WO2015159514A1 - レーザ溶接方法 - Google Patents

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helicopter
laser welding
laser
welding method
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潤司 藤原
篤寛 川本
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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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    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/006—Vehicles

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser welding method for welding two workpieces in a joint shape such as a corner joint or a helicopter joint, and particularly to a laser welding method in the case where a gap exists between the two workpieces.
  • Welded joints such as a square joint and a helicopter joint, along which the end faces of two workpieces are aligned, are generally processed by consumable electrode arc welding and are not suitable for laser welding.
  • laser welding does not supply molten metal to fill the gap between two workpieces.
  • Laser welding that supplies filler wire can supply molten metal that fills the gap, but it requires equipment to supply filler wire and filler wire, and it is also necessary to control the supply position and amount of filler wire.
  • Patent Document 1 describes a laser welding method for welding a helicopter joint without using a filler wire.
  • FIG. 11 is a side view showing a conventional laser welding method, (a) is a side view of a workpiece before laser welding, and (b) is a side view of the workpiece after laser welding.
  • a cover plate 102 on which a plating layer 102a is formed is disposed on a substrate 101 on which a plating layer 101a is formed.
  • substrate 101 by performing laser welding on the protruding portion of the flange 102b, the substrate 101 and the lid plate 102 are laser-welded as shown in FIG. 11B.
  • the conventional laser welding method irradiates the end of the upper cover plate 102 and the end of the lower substrate 101 from the side in a helicopter joint in which two workpieces are stacked. Then, the protruding end portion of the upper cover plate 102 is melted, and the molten metal hangs down due to gravity, thereby joining to the lower substrate 101. For this reason, the molten metal cannot sufficiently flow into the gap between the substrate 101 and the cover plate 102, and bonding becomes insufficient.
  • the present disclosure provides a laser welding method in which molten metal can sufficiently flow into the gap between two workpieces forming a joint shape such as a corner joint or a helicopter joint to increase the joint strength.
  • the laser welding method of the present disclosure includes a first step and a second step.
  • the first step the first end of the first workpiece is placed over the second end of the second workpiece to form a corner joint.
  • the first end portion that forms the corner joint is irradiated with laser light from above. Further, in the first step, the first end portion is disposed so as to protrude with respect to the second workpiece.
  • another laser welding method of the present disclosure has a first step and a second step.
  • the first helicopter of the first workpiece is arranged next to the second helicopter of the second workpiece so as to form a helicopter joint.
  • the first helicopter forming the helicopter joint is irradiated with laser light from above.
  • the end of the first helicopter is disposed so as to protrude above the second helicopter.
  • the molten metal can sufficiently flow into the gap between two workpieces that form a joint shape such as a corner joint or a helicopter joint to increase the joint strength.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the laser welding apparatus in the first embodiment.
  • 2A and 2B are side views showing the laser welding method of the first embodiment, wherein FIG. 2A is a side view of a workpiece before laser welding, and FIG. 2B is a side view of the workpiece after laser welding.
  • 3A and 3B are side views showing a laser welding method according to Modification 1 of Embodiment 1, wherein FIG. 3A is a side view of a workpiece before laser welding, and FIG. 3B is a workpiece after laser welding. It is a side view.
  • 4A and 4B are side views showing a laser welding method according to the second modification of the first embodiment, wherein FIG. 4A is a side view of the workpiece before laser welding, and FIG.
  • FIG. 4B is the workpiece after laser welding. It is a side view.
  • FIG. 5 is a diagram showing an application range of the protruding length with respect to the gap in the laser welding method of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing an application range of the protrusion length with respect to the gap in the laser welding method of the first embodiment.
  • 7A and 7B are side views showing the laser welding method according to the second embodiment, wherein FIG. 7A is a side view of a workpiece before laser welding, and FIG. 7B is a side view of the workpiece after laser welding.
  • 8A and 8B are side views showing a laser welding method according to a modification of the second embodiment, wherein FIG. 8A is a side view of a workpiece before laser welding, and FIG.
  • FIG. 8B is a side view of the workpiece after laser welding.
  • FIG. FIG. 9 is a side view illustrating a laser welding method in which the laser beam 10 is weaved in the present disclosure, (a) is a side view of a workpiece before laser welding, and (b) is a process after laser welding. It is a side view of a thing.
  • FIG. 10 is a side view illustrating a laser welding method in which the laser beam 10 is defocused in the present disclosure, (a) is a side view of a workpiece before laser welding, and (b) is a view after laser welding. It is a side view of a workpiece. It is a side view which shows the conventional laser welding method, (a) is a side view of the workpiece before laser welding, (b) is a side view of the workpiece after laser welding.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser welding apparatus 1 in the present embodiment.
  • 2A and 2B are side views showing the laser welding method of the present embodiment, where FIG. 2A is a side view of the workpiece 11 before laser welding, and FIG. 2B is a side view of the workpiece 11 after laser welding.
  • FIG. 3 is a side view showing a laser welding method according to Modification 1 of the present embodiment, (a) is a side view of a workpiece 11 before laser welding, and (b) is a workpiece after laser welding.
  • 11 is a side view of FIG.
  • FIG. 4A and 4B are side views showing a laser welding method according to the second modification of the present embodiment, wherein FIG. 4A is a side view of the workpiece 11 before laser welding, and FIG. 4B is a workpiece after laser welding.
