特許 7068051 レーザ溶接方法

(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】

(24)【登録日】2022-05-06

(45)【発行日】2022-05-16

(54)【発明の名称】レーザ溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/28 20140101AFI20220509BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20220509BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20220509BHJP

【ＦＩ】

B23K26/28

B23K26/082

B23K26/21 G

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018106990

(22)【出願日】2018-06-04

(65)【公開番号】P2019209349

(43)【公開日】2019-12-12

【審査請求日】2019-09-06

【審判番号】

【審判請求日】2021-07-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】110000947

【氏名又は名称】特許業務法人あーく特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】日置 亨

(72)【発明者】

【氏名】小倉 修平

(72)【発明者】

【氏名】川喜田 篤史

(72)【発明者】

【氏名】中田 光紀

(72)【発明者】

【氏名】後藤 崇志

(72)【発明者】

【氏名】河合 亮佑

【合議体】

【審判長】河端 賢

【審判官】久保田 信也

【審判官】大山 健

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１５６７２３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－９４７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０３５７２９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１０６４７０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

B23K 26/00 - 26/70

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アルミニウム合金鋳物を１以上含む複数の金属板をレーザビームによって重ね合せ溶接するレーザ溶接方法であって、
上記複数の金属板を重ね合せた重ね合せ部に対して、第１のレーザビームを、円形を描くように走査しながら照射して当該複数の金属板が溶融した溶融池を形成する溶融工程と、
上記溶融池に対して、第２のレーザビームを、上記第１のレーザビームの走査速度よりも速い走査速度で円形を描くように走査しながら照射して当該溶融池を攪拌することで、上記溶融工程で生じた気泡を微細化する攪拌工程と、を含み、
上記第２のレーザビームは、上記第１のレーザビームの走査軌跡の最外周よりも外側に照射されることを特徴とするレーザ溶接方法。

【請求項2】

上記請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
上記第２のレーザビームは、上記攪拌工程における上記溶融池の溶融範囲が、上記溶融工程における上記溶融池の溶融範囲以下となるように走査されることを特徴とするレーザ溶接方法。

【請求項3】

上記請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
上記第２のレーザビームは、上記攪拌工程における上記溶融池の溶融半径が、上記溶融工程における上記溶融池の溶融半径の１．２倍以下となるように走査されることを特徴とするレーザ溶接方法。

【請求項4】

上記請求項１～３のいずれか１つに記載のレーザ溶接方法において、
上記第１のレーザビームの走査軌跡および上記第２のレーザビームの走査軌跡よりも内側にレーザビームを照射する工程を含まないことを特徴とするレーザ溶接方法。

【請求項5】

上記請求項１～４のいずれか１つに記載のレーザ溶接方法において、
上記複数の金属板は、アルミニウム合金鋳物板およびアルミニウム合金板であることを特徴とするレーザ溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ溶接方法に関し、特に、アルミニウム合金鋳物を含む複数の金属板をレーザビームによって重ね合せ溶接するレーザ溶接方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

アルミニウム合金鋳物は、一般的に、圧延等で成形されるアルミニウム合金に比して、溶接には不向きと考えられている。その理由は、アルミニウム合金鋳物を被溶接材として溶接を行った場合、鋳造時にアルミニウム合金鋳物に強制固溶された多量のガスが、溶融部に大きな気泡として出現し、溶融部が凝固するまでに排出されなかった大きな気泡が大きなブローホール（ポロシティとも称される。）として溶接部に残るため、溶接部の品質（主に強度）が低下するからである。

【0003】

そこで、例えば特許文献１には、アーク溶接とレーザ溶接とを組み合わせたアルミニウム合金鋳物の溶接方法において、アーク溶接により母材表面に形成された溶融池にレーザビームを照射することによって、溶融池が急冷されることを緩和し、気泡が溶融池から排出される時間を確保することで、ブローホールの発生を抑制する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００５－２０５４１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、複数の金属板をレーザビームによって重ね合せ溶接する場合にも、これら複数の金属板の中にアルミニウム合金鋳物が含まれていると、アルミニウム合金鋳物に強制固溶された多量のガスに起因して、溶接部に大きなブローホールが発生するため、溶接部の品質が低下することになる。

