JPH067974A - パルスレーザ照射装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パルスレーザ照射で溶接を行う際に、ブロー
ホール等の溶接欠陥のない良好な溶接外観を持ち、スパ
ッタ等の飛散が少なく、溶接強度の十分な溶接ビードを
得る 【構成】 パルスレーザの各周期におけるパルス波形の
中に２つの矩形波を生成し、１段目の矩形波のピークパ
ワー値Ｐ₁及びそのパルス幅ｔ₁と、２段目の矩形波のピ
ークパワー値Ｐ₂及びそのパルス幅ｔ₂との関係を所定の
範囲に制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ照射装置、特に
溶接を行うレーザ溶接装置に適用して有効な技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】Ｚｎメッキ鋼板は、防錆効果を得るため
に、表面及び裏面にＺｎメッキ処理を施した鋼板であ
り、代表的な鋼板としてＪＩＳ規格 Ｇ３３０２で規定
されている。このＺｎメッキ鋼板の板厚は、熱延原板を
用いた場合には、１．６ｍｍ以上６．０ｍｍ以下であ
り、冷延原板を用いた場合には、０．１１ｍｍ以上３．
２ｍｍ以下である。このＺｎメッキ鋼板は、自動車、家
電製品等の軽工業及び重工業において広く利用されてい
る。

【０００３】Ｚｎメッキ鋼板の重ね溶接としては、以下
のような技術がある。図１３（ａ）に示すような２枚重
ね溶接例では、両面にＺｎメッキ３を有する２つの鋼板
２−１，２−２を重ねたものであり、図１３（ｂ）に示
す例ではＺｎメッキ３を有する１つの鋼板２ａを折り曲
げて２枚重ねとしたものである。

【０００４】図１４（ａ）に示すような３枚重ね溶接で
は、両面にＺｎメッキ３を有する３つの鋼板２−１，２
−２，２−３を重ねたものであり、図１４（ｂ）に示す
例では両面にＺｎメッキ３を有する１つの鋼板２ｂを折
り曲げ、且つこの鋼板２ｂのくぼみに両面にＺｎメッキ
３を有する１つの鋼板２−１を挿入して３枚重ねとした
ものである。

【０００５】図１５（ａ）（ｂ）に示すような４枚以上
の複数枚重ね溶接なども、上記同様にして行われる。重
ね溶接におけるセミペネトレーション溶接の目的は、お
もに接合強度を確保しながら、表面鋼板の外観品質を維
持することにある。すなわち、図１４（ｂ）に示すよう
に溶接後に表面仕上げ加工をする必要がなく、元の鋼板
表面のままの外観品質を確保している。

【０００６】また、図１４（ａ）に示すような場合に
は、最小の表面仕上げ加工で元の鋼板表面の外観品質を
維持している。Ｚｎメッキ鋼板に表面加工として例えば
研削加工等を施すと、表面のＺｎメッキ層が研削されて
しまい、Ｚｎメッキ処理の防錆効果が、著しく損なわれ
てしまう。

【０００７】一般に、Ｚｎメッキ鋼板をレーザ溶接する
方法として、例えばＣＷ（連続発振）型及びパルス発振
型レーザ（以下、パルスレーザという。）を用いる方法
が知られている。これらの方法を以下に説明する。

【０００８】（１）ＣＷ型レーザを用いた例として、例
えばＣＷ型ＣＯ₂レーザによる重ね溶接が上げられる。
ＣＷ型ＣＯ₂レーザでは、溶接中にキーホール及びレー
ザ誘起プラズマが連続して保持される。このため、レー
ザ照射により発生したＺｎ金属蒸気（一部はプラズマ
化）は、キーホールから効率的に除去されるものの、レ
ーザ出力がパルスレーザに比較して投入過多になってし
まう。

【０００９】このため、溶融凝固部が大となり、フルペ
ネトレーション（貫通溶接）になってしまう。また、注
意深く照射条件を選定して部分的にセミペネトレーショ
ンが得られても、溶接ワークであるＺｎメッキ鋼板間の
隙間（以下、ワーク間ギャップという。）にバラツキが
あり、さらにはＺｎメッキ鋼板のメッキ目付け量にもバ
ラツキがある（例えばＦ０８の場合に、Ｚｎ目付け量；
６０〜１００ｇ／ｍ²）等の理由によりフルペネトレー
ションが発生してしまうか、または過大な入熱のために
歪が発生するため、健全な鋼板の表面外観が得られなか
った。