  • 11 is a side view of FIG. 4 and 5 are diagrams showing the range of application of the protrusion length to the gap in the laser welding method of the present embodiment.
  • the laser welding apparatus 1 includes a laser oscillator 2, a robot 3, a robot controller 4, a laser irradiation head 5, and a transmission fiber 6. Further, the robot controller 4 includes a welding condition setting unit 7, a robot control unit 8, and a laser output control unit 9. The robot controller 4 controls the laser oscillation of the laser oscillator 2, the operation of the robot 3, the operation of the laser irradiation head 5, and the like.
  • the laser oscillator 2 causes the output laser light to enter the transmission fiber 6.
  • the transmission fiber 6 guides the incident laser light to the laser irradiation head 5.
  • the laser irradiation head 5 irradiates the workpiece 11 with the laser beam 10 guided by the transmission fiber 6.
  • the workpiece 11a and the workpiece 11b to be joined are collectively referred to as the workpiece 11.
  • Laser light 10 having a beam diameter depending on the laser oscillator 2 and the transmission fiber 6 is transmitted to the laser irradiation head 5.
  • the laser irradiation head 5 is attached to the tip of the robot 3 and is moved by the operation of the robot 3.
  • the robot controller 4 includes a welding condition setting unit 7, a robot control unit 8, and a laser output control unit 9.
  • the welding condition setting unit 7 sets conditions for laser welding and gives instructions to other components. Based on a command from the welding condition setting unit 7, the robot control unit 8 determines the robot 3 and the laser irradiation head 5 based on the laser welding conditions set in the welding condition setting unit 7 and the operation program taught in advance. Control the behavior.
  • the laser output controller 9 controls the laser output by the laser oscillator 2 based on the laser welding conditions set by the welding condition setting unit 7.
  • the laser welding apparatus 1 performs laser welding by irradiating the joint portion of the workpiece 11a and the workpiece 11b with a laser beam 10 focused by a condenser lens (not shown) inside the laser irradiation head 5.
  • the workpiece 11a and the workpiece 11b are the same material, for example, a galvanized steel sheet.
  • the joint shape of the workpiece 11 is a corner joint.
  • the end (first end) of the workpiece 11a is replaced with the end (second) of the workpiece 11b (second workpiece).
  • the length from the extension line of the upper surface of the workpiece 11b to the end of the workpiece 11a is defined as a protruding length.
  • wire of the upper surface of the workpiece 11b among the edge parts of the workpiece 11a be a protrusion volume.
  • the end portion of the workpiece 11a is irradiated with the laser beam 10 from above by the laser irradiation head 5 to melt the end portion of the workpiece 11a, and as shown in FIG.
  • the workpiece 11b is joined with a corner joint. Further, the end portion of the workpiece 11b is also melted by the laser beam 10 and the heat of the melted workpiece 11a. If the direction in which the workpiece 11a extends from the corner joint is the reference direction (0 degree), the workpiece 11b extends in a direction rotated 90 degrees clockwise from the reference direction. Further, the laser beam 10 is applied to the workpiece 11a from a direction rotated 225 degrees clockwise from the reference direction (a direction rotated 135 degrees counterclockwise).
  • the mechanism of melting at this time will be described more specifically.
  • the end portion of the workpiece 11a By irradiating the end portion of the workpiece 11a with the laser beam 10, the end portion of the workpiece 11a is melted, and the molten metal hangs down by its own weight, and fills the gap between the workpiece 11a and the workpiece 119b.
  • wire of the upper surface of the workpiece 11b is a volume which can fill the gap between the workpiece 11a and the workpiece 11b.
  • the protruding volume for projecting the end of the workpiece 11a from the extended line of the upper surface of the workpiece 11b is larger than the gap volume.
  • the protruding volume is not necessarily larger than the gap volume.
  • the irradiation direction of the laser beam 10 is downward in the vertical direction
  • the workpiece 11a has a direction of about 45 degrees on the lower right side from the corner joint.
  • the workpiece 11b is arranged so as to extend in the direction of about 45 degrees on the lower left from the corner joint. That is, the workpiece 11a and the workpiece 11b are arranged symmetrically. Not limited to this, the workpiece 11a may be tilted slightly clockwise so that the protruding portion of the workpiece 11a is positioned on the upper side in the vertical direction of the gap.
  • the workpiece 11a extends from the corner joint in a further downward direction in the vertical direction than the direction of about 45 degrees on the lower right, and the workpiece 11b extends further to the left in the direction of about 45 degrees on the lower left from the corner joint.
  • You may arrange. Thereby, the protrusion part of the workpiece 11a comes to be located right above the gap, and the molten metal can easily flow into the gap.
  • the workpiece 11a may be slightly tilted counterclockwise so that the protruding portion is positioned on the upper left side of the gap.
  • the workpiece 11a extends from the corner joint in a more rightward direction than about 45 degrees to the lower right, and the workpiece 11b extends from the corner joint further downward in the vertical direction than about 45 degrees at the lower left. You may arrange. Thereby, even if a gap is large, the molten metal of the protrusion part of the workpiece 11a can contact the workpiece 11b reliably.
  • (Modification 1) 3A the end of the workpiece 11a shown in FIG. 2A is bent upward, that is, vertically upward, opposite to the vertical downward direction that is the irradiation direction of the laser beam 10. The state before laser welding is shown. By doing in this way, the protrusion part of the workpiece 11a comes to be located just above a gap, and it becomes easy for molten metal to flow into a gap.
