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技術 レーザ溶接方法

出願人 パナソニックIPマネジメント株式会社
発明者 藤原潤司川本篤寛中川龍幸松岡範幸
出願日 2016年5月24日 (5年0ヶ月経過) 出願番号 2017-520235
公開日 2018年3月22日 (3年2ヶ月経過) 公開番号 WO2016-189855
状態 特許登録済
技術分野
  • -
主要キーワード 溶接具 ビード中心 レーザ溶接条件 レーザ照射用 設計精度 許容率 螺旋幅 ワークセット
関連する未来課題
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図面 (13)

課題・解決手段

本開示のレーザ溶接制御方法は、第1の鋼板(10)が突出部(12)を有し、第1の鋼板(10)に形成されている突出部(12)の先端と第2の鋼板(11)とが接するように、第1の鋼板(10)と前記第2の鋼板(11)とを重ね合わせる第1の工程と、第1の工程後に、平面視における突出部(12)の大きさより、大きいサイズの照射パターン(9a,9b)で、突出部(12)に向かってレーザ光(9)を照射する第2の工程と、を有する。そして、第1の鋼板(10)の第2の鋼板(11)に対向する面(10b)、または、第2の鋼板(11)の前記第1の鋼板(10)に対向する面(11a)、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工されている。

概要

背景

亜鉛メッキ鋼板は、防錆防食性に優れている。そのため、近年、亜鉛メッキ鋼板は、自動車部品建築用鉄骨部材等に用いられ、年々その需要が高まっている。

しかしながら、亜鉛メッキ鋼板を使用する際、課題がある。亜鉛メッキ鋼板の表面にメッキされている亜鉛は、鉄より融点が低い。そのため、亜鉛メッキ鋼板を溶接すると、その亜鉛が気化し、亜鉛蒸気溶融池溶融金属を通過して外部に拡散しようとする。しかし、レーザ溶接は、アーク溶接などに比べて溶接速度が速いため、溶融金属の凝固が速く、外部に亜鉛蒸気が完全に拡散できない。従って、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールピット(以下、気孔と呼ぶ)として、亜鉛蒸気が残存しやすい。このような気孔は、深刻な溶接欠陥につながる恐れもある。また、気孔が、爆飛現象により、穴あきやスパッタの発生につながることもある。

このようなブローホール等の溶接欠陥を防止するために、重ね合わされた2枚の金属メッキ板の間にメッキ金属ガスを逃がすために微小なすき間を形成する方法が開示されている(例えば、特許文献1、特許文献2)。

図8を参照しながら、特許文献1について説明する。重ね合わされた2枚のめっき鋼板(めっき鋼板110及びめっき鋼板120)は、めっき鋼板110の突出部114がめっき鋼板120の表面に線接触するように配置されている。突出部114によってめっき鋼板110とめっき鋼板120との間には、すき間H(0.1mm以上)が形成される。この時、すき間Hは、突出部114の高さhと等しい。めっき鋼板110に対して、レーザビームLAが照射される。突出部114の頂部115の反対側である溝116側から、レーザビームLAが溝116に沿って照射され、めっき鋼板110はシーム溶接される。レーザ装置130の全体構成の図示は省略したが、レーザ発生装置(図示せず)から出力されるレーザビームLAが、レンズホルダ131に保持されているレンズ132を介して集束し、高エネルギー密度微小スポットとしてめっき鋼板110に照射される。最初に、めっき鋼板110の照射局部が溶融し、次に、第2のめっき鋼板120の照射局部が溶融する。図8に二点鎖線で示す領域が、溶融池MPである。このとき、めっき層112、めっき層113、めっき層122、及びめっき層123も溶融し、金属蒸気GSが発生するが、めっき鋼板110及びめっき鋼板120の接合部で発生する金属蒸気GSはすき間Hを介して大気に放出される。よって溶融池MP内に気泡残置することはない。めっき鋼板110の溶融池MPの表面に乱れが生ずることはなく、滑らかな面となり、アンダーカットを生ずることもない。

