JP2017164757A

JP2017164757A - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JP2017164757A
Application number: JP2016049788A
Authority: JP
Inventors: 亨日置; Toru Hioki; 幸平久田; Kohei Hisada; 潤一郎牧野; Junichiro Makino; 圭一郎稲垣; Keiichiro Inagaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2017-09-21

Abstract

【課題】従来よりもレーザの照射条件を緩和し、コストを抑制しつつ、スパッタの飛散による悪影響を低減することができるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】ミラー４によりレーザＬをワークＷの目標点Ｔに反射させて照射するレーザ溶接方法である。ミラー４の角度を変化させて目標点ＴをワークＷの非溶接区間ＮＳから溶接区間ＷＳへ連続的に走査させるとともに、目標点Ｔによる非溶接区間ＮＳの走査中にレーザＬの照射を中断し、目標点Ｔによる溶接区間ＷＳの走査中にレーザＬの照射を行って、溶接区間ＷＳのレーザ溶接を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

従来からレーザ光を照射するレーザ照射手段に取り付けられた流体噴射手段から、レーザ光を横切る方向に流体を噴射させることを特徴とするレーザ溶接方法が知られている（下記特許文献１、請求項１５等を参照）。このレーザ溶接方法によれば、レーザ照射手段に流体噴射手段を取り付けたことで、様々な方向へレーザを照射させる場合でも、流体噴射手段がレーザ照射の妨げとなることなく、ヒュームを確実に除去できるようになる（同文献、段落００１２等を参照）。

また、少なくとも１枚が亜鉛めっき鋼鈑である２枚の鋼鈑を、その亜鉛めっき層を接合面として重ね合せ、該重合領域における一方の鋼鈑表面にレーザ光を照射して重ね溶接する亜鉛めっき鋼鈑のレーザ重ね溶接方法が知られている（下記特許文献２、請求項１等を参照）。この溶接方法では、所定の条件を満たす走行速度でレーザを走行させつつ照射する。これにより、レーザ照射位置から後方に延びる溶融池内で、少なくとも表面側の鋼鈑に細長い穴を生じさせる。

そして、レーザ照射で発生した金属蒸気をその細長い穴からレーザ走行方向後方側かつレーザ照射源側に排出させつつ溶接する。この方法により、重ね面にある亜鉛が蒸発して生じた亜鉛蒸気が溶融池内に生じた細長い穴から排出され、溶融池に悪影響を及ぼすことがないので、欠陥のない良好なレーザ重ね溶接が可能となる（同文献、段落００１１等を参照）。

特開２００７―２６８６１０号公報特開２０１１―１４００５３号公報

前記特許文献１に記載されたレーザ溶接方法では、流体噴射手段によってヒュームを除去することは可能であるが、溶接時に発生するスパッタが飛散してレーザ加工ヘッドのレーザ射出口に設けられている保護ガラスに付着する場合がある。また、流体噴射手段によってスパッタの付着を防止するためには、大量の空気を噴射する必要があり、コストが増加する。

また、特許文献２に記載されたレーザ溶接方法は、レーザのパワーが７[ｋＷ]以上、照射スポットが０．４[ｍｍ]以上にて、亜鉛めっき鋼鈑の厚さｔ[ｍｍ]とした場合のレーザの単位時間・体積当たりのパワーＰ／φｔｖが、０．０７〜０．１１[ｋＷ・ｓｅｃ／ｍｍ^３]となるような走行速度ｖでレーザを走行させつつ照射する必要があり、レーザの照射条件が限られている。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、従来よりもレーザの照射条件を緩和し、コストを抑制しつつ、スパッタの飛散による悪影響を低減することができるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明のレーザ溶接方法は、ミラーによりレーザをワークの目標点に反射させて照射するレーザ溶接方法であって、前記ミラーの角度を変化させて前記目標点を前記ワークの非溶接区間から溶接区間へ連続的に走査させるとともに、前記目標点による前記非溶接区間の走査中に前記レーザの照射を中断し、前記目標点による前記溶接区間の走査中に前記レーザの照射を行って、前記溶接区間のレーザ溶接を行うことを特徴とする。

