JP2002144064A

JP2002144064A - 金属部材の溶接方法及び装置

Info

Publication number: JP2002144064A
Application number: JP2001037340A
Authority: JP
Inventors: Moriaki Ono; 守章小野; Akihide Yoshitake; 明英吉武; Makoto Kabasawa; 真事樺沢; Yoshihiro Hosoya; 佳弘細谷; Yukio Shinpo; 幸雄真保
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2002-05-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】レーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複合化
することにより、隙間を有する金属薄板、或いはそれに
よって形成された構造物の重ねおよび重ね隅肉溶接或い
は突き合せ溶接において隙間許容量を増大し、継手強度
のばらつきのない高速溶接法を提供する【解決手段】金属薄板または金属薄板構造物の重ね溶
接、重ね隅肉溶接、または突き合わせ溶接予定個所にレ
ーザーを照射する工程と、この照射工程の後にガスメタ
ルアーク溶接を行う工程とを備えた金属部材の溶接方
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、金属薄板或いは金
属薄板によって形成された構造物の重ね溶接、重ね隅肉
溶接或いは突き合せ溶接に用いられる溶接方法及び装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から金属薄板にて形成された構造物
の接合には、主に電気抵抗スポット溶接法やアーク溶接
法が用いられているが、近年レーザー溶接法が採用され
るようになってきた。これは、レーザー溶接を採用した
場合には、片側からの溶接で済むとともに、ビード幅が
狭いために従来工法である抵抗スポット溶接やアーク溶
接に比べて接合部の設計自由度が大きく、溶接継手とし
ての幅を狭くすることが可能となる等の利点を有するた
めである。

【０００３】レーザー光は、非常に強い集光性があり、
エネルギー密度の極めて高い集中熱源となるので、溶接
に適用すれば、溶け込み深さが深く、高速溶接を行うこ
とができる。

【０００４】しかしながら、レーザー溶接法には以下の
課題を有している。レーザー溶接ではレーザー光の集光
性がよいという特長の裏返しとして、被溶接物の重ね合
わせ品質を厳格に管理する必要がある。重ね継手では、
上下の被溶接物間の隙間の許容量は上部側被溶接物の板
厚の３０％程度であり、これを越えると溶融部が上部被
溶接物から溶け落ちて、重ね継手の強度が低下する。以
上のような条件を満たすために、重ね継手の上側（片
側）もしくは上下両側から被溶接物に加圧力を加えて重
ね継手の隙間の寸法を矯正しつつレーザー溶接を施すよ
うにする方法が、特開昭59-179284号公報および特開平4
-258391号公報に開示されている。

【０００５】一方、金属薄板閉断面構造物の溶接では、
上下両側から加圧力を付与することができないため、片
側からのみ加圧する方法が、特開平8-90264号公報に開
示されている。金属薄板閉断面構造物の剛性が高い場合
には、加圧力を増加に伴って板間の隙間が減少するのに
対して、金属薄板閉断面構造物の剛性が低い場合には、
ある値以上に加圧力が大きくなると継手全体の変形が大
きくなり、逆に隙間が大きくなるという問題点を有して
いる。そこで、加圧変位や加圧力をオンライン制御する
方法を提案している。

【０００６】以上のように、金属薄板にて形成された構
造物をレーザーで溶接する場合には、被溶接物間の隙間
を厳格に管理するために厳格に加圧して、溶接する必要
がある。しかし、金属薄板構造物の形状が複雑な場合や
板厚構成が多岐にわたる場合には、高精度の加圧制御が
困難となり、継手強度が低下することが考えられる。

【０００７】また、金属薄板閉断面構造物の溶接では、
片側溶接が可能なアーク溶接法が使われる場合がある。
アーク溶接法として、従来から汎用されているものとし
て、ティグ溶接、プラズマ溶接およびガスメタルアーク
溶接が知られている。ティグ溶接は、アルゴンなどの不
活性ガス雰囲気中で、タングステン電極と母材間にアー
クを発生させて溶接する方法である。プラズマ溶接は、
溶接トーチ内の２電極間に通電してアークを発生させ、
その周囲にアルゴンと水素とを混合した作動ガスを送り
込むと、作動ガスはアークの熱で電離してイオンと電子
が混在したガス体であるプラズマとなり、このプラズマ
の熱で溶接する方法である。ティグ溶接およびプラズマ
溶接は、非消耗電極方式溶接法と呼ばれている。一方、
ガスメタルアーク溶接は、アルゴンなどの不活性ガスや
炭酸ガスおよびこれらの混合ガス雰囲気中で、連続的に
溶接用ワイヤを供給しながら、溶接用ワイヤと母材間に
アークを発生させて両者を溶融させて溶接する方法であ
り、消耗電極方式溶接法と呼ばれている。

【０００８】これらのアーク溶接法では、レーザー溶接
法に比べて熱源の収束性が劣ることや溶接速度が遅いた
めに、金属薄板構造物に対して溶接入熱が過大であり溶
け落ち欠陥が発生しやすく、継手強度を低下させるとい
う課題を有する。

【０００９】一方、金属薄板構造物の溶接への適用例は
無いが、レーザーとアークを同時に照射して溶接する方
法が提案されている。

【００１０】レーザー溶接とアーク溶接を複合させた場
合の溶け込み量は、単純に両溶接法の溶けこみ量の和よ
りも大きくなる。これはレーザー照射によって、溶接部
にキーホールが形成されるため、アークの加熱が鋼材の
表面からだけではなく、キーホール内部からも行われる
ためであると考えられている。くわえて、アークによっ
て鋼材表面が加熱されるために、レーザーエネルギーの
鋼材への吸収率が向上するためと指摘されている。

【００１１】この溶接方法は、例えば、特開昭62-26386
9号公報、特許登録1798896号公報、特開平9-122950号公
報および特開平10-272578号公報に開示されている。こ
こで共通していることは、レーザーとティグアークとを
複合化していることである。特開平10-216979号公報に
はレーザーとプラズマを複合化した溶接方法が開示され
ている。