  • FIG. 3B similarly to the case of FIG. 2B, the end of the projecting workpiece 11a is irradiated with the laser beam 10 to be melted, and the molten metal hangs down by its own weight. The gap between 11a and workpiece 11b is filled. Thereby, even when there is a gap between the workpiece 11a and the workpiece 11b, it is possible to perform joining by appropriate laser welding without opening a hole in the welded portion of the corner joint.
  • (Modification 2) 4A shows a state before laser welding in which the end of the workpiece 11a shown in FIG. 2A is bent to the left side, that is, toward the workpiece 11b.
  • the projecting portion 11a is irradiated with the laser beam 10 to be melted, and the molten metal hangs down by its own weight.
  • the gap between 11a and workpiece 11b is filled.
  • FIGS. 5 and 6 show a process of projecting from the extended line on the upper surface of the workpiece 11b with respect to the gap between the workpiece 11a and the workpiece 11b in the laser welding shown in FIGS. 2 (a) and (b).
  • the applicable range of the protrusion length of the end of the object 11a is shown.
  • the horizontal axis represents the length of the gap between the workpiece 11a and the workpiece 11b
  • the vertical axis represents the protruding length of the end of the workpiece 11a that protrudes from the extended line of the upper surface of the workpiece 11b. That's it.
  • the results of laser welding under each condition are indicated by circles ( ⁇ ), black triangles ( ⁇ ), white triangles ( ⁇ ), and crosses (x).
  • a circle ( ⁇ ) indicates that the bead is good
  • a black triangle ( ⁇ ) indicates a convex bead
  • a white triangle ( ⁇ ) indicates that a part of the hole is formed
  • a cross ( ⁇ ) Each shows that a hole is formed in the whole.
  • FIG. 7 is a side view showing the laser welding method of the present embodiment, where (a) is a side view of the workpiece 11 before laser welding, and (b) is a side view of the workpiece 11 after laser welding.
  • FIG. 8 is a side view showing a laser welding method according to a modification of the present embodiment, where (a) is a side view of the workpiece 11 before laser welding, and (b) is the workpiece 11 after laser welding.
  • the laser welding apparatus 1 used in the first embodiment shown in FIG. 1 is used.
  • the joint shape of the workpiece 11 is a helicopter joint.
  • the helicopter (first helicopter) of the workpiece 11c (first workpiece) is replaced with the helicopter (second helicopter) of the workpiece 11d (second workpiece).
  • the helicopter end of the workpiece 11c is bent at approximately 45 degrees toward the workpiece 11d.
  • the end of the helicopter of the workpiece 11c is arranged so as to be positioned further to the workpiece 11d side than the extension line of the side surface of the helicopter of the workpiece 11d.
  • the length from the extension line of the side surface of the helicopter of the workpiece 11d to the end of the helicopter of the workpiece 11c is defined as the protruding length.
  • wire of the side surface of the workpiece 11d among the edge parts of the helicopter of the workpiece 11c be a protrusion volume.
  • the helicopter end of the workpiece 11c is irradiated with the laser beam 10 from above by the laser irradiation head 5 to melt the helicopter end of the workpiece 11c, as shown in FIG.
  • the workpiece 11c and the workpiece 11d are joined by a helicopter joint.
  • the helicopter of the workpiece 11d is also melted by the laser beam 10 and the heat of the end of the melted workpiece 11c.
  • the end of the helicopter of the workpiece 11c is melted, and the molten metal hangs down by its own weight, and is applied to the workpiece 11c.
  • the gap between the helicopter and the helicopter of the workpiece 11d is filled.
  • the protruding volume for projecting the end of the helicopter of the workpiece 11c from the extension of the side surface of the helicopter of the workpiece 11c fills the gap between the helicopter of the workpiece 11c and the helicopter of the workpiece 11d, and is appropriate.
  • a volume capable of obtaining strength is preferred. That is, it is preferable that the projecting volume for projecting the end of the helicopter of the workpiece 11c from the extension of the side surface of the helicopter of the workpiece 11d is larger than the volume of the gap to be filled.
  • the protruding volume does not necessarily have to be larger than the volume of the gap to be filled.
  • the workpiece 11c and the workpiece 11d are placed on a plane (horizontal plane) perpendicular to the irradiation direction of the laser beam 10 that is vertically downward.
  • the workpiece 11c and the workpiece 11d may be inclined to the left or right.
  • the workpiece 11d may be tilted downward so that the workpiece 11d is raised.
  • the protrusion part of the workpiece 11c comes to be located directly above the gap, and the molten metal easily flows into the gap.
  • the workpiece 11d may be tilted downward so that the workpiece 11d is lowered.
  • the molten metal of the protrusion part of the helicopter of the workpiece 11c can reliably contact with the helicopter of the workpiece 11b.
  • the bending angle of the end of the helicopter of the workpiece 11c is not limited to 45 degrees, and may be 30 degrees or more that allows the molten metal to hang down by its own weight, and the upper limit of the bending angle may be 90 degrees. .
  • FIG. 8A shows a state before laser welding in which the end of the helicopter of the workpiece 11c shown in FIG. 6A is bent 90 degrees toward the helicopter of the workpiece 11d.
  • the bending angle of the end of the helicopter of the workpiece 11c is set to 30 degrees or more and 90 degrees or less, but 90 degrees which is a modified example is most stable and can perform appropriate laser welding.
