WO2015129248A1 - レーザ溶接方法 - Google Patents

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WO2015129248A1 PCT/JP2015/000894 JP2015000894W WO2015129248A1 WO 2015129248 A1 WO2015129248 A1 WO 2015129248A1 JP 2015000894 W JP2015000894 W JP 2015000894W WO 2015129248 A1 WO2015129248 A1 WO 2015129248A1
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laser
laser beam
welding
laser light
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範幸 松岡
康士 向井
篤寛 川本
潤司 藤原
中川　龍幸
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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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Definitions

  • the present disclosure relates to a laser welding method for irradiating a workpiece while scanning a laser beam in a spiral shape.
  • Laser welding involves irradiating the workpiece of the two workpieces to be joined with laser light to melt and join the workpiece of the irradiated portion with the energy of the laser beam. Since laser welding does not make physical contact with the workpiece, welding can be performed at high speed. In addition, since laser welding has a high energy density of laser light, it is possible to perform welding while keeping the influence of heat within a narrow range of a workpiece.
  • the width of the bead that becomes the welded area is narrow. For this reason, the tolerance of the target of the laser beam is narrow, and the accuracy of the irradiated portion of the laser beam on the workpiece is required. When the accuracy of the laser beam irradiation part on the workpiece is poor, fusion failure due to the aim of the laser beam is likely to occur. In order to cope with this, the following method is known.
  • Patent Document 1 describes a laser welding method in which a V-shaped groove is formed in advance on a workpiece, and laser light is irradiated on the V-shaped groove.
  • Patent Document 2 describes a laser welding method for scanning a laser beam in a spiral shape.
  • Patent Document 3 describes a laser welding method in which laser light is rotationally scanned so as to draw a circular or elliptical locus.
  • the laser welding method includes a step of irradiating a laser beam in a spiral shape along a welded portion of a workpiece.
  • the spiral shape is a combination of a circular orbit that moves the laser light in a circular shape and a moving orbit that moves the laser light in the direction of travel along the welding location.
  • the first energy of the laser light that moves so as to have a component in the traveling direction in the circular orbit is more than the second energy of the laser light that moves so as to have a component in the direction opposite to the traveling direction in the circular orbit. large.
  • the laser welding method includes a step of irradiating a laser beam in a spiral shape along a welded portion of a workpiece.
  • the spiral shape is a combination of a circular orbit that moves the laser light in a circular shape and a moving orbit that moves the laser light in the direction of travel along the welding location.
  • the third energy of the laser light in the traveling direction in the circular orbit is larger than the fourth energy of the laser light in the direction opposite to the traveling direction in the circular orbit.
  • a laser welding method includes a step of irradiating a laser beam in a spiral shape along a welding portion of a workpiece.
  • the spiral shape is a combination of a circular orbit that moves the laser light in a circular shape and a moving orbit that moves the laser light in the direction of travel along the welding location.
  • the third energy of the laser light in the traveling direction in the circular orbit is smaller than the fourth energy of the laser light in the direction opposite to the traveling direction in the circular orbit.
  • the work piece is melted evenly to the left and right with respect to the center line of the region irradiated with the laser beam. Therefore, the tolerance of any target for irradiating the laser light is equal to the left and right. Moreover, since the way of melting the workpiece is equal to the left and right, the workpiece can be prevented from being melted.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the laser welding apparatus in the first to fifth embodiments.
  • FIG. 2 is a diagram showing a locus in which laser light is irradiated spirally in the first to fifth embodiments.
  • FIG. 3 is a diagram showing energy in the circular orbit of the laser light in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser light changes in a rectangular shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser light changes in a trapezoidal shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the first embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the laser welding apparatus in the first to fifth embodiments.
  • FIG. 2 is a diagram showing a locus in which laser light is irradiated spirally in the first to fifth embodiments.
  • FIG. 3 is a diagram showing energy in the circular orbit of the laser light in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser light changes in a mountain shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser light is a combination of a pulse wave and a continuous wave with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a graph showing a waveform in which the pulse duty ratio changes with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the energy of the laser light in the first embodiment.
  • FIG. 9 is a graph showing a waveform in which the rotation speed of the laser light changes in a rectangular shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the first embodiment.
  • FIG. 10 is a graph showing a waveform in which the rotation speed of the laser light changes in a trapezoidal shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the first embodiment.
  • FIG. 11 is a graph showing a waveform in which the rotation speed of the laser light 8 changes in a mountain shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the first embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing energy in the circular orbit of the laser light in the second embodiment.
  • FIG. 13 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser light changes in a rectangular shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the second embodiment.
  • FIG. 14 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser light changes in a trapezoidal shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the second embodiment.
  • FIG. 15 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser light changes in a mountain shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the second embodiment.
  • FIG. 16 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser light is a combination of a pulse wave and a continuous wave with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the second embodiment.
  • FIG. 17 is a graph showing a waveform in which the pulse duty ratio changes with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the energy of the laser light in the second embodiment.
  • FIG. 18 is a graph showing a waveform in which the rotation speed of the laser light changes in a rectangular shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the second embodiment.
  • FIG. 19 is a graph showing a waveform in which the rotation speed of the laser light changes in a trapezoidal shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the second embodiment.
  • FIG. 20 is a graph showing a waveform in which the rotation speed of the laser light changes in a mountain shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ in the second embodiment.
  • FIG. 21 is a diagram showing a locus in which laser light is irradiated spirally in the first to fifth embodiments.
  • FIG. 22 is a diagram showing energy in a circular orbit of the laser light in the third embodiment.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating energy in a circular orbit of laser light in the fourth embodiment.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating energy in a circular orbit of laser light in the fifth embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser welding apparatus 1 in the present embodiment.
  • a laser welding apparatus 1 includes a control unit 2, a laser oscillator 3, an optical fiber 4, a laser irradiation head 5, and a robot 6.
  • control unit 2 is connected to the laser oscillator 3, the laser irradiation head 5, and the robot 6, and controls the operations of the laser oscillator 3, the laser irradiation head 5, and the robot 6.
  • the control unit 2 includes an output switching unit 7 that switches the energy of the laser beam output from the laser oscillator 3.
  • the laser oscillator 3 outputs a laser beam 8 based on a command from the control unit 2.
  • the optical fiber 4 is connected to the laser oscillator 3 and the laser irradiation head 5, and transmits the laser light 8 from the laser oscillator 3 to the laser irradiation head 5.
  • the laser irradiation head 5 is attached to the tip of the arm of the robot 6 and irradiates the workpiece 9 with laser light 8 based on a command from the control unit 2.
  • the robot 6 moves the laser irradiation head 5 based on a command from the control unit 2.
  • the laser beam 8 output from the laser oscillator 3 enters the laser irradiation head 5 through the optical fiber 4.
  • the laser irradiation head 5 condenses the laser beam 8 by a lens (not shown) provided inside and irradiates the workpiece 9. Further, the laser irradiation head 5 can rotate and move the laser light 8 so as to form a circular orbit by rotating a prism (not shown) provided therein.
  • the laser irradiation head 5 is moved by the robot 6. Thereby, in the welding area
  • the control unit 2 simultaneously controls the laser oscillator 3, the laser irradiation head 5, and the robot 6, so that the irradiation position of the laser light 8 can be moved spirally on the workpiece 9.
  • the irradiation position of the laser beam 8 is moved by the laser irradiation head 5 and the robot 6.
  • the present embodiment can be used even if a galvano scanner or the like is used.
  • the disclosed laser welding method can be performed.
  • FIG. 2 is a diagram showing a locus in which the laser beam 8 is spirally irradiated in the present embodiment.
  • the laser irradiation head 5 of the laser welding apparatus 1 can move the laser beam 8 in a circular shape. That is, the laser beam 8 can be moved to draw a “circular orbit”.
  • the laser beam 8 is moved in a circular shape with a radius R, and is moved clockwise (clockwise).
  • the circular moving speed of the laser beam 8 is r (m / min).
  • the robot 6 of the laser welding apparatus 1 can move the laser beam 8 along a welding location in a straight line or a curved line. That is, the laser beam 8 can be set in the welding progress direction so as to draw a “moving trajectory”. In FIG. 2, the irradiation position of the laser beam 8 is moved upward along the linear center line 21. The linear moving speed of the laser beam 8 is assumed to be v (m / min).
  • the irradiation position of the laser beam 8 can be moved spirally as shown in FIG.
  • the region irradiated with the laser beam 8 is between the left boundary line 22 on the left side in the traveling direction and the right boundary line 23 on the right side in the traveling direction.
