JP2021109184A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギ効率を高めることが可能なレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】金属板Ｗ１の溶接用レーザ照射位置Ｗａに向けてレーザ光を照射して各金属板Ｗ１を溶融して接合させる溶接工程に先立って、溶接用レーザ照射位置Ｗａの近傍に、レーザ光Ｌｂ’を照射することにより、金属板Ｗ１よりも熱伝導率が低い低熱伝導率領域としての凹部６を作成する。これにより、溶接工程において、金属板Ｗ１の延在方向に沿う熱の伝達は、凹部６によって抑制され、この凹部６を越えて更に金属板Ｗ１の延在方向に伝達される熱量は削減されることになる。このため、レーザ光の照射時のエネルギが金属板Ｗ１の延在方向に分散されてしまうことが抑制され、エネルギロスの削減を図ることができて、エネルギ効率を高めることができる。【選択図】図２

Description

本発明は複数枚の金属板を重ね合わせて接合するレーザ溶接方法に係る。

従来、重ね合わされた複数枚の金属板同士を接合（溶接）する手法としてレーザ溶接が知られている。特許文献１には、レーザ溶接の実施時におけるワークによるレーザ光の吸収率を小さくする技術として、互いに接合される第１の部材および第２の部材のうちの一方の部材における接合箇所（他方の部材との合わせ面）に、レーザ光の進行方向（照射方向に沿う方向）に亘って複数の小吸収部位としての凹条を所定間隔を空けて形成した構成が開示されている。これにより、レーザ光の吸収率を小さくし、レーザ溶接深度を大きくできるようにしている。

特開２０１３−２１２５３５号公報

ところで、レーザ溶接において溶接作業時間の短縮化を図るためには、レーザ照射時のエネルギ効率を高めることが有効である。

本発明の発明者は、図１７（従来のレーザ溶接の実施時における金属板ｂ，ｃの断面図）に示すようにレーザ溶接の実施時にあっては、レーザ光ａの照射時のエネルギ（熱エネルギ）が金属板ｂ，ｃの延在方向に伝達されて分散されてしまい（図１７における矢印を参照）、溶接対象箇所以外の部分にも大きな温度上昇が生じており、これが大きなエネルギロスとなって、エネルギ効率を高めることを阻害していることに着目した。前述した特許文献１にあっては、エネルギが金属板の延在方向に伝達されて分散されてしまうことについては考慮されておらず、エネルギ効率を高めるには不十分であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エネルギ効率を高めることが可能なレーザ溶接方法を提供することにある。

前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、重ね合わされた複数枚の金属板のうちの１枚の金属板の表面をレーザ照射面とし、該レーザ照射面における溶接用レーザ照射位置に向けてレーザ光を照射することにより前記各金属板を溶融して当該金属板同士を接合させるレーザ溶接方法を前提とする。そして、このレーザ溶接方法は、前記レーザ照射面を有する前記金属板における前記溶接用レーザ照射位置の近傍に、当該金属板よりも熱伝導率が低い低熱伝導率領域を作成する低熱伝導率領域作成工程と、前記低熱伝導率領域作成工程の後、前記溶接用レーザ照射位置に向けて前記レーザ光を照射して前記各金属板を溶融して接合させる溶接工程とを有することを特徴とする。

この特定事項により、先ず、低熱伝導率領域作成工程では、金属板における溶接用レーザ照射位置の近傍に、金属板よりも熱伝導率が低い低熱伝導率領域を作成する。その後、溶接工程において、前記溶接用レーザ照射位置に向けてレーザ光を照射して各金属板を溶融して接合させる。この溶接工程にあっては、前記溶接用レーザ照射位置にレーザ光を照射した場合に、このレーザ光の照射に伴って金属板で発生する熱の伝達（熱伝動による伝達）は、低熱伝導率領域によって抑制されることになる。つまり、金属板の延在方向に沿う熱の伝達は、低熱伝導率領域によって抑制され、この低熱伝導率領域を越えて更に金属板の延在方向に伝達される熱量は削減されることになる。このため、レーザ照射時のエネルギが金属板の延在方向に分散されてしまうことが抑制され、エネルギロスの削減を図ることができて、エネルギ効率を高めることができる。

本発明では、金属板の溶接用レーザ照射位置に向けてレーザ光を照射して各金属板を溶融して接合させる溶接工程に先立って、前記溶接用レーザ照射位置の近傍に、金属板よりも熱伝導率が低い低熱伝導率領域を作成するようにしている。これにより、溶接工程において、金属板の延在方向に沿う熱の伝達は、低熱伝導率領域によって抑制され、この低熱伝導率領域を越えて更に金属板の延在方向に伝達される熱量は削減されることになる。このため、レーザ照射時のエネルギが金属板の延在方向に分散されてしまうことが抑制され、エネルギロスの削減を図ることができて、エネルギ効率を高めることができる。

