JP7443661B2

JP7443661B2 - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置

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Publication number: JP7443661B2
Application number: JP2019084276A
Authority: JP
Inventors: 幸男山本; 智仁都藤; 聖也高橋; 勇樹日高
Original assignee: Delta Kogyo Co Ltd
Current assignee: Delta Kogyo Co Ltd
Priority date: 2019-04-25
Filing date: 2019-04-25
Publication date: 2024-03-06
Anticipated expiration: 2039-04-25
Also published as: WO2020217809A1; JP2020179411A

Description

本発明は、レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。

金属部材同士の接合には、レーザ溶接技術が用いられることがある。レーザ溶接を用いた金属部材の接合は、レーザ光の照射により金属部材の一部を溶融させ、凝固させることでなされる。レーザ溶接を用いて金属部材同士を接合する場合には、抵抗溶接などを用いる場合に比べて、溶接速度が速く、熱影響が少ない、という優位性がある。また、レーザ溶接を用いて金属部材同士を接合する場合には、金属部材に対して非接触で溶接を行うことができ、加工効率が高く、連続溶接による剛性アップを図ることが可能である。

例えば、特許文献１には、２つのステップを実行してレーザ溶接を行い、互いの間に隙間を空けて重ね合わされた２枚の板材を接合する方法が開示されている。具体的に特許文献１に開示の方法では、先ず、レーザ光のスポットを走査して第１所定領域の金属部材を溶融させる。次に、第１所定領域の外周部分である第２所定領域にレーザ光を照射して、当該領域の金属部材を溶融し、溶融金属を第１所定領域の溶接痕の上に流し込む。

特許文献１では、上記のように２つのステップを実行して溶接を行うことで、第１所定領域にできる窪み部の深さを浅くすることができ、溶接部の外周部分の肉厚が薄くなってしまうのを抑制し、溶接強度の低下を抑制することができるとされている。

特開２０１２－２２８７１７号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の技術では、作業効率の観点から改善の余地がある。具体的に、上記特許文献１に開示の技術では、第１所定領域の金属部材を溶融・凝固してできた溶接痕の上に第２所定領域の溶融金属を流し込むため、時間的に分かれた２つのステップを実行する必要があり、作業時間が長くならざるを得ず、作業効率が低くなると考えられる。

本発明は、上記のような問題の解決を図ろうとなされたものであって、金属部材同士の間に隙間があるような場合であっても、高い接合強度での金属部材同士の接合を高い作業効率で可能なレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るレーザ溶接方法は、複数の金属部材をレーザ溶接により接合するレーザ溶接方法であって、レーザ光を発振し、当該発振されたレーザ光を溶接箇所に集光するレーザ光照射ステップと、前記レーザ光のスポットを走査する走査ステップと、を備え、前記レーザ光のスポットを、所定箇所を中心としてその周りを周回させながら外側に向かって連続的に走査することにより金属部材を溶融させた平面視ドット状の溶接部を形成するとともに、前記溶接部の外周部分での前記レーザ光の照射による入熱量が、前記外周部分よりも内周側の少なくとも一部領域である内周部分の入熱量よりも低くなるようにし、さらに、前記レーザ光の照射出力を一定に保ったままで、前記外周部分でのレーザ光の焦点を前記内周部分に比してぼかすことにより、前記外周部分の入熱量が前記内周部分の入熱量よりも低くなるようにし、前記周回の径方向において、前記溶接部には、前記外周部分と前記内周部分との間に位置する環状の第１環状部分と、前記外周部分と前記第１環状部分との間に位置する環状の第２環状部分と、がさらに含まれ、前記第１環状部分の入熱量が前記内周部分よりも低く、前記第２環状部分の入熱量が前記第１環状部分および前記外周部分よりも高くなるようにする。

先ず、上記態様に係るレーザ溶接方法は、複数の金属部材をレーザ溶接により接合するので、抵抗溶接などを用いる場合に比べて、溶接速度が速く、熱影響が少なく、また、金属部材に対して非接触で溶接を行うことができ、加工効率が高く、連続溶接による剛性アップを図ることが可能である。

次に、上記態様に係るレーザ溶接方法では、走査ステップにおいて、レーザ光のスポットを所定箇所を中心としてその周りを周回させて当該部分の金属部材を溶融・攪拌して、溶接部を形成するので、仮に溶接前の状態で金属部材同士の間に隙間が空いていたとしても、溶融金属が金属部材間の隙間に流れ込むことになる。よって、上記態様に係るレーザ溶接方法では、溶接前の状態で金属部材間に隙間があった場合にも、溶融金属が金属部材同士の間の隙間を埋めるので、えぐれ（アンダーフィル）や溶け落ちの発生を抑制することができる。

また、上記態様に係るレーザ溶接方法では、溶接部の形成において、外周部分での入熱量を内周部分での入熱量よりも低くなるようにしているので、溶接部の外周部分の肉厚が薄くなってしまったり、当該薄肉化することに起因して生じる急冷により脆弱組織となったり、残留応力が大きくなったりすることなどを抑制することができる。

さらに、上記態様に係るレーザ溶接方法では、走査ステップにおいて、外周部分まで連続的にレーザ光のスポットを走査する構成としているので、時間的に分かれた２つのステップを実行して外周部分の入熱量を内周部分の入熱量よりも低くする上記特許文献１に開示の技術に比べて、作業時間が長くなるのを抑えることができ、よって作業効率の低下を抑制することができる。

また、外周部分での入熱量を低く抑えることで該部分の薄肉化を抑制することができるとともに、溶接部に外周部分と内周部分との間に第１環状部分および第２環状部分が含まれ、内周部分よりも第1環状部分の方が入熱量が低く、外周部分および第１環状部分よりも第２環状部分の方が入熱量が高くなるようにすることで（周回の径方向に入熱量の強弱をつけることにより）、広範囲での溶接を行う場合においても、投入エネルギ量を抑えることが可能である。

