JP5385509B2 - レーザ溶接装置、レーザ溶接方法及び金属板材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接装置、このレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法及び金属板材の製造方法に関する。

レーザ溶接は、高密度エネルギ光線であるレーザビームを被溶接材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材を溶融し、これにより被溶接材の表裏にビードを形成させることで溶接する。被溶接材の接合部は、溶接前に例えばシャー装置により切断され、形状が整えられた後に突き合わされる。また、レーザ溶接では、フィラワイヤなどの溶加材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、あるいは溶接金属の成分を調整することがある。このレーザ溶接は、高速溶接が可能であり、被溶接材への熱影響が小さい。特に、鋼板の連続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。

レーザ溶接には、発振媒体に炭酸ガスを用いる炭酸ガスレーザ溶接がある。炭酸ガスレーザは高出力を得ることができるため、炭酸ガスレーザ溶接は広く一般に用いられている。炭酸ガスレーザ溶接では、炭酸ガスレーザ発振器から放出されたレーザビームが通常複数個のベンドミラーを通じて加工ヘッドへ伝送される。加工ヘッドでは、放物面鏡により０．２〜０．３ｍｍ程度の非常に小さなスポット径に絞って、溶接を行う。

これにより、炭酸ガスレーザ溶接では、高エネルギ密度のレーザによる高速の溶接が可能な反面、スポット径が小さいことから被溶接材の突き合わせ部の間隙が大きい場合には、ビームがこの間隙を通過してしまい、溶接不良により溶接部の破断が生じるという問題があった。例えば、鋼材の連続プロセスラインにおいて溶接部の破断トラブルが発生すると、通常その復旧には数時間から半日といった時間を要するため、著しく生産性を阻害する。なお、フィラワイヤのような溶加材を添加して間隙を充填しながら溶接する方法もあるが、レーザビームのエネルギの一部が溶加材の溶融によって消費されるために溶接速度を落とす必要が生じ、生産性を悪化させる。

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線性が向上し、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、薄板同士の突き合わ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、突き合わせ部の段差を無くし、かえりを突き合わ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。
特開平４−２００９８６号公報 特開平１−１１８３８９号公報 特開平３−２３４３８８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。

鋼材の連続プロセスラインにおけるレーザ溶接として、炭酸ガスレーザ以外にもレーザ発振媒体が固体である固体レーザを用いることも可能である。例えば、ロッド状のＹＡＧ結晶体を発振媒体とするＹＡＧレーザは波長が１．０６μｍであり、波長が炭酸ガスレーザの約１／１０と短い。しかし、市販されているＹＡＧレーザの出力は高々５ｋＷ程度である。そのため、熱延鋼板のように板厚の厚い鋼板のレーザ溶接では、速い溶接速度が得られず、生産性が悪いという問題があった。これにより、ＹＡＧレーザは、板厚レベルの薄い一部の冷延鋼板の処理ライン、もしくはフラッシュバット方式の溶接機では良好な溶接強度が得にくい難溶接材の処理ラインに適用の範囲が限定されていた。

また、レーザ溶接では、外乱要因が加工ヘッドと被溶接材との間に存在すると、レーザビームが散乱または吸収されることで突き合わせ部に供給されるエネルギが減少し、溶け込み不良などの溶接不良を生じるという問題があった。外乱要因としては、被溶接材から発生するプラズマ（プルーム）や溶接により発生するヒュームなどがある。例えば、炭酸ガスレーザではプラズマ除去ガスの付与が必須であり、ガスの供給条件の微妙な変化による溶接品質への影響が非常に大きいことが知られている。

さらに、レーザ溶接では、被溶接物の間隙の大きさに対応して、レーザビームの焦点を被溶接材の表面からずらすことで、被溶接材表面におけるレーザビームのスポット径を大きくして溶接することが行われる。しかし、焦点をずらすことにより被溶接材の表面におけるレーザビームのエネルギ密度が低下するため、溶け込み不良などの溶接不良が発生しやすくなるという問題があった。

