JP4102092B2

JP4102092B2 - Laser welding method

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Publication number: JP4102092B2
Application number: JP2002098772A
Authority: JP
Inventors: 康信宮崎; 真二児玉; 秀樹濱谷; 誠司古迫; 明博宮坂; 順一小林
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-04-01
Filing date: 2002-04-01
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2022-04-01
Also published as: JP2003290952A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、めっき鋼板のレーザ溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に自動車の車体、足廻り部材などの構造部材また燃料タンクなどの部品材として、鋼板表面に亜鉛系の合金やスズ系の合金などのめっきを施しためっき鋼板が用いられ、耐食性の向上を図っている。車体や自動車の構造体を組み立てる際には、多く重ね合わせ溶接により２枚ないし３枚以上の鋼板を、めっき鋼板とめっきされていない冷延鋼板を種々組合わせて溶接接合する方法がとられている。溶接方法としては、重ね合わせためっき鋼板にレーザビームを照射して鋼板を溶融・接合するレーザ溶接方法が採用されるようになっている。
【０００３】
めっき鋼板を重ね合わせてレーザ溶接を行うに際し、重ね合わせためっき鋼板にレーザビームを照射すると、照射部の鋼板が溶融して溶融池が形成される。例えば亜鉛系の合金がめっきされた鋼板の場合、表面被覆された亜鉛が低沸点金属であるため、高エネルギーのレーザビーム照射によって鋼板重ね合わせ部めっき層の亜鉛が蒸発する。この亜鉛蒸気が溶融池に残留することによってブローホールやピットなどの溶接欠陥となったり、特に鋼板重ね合わせ部が密着された状態で溶接した場合には、溶融金属中に吹き出した亜鉛蒸気の圧力により溶融金属を爆飛させることがあり、いずれも溶接ビード形状、継ぎ手特性などの溶接品質を劣化させる。
【０００４】
亜鉛蒸気が溶融池を通過することなく外部に逃げることを可能にするため、亜鉛めっき鋼板の重ね合わせ部付近に予めポンチを打ち込んで、重ねた亜鉛めっき鋼板の間に小間隔を設けたり、あるいは特開平４−２８８９８６号公報に開示されているように２枚の亜鉛めっき鋼板の間に可燃性多孔質材からなる薄いシートを介在させた状態でレーザビームを照射させて溶接を行い、レーザビーム照射によって発生する亜鉛蒸気を鋼板間の隙間から逃がす方法が知られている。しかし、このような溶接時に鋼板重ね合わせ部に所定の間隔を保持する方法は、自動車用構造部品などの複雑形状および剛性の高いプレス成型品を重ね合わせ溶接する場合には、溶接時に常に所定の間隔を保持することは非常に困難であり、必然的に重ね合わせ部が密着またはその間隔が非常に狭くなる部位が発生し、その部位にブローホールなどの溶接欠陥や最悪の場合には溶接時に溶融金属の爆飛が発生するという問題が生じる。また、溶接部の両側において重ね合わせた鋼板間に隙間が存在すると、溶接部の機械的強度を十分に保持できない場合がある。
【０００５】
亜鉛めっき鋼板を密着してレーザ溶接する方法として、亜鉛めっき鋼板の重ね合わせ部位における溶接しようとする経路と同じ経路に沿って、まず弱いレーザ光を照射し、亜鉛めっきだけを蒸発、離散させる処理を行い、ついで同経路に強いレーザ光を照射して鋼材を溶融、結合させる２段階のレーザ照射を行う方法が知られている。さらに、特開平４−２３１１９０号公報には、レーザ発振器から導入したレーザ光を光学的集光手段によって分離し、エネルギー密度の高い集光レーザ光とエネルギー密度の低い集光レーザ光とを同時形成し、エネルギー密度の低い集光レーザ光による亜鉛めっきの蒸発、離散の直後にエネルギー密度の高い前者のレーザ光により鋼板の溶融接合を行う方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
亜鉛めっき鋼板を密着して重ね合わせた上で低エネルギーのレーザ光を照射した場合、レーザビームの照射後に発生した亜鉛蒸気を鋼板間の狭い間隔を通して大気中に逃がすことは困難であり、逃げ切れず残留した亜鉛蒸気が、鋼板を溶融するための高エネルギーのレーザ光照射時に溶融池中に混入し、溶接欠陥および溶融金属の爆飛の原因となることがわかった。
【０００７】
さらに、弱いレーザ光と強いレーザ光を同時形成させる方法においては、めっき鋼板間に１０μｍ〜２０μｍ程度の微小な隙間が形成された場合に、両鋼板が熱的に絶縁され、レーザが直接照射されない鋼板での亜鉛めっきの蒸発離散が十分行われず、溶接欠陥を回避することは困難であるという問題を有する。
【０００８】
本発明は、めっき鋼板のレーザ溶接方法であって、鋼板を密着して溶接を行うことが可能であり、レーザ溶接時にめっき成分の蒸気発生による溶融金属の爆飛や溶接部欠陥の発生を防止し、溶接ビード形状および品質に優れた溶接方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）鋼板に照射する鋼板表面でのレーザビーム１を溶接線３９に沿って溶接進行方向９前側の前ビーム３、中央ビーム４、溶接進行方向後側の後ビーム５の３つに分割し、前ビームスポット２３と中央ビームスポット２４の中心間距離３５及び中央ビームスポット２４と後ビームスポット２５の中心間距離３６を、それぞれ分割前の元ビームの焦点位置でのスポット直径の０．５倍から１．７５倍の範囲とし、前ビーム３のパワーを前ビーム単独照射時の溶け込み深さが鋼板１枚目の厚さ２５％以上であって鋼板全体を貫通しない範囲のパワーとし、中央ビーム４のパワーを前ビームと合わせて鋼板全体を貫通できる程度のパワーとし、後ビーム５のパワーを中央ビーム４のパワーの０．１倍から１．０倍の範囲とすることを特徴とするめっき鋼板のレーザ溶接方法。
（２）前ビーム３の光軸と中央ビーム４の光軸が交差しない場合であって、該交差しない両ビームのビームスポット中心間距離が分割前の元ビームの焦点位置でのスポット直径の０．５倍から１．２５倍の範囲である場合に、ビームの焦点位置２６を鋼板表面２９より鋼板内部にレンズから焦点位置までの距離の０．５％〜２．５％入った位置に配置することを特徴とする上記（１）に記載のめっき鋼板のレーザ溶接方法。
（３）前ビーム３の光軸と中央ビーム４の光軸が交差しない場合であって、該交差しない両ビームのビームスポット中心間距離が分割前の元ビームの焦点位置でのスポット直径の１．２５倍から１．７５倍の範囲である場合に、ビームの焦点位置２６を鋼板表面２９より鋼板外側にレンズから焦点位置までの距離の０．５％〜２．５％の位置に配置することを特徴とする上記（１）に記載のめっき鋼板のレーザ溶接方法。
（４）前ビーム３の光軸と中央ビーム４の光軸が交差する場合であって、該交差する両ビームのビームスポット中心間距離が分割前の元ビームの焦点位置でのスポット直径の０．５倍から１．２５倍の範囲である場合に、ビームの焦点位置２６を鋼板表面２９より鋼板外側にレンズから焦点位置までの距離の０．５％〜２．５％の位置に配置することを特徴とする上記（１）に記載のめっき鋼板のレーザ溶接方法。
（５）前ビーム３の光軸と中央ビーム４の光軸が交差する場合であって、該交差する両ビームのビームスポット中心間距離が分割前の元ビームの焦点位置でのスポット直径の１．２５倍から１．７５倍の範囲である場合に、ビームの焦点位置２６を鋼板表面２９より鋼板内部にレンズから焦点位置までの距離の０．５％〜２．５％入った位置に配置することを特徴とする上記（１）に記載のめっき鋼板のレーザ溶接方法。
（６）溶接方向前側のビームであって全体パワーのうち７０％〜３０％に相当する、前ビームの一部若しくは全部のみ、又は前ビームの全部並びに中央ビームの前方側一部若しくは全部のビームを前側のビームといい、それ以外のビームを後側のビームといい、前側のビームに属するビームの焦点位置を前側のビーム焦点位置２６ａとし、後側のビームに属するビームの焦点位置を後側のビーム焦点位置２６ｂとし、当該前側のビーム焦点位置２６ａを、後側のビーム焦点位置２６ｂに比較してレンズから焦点位置までの距離の０．５％〜４．５％ずらした位置に配置することを特徴とする上記（１）に記載のめっき鋼板のレーザ溶接方法。
（７）溶接方向前側のビームであって全体パワーのうち７０％〜３０％に相当する、前ビームの一部若しくは全部のみ、又は前ビームの全部並びに中央ビームの前方側一部若しくは全部のビームを前側のビームといい、それ以外のビームを後側のビームといい、前側のビームに属するビームの焦点位置を前側のビーム焦点位置２６ａとし、後側のビームに属するビームの焦点位置を後側のビーム焦点位置２６ｂとし、当該前側のビーム焦点位置２６ａを、後側のビーム焦点位置２６ｂに比較して、上記（２）〜（５）に記載された焦点位置外し方向に更にレンズから焦点位置までの距離の１％〜２％ずらした位置に配置することを特徴とする上記（２）乃至（５）のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザ溶接方法。
（８）鋼板のレーザ照射点に向けて、ガスの吹き出し口１８の単位面積あたり３．０〜１．２リットル／分・ｍｍ²の流量範囲でガスを吹き付けることを特徴とする上記（１）乃至（７）のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザ溶接方法。
【００１０】
ここにおいて、元ビームスポット２１のスポット直径とは、ビームを分割しない状態でのビームウェスト位置（いわゆる焦点位置２６）での８６％強度直径をいう。ビームプロファイラーを用いて測定することができる。また、ビームスポット間の中心間距離については、同じく焦点位置２６における両ビームスポットの中心間距離をいう。前ビームスポット２３と中央ビームスポット２４との中心間距離３５、中央ビームスポット２４と後ビームスポット２５との中心間距離３６を定めることができる（図７）。
【００１１】
各ビーム単独照射時のとけ込み深さとは、レーザビームを溶接線に直角に分割し、かつ各ビームスポットの中心間距離が元ビームスポット直径の２倍以上の距離となるように分割し、溶接時と同じ速度でレーザビームを進行させたときの各ビームによる溶け込み深さによって定義することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
鋼板２の溶接部にレーザビームを照射すると、照射部位の鋼板２が溶融して溶融池７が形成され、さらに溶融池７は蒸気圧によって押し下げられビーム照射位置にビームホール６が形成される。レーザビーム１が溶接進行方向９に移動するのに伴い、溶融池７及びビームホール６も移動し、レーザビームの後方において溶融池７が凝固し、溶接ビード８が形成される（図１２（ａ））。
【００１３】
亜鉛めっき鋼板を重ね合わせてレーザ溶接を行う場合、溶接進行方向９の前方の鋼板重ね合わせ部３２の亜鉛めっき層が蒸発し、ビームホール中に亜鉛蒸気３０のプルームとして噴出する。従来においては、図１２（ｂ）に示すように、亜鉛蒸気３０が主にレーザビーム進行方向前方から鋼板に平行に噴出し、ビームホール６を横断してレーザビーム進行方向後方の溶融池７に侵入していた。溶融池に侵入した亜鉛蒸気の気泡３１は、そのまま溶融池７に取り込まれたまま凝固が完了すれば溶接部のブローホール欠陥の原因となり、亜鉛蒸気気泡３１が溶融金属を伴って鋼板表面から噴出すれば、溶融金属の爆飛となり、重大な溶接欠陥となっていた。
【００１４】
本発明は、図１に示すように、溶接進行方向９前方のビームホール形状に傾斜を設けることにより、鋼板重ね合わせ部３２から噴出するめっき金属蒸気３０の噴出方向を斜め上方方向に変更することが可能であり、さらに溶接進行方向後方のビームホール形状にも傾斜を設けるか又はビームホール形状を後方に拡大することにより、斜め上方に噴出するめっき金属蒸気３０が溶融池７に侵入せずに系外に排出できることを見出した点に最大の特徴がある。
【００１５】
本発明においては、図２、図３、図７に示すように、まず鋼板２に照射するレーザビームを溶接線３９に沿って溶接進行方向９前側の前ビーム３、中央ビーム４、溶接進行方向後側の後ビーム５の３つに分割する。中央ビーム４はビームホール６を形成するためのビームであって、中央ビーム４のパワーを前ビーム３のパワーと合わせて鋼板全体を貫通する程度のパワーとする。
【００１６】
