JP2002210576A

JP2002210576A - 合成ｙａｇレーザによる薄手鋼板の溶接方法

Info

Publication number: JP2002210576A
Application number: JP2001008216A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Minamida; 勝宏南田; Naoya Hamada; 直也浜田; Masakazu Tsuji; 正和辻; Masashi Oikawa; 昌志及川; Hiroyuki Yamamoto; 博之山本
Original assignee: HANWA KOGYO KK; Nippon Steel Corp; Hanwa Co Ltd
Current assignee: HANWA KOGYO KK; Nippon Steel Corp; Hanwa Co Ltd
Priority date: 2001-01-16
Filing date: 2001-01-16
Publication date: 2002-07-30

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】パルスＹＡＧレーザと連続波ＹＡＧレーザの
合成出力比、パルス発振ＹＡＧレーザのパルス発振条
件、それぞれの照射位置の間隔を最適化することによっ
て薄手鋼板の突き合わせ溶接を無欠陥で安定に行う溶接
方法を提供する。【解決手段】薄手鋼板をパルスＹＡＧレーザと連続波
ＹＡＧレーザを合成して溶接する方法で、パルスＹＡＧ
レーザの平均出力Ｐ_Ｐを総出力Ｐ_ＴＯＴの２０％から５
０％の比にして、それぞれの照射位置の間隔を１．０mm
以内にして、かつ、溶接速度に対応しパルスＹＡＧレー
ザのパルス繰返し周波数を設定して、パルスの照射点間
隔を０．５mm以内にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は薄手鋼板のレーザビ
ーム溶接方法に関わるものであり、特に複数のＹＡＧレ
ーザビームを照射点で合成することで溶接欠陥の発生を
抑制することが可能な溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄手鋼板に対する従来のレーザ溶接は特
開平４−３２２８９２号公報に記載のように、突き合わ
せ精度を緩和させる事が可能な、幅広溶融での溶接欠陥
を防止する方法が提案されている。この従来技術では、
連続波レーザにパルスレーザを合成することにより、パ
ルス部で高速にスポット溶融を行わせ鋼板表面における
ＹＡＧレーザの波長１．０６μｍでの吸収率を向上させ
ると共に、連続波ＹＡＧレーザによる連続溶融性能を複
合させ無欠陥の幅広溶融を可能にしている。装置構成と
しては、連続波ＹＡＧレーザ発振器、ＱスイッチＹＡＧ
レーザ発振器、フラッシュランプ励起パルスＹＡＧレー
ザ発振器のいずれかから複数のＹＡＧレーザ発振器を組
み合わせ、そのレーザビームを合成して溶接を行う方法
である。

【０００３】また、特開平１０−３１４９７３号公報に
は、連続波ＹＡＧレーザとパルスＹＡＧレーザの２つの
レーザビームを合成する方法が開示されている。そこで
は２ビームを合成する方法として、それぞれのレーザビ
ームを平行にレンズに入射させ、一つのレンズで伝送用
のファイバーに投入する手段を示している。

【０００４】しかし、これらの従来例で開示されている
溶接方法においては、レーザ加工で最も重要な条件であ
る、連続波ＹＡＧレーザの出力、パルスＹＡＧレーザの
出力、２種のレーザの出力比、パルスＹＡＧレーザのパ
ルス特性である、平均出力、パルス幅、パルス繰返し周
波数、合成の際の両者の位置関係などに代表される具体
的な投入手法に関しての開示が全く無い。この様に、前
記公報に開示されている内容は具体性が乏しく、実用性
に問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の従来例
において開示されていない溶接条件を明確に規定するこ
とによって、薄手鋼板のレーザ溶接において欠陥の無い
安定な溶接を、連続波ＹＡＧレーザとパルスＹＡＧレー
ザの合成で達成することができる手段を提供するもので
ある。具体的に解決すべき課題を下記（１）から（４）
に示す。（１）連続波ＹＡＧレーザとパルスＹＡＧレーザ合成の
際の出力比を最適化する。（２）パルスＹＡＧレーザの主要特性であるパルス幅を
最適化し、溶接線方向での溶融プールの安定化を達成す
る。（３）パルスＹＡＧレーザの照射点と連続波ＹＡＧレー
ザの照射点の照射位置間隔を最適化する。（４）溶接速度に対応してパルスＹＡＧレーザの照射時
間間隔を最適化し、常に連続波ＹＡＧレーザの照射点に
おける吸収率を向上させ、溶融状態を安定化させる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の本発明の課題は、
以下の（１）〜（４）の発明により解決される。（１）．パルスＹＡＧレーザと連続波ＹＡＧレーザを合
成したレーザビームで、薄手鋼板を溶接する溶接方法に
おいて、鋼板表面に照射するパルスＹＡＧレーザの出力
を合成ビーム全体の照射出力の２０％から５０％とする
ことを特徴とする合成ＹＡＧレーザによる薄手鋼板の溶
接方法。（２）．パルスＹＡＧレーザのパルス幅を０．３msecか
ら３．０msecにすることを特徴とする（１）項記載の合
成ＹＡＧレーザによる薄手鋼板の溶接方法。（３）．パルスＹＡＧレーザの照射点を連続波ＹＡＧレ
ーザの照射点と重ねる、もしくは両集光ビームの照射点
の間隔を１．０mm以内にして、かつパルスＹＡＧレーザ
の照射点を溶接方向に先行させることを特徴とする
（１）項または（２）項に記載の合成ＹＡＧレーザによ
る薄手鋼板の溶接方法。（４）．溶接速度に対応し、パルスＹＡＧレーザの照射
点間隔を０．５mm以内になるようにパルスＹＡＧレーザ
の繰返し周波数を設定することを特徴とする（１）から
（３）項のいずれか一つに記載の合成ＹＡＧレーザによ
る薄手鋼板の溶接方法。

