JP7063083B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は複数枚の金属板を重ね合わせて接合するレーザ溶接方法に係る。特に、本発明は金属板に対するレーザ光の照射形態の改良に関する。

従来、重ね合わされた複数枚の金属板同士を接合（溶接）する手法としてレーザ溶接が知られている。特許文献１には、重ね合わされた２枚の金属板のレーザ溶接に関し、金属板の表面に向けてレーザ光を照射することで、これら金属板を溶融して溶融池を形成し、この溶融池にレーザ光を照射して該溶融池内の溶融金属を流動させることが開示されている。これにより、金属板同士の接合強度を確保できるようにしている。

特開２０１２－２２８７１５号公報

しかしながら、金属板同士の間に生じている隙間（板隙）が大きい場合、各金属板に亘って溶融金属を架橋させるためには、この溶融金属の量を多くする必要がある。この場合、レーザ光が照射される側の金属板（金属板が上下方向で重ね合わされている場合の上板）の溶融金属が、他方側の金属板（金属板が上下方向で重ね合わされている場合の下板）に向けて落ちてしまう「溶け落ち」と呼ばれる溶接欠陥が発生する可能性がある。特に、金属板同士の接合強度を十分に確保するべく、金属板における接合領域の面積（金属板の平面視において溶融金属が硬化された部分の面積）を大きくしようとすると、溶融金属の量が多くなり、それに伴って「溶け落ち」が発生しやすくなって、結果的に接合強度を十分に確保することができなくなってしまう。

図１５は従来のレーザ溶接において接合領域の面積を大きくした場合のレーザ光照射中の状態を示し、図１５（ａ）は金属板の接合領域の断面およびレーザ光を表す図であり、図１５（ｂ）は金属板の平面図である。この図１５では、金属板（上板ａおよび下板ｂ）同士の間に生じている隙間が大きい状態でレーザ溶接が行われる場合であって（レーザ光を一点鎖線で表している）、上板ａの溶融金属ｃが下板ｂ側に垂れ下がった状態を示している。このような状況でレーザ光の照射が継続されると、図１６（レーザ光照射完了後の状態を示す図１５相当図）に示すように、溶融金属ｃが上板ａから離脱して「溶け落ち」が発生してしまう可能性がある。つまり、図１６において破線の円で囲んだ部分では上板ａと下板ｂとの間に溶融金属ｃが架橋されておらず、接合強度を十分に確保することができなくなっている。

以上のように、これまでの技術にあっては、溶融金属の「溶け落ち」を抑制しながらも接合領域の面積を大きくして金属板同士の接合強度を十分に確保することが難しかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、溶融金属の「溶け落ち」を抑制しながらも接合領域の面積を大きくして金属板同士の接合強度を十分に確保することができるレーザ溶接方法を提供することにある。

前記の目的を達成するための本発明の解決手段は、重ね合わされた複数枚の金属板の表面に向けてレーザ光を照射し、その照射位置を走査しながら前記各金属板を溶融し、その溶融金属で成る溶融池を前記レーザ光の走査によって攪拌させ、前記金属板に予め設定された接合領域の全域が、溶融金属が硬化されて成る接合部となるようにして前記金属板同士を接合させるレーザ溶接方法を前提とする。そして、このレーザ溶接方法は、前記レーザ光が走査される軌跡を、前記接合領域内における内側の環状の走査軌跡から外側の環状の走査軌跡に亘って順次変更していき、前記各環状の走査軌跡それぞれに沿う前記レーザ光の前記各走査によって生成される前記溶融金属が硬化されて成る前記接合部が前記接合領域の中央部を含む当該接合領域の全域に亘るようにし、このレーザ光が走査される軌跡を変更する際に、前記金属板の表面への前記レーザ光の照射を一時停止させる照射インターバルを設けることを特徴とする。

この特定事項により、重ね合わされた複数枚の金属板をレーザ溶接によって接合するに当たっては、先ず、金属板上に予め設定された接合領域における内側の環状の走査軌跡に沿ってレーザ光を走査（照射）していき、この走査軌跡の周辺の金属（金属材料）を溶融させ、この溶融金属で成る溶融池をレーザ光の走査によって攪拌する。その後、レーザ光が走査される軌跡を外側の環状の走査軌跡に変更する際には、金属板の表面へのレーザ光の照射を一時的に停止させる。つまり、照射インターバル（金属板の表面へのレーザ光の照射の一時停止期間）を経た後、前記外側の環状の走査軌跡に沿うレーザ光の走査（照射）を開始させる。これにより、この外側の環状の走査軌跡の周辺の金属材料を溶融させ、この溶融金属で成る溶融池をレーザ光の走査によって攪拌する。このような動作を繰り返すことで、レーザ光が走査される軌跡が変更される度に、それまでのレーザ光の照射によって溶融されていた金属に対する冷却期間を設けることができ、この溶融金属の温度低下によってその粘度を高めることができる。このため、レーザ光が走査される軌跡が変更された後のレーザ光の照射によって溶融される金属の質量（粘度が低くなっている溶融金属の質量）が小さくなり、溶融金属の「溶け落ち」を抑制することができる。つまり、接合領域の面積を大きくしても「溶け落ち」を抑制することが可能になり、溶融金属の「溶け落ち」を抑制しながらも接合領域の面積を大きくして金属板同士の接合強度を十分に確保することができる。

また、前記各環状の走査軌跡は、それぞれ前記接合領域の中央部を中心とする同心円形状であることが好ましい。

この場合、同心円形状の各走査軌跡に沿ってレーザ光が順次走査されていく。そして、この走査軌跡を変更する際に、金属板の表面へのレーザ光の照射を一時停止させることになる。これにより、溶融金属の「溶け落ち」を抑制しながら、円形で面積の大きな接合領域を実現することが可能になる。

