JP2004298903A

JP2004298903A - レーザ照射アーク溶接方法

Info

Publication number: JP2004298903A
Application number: JP2003093053A
Authority: JP
Inventors: Ichizo Yazawa; 一蔵矢澤; Tomoyuki Kamiyama; 智之上山; Yuji Ueda; 裕司上田
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】亜鉛めっき鋼板と非めっき鋼板とから形成された継手を高速溶接する場合に、ブローホールやハンピングビードが発生することがなく、また、スパッタが多量に発生することがない良好な溶接ビードを形成するレーザ照射アーク溶接方法を提供する。
【解決手段】被溶接物が亜鉛めっき鋼板２ａとめっき処理を施していない鋼板２ｂとから形成された継手であり、レーザ照射位置がワイヤ狙い位置よりも溶接方向に対して前方であって前記継手の前記亜鉛めっき鋼板側に入った位置であり、前記照射位置における前記亜鉛めっき鋼板の亜鉛めっきを蒸発させるように前記レーザの出力を設定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被溶接物が亜鉛めっき鋼板とめっき処理を施していない鋼板（以下、非めっき鋼板という）とから形成された継手であって、消耗電極ガスシールドアーク溶接のアーク発生部の周辺の被溶接物表面にレーザを照射することによって溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等を利用したレーザ溶接は、高エネルギー密度の熱源であるので、２ｍ／分を超える高速溶接を行うことが可能である。しかし、このレーザ溶接では、重ね継手、突合せ継手等への溶接において、その継手部分にギャップがある場合には、レーザ照射位置のビームスポットが小さいために溶融金属量が少なく、ギャップを埋めながら溶接することが難しい。従って、レーザ溶接においては、被溶接物の継手部分にギャップがない状態にする必要があるために、実用上の適用範囲が非常に限定されていた。
【０００３】
上述したレーザ溶接の問題点を解決する１つの方法として、レーザ照射と消耗電極ガスシールドアーク溶接を併用するレーザ照射アーク溶接方法が提案されている。この溶接方法は、前述したレーザ照射によって形成される高エネルギー密度の熱源による高速溶接性を確保した上で、アークによって形成される広がりのある熱源によって継手部分を幅広く溶融すると共に溶接ワイヤをギャップ部分に充填することによって、ギャップのある継手部分に対しても良好な高速溶接を行うことができる。
【０００４】
図６は、一般的なレーザ照射アーク溶接装置を示す図である。同図は、ＹＡＧレーザ又は半導体レーザと消耗電極ガスシールドアーク溶接装置とを使用する場合を示している。同図において、溶接用電源装置ＰＳは、ワイヤ送給装置ＷＭのワイヤ送給ロールＷＲの回転を制御して、溶接ワイヤ１が溶接トーチ４を通して送給される。また、溶接用電源装置ＰＳは、溶接トーチ４内の後述する図７に示す給電チップ５と被溶接物２との間に電力を供給して、溶接ワイヤ１と被溶接物２との間にアーク３が発生する。また、溶接トーチ４に設けられた後述する図７に示すノズル６が給電チップ５を取囲み、このノズル６からシールドガスが噴出される。
【０００５】
また、レーザ発振装置９から出力されたレーザ１０は光ファイバ１１によってレーザトーチ１２に伝送され、このレーザトーチ１２内に設けられた幾つかの光学系レンズによって被溶接物２に焦点が生じるように収束され、被溶接物２に照射される。上記のレーザ１０を照射する位置は、被溶接物２のアーク３の発生部に対し適宜な距離を持つ位置である。
尚、炭酸ガスレーザの場合は、波長が赤外線領域の１０．６［μｍ］と長いので、光ファイバ１１を使用することができない。従って、レーザ発振装置９から出力されたレーザ１０を反射ミラーなどを用いてレーザトーチ１２に伝送する。
【０００６】
自動車産業界で多量に使用される亜鉛めっき鋼板と非めっき鋼板とから形成された継手を溶接する場合において、従来、レーザ照射アーク溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１に開示されている溶接方法は、板厚が０．２ｍｍ以上、６．０ｍｍ未満で、亜鉛メッキ量を１０ｇ／ｍ^２〜１２０ｇ／ｍ^２とした亜鉛メッキ鋼板同士または同板厚及び同亜鉛メッキ量の亜鉛メッキ鋼板と他の金属との重ね隅肉溶接において、溶接予定個所にレーザを照射する工程と、レーザ照射工程の後にガスメタルアーク溶接を行う工程を備えたことを特徴とする亜鉛メッキ鋼板の溶接方法である。
【０００７】
この結果、亜鉛メッキ鋼板の重ね面からの亜鉛の蒸気を抑えることができ、くわえて、亜鉛蒸気に起因する溶接欠陥も溶接ワイヤからの溶融金属により補償できるため、溶接欠陥の発生を低く抑えることができる。また、重ね溶接においては、レーザ単独溶接に比較してキーホールを拡大でき、キーホールから亜鉛蒸気の排出を容易にし、加えて亜鉛蒸気の圧力を低減できるため、ブローホールの発生がほとんど無い良好なビードを得ることができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−６６７７４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術の亜鉛めっき鋼板と非めっき鋼板とから形成された継手をレーザ照射アーク溶接方法する場合、下記の不具合が発生する。
