特許 7192363 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-12

(45)【発行日】2022-12-20

(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 26/32 20140101AFI20221213BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20221213BHJP

   B23K 26/08 20140101ALI20221213BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20221213BHJP

   B23K 26/28 20140101ALI20221213BHJP

【ＦＩ】

B23K26/32

B23K26/08 F

B23K26/21 G

B23K26/21 F

B23K26/28

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018184305

(22)【出願日】2018-09-28

(65)【公開番号】P2020049538

(43)【公開日】2020-04-02

【審査請求日】2021-06-22

(73)【特許権者】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(74)【代理人】

【識別番号】100197561

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 三喜男

(72)【発明者】

【氏名】山口 紘次朗

(72)【発明者】

【氏名】高橋 克典

(72)【発明者】

【氏名】森脇 幹文

(72)【発明者】

【氏名】中井 正規

(72)【発明者】

【氏名】市原 浩一郎

(72)【発明者】

【氏名】冨永 泰裕

(72)【発明者】

【氏名】氏平 直樹

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１５２７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５０５０５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２８３０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２５４２８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１３６３０７（ＪＰ，Ａ）

(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】

第１の融点を有する第１の材料からなる第１の板状部材と、前記第１の融点よりも低い第２の融点を有する第２の材料からなる第２の板状部材とを溶接するレーザ溶接方法であって、
前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とを突き合せて接触させる工程と、
前記第１の板状部材にレーザを照射することにより、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材を加熱し溶融する工程と、
前記レーザの照射位置を、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との接触部に沿った第１の方向成分と前記第１の方向成分とは異なる第２の方向成分とを含む方向に移動させる工程を含む、レーザ溶接方法。

【請求項2】

前記照射位置が螺旋を描くように移動され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】

前記照射位置がトロイダル曲線を描くように移動され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4】

前記照射位置がジグザグ模様又は波形曲線を描くように移動され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5】

第１の融点を有する第１の材料からなる第１の板状部材と、前記第１の融点よりも低い第２の融点を有する第２の材料からなる第２の板状部材とを溶接するレーザ溶接装置であって、
レーザ発振器と、
前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とを突き合せて接触させて、前記レーザ発振器から発振されたレーザを前記第１の板状部材に照射するとともに、前記第１の板状部材に対する前記レーザの照射位置を、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との接触部に沿った第１の方向成分と、前記第１の方向成分とは異なる第２の方向成分とを含む方向に移動させる手段を備えることを特徴とするレーザ溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、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】

機械的強度の低い金属材料から作られた部品は補強を要求されることがある。この要求に応えるために、レーザ溶接が用いられる。レーザ溶接は、機械的強度の低い材料に機械的強度の高い材料を接合することで、補強を行う。金属材料においては、軽量材料として知られるアルミニウムや減衰機能を有するマグネシウムなど、その機能に応じた最適な使用を行うため、機能に応じた材料の選択を実施する必要があり、適材適所の配置を実施することにより自動車軽量化と安全性能を両立させることができる。

【0003】

材料の組み合わせによっては、脆弱な金属間化合物が接合界面に生成されるおそれがある。この問題に対して、高融点材料にのみ熱量を与え、与える熱量を制御することで、低融点材料のみを溶かすようにして接合させる方法が提案されている（特許文献１参照）。これにより、脆弱な金属間化合物の生成をできる限り防ぐことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００５－２７９７４４号公報

【0005】

一方、接合させる金属材料が鉄とアルミニウムの場合、一度アルミニウムの溶融が始まると、アルミニウムの溶融は入熱した箇所から周囲へ素早く拡がる。また、図７に示すように、アルミニウムの溶融量が増え、接合界面におけるアルミニウムの濃度が７５％付近まで増えると、Ｆｅ２Ａｌ５又はＦｅＡｌ３などのアルミニウムを多く含む脆弱な金属間化合物が生成されるおそれがある。この問題は、接合界面の内、アルミニウムに近い領域で起こる。脆弱な金属間化合物をより多く含む領域は、機械的強度の劣る部位となり、想定されている荷重で変形してしまうおそれがある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

