JP2005334974A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通常の溶接ビードよりも幅の広いビード根を有する溶接ビードを獲得し得るようにして先行技術の問題点を克服するレーザまたはレーザ／アーク溶接方法を提供する
【解決手段】１つまたはそれ以上の金属被加工物を溶接によって接合するためのＣＯ₂タイプのレーザ溶接方法であって、前記溶接すべき被加工物のトップサイドで第１のシールドガスを使用し、前記溶接すべき被加工物のバックサイドで前記第１のシールドガスと異なる組成のガスである第２のシールドガスを使用し、前記被加工物のトップサイドから送給されたレーザビームにより得られるキーホールを介して完全溶込み溶接接合を生じさせ、溶接接合を生じさせる間に、前記第２のシールドガス内で前記バックサイドにプラズマを発生させることを包含し、前記バックサイドのプラズマは前記溶接接合の生成に寄与するところの方法。
【選択図】 なし

Description

本発明は、１つまたはそれ以上の金属被加工物、特に造船所に使用されるフラットパネル、パイプもしくはパイプラインの縦エッジを溶接するための、あるいは自動車産業で使用され得るテイラードブランクの製造に用いられるレーザ溶接またはレーザ／アークハイブリッド溶接方法に関する。

レーザビーム溶接は、非常に効果的な溶接方法であり、アーク溶接のような他のより普通の方法と比べ、非常に高い溶接速度と非常に大きな溶込み深さを達成する。

この性能は、レーザビームを１またはそれ以上のミラーまたはレンズを用いて、溶接すべき被加工物に集光させるときの高いパワー密度によって得られる。

そのような高いレーザパワー密度は、被加工物の表面に極めて実質的な蒸発を生じさせ、この蒸発は、外部に向うとき、溶融プールの漸進的中空化（「ロケット効果」と呼ばれる）を誘起し、プレートの厚さ内に、蒸気毛管すなわち「キーホール」を出現させる。この毛管は、溶融が主として熱の伝播により行われるところのより普通の方法とは対照的に、プレートの芯部にエネルギーを直接貯めさせる。

典型的に、毛管は、金属蒸気と金属蒸気プラズマとの混合物からなり、その特別の効果は、それがレーザビームを吸収し、従って実際の毛管内にエネルギーをトラップするというものである。

毛管が出現しているとき、その溶接は、出現溶接（emerging welding）と呼ばれる。毛管は、溶接すべきプレート中を完全に貫通する。この方法は、プレートを溶融させるためにレーザビームのすべてのパワーを使用していないため、バックサイドでのエネルギーの損失を伴う。従って、プレートを通して伝送されるパワーの一部が存在し、これはプレートの厚さが小さいほど、レーザパワーが高いほど、溶接速度が低いほど、大きくなる。

さらに、電気アーク溶接とレーザ溶接を組み合わせたレーザ／アークハイブリッド溶接法がある。

かかるレーザ／アークハイブリッド溶接法は、特に特許文献１〜１２に記載されている。

この方法の原理は、消耗性電極および非消耗性電極と、溶接すべき被加工物との間で電気アークを発生させ、同時にアークゾーン内に例えばＹＡＧもしくはＣＯ₂タイプのパワーレーザビームを集光させることである。この方法は、蒸気毛管の出現により非常に高い溶接速度と非常に大きな溶け込み深さを達成するものではあるが、さらに、使用する焦点のサイズが小さい故にレーザ溶接では非常に正確な位置決めを行うことが必須であることに比べ、溶接前の被加工物の位置決めの許容差をかなり増大させることができる。

ＣＯ₂タイプのレーザ発生器を用いるレーザ溶接およびレーザ／アークハイブリッド溶接に存在する一つの問題は、シールドガスのプラズマの発生である。

これは、レーザ溶接のみに固有であり、ハイブリッド溶接では電気アークの存在により増大化され、そしてシールドガスに自由電子を供給する、毛管中に存在する金属蒸気プラズマが、溶接操作に不利となるシールドガスプラズマの出現を開始させ得るからである。

その場合、レーザビームは、高度に、あるいは完全にでさえ、吸収され得、従って溶込み深さにおける、あるいはレーザビームと材料とのカップリングにおける実質的な減少、従って溶接方法における瞬間的な遮断をもたらす。

