JP6203297B2

JP6203297B2 - レーザ重ね溶接方法

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Publication number: JP6203297B2
Application number: JP2016003251A
Authority: JP
Inventors: 洋行武部; 文彦杉原
Original assignee: H-ONE CO.,LTD.
Current assignee: H-ONE CO.,LTD.
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: CN107427962A; US11084125B2; WO2017122681A1; US20180079031A1; CN107427962B; JP2017124402A

Description

本発明は、複数重ねたワークを、一側表面の溶接開始端から終端部までの溶接走査区間にレーザを照射して溶接を行うレーザ重ね溶接方法に関する。

一般に、この種のレーザ重ね溶接では、例えば図７に示すように、二枚重ねた鋼板製ワーク１、２の一側表面３にレーザヘッド４を直線的に走査してレーザＬを照射し、一側ワーク１の金属を局部的に溶融し、その溶融した金属５ａが板隙間ｄを介して他側ワーク２に溶着し、凝固することによりワーク１、２を溶接される。そのとき、一側表面３に照射するレーザＬの照射径ΦAは、溶接開始端と、その開始端から溶接終端部に至る途中および溶接終端部を通じて略同一にすることによりレーザ出力を一定に維持し、そのレーザ光のエネルギー密度が最大となる最も小さい集光径（フォーカス状態）に設定ししてレーザエネルギーの出力効率を良好にしている。

しかし、従来のレーザ重ね溶接では、レーザ出力を溶接開始端から終端部までの間、レーザ出力を所定区間一定に維持すると、例えば図８に示すように、溶接終端部のにおいながら揺冊して、一側表面３にヒケ６が発生し、それが原因でワーク１、２の接合強度が低下していた。このようにこうしてワーク１、２の溶接終端部にヒケ６ができるのは、レーザＬを局部的に連続照射して溶融した金属５ａを、溶接走査方向前方のヒケ６内に追いやりながら追い遣りながら溶接し、ヒケ６内に追いやられて溶融金属５ａが周りから順次冷えて凝固する。一方、溶接終端部まで、前方からヒケ６内に十分に溶融金属５ａが供給されないために、ヒケ６内を完全に埋めるだけの材料が不足し、溶融した金属材料５ａが周りから順に冷えて凝固しつつ収縮していくと、その中央部分の厚さ方向にヒケ６が発生し、場合によって貫通穴が開いている。

そこで、従来は、レーザが溶接終端部に到達したとき、即座にレーザ照射を止めるのではなく、特許文献１に記載するように、レーザ出力を溶接終端部Ｅに向かうに従い徐々に低下させる溶接方法が採られている。こうして溶接ビード５の溶接終端部において、レーザ出力を徐々に下げると、溶け込み深さが徐々に浅くなるので、確かに溶接終端部における穴開き発生頻度は減少する。

特開２００７−３１３５４４号公報

ところが、上記従来のレーザ重ね溶接方法では、溶接終端部における穴開き発生頻度が減少しても、図９（Ａ）に示すように、依然として、溶接ビード５の溶融した金属５ａが冷めて溶接走査方向Ｘに沿って細長く凝固し、この溶融した金属５ａが凝固する際に、比較的深く凹んだヒケ６がワーク１の表面上の溶接終端部に発生し、しかも、ヒケ６には、図９（Ｂ）に示すように、他側ワーク２との板隙間ｄ寄りに深く亀裂（内部亀裂）ｒを生じる凝固割れを起こし、この凝固割れが原因で重ねたワーク１、２の接合強度が低下するという課題があった。

本発明の目的は、複数重ねたワークを、一側表面の溶接開始端から溶接終端部までの走査区間にレーザを照射して溶接を行うレーザ重ね溶接方法において、レーザ走査の溶接終端部に起こり易い凝固割れを防止して重ね合わせワークの接合強度を上げることにある。

