JP6024707B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光で複数のワーク同士を溶接により接合するに好適なレーザ溶接方法に関する。

従来から、複数の金属製のワーク同士を重ね合わせた状態または突き合わせた状態でこれらを接合する方法として、レーザ溶接方法が幅広く利用されている。レーザ溶接方法による溶接は、加工歪みが少なく、高速溶接が可能であり、残留熱影響部も少ないなどの利点がある。

このような技術として、例えば、特許文献１には、重ね合わせた複数の鋼板からなるワーク同士を接合するレーザ溶接方法が提案されている。ここでは、ワークＷ１を接合するように複数のナゲットからなる溶接部が形成されるように、ワークにレーザ光を照射しワーク同士の接合がなされている。

具体的には、図１０（ａ）に示すように、レーザ光は、各ナゲットが仮想の閉曲線Ｄである円周に沿って形成されるように、閉曲線Ｄ上の同じ形状をした照射領域Ｐ１〜Ｐ３に照射される。このようなレーザ溶接方法を採用することにより、ワーク同士の溶接の信頼性を高めることができる。

特開２０１３−１３２６８６号公報

しかしながら、特許文献１に示すように複数のナゲットＮ１〜Ｎ３からなる溶接部Ｙを形成する際に、ナゲットＮ１、Ｎ２、Ｎ３を順次形成するに従って、図１０（ｂ）に示すように、ナゲットの大きさがナゲットＮ１〜Ｎ３の順に大きくなる傾向にあり、安定した形状の溶接部Ｙを得ることができないことがあった。特に、より多くのナゲットを近接して順次形成した場合や、複数のナゲットを順次高速で形成しようとした場合には、このような現象はより顕著であった。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、レーザ光を照射することにより、複数のナゲットからなる溶接部を形成すべく各ナゲットを順次形成する場合であっても、これらのナゲットの大きさのバラつきを抑え、ワーク同士の溶接を安定させることができるレーザ溶接方法を提供することにある。

発明者らは鋭意検討を重ねた結果、以下の如き知見を得た。複数のナゲットを順次形成する際に、各ナゲットの形成条件を同じにすると、例えば、図１０（ｃ）に示すように、レーザ光により各照射領域に入熱される総熱量（総入熱量）は同じになる。

例えば、図１０（ａ）に示すように照射領域Ｐ１〜Ｐ３の順に、複数のナゲットＮ１〜Ｎ３を順次形成する際には、後に続いて形成されるナゲット（例えばナゲットＮ２）は、それよりも前のナゲット形成時（例えばナゲットＮ１形成時）のレーザ光の入熱の影響を受けると考えた。すなわち、ナゲットＮ２を形成すべく、照射領域Ｐ２にレーザ光を照射した場合には、図１０（ｄ）に示すように、それよりも前のナゲットＮ１形成時に照射されたレーザ光によりワークに残存した熱も加味されることになる。同様に、ナゲットＮ３を形成すべく、照射領域Ｐ３にレーザ光を照射した場合には、それよりも前のナゲットＮ１，Ｎ２形成時に照射されたレーザ光によりワークに残存した熱も加味されることになる。このような結果、後続のナゲットの大きさが順に大きくなるとの知見を得た。

本発明は、発明者によるこの新たな知見に基づくものであり、本発明に係るレーザ溶接方法は、複数の金属製のワーク同士をレーザ溶接により接合する際に、複数のナゲットからなる溶接部が形成されるように、各ナゲットが形成されるワークの照射領域にレーザ光を照射し、複数のワーク同士を接合するレーザ溶接方法であって、前記複数のナゲットからなる溶接部を形成する際に、各ナゲットに対応した照射領域に順次レーザ光を照射することにより、前記各ナゲットを順次形成するものであり、前記各ナゲットを順次形成するに従って、前記各ナゲットを形成するに要する前記レーザ光からワークへの入熱量が少なくなるように、各照射領域に前記レーザ光を照射することを特徴とする。

本発明によれば、複数の金属製のワーク同士をレーザ溶接により接合する。この際、ワーク同士の一部が溶融した溶接部が複数のナゲットにより構成されるように、レーザ光を少なくとも一方のワークの表面の各照射領域に照射する。具体的には、複数のナゲットからなる溶接部を形成する際には、レーザ光の照射により各ナゲットが順次形成されるように、レーザ光を断続的に照射する。

この際、ナゲットを形成したときのレーザ光の入熱が、次のナゲットを形成する際にワークに残存する。そこで、本発明では、この残存する熱を加味して、各ナゲットを順次形成するに従って、前記各照射領域に照射するレーザ光からワークへの入熱量（各ナゲットを形成するに要する入熱量）が少なくなるように、各照射領域にレーザ光を照射する。

これにより、複数のナゲットを順次形成する際に、後に続くナゲットを形成するための照射領域に、それ以前のナゲット形成時のレーザ光によりワークに残存した熱量が加味されても、後に続くレーザからの入熱量が、それ以前のレーザからの入熱量よりも少なくなっているので、各照射領域の総熱量を近づけることができる。これにより、これらのナゲットの大きさのバラつきを抑え、ワーク同士の溶接を安定させることができる。

さらに、本発明では、それ以前のナゲット形成時のレーザ光によりワークに残存した熱量を有効に利用して後に続くナゲットを形成することになるので、ワークへの過剰なレーザ光の照射を抑えることができる。