前記照射インターバルを存して実施される全てのレーザ光の照射が前記環状の走査軌跡に沿って行われる場合、前記接合領域において最も内側の環状の走査軌跡に照射されるレーザ光の出力は、その他の環状の走査軌跡に照射されるレーザ光の出力よりも大きく設定されていることが好ましい。

照射インターバルを存して実施される全てのレーザ光の照射が環状の走査軌跡に沿って行われる場合、接合領域において最も内側の環状の走査軌跡にレーザ光が照射される際には、未だ接合領域の金属材料は溶融されていないため、これを溶融させるためには、他の環状の走査軌跡にレーザ光を照射する場合（内側の環状の走査軌跡において既に金属材料が溶融している場合）に比べて多くの入熱量を必要とする。この点に鑑み、本解決手段では、最も内側の環状の走査軌跡に照射されるレーザ光の出力を、その他の環状の走査軌跡に照射されるレーザ光の出力よりも大きく設定し、この最も内側の環状の走査軌跡の周辺における金属材料の溶融を効果的に行ってレーザ溶接に要する時間の短縮化を図るようにしている。

また、前記接合領域において最も内側の環状の走査軌跡にレーザ光を照射するのに先立って、前記接合領域の中央部の一点にレーザ光を照射する場合、該レーザ光の出力は、前記各環状の走査軌跡に照射されるレーザ光の出力よりも大きく設定されていることが好ましい。

接合領域において最も内側の環状の走査軌跡にレーザ光を照射するのに先立って、接合領域の中央部の一点にレーザ光を照射する場合、この接合領域の中央部の一点にレーザ光が照射される際には、未だ接合領域の金属材料は溶融されていないため、これを溶融させるためには多くの入熱量を必要とする。この点に鑑み、本解決手段では、接合領域の中央部の一点にレーザ光を照射する際のレーザ光の出力を、環状の走査軌跡に照射されるレーザ光の出力よりも大きく設定し、この接合領域の中央部における金属材料の溶融を効果的に行ってレーザ溶接に要する時間の短縮化を図るようにしている。

また、前記照射インターバルの時間は、前記レーザ光が走査される軌跡が変更される環状の走査軌跡が外側のものであるほど長く設定されることが好ましい。

レーザ光が走査される軌跡を接合領域における内側の環状の走査軌跡から外側の環状の走査軌跡に亘って順次変更していった場合、前記照射インターバルを設けたとしても、溶融金属が完全に硬化することなく次のレーザ光の照射（外側の環状の走査軌跡に沿うレーザ光の照射）が実施されることになる。つまり、金属板に熱が蓄積された状態のまま次のレーザ光の照射が行われることになる。そして、この熱の蓄積量は、レーザ光の照射が外側の環状の走査軌跡同士の間で変更される場合ほど多くなっている傾向にある。本解決手段は、この点に鑑み、レーザ光が走査される軌跡が変更される環状の走査軌跡が外側のものであるほど照射インターバルの時間を長く設定し、溶融金属の硬化を促進させる（粘度を低くさせる）。これにより、溶融金属の「溶け落ち」の抑制を確実なものにすることができる。

本発明では、重ね合わされた複数枚の金属板の表面に向けてレーザ光を照射するレーザ溶接において、レーザ光が走査される軌跡を、金属板上に予め設定された接合領域における内側の環状の走査軌跡から外側の環状の走査軌跡に亘って順次変更していき、このレーザ光が走査される軌跡を変更する際に、金属板の表面へのレーザ光の照射を一時停止させる照射インターバルを設けるようにしている。これにより、レーザ光が走査される軌跡が変更される度に、それまでのレーザ光の照射によって溶融されていた金属に対する冷却期間を設けることができ、この溶融金属の温度低下によってその粘度を高めることができる。その結果、接合領域の面積を大きくしても溶融金属の「溶け落ち」を抑制することが可能になり、金属板同士の接合強度を十分に確保することができる。

実施形態に係るレーザ溶接に使用されるレーザ溶接装置を示す概略構成図である。 第１レーザ光照射工程を示し、図２（ａ）は金属板の平面視およびレーザ光の走査軌跡を表す図であり、図２（ｂ）は金属板の接合領域の断面およびレーザ光を表す図である。 第２レーザ光照射工程における図２相当図である。 第３レーザ光照射工程における図２相当図である。 第４レーザ光照射工程における図２相当図である。 第５レーザ光照射工程における図２相当図である。 レーザ光照射工程におけるレーザ出力の変化を示す図である。 実施形態に係るレーザ溶接方法によって２枚の金属板を溶接した場合の実験結果を示す金属板の接合領域の断面図である。 従来のレーザ溶接方法によって２枚の金属板を溶接した場合の実験結果を示す金属板の接合領域の断面図である。 実施形態に係るレーザ溶接方法によって３枚の金属板を溶接した場合の実験結果を示す金属板の接合領域の断面図である。 従来のレーザ溶接方法によって３枚の金属板を溶接した場合の実験結果を示す金属板の接合領域の断面図である。 変形例１でのレーザ光照射工程におけるレーザ出力の変化を示す図である。 変形例２でのレーザ光照射工程におけるレーザ出力の変化を示す図である。 図１４（ａ）は接合領域を近接した２箇所とした場合の金属板の平面図であり、図１４（ｂ）は接合領域を近接した３箇所とした場合の金属板の平面図である。 従来技術におけるレーザ光照射中の状態を示し、図１５（ａ）は金属板の接合領域の断面およびレーザ光を表す図であり、図１５（ｂ）は金属板の平面図である。 従来技術におけるレーザ光照射完了後の状態を示す図１５相当図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、自動車の車体の製造工程で使用されるレーザ溶接装置により実施されるレーザ溶接方法として本発明を適用した場合について説明する。