次に、図9を参照しながら、特許文献2について説明する。めっき鋼板210は、突出部230と突出部231とを有する。そして、めっき鋼板210及びめっき鋼板220を重ね合わせた後、突出部230と突出部231との間の領域R内に、レーザ発生装置(図示せず)から出力されるレーザビーム250を照射して、溶接が行われる。突出部230および突出部231によってめっき鋼板210とめっき鋼板220との間には、すき間Hができている。すき間Hは、突出部の高さhと等しい。めっき鋼板210の突出部230および突出部231の間の領域Rに対し、レーザビーム250は照射される。ビーム照射ノズル251に保持されるレンズ252を通し、焦点をはずした微小スポットとしてレーザビーム250は照射される。レーザビーム250の照射位置は、通常は突出部230と突出部231の中間点に対して行うが、突出部230と突出部231とを除く、突出部230と突出部231の間となる領域R内であれば中間点からずれていても構わない。レーザビーム250の照射により、めっき鋼板210の照射部と、めっき鋼板220の照射部が順に溶融し、溶融池260が形成される。このとき、めっき層212a、212b、222a、222bも溶融して金属蒸気が発生する。めっき層212a、222aから発生する金属蒸気はめっき鋼板210とめっき鋼板220との間に形成される空隙Sを通して大気中に放出される。よって溶融池260に気泡が残留することがない。溶融池260は、溶接完了時点においてブローホールが発生することなく、その表面は滑らかな面となり、溶接強度が一定となる。

概要

本開示のレーザ溶接制御方法は、第1の鋼板(10)が突出部(12)を有し、第1の鋼板(10)に形成されている突出部(12)の先端と第2の鋼板(11)とが接するように、第1の鋼板(10)と前記第2の鋼板(11)とを重ね合わせる第1の工程と、第1の工程後に、平面視における突出部(12)の大きさより、大きいサイズの照射パターン(9a,9b)で、突出部(12)に向かってレーザ光(9)を照射する第2の工程と、を有する。そして、第1の鋼板(10)の第2の鋼板(11)に対向する面(10b)、または、第2の鋼板(11)の前記第1の鋼板(10)に対向する面(11a)、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工されている。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

第1の鋼板が突出部を有し、前記第1の鋼板に形成されている前記突出部の先端と、第2の鋼板とが接するように、前記第1の鋼板と前記第2の鋼板とを重ね合わせる第1の工程と、前記第1の工程後に、平面視における前記突出部の大きさより、大きいサイズの照射パターンで、前記突出部に向かって前記レーザ光照射する第2の工程と、を備え、前記第1の鋼板の前記第2の鋼板に対向する面、または、前記第2の鋼板の前記第1の鋼板に対向する面、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工されているレーザ溶接方法

請求項2

前記平面視における前記突出部の形状は円形状で、前記平面視における前記突出部の径は2.5mm以下であって、前記突出部より大きいサイズの照射パターンで渦巻き状にレーザ照射する請求項1に記載のレーザ溶接方法。

請求項3

前記平面視において、前記突出部の径より0.5mm以上大きいサイズでレーザ照射する請求項2に記載のレーザ溶接方法。

請求項4

前記平面視における前記突出部の形状がライン状で、前記平面視における前記突出部の幅が2.0mm以下であって、前記突出部より大きいサイズの照射パターンで螺旋状にレーザ照射する請求項1に記載のレーザ溶接方法。

請求項5

前記平面視において、前記突出部の幅より0.5mm以上大きいサイズでレーザ照射する請求項4に記載のレーザ溶接方法。

技術分野

0001

本開示は、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた部材である溶接対象物レーザ溶接において、ブローホールの低減やピットの低減に効果を発揮するレーザ溶接制御方法に関する。

背景技術

0002

亜鉛メッキ鋼板は、防錆防食性に優れている。そのため、近年、亜鉛メッキ鋼板は、自動車部品建築用鉄骨部材等に用いられ、年々その需要が高まっている。

0003

しかしながら、亜鉛メッキ鋼板を使用する際、課題がある。亜鉛メッキ鋼板の表面にメッキされている亜鉛は、鉄より融点が低い。そのため、亜鉛メッキ鋼板を溶接すると、その亜鉛が気化し、亜鉛蒸気溶融池溶融金属を通過して外部に拡散しようとする。しかし、レーザ溶接は、アーク溶接などに比べて溶接速度が速いため、溶融金属の凝固が速く、外部に亜鉛蒸気が完全に拡散できない。従って、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールやピット(以下、気孔と呼ぶ)として、亜鉛蒸気が残存しやすい。このような気孔は、深刻な溶接欠陥につながる恐れもある。また、気孔が、爆飛現象により、穴あきやスパッタの発生につながることもある。

0004

このようなブローホール等の溶接欠陥を防止するために、重ね合わされた2枚の金属メッキ板の間にメッキ金属ガスを逃がすために微小なすき間を形成する方法が開示されている(例えば、特許文献1、特許文献2)。