【００１２】しかし、ここで開示されている溶接技術
は、金属薄板間に隙間を有する薄板構造物の重ねおよび
隅肉溶接には適さない。すなわち、レーザーとティグア
ーク或いはプラズマを複合化することにより、溶接速度
の高速化を図ることができるが、ティグアーク或いはプ
ラズマ溶接法はいずれも非消耗電極方式溶接法であるた
め、重ねおよび重ね隅肉継手における上下被溶接物間で
の隙間の許容量の増加には寄与せず、溶け落ち欠陥に起
因して継手強度の低下をきたすという課題は解決できな
い。

【００１３】レーザー溶接とガスメタルアーク溶接とを
複合化した溶接法については、IIWDoc.XII-1565-99等に
研究例が記載されている。ここでの研究例は、厚鋼板お
よびアルミニウム合金の溶接事例が示されている。前者
の厚鋼板の溶接に関して、開先形状をＶ開先からＹ開先
にすることにより溶接生産性が向上することや、アーク
溶接の後熱サイクルによりレーザー溶接金属が焼きなま
されて靭性向上が図れると指摘されている。一方、後者
では、アルミニウム合金薄板の突合わせ溶接の研究事例
が示されている。ここでは、アルミニウム合金はレーザ
ー光に対して反射率が高いため、レーザーの溶接効率が
低い。そこで、アーク熱源でアルミニウム合金を加熱し
てレーザー光の吸収率を高めることで、高能率の溶接が
可能となると指摘されている。

【００１４】したがって、これらの研究事例において
も、金属薄板或いはそれによって形成された構造物の重
ねおよび重ね隅肉溶接或いは突き合わせ溶接における、
被溶接物薄板間の隙間の許容量或いは突き合わせ許容量
の増加には寄与せず、溶け落ち欠陥に起因して継手強度
が低下をきたすという課題は解決できない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術で
は、金属薄板、或るいはそれによって形成された構造物
の重ねおよび重ね隅肉溶接或いは突き合せ溶接におい
て、以下の課題があった。

【００１６】レーザー溶接では被溶接物間の隙間許容量
が小さく、上側の被溶接物が溶け落ちるという課題があ
る。また、各種のアーク溶接では、金属薄板構造物を対
象にした場合には溶接入熱が過大であり上下側の被溶接
物が溶け落ちるという課題がある。また、レーザーとテ
ィグアーク或いはプラズマを複合溶接法では、溶接用ワ
イヤを添加する溶接法ではないため、レーザー溶接と同
様に上側の非溶接物が溶け落ちるという課題を解決でき
ない。

【００１７】溶接用ワイヤを添加する溶接法としては、
レーザー溶接とガスメタルアーク溶接とを複合化した溶
接法があるが、隙間を有する金属薄板構造物の重ねおよ
び隅肉溶接を対象とした溶接技術は存在しない。

【００１８】本発明は、レーザー溶接とガスメタルアー
ク溶接を複合化することにより、隙間を有する金属薄
板、或いはそれによって形成された構造物の重ねおよび
重ね隅肉溶接或いは突き合せ溶接において隙間許容量を
増大し、継手強度のばらつきのない高速溶接法を提供す
ることである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、金属薄板
または金属薄板構造物の重ね溶接、重ね隅肉溶接、また
は突き合わせ溶接予定個所にレーザーを照射する工程
と、この照射工程の後にガスメタルアーク溶接を行う工
程とを備えた金属部材の溶接方法。

【００２０】第２の発明は、レーザーを照射する工程
は、レーザーの狙い位置が、ガスメタルアーク溶接の狙
い位置よりも０ｍｍ以上，８ｍｍ以下の範囲（好ましく
は０ｍｍ以上，４ｍｍ以下の範囲）であることを特徴と
する第１の発明の金属部材の溶接方法。

【００２１】第３の発明は、レーザーを照射する工程
は、ＹＡＧレーザーを照射することを特徴とする第１ま
たは第２の発明に記載の金属部材の溶接方法。

【００２２】第４の発明は、ＹＡＧレーザーを照射する
工程は、溶接部が、突き合わせた金属薄板または重ね合
わせ金属薄板の少なくともＹＡＧレーザー照射側の金属
薄板を貫通するように、レーザー出力を設定することを
特徴とする第３に記載の発明の金属部材の溶接方法。

【００２３】第５の発明は、重ね溶接又は重ね隅肉溶接
される金属薄板構造物は、隙間が０．２ｍｍ以上、１．
５ｍｍ以下で、板厚が０．２ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下
である第１〜４のいずれかに記載の発明の金属部材の溶
接方法。

【００２４】第６の発明は、突き合わせ溶接される金属
薄板構造物は、隙間が０．１ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下
で、板厚が０．２ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下である第５
に記載の発明の金属部材の溶接方法。

【００２５】第７の発明は、レーザー発振器から発振さ
れたレーザー光を加工位置に集束させる光学系を備えた
レーザー加工ヘッドと、この加工ヘッドの先端部に取り
付けたガスメタルアークトーチとを具備し、レーザー光
とアークとを溶接予定個所に向けて照射可能に構成され
てなる金属部材の溶接装置。

【００２６】第８の発明は、レーザー発振器から発振さ
れたレーザー光を加工位置に集束させる光学系を備えた
レーザー加工ヘッドと、この加工ヘッドの先端部に取付
けたガスメタルアークトーチとを具備し、レーザー加工
ヘッドは、レーザー光の狙い位置が、溶接線方向に対し
て、ガスメタルアーク溶接の狙い位置よりも０ｍｍ以
上，８ｍｍ以下（好ましくは０ｍｍ以上，４ｍｍ以下）
先行するように配置されている第７の発明の金属部材の
溶接装置。

【００２７】第９の発明は、レーザー光がＹＡＧレーザ
ー光であることを特徴とする第７．８の発明の金属部材
の溶接装置である。

【００２８】

【発明の実施の形態】本発明に適用できる金属薄板とし
ては、主として炭素鋼の薄鋼板が挙げられる。適用板厚
範囲は、溶接入熱、溶接速度等の溶接条件に依存する
が、一般的には、０．２ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下であ
る。

