特許 6411013 レーザ溶接方法および燃料噴射弁の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6411013

(24)【登録日】2018年10月5日

(45)【発行日】2018年10月24日

(54)【発明の名称】レーザ溶接方法および燃料噴射弁の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20181015BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20181015BHJP

   B23K 26/28 20140101ALI20181015BHJP

   B23K 26/323 20140101ALI20181015BHJP

   F02M 61/18 20060101ALI20181015BHJP

   B23K 103/18 20060101ALN20181015BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/21 G

   B23K26/21 N

   B23K26/00 N

   B23K26/28

   B23K26/323

   F02M61/18 360D

   B23K103:18

【請求項の数】6

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2013-125923(P2013-125923)

(22)【出願日】2013年6月14日

(65)【公開番号】特開2015-414(P2015-414A)

(43)【公開日】2015年1月5日

【審査請求日】2015年10月30日

【審判番号】不服2017-5029(P2017-5029/J1)

【審判請求日】2017年4月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立オートモティブシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】張 旭東

(72)【発明者】

【氏名】小林 信章

(72)【発明者】

【氏名】茂木 康広

(72)【発明者】

【氏名】矢出 典洋

【合議体】

【審判長】 西村 泰英

【審判官】 篠原 将之

【審判官】 平岩 正一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−２３９８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１４１５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４０３９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−１０８８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２４５０６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−１０８８７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２０５４６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３５１０８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

B23K 26/21

B23K 26/00

B23K 26/28

B23K 26/323

F02M 61/18

B23K 103/18

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１被溶接材と第２被溶接材とを重ね合わせて、前記第１被溶接材の表面側からレーザ出力を周期的に変化させるパルスレーザを照射して深溶込み型レーザ溶接により溶接するレーザ溶接方法であって、
前記パルスレーザをピーク出力で１００Ｗ以上６００Ｗ以下、前記パルスレーザのパルス周波数を１００Ｈｚ以上、且つ、前記パルスレーザによる前記第１被溶接材の表面に照射されるパワー密度を１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上とし、
レーザ照射時間をキーホールが前記第１被溶接材の厚さを超える要求の溶込み深さとなるまでの時間と一致させ、
レーザ停止時間を前記キーホールの中間部が閉じるまでの時間よりも短い時間とする
ことを特徴とするレーザ溶接方法。

【請求項2】

前記パルスレーザによる溶接速度を４．０ｍｍ／ｓ以上１００ｍｍ／ｓ以下、且つ、前記パルスレーザのスポット径を０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下とする
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。

【請求項3】

燃料を噴射する噴射孔が設けられたノズルプレートとノズル本体とを重ね合わせて、前記ノズルプレートの表面側から、レーザ出力を周期的に変化させるパルスレーザを照射して深溶込み型レーザ溶接により燃料噴射弁を溶接して製造する燃料噴射弁の製造方法であって、
前記パルスレーザをピーク出力で１００Ｗ以上６００Ｗ以下、前記パルスレーザのパルス周波数を１００Ｈｚ以上、且つ、前記パルスレーザによる前記ノズルプレートの表面に照射されるパワー密度を１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上とし、
レーザ照射時間をキーホールが前記ノズルプレートの厚さを超える要求の溶込み深さとなるまでの時間と一致させ、
レーザ停止時間を前記キーホールの中間部が閉じるまでの時間よりも短い時間とする
ことを特徴とする燃料噴射弁の製造方法。

【請求項4】

前記パルスレーザによる溶接速度を４．０ｍｍ／ｓ以上１００ｍｍ／ｓ以下、且つ、前記パルスレーザのスポット径を０．０５ｍｍ以上０．３ｍｍ以下とする
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射弁の製造方法。

【請求項5】

前記ノズルプレートを連続した周溶接によって溶接する
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射弁の製造方法。

【請求項6】

前記ノズルプレートは、ニッケル材またはニッケル材と他の金属とが複合された複合素材である
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射弁の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被溶接材をレーザ溶接するレーザ溶接方法および燃料噴射弁の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ溶接は、熱源となるレーザ光のエネルギ密度が高いため、低歪み、高速度、高精度の溶接継手が得られることから各方面で使用されている。自動車分野においては、ステンレス鋼や炭素鋼などの鉄鋼材料や、アルミニウム合金や、ニッケル合金などの金属材料に対し、複数の被溶接材を重ねて溶接することが行われている。