前ビーム３は、中央ビーム４との連携によってレーザビーム進行方向前方のビームホールに傾斜を持たせるためのビームであり、前ビーム３のパワーを前ビーム単独照射時の溶け込み深さが鋼板１枚目（２ａ）の厚さ２５％以上であって鋼板２全体を貫通しない範囲のパワーとする。前ビームスポットと中央ビームスポットの中心間距離３５を元ビームのスポット直径の０．５倍から１．５倍の範囲の近い距離に配置するので、前ビーム３のパワーによってビームホール６は上方に行くほど進行方向前方に広くなる傾斜を有する形状を形成し（図１）、その結果進行方向前方から噴出するめっき金属蒸気３０の噴出方向は斜め上方の方向に向かうこととなる。
【００１７】
後ビーム５は、中央ビーム４との連携によって進行方向後方のビームホール形状にも傾斜を設け、あるいはビームホール形状を後方に拡大するためのビームであり、後ビーム５のパワーを中央ビーム４のパワーの０．１倍から１．０倍の範囲とする。中央ビームスポットと後ビームスポットの中心間距離３６を元ビームのスポット直径の０．５倍から１．５倍の範囲の近い距離に配置するので、後ビーム５のパワーが十分に高ければビームホール６が後ビーム５の位置まで拡大することとなり、また後ビーム５のパワーが低い範囲であれば、進行方向後方のビームホール形状を上方に行くほど広がる傾斜を設けることができる。これにより、鋼板重ね合わせ部３２から噴出して斜め上方に向かうめっき金属蒸気３０は、進行方向後方の溶融池７に侵入することなく、鋼板表面から系外に排出される。
【００１８】
前ビーム３のパワーを前ビーム単独照射時の溶け込み深さが鋼板１枚目の厚さ２５％以上であって鋼板全体を貫通しない範囲のパワーとするのは、この範囲であれば中央ビーム４と共同してビームホール形状を上方に行くほど進行方向前方に広くなる傾斜を有する形状とすることができ、その結果進行方向前方から噴出するめっき金属蒸気３０の噴出方向は斜め上方の方向に向かわせることができるからである。前ビーム単独照射時の溶け込み深さが鋼板１枚目の厚さ２５％未満であると、鋼板重ね合わせ部３２を含めた範囲のビームホール形状を傾斜形状にすることができず、また前ビーム単独照射時の溶け込み深さが鋼板全体を貫通する程度であると、ビームホール形状がビーム進行方向前方に拡大するのみで傾斜形状とすることができない。前ビーム３のパワーを最も深い位置にあるめっき層まで貫通するパワーの８０〜１２０％とするとより好ましい。
【００１９】
前ビームスポットと中央ビームスポットの中心間距離３５を元ビームのスポット直径の０．５倍から１．７５倍の範囲とするのは、この範囲であれば中央ビーム４と共同してビームホール形状を上方に行くほど進行方向前方に広くなる傾斜を有する形状とすることができ、その結果進行方向前方から噴出するめっき金属蒸気プルームの噴出方向は斜め上方の方向に向かわせることができるからである。両ビームスポットの中心間距離３５が元ビームのスポット直径の０．５倍未満であると、ビームを分割した効果を十分に発揮することができない。また、両ビームスポットの中心間距離３５が元ビームのスポット直径の１．７５倍を超えると、前ビーム３によるビームホールと中央ビーム４によるビームホールが分離してしまい、両ビームが共同して良好な形状のビームホールを形成することができない。両ビームスポットの中心間距離３５は、元ビームスポット直径の０．７５〜１．５倍であるとより好ましい。
【００２０】
中央ビーム４のパワーを、前ビーム３のパワー以上であって、前ビーム３が元ビームのスポット直径の０．５倍から１．７５倍の位置に配置された場合に、前ビーム３のパワーと合わせて鋼板全体を十分貫通できる程度のパワーとする。中央ビーム４のパワーが後ビーム５のパワーも借りなければ鋼板全体を貫通できない程度のパワーであると、ビームホールが不安定となり、めっき金属蒸気の排出がスムーズに行われない。また、中央ビーム４は原理的にはいくら強くても良いが、強すぎてもエネルギーの無駄となり、不経済である。望ましくは、中央ビーム単独で鋼板全体をちょうど貫通できる程度のパワー（０．８倍から１．５倍の範囲）とすると良い。
【００２１】
後ビーム５のパワーを中央ビーム４のパワーの０．１倍から１．０倍の範囲とする。中央ビーム４のパワーの０．１倍以上とすれば、進行方向後方のビームホール形状を上方に行くほど広がる傾斜を設けることができ、めっき金属蒸気３０は進行方向後方の溶融池６に侵入することなく、鋼板表面から系外に排出される。また、後ビーム５のパワーが十分に高ければビームホール６が後ビーム５の位置まで拡大することとなり、後ビーム５のパワーを中央ビーム４のパワーの１．０倍を超えたパワーとすると、ビームホール形状をビーム進行方向へ傾斜した形状とすることができず、めっき金属蒸気の排除が良好に行えない。後ビーム５のパワーを中央ビームパワーの０．２倍〜０．５倍とするとより好ましい。
【００２２】
後ビームスポットと中央ビームスポットの中心間距離３６を元ビームのスポット直径の０．５倍から１．５倍の範囲とするのは、この範囲であれば中央ビーム５と共同して進行方向後方のビームホール形状を制御して噴出蒸気プルームを系外に排出することが可能になるからである。両ビームスポットの中心間距離３６が元ビームのスポット直径の０．５倍未満であると、ビームを分割した効果を十分に発揮することができない。また、両ビームスポットの中心間距離が元ビームのスポット直径の１．５倍を超えると、後ビーム５によるビームホールと中央ビーム４によるビームホールが分離してしまい、両ビームが共同して良好な形状のビームホールを形成することができない。両ビームスポットの中心間距離３６は、元ビームスポット直径の０．７５倍〜１．５倍であるとより好ましい。
【００２３】
レーザビームを３つのビームに分割する方法としては、図２、図３に示すように、２つのプリズム１３を光学系に配置することによって行うことができる。図２に示すように、前ビーム３と中央ビーム４、中央ビーム４と後ビーム５が交差しないように分割した場合、進行方向前方に配置したプリズム１３ａを通過したビームが前ビーム３を形成し、進行方向後方に配置したプリズム１３ｂを通過したビームが後ビーム５を形成する。逆に、図３に示すように、前ビーム３と中央ビーム４、中央ビーム４と後ビーム５が交差するように分割した場合、進行方向前方に配置したプリズム１３ｃを通過したビームが後ビーム５を形成し、進行方向後方に配置したプリズム１３ｄを通過したビームが前ビーム３を形成する。プリズムのみを用いてビームを分割した場合、分割後の各ビームの焦点位置２６は分割前と基本的には変わらない。分割した各ビームスポット（２３、２４、２５）の焦点位置でのスポット直径は、元ビームスポット２１のスポット直径とほぼ等しい直径となる（図７）が、鋼板の加工能力で比較すると、少なく配分された前又は後のビームは、中央ビームより小さなビームスポットとして働き、めっき金属蒸気の噴出を助ける。
【００２４】
ビーム分割を行わない通常のレーザ溶接においては、ビームの焦点位置２６と鋼板表面２９との位置関係を焦点距離の１％の範囲で外すことが行われる。本発明のビームを３つに分割するレーザ溶接においても、焦点位置を上記通常のレーザ溶接と同様の焦点位置として溶接を行うことができる。
【００２５】
本発明においてはさらに、焦点位置２６を鋼板表面位置２９から外すことにより、鋼板にあたるビームに強度分布が形成され、これによってビームホール６は上方の開口部が広く底のなだらかな形状に形成することができ、めっき金属蒸気３０が溶融池７に当たらずに安定して系外に排出されるのを助ける。ただし、焦点位置２６を鋼板表面位置２９からいずれの方向にどれだけ外すかについては、ビームの分割の仕方によって下記のようにより好適な範囲を定めることができる。なお、ビームの焦点位置を鋼板表面位置から外す本発明の場合においても、各ビームのパワーの決定に際しては、上記本発明（１）の場合と同様の方法を用いてビームの焦点位置２６を鋼板表面位置２９に合わせて決定する。以下の説明において、鋼板表面位置２９と焦点位置２６が異なる場合において、鋼板表面位置２９に現れるビームスポットの符号には末尾に「ｏ」を付することとし、焦点位置２６におけるビームスポットと区別する。
【００２６】
図８（ａ）においては、前ビーム３の光軸と中央ビーム４の光軸、中央ビーム４の光軸と後ビーム５の光軸が交差しない場合であって、交差しない両ビームのビームスポット中心間距離（３５、３６）が元ビームスポット２１のスポット直径の０．５倍から１．２５倍の範囲である。この場合に、鋼板表面位置２９を焦点位置よりレンズに近い位置２７に配置し、それによってビームの焦点位置２６を鋼板表面２９より鋼板内部に焦点距離の０．５％〜２．５％入った位置に配置するとより好ましい結果を得ることができる。ビームが交差せず、焦点位置におけるビームスポット中心間距離（３５、３６）がスポット直径の０．５倍から１．２５倍の範囲である場合、レンズからの距離がビーム焦点位置よりも遠い位置２８においては、図８（ｄ）に示すように両ビームの距離が近接しすぎて本発明の良好なビームホール形状を形成しづらくなる。それに対し、レンズからの距離がビーム焦点位置よりも近い位置２７においては、図８（ｂ）に示すように両ビームの距離が適度に離れ、本発明の良好なビームホール形状を形成しやすくなる。更に、焦点を外すことで、鋼板表面でのビームには適度な強度分布が形成され、本発明の良好なビームホールの形成を助ける。ビームの焦点位置２６を鋼板表面２９より鋼板内部に焦点距離の０．５％〜２．５％入った位置に配置する理由は、この範囲であれば良好なビームホール形状を形成することができるからである。０．５％未満では焦点位置をずらした効果を発揮することができず、２．５％を超えるとビームの貫通能力を失われてしまうと共に、各ビームスポット間の距離が大きくなり過ぎ、ビームホールが分割されて、本発明の良好なビームスポットが形成しづらくなるからである。１．０％〜２．０％とするとより好ましい。
【００２７】
図８（ｅ）においては、前ビーム３の光軸と中央ビーム４の光軸、中央ビーム４の光軸と後ビーム５の光軸が交差しない場合であって、交差しない両ビームのビームスポット中心間距離（３５、３６）が元ビームスポット２１のスポット直径の１．２５倍から１．７５倍の範囲である。この場合に、鋼板表面位置２９を焦点位置よりレンズから遠い位置２８に配置し、それによってビームの焦点位置２６を鋼板表面２９より鋼板外側に焦点距離の０．５％〜２．５％の位置に配置するとより好ましい結果を得ることができる。ビームが交差せず、焦点位置におけるビームスポット中心間距離（３５、３６）がスポット直径の１．２５倍から１．７５場合の範囲である場合、レンズからの距離がビーム焦点位置よりも近い位置２７においては、図８（ｆ）に示すように両ビームの距離が離れすぎて本発明の良好なビームホール形状を形成しづらくなる。それに対し、レンズからの距離がビーム焦点位置よりも遠い位置２８においては、両ビームの距離が適度に離れ、本発明の良好なビームホール形状を形成しやすくなる。ビームの焦点位置２６を鋼板表面２９より鋼板外側に焦点距離の０．５％〜２．５％の位置に配置する理由は、０．５％未満では焦点位置をずらした効果を発揮することができず、２．５％を超えるとビームの貫通能力が失われてしまうとともに、各ビームスポット間の距離が長くなり過ぎ、本発明の良好なビームスポットが形成されないからである。１．０％〜２．０％とするとより好ましい。
【００２８】
なお、前ビーム３の光軸と中央ビーム４の光軸が交差しない上記本発明は、中央ビーム４の光軸と後ビーム５の光軸が交差する場合にも適用することができる。この場合、中央ビーム４と中央ビームと交差しない前ビーム３の間のスポット中心間距離が０．５倍から１．２５倍の範囲にある場合には、中央ビームと中央ビームと交差する後ビーム間のスポット中心間距離を１．２５倍から１．７５倍の範囲に、中央ビームと中央ビームと交差しない前ビーム間のスポット中心間距離が１．２５倍から１．７５倍の範囲にある場合には、中央ビームと中央ビームと交差する後ビーム間のスポット中心間距離を０．５倍から１．２５倍の範囲とすることで最も好ましい結果を得ることができる。
【００２９】
図９（ａ）においては、前ビーム３の光軸と中央ビーム４の光軸、中央ビーム４の光軸と後ビーム５の光軸が交差する場合であって、交差する両ビームのビームスポット中心間距離が元ビームのスポット直径の０．５倍から１．２５倍の範囲である。この場合に、鋼板表面位置２９を焦点位置よりレンズから遠い位置２８に配置し、それによってビームの焦点位置２６を鋼板表面２９より鋼板外側に焦点距離の０．５％〜２．５％の位置に配置するとより好ましい結果を得ることができる。ビームが交差し、焦点位置２６におけるビームスポット中心間距離（３５、３６）が元ビームスポット２１のスポット直径の０．５倍から１．２５倍の範囲である場合、レンズからの距離がビーム焦点位置よりも近い位置２７においては、図９（ｂ）に示すように両ビームの距離が近接しすぎて本発明の良好なビームホール形状を形成しづらくなる。それに対し、レンズからの距離がビーム焦点位置よりも遠い位置２８においては、図９（ｄ）に示すように両ビームの距離が適度に離れ、本発明の良好なビームホール形状を形成しやすくなる。ビームの焦点位置２６を鋼板表面２９より鋼板外側に焦点距離の０．５％〜２．５％の位置に配置する理由は前記発明と同様である。１．０％〜２．０％とするとより好ましい。