【００２９】この金属薄板を金型或いはロール等で成形
した複数の部材を溶接する場合には、金属薄板成形品の
フランジ部はスプリングバックを生じる。これらの金属
薄板成型品を溶接する場合には、図１に示すように、成
形品のフランジ部を主に重ねて、重ね溶接または重ね隅
肉溶接するが、重ね部には必ず隙間を生じている。この
ように隙間を有する溶接部を溶接すると溶け落ち欠陥が
生じやすい（図１参照）。

【００３０】発明者は、このような問題を解決する方法
として、レーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複合化
することにより、溶接の高速化や溶接精度が大幅に緩和
する技術を見出した。

【００３１】すなわち、ガスメタルアーク溶接単独で
は、溶接速度は最大２ｍ／ｍｉｎ程度であり、金属薄板
構造物を溶接する場合には、溶接入熱が過大となり溶け
落ち欠陥を生じやすい。

【００３２】これに対し、本発明では、レーザー照射後
ガスメタルアーク溶接を行っている。このことにより、
レーザーを照射された鋼材は、溶融・蒸発して、その一
部が電離してプラズマとなる。この高温領域では、レー
ザー照射により金属上記密度および金属イオン密度が高
いことに加えて、鋼材からの熱電子放出エネルギー或い
は鋼材への熱電子吸収エネルギーも大幅に低下するた
め、ここにアークを照射すれば容易にアークの陽極点或
いは陰極点になりやすく、アークの発生・維持が安定化
し、アークが集中するようになる。

【００３３】したがって、本発明によれば、レーザー溶
接と複合化することによりガスメタルアークは安定化
し、溶接速度が６ｍ／ｍｉｎ超えでも溶接可能となる。
このように、高速溶接を可能となるため、溶接入熱はガ
スメタルアーク単独溶接に比べて３０％以下となり、溶
け落ち欠陥を生じなくなる。くわえて、ガスメタルアー
ク溶接では溶接用ワイヤを溶融して、金属薄板構造物の
隙間を埋めながら溶接が行われるため、隙間許容量を大
幅に増加させることができる。

【００３４】従って、請求項１に記載の発明によると、
レーザー溶接と溶接用ワイヤを供給するガスメタルアー
ク溶接とを複合化した溶接法（レーザー溶接後にガスメ
タルアーク溶接する溶接法）により、金属薄板成形品の
重ね部又は重ね隅肉部を溶け落ち等の溶接欠陥なしで溶
接することができる。また、金属薄板の突合せ溶接を溶
け落ち等の溶接欠陥なしで溶接することができる。

【００３５】次に、請求項２に記載の発明によると、レ
ーザーの狙い位置は、溶接線方向に対して、ガスメタル
アーク溶接の狙い位置よりも０〜８ｍｍ先行する（好ま
しくは０〜６ｍｍ、さらに好ましくは０〜４ｍｍ先行す
る）ように設定されている。

【００３６】レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶
接の狙い位置の距離が、８ｍｍを越えて設定された場合
には、両者の距離が離れすぎているため、レーザー照射
によるアークの安定化および集中効果が期待しがたくな
る。また、レーザーの狙い位置が、溶接線方向に対して
垂直方向に、ガスメタルアーク溶接の狙い位置がずれた
場合でも、プラスマイナス２ｍｍ以内に設定されていれ
ば、レーザー照射によるアークの安定化および集中効果
が認められ、好適である。

【００３７】請求項３に記載の発明では、レーザーとし
て、ＹＡＧレーザーを用いている。

【００３８】請求項４に記載の発明では、ＹＡＧレーザ
ー溶接において、溶接部が、突き合せた鋼板或いは重ね
合わせた鋼板の少なくともＹＡＧレーザー照射側の金属
薄板を貫通するように、レーザー出力を設定されてい
る。

【００３９】本発明は、ＹＡＧレーザー溶接とガスメタ
ルアーク溶接とを併用して溶接を行う方法である。ＹＡ
Ｇレーザー溶接とアーク溶接を複合化することによりガ
スメタルアークを安定化させ、溶接速度が６ｍ／ｍｉｎ
超える高速溶接が可能となる。このレーザーとアークの
複合溶接法の溶接部形成機構は次の通りである。レーザ
はパワー密度が１０⁶Ｗ／ｃｍ²と高いため、鋼板に照
射すると蒸発し、細くて深いキーホールと呼ばれる蒸発
孔を形成する。このレーザー溶接が、高速・深い溶け込
み溶接が可能なのは、レーザーのエネルギー密度が高い
ためである。一方、アークは、エネルギー密度がレーザ
ーに比べて１０００分の１以下であるため、深い溶け込
みは望めない。したがって、本発明によるレーザー溶接
とガスメタルアーク溶接とを併用して溶接では、溶け込
み深さはレーザーが担う。また、突合わせ溶接又は重ね
・重ね隅肉溶接における隙間の許容量を緩和させるの
は、ガスメタルアーク溶接による溶接用ワイヤからの溶
融金属の供給が担うことになる。したがって、突き合わ
せ溶接では、溶接部が、突き合わせた鋼板を貫通するよ
うにレーザー出力を設定する必要がある。また、重ね及
び重ね隅肉溶接では、少なくとも上側の鋼板を貫通する
ようにレーザー出力を設定するのがよい。

【００４０】次に請求項５，６の発明（重ね・重ね隅肉
溶接又は突合わせ溶接）において、適用される金属薄板
の板厚を０．２ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下と設定した理
由について説明する。板厚が０．２ｍｍ未満の場合に
は、板厚が薄すぎて溶け落ちやすいため板厚の下限は
０．２ｍｍとする。工業レベルで使用されるレーザー
は、装置コスト面からも５ｋＷ程度であるため、対象と
する板厚は０．６ｍｍ以上３．２ｍｍ以下が望ましい
が、３．２ｍｍ超える６．０ｍｍ以下の板厚でも実用的
に良好な性能の溶接ビードが得られるので、上限を６．
０ｍｍとする。