【0006】

そこで、アルミニウム合金鋳物を含む複数の金属板をレーザビームによって重ね合せ溶接する場合に、上記特許文献１の手法を応用して、複数の金属板が溶融した溶融池に対し、レーザビームを照射し続けることによって、溶融池が急冷されることを緩和し、気泡が溶融池から排出される時間を確保することが考えられる。

【0007】

しかしながら、重ね合せ溶接の場合には、通常、溶融池が深くなることから、このような手法では、気泡が溶融池から排出されるまでに掛かる時間が長くなるため、生産性の低下を抑えるという観点から改善の余地がある。

【0008】

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アルミニウム合金鋳物を含む複数の金属板を重ね合せ溶接するレーザ溶接方法において、生産性の低下を抑えつつ、相対的に大きなブローホールが溶接部に発生するのを抑える技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記目的を達成するため、本発明に係るレーザ溶接方法では、走査速度が相対的に速いレーザビームで溶融池を攪拌することによって、溶融池に出現した相対的に大きな気泡を砕いて微細化するようにしている。

【0010】

具体的には、本発明は、アルミニウム合金鋳物を１以上含む複数の金属板をレーザビームによって重ね合せ溶接するレーザ溶接方法を対象としている。

【0011】

そして、このレーザ溶接方法は、上記複数の金属板を重ね合せた重ね合せ部に対して、第１のレーザビームを、円形を描くように走査しながら照射して当該複数の金属板が溶融した溶融池を形成する溶融工程と、上記溶融池に対して、第２のレーザビームを、上記第１のレーザビームの走査速度よりも速い走査速度で円形を描くように走査しながら照射して当該溶融池を攪拌することで、上記溶融工程で生じた気泡を微細化する攪拌工程と、を含み、上記第２のレーザビームは、上記第１のレーザビームの走査軌跡の最外周よりも外側に照射されることを特徴とするものである。

【0012】

この構成では、複数の金属板にアルミニウム合金鋳物が１以上含まれることから、溶融工程において、第１のレーザビームを照射することで複数の金属板を溶融させた際、鋳造時にアルミニウム合金鋳物に強制固溶された多量のガスが相対的に大きな気泡として溶融池に出現する。

【0013】

もっとも、この構成によれば、攪拌工程において、溶融池に対して第２のレーザビームを、第１のレーザビームの走査速度よりも速い走査速度で円形を描くように走査しながら照射することで、溶融池が相対的に速い速度で攪拌されることから、溶融池に出現した相対的に大きな気泡が砕かれて、気泡が微細化することになる。したがって、溶融池が凝固した際、相対的に大きなブローホールが溶接部に発生するのを抑制することができ、これにより、溶接部の品質（主に強度）の低下を抑えることができる。

【0014】

さらに、この構成では、レーザビームを照射し続けることによって気泡が溶融池から排出される時間を確保するのとは異なり、溶融池を相対的に速い速度で攪拌することで気泡を微細化することから、気泡が溶融池から排出されるのを待つ必要がないので、生産性が低下するのを抑えることができる。

【0015】

また、上記レーザ溶接方法では、上記第２のレーザビームは、上記溶融池の拡大を抑えるように走査されることが好ましく、具体的には、上記第２のレーザビームは、上記攪拌工程における上記溶融池の溶融範囲が、上記溶融工程における上記溶融池の溶融範囲以下となるように走査されることが好ましい。また、上記第２のレーザビームは、上記攪拌工程における上記溶融池の溶融半径が、上記溶融工程における上記溶融池の溶融半径の１．２倍以下となるように走査されることが好ましい。

【0016】

なお、本発明において「拡大を抑えるように」とは、第２のレーザビームによる溶融範囲が、第１のレーザビームによる溶融範囲以下である場合のみならず、第１のレーザビームによる溶融範囲より広くなっても、それが不必要に広くならない場合も含むものである。

【0017】

気泡の微細化を図る攪拌工程において、溶融池が大きく拡大すると、換言すれば、アルミニウム合金鋳物が新たに多量に溶融すると、新たな気泡が溶融池に出現するところ、これらの構成によれば、溶融池を攪拌する第２のレーザビームを、溶融池の拡大を抑えるように走査することから、溶融池に新たな気泡が出現するのを抑えつつ、気泡の微細化を図ることができる。