そのため、本発明者らは、鋭意研究実験を重ね、複数重ねたワークの一側表面にレーザを照射して重ね溶接したときに溶接終端部に発生しやすい凝固割れの発生メカニズムを明らかにした。即ち、凝固割れは、例えば図６に（Ａ）に示すように、溶接終端部において、一側表面３のレーザの照射を止めてレーザ重ね溶接を終了すると、（Ｂ）溶接ビード５の溶融した金属５ａが順次周囲より冷えて凝固を開始しながら収縮して引張応力Ｐを発生し、（Ｃ）その溶接ビード５の中央部分に走査方向Ｘに沿って平面視細長にヒケ６が形成されるが、溶融金属５ａの凝固が直線状に進むに従い引張応力Ｐが増強し、すると、強い引張応力Ｐによって溶融金属５ａが次第に薄くなって凹みだし、（Ｄ）ヒケ６が始め底浅な凹溝状から底深い鋭角なＶ溝形状に変形し、Ｖ溝形状を呈するヒケ６に引張応力Ｐが集中するから、それが原因により溶接終端部でＶ溝形状に深く凹んだヒケ６から走査方向に長い亀裂ｒを生じて凝固割れが起こることを解明した。

そこで、本発明者らは、上述のように直線走査してレーザ照射位置が溶接終端部に至ると、レーザ照射を止めずに、その終端部でのワークの厚さ方向軸線周りに平面視円形に一定時間回転走査し、溶融金属の溶融部分を円形に掻き混ぜて溶融金属が凝固し始めるときに生ずる引張応力を均一化し、これにより、溶融した金属が直線的にレーザ走査の方向に向け線状に凝固して凹溝状のヒケに引張応力が集中するのを阻止し、溶接終端部でＶ溝形状に凹んだヒケから亀裂を生じて凝固割れが起こるのを防止できるという知見を得た。即ち、溶融した金属が凝固するときに生ずる引張応力が原因で起こる凝固割れの現象を利用することにより、上述した従来の課題を解決することできることが判り、本発明を完成するに至った。

即ち、請求項１に係る発明は、たとえば以下に示す図示実施の形態のとおり、複数重ねたワーク１０、１１を、溶接部位が重なり合った状態で溶接冶具にセットし、一側表面１０ａの溶接開始端Ｓから溶接終端部Ｅまで直線走査してレーザＬを照射し、溶接終端部Ｅに到達する一定時間手前のレーザ出力制御位置に至ると、溶接終端部Ｅに到達するまで照射するレーザの出力が徐々に下がるように制御し、次いで、溶接終端部Ｅに到達すると、その終端部のワークの厚さ方向軸線周りにレーザを回転走査し、溶融金属の溶融部分に照射して溶融金属が凝固するときに発生する引張応力が凹溝状のヒケに集中しないで均一化するように溶融金属の溶融部分を円形状に流動させることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ重ね溶接方法において、たとえば以下に示す図示実施の形態のとおり、レーザ照射位置が前記レーザ出力制御位置に至ると、直線状に走査してレーザＬを照射する走査速度を徐々に高速にして溶接終端部Ｅに到達するまで照射するレーザ光のエネルギー密度が徐々に下がるように制御することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ重ね溶接方法において、たとえば以下に示す図示実施の形態のとおり、前記溶接終端部でのレーザの回転走査を、前記溶接終端部に到達する前の直線状に照射するレーザの走査速度より低速度で且つ直線状に照射するレーザ出力より低出力で行うことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、レーザを直線走査してレーザ照射位置が溶接終端部に到達する手前の出力制御位置に至ると、溶接終端部に到達するまで照射するレーザの出力が徐々に下がるように制御して溶接するから、その溶接部位の溶け込み深さが徐々に浅くなるので、溶接終端部に貫通穴が開く穴開きの発生頻度を減少させることができ、それだけ重ね合わせワークの接合強度を上げることができる。次いで、そのように直線走査してレーザ照射位置が溶接終端部に至ると、レーザ照射を止めずにワークの厚さ方向軸線周りに平面視円形に一定時間回転走査し、溶融金属の溶融部分を円形に流動させるから、その溶融部分が溶接終端部で凝固し始めるとき、重ねたワークの厚さ方向軸線周りを円形に回転走査して金属の溶融部分を流動させて掻き混ぜることにより、溶融金属が凝固するときに発生する引張応力を均一化し、溶融した金属が直線的なレーザ走査方向に向け線状に凝固してヒケに引張応力が集中するのを阻止し、溶接終端部でＶ溝形状に深く凹んだヒケから亀裂を生じて凝固割れが起こるのを効果的に防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、溶接終端部に到達する手前のレーザ出力制御位置に至ると、直線状に照射するレーザの走査速度を徐々に高速にしてレーザ走査することで、単位時間当たりにレーザ被照射部位に供給されるエネルギーが減少し、結果的にレーザ出力を徐々に低減させるのと同様の効果が得られる。即ち、直線走査してレーザ照射位置が溶接終端部に到達する手前の出力制御位置に至ると、溶接終端部に到達するまで照射するレーザ光のエネルギー密度が徐々に下がるように制御して溶接するから、その溶接部位の溶け込み深さが徐々に浅くなるので、溶接終端部に貫通穴が開いてしまう穴開きの発生頻度を減少させることができ、それだけ重ね合わせワークの接合強度を上げることができる。

