JP2012210659A - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザを用いたレーザ突き合わせ溶接において、溶接部の凹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、良好な溶接品質を得ることができるレーザの溶接方法を提供する。
【解決手段】発振機は、複数の発振媒体から構成される単一の発振機であり、光学系はコリメートレンズ、光屈折板および集光レンズを有し、レーザビームは、鋼板の表面において、１つのビームスポットまたは溶接線方向に並列した２つの円形状のビームスポットが形成されるように集光され、鋼板の表面におけるビームスポットの溶接線方向の総長さが溶接線に直交する方向のビームスポット幅より大きくなる関係を有してビームスポットが溶接線に沿って移動することにより溶接することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼板の突き合わせ部をレーザによって溶接するレーザ溶接方法、およびこれに供されるレーザ溶接装置に関し、詳しくは、溶接速度を高めながらも溶接欠陥を抑制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作り、この分布状態を概ね維持しながら伝送され、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、清浄度の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、容易に高い自由度を有してレーザ発振機からレーザ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が開発されるとともに、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、レーザによる鋼板の突き合わせ溶接においては、その不具合として溶接部にアンダーフィルと称される凹みを挙げることができる。図１６に凹みを模式的に示した。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１０３の一方側で溶接肉が欠落する部分（Ｚ）が生じるものである。いうまでもなく、このような凹みは、溶接継手強度の低下を招く。

このような凹みの主因は、突き合わせ面の隙間の発生であるが、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１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、さらに、特許文献２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、スパッタによるビードの凹みの発生に対しては、レーザ出力を下げることや、焦点位置から大きくずらして溶接すること（一般にデフォーカス（ＤＦ）と呼ばれることが多い。）により対応する場合がほとんどであった。

特開２００４‐３３０２９９号公報 特開２００４‐２２３５４３号公報

ところが、特許文献１や特許文献２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デフォーカス条件の選定をすることはレーザ溶接の効率（溶接速度）の大きな低下を招く問題があった。

そこで、本発明はレーザを用いたレーザ突き合わせ溶接において、溶接部の凹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、良好な溶接品質を得ることができるレーザの溶接方法、およびレーザ溶接装置を提供することを課題とする。

以下、本発明について説明する。

請求項１に記載の発明は、鋼板の端部を突き合わせて突き合わせ部を形成し、複数の発振媒体から構成される発振機から放出され、光ファイバにより伝送され、光学系で集光されたレーザビームを、突き合わせ部に照射して鋼板を溶接する方法であって、発振機は、複数の発振媒体から構成される単一の発振機であり、光学系はコリメートレンズ、光屈折板および集光レンズを有し、レーザビームは、鋼板の表面において、１つのビームスポットまたは溶接線方向に並列した２つの円形状のビームスポットが形成されるように集光され、鋼板の表面におけるビームスポットの溶接線方向の総長さが溶接線に直交する方向のビームスポット幅より大きくなる関係を有してビームスポットが溶接線に沿って移動することにより溶接することを特徴とする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、「総長さ」は、１つのビームスポットであればその全長を意味し、２つのスポットであれば一方と他方のスポットとで最も離隔した部分間を意味する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ溶接方法のレーザビームの鋼板の表面における１つのビームスポットまたは２つの円形状のビームスポットにおいて、ビームスポットの溶接線方向の総長さのうち溶接進行方向側半分のビームスポットのエネルギが２つの円形状のビームスポットの合計のエネルギの２０％以上８０％以下であ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に記載のレーザ溶接方法のレーザビームの鋼板の表面における２つの円形状のビームスポットは、その一部が重なるように集光されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法におけるレーザビームの鋼板表面における２つの円形状のビームスポットは、互いに分離して集光されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において鋼板の突き合わせ部に溶加材を供給して溶接することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において、光学系の軸線が、鋼板の厚さ方向に対して溶接進行方向とは反対方向に角度０〜１０°の範囲で傾けられていることを特徴とする。

ここで当該傾けられる角度は「後退角」と称されることがある。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法における発振媒体は、並列に配置された複数のファイバ状またはディスク状の結晶体から構成されることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法により溶接する工程を含むレーザ溶接部を有する鋼板の製造方法を提供することにより前記課題を解決する。