－レーザ溶接装置の概略構成－
図１は、本実施形態に係るレーザ溶接に使用されるレーザ溶接装置１を示す概略構成図である。この図１に示すように、レーザ溶接装置１は、レーザ発振器２、レーザスキャナ３、溶接ロボット４、および、ロボットコントローラ５を備えている。

レーザ発振器２はレーザ光を生成する。この生成されたレーザ光は、光ファイバーケーブル２１を経てレーザスキャナ３に導かれる。レーザ光としては、例えば炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ等を用いることができる。

レーザスキャナ３は、光ファイバーケーブル２１を経て導かれたレーザ光を、２枚のアルミニウム合金の板材（アルミニウム系金属板；以下、単に金属板という場合もある）Ｗ１，Ｗ２が重ね合わされて成るワークＷに照射する（図１の一点鎖線を参照）。レーザスキャナ３の内部には図示しないレンズ群や複数のミラー３１（図１では１個のミラー３１のみを示している）が収容されている。レンズ群としては、レーザ光を平行光にするためのコリメートレンズや、レーザ光をワークＷの加工点（ワークＷ上の所定のレーザ光照射位置）において焦点を結ぶように集光させる集光レンズ等が備えられている。また、各ミラー３１はそれぞれ回動軸３２を中心に回動可能に構成されている。具体的には、前記回動軸３２は走査モータ３３に連結されており、この走査モータ３３の作動に伴う回動軸３２の回動によって各ミラー３１が回動するようになっている。そして、これらミラー３１の回動によってレーザ光を走査し、ワークＷの所定範囲内でレーザ光の照射位置を移動させることが可能となっている。これにより、レーザスキャナ３自体を移動させることなくレーザ光の照射位置を移動することが可能である。各ミラー３１は例えばガルバノミラーを用いて構成することができる。

本実施形態に係るレーザ溶接はレーザスクリューウェルディング（ＬＳＷ）である。つまり、ワークＷの溶接部分（接合領域）における所定の走査軌跡に沿ってレーザ光を走査していき、この溶接部分を溶融させることで溶接を行うものとなっている。このレーザ光の走査が前記各ミラー３１によって行われることになる。このレーザ光の走査の詳細については後述する。

溶接ロボット４は、レーザスキャナ３を移動可能とするように構成されている。この溶接ロボット４は、多関節ロボットによって構成されている。具体的に、本実施形態のものでは、ベース台４１、該ベース台４１の内部に収容された回転機構（図示省略）、関節４２，４３，４４、および、アーム４５，４６，４７を備えている。回転機構の回転動作および各関節４２，４３，４４におけるアーム４５，４６，４７の揺動動作により、レーザスキャナ３を任意の方向に移動することが可能となっている。

ロボットコントローラ５には、予めオフラインティーチングによって、溶接対象箇所に向けてレーザスキャナ３を移動させるための情報（各関節４２，４３，４４の回動角度量等の情報）が記憶されている。そして、車体製造ライン上の溶接工程箇所まで車体が搬送されてきた際に、ロボットコントローラ５からの制御信号に従い、前記情報に基づいて溶接ロボット４が作動することで、レーザスキャナ３が溶接対象箇所に対向され、このレーザスキャナ３から溶接対象箇所に向けてレーザ光が照射されることで順次レーザ溶接が行われていくことになる。

また、前記ロボットコントローラ５には、ワークＷ上のレーザ光照射位置を移動させるための制御信号を出力するレーザ光走査制御部５１が備えられている。このレーザ光走査制御部５１は、前記走査モータ３３に対して制御信号を出力する。この制御信号に従って走査モータ３３が作動することにより、各ミラー３１が回動軸３２を中心に回動してレーザ光が走査され、ワークＷ上のレーザ光照射位置が移動される。このワークＷ上でのレーザ光照射位置の移動（走査）については後述する。

－溶接方法－
次に、本実施形態の特徴である溶接方法（レーザ溶接方法）について説明する。本実施形態では、鉛直方向で重ね合わされた２枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の重ね溶接を行う場合であって、この金属板Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ部分に対して、前記レーザスキャナ３より出射されるレーザ光を上方から照射する場合について説明する。このため、以下では、上側の金属板を上板Ｗ１と呼び、下側の金属板を下板Ｗ２と呼ぶこととする。

本実施形態におけるレーザ溶接は、上板Ｗ１上に予め設定された接合領域において前記レーザ光を走査することによって行われる。具体的には、接合領域の中央部を中心とする同心円形状の複数（本実施形態では５個）の走査軌跡（円環状の走査軌跡；本発明でいう環状の走査軌跡）を予め規定しておき、レーザ光が走査される軌跡を、これら円環状の走査軌跡のうち内側の円環状の走査軌跡から外側の円環状の走査軌跡に亘って順次変更していくようにしている。なお、前記接合領域は、所定の外径寸法を有する円形の領域として設定されており、この外径寸法は、車体の剛性等を考慮して金属板Ｗ１，Ｗ２同士の間に所望の接合強度が得られる寸法として予め規定されている。

