JP6383952B2

JP6383952B2 - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JP6383952B2
Application number: JP2016505063A
Authority: JP
Inventors: 範幸松岡; 康士向井; 篤寛川本; 潤司藤原; 中川　龍幸; 龍幸中川
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2035-02-24
Also published as: EP3020502B1; EP3020502A1; CN105555465B; US10471540B2; US20160354867A1; WO2015129248A1; JPWO2015129248A1; EP3020502A4; CN105555465A

Description

本開示は、レーザ光をらせん状に走査しながら加工物に照射するレーザ溶接方法に関する。

レーザ溶接は、レーザ光を接合したい２つの加工物の接合部に照射することによって、レーザ光のエネルギーによって照射部の加工物を溶融して接合する。レーザ溶接は、加工物との物理的な接触を行わないため高速に溶接を行うことができる。また、レーザ溶接は、レーザ光のエネルギー密度が高いため、熱による影響を加工物の狭い範囲に収めて溶接を行うことができる。

一方、レーザ溶接では、溶接される領域となるビードの幅が狭い。そのため、レーザ光の狙いずれの裕度が狭く、加工物におけるレーザ光の照射部の精度が要求される。加工物におけるレーザ光の照射部の精度が悪い場合、レーザ光の狙いずれによる融合不良が発生し易い。これに対応するため、以下の方法が知られている。

例えば、特許文献１には、予め加工物にＶ形開先溝を形成し、このＶ型開先溝にレーザ光を照射するレーザ溶接方法について記載されている。また、特許文献２には、レーザ光をらせん状に走査するレーザ溶接方法について記載されている。また、特許文献３には、レーザ光を円や楕円の軌跡を描くように回転走査するレーザ溶接方法について記載されている。

特開昭６１−１６９１８４号公報特開昭５４−１１６３５６号公報特開平８−１９２２８６号公報

しかし、特許文献１に記載のレーザ溶接方法では、予め加工物に開先加工をする必要があり、工数が増える。また、加工物によっては、開先加工ができない場合もある。特許文献２や特許文献３に記載のレーザ溶接方法では、レーザ光が照射される領域の中心線に対して、加工物の溶け方が左右非対称になる。従って、レーザ光を照射する狙いずれの裕度も左右非対称になる。また、加工物の溶け方が左右非対称になるため、エネルギーが過剰に供給される領域では加工物の溶け落ちが発生し易い。

上記課題を解決するために、本開示の一側面におけるレーザ溶接方法は、加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を有する。らせん状は、円形状にレーザ光を移動させる円軌道と、溶接箇所に沿う進行方向にレーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものである。また、円軌道において進行方向の成分を有するように移動するレーザ光の第１のエネルギーは、円軌道において進行方向とは反対方向の成分を有するように移動するレーザ光の第２のエネルギーよりも大きい。

また、本開示の別の一側面におけるレーザ溶接方法は、加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を有する。らせん状は、円形状にレーザ光を移動させる円軌道と、溶接箇所に沿う進行方向にレーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものである。また、円軌道において進行方向におけるレーザ光の第３のエネルギーは、円軌道において進行方向とは反対方向におけるレーザ光の第４のエネルギーよりも大きい。

また、本開示のさらに別の一側面におけるレーザ溶接方法は、加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を有する。らせん状は、円形状にレーザ光を移動させる円軌道と、溶接箇所に沿う進行方向にレーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものである。また、円軌道において進行方向におけるレーザ光の第３のエネルギーは、円軌道において進行方向とは反対方向におけるレーザ光の第４のエネルギーよりも小さい。

本開示のレーザ溶接方法では、レーザ光が照射される領域の中心線に対して、加工物の溶け方が左右均等になる。従って、レーザ光を照射する狙いずれの裕度も左右均等になる。また、加工物の溶け方が左右均等であるため、加工物の溶け落ちを抑制できる。