【００４１】次に０．２ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下の板
厚の金属薄板を金型或いはロール等で成形した複数の金
属薄板成形品を重ね或は重ね隅肉溶接する方法（請求項
５の発明）であって、その隙間量を０．２ｍｍ〜１．５
ｍｍとした理由を説明する。図２に板厚と限界隙間量の
関係を示す。上側の板厚を０．６ｍｍ〜２．９ｍｍまで
変化させて、重ね溶接を行った。その場合に、上下の鋼
板の隙間を最大２．０ｍｍまで変えた。下側の板厚は
１．６ｍｍ一定としている。溶接は、ＹＡＧレーザー溶
接法のみ、ＹＡＧレーザーとＴＩＧ溶接と複合化した溶
接およびＹＡＧレーザー溶接とガスメタルアーク溶接を
複合化した本発明溶接法で行った。溶接条件は、ＹＡＧ
レーザー出力は４ｋＷ、ＴＩＧ溶接及びガスメタルアー
ク溶接のアーク電流１００Ａ・アーク電圧２０Ｖ及び溶
接速度は３ｍ／ｍｉｎ一定で行った。品質評価方法は、
溶接部が溶け落ちの有無を調査した。溶け落ちがなく健
全な溶接部が得られる最大の隙間を限界隙間量として表
示した。

【００４２】レーザー単独溶接では、板厚の増加ととも
に溶融金属が増加するため、鋼板の隙間を埋めることが
できる隙間量が増加するが、レーザービーム径が０．５
ｍｍ以下と狭いため溶融金属の絶対量が少なく、限界隙
間量は高々０．２〜０．４ｍｍ程度である。

【００４３】また、ＹＡＧレーザーとＴＩＧアークとを
複合化した場合には、熱源の幅が広がることで、レーザ
ー単独に比して溶融金属量が増加するため限界隙間量も
増加するが、ＴＩＧアークは非消耗電極溶接法であり溶
融金属の補充が無いため限界隙間量は最大で０．６ｍｍ
程度である。

【００４４】一方、本発明法であるＹＡＧレーザーとガ
スメタルアークとを複合化した溶接法では、ガスメタル
アーク溶接法が消耗電極溶接法であるため溶接ワイヤか
ら溶融金属が供給され、限界隙間量は大幅に拡大するこ
とがわかる。板厚０．６ｍｍの場合に限界隙間量は０．
９ｍｍとなり、板厚２．３ｍｍの場合には１．５ｍｍを
超える。

【００４５】金属薄板を金型或いはロール等で成形した
複数の金属薄板成形品を重ね或は重ね隅肉部は、成形等
の加工時のスプリングバックによって、厳重に重ね合わ
せても、その隙間量を０．２ｍｍ未満にすることは困難
であり、場所によっては隙間量が１ｍｍを超える重ね部
が必ず存在する。

【００４６】しかし、複数の金属薄板成形品を重ね或は
重ね隅肉部の隙間量が１．５ｍｍを超えると、溶接時に
溶け落ち等の溶接欠陥なしで製造できても、溶接構造物
の寸法精度が劣るため強度・剛性等の性能が低下するだ
けでなく、他部品との組立て精度も劣る。そのため、金
属薄板成形品を重ね或は重ね隅肉部の隙間量は１．５ｍ
ｍ以下とする。図３に、溶接速度と限界隙間量の関係を
示す。

【００４７】上側の板厚を０．８ｍｍ及び１．６ｍｍ、
下側の板厚を１．６ｍｍ一定として、上下の鋼板の隙間
を変化させて重ね溶接を行った。溶接は、ＹＡＧレーザ
ー溶接とガスメタルアーク溶接を複合化した本発明溶接
法で行った。溶接条件は、ＹＡＧレーザー出力は４ｋ
Ｗ、ガスメタルアーク溶接のアーク電流１００Ａ・アー
ク電圧２０Ｖとして、溶接速度を１〜７ｍ／ｍｉｎまで
変化させた。品質評価方法は、溶接部が溶け落ちの有無
を調査した。溶け落ちなく健全な溶接部が得られる最大
の隙間を限界隙間量として表示した。

【００４８】溶接速度の増加とともに、限界隙間量が減
少している。これは、溶接速度の増加により、レーザー
溶接によるキーホール径（蒸発孔径）が減少すること
と、ガスメタルアーク溶接法による溶融金属量の供給量
が減少するためである。板厚が厚い程、限界隙間量が大
きい理由は、上板が溶融するため溶融金属量が増加する
ためである。また、レーザーで溶接する工程は、ＹＡＧ
レーザーを用いるように設定している。

【００４９】請求項６に記載の発明によると、金属薄板
の突き合せ隙間量を、０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下に
設定されている。図４に金属薄板の突き合わせ隙間量と
板厚の関係を示す。０．６から２．３ｍｍの板厚の材料
を、突き合わせ隙間を０．０５〜０．４ｍｍまで変化さ
せて溶接を行った。溶接は、ＹＡＧレーザー溶接法の
み、ＹＡＧレーザーとＴＩＧ溶接とを複合化した溶接法
およびＹＡＧレーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複
合化した本発明溶接法で行った。溶接条件は、ＹＡＧレ
ーザー出力は４ｋＷ、ＴＩＧ溶接及びガスメタルアーク
溶接のアーク電流１００Ａ・アーク電圧２０Ｖとして、
溶接速度を１〜７ｍ／ｍｉｎまで変化させた。品質評価
方法は、溶接部が溶け落ちの有無を調査した。溶け落ち
なく健全な溶接部が得られる最大の隙間を限界隙間量と
して表示した。

【００５０】レーザー単独溶接では、板厚の増加ととも
に溶融金属が増加するため、鋼板の隙間を埋めることが
できる隙間量が増加するが、レーザービーム径が０．５
ｍｍ以下と狭いため溶融金属の絶対量が少なく、限界隙
間量は高々０．０５〜０．１５ｍｍ程度である。

【００５１】また、ＹＡＧレーザーとＴＩＧアークとを
複合化した場合には、熱源の幅が広がることで、レーザ
ー単独に比して溶融金属量が増加するため限界隙間量も
増加するが、ＴＩＧアークは非消耗電極溶接法であり溶
融金属の補充が無いため限界隙間量は最大で０．２ｍｍ
程度である。

