JP2004330299A - 溶接部強度に優れたレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラーワイヤを用いるレーザ溶接方法において、フィラーワイヤの線癖等の影響で溶接加工点に対するフィラーワイヤ送給位置の変動に起因するフィラーワイヤの未溶融や溶着金属の不足を防止し、さらに、スパッタの発生を抑制できる、溶接部強度に優れたレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】レーザ溶接方法において、レーザ光軸を横切るようにフィラーワイヤを揺動させながらフィラーワイヤを溶接加工点に送給し、好ましくは、フィラーワイヤの揺動振幅を０．５〜４ｍｍ未満、フィラーワイヤの揺動周波数を、ｆ１＝［溶接速度］／３、および、ｆ２＝［フィラーワイヤ送給速度］／２のうちの大きい方の値以上、フィラーワイヤの送給速度を、鋼板間の間隙に基づき制御する、溶接部強度に優れたレーザ溶接方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として自動車用等の薄鋼板の重ね溶接や造船用等の厚鋼板の突合せ溶接に適用されるフィラーワイヤを用いるレーザ溶接方法に関する。

一般にレーザ溶接は比較的低入熱で深い溶け込みが得られ、母材への熱影響が小さく、溶接部の性能低下が少なく、また溶接変形も小さいなどの利点から、近年、自動車および造船の分野などで積極的に用いられるようになってきた。

通常のレーザ溶接では、レーザビームは０．５ｍｍから１．０ｍｍ程度に集光され、高エネルギー密度の溶接熱源として使用される。このため、溶接部で深い溶け込みが得られる反面、鋼板の突合せ溶接では、突合せ端部間の僅かな隙間のばらつきでもレーザビームが貫通し溶融不良を生じたり、溶融金属不足のためのアンダーフィル欠陥が生じ、また、鋼板の重ね溶接では上下鋼板の隙間が大きいと溶着金属不足が不足し溶接されないなどの欠陥が生じる。このような溶接欠陥は溶接部強度の低下の原因となっていた。

これらの問題を解決するため、レーザ溶接時にフィラーワイヤを供給しながら溶接する方法が試みられている。この方法は、溶接時にフィラーワイヤの供給によって溶融金属量を増加させることにより、上記欠陥を防ぎ、溶接部強度の向上を図るものである。また、この方法では、フィラーワイヤにより溶接金属の成分を調整して溶接部特性を制御することも可能である。

しかしながら、この方法では、フィラーワイヤの線癖や溶接トーチの移動によるフィラーワイヤ送給装置の振動などにより、フィラーワイヤの送給位置に通常０．５〜２ｍｍ程度の変動が生じる。レーザビームは集光された熱源であるため、レーザ加工点に対するフィラーワイヤの送給位置の僅かなずれでもフィラーワイヤが未溶融となり溶着金属不足などに起因する溶接欠陥の原因となり、目標とする溶接部強度が得られない場合があった。

このようにフィラーワイヤの送給手段を用いるレーザ溶接では、レーザビームの集光径が０．５〜１ｍｍ程度と非常に小さいため、アークの広がりが３〜４ｍｍ程度と比較的大きいＴＩＧ溶接等のアーク溶接では問題とならないフィラーワイヤの送給位置の変動が大きな問題となる。

レーザ加工点に対するフィラーワイヤの送給位置の変動を防止する手段として、例えば、レーザビームのノズル近傍に、加工ヘツドと一体化したフィラーワイヤのリールを設けることによって、加工ヘツドとフィラーワイヤ供給系の相対位置関係を常に一定に保つことを特徴とするレーザ溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この方法はフィラーワイヤの搭載により加工ヘッドの総搭載重量が増加するため、連続操業性が生産性に極めて重要である自動車や造船の製造プロセスに適用する場合には、生産性の低下など原因となり好ましくない。

また、特許文献２では、フィラーワイヤを送給するレーザ溶接方法として、フィラーワイヤをレーザ照射して形成された溶融池に挿入して溶融する際に、フィラーワイヤを溶接線と直角方向に振動させる方法が提案されている。しかしながら、この方法は、フィラーワイヤを溶融池に挿入しつつ、溶融池の幅範囲内で振動させてフィラーワイヤを溶融することを前提にした方法であるため、溶接効率向上のために溶接速度やフィラーワイヤの供給速度を高めた条件での溶接時にはフィラーワイヤの未溶融等の溶接品質の低下、或いはスパッターの多発などの問題があった。また、本発明者らの確認実験では、溶融池の幅程度の振幅でフィラーワイヤを振幅しても、フィラーワイヤの送給位置のばらつきに起因するフィラーワイヤの未溶融を充分に抑制することは困難であることを確認している。

