JP6518945B2 - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置 - Google Patents

Description

本開示は、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた部材を重ね合わせてレーザ溶接を行うレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関し、特に、ブローホールの低減やピットの低減に効果を発揮するレーザ溶接に関する。

亜鉛メッキ鋼板は、防錆や防食性に優れている。そのため、近年、自動車部品や建築用鉄骨部材等に用いられ、用途に応じて、亜鉛メッキ鋼板には溶接が行われている。

特許文献１に記載された従来のレーザ溶接方法を、図６Ａ〜図７Ｂを用いて説明する。図６Ａおよび図７Ａは、従来のレーザ溶接方法を説明する斜視図である。図６Ｂおよび図７Ｂは、図６Ａおよび図７Ａに対応した、従来のレーザ溶接方法を説明する断面図である。

まず、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、防錆鋼板１０１と防錆鋼板１０２とを重ね合わせる。防錆鋼板１０１は、表面に亜鉛メッキ層１２０ａが、裏面に亜鉛メッキ層１２０ｂが形成された鋼板１１１である。防錆鋼板１０２は、表面に亜鉛メッキ層１２０ａが、裏面に亜鉛メッキ層１２０ｂが形成された鋼板１１２である。亜鉛メッキ層１２０ａ同士を合わせるように、防錆鋼板１０１と防錆鋼板１０２とを重ね合わせる。

図６Ａおよび図６Ｂに示すように、重ねた防錆鋼板１０１、１０２にレーザ光１００を照射し、１回目のレーザ照射を行う。１回目のレーザ照射では、防錆鋼板１０１および防錆鋼板１０２の合わせ面にある亜鉛メッキ層１２０ａに至り、かつ、防錆鋼板１０２を突き抜けない程度の入熱量となるようにレーザ光１００を照射する。

１回目のレーザ照射により、亜鉛メッキ層１２０ａの亜鉛は溶融され、外部に放出される。従って、１回目のレーザ照射によって形成されたビード１１５は、亜鉛の蒸発によるポロシティ１１６を有する。

次に、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、重ねた防錆鋼板１０１、１０２にレーザ光１００を照射し、２回目のレーザ照射を行う。２回目のレーザ照射では、防錆鋼板１０２まで確実に至って溶接が完了する入熱量となるように、１回目のレーザ照射よりも高いエネルギーのレーザ光１００を照射する。従って、２回目のレーザ照射によるレーザ光のエネルギーは、通常のレーザ溶接と同じ程度とすればよい。なお、２回目のレーザ照射におけるレーザ光１００の軌跡は、１回目のレーザ照射におけるレーザ光１００の軌跡と同じである。

上述のように、２回のレーザ照射を行うことで、１回目のレーザ照射によって形成されたポロシティ１１６は、２回目のレーザ照射による鋼板１１１の溶融によって埋められる。これにより、２回のレーザ照射によって、ポロシティ１１６のない良好なビード１２５が形成される。これは、１回目のレーザ照射により、亜鉛メッキ層１２０ａの亜鉛が既になくなっており、２回目のレーザ照射では亜鉛が蒸発することがなく、ポロシティ１１６が埋められるためである。

特開２００８−１２６２４１号公報

しかし、従来のレーザ溶接方法は、以下の課題がある。

従来のレーザ溶接方法の１回目のレーザ照射において、防錆鋼板である防錆鋼板１０１と防錆鋼板１０２との合わせ面にある亜鉛メッキ層１２０ａに至り、かつ、２枚目の防錆鋼板１０２を突き抜けない程度に、レーザ光のエネルギーを制御することは難しい。

そして、１回目のレーザ照射では、レーザ光のエネルギーが抑制されており、かつ、レーザ照射される領域および熱伝導により亜鉛が気化した領域は小さい。そのため、１回目のレーザ照射では亜鉛蒸気を十分に排出できない。そのため、２回目のレーザ照射でも、更に、熱伝導により亜鉛蒸気が発生し、ポロシティが発生してしまう。

本開示は、１回目のレーザ照射で十分に亜鉛蒸気を排出し、２回目のレーザ照射で本溶接を行うことにより、気孔をより低減させるレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供する。