【００３０】
図９（ｅ）においては、前ビーム３の光軸と中央ビーム４の光軸、中央ビーム４の光軸と後ビーム５の光軸が交差する場合であって、交差する両ビームのビームスポット中心間距離（３５、３６）が元ビームスポット２１のスポット直径の１．２５倍から１．７５倍の範囲である。この場合に、鋼板表面位置２９を焦点位置よりレンズに近い位置２７に配置し、それによってビームの焦点位置２６を鋼板表面２９より鋼板内部に焦点距離の０．５％〜２．５％入った位置に配置するとより好ましい結果を得ることができる。ビームが交差し、焦点位置におけるビームスポット中心間距離（３５、３６）が元ビームスポット２１のスポット直径の１．２５倍から１．７５倍の範囲である場合、レンズからの距離がビーム焦点位置よりも遠い位置２８においては、図９（ｈ）に示すように両ビームの距離が離れすぎて本発明の良好なビームホール形状を形成しづらくなる。それに対し、レンズからの距離がビーム焦点位置よりも近い位置２７においては、図９（ｆ）に示すように両ビームの距離が適度に離れ、本発明の良好なビームホール形状を形成しやすくなる。ビームの焦点位置２６を鋼板表面２９より鋼板内部に焦点距離の０．５％〜２．５％入った位置に配置する理由は前記発明と同様である。１．０％〜２．０％とするとより好ましい。
【００３１】
なお、前ビーム３の光軸と中央ビーム４の光軸が交差する上記本発明は、中央ビーム４の光軸と後ビーム５の光軸が交差しない場合にも適用することができるが、中央ビーム４と中央ビームと交差する前ビーム３の間のスポット中心間距離が０．５倍から１．２５倍の範囲にある場合には、中央ビームと中央ビームと交差しない後ビーム間のスポット中心間距離を１．２５倍から１．７５倍の範囲に、中央ビームと中央ビームと交差する前ビーム間のスポット中心間距離が１．２５倍から１．７５倍の範囲にある場合には、中央ビームと中央ビームと交差しない後ビーム間のスポット中心間距離を０．５倍から１．２５倍の範囲とすることで最も好ましい結果を得ることができる。
【００３２】
以上に説明した本発明においては、前ビーム３、中央ビーム４、後ビーム５の焦点位置２６がほぼ同一位置である。このような場合、本発明の良好なビームホール形状を形成するために焦点位置２６を鋼板表面位置２９からずらすに際しては、表面より外側にずらす場合も内部にずらす場合も、焦点距離の２．５％を超えてずらした場合には、ビーム全体の貫通能力が失われてしまう場合があるので好ましくない。一方、上記焦点位置をずらす本発明においては、図４、図１０に示すように、溶接方向前側のビームであって全体パワーのうち７０％〜３０％に相当する部分のビームについては、当該前側部分のビーム焦点位置を、後側のビーム焦点位置に比較して、焦点距離の１％〜２％ずらした位置に配置することにより、より好ましい結果を得ることができる。
【００３３】
上記本発明において、溶接方向前側のビームであって全体パワーのうち７０％〜３０％に相当する部分とは、前ビームの一部または全部のみ、あるいは前ビームの全部及び中央ビームの前方側一部又は全部が相当する。図４、図１０に示す例においては、前ビーム３及び中央ビームの一部４ａが前側のビームである。前側のビームと後側のビームの焦点位置をずらす方法としては、ビーム系の前側部分のみまたは後側部分のみに部分焦点外しレンズ１４を挿入することによって行うことができる。図４にあるように、溶接方向前側のみに部分凹レンズ１４を挿入した場合には、該挿入した前側のビーム焦点位置２６ａを挿入していない後側ビーム焦点位置２６ｂに比較してレンズから離れる方向にずらすことができる。前側のみに部分凸レンズを挿入する方法、後側のみに部分凹レンズまたは部分凸レンズを挿入する方法を採用することによって、それぞれ焦点位置を所定の方向に外すことができる。
【００３４】
ビーム全体としては焦点外しを行っていない場合においては、後側のビーム焦点位置２６ｂは焦点外しを行わずに鋼板表面位置とする。そして、前側のビーム焦点位置２６ａを、鋼板表面から焦点距離の０．５％〜４．５％ずらした位置に配置する。焦点位置２６ａのずらし量が０．５％未満では焦点外しを行った効果を発揮することができず、４．５％を超えるとビームの貫通能力が失われてしまうからである。
【００３５】
この場合、前側のビーム焦点位置をずらす方向は以下のようにすると好ましい。即ち、前ビームの光軸と中央ビームの光軸が交差しない場合であって、該交差しない両ビームのビームスポット中心間距離が元ビームのスポット直径の１．２５倍以下である場合は前側のビームの焦点位置を鋼板表面より鋼板内部に入った位置に配置し、１．２５倍以上である場合は前側のビームの焦点位置を鋼板表面より鋼板外側の位置に配置する。前ビームの光軸と中央ビームの光軸が交差する場合であって、該交差する両ビームのビームスポット中心間距離が元ビームのスポット直径の１．２５倍以下である場合は、前側のビームの焦点位置を鋼板表面より鋼板外側の位置に配置し、１．２５倍以上である場合は前側のビームの焦点位置を鋼板表面より鋼板内部に入った位置に配置する。理由は、上記（２）〜（５）の発明と同様である。
【００３６】
本発明の上記（２）〜（５）のようにビーム全体として焦点外しを行っている場合においては、後側のビーム焦点位置２６ｂが上記（２）〜（５）発明における焦点外しを行った焦点位置に配置される。そして、前側部分のビーム焦点位置２６ａを、後側のビーム焦点位置２６ｂに比較して、前ビームと後ビームの各光軸が交差する、しない、また前ビームと後ビームのスポット間距離の大きさに応じて上記各発明に指示された方向に、後側のビームと相対的にさらに焦点距離の１％〜２％ずらした位置に配置する。
【００３７】
この場合、焦点位置をずらす距離としては、後側のビームについては、前記焦点位置を鋼板表面からずらす発明と同様、鋼板表面から外側に最大２．５％、または鋼板表面から内部に最大２．５％とする。前側のビーム焦点位置については、後側の焦点距離より相対的に１％〜２％ずらした位置に配置する。焦点位置ずらし増加量３８が１％未満ではずらし量を増加した効果を発揮することができず、２％を超えるとビームの貫通能力が失われてしまうからである。
【００３８】
溶接部の酸化防止や集光レンズへの溶接部からの飛散物付着防止のため、シールドガス４０として不活性ガス等を使用することができる。シールドガスの吹き付け方法としては、図５に示すように、レーザビームのビーム範囲外側を取り囲むように配置したセンターシールドノズル１６を準備し、該センターシールドノズル上方からシールドガス４０を供給し、溶接部に面したノズル先端の吹き出し口１８からシールドガスを溶接部に吹き付ける方法や、図６に示すように、レーザビームの斜め前方あるいは斜め後方あるいは斜め側方に設けたサイドシールドノズル１７からシールドガス１８を供給する方法、その他通常用いられる種々のシールドガスノズル形状、ガス供給方法を採用することができる。図６に示す例においては、保護ガラス１５と溶接部との間にエア４１を吹き付けてエアナイフ４２を形成し、これによって保護ガラス１５への汚れ付着を防止している。
【００３９】
本発明において、鋼板のレーザ照射点に向けて、ガスの吹き出し口１８の単位面積あたり３．０〜１．２リットル／分・ｍｍ²の流量範囲でガスを吹き付けることとすると好ましい。溶接部にガスを吹き付けることにより、溶融池表面の溶鋼の揺動を抑え、溶接ビードの形成を助けているものと考えられる。流量範囲をガスの吹き出し口の単位面積あたり３．０〜１．２リットル／分・ｍｍ²とする理由は、ガスの流量が３．０リットル／分・ｍｍ²より多いと、ガスの動圧で溶鋼を凹ませてしまい、良好な溶接ビードの形成を妨げてしまうからであり、１．２リットル／分・ｍｍ²未満の流量では、ガスによる溶接欠陥制御の効果が得られないからである。
【００４０】
本発明は、鋼板の重ね溶接、重ね隅肉溶接において最大の効果を発揮することができる。そのほか、めっき鋼板に縦壁となる鋼板を隅肉溶接する場合にも用いることができる。この場合も、重ね溶接や重ね隅肉溶接の場合と同様、めっき金属蒸気がめっき鋼板と縦壁を構成する鋼板エッジの間で形成されて、溶接欠陥を発生させる。こうした隅肉溶接の場合に本発明を適用しようとする場合には、前ビームのパワーを縦壁の板厚の２５％以上貫通し、板厚全体を貫通しない程度のパワーとし、中央ビームのパワーは、前ビームのパワー以上であって、前ビームが元ビームのスポット直径の０．５倍から１．７５倍に配置された場合に、前ビームのパワーと合わせて鋼板全体を十分貫通できるパワーとすればよい。
【００４１】
重ね溶接、重ね隅肉溶接において、重ね合わせる鋼板枚数は２枚以上であり、重ね枚数２枚において最も効果を発揮する。重ね枚数が３枚あるいはそれ以上の場合、前ビームの出力の下限を高めに設定することで良好な溶接が可能となる。即ち、３枚重ねの場合には、前ビームの出力の下限を１枚目の鋼板が貫通する程度とすればよい。
【００４２】
本発明を適用するめっき鋼板のめっき種類においては、亜鉛系合金めっきのほかすず系合金めっきにおいて使用することができる。すずの沸点は、鉄の沸点に対し、それほど低いわけではないが、それでも亜鉛系合金と同様、溶接欠陥の原因となるが、本発明を適用することによって良好な溶接品質を得ることができる。
【００４３】
鋼板の厚さや強度、めっきの有無が種々にまたがる場合には、鋼板の重ね方に留意することも重要である。即ち、めっき鋼板は、重ね合わせたときのめっき層が、よりレーザの照射側に近くなるように配置する。その他、一般的な重ね方としてはレーザを照射する側にはより薄い、低強度材を配置する。めっき層がよりレーザの照射側に近くなるように配置することで、めっき金属蒸気をビームホールより円滑に排除することが可能である。また、レーザ溶接のために鋼板を押しつけて、鋼板間にあまり大きな隙間が形成されないようにする必要があるが、そのためには、レーザを照射する側にはより薄い、低強度材を配置すると、レーザを照射するのとは反対側の厚手、高強度材が鋼板を押しつける反力を担ってくれるからである。
【００４４】
レーザの種類としては、溶接加工用に利用できるレーザ光源であれば種類を問わないが、望ましくは、波長が１．０６μｍのＮｄ−ＹＡＧレーザやより波長の短い半導体レーザを用いることが好ましい。これは光の吸収率が高い短波長レーザの方が、好ましいビームホール形状を作るパワー分配の余裕度が高いためである。
【００４５】
レーザの出力としては、鋼板全体の厚み１ｍｍあたり加工点で１．５ｋＷ以上の出力を確保することが好ましい。これは、低出力レーザで溶接速度を下げることで貫通能力を確保している場合、熱影響部が広がりやすい結果、めっき層の損傷範囲が広くなり、鋼板間から排除しなければならないめっき金属の量が増えてしまうからである。同様の理由で、溶接速度という観点からは、１ｍ／ｍｉｎ以上を確保することが望ましい。
【００４６】
元ビームのスポット直径は、小さいほどより低出力でより高速の溶接が可能であるが、溶接ビードが細くなる結果、溶接部の継手強度を確保することができなくなる。従って、元ビームのスポット直径としては０．３ｍｍ以上とすることが望ましい。
【００４７】
ビームを分割する光学素子としては、透過光学部品であるプリズムの他、反射光学部品（鏡）を用いても良ければ、炭酸ガスレーザを用いて本発明を適用する場合に経済的である。
【００４８】
【実施例】
板厚０．８ｍｍの亜鉛めっき鋼板を２枚ないし３枚重ね合わせて重ね溶接を行うに際し、本発明を適用した。レーザ溶接のレーザ発振器としてとしてＹＡＧレーザを用い、コア径０．６ｍｍの光ファイバによってビームを伝送し、光ファイバ１０の先端から放出したレーザビーム１を焦点距離１５０ｍｍのコリメータレンズ１１によって平行光とし、次いで焦点距離１５０ｍｍの集光レンズ１２によって集光し、鋼板２の重ね溶接を行う（図５、図６）。加工点でのレーザ合計出力は４ｋＷである。焦点位置２６での元ビームスポット２１のスポット径は０．６ｍｍ（一部０．５ｍｍ）であり、溶接速度は２．５ｍ／ｍｉｎ（一部１．５〜４ｍ／ｍｉｎ）である。シールドガス供給方法としては、センターシールドノズル１６又はサイドシールドノズル１７を用い、シールドガス種は窒素（一部アルゴン、ヘリウム）を用いた。
【００４９】
本発明のレーザビーム３分割方法としては、プリズム１３によるビーム分割を行い、後側ビームに比較して前側ビームの焦点位置をずらす方法としては、前側のみに部分焦点外しレンズ１４を用いることによって行った（図２〜図４）。プリズム１３のカバー位置設定に際しては、プリズム差し込み量調節ネジ２０を調節することによってプリズム位置を修正する。
【００５０】
【表１】

