金属メッキ板のレーザー溶接方法
【課題】ブローホール等の溶融欠陥の形成の無い、良好な溶接を確実に実現することができるメッキ鋼板のレーザー溶接法を提供する。
【解決手段】下板１１と上板１２を重ね合わせる。第１のレーザービーム１８ａをその重ね合わせ部上の第１乃至第３の直線経路Ｋ１〜Ｋ３に沿って移動させ、第１のレーザービーム１８ａの広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛を蒸発、脱気する。その後、第１のレーザービーム１８ａよりもエネルギー密度が高く、狭い照射領域１９ｂを有した第２のレーザービーム１８ｂを第２の直線経路Ｋ２に沿って移動させながら照射し、狭い照射領域１９ｂに対応する下板１１と上板１２の鋼板部分を溶融して溶接接合を形成する。
【解決手段】下板１１と上板１２を重ね合わせる。第１のレーザービーム１８ａをその重ね合わせ部上の第１乃至第３の直線経路Ｋ１〜Ｋ３に沿って移動させ、第１のレーザービーム１８ａの広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛を蒸発、脱気する。その後、第１のレーザービーム１８ａよりもエネルギー密度が高く、狭い照射領域１９ｂを有した第２のレーザービーム１８ｂを第２の直線経路Ｋ２に沿って移動させながら照射し、狭い照射領域１９ｂに対応する下板１１と上板１２の鋼板部分を溶融して溶接接合を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数枚の金属メッキ板の重ね合わせ部分をレーザー溶接する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
亜鉛メッキ鋼板は母材金属板である鋼板の表面に防錆用の亜鉛メッキを施した鋼板材であり、自動車の車体の構造材等として多用されている。車体等を形成する場合に、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせて、その重ね合わせ部分にレーザービームを照射して、鋼板材を溶融、結合させるレーザー溶接法が知られている。（特許文献１−３を参照）
【０００３】
上記レーザー溶接を行うと、亜鉛の沸点（約９００℃）が鋼板（鉄）の融点（約１５００℃）より低いことに起因して溶接欠陥が発生することが知られている。つまり、レーザービームを前記重ね合わせ部分に照射することにより、鋼板が溶融するが、この時、重ね面の亜鉛が蒸発する。そして、亜鉛蒸気は溶融した鋼板内を通って外に抜けようとする。その結果、溶融した鋼板の一部が吹き飛ばされたり、一部の亜鉛蒸気が鋼板内部に残り、ブローホールと呼ばれる気孔を形成して、溶接強度を劣化させたり、外観が悪くなる。
【０００４】
このような観点から、亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接法においては様々な対策が提案されている。（特許文献１−３を参照）例えば、特許文献１においては、エネルギー密度が低いレーザービームで亜鉛を蒸発、離散させた後、エネルギー密度が高いレーザービームで溶接接合させる方法が記載されている。また、特許文献１の方法においては、１つのレーザービームを、ハーフミラーと反射鏡を用いて、エネルギー密度が低いレーザービームとエネルギー密度が高いレーザービームとに分割し、それらの２つのレーザービームを、照射領域をずらして同時に照射するというものである。（特許文献１の図８等を参照）
【特許文献１】特開平４−２３１１９０号公報
【特許文献２】特開平１０−１５６５６６号公報
【特許文献３】特開２００２−１７８１７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の溶接方法では、エネルギー密度が低いレーザービームとエネルギー密度が高いレーザービームとを同時照射しているので、以下の問題があった。
【０００６】
第１に、２つのレーザービームの移動速度が必然的に同一にならざるを得ず、このことが、亜鉛の蒸発と溶接接合という２つの過程を最適化する上で制約条件になるという問題がある。第２に、溶接しようとする経路が曲線の場合、２つの分割されたレーザービームの射出位置が異なることから、経路にずれを生じ易く、経路にずれが生じると溶接強度の劣化等の溶接欠陥を招くという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、母材金属板の表面に母材金属の融点よりも低い沸点を有した金属をメッキしてなる、複数枚の金属メッキ板を重ね合わせ、重ね合わせ部にレーザービームを照射して溶接を行う金属メッキ板のレーザー溶接方法において、前記重ね合わせ部上の互いに隣接した第１乃至第３の経路に沿って、エネルギー密度が低く、且つ広い照射領域を有した第１のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記広い照射領域の母材金属部分にメッキされた金属を蒸発、脱気させ、前記第１のレーザービームを前記第１乃至第３の経路に沿って照射した後に、前記第１及び第３の経路に挟まれた前記第２の経路に沿って前記第１のレーザービームよりもエネルギー密度が高く、且つ前記第１のレーザービームよりも狭い照射領域を有した第２のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記狭い照射領域の母材金属部分を溶融して、溶接接合させることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、第１のレーザービームを照射した後に、第２のレーザービームを照射するので、第１及び第２のレーザービーム線の移動速度を独立に制御することができる。その結果溶接条件の最適化が容易になる。また、第１及び第２のレーザービームの移動する経路のずれを無くすことができる。
【０００９】
また、第１のレーザービームを第１乃至第３の経路に沿って照射した後に、第２のレーザービームを第１及び第３の経路に挟まれた第２の経路に沿って照射しているので第２のレーザービームの照射時には、第２の経路の両側を含めた広い範囲でメッキされた金属は既に蒸発、脱気されていることになる。これにより、金属蒸気の影響を無くして更に良好な溶接を実現することができる。ここで、第１乃至第３の経路は、直線経路でも円周経路でも良い。
【００１０】
また、請求項４に係る発明は、母材金属板の表面に母材金属の融点よりも低い沸点を有した金属をメッキしてなる、複数枚の金属メッキ板を重ね合わせ、重ね合わせ部にレーザービームを照射して溶接を行う金属メッキ板のレーザー溶接方法において、前記重ね合わせ部上における螺旋経路に沿って、エネルギー密度が低く、且つ広い照射領域を有した第１のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記広い照射領域の母材金属部分にメッキされた金属を蒸発させ、前記第１のレーザービームを螺旋経路の全体に沿って照射した後に、前記螺旋経路の中でその両側の領域に前記第１のレーザービームの照射が行われた経路に沿って、前記第１のレーザービームよりもエネルギー密度が高く、且つ前記第１のレーザービームよりも狭い照射領域を有した第２のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記狭い照射領域の母材金属部分を溶融して、溶接接合させることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、請求項１の発明と同様に、第１のレーザービームを照射した後に、第２のレーザービームを照射するので、第１及び第２のレーザービーム線の移動速度を独立に制御することができる、その結果溶接条件の最適化が容易になる。また、第１及び第２のレーザービームの移動する経路のずれを無くすことができる。更に、第１のレーザービームを螺旋経路に沿って照射しているので、レーザービームの連続照射が可能となり、生産性を向上させることができる。また、第２のレーザービームの照射の時には、照射する経路の両側を含めた広い範囲でメッキされた金属が既に蒸発、脱気されている。これにより、請求項１に係る発明と同様、金属蒸気の影響を無くして更に良好な溶接を実現することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の金属メッキ板のレーザー溶接方法によれば、溶接条件の最適化が容易になり、しかも、溶接しようとする経路が曲線の場合であっても、ブローホール等の溶融欠陥の形成の無い、良好な溶接を確実に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。先ず、レーザー加工装置の構成を図１に基づいて説明する。図示のように、レーザー加工テーブル１０上に、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態で載置する。以下では、下側になった亜鉛メッキ鋼板を下板１１と呼び、上側になった亜鉛メッキ鋼板を上板１２と呼ぶことにする。下板１１と上板１２とを治具で押さえて、両板の重ね合わせ部をできるだけ密着させることが好ましい。
