WO2018229993A1 - レーザ溶接方法 - Google Patents

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WO2018229993A1
WO2018229993A1 PCT/JP2017/022408 JP2017022408W WO2018229993A1 WO 2018229993 A1 WO2018229993 A1 WO 2018229993A1 JP 2017022408 W JP2017022408 W JP 2017022408W WO 2018229993 A1 WO2018229993 A1 WO 2018229993A1
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WO
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laser
scanning
plate
welding method
laser welding
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PCT/JP2017/022408
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English (en)
French (fr)
Inventor
木下　圭介
伸太郎 野中
Original Assignee
日産自動車株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding

Definitions

  • the present invention relates to a laser welding method.
  • a laser welding method has been performed in which metal plate materials are overlapped with each other, and the plate materials are welded by irradiating the plate with laser beams.
  • this laser welding generally, if the gap between the plate materials is 0.3 mm or more, there may be insufficient welding strength due to underfill or dropout or an unwelded state.
  • the accuracy of the body part varies beyond the tolerance of the gap, so that there is a problem that, for example, it is necessary to correct the gap with a jig and the equipment cost increases. From the above, in laser welding, it is required to improve the tolerance of gaps between plate materials.
  • Patent Document 1 discloses a laser welding method in which a plate material is irradiated while scanning a laser in the circumferential direction of a welded portion. According to this laser welding method, the weld bead can be widened as compared with the case where the laser is irradiated locally.
  • the laser scanning locus in the second step scans the inside of the laser scanning locus in the first step. For this reason, in this laser welding method, before the central portion of the welded portion is melted, the peripheral portion of the welded portion is in a molten state, and the central portion of the welded portion may be scattered by steam generated during welding. is there. If the center part of the welded part is scattered in this way, there is a possibility that the molten metal is insufficient and the plate materials cannot be joined appropriately.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a laser welding method capable of suitably joining plate members even when the gap between the plate members is increased.
  • the laser welding method according to the present invention that achieves the above object includes a method of laser welding in which metal plate materials are overlapped with each other, and the plate materials are irradiated with a laser that scans along the welded portion of the plate materials. Is the method. By irradiating the plate with the laser while scanning the laser so that it passes through the center of the welded portion, a molten pool in which the plate is melted is formed. The molten pool is agitated by irradiating the molten pool while scanning the laser.
  • FIG. 1 is a schematic view showing a laser welding apparatus 100 according to this embodiment.
  • a laser welding method in which welding is performed by irradiating laser L to one overlapped plate member (upper plate member in FIG. 1) 210 and another plate member (lower plate member in FIG. 1) 220.
  • One plate member 210 and another plate member 220 are overlapped by being clamped by a clamping device (not shown).
  • the welded portion 230 in the plate members 210 and 220 means a place where the plate members 210 and 220 are irradiated with the laser L in order to weld the plate members 210 and 220 together. Further, the welded portion 230 includes a portion to be welded in a state before being irradiated with the laser L and a portion to be welded that has been melted or solidified by irradiating the laser L.
  • the laser welding apparatus 100 includes a laser oscillator 110 that oscillates a laser L, an optical system head 120 that adjusts the optical path of the laser L, and a robot arm in which the optical system head 120 is disposed at the tip. 130, and a control unit 150 that controls each member of the laser welding apparatus 100.
  • Laser oscillator 110 oscillates laser L in accordance with a control signal transmitted from control unit 150.
  • the oscillated laser L is transmitted to the optical system head 120 via the optical fiber 111.
  • the laser L oscillated from the laser oscillator 110 is, for example, a YAG (yttrium, aluminum, garnet) laser.
  • the optical system head 120 includes a collimator lens 121, a first mirror 122, a second mirror 123, a third mirror 124, and a lens 125.
  • the collimator lens 121 transmits the laser L to the first mirror 122 by making the laser L transmitted from the optical fiber 111 and having an enlarged diameter into substantially parallel light.
  • the first mirror 122 reflects the laser L that has become substantially parallel light by the collimator lens 121 toward the second mirror 123.
  • the second mirror 123 reflects the laser L reflected from the first mirror 122 to the third mirror 124 side.
  • the third mirror 124 reflects the laser L reflected from the second mirror 123 to the lens 125 side.
  • the lens 125 condenses the laser L so that the laser L reflected from the third mirror 124 is focused in the vicinity of the plate members 210 and 220.
  • the laser L scans along the welded portions 230 of the plate members 210 and 220.
  • the spot diameter of the laser L in the welded portion 230 is not particularly limited, but is preferably, for example, 0.8 mm to 1.5 mm, and more preferably 1 mm.
  • the spot diameter of the laser L in the welded portion 230 is condensed so as to be 0.6 mm or less, the power density of the laser L is increased, and the molten metal is scattered as spatter. If the molten metal is scattered as sputtering, there is a possibility that the molten metal is insufficient and the plate members 210 and 220 cannot be joined appropriately.
  • the spot diameter of the laser L in the welded part 230 is focused so as to be 2 mm or more, for example, the power density of the laser L is insufficient and the plate members 210 and 220 cannot be melted.
  • the robot arm 130 moves the optical system head 120 to a welding location set in accordance with a control signal transmitted from the control unit 150 and the vicinity thereof.