実施形態に係るレーザ溶接に使用されるレーザ溶接装置を示す概略構成図である。 低熱伝導率領域作成工程を説明するための金属板の溶接対象箇所周辺の平面図である。 図２（ｄ）におけるIII−III線に沿った断面図である。 溶接工程を説明するための図３相当図である。 変形例１における図２（ｄ）相当図である。 変形例２における図２（ｄ）相当図である。 変形例３における図２（ｄ）相当図である。 変形例４における図２（ｄ）相当図である。 変形例５における図２（ｄ）相当図である。 変形例６における金属板の断面図である。 変形例７における金属板の断面図である。 変形例８における金属板の断面図である。 変形例９における金属板の断面図である。 変形例１０における低熱伝導率領域作成工程および溶接工程を説明するための金属板の溶接対象箇所周辺の平面図である。 変形例１１における図１４相当図である。 変形例１２における図１４相当図である。 従来のレーザ溶接の実施時における金属板の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、自動車の車体の製造工程で使用されるレーザ溶接装置により実施されるレーザ溶接方法として本発明を適用した場合について説明する。

−レーザ溶接装置の概略構成−
図１は、本実施形態に係るレーザ溶接に使用されるレーザ溶接装置１を示す概略構成図である。この図１に示すように、レーザ溶接装置１は、レーザ発振器２、レーザスキャナ３、溶接ロボット４、および、ロボットコントローラ５を備えている。

レーザ発振器２はレーザ光を生成する。この生成されたレーザ光は、光ファイバーケーブル２１を経てレーザスキャナ３に導かれる。レーザ光としては、例えば炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ等を用いることができる。

レーザスキャナ３は、光ファイバーケーブル２１を経て導かれたレーザ光を、２枚の金属板（例えば鋼板）Ｗ１，Ｗ２が重ね合わされて成るワークＷに照射する（図１の一点鎖線Ｌｂを参照）。レーザスキャナ３の内部には図示しないレンズ群や複数のミラー３１（図１では１個のミラー３１のみを示している）が収容されている。レンズ群としては、レーザ光を平行光にするためのコリメートレンズや、レーザ光をワークＷの加工点（ワークＷ上の所定のレーザ照射位置；本発明でいうレーザ照射面における溶接用レーザ照射位置）Ｗａにおいて焦点を結ぶように集光させる集光レンズ等が備えられている。また、各ミラー３１はそれぞれ回動軸３２を中心に回動可能に構成されている。具体的には、前記回動軸３２は走査モータ３３に連結されており、この走査モータ３３の作動に伴う回動軸３２の回動によって各ミラー３１が回動するようになっている。そして、これらミラー３１の回動によってレーザ光Ｌｂを走査し、ワークＷの所定範囲内でレーザ光Ｌｂの照射位置を移動させることが可能となっている。これにより、レーザスキャナ３自体を移動させることなくレーザ光Ｌｂの照射位置を移動させることが可能である。各ミラー３１は例えばガルバノミラーを用いて構成することができる。

本実施形態で使用されるレーザ溶接の一例としてはレーザスクリューウェルディング（ＬＳＷ）が挙げられる。つまり、ワークＷの溶接対象箇所の中心点（溶接用レーザ照射位置の中心点）Ｗｐ（図２を参照）の周囲の全周に亘ってレーザ光（溶接用レーザ光）Ｌｂを走査していき、このレーザ光Ｌｂの照射箇所を溶融させることで溶接を行うものとなっている。このレーザ光Ｌｂの走査が前記各ミラー３１によって行われることになる。このレーザ光Ｌｂの走査の詳細については後述する。

溶接ロボット４は、レーザスキャナ３を移動可能とするように構成されている。この溶接ロボット４は、多関節ロボットによって構成されている。具体的に、本実施形態のものでは、ベース台４１、該ベース台４１の内部に収容された回転機構（図示省略）、関節４２，４３，４４、および、アーム４５，４６，４７を備えている。回転機構の回転動作および各関節４２，４３，４４におけるアーム４５，４６，４７の揺動動作により、レーザスキャナ３を任意の方向に移動することが可能となっている。

ロボットコントローラ５には、予めオフラインティーチングによって、溶接対象箇所に向けてレーザスキャナ３を移動させるための情報（各関節４２，４３，４４の回動角度量等の情報）が記憶されている。そして、車体製造ライン上の溶接工程箇所まで車体が搬送されてきた際に、ロボットコントローラ５からの制御信号に従い、前記情報に基づいて溶接ロボット４が作動することで、レーザスキャナ３が溶接対象箇所に対向され、このレーザスキャナ３から溶接対象箇所に向けてレーザ光Ｌｂが照射されることで順次レーザ溶接が行われていくことになる。

