特開 2024-140998 レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024140998

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20241003BHJP

   B23K 26/067 20060101ALI20241003BHJP

   B23K 26/323 20140101ALI20241003BHJP

   B23K 26/322 20140101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 G

B23K26/067

B23K26/323

B23K26/322

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023052414

(22)【出願日】2023-03-28

(71)【出願人】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】100100354

【弁理士】

【氏名又は名称】江藤 聡明

(72)【発明者】

【氏名】松永 達則

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168BA02

4E168BA74

4E168BA83

4E168BA87

4E168BA88

4E168BA89

4E168DA23

4E168DA24

4E168DA28

4E168DA29

4E168DA32

4E168DA33

4E168DA37

4E168EA05

4E168EA06

4E168EA17

(57)【要約】

【課題】異種金属の接合強度を向上することができるレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供すること。
【解決手段】第１の金属板４２と、該第１の金属板よりも融点の低い材料からなる第２の金属板４４とを重ね合わせた被溶接部材４０に対して、レーザ光を照射して前記第１及び第２の金属板４２，４４を溶接するレーザ溶接方法において、レーザ光を焦点のスポット径を小さくする回折光学素子２２に通過させた後、集光レンズ２４に通過させ、前記焦点のスポット径を０．３ｍｍ以下にして前記第１の金属板４２に照射する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の金属板と、該第１の金属板よりも融点の低い材料からなる第２の金属板とを重ね合わせた被溶接部材に対して、レーザ光を照射して前記第１及び第２の金属板を溶接するレーザ溶接方法において、
レーザ光を焦点のスポット径を小さくする回折光学素子に通過させた後、集光レンズに通過させ、前記焦点のスポット径を０．３ｍｍ以下にして前記第１の金属板に照射することを特徴とするレーザ溶接方法。

【請求項2】

前記第１の金属板は、表面にめっき層を有し、
前記回析光学素子は、前記レーザ光を１つの主ビームと、該主ビームよりもパワー密度が小さい１つ以上の副ビームとに分岐させ、
前記主ビームは、前記第１及び第２の金属板を溶接し、
前記副ビームは、少なくとも前記主ビームの走行方向前方側に形成され、前記第１の金属板の表面層のみを溶融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】

前記回析光学素子は、前記レーザ光を複数の前記副ビームに分岐させ、
複数の前記副ビームは、前記主ビームを囲むリング状に形成されることを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接方法。

【請求項4】

請求項１に記載のレーザ溶接方法を実施可能なレーザ溶接装置であって、
レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
発生されたレーザ光を集光する集光レンズと、
前記レーザ発振器と前記集光レンズとの間に配置され、レーザ光の焦点のスポット径を小さくする回折光学素子と、を備え、
前記回析光学素子により、レーザ光の焦点のスポット径を０．３ｍｍ以下にすることを特徴とするレーザ溶接装置。

【請求項5】

前記回析光学素子は、前記レーザ光を１つの主ビームと、該主ビームよりもパワー密度が小さい１つ以上の副ビームとに分岐させ、
前記主ビームは、前記第１及び第２の金属板を溶接し、
前記副ビームは、少なくとも前記主ビームの走行方向前方側に形成され、前記第１の金属板の表面層のみを溶融することを特徴とする請求項４に記載のレーザ溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、重ね合わされた金属板の溶接に使用されるレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

金属板同士の溶接において、レーザ溶接は、溶接に要する時間が短く、生産性が高いことから、製品を量産する生産ラインで多用されている。自動車等の車両の生産ラインでは、車体を構成する金属板の接合にレーザ溶接が用いられている。

【0003】

車体を構成する金属板としては、強度の高い鉄系材料の金属板が多用されているが、近年では車体の軽量化に伴って、車体の一部にアルミニウム系材料からなる金属板を適用することが増えてきている。レーザ溶接は、同種の金属材料の溶接のみならず、融点の異なる異種金属材料の接合も可能であり、車両の生産ラインにおいて、鉄系材料からなる金属板とアルミニウム系材料からなる金属板の接合にレーザ溶接を利用することが求められている。

【0004】

しかしながら、鉄系材料からなる金属板とアルミニウム系材料からなる金属板とをレーザ溶接する場合、接合界面に金属間化合物（ＩＭＣ）が生成されて、剥離強度が低下する要因となってしまう。そのため、このような異種金属の接合を行う場合、セルフピアスリベット（ＳＰＲ）等のリベットを用いて、異種金属を接合する工程を設けることが一般的であるが、生産性の観点から、金属間化合物の生成を抑えて異種金属をレーザ溶接する方法が開発されている。

