JP5030540B2 - 金属板材のレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属板材のレーザ溶接方法に関する。

レーザ溶接は、高密度エネルギー光線であるレーザビームを被溶接物の接合部に片面から照射し、レーザビームを貫通させることで被溶接物を溶融し、これにより被溶接物の表裏にビードを形成させることで溶接する。被溶接物の接合部は、溶接前にシャー装置により切断され、突き合わされる。また、レーザ溶接では、フィラワイヤ等を添加することにより溶接金属量を補填し、溶接部の間隙を充填することがある。このレーザ溶接は、高速溶接が可能であり、被溶接物への熱影響が小さい。特に、鋼板の連続溶接プロセスラインに関しては、従来フラッシュバット溶接法では困難であった高合金成分系の特殊鋼を通板するために必要な溶接強度特性を確保することが可能である。このような優れた特性から、近年レーザ溶接の採用が増加している。

しかし、レーザ溶接は、レーザ発振器から反射ミラー、光ファイバ等を通じて伝送されたレーザビームを凹面鏡、光学レンズ等により０．２〜０．８ｍｍ程度の非常に小さな径のビームに絞って溶接を行う。そのため、被溶接物の接合部の間隙が大きい場合には、レーザビームがこの間隙を通過してしまい、十分に被溶接物を溶融することができないため必要なビード厚みが形成されず、接合部の強度が得られなかった。この場合には、レーザビームの焦点を被溶接物の表面からずらし（以下「デフォーカス」という。）、レーザビームの被溶接物の表面における径（以下「スポット径」という。）を大きくしていた。しかし、レーザビームの焦点をずらすことでエネルギー密度が低下し、溶接速度が遅くなるため、生産効率が低下するという問題があった。

この問題に対し、特許文献１に記載の発明では、ストリップのクランプ装置と、ストリップの端部を切断するシャー装置とを結合させる結合手段を備えるレーザビーム溶接装置が開示されている。かかる技術によれば、両ストリップの切断面の直進性が向上し、高品質な溶接が得られるとされている。特許文献２に記載の発明では、薄板同士の突合せ部を押圧部材により平坦にした後にレーザ溶接をするレーザ溶接方法、並びに押圧部材及び支持部材を備えたレーザ溶接装置が開示されている。かかる技術によれば、突合せ部の段差を無くし、かえりを突合せ部のギャップに押込むことで、ギャップ量を大幅に小さくすることができるため、溶接不良の発生を防止することができるとされている。特許文献３に記載の発明では、レーザビームをデフォーカスせず、スキャニングさせるレーザによる溶接方法が開示されている。かかる技術によれば、高エネルギー密度のレーザを幅広く照射させることができるとされている。特許文献４に記載の発明では、トーチに先行するイメージセンサにより被溶接物の突き合せ部の間隙量を検知することで、レーザ光の集光径とトーチの走行スピードを調整するレーザ溶接方法が開示されている。かかる技術によれば、間隙量が増加しても、直ちに対応してレーザ光の焦点径を拡大することにより、溶接不良を防止することができるとされている。
特開平４−２００９８６号公報 特開平１−１１８３８９号公報 特開平３−２３４３８８号公報 特開昭６１−４６３８９号公報

しかし、特許文献１に記載の発明では、クランプ装置とシャー装置とを結合させる結合手段を備えることで、レーザビーム溶接装置が複雑化するとともに、シャー装置が大型化し、設備費が増加するという問題があった。

特許文献２に記載の発明では、押圧部材及び支持部材を備えることで、レーザビーム溶接装置が複雑化し、設備費が増加するという問題があった。

特許文献３に記載の発明では、レーザビームをスキャニングさせる装置が必要となることから、レーザ照射ヘッド廻りの装置が複雑化し、設備費が増加するという問題があった。

特許文献４に記載の発明では、測定された突き合わせ部の間隙量のみに応じてレーザ光の集光径とトーチの走行スピードを調節するものであり、板厚の影響を考慮していない。レーザビームの径は焦点で集光径となった後に拡大することから、突き合わせ部の間隙量のみに応じてスポット径を調節すると、板厚により被溶接物を通過するレーザビームの径はスポット径以上となる。そのため、板厚を考慮することで、レーザビームのスポット径を小さくすることができる。さらに、同じ間隙量であっても板厚が大きいほどレーザビームのスポット径は小さくてよい。したがって、特に板厚の大きな被溶接物では、必要以上にレーザビームのスポット径が大きくなることで過度に溶接速度が低下し、生産効率が低下するという問題があった。

