特許 7382026 レーザスポット溶接方法

(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】2023-11-08

(45)【発行日】2023-11-16

(54)【発明の名称】レーザスポット溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20231109BHJP

   B23K 26/22 20060101ALI20231109BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 G

B23K26/22

B23K26/21 W

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020035902

(22)【出願日】2020-03-03

(65)【公開番号】P2021137831

(43)【公開日】2021-09-16

【審査請求日】2023-01-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000002082

【氏名又は名称】スズキ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【氏名又は名称】松島 鉄男

(74)【代理人】

【識別番号】100125380

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 綾子

(74)【代理人】

【識別番号】100142996

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 聡二

(74)【代理人】

【識別番号】100166268

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 祐

(74)【代理人】

【識別番号】100170379

【弁理士】

【氏名又は名称】徳本 浩一

(74)【代理人】

【氏名又は名称】有原 幸一

(72)【発明者】

【氏名】澤部 修平

(72)【発明者】

【氏名】萩原 宰

(72)【発明者】

【氏名】池田 翔一

【審査官】黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－２２４１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－４２７９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２３０４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１１８３０７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１８－５３７２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１５４８３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－１４１４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１７０９８９（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】

レーザスポット溶接方法であって、
複数重ねた金属板の所定領域にレーザ光軸を設定した状態で、
レーザを第１のデフォーカス量で第１の時間照射する第１ステップと、
レーザを第２のデフォーカス量で第２の時間照射する第２ステップと、
を連続して実行することを含み、
前記第１の時間は前記第２の時間より短く、
前記第１のデフォーカス量は、前記第２のデフォーカス量より大きい、
レーザスポット溶接方法。

【請求項2】

前記第１の時間は、前記第１～第２ステップの合計照射時間の１／４以下であり、前記第１のデフォーカス量は、前記第２のデフォーカス量の１．２５～１．５倍である、請求項１記載のレーザスポット溶接方法。

【請求項3】

レーザスポット溶接方法であって、
複数重ねた金属板の所定領域にレーザ光軸を設定した状態で、
レーザを第１のデフォーカス量で第１の時間照射する第１ステップと、
レーザを第２のデフォーカス量で第２の時間照射する第２ステップと、
を連続して実行することを含み、
前記第１の時間は前記第２の時間より短く、
前記第２のデフォーカス量は、前記第１のデフォーカス量より大きい、
レーザスポット溶接方法。

【請求項4】

前記第１の時間は、前記第１～第２ステップの合計照射時間の１／４～１／３であり、前記第２のデフォーカス量は、前記第１のデフォーカス量の１．２５～１．５倍である、請求項３記載のレーザスポット溶接方法。

【請求項5】

前記金属板の枚数は３枚、総板厚は２．６ｍｍ以下、各板間の隙間０．５ｍｍ以下であり、前記第１～第２ステップ合計照射時間は０．２～１．０秒である、請求項１～４の何れか一項記載のレーザスポット溶接方法。

【請求項6】

前記金属板の枚数は３枚、総板厚は２．６ｍｍ以下、各板間の隙間０．５～１．０ｍｍであり、前記第１～第２ステップ合計照射時間は０．２５～０．５秒である、請求項１～４の何れか一項記載のレーザスポット溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はレーザスポット溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ワークにレーザを照射しその光エネルギーによって照射部位の材料を加熱溶融するレーザ溶接は、非接触で高速溶接が行える利点があり、アーク溶接や抵抗スポット溶接からの代替が進んでいる。抵抗スポット溶接を代替するレーザスポット溶接として、特許文献1には、ブローホールなどの欠陥を除去するために、スポット領域内でレーザビームを円形状や渦巻状に走査する方法が開示されている。