上記課題を解決するために、本開示のレーザ溶接方法は、第１のステップと、第２のステップと、第３のステップとを有する。第１のステップでは、各々の表面が第１の材料で覆われ、第１の材料とは異なる第２の材料からなる、第１のワークと第２のワークとを重ね合わせる。第２のステップでは、第１のワークと第２のワークとが重なる第１の領域に、第１のワークおよび第２のワークを貫通するように、レーザ光を照射する。第３のステップでは、第１の領域を含む第２の領域に、スパイラル状にレーザ光を照射する。第２のステップのレーザ光の出力は、第３のステップのレーザ光の出力よりも大きい。

また、本開示のレーザ溶接装置は、レーザ発振器と、レーザ用ヘッドと、ロボットと、制御装置とを有する。レーザ発振器は、レーザ光を出力する。レーザ用ヘッドは、各々の表面が第１の材料で覆われ、第１の材料とは異なる第２の材料からなり、互いに重ね合わされた、第１のワークおよび第２のワークに、レーザ光を照射する。ロボットは、レーザ用ヘッドを搭載している。制御装置は、レーザ発振器の出力と、レーザ用ヘッドの動作と、ロボットの動作とを制御する。さらに、第１のワークと第２のワークとが重なる第１の領域に、第１のワークおよび第２のワークを貫通するように、第１のレーザ光を照射する。さらに、第１の領域を含む第２の領域に、スパイラル状に第２のレーザ光を照射し、前記第１のレーザ光の出力は、前記第２のレーザ光の出力よりも大きい。

以上のように、本開示によれば、１回目のレーザ照射で十分に亜鉛蒸気を排出し、２回目のレーザ照射で本溶接を行うことにより、気孔をより低減させることができ、本溶接時には亜鉛蒸気の影響を受けることがない。よって、溶接ビード内や溶接ビード表面に生じる気孔を抑制することができる。

図１は、実施の形態１におけるレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。 図２Ａは、実施の形態１におけるレーザ溶接方法の工程を示す図である。 図２Ｂは、実施の形態１におけるレーザ溶接方法のレーザ出力を示すグラフである。 図２Ｃは、実施の形態１における別のレーザ溶接方法のレーザ出力を示すグラフである。 図３Ａは、実施の形態２におけるレーザ溶接方法の工程を示す図である。 図３Ｂは、実施の形態２におけるレーザ溶接方法のレーザ出力を示すグラフである。 図３Ｃは、実施の形態２における別のレーザ溶接方法のレーザ出力を示すグラフである。 図４は、実施の形態２における第１の亜鉛蒸気排出工程におけるレーザ出力とレーザ照射時間との関係による効果を示す図である。 図５は、実施の形態２における第２の亜鉛蒸気排出工程におけるレーザ出力とスパイラルの回転数との関係による効果を示す図である。 図６Ａは、従来のレーザ溶接方法を説明する斜視図である。 図６Ｂは、従来のレーザ溶接方法を説明する断面図である。 図７Ａは、従来のレーザ溶接方法を説明する斜視図である。 図７Ｂは、従来のレーザ溶接方法を説明する断面図である。

以下、本開示の実施の形態について、図１〜図５を用いて説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１〜図２Ｃを用いて説明する。図１は、本実施の形態のレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。図２Ａは、本実施の形態におけるレーザ溶接方法の工程を示す図である。図２Ｂは、本実施の形態におけるレーザ溶接方法のレーザ出力を示すグラフである。図２Ｃは、本実施の形態における別のレーザ溶接方法のレーザ出力を示すグラフである。なお、図２Ｂおよび図２Ｃでは、横軸は時間ｔであり、縦軸はレーザ出力ＬＷである。

図１に示すように、本実施の形態のレーザ溶接装置は、レーザ発振器１と、ロボット２と、コントローラ３（制御装置）と、レーザ照射用ヘッド７（レーザ用ヘッド）と、光ファイバ８とを有する。