【０００７】

【発明の実施の形態および実施例】以下、本発明に係わ
るパルスＹＡＧレーザと連続波ＹＡＧレーザを合成して
用いる溶接方法を、実施例と共に詳細に説明する。図１
は本発明の合成ＹＡＧレーザによる薄手鋼板の溶接方法
において、溶接に用いるレーザビームの時間挙動を模式
的に説明するグラフである。横軸は時間、縦軸はレーザ
出力であり、連続波出力にパルス出力が重畳したリップ
ル形態の時間波形を持つ。この時間波形におけるパルス
成分の役割は被溶接鋼板を高速に溶融状態に変化させる
機能であり、連続波ＹＡＧレーザの出力成分は被溶接鋼
板を所望の領域のみを溶融するのに必要な熱量を供給す
る機能を担う。その結果、鋼板への投入熱量を必要最低
限に抑制できるので溶接欠陥の発生をおさえ、かつ溶接
部の機械強度の改善も可能となる。以下にこれらの出力
特性要件に関わる根拠を説明する。

【０００８】（１）総出力Ｐ_TOTに対するパルス成分平
均出力Ｐ_Pの比の要件出力比が２０％以下になると、パルス成分による溶融量
が少なく連続波成分による溶融過程が主体となり、複合
効果が低下する。出力比が５０％以上になると、パルス
成分による溶融量は増加するが、パルスでの溶融が主体
となるため、かえってビードハンピングなどの溶接欠陥
が出やすくなり、複合溶融効果が低下する。更に、接合
部強度の代表的機械的特性である繰り返し曲げ強度が低
下する。以上の理由から、パルス成分の平均出力は総平
均出力に対して２０〜５０％とすることが必要となる。

【０００９】（２）パルス成分のパルス幅τ_Wの要件（１）項で規定したごとくパルス成分の総出力に対する
比を２０〜５０％とした上でパルス幅を０．３msec以下
とすると、パルス成分を被溶接材へ投入した際に発生す
る現象が溶融現象から蒸発現象へ移行してしまい、後続
の連続波成分に対する吸収率向上効果がかえって減退す
る。また、パルス幅が３．０msec以上になると、パルス
成分の時間内で熱伝搬・拡散する成分が増加する結果、
溶融効率が低下し、全体としての複合溶融効果も低下す
る。このためパルス成分の時間幅は０．３〜３．０msec
であることが要求される。

【００１０】（３）パルス成分のパルス繰返し周波数
（１／τ_P）の要件パルス成分の機能は上記のごとく後続の連続波レーザの
吸収率を向上させるものであることから、パルス相互の
時間間隔が広くなり過ぎるとその効果が減退する。本件
発明者らの実験研究によると、この上限を与える時間間
隔は溶接速度ｖと逆数の関係にあることが判明した。実
験結果を詳細に検討した結果、溶接速度によらずパルス
成分による空間的な照射点間隔Ｇ_P（Ｇ_P＝ｖ・τ_P）
が０．５mm以内であればこれまでに記述した複合効果が
定常的に発現することがわかった。パルス成分の繰返し
周波数が低く照射点間隔Ｇ_Pが０．５mm以上になると、
パルスが照射された部分の直後では複合効果が発現する
が、その後連続波成分のみでの溶融過程に至るため溶接
ビードの概観はかえってハンピング様になり、溶接欠陥
も発生しやすくなる。

