JP7213440B2 - レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置に関する。

レーザ溶接は、被溶接物であるワークに照射されるレーザ光のパワー密度が高いため、高速かつ高品質の溶接を行うことができる。特に、レーザ光をワークの表面で高速にスキャンしながら溶接を行うスキャニング溶接では、溶接をしない期間中にレーザビームを次の溶接点へ高速に移動することができるため、トータルな溶接時間を短縮することができる（例えば、特許文献１参照）。また、レーザ光のスキャニング方法に関しては、ワークの表面にリサージュパターンを描くようにレーザ光を走査する方法が、従来提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。また、スキャンニング溶接は、通常の鉄鋼材料のみではなく、亜鉛めっき等の表面処理を行った鉄鋼材料の薄板溶接にも適用されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００５－０９５９３４号公報 特開昭６０－１７７９８３号公報 特開平１１－１０４８７７号公報 特許第４９１５３１５号公報

ところで、亜鉛の沸点（９０６℃）は、鉄の融点（１５３５℃）よりも大幅に低い。このため、亜鉛めっき層がそれぞれの表面に形成された２枚の鋼板をギャップレスで重ねて溶接する重ね溶接では、鉄が溶融する前に鋼板の重ね合わせ面に介在する亜鉛めっき層が蒸発温度に達してしまう。発生した亜鉛蒸気は、キーホールまたは溶融池を不安定にしたり、ワークの内部にポロシティを形成させたり、極端な場合は溶融池を吹き飛ばしたりして、溶接欠陥を発生させるおそれがあった。

しかし、特許文献１～３に開示された従来の構成では、亜鉛めっき層が形成された鋼板の重ね溶接に関して何ら開示されておらず、前述の課題に関しても開示されていない。

一方、特許文献４には、溶接方向に沿ってレーザビームを前後にウィービングするとともに、前方にウィービングする前進工程でのレーザ光の出力を後方にウィービングする後進工程でのそれよりも低くする方法が開示されている。このようにすることで、亜鉛めっき層を除去した後に鋼板同士を溶接することを可能にしている。

しかし、特許文献４に開示される方法では、レーザ光の軌跡が、前進工程と後進工程とで重なっている。また、溶接方向と交差する方向におけるレーザ光の幅が、前進工程と後進工程とで同じである。これらのことにより、溶接領域に対して、亜鉛めっき層が除去される領域が十分に確保できず、溶接欠陥を発生させるおそれがあった。

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、亜鉛めっき層等の被覆層が形成された板材の重ね溶接において、溶接欠陥の発生を抑制し、良好な形状の溶接ビードが得られるレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本開示に係るレーザ溶接方法は、レーザ光を溶接方向に進行させながら、前記レーザ光を二次元的に走査してワークの表面に照射することで、前記ワークを溶接する溶接ステップを備え、前記ワークは、それぞれ板状の部分を含む２つの母材において、前記板状の部分同士が重ね合わされ、少なくとも前記板状の部分の表面に被覆層が形成された構造であり、かつ前記被覆層の沸点は、前記母材の融点よりも低く、前記溶接ステップでは、前記ワークの表面で所定のパターンを描くように、かつ、前記所定のパターンのうち、溶接方向に沿って前記所定のパターンの原点の前方に位置する第１描画パターンは、前記原点の後方に位置する第２描画パターンよりも前記溶接方向と交差する方向に関して広いパターンとなるように前記レーザ光を走査し、前記第１描画パターンを描画中の前記レーザ光の出力が、前記第２描画パターンを描画中の前記レーザ光の出力よりも低くなるように前記レーザ光の出力を制御し、前記所定のパターンは、互いに非対称な形状の２つの環状のパターンが前記原点で接して連続したパターンであることを特徴とする。

本開示に係るレーザ溶接装置は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、前記レーザ光を受け取ってワークに向けて照射するレーザヘッドと、前記レーザヘッドの動作及び前記レーザ光の出力を制御するコントローラと、を少なくとも備え、前記レーザヘッドは、前記レーザ光を第１方向と前記第１方向と交差する第２方向のそれぞれに走査するレーザ光スキャナを有し、前記ワークが、それぞれ板状の部分を含む２つの母材において、前記板状の部分同士が重ね合わされ、少なくとも前記板状の部分の表面に被覆層が形成された構造であり、かつ前記被覆層の沸点が前記母材の融点よりも低い場合に、前記コントローラは、前記レーザ光が前記ワークの表面で所定のパターンを描くように、かつ前記所定のパターンのうち、溶接方向に沿って前記所定のパターンの原点の前方に位置する第１描画パターンは、前記原点の後方に位置する第２描画パターンよりも前記溶接方向と交差する方向に関して広いパターンとなるように前記レーザ光スキャナを駆動制御し、さらに、前記コントローラは、前記第１描画パターンを描画中の前記レーザ光の出力が、前記第２描画パターンを描画中の前記レーザ光の出力よりも低くなるように前記レーザ光の出力を制御し、前記所定のパターンは、互いに非対称な形状の２つの環状のパターンが前記原点で接して連続したパターンであることを特徴とする。

本開示によれば、２つの板状の部分の間にある被覆層を除去できるとともに、被覆層が蒸発して発生する蒸気に起因した溶接欠陥の発生を抑制することができる。また、ワークに形成される溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。

図１は、実施形態１に係るレーザ溶接装置の概略構成図である。 図２は、レーザ光スキャナの概略構成図である。 図３は、ワークの断面模式図である。 図４は、レーザ光の走査パターンを示す図である。 図５は、溶接方向に沿ったレーザ光の走査軌跡を示す図である。 図６は、レーザ光の描画位置と出力との関係を示す図である。 図７は、レーザ光照射時の溶接方向に沿ったワークの状態変化を示す模式図である。 図８は、変形例１に係るレーザ光の描画位置と出力との関係を示す図である。 図９は、レーザ光照射時の溶接方向に沿ったワークの状態変化を示す模式図である。 図１０は、レーザ光の出力とキーホールの深さとの関係を示す図である。 図１１Ａは、変形例２に係るレーザ光の第１の走査パターンを示す図である。 図１１Ｂは、変形例２に係るレーザ光の第２の走査パターンを示す図である。 図１１Ｃは、変形例２に係るレーザ光の第３の走査パターンを示す図である。 図１２は、実施形態２に係る溶接線に沿ったレーザ光の走査軌跡を示す図である。 図１３Ａは、溶接開始時のレーザ光の描画位置と出力との関係を示す図である。 図１３Ｂは、溶接終了時のレーザ光の描画位置と出力との関係を示す図である。 図１４Ａは、変形例３に係るレーザ光の第１の走査パターンを示す図である。 図１４Ｂは、変形例３に係るレーザ光の第２の走査パターンを示す図である。 図１４Ｃは、変形例３に係るレーザ光の第３の走査パターンを示す図である。 図１５は、実施形態３に係るレーザ光の走査軌跡の概略を示す図である。 図１６Ａは、第１のスポットパターンを示す図である。 図１６Ｂは、第２のスポットパターンを示す図である。 図１６Ｃは、第３のスポットパターンを示す図である。 図１６Ｄは、第４のスポットパターンを示す図である。 図１６Ｅは、第５のスポットパターンを示す図である。 図１６Ｆは、第６のスポットパターンを示す図である。 図１６Ｇは、第７のスポットパターンを示す図である。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（実施形態１）
［レーザ溶接装置及びレーザ光スキャナの構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ溶接装置の構成の模式図を示し、図２は、レーザ光スキャナの概略構成図を示す。図３は、ワークの断面模式図を示す。

なお、以降の説明において、反射ミラー３３からレーザ光スキャナ４０に向かうレーザ光ＬＢの進行方向と平行な方向をＸ方向と、レーザヘッド３０から出射されるレーザ光ＬＢの光軸と平行な方向をＺ方向と、Ｘ方向及びＺ方向とそれぞれ直交する方向をＹ方向とそれぞれ呼ぶことがある。Ｘ方向とＹ方向とを面内に含むＸＹ平面は、ワーク２００の表面が平坦面である場合、当該表面と略平行でもよく、当該表面と一定の角度をなしていてもよい。

図１に示すように、レーザ溶接装置１００は、レーザ発振器１０と光ファイバ２０とレーザヘッド３０とコントローラ５０とマニピュレータ６０とを備えている。

レーザ発振器１０は、図示しない電源から電力が供給されてレーザ光ＬＢを発生させるレーザ光源である。なお、レーザ発振器１０は、単一のレーザ光源で構成されていてもよいし、複数のレーザモジュールで構成されていてもよい。後者の場合は、複数のレーザモジュールからそれぞれ出射されたレーザ光を結合してレーザ光ＬＢとして出射する。また、レーザ発振器１０で使用されるレーザ光源あるいはレーザモジュールは、ワーク２００の材質や溶接部位の形状等に応じて、適宜選択される。