  • the irradiation position of the laser light 8 (hereinafter simply referred to as the irradiation position) proceeds in the welding progress direction while drawing a semicircle by a circular orbit. That is, the drawn locus becomes an elliptical arc obtained by extending a circular orbit having a radius R in the welding progress direction.
  • the speed of the irradiation position on the left boundary line 22 is v + r (m / min) obtained by adding a circular moving speed to a linear moving speed.
  • the circular movement speed r includes a component in the same direction as the linear movement speed v.
  • the irradiation position returns to the direction opposite to the welding progress direction while drawing a semicircle by a circular orbit. That is, the drawn locus is an elliptical arc obtained by reducing a circular orbit having a radius R in the welding progress direction.
  • the speed of the irradiation position on the right boundary line 23 is vr (m / min) obtained by subtracting the circular movement speed from the linear movement speed.
  • the circular movement speed r includes a component in the direction opposite to the linear movement speed v.
  • the trajectory of the irradiation position becomes a large elliptical arc, and the workpiece by the laser beam 8 is deformed.
  • the molten pool is easy to cool.
  • the trajectory of the irradiation position becomes a small elliptical arc, and heat by the laser beam 8 is likely to be trapped. Therefore, the work piece 9 is more likely to be burned out on the right side with respect to the welding progress direction. Therefore, the target tolerance of the laser beam 8 is narrower on the right side with respect to the welding progress direction.
  • the A part and the B part are also on the right side with respect to the welding progress direction as described above, the heat is easily trapped and easily melted off.
  • the C and D portions are on the left side with respect to the welding progress direction, and therefore, the molten pool generated by irradiating the laser beam 8 once is easy to cool and hardly burns down. That is, the A part, the B part, and the E part are more likely to be burned out than the C part and the D part. Further, it has been found that the absorption rate of the laser beam 8 is higher in the liquid phase than in the solid phase. Therefore, once the laser beam 8 is irradiated again onto the molten pool generated by irradiating the laser beam 8, energy is easily absorbed and burnout is likely to occur.
  • the workpiece 9 is irradiated while scanning the laser beam 8 in a spiral shape, and the energy given to the workpiece 9 by the laser beam 8 is changed accordingly.
  • FIG. 3 is a diagram showing the energy in the circular orbit of the laser beam 8 in the present embodiment. That is, the moving track that is the movement in the welding direction along the welding location is removed from the spiral track.
  • the parameters of the irradiation pattern of the laser beam 8 in the circular orbit are the rotation direction, the radius R of the circle, the coordinate rotation angle ⁇ for clarifying the irradiation position of the laser beam 8, and the rotation speed (in the circular orbit). Welding speed).
  • the present embodiment an example is shown in which laser welding is performed by irradiating the workpiece 9 with laser light 8 in a spiral shape while moving the laser irradiation head 5 by the robot 6.
  • the movement is not limited to the laser irradiation head 5 and the robot 6, and a galvano scanner may be used.
  • the direction in which the coordinate rotation angle ⁇ is 90 ° is the welding progress direction, and the rotation direction is clockwise (clockwise).
  • the coordinate rotation angle ⁇ indicated by the dotted line is 90 ° (B in FIG. 3) to 270 ° (A in FIG. 3) (clockwise and thus 0 ° is passed) with respect to the welding progress direction.
  • the left side (coordinate rotation angle ⁇ 180 ° side) with respect to the welding progress direction is less likely to heat up.
  • the coordinate rotation angle ⁇ indicated by the solid line from 270 ° to 90 ° (through 180 ° because it is clockwise) is on the left side with respect to the welding progress direction.
  • the total amount of energy from the laser beam 8 (second energy) in the trajectory indicated by the dotted line is indicated by a solid line. What is necessary is just to make it smaller than the total amount (1st energy) of the energy from the laser beam 8 in the track.
  • the trajectory in which the irradiation position of the laser beam 8 is indicated by a solid line is a state in which a component in the welding progress direction is included in the moving speed of the laser beam 8 in the circular trajectory.
  • the trajectory in which the irradiation position of the laser beam 8 is indicated by a dotted line is a state in which the moving speed of the laser beam 8 in the circular trajectory includes a component in the direction opposite to the welding progress direction.
  • FIG. 4 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser beam 8 changes in a rectangular shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ .
  • FIG. 5 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser beam 8 changes in a trapezoidal shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ .
  • FIG. 6 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser beam 8 changes in a mountain shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ .
  • FIG. 7 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser beam 8 is a combination of a pulse wave and a continuous wave with respect to the coordinate rotation angle ⁇ .
  • FIG. 8 is a graph showing a waveform in which the energy of the laser beam 8 changes the pulse duty ratio with respect to the coordinate rotation angle ⁇ .
  • the control unit 2 controls the laser oscillator 3 and the laser irradiation head 5 so that the power becomes 1 kW. That is, the control unit 2 performs control to rotate the prism of the laser irradiation head 5 and controls the laser output of the laser oscillator 3 to be 1 kW when the coordinate rotation angle ⁇ is 90 °.
  • the control unit 2 performs control to rotate the prism of the laser irradiation head 5 and controls the laser output of the laser oscillator 3 to be 3 kW when the coordinate rotation angle ⁇ is 270 °.
  • the waveform of the laser output rectangular, as shown in FIG. 2 the total amount of energy given to the left working region 24 on the left side with respect to the welding progress direction is set to the right side with respect to the welding progress direction. It can be larger than the total amount of energy given to the right machining area 25.
  • the output of the laser beam 8 may be determined in advance through experiments or the like, for example. Further, since the control unit 2 controls the irradiation position of the laser irradiation head 5 and the operation of the robot 6 based on the operation program, the control unit 2 determines the coordinate rotation angle ⁇ , that is, the irradiation position of the laser beam 8 in the circular orbit. I can know. By performing such control, heat can be input to the workpiece 9 so as to be symmetric with respect to the welding direction, and the target tolerance is also symmetric.
  • the laser output waveform is a table that has an upper limit of 3 kW when the coordinate rotation angle ⁇ is 180 ° and a lower limit of 1 kW when the coordinate rotation angle ⁇ is 0 °. You may make it into a shape. Thereby, as shown in FIG. 2, the total amount of energy given to the left machining area 24 can be made larger than the total amount of energy given to the right machining area 25.
  • the laser light output waveform has an upper limit of 3 kW when the coordinate rotation angle ⁇ is 180 °, and a lower limit of 1 kW when the coordinate rotation angle ⁇ is 0 °. It may be a Yamagata. Thereby, as shown in FIG. 2, the total amount of energy given to the left machining area 24 can be made larger than the total amount of energy given to the right machining area 25.
  • the output waveform of the laser light includes a continuous wave when the coordinate rotation angle ⁇ is 270 ° to 90 °, and a pulse wave when the coordinate rotation angle ⁇ is 90 ° to 270 °. May be combined.
  • the total amount of energy given to the left machining area 24 can be made larger than the total amount of energy given to the right machining area 25.
  • the waveform of the output of the laser light shows that the duty ratio when the coordinate rotation angle ⁇ is 270 ° to 90 ° is greater than the duty ratio when the coordinate rotation angle ⁇ is 90 ° to 270 °.
  • the pulse shape may be changed at a different frequency so as to increase. Thereby, as shown in FIG. 2, the total amount of energy given to the left machining area 24 can be made larger than the total amount of energy given to the right machining area 25.
  • the upper limit of the energy of the laser beam 8 is 3 kW and the lower limit is 1 kW.
  • the present invention is not limited to this.
  • the coordinate rotation angle ⁇ is set to 90 ° and 270 ° at the place where the waveform of the laser beam 8 changes, the present invention is not limited to this.
  • the laser beam output may be increased only when the coordinate rotation angle ⁇ is around 180 °, and the laser beam output may be decreased only when the coordinate rotation angle ⁇ is near 0 °.
  • the total amount of energy (first energy) given to the left machining area 24 may be larger than the total amount of energy (second energy) given to the right machining area 25. .
  • FIG. 9 is a graph showing a waveform in which the rotation speed of the laser light 8 changes in a rectangular shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ .
  • FIG. 10 is a graph showing a waveform in which the rotation speed of the laser beam 8 changes in a trapezoidal shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ .
  • FIG. 11 is a graph showing a waveform in which the rotation speed of the laser beam 8 changes in a mountain shape with respect to the coordinate rotation angle ⁇ . If the rotation speed of the laser light is slowed down, it takes time to move the irradiation position, and as a result, a lot of energy is given.