そこで、本発明は、金属材料の接合界面で溶融した材料を攪拌することで、生成された金属間化合物を均一に拡散させるレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この目的を達成するために、請求項１に係る実施形態の、第１の融点を有する第１の材料からなる第１の板状部材と、前記第１の融点よりも低い第２の融点を有する第２の材料からなる第２の板状部材とを溶接するレーザ溶接方法は、
前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とを突き合せて接触させる工程と、
前記第１の板状部材にレーザを照射することにより、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材を加熱し溶融する工程と、
前記レーザの照射位置を、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との接触部に沿った第１の方向成分と前記第１の方向成分とは異なる第２の方向成分とを含む方向に移動させる工程を含む。

【0008】

請求項２に係る実施形態のレーザ溶接方法は、
前記照射位置が螺旋を描くように移動されることを特徴とする。

【0009】

請求項３に係る実施形態のレーザ溶接方法は、
前記照射位置がトロイダル曲線を描くように移動されることを特徴とする。

【0010】

請求項４に係る実施形態のレーザ溶接方法は、
前記照射位置がジグザグ模様又は波形曲線を描くように移動されることを特徴とする。

【0011】

また、請求項５に係る実施形態の、第１の融点を有する第１の材料からなる第１の板状部材と、前記第１の融点よりも低い第２の融点を有する第２の材料からなる第２の板状部材とを溶接するレーザ溶接装置は、
レーザ発振器と、
前記第１の板状部材と前記第２の板状部材とを突き合せて接触させて、前記レーザ発振器から発振されたレーザを前記第１の板状部材に照射するとともに、前記第１の板状部材に対する前記レーザの照射位置を、前記第１の板状部材と前記第２の板状部材との接触部に沿った第１の方向成分と、前記第１の方向成分とは異なる第２の方向成分とを含む方向に移動させる手段を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0012】

本願の請求項１に記載の発明によれば、第１の部材と第２の部材を溶融させた状態で、レーザの照射位置を第１の方向成分と第２の方向成分を含む方向に移動させることで、生成された金属間化合物を拡散させるレーザ溶接方法を提供できる。また、第１の部材と第２の部材の接合界面については、金属間化合物が偏析するリスクがある場合には、再度レーザの照射位置の移動により、再溶融の後、攪拌することで金属間化合物を確実に拡散させることができる。これにより、接合界面の機械的性質が均一な金属材料部材を生産できる。

【0013】

また、本願の請求項５に記載の発明によれば、第１の部材と第２の部材を溶融させた状態で、レーザの照射位置を第１の方向成分と第２の方向成分を含む方向に移動させることで、生成された金属間化合物を拡散させるレーザ溶接装置を提供できる。また、第１の部材と第２の部材の接合界面については、金属間化合物が偏析するリスクがある場合には、再度レーザの照射位置の移動により、再溶融の後、攪拌することで金属間化合物を確実に拡散させることができる。これにより、接合界面の機械的性質が均一な金属材料部材を生産できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係るレーザ溶接システムの概略構成を示す正面図である。

【図2】図１に示すレーザ溶接システムのブロック図である。

【図3】第１の部材と第２の部材を突き合わせて、図１のレーザ溶接システムによって、第１の部材と第２の部材を突き合わせる方向に垂直な方向からレーザを照射して、螺旋を描くようにレーザ照射位置を動かして溶接する概略図である。

【図4】ｘ方向成分とｙ方向成分を含む方向にレーザ照射位置を動かすことで図３に示す螺旋を描くことを示し、また、そのときの第１の部材と第２の部材の断面の状態を示す概略図である。

【図5】第１の部材と第２の部材を突き合わせて、図１のレーザ溶接システムによって、第１の部材と第２の部材を突き合わせる方向に垂直な方向からレーザを照射して、トロイダル曲線を描くようにレーザ照射位置を動かして溶接する概略図である。

