特許 7330660 レーザー溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-14

(45)【発行日】2023-08-22

(54)【発明の名称】レーザー溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20230815BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20230815BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20230815BHJP

   B23K 26/28 20140101ALI20230815BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 F

B23K26/082

B23K26/00 N

B23K26/28

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023501914

(86)(22)【出願日】2021-10-28

(86)【国際出願番号】 JP2021039853

【審査請求日】2023-01-12

(73)【特許権者】

【識別番号】390040051

【氏名又は名称】株式会社ハーモニック・ドライブ・システムズ

(74)【代理人】

【識別番号】100090170

【弁理士】

【氏名又は名称】横沢 志郎

(72)【発明者】

【氏名】山口 森彦

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５４－１２１２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－００５７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１１８４３２１１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｂ２３Ｋ ２６／０８２

Ｂ２３Ｋ ２６／００

Ｂ２３Ｋ ２６／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１金属部材と第２金属部材の突合せラインに沿ってレーザービームを所定の走査パターンで照射して、前記第１、第２金属部材を溶接するレーザー溶接方法であって、
前記突合せラインに沿って、第１レーザービームを第１走査パターンで照射して、前記突合せラインに沿って所定の幅および深さの第１溶接部を形成する第１ウォブリング加工を行い、
前記第１ウォブリング加工によって形成された前記第１溶接部の表面に沿って、第２レーザービームを第２走査パターンで照射して、前記第１溶接部に重ねて当該第１溶接部よりも広い幅で浅い深さの第２溶接部を形成する第２ウォブリング加工を行うことを特徴とするレーザー溶接方法。

【請求項2】

請求項１において、
前記第１ウォブリング加工における前記第１レーザービームの走査速度は、前記第２ウォブリング加工における前記第２レーザービームの走査速度と同一であり、
前記第１ウォブリング加工における前記第１レーザービームの出力は、前記第２ウォブリング加工における前記第２レーザービームの出力よりも大きく、
前記第１ウォブリング加工における前記第１レーザービームの前記第１走査パターンは、前記突合せラインに直交する方向の振幅が、前記第２ウォブリング加工における前記第２レーザービームの前記第２走査パターンの前記突合せラインに直交する方向の振幅よりも小さいレーザー溶接方法。

【請求項3】

請求項２において、
前記第１走査パターンは、前記第１レーザービームの照射位置が前記突合せライン上の点を中心とする第１半径の円を描きながら当該突合せラインに沿った方向に移動するパターンであり、
前記第２走査パターンは、前記第２レーザービームの照射位置が前記突合せライン上の点を中心とする前記第１半径よりも大きな第２半径の円を描きながら当該突合せラインに沿った方向に移動するパターンであるレーザー溶接方法。

【請求項4】

請求項３において、
溶接対象の前記第１、第２金属部材は、それぞれ、炭素鋼、合金鋼または鋳鉄からなる部材であるレーザー溶接方法。

【請求項5】

請求項４において、
前記第１レーザービームの出力を１０００Ｗ以下の値に設定し、
前記第２走査パターンの前記第２半径を、１．０ｍｍ以下の値に設定するレーザー溶接方法。

【請求項6】

請求項３において、
前記第１金属部材はＳＵＪ２材であり、前記第２金属部材はＳＮＣＭ材であり、
前記第１ウォブリング加工の前記第１レーザービームの出力は８００Ｗであり、前記第１走査パターンの第１半径は０．２ｍｍであり、
前記第２ウォブリング加工の前記第２レーザービームの出力は１５０Ｗであり、前記第２走査パターンの前記第２半径は０．８ｍｍであるレーザー溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ウォブリングを用いたレーザー溶接により難溶接材料などを接合するレーザー溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザー溶接は、公知のように、光学系を用いてレーザービームを溶接箇所に沿って照射して母材を短時間で溶融させることで、熱による影響の少ない溶接が可能である。レーザー溶接方法として、溶接のビード幅を広げるために、ガルバノスキャナーを用いて、レーザービームを、円を描くように溶接箇所に照射しながら溶接箇所に沿った方向に移動させるウォブリング加工が知られている。ウォブリング加工を行うことで、レーザー溶接では難しいとされていた難溶接材料、異種金属の溶接が可能である。