レーザ溶接では、被溶接材から溶けた金属が粒状に固まった物（以下「スパッタ」という。）が飛散して放物面鏡や保護ガラスなどの光学系部品に付着する。これにより、スパッタが付着した光学系部品を交換するために生産ラインを一時停止せざるを得なく、生産性が著しく阻害され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、装置を複雑化または大型化せずに安定して高品質な溶接が可能であり、かつ維持が容易で安価なレーザ溶接装置、レーザ溶接方法、及び金属板材の製造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、鋼板の連続プロセスラインに用いられるレーザ溶接装置であって、並列に配置された複数の発振媒体（１４ａ〜１４ｎ）と、複数の発振媒体から放出されるレーザビーム（１９）を合成して伝送する光ファイバ（１５ａ〜１５ｎ、１６）と、光ファイバ（１３）が接続され、コリメートレンズ（１７）及びフォーカスレンズ（１８）を有する加工ヘッド（１２）とを備え、レーザビームの波長が２μｍ以下であり、下記（ａ）式で算出されるレーザビームの焦点（２０）のスポット径ｄが０．３ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下であり、並列に配置された複数の発振媒体の合計出力が６ｋＷ以上であり、フォーカスレンズの焦点位置と鋼板表面との距離が２０ｍｍ以下であり、フォーカスレンズの焦点距離が１５０ｍｍ以上であり、フォーカスレンズの直下にスパッタパージ装置を備え、スパッタパージ装置におけるスパッタパージの流量が０．６Ｎｍ^３／分以上であり、スパッタパージ装置は鋼板表面から２０ｍｍ以上離れて設置されていることを特徴とするレーザ溶接装置（１０）を提供することにより前記課題を解決する。
ｄ＝Ｄｃｏｒｅ × Ｌｆ ／ Ｌｃ ・・・（ａ）
ただし、Ｄｃｏｒｅはレーザビームを伝送する光ファイバケーブルのコア径、Ｌｆはフォーカスレンズの焦点距離、Ｌｃはコリメートレンズの焦点距離である。

「レーザビームの焦点」とは、レーザビームが集光される点であり、この点でレーザビームのスポット径が最小となり、エネルギ密度が最大となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ溶接装置（１０）において、発振媒体（１４ａ〜１４ｎ）がファイバ状またはディスク状の結晶体であることを特徴とする。

発振媒体がファイバ状、又はディスク状の結晶体は、半導体レーザなどの励起エネルギ源により励起されてレーザ光を放出する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置（１０）を用いて、炭素を０．３質量％以上含有する鋼材の突き合わせ部に溶加材を供給して溶接することを特徴とする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。

溶加材は、溶接部の間隙に充填する溶接金属であり、形態としては例えばワイヤ状、箔状、又は粉末状などを挙げることができる。また、被溶接材としては、例えば、低炭素鋼、高炭素鋼、高張力鋼を挙げることができる。ただし、溶加材及び被溶接材はこれらの例に限定されない。ここで、低炭素鋼は、Ｃ：０．１質量％以下の炭素鋼、高炭素鋼は、Ｃ：０．１〜１．０質量％の炭素鋼、高張力鋼は、Ｃ：０．５質量％以下で抗張力が３５０ＭＰａ以上の鋼である

請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置（１０）を用いて、被溶接材（金属板材）（１）を突合せ溶接する工程を有することを特徴とする金属板材の製造方法を提供することにより前記課題を解決する。

請求項１に記載の発明によれば、レーザビームを光ファイバで伝送することにより、上述した（ａ）式のとおり、レーザビームの焦点のスポット径ｄを０．３ｍｍ以上とすることが可能である。これにより、突き合わせ部の間隙をレーザビームの大部分が通過することが防止され、良好な溶接部が得られる。そのため、レーザ溶接装置を複雑化または大型化せずに溶接部の破断を防ぐことができる。また、レーザビームの波長を２μｍ以下とすることにより、レーザビームはプラズマなどの外乱要因に対する透過性が高く、影響を受けにくくなることから、外乱要因により溶接部に不良が生じることを防ぐことができる。

複数の発振媒体を並列に配置することにより、１つの発振媒体が低出力であっても合計で高出力を得ることができる。これにより、発振媒体の合計出力を例えば６ｋＷ以上とすることで、フラッシュバット溶接と同等以上の生産能力を得ることができる。また、フォーカスレンズ焦点距離を１５０ｍｍ以上とし、合わせてフォーカスレンズの直下にスパッタパージ装置を備えることにより、被溶接材から飛散するスパッタが光学系部品に付着することを防止することができる。これにより、安定して繰り返しレーザ溶接を行うことが可能である。

