JP2002263869A

JP2002263869A - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JP2002263869A
Application number: JP2001060108A
Authority: JP
Inventors: Toru Nakajima; 徹中嶋; Shigeyuki Sakurai; 茂行櫻井; Choji Kawasaki; 長司川崎; Naoki Mitsuyanagi; 直毅三柳
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2002-09-17
Anticipated expiration: 2021-03-05
Also published as: JP4578006B2

Abstract

(57)【要約】【課題】溶接部の応力集中抑制工程の省略が可能であり
ながら、溶接部の応力集中を抑制可能なレーザ溶接方法
を実現する。【解決手段】レーザビーム１０の溶け込み深さより端面
１６の厚みが小であって、端部がなだらかな形状８とな
った一方の被溶接物１の端面を他方の被溶接物２と接触
させる。この接触部分にレーザビーム１０を照射し、一
方の被溶接物１と他方の被被溶接物２とを溶接・接合す
る。レーザビーム１０を被溶接物１の一側面側からのみ
照射すれば被溶接物１と２との接触面を余すことなく接
合できる。レーザビーム１０による溶接はビード形状が
小さく、ビードの除去処理を省略できる。これにより、
被溶接物１の一側面側からのレーザビーム照射により他
方側面からのレーザビームの照射を行うことなく、工程
の省略が可能でありながら、一方の被溶接物と他方の被
溶接物とを強固に接合することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザを被溶接物
に照射して、溶接・接合を行うレーザ溶接方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術において、鋼板の板厚部分
（厚さ方向面）を溶接面あるいは曲面上（以下、溶接面
とする）に溶接する場合、例えば、図９に示すような溶
接構造物を製造する場合、実際に溶接・接合を行うに
は、溶接しようとする鋼板１をこの鋼板の板厚部分１３
が溶接面２と接触するように溶接面２上に載せる。

【０００３】そして、鋼板１と溶接面２とに対して、い
わゆる、すみ肉溶接が行われる。つまり、図１０に示す
ように、鋼板１と溶接面２との角部分をＭＩＧ（Metal
Inert Gas）溶接やＭＡＧ（Metal Active Gas）溶
接という溶接方法による人手作業の半自動溶接、あるい
はロボットによる全自動溶接によって、鋼板１の両側溶
接あるいは全周溶接することによって、すみ肉溶接ビー
ド３を形成して接合する。

【０００４】上述のような溶接方法では、図１１に示す
ように、溶接後には溶接始端部から溶接終端部５に渡る
溶接ビード４が形成される形状となる。

【０００５】しかし、溶接ビード４が形成された形状の
ままでは、たとえば、例えば、図１２に示すようにショ
ベル１７のフロント部分とシリンダとをつなぐピンを挿
入するブラケット１ａ、１ｂを上述した溶接により接合
した場合、鋼板１の長手方向に繰り返し荷重が負荷され
た際、図１１に示す構造物の溶接ビード４の止端部や始
終端部５に応力が集中する。

【０００６】その結果、接合された鋼板１が繰り返し荷
重による疲労あるいは一発の衝撃によって応力集中部で
ある溶接ビード４の止端部から亀裂が生じ、破断する可
能性がある。

【０００７】そこで、通常、鋼板１の長手方向の先端部
は、ＭＩＧ溶接やＭＡＧ溶接の後工程として溶接後の応
力を分散させるための滑らかなビードを生成するため
に、図１３に示すように、鋼板１の端部は、溶接面２と
垂直な面の面積をある大きさに確保するため、面６が形
成され、切り立った形状となっている。

【０００８】溶接構造物を製造する際、被溶接物の長手
方向のすみ肉溶接を半自動あるいは全自動溶接で行った
後に、図１３に示した面６の鋼板端部の切り立った部分
と溶接面２とを、図１４に示すように成形する。

【０００９】つまり、溶接面２に溶接された鋼板１への
応力集中が抑制されるように、別工程で化粧ビードと称
し、手棒溶接にて端部のみ溶接し応力の集中し難い形状
にしたり、あるいはアーク溶接を行った後に、図１５に
示すように、グラインダにて溶接端部を滑らかにし、応
力集中をなくすように削ってしまうといった作業がなさ
れている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の技術においては、溶接された鋼板１に対する応
力集中を抑制する後工程での手棒溶接による作業は、工
程が増えるために余分な労力を費やすうえ、半自動溶接
に比べて溶融効率が低いために作業時間がかかるという
問題点があった。