従って、上記態様に係るレーザ溶接方法では、金属部材同士の間に隙間があるような場合であっても、高い接合強度での金属部材同士の接合を高い作業効率で行うことが可能である。

上記態様に係るレーザ溶接方法において、前記レーザ光のスポットの走査軌跡を、前記外周部分の方が前記内周部分よりも密度が疎になるようにする、との構成を採用することもできる。

上記のような構成を採用する場合には、外周部分でのレーザ光走査軌跡の密度を、内周部分よりも疎になるようにすることで、レーザ光の出力を一定に維持しながら外周部分での入熱量を内周部分よりも低くすることが可能となる。

上記態様に係るレーザ溶接方法において、前記レーザ光のスポットの走査速度を、前記外周部分の方が前記内周部分よりも速くなるようにする、との構成を採用することもできる。

上記のような構成を採用する場合には、外周部分でのレーザ光走査速度を、内周部分よりも速くなるようにすることで、外周部分での入熱量を内周部分よりも低くすることが可能となる。

本発明の一態様に係るレーザ溶接装置は、複数の金属部材をレーザ溶接により接合するレーザ溶接装置であって、レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ光を溶接箇所に集光する集光部と、前記レーザ光のスポットを走査する走査部と、前記レーザ発振器および前記走査部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記レーザ光のスポットを、所定箇所を中心としてその周りを周回させながら外側に向かって連続的に走査することにより金属部材を溶融させた平面視ドット状の溶接部を形成するとともに、前記溶接部の外周部分での前記レーザ光の照射による入熱量が、前記外周部分よりも内周側の少なくとも一部領域である内周部分の入熱量よりも低くなるように前記レーザ発振器および前記走査部を制御し、さらに、前記制御部は、前記レーザ光の照射出力を一定に保ったままで、前記外周部分でのレーザ光の焦点を前記内周部分に比してぼかすことにより、前記外周部分の入熱量が前記内周部分の入熱量よりも低くなるようにし、前記周回の径方向において、前記溶接部には、前記外周部分と前記内周部分との間に位置する環状の第１環状部分と、前記外周部分と前記第１環状部分との間に位置する環状の第２環状部分と、がさらに含まれ、前記制御部は、前記第１環状部分の入熱量が前記内周部分よりも低く、前記第２環状部分の入熱量が前記第１環状部分および前記外周部分よりも高くなるように前記レーザ発振器および前記走査部を制御する。

先ず、上記態様に係るレーザ溶接装置は、複数の金属部材をレーザ溶接により接合するので、抵抗溶接などを用いる場合に比べて、溶接速度が速く、熱影響が少なく、また、金属部材に対して非接触で溶接を行うことができ、加工効率が高く、連続溶接による剛性アップを図ることが可能である。

次に、上記態様に係るレーザ溶接装置では、レーザ光のスポットを所定箇所を中心としてその周りを周回させて当該部分の金属部材を溶融・攪拌して、溶接部を形成するので、仮に溶接前の状態で金属部材同士の間に隙間が空いていたとしても、溶融金属が金属部材間の隙間に流れ込むことになる。よって、上記態様に係るレーザ溶接装置では、溶接前の状態で金属部材間に隙間があった場合にも、溶融金属が金属部材同士の間の隙間を埋めるので、えぐれ（アンダーフィル）や溶け落ちの発生を抑制することができる。

また、上記態様に係るレーザ溶接装置では、溶接部の形成において、外周部分での入熱量を内周部分での入熱量よりも低くなるようにレーザ発振器および走査部を制御することとしているので、溶接部の外周部分の肉厚が薄くなってしまったり、当該薄肉化することに起因して生じる急冷により脆弱組織となったり、残留応力が大きくなったりすることなどを抑制することができる。

さらに、上記態様に係るレーザ溶接装置では、溶接部の形成において、外側に向かって連続的にレーザ光のスポットを走査する構成としているので、時間的に分かれた２つのステップを実行して外周部分の薄肉化を抑制する上記特許文献１に開示の技術に比べて、作業時間が長くなるのを抑えることができ、作業効率の低下を抑制することができる。

従って、上記態様に係るレーザ溶接装置では、金属部材同士の間に隙間があるような場合であっても、高い接合強度での金属部材同士の接合を高い作業効率で行うことが可能である。

上記態様に係るレーザ溶接装置において、前記制御部は、前記レーザ光のスポットの走査軌跡を、前記外周部分の方が前記内周部分よりも密度が疎になるようにする、との構成を採用することもできる。

上記態様に係るレーザ溶接装置において、前記制御部は、前記レーザ光のスポットの走査速度を、前記外周部分の方が前記内周部分よりも速くなるようにする、との構成を採用することもできる。

本発明の他の一態様に係るレーザ溶接方法は、複数の金属部材をレーザ溶接により接合するレーザ溶接方法であって、レーザ光を発振し、当該発振されたレーザ光を溶接箇所に集光するレーザ光照射ステップと、前記レーザ光のスポットを走査する走査ステップと、を備え、前記レーザ光のスポットを所定箇所を中心としてその周りを周回させながら外側に向かって連続的に走査することにより金属部材を溶融させた平面視ドット状の溶接部を形成するとともに、前記溶接部の外周部分での前記レーザ光の照射による入熱量が、前記外周部分よりも内周側の少なくとも一部領域である内周部分の入熱量よりも低くなるようにし、前記周回の径方向において、前記溶接部には、前記外周部分と前記内周部分との間に位置する環状の第１環状部分と、前記外周部分と前記第１環状部分との間に位置する環状の第２環状部分と、がさらに含まれ、前記第１環状部分の入熱量が前記内周部分よりも低く、前記第２環状部分の入熱量が前記第１環状部分および前記外周部分よりも高くなるようにする。