  • the robot arm 130 includes a support column 131 having sufficient rigidity and a joint 132 that rotatably connects the support columns 131.
  • the control unit 150 transmits a control signal and controls the operation of each unit of the laser welding apparatus 100.
  • the control unit 150 performs various operation controls related to laser welding, such as the movement of the robot arm 130, the timing of laser L irradiation by the laser oscillator 110, and the scanning of the laser L along a predetermined welding locus. .
  • FIG. 2 is a diagram showing scanning patterns of the first step S01 and the second step S02 of the laser welding method according to the present embodiment.
  • the upper side of FIG. 2 is a perspective view showing scanning patterns of the first step S01 and the second step S02, and the lower side of FIG. 2 is a top view showing scanning patterns of the first step S01 and the second step S02. is there.
  • FIG. 3 is a diagram showing a first step S01 of the laser welding method according to the present embodiment. 3 is a perspective view showing the first step S01, and the lower side of FIG. 3 is a front sectional view showing the first step S01.
  • FIG. 4 is a view for explaining the hot water flow in the first step S01.
  • FIG. 1 is a diagram showing scanning patterns of the first step S01 and the second step S02 of the laser welding method according to the present embodiment.
  • the upper side of FIG. 2 is a perspective view showing scanning patterns of the first step S01 and the second step S02
  • the lower side of FIG. 2 is a top view
  • FIG. 5 is a diagram showing a second step S02 of the laser welding method according to the present embodiment.
  • the upper side of FIG. 5 is a perspective view showing the second step S02, and the lower side of FIG. 5 is a front sectional view showing the second step S02.
  • FIG. 6 is a view for explaining the hot water flow in the second step S02.
  • the laser welding method according to the present embodiment is made by superimposing metal plate members 210 and 220, irradiating the plate members 210 and 220 with a laser L that scans along the welded portion 230 of the plate members 210 and 220, and This is a laser welding method in which the plate members 210 and 220 are welded together. Further, in the laser welding method, the laser L is applied to the plate members 210 and 220 while scanning so that the laser L passes through the center of the welded portion 230, thereby forming the molten pools 240 and 250 in which the plate members 210 and 220 are melted. It has 1st process S01.
  • the laser welding method includes a second step S02 in which the molten pools 240 and 250 are stirred by irradiating the molten pools 240 and 250 while scanning with the laser L.
  • the first step S01 and the second step S02 will be described in detail.
  • the first step S01 will be described with reference to FIG. 2, FIG. 3, and FIG.
  • the laser L is scanned by the plate material 210 while the laser L is scanned with the 8-shaped scanning pattern P1 so that the laser L passes through the center of the welded portion 230. , 220.
  • the “center of the welded portion 230” includes the center of the welded portion 230 and the vicinity thereof.
  • a hot water flow shown in FIG. 4 As shown in FIG. 4, an upward flow is generated at the location A ⁇ b> 1 where the laser L is irradiated, and a downward flow is generated at the bottom A ⁇ b> 2 of the keyhole 260.
  • the molten metal undulates on the upper surface of one plate material 210.
  • the other plate material 220 is melted by the heat of the laser L as in the case of the one plate material 210.
  • a molten pool 250 which is a pool of molten metal, is formed.
  • the keyhole 280 (refer FIG. 6) is formed in the other board
  • FIG. Therefore, the same hot water flow as that of the one plate material 210 is generated in the other plate material 220, so that the molten metal undulates on the upper surface of the other plate material 220.
  • the molten pool 240 formed on one plate member 210 and the molten pool 250 formed on the other plate member 220 gradually gradually as shown on the right side of FIG. growing.
  • the frequency in the first step S01 (the number of times a figure 8 is drawn per second) can be set to 50 Hz, for example.
  • the frequency is set to a higher numerical value, the heat of the laser L is not suitably absorbed by the plate materials 210 and 220, and the molten pools 240 and 250 may not be suitably formed.
  • the irradiation time in the first step S01 can be set to 100 ms to 250 ms, for example.
  • the second step S02 will be described with reference to FIG. 2, FIG. 5, and FIG.
  • stirring is performed along the circumferential direction of the welded portion 230 while irradiating the keyhole 260 formed in one plate material 210 with the laser L.
  • the laser L is scanned with the arc-shaped scanning pattern P2 with respect to the plate members 210 and 220 so that the outer diameter is constant.
  • the outer periphery of the welded portion 230 gradually increases.
  • the molten pool 240 formed on one plate member 210 and the molten pool 250 formed on the other plate member 220 are stirred and the molten metal undulates as described above, so that the molten pool 240 and the molten pool 250 come into contact with each other.
  • one joint portion 270 is formed. For this reason, even if the clearance gap W between the one board
  • the frequency in the second step S02 (the number of laps per second) can be set to 200 Hz, for example. That is, it is preferable to increase the scanning speed of the laser L in the second step S02 rather than the first step S01. For example, if the scanning speed is made slower in the second step S02 than the first step S01, the amount of heat of the laser L entering the plate members 210 and 220 may increase, and the central portion of the welded portion 230 may be scattered. There is. On the other hand, as described above, in the second step S02 rather than the first step S01, the agitation effect of the molten pools 240 and 250 is increased by increasing the scanning speed of the laser L, so that the molten pools 240 and 250 are increased. Stir more. For this reason, the tolerance of the gap W between the plate members 210 and 220 can be further improved.