0005

図8を参照しながら、特許文献1について説明する。重ね合わされた2枚のめっき鋼板(めっき鋼板110及びめっき鋼板120)は、めっき鋼板110の突出部114がめっき鋼板120の表面に線接触するように配置されている。突出部114によってめっき鋼板110とめっき鋼板120との間には、すき間H(0.1mm以上)が形成される。この時、すき間Hは、突出部114の高さhと等しい。めっき鋼板110に対して、レーザビームLAが照射される。突出部114の頂部115の反対側である溝116側から、レーザビームLAが溝116に沿って照射され、めっき鋼板110はシーム溶接される。レーザ装置130の全体構成の図示は省略したが、レーザ発生装置(図示せず)から出力されるレーザビームLAが、レンズホルダ131に保持されているレンズ132を介して集束し、高エネルギー密度微小スポットとしてめっき鋼板110に照射される。最初に、めっき鋼板110の照射局部が溶融し、次に、第2のめっき鋼板120の照射局部が溶融する。図8二点鎖線で示す領域が、溶融池MPである。このとき、めっき層112、めっき層113、めっき層122、及びめっき層123も溶融し、金属蒸気GSが発生するが、めっき鋼板110及びめっき鋼板120の接合部で発生する金属蒸気GSはすき間Hを介して大気に放出される。よって溶融池MP内に気泡残置することはない。めっき鋼板110の溶融池MPの表面に乱れが生ずることはなく、滑らかな面となり、アンダーカットを生ずることもない。

0006

次に、図9を参照しながら、特許文献2について説明する。めっき鋼板210は、突出部230と突出部231とを有する。そして、めっき鋼板210及びめっき鋼板220を重ね合わせた後、突出部230と突出部231との間の領域R内に、レーザ発生装置(図示せず)から出力されるレーザビーム250を照射して、溶接が行われる。突出部230および突出部231によってめっき鋼板210とめっき鋼板220との間には、すき間Hができている。すき間Hは、突出部の高さhと等しい。めっき鋼板210の突出部230および突出部231の間の領域Rに対し、レーザビーム250は照射される。ビーム照射ノズル251に保持されるレンズ252を通し、焦点をはずした微小スポットとしてレーザビーム250は照射される。レーザビーム250の照射位置は、通常は突出部230と突出部231の中間点に対して行うが、突出部230と突出部231とを除く、突出部230と突出部231の間となる領域R内であれば中間点からずれていても構わない。レーザビーム250の照射により、めっき鋼板210の照射部と、めっき鋼板220の照射部が順に溶融し、溶融池260が形成される。このとき、めっき層212a、212b、222a、222bも溶融して金属蒸気が発生する。めっき層212a、222aから発生する金属蒸気はめっき鋼板210とめっき鋼板220との間に形成される空隙Sを通して大気中に放出される。よって溶融池260に気泡が残留することがない。溶融池260は、溶接完了時点においてブローホールが発生することなく、その表面は滑らかな面となり、溶接強度が一定となる。

先行技術

0007

特開平7−155974号公報
特開平10−216974号公報

0008

本開示のレーザ溶接制御方法は、第1の鋼板が突出部を有し、第1の鋼板に形成されている突出部の先端と第2の鋼板とが接するように、第1の鋼板と第2の鋼板とを重ね合わせる第1の工程と、第1の工程後に、平面視における突出部の大きさより、大きいサイズの照射パターンで、突出部に向かってレーザ光を照射する第2の工程と、を有する。そして、第1の鋼板の第2の鋼板に対向する面、または、第2の鋼板の第1の鋼板に対向する面、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工されている。

図面の簡単な説明

0009

本開示の実施の形態1におけるレーザ溶接装置概略構成を示す図
本開示の実施の形態1における渦巻き状のレーザ照射を示す図
本開示の実施の形態1における渦巻き状の照射パターンにおける突出部の径と渦巻き径との関係を示す図
本開示の実施の形態1における別の突出部の部分図
本開示の実施の形態1における突出部の径と渦巻き径の適正範囲を示す図
本開示の実施の形態2における螺旋状のレーザ照射を示す図
本開示の実施の形態2における螺旋状の照射パターンにおける突出部の幅と螺旋幅との関係を示す図
本開示の実施の形態2における突出部の幅と螺旋幅の適正範囲を示す図
本開示の実施の形態2におけるすき間の裕度を示す図
本開示の実施の形態2における位置ズレの裕度を示す図
従来(特許文献1)のレーザ溶接における被溶接部材の断面の概要を示す図
従来(特許文献2)のレーザ溶接における被溶接部材の断面の概要を示す図

実施例

0010

本開示の実施の形態の説明に先立ち、従来のレーザ溶接における問題点を簡単に説明する。

0011

上述した特許文献1のレーザ溶接の制御方法では、めっき鋼板110の突出部114がめっき鋼板120の表面に線接触し、めっき鋼板110とめっき鋼板120との間には、すき間H(例えば、H=0.1mm以上)が形成される。なお、めっき鋼板110のめっき鋼板120に対向する面から、突出部114の頂点115までの長さ(突出部114の高さh)は、すき間Hと等しい。めっき鋼板110の溝116に対して、レーザビームLAが照射され、めっき鋼板110およびめっき鋼板120がシーム溶接される。しかしながら、レーザビームLAが照射する際、左右への位置ズレが発生した場合、めっき鋼板110とめっき鋼板120との間にすき間がある部分がレーザ溶接されることがある。