また、前記ロボットコントローラ５には、ワークＷ上におけるレーザ照射位置を移動させるための制御信号を出力するレーザ光走査制御部５１が備えられている。このレーザ光走査制御部５１は、前記走査モータ３３に対して制御信号を出力する。この制御信号に従って走査モータ３３が作動することにより、各ミラー３１が回動軸３２を中心に回動してレーザ光Ｌｂが走査され、ワークＷ上のレーザ照射位置が移動される。このレーザ照射位置の移動により、後述する低熱伝導率領域作成工程（本実施形態において特徴とする工程）および溶接工程が行われることになる。これらの工程および各工程におけるワークＷ上でのレーザ照射位置の移動（走査）については後述する。

−溶接方法−
次に、本実施形態の特徴である溶接方法（レーザ溶接方法）について説明する。本実施形態では、鉛直方向で重ね合わされた２枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の重ね溶接を行う場合であって、この金属板Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ部分に対して、前記レーザスキャナ３より出射されるレーザ光Ｌｂを上方から照射する場合について説明する。このため、以下では、上側の金属板を上板Ｗ１と呼び、下側の金属板を下板Ｗ２と呼ぶ場合もある。

従来より、レーザ溶接において溶接作業時間の短縮化を図るためには、レーザ溶接でのエネルギ効率を高めることが有効である。しかしながら、従来のレーザ溶接にあっては図１７で示したようにレーザ光ａの照射時のエネルギ（熱エネルギ）が金属板ｂ，ｃの延在方向に伝達されて分散されてしまい（図１７における矢印を参照）、溶接対象箇所以外の部分にも大きな温度上昇が生じており、これが大きなエネルギロスとなって、エネルギ効率を高めることを阻害していた。

本実施形態は、この点に鑑み、金属板Ｗ１，Ｗ２の溶接用レーザ照射位置Ｗａ（ＬＳＷにおいてレーザ光Ｌｂが照射される範囲；ＬＳＷにおけるレーザ光Ｌｂの走査領域）に向けてレーザ光Ｌｂを照射して各金属板Ｗ１，Ｗ２を溶融して接合させる溶接工程に先立って、前記溶接用レーザ照射位置Ｗａの近傍にレーザ光Ｌｂ’（後述する低熱伝導率領域を作成するためのレーザ光；図２を参照）を照射することにより、金属板Ｗ１，Ｗ２よりも熱伝導率が低い低熱伝導率領域を作成するようにしたものである。以下、具体的に説明する。

前記低熱伝導率領域を作成する低熱伝導率領域作成工程では、上板Ｗ１の上面（レーザ照射面）Ｓｆにおける溶接用レーザ照射位置（溶接工程においてレーザ光Ｌｂが照射される範囲）Ｗａの外周囲にレーザ光Ｌｂ’を照射することによって、上板Ｗ１の上面Ｓｆの一部を除去して凹部６を形成する（図２（ｄ）を参照）。この凹部６の形成領域は、前記溶接用レーザ照射位置Ｗａの外周側であって当該溶接用レーザ照射位置Ｗａの中心点Ｗｐを中心とする平面視が円形の領域である。つまり、低熱伝導率領域作成工程では、溶接用レーザ照射位置Ｗａの外周側の全周囲に亘って、当該溶接用レーザ照射位置Ｗａを囲むように平面視が円形の凹部（平面視が円形の溝）６が形成される。

図２は、低熱伝導率領域作成工程を説明するための金属板Ｗ１，Ｗ２の溶接対象箇所周辺の平面図である。この低熱伝導率領域作成工程にあっては、先ず、溶接用レーザ照射位置Ｗａの中心点Ｗｐから所定の距離ｔ１を存した位置（図２（ａ）における位置Ａ）を始点としてレーザ光Ｌｂ’の照射を開始する。この距離ｔ１は溶接用レーザ照射位置Ｗａの半径ｔ２の長さよりも僅かに長く設定されている。

このレーザ光Ｌｂ’の照射によって上板Ｗ１の上面Ｓｆを構成する金属は部分的に溶融し、この溶融した金属が飛ばされることによって、その部分には凹部６が形成されることになる。そして、図２（ｂ）〜図２（ｄ）に示すように、溶接用レーザ照射位置Ｗａの中心点Ｗｐから所定の距離ｔ１を存した円形の軌跡に沿ってレーザ光Ｌｂ’を走査していくことにより、図２（ｄ）および図３（図２（ｄ）におけるIII−III線に沿った断面図）に示すように、溶接用レーザ照射位置Ｗａの外周側に平面視が円形の凹部６が形成される。

このようにして上板Ｗ１の上面Ｓｆに円形の凹部６を形成するためのレーザ光Ｌｂ’の出力やレーザ光Ｌｂ’の走査速度や前記円形の軌跡に沿ったレーザ光Ｌｂ’の周回数は、予め実験やシミュレーションによって決定されている。例えば、上板Ｗ１の厚さ寸法に対して約１／３の深さ寸法の凹部６が形成されるように各制御量は決定される。

