JP6554670B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本開示は、重ね継手の加工物に対して、渦巻状にレーザ光を照射するレーザ溶接方法に関する。

レーザ光の照射により加工物を重ね溶接するレーザ溶接方法において、加工物間のギャップ裕度を高めるため、レーザ光を加工物の広範囲に照射して溶融池を広げてギャップを埋めるレーザ溶接方法が多く用いられている。しかし、レーザ光を加工物の広範囲に照射すると、溶融池の内部に気泡が発生し、溶接部分の強度が著しく低下する。そのため、溶融池の内部に発生した気泡を除去する方法が複数、提案されている。

特許文献１には、溶融池にレーザ光を照射することで、溶融池を攪拌して気泡を除去する方法が記載されている。また、特許文献２には、凝固した溶融金属内の気孔を再溶融によって消失させる方法が記載されている。また、特許文献３には、レーザ照射工程のうち、レーザビームの出力が低い初期、および、レーザビームの出力が高い中期に発生した気泡をレーザビームの出力が低い後期に排出させる方法が記載されている。

特開昭６１−２０２７８８号公報 特開２００５−２４６４４０号公報 特開２００８−１２６２９８号公報

しかし、従来のレーザ溶接方法は、本来のレーザ溶接工程に加え、気泡を除去する工程を行う。そのため、気泡を除去する工程の分だけ処理時間が長くなる。さらに、従来のレーザ溶接方法では、加工物に対して必要以上の熱量を与えるため、レーザ溶接が有する低入熱による低ひずみといった効果を阻害する。

そこで、本開示は、レーザ溶接工程における気泡の発生を抑制し、良好な溶接状態が得られるレーザ溶接方法を提供する。

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の工程と、第２の工程とを有する。第１の工程では、第１の加工物と第２の加工物とを、第１の加工領域において重ねる。第２の工程では、第１の加工領域において、第１の加工物および第２の加工物に、渦巻状の軌道で移動させながらレーザ光を照射する。さらに第２の工程では、第１の加工物および第２の加工物がレーザ光の照射によって溶融されて液相部分を形成する。さらに第２の工程では、液相部分にレーザ光が照射されないように、レーザ光を移動させる。

本開示のレーザ溶接方法によれば、気泡の発生を抑制し、良好な溶接状態が得られる。

図１は、実施の形態に係る、ガルバノスキャナを用いたレーザ溶接システムを示す図である。 図２は、実施の形態に係る、ロボットを用いたレーザ溶接システムを示す図である。 図３は、比較例１のレーザ溶接の結果を示す（ａ）上面の平面図、および、（ｂ）下面の平面図である。 図４は、比較例１のレーザ溶接の原理を示す断面図である。 図５は、比較例１のレーザ溶接の状態を示す（ａ）上面図、および、（ｂ）断面図である。 図６は、比較例２のレーザ溶接の結果を示す（ａ）上面の平面図、および、（ｂ）下面の平面図である。 図７は、比較例２のレーザ溶接の原理を示す断面図である。 図８は、比較例２のレーザ溶接の状態を示す（ａ）上面図、および、（ｂ）断面図である。 図９は、実施例１のレーザ溶接の結果を示す（ａ）上面の平面図、および、（ｂ）下面の平面図である。 図１０は、実施例１のレーザ溶接の原理を示す断面図である。 図１１は、実施例１のレーザ溶接の状態を示す（ａ）上面図、および、（ｂ）断面図である。 図１２は、実施例２のレーザ溶接の状態を示す上面図である。 図１３は、実施例３のレーザ溶接の状態を示す上面図である。 図１４は、実施例４のレーザ溶接の状態を示す上面図である。 図１５は、実施の形態におけるレーザ光の軌道の間隔と溶接不良発生の関係を示す図である。

（実施の形態）
図１から図１４を用いて、本実施の形態について説明する。

先ず、図１と図２を用いて、本実施の形態のレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接システムについて説明する。なお、図１は、本実施の形態に係る、ガルバノスキャナ２を用いたレーザ溶接システム１０である。図２は、本実施の形態に係る、ロボット８を用いたレーザ溶接システム２０である。

図１において、レーザ溶接システム１０は、レーザ発振器１と、ガルバノスキャナ２と、スキャナ制御装置５とを有している。レーザ発振器１は、レーザ光２３を発生させる。ガルバノスキャナ２は、２つのガルバノミラー３と、２つのガルバノモータ４と、Ｆθレンズ６とを有している。ガルバノミラー３は、レーザ光２３の軌道を２次元に変化させる。２つのガルバノモータ４は、それぞれに接続されたガルバノミラー３を回転する。また、２つのガルバノモータ４は、スキャナ制御装置５により制御される。Ｆθレンズ６は、レーザ光２３を加工物の溶接箇所で結像させる。