レーザ発振器１は、コントローラ３と光ファイバ８の一端とに接続され、レーザ光を出力し、レーザ光を光ファイバ８に入射させる。ロボット２は、コントローラ３に接続され、先端にレーザ照射用ヘッド７を搭載している。コントローラ３は、溶接条件設定部４と、動作制御部５と、レーザ出力制御部６とを有する。溶接条件設定部４は、レーザ溶接の溶接条件（レーザ光の出力、および、溶接速度やレーザ光の軌跡といったレーザ光の動き）を設定する。動作制御部５は、溶接条件設定部４からの指令や、あらかじめ教示された動作プログラムに基づいて、ロボット２やレーザ照射用ヘッド７の動作を制御する。レーザ出力制御部６は、溶接条件設定部４からの指令に基づいて、レーザ発振器１で発振されるレーザ光の出力を制御する。

レーザ照射用ヘッド７は、光ファイバ８の他端に接続され、レーザ光１０をワーク９（第１のワークおよび第２のワーク）に照射する。レーザ照射用ヘッド７は、例えば、ガルバノミラーやコリメートレンズや集光レンズを有する。光ファイバ８は、レーザ発振器１とレーザ照射用ヘッド７とに接続され、レーザ発振器１で出力されたレーザ光をレーザ照射用ヘッド７に伝送する。ワーク９は、表面が亜鉛（第１の材料）で覆われ、鉄（第２の材料）からなる、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせたものである。レーザ光１０は、レーザ発振器１で発振され、光ファイバ８を伝送し、レーザ照射用ヘッド７によって集光されてワーク９に照射される。

次に、図２Ａおよび図２Ｂを用いて、本実施の形態のレーザ溶接方法について説明する。

まず、２つの亜鉛メッキ鋼板を溶接したい位置関係で重ね合わせる（第１のステップ）。２枚の亜鉛メッキ鋼板の重ね合わせは、前述のレーザ溶接装置とは異なる搬送装置、もしくは、作業者によって行う。これにより、表面に亜鉛１１（第１の材料）がメッキされた鉄１２（第２の材料）からなる亜鉛メッキ鋼板を２枚重ね合わせたワーク９が作成される。なお、本開示のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置でレーザ溶接されるワークは亜鉛メッキ鋼板に限らない。表面に形成されている材料（亜鉛メッキ鋼板における亜鉛）の沸点が、主となる材料（亜鉛メッキ鋼板における鉄）の融点より低いものであればよい。また、表面の材料の形成方法はメッキに限らず、塗布や貼り付けであっても構わない。

次に、図２Ａの左側に示すように、２枚の亜鉛メッキ鋼板が重なり合っている、レーザ溶接で接合する領域の中心付近にレーザ光１０を照射する（第２のステップ）。レーザ光１０が照射される側の亜鉛メッキ鋼板を上板１３とし、もう１枚の亜鉛メッキ鋼板を下板１４とする。このとき、図２Ｂの左側に示すように、レーザ光１０の出力は、あらかじめ設定した位置において、上板１３と下板１４とを貫通する出力Ｗ１とし、レーザ照射用ヘッド７からワーク９に照射する。また、出力Ｗ１のレーザ光１０をワーク９に照射している間は、ロボット２やレーザ照射用ヘッド７は動作させず、レーザ光１０はあらかじめ設定された領域（第１の領域）にスポットで照射される。この工程を、第１の亜鉛蒸気排出工程とする。

第１の亜鉛蒸気排出工程について、さらに具体的に説明する。

第１の亜鉛蒸気排出工程におけるレーザ光１０の出力Ｗ１は、上板１３および下板１４の厚さによって変更される。すなわち、上板１３および下板１４が厚いほど、レーザ光１０がワーク９を貫通するために、レーザ光１０の出力Ｗ１を大きくする必要がある。また、レーザ光１０が照射された領域では、上板１３および下板１４の亜鉛が蒸発するとともに、鉄が溶融される。そして、レーザ光１０が照射された領域の周辺には、熱伝導部１５を生じ、上板１３および下板１４の亜鉛がさらに蒸発、もしくは、鉄が溶融される。これは、亜鉛の沸点（９０７℃）が鉄の融点（１５３８℃）よりも低いためである。

