JP6299136B2 - Laser welding method and laser welding apparatus for steel sheet - Google Patents
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Description
本発明は、鋼板のレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置に関する。 The present invention relates to a laser welding method and a laser welding apparatus for a steel plate.
例えば、自動車のボデーは、防錆性能確保のため、亜鉛メッキ鋼板が使用されている。しかし、亜鉛メッキ鋼板に対してレーザー溶接を実施した場合、亜鉛メッキが気化して生成される亜鉛ガスにより溶接時の溶融金属が吹き飛ばされ、ブローホールやポロシティといった溶接欠陥が発生し、溶接強度の低下をまねく。 For example, galvanized steel sheets are used in automobile bodies to ensure rust prevention performance. However, when laser welding is performed on a galvanized steel sheet, the molten metal at the time of welding is blown away by the zinc gas generated by the vaporization of the galvanizing, resulting in welding defects such as blow holes and porosity, resulting in a high welding strength. It causes a decline.
そのため、レーザーを照射して亜鉛メッキを除去した後、レーザーを再度照射して本溶接するレーザーの２度照射が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。 For this reason, it has been proposed to irradiate a laser twice to remove the galvanized plate and then irradiate the laser again to perform main welding (see, for example, Patent Document 1).
しかし、亜鉛メッキを除去するための１パス目のレーザー照射によって、ブローホールやポロシティといった溶接欠陥が過剰に発生し、かつ溶融金属が過度に吹き飛ばされた場合、２パス目のレーザー照射によって、完全には溶接欠陥が消失せず、また、穴空きが戻らない虞がある。従って、２パス目のレーザー照射の際、焦点をずらしてレーザー照射スポットを拡大し、かつ溶接速度を低下させ、広範囲を溶融させて、金属量の減少分を補って溶接欠陥を消失させ、また、穴空きを戻す必要があり、その場合、溶接速度（生産性）が低下する懸念が存在する。 However, if excessive welding defects such as blow holes and porosity occur due to the first-pass laser irradiation to remove the galvanizing and the molten metal is blown off excessively, the second-pass laser irradiation will completely There is a possibility that the welding defect does not disappear and the hole does not return. Therefore, in the second pass of laser irradiation, the laser irradiation spot is enlarged by shifting the focus, the welding speed is reduced, the wide area is melted, the decrease in the amount of metal is compensated, and the welding defect is eliminated. In this case, there is a concern that the welding speed (productivity) decreases.
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な生産性および溶接品質を有する鋼板のレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems associated with the prior art, and an object of the present invention is to provide a laser welding method and a laser welding apparatus for steel sheets having good productivity and welding quality.
上記目的を達成するための本発明の一様相は、亜鉛メッキが少なくとも一方の面に施され、前記亜鉛メッキが施された一方の面同士が対向するように重ね合わされた少なくとも２枚の鋼板を２パスのレーザーの照射によって溶接する鋼板のレーザー溶接方法である。当該レーザー溶接方法においては、前記２パスのうち１パス目は、ファイバーレーザーの照射によって、前記鋼板の板間に面する亜鉛メッキを除去し、前記２パスのうち２パス目は、前記１パス目のファイバーレーザーの照射スポット径より大きい照射スポット径を有するレーザーの照射によって、前記１パス目で前記亜鉛メッキが除去された領域に位置する溶接箇所を本溶接するようにしており、前記１パス目のファイバーレーザーの照射スポットの軌跡は、前記亜鉛メッキが除去される領域を拡大するため、前記２パス目のレーザーの照射スポットの軌跡と重ならない部分も有する。 In order to achieve the above object, the uniform phase of the present invention comprises at least two steel plates that are galvanized on at least one surface and are overlapped so that the galvanized surfaces face each other. This is a laser welding method for a steel sheet that is welded by laser irradiation of two passes. In the laser welding method , in the first pass of the two passes, galvanization facing between the plates of the steel sheet is removed by irradiation with a fiber laser, and the second pass of the two passes is the first pass. By welding with a laser having an irradiation spot diameter larger than the irradiation spot diameter of the fiber laser of the eye, the welding spot located in the area where the galvanization is removed in the first pass is subjected to main welding. The locus of the eye fiber laser irradiation spot has a portion that does not overlap the locus of the laser irradiation spot of the second pass in order to enlarge the area where the galvanization is removed .
上記目的を達成するための本発明の別の様相は、亜鉛メッキが少なくとも一方の面に施され、前記亜鉛メッキが施された前記一方の面同士が対向するように重ね合わされた少なくとも２枚の鋼板を２パスのレーザーの照射によって溶接する溶接手段と、前記溶接手段を制御する制御部と、を有する鋼板のレーザー溶接装置である。前記溶接手段は、前記２パスのうち１パス目のファイバーレーザーの照射によって、前記鋼板の板間に面する亜鉛メッキを除去する第１レーザー照射手段と、前記１パス目のファイバーレーザーの照射スポット径より大きい照射スポット径を有する、前記２パスのうち２パス目のレーザーの照射によって、前記１パス目で前記亜鉛メッキが除去された領域に位置する溶接箇所を本溶接する第２レーザー照射手段と、を有する。前記制御部は、前記亜鉛メッキが除去される領域を拡大するため、前記１パス目のファイバーレーザーの照射スポットの軌跡が、前記２パス目のレーザーの照射スポットの軌跡と重ならない部分も有するように、前記溶接手段を制御するように構成されている。 Another aspect of the present invention for achieving the above object is that at least two sheets of zinc plating are applied to at least one surface, and the one surface to which the zinc plating is applied are opposed to each other. A laser welding apparatus for a steel sheet , comprising: a welding means for welding a steel sheet by laser irradiation of two passes; and a control unit for controlling the welding means . The welding means includes a first laser irradiation means for removing galvanizing facing between the steel plate plates by irradiation of a fiber laser in the first pass of the two passes, and an irradiation spot of the fiber laser in the first pass. Second laser irradiation means for performing main welding of a welding spot located in a region where the galvanization has been removed in the first pass by laser irradiation of the second pass of the two passes, which has an irradiation spot diameter larger than the diameter. And having. In order to enlarge the area from which the galvanization is removed, the controller has a portion where the locus of the first laser beam spot does not overlap the locus of the second laser beam spot. In addition, the welding means is configured to be controlled .