  • the rotation speed of the laser beam 8 is 5 m / min
  • the rotation speed of the laser beam 8 is 5 m / min
  • the control unit 2 controls the laser irradiation head 5 so that the angle is 15 m / min. That is, the control unit 2 performs control to rotate the prism of the laser irradiation head 5, and controls the rotation speed of the laser light 8 to be 15 m / min when the coordinate rotation angle ⁇ is 90 °, thereby rotating the coordinate.
  • the angle ⁇ is 270 °
  • the rotation speed of the laser beam 8 is controlled to be 5 m / min.
  • the total amount of energy applied to the left working region 24 on the left side with respect to the welding progress direction is set in the welding progress direction.
  • the rotation speed of the laser beam 8 may be determined in advance through experiments or the like. Further, since the control unit 2 controls the operation of the prism of the laser irradiation head 5 based on the operation program, the controller 2 knows the coordinate rotation angle ⁇ , that is, the irradiation position of the laser beam 8 in the actual circular orbit. it can. By performing such control, heat can be input to the workpiece 9 so as to be symmetric with respect to the welding direction, and the target tolerance is also symmetric.
  • the waveform of the rotational speed of the laser beam 8 is 5 m / min, which is a lower limit when the coordinate rotation angle ⁇ is 180 °, and is an upper limit when the coordinate rotation angle ⁇ is 0 °. You may make it trapezoid shape which will be 15 m / min. Thereby, as shown in FIG. 2, the total amount of energy given to the left machining area 24 can be made larger than the total amount of energy given to the right machining area 25.
  • the rotation speed waveform of the laser light 8 is 5 m / min which is a lower limit when the coordinate rotation angle ⁇ is 180 °, and is an upper limit when the coordinate rotation angle ⁇ is 0 °. You may make it Yamagata which will be 15 m / min. Thereby, as shown in FIG. 2, the total amount of energy given to the left machining area 24 can be made larger than the total amount of energy given to the right machining area 25.
  • the upper limit of the rotation speed of the laser beam 8 is 15 m / min and the lower limit is 5 m / min.
  • the present invention is not limited to this.
  • the coordinate rotation angle ⁇ is set to 90 ° and 270 ° where the rotation speed of the laser beam 8 changes, the present invention is not limited to this.
  • the rotation speed of the laser beam may be slow only when the coordinate rotation angle ⁇ is around 180 °, and the rotation speed of the laser beam may be fast only when the coordinate rotation angle ⁇ is around 0 °.
  • the total amount of energy (first energy) given to the left machining area 24 may be larger than the total amount of energy (second energy) given to the right machining area 25. .
  • the laser welding method of the present embodiment can be applied to laser welding to a butt joint in which the workpiece 9 is butted, laser welding to a lap joint in which the workpiece 9 is shifted, and the like. It can also be applied to laser welding of butt joints and lap joints having different plate thicknesses.
  • the laser welding method has been described in which the heat input by laser beam irradiation is symmetric in the left-right direction with respect to the welding progress direction.
  • heat input by laser beam irradiation in the front-rear direction of the welding progress direction is controlled. This is not necessarily intended to make the heat input by laser light irradiation symmetrical in the front-rear direction of the welding progression direction, but seeks an optimal heat input balance in the front-rear direction.
  • the laser beam 8 is irradiated to the unmelted workpiece 9 in the front of the welding direction, and the laser is applied to the molten workpiece 9 or the heated workpiece 9 in the rear of the welding direction.
  • the light 8 is irradiated. Therefore, it is preferable to increase the heat input to the unmelted portion and suppress the heat input to the molten portion or the heated portion. That is, the laser beam energy (third energy) at the coordinate rotation angle ⁇ from 180 ° to 0 ° (through 90 ° because of clockwise rotation), which is the front of the welding progress direction, is the rear of the welding progress direction.
  • the coordinate rotation angle ⁇ is preferably larger than the energy of the laser beam (fourth energy) in the range from 0 ° to 180 ° (through 270 ° because it is clockwise).
  • FIG. 12 is a diagram showing energy in the circular orbit of the laser beam 8 in the present embodiment.
  • the energy of the laser beam is increased at the front of the welding progress direction and the left side of the welding progress direction.
  • the laser beam 8 in a solid line with a coordinate rotation angle ⁇ from 225 ° (C in FIG. 12) to 45 ° (D in FIG. 12) (through 135 ° because it is clockwise). Is higher than the energy of the laser beam 8 on the dotted line when the coordinate rotation angle ⁇ is 45 ° to 225 ° (through 315 ° because it is clockwise).
  • the laser output as shown in FIGS. 13 to 17 may be controlled, or the rotational speed as shown in FIGS. 18 to 20 may be controlled.
  • 13 to 17 are graphs showing the laser output of the laser light with the coordinate rotation angle ⁇ shifted by 45 ° from FIGS. 4 to 8 of the first embodiment.
  • 18 to 20 are graphs showing the rotation speed of the laser beam with the coordinate rotation angle ⁇ shifted by 45 ° from FIGS. 9 to 11 of the first embodiment.
  • the total amount of energy given to the front in the welding direction (third energy) can be made larger than the total amount of energy given to the rear (fourth energy).
  • the upper and lower limits of the energy of the laser beam 8 and the upper and lower limits of the rotation speed are not limited to these values.
  • the coordinate rotation angle ⁇ is 45 ° and 225 ° where the laser output and the rotation speed of the laser beam change, the present invention is not limited to this.
  • the energy relationship described above may be used in the left-right direction and the front-rear direction with respect to the forward welding progress direction.
  • the energy is changed at positions where the coordinate rotation angle ⁇ is 45 ° and 225 °.
  • the asymmetry of the energy in the left-right direction with respect to the welding direction is greatly influenced by the moving speed in the welding direction. Therefore, as shown in FIG. 21, when the moving speed in the welding progress direction is fast, it is preferable that the coordinate rotation angle ⁇ for changing the energy is 45 ° to 90 ° and 225 ° to 270 °. In other words, control that emphasizes suppression of energy asymmetry in the horizontal direction with respect to the welding progress direction is preferable.
  • the coordinate rotation angle ⁇ for changing the energy is preferably set to 0 ° to 45 ° and 180 ° to 225 °. That is, control that places importance on the balance of energy in the front-rear direction with respect to the welding direction is preferable.
  • the workpiece 9 is, for example, a galvanized steel sheet
  • zinc vapor is blown out to generate large spatters or cause internal defects such as pits and blowholes.
  • the coordinate rotation angle ⁇ is greater than the energy (third energy) of the laser beam from 180 ° to 0 ° (through 90 ° because it is clockwise).
  • FIG. 22 is a diagram showing the energy in the circular orbit of the laser light 8 in the present embodiment.
  • the energy of the laser beam is increased at the rear of the welding progress direction and on the left side of the welding progress direction.
  • the laser beam 8 in a solid line with a coordinate rotation angle ⁇ from 315 ° (E in FIG. 22) to 135 ° (F in FIG. 22) (through 225 ° because it is clockwise) Is higher than the energy of the laser beam 8 on the dotted line when the coordinate rotation angle ⁇ is from 135 ° to 315 ° (through 45 ° because it is clockwise).
  • the laser output and the rotational speed may be controlled as shown in the first and second embodiments.
  • the total amount of energy (first energy) given to the left machining region 24 on the left side with respect to the welding progress direction is made larger than the total amount of energy (second energy) given to the right machining region 25 on the right side.
  • the total amount of energy given to the rear in the welding direction (fourth energy) can be made larger than the total amount of energy given to the front (third energy).
  • the upper limit and lower limit of the laser output of the laser light 8 and the upper limit and lower limit of the rotation speed are not limited to these numerical values.
  • the coordinate rotation angle ⁇ is 315 ° and 135 ° where the laser output or the rotation speed of the laser light changes
  • the present invention is not limited to this.
  • the energy relationship described above may be used in the left-right direction and the front-rear direction with respect to the forward welding progress direction.
  • the energy is changed at the positions where the coordinate rotation angle ⁇ is 315 ° and 135 °.
  • the coordinate rotation angle ⁇ for changing the energy is preferably 90 ° to 135 ° and 270 ° to 315 °. In other words, control that emphasizes suppression of energy asymmetry in the horizontal direction with respect to the welding progress direction is preferable.
  • the coordinate rotation angle ⁇ for changing the energy is preferably set to 135 ° to 180 ° and 315 ° to 0 ° (360 °). That is, control that places importance on the balance of energy in the front-rear direction with respect to the welding direction is preferable.
  • FIG. 23 is a diagram showing energy in the circular orbit of the laser light 8 in the present embodiment.