さらに好ましい態様としては前記レーザ溶接方法において、前記複数のナゲットが仮想の閉曲線に沿って形成されるように、前記レーザ光を照射する。この態様によれば、仮想の閉曲線に沿った複数の照射領域に順次レーザ光を照射することにより複数のナゲットを形成するので、仮想の閉曲線内の領域を全て溶融させた場合に比べて、より少ない熱量で安定した形状の溶接部を得ることができる。

さらに好ましい態様としては、前記閉曲線に沿って各ナゲットが離間するように、前記レーザ光を照射した後に、隣接する前記ナゲット同士の間の前記閉曲線上にナゲットがさらに形成されるように、前記レーザ光を照射する。

この態様によれば、閉曲線に沿って各ナゲットが離間するように、レーザ光を照射した後に、隣接するナゲット同士の間に、ナゲットを形成すべく照射領域にレーザ光を照射する際には、この照射領域に残存した熱量は放熱により減少している。これにより、連続して閉曲線上にナゲットを順次形成する場合に比べて、大きさの揃ったナゲットを容易に形成することができる。

さらに好ましい態様としては、前記ナゲットを形成する際の前記レーザ光の照射を第１のレーザ光照射工程とし、前記第１のレーザ光照射工程後、前記ナゲットが凝固するまでの間に、前記ナゲットの周縁から前記ナゲットの中心部に向う方向の凝固の進行を遅らせるように、溶融状態のナゲットにレーザ光を照射する第２のレーザ光照射工程をさらに含む。

この態様によれば、第１のレーザ光照射工程において、照射領域に第１のレーザ光を照射することにより、照射領域内のワークが溶融したナゲット（溶融池）を形成する。この際、溶融状態のナゲット（溶融池）は、ナゲットの周縁の方がその中心部に比べて放熱され易いので、ナゲットの周縁から凝固が始まって中心部に向かってナゲットの凝固が進行する。ナゲットの中心部の凝固が開始してから完全に凝固するまでの凝固速度（すなわち冷却速度）は、ナゲットの周縁の凝固速度（冷却速度）よりも速い。この結果、ナゲットの中心部の凝固収縮に、ナゲットの液相流動が間に合わず、凝固したナゲットの中心部またはその近傍を起点として、割れが発生しこれが伸展することがあった。

そこで本発明では、第２のレーザ光照射工程において、この溶融状態のナゲットに第２のレーザ光を照射することにより、ナゲットの周縁から溶融状態のナゲットの中心部に向う方向の凝固の進行を遅らせる。

これにより、溶融状態のナゲットの中心部の凝固収縮に合わせてこれが液相流動するので、ナゲットの中心部近傍の割れの発生を抑えることができる。さらに、溶融状態のナゲットの周縁からその中心部まで、凝固速度（冷却速度）のバラつきを抑え、より均一な組織となるように凝固させることができる。なお、「溶融状態のナゲットの中心部」とは、溶融状態のナゲットが最後に凝固する部分のことであり、たとえば、円状のナゲットである場合には、ナゲットの中心部とは、その円の中心近傍である。

本発明によれば、レーザ光を照射することにより、複数のナゲットからなる溶接部を形成すべく各ナゲットを順次形成する場合であっても、これらのナゲットの大きさのバラつきを抑え、ワーク同士の溶接を安定させることができる。

本発明の第１〜３の実施形態に係るレーザ溶接方法を行うための溶接装置の一例を示した模式図であり、（ａ）は、側面方向の溶接状態を示した図であり、（ｂ）は、正面方向の溶接状態を示した図である。 第１の実施形態のレーザ溶接方法に係る、第１のレーザ光照射工程の一例を示した模式図であり、（ａ）〜（ｄ）に示す順で、第１のレーザ光をワークに照射することを示した図である。 第１の実施形態に係るレーザ溶接方法を説明するための図であり、（ａ）は第１のレーザ光を照射する前のワーク上の仮想の閉曲線と第１のレーザ光の照射領域と示した図、（ｂ）は各照射領域とその総入熱量との関係を示した図、（ｃ）は照射領域と照射強度比の関係を示した図、（ｄ）はナゲットの状態を示した図である。 第２の実施形態に係るレーザ溶接方法を説明するための図であり、（ａ）は第１のレーザ光を照射する前のワーク上の仮想の閉曲線と第１のレーザ光の照射領域と示した図、（ｂ）は各照射領域とその総入熱量との関係を示した図、（ｃ）はナゲットの状態を示した図である。 図２に示す照射工程後、第２のレーザ光照射工程を行わず、溶融状態のナゲットを放冷した状態を示した模式図であり、（ａ）、（ｂ）に示す順で、溶融状態のナゲットが放冷されている状態を示した図である。 第３の実施形態のレーザ溶接方法に係る、第２のレーザ光照射工程を説明するための模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は、これらに示す順で、第２のレーザ光をワークに照射することを示した図であり、（ｅ）は、第２のレーザ光照射後のナゲットを示した図である。 第３の実施形態の変形例のレーザ溶接方法に係る、第２のレーザ光照射工程を説明するための模式図であり、（ａ）は、第２のレーザ光の照射を説明するための図、（ｂ）〜（ｄ）は、これらに示す順で、第２のレーザ光をワークに照射することを示した図であり、（ｅ）は、第２のレーザ光照射後の溶接部を示した図である。 第３の実施形態のさらなる変形例のレーザ溶接方法に係る、第２のレーザ光照射工程を説明するための模式図であり、（ａ），（ｂ）は溶融状態のナゲットの凝固の変化を示した図、（ｃ），（ｄ）は、これらに示す順で、第２のレーザ光をワークに照射することを示した図であり、（ｅ）は、第２のレーザ光照射後の凝固したナゲットを示した図である。 第３の実施形態に係るレーザ溶接方法を説明するための図であり、（ａ）は第１のレーザ光を照射する前のワーク上の仮想の閉曲線と第１のレーザ光の照射領域を示した図、（ｂ）は第１および第２のレーザ光照射工程における各照射領域とその総入熱量との関係を示した図、（ｃ）はナゲットの状態を示した図である。 従来に係るレーザ溶接方法を説明するための図であり、（ａ）はレーザ光を照射する前のワーク上の仮想の閉曲線と第１のレーザ光の照射領域と示した図、（ｃ）はナゲットの状態を示した図、（ｃ）は各照射領域とその総入熱量との関係を示した図、（ｄ）は残存する熱量を説明するための図。

