JP2013052445A - Laser welding method - Google Patents

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直樹 河田
Masashi Oikawa
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser welding method by which an excellent weld zone can be formed.SOLUTION: In the laser welding method, a molten pool P2 is formed in a work W by a first laser beam L3 and a filler wire Y molten into the form of a liquid droplet by a second laser beam L4 following the first laser beam L3 is cast into the molten pool P2. The filler wire Y cast into the molten pool P2 exhibits action to suppress turbulence in the molten pool P2 caused by irradiation with the first laser beam L3. Consequently, by the laser welding method, an excellent weld zone 32 can be formed whose surface state is in order.

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。   The present invention relates to a laser welding method.

従来のレーザ溶接方法として、レーザ光の焦点位置を所定の軸に沿って被加工物上で変位させながら焦点位置にフィラーワイヤを順次供給して被加工物を溶接するものがある（例えば、特許文献１参照）。   As a conventional laser welding method, there is a method of welding a workpiece by sequentially supplying a filler wire to the focal position while displacing the focal position of the laser beam along the predetermined axis on the workpiece (for example, patent) Reference 1).

特開２００３−３２６３８２号公報JP 2003-326382 A

しかしながら、上述した従来の方法では、被加工物に対してレーザビームが照射された際、被加工物への急激な入熱に起因してスパッタが発生することがある。スパッタが発生すると、母材が飛散し、溶接部が良好に形成されないといった問題が生じるおそれがある。また、被加工物の温度が急激に上昇すると、冷却速度が速くなることに起因して、溶接部の健全性を損ねることも考えられる。   However, in the conventional method described above, when a laser beam is irradiated on the workpiece, spatter may occur due to a rapid heat input to the workpiece. When spatter is generated, the base material is scattered, and there is a possibility that a problem that a welded portion is not formed well is caused. Moreover, when the temperature of a workpiece rises rapidly, it is also considered that the soundness of a welded part is impaired due to an increase in cooling rate.

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、良好な溶接部を形成することができるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a laser welding method capable of forming a good weld.

本発明に係るレーザ溶接方法は、第１のレーザビームを溶接予定線に沿って被加工物に照射して溶融プールを形成すると共に、第１のレーザビームに追従する第２のレーザビームを照射して溶融させたフィラーワイヤを溶融プールに供給して溶接部を形成することを特徴とする。   The laser welding method according to the present invention irradiates a workpiece with a first laser beam along a planned welding line to form a molten pool and irradiates a second laser beam following the first laser beam. Then, the melted filler wire is supplied to the molten pool to form a welded portion.

このレーザ溶接方法では、第１のレーザビームによって被加工物に溶融プールを形成し、第１のレーザビームに追従する第２のレーザビームで溶融させたフィラーワイヤを溶融プールに流し込む。これにより、溶融プール内に生じる乱流が抑制され、表面状態が整った良好な溶接部を形成できる。   In this laser welding method, a molten pool is formed on a workpiece by a first laser beam, and a filler wire melted by a second laser beam following the first laser beam is poured into the molten pool. Thereby, the turbulent flow which arises in a fusion pool is suppressed, and the favorable weld part with which the surface state was prepared can be formed.

また、第１のレーザビームの出力は、第２のレーザビームの出力よりも大きいことが好ましい。被加工物を溶融させるためのヒートマスは、フィラーワイヤを溶融させる場合に比べて大きい。そのため、第１のレーザビームの出力を第２のレーザビームよりも大きくすることで、溶融プールを好適に形成できる。   In addition, the output of the first laser beam is preferably larger than the output of the second laser beam. The heat mass for melting the workpiece is larger than when the filler wire is melted. Therefore, the molten pool can be suitably formed by making the output of the first laser beam larger than that of the second laser beam.

また、第１のレーザビームに先行する第３のレーザビームを被加工物に照射して予熱部分を形成し、予熱部分に第１のレーザビームを照射して溶融プールを形成することが好ましい。予熱部分の形成により、第１のレーザビームによって溶融プールを形成する際に、急激な入熱に起因するスパッタの発生が抑制されるので、母材の飛散を防止でき、良好な溶接部を形成できる。   Further, it is preferable that a preheated portion is formed by irradiating the workpiece with a third laser beam preceding the first laser beam, and a molten pool is formed by irradiating the preheated portion with the first laser beam. Due to the formation of the preheated part, when the molten pool is formed by the first laser beam, the occurrence of spatter due to rapid heat input is suppressed, so that the base material can be prevented from scattering and a good welded part can be formed. it can.

