JP2008296236A - 重ねレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数枚重ねのワークのエッジに沿って重ねレーザ溶接する場合にも溶接割れの発生を抑えることができる重ねレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】薄鋼板（ワーク）１、１のフランジ部１ａ、１ａの重ね合せ部を、そのエッジ（フランジ端）に沿ってレーザビームＢを走査して溶接を行う重ねレーザ溶接方法において、ワーク１の板面に垂直な軸Ｐに対して所定の角度θだけ傾斜する方向からレーザビームＢを照射できるように溶接トーチ２を傾斜して配置し、ビーム走査方向に直交する断面内でビードを傾斜させることにより、ビードに作用する引張力を緩和し、ビード内に発生する溶接割れを抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数枚重ねのワークにレーザビームを照射して溶接を行う重ねレーザ溶接に関する。

従来、重ねレーザ溶接は、ワークの板面に対して円形ビームを垂直に照射して行うのが一般的であるが、最近では、特許文献１に記載されるように、溶接割れやブローホール等の溶接欠陥の発生防止を目的に、ワークに対して楕円形状にレーザビームを照射することも行われている。

図８は、上記特許文献１に記載される溶接方法を模式的に示したもので、ワークＷの板面（照射面）に垂直な軸に対して傾斜させてレーザビームＢを照射して、照射面に照射されるビーム形状Ｂ´を楕円形とし、その楕円形状を維持しながら走査方向（溶接方向）ＦへレーザビームＢを走査させるようにしている。この場合、ビーム走査方向Ｆと楕円の長軸との角度φが４５度以上になると、楕円の短軸方向がビームの走査方向Ｆに近くなるので、所望の効果が得られなくなる、としている。

特開平６−１９０５７５号公報（図１、[００１９]）

ところで、ワークのフランジ部の重ね合せ部をそのエッジ（フランジ端）に沿って、垂直照射の一般的方法により重ねレーザ溶接すると、ビード内に溶接割れが発生することが往々に起こる。これは、剛性不足によりエッジ端側に変形（歪）が発生し、これに起因してビードに大きな引張応力が発生したためと推定される。そして、この溶接割れは、溶接ラインがフランジ端に近接するほど頻発し、一例として板厚０．５〜２．０ｍｍの鋼板の重ね溶接の場合は、フランジ端より３ｍｍ以内を溶接することは、実質不可能な状況にあった。

そこで、ワークのエッジに沿って行うレーザ重ね溶接として、上記特許文献１に記載の溶接方法を適用すれば、溶接割れを防止できるものと期待される。しかし、この特許文献１に記載の方法を単に適用しても、依然として溶接割れをなくすことはできず、これに代わる新たな溶接方法の開発が望まれていた。

本発明は、上記した技術的背景に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、複数枚重ねのワークのエッジに沿って重ねレーザ溶接する場合にも溶接割れの発生を抑えることができる重ねレーザ溶接方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る重ねレーザ溶接方法は、複数枚重ねのワークのエッジに沿ってレーザビームを走査して溶接を行うに際し、ワーク板面に対し斜めにレーザビームを照射して溶接を行い、ビーム走査方向に直交する断面内でビードを傾斜させることを特徴とする。

このようにビーム走査方向に直交する断面内でビードを傾斜させることで、図４に示すように、ビード３の最終凝固線Ｃに垂直に作用する引張力Ｆ_Cは、エッジ側の歪に起因して発生する引張応力Ｆの垂直線分となるので、引張力Ｆ_Cは引張応力Ｆに比して十分に小さくなり、この結果、溶接割れの発生が抑えられる。本発明において、ワークに照射されるレーザビームのビーム形状は任意であり、長円形（楕円形）であっても、円形であっても、あるいは多角形であってもよい。また、ワークの重ね枚数は任意であり、二枚重ねであっても三枚重ねであってもよい。さらに、ワークの材種も任意であり、鉄系材料であっても、アルミニウム合金のような非鉄系材料であってもよい。
以下に、本発明の態様をいくつか例示し、それらについて項分けして説明する。

