JP7340153B2 - レーザスポット溶接方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザスポット溶接方法に関する。

ワークにレーザを照射しその光エネルギーによって照射部位の材料を加熱溶融するレーザ溶接は、非接触で高速溶接が行える利点があり、アーク溶接や抵抗スポット溶接からの代替が進んでいる。抵抗スポット溶接を代替するレーザスポット溶接としては、例えば特許文献1に記載されるように、スポット領域内でレーザビームを円形状や渦巻状に走査することで、ブローホールなどの欠陥を除去して接合強度を得ている。

しかし、このような溶接方法は、スポット領域内でビーム走査を行うための俊敏なスキャナ操作が必要であり、制御動作が煩雑であるうえ、ビーム走査の分だけタクトタイムが長くなる問題があった。

特開２０１２－１１５８７６号公報

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡潔な動作で安定的に接合強度が得られ、制御の複雑化やタクトタイムの増加を回避できるレーザスポット溶接方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザスポット溶接方法は、
複数重ねた金属板の所定領域にレーザ光軸を設定した状態で、
最表面に位置した金属板の近位側に第１のデフォーカス量（ｄｘ）でデフォーカスしたレーザを第1の照射径にて照射する第１ステップと、
最表面に位置した金属板の近位側において実質的にフォーカス状態と見做せる第２のデフォーカス量（ｄｏ）としてレーザを第２の照射径にて照射する第２ステップと、
最表面に位置した金属板の近位側において前記第２の照射径から漸次または段階的に照射径を拡大すべくデフォーカス量を増加させながらレーザを照射する第３ステップと、
を連続して実行することを含む。

本発明に係るレーザスポット溶接方法は、上記のように、第１ステップで、所定領域がデフォーカスレーザで加熱され照射領域が予熱されるとともに、中心部から溶融が開始され、第２ステップで、フォーカス状態のレーザが照射されることで、スパッタを抑制しつつ溶け込み深さが確保されるとともに、中心部に生じるキーホールを通じて金属蒸気が排出され、第３ステップで、レーザ照射径が漸次または段階的に拡大されることで、溶融部が熱伝導によりスポット径まで拡大されるとともに、パワー密度が漸次または段階的に低減されることで、キーホールの急激な崩壊による気泡残留を生じず、レーザ光軸の走査を伴わない簡潔な動作でありなら、所望の接合強度が得られ、制御の複雑化やタクトタイムの増加を回避できる利点がある。

本発明実施形態に係るレーザスポット溶接における（ａ）第１ステップ、（ｂ）第２ステップ、（ｄ）第３ステップを示す側断面図、（ｃ）照射径の変化を示す模式的なグラフである。 本発明実施形態に係るレーザスポット溶接における（ａ）第１ステップ、（ｂ）第２ステップ、（ｃ）第３ステップ中間、（ｄ）第３ステップ終了時の溶接部の変化を示す模式的な斜視図である。 本発明実施形態に係るレーザスポット溶接における照射径の変化を示す模式的なグラフである。 本発明の他の実施形態に係るレーザスポット溶接における照射径の変化を示す模式的なグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１および図２は、３枚重ねた金属板１１，１２，１３に対する本発明の実施形態に係るレーザスポット溶接を示している。金属板１１，１２，１３は、特に限定されるものではないが、板厚０．６～２．０ｍｍの薄鋼板を想定している。

３枚の金属板１１，１２，１３は、それらの何れか（通常は隙間の下側の金属板１２，１３）に予め突起部（エンボス、不図示）をプレス加工しておき、突起部を介して重ね合されるか、または、金属板の間に挿入された不図示のスペーサを介して重ね合され、必要に応じてクランプなどの治具で保持されることによる間隔調整された隙間、および／または、プレス加工品のフランジ部などにスプリングバックで生じる間隔調整されていない隙間を有して重ねられている。

レーザスポット溶接の実施に際しては、図１（ａ）に示すように、最表面に位置した金属板１１の上方にレーザ加工ヘッドを位置させ、光軸Ｌｘを固定した状態で、デフォーカス量ｄｘ（照射径Ｄｘ）にてレーザ照射Ｌａを行う（第１ステップ）。

このレーザ照射径Ｄｘは、１回の溶接工程中で最大面積（最小パワー密度）もしくはそれに準じた照射領域に対応し、パワー密度が抑えられているため、この段階では３枚の金属板１１，１２，１３を貫通する溶融部は形成されず、最表面の金属板１１から下位の金属板１２，１３への熱伝導によって照射領域全体が予熱Ｈａされるとともに、エネルギー分布が高い金属板１１の中心部から溶融Ｗａが開始される。