  • the irradiation time in the second step S02 can be set to, for example, 50 ms to 100 ms.
  • the laser welding method according to the present embodiment since the second step S02 is performed after the first step S01, the central portion of the welded portion 230 is melted in the first step S01. Later, in the second step S02, the peripheral portion of the welded portion 230 is melted. For this reason, the phenomenon that the center part of the welding part 230 mentioned above scatters can be prevented suitably. For this reason, plate material 210,220 can be joined suitably.
  • the laser L was scanned in the shape of figure 8, and the size of figure 8 was set such that a shown in FIG. 8 was 1 mm, b was 1 mm, the frequency was 50 Hz, and the irradiation time was 140 ms.
  • the laser L was scanned in an arc shape, the frequency was 200 Hz, and the irradiation time was 100 ms.
  • the shear strength of the joint 270 was measured when the gap W between the plate members 210 and 220 was changed from 0 mm to 1 mm under the above conditions.
  • the relationship between the gap W between the plate members 210 and 220 and the shear strength of the joint 270 is shown in the graph of FIG. As shown in FIG. 7, it was found that the joining portion 270 has a desired shear strength regardless of the size of the gap W between the plate members 210 and 220.
  • the gap W between the plates 210 and 220 is fixed at 1 mm, and the pattern size of the figure 8 is changed from 0.5 mm ⁇ 0.5 mm to 1.5 mm ⁇ 1.5 mm, and the laser in the first step S01.
  • the confirmation result at this time is shown in FIG. In FIG. 8, the horizontal axis indicates the irradiation time of the laser L, and the vertical axis indicates the pattern size of the figure 8 in the first step S01.
  • the pattern size is 0.5 mm ⁇ 0.5 mm and the irradiation time of the laser L is long
  • the pattern size is 1.0 mm ⁇ 1.0 mm and the irradiation time of the laser L is short
  • the pattern size is 1.5 mm ⁇
  • welding failure occurred in a part of one plate material 210 (corresponding to ⁇ mark in FIG. 8).
  • the plate materials 210 and 220 were suitably welded under conditions other than those described above.
  • the metal plates 210 and 220 are overlapped with each other, and the plates L 210 and 220 are irradiated with the laser L that scans along the welded portions 230 of the plates 210 and 220.
  • the laser welding method is to weld the plate members 210 and 220 together.
  • the laser L is applied to the plate members 210 and 220 while scanning so that the laser L passes through the center of the welded portion 230, whereby the molten pool 240 in which the plate members 210 and 220 are melted. , 250 is formed.
  • the molten pools 240 and 250 are stirred by irradiating the molten pools 240 and 250 while scanning with the laser L. According to this laser welding method, even if the gap W between the plate members 210 and 220 is increased, the molten pool 240 of one plate member 210 and the molten pool 250 of another plate member 220 are used to stir the molten pools 240 and 250. Join. For this reason, even if the clearance gap W between board
  • the laser welding method when the laser L is irradiated to the plate members 210 and 220 while scanning so that the laser L passes through the center of the welded portion 230, the molten pools 240 and 250 are formed, A keyhole 260 is formed on the side of the molten pool 240 irradiated with the laser L.
  • the plate members 210 and 220 in order to stir the molten pool 240 while irradiating the keyhole 260 with the laser L in the second step S02, the plate members 210 and 220 can be more suitably joined.
  • the laser L when the laser L is applied to the plate members 210 and 220 while scanning so that the laser L passes through the center of the welded portion 230, the laser L is scanned in the shape of figure 8. Irradiate while.
  • the plate members 210 and 220 can be joined together with a simple laser L scanning pattern P1.
  • the laser L is directed along the circumferential direction of the welded portion 230. Irradiate while scanning. According to this laser welding method, since the outer diameter of the welded portion 230 can be increased, the plate members 210 and 220 can be more suitably joined.
  • the plate material 210 while scanning the laser L, rather than irradiating the plate material 210, 220 with the laser L while scanning so that the laser L passes through the center of the welded portion 230,
  • the laser L is scanned at a higher speed.
  • the stirring effect of the molten pools 240 and 250 in the second step S02 can be increased, and the tolerance of the gap W between the plate members 210 and 220 can be improved.
  • the present invention is not limited to the methods described in the embodiments, and can be appropriately changed based on the description of the scope of claims.
  • the laser L is irradiated to the plate members 210 and 220 while scanning the laser L in an arc shape so that the outer diameter is constant.
  • the laser L may be irradiated in a spiral shape so that the outer diameter gradually increases. According to this laser welding method, the portion irradiated from the inner side to the outer side in the radial direction gradually changes, so that the above-described phenomenon that the center portion of the welded portion 230 is scattered is more preferably prevented. can do.
  • the plate materials 210 and 220 are irradiated while scanning the laser L in an 8-shape.
  • the scanning pattern in the first step S01 is not particularly limited as long as the laser L scans through the center of the welded portion 230.
  • the laser beam L is irradiated to the plate members 210 and 220 while scanning with the “zigzag” scanning pattern P3 or the “S-shaped” scanning pattern P4. May be.
  • the laser beam L is irradiated to the plate members 210 and 220 so as to have an arc shape and a constant outer diameter.