【００１４】
下板１１及び上板１２が載置されたレーザー加工テーブル１０の上方には、レーザー加工ヘッド１３が配置され、このレーザー加工ヘッド１３に光ファイバー１４を介してファイバーレーザー発振器１７によって発生されたレーザービームが出力されるようになっている。尚、ファイバーレーザー発振器１７の代わりに、ＹＡＧレーザー発振器、ＣＯ２レーザー発振器等の他の種類のレーザー発振器を用いてもよい。
【００１５】
レーザー加工ヘッド１３には、コリメーションレンズ１５と集光レンズ１６が収納されている。ファイバーレーザー発振器１７からのレーザービームは、先ず、コリメーションレンズ１５によって一旦平行光線に変換され、その平行光線が集光レンズ１６によって、所定の焦点距離の位置に集光される。また、レーザー加工ヘッド１３は、例えば、レーザー加工ロボットのような移動手段によって、上板１２の面内のＸ方向及びＹ方向、上板１２の表面に垂直なＺ方向に移動自在に構成されている。
【００１６】
従って、レーザー加工ヘッド１３をＺ方向に移動させることにより、レーザー加工ヘッド１３から出力されるレーザービーム１８の照射領域１９（上板１２に垂直な方向からみて円形の領域になる）の広狭を変えることができる。レーザービーム１８のエネルギー密度は照射領域１９ａの単位面積当たりのエネルギーであり、ファイバーレーザー発振器１７の発振出力（電力）が一定であれば、レーザービーム１８のエネルギー密度は照射領域１９ａの面積に反比例することになる。
【００１７】
また、レーザー加工ヘッド１３のコリメーションレンズ１５又は集光レンズ１６を交換することによっても照射領域１９の広狭を変えることができる。また、レーザー加工ヘッド１３をＸ方向に、又はＹ方向に、或いはＸ方向とＹ方向に同時に移動させることにより、レーザービーム１８の照射領域１９を前記重ね合わせ部上を任意の経路に沿って、所望の移動速度で移動させることができる。
【００１８】
以下、上記レーザー加工装置を用いた亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接法について説明する。先ず、図２（ａ）の斜視図に示すように、下板１１と上板１２の重ね合わせ部上の起点Ｐ１から終点Ｐ２までの第１の直線経路Ｋ１に沿って、エネルギー密度が低く、広い照射領域１９ａを有した第１のレーザービーム１８ａを移動させながら照射する。
【００１９】
これにより、図２（ｂ）（図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図）に示すように、広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。つまり、前記重ね面から発生した亜鉛蒸気は下板１１と上板１２の重ね合わせ部の隙間を通って外に抜ける。この時、第１のレーザービーム１８ａのエネルギー密度は低いので、鋼材は溶融せず、亜鉛だけが蒸発する。
【００２０】
その後、図３に示すように、下板１１と上板１２の重ね合わせ部上であって、第１の直線経路Ｋ１に隣接すると共に、第１の直線経路Ｋ１に平行な第２の直線経路Ｋ２に沿って、エネルギー密度が低く、広い照射領域１９ａを有した第１のレーザービーム１８ａを移動させながら照射する。第２の直線経路Ｋ２は、起点Ｐ３から終点Ｐ４までの直線経路であり、その経路の長さは第１の直線経路Ｋ１の長さと略同じである。この時も同様に、第２の直線経路Ｋ２に沿った広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が、第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。
【００２１】
その後、図４に示すように、下板１１と上板１２の重ね合わせ部上であって、第２の直線経路Ｋ２に隣接すると共に、第２の直線経路Ｋ２に平行な第３の直線経路Ｋ３に沿って、エネルギー密度が低く、広い照射領域１９ａを有した第１のレーザービーム１８ａを移動させながら照射する。第３の直線経路Ｋ３は、起点Ｐ５から終点Ｐ６までの直線経路であり、その経路の長さは第１、第２の直線経路Ｋ１、Ｋ２の長さと略同じである。この時も同様に、第３の直線経路Ｋ３に沿った広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が、第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。
【００２２】
この場合、第１乃至第３の直線経路Ｋ１〜Ｋ３の起点Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５は同一直線上にあり、起点Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５も同一直線上にある。また、第１のレーザービーム１８ａの移動方向は左右方向のどちらでも良い。
【００２３】
上述のようにして第１のレーザービーム１８ａを第１乃至第３の経路Ｋ１〜Ｋ３に沿って移動させた後に、図５（ａ）に示すように、第１のレーザービーム１８ａよりもエネルギー密度が高く、狭い照射領域１９ｂを有した第２のレーザービーム１８ｂを第１の直線経路Ｋ１、第３の直線経路Ｋ３に挟まれた第２の直線経路Ｋ２に沿って、好ましくは第２の直線経路Ｋ２の中心線に沿って移動させながら照射する。この時、第２のレーザービーム１８ｂの移動方向はＰ３→Ｐ４、Ｐ４→Ｐ３のどちらでも良い。
【００２４】
この場合、第２のレーザービーム１８ｂの狭い照射領域１９ｂの全部が広い照射領域１９ａの範囲に含まれている。広い照射領域１９ａと狭い照射領域１９ｂを重ね合わせると、中心点Ａを共有した同心円を形成することが好ましい。（図６を参照）このようにして、図５（ｂ）（図５（ａ）のＢ−Ｂ線断面図）に示すように、第２の直線経路Ｋ２に沿って、狭い照射領域１９ｂに対応する下板１１と上板１２の鋼板部分が溶融され、溶接接合が形成される。この時、第２の直線経路Ｋ２に対応したレーザー照射領域だけでなく、その両側の第１、第３の直線経路Ｋ１，Ｋ３に対応したレーザー照射領域も含めた広範囲においてメッキされた亜鉛が既に蒸発、脱気されているので、広範囲の亜鉛蒸気の影響を無くして良好な溶接接合を形成することができる。
【００２５】
つまり、第１のレーザービーム１８ａを１つの直線経路に沿って照射し、第２のレーザービーム１８ｂを同じ経路に沿って照射する場合と比べると、本実施形態においては、より広範囲においてメッキされた亜鉛を蒸発、脱気した後に、溶接を行うことができるのである。これに対して、第１、第３の直線経路Ｋ１，Ｋ３の照射を行わない場合には、亜鉛の蒸発、脱気が不十分であり、ブローホールを防ぎきれない。さらに広範囲の亜鉛を除去したい場合には、直線経路の本数をさらに増やしても良い。
【００２６】