本発明のいくつかの本実施形態に係るレーザ溶接方法を以下に示す。
〔第１実施形態〕
１．装置構成について
図１は、以下の本発明の第１〜３の実施形態に係るレーザ溶接方法を行うための溶接装置の一例を示した模式図であり、（ａ）は、１つのナゲットにおける側面方向の溶接状態を示した図であり、（ｂ）は、正面方向の溶接状態を示した図である。

図１に示す溶接装置は、主に、レーザ光照射部１を備えており、レーザ光照射部１は、溶接用レーザ光（第１または第２のレーザ光）Ｌ１，Ｌ２を、重ね合わされた若しくは僅かに離間して配置された二枚の金属製のワークＷ１、Ｗ２に対して、選択したレーザ光を照射する装置である。

本実施形態および第２の実施形態では、溶接部を構成する各ナゲットＮを形成するための溶接用レーザ光（第１のレーザ光Ｌ１）のみを用い、第３の実施形態では、第１のレーザ光Ｌ１に加えて、ナゲットＮの割れを防止するための溶接用レーザ光（第２のレーザ光Ｌ２）もさらに用いる。

第１〜第３の実施形態では、重ね合わせにより２枚のワークＷ１、Ｗ２を溶接するが、この枚数が二枚に限定されるものではなく、例えば、２枚のワークを、以下に示す方法で、突合せ溶接、隅肉溶接してもよい。

また、ワークＷ１，Ｗ２の材料としては、アルミニウム合金，高炭素鋼など、レーザ溶接時に割れやすい材料に対してより効果的であり、これらの材料は、以下に示す溶接で柱状晶組織と等軸晶組織とが形成され易く、ナゲットの中心部で割れが発生しやすいため、後述する第３実施形態およびその変形例に示すレーザ溶接を行うことにより、このような点を解消することができる。

後述する第１または第２のレーザ光Ｌ１，Ｌ２は、光学系である駆動ミラー７，８を順次反射し、二枚のワークＷ１、Ｗ２に対して照射される。ここで駆動ミラー７，８を駆動制御させることにより、駆動ミラー７，８に入射し第１または第２のレーザ光Ｌ１，Ｌ２の反射方向を制御し、所望の位置に第１または第２のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を照射し、これを例えば、図１（ｂ）に示すように予め設定された軌跡（例えば円状または螺旋状）に走査することができる。さらに、駆動ミラー７，８を駆動制御することにより、例えば、後述する図３（ａ），図４（ａ）に示す各照射領域に移動して、各照射領域における上述した予め設定された軌跡に第１および第２のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を走査することができる。このようなレーザ溶接装置１００を用いて、ワークＷ１，Ｗ２をレーザ溶接により接合する。

２．ナゲットの形成について（第１のレーザ光照射工程）
本実施形態では、第１のレーザ光Ｌ１により２枚の金属製のワーク同士Ｗ１，Ｗ２を溶接（接合）する。この際に、複数のナゲットからなる溶接部が形成されるように（例えば後述する図３（ｄ），図４（ｃ）等参照）、各ナゲットが形成されるワークの各照射領域にレーザ光を照射し、ワークＷ１，Ｗ２同士を接合する。ここでは、まず、各ナゲットを形成する方法について、図２を参照して照射に説明する。

図２は、第１の実施形態のレーザ溶接方法に係る、第１のレーザ光照射工程の一例を示した模式図であり、（ａ）〜（ｄ）に示す順で、第１のレーザ光をワークに照射することを示した図である。

本実施形態では、ワーク同士の一部を照射領域Ｐとして、照射領域Ｐに第１のレーザ光Ｌ１を照射する。これにより、照射領域Ｐ内のワークが溶融したナゲットＮを形成する。

具体的には、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、照射領域Ｐの中心部の周りを第１のレーザ光Ｌ１が周回するように、第１のレーザ光Ｌ１を円周Ｒ１上に走査し、照射領域Ｐの円周Ｒ１内およびその近傍のワークを溶融する。

