JP6093165B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関し、厚さの異なる金属板の端面同士を接合するレーザ溶接方法に関する。

レーザビームにより金属板同士を溶接するレーザ溶接においては、単にレーザビームを金属板に照射すると、レーザビームは集光性が高く、出力が強いため、金属板に穴が開いてしまい溶接が不可能となることがある。そこで、レーザビームにより溶融された金属を補うため、レーザビームで同時に溶融させたフィラーワイヤを接合部に添加することが行われている。しかし、フィラーワイヤの使用のみでは、接合部に傾斜が生じ接合部の肉厚が薄くなる欠点がある。そこで、特許文献１には、接合部の溶接ビードの幅を広くし、接合部の傾斜を緩やかにするために、ＹＡＧレーザのレーザビームを光学系で二つに分割し、分割したレーザビームそれぞれを接合部の長手方向に沿って並べて照射し、かつフィラ―ワイヤを使用することにより、板厚の異なる金属板の端面同士を接合する技術が開示されている。

特開２０１０−１６７４３６号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、フィラーワイヤが必要であり、フィラーワイヤは重力の影響を受けるために金属板が水平な状態でレーザビームを下向きに照射する態様の下向き溶接に用途が限定される欠点がある。また、溶接後の接合部の品質についても改善の余地がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、フィラーワイヤを用いずに異なる板厚の第１の金属板と第２の金属板とをより良好に溶接することができるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は、第１の金属板の端部と、第１の金属板より板厚が薄い第２の金属板の端部とを接合部において突き合わせる突き合わせ工程と、突き合わせ工程により第１の金属板と第２の金属板とが突き合わされた接合部にレーザビームを照射して第１の金属板と第２の金属板とを溶接する溶接工程とを含み、溶接工程では、レーザビームを直接に発する半導体レーザ素子の配列から、接合部に対して長方形の照射領域を有するレーザビームを照射領域の長手方向が接合部の長手方向と平行となるようにして照射するレーザ溶接方法である。

この構成によれば、第１の金属板の端部と、第１の金属板より板厚が薄い第２の金属板の端部とを接合部において突き合わせる突き合わせ工程と、突き合わせ工程により第１の金属板と第２の金属板とが突き合わされた接合部にレーザビームを照射して第１の金属板と第２の金属板とを溶接する溶接工程とを含むレーザ溶接方法において、溶接工程では、レーザビームを直接に発する半導体レーザ素子の配列から、接合部に対して長方形の照射領域を有するレーザビームを照射領域の長手方向が接合部の長手方向と平行となるようにして照射する。レーザビームを直接に発する半導体レーザ素子の配列から長方形の照射領域を有するレーザビームを照射することにより、ＹＡＧレーザのレーザビームを分割して接合部に沿って並べる手法と異なり、長方形の照射領域に対して一様な強度のレーザビームを照射することができる。また、長方形の照射領域の長手方向が接合部の長手方向と平行となるようにして照射することにより、接合部に対して同じ接合速度であってもより長い加熱時間とでき、接合部において厚い第１の金属板の溶融した金属が薄い第２の金属板の側に流れるため、フィラーワイヤを用いずに異なる板厚の第１の金属板と第２の金属板とをより良好に溶接することができる。

また、本発明は、第１の金属板の端部と、第１の金属板より板厚が薄い第２の金属板の端部とを接合部において突き合わせる突き合わせ工程と、突き合わせ工程により第１の金属板と第２の金属板とが突き合わされた接合部にレーザビームを照射して第１の金属板と第２の金属板とを溶接する溶接工程とを含み、溶接工程では、接合部に対して長方形の照射領域を有し、照射領域の長手方向の一方の端部から他方の端部までの位置に対するレーザビームの強度の増減が極小値を有さないレーザビームを照射領域の長手方向が接合部の長手方向と平行となるようにして照射するレーザ溶接方法である。

この構成によれば、第１の金属板の端部と、第１の金属板より板厚が薄い第２の金属板の端部とを接合部において突き合わせる突き合わせ工程と、突き合わせ工程により第１の金属板と第２の金属板とが突き合わされた接合部にレーザビームを照射して第１の金属板と第２の金属板とを溶接する溶接工程とを含むレーザ溶接方法において、溶接工程では、接合部に対して長方形の照射領域を有し、照射領域の長手方向の一方の端部から他方の端部までの位置に対するレーザビームの強度の増減が極小値を有さないレーザビームを照射領域の長手方向が接合部の長手方向と平行となるようにして照射する。このため、ＹＡＧレーザのレーザビームを分割して接合部に沿って並べる手法と異なり、長方形の照射領域に対して一様な強度のレーザビームを照射することができる。また、長方形の照射領域の長手方向が接合部の長手方向と平行となるようにして照射することにより、接合部に対して同じ接合速度であってもより長い加熱時間とでき、接合部において厚い第１の金属板の溶融した金属が薄い第２の金属板の側に流れるため、フィラーワイヤを用いずに異なる板厚の第１の金属板と第２の金属板とをより良好に溶接することができる。

