特許 7118156 第１および第２のフロントレーザビームとバックレーザビームによる２枚の金属シートの突合せレーザ溶接方法

(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】2022-08-04

(45)【発行日】2022-08-15

(54)【発明の名称】第１および第２のフロントレーザビームとバックレーザビームによる２枚の金属シートの突合せレーザ溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20220805BHJP

   B23K 26/073 20060101ALI20220805BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 F

B23K26/073

【請求項の数】 34

(21)【出願番号】P 2020535640

(86)(22)【出願日】2018-12-19

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-03-25

(86)【国際出願番号】 IB2018060367

(87)【国際公開番号】W WO2019130169

(87)【国際公開日】2019-07-04

【審査請求日】2020-07-29

(31)【優先権主張番号】PCT/IB2017/058402

(32)【優先日】2017-12-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】IB

(73)【特許権者】

【識別番号】515214729

【氏名又は名称】アルセロールミタル

(74)【代理人】

【識別番号】110001173

【氏名又は名称】弁理士法人川口國際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ビエルストラット，ルネ

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１３０９４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５０８１４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０５８０６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０９０２６５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｂ２３Ｋ ２６／０７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

２枚の金属シート（２、４）の突合せレーザ溶接方法であって、
－第１の金属シート（２）と第２の金属シート（４）を提供する工程であって、各金属シートがそれぞれ、２つの主面（６、７）と、２つの主面（６、７）を接合する側面（８）とを有する工程と、
－第１および第２の金属シート（２、４）の側面（８）が互いに対向するように第１および第２の金属シート（２、４）を位置決めする工程であって、第１および第２の金属シート（２、４）の位置決めが、第１および第２の金属シート（２、４）の主面（６、７）に垂直な中央面（１０）を画定する工程と、
－第１および第２の金属シート（２、４）を溶接方向に沿って突合せ溶接する工程と、を備え、
突合せ溶接工程が、
－第１のフロント照射軸（Ｅ１）に沿った第１のフロントレーザビーム（１２）であって、第１のフロント照射軸（Ｅ１）が第１の金属シート（２）の主面（６、７）の内の１つと交差し、第１のフロントレーザビーム（１２）が、第１の金属シート（２）の前記主面との交点に第１のフロントスポット（１８）を形成し、第１のフロントレーザビーム（１２）のエネルギー密度が１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上であり、第１のフロントレーザビーム（１２）が、第１の金属シート（２）の第１のフロントスポット（１８）に第１のフロントキーホール（１９）を生成する、第１のフロントレーザビーム（１２）と、
－第２のフロント照射軸（Ｅ２）に沿った第２のフロントレーザビーム（１４）であって、第２のフロント照射軸（Ｅ２）が第２の金属シートの主面（６、７）の内の１つと交差し、第２のフロントレーザビーム（１４）が、第２の金属シートの前記主面との交点に第２のフロントスポット（２０）を形成し、第２のフロントレーザビーム（１４）のエネルギー密度が１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上であり、第２のフロントレーザビーム（１４）が、第２の金属シート（４）の第２のフロントスポット（２０）に第２のフロントキーホールを生成する、第２のフロントレーザビーム（１４）であって、
第１および第２のフロントスポット（１８、２０）のそれぞれの中心が、第１の金属シート（２）および第２の金属シート（４）のそれぞれの側面（８）から２．５ｍｍ以下の距離に位置し、溶接方向に沿った第１および第２のフロントレーザビーム（１２、１４）の中心の距離が、５ｍｍ以下である、第２のフロントレーザビーム（１４）と、
－バックレーザビーム（１６）であって、バックレーザビーム（１６）が、第１および第２の金属シート（２、４）の隣接する主面（６、７）と交差し、その上にバックスポット（２２）を形成し、バックレーザビーム（１６）のエネルギー密度が１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上であり、バックスポット（２２）の表面積が、第１および第２のフロントスポット（１８、２０）のそれぞれの表面積よりも大きく、バックレーザビーム（１６）が、バックスポット（２２）において、第１および第２の金属シート（２、４）にバックキーホール（２３Ａ）を生成する、バックレーザビーム（１６）と、
を同時に照射することを備え、
第１および第２のフロントレーザビーム（１２、１４）とバックレーザビーム（１６）は、以下のように、すなわち、
－第１および第２のフロントスポット（１８、２０）が、バックスポット（２２）の前に位置し、それによって、
－各瞬間において、第１のフロントキーホール（１９）とバックキーホール（２３Ａ）との間および第２のフロントキーホールとバックキーホール（２３Ａ）との間に、金属シート（２、４）の固相領域（２５）および／または液相領域（１３、２３Ｂ）が残存する、
ように構成される、方法。

【請求項2】

突合せ溶接工程の各瞬間において、第１および第２のフロントレーザビーム（１２、１４）によって形成される溶融池が、バックレーザビーム（１６）によって形成される溶融池から分離される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

第１および／または第２のフロントスポットの最大寸法が５０μｍ～２５０μｍである、請求項１または請求項２に記載の方法。

【請求項4】

バックスポット（２２）の最大寸法が、２００μｍ～１８００μｍである、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

バックスポット（２２）の最大寸法が６００μｍ～１２００μｍである、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

第１の金属シート（２）と第２の金属シート（４）が、それぞれ０．１５ｍｍ～５ｍｍの厚さである、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

第１および第２のフロントスポット（１８、２０）の中心が、第１および第２の金属シート（２、４）の間の中央面（１０）から等距離に位置する、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

第１および第２のフロントスポット（１８、２０）の中心が、溶接方向に垂直な方向に沿って位置合わせされる、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

第１および第２のフロントスポット１８、２０の中心が、溶接方向に沿って互いに離間した位置に配置される、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

バックスポット（２２）が、第１および第２の金属シート（２、４）の間の中央面（１０）を中心とする、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

バックスポット（２２）の中心が、第１および第２の金属シート（２、４）の間の中央面（１０）に対して横方向にオフセットする、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

バックスポット（２２）の中心が、溶接方向に沿った所定距離で延在し、この距離が第１および第２のフロントスポット（１８、２０）の内の最後端の中心から０．５ｍｍ～８ｍｍである、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

バックスポット（２２）の中心が、溶接方向に沿った所定距離で延在し、この距離が第１および第２のフロントスポット（１８、２０）の内の最後端の中心から１ｍｍ～５ｍｍである、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

第１のフロントスポット（１８）および／または第２のフロントスポットが、ガウシアンまたはトップハットエネルギー分布を有する、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項15】

第１のフロントスポット（１８）および／または第２のフロントスポットが円形の輪郭を有する、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

バックスポット（２２）が、ガウシアンまたはトップハットエネルギー分布を有する、請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項17】

バックスポット（２２）が環状である、請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

溶接方向に対して垂直なバックスポット（２２）の外側寸法が、溶接方向に対して平行なバックスポット（２２）の外側寸法よりも小さい、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