【0018】

さらに、上記レーザ溶接方法では、上記第２のレーザビームは、上記第１のレーザビームの走査軌跡よりも外側に照射されることが好ましい。

【0019】

溶融池が凝固した際に相対的に大きなブローホールとなる気泡は、固液界面、すなわち、溶融部とアルミニウム合金鋳物とが接する界面に集中し易いところ、この構成によれば、溶融池を攪拌する第２のレーザビームを、第１のレーザビームの走査軌跡よりも外側に照射することから、固液界面に集中し易い相対的に大きな気泡を効率良く砕いて微細化を図ることができる。

【0020】

なお、例えば、第２のレーザビームの集光径を第１のレーザビームの集光径よりも小さくすれば、第２のレーザビームを第１のレーザビームの走査軌跡よりも外側に照射しても、溶融池が大きく拡大することにはならないので、この構成と、溶融池の拡大を抑える構成とは矛盾するものではない。

【0021】

また、上記レーザ溶接方法では、上記第１のレーザビームの走査軌跡および上記第２のレーザビームの走査軌跡よりも内側にレーザビームを照射する工程を含まないことが好ましい。

【0022】

上述の如く、溶融池が凝固した際に相対的に大きなブローホールとなる気泡は固液界面に集中し易いところ、この構成によれば、第１のレーザビームの走査軌跡および第２のレーザビームの走査軌跡よりも内側にレーザビームを照射する工程を含まないことから、換言すると、気泡の微細化に寄与し難いレーザビームを照射しないことから、作業時間の短縮および作業の効率化を図ることができる。

【0023】

さらに、上記レーザ溶接方法では、上記複数の金属板は、アルミニウム合金鋳物板およびアルミニウム合金板であることが好ましい。

【0024】

この構成によれば、熱伝導率が相対的に高く溶融池が急冷凝固し易いため、凝固する際に相対的に大きな気泡が残存し易いアルミニウム合金同士の重ね合せ溶接においても、溶接部に相対的に大きなブローホールが発生するのを好適に抑制することができる。

【発明の効果】

【0025】

以上説明したように、本発明に係るレーザ溶接方法によれば、アルミニウム合金鋳物を含む複数の金属板を重ね合せ溶接する場合にも、生産性の低下を抑えつつ、相対的に大きなブローホールが溶接部に発生するのを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】同図（ａ）は、本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法によって溶接された、アルミニウム合金板とアルミニウム合金鋳物板との接合部を模式的に示す断面図であり、同図（ｂ）は、従来のレーザ溶接方法によって溶接された、アルミニウム合金板とアルミニウム合金鋳物板との接合部を模式的に示す断面図である。

【図2】レーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置を模式的に示す概略構成図である。

【図3】アルミニウム合金材のガス溶解度を模式的に説明する概念図である。

【図4】レーザビームの基本的な照射態様を模式的に説明する斜視図である。

【図5】レーザ溶接方法を模式的に説明する図である。

【図6】レーザビームの照射条件を示す表である。

【図7】レーザビームの照射条件を模式的に説明する図であり、同図（ａ）は溶融パスに関するものであり、同図（ｂ）は攪拌パスに関するものである。

【図8】実験例に用いた供試体を模式的に示す斜視図である。

【図9】実験結果を示すグラフ図である。

【図10】実験例に用いた供試体の断面図の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は本発明例であり、同図（ｂ）は比較例である。

【図11】その他の実施形態に係るレーザ溶接方法を模式的に示す図である。

【図12】従来１のレーザ溶接方法を模式的に説明する図である。

【図13】従来２のレーザ溶接方法によって溶接された、アルミニウム合金板とアルミニウム合金鋳物板との溶接部を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

【0028】

図１（ａ）は、本実施形態に係るレーザ溶接方法によって溶接された、アルミニウム合金板１０とアルミニウム合金鋳物板２０との接合部１を模式的に示す断面図であり、図１（ｂ）は、従来のレーザ溶接方法によって溶接された、アルミニウム合金板１１０とアルミニウム合金鋳物板１２０との接合部１０１を模式的に示す断面図である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態に係る接合部１においても、従来の接合部１０１においても、例えば圧延で成形された上側のアルミニウム合金板１０，１１０と、下側のアルミニウム合金鋳物板２０，１２０とが、レーザ溶接によって形成された溶接部３，１０３によって上下に連結されている点は同じである。