0012

また、めっき鋼板110に、突出部114以外の突出部(図示せず)が存在する場合、突出部114以外の突出部とめっき鋼板120とが接触し、突出部114とめっき鋼板120とが接触しないことがある。つまり、突出部114とめっき鋼板120との間に、すき間が存在する場合がある。突出部114とめっき鋼板120とのすき間が大きい場合、穴あきといった溶接不良につながる可能性がある。

0013

また、従来の特許文献2のレーザ溶接の制御方法では、めっき鋼板210とめっき鋼板220を重ね合わせた後、めっき鋼板210の突出部230と突出部231との間の領域R内に対し、レーザビーム250を照射して溶接を行う。なお、レーザビーム250は、レーザ発生装置(図示せず)から出力される。そして、めっき鋼板210の突出部230および突出部231がめっき鋼板220の表面に接触し、めっき鋼板210とめっき鋼板220との間には、すき間H(ここではH=0.1mmとする)が形成される。

0014

しかしながら、ワークセット治具固定の精度により、突出部230と突出部231の両方が、めっき鋼板220に接触しているとは限らない。例えば一方の突出部(ここでは、突出部230とする)が、めっき鋼板220と接触せず、突出部230の高さh(本実施の形態では0.1mm)以上のすき間Hが、めっき鋼板210とめっき鋼板220との間にできる場合がある。この時、領域R内においても、めっき鋼板210とめっき鋼板220とのすき間Hが突出部230の高さhより大きくなり、穴あきといった溶接不良につながる可能性がある。

0015

なお、すき間H>高さhの状態については、図9には図示していない。

0016

以下、本開示の実施の形態について、図1から図7を用いて説明する。図1は、レーザ溶接装置の概略構成を示す図である。図2Aは、渦巻き状のレーザ照射を示す図である。図2Bは、渦巻き状の照射パターンにおける突出部12の径aと渦巻き径bとの関係を示す図である。図2Cは、別の突出部の部分図である。図3は、突出部12の径aに対する裕度の一例を示す図である。図4Aは、螺旋状のレーザ照射を示す図である。図4Bは、螺旋状の照射パターンにおける突出部12の幅cと螺旋幅dとの関係を示す図である。図5は突出部12の幅cに対する裕度の一例を示す図である。図6はすき間に対する裕度の一例を示す図で、図7は位置ズレに対する裕度の一例を示す図である。

0017

(実施の形態1) 本実施の形態について、図1から図3を用いて説明する。

0018

図1に示すレーザ溶接装置は、レーザ溶接を行う装置である。レーザ光を熱源として集光した状態で金属に照射し、金属を局部的に溶融・凝固させることによって接合する装置である。以下では、レーザ溶接装置を用い、亜鉛めっき鋼板のレーザ溶接を行う場合を例にして説明する。

0019

図1に示すレーザ溶接装置は、レーザ発振器1と、ロボット2と、被溶接物である上板10と下板11にレーザ光9を照射するためのレーザ照射用ヘッド7と、レーザ発振器1とロボット2とレーザ照射用ヘッド7等の制御を行うロボットコントローラ3と、レーザ発振器1からレーザ照射用ヘッド7へレーザ光9を伝送する伝送ファイバ8を有する。

0020

レーザ照射用ヘッド7には、レーザ発振器1および伝送ファイバ8に依存したビーム径のレーザ光9が伝送される。なお、レーザ照射用ヘッド7は、ロボット2に取り付けられている。また、レーザ照射用ヘッド7としては、例えば、ガルバノミラー等の光学機器を用いたものがある。

0021

ロボットコントローラ3は、溶接条件設定制御部4と、動作制御部5と、レーザ出力制御部6と、を有する。溶接条件設定制御部4は、レーザ溶接条件の設定や他の構成要素への指令等を行う。動作制御部5は、溶接条件設定制御部4で設定された溶接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2またはレーザ照射用ヘッド7の動作を制御する。レーザ出力制御部6は、溶接条件設定制御部4で設定された溶接条件に基づいてレーザ出力を制御するためにレーザ発振器1を制御する。

0022

このレーザ溶接装置は、レーザ発振器1からレーザ光9を発振し、レーザ発振器1から発振されたレーザ光9をレーザ照射用ヘッド7内にある集光レンズ(図示せず)によって集束する。そして、集光レンズによって集束されたレーザ光9が、重ね合わせた被溶接物である上板10と下板11とに重ね方向から(図2Aでは上側から)照射され、上板10と下板11は溶接される。