【0003】

例えば、燃料噴射弁の噴射ノズル（溶接部材）は、燃料噴射孔を有するノズルプレート（被溶接材）と、燃料経路を提供するノズル本体（被溶接材）と、を溶接して製造される。ノズルプレートとノズル本体との溶接には、低歪み、高精度が要求され、また、溶接速度が高速であることが望ましいから、レーザ溶接が用いられている。レーザ溶接の方法には、熱伝導型レーザ溶接と、深溶込み型（キーホールモード）レーザ溶接と、の２種類の方法がある。

【0004】

熱伝導型レーザ溶接は、被溶接材の表面にレーザ光を照射し、照射されたレーザ光が被溶接材に吸収され、レーザ光が熱に変換されることで熱エネルギが材料内部まで熱伝導して被溶接材を溶融することにより、被溶接材を溶接する方法である。この溶接方法は、溶接ビードの溶込み深さより溶接ビードの表面幅が広いタイプの溶接であり、溶込み深さが浅く、表面幅が広い溶接ビードが形成しやすい。このため、溶込み深さが深く、表面幅が狭く、溶接変形が小さい溶接が要求されている場合には、熱伝導型レーザ溶接を適用することはできない。

【0005】

一方、深溶込み型（キーホールモード）レーザ溶接は、被溶接材の表面に照射されるレーザ光のパワー密度（単位面積当たりのレーザ出力）が１０⁶ Ｗ／ｃｍ² 以上になると、金属材料からなる被溶接材の金属表面の温度が金属の沸点以上になり、プラズマの発生とともに金属蒸気がレーザ光の照射点から激しく飛び出し、その金属蒸気の反動力で溶融金属面が凹む。そして、レーザ光が凹み（キーホール）の中で反射を繰り返しながら入射して、深く細いキーホールを形成することにより、被溶接材を溶接する方法である。この溶接方法は、熱伝導型レーザ溶接よりも溶接ビードの溶込み深さを深くすることができる。また、この溶接方法は、溶接ビードの溶込み深さを溶接ビードの表面幅の数倍以上とすることができる。

【0006】

現状、燃料噴射弁のノズルプレートは、薄板のステンレス鋼の圧延材をノズルプレート材として用いており、ノズル本体とノズルプレートのレーザ溶接は、熱伝導型レーザ溶接プロセスが適用されている。
また、燃料噴射や生産能率の向上のため、電鋳法によるＮｉを含有する材質を用い、燃料微粒化や噴射性能を向上できる特殊な燃料通路と噴射孔を設けた厚板のノズルプレートが開発されている。このような板厚を増加したノズルプレートとノズル本体の溶接は、深溶込み型（キーホールモード）レーザ溶接を適用する必要がある。

【0007】

深溶込み型（キーホールモード）レーザ溶接は、溶接条件によってキーホールが不安定になり、溶接後の溶接部にポロシティが発生するという課題がある。このようなポロシティを解決するために、適切なパルス幅または周波数を設定したパルスレーザ光を用い、キーホールを安定化させることによりポロシティを抑制するレーザ溶接方法が開示されている。

【0008】

例えば、特許文献１（特開２００１−２０５４６４号公報）には、レーザ光のパルス幅の設定は、キーホールが不安定になりポロシティが急増する前にレーザ光の照射をなくし、キーホールを安定なまま閉じさせ、ポロシティの生成を防止するレーザ溶接方法が開示されている。

【0009】

また、特許文献２（特開２００２−２２４８６７号公報）には、金属溶融池の固有振動数と一致した周波数でレーザ出力を周期的に変動させて溶接することを特徴するレーザ溶接方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００１−２０５４６４号公報

【特許文献2】特開２００２−２２４８６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、特許文献１に開示されたレーザ溶接方法には、パルス幅（レーザ照射時間）の設定については開示されているが、レーザ光の照射を停止してから後の時間（レーザ停止時間）の設定方法について開示されていない。レーザ停止時間が長くなると、溶接ビードは断続になり、連続した溶接ビードが要求される場合に適用することができない。また、レーザ停止時間が短くなると、連続波のレーザ溶接と同じようなキーホールの変動が生じ、ポロシティの抑制効果がなくなる。

【0012】

また、特許文献２に記載された溶接方法は、レーザ出力が数ｋＷ以上、溶込み深さが数ｍｍ〜数十ｍｍの場合に得られた結果である。しかし、燃料噴射弁のような溶込み深さが最大で１ｍｍ程度しかないレーザ溶接に対応できるパルスの周波数は開示されていない。