請求項２に記載の発明によれば、発振媒体をファイバ状またはディスク状の結晶体とすることで、発振媒体が容易に並列配置される。そのため、容易に波長２μｍ以下のレーザビームを、例えば出力６ｋＷ以上の高出力で得ることができる。

請求項３に記載の発明によれば、炭素を０．３質量％以上含有する鋼材では、レーザ溶接により溶接部が硬化し、繰り返し曲げ性が劣化することで、溶接部の破断が生じる場合がある。しかし、被溶接材の突き合わせ部に溶加材を供給することにより、溶接部の硬度を下げることができる。これにより、溶接部の破断を防止することができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置を用いて金属板材を溶接することにより、金属板材の製造においても請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置の効果を得ることができる。そのため、金属板材の生産性及び溶接品質が向上するとともに、生産及び溶接品質を安定させることができる。

以下、図面に示す実施形態に基づき、本発明に係るレーザ溶接装置により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、本発明に係るレーザ溶接装置１０を模式的に示す図である。レーザ溶接装置１０は、レーザ発振器１１と加工ヘッド１２とが、光ファイバ１３で接続されている。レーザ発振器１１では、内部に複数の発振媒体１４ａ〜１４ｎが並列に配置されている。それぞれの発振媒体１４ａ〜１４ｎに接続された光ファイバ１５ａ〜１５ｎが１本の光ファイバ１６にまとめられた後に、光ファイバ１３と接続されている。発振媒体１４ａ〜１４ｎは、それぞれが波長２μｍ以下のレーザビームを放出する。発振媒体１４ａ〜１４ｎとしては、例えば波長が１．０６μｍであるＹＡＧ結晶体からなる物を挙げることができる。ただし、発振媒体はこれらの例示に限定されず、波長２μｍ以下のレーザビームを発振するものであれば、使用可能である。加工ヘッド１２は、コリメートレンズ１７及びフォーカスレンズ１８を備えている。そして、加工ヘッド１２は、加工ヘッド１２から照射されたレーザビーム１９が被溶接材である鋼板１、１の間隙２に当たるようにして、配置されている。

かかる構成により、それぞれの発振媒体１４ａ〜１４ｎから放出された波長２μｍ以下のレーザビームは、光ファイバ１５ａ〜１５ｎを通り、光ファイバ１６で合成される。これにより、レーザ発振器１１から例えば６ｋＷ以上のレーザビームが出力される。このレーザビームが光ファイバ１３により加工ヘッド１２へ伝送される。加工ヘッド１２では、レーザビームがコリメートレンズ１７で平行にされ、フォーカスレンズ１８で焦点２０に集光される。

この焦点２０でのレーザビーム１９のスポット径（以下「ジャストスポット径」という。）ｄは、レーザビームが光ファイバ１３で伝送されることにより、簡易的には次の（ａ）式により求めることができる。
ｄ＝Ｄｃｏｒｅ × Ｌf ／ Ｌc ・・・・・（ａ）
ここで、Ｄｃｏｒｅは光ファイバ１３のコア径、Ｌｃはコリメートレンズ１７の焦点距離、Ｌｆはフォーカスレンズ１８の焦点距離である。これにより、コリメートレンズ１７及びフォーカスレンズ１８の組み合わせで、ジャストスポット径ｄは０．３ｍｍ以上に調節される。例えば、光ファイバ１３のコア径Ｄｃｏｒｅ＝０．３ｍｍ、コリメートレンズ１７の焦点距離Ｌｃ＝１５０ｍｍの場合、ジャストスポット径ｄはフォーカスレンズ１８の焦点距離Ｌｆを用いて、次の表１のように０．３ｍｍ以上に調節される。

このように、ジャストスポット径ｄを０．３ｍｍ以上とすることにより、鋼板１、１の突き合わせ部の間隙２をレーザビーム１９の大部分が通過することが防止され、良好な溶接部が得られる。そのため、レーザ溶接装置１０を複雑化または大型化せずに、溶接部の破断を防ぐことができる。