請求項９に記載の発明は、鋼板の端部を突き合わせて突き合わせ部を形成し、該突き合わせ部分にレーザビームを照射して鋼板を溶接する装置であって、レーザビームを発振する複数の発振媒体を備える単一の発振機と、発振機から放出されるレーザビームを伝送する光ファイバと、光ファイバが接続され、コリメートレンズ、光屈折板および集光レンズを有する光学系と、を備え、光学系は、レーザビームを集光してレーザビームの鋼板表面において、溶接線に直交する方向に比べ溶接線方向に長い１つのビームスポットを形成する、または２つのビームスポットを溶接線方向に並列して、形成することを特徴とする鋼板の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。
また上記発明では、発振媒体は、並列に配置された複数のファイバ状またはディスク状の結晶体から構成されてもよい。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のレーザ溶接装置において、集光レンズが非球面を有したレンズ又はシリンドリカルレンズであることを特徴とする。

本発明によれば、高い溶接効率を維持したまま、凹みを抑制することのできる突き合わせ溶接が可能となる。

第一実施形態に係るレーザ溶接装置の模式図である。 図１のレーザ溶接装置の変形例を示した図である。 第二実施形態に係るレーザ溶接装置の模式図である。 第一実施形態に係る本発明の溶接方法の一場面を示す図である。 第一実施形態に係る本発明の溶接方法におけるスポット形状と溶接線、溶接方向の関係を説明するための図である。 従来における溶接部の凹み発生の原因を説明するための図である。 本発明における溶接部における凹み抑制の理由を説明するための図である。 スポットの詳細を説明するための図である。 第二実施形態に係る本発明の溶接方法におけるスポットの詳細を説明するための図である。 第三実施形態に係る本発明の溶接方法におけるスポットの詳細を説明するための図である。 後退角を説明するための図である。 デプスゲージの概略を説明するための図である。 実施例の結果を表すグラフである。 実施例の結果を表すグラフである。 実施例の結果を表すグラフである。 凹みを説明するための図である。

本発明の上記した作用および利得は、次に説明する発明を実施するため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。

始めに、後述する本発明の実施形態に係る本発明のレーザ溶接方法に供される溶接装置について説明する。図１は第一実施形態に係る本発明の溶接装置１０に備えられる各構成を模式的に示した図である。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、コリメートレンズ１４、集光レンズ１５、およびツインスポットモジュール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。溶接装置１０でレーザ溶接に用いるレーザの種類は、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５ｋＷ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、ファイバレーザなど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、また、光学系の設計自由度が高くなるため、集光光学系から溶接対象物までの距離（ワーキングディスタンス）を大きくすることができ、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０．２ｍｍ以下である。

溶接ヘッド１３は、光ファイバ１２の出力端１２ａに接続され、伝送されたレーザを導入し、該レーザ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にはコリメートレンズ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、コリメートレンズ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。詳しくは、ファイバ径をＤ_{ｆｉｂｅｒ}、コリメートレンズの焦点距離をＦ１、集光レンズの焦点距離をＦ２としたときに、焦点径Ｄは、次式で表わされる。
Ｄ＝Ｄ_{ｆｉｂｅｒ}・（Ｆ２／Ｆ１）

さらに溶接ヘッド１３には、ツインスポットモジュール１６が含まれている。ツインスポットモジュール１６は、上記コリメートレンズ１４と集光レンズ１５との間に配置される。ツインスポットモジュール１６には、光屈折板としてプリズム１７（以下「光屈折板１７」と記載することがある。）が備えられ、これは図１（ａ）と図１（ｂ）とで光屈折板１７の位置が異なっていることからわかるように、レーザの横断面方向に移動可能とされている。そして、レーザ光の一部を光屈折板１７を透過させることにより、この部分のレーザ光の光路を他のレーザ光に対してわずかにずらすことができる。これにより、図１（ａ）に示したように、焦点位置に光屈折板１７を透過しないで得られるスポットｊｆ１１および光屈折板１７を透過して得られるスポットｊｆ１６の２つのスポットを同時に得ることができる。また、図１（ｂ）に示したように、焦点位置に光屈折板１７を通過しないで得られるスポットｊｆ１２および光屈折板１７を通過して得られるスポットｊｆ１７の２つのスポットを同時に得ることができる。ここで、スポットｊｆ１１とスポットｊｆ１６とのエネルギ比、およびスポットｊｆ１２とスポットｊｆ１７とのエネルギ比は、光屈折板１７の位置で調整することができる。