以上のように、ワーク９にレーザ光１０を貫通させることで、図２Ａに示すように、上板１３と下板１４との重ね合わせ面が貫通穴に露出する。そして、上板１３と下板１４との重ね合わせ面から発生する亜鉛蒸気１６の排出経路を上板１３側と下板１４側の両方に作り出すことができる。なお、本開示において、「貫通穴」とは空洞ではなく、溶融した状態の金属（亜鉛メッキ鋼板では鉄）が埋めている穴であり、亜鉛蒸気１６は溶融金属内を移動して排出される。

次に、図２Ａの右側に示すように、第１の亜鉛蒸気排出工程においてレーザ光１０を照射した位置を中心とし、レーザ溶接で接合する領域（第２の領域）にレーザ光１０を照射する（第３のステップ）。このとき、図２Ｂの右側に示すように、レーザ光１０の出力は、上板１３と下板１４とを貫通する出力Ｗ２とし、あらかじめ設定した領域にレーザ照射用ヘッド７からワーク９に照射する。また、出力Ｗ２のレーザ光１０を照射している間は、ロボット２やレーザ照射用ヘッド７を動作させ、レーザ光１０をレーザ溶接する領域においてスパイラル状に移動させる。これにより、上板１３と下板１４とがレーザ溶接により接合される。この工程を、本溶接工程とする。

本溶接工程について、さらに具体的に説明する。

本溶接工程のレーザ光１０の出力Ｗ２は、第１の亜鉛蒸気排出工程のレーザ光１０の出力Ｗ１よりも小さいほうが好ましい。第１の亜鉛蒸気排出工程において、高い出力のレーザ光１０を照射することで、熱伝導部１５が広範囲で形成されている。これにより、すでに広範囲で、上板１３と下板１４との重ね合わせ面から亜鉛蒸気１６が発生および排出されている。本溶接工程は、第１の亜鉛蒸気排出工程よりも広い範囲にレーザ光１０を照射するため、出力Ｗ１以上の出力のレーザ光１０を照射すると、さらに広い範囲の亜鉛蒸気１６を発生させてしまい、ブローホールやピットを引き起こす恐れがある。そのため、本溶接工程では、さらなる亜鉛蒸気１６の発生は抑えるように出力Ｗ１より小さい出力Ｗ２のレーザ光１０を照射することが好ましい。

また、本溶接工程では、図２Ａに示すように、第１の亜鉛蒸気排出工程でレーザ光１０を照射した位置（レーザ溶接で接合する領域の中心付近）から外側に向かってレーザ光１０を移動させている。しかし、これに限らず、レーザ溶接で接合する領域の外周から、内側（第１の亜鉛蒸気排出工程でレーザ光１０を照射した位置）に向かってレーザ光１０を移動させても良い。さらには、レーザ光１０を、レーザ溶接で接合する領域の中心と外周とを往復するように移動させても良い。

なお、図２Ｂに示すように、第１の亜鉛蒸気排出工程と本溶接工程とを、レーザ光１０の出力を停止することなく、レーザ光１０の出力を切り替えて、連続してレーザ光１０を照射している。これにより、レーザ溶接を短時間で行うことが可能である。しかし、図２Ｃに示すように、第１の亜鉛蒸気排出工程と本溶接工程との間で、レーザ光１０の出力を停止させても良い。これにより、スパイラル状のレーザ光１０の移動方向（旋回方向）の変更や選択を行うことができる。また、本溶接工程のレーザ光１０の照射開始位置も自由に設定できる。すなわち、本溶接工程のレーザ光１０の照射開始位置を、レーザ溶接で接合する領域の中心から１ｍｍ外側とし、外周に向けてレーザ光１０を移動させても良い。また、本溶接工程のレーザ光１０の照射開始位置を、レーザ溶接で接合する領域の外周とし、中心から１ｍｍ外側の位置でレーザ光１０の移動を終了させても良い。

（実施の形態２）
実施の形態２について、図３Ａから図５を用いて説明する。図３Ａは、本実施の形態におけるレーザ溶接方法の工程を示す図である。図３Ｂは、本実施の形態におけるレーザ溶接方法のレーザ出力を示すグラフである。図３Ｃは、本実施の形態における別のレーザ溶接方法のレーザ出力を示すグラフである。図４は、第１の亜鉛蒸気排出工程のレーザ出力とレーザ照射時間との関係による効果を示す図である。図５は、第２の亜鉛蒸気排出工程のレーザ出力とスパイラルの回転数との関係による効果を示す図である。

