃至１．２質量％、Ｃｕを０．１乃至３．０質量％、Ｓｉを０．３質量％未満、及びＦｅを１．０質量％未満含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成を有する。

上述の如く、電池ケース等の軽量化を目的として素材のアルミニウム合金材を薄肉化する場合においては、アルミニウム合金材の強度を高め、二次電池等の構造体用部材としての強度、特に耐圧強度を高める必要がある。アルミニウム合金材の耐圧強度を高めるためには、一般に、アルミニウム合金材の合金成分としてＭｇ、Ｃｕ、Ｆｅ及びＳｉ等を添加することが行われている。しかしながら、アルミニウム合金材がこれらの成分を含有している場合には、アルミニウム合金材の割れ感受性が高まり、アルミニウム合金材をパルスレーザ溶接する際に、溶接部に溶接割れが生じてしまう。

本願発明者等は、アルミニウム合金材をパルスレーザ溶接する際の溶接割れを防止するために、上記薄肉化されたアルミニウム合金材の耐圧強度を高める成分の添加量を種々検討しつつ、パルスレーザ溶接による溶接条件を種々検討した。そして、アルミニウム合金材の耐圧強度を高めつつ、パルスレーザ溶接時に、溶接入熱が大きい場合においても、溶接割れを発生させないためには、被溶接材を構成するアルミニウム合金にＭｇを０．４乃至１．２質量％、Ｃｕを０．１乃至３．０質量％、Ｓｉを０．３質量％未満、及びＦｅを１．０質量％未満含有させればよいことを知見した。

本発明においては、上記組成を有するアルミニウム合金からなる１対の被溶接材をパルスレーザ溶接する。例えば、１対の被溶接材の一方に他方の被溶接材を重ね合わせて配置し、重ね合わせ部をパルスレーザ溶接する。又は、１対の被溶接材同士を突き合わせて配置し、突き合わせ部をパルスレーザ溶接する。本発明においては、重ね合わせ溶接及び突き合わせ溶接の他に、すみ肉溶接、拝み溶接等、被溶接材が１対である場合の種々の溶接方法において、上記組成を有するアルミニウム合金材を使用する。

以下、本発明の被溶接材を構成するアルミニウム合金について、その組成の数値限定の理由について説明する。

「Ｍｎ：０．１乃至１．８質量％」
Ｍｎは、アルミニウム合金の母相内に固溶してアルミニウム合金の強度を高め、アルミニウム合金材の耐圧強度を向上させる作用を有する。アルミニウム合金中のＭｎの含有量が０．１質量％未満であると、アルミニウム合金材の耐圧強度を高める効果を十分に得ることができない。一方、Ｍｎの含有量が１．８質量％を超えると、アルミニウム合金の割れ感受性が高くなり、アルミニウム合金材をパルスレーザ溶接する際に、溶接割れが発生しやすくなる。従って、本発明の被溶接材を構成するアルミニウム合金は、Ｍｎを０．１乃至１．８質量％含有する。

「Ｍｇ：０．４乃至１．２質量％」
Ｍｇも、Ｍｎと同様に、アルミニウム合金の母相内に固溶してアルミニウム合金の強度を高め、アルミニウム合金材の耐圧強度を向上させる作用を有する。アルミニウム合金中のＭｇの含有量が０．４質量％未満であると、アルミニウム合金材の耐圧強度を高める効果を十分に得られず、Ｍｇの含有量が１．２質量％を超えると、アルミニウム合金の割れ感受性が高くなり、溶接割れが発生しやすくなる。よって、本発明の被溶接材を構成するアルミニウム合金は、Ｍｎを０．４乃至１．２質量％含有する。

「Ｃｕ：０．１乃至３．０質量％」
Ｃｕも、Ｍｎ及びＭｇと同じく、アルミニウム合金の母相内に固溶してアルミニウム合金の強度を高め、アルミニウム合金材の耐圧強度を向上させる作用を有する。そして、アルミニウム合金中のＣｕの含有量が０．１質量％未満であると、アルミニウム合金材の耐圧強度を高める効果を十分に得ることができず、Ｃｕの含有量が３．０質量％を超えると、アルミニウム合金の割れ感受性が高くなり、溶接割れが発生しやすくなる。よって、本発明の被溶接材を構成するアルミニウム合金は、Ｃｕを０．１乃至３．０質量％含有する。よって、本発明のアルミニウム合金においては、Ｃｕを他の耐圧強度を高める合金成分よりも多く含有させることにより、アルミニウム合金材の耐圧強度を効果的に高めるものである。

