JP6575604B2 - レーザー溶接方法、およびレーザー溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー溶接方法、およびレーザー溶接装置に関する。

自動車の車体や構造体を組み立てるときには、通常、鋼板を所望の形状にプレス成形した金属部材を形成し、その後、複数の金属部材の一部を重ね合わせた部分にレーザー光を照射して溶接接合している（特許文献１参照。）。自動車用の金属部材には、母材よりも融点の低い被覆材によって母材が被覆されたメッキ鋼板から形成したものがある。メッキ鋼板として、例えば、耐食性に優れた亜鉛を主成分とする被覆材によって母材が被覆された亜鉛メッキ鋼板がある。

亜鉛メッキ鋼板などのメッキ鋼板から形成した金属部材を溶接する場合において、金属部材同士の間に隙間が殆ど無いときには、レーザー光の照射によって発生した亜鉛ガスなどの被覆材蒸気が抜け難くなる。このため、ブローホールが発生して良好な溶接部を得ることが困難になる。

そこで、特許文献１に記載された技術にあっては、まず、金属部材の表面にレーザー光を照射して裏面から盛り上がる突起部を生成する。そして、突起部を介在させて、複数の金属部材を重ね合わせ、レーザー光を照射して金属部材同士を溶接している。金属部材同士の間に突起部が挟まることによって、隙間を確保できる。これによって、溶接時に発生する被覆材の蒸気を隙間を通して逃がし、溶接不良の発生を抑制している。

特開２００８−４９３９２号公報

突起部を生成する従来の方法にあっては、突起部の突起高さは金属部材の板厚によってほぼ決まる。このため、板厚、加工条件、加工時のばらつきなどによって、必要な突起高さを有する突起部を生成できない場合がある。突起部の突起高さが不足すると、溶接不良の原因となる。

本発明は、金属部材の板厚に制限されることなく適正な突起高さを有する突起部を生成でき、もって溶接品質の向上を図ることが可能な、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。

上記目的を達成する本発明のレーザー溶接方法は、複数の金属部材を重ね合わせた部位にレーザー光を照射して複数の前記金属部材同士を溶接するレーザー溶接方法である。複数の前記金属部材のうち少なくとも１つの前記金属部材は母材よりも融点の低い被覆材によって前記母材が被覆されたメッキ鋼板から形成される。まず、一の前記金属部材の一の側面にレーザー光を照射し、反対側の他の側面に当該他の側面から盛り上がる凸部を生成する。次いで、生成された前記凸部の一部を溶融しつつレーザー光を走査することによって前記凸部の上への溶融金属の流れを生じさせて、前記凸部の前記他の側面からの高さよりも高く盛り上がる突起部を生成させる。そして、前記突起部を生成した一の前記金属部材を、前記突起部を介在させて他の前記金属部材と重ね合わせた状態にし、複数の前記金属部材を重ね合わせた部位にレーザー光を照射して複数の前記金属部材同士を溶接する。

上記目的を達成する本発明のレーザー溶接装置は、複数の金属部材を重ね合わせた部位にレーザー光を照射して複数の前記金属部材同士を溶接するレーザー溶接装置である。複数の前記金属部材のうち少なくとも１つの前記金属部材は母材よりも融点の低い被覆材によって前記母材が被覆されたメッキ鋼板から形成される。レーザー溶接装置は、一の前記金属部材の一の側面に向けてレーザー光を照射するとともにレーザー光を走査自在な加工ヘッドと、前記加工ヘッドの作動を制御する制御部と、を有している。前記制御部は、前記加工ヘッドによって一の前記金属部材の一の側面にレーザー光を照射させ、反対側の他の側面に当該他の側面から盛り上がる凸部を生成させる。前記制御部は、次いで、生成された前記凸部の一部を前記加工ヘッドによって溶融しつつレーザー光を走査させることによって前記凸部の上への溶融金属の流れを生じさせて、前記凸部の前記他の側面からの高さよりも高く盛り上がる突起部を生成させる。さらに前記制御部は、前記突起部を介在させて重ね合わせた複数の前記金属部材に前記加工ヘッドから前記レーザー光を照射させて溶接させる。

図１（Ａ）（Ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザー溶接装置を示す概略構成図であり、図１（Ａ）は突起部を生成する前処理工程の状態を示し、図１（Ｂ）は金属部材同士を溶接する溶接工程の状態を示している。 図２は、突起部を生成する手順を説明する模式図であり、図２（Ａ１）（Ａ２）は、レーザー光を走査して凸部を生成させる様子を示す断面図、図２（Ｂ１）（Ｂ２）は、レーザー光を走査して凸部の高さよりも高く盛り上がる突起部を生成させる様子を示す断面図である。 図３は、突起部を生成する手順を説明する模式図であり、図３（Ａ）は、凸部を生成するときの様子を示す平面図、図３（Ｂ）は、突起部を生成するときの様子を示す平面図である。 図４（Ａ）は、レーザー光の走査を直線形状の軌跡に沿って行うことによって凸部または突起部を生成させる様子を示す斜視図、図４（Ｂ）は、レーザー光の走査を円弧形状の軌跡に沿って行うことによって凸部または突起部を生成させる様子を示す斜視図、図４（Ｃ）は、レーザー光の照射を点形状に行うことによって凸部を生成させる様子を示す斜視図である。 図５（Ａ）〜（Ｅ）は、本溶接したときのビードに対する突起部の配置例を模式的に示す平面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。

