JP4386431B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザ溶接方法、特に、母材よりも低融点の被覆材により被覆された被接合部材（例えば、亜鉛メッキ鋼板等）の溶接方法として好適なレーザ溶接方法に関するものである。

防錆のため亜鉛メッキ鋼板を用いている自動車ボディーの溶接では、鋼板を上下電極で挟み、加圧し、通電するスポット溶接工法を用いている。鋼板を上下電極で挟むスポット溶接工法を大きなワークの溶接に用いる場合には、ワークとの干渉を避けるためにボディー形状に応じて多種多様なガンアームが必要になる。斯かる問題のない溶接工法として、鋼板の片側から溶接する工法も知られている。

鋼板の片側から溶接する工法には、鋼板の片側からレーザを照射して鋼板を溶融させて溶接するいわゆるレーザ溶接工法（例えば、特開平８−２０６８６０号公報）と、抵抗溶接の一形態で、２つの溶接電極を被接合部材の片側面の互いに離れた位置に加圧接触させて通電するいわゆるシリーズ溶接（例えば、特開平１０−１２８５５１号公報）がある。

レーザ溶接工法においては、例えば、特開２００２−３５９７０号公報に記載されているように、防錆などのため亜鉛鍍金を施した鋼板をレーザ溶接する場合には、亜鉛鍍金は約９００℃で蒸発を始め、被溶接部材間に発生する被覆材蒸気（亜鉛蒸気）が溶融金属を吹き飛ばす爆飛や、スパッタを激しく発生し、溶接ビードにピットやブローホールが多発するなど好ましくない現象が生じることがある。

また、溶接しようとする位置において、被溶接部材の間に適当な間隔の隙間を設けた状態でレーザを照射することにより、発生する被覆材蒸気をこの隙間から逃して良好な重ね溶接が行われることも知られている。この被覆材蒸気を逃すための隙間は、広すぎると溶け落ち（エッジ切れ）が起こり、狭すぎると蒸気を十分に逃すことができずブローホール発生等の問題を解決することができない。

斯かる問題を解決する方法として、特開２００３−９４１８４には、予熱用の第１レーザとして半導体レーザを用い、波長の短いレーザビームを用い、予熱により溶融金属の爆飛が起こらない状態で亜鉛メッキ鋼板の重ね合わせ部の亜鉛メッキを蒸発除去し、その後にエネルギー密度の高い第２レーザを照射して溶接することが開示されている。

これに対し、シリーズ溶接では、被接合部材を電極で加圧押圧しているので、亜鉛蒸気の蒸発に起因する爆飛などの発生やエッジ切れを抑制することができる。
特開平８−２０６８６０号公報 特開平１０−１２８５５１号公報 特開２００２−３５９７０号公報 特開２００３−９４１８４号公報

上述した特開２００３−９４１８４に記載された方法は、重ね合わせた被接合部材間に被覆材蒸気を逃すための隙間が必要であり、この隙間が広すぎると溶け落ちが起き、隙間が狭すぎると被覆材蒸気を上手く逃がすことができず爆飛が起こる。また、第１レーザの焦点位置調整を誤れば、爆飛が生じる可能性がある。

また、特開平１０−１２８５５１号公報に記載されているようなシリーズ溶接では、電極を押し当てた鋼板に分流が生じ、板間に上手く発熱が生じなかったり、３層重ねにした被接合部材を溶接する場合や、電極を押し当てる側に薄板を重ねたりする場合には、板間の発熱が十分でなく、溶着が上手く起こらない場合がある。

本発明に係るレーザ溶接方法は、斯かる問題を鑑みて考案されたものであり、母材よりも低融点の被覆材により被覆された被接合部材を、相互にあるいは他の被接合部材と重ね合わせて溶接するレーザ溶接方法において、被接合部材が重合した被溶接位置に対して片側から抵抗溶接電極を押し当ててシリーズ溶接を行ない溶接領域の被覆材を蒸発除去するシリーズ溶接工程と、溶接領域にレーザ光をインフォーカス又はデフォーカス状態で照射して照射領域及びその周辺で被覆材を蒸発除去するレーザ光照射工程と、レーザ光照射工程で被覆材を蒸発除去した領域の内縁に沿ってレーザ溶接を行なう本溶接工程とを備えたものである。