【0003】

しかし、このような溶接方法は、スポット領域内でビーム走査を行うための俊敏なスキャナ操作が必要であり、制御動作が煩雑化するうえ、ビーム走査の分だけタクトタイムが長くなる問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１２－１１５８７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡潔な動作で安定的に接合強度が得られ、制御の複雑化やタクトタイムの増加を回避できるレーザスポット溶接方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係るレーザスポット溶接方法は、
複数重ねた金属板の所定領域にレーザ光軸を設定した状態で、
レーザを第１のデフォーカス量で第１の時間照射する第１ステップと、
レーザを第２のデフォーカス量で第２の時間照射する第２ステップと、
を連続して実行することを含み、
前記第１の時間は前記第２の時間より短く、
前記第１のデフォーカス量は、前記第２のデフォーカス量より大きい。

【0007】

また、本発明の第２の態様に係るレーザスポット溶接方法は、
複数重ねた金属板の所定領域にレーザ光軸を設定した状態で、
レーザを第１のデフォーカス量で第１の時間照射する第１ステップと、
レーザを第２のデフォーカス量で第２の時間照射する第２ステップと、
を連続して実行することを含み、
前記第１の時間は前記第２の時間より短く、
前記第２のデフォーカス量は、前記第１のデフォーカス量より大きい。

【発明の効果】

【0008】

本発明の第１の態様に係るレーザスポット溶接方法は、レーザを第２のデフォーカス量で第２の時間照射する第２ステップ（実質的な基本照射）の前に、第２のデフォーカス量より大きい第１のデフォーカス量で、第２の時間より短い第１の時間照射する第１ステップ（実質的なデフォーカス照射）を実行することで、予めデフォーカス照射で所定領域を加熱した状態で第２ステップの基本照射に移行でき、スパッタが抑制される利点がある。

【0009】

本発明の第２の態様に係るレーザスポット溶接方法は、レーザを第２のデフォーカス量で第２の時間照射する第２ステップ（実質的なデフォーカス照射）の前に、第２のデフォーカス量より小さい第１のデフォーカス量で、第２の時間より短い第１の時間照射する第１ステップ（実質的な基本照射）を実行することで、予め溶け込み深さを確保した状態で第２ステップのデフォーカス照射に移行でき、スパッタが抑制される利点がある。

【0010】

このように、何れの態様においても、レーザ光軸の走査を伴わない簡潔な動作でありなら、スパッタを抑制しつつ所望の接合強度と外観が得られ、制御の複雑化やタクトタイムの増加を回避できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明第１実施形態に係るレーザスポット溶接を示す側断面図である。

【図2】本発明第２実施形態に係るレーザスポット溶接を示す側断面図である。

【図3】本発明第１実施形態に係る各実施例のレーザスポット溶接におけるデフォーカス量を示す模式的なグラフである。

【図4】本発明第２実施形態に係る各実施例および比較例のレーザスポット溶接におけるデフォーカス量を示す模式的なグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0013】

（第１実施形態）
図１は、３枚重ねた金属板１１，１２，１３に対する本発明の第１実施形態に係るレーザスポット溶接１０を示している。金属板１１，１２，１３は、特に限定されるものではないが、板厚０．６～２．０ｍｍの薄鋼板を想定している。

【0014】

３枚の金属板１１，１２，１３は、それらの何れか（通常は隙間の下側の金属板１２，１３）に予め突起部（エンボス、不図示）をプレス加工しておき、突起部を介して重ね合されるか、または、金属板の間に挿入された不図示のスペーサを介して重ね合され、必要に応じてクランプなどの治具で保持されることによる間隔調整された隙間、および／または、プレス加工品のフランジ部などにスプリングバックで生じる間隔調整されていない隙間を有して重ねられている。

【0015】

レーザスポット溶接１０の実施に際しては、図１に示すように、最表面に位置した金属板１１の上方にレーザ加工ヘッドを位置させ、光軸Ｌｘを固定した状態で、先ず、デフォーカス量ｄａ（照射径Ｓａ）にて所定時間Ｔａ（合計照射時間の１／４以下）のレーザ照射Ｌａ（実質的なデフォーカス照射）を行う（第１ステップ）。