【0013】

そこで、本発明は、溶込み深さが浅く（例えば１ｍｍ未満）かつ連続溶接部が要求される深溶込み型（キーホールモード）レーザ溶接において、ポロシティを抑制するレーザ溶接方法および燃料噴射弁の製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

このような課題を解決するために、本発明に係るレーザ溶接方法は、第１被溶接材と第２被溶接材とを重ね合わせて、前記第１被溶接材の表面側から被溶接材にレーザ出力を周期的に変化させるパルスレーザを照射して深溶込み型レーザ溶接により溶接するレーザ溶接方法であって、レーザ照射時間をキーホールが前記第１被溶接材の厚さを超える要求の溶込み深さとなるまでの時間と一致させ、レーザ停止時間を前記キーホールの中間部が閉じるまでの時間よりも短い時間とすることを特徴とする。また、本発明に係る燃料噴射弁の製造方法は、燃料を噴射する噴射孔が設けられたノズルプレートとノズル本体とを重ね合わせて、前記ノズルプレートの表面側から、レーザ出力を周期的に変化させるパルスレーザを照射して深溶込み型レーザ溶接により燃料噴射弁を溶接して製造する燃料噴射弁の製造方法であって、レーザ照射時間をキーホールが前記ノズルプレートの厚さを超える要求の溶込み深さとなるまでの時間と一致させ、レーザ停止時間を前記キーホールの中間部が閉じるまでの時間よりも短い時間とすることを特徴とする。レーザ溶接では、前記パルスレーザをピーク出力で１００Ｗ以上６００Ｗ以下、前記パルスレーザのパルス周波数を１００Ｈｚ以上、且つ、前記パルスレーザによる前記第１被溶接材の表面に照射されるパワー密度を１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上とする。

【0015】

また、本発明に係るレーザ溶接方法により得られる溶接部材は、第１被溶接材と、第２被溶接材と、前記第１被溶接材と前記第２被溶接材とを重ね合わせて、前記第１被溶接材の表面側から、レーザ出力を周期的に変化させるパルスレーザを照射して深溶込み型レーザ溶接により形成された溶接ビードと、を備え、前記パルスレーザ光は、レーザ照射時間をキーホールが前記第１被溶接材の厚さを超える要求の溶込み深さとなるまでの時間と一致させ、レーザ停止時間を前記キーホールの中間部が閉じるまでの時間よりも短い時間とすることを特徴とする。

【0016】

また、本発明に係る燃料噴射弁の製造方法により得られる燃料噴射弁は、燃料を噴射する噴射孔が設けられたノズルプレートと、ノズル本体と、前記ノズルプレートと前記ノズル本体とを重ね合わせて、前記ノズルプレートの表面側から、レーザ出力を周期的に変化させるパルスレーザを照射して深溶込み型レーザ溶接により形成された溶接ビードと、を備え、前記パルスレーザは、レーザ照射時間をキーホールが前記ノズルプレートの厚さを超える要求の溶込み深さとなるまでの時間と一致させ、レーザ停止時間を前記キーホールの中間部が閉じるまでの時間よりも短い時間とすることを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、溶込み深さが浅くかつ連続溶接部が要求される深溶込み型（キーホールモード）レーザ溶接において、ポロシティを抑制するレーザ溶接方法および燃料噴射弁の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】（ａ）は本実施形態に係る溶接部材の縦断面図であり、（ｂ）は本実施形態に係る溶接部材の先端側から見た平面図である。

【図2】本実施形態に係る溶接部材の深溶込み型レーザ溶接に用いるレーザ出力波形を示す図である。

【図3】本実施形態におけるレーザ照射開始後０．１ｍｓ時点でのキーホールの生成機構を示す断面模式図である。

【図4】本実施形態におけるレーザ照射開始後２．０ｍｓ時点でのキーホールと溶融池の状態を示す断面模式図である。

【図5】本実施形態におけるレーザ照射開始後５．０ｍｓ時点でのキーホールと溶融池の状態を示す断面模式図である。

【図6】本実施形態におけるレーザ照射停止後５．０ｍｓ時点でのキーホールと溶融池の状態を示す断面模式図である。

【図7】本実施形態における溶接ビードの状態を示す断面模式図である。

【図8】比較例１におけるレーザ照射開始後１０．０ｍｓ時点でのキーホールと溶融池の状態を示す断面模式図である。

【図9】比較例１における溶接ビードの状態を示す断面模式図である。

【図10】比較例２におけるレーザ照射停止後１０．０ｍｓ時点でのキーホールと溶融池の状態を示す断面模式図である。

【図11】レーザ停止時間と、溶接ビード内に発生するポロシティ数と、の関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。