【0029】

もっとも、従来の接合部１０１における溶接部１０３には、図１（ｂ）に示すように、相対的に小さなブローホールＢＨ２に加えて、相対的に大きなブローホールＢＨ１が多数残存しているのに対し、本実施形態の接合部１における溶接部３には、図１（ａ）に示すように、相対的に小さなブローホールＢＨ２しか残存していない。

【0030】

かかるブローホール（気孔）はポロシティとも称され、溶接部３，１０３の内部に、相対的に大きなブローホールＢＨ１が存在していると、溶接部３，１０３のせん断強度、引張強度、疲労強度等を低下させる要因となる。この点、本実施形態の溶接部３には、微細化された相対的に小さなブローホールＢＨ２しか残存していないことから、従来の溶接部１０３に比して、相対的に大きなブローホールＢＨ１による品質（主に強度）への影響を低下させることが可能となる。以下、このような相対的に大きなブローホールＢＨ１が残存しない溶接部３を可能とする本実施形態のレーザ溶接方法について詳細に説明する。

【0031】

－レーザ溶接装置－
図２は、本実施形態のレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置５０を模式的に示す概略構成図である。このレーザ溶接装置５０は、ワークＷ（本実施形態ではアルミニウム合金板１０およびアルミニウム合金鋳物板２０）から離れた位置でレーザビームＬＢを照射してレーザ溶接を行うリモートレーザとして構成されている。レーザ溶接装置５０は、図２（ａ）に示すように、レーザビームＬＢを出力するレーザ発振器５１と、ロボット５２と、ファイバケーブル５４を介してレーザ発振器５１から供給されたレーザビームＬＢを走査してワークＷに照射する３Ｄスキャナ６０と、を備えている。ロボット５２は、複数のサーボモータ（図示せず）によって駆動される複数の関節を有する多関節型ロボットであり、制御装置（図示せず）の指令に基づき、先端部に取り付けられた３Ｄスキャナ６０を移動させるように構成されている。

【0032】

３Ｄスキャナ６０は、図２（ｂ）に示すように、センサー６１と、集光レンズ６２と、固定ミラー６３と、可動ミラー６４と、収束レンズ６５と、を備えている。レーザ発振器５１から３Ｄスキャナ６０に供給されたレーザビームＬＢは、センサー６１から集光レンズ６２に出射され、集光レンズ６２により集光された後、固定ミラー６３で可動ミラー６４に向けて反射され、可動ミラー６４により方向が変化された後、収束レンズ６５を介して所定のスポット径となるようにワークＷに向けて照射される。このような構成により、本実施形態のレーザ溶接装置５０では、制御装置（図示せず）の指令に基づいて、可動ミラー６４が駆動することによって、例えばワークＷから５００ｍｍ離れた状態で２００ｍｍ四方の範囲内における所定の位置にレーザビームＬＢを照射することが可能になっている。

【0033】

集光レンズ６２は、アクチュエータ（図示せず）により上下方向に移動可能に構成されていて、当該集光レンズ６２を上下方向に移動させることで、焦点距離が上下方向に調整されるようになっている。それ故、本実施形態のレーザ溶接装置５０では、ワークＷの上面を基準（０）とした場合における焦点Ｆを＋側にシフトさせることで、焦点ＦがワークＷよりも上側に位置するデフォーカス状態と、焦点Ｆを－側にシフトさせることで、焦点ＦがワークＷよりも下側に位置するインフォーカス状態と、を容易に実現することが可能になっている。

【0034】

－ブローホールの発生メカニズム－
本実施形態のレーザ溶接方法の説明に先立ち、本発明を理解し易くするために、ブローホールＢＨ１，ＢＨ２の発生メカニズムおよびそれに起因する従来のレーザ溶接方法の問題点について説明する。

【0035】

図３は、アルミニウム合金材のガス溶解度を模式的に説明する概念図である。アルミニウム合金鋳物は、一般的に、圧延等で成形されるアルミニウム合金に比して、溶接には不向きと考えられている。その理由は、アルミニウム合金鋳物のガス固溶量（アルミニウムの結晶構造の中に入り込んでも、元のアルミニウム結晶構造の形を保って固体状態で混じり合っているガス（気体）の量）が多いことに起因する。