  • the scanning pattern in the second step S02 is not particularly limited as long as the molten pool 240 is stirred by irradiating while scanning with the laser L.
  • the laser beam L is irradiated to the plate members 210 and 220 while scanning with the "hexagonal" scanning pattern P5 or the "star" scanning pattern P6. May be.
  • the keyhole 260 is formed in the first step S01, and in the second step S02, the keyhole 260 formed on the one plate material 210 is irradiated with the laser L to have a predetermined scanning pattern P2. Scanned.
  • the keyhole 260 may not be formed in the first step S01.
  • scanning is performed with a predetermined scanning pattern P2 while irradiating the molten pool 240 formed on one plate material 210 with the laser L.
  • the plate materials 210 and 220 are irradiated while scanning the laser L, rather than when the laser L is irradiated to the plate materials 210 and 220 while scanning the laser L so as to pass through the center of the welded portion 230. Therefore, the speed at which the laser L was scanned was faster when the molten pool 240 was stirred.
  • the present invention is not limited to this, and the plate materials 210 and 220 are irradiated while the laser L is scanned, rather than when the laser L is irradiated to the plate materials 210 and 220 while scanning the laser L so as to pass through the center of the welded portion 230.
  • the speed at which the laser L is scanned may be slower when the molten pool 240 is stirred.

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Abstract

【課題】板材間の隙間を大きくしても、好適に板材同士を接合することのできるレーザ溶接方法を提供する。 【解決手段】レーザＬが溶接部２３０の中心を通るように走査しつつレーザを板材２１０、２２０に照射することによって、板材が溶融した溶融池２４０、２５０を形成し、レーザを走査させながら溶融池に照射することによって、溶融池を攪拌させる。

Description

レーザ溶接方法
　本発明は、レーザ溶接方法に関する。
　従来から、金属製の板材同士を重ね合わせ、レーザを板材に照射することによって板材同士を溶接するレーザ溶接方法が行われている。このレーザ溶接を行う場合、一般的に、板材間の隙間が０．３ｍｍ以上空いてしまうと、アンダーフィルや抜け落ちによる溶接強度不足や未溶着状態になってしまう場合がある。
　また、レーザ溶接対象が車体部品である場合、車体部品の精度が隙間の裕度以上にばらつくため、例えば冶具による隙間矯正が必要となり設備コストが増加するという課題がある。以上から、レーザ溶接において、板材間の隙間の裕度を向上させることが求められている。
　これに関連して、例えば下記の特許文献１には、レーザを溶接部の周方向に走査させながら板材に照射するレーザ溶接方法が開示されている。このレーザ溶接方法によれば、レーザを局所的に照射する場合と比較して、溶接ビードを広げることができる。
特開２０１２－１１５８７６号公報
　しかしながら、特許文献１に記載のレーザ溶接方法では、第２工程におけるレーザの走査軌跡は、第１工程におけるレーザの走査軌跡よりも内側を走査している。このため、このレーザ溶接方法では、溶接部の中心部が溶融する前に、溶接部の周辺部が溶融した状態となり、溶接時に発生した蒸気により溶接部の中心部が飛散してしまう可能性がある。このように溶接部の中心部が飛散してしまうと、溶融した金属が不足して、板材同士を好適に接合できなくなる可能性がある。
　本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、板材間の隙間を大きくしても、好適に板材同士を接合することのできるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。