本発明のレーザ溶接方法は、例えば、ミラーを含む光学系を収容する筐体を備えるレーザスキャンヘッドを用いて実施することができる。レーザスキャンヘッドは、例えば、筐体に取り付けられたレーザ発振器及びエアブロー並びに筐体のワークに対向する開口部を塞ぐ保護ガラス等を有している。

レーザスキャンヘッドは、レーザ発振器によって発振させたレーザを、ミラーを含む光学系によって反射及び集光させ、例えば２枚の金属板を重ねたワークの目標点へ向けて照射する。さらに、ミラーの角度を変化させて目標点をワークの溶接区間に沿って走査させ、ワークの溶接区間をレーザ溶接によって接合する。また、レーザスキャンヘッドは、エアブローから空気を噴射させ、ワークの溶接区間に対するレーザ照射によって形成された溶融池から飛散するスパッタが保護ガラスに付着するのを抑制する。

しかし、ミラーの角度を固定して、レーザを照射するワークの目標点を溶接区間の始点に静止させた状態でレーザの照射を開始すると、ワークに形成される溶融池の深さがレーザの照射方向に深くなって、レーザの照射方向に多くのスパッタが飛散する。また、溶接時間の短縮のために、レーザの高出力化を行うと、スパッタの飛散速度が上昇する。そのため、エアブローによる空気の噴射では、レーザの照射方向に向けて高速で飛散する多量のスパッタが保護ガラスに付着するのを十分に抑制することができない。

保護ガラスにスパッタが付着すると、保護ガラスを透過するレーザのパワーが低下し、溶接品質が低下する。そのため、保護ガラスを頻繁に交換する必要があり、生産性が低下する。このようなスパッタの飛散による悪影響を防止するために、エアブローによる空気の噴射を増加させると、大量の空気が必要になってエネルギーコストが増加したり、コンプレッサの増設により設備投資が発生したりする。

これに対し、本発明のレーザ溶接方法は、前述のように、ミラーの角度を変化させてレーザを照射するワークの目標点を、ワークの非溶接区間から溶接区間へ連続的に走査させる。さらに、本発明のレーザ溶接方法は、前述のように、目標点による非溶接区間の走査中は、レーザの照射を中断し、目標点による溶接区間の走査中は、レーザの照射を行って、溶接区間のレーザ溶接を行う。

このように、レーザを照射する目標点をワークの非溶接区間に沿って予め走査させておくことで、目標点が溶接区間に到達してレーザの照射を開始するときに、目標点を所定の速度で走査させながら溶接区間の始点を通過させることができる。そのため、ワークに形成される溶融池は、溶接区間の始点から終点まで、目標点の走査方向の後方に向けて漸次深さが浅くなるように形成される。すなわち、前記本発明のレーザ溶接方法では、前記レーザの照射によって前記ワークに形成される溶融池に、前記目標点の走査方向と逆方向に漸次深さが浅くなる傾斜部を形成することができる。

これにより、スパッタをワークの溶融池から目標点の走査方向の後方へ向けて飛散させ、レーザの照射方向に向けて飛散するスパッタを減少させることができる。すなわち、レーザの照射によってワークに形成される溶融池の傾斜部によって、スパッタの飛散する方向を制御することができる。そのため、例えば、レーザの高出力化を行っても、エアブローによる空気の噴射を増加させることなく、保護ガラスへのスパッタの付着を抑制し、溶接品質を向上させ、生産性を向上させることができる。また、単にレーザを照射する目標点を走査するだけでよく、前記従来のレーザ溶接方法のような特別な照射条件を設定する必要がない。

以上の説明から理解できるように、本発明によれば、従来よりもレーザの照射条件を緩和し、コストを抑制しつつ、スパッタの飛散による悪影響を低減することができるレーザ溶接方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法に使用される装置の模式的な断面図。図１に示すワークの非溶接区間と溶接区間の一例を示す斜視図。図１に示す目標点の走査距離と、速度及びレーザ出力との関係を示すグラフ。図３に示す溶接区間の始点における溶融池の模式的な断面図。本発明の実施例１における非溶接区間と溶接区間の平面図。図５に示す非溶接区間と溶接区間の変形例を示す平面図。

