JP2017209700A - 金属板の接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は亜鉛めっき鋼板と他の鋼板の２枚を重ね合わせレーザー溶接接合する方法である。亜鉛めっき鋼鈑をレーザー溶接接合する過程において、安定した溶接品質を確保するためには従来、２回レーザーを照射する必要があるという課題があった。【解決手段】亜鉛めっき鋼鈑の亜鉛メッキ部に、レーザー進行方向と逆方向にレーザー光を３０度以上傾けてレーザー光を照射することにより、１回のレーザー照射で安定した溶接品質を確保することが出来る。【選択図】図2

Description

この発明は、２枚の薄板をレーザー溶接接合する方法に関するものである。

近年、レーザー溶接を用いた接合方式が各産業界で利用され始めている。しかし、適用するためには材料、接合条件など様々な制限がまだ多々あり、従来の技術に取ってかわるにはまだ不十分である。

特開２０１５−６６５９３号公報 特開２０１０−２３０４７号公報

特許文献１では、溶融金属の量を確保するため、１回目の照射時にレーザーヘッドを傾けた状態で照射することにより金属の盛り上がりを作り、２回目のレーザー照射で2枚の薄板の接合を行っている。
特許文献２では、亜鉛めっき鋼板などの２枚の重ね合わせた薄板をレーザー溶接で接合する際、レーザー溶接時に亜鉛蒸気が溶接部にガスとして内部に残り、溶接品質の低下の要因となるため、レーザーの照射を２回に分けている。１回目ではレーザーの焦点を外したデフォーカス状態でレーザー照射を行い発生する亜鉛蒸気を除去し、２回目のレーザー溶接で下板まで貫通して溶接する方法が取られている。この方法を用いれば亜鉛蒸気が発生することによる溶接不良を低減することは出来るが、照射条件を変えてレーザーを２回照射させる必要がある。
このように上述した従来のレーザー溶接では、安定した溶接品質を確保するためには、レーザーを２回照射させる必要があり、作業効率が悪いものである。
本発明は、２枚の薄板間に隙間の有無に関わらず１回のレーザー照射で安定した溶接品質を確保することが出来る技術を提供する。

この発明に係る金属板の接合方法は、亜鉛めっき鋼板同士、もしくは亜鉛めっき鋼板と亜鉛めっき鋼鈑以外の鋼板とを重ね合わせ、重ね合わせた部分の亜鉛めっき部の垂線に対し、レーザー進行方向とは逆方向に３０度以上傾けたレーザー光を前記亜鉛めっき部に照射して接合することを特徴とする。

この発明の金属板の接合方法により、溶接品質が低下せず、１回のレーザー照射で接合することができる。

本発明の実施の形態１におけるレーザー溶接装置の詳細構成図である。 本発明の実施の形態1によるレーザーの照射時の拡大側面図である。 本発明の実施の形態1によるレーザー光の傾け角度を０度としたときの溶融池の状態を示す図である。 本発明の実施の形態1によるレーザー光の角度を３０度以上傾けたときの溶融池の状態を示す図である。 本発明の実施の形態２によるレーザー光の動作を示す説明図である。

実施の形態１
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１における２枚の薄板をレーザー溶接接合するためのレーザー溶接装置の詳細構成示す。
図２は図１に示したレーザー溶接装置の溶接時のレーザー光と２枚の金属板の詳細を示した拡大側面図である。なお、各実施の形態において、同一符号を付している構成は、同一または相当の構成を示す。
図１において、１は、レーザー光を照射する対象物としての２枚の金属板である。本実施の形態では説明の便宜上金属板１の枚数を２枚とするが、３枚以上の金属板を重ね合わせてもよい。そして、これらの金属板は全て厚み２ｍｍ以下であり、かつ隙間なく重ね合わせられており、全ての金属板は亜鉛めっき鋼板もしくは、表面に同様のめっき処理がほどこされている金属板を使用するものとする。