近年、レーザ技術の発展により、発光ファイバーによって導光可能なＹＡＧレーザなどを利用し、従来では困難であったような３次元形状の倣い溶接が実現化されるようになった。このような複雑な形状の倣い溶接の適用化にともなって、溶接品質、溶接作業性及び溶接効率の向上のために、レーザ溶接時に送給するフィラーワイヤの安定した溶融とその溶着量の適正制御が重要課題となってきた。

特開昭５９−２１１２７７号公報 特開昭６１−２５５７８３号公報

本発明は、フィラーワイヤを用いるレーザ溶接時に、溶接加工点に対するフィラーワイヤの送給位置の変動に起因するフィラーワイヤの未溶融や溶着金属の不足を防止し、さらに、スパッタの発生を抑制できる、溶接部強度に優れたレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、フィラーワイヤをレーザ光軸に対して略垂直方向に揺動させることにより溶接加工点に対するフィラーワイヤの送給位置の変動に起因するフィラーワイヤの未溶融を防止し、それに起因する溶接欠陥の発生を抑制できることを見出して、本発明を完成した。
その要旨は、以下のとおりである。

（１）レーザ溶接方法において、レーザ光軸を横切るようにフィラーワイヤを揺動させながらフィラーワイヤを溶接加工点に送給することを特徴とする溶接部強度に優れたレーザ溶接方法。

（２）前記フィラーワイヤの揺動振幅を０．５〜４ｍｍ未満とすることを特徴とする上記（１）項記載の溶接部強度に優れたレーザ溶接方法。

（３）前記フィラーワイヤの揺動周波数を、下記（１）式から求められる揺動周波数の下限値ｆ１と、下記（２）式から求められる揺動周波数の下限値ｆ２のうちの大きい方の値以上とすることを特徴とする上記（１）または（２）項記載の溶接部強度に優れたレーザ溶接方法。
ｆ１［Ｈｚ］＝ｖ［ｍｍ／ｓ］／３［ｍｍ］ ・ ・ ・（１）
ｆ２［Ｈｚ］＝ｖｆ［ｍｍ／ｓ］／２［ｍｍ］ ・ ・ ・（２）
なお、ｖは溶接速度、ｖｆはフィラーワイヤの送給速度、ｆ１は溶接速度ｖから決まるフィラーワイヤの揺動周波数の下限値、ｆ２はフィラーワイヤの送給速度ｖｆから決まるフィラーワイヤの揺動周波数の下限値をそれぞれ示す。

（４）前記フィラーワイヤの送給速度を、下記（３）式から求められるフィラーワイヤの供給速度の下限値ｖｆ１と、下記（４）式から求められるフィラーワイヤの供給速度の下限値ｖｆ２のうちの大きい方の値以上とし、かつ下記（５）式から求められるフィラーワイヤの供給速度の上限値ｖｆ３以下とすることを特徴とする上記（３）記載の鋼板の溶接部強度に優れたレーザ溶接方法。
ｖｆ１[ｍ／ｍｉｎ]＝（（Ｇ[ｍｍ]−０．２）×ｔ[ｍｍ]×ｖ[ｍ／ｍｉｎ]）／（π×φｗ^２[ｍｍ^２]） ・・・（３）
ｖｆ２[ｍ／ｍｉｎ]＝（０．１５×ｔ[ｍｍ]×ｖ[ｍ／ｍｉｎ]）／（π×φｗ^２[ｍｍ^２]） ・・・（４）
ｖｆ３[ｍ／ｍｉｎ]＝（（Ｇ[ｍｍ]＋０．３）××ｔ[ｍｍ]×ｖ[ｍ／ｍｉｎ]）／（π×φｗ^２[ｍｍ^２]） ・・・（５）
なお、Ｇは鋼板間の間隙、ｔは鋼板の板厚、ｖは溶接速度、φｗはフィラーワイヤの直径をそれぞれ示す。

本発明によれば、フィラーワイヤを用いるレーザ溶接において、フィラーワイヤの線癖等によるフィラーワイヤの送給位置の変動に起因するフィラーワイヤの未溶融や溶着金属の不足を抑制し、溶接部強度に優れ、さらにスパッタの発生を抑制でき、溶接部外観に優れたレーザ溶接方法を提供することができる。また、本発明により耐ギャップ性の向上など溶接施工条件の自由度が広がり溶接能率の著しい向上が可能となる。