このシールドガスプラズマが出現する閾値は、使用するシールドガスおよびレーザビームのパワーおよび集束パラメータに依存する。

この問題を克服するために、ＣＯ₂タイプのレーザを用いる溶接またはハイブリッド溶接に用いることができるガス混合物が、特許文献１３〜１８に記載されている。このガス混合物は、シールドガスプラズマのトップサイドでの出現に対し保護することを可能とする。

さらに、レーザまたはレーザ／アークハイブリッド溶接におけるもう一つの問題は、一般に得られる溶接ビードの形状である。

これは、これらビードが一般的に狭いビード根（bead root）を有し、このことが、接合に対してレーザビームの位置を決めることにおける最もわずかな不正確さも溶接欠陥をもたらすので接合が正確に溶接されることを保証することが全く困難であるため、重大な困難さを構成する。このことは、ここに添付する図１および図２に示されている。

従って、このビード根の狭小さの問題は、工業的製造プロセスにおけるレーザ溶接またはハイブリッド溶接の使用を、特に中間的な厚さすなわち典型的に少なくとも１〜２ｍｍの被加工物を溶接することが必要な場合に、相当程度に制限している。
ＥＰ−Ａ−８００４３４ ＥＰ−Ａ−１２７３３８３ ＥＰ−Ａ−１１９９１２８ ＥＰ−Ａ−１２１２１６５ ＥＰ−Ａ−１１３３３７５ ＷＯ−Ａ−０３／１１５１６ ＷＯ−Ａ−０３／４３７７６ ＷＯ−Ａ−０３／８２５１１ ＥＰ−Ａ−１１６００４８ ＥＰ−Ａ−１１６００４６ ＥＰ−Ａ−１１６００４７ ＥＰ−Ａ−１３８０３８０ ＥＰ−Ａ−１４０４４８２ ＷＯ−Ａ−０３／５７３８９ ＥＰ−Ａ−１３７１４４４ ＥＰ−Ａ−１３７１４４５ ＥＰ−Ａ−１３７１４４６ ＥＰ−Ａ−１３７５０５４

したがって、本発明は、通常の溶接ビードよりも幅の広いビード根を有する溶接ビードを獲得し、必要であれば、場合に応じて溶接ビード中に良好な特性を有する金属学的微小構造の創出を助成し得る酸素または窒素のような元素を導入し得るようにしたレーザまたはレーザ／アーク溶接方法を提供することによって上記問題を解決することを目的とする。

本発明の解決策は、１つまたはそれ以上の金属被加工物を溶接によって接合するためのＣＯ₂タイプのレーザ溶接方法であって、
ａ）前記溶接すべき被加工物のトップサイドで第１のシールドガスを使用し、
ｂ）前記溶接すべき被加工物のバックサイドで前記第１のシールドガスと異なる組成のガスである第２のシールドガスを使用し、
ｃ）前記被加工物のトップサイドから送給されたレーザビームにより得られるキーホールを介して完全溶込み溶接接合を生じさせ、
ｄ）工程ｃ）の間に、工程ｃ）のキーホールを介して伝送されたパワーの少なくとも一部を用いて前記第２のシールドガス内で前記バックサイドにプラズマを発生させ、該プラズマをバックサイドのシールドガス中に出現させるようにする
ことを包含し、前記バックサイドのプラズマは前記溶接接合の生成に寄与するところの方法である。

場合により、本発明の方法は、以下の特徴の１またはそれ以上を含む：
工程ａ）およびｂ）を同時にまたは随伴的（concomitantly）に行うこと、
工程ｃ）中に、被加工物のトップサイドから送給されたレーザビームにより被加工物のバックサイドでキーホールを発生させること、
第１のシールドガスが、ヘリウム、アルゴン、アルゴン／ヘリウム混合物、ヘリウム／窒素混合物、ヘリウム／酸素混合物、ヘリウム／ＣＯ₂混合物、ヘリウム／アルゴン／酸素混合物、ヘリウム／アルゴン／ＣＯ₂混合物、アルゴン／水素混合物およびヘリウム／水素混合物から選ばれること、
第２のシールドガスが、Ａｒ、Ａｒ／Ｏ₂、Ａｒ／ＣＯ₂、ＣＯ₂、ＣＯ₂／Ｎ₂、Ｏ₂、Ｈｅ／Ｏ₂、Ｈｅ／ＣＯ₂、Ａｒ／Ｎ₂、Ｈｅ／Ｎ₂、およびＮ₂から選ばれること、
工程ｃ）において、電気アークをも用い、互いに被加工物のトップサイドで組み合わせることによってもたらせられる、少なくとも電気アークおよびレーザビームによって被加工物間に前記溶接接合を生じさせること、
被加工物が、炭素鋼、炭素−マンガン鋼、微量合金鋼、オーステナイト系、フェライト系もしくはマルテンサイト系ステンレス鋼またはアルミニウム合金のような金属材料で作られていること、および／または前記被加工物がフラットプレートまたはチューブであること、
被加工物が、少なくとも１ｍｍ、好ましくは少なくとも２ｍｍの厚さを有すること、
本方法が、ハイブリッドレーザ／ＴＩＧまたはレーザ／ＭＩＧ法であること、
工程ｄ）で得られた溶接接合が、バックサイドで少なくとも２ｍｍの幅を有すること。