【図6】第１の部材と第２の部材を突き合わせて、図１のレーザ溶接システムによって、第１の部材と第２の部材を突き合わせる方向に垂直な方向からレーザを照射して、ジグザグ模様を描くようにレーザ照射位置を動かして溶接する概略図である。

【図7】第１の部材と第２の部材を重ね合わせ、図１のレーザ溶接システムによって、第１の部材と第２の部材を重ね合わせる方向からレーザを照射して、螺旋を描くようにレーザ照射位置を動かして溶接する概略図である。

【図8】ｘ方向成分とｙ方向成分を含む方向にレーザ照射位置を動かすことで図７に示す螺旋を描くことを示し、また、そのときの第１の部材と第２の部材の断面の状態を示す概略図である。

【図9】第１の部材と第２の部材を重ね合わせ、図１のレーザ溶接システムによって、第１の部材と第２の部材を重ね合わせる方向からレーザを照射して、トロイダル曲線を描くようにレーザ照射位置を動かして溶接する概略図である。

【図10】鉄－アルミニウムの状態図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図面を参照して本発明に係るレーザ溶接方法の実施形態を説明する。

【0016】

［レーザ溶接システム］
図１は実施形態１に係るレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接システムの概要を示す。図示するレーザ溶接システム（以下、「溶接システム」という。）１０は、溶接対象１２を支持する下部構造１４と、溶接対象１２にレーザを照射する上部構造１６を有する。

【0017】

下部構造１４は、建物の床等に固定された基台１８と、基台１８の上に配置された移動テーブル２０と、移動テーブル２０の上に配置された支持テーブル２２を有する。支持テーブル２２は、溶接対象１２を支持する水平支持面２４を備えている。支持テーブル２２はまた、水平支持面２４に支持されている溶接対象１２を固定するための治具２６を備えている。移動テーブル２０は、テーブル移動モータ２８に連結されており、モータ２８の駆動に基づいて、支持テーブル２２を水平支持面２４に平行で図の左右方向に伸びる方向（ｘ方向）に移動させることができるように構成されている。

【0018】

実施形態では、支持テーブル２２は、その内部に冷媒を輸送する空間の冷媒輸送路３０が形成されている。冷媒は、空気又は適当な液体のいずれかであってもよい。冷媒輸送路３０は冷媒循環路（管路）３２を介して冷却器３４に接続されている。冷却器３４は、冷媒を冷媒循環路３２を介して冷媒輸送路３０に輸送し、また、冷媒輸送路３０から冷媒循環路３２を介して冷媒を回収するためのポンプ３６と、回収された冷媒を再び冷却する熱交換器３８を備えている。

【0019】

上部構造１６はレーザ加工機４０を有する。レーザ加工機４０は、加工用レーザ発振器４２と、ガルバノスキャナ４４と、レンズ４６を有する。レーザ発振器４２から出力されるレーザは、ＹＡＧレーザ、ＣＯ２レーザ、その他のレーザのいずれであってもよい。ガルバノスキャナ４４は、レーザ発振器４２で発振されたレーザ４８の照射位置をｘ方向成分とｙ方向成分を含む方向に連続的に又は断続的に変更するために、Ｘスキャンミラー５０と、該Ｘスキャンミラー５０に連結されたＸスキャンモータ５２と、Ｙスキャンミラー５４と、該Ｙスキャンミラー５４に連結されたＹスキャンモータ５６を有する。Ｘスキャンミラー５０とＸスキャンモータ５２は、Ｘスキャンモータ５２の駆動に基づいてＸスキャンミラー５０の角度を調整することで、レーザ発振器４２で発振されたレーザ４８を、溶接対象１２上でｘ方向に走査するように構成されている。Ｙスキャンミラー５４とＹスキャンモータ５６は、Ｙスキャンモータ５６の駆動に基づいてＹスキャンミラー５４の角度を調整することで、レーザ発振器４２で発振されてＸスキャンミラー５０で反射したレーザ４８を、溶接対象１２に向けると共に溶接対象１２上でｙ方向に走査するように構成されている。したがって、Ｘスキャンモータ５２とＹスキャンモータ５６を同時に駆動することにより、Ｘスキャンミラー５０とＹスキャンミラー５４を同時に動かし、溶接対象１２上においてｘ方向成分とｙ方向成分を含む方向に連続的に又は断続的にレーザ照射位置を移動させることができる。