本発明によれば、１パス目のファイバーレーザーは、集光性が良好であるため、照射スポットを小さく絞り、パワー密度を高めることで、溶融幅が狭く、深い溶け込みを達成することが可能であり、亜鉛メッキを除去する際に生じる亜鉛ガスにより吹き飛ばされる溶融金属量が、劇的に抑制される。また、１パス目のファイバーレーザーの照射スポット径が、２パス目のレーザーの照射スポット径より小さくとも、１パス目のファイバーレーザーの照射スポットの軌跡は、２パス目のレーザーの照射スポットの軌跡と重ならない部分も有し、亜鉛メッキが除去される領域を拡大しているため、２パス目の本溶接の品質が安定化する。したがって、強度を得るための本溶接である２パス目のレーザーの照射の際、焦点位置をずらすことで照射スポットを拡大し、かつ溶接速度を低下させて広範囲を溶融させることが不要であり、溶接品質を維持しながら、溶接速度（生産性）の低下を抑制することができる。つまり、良好な生産性および溶接品質を有する鋼板のレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置を提供することが可能である。 According to the present invention, a fiber laser of the first pass, since condensing is good, squeezed small radiation spot, by increasing the power density, it can be melted is narrow, to achieve deep penetration Yes, the amount of molten metal blown off by the zinc gas generated when removing the zinc plating is dramatically suppressed. Even if the irradiation spot diameter of the first-pass fiber laser is smaller than the irradiation spot diameter of the second-pass laser, the locus of the irradiation spot of the first-pass fiber laser is the locus of the irradiation spot of the second-pass laser. Since the region where the galvanizing is removed is enlarged, the quality of the second-pass main welding is stabilized. Thus, upon irradiation of a laser the second pass is a main welding for obtaining strength, expanding the irradiation spot by shifting the focal position, and the welding speed is lowered is no need to melt the wide While maintaining the welding quality, it is possible to suppress a decrease in welding speed (productivity). That is, it is possible to provide a laser welding method and a laser welding apparatus for a steel sheet having good productivity and welding quality.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図１は、実施の形態１に係るレーザー溶接装置を説明するための概略図である。 FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a laser welding apparatus according to the first embodiment.
実施の形態１に係るレーザー溶接装置１０は、２パスのレーザーの照射によって亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２を溶接するために使用され、ワーク保持部２０、第１レーザー溶接部３０、第２レーザー溶接部４０および制御部５０を有する。亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２は、例えば、自動車のボデーの重ね継手部を構成する。 The laser welding apparatus 10 according to the first embodiment is used for welding galvanized steel plates W 1 and W 2 by two-pass laser irradiation, and includes a workpiece holding unit 20, a first laser welding unit 30, and a second laser. A welding unit 40 and a control unit 50 are provided. The galvanized steel plates W 1 and W 2 constitute, for example, a lap joint portion of an automobile body.
ワーク保持部２０は、クランプ機構２２および駆動機構２６を有する。クランプ機構２２は、受け台２３および押圧部２４を有する。受け台２３は、亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２を載置するために使用される。押圧部２４は、受け台２３に載置される亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２を押圧して固定する（クランプする）ために使用され、亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２と当接する一端２５Ａと、駆動機構２６に連結される他端２５Ｃと、一端２５Ａと他端２５Ｃとの間に位置する軸支部２５Ｂと、を有する。したがって、他端２５Ｃが上下方向に移動（昇降）する場合、軸支部２５Ｂを中心として押圧部２４が回動し、一端２５Ａは、受け台２３に向かって近接あるいは受け台２３から離間することになる。なお、符号２８は、ストッパーを示している。 The work holding unit 20 includes a clamp mechanism 22 and a drive mechanism 26. The clamp mechanism 22 has a cradle 23 and a pressing part 24. The cradle 23 is used for placing the galvanized steel plates W 1 and W 2 . The pressing portion 24 is used to press and fix (clamp) the galvanized steel plates W 1 and W 2 placed on the cradle 23, and has one end 25 A that contacts the galvanized steel plates W 1 and W 2. The other end 25C connected to the drive mechanism 26, and the shaft support portion 25B positioned between the one end 25A and the other end 25C. Therefore, when the other end 25C moves in the vertical direction (lifts / lowers), the pressing portion 24 rotates around the shaft support portion 25B, and the one end 25A approaches or is separated from the cradle 23. Become. Reference numeral 28 denotes a stopper.
駆動機構２６は、押圧部２４の他端２５Ｃを上下方向に移動させて押圧部２４を回動させるために使用され、押圧部２４の他端２５Ｃが連結されている連結部２７を上下方向に移動させる昇降手段を有する。昇降手段は、例えば、連結部２７が取り付けられたリニアステージと、連結部２７の駆動源であるサーボモータと、を有する。 The drive mechanism 26 is used to move the other end 25C of the pressing portion 24 in the vertical direction to rotate the pressing portion 24. The driving mechanism 26 moves the connecting portion 27 to which the other end 25C of the pressing portion 24 is connected in the vertical direction. Elevating means for moving is provided. The elevating means includes, for example, a linear stage to which the connecting portion 27 is attached, and a servo motor that is a drive source for the connecting portion 27.