また、各円環状の走査軌跡としては、接合領域の中央部を中心とする５個の同心円形状となっており、最も内側に規定された第１走査軌跡ＳＣ１（図２を参照）から最も外側に規定された第５走査軌跡ＳＣ５（図６を参照）に亘って順にレーザ光を走査していく。そして、このレーザ光が走査される軌跡を変更する際には、上板Ｗ１の表面へのレーザ光の照射を一時停止させる照射インターバルを設けている。この照射インターバルを設けることにより、レーザ光の照射によって溶融されていた金属に対する冷却期間を設けることができ、この溶融金属の温度低下によってその粘度を高めることができるようにしている。また、前記照射インターバルを設けることによって溶融金属が温度低下した後に、次のレーザ光の照射が行われる（外側の円環状の走査軌跡に沿うレーザ光の照射が行われる）ことになるので、溶融金属における単位体積当たりの入熱量を低く抑えることができスパッタ（溶融金属の飛散）を抑制できて、上板Ｗ１および下板Ｗ２に亘って架橋される溶融金属の減肉を抑制することができる。

ここで、上板Ｗ１の表面へのレーザ光の照射を一時停止させる動作としては、レーザ発振器２からのレーザ光の出力を一時停止させることが挙げられる。また、各走査軌跡ＳＣ１～ＳＣ５に沿って照射されるレーザ光の焦点位置は、レーザ光が上板Ｗ１を貫通する位置であってもよいし、上板Ｗ１を貫通しない位置（上板Ｗ１の表面位置）であってもよい。

以下、レーザ光照射工程について具体的に説明する。図２～図６は、各レーザ光照射工程を示しており、各図（ａ）はワークＷの平面視およびレーザ光の走査軌跡を表しており、各図（ｂ）はワークＷの接合領域の断面およびレーザ光（レーザ光の走査位置が図中の最も右側に移動した状態および最も左側に移動した状態）を表している。

これらの図に示すように、本実施形態におけるレーザ溶接は、第１レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程までの５段階のレーザ光の照射（レーザ光の走査）が行われて所望の外径寸法の接合領域が形成されるようになっている。

この場合のレーザ光の走査軌跡（同心円形状の走査軌跡）としては、第１レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程の順で、その径寸法が次第に大きくなっている。また、各レーザ光照射工程におけるレーザ光の出力は互いに同一の値となっている。図７は、このレーザ光照射工程におけるレーザ光の出力の変化を示している。この図７における期間ｔ１が第１レーザ光照射工程の期間、期間ｔ２が第２レーザ光照射工程の期間、期間ｔ３が第３レーザ光照射工程の期間、期間ｔ４が第４レーザ光照射工程の期間、期間ｔ５が第５レーザ光照射工程の期間である。この図７に示すように、各レーザ光照射工程同士の間にはレーザ光の出力が零となる期間、つまり、前記照射インターバルが設けられている。

－各レーザ光照射工程－
以下、各レーザ光照射工程について説明する。

図２は、第１レーザ光照射工程（第１回目のレーザ光照射工程）を示している。この第１レーザ光照射工程におけるレーザ光の走査軌跡（第１走査軌跡ＳＣ１）の径寸法は最も小さくなっており（他のレーザ光照射工程におけるレーザ光の走査軌跡ＳＣ２～ＳＣ５の径寸法よりも小さくなっており）、これにより、上板Ｗ１および下板Ｗ２における金属材料の溶融部分の径寸法も小さくなっている。つまり、溶融金属Ｆの体積は小さいものとなっている。この第１レーザ光照射工程では、第１走査軌跡ＳＣ１に沿ってレーザ光が照射されると共に、この第１走査軌跡ＳＣ１に沿ってレーザ光が複数回に亘って回転（周回）される。このレーザ光の回転回数（周回数）は、上板Ｗ１および下板Ｗ２に亘って溶融金属Ｆが架橋される溶融金属Ｆの体積が得られるように実験的に求められたものとなっている。

このように第１走査軌跡ＳＣ１に沿ってレーザ光を複数回に亘って回転させる第１レーザ光照射工程にあっては、前記第１走査軌跡ＳＣ１およびその周辺部において上板Ｗ１および下板Ｗ２が溶融し、この溶融金属Ｆによって溶融池Ｐが形成される。そして、レーザ光の走査によって、前記溶融池Ｐ内の溶融金属Ｆが攪拌されて流動される。つまり、溶融池Ｐ内で溶融金属Ｆがかき混ぜられる。このとき、溶融池Ｐは、溶融金属Ｆが周方向へ流動することによって、すり鉢形状に形成される。同時に、溶融池Ｐでは、溶融金属Ｆのうねりが生じる。この溶融金属Ｆのうねりが生じている溶融池Ｐは、溶融金属Ｆの表面張力によって纏まり、孔空きまたは分離ビードのない接合部が形成され、これによって、上板Ｗ１と下板Ｗ２とが一体的に溶接される。このように溶融池Ｐでは、レーザ光の走査によって溶融金属Ｆが流動しながらうねりが生じているため、溶融池Ｐは十分に溶融且つ攪拌混合され、気泡の排出が良好に行われる。また、溶融池Ｐは、レーザ光の走査によって流動しながらうねっているため、溶融池Ｐは十分に攪拌混合され、元素が十分に拡散して偏析が抑制され、且つ温度が均一化されることで組織が不均一となることを抑制できる。

図３は、第２レーザ光照射工程（第２回目のレーザ光照射工程）を示している。この図３において斜線を付した部分は、前記第１レーザ光照射工程において溶融した金属が硬化されて成る接合領域を表している。前記第１レーザ光照射工程が終了した後、照射インターバルを存して実施される第２レーザ光照射工程におけるレーザ光の走査軌跡（第２走査軌跡ＳＣ２）の径寸法は前記第１走査軌跡ＳＣ１の径寸法よりも大きくなっている。このため、この第２レーザ光照射工程での上板Ｗ１および下板Ｗ２における金属材料の溶融部分の径寸法は、第１レーザ光照射工程における上板Ｗ１および下板Ｗ２における金属材料の溶融部分の径寸法よりも大きくなる。この第２レーザ光照射工程では、この第２走査軌跡ＳＣ２に沿ってレーザ光が照射されると共に、この第２走査軌跡ＳＣ２に沿ってレーザ光が複数回に亘って回転（周回）される。このレーザ光の回転回数（周回数）は、上板Ｗ１および下板Ｗ２に亘って新たに架橋される溶融金属Ｆとして所定の体積が得られるように実験的に求められたものとなっている。