図１に示すように、レーザ溶接システム１０は、上記構成により、ガルバノスキャナ２によって、加工物の溶接箇所へレーザ光２３を照射する。レーザ溶接システム１０は、第１の金属板３０（第１の加工物）と第２の金属板３１（第２の加工物）とを重ねた加工物に、第１の金属板３０の側からレーザ光２３を照射することで、第１の金属板３０と第２の金属板３１とを溶接する。

図２において、レーザ溶接システム２０は、レーザ発振器１と、溶接ヘッド７と、ロボット８と、ロボット制御装置９とを有している。レーザ発振器１は、レーザ光２３を発生させる。溶接ヘッド７は、レーザ光２３を加工物の溶接箇所で結像させる。ロボット８は、先端に溶接ヘッド７が取り付けられ、溶接ヘッド７を移動させる。ロボット制御装置９は、ロボット８の動作や、溶接ヘッド７の動作を制御する。なお、レーザ光２３の照射位置を加工物上で移動させるときは、ロボット８によって大きな移動を行い、溶接ヘッド７によって小さい移動を行う。

図２に示すように、レーザ溶接システム２０は、上記構成により、溶接ヘッド７およびロボット８によって、加工物の溶接箇所へレーザ光２３を照射する。レーザ溶接システム２０は、第１の金属板３０と第２の金属板３１とを重ねた加工物に、第１の金属板３０の側からレーザ光２３を照射することで、第１の金属板３０と第２の金属板３１とを溶接する。

図１に示すレーザ溶接システム１０のＦθレンズ６の前後のどちらかに、さらに回転する複数のプリズムを配し、レーザ光２３の照射位置を変更（移動）しても良い。また、図２に示すレーザ溶接システム２０の溶接ヘッド７内部に、回転する複数のプリズムを配して、レーザ光２３の照射位置を変更（移動）しても良い。プリズムを回転させることによって、レーザ光２３の照射位置を回転移動させることができ、さらに、回転半径を変化させることで、レーザ光２３の照射位置をスパイラル状（渦巻状）に移動させることができる。

ここで、レーザ溶接方法に関し、レーザ光２３の出力や溶接速度に応じて加工物の溶込み状態が変化する点について、本発明者らが見出した比較例１および２を以下に示す。なお、以下に示す比較例１および２は、図１や図２に示すレーザ溶接システム１０、２０により行うことができる。

本発明者らは、第１の溶接条件（比較例１）、第２の溶接条件（比較例２）、第３の溶接条件（実施例１）の３つの溶接条件によりスパイラル軌道（渦巻状）のレーザ溶接を行い、溶接結果を観察した。

なお、第１の溶接条件（比較例１）は、３ｍ／ｍｉｎ未満の比較的低い溶接速度であって、溶融池内に比較的高い出力のレーザ光を照射し、キーホール型のレーザ溶接を行うものである。第２の溶接条件（比較例２）は、３ｍ／ｍｉｎ未満の比較的低い溶接速度であって、溶融池内に比較的低い出力のレーザ光を照射し、熱伝導型のレーザ溶接を行うものである。第３の溶接条件（実施例）は、３ｍ／ｍｉｎ以上の比較的高い溶接速度であって、溶融池の外側であり溶融池の前方に比較的高い出力のレーザ光を照射し、キーホール型のレーザ溶接を行うものである。

（比較例１）
まず、比較例１について、図３〜図５を用いて説明する。図３は、本比較例のレーザ溶接の結果を示す（ａ）上面の平面図、および、（ｂ）下面の平面図である。図４は、本比較例のレーザ溶接の原理を示す断面図である。図５は、本比較例のレーザ溶接の状態を示す（ａ）上面図、および、（ｂ）断面図である。

図３は、重ねた加工物に対して、円形の加工領域に、第１の溶接条件によりスパイラル軌道のレーザ溶接を行った場合の、加工物の上面と下面の溶接状態（加工結果）を示す（ａ）上面の平面図および（ｂ）下面の平面図である。なお、上面とは、レーザ光が照射される側の面であり、例えば、図１であれば、第１の金属板３０におけるガルバノスキャナ２側の面であり、図２であれば、第１の金属板３０における溶接ヘッド７側の面である。

図３の（ａ）と（ｂ）に示すように、第１の溶接条件でレーザ溶接を行った場合、最終凝固点で気泡が破裂し、加工物の上面と下面の両方に穴が開いている。

次に、図４および図５を用いて、比較例１のレーザ溶接の原理について、検討する。

第１の溶接条件は、溶融池にレーザ光２３を照射するキーホール型のレーザ溶接である。図４に示すように、本比較例のレーザ溶接では、キーホール２１が発生する。これにより、加工物へのエネルギー吸収率が高く、十分な溶込み量が得られる。しかし、溶接速度が３ｍ／ｍｉｎより低く、比較的遅いため、レーザ光２３は、溶接方向２４の前方であるキーホール２１の前壁２５（太い実線部分）の第１の金属板３０や第２の金属板３１を溶融した上に、さらに気化させてしまう。これにより、キーホール２１の前壁２５から金属蒸気２６が多量に発生する。金属蒸気２６は、溶接方向２４の後方に形成される溶融池２２のキーホール２１の後壁２７（太い点線部分）から溶融池２２内に進入し、気泡２８となる。そしてこの気泡２８が、再凝固層２９内にポロシティとして残留する。