【0020】

なお、上述したレーザ溶接システムでは、移動テーブル２０が支持テーブル２２をｘ方向に移動させたが、代わりに、レーザ加工機４０をスキャナヘッドとしてｘ方向に移動させてもよい。

【0021】

上述したテーブル移動モータ２８、ポンプ３６、レーザ発振器４２、Ｘスキャンモータ５２、及びＹスキャンモータ５６は、コントローラ５８に接続されている。コントローラ５８はまた、記憶部６０に接続されている（図２参照）。したがって、コントローラ５８は、記憶部６０に記憶されているプログラム又はデータに基づいて上述の機器を駆動し、所定の溶接加工を行うことができる。具体的に、溶接システム１０で行うことができる種々の溶接加工について説明する。

【0022】

［実施形態１］
まず最初に説明する溶接加工の溶接対象１２は、図３に示すように、突き合わせた２つの部材である。図面上、第１の部材６２と第２の部材６４は共に板状部材であるが、その組み合わせに限るものではない。

【0023】

第１の部材６２には第２の部材６４よりも融点の高い材料が選ばれる。例えば、第１の部材６２は鉄で、その融点は１，５３８℃である。第２の部材６４はアルミニウムで、その融点は６６０℃である。

【0024】

図示するように、第１の部材６２と第２の部材６４は、第１の部材６２を左、第２の部材６４を右にして突き合わせる。重ねた第１の部材６２と第２の部材６４は、両者を出来るだけ密着させた状態で、適当な治具２６によって固定する（図１参照）。

【0025】

この状態で、コントローラ５８は記憶部６０に記憶されている溶接プログラムを読み出し、そのプログラムにしたがってレーザ発振器４２、Ｘスキャンモータ５２、Ｙスキャンモータ５６、及びテーブル移動モータ２８を駆動する。これにより、レーザ発振器４２から出力されたレーザ４８は、Ｘスキャンミラー５０とＹスキャンミラー５４で反射し、レンズ４６を介して、第１の部材６２と第２の部材６４の突き合わせ方向（ｙ方向）に垂直な方向（ｚ方向）から、第１の部材６２に照射される。レーザ４８の照射位置６６は、Ｘスキャンミラー５０によってｘ方向に動かされ、Ｙスキャンミラー５４によってｙ方向に動かされ、結果として、ｘ方向成分とｙ方向成分を含む方向（図４に示す矢印Ｃ方向）に移動する。また、テーブル移動モータ２８の駆動に基づいて、レーザ照射位置６６に対して溶接対象１２をｘ方向に連続的に又は間欠的に移動する。

【0026】

一つの実施形態では、図３に示すように、テーブル移動モータ２８が所定の時間間隔をあけて一定時間駆動される。また、テーブル移動モータ２８が停止した状態で、Ｘスキャンモータ５２とＹスキャンモータ５６が連続的に駆動され、レーザ照射位置６６が螺旋６８を描くように、Ｘスキャンミラー５０とＹスキャンミラー５４が回転される。螺旋６８は、アルキメデス螺旋、対数螺旋のいずれであってもよい。