請求項３に記載の発明によれば、溶接終端部でのレーザの回転走査を、溶接終端部に到達する前の直線状にレーザを照射する走査速度より低速度で且つ直線状に照射するレーザ出力より低出力で行うことで、単位時間当たりに溶接終端部のレーザ被照射部位に供給されるエネルギーが増大するため、結果的に溶融金属の溶融部分がより効果的に円形に流動し、溶融金属が凝固するときに発生する引張応力を効果的に均一化し、その結果、溶接終端部で溶融した金属が線状に凝固してヒケに引張応力が集中するのを抑制し、溶接終端部に凹んだヒケから亀裂を生じて凝固割れが起こるのを防止することができる。

本発明に係るレーザ重ね溶接方法の溶接開始端から溶接終端部までの溶接加工プロセスを説明する模式図である。本発明を実施するレーザ溶接装置の構造を示す側面図である。本発明方法を使用して製造する自動車用鋼板製フレームの外観斜視図である。（Ａ）溶接終端部に発生する溶接ビードの平面形状（Ｂ）溶接終端部に発生したヒケの状態を示す線Ｇ−Ｇ断面の顕微鏡写真である。本発明に係るレーザ重ね溶接方法の溶接開始ステップから溶接終了ステップまでの溶接プロセスを説明するフローチャートである。溶接終端部の凝固割れ発生メカニズムを段階的に分けて説明する模式図である。従来の重ね合わせワークのレーザ溶接方法を説明する模式図である。従来の重ね合わせワークのレーザ溶接方法において、溶接終端部にヒケが発生する状態を説明する模式図である。従来のレーザ溶接方法において（Ａ）溶接終端部にできた凝固割れの平面形状（Ｂ）溶接終端部に発生した凝固割れ状態を示す線Ｄ−Ｄ断面の顕微鏡写真である。

以下、本発明を実施するための形態を図１〜図６に基づいて詳細に説明する。なお、従来例と同一部材は、同一符号を付して説明する。

本発明の実施形態に係るレーザ重ね溶接方法は、図１に溶接開始端Ｓから終端部Ｅの溶接加工プロセスを示すように、重ねたワーク１０、１１を、一側表面１０ａの溶接開始端Ｓから溶接終端部Ｅまでの一定の直線走査区間にレーザを走査して直線状に照射することにより溶接を行い、溶接終端部Ｅに到達する手前のレーザ出力制御位置に至ると、溶接終端部Ｅに到達するまで照射するレーザの出力が徐々に下がるように制御し、次いで、溶接終端部Ｅのワークの厚さ方向軸線周りに回転走査して溶融金属の溶融部分を円形状に流動させる設定にする。

本実施の形態では、溶接部位に互いが重なり合う板状部を有するワークであればよく、双方が全体にプレートの板状体でなくとも、いずれか一方が板状体又は双方とも一部に重ね合う板状部を有したワークであっても採用することができる。また、本実施の形態では、板状のワーク１０、１１が２枚重ね合わされて溶接される形態に採用されるが、板状のワークが３枚重ね合わせて溶接する実施形態にも採用することができる。

そこで、図示実施の形態では、図２に示すように、レーザ溶接装置を使用して本発明のレーザ重ね溶接方法を実施し、図３に示すように、重ね合うワークの断面ハット形フレーム部品１０に他のパネル部品１１を溶接し、例えば自動車用車体の鋼板製フレームＦを製造するものとする。制御装置Ｃと、補正教示位置データに基づいて溶接を行う溶接工程で用いる溶接ヘッドＨを備える。