次に、図５の（ａ）および（ｂ）を用いてさらに気泡２８の挙動について説明する。図５の（ｂ）は、図５の（ａ）の５ｂ−５ｂにおける断面図である。図５の（ａ）に示すように、第１の溶接条件によりスパイラル状にレーザ光２３を加工物に照射する。開始点５２からレーザ光２３の照射を開始し、太線で示す軌道５１に沿ってレーザ光２３を移動させ、終了点５３でレーザ光２３の照射を終了する。なお、軌道５１は、円弧を描きながら、レーザ溶接の開始点５２から徐々に離れるように終了点５３まで連続的に変化する。

第１の溶接条件によるレーザ溶接は、キーホール型のレーザ溶接であるため、第１の金属板３０と第２の金属板３１の両方とも十分な溶込みが得られ、溶融池２２（融液）によって、図４に示す、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間のギャップ３２を埋めることができる。しかし、溶融池２２の内部に発生した気泡２８が凝固する際、図５の（ａ）および（ｂ）に示すように、気泡２８が最終凝固点となる溶融池２２の中心の表面付近（上面および下面）に集まる。そのため、加工物の溶接結果としては、溶融池２２の中心が気泡２８により空洞化され、表面が膨らんで凝固する、もしくは、集まった気泡２８が破裂することで表面に穴３３（くぼみ）が生じる。気泡２８による空洞や穴３３によって、第１の金属板３０と第２の金属板３１との接合面積が小さくなり、十分な接合強度を得ることができない。

（比較例２）
次に、比較例２について、図６〜図８を用いて説明する。図６は、本比較例のレーザ溶接の結果を示す（ａ）上面の平面図、および、（ｂ）下面の平面図である。図７は、本比較例のレーザ溶接の原理を示す断面図である。図８は、本比較例のレーザ溶接の状態を示す（ａ）上面図、および、（ｂ）断面図である。なお、図３〜５と同じ構成については同様の符号を用い、説明を省略する。

図６は、重ねた加工物に対して、円形の加工領域に、第２の溶接条件によりスパイラル軌道のレーザ溶接を行った場合の、加工物の上面と下面の溶接状態（加工結果）を示す（ａ）上面の平面図および（ｂ）下面の平面図である。

図６の（ａ）と（ｂ）に示すように、第２の溶接条件でレーザ溶接を行った場合、加工物の上面は溶融しているが、下面の溶融が不十分である。

次に、図７および図８を用いて、比較例２のレーザ溶接の原理について、検討する。

第２の溶接条件は、溶融池にレーザ光２３を照射する熱伝導型のレーザ溶接である。図７に示すように、本変形例のレーザ溶接は、レーザ光２３のパワー密度が低く、深いキーホールができないため、気泡２８は発生しない。しかし、深いキーホールが無いため、加工物へのエネルギー吸収率が低く、十分な溶込み量が得られない。

次に、図８の（ａ）および（ｂ）を用いて具体的に説明する。図８の（ｂ）は、図８の（ａ）の８ｂ−８ｂにおける断面図である。図８の（ａ）に示すように、第２の溶接条件によりスパイラル状にレーザ光２３を加工物に照射する。開始点５２からレーザ光２３の照射を開始し、太線で示す軌道５１に沿ってレーザ光２３を移動させ、終了点５３でレーザ光２３の照射を終了する。

第２の溶接条件によるレーザ溶接は、熱伝導型のレーザ溶接であるため、レーザ光２３が照射される側である上側に位置する第１の金属板３０は溶けるが、下側に位置する第２の金属板３１の溶融は不十分であり、溶込み形状は御椀型となる。従って、図７に示す、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間のギャップ３２を埋めることができず、第１の金属板３０と第２の金属板３１との接合面積が小さいため、十分な接合強度を得ることができない。

（実施例１）
次に、比較例１および２に対して、本開示を実施するための実施例１について、図９〜１１を用いて説明する。図９は、本実施例のレーザ溶接の結果を示す（ａ）上面の平面図、および、（ｂ）下面の平面図である。図１０は、本実施例のレーザ溶接の原理を示す断面図である。図１１は、本実施例のレーザ溶接の状態を示す（ａ）上面図、および、（ｂ）断面図である。なお、図３〜５と同じ構成については同様の符号を用い、説明を省略する場合がある。