また、レーザビームの波長を２μｍ以下とすることにより、レーザビーム１９はプラズマなどの外乱要因に対する透過性が高く、影響を受けにくくなることから、外乱要因により溶接部に不良が生じることを防ぐことができる。

レーザ溶接装置１０が並列に配置されたｎ個の発振媒体１４ａ〜１４ｎを備えることにより、１つの発振媒体１４ａ〜１４ｎが低出力であっても合計で高出力を得ることができる。これにより、発振媒体１４ａ〜１４ｎの合計出力を例えば６ｋＷ以上にすることにより、レーザ溶接装置１０は、フラッシュバット溶接と同等以上の生産能力を得ることができる。

なお、従来は、炭酸ガスレーザは１つの発振媒体からなり、また多数の発振媒体を備えて光を合成することにより大きな出力を得るＹＡＧレーザであっても、発振媒体が直列に配列されていた。そのため、発振媒体の一箇所の故障により発振器全体が停止していた。しかし、レーザ溶接装置１０では、並列に配置されたｎ個の発振媒体１４ａ〜１４ｎを備えることで、一つの発振媒体が故障した場合でもレーザ発振器１１は停止しないため、安定して生産することができる。レーザ溶接装置１０では、ｎ個の発振媒体のうち、一つの発振媒体が故障すると全体の出力は（ｎ−１）／ｎになるが、残りの発振媒体に出力の余裕がある場合は、個々の発振媒体の出力をｎ／（ｎ−１）倍することで、レーザ発振器１１全体の出力を維持することができる。また、予備の発振媒体を予め搭載しておけば、１つの発振媒体が故障した場合でも予備の発振媒体に切り返ることで、発振器の出力低下を防ぐことができる。さらに、こうした対応をせずに発振器全体の出力が（ｎ−１）／ｎ倍になった場合でも、応急的に溶接速度を下げるなどの対応で溶接は可能なため、生産ラインの休止を防止することができる。

レーザ溶接装置１０では、レーザビームを光ファイバ１３、１５ａ〜１５ｎ、１６により伝送する。これは、波長２μｍ以下のレーザビームは、中実の石英系光ファイバを通過しても分子振動による赤外吸収がほとんどなく、エネルギ損失が小さいことから、光ファイバ１３により伝送可能なためである。これにより、レーザビームの伝送には炭酸ガスレーザで必要であるベンドミラーが不要となり、消耗品であるこれらの維持費が低減される。また、ベンドミラーの交換時、及び作業時に時間及び技術を要するベンドミラーの調整が不要となるため、生産性が向上し、作業負担が軽減する。さらに、従来生じていたベンドミラーの調整不良による溶接品質の低下がなくなるため、溶接品質が安定する。

なお、波長が２μｍを超える赤外波長域のレーザ光であっても、中空ケーブル方式の導波路や、赤外ファイバなどを用いて伝送することは可能である。そのため、炭酸ガスレーザをこれらの導波路を用いて伝送することが考えられる。しかし、このような導波路は耐久性に難があり、高度な信頼性および高い溶接速度を必要とする連続プロセスライン向けの溶接機には適用できない。

レーザ溶接装置１０では、例えば、シャー装置の切断精度劣化により鋼板１、１の突き合わせ間隙２が拡大する場合がある。この場合、コリメートレンズ１７及びフォーカスレンズ１８の組合せをその都度変えることは生産性の面から困難である。そのため、鋼板１、１の表面３とレーザビーム１９の焦点２０との距離を調節することで、鋼材１、１の表面におけるレーザビーム１９のスポット径を大きくすることが行われる。

しかし、これにより鋼材１、１の表面３におけるレーザビーム１９のエネルギ密度が低下するため、溶け込み不良などの溶接不良が発生しやすくなる。そのため、レーザ装置１０では、鋼板１、１の表面３とレーザビーム１９の焦点２０との距離を２０ｍｍ以下となるように構成する。例えば、レーザ溶接装置１０の加工ヘッド１２、または鋼板１、１を積載するベッドを上下に昇降させる構成とする。ただし、鋼板１、１の表面３と焦点２０との距離が２０ｍｍ以下となる構成であれば、他の構成とすることも可能である。これにより、鋼板１、１の表面３とレーザビーム１９の焦点２０との距離を大きくし過ぎることで溶接不良が生じることを防止することができる。なお、レーザビーム１９の焦点２０と鋼材１、１の表面３との距離を２０ｍｍ以下としても、間隙２に対する鋼材１、１の表面３でのレーザビーム１９のスポット径が小さく、良好な溶接部が得られない場合がある。この場合には、フィラワイヤなどの溶加材を添加してレーザ溶接を行うことで、良好な溶接部を得ることができる。