この場合、溶接工程では、接合部における第１の金属板と第２の金属板との境界線上であって、第２の金属板の表面にレーザビームの焦点を合わせつつレーザビームを照射することが好適である。

この構成によれば、溶接工程では、接合部における第１の金属板と第２の金属板との境界線上であって、第２の金属板の表面にレーザビームの焦点を合わせつつレーザビームを照射する。これにより、溶融しやすい薄い第２の金属板の方を少ない熱量で効率良く溶融でき、厚い第１の金属板の方はレーザビームの照射領域の端部がかかることにより溶融され、溶融した第１の金属板の金属が薄い第２の金属板の側に流れるため、異なる板厚の第１の金属板と第２の金属板とを同じレーザビームの出力でもさらに効率良く良好に溶接することができる。

この場合、溶接工程では、レーザビームのレイリー長の１／２が接合部のレーザビームを照射する側における第１の金属板の表面と第２の金属板の表面との距離以上であるレーザビームを照射することが好適である。

この構成によれば、溶接工程では、レーザビームのレイリー長（焦点深度）の１／２が接合部のレーザビームを照射する側における第１の金属板の表面と第２の金属板の表面との距離以上であるレーザビームを照射する。これにより、薄い第２の金属板の表面に焦点を合わされたレーザビームは、厚い第１の金属板の表面においても拡散していないため、さらに効率良く良好に溶接することができる。

本発明のレーザ溶接方法によれば、フィラーワイヤを用いずに異なる板厚の第１の金属板と第２の金属板とをより良好に溶接することができる。

実施形態に係るレーザ溶接方法を示す斜視図である。 実施形態に係るレーザ溶接方法により接合される端部をレーザ切断されたステンレス鋼の接合部近傍を接合方向と反対方向から視た図である。 実施形態に係るレーザ溶接方法により接合される端部をシャー切断されたステンレス鋼の接合部近傍を接合方向と反対方向から視た図である。 実施形態に係るレーザ溶接方法により接合される管状材の接合部近傍を示す縦断面図である。 実施形態に係るレーザのビーム幅の計測における焦点ずれ距離に対する試料の蒸発幅を示すグラフである。 実施形態に係るレーザのビームの長手方向の位置に対するビーム強度を示すグラフである。 実施形態に係るレーザのビームの照射方法の様子を接合方向と反対方向から視た図である。 実施形態に係るレーザのビームの照射方法を示す斜視図である。 実験例１において、図２に示すステンレス鋼を実施形態のレーザ溶接方法により接合した後の接合部近傍を接合方向と反対方向から視た図である。 実験例１において、図３に示すステンレス鋼を実施形態のレーザ溶接方法により接合した後の接合部近傍を接合方向と反対方向から視た図である。 実験例１において、図３に示すステンレス鋼を従来のレーザ溶接方法により接合した後の接合部近傍を接合方向と反対方向から視た図である。 実験例２におけるレーザのビームの焦点位置を接合方向と反対方向から視た図である。 実験例２において、図１２の焦点位置Ａにより接合された接合部近傍を接合方向と反対方向から視た図である。 実験例２において、図１２の焦点位置Ｂにより接合された接合部近傍を接合方向と反対方向から視た図である。 実験例２において、図１２の焦点位置Ｃにより接合された接合部近傍を接合方向と反対方向から視た図である。 実験例２において、図１２の焦点位置Ｄにより接合された接合部近傍を接合方向と反対方向から視た図である。 実験例２において、図１２の焦点位置Ｅにより接合された接合部近傍を接合方向と反対方向から視た図である。 実験例２において、図１２の焦点位置Ａ〜Ｅにより接合された接合部それぞれのアンダーフィル深さを示すグラフである。 （ａ）は実験例２における試験片の平面図であり、（ｂ）は引張試験を行う前の試験片を接合方向から視た図である。 実験例２において、図１２の焦点位置Ａ〜Ｅにより接合された接合部それぞれの引張強さを示すグラフである。 実験例２の引張試験における試験片の破断面を示す図である。 実験例３におけるレーザのビームの焦点位置を示す斜視図である。 実験例３における接合後の始点近傍を示す平面図である。 実験例３における接合後の中間点近傍を示す平面図である。 実験例３における接合後の終点近傍を示す平面図である。 実験例３における接合後の接合部の測定部位を接合方向と反対方向から視た図である。 図２６に示す測定部位それぞれについて、始点、中間点及び終点の値を示した表である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法について説明する。