バックスポット（２２）が、２枚の金属シート（２、４）の間の中央面（１０）に平行な平面に対して対称である、請求項１７または請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

バックスポット（２２）の最大外側寸法が、２００μｍ～１８００μｍである、請求項１７～１９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項21】

バックスポット（２２）の最大外側寸法が６００μｍ～１２００μｍである、請求項２０に記載の方法。

【請求項22】

バックスポット（２２）の最大外側寸法と最大内側寸法の比が、１．２～３．２である、請求項１７～２１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項23】

バックスポット（２２）の最大外側寸法と最大内側寸法の比が、１．３～２である、請求項２２に記載の方法。

【請求項24】

バックスポット（２２）が溶接方向に平行な伸長方向に沿った円形の輪郭または細長の形状を有する、請求項１～２３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項25】

第１のフロントレーザビーム（１２）、第２のフロントレーザビーム（１４）、およびバックレーザビーム（１６）を照射する工程と同時に、第２のバックレーザビーム（３４）を照射する工程をさらに備え、第２のバックレーザビーム（３４）が、第１および第２の金属シート（２、４）の隣接する主面（６、７）と交差し、その上に第２のバックスポット（３６）を形成し、第２のバックレーザビーム（３４）が、第２のバックスポット（３６）がバックスポット（２２）の後方に位置するように構成される、請求項１～２４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項26】

第２のバックスポット（３６）が、環状であるか、またはガウシアンもしくはトップハットエネルギー分布を有する、請求項２５に記載の方法。

【請求項27】

バックスポット（２２）の最大外側寸法が、第２のバックスポット（３６）の最大外側寸法よりも大きい、請求項２５または請求項２６に記載の方法。

【請求項28】

突合せ溶接工程の間に溶接材料を提供する工程をさらに備える、請求項１～２７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項29】

溶接材料が溶接ワイヤまたは粉末である、請求項２８に記載の方法。

【請求項30】

第１および／または第２の金属シート（２、４）が、その主面（６、７）の少なくとも１つが亜鉛合金またはアルミニウム合金プレコート（９Ｂ）を有する鋼基材（９Ａ）を備える、請求項１～２９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項31】

第１のフロントレーザビーム（１２）、および／または第２のフロントレーザビーム（１４）および／またはバックレーザビーム（１６）が、共通のレーザヘッドによって生成される、請求項１～３０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項32】

各レーザビームが、専用のレーザヘッドによって形成される、請求項１～３０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項33】

第１の金属シート（２）または第２の金属シート（４）の少なくとも１つの鋼基材（９Ａ）がプレス硬化鋼である、請求項１～３２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項34】

第１の金属シート（２）または第２の金属シート（４）の少なくとも１つが、亜鉛含有またはアルミニウム含有プレコートを含む、請求項１～３３のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、２枚の金属シートの突合せレーザ溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

溶接に使用される金属シートは、一般的に、金属帯材または、それよりも大きな金属シートから、スリット加工、剪断、プレス切断、レーザ切断、ウォータージェット切断などの切断方法を用いて切断することにより得られる。

【0003】

これらの切断方法は、典型的には、リリーフ角または逃げ角を有するエッジ断面を形成し、これにより、金属シートが突合せ溶接を考慮してエッジ対エッジに配置されるとき、金属シート間にギャップが生じる。このギャップは、金属シートの厚さの少なくとも一部に亘ってエッジの全長に亘って接触していないか、または金属シートの対向するエッジの一部の点のみで接触していない結果となり得る。この初期のギャップは、溶接プロセス自体の間の熱応力に起因する金属シートの変形により、さらに拡大する可能性がある。

【0004】

場合によっては、例えば、溶接材料を溶接池に加える場合、金属シート間に最小の溶接ギャップを設けて維持することがさらに望ましい可能性がある。この場合、溶接ギャップは、典型的には、互いに溶接される２枚の金属シートの間に接触が無いように、金属シートの対向するエッジの厚さおよび長さの全体に亘って延在する。

【0005】

本発明の発明者は、標準的なレーザビームを用いた従来のレーザ溶接方法は、金属シート間にこのようなギャップが存在するため、このような金属シートの突合せ溶接には必ずしも十分でないことを見出した。事実上、レーザビームのエネルギーの重要な部分は、ギャップを通過して金属シートと相互作用しないので無駄になる。実際、本発明者は、典型的には、レーザビームのエネルギーの１０％～２０％のみが実際に金属シートを溶接するために使用され、残りの８０％～９０％は無駄になることを観察した。

【0006】

国際公開第２０１７／１０３１４９号は、亜鉛合金またはアルミニウム合金のプレコートを有する２枚の金属シートの間に均一な材料特性を有する溶接継手を得るという問題に関する。このために、国際公開第２０１７／１０３１４９号は、フィラーワイヤと３本のレーザビームとを用いて２枚のかかる金属シートを突合せレーザ溶接する方法を開示しており、第１のレーザビームはフィラーワイヤを溶融することを意図しており、２つのさらなるレーザビームは金属シートを溶融し、形成された溶融池を混合することを意図する。図１Ｃで見られるように、３本のレーザビームは、ギブス－マランゴニ効果を用いて、単一の溶融池内の材料の良好な混合を得るために、単一の溶融池を生成するために協働する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】国際公開第２０１７／１０３１４９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、この方法は必ずしも十分でない。特に、この方法は、比較的低いエネルギー効率を有し、したがって、それらの間にギャップを有する２枚の金属シートの溶接には適さない。

【0009】

レーザろう付けも、２枚の金属シートを互いに接合するために公知である。しかしながら、この接合方法は、接合領域において、少なくともベース材料の機械的特性と等しい機械的特性を得るためには適さない。

【0010】

本発明の目的の１つは、エッジとエッジを並べた２枚の金属シートの突合せレーザ溶接方法を提案することにより、上記の欠点を克服し、最終製品の品質を向上させることである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