第１乃至第３の直線経路Ｋ１〜Ｋ３の間隔はある程度自由に設定できるが、その間隔はできるだけ小さいことが好ましい。第１乃至第３の直線経路Ｋ１〜Ｋ３の間隔が大きすぎると、レーザー照射が行われない非照射領域が広くなり、亜鉛の除去効果が十分発揮されないからである。また、図３乃至５においては、第１乃至第３の直線経路Ｋ１〜Ｋ３の広い照射領域１９ａは離間している場合を図示したが、隣接した経路の広い照射領域１９ａの端部を互いにオーバーラップさせてもよい。これにより、第１乃至第３の直線経路Ｋ１〜Ｋ３の間に非照射領域が生じないようにすることができる。
【００２７】
尚、本実施形態とは異なり、第１のレーザービーム１８ａの照射領域を広げることで、広範囲の亜鉛を蒸発、脱気させるという手法も考えられるが、照射領域を広げただけではレーザービームのエネルギー密度の低下を招き、これを補償するためにはレーザービームの移動速度を相当小さくせざるを得ない。そうすると、生産性の低下を招く。また、ファイバーレーザー発振器１７の発振出力にも限界があり、エネルギー密度を維持しながら照射領域を広げることは困難なことが多い。
【００２８】
また、前述のように、第１及び第２のレーザービーム１８ａ，１８ｂは同時移動すること無く、時間を前後して移動させているため、それらの移動速度は独立に制御することができる。これにより、溶接条件を最適化することができる。この時、第１のレーザービーム１８ａの移動速度は、第２のレーザービーム１８ｂの移動速度より小さいことが好ましい。つまり、第１のレーザービーム１８ａの移動はゆっくり行うことにより、亜鉛の蒸発、除去を促進することができる。一方、第２のレーザービーム１８ｂの移動はそれより速くても適度な溶接接合を形成することができ、レーザー加工時間の短縮にもつながる。
【００２９】
これに対して、特許文献１の溶接方法にように、２つのレーザービームを同時移動させる場合には、亜鉛の除去を十分に行うためにレーザービームの移動をゆっくり行うと、鋼板部分の溶融が過剰に起こり、逆に、溶接接合の形成を最適化するためにレーザービームの移動を速く行うと、亜鉛の除去が不十分になるという欠点がある。つまり、２つのレーザービームの移動速度が同一であるために、溶接条件の最適化に制約がある。
【００３０】
［第２の実施形態］
第１の実施形態において、第１のレーザービーム１８ａ及び第２のレーザービーム１８ｂの移動する経路は直線経路であるが、それに限らず、どのような経路でもよい。本実施形態では、直線経路以外に好ましい経路として、円周経路について説明する。
尚、本実施形態においても、前記レーザー加工装置を用いるものとし、その他の条件も第１の実施形態と同様である。
【００３１】
先ず、図７に示すように、第１のレーザービーム１８ａを下板１１と上板１２の重ね合わせ部上の第１の円周経路Ｋ４に沿って、起点Ｐ７から出発して、再び同じ起点Ｐ７に戻るように移動させる。つまり、第１のレーザービーム１８ａの広い照射領域１９ａは第１の円周経路Ｋ４を一周することになる。これにより、第１の実施形態と同様に、広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。
【００３２】
その後、図８に示すように、第１の円周経路Ｋ４の外側に隣接した第２の円周経路Ｋ５に沿って、第１のレーザービーム１８ａを起点Ｐ８から再び同じ起点Ｐ８に戻すように移動させる。つまり、第１のレーザービーム１８ａの照射領域１９ａは第２の円周経路Ｋ５を一周することになる。この時も、広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。
【００３３】
その後、図９に示すように、第２の円周経路Ｋ５の外側に隣接した第３の円周経路Ｋ６に沿って、第１のレーザービーム１８ａを起点Ｐ９から再び同じ起点Ｐ９に戻すように移動させる。つまり、第１のレーザービーム１８ａの照射領域１９ａは第３の円周経路Ｋ６を一周することになる。この時も、広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。
【００３４】
この場合、第１乃至第３の円周経路Ｋ４〜Ｋ６の中心は同じであること、つまり第１乃至第３の円周経路Ｋ４〜Ｋ６は同心円であることが好ましい。第１のレーザービーム１８ａを移動させる第１乃至第３の円周経路Ｋ４〜Ｋ６の順番は任意である。
【００３５】
その後、図１０に示すように、第１のレーザービーム１８ａよりもエネルギー密度が高く、狭い照射領域１９ｂを有した第２のレーザービーム１８ｂを第２の円周経路Ｋ５に沿って、好ましくは第２の円周経路Ｋ５の中心線に沿って移動させながら照射する。つまり、第２のレーザービーム１８ｂは、第１、第３の円周経路Ｋ４、Ｋ６によって挟まれた第２の円周経路Ｋ５に沿って移動する。
【００３６】
この場合、第２のレーザービーム１８ｂは起点Ｐ８から出発して、再び起点Ｐ８に戻るように移動させる。つまり、第２のレーザービーム１８ｂの照射領域１９ｂは第２の円周経路Ｋ５を一周することになる。尚、この時の起点Ｐ８は、第１のレーザービーム１８ａの起点Ｐ８と一致している必要はなく、第２の円周経路Ｋ５上で任意に選ぶことができる。
【００３７】
これにより、第２の円周経路Ｋ５に沿って、狭い照射領域１９ｂに対応する下板１１と上板１２の鋼板部分が溶融され、溶接接合が形成される。この時、第２の円周経路Ｋ５に対応したレーザー照射領域だけでなく、その両側の第１、第３の円周経路Ｋ４，Ｋ６に対応したレーザー照射領域も含めた広範囲においてメッキされた亜鉛が既に蒸発、脱気されているので、亜鉛蒸気の影響を無くして良好な溶接接合を形成することができる。第１乃至第３の円周経路Ｋ４〜Ｋ６の直径はある程度自由に設定できるが、円周経路の間隔は上述した理由でできるだけ小さいことが好ましい。また、さらに広範囲の亜鉛を除去したい場合には、円周経路の本数をさらに増やしても良い
このように、本実施形態によれば、レーザービームの移動経路は円周経路であり、第１の実施形態による直線経路とは異なっているが、同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、第１のレーザービーム１８ａ及び第２のレーザービーム１８ｂを同時移動させること無く、時間を前後して移動させるので、移動経路が第１乃至第３の円周経路Ｋ４〜Ｋ６のように曲線経路の場合でも、第１のレーザービーム１８ａ及び第２のレーザービームの移動する経路のずれを無くすことができる。これに対して、特許文献１の溶接方法にように、２つのレーザービームを同時移動させる場合には、２つの分割されたレーザービームの射出位置が異なることから、移動経路にずれを生じや易い。移動経路にずれが生じると、亜鉛が十分除去されていない鋼材部分を溶融して溶接することになるため、溶接強度の劣化等の溶接欠陥を招くという問題がある。
【００３９】
［第３の実施形態］
本実施形態は、第１のレーザービーム１８ａ及び第２のレーザービーム１８ｂの移動する経路は螺旋経路である点で第１、第２の実施形態と異なっている。尚、本実施形態においても、前記レーザー加工装置を用いるものとし、その他の条件も第１の実施形態と同様である。
【００４０】
先ず、図１１に示すように、第１のレーザービーム１８ａを下板１１と上板１２の重ね合わせ部上の螺旋経路Ｋ７に沿って、起点Ｐ１１から出発して、終点Ｐ１２まで移動させる。つまり、第１のレーザービーム１８ａの広い照射領域１９ａは螺旋経路Ｋ７上を移動することになる。この時、広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。
【００４１】
その後、図１２に示すように、第２のレーザービーム１８ｂを下板１１と上板１２の重ね合わせ部上の螺旋経路Ｋ７に沿って、起点Ｐ１３から出発して、終点Ｐ１４まで移動させる。つまり、第２のレーザービーム１８ｂに狭い照射領域１９ｂは、螺旋経路Ｋ７の中でその両側の領域に第１のレーザービーム１８ａの照射が既に行われた経路に沿って移動する。これにより、螺旋経路Ｋ７に沿って、起点Ｐ１３から終点Ｐ１４に至る経路で、狭い照射領域１９ｂに対応する下板１１と上板１２の鋼板部分が溶融され、溶接接合が形成される。
