JP2004017160A

JP2004017160A - １２ｋＷまでのレーザー溶接におけるヘリウム／窒素ガス混合物の使用

Info

Publication number: JP2004017160A
Application number: JP2003166591A
Authority: JP
Inventors: Francis Briand; フランスィス・ブリヤン; Karim Chouf; カリム・シュ; Philippe Lefebvre; フィリップ・ルフェブル; Eric Verna; エリック・ベルナ
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2002-06-14
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2004-01-22
Also published as: FR2840834B1; CA2430152A1; FR2840834A1; US20030230558A1; US20060081568A1; US7038163B2; CA2430152C; EP1371445A1

Abstract

【課題】１２ｋＷまでのパワーを有するレーザーとともに用いることができ、低温の金属プラズマを生成させ、ＮＯ_ｘの生成を減少させ得るガスを提供する。
【解決手段】３０体積％から６０体積％までの窒素および残部のヘリウムからなる２元ガス混合物。このガス混合物を用いて、鋼鉄、ステンレス鋼またはチタンを溶接することができる。
【選択図】　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘリウムと窒素だけから構成されるガス混合物に、および最大１２ｋＷのパワーで操作されるレーザー溶接プロセスにおけるその使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー溶接は、それがプラズマ溶接、ＭＩＧ（金属不活性ガス）溶接またはＴＩＧ（タングステン不活性ガス）溶接のような他のより通常のプロセスと比較して、高速で極めて大きな溶込み深さを得ることを可能とするので、きわめて高性能の接合プロセスである。
【０００３】
このことは、溶接される加工物の接合平面での１以上の鏡またはレンズによりレーザー光を集光するとき出現する大きなパワー密度、例えば１０^６Ｗ／ｃｍ^２を超え得るパワー密度により説明される。
【０００４】
それらの高いパワー密度は、外側に広がって溶接プールの漸進的なクレーター形成を誘発するとともに、板の厚さに、すなわち、接合平面にキーホールと呼ばれる狭くて深い蒸気毛管の形成をもたらす顕著な気化を加工物の表面で引き起こす。
【０００５】
この毛管は、エネルギーの蓄積が表面上に局所化されるところのより通常の溶接プロセスとは反対に、レーザー光のエネルギーが板に深く直接的に蓄積するようにさせる。
【０００６】
この点に関し、以下の特許文献１〜２１を参照することができる。
【０００７】
この毛管は、金属蒸気／金属蒸気プラズマ混合物から形成され、その特別の特徴は、それがレーザー光を吸収し、それゆえ、実際の毛管内にエネルギーを捕捉することである。
【０００８】
レーザー溶接に関する問題の１つは、シールドガスプラズマの生成である。
【０００９】
これは、金属蒸気プラズマが、シールドガスに遊離電子を供給することにより、溶接操作に有害であるシールドガスプラズマの発生をもたらし得るからである。
【００１０】
その結果、入射レーザー光は、シールドガスプラズマにより非常に撹乱され得る。
【００１１】
シールドガスプラズマとレーザー光との相互作用（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）は、様々の形態をとりうるものであるが、しかし、それは、通常、入射レーザー光が吸収されおよび／または回折される効果をもたらし、このことは、ターゲットの表面で有効なレーザーパワー密度の実質的な減少をもたらし、溶込み深さの減少をもたらし、またはレーザー光と材料との間のカップリング（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）の消失さえももたらし、それゆえ、溶接プロセスの瞬時の停止をもたらす。
【００１２】
プラズマが発生するパワー密度のしきい値は、用いられるシールドガスのイオン化ポテンシャルに依存し、レーザー光の波長の平方に反比例する。
【００１３】
したがって、ＣＯ_２タイプのレーザーを用いて純粋なアルゴンの下で溶接を行うことはきわめて困難であるが、他方、この操作は、ＹＡＧタイプのレーザーをも散ると、ほとんど問題なく行うことができる。
【００１４】
一般的に、ＣＯ_２レーザー溶接においては、シールドガスとしてヘリウムが用いられ、これは、大きなイオン化ポテンシャルを有するガスであり、シールドガスプラズマの発生を防止することが可能であり、少なくとも４５ｋＷのレーザーパワーまで防止することが可能である。
【００１５】
しかしながら、ヘリウムは高価なガスであるという欠点を有し、多くのレーザー使用者は、ヘリウムほど高価ではないが、それにもかかわらずシールドガスプラズマの発生を制限し、それゆえ、低コストで、ヘリウムで得られるものと同様の溶接結果を得るという他のガスまたはガス混合物を用いることを希望している。
【００１６】