本発明の実施形態を図を参照しなから説明する。

図１は、本発明を用いて鋼板の重ね溶接する実施態様の概念図を示す。

レーザを用いた鋼板の重ね溶接は、一般に知られているように鋼板７を重ね合わせてレーザビーム２を鋼板７の上方から照射して重ね合わせ部を貫通溶融して行なわれる。なお、通常、レーザビーム２は、集光レンズ４により溶接加工点１７の付近でその集光径が０．５〜１ｍｍ程度までに絞られる。

本発明では、このようなレーザを用いた鋼板の重ね溶接の際に、レーザ光軸３を横切るようにフィラーワイヤ１を揺動させることにより、レーザビーム２によりフィラーワイヤ１を加熱溶融させて溶接加工点１７に送給しながらレーザ溶接を行なうことを特徴とする。

本発明によれば、例えば、フィラーワイヤ１をレーザ光軸３に対して略垂直方向に揺動させることにより、従来法の課題であったフィラーワイヤ１の送給位置の変動によるフィラーワイヤ１の未溶融を防止し、それに起因する溶接欠陥の発生を抑制できる。すなわち、本発明によれば、万一フィラーワイヤ１の送給位置が変動した場合でも、フィラーワイヤ１の揺動の１周期の間で確実にフィラーワイヤ１がレーザビーム２を横切り加熱溶融されるため、フィラーワイヤ１の未溶融を防止できる。

なお、本発明によれば、フィラーワイヤ１の揺動振幅６が広い場合でもフィラーワイヤ１の溶融が集光径が０．５〜１ｍｍ程度のレーザビーム２を横切る瞬間に限られるため、溶融金属が極端に増加することはなく、レーザ溶接の特徴であるビード幅５の微小化が可能となる。

本発明において、フィラーワイヤの揺動振幅は、ワイヤの線癖等によるフィラーワイヤの送給位置の変動およびスパッタの発生を考慮して０．５〜４未満ｍｍとすることがより好ましい。

すなわち、本発明者らの実験によれば、フィラーワイヤの送給位置の変動は通常０．５ｍｍ以上であり、フィラーワイヤの揺動振幅が０．５ｍｍ未満ではフィラーワイヤにレーザビームが照射されずフィラーワイヤが未溶融となる場合がある。したがって、確実にフィラーワイヤを溶融させ、安定した溶着金属量を得ることにより安定して溶接欠陥を防止し溶接部強度を向上するためにフィラーワイヤの揺動振幅を０．５ｍｍ以上とするのがより好ましい。

一方、フィラーワイヤの揺動振幅が４ｍｍ以上になると溶融したフィラーワイヤからのスパッタの発生が増加するため、好ましくないため、フィラーワイヤの揺動振幅を４ｍｍ未満とするのが好ましい。

通常、溶接速度ｖやフィラーワイヤの送給速度ｖｆは、溶接条件によって予め決定される多いため、本発明において、フィラーワイヤの揺動周波数は、溶接速度ｖやフィラーワイヤの送給速度ｖｆに応じて調整することにより溶接部の外観形状をより良好にするとともに安定した溶接が可能となる。

フィラーワイヤの揺動周波数が溶接速度に対して過度に小さい場合は、フィラーワイヤがレーザビームにより加熱溶融される間隔が長くなり、断続的にワイヤの溶融金属が溶接部に供給されるため、溶接線方向で不連続な溶接ビードとなり、溶接部外観の低下につながる。

本発明者らの実験結果から、レーザ溶接時の溶接線方向の溶融池の長さは３ｍｍ以下であり、フィラーワイヤの１揺動周期当たりのトーチ移動量を３ｍｍ以下とすること、つまり、フィラーワイヤの揺動周波数を、下記（１）式の溶接速度ｖとの関係で求められる揺動周波数の下限値ｆ１以上とすることにより、フィラーワイヤから溶融金属を安定して溶接部に供給し、溶接線方向で連続した均一な溶接ビードを形成することができる。
ｆ１［Ｈｚ］＝ｖ［ｍｍ／ｓ］／３［ｍｍ］ ・ ・ ・（１）
なお、ｖは溶接速度、ｆ１は溶接速度ｖから決まるフィラーワイヤの揺動周波数の下限値をそれぞれ示す。

