JP2021053685A - 部材の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】スパッタの発生を抑制しつつも、短時間で出力を上げることができる、レーザ溶接による部材の製造方法を提供する。【解決手段】部材の製造方法は、溶接ラインに沿ってレーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接により、複数の母材同士を溶着させた部材を製造する、部材の製造方法であって、溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、溶接ラインの開始地点の近傍において、レーザ光の照射位置を、少なくとも、開始地点である第1地点と、第1地点とは異なる第2地点との間で、繰り返し移動させながら、レーザ光の出力を上げることを含む。【選択図】図2

Description

本開示は、レーザ溶接による部材の製造方法に関する。
レーザ溶接では、母材に照射するレーザ光の出力を高めるほど、スパッタが発生しやすくなる。スパッタとは、高いエネルギー密度のレーザ光が母材に照射されることにより、母材の表面において局所的に高温となった溶融部分から周囲に飛散する溶融物をいう。飛散した溶融物が異物として母材等に付着すると、得られる部材の品質が低下する可能性がある。
スパッタの発生を抑える方法として、特許文献1には、溶接の開始位置においてスパッタを発生させない出力でレーザ光の照射を開始し、その開始後、レーザ光を走査させることなく、所定の溶け込み深さの範囲内となるようにレーザ光の出力を漸増することが記載されている。
特開2017−164811号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載の方法は、スパッタが発生しないようにレーザ光の出力をゆっくり上昇させることを前提としているため、溶接工程のサイクルを短縮するために短時間で高い出力に上げたいという要望を満たすものではなかった。
本開示の一局面は、スパッタの発生を抑制しつつも、短時間で出力を上げることができる、レーザ溶接による部材の製造方法を提供する。
本開示の一態様は、溶接ラインに沿ってレーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接により、複数の母材同士を溶着させた部材を製造する、部材の製造方法であって、溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、溶接ラインの開始地点の近傍において、レーザ光の照射位置を、少なくとも、開始地点である第1地点と、第1地点とは異なる第2地点との間で、繰り返し移動させながら、レーザ光の出力を上げることを含む。
このような構成によれば、スパッタの発生を抑制しつつも、短時間で出力を上げることができる。
本開示の一態様では、部材の製造方法は、溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、開始地点の近傍において、レーザ光の照射位置を、少なくとも第1地点と第2地点との間で繰り返し移動させながら、レーザ光の出力を上げることにより、開始地点に初期溶融池を形成することと、初期溶融池が形成された開始地点から、溶接ラインに沿ってレーザ光を照射することと、を含んでもよい。
本開示の一態様では、溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、溶接ラインの開始地点の近傍において、レーザ光の照射位置を、少なくとも第1地点と第2地点との間で繰り返し移動させながら、レーザ光の出力を、溶接ラインに沿った溶接の目標出力まで上げることを含んでもよい。
本開示の一態様では、第2地点におけるレーザ光の照射スポットが、第1地点におけるレーザ光の照射スポットの少なくとも一部と重なってもよい。このような構成によれば、所望の溶け込み深さを確保しやすい。
本開示の一態様では、レーザ光の照射位置を、第1地点と第2地点との2点間を往復するように移動させてもよい。
本開示の一態様では、第1地点と第2地点とを通る直線は、第1地点における、溶接ラインの接線と交差してもよい。このような構成によれば、初期溶融池から溶接ラインへ溶融物が流れやすく、溶接品質が向上する。
本開示の一態様では、第1地点と第2地点とを通る直線は、第1地点における溶接ラインの接線と直交してもよい。このような構成によれば、初期溶融池から溶接ラインへ溶融物が一層流れやすい。
本開示の一態様では、レーザ光がファイバレーザ光であってもよい。エネルギー密度が高いファイバレーザ光ではスパッタが生じやすい傾向にあるため、上記レーザ溶接による部材の製造方法は、レーザ光としてファイバレーザ光を用いる方法に特に有効である。