この目的のために、本発明は、２枚の金属シートの突合せレーザ溶接方法に関し、方法は、以下の工程を含む。
－第１の金属シートと第２の金属シートを提供する工程であって、各金属シートがそれぞれ、２つの主面と、２つの主面を接合する側面とを有する工程、
－第１および第２の金属シートの側面が互いに対向するように第１および第２の金属シートを位置決めする工程であって、第１および第２の金属シートの位置決めが、第１および第２の金属シートの主面に垂直な中央面を画定する工程、
－第１および第２の金属シートを溶接方向に沿って突合せ溶接する工程であって、突合せ溶接工程が、
－第１のフロント照射軸に沿った第１のフロントレーザビームであって、第１のフロント照射軸が第１の金属シートの主面の内の１つと交差し、第１のフロントレーザビームが、第１の金属シートの前記主面との交点に第１のフロントスポットを形成し、第１のフロントレーザビームのエネルギー密度が１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上であり、第１のフロントレーザビームが、第１の金属シートの第１のフロントスポットに第１のフロントキーホールを生成する、第１のフロントレーザビームと、
－第２のフロント照射軸に沿った第２のフロントレーザビームであって、第２のフロント照射軸が第２の金属シートの主面の内の１つと交差し、第２のフロントレーザビームが、第２の金属シートの前記主面との交点に第２のフロントスポットを形成し、第２のフロントレーザビームのエネルギー密度が１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上であり、第２のフロントレーザビームが、第２の金属シートの第２のフロントスポットに第２のフロントキーホール生成する、第２のフロントレーザビームと、
第１および第２のフロントスポットのそれぞれの中心が、第１の金属シートおよび第２の金属シートのそれぞれの側面から２．５ｍｍ以下の距離に位置し、溶接方向に沿った第１および第２のフロントレーザビームの中心の距離が、５ｍｍ以下であり、
－バックレーザビームであって、バックレーザビームが、第１および第２の金属シートの隣接する主面と交差し、その上にバックスポットを形成し、バックレーザビームのエネルギー密度が１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上であり、バックスポットの表面積が、第１および第２のフロントスポットのそれぞれの表面積よりも大きく、バックレーザビームが、バックスポットにおいて、第１および第２の金属シートにバックキーホールを生成する、バックレーザビームと、を同時に照射する工程を備え、
第１および第２のフロントレーザビームとバックレーザビームは、以下のように、すなわち、
－第１および第２のフロントスポットが、バックスポットの前に位置し、
－各瞬間において、第１のフロントキーホールとバックキーホールの間および第２のフロントキーホールとバックキーホールとの間に、金属シートの固相領域および／または液相領域が残存する、ように構成される。

【0012】

特定の実施形態によると、本発明に係る方法は、以下の特徴の１つまたは複数をさらに備えてもよい。

【0013】

－突合せ溶接工程の各瞬間において、第１および第２のフロントレーザビームによって形成される溶融池の容量が、バックレーザビームによって形成される溶融池の容量から分離される。

【0014】

－第１および／または第２のフロントスポットの最大寸法が、５０μｍ～２５０μｍである。

【0015】

－バックスポットの最大寸法が、２００μｍ～１８００μｍ、好ましくは６００μｍ～１２００μｍである。

【0016】

－第１の金属シートと第２の金属シートが、それぞれ０．１５ｍｍ～５ｍｍの厚さである。

【0017】

－第１および第２のフロントスポットの中心が、第１および第２の金属シートの間の中央面から等距離に位置する。

【0018】

－第１および第２のフロントスポットの中心が、溶接方向に垂直な方向に沿って位置合わせされる。

【0019】

－第１および第２のフロントスポットの中心が、溶接方向に沿って互いに離間した位置に配置される。

【0020】

－バックスポットが、第１および第２の金属シートの間の中央面上を中心とする。

【0021】

－バックスポットの中心が、第１および第２の金属シートの間の中央面に対して横方向にオフセットする。

【0022】

－バックスポットの中心が、溶接方向に沿った距離に延在し、第１および第２のフロントスポットの内の最後端の中心から０．５ｍｍ～８ｍｍであり、好ましくは１ｍｍ～５ｍｍである。

【0023】

－第１のフロントスポットおよび／または第２のフロントスポットが、ガウシアンまたはトップハットエネルギー分布を有し、好ましくは、円形輪郭を有する。

【0024】

－バックスポットが、ガウシアンまたはトップハットエネルギー分布を有する。

【0025】

－バックスポットが環状である。

【0026】

－溶接方向に対して垂直なバックスポットの外側寸法が、溶接方向に対して平行なバックスポットの外側寸法よりも小さい。

【0027】

－バックスポットが、２枚の金属シートの間の中央面に平行な平面に対して対称である。

【0028】

－バックスポットの最大外側寸法が、２００μｍ～１８００μｍ、好ましくは６００μｍ～１２００μｍである。

【0029】

－バックスポットの最大内側寸法と最大外側寸法の比が、１．２～３．２、好ましくは１．３～２である。

【0030】

－バックスポットが溶接方向に平行な伸長方向に沿った円形の輪郭または細長の形状を有する。

【0031】

－本方法は、第１のフロントレーザビーム、第２のフロントレーザビーム、およびバックレーザビームを照射する工程と同時に、第２のバックレーザビームを照射する工程をさらに備え、第２のバックレーザビームが、第１および第２の金属シートの隣接する主面と交差し、その上に第２のバックスポット３６を形成し、第２のバックレーザビームが、第２のバックスポットがバックスポットの後方に位置するように構成される。

【0032】

－第２のバックスポットは、環状であるか、またはガウシアンまたはトップハットエネルギー分布を有する。

【0033】

－バックスポットの最大外側寸法が、第２のバックスポットの最大外側寸法よりも大きい。

【0034】

－本方法は、突合せ溶接工程の間に、溶接材料、例えば溶接ワイヤまたは粉末を提供する工程をさらに備える。

【0035】

－第１および／または第２の金属シートは、その主面の少なくとも１つに亜鉛合金またはアルミニウム合金のプレコートを有する鋼基材を備える。

【0036】

－第１のフロントレーザビーム、および／または第２のフロントレーザビームおよび／またはバックレーザビームが、共通のレーザヘッドによって生成される。

【0037】

－各レーザビームが、専用のレーザヘッドによって形成される。

【0038】

－第１の金属シートまたは第２の金属シートの少なくとも１つの鋼基材がプレス硬化鋼であり、
－第１の金属シートまたは第２の金属シートの少なくとも１つが、亜鉛含有またはアルミニウム含有プレコートを含む。

【0039】

本発明の他の態様および利点は、例示によって与えられ、添付図面を参照してなされた以下の説明を読むことにより明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】２枚の金属シートを突合せ溶接する方法の第１の実施形態により、位置決めされた２枚の金属シートの概略断面図である。

【図2】第１の実施形態に係る方法の突合せ溶接工程における、図１の２枚の金属シートの概略上面図である。

【図3】図２の平面ＩＩＩ－ＩＩＩによる、図２の２枚の金属シートの内の１つの概略断面図である。

【図4】第２の実施形態に係る、２枚の金属シートを突合せ溶接する方法の、突合せ溶接工程中の２枚の金属シートの概略上面図である。

【図5】第３の実施形態に係る、２枚の金属シートを突合せ溶接する方法の、突合せ溶接工程中の２枚の金属シートの概略上面図である。

【図6】第４の実施形態に係る、２枚の金属シートを突合せ溶接する方法の、突合せ溶接工程中の２枚の金属シートの概略上面図である。

【図7】第５の実施形態に係る、２枚の金属シートを突合せ溶接する方法の、突合せ溶接工程中の２枚の金属シートの概略上面図である。

【図8】第６の実施形態に係る、２枚の金属シートを突合せ溶接する方法の、突合せ溶接工程中の２枚の金属シートの概略上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0041】