【００１０】（２）一方、パルスレーザを用いた例とし
ては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザなどの固体レーザによる重ね
溶接が上げられる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザでは、重ね連続
溶接及び重ねスポット溶接が知られている。

【００１１】パルスレーザでの出力は、以下のように規
定される。平均出力Ｐ（ｋＷ）は、 Ｐ＝Ｅ・ｆ となる。

【００１２】また、１パルスのエネルギーＥは、 Ｅ＝Ｐ’・ｔ となる。

【００１３】ここで、Ｐ（ｋＷ）は平均出力であり、Ｅ
（Ｊ）は１パルスのエネルギーである。Ｐ’（ｋＷ）
は、１パルスのピークパワーであってパルス幅当りの平
均ピークパワーのことであり、ｔ（ｍｓｅｃ：miliseco
nd）は、１パルスのパルス幅であり、ｆ（Ｈｚ）は、パ
ルス周波数である。

【００１４】一般的に、パルスレーザ溶接において所定
の溶接速度に対する溶接体積及び溶け込み深さは、パル
スエネルギーでほぼ決定される。そこで、所望の溶け込
みを得るために必要な１パルスのエネルギー（平均出力
とパルス周波数で決定）は、例えば図１６に示すように
報告されている。ここで、図１６において、パルス溶接
では同一曲線中でも加工条件として、例えばパルス時
間、周波数、平均出力を最適に合わせている。平均出力
が同じ場合には、ＣＷに比較してパルスでは溶け込みが
深くなる。

【００１５】パルスエネルギーを与えるパルス波形とし
ては、次のようなものがある。図１７に示すような矩形
波では、パルス幅ｔ内でピークパワーＰがほぼ変化して
いない。図１８に示すような積分波形では、パルス幅ｔ
内でピークパワーＰが変化している。図１９にＣＷ重畳
型例を示す。これらの例では、基本的には前述したよう
に矩形波でのパルスエネルギーで所望の溶け込み深さが
決定される。

【００１６】また、パルスレーザ照射により表面が吹き
飛ばされ易い金属の場合には、パルスエネルギー密度
（ピークパワー密度）を選定することにより、良好な溶
接ビードが得られる。

【００１７】このようなＺｎメッキ鋼板の板厚や所定の
溶接速度に対する所望の溶け込み深さを得るために必要
なパルスエネルギー及びパルスエネルギー密度（ピーク
パワー密度）は、従来の公知の方法により容易に得られ
る。

【００１８】また、レーザ溶接に際しては、溶接ヒュー
ムやスパッタがレンズに付着するなど光学系を損ねるた
め、ヒューム及びスパッタ防止法が検討されきた。光学
系をスパッタ及びヒュームから保護する方法としては、
ワークレンズ間に保護のためのガラス板を設置する方法
と、圧搾空気をノズルから吹き出してスパッタ等を吹き
飛ばす方法、または両方を併用する方法がある。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法にあっては、次のような問題があった。すなわち、一
般的なＮｄ：ＹＡＧレーザパルスレーザでは、パルス発
振によるレーザ照射により、キーホール及びレーザ誘起
プラズマが断続的に発生する。このため、レーザ照射に
より発生したメッキ金属蒸気（有機材料をコートしてい
る場合は、有機物の分解物の蒸気）（なおこれらの蒸気
の一部はプラズマ化している）を１パルス毎に効率的に
取り除く必要がある。

【００２０】ところが、単一の矩形波パルスでは、メッ
キ金属蒸気を除去することができず、溶融池内に取れ込
まれて溶接欠陥となる（これをブローホールという。）
場合と、蒸気圧力によって溶融金属が飛散する場合（接
合不良）のどちらかになる。どちらの場合にも、ブロー
ホール、スパッタ飛散等の溶接外観不良に加え、溶接強
度の著しい低下を生じてしまう。

【００２１】また、多くのスパッタ飛散等は、光学系の
損傷を引き起こし、メンテナンスの負担を増加させてし
まう。さらには、鋼板間に隙間がある場合では、前述の
現象に加え、隙間を通ってメッキ金属蒸気が外に逃げ出
すことによって溶接金属が鋼板間で飛散する現象が発生
し、溶接不良となる。ただし、ワーク間ギャップがある
範囲にあるときには、鋼板間からメッキ金属蒸気が効率
的に逃げ出すために良好な溶接ビードが得られる場合が
ある。