0023

次に、図2A図2B図2Cを用いて、亜鉛めっき鋼板のレーザ溶接方法について説明する。以下で説明するレーザ溶接は、図1に示すレーザ溶接装置を用いて行われる。

0024

先ずは、図2A図2Bを用いて、照射パターンを渦巻き状にレーザ照射しながら溶接する亜鉛めっき鋼板の溶接について説明する。本実施の形態では、上板10および下板11のいずれも、亜鉛めっき鋼板である。なお、上板10および下板11は必ずしも、亜鉛めっき鋼板である必要はない。

0025

まず、上板10および下板11が重ね合わされる。そして、上板10に予め設けられている突出部12の中心位置からレーザ光9の照射が開始される。レーザ光9の照射は、突出部12の中心から、渦巻き状の照射パターン9aに従って行われる。そして、レーザ光9が渦巻き状の照射パターン9aの外周部分に到達したらレーザ照射は終了する。

0026

レーザ光9の出力は、亜鉛めっき鋼板である上板10と下板11とを貫通させることができるエネルギー密度である。なお、エネルギー密度およびレーザ出力は、上板10および下板11の板厚に応じて異なり、板厚が厚くなるほど、高エネルギー密度が必要であり、レーザ光9の出力は高く設定される。

0027

上板10は、亜鉛めっき層10aおよび亜鉛めっき層10bを有し、下板11は亜鉛めっき層11aおよび亜鉛めっき層11bを有する。そして、レーザ光9を照射し、上板10および下板11を溶接する時、亜鉛蒸気13は上板10と下板11とのすき間Hに発生するので、亜鉛蒸気13の影響を受けずに上板10と下板11とを溶接することができる。

0028

上述した通り、本実施の形態のレーザ溶接方法では、図2Bに示すように、亜鉛めっき鋼板である上板10に予め設けた円形状の突出部12の中心位置から突出部12より大きい照射パターン9aで、渦巻き状に溶接することにより、亜鉛めっき鋼板である上板10および下板11との重ね合わせ面から亜鉛蒸気13の排出経路を作り出すことができる。

0029

なお、本開示において、円形状は、円状と長円状とを含む。

0030

また、良好な溶接を行うためには、当然ながら、適正な条件が必要となる。

0031

ここで、上板10および下板11との位置関係について、図2Bおよび図2Cを参照しながら説明する。

0032

例えば、上板10が複数の突出部12を有する場合、設計精度によっては、全ての突出部12が下板11と接するとは限らない。突出部12が下板11と接する場合の位置関係を図2Bに示し、突出部12が下板11と接しない場合の位置関係を図2Cに示す。なお、図2Cは、図2B破線で囲んでいる領域に対応する箇所のみ示し、他の構成については図示を省略している。

0033

図2Bに示すように、突出部12と下板11とが接している場合は、突出部12の高さ(以下、『高さh』と記す)と、上板10の下板11に対向する面と、下板11の上板10に対向する面との間の長さ(以下、『すき間H』と記す)は、等しい。

0034

一方、図2Cに示すように、突出部12と下板11とが接していない場合は、突出部12の高さをhとすると、高さhとすき間Hは等しくはない。突出部12の先端と、下板11の上板10に対向する面との間の長さをすき間h’とすると、H=h+h’となる。

0035

次に、図3を用いて、平面視における突出部12の径aに対する渦巻き状の照射パターン9aの渦巻き径bの適正範囲について説明する。なお、図3は一例であり、本開示はこれに限定させるものではない。

0036

図3に示す施工評価の際の条件は以下の通りである。上板10および下板11として、めっきの被膜密度が45g/m2、板厚が0.8mmである亜鉛めっき鋼板を用いた。すき間h’=0mm、突出部12の高さh=0.1mmとした。溶接条件は、出力が2.5kW、速度が6m/minとした。横軸を上板10が有する突出部12の径aの長さとし、縦軸を照射パターン9aの渦巻き径bとした。

0037

図3に示す施工評価の結果から、溶接結果が良好となる適正範囲が分かる。図3には、溶接具合の結果を○と△で表している。目視で確認を行い、○はビード外観が良好な場合を示し、△は気孔が残存している場合を示している。突出部12の径aが2.5mm以下においては、突出部12の径aに対して渦巻き径bを大きく設定していれば、亜鉛蒸気13の排出経路が確保され、良好なビード外観を得ることができることがわかる。具体的には、突出部12の径aに対して渦巻き径bを0.5mm以上大きくすれば良い。