なお、凹部６の深さ寸法や幅寸法は任意に設定可能であるが、溶接用レーザ照射位置Ｗａの周辺部における上板Ｗ１の剛性が十分に確保される範囲内に設定される。また、レーザ光Ｌｂ’の照射位置を決定する溶接用レーザ照射位置Ｗａの中心点Ｗｐからの距離ｔ１（前記円形の軌跡の半径に相当）についても任意に設定可能であるが、後述するエネルギロスの削減効果を十分に発揮させるためには、この距離ｔ１は前記溶接用レーザ照射位置Ｗａの半径ｔ２よりも長い範囲内で、できるだけ短い方が好ましい。

より具体的な各部の寸法として、本実施形態にあっては、上板Ｗ１の板厚寸法が約１．０ｍｍであるのに対して凹部６の深さ寸法は約０．３ｍｍに設定されている。また、溶接用レーザ照射位置Ｗａの半径ｔ２の長さ寸法が約２．５ｍｍであるのに対して凹部６の平面視における半径（中心点Ｗｐから凹部６までの距離）ｔ１は約３．５ｍｍに設定されている。また、凹部６の幅寸法（溝幅）は約０．５ｍｍに設定されている。これらの値はこれに限定されるものではなく、適宜設定される。

図２（ｄ）に示すように溶接用レーザ照射位置Ｗａの外周側の全周囲に亘って円形の凹部６が形成されて低熱伝導率領域作成工程が終了した後、以下の溶接工程が開始される。以下、図４を用いて溶接工程を説明する。

溶接工程は、前述したようにレーザスクリューウェルディングによって行われる。この溶接工程は、上板Ｗ１上の溶接対象箇所においてレーザ光Ｌｂを走査する（例えば溶接用レーザ照射位置Ｗａの周方向に沿って走査する）ことによって行われる。具体的に、溶接工程が開始されると、レーザ溶接装置１のレーザスキャナ３から出射されたレーザ光Ｌｂは上板Ｗ１の表面に向けて照射される。この際、レーザ溶接装置１は、レーザ光Ｌｂの照射軌跡が円形状（上板Ｗ１を上方から見た形状が円形状）となるようにレーザ光Ｌｂを走査し、図４（ａ）に示すように、上板Ｗ１の金属材料と下板Ｗ２の金属材料とを溶融し、これら両者に亘って溶融池を形成する（第１の走査）。この場合のレーザ光Ｌｂの条件（レーザ光Ｌｂの光量やレーザ光Ｌｂの焦点位置等）は、該レーザ光Ｌｂが上板Ｗ１を貫通することなく、この上板Ｗ１と下板Ｗ２とを溶融可能とする値として実験またはシミュレーションによって設定される。例えば、レーザ光Ｌｂの焦点位置が上板Ｗ１の表面とされ、この状態で、下板Ｗ２の厚さ方向の約半分が溶融されるレーザ光Ｌｂの光量に設定される。なお、これらはこれに限定されるものではない。

本実施形態では、この溶接工程にあっては、溶接用レーザ照射位置Ｗａにレーザ光Ｌｂを照射した場合に、このレーザ光Ｌｂの照射に伴って金属板（上板）Ｗ１で発生する熱の伝達（熱伝動による伝達）は、凹部６の内部空間に存在する空気によって抑制されることになる。つまり、溶接用レーザ照射位置Ｗａから金属板Ｗ１の延在方向に沿う熱の伝達は、凹部６によって抑制され、この凹部６を越えて更に金属板Ｗ１の延在方向に伝達される熱量は削減されることになる（図４（ａ）の金属板Ｗ１における熱の伝達を表す矢印を参照）。このため、レーザ光Ｌｂの照射時のエネルギが金属板Ｗ１の延在方向に分散されてしまうことが抑制されている。

その後、レーザ溶接装置１は、レーザ光Ｌｂの走査によって、前記溶融池内の溶融金属を攪拌して流動させる。つまり、溶融池の中心を貫通する軸Ｐ周りを所定方向（図４（ｂ）における矢印Ｒの向き）に向けて回転するように、レーザ光Ｌｂを走査する（第２の走査）。これにより、溶融池内で溶融金属がかき混ぜられる。このとき、溶融池は、溶融金属が周方向へ流動することによって、すり鉢形状に形成される。同時に、溶融池では、溶融金属のうねりが生じる。この溶融金属のうねりが生じている溶融池は、溶融金属の表面張力によって纏まり、孔空きまたは分離ビードのない接合部が形成され、これによって上板Ｗ１と下板Ｗ２とが一体的に溶接される。