第１レーザー溶接部３０は、１パス目のレーザーを照射するために使用され、第１照射部３２、第１ロボットアーム３４、光ファイバー３６および本体部３８を有する。１パス目のレーザーは、シングルモードファイバーレーザーである。 The first laser welding unit 30 is used to irradiate a first-pass laser, and includes a first irradiation unit 32, a first robot arm 34, an optical fiber 36, and a main body 38. The first-pass laser is a single mode fiber laser.
第１照射部３２は、レーザーを照射するスキャナーヘッド３３を有する。スキャナーヘッド３３は、コリメータレンズ、ミラー、集光レンズ等が配置されている光学系を有しており、レーザーを走査可能に構成されている。 The 1st irradiation part 32 has the scanner head 33 which irradiates a laser. The scanner head 33 has an optical system in which a collimator lens, a mirror, a condenser lens, and the like are disposed, and is configured to be able to scan a laser.
第１ロボットアーム３４は、多軸式であり、その先端に第１照射部３２が取り付けられており、例えば、教示作業によって与えられた動作経路のデータに従って、第１照射部３２を所定位置（溶接位置）に位置決めし、溶接箇所に沿って移動させるために使用される。第１照射部３２を移動させる手段は、第１ロボットアーム３４を利用する形態に限定されない。 The first robot arm 34 is a multi-axis type, and a first irradiation unit 32 is attached to the tip of the first robot arm 34. For example, the first irradiation unit 32 is moved to a predetermined position (in accordance with data of an operation path given by teaching work). It is used to position and move along the welding location. The means for moving the first irradiation unit 32 is not limited to the form using the first robot arm 34.
光ファイバー３６は、レーザーの伝送路であり、本体部３８から第１照射部３２に向かって延長している。本体部３８は、シングルモードファイバーレーザーを生成し、光ファイバー３６を介して、第１照射部３２に伝送するために使用され、ファイバーレーザー発振器を有する。 The optical fiber 36 is a laser transmission path and extends from the main body 38 toward the first irradiation unit 32. The main body 38 is used to generate a single mode fiber laser and transmit it to the first irradiation unit 32 via the optical fiber 36, and has a fiber laser oscillator.
第２レーザー溶接部４０は、２パス目のレーザーを照射するために使用され、第２照射部４２、第２ロボットアーム４４、光ファイバー４６および本体部４８を有する。２パス目のレーザーは、ＹＡＧレーザー（イットリウム・アルミニウム・ガーネットを用いた固体レーザー）である。第２レーザー溶接部４０は、本体部４８においてＹＡＧレーザー発振器を有する点を除けば、第１レーザー溶接部３０と略一致する構成を有するため、重複を避けるため、各部４２，４４，４６，４８の説明を省略する。 The second laser welding unit 40 is used to irradiate the second-pass laser, and includes a second irradiation unit 42, a second robot arm 44, an optical fiber 46, and a main body 48. The second-pass laser is a YAG laser (solid laser using yttrium, aluminum, and garnet). The second laser weld 40 has a configuration that substantially matches the first laser weld 30 except that the main body 48 has a YAG laser oscillator. Therefore, in order to avoid duplication, the respective parts 42, 44, 46, 48 are used. The description of is omitted.
制御部５０は、例えば、マイクロプロセッサ等から構成される制御回路を有し、ワーク保持部２０、第１レーザー溶接部３０および第２レーザー溶接部４０と電気的に接続されており、ワーク保持部２０、第１レーザー溶接部３０および第２レーザー溶接部４０を制御するために使用される。 The control unit 50 includes, for example, a control circuit including a microprocessor and the like, and is electrically connected to the work holding unit 20, the first laser welding unit 30, and the second laser welding unit 40. 20, used to control the first laser weld 30 and the second laser weld 40.
レーザー溶接装置１０においては、２パス目のレーザーは１パス目のレーザーと異なるため、２パス目のレーザーを照射するレーザー溶接部を適宜選択することが可能であり、選択の自由度に優れている。 In the laser welding apparatus 10, since the second-pass laser is different from the first-pass laser, it is possible to appropriately select the laser welding portion that irradiates the second-pass laser, and the degree of freedom in selection is excellent. Yes.
第１レーザー溶接部３０は、必要に応じて、マルチモードファイバーレーザーを適用することも可能である。第２レーザー溶接部４０は、ＹＡＧレーザーを利用する形態に限定されず、例えば、ファイバーレーザーを適用することも可能である。 The first laser welded portion 30 can also apply a multimode fiber laser as necessary. The 2nd laser welding part 40 is not limited to the form using a YAG laser, For example, it is also possible to apply a fiber laser.
次に、実施の形態１に係るレーザー溶接方法を説明する。 Next, the laser welding method according to Embodiment 1 will be described.
図２は、実施の形態１に係るレーザー溶接方法を説明するためのフローチャートである。 FIG. 2 is a flowchart for explaining the laser welding method according to the first embodiment.
実施の形態１に係るレーザー溶接方法は、図２に示されるように、クランプ工程、第１位置決め工程、第１照射工程、第２位置決め工程、第２照射工程およびクランプ解除工程を有する。 As shown in FIG. 2, the laser welding method according to the first embodiment includes a clamping step, a first positioning step, a first irradiation step, a second positioning step, a second irradiation step, and a clamp releasing step.
クランプ工程においては、亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２が、ワーク保持部２０の受け台２３に配置され、駆動機構２６によって押圧部２４が回動させられることによって、押圧部２４の一端２５Ａが、受け台２３に向かって近接し、亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２を押圧して固定する（クランプする）。亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２は、例えば、板厚が０．８ｍｍであり、密着して重ねられる。 In the clamping step, the galvanized steel plates W 1 and W 2 are arranged on the cradle 23 of the work holding unit 20, and the pressing unit 24 is rotated by the drive mechanism 26, whereby one end 25 A of the pressing unit 24 is It approaches toward the cradle 23 and presses and fixes (clamps) the galvanized steel plates W 1 and W 2 . The galvanized steel plates W 1 and W 2 have, for example, a plate thickness of 0.8 mm and are closely stacked.