【００５２】一方、本発明法であるＹＡＧレーザーとガ
スメタルアークとを複合化した溶接法では、ガスメタル
アーク溶接法が消耗電極溶接法であるため溶接ワイヤか
ら溶融金属が供給され、限界隙間量は大幅に拡大するこ
とがわかる。板厚０．６ｍｍの場合に限界隙間量は０．
２ｍｍとなり、板厚２．３ｍｍの場合には０．４ｍｍで
ある。

【００５３】薄鋼板をブランキング、スリッター或はシ
ャーによって高精度に切断して突き合わせても、突き合
わせ部の隙間量は０．１５ｍｍ以下に設定することは、
工業的に困難である。したがって、ＹＡＧレーザー単独
溶接及びＹＡＧレーザーとＴＩＧ溶接とを複合化した溶
接法では、溶け落ちが生じやすく、安定した溶接は不可
能である。しかし、ＹＡＧレーザー溶接とガスメタルア
ーク溶接を複合化した本発明溶接法では、限界隙間量が
従来技術に比べて大きいため安定して溶接ができる。図
４に示したように限界隙間量は板厚の増大に応じて大き
くなるが、上記の従来技術では隙間が０．１ｍｍ以上に
なると健全な溶接部が得られない。このような従来技術
では、健全な溶接部が得難いような条件下で本発明技術
を実施した場合、本発明の作用効果が顕著に発揮される
ことから、請求項６の発明では突合せ溶接の場合の隙間
量を０．１ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下とした。

【００５４】本発明の好適な例では、レーザー発振器か
ら発振されたレーザー光を加工位置に集束させる光学系
を備えるレーザー加工ヘッドの先端部に、ガスメタルア
ーク溶接トーチを取付け、コンパクトな溶接トーチとす
ることができる。

【００５５】本発明の好適な例では、レーザー光軸に対
して、ガスメタルアークトーチの照射角度を５度以上、
５０度以下に設定するのが好ましい。

【００５６】レーザー光軸に対して、ガスメタルアーク
トーチの照射角度を５度未満に設定すると、レーザー溶
接により形成される蒸発孔をガスメタルアーク溶接によ
り供給される溶融金属が潰すため、溶け込み深さが減少
すると同時に、その溶融金属にレーザーが照射されてス
パッタの発生が誘発され、溶接継手品質を低下させると
いう問題を生じやすい。

【００５７】一方、レーザー光軸に対して、ガスメタル
アークトーチの照射角度を５０度越えに設定すると、レ
ーザー照射によりレーザー光軸と同軸方向に形成される
蒸発孔に対して、ガスメタルアーク溶接からの溶融金属
の供給角度が急峻になるため、レーザー溶接部に安定に
溶融金属を供給できず、ブローホールやハンピングビー
ド等の溶接欠陥が発生しやすい。このような理由から、
ガスメタルアークトーチの照射角度を５度〜５０度とす
るのがよい。

【００５８】また、本発明に適用されるレーザー発振器
は、溶接に用いるため出力２００ワット以上、好適には
キロワットクラスの出力が必要である。レーザーの種類
としては、レーザー光生成媒体としてＹＡＧロッドを用
いてハロゲンランプ等でレーザー光を励起するタイプや
レーザーダイオード（ＬＤ）でレーザー光を励起するタ
イプのＹＡＧレーザーまたは、炭酸ガスを用いた炭酸ガ
スレーザーが好ましい。その他にスラブレーザー、ルビ
ーレーザー、エキシマレーザー、その他のものを用いる
ことができる。ただし、炭酸ガスレーザーはアークによ
り発生するプラズマ中に照射するとレーザーの一部が吸
収・反射されるので、レーザー照射位置をアーク溶接位
置から離さなければならず、レーザーとアークの複合効
果が若干低下するのに対し、ＹＡＧレーザーはアークに
より発生するプラズマに吸収・反射されないので、アー
ク中に照射することが可能であり、レーザーとアークの
複合効果を高める上ではＹＡＧレーザーが最も好まし
い。

【００５９】光学系には、偏向用反射ミラーと数枚の正
負の集束レンズを組み合わせた光学系を備えるものが好
ましいが、レンズ系を用いずに凹面鏡と凸面鏡の組み合
わせだけでレーザー光を集束するようにしてもよい。

【００６０】ガスメタルアーク溶接装置は、金属薄板の
溶接を対象とするため、溶接用ワイヤは直径１．２ｍｍ
以下の細径ワイヤを用いるのが望ましい。シールドガス
には、アークの特性と溶接金属の酸化防止とを同時に達
成するために、アルゴンガス等の不活ガスを用いること
が望ましいが、アルゴンガス中に炭酸ガスを１０〜１０
０％の範囲で混合させたガスおよびアルゴンガス中に水
素ガス或いはヘリウムガスを２〜２０％の範囲で混合さ
せたガスを用いることもできる。

【００６１】レーザー加工ヘッドとガスメタルアーク溶
接トーチとが産業用ロボットのアームに支持されている
ことにより、汎用性のある産業用ロボットを中心とした
設備構成でレーザー・アーク複合溶接を実現できる。

【００６２】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を例示的に詳し
く説明する。

【００６３】［実施例１］上側と下側の板厚がそれぞ
れ、０．８ｍｍと１．２ｍｍの薄鋼板の重ね溶接を行っ
た。重ね継手として、上下鋼板の隙間を、０ｍｍから
２．０ｍｍまで変えた試験片を準備した。溶接は、ＹＡ
Ｇレーザー溶接法のみ、ガスメタルアーク溶接法のみ、
およびＹＡＧレーザー溶接とガスメタルアーク溶接を複
合化した本発明溶接法で行った。各溶接法の溶接条件
を、表１に示す。