0038

例えば、突出部12の径aが0.5mmであれば、渦巻き径bは1.0mm以上、突出部12の径aが2.5mmであれば、渦巻き径bは3.0mm以上必要になる。しかし、突出部12の径aが3.0mm以上になると、上板10と下板11との接触面積が増加する。接触面積の増加により、突出部12を設けた効果がなくなる。その結果、亜鉛蒸気13の排出が難しい状態になり、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールやピットが残存することになる。

0039

(実施の形態2) 次に図4A図4Bを用いて、突出部12の平面視における形状がライン状の場合について説明する。本実施の形態では、照射パターン9bは、溶接方向14に移動する回転中心周回する螺旋形状を有する軌跡に沿って、溶接対象物に対して相対的に移動する。つまり、実施の形態1では、照射パターン9aが渦巻き状であるのに対し、本実施の形態では、照射パターン9bが螺旋状である。また、実施の形態1では、突出部12が円形状であるのに対し、本実施の形態では、突出部12はライン状である。本実施の形態では、螺旋状にレーザ照射しながらライン状の突出部に対して溶接する亜鉛めっき鋼板の溶接について説明する。なお、実施の形態1と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する場合がある。

0040

本実施の形態のレーザ溶接装置は、上板10および下板11のいずれも亜鉛めっき鋼板で形成されている。なお、上板10および下板11は必ずしも、亜鉛めっき鋼板である必要はない。

0041

まず、上板10および下板11が重ね合わされる。そして、上板10に予め設けた突出部12の中心位置からレーザ光9の照射が開始される。レーザ光9の照射は、突出部12の中心位置から、螺旋状の照射パターン9bに従って行われる。突出部12の中心位置を基準に突出部12の幅cよりも大きい螺旋幅dのレーザ照射にて溶接を行う。

0042

レーザ光9の出力は、亜鉛めっき鋼板である上板10と下板11を貫通させることができるエネルギー密度である。なお、エネルギー密度およびレーザ出力は、上板10および下板11の板厚に応じて異なり、板厚が厚くなるほど、高エネルギー密度が必要であり、レーザ光9の出力は高く設定される。

0043

上板10は、亜鉛めっき層10aおよび亜鉛めっき層10bを有し、下板11は、亜鉛めっき層11aおよび亜鉛めっき層11bを有する。そして、レーザ光9を照射し、上板10および下板11を溶接することにより、すき間Hから亜鉛蒸気13が発生し、亜鉛蒸気の影響を受けずに溶接することができる。

0044

上述した通り、本実施の形態のレーザ溶接方法では、図4Bに示すように、亜鉛めっき鋼板である上板10に予め設けたライン状の突出部12の中心位置から突出部12の幅より大きい螺旋幅の照射パターンで、螺旋状にレーザ照射して溶接することにより、亜鉛めっき鋼板である上板10および下板11との重ね合わせ面から亜鉛蒸気13の排出経路を作り出すことができる。

0045

なお、良好な溶接を行うためには、当然ながら、適正な条件が必要となる。

0046

次に、図5を用いて、平面視における突出部12のライン幅である突出部12の幅cに対する螺旋幅dの適正範囲について説明する。なお、図5は一例であり、本開示はこれに限定されるものではない。

0047

図5に示す施工評価の際の条件は以下の通りである。

0048

上板10および下板11として、めっきの被膜密度が45g/m2、板厚が0.8mmである亜鉛めっき鋼板を用いた。すき間h’=0mm、突出部12の高さh=0.1mmとした。溶接条件は、出力が2.5kW、速度が2m/minとした。横軸を上板10が有する突出部12の幅cの長さとし、縦軸を照射パターン9bの螺旋幅dとした。

0049

図5に示す施工評価の結果から、溶接結果が良好となる適正範囲が分かる。図5には、溶接具合の結果を○と△で表している。目視で確認を行い、○はビード外観が良好な場合を示し、△は気孔が残存している場合を示している。突出部12の幅cが2.0mm以下においては、幅cに対して螺旋幅dを大きく設定していれば亜鉛蒸気13の排出経路が確保され、良好なビード外観を得ることができることを表している。具体的には、突出部12の幅cに対して螺旋幅dを0.5mm以上大きくすれば良い。

0050

例えば、幅cが0.5mmであれば螺旋幅dは1.0mm以上、幅cが2.0mmであれば螺旋幅dは2.5mm以上必要になる。しかし、突出部12の径aが2.5mm以上になると、亜鉛めっき鋼板である上板10に設けた突出部12と下板11との接触面積が増加する。この接触面積の増加により、突出部12を設けた効果がなくなり、亜鉛蒸気13の排出が難しい状態になり、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールやピットが残存することになる。