第１位置決め工程においては、第１ロボットアーム３４が駆動され、その先端に取り付けられている第１照射部３２が、所定位置（溶接位置）に位置決めされる。 In the first positioning step, the first robot arm 34 is driven, and the first irradiation unit 32 attached to the tip of the first robot arm 34 is positioned at a predetermined position (welding position).
第１照射工程においては、亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２に対して、１パス目のレーザー照射が実行され、亜鉛メッキ鋼板Ｗ１の表面に位置する亜鉛メッキおよび亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２の板間に面する亜鉛メッキが除去される。 In the first irradiation step, with respect to galvanized steel sheets W 1, W 2, 1 pass of the laser irradiation is performed, galvanized sheet W galvanized and galvanized steel plate W 1 located on the first surface, W 2 The galvanizing facing between the plates is removed.
１パス目のレーザーは、ファイバーレーザーであり、例えば、レーザー照射スポット径がφ１０μｍ〜５０μｍである。ファイバーレーザーは、集光性が良好であるため、レーザー照射スポットを小さく絞り、パワー密度を高めることで、溶融幅が狭く、深い溶け込みを達成することが可能であり、亜鉛メッキを除去する際に生じる亜鉛ガスにより吹き飛ばされる溶融金属量が、劇的に抑制される。 The laser of the first pass is a fiber laser, and for example, the laser irradiation spot diameter is φ10 μm to 50 μm. The fiber laser has good condensing properties, so it is possible to achieve a deep penetration by narrowing the laser irradiation spot and increasing the power density. The amount of molten metal blown off by the generated zinc gas is dramatically suppressed.
なお、ファイバーレーザーは、シングルモードである。この場合、レーザーの断面強度分布がガウス分布であり、高密度に集光できるため、レーザー照射スポットを小さく絞り、パワー密度を高めることが容易である。 The fiber laser is single mode. In this case, since the cross-sectional intensity distribution of the laser is a Gaussian distribution and light can be condensed with high density, it is easy to narrow the laser irradiation spot and increase the power density.
第２位置決め工程においては、第１ロボットアーム３４が、第２ロボットアーム４４の動作と干渉しない退避位置に移動すると、第２ロボットアーム４４が駆動され、その先端に取り付けられている第２照射部４２が、所定位置（溶接位置）に位置決めされる。 In the second positioning step, when the first robot arm 34 moves to a retracted position that does not interfere with the operation of the second robot arm 44, the second robot arm 44 is driven and attached to the tip of the second irradiation unit. 42 is positioned at a predetermined position (welding position).
第２照射工程においては、２パス目のレーザー照射が実行され、強度を得るための本溶接が行われる。２パス目のレーザーは、ＹＡＧレーザーである。 In the second irradiation step, laser irradiation of the second pass is executed, and main welding for obtaining strength is performed. The second-pass laser is a YAG laser.
第２照射工程に先行する第１照射工程において、上記のように、亜鉛メッキを除去する際に生じる亜鉛ガスにより吹き飛ばされる溶融金属量が、劇的に抑制されるため、強度を得るための本溶接である２パス目のレーザーの照射の際、焦点位置をずらすことでレーザー照射スポットを拡大しかつ溶接速度を低下させて広範囲を溶融させることが不要であり、溶接品質を維持しながら、溶接速度（生産性）の低下を抑制することができる。 In the first irradiation step preceding the second irradiation step, as described above, the amount of molten metal blown away by the zinc gas generated when removing the zinc plating is dramatically suppressed, so that a book for obtaining strength is obtained. upon irradiation of an a second pass of the laser welding, and decreases the enlarged and welding speed of the laser irradiation spot by shifting the focal position is no need to melt a wide range, while maintaining welding quality, A decrease in welding speed (productivity) can be suppressed.
クランプ解除工程においては、駆動機構２６によって押圧部２４が回動させられることによって、押圧部２４の一端２５Ａが、受け台２３から離間し、亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２の押圧（クランプ）が解除される。そして、溶接された亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２が取り出される。 In the clamp releasing step, the pressing portion 24 is rotated by the drive mechanism 26, whereby one end 25A of the pressing portion 24 is separated from the cradle 23, and the galvanized steel plates W 1 and W 2 are pressed (clamped). Canceled. Then, the welded galvanized steel plates W 1 and W 2 are taken out.
次に、第１照射工程および第２照射工程を詳述する。 Next, the first irradiation process and the second irradiation process will be described in detail.
図３は、図２に示される第１照射工程を説明するための断面図、図４は第１照射工程におけるレーザー照射スポットの軌跡を説明するための平面図、図５は、図２に示される第２照射工程を説明するための断面図、図６は、第２照射工程におけるレーザー照射スポットの軌跡を説明するための平面図である。 3 is a cross-sectional view for explaining the first irradiation step shown in FIG. 2, FIG. 4 is a plan view for explaining the locus of the laser irradiation spot in the first irradiation step, and FIG. 5 is shown in FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the second irradiation step, and FIG. 6 is a plan view for explaining the locus of the laser irradiation spot in the second irradiation step.
第１照射工程においては、図３および図４に示されるように、亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２に対して、第１照射部３２から１パス目のシングルモードファイバーレーザー９２が照射される。 In the first irradiation step, as shown in FIGS. 3 and 4, the first-pass single mode fiber laser 92 is irradiated from the first irradiation unit 32 to the galvanized steel plates W 1 and W 2 .
照射条件は、貫通溶接となるように設定されており、レーザー出力が５００Ｗ、レーザー照射スポット径がφ３０μｍ、溶接速度（第１照射部３２の移動速度）が４ｍ／ｍｉｎである。 The irradiation conditions are set to be through welding, the laser output is 500 W, the laser irradiation spot diameter is φ30 μm, and the welding speed (movement speed of the first irradiation unit 32) is 4 m / min.