このレーザ溶接方法によれば、まずシリーズ溶接工程において、被接合部材が重合した被溶接位置に対して片側から抵抗溶接電極を押し当ててシリーズ溶接を行なうので、被接合部材間の板隙を無くすことができ、被覆材の蒸発に起因する爆飛を抑えて、溶接領域の被覆材を蒸発除去することができる。次に、レーザ光照射工程において、レーザ光をインフォーカス又はデフォーカス状態で照射する。このときインフォーカス又はデフォーカス状態でレーザ光を照射した領域は被覆材を既に除去しているので爆飛が生じない。そして、加熱領域がその周囲に徐々に広がっていき、周囲の被覆材を蒸発除去させることができる。次に、本溶接工程において、レーザ光照射工程で被覆材を蒸発除去した領域の内縁に沿ってレーザ溶接を行なう。これにより、本溶接工程では、既に被覆材を除去した領域にレーザを照射して溶接するので、爆飛など、被覆材の蒸発に起因する問題が生じず、また、本溶接工程に先行して行なうシリーズ溶接工程において、シリーズ溶接を行ない板隙を無くしているので、溶け落ちなどの問題も生じない。

以下、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法を図面に基づいて説明する。

このレーザ溶接方法は、被接合部材が重合した被溶接位置に対して片側から抵抗溶接電極を押し当てるシリーズ溶接工程と、溶接領域にレーザ光をインフォーカス又はデフォーカス状態で照射するレーザ光照射工程と、レーザ光照射工程で被覆材を蒸発除去した領域の内側をレーザ溶接する本溶接工程とを備えている。

シリーズ溶接工程は、図１に示すように、被接合部材１の片面の離れた被溶接位置にそれぞれスポット溶接電極２、３を押し当てて通電するものである。図１中の破線で示す矢印ａは通電時の電気の流れをイメージしたものであり、スポット溶接電極２、３を押し当てている部位ｂに電気抵抗による発熱が生じる。）。スポット溶接電極２、３は、図２に示すように、インバータ交流制御装置４に接続されており、所望の電流波形、及び、所望の通電パターンで通電することができるようになっている。この実施形態では、インバータ交流制御装置４は、整流器５と、トランジスタインバータ６と、交流トランス７を備えており、入力された４４０Ｖ、６００〜１２００Ｈｚの３相交流電流を整流器５で直流に変え、トランジスタインバータ６と交流トランス７で所望の交流電流を生成するものである。

この実施形態では、インバータ交流制御装置４で、４４０Ｖ、６０Ｈｚの単相交流で、図３に示すように、電流が０近くになる時間が極力少なくなる波形の交流電流を生成している。このような電流値が０近くになっている時間が短い波形の交流電流を用いることにより、通電が休止される時間がほとんどなくなり、被接合部材１を略連続して加熱することができる。このような交流電流には、例えば、図３に示すような矩形波（方形波）を用いることができる。また、通電パターンも、図４に示すように、通電時間の最初のアップスロープ１１と本通電１２を合わせて被接合部材１の当該被溶接位置に存在する亜鉛を除去するのに必要な所定時間の通電を行なう。また、スポット溶接電極２、３には先端に曲率半径が４０ｍｍ程度の平坦な曲面形状を備えた電極を用い、通電時間の初期に電流密度が所定異常に高くなるのを防止し、スパッタが発生するのを抑制しつつナゲットを成長させるとよい。

例えば、被接合部材１が、図１に示すように、厚さ１．４ｍｍの亜鉛メッキ鋼板１６、１７を２枚重ね、さらにそのシリーズ溶接の電極を当てる側の面に厚さ０．６ｍｍの亜鉛メッキ鋼板１８を重ねたものであれば、曲率半径が４０ｍｍの曲面で先端を形成したスポット溶接電極２、３を、被接合部材１に２５０Ｎの加圧力で押圧し、図４に示すように、通電時間の最初の６cycle目までに徐々に電流値を上げて５．０ｋＡとし、そのまま４０cycle目まで５．０ｋＡを維持する通電パターンで通電した結果、図５に示すように、中間に位置する亜鉛メッキ鋼板１６には、スポット溶接電極２、３を当てた側の面で直径約７ｍｍ、反対側の面で直径約３ｍｍを囲む程度の領域１９の亜鉛を除去することができる。