  • the protruding length by which the end of the helicopter of the workpiece 11c protrudes from the extension of the side surface of the helicopter of the workpiece 11d is the length of the gap between the helicopter of the workpiece 11c and the helicopter of the workpiece 11d.
  • a length that includes the thickness of the helicopter is suitable.
  • the helicopter end of the workpiece 11c By forming the helicopter end of the workpiece 11c into a bent shape, the gap between the helicopter of the workpiece 11c and the workpiece 11d can be accommodated, and the larger the gap, the higher the effect.
  • FIG. 9 is a side view illustrating a laser welding method in which the laser beam 10 is weaved in the present disclosure, (a) is a side view of the workpiece 11 before laser welding, and (b) is a view after laser welding.
  • 2 is a side view of a workpiece 11.
  • FIG. FIG. 10 is a side view showing a laser welding method in which the laser beam 10 is defocused in the present disclosure, (a) is a side view of the workpiece 11 before laser welding, and (b) is after laser welding.
  • FIG. 9 is a side view illustrating a laser welding method in which the laser beam 10 is weaved in the present disclosure, (a) is a side view of the workpiece 11 before laser welding, and (b) is a view after laser welding.
  • laser welding may be performed while the laser beam 10 is weaved.
  • laser welding may be performed by defocusing the laser beam 10 and widening the beam diameter of the laser beam.
  • laser welding may be performed using both weaving and defocus.
  • the laser beam 10 is weaved, or defocused, or weaving and defocus are used in combination.
  • the beam diameter of the laser beam 10 By expanding the beam diameter of the laser beam 10, laser welding with a good bead appearance can be performed.
  • the molten metal can sufficiently flow into the gap between two workpieces that form a joint shape such as a corner joint or a helicopter joint, thereby increasing the joint strength. It is useful above.

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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（１１ａ）の第１の端部を第２の加工物（１１ｂ）の第２の端部の上に重ねて角継手を形成するように配置する。第２の工程では、角継手を形成する第１の端部に上方からレーザ光（１０）を照射する。さらに、第１の工程において、第１の端部が第２の加工物（１１ｂ）に対して突出するように配置する。

Description

レーザ溶接方法
　本開示は、角継手やヘリ継手といった継手形状で２つの加工物を溶接するレーザ溶接方法に関し、特に、２つの加工物の間にギャップが存在する場合のレーザ溶接方法に関する。
　角継手やヘリ継手といった、２つの加工物の端面同士を沿わせた溶接継手は、一般的に、消耗電極式のアーク溶接によって加工されレーザ溶接には不向きである。その理由は、レーザ溶接では、２つの加工物の間のギャップを埋めるための溶融金属が供給されない。なお、フィラーワイヤを供給するレーザ溶接ではギャップを埋める溶融金属を供給できるが、フィラーワイヤおよびフィラーワイヤを供給するための設備が必要であり、また、フィラーワイヤの供給位置や供給量を制御する必要がある。これに対し、特許文献１には、フィラーワイヤを用いずに、ヘリ継手を溶接するレーザ溶接方法について記載されている。