図１は、実施の形態１〜５におけるレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。図２は、実施の形態１〜５における、レーザ光をらせん状に照射した軌跡を示す図である。図３は、実施の形態１におけるレーザ光の円軌道におけるエネルギーを示す図である。図４は、実施の形態１における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して矩形状に変化する波形を示すグラフである。図５は、実施の形態１における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して台形状に変化する波形を示すグラフである。図６は、実施の形態１における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して山形に変化する波形を示すグラフである。図７は、実施の形態１における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対してパルス波と連続波を組み合わせた波形を示すグラフである。図８は、実施の形態１における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して、パルスのデューティー比が変化する波形を示すグラフである。図９は、実施の形態１における、レーザ光の回転速度が、座標回転角θに対して矩形状に変化する波形を示すグラフである。図１０は、実施の形態１における、レーザ光の回転速度が、座標回転角θに対して台形状に変化する波形を示すグラフである。図１１は、実施の形態１における、レーザ光の回転速度が、座標回転角θに対して山形に変化する波形を示すグラフである。図１２は、実施の形態２におけるレーザ光の円軌道におけるエネルギーを示す図である。図１３は、実施の形態２における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して矩形状に変化する波形を示すグラフである。図１４は、実施の形態２における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して台形状に変化する波形を示すグラフである。図１５は、実施の形態２における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して山形に変化する波形を示すグラフである。図１６は、実施の形態２における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対してパルス波と連続波を組み合わせた波形を示すグラフである。図１７は、実施の形態２における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して、パルスのデューティー比が変化する波形を示すグラフである。図１８は、実施の形態２における、レーザ光の回転速度が、座標回転角θに対して矩形状に変化する波形を示すグラフである。図１９は、実施の形態２における、レーザ光の回転速度が、座標回転角θに対して台形状に変化する波形を示すグラフである。図２０は、実施の形態２における、レーザ光の回転速度が、座標回転角θに対して山形に変化する波形を示すグラフである。図２１は、実施の形態１〜５における、レーザ光をらせん状に照射した軌跡を示す図である。図２２は、実施の形態３におけるレーザ光の円軌道におけるエネルギーを示す図である。図２３は、実施の形態４におけるレーザ光の円軌道におけるエネルギーを示す図である。図２４は、実施の形態５におけるレーザ光の円軌道におけるエネルギーを示す図である。

（実施の形態１）
図１を用いて、本実施の形態におけるレーザ溶接装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態におけるレーザ溶接装置１の概略構成を示す図である。

図１において、レーザ溶接装置１は、制御部２と、レーザ発振器３と、光ファイバ４と、レーザ照射ヘッド５と、ロボット６とを有する。

レーザ溶接装置１において、制御部２は、レーザ発振器３とレーザ照射ヘッド５とロボット６とに接続され、レーザ発振器３とレーザ照射ヘッド５とロボット６との動作を制御する。なお、制御部２は、レーザ発振器３が出力するレーザ光のエネルギーを切り替える出力切替部７を有している。レーザ発振器３は、制御部２からの指令に基づいて、レーザ光８を出力する。光ファイバ４は、レーザ発振器３およびレーザ照射ヘッド５に接続され、レーザ光８をレーザ発振器３からレーザ照射ヘッド５に伝送する。レーザ照射ヘッド５は、ロボット６のアームの先端に取り付けられ、制御部２からの指令に基づいて、レーザ光８を加工物９に照射する。ロボット６は、制御部２からの指令に基づいて、レーザ照射ヘッド５を移動させる。

次に、図１を用いて、レーザ溶接を行う際のレーザ溶接装置１の動作について説明する。レーザ発振器３から出力されたレーザ光８は、光ファイバ４を通ってレーザ照射ヘッド５に入る。レーザ照射ヘッド５は、内部に設けられたレンズ（図示せず）により、レーザ光８を集光し、加工物９に照射する。さらに、レーザ照射ヘッド５は、内部に設けられたプリズム（図示せず）を回転させることにより、レーザ光８を円軌道となるように回転移動させることができる。

また、ロボット６によって、レーザ照射ヘッド５を移動させる。これにより、加工物９における溶接領域において、レーザ光８の照射位置を移動させることができる。このように、制御部２がレーザ発振器３とレーザ照射ヘッド５とロボット６とを同時に制御することにより、レーザ光８の照射位置を、加工物９においてらせん状に移動させることができる。なお、本実施の形態では、レーザ照射ヘッド５およびロボット６によって、レーザ光８の照射位置を移動させているが、らせん状の軌道でレーザ照射位置を変更できれば、ガルバノスキャナなどを用いても本開示のレーザ溶接方法を行うことができる。

次に、図２を用いて、らせん状にレーザ光８を加工物９に照射するレーザ溶接について説明する。図２は、本実施の形態における、レーザ光８をらせん状に照射した軌跡を示す図である。

まず、らせん状にレーザ光８を加工物９に照射する方法について説明する。レーザ溶接装置１のレーザ照射ヘッド５は、レーザ光８を円形状に移動させることができる。すなわち、レーザ光８を「円軌道」を描くように移動させることができる。図２においては、半径Ｒの円形状にレーザ光８を移動させるものであり、右回り（時計回り）に移動させるものである。また、レーザ光８の円形状の移動速度をｒ（ｍ／ｍｉｎ）とする。

さらに、レーザ溶接装置１のロボット６は、レーザ光８を溶接箇所に沿って、直線状または曲線状に移動させることができる。すなわち、レーザ光８を「移動軌道」を描くように溶接進行方向に移動させることができる。図２においては、直線状の中央線２１に沿ってレーザ光８の照射位置を上向きに移動させるものである。また、このレーザ光８の直線状の移動速度をｖ（ｍ／ｍｉｎ）とする。

そして、この円軌道の移動と移動軌道の移動を同時に行うことで、図２に示すように、らせん状にレーザ光８の照射位置を移動させることができる。なお、レーザ光８が照射される領域は、進行方向に向かって左側の左境界線２２と進行方向に向かって右側の右境界線２３との間となる。