また、これにともない焦点位置からずれた位置にも２つのスポットが形成される。当該焦点位置からずれた位置の２つのスポットは無数に存在するが、例えば図１に示したｄｆ１１、ｄｆ１６、ｄｆ１２、ｄｆ１７等を挙げることができる。

溶接装置１０では後述するように、溶接方向に長い、または２つの並列するスポットを形成する（図８、図９参照）。そのため溶接装置１０は、同図に示すように溶接線方向に傾斜した傾斜面を備えるプリズムをコリメートレンズと集光レンズとの間に備える。コリメートレンズを通過したレーザビームの一部はこのプリズムにより溶接線方向に屈折する。

図２は変形例に係る本発明の溶接装置１０’の構成を模式的に示した図である。溶接装置１０’では、溶接装置１０に備えられる光屈折板１７の代わりに、プリズム１７’が配置されている。ここで、例えばコリメートレンズ１４を通過したレーザビームの一部はプリズム１７’の一面と集光レンズ１５を通過し、焦点位置（ｊｆ１１’）に集光する。他部分のレーザビームは、プリズム１７’の他面および集光レンズ１５を通過し、上記焦点位置とは別の位置に焦点が形成される（ｊｆ１６’）。２つの焦点のエネルギ比、及び相対位置は、レーザ横断面におけるプリズム１７’を移動させ、位置を調整することにより可能である。また、焦点ｊｆ１１’、ｊｆ１６’からずれた位置には例えば図２にｄｆ１１’、ｄｆ１６’で示したスポットが形成される。

図３は第二実施形態に係る本発明の溶接装置２０の構成を模式的に示した図である。溶接装置２０では、複数の発振機２１、２５と、これに接続された光ファイバ２２、２６、および溶接ヘッド２３、２７を備えている。溶接ヘッド２３、２７はコリメートレンズ及び集光レンズを含み、光学系を形成している。それぞれ溶接ヘッド２３、２７で集光されるレーザビームは、焦点位置においてそれぞれ円形の焦点（ｊｆ２１、ｊｆ２５）を形成するように集光される。また、焦点ｊｆ２１、ｊｆ２５からずれた位置には例えば図３にｄｆ２１、ｄｆ２５で示したスポットが形成される。焦点ｊｆ２１、ｊｆ２５やスポットｄｆ２１、ｄｆ２５の相対位置は溶接ヘッド２３、２７の位置や設置角度を変更することにより調整することができる。

以上のような溶接装置１０、１０’、２０により溶接部における凹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。

次に本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法について説明する。わかりやすさのため、ここでは上記した溶接装置１０を用いて溶接することを説明するが、本発明の溶接方法はこれに限定されることはなく、本発明の効果を奏するあらゆる装置を用いることができる。

ここで、被溶接材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４．０ｍｍ以上で顕著な効果を有する。

図４、図５は、第一実施形態に係る本発明の溶接方法Ｍ１を説明するための図である。図４は溶接方法Ｍ１において図４にＴで示した量のデフォーカスがされて溶接している場面を示す図である。図５は鋼板１、２のレーザ照射面側から見た図で、照射されるレーザのスポットＳ１の形態を表す図である。

溶接方法Ｍ１では、図４にＴで示した量だけ焦点位置からずらされた（デフォーカスされた）レーザスポットｄｆ１２、ｄｆ１７のレーザを鋼板１、２の突き合わせ部に照射しつつ溶接をおこなう。従って、ここにおけるレーザスポットｄｆ１２、ｆｄ１７の径Ｄｄｆは、
Ｄｄｆ＝Ｄ_{ｆｉｂｅｒ}・（Ｆ２／Ｆ１）・ｆ（ＤＦ）
で表される。ここで、Ｄ_{ｆｉｂｅｒ}は光ファイバ径、Ｆ１はコリメーションレンズの焦点距離、Ｆ２は集光レンズの焦点距離、ｆ（ＤＦ）はデフォーカス量による関数をそれぞれ意味する。光ファイバの径Ｄ_{ｆｉｂｅｒ}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０．２ｍｍ以下である。

さらに溶接方法Ｍ１で照射されるレーザスポットは図５からわかるようにスポットｄｆ１２、ｄｆ１７の一部が重なるようにされ、これにより１つの非円形のスポットＳ１が形成されている。図４、図５に「Ａ：溶接方向」と示したように、非円形であるスポットＳ１の長手方向を溶接方向としている。これにより高い溶接効率を維持したまま、凹みを抑制することが可能となる。その理由は次の通りである。