例えば、ファイバレーザかディスクレーザ、あるいはＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザをレーザ光源とすることもできる。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲に設定される。また、半導体レーザをレーザ光源あるいはレーザモジュールとしてもよい。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、８００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲に設定される。また、可視光レーザをレーザ光源あるいはレーザモジュールとしてもよい。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、４００ｎｍ～６００ｎｍの範囲に設定される。

光ファイバ２０は、レーザ発振器１０に光学的に結合されており、レーザ発振器１０で発生したレーザ光ＬＢは、光ファイバ２０に入射されて、その内部をレーザヘッド３０に向けて伝送される。

レーザヘッド３０は、光ファイバ２０の端部に取り付けられており、光ファイバ２０から伝送されたレーザ光ＬＢをワーク２００に向けて照射する。

また、レーザヘッド３０は、光学部品として、コリメーションレンズ３２と反射ミラー３３と集光レンズ３４とレーザ光スキャナ４０とを有しており、筐体３１の内部にこれらの光学部品が所定の配置関係を保って収容されている。

コリメーションレンズ３２は、光ファイバ２０から出射されたレーザ光ＬＢを受け取って、平行光に変換し、反射ミラー３３に入射させる。また、コリメーションレンズ３２は、図示しない駆動部に連結されており、コントローラ５０からの制御信号に応じて、Ｚ方向に変位可能に構成されている。コリメーションレンズ３２をＺ方向に変位させることで、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させ、ワーク２００の形状に応じて適切にレーザ光ＬＢを照射させることができる。つまり、コリメーションレンズ３２は、図示しない駆動部との組み合わせにより、レーザ光ＬＢの焦点位置調整機構としても機能している。なお、集光レンズ３４を駆動部により変位させて、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるようにしてもよい。

反射ミラー３３は、コリメーションレンズ３２を透過したレーザ光ＬＢを反射して、レーザ光スキャナ４０に入射させる。反射ミラー３３の表面は、コリメーションレンズ３２を透過したレーザ光ＬＢの光軸と約４５度をなすように設けられている。

集光レンズ３４は、反射ミラー３３で反射され、レーザ光スキャナ４０で走査されたレーザ光ＬＢをワーク２００の表面に集光させる。

図２に示すように、レーザ光スキャナ４０は、第１ガルバノミラー４１と第２ガルバノミラー４２とを有する公知のガルバノスキャナである。第１ガルバノミラー４１は、第１ミラー４１ａと第１回転軸４１ｂと第１駆動部４１ｃとを有し、第２ガルバノミラー４２は、第２ミラー４２ａと第２回転軸４２ｂと第２駆動部４２ｃとを有している。集光レンズ３４を透過したレーザ光ＬＢは、第１ミラー４１ａで反射され、さらに第２ミラー４２ａで反射されて、ワーク２００の表面に照射される。

例えば、第１駆動部４１ｃ及び第２駆動部４２ｃは、ガルバノモータであり、第１回転軸４１ｂ及び第２回転軸４２ｂは、モータの出力軸である。図示していないが、第１駆動部４１ｃが、コントローラ５０からの制御信号に応じて動作するドライバによって回転駆動することで、第１回転軸４１ｂに取り付けられた第１ミラー４１ａが第１回転軸４１ｂの軸線回りに回転する。同様に、第２駆動部４２ｃが、コントローラ５０からの制御信号に応じて動作するドライバによって回転駆動することで、第２回転軸４２ｂに取り付けられた第２ミラー４２ａが第２回転軸４２ｂの軸線回りに回転する。

第１ミラー４１ａが第１回転軸４１ｂの軸線回りに所定の角度まで回転動作をすることで、レーザ光ＬＢがＸ方向に走査される。また、第２ミラー４２ａが第２回転軸４２ｂの軸線回りに所定の角度まで回転動作をすることで、レーザ光ＬＢがＹ方向に走査される。つまり、レーザ光スキャナ４０は、レーザ光ＬＢをＸＹ平面内で二次元的に走査してワーク２００に向けて照射するように構成されている。

コントローラ５０は、レーザ発振器１０のレーザ発振を制御する。具体的には、レーザ発振器１０に接続された図示しない電源に対して出力電流やオンオフ時間等の制御信号を供給することにより、レーザ発振制御を行う。また、コントローラ５０は、レーザ光ＬＢの出力を制御する。

また、コントローラ５０は、選択されたレーザ溶接プログラムの内容に応じて、レーザヘッド３０の動作を制御する。具体的には、レーザヘッド３０に設けられたレーザ光スキャナ４０及び、コリメーションレンズ３２の図示しない駆動部の駆動制御を行う。さらに、コントローラ５０は、マニピュレータ６０の動作を制御する。なお、レーザ溶接プログラムは、コントローラ５０の内部または別の場所に設けられた記憶部（図示せず）に保存され、コントローラ５０からの命令によってコントローラ５０に呼び出される。

コントローラ５０は、図示しないＬＳＩまたはマイクロコンピュータ等の集積回路を有しており、この集積回路上でソフトウェアであるレーザ溶接プログラムを実行することで、前述のコントローラ５０の機能が実現される。なお、レーザヘッド３０の動作を制御するコントローラ５０とレーザ光ＬＢの出力を制御するコントローラ５０とを別個に設けてもよい。

マニピュレータ６０は、多関節ロボットであり、レーザヘッド３０の筐体３１に取り付けられている。また、マニピュレータ６０は、コントローラ５０と信号の授受が可能に接続され、前述のレーザ溶接プログラムに応じて所定の軌跡を描くようにレーザヘッド３０を移動させる。なお、マニピュレータ６０の動作を制御する別のコントローラ（図示せず）を設けるようにしてもよい。

図１に示すレーザ溶接装置１００は、種々の形状のワーク２００に対してレーザ溶接を行うことができる。例えば、図３に示すように、それぞれ亜鉛めっき層２１１，２２１が表面に形成され、鋼板からなる第１板材２１０と第２板材２２０とをギャップ無く密着させて重ね合わせたワーク２００にレーザ光ＬＢを照射して、重ね溶接が行われる。第１板材２１０及び第２板材２２０の表面にそれぞれ亜鉛めっき層２１１，２２１を形成することで、鋼板に錆びが発生するのを防止できる。なお、レーザ溶接されるワーク２００の構造や材質が図３に示す例に限定されないことは言うまでもない。

［リサージュパターンの数式的表現］
図４は、レーザ光の走査パターンを示し、レーザ光ＬＢは、ＸＹ平面内、この場合はワーク２００の表面でリサージュパターン（以下、リサージュ図形ともいう）を描くように走査される。

図４に示すリサージュパターンは、レーザ光ＬＢをＸ方向に所定の周波数の正弦波状に振動させるとともに、Ｙ方向にＸ方向と異なる周波数（Ｘ方向の周波数の１／２である）の正弦波状に振動させることで得られる。また、前述したように、第１ミラー４１ａ及び第２ミラー４２ａの回転運動に基づいて、レーザ光ＬＢのＸ方向及びＹ方向の走査パターンが決定される。第１ミラー４１ａの駆動によって得られるリサージュパターンの位置座標をＸとし、第２ミラー４２ａの駆動によって得られるリサージュパターンの位置座標をＹとするとき、位置座標Ｘ，Ｙは、それぞれ以下の式（１）、（２）で表される。

Ｘ＝ａ１×ｓｉｎ（ｎｔ） ・・・（１）
Ｙ＝ｂ１×ｓｉｎ（ｍｔ＋φ） ・・・（２）
Ｘ＝ａ２×ｓｉｎ（ｎｔ） ・・・（３）
Ｙ＝ｂ２×ｓｉｎ（ｍｔ＋φ） ・・・（４）
ここで、
ａ１：リサージュパターンのうちの走査パターンＬＳ１のＸ方向の振幅
ｂ１：リサージュパターンのうちの走査パターンＬＳ１のＹ方向の振幅
ａ２：リサージュパターンのうちの走査パターンＬＳ２のＸ方向の振幅
ｂ２：リサージュパターンのうちの走査パターンＬＳ２のＹ方向の振幅
ｎ：第１ミラー４１ａの周波数
ｍ：第２ミラー４２ａの周波数
ｔ：時間
φ：第１ミラー４１ａまたは第２ミラー４２ａ駆動時の位相差であり、具体的には、第１ミラー４１ａと第２ミラー４２ａの回転運動時に設ける角度ずれ量である。

走査パターンＬＳ１（以下、第１描画パターンＬＳ１ともいう）は、図４に示すリサージュパターンにおいて、Ｘ方向で＋側に位置する走査パターンであり、走査パターンＬＳ２（以下、第２描画パターンＬＳ２ともいう）は、Ｘ方向で－側に位置する走査パターンである。