次に、らせん状にレーザ光８を照射した場合に、レーザ光８の照射領域における加工物９の溶融について説明する。

まず、溶接進行方向に向かって左側である、中央線２１と左境界線２２との間の左加工領域２４について説明する。レーザ光８の照射位置（以下、単に照射位置とする）は、円軌道によって半円を描く間に溶接進行方向に向かって進むことなる。すなわち、描かれた軌跡は、半径Ｒの円軌道を溶接進行方向に引き伸ばした楕円の円弧となる。また、左境界線２２における照射位置の速度は、直線状の移動速度に円形状の移動速度を加えた、ｖ＋ｒ（ｍ／ｍｉｎ）となる。なお、左加工領域２４では、左境界線２２上に限らず、円形状の移動速度ｒに直線状の移動速度ｖと同じ方向の成分が含まれることになる。

これに対して、溶接進行方向に向かって右側である、中央線２１と右境界線２３との間の右加工領域２５について説明する。照射位置は、円軌道によって半円を描く間に溶接進行方向とは反対方向に戻ることなる。すなわち、描かれた軌跡は、半径Ｒの円軌道を溶接進行方向に縮めた楕円の円弧となる。また、右境界線２３における照射位置の速度は、直線状の移動速度から円形状の移動速度を引いた、ｖ−ｒ（ｍ／ｍｉｎ）となる。なお、右加工領域２５では、右境界線２３上に限らず、円形状の移動速度ｒに直線状の移動速度ｖと反対方向の成分が含まれることになる。

つまり、らせん状にレーザ光８を照射して溶接を行う場合、溶接進行方向に対して左側になる左加工領域２４では、照射位置の軌道が大きな楕円の円弧となり、レーザ光８による加工物の溶融プールが冷え易い。一方、溶接進行方向に対して右側になる右加工領域２５では、照射位置の軌道が小さな楕円の円弧となり、レーザ光８による熱がこもり易い。従って、溶接進行方向に対して右側の方が加工物９の溶け落ちが発生し易い。そのため、レーザ光８の狙いずれ裕度は、溶接進行方向に対して右側の方が狭くなる。

次に、加工物９において溶け落ちが発生し易い箇所（位置）について説明する。らせん状にレーザ光８を照射するレーザ溶接では、一度、レーザ光８を照射した箇所に対して再度、レーザ光８を照射する箇所が生じる。図２において、Ａ部、Ｂ部、Ｃ部、Ｄ部、Ｅ部等が該当する。そして、Ｂ部やＥ部を含む範囲Ｆは、再度、レーザ光８を照射する箇所であるＢ部とＥ部が隣り合っており、また、溶接領域の中央であるため、周辺に熱が逃げにくく、極めて熱がこもり易い。つまり、範囲Ｆの部分が最も入熱が大きく、溶け落ちが発生し易い。また、Ａ部やＢ部も、前述のように、溶接進行方向に対して右側であるため、熱がこもり易く、溶け落ちし易い。一方、Ｃ部やＤ部では、前述のように、溶接進行方向に対して左側であるため、一度、レーザ光８を照射して生じた溶融プールが冷えやすく、溶け落ちが発生し難い。つまり、Ａ部、Ｂ部、Ｅ部のほうが、Ｃ部、Ｄ部よりも溶け落ちが発生し易い。また、レーザ光８の吸収率は、固相よりも液相の方が高いことが分かっている。従って、一度、レーザ光８を照射して生じた溶融プール上に再度、レーザ光８が照射されると、エネルギーが吸収され易く、溶け落ちが発生し易い。

次に、本実施の形態のレーザ溶接方法について、図３から図１１を用いて説明する。

本実施の形態のレーザ溶接方法は、レーザ光８をらせん状に走査しながら加工物９に照射し、これに併せて、レーザ光８が加工物９に与えるエネルギーを変化させるものである。

図３は、本実施の形態におけるレーザ光８の円軌道におけるエネルギーを示す図である。すなわち、らせん状の軌道から、溶接箇所に沿った溶接進行方向への移動である移動軌道を除いたものである。ここで、円軌道のレーザ光８の照射パターンのパラメータは、回転方向と、円の半径Ｒと、レーザ光８の照射位置を明確化するための座標回転角θと、回転速度（円軌道における溶接速度）である。なお、本実施の形態では、ロボット６によりレーザ照射ヘッド５を移動させながら、らせん状にレーザ光８を加工物９に照射してレーザ溶接を行う例を示している。しかし、らせん状にレーザ光８を照射することができれば、レーザ照射ヘッド５およびロボット６による移動には限らず、ガルバノスキャナであっても構わない。