図９は、重ねた加工物に対して、第３の溶接条件によりスパイラル軌道のレーザ溶接を行った場合の、加工物の上面と下面の溶接状態（加工結果）を示す（ａ）上面の平面図および（ｂ）下面の平面図である。

図９の（ａ）と（ｂ）に示すように、第３の溶接条件でレーザ溶接を行った場合、加工物の上面および下面は溶融し、かつ、穴や空洞も見られず、良好な溶接結果となる。

次に、図１０および図１１を用いて、本実施例のレーザ溶接の原理について、検討するとともに、本実施例のレーザ溶接方法について説明する。

第３の溶接条件は、溶融池２２の外側であり溶融池２２の前方にレーザ光２３を照射するキーホール型のレーザ溶接である。まず、第１の金属板３０（第１の加工物）と第２の金属板３１（第２の加工物）とを加工領域（第１の加工領域）が重なるように重ね合わせて加工物を準備する（第１の工程）。このとき、加工領域において、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間にギャップ３２が形成される。ただし、このギャップ３２は必ずしも形成されるわけではない。また、本実施例では加工領域は円形であるが、これに限らず、三角形や四角形などの多角形であっても構わない。

次に、加工物の加工領域にレーザ光２３を照射し、第１の金属板３０と第２の金属板３１とをレーザ溶接で接合する。このとき、レーザ光２３を加工領域内でスパイラル状（渦巻状）に移動させる（第２の工程）。図１０に示すように、本実施例のレーザ溶接では、キーホール２１が発生する。これにより、加工物へのエネルギー吸収率が高く、十分な溶込み量が得られる。そして、溶接速度は３ｍ／ｍｉｎ以上と比較的速く、溶融池２２の外部であり溶融池２２（液相部分）の前方である未溶融部分３４（固相部分）にレーザ光２３が照射される。すなわち、レーザ光２３は、溶接方向２４の前方であるキーホール２１の前壁２５（太い実線部）の第１の金属板３０および第２の金属板３１を溶融するだけで、溶融金属の気化が抑制される。言い換えると、レーザ光２３は未溶融部分３４に向かって移動し、溶融池２２にレーザ光２３を照射しないように移動する。これにより、金属蒸気２６の発生が抑制され、溶接方向２４の後方に形成される溶融池２２のキーホール２１の後壁２７（太い点線部）から金属蒸気２６が溶融池２２に進入することもない。よって、溶融池２２が冷却されて固まった再凝固層２９内にもポロシティは存在しない。

次に、図１０、図１１の（ａ）および（ｂ）を用いてさらに本実施例の原理およびレーザ溶接工程について具体的に説明する。図１１の（ｂ）は、図１１の（ａ）の１１ｂ−１１ｂにおける断面図である。図１１の（ａ）に示すように、第３の溶接条件によりスパイラル状にレーザ光２３を加工物に照射する。具体的には、図１０に示すように、第１の金属板３０の上方から、第１の金属板３０および第２の金属板３１の未溶融部分３４にレーザ光２３を照射する。図１１の（ａ）に示すように、開始点５２からレーザ光２３の照射を開始し、太線で示す軌道５１に沿ってレーザ光２３を移動させ、終了点５３でレーザ光２３の照射を終了する。開始点５２は、例えば、加工領域の中心である。そして、再凝固層２９が加工領域とほぼ一致した領域に形成され、加工領域の周辺には、未溶融部分３４が存在する。開始点５２は軌道５１の内側の端部であり、終了点５３は軌道５１の外側の端部である。

第３の溶接条件によるレーザ溶接は、キーホール型のレーザ溶接であるため、第１の金属板３０と第２の金属板３１の両方とも十分な溶込みが得られる。また、図１０に示すように、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間のギャップ３２が存在すれば、ギャップ３２を溶融池２２の溶融金属で埋めることができる。また、溶融池２２の内部に気泡２８が発生しないため、溶融池２２の中心の表面（加工物の上面および下面）付近に空洞や穴が発生しない。従って、第１の金属板３０と第２の金属板３１との接合面積が広く、十分な接合強度が得られる。

比較例１、２および実施例１のような溶接条件と溶接結果から、本発明者らは、良好な溶接状態が得られる溶接条件として、第３の溶接条件が好ましいことを見出した。第３の溶接条件では、常に、レーザ光２３を、溶融池２２ではなく金属板（加工物）の未溶融部分３４に、キーホール型のレーザ溶接となるパワー密度でレーザ光２３を照射する。これにより、再凝固層２９内に空洞または穴３３を生じない。本開示は、この様なレーザ光のエネルギーとレーザ照射位置と溶接速度との関係を利用して成されたものである。なお、上記レーザ光２３のパワー密度は、レーザ光２３のエネルギーとレーザ光２３のビーム径の組合せで決まる。