図1Aは、部材の側面からみて、レーザ溶接による部材の製造方法を説明する図である。図1Bは、母材の表面からみて、レーザ溶接による部材の製造方法を説明する図である。 初期溶融池の形成方法を説明する図である。 レーザ光の初期出力の設定の仕方を説明する図である。 図4A及び図4Bは、それぞれ、レーザ光の出力の上げ方の変形例を示す図である。 図5A、図5B、及び図5Cは、それぞれ、レーザ光の往復の仕方の変形例を示す図である。
以下、本開示の例示的な実施形態について図面を参照しながら説明する。
[1.部材の製造方法]
本実施形態では、レーザ溶接により、複数の母材同士を溶着させた部材を製造する。具体的には、図1Aに示すように、重ね合わせた2枚の平板状の母材1、2に向かってレーザ光3を照射することにより、母材1、2の面同士が溶着され、2つの母材1、2が重なった構造をその一部に有する自動車部品4が製造される。母材1、2としては、ステンレス鋼が用いられる。
レーザ溶接は、図1Bに示すように、溶接ラインLに沿ってレーザ光を照射して行う。具体的には、溶接ラインLの開始地点X1から、溶接ラインL上をレーザ光が通過するように、レーザ光が走査される。溶接ラインLとは、溶接を行うことが予定されている線をいい、溶接ラインLの開始地点X1とは、溶接ラインL上における溶接の開始地点をいう。本実施形態では、溶接ラインLは、開始地点X1から直線状に伸びる形状を有している。
また、本実施形態では、レーザ光としてファイバレーザ光が用いられる。
本実施形態では、溶接ラインLに沿った溶接を開始する前に、まず、開始地点X1に初期溶融池WP0が形成される。溶融池とは、母材においてレーザ光の照射により溶融した部分をいい、初期溶融池WP0とは、開始地点X1に形成される溶融池をいう。初期溶融池WP0の形成方法は後に詳述する。
そして、初期溶融池WP0が形成された開始地点X1から、溶接ラインLに沿って目標出力PTでレーザ光が照射される。具体的には、開始地点X1から溶接ラインLの終了地点(不図示)に向かって、溶接ラインL上にレーザ光が照射される。
初期溶融池WP0は、開始地点X1の近傍において、レーザ光の照射位置を、開始地点X1(以下「第1地点X1」ともいう。)と、第1地点X1とは異なる第2地点X2との2点間を往復するように移動させながら、レーザ光の出力Pを目標出力PTよりも低い初期出力P0から上記目標出力PTまで段階的に上げることによって形成される。具体的には、初期溶融池WP0は以下の方法で形成される。
まず、図2の(a)に示すように、第1地点X1にレーザ光が照射されるように、レーザ光の照射部が搭載された溶接ヘッドの位置をセットする。この段階では、レーザ光の母材への照射はまだ開始されていない。なお、図2の(a)に示すグラフは、レーザ光の出力Pと時間との関係を示しており、グラフにおける矢印は初期溶融池WP0の形成方法における現在の段階を示している。このことは、以降の図2の(b)〜(e)においても同様である。
次に、図2の(b)に示すように、レーザ光の出力を初期出力P0まで上げて、母材へのレーザ光の照射を開始する。この時、図2の(b)の照射スポットSに示すように、レーザ光は第1地点X1に照射される。
次に、図2の(c)に示すように、レーザ光の出力Pは初期出力P0の状態のまま、レーザ光の照射位置を第1地点X1から第2地点X2に移動する。
第2地点X2は、開始地点X1(第1地点X1)の近傍の地点であり、具体的には、所望の大きさの初期溶融池WP0が開始地点X1に形成されるような、開始地点X1から近い距離の地点である。ここでいう初期溶融池WP0の大きさとは、初期溶融池WP0の母材表面上の面積及び溶け込み深さの両方をいう。なお、溶け込み深さとは、母材に形成される溶融池の、レーザ光の照射方向における母材の表面からの深さをいう。
また、図1Bに示すように、第2地点X2は、溶接ラインLの延長線M上ではなく、当該延長線M上から離れた位置にある。すなわち、第1地点X1と第2地点X2とを通る直線は、溶接ラインL及びその延長線Mと、言い換えれば、第1地点X1における溶接ラインLの接線と、交差する。本実施形態では、第1地点X1と第2地点X2とを通る直線は、溶接ラインL及びその延長線Mと直交する。
次に、図2の(d)に示すように、レーザ光の照射位置は第2地点X2のまま、レーザ光の出力Pを、初期出力P0に対し所定の出力ピッチΔP分上げる。
次に、図2の(e)に示すように、レーザ光の出力Pは初期出力P0+ΔPの状態のまま、レーザ光の照射位置を第2地点X2から第1地点X1に移動する。