【００２２】しかしながら、このワーク間ギャップ範囲
を維持することは、工業的に非常に困難なことであっ
た。また、光学系の保護に関しては、従来の方法では、
スパッタが大きな運動量を持って飛散してくる（これを
スプラッシュという。）ために、圧搾空気ではこれを完
全に除去できず、スパッタが保護ガラスに付着したり、
損傷を受ける。

【００２３】また、ヒューム（金属微粒子）も完全には
除去できずに、保護ガラスや放物鏡等の光学系に付着す
る。このため、保護ガラス等の光学部品にコストがかか
ることや、保護ガラス等の光学部品の交換による時間的
な損失が生ずる等の問題があった。

【００２４】本発明は、パルスレーザを用いた被覆金属
材料のパルスレーザ照射方法に関し、特にメッキ鋼板の
重ねスポット溶接及び重ね連続（ラップシーム）溶接に
おいて部分溶け込み溶接（セミペネトレーション）を行
なう際に、ブローホール等の溶接欠陥のない良好な溶接
外観を持ち、スパッタ等の飛散が少なく、溶接強度の十
分な溶接ビードを得ることのできる被覆金属材料のパル
スレーザ照射装置を提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明はレーザ媒質と、
このレーザ媒質を外部から励起する励起源とを有するパ
ルスレーザ発振器を備えたパルスレーザ照射装置から出
力されるパルスレーザを被覆した金属材料に照射するパ
ルスレーザ照射装置において、前記パルスレーザ発振器
で発振するパルスレーザの各周期におけるパルス波形の
中に２つの矩形波を生成するよう前記パルスレーザ発振
器を制御する発振制御部を備えている。

【００２６】

【作用】前記発振制御部は、１段目の矩形波のピークパ
ワー値Ｐ₁及びそのパルス幅ｔ₁と、２段目の矩形波のピ
ークパワー値Ｐ₂及びそのパルス幅ｔ₂との関係を所定の
範囲に制御し、この発振制御部の制御の下に前記パルス
レーザ発振器で発振したパルスレーザを前記メッキ鋼板
に照射しメッキ鋼板の溶接を行なう。

【００２７】なお、レーザ媒質としては、固体レーザで
はネオンジウムをドープしたイットリウム・アルミニウ
ムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ），半導体レーザー、ルビ
ー，ガラス等が用いられる。また、気体レーザではＣＯ
₂等が用いられる。

【００２８】励起源としては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ，ル
ビーレーザ，色素レーザ，ガラスレーザ等にはフラッシ
ュランプ及び半導体レーザ等が用いられる。発振制御部
としては、励起源の電力を変化させることで、前記ピー
クパワーを制御し、また励起源の例えば半導体スイッチ
等を用いて導通時間を制御することで、前記パルス幅を
制御する。

【００２９】本発明によれば、発振制御部により、パル
スレーザ発振器においてパルスレーザの各周期における
パルス波形の中に２つの矩形波が生成され、また１段目
の矩形波のピークパワー値Ｐ₁（ｋＷ）及びそのパルス
幅ｔ₁（ｍｓｅｃ）と、２段目の矩形波のピークパワー
値Ｐ₂（ｋＷ）及びそのパルス幅ｔ₂（ｍｓｅｃ）との関
係が所定の範囲に制御されるので、発振したパルスレー
ザをメッキ鋼板に照射すると、溶接ビードからメッキ金
属蒸気を効率的に除去して、溶接欠陥の非常に少ない良
好な溶接外観を持つ溶接強度の大きい溶接ビードを得る
ことができる。

【００３０】また、前記発振制御部における所定の範囲
は、 ０＜ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂）＜１ Ｐ₁／Ｐ₂＞１ ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂）≦０．６・（Ｐ₁／Ｐ₂）−０．２ より好ましくは、 ０．３≦ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂）≦０．５ １．５≦Ｐ₁／Ｐ₂≦２．０ であり、この範囲にあるパルスレーザを照射すること
で、さらに効果が大となる。この場合に前記波形にＣＷ
（連続発振）重畳するようにしても良い。