【００１１】また、上記後工程でのグラインダによる作
業では、工程が増えるだけでなくグラインダによって生
ずる周囲への騒音、溶接ビードを削ることにより生ずる
研削粉による塵肺やグラインダ作業中の振動など環境や
人体に与える悪影響も少なくないといった問題点があっ
た。

【００１２】本発明は、このような事情に鑑みて提案さ
れたもので、その目的は、溶接部の応力集中抑制工程の
省略が可能でありながら、溶接部の応力集中を抑制可能
なレーザ溶接方法を実現することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次のように構成される。（１）レーザ溶接方法において、一方の被溶接物の厚さ
方向面と、他方の溶接物の被溶接面とを接触させ、上記
一方の被溶接物と他方の被溶接物との少なくとも止端部
にレーザビームを照射し、上記一方の被溶接物の厚さ方
向面と他方の被溶接物の溶接面とを溶接し、互いに接合
させる。

【００１４】（２）好ましくは、上記（１）において、
上記レーザビームは、上記一方の被溶接物の厚さ寸法よ
り大のビードを形成し得るレーザビームである。

【００１５】（３）また、好ましくは、上記（１）又は
（２）において、上記一方の被溶接物は、この一方の被
溶接物の、上記他方の被溶接物の溶接面にほぼ直交する
方向の寸法は、端部に向かうにつれて除々に小となる形
状を有する。

【００１６】（４）また、好ましくは、上記（１）、
（２）又は（３）において、上記一方の被溶接物の端部
付近でレーザビームをデフォーカスする。

【００１７】（５）また、好ましくは、上記（１）、
（２）、（３）又は（４）において、レーザビームをパ
ルス発振する。

【００１８】（６）また、好ましくは、上記（１）、
（２）、（３）又は（４）において、上記一方の被溶接
物の厚さ寸法は、端部に向かうにつれて、徐々に小とな
る。

【００１９】（７）また、好ましくは、上記（１）、
（２）、（３）、（４）、（５）又は（６）において、
上記一方の被溶接物の厚さは、レーザビームによって貫
通可能な寸法である。

【００２０】（８）また、好ましくは、上記（１）、
（２）、（３）、（４）、（５）又は（６）において、
上記一方の被溶接物の一側面と上記他方の被溶接物の厚
さ方向面とがほぼ同一平面となるように配置し、角継ぎ
手とする。

【００２１】（９）また、好ましくは、上記（１）、
（２）、（３）、（４）、（５）、（６）又は（７）に
おいて、上記一方の被溶接物は、建設機械の作業部材の
ブラケットである。

【００２２】（１０）また、好ましくは、上記（１）、
（２）、（３）、（４）、（５）、（６）、（７）又は
（８）において、上記一方の被溶接物と他方の被溶接物
との接触部分に沿ってレーザビームを照射し、溶接・接
合する。

【００２３】（１１）また、上記（１）〜（１０）記載
のレーザ溶接方法により溶接された接合部を有すること
を特徴とする溶接構造部本発明によれば、一方の被溶接
物と、他方の被溶接物との接触部分にレーザビームを照
射し、一方の被溶接物と他方の被溶接物とを溶接・接合
する。上記一方の被溶接物の厚さ寸法より大のビードを
形成し得るレーザビームであれば、レーザビームを被溶
接物の一側面側からのみ照射すれば被溶接物同志の接触
面を余すことなく接合できる。

【００２４】また、レーザビームによる溶接はビード形
状が小さく、ビードの除去処理を省略できる。これによ
り、一方の被溶接物の一側面側からのレーザビーム照射
により他方側面からのレーザビームの照射を行うことな
く、工程の省略が可能でありながら、一方の被溶接物と
他方の被溶接物とを強固に接合することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面を参照して説明する。まず、本発明による一実施形
態であるレーザ溶接方法における鋼板１の形状は、図１
に示すように、その端面を応力集中が生じないように、
湾曲状又は直線状に徐々に高さ方向を小さくし滑らかな
形状となっている。

【００２６】図１に示した例における鋼板１は、図１２
に示したショベル１７のブラケットであり、溶接面２は
フロントのブームやアームのブラケット１ａ、１ｂ等の
溶接面部分の例である。このブラケットの形状そのもの
が鋼板１の形状となってる。

【００２７】そして、この鋼板１の形状は、溶接しよう
とする溶接面２との接触角が極めて小さく、その接触面
の幅がレーザにより形成されるビードの幅より小さい形
状とする。つまり、鋼板１（一方の被溶接物）は、この
鋼板１の、溶接面２（他方の被溶接物の溶接面）にほぼ
直交する方向の寸法は端部に向かうにつれて徐々に小と
なる形状を有する。