例えば、図７に示すように、亜鉛めっき鋼板２ａと非めっき鋼板２ｂとから形成されたフレア継手を溶接する場合、レーザ照射位置が非めっき鋼板２ｂ側にずれた場合、亜鉛めっき鋼板２ａ側にレーザ１０が十分に照射されないために、亜鉛めっき鋼板２ａの亜鉛めっきを十分に蒸発させない状態でアーク溶接を行うことになる。図７は、亜鉛めっき鋼板と非めっき鋼板とから形成されたフレア継手のレーザ照射アーク溶接方法において、レーザが非めっき鋼板側にずれた場合を示す図である。
【００１０】
その結果、図８に示すように、亜鉛めっきの蒸気が溶接金属内に閉じ込められてブローホールやハンピングビードが発生した溶接欠陥のある溶接ビード８が形成される。また、溶着金属が亜鉛めっきの蒸気によって弾かれるために、非めっき鋼板２ｂ側に偏より、スパッタが多量に発生して、溶接不良となる。
図８は、亜鉛めっき鋼板と非めっき鋼板とから形成されたフレア継手のレーザ照射アーク溶接方法において、レーザが非めっき鋼板側にずれた場合の溶接結果を示す図であり、同図（Ａ）は溶接線方向から見た図であり、同図（Ｂ）は溶接線に直交する方向から見た図である。
その溶接条件は、溶接速度が３ｍ／分であり、亜鉛めっき鋼板２ａと非めっき鋼板２ｂとの隙間が０ｍｍであり、消耗電極ガスシールドアーク溶接の溶接電流が１５０Ａであり、溶接電圧が１９Ｖであり、交流１周期における出力電流の絶対値から計算した平均溶接電流に占める平均電極マイナス電流の比率であるＥＮ比率が２０％である。また、レーザ１０の出力が５００Ｗであり、被溶接物２に照射されるレーザ１０のスポット直径が２ｍｍであり、被溶接物２に照射されるレーザ１０のエネルギー密度が１６ｋＷ／ｃｍ^２である。
【００１１】
また、レーザ１０が亜鉛めっき鋼板２ａ側に照射されていても、レーザ１０の出力が低い場合には、亜鉛めっき鋼板２ａの亜鉛めっきを十分に蒸発させることができないために、上記と同様に、良好な溶接ビードを形成することができない。
【００１２】
そこで、図７に示したレーザ１０が非めっき鋼板２ｂ側にずれた場合に、亜鉛めっき鋼板２ａの亜鉛めっきを十分に蒸発させるためには、溶接速度を遅くする必要がある。この場合、被溶接物２への入熱量が多くなり過ぎて、被溶接物２の変形量が大きくなる。
【００１３】
本発明は、亜鉛めっき鋼板と非めっき鋼板とから形成された継手を高速溶接する場合に、ブローホールやハンピングビードが発生することがなく、また、スパッタが多量に発生することがない良好な溶接ビードを形成するレーザ照射アーク溶接方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
被溶接物の溶接予定個所にレーザを照射して消耗電極ガスシールドアーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法において、
前記被溶接物が亜鉛めっき鋼板とめっき処理を施していない鋼板とから形成された継手であり、
前記レーザ照射位置がワイヤ狙い位置よりも溶接方向に対して前方であって前記継手の前記亜鉛めっき鋼板側に入った位置であり、
前記照射位置における前記亜鉛めっき鋼板の亜鉛めっきを蒸発させるように前記レーザの出力を設定することを特徴とするレーザ照射アーク溶接方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明のレーザ照射アーク溶接方法におけるレーザ照射位置を示す図であり、図２は本発明のレーザ照射アーク溶接方法におけるワイヤ狙い位置を示す図である。図１において、亜鉛めっき鋼板２ａと非めっき鋼板２ｂとの直交する溶接線７からレーザ照射位置との距離であって、非めっき鋼板２ｂ側への距離を非めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｘとし、亜鉛めっき鋼板２ａ側への距離を亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｙとする。また、図２において、溶接線７からワイヤ狙い位置との距離であって、非めっき鋼板２ｂ側への距離を非めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｘとし、亜鉛めっき鋼板２ａ側への距離を亜鉛めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｙとする。
【００１７】
本発明のレーザ照射アーク溶接方法の実施例の溶接条件は、レーザ照射位置がワイヤ狙い位置よりも溶接方向に対して前方であり、溶接速度が３ｍ／分であり、被溶接物が亜鉛めっき鋼板２ａと非めっき鋼板２ｂとの板厚が０．７ｍｍであるフレア継手であって、非めっき鋼板２ｂとして冷延鋼板を使用し、亜鉛めっき鋼板２ａと非めっき鋼板２ｂとの隙間が０ｍｍであり、消耗電極ガスシールドアーク溶接の溶接電流が１５０Ａであり、溶接電圧が２０Ｖであり、ＥＮ比率が２０％である。また、レーザの出力が１５００Ｗであり、被溶接物に照射されるレーザのスポット直径が２ｍｍであり、被溶接物に照射されるレーザのエネルギー密度が４８ｋＷ／ｃｍ^２である。
