JP2020040087A

JP2020040087A - レーザスポット溶接方法

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Publication number: JP2020040087A
Application number: JP2018168826A
Authority: JP
Inventors: 宰萩原; Sai Hagiwara; 修平澤部; Shuhei Sawabe
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2018-09-10
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2038-09-10
Also published as: JP7137784B2; FR3085609B1; DE102019123501A1; FR3085609A1

Abstract

【課題】簡潔な動作で安定的に接合強度が得られ、制御の複雑化やタクトタイムの増加を回避できるレーザスポット溶接方法を提供する。
【解決手段】複数重ねた金属板（１１，１２，１３）に対して所定領域にレーザ光軸を設定した状態で、第１の照射径（φ１）と第２の照射径（φ２）の間で漸次または段階的に照射径を変化させながらレーザ（Ｌ１，Ｌ２）を照射するステップを含み、前記第１および第２の照射径の一方が前記ステップ中の最小照射径（φ１）であり、他方がスポット径（Ｓ２）を与える前記ステップ中の最大照射径（φ２）であり、前記照射径の変化はデフォーカス量の変化（ｄ１〜ｄ２）によって与えられる。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザスポット溶接方法に関する。

ワークにレーザを照射しその光エネルギーによって照射部位の材料を加熱溶融するレーザ溶接は、非接触で高速溶接が行える利点があり、アーク溶接や抵抗スポット溶接からの代替が進んでいる。抵抗スポット溶接の代替としてのレーザスポット溶接は、例えば特許文献1に記載されるように、スポット領域内でレーザビームを円形状や渦巻状に走査することで接合強度を得ている。

しかし、このような溶接方法は、スポット領域内でビーム走査を行うための俊敏なスキャナ操作が必要であり、制御動作が煩雑であるうえ、ビーム走査の分だけタクトタイムが長くなる問題があった。

特開２０１２−１１５８７６号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡潔な動作で安定的に接合強度が得られ、制御の複雑化やタクトタイムの増加を回避できるレーザスポット溶接方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザスポット溶接方法は、
複数重ねた金属板に対して所定領域にレーザ光軸を設定した状態で、第１の照射径と第２の照射径の間で漸次または段階的に照射径を変化させながらレーザを照射するステップを含み、
前記第１および第２の照射径の一方が前記ステップ中の最小照射径であり、他方がスポット径を与える前記ステップ中の最大照射径であり、前記照射径の変化はデフォーカス量の変化によって与えられる。

本発明に係るレーザスポット溶接方法は、上記のように、レーザ光軸を固定した状態でレーザ照射径を変化させるので、最小照射径側のレーザ照射により溶け込み深さが確保され、最大照射径側のレーザ照射によりスポット径が確保され、レーザ光軸の走査を伴わない簡潔な動作でありなら、所望の接合強度が得られ、制御の複雑化やタクトタイムの増加を回避でき、生産性向上に有利であることに加えて、金属板が隙間を有して重ね合されている場合における隙間の許容範囲が格段に向上する利点がある。

上記本発明において、第１の照射径がステップ中の最小照射径であり、第２の照射径がステップ中の最大照射径であり、最小照射径と最大照射径の間で漸次または段階的に照射径を拡大しながらレーザを照射することを含む態様では、第１の照射径によって複数重ねた金属板が溶融して接合され、第１の照射径から最大照射径まで照射径を拡大しながらレーザを照射することで、溶融部が所望のスポット径まで拡大されるので、隙間に対する許容度の高いスポット溶接を安定的に行える。

上記本発明において、第１の照射径がステップ中の最大照射径であり、第２の照射径がステップ中の最小照射径であり、最大照射径と最小照射径の間で漸次または段階的に照射径を縮小しながらレーザを照射することを含む態様では、第１の照射径によって最表面側から所望のスポット径に対応する溶融部が形成され、第１の照射径から最小照射径まで照射径を縮小しながらレーザを照射することで、最下面側への熱伝達が促進されるとともに、溶融部の中央に所望の溶け込みが得られる。特に、最表面側の隙間が大きい場合に、先ず、最表面の金属板に最大照射径のレーザ照射がなされることで、貫通以前に最大範囲の熱変形による接合が進行し、２枚目以下への熱伝導が促進され、許容度の高いスポット溶接を安定的に行える利点がある。

