JP2020040088A - レーザスポット溶接方法 - Google Patents

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）にてレーザを照射し（Ｌ１）、前記金属板を加熱して溶融する第１ステップ（Ｗ１，２１，４１）と、前記第１ステップに連続して、前記第１の照射径（φ１）から第２の照射径（φ２）ま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し（Ｌ１〜Ｌ２）、溶融部（Ｗ１〜Ｗ２）を拡大する第２ステップ（Ｗｓ，２２，４２）と、を含み、前記照射径の拡大（φ１〜φ２）はデフォーカス量の増加（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の照射径にてレーザを照射し前記金属板を加熱して溶融する第１ステップと、
前記第１ステップに連続して、前記第１の照射径から第２の照射径ま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し溶融部を拡大する第２ステップと、
を含み、前記照射径の拡大はデフォーカス量の増加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第１の照射径にてレーザを照射することにより複数重ねた金属板が加熱して溶融され、全体に熱伝導可能な状態において第２の照射径ま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で、溶融部が所望のスポット径まで拡大されるので、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、金属板間の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利点がある。

本発明の好適な態様では、前記第２ステップは、レーザの照射径が前記第１の照射径から第１の速度で拡大する第１区間と、前記第１区間の後に前記第２の照射径まで第２の速度で拡大する第２区間とを含み、前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きい。

上記と関連して、本発明の好適な態様では、前記第２ステップは、レーザの照射径が前記第１の照射径から第２の照射径まで拡大するに従って、照射径の拡大速度が漸次または段階的に低下する。

これらの特徴により、迅速かつ確実なスポット径の拡大が可能となり、金属板間の隙間に対する許容度の高いスポット溶接を安定的に行ううえで有利である。

本発明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）はその上下間隙と溶接可能範囲を示すグラフ、（ｂ）〜（ｄ）は本発明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、（ｆ）〜（ｈ）はそれらの上下間隙と溶接可能範囲を示すグラフである。 （ａ）（ｂ）は本発明の好適な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）はそれらの上下間隙と溶接可能範囲を示すグラフである。 本発明実施形態に係るレーザスポット溶接における照射径の変化と溶接過程を示す模式的なグラフである。 本発明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。

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。

図１（ａ）〜（ｃ）は、３枚の金属板１１，１２，１３に対する本発明の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を加熱して溶接部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。

次に、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２ｋＷ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、比較例と比べると、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。

（最適な実施形態についての考察）
図４は、実施例１〜５の結果から示唆される本発明に係るレーザスポット溶接における最適な照射径変化パターンを示している。以下、このパターンを中心とした最適な実施形態について図４を参照しながら考察する。

先ず、図４に実線で示されるように、３枚の金属板１１，１２，１３を加熱して溶融可能な工程中の最小照射径φ１（デフォーカス量ｄ１）からレーザ照射Ｌ１を開始する第１ステップ２１は極短期間に終了し、照射径を漸次拡大する第２ステップ２２に移行する。

次いで、第２ステップ２２では、レーザ照射径が最小照射径φ１から第１の速度ｖ１で拡大する第１区間２２ａと、第１の速度ｖ１よりも遅い第２の速度ｖ２でレーザ照射径が最大照射径φ２まで拡大する第２区間２２ｂとを含む。

この第１の区間２２ａと第２の区間２２ｂの間に、第１の速度ｖ１と第２の速度ｖ２の中間的な速度で照射径が拡大する１ないしは複数の中間的区間を設けることもできる。したがって、第２ステップ２２は、レーザ照射径が最小照射径φ１から最大照射径φ２まで拡大するに従って、照射径の拡大速度（ｖ１〜ｖ２）が漸次または段階的に低下する区間ということになる。

なお、第１区間２２ａは第１ステップ２１の直後の区間であるため、可及的短時間に第２区間２２ｂに移行することが好ましく、第１区間２２ａは第２区間２２ｂよりも短いことが溶融部を拡大するうえで有利である。レーザ照射のエネルギー密度は照射面積に反比例し、照射面積は照射径の２乗に比例するので、照射径を一定の比率で増加させると、照射面積の拡大に伴うエネルギー密度の低下が累進的に進むことになる。したがって、第２ステップ２２の前半で速やかに照射径を拡大し、後半で照射径の拡大速度を漸次減速することで、照射面積の拡大率およびエネルギー密度の低下率を一定に近づけることができ、効率よく溶融部を拡大できるものと推察される。