同様に、図示は省略するが、被接合部材が厚さ１．４ｍｍの亜鉛メッキ鋼板を３枚重ねたものであれば、曲率半径が４０ｍｍの曲面で先端を形成した電極を用い、被接合部材に２５０Ｎの加圧力で電極を押圧し、通電時間の最初の６cycle目までに徐々に電流値を上げて７．８ｋＡとし、そのまま４０cycle目まで７．８ｋＡを維持する通電パターンで通電することにより、中間に位置する亜鉛メッキ鋼板には、スポット溶接電極を当てた側の面で直径約７ｍｍ、反対側の面で直径約３ｍｍを囲む程度の領域の亜鉛を除去することができる。

次に、レーザ光照射工程を説明する。

レーザ光照射工程は、通常レーザ溶接に用いているレーザ照射装置を用いて行なう。レーザ照射装置は、図示は省略するが、この実施形態では、レーザ光の照射位置、照射方向、レーザ光の焦点位置調整などを制御する制御装置を備えたものを用いる。

レーザ光照射工程では、図６に示すように、シリーズ溶接工程で亜鉛を除去した亜鉛除去領域１９に、インフォーカス又はデフォーカス状態で焦点位置２０を調整してレーザ光２１を照射する（なお、図６はデフォーカス状態で焦点位置２０を調整してレーザ光２１を照射したものを示している）。このレーザ光照射工程では、シリーズ溶接工程で亜鉛を除去した亜鉛除去領域１９に、レーザ光２１をインフォーカス又はデフォーカス状態で照射することにより、その周囲の金属の温度を上昇させる。これにより、シリーズ溶接工程で亜鉛を除去した亜鉛除去領域１９に残留した亜鉛及びその周囲の亜鉛を除去することができ、図６中の破線で示す領域１９’に亜鉛除去領域１９を成長させることができる。

レーザ光２１をインフォーカス又はデフォーカス状態で照射している亜鉛除去領域１９は、予めシリーズ溶接工程で亜鉛を除去しており、残留している亜鉛の密度も少ないので亜鉛蒸気の発生がほとんどない。また、シリーズ溶接工程で亜鉛を除去した領域１９とレーザ光照射工程でレーザ光を照射する領域が少しずれた場合でも、ずれた位置に残留する亜鉛の量が少ないので爆飛などの問題を生じさせることがない。このように、レーザ光照射工程では、亜鉛蒸気の発生による爆飛などの問題を生じさせること無く、シリーズ溶接工程で亜鉛を除去した領域を広げることができる。

次に、本溶接工程について説明する。

本溶接工程は、レーザ光照射工程と同様に通常レーザ溶接に用いているレーザ照射装置を用いて行ない、シリーズ溶接工程及びレーザ光照射工程で亜鉛を除去した亜鉛除去領域１９の確実な溶接を行なうものである。なお、この実施形態では、レーザ光照射工程で用いたレーザ光照射装置をそのまま用いている。

すなわち、レーザ光照射工程では、シリーズ溶接工程で亜鉛を除去した領域にレーザ光を照射し、この照射領域を中心に亜鉛を除去した範囲を広げたが、レーザ光をインフォーカス又はデフォーカス照射するため、亜鉛を蒸発除去する程度にまで温度を上昇させることはできるに過ぎず、板間が溶着する程度にまで十分な溶融プールを形成するには至らない。