　上記目的を達成する本発明に係るレーザ溶接方法は、金属製の板材同士を重ね合わせ、前記板材の溶接部に沿って走査するレーザを前記板材に照射して、前記板材同士を溶接するレーザ溶接方法である。前記レーザが前記溶接部の中心を通るように走査しつつ前記レーザを前記板材に照射することによって、前記板材が溶融した溶融池を形成する。そして、前記レーザを走査させながら前記溶融池に照射することによって、前記溶融池を攪拌させる。
本実施形態に係るレーザ溶接装置を示す概略図である。 本実施形態に係るレーザ溶接方法の第１工程および第２工程の走査パターンを示す図である。 本実施形態に係るレーザ溶接方法の第１工程を示す図である。 本実施形態に係るレーザ溶接方法の第１工程における湯流れを説明するための図である。 本実施形態に係るレーザ溶接方法の第２工程を示す図である。 本実施形態に係るレーザ溶接方法の第２工程における湯流れを説明するための図である。 板材間の隙間を変化させたときの接合部におけるせん断強度を示すグラフである。 レーザの照射時間およびパターンサイズを変化させたときの溶接状態を示すグラフである。 変形例に係るレーザ溶接方法の第１工程の走査パターンを示す図である。 変形例に係るレーザ溶接方法の第２工程の走査パターンを示す図である。
　以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面における各部材の大きさや比率は、説明の都合上誇張され実際の大きさや比率とは異なる場合がある。
　まず、図１を参照して、本実施形態に係るレーザ溶接装置１００の構成を説明する。図１は本実施形態に係るレーザ溶接装置１００を示す概略図である。本実施形態では、重ね合わせた一の板材（図１の上側の板材）２１０および他の板材（図１の下側の板材）２２０に対してレーザＬを照射して溶接を行うレーザ溶接方法について説明する。一の板材２１０および他の板材２２０は、図示しないクランプ装置によってクランプさせて重ねている。
　以下の説明において、板材２１０、２２０における溶接部２３０とは、板材２１０、２２０において板材２１０、２２０同士を溶接させるためにレーザＬを照射させる場所を意味する。また、溶接部２３０とは、レーザＬを照射する前の状態にある溶接対象部位、およびレーザＬを照射することによって溶融、または凝固した溶接対象部位を含むものである。
　レーザ溶接装置１００は、図１に示すように、レーザＬを発振するレーザ発振機１１０と、レーザＬの光路を調整する光学系ヘッド１２０と、光学系ヘッド１２０が先端部に配置されたロボットアーム１３０と、レーザ溶接装置１００の各部材を制御する制御部１５０と、を有する。
　レーザ発振機１１０は、制御部１５０から送信される制御信号に従ってレーザＬを発振する。発振したレーザＬは、光ファイバー１１１を介して光学系ヘッド１２０へ伝送される。
　レーザ発振機１１０から発振するレーザＬは、例えば、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザである。
　光学系ヘッド１２０は、コリメータレンズ１２１と、第１ミラー１２２と、第２ミラー１２３と、第３ミラー１２４と、レンズ１２５と、を有する。
　コリメータレンズ１２１は、光ファイバー１１１から伝送され径が拡大した状態のレーザＬを略平行光にして、レーザＬを第１ミラー１２２に伝送する。第１ミラー１２２は、コリメータレンズ１２１によって略平行光となったレーザＬを第２ミラー１２３側に反射させる。第２ミラー１２３は、第１ミラー１２２から反射されたレーザＬを第３ミラー１２４側に反射させる。第３ミラー１２４は、第２ミラー１２３から反射されたレーザＬをレンズ１２５側に反射させる。レンズ１２５は、第３ミラー１２４から反射されたレーザＬが板材２１０、２２０の近傍において集束するように、レーザＬを集光する。
　第２ミラー１２３および第３ミラー１２４が制御部１５０によって適宜回転されることによって、レーザＬは、板材２１０、２２０の溶接部２３０に沿って走査する。
　溶接部２３０におけるレーザＬのスポット径は、特に限定されないが、例えば、０．８ｍｍ～１．５ｍｍであることが好ましく、より好ましくは、１ｍｍである。
　例えば、溶接部２３０におけるレーザＬのスポット径を０．６ｍｍ以下となるように集光した場合、レーザＬのパワー密度が高くなり、溶融した金属がスパッタとして飛散してしまう。このように溶融した金属がスパッタとして飛散してしまうと、溶融した金属が不足して、板材２１０、２２０同士を好適に接合できなくなる可能性がある。一方、溶接部２３０におけるレーザＬのスポット径を例えば２ｍｍ以上となるように集光した場合、レーザＬのパワー密度が不足して、板材２１０、２２０を溶融させることができなくなる。
　これに対して、本実施形態では、レーザＬのスポット径を上記の所望の数値とすることによって、スパッタの飛散を抑制しつつ、板材２１０、２２０を溶融させることができる。このため、板材２１０、２２０の隙間Ｗを大きくしても、板材２１０、２２０同士を好適に接合することができる。
　ロボットアーム１３０は、制御部１５０から送信される制御信号に従って設定された溶接個所や、その周辺へ光学系ヘッド１２０を移動させる。ロボットアーム１３０は、図１に示すように、十分な剛性を備えた支柱１３１と、支柱１３１同士を回転自在に連結する関節１３２と、を有する。
　制御部１５０は、制御信号を送信し、レーザ溶接装置１００の各部の動作を制御する。
　制御部１５０は、例えばロボットアーム１３０の移動動作や、レーザ発振機１１０によるレーザＬの照射のタイミング、定められた溶接軌跡に沿ったレーザＬの走査など、レーザ溶接に係る各種の動作制御を行う。
