WO2015129231A1 - レーザ溶接方法 - Google Patents

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WO2015129231A1
WO2015129231A1 PCT/JP2015/000836 JP2015000836W WO2015129231A1 WO 2015129231 A1 WO2015129231 A1 WO 2015129231A1 JP 2015000836 W JP2015000836 W JP 2015000836W WO 2015129231 A1 WO2015129231 A1 WO 2015129231A1
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laser
laser beam
workpiece
welding
laser welding
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PCT/JP2015/000836
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中川　龍幸
康士 向井
篤寛 川本
潤司 藤原
範幸 松岡
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Priority to EP15754585.6A priority patent/EP3112077B1/en
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    • B23K26/244—Overlap seam welding
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    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/22—Spot welding

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser welding method in which a workpiece of a lap joint is irradiated with laser light in a spiral shape.
  • Patent Document 1 describes a method of removing bubbles by stirring the molten pool by irradiating the molten pool with laser light.
  • Patent Document 2 describes a method for eliminating pores in a solidified molten metal by remelting.
  • Patent Document 3 describes a method of discharging bubbles generated in an initial stage where the output of the laser beam is low and an intermediate stage where the output of the laser beam is high, in the latter stage where the output of the laser beam is low. ing.
  • the conventional laser welding method performs a process of removing bubbles in addition to the original laser welding process. For this reason, the processing time becomes longer by the process of removing bubbles. Furthermore, in the conventional laser welding method, since an amount of heat more than necessary is given to the workpiece, the effect of low distortion due to the low heat input of laser welding is hindered.
  • the present disclosure provides a laser welding method in which generation of bubbles in the laser welding process is suppressed and a good welding state can be obtained.
  • the laser welding method of the present disclosure includes a first step and a second step.
  • the first step the first workpiece and the second workpiece are overlapped in the first processing region.
  • the second step the first workpiece and the second workpiece are irradiated with laser light while moving in a spiral path in the first machining region. Further, in the second step, the first workpiece and the second workpiece are melted by laser light irradiation to form a liquid phase portion. Further, in the second step, the laser light is moved so that the liquid phase portion is not irradiated with the laser light.
  • FIG. 1 is a diagram showing a laser welding system using a galvano scanner according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a laser welding system using a robot according to the embodiment.
  • 3A is a plan view of the upper surface
  • FIG. 3B is a plan view of the lower surface, showing the results of laser welding in Comparative Example 1.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the principle of laser welding in Comparative Example 1.
  • 5A is a top view and FIG. 5B is a cross-sectional view showing a state of laser welding in Comparative Example 1.
  • FIG. 6A is a plan view of the upper surface
  • FIG. 6B is a plan view of the lower surface, showing the results of laser welding in Comparative Example 2.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the principle of laser welding in Comparative Example 2.
  • 8A is a top view and FIG. 8B is a cross-sectional view showing a state of laser welding in Comparative Example 2.
  • FIG. 9A is a plan view of the upper surface and FIG. 9B is a plan view of the lower surface showing the results of laser welding in Example 1.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating the principle of laser welding according to the first embodiment.
  • FIG. 11A is a top view and FIG. 11B is a cross-sectional view showing a state of laser welding according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a top view illustrating a state of laser welding according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a top view illustrating a state of laser welding according to the third embodiment.
  • FIG. 14 is a top view illustrating a state of laser welding according to the fourth embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the relationship between the laser beam trajectory interval and the occurrence of poor welding in the embodiment.
  • FIG. 1 shows a laser welding system 10 using a galvano scanner 2 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 shows a laser welding system 20 using the robot 8 according to the present embodiment.
  • the laser welding system 10 includes a laser oscillator 1, a galvano scanner 2, and a scanner control device 5.
  • the laser oscillator 1 generates a laser beam 23.
  • the galvano scanner 2 includes two galvanometer mirrors 3, two galvanometer motors 4, and an F ⁇ lens 6.
  • the galvanometer mirror 3 changes the trajectory of the laser beam 23 two-dimensionally.
  • the two galvanometer motors 4 rotate the galvanometer mirror 3 connected to each.
  • the two galvano motors 4 are controlled by a scanner control device 5.
  • the F.theta. Lens 6 forms an image of the laser beam 23 at the welded portion of the workpiece.
  • the laser welding system 10 irradiates a laser beam 23 to the welded portion of the workpiece by the galvano scanner 2 with the above configuration. From the side of the first metal plate 30, the laser welding system 10 is applied to a workpiece obtained by superimposing the first metal plate 30 (first workpiece) and the second metal plate 31 (second workpiece). By irradiating the laser beam 23, the first metal plate 30 and the second metal plate 31 are welded.
  • the laser welding system 20 includes a laser oscillator 1, a welding head 7, a robot 8, and a robot control device 9.
  • the laser oscillator 1 generates a laser beam 23.
  • the welding head 7 forms an image of the laser beam 23 at the welding location of the workpiece.
  • the robot 8 has a welding head 7 attached to the tip, and moves the welding head 7.
  • the robot control device 9 controls the operation of the robot 8 and the operation of the welding head 7. When the irradiation position of the laser beam 23 is moved on the workpiece, the robot 8 performs a large movement and the welding head 7 performs a small movement.
  • the laser welding system 20 irradiates a laser beam 23 to the welded portion of the workpiece by the welding head 7 and the robot 8 with the above configuration.
  • the laser welding system 20 irradiates a laser beam 23 from the side of the first metal plate 30 onto a workpiece in which the first metal plate 30 and the second metal plate 31 are overlapped, whereby the first metal plate 30 and the second metal plate 31 are welded.
  • a plurality of rotating prisms may be arranged either before or after the F ⁇ lens 6 of the laser welding system 10 shown in FIG. 1, and the irradiation position of the laser beam 23 may be changed (moved). Further, a plurality of rotating prisms may be arranged inside the welding head 7 of the laser welding system 20 shown in FIG. 2 to change (move) the irradiation position of the laser light 23. By rotating the prism, the irradiation position of the laser beam 23 can be rotated, and by changing the rotation radius, the irradiation position of the laser beam 23 can be moved spirally (spiral). .
  • Comparative Examples 1 and 2 found by the present inventors are shown below with respect to the change of the penetration state of the workpiece according to the output of the laser beam 23 and the welding speed.
  • the comparative examples 1 and 2 shown below can be performed by the laser welding systems 10 and 20 shown in FIG. 1 and FIG.
  • the inventors of the present invention have a spiral track (spiral shape) according to three welding conditions of a first welding condition (Comparative Example 1), a second welding condition (Comparative Example 2), and a third welding condition (Example 1). Laser welding was performed and the welding results were observed.
  • the first welding condition (Comparative Example 1) is a relatively low welding speed of less than 3 m / min, and irradiates a relatively high power laser beam into the molten pool to perform keyhole type laser welding. Is.
  • the second welding condition (Comparative Example 2) has a relatively low welding speed of less than 3 m / min, and irradiates a laser beam having a relatively low output into the molten pool to perform heat conduction type laser welding. is there.
  • the third welding condition (example) is a relatively high welding speed of 3 m / min or more, and is irradiated with a laser beam having a relatively high output outside the molten pool and in front of the molten pool. Laser welding is performed.
  • Comparative Example 1 First, Comparative Example 1 will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 3A is a plan view of the upper surface and FIG. 3B is a plan view of the lower surface showing the results of the laser welding of this comparative example.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the principle of laser welding in this comparative example.
  • FIG. 5A is a top view and FIG. 5B is a cross-sectional view showing a state of laser welding in this comparative example.
  • FIG. 3 shows the welded state (working result) of the upper surface and the lower surface of the work piece when laser welding of the spiral track is performed in a circular work area on the overlapped work piece under the first welding condition.
  • A The top view of an upper surface
  • (b) It is a top view of a lower surface.
  • the upper surface is a surface on the side irradiated with laser light.
  • FIG. 1 the surface on the galvano scanner 2 side of the first metal plate 30, and in FIG. This is a surface of the metal plate 30 on the welding head 7 side.