このようなレーザ光Ｌｂの走査（第２の走査）が行われる際にあっても、本実施形態にあっては、金属板Ｗ１で発生する熱の伝達は、凹部６の内部空間に存在する空気によって抑制され、凹部６を越えて更に金属板Ｗ１の延在方向に伝達される熱量は削減される（図４（ｂ）の金属板Ｗ１における熱の伝達を表す矢印を参照）。つまり、このレーザ光Ｌｂの走査が行われる際にあっても、エネルギが金属板Ｗ１の延在方向に分散されてしまうことが抑制されている。

なお、本実施形態にあっては、溶接工程において凹部６の周辺部の金属も溶融され、これによって凹部６は消失するものとなっている（溶接工程が終了した状態を表す図４（ｃ）を参照）。

以上の低熱伝導率領域作成工程および溶接工程によって上板Ｗ１と下板Ｗ２とが接合されることになる。

−実施形態の効果−
以上説明したように、本実施形態では、溶接工程にあっては、溶接用レーザ照射位置Ｗａにレーザ光Ｌｂを照射した場合に、このレーザ光Ｌｂの照射に伴って金属板Ｗ１で発生する熱の伝達（熱伝動による伝達）は、凹部（低熱伝導率領域）６によって抑制されることになる。つまり、金属板Ｗ１の延在方向に沿う熱の伝達は、凹部６によって抑制され、この凹部６を越えて更に金属板Ｗ１の延在方向に伝達される熱量は削減されることになる。このため、レーザ光Ｌｂの照射時のエネルギが金属板Ｗ１の延在方向に分散されてしまうことが抑制され、エネルギロスの削減を図ることができて、エネルギ効率を高めることができる。これにより、溶接作業時間の短縮化を図ることができる。また、少ないエネルギ量で所定の大きさの溶接箇所（溶接ナゲット）を生成することも可能である。言い替えると、従来と同じエネルギ量で溶接箇所の径を拡大することが可能である。

−凹部の形状の変形例−
次に凹部６の形状の変形例（変形例１〜変形例５）について説明する。前述した実施形態では、低熱伝導率領域作成工程において形成される凹部６の形状を平面視が円形としていた。本変形例は、この凹部６の形状（平面視の形状）が前記実施形態のものと異なっている。以下、各変形例について説明する。

（変形例１）
図５は変形例１における図２（ｄ）相当図である。この図５に示すように、本変形例では、凹部６の形状（平面視の形状）が楕円形状となっている。この場合、楕円形状の短軸に沿う方向（図５における上下方向）において溶接用レーザ照射位置の中心点Ｗｐと凹部６との間の距離が短いことから、溶接工程にあっては、特に楕円形状の短軸に沿う方向でのエネルギの分散が効果的に抑制されることになる。

（変形例２）
図６は変形例２における図２（ｄ）相当図である。この図６に示すように、本変形例では、溶接用レーザ照射位置の中心点Ｗｐを中心とした周方向に亘って間欠的に凹部６が形成されている。このような形状の凹部６を形成するに当たっては、低熱伝導率領域作成工程におけるレーザ光Ｌｂ’の照射軌跡を円形状（平面視が円形状）としながらも、レーザ光Ｌｂ’の照射を間欠的に行う（レーザ光Ｌｂ’の照射を停止する期間を設ける）ことにより行われる。

（変形例３）
変形例３は、溶接用レーザ照射位置の中心点Ｗｐと金属板Ｗ１の端縁との間の距離が比較的短い場合を対象としたものである。

図７は本変形例３における図２（ｄ）相当図である。この図７に示すように、本変形例では、溶接用レーザ照射位置の中心点Ｗｐと金属板Ｗ１の端縁Ｗｅとの間の距離が比較的短くなっている。この場合における低熱伝導率領域作成工程での凹部６の形成範囲としては、溶接用レーザ照射位置の中心点Ｗｐに対して金属板Ｗ１の端縁Ｗｅ側（図７における右側）とは反対側（図７における左側）に略円弧形状の凹部６を形成する。これは、溶接工程において、金属板Ｗ１の端縁Ｗｅ側へ分散される熱量が少ないことを考慮したものである。つまり、溶接工程において、金属板Ｗ１の延在方向に沿う熱の伝達量は、金属板Ｗ１の端縁Ｗｅ側とは反対側において多くなる。このため、この熱の伝達量が多くなる可能性のある部分のみに凹部６を設けている。これにより、凹部６の形成範囲を必要最小限に抑えながら、エネルギロスの削減を図ることができ、エネルギ効率を高めることができる。