本発明第１実施形態に係るレーザスポット溶接を示す側断面図（ａ）、平面図（ｂ）、照射径の変化を模式的な示すグラフ（ｃ）である。（ａ）は比較例のレーザスポット溶接における照射径の変化を示すグラフ、（ｂ）〜（ｄ）は本発明第１実施形態の第１〜第３実施例に係るレーザスポット溶接における照射径の変化を示すグラフ、（ｅ）は比較例（ａ）のレーザスポット溶接における上下間隙と溶接可能範囲を示すグラフ、（ｆ）〜（ｈ）は第１〜第３実施例のレーザスポット溶接における上下間隙と溶接可能範囲を示すグラフである。（ａ）（ｂ）は本発明第１実施形態の第４〜第５実施例に係るレーザスポット溶接における照射径の変化を示すグラフ、（ｃ）（ｄ）は上下間隙と溶接可能範囲を示すグラフである。（ａ）は本発明第２実施形態に係る実施例６のレーザスポット溶接における照射径の変化を示すグラフ、（ｂ）は上下間隙と溶接可能範囲を示すグラフである。本発明第１実施形態に係るレーザスポット溶接における溶接部を示す拡大断面図である。本発明第２実施形態に係るレーザスポット溶接を示す側断面図（ａ）、平面図（ｂ）、照射径の変化を模式的な示すグラフ（ｃ）である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１（ａ）〜（ｃ）は、３枚の金属板１１，１２，１３に対する本発明の第１実施形態に係るレーザスポット溶接１０を示しており、図１（ａ）において、板厚ｔ１，ｔ２，ｔ３の３枚の金属板１１，１２，１３は、間隙ｇａ，ｇｂを有して重ねられている。

それぞれの間隙ｇａ，ｇｂは，金属板１１，１２，１３の何れか（通常は隙間ｇａ，ｇｂの下側の金属板１２，１３）に予め突起部（エンボス、不図示）をプレス加工しておき、突起部を介して重ね合されるか、または、金属板の間に挿入された不図示のスペーサを介して重ね合され、必要に応じてクランプなどの治具で保持されることによる間隔調整された隙間、および／または、プレス加工品のフランジ部などにスプリングバックで生じる間隔調整されていない隙間である。

金属板１１，１２，１３は、特に限定されるものではないが、板厚０．６〜２．０ｍｍの薄鋼板を想定しており、板厚ｔ１，ｔ２，ｔ３は、後述する実験では、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ、１．２ｍｍの鋼板を使用している。接合面に、亜鉛めっき層のような低融点金属の表面処理層が存在する場合は、金属蒸気を排出するために上記のような間隔調整された隙間が意図的に設けられるが、低融点金属の表面処理層が存在しない場合には、隙間ｇａ，ｇｂを有さずに直接重ね合されても良い。

レーザスポット溶接１０の実施に際しては、先ず、最表面に位置した金属板１１の上方にレーザ加工ヘッドを位置させ、光軸を固定した状態で、デフォーカス量ｄ１（最小照射径φ１）にて一定出力でレーザ照射Ｌ１を行い、スポットＳ１にて３枚の金属板１１，１２，１３を貫通する溶接部Ｗ１（この時点では溶融部）を形成する。

このスポットＳ１が１回の溶接工程中で最小面積（最大エネルギー密度）の照射領域であり、必要最小限のレーザ出力で溶接すべき３枚の金属板１１，１２，１３のうち最表面側の２枚の金属板１１，１２を貫通し、最下の金属板１３に対しても充分な溶け込み深さが得られる。

次いで、光軸を固定したまま、レーザ溶接機の光学系にて焦点制御を行い、図１（ｃ）に符号Ｗｓで示すように、デフォーカス量をｄ１からｄ２まで漸次増大させ、レーザ照射径をφ２まで漸次拡大しながら一定出力でレーザ照射（Ｌ１〜Ｌ２）を行い、溶融部をＷ２まで拡大してスポットＳ２にてレーザ照射Ｌ２を終了する。