【００５１】
【表２】

【００５２】
製造条件及び製造結果を表１、表２に示す。シールドガスにおいて、センターシールドノズル１６使用を「センター」と、サイドシールドノズル１７使用を「サイド」と記載している。「分割方法」欄において、前ビーム３の光軸と中央ビーム４の光軸、中央ビーム４の光軸と後ビーム５の光軸をともに交差しない場合を「交差無し」、ともに交差する場合を「交差有り」と表示している。前ビーム、後ビームの中央ビームとの間隔は、元ビームスポット直径との比によって表示している。前ビーム単独での貫通能力は、１枚の鋼板（板厚０．８ｍｍ）の厚さに対する溶け込み深さ比で記載している。中央ビーム焦点位置、前側ビーム焦点外しにおける焦点位置については、焦点距離に対する百分率で表示し、プラスは焦点位置が鋼板表面より外側に位置し、マイナスは焦点位置が鋼板表面より内部に位置している場合である。部分焦点外しレンズ１４によって焦点位置をずらした場合の前側ビーム量は、「焦点外しビーム量」として全体パワーに対する百分率で表示している。
【００５３】
溶接品質は、継手効率と外観品質によって評価した。継手効率は、剪断試験にて、母材強度に対する継手の破断強度を百分率で示す。継手効率１００％とは、母材部で破断したか、あるいは継手で破断したが母材破断と同等の継手強度を有していた場合を示す。外観品質については、めっきされていない冷延鋼板と同等の溶接ビード外観を有しているものを「優」、溶接ビード中央部に若干のピットがある程度のものを「良」、溶接金属が飛散し、溶接ビードが鋼板表面より陥没しているものを「劣」とした。
【００５４】
表１、２において、Ｎｏ．１〜１４が本発明例、Ｎｏ．１５〜２３は比較例である。比較例のうち、Ｎｏ．２１〜２３はビーム分割を行っていない例、Ｎｏ．１５〜２０はビーム分割を行っているがその条件が本発明範囲を外れる例である。
【００５５】
本発明例Ｎｏ．１〜６は、いずれも交差なしでビーム分割を行った例であり、Ｎｏ．１、２は焦点位置をいずれも鋼板表面とし、Ｎｏ．３、４は焦点位置を鋼板表面から内部にずらし、Ｎｏ．５、６は鋼板表面から外側にずらした例である。本発明例Ｎｏ．７は交差有りで焦点位置を鋼板外側にずらし、Ｎｏ．８は交差有りで焦点位置を鋼板内部にずらした例である。Ｎｏ．９、１０、１２〜１４は部分焦点外しレンズを用いた例である。Ｎｏ．９、１２、１３においては前側ビーム位置に部分凹レンズを挿入することにより、Ｎｏ．１０、１４においては前側ビーム位置に部分凸レンズを挿入することにより、それぞれ後側に対して前側ビーム焦点位置をずらしている。Ｎｏ．１１〜１４はさらにシールドガス量を増量した例であり、Ｎｏ．１４はさらに鋼板の重ね枚数を３枚として溶接を行った例である。
【００５６】
本発明例はいずれも良好な継手効率及び外観品質を有しており、特にＮｏ．１２〜１４は良好な外観品質を得ることができた。
【００５７】
比較例Ｎｏ．２１〜２３は、ビーム分割を行わなかった例であり、継手効率、外観品質ともに不良であった。
【００５８】
比較例Ｎｏ．１５〜２０はビーム分割を行ったものの、Ｎｏ．１５は前ビーム３のパワーが強すぎ、Ｎｏ．１６は前ビーム３のパワーが弱すぎ、Ｎｏ．１７は前ビームと中央ビームの間隔３５が開きすぎるとともに前ビーム３のパワーが強すぎ、Ｎｏ．１８は後ビーム５のパワーが強すぎ、Ｎｏ．１９は後ビーム５のパワーが弱すぎ、Ｎｏ．２０は後ビームと中央ビームの間隔３６が広すぎ、いずれも継手効率と外観品質の一方または両方が不良であった。
【００５９】
【発明の効果】
本発明は、めっき鋼板のレーザ溶接方法であって、鋼板に照射するレーザビームを溶接線に沿って溶接進行方向前側の前ビーム、中央ビーム、溶接進行方向後側の後ビームの３つに分割し、それぞれ適度なビームパワーとビーム間隔を設定することにより、鋼板重ね合わせ部から噴出するめっき金属蒸気の噴出方向を斜め上方方向に変更することが可能であり、斜め上方に噴出するめっき金属蒸気プルームが溶融池に侵入せずに系外に排出できる。これにより、鋼板を密着して溶接を行うことが可能であり、レーザ溶接時にめっき成分の蒸気発生による溶融金属の爆飛や溶接部欠陥の発生を防止し、溶接ビード形状および品質に優れた溶接を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接部の状況を示す斜視断面図である。
【図２】本発明のビームを３分割したレーザ溶接について説明する概略図である。
【図３】本発明のビームを３分割したレーザ溶接について説明する概略図である。
【図４】本発明のビームを３分割したレーザ溶接について説明する概略図である。
【図５】本発明のレーザ溶接装置の概略図である。
【図６】本発明のレーザ溶接装置の概略図である。
【図７】レーザ焦点位置の状況を示す図であり、（ａ）はビーム分割を行わない元ビームを示す図、（ｂ）は（ａ）における元ビームスポット、（ｃ）はビームを３つに分割した状況を示す図、（ｄ）は（ｃ）におけるビームスポットを示す図である。
【図８】３分割したビームが交差しない場合におけるレーザ焦点位置付近の状況を示す図であり、（ａ）はビームスポット間距離が短い場合を示し、（ｂ）（ｃ）（ｄ）はそれぞれ（ａ）における焦点位置よりレンズに近い位置、焦点位置、焦点位置よりレンズから遠い位置におけるビームスポット状況を示し、（ｅ）はビームスポット間距離が長い場合を示し、（ｆ）（ｇ）（ｈ）はそれぞれ（ｅ）における焦点位置よりレンズに近い位置、焦点位置、焦点位置よりレンズから遠い位置におけるビームスポット状況を示す。
【図９】３分割したビームが交差する場合におけるレーザ焦点位置付近の状況を示す図であり、（ａ）はビームスポット間距離が短い場合を示し、（ｂ）（ｃ）（ｄ）はそれぞれ（ａ）における焦点位置よりレンズに近い位置、焦点位置、焦点位置よりレンズから遠い位置におけるビームスポット状況を示し、（ｅ）はビームスポット間距離が長い場合を示し、（ｆ）（ｇ）（ｈ）はそれぞれ（ｅ）における焦点位置よりレンズに近い位置、焦点位置、焦点位置よりレンズから遠い位置におけるビームスポット状況を示す。
【図１０】部分焦点外しレンズを用いた場合について、（ａ）はレーザ焦点位置付近の状況を示す図であり、（ｂ）は鋼板表面位置におけるビームスポット状況を示す図である。
【図１１】従来のビームを分割しないレーザ溶接について説明する概略図である。
【図１２】従来の溶接部の状況を示す斜視断面図であり、（ａ）は定常溶接時、（ｂ）はめっき金属蒸気噴出時の状況を示す図である。
【符号の説明】
１レーザビーム
２鋼板
３前ビーム
４中央ビーム
５後ビーム
６ビームホール
７溶融池
８溶接ビード
９溶接進行方向
１０光ファイバ
１１コリメータレンズ
１２集光レンズ
１３ウェッジプリズム
１４部分焦点外しレンズ
１５保護ガラス
１６センターシールドノズル
１７サイドシールドノズル
１８吹き出し口
２０プリズム差し込み量調節ネジ
２１元ビームスポット
２３前ビームスポット
２４中央ビームスポット
２５後ビームスポット
２６焦点位置
２７焦点位置よりレンズに近い位置
２８焦点位置よりレンズから遠い位置
２９鋼板表面位置
３０めっき金属蒸気
３１めっき金属気泡
３２鋼板重ね合わせ部
３５前ビームスポットと中央ビームスポットの中心間距離
３６中央ビームスポットと後ビームスポットの中心間距離
３８焦点位置ずらし増加量
３９溶接線
４０シールドガス
４１エア
４２エアナイフ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser welding method for a plated steel sheet.
[0002]
[Prior art]
In general, plated steel sheets with zinc-based alloys or tin-based alloys plated on the surface of steel sheets are used as structural members such as automobile bodies, suspension members, and fuel tanks to improve corrosion resistance. ing. When assembling car bodies and automobile structures, a method is often used in which two to three or more steel sheets are welded together by various combinations of plated steel sheets and non-plated cold-rolled steel sheets by lap welding. Yes. As a welding method, a laser welding method is adopted in which a laminated steel plate is irradiated with a laser beam to melt and join the steel plate.
[0003]
When performing laser welding by superimposing the plated steel plates, when the superimposed plated steel plates are irradiated with a laser beam, the steel plate in the irradiated portion is melted to form a molten pool. For example, in the case of a steel plate plated with a zinc-based alloy, the surface-coated zinc is a low-boiling point metal, so that the zinc in the steel plate overlapping portion plating layer evaporates by high-energy laser beam irradiation. When this zinc vapor remains in the molten pool, it becomes a welding defect such as a blowhole or pit, and particularly when welding is performed with the steel plate overlapping part in close contact, the pressure of the zinc vapor blown into the molten metal In some cases, the molten metal may be blown off, which deteriorates the welding quality such as weld bead shape and joint characteristics.
[0004]
In order to allow zinc vapor to escape to the outside without passing through the molten pool, a punch is previously driven in the vicinity of the overlapping portion of the galvanized steel sheets, and a small interval is provided between the galvanized steel sheets, or As disclosed in JP-A-4-288986, welding is performed by irradiating a laser beam with a thin sheet made of a combustible porous material interposed between two galvanized steel sheets. A method for releasing zinc vapor generated by irradiation from a gap between steel plates is known. However, such a method of maintaining a predetermined interval in the steel plate overlapping portion during welding is always performed at a predetermined time during welding when a complicated shape such as an automotive structural part and a press-molded product having high rigidity are overlapped and welded. It is very difficult to maintain the interval, and there is inevitably a part where the overlapped part closely adheres or the interval becomes very narrow, and there are welding defects such as blowholes in the part or in the worst case during welding. There arises a problem that molten metal explodes. Further, if there is a gap between the steel plates stacked on both sides of the welded portion, the mechanical strength of the welded portion may not be sufficiently maintained.
[0005]
As a method of laser welding with the galvanized steel sheet in close contact, first, a weak laser beam is irradiated along the same path as the one to be welded at the overlapped part of the galvanized steel sheet, and only the galvanizing is evaporated and discrete Next, there is known a method of performing two-stage laser irradiation in which strong laser light is irradiated to the same path to melt and bond the steel material. Further, Japanese Patent Laid-Open No. 4-231190 discloses that laser light introduced from a laser oscillator is separated by an optical condensing means to simultaneously form a condensed laser light having a high energy density and a condensed laser light having a low energy density. However, a method is disclosed in which the steel plate is melt-bonded by the former laser beam having a high energy density immediately after the evaporation and galvanization of the galvanizing by a focused laser beam having a low energy density.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When galvanized steel sheets are closely stacked and irradiated with low-energy laser light, it is difficult to escape the zinc vapor generated after laser beam irradiation into the atmosphere through a narrow space between the steel sheets. It was found that the residual zinc vapor was mixed into the molten pool during irradiation with high energy laser light for melting the steel sheet, causing welding defects and molten metal explosion.
[0007]
Furthermore, in the method of forming a weak laser beam and a strong laser beam simultaneously, when a minute gap of about 10 μm to 20 μm is formed between the plated steel plates, both the steel plates are thermally insulated and the laser is not directly irradiated. There is a problem that it is difficult to avoid welding defects because the galvanized evaporation of the steel sheet is not sufficiently evaporated.
[0008]
The present invention is a laser welding method for a plated steel sheet, which can be welded with the steel sheet in close contact, and prevents the explosion of molten metal and the occurrence of weld defect due to the generation of vapor of the plating component during laser welding. And it aims at providing the welding method excellent in the weld bead shape and quality.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) The laser beam 1 on the surface of the steel plate irradiated on the steel plate is divided along the welding line 39 into the front beam 3 on the front side in the welding progress direction 9, the center beam 4, and the rear beam 5 on the rear side in the welding progress direction. The center-to-center distance 35 between the front beam spot 23 and the center beam spot 24 and the center-to-center distance 36 between the center beam spot 24 and the back beam spot 25 are respectively 0.5 times the spot diameter at the focal position of the original beam before the division. To 1.75 times, and the power of the front beam 3 is set so that the penetration depth during irradiation of the front beam alone is 25% or more of the thickness of the first steel plate and does not penetrate the whole steel plate, and the central beam The power of 4 is combined with the front beam so that it can penetrate the entire steel plate, and the power of the rear beam 5 is in the range of 0.1 to 1.0 times the power of the central beam 4. Laser welding method can steel sheet.
(2) When the optical axis of the front beam 3 and the optical axis of the central beam 4 do not intersect, the distance between the beam spot centers of the two beams not intersecting is 0 of the spot diameter at the focal position of the original beam before division. When the range is from 5 times to 1.25 times, the focal point 26 of the beam is arranged at a position 0.5 to 2.5% of the distance from the lens to the focal point from the steel plate surface 29 to the inside of the steel plate. The method for laser welding a plated steel sheet according to (1) above, characterized in that:
(3) When the optical axis of the front beam 3 and the optical axis of the central beam 4 do not intersect, the distance between the beam spot centers of the two beams not intersecting is 1 of the spot diameter at the focal position of the original beam before the division. When the range is from .25 times to 1.75 times, the focal point 26 of the beam is arranged outside the steel plate surface 29 at a position 0.5% to 2.5% of the distance from the lens to the focal point outside the steel plate. The laser welding method for a plated steel sheet according to (1) above, wherein
(4) When the optical axis of the front beam 3 and the optical axis of the central beam 4 intersect, the distance between the beam spot centers of the intersecting beams is 0 of the spot diameter at the focal position of the original beam before the division. When the range is from 5 times to 1.25 times, the focal position 26 of the beam is arranged outside the steel plate surface 29 at a position 0.5% to 2.5% of the distance from the lens to the focal position outside the steel plate. The laser welding method for a plated steel sheet according to (1) above, wherein
(5) When the optical axis of the front beam 3 and the optical axis of the central beam 4 intersect, the distance between the beam spot centers of both intersecting beams is 1 of the spot diameter at the focal position of the original beam before division. When it is in the range of .25 times to 1.75 times, the focal position 26 of the beam is arranged at a position 0.5 to 2.5% of the distance from the lens to the focal position from the steel plate surface 29 to the inside of the steel plate. The method for laser welding a plated steel sheet according to (1) above, characterized in that:
