JPH09300087A

JPH09300087A - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JPH09300087A
Application number: JP8143537A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Yamahana; 義博山▲華▼
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 1997-11-25
Anticipated expiration: 2016-05-14
Also published as: JP3772395B2

Abstract

(57)【要約】【課題】連続移動溶接時に被溶接箇所に生じる凝固割
れを有効に排除すると共に、これによって溶接強度の向
上を図り且つレーザ溶接の信頼性向上を図ったレーザ溶
接方法を提供すること。【解決手段】被溶接箇所に沿って溶接用レーザビーム
Ａ，Ｂを相対的に移動させて成るレーザ溶接方法におい
て、溶接用レーザビームとして、出力の異なる複数の溶
接用レーザビームＡ，Ｂを使用すると共に、出力の高い
溶接用レーザビームＡを上流側に，又出力の低い溶接用
レーザビームＢを下流側に，それぞれ各ビームが一部重
なるようにして配設したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ溶接方法に
係り、特に溶接ラインに沿った方向のレーザ出力のパワ
ー分布を適当に変化させることによってレーザ溶接箇所
の凝固割れ防止を図ったレーザ溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接は、レーザビームを金属板等
の被溶接箇所に対し照射して溶接するものであり、溶接
幅の狭い精密な溶接が可能であることから、従来よりそ
の開発が進められている。また、レーザビームは微小ス
ポットを形成し、その照射ポイントは、例えば溶融幅が
０．１〜０．２〔ｍｍ〕、溶け込み深さも０．０〜１．
０〔ｍｍ〕等となってアスペクト比を大きい。

【０００３】一方、レーザ溶接は、上述したように溶融
幅が小さいことから、精密溶接には適している反面、レ
ーザビームの照射直後の溶接箇所の熱放散が速い（急冷
状態）。このため、レーザ溶接では、溶接箇所の凝固割
れもしくは内部ひずみが生じ、耐久性が悪いという不都
合が生じる。

【０００４】かかる不都合を改善するため、近時にあっ
ては、図８（Ａ）に示す従来のノーマル波とは異なり、
パルス波の波形制御によって立ち上がりが急で立ち下が
りを緩やかに設定したパルス波（図８（Ｂ）参照）が使
用されている。これにより、溶接箇所の熱放散の速度が
幾分緩和され、従来生じていた凝固割れの発生が有効に
抑制されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例におけるパ
ルス波の波形制御は、時間軸に沿ったレーザ波の波形制
御であり、スポット溶接においては凝固割れもなく好適
なものとなっている。しかしながら、この手法を用いて
連続した箇所に適用すると、スポット溶接を隣接して順
次繰り返すこととなり、その都度、レーザ照射をオン
（ＯＮ）／オフ（ＯＦＦ）しなければならないため作業
能率が著しく悪い。

【０００６】

【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、特に連続移動溶接時に被溶接箇所に生じる凝
固割れを有効に排除すると共に、これによって溶接強度
の向上を図り且つレーザ溶接の信頼性向上を図ったレー
ザ溶接方法を提供することを、その目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明では、被溶接箇所に沿って溶接
用レーザビームを相対的に移動させて成るレーザ溶接方
法において、前述した溶接用レーザビームとして、出力
の異なる複数の溶接用レーザビームを使用する。そし
て、出力の高い溶接用レーザビームを上流側に，又出力
の低い溶接用レーザビームを下流側にそれぞれ各ビーム
が一部重なるようにして配設する、という構成を採って
いる。

【０００８】このため、この請求項１記載の発明では、
例えば図１において、被溶接部材１００上の被溶接箇所
には、レーザ溶接の開始と同時に合成パワー分布Ｐ₀₁の
立ち上がりの大きい部分（図５の左側）が、まず印加さ
れ、続いて最大値に達した後、パワー出力が徐々に抑制
された状態のレーザパワーが印加され、これによって、
溶接済の箇所が（室温で急冷されることなく）低いパワ
ー出力部分で連続的に徐冷工程に付される。被溶接箇所
が連続している場合、この状態が継続する。

【０００９】従って、この図３の合成パワー分布Ｐ₀₁に
基づいたレーザ溶接にあっては、被溶接箇所が有効に徐
冷され、その結果、従来例で度々生じていた被溶接箇所
部分の凝固割れの発生を有効に阻止するができる。