本発明者らの実験結果から、レーザビームの加熱により安定して溶融できるフィラーワイヤの送給量は２ｍｍ以下であり、フィラーワイヤの１揺動周期当たりのフィラーワイヤ送給量を２ｍｍ以下とすること、つまり、フィラーワイヤの揺動周波数を、下記（２）式のフィラーワイヤの送給速度ｖｆとの関係で求められる揺動周波数の下限値ｆ２以上とすることにより、未溶融のフィラーワイヤが溶融池に送給されることに起因する溶接部欠陥及び溶接作業性の不安定化を抑制できる。
ｆ２［Ｈｚ］＝ｖｆ［ｍｍ／ｓ］／２［ｍｍ］ ・ ・ ・（２）
なお、ｖｆはフィラーワイヤの送給速度、ｆ２はフィラーワイヤの送給速度ｖｆから決まるフィラーワイヤの揺動周波数の下限値をそれぞれ示す。

本発明では、上記の理由からレーザ加熱によるフィラーワイヤの加熱溶融およびその溶融金属を溶接部に安定して供給させ、連続的で均一な溶接ビードを安定して形成するために、フィラーワイヤの揺動周波数の下限値を、上記（１）式から求められる揺動周波数の下限値ｆ１と、上記（２）式から求められる揺動周波数の下限値ｆ２のうちの大きい方の値以上とする。

例えば、溶接速度ｖが３ｍ／ｍｉｎ、フィラーワイヤの送給速度ｖｆが３ｍ／ｍｉｎの場合は、上記（１）、（２）式からｆ１＝１６．６Ｈｚ、ｆ２＝２５Ｈｚとなるから、これらのうちの大きい方のｆ２＝２５Ｈｚがフィラーワイヤの揺動周波数の下限値となるようにフィラーワイヤの揺動周波数を調整する。

一方、フィラーワイヤの揺動周波数の上限については特に制限する必要はないが、通常のフィラーワイヤ揺動装置の性能からは１００Ｈｚ程度が上限となる。さらに、本発明では、上記のようにフィラーワイヤの揺動振幅及び揺動周波数を適正範囲に制御することに加えて、溶接時の鋼板間の間隙に応じてフィラーワイヤの送給速度を制御することにより、溶接時のスパッタの発生及び溶接ビードの不良を抑制できる。本発明者らの実験結果から、フィラーワイヤを揺動しながらレーザ溶接する際に、鋼板間のギャップの変動により、レーザ照射によりフィラーワイヤが加熱溶融して形成される溶着金属の余盛り高さが高くなった場合、フィラーワイヤが溶着金属に接触し溶着金属をかき乱す結果、スパッタ（溶着金属が飛散する現象）が多発することが判明した。鋼板間の間隙がＧ[ｍｍ]とすると、溶接部における開先空間とこれを埋めるための溶接金属量との幾何学的関係から理想的なフィラーワイヤの送給速度ｖｆ[ｍ／ｍｉｎ]は下記（６）式で表される。
ｖｆ＝（Ｇ×ｔ×ｖ）／（π×φｗ^２） ・ ・ ・（６）
ここで、ｔは鋼板の板厚[ｍｍ]、ｖは溶接速度[ｍ／ｍｉｎ]、φｗはフィラーワイヤ径[ｍｍ]をそれぞれ示す。

しかし、実際の溶接では、例えば、溶接時のスパッタ発生などにより溶融金属が減少するため、上記（６）式で示される鋼板間の間隙Ｇとフィラーワイヤの送給速度ｖｆの関係からずれる。

そこで発明者らは、図５に示すような鋼板７の突合せレーザ溶接において、溶接加工点１７の前方において鋼板間の間隙（Ｇ）８を検出し、鋼板間の間隙Ｇとフィラーワイヤの送給速度ｖｆ及び溶接状況との関係を調査する実験を行なった。その結果を図６に示す。

なお、図６の実験結果の一例は、板厚ｔ：０．８〜２．９ｍｍの鋼板を用い、フィラーワイヤ径φｗ：０．８〜１．２ｍｍ、フィラーワイヤの送給速度ｖｆ：１〜６ｍ／ｍｉｎ、揺動振幅ｗ：２ｍｍ、揺動周波数ｆ：５０Ｈｚの条件でフィラーワイヤを揺動させ、溶接速度ｖ：２〜６ｍ／ｍｉｎの範囲でレーザ溶接したものを示す。また、図５の縦軸は、便宜上、フィラーワイヤの送給速度ｖｆ [ｍ／ｍｉｎ] を式（６）における鋼板の板厚ｔ、溶接速度ｖ、およびフィラーワイヤ径φｗで規格化した間隙の値ｇ（＝（ｖｆ×π×φｗ^２）／（ｔ×ｖ））[ｍｍ]を用いた。