本発明において、
用語「ＣＯ₂タイプのレーザビーム」は、ＣＯ₂タイプのレーザ発生器により発生されたレーザビームを意味するものと理解され、
用語「トップサイド」は、レーザまたはハイブリッドレーザ溶接ヘッドに直接面して置かれる溶接すべき被加工物の側を意味するものと理解され、この側は、レーザビームおよび／またはアークの衝撃を最初に受けるものであり、すなわち溶接すべきプレートの上表面に相当する側であり、
用語「バックサイド」は、トップサイドとは反対の被加工物の側、すなわち、溶接すべきプレートの下表面に相当する側を意味するものと理解され、
用語「キーホール」は、金属蒸気および金属蒸気プラズマから生成する毛管であり、溶接すべきプレートのコアに直接レーザビームのエネルギーを貯めさせるものであり、レーザの高パワー密度により創出されるものと理解される。

言い換えると、本発明によると、キーホールを通して伝送される（従って、先行技術の方法では通常失われる）パワーを、バックサイドで、すなわちプレートの下側で好適なシールドガス中にプラズマを出現させ、かくして、溶接すべき被加工物の下側に、バックサイドにおけるビードの幅を増加させるための余剰エネルギーを送給するために用いるものであり、バックサイドのシールドガスは、トップサイドでのシールドガスと異なるものである。

以下、図面を参照しながら、本発明を説明する。

図１ａは、先行技術に従い、１０．４ｋＷのパワーを有するＣＯ₂タイプのレーザビームを用い、厚さ５ｍｍの鋼被加工物を、７ｍｍ／分の溶接速度で、トップサイドのガスとしてヘリウムを用い、レーザを溶接すべき被加工物の表面上に集束させて溶接したときの溶接の顕微鏡写真を示す。

図１ｂは、３．５ｍ／分の溶接速度で行った以外は、図１ａの条件と同じ条件で得られた溶接の顕微鏡写真を示す。

図１ｃは、２．５ｍｍ／分の溶接速度で行い、レーザを被加工物の表面上５ｍｍのところに集束させ、かつヘリウムをトップサイドおよびバックサイドのガスとして用いた以外は、図１ａの条件と同じ条件で得られた溶接の顕微鏡写真を示す。

図２ａおよび図２ｂは、先行技術に従い、ＭＩＧタイプのアークと８ｋＷのパワーを有するＣＯ₂タイプのレーザビームを用い、厚さ８ｍｍの鋼被加工物を、２．１ｍ／分（図２ａ）および３ｍ／分（図２ｂ）の溶接速度で、バックサイドおよびトップサイドの両方においてシールドガスとしてＡｒ／Ｈｅ／Ｏ₂（２７％／７０％／３％）ガス混合物を用いてレーザ／アークハイブリッド溶接したときの溶接についての顕微鏡写真を示す。

図３は、本発明に従い、１０．４ｋＷのパワーを有するＣＯ₂タイプのレーザビームを用い、厚さ５ｍｍの鋼被加工物を、２．５ｍ／分の溶接速度で、トップサイドでヘリウムを、バックサイドでアルゴンを用い、レーザを溶接すべき被加工物の表面上５ｍｍのところに集束させて溶接した溶接したときの溶接の顕微鏡写真を示す。

図４は、本発明に従い、ＭＩＧタイプのアークと８ｋＷのパワーを有するＣＯ₂タイプのレーザビームを用い、厚さ８ｍｍの鋼被加工物を、２．１ｍ／分の溶接速度で、トップサイドでＡｒ／Ｈｅ／Ｏ₂ガス混合物を、バックサイドでアルゴンを用いてレーザ／アークハイブリッド溶接したときの溶接の顕微鏡写真を示す。

