JP2004017161A - 8kW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 - Google Patents
8kW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 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】60体積%から80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
【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8kW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106 W/cm2 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、CO2 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、CO2 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LASALTM2045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CO2 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/cm2 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NOx 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NOx タイプの種の生成をもたらすからである。
【0041】
従って、NOx 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、約8kW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、すなわち典型的には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NOx 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、60体積%〜80体積%の窒素と残部(計100%となるまで)のヘリウムからなる、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、8kW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、80体積%未満の窒素を含むこと。
ガス混合物は、70体積%、好ましくは68体積%未満の窒素を含むこと。
ガス混合物は、67%未満、好ましくは65%未満の窒素を含むこと。
【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、CO2 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。
0.5〜7kW、好ましくは4〜6kW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。
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解亜鉛めっきされた鋼板であること。
【0048】
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/分であり、および/またはガスの圧力は、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:CO2 レーザーとHe/N2 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CO2 タイプレーザー(4kW〜8kW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/N2 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)。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。
【0052】
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。
【0053】
図1の曲線から、溶接ビードの溶込みは、4〜8kW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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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/N2 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。
【0057】
He/N2 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/N2 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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
さらに、He/N2 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NOx 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NOx の量がかなりの程度に減少することも立証された。
【0062】
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。
【0063】
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NOx 種の生成の減少を一部説明するものである。
【0064】
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NOx 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/N2 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、NOx 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。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。実施した測定の結果を以下の表1に示す。
【0065】
【表1】
He/N2 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NOx 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CO2 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 (10)
- 60体積%から80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、8kW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。
- 80体積%未満の窒素、好ましくは70%未満の窒素、さらに好ましくは68%未満の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。
- 67%未満の窒素、好ましくは65%未満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。
- 8kW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、CO2 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から7kW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、またはチタン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。
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