本実施の形態におけるレーザ溶接装置は、実施の形態１のレーザ溶接装置と同じであるため説明を省略する。

本実施の形態におけるレーザ溶接方法を、図３Ａ〜図３Ｃを用いて説明する。本実施の形態のレーザ溶接方法は、実施の形態１の第１の亜鉛蒸気排出工程と本溶接工程との間にさらに第２の亜鉛蒸気排出工程を有する。第１の亜鉛蒸気排出工程と本溶接工程は、実施の形態１と同じであるため、説明を省略する。

図３Ａの真ん中に示すように、第１の亜鉛蒸気排出工程においてレーザ光１０を照射した位置を中心とし、レーザ溶接で接合する領域（第２の領域）にレーザ光１０を照射する（第４のステップ）。このとき、図３Ｂの真ん中に示すように、レーザ光１０の出力は、上板１３と下板１４との重ね合わせ面の亜鉛が蒸発する出力Ｗ３とし、あらかじめ設定した領域にレーザ照射用ヘッド７からワーク９に照射する。また、出力Ｗ３のレーザ光１０を照射している間は、ロボット２やレーザ照射用ヘッド７を動作させ、レーザ光１０をレーザ溶接する領域においてスパイラル状に移動させる。これにより、上板１３と下板１４との重ね合わせ面の亜鉛が蒸発し、亜鉛蒸気１６が第１の亜鉛蒸気排出工程で形成した貫通穴から排出される。この工程を、第２の亜鉛蒸気排出工程とする。

第２の亜鉛蒸気排出工程について、さらに具体的に説明する。

第２の亜鉛蒸気排出工程のレーザ光１０の出力Ｗ３は、第１の亜鉛蒸気排出工程のレーザ光１０の出力Ｗ１および本溶接工程のレーザ光の出力Ｗ２よりも小さいほうが好ましい。第２の亜鉛蒸気排出工程は、第１の亜鉛蒸気排出工程で形成した貫通穴から、上板１３と下板１４との重ね合わせ面の亜鉛を蒸発させて排出する工程である。すなわち、レーザ光１０によって鉄を溶融するためではなく、レーザ光１０によって上板１３を炙ることで、上板１３と下板１４との重ね合わせ面の亜鉛を蒸発させれば十分である。これにより、レーザ溶接する領域全体において、上板１３からの熱伝導によって、上板１３と下板１４との重ね合わせ面の亜鉛を蒸発させることができる。そして、発生した亜鉛蒸気１６を、貫通穴を介してワーク９の外部に排出することができる。

また、第２の亜鉛蒸気排出工程では、図３Ａに示すように、第１の亜鉛蒸気排出工程でレーザ光１０を照射した位置（レーザ溶接で接合する領域の中心付近）から外側に向かってレーザ光１０を移動させている。しかし、これに限らず、レーザ溶接で接合する領域の外周から、内側（第１の亜鉛蒸気排出工程でレーザ光１０を照射した位置）に向かってレーザ光１０を移動させても良い。さらには、レーザ光１０を、レーザ溶接で接合する領域の中心と外周とを往復するように移動させても良い。

なお、図３Ｂに示すように、第１の亜鉛蒸気排出工程と第２の亜鉛蒸気排出工程とを、レーザ光１０の出力を停止することなく、レーザ光１０の出力を切り替えて、連続してレーザ光１０を照射している。これにより、レーザ溶接を短時間で行うことが可能である。しかし、図３Ｃに示すように、第１の亜鉛蒸気排出工程と第２の亜鉛蒸気排出工程との間で、レーザ光１０の出力を停止させても良い。これにより、第２の亜鉛蒸気排出工程において、スパイラル状のレーザ光１０の移動方向（旋回方向）の変更や選択を行うことができる。また、第２の亜鉛蒸気排出工程のレーザ光１０の照射開始位置も自由に設定できる。すなわち、第２の亜鉛蒸気排出工程のレーザ光１０の照射開始位置を、レーザ溶接で接合する領域の中心から１ｍｍ外側とし、外周に向けてレーザ光１０を移動させても良い。また、第２の亜鉛蒸気排出工程のレーザ光１０の照射開始位置を、レーザ溶接で接合する領域の外周とし、中心から１ｍｍ外側の位置でレーザ光１０の移動を終了させても良い。