すなわち、例えば、レール・リキード^ＴＭにより名称ＬＡＳＡＬ^ＴＭ２０４５の下で販売されている３０体積％のヘリウムと残部のアルゴンを含むガス混合物のような、アルゴンとヘリウムを含むガス混合物が市販されており、これは、５ｋＷ未満のＣＯ_２レーザー出力レベルについて、発生するパワー密度が高すぎない、すなわち、約２０００ｋＷ／ｃｍ^２を超えないならば、ヘリウムと実質的に同じ結果を達成することを可能とする。
【００１７】
【特許文献１】
ＤＥ−Ａ−２７１３９０４
【００１８】
【特許文献２】
ＤＥ−Ａ−４０３４７４５
【００１９】
【特許文献３】
ＪＰ−Ａ−０１０４８６９２
【００２０】
【特許文献４】
ＪＰ−Ａ−５６１２２６９０
【００２１】
【特許文献５】
ＷＯ９７／３４７３０
【００２２】
【特許文献６】
ＪＰ−Ａ−０１００５６９２
【００２３】
【特許文献７】
ＤＥ−Ａ−４１２３７１６
【００２４】
【特許文献８】
ＪＰ−Ａ−０２０３０３８９
【００２５】
【特許文献９】
ＵＳ−Ａ−４８７１８９７
【００２６】
【特許文献１０】
ＪＰ−Ａ−２３０３８９
【００２７】
【特許文献１１】
ＪＰ−Ａ−６２１０４６９３
【００２８】
【特許文献１２】
ＪＰ−Ａ−１５６９２
【００２９】
【特許文献１３】
ＪＰ−Ａ−１５６９３
【００３０】
【特許文献１４】
ＪＰ−Ａ−１５６９４
【００３１】
【特許文献１５】
ＪＰ−Ａ−２２０６８１
【００３２】
【特許文献１６】
ＪＰ−Ａ−２２０６８２
【００３３】
【特許文献１７】
ＪＰ−Ａ−２２０６８３
【００３４】
【特許文献１８】
ＷＯ−Ａ−８８／０１５５３
【００３５】
【特許文献１９】
ＷＯ−Ａ−９８／１４３０２
【００３６】
【特許文献２０】
ＤＥ−Ａ−３６１９５１３
【００３７】
【特許文献２１】
ＤＥ−Ａ−３９３４９２０
【００３８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述のタイプのＡｒ／Ｈｅ混合物で生じる問題は、より高いレーザーパワー密度については、その場合シールドガスプラズマが作り出されるしきい値が超えられてしまうので、この混合物はもはや適切ではないということである。
【００３９】
さらに、ヘリウムを用いる同じレーザー溶接プロセスと比較して、溶接ビードの溶込みが少なくとも維持されるか、より好ましくは増加することも重要である。
【００４０】
さらに、もう１つの問題は、溶接者に有害なＮＯ_ｘタイプの種の生成であり、これは、可能な限り低く維持されねばならない。
レーザー溶接に関与する相互作用（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）と同様強力なレーザー／材料相互作用から生じる金属プラズマ温度が、空気混入に由来する窒素分子と酸素分子の解離を促し、有害なＮＯ_ｘタイプの種の生成をもたらすからである。
【００４１】
従って、ＮＯ_ｘタイプの種の生成を回避し、または減少させるために、レーザー溶接に由来する金属プラズマの温度を減少させ得ることが必須である。
【００４２】
それゆえ、本発明の目的は、１２ｋＷまでのパワーを有するレーザーとともに用いることができ、パワーおよび窒素含有量に依存して、そのようなパワーのために用いられる通常のガス、すなわちヘリウムについて得られるよりも５〜１０％大きい全溶込み（ｔｏｔａｌ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）をもって、より低温の金属プラズマの生成をもたらし、かつヘリウム自体と比較してＮＯ_ｘの生成の減少をもたらすところの、窒素に基づく溶接ガス混合物およびそのガスを用いるレーザー溶接方法を提供することである。
【００４３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的を達成するために、３０体積％〜６０体積％の窒素と残部（計１００％となるまで）のヘリウムからなる、１２ｋＷまでのレーザー光を用いる溶接のための２元ガス混合物が提供される。
【００４４】
別の側面によれば、本発明は、また、１２ｋＷまでの範囲のパワーを有するレーザー光を用いる溶接方法であって、鋼鉄、ステンレス鋼、またはチタン加工物を溶接するために、本発明のガス混合物を用いることを特徴とする方法を提供する。
【００４５】
【発明の実施の形態】
事例に応じて、本発明のガス混合物は、以下の技術的特徴の１以上を含み得る。
ガス混合物は、５９体積％未満の窒素、好ましくは５８体積％未満の窒素、より好ましくは５５体積％未満の窒素を含む。
ガス混合物は、５０体積％を超える窒素、好ましくは５２体積％を超える窒素を含む。
ガス混合物は、５３〜５５体積％の窒素を含む。
【００４６】
事例に応じて、本発明の溶接方法は、以下の技術的特徴の１以上を含み得る。
【００４７】
レーザーは、ＣＯ_２タイプのものであること。
溶接操作を、少なくとも部分的溶込み、好ましくは完全溶込みをもって、溶接される２つの加工物を接合させることにより行うこと。
０．５〜１２ｋＷ、好ましくは４〜１０ｋＷのパワーを有するレーザーを用いること。
０．４〜３０ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲の厚さを有する加工物を溶接すること。
【００４８】
加工物は、ＨＹＳ（高耐力（ｈｉｇｈ　ｙｉｅｌｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ）鋼で作られていること。
溶接される加工物は、亜鉛表面塗膜を有し、特に亜鉛めっきまたは電気亜鉛めっきされた鋼板であること。