さらに、実施例１のレーザ溶接方法について、具体的な溶接条件を挙げて説明する。実施例１のレーザ溶接方法は、例えば、図１や図２に示すレーザ溶接システムにより行うことができる。

本実施例のレーザ溶接方法は、板厚ｔが０．８ｍｍの軟鋼である第１の金属板３０と第２の金属板３１とを重ねた加工物に対して、第１の金属板３０の側からスパイラル状にレーザ光２３を照射して溶接を行う。レーザ光２３の加工物上におけるビームの直径（以下、ビーム径とする）は、０．５〜０．７ｍｍである。ここで、レーザ光２３の移動方向は、レーザ光２３の照射によって形成された溶融池２２である液相部分ではなく、未溶融部分３４である固相部分に向かって行われる。これにより、溶融池２２の溶融金属の気化を抑制できる。このとき、特に、レーザ光２３の加工物上におけるビーム径が重要となる。少なくとも、加工物の同じ箇所にレーザ光２３が照射されないように、レーザ光２３の軌道５１の間隔は、レーザ光２３のビーム径以上であることが好ましい。これにより、１度、レーザ光２３を照射したことによって形成された溶融金属に再度、レーザ光２３を照射することがない。また、レーザ光２３の軌道５１の間隔は、レーザ光２３のビーム径の２倍以下であることが好ましい。これにより、レーザ光２３が照射されない領域も余熱で溶融させることができ、加工領域の加工物を溶融し損なうことがない。

さらに、レーザ光２３を、スパイラル状に高速で移動させながら、照射してレーザ溶接を行う。本実施例では、例えば、３ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度で行うことが好ましい。この溶接速度により、第１の金属板３０および第２の金属板３１の両方を十分に溶融でき、かつ、溶融金属を気化させる前にレーザ光２３を移動させることができる。なお、溶接速度であるレーザ光２３の移動速度と、レーザ光２３のエネルギーとは比例した関係であることが好ましい。これにより、単位距離に供給される熱量が一定となる。そして、本実施例では、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間にギャップ３２がある場合も、ギャップ３２を溶融池２２（融液）で満たすことができ、ギャップ３２の裕度を高めることができる。

ここで、重ね合わせた第１の金属板３０と第２の金属板３１との間にギャップ３２について説明する。第１の金属板３０と第２の金属板３１との間にギャップ３２が存在すると、ギャップ３２が存在しない場合と比べ、第１の金属板３０から第２の金属板３１への熱伝導が減少し、第１の金属板３０が溶け易くなる。これは、比較例１のように、第１の金属板３０の溶融金属から金属蒸気２６を発生しやすい状態である。そのため、ギャップ３２が存在する場合の溶接速度は、ギャップ３２が存在しない場合の溶接速度よりも速くし、ギャップ３２が存在する場合のレーザ光２３の出力は、ギャップ３２が存在しない場合のレーザ光２３の出力よりも高くすることが好ましい。前述した加工物を準備する工程は、第１の金属板３０（第１の加工物）と第２の金属板３１（第２の加工物）とを、加工領域（第１の加工領域）においてギャップが形成されるように重ねる工程を第１の工程とする。また、第１の金属板３０（第３の加工物）と第２の金属板３１（第４の加工物）とを、加工領域（第２の加工領域）においてギャップが形成されないように、すなわち、接触させて重ねる工程を第３の工程とする。そして、第１の工程によって準備された加工物にレーザ照射を行う工程を第２の工程とし、第３の工程によって準備された加工物にレーザ照射を行う工程を第４の工程とする。

このようにすることで、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間にギャップ３２が存在する場合でも、ギャップ３２が存在しない場合と同様に、良好なレーザ溶接ができる。なお、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間にギャップ３２が存在する場合とギャップ３２が存在しない場合の溶接条件は、例えば、実験等により予め求めておけば良い。

（実施例２）
次に、本開示を実施するための実施例２について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施例のレーザ溶接の状態を示す上面図である。なお、図１１の（ａ）と同じ構成については同様の符号を用い、説明を省略する。

レーザ光２３のスパイラル状の軌道５１は、隣り合う軌道５１の間隔が等間隔であれば、溶融池２２の中心に近い部分程、温度が高くなる。そのため、溶融池２２が広がり易くなり、レーザ光２３が溶融池２２に照射され易い状態になる。これを避けるため、本実施例のレーザ溶接方法は、図１３に示すように、内側から外側に向かってスパイラル状にレーザ光２３を照射して溶接を行う場合、レーザ光２３のスパイラル状の照射を行う照射開始位置を、第２の開始点５４とする。第２の開始点５４は、実施例１における開始点５２（加工領域の中心）よりも外側に離れた位置にする。なお、第２の開始点５４の位置は、例えば、加工領域の中心からレーザ光２３のビーム径の半分（ビーム径の半径）よりも離れた位置である。なお、レーザ光２３を照射しない加工領域の中心付近は、周囲の溶融池２２からの余熱により溶融される。