本発明の第１の実施形態に係る２枚の金属シート２、４の突合せレーザ溶接方法を、図１から図３を参照して説明する。

【0042】

本方法は、第１の金属シート２と第２の金属シート４を提供する工程を備える。

【0043】

各金属シート２、４は、それぞれ、２つの主面６、７と、２つの主面６、７を接合する側面８とを有する。

【0044】

主面６、７は、上面６と下面７である。用語「上面」および「下面」は、前記主面６、７に垂直な軸に対して相対的な意味である。

【0045】

各金属シート２、４の側面８は、例えば金属シート２、４の主面６、７に対して垂直に延在する。あるいは、少なくとも１つの金属シート２、４の側面８は、主面６、７に対して垂直に延在しない。例えば、少なくとも１つの金属シート２、４の側面８は、この金属シート２、４の主面６、７に対して傾斜しており、主面６、７の内の１つと、９０°とは異なる角度、例えば４５°以上、より詳細には６０°以上の角度を形成する。

【0046】

第１の金属シート２および第２の金属シート４は、それぞれ０．１５ｍｍ～５ｍｍの厚さである。なお、「金属シートの厚さ」とは、主面６、７に対して垂直な方向の金属シート２、４の前記主面６、７間の距離を意味する。

【0047】

好ましくは、第１の金属シート２および第２の金属シート４は、それぞれ一定の厚さを有する。あるいは、第１の金属シート２および第２の金属シート４の内の少なくとも１つは、可変の厚さを有する。

【0048】

第１の金属シート２および第２の金属シート４は、例えば同じ厚さを有する。あるいは、それらは異なる厚さを有する。

【0049】

第１および／または第２の金属シート２、４は、鋼基材９Ａを含む。

【0050】

基材９Ａの鋼は、より詳細には、フェライト－パーライト微細構造を有する鋼である。

【0051】

好ましくは、基材９Ａは、熱処理を意図した鋼、より詳細にはプレス硬化鋼、例えばマンガンボロン鋼、例えば２２ＭｎＢ５型鋼などで製造される。

【0052】

あるいは、鋼基材９Ａの微細構造は、ベイナイトおよび／もしくはフェライトならびに／または残留オーステナイトを含む。

【0053】

基材は、その所望の厚さに応じて、熱間圧延および／または冷間圧延と、それに続く焼なまし、または任意の他の適切な方法で得られてもよい。

【0054】

金属シート２、４は、例えば、基材９Ａの少なくとも１つの主面上、例えばその両方の主面上に、亜鉛含有、またはアルミニウム含有プレコート９Ｂを含む。

【0055】

本方法は、さらに突合せレーザ溶接のために第１および第２の金属シート２、４を位置決めする工程を備える。

【0056】

図１に示すように、第１および第２の金属シート２、４の側面８が互いに対向するように位置決めされる。

【0057】

図２に示された例では、第１および第２の金属シート２、４には、互いに対向する側面８が互いに離間して位置決めされる、少なくとも１つの領域が存在する。あるいは、第１および第２の金属シート２、４は、例えば、それらの側面８の領域全体に亘って接触する。別の代替形態では、第１および第２の金属シート２、４には、側面８がそれらの厚さの一部に亘ってのみ互いに接触する少なくとも１つの領域が存在する。

【0058】

主面６、７は、互いに実質的に平行に位置決めされる。「実質的に平行」とは、主面６、７がそれぞれ第１の面と第２の面を画定し、第１の面と第２の面はそれらの間に１°未満の角度を画定することを意味する。

【0059】

位置決めは、第１および第２の金属シート２、４の主面６、７に垂直な中央面１０を画定する。中央面１０は、特に側面８の間の中央面である。中央面１０は、好ましくは垂直である。

【0060】

次に、本方法は、溶接方向に沿って第１および第２の金属シート２、４を突合せ溶接する工程を備える。溶接方向は、特に、中央面１０に沿って延在する。図２において、矢印１１は溶接方向を示す。

【0061】

この突合せ溶接の工程は、第１のフロントレーザビーム１２、第２のフロントレーザビーム１４、およびバックレーザビーム１６を同時に照射することを備える。

【0062】

レーザビーム１２、１４、１６は、例えば、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧ－Ｎｄレーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ、またはダイレクトダイオードレーザによって生成される。異なるレーザビーム１２、１４および１６は、同じ種類のレーザによって生成されてもよいし、異なる種類のレーザによって生成されてもよい。

【0063】

一実施形態では、第１のフロントレーザビーム１２と第２のフロントレーザビーム１４および／またはバックレーザビーム１６は、共通のレーザヘッドによって生成される。

【0064】

代替形態によれば、各レーザビーム１２、１４、１６は、専用のレーザヘッドによって形成される。

【0065】

さらなる代替形態として、２つのレーザビーム、例えば２つのフロントレーザビーム１２、１４は、共通のレーザヘッドによって形成され、第３のレーザビーム、例えばバックレーザビーム１６は、異なるレーザヘッドによって形成される。

【0066】

溶接方向は、第１および第２の金属シート２、４とレーザビーム１２、１４および１６との相対的な変位によりもたらされる。

【0067】

第１のフロントレーザビーム１２は、第１のフロント照射軸Ｅ１に沿って照射される。第１のフロント照射軸Ｅ１は、第１の金属シート２の主面６、７の内の１つと交差する。図２の図示の例では、前記主面は、第１の金属シート２の上面６である。あるいは、前記主面は、第１の金属シート２の下面７である。

【0068】

例えば、第１のフロント照射軸Ｅ１は、第１の金属シート２の主面６、７に対して垂直に延在する。

【0069】

図２に示すように、第１のフロントレーザビーム１２は、第１の金属シート２の前記主面６、７との交点に第１のフロントスポット１８を形成する。

【0070】

特に、第１のフロントレーザビーム１２は、第１のフロントレーザビーム１２の全断面に亘って第１の金属シート２の前記主面６、７と交差する。したがって、第１のフロントレーザビーム１２のエネルギーの全てが第１の金属シート２に伝達される。

【0071】

第１のフロントレーザビーム１２のエネルギー密度は、１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上である。その結果、第１のフロントレーザビーム１２は、第１の金属シート２上の第１のフロントスポット１８に第１のフロントキーホール１９を生成する（図３参照）。図３では、レーザビームは図示されていない。

【0072】

この状況において、キーホールは、金属シートの厚さ方向に延在する空洞であり、レーザビームの金属シートへの衝突の結果として生じる蒸発物質を含有する。キーホールにより、関連するレーザビームのエネルギーを金属シートに直接伝達することが可能となる。

【0073】

図３に示すように、突合せ溶接工程の間、第１のフロントレーザビーム１２は、第１のフロントスポット１８の位置に第１の溶融池１３を形成する。

【0074】

第１のフロントキーホール１９は、第１の溶融池１３によって囲まれている。

【0075】

突合せ溶接工程の間、第１のフロントキーホール１９内に含まれる蒸気の圧力によって、第１の溶融池１３の溶融材料が、キーホールによって形成される空洞内に崩壊するのを防ぐことができる。