フィラーワイヤの送給速度ｖｆが、下記（３）式から求められるフィラーワイヤの供給速度の下限値ｖｆ１（図６中、直線：Ｌ１、参照）より低い場合には、フィラーワイヤの送給量が不足することにより溶接ビードにアンダーフィル欠陥が発生する。また、フィラーワイヤの送給速度ｖｆが極端に遅く、かつ鋼板間の間隙Ｇが狭い場合、つまり、下記（４）式から求められるフィラーワイヤの供給速度の下限値ｖｆ２（図６中、直線：Ｌ２、参照）より低い場合には、フィラーワイヤが不連続に溶融し溶接ビードが不連続となり溶接部外観が低下する。

また、フィラーワイヤの送給速度ｖｆが、下記（５）式から求められるフィラーワイヤの供給速度の上限値ｖｆ３（図６中、直線：Ｌ３、参照）より高い場合には、フィラーワイヤが溶融して形成される溶接金属の余盛り高さが高くなりフィラーワイヤが溶接金属に接触しスパッタが多発する。

したがって、本発明では、溶接ビードのアンダーフィル欠陥、または溶接ビードが不連続の発生、或いは、スパッタの発生を抑制するために、フィラーワイヤの送給速度を、下記（３）式から求められるフィラーワイヤの供給速度の下限値ｖｆ１と、下記（４）式から求められるフィラーワイヤの供給速度の下限値ｖｆ２のうちの大きい方の値以上とし、かつ下記（５）式から求められるフィラーワイヤの供給速度の上限値ｖｆ３以下とする。
直線Ｌ１：ｇ＝（ｖｆ×π×φｗ^２）／（ｔ×ｖ）＝Ｇ−０．２ ・・・（７）
ｖｆ１＝（（Ｇ−０．２）×ｔ×ｖ）／（π×φｗ^２） ・・・（３）
直線Ｌ２：ｇ＝（ｖｆ×π×φｗ^２）／（ｔ×ｖ）＝０．１５ ・・・（８）
ｖｆ２＝（０．１５×ｔ×ｖ）／（π×φｗ^２） ・・・（４）
直線Ｌ３：ｇ＝（ｖｆ×π×φｗ^２）／（ｔ×ｖ）＝Ｇ＋０．３ ・・・（９）
ｖｆ３＝（（Ｇ＋０．３）×ｔ×ｖ）／（π×φｗ^２） ・・・（５）

なお、図６は、鋼板の突合せレーザ溶接による実験結果を基にした鋼板間の隙間Ｇとフィラーワイヤの送給速度ｖｆを規格化した値ｇ（＝（ｖｆ×π×φｗ^２）／（ｔ×ｖ））との関係グラフを示したが、通常の鋼板の重ねレーザ溶接方法を用いた実験結果も同様な結果となることを確認している。但し、ここで、通常の鋼板の重ねレーザ溶接方法とは、図９に示すように、重ね溶接継手の所要継手強度を得るために鋼板重ね面における溶接ビード幅Ｗｂを鋼板の板厚ｔとほぼ同一の条件（Ｇ＝ｔ）で溶接する場合を意味し、この場合は開先空間の溶接線に垂直な断面での面積Ｓは、突合せレーザ溶接の場合とほど同一（Ｓ＝ｇ×ｗｂ＝ｇ×ｔ）になる。

次に、本発明における揺動機能を有するフィラーワイヤの送給装置を用いた本
発明の実施態様の一例を図２示す。

揺動機能を有するフィラーワイヤ１の送給装置には、フィラーワイヤ１の送給ガイド１２の揺動中心１０から長手方向に所定間隔離れた位置に永久磁石１３が固定され、その両端に所定間隔離して電磁石９ａおよび９ｂが配置され、各々の電磁石の磁力の向きを交互に切り替えることによって揺動中心１０を起点とする揺動を行うことができる。

重ねあわせた鋼板７表面に対して垂直な方向（Ｚ方向の逆向き）からレーザビームを照射して溶接を行う際に、上記揺動機能を有するフィラーワイヤの送給装置を用いて、鋼板７表面上の溶接線方向（Ｘ方向）に対して斜め前方からフィラーワイヤ送給ローラ１１によりフィラーワイヤ送給ガイド１２に支持されてフィラーワイヤ１は送給されると共に、上記揺動機能によりフィラーワイヤ１は溶接線方向（Ｘ方向）と垂直な方向で鋼板表面に平行な方向（Ｙ方向）に揺動される。ここで、フィラーワイヤの揺動振幅６は、溶接加工点の近傍における、１／２周期での揺動中心からのフィラーワイヤの移動距離とし、揺動周期をフィラーワイヤが揺動の１往復する時間とする。