　図１１は、従来のレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物の側面図である。図１１の（ａ）に示すように、メッキ層１０１ａが形成された基板１０１の上に、メッキ層１０２ａが形成された蓋板１０２を配置する。このとき、基板１０１の端部から、蓋板１０２のフランジ１０２ｂの端部が突出するように配置される。そして、フランジ１０２ｂの突出した部分にレーザ溶接を行うことで、図１１の（ｂ）に示すように、基板１０１と蓋板１０２とをレーザ溶接する。
特開昭５４－０５０４５０号公報
　しかし、従来のレーザ溶接方法は、２つの加工物を重ねたヘリ継手において、上の蓋板１０２の端部と下の基板１０１の端部とにレーザ光を真横から照射する。そして、上の蓋板１０２の突出した端部を溶融させ、溶融金属が重力によって垂れ下がることにより下の基板１０１と接合する。このため、溶融金属が基板１０１と蓋板１０２との間のギャップに十分に流れ込むことができず、接合が不十分となる。
　本開示は、角継手やヘリ継手といった継手形状を形成する２つの加工物のギャップに溶融金属が十分に流入して接合強度を高めることができ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の加工物の第１の端部を第２の加工物の第２の端部の上に重ねて角継手を形成するように配置する。第２の工程では、角継手を形成する第１の端部に上方からレーザ光を照射する。さらに、第１の工程において、第１の端部が第２の加工物に対して突出するように配置する。
　また、本開示の別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の加工物の第１のヘリを第２の加工物の第２のヘリの隣に並べてヘリ継手を形成するように配置する。第２の工程では、ヘリ継手を形成する第１のヘリに上方からレーザ光を照射する。さらに、第１の工程において、第１のヘリの端部は、第２のヘリの上方に突出するように配置する。
　以上のように、本開示のレーザ溶接方法によれば、角継手やヘリ継手といった継手形状を形成する２つの加工物のギャップに溶融金属が十分に流入して接合強度を高めることができる。
図１は、実施の形態１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のレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物の側面図である。 図３は、実施の形態１の変形例１のレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物の側面図である。 図４は、実施の形態１の変形例２のレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物の側面図である。 図５は、実施の形態１のレーザ溶接方法における、ギャップに対する突出長さの適用範囲を示す図である。 図６は、実施の形態１のレーザ溶接方法における、ギャップに対する突出長さの適用範囲を示す図である。 図７は、実施の形態２のレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物の側面図である。 図８は、実施の形態２の変形例のレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物の側面図である。 図９は、本開示において、レーザ光１０をウィービングさせたレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物の側面図である。 図１０は、本開示において、レーザ光１０をデフォーカスさせたレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物の側面図である。 従来のレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物の側面図である。
　（実施の形態１）
　図１～図６を用いて、本開示の実施の形態１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２は、本実施の形態のレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物１１の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物１１の側面図である。図３は、本実施の形態の変形例１のレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物１１の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物１１の側面図である。図４は、本実施の形態の変形例２のレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物１１の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物１１の側面図である。図４および図５は、本実施の形態のレーザ溶接方法における、ギャップに対する突出長さの適用範囲を示す図である。
　図１に示すように、レーザ溶接装置１は、レーザ発振器２と、ロボット３と、ロボットコントローラ４と、レーザ照射ヘッド５と、伝送ファイバ６とを有する。さらに、ロボットコントローラ４は、溶接条件設定部７と、ロボット制御部８と、レーザ出力制御部９とを有する。ロボットコントローラ４は、レーザ発振器２のレーザ発振やロボット３の動作やレーザ照射ヘッド５の動作等を制御する。
　レーザ発振器２は、出力したレーザ光を伝送ファイバ６に入射させる。伝送ファイバ６は、入射されたレーザ光をレーザ照射ヘッド５まで導く。レーザ照射ヘッド５は、伝送ファイバ６によって導かれたレーザ光１０を加工物１１に照射する。なお、本実施の形態では、接合する加工物１１ａおよび加工物１１ｂをまとめて加工物１１とする。
　レーザ照射ヘッド５には、レーザ発振器２および伝送ファイバ６に依存したビーム径のレーザ光１０が伝送される。レーザ照射ヘッド５は、ロボット３の先端に取り付けられており、ロボット３の動作により移動される。レーザ照射ヘッド５としては、例えば、ガルバノミラーを用いたものがある。
　ロボットコントローラ４は、溶接条件設定部７と、ロボット制御部８と、レーザ出力制御部９とを有する。溶接条件設定部７は、レーザ溶接の条件を設定し、他の構成要素への指令を行う。ロボット制御部８は、溶接条件設定部７からの指令に基づき、溶接条件設定部７で設定されたレーザ溶接の条件や予め教示された動作プログラム等に基づいて、ロボット３やレーザ照射ヘッド５の動作を制御する。レーザ出力制御部９は、溶接条件設定部７で設定されたレーザ溶接の条件に基づいて、レーザ発振器２によるレーザ出力を制御する。