溶接される加工物を、裏面溶接（ｂａｃｋｓｉｄｅ　ｗｅｌｄｉｎｇ）によるかまたはある角度をもって、ベベル（ｂｅｖｅｌ）をもって、もしくはベベルなしで、重ね溶接または突合せ溶接すること。
溶接を単一スポットまたは複数スポットの焦点（衝撃）により行うこと。
焦点は、円形または長円形（ｏｂｌｏｎｇ）であること。
ガス混合物の流量は、５ｌ／分ないし１００ｌ／分であること。
ガスの圧力は、１ないし５バールであること。
ガス混合物を配送するノズルは、３〜３０ｍｍの範囲の直径を有する横方向または軸方向ノズルであること。
【００４９】
【実施例】
例：ＣＯ_２レーザーとＨｅ／Ｎ_２混合物から形成されるシールドガスを用いて作り出された溶融線の溶込みの測定。
【００５０】
図１の曲線は、２００ｍｍの焦点距離を有する放物面鏡により軟鋼製金属ターゲットの表面上に集束されたＣＯ_２タイプレーザー（８ｋＷ〜１２ｋＷの範囲のパワーレベルについて）により作られた溶融線の溶込みの、シールドガスのヘリウムおよび窒素含有量を変化させたときの測定結果を示す。
【００５１】
より正確には、シールドガスは、漸進的に増加された窒素含有量を有するＨｅ／Ｎ_２混合物から生成させた（混合物の残部は、ヘリウムのみである）。
【００５２】
それぞれの曲線については、用いた混合物の窒素含有量をｘ軸上に体積パーセンテージとしてプロットされている。
【００５３】
シールドガスは、２４ｌ／分の流量で、１２ｍｍの直径を有する円筒形状の横方向ノズルにより相互作用領域（ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｚｏｎｅ）に配送した。溶接速度は、３ｍ／分であった。
【００５４】
図１の曲線から、溶接ビードの溶込みは、８〜１２ｋＷのレーザーパワーレベルについて、少なくとも維持されていることが理解される。一方、一部の事例では、５〜１０％程度のビードの溶込みの増加さえ観察される。
【００５５】
それらのビードの生成中に、「プラズマ」および／または「プルーム（ｐｌｕｍｅ）」が、相互作用領域上および金属プラズマプルーム上でシールドガス中に生成することが見いだされた。シールドガスプラズマおよび／またはプルームの大きさは、ガス混合物の窒素含有量、入射レーザーのパワー密度、焦点距離、および溶接速度に依存した。先験的に、それは、数センチメートルまでの範囲の大きな寸法を有し得る。
【００５６】
シールドガス中でのこのプラズマおよび／またはプルームの生成は、相互作用領域近くの窒素分子および／または原子の存在に関連するように思われる。相互作用領域の周りのこのガスプラズマおよび／またはプルームの存在の関連する結果は、Ｈｅ／Ａｒ混合物の場合に観察されるものとは異なる。
【００５７】
これは、レーザー溶接プロセス中のアルゴン原子のイオン化がレーザー溶接プロセスに有害となり得るシールドガス中でのプラズマの生成をもたらすＨｅ／Ａｒ混合物と違って、Ｈｅ／Ｎ_２混合物で得られるガスプラズマおよび／またはプルームは、溶接プロセスを損なわないからである。
【００５８】
Ｈｅ／Ｎ_２混合物の場合には、材料とレーザー光の間のカップリング（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）が維持され、時には改善されさえする。Ｈｅ／Ｎ_２混合物の高い窒素含有量のみがレーザー／材料カップリングを有意に損なう。
【００５９】
溶込みの改善は、プルームと接触するガス混合物中の窒素分子の解離により誘発される金属プラズマプルームの冷却に起因すると思われる。
【００６０】
それゆえ、このことは、板の表面での金属プラズマプルームのサイズの減少をもたらし、プルームによる入射レーザー光の吸着の現象の減少をもたらし、板の表面でおよび毛管内で利用可能なレーザーエネルギーの量の増加をもたらす。
【００６１】
加えて、毛管壁の表面での窒素原子またはイオンの発熱再結合は、プロセスを改善することにも寄与するに違いない。
【００６２】
さらに、Ｈｅ／Ｎ_２混合物を用いるテストの間に、ヘリウムのみを用いて発生するＮＯ_ｘの量と比較して、窒素含有量およびレーザーパワー密度に依存して、発生するＮＯ_ｘの量がかなりの程度に減少することも立証された。
【００６３】
これは、レーザー／材料相互作用領域に注入されるとき、窒素分子の解離が、金属プラズマのエネルギーの一部を吸収し、金属プラズマを冷却するからである。
【００６４】
このことは、レーザー溶接プロセスにおけるレーザー溶接中の金属プラズマのプルームの周りのＮＯ_ｘ種の生成の減少を一部説明するものである。
【００６５】
２ｋＷおよび８ｋＷのレーザーパワーレベルについて約３ｍ／分の速度で行ったレーザー溶接プロセス中に放出されたＮＯ_ｘの含有量を測定した。シールドガスを、２０ｌ／分で、直径８ｍｍのノズルにより、横方向に、変位（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）まで取り込んだ。様々のＨｅ／Ｎ_２混合物を用いた。溶接プロセスにより放出される全てのガスを吸入する直径３ｍｍのステンレス鋼プローブにより試料採取を行った。採取されたガスを、ＮＯ_ｘタイプの要素（ｅｌｅｍｅｎｔｓ）を検出し、それらの比率を定量できる標準化された分析装置に通じた。試料採取プローブを、ガス流の範囲内において、板の表面から２ｃｍ、相互作用領域から１．５ｃｍのところに配置した。
【００６６】
実施した測定の結果を以下の表１に示す。
【００６７】
【表１】