そして、これらの第1地点X1と第2地点X2との2点間の移動と、出力ピッチΔP分のレーザ光の出力Pの上昇とを、出力Pが上記目標出力PTになるまで繰り返し行う。出力Pが上記目標出力PTに到達した時には所望の初期溶融池WP0が開始地点X1(第1地点X1)に形成されており、そこから溶接ラインLに沿った溶接を開始することができる。
上記初期出力P0、第1地点X1と第2地点X2との移動距離ΔX、及び第1地点X1と第2地点X2との間の移動回数nは、上記目標出力PT、形成しようとする初期溶融池WP0の大きさ、照射を開始してから目標出力PTへ到達するまでの目標到達時間T、母材の材質及び厚さ、レーザ光の種類等によって調整することができる。
以下に、初期出力P0、移動距離ΔX、及び移動回数nの設定の仕方の一例を説明する。
まず、目標到達時間Tで、所望の初期溶融池WP0の溶け込み深さ及び所望の目標出力PTに達することを、大まかな目標として設定する。
そして、移動距離ΔXを設定する。ここで、移動距離ΔXが大きすぎると、目標到達時間T内に所望の溶け込み深さを得ることが難しくなる。
移動距離ΔXは、一例として、レーザ光のビーム径以下が好ましい。なお、ビーム径とは、レーザ光の母材上におけるビームの直径をいう。移動距離ΔXがビーム径以下であると、図1に示すように、第1地点X1におけるレーザ光の照射スポットS1と第2地点X2におけるレーザ光の照射スポットS2とが一部重なるため、所望の溶け込み深さを確保しやすい。移動距離ΔXの目安としては、例えば、数μm以上数十mm以下のビーム径に対して、数百nm以上数mm以下程度である。
移動回数nは、特に限定されないが、例えば、第1地点X1と第2地点X2との間の移動速度VXを、溶接速度、すなわち、溶接ラインLに沿って溶接を行うときのレーザ光の移動速度VL、と同程度にして設定してもよい。すなわち、上記移動速度VXを定めれば、移動回数nは、移動速度VXと目標到達時間Tとの積を移動距離ΔXで割ることで、自然に導かれる。移動回数の目安としては、例えば、数十回以上数千回以下程度である。
初期出力P0は、目標出力PTよりも低い値で、適宜設定することができる。ただし、初期出力P0が大きすぎるとスパッタが発生する可能性が出てくる。また、初期出力P0が小さすぎると、目標到達時間T内に所望の溶け込み深さを得ることが難しくなる。初期出力P0としては、スパッタが発生しない出力、具体的には、上記のような初期溶融池WP0の形成方法を行った場合にスパッタが発生しない出力を設定することが好ましい。
初期出力P0の適正な値は、上記のように設定した、目標到達時間T、移動距離ΔX、移動回数n等の条件で、上記のような初期溶融池WP0の形成方法を実際に行い、所望の溶け込み深さを得られるか否か、及びスパッタが発生しないか否かを確認することによって見出すことができる。
例えば、目標到達時間Tをある程度の幅を持って設定した場合に、上記設定条件で初期出力P0を様々に変えた場合の試験結果を図3に示す。なお、本試験では、所望の溶け込み深さが達成できているか否かを、溶融池が母材の裏面まで貫通する裏抜けが生じているか否かによって判断している。図3に示すように、初期出力P0が比較的高い領域Aにおいては、スパッタが発生した。また、初期出力P0は比較的低いが目標到達時間Tが比較的短い領域Bにおいては、裏抜けが生じなかった。一方、初期出力P0が比較的低く、かつ、目標到達時間Tが比較的長い領域Cにおいては、スパッタの発生がなく裏抜けを生じさせることができていた。このような領域Cの適正値の中から、安全をみて相対的に低い値を初期出力P0として設定することができる。
以上記載したような方針に従って、初期出力P0、移動距離ΔX、及び移動回数nを設定することができる。なお、移動回数n及び初期出力P0を設定すれば、目標出力PTから初期出力P0を差し引いた値を移動回数nで割ることで、自然と上記出力ピッチΔPが導かれる。
[2.効果]
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
(2a)上記実施形態では、溶接ラインLに沿った溶接を開始する前に、溶接ラインLの開始地点X1(第1地点X1)の近傍において、レーザ光の照射位置を、少なくとも、第1地点X1と、第1地点X1とは異なる第2地点X2との間で、繰り返し移動させながら、レーザ光の出力を上げる。このような構成によれば、開始地点X1からレーザ光を動かさずにレーザ光の出力を一気に上げる場合と比較して、開始地点X1への熱の集中が抑えられ、溶融部分の急激な温度上昇を抑えることができる。そのため、溶融物の急激な気化が抑えられ、スパッタの発生が抑制される。また、スパッタの発生を抑えるために開始地点X1からレーザ光を動かさずにゆっくりレーザ光の出力を上げる場合と比較して、短時間で出力を上げることができる。