(6) A beam on the front side in the welding direction, which corresponds to 70% to 30% of the total power, or a part or all of the front beam, or all of the front beam and a part or all of the front side of the central beam. Is called the front beam, the other beams are called the rear beam, the focal position of the beam belonging to the front beam is the front beam focal position 26a, and the focal position of the beam belonging to the rear beam is the rear side. The beam focal position 26b of Front side of The beam focus position 26a is arranged at a position shifted by 0.5% to 4.5% of the distance from the lens to the focus position as compared with the rear beam focus position 26b. The laser welding method of the plated steel plate of description.
(7) A beam on the front side in the welding direction corresponding to 70% to 30% of the total power, or only a part or all of the front beam, or all of the front beam and a part or all of the front side of the central beam. Is called the front beam, the other beams are called the rear beam, the focal position of the beam belonging to the front beam is the front beam focal position 26a, and the focal position of the beam belonging to the rear beam is the rear side. The beam focal position 26b of Front side of Compared with the rear beam focal position 26b, the beam focal position 26a is further shifted by 1% to 2% of the distance from the lens to the focal position in the defocusing direction described in (2) to (5) above. The method for laser welding a plated steel sheet according to any one of the above (2) to (5), wherein the laser welding method is arranged at a certain position.
(8) 3.0 to 1.2 liters / minute / mm per unit area of the gas outlet 18 toward the laser irradiation point of the steel plate ² The method of laser welding a plated steel sheet according to any one of (1) to (7), wherein gas is blown in a flow rate range of
[0010]
Here, the spot diameter of the original beam spot 21 refers to the 86% intensity diameter at the beam waist position (so-called focal position 26) in a state where the beam is not divided. It can be measured using a beam profiler. The center-to-center distance between beam spots is also the center-to-center distance between both beam spots at the focal position 26. A center distance 35 between the front beam spot 23 and the center beam spot 24 and a center distance 36 between the center beam spot 24 and the rear beam spot 25 can be determined (FIG. 7).
[0011]
The penetration depth when irradiating each beam alone is that the laser beam is divided perpendicularly to the welding line, and the distance between the centers of each beam spot is more than twice the original beam spot diameter. It can be defined by the penetration depth of each beam when the laser beam is advanced at the same speed as the time.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
When the welded portion of the steel plate 2 is irradiated with a laser beam, the steel plate 2 at the irradiated portion is melted to form a molten pool 7, and the molten pool 7 is further pushed down by vapor pressure to form a beam hole 6 at the beam irradiation position. As the laser beam 1 moves in the welding progress direction 9, the molten pool 7 and the beam hole 6 also move, the molten pool 7 solidifies behind the laser beam, and a weld bead 8 is formed (FIG. 12 (a)). )).
[0013]
When laser welding is performed by superimposing galvanized steel plates, the galvanized layer of the steel plate superimposing portion 32 ahead in the welding progress direction 9 evaporates and is ejected as a plume of zinc vapor 30 into the beam hole. Conventionally, as shown in FIG. 12B, the zinc vapor 30 is mainly jetted from the front of the laser beam traveling direction in parallel to the steel plate, crosses the beam hole 6 and enters the molten pool 7 at the rear of the laser beam traveling direction. I was invading. The zinc vapor bubbles 31 that have entered the molten pool will cause blowhole defects in the weld if the solidification is completed while being taken into the molten pool 7 as it is, and the zinc vapor bubbles 31 are ejected from the steel plate surface along with the molten metal. In this case, the molten metal was blown away, resulting in a serious welding defect.
[0014]
As shown in FIG. 1, the present invention changes the jetting direction of the plating metal vapor 30 jetted from the steel plate overlapping portion 32 to an obliquely upward direction by providing an inclination in the beam hole shape in front of the welding progress direction 9. Further, by providing an inclination to the beam hole shape at the rear of the welding direction or by enlarging the beam hole shape to the rear, the plating metal vapor 30 ejected obliquely upward does not enter the molten pool 7. The biggest feature is that it has been found that it can be discharged outside the system.
[0015]
In the present invention, as shown in FIGS. 2, 3, and 7, first, a laser beam irradiated on the steel plate 2 is welded along the welding line 39, the front beam 3, the center beam 4, and the welding direction. The rear beam 5 is divided into three. The central beam 4 is a beam for forming the beam hole 6, and the power of the central beam 4 is combined with the power of the front beam 3 so as to penetrate the entire steel plate.
[0016]
The front beam 3 is a beam for inclining the beam hole ahead of the laser beam traveling direction in cooperation with the central beam 4, and the depth of penetration when the front beam 3 is irradiated with the front beam alone is one steel plate. The thickness is 25% or more of the eyes (2a), and the power is within a range not penetrating the entire steel plate 2. Since the distance 35 between the center of the front beam spot and the center beam spot is arranged at a close distance in the range of 0.5 to 1.5 times the spot diameter of the original beam, the beam hole 6 is moved upward by the power of the front beam 3. A shape having a slope that becomes wider in front of the traveling direction is formed as it goes (FIG. 1), and as a result, the ejection direction of the plating metal vapor 30 ejected from the front of the traveling direction is directed obliquely upward.
[0017]
The rear beam 5 is a beam for tilting the beam hole shape behind the traveling direction in cooperation with the central beam 4, or for expanding the beam hole shape rearward. The power is in the range of 0.1 to 1.0 times. Since the center-to-center distance 36 between the central beam spot and the rear beam spot is arranged at a close distance in the range of 0.5 to 1.5 times the spot diameter of the original beam, if the power of the rear beam 5 is sufficiently high, the beam hole 6 expands to the position of the rear beam 5, and if the power of the rear beam 5 is in a low range, it is possible to provide a slope that widens as the beam hole shape rearward in the traveling direction goes upward. Thereby, the plating metal vapor | steam 30 which ejects from the steel plate overlapping part 32 and goes diagonally upward is discharged | emitted out of the system from the steel plate surface, without invading into the molten pool 7 of the back in the advancing direction.
[0018]
The power of the front beam 3 is set so that the penetration depth during irradiation of the front beam alone is 25% or more of the thickness of the first steel plate and does not penetrate the entire steel plate. The beam hole shape can be formed to have a slope that becomes wider forward in the traveling direction as it goes upward, and as a result, the ejection direction of the plating metal vapor 30 ejected from the front in the traveling direction is directed obliquely upward. It is because it can be put. If the penetration depth during irradiation with the front beam alone is less than 25% of the thickness of the first steel plate, the beam hole shape in the range including the steel plate overlapping portion 32 cannot be inclined, and the front beam If the penetration depth at the time of single irradiation is such that it penetrates the entire steel sheet, the beam hole shape only expands forward in the beam traveling direction and cannot be formed into an inclined shape. More preferably, the power of the front beam 3 is 80 to 120% of the power penetrating to the plating layer at the deepest position.
[0019]
The distance 35 between the center of the front beam spot and the center beam spot is set in the range of 0.5 to 1.75 times the spot diameter of the original beam. This is because, as it goes upward, the shape can have a slope that becomes wider forward in the traveling direction, and as a result, the ejection direction of the plating metal vapor plume ejected from the front in the traveling direction can be directed obliquely upward. . If the distance 35 between the centers of both beam spots is less than 0.5 times the spot diameter of the original beam, the effect of splitting the beam cannot be fully exhibited. Also, if the distance 35 between the centers of both beam spots exceeds 1.75 times the spot diameter of the original beam, the beam hole by the front beam 3 and the beam hole by the central beam 4 will be separated, and the two beams will cooperate. A well-shaped beam hole cannot be formed. The center-to-center distance 35 between both beam spots is more preferably 0.75 to 1.5 times the original beam spot diameter.
[0020]
When the power of the central beam 4 is equal to or higher than the power of the front beam 3 and the front beam 3 is disposed at a position 0.5 to 1.75 times the spot diameter of the original beam, the power of the front beam 3 In addition, the power is sufficient to penetrate the entire steel plate. If the power of the central beam 4 is such that the power of the rear beam 5 cannot be penetrated without borrowing the power of the rear beam 5, the beam hole becomes unstable and the plating metal vapor cannot be discharged smoothly. The central beam 4 may be as strong as possible in principle, but if it is too strong, energy is wasted and it is uneconomical. Desirably, the power is just enough to penetrate the entire steel sheet with the central beam alone (in the range of 0.8 to 1.5 times).
[0021]
The power of the rear beam 5 is in the range of 0.1 to 1.0 times the power of the central beam 4. If the power of the central beam 4 is 0.1 times or more, it is possible to provide a slope that widens the shape of the beam hole at the rear of the traveling direction upward, and the plating metal vapor 30 enters the molten pool 6 at the rear of the traveling direction. Without being discharged from the surface of the steel sheet. Further, if the power of the rear beam 5 is sufficiently high, the beam hole 6 is expanded to the position of the rear beam 5, and if the power of the rear beam 5 is set to a power exceeding 1.0 times the power of the central beam 4, The beam hole shape cannot be inclined in the beam traveling direction, and the plating metal vapor cannot be eliminated well. More preferably, the power of the rear beam 5 is 0.2 to 0.5 times the center beam power.
[0022]
The center-to-center distance 36 between the rear beam spot and the central beam spot is set in the range of 0.5 to 1.5 times the spot diameter of the original beam. This is because it is possible to discharge the ejected steam plume out of the system by controlling the shape of the beam hole. If the center-to-center distance 36 between the two beam spots is less than 0.5 times the spot diameter of the original beam, the effect of dividing the beam cannot be sufficiently exhibited. In addition, if the distance between the centers of both beam spots exceeds 1.5 times the spot diameter of the original beam, the beam hole by the rear beam 5 and the beam hole by the central beam 4 are separated, and both beams are good jointly. It is impossible to form a beam hole with a proper shape. The center-to-center distance 36 between both beam spots is more preferably 0.75 to 1.5 times the original beam spot diameter.
[0023]