　次に、図２～図６を参照して、本実施形態に係るレーザ溶接方法について説明する。
　図２は、本実施形態に係るレーザ溶接方法の第１工程Ｓ０１および第２工程Ｓ０２の走査パターンを示す図である。図２の上側は、第１工程Ｓ０１および第２工程Ｓ０２の走査パターンを示す斜視図であって、図２の下側は、第１工程Ｓ０１および第２工程Ｓ０２の走査パターンを示す上面図である。図３は、本実施形態に係るレーザ溶接方法の第１工程Ｓ０１を示す図である。図３の上側は、第１工程Ｓ０１を示す斜視図であって、図３の下側は、第１工程Ｓ０１を示す正面断面図である。図４は、第１工程Ｓ０１における湯流れを説明するための図である。図５は、本実施形態に係るレーザ溶接方法の第２工程Ｓ０２を示す図である。図５の上側は、第２工程Ｓ０２を示す斜視図であって、図５の下側は、第２工程Ｓ０２を示す正面断面図である。図６は、第２工程Ｓ０２における湯流れを説明するための図である。
　本実施形態に係るレーザ溶接方法は、概説すると、金属製の板材２１０、２２０同士を重ね合わせ、板材２１０、２２０の溶接部２３０に沿って走査するレーザＬを板材２１０、２２０に照射して、板材２１０、２２０同士を溶接するレーザ溶接方法である。また、レーザ溶接方法は、レーザＬが溶接部２３０の中心を通るように走査しつつレーザＬを板材２１０、２２０に照射することによって、板材２１０、２２０が溶融した溶融池２４０、２５０を形成する第１工程Ｓ０１を有する。また、レーザ溶接方法は、レーザＬを走査させながら溶融池２４０、２５０に照射することによって、溶融池２４０、２５０を攪拌させる第２工程Ｓ０２を有する。以下、第１工程Ｓ０１および第２工程Ｓ０２について詳述する。
　まず、図２、図３、図４を参照して、第１工程Ｓ０１について説明する。第１工程Ｓ０１では、図２、図３に示すように、レーザＬが溶接部２３０の中心を通るように、８の字状の走査パターンＰ１でレーザＬを走査させながら、レーザＬを板材２１０、２２０に照射する。なお、ここで「溶接部２３０の中心」とは、溶接部２３０の中心およびその近傍も含むものとする。
　このように、レーザＬを板材２１０、２２０に照射すると、図３の左側、図４に示すように、一の板材２１０はレーザＬの熱によって溶融され、一の板材２１０には、溶融金属のたまりである溶融池２４０が形成する。そして、図３の中央、図４に示すように、レーザＬが照射された箇所における金属が溶融して蒸発して、一の板材２１０に形成される溶融池２４０のレーザＬが照射される側（図３の上側）には、キーホール２６０が形成される。
　キーホール２６０の形成に伴って、溶融池２４０の内部には、図４に示す湯流れが発生する。図４に示すように、レーザＬが照射される箇所Ａ１では、上向きの流れが発生し、キーホール２６０の底部Ａ２では、下向きに流れが発生する。このような湯流れが発生することにより、一の板材２１０の上面において溶融金属が波打つ。
　レーザＬの板材２１０、２２０に対する照射を続けると、図３の中央に示すように、一の板材２１０と同様に、他の板材２２０は、レーザＬの熱によって溶融され、他の板材２２０には、溶融金属のたまりである溶融池２５０が形成する。そして、他の板材２２０には、一の板材２１０と同様に、キーホール２８０（図６参照）が形成される。よって、他の板材２２０にも一の板材２１０と同様の湯流れが発生することにより、他の板材２２０の上面において溶融金属が波打つ。
　さらに、レーザＬの板材２１０、２２０に対する照射を続けると、図３の右側に示すように、一の板材２１０に形成された溶融池２４０および他の板材２２０に形成された溶融池２５０が徐々に大きくなる。
　第１工程Ｓ０１における周波数（１秒間に８の字を描く回数）は、例えば５０Ｈｚとすることができる。例えば、周波数をより高い数値にすると、レーザＬの熱が板材２１０、２２０に好適に吸収されずに、溶融池２４０、２５０が好適に形成されない場合がある。
　また、第１工程Ｓ０１における照射時間は、例えば１００ｍｓ～２５０ｍｓにすることができる。
　次に、図２、図５、図６を参照して、第２工程Ｓ０２について説明する。第２工程Ｓ０２では、図２、図５、図６に示すように、レーザＬを一の板材２１０に形成されたキーホール２６０に照射しつつ、溶接部２３０の周方向に沿って攪拌するように走査する。すなわち、第２工程Ｓ０２では、レーザＬを板材２１０、２２０に対して、外径が一定となるように円弧状の走査パターンＰ２で走査する。この結果、溶接部２３０の外周は徐々に大きくなる。また、一の板材２１０に形成された溶融池２４０および他の板材２２０に形成された溶融池２５０は攪拌するとともに上述したように溶融金属が波打つことによって、溶融池２４０および溶融池２５０は互いに接触して、１つの接合部２７０が形成される。このため、一の板材２１０および他の板材２２０間の隙間Ｗを大きくしても、好適に板材２１０、２２０同士を接合することができる。
　第２工程Ｓ０２における周波数（１秒間に周回する回数）は、例えば２００Ｈｚとすることができる。すなわち、第１工程Ｓ０１よりも第２工程Ｓ０２において、レーザＬを走査させる速度を速くすることが好ましい。例えば、第１工程Ｓ０１よりも第２工程Ｓ０２において、走査させる速度をより遅くすると、板材２１０、２２０に入るレーザＬの熱量が増大して、溶接部２３０の中心部が飛散してしまう可能性がある。これに対して、上述のように第１工程Ｓ０１よりも第２工程Ｓ０２において、レーザＬを走査させる速度を速くすることによって、溶融池２４０、２５０の攪拌効果を増長させ、溶融池２４０、２５０がより攪拌する。このため、板材２１０、２２０間の隙間Ｗの裕度をより向上させることができる。
　また、第２工程Ｓ０２における照射時間は、例えば５０ｍｓ～１００ｍｓにすることができる。