【００４２】
この時、起点Ｐ１３から終点Ｐ１４に至る螺旋経路に対応したレーザー照射領域だけでなく、その両側の螺旋経路に対応したレーザー照射領域も含めた広範囲においてメッキされた亜鉛が既に蒸発、脱気されているので、亜鉛蒸気の影響を無くして良好な溶接接合を形成することができる。このように、本実施形態によれば、レーザービームの移動経路は螺旋経路であり、第１の実施形態による直線経路とは異なっているが、同様の効果を得ることができる。さらに広範囲の亜鉛を除去したい場合には、螺旋経路の巻き数をさらに増やしても良い。
【００４３】
また、本実施形態によれば、第１のレーザービーム１８ａの移動経路が螺旋状になっているので、レーザービーム照射を途中で停止させることなく、連続照射が可能になる。これにより、生産性が向上するという特有の効果も有している。
【００４４】
尚、上記第１乃至第３の実施形態においては、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態でレーザー溶接を行っているが、本発明は、３枚以上の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態でレーザー溶接を行う場合にも適用することができる。また、本発明のレーザー溶接の対象となる金属メッキ板は、亜鉛メッキ鋼板に限らず、鋼板の表面に、鋼板の融点よりも低い沸点を有した金属、例えば、アルミニウム、或いは錫をメッキしてなる金属メッキ板であってもよい。また、母材金属板の材料も鉄に限定されることはなく、例えば、鉄と他の元素との合金でもよい。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。２枚の亜鉛メッキ鋼板（規格：GAC270 t1.2）を準備した。この亜鉛メッキ鋼板は、厚さが１．２ｍｍであり、表面及び裏面に４０ｇ／ｍ２の亜鉛メッキが施されたものである。そして、２枚の亜鉛メッキ鋼板の重ね合わせ部に、第１のレーザービーム１８ａを第１乃至第３の円周経路Ｋ４〜Ｋ６に沿って照射した。この時のファイバーレーザー発振器１７の発振出力は４ＫＷであり、第１のレーザービーム１８ａの広い照射領域１９ａは円形であり、その直径は１．０ｍｍであった。また、第１のレーザービーム１８ａの移動速度は１ｍ／分であった。（図７〜図９参照）
【００４６】
第１のレーザービーム１８ａの照射後、第２のレーザービーム１８ｂを第２の円周経路Ｋ５に沿って照射した。この時の、ファイバーレーザー発振器１７の発振出力は４ＫＷであり、第２のレーザービーム１８ｂの狭い照射領域１９ｂは円形であり、その直径は０．８ｍｍであった。また、第２のレーザービーム１８ｂの移動速度は、第１のレーザービーム１８ａの移動速度より速く、３．５ｍ／分であった。（図１０参照）
【００４７】
ファイバーレーザー発振器１７の発振出力は４ＫＷで一定しているので、レーザービームのエネルギー密度は照射領域の面積に反比例する。第１のレーザービーム１８ａのエネルギー密度は、第２のレーザービーム１８ｂのエネルギー密度の６４％になる。上記の第１及び第２のレーザービーム１８ａ，１８ｂの照射により、２枚の亜鉛メッキ鋼板は第２の円周経路Ｋ５に沿って溶接され、その溶接強度は高く、外観も良いことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態におけるレーザー加工装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図及び断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図及び断面図である。
【図６】レーザービームによる照射領域を示す平面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する平面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する平面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０・・・レーザー加工テーブル １１・・・下板
１２・・・上板 １３・・・レーザー加工ヘッド
１４・・・光ファイバー １５・・・コリメーションレンズ
１６・・・集光レンズ １７・・・ファイバーレーザー発振器
１８・・・レーザービーム １８ａ・・・第１のレーザービーム
１８ｂ・・・第２のレーザービーム １９ａ・・・広い照射領域
１９ｂ・・・狭い照射領域
Ｋ１・・・第１の直線経路 Ｋ２・・・第２の直線経路
Ｋ３・・・第３の直線経路 Ｋ４・・・第１の円周経路
Ｋ５・・・第２の円周経路 Ｋ６・・・第３の円周経路
Ｋ７・・・螺旋経路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数枚の金属メッキ板の重ね合わせ部分をレーザー溶接する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
亜鉛メッキ鋼板は母材金属板である鋼板の表面に防錆用の亜鉛メッキを施した鋼板材であり、自動車の車体の構造材等として多用されている。車体等を形成する場合に、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせて、その重ね合わせ部分にレーザービームを照射して、鋼板材を溶融、結合させるレーザー溶接法が知られている。（特許文献１−３を参照）
【０００３】
上記レーザー溶接を行うと、亜鉛の沸点（約９００℃）が鋼板（鉄）の融点（約１５００℃）より低いことに起因して溶接欠陥が発生することが知られている。つまり、レーザービームを前記重ね合わせ部分に照射することにより、鋼板が溶融するが、この時、重ね面の亜鉛が蒸発する。そして、亜鉛蒸気は溶融した鋼板内を通って外に抜けようとする。その結果、溶融した鋼板の一部が吹き飛ばされたり、一部の亜鉛蒸気が鋼板内部に残り、ブローホールと呼ばれる気孔を形成して、溶接強度を劣化させたり、外観が悪くなる。
【０００４】
このような観点から、亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接法においては様々な対策が提案されている。（特許文献１−３を参照）例えば、特許文献１においては、エネルギー密度が低いレーザービームで亜鉛を蒸発、離散させた後、エネルギー密度が高いレーザービームで溶接接合させる方法が記載されている。また、特許文献１の方法においては、１つのレーザービームを、ハーフミラーと反射鏡を用いて、エネルギー密度が低いレーザービームとエネルギー密度が高いレーザービームとに分割し、それらの２つのレーザービームを、照射領域をずらして同時に照射するというものである。（特許文献１の図８等を参照）
【特許文献１】特開平４−２３１１９０号公報
【特許文献２】特開平１０−１５６５６６号公報
【特許文献３】特開２００２−１７８１７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の溶接方法では、エネルギー密度が低いレーザービームとエネルギー密度が高いレーザービームとを同時照射しているので、以下の問題があった。
【０００６】