図６は、従来における１つの円形のスポットを有するレーザ照射により溶接した際の金属溶融部Ｍの状態を模式的に表した図で、紙面上方からレーザが照射されている場面である。図７は、本発明のレーザ溶接方法の際の金属溶融部Ｍの状態を模式的に表した図である。

従来の溶接方法では、レーザビームを照射すると溶融部Ｍの上下面Ｃ、Ｃ’から金属蒸気が噴出し、その蒸気反力によりキーホールＫが形成される。そして当該金属蒸気の噴出に溶融金属が巻き込まれて飛散し、これがスパッタとなることで凹み欠陥が発生する。エネルギ密度が高くなればそれに応じて蒸発反力も大きくなり、スパッタ量が増大するので凹み量が増大する。エネルギ密度を低くすればこれを抑制することはできるが、溶接の効率は低下するので生産の観点から好ましくない。また、被溶接材の板厚が大きくなると、キーホールＫが深くなるので、該キーホールＫの深さに対するキーホールＫの開口径が小さくなる。これによりキーホールＫの安定性が低下するため、溶融金属が巻き込まれ易くなりスパッタ発生の増加を招くことになる。

一方、本発明の溶接方法によれば、図７に示したような溶接部を得ることができる。図７（ａ）は図６と同様、溶接部の厚さ方向断面を模式的に表した図である。図７（ｂ）は図７（ａ）で示した部分を紙面上方から見た図である。すなわち、溶接方向に長いスポットＳ１を有するレーザを照射することにより、先行する部分が溶融部ＭにおけるキーホールＫを生じさせ、安定化させる。さらに先行する部分に追随する部分により、特にキーホールＫの上部が広げられて大きな開口を形成する。キーホールＫのこのような形状により金属蒸気流に溶融金属が巻き込まれ難くなるので、スパッタが低減される。これは、ピークを２つに分けたことにより、１つのピーク当たりのエネルギ密度が低くなり、溶融した金属の振動が小さく抑えられたことが原因の１つであると考えられる。スパッタが低減されることは、溶融金属の飛散による損失が少ないことを意味するので、凹み量を低減させることが可能となる。また、このように、キーホールの形態を変えることによりスパッタを低減させるので、レーザのエネルギを高く維持したままでも凹みを減らすことができ、速い溶接速度で溶接することも可能である。

本発明では、溶接線方向に対し、長いスポットを形成するため、円形スポットに比べ、熱伝導により溶け込み深さが大きくなる。特に厚板の鋼では薄板の鋼に比べて低速での溶接となるので、熱伝導の影響が大きくなり、溶け込み深さの大きい溶接が可能となる。

次に、溶接方法Ｍ１におけるビームプロファイルについてさらに詳しく説明する。図８（ａ）は、図５と同様、鋼板１、２のレーザ照射面側から見た場合におけるスポットＳ１の形状を模式的に表す図である。また図８（ｂ）はスポットＳ１の長手方向のエネルギ密度分布である。

溶接方法Ｍ１ではスポットＳ１が溶接方向に移動することにより溶接が進められる。そしてスポットＳ１は、図８に示したように、溶接方向に平行である長手方向の大きさＬが、溶接方向に直交する幅方向の大きさＷよりも大きく形成されている。

ここでＬの値は、１．３Ｗ＜Ｌ≦２．０Ｗであることが好ましく、１．８Ｗ＜Ｌ≦２．０Ｗであることが更に好ましい。ＬがＷに比べ過小ではスパッタの抑制が不十分で凹み量の低減効果が不十分となる虞がある。

また、図８（ｂ）に表したエネルギ密度の図から、紙面奥／手前方向も考慮した立体的なエネルギ密度分布における凸状部を形成する体積はスポットＳ１のエネルギを表すが、先行する長手方向側半分であるＳ１ａと、これに追随する長手方向半分であるＳ１ｂとのエネルギ比は、スポットＳ１の全体のエネルギを１００％としたとき、先行する部分Ｓ１ａのエネルギが２０％〜８０％の範囲であることが好ましい。これにより本発明の効果をさらに顕著なものとすることが可能となる。さらに好ましくは５０％〜８０％、最も好ましくは６５％〜８０％である。

溶接方法Ｍ１は、デフォーカスされたスポットＳ１により溶接するものであるが、これに限定されることなく、非円形である上記スポット形状により溶接するものであれば、本発明の溶接方法とすることができる。従って、焦点位置による溶接であってもよい。