【0003】

特許文献１には、ウォブリング加工を用いてアルミニウム合金板の重ね隅肉溶接方法が提案されている。ここに記載の溶接方法では、レーザー光を照射する期間と照射を中断する期間とを交互に繰り返すことで、重ね隅肉溶接部の割れの発生を防止している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０２０－０７８８１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、難溶接材料を、ウォブリング加工を用いたレーザー溶接で接合する場合、所定日数経過後に溶接箇所に割れが生じる、いわゆる、遅れ割れが問題になることがある。

【0006】

本発明の目的は、遅れ割れと呼ばれる溶接割れが発生しないように難溶接材料などを接合できるようにしたウォブリング加工を用いたレーザー溶接方法を提案することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するために、本発明は、第１金属部材と第２金属部材の突合せラインに沿ってレーザービームを所定の走査パターンで照射して、前記第１、第２金属部材を溶接するレーザー溶接方法であって、
前記突合せラインに沿って、第１レーザービームを第１走査パターンで照射して、前記突合せラインに沿って所定の幅および深さの第１溶接部を形成する第１ウォブリング加工を行い、
前記第１ウォブリング加工によって形成された前記第１溶接部の表面に沿って、第２レーザービームを第２走査パターンで照射して、前記第１溶接部に重ねて当該第１溶接部よりも広い幅で浅い深さの第２溶接部を形成する第２ウォブリング加工を行うことを特徴としている。

【0008】

例えば、第１レーザービームの出力を高くし、第１走査パターンの振幅を小さくすることで、金属間の突合せ面において、狭い幅で深い範囲に第１溶接部が形成される。これに対して、第２レーザービームの出力を低くし、第２走査パターンの振幅を大きくすることで、突合わせ面において、第１溶接部を包含する広い幅で第１溶接部より浅い範囲に第２溶接部が形成される。

【発明の効果】

【0009】

このように金属間の突合せ面に、２回に亘ってウォブリング加工を行って溶接部を形成することで、溶接部における遅れ割れを防止あるいは抑制できることが確認された。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】レーザー溶接装置を示す説明図である。

【図2】本発明によるレーザー溶接方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、図面を参照して本発明を適用したレーザー溶接方法の実施の形態を説明する。

【0012】

まず、使用するレーザー溶接装置１は一般的な構成のものである。図１に示すように、レーザー溶接装置１は、レーザー光源２を備えたレーザービーム発生部３から射出したレーザービームＬを、一対のガルバノスキャナー４、５の走査ミラー４ａ、５ａを介して、溶接対象の第１金属部材１１と第２金属部材１２の突合せライン１３に沿って照射するように構成されている。直交する回転軸回りに回動する走査ミラー４ａ、５ａを同期させて回動させることで、レーザービームＬの照射位置を、突合せライン１３に沿って所定の走査パターンＰで走査するウォブリング加工が行われる。

【0013】

図２は本例のレーザー溶接方法の概略フローチャートである。本例の溶接方法では、レーザー溶接装置１に、第１金属部材１１および第２金属部材１２を突合せた状態にセットし、突合せライン１３に沿って第１ウォブリング加工を行う（ＳＴ１）。これに続けて、第１ウォブリング加工によって突合せライン１３に沿って形成された第１溶接部２１に沿って第２ウォブリング加工を行い、第１溶接部２１に重ねて第２溶接部２２を形成する（ＳＴ２）。

【0014】

第１ウォブリング加工（ＳＴ１）においては、レーザービームＬとして第１出力の第１レーザービームを、突合せライン１３に沿って、第１走査パターンで照射して、突合せライン１３に沿って所定の幅および深さの第１溶接部２１を形成する。本例における第１走査パターンＰ１は、第１レーザービームの照射位置を、突合せライン１３上に中心が位置する第１半径の円を描きながら突合せライン１３に沿った方向に一定速度で移動させることによって描かれるパターンである。第１走査パターンＰ１としては各種のパターンを採用できる。

【0015】

第１ウォブリング加工により、第１、第２金属部材１１、１２には、突合せライン１３に沿って、突合せライン１３を中心として部材表面上における幅がＷ１で、部材表面から突合せ面１５に沿った方向の深さがＨ１の第１溶接部２１が形成される。