As a method of dividing the laser beam into three beams, as shown in FIGS. 2 and 3, two prisms 13 can be arranged in the optical system. As shown in FIG. 2, when the front beam 3 and the center beam 4 and the center beam 4 and the rear beam 5 are divided so as not to intersect, the beam that has passed through the prism 13a arranged in the front in the traveling direction forms the front beam 3. The beam that has passed through the prism 13b disposed rearward in the traveling direction forms the rear beam 5. On the contrary, as shown in FIG. 3, when the front beam 3 and the central beam 4 and the central beam 4 and the rear beam 5 are divided so as to intersect, the beam that has passed through the prism 13c arranged in the front in the traveling direction is the rear beam 5. And the beam that has passed through the prism 13d disposed rearward in the traveling direction forms the front beam 3. When the beam is divided using only the prism, the focal position 26 of each beam after the division is basically the same as that before the division. The spot diameter at the focal position of each of the divided beam spots (23, 24, 25) is almost the same as the spot diameter of the original beam spot 21 (FIG. 7), but is less distributed compared with the processing capability of the steel plate. The resulting front or rear beam acts as a smaller beam spot than the central beam, assisting the ejection of the plated metal vapor.
[0024]
In normal laser welding without beam splitting, the positional relationship between the focal position 26 of the beam and the steel plate surface 29 is removed within a range of 1% of the focal length. Also in laser welding in which the beam of the present invention is divided into three, welding can be performed with the focal position as the focal position similar to the normal laser welding.
[0025]
Further, in the present invention, by removing the focal point position 26 from the steel plate surface position 29, an intensity distribution is formed in the beam that hits the steel plate, thereby forming the beam hole 6 in a gentle shape with a wide upper opening and a bottom. This helps the plating metal vapor 30 to be stably discharged out of the system without hitting the molten pool 7. However, as to how much the focal position 26 is removed from the steel plate surface position 29 in any direction, a more preferable range can be determined as follows depending on how the beam is divided. Even in the case of the present invention in which the focal position of the beam is removed from the surface position of the steel plate, the power of each beam is determined using the same method as in the case of the present invention (1) to set the focal position 26 of the beam to the steel plate. It is determined according to the surface position 29. In the following description, when the steel plate surface position 29 and the focal position 26 are different, the sign of the beam spot appearing at the steel plate surface position 29 is suffixed with “o” to distinguish it from the beam spot at the focal position 26. .
[0026]
In FIG. 8A, the optical axis of the front beam 3 and the optical axis of the central beam 4 and the optical axis of the central beam 4 and the optical axis of the rear beam 5 do not intersect with each other. The center distance (35, 36) is in the range of 0.5 to 1.25 times the spot diameter of the original beam spot 21. In this case, the steel plate surface position 29 is disposed at a position 27 closer to the lens than the focal position, whereby the focal position 26 of the beam enters 0.5% to 2.5% of the focal length inside the steel plate from the steel plate surface 29. A more favorable result can be obtained by arranging in the position. When the beam does not intersect and the distance between the beam spot centers (35, 36) at the focal point is in the range of 0.5 to 1.25 times the spot diameter, the distance from the lens is farther than the beam focal point. In FIG. 28, as shown in FIG. 8 (d), the distance between the two beams is too close, and it is difficult to form the good beam hole shape of the present invention. On the other hand, at the position 27 where the distance from the lens is closer than the beam focal position, the distance between the two beams is moderately separated as shown in FIG. 8B, and the good beam hole shape of the present invention can be easily formed. . Furthermore, by defocusing, a moderate intensity distribution is formed in the beam on the steel plate surface, which helps to form a good beam hole of the present invention. The reason why the focal point 26 of the beam is disposed at a position 0.5% to 2.5% of the focal length from the steel plate surface 29 to the inside of the steel plate is within this range, and a good beam hole shape can be formed. Because. If it is less than 0.5%, the effect of shifting the focal position cannot be exhibited, and if it exceeds 2.5%, the beam penetration ability is lost and the distance between each beam spot becomes too large. This is because the holes are divided and it is difficult to form a good beam spot of the present invention. More preferably, the content is 1.0% to 2.0%.
[0027]
In FIG. 8E, the optical axis of the front beam 3 and the optical axis of the central beam 4 and the optical axis of the central beam 4 and the optical axis of the rear beam 5 do not intersect, and the beam spots of both beams that do not intersect. The center distance (35, 36) is in the range of 1.25 times to 1.75 times the spot diameter of the original beam spot 21. In this case, the steel plate surface position 29 is disposed at a position 28 farther from the lens than the focal position, whereby the beam focal position 26 is located outside the steel plate surface 29 and 0.5% to 2.5% of the focal length outside the steel plate. A more preferable result can be obtained by arranging in the above. When the beam does not intersect and the distance between the beam spot centers (35, 36) at the focal position is in the range of 1.25 times to 1.75 times the spot diameter, the distance from the lens is closer to the beam focal position. In FIG. 27, as shown in FIG. 8 (f), the distance between the two beams is too large, and it is difficult to form the good beam hole shape of the present invention. On the other hand, at the position 28 where the distance from the lens is farther than the beam focal position, the distance between the two beams is moderately separated, and the good beam hole shape of the present invention can be easily formed. The reason why the focal position 26 of the beam is arranged at a position of 0.5% to 2.5% of the focal length from the steel sheet surface 29 to the outer side of the steel sheet is that the effect of shifting the focal position is exhibited when it is less than 0.5%. If it exceeds 2.5%, the beam penetration ability is lost and the distance between the beam spots becomes too long, so that the good beam spot of the present invention cannot be formed. More preferably, the content is 1.0% to 2.0%.
[0028]
Note that the present invention in which the optical axis of the front beam 3 and the optical axis of the central beam 4 do not intersect can also be applied when the optical axis of the central beam 4 and the optical axis of the rear beam 5 intersect. In this case, if the center-to-spot distance between the central beam 4 and the front beam 3 that does not intersect the central beam is in the range of 0.5 to 1.25 times, the rear beam that intersects the central beam and the central beam. The center-to-spot center distance is in the range of 1.25 to 1.75 times, and the center-to-spot distance between the center beam and the previous beam that does not intersect the center beam is in the range of 1.25 to 1.75 times. In this case, the most preferable result can be obtained by setting the distance between the center of the spots between the center beam and the rear beam that intersects the center beam in the range of 0.5 to 1.25 times.
[0029]
In FIG. 9A, the optical axis of the front beam 3 and the optical axis of the central beam 4, and the optical axis of the central beam 4 and the optical axis of the rear beam 5 intersect, and the beam spots of both intersecting beams. The center distance is in the range of 0.5 to 1.25 times the spot diameter of the original beam. In this case, the steel plate surface position 29 is disposed at a position 28 farther from the lens than the focal position, whereby the beam focal position 26 is located outside the steel plate surface 29 and 0.5% to 2.5% of the focal length outside the steel plate. A more preferable result can be obtained by arranging in the above. When the beams intersect and the distance between the beam spot centers (35, 36) at the focal position 26 is in the range of 0.5 to 1.25 times the spot diameter of the original beam spot 21, the distance from the lens is the beam focus. At a position 27 closer to the position, as shown in FIG. 9B, the distance between the two beams is too close, making it difficult to form a good beam hole shape of the present invention. On the other hand, at the position 28 where the distance from the lens is farther than the beam focal position, the distance between the two beams is moderately separated as shown in FIG. 9D, and it is easy to form the good beam hole shape of the present invention. . The reason why the focal position 26 of the beam is arranged at a position of 0.5% to 2.5% of the focal length from the steel plate surface 29 to the outer side of the steel plate is the same as that of the above invention. More preferably, the content is 1.0% to 2.0%.
[0030]
In FIG. 9 (e), the optical axis of the front beam 3 and the optical axis of the central beam 4, and the optical axis of the central beam 4 and the optical axis of the rear beam 5 intersect, and the beam spots of both intersecting beams. The center distance (35, 36) is in the range of 1.25 times to 1.75 times the spot diameter of the original beam spot 21. In this case, the steel plate surface position 29 is disposed at a position 27 closer to the lens than the focal position, whereby the focal position 26 of the beam enters 0.5% to 2.5% of the focal length inside the steel plate from the steel plate surface 29. A more favorable result can be obtained by arranging in the position. When the beams intersect and the distance between the beam spot centers (35, 36) at the focal position is in the range of 1.25 to 1.75 times the spot diameter of the original beam spot 21, the distance from the lens is the beam focal position. In a position 28 farther than that, as shown in FIG. 9 (h), the distance between the two beams is too large, making it difficult to form the good beam hole shape of the present invention. On the other hand, at the position 27 where the distance from the lens is closer than the beam focal position, the distance between the two beams is moderately separated as shown in FIG. 9 (f), and the good beam hole shape of the present invention can be easily formed. . The reason why the focal position 26 of the beam is arranged at a position within 0.5% to 2.5% of the focal length from the steel plate surface 29 to the inside of the steel plate is the same as that of the above invention. More preferably, the content is 1.0% to 2.0%.
[0031]
The present invention in which the optical axis of the front beam 3 and the optical axis of the central beam 4 intersect can be applied even when the optical axis of the central beam 4 and the optical axis of the rear beam 5 do not intersect. If the distance between the spot centers between the beam 4 and the front beam 3 that intersects the center beam is in the range of 0.5 to 1.25 times, the center of the spot between the center beam and the rear beam that does not intersect the center beam If the distance between the center of the spots is in the range of 1.25 times to 1.75 times, and the distance between the center of the spot between the center beam and the previous beam that intersects the center beam is in the range of 1.25 times to 1.75 times, The most preferable result can be obtained by setting the distance between the center of the spots between the center beam and the rear beam that does not intersect the center beam in the range of 0.5 to 1.25 times.
[0032]