図１に示すように、本実施形態のレーザ溶接装置１０は、ダイレクトダイオードレーザ１１、集光部１２、サイドガスノズル１４、ガイド光発光器１５を備えている。本実施形態のレーザ溶接装置１０は、厚いステンレス鋼板Ｓ１の端部とステンレス鋼板Ｓ１より板厚が薄いステンレス鋼板Ｓ２の端部とをフィラーワイヤを用いずにレーザビームＬを照射してレーザ溶接するための装置である。

本実施形態でレーザ溶接されるステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２は、例えば、オーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ３０４である。本実施形態では、厚いステンレス鋼板Ｓ１の板厚を例えば４．５ｍｍとでき、薄いステンレス鋼板Ｓ２の板厚を例えば３．０ｍｍとできる。図２に示すように、本実施形態では、端部がレーザ切断されたステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２を接合部Ｗにおいて突き合わせてレーザ溶接が行われる。接合部Ｗ近傍のレーザビームＬを照射する側において、ステンレス鋼板Ｓ１の表面とステンレス鋼板Ｓ２の表面との間に距離が生じるように配置される。接合部Ｗ近傍のレーザビームＬを照射する側と反対側において、ステンレス鋼板Ｓ１の表面とステンレス鋼板Ｓ２の表面とが同一平面に含まれるように配置される。ステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の板厚の差は２倍以内とすることが好ましい。

本実施形態では、図３に示すように、端部がシャー切断され、端部にダレ面ｒを有するステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の端部同士を接合部Ｗにおいて突き合わせてレーザ溶接が行われる。この場合も、接合部Ｗ近傍のレーザビームを照射する側において、ステンレス鋼板Ｓ１の表面とステンレス鋼板Ｓ２の表面との間に距離が生じるように配置され、接合部Ｗ近傍のレーザビームＬを照射する側と反対側において、ステンレス鋼板Ｓ１の表面とステンレス鋼板Ｓ２の表面とが同一平面に含まれるように配置される。ダレ面ｒを有する側が、レーザビームＬを照射する側となるようにステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２が配置される。

また本実施形態では、図４に示すように、内径が同じであって管壁の厚さが異なるステンレス鋼管Ｔ１，Ｔ２を接合部Ｗにおいて突き合わせてレーザ溶接が行われる。この他にも、直径が異なる棒状の金属材、厚さが異なる帯状の金属材、及び厚さが異なる形鋼等の突き合わせが可能である金属材をレーザ溶接することができる。開先はＩ形開先とすることが好ましい。ステンレス鋼以外にも、本実施形態のレーザ溶接方法でレーザ溶接される金属材としては、一般構造用圧延鋼等の鉄系合金を適用することができる。

図１に戻り、ダイレクトダイオードレーザ（Direct Diode Laser）１１では、ファイバ伝送ではなく、レーザビームを直接に発するレーザダイオードが長方形状に配列されている。ダイレクトダイオードレーザ１１は、例えば９４０ｎｍの波長のレーザビームＬを発する。ダイレクトダイオードレーザ１１による照射領域は、長方形状であり、半値全幅で、例えば０．５ｍｍ×３．５ｍｍとできる。なお、ビーム径の定義は１／ｅ、１／ｅ２、その他でも構わない。ダイレクトダイオードレーザ１１による照射領域の縦横比は２以上とする。

集光部１２は、ダイレクトダイオードレーザ１１のレーザビームＬを集光させる集光レンズを有する。集光レンズの焦点距離は例えば１３０ｎｍとすることができる。例えば、本実施形態のダイレクトダイオードレーザ１１及び集光部１２により、高吸収の黒アクリル板に極低パワーのレーザビームＬを高速で走査し、蒸発幅を計測し、この蒸発幅を簡易的にビーム幅とすると図５に示すようになる。図５中の点線または破線と実線の交点は，照射痕の幅が最も絞れた位置から２^０．５倍、１．０５倍になる位置である。半値全幅で定義されるビームサイズと照射痕に相似性があると仮定すると、それぞれの位置ではパワー密度が５０％、９０％相当となる。