また、本発明の他の一態様に係るレーザ溶接装置は、複数の金属部材をレーザ溶接により接合するレーザ溶接装置であって、レーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ光を溶接箇所に集光する集光部と、前記レーザ光のスポットを走査する走査部と、前記レーザ発振器および前記走査部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記レーザ光のスポットを、所定箇所を中心としてその周りを周回させながら外側に向かって連続的に走査することにより金属部材を溶融させた平面視ドット状の溶接部を形成するとともに、前記溶接部の外周部分での前記レーザ光の照射による入熱量が、前記外周部分よりも内周側の少なくとも一部領域である内周部分の入熱量よりも低くなるように前記レーザ発振器および前記走査部を制御し、前記周回の径方向において、前記溶接部には、前記外周部分と前記内周部分との間に位置する環状の第１環状部分と、前記外周部分と前記第１環状部分との間に位置する環状の第２環状部分と、がさらに含まれ、前記制御部は、前記第１環状部分の入熱量が前記内周部分よりも低く、前記第２環状部分の入熱量が前記第１環状部分および前記外周部分よりも高くなるように前記レーザ発振器および前記走査部を制御する、レーザ溶接装置。

上記の各態様では、金属部材同士の間に隙間があるような場合であっても、高い接合強度での金属部材同士の接合を高い作業効率で行うことが可能である。

本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す模式図である。溶接前の板材の配置状態を示す模式側面図である。第１実施形態に係るレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法を説明するための模式平面図である。図３のＩＶ－ＩＶ線断面を示す模式断面図である。図４のＡ部を拡大して示す模式断面図である。比較例に係るレーザ溶接方法を用いて溶接を行った場合の溶接部の外周部分の構成を示す模式断面図である。本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接方法を説明するための模式平面図である。（ａ）は、本発明の第３実施形態に係るレーザ溶接方法を説明するための模式平面図であり、（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係るレーザ溶接方法を説明するための模式平面図である。（ａ）は、本発明の第５実施形態に係る溶接形態を示す模式図であり、（ｂ）は、本発明の第６実施形態に係る溶接形態を示す模式図であり、（ｃ）は、本発明の第７実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。（ａ）は、本発明の第８実施形態に係る溶接形態を示す模式図であり、（ｂ）は、本発明の第９実施形態に係る溶接形態を示す模式図であり、（ｃ）は、本発明の第１０実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。

以下では、本発明の実施形態について、図面を参酌しながら説明する。なお、以下で説明の形態は、本発明の一例であって、本発明は、その本質的な構成を除き何ら以下の形態に限定を受けるものではない。

［第１実施形態］
１．レーザ溶接装置１の概略構成
本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接装置１の概略構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るレーザ溶接装置１の概略構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接装置１は、レーザ発振器１０と光路１１と集光部（走査部）１２とを備える。レーザ発振器１０は、当該レーザ発振器１０に接続されたコントローラ（制御部）１５からの指令に従ってレーザ光を発振する。

レーザ発振器１０で発振されたレーザ光は、光路１１を通り集光部１２へと伝搬される。集光部１２では、伝搬されてきたレーザ光が板材積層体５００における板材（金属部材）５０１の表面に集光される（スポットが形成される）。そして、集光部１２は、コントローラ１５からの指令に従って、板材５０１の表面でレーザ光のスポットを走査する。

なお、本実施形態では、光路１１の一例として光ファイバーケーブルを用いているが、これ以外にもミラーを用いた光反射による伝搬など、種々の光路を採用することができる。ここで、本実施形態では、溶接の対象としての板材積層体５００は、板材（金属部材）５０１と板材（金属部材）５０２との積層体である。

また、レーザ溶接装置１は、溶接ロボット１３と、該溶接ロボット１３の駆動に係る駆動回路部１４と、を備える。溶接ロボット１３は、その先端部分に集光部１２が取り付けられており、駆動回路部１４に接続されたコントローラ１５からの指令に従って、集光部１２を３次元で移動させることができる。

２．板材積層体５００の概略構成
板材積層体５００の概略構成について、図２を用い説明する。図２は、板材積層体５００を構成する板材５０１，５０２の溶接前における配置状態を示す模式側面図である。

板材５０１と板材５０２とは板厚方向（Ｚ方向）に重ね合わされているが、溶接前のこれらの間には、図２に示すように、例えば最大で１ｍｍ程度の隙間Ｇが存在する。

３．レーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接
本実施形態に係るレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接について、図を用いて説明する。図３は、レーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法を説明するための模式平面図である。

図３に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接装置１を用いた溶接では、コントローラ１５がレーザ発振器１０にレーザ光を発振する旨の指令（レーザ光照射ステップの実行指令）を出した状態で、レーザ光のスポットが周回中心（所定箇所）Ａｘ_ＬＢ１を中心としてその周りを周回するように集光部１２を制御する。即ち、コントローラ１５は、板材積層体５００の溶接において、所謂、レーザスクリュ溶接を実行するように集光部１２を制御してレーザ光のスポットの走査を行い（走査ステップの実行指令）、溶接部１００における板材５０１，５０２の溶融・攪拌を実行する。

図３に示すように、本実施形態では、平面視（図３の紙面に垂直な方向から見た場合）略円形の溶接部１００を形成するものである。そして、レーザ光のスポットの走査は、周回中心Ａｘ_ＬＢ１側から溶接部１００の外側に向かって連続的に行う。即ち、溶接部１００の形成においては、上記特許文献１に開示の技術のように時間的に分かれた２つのステップを実行するのではなく、時間的に連続してレーザ光のスポットを走査する。

ここで、図３に示すように、コントローラ１５は、溶接部１００の形成に際して、溶接部１００の径方向に４つの領域Ａｒ１～Ａｒ４を設定し、領域Ａｒ１～Ａｒ４毎にレーザ光走査軌跡ＬＮ_１～ＬＮ_４の密度（疎密）を以ってレーザ光の照射を実行する。これにより、本実施形態に係るレーザ溶接では、径方向における入熱量が異なるようにレーザ溶接を行い、溶接部１００を形成することとしている。