この第２レーザ光照射工程にあっても、前述した第１レーザ光照射工程の場合と同様に、前記第２走査軌跡ＳＣ２およびその周辺部において上板Ｗ１および下板Ｗ２が溶融し、この溶融金属Ｆによって溶融池Ｐが形成される。そして、レーザ光の走査によって、前記溶融池Ｐ内の溶融金属Ｆが攪拌されて流動される。つまり、溶融池Ｐ内で溶融金属Ｆがかき混ぜられる。そして、溶融池Ｐでは、レーザ光の走査によって溶融金属Ｆが流動しながらうねりが生じているため、溶融池Ｐからの気泡の排出が良好に行われる。また、溶融池Ｐでは、元素が十分に拡散して偏析が抑制され、且つ温度が均一化されることで組織が不均一となることを抑制できる。

図４は、第３レーザ光照射工程（第３回目のレーザ光照射工程）を示している。また、図５は、第４レーザ光照射工程（第４回目のレーザ光照射工程）を示している。また、図６は、第５レーザ光照射工程（第５回目（最終回）のレーザ光照射工程）を示している。これらの図においても、斜線を付した部分は、前工程において溶融した金属が硬化されて成る接合領域を表している。これらのレーザ光照射工程にあっても、前工程が終了した後、照射インターバルを存して実施される当該レーザ光照射工程におけるレーザ光の走査軌跡（第３走査軌跡ＳＣ３、第４走査軌跡ＳＣ４、第５走査軌跡ＳＣ５）の径寸法は前工程での走査軌跡の径寸法よりも大きくなっている。このため、各レーザ光照射工程での上板Ｗ１および下板Ｗ２における金属材料の溶融部分の径寸法は、前工程における上板Ｗ１および下板Ｗ２における金属材料の溶融部分の径寸法よりも大きくなる。そして、これらレーザ光照射工程では、そのレーザ光の走査軌跡（第３走査軌跡ＳＣ３、第４走査軌跡ＳＣ４、第５走査軌跡ＳＣ５）に沿ってレーザ光が照射されると共に、この走査軌跡に沿ってレーザ光が複数回に亘って回転（周回）される。このレーザ光の回転回数（周回数）は、上板Ｗ１および下板Ｗ２に亘って新たに架橋される溶融金属Ｆとして所定の体積が得られるように実験的に求められたものとなっている。

これら第３レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程それぞれにあっても、前述した第１レーザ光照射工程の場合と同様に、前記走査軌跡ＳＣ３、ＳＣ４、ＳＣ５およびその周辺部において上板Ｗ１および下板Ｗ２が溶融し、この溶融金属Ｆによって溶融池Ｐが形成される。そして、レーザ光の走査によって、前記溶融池Ｐ内の溶融金属Ｆが攪拌されて流動される。これにより、溶融池Ｐからの気泡の排出が良好に行われる。また、溶融池Ｐでは、元素が十分に拡散して偏析が抑制され、且つ温度が均一化されることで組織が不均一となることを抑制できる。

以上の各レーザ光照射工程それぞれにおける溶接条件について具体的に説明する。この溶接条件としては、レーザ光の走査軌跡の径寸法、走査速度、レーザ光の出力、照射インターバル時間等が挙げられる。なお、以下の溶接条件の具体的数値は、上板Ｗ１および下板Ｗ２それぞれの板厚寸法が１．０ｍｍであって板隙が０．８ｍｍである場合の例を示している。

本実施形態では、レーザ光の走査軌跡の径寸法は、第１レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程に亘って等間隔で各走査軌跡ＳＣ１～ＳＣ５の径寸法を拡大するように設定されている。一例としては、第１レーザ光照射工程での第１走査軌跡ＳＣ１の径寸法が０．４ｍｍ、第２レーザ光照射工程での第２走査軌跡ＳＣ２の径寸法が０．８ｍｍ、第３レーザ光照射工程での第３走査軌跡ＳＣ３の径寸法が１．２ｍｍ、第４レーザ光照射工程での第４走査軌跡ＳＣ４の径寸法が１．６ｍｍ、第５レーザ光照射工程での第５走査軌跡ＳＣ５の径寸法が２．０ｍｍとなっている。これらの値はこれに限定されるものではない。

また、走査速度は、第１レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程に亘って同一速度としている。一例としては、２０ｍ／ｍｉｎに設定されている。この値もこれに限定されるものではない。また、各レーザ光照射工程における走査速度を互いに異ならせるようにしてもよい。

また、レーザ光の出力は、前述したように第１レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程に亘って同一出力としている。一例としては、４０００Ｗに設定されている。この値もこれに限定されるものではない。

また、各レーザ光照射工程同士の間に設定される照射インターバル時間は、それぞれ同一の時間としている。この照射インターバル時間は、レーザ光照射工程が終了した後、このレーザ光照射工程において溶融した金属で成るすり鉢形状の溶融池Ｐが安定化するまでの時間として設定される。一例としては、０．０５ｓｅｃに設定されている。この値もこれに限定されるものではない。

このように設定された溶接条件によって前述した第１レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程が順に行われて接合領域において上板Ｗ１と下板Ｗ２とが一体的に接合されることになる。