（変形例４）
図８は変形例４における図２（ｄ）相当図である。この図８に示すように、本変形例では、凹部６の形状（平面視の形状）を四角形状としている。

（変形例５）
変形例５は、幅寸法が比較的短い金属板Ｗ１，Ｗ２を対象としたものである。例えば短冊状（長方形状）の金属板Ｗ１，Ｗ２を対象としたものである。

図９は本変形例５における図２（ｄ）相当図である。この図９に示すように、幅寸法が比較的小さい金属板Ｗ１にあっては、溶接用レーザ照射位置の中心点Ｗｐと金属板Ｗ１の幅方向の両端縁Ｗｅ，Ｗｅとの間の距離が比較的短くなっている。この場合における低熱伝導率領域作成工程での凹部６，６の形成範囲としては、溶接用レーザ照射位置の中心点Ｗｐに対して金属板Ｗ１の長手方向の両側（図９における右側および左側）に略円弧形状の凹部６，６を形成する。これは、溶接工程において、金属板Ｗ１の幅方向の両端縁Ｗｅ，Ｗｅ側へ分散される熱量が少ないことを考慮したものである。つまり、溶接工程において、金属板Ｗ１の延在方向に沿う熱の伝達量は、金属板Ｗ１の長手方向の両側において多くなる。このため、この熱の伝達量が多くなる可能性のある部分のみに凹部６，６を設けている。これによっても、凹部６，６の形成範囲を必要最小限に抑えながら、エネルギロスの削減を図ることができ、エネルギ効率を高めることができる。

−凹部の深さの変形例−
次に、凹部６の深さの変形例（変形例６〜変形例９）について説明する。以下の変形例では、３枚の金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３が重ね合わされて成るワークＷに対して凹部６を形成するものとして説明する。このため、以下では、各金属板を上側から上板Ｗ１、中間板Ｗ２、下板Ｗ３と呼ぶこととする。

（変形例６）
本変形例は、図１０に示すように、３枚の金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３のうち、最も上側に位置する上板Ｗ１と、該上板Ｗ１の下側に重ね合わされた中間板Ｗ２とに亘って凹部６を形成したものである。この図１０は、低熱伝導率領域作成工程が完了し、溶接工程が開始される前の状態を示す断面図である。

この構成によれば、溶接工程において、上板Ｗ１および中間板Ｗ２それぞれにおいて発生する熱の伝達（金属板Ｗ１，Ｗ２の延在方向に沿う熱の伝達）は、凹部６によって抑制され、この凹部６を越えて更に金属板Ｗ１，Ｗ２の延在方向に伝達される熱量は削減されることになる。このため、レーザ光Ｌｂの照射時のエネルギが金属板Ｗ１，Ｗ２の延在方向に分散されてしまうことが抑制されることになる。つまり、上板Ｗ１のみに凹部６を設けた場合に比べてエネルギの分散を抑制することが可能となる。

（変形例７）
本変形例は、図１１に示すように、３枚の金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の全てに亘って凹部６を形成したものである。この図１１も、低熱伝導率領域作成工程が完了し、溶接工程が開始される前の状態を示す断面図である。

この構成によれば、溶接工程において、各金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３それぞれにおいて発生する熱の伝達（金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の延在方向に沿う熱の伝達）は、凹部６によって抑制され、この凹部６を越えて更に金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の延在方向に伝達される熱量は削減されることになる。このため、レーザ光Ｌｂの照射時のエネルギが金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の延在方向に分散されてしまうことが抑制されることになる。つまり、上板Ｗ１および中間板Ｗ２のみに凹部６を設けた場合に比べてエネルギの分散を抑制することが可能となる。

（変形例８）
本変形例は、図１２に示すように、３枚の金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３のうち最も上側に位置する上板Ｗ１のみに凹部６を形成したものであるが、この凹部６の深さ寸法が当該凹部６の周方向の各箇所において互いに異なるものである。図１２に示すものでは、図中の左側に位置する凹部６ａの深さ寸法よりも図中の右側に位置する凹部６ｂの深さ寸法の方が所定寸法だけ大きく設定されている。この構成によれば、溶接工程において、金属板Ｗ１において発生する熱の伝達（金属板Ｗ１の延在方向に沿う熱の伝達）としては、図中の左側へ伝達される熱量よりも図中の右側へ伝達される熱量の方が小さくなる。このように、凹部６の深さ寸法を変更することで、金属板Ｗ１において特にエネルギの分散を抑制したい方向での当該分散を抑制することができる。

（変形例９）
本変形例も、凹部６の深さ寸法が当該凹部６の周方向の各箇所において互いに異なるものとなっている。具体的には、図１３に示すように、図中の左側に位置する凹部６ａの深さ寸法よりも図中の右側に位置する凹部６ｂの深さ寸法の方が所定寸法だけ大きく設定されており、図中の左側に位置する凹部６ａは上板Ｗ１および中間板Ｗ２に亘って形成されているのに対し、図中の右側に位置する凹部６ｂは全ての金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３に亘って形成されている。この構成によっても、溶接工程において、金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３において発生する熱の伝達（金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の延在方向に沿う熱の伝達）としては、図中の左側へ伝達される熱量よりも図中の右側へ伝達される熱量の方が小さくなる。このように、本変形例にあっても、凹部６の深さ寸法を変更することで、金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３において特にエネルギの分散を抑制したい方向での当該分散を抑制することができる。