図１（Ａ）（Ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザー溶接装置１０を示す概略構成図であり、図１（Ａ）は突起部２５を生成する前処理工程の状態を示し、図１（Ｂ）は金属部材２１、２２同士を溶接する溶接工程の状態を示している。

図１を参照して、レーザー溶接装置１０は、複数の金属部材２１、２２を重ね合わせた部位にレーザー光５１を照射して複数の金属部材２１、２２同士を溶接して溶接部材１００を製造する。複数の金属部材２１、２２のうち少なくとも１つの金属部材は、母材よりも融点の低い被覆材によって母材が被覆されたメッキ鋼板から形成されている。メッキ鋼板は、自動車用の金属部材において多用されている、例えば、耐食性に優れた亜鉛を主成分とする被覆材によって母材が被覆された亜鉛メッキ鋼板を例示できる。

レーザー溶接装置１０は、概説すれば、第１の金属部材２１（一の金属部材に相当する）の表面２１ａ（一の側面に相当する）に向けてレーザー光５１を照射するとともにレーザー光５１を走査自在な加工ヘッド５０と、加工ヘッド５０の作動を制御する制御部６０と、を有している。制御部６０は、加工ヘッド５０によって第１の金属部材２１の表面２１ａにレーザー光５１を照射させ、裏面２１ｂ（反対側の他の側面に相当する）に当該裏面２１ｂから盛り上がる凸部２４を生成させる。制御部６０は、次いで、生成された凸部２４の一部を溶融しつつレーザー光５１を走査させることによって凸部２４の上への溶融金属の流れを生じさせて、凸部２４の裏面２１ｂからの高さよりも高く盛り上がる突起部２５を生成させる（図１（Ａ））。さらに制御部６０は、突起部２５を介在させて重ね合わせた複数の金属部材２１、２２に加工ヘッド５０からレーザー光５１を照射させて溶接させる（図１（Ｂ））。レーザー溶接装置１０は、治具部４０を有している。治具部４０は、第１と第２の金属部材２１、２２同士を空間３０を開けて組み合わせた状態に保持自在であるとともに、第１の金属部材２１を第２の金属部材２２と重ね合わせた状態に保持自在である。制御部６０は治具部４０の作動も制御する。以下、レーザー溶接装置１０について詳述する。

治具部４０は、複数（図示例では２枚）の第１と第２の金属部材２１、２２同士を空間３０を開けて組み合わせた状態に保持する第１位置（図１（Ａ））と、第１と第２の金属部材２１、２２を重ね合わせた状態にする第２位置（図１（Ｂ））とに移動自在である。制御部６０は、治具部４０を第１位置に移動させ、第１と第２の金属部材２１、２２同士を空間３０を開けて組み合わせた状態に保持する。次に、制御部６０は、加工ヘッド５０からレーザー光５１を照射して突起部２５を生成させる（図１（Ａ））。次に、制御部６０は、治具部４０を第１位置から第２位置に移動させ、突起部２５を介在させて第１と第２の金属部材２１、２２を重ね合わせた状態にして溶接する（図１（Ｂ））。下方側の第２の金属部材２２は図示しない溶接ダイの上に載置されている。

治具部４０は、第１と第２の金属部材２１、２２同士の間に挿入自在な爪部材４１と、爪部材４１を第１と第２の金属部材２１、２２同士の間に対して進退移動するアクチュエータ４２とを有している。爪部材４１は、挿入側の端面をテーパ形状に形成している。アクチュエータ４２は、エアシリンダーなどから構成する。図１（Ａ）に示すように、アクチュエータ４２によって爪部材４１を前進移動させ、第１と第２の金属部材２１、２２同士の間に挿入する。治具部４０は、第１と第２の金属部材２１、２２同士を空間３０を開けて組み合わせた状態に保持する第１位置に移動する。図１（Ｂ）に示すように、アクチュエータ４２によって爪部材４１を後退移動させ、第１と第２の金属部材２１、２２同士の間から引き抜く。治具部４０は、第１と第２の金属部材２１、２２を重ね合わせた状態にする第２位置に移動する。

第１の金属部材２１の上方に加工ヘッド５０が配置されている。加工ヘッド５０は、公知のレーザー照射装置から構成する。加工ヘッド５０は、第１の金属部材２１の表面２１ａにレーザー光５１を照射する。加工ヘッド５０は、揺動自在なミラーを備え、直線形状、曲線形状、円形状、あるいは円弧形状などの任意の軌跡に沿ってレーザー光５１を走査することができる。走査することなく点状にもレーザー光５１を照射することができる。加工ヘッド５０は、レーザー出力、走査速度、およびスポット径の拡大縮小など、溶接対象物への入熱量の調整も自由にできる。