【0016】

このデフォーカス量ｄａは、溶接工程中で最大面積（最小パワー密度）もしくはそれに準じた照射領域に対応し、パワー密度が抑えられており、かつ、全体照射時間の１／４以下の照射時間Ｔａであるため、この段階では３枚の金属板１１，１２，１３を貫通する溶融部は形成されず、軟化した最表面の金属板１１から下位の金属板１２，１３への熱伝導によって照射領域全体が予熱（Ｗａ）される。

【0017】

次に、光軸Ｌｘを固定したまま、レーザ溶接機の光学系にて焦点制御を行い、デフォーカス量ｄｏ（照射径Ｓｏ）にて所定時間Ｔｏのレーザ照射Ｌｏ（実質的な基本照射）を行う（第２ステップ）。

【0018】

このデフォーカス量ｄｏは、溶接工程中で最小面積（最大パワー密度）の照射領域に対応し、エネルギー分布が高い照射領域の中央部から周辺部に溶融部分が拡大されるとともに、溶接部に最下の金属板１３まで達する充分な溶け込み深さが得られるが、これに先立つ第１ステップ（実質的なデフォーカス照射）で金属板１１，１２，１３が予熱されていることで、急激な昇温が緩和され、スパッタの発生が抑制される。

【0019】

なお、金属板１１，１２，１３に低融点金属の表面処理層が存在する場合に、溶融部とその周辺で発生する金属蒸気は、第1ステップで最表面の金属板１１から下位の金属板１２，１３への熱伝導（予熱Ｗａ）によって、金属板１１，１２，１３の間隙を通じて拡散され排出される。

【0020】

（第２実施形態）
図２は、３枚重ねた金属板１１，１２，１３に対する本発明の第２実施形態に係るレーザスポット溶接２０を示している。金属板１１，１２，１３の構成および配置は第1実施形態と同様であり、デフォーカス量の制御のみが異なる。

【0021】

レーザスポット溶接２０の実施に際しては、図２に示すように、最表面に位置した金属板１１の上方にレーザ加工ヘッドを位置させ、光軸Ｌｘを固定した状態で、先ず、デフォーカス量ｄｏ（照射径Ｓｏ）にて所定時間Ｔｏ（合計照射時間の１／４～１／３）のレーザ照射Ｌｏ（実質的な基本照射）を行い、照射領域の中央で３枚の金属板１１，１２，１３を貫通する溶融部Ｗｏを形成する（第１ステップ）。

【0022】

このデフォーカス量ｄｏは、溶接工程中で最小面積（最大パワー密度）の照射領域に対応し、溶接すべき３枚の金属板１１，１２，１３のうち最表面側の２枚の金属板１１，１２を貫通し、最下の金属板１３に対しても充分な溶け込み深さが得られる。

【0023】

次に、光軸Ｌｘを固定したまま、レーザ溶接機の光学系にて焦点制御を行い、デフォーカス量ｄｂ（照射径Ｓｂ）にて所定時間Ｔｂのレーザ照射Ｌｂ（実質的なデフォーカス照射）を行う（第２ステップ）。

【0024】

このデフォーカス量ｄｂは、溶接工程中で最大面積（最小パワー密度）もしくはそれに準じた照射領域に対応し、溶融部Ｗｏより広い範囲にレーザ照射Ｌｂ（実質的なデフォーカス照射）が実施されることで、中心部での急激な昇温とそれによるスパッタを抑制しつつ溶融部を拡大することができ、最終的な溶接部Ｗｂが得られる。

【0025】

なお、金属板１１，１２，１３に低融点金属の表面処理層が存在する場合に、溶融部とその周辺で発生する金属蒸気は、上記のような中央部から周辺部に向かう熱伝達とともに、金属板１１，１２，１３の間隙を通じて拡散され排出される。

【0026】

なお、上記各実施形態では、レーザ光学系の制御によりデフォーカス量を変更する場合について述べたが、レーザ加工ヘッドの位置を機械的に上下動（直線移動）させることでデフォーカス量を変更することもできる。また、上記各実施形態（図１、図２）では、焦点位置（ビームウエスト）がワークの上方（近位側）にある正のデフォーカス量を用いる場合について述べたが、焦点位置がワークの下方（遠位側）にある負のデフォーカス量を用いることもできる。