「Ｓｉ：０．３質量％未満」
Ｓｉも、Ｍｎ、Ｍｇ及びＣｕと同様に、アルミニウム合金材の耐圧強度の向上に寄与する。しかしながら、Ｓｉは、アルミニウム合金の溶接割れ感受性を高めやすく、０．３質量％を超えて多量に含有させると、溶接割れが発生しやすくなる。従って、本発明においては、アルミニウム合金は、Ｓｉを０．３質量％未満含有する。

「Ｆｅ：１．０質量％未満」
Ｆｅも、上記合金成分と同様に、アルミニウム合金材の耐圧強度を向上させるが、Ｓｉと同様に、アルミニウム合金材の溶接割れ感受性を高めやすい。Ｆｅをアルミニウム合金に１．０質量％を超えて多量に含有させると、溶接割れが発生しやすくなり、また、パルスレーザ溶接時の溶接作業性を低下させてしまう。従って、本発明においては、アルミニウム合金は、Ｓｉを１．０質量％未満含有する。

「Ｚｒ：０．０５乃至０．２５質量％未満」
Ｚｒは、添加することにより、アルミニウム合金の組織を微細化する効果を有し、アルミニウム合金の溶接割れの抑制に効果をもたらす。また、Ｚｒは、添加することにより、アルミニウム合金材の成形性が向上する。アルミニウム合金中のＺｒの含有量が０．０５質量％未満であると、上記微細組織の形成による強度向上の効果及びアルミニウム合金材の成形性向上の効果を十分に得ることができず、Ｚｒの含有量が０．２５質量％を超えると、溶解・鋳造時にＺｒの巨大晶出物が形成され、板の圧延及び絞り成形に悪影響をもたらす。よって、本発明においては、アルミニウム合金は、Ｚｒを０．０５乃至０．２５質量％含有することが好ましい。

本発明においては、アルミニウム合金には、不可避的不純物として、例えばＣｒを０．０５質量％未満、Ｔｉを０．５質量％未満、Ｂを０．００５質量％未満含有させることができる。一般に、アルミニウム合金がＭｎを含有すると、アルミニウム合金内の不可避的不純物が多くなるが、本発明においては、上記不可避的不純物成分の含有量を規定することにより、例えばＴｉ及びＢを多く含有させることにより生じるビードの不整の発生を抑制することができる。なお、構造体の寸法及び必要強度に合わせて、これらの不純物成分の含有量を適宜調整することが好ましい。

次に、本発明のパルスレーザ溶接方法におけるパルスレーザ光の構成について説明する。従来のパルスレーザ溶接においては、図７に示すような矩形波及び三角波の波形のパルスレーザ光、又は特許文献１のような矩形波及び三角波を組み合わせ、矩形波のパルスレーザ光のピーク出力値を三角波のパルスレーザ光のピーク出力値よりも小さくすることが行われてきた。しかしながら、これらの従来技術においては、近時の薄肉化されて使用されるアルミニウム合金材において、割れ感受性が高くなり、溶接割れの発生を防止することができなかった。

本願発明者等は、アルミニウム合金材が薄肉化されて使用された場合において、高い耐圧強度を維持しつつ、パルスレーザ溶接時に溶接割れを発生させないための溶接条件を種々検討した。そして、パルスレーザ光を矩形波形の第１のパルスレーザ光と第２のパルスレーザ光との連続パルスからなる２段波形により構成し、第１のパルスレーザ光のピーク出力値を第２のパルスレーザ光のピーク出力値よりも大きくすれば、溶融プールの凝固を２段階に構成し、溶接部が２層に形成されることを知見した。即ち、パルスレーザ光を矩形波形の連続した２段波形により構成し、ピーク出力値を上記の如く制御することにより、１層目の溶接部の形成時には、凝固していく１層目の溶接部には溶融池から溶湯が補充されていくため、例えば溶接部のひけ巣等の欠陥部には溶湯が補間されていき、２層目の溶接部の形成時には、１層目の溶接部とは結晶粒径及び結晶方位が異なる溶接部が形成されていき、更に１層目の溶接部が２層目の溶接部に作用する収縮力を吸収するため、溶接割れの発生を防止できることを知見した。