なお、フィラーワイヤの送給装置における揺動機能は、図２に示す他に、例えば、揺動機構としてモータによる回転運動を偏心カムを介してフィラーワイヤ揺動運動に変換する方法も用いることが可能である。

また、揺動方向も図２に示すようなＹ方向のみに限らず、図３に示すようなＹＺ平面での回転揺動１４でも同様に安定したフィラーワイヤの溶融が可能となる。この場合、フィラーワイヤの回転直径が揺動振幅に相当する。

また、フィラーワイヤ１の送給速度Ｖｆの制御は、例えば、図８に示すように、溶接加工点１７の前方に光切断法によるギャップ検出装置１８を設置し、ギャップ検出装置１８により検出された鋼板の間隙Ｇの測定信号を基にフィラーワイヤ送給速度制御装置１９により上述した（３）〜（５）式で示す鋼板の間隙Ｇとの関係式を基にフィラーワイヤの送給速度Ｖｆを制御することが可能である。

上記の本発明の実施形態は、鋼板の重ね溶接および突合せ溶接を行なう場合について説明したが、鋼板の重ね溶接のみに限定する必要はなく、例えば、図４または図８に示すように鋼板７の端部を所定の開先形状に加工した後、その端部を突合せ溶接する場合等でも上述と同様にフィラーワイヤ１の揺動６により確実にフィラーワイヤを溶融し、開先面の間の隙間８を埋めるための溶着金属を安定して得ることができ、溶接部強度の向上、さらには溶接ビード５外観形状の改善が図られる。本願発明は溶接時にレーザビームの照射、加熱によりフィラーワイヤを確実かつ瞬間に溶融して溶融池を形成することが可能であるため、例えば、図７に示すような溶接線が曲線を描くような複雑な倣い溶接時でも、本発明の適用により、フィラーワイヤの送給方向を溶接進行方向に合わせて調整することなく、フィラーワイヤの未溶融や溶着金属の不足による溶接ビード不良を防止し、かつスパッタの発生を抑制し溶接部強度に優れた溶接継ぎ手を得ることが可能となる。

本発明の効果を以下の実施例を用いて説明する。なお、本発明を実施するための条件は、以下に説明する実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内で、適宜設定し得るものである。

上述した図２の揺動機能を有するフィラーワイヤ送給装置を搭載したレーザ溶接トーチを用いて、図１に示すような板厚：１ｍｍの薄鋼板の重ねレーザ溶接を例に本願発明のレーザ溶接方法の効果を説明する。ＨＡＡＳ社製の最大出力４ｋＷのＹＡＧレーザ発振器（波長：１．０６μｍ）を用い、出力４ｋＷ、溶接速度３ｍｐｍで重ねレーザ溶接を行った。また、耐ギャップ性向上の効果を確認するため、鋼板重ね合わせ面の隙間８は０．５ｍｍとした。

フィラーワイヤは外径：１．２ｍｍφの通常のソリッドワイヤ（ＹＧＷ−１７）を使用した。フィラーワイヤ径に関して、外径：０．９ｍｍφの細径ワイヤの方が断面積が小さいためより少ないレーザ出力での溶融が可能となるが、本実施例では市販フィラーワイヤとして最も流通量の多い外径：１．２ｍｍφで効果を確認した。

表１に溶接速度、フィラーワイヤ送給速度および揺動周波数をパラメータとしたときの溶接部強度並びに溶接部外観・溶接安定性の結果を示す。

なお、溶接部強度は母材強度に対する比で表し、各条件でのＮ数は３回とした。また、フィラーワイヤの揺動無しで、レーザ光に対するフィラーワイヤ狙い位置の変動を確認したところ、１回の溶接に対して±０．５から０．８ｍｍ程度の変動を示した。

ｆ１、ｆ２は、上述の（１）式および（２）式からそれぞれ求められるフィラーワイヤの揺動周波数の下限値を示す。

Ｎｏ．１〜１０は何れもレーザ光軸を横切るようにフィラーワイヤを揺動させながら鋼板の重ねレーザ溶接を行なった発明例であり、溶接部強度は母材強度とほぼ同じ強度が得られた。