レーザー照射スポットは鉄の融点以上に加熱されているため、レーザー照射スポットおよびその周辺の温度が上昇し、高温領域９０（図４参照）が形成される。そして、亜鉛メッキ鋼板Ｗ１の鋼材７０表面に位置する亜鉛メッキ７５および亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２の板間に面する（鋼材７０間に位置する）亜鉛メッキ７５が気化して除去される。亜鉛メッキ７５が気化してなる亜鉛ガスは、溶融金属を吹き飛ばし、例えば、ポロシティ８５を発生させる。しかし、レーザーは、シングルモードファイバーレーザーであり、レーザー照射スポットが狭く、溶融金属量が劇的に少ないため、レーザー照射スポットの軌跡９２に沿って形成される溶接ビード８０の幅は０．３ｍｍ程度となり、溶接金属の飛散は少ない。 Since the laser irradiation spot is heated to the melting point of iron or higher, the temperature of the laser irradiation spot and its surroundings rises, and a high temperature region 90 (see FIG. 4) is formed. Then, (located between the steel 70) galvanized steel W galvanized 75 and galvanized steel plate W 1 located steel 70 surface of the 1, W facing the second plates galvanized 75 is removed by vaporizing . The zinc gas obtained by vaporizing the zinc plating 75 blows away the molten metal, and generates porosity 85, for example. However, since the laser is a single mode fiber laser and the laser irradiation spot is narrow and the amount of molten metal is dramatically small, the width of the weld bead 80 formed along the locus 92 of the laser irradiation spot is about 0.3 mm. Therefore, there is little scattering of the weld metal.
また、亜鉛メッキの除去領域を拡大し、２パス目の本溶接の品質を安定化させるため、レーザー照射スポットの軌跡９２は、複数本の離間した直線（図４参照）を描くように制御される。実施の形態１においては、スキャナーヘッド３３のレーザー走査角度を変化させながら、第１照射部３２を溶接方向に移動させることを、３回繰り返すことによって、実施されているが、繰り返し回数は、３回に限定されない。また、亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２の板厚が厚くなると、溶接速度を落として入熱量を増やす必要があり、その場合、１パス目で除去しておく必要がある亜鉛メッキの領域が大きくなるが、そういう場合にも対応可能となる。 Further, in order to enlarge the galvanized removal area and stabilize the quality of the second-pass main welding, the locus 92 of the laser irradiation spot is controlled to draw a plurality of spaced straight lines (see FIG. 4). The In the first embodiment, moving the first irradiation unit 32 in the welding direction while changing the laser scanning angle of the scanner head 33 is repeated three times. However, the number of repetitions is three. It is not limited to times. Further, when the plate thickness of the galvanized steel plates W 1 and W 2 is increased, it is necessary to reduce the welding speed and increase the heat input, and in that case, the galvanized region that needs to be removed in the first pass is large. However, it is possible to cope with such a case.
第２照射工程においては、図５に示されるように、亜鉛メッキ７５が除去された亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２に対して、第２照射部４２から２パス目のＹＡＧレーザー９４が照射される。レーザー照射スポットの軌跡９４は、図６に示されるように、シングルモードファイバーレーザー９２のレーザー照射スポットの３本の軌跡９２における中央に位置するものと、重なるように制御される。照射条件は、貫通溶接となるように設定されており、例えば、レーザー出力が４０００Ｗ、レーザー照射スポット径がφ６００μｍ、溶接速度（第２照射部４２の移動速度）が４ｍ／ｍｉｎである。 In the second irradiation step, as shown in FIG. 5, the second-pass YAG laser 94 is irradiated from the second irradiation unit 42 to the galvanized steel plates W 1 and W 2 from which the galvanized 75 has been removed. The As shown in FIG. 6, the locus 94 of the laser irradiation spot is controlled so as to overlap with the center of the three locus 92 of the laser irradiation spot of the single mode fiber laser 92. The irradiation conditions are set so as to be through welding. For example, the laser output is 4000 W, the laser irradiation spot diameter is φ600 μm, and the welding speed (moving speed of the second irradiation unit 42) is 4 m / min.
この際、第１照射工程における溶融金属の減少が少ないので、第１照射工程において減少した金属を埋めるための対策が不要となる。したがって、レーザー照射スポットを拡大するために溶接速度を落とす等の対策を実施しなくとも、良好な溶接部が得ること可能である。 At this time, since the reduction of the molten metal in the first irradiation process is small, a measure for filling the metal reduced in the first irradiation process becomes unnecessary. Therefore, it is possible to obtain a good welded part without taking measures such as reducing the welding speed in order to enlarge the laser irradiation spot.
一方、図７に示される比較例においては、第１照射工程において、亜鉛メッキ鋼板Ｗ１，Ｗ２に対して、シングルモードファイバーレーザーの代わりにＹＡＧレーザーを照射した。照射条件は、貫通溶接となるように設定されており、レーザー出力が４０００Ｗ、レーザー照射スポット径がφ６００μｍ、溶接速度が４ｍ／ｍｉｎである。この場合、実施の形態１（図３）と比べ、照射幅（レーザー照射スポット）が広く、溶融金属量が多いため、溶接金属の飛散は多く、材料が大幅に減少する結果となった。 On the other hand, in the comparative example shown in FIG. 7, in the first irradiation step, the galvanized steel sheets W 1 and W 2 were irradiated with a YAG laser instead of the single mode fiber laser. The irradiation conditions are set so as to be through welding, the laser output is 4000 W, the laser irradiation spot diameter is φ600 μm, and the welding speed is 4 m / min. In this case, compared with Embodiment 1 (FIG. 3), since the irradiation width (laser irradiation spot) is wide and the amount of molten metal is large, there is much scattering of the weld metal, resulting in a significant reduction in material.