　レーザ溶接装置１は、レーザ照射ヘッド５の内部にある集光レンズ（図示せず）によって集束したレーザ光１０を、加工物１１ａおよび加工物１１ｂの継手部分に照射してレーザ溶接する。本実施の形態では、加工物１１ａと加工物１１ｂとは同じ材料であり、例えば、亜鉛めっき鋼板である。
　次に、図２～図５を用いて、本実施の形態におけるレーザ溶接方法について説明する。本実施の形態では、加工物１１の継手形状は角継手である。
　図２の（ａ）に示すように、まず、加工物１１ａ（第１の加工物）の端部（第１の端部）を加工物１１ｂ（第２の加工物）の端部（第２の端部）の上に重ねて角継手を形成するように配置する。このとき、加工物１１ａの端部が加工物１１ｂに対して突出するように配置する。具体的には、加工物１１ａの端部が、加工物１１ｂの上面の延長線よりもさらに上に位置するように配置する。このときの、加工物１１ｂの上面の延長線から加工物１１ａの端までの長さを突出長さとする。また、加工物１１ａの端部のうち、加工物１１ｂの上面の延長線よりも突出している部分の体積を突出体積とする。
　次に、加工物１１ａの端部に、上方からレーザ照射ヘッド５によってレーザ光１０を照射して加工物１１ａの端部を溶融し、図２の（ｂ）に示すように、加工物１１ａと加工物１１ｂとを角継手で接合する。また、加工物１１ｂの端部もレーザ光１０および溶融した加工物１１ａの熱により溶融されている。角継手から加工物１１ａが延びる方向を基準方向（０度）とすると、加工物１１ｂは基準方向から時計回りに９０度回転した方向に延びている。また、レーザ光１０は、基準方向から時計回りに２２５度回転した方向（反時計回りに１３５度回転した方向）から加工物１１ａに照射されている。
　このときの溶融のメカニズムについてさらに具体的に説明する。加工物１１ａの端部にレーザ光１０を照射することで加工物１１ａの端部が溶融し、その溶融金属が自重で垂れ下がり、加工物１１ａと加工物１１９ｂとの間のギャップを充填する。これにより、加工物１１ａと加工物１１ｂとの間にギャップがある場合でも、角継手の溶接箇所に穴が開くことなく、適切なレーザ溶接による接合を行うことができる。なお、加工物１１ａの端を加工物１１ｂの上面の延長線から突出させる突出体積は、加工物１１ａと加工物１１ｂとの間のギャップを埋めることが可能な体積であることが好ましい。すなわち、加工物１１ａの端を加工物１１ｂの上面の延長線から突出させる突出体積は、ギャップの体積よりも大きいことが好ましい。ただし、加工物１１ｂの上面の延長線よりも下にある加工物１１ａの一部は溶融されるため、必ずしも、突出体積がギャップの体積より大きい必要はない。
　また、図２の（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施の形態では、レーザ光１０の照射方向は鉛直方向下向きであり、加工物１１ａは角継手から右下約４５度の方向に延びるように、加工物１１ｂは角継手から左下約４５度の方向に延びるように配置している。すなわち、加工物１１ａと加工物１１ｂとは左右対称に配置されている。これに限らず、加工物１１ａの突出部がギャップの鉛直方向上側に位置するように、少しだけ時計回りに傾けても構わない。すなわち、加工物１１ａは角継手から右下約４５度の方向よりもさらに鉛直方向下向きの方向に延びるように、加工物１１ｂは角継手から左下約４５度の方向よりもさらに左向きに伸びるように配置しても構わない。これにより、加工物１１ａの突出部がよりギャップの真上に位置するようになり、溶融金属がギャップへ流れ込みやすくなる。また逆に、加工物１１ａの突出部がギャップの左側上方に位置するように、少しだけ反時計回りに傾けても構わない。すなわち、加工物１１ａは角継手から右下約４５度の方向よりもさらに右向きの方向に延びるように、加工物１１ｂは角継手から左下約４５度の方向よりもさらに鉛直方向下向きに伸びるように配置しても構わない。これにより、ギャップが大きくても、加工物１１ａの突出部の溶融金属は確実に加工物１１ｂと接触することができる。
　（変形例１）
　図３の（ａ）は、図２の（ａ）に示した加工物１１ａの端部を上方、すなわち、レーザ光１０の照射方向である鉛直方向下向きとは反対の鉛直方向上向きに折り曲げた、レーザ溶接前の状態を示している。このようにすることで、加工物１１ａの突出部がよりギャップの真上に位置するようになり、溶融金属がギャップへ流れ込みやすくなる。図３の（ｂ）に示すように、図２の（ｂ）の場合と同様、突出した加工物１１ａの端部にレーザ光１０を照射して溶融させ、溶融金属が自重で垂れ下がり、加工物１１ａと加工物１１ｂとの間のギャップを充填する。これにより、加工物１１ａと加工物１１ｂとの間にギャップがある場合でも、角継手の溶接箇所に穴が開くことなく、適切なレーザ溶接による接合を行うことができる。
　（変形例２）
　図４の（ａ）は、図２の（ａ）に示した加工物１１ａの端部を左側、すなわち、加工物１１ｂの方に折り曲げた、レーザ溶接前の状態を示している。このようにすることで、ギャップが大きくても、加工物１１ａの突出部の溶融金属は確実に加工物１１ｂと接触することができる。図４の（ｂ）に示すように、図２の（ｂ）の場合と同様、突出した加工物１１ａの端部にレーザ光１０を照射して溶融させ、溶融金属が自重で垂れ下がり、加工物１１ａと加工物１１ｂとの間のギャップを充填する。これにより、加工物１１ａと加工物１１ｂとの間にギャップがある場合でも、角継手の溶接箇所に穴が開くことなく、適切なレーザ溶接による接合を行うことができる。
　（レーザ溶接方法の結果の検証）
　なお、上記のような良好な溶接を行うためには、適正な溶接条件が必要である。その一例について、以下に説明する。
　図５と図６は、図２の（ａ）および（ｂ）に示したレーザ溶接において、加工物１１ａと加工物１１ｂとの間のギャップに対する、加工物１１ｂの上面の延長線から突出させる加工物１１ａの端の突出長さの適用範囲を示したものである。図５は、加工物１１ａおよび加工物１１ｂの板厚がともにｔ＝０．８ｍｍの場合である。図６は、加工物１１ａおよび加工物１１ｂの板厚がともにｔ＝１．２ｍｍの場合である。