【0016】

第２ウォブリング加工（ＳＴ２）においては、レーザービームＬとして第１出力よりも小さな第２出力の第２レーザービームを、第１溶接部２１に沿って、第２走査パターンＰ２で照射して、突合せライン１３に沿って第１溶接部２１に重ねて第２溶接部２２を形成する。例えば、第２レーザービームの走査速度は第１レーザービームの走査速度と同一である。本例における第２走査パターンＰ２は、第２レーザービームの照射位置を、突合せライン１３上に中心が位置する第２半径の円を描きながら突合せライン１３に沿った方向に一定速度で移動させることによって描かれるパターンである。第２半径は第１半径よりも大きい。第２走査パターンＰ２も各種のパターンを採用できる。

【0017】

第２ウォブリング加工により、第１、第２金属部材１１、１２には、それらの突合せライン１３に沿って、突合せライン１３を中心として部材表面上における幅がＷ１よりも広いＷ２で、部材表面から突合せ面１５に沿った方向の深さがＨ１よりも浅いＨ２の第２溶接部２２が形成される。

【0018】

このように、高出力の第１レーザービームを用いて第１、第２金属部材１１、１２の間に狭い幅で深い第１溶接部２１を形成し、この第１溶接部２１に重ねて、低出力の第２レーザービームを用いて、広い幅で浅い第２溶接部２２を形成している。このように、２回に亘ってウォブリング加工を行うことで形成された溶接部２０においては、遅れ割れの発生が防止、あるいは抑制できることが確認された。

【0019】

本発明者等は本発明のレーザー溶接方法の効果を確認するために以下のように溶接実験を行った。第１金属部材１１として、軸受鋼（ＳＵＪ２）を用い、第２金属部材１２として機械構造用合金鋼（ＳＮＣＭ４３９）を用いた。第１ウォブリング加工における第１レーザービームの出力を８００Ｗとし、第１走査パターンＰ１の円の第１半径（ウォブリング半径）を０．２ｍｍとした。第２ウォブリング加工における第２レーザービームの出力を１５０Ｗとし、第２走査パターンＰ２の円の第２半径（ウォブリング半径）を０．８ｍｍとした。この結果、突合せ面１５に沿って深さＨ１が約２．３ｍｍの第１溶接部２１が形成され、第１溶接部２１に重ねて、幅Ｗ２が約２．３ｍｍの第２溶接部２２が形成された。この溶接部２０について経過観察を行ったところ、遅れ割れの発生は認められず、良好な溶接部が形成されたことが確認された。

【0020】

本発明者等は、合金鋼であるＳＵＪ２材と機械構造用合金鋼であるＳＮＣＭ４３９材の溶接実験の他、各種の金属材料の組み合わせについても溶接実験を行った。例えば、ＳＣＭ４１５材とＳＮＣＭ４３９材の溶接実験、炭素鋼材（Ｓ４５Ｃ）と球状黒鉛鋳鉄材（ＦＣＤ）の溶接実験を行った。鉄鋼材（炭素鋼、合金鋼、鋳鉄）の溶接においては、第１、第２レーザービームの出力を１０００Ｗ程度までの範囲内で適切に設定し、走査パターンのウォブリング半径（振幅）を１．０ｍｍ程度までの範囲で適切に設定することにより、遅れ割れの生じない良好な溶接部を得られることが確認された。

【要約】

第１金属部材（１１）と第２金属部材（１２）を溶接するレーザー溶接方法では、突合せライン（１３）に沿って、第１レーザービームを第１走査パターン（Ｐ１）で照射して第１溶接部（２１）を形成する第１ウォブリング加工（ＳＴ１）を行う。次に、第１ウォブリング加工（ＳＴ１）によって形成された第１溶接部（２１）の表面に沿って、第２レーザービームを第２走査パターン（Ｐ２）で照射して、第１溶接部（２１）に重ねて当該第１溶接部（２１）よりも広い幅で浅い深さの第２溶接部（２２）を形成する第２ウォブリング加工（ＳＴ２）を行う。遅れ割れを防止あるいは抑制可能な溶接部（２０）が形成される。

【図1】

【図2】