具体的に、溶接部１００の外周部分である第４走査領域Ａｒ４でのレーザ光走査軌跡ＬＮ_４の密度は、第１走査領域（内周部分）Ａｒ１および第３走査領域（第２環状部分）Ａｒ３でのレーザ光走査軌跡ＬＮ_１，ＬＮ_３の密度よりも低く（疎に）設定されている。これにより、第４走査領域（外周部分）Ａｒ４でのレーザ光の照射密度が第１走査領域（内周部分）Ａｒ１および第３走査領域（第２環状部分）Ａｒ３でのレーザ光の照射密度よりも低くなり、第４走査領域Ａｒ４での入熱量を第１走査領域Ａｒ１および第３走査領域Ａｒ３よりも低くすることができる。

なお、本実施形態では、溶接部１００の径方向において、第１走査領域Ａｒ１と第３走査領域Ａｒ３との間に設定された第２走査領域（第１環状部分）Ａｒ２でのレーザ光走査軌跡ＬＮ_２の密度を第１走査領域（内周部分）Ａｒ１および第３走査領域（第２環状部分）Ａｒ３でのレーザ光走査軌跡ＬＮ_１，ＬＮ_３の密度よりも低く（疎に）設定している。これによって、本実施形態に係るレーザ溶接では、第２走査領域（第１環状部分）Ａｒ２でのレーザ光の照射密度を第１走査領域（内周部分）Ａｒ１および第３走査領域（第２環状部分）Ａｒ３でのレーザ光の照射密度よりも低く（疎に）し、第２走査領域（第１環状部分）Ａｒ２での入熱量についても第１走査領域（内周部分）Ａｒ１および第３走査領域（第２環状部分）Ａｒ３よりも低くしている。

４．溶接部１００の形態
図３を用いて説明したようなレーザ光照射を行って形成された溶接部１００の形態について、図４～図６を用いて説明する。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線断面を示す模式断面図であり、図５は、図４のＡ部を拡大して示す模式断面図である。図６は、比較例に係るレーザ溶接方法を用いて溶接を行った場合の溶接部の外周部分の構成を示す模式断面図である。

図４に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接により形成された溶接部１００は、周回中心Ａｘ_ＬＢ１から径方向外側に向けて順に形成された、第１溶接領域１０１、第２溶接領域１０２、第３溶接領域１０３、第４溶接領域１０４を有している。第１溶接領域１０１は第１走査領域Ａｒ１に、第２溶接領域１０２は第２走査領域Ａｒ２に、第３溶接領域１０３は第３走査領域Ａｒ３に、第４溶接領域１０４は第４走査領域Ａｒ４に、それぞれ対応した領域に形成されている。

そして、溶接部１００においては、溶接前に空いていた隙間Ｇが溶融・凝固した金属部材で埋められた状態となっている。

次に、図５に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接方法を採用した場合には、溶接部１００における径方向外側部分の外周部分１０４ａにおいて、ブリッジ部の厚みＴＡの肉厚が薄肉化されるのが抑制されている。また、外周部分１０４ａは、薄肉化が抑制されることで急冷され難く、脆弱組織化も抑制されている。

一方、外周部分での入熱量を低くしなかった比較例の場合には、図６に示すように、溶接部９００の外周部分９００ａのブリッジ部の厚みＴＢが本実施形態に係るブリッジ部の厚みＴＡよりも薄くなってしまう。このため、溶接対象となる板材９０１，９０２の板厚や隙間Ｇが本実施形態と同じであったとしても、外周部分９００ａの薄肉化が生じ、これによって急冷されることで該部分に脆弱組織が形成されることになる。

なお、溶接部１００の第４溶接領域（外周部分）１０４は、最大で溶接部１００の半径の５０％程度に設定することができる。

５．効果
本実施形態に係るレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法では、２枚の板材（金属部材）５０１，５０２をレーザ溶接により接合するので、抵抗溶接などを用いる場合に比べて、溶接速度が速く、熱影響が少なく、また、板材５０１，５０２に対して非接触で溶接を行うことができ、加工効率が高く、連続溶接による剛性アップを図ることが可能である。

また、本実施形態に係るレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法では、レーザ光のスポットを周回中心Ａｘ_ＬＢ１を中心としてその周りを周回させて当該部分の金属部材を溶融・攪拌して、溶接部１００を形成するので、溶接前の状態で板材５０１，５０２同士の間に隙間Ｇが空いている場合においても、隙間Ｇに溶融金属が流れ込むことになる。よって、本実施形態の場合には、溶接前の状態で板材５０１，５０２同士の間に隙間Ｇが空いていた場合にも、溶融金属が凝固して隙間Ｇを埋め、えぐれ（アンダーフィル）や溶け落ちの発生を抑制することができる。

また、本実施形態に係るレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法では、溶接部１００の形成において、第４走査領域（外周部分）Ａｒ４での入熱量を第１，第３走査領域（内周部分）Ａｒ１，Ａｒ３での入熱量よりも低くなるようにしているので、溶接部１００の第４溶接領域（外周部分）１０４のブリッジ厚み（肉厚）ＴＡが薄くなるのが抑制され、薄肉化に起因した急冷も避けられるので、該部分が脆弱組織化したり、残留応力が大きくなったりすることなどを抑制することができる。

さらに、本実施形態に係るレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法では、溶接部１００の形成において、第１走査領域Ａｒ１から第４走査領域（Ａｒ４）までレーザ光のスポットを連続的に走査することとしているので、時間的に分かれた２つのステップを実行してブリッジ部厚みが薄くなるのを抑制する上記特許文献１に開示の技術に比べて、作業時間が長くなるのを抑えることができ、作業効率の低下を抑制することができる。