  • the first welding condition is keyhole type laser welding in which the molten pool is irradiated with the laser beam 23.
  • the keyhole 21 is generated in the laser welding of this comparative example.
  • the energy absorption rate to a workpiece is high, and sufficient penetration amount is obtained.
  • the welding speed is lower than 3 m / min and relatively slow, the laser beam 23 is emitted from the first metal plate 30 and the second metal plate 30 on the front wall 25 (thick solid line portion) of the keyhole 21 in front of the welding direction 24.
  • the metal plate 31 is melted and further vaporized. Thereby, a large amount of metal vapor 26 is generated from the front wall 25 of the keyhole 21.
  • the metal vapor 26 enters the molten pool 22 from the rear wall 27 (thick dotted line portion) of the keyhole 21 of the molten pool 22 formed behind the welding direction 24 and becomes bubbles 28.
  • the bubbles 28 remain as porosity in the resolidified layer 29.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line 5b-5b of FIG.
  • the laser beam 23 is irradiated to a workpiece spirally by 1st welding conditions. Irradiation of the laser beam 23 is started from the start point 52, the laser beam 23 is moved along the trajectory 51 shown by a bold line, and the irradiation of the laser beam 23 is terminated at the end point 53.
  • the track 51 continuously changes to the end point 53 so as to gradually leave the laser welding start point 52 while drawing an arc.
  • Comparative Example 2 Next, Comparative Example 2 will be described with reference to FIGS. 6A is a plan view of the upper surface and FIG. 6B is a plan view of the lower surface showing the results of the laser welding of this comparative example.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the principle of laser welding in this comparative example.
  • FIG. 8A is a top view and FIG. 8B is a cross-sectional view showing a state of laser welding in this comparative example. Note that the same reference numerals are used for the same components as those in FIGS.
  • FIG. 6 shows the welded state (working result) of the upper surface and the lower surface of the workpiece when laser welding of the spiral track is performed on the stacked workpieces in a circular processing region under the second welding condition.
  • A The top view of an upper surface
  • b It is a top view of a lower surface.
  • the second welding condition is heat conduction type laser welding in which the molten pool is irradiated with the laser beam 23.
  • the power density of the laser beam 23 is low and a deep keyhole cannot be formed, so that no bubbles 28 are generated.
  • the energy absorption rate into the workpiece is low, and a sufficient amount of penetration cannot be obtained.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line 8b-8b of FIG.
  • the workpiece is irradiated with the laser beam 23 in a spiral shape under the second welding condition. Irradiation of the laser beam 23 is started from the start point 52, the laser beam 23 is moved along the trajectory 51 shown by a bold line, and the irradiation of the laser beam 23 is terminated at the end point 53.
  • the laser welding under the second welding condition is a heat conduction type laser welding
  • the first metal plate 30 positioned on the upper side which is the side irradiated with the laser beam 23, melts, but the first positioned on the lower side.
  • the melting of the second metal plate 31 is insufficient, and the penetration shape is a mitake shape. Therefore, the gap 32 between the first metal plate 30 and the second metal plate 31 shown in FIG. 7 cannot be filled, and the bonding area of the first metal plate 30 and the second metal plate 31 is not filled. Therefore, it is not possible to obtain a sufficient bonding strength.
  • FIG. 9A is a plan view of the upper surface and FIG. 9B is a plan view of the lower surface showing the results of laser welding in this example.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the principle of laser welding in this embodiment.
  • FIG. 11A is a top view and FIG. 11B is a cross-sectional view showing a state of laser welding in this example.
  • the same components as those in FIGS. 3 to 5 are denoted by the same reference numerals, and description thereof may be omitted.
  • FIG. 9 shows a welded state (processing result) of the upper surface and the lower surface of the workpiece when the spiral track laser welding is performed on the stacked workpieces under the third welding condition. It is a top view of a figure and (b) undersurface.
  • the third welding condition is keyhole type laser welding in which the laser beam 23 is irradiated outside the molten pool 22 and in front of the molten pool 22.
  • the first metal plate 30 (first processed product) and the second metal plate 31 (second processed product) are overlapped so that the processed regions (first processed regions) overlap with each other.
  • a gap 32 is formed between the first metal plate 30 and the second metal plate 31 in the processing region.
  • the gap 32 is not necessarily formed.
  • the processing area is circular, but is not limited thereto, and may be a polygon such as a triangle or a quadrangle.
  • the processing region of the workpiece is irradiated with the laser beam 23, and the first metal plate 30 and the second metal plate 31 are joined by laser welding.
  • the laser beam 23 is moved in a spiral shape (spiral shape) within the processing region (second step).
  • the keyhole 21 is generated in the laser welding of this embodiment.
  • the welding speed is relatively high at 3 m / min or more, and the laser beam 23 is irradiated to the unmelted portion 34 (solid phase portion) outside the molten pool 22 and in front of the molten pool 22 (liquid phase portion). .
  • the laser beam 23 vaporizes molten metal only by melting the first metal plate 30 and the second metal plate 31 on the front wall 25 (thick solid line portion) of the keyhole 21 that is in front of the welding direction 24. Is suppressed. In other words, the laser beam 23 moves toward the unmelted portion 34 and moves so as not to irradiate the molten pool 22 with the laser beam 23. Thereby, generation
  • FIG. 11B is a cross-sectional view taken along 11b-11b of FIG.
  • the laser beam 23 is irradiated to a workpiece spirally by 3rd welding conditions. Specifically, as shown in FIG. 10, the laser beam 23 is irradiated onto the unmelted portion 34 of the first metal plate 30 and the second metal plate 31 from above the first metal plate 30. As shown in FIG.
  • the irradiation of the laser beam 23 is started from the start point 52, the laser beam 23 is moved along the trajectory 51 indicated by the bold line, and the irradiation of the laser beam 23 is ended at the end point 53.
  • the start point 52 is, for example, the center of the processing area.
  • the resolidified layer 29 is formed in a region substantially coincident with the processing region, and an unmelted portion 34 exists around the processing region.
  • the start point 52 is the inner end of the track 51, and the end point 53 is the outer end of the track 51.
  • both the first metal plate 30 and the second metal plate 31 can obtain sufficient penetration. As shown in FIG. 10, if there is a gap 32 between the first metal plate 30 and the second metal plate 31, the gap 32 can be filled with the molten metal in the molten pool 22. Further, since no bubbles 28 are generated in the molten pool 22, no cavities or holes are generated near the center surface (the upper surface and the lower surface of the workpiece) of the molten pool 22. Therefore, the bonding area between the first metal plate 30 and the second metal plate 31 is large, and sufficient bonding strength can be obtained.
  • the third welding condition is preferable as the welding condition for obtaining a good welding state.
  • the laser beam 23 is always applied to the unmelted portion 34 of the metal plate (workpiece) instead of the molten pool 22 at a power density that provides keyhole type laser welding. Thereby, no cavity or hole 33 is formed in the resolidified layer 29.
  • the present disclosure is made by utilizing the relationship between the energy of the laser beam, the laser irradiation position, and the welding speed.
  • the power density of the laser beam 23 is determined by the combination of the energy of the laser beam 23 and the beam diameter of the laser beam 23.
  • Example 1 will be described with specific welding conditions.
  • the laser welding method of Example 1 can be performed by, for example, the laser welding system shown in FIGS. 1 and 2.
  • the first metal plate 30 is applied to a workpiece in which the first metal plate 30 and the second metal plate 31 which are mild steel having a plate thickness t of 0.8 mm are stacked.
  • Welding is performed by irradiating the laser beam 23 spirally from the side.
  • the diameter of the beam of laser light 23 on the workpiece (hereinafter referred to as the beam diameter) is 0.5 to 0.7 mm.
  • the moving direction of the laser beam 23 is performed not toward the liquid phase portion that is the molten pool 22 formed by the irradiation of the laser beam 23 but toward the solid phase portion that is the unmelted portion 34. Thereby, vaporization of the molten metal of the molten pool 22 can be suppressed.