【００１１】以上が合成レーザの時間波形に関わる要件
の説明であり、さらに合成に当たっては合成ビームの空
間的な配置要件を規定する必要がある。これについて
は、以下に示す実施例に基づいて説明する。図２は本発
明の合成ＹＡＧレーザによる薄手鋼板溶接方法を実現す
るための装置概要を示す説明図である。薄手の鋼板コイ
ル７，８（板厚：０．１mm〜１．０mm）の突き合わせ溶
接用であり、パルスＹＡＧレーザビームと連続波ＹＡＧ
レーザビームを合成したリップルＹＡＧレーザ装置１、
レーザ電源２、光ファイバー３、レーザ集光・加工ヘッ
ド４、ヘッドの移動装置としてのテーブル５とレール
６、鋼板のクランパー９，１０によって構成される。リ
ップルＹＡＧレーザ装置１は連続波ＹＡＧレーザとパル
スＹＡＧレーザをそれぞれ一台内蔵し、装置内部で双方
のビームが合成されている。

【００１２】図３は本発明の合成ＹＡＧレーザによる薄
手鋼板溶接方法を実現するための装置構成として、伝送
用光ファイバー入射端で連続波ＹＡＧレーザとパルスＹ
ＡＧレーザを合成する装置の説明図である。パルスＹＡ
Ｇレーザ発振器１１から出力されたパルスレーザビーム
１３と連続波ＹＡＧレーザ発振器１２から出力された連
続波レーザビーム１４はそれぞれ単レンズもしくは凹凸
レンズの組合せからなる発散角補正光学系１５によって
発散角が補正され、連続波レーザビームはミラーからな
るビーム偏向器１６で方向を変え、両ビームはビーム結
合器１７で合成され光ファイバー３へ導光される。光フ
ァイバーによって伝送された合成レーザビームはビーム
コリメータ、集光レンズ、ノズルからなるレーザ集光・
加工ヘッド４を介して被溶接材１８へ至り、ヘッドが走
行することにより溶接が達成される。

【００１３】以上の図２、３に示した構成ではパルスＹ
ＡＧレーザと連続波ＹＡＧレーザは光ファイバー入射端
にて合成されていることから、被溶接材１８上では同一
点に集光される。この構成においては、上述の３種の要
件を満足すれば、複合効果による溶接欠陥の抑制が可能
である。

【００１４】図４は本発明の合成ＹＡＧレーザによる薄
手鋼板溶接方法を実現するための装置構成として、連続
波ＹＡＧレーザとパルスＹＡＧレーザを溶接点で合成す
る装置の説明図である。パルスＹＡＧレーザビームと連
続波ＹＡＧレーザビームはそれぞれファイバー入射光学
系１９を介して光ファイバー３によって伝送され、それ
ぞれのファイバー出射ビーム集光ヘッド２０によって集
光され被溶接材１８に照射される。

【００１５】図５はファイバー出射ビーム集光ヘッド２
０を内蔵した複合加工ヘッド４の拡大説明図である。両
集光ヘッド２０を溶接線上で傾けることで、連続波ＹＡ
Ｇレーザの集光ビームとパルスＹＡＧレーザの集光ビー
ムを同一点に、もしくは一定の間隔を設けて照射するこ
とができる。

【００１６】図６はパルスＹＡＧレーザの集光ビーム２
２と連続波ＹＡＧレーザの集光ビーム２１の照射点の位
置関係を示した説明図である。溶接方向は図中に示した
矢印の方向に対応し加工ヘッドがレール上を走行する。
ここで両者の間隙Ｇを逐次変更しながら溶接実験を行っ
た結果、まずＧはゼロまたは正、すなわちパルスＹＡＧ
レーザビームが連続波ＹＡＧレーザビームと重なるかも
しくは先行する関係でないと複合効果が発現しないこと
がわかった。これは上述のごとく、パルスＹＡＧレーザ
によって表面吸収率を向上させる機能を実現しているこ
とによる。次に、Ｇ＞１．０mmとすると再度複合効果が
減退することがわかった。これは間隙が大きくなりすぎ
ると先行パルス成分の効果が減退するためである。以上
から、合成照射における位置関係は両者が重なるか、も
しくはパルスビームが１．０mm以内で先行することが必
要となる。

【００１７】図４の構成にて、薄手鋼板を加熱した場合
の鋼板表面の温度履歴を図７に示す。横軸は時間で、縦
軸は表面温度であり、図１に示したレーザ出力時間波形
を踏襲する結果が得られた。この構成でレーザの照射条
件として連続波ＹＡＧレーザの出力を２００Ｗ、パルス
ＹＡＧレーザの平均出力を１００Ｗ、パルス幅を０．５
msec、パルス繰り返し周波数を３００Hzとし溶接速度を
６m/min に設定した。この場合のパルスレーザの照射間
隔は３．３msec、Ｇ_P＝０．３３mmである。図８は溶接
欠陥に関わる評価結果を従来方法と比較したものであ
る。