先行技術による図１ａ〜１ｃのレーザ溶接の顕微鏡写真は、溶接ビードのバックサイドでの幅が比較的狭い、すなわち１ｍｍ未満であり、溶接速度によってあまり影響を受けないことを示している。

すなわち、溶接速度を７ｍ／分（図１ａ）から３．５ｍ／分（図１ｂ）に低下させることにより、ビードのバックサイドの幅は０．６ｍｍから０．９ｍｍへと増加するが、依然小さいままであることがわかるであろう。

表面に対してレーザビームの集束ずれを生じさせることにより、および速度をさらに低下させることにより、バックサイドのビード幅をわずかかに増加させることができ、かくして１．６ｍｍ（図１ｃ）に達する一方、得られるビードのトップサイドの幅もわずかに増加させる。

この速度の低下は、また、プレートのバックサイドで失われるレーザパワーの増加をもたらす。これは、プレートを溶融させるために用いられなかったパワーはキーホールを通じて伝送され、他方の側に出現し、そこで該パワーは互いに接合すべきプレートを固定または支持するためのツーシング（toothing）中に失われる。かくして、一般に、溶接速度が低下すれば低下するほど、伝送されるパワーは大きくなる。

図２ａおよび２ｂは、先行技術によるレーザ／ＭＩＧハイブリッド溶接についての顕微鏡写真を示す。より正確に述べると、図２ａは、０．６ｍｍのスペースをもって両端を合わせて置かれた被加工物のハイブリッド溶接の例を示し、図２ｂは、３ｍｍのヒールと１２°のテーパー角度を有するベベルを備える被加工物のハイブリッド溶接の例を示す。いずれの場合も、７０Ｓタイプのソリッドワイヤを１５ｍ／分のワイヤ速度で用い、トップサイドのガス混合物は、７０体積％のＨｅと２７体積％のＡｒと残り（すなわち、３体積％）の酸素から構成されるものである。

これら２つの顕微鏡写真は、電気アークの存在によりトップサイドのビードの幅が増加し、かくしてより大きな合わせもしくは位置決め許容差を受け入れるという、ハイブリッド溶接の利点の一つを示している。

不幸にして、ここでも再び、ビード根が比較的狭く、レーザ溶接と比較して有意には改善されていない。すなわち、図２ａと図２ｂの顕微鏡写真は、それぞれ、わずか１．６ｍｍおよび０．８ｍｍの、バックサイドのビード幅を示している。

バックサイドでのこのビードの幅を実質的に増加させるためには、溶接速度を激しく低下させることが必要となるであろうが、これは、生産性の低下をもたらす。レーザ溶接の場合におけるように、ハイブリッド溶接速度の低下は、キーホールを通じて伝送されるレーザパワーの増大をもたらす。

これらの観察に基づいて、本発明者らは、キーホールを通じて伝送された（従って通常は失われる）パワーを、バックサイドに送給されトップサイドで用いるガスと異なる好適なシールドガス中にプラズマを出現させ、かくして溶接のバックサイドの幅を増加させるための余剰エネルギーを溶接すべきプレートの下側に送給するために使用するという技術思想を持つに至った。

すなわち、図３は、本発明に従いバックサイドシールドガスとして用いたアルゴン中でプラズマをバックサイドで発生させ、トップサイドのガスとしてヘリウムを用いた場合のレーザ溶接ビードの顕微鏡写真である。

図３からわかるように、得られたビードのバックサイドの幅は２．５ｍｍであり、わずか１．６ｍｍである図１ｃのものと比較されるべきである。

さらに、図４は、プラズマをバックサイドでアルゴン中で発生させたときの、本発明のレーザ／ＭＩＧハイブリッド溶接ビードの顕微鏡写真を示す。

図４からわかるように、図４におけるビードのバックサイドの幅は２．６ｍｍであり、わずか１．６ｍｍである図２ａのものと比較されるべきである。

一般に、ビード根の拡幅の規模は、いうまでもなく、開始されたバックサイドアルゴンプラズマの量に依存し、これはレーザ溶接およびレーザ／アーク溶接のいずれにも当てはまる。