図示実施の形態において、本発明のレーザ重ね溶接方法を用いて製造する鋼板製フレームＦは、薄鋼板を用いて、図２に示すように、断面コ形状をなすフレーム本体１３と、フレーム本体１３のウェブ（縦壁部）１４の両側縁から曲げ延びるフランジ１５とからなる断面ハット型にプレス成形したフレーム部品１０のフランジ１５に、該フランジと対向して接合するパネル部品１１を、Ｒ止まり位置１２の近傍に溶接して製造する。

図示実施の形態では、重ね合わせワーク１０、１１に使用される鋼板は、板厚が0.6mm~3mmの範囲内で、レーザＬの出力は、2kW~6kWの範囲内に設定し、レーザ溶接ヘッドＨの溶接走査速度は、ワーク１０、１１の板厚等に依存されるが、レーザ出力が2kW、溶接開始端Ｓにおけるワーク１０表面１０ａのレーザ照射径が0.6mmおよびワーク１０、１１の板厚が0.7mmの場合には、2m/minに設定する。

そこで、レーザ溶接装置は、溶接ロボットＲと、溶接ロボットＲを駆動制御する制御装置Ｃを備える。溶接ロボットＲは、レーザ溶接ヘッドＨのトーチを溶接位置から離れた離隔位置からレーザＬを出射するリモートレーザ溶接方式により溶接を行う。

制御装置Ｃは、レーザ溶接装置全体を電気的にコントロールし、溶接部品を所定セット位置に位置決め保持する溶接治具と電気的に接続し、ロボットコントローラを介してサーボモータを駆動制御してレーザ溶接ヘッドＨを動作すると共に光源のレーザ発振器を制御してレーザ照射部からラインレーザ光を出射して重ね溶接を実行する構成になっている。

さて、上述した構成のレーザ溶接装置を用い、断面ハット形にプレス成形したフレーム部品１０のフランジ１５に、フランジ１５と重ね合わせて接合する他のパネル部品１１を、Ｒ止まり位置の近傍において重ね溶接して鋼板製フレームＦを製造するレーザ重ね溶接方法について、図１、図４および図５に基づき、以下に説明する。

（１）第１パス：直線走査工程Ａ
まず、本実施の形態に係るレーザ重ね溶接は、断面ハット形フレーム部品１０のフランジ１５に接合する他のパネル部品１１を、厚さ方向上下に重ね合わせた状態で溶接冶具上の所定セット位置に位置決めセットしてから、一側表面１０ａにレーザＬを走査して上方から照射する（ステップＳ１）。このとき、レーザは、溶接開始端Ｓから一定のレーザ出力で且つ一定の走査速度で直線状に走査を開始し、溶接終端部Ｅまで一定の直線走査区間に亘りレーザを直線状に照射する（ステップＳ２）。

その後、制御装置Ｃは、レーザ照射開始後、所定時間を経過し、レーザ照射位置が溶接終端部Ｅに到達する手前の一定の出力制御位置に至った否かを検知する（ステップＳ３）。即ち、レーザを直線走査して照射する位置が溶接終端部Ｅに到達する手前、例えば0.1秒前のレーザ出力制御位置に至ると、照射するレーザの出力が溶接終端部Ｅに向かうに従い徐々に下がるように制御する（ステップＳ４）。例えば一側表面３に照射するレーザＬの照射径を、溶接開始端Ｓと、その開始端から溶接終端部Ｅに至る途中部位および溶接終端部Ｅへ向かうに従い徐々に低減し、各溶接部位の溶け込み深さが徐々に浅くなるので、溶接終端部Ｅに貫通穴が開く穴開きの発生頻度を減少させることができ、それだけ重ね合わせワーク１０、１１の接合強度を上げることができる。

更に、本実施の形態では、レーザ照射位置が溶接終端部Ｅに到達する手前のレーザ出力制御位置に至ると、直線状に照射するレーザの走査速度を徐々に高速にしてレーザ走査することで、単位時間当たりにレーザ照射位置に照射されるレーザ光のエネルギー密度が減少し、結果的にレーザ出力を徐々に低減させるのと同様の効果が得られる。