また、本願発明者等は、パルスレーザ光の照射時間を適正な範囲とすることにより、溶融池の凝固を適切な速度で進行させ、これにより、溶接割れを発生させることなく、被溶接材を溶接できることを知見した。これにより、アルミニウム合金材が、耐圧強度を高める成分を含有している場合においても、溶接部に溶接割れを発生させることなく、パルスレーザ溶接により、健全な溶接部が得られることを見出し、本発明に至った。

本発明においては、図１に示すように、パルスレーザ光は、夫々矩形波形の第１のパルスレーザ光１及び第２のパルスレーザ光２との連続パルスからなる２段に構成されている。なお、図１に示すパルスレーザ光は、パルスレーザ溶接時に、１対の被溶接材同士を１点で溶接する場合におけるパルス波形である。即ち、図３に示すように、１個のパルスレーザ光の照射により、１対の被溶接材３同士が点状に溶接されて、溶接部４が形成され、被溶接材３同士が接合される。パルスレーザ溶接により、線溶接を行う場合においては、図２に示すように、パルスレーザ光は、被溶接材３に複数回照射される。これにより、１個のパルスレーザ光により、被溶接材同士が点状に溶接され、パルスレーザ光の照射位置を既に溶接された部分に若干ラップするように移動させた後、他のパルスレーザ光により、被溶接材３同士を新たに点状に溶接する。これを複数回繰り返すことにより、複数個の点状溶接部により溶接部５が線状に形成され、被溶接材３同士が接合される。

本発明においては、パルスレーザ光を第１のパルスレーザ光１及び第２のパルスレーザ光２の連続パルスからなる２段に構成し、第１のパルスレーザ光のピーク出力値Ｐ_１を第２のパルスレーザ光２のピーク出力値Ｐ_２よりも大きくすることにより、２層構成の溶接部を形成して被溶接材３同士を接合する。即ち、ピーク出力値が大きい第１のパルスレーザ光１の照射により、被溶接材３上に溶融池を形成し、第２のパルスレーザ光２の照射により、溶融池はその周縁の領域から凝固していき、１層目の溶接部が形成されていく。本発明においては、この溶融池の凝固の際にも、溶融池には第２のパルスレーザ光２を照射する。これにより、溶融池が急速に凝固して、例えばひけ巣等の溶接欠陥の発生による溶接割れが発生することを防止する。その後、第２のパルスレーザ光２が照射されている部分を凝固させ、例えば溶融池の中央に２層目の溶接部を形成する。

また、本発明においては、第１のパルスレーザ光の照射時間ｔ_１よりも第２のパルスレーザ光の照射時間ｔ_２を長くなるようにパルスレーザ光を照射する。これにより、１層目の溶接部が凝固していく期間を十分長く確保し、その後、第２のパルスレーザ光２の照射を停止することにより、２層目の溶接部が形成されていく。第１及び第２のパルスレーザ光の照射時間をこのように構成することにより、１層目の溶接部の形成において、凝固していく溶接部のひけ巣等の欠陥部には、溶湯が補間されていくため、ひけ巣等の溶接欠陥の発生による溶接割れの発生を防止することができる。

本発明においては、パルスレーザ溶接時のパルスレーザ光のピーク出力値とパルスレーザ光の照射時間とを、溶融プールの形成状態を決定し、溶接部の品質を決定する重要なパラメータとして取り扱う。即ち、本発明においては、第１のパルスレーザ光のピーク出力値Ｐ_１に対する第２のパルスレーザ光のピーク出力値Ｐ_２の比Ｐ_２／Ｐ_１は、０．３乃至０．６である。比Ｐ_２／Ｐ_１が０．３未満であると、パルスレーザ光を連続した２段波形のパルスにより構成したことによる効果が小さくなり、溶接部が従来と同様に１層に形成される。よって、溶接部の割れが発生しやすくなる。一方、比Ｐ_２／Ｐ_１が０．６を超えた場合においても、１層目の溶接部の凝固時に、高出力の第２のパルスレーザ光２が照射されることになり、１層目の溶接部の形成が円滑に進行しなくなり、溶接部が１層により構成されて溶接割れも発生しやすくなる。

