JP2018202476A

JP2018202476A - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JP2018202476A
Application number: JP2017114314A
Authority: JP
Inventors: 右山本; Migi Yamamoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2018-12-27

Abstract

【課題】スパッタが抑制されたレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】第１金属部材と第２金属部材を端面で突き合せ、突き合せ部分の上方からレーザ光を照射して第１金属部材と第２金属部材を溶接する方法であって、前記第１金属部材におけるレーザ光が照射される面であって、突き合せ位置における第１金属部材の端から規定距離おいた箇所に、穴径Ｄがレーザ光のスポット径よりも大きく、深さＬが前記穴径Ｄよりも大きい凹部を形成する工程と、前記第１金属部材と、前記第２金属部材とを突合せる工程と、前記凹部に向けてレーザ光を照射して溶融池を形成する工程と、前記レーザ光を走査して、前記溶融池を前記第２金属部材側に到達させる工程とを有する、レーザ溶接方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

レーザ光照射による溶接するレーザ溶接方法は知られている。レーザ溶接において、レーザ光によるキーホールが発生する程度の出力で溶接した場合、金属の一部が熱で一気に液体から気体に変わり、発生するガスの勢いで溶融金属が吹き飛んでスパッタになり得ると考えられる。レーザ溶接方法においては、このようなレーザ溶接時に発生するスパッタの抑制方法が検討されている。
例えば特許文献１では、互いに突き合せた第１金属部材と第２金属部材をレーザ光の照射により接合する溶接方法であって、第２金属部材を面取りして開先を形成し、レーザ光の照射角度を調整してレーザ光のスポット径を開先の開口幅よりも小さくする、特定の溶接方法が開示されている。

特開２０１７−６９５７号公報

突合せ面や開先にレーザを直接照射する手法では、突合せ面の隙間からレーザ光が漏れることがあり、照射面とは反対側の面にスパッタが生じる恐れがあった。また、特許文献１などのように、照射面に対してレーザ光を斜めに照射すると、照射面積が大きくなってエネルギー密度が低下するため、レーザの出力を上げる必要がある。その結果、全体としては過剰なレーザ出力を与えることになり、かえってスパッタが発生しやすくなる恐れがあった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、スパッタが抑制されたレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態は、第１金属部材と第２金属部材を端面で突き合せ、突き合せ部分の上方からレーザ光を照射して第１金属部材と第２金属部材を溶接する方法であって、
前記第１金属部材におけるレーザ光が照射される面であって、突き合せ位置における第１金属部材の端から規定距離おいた箇所に、穴径Ｄがレーザ光のスポット径よりも大きく、深さＬが前記穴径Ｄよりも大きい凹部を形成する工程と、
前記第１金属部材と、前記第２金属部材とを突合せる工程と、
前記凹部に向けてレーザ光を照射して溶融池を形成する工程と、
前記レーザ光を走査して、前記溶融池を前記第２金属部材側に到達させる工程とを有する。

本発明によれば、スパッタが抑制されたレーザ溶接方法を提供することができる。

図１は、本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態を示すフローチャートである。図２は、本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態を示す概略断面図である。図３は、レーザ光の照射開始位置を調整する方法の一例を示すフローチャートである。図４は、レーザ光の照射開始位置を調整する方法の一例を示す概略断面図である。図５は、レーザ光の照射開始位置を調整する方法における戻り光強度の検出結果の一例を示すグラフである。

まず、図１と図２を参照して、本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態を説明する。図１はレーザ溶接方法の一実施形態を示すフローチャートであり、図２はレーザ溶接方法の一実施形態を示す概略断面図である。図２中の（ａ）はＳ２工程後の概略断面図であり、図２中の（ｂ）はＳ４工程中の概略断面図である。
本発明のレーザ溶接方法は、概説すると、まず、溶接の対象となる第１金属部材１と第２金属部材２とを準備し、第１金属部材のレーザ照射面７に後述する凹部３を形成する（Ｓ１）。次いで、第１金属部材と第２金属部材とを突合せ（Ｓ２）、レーザ光の照射開始位置を調整した後に、前記凹部３にレーザ光を照射して溶融池５を形成し（Ｓ３）、レーザ光８を突合せ面４側に走査６して溶融池５を広げて第２金属部材に到達させる（Ｓ４）。その後、溶融池５が冷却されて溶接が完了する。

上記のレーザ溶接方法によれば、溶接のためのレーザの照射開始位置を、予め形成した凹部３とすることにより、上述のような突合せ面の隙間からレーザ光が漏れることがない。また、凹部３の内部にレーザを照射することにより、レーザ光が凹部３内で多重反射するため、同じ材質の平坦面にレーザを照射するよりも低いエネルギーで溶融が可能となる。更に、溶融した金属が飛散した場合であっても凹部３の内側に付着して外部には飛散しにくくなる。これらのことから、本発明のレーザ溶接方法によれば、スパッタを抑制することができる。

第１金属部材及び第２金属部材の材質は、レーザ溶接が可能なものの中から適宜選択されるものであればよく、溶接後の用途に応じて適宜選択することができる。第１金属部材及び第２金属部材の材質は、例えば、鉄、銅、アルミニウム等が挙げられる。第１金属部材と第２金属部材の材質は、同一であってもよく、異なるものであってもよい。