ここで、本実施形態に係るレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法では、第４走査領域Ａｒ４における入熱量を第１，第３走査領域Ａｒ１，Ａｒ３における入熱量よりも低くするための一方策として、第４走査領域Ａｒ４での第４レーザ光走査軌跡ＬＮ_４の密度を、第１，第３走査領域Ａｒ１，Ａｒ３での第１，第３レーザ光走査軌跡ＬＮ_１，ＬＮ_３の密度よりも疎とし、これによって第４走査領域Ａｒ４でのレーザ光の照射密度を第１，第３走査領域Ａｒ１，Ａｒ３よりも低くして入熱量を落としている。このような方法を採用する本実施形態ではレーザ光の出力を一定に維持しながら第４走査領域Ａｒ４での入熱量を第１，第３走査領域Ａｒ１，Ａｒ３よりも低くすることが可能となる。

また、本実施形態に係るレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法では、周回中心Ａｘ_ＬＢ１から径方向外側に向けてレーザ光のスポットを走査するに際して、第１走査領域Ａｒ１と第３走査領域Ａｒ３との間に、これら領域Ａｒ１，Ａｒ３でのレーザ光走査軌跡ＬＮ_１，ＬＮ_３よりも密度が疎な（入熱量を低くした）第２走査領域Ａｒ２を設定している。このため、本実施形態では、第４走査領域Ａｒ４よりも内周側で入熱量の強弱をつけることで、広範囲での溶接を行う場合においても、投入エネルギ量を抑えることが可能である。

以上のように、本実施形態に係るレーザ溶接装置１およびこれを用いたレーザ溶接方法では、溶接前の状態で板材（金属部材）５０１，５０２同士の間に隙間Ｇが空いている場合であっても、高い接合強度での板材５０１，５０２同士の接合を高い作業効率で行うことが可能である。

［第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接方法を説明するための模式平面図である。

図７に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接方法においても、板材（金属部材）５０５の表面に対して、周回中心（所定箇所）Ａｘ_ＬＢ２を中心としてその周りを周回するようにレーザ光のスポットを走査してレーザ光を照射する。これにより、レーザ光を照射した部分の金属部材を溶融・攪拌し、平面視略円形の溶接部１０５を形成する。

本実施形態に係るレーザ溶接方法では、レーザ光のスポットの走査において、径方向の内周側の第１走査領域Ａｒ５と、外周部分側の第２走査領域Ａｒ６と、で走査軌跡ＬＮ_５，ＬＮ_６の密度に差異をつけている。即ち、本実施形態では、外周部分にあたる第２走査領域Ａｒ６での第２レーザ光走査軌跡ＬＮ_６が、内周側の第１走査領域Ａｒ５での第１レーザ光走査軌跡ＬＮ_５よりも疎になるように設定している。

なお、本実施形態に係るレーザ溶接方法においても、第１レーザ光走査軌跡ＬＮ_５から第２レーザ光走査軌跡ＬＮ_６に連続するようにレーザ光のスポットの走査を実行する。

以上のようなレーザ溶接方法でも、第１走査領域Ａｒ５に対応する第１溶接領域１０６と、第２走査領域Ａｒ６に対応する第２溶接領域１０７と、からなる溶接部１０５が形成される。本実施形態に係るレーザ溶接方法では、レーザ光のスポットの走査において、２つの領域Ａｒ５，Ａｒ６に分けてレーザ光の照射密度を変えている点で、上記第１実施形態と差異がある。

しかしながら、本実施形態に係るレーザ溶接装置及びこれを用いたレーザ溶接方法においても、上記第１実施形態と同様に、溶接前の状態で板材（金属部材）同士の間に隙間Ｇが空いている場合であっても、高い接合強度での板材同士の接合を高い作業効率で行うことが可能である。

［第３実施形態］
図８（ａ）は、本発明の第３実施形態に係るレーザ溶接方法を説明するための模式平面図である。

図８（ａ）に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接方法においても、溶接しようとする板材（金属部材）のうちの一方の板材表面に対して、周回中心（所定箇所）Ａｘ_ＬＢ３を中心としてその周りを周回するようにレーザ光のスポットを走査してレーザ光を照射する。これにより、レーザ光を照射した部分の金属部材を溶融・攪拌し、平面視で略角丸多角形（本実施形態では、一例として角丸四角形）の溶接部１１０を形成する。

本実施形態に係るレーザ溶接方法では、レーザ光のスポットの走査において、周回中心Ａｘ_ＬＢ３側である内側の第１走査領域Ａｒ７と、外側の第２走査領域Ａｒ８と、でレーザ光走査軌跡の密度に差異をつけている。具体的には、本実施形態でも、外周部分にあたる第２走査領域Ａｒ８でのレーザ光走査軌跡が、内側の第１走査領域Ａｒ７でのレーザ光走査軌跡よりも疎になるように設定している。ここで、図８（ａ）に示すように、本実施形態では、第１走査領域Ａｒ７および第２走査領域Ａｒ８は、ともに平面視で略角丸多角形（本実施形態では、一例として角丸四角形）に設定されており、互いに相似形とされている。

なお、本実施形態に係るレーザ溶接方法においても、第１走査領域Ａｒ７でのレーザ光走査軌跡から第２走査領域Ａｒ８でのレーザ光走査軌跡に連続するようにレーザ光のスポットの走査を実行する。

以上のようなレーザ溶接方法でも、第１走査領域Ａｒ７に対応する第１溶接領域１１１と、第２走査領域Ａｒ８に対応する第２溶接領域１１２と、からなる溶接部１１０が形成される。本実施形態に係るレーザ溶接方法では、第１走査領域Ａｒ７および第２走査領域Ａｒ８の平面視形状が角丸多角形である点で、上記第１実施形態と差異がある。

［第４実施形態］
図８（ｂ）は、本発明の第４実施形態に係るレーザ溶接方法を説明するための模式平面図である。

図８（ｂ）に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接方法においても、溶接しようとする板材（金属部材）のうちの一方の板材表面に対して、周回中心（所定箇所）Ａｘ_ＬＢ４を中心としてその周りを周回するようにレーザ光のスポットを走査してレーザ光を照射する。これにより、レーザ光を照射した部分の金属部材を溶融・攪拌し、平面視略楕円形の溶接部１１５を形成する。