In the present invention described above, the focal positions 26 of the front beam 3, the center beam 4, and the rear beam 5 are substantially the same position. In such a case, when the focal position 26 is shifted from the steel plate surface position 29 in order to form a good beam hole shape according to the present invention, the focal length is 2.5, regardless of whether it is shifted outward or inward from the surface. It is not preferable that the beam is shifted by more than% because the penetrating ability of the entire beam may be lost. On the other hand, in the present invention in which the focal position is shifted, as shown in FIGS. 4 and 10, the beam on the front side in the welding direction and corresponding to 70% to 30% of the entire power is the front side. A more preferable result can be obtained by disposing the partial beam focal position at a position shifted by 1% to 2% of the focal length compared to the rear beam focal position.
[0033]
In the present invention, the beam on the front side in the welding direction and corresponding to 70% to 30% of the total power means only a part or all of the front beam, or all of the front beam and the front side of the central beam. Parts or all correspond. In the example shown in FIGS. 4 and 10, the front beam 3 and a part 4a of the central beam are front beams. A method of shifting the focal positions of the front beam and the rear beam can be performed by inserting a partial defocusing lens 14 only in the front part or only in the rear part of the beam system. As shown in FIG. 4, when the partially concave lens 14 is inserted only on the front side in the welding direction, the direction away from the lens compared to the rear beam focal position 26b in which the inserted front beam focal position 26a is not inserted. Can be shifted. By adopting a method in which a partially convex lens is inserted only in the front side and a method in which a partially concave lens or a partially convex lens is inserted only in the rear side, the focal position can be removed in a predetermined direction.
[0034]
When the beam is not defocused as a whole, the rear beam focal position 26b is set to the steel plate surface position without defocusing. Then, the front beam focal position 26a is arranged at a position shifted by 0.5% to 4.5% of the focal length from the steel plate surface. This is because if the shift amount of the focal position 26a is less than 0.5%, the effect of defocusing cannot be exhibited, and if it exceeds 4.5%, the beam penetration ability is lost.
[0035]
In this case, the direction in which the front beam focus position is shifted is preferably as follows. That is, when the optical axis of the previous beam and the optical axis of the central beam do not intersect, and the distance between the beam spot centers of the two beams not intersecting is 1.25 times or less of the spot diameter of the original beam, the front side The focal position of the beam is arranged at a position inside the steel sheet from the surface of the steel sheet, and when it is 1.25 times or more, the focal position of the front beam is arranged at a position outside the steel sheet from the surface of the steel sheet. When the optical axis of the front beam and the optical axis of the central beam intersect and the distance between the beam spot centers of the intersecting beams is 1.25 times or less of the spot diameter of the original beam, the front beam Is placed at a position outside the steel plate from the steel plate surface, and when it is 1.25 times or more, the focal position of the beam on the front side is arranged at a position inside the steel plate from the steel plate surface. The reason is the same as in the above inventions (2) to (5).
[0036]
In the case where the entire beam is defocused as in the above (2) to (5) of the present invention, the rear beam focal position 26b is defocused in the above (2) to (5) invention. Arranged at the focal position. The front beam focus position 26a is compared with the rear beam focus position 26b. The optical axes of the front beam and the rear beam do not cross each other, and the distance between spots of the front beam and the rear beam is large. Accordingly, it is arranged in a direction instructed by each of the above inventions at a position further shifted by 1% to 2% of the focal length relative to the rear beam.
[0037]
In this case, as for the distance to shift the focal position, as for the rear beam, as in the invention of shifting the focal position from the steel plate surface, a maximum of 2.5% outward from the steel plate surface, or a maximum of 2. 5%. The front beam focal position is arranged at a position shifted by 1% to 2% relative to the rear focal length. This is because if the focal position shift increase amount 38 is less than 1%, the effect of increasing the shift amount cannot be exhibited, and if it exceeds 2%, the beam penetration ability is lost.
[0038]
An inert gas or the like can be used as the shielding gas 40 in order to prevent oxidation of the welded portion and to prevent scattered matter from adhering to the condenser lens from the welded portion. As shown in FIG. 5, the shield gas is sprayed by preparing a center shield nozzle 16 arranged so as to surround the outside of the laser beam range, supplying the shield gas 40 from above the center shield nozzle, and welding the welded portion. The shield gas 18 is blown from the blowout port 18 at the nozzle tip facing the welding portion to the welded portion, or as shown in FIG. 6, from the side shield nozzle 17 provided obliquely forward, obliquely rearward, or obliquely to the side of the laser beam. In addition, various other commonly used shield gas nozzle shapes and gas supply methods can be employed. In the example shown in FIG. 6, air 41 is blown between the protective glass 15 and the welded portion to form an air knife 42, thereby preventing dirt from adhering to the protective glass 15.
[0039]
In the present invention, 3.0 to 1.2 liters / minute / mm per unit area of the gas outlet 18 toward the laser irradiation point of the steel plate. ² Spray gas in the flow range of thing This is preferable. It is considered that by blowing gas to the welded portion, the molten steel on the surface of the molten pool is restrained from swinging and the formation of weld beads is helped. The flow rate range is from 3.0 to 1.2 liters / minute / mm per unit area of the gas outlet. ² The reason is that the gas flow rate is 3.0 liters / minute / mm ² If it is more, the molten steel is Dented This is because the formation of a good weld bead is hindered, and 1.2 liters / minute / mm. ² This is because the effect of welding defect control by gas cannot be obtained at a flow rate lower than that.
[0040]
The present invention can exert the maximum effect in lap welding and lap fillet welding of steel plates. In addition, it can also be used in the case where fillet welding is performed on a steel plate that becomes a vertical wall to a plated steel plate. Also in this case, as in the case of lap welding or lap fillet welding, the plating metal vapor is formed between the plated steel plate and the steel plate edge constituting the vertical wall, thereby generating a welding defect. In the case of applying the present invention to such fillet welding, the power of the front beam is set to a power that penetrates more than 25% of the plate thickness of the vertical wall and does not penetrate the entire plate thickness, and the power of the center beam. Is more than the power of the previous beam, and when the previous beam is placed 0.5 to 1.75 times the spot diameter of the original beam, it can sufficiently penetrate the whole steel plate together with the power of the previous beam. And it is sufficient.
[0041]
In lap welding and lap fillet welding, the number of steel plates to be overlapped is two or more, and the effect is most effective when the number of overlaps is two. When the number of stacked sheets is 3 or more, good welding can be performed by setting the lower limit of the output of the previous beam higher. That is, when three sheets are stacked, the lower limit of the output of the previous beam may be set so that the first steel plate penetrates.
[0042]
The plating type of the plated steel sheet to which the present invention is applied can be used in tin-based alloy plating in addition to zinc-based alloy plating. Although the boiling point of tin is not so low with respect to the boiling point of iron, it still causes weld defects as in the case of zinc-based alloys, but good weld quality can be obtained by applying the present invention.
[0043]
It is also important to pay attention to how the steel sheets are stacked when the thickness and strength of the steel sheets and the presence or absence of plating are various. That is, the plated steel sheets are arranged so that the plated layer when superimposed is closer to the laser irradiation side. In addition, as a general stacking method, a thinner, low-strength material is disposed on the laser irradiation side. By disposing the plating layer closer to the laser irradiation side, it is possible to smoothly remove the plating metal vapor from the beam hole. In addition, it is necessary to press the steel plate for laser welding so that a large gap is not formed between the steel plates, but for that purpose, if a thinner, low-strength material is placed on the laser irradiation side, This is because the thick, high-strength material on the opposite side of the laser irradiation bears the reaction force that presses the steel plate.
[0044]
The type of laser is not particularly limited as long as it is a laser light source that can be used for welding, but it is preferable to use an Nd-YAG laser having a wavelength of 1.06 μm or a semiconductor laser having a shorter wavelength. This is because a short wavelength laser having a high light absorption rate has a higher margin for power distribution to form a preferable beam hole shape.
[0045]
As the output of the laser, it is preferable to secure an output of 1.5 kW or more at a processing point per 1 mm thickness of the entire steel plate. This is because when the penetration capability is secured by lowering the welding speed with a low-power laser, the heat-affected zone tends to spread, resulting in a wider damage range of the plating layer, which must be eliminated from between the steel plates. This is because the amount increases. For the same reason, it is desirable to ensure 1 m / min or more from the viewpoint of welding speed.
[0046]
The smaller the spot diameter of the original beam, the lower the output and the higher the speed of welding possible. However, as a result of the weld bead becoming thinner, the joint strength of the weld cannot be ensured. Therefore, the spot diameter of the original beam is desirably 0.3 mm or more.
[0047]
As an optical element for splitting the beam, it is economical when the present invention is applied using a carbon dioxide gas laser, as long as it is possible to use a reflection optical component (mirror) in addition to a prism which is a transmission optical component.
[0048]
【Example】
The present invention was applied when two or three galvanized steel sheets having a thickness of 0.8 mm were overlapped to perform lap welding. A YAG laser is used as a laser oscillator for laser welding, the beam is transmitted by an optical fiber having a core diameter of 0.6 mm, and the laser beam 1 emitted from the tip of the optical fiber 10 is converted into parallel light by a collimator lens 11 having a focal length of 150 mm. Next, the light is condensed by the condenser lens 12 having a focal length of 150 mm, and the steel plate 2 is lap welded (FIGS. 5 and 6). The total laser output at the processing point is 4 kW. The spot diameter of the original beam spot 21 at the focal position 26 is 0.6 mm (partially 0.5 mm), and the welding speed is 2.5 m / min (partly 1.5 to 4 m / min). As a shield gas supply method, the center shield nozzle 16 or the side shield nozzle 17 was used, and nitrogen (partially argon or helium) was used as the shield gas type.
[0049]
As a method of dividing the laser beam into three according to the present invention, the beam is divided by the prism 13, and the method of shifting the focal position of the front beam as compared with the rear beam is performed by using the partial defocus lens 14 only on the front side. (FIGS. 2 to 4). When the cover position of the prism 13 is set, the prism position is corrected by adjusting the prism insertion amount adjusting screw 20.
[0050]
[Table 1]