【0076】

図３の例では、第１のキーホール１９は、単純化のためにのみ、主面６、８に対して垂直に延在する円筒状の空洞として示される。特に、第１のキーホール１９は、溶接速度に比例する角度で、主面６、８の法線に対して傾斜し得る。さらに、第１のキーホール１９は、金属シート厚を貫通する可変の断面を有し得る。

【0077】

第２のフロントレーザビーム１４は、第２のフロント照射軸Ｅ２に沿って照射される。

【0078】

第２のフロント照射軸Ｅ２は、第２の金属シート４の主面６、７の内の１つと交差する。図２に示す例では、前記主面は、第２の金属シート４の上面６である。あるいは、前記主面は、第２の金属シート４の下面７である。

【0079】

例えば、第２のフロント照射軸Ｅ２は、第２の金属シート４の主面６、７に対して垂直に延在する。

【0080】

第２のフロントレーザビーム１４は、第２の金属シート４の前記主面６、７との交点に第２のフロントスポット２０を形成する。

【0081】

図２に示す例では、第１および第２のフロントスポット１８、２０は、第１および第２の金属シート２、４の隣接する主面６、７に形成される。

【0082】

「隣接する主面」とは、レーザビームの照射方向に対して、金属シート２、４の同じ側に位置する第１の金属シート２の１つの主面と、第２の金属シート４の１つの主面を意味する。したがって、第１および第２のフロントスポット１８、２０は、例えば、第１および第２の金属シート２、４の上面６、または第１および第２の金属シート２、４の下面７に形成される。

【0083】

特に、第２のフロントレーザビーム１４は、第２のフロントレーザビーム１４の全断面に亘って第２の金属シート４の前記主面６、７と交差する。したがって、第２のフロントレーザビーム１４のエネルギーの全てが第２の金属シート４に伝達される。

【0084】

第２のフロントレーザビーム１４のエネルギー密度は、１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上である。その結果、第２のフロントレーザビーム１４は、第２の金属シート４上の第２のフロントスポット２０に第２のフロントキーホール（図示せず）を生成する。

【0085】

突合せ溶接工程の間、第２のフロントレーザビーム１４は、第２のフロントスポット２０の位置に第２の溶融池を形成する。第２の溶融池は、第２のフロントキーホールを取り囲む。

【0086】

例えば、第１の溶融池１３の容積は、第２の溶融池の容積から分離され、突合せ溶接工程の少なくともある瞬間または各瞬間において、第１の溶融池１３と第２の溶融池とは、互いに離間する。

【0087】

あるいは、第１の溶融池１３の容積は、第２の溶融池の容積から分離され、突合せ溶接工程の少なくともある瞬間または各瞬間において、第１の溶融池１３と第２の溶融池との間に金属シート２、４の固相領域が残存する。

【0088】

あるいは、第１および第２の溶融池は、突合せ溶接工程の少なくとも１つの瞬間に、単一の溶融池を形成するように結合される。

【0089】

第１および／または第２のフロントスポット１８、２０の最大寸法は、５０μｍ～２５０μｍである。したがって、レーザビーム１２、１４のエネルギーは、非常に高い効率で金属シート２、４に伝達される。さらに、これらの寸法により、第１および第２のレーザビーム１４、１６に対して比較的低出力であっても、第１および第２の金属シート２、４に第１のキーホール１９および第２のキーホールを生成することが可能となる。

【0090】

第１のフロントスポット１８および／または第２のフロントスポット２０は、ガウシアンまたはトップハットエネルギー分布を有し、好ましくは、円形の輪郭を有する。

【0091】

溶接方向に沿った第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４の中心間の距離は５ｍｍ以下である。

【0092】

特に、図２に図示された方法では、第１および第２のフロントスポット１８、２０の中心は、溶接方向に垂直な方向に沿って位置合わせされる。

【0093】

第１および第２のフロントスポット１８、２０のそれぞれの中心は、第１の金属シート２および第２の金属シート４のそれぞれの側面８から２．５ｍｍ以下の距離に位置する。

【0094】

特に、図２に示す方法では、第１および第２のフロントスポット１８、２０の中心は、第１および第２の金属シート２、４の間の中央面１０から等距離に位置する。

【0095】

突合せ溶接の間、第１および第２のフロントスポット１８、２０は互いに離間する。言い換えると、突合せ溶接の間、第１および第２のフロントスポット１８、２０は重ならない。

【0096】

バックレーザビーム１６は、バック照射軸Ｅ３に沿って照射される。

【0097】

バックレーザビーム１６は、第１および第２の金属シート２、４の隣接する主面６、７と交差する。バックレーザビーム１６によって交差するこれらの隣接する主面６、７とは、例えば、第１および第２の金属シート２、４の２つの上面６、または第１および第２の金属シート２、４の２つの下面７である。

【0098】

例えば、バック照射軸Ｅ３は、第１および第２の金属シート２、４の主面６、７に垂直に延在する。

【0099】

バックレーザビーム１６は、前記隣接する主面６、７上にバックスポット２２を形成する。

【0100】

図２に示す例では、バックスポット２２は、第１および第２のフロントスポット１８、２０が形成されるのと同じ主面６、７上に作成される。あるいは、バックスポット２２は、第１および第２のフロントスポット１８、２０が形成されるのとは異なる主面６、７上に作成される。

【0101】

バックレーザビーム１６のエネルギー密度は、１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上である。その結果、バックレーザビーム１６は、バックスポット２２において、第１および第２の金属シート２、４にバックキーホール２３Ａを生成させる（図３参照）。

【0102】

図３に示すように、突合せ溶接工程の間、バックレーザビーム１６は、バックスポット２２の位置にバック溶融池２３Ｂを形成する。バック溶融池２３Ｂは、バックキーホール２３Ａを取り囲む。

【0103】

一実施形態では、バックレーザビーム１６のエネルギーは、第１および第２のフロントレーザビーム１４、１６のそれぞれのエネルギーよりも大きい。例えば、バックレーザビーム１６のエネルギーは、第１および第２のフロントレーザビーム１４、１６のそれぞれのエネルギーの少なくとも２倍である。

【0104】

第１の実施形態に係る方法では、バックスポット２２は、ガウシアンまたはトップハットエネルギー分布を有する。

【0105】

図２の図示の例では、円形輪郭を有する。

【0106】

図示のように、バックスポット２２は、第１および第２の金属シート２、４の間の中央面１０を中心とする。

【0107】

バックスポット２２の最大寸法は、例えば２００μｍ～１８００μｍ、好ましくは６００μｍ～１２００μｍである。

【0108】

図２に示すように、バックスポット２２の表面積は、第１および第２のフロントスポット１８、２０のそれぞれの表面積よりも大きい。バックレーザビーム１６によって形成されるバックキーホール２３Ａの体積は、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４によってそれぞれ形成される第１および第２のフロントキーホールの体積よりも大きい。さらに、突合せ溶接の間、バック溶融池２３Ｂの体積は、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４によってそれぞれ形成される第１および第２の溶融池の体積よりも大きい。