そこで、本発明は上記問題を解決するため、装置を複雑化、大型化せずに、生産効率を良くすることができる金属板材のレーザ溶接方法を提供することを課題とする。

以下、本発明について説明する。なお、本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて適宜付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

請求項１に記載の発明は、金属板材（１１、１１）の端面を突き合わせ、突き合わせ部（１２）にレーザビーム（１７）を照射して溶接する金属板材のレーザ溶接方法において、レーザビームのスポット径の上限値と次の（１）式で算出されるレーザビームの必要最小スポット径とを比較し、スポット径の上限値が必要最小スポット径以上である場合には、スポット径を必要最小スポット径以上として溶接を行い、スポット径の上限値が必要最小スポット径未満である場合には、フィラワイヤを添加して溶接を行うことを特徴とする金属板材のレーザ溶接方法を提供することにより前記課題を解決する。
ｄ_ｍｉｎ＝（α−β・ｔ）・ｇ ・・・（１）
但し、ｄ_ｍｉｎはレーザビームの必要最小スポット径（ｍｍ）、ｔは金属板材の板厚（ｍｍ）、ｇは突き合わせ部の間隙量（ｍｍ）である。また、α及びβは定数であり、２．５≦α≦３．０、０≦β≦０．１５である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の金属板材（１１、１１）のレーザ溶接方法において、レーザビーム（１７）が、ＹＡＧ固体励起媒質により発振されることを特徴とする。

ここで、ＹＡＧとは、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙｉｔｔｒｉｕｍ Ａｉｕｍｉｎｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）の略である。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の金属板材（１１、１１）のレーザ溶接方法において、固体励起媒質の形状が、ファイバ状またはディスク状であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、金属板材の板厚を用いて必要最小スポット径を求めることで、板厚に応じたレーザビームのスポット径の設定が可能である。これにより、特に板厚の大きな被溶接物において、必要以上にスポット径が大きくなることで過度に溶接速度が低下し、生産効率が低下することを防ぐことができる。

また、請求項１に記載の発明によれば、レーザビームのスポット径の上限値が必要最小スポット径以上である場合には、スポット径を必要最小スポット径以上にすることで、フィラワイヤを用いずにレーザ溶接が可能である。これにより、溶接不良による再溶接、溶接部の破断が低減されるため、生産効率を向上させることが可能となる。また、フィラワイヤを用いずにレーザ溶接をすることができるため、フィラワイヤの費用が削減され、溶接速度が高速化される。一方、レーザビームのスポット径の上限値が必要最小スポット径未満の場合は、フィラワイヤを添加することでレーザ溶接を行うことが可能である。したがって、必要最小スポット径の値を判断基準として用いることで、確実な生産ができるとともに、無用なフィラワイヤの添加を防ぐことで生産費の低減及び品質の向上が可能である。

請求項２に記載の発明によれば、レーザビームの発振源としてＹＡＧ固体励起媒質を用いることにより、後述のとおり光学レンズを交換することでスポット径を調整することができる。これにより、炭酸ガスレーザなどの他のレーザビームよりスポット径を大きくすることができる。したがって、広い範囲においてスポット径が必要最小スポット径以上になるため、フィラワイヤを用いずに金属板材のレーザ溶接が可能である。また、スポット径の上限値が必要最小スポット径未満となる場合でも、スポット径を上限値とすることで、フィラワイヤの使用量を低減することができる。さらに、デフォーカスせずにスポット径の調節が可能であるため、スポット径を大きくする場合においても、生産効率の低下を防ぐことができる。

請求項３に記載の発明によれば、固体励起媒質の形状がファイバ状またはディスク状であるＹＡＧレーザビームは、出力が大きく、光品質に優れている。そのため、高速かつ高品質な溶接が可能である。

以下、図面に示す実施形態に基づき、本発明に係る金属板材の製造方法の一例として、鋼板同士をレーザ溶接する場合について説明するが、以下に説明するものは本発明の実施形態の一例であって、本発明はその要旨を超えない限り以下の説明になんら限定されるものではない。