なお、式（１）～（４）に示す位置座標Ｘ，Ｙは、レーザヘッド３０の位置を固定した状態でのリサージュパターンの静止座標系で表現される。

また、周波数ｎと周波数ｍは、それぞれ第１ミラー４１ａと第２ミラー４２ａの駆動周波数とそれぞれ対応する。

図４から明らかなように、本実施形態のリサージュパターンは、原点Ｏを通りＹ方向に延びる中心線に関して非対称な形状となっている。

Ｘ方向に沿って原点Ｏの前方に位置する第１描画パターンＬＳ１は、式（１）、（２）において、ａ１＝１，ｂ１＝１，ｎ＝１，ｍ＝２，φ＝０とした場合に対応する。一方、原点Ｏの後方に位置する第２描画パターンＬＳ２は、式（３）、（４）において、ａ２＝０．５，ｂ２＝０．５，ｎ＝１，ｍ＝２，φ＝０とした場合に対応する。つまり、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれにおいて、第１描画パターンＬＳ１は、第２描画パターンＬＳ２よりも大きなパターンとなっている。よって、第１描画パターンＬＳ１の描画長さは、第２描画パターンＬＳ２の描画長さよりも長くなっている。なお、ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２は、それぞれ第１描画パターンＬＳ１の大きさを基準に１で正規化している。また、式（１）～（４）の位相差φは、０度または１８０度のどちらでもよい。

また、第１描画パターンＬＳ１と第２描画パターンＬＳ２とを合成したパターンは、∞字形状のリサージュパターンである。なお、実際のリサージュパターンのサイズ、つまり、Ｘ方向及びＹ方向の振幅は、それぞれ１ｍｍ～１０ｍｍ程度の範囲内にある。

ここで、図４に示すように、所定の時間変分ΔｔにおけるリサージュパターンのＸ方向の描画距離をΔＸ、Ｙ方向の描画距離をΔＹ、時間変分Δｔにおけるリサージュパターンの描画距離をΔＬとするとき、ΔＸ、ΔＹ、ΔＬは、それぞれ以下に示す式（５）～（７）で表される。

ΔＸ＝ ａ１×ｎ×ｃｏｓ（ｎｔ）×Δｔ ・・・（５）
ΔＹ＝ ｂ１×ｍ×ｃｏｓ（ｍｔ＋φ）×Δｔ ・・・（６）
ΔＬ＝ Δｔ×｛（ΔＸ）^２＋（ΔＹ）^２｝^１／２ ・・・（７）
よって、リサージュパターンの描画速度Ｖは、以下に示す式（８）で表される。

Ｖ＝ ΔＬ／Δｔ ・・・（８）
数式（５）～（８）は、数式（１）～（２）をもとにして作成した、ＬＳ１に関する数式であるが、同様に、数式（３）～（４）をもとにしてＬＳ２に関する数式を作成することができる。ここでは、その詳細を省略する。

［レーザ溶接方法］
図５は、溶接方向に沿ったレーザ光の走査軌跡を示し、図中に示す複数のリサージュパターンの外形が、溶接ビードの外形に対応している。また、図中に示す複数のリサージュパターンは、レーザ光ＬＢが溶接方向に沿って進行する際の、描画パターンの時間に対する位置変化をそれぞれ示している。図６は、レーザ光の描画位置と出力との関係を示し、図７は、レーザ光照射時の溶接方向に沿ったワークの状態変化を模式的に示す。

なお、図４に示すリサージュパターンは、１周期の間に、原点Ｏから図４に示す矢印ＡＲ１及び矢印ＡＲ２の方向にレーザ光ＬＢを走査することで得られる。具体的には、１周期の間に、原点Ｏから描画位置Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｏ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｏを通るようにレーザ光ＬＢを走査する。

本実施形態では、マニピュレータ６０によってレーザヘッド３０をＸ方向の＋方向（以下、溶接方向ＷＤと呼ぶことがある）に所定の速度で移動させつつ、レーザ光ＬＢをワーク２００の表面に照射している。さらに、レーザ光スキャナ４０を用いて、ワーク２００の表面で図４に示すリサージュパターンを描くように、レーザ光ＬＢを二次元的に走査している。また、本実施形態では、図３に示すワーク２００を重ね溶接する場合を例に取って説明する。

図４に示すように、リサージュパターンのうち、溶接方向ＷＤに沿って原点Ｏの前方に描画される第１描画パターンＬＳ１は、原点Ｏの後方に描画される第２描画パターンＬＳ２よりも、Ｘ方向、Ｙ方向ともに走査振幅が大きくなっている。具体的には、式（１）、（２）において、ａ１＝１、ｂ１＝１、ｎ＝１、ｍ＝２とした場合に、図４に示す第１描画パターンＬＳ１が得られる。また、式（３）、（４）において、ａ２＝０．５、ｂ２＝０．５、ｎ＝１、ｍ＝２とした場合に、図４に示す第２描画パターンＬＳ２が得られる。

このことから明らかなように、第１描画パターンＬＳ１のＹ方向の走査幅ＬＡＣは、第２描画パターンＬＳ２のＹ方向の走査幅ＬＤＦよりも２倍広くなっている。また、図５に示すように、走査幅ＬＡＣは、亜鉛めっき層２１１，２２１が除去されるＹ方向の幅（以下、亜鉛めっき層除去幅ＬＡＣともいう）に相当し、走査幅ＬＤＦは、ワーク２００の溶接幅（以下、溶接幅ＬＤＦともいう）に相当する。なお、溶接幅ＬＤＦは、溶接ビード（図示せず）のＹ方向の幅に対応しているが、両者は完全には一致しないことが多い。溶接中の熱伝導の影響で、実際の溶接ビードのＹ方向の幅は、溶接幅ＬＤＦよりも少し広くなることが多いためである。

前述したように、Ｙ方向に関し、亜鉛めっき層除去幅ＬＡＣは、溶接幅ＬＤＦよりも広くなるように設定される。このため、レーザ光ＬＢの走査軌跡において、Ｙ方向に関し、溶接幅ＬＤＦの両側に、亜鉛めっき層２１１，２２１が除去される一方、第１板材２１０と第２板材２２０とが溶接されていない領域が生じる。なお、以降の説明において、この領域のＹ方向の幅をビード外周部亜鉛めっき層除去幅ＬＮＺｎと呼ぶことがある。

一方、図６に示すように、第１描画パターンＬＳ１を描画中のレーザ光ＬＢの出力Ｐ１は、第２描画パターンＬＳ２を描画中のレーザ光ＬＢの出力Ｐ２よりも低くなるように設定される。

図３に示すワーク２００に対して、従来の技術では、レーザ光ＬＢによりギャップレスで重ね溶接を行う場合、前述したように、鉄が溶融する前に発生した亜鉛蒸気が、溶接欠陥を発生させるおそれがある。一方、本実施形態によれば、第１板材２１０と第２板材２２０との界面に介在する亜鉛めっき層２１１，２２１を除去できるとともに、亜鉛蒸気の発生に伴う溶接欠陥の発生を抑制することができる。このことについてさらに説明する。

レーザ光ＬＢ１の出力を図６に示す出力Ｐ１に設定することで、リサージュパターンの原点Ｏよりも前方、例えば、描画位置Ｂでは、光軸がｂ－ｂ’で示されるレーザ光ＬＢ１により深さがＬＫ１のキーホール３０１が形成され、さらにその周囲に溶融池３１１が形成される。このとき、キーホール３０１の深さＬＫ１は、第１板材２１０と第２板材２２０との界面に達しておらず、同様に、溶融池３１１も第１板材２１０と第２板材２２０との界面に達していない。つまり、第１板材２１０はレーザ光ＬＢ１によって底部まで完全には溶融していない。

一方、キーホール３０１の内部に到達したレーザ光ＬＢ１からの入熱及び溶融池３１１で発生した熱により、第１板材２１０と第２板材２２０との界面の温度は上昇し前述した亜鉛の沸点に達して、当該界面に介在する亜鉛めっき層２１１，２２１が蒸発する。この結果、原点ＯからＸ方向に沿って長さＬＺｎに亘って、亜鉛めっき層２１１，２２１が当該界面から除去される。

また、レーザ光ＬＢ２の出力を図６に示す出力Ｐ２に設定することで、リサージュパターンの原点Ｏよりも後方、例えば、描画位置Ｅでは、光軸がｅ－ｅ’で示されるレーザ光ＬＢ２により深さがＬＫ２のキーホール３０２が形成され、さらにその周囲に溶融池３１２が形成される。このとき、キーホール３０２は、第１板材２１０を貫通して、第２板材２２０の内部に到達している。同様に、溶融池３１２も第１板材２１０の表面から第２板材２２０の内部にかけて形成されている。つまり、レーザ光ＬＢ２により、亜鉛めっき層２１１，２２１が蒸発して除去された後の第１板材２１０と第２板材２２０との界面近傍が溶融され、第１板材２１０と第２板材２２０とが溶接された溶接部３２０が、溶融池３１２の後方に形成される。