次に、図２（ｂ）に示すように、照射領域Ｐの中心部の周りを第１のレーザ光Ｌ１が周回するように、円周Ｒ１よりも半径の大きい円周Ｒ２上に、第１のレーザ光Ｌ１を走査し、照射領域Ｐの円周Ｒ２およびその近傍のワークを溶融する。

さらに、図２（ｃ）に示すように、照射領域Ｐの中心部の周りを第１のレーザ光Ｌ１が周回するように、円周Ｒ２よりも半径の大きい円周Ｒ３上に、第１のレーザ光Ｌ１を走査し、照射領域Ｐの円周Ｒ３およびその近傍のワークを溶融する。最後に、図２（ｄ）に示すように、照射領域Ｐの中心部の周りを第１のレーザ光Ｌ１が周回するように、円周Ｒ３よりも半径の大きい円周Ｒ４上に、第１のレーザ光Ｌ１を走査し、照射領域Ｐの円周Ｒ４およびその近傍のワークを溶融する。

このように、照射領域Ｐの中心部から、照射領域Ｐの周縁に向かって中心部の周りに第１のレーザ光Ｌ１を周回させて、その領域内の材料を第１のレーザ光Ｌ１により溶融させる。これにより、レーザ光照射方向からみて円状のナゲットをワークＷ１に形成することができる。

なお、図２（ａ）〜（ｄ）に示すナゲットの形成方法は、その一例であり、後述する入熱の条件で、複数のナゲットを形成することができるのであれば、第１のレーザ光Ｌ１の照射方法は特に限定されるものではない。たとえば、同じ位置（例えば照射領域Ｐの中心）に一定時間、第１のレーザ光Ｌ１を照射し円状のナゲットを形成してもよい。また、図２（ａ）〜（ｃ）に示すような第１のレーザＬ１光の照射を行わず、図２（ｄ）に示す照射領域Ｐの円周Ｒ４上のみ第１のレーザ光Ｌ１を照射（走査）して、リング状のナゲットを形成してもよく、このリング状のナゲットを形成後、円周Ｒ４の内側の領域のワークの部分が溶融するように、第１のレーザ光Ｌ１を照射してもよい。

３．溶接部（複数のナゲット）の形成について
図３は、第１の実施形態に係るレーザ溶接方法を説明するための図であり、（ａ）は第１のレーザ光を照射する前のワーク上の仮想の閉曲線と第１のレーザ光の照射領域と示した図、（ｂ）は各照射領域とその総入熱量との関係を示した図、（ｃ）は照射領域と照射強度比の関係を示した図、（ｄ）はナゲットの状態を示した図である。

本実施形態では、図３（ｄ）に示すように、３つ（複数）のナゲットＮ１〜Ｎ３からなる溶接部Ｙを形成する際に、各ナゲットに対応した照射領域Ｐ１〜Ｐ３に順次第１のレーザ光Ｌ１を照射することにより、各ナゲットＮ１〜Ｎ３を順次形成する。

より具体的には、照射領域Ｐ１〜Ｐ３（ナゲットＮ１〜Ｎ３）を通る円の中心を決定し、円周である仮想の閉曲線Ｄの外周直径を設定する。そして、設定された３つ（複数）の照射領域Ｐ１〜Ｐ３において、照射領域Ｐ１〜Ｐ３の順に、図２（ａ）〜（ｄ）に示す手順で第１のレーザ光Ｌ１を照射し、ナゲットＮ１〜Ｎ３の順にナゲットを順次形成する。本実施形態では、閉曲線Ｄを円としたが、閉曲線であればその形状は特に限定されるものではなく、楕円等であってもよい。

本実施形態では、ナゲットＮ１〜Ｎ３の順にナゲットを順次形成するに従って（すなわち、第１のレーザ光Ｌ１を照射領域Ｐ１〜Ｐ３の順に照射するに従って）、図３（ｂ）に示すように、各照射領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に照射する第１のレーザ光Ｌ１からワークＷ１への入熱量が少なくなるように、各照射領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に順次第１のレーザ光Ｌ１を照射する。

具体的には、以下の表１および図３（ｃ）に示すように、図２（ａ）〜（ｄ）に示した円周Ｒ１〜Ｒ４に対して、第１のレーザ光Ｌ１が走査される円周の半径、第１のレーザ光Ｌ１の走査速度、第１のレーザ光Ｌ１の照射強度が設定されている。本実施形態では、各照射領域Ｐ１〜Ｐ３において、各円周Ｒ１〜Ｒ４に対する各半径、各第１のレーザ光Ｌ１の走査速度は同じあり、第１のレーザ光Ｌ１の照射強度が小さくなるように設定されている。

例えば、照射領域Ｐ１において照射される第１のレーザ光Ｌ１の照射強度に、所定の割合（具体的には低下率α＜１）を乗じたものが、照射領域Ｐ２において照射される第１のレーザ光Ｌ１の照射強度として照射される。さらに、照射領域Ｐ２において照射される第１のレーザ光Ｌ１の照射強度に、所定の割合（具体的には低下率α＜１）を乗じたものが、照射領域Ｐ３において照射される第１のレーザ光Ｌ１の照射強度として照射される。