【0109】

突合せ溶接の間、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４とバックレーザビーム１６は、第１および第２の金属シート２、４に対して相対的に移動し、それにより、第１および第２のフロントスポット１８、２０ならびにバックスポット２２は、第１および第２の金属シート２、４に相対的に溶接方向に沿って変位する。

【0110】

例えば、第１および第２の金属シート２、４を固定した状態で、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４とバックレーザビーム１６を一緒に移動させる。あるいは、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４とバックレーザビーム１６を固定し、第１および第２の金属シート２、４を一緒に移動させる。

【0111】

レーザ溶接により、２枚の金属シート２、４の接合部に溶接継手２４が形成される。溶接方向は、溶接継手２４が既に形成される領域から、溶接継手２４によって金属シート２、４がまだ接合されていない領域に向かって、中央面に沿って延在する方向として定義される。

【0112】

第１および第２のレーザビーム１２、１４とバックレーザビーム１６は、第１および第２のフロントスポット１８、２０がバックスポット２２の前に位置するように構成される。

【0113】

この文脈において、「前に」とは、溶接方向に対して前方にあることを意味する。したがって、バックスポット２２は、フロントスポット１８、２０と溶接方向に沿った溶接継手２４との間に位置する。言い換えると、突合せ溶接工程の間、中央面１０を中心とする第１および第２の金属シート２、４の所定の領域は、常に、最初に第１および第２のフロントスポット１８、２０と交差し、その後、次いでバックスポット２２と交差する。

【0114】

突合せ溶接の間、バックスポット２２は、第１および第２のフロントスポット１８、２０のそれぞれから離間される。言い換えると、突合せ溶接の間、バックスポット２２は、第１および第２のフロントスポット１８、２０のそれぞれと重ならない。

【0115】

突合せ溶接の間、バックキーホール２３Ａは、第１のフロントキーホール１９と第２のフロントキーホールから離間される。換言すれば、突合せ溶接の間、バックキーホール２３Ａは、第１および第２のフロントキーホールのそれぞれと重ならない。

【0116】

例えば、突合せ溶接中のキーホールの相対的な幾何学的配置は、２Ｄ視覚センサによりレーザ－材料相互作用領域を可視化することによって監視されてもよい。赤外線２Ｄ視覚センサを用いて、相互作用領域の２Ｄ温度マップを確立してもよい。特に、キーホール、溶融池、および固相領域が明確に識別される。代替的または追加的に、溶接レーザと異なる専用の波長の光をレーザ材料相互作用領域に照射し、視覚センサの前に対応するパスバンドフィルタを使用して、２Ｄピュア視覚センサ（ｐｕｒｅ ｖｉｓｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）を用いてキーホールの形状を視覚化することが可能である。

【0117】

第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４とバックレーザビーム１６は、突合せ溶接工程の間の各瞬間に、第１のフロントキーホール１９とバックキーホール２３Ａの間および第２のフロントキーホールとバックキーホール２３Ａの間に、金属シート２、４の固相領域２５および／または液相領域１３、２３Ｂが残存するように構成される。

【0118】

より詳細には、スポット１８、２０、２２の寸法、スポット１８、２０、２２間の距離、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４およびバックレーザビーム１６と金属シート２、４との相対的な変位速度、ならびにビーム１２、１４、１６の出力密度は、突合せ溶接工程の間の各瞬間に、第１のフロントキーホール１９とバックキーホール２３Ａの間および第２のフロントキーホールとバックキーホール２３Ａの間に、金属シート２、４の固相領域２５および／または液相領域１３、２３Ｂが残存するように構成される。

【0119】

図３に示す例では、第１のフロントキーホール１９とバックキーホール２３Ａの間および第２のフロントキーホールとバックキーホール２３Ａの間に、金属シート２、４の固相領域２５および液相領域１３、２３Ｂが残存する。あるいは、第１のフロントキーホール１９とバックキーホール２３Ａの間および第２のフロントキーホールとバックキーホール２３Ａの間に、金属シート２、４の液相領域１３、２３Ｂだけが残存する。

【0120】

一実施形態では、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４とバックレーザビーム１６は、突合せ溶接工程の間の各瞬間に、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４によって形成される溶融池の容量が、バックレーザビーム１６によって形成される溶融池の容量から離間されるように構成される。本実施形態では、フロントレーザビームおよびバックレーザビームによって単一の溶融池が形成される場合と比較して、溶接のばらつきが減少し、数値シミュレーションが容易になる。

【0121】

バックスポット２２の中心は、溶接方向に沿った距離に延在し、第１および第２のフロントスポット１８、２０の内の最後端の中心から０．５ｍｍ～８ｍｍで構成される。この距離は、好ましくは１ｍｍ～５ｍｍで構成される。

【0122】

第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４とバックレーザビーム１６の変位速度は、好ましくは同一であり、２ｍ／分～２０ｍ／分、好ましくは４ｍ／分～１２ｍ／分で構成される。

【0123】

次に、スポット寸法、スポット間の距離、金属シート２、４上のスポットの相対的な変位速度、およびビームの出力密度の例を詳細に説明する。

【0124】

第１の実施例によれば、
－第１および第２の金属シート２、４は、それぞれ１ｍｍの厚みを有し、溶接方向に沿って互いに接するように、または８０μｍ未満の間隔で互いに離間するように位置決めされ、
－第１および第２のフロントスポット１８、２０は、それぞれ１５０μｍの直径と５００Ｗのエネルギーを有し、第１および第２のフロントスポット１８、２０は、共通のレーザ溶接ヘッドにより形成され、この共通のレーザ溶接ヘッドは、１ｋＷの出力と１μｍの波長を有するディスクレーザ発生器によって駆動され、
－バックスポット２２は６００μｍの直径と４ｋＷのエネルギーを有し、バックスポット２２は専用のレーザ溶接ヘッドにより形成され、この専用のレーザ溶接ヘッドは、４ｋＷの出力と１μｍの波長を有するＹＡＧレーザで駆動され、
－フロントスポット１８、２０とバックスポット２２は、正三角形に配置され、それにより、正三角形は、１．２ｍｍの長さの辺を有し、バックスポット２２は、中央面の中心に配置され、フロントスポット１８、２０は、中央面から等しい距離に配置され、
－溶接速度は１６ｍ／分である。