【００１０】請求項２記載の発明では、被溶接箇所に沿
って溶接用レーザビームを相対的に移動させて成るレー
ザ溶接方法において、前述した溶接用レーザビームにと
して、出力の異なる複数の溶接用レーザビームを使用す
ると共に、出力の高い溶接用レーザビームを上流側に、
出力の低い溶接用レーザビームを下流側に、それぞれ各
ビームが一部重なるようにして配設する。そして、前述
した複数の溶接用レーザビームを、一のレーザ出力源か
ら光学系をもって分岐してなる分岐レーザ光とする、と
いう構成を採っている。

【００１１】このため、この請求項２記載の発明でも、
前述した請求項１記載の発明と同等に機能するほか、レ
ーザ出力部を一つとすることができるため装置を安価に
得ることができ、同時にその小型軽量化が可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従って順次説明する。

【００１３】図１において、符号１，２は、それぞれ一
方と他方の溶接用レーザ出力部を示す。又、記号Ａは一
方のレーザ出力部１から出力される第１の溶接用レーザ
ビームを示し、記号Ｂは他方のレーザ出力部２から出力
される第２の溶接用レーザビームを示す。符号１００は
被溶接部材を示す。この被溶接部材１００は、図示しな
い移送手段によって図１の矢印ｅ方向に移送されるよう
に構成されている。

【００１４】溶接用レーザ出力部１，２は所定位置に固
定して装備されている。この溶接用レーザ出力部１，２
の出力ビームは、移動中の被溶接部材１００上の被溶接
箇所に集光レンズ１Ａ，２Ａを介して照射される。この
場合、被溶接部材１００を固定して溶接用レーザ出力部
１，２側を移動させるようにしてもよい。

【００１５】又、符号４は集光ビーム用光学系を示す。
この集光ビーム用光学系４は、前述した溶接用レーザ出
力部１，２と被溶接部材１００との間に配設され、ビー
ム集光ケース５内に装備されている。このビーム集光ケ
ース５は、溶接用レーザ出力部１，２から出力されるレ
ーザビームに向けて開口された第１の開口部５ａと、集
光された溶接用レーザビームを被溶接部材１００に送り
出す第２の開口部５ｂとを備えている。

【００１６】ビーム集光ケース５内には、レーザ出力部
１から出力される第１の溶接用レーザビームＡを集光す
る一方の集光レンズ１Ａと、レーザ出力部２から出力さ
れる第２の溶接用レーザビームＢを集光する他方の集光
レンズ２Ａとを備えている。また、この他方の集光レン
ズ２Ａの前述した第１の開口部５ａ側には、第１乃至第
２のレーザ反射鏡２Ｅ，２Ｆが装備されている。

【００１７】そして、レーザ出力部２から出力された第
２の溶接用レーザビームＢは、第１の反射ミラー２Ｅ，
第２の反射ミラー２Ｆ，及び集光レンズ２Ａを介して幾
分外側（図１の右側）にずらした位置から被溶接部材１
００上の被溶接箇所に照射される。

【００１８】ここで、図２（Ａ）に、被溶接部材１００
上の被溶接箇所に照射される第１の溶接用レーザビーム
Ａのパワー分布Ｐ₁を示し、図２（Ｂ）に被溶接部材１
００上の被溶接箇所に照射される第２の溶接用レーザビ
ームＢのパワー分布Ｐ₂を示す。この第２の溶接用レー
ザビームＢは、被溶接箇所においては、前述した第１の
溶接用レーザビームＡよりそのパワー分布が図２（Ｂ）
に示すように全体的に小さく設定されている。

【００１９】前述したビーム集光ケース５内には、一方
と他方の各集光レンズ１Ａ，２Ａの各焦点位置を光軸に
沿った方向に移送して調整する焦点位置調整機構１Ｂ，
２Ｂが装備されている。そして、この一方と他方の各集
光レンズ１Ａ，２Ａは、焦点位置調整機構１Ｂ，２Ｂに
よって、その焦点位置を光軸に沿った方向（図１のａ方
向，ｂ方向）に調整し得るようになっている。

【００２０】この内、他方の集光レンズ２Ａに併設され
た焦点位置調整機構２Ｂは、更に、当該他方の集光レン
ズ２Ａの照射ポイントを、前述した被溶接部材１００上
の被溶接箇所に沿った方向の下流側（図１の矢印ｅ方
向）に可変距離０〜Ｓ₂の範囲で任意にずらして固定し
得る機能を備えている。