このスポットＳ２が１回の溶接工程中で最大面積（最小エネルギー密度）の照射領域であり、レーザ照射径がφ１からφ２に拡大し、照射領域がＳ１からＳ２まで拡大する過程で、レーザ照射のエネルギー密度は漸次低下するものの、中心部から周辺部に向けての熱伝達を伴うことで、照射領域Ｓ２内での安定的な溶融が促され、レーザ照射径φ２に対応する最終的な溶接部Ｗ２が得られる。

なお、金属板１１，１２，１３に低融点金属の表面処理層が存在する場合に、溶融部とその周辺で発生する金属蒸気は、上記のような中心部から周辺部に向かう熱伝達と、レーザ照射径の拡大とともに、間隙ｇａ，ｇｂを通じて拡散され排出される。

以上述べたように、レーザスポット溶接１０は、レーザ光軸を固定した状態でレーザ照射径を変化させることで、最小照射径φ１のレーザ照射Ｌ１により中心部（Ｓ１，Ｗ１）で充分な溶け込み深さが確保され、最大照射径φ２のレーザ照射Ｌ２により所望のスポット径（Ｓ２、Ｗ２）が確保されるので、レーザ光軸の走査を伴わない簡潔な動作にて所望の接合強度が得られることに加えて、金属板１１，１２，１３間の隙間ｇａ，ｇｂに対する許容範囲が格段に向上する利点がある。

（第１実施形態に係る実施例と比較例）
次に、第１実施形態に係るレーザスポット溶接１０の効果を検証するために、レーザ照射径の変化パターンの異なる各場合について、金属板１１，１２，１３間の間隙ｇａ，ｇｂおよびそれらの組合せを変えてレーザスポット溶接し、間隙の許容範囲を比較する実験を行った。実験では、金属板１１，１２，１３として、最表面側（レーザ照射側）から、板厚ｔ１＝０．６ｍｍ、ｔ２＝１．２ｍｍ、ｔ３＝０．８ｍｍの鋼板を使用し、レーザ出力６ｋＷとして、デフォーカス量を３０〜９０ｍｍ、レーザ照射径をφ１．８〜５．０ｍｍの間で変化させて０．４秒間のレーザ照射を行った。

（比較例）
先ず、比較例として、図２（ａ）に示すように、デフォーカス量ｄ１＝３０ｍｍで０．２秒のレーザ照射を行った後、デフォーカス量をｄ２＝９０ｍｍに増加させて０．１５秒のレーザ照射を行うレーザスポット溶接を、金属板間の間隙ｇａ，ｇｂおよびそれらの組合せを変えて実施し、間隙の許容範囲を調べた。
図２（ｅ）はその結果を示しており、図中において、ハッチングが付されている組合せでは良好な溶接結果が得られ、間隙の許容範囲を示している。上側の間隙ｇａが０の場合には、下側の間隙ｇｂ＝１．０ｍｍまで許容されているが、両方の間隙ｇａ，ｇｂがある組合せでは、概ね間隙の合計が０．９ｍｍ程度であった。いくつかの組合せではレーザ照射を延長することで改善が見られたが、図中太線で示された実施例１（後述）の間隙許容範囲と比較すると、下側の間隙ｇｂが大きい範囲に差があることが分かる。

（実施例１）
次に、本発明の第１実施形態に係る実施例１として、図２（ｂ）に示すように、デフォーカス量をｄ１＝３０ｍｍからｄ２＝９０ｍｍまで一定の比率で増加させながら、０．４秒のレーザ照射を行うレーザスポット溶接を、金属板間の間隙ｇａ，ｇｂおよびそれらの組合せを変えて実施し、間隙の許容範囲を調べた。
図２（ｆ）に実施例１の結果を示す。上述したように、比較例と比較すると、下側の間隙ｇｂが大きい範囲で１．０〜１．１ｍｍまで許容されており、上下合計の間隙は１．２〜１．３ｍｍまで許容範囲が拡大している。