  • the beam diameter of the laser beam 23 on the workpiece is particularly important. It is preferable that the distance between the orbits 51 of the laser beam 23 is not less than the beam diameter of the laser beam 23 so that the laser beam 23 is not irradiated to the same part of the workpiece. Thereby, the laser beam 23 is not irradiated again to the molten metal formed by irradiating the laser beam 23 once. Further, the distance between the orbits 51 of the laser light 23 is preferably not more than twice the beam diameter of the laser light 23. As a result, the region that is not irradiated with the laser beam 23 can also be melted by the residual heat, and the workpiece in the processing region is not melted.
  • laser welding is performed by irradiating the laser beam 23 while moving it at high speed in a spiral shape.
  • the moving speed of the laser beam 23 which is a welding speed and the energy of the laser beam 23 have a proportional relationship. As a result, the amount of heat supplied to the unit distance is constant. In the present embodiment, even when there is a gap 32 between the first metal plate 30 and the second metal plate 31, the gap 32 can be filled with the molten pool 22 (melt). You can increase your tolerance.
  • the gap 32 will be described between the first metal plate 30 and the second metal plate 31 that are overlapped.
  • the heat conduction from the first metal plate 30 to the second metal plate 31 is less than when the gap 32 does not exist.
  • the first metal plate 30 is easily melted. This is a state in which the metal vapor 26 is easily generated from the molten metal of the first metal plate 30 as in the first comparative example. Therefore, the welding speed when the gap 32 exists is higher than the welding speed when the gap 32 does not exist, and the output of the laser beam 23 when the gap 32 exists is the laser beam when the gap 32 does not exist. Preferably, the output is higher than 23.
  • the step of preparing the above-described workpiece includes the first metal plate 30 (first workpiece) and the second metal plate 31 (second workpiece) in the machining area (first machining area).
  • the step of overlapping so that a gap is formed is defined as a first step.
  • the first metal plate 30 (third workpiece) and the second metal plate 31 (fourth workpiece) are formed so that no gap is formed in the processing region (second processing region), that is, The step of bringing them into contact with each other is referred to as a third step.
  • the step of performing laser irradiation on the workpiece prepared in the first step is referred to as a second step
  • the step of performing laser irradiation on the workpiece prepared in the third step is referred to as a fourth step.
  • Example 2 for carrying out the present disclosure will be described with reference to FIG.
  • FIG. 12 is a top view showing a state of laser welding in this embodiment.
  • symbol is used and description is abbreviate
  • the temperature of the spiral orbit 51 of the laser beam 23 is higher in the portion closer to the center of the molten pool 22 if the intervals between the adjacent orbits 51 are equal. Therefore, the molten pool 22 becomes easy to spread and the laser beam 23 is easily irradiated to the molten pool 22.
  • the irradiation start position for performing is set as a second start point 54.
  • the second start point 54 is set at a position away from the start point 52 (the center of the processing region) in the first embodiment.
  • the position of the second start point 54 is, for example, a position that is farther from the center of the processing region than half the beam diameter of the laser beam 23 (the radius of the beam diameter).
  • the vicinity of the center of the processing region where the laser beam 23 is not irradiated is melted by the residual heat from the surrounding molten pool 22.
  • FIG. 13 is a top view showing a state of laser welding in this embodiment.
  • symbol is used and description is abbreviate
  • the temperature of the spiral orbit 51 of the laser beam 23 is higher in the portion closer to the center of the molten pool 22 if the intervals between the adjacent orbits 51 are equal. Therefore, the molten pool 22 becomes easy to spread and the laser beam 23 is easily irradiated to the molten pool 22.
  • the workpiece is irradiated with the laser beam 23 so that the interval between the adjacent tracks 51 becomes wider as the spiral outer side is reached. In this manner, the laser beam 23 is irradiated in a spiral shape while increasing the distance from the inner track 51 so that the track 51 of the laser beam 23 does not reach the molten pool 22 as it goes to the outside of the processing region.
  • melting of the unmelted portion 34 due to the increase in the interval between the orbits 51 of the adjacent laser beams 23 is performed by residual heat. Further, in order to prevent the laser beam 23 from passing through the molten pool 22 due to the overlap of the tracks 51 of the laser beam 23, the beam diameter of the laser beam 23 is larger than the interval between the tracks 51 of the adjacent laser beams 23. I try to make it smaller.
  • FIG. 14 is a top view showing a state of laser welding in this embodiment.
  • symbol is used and description is abbreviate
  • the temperature of the spiral orbit 51 of the laser beam 23 is higher in the portion closer to the center of the molten pool 22 if the intervals between the adjacent orbits 51 are equal. Therefore, the molten pool 22 becomes easy to spread and the laser beam 23 is easily irradiated to the molten pool 22.
  • the irradiation start position of the spiral laser beam 23 is set as the start point 52 and the end position is set as the end point 53 as shown in FIG. That is, laser welding is performed by irradiating the workpiece with the laser beam 23 spirally from the outside to the inside. Note that the start point 52 is near the outside of the processing region irradiated with the spiral laser beam 23.
  • the moving direction of the spiral laser beam 23 is set from the inside to the outside, but may be set from the outside to the inside.
  • the laser welding method of the present embodiment irradiates the unmelted portion of the workpiece with the laser beam 23. Therefore, a good welding state can be obtained regardless of the plate thickness of the workpiece.
  • what is necessary is just to determine beforehand the spiral orbit for irradiating the unmelted part of the workpiece with the laser beam 23 by experiment etc., for example.
  • the temperature of the spiral orbit 51 of the laser beam 23 is higher in the portion closer to the center of the molten pool 22 if the intervals between the adjacent orbits 51 are equal. . Therefore, the molten pool 22 becomes easy to spread, and the laser beam 23 is easily irradiated into the molten pool 22. Therefore, in the first to fourth embodiments, it is preferable to irradiate the laser beam 23 so that the welding speed becomes higher toward the outside of the spiral track 51. Melting of the unmelted portion by increasing the welding speed is performed by residual heat. Further, in Examples 1 to 4, it is preferable to irradiate the laser beam 23 so that the output of the laser beam 23 becomes lower toward the outside of the spiral shape. Melting of the unmelted portion by lowering the output of the laser beam 23 is performed by residual heat.
  • the workpiece is always laser-welded by irradiating the solid phase portion of the workpiece with the laser beam 23.
  • the laser beam output during laser welding is set to be keyhole type laser welding.
  • the welding speed at the time of laser welding is set so that the laser beam 23 is not irradiated again to the expanding molten pool 22.
  • the distance between adjacent tracks 51 is not less than the beam diameter of the laser beam 23 and not more than twice the beam diameter of the laser beam 23. It is desirable to be. The reason is as follows.
  • FIG. 15 shows the results of experiments conducted by the present inventors.
  • FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the spacing between adjacent tracks 51 of the laser beam 23 and the occurrence of poor welding (protrusions caused by dents / cavities). This is a result of lap welding of mild steel with a plate thickness t of 0.8 mm, irradiating a laser beam 23 having a beam diameter of 0.5 to 0.7 mm with a spiral orbit and laser welding at different orbit intervals.
  • the intensity distribution of the laser beam 23 is a top hat type in the vicinity of the beam diameter.
  • the diameter of the laser welding mark was 5.4 mm corresponding to about 6 ⁇ t.
  • the welding was performed at a welding speed of 3 m / min, and the laser output was adjusted between 1.5 kW and 3.0 kW so as to always perform through welding. As a result, good laser welding marks were obtained when the value obtained by dividing the orbital spacing by the irradiation diameter was in the range of 1 to 2 times.
  • the intensity distribution of the laser beam 23 is not a top hat type but a Gauss type, the outer edge portion of the beam diameter of the laser beam does not contribute to welding. ) Good laser welding marks can be obtained.
  • the laser welding method of the present embodiment performs welding so that the laser welding marks on the upper surface and the lower surface of the workpiece are not linear but planar.
  • the laser welding method of the present embodiment is intended for laser welding marks having dimensions that require consideration of thermal effects during laser welding. For example, when T is half of the total thickness of the lap welds, the diameter of the laser welding mark is 6 ⁇ T or less.