第１に、２つのレーザービームの移動速度が必然的に同一にならざるを得ず、このことが、亜鉛の蒸発と溶接接合という２つの過程を最適化する上で制約条件になるという問題がある。第２に、溶接しようとする経路が曲線の場合、２つの分割されたレーザービームの射出位置が異なることから、経路にずれを生じ易く、経路にずれが生じると溶接強度の劣化等の溶接欠陥を招くという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、母材金属板の表面に母材金属の融点よりも低い沸点を有した金属をメッキしてなる、複数枚の金属メッキ板を重ね合わせ、重ね合わせ部にレーザービームを照射して溶接を行う金属メッキ板のレーザー溶接方法において、前記重ね合わせ部上の互いに隣接した第１乃至第３の経路に沿って、エネルギー密度が低く、且つ広い照射領域を有した第１のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記広い照射領域の母材金属部分にメッキされた金属を蒸発、脱気させ、前記第１のレーザービームを前記第１乃至第３の経路に沿って照射した後に、前記第１及び第３の経路に挟まれた前記第２の経路に沿って前記第１のレーザービームよりもエネルギー密度が高く、且つ前記第１のレーザービームよりも狭い照射領域を有した第２のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記狭い照射領域の母材金属部分を溶融して、溶接接合させることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、第１のレーザービームを照射した後に、第２のレーザービームを照射するので、第１及び第２のレーザービーム線の移動速度を独立に制御することができる。その結果溶接条件の最適化が容易になる。また、第１及び第２のレーザービームの移動する経路のずれを無くすことができる。
【０００９】
また、第１のレーザービームを第１乃至第３の経路に沿って照射した後に、第２のレーザービームを第１及び第３の経路に挟まれた第２の経路に沿って照射しているので第２のレーザービームの照射時には、第２の経路の両側を含めた広い範囲でメッキされた金属は既に蒸発、脱気されていることになる。これにより、金属蒸気の影響を無くして更に良好な溶接を実現することができる。ここで、第１乃至第３の経路は、直線経路でも円周経路でも良い。
【００１０】
また、請求項４に係る発明は、母材金属板の表面に母材金属の融点よりも低い沸点を有した金属をメッキしてなる、複数枚の金属メッキ板を重ね合わせ、重ね合わせ部にレーザービームを照射して溶接を行う金属メッキ板のレーザー溶接方法において、前記重ね合わせ部上における螺旋経路に沿って、エネルギー密度が低く、且つ広い照射領域を有した第１のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記広い照射領域の母材金属部分にメッキされた金属を蒸発させ、前記第１のレーザービームを螺旋経路の全体に沿って照射した後に、前記螺旋経路の中でその両側の領域に前記第１のレーザービームの照射が行われた経路に沿って、前記第１のレーザービームよりもエネルギー密度が高く、且つ前記第１のレーザービームよりも狭い照射領域を有した第２のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記狭い照射領域の母材金属部分を溶融して、溶接接合させることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、請求項１の発明と同様に、第１のレーザービームを照射した後に、第２のレーザービームを照射するので、第１及び第２のレーザービーム線の移動速度を独立に制御することができる、その結果溶接条件の最適化が容易になる。また、第１及び第２のレーザービームの移動する経路のずれを無くすことができる。更に、第１のレーザービームを螺旋経路に沿って照射しているので、レーザービームの連続照射が可能となり、生産性を向上させることができる。また、第２のレーザービームの照射の時には、照射する経路の両側を含めた広い範囲でメッキされた金属が既に蒸発、脱気されている。これにより、請求項１に係る発明と同様、金属蒸気の影響を無くして更に良好な溶接を実現することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の金属メッキ板のレーザー溶接方法によれば、溶接条件の最適化が容易になり、しかも、溶接しようとする経路が曲線の場合であっても、ブローホール等の溶融欠陥の形成の無い、良好な溶接を確実に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。先ず、レーザー加工装置の構成を図１に基づいて説明する。図示のように、レーザー加工テーブル１０上に、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態で載置する。以下では、下側になった亜鉛メッキ鋼板を下板１１と呼び、上側になった亜鉛メッキ鋼板を上板１２と呼ぶことにする。下板１１と上板１２とを治具で押さえて、両板の重ね合わせ部をできるだけ密着させることが好ましい。
【００１４】
下板１１及び上板１２が載置されたレーザー加工テーブル１０の上方には、レーザー加工ヘッド１３が配置され、このレーザー加工ヘッド１３に光ファイバー１４を介してファイバーレーザー発振器１７によって発生されたレーザービームが出力されるようになっている。尚、ファイバーレーザー発振器１７の代わりに、ＹＡＧレーザー発振器、ＣＯ２レーザー発振器等の他の種類のレーザー発振器を用いてもよい。
【００１５】
レーザー加工ヘッド１３には、コリメーションレンズ１５と集光レンズ１６が収納されている。ファイバーレーザー発振器１７からのレーザービームは、先ず、コリメーションレンズ１５によって一旦平行光線に変換され、その平行光線が集光レンズ１６によって、所定の焦点距離の位置に集光される。また、レーザー加工ヘッド１３は、例えば、レーザー加工ロボットのような移動手段によって、上板１２の面内のＸ方向及びＹ方向、上板１２の表面に垂直なＺ方向に移動自在に構成されている。
【００１６】
従って、レーザー加工ヘッド１３をＺ方向に移動させることにより、レーザー加工ヘッド１３から出力されるレーザービーム１８の照射領域１９（上板１２に垂直な方向からみて円形の領域になる）の広狭を変えることができる。レーザービーム１８のエネルギー密度は照射領域１９ａの単位面積当たりのエネルギーであり、ファイバーレーザー発振器１７の発振出力（電力）が一定であれば、レーザービーム１８のエネルギー密度は照射領域１９ａの面積に反比例することになる。
【００１７】
また、レーザー加工ヘッド１３のコリメーションレンズ１５又は集光レンズ１６を交換することによっても照射領域１９の広狭を変えることができる。また、レーザー加工ヘッド１３をＸ方向に、又はＹ方向に、或いはＸ方向とＹ方向に同時に移動させることにより、レーザービーム１８の照射領域１９を前記重ね合わせ部上を任意の経路に沿って、所望の移動速度で移動させることができる。
【００１８】
以下、上記レーザー加工装置を用いた亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接法について説明する。先ず、図２（ａ）の斜視図に示すように、下板１１と上板１２の重ね合わせ部上の起点Ｐ１から終点Ｐ２までの第１の直線経路Ｋ１に沿って、エネルギー密度が低く、広い照射領域１９ａを有した第１のレーザービーム１８ａを移動させながら照射する。
【００１９】
これにより、図２（ｂ）（図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図）に示すように、広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。つまり、前記重ね面から発生した亜鉛蒸気は下板１１と上板１２の重ね合わせ部の隙間を通って外に抜ける。この時、第１のレーザービーム１８ａのエネルギー密度は低いので、鋼材は溶融せず、亜鉛だけが蒸発する。
【００２０】
その後、図３に示すように、下板１１と上板１２の重ね合わせ部上であって、第１の直線経路Ｋ１に隣接すると共に、第１の直線経路Ｋ１に平行な第２の直線経路Ｋ２に沿って、エネルギー密度が低く、広い照射領域１９ａを有した第１のレーザービーム１８ａを移動させながら照射する。第２の直線経路Ｋ２は、起点Ｐ３から終点Ｐ４までの直線経路であり、その経路の長さは第１の直線経路Ｋ１の長さと略同じである。この時も同様に、第２の直線経路Ｋ２に沿った広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が、第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。