【００３１】さらに、発振制御部の制御の下に、２つの
矩形波間の時間間隔ｔ_intを１０ｍｓｅｃ以下にするこ
とで、効果を奏する。また、発振制御部の制御の下に、
２つの矩形波間の時間間隔ｔ_intを２ｍｓｅｃ以下にす
ることで、さらに効果が大となる。

【００３２】さらに、発振制御部は、パルスレーザのパ
ルスエネルギーが複数枚の重ね合わせのメッキ鋼板に対
して１枚目のメッキ鋼板を貫通して２枚目のメッキ鋼板
を部分溶け込みさせる強度となるようにパルス発振器を
制御することで、セミペネトレーションの強度を持つパ
ルスレーザを照射できる。

【００３３】また、パルスレーザの中心軸とメッキ鋼板
表面に対する垂線とのなす角度θが０°から６０°の範
囲とすることで効果を奏する。さらに、パルスレーザの
中心軸とメッキ鋼板表面に対する垂線とのなす角度θが
１０°から４０°の範囲とすることでさらに効果が大と
なる。

【００３４】

【実施例１】以下、本発明の具体的な実施例を説明す
る。図１は本発明の一実施例のパルスレーザ照射装置の
概略構成図である。

【００３５】図１に示すように、パルスレーザ照射装置
はレーザ加工機として機能し、その構成は次のようにな
っている。パルスレーザ照射装置１１は、Ｎｄ：ＹＡＧ
ロッド１２及びフラッシュランプ１３を有するレーザ装
置本体１１ａ、レーザ装置本体１１ａに電源を供給する
レーザ電源部１４、レーザ電源部１４を制御するレーザ
コントローラ１１ｂ、冷却装置１５から構成される。

【００３６】前記レーザ電源部１４は、レーザ媒質であ
るＹＡＧレーザ１２の発振制御部として機能し、具体的
にはフラッシュランプ１３の電圧制御によるピークパワ
ーの制御、あるいは半導体スイッチ等を用いた導通時間
の制御を行う。

【００３７】Ｎｄ：ＹＡＧロッド１２は、フラッシュラ
ンプ１３の電力供給を受けてマルチモードで、平均出力
４００Ｗであって、波長が１．０６μｍで発振するよう
になっている。なお、パルス繰り返し数は、８ｐｐｓと
なっており、１パルスエネルギーが５０Ｊとする。

【００３８】光ファイバー２１は、レーザ装置本体１１
ａに接続され、レーザ装置本体１１ａから出射されたレ
ーザ光をレーザ出射ユニット２２に伝送する。レーザ出
射ユニット２２は、６軸多関節ロボット１７に取り付け
られており、この６軸多関節ロボット１７によってＸ，
Ｙ，Ｚの３方向に移動可能になっており、任意の座標位
置（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）に設定されるようになっている。

【００３９】６軸多関節ロボット１７は、自己の座標位
置（Ｘ₂，Ｙ₂，Ｚ₂）と、ロボットコントロール装置１
６から出力されるレーザ出射ユニット２２を所定の位置
に設定するための制御位置情報（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）とに
基づき、レーザ出射ユニット２２を座標位置（Ｘ₁，
Ｙ₁，Ｚ1）に移動するよう制御を行なう。

【００４０】また、ロボットコントロール装置１６は、
レーザ出射ユニット２２が所定の位置または所定の方向
に移動するための制御位置情報も、６軸多関節ロボット
１７に与えるようになっている。

【００４１】図２はレーザ出射ユニット２２の構成図で
ある。図２に示すように、本体２２ｃ内には、集光レン
ズ２２ａが設けられており、先端が先細りに構成されて
いる。集光レンズ２２ａで集光されたレーザ光が、レー
ザ出射口２２ｄから出射するように構成されている。集
光レンズ２２ａは、焦点距離が１２０ｍｍであり、広が
り角（ハーフアングル）が１５ｍｒａｄの範囲内であっ
て、焦点位置がジャストフォーカスのものを用いる。ま
た、レーザ出射ユニット２２には、アルゴンガス又は窒
素ガスなどのガスが１０ｌ／分で流入するようになって
いる。