２はレーザー発振器であり、レーザー発振器２は主に励起光源、レーザー媒体、共振器ミラーから構成されており、発振器内部で反射を繰り返しレーザー光を増幅させ、一定の強度に達したレーザー光を発振器外部に出力する。
３は、レーザー光を伝送するための光ファイバーケーブル、４は、レーザーヘッドであり、単一波長で位相差の無いレーザー光を極めて小さな点に集光して高い密度のエネルギーにするために複数枚のミラーが組み込まれている。このレーザーヘッド４により、高エネルギー密度のレーザー光を金属板に照射する。このレーザーヘッド４は金属板１から所定の焦点距離分だけ離しロボットのアームもしくは架台などに固定する。照射されるレーザー光はYAGレーザーではなく、常時一定強度のレーザー光を照射する方式のCW（Continuous Wave）ファイバー光を使用すると共に、レーザー光のスポット径は０．５ｍｍ以下とするのが望ましい。最適なスポット径は使用材料、厚み、レーザー出力を調整し最適値を導き出す。

５はサイドノズルであり、レーザー溶接時に、溶けた金属が周囲の酸素と反応して溶接部が酸化を防止するためにアルゴンガスなどのシールドガスをノズルから常時吹き付け周囲の空気からシールドする。このシールドガスは５L/min以上の流用を吹き付けるのが望ましい。

７はベースであり、金属板１を、この水平面の出たベース７の上に乗せ、固定治具６によって金属板１の周囲をしっかりと固定する。この固定治具６はクランプ方式、ボルト方式等、固定出来る方法であれば固定方法は問わない。本実施の形態では、固定治具６はクランプ方式として、以下説明する。
また、図示はしないが、ベース７は、直交する２軸の高精度ボールねじと連結しており、この高精度ボールねじはそれぞれサーボモーターと連結されている。これにより外部からの信号によって、ベース７は水平X-Y方向に指定した所定の距離、速度で移動することが出来る構成となる。このとき、固定治具６により固定された金属板１は位置がずれないよう、かつ水平に設置されているため、ベース７が動作しどの位置にあってもレーザー光と金属板の距離は一定となることが必要である。しかし、金属板１のサイズが大きい場合、金属板１の周囲をクランプ固定するだけでは、クランプ固定されていない金属板１の中心部分のたわみ、変形などを矯正することは出来ないため、金属板１とレーザーヘッド４との距離は変化してしまう懸念がある。そこで、金属板１が周囲のクランプ固定のみでは、形状の矯正が不可能な場合に備えて、レーザーヘッドの先端に金属板１との距離を測定する変位センサー１０を取り付けて、金属板１との距離を測定し、その値に応じて、ベース７の高さ位置を補正してもよい。

次に動作について説明する。ベース７上に固定された金属板１にレーザー光を照射するが、レーザーヘッド４を垂直方向から３０度以上傾ける。
これによりレーザーヘッド４から照射されるレーザー光も同様に３０度以上の角度を持って金属板１に照射される。このとき、傾いて照射されるレーザー光と金属板１との動作関係は、照射されるレーザー光に対して金属板１は、図２に示すように、金属板進行方向の矢印方向に、ベース７と連結する駆動機構部の動作によって、加減速時を除いて等速速度で直線に動くものとする。

照射されるレーザー光の焦点は、一般的には金属板１の上面に合わせるが、レーザー光の焦点は最もエネルギーが高いため、本発明では、最短時間で亜鉛めっきを蒸気に気化させることを狙っている。そのため、図２に示すように２枚の重ね合わせた金属板同士の合わせ面、つまり中間亜鉛めっき層９の部分にレーザー光の焦点を合わせる。
また、レーザー光のスポット径も亜鉛めっきが亜鉛蒸気となるのに大きく影響する。同一出力でレーザー光のスポット径が大きければ金属板１に照射されるレーザー光の面積が増えるため、蒸気化する亜鉛蒸気の量も増える。逆に同一出力でレーザー光のスポット径が小さくなればなるほど金属板１に照射されるレーザー光の面積が小さくなるため、スポット径が大きい場合よりも、より短い時間で亜鉛めっきが亜鉛蒸気となり、そして亜鉛蒸気の発生量も少なくなる。これにより、溶接不良の原因となる亜鉛蒸気の発生量が減るためスポット径はより小さいほうがよい。