次いで、図１（ｂ）に示すように、光軸Ｌｘを固定したまま、レーザ溶接機の光学系にて焦点制御を行い、実質的にフォーカス状態（デフォーカス量ｄｏ、照射径Ｄｏ）としてレーザ照射Ｌｂを行う（第２ステップ）。

このレーザ照射径Ｄｏは、１回の溶接工程中で最小面積（最大パワー密度）の照射領域に対応するが、これに先立つ第１ステップで金属板１１，１２，１３が予熱Ｈａされ、かつ照射領域に溶接部Ｗｂが形成されていることで、急激な昇温が緩和され、スパッタの発生が抑制される。この状態で、溶接部Ｗｂの中央で３枚の金属板１１，１２，１３を貫通するキーホールＫｂが形成され、このキーホールＫｂを通じて金属蒸気が排出されるとともに、溶接部Ｗｂに最下の金属板１３まで達する充分な溶け込み深さが得られる。

続いて、図１（ｄ）に示すように、光軸Ｌｘを固定したまま、レーザ溶接機の光学系にて焦点制御を行い、デフォーカス量をｄｏからｄｘまで漸次増大させ、レーザ照射径をＤｏからＤｘまで漸次拡大しながら一定出力でレーザ照射（Ｌｂ～Ｌｄ）を行い、溶融部Ｗｂを最終的にＷｄまで拡大してレーザ照射Ｌｄを終了する（第３ステップ）。

このように、第２ステップで高パワー密度のレーザ照射ＬｂによりキーホールＫｂが形成された状態から、レーザ照射径の拡大に伴い、パワー密度が漸次または段階的に低減されることで、キーホールＫｂが徐々に縮小消滅し、キーホールＫｂの急激な崩壊による気泡の残留が抑制される。

また、図２（ｂ）～（ｄ）に示すように、レーザ照射径がＤｏからＤｘまで拡大する過程で、パワー密度は漸次低下するものの、レーザ照射による入熱が継続され、かつ、中心部から周辺部に向けての熱伝達により、予熱領域Ｈｃ内での安定的な溶融Ｗｃが促され、レーザ照射径Ｄｘに対応する最終的な溶接部Ｗｄが得られる。

なお、金属板１１，１２，１３に低融点金属の表面処理層が存在する場合に、溶融部とその周辺で発生する金属蒸気は、上記のような中心部から周辺部に向かう熱伝達と、レーザ照射径の拡大とともに、間隙を通じて拡散され排出される。

図３は、上述した実施形態のレーザスポット溶接における照射径Ｄの変化と溶融部の拡大を示しており、図示のように、本発明に係るレーザスポット溶接は、
複数重ねた金属板１１，１２，１３の所定領域にレーザ光軸Ｌｘを固定した状態で、
（ｉ）デフォーカスしたレーザＬａを第1の照射径Ｄｘにて照射し照射領域を予熱するとともに中央に溶融部Ｗａを形成する第１ステップ、
（ｉｉ）実質的にフォーカス状態としてレーザＬｂを第２の照射径Ｄｏにて照射し、キーホール型貫通溶接により溶融部Ｗｂの溶け込み深さを確保する第２ステップ、
（ｉｉｉ）第２の照射径Ｄｏから第1の照射径Ｄｘまで漸次または段階的に照射径を拡大すべくデフォーカスしながらレーザＬｃ（Ｌｂ～Ｌｄ）を照射し、熱伝導型溶接により溶融部をＷｄまで拡大する第３ステップ
を連続して実行することにより、レーザ光軸Ｌｘの走査を伴わない簡潔な動作にて、スパッタやブローホールを抑制しつつ所望の接合強度の溶接部Ｗｄを得るものである。

上記第１、第３ステップにおいて、第１の照射径Ｄｘは、第２の照射径Ｄｏの１．５倍以上、好適には２倍以上、より好適には4倍以上になるようにデフォーカスされており、第１の照射径Ｄｘによって、レーザスポット溶接の単位スポット径が与えられることが好ましい。第２の照射径Ｄｏに対する第１の照射径Ｄｘの拡大率が小さい場合、最終的な溶接部Ｗｄの径が不足し、実用的な溶接部が得られない。