【0036】

より詳しくは、図３に示すように、鋳造時にアルミニウム合金鋳物に強制固溶されるガス量は、アルミニウム合金に固溶されるガス量に比べて多い（少なくとも２０倍以上）ため、溶接の際にアルミニウム合金鋳物が溶融すると、固溶ガスが溶融部に相対的に大きな気泡として出現することになる。このように溶融部に出現した相対的に大きな気泡は、凝固時に大気に排出されなければ、相対的に大きなブローホールＢＨ１として溶接部に残り、残存する相対的に大きなブローホールＢＨ１の多寡により、溶接部の強度にばらつきが生じ、安定した品質の接合部を得ることが難しくなることが、アルミニウム合金鋳物が溶接には不向きと考えられる要因となっている。

【0037】

このような相対的に大きなブローホールＢＨ１は、アルミニウム合金鋳物を１以上含む複数の金属板をレーザビームＬＢによって重ね合せ溶接する場合にも生じ得る。図１２は、従来１のレーザ溶接方法を模式的に説明する図であり、図１３は、従来２のレーザ溶接方法によって溶接された、アルミニウム合金板２１０とアルミニウム合金鋳物板２２０との溶接部２０３を模式的に示す断面図である。

【0038】

例えば、図１２（ａ）に示すように、アルミニウム合金板１１０とアルミニウム合金鋳物板１２０とを上下に重ね合せた重ね合せ部１０５に対して、レーザビームＬＢを、円形を描くように走査しながら照射して、図１２（ｂ）に示すように、アルミニウム合金板１１０およびアルミニウム合金鋳物板１２０が溶融した溶融池１０７を形成すると、アルミニウム合金鋳物板１２０の固溶ガスが溶融池１０７内に相対的に大きな気泡Ｂ１および相対的に小さな気泡Ｂ２として出現することになる。

【0039】

ここで、溶融池１０７に対し、レーザビームＬＢを照射し続けることによって、溶融池１０７が急冷されることを緩和し、気泡Ｂ１，Ｂ２が溶融池１０７から排出される時間を確保することが考えられるが、重ね合せ溶接の場合には、通常、溶融池１０７が深くなることから、このような手法では、気泡Ｂ１，Ｂ２が溶融池１０７から排出されるまでに掛かる時間が長くなるため、生産性の低下を抑えるという観点から改善の余地がある。

【0040】

また、セルフピアスリベットやフロードリルスクリュー等の機械的締結方法により、アルミニウム合金鋳物を１以上含む複数の金属板を締結することも考えられるが、これらは副資材を用いるため、レーザ溶接に比してランニングコストやタクトタイムが悪化するという問題がある。

【0041】

そこで、気泡Ｂ１，Ｂ２の発生源となるアルミニウム合金鋳物板２２０の溶融量を低減するべく、図１３に示すように、アルミニウム合金板２１０を貫通させる一方、アルミニウム合金鋳物板２２０を貫通させずに溶接部２０３を形成することが考えられる。この従来２の手法によれば、図１３に示すように、溶接部２０３には相対的に小さなブローホールＢＨ２しか残存していないことから、従来１の溶接部１０３に比して、相対的に大きなブローホールＢＨ１による強度等への影響を低下させることが可能となる。

【0042】

しかしながら、この従来２の手法では、アルミニウム合金鋳物板２２０を貫通させないために出力の範囲が限定されることから、パワー裕度が低く、また、アルミニウム合金板２１０とアルミニウム合金鋳物板２２０との隙間が大きいと溶接が困難となる上、アルミニウム合金鋳物板２２０側からのレーザ照射や品質の確認が困難になるという問題がある。

【0043】

－レーザ溶接方法－
そこで、本実施形態では、アルミニウム合金鋳物を１以上含む複数の金属板をレーザビームＬＢによって重ね合せ溶接するレーザ溶接方法において、走査速度が相対的に速いレーザビームＬＢで溶融池を攪拌することによって、溶融池に出現した相対的に大きな気泡Ｂ１を砕くようにしている。具体的には、本実施形態のレーザ溶接方法では、図５に示すように、アルミニウム合金板１０とアルミニウム合金鋳物板２０とを重ね合せた重ね合せ部５に対して、第１のレーザビームＬＢ１を、円形を描くように走査しながら照射してアルミニウム合金板１０およびアルミニウム合金鋳物板２０が溶融した溶融池７を形成する溶融パス（溶融工程）と、溶融池７に対して、第２のレーザビームＬＢ２を、第１のレーザビームＬＢ１の走査速度Ｖ₁よりも速い走査速度Ｖ₂で円形を描くように走査しながら照射して、溶融池７を攪拌する攪拌パス（攪拌工程）と、を含むようにしている。以下、このようなレーザ溶接方法について詳細に説明する。

