JP2002103071A

JP2002103071A - 鋼板の突合せ高速レーザ溶接方法

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Publication number: JP2002103071A
Application number: JP2000294880A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Miyazaki; 康信宮崎; Seiji Furusako; 誠司古迫; Hideki Hamaya; 秀樹濱谷; Takashi Tanaka; 隆田中; Masahiro Obara; 昌弘小原
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2002-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】溶接ビードに発生するハンピングを防止する
と共に溶接速度の速い突合せレーザ溶接方法を提供する
ことを課題とする【解決手段】鋼板を突合せ、突合せ線に沿って、炭酸
ガスレーザよりも波長の短いＹＡＧレーザまたは半導体
レーザを照射しつつ移動させて溶接する際に、レーザの
照射に先行して高温のプラズマ流を鋼板が溶融しない状
態で照射する、また、好ましくは、レーザの中心軸を鉛
直より１０〜３０度傾けた前進角とする、ことを特徴と
する突合せ高速レーザ溶接方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に、板厚や強度
または性質などの異なる鋼板を、その長手方向の端部を
突合せて溶接する突合せ高速レーザ溶接方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】最近、自動車部品の製造において、必要
な部位に必要な板厚と強度を持たせるため、板厚或いは
強度の異なる鋼板を突合せてレーザ溶接により一枚の鋼
板となし、その後一体でプレスに供するテーラードブラ
ンク（ＴａｙｌｏｒｅｄＢｌａｎｋ）と呼ばれる鋼板
が注目されている。

【０００３】このような板厚や強度または性質などの異
なる鋼板をレーザ溶接しようとすると、溶接速度が遅い
ので、溶接速度を速くする等の目的で、プラズマガスア
ークを併用するレーザ溶接が種々開発されている。

【０００４】例えば、特公昭５６−４９１９５号公報に
は、ティグにより溶融した溶融池にレーザを照射して溶
け込みを深くなるようにしたティグとレーザの併用溶接
により溶接速度を向上させる溶接方法が開示されてい
る。また、特開平２−５２１８３号公報、特開平７−２
４６４８４号公報や特開平１０−５０５７９１号公報に
おいては、レーザの照射に先だって高温のプラズマガス
流を突合せ部に噴射して溶融池を形成し、後行して炭酸
ガスレーザを照射するプラズマガス併用レーザ溶接方法
が開示されている。これらの溶接方法は、いずれも炭酸
ガスレーザの低出力化を可能とすることや溶接速度の向
上等を目的としている。

【０００５】本発明者は、板厚や強度または性質などの
異なる鋼板の突合せ溶接方法として、プラズマアーク併
用レーザ溶接方法について研究した。その結果、従来の
ように、プラズマガス併用の炭酸ガスレーザ溶接では、
溶接ビードにハンピングが発生し、溶接部の良好な形状
や強度が得られないこと、及び溶接速度も満足できるも
のではないことを見出した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、上
記現状に鑑み、溶接ビードに発生するハンピングを防止
すると共に溶接速度の速い突合せレーザ溶接方法を提供
することを課題とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、プラズマガ
ス併用レーザ溶接方法において、先行するプラズマガス
流を突合せ部の鋼板を溶融しない状態で照射し、かつレ
ーザとして炭酸ガスレーザよりも波長の短いＹＡＧレー
ザまたは半導体レーザを用いることにより、ハンピング
の発生を防止でき、そして溶接速度も高速とし得ること
を知見した。

【０００８】本発明は上記知見に基づいて完成したもの
で、その発明の要旨は以下の通りである。

【０００９】（１）鋼板を突合せ、突合せ線に沿っ
て、炭酸ガスレーザよりも波長の短いＹＡＧレーザまた
は半導体レーザを照射しつつ移動させて溶接する際に、
レーザの照射に先行して高温のプラズマ流を鋼板が溶融
しない状態で照射することを特徴とする突合せ高速レー
ザ溶接方法。