上記第１ステップにおけるデフォーカスしたレーザＬａの照射時間Ｔａは、金属板１１，１２，１３の各板厚や合計板厚にも依るが、０．０１～０．１秒、好適には０．０２～０．０５秒であるか、または、第１～第３ステップ合計照射時間Ｔｄの１／４以下、より好適には１／８以下である。第１ステップにおける照射時間Ｔａが短すぎる場合、予熱や中央溶融部の形成が不充分になり、第２ステップでフォーカス状態のレーザ照射Ｌｂに移行した際にスパッタを生じる虞がある。

上記実施形態に係るレーザスポット溶接の効果を検証するために、金属板１１，１２，１３として、最表面側（レーザ照射側）から、板厚ｔ１＝０．６ｍｍ、ｔ２＝１．２ｍｍ、ｔ３＝０．８ｍｍの鋼板を使用し、レーザ出力６ｋＷとして、レーザ照射径ＤをＤｘ＝４．０ｍｍ～Ｄｏ＝１．０ｍｍの間で変化させて、Ｔｄ＝０．４秒間のレーザ照射を行ったところ、スパッタやブローホールのない良好な溶接部Ｗｄが得られた。

なお、上記実施形態では、第３ステップにおいて、第２の照射径Ｄｏから第1の照射径Ｄｘまで漸次または段階的に照射径を拡大しながらレーザ照射する場合を示したが、第1の照射径Ｄｘよりも大きい照射径まで照射径を拡大することもできる。また、図４に示す実施形態のように、第３ステップの中間に、実質的にフォーカス状態となる第２の照射径Ｄｏにてレーザ照射Ｌｃを行っても良い。この実施形態においても、第２の照射径Ｄｏにてレーザ照射Ｌｃを行った後、照射径を拡大すべくデフォーカスする速度は、フォーカス時よりも緩やかであることが好ましい。

なお、上記実施形態では、レーザ光学系の制御によりデフォーカス量ｄｘ～ｄｏを変化させる場合について述べたが、レーザ加工ヘッドの位置を機械的に上下動（直線移動）させることでデフォーカス量を変化させることもできる。

また、上記各実施形態では、２枚ないし３枚の金属板を重ねてレーザスポット溶接する場合を示したが、４枚以上の金属板を重ねてレーザスポット溶接することも可能である。実験では合計板厚４．２ｍｍまで確認しているが、レーザ出力などの条件によりそれ以上の溶接も可能と思われる。

また、上記各実施形態では、最表面の金属板１１に対して垂直上方からレーザ照射する場合を示したが、照射角度４０度までは実用範囲の加工性が得られる。また、水平面以外の任意の角度で傾斜配置された金属板に対しても溶接可能である。

以上、本発明のいくつかの実施の形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。

１１，１２，１３ 金属板
ｄｘ，ｄｏ デフォーカス量
Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌｄ レーザ照射
Ｌｘ レーザ光軸
Ｄｘ，Ｄｏ レーザ照射径
Ｈａ，Ｈｂ，Ｈｃ 予熱部
Ｋｂ キーホール
Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃ 溶融部
Ｗｄ 溶接部

Claims (5)

1. レーザスポット溶接方法であって、
   複数重ねた金属板の所定領域にレーザ光軸を設定した状態で、
   最表面に位置した金属板の近位側に第１のデフォーカス量（ｄｘ）でデフォーカスしたレーザを第1の照射径にて照射する第１ステップと、
   最表面に位置した金属板の近位側において実質的にフォーカス状態と見做せる第２のデフォーカス量（ｄｏ）としてレーザを第２の照射径にて照射する第２ステップと、
   最表面に位置した金属板の近位側において前記第２の照射径から漸次または段階的に照射径を拡大すべくデフォーカス量を増加させながらレーザを照射する第３ステップと、
   を連続して実行することを含む、レーザスポット溶接方法。
2. 前記第１の照射径は、前記第２の照射径の２倍以上になるようにデフォーカスされており、前記第１の照射径によって単位スポット径が与えられる、請求項１記載のレーザスポット溶接方法。
3. 前記第1ステップは、前記デフォーカスしたレーザを前記第1の照射径にて第１の時間照射することを含み、前記第１の時間は０．０１～０．１秒であるか、または、前記第１～第３ステップ合計照射時間の１／４以下である、請求項１または２記載のレーザスポット溶接方法。
4. 前記第３ステップは、前記第1の照射径またはそれ以上まで照射径を拡大すべくデフォーカスしてからレーザ照射を終了する、請求項１～３の何れか一項記載のレーザスポット溶接方法。
5. 前記第３ステップ中は、その中間に、実質的にフォーカス状態として第２の照射径にてレーザを照射するステップを含む、請求項１～４の何れか一項記載のレーザスポット溶接方法。