  • the output of the laser beam is preferably 2.80 kW, and the radius of the processing region is preferably 1.55 mm.
  • the rotational speed (welding speed) is preferably 10.0 m / min, and the spiral is preferably rotated twice.
  • the output of the laser beam is preferably 3.30 kW, and the radius of the processing region is preferably 1.79 mm.
  • the rotational speed is preferably 8.7 m / min, and the spiral is preferably rotated twice.
  • the output of the laser beam is preferably 3.55 kW, and the radius of the processing region is preferably 2.00 mm.
  • the rotational speed is preferably 7.4 m / min, and the spiral is preferably rotated three times.
  • the output of the laser beam is preferably 3.65 kW, and the radius of the machining area is preferably 2.19 mm.
  • the rotational speed is preferably 6.3 m / min, and the spiral is preferably rotated three times.
  • the output of the laser beam is preferably 3.65 kW, and the radius of the processing region is preferably 2.53 mm.
  • the rotation speed is preferably 4.4 m / min and the spiral rotation speed is preferably four.
  • the required laser beam output increases.
  • the laser oscillator has a limit, it can be adjusted by the welding speed.
  • a welding speed is 3 m / min or more.
  • the thicker the plate thickness the larger the radius of the processed region is preferable in order to obtain sufficient bonding strength, and the larger the radius of the processed region, the higher the number of revolutions of the spiral.
  • the spiral shape may be various shapes such as a polygonal shape such as a square or a triangle, or a discontinuous circular arc shape that is partially interrupted.
  • the irradiation of the spiral laser beam 23 may be performed from the center or the inside of the processing region toward the outside, or may be performed from the outside or the center of the processing region toward the center or the inside.
  • generation of bubbles can be suppressed and a good welding state can be realized, and this is industrially useful as a laser welding method for performing laser welding by stacking workpieces.

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Abstract

　本開示のレーザ溶接方法は、第１の工程と、第２の工程とを有する。第１の工程では、第１の加工物と第２の加工物とを、第１の加工領域において重ねる。第２の工程では、第１の加工領域において、第１の加工物および第２の加工物に、渦巻状の軌道で移動させながらレーザ光を照射する。さらに第２の工程では、第１の加工物および第２の加工物がレーザ光の照射によって溶融されて液相部分を形成する。さらに第２の工程では、液相部分にレーザ光が再度照射されないように、レーザ光を移動させる。

Description

レーザ溶接方法
　本開示は、重ね継手の加工物に対して、渦巻状にレーザ光を照射するレーザ溶接方法に関する。
　レーザ光の照射により加工物を重ね溶接するレーザ溶接方法において、加工物間のギャップ裕度を高めるため、レーザ光を加工物の広範囲に照射して溶融池を広げてギャップを埋めるレーザ溶接方法が多く用いられている。しかし、レーザ光を加工物の広範囲に照射すると、溶融池の内部に気泡が発生し、溶接部分の強度が著しく低下する。そのため、溶融池の内部に発生した気泡を除去する方法が複数、提案されている。
　特許文献１には、溶融池にレーザ光を照射することで、溶融池を攪拌して気泡を除去する方法が記載されている。また、特許文献２には、凝固した溶融金属内の気孔を再溶融によって消失させる方法が記載されている。また、特許文献３には、レーザ照射工程のうち、レーザビームの出力が低い初期、および、レーザビームの出力が高い中期に発生した気泡をレーザビームの出力が低い後期に排出させる方法が記載されている。
特開昭６１－２０２７８８号公報 特開２００５－２４６４４０号公報 特開２００８－１２６２９８号公報
　しかし、従来のレーザ溶接方法は、本来のレーザ溶接工程に加え、気泡を除去する工程を行う。そのため、気泡を除去する工程の分だけ処理時間が長くなる。さらに、従来のレーザ溶接方法では、加工物に対して必要以上の熱量を与えるため、レーザ溶接が有する低入熱による低ひずみといった効果を阻害する。
　そこで、本開示は、レーザ溶接工程における気泡の発生を抑制し、良好な溶接状態が得られるレーザ溶接方法を提供する。
　上記課題を解決するために、本開示のレーザ溶接方法は、第１の工程と、第２の工程とを有する。第１の工程では、第１の加工物と第２の加工物とを、第１の加工領域において重ねる。第２の工程では、第１の加工領域において、第１の加工物および第２の加工物に、渦巻状の軌道で移動させながらレーザ光を照射する。さらに第２の工程では、第１の加工物および第２の加工物がレーザ光の照射によって溶融されて液相部分を形成する。さらに第２の工程では、液相部分にレーザ光が照射されないように、レーザ光を移動させる。
　本開示のレーザ溶接方法によれば、気泡の発生を抑制し、良好な溶接状態が得られる。
図１は、実施の形態に係る、ガルバノスキャナを用いたレーザ溶接システムを示す図である。 図２は、実施の形態に係る、ロボットを用いたレーザ溶接システムを示す図である。 図３は、比較例１のレーザ溶接の結果を示す（ａ）上面の平面図、および、（ｂ）下面の平面図である。 図４は、比較例１のレーザ溶接の原理を示す断面図である。 図５は、比較例１のレーザ溶接の状態を示す（ａ）上面図、および、（ｂ）断面図である。 図６は、比較例２のレーザ溶接の結果を示す（ａ）上面の平面図、および、（ｂ）下面の平面図である。 図７は、比較例２のレーザ溶接の原理を示す断面図である。 図８は、比較例２のレーザ溶接の状態を示す（ａ）上面図、および、（ｂ）断面図である。 図９は、実施例１のレーザ溶接の結果を示す（ａ）上面の平面図、および、（ｂ）下面の平面図である。 図１０は、実施例１のレーザ溶接の原理を示す断面図である。 図１１は、実施例１のレーザ溶接の状態を示す（ａ）上面図、および、（ｂ）断面図である。 図１２は、実施例２のレーザ溶接の状態を示す上面図である。 図１３は、実施例３のレーザ溶接の状態を示す上面図である。 図１４は、実施例４のレーザ溶接の状態を示す上面図である。 図１５は、実施の形態におけるレーザ光の軌道の間隔と溶接不良発生の関係を示す図である。