第２照射工程において、第１照射工程において減少した金属を埋めて良好な溶接部を得るため、レーザー照射スポットを拡大し、速度を落とす等の対策が必要となる。そのため、照射条件として、レーザー出力を２０００Ｗ、レーザー照射スポット径を１０００μｍ、溶接速度を２ｍ／ｍｉｎを適用した。その結果、部分的にポロシティ８５が発生したが、比較的良好な溶接部が得られた。 In the second irradiation process, in order to fill the metal reduced in the first irradiation process and obtain a good weld, it is necessary to take measures such as expanding the laser irradiation spot and reducing the speed. Therefore, as the irradiation conditions, a laser output of 2000 W, a laser irradiation spot diameter of 1000 μm, and a welding speed of 2 m / min were applied. As a result, porosity 85 was partially generated, but a relatively good weld was obtained.
つまり、比較例に係る第２照射工程の溶接速度は、２ｍ／ｍｉｎであり、実施の形態１に係る第２照射工程の溶接速度は、４ｍ／ｍｉｎであり、実施の形態１は、比較例に比べ、２倍の溶接速度（生産性）を達成することが可能であった。 That is, the welding speed of the second irradiation process according to the comparative example is 2 m / min, the welding speed of the second irradiation process according to the first embodiment is 4 m / min, and the first embodiment is a comparative example. It was possible to achieve twice the welding speed (productivity).
以上のように、実施の形態１においては、１パス目のレーザーとして適用されるファイバーレーザーは、集光性が良好であるため、レーザー照射スポットを小さく絞り、パワー密度を高めることで、溶融幅が狭く、深い溶け込みを達成することが可能であり、亜鉛メッキを除去する際に生じる亜鉛ガスにより吹き飛ばされる溶融金属量が、劇的に抑制される。したがって、強度を得るための本溶接である２パス目のレーザーの照射の際、焦点位置をずらすことでレーザー照射スポットを拡大しかつ溶接速度を低下させて広範囲を溶融させることが不要であり、溶接品質を維持しながら、溶接速度（生産性）の低下を抑制することができる。つまり、良好な生産性および溶接品質を有する鋼板のレーザー溶接方法およびレーザー溶接装置を提供することが可能である。 As described above, in the first embodiment, since the fiber laser applied as the first-pass laser has good condensing properties, the laser irradiation spot is narrowed down to increase the power density. Narrow and deep penetration can be achieved, and the amount of molten metal blown away by the zinc gas generated when removing the zinc plating is dramatically suppressed. Therefore, it is not necessary to melt the wide area by expanding the laser irradiation spot and reducing the welding speed by shifting the focal position when irradiating the second pass of laser, which is the main welding for obtaining strength. While maintaining the welding quality, it is possible to suppress a decrease in welding speed (productivity). That is, it is possible to provide a laser welding method and a laser welding apparatus for a steel sheet having good productivity and welding quality.
ファイバーレーザーが、シングルモードである場合、レーザーの断面強度分布がガウス分布であり、高密度に集光できるため、１パス目のレーザー照射スポットを小さく絞り、パワー密度を高めることが容易である。 When the fiber laser is in a single mode, the cross-sectional intensity distribution of the laser is a Gaussian distribution and can be condensed with high density, so that it is easy to reduce the first-pass laser irradiation spot and increase the power density.
１パス目のレーザーを、レーザー照射スポットの軌跡が複数本の離間した直線を描くように照射する場合、亜鉛メッキが除去される領域を拡大することが可能である。 When the laser of the first pass is irradiated so that the locus of the laser irradiation spot draws a plurality of separated straight lines, it is possible to enlarge the area where the galvanization is removed.
２パス目のレーザーは、１パス目のレーザーと異なるため、２パス目のレーザーを照射するレーザー溶接部を適宜選択することが可能であり、選択の自由度に優れている。 Since the second-pass laser is different from the first-pass laser, it is possible to appropriately select a laser welded portion that irradiates the second-pass laser, and the flexibility of selection is excellent.
次に、実施の形態２および実施の形態３を説明する。 Next, Embodiment 2 and Embodiment 3 will be described.
図８および図９は、実施の形態２および実施の形態３を説明するための平面図である。 8 and 9 are plan views for explaining the second embodiment and the third embodiment.
第１照射工程における亜鉛メッキの除去領域の拡大は、レーザー照射スポットの軌跡を複数本の離間した直線を描くよう制御することで実施する形態に限定されない。 The enlargement of the galvanized removal region in the first irradiation step is not limited to an embodiment in which the locus of the laser irradiation spot is controlled to draw a plurality of spaced straight lines.
例えば、第１照射部３２を溶接方向に移動させながら、スキャナーヘッド３３からのレーザーが円を描くように走査することで、図８に示されるように、レーザー照射スポットの軌跡９２が螺旋を描くように制御して、亜鉛メッキの除去領域を拡大することが可能である。また、第１照射部３２を溶接方向に移動させながら、スキャナーヘッド３３からのレーザーが溶接方向に直交する方向に往復運動するように走査することで、図９に示されるように、レーザー照射スポットの軌跡９２がジグザクを描くように制御して、亜鉛メッキの除去領域を拡大することも可能である。 For example, by moving the first irradiation unit 32 in the welding direction and scanning the laser from the scanner head 33 so as to draw a circle, the locus 92 of the laser irradiation spot draws a spiral as shown in FIG. Thus, it is possible to enlarge the removal area of galvanization. Further, as shown in FIG. 9, a laser irradiation spot is obtained by scanning the laser beam from the scanner head 33 so as to reciprocate in a direction perpendicular to the welding direction while moving the first irradiation unit 32 in the welding direction. It is also possible to enlarge the removal area of the galvanization by controlling so that the locus 92 is zigzag.
