JP2012192445A - 薄鋼板のレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メンテナンス性に優れたファイバレーザを用いて、レーザ溶接時のアンダーフィルを抑制するとともに、溶接速度を落とすことなく、良好な溶接品質が得られるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】光ファイバによって伝送されたレーザビームを用いて、鋼板の端部を突き合わせて溶接するレーザ溶接方法において、溶接裏面のシールドガスを、ＣＯ_２及び／又はＯ_２を含有し、体積％で、５０％≦［ＣＯ_２］＋５×［Ｏ_２］≦１００％を満たし、残部がＮ_２又はＡｒからなるガスとし、レーザビームを、２０〜４０°の範囲で、溶接進行方向の前方に傾斜させて鋼板に照射することを特徴とする薄鋼板のレーザ溶接方法。ただし、［ＣＯ_２］、［Ｏ_２］は、それぞれ、ＣＯ_２、Ｏ_２の体積割合（％）を表すものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に、普通鋼、高張力鋼、ステンレス鋼などの鋼板を、大出力のレーザ溶接で突き合わせ溶接する方法に関し、特に、溶接の際のスパッタを低減し、溶接部のアンダーフィル欠陥を抑制することができる薄鋼板のレーザ溶接方法に関する。

レーザ溶接は、レーザ発振器から溶接用の集光光学系までを、ミラー伝送する炭酸ガスレーザ溶接と、レーザ発振器から溶接用の集光光学系までを、光ファイバで伝送するＹＡＧレーザ溶接やファイバレーザ溶接に大別される。

レーザ出力が１０ｋＷを超える大出力レーザには、従来、炭酸ガスレーザが用いられていた。しかし、炭酸ガスレーザを用いる場合、ミラー伝送に伴う光軸の調整や、ミラーの清浄度を維持するためのメンテナンスに手間を要していた。

一方、近年のレーザ発振器の進歩により、ファイバ伝送可能な大出力レーザが開発され、鋼板溶接への適用拡大が期待されている。ファイバ伝送可能な大出力レーザとしては、ファイバレーザやディスクレーザが挙げられるが、以下では、ファイバレーザに集約して説明する。

ファイバレーザ溶接では、炭酸ガスレーザ溶接に比べて、多量のスパッタが発生し、溶接部の形状が凹形状（以下、「アンダーフィル」と呼ぶ）になりやすい問題があった。特に、５ｋＷを超える大出力領域で、アンダーフィル形状が顕著であり、メンテナンス性に優れたファイバレーザの適用拡大を妨げていた。

アンダーフィルを抑制する従来技術として、特許文献１では、レーザ光の焦点位置を鋼板の表面からずらし、さらに、鋼板表面でのエネルギー密度分布を管理することが提案されている。しかしながら、本発明者らの検討では、本手法を用いても、特に、板厚５ｍｍを超える鋼材でのアンダーフィルが回避できなかった。

特許文献２では、レーザビームをプリズムで２分割し後に、溶接線方向に直列するように配置させ集光させる方法が提案されている。しかしながら、本手法では大出力域での集光光学系の耐久性に課題があり、特に１０ｋＷを超える出力域での安定稼働は困難であった。

特開２００８−２９００８０号公報 特開２００９−１７８７６８号公報

本発明は、メンテナンス性に優れたファイバレーザを用いて、前述したようなレーザ溶接時のアンダーフィルを抑制するとともに、溶接の効率、すなわち溶接速度を落とすことなく、良好な溶接品質が得られるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

図１（ａ）に、一般的なファイバレーザによる鋼板の溶接の概略を示す。溶接条件としては、ビームの集光径ｄ、焦点位置ｈ、ビーム照射角θ等が挙げられる。シールドガスには、レーザ照射部をシールドする溶接側シールドガスＷＧ（ワーキングガス）、及び溶接裏面シールドガスＢＧ（バックガス）として、いずれもＡｒ、Ｈｅ等の不活性ガスが使用される。また、必要に応じて、フィラーワイヤ４が供給される。

本発明者らは、レーザ溶接時のアンダーフィルを抑制のため、溶接条件を詳細に検討した。その結果、ビーム照斜角を、従来知見以上に大きく傾斜させること、溶接裏面のシールドガスに酸化性のシールドガスを用いることが極めて重要であることを見出した。

本発明は、上記の知見に基づきなされたものであって、その要旨は以下のとおりである。

（１）光ファイバによって伝送されたレーザビームを用いて、鋼板の端部を突き合わせて溶接するレーザ溶接方法において、
溶接裏面のシールドガスを、ＣＯ_２及び／又はＯ_２を含有し、体積％で、５０％≦［ＣＯ_２］＋５×［Ｏ_２］≦１００％を満たし、残部がＮ_２又はＡｒからなるガスとし、
レーザビームを、鋼板の表面に垂直な方向から、２０〜４０°の範囲で、溶接進行方向の前方に傾斜させて鋼板に照射することを特徴とする薄鋼板のレーザ溶接方法。
ただし、［ＣＯ_２］、［Ｏ_２］は、それぞれ、ＣＯ_２、Ｏ_２の体積割合（％）を表すものとする。