尚、本実施の形態では、レーザ出力を連続的に又は段階的に低下させるダウンスロープ或いはフェードダウンを併用することで、一層良好な形状の溶接ビードが得られる。

（２）第２パス：回転走査工程Ｂ
次いで、本実施の形態では、直線走査工程Ａを経て後、直線走査してレーザ照射位置が溶接終端部Ｅに至ると（ステップＳ５）、制御装置Ｃは、レーザ照射を止めずに厚さ方向軸線周りに平面視円形に一定時間（例えば０．１９秒）回転走査し、溶融金属の溶融部分を円形に流動させる（ステップＳ６）。以って、レーザ溶接を終了する（ステップＳ７）。

本実施の形態では、直線走査工程Ａを経て後、直線走査してレーザ照射位置が溶接終端部Ｅに至ると、レーザ照射を止めず、ワークの厚さ方向軸線周りに平面視円形に一定時間回転走査し、溶融金属の溶融部分を円形状に流動させるから、その溶融部分が冷えて凝固し始めても、重ねたワークの厚さ方向軸線周りを円形に回転走査して金属の溶融部分を流動させて掻き混ぜることにより、溶融金属が凝固するときに発生する引張応力を均一化し、溶融した金属が直線的なレーザ走査方向に向け線状に凝固してヒケに引張応力が集中するのを阻止し、溶接終端部でＶ溝形状に深く凹んだヒケから亀裂を生じて凝固割れが起こるのを効果的に防止することができる。

尚、本実施の形態では、この回転走査工程Ｂにおいて、溶接終端部Ｅでのレーザの回転走査を、溶接終端部Ｅに到達する前の直線状にレーザを照射する走査速度より低速度で且つ直線状に照射するレーザ出力より低出力で行うことが望ましい。従って、本実施の形態によれば、溶接終端部でのレーザの回転走査を、溶接終端部に到達する前の直線状にレーザを照射する走査速度より低速度で且つ直線状に照射するレーザ出力より低出力で行うことで、単位時間当たりに溶接終端部のレーザ被照射部位に供給されるレーザのエネルギー密度が増大するため、結果的に溶融金属の溶融部分がより効果的に円形に流動し、溶融金属が凝固するときに発生する引張応力を効果的に均一化し、その結果、溶接終端部で溶融した金属が線状に凝固してヒケに引張応力が集中するのを抑制し、溶接終端部に凹んだヒケから亀裂を生じて凝固割れが起こるのを防止することができる。

尚、図示例では、回転走査工程Ｂにおいて、レーザの回転走査方向が図１中反時計方向であったが、溶接終端部Ｅでのワークの厚さ方向軸線周りに回転走査して溶融金属の溶融部分を円形状に流動させるのであれば、反対の時計方向に回転走査しても良く、回転走査の方向は問われない。

Ａ直線走査工程
Ｂ回転走査工程
Ｃ制御装置
Ｅ溶接終端部
Ｆ鋼板製フレーム
Ｌレーザ
Ｈレーザ溶接ヘッド
Ｐ引張応力
Ｓ溶接開始端
Ｘ走査方向
６ヒケ
１０・１１ワーク

Claims

複数重ねたワークを、溶接部位が重なり合った状態で溶接冶具にセットし、一側表面の溶接開始端から溶接終端部まで直線走査してレーザを照射し、レーザ照射位置が溶接終端部に到達する一定時間手前のレーザ出力制御位置に至ると、溶接終端部に到達するまで照射するレーザの出力が徐々に下がるように制御し、次いで、溶接終端部に到達すると、その終端部のワークの厚さ方向軸線周りにレーザを回転走査し、溶融金属の溶融部分に照射して溶融金属が凝固するときに発生する引張応力が凹溝状のヒケに集中しないで均一化するように溶融金属の溶融部分を円形状に流動させることを特徴とする、レーザ重ね溶接方法。
前記レーザ照射位置が前記レーザ出力制御位置に至ると、直線状に走査してレーザLを照射する走査速度を徐々に高速にして溶接終端部に到達するまで照射するレーザ光のエネルギー密度が徐々に下がるように制御することを特徴とする、請求項１に記載のレーザ重ね溶接方法。
前記溶接終端部でのレーザの回転走査を、前記溶接終端部に到達する前の直線状に照射するレーザの走査速度より低速度で且つ直線状に照射するレーザ出力より低出力で行うことを特徴とする、請求項１又は２記載のレーザ重ね溶接方法。