【0125】

第２の実施例によれば、
－第１および第２の金属シート２、４は、それぞれ１ｍｍの厚みを有し、溶接方向に沿って互いに接するように、または８０μｍ未満の間隔で互いに離間するように位置決めされ、
－第１および第２のフロントスポット１８、２０は、それぞれ１５０μｍの直径と５００Ｗのエネルギーを有し、第１および第２のフロントスポット１８、２０は、共通のレーザ溶接ヘッドにより作製され、この共通のレーザ溶接ヘッドは、１０００Ｗの出力と１μｍの波長を有するディスクレーザによって駆動され、
－バックスポット２２は６００μｍの直径と４ｋＷのエネルギーを有し、バックスポット２２は専用のレーザ溶接ヘッドにより作製され、この専用のレーザ溶接ヘッドは、４ｋＷの出力と１μｍの波長を有するＹＡＧレーザで駆動され、
フロントスポット１８、２０は、中央面から等しい距離に配置され、０．６ｍｍの距離にあり、バックスポット２２は、中央面の中心に配置され、フロントスポット１８、２０の後方１．２ｍｍの距離に位置し、
－溶接速度は１６ｍ／分である。

【0126】

本発明に係る２枚の金属シート２、４の突合せレーザ溶接方法では、第１および第２のフロントキーホールは、高い形状比を有し、形状比は、キーホールの直径に対するキーホールの高さの比として定義される。高い形状比を有するキーホールは、キーホール内でのレーザビームの多重反射により、最大のレーザビームエネルギーを吸収する。

【0127】

特に、キーホール間に固相領域２５および／または液相領域１３、２３Ｂを有することにより、第１および第２のフロントキーホールがバックキーホール２３Ａ内に開口することを防止する。このようなフロントキーホールとバックキーホールとの間の連通は、フロントキーホールのそれぞれの形状比を大きく低下させ、したがって、突合せ溶接工程のエネルギー効率に影響を与える。

【0128】

さらに、突合せ溶接の間、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４は、これらの領域がバックスポット２２によって溶融される前に、第１および第２の金属シート２、４の考慮された領域をそれぞれ予熱する。

【0129】

この予熱は、突合せ溶接のエネルギー効率を高めるので有利である。さらに、バック溶融池２３Ｂを伸長することにも役立つ。バック溶融池２３Ｂを伸長することは、溶接継手２４の形状を改善し、突合せ溶接の速度制限を向上させる。

【0130】

さらに、金属シート２、４上にコーティングが存在する場合、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４は、以下のようにコーティングに作用する：亜鉛基のコーティングなどの低い蒸発温度を有するコーティングは、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４の作用によって蒸発し、一方、アルミニウム基のコーティングなどの高い蒸発温度を有するコーティング、例えばアルミニウム－シリコンコーティングは、予め溶融され、融合部に部分的に組み込まれる。

【0131】

第１および第２のフロントスポット１８、２０のそれぞれのエネルギー密度により、第１および第２の金属シート２、４を非常に効率的に予熱することが可能となる。この効率は、高い形状比を有する第１および第２のフロントキーホールによるものである。

【0132】

さらに、突合せ溶接の間、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４は、第１および第２の金属シート２、４のギャップを小さくする傾向がある。より詳細には、第１および第２の金属シート２、４間のギャップの幅が減少するのは、鋼基材９Ａの熱膨張ならびに側面８の表面張力により、側面８のエッジ断面が湾曲し、中央面１０に近づく傾向があるためである。このギャップ幅の減少は、バックレーザビーム１６のエネルギー効率の向上をもたらす。

【0133】

第１の実施形態に係る方法の代替形態では、第１および第２のフロントスポット１８、２０の中心は、溶接方向に沿って互いに離間した位置に配置される。

【0134】

第１の実施形態に係る方法の別の代替形態では、方法は、突合せ溶接工程の間に溶接材料、例えば溶接ワイヤまたは粉末を提供することを含む。

【0135】

溶接材料は、好ましくは、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４の間に挿入されることによって、バックレーザビーム１６に提供される。あるいは、追加された溶接材料は、バックレーザビーム１６の横方向または後方位置に提供されてもよい。

【0136】

第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４の間に溶接材料を挿入することは、第１および第２のフロントスポット１８、２０の中心が溶接方向に沿って互いに離間した位置に配置される場合に容易になる。

【0137】

溶接材料が溶接ワイヤである場合、ワイヤは、例えば、中央面１０に対して実質的に平行に第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４の間に挿入される。

【0138】

第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４の間に挿入されるとき、溶接材料は、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４によって予熱される。溶接材料が第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４の間に挿入されるとき、溶接材料の体積の２０％未満がこれらのレーザビーム１２、１４によって溶融される。好ましくは、第１および第２のフロントレーザビーム１２、１４は、溶接材料がそれらの間に挿入されたときに、溶接材料を溶融させない。

【0139】

この代替形態では、第１および第２のフロントスポット１８、２０による金属シート２、４の予熱に起因するバック溶融池２３Ｂの伸長は、溶接材料と金属シート２、４の材料との混合の改善に寄与する。

【0140】

第１の実施形態に係る方法の代替形態として、第１および第２のフロントスポット１８、２０の中心は、中央面１０から異なる距離に位置する。

【0141】

第１の実施形態に係る方法のさらなる代替形態では、バックスポット２２の中心は、第１および第２の金属シート２、４の間の中央面１０に対して横方向にオフセットする。この代替形態は、金属シート２、４が異なる厚さを有する場合に特に好適である。

【0142】

第１の実施形態に係る方法の代替形態によれば、バックスポット２２は、細長の外側輪郭、例えば、略楕円輪郭、楕円形輪郭、長方形輪郭、涙滴形輪郭、または卵形輪郭を有する。略楕円、ティアドロップおよび卵形輪郭は、それぞれ図５、図６、図７を参照してより詳細に説明される。

【0143】

第２の実施形態に係る２枚の金属シート２、４の突合せレーザ溶接方法を、図４を参照して説明する。

【0144】

この方法は、バックスポット２２が環状であるという点で第１の実施形態に係る方法と異なる。

【0145】

バックレーザビーム１６のエネルギーは、その中央部よりも外側の環状部に主に集中する。このような形状により、１０^６Ｗ／ｃｍ^２のエネルギー密度に到達しやすくなる。

【0146】

特に、「環状」とは、バックスポット２２が外側輪郭２６と内側輪郭２８とを有することを意味する。内側輪郭２８は、外側輪郭２６と実質的に相似である。

【0147】

特に、バックスポット２２は、２枚の金属シート２、４の間の中央面１０に平行な平面に対して対称である。

【0148】

図４に示すように、バックスポット２２は円形である。より詳細には、バックスポット２２の外側輪郭２６および内側輪郭２８は円形である。

【0149】

バックスポット２２の最大外側寸法は、２００μｍ～１８００μｍ、好ましくは６００μｍ～１２００μｍである。第２の実施形態に係る方法では、バックスポット２２の最大外側寸法は、その外側輪郭２６の直径に一致する。

【0150】

バックスポット２２の最大外側寸法と最大内側寸法の比は、１．２～３．２、好ましくは１．３～２である。第２の方法では、バックスポット２２の最大内側寸法は、その内側輪郭２８の直径に一致する。