（実施例２）
次に、本発明の第１実施形態に係る実施例２として、図２（ｃ）に示すように、デフォーカス量をｄ１＝３０ｍｍから０．２秒間に４０ｍｍまで相対的に緩やかな比率で増加させた後、次の０．２秒間にデフォーカス量をｄ２＝９０ｍｍまで相対的に急な比率で増加させながら、合計０．４秒のレーザ照射を行うレーザスポット溶接を、金属板間の間隙ｇａ，ｇｂおよびそれらの組合せを変えて実施し、間隙の許容範囲を調べた。
図２（ｇ）に実施例２の結果を示す。先述の比較例に対しては間隙許容範囲が拡大しているものの、上述した実施例１と比較すると、下側の間隙ｇｂが大きい範囲で０．２ｍｍ程度許容範囲が狭くなっている。

（実施例３）
次に、本発明の第１実施形態に係る実施例３として、図２（ｄ）に示すように、デフォーカス量をｄ１＝３０ｍｍから０．１秒間に５０ｍｍまで相対的に急な比率で増加させた後、次の０．３秒間にデフォーカス量をｄ２＝９０ｍｍまで相対的に緩やかな比率で増加させながら、合計０．４秒のレーザ照射を行うレーザスポット溶接を、金属板間の間隙ｇａ，ｇｂおよびそれらの組合せを変えて実施し、間隙の許容範囲を調べた。
図２（ｈ）に実施例３の結果を示す。上述の実施例２とは逆に、上下合計の間隙が大きい領域で僅かながら実施例１を上回る結果が得られた。

以上の実施例１〜３および比較例の結果から、上下に間隙のある溶接では、最小照射径（φ１）のレーザ照射Ｌ１は極短期間に終了し、照射径を漸次拡大した方が間隙の許容範囲を大きくし良好な溶接スポットを安定的に形成するうえで有利なことが分かる。特に、実施例２と実施例３の比較から、溶接工程の前半では照射径を相対的に急に拡大し、溶接工程の後半では照射径を相対的に緩やかに拡大する方が良好な結果が得られることが示唆された。そこで、この傾向を検証するために、さらにレーザ照射径の変化パターンのみを変更してレーザスポット溶接を行い、間隙の許容範囲を比較する追加実験を行った。

（実施例４）
先ず、本発明の第１実施形態に係る実施例４として、図３（ａ）に示すように、デフォーカス量をｄ１＝３０ｍｍから０．１秒間に６０ｍｍまで実施例３よりも急な比率で増加させた後、次の０．３秒間にデフォーカス量をｄ２＝９０ｍｍまで実施例３よりも緩やかな比率で増加させながら、合計０．４秒のレーザ照射を行うレーザスポット溶接を、金属板間の間隙ｇａ，ｇｂおよびそれらの組合せを変えて実施し、間隙の許容範囲を調べた。
図３（ｃ）に実施例４の結果を示す。上述した実施例３と比較して、上側の間隙ｇａが０．３ｍｍ、下側の間隙ｇｂが０．９〜１．０ｍｍの組合せが不良になったが、上側の間隙ｇａが０．２ｍｍ以下の場合には下側の間隙ｇｂの許容範囲が１．３〜１．４ｍｍにまで拡大され、下側の間隙ｇｂが大きい場合に有利であることが確認された。

（実施例５）
次に、本発明の第１実施形態に係る実施例５として、図３（ｂ）に示すように、デフォーカス量をｄ１＝３０ｍｍから０．１秒間に７０ｍｍまで実施例５よりも急な比率で増加させた後、次の０．３秒間にデフォーカス量をｄ２＝９０ｍｍまで実施例５よりも緩やかな比率で増加させながら、合計０．４秒のレーザ照射を行うレーザスポット溶接を、金属板間の間隙ｇａ，ｇｂおよびそれらの組合せを変えて実施し、間隙の許容範囲を調べた。
図３（ｄ）に実施例５の結果を示す。上述した実施例４と同様に、上側の間隙ｇａが０．３ｍｍ、下側の間隙ｇｂが０．９〜１．０ｍｍの組合せは不良であったが、上側の間隙ｇａが０．６〜０．７ｍｍの場合に許容範囲の拡大が認められ、さらに、上側の間隙ｇａが０．２ｍｍ以下の場合には下側の間隙ｇｂの許容範囲が１．３〜１．５ｍｍにまで拡大され、下側の間隙ｇｂが大きい場合に有利であることが確認された。