【００２１】
その後、図４に示すように、下板１１と上板１２の重ね合わせ部上であって、第２の直線経路Ｋ２に隣接すると共に、第２の直線経路Ｋ２に平行な第３の直線経路Ｋ３に沿って、エネルギー密度が低く、広い照射領域１９ａを有した第１のレーザービーム１８ａを移動させながら照射する。第３の直線経路Ｋ３は、起点Ｐ５から終点Ｐ６までの直線経路であり、その経路の長さは第１、第２の直線経路Ｋ１、Ｋ２の長さと略同じである。この時も同様に、第３の直線経路Ｋ３に沿った広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が、第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。
【００２２】
この場合、第１乃至第３の直線経路Ｋ１〜Ｋ３の起点Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５は同一直線上にあり、起点Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５も同一直線上にある。また、第１のレーザービーム１８ａの移動方向は左右方向のどちらでも良い。
【００２３】
上述のようにして第１のレーザービーム１８ａを第１乃至第３の経路Ｋ１〜Ｋ３に沿って移動させた後に、図５（ａ）に示すように、第１のレーザービーム１８ａよりもエネルギー密度が高く、狭い照射領域１９ｂを有した第２のレーザービーム１８ｂを第１の直線経路Ｋ１、第３の直線経路Ｋ３に挟まれた第２の直線経路Ｋ２に沿って、好ましくは第２の直線経路Ｋ２の中心線に沿って移動させながら照射する。この時、第２のレーザービーム１８ｂの移動方向はＰ３→Ｐ４、Ｐ４→Ｐ３のどちらでも良い。
【００２４】
この場合、第２のレーザービーム１８ｂの狭い照射領域１９ｂの全部が広い照射領域１９ａの範囲に含まれている。広い照射領域１９ａと狭い照射領域１９ｂを重ね合わせると、中心点Ａを共有した同心円を形成することが好ましい。（図６を参照）このようにして、図５（ｂ）（図５（ａ）のＢ−Ｂ線断面図）に示すように、第２の直線経路Ｋ２に沿って、狭い照射領域１９ｂに対応する下板１１と上板１２の鋼板部分が溶融され、溶接接合が形成される。この時、第２の直線経路Ｋ２に対応したレーザー照射領域だけでなく、その両側の第１、第３の直線経路Ｋ１，Ｋ３に対応したレーザー照射領域も含めた広範囲においてメッキされた亜鉛が既に蒸発、脱気されているので、広範囲の亜鉛蒸気の影響を無くして良好な溶接接合を形成することができる。
【００２５】
つまり、第１のレーザービーム１８ａを１つの直線経路に沿って照射し、第２のレーザービーム１８ｂを同じ経路に沿って照射する場合と比べると、本実施形態においては、より広範囲においてメッキされた亜鉛を蒸発、脱気した後に、溶接を行うことができるのである。これに対して、第１、第３の直線経路Ｋ１，Ｋ３の照射を行わない場合には、亜鉛の蒸発、脱気が不十分であり、ブローホールを防ぎきれない。さらに広範囲の亜鉛を除去したい場合には、直線経路の本数をさらに増やしても良い。
【００２６】
第１乃至第３の直線経路Ｋ１〜Ｋ３の間隔はある程度自由に設定できるが、その間隔はできるだけ小さいことが好ましい。第１乃至第３の直線経路Ｋ１〜Ｋ３の間隔が大きすぎると、レーザー照射が行われない非照射領域が広くなり、亜鉛の除去効果が十分発揮されないからである。また、図３乃至５においては、第１乃至第３の直線経路Ｋ１〜Ｋ３の広い照射領域１９ａは離間している場合を図示したが、隣接した経路の広い照射領域１９ａの端部を互いにオーバーラップさせてもよい。これにより、第１乃至第３の直線経路Ｋ１〜Ｋ３の間に非照射領域が生じないようにすることができる。
【００２７】
尚、本実施形態とは異なり、第１のレーザービーム１８ａの照射領域を広げることで、広範囲の亜鉛を蒸発、脱気させるという手法も考えられるが、照射領域を広げただけではレーザービームのエネルギー密度の低下を招き、これを補償するためにはレーザービームの移動速度を相当小さくせざるを得ない。そうすると、生産性の低下を招く。また、ファイバーレーザー発振器１７の発振出力にも限界があり、エネルギー密度を維持しながら照射領域を広げることは困難なことが多い。
【００２８】
また、前述のように、第１及び第２のレーザービーム１８ａ，１８ｂは同時移動すること無く、時間を前後して移動させているため、それらの移動速度は独立に制御することができる。これにより、溶接条件を最適化することができる。この時、第１のレーザービーム１８ａの移動速度は、第２のレーザービーム１８ｂの移動速度より小さいことが好ましい。つまり、第１のレーザービーム１８ａの移動はゆっくり行うことにより、亜鉛の蒸発、除去を促進することができる。一方、第２のレーザービーム１８ｂの移動はそれより速くても適度な溶接接合を形成することができ、レーザー加工時間の短縮にもつながる。
【００２９】
これに対して、特許文献１の溶接方法にように、２つのレーザービームを同時移動させる場合には、亜鉛の除去を十分に行うためにレーザービームの移動をゆっくり行うと、鋼板部分の溶融が過剰に起こり、逆に、溶接接合の形成を最適化するためにレーザービームの移動を速く行うと、亜鉛の除去が不十分になるという欠点がある。つまり、２つのレーザービームの移動速度が同一であるために、溶接条件の最適化に制約がある。
【００３０】
［第２の実施形態］
第１の実施形態において、第１のレーザービーム１８ａ及び第２のレーザービーム１８ｂの移動する経路は直線経路であるが、それに限らず、どのような経路でもよい。本実施形態では、直線経路以外に好ましい経路として、円周経路について説明する。
尚、本実施形態においても、前記レーザー加工装置を用いるものとし、その他の条件も第１の実施形態と同様である。
【００３１】
先ず、図７に示すように、第１のレーザービーム１８ａを下板１１と上板１２の重ね合わせ部上の第１の円周経路Ｋ４に沿って、起点Ｐ７から出発して、再び同じ起点Ｐ７に戻るように移動させる。つまり、第１のレーザービーム１８ａの広い照射領域１９ａは第１の円周経路Ｋ４を一周することになる。これにより、第１の実施形態と同様に、広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。
【００３２】
その後、図８に示すように、第１の円周経路Ｋ４の外側に隣接した第２の円周経路Ｋ５に沿って、第１のレーザービーム１８ａを起点Ｐ８から再び同じ起点Ｐ８に戻すように移動させる。つまり、第１のレーザービーム１８ａの照射領域１９ａは第２の円周経路Ｋ５を一周することになる。この時も、広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。
【００３３】
その後、図９に示すように、第２の円周経路Ｋ５の外側に隣接した第３の円周経路Ｋ６に沿って、第１のレーザービーム１８ａを起点Ｐ９から再び同じ起点Ｐ９に戻すように移動させる。つまり、第１のレーザービーム１８ａの照射領域１９ａは第３の円周経路Ｋ６を一周することになる。この時も、広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。
【００３４】
この場合、第１乃至第３の円周経路Ｋ４〜Ｋ６の中心は同じであること、つまり第１乃至第３の円周経路Ｋ４〜Ｋ６は同心円であることが好ましい。第１のレーザービーム１８ａを移動させる第１乃至第３の円周経路Ｋ４〜Ｋ６の順番は任意である。
【００３５】
その後、図１０に示すように、第１のレーザービーム１８ａよりもエネルギー密度が高く、狭い照射領域１９ｂを有した第２のレーザービーム１８ｂを第２の円周経路Ｋ５に沿って、好ましくは第２の円周経路Ｋ５の中心線に沿って移動させながら照射する。つまり、第２のレーザービーム１８ｂは、第１、第３の円周経路Ｋ４、Ｋ６によって挟まれた第２の円周経路Ｋ５に沿って移動する。