【００４２】前記６軸多関節ロボット１７は、自己の座
標位置（Ｘ₂，Ｙ₂，Ｚ₂）と、ロボットコントロールユ
ニット１８から出力されるレーザ出射ユニット２２を所
定の位置に設定するための制御位置情報（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ
₁）とに基づき、レーザ出射ユニット２２を座標位置
（Ｘ₁，Ｙ₁，Ｚ₁）に移動するよう制御を行なう。

【００４３】従って、６軸多関節ロボット１７によるレ
ーザ出射ユニット２２のＸ方向への傾き制御によって、
溶接試料１ｃの表面からの垂線Ｈに対するレーザ光の中
心軸Ｃの角度θが、２０°に設定されるようになってい
る。また、６軸多関節ロボット１７によるレーザ出射ユ
ニット２２のＸ方向への移動制御によって、溶接試料１
ｃの溶接速度を５０ｃｍ／ｍｉｎにしている。

【００４４】被溶接物１ｃは、亜鉛メッキ鋼板（ＪＩＳ
Ｇ３３０２ ＳＧＣＣ ＳＤＮ）であり、Ｆ０８（最
小呼び目付け量 両面６０／６０ｇ／ｍ²）であり、長
さＬ１００（ｍｍ）×幅Ｗ３０（ｍｍ）×厚さＴ０．８
（ｍｍ）であり、３枚重ねであって、各鋼板間の隙間は
０ｍｍである。また溶接ビード長は２０ｍｍとする。前
述の発振制御部としてのレーザ電源部１４の制御の下
に、パルスＹＡＧレーザ１２で発振したパルスレーザの
レーザ波形として、図３に示すように２段矩形波を用い
ている。ここで、Ｐ₁（ｋＷ）は１段目のピークパワー
であり、ｔ₁（ｍｓｅｃ）はそのパルス幅である。Ｐ
₂（ｋＷ）は２段目のピークパワーであり、ｔ₂（ｍｓｅ
ｃ）はそのパルス幅である。また、ｆはパルス繰り返し
周波数である。

【００４５】従って、１段目のエネルギーＥ₁（Ｊ）
は、 Ｅ₁＝Ｐ₁・ｔ₁ で表され、２段目のエネルギーＥ₂（Ｊ）は、 Ｅ₂＝Ｐ₂・ｔ₂ で表される。また、ここで１パルスの平均ピークパワー
Ｐ_AU（ｋＷ）を、１パルスのパルスエネルギーをＥ_tot
（Ｊ）として、 Ｐ_AU＝Ｅ_tot／（ｔ₁＋ｔ₂）＝（Ｅ₁＋Ｅ₂）／（ｔ₁＋ｔ
₂） で定義する。

【００４６】実施例１では、１枚目の鋼板２−１貫通か
ら２枚目の鋼板２−２の部分溶け込みの溶接ビードを得
るために、パルスエネルギー一定の他に、平均ピークパ
ワーＰ_AUを一定になるように設定した。この条件下で
は、その他の設定を変えても、溶け込み深さは、あまり
かわらない。実施例１では、Ｐ_AU＝５ｋＷに設定した。

【００４７】さらに、次の量を定義する。すなわち、 α＝Ｐ₁／Ｐ₂ β＝ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂） である。このα、βを変数としてマトリックスを組み、
変数αが３以下の範囲で実験を行った。ビード外観の
他、引張試験による引張せん断荷重の測定値を得て評価
を行なう。

【００４８】この結果、各点での引張強度から図４に示
すような評価結果が得られた。図４において、○は２５
０ｋｇｆ以上であり、△は１５０ｋｇｆ以上２５０ｋｇ
ｆ未満であり、×は１５０ｋｇｆ未満の点である。ま
た、図５に、変数βを０．４に固定したときにおける変
数αを変化させたときの引張せん断荷重の変化を示す。

【００４９】以上の結果を総合すると、図６に示すよう
に １＜α＜３、０＜β＜１、β≦０．６α−０．２ ・・・・・（１） の範囲では、従来の単純な１段の矩形パルスから得られ
た溶接ビードに比較して十分な溶接強度を持ち、かつ外
観も良好な溶接ビードが得られ、大幅な改善がなされる
ことが判明した。

【００５０】また、その中でも特に １．５≦α≦２、０．３≦β≦０．５ ・・・・・（２） の範囲では、図９に示すように溶接欠陥が非常に少ない
美しいビード外観が得られるとともに、最も強い溶接強
度が得られた。