【0027】

（第１実施形態に係る実施例）
次に、第１実施形態に係るレーザスポット溶接１０の効果を検証するために、第1ステップにおけるデフォーカス量ｄａとその照射時間Ｔａを変えてレーザスポット溶接１０を実施し、溶接部の状況を比較する実験を行った。

【0028】

実験では、金属板１１，１２，１３として、最表面側（レーザ照射側）から、板厚ｔ１＝０．８ｍｍ、ｔ２＝０．８ｍｍ、ｔ３＝１．０ｍｍの鋼板（合計板厚２．６ｍｍ）を使用し、金属板間の間隙ｇ＝０ｍｍ，０．５ｍｍ，１．０ｍｍの各場合について、レーザ出力５ｋＷとして第1ステップ、第２ステップ合計で０．４秒間のレーザ照射を行った。

【0029】

（実施例１．１）
先ず、図３に符号Ｌａ１で示すように、デフォーカス量ｄａ＝６５ｍｍ（照射径Ｓａ＝３．３ｍｍ）で照射時間Ｔａ＝０．１秒のレーザ照射Ｌａ（第1ステップ）を行い、次いで、符号Ｌｏで示すように、デフォーカス量ｄｏ＝４４ｍｍ（照射径Ｓｏ＝２．３ｍｍ）で照射時間Ｔｏ＝０．３秒のレーザ照射Ｌｏ（第２ステップ）を行ったところ、金属板間の間隙ｇ＝０ｍｍ，０．５ｍｍ，１．０ｍｍの何れの場合にも、スパッタが生じず、外観強度ともに良好な溶接部が得られた。

【0030】

（実施例１．２）
先ず、図３に符号Ｌａ２で示すように、デフォーカス量ｄａ＝５５ｍｍ（照射径Ｓａ＝２．７ｍｍ）で照射時間Ｔａ＝０．１秒のレーザ照射Ｌａ（第1ステップ）を行い、次いで、符号Ｌｏで示すように、デフォーカス量ｄｏ＝４４ｍｍ（照射径Ｓｏ＝２．３ｍｍ）で照射時間Ｔｏ＝０．３秒のレーザ照射Ｌｏ（第２ステップ）を行ったところ、金属板間の間隙ｇ＝０ｍｍの場合に、裏面側にスパッタが見られた。これは、第1ステップのデフォーカス量ｄａ＝５５ｍｍが不足し、中央部のエネルギー密度が高いことに起因すると思われる。金属板間の間隙ｇ＝０．５ｍｍ，１．０ｍｍの各場合は、外観強度ともに許容範囲内の溶接部が得られた。

【0031】

（実施例１．３）
先ず、図３に符号Ｌａ３で示すように、デフォーカス量ｄａ＝６５ｍｍ（照射径Ｓａ＝３．３ｍｍ）で照射時間Ｔａ＝０．０５秒のレーザ照射Ｌａ（第1ステップ）を行い、次いで、符号Ｌｏで示すように、デフォーカス量ｄｏ＝４４ｍｍ（照射径Ｓｏ＝２．３ｍｍ）で照射時間Ｔｏ＝０．３５秒のレーザ照射Ｌｏ（第２ステップ）を行ったところ、金属板間の間隙ｇ＝０ｍｍ，０．５ｍｍ，１．０ｍｍの何れの場合にも、裏面側に僅かにスパッタを生じたものの、外観強度ともに良好な溶接部が得られた。

【0032】

（実施例１．４）
先ず、図３に符号Ｌａ４で示すように、デフォーカス量ｄａ＝６５ｍｍ（照射径Ｓａ＝３．３ｍｍ）で照射時間Ｔａ＝０．０１秒のレーザ照射Ｌａ（第1ステップ）を行い、次いで、符号Ｌｏで示すように、デフォーカス量ｄｏ＝４４ｍｍ（照射径Ｓｏ＝２．３ｍｍ）で照射時間Ｔｏ＝０．３９秒のレーザ照射Ｌｏ（第２ステップ）を行ったところ、金属板間の間隙ｇ＝０ｍｍ，０．５ｍｍ，１．０ｍｍの何れの場合にも、裏面側に僅かにスパッタを生じたものの、外観強度ともに良好な溶接部が得られた。