図３において、座標回転角θが９０°である方向を溶接進行方向とし、回転方向は右回転（時計回り）とする。この場合、上述したように、溶接進行方向に対して右側（座標回転角θが０°側）に熱がこもりやすい。図３においては、点線で示す、座標回転角θが９０°（図３のＢ）から２７０°（図３のＡ）まで（時計回りであるため０°を経由）が溶接進行方向に対して右側である。逆に、溶接進行方向に対して左側（座標回転角θが１８０°側）は熱がこもりにくい。図３においては、実線で示す、座標回転角θが２７０°から９０°まで（時計回りであるため１８０°を経由）が溶接進行方向に対して左側である。そして、レーザ光８の照射による加工物９の溶け方のばらつきを解消するためには、点線で示された軌道におけるレーザ光８からのエネルギーの総量（第２のエネルギー）を、実線で示された軌道におけるレーザ光８からのエネルギーの総量（第１のエネルギー）よりも小さくすればよい。また、レーザ光８の照射位置が実線で示された軌道は、レーザ光８の円軌道における移動速度に、溶接進行方向の成分が含まれている状態である。逆に、レーザ光８の照射位置が点線で示された軌道は、レーザ光８の円軌道における移動速度に、溶接進行方向とは反対方向の成分が含まれている状態である。

次に、図４〜図８を用いて、レーザ光８のエネルギーを変化させる方法について説明する。図４は、レーザ光８のエネルギーが、座標回転角θに対して矩形状に変化する波形を示すグラフである。図５は、レーザ光８のエネルギーが、座標回転角θに対して台形状に変化する波形を示すグラフである。図６は、レーザ光８のエネルギーが、座標回転角θに対して山形に変化する波形を示すグラフである。図７は、レーザ光８のエネルギーが、座標回転角θに対してパルス波と連続波を組み合わせた波形を示すグラフである。図８は、レーザ光８のエネルギーが、座標回転角θに対して、パルスのデューティー比が変化する波形を示すグラフである。

まず、図４に示すように、座標回転角θが２７０°〜９０°において、レーザ光８のレーザ出力を３ｋＷとし、座標回転角θが９０°〜２７０°において、レーザ光８のレーザ出力を１ｋＷとするように、制御部２がレーザ発振器３およびレーザ照射ヘッド５とを制御する。すなわち、制御部２はレーザ照射ヘッド５のプリズムを回転させる制御を行い、座標回転角θが９０°になるときに、レーザ発振器３のレーザ出力が１ｋＷになるように制御する。制御部２はレーザ照射ヘッド５のプリズムを回転させる制御を行い、座標回転角θが２７０°になるときに、レーザ発振器３のレーザ出力が３ｋＷになるように制御する。このように、レーザ出力の波形を矩形状とすることで、図２に示すように、溶接進行方向に対して左側である左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、溶接進行方向に対して右側である右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。

なお、レーザ光８の出力は、例えば、実験等により予め決めておくようにすれば良い。また、制御部２は、動作プログラムに基づいて、レーザ照射ヘッド５の照射位置やロボット６の動作を制御しているので、座標回転角θ、すなわち、レーザ光８の円軌道における照射位置を自ら知ることできる。このような制御を行うことで、溶接進行方向に対して左右対称になるように加工物９に入熱ができ、狙いずれ裕度も左右対称となる。

また、図５に示すように、レーザ出力の波形を、座標回転角θが１８０°のときに上限である３ｋＷとなり、座標回転角θが０°のときに下限である１ｋＷとなるような台形状にしても良い。これにより、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。

また、図６に示すように、レーザ光の出力の波形を、座標回転角θが１８０°のときに上限である３ｋＷとなり、座標回転角θが０°のときに下限である１ｋＷとなるような山形にしても良い。これにより、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。

また、図７に示すように、レーザ光の出力の波形を、座標回転角θが２７０°〜９０°のときの連続波と、座標回転角θが９０°〜２７０°のときのパルス波とを組み合わせてもよい。これにより、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。

また、図８に示すように、レーザ光の出力の波形を、座標回転角θが２７０°〜９０°のときのデューティー比が、座標回転角θが９０°〜２７０°のときのデューティー比よりも大きくなるように、周波数を変えたパルス形状にしてもよい。これにより、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。

図４〜図８には、レーザ光８のエネルギーの上限を３ｋＷ、下限を１ｋＷとして説明したが、これに限られるものではない。また、レーザ光８の波形が変化する場所を座標回転角θが９０°および２７０°としたが、これに限られるものではない。例えば、座標回転角θが１８０°付近においてだけレーザ光の出力が高くなり、座標回転角θが０°付近においてだけレーザ光の出力が低くなっても構わない。結果として、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量（第１のエネルギー）が、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量（第２のエネルギー）より大きくなっていれば構わない。

次に、図９〜図１１を用いて、レーザ光８の照射位置の回転速度を切換える方法について説明する。図９は、レーザ光８の回転速度が、座標回転角θに対して矩形状に変化する波形を示すグラフである。図１０は、レーザ光８の回転速度が、座標回転角θに対して台形状に変化する波形を示すグラフである。図１１は、レーザ光８の回転速度が、座標回転角θに対して山形に変化する波形を示すグラフである。レーザ光の回転速度が遅くなれば、それだけ照射位置の移動に時間がかかることになるため、結果的に多くのエネルギーを与えることになる。