（第１実施形態に係る溶接部の実施例）
図５は、３枚の金属板５１，５２，５３をレーザスポット溶接した溶接部を示す断面図である。金属板５１，５２，５３の板厚は０．８ｍｍ，１．２ｍｍ，０．６ｍｍ、上側の間隙は０．５ｍｍ、下側の間隙は１．６ｍｍであり、デフォーカス量ｄ１＝１０ｍｍ／０．２秒、２０ｍｍ／０．０５秒、４０ｍｍ／０．２秒、そしてデフォーカス量ｄ２＝９０ｍｍまで漸次段階的に増加させながらレーザ照射し、続けて０．８秒間レーザ照射を行ったところ、有効なスポット径の溶接部５０Ｗが得られた。この実施例は下側の間隙が板厚よりも大きい特殊な場合であるが、このような場合でも隙間を有したまま溶接できることが確認できた。

なお、この実施例は、隙間の条件が厳しいこともあり、デフォーカス量（照射径）を段階的に増加させる制御を行ったが、先述した実施例のように０．２〜０．４秒で終了する実用的なレベルのレーザスポット溶接では、中間的なデフォーカス量（照射径）を設定して段階的に増加させる制御と、デフォーカス量（照射径）を連続的に増加させる制御とは、設定上の差であって、溶接結果に有意な差は生じない。また、レーザ溶接機（加工機）の仕様によっては、デフォーカス量を変更する際に極短時間レーザ照射が中断する場合もあるが、この場合にも溶接結果に有意な差は生じないことが確認されている。

（第２実施形態）
次に、図６（ａ）〜（ｃ）は、３枚の金属板１１，１２，１３に対する本発明の第２実施形態に係るレーザスポット溶接２０を示している。図３（ｃ）に示すレーザ照射径の変化パターンのみが第１実施形態と異なり、金属板１１，１２，１３の材質や板厚ｔ１，ｔ２，ｔ３、間隙ｇａ，ｇｂなど、基本的な構成は第１実施形態と同様である。

レーザスポット溶接２０の実施に際しては、先ず、最表面に位置した金属板１１の上方にレーザ加工ヘッドを位置させ、所定領域に光軸を設定した状態で、デフォーカス量ｄ１（最大照射径φ１）にて一定出力でレーザ照射Ｌ１を行うことで、最終的なスポット径に対応するスポットＳ１において最表面の金属板１１が加熱溶融されて垂下し、下側の金属板１２と接合される。金属板１１における溶融金属が金属板１２と接合することで、スポットＳ１の領域全体での熱伝導が促され、金属板１１と接合した下側の金属板１２も軟化し、溶融部Ｗ１が形成される。

次いで、光軸を固定したまま、レーザ溶接機の光学系にて焦点制御を行い、図６（ｃ）に符号Ｗｓで示すように、デフォーカス量をｄ１からｄ２まで漸次減少させ、レーザ照射径をφ２（スポットＳ２）まで漸次縮小しながら一定出力でレーザ照射（Ｌ１〜Ｌ２）を行い、溶融部Ｗ１の中央をさらに下側の金属板１３に溶け込ませてレーザ照射Ｌ２を終了することで、３枚の金属板１１，１２，１３を貫通する溶接部Ｗ２が形成される。

この第２実施形態のレーザスポット溶接２０では、レーザ光軸を固定した状態で最終的なスポット径（Ｓ１，Ｗ１）に対応する最大照射径φ１のレーザ照射Ｌ１を行った後、レーザ照射径を最小照射径φ２まで絞り込むことでエネルギー密度を上昇させ中心部（Ｓ２，Ｗ２）に充分な溶け込み深さが確保される。それにより、第１実施形態と同様に、レーザ光軸の走査を伴わない簡潔な動作にて所望の接合強度が得られ、かつ、金属板１１，１２，１３間の隙間ｇａ，ｇｂに対する許容範囲が向上する利点がある。