【0033】

（第２実施形態に係る実施例および比較例）
次に、第２実施形態に係るレーザスポット溶接２０の効果を検証するために、前記同様の鋼板を使用し、金属板間の間隙ｇを０ｍｍ，０．５ｍｍ，１．０ｍｍの各場合について、レーザ出力５ｋＷとして、第２ステップにおけるデフォーカス量ｄｂとその照射時間Ｔｂを変えてレーザスポット溶接２０を実施し、溶接部の状況を比較した。

【0034】

（実施例２．１）
先ず、図４に符号Ｌｏで示すように、デフォーカス量ｄｏ＝４４ｍｍ（照射径Ｓｏ＝２．３ｍｍ）で照射時間Ｔｏ＝０．１秒のレーザ照射Ｌｏ（第1ステップ）を行い、次いで、符号Ｌｂ１で示すように、デフォーカス量ｄｂ＝５５ｍｍ（照射径Ｓｂ＝２．７ｍｍ）で照射時間Ｔｂ＝０．３秒のレーザ照射Ｌｂ（第２ステップ）を行ったところ、金属板間の間隙ｇを０ｍｍ，０．５ｍｍ，１．０ｍｍの何れの場合にも、僅かにスパッタを確認できるものの、外観強度ともに良好な溶接部が得られた。

【0035】

（実施例２．２）
先ず、図４に符号Ｌｏで示すように、デフォーカス量ｄｏ＝４４ｍｍ（照射径Ｓｏ＝２．３ｍｍ）で照射時間Ｔｏ＝０．１秒のレーザ照射Ｌｏ（第1ステップ）を行い、次いで、符号Ｌｂ２で示すように、デフォーカス量ｄｂ＝６５ｍｍ（照射径Ｓｂ＝３．３ｍｍ）で照射時間Ｔｂ＝０．３秒のレーザ照射Ｌｂ（第２ステップ）を行ったところ、金属板間の間隙ｇを０ｍｍ，０．５ｍｍ，１．０ｍｍの何れの場合にも、僅かにスパッタを確認できるものの、外観強度ともに良好な溶接部が得られた。

【0036】

（比較例）
比較例として、図４に符号Ｌｏ～Ｌｏ′で示すように、一定のデフォーカス量ｄｏ＝４４ｍｍ（照射径Ｓｏ＝２．３ｍｍ）で０．４秒のレーザ照射を行ったところ、金属板間の間隙ｇ＝０ｍｍ，０．５ｍｍの各場合は表面側と裏面側の両方にスパッタが生じ、金属板間の間隙ｇ＝１．０ｍｍの場合にも裏面側にスパッタが生じた。

【0037】

なお、上記実施形態では、３枚の金属板を重ねてレーザスポット溶接する場合を示したが、２枚、あるいは、レーザ出力などの条件により４枚以上の金属板を重ねてレーザスポット溶接することも可能である。また、上記実施例に係る実験は３枚の金属板の合計板厚２．６ｍｍで実施したが、それ以下の溶接も可能である。

【0038】

また、上記各実施形態では、最表面の金属板１１に対して垂直上方からレーザ照射する場合を示したが、照射角度４０度までは実用範囲の加工性が得られる。また、水平面以外の任意の角度で傾斜配置された金属板に対しても溶接可能である。

【0039】

以上、本発明のいくつかの実施の形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。

【符号の説明】

【0040】

１１，１２，１３ 金属板
ｄａ，ｄｂ，ｄｏ デフォーカス量
Ｌａ，Ｌｂ，Ｌｏ レーザ照射
Ｌｘ レーザ光軸
Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｏ レーザ照射径
Ｗａ 予熱
Ｗｂ，Ｗｏ 溶接部（溶融部）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】