図２は、加工ヘッド１２の透視図である。加工ヘッド１２には、光ファイバ１３が接続されている。加工ヘッド１２内部には、光ファイバ１３の接続側からコリメートレンズ１７、フォーカスレンズ１８、及び保護ガラス２１が備えられている。フォーカスレンズ１８の焦点距離Ｌｆは１５０ｍｍ以上である。また、保護ガラス２１と被溶接材である鋼板１、１との間にはスパッタパージ装置２２が設置されている。スパッタパージ装置２２は、側面に空気配管２３が取り付けられている。なお、加工ヘッド１２の下端には、破線で示すようにセンターノズル２４が取り付けられる場合がある。

かかる構成により、光ファイバ１３から加工ヘッド１２へ入力されたレーザビーム１９は、コリメートレンズ１７で平行にされる。そして、平行にされたレーザビーム１９は、フォーカスレンズ１８で集光され、これらのレンズを保護する保護ガラス２１を通過し、フォーカスレンズ１８の焦点距離１５０ｍｍの位置において焦点２０となる。集光されたレーザビーム１９が鋼板１、１の間隙２に照射されることで、鋼板１、１が溶接される。スパッタパージ装置２２では、空気配管２３から圧縮空気２５がレーザビーム１９に対し垂直方向に供給される。

このように、フォーカスレンズ１８の焦点距離を１５０ｍｍ以上としてスパッタが付着しにくい距離を確保する。合わせて、保護ガラス２１の直下にスパッタ付着防止手段であるスパッタパージ装置２２を備えることで、溶接部から飛散するスパッタの方向を変える。これにより、スパッタが保護ガラス２１に付着しないため、レーザ溶接装置１０（図１参照）を安定して繰り返し溶接に用いることが可能である。なお、スパッタパージ装置２２は、フォーカスレンズ１８と鋼板１、１との間に設置されれば良いが、鋼板１、１の近くに設置されるほどその効果は大きい。しかし、近すぎることでスパッタパージ装置２２による雰囲気ガスの巻き込みや、供給した圧縮空気２５による溶接品質への影響が生じる。そのため、スパッタパージ装置２２は、鋼材１、１の表面３から２０ｍｍ以上離れて設置されることが好ましい。なお、スパッタ付着防止手段は上述したスパッタパージ装置２２に限定されない。例えば、レーザ溶接では、プラズマ除去や溶接部シールドの観点から、ガス供給パイプ（不図示）やセンターノズル２４を用いて、ヘリウムまたはアルゴンなどの不活性ガスを供給することがある。この場合も同様に、スパッタ付着防止効果が得られるため、スパッタ付着防止手段として用いることができる。他にも、圧縮気体を被溶接材側へ斜めに向けて供給したり、圧縮気体でなく電気または磁気によりスパッタを除去したりしても良い。

本発明のレーザ溶接装置１０（図１参照）においては、発振媒体１４ａ〜１４ｎがファイバ状またはディスク状の結晶体であることが好ましい。これによれば、ファイバ状またはディスク状の結晶体は容易に並列配置することが可能であるため、波長２μｍ以下のレーザビームを、例えば出力６ｋＷ以上の高出力で容易に得ることができる。これにより、溶接速度が上昇するため、生産性が向上する。

本発明のレーザ溶接装置１０（図１参照）を用い、炭素を０．３質量％以上含有する鋼材を溶接する場合には、溶加材を添加することが好ましい。これによれば、溶接部の硬度を下げることができる。そのため、例えば、高炭素鋼のようにレーザ溶接により溶接部が硬化し、繰り返し曲げ性が劣化することで、溶接部の破断が生じるような被溶接材であっても、溶接部の硬度が下がることで、溶接部の破断を防止することができる。