（１）複数枚重ねのワークのエッジに沿ってレーザビームを走査して溶接を行う重ねレーザ溶接方法において、ビーム走査方向に対して４５〜９０度傾く方向から、ワーク板面に対し斜めにレーザビームを照射して溶接を行い、ビーム走査方向に直交する断面内でビードを傾斜させることを特徴とする重ねレーザ溶接方法。

ビーム走査方向に直交する断面内でビードを傾斜させることで、上記したように溶接割れの発生が抑えられ、その分、エッジ側に溶接ラインを近づけることができる。この場合、ビーム走査方向に対するレーザビームの照射角度が小さくなると、溶込み深さが浅くなって、ビーム走査方向に直交する断面内でビードを傾かせることが難かしくなるので、本（１）項に記載のようにビーム走査方向に対するレーザビームの傾きは４５〜９０度範囲とする。

（２）ワーク板面に垂直な軸に対するレーザビームの照射角度を１０〜３０度範囲の任意の角度に設定して、エッジ側からレーザビームを照射することを特徴とする（１）項に記載の重ねレーザ溶接方法。

エッジ側から斜めにレーザビームを照射する場合、その照射角度が１０度より小さいと溶接割れが発生し易くなり、３０度より大きいと、ワーク表面側で溶融域がエッジ側へ拡大して溶落ちが発生し易くなる上、ワークの底面側でビードがエッジから離れる方向へ移行して、溶接ラインをエッジに近づけることが実質的に困難になる。したがって、ワーク板面に垂直な軸に対するレーザビームの照射角度は、本（２）項に記載のように１０〜３０度範囲とするのが望ましい。

（３）ワーク板面に垂直な軸に対するレーザビームの照射角度を１０〜１５度範囲の任意の角度に設定して、エッジと反対側からレーザビームを照射することを特徴とする（１）項に記載の重ねレーザ溶接方法。

エッジと反対側から斜めにレーザビームを照射する場合、その照射角度が１０度より小さいと溶接割れが発生し易くなり、１５度より大きいと、ワークの底面側で溶融域がエッジ側に拡大して溶落ちが発生し易くなる。したがって、ワーク板面に垂直な軸に対するレーザビームの照射角度は、本（３）項に記載のように１０〜１５度範囲とするのが望ましい。

（４）ワークの重ね部がフランジ部であり、ワークのエッジがフランジ端であることを特徴とする（１）乃至（３）項の何れか１項に記載の重ねレーザ溶接方法。

本重ねレーザ溶接は、上記したようにエッジ側に溶接ラインを近づけることができるので、本（４）項に記載のようにフランジ部の重ねレーザ溶接に適用する場合は、フランジ端側にできるだけ溶接ラインを寄せて、フランジ部として必要な幅を小さくすることができる。

本発明に係る重ねレーザ溶接方法によれば、複数枚重ねのワークのエッジに沿って重ねレーザ溶接する場合にも溶接割れの発生を抑えることができるので、できるだけエッジに近い部位を溶接したい場合に極めて有用となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１、２は、本発明の一つの実施形態を示したものである。本実施形態は、二枚の薄鋼板（ワーク）１、１のフランジ部１ａ、１ａを重ねレーザ溶接するもので、溶接トーチ２から出射されたレーザビームＢは、フランジ部１ａのエッジ（フランジ縁）に沿って矢印Ｆ方向へ走査されるようになっている。溶接トーチ２は、ここではワーク１の板面に垂直な軸Ｐに対して所定の角度θだけ傾斜する方向からレーザビームＢを照射できるようにフランジ端側へ傾斜して配置されている。溶接トーチ２から出射されるレーザビームは、通常円形ビームとなっているので、ワーク１の板面に照射されるビーム形状Ｂ´は、図２に示されるように、ビーム走査方向Ｆに交差する方向に長軸を向けた長円形となる。本実施形態においては、ビーム走査方向Ｆに対するレーザビームＢの傾斜角度φを、４５〜９０度の範囲の任意の大きさとする。前記角度φとして９０度を選択した場合は、ワーク１の板面上でのビーム形状Ｂ´は、ビーム走査方向Ｆに直交する方向に長軸を一致させた長円形となり（実線で示す）、これより角度φが小さい場合は、ビーム走査方向Ｆに傾斜する方向に長軸を一致させた長円形となる（点線で示す）。