上記第１のパルスレーザ光のピーク出力値Ｐ_１は、１．５乃至５ｋＷであることが好ましい。第１のパルスレーザ光のピーク出力値Ｐ_１が１．５ｋＷ未満であると、被溶接材３に照射されるパルスレーザ光の全体の出力が小さくなり、溶接部への入熱量が小さくなって溶融池を十分な大きさで形成することが難しくなり、溶接強度が若干低下する。一方、第１のパルスレーザ光のピーク出力値Ｐ_１が５ｋＷを超えると、パルスレーザ光の出力値が過大となり、凝固時間を長くした場合においても、溶接部の凝固が円滑に進行しにくくなる。

また、本発明においては、第１のパルスレーザ光の照射時間ｔ_１に対する前記第２のパルスレーザ光の照射時間ｔ_２の比ｔ_２／ｔ_１が１．５以上である。比ｔ_２／ｔ_１が１．５未満であると、１層目の溶接部の凝固時間を十分に得て溶接部を２層に形成することが難しくなる。従って、溶接部の形成時に溶接割れが発生しやすくなる。

上記第１のパルスレーザ光の照射時間ｔ_１は、０．１乃至５ｍｓｅｃであることが好ましい。第１のパルスレーザ光の照射時間ｔ_１が０．１ｍｓｅｃ未満であると、溶接部の形成の際に、十分な凝固時間を得にくくなり、健全な溶接部を形成しにくくなる。一方、第１のパルスレーザ光の照射時間ｔ_１が５ｍｓｅｃを超えると、パルスレーザ光の照射時間が長くなって、溶接時間が長くなり、例えば二次電池等用のアルミニウム合金材の生産性が低下しやすくなる。

次に、本発明のアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法の動作について説明する。本発明においては、図２に示すように、アルミニウム合金からなる１対の被溶接材３同士を例えば重ね合わせて配置し、重ね合わせ部にパルスレーザ光を照射して、被溶接材３同士をパルスレーザ溶接により接合する。なお、１対の被溶接材３同士を突き合わせ溶接する場合においては、被溶接材３同士を突き合わせて配置し、突き合わせ部にパルスレーザ光を照射する。その他の溶接方法においても、各溶接方法に合わせて１対の被溶接材３同士を適宜配置し、パルスレーザ光を照射して、被溶接材３同士をパルスレーザ溶接により接合する。パルスレーザ光を１点に照射した場合においては、点状の溶接部４が形成され、照射位置を若干ラップさせながら複数回パルスレーザ光を複数回照射した場合においては、複数個の点状溶接部により線状の溶接部５が形成される。

本発明においては、被溶接材３を構成するアルミニウム合金は、Ｍｎを０．１乃至１．８質量％、Ｍｇを０．４乃至１．２質量％、Ｃｕを０．１乃至３．０質量％、Ｓｉを０．３質量％未満、及びＦｅを１．０質量％未満含有し、これにより、アルミニウム合金材の耐圧強度を高めている。

この被溶接材３上に、パルスレーザ光を照射して被溶接材３をパルスレーザ溶接する。本発明においては、１点に照射されるパルスレーザ光は図１に示すように夫々矩形波形の第１のパルスレーザ光１と第２のパルスレーザ光２との連続パルスからなる２段に構成されている。先ず、被溶接材３に矩形波形の第１のパルスレーザ光１を照射する。このとき第１のパルスレーザ光１のピーク出力値Ｐ_１を例えば１．５乃至５ｋＷとし、照射時間ｔ_１を例えば０．１乃至５ｍｓｅｃとする。これにより、被溶接材３のパルスレーザ光が照射された部分には、例えば平面視で円形の溶融池が形成される。