まず、図９に示すように、座標回転角θが２７０°〜９０°において、レーザ光８の回転速度を５ｍ／ｍｉｎとし、座標回転角θが９０°〜２７０°において、レーザ光８の回転速度を１５ｍ／ｍｉｎとするように、制御部２がレーザ照射ヘッド５を制御する。すなわち、制御部２はレーザ照射ヘッド５のプリズムを回転させる制御を行い、座標回転角θが９０°になるときに、レーザ光８の回転速度が１５ｍ／ｍｉｎになるように制御し、座標回転角θが２７０°になるときに、レーザ光８の回転速度が５ｍ／ｍｉｎになるように制御する。このように、レーザ光８の回転速度の波形を矩形状とすることで、図２に示すように、溶接進行方向に対して左側である左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、溶接進行方向に対して右側である右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。

なお、レーザ光８の回転速度は、例えば、実験等により予め決めておくようにすれば良い。また、制御部２は、動作プログラムに基づいて、レーザ照射ヘッド５のプリズムの動作を制御しているので、座標回転角θ、すなわち、レーザ光８の実際の円軌道における照射位置を自ら知ることできる。このような制御を行うことで、溶接進行方向に対して左右対称になるように加工物９に入熱ができ、狙いずれ裕度も左右対称となる。

また、図１０に示すように、レーザ光８の回転速度の波形を、座標回転角θが１８０°のときに下限である５ｍ／ｍｉｎとなり、座標回転角θが０°のときに上限である１５ｍ／ｍｉｎとなるような台形状にしても良い。これにより、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。

また、図１１に示すように、レーザ光８の回転速度の波形を、座標回転角θが１８０°のときに下限である５ｍ／ｍｉｎとなり、座標回転角θが０°のときに上限である１５ｍ／ｍｉｎとなるような山形にしても良い。これにより、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。

図９〜図１１には、レーザ光８の回転速度の上限を１５ｍ／ｍｉｎ、下限を５ｍ／ｍｉｎとして説明したが、これに限られるものではない。また、レーザ光８の回転速度が変化する場所を座標回転角θが９０°および２７０°としたが、これに限られるものではない。例えば、座標回転角θが１８０°付近においてだけレーザ光の回転速度が遅くなり、座標回転角θが０°付近においてだけレーザ光の回転速度が速くなっても構わない。結果として、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量（第１のエネルギー）が、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量（第２のエネルギー）より大きくなっていれば構わない。

これにより、レーザ光が照射される領域の中心線に対して、加工物の溶け方が左右均等になる。従って、レーザ光を照射する狙いずれの裕度も左右均等になる。また、加工物の溶け方が左右均等であるため、加工物の溶け落ちを抑制できる。

なお、本実施の形態のレーザ溶接方法は、加工物９を突き合わせた突合せ継手に対するレーザ溶接や、加工物９をずらして重ねた重ね継手に対するレーザ溶接等に適用することができる。そして、板厚が異なる突合せ継手や重ね継手のレーザ溶接にも適用することができる。

（実施の形態２）
次に、本開示の実施の形態２について、図１２〜図２０を用いて説明する。本実施の形態において、実施の形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なる点は、溶接進行方向の前後方向におけるレーザ光のエネルギーをさらに考慮した点である。

実施の形態１では、溶接進行方向に対する左右方向において、レーザ光の照射による入熱を左右対称にするレーザ溶接方法について説明した。本実施の形態では、溶接進行方向の前後方向におけるレーザ光の照射による入熱を制御することである。これは、必ずしも溶接進行方向の前後方向においてレーザ光の照射による入熱を対称にすることを意図したものではなく、前後方向における最適な入熱のバランスを求めるものである。

溶接進行方向の前方では、未溶融の加工物９に対してレーザ光８を照射しており、溶接進行方向の後方では、溶融された加工物９もしくは、加熱された加工物９に対してレーザ光８を照射することになる。そのため、未溶融部分への入熱を高め、溶融部分もしくは、加熱部分への入熱は抑えることが好ましい。すなわち、溶接進行方向の前方である、座標回転角θが１８０°から０°まで（時計回りであるため９０°を経由）におけるレーザ光のエネルギー（第３のエネルギー）が、溶接進行方向の後方である、座標回転角θが０°から１８０°まで（時計回りであるため２７０°を経由）におけるレーザ光のエネルギー（第４のエネルギー）よりも大きいことが好ましい。

図１２は、本実施の形態におけるレーザ光８の円軌道におけるエネルギーを示す図である。図１２に示すように、本実施の形態のレーザ溶接方法では、溶接進行方向の前方および溶接進行方向に対して左側においてレーザ光によるエネルギーを高くする。例として、図１２に示すように、座標回転角θが２２５°（図１２のＣ）から４５°（図１２のＤ）まで（時計回りであるため１３５°を経由）の実線におけるレーザ光８によるエネルギーが、座標回転角θが４５°から２２５°まで（時計回りであるため３１５°を経由）の点線におけるレーザ光８のエネルギーより高くなっている。