【0151】

図４に示すように、内側輪郭２８の少なくとも一部は、それぞれ第１および第２の金属シート２、４と交差する。

【0152】

バックレーザビーム１６の環状の形状は、側面８の間のギャップを通過することによって無駄になるバックレーザビーム１６のエネルギー部分が減少されるので、本方法のエネルギー効率の向上をもたらす。

【0153】

第３の実施形態に係る２枚の金属シート２、４の突合せレーザ溶接方法を、図５を参照して説明する。

【0154】

第３の実施形態に係るこの方法は、バックスポット２２が、溶接方向に平行な伸長方向に沿った細長形状を有する点で、第２の実施形態に係る方法と異なる。この場合、溶接方向に対して垂直なバックスポット２２の外側寸法は、溶接方向に対して平行なバックスポット２２の外側寸法よりも小さい。

【0155】

図５に示す例では、バックスポット２２は、略楕円形状である。より詳細には、環状バックスポット２２については、バックスポット２２の外側輪郭２６および内側輪郭２８は、略楕円方形状である。

【0156】

細長形状は、バックスポット２２の後ろの溶融材料の流れを改善し、流れは乱れが少ない。したがって、細長い形状は、溶接継手２４の形状をさらに改善し、突合せ溶接の速度制限を向上させる。

【0157】

代替形態によれば、バックスポット２２は楕円形状を有する。より詳細には、環状バックスポット２２については、バックスポット２２の外側輪郭２６および内側輪郭２８は、楕円形である。

【0158】

別の代替形態によると、バックスポット２２は、長方形輪郭を有する。より詳細には、環状バックスポット２２については、バックスポット２２の外側輪郭２６および内側輪郭２８は長方形である。

【0159】

第４の実施形態に係る２枚の金属シート２、４の突合せレーザ溶接方法を、図６を参照して説明する。

【0160】

第４の実施形態に係る方法は、バックスポット２２が涙滴形状を有する点で第３の実施形態に係る方法と異なる。

【0161】

より詳細には、環状バックスポット２２については、バックスポット２２の外側輪郭２６および内側輪郭２８が、涙滴形状である。

【0162】

より詳細には、図６に示すように、外側輪郭２６および内側輪郭２８のそれぞれは、丸みのついたエッジ３２に対向する尖った端部３０を有する。

【0163】

図６に示すように、尖った端部３０は、溶接方向に沿って丸みのついたエッジ３２の後方に位置する。

【0164】

尖った端部３０は、中央面１０上に中心位置決めされる。

【0165】

涙滴形状は、バックスポット２２の後方の溶融材料の流れをさらに改善する。

【0166】

第５の実施形態に係る２枚の金属シート２、４の突合せレーザ溶接方法を、図７を参照して説明する。

【0167】

第５の実施形態に係る方法は、バックスポット２２が卵形状を有する点で第３の実施形態に係る方法と異なる。

【0168】

第６の実施形態に係る２枚の金属シート２、４の突合せレーザ溶接方法を、図８を参照して説明する。

【0169】

第６の実施形態に係る方法は、第１のフロントレーザビーム１２、第２のフロントレーザビーム１４、およびバックレーザビーム１６を照射する工程と同時に、第２のバックレーザビーム３４を照射することをさらに含む点で、第３の実施形態に係る方法と異なる。

【0170】

第２のバックレーザビーム３４は、第２のバック照射軸Ｅ４に沿って照射される。

【0171】

第２のバックレーザビーム３４は、第１および第２の金属シート２、４の隣接する主面６、７と交差する。

【0172】

第２のバックレーザビーム３４は、前記隣接する主面６、７上に第２のバックスポット３６を形成する。

【0173】

図８に示す例では、第２のバックスポット３６は、バックスポット２２が形成されるのと同じ主面６、７上に形成される。あるいは、第２のバックスポット３６は、バックスポット２２が形成されるのとは異なる主面６、７上に形成される。

【0174】

第２のバックレーザビーム３４のエネルギー密度は、好ましくは１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上である。その結果、第２のバックレーザビーム３４は、第２のバックスポット３６において、第１および第２の金属シート２、４に第２のバックキーホールを生成する。

【0175】

あるいは、第２のバックレーザビーム３４のエネルギー密度は、１０^６Ｗ／ｃｍ^２よりも低く、その結果、溶接継手２４の平滑性を促進する非キーホール加熱を生成する。

【0176】

第２のバックスポット３６は、２枚の金属シート２、４の間の中央面１０に平行な平面に対して対称である。

【0177】

特に、第２のバックスポット３６は円形である。より詳細には、第２のバックスポット３６の外側輪郭３８および内側輪郭４０は、円形である。

【0178】

バックスポット２２の最大外側寸法は、第２のバックスポット３６の最大外側寸法よりも大きい。

【0179】

第２のバックスポット３６の最大寸法は、例えば１００μｍ～１３００μｍ、好ましくは３００μｍ～１０００μｍである。

【0180】

図８の例では、第２のバックスポット３６は、中央面１０の中心に配置される。

【0181】

突合せ溶接の間、第２のバックレーザビーム３４は、第２のバックスポット３６が溶接方向に沿ってバックスポット２２の後方に位置するように構成される。第２のバックスポット３６は、特に、溶接方向に沿ってバックスポット２２と溶接継手２４との間に位置される。

【0182】

突合せ溶接工程の間、第２のバックレーザビーム３４は、第２のバック溶融池を形成し、第２のバック溶融池は、特に、第２のバックスポット３６の位置に形成される。

【0183】

例えば、バック溶融池２３Ｂと第２のバック溶融池とは連結される。あるいは、バック溶融池２３Ｂの容積は、第２のバック溶融池の容積から分離され、突合せ溶接工程の各瞬間において、バック溶融池２３Ｂと第２のバック溶融池との間に金属シート２、４の固相領域が残存する。

【0184】

図８に示す例では、第２のバックスポット３６は環状である。特に、第２のバックスポット３６は、外側輪郭３８と内側輪郭４０とを有する。第２のバックスポット３６の内側輪郭４０は、第２のバックスポット３６の外側輪郭３８と非常に相似する。

【0185】

代替形態によれば、第２のバックスポット３６は、ガウシアンまたはトップハットエネルギー分布を有する。

【0186】

別の代替形態によると、第２のバックスポット３６は、細長形状、例えば、略楕円形状、卵形状、長方形形状、または涙滴形状を有する。

【0187】

さらなる代替形態では、第２のバックスポット３６の中心は、第１および第２の金属シート２、４間の中央面１０に対して横方向にオフセットされる。

【0188】

上記開示された特徴により、本発明に係る突合せ溶接方法によれば、金属シート２、４間に大きなギャップがある状態で金属シートが位置決めされた場合でも、良好なエネルギー効率で金属シート２、４を溶接することが可能となる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】