ただし、デフォーカスを適用することにより次のような更なる効果を奏するものとなる。すなわち、通常、ファイバ伝送されるレーザ溶接で用いられる焦点位置でのビームプロファイルは、トップハット形状（中央にエネルギが集中し、周辺部にかけて急激に変化する。）となっている。この場合、例えば１０ｋＷのような大出力では、中央部のエネルギ密度が高いため、焦点位置で溶接を行うと、レーザ照射位置では、スパッタが発生して凹みを生じることがある。これに対して、デフォーカス位置で溶接を行うと、エネルギ集中が緩和されて、スパッタの発生を抑制することができる。しかし、一方で、デフォーカス量が過大となると、キーホールの形成が抑制されて、溶接速度（貫通能力）の低下を招く。従って、中央部にある程度のエネルギ量を確保しつつ、周辺部にも、エネルギを分散させ、ビームプロファイルを最適化する適切なデフォーカス量を選択することにより、溶接速度の低下を抑制しながら凹み量を効果的に防止することができる。

図９は、第二実施形態に係る本発明の溶接方法Ｍ２におけるスポットＳ２のプロファイルを示したものである。図９は図８に相当する図で、図９（ａ）は、鋼板をレーザ照射面側から見た場合におけるスポットＳ２の形状を模式的に表す図、図９（ｂ）はスポットＳ２の長手方向のエネルギ密度分布である。

スポットＳ２は、２つの分離した円形スポットＳ２ａ、Ｓ２ｂが溶接方向に並列されたスポットである。これは例えば、溶接装置１０において、図１（ａ）のｄｆ１１、ｄｆ１６により得ることができる。ここで、図９にＬ’で示したスポットＳ２の溶接方向に平行な長手方向大きさ（溶接線方向総長さ）は、Ｗ’で示した溶接方向に直交する方向の大きさよりも大きくされている。ここでＬ’の値は、２．０Ｗ’＜Ｌ’≦４．２Ｗ’であることが好ましく、２．０Ｗ’＜Ｌ’≦２．５Ｗ’であることがさらに好ましい。Ｌ’がＷ’に比べ過大ではエネルギが長手方向に分散しすぎる虞がある。

また、図９（ｂ）に表したエネルギ密度の図から、紙面奥／手前方向も考慮した立体的なエネルギ密度分布における凸状部を形成する体積はスポットＳ２のエネルギを表すが、先行するスポットＳ２ａと、これに追随するスポットＳ２ｂとのエネルギ比は、スポットＳ２の全体エネルギを１００％としたとき、先行するスポットＳ２ａのエネルギが２０％〜８０％の範囲であることが好ましい。これにより本発明の効果をさらに顕著なものとすることが可能となる。さらに好ましくは５０％〜８０％、最も好ましくは６５％〜８０％である。

このようなスポットＳ２による溶接方法Ｍ２も本発明の溶接方法とすることができる。また他の条件等は、溶接方法Ｍ１と共通である。

図１０は、第三実施形態に係る本発明の溶接方法Ｍ３におけるスポットＳ３のプロファイルを示したものである。図１０はの図８に相当する図で、図１０（ａ）は、鋼板をレーザ照射面側から見た場合におけるスポットＳ３の形状を模式的に表す図、図１０（ｂ）はスポットＳ３の長手方向のエネルギ密度分布である。

スポットＳ３は、円形であるスポットの一部を重ねた形状であるスポットＳ１と異なり、溶接方向側が大きく、その反対側は細くなるような形状を有している。これには例えば、非球面を有したレンズを用いることにより得ることができる。スポットＳ３についてより詳しくは、図１０にＬ’’で示した溶接方向に平行な長手方向大きさ（溶接線方向総長さ）は、Ｗ’’で示した溶接方向に直交する方向の大きさよりも大きくされている。ここでＬ’’の値は、１．３Ｗ’’＜Ｌ’’≦４．２Ｗ’’であることが好ましく、１．８Ｗ’’≦Ｌ’’≦２．５Ｗ’’であることがさらに好ましい。Ｌ’’がＷ’’に比べ過小ではスパッタの抑制が不十分で凹み量の低減効果が不十分となる虞がある。また、Ｌ’’がＷ’’に比べ過大ではエネルギが長手方向に分散しすぎる虞がある。