このようなレーザ光によるエネルギー分布を行うためには、図１３〜図１７に示すようなレーザ出力の制御を行うか、図１８〜図２０に示すような回転速度の制御を行えばよい。図１３〜図１７は、実施の形態１の図４〜図８から、座標回転角θを４５°ずらした、レーザ光のレーザ出力を示すグラフである。図１８〜図２０は、実施の形態１の図９〜図１１から、座標回転角θを４５°ずらした、レーザ光の回転速度を示すグラフである。これにより、溶接進行方向に対して左側である左加工領域２４に与えるエネルギーの総量（第１のエネルギー）を、右側である右加工領域２５に与えるエネルギーの総量（第２のエネルギー）より大きくした上で、さらに、溶接進行方向の前方に与えるエネルギーの総量（第３のエネルギー）を、後方に与えるエネルギーの総量（第４のエネルギー）より大きくすることができる。なお、実施の形態１と同様に、レーザ光８のエネルギーの上限や下限、回転速度の上限や下限については、この数値に限られるわけではない。また、レーザ光のレーザ出力や回転速度が変化する場所を座標回転角θが４５°および２２５°としたが、これに限られるものではない。結果として、溶接進行方向に対する左右方向および前後方向において、上述したエネルギーの関係になっていれば構わない。

なお、本実施の形態では、座標回転角θが４５°および２２５°の位置でエネルギーを変化させた。しかし、溶接進行方向に対する左右方向のエネルギーの非対称は、溶接進行方向への移動速度による影響が大きい。そのため、図２１に示すように、溶接進行方向への移動速度が速い場合は、エネルギーを変化させる座標回転角θを４５°〜９０°および２２５°〜２７０°とすることが好ましい。すなわち、溶接進行方向に対する左右方向のエネルギーの非対称を抑制することを重視した制御が好ましい。逆に、溶接進行方向への移動速度が遅い場合は、エネルギーを変化させる座標回転角θを０°〜４５°および１８０°〜２２５°とすることが好ましい。すなわち、溶接進行方向に対する前後方向のエネルギーのバランスを重視した制御が好ましい。

これにより、レーザ光が照射される領域の中心線に対して、加工物の溶け方が左右均等になる。従って、レーザ光を照射する狙いずれの裕度も左右均等になる。また、加工物の溶け方が左右均等であるため、加工物の溶け落ちを抑制できる。さらには、加工物９の未溶融部分への入熱を高め、加工物９の溶融部分もしくは、加熱部分への入熱は抑えることが可能となる。

（実施の形態３）
次に、本開示の実施の形態３について、図２２を用いて説明する。本実施の形態において、実施の形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なる点は、実施の形態２と同様に、溶接進行方向の前後方向におけるレーザ光のエネルギーをさらに考慮した点である。さらに実施の形態２と異なる点は、溶接進行方向の前方へのレーザ光によるエネルギーの総量よりも、溶接進行方向の後方へのレーザ光によるエネルギーの総量を大きくした点である。本実施の形態も、実施の形態２と同様に、必ずしも溶接進行方向の前後方向においてレーザ光の照射による入熱を対称にすることを意図したものではなく、前後方向における最適な入熱のバランスを求めるものである。

加工物９が、例えば、亜鉛メッキ鋼板などの場合、急激に高い熱量を与えると、亜鉛蒸気が噴き出して大粒のスパッタが発生したり、ピットやブローホールなどの内部欠陥を引き起こす。そのため溶接進行方向の前方では、熱量を抑えた予熱を行って亜鉛蒸気を蒸発させ、後方で本溶接を行うことが好ましい。そのため、溶接進行方向の後方での入熱を高めることが好ましい。すなわち、溶接進行方向の後方である、座標回転角θが０°から１８０°まで（時計回りであるため２７０°を経由）におけるレーザ光のエネルギー（第４のエネルギー）が、溶接進行方向の前方である、座標回転角θが１８０°から０°まで（時計回りであるため９０°を経由）におけるレーザ光のエネルギー（第３のエネルギー）よりも大きいことが好ましい。

図２２は、本実施の形態におけるレーザ光８の円軌道におけるエネルギーを示す図である。図２２に示すように、本実施の形態のレーザ溶接方法では、溶接進行方向の後方および溶接進行方向に対して左側においてレーザ光によるエネルギーを高くする。例として、図２２に示すように、座標回転角θが３１５°（図２２のＥ）から１３５°（図２２のＦ）まで（時計回りであるため２２５°を経由）の実線におけるレーザ光８によるエネルギーが、座標回転角θが１３５°から３１５°まで（時計回りであるため４５°を経由）の点線におけるレーザ光８のエネルギーより高くなっている。