　（実施の形態）
　図１から図１４を用いて、本実施の形態について説明する。
　先ず、図１と図２を用いて、本実施の形態のレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接システムについて説明する。なお、図１は、本実施の形態に係る、ガルバノスキャナ２を用いたレーザ溶接システム１０である。図２は、本実施の形態に係る、ロボット８を用いたレーザ溶接システム２０である。
　図１において、レーザ溶接システム１０は、レーザ発振器１と、ガルバノスキャナ２と、スキャナ制御装置５とを有している。レーザ発振器１は、レーザ光２３を発生させる。ガルバノスキャナ２は、２つのガルバノミラー３と、２つのガルバノモータ４と、Ｆθレンズ６とを有している。ガルバノミラー３は、レーザ光２３の軌道を２次元に変化させる。２つのガルバノモータ４は、それぞれに接続されたガルバノミラー３を回転する。また、２つのガルバノモータ４は、スキャナ制御装置５により制御される。Ｆθレンズ６は、レーザ光２３を加工物の溶接箇所で結像させる。
　図１に示すように、レーザ溶接システム１０は、上記構成により、ガルバノスキャナ２によって、加工物の溶接箇所へレーザ光２３を照射する。レーザ溶接システム１０は、第１の金属板３０（第１の加工物）と第２の金属板３１（第２の加工物）とを重ねた加工物に、第１の金属板３０の側からレーザ光２３を照射することで、第１の金属板３０と第２の金属板３１とを溶接する。
　図２において、レーザ溶接システム２０は、レーザ発振器１と、溶接ヘッド７と、ロボット８と、ロボット制御装置９とを有している。レーザ発振器１は、レーザ光２３を発生させる。溶接ヘッド７は、レーザ光２３を加工物の溶接箇所で結像させる。ロボット８は、先端に溶接ヘッド７が取り付けられ、溶接ヘッド７を移動させる。ロボット制御装置９は、ロボット８の動作や、溶接ヘッド７の動作を制御する。なお、レーザ光２３の照射位置を加工物上で移動させるときは、ロボット８によって大きな移動を行い、溶接ヘッド７によって小さい移動を行う。
　図２に示すように、レーザ溶接システム２０は、上記構成により、溶接ヘッド７およびロボット８によって、加工物の溶接箇所へレーザ光２３を照射する。レーザ溶接システム２０は、第１の金属板３０と第２の金属板３１とを重ねた加工物に、第１の金属板３０の側からレーザ光２３を照射することで、第１の金属板３０と第２の金属板３１とを溶接する。
　図１に示すレーザ溶接システム１０のＦθレンズ６の前後のどちらかに、さらに回転する複数のプリズムを配し、レーザ光２３の照射位置を変更（移動）しても良い。また、図２に示すレーザ溶接システム２０の溶接ヘッド７内部に、回転する複数のプリズムを配して、レーザ光２３の照射位置を変更（移動）しても良い。プリズムを回転させることによって、レーザ光２３の照射位置を回転移動させることができ、さらに、回転半径を変化させることで、レーザ光２３の照射位置をスパイラル状（渦巻状）に移動させることができる。
　ここで、レーザ溶接方法に関し、レーザ光２３の出力や溶接速度に応じて加工物の溶込み状態が変化する点について、本発明者らが見出した比較例１および２を以下に示す。なお、以下に示す比較例１および２は、図１や図２に示すレーザ溶接システム１０、２０により行うことができる。
　本発明者らは、第１の溶接条件（比較例１）、第２の溶接条件（比較例２）、第３の溶接条件（実施例１）の３つの溶接条件によりスパイラル軌道（渦巻状）のレーザ溶接を行い、溶接結果を観察した。
　なお、第１の溶接条件（比較例１）は、３ｍ／ｍｉｎ未満の比較的低い溶接速度であって、溶融池内に比較的高い出力のレーザ光を照射し、キーホール型のレーザ溶接を行うものである。第２の溶接条件（比較例２）は、３ｍ／ｍｉｎ未満の比較的低い溶接速度であって、溶融池内に比較的低い出力のレーザ光を照射し、熱伝導型のレーザ溶接を行うものである。第３の溶接条件（実施例）は、３ｍ／ｍｉｎ以上の比較的高い溶接速度であって、溶融池の外側であり溶融池の前方に比較的高い出力のレーザ光を照射し、キーホール型のレーザ溶接を行うものである。
　（比較例１）
　まず、比較例１について、図３～図５を用いて説明する。図３は、本比較例のレーザ溶接の結果を示す（ａ）上面の平面図、および、（ｂ）下面の平面図である。図４は、本比較例のレーザ溶接の原理を示す断面図である。図５は、本比較例のレーザ溶接の状態を示す（ａ）上面図、および、（ｂ）断面図である。
　図３は、重ねた加工物に対して、円形の加工領域に、第１の溶接条件によりスパイラル軌道のレーザ溶接を行った場合の、加工物の上面と下面の溶接状態（加工結果）を示す（ａ）上面の平面図および（ｂ）下面の平面図である。なお、上面とは、レーザ光が照射される側の面であり、例えば、図１であれば、第１の金属板３０におけるガルバノスキャナ２側の面であり、図２であれば、第１の金属板３０における溶接ヘッド７側の面である。
　図３の（ａ）と（ｂ）に示すように、第１の溶接条件でレーザ溶接を行った場合、最終凝固点で気泡が破裂し、加工物の上面と下面の両方に穴が開いている。
　次に、図４および図５を用いて、比較例１のレーザ溶接の原理について、検討する。
　第１の溶接条件は、溶融池にレーザ光２３を照射するキーホール型のレーザ溶接である。図４に示すように、本比較例のレーザ溶接では、キーホール２１が発生する。これにより、加工物へのエネルギー吸収率が高く、十分な溶込み量が得られる。しかし、溶接速度が３ｍ／ｍｉｎより低く、比較的遅いため、レーザ光２３は、溶接方向２４の前方であるキーホール２１の前壁２５（太い実線部分）の第１の金属板３０や第２の金属板３１を溶融した上に、さらに気化させてしまう。これにより、キーホール２１の前壁２５から金属蒸気２６が多量に発生する。金属蒸気２６は、溶接方向２４の後方に形成される溶融池２２のキーホール２１の後壁２７（太い点線部分）から溶融池２２内に進入し、気泡２８となる。そしてこの気泡２８が、再凝固層２９内にポロシティとして残留する。
　次に、図５の（ａ）および（ｂ）を用いてさらに気泡２８の挙動について説明する。図５の（ｂ）は、図５の（ａ）の５ｂ－５ｂにおける断面図である。図５の（ａ）に示すように、第１の溶接条件によりスパイラル状にレーザ光２３を加工物に照射する。開始点５２からレーザ光２３の照射を開始し、太線で示す軌道５１に沿ってレーザ光２３を移動させ、終了点５３でレーザ光２３の照射を終了する。なお、軌道５１は、円弧を描きながら、レーザ溶接の開始点５２から徐々に離れるように終了点５３まで連続的に変化する。
　第１の溶接条件によるレーザ溶接は、キーホール型のレーザ溶接であるため、第１の金属板３０と第２の金属板３１の両方とも十分な溶込みが得られ、溶融池２２（融液）によって、図４に示す、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間のギャップ３２を埋めることができる。しかし、溶融池２２の内部に発生した気泡２８が凝固する際、図５の（ａ）および（ｂ）に示すように、気泡２８が最終凝固点となる溶融池２２の中心の表面付近（上面および下面）に集まる。そのため、加工物の溶接結果としては、溶融池２２の中心が気泡２８により空洞化され、表面が膨らんで凝固する、もしくは、集まった気泡２８が破裂することで表面に穴３３（くぼみ）が生じる。気泡２８による空洞や穴３３によって、第１の金属板３０と第２の金属板３１との接合面積が小さくなり、十分な接合強度を得ることができない。
　（比較例２）
　次に、比較例２について、図６～図８を用いて説明する。図６は、本比較例のレーザ溶接の結果を示す（ａ）上面の平面図、および、（ｂ）下面の平面図である。図７は、本比較例のレーザ溶接の原理を示す断面図である。図８は、本比較例のレーザ溶接の状態を示す（ａ）上面図、および、（ｂ）断面図である。なお、図３～５と同じ構成については同様の符号を用い、説明を省略する。