図１は、本発明に係る金属板材の製造方法に用いるレーザ溶接装置１０を模式的に示す図である。図１（ａ）は、レーザ溶接装置１０を溶接方向から見た図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の右側面図である。鋼板１１、１１は、端面を突き合わせて配置されている。鋼板１１、１１の突き合わせ部１２の上方には、上下、溶接方向及び溶接方向と直交する水平方向に移動可能な加工ヘッド１３、及び間隙量測定装置１４が備えられている。加工ヘッド１３及び間隙量測定装置１４は、溶接機制御装置１５に接続されている。溶接機制御装置１５は、上位ＰＬＣ１６またはパーソナルコンピュータ（図示省略。以下「ＰＣ」という。）などに接続されている。なお、図１（ａ）では、溶接機制御装置１５及び上位ＰＬＣ１６の図示を省略している。

かかる構成により、間隙量測定装置１４と加工ヘッド１３とが、突き合わせ部１２の上方に配置される。そして、間隙量測定装置１４が加工ヘッド１３に先行して突き合わせ部１２を溶接方向に移動し、測定した間隙量ｇを溶接機制御装置１５に送信する。一方、溶接機制御装置１５は、上位ＰＬＣ１６から鋼板１１、１１の板厚ｔなどの材料情報を取得する。そして、溶接機制御装置１５は、この板厚ｔと間隙量ｇとから、次の（１）式によりレーザビームの必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎを求める。
ｄ_ｍｉｎ＝（α−β・ｔ）・ｇ ・・・（１）
ここで、ｄ_ｍｉｎはレーザビームの必要最小スポット径（ｍｍ）、ｔは金属板材の板厚（ｍｍ）、ｇは突き合わせ部の間隙量（ｍｍ）である。また、α及びβは定数であり、２．５≦α≦３．０、０≦β≦０．１５である。

そして、溶接機制御装置１５は、求められた必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎとレーザビームのスポット径ｄの上限値とを比較する。比較の結果、スポット径ｄの上限値が必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ以上である場合には、デフォーカスによりレーザビーム１７のスポット径ｄが必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ以上になるように加工ヘッド１３の上下位置を調節する。その後、フィラワイヤを用いずに、加工ヘッド１３が突き合わせ部１２にレーザビーム１７を照射することでレーザ溶接が行われる。

これにより、金属板材の板厚ｔを用いて必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎが求められることで、板厚ｔに応じたレーザビームのスポット径ｄが設定される。そのため、特に板厚ｔの大きな被溶接物において、必要以上にスポット径ｄが大きくなることで過度に溶接速度が低下し、生産効率が低下することを防ぐことができる。また、スポット径ｄを必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ以上にすることで溶接部に良好なビード形状が形成されるため、溶接不良による再溶接、溶接部の破断が低減され、生産効率が向上する。また、フィラワイヤを用いないため、生産費の低減及び溶接速度の高速化をすることができる。

一方、シャーナイフの劣化等の要因で間隙量ｇが大きくなった場合は、レーザビームの必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎが大きくなる。この場合、レーザビームのデフォーカス量ＤＦに限界があることから、スポット径ｄの上限値が必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ未満となるときがある。このときは、レーザビーム１７が間隙を通過してしまい、十分に被溶接物を溶融することができないので、必要なビード厚みが形成されず、接合部の強度が得られない。そのため、フィラワイヤを添加してレーザ溶接する。このように、必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎの値をフィラワイヤ添加についての判断基準として用いることで、確実な生産ができるとともに、無用なフィラワイヤの添加を防ぐことができる。したがって、生産費の低減及び品質の向上が可能である。

なお、スポット径ｄは、必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎと同一とすることが好ましい。これによれば、良好なビード形状が得られる範囲でレーザビーム１７のエネルギー密度が最も高くなるため、溶接速度が速くなることで生産効率を最も良くすることができる。しかし、鋼板１１、１１の突き合わせ部において、溶接方向での切断品質のばらつきや切断刃物の小さな傷などにより部分的に間隙量ｇが大きくなることで、必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎでは良好なビード形状が得られない部分が生じることがある。この場合には、溶融金属量を増大させ、ビード形状を安定させるために、必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎよりも大きいスポット径ｄを適用するか、フィラワイヤを添加することが好ましい。一方、スポット径ｄの上限値が必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ未満であることからフィラワイヤを添加してレーザ溶接を行う場合には、スポット径ｄを上限値とすることが好ましい。これによれば、フィラワイヤの添加量が最小になるため、生産費を低減することができる。