  • the energy by the laser beam is increased only in front of the welding progress direction.
  • the laser output and the rotational speed may be controlled as shown in the first and second embodiments.
  • the total amount (third energy) of energy given forward in the welding direction can be made larger than the total amount of energy (fourth energy) given backward.
  • the upper limit and lower limit of the laser output of the laser light 8 and the upper limit and lower limit of the rotation speed are not limited to these numerical values.
  • the coordinate rotation angle ⁇ is set to 0 ° and 180 ° in the place where the laser output and the rotation speed of the laser light change, the present invention is not limited to this. As a result, it does not matter as long as the above-described energy relationship is established in the front-rear direction with respect to the forward welding progress direction.
  • FIG. 24 is a diagram showing energy in a circular orbit of the laser beam 8 in the present embodiment.
  • the energy by the laser beam is increased only in the rear of the welding progress direction.
  • the energy by the laser beam 8 in the solid line when the coordinate rotation angle ⁇ is 0 ° to 180 ° (through 270 ° because it is clockwise) the coordinate rotation angle ⁇ is 180 ° to 0 °. It is higher than the energy of the laser beam 8 on the dotted line (through 90 ° because it is clockwise).
  • the laser output and the rotational speed may be controlled as shown in the first and second embodiments.
  • the total amount of energy (fourth energy) given to the rear in the welding progress direction can be made larger than the total amount of energy given to the front (third energy).
  • the upper limit and lower limit of the laser output of the laser light 8 and the upper limit and lower limit of the rotation speed are not limited to these numerical values.
  • the coordinate rotation angle ⁇ is set to 0 ° and 180 ° in the place where the laser output and the rotation speed of the laser light change, the present invention is not limited to this. As a result, it does not matter as long as the above-described energy relationship is established in the front-rear direction with respect to the welding progress direction.
  • the circular orbit at the irradiation position of the laser beam 8 has been described as rotating clockwise (clockwise), but may be rotating counterclockwise (counterclockwise).
  • the total amount of energy by the laser beam 8 on the side where the component of the welding direction is included in the moving speed of the laser beam 8 in the circular orbit is the laser beam. It is only necessary that the moving speed of the circular orbit 8 is larger than the total amount of energy by the laser beam 8 on the side containing the component in the direction opposite to the welding progress direction.
  • the laser output or the rotation speed of the laser beam 8 is changed to change the total amount of energy by the laser beam 8, but both may be combined. Further, in the case where the laser output and the rotation speed of the laser beam 8 are combined, as a result, if the total amount of energy is controlled to the above-described relation, the magnitude relation of the laser output or the relation of the rotation speed is the embodiment.
  • the reverse relationship to 1 to 3 may be used. For example, in the first embodiment, even if the rotation speed in the left machining area 24 is higher than the rotation speed in the right machining area 25, the laser output in the left machining area 24 is made larger than the laser output in the right machining area 25. As a result, it is only necessary that the total amount of energy given to the left machining area 24 is larger than the total amount of energy given to the right machining area 25.
  • the work piece is melted evenly to the left and right with respect to the center line of the region irradiated with the laser beam. Therefore, the tolerance of any target for irradiating the laser light is equal to the left and right. Moreover, since the method of melting the workpiece is equal to the left and right, the workpiece can be prevented from being melted and is industrially useful.

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Abstract

　本開示のレーザ溶接方法は、加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を有する。らせん状は、円形状にレーザ光を移動させる円軌道と、溶接箇所に沿う進行方向にレーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものである。また、円軌道において進行方向の成分を有するように移動するレーザ光の第１のエネルギーは、円軌道において進行方向とは反対方向の成分を有するように移動するレーザ光の第２のエネルギーよりも大きい。

Description

レーザ溶接方法
　本開示は、レーザ光をらせん状に走査しながら加工物に照射するレーザ溶接方法に関する。