【００２８】鋼板１と溶接面２とのレーザによる溶接
は、鋼板１を図１に示すように、鋼板１の板厚部（厚さ
方向面）が溶接面２に接触するように載せる。そして、
図２に示すように、レーザビーム１０を、鋼板１の板厚
方向に向けて、鋼板１と溶接面２との接触面に照射し、
鋼板１と溶接面２との接触面をレーザエネルギによって
加熱・溶融させることにより溶接を行う。

【００２９】レーザビーム１０は、アーク溶接に比ベパ
ワー密度が高く、レーザ出力１ｋＷあたり約１ｍｍの貫
通能力がある。このため、鋼板１の厚さがレーザ最大溶
け込み量以下の場合には、図３に示すように、鋼板１の
片側から裏側まで貫通し溶け込み、溶融金属１１が形成
され、不良のない良好な接合部が形成される。

【００３０】その結果、構造物で応力集中部となる鋼板
１の端部は、図４に示すように、レーザビーム１０によ
って鋼板１の滑らかな形状のままの溶接端部１６が形成
されるために応力集中部が生ずることが抑制される。

【００３１】通常、溶接面２の上を単にレーザビーム１
０で溶接を行う際、深い溶け込みを得るためのレーザビ
ーム１０のフォーカス位置は、被溶接材料の表面かある
いは表面よりも１．２ｍｍ程度、被溶接材料の内部に設
定したときである。

【００３２】図１の例にように、すみ肉のような角の形
状を溶接しようとすると、深い溶け込みを得るために
は、レーザビーム１０のフォーカス位置を図２の９の位
置、つまり、鋼板１と溶接面２との接触面の境界部分９
に合わせる。

【００３３】レーザ溶接では、先に述べたように高エネ
ルギ密度であるため、被溶接物の裏側への貫通溶接が可
能であるが、鋼板１の端部にてレーザ照射を停止させた
場合、材質、板厚等により、図４の溶接端部１６の溶接
終端部は、表面が窪んでしまい、また、裏面も表面同様
窪んでしまって、溶接欠陥となる可能性がある。

【００３４】さらに、レーザ照射を急に停止してしまう
ことで溶接部が急冷され、溶融金属が凝固する際に割れ
が生じる高温割れによる欠陥が発生する可能性がある。

【００３５】そこで、レーザ照射による終端部の処理の
方法として、レーザビーム１０のフォーカス位置を鋼板
１と溶接面２の角に合わせて溶接するが、溶接終了間際
の鋼板１の端部面８にさしかかったところでレーザビー
ムのフォーカス位置を、図５に示すように、鋼板１と溶
接面２の角から遠ざける、あるいは逆にフォーカス位置
を被溶接材料内部とする（以下、デフォーカスとす
る）。

【００３６】これにより、レーザビーム照射位置でのレ
ーザの照射範囲が大きくなってデフォーカスされた照射
面１５となり、それに伴ってパワー密度が低下する。そ
のため、貫通能力は低下するもののビード表面を加熱す
ることによりクレータと呼ばれる溶接欠陥の生じやすい
部分はなくなる。

【００３７】また、レーザビームの発振をパルス化して
もよい。レーザビームをパルス発振とすることにより、
レーザ照射と停止とが繰り返されるため、レーザビーム
停止の期間に溶融金属が冷却されるため、この溶融金属
が必要以上に加熱されることが回避される。

【００３８】したがって、溶接ビードが細くなるため
に、図４の溶接端部１６は段差が小さく応力集中のない
形状となる。

【００３９】先に述べたとおり、レーザ溶接はアーク溶
接に比ベてパワー密度が高く、貫通能力も高いため、鋼
板１の厚さがレーザ最大溶け込み量以下の場合には、図
３に示すように、鋼板１の片側から裏側までレーザビー
ムが貫通し、溶け込み不良のない良好な接合部が形成さ
れる。

【００４０】そのため、従来技術におけるアーク溶接で
は、板厚に関わらず、鋼板１の両側を溶接する必要があ
ったが、レーザ溶接とすることにより、鋼板１の片側か
らのレーザの照射だけで溶接が完了するため溶接工程
は、アーク溶接の半分となる。

【００４１】鋼板１の板厚が、レーザの最大溶け込み量
以上の場合には、完全溶け込みを得るために鋼板１の両
側からレーザを照射することにより、溶け込み不良のな
い溶け込みが得られる。