（実施例３）
次に、本開示を実施するための実施例３について、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施例のレーザ溶接の状態を示す上面図である。なお、図１１の（ａ）と同じ構成については同様の符号を用い、説明を省略する。

レーザ光２３のスパイラル状の軌道５１は、隣り合う軌道５１の間隔が等間隔であれば、溶融池２２の中心に近い部分程、温度が高くなる。そのため、溶融池２２が広がり易くなり、レーザ光２３が溶融池２２に照射され易い状態になる。これを避けるため、本実施例のレーザ溶接方法は、図１３に示すように、スパイラル状の外側になるほど、隣り合う軌道５１の間隔が広くなるように、レーザ光２３を加工物に照射する。このように、加工領域の外側に行くにつれて、レーザ光２３の軌道５１が溶融池２２にかからないように、内側の軌道５１との間隔を広げながらスパイラル状にレーザ光２３を照射する。なお、隣接するレーザ光２３の軌道５１同士の間隔を広げたことによる未溶融部分３４の溶融は、余熱により行われる。また、レーザ光２３の軌道５１が重複することによりレーザ光２３が溶融池２２を通過してしまうことを防ぐため、隣接するレーザ光２３の軌道５１同士の間隔よりもレーザ光２３のビーム径が小さくなるようにしている。

（実施例４）
次に、本開示を実施するための実施例４について、図１４を用いて説明する。図１４は、本実施例のレーザ溶接の状態を示す上面図である。なお、図１１の（ａ）と同じ構成については同様の符号を用い、説明を省略する。

レーザ光２３のスパイラル状の軌道５１は、隣り合う軌道５１の間隔が等間隔であれば、溶融池２２の中心に近い部分程、温度が高くなる。そのため、溶融池２２が広がり易くなり、レーザ光２３が溶融池２２に照射され易い状態になる。これを避けるため、本実施例のレーザ溶接方法は、図１４に示すように、スパイラル状のレーザ光２３の照射開始位置を開始点５２とし、終了位置を終了点５３とする。すなわち、外側から内側へ向かってスパイラル状にレーザ光２３を加工物に照射してレーザ溶接を行う。なお、開始点５２は、スパイラル状のレーザ光２３照射する加工領域の外側付近である。このように、熱伝導による放熱が良好である加工領域の外縁部からレーザ溶接を開始し、加工領域の中心に向かって溶接を行うことで、レーザ溶接の開始時に、レーザ光２３が照射された部分に熱がこもって高温になることを抑制することができる。すなわち、熱伝導によってレーザ光２３が照射されていない部分が過剰に溶融されることを防止できる。なお、実施例１〜３において、スパイラル状のレーザ光２３の移動方向を内側から外側としたが、外側から内側としても構わない。

以上の実施例１〜４のように、本実施の形態のレーザ溶接方法は、レーザ光２３を加工物の未溶融部分へ照射するものである。従って、加工物の板厚によらず、良好な溶接状態を得ることができる。なお、レーザ光２３を加工物の未溶融部分へ照射するためのスパイラル状の軌道は、例えば、実験等により予め決めておけば良い。

また、本実施の形態のレーザ溶接方法は、レーザ光２３のスパイラル状の軌道５１は、隣り合う軌道５１の間隔が等間隔であれば、溶融池２２の中心に近い部分程、温度が高くなる。そのため、溶融池２２が広がり易くなり、レーザ光２３が溶融池２２内に照射され易い状態になる。よって、実施例１〜４では、スパイラル状の軌道５１の外側になるほど、溶接速度が高くなるようにレーザ光２３を照射することが好ましい。溶接速度を速めたことによる未溶融部分の溶融は、余熱により行われる。また、実施例１〜４では、スパイラル状の外側になるほど、レーザ光２３の出力が低くなるようにレーザ光２３を照射することが好ましい。レーザ光２３の出力を低くしたことによる未溶融部分の溶融は、余熱により行われる。

以上のように、本実施の形態のレーザ溶接方法は、上下に重ねられた２枚以上の金属板をレーザ光２３によりレーザ溶接すると共に、レーザ溶接時に、主にキーホール後壁から発生する気泡を抑制する。そのため、本実施の形態のレーザ溶接方法は、常に、加工物の固相部分にレーザ光２３を照射して、加工物をレーザ溶接する。また、レーザ溶接時のレーザ光の出力は、キーホール型のレーザ溶接になるように設定する。また、レーザ溶接時の溶接速度は、拡大する溶融池２２にレーザ光２３が再度照射されることがないように設定する。

このような本実施の形態のレーザ溶接方法によれば、板厚に拘らず、常に良好な溶接状態を得ることができる。

また、本実施の形態において、スパイラル状の軌道でレーザ光２３を照射する場合の隣り合う軌道５１同士の間隔は、レーザ光２３のビーム径以上でありレーザ光２３のビーム径の２倍以下であることが望ましい。その理由を以下に示す。