【００５１】このように実施例１では、溶接ビードから
メッキ金属蒸気を効率的に除去して、溶接欠陥の非常に
少ない良好な溶接外観を持つ溶接強度の大きい溶接ビー
ドを得ることができる。

【００５２】以上の実施例１では、鋼板間の隙間を０ｍ
ｍにして行ったが、これに７５μｍの隙間を空けて不等
式（２）範囲内の条件で溶接を行った場合には、さらに
良好な４００ｋｇｆを越す引張せん断荷重と、溶接欠陥
がほとんどない溶接ビードが得られる。

【００５３】

【実施例２】レーザ電源部１４ａ（図示しない）は、代
表的な２段矩形波において、１段目のパルス波形と２段
目のパルス波形とのパルス間隔ｔ_intを０〜１０ｍｓｅ
ｃ．まで変化させるようフラッシュランプ１３を制御す
る。パルス間隔ｔ_intが０のとき、すなわち、２段連続
矩形波を図７に示す。

【００５４】パルス間隔ｔ_intを０〜１０ｍｓｅｃ．ま
で変化させると、その結果として、図８に示すように２
段矩形波の１段目と２段目パルス間隔ｔ_intを大きくす
るほど引張せん断荷重が減少し、溶接ビードの外観も単
一矩形波（比較例１）に近づくことがわかる。

【００５５】

【比較例１】まず、比較例１は、実施例１と同一出力で
あって、かつ同一ピークエネルギーをもつ１段矩形波パ
ルスによる溶接である。比較例１の場合には、図１０
（写真２）に示すように溶接ビード表面に盛り上がり、
また穴ができて溶接外観不良となる。穴の部分では、亜
鉛蒸気の噴出による表面溶融金属の飛散が発生し、溶融
金属の欠如が発生している。図１０においては、盛り上
がり部Ａ、穴部Ｂが示されており、盛り上がり部Ａの溶
融金属内部にはブローホールが発生している。

【００５６】また、このために溶融金属の飛散によるス
パッタが多く、これが試料表面に固着するために、外観
不良の一つとなる。また、盛り上がった部分では、１枚
目の鋼板２−１と２枚目の鋼板２−２との間に亜鉛蒸気
を取り込んだ大きなブローホールが溶融金属内部に発生
しており、これが発生する部分ではほとんど鋼板間に融
着部位を生じない。以上の２つの現象により溶接強度は
極端に落ち込み、溶接不良となっている。

【００５７】

【比較例２】比較例２では、１枚目の鋼板２−１と２枚
目の鋼板２−２の間に７５μｍの隙間を空け、１段の矩
形波での溶接を行った。その結果、比較例１と同様に図
１１に示すように溶接外観不良、例えば表面盛り上が
り、ブローホール、スパッタ等となり、引張せん断荷重
も著しく低い値しか示さず、溶接不良となっている。図
１１においては、盛り上がり部Ａが示されており、盛り
上がり部Ａの溶融金属内部にはブローホールが発生して
いる。またスパッタは系外に噴出してレーザ出射部の光
学系を損ねる。

【００５８】

【比較例３】比較例３では、パルス波形を２段矩形波と
しているが、変数α，βを前記不等式（１）の範囲外と
したものである。例えば変数αが１．２であって、βが
０．８である点における溶接ビード外観を図１２に示
す。この範囲では、溶接ビード外観の乱れ、スパッタの
飛散、ブローホールの溶融池内取り込みによる溶接強度
の低下が見られ、溶接不良となる。

【００５９】図１２において、ブローホールを含む溶接
ビード乱れ部Ｃが発生しており、スパッタは系外に噴出
している。また、パルスレーザの中心軸とメッキ鋼板表
面に対する垂線とのなす角度θが０°から６０°の範囲
とすることで、レンズ２２の直前に配置した保護ガラス
の耐久性（透過レーザ出力が１０％低下するまでの溶接
ビード本数を測定）は約２００本から約８００本とおお
よそ４倍の耐久性が得られた。

【００６０】θが大きくなりすぎると、溶接ワーク及び
ワーク・クランプ治具等への干渉が問題になる。その場
合には、θが１０°から４０°の適切な範囲とすること
で、保護ガラスの耐久性が確保できる。