溶接に際しては、できるだけワーク１のフランジ端に近い部位を狙い位置（照射ポンイント）として、上記したようにワーク１に対して溶接トーチ２を傾斜して位置決めし、その後、溶接トーチ２からレーザビームＢを出射させながら、該溶接トーチ２とワーク１とをビーム走査方向Ｆへ相対移動させる。このとき、ワーク１を位置固定して溶接トーチ２を移動させても、溶接トーチ２を位置固定してワーク１を移動させても良い。これにより、上下二枚のワーク１のフランジ部１ａの重ね合せ部には、図３に示されるように、上下に貫通するビード３が形成され、上下２枚のワーク１は連続に重ね溶接される。

この場合、ワーク１の板面に対し、溶接トーチ２から所定の角度θでレーザビームＢが照射されるので、ビード３は、同じく図３に示されるように、前記照射角度θに倣って、ビーム走査方向に直交する断面内で傾斜して形成される。ビード３の形成に際しては、その幅方向中心位置がほぼ最終凝固位置となり、最終凝固線Ｃも前記照射角度θに倣って傾斜して現れる。

本実施形態のようにフランジ端（エッジ）に沿って溶接する場合は、剛性不足によりフランジ端側に変形（歪）が生じ、この変形によって、図４に示されるように、ビード３に合せ面に平行な方向の引張応力Ｆが発生する。しかし、前記したように最終凝固線Ｃが傾斜しているので、該最終凝固線Ｃに垂直に作用する引張力Ｆ_Cは、前記引張応力Ｆの垂直成分となる。したがって、最終凝固線Ｃに作用する引張力Ｆｃは引張応力Ｆに比して十分に小さくなり、結果として、ビード３内における溶接割れの発生が抑えられる。換言すれば、ビード３内における溶接割れの発生が抑えられる分、フランジ端側に溶接ラインを近づけることができ、その分、フランジ部１ａの幅を狭く設定することが可能になる。

本実施形態において、上記垂直軸Ｐに対するレーザビームＢの照射角度θは１０度以上に設定するのが望ましい。これは、照射角度θが１０度より小さいと、上記した最終凝固線Ｃに垂直に作用する引張力Ｆｃの低減効果が小さく、溶接割れが発生し易くなるためである。また、この照射角度θは大きくても３０度以下に抑えるのが望ましい。これは、照射角度θがあまり大きいと、ワーク１の表面側で溶融域がエッジ側に拡大して、溶落ちが発生し易くなるためである。

また、上記実施形態においては、前記したようにビーム走査方向Ｆに対するレーザビームＢの傾斜角度φを４５〜９０度の範囲の任意の大きさとしている。これは、該傾斜角度φがあまり小さいと、溶込み深さが浅くなって、ビーム走査方向Ｆに直交する断面内でビード３を傾かせることが難かしくなるためである。

なお、上記実施形態においては、ワーク１の板面に対しフランジ端（エッジ）側から斜めにレーザビームＢを照射するようにしたが、本発明は、フランジ端と反対側から斜めにレーザビームＢを照射するようにしてもよいものである。この場合は、図５に示されるように、ビード３は、図３に示したビード３と、丁度１８０度反転した斜め形状となる。この場合も、上記実施形態と同様、最終凝固線Ｃが傾斜するので、ビード３内における溶接割れの発生が抑制される。ただし、この場合は、レーザビームＢの照射角度θを１０〜１５度範囲の任意の大きさとするのが望ましい。これは、照射角度があまり大きいと、ワーク１の底面側で溶融域がフランジ端側に拡大して、溶落ちが発生し易くなるためである。