【0027】

この結果、図４に示すように、レーザ４８の照射によって加熱された第１の部材６２のレーザ照射領域７０では、第１の部材６２が溶融する。また、第１の部材６２から第２の部材６４に伝わる熱によって第２の部材６４が溶融する。このとき、上述のように、レーザ照射位置６６は螺旋６８を描くように移動するため、その移動によって溶融した第１の部材６２と第２の部材６４がｘ、ｙ、ｚ方向に攪拌され、その結果、実施形態では鉄とアルミニウムの金属間化合物（例えば、Ｆｅ２Ａｌ５、ＦｅＡｌ３）が溶融池７２の中で均一に拡散する。

【0028】

本実施形態において、レーザ照射位置６６の移動速度は限定的ではないが、レーザ照射位置を高速で動かすことによって溶融池における金属間化合物の拡散がより促進される。そのため、レーザ照射位置の移動速度は、照射位置の精度を考慮して、例えば３ｍ／秒程度が好ましい。

【0029】

上記レーザ溶接中、冷却器３４のポンプ３６が連続的に駆動され、冷媒が、冷媒循環路３２を介して、冷媒輸送路３０に供給される（図１参照）。これにより、支持テーブル２２を介して溶接対象１２がその下面から冷却され、特に第２の部材６４の溶融が過度に進行しないように制御される。

【0030】

［実施形態２］
上述した溶接加工では、ｘ方向に一定の間隔をあけた位置でレーザ照射位置６６を螺旋状に変化させたが、図５及び図６に示すように、ｘ方向に向けて連続的にトロイダル曲線７４、ジグザグ模様７６、波形曲線（図示せず）を描くようにレーザ照射位置６６を移動してもよい。この実施形態でも、レーザ照射位置６６は、ｘ方向成分とｙ方向成分を含む組み合わせ方向に連続的に移動するため、溶融した金属がｘ、ｙ、ｚ方向に攪拌され、その結果、金属間化合物が溶融池の中で均一に拡散する。

【0031】

なお、図３～６に示す実施形態では、レーザ照射位置６６のｘ方向の移動に応じて第１の部材６２と第２の部材６４の上を移動し、これら第１の部材６２と第２の部材６４を安定的に保持する押さえローラ７８を設けてもよい。

【0032】

［実施形態３］
上述した実施形態１，２では、第１の部材６２と第２の部材６４を突き合わせ、その突き合わせ方向に垂直な方向から一方の部材にレーザを照射して該部材を溶融し、その溶融熱によって他方の部材を溶融したが、本発明はいわゆる重ね合わせ溶接にも適用可能である。

【0033】

この場合、図７を参照すると、第２の部材６４を下、第１の部材６２を上にして重ね、第１の部材６２と第２の部材６４を重ね合わせた方向から第１の部材６２に対してレーザを照射する。また、レーザ照射位置６６は、ｘ方向に一定の間隔をあけたレーザ照射領域８０において螺旋８２を描くように移動させてもよいし、図９に示すようにｘ方向に沿って連続的に又は間欠的にトロイダル曲線８４、ジグザグ模様（図示せず）、波形曲線（図示せず）を描くように、移動させてもよい。いずれの場合にあっても、レーザ照射位置６６がｘ方向成分とｙ方向成分を含む組み合わせ方向に移動されることによって、溶融池８６（図８参照）において金属間化合物が効果的に拡散される。

【0034】

なお、図７～９に示す実施形態でもローラを採用し、第１の部材６２と第２の部材６４の間に安定した両者の接触面を形成するようにしてもよい。

【0035】

本実施形態では、突き合わせ溶接の際に第１の部材６２にレーザ４８を照射したが、第１の部材６２だけでなく第２の部材６４にもレーザを照射してもよい。

【0036】

上述した実施形態では、第１の部材６２が鉄、第２の部材６４がアルミニウムであったが、本発明の適用はその組み合わせに限るものでない。

【符号の説明】

【0037】

１０：レーザ溶接システム
４０：レーザ加工機
４８：レーザ
６２：第１の部材
６４：第２の部材
６６：レーザ照射位置
６８，８２：螺旋
７４，８４：トロイダル曲線
７６：ジグザグ模様

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】