【００１０】（２）レーザの中心軸を鉛直より１０〜
３０度傾けた前進角とすることを特徴とする上記（１）
記載の突合せ高速レーザ溶接方法。

【００１１】（３）レーザのシールドガスをプラズマ
のシールドガスで代用することを特徴とする上記（１）
または上記（２）に記載の突合せ高速レーザ溶接方法。

【００１２】（４）鋼板を回転体で押し付けて駆動
し、溶接点に搬送することを特徴とする上記（１）〜上
記（３）のいずれかに記載の突合せ高速レーザ溶接方
法。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下本発明を詳細に説明する。

【００１４】まず、プラズマ単独の溶接条件、或いは、
プラズマと炭酸ガスレーザを併用した溶接条件では、ハ
ンピングが発生したことについて説明する。

【００１５】図１（ａ）は、プラズマ単独で溶接した溶
接ビードの例を示す図である。即ち、板厚０．８ｍｍの
冷延鋼板の突合せ溶接を、プラズマ電流３５０Ａｍｐ、
溶接速度１０ｍ／ｍｉｎで実施した。溶接には、パイロ
ットガスとしてＡｒ＋７％Ｈ ₂を０．３ｌ／ｍｉｎ供給
し、シールドガスとしてＡｒを用いた。溶接の結果は、
図１（ａ）に示すように、溶融域は冷延鋼板１及び２の
極表面付近にとどまった溶融ビードとなり、また、溶接
線方向に周期的に凝集した瘤を形成するハンピングが発
生した。これは、プラズマ単独の溶接では溶け込み量が
不足のため高速では貫通しないものと考えられる。

【００１６】そこで、レーザを併用して溶け込み量を増
加させる実験を行った。即ち、プラズマ条件は、電流３
５０Ａｍｐ、パイロットガスとしてＡｒ＋７％Ｈ₂を
０．３ｌ／ｍｉｎ供給し、シールドガスとしてＡｒを用
いた。レーザには、ＹＡＧレーザを用い、集光スポット
直径を０．６ｍｍとして加工点出力２ＫＷで溶接を行っ
た。その結果、図１（ｂ）に示すように、貫通溶接部４
が形成されたが、表ビードでのハンピングの発生を抑制
することが出来なかった。さらに、溶け込み量を一層増
加させるため、レーザ加工点出力を４ＫＷに上げ、十分
余裕を持って溶接を行ってもハンピングの発生を抑制す
ることは出来なかった。

【００１７】上記の実験結果より、このようなハンピン
グが発生する原因は、溶け込み量に影響されるのではな
く、プラズマの溶融特性が影響しているものと考えられ
る。なぜならば、プラズマは、本来、薄板の溶接ではキ
ーホール溶接としない（板厚に比較しキーホール径が大
きく、ビード形成が困難）ので、熱伝導型で、表面の広
い溶融部を形成する熱源であり、高速溶接には向いてい
ない。プラズマ単独で表面が溶融してしまう条件とする
と、この欠点を引きずってしまい、高速溶接時にハンピ
ングが生じると考えられるからである。

【００１８】そこで、ハンピングが発生するのは、プラ
ズマによる溶融池形成に問題があると推測し、さらに溶
接速度を上げて、プラズマ単独では鋼板表面が溶融しな
い溶接条件で実験を行った。

【００１９】即ち、板厚０．８ｍｍの冷延鋼板の突合せ
溶接において、溶接速度１５ｍ/ｍｉｎとした。プラズ
マ条件は、電流３５０Ａｍｐ、パイロットガスとしてＡ
ｒ＋７％Ｈ₂を０．３ｌ／ｍｉｎ供給し、シールドガス
としてＡｒを用いた。レーザには、ＹＡＧレーザを用
い、集光スポット直径を０．６ｍｍとして加工点出力４
ＫＷで溶接を行った。ＹＡＧレーザ光の焦点は、鋼板表
面でのプラズマの中心より１０ｍｍ後方とした。

【００２０】また、本実験での溶接速度は、プラズマ単
独では鋼板表面を溶融させることが出来ない電流値であ
る。その結果、図１（ｃ）に示すような良好な溶接ビー
ド３が形成された。

【００２１】したがって、本発明では、ハンピングの発
生を防止するため、鋼板表面が溶融しない状態（溶融池
が形成されない状態）で、プラズマを照射することとし
た。なお、異厚鋼板などで、角がある場合には角が溶け
るのは許容できるが、この場合も溶融幅は、レーザ単独
での溶融幅以下とすることにより、ハンピングの発生を
抑制することが出来る。