　レーザ溶接は、レーザ光を接合したい２つの加工物の接合部に照射することによって、レーザ光のエネルギーによって照射部の加工物を溶融して接合する。レーザ溶接は、加工物との物理的な接触を行わないため高速に溶接を行うことができる。また、レーザ溶接は、レーザ光のエネルギー密度が高いため、熱による影響を加工物の狭い範囲に収めて溶接を行うことができる。
　一方、レーザ溶接では、溶接される領域となるビードの幅が狭い。そのため、レーザ光の狙いずれの裕度が狭く、加工物におけるレーザ光の照射部の精度が要求される。加工物におけるレーザ光の照射部の精度が悪い場合、レーザ光の狙いずれによる融合不良が発生し易い。これに対応するため、以下の方法が知られている。
　例えば、特許文献１には、予め加工物にＶ形開先溝を形成し、このＶ型開先溝にレーザ光を照射するレーザ溶接方法について記載されている。また、特許文献２には、レーザ光をらせん状に走査するレーザ溶接方法について記載されている。また、特許文献３には、レーザ光を円や楕円の軌跡を描くように回転走査するレーザ溶接方法について記載されている。
特開昭６１－１６９１８４号公報 特開昭５４－１１６３５６号公報 特開平８－１９２２８６号公報
　しかし、特許文献１に記載のレーザ溶接方法では、予め加工物に開先加工をする必要があり、工数が増える。また、加工物によっては、開先加工ができない場合もある。特許文献２や特許文献３に記載のレーザ溶接方法では、レーザ光が照射される領域の中心線に対して、加工物の溶け方が左右非対称になる。従って、レーザ光を照射する狙いずれの裕度も左右非対称になる。また、加工物ワークの溶け方が左右非対称になるため、エネルギーが過剰に供給される領域では加工物の溶け落ちが発生し易い。
　上記課題を解決するために、本開示の一側面におけるレーザ溶接方法は、加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を有する。らせん状は、円形状にレーザ光を移動させる円軌道と、溶接箇所に沿う進行方向にレーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものである。また、円軌道において進行方向の成分を有するように移動するレーザ光の第１のエネルギーは、円軌道において進行方向とは反対方向の成分を有するように移動するレーザ光の第２のエネルギーよりも大きい。
　また、本開示の別の一側面におけるレーザ溶接方法は、加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を有する。らせん状は、円形状にレーザ光を移動させる円軌道と、溶接箇所に沿う進行方向にレーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものである。また、円軌道において進行方向におけるレーザ光の第３のエネルギーは、円軌道において進行方向とは反対方向におけるレーザ光の第４のエネルギーよりも大きい。
　また、本開示のさらに別の一側面におけるレーザ溶接方法は、加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を有する。らせん状は、円形状にレーザ光を移動させる円軌道と、溶接箇所に沿う進行方向にレーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものである。また、円軌道において進行方向におけるレーザ光の第３のエネルギーは、円軌道において進行方向とは反対方向におけるレーザ光の第４のエネルギーよりも小さい。
　本開示のレーザ溶接方法では、レーザ光が照射される領域の中心線に対して、加工物の溶け方が左右均等になる。従って、レーザ光を照射する狙いずれの裕度も左右均等になる。また、加工物の溶け方が左右均等であるため、加工物の溶け落ちを抑制できる。
図１は、実施の形態１～５におけるレーザ溶接装置の概略構成を示す図である。 図２は、実施の形態１～５における、レーザ光をらせん状に照射した軌跡を示す図である。 図３は、実施の形態１におけるレーザ光の円軌道におけるエネルギーを示す図である。 図４は、実施の形態１における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して矩形状に変化する波形を示すグラフである。 図５は、実施の形態１における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して台形状に変化する波形を示すグラフである。 図６は、実施の形態１における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して山形に変化する波形を示すグラフである。 図７は、実施の形態１における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対してパルス波と連続波を組み合わせた波形を示すグラフである。 図８は、実施の形態１における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して、パルスのデューティー比が変化する波形を示すグラフである。 図９は、実施の形態１における、レーザ光の回転速度が、座標回転角θに対して矩形状に変化する波形を示すグラフである。 図１０は、実施の形態１における、レーザ光の回転速度が、座標回転角θに対して台形状に変化する波形を示すグラフである。 図１１は、実施の形態１における、レーザ光８の回転速度が、座標回転角θに対して山形に変化する波形を示すグラフである。 図１２は、実施の形態２におけるレーザ光の円軌道におけるエネルギーを示す図である。 図１３は、実施の形態２における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して矩形状に変化する波形を示すグラフである。 図１４は、実施の形態２における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して台形状に変化する波形を示すグラフである。 図１５は、実施の形態２における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して山形に変化する波形を示すグラフである。 図１６は、実施の形態２における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対してパルス波と連続波を組み合わせた波形を示すグラフである。 図１７は、実施の形態２における、レーザ光のエネルギーが、座標回転角θに対して、パルスのデューティー比が変化する波形を示すグラフである。 図１８は、実施の形態２における、レーザ光の回転速度が、座標回転角θに対して矩形状に変化する波形を示すグラフである。 図１９は、実施の形態２における、レーザ光の回転速度が、座標回転角θに対して台形状に変化する波形を示すグラフである。 図２０は、実施の形態２における、レーザ光の回転速度が、座標回転角θに対して山形に変化する波形を示すグラフである。 図２１は、実施の形態１～５における、レーザ光をらせん状に照射した軌跡を示す図である。 図２２は、実施の形態３におけるレーザ光の円軌道におけるエネルギーを示す図である。 図２３は、実施の形態４におけるレーザ光の円軌道におけるエネルギーを示す図である。 図２４は、実施の形態５におけるレーザ光の円軌道におけるエネルギーを示す図である。
　（実施の形態１）
　図１を用いて、本実施の形態におけるレーザ溶接装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態におけるレーザ溶接装置１の概略構成を示す図である。
　図１において、レーザ溶接装置１は、制御部２と、レーザ発振器３と、光ファイバ４と、レーザ照射ヘッド５と、ロボット６とを有する。
　レーザ溶接装置１において、制御部２は、レーザ発振器３とレーザ照射ヘッド５とロボット６とに接続され、レーザ発振器３とレーザ照射ヘッド５とロボット６との動作を制御する。なお、制御部２は、レーザ発振器３が出力するレーザ光のエネルギーを切り替える出力切替部７を有している。レーザ発振器３は、制御部２からの指令に基づいて、レーザ光８を出力する。光ファイバ４は、レーザ発振器３およびレーザ照射ヘッド５に接続され、レーザ光８をレーザ発振器３からレーザ照射ヘッド５に伝送する。レーザ照射ヘッド５は、ロボット６のアームの先端に取り付けられ、制御部２からの指令に基づいて、レーザ光８を加工物９に照射する。ロボット６は、制御部２からの指令に基づいて、レーザ照射ヘッド５を移動させる。
　次に、図１を用いて、レーザ溶接を行う際のレーザ溶接装置１の動作について説明する。レーザ発振器３から出力されたレーザ光８は、光ファイバ４を通ってレーザ照射ヘッド５に入る。レーザ照射ヘッド５は、内部に設けられたレンズ（図示せず）により、レーザ光８を集光し、加工物９に照射する。さらに、レーザ照射ヘッド５は、内部に設けられたプリズム（図示せず）を回転させることにより、レーザ光８を円軌道となるように回転移動させることができる。
　また、ロボット６によって、レーザ照射ヘッド５を移動させる。これにより、加工物９における溶接領域において、レーザ光８の照射位置を移動させることができる。このように、制御部２がレーザ発振器３とレーザ照射ヘッド５とロボット６とを同時に制御することにより、レーザ光８の照射位置を、加工物９においてらせん状に移動させることができる。なお、本実施の形態では、レーザ照射ヘッド５およびロボット６によって、レーザ光８の照射位置を移動させているが、らせん状の軌道でレーザ照射位置を変更できれば、ガルバノスキャナなどを用いても本開示のレーザ溶接方法を行うことができる。
　次に、図２を用いて、らせん状にレーザ光８を加工物９に照射するレーザ溶接について説明する。図２は、本実施の形態における、レーザ光８をらせん状に照射した軌跡を示す図である。
　まず、らせん状にレーザ光８を加工物９に照射する方法について説明する。レーザ溶接装置１のレーザ照射ヘッド５は、レーザ光８を円形状に移動させることができる。すなわち、レーザ光８を「円軌道」を描くように移動させることができる。図２においては、半径Ｒの円形状にレーザ光８を移動させるものであり、右回り（時計回り）に移動させるものである。また、レーザ光８の円形状の移動速度をｒ（ｍ／ｍｉｎ）とする。