（実施例１）
本発明のレーザ溶接装置及び溶接方法を実施し、効果を検証した。なお、すべての試験において被溶接材の突き合わせ部の間隙は０．３ｍｍ未満となるようにし、溶接速度は７ｍ／分とした。表２に試験条件及び試験結果を示す。

試験１は、レーザ発振器として、発振媒体が波長１．０６μｍのレーザ光を発振するファイバ状の結晶体であるファイバレーザを用いた。この発振媒体を並列に１２個配置することで、レーザ発振器の出力（以下「レーザ出力」ということがある。）を６ｋＷとした。レーザビームは光ファイバを用いて伝送した。加工ヘッドに備えられたフォーカスレンズの焦点距離１５０ｍｍとし、ジャストスポット径ｄを０．３ｍｍに調節した。そして、ジャストスポット径ｄとなる焦点位置において、低炭素鋼（Ｃ:０．０５質量％、Ｓｉ：０．００５質量％、Ｍｎ：０．２質量％、残部はＦｅおよび不可避的不純物）を溶接した。溶接時には、スパッタパージ装置から０．６Ｎｍ^３／分（大気圧換算流量）の圧縮空気を供給した。

試験２、３は、試験１の条件から発振媒体の数を増やして、レーザ出力を上げた。それぞれフォーカスレンズの焦点距離を２５０ｍｍ、３００ｍｍとすることで、ジャストスポット径ｄを０．５ｍｍ、０．６ｍｍとした。

試験４、５では、試験３の条件から被溶接材を高炭素鋼板（Ｃ:０．５質量％、Ｓｉ：０．２質量％、Ｍｎ：０．７質量％、残部はＦｅおよび不可避的不純物）に変更した。鋼板突き合わせ部の間隙に対する溶接品質安定性を確保する目的で、ジャストスポット径ｄとなる焦点位置を鋼板表面からそれぞれ下方へ２ｍｍ（−２ｍｍ）、上方へ３ｍｍ（＋３ｍｍ）ずらした。また、いずれにも溶接部の硬化を抑制する目的で、溶加材であるフィラワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１２）を添加した。なお、試験５では、フォーカスレンズの焦点距離を２５０ｍｍと変更することで、ジャストスポット径ｄを０．５ｍｍとした。

試験６は、試験４の条件から被溶接材を高張力鋼（Ｃ:０．１５質量％、Ｓｉ：０．６質量％、Ｍｎ：２．３質量％、残部はＦｅおよび不可避的不純物）に変更した。なお、ジャストスポット径ｄとなる焦点位置は、鋼材の表面とした。試験７は、試験１の条件から発振媒体の数を増やして、レーザ出力を１２ｋＷとした。また、フォーカスレンズの焦点距離を４００ｍｍと変更することで、ジャストスポット径ｄを０．８ｍｍとした。試験８は、試験３の条件から、スパッタパージ装置からの圧縮空気の供給を停止した。試験９は、試験３の条件から被溶接材を高張力鋼（Ｃ：０．１５質量％、Ｓｉ：０．６質量％、Ｍｎ：２．３質量％、残部はＦｅ及び不可避的不純物）に変更した。

以上の試験１〜９のとおり、本発明に係るレーザ溶接装置を用いることで、いずれも良好な溶接品質を得ることができた。なお、試験８でスパッタパージ装置からの圧縮空気の供給を停止することで、光学系部分へのスパッタ付着が生じた。そのため、スパッタ付着防止手段を備えることで、スパッタの付着が防止されることが確認できた。

一方、試験１０は、レーザ発振器として、発振媒体が波長１０．６μｍの炭酸ガスである炭酸ガスレーザを用いた。その結果、溶接品質は、溶接全長に渡ってアンダーフィル傾向であり、ビード形状が一定せずに不良であった。これは、ジャストスポット径が０．２５ｍｍと小さいために、鋼材突き合わせ部の間隙の影響を受けていること、並びにレーザビームの波長が長いため、溶接中に発生するプラズマやプルームにより、レーザビームが散乱及び吸収の影響を受けていると考えられる。したがって、レーザビームの波長を２μｍ以下、及びジャストスポット径ｄを０．３ｍｍ以上とすることにより、良好な溶接品質を得られることが確認できた。