なお、図３Ｂに示すように、第２の亜鉛蒸気排出工程と本溶接工程との間において、レーザ光１０の出力を停止することなく、レーザ光１０の出力を切り替えて、連続してレーザ光１０を照射しても、同様に、レーザ溶接の時間を短縮できる。また、図３Ｃに示すように、第１の亜鉛蒸気排出工程と第２の亜鉛蒸気排出工程との間で、レーザ光１０の出力を停止させても、同様に、レーザ光１０の照射開始位置などの自由度が高まる。

本実施の形態のレーザ溶接方法では、第１の亜鉛蒸気排出工程から第２の亜鉛蒸気排出工程への切り替えと第２の亜鉛蒸気排出工程から本溶接工程への切り替えという２回の工程の切り替えが行われる。これら２回の工程の切り替えにおいて、両方ともレーザ出力を停止しない、両方ともレーザ出力を停止する、どちらか一方はレーザ出力を停止し、他方はレーザ出力を停止しない、という全てのバリエーションが本実施の形態のレーザ溶接方法に適用できる。

さらに、第２の亜鉛蒸気排出工程の効果について説明する。第２の亜鉛蒸気排出工程は、必ずしも必要ではない。例えば、上板１３と下板１４とのそれぞれの板厚が０．８ｍｍや１．０ｍｍといった、比較的薄い場合、第１の亜鉛蒸気排出工程だけで亜鉛蒸気１６をある程度排出できる。その理由は、以下である。第１の亜鉛蒸気排出工程ではワーク９を貫通させるために、レーザ光１０の出力Ｗ１が高い。ワーク９の板厚が薄いため、貫通穴の近傍からの熱伝導によりレーザ溶接で接合する領域の外周に近いところまで十分に亜鉛蒸気１６を発生させることができるためである。

それに対し、上板１３と下板１４とのそれぞれの板厚が１．６ｍｍ以上である場合、貫通穴の近傍からの熱伝導では、レーザ溶接で接合する領域の外周に近いところまで亜鉛蒸気１６を発生させることはできない。第２の亜鉛蒸気排出工程は、このように熱伝導が不十分な場合の亜鉛蒸気１６の排出に対して有効である。

次に、実施の形態１および実施の形態２のレーザ溶接方法を行うためのレーザ溶接装置の駆動、制御について説明する。

第１の亜鉛蒸気排出工程、第２の亜鉛蒸気排出工程、本溶接工程のそれぞれにおけるレーザ光１０の出力は、溶接条件設定部４からの指示（出力制御命令）により、レーザ出力制御部６がレーザ発振器１を制御することで行われる。なお、レーザ出力制御部６は、レーザ光１０の出力の強弱をパターン化したプログラムを予め搭載しており、このプログラムによりレーザ出力を切り替える。レーザ発振器１から出力されたレーザ光１０は、光ファイバ８を通してレーザ照射用ヘッド７へ伝送されるように構成されている。なお、レーザ出力制御部６に搭載しているプログラムは、さまざまな板厚に応じたレーザ溶接を行った実験データから導き出されている。

第１の亜鉛蒸気排出工程、第２の亜鉛蒸気排出工程、本溶接工程のそれぞれにおけるレーザ光１０の移動は、溶接条件設定部４からの指示（位置制御命令）により、動作制御部５がロボット２およびレーザ照射用ヘッド７を制御することで行われる。

実施の形態１および実施の形態２のレーザ溶接方法を行うため、コントローラ３によるレーザ発振器１の出力制御と、コントローラ３によるロボット２やレーザ照射用ヘッド７の位置制御とを同期させる。このように、レーザ光１０のエネルギー密度の強弱調整が行えるように、コントローラ３は溶接条件設定部４や動作制御部５やレーザ出力制御部６で構成されている。