　さらに、レーザ溶接装置１のロボット６は、レーザ光８を溶接箇所に沿って、直線状または曲線状に移動させることができる。すなわち、レーザ光８を「移動軌道」を描くように溶接進行方向にさせることができる。図２においては、直線状の中央線２１に沿ってレーザ光８の照射位置を上向きに移動させるものである。また、このレーザ光８の直線状の移動速度をｖ（ｍ／ｍｉｎ）とする。
　そして、この円軌道と移動軌道を同時に行うことで、図２に示すように、らせん状にレーザ光８の照射位置を移動させることができる。なお、レーザ光８が照射される領域は、進行方向に向かって左側の左境界線２２と進行方向に向かって右側の右境界線２３との間となる。
　次に、らせん状にレーザ光８を照射した場合に、レーザ光８の照射領域における加工物９の溶融について説明する。
　まず、溶接進行方向に向かって左側である、中央線２１と左境界線２２との間の左加工領域２４について説明する。レーザ光８の照射位置（以下、単に照射位置とする）は、円軌道によって半円を描く間に溶接進行方向に向かって進むことなる。すなわち、描かれた軌跡は、半径Ｒの円軌道を溶接進行方向に引き伸ばした楕円の円弧となる。また、左境界線２２における照射位置の速度は、直線状の移動速度に円形状の移動速度を加えた、ｖ＋ｒ（ｍ／ｍｉｎ）となる。なお、左加工領域２４では、左境界線２２上に限らず、円形状の移動速度ｒに直線状の移動速度ｖと同じ方向の成分が含まれることになる。
　これに対して、溶接進行方向に向かって右側である、中央線２１と右境界線２３との間の右加工領域２５について説明する。照射位置は、円軌道によって半円を描く間に溶接進行方向とは反対方向に戻ることなる。すなわち、描かれた軌跡は、半径Ｒの円軌道を溶接進行方向に縮めた楕円の円弧となる。また、右境界線２３における照射位置の速度は、直線状の移動速度から円形状の移動速度を引いた、ｖ－ｒ（ｍ／ｍｉｎ）となる。なお、右加工領域２５では、右境界線２３上に限らず、円形状の移動速度ｒに直線状の移動速度ｖと反対方向の成分が含まれることになる。
　つまり、らせん状にレーザ光８を照射して溶接を行う場合、溶接進行方向に対して左側になる左加工領域２４では、照射位置の軌道が大きな楕円の円弧となり、レーザ光８による加工物の溶融プールが冷え易い。一方、溶接進行方向に対して右側になる右加工領域２５では、照射位置の軌道が小さな楕円の円弧となり、レーザ光８による熱がこもり易い。従って、溶接進行方向に対して右側の方が加工物９の溶け落ちが発生し易い。そのため、レーザ光８の狙いずれ裕度は、溶接進行方向に対して右側の方が狭くなる。
　次に、加工物９において溶け落ちが発生し易い箇所（位置）について説明する。らせん状にレーザ光８を照射するレーザ溶接では、一度、レーザ光８を照射した箇所に対して再度、レーザ光８を照射する箇所が生じる。図２において、Ａ部、Ｂ部、Ｃ部、Ｄ部、Ｅ部等が該当する。そして、Ｂ部やＥ部を含む範囲Ｆは、再度、レーザ光８を照射する箇所であるＢ部とＥ部が隣り合っており、また、溶接領域の中央であるため、周辺に熱が逃げにくく、極めて熱がこもり易い。つまり、範囲Ｆの部分が最も入熱が大きく、溶け落ちが発生し易い。また、Ａ部やＢ部も、前述のように、溶接進行方向に対して右側であるため、熱がこもり易く、溶け落ちし易い。一方、Ｃ部やＤ部では、前述のように、溶接進行方向に対して左側であるため、一度、レーザ光８を照射して生じた溶融プールが冷えやすく、溶け落ちが発生し難い。つまり、Ａ部、Ｂ部、Ｅ部のほうが、Ｃ部、Ｄ部よりも溶け落ちが発生し易い。また、レーザ光８の吸収率は、固相よりも液相の方が高いことが分かっている。従って、一度、レーザ光８を照射して生じた溶融プール上に再度、レーザ光８が照射されると、エネルギーが吸収され易く、溶け落ちが発生し易い。
　次に、本実施の形態のレーザ溶接方法について、図３から図１１を用いて説明する。
　本実施の形態のレーザ溶接方法は、レーザ光８をらせん状に走査しながら加工物９に照射し、これに併せて、レーザ光８が加工物９に与えるエネルギーを変化させるものである。
　図３は、本実施の形態におけるレーザ光８の円軌道におけるエネルギーを示す図である。すなわち、らせん状の軌道から、溶接箇所に沿った溶接進行方向への移動である移動軌道を除いたものである。ここで、円軌道のレーザ光８の照射パターンのパラメータは、回転方向と、円の半径Ｒと、レーザ光８の照射位置を明確化するための座標回転角θと、回転速度（円軌道における溶接速度）である。なお、本実施の形態では、ロボット６によりレーザ照射ヘッド５を移動させながら、らせん状にレーザ光８を加工物９に照射してレーザ溶接を行う例を示している。しかし、らせん状にレーザ光８を照射することができれば、レーザ照射ヘッド５およびロボット６による移動には限らず、ガルバノスキャナであっても構わない。
　図３において、座標回転角θが９０°である方向を溶接進行方向とし、回転方向は右回転（時計回り）とする。この場合、上述したように、溶接進行方向に対して右側（座標回転角θが０°側）に熱がこもりやすい。図３においては、点線で示す、座標回転角θが９０°（図３のＢ）から２７０°（図３のＡ）まで（時計回りであるため０°を経由）が溶接進行方向に対して右側である。逆に、溶接進行方向に対して左側（座標回転角θが１８０°側）は熱がこもりにくい。図３においては、実線で示す、座標回転角θが２７０°から９０°まで（時計回りであるため１８０°を経由）が溶接進行方向に対して左側である。そして、レーザ光８の照射による加工物９の溶け方のばらつきを解消するためには、点線で示された軌道におけるレーザ光８からのエネルギーの総量（第２のエネルギー）を、実線で示された軌道におけるレーザ光８からのエネルギーの総量（第１のエネルギー）よりも小さくすればよい。また、レーザ光８の照射位置が実線で示された軌道は、レーザ光８の円軌道における移動速度に、溶接進行方向の成分が含まれている状態である。逆に、レーザ光８の照射位置が点線で示された軌道は、レーザ光８の円軌道における移動速度に、溶接進行方向とは反対方向の成分が含まれている状態である。
　次に、図４～図８を用いて、レーザ光８のエネルギーを変化させる方法について説明する。図４は、レーザ光８のエネルギーが、座標回転角θに対して矩形状に変化する波形を示すグラフである。図５は、レーザ光８のエネルギーが、座標回転角θに対して台形状に変化する波形を示すグラフである。図６は、レーザ光８のエネルギーが、座標回転角θに対して山形に変化する波形を示すグラフである。図７は、レーザ光８のエネルギーが、座標回転角θに対してパルス波と連続波を組み合わせた波形を示すグラフである。図８は、レーザ光８のエネルギーが、座標回転角θに対して、パルスのデューティー比が変化する波形を示すグラフである。
　まず、図４に示すように、座標回転角θが２７０°～９０°において、レーザ光８のレーザ出力を３ｋＷとし、座標回転角θが９０°～２７０°において、レーザ光８のレーザ出力を１ｋＷとするように、制御部２がレーザ発振器３およびレーザ照射ヘッド５とを制御する。すなわち、制御部２はレーザ照射ヘッド５のプリズムを回転させる制御を行い、座標回転角θが９０°になるときに、レーザ発振器３のレーザ出力が１ｋＷになるように制御する。制御部２はレーザ照射ヘッド５のプリズムを回転させる制御を行い、座標回転角θが２７０°になるときに、レーザ発振器３のレーザ出力が３ｋＷになるように制御する。このように、レーザ出力の波形を矩形状とすることで、図２に示すように、溶接進行方向に対して左側である左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、溶接進行方向に対して右側である右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。
　なお、レーザ光８の出力は、例えば、実験等により予め決めておくようにすれば良い。また、制御部２は、動作プログラムに基づいて、レーザ照射ヘッド５の照射位置やロボット６の動作を制御しているので、座標回転角θ、すなわち、レーザ光８の円軌道における照射位置を自ら知ることできる。このような制御を行うことで、溶接進行方向に対して左右対称になるように加工物９に入熱ができ、狙いずれ裕度も左右対称となる。
　また、図５に示すように、レーザ出力の波形を、座標回転角θが１８０°のときに上限である３ｋＷとなり、座標回転角θが０°のときに下限である１ｋＷとなるような台形状にしても良い。これにより、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。
　また、図６に示すように、レーザ光の出力の波形を、座標回転角θが１８０°のときに上限である３ｋＷとなり、座標回転角θが０°のときに下限である１ｋＷとなるような山形にしても良い。これにより、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。
　また、図７に示すように、レーザ光の出力の波形を、座標回転角θが２７０°～９０°のときの連続波と、座標回転角θが９０°～２７０°のときのパルス波とを組み合わせてもよい。これにより、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。
　また、図８に示すように、レーザ光の出力の波形を、座標回転角θが２７０°～９０°のときのデューティー比が、座標回転角θが９０°～２７０°のときのデューティー比よりも大きくなるように、周波数を変えたパルス形状にしてもよい。これにより、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。
　図４～図８には、レーザ光８のエネルギーの上限を３ｋＷ、下限を１ｋＷとして説明したが、これに限られるものではない。また、レーザ光８の波形が変化する場所を座標回転角θが９０°および２７０°としたが、これに限られるものではない。例えば、座標回転角θが１８０°付近においてだけレーザ光の出力が高くなり、座標回転角θが０°付近においてだけレーザ光の出力が低くなっても構わない。結果として、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量（第１のエネルギー）が、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量（第２のエネルギー）より大きくなっていれば構わない。
　次に、図９～図１１を用いて、レーザ光８の照射位置の回転速度を切換える方法について説明する。図９は、レーザ光８の回転速度が、座標回転角θに対して矩形状に変化する波形を示すグラフである。図１０は、レーザ光８の回転速度が、座標回転角θに対して台形状に変化する波形を示すグラフである。図１１は、レーザ光８の回転速度が、座標回転角θに対して山形に変化する波形を示すグラフである。レーザ光の回転速度が遅くなれば、それだけ照射位置の移動に時間がかかることになるため、結果的に多くのエネルギーを与えることになる。