本発明の方法の他の利点は、バックサイドのために選択されたシールドガスの性質に依存して、溶接ビード中への元素の進入を促進または制御すること、かくして溶接ビードの金属学的微小構造を変化させることができるということである。

すなわち、Ａｒ／Ｏ₂、Ａｒ／ＣＯ₂、ＣＯ₂、Ｏ₂、Ｈｅ／Ｏ₂またはＨｅ／ＣＯ₂のようなガスまたはガス混合物をバックサイドに用い、バックサイドでシールドガスプラズマを発生させたとき、酸素またはＣＯ₂が解離するので、Ｏ₂分子を溶融金属中に導入することができる。

さらに、Ａｒ／Ｎ₂、Ｈｅ／Ｎ₂またはＮ₂のようなガスまたはガス混合物をバックサイドに用い、バックサイドでシールドガスプラズマを発生させたとき、窒素が解離するので、窒素を溶融金属中に導入することができ、これは、例えば混粒鋼または超混粒鋼を溶接する場合に有用であり得る。

先行技術により鋼被加工物を溶接したときの溶接を示す顕微鏡写真。 先行技術により鋼被加工物を溶接したときの溶接を示す顕微鏡写真。 先行技術により鋼被加工物を溶接したときの溶接を示す顕微鏡写真。 先行技術により鋼被加工物をレーザ／アークハイブリッド溶接したときの溶接を示す顕微鏡写真。 先行技術により鋼被加工物をレーザ／アークハイブリッド溶接したときの溶接を示す顕微鏡写真。 本発明により鋼被加工物を溶接したときの溶接を示す顕微鏡写真。 本発明により鋼被加工物をレーザ／アークハイブリッド溶接したときの溶接を示す顕微鏡写真。

Claims (10)

1. １つまたはそれ以上の金属被加工物を溶接によって接合するためのＣＯ₂タイプのレーザ溶接方法であって、
   ａ）前記溶接すべき被加工物のトップサイドで第１のシールドガスを使用し、
   ｂ）前記溶接すべき被加工物のバックサイドで前記第１のシールドガスと異なる組成のガスである第２のシールドガスを使用し、
   ｃ）前記被加工物のトップサイドから送給されたレーザビームにより得られるキーホールを介して完全溶込み溶接接合を生じさせ、
   ｄ）工程ｃ）の間に、工程ｃ）のキーホールを介して伝送されたパワーの少なくとも一部を用いて前記第２のシールドガス内で前記バックサイドにプラズマを発生させ、該プラズマをバックサイドのシールドガス中に出現させるようにする
   ことを包含し、前記バックサイドのプラズマは前記溶接接合の生成に寄与するところの方法。
2. 工程ａ）およびｂ）を同時にまたは随伴的に行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記被加工物が、炭素鋼、炭素−マンガン鋼、微量合金鋼、オーステナイト系、フェライト系もしくはマルテンサイト系ステンレス鋼またはアルミニウム合金から作られている請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１のシールドガスが、ヘリウム、アルゴン、アルゴン／ヘリウム混合物、ヘリウム／窒素混合物、ヘリウム／酸素混合物、ヘリウム／ＣＯ₂混合物、ヘリウム／アルゴン／酸素混合物、ヘリウム／アルゴン／ＣＯ₂混合物、アルゴン／水素混合物およびヘリウム／水素混合物から選ばれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記第２のシールドガスが、Ａｒ、Ａｒ／Ｏ₂、Ａｒ／ＣＯ₂、ＣＯ₂、ＣＯ₂／Ｎ₂、Ｏ₂、Ｈｅ／Ｏ₂、Ｈｅ／ＣＯ₂、Ａｒ／Ｎ₂、Ｈｅ／Ｎ₂、およびＮ₂から選ばれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
6. 工程ｃ）において、電気アークをも用い、互いに前記被加工物のトップサイドで組み合わせることによってもたらせられる、少なくとも前記電気アークおよびレーザビームによって前記被加工物間に前記溶接接合を生じさせることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記被加工物が、金属材料で作られているか、および／または前記被加工物がフラットプレートまたはチューブであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記被加工物が、少なくとも１ｍｍ、好ましくは少なくとも２ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. ハイブリッドレーザ／ＴＩＧまたはレーザ／ＭＩＧ法である請求項６に記載の方法。
10. 工程ｄ）で得られた溶接接合が、バックサイドで少なくとも２ｍｍの幅を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。

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