（第２実施形態に係る実施例）
次に、第２実施形態に係るレーザスポット溶接２０の効果を検証するために、第１実施形態と同じ条件で、図４（ａ）に示すように、デフォーカス量ｄ１＝９０ｍｍで０．１秒のレーザ照射を行った後、０．２秒間にデフォーカス量をｄ２＝２０ｍｍまで一定の比率で減少させ、さらに０．１秒のレーザ照射を行うレーザスポット溶接を、金属板１１，１２，１３間の間隙ｇａ，ｇｂおよびそれらの組合せを変えて実施し、間隙の許容範囲を比較する実験を行った。

図４（ｂ）に実施例６の結果を示す。先述した比較例（図２（ｅ））と比較して上下何れの側でも間隙の許容範囲が拡大していることは明らかであるが、第１実施形態の実施例１〜５（図２（ｆ）〜（ｈ）、図３（ｃ）（ｄ））と比較すると、上側の間隙ｇａが大きい範囲で０．７ｍｍまで許容されている点に特徴があり、上下合計の間隙許容範囲は１．４〜１．５ｍｍまで拡大している。

なお、上記第２実施形態のレーザスポット溶接２０における照射径（デフォーカス量）の変化に続けて先述した第１実施形態のレーザスポット溶接１０における照射径（デフォーカス量）の変化を実施することもできる。

すなわち、デフォーカス量をｄ１からｄ２まで漸次減少（レーザ照射径をφ２（スポットＳ２）まで漸次縮小）させた後に、デフォーカス量をｄ１（またはそれ以上／それ以下）まで漸次増加（レーザ照射径をφ１（またはそれ以上／それ以下）まで漸次拡大）させてからレーザ照射を終了することもできる。

逆に、先述した第１実施形態のレーザスポット溶接１０における照射径（デフォーカス量）の増加を行った後に、上記第２実施形態のレーザスポット溶接２０における照射径（デフォーカス量）の減少を行ってからレーザ照射を終了することもできる。

また、上記各実施形態では、レーザ光学系の制御によりデフォーカス量ｄ１〜ｄ２を変化させる場合について述べたが、レーザ加工ヘッドの位置を機械的に上下動（直線移動）させることでデフォーカス量を変化させることもできる。

また、上記各実施形態では、２枚ないし３枚の金属板を重ねてレーザスポット溶接する場合を示したが、４枚以上の金属板を重ねてレーザスポット溶接することも可能である。実験では合計板厚４．２ｍｍまで確認しているが、レーザ出力などの条件によりそれ以上の溶接も可能と思われる。

また、上記各実施形態では、最表面の金属板１１に対して垂直上方からレーザ照射する場合を示したが、照射角度４０度までは同程度の加工性が得られる。また、水平面以外の任意の角度で傾斜配置された金属板に対しても溶接可能である。

以上、本発明のいくつかの実施の形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。

１０，２０レーザスポット溶接
１１，１２，１３金属板
ｄ１，ｄ２デフォーカス量
ｇａ，ｇｂ隙間
Ｌ１，Ｌ２レーザ照射
Ｓ１，Ｓ２スポット
φ１，φ２レーザ照射径
Ｗ１，Ｗ２溶接部

Claims

複数重ねた金属板に対して所定領域にレーザ光軸を設定した状態で、第１の照射径と第２の照射径の間で漸次または段階的に照射径を変化させながらレーザを照射するステップを含み、
前記第１および第２の照射径の一方が前記ステップ中の最小照射径であり、他方がスポット径を与える前記ステップ中の最大照射径であり、前記照射径の変化はデフォーカス量の変化によって与えられる、レーザスポット溶接方法。
前記第１の照射径が前記ステップ中の最小照射径であり、前記第２の照射径が前記ステップ中の最大照射径であり、前記最小照射径と前記最大照射径の間で漸次または段階的に照射径を拡大しながらレーザを照射することを含む、請求項１記載のレーザスポット溶接方法。
前記第１の照射径が前記ステップ中の最大照射径であり、前記第２の照射径が前記ステップ中の最小照射径であり、前記最大照射径と前記最小照射径の間で漸次または段階的に照射径を縮小しながらレーザを照射することを含む、請求項１記載のレーザスポット溶接方法。
前記ステップ中は、レーザ出力は実質的に一定である、請求項１〜３の何れか一項記載のレーザスポット溶接方法。