　まず、図９に示すように、座標回転角θが２７０°～９０°において、レーザ光８の回転速度を５ｍ／ｍｉｎとし、座標回転角θが９０°～２７０°において、レーザ光８の回転角度を１５ｍ／ｍｉｎとするように、制御部２がレーザ照射ヘッド５を制御する。すなわち、制御部２はレーザ照射ヘッド５のプリズムを回転させる制御を行い、座標回転角θが９０°になるときに、レーザ光８の回転速度が１５ｍ／ｍｉｎになるように制御し、座標回転角θが２７０°になるときに、レーザ光８の回転速度が５ｍ／ｍｉｎになるように制御する。このように、レーザ光８の回転速度の波形を矩形状とすることで、図２に示すように、溶接進行方向に対して左側である左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、溶接進行方向に対して右側である右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。
　なお、レーザ光８の回転速度は、例えば、実験等により予め決めておくようにすれば良い。また、制御部２は、動作プログラムに基づいて、レーザ照射ヘッド５のプリズムの動作を制御しているので、座標回転角θ、すなわち、レーザ光８の実際の円軌道における照射位置を自ら知ることできる。このような制御を行うことで、溶接進行方向に対して左右対称になるように加工物９に入熱ができ、狙いずれ裕度も左右対称となる。
　また、図１０に示すように、レーザ光８の回転速度の波形を、座標回転角θが１８０°のときに下限である５ｍ／ｍｉｎとなり、座標回転角θが０°のときに上限である１５ｍ／ｍｉｎとなるような台形状にしても良い。これにより、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。
　また、図１１に示すように、レーザ光８の回転速度の波形を、座標回転角θが１８０°のときに下限である５ｍ／ｍｉｎとなり、座標回転角θが０°のときに上限である１５ｍ／ｍｉｎとなるような山形にしても良い。これにより、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量を、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量より大きくできる。
　図９～図１１には、レーザ光８の回転速度の上限を１５ｍ／ｍｉｎ、下限を５ｍ／ｍｉｎとして説明したが、これに限られるものではない。また、レーザ光８の回転速度が変化する場所を座標回転角θが９０°および２７０°としたが、これに限られるものではない。例えば、座標回転角θが１８０°付近においてだけレーザ光の回転速度が遅くなり、座標回転角θが０°付近においてだけレーザ光の回転速度が速くなっても構わない。結果として、図２に示すように、左加工領域２４に与えるエネルギーの総量（第１のエネルギー）が、右加工領域２５に与えるエネルギーの総量（第２のエネルギー）より大きくなっていれば構わない。
　これにより、レーザ光が照射される領域の中心線に対して、加工物の溶け方が左右均等になる。従って、レーザ光を照射する狙いずれの裕度も左右均等になる。また、加工物の溶け方が左右均等であるため、加工物の溶け落ちを抑制できる。
　なお、本実施の形態のレーザ溶接方法は、加工物９を突き合わせた突合せ継手に対するレーザ溶接や、加工物９をずらして重ねた重ね継手に対するレーザ溶接等に適用することができる。そして、板厚が異なる突合せ継手や重ね継手のレーザ溶接にも適用することができる。
　（実施の形態２）
　次に、本開示の実施の形態２について、図１２～図２０を用いて説明する。本実施の形態において、実施の形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なる点は、溶接進行方向の前後方向におけるレーザ光のエネルギーをさらに考慮した点である。
　実施の形態１では、溶接進行方向に対する左右方向において、レーザ光の照射による入熱を左右対称にするレーザ溶接方法について説明した。本実施の形態では、溶接進行方向の前後方向におけるレーザ光の照射による入熱を制御することである。これは、必ずしも溶接進行方向の前後方向においてレーザ光の照射による入熱を対称にすることを意図したものではなく、前後方向における最適な入熱のバランスを求めるものである。
　溶接進行方向の前方では、未溶融の加工物９に対してレーザ光８を照射しており、溶接進行方向の後方では、溶融された加工物９もしくは、加熱された加工物９に対してレーザ光８を照射することになる。そのため、未溶融部分への入熱を高め、溶融部分もしくは、加熱部分への入熱は抑えることが好ましい。すなわち、溶接進行方向の前方である、座標回転角θが１８０°から０°まで（時計回りであるため９０°を経由）におけるレーザ光のエネルギー（第３のエネルギー）が、溶接進行方向の後方である、座標回転角θが０°から１８０°まで（時計回りであるため２７０°を経由）におけるレーザ光のエネルギー（第４のエネルギー）よりも大きいことが好ましい。
　図１２は、本実施の形態におけるレーザ光８の円軌道におけるエネルギーを示す図である。図１２に示すように、本実施の形態のレーザ溶接方法では、溶接進行方向の前方および溶接進行方向に対して左側においてレーザ光によるエネルギーを高くする。例として、図１２に示すように、座標回転角θが２２５°（図１２のＣ）から４５°（図１２のＤ）まで（時計回りであるため１３５°を経由）の実線におけるレーザ光８によるエネルギーが、座標回転角θが４５°から２２５°まで（時計回りであるため３１５°を経由）の点線におけるレーザ光８のエネルギーより高くなっている。
　このようなレーザ光によるエネルギー分布を行うためには、図１３～図１７に示すようなレーザ出力の制御を行うか、図１８～図２０に示すような回転速度の制御を行えばよい。図１３～図１７は、実施の形態１の図４～図８から、座標回転角θを４５°ずらした、レーザ光のレーザ出力を示すグラフである。図１８～図２０は、実施の形態１の図９～図１１から、座標回転角θを４５°ずらした、レーザ光の回転速度を示すグラフである。これにより、溶接進行方向に対して左側である左加工領域２４に与えるエネルギーの総量（第１のエネルギー）を、右側である右加工領域２５に与えるエネルギーの総量（第２のエネルギー）より大きくした上で、さらに、溶接進行方向の前方に与えるエネルギーの総量（第３のエネルギー）を、後方に与えるエネルギーの総量（第４のエネルギー）より大きくすることができる。なお、実施の形態１と同様に、レーザ光８のエネルギーの上限や下限、回転速度の上限や下限については、この数値に限られるわけではない。また、レーザ光のレーザ出力や回転速度が変化する場所を座標回転角θが４５°および２２５°としたが、これに限られるものではない。結果として、進溶接進行方向に対する左右方向および前後方向において、上述したエネルギーの関係になっていれば構わない。
　なお、本実施の形態では、座標回転角θが４５°および２２５°の位置でエネルギーを変化させた。しかし、溶接進行方向に対する左右方向のエネルギーの非対称は、溶接進行方向への移動速度による影響が大きい。そのため、図２１に示すように、溶接進行方向への移動速度が速い場合は、エネルギーを変化させる座標回転角θを４５°～９０°および２２５°～２７０°とすることが好ましい。すなわち、溶接進行方向に対する左右方向のエネルギーの非対称を抑制することを重視した制御が好ましい。逆に、溶接進行方向への移動速度が遅い場合は、エネルギーを変化させる座標回転角θを０°～４５°および１８０°～２２５°とすることが好ましい。すなわち、溶接進行方向に対する前後方向のエネルギーのバランスを重視した制御が好ましい。
　これにより、レーザ光が照射される領域の中心線に対して、加工物の溶け方が左右均等になる。従って、レーザ光を照射する狙いずれの裕度も左右均等になる。また、加工物の溶け方が左右均等であるため、加工物の溶け落ちを抑制できる。さらには、加工物９の未溶融部分への入熱を高め、加工物９の溶融部分もしくは、加熱部分への入熱は抑えることが可能となる。
　（実施の形態３）
　次に、本開示の実施の形態３について、図２２を用いて説明する。本実施の形態において、実施の形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なる点は、実施の形態２と同様に、溶接進行方向の前後方向におけるレーザ光のエネルギーをさらに考慮した点である。さらに実施の形態２と異なる点は、溶接進行方向の前方へのレーザ光によるエネルギーの総量よりも、溶接進行方向の後方へのレーザ光によるエネルギーの総量を大きくした点である。本実施の形態も、実施の形態２と同様に、必ずしも溶接進行方向の前後方向においてレーザ光の照射による入熱を対称にすることを意図したものではなく、前後方向における最適な入熱のバランスを求めるものである。
　加工物９が、例えば、亜鉛メッキ鋼板などの場合、急激に高い熱量を与えると、亜鉛蒸気が噴き出して大粒のスパッタが発生したり、ピットやブローホールなどの内部欠陥を引き起こす。そのため溶接進行方向の前方では、熱量を抑えた予熱を行って亜鉛蒸気を蒸発させ、後方で本溶接を行うことが好ましい。そのため、溶接進行方向の後方での入熱を高めることが好ましい。すなわち、溶接進行方向の後方である、座標回転角θが０°から１８０°まで（時計回りであるため２７０°を経由）におけるレーザ光のエネルギー（第４のエネルギー）が、溶接進行方向の前方である、座標回転角θが１８０°から０°まで（時計回りであるため９０°を経由）におけるレーザ光のエネルギー（第３のエネルギー）よりも大きいことが好ましい。
　図２２は、本実施の形態におけるレーザ光８の円軌道におけるエネルギーを示す図である。図２２に示すように、本実施の形態のレーザ溶接方法では、溶接進行方向の後方および溶接進行方向に対して左側においてレーザ光によるエネルギーを高くする。例として、図２２に示すように、座標回転角θが３１５°（図２２のＥ）から１３５°（図２２のＦ）まで（時計回りであるため２２５°を経由）の実線におけるレーザ光８によるエネルギーが、座標回転角θが１３５°から３１５°まで（時計回りであるため４５°を経由）の点線におけるレーザ光８のエネルギーより高くなっている。