これらの発明例の中でＮｏ．１〜６はフィラーワイヤの揺動振幅ｗおよび揺動周波数ｆの条件が何れも本発明の好ましい条件の範囲内であり、いずれも溶接部強度だけでなく、溶接部の外観とも良好な結果となった。発明例のＮｏ．７は、フィラーワイヤ揺動周波数ｆが上記ｆ１より低く、Ｎｏ．８はフィラーワイヤ揺動周波数ｆがｆ２より低く、本発明のフィラーワイヤ揺動周波数ｆのより好ましい範囲から外れたため、溶接部強度は良好であるものの、Ｎｏ．７は溶接ビードが不連続となり、Ｎｏ．８はスパッタ発生量が増加し、溶接部の外観および溶接作業性がやや劣る結果となった。発明例のＮｏ．９は、フィラーワイヤの揺動振幅ｗが本発明の好ましい下限値より低く、発明例のＮｏ．１０は、フィラーワイヤの揺動振幅ｗが、本発明の好ましい上限値より高いため、Ｎｏ．９はフィラーワイヤ未溶融が生じ、発明例のＮｏ．１０はスパッタ発生量が増加した。

Ｎｏ．１１〜１３は、フィラーワイヤを揺動させずに鋼板の重ねレーザ溶接を行なった比較例である。比較例のＮｏ．１１、１２はワイヤ線癖のため未溶融のフィラーワイヤが溶接池に固着し溶接不能となり、特にフィラーワイヤ送給速度の増加に伴ない溶接不能となる頻度が増加した。また、比較例のＮｏ．１３はフィラーワイヤを送給しないレーザ溶接の場合を示すが、溶融金属不足のため溶接金属が鋼板間の隙間に埋もれ込むアンダーフィル欠陥となり、溶接部強度が低下した。

次に、上述した図８に示すような溶接加工点１７の前方に光切断法によるギャップ検出装置１８を設置し、鋼板の間隙Ｇの測定信号を基にフィラーワイヤの送給速度Ｖｆを制御するためのフィラーワイヤ送給速度制御装置１９を備えたレーザ溶接装置を用いて、肉厚１．６ｍｍまたは２．９ｍｍ、外径１００ｍｍまたは１６０ｍｍの鋼管のシーム溶接（鋼板の突合せ溶接）を行う例として本願発明の効果を説明する。レーザ装置、レーザ出力、フィラーワイヤは実施例１と同じものを用いた。

表２に鋼板の板厚ｔ、フィラーワイヤ径φｗ、鋼板間の間隙Ｇ、溶接速度ｖ等の溶接条件とその溶接結果として継手強度及び溶接部外観評価を示す。なお、溶接継手強度は、母材強度に対する比で表し、各条件でのＮ数は３回とした。また、フィラーワイヤの揺動振幅ｗ及び揺動周波数ｆは本願発明で規定する範囲内での条件で行なった。

ｖｆ１、ｖｆ２は、上述の（３）式および（４）式からそれぞれ求められるフィラーワイヤの供給速度ｖｆの下限値を示し、ｖｆ３は、上述の（５）式から求められるフィラーワイヤの供給速度ｖｆの上限値を示す。

Ｎｏ．１４〜１９は何れもレーザ光軸を横切るようにフィラーワイヤを揺動させながら鋼板の重ねレーザ溶接を行なった発明例であり、溶接部強度は母材強度とほぼ同じ強度が得られた。

これらの発明例の中でＮｏ．１４〜１７は、フィラーワイヤの揺動振幅ｗおよび揺動周波数ｆの条件と共に、鋼板の間隙Ｇに対するフィラーワイヤの供給速度ｖｆの条件が何れも本発明の好ましい条件の範囲内であり、いずれも溶接部強度だけでなく、溶接部の外観とも良好な結果となった。発明例のＮｏ．１８および１９は、フィラーワイヤの揺動振幅ｗおよび揺動周波数ｆの条件は本発明の好ましい条件の範囲内であるため良好な継手強度を示す。しかし、これらの発明例は、鋼板の間隙Ｇに対するフィラーワイヤの供給速度ｖｆの条件が本発明の好ましい条件の範囲から外れているため、Ｎｏ．１８では鋼板の間隙Ｇに対するフィラーワイヤの送給速度ｖｆが大きい結果、スパッタが発生し、Ｎｏ．１９ではフィラーワイヤの送給速度ｖｆが低い結果、不連続な溶接ビードとなった。

一方、Ｎｏ．２０は、フィラーワイヤの揺動を行わない比較例であり、フィラーワイヤの送給位置のずれによりフィラーワイヤが未溶融となり、継手強度も低い結果であった。Ｎｏ．２１は、フィラーワイヤを送給しないでレーザのみで溶接した比較例であり、溶接ビードに過大なアンダーフィルが生じたため溶接強度が大幅に低下した。