加工ヘッド５０は、図示しない溶接ロボットのロボットハンドに取り付けられている。溶接ロボットは、教示プログラムにしたがってティーチングされ、定められた動きにしたがってロボットハンドを移動させる。

レーザー溶接装置１０は、溶接時に第１と第２の金属部材２１、２２をクランプする複数のクランプ部材７０を有する。クランプ部材７０は、適宜の構成を採用できる。図示例のクランプ部材７０は、第１の金属部材２１の上方に配置された上方押え部７１と、第２の金属部材２２の下方に配置された下方押え部７２とを有している。上方押え部７１および下方押え部７２は、図示しない例えば油圧シリンダーなどの流体圧シリンダーによって駆動され、第１と第２の金属部材２１、２２を挟持してクランプする。

レーザー溶接装置１０を用いたレーザー溶接方法について説明する。第１と第２の金属部材２１、２２同士は、上方側の第１の金属部材２１の裏面２１ｂに突起部２５を生成する前処理工程（図１（Ａ））と、第１と第２の金属部材２１、２２を突起部２５を介在させて重ね合わせた状態にしてレーザー溶接する溶接工程（図１（Ｂ））とを経て接合される。

（前処理工程）
まず、図１〜図３を参照しつつ、前処理工程を説明する。

図２および図３は、突起部２５を生成する手順を説明する模式図であり、図２（Ａ１）（Ａ２）は、レーザー光５１を走査して凸部２４を生成させる様子を示す断面図、図２（Ｂ１）（Ｂ２）は、レーザー光５１を走査して凸部２４の高さよりも高く盛り上がる突起部２５を生成させる様子を示す断面図である。図３（Ａ）は、凸部２４を生成するときの様子を示す平面図、図３（Ｂ）は、突起部２５を生成するときの様子を示す平面図である。なお、図中矢印５２ａ、５２ｂはレーザー光５１の走査方向を示し、矢印５３ａ、５３ｂは溶融した金属が走査方向とは逆向きに流れる方向を示している。破線によって囲まれる範囲は走査の始端部５４と、走査の終端部５５とを示している。

図１（Ａ）に示すように、下方側の第２の金属部材２２を図示しない溶接ダイの上に載置する。爪部材４１を第２の金属部材２２の縁辺を超える位置まで前進する。上方側の第１の金属部材２１を爪部材４１の上に載置する。空間３０は、第１の金属部材２１に生成した突起部２５が第２の金属部材２２に接合されない寸法、および溶接時に移動される寸法を考慮して適宜決定することができる。空間３０の寸法例として、０．５ｍｍ〜５ｍｍを挙げることができる。

突起部２５は、レーザー光５１を２度打ちすることによって生成される。まず、制御部６０は、加工ヘッド５０の作動を制御し、第１の金属部材２１の表面２１ａにレーザー光５１を照射させ、裏面２１ｂに当該裏面２１ｂから盛り上がる凸部２４を生成させる（図２（Ａ１）（Ａ２）、図３（Ａ））。この場合において、レーザー光５１を走査して、走査の始端部５４に凸部２４を生成させることが好ましい。走査の始端部５４に向かう溶融金属の流れが生じることによって、裏面２１ｂからの突起高さが比較的大きい凸部２４を生成することができるからである。次いで、制御部６０は、加工ヘッド５０の作動を制御し、生成された凸部２４の一部を溶融しつつレーザー光５１を走査させることによって凸部２４の上への溶融金属の流れを生じさせる。この結果、凸部２４の裏面２１ｂからの突起高さよりも高く盛り上がる突起部２５を生成させる（図２（Ｂ１）（Ｂ２）、図３（Ｂ））。

より詳細に説明すると、１パス目のレーザー光５１の照射に関して、第１の金属部材２１の表面２１ａに、レーザー光５１を図中左から右に向かう方向（矢印５２ａ）に走査する（図２（Ａ１）（Ａ２）、図３（Ａ））。第１の金属部材２１の裏面２１ｂに、当該裏面２１ｂから盛り上がる凸部２４が生成される。レーザー光５１を走査することによって、走査の始端部５４に凸部２４が生成され、走査の終端部５５に凹みが生じる。レーザー光５１の走査が予め定められた長さに達すると、レーザー光５１の照射を停止する。図２（Ａ２）に示すように、凸部２４の裏面２１ｂからの突起高さは、符号ｄ１によって示される。

レーザー光５１を走査する場合、溶融した金属の温度は、走査の終端部５５側が高く、始端部５４側が低い。溶融金属のうち温度が高い部位では表面張力が小さく、温度が低い部位では表面張力が大きくなる。温度差による表面張力差によって、溶融金属は、高温側から低温側に向かって引っ張られ、マランゴニ対流が発生する。このように溶融金属の温度分布によって、溶融した金属は走査方向（矢印５２ａ）とは逆向きに流れ（矢印５３ａ）、走査の始端部５４が安定して盛り上がる。この結果、走査の始端部５４に安定した凸部２４を生成することができる。