このようにして、前のナゲット形成時の残熱量を加味して低下率αのみを設定すれば、簡単に、照射領域Ｐ１の第１のレーザ光Ｌ１の照射強度、照射領域Ｐ２の第１のレーザ光Ｌ１の照射強度、照射領域Ｐ３の第１のレーザ光Ｌ１の照射強度の順に、その強度を小さくすることができる。この結果、照射領域Ｐ１、照射領域Ｐ２、照射領域Ｐ３の順に、各照射領域Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に照射する第１のレーザ光Ｌ１からワークＷ１への入熱量を少なくすることができる。

このような結果、ナゲットＮ１を形成したときの第１のレーザ光Ｌ１の入熱が、次のナゲットＮ２を形成する際にワークに残存した場合であっても、この残存する熱を考慮した減少率αを設定することで、照射領域Ｐ２に照射する第１のレーザ光Ｌ１からワークへの入熱量を、照射領域Ｐ１に照射する第１のレーザ光Ｌ１からワークへの入熱量よりも少なくすることができる。この結果、照射領域Ｐ１，Ｐ２のナゲットＮ１，Ｎ２形成時の熱量を近づけ、これらナゲットＮ１，Ｎ２の大きさのバラつきを抑えることができる。

同様に、ナゲットＮ１、Ｎ２を形成したときの第１のレーザ光Ｌ１の入熱が、次のナゲットＮ３を形成する際にワークに残存した場合であっても、照射領域Ｐ３に照射する第１のレーザ光Ｌ１からワークへの入熱量を、照射領域Ｐ２に照射する第１のレーザ光Ｌ１からワークへの入熱量よりも少なくすることができる。この結果、照射領域Ｐ１〜Ｐ３のナゲットＮ１〜Ｎ３形成時の熱量を近づけ、これらナゲットＮ１〜Ｎ３の大きさのバラつきを抑えることができ、ワークＷ１，Ｗ２同士の溶接を安定させることができる。

さらに、ナゲット形成時の第１のレーザ光Ｌ１によりワークに残存した熱量を有効に利用して後に続くナゲットを形成することになるので、ワークへの過剰なレーザ光の照射を抑えることができる。

なお、上述した実施形態では、照射領域Ｐ１〜Ｐ３において、各円周Ｒ１〜Ｒ４に対する各半径および各第１のレーザ光Ｌ１の走査速度は同じあり、第１のレーザ光Ｌ１の照射強度が小さくなるように設定することで、各ナゲットＮ１、Ｎ２、Ｎ３を順次形成するに従って、照射領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に照射する第１のレーザ光Ｌ１からワークＷ１への入熱量を少なくした。

しかしながら、この方法に限定されるものではなく、例えば、表２に示すように、照射領域Ｐ１〜Ｐ３において、各円周Ｒ１〜Ｒ４に対する各半径、および、各第１のレーザ光Ｌ１の照射強度を同じにし、ナゲットＮ１〜Ｎ３の順にナゲットを順次形成するに従って（すなわち、第１のレーザ光Ｌ１を照射領域Ｐ１〜Ｐ３の順に照射するに従って）、第１のレーザ光Ｌ１の走査速度を速くしてもよい。

すなわち、表２に示すように、照射領域Ｐ１における走査速度に低下率α（＜１）を除することにより照射領域Ｐ２における走査速度とし、照射領域Ｐ２における走査速度にさらに低下率α（＜１）を除することにより照射領域Ｐ３における走査速度とする。これにより、各ナゲットＮ１、Ｎ２、Ｎ３を順次形成するに従って、照射領域Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に照射する第１のレーザ光Ｌ１からワークＷ１への入熱量を少なくすることができる。

〔第２実施形態〕
図４は、第２の実施形態に係るレーザ溶接方法を説明するための図であり、（ａ）は第１のレーザ光を照射する前のワーク上の仮想の閉曲線と第１のレーザ光の照射領域と示した図、（ｂ）は各照射領域とその総入熱量との関係を示した図、（ｃ）はナゲットの状態を示した図である。

本実施形態が、第１実施形態と相違する点は、図４（ａ）に示す、照射領域Ｐ１〜Ｐ６の順に、第１のレーザ光Ｌ１を照射して、ナゲットＮ１〜Ｎ６の順にナゲットを形成した点である。

本実施形態では、図４（ａ）に示すように、照射領域Ｐ１〜Ｐ６（ナゲットＮ１〜Ｎ６）を通る円の中心を決定し、円周である閉曲線Ｄの外周直径を設定する。そして、設定された６つ（複数）の照射領域Ｐ１〜Ｐ６において、照射領域Ｐ１〜Ｐ６の順に、図２（ａ）〜（ｄ）に示す手順で第１のレーザ光Ｌ１を照射し、ナゲットＮ１〜Ｎ６の順にナゲットを順次形成する。

具体的には、図４（ａ），（ｃ）に示すように、閉曲線Ｄに沿ってナゲットＮ１〜Ｎ３の各ナゲットが離間するように、照射領域Ｐ１〜Ｐ３に第１のレーザ光を照射して、ナゲットＮ１〜Ｎ３を形成する。次に、ナゲットＮ１〜Ｎ３のうち、隣接するナゲット同士の間の閉曲線Ｄ上にナゲットＮ４〜Ｎ６がさらに形成されるように、照射領域Ｐ４〜Ｐ６に第１のレーザ光Ｌ１を照射する。