本発明のフィラーワイヤ揺動による鋼板のレーザ重ね溶接の実施態様を示す模式図である。 本発明におけるフィラーワイヤ揺動機構の実施態様の一例を示す図である。 本発明のフィラーワイヤ揺動機構として回転揺動を用いる場合の実施態様を示す模式図である。 本発明のフィラーワイヤ揺動による鋼板のレーザ突合せ溶接の実施態様を示す模式図である。 本発明のフィラーワイヤ揺動による鋼板の突合わせ溶接の実施形態を示す模式図である。 突合わせレーザ溶接時の鋼板間の間隙とフィラーワイヤの送給速度及び溶接状況を示す図である。 本発明を溶接線が曲線の倣い溶接に適用した実施形態を示す模式図である。 本発明の鋼板間の間隙に対するフィラーワイヤの送給速度制御をレーザによる鋼管のシーム溶接に適用した実施形態を示す模式図である。 突き合せ溶接及び重ね合せ溶接時の溶接部空間の関係を示す模式図である。

符号の説明

１ フィラーワイヤ
２ レーザビーム
３ レーザ光軸
４ 集光レンズ
５ 溶接ビード
６ フィラーワイヤの揺動振幅
７ 鋼板
８ 隙間
９ａ、ｂ 電磁石
１０ 揺動中心
１１ フィラーワイヤ送給ローラ
１２ フィラーワイヤ送給ガイド
１３ フィラーワイヤ送給ガイドに固定された永久磁石
１４ フィラーワイヤの回転揺動
１５ 鋼板の突合せ継手
１６ 突合せ継手の隙間
１７ 溶接加工点
１８ 光切断方式によるギャップ検出装置
１９ フィラーワイヤ送給速度制御装置
Ｇ 鋼板間の間隙
ｔ 鋼板の板厚
Ｌ１ フィラーワイヤの最適送給速度の下限を示す直線
Ｌ２ フィラーワイヤの最適送給速度の上限を示す直線
Ｌ３ フィラーワイヤの最適送給速度の上限を示す直線

Claims (4)

1. レーザ溶接方法において、レーザ光軸を横切るようにフィラーワイヤを揺動させながらフィラーワイヤを溶接加工点に送給することを特徴とする溶接部強度に優れたレーザ溶接方法。
2. 前記フィラーワイヤの揺動振幅を０．５〜４ｍｍ未満とすることを特徴とする請求項１記載の溶接部強度に優れたレーザ溶接方法。
3. 前記フィラーワイヤの揺動周波数を、下記（１）式から求められる揺動周波数の下限値ｆ１と、下記（２）式から求められる揺動周波数の下限値ｆ２のうちの大きい方の値以上とすることを特徴とする請求項１または２記載の溶接部強度に優れたレーザ溶接方法。
   ｆ１［Ｈｚ］＝ｖ［ｍｍ／ｓ］／３［ｍｍ］ ・ ・ ・（１）
   ｆ２［Ｈｚ］＝ｖｆ［ｍｍ／ｓ］／２［ｍｍ］ ・ ・ ・（２）
   なお、ｖは溶接速度、ｖｆはフィラーワイヤの送給速度、ｆ１は溶接速度ｖから決まるフィラーワイヤの揺動周波数の下限値、ｆ２はフィラーワイヤの送給速度ｖｆから決まるフィラーワイヤの揺動周波数の下限値をそれぞれ示す。
4. 前記フィラーワイヤの送給速度を、下記（３）式から求められるフィラーワイヤの供給速度の下限値ｖｆ１と、下記（４）式から求められるフィラーワイヤの供給速度の下限値ｖｆ２のうちの大きい方の値以上とし、かつ下記（５）式から求められるフィラーワイヤの供給速度の上限値ｖｆ３以下とすることを特徴とする請求項３記載の鋼板の溶接部強度に優れたレーザ溶接方法。
   ｖｆ１[ｍ／ｍｉｎ]＝（（Ｇ[ｍｍ]−０．２）×ｔ[ｍｍ]×ｖ[ｍ／ｍｉｎ]）／（π×φｗ^２[ｍｍ^２]） ・・・（３）
   ｖｆ２[ｍ／ｍｉｎ]＝（０．１５×ｔ[ｍｍ]×ｖ[ｍ／ｍｉｎ]）／（π×φｗ^２[ｍｍ^２]） ・・・（４）
   ｖｆ３[ｍ／ｍｉｎ]＝（（Ｇ[ｍｍ]＋０．３）××ｔ[ｍｍ]×ｖ[ｍ／ｍｉｎ]）／（π×φｗ^２[ｍｍ^２]） ・・・（５）
   なお、Ｇは鋼板間の間隙、ｔは鋼板の板厚、ｖは溶接速度、φｗはフィラーワイヤの直径をそれぞれ示す。

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