（２）鋼板の突き合わせ部に０．０５〜０．６ｍｍのギャップを設け、レーザビームの照射面に、溶接進行方向の前方からフィラーワイヤを供給することを特徴とする前記（１）の薄鋼板のレーザ溶接方法。

（３）レーザビームの焦点位置が、鋼板の内部に位置することを特徴とする前記（１）又は（２）の薄鋼板のレーザ溶接方法。

本発明の方法によれば、メンテナンス性に優れたファイバレーザを用いて、レーザ溶接時のアンダーフィルを抑制するとともに、溶接速度を落とすことなく、良好な溶接を行うことができる。

レーザ溶接の構成を示す図であり、（ａ）は一般的なレーザ溶接、（ｂ）は本発明のレーザ溶接を示す図である。 溶接部の欠陥を示す図であり、（ａ）はアンダーフィル欠陥、（ｂ）はアンダーカット欠陥を示す図である。 ビーム照射角を変えて溶接した際の溶接部の断面形状を示す図である。 ビーム照射角と溶接時のスパッタ発生重量の関係を示す図である。 溶接時の金属蒸気の噴出を示す模式図であり、（ａ）はビームを垂直に照射した場合、（ｂ）はビーム照射角を２０°以上大きく傾斜させた場合を示す図ある。 溶接裏面のアンダーカット発生状況と、裏面シールドガスの関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

図１（ｂ）は、本発明のレーザ溶接の概略を示す図である。ビーム照射角θを溶接進行方向の前方に大きく傾斜させたこと、溶接裏面シールドガスＢＧに酸化性のシールドガスを用いたことが、本発明の特徴である。

図２に溶接ビード形状の欠陥を示す。図２（ａ）はアンダーフィル欠陥、図２（ｂ）はアンダーカット欠陥である。アンダーフィル欠陥は、溶接部の断面欠損による大幅な強度低下を招き、アンダーフィル欠陥は、微小なくぼみであるが、応力集中による曲げ特性の低下につながる。

本発明者らは、これらに欠陥を抑制するために鋭意検討を行った。以下に、その詳細を説明する。

従来から、溶接部からのレーザの反射光の影響を避けるため、ビーム照射角θを鋼板１に対して±５°程度傾ける手法や、アンダーフィル抑制のために、ビーム照射角θを０〜１０°の範囲で傾ける手法が提案されていた。

しかし、本発明者らの検討の結果、上記の手法ではアンダーフィル抑制の効果は不十分であり、特に、光ファイバによって伝送された波長１μｍ帯のレーザを用いて、１０ｋＷを超える出力域で、板厚５ｍｍを超える薄鋼板の端部を突き合わせて溶接を行う場合には、レーザビーム１１を、鋼板表面に垂直な方向から、溶接進行方向の前方に２０〜４０°傾斜させて、溶接進行方向の前方から照射する必要があることが分かった。図１に矢印で示した進行方向は、溶接進行方向を意味する。

図３に、１５ｋＷのファイバレーザを用いて、板厚６ｍｍの薄鋼板を、溶接速度４ｍ／ｍｉｎで、集光径ｄ＝０．６ｍｍφのレーザビーム１１を、鋼板表面を焦点位置として（ｈ＝０）、ビーム照射角θを変えて溶接した際の溶接部２の断面形状を示す。

ビーム照射角θは、溶接進行方向の後方に２０°、１０°、鋼板の表面に垂直照射、溶接進行方向の前方に１０°、２０°、３０°と変化させた。ビーム照射角θは、溶接進行方向の後方への傾斜を「−」とし、溶接進行方向の前方への傾斜を「＋」で表記した。

図３から明らかなように、−２０〜＋１０°の範囲では、溶接表裏面とも溶接金属が吹き飛んだ状態となり、アンダーフィルが顕著である。

一方、＋２０°、＋３０°と溶接進行方向の前方にビーム照射角θを大きくすると、アンダーフィル抑制効果が顕著になることが分かる。

図４に、ビーム照射角θと溶接時のスパッタ発生重量の関係を示す。スパッタ発生量は溶接長１００ｍｍ当りのスパッタ重量で表記した。ビーム照射角θが溶接進行方向の後方に傾いている場合は、スパッタ発生量が多く、また、従来知見である溶接進行方向の前方に０〜１０°傾いている場合でも、スパッタ重量の低減は困難であった。