図２は、鋼板１１、１１の突き合わせ部１２の平面図である。突き合わせ部１２をシャー装置で切断する場合、突き合わせ部の間隙量ｇは、図２のように溶接方向で変わることが多い。これは、シャー装置及びクランプ装置の剛性に起因する。したがって、板厚ｔが厚くなり、板幅Ｌが広くなることで、鋼板１１の切断力が大きくなるほど切断面の直線性が失われ、突き合わせ部１２の間隙量ｇが大きくなる傾向がある。

このように間隙量ｇが突き合わせ部１２の位置により異なる場合は、間隙量ｇに応じてレーザビーム１７（図１参照）のスポット径ｄを変えることが好ましい。このためには、突き合わせ部１２における各位置の間隙量ｇを測定し、溶接機制御装置１５（図１参照）により必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎを、突き合わせ部１２の各位置について求める。そして、スポット径ｄが求めたｄ_ｍｉｎ以上になるよう、溶接機制御装置１５により、突き合わせ部の各位置で加工ヘッド１３（図１参照）の上下位置を制御し、デフォーカスする。これによれば、突き合わせ部１２の全位置で良好なビード形状が得られるとともに、溶接速度が最も速くなるため、生産効率を向上させることができる。なお、突き合わせ部１２の間隙量ｇの測定には、通常レーザ変位計などの間隙量測定装置１４（図１参照）を突き合わせ部１２を走査させることで測っているが、例えばこのような測定装置が無い場合には、フィラーゲージなどの間隙量測定治具で、定期的にギャップ量を測定しても良い。

また、突き合わせ部１２の各位置でスポット径ｄを変更しない場合は、測定した突き合わせ部１２の各位置における間隙量ｇの最大値により、レーザビーム１７の必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎを求めても良い。これによれば、レーザビーム１７のスポット径ｄを必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ以上に調節した後に溶接を行うことで、突き合わせ部１２の全位置で良好なビード形状を得ることができる。なお、必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎは、溶接部に要求される強度などに応じ、間隙量ｇの最大値に所定の割合を掛けた値や、突き合わせ部１２の各位置における間隙量ｇを平均した値などから求めても良い。

なお、図２のように間隙量ｇが突き合わせ部１２の位置により異なることを考慮し、レーザ溶接装置１０の設計にあたっては、レーザ溶接することを想定している金属板材のうち最も広幅かつ板厚ｔの厚い材料をシャー装置で切断して間隙量ｇを測定し、その間隙量ｇを用いて必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎを求め、必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ以上のスポット径ｄが得られるように設計することが好ましい。

図３は、スポット径ｄ、間隙量ｇ、レーザ溶接する鋼板１１（図１参照）の板厚（以下単に「板厚」ということがある。）ｔ、及び溶接後のビード形状の関係について調査した結果を示す図である。調査には、レーザ発振器に１０ｋｗ炭酸ガスレーザ、及び同出力のファイバレーザを用いた。スポット径ｄは、デフォーカス量ＤＦ、または光学レンズ焦点距離を変えることにより０．１ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲で調整可能とした。レーザ溶接する鋼板１１には、板厚ｔが２、４、６ｍｍの３種類の低炭素鋼（組成比率Ｃ：０．０５％、Ｓｉ：０．００５％、Ｍｎ：０．２％、残部はＦｅ及び不可避的不純物）を用い、同じ板厚の鋼板１１、１１をレーザ溶接した。それぞれの厚みｔの鋼板１１、１１について、間隙量ｇを、０．１、０．２、０．２５ｍｍと変更し、スポット径ｄを変えながらレーザ溶接を行った。そして、溶接後のビード形状の評価を、プロセスライン通板の観点から、ビード厚さｈｂが鋼板１１の厚さｈｓの７０％以上であるときを良好とし、ビード厚さｈｂが鋼板１１の厚さｈｓの７０％未満であるときを不良とした。