本実施形態に係るレーザ溶接方法では、レーザ光のスポットの走査において、周回中心Ａｘ_ＬＢ４側である内側の第１走査領域Ａｒ９と、外側の第２走査領域Ａｒ１０と、で走査軌跡の密度に差異をつけている。具体的には、本実施形態でも、外周部分にあたる第２走査領域Ａｒ１０でのレーザ光走査軌跡が、内側の第１走査領域Ａｒ９でのレーザ光走査軌跡よりも疎になるように設定している。ここで、図８（ｂ）に示すように、本実施形態では、第１走査領域Ａｒ９および第２走査領域Ａｒ１０は、ともに平面視略楕円形に設定されており、互いに相似形とされている。

なお、本実施形態に係るレーザ溶接方法においても、第１走査領域Ａｒ９のレーザ光走査軌跡から第２走査領域Ａｒ１０のレーザ光走査軌跡に連続するようにレーザ光のスポットの走査を実行する。

以上のようなレーザ溶接方法でも、第１走査領域Ａｒ９に対応する第１溶接領域１１６と、第２走査領域Ａｒ１０に対応する第２溶接領域１１７と、からなる溶接部１１５が形成される。本実施形態に係るレーザ溶接方法では、第１走査領域Ａｒ９および第２走査領域Ａｒ１０の平面視形状が略楕円形である点で、上記第１実施形態と差異がある。

［第５実施形態］
図９（ａ）は、本発明の第５実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。

図９（ａ）に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、レーザ溶接を行うことにより、平面視略円形のスクリュ部１２１と、スクリュ部１２１に連続しＸ方向に平面視線状に延びる線状部１２２と、線状部１２２に連続し平面視略円形のスクリュ部１２３と、からなる溶接部（ナゲット）１２０を形成する。

スクリュ部１２１およびスクリュ部１２３の形成については、上記第１実施形態に係る溶接部１００の形成と同様の方法によりなされる。即ち、各スクリュ部１２１，１２３の外周部分への入熱量を内周側の領域よりも低くしている。また、本実施形態では、スクリュ部１２１．１２３の各形成に際してレーザ光の走査を連続的に行うのは勿論のこと、スクリュ部１２１の金属部材が凝固する前に、線状部１２２へのレーザ光の照射を連続して行い、線状部１２２の金属部材が凝固する前に、スクリュ部１２３へのレーザ光の照射を連続して行う。

本実施形態に係るレーザ溶接方法では、以上のような方法でレーザ溶接を行うので、各スクリュ部１２１，１２３の形成に際して上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、スクリュ部１２１の金属部材が凝固する前に、線状部１２２へのレーザ光の照射を連続して行い、線状部１２２の金属部材が凝固する前に、スクリュ部１２３へのレーザ光の照射を連続して行うので、溶接前の状態において重ね合わせた金属部材同士の間に隙間が空いていた場合にも、スクリュ部１２１の形成で溶融された金属部材が、線状部１２２を形成しようとする部分の部材間の隙間に流れ込み、同様に、線状部１２２の形成で溶融された金属部材が、スクリュ部１２３を形成しようとする部分の部材間に流れ込む。よって、本実施形態では、金属部材間に隙間が空いていた場合にも、高い強度で接合することが可能である。

［第６実施形態］
図９（ｂ）は、本発明の第６実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。

図９（ｂ）に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、レーザ溶接を行うことにより、平面視略円形のスクリュ部１２６と、スクリュ部１２６に連続し平面視線状に延びる線状部１２７と、線状部１２７に連続し平面視略円形のスクリュ部１２８と、からなる溶接部（ナゲット）１２５を形成する。

スクリュ部１２６およびスクリュ部１２８の形成については、上記第１実施形態に係る溶接部１００の形成と同様の方法によりなされる。また、本実施形態に係るレーザ溶接方法においても、上記第５実施形態と同様に、溶接部１２５の形成に際して、スクリュ部１２６の金属部材が凝固する前に、線状部１２７へのレーザ光の照射を連続して行い、線状部１２７の金属部材が凝固する前に、スクリュ部１２８へのレーザ光の照射を連続して行う。

図９（ｂ）に示すように、本実施形態に係る溶接部１２５の線状部１２７は、スクリュ部１２６およびスクリュ部１２８に対する接続箇所が上記第５実施形態とは異なっている。即ち、本実施形態に係る溶接部１２５においては、線状部１２７がスクリュ部１２６およびスクリュ部１２８の各々における径方向の一方側端部（Ｙ方向外縁部）において接線を形成するように接続されている。

本実施形態に係るレーザ溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、溶接部１２５の形態が上記第５実施形態とは異なるが、上記第５実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第７実施形態］
図９（ｃ）は、本発明の第７実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。

図９（ｃ）に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接装置では、レーザ溶接を行うことにより、平面視略円形のスクリュ部１３１と、スクリュ部１３１に連続し平面視線状に延びる線状部１３２と、線状部１３２に連続し平面視略円形のスクリュ部１３３と、スクリュ部１３３に連続し平面視線状に延びる線状部１３４と、線状部１３４に連続し平面視略円形のスクリュ部１３５と、を含む溶接部（ナゲット）１３０を形成する。なお、図９（ｃ）では、３か所のスクリュ部１３１，１３３，１３５と２つの線状部１３２，１３４からなる溶接部１３０を形成する一例を示しているが、スクリュ部および線状部がさらに連続する形態とすることも勿論可能である。

各スクリュ部１３１，１３３，１３５の形成については、上記第１実施形態に係る溶接部１００の形成と同様の方法によりなされる。また、本実施形態に係るレーザ溶接方法においても、スクリュ部１３１の金属が凝固する前に線状部１３２に対するレーザ光の照射を、スクリュ部１３３の金属が凝固する前に線状部１３４に対するレーザ光の照射を行う。