0051

[すき間の裕度]図6を用いて、螺旋状にレーザ照射しながら溶接する亜鉛めっき鋼板の溶接に対するすき間の裕度の広さについて、以下に説明する。

0052

図6は、すき間に対する施工裕度の広さについて、横軸に溶接法(特許文献1及び2と本開示との比較)を示し、縦軸にすき間h’を示し、施工評価を行った評価結果である。なお、この施工評価は、上板および下板として、めっきの被膜密度が45g/m2である亜鉛めっき鋼板の板厚0.8mmを用いた。突出部の高さhが0.1mm、突出部の幅が0.5mmとした。図6に、溶接結果が良好となる適正範囲を示している。

0053

図8に示す特許文献1においては、ライン状の突出部114の上方からライン状にレーザ照射するライン溶接の溶接法なので、突出部114の先端と、めっき鋼板120とのすき間h’は0.3mmが限界である。なお、図8には、すき間h’を有する構成は図示していない。

0054

なぜなら、ライン溶接ではビード幅が狭く、限界値を超えるすき間h’に必要とする溶融金属量を確保できないためである。

0055

図9に示す特許文献2においては、突出部230と突出部231との間をライン状にレーザ照射する溶接法なので、突出部230と突出部231との間の領域には、始めから突出部230(または突出部231)の高さhによる0.1mmのすき間がある。突出部230と突出部231との間の領域におけるめっき鋼板210とめっき鋼板220とのすき間Hは0.3mmが限界となる。つまり、突出部230の先端(または突出部231の先端)とめっき鋼板220とのすき間h’は0.2mmが限界となる。特許文献1と同様に、ライン状にレーザ照射するライン溶接ではビード幅が狭く、限界値を超えるすき間h’に必要な溶融金属量を確保できないためである。なお、図9には、すき間h’を有する構成は図示していない。

0056

一方、図4Aから図5を参照しながら説明した本開示の螺旋状の溶接では、突出部12上に螺旋状の溶接をすることにより、突出部12と対応するめっき鋼板(下板11)とのすき間h’を0.5mmまで広げても問題はない。なぜなら、実施の形態2の溶接方法では、レーザを螺旋状に照射することにより、ライン状に照射するライン溶接よりもビード幅が広くなるようするため溶融金属量を多く確保できる。よって、突出部12と対応するめっき鋼板(下板11)とのすき間h’に必要な溶融金属量を確保できる。

0057

なお、板厚が0.8mmの上板10および板厚が0.8mmの下板11を重ね合わせることによるすき間の許容率は、特許文献1や特許文献2のようなライン状にレーザを照射するライン溶接では板厚に対して約1/3相当であるのに対して、本開示の螺旋状にレーザを照射するラインの溶接では板厚の約2/3相当であり、裕度を約1.7倍にできる。

0058

[位置ズレの裕度] 次に、図7を用いて、螺旋状にレーザ照射しながら溶接する亜鉛めっき鋼板の溶接に対する位置ズレ裕度の広さについて、一例を以下に説明する。

0059

図7は、位置ズレに対する施工裕度の広さについて、横軸に溶接法(特許文献1及び2と本開示との比較)を示し、縦軸に位置ズレを示し、施工評価を行った評価結果である。なお、この施工評価は、上板および下板として、めっきの被膜密度45g/m2である亜鉛めっき鋼板の板厚0.8mmが用いられた。突出部の高さhが0.1mm、突出部の幅が0.5mmである。図7に、溶接結果が良好となる適正範囲を示している。

0060

図8に示す特許文献1においては、突出部114の上方からレーザ照射する溶接法なので、突出部114の中心から突出部114の幅である0.5mmから外れると、突出部114のない箇所(めっき鋼板110とめっき鋼板120とのすき間Hの領域)になるため、穴あきが発生しやすくなる。

0061

図9に示す特許文献2においては、一定のすき間Hが形成されている突出部230と突出部231との間にレーザ照射する溶接法なので、溶接箇所が突出部230と突出部231と間の板厚方向のすき間が一定のすき間Hの領域内であれば、問題なく、溶接することができる。

0062

一方、図4Aから図5を参照しながら説明した本開示の螺旋状の溶接では、螺旋状の螺旋幅dに応じて位置ズレ裕度が異なる。本開示の溶接方法では、突出部12の幅cに対して螺旋幅dを0.5mm以上大きく設定していれば、良好なビード外観を得ることができる。つまり、螺旋幅dを大きくすればより位置ズレ裕度は広くなる。図7に示すように例えば、螺旋幅dが2mmの場合、位置ズレは突出部中心から±1mm、螺旋幅dが3mmでは位置ズレは突出部中心から±2mm、螺旋幅dが4mmでは位置ズレは突出部中心から±3mmまで可能である。絶えず、亜鉛蒸気の排出がしやすい状態であり、溶接ビード内や溶接ビード表面にブローホールやピットが残存することを抑制することができる。