【００３６】
この場合、第２のレーザービーム１８ｂは起点Ｐ８から出発して、再び起点Ｐ８に戻るように移動させる。つまり、第２のレーザービーム１８ｂの照射領域１９ｂは第２の円周経路Ｋ５を一周することになる。尚、この時の起点Ｐ８は、第１のレーザービーム１８ａの起点Ｐ８と一致している必要はなく、第２の円周経路Ｋ５上で任意に選ぶことができる。
【００３７】
これにより、第２の円周経路Ｋ５に沿って、狭い照射領域１９ｂに対応する下板１１と上板１２の鋼板部分が溶融され、溶接接合が形成される。この時、第２の円周経路Ｋ５に対応したレーザー照射領域だけでなく、その両側の第１、第３の円周経路Ｋ４，Ｋ６に対応したレーザー照射領域も含めた広範囲においてメッキされた亜鉛が既に蒸発、脱気されているので、亜鉛蒸気の影響を無くして良好な溶接接合を形成することができる。第１乃至第３の円周経路Ｋ４〜Ｋ６の直径はある程度自由に設定できるが、円周経路の間隔は上述した理由でできるだけ小さいことが好ましい。また、さらに広範囲の亜鉛を除去したい場合には、円周経路の本数をさらに増やしても良い
このように、本実施形態によれば、レーザービームの移動経路は円周経路であり、第１の実施形態による直線経路とは異なっているが、同様の効果を得ることができる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、第１のレーザービーム１８ａ及び第２のレーザービーム１８ｂを同時移動させること無く、時間を前後して移動させるので、移動経路が第１乃至第３の円周経路Ｋ４〜Ｋ６のように曲線経路の場合でも、第１のレーザービーム１８ａ及び第２のレーザービームの移動する経路のずれを無くすことができる。これに対して、特許文献１の溶接方法にように、２つのレーザービームを同時移動させる場合には、２つの分割されたレーザービームの射出位置が異なることから、移動経路にずれを生じや易い。移動経路にずれが生じると、亜鉛が十分除去されていない鋼材部分を溶融して溶接することになるため、溶接強度の劣化等の溶接欠陥を招くという問題がある。
【００３９】
［第３の実施形態］
本実施形態は、第１のレーザービーム１８ａ及び第２のレーザービーム１８ｂの移動する経路は螺旋経路である点で第１、第２の実施形態と異なっている。尚、本実施形態においても、前記レーザー加工装置を用いるものとし、その他の条件も第１の実施形態と同様である。
【００４０】
先ず、図１１に示すように、第１のレーザービーム１８ａを下板１１と上板１２の重ね合わせ部上の螺旋経路Ｋ７に沿って、起点Ｐ１１から出発して、終点Ｐ１２まで移動させる。つまり、第１のレーザービーム１８ａの広い照射領域１９ａは螺旋経路Ｋ７上を移動することになる。この時、広い照射領域１９ａに対応する下板１１と上板１２の重ね面に存在する亜鉛が第１のレーザービーム１８ａにより加熱されて、蒸発、脱気する。
【００４１】
その後、図１２に示すように、第２のレーザービーム１８ｂを下板１１と上板１２の重ね合わせ部上の螺旋経路Ｋ７に沿って、起点Ｐ１３から出発して、終点Ｐ１４まで移動させる。つまり、第２のレーザービーム１８ｂに狭い照射領域１９ｂは、螺旋経路Ｋ７の中でその両側の領域に第１のレーザービーム１８ａの照射が既に行われた経路に沿って移動する。これにより、螺旋経路Ｋ７に沿って、起点Ｐ１３から終点Ｐ１４に至る経路で、狭い照射領域１９ｂに対応する下板１１と上板１２の鋼板部分が溶融され、溶接接合が形成される。
【００４２】
この時、起点Ｐ１３から終点Ｐ１４に至る螺旋経路に対応したレーザー照射領域だけでなく、その両側の螺旋経路に対応したレーザー照射領域も含めた広範囲においてメッキされた亜鉛が既に蒸発、脱気されているので、亜鉛蒸気の影響を無くして良好な溶接接合を形成することができる。このように、本実施形態によれば、レーザービームの移動経路は螺旋経路であり、第１の実施形態による直線経路とは異なっているが、同様の効果を得ることができる。さらに広範囲の亜鉛を除去したい場合には、螺旋経路の巻き数をさらに増やしても良い。
【００４３】
また、本実施形態によれば、第１のレーザービーム１８ａの移動経路が螺旋状になっているので、レーザービーム照射を途中で停止させることなく、連続照射が可能になる。これにより、生産性が向上するという特有の効果も有している。
【００４４】
尚、上記第１乃至第３の実施形態においては、２枚の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態でレーザー溶接を行っているが、本発明は、３枚以上の亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせた状態でレーザー溶接を行う場合にも適用することができる。また、本発明のレーザー溶接の対象となる金属メッキ板は、亜鉛メッキ鋼板に限らず、鋼板の表面に、鋼板の融点よりも低い沸点を有した金属、例えば、アルミニウム、或いは錫をメッキしてなる金属メッキ板であってもよい。また、母材金属板の材料も鉄に限定されることはなく、例えば、鉄と他の元素との合金でもよい。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明の具体的な実施例について説明する。２枚の亜鉛メッキ鋼板（規格：GAC270 t1.2）を準備した。この亜鉛メッキ鋼板は、厚さが１．２ｍｍであり、表面及び裏面に４０ｇ／ｍ２の亜鉛メッキが施されたものである。そして、２枚の亜鉛メッキ鋼板の重ね合わせ部に、第１のレーザービーム１８ａを第１乃至第３の円周経路Ｋ４〜Ｋ６に沿って照射した。この時のファイバーレーザー発振器１７の発振出力は４ＫＷであり、第１のレーザービーム１８ａの広い照射領域１９ａは円形であり、その直径は１．０ｍｍであった。また、第１のレーザービーム１８ａの移動速度は１ｍ／分であった。（図７〜図９参照）
【００４６】
第１のレーザービーム１８ａの照射後、第２のレーザービーム１８ｂを第２の円周経路Ｋ５に沿って照射した。この時の、ファイバーレーザー発振器１７の発振出力は４ＫＷであり、第２のレーザービーム１８ｂの狭い照射領域１９ｂは円形であり、その直径は０．８ｍｍであった。また、第２のレーザービーム１８ｂの移動速度は、第１のレーザービーム１８ａの移動速度より速く、３．５ｍ／分であった。（図１０参照）
【００４７】
ファイバーレーザー発振器１７の発振出力は４ＫＷで一定しているので、レーザービームのエネルギー密度は照射領域の面積に反比例する。第１のレーザービーム１８ａのエネルギー密度は、第２のレーザービーム１８ｂのエネルギー密度の６４％になる。上記の第１及び第２のレーザービーム１８ａ，１８ｂの照射により、２枚の亜鉛メッキ鋼板は第２の円周経路Ｋ５に沿って溶接され、その溶接強度は高く、外観も良いことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態におけるレーザー加工装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図及び断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図及び断面図である。
【図６】レーザービームによる照射領域を示す平面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。
【図８】本発明の第２の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する斜視図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する平面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態による亜鉛メッキ鋼板のレーザー溶接方法を説明する平面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０・・・レーザー加工テーブル １１・・・下板