また、前述したように、Ｙ方向に関し、亜鉛めっき層除去幅ＬＡＣは溶接幅ＬＤＦよりも広くなっており、溶接幅ＬＤＦのＹ方向の両側には、亜鉛めっき層２１１，２２１が除去される一方、第１板材２１０と第２板材２２０とが溶接されていない領域が形成される。

このようにすることで、亜鉛めっき層２１１，２２１が確実に除去された領域に対してレーザ溶接がなされるため、亜鉛蒸気に起因して発生するキーホール３０２及び溶融池３１２の不安定性を低減できる。同様に、亜鉛蒸気に起因してワーク２００の内部に形成されるポロシティや溶融池３１２が吹き飛んで発生するスパッタやクレータ等の溶接欠陥の発生を抑制できる。

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ溶接方法は、レーザ光ＬＢをＸ方向（第１方向）に進行させながら、レーザ光ＬＢを二次元的に走査してワーク２００の表面に照射することで、ワーク２００を溶接する溶接ステップを備えている。

ワーク２００は、表面に亜鉛めっき層２１１が形成された第１板材２１０と表面に亜鉛めっき層２２１が形成された第２板材２２０とがギャップレスで重ね合わされた構造である。第１板材２１０及び第２板材２２０は、ともに鋼板である。

溶接ステップでは、レーザ光ＬＢをＸ方向に沿って周波数ｎに対応する第１周波数を有する正弦波状に振動させるとともに、Ｙ方向（第２方向）に沿って周波数ｍに対応する第２周波数を有する正弦波状に振動させる。このことにより、ワーク２００の表面で∞字形状のリサージュパターンを描くようにレーザ光ＬＢを走査する。

さらに、リサージュパターンのうち、溶接方向ＷＤ（Ｘ方向の＋側方向）に沿ってリサージュパターンの原点Ｏの前方に位置する第１描画パターンＬＳ１が、原点Ｏの後方に位置する第２描画パターンＬＳ２よりもＹ方向に関して広いパターンとなるようにレーザ光ＬＢを走査する。

第１描画パターンＬＳ１を描画中のレーザ光ＬＢの出力Ｐ１が、第２描画パターンＬＳ２を描画中のレーザ光ＬＢの出力Ｐ２よりも低くなるようにレーザ光ＬＢの出力Ｐを制御する。

また、第１描画パターンＬＳ１を描画中に、第１板材２１０と第２板材２２０との界面に介在する亜鉛めっき層２１１，２２１が除去される。第２描画パターンＬＳ２を描画中に、亜鉛めっき層２１１，２２１が除去された第１板材２１０と第２板材２２０とが互いに溶接される。

本実施形態によれば、第１板材２１０と第２板材２２０との界面に介在する亜鉛めっき層２１１，２２１を除去できるとともに、亜鉛蒸気の発生に伴う溶接欠陥の発生を抑制することができる。また、ワーク２００に形成される溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。

特許文献４に開示される方法では、溶接方向と交差する方向にレーザ光を走査しておらず、レーザ光の軌跡が、前進工程と後進工程とで重なっている。また、溶接方向と交差する方向におけるレーザ光の幅が、前進工程と後進工程とで同じである。このため、レーザ光のスポットサイズや出力によっては、溶接方向と交差する方向に関して、溶接幅に対する亜鉛めっき層が除去される幅が十分に確保できず、ワークの溶接時に亜鉛蒸気に起因した溶接欠陥を発生させるおそれがあった。また、溶接ビードの形状が崩れてしまうおそれがあった。

一方、本実施形態によれば、前述したように、Ｙ方向に関し、亜鉛めっき層除去幅ＬＡＣが、溶接幅ＬＤＦよりも広くなるようにレーザ光ＬＢを走査している。このため、溶接領域に対する亜鉛めっき層が除去される領域が十分に確保でき、亜鉛蒸気の発生に伴う溶接欠陥の発生を抑制することができる。また、このことにより、ワーク２００に形成される溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。

本実施形態に係るレーザ溶接装置１００は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１０と、レーザ光ＬＢを受け取ってワーク２００に向けて照射するレーザヘッド３０と、レーザヘッド３０の動作及びレーザ光ＬＢの出力Ｐを制御するコントローラ５０と、を少なくとも備えている。

ワーク２００は、表面に亜鉛めっき層２１１が形成された第１板材２１０と表面に亜鉛めっき層２２１が形成された第２板材２２０とがギャップレスで重ね合わされた構造である。第１板材２１０及び第２板材２２０は、ともに鋼板である。

レーザヘッド３０は、レーザ光ＬＢをＸ方向（第１方向）とＸ方向と交差するＹ方向（第２方向）のそれぞれに走査するレーザ光スキャナ４０を有している。

コントローラ５０は、レーザ光ＬＢをＸ方向に沿って第１周波数を有する正弦波状に振動させるとともに、Ｙ方向に沿って第２周波数を有する正弦波状に振動させる。このことにより、コントローラ５０は、レーザ光ＬＢがワーク２００の表面に∞字形状のリサージュパターンを描くように、レーザ光スキャナ４０を駆動制御する。

さらに、コントローラ５０は、リサージュパターンのうち、溶接方向であるＸ方向に沿ってリサージュパターンの原点Ｏよりも前方に位置する第１描画パターンＬＳ１が、後方に位置する第２描画パターンＬＳ２よりもＹ方向に関して広いパターンとなるように、レーザ光スキャナ４０を駆動制御する。

コントローラ５０は、第１描画パターンＬＳ１を描画中のレーザ光ＬＢの出力Ｐ１が、第２描画パターンＬＳ２を描画中のレーザ光ＬＢの出力Ｐ２よりも低くなるようにレーザ光ＬＢの出力Ｐを制御する。

本実施形態のレーザ溶接装置によれば、第１板材２１０と第２板材２２０との界面に介在する亜鉛めっき層２１１，２２１を除去できるとともに、亜鉛蒸気の発生に伴う溶接欠陥の発生を抑制することができる。また、ワーク２００に形成される溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。

レーザ溶接装置１００は、レーザヘッド３０が取り付けられたマニピュレータ６０をさらに備え、コントローラ５０は、マニピュレータ６０の動作を制御する。マニピュレータ６０は、ワーク２００の表面に対して、所定の方向にレーザヘッド３０を移動させる。

このようにマニピュレータ６０を設けることで、レーザ光ＬＢの溶接方向を変化させることができる。また、複雑な形状、例えば、立体的な形状のワーク２００に対して、レーザ溶接を容易に行うことができる。

レーザ発振器１０とレーザヘッド３０とは光ファイバ２０で接続されており、レーザ光ＬＢは、光ファイバ２０を通って、レーザ発振器１０からレーザヘッド３０に伝送される。

このように光ファイバ２０を設けることで、レーザ発振器１０から離れた位置に設置されたワーク２００に対してレーザ溶接を行うことが可能となる。このことにより、レーザ溶接装置１００の各部を配置する自由度が高められる。

レーザ光スキャナ４０は、レーザ光ＬＢをＸ方向に走査する第１ガルバノミラー４１と、レーザ光ＬＢをＹ方向に走査する第２ガルバノミラー４２と、で構成されている。

レーザ光スキャナ４０をこのように構成することで、レーザ光ＬＢを簡便に二次元的に走査することができる。また、公知のガルバノスキャナをレーザ光スキャナ４０として用いているため、レーザ溶接装置１００のコストが上昇するのを抑制できる。

レーザヘッド３０は、コリメーションレンズ３２をさらに有し、コリメーションレンズ３２は、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれに交差するＺ方向に沿って、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるように構成されている。言い換えると、コリメーションレンズ３２は、ワーク２００の表面と交差するＺ方向に沿って、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させるように構成されている。つまり、コリメーションレンズ３２は、図示しない駆動部との組み合わせにより、レーザ光ＬＢの焦点位置調整機構としても機能している。