次に、本実施の形態のレーザ溶接装置によって、本実施の形態のレーザ溶接方法を行うための、溶接条件の一例を以下に説明する。

図４は、第１の亜鉛蒸気排出工程におけるレーザ出力とレーザ照射時間との関係による効果を示す図である。図４に示す施工評価では、４５ｇ／ｍ^２目付け、板厚１．６ｍｍの亜鉛メッキ鋼板を２枚重ね合わせた場合である。

図４は、横軸がレーザ照射時間ｔ（秒）であり、縦軸がレーザ出力ＬＷ（ｋＷ）である。そして、貫通穴の出来栄えを○と△と×で表している。なお、第１の亜鉛蒸気排出工程を行った後、貫通穴を目視した結果であり、○は貫通が適切であることを示し、△は貫通が不十分であることを示し、×は貫通していないことを示している。

施工評価の結果から、レーザ光１０によりワーク９を貫通させるためには、レーザ出力は３．０ｋＷ以上が必要であることが示されている。また、レーザ照射時間はレーザ出力が低いほどレーザ照射時間を長くする必要があることが示されている。なお、レーザ出力が低い場合やレーザ照射時間が短い場合は、貫通が不十分または貫通できないことが示されている。

図５は、第２の亜鉛蒸気排出工程におけるレーザ出力とスパイラルの回転数との関係による効果を示す図である。図５に示す施工評価では、第１の亜鉛蒸気排出工程と同様に、４５ｇ／ｍ^２目付け、板厚１．６ｍｍの亜鉛メッキ鋼板を２枚重ね合わせた場合である。さらに、レーザ光１０のスパイラル状の移動速度（溶接速度）は１０ｍ／分である。なお、第１の亜鉛蒸気排出工程が一定量の亜鉛が排出されたワーク９に対して第２の亜鉛蒸気排出工程を行っている。

図５は、横軸がスパイラルの回転数（回）であり、縦軸がレーザ出力ＬＷ（ｋＷ）である。そして、亜鉛蒸気１６の排出結果を○と△と×で表している。なお、第２の亜鉛蒸気排出工程を行った後、貫通穴を目視した結果であり、○は亜鉛蒸気１６の排出が適切であることを示し、△は炙り効果が不十分であり亜鉛蒸気１６の排出が不十分であることを示し、×は炙り過ぎによって必要以上の亜鉛蒸気１６が発生し、気孔が残ったことを示している。

施工評価の結果から、亜鉛蒸気１６の排出を最適に行うためには、レーザ出力とスパイラルの回転数とのバランスが必要であることがわかる。すなわち、レーザ出力が高い場合はスパイラルの回転数を少なくする必要があり、逆に、レーザ出力が低い場合はスパイラルの回転数を多くする必要がある。スパイラルの回転数が多いということは、レーザ光１０を照射する距離が長くなることであり、レーザ光１０の移動速度が一定（１０ｍ／分）であるから、レーザ光１０の照射時間が長くなることと同じことである。レーザ出力とスパイラルの回転数とを、亜鉛蒸気１６を排出しやすいように設定することが好ましいが、レーザ出力を高くしてスパイラルの回転数を少なくすることで溶接時間を短くすることができる。

なお、実施の形態１および実施の形態２では、２枚の亜鉛メッキ鋼板の重ね合わせによるレーザ溶接について説明した。しかし、３枚以上の亜鉛メッキ鋼板の重ね合わせによるレーザ溶接にも適用可能である。

また、実施の形態１および実施の形態２では、鉄に亜鉛をメッキした亜鉛メッキ鋼板について説明した。しかし、鋼板の融点よりも沸点が低い金属が表面に形成された鋼板であれば、適用可能である。例えば、アルミニウムと亜鉛と珪素の合金を鉄にメッキした鋼板（例えばガルバリウム鋼板（登録商標））、アルミニウムとマグネシウムを含んだ亜鉛を鉄にメッキした鋼板（例えば、ガルタイト）などでも構わない。

以上のように、本開示によれば、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた鋼板の溶接において、溶接ビード内や溶接ビード表面に生じる気孔を抑制することができるレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置として産業上有用である。