このように重ね合わせた金属板間の中間亜鉛めっき層９にレーザー光の焦点を合わせるとともに、スポット径を絞ることによって、もっとも効果的にレーザーのエネルギーを与えたい亜鉛めっきの部分にレーザー光のエネルギーを与えることが出来る。しかし、レーザー光の焦点が深い位置に入るため、２枚の重ねた金属板１の下側の金属板１ｂにもより多くのレーザー光のエネルギーが入ることになる。金属板１の２枚共に貫通溶接を行うような場合に本方式を用いるのであれば問題ないが、レーザー光の照射側とは反対側の金属板１表面、つまり、２枚の重ね合わせた金属板１の下側の金属板１ｂの下面にレーザーによる熱歪の影響を出したくない場合には、貫通溶接を行わず、２枚の重ね合わせた金属板の下側の厚みの１／２以下程度までにレーザー光による溶け込み深さを抑える必要がある。これには、レーザー光の出力と溶接速度、必要に応じてスポット径などを調整することにより対処することが可能である。

一般的には２枚の亜鉛めっき鋼板を隙間無く重ね合わせて、レーザー溶接を行うと、重ね合った部分の中間亜鉛めっき層９がレーザー光のエネルギーを受けて瞬時に蒸発し、キーホールもしくは溶融池を介して外部に出ようとする。しかし、レーザー光は図３に示すように金属板１に対して垂直に照射され、金属板１と水平にレーザー光、もしくは金属板１が移動する。これにより、中間亜鉛めっき層９に照射されたレーザー光の後方側には、レーザー光のエネルギーに応じた溶融池が形成され、レーザー光の移動とともに、溶融池は順次ごく短時間で凝固しビードを形成する。この場合、生成される溶融池が小さく、全ての亜鉛蒸気が周囲の亜鉛めっきより溶融温度が高い鉄部材で覆われているため、亜鉛めっきの放出先がなく、上部方向にスパッターとして飛び出すなどし、レーザー光照射部のレンズを傷める要因となったり、亜鉛蒸気が溶融池から放出することが出来ず、溶融部の中にピンホールとして残り溶接不良の要因となることが知られている。

本実施の形態では、２枚の亜鉛めっき鋼板を隙間無く重ね合わせ、進行方向とは逆方向にレーザーヘッド４を３０度以上傾け溶接を行う。このようにすることにより、金属板１に入射するレーザー光のエネルギーが低くなるため、レーザー光の出力を垂直照射時よりも大きくする必要があるというデメリットは生じるが、それ以上にレーザー光を傾斜させて照射することにより、金属板表面の亜鉛めっきが従来の垂直照射時よりも早く亜鉛蒸気にすることが出来ると共に、レーザー光が金属板１または中間亜鉛めっき層９に接する断面積が増えるため、発生する溶融池の先端から後端までの距離を相対的に大きくして楕円形状の溶融池を作り出すことが出来る。これによりレーザー光のエネルギーを受け、中間亜鉛めっき層９の亜鉛めっきが亜鉛蒸気となっても、垂直照射時よりも傾斜したレーザー光による溶融池が大きくなっているため、従来よりも溶融池を介して外部に亜鉛蒸気が放出し易くなっているとともに、亜鉛蒸気がスパッターとして発生することを抑制することが出来るという利点が生まれる。また仮に、レーザー溶接時に亜鉛蒸気のスパッターが発生しても、レーザーヘッド４が傾けて取り付けられているため、レーザー光照射部のレンズにスパッターが当たることも少なくなり、レンズの交換頻度も抑えることが出来る。また、溶接ビードの外観形状も金属板１の上側の金属板１ａの溶融池がレーザー光の方向に長くなるため、仮に一部の亜鉛蒸気がスパッターとして発生しても従来よりも溶融した金属が埋めることが可能である。これにより、鋼板間に隙間を設けずに２枚以上の鋼板を接合することができる。
レーザーの傾け角度は、本実施の形態では３０度以上としているが、上述した通り、レーザー光を傾斜させて照射することにより、金属板表面の亜鉛めっきを、従来の垂直照射時よりも早く亜鉛蒸気にすることが出来、発生する溶融池の先端から後端までの距離を相対的に大きくして楕円形状の溶融池を作り出すことが出来れば、３０度以上何度でもよい。

実施の形態２
上記、実施の形態１においては、金属板１を亜鉛めっきもしくは同様のめっき処理加工済み金属板を用いることとしたが、本実施の形態では、重ね合わせた金属板１の下側の金属板１ｂは、亜鉛めっき鋼板以外の一般鋼、及びステンレス鋼板を用いる。この場合、金属板間の亜鉛めっき量が半減するため、レーザー溶接時に中間亜鉛めっき層９から発生する亜鉛蒸気も半減し、２枚の金属板を接合するための条件は実施の形態１より容易となる。
また、実施の形態１では、レーザーヘッド４を金属板１の上部に固定し、金属板１を取り付けるベース７を駆動する方式としたが、ベース７を固定し動作しないようにする。そして、レーザーヘッド４をロボットアームもしくはX-Y直行ロボットなどに取り付けてレーザーヘッド側を外部からの信号によって自由に動作可能な構成としてもよい。