すなわち、ナゲットＮ１とナゲットＮ２との間に、ナゲットＮ４を形成すべく、照射領域Ｐ４に第１のレーザ光を照射し、ナゲットＮ２とナゲットＮ３との間に、ナゲットＮ５を形成すべく、照射領域Ｐ５に第１のレーザ光を照射し、ナゲットＮ３とナゲットＮ１との間に、ナゲットＮ６を形成すべく、照射領域Ｐ６に第１のレーザ光を照射する。

本実施形態でも第１の実施形態と同様に、ナゲットＮ１〜Ｎ６の順にナゲットを順次形成するに従って（すなわち、第１のレーザ光Ｌ１を照射領域Ｐ１〜Ｐ６の順に照射するに従って）、図４（ｂ）に示すように、各照射領域Ｐ１〜Ｐ６に照射する第１のレーザ光Ｌ１からワークＷ１への入熱量が少なくなるように、第１のレーザ光Ｌ１を照射する。各照射領域Ｐ１〜Ｐ６に照射する第１のレーザ光Ｌ１からワークＷ１への入熱量を少なくする手法は、第１実施形態の表１および表２を参照して説明した手法と同じである。

本実施形態によれば、閉曲線Ｄに沿ってナゲットＮ１〜Ｎ３が離間するように、第１のレーザ光Ｌ１を照射した後に、ナゲットＮ１〜Ｎ３のうち、隣接するナゲット同士の間に、ナゲットを形成すべく照射領域Ｐ４〜Ｐ６にレーザ光を照射する際には、この照射領域Ｐ４〜Ｐ６に残存した熱量は放熱により減少している。これにより、連続して閉曲線Ｄ上に沿ってナゲットを形成する場合に比べて、より大きさの揃ったナゲットＮ１〜Ｎ６を容易に形成することができる。

〔第３実施形態〕
ところで、図２に示す第１のレーザ光照射工程のみを行った場合には、図５（ａ）に示すように、溶融状態のナゲットＮＹは、その周縁Ｓの方がその中心部Ｃに比べて放熱され易いので、周縁Ｓから凝固が始まって中心部Ｃに向かって、溶融状態のナゲットＮＹの凝固が進行する。

上述した材料を用いた場合、図５（ｂ）に示すように、完全に凝固したナゲットＮは、その中心部Ｃを含むように等軸晶組織Ｇ２（等軸晶領域）が形成され、その周縁Ｓから等軸晶領域に向かって、等軸晶組織Ｇ２（等軸晶領域）を囲うように柱状晶組織（柱状晶領域）Ｇ１が形成される。

ここで、等軸晶組織、柱状晶組織の形成に拘らず、溶融状態のナゲットＮＹの中心部Ｃの凝固が開始してから完全に凝固するまでの凝固速度（すなわち冷却速度）は、その周縁Ｓの凝固速度（冷却速度）よりも速い。この結果、半溶融状態のナゲットの中心部Ｃの凝固収縮に対して、中心部Ｃの液相流動が間に合わず、周方向に組織が引っ張られてしまい、ナゲットＮの中心部またはその近傍を起点として、割れが発生しこれが伸展することがあった。そこで、第３実施形態では、以下に示す第２のレーザ光照射工程を行う。

４．第２のレーザ光照射工程について
図６は、第３の実施形態のレーザ溶接方法に係る、第２のレーザ光照射工程を説明するための模式図であり、（ａ）〜（ｄ）は、これらに示す順で、第２のレーザ光をワークに照射することを示した図であり、（ｅ）は、第２のレーザ光照射後のナゲットを示した図である。

本実施形態では、第２のレーザ光照射工程において、溶融状態のナゲットＮＹが凝固するまでの間に、第２のレーザ光Ｌ２をナゲットの溶融している部分に照射する。具体的には、ナゲットＮの中心部Ｃから外れた照射開始位置から中心部Ｃに向かって中心部Ｃの周りに第２のレーザ光Ｌ２を周回させ、第２のレーザ光Ｌ２を中心部Ｃに収束させる。

より具体的には、図６（ａ）に示すように、本実施形態では、照射開始位置が、溶融状態のナゲットＮＹの周縁Ｓ上にある。この照射開始位置からナゲットＮの中心部Ｃに向かって、図６（ａ）から（ｄ）に示すように、溶融状態のナゲットＮＹに第２のレーザ光Ｌ２を中心部Ｃ周りに周回させながら照射する。

このようにして、第１のレーザ光を照射後、溶融状態のナゲットＮＹはその周縁Ｓから中心部Ｃに向かって凝固が進行するところ、本実施形態では、溶融状態のナゲットＮＹに第２のレーザ光Ｌ２を照射することにより、溶融状態のナゲットＮＹの周縁ＳからナゲットＮの中心部Ｃに向う方向の凝固の進行を遅らせることができる。

このようにして、ナゲットＮの周縁Ｓから中心部Ｃまで、凝固速度（冷却速度）のバラつきを抑え、より均一な組織となるように凝固させることができる。本実施形態では、凝固したナゲットＮは、その周縁Ｓから中心部Ｃまで、周縁Ｓから中心部Ｃに向う方向に柱状の結晶が延在した柱状晶組織Ｇ１を得ることができる。