(2b)上記実施形態では、第2地点X2におけるレーザ光の照射スポットS2が、第1地点X1におけるレーザ光の照射スポットS1の少なくとも一部と重なる。このような構成によれば、所望の溶け込み深さを確保しやすい。
(2c)上記実施形態では、第1地点X1と第2地点X2とを通る直線が、溶接ラインL及びその延長線Mと交差している。言い換えれば、第1地点X1と第2地点X2とを通る直線は、第1地点X1における溶接ラインLの接線と、交差している。このような構成によれば、第2地点X2が溶接ラインLの延長線M上にある場合、すなわち、第1地点X1と第2地点X2とを通る直線が、第1地点X1における溶接ラインLの接線と交差していない場合、と比較して、初期溶融池WP0が溶接ラインL寄りに形成されるため、初期溶融池WP0から溶接ラインLへ溶融物が流れやすく、溶接品質が向上する。特に、上記実施形態では、第1地点X1と第2地点X2とを通る直線が、溶接ラインL及びその延長線Mと直交しているため、初期溶融池WP0から溶接ラインLへ溶融物が一層流れやすい。
(2d)上記実施形態では、レーザ光がファイバレーザ光である。ファイバレーザ光は、溶接に用いられる他のレーザ光、例えばYAGレーザ等よりも集光性に優れ、溶接スポットに与えられるエネルギー密度が高いため、レーザ光としてファイバレーザ光を用いる溶接では、他のレーザ溶接よりもスパッタが生じやすい傾向にある。上記実施形態のレーザ溶接による部材の製造方法ではスパッタの発生が抑制されるため、当該方法はレーザ光としてファイバレーザ光を用いる溶接に特に有効である。
[3.他の実施形態]
本開示は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。
(3a)上記実施形態では、レーザ光の出力を階段状に上げているが、出力の上げ方はこれに限定されない。例えば、図4Aに示すように、出力を直線的に上げてもよい。また、上記実施形態では、レーザ光の出力を一定の出力ピッチで上げているが、出力ピッチは異なっていてもよい。例えば、図4Bに示すように、レーザ光の出力を上げる工程を2段階に分けて、前半の段階よりも後半の段階の方が、出力ピッチが大きくなるようにしてもよい。
(3b)上記実施形態では、レーザ光の照射位置を、第1地点X1と第2地点X2との2点間を往復するように移動させているが、レーザ光の照射位置の移動の仕方はこれに限定されない。例えば、レーザ光を、図5Aに示すように3点間を、又は図5Bに示すように4点間を、移動させてもよい。また、図5Cに示すように、レーザ光を、溶接ラインLの開始地点である第1地点X1から円弧を描いて第2地点X2を通り、第1地点X1に戻るように移動させてもよい。図5Cに示す場合では、レーザ光がなめらかに移動するので、図5A及び図5Bに示す場合と比較して、初期溶融池WP0からの溶融物の飛び散りが生じにくい。なお、これらの場合における第2地点X2とは、レーザ光の照射位置が通る経路のうち、最も遠い点をいうものとする。
(3c)上記実施形態では、第2地点X2は、第1地点X1と第2地点X2とを通る直線が、溶接ラインL及びその延長線Mと直交するような位置にあるが、第2地点X2の位置はこれに限定されない。例えば、第2地点X2は、溶接ラインLの延長線M上にあってもよく、第1地点X1と第2地点X2とを通る直線が、溶接ラインL及びその延長線Mと任意の角度で交差するような位置であってもよい。
(3d)上記実施形態では、溶接ラインLが直線状であるが、溶接ラインLの形状はこれに限定されない。例えば、溶接ラインLは曲線状であってもよい。なお、上記実施形態では溶接ラインLが直線状であるため、第1地点X1における溶接ラインLの接線と、溶接ラインL及びその延長線Mとは、同義である。
(3e)溶接ラインLに沿って照射されるレーザ光の出力は、溶接ラインL上で一定である必要はなく、溶接ラインL上をレーザ光の出力を変えながら照射してもよい。すなわち、上記目標出力PTは、溶接の開始時におけるレーザ光の目標出力をいうものとする。
(3f)上記実施形態では、第1地点X1から初期溶融池WP0を形成するためのレーザ光の照射位置の移動を開始しているが、レーザ光の照射位置の移動の開始位置はこれに限定されない。例えば、上記第2地点X2から、レーザ光の照射位置の移動を開始してもよい。
(3g)上記実施形態では、第1地点X1と第2地点X2との間の移動速度VXと、溶接速度VLとが同程度であるが、両者は異なっていてもよい。
(3h)上記実施形態では、レーザ光はファイバレーザ光であるが、レーザ光の種類はこれに限定されない。例えば、レーザ光としては、CO2レーザ光、YAGレーザ光、半導体レーザ光、LD励起固体レーザ光(ディスクレーザ光を含む)等が挙げられる。
