JP2008221314A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼板の突合せ部をキーホールを形成して溶接を行うレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】金属薄板の突合せ継手をレーザビームでキーホール溶接する際、突合せ部を溶接進行方向に走査するレーザビームの振幅の中心方向と金属板面の法線とがなす角度が、０〜１５ｄｅｇの範囲で溶接進行方向にレーザビームを振動させ、好ましくは、レーザビーム振動の振幅が、ビームスポット径の１倍以上、３倍未満、かつ予め、レーザ出力とプラズマ周波数との関係より求めたプラズマ周波数と同一の周波数の１００〜３００Ｈｚで走査させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼板の突合せ部をキーホールを形成して溶接を行うレーザ溶接方法に関する。

レーザ光は、非常に強い集光性がありエネルギー密度の極めて高い集中熱源となるので、溶接に適用すれば溶け込み深さが深く、高速溶接を行うことができる。

レーザ溶接は、薄板を突き合わせて固定し、その突合せ部にレーザビームを照射し、キーホール溶接によって薄板のビーム照射の裏側まで貫通させて溶接する。

レーザ溶接の場合、レーザビームの集束径は０．２ｍｍ直径程度と小さく、突合せ溶接の場合、許容されるギャップは０．０８ｍｍと狭いため、薄板の突合せ面を機械加工したり、フィラーを送給しながら溶接するなど、種々の溶接法が提案されている。

特許文献１は、溶接の信頼度を向上させるレーザ溶接法に関し、レーザビームを集光レンズで集光し、回転しているミラーで反射させて、ワークの合わせ目方向にワークまたはレーザビームを相対的に移動させ、レーザビームをコニカル状に走査させ、合わせ面に隙間があったり、レーザスポットと合わせ面の相対的位置決め精度が悪くても良好な溶接品質を得ることが記載されている。

特許文献２は、レーザ溶接する際、溶接用レーザビームを用いて予熱および後熱の少なくとも一方を行う方法に関し、レーザビームを開先線に対して走査させることなく、溶接トーチをレーザ光の光軸に沿って上下に移動させ、開先面にレーザスポットをインフォーカス、アウトフォーカスさせることが記載されている。

特許文献３は、金属薄板のレーザ突合せ溶接に関し、溶接ゾーンの手前または溶接ゾーン内で少なくとも一方の薄板にマッシュローラによる塑性変形を施して、板厚を減少させ、薄板間のギャップを減少させる際、塑性変形部の幅や深さを薄板の板厚に応じて適正に規定することにより、溶接後のプレス加工などの二次加工で良好な加工性の得られることが記載されている。

また、特許文献４には、薄板をレーザ溶接する際、溶接の安定性をブルーフレーム（プラズマ）の発生の有無で判定し、当該ブルーフレームの光線が検出されるまで溶接を繰り返して行うことが記載されている。
特開昭５４−１１６３５６号公報 特開平６−３０４７７２号公報 特開２００６−２１８４９９号公報

ところで５ｋＷ超えの大出力レーザを用いて高速溶接或いは厚鋼板を溶接する場合、溶接の高速化或いは板厚の増加に伴いキーホールが不安定になることが溶接の高速化や溶接可能な最大板厚に制限をもたらしている。

すなわち、キーホールが不安定になると１．溶融金属がキーホールを封鎖してブローホール等の欠陥が生成される。また、２．被溶接材料の裏側の溶接ビード幅が狭くなりオフシーム欠陥が発生しやすくなるなど溶接品質が低下する。

レーザビームを被溶接材料に照射すると被溶接材料が溶融・蒸発し、キーホールが形成されるが、キーホールを広げる力として蒸発粒子の反張力が有り、キーホールを収縮させる力として溶融金属の重力と表面張力が有り、両者のバランスによってキーホールは保持される。

キーホールが不安定になる要因として、蒸発粒子および蒸発粒子の一部が電離して生成されるプラズマ（レーザ誘起プラズマと呼ぶ）とレーザビームの干渉が指摘されている。

レーザビームが、キーホールから噴出する蒸発粒子やレーザ誘起プラズマに照射されると、レーザが蒸発粒子或いはプラズマに反射されたり吸収される。

レーザエネルギーが反射・吸収されると、キーホール底部に到達するエネルギーが減少するため、蒸発粒子或いはプラズマが発生しなくなる。

そのため、レーザエネルギーは再び増加して、レーザビームがキーホール底部に到達するようになり蒸発粒子やプラズマが発生する。

このように蒸発粒子やプラズマは間欠的に発生・消失を繰り返し、キーホールの深さを不均一とし、溶接欠陥を誘発したり、溶け込み深さを不均一とする。

キーホールを安定化させ溶接欠陥を抑制する技術として、パルス化したレーザを用いて溶接する際、間欠的にキーホールから噴出する蒸発粒子或いはプラズマの周波数とレーザのパルス周波数とを同期させて、蒸発粒子或いはプラズマが発生した時にレーザをＯＦＦし、それらが消失時にレーザをＯＮする技術が提案されている。