【００４２】また、鋼板１が厚板の場合、従来技術にお
けるアーク溶接では深い溶け込みが難しいために、被溶
接物に開先を形成する必要があったが、レーザ溶接を適
用した場合には、開先加工は必要なく、作業工程の低減
を図ることができる。

【００４３】また、溶接する鋼板１の形状を図６及び図
７に示すように、鋼板１の端部の板厚方向の幅がレーザ
溶接方向から遠ざかるように徐々に細くなるようにする
ことによって（鋼板１（一方の被溶接物）の厚さ寸法
を、端部に向かうにつれて、徐々に小とする）クレータ
処理を目的としたレーザのデフォーカスをする必要がな
くなる。

【００４４】これは、鋼板１の端部に角度をつけること
により、レーザのフォーカス位置を一直線上に設定した
まま溶接を続けると、鋼板１の端部では、図７に示すよ
うに、鋼板１の形状により、自然とフォーカス位置と鋼
板１とが離れ、あたかもデフォーカスしていることにな
り、レーザをデフォーカスさせる必要はなくなる。

【００４５】さらに、図８に示すように、鋼板１の側面
と溶接面２の端面とが一平面となるような角継ぎ手とし
た場合、レーザ溶接では、開先をとることなくその突き
合わせ面に、レーザを照射し溶接をおこなうことが可能
である。

【００４６】このような形状とすると、溶接材同士が同
一溶接面上にのることになるので、レーザ溶接の前工程
での缶組作業は容易となる。

【００４７】また、Ｔ形継ぎ手になっていると、レーザ
が、図２の境界部分９に照射・溶融する前に、溶接面２
に照射される可能性があるためにレーザを溶接面２に照
射しないように、溶接面２から１０°程度傾斜してレー
ザを照射する必要がある。これにより、鋼板１に対し直
角にレーザビームを照射することが難しく、直角に照射
しない分だけエネルギーロスが生じる。

【００４８】それに対し、図８に示すような形状とする
と、レーザビームが溶接面１に干渉することはないた
め、鋼板１に対し直角にレーザビームを照射することが
できるのでレーザの貫通力を余すことなく発揮でき、エ
ネルギーロスを抑制することができる。

【００４９】以上のように、本発明の一実施形態によれ
ば、レーザビームの溶け込み深さより端面の厚みが小で
あって、端部がなだらかな形状となった一方の被溶接物
の端面を、他方の被溶接物と接触させ、この接触部分に
レーザビームを照射して、一方の被溶接物と他方の被溶
接物とを溶接・接合するように構成される。

【００５０】したがって、一方の被溶接物の一側面側か
らのレーザビーム照射により、他方側面からのレーザビ
ームの照射を行うことなく、工程の省略が可能でありな
がら、一方の被溶接物と他方の被溶接物とを強固に接合
することができる。

【００５１】また、レーザビームによる接合は、形成さ
れるビードが小さく、接合後このビードの除去等の後工
程を行う必要がなく、これによっても、工程を省略する
ことができる。

【００５２】また、一方の被溶接物の端部をなだらかな
形状となるようにしたが、従来の技術においても、端部
への応力集中緩和を図るために、被溶接物の端面を加工
したり、溶接後、被溶接物の端部をグラインダ等により
なだらかな形状とするよう加工していたので、溶接前に
被溶接物の端部をなだらかな形状とする工程は、それら
に代わるものであり、工程数の増加とはならない。

【００５３】なお、上述した例においては、一方の被溶
接物の厚みを、レーザビームの溶け込み深さより小とし
たが、大のものであっても、本発明を適用することが可
能である。この場合は、レーザビームを一方の被溶接物
の両側面側から照射する必要があり、上述した一実施形
態より一工程増加することとなるが、従来技術のよう
に、アーク等により溶接・接合する場合の比較して、工
程数は少なく、かつ、強固な接合を施すことが可能であ
る。

【００５４】また、上述した例においては、一方の被溶
接物の端部をなだらかな形状としたが、端部がなだらか
形状となっていないものについても、本発明は適用可能
であり、従来技術のアーク溶接等に比較して、工程数が
少なく、より強固な接合を施すことができる。

【００５５】さらに、上述した例においては、一方の被
溶接物を、ショベルのブラケットとしたが、ブラケット
に限らず、建設機械の作業用部材等のように、一方の被
溶接物の止端部を溶接面（母材）に溶接・接合するもの
であれば、適用可能である。