【００２１】図３に、被溶接箇所に対する他方の集光レ
ンズ２Ａの照射ポイントを前述した被溶接箇所に沿った
方向の下流側に距離Ｓ₁（但し、Ｓ₁＜Ｓ₂）だけずら
した場合を示す。即ち、この図３では、一方の集光レン
ズ１Ａの照射ポイントから距離Ｓ₁だけずらされて図２
（Ａ）におけるｙ−ｚ座標軸上に図２（Ｂ）に示す溶接
用レーザビームＢが照射され、これにより、被溶接部材
１００上の被溶接箇所には、図３に示す合成パワー分布
（照射レーザの合成パターン）Ｐ₀₁が形成されるように
なっている。

【００２２】ここで、他方の集光レンズ２Ａに併設され
た焦点位置調整機構２Ｂが備えている溶接用レーザビー
ムＢの照射ポイントの可変範囲０〜Ｓ₂と合成パワー分
布との関係を、好ましい場合の図４（Ｂ）と，その両端
部の可変範囲０および可変範囲Ｓ₂の場合（図４（Ａ）
（Ｃ）の場合）について説明する。

【００２３】図４（Ａ）は、第１および第２の溶接用レ
ーザビームＡ，Ｂを同一ポイントに重ねて照射する場合
（即ち、照射ポイントの中心点のずれ「０」の場合）を
示す。記号Ｐ₀₀は、この図４（Ａ）の場合の合成パワー
分布（照射レーザの合成パターン）を示す。また、図４
（Ｂ）は、前述した図３の場合である。

【００２４】更に、図４（Ｃ）は、溶接用レーザビーム
Ｂの照射ポイントのずれ範囲を最大値Ｓ₂に設定し照射
する場合を示す。記号Ｐ₀₂は、この図４（Ｃ）の場合の
合成パワー分布（照射レーザの合成パターン）を示す。

【００２５】即ち、この図４（Ｃ）に示す合成パワー分
布Ｐ₀₂は、この第２の溶接用レーザビームＢを第１の溶
接用レーザビームＡから距離Ｓ₂だけ，ずらした場合に
得られる合成パワー分布である。これら図４（Ａ），図
４（Ｂ），図４（Ｃ）のいずれも、被溶接部材１００の
相対的移動方向に沿ったｙ−ｚ座標軸について開示した
ものである。

【００２６】この内、図４（Ａ）に示す合成パワー分布
（照射レーザの合成パターン）Ｐ₀₀は、レーザビーム
Ａ，Ｂが一箇所に重ねられているため、一方のレーザビ
ームのみを使用してその強度を高めたのと同等となり徐
冷工程を設定することができない。また、図４（Ｃ）に
示す合成パワー分布（照射レーザの合成パターン）Ｐ₀₂
の場合は、徐冷予定箇所（レーザビームの移動方向下流
側に立ち下がり部）で再び加熱する事態が生じることか
ら、このパターンも、本実施形態には不適当なものとな
っている。このため、溶接後の徐冷工程に際して都合よ
く機能する図４（Ｂ）の場合が、この三つの例では最適
なものとなっている。

【００２７】ここで、前述した合成パワー分布Ｐ₀₁と溶
接箇所側で受けるレーザパワーとの関係を図５に基づい
て説明する。この図５（Ａ）に示す合成パワー分布Ｐ₀₁
は、図４（Ｂ）又は図３において既に開示した合成パワ
ー分布Ｐ₀₁と同一のもので、ｙ−ｚ座標軸について取り
出したものである。また、図５（Ｂ）はパルス波形制御
によって上述した図５（Ａ）に似せてて形成されたレー
ザビームの出力波形を示す。

【００２８】この図５（Ａ）において、横軸のｙ軸上に
図の左方から右方に時間ｔで移動する点Ｈを想定する。
この点Ｈが移動中に合成パワー分布Ｐ₀₁により照射され
るレーザパワーは、定点（スポット溶接の位置）が図５
（Ｂ）のパルス波形制御によって受けるレーザパワーと
同一となる。

【００２９】即ち、この図５（Ａ）の合成パワー分布Ｐ
₀₁のものを使用すると、合成パワー分布Ｐ₀₁と被溶接箇
所との相対的な移動に際して、その移動箇所全体にわた
って順次連続して、図５（Ａ）に示す合成パワー分布Ｐ
₀₁の溶接用レーザビームを受けることができる。