図３のとおり、いずれの板厚ｔでも、間隙量ｇが広くなるほど、良好なビードが得られる最小のスポット径ｄ（必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ）は大きくなった。一方、間隙量ｇが同一では、板厚ｔが薄くなるほど、良好なビードが得られる最小のスポット径ｄ（必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ）は大きくなった。これより、板厚ｔと、間隙量ｇと、必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎは、次の（１）式によって整理可能なことを見出した。
ｄ_ｍｉｎ＝（α−β・ｔ）ｇ ・・・（１）
ここで、α及びβは、図３の調査結果から求められた定数であり、次の（２）、（３）式のとおりである。
２．５≦α≦３．０ ・・・（２）
０≦β≦０．１５ ・・・（３）
これにより、スポット径ｄは、次の（４）式を満たすことで、良好なビード形状が得られる。
ｄ≧ｄ_ｍｉｎ ・・・（４）

なお、図３には、α＝３．０、β＝０．１としたときの直線が記されているが、２．５≦α≦３．０、０≦β≦０．１５であれば、良好なビード形状を得ることができる。定数αが大きい場合には、間隙量ｇに対しスポット径ｄが十分に大きいことから、良好なビード形状を得ることができる。しかし、上述したようにレーザビームのエネルギー密度が低下し、不要な溶接速度の低下を招くこととなる。そのため、αの上限は、３．０とする。一方、αが小さい場合には、計算されるスポット径ｄは間隙量ｇの大きさ以下となり得る。スポット径ｄが間隙量ｇよりも小さくなるときは、フィラワイヤ等により溶接金属量を補填したとしても、間隙を介した突き合わせ部１２（図１参照）の両端面を均一に溶融することが難しいため、良好なビード形状を得ることができない。したがって、スポット径ｄは間隙量ｇよりも大きくする必要がある。そのため、αの下限は、２．５とする。

また、図３のとおり、スポット径ｄが大きいほど、良好なビード形状が得られる間隙量ｇの範囲は広くなる。しかし、大きなスポット径ｄにするには、レーザビームの焦点をデフォーカスする必要がある。これにより、レーザビームのエネルギー密度が低下するため、溶接速度を遅くする必要があり、生産効率が低下する。したがって、スポット径ｄは０．８ｍｍ以下とすることが好ましい。これは、一般的に、鋼板の連続プロセスラインにおける間隙量ｇは、０．３ｍｍ以下であることから、良好なビード形状を形成するという観点からも問題のない値である。また、プロセスラインでの突き合わせ位置と溶接位置の精度、あるいは突き合わせ部の溶接長手方向直線性を考慮すると、スポット径ｄは、０．４ｍｍ以上とすることが好ましい。

さらに、上記ではプロセスライン通板の観点から、金属板材において一般的であるビード厚さｈｂが金属板材厚さの７０％以上であるときを良好として（１）〜（３）式を規定したが、溶接後のビード形状の評価は、溶接部に要求される強度などから個別に定めることが可能である。そのため、必要な強度に応じて、ビード厚さとして鋼板厚さｈｓの７０％と異なる値を設定することで、定数α及びβの範囲を変更することも可能である。また、ビード形状の評価は、ビード厚み以外の基準により評価することも可能である。

本発明に係る金属板材の製造方法に用いるレーザとしては、本発明の作用効果を達成できるものであれば特に制限がなく、ＣＯ２、ＣＯ、ＣＦ_４、ＨＦ、ヨウ素などの気体レーザ；色素を用いる液体レーザ；ＹＡＧ、ＹＬＦ、ガラス、Ｔｉサファイア、ＣｒＬｉＳＡＦなどの固体レーザ；ＧａＡｓ、（ＩｎＧａ）Ａｓ、ＩｎＰ、Ｉｎ（ＰＡｓ）、ＣｄＳｎＰ_２、ＧａＳｂ、Ｃｄ_３Ｐ_２、ＩｎＡｓ、ＰｂＳ、ＩｎＳｂ、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｅ、（ＰｂＳｎ）Ｓｅなどの半導体レーザ；あるいは自由電子レーザなどを例示することができるが、後述する観点からＹＡＧ固体励起媒質により発振するレーザビーム（以下単に「ＹＡＧレーザビーム」という。）を使用することが好ましい。