【００６１】このように実施例１及び実施例２と比較例
１ないし比較例３とを説明したが、実施例１及び実施例
２によれば、パルスレーザ照射波形を２段矩形波とし、
所定の範囲に照射条件を設定することで、溶接ビードか
らメッキ金属蒸気を効率的に除去して、溶接欠陥の非常
に少ない良好な溶接外観を持つ溶接強度の大きい溶接ビ
ードを得ることができる。また、光学系に損傷を与える
ことが少なく、よってメンテナンスの負担を低減でき
る。

【００６２】前記実施例において、被覆した金属材料と
して、メッキ鋼板を用いた場合で説明したが、本発明に
おいて「被覆した金属材料」とは、例えば有機材料また
は無機（又は金属）材料（例えばＺｎメッキ等のような
メッキ材料）で表面を被覆（メッキを含む）した金属材
料のことであり、またこの金属材料としては例えば鋼
（スチール）、アルミニウム、チタン合金、銅合金等が
挙げられる。本発明はこの中でも特に被覆鋼板へのレー
ザ照射装置または方法として適している。

【００６３】また、本発明のパルスレーザ照射装置また
は方法は、メッキ鋼板（例えばＺｎメッキ鋼板）のパル
スレーザ溶接用に最も適しているが、その他メッキ鋼板
の穴あけ等の加工にも用いることができる。

【００６４】

【発明の効果】本発明によればパルスレーザ照射波形を
所定の２段矩形波とすることで、溶接ビードからメッキ
金属蒸気を効率的に除去して、溶接欠陥の非常に少ない
良好な溶接外観を持つ、溶接強度の大きい溶接ビードを
得ることができる。また、光学系に損傷を与えることが
少なく、メンテナンスの負担を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の構成を示す図である。

【図２】レーザ出射ユニットの構成図である。

【図３】２段矩形波を示す図である。

【図４】マトリクス試験におけるせん断荷重を示す図で
ある。

【図５】βが０．４におけるαと引張せん断荷重の関係
を示す図である。

【図６】αとβの総合良好溶接範囲を示す図である。

【図７】２段連続矩形波を示す図である。

【図８】１段目と２段目のパルス間隔と引張せん断荷重
の関係を示す図である。

【図９】実施例１の溶接ビード外観を示す図である。

【図１０】比較例１の溶接ビード外観を示す図である。

【図１１】比較例２の溶接ビード外観を示す図である。

【図１２】比較例３の溶接ビード外観を示す図である。

【図１３】２枚重ねの部分溶け込み溶接例を示す図であ
る。

【図１４】３枚重ねの部分溶け込み溶接例を示す図であ
る。

【図１５】４枚重ね以上の部分溶け込み溶接例を示す図
である。

【図１６】所望の溶け込み深さを得るために必要な１パ
ルスエネルギーを示す図である。

【図１７】矩形波を示す図である。

【図１８】積分波形を示す図である。

【図１９】ＣＷ重畳型の波形を示す図である。

【符号の説明】

１・・メッキ鋼板 ２・・鋼板 ３・・亜鉛メッキ １１・・パルスレーザ照射装置 １１ａ・・パルスレーザ照射装置本体 １１ｂ・・レーザコントローラ １２・・ＹＡＧレーザ １３・・フラッシュランプ １４・・レーザ電源部 １５・・冷却装置 １６・・ロボットコントロール装置 １７・・６軸多関節ロボット ２１・・光ファイバー ２２・・レーザ出射ユニット ２２ａ・・集光レンズ ２２ｃ・・本体 ２２ｄ・・レーザ出射口