図６に示すように、ダイレクトダイオードレーザ１１及び集光部１２により照射されるレーザビームＬのビーム強度の分布は、照射領域の長手方向の一方の端部から他方の端部までの位置に対するビーム強度の増減が極小値を有さず、ほぼ一定のトップハット型である。

図７及び図８に示すように、本実施形態ではレーザビームの長方形の照射領域ＲＡの長手方向は、接合部Ｗの長手方向（図１中のＸ方向）と一致される。また、本実施形態では、ダイレクトダイオードレーザ１１及び集光部１２は、接合部Ｗにおけるステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の境界線上であって、薄いステンレス鋼板Ｓ２の表面にレーザビームＬの焦点位置ｆを合わせつつレーザビームＬを照射する。このとき、厚いステンレス鋼板Ｓ１の段差部の角にレーザビームＬが照射される。このため、厚いステンレス鋼板Ｓ１の表面におけるレーザビームＬの照射位置は、焦点位置ｆからステンレス鋼板Ｓ１とステンレス鋼板Ｓ２との板厚の差だけ上方におけるレーザビームの幅によって決定される。

また、本実施形態では、図６に示すように、レーザビームＬのレイリー長ｂの１／２が接合部ＷのレーザビームＬを照射する側におけるステンレス鋼板Ｓ１の表面とステンレス鋼板Ｓ２の表面との距離以上とされる。

図１に戻り、サイドガスノズル１４は、レーザビームＬの溶接方向（図１中のＸ方向）に向かってレーザビームＬの照射領域ＲＡに加工ガスを供給する。サイドガスノズル１４から供給される加工ガスとしては、例えば、純Ａｒガスを流量３０Ｌ／ｍｉｎで供給することができる。ガイド光発光器１５は、レーザビームＬの照射位置（焦点位置ｆ）を検出するためのガイド光Ｇを接合部Ｗに照射する。レーザビームＬの照射位置の検出は、他にもモニタカメラにより得られた画像の画像処理による手法が考えられる。あるいは、ステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の一方をナイフエッジに見立て、ナイフエッジ回析により、ステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２のレーザビームＬの照射側とは反対側に伝搬したレーザビームＬのパワーを測定し、パワーの減衰具合で接合部Ｗの中心を判断する手法が考えられる。

なお、ステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２とレーザビームＬとは相対的に移動すれば良いため、ステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２及びダイレクトダイオードレーザ１１のいずれか一方が図中Ｘ軸方向に沿って移動可能であり、他方が固定されていても良い。さらに、本実施形態では、フィラーワイヤが不要となり、傾斜したステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２に対しても接合を行うことが可能となる。そのため、傾斜したステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２に対しても、ステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２が水平時と同様の位置関係にダイレクトダイオードレーザ１１及び集光部１２が位置するように、レーザビームＬの光軸を保つための装置が備えられていても良い。例えば、ハンドリングロボットやピッチ角を制御するスライダ等にダイレクトダイオードレーザ１１及び集光部１２を搭載し、ステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の傾斜に対応させることができる。

本実施形態では、ステンレス鋼板Ｓ１の端部と、ステンレス鋼板Ｓ１より板厚が薄いステンレス鋼板Ｓ２の端部とが接合部において突き合わされ、突き合わされた接合部ＷにレーザビームＬが照射されてステンレス鋼板Ｓ１とステンレス鋼板Ｓ２とが溶接される。レーザビームを直接に発するレーザダイオードの配列から、接合部Ｗに対して長方形の照射領域ＲＡを有するレーザビームＬが、照射領域ＲＡの長手方向が接合部Ｗの長手方向と平行となるようにして照射される。ダイレクトダイオードレーザ１１及び集光部１２がステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２に対して図１中のＸ方向に相対的に移動させられ、ステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２が接合部Ｗで接合される。

レーザビームＬを直接に発するレーザダイオードの配列から長方形の照射領域ＲＡを有するレーザビームＬを照射することにより、ＹＡＧレーザのレーザビームを分割して接合部に沿って並べる手法と異なり、長方形の照射領域ＲＡに対して一様な強度のレーザビームを照射することができる。また、長方形の照射領域ＲＡの長手方向が接合部Ｗの長手方向と平行となるようにして照射することにより、接合部Ｗに対して同じ接合速度であってもより長い加熱時間とでき、接合部Ｗにおいて厚いステンレス鋼板Ｓ１の溶融した金属が薄いステンレス鋼板Ｓ２の側に流れるため、フィラーワイヤを用いずに異なる板厚のステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２をより良好に溶接することができる。