凸部２４を生成するとき、レーザー光５１を走査する時間は、始端部５４が凝固して凸部２４を生成させる時間以上にすることが好ましい。

レーザー光５１の照射を停止すると、走査の始端部５４に向かっていた溶融金属の流れ（矢印５３ａ）が逆転し、終端部５５に向かって溶融金属が流れ始める。このため、始端部５４が凝固するまでレーザー光５１の走査を止めないようにすることによって、走査の始端部５４に安定した凸部２４を生成することができる。

１パス目のレーザー光５１の照射は、凸部２４が生成されるまで中断することができない。このため、２パス目のレーザー光５１の照射は、１パス目のレーザー光５１の照射が完了した直後から任意のタイミングで始めることができる。

２パス目のレーザー光５１の照射に関して、１パス目の始端部５４に生成された凸部２４の部分を２パス目の始端部５４とする。第１の金属部材２１の表面２１ａに、レーザー光５１を１パス目とは逆の図中右から左に向かう方向（矢印５２ｂ）に走査する（図２（Ｂ１）（Ｂ２）、図３（Ｂ））。凸部２４の上への溶融金属の流れが生じ（矢印５３ｂ）、凸部２４の高さが増幅される。その結果、走査の始端部５４に突起部２５が生成され、走査の終端部５５に凹みが生じる。レーザー光５１の走査が予め定められた長さに達すると、レーザー光５１の照射を停止する。図２（Ｂ２）に示すように、突起部２５の裏面２１ｂからの突起高さは、符号ｄ２によって示される。突起部２５の突起高さは、凸部２４の突起高さに対してΔｄ（ｄ２−ｄ１）増幅している。突起部２５の突起高さｄ２は、ブローホールの発生を抑制する目的に合致する範囲において適宜選択できる。突起部２５の突起高さの寸法例として、０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍを挙げることができる。

２パス目のレーザー光５１の走査のときにも、溶融金属の温度分布によって、溶融した金属は走査方向（矢印５２ｂ）とは逆向きに流れ（矢印５３ｂ）、走査の始端部５４に存在する凸部２４が安定して盛り上がる。この結果、走査の始端部５４に安定した突起部２５を生成することができる。

突起部２５を生成するとき、裏面２１ｂの側に盛り上がった凸部２４の頂点を残すようにレーザー光５１を走査することが好ましい。

凸部２４の頂点を残すようにレーザー光５１を走査することによって、すでに盛り上がっている凸部２４の頂点に溶融金属がさらに流れる結果、凸部２４の突起高さよりも一層高く突出した突起部２５を生成することができるからである。

突起部２５を生成するとき、レーザー光５１を走査する時間は、始端部５４が凝固して突起部２５を生成させる時間以上にすることが好ましい。

レーザー光５１の照射を停止すると、走査の始端部５４に向かっていた溶融金属の流れ（矢印５３ｂ）が逆転し、終端部５５に向かって溶融金属が流れ始める。このため、始端部５４が凝固するまでレーザー光５１の走査を止めないようにすることによって、走査の始端部５４に安定した突起部２５を生成することができるからである。

突起部２５を生成するとき、凸部２４を中央にして、凸部２４を生成するときにレーザー光５１を走査した方向（図２において左から右）とは反対側（図２において右から左）に向けてレーザー光５１を走査することが好ましい。

凸部２４を中央にして逆方向にレーザー光５１を走査することによって、２度目のレーザー光５１の走査を溶接ロボットにティーチングするときの教示プログラムの作成が容易になる。さらに、ロボットハンドの移動時間（照射時間）も短くでき、レーザー溶接に要する時間を短縮できる。

なお、凸部２４を中央にして逆方向にレーザー光５１を走査させて突起部２５を生成させた場合、第１の金属部材２１には、溶接ビードの中央部分に突起部２５が生じ、溶接ビードの両端部分にヒケが生じる（図２（Ｂ２）を参照）。

（溶接工程）
次に、図１を参照しつつ、溶接工程を説明する。

図１（Ｂ）に示すように、爪部材４１を第２の金属部材２２の縁辺から離れる位置まで後退する。上方側の第１の金属部材２１を突起部２５を介在させて、下方側の第２の金属部材２２に重ね合わせる。クランプ部材７０の上方押え部７１および下方押え部７２を駆動し、第１と第２の金属部材２１、２２をクランプする。そして、第１と第２の金属部材２１、２２を重ね合わせた部位に加工ヘッド５０からレーザー光５１を照射して第１と第２の金属部材２１、２２同士を溶接する。溶接工程におけるレーザー光５１の軌跡は、直線状、曲線状、スポット状のいずれでもよい。

溶接工程において、重ね合わせた第１と第２の金属部材２１、２２同士の間には、突起部２５が挟まることによって凸部２４が挟まるよりも大きな隙間３１を確保できる。この拡大された隙間３１を通って、溶接時のレーザー光５１の照射によって発生する被覆材蒸気である亜鉛ガスが逃がされる。亜鉛ガスの通気性が向上する結果、ブローホールの発生が抑制され、溶接品質が向上する。