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被覆した金属材料にパルスレーザを照射
   するパルスレーザ照射装置であって、 レーザ媒質と、 このレーザ媒質を外部から励起する励起源とを有するパ
   ルスレーザ発振器と、 パルスレーザ発振器を制御する発振制御部とを含み、 前記発振制御部は、前記パルスレーザ発振器で発振する
   パルスレーザの各周期におけるパルス波形の中に２つの
   矩形波を生成し、１段目の矩形波のピークパワー値Ｐ₁
   （ｋＷ）及びそのパルス幅ｔ₁（ｍｓｅｃ）と、２段目
   の矩形波のピークパワー値Ｐ₂（ｋＷ）及びそのパルス
   幅ｔ₂（ｍｓｅｃ）との関係を所定の範囲に制御するパ
   ルスレーザ照射装置。
2. 【請求項２】 前記発振制御部における所定の範囲は、 ０＜ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂）＜１ Ｐ₁／Ｐ₂＞１ ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂）≦０．６・（Ｐ₁／Ｐ₂）−０．２ （但し、Ｐ₁（ｋＷ）は１段目の矩形波のピークパワー
   値、Ｐ₂（ｋＷ）は２段目の矩形波のピークパワー値、
   ｔ₁（ｍｓｅｃ）は１段目の矩形波のパルス幅、ｔ₂（ｍ
   ｓｅｃ）は２段目の矩形波のパルス幅）である請求項１
   記載のパルスレーザ照射装置。
3. 【請求項３】 前記発振制御部における所定の範囲は、 ０．３≦ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂）≦０．５ １．５≦Ｐ₁／Ｐ₂≦２．０ （但し、Ｐ₁（ｋＷ）は１段目の矩形波のピークパワー
   値、Ｐ₂（ｋＷ）は２段目の矩形波のピークパワー値、
   ｔ₁（ｍｓｅｃ）は１段目の矩形波のパルス幅、ｔ₂（ｍ
   ｓｅｃ）は２段目の矩形波のパルス幅）である請求項１
   記載のパルスレーザ照射装置。
4. 【請求項４】 前記発振制御部は、前記パルスレーザ発
   振器に対して２つの矩形波間の時間間隔を、１０ｍｓｅ
   ｃ以下に制御する請求項１記載のパルスレーザ照射装
   置。
5. 【請求項５】 前記発振制御部は、前記パルスレーザ発
   振器に対して２つの矩形波間の時間間隔を、２ｍｓｅｃ
   以下に制御する請求項１記載のパルスレーザ照射装置。
6. 【請求項６】 前記発振制御部は、前記パルスレーザの
   パルスエネルギーが複数枚の重ね合わせのメッキ鋼板に
   対してＮ枚目までを溶接する時、（Ｎ−１）枚目のメッ
   キ鋼板を貫通してＮ枚目のメッキ鋼板を部分溶け込みさ
   せる強度となるように前記パルスレーザ発振器を制御す
   る請求項１記載のパルスレーザ照射装置。
7. 【請求項７】 前記パルスレーザの中心軸と前記メッキ
   鋼板表面に対する垂線とのなす角度が０°から６０°の
   範囲にある請求項１記載のパルスレーザ照射装置。
8. 【請求項８】 前記パルスレーザの中心軸と前記メッキ
   鋼板表面に対する垂線とのなす角度が１０°から４０°
   の範囲にある請求項１記載のパルスレーザ照射装置。
9. 【請求項９】 パルスレーザを照射するパルスレーザ照
   射方法であって、照射するパルスレーザの各周期におけ
   るパルス波形の中に２つの矩形波を生成し、１段目の矩
   形波のピークパワー値Ｐ₁（ｋＷ）及びそのパルス幅ｔ₁
   （ｍｓｅｃ）と、２段目の矩形波のピークパワー値Ｐ₂
   （ｋＷ）及びそのパルス幅ｔ₂（ｍｓｅｃ）との関係を
   以下の範囲すなわち、 ０＜ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂）＜１ Ｐ₁／Ｐ₂＞１ ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂）≦０．６・（Ｐ₁／Ｐ₂）−０．２ となるように制御するパルスレーザ照射方法。
10. 【請求項１０】 前記範囲は、 ０．３≦ｔ₁／（ｔ₁＋ｔ₂）≦０．５ １．５≦Ｐ₁／Ｐ₂≦２．０ （但し、Ｐ₁（ｋＷ）は１段目の矩形波のピークパワー
    値、Ｐ₂（ｋＷ）は２段目の矩形波のピークパワー値、
    ｔ₁（ｍｓｅｃ）は１段目の矩形波のパルス幅、ｔ₂（ｍ
    ｓｅｃ）は２段目の矩形波のパルス幅である）となるよ
    うに制御する請求項９記載のパルスレーザ照射方法。
11. 【請求項１１】 前記１段目の矩形波と２段目の矩形波
    との間の時間間隔ｔ _intが、 ｔ_int≦１０ｍｓｅｃ となるように制御する請求項９記載のパルスレーザ照射
    方法。