【0020】

≪燃料噴射弁の噴射ノズル（溶接部材）Ｆ≫
本実施形態に係る溶接部材Ｆについて、図１を用いて説明する。なお、本実施形態に係る溶接部材Ｆは、例えば、自動車の内燃機関に使用される燃料噴射弁（インジェクタともいう）の噴射ノズルＦである。以下、本実施形態に係る溶接部材Ｆは、燃料噴射弁の噴射ノズルＦであるものとして説明する。図１（ａ）は本実施形態に係る溶接部材Ｆの縦断面図であり、図１（ｂ）は本実施形態に係る溶接部材Ｆの先端側から見た平面図である。なお、図１（ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ線で切断した縦断面図であり、図１（ｂ）は溶接部材Ｆを図１（ａ）の矢印Ｂ方向に見た平面図である。

【0021】

図１（ａ）に示すように、燃料噴射弁の噴射ノズル（溶接部材）Ｆは、ノズルプレート（被溶接材）１とノズル本体（被溶接材）２とを、深溶込み型（キーホールモード）レーザ溶接により溶接ビード３を形成して、重ね継手（重ね溶接継手）で接合した溶接部材である。なお、図１では、燃料噴射弁の先端部の噴射ノズルＦのみを図示しており、燃料噴射弁の他の構成部分である、ニードル（弁体）、プランジャ、ソレノイドなどは、公知の技術によって構成されているものとして説明を省略する。

【0022】

＜ノズルプレート１、ノズル本体２＞
ノズルプレート１は、電気めっき法で製造されたニッケル含有量を５０％以上含む金属材料で円板形状に形成され、板厚ｔが例えば０．５０ｍｍの薄板材である。ノズル本体２は、マルテンサイト系ステンレス鋼などの鋼鉄材料で略筒状に形成されている。

【0023】

図１（ａ）に示すように、略筒状に形成されるノズル本体２は、その内部の連通路にニードル（弁体）が当接する弁座２１を有し、先端中心部に後述するノズルプレート１の中央室１１と連通する連通孔２２が形成されている。

【0024】

図１（ａ）に示すように、ノズルプレート１の裏面（ノズル本体２と接する側の面）には、凹部が設けられており、ノズルプレート１とノズル本体２を接合することにより、中央室１１と、連通路１２（図１（ｂ）参照）と、スワール室（旋回室）１３と、が形成される。また、スワール室１３からノズルプレート１の表面（ノズル本体２と接する側と反対側の面）に連通する噴射孔１４が形成されている。中央室１１は、ノズル本体２の連通孔２２に対応する位置に形成されている。図１（ｂ）に示すように、連通路１２は、中央室１１からノズルプレート１の径方向に延びて、スワール室１３と連通するように形成されている。スワール室１３は、４つ形成されており、各スワール室１３の中心に燃料を噴射する噴射孔１４が形成されている。

【0025】

噴射ノズル（溶接部材）Ｆから噴射される燃料は、ノズル本体２の連通孔２２から、ノズルプレート１の中央室１１に流れ、その後、４つの連通路１２を経由してスワール室１３に流れる。そして、連通路１２からスワール室１３に流入した燃料は、スワール室１３の内部で旋回し、スワール室１３の中心にある噴射孔１４から噴射されるようになっている。なお、図１（ａ）において、燃料は噴射孔１４から紙面の上方に噴射される。

【0026】

なお、図１において、噴射ノズル（溶接部材）Ｆは、ノズルプレート１に４つの噴射孔１４が形成されているものとして説明したが、これに限られるものではなく、３つ以下であってもよく、５つ以上であってもよい。また、１つのスワール室１３に対して１つの噴射孔１４が形成されているものとして説明したが、これに限られるものではなく、１つのスワール室１３に対して２つ以上の噴射孔１４が形成されていてもよい。また、中央室１１に噴射孔１４が形成されていてもよい。また、噴射孔１４の形状は、円形に限定されるものではなく、楕円形、多角形、長孔形状、円弧形状など適宜変更することができる。また、噴射孔１４の位置や径についても適宜変更することができる。