ｔ_１経過後、被溶接材３に第２のパルスレーザ光２を連続的に照射する。第２のパルスレーザ光２のピーク出力値をＰ_２は、第１のパルスレーザ光のピーク出力値Ｐ_１の０．３乃至０．６倍とする。第２のパルスレーザ光２のピーク出力値を第１のパルスレーザ光に対して小さくすることにより、溶融池は、例えばその周縁部から徐々に凝固していく。第２のパルスレーザ光２の照射時間は、第２のパルスレーザ光１の照射時間の１．５倍以上とする。これにより、第２のパルスレーザ光２が照射されている間に溶融池の凝固が進行し、１層目の溶接部が例えば平面視で環状に形成される。このとき、１層目の溶接部には、凝固していく部分に例えばひけ巣等の溶接欠陥が形成されることがあるが、この欠陥部分には、溶融池から随時溶湯が補間されていく。従って、１層目の溶接部にはひけ巣等の溶接欠陥による溶接割れは発生しない。その後、第２のパルスレーザ光２の照射を停止する。

第２のパルスレーザ光２の照射を停止することにより、環状の１層目の溶接部の中央に残った溶融池が、例えばその周縁部から徐々に冷却されていき、２層目の溶接部が形成されていく。これにより、図３に示すような点状の溶接部４が形成される。このように、溶接部を２層に構成することにより、２層目の溶接部は、１層目の溶接部とは結晶粒径及び結晶方位が異なる溶接部が形成されていき、１層目の溶接部が２層目の溶接部に作用する収縮力を吸収する。従って、２層目の溶接部の形成時にも溶接部には溶接割れは発生しない。

図３に示すように、被溶接材３を線状に溶接して、線状の溶接部５を形成する場合においては、第２のパルスレーザ光２の照射を停止後に、パルスレーザ光の照射位置を既に溶接された部分に若干ラップするように移動させ、再度、第１及び第２のパルスレーザ光１、２を照射する。これにより、パルスレーザ光の照射位置を被溶接材３上で移動させながら、被溶接材３に図２に示すような間欠的なパルスレーザ光を照射する。これにより、被溶接材３には、複数個の点状溶接部により溶接部５が線状に形成される。このように、被溶接材３を線状に溶接する場合においても、溶接部５を構成する１点１点の溶接部には、溶接割れは発生しない。従って、本発明のアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法によれば、被溶接材３が高い耐圧強度を有しており、パルスレーザ光の出力及び照射時間の制御により、溶接部に割れを生じることなく、生産性よく被溶接材３を溶接することができる。

なお、溶融プールの形成状態及び溶接部の品質は、凝固後の溶接ビードの断面を観察することにより、判定することができる。即ち、溶接ビードが凝固した後、溶接ビードを含むように被溶接材を切断し、この断面に例えばケラー氏液に浸漬して断面をエッチングした後、溶接部をマクロ観察することにより判定することができる。図５及び図６は、ケラー氏液によりエッチング処理した断面を顕微鏡（倍率５０倍）によりマクロ観察した図であり、図５は本発明のパルスレーザ溶接方法により溶接して健全な溶接部が得られた場合を示す図、図６は溶接部に割れが生じた場合を示す図である。なお、図５及び図６においては、被溶接材を構成しているアルミニウム合金の組成は、本発明の範囲を満足するものである。ケラー氏液とは、硝酸：２．５体積％、フッ酸：１．０体積％、塩酸：１．５体積％及び蒸留水９５．０体積％を混合することにより生成されるエッチング液である。

図５に示すように、本発明のパルスレーザ溶接方法によりアルミニウム合金材を溶接した場合においては、溶接ビードは、被溶接材の表面から盛り上がるようにドーム形状に形成され、周縁部の１層目の溶接部と中央部の２層目の溶接部とにより２層に構成されている。そして、溶接部には、割れは発生しておらず、健全な溶接部が得られている。これに対して、図６は、パルスレーザ光の波形が、従来と同様に（矩形波又は三角波）である場合の溶接部を示すものであり、溶接部は１層に形成され、溶接部の中央には大きな溶接割れが発生していることが分かる。