【0005】

例えば、特許文献１には、特許文献１には、鉄系材料で形成された第１の金属板と、アルミニウム系材料で形成された第２の金属板との間に、鉄系部材とアルミニウム系部材とを積層したクラッド材を配置してレーザ溶接する方法が記載されている。この方法では、クラッド材の鉄系部材を第１の金属板に接触させ、アルミニウム系部材を第２の金属板に接触させた状態で、異種金属が溶融しあわない溶接条件でレーザ溶接することにより、金属間化合物の発生を抑えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平４－８１２８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、クラッド材を用いる方法では、溶接部ごとにクラッド材が必要となるためコストが掛かる、また、溶接前に２枚の金属板間にクラッド材を供給して保持する工程が必要になるなど、生産性が低下してしまう。

【0008】

それ故、異種金属間にクラッド材等を配置することなく、レーザ溶接によって異種金属の接合強度を確保できる方法が求められていた。

【0009】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、異種金属の接合強度を向上することができるレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、本実施形態の一実施形態は、第１の金属板と、該第１の金属板よりも融点の低い材料からなる第２の金属板とを重ね合わせた被溶接部材に対して、レーザ光を照射して前記第１及び第２の金属板を溶接するレーザ溶接方法において、レーザ光を焦点のスポット径を小さくする回折光学素子に通過させた後、集光レンズに通過させ、前記焦点のスポット径を０．３ｍｍ以下にして前記第１の金属板に照射することを特徴とする。

【0011】

また、本実施形態の一実施形態は、前記レーザ溶接方法を実施可能なレーザ溶接装置であって、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、発生されたレーザ光を集光する集光レンズと、前記レーザ発振器と前記集光レンズとの間に配置され、レーザ光の焦点のスポット径を小さくする回折光学素子と、を備え、前記回析光学素子により、レーザ光の焦点のスポット径を０．３ｍｍ以下にすることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置によれば、異種金属の接合強度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の第１の実施形態であるレーザ溶接方法に用いられるレーサ溶接装置の模式図である。

【図2】本実施形態のレーザ溶接装置を用いた被溶接部材に対する溶接工程の説明図である。

【図3】従来のレーザ溶接装置を用いた被溶接部材に対する溶接工程の説明図である。

【図4】レーザ溶接装置を用いて混流生産を実施する生産ラインの説明図である。

【図5A】第２の実施形態のレーザ溶接装置において第１の金属板の表面に照射されるレーザ光の平面図である。

【図5B】図５ＡのＸ－Ｘ線上のレーザ光のパワー分布を示す説明図である。

【図6A】第１の実施形態のレーザ溶接装置において第１の金属板の表面に照射されるレーザ光の平面図である。

【図6B】図６ＡのＹ－Ｙ線上のレーザ光のパワー分布を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態であるレーザ溶接装置１０の概略図である。レーザ溶接装置１０は、金属板４２，４４を重ね合わされた被溶接部材４０に対して、レーザ光を照射して金属板を溶接する装置である。本実施形態のレーザ溶接装置１０は、融点の異なる異種金属材料の溶接の他に、同種金属材料の溶接に用いることが可能である。レーザ溶接装置１０は、レーザ光を発生させるレーザ発振器１２と、レーザ照射ヘッド１４と、レーザ発振器１２とレーザ照射ヘッド１４とを接続する光路１６と、を備える。

【0015】

レーザ発振器１２は、溶接熱源となるレーザ光を出力できるように構成されている。レーザ発振器１２は、例えば、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、ファイバレーザ、ディスクレーザ等の光源を備えた構成とすることができる。

【0016】

光路１６は、レーザ発振器１２から出力されたレーザ光を伝送してレーザ照射ヘッド１４に入力させる。光路１６は、例えば光ファイバによりレーザ光を自在に湾曲して伝送する構造、又は、ミラーによってレーザ光を折り返して伝送する構造とすることができる。

【0017】

レーザ照射ヘッド１４は、レーザ発振器１２からのレーザ光を伝送して出力し、被溶接部材４０に照射するものである。レーザ照射ヘッド１４は、被溶接部材４０と、これに照射する溶接用のレーザ光３０とが相対的に移動可能となるように構成されており、レーザ光３０を被溶接部材４０上で走査して被溶接部材４０を溶接する。レーザ照射ヘッド１４は、コリメートレンズ２０と、回折光学素子（ＤＯＥ：diffractive optical element）２２と、集光レンズ２４と、を内部に備えている。