以下、図面を参照して本発明のレーザ溶接方法の一実施形態を説明する。

以下では、まず本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法に使用されるレーザスキャンヘッドについて説明し、次にそのレーザスキャンヘッドを用いた本実施形態のレーザ溶接方法について説明する。

（レーザスキャンヘッド）
図１は、本実施形態に係るレーザ溶接方法に使用されるレーザスキャンヘッド１の模式的な断面図である。レーザスキャンヘッド１は、例えば、レーザＬを発振させるレーザ発振器２と、レーザＬを集光するレンズ３と、レンズ３によって集光されたレーザＬを反射させるミラー４と、これらを収容する筐体５と、を備えている。

レーザ発振器２は、例えば炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザを発振させる発振器である。なお、レーザ発振器２は、筐体５ではなく、レーザスキャンヘッド１の外部に設けてもよい。この場合、レーザ発振器２からのレーザＬを光ファイバやミラー等の光学系によってレーザスキャンヘッド１に導入するようにしてもよい。レンズ３は、レーザ発振器２からのレーザＬを集光する。

ミラー４は、レンズ３によって集光されたレーザＬを反射させる固定ミラー４Ａと、固定ミラー４Ａに反射されたレーザＬをワークＷに向けて反射させる可動ミラー４Ｂとによって構成されている。固定ミラー４Ａは、角度が一定に固定されているのに対し、可動ミラー４Ｂは、筐体５に設けられた駆動部６によって、ＸＹＺ直交座標系の各軸に対して任意の角度に傾斜させることができるように構成されている。

筐体５は、概ね矩形箱型の形状を有し、内部にレーザ発振器２、レンズ３、ミラー４、駆動部６等を収容し、ワークＷに対向する開口部５Ａを有している。開口部５Ａは、保護ガラス７によって塞がれている。保護ガラス７は、筐体５の内部への異物の侵入を防止し、可動ミラー４Ｂによって反射されたレーザＬを透過させる。筐体５の下方へ伸びる部分には、エアブロー８が設けられている。

エアブロー８は、レーザスキャンヘッド１からワークＷへ照射されるレーザＬの光軸Ａに交差する方向Ｄに空気を噴出させて、溶接時に発生するスパッタＳ等の異物が保護ガラス７に付着するのを抑制する。

レーザスキャンヘッド１は、レーザ発振器２によって発振させたレーザＬを、レンズ３、固定ミラー４Ａ、及び可動ミラー４Ｂを含む光学系によって反射及び集光させ、例えば２枚の金属板を重ねたワークＷの目標点Ｔへ向けて照射する。さらに、駆動部６により可動ミラー４Ｂの角度を変化させ、目標点ＴをワークＷの溶接区間ＷＳに沿って走査させ、ワークＷの溶接区間ＷＳをレーザ溶接によって接合する。また、レーザスキャンヘッド１は、エアブロー８から空気を噴射させ、ワークＷの目標点Ｔに対するレーザＬの照射によって形成された溶融池ＷＰ（図４参照）から飛散するスパッタＳが保護ガラス７に付着するのを抑制する。

しかし、ミラー４の角度を固定して、レーザＬを照射するワークＷの目標点Ｔを溶接区間ＷＳの始点ＷＳ１に静止させた状態でレーザＬの照射を開始すると、ワークＷに形成される溶融池ＷＰの深さｄがレーザＬの照射方向に深くなって、レーザＬの照射方向に多くのスパッタＳが飛散する。また、溶接時間の短縮のために、レーザＬの高出力化を行うと、スパッタＳの飛散速度が上昇する。そのため、エアブロー８による空気の噴射では、レーザＬの照射方向に向けて高速で飛散する多量のスパッタＳが保護ガラス７に付着するのを十分に抑制することができない。

保護ガラス７にスパッタＳが付着すると、保護ガラス７を透過するレーザＬのパワーが低下し、溶接品質が低下する。そのため、保護ガラス７を頻繁に交換する必要があり、生産性が低下する。このようなスパッタＳの飛散による悪影響を防止するために、エアブロー８による空気の噴射を増加させると、大量の空気が必要になってエネルギーコストが増加したり、コンプレッサの増設により設備投資が発生したりする。

