JP2001259873A - レーザー溶接方法 - Google Patents

レーザー溶接方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 大出力レーザーによる溶接であっても、溶接
欠陥の発生を抑え、小入熱で深溶込みを可能とし、高強
度高靱性の溶接構造の形成を可能とする新しいレーザー
溶接方法を提供する。 【解決手段】 ベース出力がピーク出力の５０％以上に
なるように周期的に変動調節して溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、レーザー
溶接方法に関するものである。さらに詳しくは、この出
願の発明は、大出力レーザーによる溶接であっても、溶
接欠陥の発生を抑え、小入熱で深溶込みを可能として、
高強度高靱性の溶接構造の形成を可能とする新しいレー
ザー溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】近年、レーザー発振器の高
出力化が飛躍的に進み、深溶込み・高速溶接への適用が
期待されている。しかしながら、たとえば図１に説明し
たように、溶込みが深くなるにしたがい、キーホールを
安定に維持することが困難となり、これに基づきポロシ
ティ、ブローホール、割れ等の欠陥が発生しやすくな
る。
【０００３】このような問題は、高出力のＣＯ2 レーザ
ーを用いた溶接において重大な課題となっていた。
【０００４】溶接部の割れやスパッターを防止するする
とのことについてはＹＡＧレーザーを用いた溶接法とし
てこれまでにも検討されてきているが、いずれもこれま
での検討は薄板を対象とした溶接であって、深溶込みを
行う高出力レーザーによる溶接で、キーホールを安定に
維持し、ポロシティ、ブローホール、割れ等の欠陥の生
成を効果的に抑えることは依然として可能とされていな
い。
【０００５】そこで、この出願の発明は、上記のとおり
の従来の課題を解消し、大出力レーザーによる溶接であ
っても、溶接欠陥の発生を抑え、小入熱で深溶込みを可
能とし、高強度高靱性の溶接構造の形成を可能とする新
しいレーザー溶接方法を提供することを課題としてい
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１には、ベース出力が
ピーク出力の５０％以上になるように周期的に変動調節
して溶接することを特徴とするレーザー溶接方法を提供
する。
【０００７】そしてこの出願の発明は、第２には、ベー
ス出力がピーク出力の５０〜７０％となるようにするレ
ーザー溶接方法を、第３には、出力に２００Ｈｚ以下の
周期的変動を与えるレーザー溶接方法を、第４には、溶
け込み深さを１０ｍｍ以上とするレーザー溶接方法を提
供する。
【０００８】そして、この出願の発明は、第５には、上
記方法において、ＣＯ2 レーザーを用いる方法を、第６
には、５ＫＷ以上の高出力ＣＯ2 レーザーを用いる方法
を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】この出願の発明は、上記のとおり
の特徴をもつものであるが、次のようなこの出願の発明
者により得られた知見に基づいて完成されている。
【００１０】すなわち、従来高出力ＣＯ2 レーザーを用
いた溶接においては、出力を高速で任意に変動すること
が容易ではなく、主に連続発振で溶接が行われてきた。
このため、特に深い溶込みを持った部分溶込み溶接にお
いては、溶込み深さの増加に伴いキーホールの維持が困
難となり、これに起因してポロシティーやブローホー
ル、割れ等の欠陥が発生し、欠陥のない高品質な溶接を
行うことが非常に困難であった。
【００１１】そこで、この出願の発明者は、検討を進め
ることにより、外部からレーザー出力を制御し、レーザ
ー出力に特有の周期的変動を与えることで溶接欠陥の発
生を効果的に抑え、深溶込みを可能にするとの知見を得
た。
【００１２】この特有の周期的変動が、ベース出力がピ
ーク出力５０％以上となるように周期的に変動調節する
ことであり、さらに好適には、この際のベース出力は、
ピーク出力の５０〜７０％となるようにすることであ
る。いずれの場合も、ベース出力が、０となることはな
い。
【００１３】そして、出力の変動周波数は、２００Ｈｚ
以下とするのがこの発明においては好適である。
【００１４】レーザー光源としては、この発明において
はＣＯ2 レーザー、特に大出力ＣＯ 2 レーザーが考慮さ
れるが、上記のような特徴のある周期的変動調節は、他
のレーザー手段の場合においても深溶込み溶接に有効に
適用されることになる。
【００１５】この発明のレーザー溶接は、より具体的な
実施の形態としては、高出力ＣＯ2レーザーを用いて、
２００Ｈｚ以下の低周波数領域で、ベース出力がピーク
出力の５０％以上となる出力変動を周期的に付与するこ
とにより、１０ｍｍ以上の深溶込み溶接において、激し