【0018】

コリメートレンズ２０は、光路１６を介して入力されたレーザ光をコリメートする。コリメートレンズ２０を通過したレーザ光は平行光となる。集光レンズ２４は、平行光化されたレーザ光を集光する。集光レンズ２４により集光されたレーザ光３０は、レーザ照射ヘッド１４の外部へ出力されて被溶接部材４０に照射される。

【0019】

回折光学素子２２は、コリメートレンズ２０と集光レンズ２４との間に配置されている。回折光学素子２２は、周期の異なる複数の回折格子を一体にして構成されている。回折光学素子２２は、入力されたレーザ光を各回折格子の影響を受けた方向に曲げたり重ね合わせたりすることによってビームの形状を成形するビームシェイパとして機能する。本実施形態において、回折光学素子２２は、レーザ光の焦点のスポット径を小さくするようにビーム形状を成形する。回折光学素子２２を通過して成形されたレーザ光は、集光レンズ２４により集光される。回折光学素子２２により、集光されたレーザ光３０の焦点３１のスポット径は０．３ｍｍ以下となるように設定される。

【0020】

次に、レーザ溶接装置１０を用いて第１の金属板４２と、第１の金属板４２よりも融点の低い材料からなる第２の金属板とを重ね合わせた被溶接部材４０に対して、レーザ溶接を実施する溶接方法について説明する。図１に示すように、本実施形態では、融点の異なる金属板として、鉄系材料からなる第１の金属板４２と、アルミニウム系材料からなる第２の金属板４４とを溶接する。

【0021】

レーザ溶接装置１０に対して、被溶接部材４０は、第１の金属板４２側がレーザ光３０の照射面となるように設置される。レーザ溶接装置１０のレーザ発振器１２から出力されたレーザ光は、光路１６を通ってレーザ照射ヘッド１４に入力され、コリメートレンズ２０を通過して平行光化された後、回折光学素子２２と通過してスポット径が小さくなるようにビーム形状が成形され、その後、集光レンズ２４によって集光される。集光されたレーザ光３０は、第１の金属板４２の表面に焦点３１が位置するように被溶接部材４０に対して照射される。

【0022】

図２及び図３は、被溶接部材４０に対する溶接工程を説明する断面図であり、図２は、本実施形態のレーザ溶接装置１０による溶接部の状態を示し、図３は、回折光学素子２２を備えていない従来のレーザ溶接装置による溶接部の状態を示している。従来の溶接方法では、コリメートレンズを通して平行光となったレーザ光を、回折光学素子を介することなく集光レンズで集光し、溶接用のレーザ光１３０として照射している。これに対し、本実施形態の溶接方法では、回折光学素子２２によりビーム成形することで、図２に示すように、溶接用のレーザ光３０の焦点３１のスポット径φ１が小さくなる。一例として、従来の方法では、集光レンズによって集光されたレーザ光１３０の焦点１３１のスポット径φ２（すなわち最小のスポット径φ２）が０．６ｍｍとなるが、本実施形態のレーザ溶接装置１０では、スポット径φ１が０．２ｍｍとなる。スポット径φ１が小さくなることにより、溶融部４６の形状は従来の溶融部１４６と比べて細いスパイク状になる。

【0023】

上述したように、本実施形態のレーザ溶接方法では、回折光学素子２２によりレーザ光の焦点３１のスポット径φ１を小さくすることができる。これにより、被溶接部材４０に対してレーザ光３０による溶融部４６の形状をスパイク状にし、第１の金属板４２の第２の金属板４４に対する溶け込み量を小さくすることができる。その結果、第１及び第２の金属板４２，４４の接合界面に生成される金属間化合物の厚さを小さくして、第１及び第２の金属板４２，４４の接合強度を向上させることができる。入熱量を抑えて溶け込み量を小さくする方法としては、例えば、レーザ光の出力を変更する方法があるが、レーザ発振器１２の性能によって焦点のスポット径の最小値が決められてしまうため、それ以上小さくすることはできない。また、溶接速度を速くして、溶け込み量を小さくする方法があるが、入熱制御が困難になってしまう。本実施形態のレーザ溶接装置では、回折光学素子２２を使用しない従来の装置と、レーザ出力や溶接速度を同じ条件にした状態で、溶け込み量を小さくし、金属間化合物の厚さを抑えて接合強度を高めることができる。

【0024】

また、本実施形態のレーザ溶接装置１０は、異種金属の溶接のみならず、同種金属の溶接にも用いることが可能である。そのため、例えば、図４に示すように、鋼板とアルミニウム合金板とからなる車体５２と、鋼板のみからなる車体５４とを同一の搬送ライン５１で搬送して混流生産する生産ライン５０において、同一のレーザ溶接装置１０を用いて各車体５２，５４をレーザ溶接することが可能である。このように、同種金属の溶接と異種金属の溶接を同一の生産ラインで行う混流生産に本実施形態のレーザ溶接装置１０を用いることで、製品のタクトタイムを短くして生産効率を向上させることが可能である。