また、図１０（ｂ）に表したエネルギ密度の図から、紙面奥／手前方向も考慮した立体的なエネルギ密度分布における凸状部を形成する体積はスポットＳ３のエネルギを表すが、先行する長手方向側半分の部分（Ｓ３ａ）と、これに追随する長手方向側半分の部分（Ｓ３ｂ）とのエネルギ比は、スポットＳ３の全体エネルギを１００％としたとき、先行する部分Ｓ３ａのエネルギが２０％〜８０％の範囲であることが好ましい。これにより本発明の効果をさらに顕著なものとすることが可能となる。さらに好ましくは５０％〜８０％、最も好ましくは６５％〜８０％である。

このようなスポットＳ３による溶接方法Ｍ３も本発明の溶接方法とすることができる。他の条件等は、溶接方法Ｍ１と共通である。また、このようなスポット形状の他に、円形が一方向に伸びた楕円形状のスポットを挙げることができる。これは、例えば蒲鉾型をしたシリンドリカルレンズ（円筒レンズ）により形成することが可能である。

さらに、上記した溶接方法Ｍ１〜Ｍ３において、光学系の軸線を被溶接材の厚さ方向に対して平行でなく、所定の角度を有して照射してもよい。詳しくは、図１１に示したように、光学系の軸線を溶接進行方向に対して反対方向となる角度θで傾け、いわゆる後退角θを有して照射する。これにより、キーホールの開口が拡大し、上記効果をさらに顕著なものとすることが可能となる。当該後退角の角度は特に限定されるものではないが、０度より大きく１０度以下であることが好ましく、０度より大きく７度以下がさらに好ましい。もっとも好ましくは０度より大きく５度以下である。

また、溶接の際には溶加材（ワイヤ）添加がされてもよい。これによってさらに凹みを抑制することができる。溶加材は通常の溶接に用いられる溶化材を用いることができる。

以上のように本発明のレーザ溶接方法により、溶接部の凹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。そして、突き合わされた２枚の鋼板の突き合わせる工程と、これにより突き合わされた境界に沿って上記溶接を行う工程とを含むことにより、レーザ溶接部を有する鋼板の製造方法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。

実施例では、レーザの照射条件を変更して突き合わせ溶接をした場合における溶接部の凹み量を測定して評価した。以下に詳しく説明する。

＜条件＞
・供試材料：板厚４．５ｍｍ、幅２００ｍｍの低炭素鋼（Ｃ：０．０２質量％）の突き合わせ部の溶接。
・レーザ発振機：並列に配置された複数のファイバ状結晶体から構成され、最大出力１０ｋＷのレーザ発振機を用いた。
・コリメートレンズ：焦点距離１２５ｍｍのレンズを使用。
・集光レンズ：焦点距離２００ｍｍのレンズを使用。
・光屈折板：図１又は図４に示すように、溶接線方向に傾斜した傾斜面を備えるプリズムを備えた装置を用い、焦点位置において、２つのスポットの中心間距離が０．６ｍｍ（ｔｙｐｅＡ）、０．５ｍｍ（ｔｙｐｅＢ）、溶接線方向において先行するスポットのエネルギが全体に対して７０％となるように調整した。
・伝送ファイバ径：０．２ｍｍ、０．３ｍｍ

上記条件の他、各実験における条件を表１に示した。

表１において、デフォーカス量は焦点位置からのずれ量を表す。スポット形状タイプは「従来」、「Ａ」、「Ｂ」の３つのタイプがあり、「従来」は従来のような円形の１つのスポットによる溶接である。「Ａ」は、上記したスポットＳ２のように重ならない２つの円形スポットが溶接線方向に並列したスポットにより溶接するものである。「Ｂ」は、上記スポットＳ１のように２つの円形スポットの一部同士が重ねられて１つの非円形のスポットにより溶接するものである。

ここで、符番１〜１２は、従来における円形のスポットが１つである場合の溶接を比較例としておこなったものである。
符番１３〜３２では、本発明例として上記したスポットを有する溶接方法により溶接をおこなった。ここでは、デフォーカス量、溶接速度、および伝送ファイバ径を変更して実験をおこなった。
また、符番３３〜３８ではワイヤを採用し、符番３９〜４２では後退角５度をつけて実験を行った。