また、CWファイバー光による溶接実施時にレーザーヘッド４もしくは、ベース７を動作させる場合、実施の形態１に記載したように金属板１とレーザー光の動作が直線動作のみだけでなく、図５（ａ）に記載のようにレーザー光が円を描くような軌道を取りながら前進する方法、もしくは、図５（ｂ）のようにジグザグに動作させる方法、または、図５（ｃ）のように前後への動作（１０１から１０４への動作）を繰り返しながら前方に進む動作を適宜行ってもよい。これらの軌道は直線軌道とは異なり、部分的に一度溶融させた部分を再度溶融させることになる。そのため、レーザー光の照射エネルギーを下げたり、溶接速度を向上させ金属板１に投入するレーザー光のエネルギーを下げることも可能である。そして、部分的により長い時間溶融池を形成することにもなるため、溶接品質の向上が見込まれる。

実施の形態3．
２枚の金属板の接合に使用するレーザー光の発振器にYAGレーザーを用いる。本実施の形態で使用する金属板の種類は２枚以上の亜鉛めっき鋼板、もしくはステンレス等を用いてもよく、これらの金属板は全て厚み２ｍｍ以下であり、かつ隙間なく重ね合わせられている。実施の形態１と同様にこれらの金属板１に照射するYAGレーザーの焦点は２枚の重ね合わせた金属板の間の中間亜鉛めっき層９に合わせる。上記同様にレーザーヘッドを３０度以上傾け、YAGレーザー光を同じ角度で金属板に照射する。溶接部の酸化を防止するため、アルゴンガス等のシールドガスをYAGレーザー照射時に吹き付けるようにする。YAGレーザー光の照射時はパルス照射のため、シールドガスも同様にパルス噴射を行う。

YAGレーザー光の照射時は、レーザーヘッド４を動作させるかベース７を動作させるかは適宜使用者の利便性において決めることができるためどちらでもよいが、YAGレーザー光を金属板に照射する数十ｍｓの短い時間であってもレーザーヘッド４もしくはベース７は停止させずに、実施の形態１と同様に動作しておく必要がある。このようにすることによりCWファイバー光照射時と同様に、中間亜鉛めっき層９に、照射方向に溶融領域が長い楕円形状の大きな溶融池が形成される。金属板表面の亜鉛めっきもYAGレーザー光のエネルギーによって即座に亜鉛蒸気となり、亜鉛蒸気が溶融池内から外部に放出することが出来る。照射時間を長くすることにより、溶融池の形成も同様に長く維持することが出来、亜鉛蒸気を多く外部に放出することが期待できる。

スポット径は１．０ｍｍ以下とし、スポット径が小さいほど、発生する亜鉛蒸気の量は同様に少なくなる。また、YAGレーザーの照射位置は１回目のレーザー光照射によって形成される楕円形状の溶接ビードの約半分程度前進した位置で２回目のレーザー光を照射するパルス発振を行う。パルス発振のため、YAGレーザー光を照射するピッチを広げることによりCWファイバー光による溶接よりトータルの金属板への投入エネルギーは低減することが出来る。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 金属板、２ レーザー発振器、３ ファイバーケーブル、４ レーザーヘッド、５ サイドノズル、６ 固定治具、７ ベース、８ 亜鉛めっき層、９ 中間亜鉛めっき 層、１０ 変位センサー

Claims (3)

1. 亜鉛めっき鋼板同士、もしくは亜鉛めっき鋼板と亜鉛めっき鋼鈑以外の鋼板とを重ね合わせ、重ね合わせた部分の亜鉛めっき部の垂線に対し、レーザー進行方向とは逆方向に３０度以上傾けたレーザー光を前記亜鉛めっき部に照射して接合することを特徴とする金属板の接合方法。
2. レーザー光は、CWファイバー光またはＹＡＧレーザー光であることを特徴とする請求項１に記載の金属板の接合方法。
3. 重ね合わせた２枚の鋼板の間に隙間がないことを特徴とする請求項１または２に記載の金属板の接合方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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