Ｈｅ／Ｎ_２シールドガス混合物の窒素含有量が増加すると、レーザー溶接プロセス中に放出されるＮＯ_ｘの含有量がなかり減少することがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シールドガスの可変的なヘリウムおよび窒素含有量に対するＣＯ_２タイプレーザーにより作られる溶融による溶込みの関係を示すグラフである。

Claims

３０体積％から６０体積％までの窒素と残部（計１００％となるまで）のヘリウムからなる、１２ｋＷまでのレーザー光線を用いる溶接のための２元ガス混合物。
５９体積％未満の窒素、好ましくは５８％未満の窒素を含有すること、および／または５０体積％を超える窒素、好ましくは５２体積％を超える窒素を含むことを特徴とする請求項１に記載の２元ガス混合物。
５３〜５５体積％の窒素を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の２元ガス混合物。
１２ｋＷまでの範囲のパワーを有する少なくとも１つのレーザー光線を用いて鋼鉄、チタンまたはステンレス鋼を溶接する方法であって、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のガス混合物を用いることを特徴とする方法。
前記レーザーが、ＣＯ_２タイプのものであることを特徴とする請求項４に記載の方法。
溶接操作を、少なくとも部分的溶込み、好ましくは完全溶込みをもって、溶接される２つの加工物を接合させることにより行うことを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
０．５〜１２ｋＷ、好ましくは４〜１０ｋＷのパワーを有するレーザーを用いることを特徴とする請求項４ないし６のいずれか１項に記載の方法。
０．４から３０ｍｍ、好ましくは１ｍｍから１０ｍｍの範囲の厚さを有する加工物を溶接することを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載の方法。
前記溶接される加工物が、亜鉛表面塗膜を有する鋼鉄もしくはステンレス鋼で作られていることを特徴とする請求項４ないし８のいずれか１項に記載の方法。
前記溶接される加工物を、裏面溶接によるかまたは角度をもって、ベベルをもってもしくはベベルなしで、重ね溶接または突合せ溶接することを特徴とする請求項４ないし８のいずれか１項に記載の方法。