【００５６】また、上述した例においては、一方の被溶
接物と他方の被溶接物との接触面に沿ってレーザビーム
を照射して溶接・接合するようにしたが、被溶接部の終
端部のみ、レーザビームを照射して、溶接・接合するよ
うに構成してもよい。

【００５７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、溶接部
の応力集中抑制工程の省略が可能でありながら、溶接部
の応力集中を抑制可能なレーザ溶接方法を実現すること
ができる。

【００５８】つまり、従来技術であるアーク溶接には必
要であった溶接後工程が不要となり、溶接継ぎ手等の品
質向上と共に作業時間を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法の説
明図である。

【図２】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法にお
けるレーザ照射部分を示すである。

【図３】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法にお
けるレーザ照射の溶け込み深さの説明図である。

【図４】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法にお
けるビード形成の説明図である。

【図５】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法にお
ける終端部処理の一例の説明図である。

【図６】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法にお
ける終端部処理の他の例の説明図である。

【図７】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法にお
ける終端部処理の他の例の説明図である。

【図８】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法にお
ける角継ぎ手の処理方法の説明図である。

【図９】従来の技術における溶接方法の説明図である。

【図１０】従来の技術における溶接方法の説明図であ
る。

【図１１】従来の技術における溶接方法の説明図であ
る。

【図１２】溶接・接合を行う一例を示す図である。

【図１３】従来の技術における溶接方法の端部処理の説
明図である。

【図１４】従来の技術における溶接方法の端部処理の説
明図である。

【図１５】従来の技術における溶接方法の端部処理の説
明図である。

【符号の説明】

１鋼板１ａ、１ｂブラケット２溶接平面９レーザ溶接時のレーザ照射位置１０レーザビーム１１レーザによる溶融金属１２終端部でフォーカス位置を変えた際
のレーザの位置１３溶接長手方向先端部１４シリンダとフロント部を連結するブ
ラケット１５デフォーカスされたレーザ照射面１６レーザによる溶接端部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川崎長司茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者三柳直毅茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内Ｆターム(参考） 4E068 BD01 CA11 DA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方の被溶接物の厚さ方向面と、他方の被
溶接物の溶接面とを接触させ、上記一方の被溶接物と他方の被溶接物との少なくとも止
端部にレーザビームを照射し、上記一方の被溶接物の厚
さ方向面と他方の被溶接物の溶接面とを溶接し、互いに
接合させることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】請求項１記載のレーザ溶接方法において、
上記レーザビームは、上記一方の被溶接物の厚さ寸法よ
り大のビードを形成し得るレーザビームであることを特
徴とするレーザ溶接方法。
【請求項３】請求項１又は２記載のレーザ溶接方法にお
いて、上記一方の被溶接物は、この一方の被溶接物の、
上記他方の被溶接物の溶接面にほぼ直交する方向の寸法
は、端部に向かうにつれて除々に小となる形状を有する
ことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項４】請求項１、２又は３のうちのいずれか一項
記載のレーザ溶接方法において、上記一方の被溶接物の
端部付近でレーザビームをデフォーカスすることを特徴
とするレーザ溶接方法。
【請求項５】請求項１、２、３又は４のうちのいずれか
一項記載のレーザ溶接方法において、レーザビームをパ
ルス発振することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項６】請求項１、２、３又は４のうちのいずれか
一項記載のレーザ溶接方法において、上記一方の被溶接
物の厚さ寸法は、端部に向かうにつれて、徐々に小とな
ることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項７】請求項１、２、３、４、５又は６のうちの
いずれか一項記載のレーザ溶接方法において、上記一方
の被溶接物の厚さは、レーザビームによって貫通可能な
寸法であることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項８】請求項１、２、３、４、５又は６のうちの
いずれか一項記載のレーザ溶接方法において、上記一方
の被溶接物の一側面と上記他方の被溶接物の厚さ方向面
とがほぼ同一平面となるように配置し、角継ぎ手とする
ことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項９】請求項１、２、３、４、５、６又は７のう
ちのいずれか一項記載のレーザ溶接方法において、上記
一方の被溶接物は、建設機械の作業部材のブラケットで
あることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項１０】請求項１、２、３、４、５、６、７又は
８のうちのいずれか一項記載のレーザ溶接方法におい
て、上記一方の被溶接物と他方の被溶接物との接触部分
に沿ってレーザビームを照射し、溶接・接合することを
特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項１１】請求項１〜１０記載のレーザ溶接方法に
より溶接された接合部を有することを特徴とする溶接構
造部。