一方、ビーム照射角θを２０〜４０°と溶接の進行方向の前方に大きく傾けることによって、スパッタ重量の低減が可能となった。なお、溶接の進行方向の前方に４０°を超えるビーム照射角ではスパッタ重量が大幅に減少したが、溶接部２の裏面が未溶融の部分溶け込み状態となり、溶融効率が低下した。したがって、２０〜４０°のビーム照射角θを適正範囲とした。

ビームの傾斜によるアンダーフィルの低減は、溶接部であるキーホール３から噴出する金属蒸気の発生方向の変化に起因すると考えられる。

すなわち、通常の垂直ビーム照射のレーザ溶接では、図５（ａ）に示すように、金属蒸気５が、溶接進行方向の後方に噴出し、金属蒸気５の噴出に引きずられ、キーホール３の後方の溶融金属が、スパッタ６として吹きあがる。

一方、ビーム照射角を２０°以上大きく傾斜させることによって、図５（ｂ）に示すように、キーホール３が溶接進行方向の前方へ大きく傾斜し、それに伴い、金属蒸気５の噴出方向が上方へと変化するため、キーホール３の後方の溶融金属を噴出させることなく金属蒸気を排出させることが可能となったと考えられる。

上述したように、レーザビーム１１のビーム照射角θを規定することにより、溶接スパッタ及びアンダーフィルの抑制が可能となった。溶接ビードの表面に若干のアンダーフィルが残っているが、フィラーワイヤを供給することによってアンダーフィルの回避が可能である。

一方で、溶接裏面のアンダーフィル抑制効果は顕著であったが、詳細に溶接ビード形状を観察すると、図２（ｂ）に示すようなアンダーカット２１が発生することがあった。アンダーカット２１は切り欠き状の欠陥であり、溶接部２の曲げ性能を低下させる。

本発明者らは、アンダーカットを抑制する手段について鋭意検討した。その結果、溶接裏面シールドガスＢＧを酸化性のガスとすることによって、具体的には、適正な量のＣＯ_２及び／又はＯ_２を含有させることによって、裏面ビード形状のフラット化が可能となった。

図６に、溶接裏面のアンダーカット発生状況と、裏面シールドガスの関係を示す。溶接部の断面観察で、０．３ｍｍ以上のアンダーカットが生じた場合を×（不良）で表記し、０．２ｍｍ未満のアンダーカットは○（良好）と表記した。

酸化性ガスの添加量が少ない場合は、アンダーカット欠陥が顕著となる一方、酸化性ガスが過多になると溶接ビードの酸化が著しくなり、ビード表面に固形の酸化スラグが付着した。

そこで、溶接裏面のシールドガスは、ＣＯ_２及び／又はＯ_２を含有し、体積％で、５０％≦［ＣＯ_２］＋５×［Ｏ_２］≦１００％を満たし、残部がＮ_２又はＡｒからなるガスとした。ただし、［ＣＯ_２］、［Ｏ_２］は、それぞれ、ＣＯ_２、Ｏ_２の体積割合（％）を表すものとする。

酸化性シールドガスによるビード形状の改善メカニズムを明確に説明することは困難であるが、適量の酸化性ガス雰囲気とし溶鋼の表面張力を低下させることによって、溶鋼が球状に凝固することなく、フラットで良好な溶接部形状になったと考えられる。

なお、溶接側シールドガスＷＧは、従来どおり、不活性ガスとした。これは、溶接表面に関してはアンダーカットの発生がなく良好なビード形状であり、また、溶接側シールドガスＷＧに酸化性のシールドガスを用いると、溶融金属全体の酸化が顕著となり溶接部の品質が低下するためである。

一方、溶接表面に残るアンダーフィルは、フィラーワイヤを供給することによって改善が可能である。さらに、鋼板の突き合わせ部に０．０５〜０．６ｍｍのギャップを設けた状態で、レーザビームの照射面に、溶接進行方向の前方からフィラーワイヤを供給することによって、溶接ビードの形状改善効果が顕著となる。鋼板の突き合わせ部にギャップを設けることにより、キーホールから噴出する金属蒸気の排出が容易となり、安定した溶接が維持できるため、スパッタ抑制、アンダーフィル、アンダーカット低減に有効となる。

この効果を得るためには、０．０５ｍｍ以上のギャップが必要である。一方で、０．６ｍｍ以上のギャップを設けると、フィラーワイヤの溶融が不安定となり、溶接ビード形状が劣化するとともに、フィラーワイヤの溶融のためにレーザ出力を増加させる必要があり、生産性が低下する。