以上のように、実施の形態２および実施の形態３においては、１パス目のレーザー照射スポットの軌跡を、ジグザクあるいは螺旋を描くように制御することによって、亜鉛メッキが除去される領域が拡大される。 As described above, in the second and third embodiments, by controlling the locus of the laser irradiation spot in the first pass so as to draw a zigzag or a spiral, the region where the galvanization is removed is enlarged. The
次に、実施の形態４を説明する。 Next, a fourth embodiment will be described.
図１０および図１１は、実施の形態４を説明するための概略図および断面図である。 10 and 11 are a schematic view and a cross-sectional view for explaining the fourth embodiment.
第１レーザー溶接部３０は、第１照射工程にのみ適用する形態に限定されず、第２照射工程にも適用し、２パス目のレーザー溶接部として使用することによって、図１０に示されるように、第２レーザー溶接部４０を省略することが可能である。この場合、第１レーザー溶接部３０は、２パス目のレーザーを照射する際、焦点位置をずらすことによってレーザー照射スポットを増大させ得るように構成される。 The first laser welded portion 30 is not limited to a mode that is applied only to the first irradiation step, but is also applied to the second irradiation step and used as a second-pass laser welded portion, as shown in FIG. In addition, the second laser weld 40 can be omitted. In this case, the first laser weld 30 is configured to increase the laser irradiation spot by shifting the focal position when irradiating the second-pass laser.
例えば、第１照射工程において、１パス目のシングルモードファイバーレーザー９２のレーザー照射スポット径をφ１０μｍ〜５０μｍに設定し、第２照射工程において、２パス目のシングルモードファイバーレーザー９４のレーザー照射スポット径がφ６００μｍ程度になるように、レーザーの焦点位置を意図的にはずすことで、本溶接を実施することが可能である。 For example, in the first irradiation step, the laser irradiation spot diameter of the single mode fiber laser 92 in the first pass is set to φ10 μm to 50 μm, and in the second irradiation step, the laser irradiation spot diameter of the single mode fiber laser 94 in the second pass is set. It is possible to carry out the main welding by intentionally removing the focal position of the laser so that the diameter becomes about φ600 μm.
以上のように、実施の形態４においては、焦点位置をずらすことによってレーザー照射スポットを増大させ得るように第１レーザー溶接部が構成されており、１パス目と２パス目のレーザー溶接部が同一であるため、設備コストを削減することが可能である。 As described above, in the fourth embodiment, the first laser welded portion is configured so that the laser irradiation spot can be increased by shifting the focal position, and the first and second pass laser welded portions are formed. Since they are the same, the equipment cost can be reduced.
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、溶接される鋼板は、両面に亜鉛メッキが施された亜鉛メッキ鋼板に限定されず、一方の面のみに亜鉛メッキが施された鋼板も可能である。また、２枚に限定せず、３枚以上重ね合わせることも可能である。また、亜鉛メッキ鋼板は、密着して重ね合わせる形態に限定されず、例えば、必要に応じて、部品形状の工夫やエンボスを設定すること等により、亜鉛メッキ鋼板の板間に、亜鉛ガスを逃がすための隙間を空けることも可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims. For example, the steel plate to be welded is not limited to a galvanized steel plate that is galvanized on both sides, and a steel plate that is galvanized only on one side is also possible. In addition, the number is not limited to two, and three or more can be overlapped. In addition, the galvanized steel sheet is not limited to a form in which the galvanized steel sheets are in close contact with each other. For example, if necessary, the galvanized steel sheet escapes between the galvanized steel sheets by setting a device shape or embossing. It is also possible to leave a gap for this.
１０ レーザー溶接装置、
２０ ワーク保持部、
２２ クランプ機構、
２３ 受け台、
２４ 押圧部、
２５Ａ 一端、
２５Ｂ 軸支部、
２５Ｃ 他端、
２６ 駆動機構、
２７ 連結部、
２８ ストッパー、
３０ 第１レーザー溶接部、
３２ 第１照射部、
３３ スキャナーヘッド、
３４ 第１ロボットアーム、
３６ 光ファイバー、
３８ 本体部、
４０ 第２レーザー溶接部、
４２ 第２照射部、
４４ 第２ロボットアーム、
４６ 光ファイバー、
４８ 本体部、
５０ 制御部、
７０ 鋼材、
７５ 亜鉛メッキ、
８０ 溶接ビード、
８５ ポロシティ、
９０ 高温領域、
９２ １パス目のレーザー、
９２ 軌跡、
９４ ２パス目のレーザー、
９４ 軌跡、
Ｗ１，Ｗ２ 亜鉛メッキ鋼板。
10 Laser welding equipment,
20 Work holding part,
22 Clamp mechanism,
23 cradle,
24 pressing part,
25A one end,
25B shaft support,
25C the other end,
26 drive mechanism,
27 connecting part,
28 stopper,
30 First laser weld,
32 1st irradiation part,
33 Scanner head,
34 First robot arm,
36 Optical fiber,
38 body,
40 Second laser weld,
42 second irradiation section,
44 Second robot arm,
46 Optical fiber,
48 body,
50 control unit,
70 steel,
75 zinc plating,
80 weld beads,
85 Porosity,
90 high temperature region,
92 First pass laser,
92 Trajectory,
94 Second pass laser,
94 Trajectory,
W 1 and W 2 galvanized steel sheets.