【0044】

図４は、レーザビームＬＢの基本的な照射態様を模式的に説明する斜視図である。本実施形態では、図４に示すように、アルミニウム合金板１０とアルミニウム合金鋳物板２０とを重ね合せた重ね合せ部５に対して、上記レーザ溶接装置５０を用いて、アルミニウム合金板１０およびアルミニウム合金鋳物板２０から離れた位置でレーザビームＬＢを照射するリモートレーザ溶接を行うことにより、両者１０，２０を溶接する。この際、所謂ＬＳＷ（Laser Screw Welding）を用いて円形を描くように走査しながらレーザビームＬＢを照射することで、溶接部３を形成するようにしている。より詳しくは、図４に示すように、レーザビームＬＢを中心軸Ｃ周りに走査して、走査速度、出力、走査半径、集光径、回転数等を変えながら、同心円上に複数回照射することで溶接部３を形成する。

【0045】

図５は、レーザ溶接方法を模式的に説明する図である。上記のような照射態様を基本としつつ、本実施形態のレーザ溶接方法では、重ね合せ部５に対して第１のレーザビームＬＢ１を照射して溶融池７を形成する溶融パスと、溶融池７に対して第２のレーザビームＬＢ２を照射して溶融池７を攪拌する攪拌パスと、を含んでいる。

【0046】

先ず、溶融パスでは、図５（ａ）に示すように、アルミニウム合金板１０とアルミニウム合金鋳物板２０とを上下に重ね合せた重ね合せ部５に対して、第１のレーザビームＬＢ１を、円形を描くように走査しながら照射して、図５（ｂ）に示すように、アルミニウム合金板１０およびアルミニウム合金鋳物板２０が溶融した溶融池７を形成する。このとき、アルミニウム合金鋳物板２０の固溶ガスが溶融池７内に相対的に大きな気泡Ｂ１および相対的に小さな気泡Ｂ２として出現することになる。

【0047】

次いで、攪拌パスでは、図５（ｃ）に示すように、相対的に大きな気泡Ｂ１および相対的に小さな気泡Ｂ２を含む溶融池７に対して、第２のレーザビームＬＢ２を、第１のレーザビームＬＢ１の走査速度よりも速い走査速度で円形を描くように走査しながら照射して、溶融池７を攪拌することで、相対的に大きな気泡Ｂ１を砕くことにより、気泡Ｂ１を微細化する。

【0048】

攪拌パスにおいて気泡Ｂ１が微細化された状態で溶融池７が凝固すると、溶融池７が凝固した溶接部３には、図５（ｄ）に示すように、相対的に小さなブローホールＢＨ２しか残存しないことになり、これにより、相対的に大きなブローホールＢＨ１による溶接部３の品質への影響を低下させることができる。

【0049】

－照射条件－
上述のように、本実施形態のレーザ溶接方法では、基本的には、相対的に速い走査速度で第２のレーザビームＬＢ２を照射することによって、相対的に大きなブローホールＢＨ１に起因する溶接部３の品質の低下を抑えているが、以下のような照射条件を設定することで、レーザ溶接の更なる高効率化を図っている。

【0050】

図６は、レーザビームＬＢの照射条件を示す表である。また、図７は、レーザビームＬＢの照射条件を模式的に説明する図であり、同図（ａ）は溶融パスに関するものであり、同図（ｂ）は攪拌パスに関するものである。

【0051】

先ず、攪拌パスにおける第２のレーザビームＬＢ２のレーザ出力Ｐ₂については、溶融状態を維持しながら溶融池７を攪拌することから、溶融パスにおける第１のレーザビームＬＢ１のレーザ出力Ｐ₁以上であること（Ｐ₂≧Ｐ₁）が好ましいが、特に規定はない。

【0052】

次に、攪拌パスにおける第２のレーザビームＬＢ２の走査速度Ｖ₂については、上述の如く、相対的に大きな気泡Ｂ１を砕いて微細化するには溶融池７を高速で攪拌することが要求されることから、溶融パスにおける第１のレーザビームＬＢ１の走査速度Ｖ₁よりも速いこと（Ｖ₂＞Ｖ₁）が必須である。