【００２２】ところで、本実験で用いたＹＡＧレーザの
出力では、レーザ光の狙い位置が正確であれば、溶接速
度２０ｍ／ｍｉｎでの溶接が可能である。しかし、実際
の生産速度は１０ｍ／ｍｉｎ程度となった。これは、レ
ーザ溶接法が、突合せの直線性や突合せ隙間量に対する
要求が厳しいためで、これ以上生産性を上げると、突合
せ線のわずかな変化や突合せ隙間量の変動のため、歩留
まりが著しく低下するからである。こうした事情は実験
的に次のように確かめられる。即ち、鋼板を種々の隙間
を設けてつき合わせ、ビームの狙い位置を突合せ中心か
らどの程度外しても溶接できるかを調べ、この狙い位置
を評価指数とすれば良い。例えば、ＹＡＧレーザ単独で
板厚０．８ｍｍの突合せ溶接を行った場合、突合せ隙間
０．１ｍｍで溶接速度は１０ｍ／ｍｉｎの場合、溶接可
能な狙い位置範囲は１５０μｍとなった。

【００２３】溶接可能な狙い位置（μｍ）は、以下の表
に示す通りである。

【００２４】

【表１】

【００２５】また、プラズマとレーザの照射位置につい
て実験を行った。即ち、板厚０．８ｍｍの冷延鋼板の突
合せ溶接において、溶接速度１５ｍ／ｍｉｎとした。プ
ラズマ条件は、電流３５０Ａｍｐ、パイロットガスとし
てＡｒ＋７％Ｈ₂を０．３ｌ／ｍｉｎ供給し、シールド
ガスとしてＡｒを用いた。また、レーザには、ＹＡＧレ
ーザを用い、集光スポット直径を０．６ｍｍとして加工
点出力４ＫＷで溶接を行った。ＹＡＧレーザ光の焦点
を、鋼板表面でのプラズマの中心位置とした場合、ハン
ピングが発生したが、ＹＡＧレーザ光の焦点を、鋼板表
面でのプラズマの中心位置よりも後方位置とした場合、
ハンピングは発生しなかった。

【００２６】この実験結果よりして、プラズマの中心に
ビームが照射されると、幅広く溶融してハンピングが発
生するものと考えられる。このため、プラズマはあくま
で予熱の役割でとどめる必要があり、プラズマの中心よ
りも後方位置でレーザを照射するのがハンピング防止に
は効果的であることが分かった。

【００２７】次に、レーザの種類の影響を調べるため
に、まず、炭酸ガスレーザを用いて同様の実験を行っ
た。ビーム直径０．４５ｍｍとし、加工点出力４ＫＷで
プラズマと併用し、溶接速度を１５ｍ／ｍｉｎとした場
合、図１（ｄ）に示すような溶接部４が形成されたが、
溶接表ビードではハンピングが発生してしまった。これ
は、もともと炭酸ガスレーザではハンピングが発生し易
いが、ブラズマと併用してもその特徴が消すことができ
なかったものと考えられる。

【００２８】そこで、炭酸ガスレーザに代えて、炭酸ガ
スレーザよりも波長の短いＹＡＧレーザ、或いはＹＡＧ
レーザよりもさらに波長の短い半導体レーザを用いて同
様の実験を行ったところ、ハンピングの発生は効果的に
防止できた。

【００２９】このことは、ＹＡＧレーザ或いは半導体レ
ーザは、波長が短いことから、高速溶接時の熱効率に優
れ、高速溶接が容易となり、また、溶接ビード形状が板
厚方向に比較的均一となることから、炭酸ガスレーザに
比較して高速でハンピングが発生しにくいものと考えら
れる。炭酸ガスレーザでは約１５ｍ／ｍｉｎ程度でハン
ピングが発生した（出力を上げたり、ビーム径を細くし
てエネルギー密度を上げるとハンピングの発生する溶接
速度は１０ｍ／ｍｉｎ程度まで低下する）。これに対し
て、ＹＡＧレーザでは２０ｍ／ｍｉｎでの溶接が可能で
あった。