【００３０】即ち、図１において、被溶接部材１００上
の被溶接箇所には、レーザ溶接の開始と同時に合成パワ
ー分布Ｐ₀₁の立ち上がりの大きい部分（図５の左側）
が、まず印加され、続いて最大値に達した後、パワー出
力が徐々に抑制された状態のレーザパワーが印加され、
これによって、溶接済の箇所が（室温で急冷されること
なく）低いパワー出力部分で連続的に徐冷工程に付され
ることとなる。被溶接箇所が連続している限りこの状態
が継続する。

【００３１】従って、この図３の合成パワー分布Ｐ₀₁に
基づいたレーザ溶接にあっては、被溶接箇所が有効に徐
冷され、その結果、従来例で度々生じていた被溶接箇所
部分の凝固割れの発生を有効に阻止するができ、これに
より溶接強度の向上を図ることができ、且つレーザ溶接
の作業能率の向上および信頼性向上を図ることができ
る。

【００３２】ここで、上記実施形態にあっては、レベル
の異なる二つの連続照射に係るレーザビームを合成した
場合を例示したが、これとは別に、図１において第１の
溶接用レーザビームＡをＹＡＧレーザ・Ｑスイッチパル
スとし、第２の溶接用レーザビームＢをＣＯ₂レーザ
（炭酸ガスレーザ）とし、これら二つの異種のレーザビ
ームを合成したものであってもよい。

【００３３】また、三つ以上のレーザビームを組み合わ
せてより溶接に適したパワー分布のレーザビームを形成
し使用してもよい。また、複数のレーザビームを組み合
わせて所定のレーザパワー分布を得るのに、いずれかの
レーザビームを照射面に対して傾けてもよい。

【００３４】〔実験例〕次に、図３で開示した合成パワ
ー分布（照射レーザの合成パターン）Ｐ₀₁によって成さ
れるレーザ溶接の良否（特に表面に生じるビード面）
を、合成パワー分布Ｐ₀₀，Ｐ₀₂の場合と比較して説明す
る。

【００３５】図６に、上述した図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）
に示す各レーザビームＡ，Ｂの合成パワー分布Ｐ₀₀，Ｐ
₀₁又はＰ₀₂によって形成される実際の溶接ビード（写真
撮影したもの）を示す。ここで、第１の溶接用レーザビ
ームＡ（出力パワーＰ₁）としてはＹＡＧレーザ・Ｑス
イッチパルスを使用し、又第２の溶接用レーザビームＢ
（出力パワーＰ₂）としてはＣＯ₂レーザ（炭酸ガスレ
ーザ）をそれぞれ使用した。

【００３６】この図６に示す結果から明らかのように、
図６，図６の場合についてもレーザ溶接は可能であ
るが、溶接の良否判定に際して重要視される溶接ビード
の形状は、明らかに本実施形態で採用した図６のもの
（即ち、図３の合成パワー分布Ｐ₀₁に依存した場合）
が、実際上最も良好な結果を得ることができた。即ち、
この図６には、溶接ビードが繰り返し順序よく形成さ
れており、また、その溶接面の切断観察に際しても凝固
割れの形跡は全く見られなかった。

【００３７】〔変形例〕次に、図１に示す実施形態の変
形例を図７に示す。この図７に示す変形例は、二つのレ
ーザービームＡ，Ｂを単一のレーザ出力部１１と、ハー
フミラー１２と反射ミラー１３によって構成した点に特
徴を備えている。

【００３８】即ち、レーザ出力部１１から出力されるレ
ーザービームＡに光軸上にハーフミラー１２が配置さ
れ、このハーフミラー１２からの反射ビームをレーザビ
ームＢとして、これが反射ミラー１３によって被溶接箇
所に照射されるように構成されている。この場合、レー
ザービームＡに対するレーザビームＢの合成方法は、前
述した実施形態（図１〜図３）の場合と同一となってい
る。