[0051]
[Table 2]

[0052]
Production conditions and production results are shown in Tables 1 and 2. In the shielding gas, use of the center shield nozzle 16 is described as “center”, and use of the side shield nozzle 17 is described as “side”. In the “Division Method” column, the case where the optical axis of the front beam 3 and the optical axis of the central beam 4 do not intersect with the optical axis of the central beam 4 and the optical axis of the rear beam 5 is “no intersection”. “Intersection” is displayed. The distance between the front beam and the rear beam from the central beam is indicated by the ratio to the original beam spot diameter. The penetration ability of the front beam alone is described as a penetration depth ratio with respect to the thickness of one steel plate (plate thickness 0.8 mm). The central beam focal position and the focal position in the front beam defocusing are displayed as a percentage of the focal length, plus the focal position is located outside the steel sheet surface, and minus is the focal position located inside the steel sheet surface. Is the case. The front beam amount when the focal position is shifted by the partial defocusing lens 14 is displayed as a percentage of the total power as “defocused beam amount”.
[0053]
Welding quality was evaluated by joint efficiency and appearance quality. In the joint efficiency, the breaking strength of the joint with respect to the base material strength is expressed as a percentage in the shear test. The joint efficiency of 100% indicates a case where the base material part is broken or a joint is broken but has joint strength equivalent to that of the base material. As for appearance quality, “excellent” has a weld bead appearance equivalent to an unplated cold-rolled steel sheet, “good” has some pits in the center of the weld bead, and the weld metal is scattered. In addition, the case where the weld bead was depressed from the surface of the steel sheet was defined as “poor”.
[0054]
In Tables 1 and 2, no. 1-14 are examples of the present invention, No. 15-23 are comparative examples. Among the comparative examples, No. Nos. 21 to 23 are examples in which beam splitting is not performed. 15 to 20 are examples in which beam splitting is performed, but the conditions are outside the scope of the present invention.
[0055]
Invention Example No. Nos. 1 to 6 are examples in which beam splitting is performed without any intersection. In Nos. 1 and 2, the focal position is the steel plate surface. Nos. 3 and 4 shift the focal position from the steel plate surface to the inside. 5 and 6 are examples shifted outward from the steel sheet surface. Invention Example No. No. 7 is crossed and the focus position is shifted to the outside of the steel plate. 8 is an example in which the focal position is shifted to the inside of the steel sheet with an intersection. No. 9, 10, and 12 to 14 are examples using partial defocusing lenses. No. In Nos. 9, 12, and 13, a partially concave lens is inserted at the front beam position, so In 10 and 14, by inserting a partially convex lens at the front beam position, the front beam focal position is shifted from the rear side. No. Nos. 11 to 14 are examples in which the amount of shielding gas is further increased. No. 14 is an example in which welding was performed with the number of stacked steel plates being three.
[0056]
All of the examples of the present invention have good joint efficiency and appearance quality. No. 12-14 could obtain good appearance quality.
[0057]
Comparative Example No. 21 to 23 are examples in which beam splitting was not performed, and both joint efficiency and appearance quality were poor.
[0058]
Comparative Example No. Nos. 15 to 20 were subjected to beam splitting, but No. For No. 15, the power of the front beam 3 is too strong. In No. 16, the power of the front beam 3 is too weak. In No. 17, the distance 35 between the front beam and the central beam is too wide and the power of the front beam 3 is too strong. In No. 18, the power of the rear beam 5 is too strong. In No. 19, the power of the rear beam 5 is too weak. In No. 20, the distance 36 between the rear beam and the center beam was too wide, and either or both of joint efficiency and appearance quality were poor.
[0059]
【The invention's effect】
The present invention relates to a laser welding method for a plated steel sheet, in which a laser beam applied to the steel sheet is divided along a welding line into a front beam on the front side in the welding progress direction, a center beam, and a rear beam on the rear side in the welding progress direction. In addition, by setting an appropriate beam power and beam interval, it is possible to change the ejection direction of the plating metal vapor ejected from the steel plate overlapping portion to an obliquely upward direction, and the plating metal vapor ejected obliquely upward. The plume can be discharged out of the system without entering the molten pool. This makes it possible to weld steel plates in close contact with each other, preventing the occurrence of molten metal explosions and weld defects due to the vapor generation of plating components during laser welding, and welding with excellent weld bead shape and quality. Can be done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective sectional view showing a situation of a welded portion of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view for explaining laser welding in which a beam of the present invention is divided into three parts.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating laser welding in which a beam of the present invention is divided into three parts.
FIG. 4 is a schematic view for explaining laser welding in which a beam of the present invention is divided into three parts.
FIG. 5 is a schematic view of a laser welding apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view of a laser welding apparatus of the present invention.
7A and 7B are diagrams showing the state of a laser focus position, where FIG. 7A is a view showing an original beam without beam splitting, FIG. 7B is an original beam spot in FIG. 7A, and FIG. The figure which shows the condition divided | segmented into (b), (d) is a figure which shows the beam spot in (c).
FIGS. 8A and 8B are diagrams showing a situation near the laser focal position when the three-divided beams do not intersect, where FIG. 8A shows a case where the distance between the beam spots is short, and FIGS. (A) shows a beam spot situation at a position closer to the lens than the focal position, a focal position, and a position farther from the lens than the focal position, (e) shows a case where the distance between the beam spots is long, and (f) (g) ( h) shows beam spot conditions at a position closer to the lens than the focal position in (e), a focal position, and a position farther from the lens than the focal position.
FIGS. 9A and 9B are diagrams showing a situation in the vicinity of a laser focal position when three divided beams intersect, and FIGS. 9A and 9B show a case where the distance between beam spots is short, and FIGS. (A) shows a beam spot situation at a position closer to the lens than the focal position, a focal position, and a position farther from the lens than the focal position, (e) shows a case where the distance between the beam spots is long, and (f) (g) ( h) shows beam spot conditions at a position closer to the lens than the focal position in (e), a focal position, and a position farther from the lens than the focal position.
FIGS. 10A and 10B are diagrams showing a situation near a laser focal position, and FIG. 10B is a diagram showing a beam spot situation at a steel plate surface position when a partially defocused lens is used.
FIG. 11 is a schematic view illustrating conventional laser welding without splitting a beam.
FIGS. 12A and 12B are perspective cross-sectional views showing a state of a conventional welded portion, where FIG. 12A is a diagram showing a state at the time of steady welding, and FIG.
[Explanation of symbols]
1 Laser beam
2 Steel plate
3 Front beam
4 Center beam
5 Rear beam
6 Beam Hall
7 molten pool
8 Weld beads
9 Welding direction
10 Optical fiber
11 Collimator lens
12 Condensing lens
13 Wedge prism
14 Partial defocusing lens
15 Protective glass
16 Center shield nozzle
17 Side shield nozzle
18 Outlet
20 Prism insertion amount adjusting screw
21 original beam spot
23 Front beam spot
24 Central beam spot
25 Rear beam spot
26 Focus position
27 Position closer to the lens than the focal position
28 Position farther from the lens than the focal position
29 Steel plate surface position
30 Plating metal vapor
31 Plating metal bubbles
32 Steel plate overlapping part
35 Distance between center of front beam spot and center beam spot
36 Center distance between center beam spot and rear beam spot
38 Increased focus position shift
39 Welding line
40 shielding gas
41 Air
42 Air Knife

Claims

The laser beam irradiated on the steel plate is divided along the welding line into a front beam on the front side in the welding progress direction, a central beam, and a rear beam on the rear side in the welding progress direction. The center-to-center distance and the center-to-center distance between the center beam spot and the rear beam spot are in the range of 0.5 to 1.75 times the spot diameter at the focal position of the original beam before the division, and the power of the front beam is The penetration depth when irradiating the beam alone is 25% or more of the thickness of the first steel plate and does not penetrate the whole steel plate, and the power that can penetrate the whole steel plate by combining the power of the central beam with the previous beam. And a laser beam welding method for a plated steel sheet, wherein the power of the rear beam is in the range of 0.1 to 1.0 times the power of the central beam.

When the optical axis of the previous beam and the optical axis of the central beam do not intersect, the distance between the beam spot centers of the two beams not intersecting is 0.5 to 1 times the spot diameter at the focal position of the original beam before division. When the range is .25 times, the focal position of the beam is arranged at a position within 0.5% to 2.5% of the distance from the lens to the focal position from the steel plate surface to the inside of the steel plate. Item 2. A laser welding method for a plated steel sheet according to Item 1.

In the case where the optical axis of the previous beam and the optical axis of the central beam do not intersect, the distance between the beam spot centers of the two beams not intersecting is 1.25 times the spot diameter at the focal position of the original beam before the division. When the range is .75 times, the focal position of the beam is arranged at a position 0.5% to 2.5% of the distance from the lens to the focal position outside the steel plate surface and outside the steel plate. The laser welding method of the plated steel plate of 1.

When the optical axis of the previous beam and the optical axis of the central beam intersect, the distance between the beam spot centers of both intersecting beams is 0.5 to 1 times the spot diameter at the focal position of the original beam before division. When the range is .25 times, the focal position of the beam is arranged at a position 0.5% to 2.5% of the distance from the lens to the focal position outside the steel plate surface and outside the steel plate. The laser welding method of the plated steel plate of 1.

In the case where the optical axis of the previous beam and the optical axis of the central beam intersect, the distance between the beam spot centers of the intersecting beams is 1.25 times 1 from the spot diameter at the focal position of the original beam before the division. When the beam is in the range of .75 times, the focal position of the beam is arranged at a position within 0.5% to 2.5% of the distance from the lens to the focal position inside the steel plate from the steel plate surface. Item 2. A laser welding method for a plated steel sheet according to Item 1.

A beam on the front side in the welding direction, corresponding to 70% to 30% of the total power, or only a part or all of the front beam, or all of the front beam and a part or all of the front side of the central beam . The beam is called the beam, the other beam is called the rear beam, the focal position of the beam belonging to the front beam is the front beam focal position, and the focal position of the beam belonging to the rear beam is the rear beam focal position. claims and is characterized in that it placed 0.5% to 4.5% position shifted a distance of the beam focus position of the front, from the comparison to the lens to the beam focus position of the rear to the focal position The laser welding method of the plated steel plate of 1.

A beam on the front side in the welding direction, corresponding to 70% to 30% of the total power, or only a part or all of the front beam, or all of the front beam and a part or all of the front side of the central beam . The beam is called the beam, the other beam is called the rear beam, the focal position of the beam belonging to the front beam is the front beam focal position, and the focal position of the beam belonging to the rear beam is the rear beam focal position. and then, the beam focus position of the front side, compared to the beam focus position of the rear side, shifted 1% to 2% of the distance from the focal position removed further lens in the direction according to claim 2-5 to the focal position The method for laser welding a plated steel sheet according to any one of claims 2 to 5, wherein the laser welding method is arranged at a predetermined position.

The gas is blown at a flow rate range of 3.0 to 1.2 liters / min · mm ² per unit area of the gas blowing port toward the laser irradiation point of the steel plate. The laser welding method of the plated steel plate as described in 2.