試験１１は、ファイバレーザを用いて、フォーカスレンズの焦点距離を１２５ｍｍとすることで、ジャストスポット径ｄを０．２５ｍｍとした。その結果、溶接品質はアンダーフィル傾向となり不良となった。また、光学系部品へスパッタが付着した。したがって、ジャストスポット径ｄを０．３ｍｍ以上とすることにより、良好な溶接品質を得ることができることが確認できた。

（実施例２）
板厚４ｍｍ、板幅１２００ｍｍの鋼板を用いて、本発明のレーザ溶接装置による溶接と、フラッシュバット溶接とを行った。その結果、フラッシュバット溶接の溶接時間は６０秒であった。本発明のレーザ溶接装置において、レーザ出力を６ｋＷ、溶接速度を７ｍ／分として溶接したところ、フラッシュバット溶接と同等の溶接時間となった。

（実施例３）
加工ヘッド直下にスパッタパージ装置を設置し、圧力０．５ＭＰａ、大気圧換算流量０．６Ｎｍ^３／分の空気をレーザビームに対し垂直方向に流し、加工ヘッド先端の保護ガラスに付着するスパッタの有無を調べた。結果は図３に示す。フォーカスレンズの焦点距離が１５０ｍｍ以上において、保護ガラスへのスパッタの付着が抑制された。これにより、フォーカスレンズの焦点距離を１５０ｍｍ以上とし、合わせてスパッタ付着防止手段を設置することにより、被溶接材から飛散するスパッタが保護ガラスなどの光学系部品に付着することを防止できる。

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、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム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レーザ溶接装置、レーザ溶接方法、及び金属板材の製造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。

本発明に係るレーザ溶接装置を模式的に示す図である。 加工ヘッドの透視図である。 フォーカスレンズの焦点距離と、スパッタ付着発生量との関係を示す図である。

符号の説明

１ 被溶接材
２ 被溶接材の間隙
３ 被溶接材の表面
１０ レーザ溶接装置
１１ レーザ発振器
１２ 加工ヘッド
１３ 光ファイバ
１４ａ〜１４ｎ 発振媒体
１５ａ〜１５ｎ 光ファイバ
１６ 光ファイバ
１７ コリメートレンズ
１８ フォーカスレンズ
１９ レーザビーム
２０ 焦点
２１ 保護ガラス
２２ スパッタパージ装置
２３ 空気配管
２４ センターノズル
２５ 圧縮空気

Claims (4)

1. 鋼板の連続プロセスラインに用いられるレーザ溶接装置であって、
   並列に配置された複数の発振媒体と、前記複数の発振媒体から放出されるレーザビームを合成して伝送する光ファイバと、前記光ファイバが接続され、コリメートレンズ及びフォーカスレンズを有する加工ヘッドとを備え、
   前記レーザビームの波長が２μｍ以下であり、
   下記（ａ）式で算出される前記レーザビームの焦点のスポット径ｄが０．３ｍｍ以上、０．８ｍｍ以下であり、
   前記並列に配置された複数の発振媒体の合計出力が６ｋＷ以上であり、
   前記フォーカスレンズの焦点位置と前記鋼板表面との距離が２０ｍｍ以下であり、
   前記フォーカスレンズの焦点距離が１５０ｍｍ以上であり、
   前記フォーカスレンズの直下にスパッタパージ装置を備え、
   前記スパッタパージ装置におけるスパッタパージの流量が０．６Ｎｍ^３／分以上であり、
   前記スパッタパージ装置は前記鋼板表面から２０ｍｍ以上離れて設置されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
   ｄ＝Ｄｃｏｒｅ × Ｌｆ ／ Ｌｃ ・・・（ａ）
   ただし、Ｄｃｏｒｅ：レーザビームを伝送する光ファイバケーブルのコア径
   Ｌｆ：フォーカスレンズの焦点距離
   Ｌｃ：コリメートレンズの焦点距離
2. 前記発振媒体がファイバ状またはディスク状の結晶体であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置を用いて、炭素を０．３質量％以上含有する鋼材の突き合わせ部に溶加材を供給して溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。
4. 請求項１又は２に記載のレーザ溶接装置を用いて、金属板材を突合せ溶接する工程を有することを特徴とする金属板材の製造方法。

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