【００３９】このようにしても、前述した実施形態（図
１〜図３）の場合とほぼ同等の作用効果を得ることがで
きるほか、単一のレーザ出力部１１で良好なレーザ溶接
を実行し得ることから、溶接装置を安価に得ることがで
きる。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明によると、溶接用
レーザビームとして出力の異なる複数の溶接用レーザビ
ームを使用すると共に、出力の高い溶接用レーザビーム
を上流側に，又出力の低い溶接用レーザビームを下流側
に，それぞれ各ビームが一部重なるようにして配設した
ので、これによると、当該空間合成された溶接用レーザ
ビームを被溶接部材上に相対的に移動することにより、
被溶接部材上の被溶接箇所には、レーザ溶接の開始と同
時に合成パワー分布の立ち上がりの大きい部分が、続い
てレーザビームの移動と共に最大値が、更にパワー出力
が徐々に抑制された状態のレーザパワーが順次連続して
印加され、これによって、レーザビームの移動と共に溶
接終了側が（室温で急冷されることなく）低いパワー出
力部分で連続的に徐冷工程に付される。これにより、溶
接箇所完了後に生じる凝固割れを有効に排除することが
でき、同時に、これによって溶接強度の向上を図り且つ
レーザ溶接の信頼性および作業性向上を図ることができ
るという従来にない優れたレーザ溶接方法を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるレーザ溶接方法の一実施の形態
を示す概略構成図である。

【図２】図１に開示した一方と他方の溶接用レーザ出力
部から出力される溶接用レーザビームのレーザパワーを
示す図で、図２（Ａ）は第１の溶接用レーザビームのレ
ーザパワーを示す線図、図２（Ｂ）は第２の溶接用レー
ザビームのレーザパワーを示す線図である。

【図３】図２に開示した二つの溶接用レーザビームをそ
の焦点位置を所定距離ずらして同時照射した場合に生じ
る合成パワー分布を示す線図である。

【図４】図２に開示した二つの溶接用レーザビームを重
合した場合および焦点位置を所定距離ずらして同時照射
した場合に生じる合成パワー分布を示す線図で、図４
（Ａ）は二つの溶接用レーザビームを重合した場合を示
す線図、図４（Ｂ）は二つの溶接用レーザビームの焦点
位置を所定距離ずらして同時照射した場合（図３と同
じ）を示す線図、また、図４（Ｃ）は二つの溶接用レー
ザビームの焦点位置を更に大きくずらして同時照射した
場合を示す線図である。

【図５】図３に開示した二つの溶接用レーザビームの合
成パワー分布とパルス波形制御によって形成されたレー
ザビームの出力波形との比較を示す図で、図５（Ａ）は
図３に開示した二つの溶接用レーザビームの合成パワー
分布を示し、図５（Ｂ）はパルス波形制御によって図５
（Ａ）に合わせて形成された場合のレーザビームの出力
波形を示す。

【図６】図４（Ａ）〜（Ｃ）に開示した二つの溶接用レ
ーザビームの合成パワー分布によってレーザ溶接した場
合の溶接面のビードを示す図表である。

【図７】図１の変形例を示す説明図である。

【図８】従来例よりレーザ溶接に使用されているパルス
波を示す図で、図８（Ａ）はノーマルパルス波を示す線
図、図８（Ｂ）はパルス波の波形制御によって立ち下が
りを緩やかに設定したパルス波を示す線図である。

【符号の説明】

１，２溶接用レーザ出力部１Ａ一方の集光レンズ１Ｂ，２Ｂ焦点位置調整機構２Ａ他方の集光レンズ１００被溶接部材Ａ第１の溶接用レーザビームＢ第２の溶接用レーザビーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被溶接箇所に沿って溶接用レーザビームを
相対的に移動させて成るレーザ溶接方法において、前記溶接用レーザビームとして、出力の異なる複数の溶
接用レーザビームを使用すると共に、出力の高い溶接用
レーザビームを上流側に，又出力の低い溶接用レーザビ
ームを下流側に，それぞれ各ビームが一部重なるように
して配設したことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】被溶接箇所に沿って溶接用レーザビームを
相対的に移動させて成るレーザ溶接方法において、前記溶接用レーザビームにとして、出力の異なる複数の
溶接用レーザビームを使用すると共に、出力の高い溶接
用レーザビームを上流側に、出力の低い溶接用レーザビ
ームを下流側に、それぞれ各ビームが一部重なるように
して配設し、前記複数の溶接用レーザビームを、一のレーザ出力源か
ら光学系をもって分岐してなる分岐レーザ光としたこと
を特徴とするレーザ溶接方法。