被溶接材料の裏側の溶接ビード幅が狭くなりオフシーム欠陥が発生しやすくなることは、溶接速度を遅くして単位溶接長さ辺りの熱量を増加させることが有効である。

しかしながら、レーザをパルス化することは平均エネルギーを低くし、連続発振のレーザと比較すると同じ溶け込み深さを得るためには溶接速度が低下する。

また、溶接速度を遅くして単位溶接長さ当りの熱量を増加させる方法は溶接の高品質化には貢献するものの実操業における生産性を考慮した場合、採用できない。

そこで、本発明は、金属薄板の突合せ溶接で安定したキーホール溶接が可能な、レーザビーム溶接法を提供することを目的とする。

本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．金属薄板の突合せ継手をレーザビームでキーホール溶接する際、突合せ部で、溶接進行方向にレーザビームを振動させ、かつ予め、レーザ出力とプラズマ周波数との関係より求めたプラズマ周波数と同一の周波数で走査させることを特徴とするレーザ溶接方法。
２．レーザビーム振動の振幅が、ビームスポット径の１倍以上、３倍未満であることを特徴とする１記載のレーザ溶接方法。
３．周波数が１００〜３００Ｈｚであることを特徴とする１または２記載のレーザ溶接方法。
４．突合せ部を溶接進行方向に走査するレーザビームの振幅の中心方向と金属板面の法線とがなす角度が、０〜１５ｄｅｇの範囲にあることを特徴とする１乃至３のいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。

本発明によれば、自動車の車体構造で多用される、レーザビームによる金属薄板の突合せ溶接で安定したキーホール溶接が可能で産業上極めて有用である。

本発明では、突合わせ部に焦点を合わせた、レーザビームのビームスポットを溶接線方向の前後方向に振動させ、かつ予め、レーザ出力とプラズマ周波数との関係より求めたプラズマ周波数と同一の周波数で走査させながらキーホール溶接する。

レーザビーム照射により蒸発粒子或いはプラズマが生成されるが、これらは当該レーザビームのビーム照射された部分：スポット径に相当する部分から発生し、照射から発生まで時間的ズレがあるので、レーザビームを振動させ、溶接進行方向に照射すれば、蒸発粒子或いはプラズマにレーザビームは照射されない。

一般的に、溶接に適用されるレーザビーム径は０．1ｍｍ〜１．０ｍｍである。したがって、キーホール径はほぼレーザビーム径０．1ｍｍ〜１．０ｍｍに等しい。したがって、レーザビームの振幅はほぼビームスポット径の１倍以上、および３倍未満の範囲が好適である。

すなわち、レーザビーム振幅がビームスポット径の１倍未満であれば、レーザビームはキーホールから噴出する蒸発粒子或いはプラズマを常時照射するためキーホールが不安定になり溶接欠陥が発生しやすくなる。

一方、レーザビーム振幅がビームスポット径の３倍超えの場合は、レーザビームはキーホールから噴出する蒸発粒子或いはプラズマを照射しないため、溶接欠陥の発生は抑制できるがレーザビームの振幅が大きすぎるため平均レーザエネルギーが低くなり溶け込み深さが浅くなる。走査無しの場合と同じ溶け込み深さを得ようとすれば溶接速度を下げなければならず生産性が低下する。

レーザビームは、予め、レーザ出力とプラズマ周波数との関係より求めたプラズマ周波数と同一の周波数で走査させる。

キーホールから噴出するプラズマの周波数は、レーザ出力、レーザビーム径などによって異なるため、実操業と同じ溶接条件を用いた予備試験により求めておく。

図１は、レーザ出力と発生したレーザ誘起プラズマの周波数の関係を示す。図はレーザ波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザとレーザ波長８００ｎｍの半導体レーザの出力を１ｋＷから１０ｋＷまで変化させて、レーザ誘起プラズマの周波数を求めた結果で、レーザ出力の増加とともにレーザ誘起プラズマ周波数が増加する。

また、レーザ周波数が長い程、逆制動輻射作用によりレーザエネルギーが吸収されやすくなり、レーザ誘起プラズマが増幅し、同時に電離度が高くなり膨張するため、キーホール中から高速で噴出するためレーザ誘起プラズマの周波数が増加することが認められる。