このようなレーザ光によるエネルギー分布を行うため、実施の形態１や実施の形態２で示したようにレーザ出力や回転速度の制御を行えばよい。これにより、溶接進行方向に対して左側である左加工領域２４に与えるエネルギーの総量（第１のエネルギー）を、右側である右加工領域２５に与えるエネルギーの総量（第２のエネルギー）より大きくした上で、さらに、溶接進行方向の後方に与えるエネルギーの総量（第４のエネルギー）を、前方に与えるエネルギーの総量（第３のエネルギー）より大きくすることができる。なお、実施の形態１や２と同様に、レーザ光８のレーザ出力の上限や下限、回転速度の上限や下限については、この数値に限られるわけではない。また、レーザ光のレーザ出力や回転速度が変化する場所を座標回転角θが３１５°および１３５°としたが、これに限られるものではない。結果として、溶接進行方向に対する左右方向および前後方向において、上述したエネルギーの関係になっていれば構わない。

なお、本実施の形態では、座標回転角θが３１５°および１３５°の位置でエネルギーを変化させた。しかし、溶接進行方向に対する左右方向のエネルギーの非対称は、溶接進行方向への移動速度による影響が大きい。そのため、溶接進行方向への移動速度が速い場合は、エネルギーを変化させる座標回転角θを９０°〜１３５°および２７０°〜３１５°とすることが好ましい。すなわち、溶接進行方向に対する左右方向のエネルギーの非対称を抑制することを重視した制御が好ましい。逆に、溶接進行方向への移動速度が遅い場合は、エネルギーを変化させる座標回転角θを１３５°〜１８０°および３１５°〜０°（３６０°）とすることが好ましい。すなわち、溶接進行方向に対する前後方向のエネルギーのバランスを重視した制御が好ましい。

これにより、レーザ光が照射される領域の中心線に対して、加工物の溶け方が左右均等になる。従って、レーザ光を照射する狙いずれの裕度も左右均等になる。また、加工物の溶け方が左右均等であるため、加工物の溶け落ちを抑制できる。さらに、亜鉛メッキ鋼板などの加工物９に対しても、亜鉛蒸気を適切に排出することができる。

（実施の形態４）
実施の形態２においては、溶接進行方向の左右方向と前後方向の両方を考慮したが、レーザ光８のエネルギーの左右の非対称性が問題にならない場合は、前後方向のエネルギーだけを制御しても構わない。

本実施の形態について、図２３を用いて説明する。図２３は、本実施の形態におけるレーザ光８の円軌道におけるエネルギーを示す図である。図２３に示すように、本実施の形態のレーザ溶接方法では、溶接進行方向の前方のみにおいてレーザ光によるエネルギーを高くする。図２３に示すように、座標回転角θが１８０°から０°まで（時計回りであるため９０°を経由）の実線におけるレーザ光８によるエネルギーが、座標回転角θが０°から１８０°まで（時計回りであるため２７０°を経由）の点線におけるレーザ光８のエネルギーより高くなっている。

このようなレーザ光によるエネルギー分布を行うため、実施の形態１や実施の形態２で示したようにレーザ出力や回転速度の制御を行えばよい。これにより、溶接進行方向の前方に与えるエネルギーの総量（第３のエネルギー）を、後方に与えるエネルギーの総量（第４のエネルギー）より大きくすることができる。なお、実施の形態１や２と同様に、レーザ光８のレーザ出力の上限や下限、回転速度の上限や下限については、この数値に限られるわけではない。また、レーザ光のレーザ出力や回転速度が変化する場所を座標回転角θが０°および１８０°としたが、これに限られるものではない。結果として、溶接進行方向に対する前後方向において、上述したエネルギーの関係になっていれば構わない。

これにより、加工物９の未溶融部分への入熱を高め、加工物９の溶融部分もしくは、加熱部分への入熱は抑えることが可能となる。

（実施の形態５）
実施の形態３においては、溶接進行方向の左右方向と前後方向の両方を考慮したが、レーザ光８のエネルギーの左右の非対称性が問題にならない場合は、前後方向のエネルギーだけを制御しても構わない。

本実施の形態について、図２４を用いて説明する。図２４は、本実施の形態におけるレーザ光８の円軌道におけるエネルギーを示す図である。図２４に示すように、本実施の形態のレーザ溶接方法では、溶接進行方向の後方のみにおいてレーザ光によるエネルギーを高くする。図２４に示すように、座標回転角θが０°から１８０°まで（時計回りであるため２７０°を経由）の実線におけるレーザ光８によるエネルギーが、座標回転角θが１８０°から０°まで（時計回りであるため９０°を経由）の点線におけるレーザ光８のエネルギーより高くなっている。