Claims (12)
前記２パスのうち１パス目は、ファイバーレーザーの照射によって、前記鋼板の板間に面する亜鉛メッキを除去し、
前記２パスのうち２パス目は、前記１パス目のファイバーレーザーの照射スポット径より大きい照射スポット径を有するレーザーの照射によって、前記１パス目で前記亜鉛メッキが除去された領域に位置する溶接箇所を本溶接するようにしており、
前記１パス目のファイバーレーザーの照射スポットの軌跡は、前記亜鉛メッキが除去される領域を拡大するため、前記２パス目のレーザーの照射スポットの軌跡と重ならない部分も有する
ことを特徴とする鋼板のレーザー溶接方法。 Laser welding of a steel plate in which galvanizing is applied to at least one surface, and at least two steel plates that are overlapped so that the one surface to which the galvanizing is applied are opposed to each other by two-pass laser irradiation A method,
First pass of the two passes, by irradiation of the fiber laser to remove galvanized facing plates of the steel sheet,
Of the two passes, the second pass is a weld located in a region where the galvanization has been removed in the first pass by irradiation with a laser having an irradiation spot diameter larger than that of the fiber laser in the first pass. We are trying to make the main welding
The trajectory of the first-pass fiber laser irradiation spot has a portion that does not overlap with the trajectory of the second-pass laser irradiation spot in order to enlarge the region from which the galvanization is removed. Laser welding method.
前記複数本の離間した直線は、前記２パス目のレーザーの照射スポットの軌跡と重ならない直線を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の鋼板のレーザー溶接方法。 The locus of the irradiation spot of the first-pass fiber laser is configured to draw a plurality of spaced straight lines ,
2. The method of laser welding a steel sheet according to claim 1, wherein the plurality of spaced straight lines include a straight line that does not overlap a locus of an irradiation spot of the laser beam in the second pass .
前記溶接手段を制御する制御部と、を有し、
前記溶接手段は、
前記２パスのうち１パス目のファイバーレーザーの照射によって、前記鋼板の板間に面する亜鉛メッキを除去する第１レーザー照射手段と、
前記１パス目のファイバーレーザーの照射スポット径より大きい照射スポット径を有する、前記２パスのうち２パス目のレーザーの照射によって、前記１パス目で前記亜鉛メッキが除去された領域に位置する溶接箇所を本溶接する第２レーザー照射手段と、を有し、
前記制御部は、前記亜鉛メッキが除去される領域を拡大するため、前記１パス目のファイバーレーザーの照射スポットの軌跡が、前記２パス目のレーザーの照射スポットの軌跡と重ならない部分も有するように、前記溶接手段を制御するように構成されている
ことを特徴とする鋼板のレーザー溶接装置。 Welding means for welding at least two steel plates that are galvanized on at least one surface and are overlapped so that the one surface on which the galvanization is performed are opposed to each other by laser irradiation of two passes ;
A control unit for controlling the welding means ,
The welding means includes
A first laser irradiation means for removing galvanization facing between the plates of the steel sheet by irradiation of a fiber laser of the first pass of the two passes ;
Welding having an irradiation spot diameter larger than the irradiation spot diameter of the first-pass fiber laser and located in a region where the galvanization has been removed in the first pass by the second-pass laser irradiation of the two passes. A second laser irradiation means for performing main welding of the location,
In order to enlarge the area from which the galvanization is removed, the controller has a portion where the locus of the first laser beam spot does not overlap the locus of the second laser beam spot. Further, a laser welding apparatus for a steel plate, characterized in that the welding means is controlled .
前記スキャナーヘッドは、ファイバーレーザーの走査角度を変化可能であり、
前記制御部は、前記１パス目のファイバーレーザーの照射スポットの軌跡が、複数本の離間した直線を描き、かつ、前記複数本の離間した直線が、前記２パス目のレーザーの照射スポットの軌跡と重ならない直線を含むように、前記第１レーザー照射手段および前記スキャナーヘッドを制御するように構成されている
ることを特徴とする請求項６に記載の鋼板のレーザー溶接装置。 The first laser irradiation means has a scanner head that scans the fiber laser of the first pass, and is movable in the welding direction,
The scanner head, Ri changeable der scanning angle of the fiber laser,
In the control unit, the locus of the irradiation spot of the first-pass fiber laser draws a plurality of separated straight lines, and the plurality of separated straight lines represent the locus of the irradiation spot of the laser of the second pass. The steel plate laser welding apparatus according to claim 6 , wherein the first laser irradiation unit and the scanner head are controlled so as to include a straight line that does not overlap with the laser beam .
前記スキャナーヘッドは、円を描くように走査可能であり、
前記制御部は、前記１パス目のファイバーレーザーの照射スポットの軌跡が、前記２パス目のレーザーの照射スポットの軌跡と交差して螺旋を描くように、前記第１レーザー照射手段および前記スキャナーヘッドを制御するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の鋼板のレーザー溶接装置。 The first laser irradiation means has a scanner head that scans the fiber laser of the first pass, and is movable in the welding direction,
The scanner head, Ri scannable der in a circular motion,
The control unit includes the first laser irradiation unit and the scanner head so that a locus of the irradiation spot of the first-pass fiber laser intersects with a locus of the irradiation spot of the second-pass laser and draws a spiral. The apparatus for laser welding a steel sheet according to claim 6 , wherein the apparatus is configured to control the above .
前記スキャナーヘッドは、溶接方向に直交する方向に往復運動するように走査可能であり、
前記制御部は、前記１パス目のファイバーレーザーの照射スポットの軌跡が、前記２パス目のレーザーの照射スポットの軌跡と交差してジグザクを描くように、前記第１レーザー照射手段および前記スキャナーヘッドを制御するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の鋼板のレーザー溶接装置。 The first laser irradiation means has a scanner head that scans the fiber laser of the first pass, and is movable in the welding direction,
The scanner head, Ri scannable der to reciprocate in a direction perpendicular to the welding direction,
The control unit includes the first laser irradiation unit and the scanner head so that a locus of the irradiation spot of the first-pass fiber laser intersects with a locus of the irradiation spot of the second-pass laser and draws a zigzag. The apparatus for laser welding a steel sheet according to claim 6 , wherein the apparatus is configured to control the above .
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