　以下、比較例として、第１工程Ｓ０１を行うことなく、第２工程Ｓ０２を行った場合の現象について説明する。第１工程Ｓ０１を行うことなく、第２工程Ｓ０２を行った場合、溶接部２３０の中心部が溶融する前に溶接部２３０の周辺部が溶融した状態となり、溶接時に発生した蒸気により溶接部２３０の中心部が飛散してしまう可能性がある。このように溶接部２３０の中心部が飛散してしまうと、溶融した金属が不足して、板材２１０、２２０同士を好適に接合できなくなる可能性がある。
　これに対して、本実施形態に係るレーザ溶接方法によれば、第１工程Ｓ０１を行った後に、第２工程Ｓ０２が行われるため、第１工程Ｓ０１において溶接部２３０の中心部が溶融された後に、第２工程Ｓ０２において溶接部２３０の周辺部が溶融される。このため、上述した溶接部２３０の中心部が飛散してしまう現象を好適に防止することができる。このため、板材２１０、２２０同士を好適に接合することができる。
　＜実施例＞
　以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。
　一の板材２１０として５９０ハイテン材（厚さ１．２ｍｍ）、他の板材２２０として軟鋼（厚さ０．６５ｍｍ）を用いた。
　第１工程Ｓ０１では、レーザＬを８の字状に走査し、８の字のサイズは、図８に示すａを１ｍｍ、ｂを１ｍｍとし、周波数は５０Ｈｚとし、照射時間は１４０ｍｓとした。
　第２工程Ｓ０２では、レーザＬを円弧状に走査し、周波数は２００Ｈｚとし、照射時間は１００ｍｓとした。
　上記の条件で、板材２１０、２２０間の隙間Ｗを、０ｍｍから１ｍｍまで変化させたときの接合部２７０のせん断強度を測定した。板材２１０、２２０間の隙間Ｗおよび接合部２７０のせん断強度の関係を、図７のグラフに示す。図７に示すように、接合部２７０は、板材２１０、２２０間の隙間Ｗの大きさによらず、所望のせん断強度が得られていることが分かった。
　また、板材２１０、２２０間の隙間Ｗを１ｍｍで固定して、８の字のパターンサイズを０．５ｍｍ×０．５ｍｍから１．５ｍｍ×１．５ｍｍに変化させつつ、第１工程Ｓ０１におけるレーザＬの照射時間を１００ｍｓから５００ｍｓまで変化させたときの、溶接状況を確認した。このときの確認結果を図８に示す。図８において、横軸はレーザＬの照射時間を示し、縦軸は第１工程Ｓ０１における８の字のパターンサイズを示す。
　図８に示すように、レーザＬの照射時間が短い場合、板材２１０、２２０が未溶接となった（図８の細線の×印に対応）。また、レーザＬの照射時間が長い場合、溶接部２３０の中心部が飛散する溶接欠陥が生じた（図８の太線の×印に対応）。また、パターンサイズが０．５ｍｍ×０．５ｍｍでレーザＬの照射時間が長いとき、パターンサイズが１．０ｍｍ×１．０ｍｍでレーザＬの照射時間が短いとき、およびパターンサイズが１．５ｍｍ×１．５ｍｍのとき、一の板材２１０の一部に溶接不良が生じた（図８の△印に対応）。これに対して、上述した以外の条件では、板材２１０、２２０同士が好適に溶接された。
　以上説明したように、本実施形態に係るレーザ溶接方法は、金属製の板材２１０、２２０同士を重ね合わせ、板材２１０、２２０の溶接部２３０に沿って走査するレーザＬを板材２１０、２２０に照射して、板材２１０、２２０同士を溶接するレーザ溶接方法である。また、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、レーザＬが溶接部２３０の中心を通るように走査しつつレーザＬを板材２１０、２２０に照射することによって、板材２１０、２２０が溶融した溶融池２４０、２５０を形成する。そして、レーザＬを走査させながら溶融池２４０、２５０に照射することによって、溶融池２４０、２５０を攪拌させる。このレーザ溶接方法によれば、板材２１０、２２０同士の隙間Ｗを大きくしても、溶融池２４０、２５０を攪拌させるために、一の板材２１０の溶融池２４０および他の板材２２０の溶融池２５０が結合する。このため、板材２１０、２２０同士の隙間Ｗを大きくしても、好適に板材２１０、２２０同士を接合することができる。
　また、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、レーザＬが溶接部２３０の中心を通るように走査しつつレーザＬを板材２１０、２２０に照射する際に、溶融池２４０、２５０を形成するとともに、溶融池２４０のレーザＬが照射される側に、キーホール２６０が形成する。このレーザ溶接方法によれば、第２工程Ｓ０２においてキーホール２６０にレーザＬを照射しつつ溶融池２４０を攪拌させるために、より好適に板材２１０、２２０同士を接合することができる。
　また、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、レーザＬが溶接部２３０の中心を通るように走査しつつレーザＬを板材２１０、２２０に照射する際に、レーザＬを８の字状に走査させながら照射する。このレーザ溶接方法によれば、簡易なレーザＬの走査パターンＰ１で、板材２１０、２２０同士を接合することができる。
　また、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、レーザＬを走査させながら板材２１０、２２０に照射することによって溶融池２４０、２５０を攪拌させる際に、レーザＬを溶接部２３０の周方向に沿って走査させながら照射する。このレーザ溶接方法によれば、溶接部２３０の外径を拡大させることができるため、より好適に板材２１０、２２０同士を接合することができる。
　また、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、レーザＬが溶接部２３０の中心を通るように走査しつつレーザＬを板材２１０、２２０に照射する際よりも、レーザＬを走査させながら板材２１０、２２０に照射することによって溶融池２４０、２５０を攪拌させる際の方が、レーザＬを走査させる速度が速い。このレーザ溶接方法によれば、第２工程Ｓ０２における溶融池２４０、２５０の攪拌効果を増長させ、板材２１０、２２０間の隙間Ｗの裕度を向上させることができる。