【００１８】図８の縦軸は溶接欠陥発生率で横軸は突き
合わせ間隙／板厚の比で、薄手鋼板の厚さは０．２mm、
突き合わせ間隙を０μｍから８０μｍまで変化させた結
果である。従来溶接法での欠陥の発生しない許容限界と
なる間隙／板厚は１０から１５％であるのに対して、本
発明のリップルレーザ溶接法による結果では、欠陥の発
生しない許容限界となる間隙／板厚は３０％と約２．５
倍になっている。

【００１９】

【発明の効果】以上詳細に説明した通り、本発明による
合成ＹＡＧレーザによる溶接法によれば、薄手鋼板の溶
接においてパルスＹＡＧレーザ出力の合成ビーム全体出
力に対する比率、パルスＹＡＧレーザのパルス幅、繰返
し周波数、そして合成ビーム照射でのビーム間隔を最適
化した結果、連続波とパルス成分の複合溶融効果によっ
て薄手鋼板の無欠陥で安定な溶接を達成できる利点を有
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の合成ＹＡＧレーザによる薄手鋼板溶接
方法に用いるリップルレーザの時間波形を示すグラフで
ある。

【図２】本発明の合成ＹＡＧレーザによる薄手鋼板溶接
方法を実現するための装置概要を示す説明図である。

【図３】本発明の合成ＹＡＧレーザによる薄手鋼板溶接
方法を実現するための装置構成として、伝送用光ファイ
バー入射端で連続波ＹＡＧレーザとパルスＹＡＧレーザ
を合成する装置の説明図である。

【図４】本発明の合成ＹＡＧレーザによる薄手鋼板溶接
方法を実現するための装置構成として、連続波ＹＡＧレ
ーザとパルスＹＡＧレーザを溶接点で合成する装置の説
明図である。

【図５】連続波ＹＡＧレーザとパルスＹＡＧレーザを溶
接点で合成する装置の加工ヘッド部分の拡大説明図であ
る。

【図６】連続波レーザとパルスレーザの照射位置とその
間隔を示す説明図である。

【図７】合成ＹＡＧレーザ溶接法による溶接点での表面
温度の履歴を示すグラフである。

【図８】薄手鋼板突き合わせ溶接における溶接欠陥発現
特性に関して本発明と従来法を対比した結果を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１リップルＹＡＧレーザ装置２レーザ電源３光ファイバー４レーザ集光
・加工ヘッド５加工テーブル６レール７、８鋼板コイル９、１０鋼板
の押さえクランパー１１パルスＹＡＧレーザ発振器１２連続波Ｙ
ＡＧレーザ発振器１３パルスレーザビーム１４連続波レ
ーザビーム１５発散角補正光学系１６ビーム偏
向器１７ビーム結合器１８被溶接材１９ファイバー入射光学系２０ファイバー出射ビーム集光ヘッド２１連続波レーザ集光ビーム２２パルスレ
ーザ集光ビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浜田直也千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者辻正和大阪府大阪市中央区伏見町４−３−９阪和興業株式会社内 (72)発明者及川昌志千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者山本博之千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内Ｆターム(参考） 4E068 BE00 CA02 CA03 CD02 DA14 DB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルスＹＡＧレーザと連続波ＹＡＧレー
ザを合成したレーザビームで、薄手鋼板を溶接する溶接
方法において、鋼板表面に照射するパルスＹＡＧレーザ
の出力を合成ビーム全体の照射出力の２０％から５０％
とすることを特徴とする合成ＹＡＧレーザによる薄手鋼
板の溶接方法。
【請求項２】パルスＹＡＧレーザのパルス幅を０．３
msecから３．０msecにすることを特徴とする請求項１記
載の合成ＹＡＧレーザによる薄手鋼板の溶接方法。
【請求項３】パルスＹＡＧレーザの照射点を連続波Ｙ
ＡＧレーザの照射点と重ねる、もしくは両集光ビームの
照射点の間隔を１．０mm以内にして、かつパルスＹＡＧ
レーザの照射点を溶接方向に先行させることを特徴とす
る請求項１または２に記載の合成ＹＡＧレーザによる薄
手鋼板の溶接方法。
【請求項４】溶接速度に対応し、パルスＹＡＧレーザ
の照射点間隔を０．５mm以内になるようにパルスＹＡＧ
レーザの繰返し周波数を設定することを特徴とする請求
項１〜３のいずれか一つに記載の合成ＹＡＧレーザによ
る薄手鋼板の溶接方法。