本溶接工程では、レーザ光照射工程で広げた亜鉛除去領域１９の内側をレーザ溶接する。この実施形態では、図７に示すように、レーザ光照射工程で広げた亜鉛除去領域１９の内縁に沿って円を描くようにレーザ溶接を行なう。本溶接工程では、レーザ光３０をジャストフォーカス状態で被接合部材１に当て、亜鉛は除去されて母材が軟化しているに過ぎない亜鉛除去領域１９の周縁部を溶接する。なお、この実施形態では、レーザ光照射工程で用いたレーザ光照射装置をそのまま用いているので、レーザ光照射工程で広げた亜鉛を除去した領域の内縁に沿って精度良くレーザ照射位置の操作することができる。

本溶接工程で溶接する部位は、レーザ光照射工程以前に亜鉛を除去した領域なので、亜鉛が残留している場合でも、亜鉛蒸気の発生が少なく爆飛などの問題が生じることはない。これにより、シリーズ溶接工程で仮溶接した部位及びその周辺にナゲットを形成することができ、必要な溶接強度を確保することができる。

なお、シリーズ溶接工程から本溶接工程の一連の工程により、スパッタの発生などにより欠肉のおそれが有るような場合には、図８に示すように、本溶接工程の際又はその後にアーク溶接４０による肉盛りを行なう肉盛工程を設けるとよい。これにより必要な溶接強度を補償することができる。

このように、本発明に係るレーザ溶接方法によれば、シリーズ溶接工程及びレーザ溶接方法により亜鉛メッキ鋼板から亜鉛を除去してからレーザ溶接による本溶接工程を行なっている。このため亜鉛蒸気の発生に伴なう爆飛などの不具合が生じない。また通常のワークの片側から溶接できるので、作業性が良く、汎用性を高めることができる。また、通常のシリーズ溶接によるスポット溶接に比べて、レーザ光照射工程による亜鉛除去領域をどの程度広くするかを調整するなどすることにより板間を溶着させる広くすることができ、所要の溶接強度を確保することができる。

以上、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法の一連の工程を説明したが、本発明に係るレーザ溶接方法は上記に限定されるものではない。

例えば、上記の実施形態では、亜鉛メッキ鋼板を重ねた板材の溶接工程を説明したが、本発明に係るレーザ溶接方法は、亜鉛メッキ鋼板に限らず、母材よりも低融点の被覆材により被覆された被接合部材を、相互にあるいは他の被接合部材と重ね合わせて溶接する用途に、広く適用することができる。

また、シリーズ溶接工程の通電条件や通電パターン、レーザ光照射工程や本溶接工程のレーザ光の照射条件などは、種々の変更をするとよい。

シリーズ溶接工程を示す図。 インバータ交流制御装置の構成例を示す図。 シリーズ溶接工程の交流波形の一例を示す図。 本実施形態におけるシリーズ溶接工程の通電パターンを示す図。 本実施形態におけるシリーズ溶接工程後の亜鉛除去領域を示す断面図。 レーザ光照射工程を示す図。 本溶接工程を示す図。 肉盛工程を示す図。

符号の説明

１ 被接合部材
２、３ スポット溶接電極
４ インバータ交流制御装置
６ トランジスタインバータ
７ 交流トランス
１９ 亜鉛除去領域
２０ 焦点位置
２１ レーザ光
３０ レーザ光
４０ アーク溶接
ａ 矢印
ｂ 部位

Claims (2)

1. 母材よりも低融点の被覆材により被覆された被接合部材を、相互にあるいは他の被接合部材と重ね合わせて溶接するレーザ溶接方法において、
   前記被接合部材が重合した被溶接位置に対して片側から抵抗溶接電極を押し当ててシリーズ溶接を行ない溶接領域の被覆材を蒸発除去するシリーズ溶接工程と、
   前記溶接領域にレーザ光をインフォーカス又はデフォーカス状態で照射して照射領域及びその周辺で被覆材を蒸発除去するレーザ光照射工程と、
   前記レーザ光照射工程で被覆材を蒸発除去した領域内をレーザ溶接する本溶接工程とを備えたレーザ溶接方法。
2. 前記シリーズ溶接工程では、インバータ交流制御装置を備えた抵抗溶接機により、通電休止がほとんど生じない電流パターンで電極に通電してシリーズ溶接を行なうことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。

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