例えば、本実施形態において、照射領域を０．５ｍｍ×３．５ｍｍとした場合は、一般的なシングルモードのレーザのスポット径が０．５ｍｍ程度であるから、このようなビームを７分割して並べた場合に相当する。したがって、同じ溶接速度であれば、上記特許文献１のような２つのスポットを並べた場合と比べて倍以上の加熱時間を持つことになり、特に本実施形態では、レーザビームＬは照射領域ＲＡの長手方向においてトップハット型のプロファイルを持つため、上記特許文献１のようにフィラーワイヤによりビード幅を拡大させることも不要となる。本実施形態では、フィラーワイヤが不要となり、傾斜したステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２に対しても溶接を行うことが可能となる。例えば、フィラーワイヤを用いた場合には、フィラーワイヤの溶融した金属の滴が移動するため重力の影響を受けるが、本実施形態では１５°〜２０°程度の傾斜まで対応可能であると考えられる。

また、本実施形態では、接合部Ｗにおけるステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の境界線上であって、薄いステンレス鋼板Ｓ２の表面にレーザビームＬの焦点位置ｆを合わせつつレーザビームＬを照射する。これにより、溶融しやすい薄いステンレス鋼板Ｓ２の方を少ない熱量で効率良く溶融でき、厚いステンレス鋼板Ｓ１の方はレーザビームＬの照射領域ＲＡの端部がかかることにより溶融され、溶融したステンレス鋼板Ｓ１の金属が薄いステンレス鋼板Ｓ２の側に流れるため、異なる板厚のステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２を同じレーザビームＬの出力でもさらに効率良く良好に溶接することができる。

接合部ＷのレーザビームＬを照射する側には、ステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の板厚差により段差がある。レーザ溶接に際してこの段差部は溶融し、傾斜面を形成すると考えられる。従来技術では、このような場合、厚いステンレス鋼板Ｓ１の表面に焦点位置ｆを合わせるか、ステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の中間位置に焦点を合わせる。仮に厚いステンレス鋼板Ｓ１の表面に焦点位置ｆを合わせた場合、段差部が溶けるにつれて溶接ビードは焦点位置ｆから遠ざかると考えられる。また、薄いステンレス鋼板Ｓ２の表面は常に焦点位置ｆからずれており、図５に示すようなレーザビームＬでは、パワー密度は90％未満となる。

一方、薄いステンレス鋼板Ｓ２の表面を焦点位置ｆとした場合は、厚いステンレス鋼板Ｓ１の段差部の角にレーザビームが照射されることにより、厚いステンレス鋼板Ｓ１の段差部が溶けるにつれて溶接ビードは焦点位置ｆに近づくと考えられる。よって、本実施形態では、薄いステンレス鋼板Ｓ２の表面にレーザビームＬの焦点位置ｆが設定される。

また、本実施形態では、レーザビームＬのレイリー長ｂの１／２が接合部ＷのレーザビームＬを照射する側におけるステンレス鋼板Ｓ１の表面とステンレス鋼板Ｓ２の表面との距離以上であるレーザビームＬを照射する。これにより、薄いステンレス鋼板Ｓ２の表面に焦点位置ｆを合わされたレーザビームＬは、厚いステンレス鋼板Ｓ１の表面においても拡散していないため、さらに効率良く良好に溶接することができる。

（実験例１）
以下、本発明の実験例について説明する。図１に示すようなレーザ溶接装置１０によりステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２のレーザ溶接を行った。レーザ接合される試料として、オーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ３０４を使用した、ステンレス鋼板Ｓ１の板厚は３．０ｍｍであり、ステンレス鋼板Ｓ２の板厚は４．５ｍｍである。継手形状は突合せ継手である。ステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２として、図２及び３に示すように、端部がレーザ切断又はシャー切断されたものを使用した。図２及び図３に示すステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２のいずれも、接合部Ｗ近傍のレーザビームＬを照射する側において、ステンレス鋼板Ｓ１の表面とステンレス鋼板Ｓ２の表面との間に距離が生じるように配置され、接合部Ｗ近傍のレーザビームＬを照射する側と反対側において、ステンレス鋼板Ｓ１の表面とステンレス鋼板Ｓ２の表面とが同一平面に含まれるように配置された。図３に示すステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の場合は、ダレ面ｒを有する側が、レーザビームＬを照射する側となるようにステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２が配置された。

