JP7429848B2 - 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固定的に設定した状態で、最表面に位置した金属板の近位側に焦点を位置させて所定時間に亘り連続してレーザをデフォーカス照射するステップを実行する、レーザスポット溶接方法であって、
前記所定時間の途中で前記最表面に位置した金属板の近位側で単発的に焦点制御してレーザをフォーカス照射するステップを含む。

本発明に係るレーザスポット溶接方法は、上記のように、所定時間に亘りレーザをデフォーカス照射するステップの途中で焦点制御してレーザを単発的にフォーカス照射するステップを実行するので、先ず、デフォーカス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、その状態で、単発的にフォーカス照射されることで、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、キーホールを通じて金属蒸気が排出され、次いで、更なるデフォーカス照射により、キーホールが緩和され、溶融部が熱伝導により予熱領域全体に拡大されることで、キーホールの急激な崩壊による気泡残留が抑制され、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。

本発明第１実施形態に係るレーザスポット溶接における（ａ）最初のデフォーカス照射、（ｂ）フォーカス照射、（ｄ）後のデフォーカス照射を示す側断面図、（ｃ）照射径の変化を示す模式的なグラフである。 本発明第１実施形態に係るレーザスポット溶接における（ａ）最初のデフォーカス照射、（ｂ）フォーカス照射、（ｃ）後のデフォーカス照射中間、（ｄ）デフォーカス照射終了時の溶接部の変化を示す模式的な斜視図である。 本発明第１実施形態に係るレーザスポット溶接における照射径および溶融部スポット径の変化を示す模式的なグラフである。 本発明第２実施形態に係るレーザスポット溶接における照射径および溶融部スポット径の変化を示す模式的なグラフである。 本発明第３実施形態に係るレーザスポット溶接における照射径および溶融部スポット径の変化を示す模式的なグラフである。 本発明第４実施形態に係るレーザスポット溶接における照射径および溶融部スポット径の変化を示す模式的なグラフである。 本発明第５実施形態に係るレーザスポット溶接における照射径および溶融部スポット径の変化を示す模式的なグラフである。 本発明第６実施形態に係るレーザスポット溶接における照射径および溶融部スポット径の変化を示す模式的なグラフである。 本発明第７実施形態に係るレーザスポット溶接における照射径および溶融部スポット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に対する本発明の第１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にキーホール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ｄｘ（照射径Ｄｘ）にてレーザ照射Ｌａを行い、溶融部Ｗｂを最終的にＷｄまで拡大してレーザ照射Ｌａ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が形成された後、低パワー密度のデフォーカス・レーザ照射Ｌａが実施され、入熱が継続されることで、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、中心部から周辺部に向けての熱伝達により、加熱領域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表面処理層の金属蒸気は、上記のような中心部から周辺部に向かう熱伝達と、溶融径の拡大に際し、間隙を利用して拡散され排出が促進される。

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）照射径Ｄｘで時間Ｔａに亘りレーザをデフォーカス照射Ｌａし、照射領域を予熱Ｈａ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）焦点制御してレーザを単発的にフォーカス照射Ｌｂ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）照射径Ｄｘで時間Ｔｄまでレーザをデフォーカス照射Ｌａ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、デフォーカス照射Ｌａの照射径Ｄｘは、第２ステップにおけるフォーカス照射Ｌｂ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ることが好ましい。フォーカス照射径Ｄｏに対するデフォーカス照射径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・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秒であることが好ましい。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。また、第２ステップにおける単発的フォーカス照射Ｌｂの照射時間は、第１～第３ステップ合計照射時間Ｔｄの１０～２０％であることが好ましい。

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、デフォーカス照射径Ｄｘ＝４．０ｍｍ、フォーカス照射径Ｄｏ＝１．０ｍｍとして、Ｔａ＝０．０２秒、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、上記第１実施形態では、所定時間のデフォーカス照射Ｌａの途中で１回の単発的フォーカス照射Ｌｂを実施する場合を示したが、単発的フォーカス照射Ｌｂを２回実施することもでき、さらに、１回のレーザスポット溶接のベースとなるデフォーカス照射にける照射径の設定により、種々の実施形態が存在する。以下、代表的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図４に示す第２実施形態のレーザスポット溶接では、一定の照射径Ｄｘのデフォーカス照射Ｌａの途中、時刻Ｔ１で１回目の単発的フォーカス照射Ｌｂを行った後、時刻Ｔ２で２回目の単発的フォーカス照射Ｌｂを行う場合を示している。

図５に示す第３実施形態のレーザスポット溶接では、フォーカス状態の照射径Ｄｏからレーザ照射Ｌａを開始し、時刻Ｔｃで照射径Ｄｃとなるように、デフォーカス照射径を漸次拡大し、その後、最終的に最大照射径Ｄｘまで照射径を漸次拡大するレーザ照射Ｌｃの途中で１回の単発的フォーカス照射Ｌｂを実施する場合を示している。