板厚１．４ｍｍの高張力鋼板をワークとして、図６に示すように、二枚のワークＷａ，Ｗａを重ね合せ、エッジからレーザビームＢの照射ポイントまでの距離Ｌすなわち照射狙い位置を種々に変化させると共に、レーザビームＢの照射角度θを種々に変化させて、レーザ出力４ｋＷ、溶接速度２ｍｍ／ｍｉｎの条件で、エッジに沿って５０ｍｍの長さを連続溶接した。なお、ビーム走査方向に対するレーザビームＢの傾斜角度φ（図２）は９０度と一定にした。そして、溶接後、形成されたビームについて溶接割れの有無、溶落ちの有無を目視により観察した。

図７は、上記した観察結果を、エッジからの距離Ｌおよび照射角度θで整理して示したものである。これより、エッジ側からレーザビームＢを傾けて照射した場合（照射角度θはプラス）は、照射角度θを１０度以上とすることで、照射狙い位置をエッジに対し２ｍｍまで近づけても溶接割れが発生せず、特に照射角度θを３０度以上とした場合は、照射狙い位置をエッジに対し１．５ｍｍまで近づけても溶接割れが発生しないことが明らかとなった。ただし、照射角度θがあまり大きくなると、ワーク表面側で溶融域がエッジ側へ拡大して溶落ちが発生し易くなる上、ワーク裏面側でビードがエッジから離れる方向へ移行して、溶接ラインをエッジに近づける効果が実質的に失われる。したがって、エッジ側から照射する場合のレーザビームＢの照射角度θとしては、１０〜３０度範囲に収めるのが望ましい。

一方、エッジと反対側からレーザビームＢを傾けて照射した場合（照射角度θはマイナス）は、照射角度θを１０〜１５度（−１０〜−１５度）とすることで、照射狙い位置をエッジから３ｍｍに設定しても溶接割れが発生しないことが明らかとなった。照射狙い位置を３ｍｍとした場合は、ワーク裏面側でのビード位置がエッジ側へかなり寄るので、溶接ラインは実質的にエッジに近づくことになる。ただし、照射角度θが１５度を超えて大きくなると、ワーク裏面側での溶融域がエッジ側へ拡大して溶落ちが発生し易くなる。したがって、エッジと反対側から照射する場合のレーザビームＢの照射角度θとしては、１０〜１５度範囲に収めるのが望ましい。

本発明に係る重ねレーザ溶接の一つの実施形態を模式的に示す断面図である。 本実施形態を模式的に示す平面図である。 本実施形態によるビードの形成状態を模式的に示す断面図である。 本実施形態によるビードに作用する引張力の大きさを示す説明図である。 本発明に係る重ねレーザ溶接の他の実施形態によるビードの形成状態を模式的に示す断面図である。 本発明の実施例における溶接の実施状況を示す模式図である。 本発明の実施例の結果を示すグラフである。 特許文献１に記載された重ねレーザ溶接の実施形態を模式的に示したもので、（Ａ）は平面図。（Ｂ）は断面図である。

符号の説明

１ 薄鋼板（ワーク）
１ａ フランジ部
２ 溶接トーチ
３ ビード
Ｃ 最終凝固線
Ｆ ビーム走査方向

Claims (4)

1. 複数枚重ねのワークのエッジに沿ってレーザビームを走査して溶接を行う重ねレーザ溶接方法において、ビーム走査方向に対して４５〜９０度傾く方向から、ワーク板面に対し斜めにレーザビームを照射して溶接を行い、ビーム走査方向に直交する断面内でビードを傾斜させることを特徴とする重ねレーザ溶接方法。
2. ワーク板面に垂直な軸に対するレーザビームの照射角度を１０〜３０度範囲の任意の角度に設定して、エッジ側からレーザビームを照射することを特徴とする請求項１に記載の重ねレーザ溶接方法。
3. ワーク板面に垂直な軸に対するレーザビームの照射角度を１０〜１５度範囲の任意の角度に設定して、エッジと反対側からレーザビームを照射することを特徴とする請求項１に記載の重ねレーザ溶接方法。
4. ワークの重ね部がフランジ部であり、ワークのエッジがフランジ端であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の重ねレーザ溶接方法。