図１５に、本発明者らが行った実験結果を示す。図１５は、レーザ光２３の隣り合う軌道５１の間隔と溶接不良（窪み／空洞により生じた突起）発生の関係を示す図である。板厚ｔが０．８ｍｍの軟鋼の重ね溶接において、ビーム径が０．５〜０．７ｍｍのレーザ光２３をスパイラル状の軌道で照射し、異なる軌道間隔でレーザ溶接した結果である。レーザ光２３の強度分布は、ビーム径付近でトップハット型（Ｔｏｐ Ｈａｔ Ｔｙｐｅ）である。レーザ溶接痕の径は、約６√ｔに相当する５．４ｍｍとした。

溶接速度３ｍ／ｍｉｎで、レーザ出力は常に貫通溶接となるよう１．５〜３．０ｋＷの間で調整して溶接を行った。その結果、軌道間隔を照射径で除した値が、１倍から２倍の範囲において、良好なレーザ溶接痕が得られた。

但し、レーザ光２３の強度分布がトップハット型ではなく、ガウス型の場合は、レーザ光のビーム径の外縁部は溶接に寄与しないため、ビーム径以下の軌道間隔でも（上記倍率が１倍以下）良好なレーザ溶接痕を得ることができる。

また、本実施の形態のレーザ溶接方法は、加工物の上面と下面のレーザ溶接痕が、線状ではなく、面状となるように溶接を行うものである。

また、本実施の形態のレーザ溶接方法は、レーザ溶接中に熱影響の考慮が必要になる寸法のレーザ溶接痕を対象としている。例えば、重ね溶接する板厚の合計の半分をＴとした場合、レーザ溶接痕の直径は、６√Ｔ以下である。

ここで、さまざまな板厚の金属板を重ね溶接する場合の、各パラメータについて例示する。なお、レーザ溶接において板厚によって、溶け落ちしない限界のレーザ光の出力と、十分な接合強度を得るための加工領域の広さが決められている。なお、レーザ光のビーム径の直径は０．５ｍｍ〜０．７ｍｍである。

例えば、鉄であり、板厚が０．６ｍｍの加工物であれば、レーザ光の出力は２．８０ｋＷが好ましく、加工領域の半径は１．５５ｍｍが好ましい。この条件では、回転速度（溶接速度）は１０．０ｍ／ｍｉｎで、スパイラルの回転数は２回で行うことが好ましい。

また、例えば、鉄であり、板厚が０．８ｍｍの加工物であれば、レーザ光の出力は３．３０ｋＷが好ましく、加工領域の半径は１．７９ｍｍが好ましい。この条件では、回転速度は８．７ｍ／ｍｉｎで、スパイラルの回転数は２回で行うことが好ましい。

また、例えば、鉄であり、板厚が１．０ｍｍの加工物であれば、レーザ光の出力は３．５５ｋＷが好ましく、加工領域の半径は２．００ｍｍが好ましい。この条件では、回転速度は７．４ｍ／ｍｉｎで、スパイラルの回転数は３回で行うことが好ましい。

また、例えば、鉄であり、板厚が１．２ｍｍの加工物であれば、レーザ光の出力は３．６５ｋＷが好ましく、加工領域の半径は２．１９ｍｍが好ましい。この条件では、回転速度は６．３ｍ／ｍｉｎで、スパイラルの回転数は３回で行うことが好ましい。

また、例えば、鉄であり、板厚が１．６ｍｍの加工物であれば、レーザ光の出力は３．６５ｋＷが好ましく、加工領域の半径は２．５３ｍｍが好ましい。この条件では、回転速度は４．４ｍ／ｍｉｎで、スパイラルの回転数は４回で行うことが好ましい。

このように、板厚が厚くなるほど、必要とされるレーザ光の出力は大きくなるが、レーザ発振器にも限界があるため、溶接速度によって、調節することが可能である。また、本開示の効果を発揮するためには、溶接速度は３ｍ／ｍｉｎ以上である。さらに、板厚が厚くなるほど、十分な接合強度を得るために加工領域の半径は大きいほうが好ましく、また、加工領域の半径が大きくなるほど、スパイラルの回転数は多くなる。

なお、本実施の形態では、金属板を２枚重ねてレーザ溶接を行う例を示したが、金属板を３枚以上重ねてレーザ溶接を行う際にも適用することができる。

また、スパイラルの形状は、円弧状以外にも四角や三角等の多角形状や、一部途切れた不連続な円弧状など、種々の形状とすることができる。

また、スパイラル状のレーザ光２３の照射は、加工領域の中心または内側から外側へ向かって行うようにしても良いし、加工領域の外側から中心または内側へ向かって行うようにしても良い。