−低熱伝導率領域作成工程および溶接工程の変形例−
次に、低熱伝導率領域作成工程および溶接工程の変形例（変形例１０〜変形例１２）について説明する。

（変形例１０）
図１４は、変形例１０における低熱伝導率領域作成工程および溶接工程を説明するための金属板Ｗ１，Ｗ２の溶接対象箇所周辺の平面図である。

本変形例では、先ず、低熱伝導率領域作成工程において、前述した実施形態の場合と同様に、上板Ｗ１の上面Ｓｆにおける溶接対象箇所の外周囲にレーザ光Ｌｂ’を照射することによって、上板Ｗ１の上面Ｓｆの一部を除去して、平面視が円形の凹部６を形成する（図１４（ａ）を参照）。

その後、溶接工程にあっては、前述した実施形態の場合に比べてレーザ光Ｌｂの照射範囲を小さくする、または、レーザ光Ｌｂの出力を小さくすることによって、金属板Ｗ１，Ｗ２の溶融範囲を小さくし（図１４（ｂ）において破線の斜線を付した範囲を参照）、凹部６の周辺部の金属を溶融させないようにする。つまり、凹部６が形成されている領域よりも内側の金属のみを溶融させる。これにより、溶接工程の終了時点にあっては、図１４（ｂ）に示すように、溶接領域（破線の斜線を付した領域）の外周側に凹部６を残存させるようにしている。

（変形例１１）
図１５は、変形例１１における低熱伝導率領域作成工程および溶接工程を説明するための金属板Ｗ１，Ｗ２の溶接対象箇所周辺の平面図である。

本変形例では、第１の低熱伝導率領域作成工程、第１の溶接工程、第２の低熱伝導率領域作成工程、第２の溶接工程が順に行われる。

先ず、第１の低熱伝導率領域作成工程においては、前述した実施形態の場合と同様に、上板Ｗ１の上面Ｓｆにおける溶接対象箇所の外周囲にレーザ光Ｌｂ’を照射することによって、上板Ｗ１の上面Ｓｆの一部を除去して、平面視が円形の凹部６１を形成する（図１５（ａ）を参照）。

その後、第１の溶接工程にあっては、前述した実施形態の場合と同様に、溶接用レーザ照射位置（図示省略）の外縁に沿ってレーザ光Ｌｂを走査していき、凹部６１が形成されている領域よりも内側の金属を溶融させた後（図１５（ｂ）において破線の斜線を付した領域を参照）、レーザ光Ｌｂの走査範囲を拡大させて、凹部６１が形成されている領域の金属を溶融させる（図１５（ｃ）において破線の斜線を付した領域を参照）。これにより凹部６１は消失する。この第１の溶接工程にあっては、凹部６１が消失するまでの期間では、この凹部６１の存在によって、金属板Ｗ１の延在方向に沿う熱の伝達は抑制されることになり、レーザ光Ｌｂの照射時のエネルギが金属板Ｗ１の延在方向に分散されてしまうことが抑制される。

次に、第２の低熱伝導率領域作成工程を開始する。この第２の低熱伝導率領域作成工程では、前記第１の溶接工程において生成された溶接領域（図１５（ｃ）において破線の斜線を付した領域）の外周側に円形の凹部６２を形成する。つまり、上板Ｗ１の上面Ｓｆにおける前記溶接領域の外周側にレーザ光Ｌｂ’を照射することによって、上板Ｗ１の上面Ｓｆの一部を除去して凹部６２を形成する（図１５（ｄ）を参照）。

その後、第２の溶接工程にあっては、前記溶接領域の更に外側に沿ってレーザ光Ｌｂを走査し、凹部６２が形成されている領域よりも内側の金属および凹部６２の周辺の金属を溶融させる（図１５（ｅ）において破線の斜線を付した領域を参照）。これにより凹部６２は消失する。この第２の溶接工程にあっては、凹部６２が消失するまでの期間では、この凹部６２の存在によって、金属板Ｗ１の延在方向に沿う熱の伝達は抑制されることになり、レーザ光Ｌｂの照射時のエネルギが金属板Ｗ１の延在方向に分散されてしまうことが抑制される。

（変形例１２）
図１６は、変形例１２における低熱伝導率領域作成工程および溶接工程を説明するための金属板Ｗ１，Ｗ２の溶接対象箇所周辺の平面図である。

本変形例においても、第１の低熱伝導率領域作成工程、第１の溶接工程、第２の低熱伝導率領域作成工程、第２の溶接工程が順に行われる。

先ず、第１の低熱伝導率領域作成工程および第１の溶接工程は前述した変形例１０における低熱伝導率領域作成工程および溶接工程と同様に行われる（図１６（ａ）および図１６（ｂ）を参照）。