なお、溶融プールの形成状態及び溶接部の品質をマクロ観察する場合においては、ケラー氏液に浸漬する前に溶接ビードの断面を例えばエメリー紙（２００番台が好適）で研磨（バフ研磨）した後、エッチングを行い顕微鏡により観察することにより判定することができる。

本発明においては、被溶接材３に照射するパルスレーザ光を矩形波形の第１及び第２のパルスレーザ光１、２の連続パルスからなる２段構成とし、第１のパルスレーザ光１のピーク出力値Ｐ_１を第２のパルスレーザ光２のピーク出力値Ｐ_２よりも大きくすることにより、溶接割れの発生を防止しているが、例えば、図４（ａ）に示すように、仮にパルスレーザ光１３を３段に構成した場合においては、溶融池の温度を３段階に変化させ、形成される溶接部も３層となるが、パルスレーザ光の波形が図７（ｂ）の三角波に近くなることにより、溶融池の温度勾配が、例えば周縁部から中央部へと徐々に低下するようなものとなる。従って、この場合、結晶粒が溶接部の周縁部から中央部にかけて徐々に粗大化し、溶接割れが発生してしまう。また、パルスレーザ光の波形を図４（ｂ）に示すようなスロープ状の波形１４とした場合においても、従来の矩形波及び三角波のパルスレーザ光を照射した場合と同様に、溶接部には溶接割れが発生する。即ち、本発明の如く、パルスレーザ光を矩形波形の第１及び第２のパルスレーザ光１、２の連続パルスからなる２段構成とし、第１のパルスレーザ光１のピーク出力値Ｐ_１を第２のパルスレーザ光２のピーク出力値Ｐ_２よりも大きくし、各パルスレーザ光の照射時間を適正な範囲にすることにより、溶接割れの発生を防止するという効果を得ることができる。

以下、本発明の実施例について、その効果を比較例と比較して説明する。本実施例においては、表１に示す組成を有するアルミニウム合金からなる板厚０．８ｍｍの板材から幅３０ｍｍ、長さ１００ｍｍの試験片を切り取り、各実施例及び比較例の共試材とした。そして、各実施例及び比較例の試験片上にパルスＹＡＧ溶接機（オムロンレーザフロント社製、製品名：Ｍ８０２Ｅ）によりパルスレーザ溶接を行った。溶接方法は、ビードオンプレートの点溶接及び線溶接とし、溶接条件は、パルス波の周波数：１０乃至２００Ｈｚ、溶接速度：１００乃至８００ｍｍ／分、シールドガス：Ａｒ（２０Ｌ／分）とした。被溶接材の線溶接においては、ビードの長さを各試験片について９０ｍｍで一定とした。

そして、パルスレーザ光のパルス波を矩形波（従来）、２段波形、３段波形及びスロープ波形とした場合において、レーザパルス波のピーク出力値及び照射時間を変化させ、パルスレーザ溶接後の溶接部断面を観察した。このとき、矩形波及び２段波形のパルス波形のレーザ光を照射する場合については、１段目のレーザパルス波のピーク出力値Ｐ_１を１乃至１０ｋＷ、同じく１段目のレーザパルス波の照射時間ｔ_１を０．２乃至５ｍ秒とした。そして、溶接部の層数及び溶接割れの有無を確認した。パルスレーザ光のパルス波を３段波形とした場合においては、１段目のレーザパルス波のピーク出力値を３ｋＷ、照射時間を１．５ｍｓｅｃとし、２段目のレーザパルス波のピーク出力値を２ｋＷ、照射時間を２ｍｓｅｃとし、３段目のレーザパルス波のピーク出力値を１ｋＷ、照射時間を２ｍｓｅｃとした。溶接部の層数については、点溶接した場合のビードを含むように試験片を切断し、ケラー氏液でエッチングした後、溶接部をマクロ観察することにより確認した。溶接割れの有無は、線溶接による溶接部の表面をマクロ観察することにより確認した。溶接割れについては、溶接部に割れが全く発生しなかった場合を○、溶接部に一部でも割れが発生した場合を△、溶接部の長さ方向にわたって全体に割れが発生した場合を×と判定した。各実施例及び比較例について、パルス波の印加条件及び溶接部の層数及び溶接割れの判定結果について、下記表２に示す。