このようにすることで、レーザ光ＬＢの焦点位置を簡便に変化させることができ、ワーク２００の形状に応じて適切にレーザ光ＬＢを照射させることができる。

なお、本実施形態では、レーザヘッド３０をＸ方向に移動させることで、レーザ光ＬＢをＸ方向の＋方向に進行させるようにしたが、レーザヘッド３０をＹ方向に移動させることで、レーザ光ＬＢをＹ方向に進行させてもよい。つまり、溶接方向をＹ方向としてもよい。この場合、前述の周波数ｎを２とし、周波数ｍを１として、リサージュパターンの形状を変更する必要がある。このようにすることで、コントローラ５０は、リサージュパターンのうち、溶接方向であるＹ方向に沿ってリサージュパターンの原点Ｏの前方に位置する第１描画パターンＬＳ１が、原点Ｏの後方に位置する第２描画パターンＬＳ２よりもＸ方向に関して広いパターンとなるように、レーザ光スキャナ４０を駆動制御することができる。つまり、第１描画パターンＬＳ１が第２描画パターンＬＳ２よりもＸ方向に関して広いパターンとなるように、レーザ光ＬＢを走査することができる。このことにより、溶接幅に対して亜鉛めっき層２１１，２２１が除去される幅を十分に広く取ることができ、亜鉛蒸気に起因した溶接欠陥の発生を抑制できる。

また、リサージュパターンの描画方向も、前述した方向に特に限定されない。例えば、１周期の間に、原点Ｏから図４に示す矢印ＡＲ３及び矢印ＡＲ４の方向にレーザ光ＬＢを走査してリサージュパターンを描画してもよい。具体的には、１周期の間に、原点Ｏから描画位置Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｏ→Ｆ→Ｅ→Ｄ→Ｏを通るようにレーザ光ＬＢを走査してもよい。

＜変形例１＞
図８は、本変形例に係るレーザ光の描画位置と出力との関係を示し、図９は、レーザ光照射時の溶接方向に沿ったワークの状態変化を模式的に示す。図１０は、レーザ光の出力とキーホールの深さとの関係を示す。なお、説明の便宜上、図８～１０及び以降に示す各図面において、実施形態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。

本変形例は、以下に示す点で実施形態１に示す構成と異なる。すなわち、第１描画パターンＬＳ１から第２描画パターンへＬＳ２の遷移時に、レーザ光ＬＢの出力Ｐが連続的に高くなるように制御している。また、第２描画パターンＬＳ２から第１描画パターンＬＳ１への遷移時に、レーザ光ＬＢの出力Ｐが連続的に低くなるように制御している。

具体的には、図８に破線で示すように、レーザ光ＬＢの描画位置が原点ＯからＤに移動する場合に、レーザ光ＬＢが原点Ｏを通過した時点から期間ｔ１を経過するまでに、レーザ光ＬＢの出力ＰをＰ１からＰ２に連続的に高めている。この場合の出力Ｐの制御曲線Ｓ１は、直線状でも曲線状でもよい。また、レーザ光ＬＢの描画位置が原点ＯからＡに移動する場合に、レーザ光ＬＢが原点Ｏを通過した時点から期間ｔ２を経過するまでに、レーザ光ＬＢの出力ＰをＰ２からＰ１に連続的に低下させている。この場合の出力Ｐの制御曲線Ｓ２は、直線状でも曲線状でもよい。

このようにすることで、ワーク２００の内部にポロシティが形成されるのを抑制できる。また、溶融池３１２を安定化することができる。このことについてさらに説明する。

図９に示すように、Ｘ方向に沿って原点Ｏの後方の位置Ｏ’’から原点Ｏの前方の位置Ｏ’にレーザ光ＬＢの描画位置が移動した場合、すなわち、リサージュパターンにおける第２描画パターンＬＳ２から第１描画パターンＬＳ１への遷移時を考える。この場合、レーザ光ＬＢの出力ＰをＰ２からＰ１にステップ状に低下させると、深さがＬＫ２のキーホール３０２が、深さがＬＫ１（ＬＫ１＜ＬＫ２）のキーホール３０１へと急激に形状変化する。このことにより、キーホール３０２の底部から図９に示す長さＬＫ１２までの部分が、溶融金属の表面張力により急激に閉じてしまう。底部から上方にかけてキーホール３０２が順次閉じていく場合はあまり問題にならないが、多くの場合、底部から長さＬＫ１２までの部分において、１箇所または複数箇所でキーホール３０２がほぼ同じタイミングで閉じてしまうことが多い。このようなことが起こると、閉じた部分の下方または上方に空洞が残り、ワーク２００の内部にポロシティが形成されるおそれがある。

一方、本変形例によれば、図８に示すように、制御曲線Ｓ２に則ってレーザ光ＬＢの出力ＰをＰ２からＰ１に連続的に低下させているため、キーホール３０２からキーホール３０１への形状変化が緩やかになり、途中で空洞が残るのを抑制できる。このことにより、ワーク２００の内部にポロシティが形成されるのを抑制できる。

また、前述の位置Ｏ’から位置Ｏ’’にレーザ光ＬＢの描画位置が移動した場合、すなわち、リサージュパターンにおける第１描画パターンＬＳ１から第２描画パターンＬＳ１への遷移時を考える。この場合、レーザ光ＬＢの出力Ｐが、Ｐ１からＰ２にステップ状に高くなり、深さがＬＫ１のキーホール３０１が、深さがＬＫ２のキーホール３０２へと急激に形状変化する。このことにより、溶融池３１２に過度の衝撃が加わるおそれがある。溶融池３１２が不安定になって波立ってしまうと、溶接ビードの形状に反映されてしまい、良好な形状の溶接ビードを形成できないおそれがある。

一方、本変形例によれば、図８に示すように、制御曲線Ｓ１に則ってレーザ光ＬＢの出力ＰをＰ１からＰ２に連続的に高めているため、キーホール３０１からキーホール３０２への形状変化が緩やかになり、溶融池３１２が不安定になるのを抑制できる。このことにより、溶接ビードの形状が悪化するのを抑制でき、良好な形状の溶接ビードが得られる。

なお、制御曲線Ｓ１、Ｓ２に示すように出力Ｐを制御することで、出力Ｐを目標値に安定して到達させることが容易となる。また、レーザ光ＬＢの出力Ｐの制御は、コントローラ５０によって行われる。

また、図１０に示すように、ワーク２００にキーホールを形成するには、レーザ光ＬＢの出力Ｐを所定値以上にする必要がある。この所定値よりも出力Ｐが小さい領域（熱伝導溶接領域Ｒｃ）では、レーザ光ＬＢによる入熱でワーク２００が軟化あるいは溶融するもののキーホールは形成されない。この領域から出力Ｐを高めていくと、遷移領域Ｒｔを経てキーホール溶接領域Ｒｋに達する。この領域になると、ワーク２００にキーホールが形成されるとともに、キーホールの深さが出力Ｐの上昇につれて深くなる。前述した出力Ｐ１，Ｐ２ともに、キーホール溶接領域Ｒｋに含まれる。

＜変形例２＞
図１１Ａは、本変形例に係るレーザ光の第１の走査パターンを、図１１Ｂは、第２の走査パターンを、図１１Ｃは、レーザ光の第３の走査パターンをそれぞれ示す。

実際のレーザ溶接では、ワーク２００の材質、継手形状、求められるビード形状幅などに応じ、式（１）～（４）に示す前述のパラメータａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２，ｎ，ｍは、適宜変更されうる。したがって、レーザ光ＬＢの走査パターンは、図４に示したパターンに特に限定されない。

例えば、図１１Ａに示すように、描画パターンＬＳ１において、パラメータａ１とｂ１の比を２：１とし、描画パターンＬＳ２において、パラメータａ２とｂ２の比を２：１としたまま、ａ２及びｂ２をそれぞれａ１、ｂ２の１／２としてもよい。また、図１１Ｂに示すように、描画パターンＬＳ２においてのみ、パラメータａ２とｂ２を図４に示すパターンから変更して、ａ２＝１、ｂ２＝０．５としてもよい。また、図１１Ｃに示すように、描画パターンＬＳ１において、パラメータａ１とｂ１の比を２：１とし、描画パターンＬＳ２において、パラメータａ２とｂ２の比を４：１としてもよい。

なお、式（１）～（４）に示すパラメータａ１，ｂ１，ａ２，ｂ２の値は、図４及び図１１Ａ～１１Ｃに示す例に特に限定されないことは言うまでもない。

なお、前述したように、第１ミラー４１ａの周波数ｎ及び第２ミラー４２ａの周波数ｍの比、言い換えると、レーザ光ＬＢのＸ方向の振動周波数である第１周波数とＹ方向の振動周波数である第２周波数の比ｎ：ｍを１：２とする。このことにより、溶接方向と交差するＹ方向に関して原点Ｏの前方に位置する第１描画パターンＬＳ１を原点Ｏの後方に位置する第２描画パターンＬＳ２よりも広いパターンとなるようにすることができる。一方、溶接方向がＹ方向の場合は、第１周波数と第２周波数の比ｎ：ｍを２：１とする。このことにより、溶接方向と交差するＸ方向に関して原点Ｏの前方に位置する第１描画パターンＬＳ１を原点Ｏの後方に位置する第２描画パターンＬＳ２よりも広いパターンとなるようにすることができる。また、この周波数の比率さえ守れば、ワーク２００の形状または要求されるビード形状に応じ第１ミラー４１ａ及び第２ミラー４２ａの駆動周波数をそれぞれ変更してもよい。