【0053】

また、図７（ｂ）に示す攪拌パスにおける溶融範囲ＭＡ２の半径である溶融半径Ｒ₂については、図７（ａ）に示す溶融パスにおける溶融範囲ＭＡ１の半径である溶融半径Ｒ₁の１．２倍以下であること（Ｒ₂≦１．２×Ｒ₁）が、換言すると、溶融池７が必要以上に拡大されるのを抑えるように走査されることが好ましい。なぜなら、攪拌パスの目的は、溶融パスで発生した相対的に大きな気泡Ｂ１を微細化することにあるところ、気泡Ｂ１の微細化を図る攪拌パスにおいて、溶融池７が大きく拡大（アルミニウム合金鋳物板２０が新たに多量に溶融）することで、新たに多くの気泡Ｂ１，Ｂ２が溶融池７に出現するのは好ましくないからである。それ故、可能であれば、攪拌パスにおける溶融半径Ｒ₂は、溶融パスにおける溶融半径Ｒ₁と等しいこと（Ｒ₂＝Ｒ₁）がより好ましい。

【0054】

さらに、攪拌パスにおける第２のレーザビームＬＢ２の走査半径ｒ₂については、溶融パスにおける第１のレーザビームＬＢ１の走査半径ｒ₁よりも大きいこと（ｒ₂＞ｒ₁）が、換言すると、第２のレーザビームＬＢ２は第１のレーザビームＬＢ１の走査軌跡（レーザ走査範囲ＬＡ１）よりも外側に照射されることが好ましい。なぜなら、溶融池７が凝固した際に相対的に大きなブローホールＢＨ１となる気泡Ｂ１は、固液界面、すなわち、溶融池７とアルミニウム合金鋳物板２０とが接する界面に集中し易いところ、溶融池７を攪拌する第２のレーザビームＬＢ２のレーザ走査範囲ＬＡ２を、第１のレーザビームＬＢ１のレーザ走査範囲ＬＡ１の外側にすれば、固液界面に集中し易い相対的に大きな気泡Ｂ１を効率良く砕いて微細化を図ることができるからである。

【0055】

なお、例えば、第２のレーザビームＬＢ２の集光径を第１のレーザビームＬＢ１の集光径よりも小さくすれば、第２のレーザビームＬＢ２を第１のレーザビームＬＢ１の走査軌跡よりも外側に照射しても、溶融池７が大きく拡大することにはならないので、ｒ₂＞ｒ₁と、溶融池７の拡大を抑えることとは矛盾するものではない。これらを考慮すると、溶融半径Ｒ₂と走査半径ｒ₂との関係については、０．５×Ｒ₂≦ｒ₂≦Ｒ₂であることが好ましく、０．８×Ｒ₂≦ｒ₂≦Ｒ₂であることがより好ましい。

【0056】

－効果－
以上のように、本実施形態のレーザ溶接方法によれば、第２のレーザビームＬＢ２を、第１のレーザビームＬＢ１の走査速度Ｖ₁よりも速い走査速度Ｖ₂で同心円を描くように走査しながら照射することで、溶融池７が相対的に速い速度で攪拌されることから、溶融池７に出現した相対的に大きな気泡Ｂ１が砕かれて微細化することになる。したがって、溶融池７が凝固した際、溶接部３に相対的に大きなブローホールＢＨ１が発生するのを抑制することができ、これにより、溶接部３の品質（せん断強度等）の低下を抑えることができる。

【0057】

さらに、レーザビームＬＢを照射し続けることによって気泡Ｂ１，Ｂ２が溶融池７から排出される時間を確保するのとは異なり、溶融池７を相対的に速い速度で攪拌することで気泡Ｂ１を微細化することから、気泡Ｂ１，Ｂ２が溶融池７から排出されるのを待つ必要がないので、生産性が低下するのを抑えることができる。

【0058】

また、溶融池７を攪拌する第２のレーザビームＬＢ２を、溶融池７の拡大を抑えるように走査することから、溶融池７に新たに多くの気泡Ｂ１，Ｂ２が出現するのを抑えつつ、相対的に大きな気泡Ｂ１の微細化を図ることができる。