このようなレーザー溶接技術は、亜鉛メッキ鋼板が多用されている自動車用の金属部材を溶接接合する場合に適したものとなる。

図４（Ａ）は、レーザー光５１の走査を直線形状の軌跡に沿って行うことによって凸部２４または突起部２５を生成させる様子を示す斜視図、図４（Ｂ）は、レーザー光５１の走査を円弧形状の軌跡に沿って行うことによって凸部２４または突起部２５を生成させる様子を示す斜視図、図４（Ｃ）は、レーザー光５１の照射を点形状に行うことによって凸部２４を生成させる様子を示す斜視図である。

凸部２４を生成するとき、レーザー光５１の走査は、始端部５４を残したままの軌跡に沿って行うことが好ましい。

同様に、突起部２５を生成するとき、レーザー光５１の走査は、始端部５４を残したままの軌跡に沿って行うことが好ましい。

１パスの間において始端部５４にレーザー光５１が再び照射されることがない。一旦生成させた凸部２４または突起部２５が再溶融されないので、安定した凸部２４または突起部２５を生成することができるからである。

レーザー光５１の走査は、図４（Ａ）に示される直線形状の軌跡、または図４（Ｂ）に示される円弧形状の軌跡に沿って行うことが好ましい。

レーザー光５１の走査が始端部５４を残したままの軌跡となり、安定した凸部２４または突起部２５を生成することができるからである。

２パス目のレーザー光５１の照射に関してはレーザー光５１を走査することが必要である。しかしながら、１パス目のレーザー光５１の照射に関してはレーザー光５１を走査させることは必ずしも必要ではない。

図４（Ｃ）に示すように、レーザー光５１を走査することなく、レーザー光５１の照射を点形状に行うことによって、点形状の凸部２４を生成させてもよい。点形状の凸部２４は、溶融金属の表面張力の作用によって中央部分が盛り上がって生成される。

図５（Ａ）〜（Ｅ）は、本溶接したときのビード５６に対する突起部２５の配置例を模式的に示す平面図である。

図において、破線によって囲まれた部分が突起部２５を示している。図示例においては、突起部２５を生成するときには、まず、レーザー光５１を走査して走査の始端部５４に凸部２４を生成する。次いで、凸部２４を中央にして、凸部２４を生成したときの走査方向とは反対側に向けてレーザー光５１を走査し、突起部２５を生成している。図５（Ａ）に示される突起部２５は、前処理後のビード５７が直線形状になるようにレーザー光５１を走査して生成されている。ビード５７は、本溶接したときのビード５６に対して平行となるように形成するのがよい。突起部２５を本溶接したときのビード５６に近づけることが可能になるからである。図５（Ｂ）に示される突起部２５は、前処理後のビード５７が円弧形状になるようにレーザー光５１を走査して生成されている。図５（Ｃ）に示される突起部２５は、前処理後のビード５７が直線と円弧とを組み合わせた形状となるようにレーザー光５１を走査して生成されている。

図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本溶接したときのビード５６に対して１個の突起部２５を適用する場合には、本溶接したときのビード５６の長手方向の略中央部分に位置するように、突起部２５を生成するのが好ましい。突起部２５によって形成される隙間３１が、突起部２５を略中央にして図中左右方向に同じような形状となり、溶接時の亜鉛ガスを均等に逃がし易くなるからである。

図５（Ｄ）（Ｅ）に示すように、本溶接したときのビード５６に対して複数個の突起部２５を適用する場合には、本溶接したときのビード５６を間に挟んで千鳥配列となるように、突起部２５を生成するのが好ましい。突起部２５によって形成される隙間３１が、ビード５６の図中上下および図中左右方向に同じような形状となり、溶接時の亜鉛ガスを均等に逃がし易くなるからである。

凸部２４をレーザー光５１の走査または点形状の照射のいずれによって生成するか、凸部２４をレーザー光５１の走査によって生成する場合に走査の軌跡を直線形状または円弧形状のいずれにするか、突起部２５を生成するときのレーザー光５１の走査の軌跡を直線形状または円弧形状のいずれにするかは、任意に組み合わせることができる。本溶接したときのビード５６の形状や長さ、あるいは第１と第２の金属部材２１、２２同士が重なり合う面積の広狭などに応じて、適切な組み合わせを採択することができる。

以上説明したように、本実施形態のレーザー溶接方法は、前処理工程と、溶接工程と、を有し、前処理工程においては、第１の金属部材２１の表面２１ａにレーザー光５１を照射し、裏面２１ｂに当該裏面２１ｂから盛り上がる凸部２４を生成し、次いで、生成された凸部２４の一部を溶融しつつレーザー光５１を走査することによって凸部２４の上への溶融金属の流れを生じさせて、凸部２４の裏面２１ｂからの高さよりも高く盛り上がる突起部２５を生成させる。溶接工程においては、突起部２５を生成した第１の金属部材２１を、突起部２５を介在させて第２の金属部材２２と重ね合わせた状態にし、第１と第２の金属部材２１、２２を重ね合わせた部位にレーザー光５１を照射して第１と第２の金属部材２１、２２同士を溶接する。