【0025】

（第２の実施形態）
次に、レーザ溶接装置１０の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態のレーザ溶接装置１０は、回折光学素子２２のレンズ形状が第１の実施形態と異なっており、その他の構成は、図１に示すレーザ溶接装置１０と同様である。第２の実施形態のレーザ溶接装置１０では、図５Ａに示すように、回折光学素子２２によってレーザ光を成形することで、レーザ光を１つの主ビーム３２と、主ビーム３２よりもパワー密度が小さい１つ以上の副ビームと３４とに分岐する。

【0026】

主ビーム３２は、第１及び第２の金属板４２，４４を溶接可能なパワー密度を有するとともに、集光レンズ２４を通過した主ビーム３２の焦点のスポット径が０．３ｍｍ以下になるように設定される。副ビーム３４は、第１の金属板４２の表面層のみを溶融する程度のパワー密度を有し、少なくとも主ビーム３２の走行方向前方側に形成される。

【0027】

図５Ａに示す実施例では、レーザ光を主ビーム３２と、複数の副ビーム３４とに分岐させており、複数の副ビーム３４は、主ビーム３２を囲むリング状に形成されている。図示例では、複数の副ビーム３４により円形のリング形状が形成されているが、リング形状はこれに限られず、楕円形や四角形等の多角形であってもよい。

【0028】

図５Ｂは、図５ＡのＸ－Ｘ線上のレーザ光のパワー分布を示す説明図であり、６Ａは、第１の実施形態のレーザ溶接装置１０において第１の金属板４２の表面に照射されるレーザ光３２の平面図、図６Ｂは、図５６のＹ－Ｙ線上のレーザ光のパワー分布を示す説明図である。図５Ｂ及び図６Ｂにおいて、横軸は位置を示している。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、第１の実施形態では、レーザ光が溶接を実施する１つのビームのみからなる。一方、第２の実施形態では、レーザ光の全エネルギー密度を１００％とすると、主ビーム３２度は全体の約９０％であり、複数の副ビーム３４は全体の約１０％となるように設定されている。なお、各副ビーム３４のエネルギーは、ほぼ等しく設定されている。このように、主ビーム３２のエネルギー密度は、副ビーム３４と比べて十分に高くなっている。なお、主ビーム３２は、レーザ光の全エネルギー密度の７５％以上となるように設定されることが好ましい。図５Ａに示す実施例では、各副ビーム３４のスポット径が、主ビーム３２のスポット径よりも大きくなっている。なお、副ビーム３４のスポット径は主ビーム３２と同等またはそれよりも小さくてもよい。

【0029】

副ビーム３４が形成されるレーザ溶接装置１０では、第１の金属板４２の表面にめっき層を有する被溶接部材４０に対するレーザ溶接に対して好適に用いることができる。
具体的には、副ビーム３４が主ビーム３２の走行方向前方側に形成されるため、副ビーム３４によって第１の金属板４２のめっき層を溶融してめっきを剥離した後、主ビーム３２により第１及び第２の金属板４２，４４を溶接することができる。めっき層がある場合には、鉄の沸点とめっき層を構成する金属との沸点が異なるため、気化しためっきが溶融した鉄の中に入り込んで溶接品質の低下に繋がることがあるが、副ビーム３４によってめっきを除去することで、溶接品質を向上させることができる。

【0030】

また、図５Ａに示す例のように、複数の副ビーム３４が主ビーム３２を囲むように配置されている場合には、主ビーム３２をどの方向に走行させても、走行方向の前方に副ビーム３４が照射される状況となる。そのため、走行方向を変えながらレーザ溶接する場合に、いずれの走行方向においてもめっき層を除去しながら溶接を実施することができる。また、主ビーム３２が通過した領域に走行方向後方にある副ビーム３４が照射されることで、溶接部を急冷させることなくゆっくり硬化させることができる。

【0031】

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

【符号の説明】

【0032】

１０ レーザ溶接装置
１２ レーザ発振器
１４ レーザ照射ヘッド
１６ 光路
２０ コリメートレンズ
２２ 回折光学素子
２４ 集光レンズ
３０ レーザ光
３１ 焦点
３２ 主ビーム
３４ 副ビーム
４０ 被溶接部材
４２ 第１の金属板
４２ 第２の金属板
５０ 生産ライン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】