凹部３は、当該凹部３の穴径Ｄが溶接に使用するレーザ光のスポット径ｄよりも大きく（Ｄ＞ｄ）、前記凹部３の深さＬが前記穴径Ｄよりも大きい（Ｌ＞Ｄ）形状を有する。Ｄ＞ｄとすることにより、レーザ光を凹部３の内部のみに照射することが可能となり、スパッタを抑制することができる。また、Ｌ＞Ｄとすることにより、レーザ光の多重反射を増大させてレーザ出欲を抑制することができると共に、金属が飛散した場合であっても、当該金属は凹部３の内側に付着しやすくなり、スパッタを低減することができる。穴径Ｄは、レーザの位置ずれ等を考慮して、レーザ光のスポット径ｄより大きく形成しておくことが好ましい。また、凹部３の開口面の形状は特に限定されず、円形に限られない。開口面が円形でない場合には、レーザ光を凹部３の内部のみに照射することを考慮して、本発明においては、開口面に円を描くことを仮想したときに描きうる最大の円の径を上記穴径Ｄとして取り扱うものとする。また、穴径Ｄは、第１金属部材の照射面の短手長さＷよりも小さければよい（Ｄ＜Ｗ）。凹部３は、前記第１金属部材におけるレーザ光が照射される面であって、突き合せ位置における第１金属部材の端から規定距離おいた箇所に形成する。当該規定距離は、凹部３が溶接の開始位置となることを考慮して、溶接後の用途や、各金属部材の材質等に応じて適宜決定すればよい。

凹部３の形成方法は特に限定されない。例えば、（ａ）先の尖ったポンチ等で叩くことにより凹ませて凹部を形成する；（ｂ）レーザ、電子ビーム等で凹部を形成する；（ｃ）公知のエッチング手法により凹部を形成する；（ｄ）ドリルで穴を開ける；など第１金属部材に後から凹部を形成する方法のほか；（ｅ）第１金属部材が鋳造やダイカストにより形成される部材の場合には、予め金型に凸部を設けることにより、凹部が形成された第１金属部材を得ることができる。なお、上記（ｂ）の方法の場合には、レーザ、電子ビーム等の出力を調整して、スパッタの発生を抑制しておくことが好ましい。

次に、凹部にレーザ光を照射して溶融池を形成する工程について説明する。本発明のレーザ溶接方法においては、溶接のためのレーザ光の照射開始位置を凹部３の内部とすることによりスパッタの発生が抑制される。レーザ光の照射開始位置を調整する方法は特に限定されないが、好適な方法の一例を、図３、図４及び図５を参照して説明する。図３はレーザ光の照射開始位置を調整する方法の一例を示すフローチャートであり、図４は図３の例の概略断面図である。また図５は、レーザ光の照射開始位置を調整する方法における戻り光強度の検出結果の一例を示すグラフである。
図３の例に示されるように、レーザ光の照射開始位置の調整方法としては、まず、前記第１金属部材のレーザ照射面に、前記第１金属部材が溶融しない低出力に調整されたレーザ光８ａを照射し（Ｓ１１）、レーザスキャナ９などによりレーザを走査６ａしながら戻り光１０を検出し、その強度データを取込む（Ｓ１２）。図５の例に示されるように凹部３においては、レーザ光の戻り光強度が低下するため、戻り光強度の測定結果から凹部３の位置を算出することができる（Ｓ１３）。次いで、凹部３の中心をレーザ照射狙い位置として算出する（Ｓ１４）。次いで、溶接に用いるレーザを前記レーザ照射狙い位置の設定値に合うように位置調整を行う（Ｓ１５〜Ｓ１６）。位置が決定したら、当該位置においてレーザ照射を開始する（Ｓ１７）。このような方法により、レーザ光の照射開始位置を前記凹部内部に調整することができる。

前記凹部にレーザ光を照射して溶融池を形成した後、当該レーザ光を第２金属部材側に操作することにより、溶融池を広げて、第２金属部材に到達させることにより、スパッタが抑制しながら、レーザ溶接を行うことができる。

１第１金属部材
２第２金属部材
３凹部
４突合せ面
５溶融池
６走査
６ａ走査
７レーザ照射面
８レーザ光
８ａレーザ光
９レーザスキャナ
１０戻り光

Claims

第１金属部材と第２金属部材を端面で突き合せ、突き合せ部分の上方からレーザ光を照射して第１金属部材と第２金属部材を溶接する方法であって、
前記第１金属部材におけるレーザ光が照射される面であって、突き合せ位置における第１金属部材の端から規定距離おいた箇所に、穴径Ｄがレーザ光のスポット径よりも大きく、深さＬが前記穴径Ｄよりも大きい凹部を形成する工程と、
前記第１金属部材と、前記第２金属部材とを突合せる工程と、
前記凹部に向けてレーザ光を照射して溶融池を形成する工程と、
前記レーザ光を走査して、前記溶融池を前記第２金属部材側に到達させる工程とを有する、
レーザ溶接方法。