かかる方法によれば、前処理工程において、凸部２４の突起高さよりも高く盛り上がる突起部２５を安定して生成することができる。溶接工程において、重ね合わせた第１と第２の金属部材２１、２２同士の間には、突起部２５が挟まることによって凸部２４が挟まるよりも大きな隙間３１を確保できる。この拡大された隙間３１を通って、溶接時のレーザー光５１の照射によって発生する被覆材蒸気である亜鉛ガスが逃がされる。亜鉛ガスの通気性が向上する結果、ブローホールの発生が抑制され、溶接品質が向上する。したがって、本実施形態のレーザー溶接方法によれば、第１と第２の金属部材２１、２２の板厚に制限されることなく適正な突起高さを有する突起部２５を生成でき、もって溶接品質の向上を図ることが可能となる。

突起部２５を生成するとき、裏面２１ｂの側に盛り上がった凸部２４の頂点を残すようにレーザー光５１を走査することが好ましい。

かかる方法によれば、すでに盛り上がっている凸部２４の頂点に溶融金属がさらに流れる結果、凸部２４の突起高さよりも一層高く突出した突起部２５を生成することができる。

突起部２５を生成するとき、レーザー光５１を走査する時間は、始端部５４が凝固して突起部２５を生成させる時間以上であることが好ましい。

かかる方法によれば、始端部５４が凝固するまでレーザー光５１の走査を止めないことから、走査の始端部５４に安定した突起部２５を生成することができるからである。この結果、第１と第２の金属部材２１、２２同士の間の隙間３１を安定して確保することができる。

突起部２５を生成するとき、レーザー光５１の走査を、始端部５４を残したままの軌跡に沿って行うことが好ましい。

かかる方法によれば、１パスの間において始端部５４にレーザー光５１が再び照射されることがない。一旦生成させた突起部２５が再溶融されないので、安定した突起部２５を生成することができる。

レーザー光５１の走査を、直線形状の軌跡、または円弧形状の軌跡に沿って行うことが好ましい。

かかる方法によれば、レーザー光５１の走査が始端部５４を残したままの軌跡となり、安定した突起部２５を生成することができる。

突起部２５を生成するとき、レーザー光５１を走査して、走査の始端部５４に凸部２４を生成させることが好ましい。

かかる方法によれば、走査の始端部５４に向かう溶融金属の流れが生じることによって、裏面２１ｂからの突起高さが比較的大きい凸部２４を生成することができる。

突起部２５を生成するとき、凸部２４を中央にして、凸部２４を生成するときにレーザー光５１を走査した方向とは反対側に向けてレーザー光５１を走査することが好ましい。

かかる方法によれば、凸部２４を中央にして逆方向にレーザー光５１を走査するため、２度目のレーザー光５１の走査を溶接ロボットにティーチングするときの教示プログラムの作成が容易になる。さらに、ロボットハンドの移動時間（照射時間）も短くでき、レーザー溶接に要する時間を短縮できる。

凸部２４を生成するとき、レーザー光５１を走査する時間は、始端部５４が凝固して凸部２４を生成させる時間以上であることが好ましい。

かかる方法によれば、始端部５４が凝固するまでレーザー光５１の走査を止めないことから、走査の始端部５４に安定した凸部２４を生成することができ、ひいては突起高さが高い突起部２５を安定して生成することができる。

凸部２４を生成するとき、レーザー光５１の走査を、始端部５４を残したままの軌跡に沿って行うことが好ましい。

かかる方法によれば、１パスの間において始端部５４にレーザー光５１が再び照射されることがない。一旦生成させた凸部２４が再溶融されないので、安定した凸部２４を生成することができる。

レーザー光５１の走査を、直線形状の軌跡、または円弧形状の軌跡に沿って行うことが好ましい。

かかる方法によれば、レーザー光５１の走査が始端部５４を残したままの軌跡となり、安定した凸部２４を生成することができる。

メッキ鋼板が亜鉛メッキ鋼板である。亜鉛メッキ鋼板を適用して、ブローホールの発生を抑制した良好な溶接部を得ることができる。

本実施形態のレーザー溶接装置１０は、第１の金属部材２１の表面２１ａに向けてレーザー光５１を照射するとともにレーザー光５１を走査自在な加工ヘッド５０と、加工ヘッド５０の作動を制御する制御部６０と、を有している。制御部６０は、加工ヘッド５０によって第１の金属部材２１の表面２１ａにレーザー光５１を照射させ、裏面２１ｂに当該裏面２１ｂから盛り上がる凸部２４を生成させる。制御部６０は、次いで、生成された凸部２４の一部を加工ヘッド５０によって溶融しつつレーザー光５１を走査させることによって凸部２４の上への溶融金属の流れを生じさせて、凸部２４の裏面２１ｂからの高さよりも高く盛り上がる突起部２５を生成させる。制御部６０はさらに、突起部２５を介在させて重ね合わせた複数の金属部材に加工ヘッド５０からレーザー光５１を照射させて溶接させる。