【0027】

＜溶接ビード３＞
燃料噴射弁の噴射ノズル（溶接部材）Ｆは、ノズルプレート１とノズル本体２とを重ね合わせて、その重ね面のノズルプレート１の表面（ノズル本体２と接する側と反対側の面）側からレーザ光５（後述する図３等参照）を照射して金属材料が溶融した溶融池３ａ（後述する図４等参照）を形成することにより、深溶込み型（キーホールモード）レーザ溶接で溶接ビード３が形成され、ノズルプレート１とノズル本体２とが重ね継手（重ね溶接継手）で接合されている。また、図１（ｂ）に示すように、溶接ビード３は、ノズルプレート１の周縁部（中央室１１、連通路１２、スワール室１３を囲む範囲）に沿って周溶接（全周溶接）されている。このようにして周溶接することにより、ノズルプレート１とノズル本体２との境界面４の隙間が封止されることにより、境界面４から燃料が漏れ出るのを確実に防止できる。

【0028】

この深溶込み型（キーホールモード）レーザ溶接では、例えば、波長が１０７０〜１０８０ｎｍのファイバーレーザを用いることができるが、他の波長のレーザ光５（後述する図３等参照）を使用してもよい。また、図示しないレーザ発信器からレーザ光を発生させ、転送経路を経由し、集光レンズ（図示せず）により集光し、ノズルプレート１の表面にレーザ光５（後述する図３等参照）を照射する。

【0029】

また、シールドガスとして、溶融金属の酸化を防止するため、Ａｒ（アルゴン）を用いる。なお、シールドガスとしては、Ａｒ（アルゴン）に限定されるものでなく、窒素、Ｈｅ（ヘリウム）またはこれら混合ガスを使用してもよい。

【0030】

図２は、本実施形態に係る溶接部材Ｆの深溶込み型（キーホールモード）レーザ溶接に用いるレーザ出力波形を示す図である。
溶接条件としては、例えば、図２に示すパルス波形のレーザピーク出力を１００Ｗ〜６００Ｗ、パルス幅（レーザ照射時間）Ｔｐを５ｍｓ以下、パルスとパルスの間隔であるパルス停止幅（レーザ停止時間）Ｔｂを５ｍｓ以下、溶接速度を４．０ｍｍ／ｓ〜１００ｍｍ／ｓ、ノズルプレート１の表面に照射されるレーザ光のスポット径を０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍで適宜設定することができる。

【0031】

（本実施形態に係るパルス波形制御）
次に、図３から図６を用いて、キーホール６の形成および消失について説明する。なお、本実施形態では、パルス幅Ｔｐを５ｍｓとし、パルス停止幅Ｔｂを５ｍｓとする条件で溶接した場合を例に、レーザパルス照射開始から次のパルス照射直前におけるキーホール６の挙動を説明する。図３は、本実施形態におけるレーザ照射開始後０．１ｍｓ時点でのキーホールの生成機構を示す断面模式図である。図４は、本実施形態におけるレーザ照射開始後２．０ｍｓ時点でのキーホール６と溶融池３ａの状態を示す断面模式図である。図５は、本実施形態におけるレーザ照射開始後５．０ｍｓ時点でのキーホール６と溶融池３ａの状態を示す断面模式図である。図６は、本実施形態におけるレーザ照射停止後５．０ｍｓ時点でのキーホール６と溶融池３ａの状態を示す断面模式図である。なお、図３から図６（および後述する図７から図１０）は断面図を示しているが、説明の便宜上ハッチングの図示を省略している。

【0032】

図３に示すように、ノズルプレート１の表面に照射されるレーザ光５のパワー密度（単位面積当たりのレーザ出力）が例えば１０⁶ Ｗ／ｃｍ² 以上になることで、ノズルプレート１およびノズル本体２の金属表面の温度が金属の沸点以上になり、プラズマの発生とともに金属蒸気７がレーザ光５の照射点から激しく飛び出し、その金属蒸気７の反動力で溶融金属面に凹み６ａを形成する。

【0033】

その後、レーザ照射時間の増加に伴い、金属蒸気７の発生量が増える。また、レーザ光５がキーホール６と溶融池３ａの境界面（キーホール６の壁）で反射を繰り返しながらキーホール６の内部にまで照射される。その結果、例えば、図４に示すように、レーザ照射開始後２．０ｍｓまでに、キーホール６が徐々に深くなっていく同時に、キーホール６の周辺に溶融池３ａが形成され、溶融池３ａの体積が増えていく。