（実施形態２）
図１２は、本実施形態に係る溶接線に沿ったレーザ光の走査軌跡を示す。図１３Ａは、溶接開始時のレーザ光の描画位置と出力との関係を示し、図１３Ｂは、溶接終了時のレーザ光の描画位置と出力との関係を示す。

図１２、図１３Ａに示すように、本実施形態では、レーザ溶接開始後の所定の期間（第１期間）では、第１描画パターンＬＳ１を描画中のレーザ光ＬＢの出力をＰ１とする一方、第２描画パターンＬＳ２を描画するときのレーザ光ＬＢの出力を零としている点で、実施形態１に示す構成と異なる。第１期間に、リサージュパターンの後端、つまり、図４に示す描画位置Ｅに対応する箇所が溶接方向ＷＤに沿って移動する距離は、図１２に示す長さＬ２に相当する。また、長さＬ２は、第２描画パターンＬＳ２のＸ方向の長さの約２倍に相当する。

また、図１２、図１３Ｂに示すように、本実施形態では、レーザ溶接終了前の所定の期間（第２期間）では、第２描画パターンＬＳ２を描画中のレーザ光ＬＢの出力をＰ２とする一方、第１描画パターンＬＳ１を描画するときのレーザ光ＬＢの出力を零としている点で、実施形態１に示す構成と異なる。第２期間に、リサージュパターンの前端、つまり、図４に示す描画位置Ｂに対応する箇所が溶接方向ＷＤに沿って移動する距離は、図１２に示す長さＬ１に相当する。また、長さＬ１は、第１描画パターンＬＳ１のＸ方向の長さと、第２描画パターンＬＳ２のＹ方向の長さの総和にほぼ相当する。

本実施形態によれば、亜鉛めっき層２１１，２２１が確実に除去された領域に対して、出力Ｐ２でレーザ光ＬＢを照射してワーク２００を溶接することにより、亜鉛蒸気に起因した溶接欠陥の発生を確実に抑制できる。また、溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。このことについてさらに説明する。

溶接開始点にリサージュパターンの原点Ｏを合わせてワーク２００の溶接を開始する場合、溶接方向ＷＤに沿って溶接開始点の前方では第１描画パターンＬＳ１が描画され、溶接開始点の後方では第２描画パターンＬＳ２が描画される。このとき、図６に示すように、レーザ光ＬＢの出力Ｐを制御すると、溶接開始点の後方では、亜鉛めっき層２１１，２２１が除去されていない状態で、出力Ｐ２のレーザ光ＬＢが照射されることになる。このようなことが起こると、亜鉛めっき層がまだ除去されていない部分では亜鉛蒸気が発生し、さらに溶接欠陥が発生することは既に述べたとおりである。

このような不具合を回避するため、本実施形態において、レーザ溶接開始後の第１期間では、第２描画パターンＬＳ２を描画するときのレーザ光ＬＢの出力を零としている。このようにすることで、亜鉛めっき層２１１，２２１がまだ除去されていない領域に高出力（＝Ｐ２）のレーザ光ＬＢが照射されるのを防止し、亜鉛蒸気の発生に起因した溶接欠陥が発生するのを確実に抑制している。

また、溶接欠陥の発生を抑制するために、溶接開始点から溶接終了点までは、少なくとも亜鉛めっき層２１１，２２１が除去されている必要がある。しかし、例えば、溶接終了点を超えて、必要以上に亜鉛めっき層２１１，２２１が除去されると、鋼板である第１板材２１０や第２板材２２０に耐食性の低下が発生するおそれがある。

このような不具合を回避するため、本実施形態において、レーザ溶接終了前の第２期間では、第１描画パターンＬＳ１を描画するときのレーザ光ＬＢの出力を零としている。このようにすることで、溶接領域の長さＬＷを所望の値としつつ、亜鉛めっき層２１１，２２１が除去される長さＬＺＮを短くすることができる。このことにより、必要以上に亜鉛めっき層２１１，２２１が除去されて、鋼板である第１板材２１０や第２板材２２０における耐食性の低下を抑制できる。

また、溶接欠陥の抑制と第１板材２１０や第２板材２２０での耐食性の低下の抑制とを両立させる観点から、ワーク２００の溶接終了後に、溶接方向ＷＤに沿った亜鉛めっき層２１１，２２１が除去された部分の長さＬＺＮは、溶接方向ＷＤに沿ったワーク２００が溶接された部分の長さＬＷと同じかそれ以上であることが好ましいことは言うまでもない。そのため、図中、Ｌ２期間において点線にて示されたＬＳ２Ｓの部分と、Ｌ１期間において点線にて示されたＬＳ１Ｅの部分とでは、レーザ出力がともに零である。

＜変形例３＞
図１４Ａ～１４Ｃは、本変形例に係るレーザ光の第１～第３の走査パターンをそれぞれ示す。なお、図１４Ａ～１４Ｃにおいて、走査パターン中に描かれる矢印はレーザ光ＬＢの描画方向を示す。

本開示のレーザ光ＬＢの走査パターンは、実施形態１や変形例２に示したリサージュパターンに限られない。例えば、図１４Ａに示すように、それぞれ原点Ｏで接してＹ軸を挟んで配置された、互いに非対称な形状を有する２つの円形パターンの合成パターンであってもよい。また、図１４Ｂに示すように、それぞれ原点Ｏで接してＹ軸を挟んで配置された、互いに非対称な形状を有する２つの楕円パターンの合成パターンであってもよい。図１４Ｂに示す例では、２つの楕円パターンのそれぞれにおいて、長軸はＹ方向であり、短軸はＸ方向であるが、長軸をＸ方向、短軸をＹ方向としてもよい。図１４Ｃに示すように、それぞれ原点Ｏで接してＹ軸を挟んで配置された、互いに非対称な形状を有する２つのひし形パターンの合成パターンであってもよい。なお、溶接方向ＷＤがＹ方向に平行な場合は、図１４Ａ～図１４Ｃに示す各走査パターンが、Ｙ軸に関して非対称に配置された２つの環状のパターンの合成パターンであってもよい。また、２つの環状のパターンのそれぞれの大きさも適宜変更されうる。

つまり、本願明細書におけるレーザ光ＬＢの走査パターンは、２つの環状のパターンが一点で接して連続したパターンであればよく、図１４Ａ～図１４Ｃに示す例やその変形例に限定されない。なお、これらのパターンは、第１ミラー４１ａ及び第２ミラー４２ａをそれぞれ所定の駆動パターンに則って駆動させることで得られる。

レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置１００をこのように構成することで、実施形態１，２及び変形例１，２に示す構成が奏するのと同様の効果を奏することができる。

なお、レーザ光ＬＢの走査パターンである「所定のパターン」とは、互いに非対称な形状である２つの環状のパターンが一点、この場合は原点Ｏで接して連続したパターンである。当該「所定のパターン」に本願明細書に開示したリサージュパターンが含まれることは言うまでもない。

（実施形態３）
図１５は、本実施形態３に係るレーザ光の走査軌跡の概略を示し、図１６Ａ～１６Ｇは、第１～第７のスポットパターンをそれぞれ示す。

実施形態１では、レーザ光ＬＢをＸ方向の＋側に進行させながら、ワーク２００をレーザ溶接する、いわゆる線溶接を例に取って説明したが、本開示のレーザ溶接方法は、スポット溶接にも適用可能である。

例えば、図１５に示すように、レーザ光ＬＢを二点鎖線で示す円形のスポットパターンＳＰに沿って進行させる場合を考える。なお、図１５に示すレーザ光ＬＢの走査パターンＳＰ１は、図４に示す走査パターンと相似の形状である。

この場合も、ワーク２００の亜鉛めっき層２１１，２２１を高速かつ確実に除去するには、レーザ光ＬＢの走査パターンＳＰ１を互いに非対称な形状である２つの環状のパターンが原点Ｏで接して連続したパターンにするのがよく、∞字状のリサージュパターンとするのが好ましい。なお、説明の便宜上、レーザ光ＬＢの走査パターンＳＰ１をリサージュパターンとして図示しているが、走査パターンＳＰ１の実際の波形は、レーザ光ＬＢの進行速度に応じて変化する。例えば、図示しないが、第１描画パターンＬＳ１と第２描画パターンＬＳ２とは、溶接方向ＷＤ、この場合は、スポットパターンＳＰに沿って時計回り方向に沿って離間しており、レーザ光ＬＢの進行速度に応じて離間距離が変化する。また、第１描画パターンＬＳ１及び第２描画パターンＬＳ２ともに、スポットパターンＳＰの円周方向に沿って延びて変形した形状となる。