第１の溶接工程の終了後に行われる第２の低熱伝導率領域作成工程では、残存している凹部６の外周側に更に凹部６３を形成する。つまり、上板Ｗ１の上面Ｓｆにおける凹部６の外周側にレーザ光Ｌｂ’を照射することによって、上板Ｗ１の上面Ｓｆの一部を除去して新たな凹部６３を形成する（図１６（ｃ）を参照）。これら凹部６，６３同士の間の間隔は任意に設定可能である。

その後、第２の溶接工程にあっては、内側の凹部６の周辺の金属を溶融させると共に、外側の凹部６３の周辺の金属を溶融させないように、レーザ光Ｌｂの照射範囲の調整、または、レーザ光Ｌｂの出力の調整を行う。これにより、溶接工程の終了時点にあっては、図１６（ｄ）に示すように、内側の凹部６が消失し、外側の凹部６３が残存することになる。この第２の溶接工程にあっては、凹部６３の存在によって、金属板Ｗ１の延在方向に沿う熱の伝達は抑制されることになり、レーザ光Ｌｂの照射時のエネルギが金属板Ｗ１の延在方向に分散されてしまうことが抑制される。

−他の実施形態−
なお、本発明は、前記実施形態および前記各変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲および該範囲と均等の範囲で包含される全ての変形や応用が可能である。

例えば、前記実施形態および前記各変形例では、自動車の車体の製造工程で使用されるレーザ溶接装置１により実施されるレーザ溶接方法として本発明を適用した場合について説明したが、その他の部材のレーザ溶接に対しても本発明は適用することが可能である。

また、本発明のレーザ溶接方法が適用可能な金属板の材料としては、鉄（鋼板）に限らず、アルミニウム合金、マグネシウム、チタン、銅等であってもよい。また、異種金属同士の溶接に適用することもできる。

また、前記実施形態および前記各変形例では、鉛直方向で重ね合わされた金属板Ｗ１，Ｗ２の重ね溶接を行う場合について説明した。つまり、レーザ光がワークＷの上側から照射される場合について説明した。本発明はこれに限らず、水平方向で重ね合わされた金属板の重ね溶接を行う場合にも適用可能である。つまり、レーザ光がワークＷに対して水平方向から照射される場合にも適用可能である。

また、前記実施形態および前記各変形例の低熱伝導率領域作成工程では、上板Ｗ１の上面Ｓｆにおける溶接対象箇所の外周囲にレーザ光Ｌｂ’を照射することによって凹部６を形成するようにしていた。本発明に係る低熱伝導率領域作成工程は、溶接用レーザ照射位置Ｗａの近傍に金属板Ｗ１，Ｗ２よりも熱伝導率が低い低熱伝導率領域を作成するものであればよく、例えば、切削や打刻等によって前記凹部６を形成するようにした場合も技術的思想に含まれるものである。また、溶接用レーザ照射位置Ｗａの近傍における金属組織を変化させておく（公知の熱処理等によって金属組織を変化させておく）ことによって、金属板Ｗ１，Ｗ２（組織変化前の金属）よりも熱伝導率が低い低熱伝導率領域を作成するようにしてもよい。例えばＣｒやＮｉ等の添加により熱伝導率が低下する（鋼の結晶格子に歪みが発生し、結晶格子の熱振動が阻害されることに起因する）ことが知られているので、これを利用することなどが挙げられる。

本発明は、重ね合わされた複数枚の金属板のレーザ照射面に向けてレーザ光を照射することにより各金属板を溶融して接合するレーザ溶接方法に適用可能である。

１ レーザ溶接装置
２ レーザ発振器
３ レーザスキャナ
６，６１，６２，６３ 凹部（低熱伝導率領域）
Ｌｂ，Ｌｂ’ レーザ光
Ｓｆ 上面（レーザ照射面）
Ｗ ワーク
Ｗ１ 上板（金属板）
Ｗ２ 下板、中間板（金属板）
Ｗ３ 下板（金属板）
Ｗａ 溶接用レーザ照射位置

Claims (1)

1. 重ね合わされた複数枚の金属板のうちの１枚の金属板の表面をレーザ照射面とし、該レーザ照射面における溶接用レーザ照射位置に向けてレーザ光を照射することにより前記各金属板を溶融して当該金属板同士を接合させるレーザ溶接方法であって、
   前記レーザ照射面を有する前記金属板における前記溶接用レーザ照射位置の近傍に、当該金属板よりも熱伝導率が低い低熱伝導率領域を作成する低熱伝導率領域作成工程と、
   前記低熱伝導率領域作成工程の後、前記溶接用レーザ照射位置に向けて前記レーザ光を照射して前記各金属板を溶融して接合させる溶接工程とを有することを特徴とするレーザ溶接方法。

Images