図６に示す第４実施形態のレーザスポット溶接では、一定の照射径Ｄｘで時刻Ｔ１までデフォーカス照射Ｌａを行い、１回目の単発的フォーカス照射Ｌｂを行った後、照射径をフォーカス状態の照射径Ｄｏまで漸次縮小する途中の時刻Ｔ２で、２回目の単発的フォーカス照射Ｌｂを行う場合を示している。

図７に示す第５実施形態のレーザスポット溶接では、デフォーカス照射径Ｄｃ１からレーザ照射Ｌｃ１を開始し、時刻Ｔ１で１回目の単発的フォーカス照射Ｌｂを行った後、最初のデフォーカス照射径Ｄｃ１よりも大きいデフォーカス照射径Ｄｃ２にて時刻Ｔ２までレーザ照射Ｌｃ２を行い、時刻Ｔ２で２回目の単発的フォーカス照射Ｌｂを行った後、デフォーカス照射径Ｄｘでレーザ照射Ｌａを行う場合を示している。

図８に示す第６実施形態のレーザスポット溶接では、最大の照射径Ｄｘにてデフォーカス照射Ｌａを開始し、時刻Ｔ１で１回目の単発的フォーカス照射Ｌｂを行った後、最初のデフォーカス照射径Ｄｘよりも小さいデフォーカス照射径Ｄｃにて時刻Ｔ２までレーザ照射Ｌｃを行い、時刻Ｔ２で２回目の単発的フォーカス照射Ｌｂを行った後、再びデフォーカス照射径Ｄｘでレーザ照射Ｌａを行い時刻Ｔｄでレーザ照射Ｌａを終了する場合を示している。

図９に示す第７実施形態のレーザスポット溶接では、図５に示した第３実施形態と同様に、フォーカス状態の照射径Ｄｏからレーザ照射Ｌａを開始し、デフォーカス照射径Ｄｃまで照射径を漸次拡大し、その後、最終的に最大照射径Ｄｘまで照射径を漸次拡大するレーザ照射Ｌｃの途中、時刻Ｔ１で１回目の単発的フォーカス照射Ｌｂを行った後、時刻Ｔ２で、フォーカス状態よりやや大きい照射径Ｄｏ２にて２回目の単発的フォーカス照射Ｌｂ２を行う場合を示している。

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，Ｌｂ１，Ｌｂ２，Ｌｃ，Ｌｃ２，Ｌｄ レーザ照射
Ｌｘ レーザ光軸
Ｄｘ，Ｄｏ，Ｄｏ２，Ｄｃ，Ｄｃ１，Ｄｃ２ レーザ照射径
Ｈａ，Ｈｂ 予熱部
Ｋｂ キーホール
Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃ 溶融部
Ｗｄ 溶接部

Claims (8)

1. 複数重ねた金属板の所定領域にレーザ光軸を固定的に設定した状態で、最表面に位置した金属板の近位側に焦点を位置させて所定時間に亘り連続してレーザをデフォーカス照射するステップを実行する、レーザスポット溶接方法であって、
   前記所定時間の途中で前記最表面に位置した金属板の近位側で単発的に焦点制御してレーザをフォーカス照射することを含む、レーザスポット溶接方法。
2. 前記フォーカス照射の前後で、前記デフォーカス照射の照射径が異なる、請求項１記載のレーザスポット溶接方法。
3. 前記フォーカス照射の前後で、前記デフォーカス照射の照射径が漸次または段階的に変化する、請求項１または２記載のレーザスポット溶接方法。
4. 前記所定時間の途中で、前記フォーカス照射を２回実行する、請求項１記載のレーザスポット溶接方法。
5. 前記２回のフォーカス照射の前後、および／または、前記２回のフォーカス照射の間で、前記デフォーカス照射の照射径が異なる、請求項４記載のレーザスポット溶接方法。
6. 前記２回のフォーカス照射の前後、および／または、前記２回のフォーカス照射の間で、前記デフォーカス照射の照射径が漸次または段階的に変化する、請求項４記載のレーザスポット溶接方法。
7. 前記フォーカス照射から前記デフォーカス照射への移行時は、前記デフォーカス照射から前記フォーカス照射への移行時よりもデフォーカス量の変化が相対的に緩やかである、請求項１～６の何れか一項記載のレーザスポット溶接方法。
8. 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固定的に設定した状態で、
   最表面に位置した金属板の近位側に焦点を位置させて第1の照射径で第１の時間に亘りレーザをデフォーカス照射するステップと、
   最表面に位置した金属板の近位側で単発的に焦点制御してレーザをフォーカス照射するステップと、
   最表面に位置した金属板の近位側に焦点を位置させて第２の照射径で第２の時間に亘りレーザをデフォーカス照射するステップと、
   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。