本実験例で使用されたレーザ溶接装置１０は、レーザビームＬの波長が９４０ｎｍである。集光部１２のレンズの焦点距離は１３０ｍｍであり，焦点位置でのビームサイズは半値全幅で幅０．５ｍｍ，長さ３．５ｍｍの矩形である。レーザビームＬの照射領域ＲＡの長手方向は溶接方向と同一方向（図１中のＸ方向）とした。レーザビームＬの照射領域ＲＡにおける強度のプロファイルは図５及び図６に示すものである。レーザビームＬの焦点位置ｆは、接合部Ｗにおけるステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の境界線上であって、薄いステンレス鋼板Ｓ２の表面とした。レーザビームＬの出力は５ｋＷとした。溶接速度は１．２ｍ／ｍｉｎとした。レーザビームＬの出力を溶接速度で除して投入熱量を計算すると、２５００Ｊ／１０^−２ｍとなった。

加工ガスはサイドガスノズル１４から供給し，加工ガスは純Ａｒであり、流量は３０Ｌ／ｍｉｎとした。レーザ溶接装置１０において、レーザ溶接の際に、接合には幅１０ｍｍ，深さ１０ｍｍの溝付きの銅定盤を用いた。

比較のために、特許文献１に開示されているようにＹＡＧレーザのレーザビームを光学系で二つに分割し、分割したレーザビームそれぞれを接合部の長手方向に沿って並べて照射することにより、図３に示すような端部がシャー切断されたステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２をレーザ溶接した。レーザ発振器は最大出力４ｋＷのＮｄ:ＹＡＧレーザである。レーザの伝送はコア径６００μｍのＳＩ型光ファイバで行い，集光には拡大倍率１．２倍の集光光学系を用いた。焦点距離は１５０ｍｍである。二つに分割したレーザビームの出力比は１：１である。二つに分割したレーザビームそれぞれの照射領域のスポット径は半値全幅で０．５ｍｍである。溶接速度は０．８ｍ／ｍｉｎとした。レーザビームの出力を溶接速度で除して投入熱量を計算すると、３０００Ｊ／１０^−２ｍとなる。これは、本実施形態のレーザ溶接方法に比して２０％多い投入熱量となる。

アシストガスとしてＡｒとＯ_２との混合ガスを用いた。ガス流量は１０〜５０Ｌ／ｍｉｎとした。なお、特許文献１に示すＹＡＧレーザのレーザビームを二つに分割して並べて照射する手法では、フィラーワイヤを使用しなくてはレーザ溶接が不可能であったため、レーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給しつつレーザ溶接を行った。

以下に本実施形態の手法によりレーザ溶接された接合部Ｗについて示す。図９に示す端部がレーザ切断されたステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の接合部Ｗ及び図１０に示す端部がシャー切断されたステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の接合部Ｗのいずれも、溶接ビードが４．５ｍｍ板から３．０ｍｍ板にかけて傾斜面を形成し、裏面では約１．０ｍｍの裏波ビードが発生していた。図９及び図１０のいずれの接合部Ｗにおいても、ブローや割れ等の発生は無かった。なお、図１０中の矢印に示すように、端部がシャー切断されたステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の場合、ステンレス鋼板Ｓ２に若干のアンダーフィルが生じていた。

一方、図１１に示す特許文献１の方法によりレーザ溶接がなされた接合部は、本実施形態のレーザ溶接方法に比べて２０％多い投入熱量であったにも関わらず、レーザ溶接にフィラーワイヤが必要であった。そのため、溶接部が表裏面ともにフィラーワイヤの供給により余った金属による隆起が発生している。なお、特許文献１の手法では、フィラーワイヤを用いない場合は、接合部にギャップが生じ、レーザ溶接が不可能であった。

（実験例２）
接合部Ｗの長手方向に対して垂直な方向（図１中のＹ軸方向）にレーザビームＬの焦点位置ｆがずれた場合の影響を明らかにするために、図１２に示すように、接合部Ｗにおけるステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の境界線上を中心として焦点位置ｆを左右にＡ〜Ｅに最大１．０ｍｍの距離をずらして実験例１と同様に接合を行った。いずれの場合も、焦点位置ｆはステンレス鋼板Ｓ２の表面とした。接合するステンレス鋼板は図２に示す端部がレーザ切断されたものを用いた。