表２に示す実施例Ｎｏ．１乃至８は、アルミニウム合金材の組成が本発明の範囲を満足し、パルスレーザ光の照射条件も本発明の範囲内であり、図５に示すような２層のビードが形成され、溶接割れも発生しなかった。

比較例Ｎｏ．１は、第１及び第２のパルスレーザ光のピーク出力値の比Ｐ_２／Ｐ_１が本発明の範囲未満であったので、図６に示すような１層のビードが形成され、溶接部の長さ方向にわたって全体に割れが発生した。比較例Ｎｏ．２は、第１及び第２のパルスレーザ光のピーク出力値の比Ｐ_２／Ｐ_１が本発明の範囲を上回り、図６に示すような１層のビードが形成され、溶接部の一部に割れが発生した。

比較例Ｎｏ．３は、アルミニウム合金材に照射するパルスレーザ光のパルス波が、従来と同様の矩形波であったので、図６に示すような１層のビードが形成され、溶接部の長さ方向にわたって全体に割れが発生した。比較例Ｎｏ．４は、アルミニウム合金材に図４（ａ）に示すような３段波形のパルスレーザ光を照射したので、形成された溶接部の層数は３層となったが、結晶粒が溶接部の周縁部から中央部にかけて徐々に粗大化し、溶接部の長さ方向にわたって全体に割れが発生した。比較例Ｎｏ．５は、アルミニウム合金材に図４（ｂ）に示すようなスロープ波形のパルスレーザ光を照射したので、従来の矩形波及び三角波のパルスレーザ光を照射した場合と同様に、図６に示すような１層のビードが形成され、溶接部の長さ方向にわたって全体に割れが発生した。

比較例Ｎｏ．６及び７は、アルミニウム合金材に照射するパルスレーザ光の照射条件が本発明の範囲を満足し、溶接部は２層に形成されたものの、アルミニウム合金材中のＭｇの含有量が本発明の範囲を超え、割れ感受性が高くなり、溶接部の長さ方向にわたって全体に割れが発生した。比較例Ｎｏ．８及び９は、アルミニウム合金材に照射するパルスレーザ光の照射条件が本発明の範囲を満足し、溶接部は２層に形成されたものの、アルミニウム合金材中のＳｉの含有量が本発明の範囲を超え、割れ感受性が高くなり、溶接部の一部に割れが発生した。

１：第１のパルスレーザ光、２：第２のパルスレーザ光、３：被溶接材、４：（点状の）溶接部、５：線状の溶接部、１１：矩形波、１２：三角波、１３：３段波、１４：スロープ波

Claims (4)

1. Ｍｎを０．１乃至１．８質量％、Ｍｇを０．４乃至１．２質量％、Ｃｕを０．１乃至３．０質量％、Ｓｉを０．３質量％未満、及びＦｅを１．０質量％未満含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなる組成を有するアルミニウム合金からなる１対の被溶接材にパルスレーザ光を照射して溶接するアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法において、
   前記パルスレーザ光は、矩形波形の第１のパルスレーザ光と、この第１のパルスレーザ光に続く矩形波形の第２のパルスレーザ光と、からなる２段波形であり、
   前記第１のパルスレーザ光のピーク出力値をＰ_１、前記第１のパルスレーザ光の前記被溶接材への照射時間をｔ_１、前記第２のパルスレーザ光のピーク出力値をＰ_２、前記第_２のパルスレーザ光の前記被溶接材への照射時間をｔ_２としたときに、前記第１のパルスレーザ光のピーク出力値に対する前記第２のパルスレーザ光のピーク出力値の比Ｐ_２／Ｐ_１が０．３乃至０．６であり、前記第１のパルスレーザ光の照射時間に対する前記第２のパルスレーザ光の照射時間の比ｔ_２／ｔ_１が１．５以上であることを特徴とするアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法。
2. 前記アルミニウム合金は、更にＺｒを０．０５乃至０．２５質量％含有することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法。
3. 前記Ｐ_１は、１．５乃至５ｋＷであることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法。
4. 前記ｔ_１は、０．１乃至５ｍｓｅｃであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金材のパルスレーザ溶接方法。

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