図９（ｃ）に示すように、本実施形態に係る溶接部１３０は、溶接部１３０を構成するスクリュ部１３１，１３３，１３５の数、および線状部１３２，１３４の数が上記第５実施形態および上記第６実施形態とは異なっている。

本実施形態に係るレーザ溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、溶接部１３０の形態が上記第５実施形態および上記第６実施形態とは異なるが、上記第５実施形態および上記第６実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、上記第５実施形態および上記第６実施形態よりも多くのスクリュ部１３１，１３３，１３５および線状部１３２，１３４を含む溶接部１３０を形成することで、溶接速度の高速化を図りながら、より高い接合強度を確保することができる。

［第８実施形態］
図１０（ａ）は、本発明の第８実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。

図１０（ａ）に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接装置では、レーザ溶接を行うことにより、平面視略円形のスクリュ部１４１と、スクリュ部１４１に連続し平面視線状に延びる線状部１４２と、からなる溶接部（ナゲット）１４０を形成する。

スクリュ部１４１の形成については、上記第１実施形態に係る溶接部１００の形成と同様の方法によりなされる。また、本実施形態に係るレーザ溶接方法においても、上記第５実施形態から上記第７実施形態と同様に、溶接部１４０の形成に際して、スクリュ部１４１の金属部材が凝固する前に、線状部１４２へのレーザ光の照射を連続して行う。

本実施形態に係るレーザ溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、溶接部１４０の形態が上記第５実施形態から上記第７実施形態とは異なるが、上記第５実施形態などと同様の効果を得ることができる。

［第９実施形態］
図１０（ｂ）は、本発明の第９実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。

図１０（ｂ）に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接装置では、レーザ溶接を行うことにより、平面視略円形のスクリュ部１４６と、スクリュ部１４６に連続し平面視線状に延びる線状部１４７と、からなる溶接部（ナゲット）１４５を形成する。

本実施形態に係るレーザ溶接方法では、溶接部１４５の線状部１４７の、スクリュ部１４６に対する接続箇所が上記第８実施形態とは異なり、スクリュ部１４６における径方向の一方側端部（Ｙ方向外縁部）において接線方向に延びるように接続されている。

なお、スクリュ部１４６の形成については、上記第１実施形態に係る溶接部１００の形成と同様の方法によりなされる。また、本実施形態に係るレーザ溶接方法においても、上記第５実施形態から上記第８実施形態と同様に、溶接部１４５の形成に際して、スクリュ部１４６の金属部材が凝固する前に、線状部１４７へのレーザ光の照射を連続して行う。

本実施形態に係るレーザ溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、溶接部１４５の形態が上記第８実施形態とは異なるが、上記第８実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第１０実施形態］
図１０（ｃ）は、本発明の第１０実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。

図１０（ｃ）に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接装置では、レーザ溶接により、平面視略円形のスクリュ部１５２と、該スクリュ部１５２から当該スクリュ部１５２の径方向の一方側に向けて離間するように（矢印Ｂ２で示すように）延びる平面視線状の線状部１５１と、スクリュ部１５２から径方向の他方側に向けて離間するように（矢印Ｂ１で示すように）延びる平面視線状の線状部１５３と、からなる溶接部１５０を形成する。

なお、スクリュ部１５２の形成については、上記第１実施形態に係る溶接部１００の形成と同様の方法によりなされる。また、本実施形態では、線状部１５１でのレーザ溶接の開始および線状部１５３でのレーザ溶接の開始との両方を、スクリュ部１５２の溶融金属が凝固する前に行う。

本実施形態に係るレーザ溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、スクリュ部１５２から離間するように延びる２条の線状部１５１，１５３を形成する点、で上記第８実施形態および上記第９実施形態とは異なるが、上記第８実施形態などと同様の効果を得ることができる。

［変形例］
上記第１実施形態から上記第１０実施形態では、レーザ光のスポットを走査するために集光部１２を制御することとしたが、本発明は、これに限定を受けるものではない。例えば、溶接ロボット１３の先端部分を駆動制御することでレーザ光のスポットを走査してもよいし、Ｘ－Ｙテーブルなどを用いてレーザ光のスポットを走査させることとしてもよい。また、上記第１実施形態から上記第１０実施形態では、集光部１２を制御してレーザ光のスポットを移動させることとしたが、本発明は、これに限定を受けるものではない。例えば、溶接に供される金属部材を移動させてレーザ光のスポットを走査することとしてもよい。

また、上記第１実施形態から上記第１０実施形態では、２つの金属部材同士の接合を行うこととしたが、本発明は、これに限定を受けるものではない。例えば、３つ以上の金属部材を接合するのにも本発明を適用すれば上記同様の効果を得ることができる。

また、上記第１実施形態から上記第１０実施形態では、レーザ光走査軌跡の疎密によって入熱量に差異をつけることとしたが、本発明は、これに限定を受けるものではない。例えば、レーザ光の出射出力を制御することで、入熱量を変更することとしてもよいし、パルス幅を制御することで、入熱量を変更することとしてもよい。また、レーザ光の出射出力は一定に保ったままで、焦点をぼかすことにより、単位面積当たりのレーザ光の照射密度を変更することとしてもよい。また、レーザ光のスポットの走査速度を溶接部の外周部分で他の領域よりも速くすることで、該外周部分での入熱量を低くすることも可能である。

また、本発明では、上記第１実施形態から上記第１０実施形態を相互に組み合わせて適用することも可能である。

１レーザ溶接装置
１０レーザ発振器
１２集光部（走査部）
１３溶接ロボット
１５コントローラ（制御部）
１００，１０５，１１０，１１５，１２０，１２５，１３０，１４０，１４５，１５０溶接部
５０１，５０２，５０５板材（金属部材）
Ａｘ_ＬＢ，Ａｘ_ＬＢ２，Ａｘ_ＬＢ３，Ａｘ_ＬＢ４周回中心（所定箇所）
Ｇ隙間
ＬＮ_１～ＬＮ_６レーザ光走査軌跡