（レーザ溶接方法）
以下、本実施形態の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は、ミラー４によりレーザＬをワークＷの目標点Ｔに反射させて照射するレーザ溶接方法であり、前述のレーザスキャンヘッド１を用いて実施することができる。本実施形態のレーザ溶接方法では、可動ミラー４Ｂの角度を変化させて目標点ＴをワークＷの非溶接区間ＮＳから溶接区間ＷＳへ連続的に走査させる。

そして、目標点Ｔが非溶接区間ＮＳを移動している間、すなわち目標点Ｔによる非溶接区間ＮＳの走査中は、レーザＬの照射を中断し、レーザＬを目標点Ｔに照射することなく、目標点Ｔを空走させる。また、目標点Ｔが溶接区間ＷＳを移動している間、すなわち目標点Ｔによる溶接区間ＷＳの走査中は、レーザＬの照射を行って、レーザＬを目標点Ｔに照射して、溶接区間ＷＳのレーザ溶接を行う。

図２は、図１に示すワークＷの非溶接区間ＮＳと溶接区間ＷＳの一例を示す斜視図である。非溶接区間ＮＳと溶接区間ＷＳは、例えば、ワークＷの加工面における同一直線上の連続する区間である。この例では、まず、レーザＬの照射を中断した状態で、可動ミラー４Ｂの角度を調節して、目標点Ｔの位置を非溶接区間ＮＳの始点ＮＳ１に配置する。次に、可動ミラー４Ｂの角度を変化させて目標点Ｔを非溶接区間ＮＳに沿って走査させる。

そして、目標点Ｔの走査を継続しながら、目標点Ｔが溶接区間ＷＳの始点ＷＳ１に達するとき又はその直前に、レーザＬの照射を開始し、目標点ＴにレーザＬを照射して溶接区間ＷＳのレーザ溶接を行う。すなわち、非溶接区間ＮＳは、溶接区間ＷＳの始点ＷＳ１において目標点Ｔが速度を有した状態で溶接を開始するための助走区間又は空走区間である。

図３は、目標点Ｔの走査距離と、走査速度及びレーザ出力との関係の一例を示すグラフである。図３において、（ａ）は、目標点Ｔの走査距離と走査速度との関係を示し、（ｂ）は、目標点Ｔの走査距離とレーザ出力との関係を示している。

非溶接区間ＮＳの始点ＮＳ１から非溶接区間ＮＳに沿って目標点Ｔの走査を開始すると、目標点Ｔは、図３の（ａ）に示すように、走査速度がゼロの静止した状態から速度が上昇を始め、最高速度に達した後、その速度が一定の距離に亘って維持される。そして、図３（ｂ）に示すように、例えば溶接区間ＷＳの始点ＷＳ１に達する直前にレーザＬの照射が開始され、レーザ出力が上昇を始め、最高出力に達するときに、目標点Ｔは溶接区間ＷＳの始点ＷＳ１に到達する。目標点Ｔの速度は、レーザＬの照射が開始された後、溶接区間ＷＳの始点ＷＳ１に到達するまで低下し、概ね溶接区間ＷＳの始点ＷＳ１に達したときに一定の速度になり、溶接区間ＷＳの終点ＷＳ２まで一定の速度が維持される。

図４は、図３に示す溶接区間ＷＳの始点ＷＳ１におけるワークＷの溶融池ＷＰを示す模式的な断面図である。前述のように、非溶接区間ＮＳに沿って目標点Ｔを走査させ、走査方向ＳＤにおいて溶接区間ＷＳの始点ＷＳ１の直前の位置でレーザＬの照射を開始し、目標点Ｔが速度を有して溶接区間ＷＳの始点ＷＳ１を通過する。これにより、図４に示すように、ワークＷに形成される溶融池ＷＰは、目標点Ｔの走査方向ＳＤの後方に向けて漸次深さｄが浅くなるように形成される。換言すると、本実施形態のレーザ溶接方法では、レーザＬの照射によってワークＷに形成される溶融池ＷＰに対し、目標点Ｔの走査方向ＳＤと逆方向に漸次深さｄが浅くなる傾斜部ＷＩを形成することができる。