－実施形態の効果－
以上説明したように、本実施形態では、前述したレーザ光照射工程（照射インターバルを存した第１レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程）を繰り返すことで、レーザ光が走査される軌跡が変更される度に、それまでのレーザ光の照射によって溶融されていた金属に対する冷却期間を設けることができ、この溶融金属Ｆの温度低下によってその粘度を高めることができる。このため、レーザ光が走査される軌跡が変更された後のレーザ光の照射によって溶融される金属の質量（粘度が低くなっている溶融金属Ｆの質量）が小さくなり、溶融金属Ｆが上板Ｗ１から脱落してしまう「溶け落ち」といった溶接欠陥の発生を抑制することができる。つまり、接合領域の面積を大きくしても「溶け落ち」を抑制することが可能になり、溶融金属Ｆの「溶け落ち」を抑制しながらも接合領域の面積を大きくして金属板Ｗ１，Ｗ２同士の接合強度を十分に確保することができる。

また、前記照射インターバルを設けることによって溶融金属Ｆが温度低下した後に、次のレーザ光の照射が行われる（外側の円環状の走査軌跡に沿うレーザ光の照射が行われる）ことになるので、溶融金属Ｆにおける単位体積当たりの入熱量を低く抑えることができスパッタを抑制できて、上板Ｗ１および下板Ｗ２に亘って架橋される溶融金属Ｆの減肉を抑制することができる。これによっても、溶融金属Ｆが上板Ｗ１から脱落してしまうことを抑制でき、金属板Ｗ１，Ｗ２同士の接合強度を十分に確保することができる。

－実験例－
次に、前述した効果を確認するために行った実験例について説明する。

先ず、第１の実験例としては、前記実施形態に係るレーザ溶接方法によって２枚の金属板を溶接した場合と、従来のレーザ溶接方法によって２枚の金属板を溶接した場合とのそれぞれについて接合領域の断面を比較した。

図８は実施形態に係るレーザ溶接方法によって２枚の金属板Ｗ１，Ｗ２を溶接した場合の実験結果を示す金属板Ｗ１，Ｗ２の接合領域の断面図である。図９は、従来のレーザ溶接方法によって２枚の金属板ｗ１，ｗ２を溶接した場合の実験結果を示す金属板ｗ１，ｗ２の接合領域の断面図である。

図９に示す従来のレーザ溶接方法によるものでは、溶融金属ｆが上板ｗ１から離脱して「溶け落ち」が発生しており、この「溶け落ち」の発生部分では上板ｗ１と下板ｗ２との間に溶融金属ｆが架橋されておらず、接合強度を十分に確保することができていない。

これに対し、図８に示す実施形態のレーザ溶接方法によるものでは、「溶け落ち」は発生しておらず、接合領域の全体に亘って上板Ｗ１と下板Ｗ２との間に溶融金属Ｆが架橋されており、接合強度を十分に確保することができている。

特に、前記の効果を得るためには、図中における領域Ａ（溶融金属Ｆ，ｆにおける上板Ｗ１，ｗ１との架橋部分）の断面積は大きく、且つ領域Ｂ（下板Ｗ２，ｗ２側に形成される凹部であってこの凹部が大きいほど溶融金属Ｆ，ｆの減肉が多いことになる）の断面積は小さい方が好ましい。これらの断面積を計測した結果、実施形態のレーザ溶接方法によるものは、領域Ａの断面積は領域Ｂの断面積の２倍程度確保されていた。これに対し、従来のレーザ溶接方法によるものは、領域Ａの断面積は領域Ｂの断面積の９０％程度しか確保されていなかった。

第２の実験例としては、前記実施形態に係るレーザ溶接方法によって３枚の金属板を溶接した場合と、従来のレーザ溶接方法によって３枚の金属板を溶接した場合とのそれぞれについて接合領域の断面を比較した。

図１０は実施形態に係るレーザ溶接方法によって３枚の金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を溶接した場合の実験結果を示す金属板Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３の接合領域の断面図である。図１１は、従来のレーザ溶接方法によって３枚の金属板ｗ１，ｗ２，ｗ３を溶接した場合の実験結果を示す金属板ｗ１，ｗ２，ｗ３の接合領域の断面図である。

図１１に示す従来のレーザ溶接方法によるものでは、溶融金属ｆが上板ｗ１から離脱して「溶け落ち」が発生しており、この「溶け落ち」の発生部分では上板ｗ１と中間板ｗ３との間に溶融金属ｆが架橋されておらず、接合強度を十分に確保することができていない。

これに対し、図１０に示す実施形態のレーザ溶接方法によるものでは、「溶け落ち」は発生しておらず、接合領域の全体に亘って上板Ｗ１と中間板Ｗ３との間に溶融金属Ｆが架橋されており、接合強度を十分に確保することができている。

特に、前述した如く前記効果を得るためには、図中における領域Ａの断面積は大きく、且つ領域Ｂの断面積は小さい方が好ましい。これらの断面積を計測した結果、実施形態のレーザ溶接方法によるものは、領域Ａの断面積は領域Ｂの断面積の２．５倍程度確保されていた。これに対し、従来のレーザ溶接方法によるものは、領域Ａの断面積は領域Ｂの断面積の９０％程度しか確保されていなかった。

（変形例１）
次に、変形例１について説明する。本変形例は、レーザ光照射工程におけるレーザ光の出力の変化の変形例である。その他の構成および溶接方法は前記実施形態のものと同様であるので、ここではレーザ光の出力の変化についてのみ説明する。