　図６は、重ねた加工物に対して、円形の加工領域に、第２の溶接条件によりスパイラル軌道のレーザ溶接を行った場合の、加工物の上面と下面の溶接状態（加工結果）を示す（ａ）上面の平面図および（ｂ）下面の平面図である。
　図６の（ａ）と（ｂ）に示すように、第２の溶接条件でレーザ溶接を行った場合、加工物の上面は溶融しているが、下面の溶融が不十分である。
　次に、図７および図８を用いて、比較例２のレーザ溶接の原理について、検討する。
　第２の溶接条件は、溶融池にレーザ光２３を照射する熱伝導型のレーザ溶接である。図７に示すように、本変形例のレーザ溶接は、レーザ光２３のパワー密度が低く、深いキーホールができないため、気泡２８は発生しない。しかし、深いキーホールが無いため、加工物へのエネルギー吸収率が低く、十分な溶込み量が得られない。
　次に、図８の（ａ）および（ｂ）を用いて具体的に説明する。図８の（ｂ）は、図８の（ａ）の８ｂ－８ｂにおける断面図である。図８の（ａ）に示すように、第２の溶接条件によりスパイラル状にレーザ光２３を加工物に照射する。開始点５２からレーザ光２３の照射を開始し、太線で示す軌道５１に沿ってレーザ光２３を移動させ、終了点５３でレーザ光２３の照射を終了する。
　第２の溶接条件によるレーザ溶接は、熱伝導型のレーザ溶接であるため、レーザ光２３が照射される側である上側に位置する第１の金属板３０は溶けるが、下側に位置する第２の金属板３１の溶融は不十分であり、溶込み形状は御椀型となる。従って、図７に示す、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間のギャップ３２を埋めることができず、第１の金属板３０と第２の金属板３１との接合面積が小さいため、十分な接合強度を得ることができない。
　（実施例１）
　次に、比較例１および２に対して、本開示を実施するための実施例１について、図９～１１を用いて説明する。図９は、本実施例のレーザ溶接の結果を示す（ａ）上面の平面図、および、（ｂ）下面の平面図である。図１０は、本実施例のレーザ溶接の原理を示す断面図である。図１１は、本実施例のレーザ溶接の状態を示す（ａ）上面図、および、（ｂ）断面図である。なお、図３～５と同じ構成については同様の符号を用い、説明を省略する場合がある。
　図９は、重ねた加工物に対して、第３の溶接条件によりスパイラル軌道のレーザ溶接を行った場合の、加工物の上面と下面の溶接状態（加工結果）を示す（ａ）上面の平面図および（ｂ）下面の平面図である。
　図９の（ａ）と（ｂ）に示すように、第３の溶接条件でレーザ溶接を行った場合、加工物の上面および下面は溶融し、かつ、穴や空洞も見られず、良好な溶接結果となる。
　次に、図１０および図１１を用いて、本実施例のレーザ溶接の原理について、検討するとともに、本実施例のレーザ溶接方法について説明する。
　第３の溶接条件は、溶融池２２の外側であり溶融池２２の前方にレーザ光２３を照射するキーホール型のレーザ溶接である。まず、第１の金属板３０（第１の加工物）と第２の金属板３１（第２の加工物）とを加工領域（第１の加工領域）が重なるように重ね合わせて加工物を準備する（第１の工程）。このとき、加工領域において、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間にギャップ３２が形成される。ただし、このギャップ３２は必ずしも形成されるわけではない。また、本実施例では加工領域は円形であるが、これに限らず、三角形や四角形などの多角形であっても構わない。
　次に、加工物の加工領域にレーザ光２３を照射し、第１の金属板３０と第２の金属板３１とをレーザ溶接で接合する。このとき、レーザ光２３を加工領域内でスパイラル状（渦巻状）に移動させる（第２の工程）。図１０に示すように、本実施例のレーザ溶接では、キーホール２１が発生する。これにより、加工物へのエネルギー吸収率が高く、十分な溶込み量が得られる。そして、溶接速度は３ｍ／ｍｉｎ以上と比較的速く、溶融池２２の外部であり溶融池２２（液相部分）の前方である未溶融部分３４（固相部分）にレーザ光２３が照射される。すなわち、レーザ光２３は、溶接方向２４の前方であるキーホール２１の前壁２５（太い実線部）の第１の金属板３０および第２の金属板３１を溶融するだけで、溶融金属の気化が抑制される。言い換えると、レーザ光２３は未溶融部分３４に向かって移動し、溶融池２２にレーザ光２３を照射しないように移動する。これにより、金属蒸気２６の発生が抑制され、溶接方向２４の後方に形成される溶融池２２のキーホール２１の後壁２７（太い点線部）から金属蒸気２６が溶融池２２に進入することもない。よって、溶融池２２が冷却されて固まった再凝固層２９内にもポロシティは存在しない。
　次に、図１０、図１１の（ａ）および（ｂ）を用いてさらに本実施例の原理およびレーザ溶接工程について具体的に説明する。図１１の（ｂ）は、図１１の（ａ）の１１ｂ－１１ｂにおける断面図である。図１１の（ａ）に示すように、第３の溶接条件によりスパイラル状にレーザ光２３を加工物に照射する。具体的には、図１０に示すように、第１の金属板３０の上方から、第１の金属板３０および第２の金属板３１の未溶融部分３４にレーザ光２３を照射する。図１１の（ａ）に示すように、開始点５２からレーザ光２３の照射を開始し、太線で示す軌道５１に沿ってレーザ光２３を移動させ、終了点５３でレーザ光２３の照射を終了する。開始点５２は、例えば、加工領域の中心である。そして、再凝固層２９が加工領域とほぼ一致した領域に形成され、加工領域の周辺には、未溶融部分３４が存在する。開始点５２は軌道５１の内側の端部であり、終了点５３は軌道５１の外側の端部である。
　第３の溶接条件によるレーザ溶接は、キーホール型のレーザ溶接であるため、第１の金属板３０と第２の金属板３１の両方とも十分な溶込みが得られる。また、図１０に示すように、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間のギャップ３２が存在すれば、ギャップ３２を溶融池２２の溶融金属で埋めることができる。また、溶融池２２の内部に気泡２８が発生しないため、溶融池２２の中心の表面（加工物の上面および下面）付近に空洞や穴が発生しない。従って、第１の金属板３０と第２の金属板３１との接合面積が広く、十分な接合強度が得られる。
　比較例１、２および実施例１のような溶接条件と溶接結果から、本発明者らは、良好な溶接状態が得られる溶接条件として、第３の溶接条件が好ましいことを見出した。第３の溶接条件では、常に、レーザ光２３を、溶融池２２ではなく金属板（加工物）の未溶融部分３４に、キーホール型のレーザ溶接となるパワー密度でレーザ光２３を照射する。これにより、再凝固層２９内に空洞または穴３３を生じない。本開示は、この様なレーザ光のエネルギーとレーザ照射位置と溶接速度との関係を利用して成されたものである。なお、上記レーザ光２３のパワー密度は、レーザ光２３のエネルギーとレーザ光２３のビーム径の組合せで決まる。
　さらに、実施例１のレーザ溶接方法について、具体的な溶接条件を挙げて説明する。実施例１のレーザ溶接方法は、例えば、図１や図２に示すレーザ溶接システムにより行うことができる。
　本実施例のレーザ溶接方法は、板厚ｔが０．８ｍｍの軟鋼である第１の金属板３０と第２の金属板３１とを重ねた加工物に対して、第１の金属板３０の側からスパイラル状にレーザ光２３を照射して溶接を行う。レーザ光２３の加工物上におけるビームの直径（以下、ビーム径とする）は、０．５～０．７ｍｍである。ここで、レーザ光２３の移動方向は、レーザ光２３の照射によって形成された溶融池２２である液相部分ではなく、未溶融部分３４である固相部分に向かって行われる。これにより、溶融池２２の溶融金属の気化を抑制できる。このとき、特に、レーザ光２３の加工物上におけるビーム径が重要となる。少なくとも、加工物の同じ箇所にレーザ光２３が照射されないように、レーザ光２３の軌道５１の間隔は、レーザ光２３のビーム径以上であることが好ましい。これにより、１度、レーザ光２３を照射したことによって形成された溶融金属に再度、レーザ光２３を照射することがない。また、レーザ光２３の軌道５１の間隔は、レーザ光２３のビーム径の２倍以下であることが好ましい。これにより、レーザ光２３が照射されない領域も余熱で溶融させることができ、加工領域の加工物を溶融し損なうことがない。