１ レーザ発振器
２ ロボット
３ コントローラ
４ 溶接条件設定部
５ 動作制御部
６ レーザ出力制御部
７ レーザ照射用ヘッド
８ 光ファイバ
９ ワーク
１０ レーザ光
１３ 上板
１４ 下板
１５ 熱伝導部
１６ 亜鉛蒸気
１００ レーザ光
１０１ 防錆鋼板
１０２ 防錆鋼板
１１１ 鋼板
１１２ 鋼板
１１５ ビード
１１６ ポロシティ
１２０ａ 亜鉛メッキ層
１２０ｂ 亜鉛メッキ層
１２５ ビード

Claims (10)

1. 各々の表面が第１の材料で覆われ、前記第１の材料とは異なる第２の材料からなる、第１のワークと第２のワークとを重ね合わせる第１のステップと、
   前記第１のワークと前記第２のワークとが重なる第１の領域に、前記第１のワークおよび前記第２のワークを貫通するように、レーザ光を照射する第２のステップと、
   前記第１の領域を含む第２の領域に、スパイラル状にレーザ光を照射する第３のステップと、を備え、前記第２のステップの前記レーザ光の出力は、前記第３のステップの前記レーザ光の出力よりも大きいレーザ溶接方法。
2. レーザ光の出力を停止せずに、前記第２のステップに続いて前記第３のステップを実施する請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記第２のステップと前記第３のステップとの間において、レーザ光の出力を一時的に停止する請求項１に記載のレーザ溶接方法。
4. 各々の表面が第１の材料で覆われ、前記第１の材料とは異なる第２の材料からなる、第１のワークと第２のワークとを重ね合わせる第１のステップと、
   前記第１のワークと前記第２のワークとが重なる第１の領域に、前記第１のワークおよび前記第２のワークを貫通するように、レーザ光を照射する第２のステップと、
   前記第１の領域を含む第２の領域に、スパイラル状にレーザ光を照射する第３のステップと、を備え、前記第２のステップと前記第３のステップとの間において、前記第１の領域を含む第３の領域に、スパイラル状にレーザ光を照射する第４のステップをさらに備え、前記第４のステップの前記レーザ光の出力は、前記第２のステップの前記レーザ光の出力よりも小さく、前記第３のステップの前記レーザ光の出力よりも小さいレーザ溶接方法。
5. レーザ光の出力を停止せずに、前記第２のステップに続いて前記第４のステップを実施する請求項４に記載のレーザ溶接方法。
6. レーザ光の出力を停止せずに、前記第４のステップに続いて前記第３のステップを実施する請求項４または５に記載のレーザ溶接方法。
7. 前記第２のステップと前記第４のステップとの間において、レーザ光の出力を一時的に停止する請求項４に記載のレーザ溶接方法。
8. 前記第４のステップと前記第３のステップとの間において、レーザ光の出力を一時的に停止する請求項４または７に記載のレーザ溶接方法。
9. レーザ光を出力するレーザ発振器と、
   各々の表面が第１の材料で覆われ、前記第１の材料とは異なる第２の材料からなり、互いに重ね合わされた、第１のワークおよび第２のワークに、前記レーザ光を照射するためのレーザ用ヘッドと、
   前記レーザ用ヘッドを搭載したロボットと、
   前記レーザ発振器の出力と、前記レーザ用ヘッドの動作と、前記ロボットの動作とを制御する制御装置とを備え、
   前記第１のワークと前記第２のワークとが重なる第１の領域に、前記第１のワークおよび前記第２のワークを貫通するように、第１のレーザ光を照射し、
   前記第１の領域を含む第２の領域に、スパイラル状に第２のレーザ光を照射し、前記第１のレーザ光の出力は、前記第２のレーザ光の出力よりも大きいレーザ溶接装置。
10. 前記制御装置は、
    溶接条件を設定する溶接条件設定部と、
    前記溶接条件設定部で設定された溶接条件に基づいてレーザ発振器のレーザ光の出力を制御するレーザ出力制御部と、
    前記溶接条件設定部で設定された溶接条件に基づいてレーザ用ヘッドの動作やロボットの動作の制御を行う動作制御部と、を有する請求項９に記載のレーザ溶接装置。

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