図１２は、本変形例でのレーザ光照射工程におけるレーザ出力の変化を示す図である。この図１２における期間ｔ１が第１レーザ光照射工程の期間、期間ｔ２が第２レーザ光照射工程の期間、期間ｔ３が第３レーザ光照射工程の期間、期間ｔ４が第４レーザ光照射工程の期間、期間ｔ５が第５レーザ光照射工程の期間である。

前記実施形態にあっては、第１レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程に亘ってレーザ光の出力を同一出力としていた（図７を参照）。これに対し、本変形例では、第１レーザ光照射工程でのレーザ光の出力を、その他のレーザ光照射工程（第２レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程）でのレーザ光の出力よりも大きく設定している。つまり、接合領域において最も内側の円環状の走査軌跡に照射されるレーザ光の出力を、その他の円環状の走査軌跡に照射されるレーザ光の出力よりも大きく設定している。第１レーザ光照射工程でのレーザ光の出力と、その他のレーザ光照射工程でのレーザ光の出力との関係（例えばレーザ光の出力の比率）は実験やシミュレーションに基づいて設定される。例えば、第１レーザ光照射工程でのレーザ光の出力は、その他のレーザ光照射工程でのレーザ光の出力に比べて２０％高く設定される。この値はこれに限定されるものではない。

接合領域において最も内側の第１走査軌跡ＳＣ１にレーザ光が照射される際には、未だ接合領域の金属材料は溶融されていないため、これを溶融させるためには、他の走査軌跡ＳＣ２～ＳＣ５にレーザ光を照射する場合（内側の円環状の走査軌跡において既に金属材料が溶融している場合）に比べて多くの入熱量を必要とする。この点に鑑み、本変形例では、最も内側の第１走査軌跡ＳＣ１に照射されるレーザ光の出力を、その他の走査軌跡ＳＣ２～ＳＣ５に照射されるレーザ光の出力よりも大きく設定し、第１走査軌跡ＳＣ１の周辺における金属材料の溶融を効果的に行ってレーザ溶接に要する時間の短縮化を図るようにしている。この場合、溶融金属Ｆの「溶け落ち」を抑制しながらも接合領域の面積を大きくして金属板Ｗ１，Ｗ２同士の接合強度を十分に確保することができるだけでなく、１つの接合領域に対してレーザ溶接に要する時間（タクトタイム）の短縮化を図ることができる。

（変形例２）
次に、変形例２について説明する。本変形例も、レーザ光照射工程におけるレーザ光の出力の変化の変形例である。その他の構成および溶接方法は前記実施形態のものと同様であるので、ここではレーザ光の出力の変化についてのみ説明する。

図１３は、本変形例でのレーザ光照射工程におけるレーザ出力の変化を示す図である。この図１３における期間ｔ１が第１レーザ光照射工程の期間、期間ｔ２が第２レーザ光照射工程の期間、期間ｔ３が第３レーザ光照射工程の期間、期間ｔ４が第４レーザ光照射工程の期間、期間ｔ５が第５レーザ光照射工程の期間である。

前記実施形態にあっては、第１レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程に亘って照射インターバル時間を同一の時間としていた（図７を参照）。これに対し、本変形例では、レーザ光照射工程が進むに従って照射インターバル時間を次第に長く設定している。つまり、レーザ光が走査される軌跡が変更される円環状の走査軌跡が外側のものであるほど照射インターバル時間を長く設定している。各照射インターバル時間の比率は実験やシミュレーションに基づいて設定される。例えば、レーザ光が走査される軌跡が変更される度に照射インターバル時間を２０％ずつ長くしていく。この値はこれに限定されるものではない。

レーザ光が走査される軌跡を接合領域における内側の円環状の走査軌跡から外側の円環状の走査軌跡に亘って順次変更していった場合、前記照射インターバルを設けたとしても、溶融金属Ｆが完全に硬化することなく次のレーザ光の照射（外側の円環状の走査軌跡に沿うレーザ光の照射）が実施されることになる。つまり、金属板Ｗ１，Ｗ２に熱が蓄積された状態のまま次のレーザ光の照射が行われることになる。そして、この熱の蓄積量は、レーザ光の照射が外側の円環状の走査軌跡同士の間で変更される場合ほど多くなっている傾向にある。本変形例は、この点に鑑み、レーザ光が走査される軌跡が変更される円環状の走査軌跡が外側のものであるほど照射インターバルの時間を長く設定し、溶融金属Ｆの硬化を促進させる（粘度を低くさせる）。これにより、溶融金属Ｆの「溶け落ち」の抑制を確実なものにしている。

（変形例３）
次に、変形例３について説明する。本変形例は、接合領域に対するレーザ光の照射形態が前記実施形態のものと異なっている。その他の構成および溶接方法は前記実施形態のものと同様であるので、ここではレーザ光の照射形態についてのみ説明する。

前記実施形態では、レーザ溶接方法としては、第１レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程の５工程のみで行っていた。本変形例では、第１レーザ光照射工程の前工程として、接合領域の中央部の一点にレーザ光を照射する初期レーザ光照射工程を行うようにしたものである。つまり、レーザ光の照射位置を走査させることなくこの照射位置を一点に固定して金属板Ｗ１，Ｗ２の接合領域の中央部のみを溶融させるようにしたものである。

そして、このような初期レーザ光照射工程を行う場合にあっては、この初期レーザ光照射工程でのレーザ光の出力を、その他のレーザ光照射工程（第１レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程）でのレーザ光の出力よりも高く設定している。初期レーザ光照射工程でのレーザ光の出力と、その他のレーザ光照射工程でのレーザ光の出力との関係（例えばレーザ光の出力の比率）は実験やシミュレーションに基づいて設定される。例えば、初期レーザ光照射工程でのレーザ光の出力は、その他のレーザ光照射工程でのレーザ光の出力に比べて２０％高く設定される。この値はこれに限定されるものではない。