　さらに、レーザ光２３を、スパイラル状に高速で移動させながら、照射してレーザ溶接を行う。本実施例では、例えば、３ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度で行うことが好ましい。この溶接速度により、第１の金属板３０および第２の金属板３１の両方を十分に溶融でき、かつ、溶融金属を気化させる前にレーザ光２３を移動させることができる。なお、溶接速度であるレーザ光２３の移動速度と、レーザ光２３のエネルギーとは比例した関係であることが好ましい。これにより、単位距離に供給される熱量が一定となる。そして、本実施例では、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間にギャップ３２がある場合も、ギャップ３２を溶融池２２（融液）で満たすことができ、ギャップ３２の裕度を高めることができる。
　ここで、重ね合わせた第１の金属板３０と第２の金属板３１との間にギャップ３２について説明する。第１の金属板３０と第２の金属板３１との間にギャップ３２が存在すると、ギャップ３２が存在しない場合と比べ、第１の金属板３０から第２の金属板３１への熱伝導が減少し、第１の金属板３０が溶け易くなる。これは、比較例１のように、第１の金属板３０の溶融金属から金属蒸気２６を発生しやすい状態である。そのため、ギャップ３２が存在する場合の溶接速度は、ギャップ３２が存在しない場合の溶接速度よりも速くし、ギャップ３２が存在する場合のレーザ光２３の出力は、ギャップ３２が存在しない場合のレーザ光２３の出力よりも高くすることが好ましい。前述した加工物を準備する工程は、第１の金属板３０（第１の加工物）と第２の金属板３１（第２の加工物）とを、加工領域（第１の加工領域）においてギャップが形成されるように重ねる工程を第１の工程とする。また、第１の金属板３０（第３の加工物）と第２の金属板３１（第４の加工物）とを、加工領域（第２の加工領域）においてギャップが形成されないように、すなわち、接触させて重ねる工程を第３の工程とする。そして、第１の工程によって準備された加工物にレーザ照射を行う工程を第２の工程とし、第３の工程によって準備された加工物にレーザ照射を行う工程を第４の工程とする。
　このようにすることで、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間にギャップ３２が存在する場合でも、ギャップ３２が存在しない場合と同様に、良好なレーザ溶接ができる。なお、第１の金属板３０と第２の金属板３１との間にギャップ３２が存在する場合とギャップ３２が存在しない場合の溶接条件は、例えば、実験等により予め求めておけば良い。
　（実施例２）
　次に、本開示を実施するための実施例２について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施例のレーザ溶接の状態を示す上面図である。なお、図１１の（ａ）と同じ構成については同様の符号を用い、説明を省略する。
　レーザ光２３のスパイラル状の軌道５１は、隣り合う軌道５１の間隔が等間隔であれば、溶融池２２の中心に近い部分程、温度が高くなる。そのため、溶融池２２が広がり易くなり、レーザ光２３が溶融池２２に照射され易い状態になる。これを避けるため、本実施例のレーザ溶接方法は、図１３に示すように、内側から外側に向かってスパイラル状にレーザ光２３を照射して溶接を行う場合、レーザ光２３のスパイラル状の照射を行う照射開始位置を、第２の開始点５４とする。第２の開始点５４は、実施例１における開始点５２（加工領域の中心）よりも外側に離れた位置にする。なお、第２の開始点５４の位置は、例えば、加工領域の中心からレーザ光２３のビーム径の半分（ビーム径の半径）よりも離れた位置である。なお、レーザ光２３を照射しない加工領域の中心付近は、周囲の溶融池２２からの余熱により溶融される。
　（実施例３）
　次に、本開示を実施するための実施例３について、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施例のレーザ溶接の状態を示す上面図である。なお、図１１の（ａ）と同じ構成については同様の符号を用い、説明を省略する。
　レーザ光２３のスパイラル状の軌道５１は、隣り合う軌道５１の間隔が等間隔であれば、溶融池２２の中心に近い部分程、温度が高くなる。そのため、溶融池２２が広がり易くなり、レーザ光２３が溶融池２２に照射され易い状態になる。これを避けるため、本実施例のレーザ溶接方法は、図１３に示すように、スパイラル状の外側になるほど、隣り合う軌道５１の間隔が広くなるように、レーザ光２３を加工物に照射する。このように、加工領域の外側に行くにつれて、レーザ光２３の軌道５１が溶融池２２にかからないように、内側の軌道５１との間隔を広げながらスパイラル状にレーザ光２３を照射する。なお、隣接するレーザ光２３の軌道５１同士の間隔を広げたことによる未溶融部分３４の溶融は、余熱により行われる。また、レーザ光２３の軌道５１が重複することによりレーザ光２３が溶融池２２を通過してしまうことを防ぐため、隣接するレーザ光２３の軌道５１同士の間隔よりもレーザ光２３のビーム径が小さくなるようにしている。
　（実施例４）
　次に、本開示を実施するための実施例４について、図１４を用いて説明する。図１４は、本実施例のレーザ溶接の状態を示す上面図である。なお、図１１の（ａ）と同じ構成については同様の符号を用い、説明を省略する。
　レーザ光２３のスパイラル状の軌道５１は、隣り合う軌道５１の間隔が等間隔であれば、溶融池２２の中心に近い部分程、温度が高くなる。そのため、溶融池２２が広がり易くなり、レーザ光２３が溶融池２２に照射され易い状態になる。これを避けるため、本実施例のレーザ溶接方法は、図１４に示すように、スパイラル状のレーザ光２３の照射開始位置を開始点５２とし、終了位置を終了点５３とする。すなわち、外側から内側へ向かってスパイラル状にレーザ光２３を加工物に照射してレーザ溶接を行う。なお、開始点５２は、スパイラル状のレーザ光２３照射する加工領域の外側付近である。このように、熱伝導による放熱が良好である加工領域の外縁部からレーザ溶接を開始し、加工領域の中心に向かって溶接を行うことで、レーザ溶接の開始時に、レーザ光２３が照射された部分に熱がこもって高温になることを抑制することができる。すなわち、熱伝導によってレーザ光２３が照射されていない部分が過剰に溶融されることを防止できる。なお、実施例１～３において、スパイラル状のレーザ光２３の移動方向を内側から外側としたが、外側から内側としても構わない。
　以上の実施例１～４のように、本実施の形態のレーザ溶接方法は、レーザ光２３を加工物の未溶融部分へ照射するものである。従って、加工物の板厚によらず、良好な溶接状態を得ることができる。なお、レーザ光２３を加工物の未溶融部分へ照射するためのスパイラル状の軌道は、例えば、実験等により予め決めておけば良い。
　また、本実施の形態のレーザ溶接方法は、レーザ光２３のスパイラル状の軌道５１は、隣り合う軌道５１の間隔が等間隔であれば、溶融池２２の中心に近い部分程、温度が高くなる。そのため、溶融池２２が広がり易くなり、レーザ光２３が溶融池２２内に照射され易い状態になる。よって、実施例１～４では、スパイラル状の軌道５１の外側になるほど、溶接速度が高くなるようにレーザ光２３を照射することが好ましい。溶接速度を速めたことによる未溶融部分の溶融は、余熱により行われる。また、実施例１～４では、スパイラル状の外側になるほど、レーザ光２３の出力が低くなるようにレーザ光２３を照射することが好ましい。レーザ光２３の出力を低くしたことによる未溶融部分の溶融は、余熱により行われる。
　以上のように、本実施の形態のレーザ溶接方法は、上下に重ねられた２枚以上の金属板をレーザ光２３によりレーザ溶接すると共に、レーザ溶接時に、主にキーホール後壁から発生する気泡を抑制する。そのため、本実施の形態のレーザ溶接方法は、常に、加工物の固相部分にレーザ光２３を照射して、加工物をレーザ溶接する。また、レーザ溶接時のレーザ光の出力は、キーホール型のレーザ溶接になるように設定する。また、レーザ溶接時の溶接速度は、拡大する溶融池２２にレーザ光２３が再度照射されることがないように設定する。
　このような本実施の形態のレーザ溶接方法によれば、板厚に拘らず、常に良好な溶接状態を得ることができる。
　また、本実施の形態において、スパイラル状の軌道でレーザ光２３を照射する場合の隣り合う軌道５１同士の間隔は、レーザ光２３のビーム径以上でありレーザ光２３のビーム径の２倍以下であることが望ましい。その理由を以下に示す。