【００３０】また、ＹＡＧレーザ或いは半導体レーザを
用いる利点は、上記に述べたハンピングの抑制、及び溶
接速度の高速化の他に、波長が短いことから、シールド
が不完全でも溶接部に窒素吸収による気孔の発生が無い
こと、そして、特に、ＹＡＧレーザでは、光ファイバに
よるビームの伝送が可能となるので取り扱いが容易とな
ること等の利点がある。半導体レーザは、ロボットアー
ムに発振機の搭載が可能となり、装置の小型化に有効で
ある等の利点がある。

【００３１】さらに、波長の短いレーザを採用すること
により、シールドとしてはプラズマアークからのシール
ドガス流で十分である。これにより、センターシールド
のハウジングやサイドシールドのノズルの配置が不要と
なり、プラズマアーク溶接トーチの組み込みが容易とな
るものである。

【００３２】次に、板厚の影響を調べるために、板厚
１．６ｍｍ、２．４ｍｍ、３．２ｍｍの鋼板についても
同様の突合せ溶接を実施した。この場合、プラズマの条
件を鋼板表面が溶融しない範囲とした本発明の条件で溶
接速度の改善効果が認められたのは２．４ｍｍまでであ
った。これは本発明の条件では、プラズマ加熱が鋼板表
面からの熱伝導に限定されるため、鋼板が厚くなると鋼
板裏面の昇温が不充分で溶接速度の向上に寄与しないも
のと考えられる。因みに、板厚３．２ｍｍの突合せ溶接
において、プラズマとレーザ光を近接させ、プラズマガ
ス流がレーザビームで形成されたキーホールに到着する
条件でＹＡＧレーザと炭酸ガスレーザを用いて溶接を行
ったところ、ＹＡＧレーザでは従来の特許に有るように
溶接速度の向上効果が確かめられたが、炭酸ガスレーザ
では、逆に溶接速度が低下してしまった。炭酸ガスレー
ザの場合、プラズマ中でレーザ光が吸収されて鋼板に到
達する量が減ったものと考えられる。

【００３３】本発明の条件で溶接可能な板厚について検
討すると、板厚が異なる鋼板を溶接する場合、厚い方の
板厚が３．０ｍｍまでが本発明の溶接方法を適用するの
に効果的である。つまり、板厚が３．０ｍｍを超える
と、比較的大きなキーホールを形成したキーホール溶接
が容易となるので、プラズマの中心とレーザの加工点を
合わせた方が効率が上がるからである。

【００３４】また、板厚比については、同厚またはレー
ザビーム照射の裏面側で位置決めされている場合、板厚
比１対４までとするのが望ましい。板厚差が有りすぎる
と、レーザ溶接が困難となるからである。

【００３５】レーザビームの照射角度としては、プラズ
マトーチとの関係で角度をつける場合に、１０度から３
０度の前進角、望ましくは２０度前後とする。ところ
で、レーザビームを前進角とすることは、溶接速度の高
速化にとっても有利に働く。高速では、キーホールを形
成しにくくなるが、１０度以上の前進角により、キーホ
ール形成を容易にし、より高速での溶接が可能となるか
らである。但し、３０度を超えると鋼板表面での照射面
積が広くなりすぎ、エネルギー密度が低下して高速溶接
に不利となるからである。

【００３６】また、プラズマは、移行方式とし、鋼板の
クランプ（押さえ治具）を通してアースに接続する。こ
れにより、不必要な部分の電圧上昇を避け、比較的大き
な鋼板の取り扱いを安全にすることが出来るからであ
る。

【００３７】次に、冷延鋼板を突合せ溶接する際におけ
る鋼帯の搬送機構の例を図２に基づいて説明する。

【００３８】本発明では、溶接すべき鋼板を固定し、溶
接装置を移動させることによって溶接することが出来る
が、しかし、本発明では、溶接装置を固定し、溶接すべ
鋼帯を図２に示すように移動して鋼帯を連続的に溶接す
ることにより、溶接速度を向上した効果をより大きくす
ることができる。