　図５および図６において、横軸は加工物１１ａと加工物１１ｂとの間のギャップの長さであり、縦軸は加工物１１ｂの上面の延長線から突出させる加工物１１ａの端の突出長さである。また、各条件におけるレーザ溶接の結果を丸（○）と黒三角（▲）と白三角（△）とバツ（×）の印で示している。なお、丸（○）はビードが良好であること、黒三角（▲）は凸ビードであること、白三角（△）は一部に穴あきが形成されていること、バツ（×）は、全体に穴あきが形成されていることをそれぞれ示している。
　図５に示すように、突出長さが０．３ｍｍから０．４ｍｍでは、ギャップが０ｍｍから０．４ｍｍまでは、良好な結果（○）を得ることができる。なお、突出長さが０．１ｍｍから０．２ｍｍでは、ギャップを埋めるための溶融金属量が不足するため、ギャップが大きくなると、一部穴あき（△）や穴開き（×）が発生してしまう。また、突出長さが０．５ｍｍから０．７ｍｍでは、ギャップが小さいと溶融金属量が多すぎて凸ビード（▲）になり、ビード外観が悪くなり、ギャップが大きくなると、一部穴あき（△）や穴開き（×）が発生してしまう。
　図６に示すように、突出長さが０．４ｍｍから０．６ｍｍでは、ギャップが０ｍｍから０．５ｍｍまでは、良好な結果（○）を得ることができる。なお、突出長さが０．１ｍｍから０．３ｍｍでは、ギャップを埋めるための溶融金属量が不足するため、一部穴あき（△）や穴開き（×）が発生してしまう。突出長さが０．７ｍｍ以上では、ギャップが小さいと溶融金属量が多すぎて凸ビード（▲）になり、ビード外観が悪くなり、ギャップが大きくなると、一部穴あき（△）が発生してしまう。
　図５および図６により、突出長さを、突出させる加工物（本実施の形態では加工物１１ａ）の板厚の１／３～１／２にすることで、広い範囲のギャップに対応できることがわかる。
　（実施の形態２）
　次に、図７および図８を用いて、実施の形態２におけるレーザ溶接方法について説明する。図７は、本実施の形態のレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物１１の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物１１の側面図である。図８は、本実施の形態の変形例のレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物１１の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物１１の側面図である。なお、本実施の形態においても、図１で示される、実施の形態１で用いたレーザ溶接装置１が用いられる。また、本実施の形態では、加工物１１の継手形状はヘリ継手である。
　図７の（ａ）に示すように、まず、加工物１１ｃ（第１の加工物）のヘリ（第１のヘリ）を加工物１１ｄ（第２の加工物）のヘリ（第２のヘリ）に並べてヘリ継手を形成するように配置する。加工物１１ｃのヘリの端部は、加工物１１ｄに向かって約４５度で折り曲げられている。そして、加工物１１ｃのヘリの端部が、加工物１１ｄのヘリの上方に突出するように配置する。具体的には、加工物１１ｃのヘリの端部が、加工物１１ｄのヘリの側面の延長線よりも、さらに加工物１１ｄ側に位置するように配置する。このときの、加工物１１ｄのヘリの側面の延長線から加工物１１ｃのヘリの端までの長さを突出長さとする。また、加工物１１ｃのヘリの端部のうち、加工物１１ｄの側面の延長線よりも突出している部分の体積を突出体積とする。
　次に、加工物１１ｃのヘリの端部に、上方からレーザ照射ヘッド５によってレーザ光１０を照射して加工物１１ｃのヘリの端部を溶融し、図７の（ｂ）に示すように、加工物１１ｃと加工物１１ｄとをヘリ継手で接合する。また、加工物１１ｄのヘリもレーザ光１０および溶融した加工物１１ｃのヘリの端部の熱により溶融されている。
　実施の形態１と同様に、加工物１１ｃのヘリの端部にレーザ光１０を照射することで、加工物１１ｃのヘリの端部が溶融し、その溶融金属が自重で垂れ下がり、加工物１１ｃにヘリと加工物１１ｄのヘリとの間のギャップを充填する。これにより、加工物１１ｃのヘリと加工物１１ｄのヘリとの間にギャップがある場合でも、ヘリ継手の溶接箇所に穴が開くことなく、適切なレーザ溶接による接合を行うことができる。なお、加工物１１ｃのヘリの端を加工物１１ｃのヘリの側面の延長線から突出させる突出体積は、加工物１１ｃのヘリと加工物１１ｄのヘリとの間のギャップを埋め、かつ、適切な強度を得ることが可能な体積であることが好ましい。すなわち、加工物１１ｃのヘリの端を加工物１１ｄのヘリの側面の延長線から突出させる突出体積は、埋めようとするギャップの体積よりも大きいことが好ましい。ただし、加工物１１ｄのヘリの側面の延長線よりも右にある加工物１１ｃのヘリの一部は溶融されるため、必ずしも、突出体積が埋めようとするギャップの体積より大きい必要はない。
　図７の（ａ）および（ｂ）に示すレーザ溶接において、加工物１１ｃと加工物１１ｄは、鉛直方向下向きであるレーザ光１０の照射方向に対して垂直な面（水平面）に載置されている。これに限らず、加工物１１ｃおよび加工物１１ｄが、左右のどちらかに傾いていても構わない。すなわち、加工物１１ｄが上がるような右下がりに傾いていても構わない。これにより、加工物１１ｃの突出部がよりギャップの真上に位置するようになり、溶融金属がギャップへ流れ込みやすくなる。また逆に、加工物１１ｄが下がるような左下がりに傾いていても構わない。これにより、ギャップが大きくても、加工物１１ｃのヘリの突出部の溶融金属は確実に加工物１１ｂのヘリと接触することができる。
　なお、加工物１１ｃのヘリの端部の折り曲げ角度は、４５度に限らず、溶融金属が自重で垂れ下がることができる３０度以上であれば良く、折り曲げ角度の上限は、９０度とすればよい。
　（変形例）
　図８の（ａ）は、図６の（ａ）に示す加工物１１ｃのヘリの端部を、加工物１１ｄのヘリの側に９０度折り曲げた、レーザ溶接前の状態を示している。このようにすることで、ギャップが大きくても、加工物１１ｃのヘリの突出部の溶融金属は確実に加工物１１ｄのヘリと接触することができる。図８の（ｂ）に示すように、図７の（ｂ）の場合と同様、突出した加工物１１９ｃのヘリの端部にレーザ光１０を照射して溶融させ、溶融金属が自重で垂れ下がり、加工物１１ｃのヘリと加工物１１ｄのヘリとの間のギャップを充填する。これにより、加工物１１ｃのヘリと加工物１１ｄのヘリとの間にギャップがある場合でも、ヘリ継手の溶接箇所に穴が開くことなく、適切なレーザ溶接による接合を行うことができる。