【0059】

さらに、溶融池７を攪拌する第２のレーザビームＬＢ２を、第１のレーザビームＬＢ１の走査軌跡よりも外側に照射することから、固液界面に集中し易い相対的に大きな気泡を効率良く砕いて微細化を図ることができる。

【0060】

また、溶融池７が凝固した際に相対的に大きなブローホールＢＨ１となる気泡Ｂ１は固液界面に集中し易いところ、本実施形態では、第１のレーザビームＬＢ１の走査軌跡および第２のレーザビームＬＢ２の走査軌跡よりも内側にレーザビームＬＢを照射するパスを含まないことから、換言すると、気泡Ｂ１の微細化に寄与し難いレーザビームＬＢを照射しないことから、作業時間の短縮および作業の効率化を図ることができる。

【0061】

－実験例－
次に、本実施形態のレーザ溶接方法の効果を確認するために行った実験例について説明する。

【0062】

実験例では、図８に示すように、幅３０ｍｍ、長さ１００ｍｍのアルミニウム合金板１０（１１０）およびアルミニウム合金鋳物板２０（１２０）を、幅方向の領域の全体が重なり、且つ、先端から長手方向に沿って３０ｍｍの正方形の領域が重なるように重ね合せて、重ね合せ部５（１０５）の中央にレーザビームＬＢを照射することでアルミニウム合金板１０（１１０）とアルミニウム合金鋳物板２０（１２０）とを重ね合せ溶接した供試体を製造した。なお、レーザビームＬＢを照射する際に、上記溶融パスと上記攪拌パスとを実施したものを本発明例とし、上記溶融パスのみを実施したものを比較例とした。

【0063】

以上のようにして製造した継手に対し、ＪＩＳ Ｚ３１３６に準じた手法で引張せん断試験を実施し、引張せん断強度（ＴＳＳ）を測定した。なお、引張せん断試験の際の引張の方向は、図８に示す白抜き矢印線の方向である。

【0064】

図９は、実験結果を示すグラフ図である。なお、図９中の縦棒（誤差）は標準偏差の３倍を表し、また、図９中の〇はせん断強度の平均値を表している。図９に示すように、従来例では、残存する相対的に大きなブローホールＢＨ１の多寡により、溶接部１０３のせん断強度にばらつきが生じた。これに対し、本実施形態のレーザ溶接方法を用いた本発明例では、溶接部３のせん断強度にほとんどばらつきが生じないことが、換言すると、ブローホールＢＨ１による品質への影響を低下させることが可能であることが確認された。

【0065】

図１０は、実験例に用いた供試体の断面図の一例を模式的に示す図であり、同図（ａ）は本発明例であり、同図（ｂ）は比較例である。図１０に示すように、従来例では、溶接部１０３に相対的に大きなブローホールＢＨ１が残存することが確認された。これに対し、本実施形態のレーザ溶接方法を用いた本発明例では、溶接部３には相対的に小さなブローホールＢＨ２しか残存しないことが確認された。

【0066】

（その他の実施形態）
本発明は、実施形態に限定されず、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく他の色々な形で実施することができる。

【0067】

上記実施形態では、１つの接合部１に対して、１つの溶接部３を形成したが、溶融パスと攪拌パスとを用いて溶接部３を形成するのであれば、これに限らず、１つの接合部１に対して、例えば図１１（ａ）に示すような２つの溶接部３を形成したり、図１１（ｂ）に示すような３つの溶接部３を形成したりする、所謂ＡＬＷ（Atomized Laser Screw Welding）を適用してもよい。このようにすれば、接合部１における強度のばらつきをより一層確実に抑えることができる。

【0068】

このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

【産業上の利用可能性】

【0069】

本発明によると、生産性の低下を抑えつつ、相対的に大きなブローホールが溶接部に発生するのを抑えることができるので、アルミニウム合金鋳物を１以上含む複数の金属板をレーザビームによって重ね合せ溶接するレーザ溶接方法に適用して極めて有益である。

【符号の説明】

【0070】

５ 重ね合せ部
７ 溶融池
１０ アルミニウム合金板（金属板）
２０ アルミニウム合金鋳物板（アルミニウム合金鋳物）
ＬＢ１ 第１のレーザビーム
ＬＢ２ 第２のレーザビーム
Ｖ₁ 走査速度
Ｖ₂ 走査速度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】