【0034】

そして、図５に示すように、レーザ照射時間が５ｍｓになると、キーホール６が最深部まで到達し、キーホール６の形状も相対的に安定している。この場合、キーホール６内の金属蒸気７の圧力がキーホール６を一定の深さで維持する。

【0035】

図３から図５に示すキーホール６が発生してから最深部に到達するまでの過程では、キーホール６の内部から金属蒸気７がキーホール６の外に飛び出していると当時に、キーホール６の外にあるシールドガスがキーホール６の内部に巻き込まれている。このため、キーホール６の内部には、金属蒸気７だけでなく、シールドガスも含まれている。

【0036】

ここで、キーホール６が最深部まで到達した後、さらにレーザ光５の照射を継続すると、キーホール６の深さはあまり増加しないが、キーホール６の底部の片側の壁にレーザ光５が過度に照射され、レーザ光移動方向と反対側に凹み８（後述する図８参照）が生じてしまう。このような状態から溶融金属が凝固する際には、凹み８に巻き込まれたシールドガスがそのまま溶融池３ａに進入し、凝固後に溶接金属の内部にシールドガスが残り、ポロシティ９（後述する図９参照）の発生原因の一つになる。

【0037】

これに対し、本実施形態では、パルス幅Ｔｐを５ｍｓ以下に設定することにより、図５に示すように、キーホール６が最深部まで安定して到達した後に、レーザ光５の照射を停止するようになっている。これにより、キーホール６の底部の片側の壁にレーザ光５が過度に照射され、レーザ光移動方向と反対側に凹み８（後述する図８参照）が生じないうちに、キーホール６の形成段階を終了し、キーホール６を閉じる段階に移行する。これにより、レーザ照射過程におけるポロシティの発生を防止する。

【0038】

そして、レーザ照射時間が５ｍｓ（Ｔｐ＝５．０ｍｓ）の後にレーザ光５の照射を停止する。このように、レーザ照射を停止してから５ｍｓ経過した場合のキーホールの状態を図６に示す。レーザ照射の停止により、金属蒸気７の発生量が少なくなるため、キーホール６内の圧力が急減し、キーホール６が短時間で閉じることになる。

【0039】

しかし、キーホール６の閉じ方は、底部から開口部まで徐々に閉じるものではなく、溶融池３ａの溶融金属の影響によりキーホール６の中間部３ｂから先に閉じる可能性がある。キーホール６の中間部が底部より先に閉じた場合、閉じた中間部より下のキーホール６に残ったシールドガスがそのまま溶融金属内に進入し、凝固過程中にポロシティ９になる。

【0040】

これに対し、本実施形態では、パルス停止幅Ｔｂを５ｍｓとしたため、キーホール６の中間部が底部より先に閉じる前に、次のパルスレーザの照射が開始する（図２参照）。これにより、キーホール６の中間部が先に閉じることを防止し、レーザ照射停止過程におけるポロシティの発生を防止する。

【0041】

上記のようなパルス波形でレーザ照射と停止の過程を繰返すことにより、キーホール６の形成過程と消失過程を周期的に進行しながら、溶接を進めていく。その結果、図７に示すようなポロシティを生じない溶接ビードが得られる。

【0042】

図７は、本実施形態における溶接ビード３の状態を示す断面模式図である。
図７に示すように、上記のパルス波形を用いた深溶込み型（キーホールモード）レーザ溶接により、溶接ビード３を備えた重ね溶接継手を得た。この重ね溶接継手において、例えば、ノズルプレート１の表面に形成される溶接ビード３の断面形状の表面幅は、０．６ｍｍであり、ノズルプレート１の表面から溶接ビード３の底部までの全体の溶込み深さは、０．８ｍｍであった。また、前記したように、ノズルプレート１の板厚が０．５ｍｍであり、境界線（境界面４）から溶接ビードの底部までの深さは、０．３０ｍｍであった。

【0043】

このような溶接ビード３（溶接ビード断面形状）を有する重ね溶接継手について、顕微鏡で溶接部の組織および欠陥を観察した。その結果、溶接部に溶接割れ、ポロシティ、接合不良などの溶接欠陥は認められなかった。