本実施形態においても、溶接方向ＷＤに沿って、走査パターンＳＰ１の原点Ｏの前方に位置する第１描画パターンＬＳ１が、原点Ｏの後方に位置する第２描画パターンＬＳ２よりもＹ方向に関して広いパターンとなるようにレーザ光ＬＢを走査する。

このようにすることで、第１描画パターンＬＳ１を描画中に、第１板材２１０と第２板材２２０との界面に介在する亜鉛めっき層２１１，２２１が除去される。第２描画パターンＬＳ２を描画中に、亜鉛めっき層２１１，２２１が除去された第１板材２１０と第２板材２２０とが互いにスポット溶接される。

なお、スポットパターンＳＰを挟んで、スポットパターンＳＰの半径方向の内側と外側とで、レーザ光ＬＢの照射幅を同じにするためには、原点Ｏを通り、かつ走査パターンＳＰ１を第１描画パターンＬＳ１と第２描画パターンＬＳ２とに分割する中心線（図示せず）が、スポットパターンＳＰにおける原点Ｏでの接線方向と常に直交するようにレーザ光ＬＢを走査することが望ましい。

また、実施形態１，２及び変形例１～３、さらに本実施形態に示した構成を総合してみると、本開示のレーザ溶接方法は、以下に示す構成を備えていると言える。つまり、本開示のレーザ溶接方法は、レーザ光ＬＢを溶接方向ＷＤに進行させながら、レーザ光ＬＢを二次元的に走査してワーク２００の表面に照射することで、ワーク２００を溶接する溶接ステップを備えている。

ワーク２００は、表面に亜鉛めっき層２１１が形成された第１板材２１０と表面に亜鉛めっき層２２１が形成された第２板材２２０とがギャップレスで重ね合わされた構造である。第１板材２１０及び第２板材２２０は、ともに鋼板である。

溶接ステップでは、レーザ光ＬＢをワーク２００の表面で所定のパターンを描くように走査する。所定のパターンとは、互いに非対称な形状である２つの環状のパターンが原点Ｏで接して連続したパターンである。

さらに、所定のパターンのうち、溶接方向ＷＤに沿って所定のパターンの原点Ｏの前方に位置する第１描画パターンＬＳ１が、原点Ｏの後方に位置する第２描画パターンＬＳ２よりも溶接方向ＷＤと交差する方向に関して広いパターンとなるようにレーザ光ＬＢを走査する。

第１描画パターンＬＳ１を描画中のレーザ光ＬＢの出力Ｐ１が、第２描画パターンＬＳ２を描画中のレーザ光ＬＢの出力Ｐ２よりも低くなるようにレーザ光ＬＢの出力Ｐを制御する。

また、第１描画パターンＬＳ１を描画中に、第１板材２１０と第２板材２２０との界面に介在する亜鉛めっき層２１１，２２１が除去される。第２描画パターンＬＳ２を描画中に、亜鉛めっき層２１１，２２１が除去された第１板材２１０と第２板材２２０とが互いに溶接される。この場合、第１板材２１０と第２板材２２０とが互いにスポット溶接される場合も含まれる。

このようにすることで、第１板材２１０と第２板材２２０との間にギャップがなくても、第１板材２１０と第２板材２２０との界面に介在する亜鉛めっき層２１１，２２１を除去できるとともに、亜鉛蒸気の発生に伴う溶接欠陥の発生を抑制することができる。また、ワーク２００に形成される溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。

本開示のレーザ溶接装置１００は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１０と、レーザ光ＬＢを受け取ってワーク２００に向けて照射するレーザヘッド３０と、レーザヘッド３０の動作及びレーザ光ＬＢの出力Ｐを制御するコントローラ５０と、を少なくとも備えている。

ワーク２００は、表面に亜鉛めっき層２１１が形成された第１板材２１０と表面に亜鉛めっき層２２１が形成された第２板材２２０とがギャップレスで重ね合わされた構造である。第１板材２１０及び第２板材２２０は、ともに鋼板である。

レーザヘッド３０は、レーザ光ＬＢをＸ方向（第１方向）とＸ方向と交差するＹ方向（第２方向）のそれぞれに走査するレーザ光スキャナ４０を有している。

レーザ光ＬＢがワーク２００の表面に所定のパターンを描くように、レーザ光スキャナ４０を駆動制御する。

さらに、コントローラ５０は、所定のパターンのうち、溶接方向ＷＤに沿ってリサージュパターンの原点Ｏよりも前方に位置する第１描画パターンＬＳ１が、後方に位置する第２描画パターンＬＳ２よりも溶接方向ＷＤと交差する方向に関して広いパターンとなるように、レーザ光スキャナ４０を駆動制御する。

コントローラ５０は、第１描画パターンＬＳ１を描画中のレーザ光ＬＢの出力Ｐ１が、第２描画パターンＬＳ２を描画中のレーザ光ＬＢの出力Ｐ２よりも低くなるようにレーザ光ＬＢの出力Ｐを制御する。

レーザ溶接装置１００をこのように構成することで、第１板材２１０と第２板材２２０との間にギャップがなくても、第１板材２１０と第２板材２２０との界面に介在する亜鉛めっき層２１１，２２１を除去できるとともに、亜鉛蒸気の発生に伴う溶接欠陥の発生を抑制することができる。また、ワーク２００に形成される溶接ビードの形状を良好なものとすることができる。この場合、第１板材２１０と第２板材２２０とが互いにスポット溶接される場合も含まれる。

なお、第１板材２１０と第２板材２２０とを互いにスポット溶接するにあたって、必ずしもスポットパターンＳＰを図１５に示す円形のパターンとしなくてもよい。第１板材２１０と第２板材２２０とがスポット溶接されていればよい。

この観点に立てば、スポットパターンＳＰは、種々の形状を取りうる。例えば、図１６Ａに示すように、スポットパターンＳＰを一部が開放されたオープンサークル形状としてもよいし、図１６Ｆに示すように、スポットパターンＳＰを波形としてもよい。また、図１６Ｇに示すように、スポットパターンＳＰを略Ｕ字状としてもよい。なお、図１６Ａ，図１６Ｃ～１６Ｅ及び図１６Ｇに示すように、スポットパターンＳＰの一部が開放されていると、第１板材２１０と第２板材２２０との間にある空気やオイル等の抜け口ができるため、溶接ビードの形状を良好にすることができる。

（その他の実施形態）
実施形態１～３及び変形例１～３に示した各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、実施形態２に示す各走査パターンを描画するにあたって、変形例１に示すようにレーザ光ＬＢの出力Ｐを制御することも可能である。

また、実施形態２，３及び変形例１～３において、例えば、１周期の間に、原点Ｏから描画位置Ｃ→Ｂ→Ａ→Ｏ→Ｆ→Ｅ→Ｄ→Ｏを通るようにレーザ光ＬＢを走査してもよい。また、描画位置の順番が変更されるのに応じて、レーザ光ＬＢの出力Ｐを変化させるタイミング等が変更されることは言うまでもない。

なお、図１に示す例では、集光レンズ３４は、レーザ光スキャナ４０の前段に配置されていたが、レーザ光スキャナ４０の後段、つまり、レーザ光スキャナ４０とレーザヘッド３０の光出射口との間に配置されていてもよい。

また、レーザ光ＬＢをＸ方向に沿って第１周波数を有する余弦波状に振動させるとともに、Ｙ方向に沿って第２周波数を有する余弦波状に振動させることで、レーザ光ＬＢの走査パターンがリサージュパターンとなるようにしてもよい。この場合、第１ミラー４１ａ及び第２ミラー４２ａの振幅ａ，ｂや第１ミラー４１ａ及び第２ミラー４２ａの周波数ｎ，ｍ、さらに位相φが適宜変更されることは言うまでもない。

また、変形例３及び実施形態３に示した構成を含めて考えると、レーザ光ＬＢの走査パターンが∞字状のリサージュパターンとなるようにする場合、以下に示すようにレーザ光ＬＢは走査される。つまり、レーザ光ＬＢを溶接方向ＷＤに沿って第１周波数を有する正弦波状または余弦波状に振動させるとともに、溶接方向ＷＤと交差する方向に沿って第２周波数を有する正弦波状または余弦波状に振動させる。