【００３９】即ち、図２に示すように、鋼板１及び２の
エッジ部を連続的に溶接するため、鋼板１及び２を同一
平面で通板し、溶接点７で溶接する。鋼板は上側の押さ
えロール８、９で押圧されて駆動し、下側の大径の溶接
ロール１０との間を通過する。上側の押さえロール８、
９は、鋼板の進行方向と直角方向に配置されている溶接
ロールの長手方向に対して、それぞれ角度θだけ傾斜さ
せることが好ましい。このように押さえロールを傾斜さ
せることにより、幅方向の力が発生し、鋼板の溶接部位
に突合せ力を与えることが出来るからである。鋼板の一
方の端部は、エッジガイド１１により幅方向にずれない
ように支持されている。また、押さえロールの傾斜角度
θは、突合せ力を考慮して２〜２５°とすることが好ま
しく、押圧力は３５０〜２００００Ｎとすることが好ま
しい。

【００４０】

【実施例】板厚０．７ｍｍの冷延鋼板と板厚１．４ｍｍ
の冷延鋼板とを用いて突合せ溶接を実施した。溶接条件
は、プラズマとＹＡＧレーザとを併用し、プラズマ条件
は、電流３５０Ａｍｐ、パイロットガスとしてＡｒ＋７
％Ｈ₂を０．３ｌ／ｍｉｎ供給し、シールドガスとして
Ａｒを用いた。また、レーザには、ＹＡＧレーザを用
い、シールドガスはプラズマのシールドガスを代用し、
ビーム照射角度２０度、集光スポット直径を０．６ｍｍ
として加工点出力４ＫＷで溶接を行った。

【００４１】溶接時には、レーザ光は先行するプラズマ
の中心より５ｍｍ後方とし、溶接速度２０ｍ／ｍｉｎで
溶接を行った。

【００４２】溶接の結果、溶接ビードにはハンピングが
なく、良好な溶接部が得られた。

【００４３】

【発明の効果】本発明のプラズマを併用したレーザ溶接
によれば、特に、板厚や強度または性質などの異なる鋼
板を溶接することが出来、そして、溶接ビードのハンピ
ングが抑制できると共に、溶接速度を高速とすることが
出来る等の顕著な作用効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】突合せ溶接の溶接部の状態を示す模式図であ
り、（ａ）はプラズマ単独で溶接した溶接部、（ｂ）は
プラズマとＹＡＧレーザを併用して溶接した溶接部、
（ｃ）は本発明条件で、プラズマとＹＡＧレーザを併用
して溶接した溶接部、そして、（ｄ）はプラズマと炭酸
ガスレーザを併用して溶接した溶接部の状態を示す模式
図である。

【図２】本発明の突合せ溶接時における鋼板の搬送機構
の例を説明するための図である。

【符号の説明】

１冷延鋼板２冷延鋼板３溶接ビード４貫通溶接部５良好な溶接ビード６溶接部７溶接点８押さえロール９押さえロール１０溶接ロール

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２３Ｋ 26/14 Ｂ２３Ｋ 26/14 Ｚ // Ｂ２３Ｋ 103:04 103:04 (72)発明者濱谷秀樹富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者田中隆富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者小原昌弘大分市大字西ノ州１番地新日本製鐵株式会社大分製鐵所内Ｆターム(参考） 4E001 BB12 DD02 DD06 EA08 4E068 BA01 BC01 BE00 CA08 CA14 CE11 CJ01 DA00 DA14 DB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼板を突合せ、突合せ線に沿って、炭酸
ガスレーザよりも波長の短いＹＡＧレーザまたは半導体
レーザを照射しつつ移動させて溶接する際に、レーザの
照射に先行して高温のプラズマ流を鋼板が溶融しない状
態で照射することを特徴とする突合せ高速レーザ溶接方
法。
【請求項２】レーザの中心軸を鉛直より１０〜３０度
傾けた前進角とすることを特徴とする請求項１記載の突
合せ高速レーザ溶接方法。
【請求項３】レーザのシールドガスをプラズマのシー
ルドガスで代用することを特徴とする請求項１または請
求項２に記載の突合せ高速レーザ溶接方法。
【請求項４】鋼板を回転体で押し付けて駆動し、溶接
点に搬送することを特徴とする請求項１〜請求項３のい
ずれかに記載の突合せ高速レーザ溶接方法。