Claims

複数の金属部材をレーザ溶接により接合するレーザ溶接方法であって、
レーザ光を発振し、当該発振されたレーザ光を溶接箇所に集光するレーザ光照射ステップと、
前記レーザ光のスポットを走査する走査ステップと、
を備え、
前記レーザ光のスポットを所定箇所を中心としてその周りを周回させながら外側に向かって連続的に走査することにより金属部材を溶融させた平面視ドット状の溶接部を形成するとともに、前記溶接部の外周部分での前記レーザ光の照射による入熱量が、前記外周部分よりも内周側の少なくとも一部領域である内周部分の入熱量よりも低くなるようにし、さらに、
前記レーザ光の照射出力を一定に保ったままで、前記外周部分でのレーザ光の焦点を前記内周部分に比してぼかすことにより、前記外周部分の入熱量が前記内周部分の入熱量よりも低くなるようにし、
前記周回の径方向において、前記溶接部には、前記外周部分と前記内周部分との間に位置する環状の第１環状部分と、前記外周部分と前記第１環状部分との間に位置する環状の第２環状部分と、がさらに含まれ、
前記第１環状部分の入熱量が前記内周部分よりも低く、前記第２環状部分の入熱量が前記第１環状部分および前記外周部分よりも高くなるようにする、
レーザ溶接方法。
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記レーザ光のスポットの走査軌跡を、前記外周部分の方が前記内周部分よりも密度が疎になるようにする、
レーザ溶接方法。
請求項１又は請求項２に記載のレーザ溶接方法において、
前記レーザ光のスポットの走査速度を、前記外周部分の方が前記内周部分よりも速くなるようにする、
レーザ溶接方法。
複数の金属部材をレーザ溶接により接合するレーザ溶接装置であって、
レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記レーザ光を溶接箇所に集光する集光部と、
前記レーザ光のスポットを走査する走査部と、
前記レーザ発振器および前記走査部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記レーザ光のスポットを、所定箇所を中心としてその周りを周回させながら外側に向かって連続的に走査することにより金属部材を溶融させた平面視ドット状の溶接部を形成するとともに、前記溶接部の外周部分での前記レーザ光の照射による入熱量が、前記外周部分よりも内周側の少なくとも一部領域である内周部分の入熱量よりも低くなるように前記レーザ発振器および前記走査部を制御し、さらに、
前記制御部は、前記レーザ光の照射出力を一定に保ったままで、前記外周部分でのレーザ光の焦点を前記内周部分に比してぼかすことにより、前記外周部分の入熱量が前記内周部分の入熱量よりも低くなるようにし、
前記周回の径方向において、前記溶接部には、前記外周部分と前記内周部分との間に位置する環状の第１環状部分と、前記外周部分と前記第１環状部分との間に位置する環状の第２環状部分と、がさらに含まれ、
前記制御部は、前記第１環状部分の入熱量が前記内周部分よりも低く、前記第２環状部分の入熱量が前記第１環状部分および前記外周部分よりも高くなるように前記レーザ発振器および前記走査部を制御する、
レーザ溶接装置。
請求項４に記載のレーザ溶接装置において、
前記制御部は、前記レーザ光のスポットの走査軌跡を、前記外周部分の方が前記内周部分よりも密度が疎になるようにする、
レーザ溶接装置。
請求項４又は請求項５に記載のレーザ溶接装置において、
前記制御部は、前記レーザ光のスポットの走査速度を、前記外周部分の方が前記内周部分よりも速くなるようにする、
レーザ溶接装置。
複数の金属部材をレーザ溶接により接合するレーザ溶接方法であって、
レーザ光を発振し、当該発振されたレーザ光を溶接箇所に集光するレーザ光照射ステップと、
前記レーザ光のスポットを走査する走査ステップと、
を備え、
前記レーザ光のスポットを所定箇所を中心としてその周りを周回させながら外側に向かって連続的に走査することにより金属部材を溶融させた平面視ドット状の溶接部を形成するとともに、前記溶接部の外周部分での前記レーザ光の照射による入熱量が、前記外周部分よりも内周側の少なくとも一部領域である内周部分の入熱量よりも低くなるようにし、
前記周回の径方向において、前記溶接部には、前記外周部分と前記内周部分との間に位置する環状の第１環状部分と、前記外周部分と前記第１環状部分との間に位置する環状の第２環状部分と、がさらに含まれ、
前記第１環状部分の入熱量が前記内周部分よりも低く、前記第２環状部分の入熱量が前記第１環状部分および前記外周部分よりも高くなるようにする、
レーザ溶接方法。
複数の金属部材をレーザ溶接により接合するレーザ溶接装置であって、
レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記レーザ光を溶接箇所に集光する集光部と、
前記レーザ光のスポットを走査する走査部と、
前記レーザ発振器および前記走査部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記レーザ光のスポットを、所定箇所を中心としてその周りを周回させながら外側に向かって連続的に走査することにより金属部材を溶融させた平面視ドット状の溶接部を形成するとともに、前記溶接部の外周部分での前記レーザ光の照射による入熱量が、前記外周部分よりも内周側の少なくとも一部領域である内周部分の入熱量よりも低くなるように前記レーザ発振器および前記走査部を制御し、
前記周回の径方向において、前記溶接部には、前記外周部分と前記内周部分との間に位置する環状の第１環状部分と、前記外周部分と前記第１環状部分との間に位置する環状の第２環状部分と、がさらに含まれ、
前記制御部は、前記第１環状部分の入熱量が前記内周部分よりも低く、前記第２環状部分の入熱量が前記第１環状部分および前記外周部分よりも高くなるように前記レーザ発振器および前記走査部を制御する、
レーザ溶接装置。