また、レーザビームの焦点位置を、鋼板の内部に設定することが望ましい。ビームの焦点位置を鋼板表面ないし鋼板より上方に設定すると、焦点位置から拡大するレーザビームによって鋼板を溶融することになり、キーホールの開口部からに安定した金属蒸気の排出が困難である。一方、焦点位置を鋼板の内部に設定することにより収束するレーザビームにてキーホールの安定した開口が可能となり、スパッタの抑制の効果が得られる。

以上説明した方法により、ファイバレーザを用いた溶接において、レーザ溶接時のアンダーフィルを抑制し、良好な溶接品質を得ることができる。

板厚６ｍｍ及び３ｍｍの軟鋼板を用いて、突き合わせ溶接を行った。レーザ発振器にはＩＰＧ製のファイバレーザを用い、集光径はφ０．６ｍｍ（焦点距離＝３００ｍｍのレンズを使用）、及び、φ０．４ｍｍ（焦点距離＝２００ｍｍのレンズを使用）とした。鋼板端面を機械加工した試験材を、初期ギャップを０．０５〜０．５ｍｍとして配置し、突き合わせ溶接を行った。溶接側のシールドはＡｒガスによるサイドシールドとした。

レーザビームは、−２０〜４０°の範囲で傾斜させ、溶接裏面のシールドガスにはＡｒ、Ｈｅ、Ｎ_２、及び、これらにＯ_２又はＣＯ_２を添加した混合ガスを用いた。

フィラーワイヤにはφ１．２ｍｍの軟鋼用溶接ワイヤを使用し、鋼板間のギャップ面積の１．１倍に相当する量を供給した。

評価指標としたスパッタ発生量は、溶接前の試験片重量及び供給したフィラーワイヤの重量から、溶接後の試験片重量を差し引いた値とし、溶接長１００ｍｍ当りの重量で表示した。

板厚６ｍｍの鋼板に対しては、溶融部体積の約２割となる０．９３ｇ／１００ｍｍ以下のスパッタ重量を良好と判断した。板厚３ｍｍの鋼板に対しては、溶融部体積の約２割となる０．４６ｇ／１００ｍｍ以下のスパッタ重量を良好と判断した。

溶接部表面及び裏面の形状は、０．３ｍｍ未満のアンダーフィル、又はアンダーカットを良好と判断した。

表１に実施例の結果を示す。焦点位置は、鋼板表面よりも上方の位置を「＋」、鋼板の内部の位置を「−」で表した。

Ｎｏ.１〜１１は、本発明例の結果である。鋼板間ギャップが０．０５〜０．５ｍｍの広い条件範囲において、ビーム照射角、及び裏面シールドガスを適正に保つことにより、良好な結果となった。

Ｎｏ．１２〜１８は、比較例の結果である。Ｎｏ．１２、１３、１６、１７、１８は、ビーム照射角が不適正であり、多量のスパッタが発生し、溶接表裏面の形状が不良となった。Ｎｏ．１４、１５は裏面シールドガスが不適正であり、スパッタ量は低減するものの、溶接裏面の形状が不良であった。

本発明によれば、メンテナンス性に優れたファイバレーザを用いた溶接において、レーザ溶接時のアンダーフィルを抑制し、溶接速度を落とすことなく良好な溶接を行うことができるので、鋼板の溶接に広く適用でき、産業上の利用可能性は大きい。

１ 鋼板
２ 溶接部
３ キーホール
４ フィラーワイヤ
５ 金属蒸気
６ スパッタ
１１ レーザビーム
１２ レンズ
２０ アンダーフィル
２１ アンダーカット
θ ビーム照射角
ｄ 集光径
ｈ 焦点位置
ＷＧ 溶接側シールドガス
ＢＧ 溶接裏面シールドガス

Claims (3)

1. 光ファイバによって伝送されたレーザビームを用いて、鋼板の端部を突き合わせて溶接するレーザ溶接方法において、
   溶接裏面のシールドガスを、ＣＯ_２及び／又はＯ_２を含有し、体積％で、５０％≦［ＣＯ_２］＋５×［Ｏ_２］≦１００％を満たし、残部がＮ_２又はＡｒからなるガスとし、
   レーザビームを、鋼板の表面に垂直な方向から、２０〜４０°の範囲で、溶接進行方向の前方に傾斜させて鋼板に照射することを特徴とする薄鋼板のレーザ溶接方法。
   ただし、［ＣＯ_２］、［Ｏ_２］は、それぞれ、ＣＯ_２、Ｏ_２の体積割合（％）を表すものとする。
2. 鋼板の突き合わせ部に０．０５〜０．６ｍｍのギャップを設け、レーザビームの照射面に、溶接進行方向からフィラーワイヤを供給することを特徴とする請求項１に記載の薄鋼板のレーザ溶接方法。
3. レーザビームの焦点位置が、鋼板の内部に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の薄鋼板のレーザ溶接方法。