　なお、上記では、加工物１１ｃのヘリの端部の折り曲げ角度を３０度以上９０度以下としたが、変形例である９０度が最も安定して適切なレーザ溶接を行うことができる。
　また、加工物１１ｃのヘリの端を加工物１１ｄのヘリの側面の延長線から突出させる突出長さは、加工物１１ｃのヘリと加工物１１ｄのヘリとの間のギャップの長さと加工物１１ｄのヘリの厚みとを加えた長さが適している。
　加工物１１ｃのヘリの端部を折り曲げた形状とすることで、加工物１１ｃのヘリと加工物１１ｄのヘリとの間のギャップに対応可能であり、ギャップが大きい程効果が高い。
　さらに、実施の形態１および実施の形態２の両方に対して、レーザ光１０の照射範囲を広げるレーザ溶接方法について、図９および図１０を用いて、説明する。図９は、本開示において、レーザ光１０をウィービングさせたレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物１１の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物１１の側面図である。図１０は、本開示において、レーザ光１０をデフォーカスさせたレーザ溶接方法を示す側面図であり、（ａ）はレーザ溶接前の加工物１１の側面図であり、（ｂ）はレーザ溶接後の加工物１１の側面図である。
　例えば、実施の形態１に示した角継手において、加工物１１の板厚が厚い場合や、ギャップや位置ズレなどの溶接裕度が必要な場合には、図９の（ａ）および（ｂ）に示すように、レーザ光１０をウィービングさせながらレーザ溶接を行っても良い。あるいは、図１０の（ａ）および（ｂ）に示すように、レーザ光１０をデフォーカスし、レーザ光のビーム径を広げてレーザ溶接を行っても良い。さらには、ウィービングとデフォーカスを併用してレーザ溶接を行っても良い。これらのように、レーザ光１０の照射範囲を広げて加工物１１を広範囲に溶融することで、加工物１１の板厚が厚い場合や、ギャップや位置ズレなどの溶接裕度が必要な場合等でも、ビード外観が良好なレーザ溶接を行うことができる。
　なお、実施の形態２で示したヘリ継手についても、実施の形態１で示した角継手の場合と同様に、レーザ光１０をウィービングさせる、あるいは、デフォーカス、あるいはウィービングとデフォーカスを併用してレーザ光１０のビーム径を広げることで、ビード外観が良好なレーザ溶接を行うことができる。
　以上のように、本開示のレーザ溶接方法によれば、角継手やヘリ継手といった継手形状を形成する２つの加工物のギャップに溶融金属が十分に流入して接合強度を高めることができ、産業上有用である。
１　レーザ溶接装置
２　レーザ発振器
３　ロボット
４　ロボットコントローラ
５　レーザ照射ヘッド
６　伝送ファイバ
７　溶接条件設定部
８　ロボット制御部
９　レーザ出力制御部
１０　レーザ光
１１，１１ａ～１１ｄ　加工物
１０１　基板
１０１ａ　メッキ層
１０２　蓋板
１０２ａ　メッキ層
１０２ｂ　フランジ

Claims (12)

  1. 　第１の加工物の第１の端部を第２の加工物の第２の端部の上に重ねて角継手を形成するように配置する第１の工程と、
    　前記角継手を形成する前記第１の端部に上方からレーザ光を照射する第２の工程と、を備え、
    　前記第１の工程において、前記第１の端部が前記第２の加工物に対して突出するように配置するレーザ溶接方法。
  2. 　前記角継手における、前記第１の加工物と前記第２の加工物との間にはギャップが形成され、
    　前記第１の端部が前記第２の加工物に対して突出する体積は、前記ギャップの体積よりも大きい請求項１に記載のレーザ溶接方法。
  3. 　前記第１の端部は、前記第１の加工物に対して、上方に曲げた形状である請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
  4. 　前記第１の端部が前記第２の加工物に対して突出する距離は、前記第１の加工物の板厚の１／３以上１／２以下である請求項１～３のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
  5. 　前記第１の加工物と前記第２の加工物とは、前記角継手の鉛直方向の下方において９０度の角度をなすように、左右対称な方向に配置され、
    　前記レーザ光は、前記角継手の鉛直方向の上方から照射される請求項１～４のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
  6. 　第１の加工物の第１のヘリを第２の加工物の第２のヘリの隣に並べてヘリ継手を形成するように配置する第１の工程と、
    　前記ヘリ継手を形成する前記第１のヘリに上方からレーザ光を照射する第２の工程と、を備え、
    　前記第１の工程において、前記第１のヘリの端部は、前記第２のヘリの上方に突出するように配置するレーザ溶接方法。
  7. 　前記第２のヘリの上方に突出した前記第１のヘリの端部は、前記第１のヘリに対して３０度以上９０度以下の角度で折り曲げた形状である請求項６に記載のレーザ溶接方法。
  8. 　前記第２のヘリの上方に突出した前記第１のヘリの端部は、前記第１のヘリに対して９０度の角度で折り曲げた形状である請求項７に記載のレーザ溶接方法。
  9. 　前記ヘリ継手における、前記第１のヘリと前記第２のヘリとの間にはギャップが形成されている請求項６～８のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
  10. 　前記第１のヘリの端部が前記第２のヘリの上方に突出する長さは、前記ギャップの距離と前記第２のヘリの厚さとを加えた長さである請求項９に記載のレーザ溶接方法。
  11. 　前記第２の工程において、前記レーザ光をウィービングさせる請求項１～１０のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
  12. 　前記第２の工程において、前記レーザ光をデフォーカスさせる請求項１から１１のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
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