図１より、通常のレーザ溶接では、レーザ波長１０．６μｍの炭酸ガスレーザまたはレーザ波長８００ｎｍの半導体レーザを用いることが多いので、レーザビームの走査周波数を、レーザ出力に応じて変化するプラズマ周波数と同じ１００Ｈｚ以上、３００Ｈｚ未満とすると、レーザビームとプラズマとの干渉がなく好ましい。

本発明で、被溶接材３にレーザビーム１を照射する際は、レーザビーム１の走査の振幅中心と被溶接材３の板面の法線となす角度θ_２は、溶接方向２に対してレーザビーム１が後傾するように０〜１５ｄｅｇとすることが好ましい。図２にレーザビームの照射角度を説明する。

レーザビームの走査の振幅中心を、溶接方向の後ろ側に金属板面の法線方向に対して角度θ_２だけ傾斜させると溶接欠陥が抑制される。しかし、角度θ_２が大き過ぎる場合には溶け込み深さが低下する。従って、レーザビームの走査の振幅の中心方向と金属板面の法線となす角度θ_２は０〜１５ｄｅｇとすることが好ましい。

本発明に適用できる金属薄板の材質には，炭素鋼，アルミニウム，アルミニウム合金，マグネシウム，マグネシウム合金等があげられる。レーザとしてはＣＯ_２レーザ、ＣＯレーザ、スラブレーザ、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ、ガラスレーザ、エキシマレーザ、ファイバーレーザ、半導体レーザ等、熱加工に使用できる全てのレーザ方式が適用できる。

板厚１０ｍｍの炭素鋼板にレーザビームを照射してビードオンプレート溶接した。溶接はビームスポットを板面に集束させ、溶接速度を２ｍ／ｍｉｎと３ｍ／ｍｉｎとし、それぞれの溶接速度において、溶接進行方向にビームスポットをビーム振幅、ビーム周波数を変化させて走査した。表１、表２に溶接条件を示す。

ビードオンプレート溶接部をＸ線非破壊検査法を用いて検査し、直径０．１５ｍｍ以上のブローホールを検出した。溶接線長さ１００ｍｍ当りのブローホールの個数を計測し、３０個以下の場合を『品質良好』と判定した。次いで、溶接線直角方向に切断して溶込み深さを測定した。

表１より、レーザ出力、レーザ波長、溶接速度およびビーム周波数が一定の場合には、ビーム振幅が０．５ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下の領域において、ブローホールが少なく『品質良好』であり、加えて溶込み深さも深くなることが認められる（試験Ｎｏ．３〜６）。

表２より、レーザ波長、溶接速度およびビーム振幅が一定の場合において、レーザ出力が５ｋＷの場合は、ビーム周波数が２００Ｈｚ以上、２２５Ｈｚ以下の領域においてブローホールが少なく『品質良好』であり、加えて溶込み深さも深くなることが認められる（試験Ｎｏ．３，４）。

レーザ出力が１０ｋＷの場合は、ビーム周波数が２５０Ｈｚ以上、３００Ｈｚ以下の領域においてブローホールが少なく『品質良好』であり、加えて溶込み深さも深くなる（試験Ｎｏ．８．９）。

以上の試験結果より、ブローホールの発生が抑制されて品質が良好となるビーム周波数がレーザ出力によって異なることが明らかである。

表３は、ビーム照射角（図２に示す、θ１またはθ２）の溶接品質に及ぼす影響を示し、レーザビームが溶接進行方向に対して後傾（ビーム照射角がθ２）であって、且つ、０〜１５°の場合（試験Ｎｏ．４〜７）、ブローホールが少なく『品質良好』であり、加えて溶込み深さも深くなることが認められる。

レーザ出力と発生したレーザ誘起プラズマの周波数の関係を示す図。 レーザビームの照射角度を説明する図。

符号の説明

１ レーザビーム
２ 溶接方向
３ 被溶接材

Claims (4)

1. 金属薄板の突合せ継手をレーザビームでキーホール溶接する際、突合せ部で、溶接進行方向にレーザビームを振動させ、かつ予め、レーザ出力とプラズマ周波数との関係より求めたプラズマ周波数と同一の周波数で走査させることを特徴とするレーザ溶接方法。
2. レーザビーム振動の振幅が、ビームスポット径の１倍以上、３倍未満であることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 周波数が１００〜３００Ｈｚであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ溶接方法。
4. 突合せ部を溶接進行方向に走査するレーザビームの振幅の中心方向と金属板面の法線とがなす角度が、０〜１５ｄｅｇの範囲にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。

Images