　以上、実施形態を通じて本発明に係るレーザ溶接方法を説明したが、本発明は実施形態において説明した方法に限定されることなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することができる。
　例えば上述した実施形態では、第２工程Ｓ０２において、レーザＬを外径が一定となるように円弧状に走査させながら、レーザＬを板材２１０、２２０に対して照射した。しかしながら、第２工程Ｓ０２において、レーザＬを円弧状にかつ外径が徐々に大きくなるようにらせん状に照射してもよい。このレーザ溶接方法によれば、径方向の内方から外方に沿って照射される箇所が徐々に変わっていくため、上述した溶接部２３０の中心部が飛散してしまう現象をより好適に防止することができる。
　また、上述した実施形態では、第１工程Ｓ０１において、レーザＬを８の字状に走査しつつ、板材２１０、２２０に照射した。しかしながら、第１工程Ｓ０１における走査パターンは、レーザＬが溶接部２３０の中心を通るように走査する限りにおいて特に限定されない。例えば、図９に示すように、第１工程Ｓ０１において、レーザＬを「ジグザグ」状の走査パターンＰ３、または「Ｓの字」状の走査パターンＰ４で走査しつつ、板材２１０、２２０に照射してもよい。
　また、上述した実施形態では、第２工程Ｓ０２において、レーザＬを円弧状にかつ外径が一定となるように、板材２１０、２２０に対して照射した。しかしながら、第２工程Ｓ０２の走査パターンは、レーザＬを走査させながら照射することによって、溶融池２４０を攪拌させる限りにおいて特に限定されない。例えば、第２工程Ｓ０２において、図１０に示すように、レーザＬを「六角形」状の走査パターンＰ５、または「星形」状の走査パターンＰ６で走査しつつ、板材２１０、２２０に照射してもよい。
　また、上述した実施形態では第１工程Ｓ０１においてキーホール２６０が形成され、第２工程Ｓ０２において、レーザＬを一の板材２１０に形成されたキーホール２６０に照射して、所定の走査パターンＰ２で走査した。しかしながら、第１工程Ｓ０１においてキーホール２６０が形成されなくてもよい。このとき、第２工程Ｓ０２では、レーザＬを一の板材２１０に形成された溶融池２４０に照射しながら、所定の走査パターンＰ２で走査する。
　また、上述した実施形態では、レーザＬが溶接部２３０の中心を通るように走査しつつレーザＬを板材２１０、２２０に照射する際よりも、レーザＬを走査させながら板材２１０、２２０に照射することによって溶融池２４０を攪拌させる際の方が、レーザＬを走査させる速度が速かった。しかしながら、これに限定されず、レーザＬが溶接部２３０の中心を通るように走査しつつレーザＬを板材２１０、２２０に照射する際よりも、レーザＬを走査させながら板材２１０、２２０に照射することによって溶融池２４０を攪拌させる際の方が、レーザＬを走査させる速度が遅くてもよい。このとき、レーザＬの出力を適宜変えて、板材２１０、２２０に入る熱の量を調整することが好ましい。
　　１００　　レーザ溶接装置、
　　１１０　　レーザ発振機、
　　１２０　　光学系ヘッド、
　　１３０　　ロボットアーム、
　　１５０　　制御部、
　　２１０　　第１の板材、
　　２２０　　第２の板材、
　　２３０　　溶接部、
　　２４０　　第１の板材の溶融池、
　　２５０　　第２の板材の溶融池、
　　２６０　　キーホール、
　　２７０　　接合部、
　　Ｌ　　レーザ。

Claims (6)

  1. 　金属製の板材同士を重ね合わせ、前記板材の溶接部に沿って走査するレーザを前記板材に照射して、前記板材同士を溶接するレーザ溶接方法であって、
    　前記レーザが前記溶接部の中心を通るように走査しつつ前記レーザを前記板材に照射することによって、前記板材が溶融した溶融池を形成し、
    　前記レーザを走査させながら前記溶融池に照射することによって、前記溶融池を攪拌させるレーザ溶接方法。
  2. 　前記レーザが前記溶接部の中心を通るように走査しつつ前記レーザを前記板材に照射する際に、前記溶融池が形成するとともに、前記溶融池の前記レーザが照射される側に、キーホールが形成する請求項１に記載のレーザ溶接方法。
  3. 　前記レーザが前記溶接部の中心を通るように走査しつつ前記レーザを前記板材に照射する際に、前記レーザを８の字状に走査させながら照射する請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
  4. 　前記レーザを走査させながら前記板材に照射することによって前記溶融池を攪拌させる際に、前記レーザを前記溶接部の周方向に沿って走査させながら照射する請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。
  5. 　前記レーザを走査させながら前記板材に照射することによって前記溶融池を攪拌させる際に、前記レーザを前記溶接部の径方向の内方から外方に沿って走査させながら照射する請求項４に記載のレーザ溶接方法。
  6. 　前記レーザが前記溶接部の中心を通るように走査しつつ前記レーザを前記板材に照射する際よりも、前記レーザを走査させながら前記板材に照射することによって前記溶融池を攪拌させる際の方が、前記レーザを走査させる速度が速い請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。
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