本発明に適用できる能力（出力）を有する主要なレーザとしては、ＹＡＧレーザ及び炭酸ガスレーザがある。このうち、本発明に係る金属板材のレーザ溶接方法では、光ファイバ伝送が可能であること、及び集光レンズを備えることから、ＹＡＧレーザビームを用いることが好ましい。ＹＡＧレーザビームのスポット径ｄ（ｍｍ）は、次の（５）式で表すことができる。
ｄ＝Ｄcore×Ｌf／Ｌc×ＤＦ／１００ ・・・（５）
ここで、Ｄcoreは伝送ファイバケーブルのコア径（ｍｍ）、Ｌｆはフォーカスレンズ焦点距離（ｍｍ）、Ｌｃはコリメートレンズ焦点距離（ｍｍ）、ＤＦはデフォーカス量（％）である。なお、１００％≦ＤＦ≦可能範囲による上限値であり、デフォーカスなしの場合は、ＤＦ＝１００％として計算される。上記（５）式のとおり、ＹＡＧレーザビームのスポット径ｄは、デフォーカスに加え、光学レンズを交換してＬｆ、Ｌｃを変更することでも容易に調節が可能であるため、調整の自由度が大きい。

そのため、広い範囲においてスポット径ｄが必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ以上になるため、フィラワイヤを用いずに金属板材のレーザ溶接が可能である。また、スポット径ｄを必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ以上にすることができない場合でも、スポット径ｄを上限値とすることで、フィラワイヤの使用量を低減することが可能であり、生産効率の低下を防ぐことができる。

ＹＡＧレーザビームは、特に熱延コイルもしくは酸洗処理を施した熱延コイルの連続プロセスラインでの溶接において顕著な効果を有する。熱延コイルの材質は特に限定されず、例えば極低炭素鋼、低炭素鋼、高張力鋼、高炭素鋼、高Ｓｉ鋼、ステンレス鋼などを挙げることができる。熱延コイルは通常、板厚ｔが１．２〜６．０ｍｍと冷間圧延以降のプロセスに比べて厚く、また板幅Ｌも２０００ｍｍ前後と広いため、突き合わせ部１２（図１参照）の間隙量ｇが０．２ｍｍ以上と大きくなりやすい。これまで一般的に用いられてきた炭酸ガスレーザでは、レーザビーム１７（図１参照）のスポット径ｄが０．２〜０．３ｍｍ程度であるため、スポット径ｄを必要最小スポット径ｄｍｉｎ以上にできない場合が発生し、溶接不良を引き起こしやすい。一方、ＹＡＧレーザビームでは、光学レンズを適正に選定することにより広い範囲においてスポット径ｄを必要最小スポット径ｄｍｉｎ以上にすることができるため、フィラワイヤを用いずに鋼材１１（図１参照）のレーザ溶接が可能である。これにより、溶接不良を防止することができる。

なお、ＹＡＧ固体励起媒質は、ファイバ状またはディスク状であることが好ましい。これらの励起媒質は、ロッド状のＹＡＧ固体励起媒質と同等以上の出力が得られ、本発明に係るレーザ溶接方法が対象としている金属板材の溶接に必要な出力レベルでは、ロッド状のＹＡＧ固体励起媒質を用いたＹＡＧレーザビームよりも光品質に優れている。そのため、高速かつ高品質な溶接が可能である。

なお、レーザビームのスポット径ｄを（５）式のような計算によらず直接測定することも可能である。測定方法の一例としては、被溶接材の位置にアクリル板を置き、レーザビーム１７（図１参照）を照射してバーンパターンを取ることにより、被溶接材表面位置でのレーザビームのスポット径ｄを測定する。

（実施例１）
実施例１では、本発明のレーザ溶接方法を既存のレーザ溶接機に適用し、効果を検証した。レーザ溶接する金属板材には、板厚ｔが２ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍの低炭素鋼板（組成比率Ｃ：０．０５％、Ｓｉ：０．００５％、Ｍｎ：０．２％、残部はＦｅ及び不可避的不純物。以下単に「鋼板」という。）を用い、シャー装置で溶接長３００ｍｍの切板状に切り出した。そして、溶接される端面を機械加工にて矩形に仕上げ、この端面を突き合わせて間隙量ｇをフィラーゲージで正確に調整した後にクランプで固定した。間隙量ｇは、０．１０ｍｍ〜０．２５ｍｍの間において０．０５ｍｍ間隔で変化させた。この板厚ｔ及び間隙量ｇを用い、上述した（１）式によりレーザビームの必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎを求めた。定数は、αを２．５または３．０、βを０．１とした。