　このようなレーザ光によるエネルギー分布を行うため、実施の形態１や実施の形態２で示したようにレーザ出力や回転速度の制御を行えばよい。これにより、溶接進行方向に対して左側である左加工領域２４に与えるエネルギーの総量（第１のエネルギー）を、右側である右加工領域２５に与えるエネルギーの総量（第２のエネルギー）より大きくした上で、さらに、溶接進行方向の後方に与えるエネルギーの総量（第４のエネルギー）を、前方に与えるエネルギーの総量（第３のエネルギー）より大きくすることができる。なお、実施の形態１や２と同様に、レーザ光８のレーザ出力の上限や下限、回転速度の上限や下限については、この数値に限られるわけではない。また、レーザ光のレーザ出力や回転速度が変化する場所を座標回転角θが３１５°および１３５°としたが、これに限られるものではない。結果として、進溶接進行方向に対する左右方向および前後方向において、上述したエネルギーの関係になっていれば構わない。
　なお、本実施の形態では、座標回転角θが３１５°および１３５°の位置でエネルギーを変化させた。しかし、溶接進行方向に対する左右方向のエネルギーの非対称は、溶接進行方向への移動速度による影響が大きい。そのため、溶接進行方向への移動速度が速い場合は、エネルギーを変化させる座標回転角θを９０°～１３５°および２７０°～３１５°とすることが好ましい。すなわち、溶接進行方向に対する左右方向のエネルギーの非対称を抑制することを重視した制御が好ましい。逆に、溶接進行方向への移動速度が遅い場合は、エネルギーを変化させる座標回転角θを１３５°～１８０°および３１５°～０°（３６０°）とすることが好ましい。すなわち、溶接進行方向に対する前後方向のエネルギーのバランスを重視した制御が好ましい。
　これにより、レーザ光が照射される領域の中心線に対して、加工物の溶け方が左右均等になる。従って、レーザ光を照射する狙いずれの裕度も左右均等になる。また、加工物の溶け方が左右均等であるため、加工物の溶け落ちを抑制できる。さらに、亜鉛メッキ鋼板などの加工物９に対しても、亜鉛蒸気を適切に排出することができる。
　（実施の形態４）
　実施の形態２においては、溶接進行方向の左右方向と前後方向の両方を考慮したが、レーザ光８のエネルギーの左右の非対称性が問題にならない場合は、前後方向のエネルギーだけを制御しても構わない。
　本実施の形態について、図２３を用いて説明する。図２３は、本実施の形態におけるレーザ光８の円軌道におけるエネルギーを示す図である。図２３に示すように、本実施の形態のレーザ溶接方法では、溶接進行方向の前方のみにおいてレーザ光によるエネルギーを高くする。図２３に示すように、座標回転角θが１８０°から０°まで（時計回りであるため９０°を経由）の実線におけるレーザ光８によるエネルギーが、座標回転角θが０°から１８０°まで（時計回りであるため２７０°を経由）の点線におけるレーザ光８のエネルギーより高くなっている。
　このようなレーザ光によるエネルギー分布を行うため、実施の形態１や実施の形態２で示したようにレーザ出力や回転速度の制御を行えばよい。これにより、溶接進行方向の前方に与えるエネルギーの総量（第３のエネルギー）を、後方に与えるエネルギーの総量（第４のエネルギー）より大きくすることができる。なお、実施の形態１や２と同様に、レーザ光８のレーザ出力の上限や下限、回転速度の上限や下限については、この数値に限られるわけではない。また、レーザ光のレーザ出力や回転速度が変化する場所を座標回転角θが０°および１８０°としたが、これに限られるものではない。結果として、進溶接進行方向に対する前後方向において、上述したエネルギーの関係になっていれば構わない。
　これにより、加工物９の未溶融部分への入熱を高め、加工物９の溶融部分もしくは、加熱部分への入熱は抑えることが可能となる。
　（実施の形態５）
　実施の形態３においては、溶接進行方向の左右方向と前後方向の両方を考慮したが、レーザ光８のエネルギーの左右の非対称性が問題にならない場合は、前後方向のエネルギーだけを制御しても構わない。
　本実施の形態について、図２４を用いて説明する。図２４は、本実施の形態におけるレーザ光８の円軌道におけるエネルギーを示す図である。図２４に示すように、本実施の形態のレーザ溶接方法では、溶接進行方向の後方のみにおいてレーザ光によるエネルギーを高くする。図２４に示すように、座標回転角θが０°から１８０°まで（時計回りであるため２７０°を経由）の実線におけるレーザ光８によるエネルギーが、座標回転角θが１８０°から０°まで（時計回りであるため９０°を経由）の点線におけるレーザ光８のエネルギーより高くなっている。
　このようなレーザ光によるエネルギー分布を行うため、実施の形態１や実施の形態２で示したようにレーザ出力や回転速度の制御を行えばよい。これにより、溶接進行方向の後方に与えるエネルギーの総量（第４のエネルギー）を、前方に与えるエネルギーの総量（第３のエネルギー）より大きくすることができる。なお、実施の形態１や２と同様に、レーザ光８のレーザ出力の上限や下限、回転速度の上限や下限については、この数値に限られるわけではない。また、レーザ光のレーザ出力や回転速度が変化する場所を座標回転角θが０°および１８０°としたが、これに限られるものではない。結果として、溶接進行方向に対する前後方向において、上述したエネルギーの関係になっていれば構わない。
　これにより、亜鉛メッキ鋼板などの加工物９に対しても、スパッタの発生や、ピットやブローホールなどの内部欠陥を防止するため、溶接進行方向の前方では、熱量を抑えた予熱を行って亜鉛蒸気を蒸発させることができる。
　なお、実施の形態１～５においては、レーザ光８の照射位置の円軌道を右回転（時計回り）として説明したが、左回転（反時計回り）であっても構わない。実施の形態１～３においては、左回転であっても、レーザ光８の円軌道における移動速度に、溶接進行方向の成分が含まれている側のレーザ光８によるエネルギーの総量が、レーザ光８の円軌道における移動速度に、溶接進行方向とは反対方向の成分が含まれている側のレーザ光８によるエネルギーの総量よりも大きければよい。
　また、実施の形態１～５においては、レーザ光８のレーザ出力または回転速度のいずれか一方のみを変化させてレーザ光８によるエネルギーの総量を変化させたが、両方を組み合わせても構わない。また、レーザ光８のレーザ出力および回転速度を組み合わせる場合であれば、結果的にエネルギーの総量が上述した関係に制御されていれば、レーザ出力の大小関係または回転速度の高低関係が実施の形態１～３とは逆の関係であっても構わない。例えば、実施の形態１において、左加工領域２４における回転速度が右加工領域２５における回転速度よりも速くても、左加工領域２４におけるレーザ出力が右加工領域２５におけるレーザ出力よりも大きくすることで、結果として、左加工領域２４の与えられるエネルギーの総量が右加工領域２５に与えられるエネルギーの総量よりも多ければよい。
　本開示のレーザ溶接方法によれば、レーザ光が照射される領域の中心線に対して、加工物の溶け方が左右均等になる。従って、レーザ光を照射する狙いずれの裕度も左右均等になる。また、加工物の溶け方が左右均等であるため、加工物の溶け落ちを抑制でき、産業上有用である。
１　レーザ溶接装置
２　制御部
３　レーザ発振器
４　光ファイバ
５　レーザ照射ヘッド
６　ロボット
７　出力切替部
８　レーザ光
９　加工物
２１　中央線
２２　左境界線
２３　右境界線
２４　左加工領域
２５　右加工領域

Claims (9)

  1. 　加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を備え、
    　前記らせん状は、円形状に前記レーザ光を移動させる円軌道と、前記溶接箇所に沿う進行方向に前記レーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものであり、
    　前記円軌道において前記進行方向の成分を有するように移動する前記レーザ光の第１のエネルギーは、前記円軌道において前記進行方向とは反対方向の成分を有するように移動する前記レーザ光の第２のエネルギーよりも大きいレーザ溶接方法。
  2. 　前記円軌道のうちの前記進行方向における前記レーザ光の第３のエネルギーは、前記円軌道のうちの前記進行方向とは反対側における前記レーザ光の第４のエネルギーよりも大きい請求項１に記載のレーザ溶接方法。
  3. 　前記円軌道のうちの前記進行方向における前記レーザ光の第３のエネルギーは、前記円軌道のうちの前記進行方向とは反対側における前記レーザ光の第４のエネルギーよりも小さい請求項１に記載のレーザ溶接方法。
  4. 　加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を備え、
    　前記らせん状は、円形状に前記レーザ光を移動させる円軌道と、前記溶接箇所に沿う進行方向に前記レーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものであり、
    　前記円軌道において前記進行方向における前記レーザ光の第３のエネルギーは、前記円軌道において前記進行方向とは反対方向における前記レーザ光の第４のエネルギーよりも大きいレーザ溶接方法。
  5. 　加工物の溶接箇所に沿って、らせん状にレーザ光を照射する工程を備え、
    　前記らせん状は、円形状に前記レーザ光を移動させる円軌道と、前記溶接箇所に沿う進行方向に前記レーザ光を移動させる移動軌道とを組み合わせたものであり、
    　前記円軌道において前記進行方向における前記レーザ光の第３のエネルギーは、前記円軌道において前記進行方向とは反対方向における前記レーザ光の第４のエネルギーよりも小さいレーザ溶接方法。
  6. 　前記加工物は、亜鉛メッキ鋼板である請求項３または５に記載のレーザ溶接方法。
  7. 　前記第３のエネルギーと前記第４のエネルギーとは、前記レーザ光の出力および前記レーザ光の前記円軌道における回転速度の少なくとも一方を変化させることによって制御される請求項２～６のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
  8. 　前記第１のエネルギーと前記第２のエネルギーとは、前記レーザ光の出力および前記レーザ光の前記円軌道における回転速度の少なくとも一方を変化させることによって制御される請求項１～７のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
  9. 　前記レーザ光の出力の波形は、矩形状または台形状または山形である請求項７または８に記載のレーザ溶接方法。
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