いスパッターの発生を抑制した上で、ポロシティー、ブ
ローホール、割れ等の溶接欠陥の発生を効果的に防止す
ることを特徴とする。
【００１６】そこで、以下に実施例を示し、さらに詳し
くこの発明の方法について説明する。もちろん以下の例
によって発明が限定されることはない。
【００１７】
【実施例】一般溶接構造用鋼ＳＭ４９０を用いて、ビー
ドオンプレートにより部分溶込み溶接を行った。レーザ
ー出力は、最大２０ｋＷ、溶接部のシールドはサイドシ
ールド方式により、Ｈｅガスを５０Ｌ／ｍｉｎ送給し
た。
【００１８】図１はパルスレーザの出力波形である。横
軸は時間で、縦軸はパルスレーザの出力パワーである。
図１に示すように、ベース出力ＷB 上に最大出力（ピー
ク出力）がＷP となるよう、パルス波形を重ねた。パル
スの周波数は１５Ｈｚ、デューティーは５０％、ベース
出力とピーク出力の比（ＷB ／ＷF ）は４０〜９０％の
範囲で変化させた。このような出力の周期的な変動は、
外部から放電電流を制御することにより行った。このと
きの平均出力は以下の式で計算し、それと同じ出力の連
続発振の場合と欠陥量を比較した。
【００１９】平均出力＝((t2-t1) × Wp + (t3-t2)× W
B))/ (t3-t1) この実施例で行っている溶接は２０ｍｍ程度の深い溶込
みを有するものである。（ＷB ／Ｗp ）が４０％以下と
なると、出力変動に伴って振動する溶融金属にレーザー
があたり、激しいスパッターが発生することが確認され
た。また、スパッターの飛散に伴って溶融金属量が不足
するため、ピード表面でアンダーフィルが形成される。
一方、（ＷB ／Ｗp ）が７０％以上になると、レーザー
出力変動の効果が小さくなり、連続発振の場合と同等に
ポロシティー及びブローホールの発生が認められた。
【００２０】これに対して、（ＷB ／Ｗp ）を５０〜６
０％の範囲としたときには、図２に示すように、激しい
スパッターの発生を抑制した上で、ポロシティー及びブ
ローホールの発生が効果的に抑制できた。図３には、こ
のときの溶込み深さを示す。欠陥が効果的に抑制された
条件では、ベース出力がピーク出力の５０〜６０％ある
ため、２０ｋＷの連続発振の場合と比較して、溶込み深
さの低下を１０％以下に抑制することができる。
【００２１】以上のことから、この発明の方法を用いる
ことにより、深い溶込み深さを維持した上で、スパッタ
ーの発生が少なく、かつ有効にポロシティー、ブローホ
ールの発生を抑制することができた。
【００２２】
【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、大出力レーザーによる溶接であっても、
溶接欠陥の発生を抑え、小入熱で深溶込みを可能とし、
高強度高靱性の溶接構造の形成を可能とする新しいレー
ザー溶接方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例に使用した出力波形を示す図である。
【図２】実施例の欠陥発生状況を示すＸ線探傷試験結果
（ＷB ＝０．６Ｗp ）を例示した図である。（ａ）は、
この発明を用いたときの溶接部のＸ線探傷試験結果、
（ｂ）は、比較のために、（ａ）と同一平均出力の連続
発振ビームにより行った溶接部のＸ線探傷試験結果を示
す。
【図３】実施例の溶込み深さを示した図である。●はこ
の発明の出力制御を行った場合、○は連続発振を行った
場合の結果を示す。
【図４】溶接欠陥の発生について説明した概要図であ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川口 勲 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 (72)発明者 荒金 吾郎 茨城県つくば市千現１丁目２番１号 科学 技術庁金属材料技術研究所内 Ｆターム(参考） 4E068 BA01 CA02 CA04

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ベース出力がピーク出力の５０％以上に
    なるように周期的に変動調節して溶接することを特徴と
    するレーザー溶接方法。
  2. 【請求項２】 ベース出力がピーク出力の５０〜７０％
    となるようにする請求項１のレーザー溶接方法。
  3. 【請求項３】 出力の変動周波数を２００Ｈｚ以下とす
    る請求項１または２のレーザー溶接方法。
  4. 【請求項４】 溶け込み深さを１０ｍｍ以上とする請求
    項１ないし３のいずれかのレーザー溶接方法。
  5. 【請求項５】 ＣＯ2 レーザーを用いる請求項１ないし
    ４のいずれかのレーザー溶接方法。
  6. 【請求項６】 ５ＫＷ以上の高出力ＣＯ2 レーザーを用
    いる請求項５のレーザー溶接方法。
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