＜レーザプロフィル＞
レーザプロフィルは、市販のレーザプロフィル測定器（例えば、ＰＲＩＭＥＳ社、ＯＰＨＩＲ社製などのＦＯＲＣＵＳ ＭＯＮＩＴＡＯＲ）を用いて、実際のプロフィルを測定することにより求めることが可能であり、この測定結果から２つのスポット径、出力比、スポット間隔などを求めることができる。なお、レーザプロフィルは、伝送ファイバ径、コリメートレンズの焦点距離、集光レンズの焦点距離、および光屈折板の屈折角と分光比とから計算にて求めることも可能である。

＜凹み量の測定＞
凹み量は図１２に示したようなデプスゲージＧにより行い、針Ｈの上下方向移動量の最大値を凹み量とした。同じ凹みに対して３回測定をおこない、その算術平均値により評価した。

表２および図１３〜図１５のグラフに結果を示す。図１３〜図１５に示したグラフにおいて「シングル」とは１つのスポットによる溶接、「ダブル」とはタイプＡまたはタイプＢのスポットによる溶接をそれぞれ表している。また、「０．２ｍｍ」及び「０．３ｍｍ」は伝送ファイバ径を意味する。

図１３は０．２ｍｍ径の光ファイバを用いた符番１〜６の従来例と符番１３〜２３の本発明例とを比較したグラフである。図１４は０．３ｍｍ径の光ファイバを用いた符番７〜１２の従来例と符番２４〜３２の本発明例とを比較したグラフである。図１３、および図１４からわかるように伝送ファイバ径がいずれの場合であっても、本発明の方が従来に比べてより速い溶接速度で小さな凹みで溶接をすることができる。

図１５は、さらに後退角を有して溶接した場合やワイヤ（溶化材）を用いて溶接した場合の結果である。これによっても従来に比べて凹み欠陥に対して良好な効果を奏することがわかる。

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 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 光ファイバ
１３ 溶接ヘッド（光学系）
１４ コリメートレンズ
１５ 集光レンズ
１７ 光屈折板
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ スポット

Claims (10)

1. 鋼板の端部を突き合わせて突き合わせ部を形成し、複数の発振媒体から構成される発振機から放出され、光ファイバにより伝送され、光学系で集光されたレーザビームを、前記突き合わせ部に照射して鋼板を溶接する方法であって、
   前記発振機は、複数の発振媒体から構成される単一の発振機であり、前記光学系はコリメートレンズ、光屈折板および集光レンズを有し、
   前記レーザビームは、前記鋼板の表面において、１つのビームスポットまたは溶接線方向に並列した２つの円形状のビームスポットが形成されるように集光され、
   前記鋼板の表面におけるビームスポットの溶接線方向の総長さが溶接線に直交する方向のビームスポット幅より大きくなる関係を有して前記ビームスポットが溶接線に沿って移動することにより溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記レーザビームの前記鋼板の表面における前記１つのビームスポットまたは２つの円形状のビームスポットにおいて、前記ビームスポットの溶接線方向の総長さのうち溶接進行方向側半分のビームスポットのエネルギが前記ビームスポットの合計のエネルギの２０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記レーザビームの前記鋼板の表面における前記２つの円形状のビームスポットは、その一部が重なるように集光されることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記レーザビームの前記鋼板表面における前記２つの円形状のビームスポットは、互いに分離して集光されることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。
5. 前記鋼板の突き合わせ部に溶加材を供給して溶接することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。
6. 前記光学系の軸線が、前記鋼板の厚さ方向に対して溶接進行方向とは反対方向に角度０〜１０°の範囲で傾けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。
7. 前記発振媒体は、並列に配置された複数のファイバ状またはディスク状の結晶体から構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法により溶接する工程を含む、レーザ溶接部を有する鋼板の製造方法。
9. 鋼板の端部を突き合わせて突き合わせ部を形成し、該突き合わせ部分にレーザビームを照射して鋼板を溶接する装置であって、
   前記レーザビームを発振する複数の発振媒体を備える単一の発振機と、
   前記発振機から放出されるレーザビームを伝送する光ファイバと、
   前記光ファイバが接続され、コリメートレンズ、光屈折板および集光レンズを有する光学系と、を備え、
   前記光学系は、前記レーザビームを集光してレーザビームの前記鋼板表面において、溶接線に直交する方向に比べ溶接線方向に長い１つのビームスポットを形成する、または２つのビームスポットを溶接線方向に並列して、形成することを特徴とする鋼板のレーザ溶接装置。
10. 前記集光レンズが非球面を有したレンズ又はシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項９に記載のレーザ溶接装置。

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