また、本実施の形態では、良好な溶接結果を得るため、レーザ光２３の溶接速度や、レーザ光２３の回転間隔や、レーザ光２３の出力等を適切にする例を示した。なお、これらの対応は、これら全て、あるいは、全ての内から複数を選択する等、適宜組み合わせて実施するようにしても良い。

本開示によれば、気泡の発生を抑制して良好な溶接状態を実現でき、加工物を重ねてレーザ溶接を行うレーザ溶接方法として産業上有用である。

１ レーザ発振器
２ ガルバノスキャナ
３ ガルバノミラー
４ ガルバノモータ
５ スキャナ制御装置
６ Ｆθレンズ
７ 溶接ヘッド
８ ロボット
９ ロボット制御装置
１０ レーザ溶接システム
２０ レーザ溶接システム
２１ キーホール
２２ 溶融池
２３ レーザ光
２４ 溶接方向
２５ 前壁
２６ 金属蒸気
２８ 気泡
２９ 再凝固層
３０ 第１の金属板
３１ 第２の金属板
３２ ギャップ
３３ 穴
３４ 未溶融部分
５１ 軌道
５２ 開始点
５３ 終了点
５４ 第２の開始点

Claims (9)

1. 第１の加工物と第２の加工物とを、第１の加工領域において重ねる第１の工程と、
   前記第１の加工領域において、前記第１の加工物および前記第２の加工物に、渦巻状の軌道で移動させながらレーザ光を照射する第２の工程とを備え、
   前記第２の工程では、
   前記第１の加工物および前記第２の加工物が前記レーザ光の照射によって溶融されて液相部分を形成し、
   前記液相部分に前記レーザ光が照射されないように、前記レーザ光を移動させ、前記渦巻状の軌道は、外側になるほど径方向に隣り合う軌道の間隔が長くなるレーザ溶接方法。
2. 第１の加工物と第２の加工物とを、第１の加工領域において重ねる第１の工程と、
   前記第１の加工領域において、前記第１の加工物および前記第２の加工物に、渦巻状の軌道で移動させながらレーザ光を照射する第２の工程とを備え、
   前記第２の工程では、
   前記第１の加工物および前記第２の加工物が前記レーザ光の照射によって溶融されて液相部分を形成し、
   前記液相部分に前記レーザ光が照射されないように、前記レーザ光を移動させ、前記第２の工程において、前記レーザ光の移動速度は、前記渦巻状の軌道の外側になるほど速くなるレーザ溶接方法。
3. 第１の加工物と第２の加工物とを、第１の加工領域において重ねる第１の工程と、
   前記第１の加工領域において、前記第１の加工物および前記第２の加工物に、渦巻状の軌道で移動させながらレーザ光を照射する第２の工程とを備え、
   前記第２の工程では、
   前記第１の加工物および前記第２の加工物が前記レーザ光の照射によって溶融されて液相部分を形成し、
   前記液相部分に前記レーザ光が照射されないように、前記レーザ光を移動させ、前記レーザ光の出力は、前記渦巻状の軌道の外側になるほど低くなるレーザ溶接方法。
4. 前記渦巻状の軌道は、径方向に隣り合う軌道の間隔が前記レーザ光のビーム径以上であり前記レーザ光の前記ビーム径の２倍以下である請求項１から３のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
5. 前記渦巻状の軌道の内側の端部は、前記第１の加工領域の中心とは異なる請求項１から３のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
6. 前記渦巻状の軌道の内側の端部と前記第１の加工領域の中心との距離は、前記レーザ光の照射径の半径よりも大きい請求項５に記載のレーザ溶接方法。
7. 前記第２の工程において、前記レーザ光は前記渦巻状の軌道の内側から外側に向かって移動する請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
8. 前記第２の工程において、前記レーザ光は前記渦巻状の軌道の外側から内側に向かって移動する請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
9. 第３の加工物と第４の加工物とを、第２の加工領域において重ねる第３の工程と、
   前記第２の加工領域において、前記第３の加工物および前記第４の加工物に、渦巻状の軌道で移動させながらレーザ光を照射する第４の工程とを備え、
   前記第４の工程では、
   前記第３の加工物および前記第４の加工物が前記レーザ光の照射によって溶融されて液相部分を形成し、
   前記液相部分に前記レーザ光が再度照射されないように、前記レーザ光を移動させ、
   前記第１の加工領域において、前記第１の加工物と前記第２の加工物との間にギャップが存在し、
   前記第２の加工領域において、前記第３の加工物と前記第４の加工物とは接触しており、
   前記第２の工程における前記レーザ光の第１の移動速度は、前記第４の工程における前記レーザ光の第２の移動速度よりも速く、
   前記第２の工程における前記レーザ光の第１の出力は、前記第４の工程における前記レーザ光の第２の出力よりも高い請求項１に記載のレーザ溶接方法。