１２・・・上板 １３・・・レーザー加工ヘッド
１４・・・光ファイバー １５・・・コリメーションレンズ
１６・・・集光レンズ １７・・・ファイバーレーザー発振器
１８・・・レーザービーム １８ａ・・・第１のレーザービーム
１８ｂ・・・第２のレーザービーム １９ａ・・・広い照射領域
１９ｂ・・・狭い照射領域
Ｋ１・・・第１の直線経路 Ｋ２・・・第２の直線経路
Ｋ３・・・第３の直線経路 Ｋ４・・・第１の円周経路
Ｋ５・・・第２の円周経路 Ｋ６・・・第３の円周経路
Ｋ７・・・螺旋経路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材金属板の表面に母材金属の融点よりも低い沸点を有した金属をメッキしてなる、複数枚の金属メッキ板を重ね合わせ、重ね合わせ部にレーザービームを照射して溶接を行う金属メッキ板のレーザー溶接方法において、
前記重ね合わせ部上の互いに隣接した第１乃至第３の経路に沿って、エネルギー密度が低く、且つ広い照射領域を有した第１のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記広い照射領域の母材金属部分にメッキされた金属を蒸発、脱気させ、
前記第１のレーザービームを前記第１乃至第３の経路に沿って照射した後に、前記第１及び第３の経路に挟まれた前記第２の経路に沿って前記第１のレーザービームよりもエネルギー密度が高く、且つ前記第１のレーザービームよりも狭い照射領域を有した第２のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記狭い照射領域の母材金属部分を溶融して、溶接接合させることを特徴とする金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項２】
前記第１乃至第３の経路は、互いに平行な直線経路であることを特徴とする請求項１に記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項３】
前記第１乃至第３の経路は、直径が異なる３つの同心円のそれぞれの円周に沿った経路であることを特徴とする請求項１に記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項４】
母材金属板の表面に母材金属の融点よりも低い沸点を有した金属をメッキしてなる、複数枚の金属メッキ板を重ね合わせ、重ね合わせ部にレーザービームを照射して溶接を行う金属メッキ板のレーザー溶接方法において、
前記重ね合わせ部上における螺旋経路に沿って、エネルギー密度が低く、且つ広い照射領域を有した第１のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記広い照射領域の母材金属部分にメッキされた金属を蒸発させ、
前記第１のレーザービームを螺旋経路の全体に沿って照射した後に、前記螺旋経路の中でその両側の領域に前記第１のレーザービームの照射が行われた経路に沿って、前記第１のレーザービームよりもエネルギー密度が高く、且つ前記第１のレーザービームよりも狭い照射領域を有した第２のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記狭い照射領域の母材金属部分を溶融して、溶接接合させることを特徴とする金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項５】
前記第１のレーザービームの移動速度は、前記第２のレーザービームの移動速度より小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項６】
前記母材金属は鉄鋼であり、前記母材金属板の表面にメッキされた金属は亜鉛又はアルミニウムであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項１】
母材金属板の表面に母材金属の融点よりも低い沸点を有した金属をメッキしてなる、複数枚の金属メッキ板を重ね合わせ、重ね合わせ部にレーザービームを照射して溶接を行う金属メッキ板のレーザー溶接方法において、
前記重ね合わせ部上の互いに隣接した第１乃至第３の経路に沿って、エネルギー密度が低く、且つ広い照射領域を有した第１のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記広い照射領域の母材金属部分にメッキされた金属を蒸発、脱気させ、
前記第１のレーザービームを前記第１乃至第３の経路に沿って照射した後に、前記第１及び第３の経路に挟まれた前記第２の経路に沿って前記第１のレーザービームよりもエネルギー密度が高く、且つ前記第１のレーザービームよりも狭い照射領域を有した第２のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記狭い照射領域の母材金属部分を溶融して、溶接接合させることを特徴とする金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項２】
前記第１乃至第３の経路は、互いに平行な直線経路であることを特徴とする請求項１に記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項３】
前記第１乃至第３の経路は、直径が異なる３つの同心円のそれぞれの円周に沿った経路であることを特徴とする請求項１に記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項４】
母材金属板の表面に母材金属の融点よりも低い沸点を有した金属をメッキしてなる、複数枚の金属メッキ板を重ね合わせ、重ね合わせ部にレーザービームを照射して溶接を行う金属メッキ板のレーザー溶接方法において、
前記重ね合わせ部上における螺旋経路に沿って、エネルギー密度が低く、且つ広い照射領域を有した第１のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記広い照射領域の母材金属部分にメッキされた金属を蒸発させ、
前記第１のレーザービームを螺旋経路の全体に沿って照射した後に、前記螺旋経路の中でその両側の領域に前記第１のレーザービームの照射が行われた経路に沿って、前記第１のレーザービームよりもエネルギー密度が高く、且つ前記第１のレーザービームよりも狭い照射領域を有した第２のレーザービームを移動させながら照射することにより、前記狭い照射領域の母材金属部分を溶融して、溶接接合させることを特徴とする金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項５】
前記第１のレーザービームの移動速度は、前記第２のレーザービームの移動速度より小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【請求項６】
前記母材金属は鉄鋼であり、前記母材金属板の表面にメッキされた金属は亜鉛又はアルミニウムであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の金属メッキ板のレーザー溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−９４７０１（Ｐ２０１０−９４７０１Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６６６８７（Ｐ２００８−２６６６８７）
【出願日】平成２０年１０月１５日（２００８．１０．１５）
【出願人】（５９１０７７７０４）東亜工業株式会社 (34)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１５日（２００８．１０．１５）
【出願人】（５９１０７７７０４）東亜工業株式会社 (34)
【Ｆターム（参考）】
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