　図１５に、本発明者らが行った実験結果を示す。図１５は、レーザ光２３の隣り合う軌道５１の間隔と溶接不良（窪み／空洞により生じた突起）発生の関係を示す図である。板厚ｔが０．８ｍｍの軟鋼の重ね溶接において、ビーム径が０．５～０．７ｍｍのレーザ光２３をスパイラル状の軌道で照射し、異なる軌道間隔でレーザ溶接した結果である。レーザ光２３の強度分布は、ビーム径付近でトップハット型（Ｔｏｐ　Ｈａｔ　Ｔｙｐｅ）である。レーザ溶接痕の径は、約６√ｔに相当する５．４ｍｍとした。
　溶接速度３ｍ／ｍｉｎで、レーザ出力は常に貫通溶接となるよう１．５～３．０ｋＷの間で調整して溶接を行った。その結果、軌道間隔を照射径で除した値が、１倍から２倍の範囲において、良好なレーザ溶接痕が得られた。
　但し、レーザ光２３の強度分布がトップハット型ではなく、ガウス型の場合は、レーザ光のビーム径の外縁部は溶接に寄与しないため、ビーム径以下の軌道間隔でも（上記倍率が１倍以下）良好なレーザ溶接痕を得ることができる。
　また、本実施の形態のレーザ溶接方法は、加工物の上面と下面のレーザ溶接痕が、線状ではなく、面状となるように溶接を行うものである。
　また、本実施の形態のレーザ溶接方法は、レーザ溶接中に熱影響の考慮が必要になる寸法のレーザ溶接痕を対象としている。例えば、重ね溶接する板厚の合計の半分をＴとした場合、レーザ溶接痕の直径は、６√Ｔ以下である。
　ここで、さまざまな板厚の金属板を重ね溶接する場合の、各パラメータについて例示する。なお、レーザ溶接において板厚によって、溶け落ちしない限界のレーザ光の出力と、十分な接合強度を得るための加工領域の広さが決められている。なお、レーザ光のビーム径の直径は０．５ｍｍ～０．７ｍｍである。
　例えば、鉄であり、板厚が０．６ｍｍの加工物であれば、レーザ光の出力は２．８０ｋＷが好ましく、加工領域の半径は１．５５ｍｍが好ましい。この条件では、回転速度（溶接速度）は１０．０ｍ／ｍｉｎで、スパイラルの回転数は２回で行うことが好ましい。
　また、例えば、鉄であり、板厚が０．８ｍｍの加工物であれば、レーザ光の出力は３．３０ｋＷが好ましく、加工領域の半径は１．７９ｍｍが好ましい。この条件では、回転速度は８．７ｍ／ｍｉｎで、スパイラルの回転数は２回で行うことが好ましい。
　また、例えば、鉄であり、板厚が１．０ｍｍの加工物であれば、レーザ光の出力は３．５５ｋＷが好ましく、加工領域の半径は２．００ｍｍが好ましい。この条件では、回転速度は７．４ｍ／ｍｉｎで、スパイラルの回転数は３回で行うことが好ましい。
　また、例えば、鉄であり、板厚が１．２ｍｍの加工物であれば、レーザ光の出力は３．６５ｋＷが好ましく、加工領域の半径は２．１９ｍｍが好ましい。この条件では、回転速度は６．３ｍ／ｍｉｎで、スパイラルの回転数は３回で行うことが好ましい。
　また、例えば、鉄であり、板厚が１．６ｍｍの加工物であれば、レーザ光の出力は３．６５ｋＷが好ましく、加工領域の半径は２．５３ｍｍが好ましい。この条件では、回転速度は４．４ｍ／ｍｉｎで、スパイラルの回転数は４回で行うことが好ましい。
　このように、板厚が厚くなるほど、必要とされるレーザ光の出力は大きくなるが、レーザ発振器にも限界があるため、溶接速度によって、調節することが可能である。また、本開示の効果を発揮するためには、溶接速度は３ｍ／ｍｉｎ以上である。さらに、板厚が厚くなるほど、十分な接合強度を得るために加工領域の半径は大きいほうが好ましく、また、加工領域の半径が大きくなるほど、スパイラルの回転数は多くなる。
　なお、本実施の形態では、金属板を２枚重ねてレーザ溶接を行う例を示したが、金属板を３枚以上重ねてレーザ溶接を行う際にも適用することができる。
　また、スパイラルの形状は、円弧状以外にも四角や三角等の多角形状や、一部途切れた不連続な円弧状など、種々の形状とすることができる。
　また、スパイラル状のレーザ光２３の照射は、加工領域の中心または内側から外側へ向かって行うようにしても良いし、加工領域の外側から中心または内側へ向かって行うようにしても良い。
　また、本実施の形態では、良好な溶接結果を得るため、レーザ光２３の溶接速度や、レーザ光２３の回転間隔や、レーザ光２３の出力等を適切にする例を示した。なお、これらの対応は、これら全て、あるいは、全ての内から複数を選択する等、適宜組み合わせて実施するようにしても良い。
　本開示によれば、気泡の発生を抑制して良好な溶接状態を実現でき、加工物を重ねてレーザ溶接を行うレーザ溶接方法として産業上有用である。
１　レーザ発振器
２　ガルバノスキャナ
３　ガルバノミラー
４　ガルバノモータ
５　スキャナ制御装置
６　Ｆθレンズ
７　溶接ヘッド
８　ロボット
９　ロボット制御装置
１０　レーザ溶接システム
２０　レーザ溶接システム
２１　キーホール
２２　溶融池
２３　レーザ光
２４　溶接方向
２５　前壁
２６　金属蒸気
２８　気泡
２９　再凝固層
３０　第１の金属板
３１　第２の金属板
３２　ギャップ
３３　穴
３４　未溶融部分
５１　軌道
５２　開始点
５３　終了点
５４　第２の開始点

Claims (10)

  1. 　第１の加工物と第２の加工物とを、第１の加工領域において重ねる第１の工程と、
    　前記第１の加工領域において、前記第１の加工物および前記第２の加工物に、渦巻状の軌道で移動させながらレーザ光を照射する第２の工程とを備え、
    　前記第２の工程では、
    　　前記第１の加工物および前記第２の加工物が前記レーザ光の照射によって溶融されて液相部分を形成し、
    　　前記液相部分に前記レーザ光が照射されないように、前記レーザ光を移動させるレーザ溶接方法。
  2. 　前記渦巻状の軌道は、径方向に隣り合う軌道の間隔が前記レーザ光のビーム径以上であり前記レーザ光の前記ビーム径の２倍以下である請求項１に記載のレーザ溶接方法。
  3. 　前記渦巻状の軌道の内側の端部は、前記第１の加工領域の中心とは異なる　請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
  4. 　前記渦巻状の軌道の内側の端部と前記第１の加工領域の中心との距離は、前記レーザ光の照射径の半径よりも大きい請求項３に記載のレーザ溶接方法。
  5. 　前記渦巻状の軌道は、外側になるほど径方向に隣り合う軌道の間隔が長くなる請求項１～４のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
  6. 　前記第２の工程において、前記レーザ光の移動速度は、前記渦巻状の軌道の外側になるほど速くなる請求項１～５のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
  7. 　前記レーザ光の出力は、前記渦巻状の軌道の外側になるほど低くなる　請求項１～６のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
  8. 　前記第２の工程において、前記レーザ光は前記渦巻状の軌道の内側から外側に向かって移動する請求項１～７のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
  9. 　前記第２の工程において、前記レーザ光は前記渦巻状の軌道の外側から内側に向かって移動する請求項１～７のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
  10. 　第３の加工物と第４の加工物とを、第２の加工領域において重ねる第３の工程と、
    　前記第２の加工領域において、前記第３の加工物および前記第４の加工物に、渦巻状の軌道で移動させながらレーザ光を照射する第４の工程とを備え、
    　前記第４の工程では、
    　　前記第３の加工物および前記第４の加工物が前記レーザ光の照射によって溶融されて液相部分を形成し、
    　　前記液相部分に前記レーザ光が再度照射されないように、前記レーザ光を移動させ、
    　前記第１の加工領域において、前記第１の加工物と前記第２の加工物との間にギャップが存在し、
    　前記第２の加工領域において、前記第３の加工物と前記第４の加工物とは接触しており、
    　前記第２の工程における前記レーザ光の第１の移動速度は、前記第４の工程における前記レーザ光の第２の移動速度よりも速く、
    　前記第２の工程における前記レーザ光の第１の出力は、前記第４の工程における前記レーザ光の第２の出力よりも高い請求項１～５のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
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