このような結果、ナゲットＮの柱状晶組織は、中心部Ｃを起点として割れが発生したとしても、その周縁Ｓから中心部Ｃまでの各柱状晶の成長は断続的であるので、割れの伸展を短くすることができる。

図７は、第３の実施形態の変形例のレーザ溶接方法に係る、第２のレーザ光照射工程を説明するための模式図であり、（ａ）は、第２のレーザ光の照射を説明するための図、（ｂ）〜（ｄ）は、これらに示す順で、第２のレーザ光をワークに照射することを示した図であり、（ｅ）は、第２のレーザ光照射後の溶接部を示した図である。

上述した実施形態では、第２のレーザ光Ｌ２を溶融状態のナゲットＮＹに走査したが、例えば、図７（ａ）に示すように、第２のレーザ光Ｌ２の焦点位置を調節することにより、ワークに対する第２のレーザ光Ｌ２の照射領域を調整してもよい。この場合には、第２のレーザ光Ｌ２の集光レンズを高速で移動することにより、照射領域（照射面積）を調整することができる。ここでは、位置Ｔ２（Ｔ２’）のディフォーカスの位置からＴ１のフォーカスの位置に、レーザ光強度が例えば一定となるようにその出力を調整しながら、照射する。

具体的には、図７（ｂ）に示すように、照射開始領域を、溶融状態のナゲットＮＹの周縁Ｓで囲われた領域とし、図７（ｂ）〜（ｄ）に示すように、溶融状態のナゲットＮＹの周縁Ｓから中心部Ｃに向かう方向の凝固の進行に合わせて、ナゲットＮＹに第２のレーザ光を集光する。これにより、溶融状態のナゲットＮＹの周縁から中心部Ｃまで柱状晶組織Ｇ１が成長するように、溶融状態のナゲットＮＹの周縁Ｓから中心部Ｃに向う方向の凝固の進行を遅らせることができる。

図８は、第３の実施形態のさらなる変形例のレーザ溶接方法に係る、第２のレーザ光照射工程を説明するための模式図であり、（ａ），（ｂ）は溶融状態のナゲットの凝固の変化を示した図、（ｃ），（ｄ）は、これらに示す順で、第２のレーザ光をワークに照射することを示した図であり、（ｅ）は、第２のレーザ光照射後の凝固したナゲットを示した図である。

この変形例が、上述したものと相違する点は、第２のレーザ光Ｌ２の照射開始位置とそのタイミングである。

この変形例では、第２のレーザ光照射工程において、照射開始位置が、溶融状態のナゲットＮＹの周縁Ｓとその中心部Ｃとの間にある（例えば図８（ｃ）参照）。ここで、本実施形態では、第１のレーザ光照射工程後から、前記第２のレーザ光照射前（図８（ｃ）参照）において、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、凝固の進行に伴って、溶融状態のナゲットＮＹの中心部を囲うように、その周縁Ｓから中心部Ｃに向かって柱状晶組織Ｇ１を成長させる。

次に、柱状晶組織Ｇ１の成長から等軸晶組織Ｇ２の成長に変化した後に、図８（ｃ）に示すように、第２のレーザ光照射工程を開始し、第２のレーザ光照射工程において、溶融状態のナゲットＮＹの中心部Ｃを囲うように等軸晶組織Ｇ２を残し、等軸晶組織Ｇ２から中心部Ｃまで柱状晶組織が成長するように、第２のレーザ光Ｌ２の照射を行う。

このようにして、図８（ｅ）に示すように、凝固したナゲットＮは、その周縁Ｓから中心部Ｃに向う方向に、周縁Ｓから柱状の結晶が延在した柱状晶組織Ｇ１からなる第１の柱状晶領域が形成される。第１の柱状晶領域（柱状晶組織Ｇ１）からナゲットＮの中心部Ｃを囲うように等軸晶組織Ｇ２からなる等軸晶領域が形成される。さらに、等軸晶領域（等軸晶組織Ｇ２）からナゲットＮの中心部Ｃまで、中心部Ｃに向かって、柱状の結晶が延在した柱状晶組織Ｇ３からなる第２の柱状晶領域が形成される。

これにより、第２の柱状晶領域（柱状晶組織Ｇ３）の柱状晶組織に、凝固時に中心部Ｃを起点とした割れが発生したしても、柱状晶の成長は断続的であるので、割れの伸展を短くすることができる。また、さらに割れが伸展したとしても、この割れは、等軸晶領域の等軸晶組織Ｇ２で止められる。このような結果、割れの伸展を抑えることができる。

５．溶接部（複数のナゲット）の形成と第２のレーザ光照射工程との関係
図９は、第３の実施形態に係るレーザ溶接方法を説明するための図であり、（ａ）は第１のレーザ光を照射する前のワーク上の仮想の閉曲線と第１のレーザ光の照射領域を示した図、（ｂ）は第１および第２のレーザ光照射工程における各照射領域とその総入熱量との関係を示した図、（ｃ）はナゲットの状態を示した図である。