第２ステップ２２の後に、最大照射径φ２のままでレーザ照射Ｌ２を継続することもでき、この区間を第３ステップ２３とすると、既に所望のスポット径（φ２）に到達している溶融部Ｗ２を加熱して溶融金属の均質化や安定化を図る調整プロセスという性格を持っている。そのことは、比較例において照射時間の延長により溶接部が良好になったことからも明らかである。しかしながら、実施例４，５の結果からも明らかなように、上述した第２ステップ２２の第２区間２２ｂが同様の機能を果たすため、スポットの拡大に寄与しないこの第３ステップ２３は不要であるか、極短時間で充分であることが分かる。

一方、レーザ照射Ｌ１を開始するする第１ステップ２１において、最表面側の金属板１１，１２の板厚が大きい場合など、熱容量が大きいことで良好な加熱溶融が行えない場合は、レーザ出力を大きくするよりも、図４に符号２１′で示されるように、開始時のデフォーカス量をｄ１よりも小さくし、ジャストフォーカスに近づけ、より小さい照射径からレーザ照射を開始することが有利であり、その場合はレーザ照射開始直後からデフォーカス量を増加させレーザ照射径を拡大する。

したがって、最小照射径φ１（デフォーカス量ｄ１）による短時間の連続照射を含む第１ステップ２１を実施するよりも、図４に破線で示されるように、最小照射径φ１（デフォーカス量ｄ１）によるレーザ照射直後から照射径を漸次拡大させながら金属板を加熱して溶融する第１ステップ４１を実施し、照射径の拡大速度を減少させて第２ステップ４２に移行することが有利である。

また、第１ステップ２１や第３ステップ２３以外に、第２ステップ２２に一定照射径での連続照射を含み、あるいは、一定照射径での連続照射と照射径の増加を交互に実施することで照射径（デフォーカス量）を段階的に増加させることもできるが、熱伝導に合わせて効率よく溶融部を拡大するためには連続的に変化させることが好ましい。

（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。

なお、上記実施形態では、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。但し、スポット形状は楕円になる。また、水平面以外の任意の角度で溶接可能である。

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 レーザスポット溶接
１１，１２，１３ 金属板
２１，２１′，４１ 第１ステップ（加熱溶融）
２２，４２ 第２ステップ（溶融部拡大）
２２ａ 第１区間
２２ｂ 第２区間
２３，４３ 第３ステップ（調整）
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 溶融部

Claims (8)

1. 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の照射径にてレーザを照射し前記金属板を加熱して溶融する第１ステップと、
   前記第１ステップに連続して、前記第１の照射径から第２の照射径ま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し溶融部を拡大する第２ステップと、
   を含み、前記照射径の拡大はデフォーカス量の増加によって与えられる、レーザスポット溶接方法。
2. 前記第２ステップは、レーザの照射径が前記第１の照射径から第１の速度で拡大する第１区間と、前記第１区間の後に前記第２の照射径まで第２の速度で拡大する第２区間とを含み、前記第１の速度は前記第２の速度よりも大きい、請求項１記載のレーザスポット溶接方法。
3. 前記第２ステップは、レーザの照射径が前記第１の照射径から第２の照射径まで拡大するに従って、照射径の拡大速度が漸次または段階的に低下する、請求項１記載のレーザスポット溶接方法。
4. 前記第１区間におけるレーザ照射時間は、前記第２区間におけるレーザ照射時間よりも短い、請求項２記載のレーザスポット溶接方法。
5. 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、
   レーザの照射径を、第１の照射径から漸次または段階的に拡大しながらレーザを照射して前記金属板を加熱して溶融する第１ステップと、
   前記第１ステップに連続して、レーザの照射径を、第２の照射径まで漸次または段階的に拡大しながらレーザを照射して溶融部を拡大する第２ステップと、
   を含み、前記照射径の拡大はデフォーカス量の増加によって与えられる、レーザスポット溶接方法。
6. 前記第１ステップにおける照射径の拡大速度は、前記第２ステップにおける照射径の拡大速度よりも大きい、請求項５記載のレーザスポット溶接方法。
7. 前記第１ステップにおけるレーザ照射時間は、前記第２ステップにおけるレーザ照射時間よりも短い、請求項１〜６の何れか一項記載のレーザスポット溶接方法。
8. 前記第１および第２ステップ中は、レーザ出力は実質的に一定である、請求項１〜７の何れか一項記載のレーザスポット溶接方法。