【００６４】表２に溶接試験結果を示す。溶接試験の評
価は以下のように行った。溶け落ちがなく、継手強度が
十分な溶接部が得られた場合を「○」とした。これに加
えてスパッタの付着がなく、ハンピングによるビード幅
のばらつきがほとんどなく、均一なビードが形成された
場合を「◎」とした。また、溶け落ちは生じないが溶け
込み深さのわずかな低下などにより溶接継手品質が若干
低下する場合を「△」、溶接部が溶け落ちた場合を
「×」とした。また、上側と下側の鋼板がつながらない
場合も、継手強度がゼロのため、「×」とした。また、
上側と下側の鋼板がつながらない場合も、継手強度がゼ
ロのため「×」とした。特に、ガスメタルアーク溶接法
では、溶接速度が高速化するとアークの発生が不安定と
なり溶接部が形成できなくなる。この場合も「×」とし
た。

【００６５】ＹＡＧレーザー溶接法では、溶接速度が
０．５ｍ／ｍｉｎと遅い場合には、鋼板隙間の許容量は
０．５ｍｍであるが、１．０ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度
では、鋼板隙間の許容量は０．２５ｍｍと狭くなる。こ
れは、ＹＡＧレーザーでは溶接幅が約１ｍｍとせまいた
め、溶融金属量が少なく、高々０．５ｍｍの鋼板隙間が
あっても上側と下側の鋼板とがつながらないためであ
る。

【００６６】ガスメタルアーク溶接法では、溶接速度が
０．５ｍ／ｍｉｎと遅い場合には、溶接入熱が過大とな
るため溶け落ちる。溶接速度が１．０ｍ／ｍｉｎでは、
溶接入熱が適正であり、鋼板隙間が０．７５ｍｍまでは
健全な溶接部がえられるが、鋼板隙間が０．７５ｍｍを
越えると、上側の鋼板に溶け落ちが生じ、上下の鋼板が
つながらない。溶接速度が１．０ｍ／ｍｉｎを越えると
アークが不安定となり健全な溶接部が形成できなくな
る。

【００６７】本発明法のＹＡＧレーザー・アーク複合溶
接法では、溶接速度が０．５ｍ／ｍｉｎと低速の場合に
おいても、アークがＹＡＧレーザー照射部に集中し、溶
接部幅はガスメタルアーク溶接法に比較して約５０％と
細くなるため、溶け落ちは生じない。また、鋼板隙間の
許容量は１．５ｍｍ越えとなる。さらに、アークはレー
ザー照射により安定するため、溶接速度が０．５ｍ／ｍ
ｉｎの場合には、ガスメタルアーク溶接による溶融金属
の供給量が多いため、隙間量１．０ｍｍまではスパッタ
の付着がなく、ハンピングによるビード幅のばらつきが
ほとんどなく、均一なビートが形成される。溶接速度が
１．０ｍ／ｍｉｎの場合には、隙間量１．０ｍｍまでは
スパッタの付着がなく、ハンピングによるビード幅のば
らつきがほとんどなく、均一なビードが形成されるが、
隙間量１．５ｍｍ以上ではややビード幅の均一性が劣る
が、継手強度が十分な溶接部が得られる。これは、溶接
速度の増加が原因で、ガスメタルアーク溶接による溶融
金属の供給量が減少することや、溶接金属にハンピング
が生じるためである。このように溶接速度の増加に伴
い、ハンピングによるビード幅のばらつきがほとんどな
いビードが形成される鋼板隙間量はやや減少する傾向が
認められる。しかし、溶接速度が１．０ｍ／ｍｉｎの場
合でも、溶け落ちのない健全な溶接部が得られ、鋼板隙
間の許容量は１．５ｍｍである。

【００６８】鋼板間隔が１．０ｍｍ越えで１．５ｍｍ以
下の場合には、溶け込み深さがややばらつくが溶け込み
深さの減少はない。従って、本発明法は、溶接の高速化
と溶接精度の大幅な緩和が同時に達成できる。

【００６９】

【表１】

【００７０】

【表２】

【００７１】［実施例２］０．８ｍｍの薄鋼板の突合わ
せ溶接を行った。突合わせ継手として、突合わせ間隔を
０．０５ｍｍから０．５０ｍｍまで変えた試験片を準備
した。溶接は、ＹＡＧレーザー溶接法のみ、ガスメタル
アーク溶接法のみ、およびＹＡＧレーザー溶接とガスメ
タルアーク溶接を複合化した本発明溶接法で行った。各
溶接法の溶接時要件は表１に示す条件と同じである。

【００７２】表３に試験結果を示す。溶接試験の評価は
以下のように行った。溶け落ちがなく、継手強度が十分
な溶接部が得られた場合を「○」とした。これに加えて
スパッタの付着がなく、ハンピングによるビード幅のば
らつきがほとんどなく、均一なビードが形成された場合
を「◎」とした。また、溶け落ちは生じないが溶け込み
深さのわずかな低下などにより溶接継手品質が若干低下
する場合を「△」、溶接部が溶け落ちた場合を「×」と
した。また、鋼板がつながらない場合も、継手強度がゼ
ロのため、「×」とした。また、右側と左側の鋼板がつ
ながらない場合も、継手強度がゼロのため「×」とし
た。特に、ガスメタルアーク溶接法では、溶接速度が高
速化するとアークが不安定となり溶接部が形成できなく
なる。この場合も「×」とした。

【００７３】ＹＡＧレーザー溶接法では、溶接速度が１
ｍ／ｍｉｎと遅い場合には、鋼板隙間の許容量は０．０
５ｍｍであるが、２．０ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度で
は、鋼板隙間の許容量は０．０５ｍｍでもアンダーフィ
ルとなって健全な継手が得られない。これは、ＹＡＧレ
ーザーでは溶接幅が約１ｍｍと狭いため、溶融金属量が
少なく、高々０．０５ｍｍの鋼板隙間があっても左右の
鋼板をつなぐ溶接金属が不足するためである。