前記初期レーザ光照射工程において接合領域の中央部の一点にレーザ光が照射される際には、未だ接合領域の金属材料は溶融されていないため、これを溶融させるためには多くの入熱量を必要とする。この点に鑑み、本変形例では、接合領域の中央部の一点にレーザ光を照射する際のレーザ光の出力を、円環状の走査軌跡に照射されるレーザ光の出力よりも大きく設定し、この接合領域の中央部における金属材料の溶融を効果的に行ってレーザ溶接に要する時間の短縮化を図るようにしている。この場合、溶融金属Ｆの「溶け落ち」を抑制しながらも接合領域の面積を大きくして金属板Ｗ１，Ｗ２同士の接合強度を十分に確保することができるだけでなく、１つの接合領域に対してレーザ溶接に要する時間（タクトタイム）の短縮化を図ることができる。

（変形例４）
次に、変形例４について説明する。本変形例は、前記実施形態に係るレーザ溶接方法における接合領域を互いに近接した位置に配置したものである。

図１４（ａ）は前記接合領域を近接した２箇所とした場合のワークＷの平面図であり、図１４（ｂ）は接合領域を近接した３箇所とした場合のワークＷの平面図である。何れの場合にあっても、各接合領域におけるレーザ溶接方法としては前記実施形態と同様のレーザ溶接方法が行われることになる。

また、各接合領域におけるレーザ溶接方法として、前記各変形例のうちの何れかを適用するようにしてもよい。

－他の実施形態－
なお、本発明は、前記実施形態および前記各変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲および該範囲と均等の範囲で包含される全ての変形や応用が可能である。

例えば、前記実施形態および前記各変形例では、自動車の車体の製造工程で使用されるレーザ溶接装置１により実施されるレーザ溶接方法として本発明を適用した場合について説明したが、その他の部材のレーザ溶接に対しても本発明は適用することが可能である。

また、前記実施形態および前記各変形例では、２枚のアルミニウム製板材同士を溶接するためのレーザ溶接方法として本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、３枚以上の板材同士を溶接するためのレーザ溶接方法として適用することも可能である。また、本発明のレーザ溶接方法が適用可能な板材の材料としては、アルミニウムに限らず、鉄、マグネシウム、チタン、銅等であってもよい。また、異種金属同士の溶接に適用することもできる。

また、前記実施形態および前記各変形例では、鉛直方向で重ね合わされた金属板Ｗ１，Ｗ２の重ね溶接を行う場合について説明した。つまり、レーザ光がワークＷの上側から照射される場合について説明した。本発明はこれに限らず、水平方向で重ね合わされた金属板の重ね溶接を行う場合にも適用可能である。つまり、レーザ光がワークに対して水平方向から照射される場合にも適用可能である。

また、前記実施形態および前記各変形例では、第１レーザ光照射工程から第５レーザ光照射工程の５回のレーザ光照射工程（円環状の走査軌跡に沿うレーザ光照射工程）を行うようにしていた。本発明はこれに限らず、レーザ光照射工程を４回以下としたり、６回以上としてもよい。

本発明は、レーザ光によるアルミニウム系金属板の重ね溶接を行うレーザ溶接方法に適用可能である。

１ レーザ溶接装置
２ レーザ発振器
３ レーザスキャナ
Ｗ ワーク
Ｗ１ 上板（金属板）
Ｗ２ 下板（金属板）
Ｆ 溶融金属
Ｐ 溶融池

Claims (5)

1. 重ね合わされた複数枚の金属板の表面に向けてレーザ光を照射し、その照射位置を走査しながら前記各金属板を溶融し、その溶融金属で成る溶融池を前記レーザ光の走査によって攪拌させ、前記金属板に予め設定された接合領域の全域が、溶融金属が硬化されて成る接合部となるようにして前記金属板同士を接合させるレーザ溶接方法であって、
   前記レーザ光が走査される軌跡を、前記接合領域内における内側の環状の走査軌跡から外側の環状の走査軌跡に亘って順次変更していき、前記各環状の走査軌跡それぞれに沿う前記レーザ光の前記各走査によって生成される前記溶融金属が硬化されて成る前記接合部が前記接合領域の中央部を含む当該接合領域の全域に亘るようにし、このレーザ光が走査される軌跡を変更する際に、前記金属板の表面への前記レーザ光の照射を一時停止させる照射インターバルを設けることを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 請求項１記載のレーザ溶接方法において、
   前記各環状の走査軌跡は、それぞれ前記接合領域の中央部を中心とする同心円形状であることを特徴とするレーザ溶接方法。
3. 請求項１または２記載のレーザ溶接方法において、
   前記照射インターバルを存して実施される全てのレーザ光の照射が前記環状の走査軌跡に沿って行われる場合、
   前記接合領域において最も内側の環状の走査軌跡に照射されるレーザ光の出力は、その他の環状の走査軌跡に照射されるレーザ光の出力よりも大きく設定されていることを特徴とするレーザ溶接方法。
4. 請求項１または２記載のレーザ溶接方法において、
   前記接合領域において最も内側の環状の走査軌跡にレーザ光を照射するのに先立って、前記接合領域の中央部の一点にレーザ光を照射する場合、該レーザ光の出力は、前記各環状の走査軌跡に照射されるレーザ光の出力よりも大きく設定されていることを特徴とするレーザ溶接方法。
5. 請求項１～４のうち何れか一つに記載のレーザ溶接方法において、
   前記照射インターバルの時間は、前記レーザ光が走査される軌跡が変更される環状の走査軌跡が外側のものであるほど長く設定されることを特徴とするレーザ溶接方法。

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