0063

以上の説明から明らかなように、本開示のレーザ溶接方法では、上板10が突出部12を有し、上板10に形成されている突出部12の先端と、下板11とが接するように、上板10と下板11とを重ね合わせる。更に、平面視で、突出部12より大きいサイズの照射パターン9bで螺旋状にレーザ照射し、少なくとも一方がめっき鋼板からなる溶接対象物(上板10および下板11)を重ね合わせ溶接している。これにより、少なくとも一方の鋼板に突出部12を形成し、突出部12と対向する下板11に接するように、上板10および下板11を重ね合わせて行われる溶接において、位置ズレの裕度を確保することができる。更に、突出部12と突出部12に対向するめっき鋼板(下板11)とのすき間h’の裕度を向上させることができる。つまり、突出部12と対応するめっき鋼板(下板11)とのすき間h’と、螺旋幅の大きさに応じての位置ズレと、の両方における施工の裕度を向上させることができる。

0064

なお、突出部12上にデフォーカスによる突出部12の外形より大きいサイズのビード幅となるレーザ光を照射して溶接を行う方法の場合、エネルギー密度はビード中心が高く、ビード際に近づくにつれてエネルギー密度は低い状態になる。従って、ビード中心付近溶け込みが深く、ビード際付近は浅くなり、ビード幅全体の溶け込みを均一にさせることはできない。本開示の螺旋状にレーザ照射する溶接では、キーホール溶接による螺旋状にレーザ照射することで、ビード幅全体の溶け込みを均一に近づけることができ、溶接性を向上させることができる。

0065

本開示によれば、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた鋼板の溶接において、レーザ溶接を行う際、突出部12上に、突出部より大きい所定のサイズの照射パターンで、渦巻き状や螺旋状にレーザ照射することで溶接時には亜鉛蒸気の影響を受けることを防止し、かつ、位置ズレやギャップを気にすることなく溶接を行うことができる。よって、溶接ビード内や溶接ビード表面に生じる気孔を抑制することができ、溶接性を向上することができる。

0066

なお、本開示は、螺旋状の照射パターン9bだけではなく、前述している渦巻き状の照射パターン9aについても同様の効果を得ることができる。

0067

以上のように、本開示のレーザ溶接方法は、上板10が突出部12を有し、上板10に形成されている突出部12の先端と、下板11とが接するように、上板10と下板11とを重ね合わせる第1の工程を有する。更に、本開示のレーザ溶接方法は、第1の工程後に、平面視における突出部12の大きさより、大きいサイズの照射パターン9a(または9b)で、突出部12に向かってレーザ光を照射する第2の工程を有する。そして、上板10の下板11に対向する面、または、下板11の上板10に対向する面、の少なくともいずれか一方の面はめっき加工されている。

0068

よって、本開示のレーザ溶接方法では、亜鉛めっきの亜鉛蒸気を円滑に排出し、亜鉛蒸気の影響を受けることなく、良好な溶接することができる。溶接ビード内や溶接ビード表面に生じる気孔を抑制することができ、溶接性を向上することができる。

0069

なお、本実施の形態では、突出部12を上板10に設けた例で説明してきたが、下板11に突出部12を設けても良い。

0070

また、本実施の形態では、亜鉛めっき鋼板を用いた例について説明した。しかし、鋼板よりも融点が低い沸点である金属めっきが施された鋼板であれば、どのような表面処理鋼板でも適用可能である。

0071

以上のように、本開示によれば、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた鋼板の溶接において、上板10または下板11に設けた突出部12上に突出部12より大きいサイズの照射パターンで、渦巻き状または螺旋状にレーザ溶接を行うことにより、蒸気(亜鉛めっきの亜鉛蒸気など)を円滑に排出し、蒸気の影響を受けることなく、良好な溶接することができる。よって、溶接ビード内や溶接ビード表面に生じる気孔を抑制することができ、溶接性を向上することができるので、表面処理が行われた部材を溶接するレーザ溶接制御方法およびレーザ溶接装置として産業上有用である。

0072

1レーザ発振器2ロボット3ロボットコントローラ4溶接条件設定制御部 5動作制御部 6レーザ出力制御部 7レーザ照射用ヘッド8伝送ファイバ9レーザ光9a,9b照射パターン10上板10a,10b亜鉛めっき層11a,11b 亜鉛めっき層 11下板12,114,230,231 突出部 13亜鉛蒸気14溶接方向116 溝 GS金属蒸気H すき間 R 領域 h 高さ h’ すき間

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