これにより、スパッタＳをワークＷの溶融池ＷＰから目標点Ｔの走査方向ＳＤの後方へ向けて飛散させ、図１に示すように、レーザＬの照射方向に向けて飛散するスパッタＳを減少させることができる。すなわち、レーザＬの照射によってワークＷに形成される溶融池ＷＰの傾斜部ＷＩによって、スパッタＳの飛散方向ＦＤを制御することができる。そのため、例えば、レーザＬの高出力化を行っても、エアブロー８による空気の噴射を増加させることなく、保護ガラス７へのスパッタＳの付着を抑制することができ、溶接品質を向上させ、保護ガラス７の交換頻度を低減して生産性を向上させることができる。また、単にレーザＬを照射する目標点Ｔを走査するだけでよく、前記従来のレーザ溶接方法のような特別な照射条件を設定する必要がない。

したがって、本実施形態のレーザ溶接方法によれば、従来よりもレーザＬの照射条件を緩和し、コストを抑制しつつ、スパッタＳの飛散による悪影響を低減することができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

［実施例］
以下、本発明の実施例について説明する。

まず、レーザ溶接を行うワークとして、厚さ１．２［ｍｍ］の鋼鈑と厚さ１．２［ｍｍ］の亜鉛めっき鋼鈑の板組を用意し、ワーク上に非溶接区間と溶接区間を設定した。

図５は、実施例１における非溶接区間ＮＳと溶接区間ＷＳの模式的な平面図である。

図５において、破線で示す直線状の非溶接区間ＮＳの長さは１．５５［ｍｍ］、実線で示す円周状の溶接区間ＷＳの半径は、２．５［ｍｍ］とした。レーザのパワーは、６０００［Ｗ］、非溶接区間ＮＳにおける目標点の走査速度は９３００［ｃｍ／ｍｉｎ］、溶接区間ＷＳにおける目標点の走査速度は１０００［ｃｍ／ｍｉｎ］とした。

そして、レーザスキャンヘッドのミラーの角度を変化させて目標点をワークの非溶接区間ＮＳから溶接区間ＷＳへ連続的に走査させるとともに、目標点による非溶接区間ＮＳの走査中にレーザの照射を中断し、目標点による溶接区間ＷＳの走査中にレーザの照射を行って、溶接区間ＷＳのレーザ溶接を行った。

その結果、図１に示すように、レーザＬの照射方向に対するスパッタＳの飛散方向ＦＤの角度αは約５０°であり、保護ガラス７へ向けたスパッタＳの飛散は無かった。なお、スパッタＳの飛散方向ＦＤは、非溶接区間ＮＳにおける目標点Ｔの走査速度、レーザ出力等によって変化する。また、板組によって最適なレーザ照射の条件が異なるため、板組に適した条件を適宜選択することができる。

図６は、図５に示す非溶接区間ＮＳと溶接区間ＷＳの変形例を示す平面図である。前述のように目標点の走査中にレーザの照射を開始することで、走査方向と逆方向にスパッタが飛散する。そのため、非溶接区間ＮＳは必ずしも直線である必要はなく、円弧状であってもよい。この場合、目標点の走査方向と逆方向の接線方向にスパッタを飛散させることが可能である。

４ミラー
Ｌレーザ
ＮＳ非溶接区間
Ｔ目標点
Ｗワーク
ＷＩ傾斜部
ＷＳ溶接区間

Claims

ミラーによりレーザをワークの目標点に反射させて照射するレーザ溶接方法であって、
前記ミラーの角度を変化させて前記目標点を前記ワークの非溶接区間から溶接区間へ連続的に走査させるとともに、前記目標点による前記非溶接区間の走査中に前記レーザの照射を中断し、前記目標点による前記溶接区間の走査中に前記レーザの照射を行って、前記溶接区間のレーザ溶接を行うことを特徴とするレーザ溶接方法。
前記レーザの照射によって前記ワークに形成される溶融池に前記目標点の走査方向と逆方向に漸次深さが浅くなる傾斜部を形成することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。