レーザ発振源には、出力１０ｋＷのファイバレーザ、または同出力の炭酸ガスレーザを用いた。ファイバレーザには、伝送ファイバケーブルのコア径Ｄｃｏｒｅが０．２ｍｍ、または０．３ｍｍの物を使用し、光学レンズの交換によるＬｆ、Ｌｃの変更、及びデフォーカス量を調整することでスポット径ｄを変化させた。

以上の条件により、スポット径ｄ、間隙量ｇ及び溶接速度を変えてレーザ溶接を行い、溶接後のビード厚みを調べた。ビード厚みは、ビード厚ｈｂの鋼板の厚さｈｓに対する割合（ｈｂ／ｈｓ×１００（％））とし、断面観察から求めた。そして、ビード厚みが７０％以上であるときを良好とした。表１に結果を示す。なお、表１に記載した以外の条件については、すべて同一とした。

実施例１−１〜１−１２では、スポット径ｄを必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ以上としてレーザ溶接をしたところ、すべてにおいてビード厚みが７０％以上となった。一方、比較例１−１、１−２ではファイバレーザを用いて、比較例１−３、１−４では炭酸ガスレーザを用いて、スポット径ｄを必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ未満としてレーザ溶接をしたところ、すべてにおいてビード厚みが７０％未満となった。これにより、スポット径ｄを必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ以上とすることで、ビード厚みが７０％以上となり、良好なビード形状が形成されることが確認できた。

（実施例２）
実施例２では、本発明のレーザ溶接方法により複数種類の鋼板をレーザ溶接した。鋼板には、極低炭素鋼板、低炭素鋼板、高張力鋼板、高炭素鋼板、高Ｓｉ鋼板、ステンレス鋼板を用いた。これらの鋼板の端面をシャー装置で切断し、突き合わせ部の間隙量ｇを測定したところ、板厚ｔが６ｍｍの鋼材で最大の間隙量ｇは０．２４ｍｍであった。この板厚ｔ及び間隙量ｇを用い、上述した（１）式によりレーザ溶接を可能とするレーザビームの必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎを求めた。定数は、αを３．０、βを０．１とした。これにより、必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎは、０．５８ｍｍとなった。

レーザ発振源には１０ｋＷのファイバレーザを用い、伝送ファイバコア径Ｄｃｏｒｅを０．３ｍｍ、フォーカスレンズ焦点距離Ｌｆを３００ｍｍ、コリメートレンズ焦点距離Ｌｃを１５０ｍｍ、デフォーカス量ＤＥを１００％とした。これにより、上述した（５）式から計算するとレーザビームのスポット径ｄは０．６０ｍｍであり、必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ以上となった。なお、ビード厚みは、上記と同様に７０％以上であるときを良好とした。

以上の条件によりレーザ溶接を行ったところ、フィラワイヤを使用することなく、溶接速度４〜１０ｍ／ｍｉｎですべての鋼板においてビード厚み７０％以上と良好であり、安定した溶接が可能であった。これにより、本発明が材質を問わずに適用可能であることが確認できた。

（実施例３）
実施例３では、図１のレーザ溶接装置１０に出力５ｋＷのＹＡＧレーザビームを用い、極低炭素鋼板、低炭素鋼板、高張力鋼板、高炭素鋼板、高Ｓｉ鋼板、ステンレス鋼板などの鋼板をレーザ溶接した。ＹＡＧレーザビームは、伝送ファイバコア径Ｄｃｏｒｅを０．３ｍｍ、フォーカスレンズ焦点距離Ｌｆを２５０ｍｍ、コリメートレンズ焦点距離Ｌｃを１５０ｍｍ、デフォーカスＤＦを１００〜１１０％とすることで、レーザビームスポット径の下限値を０．５０ｍｍ、上限値を０．５５ｍｍとした。それぞれの鋼材の板厚ｔと、間隙量測定装置１４で測定された間隙量ｇから、上述した（１）式によりレーザビームの必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎを求めた。定数は、αを３．０、βを０．１とした。なお、ビード厚みは、上記と同様に７０％以上であるときを良好とした。