【００１８】
本発明のレーザ照射アーク溶接方法の実施例の溶接結果を図３乃至図５に示す。図３は、非めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｘ［ｍｍ］（横軸）及び非めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｘ［ｍｍ］（縦軸）をそれぞれ変化させたときの溶接結果を示す図であって、○は良好な溶接結果であり、×は溶接不良を示す。また、図４は、非めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｘ［ｍｍ］（横軸）及び亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｙ［ｍｍ］（縦軸）をそれぞれ変化させたときの溶接結果を示す図であり、図５は、亜鉛めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｙ［ｍｍ］（横軸）及び亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｙ［ｍｍ］（縦軸）をそれぞれ変化させたときの溶接結果を示す図である。
【００１９】
図３において、レーザ照射位置が非めっき鋼板２ｂ側にずれた場合、亜鉛めっき鋼板２ａ側に照射されるレーザエネルギーが減少して、亜鉛めっきを十分に蒸発させることができないために、従来技術の図８に示した溶接ビード８のような溶接不良が発生する。従って、非めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｘは、０ｍｍが適切である。
また、非めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｘが０ｍｍであるときの非めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｘが３ｍｍ以上の場合、溶着金属が不足して、溶接不良が発生する。従って、非めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｘは、０ｍｍ〜２ｍｍの範囲が適切である。
【００２０】
図４において、亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｙが０ｍｍ〜３ｍｍの範囲では、亜鉛めっき鋼板２ａの亜鉛めっきを十分に蒸発させることができ、良好な溶接ビードを形成することができる。しかし、亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｙが４ｍｍ以上の場合、溶接個所をレーザ照射することができないために、溶接不良が発生する。従って、亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｙは０ｍｍ〜３ｍｍの範囲が適切である。
また、非めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｘが３ｍｍ以上の場合、溶着金属が不足して、溶接不良が発生する。従って、非めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｘは、０ｍｍ〜２ｍｍの範囲が適切である。
【００２１】
図５において、亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｙが０ｍｍ〜３ｍｍの範囲では、亜鉛めっき鋼板２ａの亜鉛めっきを十分に蒸発させることができ、良好な溶接ビードを形成することができる。しかし、亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｙが４ｍｍ以上の場合、溶接個所をレーザ照射することができないために、溶接不良が発生する。従って、亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｙは、０ｍｍ〜３ｍｍの範囲が適切である。
また、亜鉛めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｙが３ｍｍ以上の場合、溶着金属が不足して、溶接不良が発生する。従って、亜鉛めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｙは、０ｍｍ〜２ｍｍの範囲が適切である。
【００２２】
また、上述した実施例の溶接条件において、レーザ照射位置及びワイヤ狙い位置が適切な位置であっても、レーザエネルギー密度が２０ｋＷ／ｃｍ^２以下の場合、亜鉛めっきを十分に蒸発させることができないために、溶接不良が発生する。
一方、レーザエネルギー密度が、１０００ｋＷ／ｃｍ^２以上の場合、レーザ１０が亜鉛めっき鋼板２ａの亜鉛めっきを蒸発させるだけでなく、被溶接物を貫通して、溶接欠陥が発生する。従って、レーザエネルギー密度は、２０ｋＷ／ｃｍ^２〜１０００ｋＷ／ｃｍ^２の範囲が適切である。
【００２３】
上述した実施例から、被溶接物が亜鉛めっき鋼板２ａと非めっき鋼板２ｂとから形成されたフレア継手のレーザ照射アーク溶接を行う場合の適切なレーザ照射位置、ワイヤ狙い位置及びレーザエネルギー密度は、下記の通りである。
非めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｘが、０ｍｍであり、亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｙが、０ｍｍ〜３ｍｍの範囲であり、非めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｘ及び亜鉛めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｙが、０ｍｍ〜２ｍｍの範囲であり、レーザエネルギー密度が、２０ｋＷ／ｃｍ^２〜１０００ｋＷ／ｃｍ^２の範囲である。
【００２４】
なお、図１及び図２において、亜鉛めっき鋼板２ａと非めっき鋼板２ｂとの位置を入れ換えた場合の実施例も、上述した実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は、被溶接物の溶接予定個所にレーザを照射して消耗電極ガスシールドアーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法において、前記被溶接物が亜鉛めっき鋼板と非めっき鋼板とから形成された継手であり、前記レーザ照射位置がワイヤ狙い位置よりも溶接方向に対して前方であって前記継手の前記亜鉛めっき鋼板側に入った位置であり、前記照射位置における前記亜鉛めっき鋼板の亜鉛めっきを蒸発させるように前記レーザの出力を設定する。
その結果、亜鉛めっき鋼板側にレーザが十分に照射されるために、亜鉛めっきを十分に蒸発させてアーク溶接を行うことができ、溶接速度が２ｍ／分以上の高速溶接においても、亜鉛めっきの蒸気が溶接金属内に閉じ込められてブローホールやハンピングビードが発生することがない。また、溶着金属が亜鉛めっきの蒸気によって弾かれて、非めっき鋼板側に偏よることが少なくなるので、スパッタが多量に発生することがなく、良好な溶接ビードを形成することができる。
さらに、高速溶接を行うことができるので、被溶接物の変形量を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ照射アーク溶接方法におけるレーザ照射位置を示す図である。
【図２】本発明のレーザ照射アーク溶接方法におけるワイヤ狙い位置を示す図である。
【図３】非めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｘ［ｍｍ］（横軸）及び非めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｘ［ｍｍ］（縦軸）をそれぞれ変化させたときの溶接結果を示す図である。
【図４】非めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｘ［ｍｍ］（横軸）及び亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｙ［ｍｍ］（縦軸）をそれぞれ変化させたときの溶接結果を示す図である。
【図５】亜鉛めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離Ｗｙ［ｍｍ］（横軸）及び亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離Ｌｙ［ｍｍ］（縦軸）をそれぞれ変化させたときの溶接結果を示す図である。
【図６】一般的なレーザ照射アーク溶接装置を示す図である。
【図７】亜鉛めっき鋼板と非めっき鋼板とから形成されたフレア継手のレーザ照射アーク溶接方法において、レーザが非めっき鋼板側にずれた場合を示す図である。
【図８】亜鉛めっき鋼板と非めっき鋼板とから形成されたフレア継手のレーザ照射アーク溶接方法において、レーザが非めっき鋼板側にずれた場合の溶接結果を示す図である。
【符号の説明】
１溶接ワイヤ
２被溶接物
２ａ亜鉛めっき鋼板
２ｂめっき処理を施していない鋼板〔非めっき鋼板〕
３アーク
４溶接トーチ
５給電チップ
６ノズル
７溶接線
８溶接ビード
９レーザ発振装置
１０レーザ
１１光ファイバ
１２レーザトーチ
Ｌｘ非めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離
Ｌｙ亜鉛めっき鋼板側溶接線レーザ照射位置間距離
ＰＳ溶接用電源装置
ＷＭワイヤ送給装置
ＷＲワイヤ送給ロール
Ｗｘ非めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離
Ｗｙ亜鉛めっき鋼板側溶接線ワイヤ狙い位置間距離

Claims

被溶接物の溶接予定個所にレーザを照射して消耗電極ガスシールドアーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法において、
前記被溶接物が亜鉛めっき鋼板とめっき処理を施していない鋼板とから形成された継手であり、
前記レーザ照射位置がワイヤ狙い位置よりも溶接方向に対して前方であって前記継手の前記亜鉛めっき鋼板側に入った位置であり、
前記照射位置における前記亜鉛めっき鋼板の亜鉛めっきを蒸発させるように前記レーザの出力を設定することを特徴とするレーザ照射アーク溶接方法。