【0044】

（比較例１）
次に、図８を用いて、比較例１におけるキーホールの状態とポロシティの発生を説明する。図８は、比較例１におけるレーザ照射開始後１０．０ｍｓ時点でのキーホール６と溶融池３ａの状態を示す断面模式図である。即ち、図８に示す比較例１は、図５に示すレーザ照射時間が５ｍｓになった時点から、さらにレーザ照射を継続し、レーザ照射時間が１０ｍｓ（即ち、パルス幅Ｔｐ＝１０．０ｍｓ）とした場合である。

【0045】

図５に示すキーホール６がすでに最深部に到達した状態から、レーザ照射を継続しても、図８に示すように、キーホール６の深さがほとんど増加しない。一方で、キーホール６と溶融池３ａの境界面（キーホール６の壁）で反射したレーザ光５が、キーホール６の底部の片側の壁に過度に照射されることにより、壁面で金属が蒸発する際の反動力で、レーザ光移動方向と反対側に凹み８が生じてしまう。このようなキーホール６の底部の凹み８に巻き込まれたシールドガスが気泡となってそのまま溶融池３ａに進入し、図８の矢印に示す湯流れに沿って溶融池３ａの中に移動するため、後の凝固過程で溶融池３ａから外に脱出できなくなり、溶接ビード３の内部にポロシティ９を生じてしまう。

【0046】

図９は、比較例１における溶接ビード３の状態を示す断面模式図である。
図９に示す比較例１における溶接ビード３の形状とサイズは、図７に示す本実施形態における溶接ビード３の形状とサイズとほぼ同じであるが、比較例１における溶接ビード３には、溶接金属内部に複数のポロシティ９が観察された。

【0047】

（比較例２）
次に、図１０を用いて、比較例２におけるキーホールの状態とポロシティの発生を説明する。図１０は、比較例２におけるレーザ照射停止後１０．０ｍｓ時点でのキーホール６と溶融池３ａの状態を示す断面模式図である。即ち、図１０に示す比較例２は、図６に示すレーザ停止時間が５ｍｓになった時点から、さらにレーザ照射停止を継続し、レーザ停止時間が１０ｍｓ（即ち、パルス停止幅Ｔｂ＝１０．０ｍｓ）とした場合である。

【0048】

レーザ照射時間が５ｍｓになった時点では、キーホール６がすでに最深部に安定に到達し、キーホール６の底部の片側の壁に凹み８（図８参照）が形成される前にレーザ照射を停止した。しかし、その後のレーザ停止時間が１０ｍｓであったため、キーホール６の中間部３ｂが閉じるまでの時間より長くなったため、レーザ照射を停止した期間において、キーホール６の中間部３ｂが底部より先に閉じた。その結果、中間部３ｂ以下のキーホール６に残ったシールドガスがそのまま溶融金属内に進入し、凝固過程中にポロシティ９になった。

【0049】

＜まとめ＞
図１１は、レーザ停止時間と、溶接ビード内に発生するポロシティ数と、の関係を示すグラフである。パルス停止幅Ｔｂを変えながら溶接サンプルを作成し、作成した溶接サンプルに対して、Ｘ線透過検査を行い、溶接部のポロシティ数を計測した。なお、パルス幅Ｔｐとパルス停止幅Ｔｂは等しくした（Ｔｐ＝Ｔｂ）。

【0050】

図１１示すように、パルス幅Ｔｐとレーザ停止時間Ｔｂを５ｍｓ以下（パルス周期Ｔ（＝Ｔｐ＋Ｔｂ）１０ｍｓ以下、パルス周波数１００Ｈｚ以上）とした場合、溶接金属部のポロシティがほぼゼロになる。一方、パルス幅Ｔｐとレーザ停止時間Ｔｂを５ｍｓより大きくすると、溶接金属部のポロシティ数が急激に増加することがわかった。

【符号の説明】

【0051】

１ ノズルプレート（被溶接材）
２ ノズル本体（被溶接材）
３ 溶接ビード
３ａ 溶融池
３ｂ 中間部
４ 境界面
５ レーザ光
６ キーホール
６ａ 凹み
７ 金属蒸気
８ 凹み
９ ポロシティ
１１ 中央室
１２ 連通路
１３ スワール室（旋回室）
１４ 噴射孔
２１ 弁座
２２ 連通孔
Ｆ 噴射ノズル（溶接部材、燃料噴射弁）
Ｔｐ パルス幅（レーザ照射時間）
Ｔｂ パルス停止幅（レーザ停止時間）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】