【００７４】ガスメタルアーク溶接法では、溶接速度が
０．５ｍ／ｍｉｎと遅い場合には、溶接入熱が過大とな
るため溶け落ちる。溶接速度が１．０ｍ／ｍｉｎでは、
溶接入熱が適正であり、鋼板隙間が０．２ｍｍまでは健
全な溶接部が得られるが、鋼板隙間が０．２ｍｍを越え
ると、左右の鋼板がつながらない。溶接速度が１．０ｍ
／ｍｉｎを越えるとアークが不安定となり健全な溶接部
が形成できなくなる。

【００７５】本発明法のレーザー・アーク複合溶接法で
は、溶接速度が０．５ｍ／ｍｉｎ、１．０ｍ／ｍｉｎと
低速の場合においても、アークがレーザー照射部に集中
し、溶接部幅はガスメタルアーク溶接法に比較して約５
０％と細くなるため、溶け落ちは生じない。また、鋼板
隙間の許容量は０．４ｍｍとなる。さらに、アークはレ
ーザー照射により安定するため、溶接速度が１．０ｍ／
ｍｉｎ以上の場合でも、溶け落ちのない健全な溶接部が
得られ、鋼板隙間の許容量は０．４ｍｍである。

【００７６】スパッタの付着がなく、ハンピングによる
ビード幅のばらつきがほとんどなく、均一なビードが形
成される鋼板隙間量は溶接速度の増加によって減少す
る。即ち、溶接速度が１．０ｍ／ｍｉｎでは許容隙間量
は０．３ｍｍであり、溶接速度が２．０ｍ／ｍｉｎ、
４．０ｍ／ｍｉｎの場合はそれぞれ許容隙間量は０．３
ｍｍ，０．２ｍｍである。このように溶接速度の増加に
伴う許容隙間量の減少の理由は、溶接速度の増加により
溶融金属の供給量が減少することと、溶融金属が振動し
てハンピングビードになり易くなり、溶接部の形状の均
一性が低下するためである。したがって、本発明法は、
溶接の高速化と溶接精度の大幅な緩和が同時に達成でき
る。

【００７７】

【表３】

【００７８】［実施例３］レーザー光軸に対するガスメ
タルアークトーチの照射角度の溶接部品質に及ぼす影響
を調査した。

【００７９】溶接実験では、上側と下側の板厚がそれぞ
れ１．２ｍｍと１．６ｍｍで、０．５ｍｍの隙間を有す
る重ね試験片を用いて、ＹＡＧレーザー溶接とガスメタ
ルアーク溶接を複合化した本発明溶接法で行った。溶接
条件は、レーザー光軸に対するガスメタルアークトーチ
の照射角度を５度から７０度まで変化させた。その他の
条件は、表１に示す条件と同じである。また、溶接継手
部の品質評価は、実施例１で実施した評価方法と同様の
方法で行った。表４に、溶接試験結果を示す。レーザー
光軸に対して、ガスメタルアークトーチの照射角度が５
度の場合においても、健全な溶接部が得られる。一方、
レーザー光軸に対して、ガスメタルアークトーチの照射
角度を５０度越えに設定すると、レーザー溶接部にガス
メタルアーク溶接からの溶融金属の供給安定にやや劣
り、ハンピングビードとなっているが溶接品質上は特に
問題がない。

【００８０】したがって、好ましくは、レーザー光軸に
対して、ガスメタルアークトーチの照射角度を、５度以
上、５０度以下に設定することにより、健全な溶接部が
確実に得られることがわかる。さらに、レーザー光軸に
対してガスメタルアークトーチの照射角度を、１０度以
上、３０度以下に設定すると、スパッタの付着が大幅に
減少して、ハンピンク゛によるビード幅のばらつきもほ
とんどなくなるため、レーザー光軸に対してガスメタル
アークトーチの照射角度を１０度以上、３０度以下に設
定することがより好ましい。

【００８１】

【表４】

【００８２】［実施例４］レーザーの狙い位置とガスメ
タルアーク溶接の狙い位置の溶接部品質に及ぼす影響を
調査した。

【００８３】溶接実験では、上側と下側の板厚がそれぞ
れ１．２ｍｍと１．６ｍｍで、０．５ｍｍの隙間を有す
る重ね試験片を用いて、ＹＡＧレーザー溶接とガスメタ
ルアーク溶接を複合化した本発明溶接法で行った。溶接
条件は、レーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の
狙い位置を、０ｍｍから１２ｍｍまで変化させた。その
他の条件は、表１に示す条件と同じである。また、溶接
継手部の品質評価は、実施例１で実施した評価方法と同
様の方法で行った。表５に、溶接試験結果を示す。ＹＡ
Ｇレーザーの狙い位置とガスメタルアーク溶接の狙い位
置の距離が８ｍｍを越えて設定された場合には、両者の
距離が離れすぎているため、レーザー照射によるアーク
の安定化および集中効果が低下して、溶け込み深さが僅
かに減少している。

【００８４】このように、ガスメタルアーク溶接の狙い
位置の距離を０ｍｍ以上、８ｍｍ以下とすることによ
り、レーザー照射部によるアークの安定と集中効果がよ
り顕在化するため、溶け込み深さの均一性が高まり、ス
パッタの発生も抑えられる。この場合、好ましくは０ｍ
ｍ以上、６ｍｍ以下、より好ましくは０ｍｍ以上、４ｍ
ｍ以下に設定する。

【００８５】

【表５】

【００８６】［実施例５］図面を参照して本発明の好適
な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に
記載されている溶接装置の構成部品の形状、寸法および
その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、
この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる
説明例にすぎない。

【００８７】図５には、本発明の実施形態に係るレーザ
ー加工ヘッドが１で示されており、レーザー加工ヘッド
に内蔵するファイバコネクタ、光ファイバー２を経て、
レーザー発振器であるＹＡＧレーザー発振器に接続して
いる。

【００８８】さらに、アーク発生用のガスメタルアーク
溶接ヘッド３は、前記のレーザー加工ヘッド１の先端部
に、このレーザー加工ヘッド１と２０度の角度をなし、
また、レーザー光の狙い位置とガスメタルアークの狙い
位置の距離を２ｍｍに設定して、簡単なクランプ治具６
によって装着されている。