図１３及び図１４に示すように焦点位置ｆが厚いステンレス鋼板Ｓ１側に寄った場合は、図１５に示すようにステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の境界線上を焦点位置ｆにした場合に比べてビード表面が盛り上っており、まったくアンダーフィルを生じていないことが判る。これに対して図１６及び図１７に示すように焦点位置ｆが薄いステンレス鋼板Ｓ２側に寄った場合では、厚いステンレス鋼板Ｓ１の上端部が溶け残っていることが判る。図１７の溶け残ったステンレス鋼板Ｓ１の端部に沿って白い二点差線を引いたところ、ステンレス鋼板Ｓ１側にはほとんど溶込みはないことが判る。また、図１６及び図１７の接合部Ｗにはともにアンダーフィルが生じていることが判る。

図１３及び図１４において、アンダーフィルが生じない理由は次のことが考えられる。厚いステンレス鋼板Ｓ１側に焦点位置ｆが寄った場合、薄いステンレス鋼板Ｓ２板側に溶け落ちさせる体積が増加する。また、厚いステンレス鋼板Ｓ１表面では、ステンレス鋼板Ｓ２との板厚差の１．５ｍｍのデフォーカス状態にありパワー密度が低下することから溶融能力が低下し端部が薄いステンレス鋼板Ｓ２側に流れずに盛り上ったと考えられる。対して、図１６及び図１７のように焦点位置ｆが薄いステンレス鋼板Ｓ２側に寄った場合は、ステンレス鋼板Ｓ１からの溶融金属の供給がなく、裏面に裏波として出た分の体積によりアンダーフィルが生じたと考えられる。

図１３〜図１７のいずれの焦点位置ｆにおいても、フィラーワイヤを用いずにレーザ溶接が可能であった。しかしながら、図１８に示すように、継手の薄い側のステンレス鋼板Ｓ２の板厚３．０ｍｍを基準として考えると、焦点位置ｆがステンレス鋼板Ｓ２側に１．０ｍｍずれた時点でアンダーフィルの深さは板厚の１０％を超えることとなる。よって、焦点位置ｆは、薄いステンレス鋼板Ｓ２側に０．５ｍｍまでのずれ量とすることがより好ましいと考えられる。

また、作製された継手（接合部Ｗ）の引張試験を行った。試験片形状は突合せ溶接継手の引張試験方法ＪＩＳ（日本工業規格）で規定するＺ３１２１の１Ａ号試験片とした。ここで、継手には１．５ｍｍの板厚差があり、このままでは引張試験の際に軸がずれる。そこで、図１９（ａ）（ｂ）の側面図である図１９（ｂ）に示すように、厚いステンレス鋼板Ｓ１の裏面に１．５ｍｍ厚のＳＵＳ３０４鋼板をスポット溶接で取り付けた。比較として薄いステンレス鋼板Ｓ２から母材の引張試験片を採取した。こちらは、金属材料の引張試験方法ＪＩＳで規定するＺ２２０１の１３Ｂ号試験片とした。引張速度は、「熱間圧延ステンレス鋼板および鋼帯」（ＪＩＳ Ｇ ４３０４）により試験片平行部のひずみ増加率を４０〜８０％／ｍｉｎとするために３６ｍｍ／ｍｉｎとした。

引張試験の結果を図２０に示す。図２０より、焦点位置ｆがＡの厚いステンレス鋼板Ｓ１側に１．０ｍｍ寄った継手以外はほとんど母材と同等であることが判る。図２１に、焦点位置ｆがＡの継手の引張試験後の破断面を示す。図２１より、破断面には引張で破断した濃いグレー色の面と縦に筋の入った銀光沢の面があることが判る。この銀光沢の面にある縦筋は，光学顕微鏡での観察からステンレス鋼板Ｓ２の端面のレーザ切断の加工痕と考えられる。

ここで、図１３を見ると薄いステンレス鋼板Ｓ２側の溶接部の境界に垂直な部分があり、これがステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の境界面（突合せ面）であると考えられる。ビームの幅は０．５ｍｍであるから、ステンレス鋼板Ｓ１側に焦点位置ｆが１．０ｍｍ寄った場合、薄いステンレス鋼板Ｓ２は直接加熱されず、ステンレス鋼板Ｓ１からの熱伝導により溶融すると考えられる。このため、突合せのギャップにより熱が伝わらず切断面の一部が接合されずに残ったと考えられる。以上の引張試験の結果を考慮し、ステンレス鋼板Ｓ１側への焦点位置ｆのずれは０．５ｍｍまでが好ましいと考えられる。

（実験例３）
焦点位置ｆのステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の表面に対して垂直方向（図１中のＺ軸方向）のずれの影響について実験を行った。図２２に示すように、始端ｓｔは薄いステンレス鋼板Ｓ２の表面に焦点位置ｆを合わせ、終端ｅｄは厚いステンレス鋼板Ｓ１の表面に焦点位置ｆを合わせた。接合部Ｗの長手方向に対して垂直な方向（図１中のＹ軸方向）への焦点位置ｆは、ステンレス鋼板Ｓ１，Ｓ２の境界線上とした。