(3i)上記実施形態では、母材がステンレス鋼であるが、母材の材質はこれに限定されない。例えば、上記ステンレス鋼以外に、アルミニウムメッキ鋼、銅メッキ鋼、鉄鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等が挙げられる。
(3j)上記実施形態では、重ね合わせた母材の面同士を貫通溶接することにより、いわゆる重ね継手を形成しているが、レーザ溶接により形成される構造はこれに限定されない。例えば、レーザ溶接により形成される構造としては、突合せ継手、角継手、へり継手、貫通溶接によるT型継手、すみ肉溶接によるT型継手、すみ肉溶接による重ね継手等が挙げられる。また、上記実施形態では、母材に対して垂直にレーザ光を照射して溶接しているが、レーザ光を照射する角度等はこれに限定されない。様々な溶接方法に適用することができる。
(3k)上記実施形態では自動車部品4を製造している。製造される自動車部品4としては、例えば、インパネリインフォースメント等が挙げられるが、製造される部材はこれに限定されない。また、製造される部材は自動車部品4に限定されず、例えば、家電部品等も挙げられる。
(3l)上記実施形態における1つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を1つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。
1、2…母材、3…レーザ光、4…自動車部品、L…溶接ライン、M…延長線、S…照射スポット、WP0…初期溶融池、X1…第1地点(開始地点)、X2…第2地点。

Claims (8)

  1. 溶接ラインに沿ってレーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接により、複数の母材同士を溶着させた部材を製造する、部材の製造方法であって、
    前記溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、前記溶接ラインの開始地点の近傍において、前記レーザ光の照射位置を、少なくとも、前記開始地点である第1地点と、前記第1地点とは異なる第2地点との間で、繰り返し移動させながら、前記レーザ光の出力を上げることを含む、部材の製造方法。
  2. 前記部材の製造方法は、
    前記溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、前記開始地点の近傍において、前記レーザ光の照射位置を、少なくとも前記第1地点と前記第2地点との間で繰り返し移動させながら、前記レーザ光の出力を上げることにより、前記開始地点に初期溶融池を形成することと、
    前記初期溶融池が形成された前記開始地点から、前記溶接ラインに沿って前記レーザ光を照射することと、
    を含む、請求項1に記載の部材の製造方法。
  3. 前記溶接ラインに沿った溶接を開始する前に、前記開始地点の近傍において、前記レーザ光の照射位置を、少なくとも前記第1地点と前記第2地点との間で繰り返し移動させながら、前記レーザ光の出力を、前記溶接ラインに沿った溶接の目標出力まで上げることを含む、請求項1又は請求項2に記載の部材の製造方法。
  4. 前記第2地点における前記レーザ光の照射スポットが、前記第1地点における前記レーザ光の照射スポットの少なくとも一部と重なる、請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の部材の製造方法。
  5. 前記レーザ光の照射位置を、前記第1地点と前記第2地点との2点間を往復するように移動させる、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の部材の製造方法。
  6. 前記第1地点と前記第2地点とを通る直線は、前記第1地点における、前記溶接ラインの接線と交差する、請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の部材の製造方法。
  7. 前記第1地点と前記第2地点とを通る直線は、前記第1地点における前記溶接ラインの接線と直交する、請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の部材の製造方法。
  8. 前記レーザ光がファイバレーザ光である、請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載の部材の製造方法。
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