かかる構成によれば、凸部２４の突起高さよりも高く盛り上がる突起部２５を安定して生成することができる。重ね合わせた第１と第２の金属部材２１、２２同士の間には、突起部２５が挟まることによって凸部２４が挟まるよりも大きな隙間３１を確保できる。この拡大された隙間３１を通って、溶接時のレーザー光５１の照射によって発生する被覆材蒸気である亜鉛ガスが逃がされる。亜鉛ガスの通気性が向上する結果、ブローホールの発生が抑制され、溶接品質が向上する。したがって、本実施形態のレーザー溶接装置１０によれば、第１と第２の金属部材２１、２２の板厚に制限されることなく適正な突起高さを有する突起部２５を生成でき、もって溶接品質の向上を図ることが可能となる。

制御部６０は、突起部２５を生成させるとき、裏面２１ｂの側に盛り上がった凸部２４の頂点を残すようにレーザー光５１を走査させることが好ましい。

かかる構成によれば、すでに盛り上がっている凸部２４の頂点に溶融金属がさらに流れる結果、凸部２４の突起高さよりも一層高く突出した突起部２５を生成することができる。

制御部６０は、突起部２５を生成させるとき、レーザー光５１を走査する時間を、始端部５４が凝固して突起部２５を生成させる時間以上とすることが好ましい。

かかる構成によれば、始端部５４が凝固するまでレーザー光５１の走査を止めないことから、走査の始端部５４に安定した突起部２５を生成することができるからである。この結果、第１と第２の金属部材２１、２２同士の間の隙間３１を安定して確保することができる。

制御部６０は、突起部２５を生成させるとき、レーザー光５１を走査して、走査の始端部５４に凸部２４を生成させることが好ましい。

かかる構成によれば、走査の始端部５４に向かう溶融金属の流れが生じることによって、裏面２１ｂからの突起高さが比較的大きい凸部２４を生成することができる。

複数の金属部材をメッキ鋼板から形成した場合について説明したが、溶接する鋼板のいずれかの面に被覆材が被覆されている限り、被覆材蒸気が発生し得る。したがって、複数の金属部材のうち少なくとも１つの金属部材の母材の両面または片面が被覆されたメッキ鋼板を溶接する場合に本発明を適用できる。

２パス目のレーザー光５１の走査を凸部２４から開始する実施形態について説明したが、本発明はこの場合に限定されない。２パス目のレーザー光５１の走査は、生成された凸部２４の一部を溶融しつつレーザー光５１を走査することによって凸部２４の上への溶融金属の流れを生じさせることができればよい。したがって、２パス目のレーザー光５１の走査を凸部２４の手前側から開始することもできる。この場合であっても、突起部２５は凸部２４の盛り上がりを増加させるように生成される。

複数の金属部材を溶接する場合に、金属部材の板厚、表面形状、溶接位置などの影響を受けて、凸部２４の突起高さだけでもブローホールの発生の抑制効果が得られる箇所と、凸部２４の突起高さだけでは上記の抑制効果が十分に得られない箇所とが混在するときがある。このような場合には、１パス目のレーザー光５１の走査によって生成した凸部２４のすべてに対して、２度目のレーザー光５１の走査を行う必要は無い。凸部２４の突起高さだけでは上記の抑制効果が十分に得られない箇所に対してのみ、２パス目のレーザー光５１の走査によって突起部２５を生成させ、要求高さを満足させることができる。突起高さが異なる凸部２４および突起部２５を備える金属部材を適用しても、ブローホールの発生を抑制して、溶接品質の向上を図ることができる。レーザー光５１を２度打ちする箇所が減ることによって、前処理工程の時間を短縮でき、レーザー溶接に要する時間を短縮できる。

第１と第２の金属部材２１、２２が平板の場合を図示したが、本発明は湾曲面を有する金属部材に対しても適用できることはいうまでもない。

（試験例）
凸部２４を生成させる１パス目として、上板（０．９ｍｍ）を貫通可能なレーザー出力〜＋１５％程度の範囲で、スポット径φ５５０〜８００μｍ、速度８０ｍｍ／ｓ、直線形状でレーザー溶接を実施した。始端部５４に凸部２４（突起高さ０．１２ｍｍ）が生成された。

次に、凸部２４の突起高さを増幅させる２パス目として、上板を貫通可能なレーザー出力〜＋１５％程度の範囲で、スポット径φ５５０〜８００μｍ、速度８０ｍｍ／ｓにて、１パス目で生成した凸部２４の一部を始点とし、１パス目とは逆方向へ直線形状でレーザー溶接を実施した。始端部５４に凸部２４よりも大きな突起高さを有する突起部２５（突起高さ０．１９ｍｍ）が生成された。

突起部２５を挟み込むように、上板と下板とを重ね合わせてクランプした。上下板を貫通・溶接可能な熱量でレーザー溶接した。発生した亜鉛ガスは突起部２５によって形成された隙間３１から流出したため溶接部に欠陥は生じなかった。

金属部材の板厚や加工速度によって、レーザー出力や走査距離は異なるが、傾向は同じであることを確認した。

本出願は、２０１５年１１月１７日に出願された日本特許出願番号２０１５−２２５１３６号に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。