このようなレーザ光によるエネルギー分布を行うため、実施の形態１や実施の形態２で示したようにレーザ出力や回転速度の制御を行えばよい。これにより、溶接進行方向の後方に与えるエネルギーの総量（第４のエネルギー）を、前方に与えるエネルギーの総量（第３のエネルギー）より大きくすることができる。なお、実施の形態１や２と同様に、レーザ光８のレーザ出力の上限や下限、回転速度の上限や下限については、この数値に限られるわけではない。また、レーザ光のレーザ出力や回転速度が変化する場所を座標回転角θが０°および１８０°としたが、これに限られるものではない。結果として、溶接進行方向に対する前後方向において、上述したエネルギーの関係になっていれば構わない。

これにより、亜鉛メッキ鋼板などの加工物９に対しても、スパッタの発生や、ピットやブローホールなどの内部欠陥を防止するため、溶接進行方向の前方では、熱量を抑えた予熱を行って亜鉛蒸気を蒸発させることができる。

なお、実施の形態１〜５においては、レーザ光８の照射位置の円軌道を右回転（時計回り）として説明したが、左回転（反時計回り）であっても構わない。実施の形態１〜３においては、左回転であっても、レーザ光８の円軌道における移動速度に、溶接進行方向の成分が含まれている側のレーザ光８によるエネルギーの総量が、レーザ光８の円軌道における移動速度に、溶接進行方向とは反対方向の成分が含まれている側のレーザ光８によるエネルギーの総量よりも大きければよい。

また、実施の形態１〜５においては、レーザ光８のレーザ出力または回転速度のいずれか一方のみを変化させてレーザ光８によるエネルギーの総量を変化させたが、両方を組み合わせても構わない。また、レーザ光８のレーザ出力および回転速度を組み合わせる場合であれば、結果的にエネルギーの総量が上述した関係に制御されていれば、レーザ出力の大小関係または回転速度の高低関係が実施の形態１〜３とは逆の関係であっても構わない。例えば、実施の形態１において、左加工領域２４における回転速度が右加工領域２５における回転速度よりも速くても、左加工領域２４におけるレーザ出力が右加工領域２５におけるレーザ出力よりも大きくすることで、結果として、左加工領域２４の与えられるエネルギーの総量が右加工領域２５に与えられるエネルギーの総量よりも多ければよい。

本開示のレーザ溶接方法によれば、レーザ光が照射される領域の中心線に対して、加工物の溶け方が左右均等になる。従って、レーザ光を照射する狙いずれの裕度も左右均等になる。また、加工物の溶け方が左右均等であるため、加工物の溶け落ちを抑制でき、産業上有用である。

１レーザ溶接装置
２制御部
３レーザ発振器
４光ファイバ
５レーザ照射ヘッド
６ロボット
７出力切替部
８レーザ光
９加工物
２１中央線
２２左境界線
２３右境界線
２４左加工領域
２５右加工領域

Claims

加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を備え、
前記らせん状は、円形状に前記レーザ光を移動させる円軌道と、前記溶接箇所に沿う進行方向に前記レーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものであり、
前記円軌道において前記進行方向の成分を有するように移動する前記レーザ光の第１のエネルギーは、前記円軌道において前記進行方向とは反対方向の成分を有するように移動する前記レーザ光の第２のエネルギーよりも大きいレーザ溶接方法。
前記円軌道のうちの前記進行方向における前記レーザ光の第３のエネルギーは、前記円軌道のうちの前記進行方向とは反対側における前記レーザ光の第４のエネルギーよりも大きい請求項１に記載のレーザ溶接方法。
前記円軌道のうちの前記進行方向における前記レーザ光の第３のエネルギーは、前記円軌道のうちの前記進行方向とは反対側における前記レーザ光の第４のエネルギーよりも小さい請求項１に記載のレーザ溶接方法。
加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を備え、
前記らせん状は、円形状に前記レーザ光を移動させる円軌道と、前記溶接箇所に沿う進行方向に前記レーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものであり、
前記円軌道において前記進行方向における前記レーザ光の第３のエネルギーは、前記円軌道において前記進行方向とは反対方向における前記レーザ光の第４のエネルギーよりも大きいレーザ溶接方法。
加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を備え、
前記らせん状は、円形状に前記レーザ光を移動させる円軌道と、前記溶接箇所に沿う進行方向に前記レーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものであり、
前記円軌道において前記進行方向における前記レーザ光の第３のエネルギーは、前記円軌道において前記進行方向とは反対方向における前記レーザ光の第４のエネルギーよりも小さいレーザ溶接方法。
前記加工物は、亜鉛メッキ鋼板である請求項３または５に記載のレーザ溶接方法。
前記第３のエネルギーと前記第４のエネルギーとは、前記レーザ光の出力および前記レーザ光の前記円軌道における回転速度の少なくとも一方を変化させることによって制御される請求項２〜６のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
前記第１のエネルギーと前記第２のエネルギーとは、前記レーザ光の出力および前記レーザ光の前記円軌道における回転速度の少なくとも一方を変化させることによって制御される請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
前記レーザ光の出力の波形は、矩形状または台形状または山形である請求項７または８に記載のレーザ溶接方法。