必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎが０．５５ｍｍ以下の場合にはデフォーカスを実施し、スポット径ｄを必要最小スポット径ｄ_ｍｉｎ以上として、レーザ溶接を行った。必要最小スポット径が０．５５ｍｍ超の場合にはスポット径ｄを０．５５ｍｍとし、かつフィラワイヤを供給してレーザ溶接を行った。その結果、すべての鋼材でビード厚みが７０％以上と良好であった。そのため、フィラワイヤ供給対象が大幅に削減され、フィラワイヤの費用が削減されることを確認できた。また、溶接速度が高速化され、生産能力の向上を実現できた。

なお、上記実施形態及び実施例では、金属板材を鋼板として説明したが、本発明は、アルミニウム、チタンなどの他の金属の板材にも適用可能である。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う金属板材のレーザ溶接方法もまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

本発明に係る金属板材の製造方法に用いるレーザ溶接装置を模式的に示した図である。 鋼板の突き合わせ部の平面図である。 スポット径ｄ、間隙量ｇ、板厚ｔ、及び溶接後のビード形状の関係について調査した結果を示す図である。

符号の説明

ｇ 間隙量
１０ レーザ溶接装置
１１ 鋼板
１２ 間隙部
１３ 加工ヘッド
１４ 間隙量測定装置
１５ 溶接機制御装置
１７ レーザビーム

Claims (4)

1. 金属板材の端面を突き合わせ、突き合わせ部にレーザビームを照射して溶接する金属板材のレーザ溶接方法において、前記レーザビームのスポット径の上限値と下記式で算出される前記レーザビームの必要最小スポット径とを比較し、前記スポット径の上限値が前記必要最小スポット径以上である場合には、前記スポット径を前記必要最小スポット径以上として溶接を行い、前記スポット径の上限値が前記必要最小スポット径未満である場合には、フィラワイヤを添加して溶接を行うことを特徴とする金属板材のレーザ溶接方法。
   ｄ_ｍｉｎ＝（α−β・ｔ）・ｇ
   但し、ｄ_ｍｉｎ：レーザビームの必要最小スポット径（ｍｍ）
   ｔ：金属板材の板厚（ｍｍ）
   ｇ：突き合わせ部の間隙量（ｍｍ）
   ２．５≦α≦３．０、 ０≦β≦０．１５
2. 前記レーザビームが、ＹＡＧ固体励起媒質により発振されることを特徴とする請求項１に記載の金属板材のレーザ溶接方法。
3. 前記固体励起媒質の形状が、ファイバ状またはディスク状であることを特徴とする請求項２に記載の金属板材のレーザ溶接方法。
4. 金属板材の端面を突き合わせ、突き合わせ部にレーザビームを照射して溶接する金属板材のレーザ溶接装置であって、
   上位ＰＬＣと、
   該上位ＰＬＣに接続された溶接機制御装置と、
   該溶接機制御装置に接続された間隙量測定装置と、
   を有し、
   前記間隙量測定装置が、前記突き合わせ部の間隙量を測定し、
   前記溶接機制御装置が、
   前記上位ＰＬＣから前記金属板材の板厚の情報を取得し、
   該取得した板厚及び前記間隙量に基いて前記レーザビームの必要最小スポット径を下記式により算出し、
   該算出した必要最小スポット径と前記レーザビームのスポット径の上限値とを比較し、
   前記スポット径の上限値が前記必要最小スポット径以上である場合には、前記スポット径を前記必要最小スポット径以上として溶接を行い、
   前記スポット径の上限値が前記必要最小スポット径未満である場合には、フィラワイヤを添加して溶接を行うことを特徴とする、金属板材のレーザ溶接装置。
   ｄ _ｍｉｎ ＝（α−β・ｔ）・ｇ
   但し、ｄ _ｍｉｎ ：レーザビームの必要最小スポット径（ｍｍ）
   ｔ：金属板材の板厚（ｍｍ）
   ｇ：突き合わせ部の間隙量（ｍｍ）
   ２．５≦α≦３．０、 ０≦β≦０．１５

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