また、本願明細書では、図３に示すワーク２００をレーザ溶接する場合を例に取って説明したが、特にこれに限定されない。例えば、ワーク２００が、それぞれ板状の部分を含む２つの母材であって、板状の部分同士が重ね合わされ、少なくとも板状の部分の表面に亜鉛めっき層が形成された構造であってもよい。この場合の母材は、鉄でも軟鋼でも高張力鋼でもよい。これらの融点は、いずれも亜鉛の沸点よりも高い。また、亜鉛とアルミニウムとを含む亜鉛合金めっき層が２つの母材の表面に形成されていてもよい。つまり、亜鉛を主成分とするめっき層が２つの母材の表面に形成されていてもよい。ここで、「亜鉛を主成分とするめっき層」とは、亜鉛を６０%以上含むめっき層をいう。また、亜鉛以外の材料からなる被覆層が２つの母材の表面にそれぞれ形成されていてもよい。この場合、被覆層を構成する材料の沸点は、母材を構成する材料の融点よりも低くなるように、被覆層と母材の材質がそれぞれ設定される。

このワーク２００をレーザ溶接する場合、第１描画パターンＬＳ１を描画中に、板状の部分の間にある被覆層が除去される。第２描画パターンＬＳ２を描画中に、被覆層が除去された２つの板状の部分同士が溶接される。

このような構造のワーク２００をレーザ溶接するにあたって、本開示のレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を適用することで、亜鉛めっき層２１１，２２１等の被覆層が蒸発して発生する蒸気に起因する溶接欠陥の発生を抑制でき、また、溶接ビードの形状を良好なものとすることができるのは言うまでもない。

本開示のレーザ溶接方法は、被覆層が蒸発して発生する蒸気に起因する溶接欠陥の発生を抑制できるため、亜鉛めっき層等の被覆層が表面に形成された２つの部材の重ね溶接を行う上で有用である。

１０ レーザ発振器
２０ 光ファイバ
３０ レーザヘッド
３１ 筐体
３２ コリメーションレンズ
３３ 反射ミラー
３４ 集光レンズ
４０ レーザ光スキャナ
４１ 第１ガルバノミラー
４１ａ 第１ミラー
４１ｂ 第１回転軸
４１ｃ 第１駆動部
４２ 第２ガルバノミラー
４２ａ 第２ミラー
４２ｂ 第２回転軸
４２ｃ 第２駆動部
５０ コントローラ
６０ マニピュレータ
２００ ワーク
２１０ 第１板材（母材）
２１１ 亜鉛めっき層（被覆層）
２２０ 第２板材（母材）
２２１ 亜鉛めっき層（被覆層）
３０１，３０２ キーホール
３１１，３１２ 溶融池
３２０ 溶接部

Claims (16)

1. レーザ光を溶接方向に進行させながら、前記レーザ光を二次元的に走査してワークの表面に照射することで、前記ワークを溶接する溶接ステップを備え、
   前記ワークは、それぞれ板状の部分を含む２つの母材において、前記板状の部分同士が重ね合わされ、少なくとも前記板状の部分の表面に被覆層が形成された構造であり、かつ前記被覆層の沸点は、前記母材の融点よりも低く、
   前記溶接ステップでは、
   前記ワークの表面で所定のパターンを描くように、
   かつ、前記所定のパターンのうち、溶接方向に沿って前記所定のパターンの原点の前方に位置する第１描画パターンは、前記原点の後方に位置する第２描画パターンよりも前記溶接方向と交差する方向に関して広いパターンとなるように前記レーザ光を走査し、
   前記第１描画パターンを描画中の前記レーザ光の出力が、前記第２描画パターンを描画中の前記レーザ光の出力よりも低くなるように前記レーザ光の出力を制御し、
   前記所定のパターンは、互いに非対称な形状の２つの環状のパターンが前記原点で接して連続したパターンであることを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
   前記所定のパターンは、前記溶接方向に延びる∞字状のリサージュパターンであり、
   前記溶接ステップでは、前記レーザ光を前記溶接方向に沿って第１周波数を有する正弦波状に振動させるとともに、前記溶接方向と交差する方向に沿って第２周波数を有する正弦波状に振動させることで、前記ワークの表面で前記リサージュパターンを描くように前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザ溶接方法。
3. 請求項２に記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１周波数と前記第２周波数との比は、１：２であることを特徴とするレーザ溶接方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１描画パターンから前記第２描画パターンへの遷移時に、前記レーザ光の出力が連続的に高くなるように制御し、
   前記第２描画パターンから前記第１描画パターンへの遷移時に、前記レーザ光の出力が連続的に低くなるように制御することを特徴とするレーザ溶接方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１描画パターンを描画中に、前記板状の部分の間にある前記被覆層が除去され、
   前記第２描画パターンを描画中に、前記被覆層が除去された２つの前記板状の部分同士が溶接されることを特徴とするレーザ溶接方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において、
   前記ワークの溶接開始後の第１期間では、前記第２描画パターンを描画するときの前記レーザ光の出力を所定の描画長さにおいて、零とし、
   前記ワークの溶接終了前の第２期間では、前記第１描画パターンを描画するときの前記レーザ光の出力を所定の描画長さにおいて、零とすることを特徴とするレーザ溶接方法。
7. 請求項６に記載のレーザ溶接方法において、
   前記第１期間中に前記レーザ光の出力を零とする所定の描画長さは、前記第２描画パターンの１周期分の長さの約２倍とする一方、前記第２期間中に前記レーザ光の出力を零とする所定の描画長さは、前記第１描画パターンの１周期分の長さと前記第２描画パターンの１周期分の長さとの総和とほぼ同じ程度とすることを特徴とするレーザ溶接方法。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において、
   前記レーザ光を前記溶接方向に進行させることで、前記ワークがスポット溶接されることを特徴とするレーザ溶接方法。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法において、
   前記被覆層は、亜鉛を主成分とするめっき層であることを特徴とするレーザ溶接方法。
10. レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
    前記レーザ光を受け取ってワークに向けて照射するレーザヘッドと、
    前記レーザヘッドの動作及び前記レーザ光の出力を制御するコントローラと、を少なくとも備え、
    前記レーザヘッドは、前記レーザ光を第１方向と前記第１方向と交差する第２方向のそれぞれに走査するレーザ光スキャナを有し、
    前記ワークが、それぞれ板状の部分を含む２つの母材において、前記板状の部分同士が重ね合わされ、少なくとも前記板状の部分の表面に被覆層が形成された構造であり、かつ前記被覆層の沸点が前記母材の融点よりも低い場合に、
    前記コントローラは、前記レーザ光が前記ワークの表面で所定のパターンを描くように、かつ前記所定のパターンのうち、溶接方向に沿って前記所定のパターンの原点の前方に位置する第１描画パターンは、前記原点の後方に位置する第２描画パターンよりも前記溶接方向と交差する方向に関して広いパターンとなるように前記レーザ光スキャナを駆動制御し、
    さらに、前記コントローラは、前記第１描画パターンを描画中の前記レーザ光の出力が、前記第２描画パターンを描画中の前記レーザ光の出力よりも低くなるように前記レーザ光の出力を制御し、
    前記所定のパターンは、互いに非対称な形状の２つの環状のパターンが前記原点で接して連続したパターンであることを特徴とするレーザ溶接装置。
11. 請求項１０に記載のレーザ溶接装置において、
    前記所定のパターンは、前記溶接方向に延びる∞字状のリサージュパターンであり、
    前記コントローラは、前記レーザ光を前記溶接方向に沿って第１周波数を有する正弦波状に振動させるとともに、前記溶接方向と交差する方向に沿って第２周波数を有する正弦波状に振動させることで、前記ワークの表面で前記リサージュパターンを描くように前記レーザ光スキャナを駆動制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
12. 請求項１１に記載のレーザ溶接装置において、
    前記第１周波数と前記第２周波数との比は、１：２であることを特徴とするレーザ溶接装置。
13. 請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    前記レーザヘッドが取り付けられたマニピュレータをさらに備え、
    前記コントローラは、前記マニピュレータの動作を制御し、
    前記マニピュレータは、前記ワークの表面に対して、所定の方向に前記レーザヘッドを移動させることを特徴とするレーザ溶接装置。
14. 請求項１０ないし１３のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    前記レーザ発振器と前記レーザヘッドとは光ファイバで接続されており、
    前記レーザ光は、前記光ファイバを通って、前記レーザ発振器から前記レーザヘッドに伝送されることを特徴とするレーザ溶接装置。
15. 請求項１０ないし１４のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    前記レーザ光スキャナは、前記レーザ光を前記第１方向に走査する第１ガルバノミラーと、前記レーザ光を前記第１方向と交差する第２方向に走査する第２ガルバノミラーと、で構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
16. 請求項１０ないし１５のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    前記レーザヘッドは、焦点位置調整機構をさらに有し、
    前記焦点位置調整機構は、前記ワークの表面に交差する方向に沿って、前記レーザ光の焦点位置を変化させるように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。

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