１０ レーザー溶接装置、
２１ 第１の金属部材（一の金属部材）、
２１ａ 表面（一の側面）、
２１ｂ 裏面（他の側面）、
２２ 第２の金属部材（他の金属部材）、
２４ 凸部、
２５ 突起部、
３０ 空間、
３１ 隙間、
４０ 治具部、
４１ 爪部材、
４２ アクチュエータ、
５０ 加工ヘッド、
５１ レーザー光、
５４ 始端部、
５５ 終端部、
６０ 制御部、
ｄ１ 凸部の裏面からの突起高さ、
ｄ２ 突起部の裏面からの突起高さ、
Δｄ 突起高さの増幅分。

Claims (15)

1. 複数の金属部材を重ね合わせた部位にレーザー光を照射して複数の前記金属部材同士を溶接するレーザー溶接方法であって、複数の前記金属部材のうち少なくとも１つの前記金属部材は母材よりも融点の低い被覆材によって前記母材が被覆されたメッキ鋼板から形成され、
   一の前記金属部材の一の側面にレーザー光を照射し、反対側の他の側面に当該他の側面から盛り上がる凸部を生成し、次いで、生成された前記凸部の一部を溶融しつつレーザー光を走査することによって前記凸部の上への溶融金属の流れを生じさせて、前記凸部の前記他の側面からの高さよりも高く盛り上がる突起部を生成させ、
   前記突起部を生成した一の前記金属部材を、前記突起部を介在させて他の前記金属部材と重ね合わせた状態にし、複数の前記金属部材を重ね合わせた部位にレーザー光を照射して複数の前記金属部材同士を溶接する、レーザー溶接方法。
2. 前記突起部を生成するとき、前記他の側面の側に盛り上がった前記凸部の頂点を残すようにレーザー光を走査する、請求項１に記載のレーザー溶接方法。
3. 前記突起部を生成するとき、レーザー光を走査する時間は、始端部が凝固して前記突起部を生成させる時間以上である、請求項１または２に記載のレーザー溶接方法。
4. 前記突起部を生成するとき、レーザー光の走査を、始端部を残したままの軌跡に沿って行う、請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のレーザー溶接方法。
5. レーザー光の走査を、直線形状の軌跡、または円弧形状の軌跡に沿って行う、請求項４に記載のレーザー溶接方法。
6. 前記突起部を生成するとき、レーザー光を走査して、走査の始端部に前記凸部を生成させる、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のレーザー溶接方法。
7. 前記突起部を生成するとき、前記凸部を中央にして、前記凸部を生成するときにレーザー光を走査した方向とは反対側に向けてレーザー光を走査する、請求項６に記載のレーザー溶接方法。
8. 前記凸部を生成するとき、レーザー光を走査する時間は、始端部が凝固して前記凸部を生成させる時間以上である、請求項６または７に記載のレーザー溶接方法。
9. 前記凸部を生成するとき、レーザー光の走査を、始端部を残したままの軌跡に沿って行う、請求項６〜請求項８のいずれか１つに記載のレーザー溶接方法。
10. レーザー光の走査を、直線形状の軌跡、または円弧形状の軌跡に沿って行う、請求項９に記載のレーザー溶接方法。
11. 前記メッキ鋼板が亜鉛メッキ鋼板である、請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載のレーザー溶接方法。
12. 複数の金属部材を重ね合わせた部位にレーザー光を照射して複数の前記金属部材同士を溶接するレーザー溶接装置であって、複数の前記金属部材のうち少なくとも１つの前記金属部材は母材よりも融点の低い被覆材によって前記母材が被覆されたメッキ鋼板から形成され、
    一の前記金属部材の一の側面に向けてレーザー光を照射するとともにレーザー光を走査自在な加工ヘッドと、
    前記加工ヘッドの作動を制御する制御部と、を有し、
    前記制御部は、
    前記加工ヘッドによって一の前記金属部材の一の側面にレーザー光を照射させ、反対側の他の側面に当該他の側面から盛り上がる凸部を生成させ、次いで、生成された前記凸部の一部を前記加工ヘッドによって溶融しつつレーザー光を走査させることによって前記凸部の上への溶融金属の流れを生じさせて、前記凸部の前記他の側面からの高さよりも高く盛り上がる突起部を生成させ、
    さらに、前記突起部を介在させて重ね合わせた複数の前記金属部材に前記加工ヘッドから前記レーザー光を照射させて溶接させる、レーザー溶接装置。
13. 前記制御部は、前記突起部を生成させるとき、前記他の側面の側に盛り上がった前記凸部の頂点を残すようにレーザー光を走査させる、請求項１２に記載のレーザー溶接装置。
14. 前記制御部は、前記突起部を生成させるとき、レーザー光を走査する時間を、始端部が凝固して前記突起部を生成させる時間以上とする、請求項１２または１３に記載のレーザー溶接装置。
15. 前記制御部は、前記突起部を生成させるとき、レーザー光を走査して、走査の始端部に前記凸部を生成させる、請求項１２〜請求項１４のいずれか１つに記載のレーザー溶接装置。