接合部Ｗの始端ｓｔ、始端ｓｔと終端ｅｄとの中間部、及び終端ｅｄでの継手裏面の外観写真を図２３〜図２５に示す。裏波は、図２３及び図２４では安定して連続に発生しているが、図２５の終端ｅｄの手前３０ｍｍから不安定で断続的になり最終的には消滅していることが判る。

接合部Ｗの始端ｓｔから中間部に３０ｍｍ離れた部位、始端ｓｔと終端ｅｄとの中間部位、及び終端ｅｄから中間部に３０ｍｍ離れた部位で断面マクロ観察を行い、各部を計測した。本実験例で計測した箇所を図２６に示す。また、図２６の箇所の計測結果を図２７に示す。図２７より、ビード幅αにほとんど変化は無いが、裏波幅γは始端ｓｔと終端ｅｄとで１ｍｍ減少していることが判る。アンダーフィルβは、実験例２の図１３及び図１４の焦点位置ｆが厚いステンレス鋼板Ｓ１側に寄った場合のようにビードが盛り上がっており発生していなかった。溶接部断面積εも減少しており、吸収されたエネルギに差があると考えられる。終端ｅｄの手前３０ｍｍの位置では、薄いステンレス鋼板Ｓ２の表面から焦点位置ｆが上方に約１．２ｍｍ移動しており、図５のプロファイルからパワー密度が始端ｓｔに比べ１０％ほど減少しているはずである。本実験例では、溶接された接合部Ｗの後方は貫通溶接されており、そこからの熱伝導の影響がある。よって、実際に裏波ビードが減少する焦点位置のずれはより小さいと考えられる。確実に貫通溶接をするためには、焦点位置ｆの垂直方向のずれは１ｍｍまでが好ましいと考えられる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。

１０…レーザ溶接装置、１１…ダイレクトダイオードレーザ、１２…集光部、１４…サイドガスノズル、１５…ガイド光発光器、Ｓ１，Ｓ２…ステンレス鋼材、Ｗ…接合部、Ｌ…レーザビーム、ＲＡ…照射領域、ｆ…焦点位置、ｂ…レイリー長、Ｇ…ガイド光。

Claims (3)

1. 第１の金属板の端部と、前記第１の金属板より板厚が薄い第２の金属板の端部とを接合部において突き合わせる突き合わせ工程と、
   前記突き合わせ工程により前記第１の金属板と前記第２の金属板とが突き合わされた前記接合部にレーザビームを照射して前記第１の金属板と前記第２の金属板とを溶接する溶接工程と、
   を含み、
   前記溶接工程では、
   前記レーザビームを直接に発する半導体レーザ素子の配列から、接合部に対して長方形の照射領域を有する前記レーザビームを前記照射領域の長手方向が前記接合部の長手方向と平行となるようにして照射し、
   前記接合部における前記第１の金属板と前記第２の金属板との境界線上であって前記第２の金属板の表面に前記レーザビームの焦点を合わせ、前記境界線上における前記第１の金属板による段差部の角に前記レーザビームが照射されるように前記レーザビームを照射する、レーザ溶接方法。
2. 第１の金属板の端部と、前記第１の金属板より板厚が薄い第２の金属板の端部とを接合部において突き合わせる突き合わせ工程と、
   前記突き合わせ工程により前記第１の金属板と前記第２の金属板とが突き合わされた前記接合部にレーザビームを照射して前記第１の金属板と前記第２の金属板とを溶接する溶接工程と、
   を含み、
   前記溶接工程では、
   接合部に対して長方形の照射領域を有し、前記照射領域の長手方向の一方の端部から他方の端部までの位置に対する前記レーザビームの強度の増減が極小値を有さない前記レーザビームを前記照射領域の長手方向が前記接合部の長手方向と平行となるようにして照射し、
   前記接合部における前記第１の金属板と前記第２の金属板との境界線上であって前記第２の金属板の表面に前記レーザビームの焦点を合わせ、前記境界線上における前記第１の金属板による段差部の角に前記レーザビームが照射されるように前記レーザビームを照射する、レーザ溶接方法。
3. 前記溶接工程では、前記レーザビームのレイリー長の１／２が前記接合部の前記レーザビームを照射する側における前記第１の金属板の表面と前記第２の金属板の表面との距離以上である前記レーザビームを照射する、請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。