【００８９】また、ガスメタルアーク溶接ヘッド３はガ
スメタルアーク溶接装置に接続されたパワーケーブルと
溶接用ワイヤ供給ケーブルとを同軸にしたケーブル５に
接続されている。

【００９０】このように、レーザー発振器から発振され
たレーザー光を加工位置に集束させる光学系を備えるレ
ーザー加工ヘッドの先端部に、ガスメタルアーク溶接ト
ーチを取付けることにより、コンパクトなレーザー・ア
ーク複合溶接トーチを形成することができる。

【００９１】また、このレーザー・アーク複合溶接トー
チは、産業用ロボットのアーム７に支持されていること
により、汎用性のある産業用ロボットを中心とした設備
構成でレーザー・アーク複合溶接を実現できる。

【００９２】なお、溶接方向は、符号８に示すように、
レーザーが先行する方向に行われる。

【００９３】溶接は、上側材料９と下側材料１０とを重
ね合わせ継手であり、上下の材料の間には隙間Ｇを有す
る。

【００９４】以上説明したように、本発明のレーザー溶
接とガスメタルアーク溶接とを複合化したレーザー・ア
ーク複合溶接方法によれば、以下のような効果を奏す
る。

【００９５】（１）レーザー単体およびアーク単体での
溶接に比較して、重ねおよび重ね隅肉継手の許容隙間量
が、大幅に拡大できる（０．２〜１．５ｍｍ又は０．１
〜０．４ｍｍ）。

【００９６】（２）アーク単体溶接に比べて大幅に高速
化でき（６ｍ／ｍｉｎ超えでも溶接可能）、レーザー溶
接並みの高速度溶接が可能である。

【００９７】（３）レーザの狙い位置を、ガスメタルア
ークの狙い位置よりも０〜８ｍｍとすることにより、ア
ークの安定化と集中効果を高めることができる。

【００９８】（４）溶接部がＹＡＧレーザ側の金属薄板
を貫通するように出力調節することにより、十分な溶接
金属の供給量とし、隙間の許容量を緩和する。

【００９９】（５）レーザー加工ヘッドとガスメタルア
ーク溶接ヘッドが、汎用性のある産業用ロボットのアー
ムに容易に支持されることにより、簡易な設備構成のも
とで、３次元形状を持つ金属薄板構造物の溶接を可能と
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】重ね溶接または重ね隅肉溶接では溶け落ち欠陥
が生じやすいことを示す説明図。

【図２】板厚と限界隙間量との関係をＹＡＧレーザー、
ＹＡＧ＋ＴＩＧ、ＴＡＧ＋ＧＭＡでそれぞれ調べた例を
示す説明図。

【図３】板厚０．８ｍｍ，１．６ｍｍについて、溶接速
度と限界隙間量との関係を示す図。

【図４】板厚と限界隙間量との関係をＹＡＧレーザー、
ＹＡＧ＋ＴＩＧ、ＴＡＧ＋ＧＭＡでそれぞれ調べた例を
示す説明図。

【図５】本発明の実施形態に係るレーザー・アーク複合
溶接装置を示す構成図。

【符号の説明】

１…レーザー加工ヘッド、２…光ファイバー、３…ガス
メタルアーク溶接ヘッド、４…溶接用ワイヤ、５…パワ
ーケーブルと溶接用ワイヤ供給ケーブルの同軸ケーブ
ル、６…クランプ治具、７…産業用ロボットアーム、８
…上側の金属薄板、９…下側の金属薄板、Ｇ…上下金属
薄板の隙間。

フロントページの続き (72)発明者樺沢真事東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者細谷佳弘東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者真保幸雄東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内Ｆターム(参考） 4E001 BB07 BB12 EA01 EA04 4E068 BC01 CA09 CA14 DB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属薄板または金属薄板構造物の重ね溶
接、重ね隅肉溶接、または突き合わせ溶接予定個所にレ
ーザーを照射する工程と、この照射工程の後にガスメタ
ルアーク溶接を行う工程とを備えた金属部材の溶接方
法。
【請求項２】レーザーを照射する工程は、レーザーの
狙い位置が、ガスメタルアーク溶接の狙い位置よりも０
ｍｍ以上，８ｍｍ以下の範囲であることを特徴とする請
求項１に記載の金属部材の溶接方法。
【請求項３】レーザーを照射する工程は、ＹＡＧレー
ザーを照射することを特徴とする請求項１または２に記
載の金属部材の溶接方法。
【請求項４】ＹＡＧレーザーを照射する工程は、溶接
部が、突き合わせた金属薄板または重ね合わせ金属薄板
の少なくともＹＡＧレーザー照射側の金属薄板を貫通す
るように、レーザー出力を設定することを特徴とする請
求項３に記載の金属部材の溶接方法。
【請求項５】重ね溶接又は重ね隅肉溶接される金属薄
板構造物は、隙間が０．２ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下
で、板厚が０．２ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下である請求
項１〜４のいずれかに記載の金属部材の溶接方法。
【請求項６】突き合わせ溶接される金属薄板構造物
は、隙間が０．１ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下で、板厚が
０．２ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下である請求項５に記載
の金属部材の溶接方法。
【請求項７】レーザー発振器から発振されたレーザー
光を加工位置に集束させる光学系を備えたレーザー加工
ヘッドと、この加工ヘッドの先端部に取付けたガスメタ
ルアークトーチとを具備し、レーザー光とアークとを溶
接予定個所に向けて照射可能に構成されてなる金属部材
の溶接装置。
【請求項８】レーザー発振器から発振されたレーザー
光を加工位置に集束させる光学系を備えたレーザー加工
ヘッドと、この加工ヘッドの先端部に取付けたガスメタ
ルアークトーチとを具備し、レーザー加工ヘッドは、レ
ーザー光の狙い位置が、溶接線方向に対して、ガスメタ
ルアーク溶接の狙い位置よりも０ｍｍ以上，８ｍｍ以下
先行するように配置されている請求項７に記載の金属部
材の溶接装置。
【請求項９】レーザー光がＹＡＧレーザー光であるこ
とを特徴とする請求項７または８に記載の金属部材の溶
接装置。