第２実施形態と同様に、本実施形態も、図９（ａ），（ｃ）に示すように、照射領域Ｐ１〜Ｐ６の順に、第１のレーザ光Ｌ１を照射して、ナゲットＮ１〜Ｎ６の順にナゲットを形成した点、および、ナゲットＮ１〜Ｎ６の順にナゲットを順次形成するに従って、各照射領域Ｐ１〜Ｐ６に照射する第１のレーザ光Ｌ１からワークＷ１への入熱量が少なくなるように、第１のレーザ光Ｌ１を照射する点は同じである。したがって、この点の照射な説明は省略する。

上述した如く、本実施形態では、第２のレーザ光照射工程を設けた点が相違している。本実施形態では、各ナゲットＮ１〜Ｎ６を形成する際の第１のレーザ光照射工程が終わった後に、それに対応する各ナゲットＮ１〜Ｎ６に対して第２のレーザ光照射工程を行う。具体的には、第１の照射領域Ｐ１に第１のレーザ光を照射後、形成されたナゲットＮ１に第２のレーザ光を照射する。次に、第２の照射領域Ｐ２に第１のレーザ光Ｌ１を照射し、形成されたナゲットＮ２に第２のレーザ光を照射する。これを順次行う。なお、本実施形態では、各ナゲット形成後に第２のレーザ光照射工程を行ったが、第３実施形態に示した条件を満たすことができるのであれば、ナゲットＮ１〜Ｎ６すべてを形成後に、それぞれに対して第２のレーザ光照射工程を行ってもよい。

ここで、第２のレーザ光照射工程における第２のレーザ光の照射は、ナゲットの中心部に向う方向の凝固の進行を遅らせることを目的としている。したがって、図９（ｂ）に示すように、各照射領域（具体的には溶融状態のナゲット）に照射する第２のレーザ光Ｌ２からワークへの入熱量は、これに対応する照射領域に照射する第１のレーザ光Ｌ１からワークへの入熱量よりも少ない。また、照射領域Ｐ４〜Ｐ６に照射される第２のレーザ光Ｌ２の入熱量は、照射領域Ｐ１〜Ｐ３に照射された第１および第２のレーザ光による残存熱量が加味されるため、照射領域Ｐ１〜Ｐ３に照射される第２のレーザ光Ｌ２の入熱量よりも少なくてもよい。

以上、本発明の実施の形態を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１：レーザ光照射部、７：駆動ミラー、８：駆動ミラー、１００：レーザ溶接装置、Ｃ：中心部、Ｇ１：柱状晶組織、Ｇ２：等軸晶組織、Ｇ３：柱状晶組織、Ｌ１：第１のレーザ光、Ｌ２：第２のレーザ光、Ｐ，Ｐ１〜Ｐ６：照射領域、Ｎ，Ｎ１〜Ｎ６：ナゲット、ＮＹ：溶融状態のナゲット，Ｓ：周縁、Ｗ１，Ｗ２：ワーク、Ｙ：溶接部

Claims (4)

1. 複数の金属製のワーク同士をレーザ溶接により接合する際に、複数のナゲットからなる溶接部が形成されるように、各ナゲットが形成されるワークの照射領域にレーザ光を照射し、複数のワーク同士を接合するレーザ溶接方法であって、
   前記複数のナゲットからなる溶接部を形成する際に、各ナゲットに対応した照射領域に順次レーザ光を照射することにより、前記各ナゲットを順次形成するものであり、
   前記各ナゲットを順次形成するに従って、前記各照射領域に照射する前記レーザ光からワークへの入熱量が少なくなるように、各照射領域に前記レーザ光を照射し、
   前記ナゲットを形成する際の前記レーザ光の照射を第１のレーザ光照射工程とし、
   前記第１のレーザ光照射工程後、前記ナゲットが凝固するまでの間に、前記ナゲットの周縁から前記ナゲットの中心部に向う方向の凝固の進行を遅らせるように、溶融状態のナゲットにレーザ光を照射する第２のレーザ光照射工程をさらに含むことを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記レーザ溶接方法において、前記複数のナゲットが仮想の閉曲線に沿って形成されるように、前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 複数の金属製のワーク同士をレーザ溶接により接合する際に、複数のナゲットからなる溶接部が形成されるように、各ナゲットが形成されるワークの照射領域にレーザ光を照射し、複数のワーク同士を接合するレーザ溶接方法であって、
   前記複数のナゲットからなる溶接部を形成する際に、各ナゲットに対応した照射領域に順次レーザ光を照射することにより、前記各ナゲットを順次形成するものであり、
   前記各ナゲットを順次形成するに従って、前記各照射領域に照射する前記レーザ光からワークへの入熱量が少なくなるように、各照射領域に前記レーザ光を照射し、
   前記レーザ溶接方法において、前記複数のナゲットが仮想の閉曲線に沿って形成されるように、前記レーザ光を照射し、
   前記閉曲線に沿って各ナゲットが離間するように、前記レーザ光を照射した後に、
   隣接する前記ナゲット同士の間の前記閉曲線上にナゲットがさらに形成されるように、前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ溶接方法。
4. 前記ナゲットを形成する際の前記レーザ光の照射を第１のレーザ光照射工程とし、
   前記第１のレーザ光照射工程後、前記ナゲットが凝固するまでの間に、前記ナゲットの周縁から前記ナゲットの中心部に向う方向の凝固の進行を遅らせるように、溶融状態のナゲットにレーザ光を照射する第２のレーザ光照射工程をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接方法。

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