また、第３のレーザビームの出力は、第１のレーザビームの出力よりも小さいことが好ましい。この場合、第３レーザビームによって予熱を行う際のスパッタをより確実に防止でき、第１のレーザビームによる溶融プールをより良好に形成できる。   The output of the third laser beam is preferably smaller than the output of the first laser beam. In this case, sputtering during preheating with the third laser beam can be prevented more reliably, and a molten pool by the first laser beam can be formed better.

また、第３のレーザビームの出力は、第２のレーザビームの出力よりも大きいことが好ましい。この場合、被加工物の予熱をより確実に行うことができる。   The output of the third laser beam is preferably larger than the output of the second laser beam. In this case, the workpiece can be preheated more reliably.

また、レーザビームの光源としてマルチスポットレーザを用いることが好ましい。この場合、上述したレーザ溶接方法を簡易に且つコンパクトに実行できる。   Further, it is preferable to use a multi-spot laser as a laser beam light source. In this case, the laser welding method described above can be executed easily and compactly.

本発明に係るレーザ溶接方法では、良好な溶接部を形成することができる。   In the laser welding method according to the present invention, a good weld can be formed.

本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接方法の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the laser welding method which concerns on 1st Embodiment of this invention. （ａ）は、従来のレーザ溶接方法における溶接部の温度変化を示す図である。（ｂ）は、本実施形態のレーザ溶接方法における溶接部の温度変化を示す図である。(A) is a figure which shows the temperature change of the welding part in the conventional laser welding method. (B) is a figure which shows the temperature change of the welding part in the laser welding method of this embodiment. 本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接方法の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the laser welding method which concerns on 2nd Embodiment of this invention. レーザビームの照射位置近傍の現象を説明する図である。It is a figure explaining the phenomenon of the irradiation position vicinity of a laser beam.

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same or equivalent elements will be denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接方法の概要を示す図である。図１に示すように、このレーザ溶接方法は、例えば端面同士が突き合わされた鉄道車両の外板等の金属板１０ａ，１０ｂ（以下、これらを「ワーク（被加工物）Ｗ」という）同士の溶接に用いられる方法であり、レーザ溶接装置２０を用いて実行される。レーザ溶接装置２０は、可動式のツインスポットレーザ２１と、フィラーワイヤ供給部２２とを含んで構成されている。 [First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing an outline of the laser welding method according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, this laser welding method is performed between, for example, metal plates 10 a and 10 b (hereinafter referred to as “workpiece (workpiece) W”) such as an outer plate of a railway vehicle whose end surfaces are abutted with each other. This method is used for welding, and is performed using the laser welding apparatus 20. The laser welding apparatus 20 includes a movable twin spot laser 21 and a filler wire supply unit 22.

ツインスポットレーザ２１のヘッド内には、光源からのレーザビームを分割するビームスプリッタ（図示しない）が内蔵されている。これにより、ツインスポットレーザ２１のヘッドからは、第１のレーザビームＬ１と、溶接予定線に沿って第１のレーザビームＬ１に追従する第２のレーザビームＬ２とが出射するようになっている。また、第１のレーザビームＬ１の出力は、第２のレーザビームＬ２の出力よりも小さく（Ｌ１＜Ｌ２）なるように設定されている。   A beam splitter (not shown) for dividing the laser beam from the light source is built in the head of the twin spot laser 21. As a result, the head of the twin spot laser 21 emits the first laser beam L1 and the second laser beam L2 that follows the first laser beam L1 along the planned welding line. . The output of the first laser beam L1 is set to be smaller than the output of the second laser beam L2 (L1 <L2).

フィラーワイヤ供給部２２は、レーザビームの照射位置に向けてフィラーワイヤＹを供給する部分である。フィラーワイヤ供給部２２は、ツインスポットレーザ２１の進行方向に対して後方側に配置され、ワークＷの表面に対して約５５度傾斜した状態で、フィラーワイヤＹを供給する。フィラーワイヤＹとしては、例えばワークＷと同素材のものが用いられる。   The filler wire supply unit 22 is a part that supplies the filler wire Y toward the irradiation position of the laser beam. The filler wire supply unit 22 is disposed on the rear side with respect to the traveling direction of the twin spot laser 21 and supplies the filler wire Y in a state inclined about 55 degrees with respect to the surface of the workpiece W. As the filler wire Y, for example, the same material as the workpiece W is used.

続いて、本実施形態に係るレーザ溶接方法を説明する。まず、ワークＷを所定の定盤上にセットする。このとき、ワークＷの端面同士を突き合わせることで、突き合わせ部分Ｌに沿って溶接予定線が設定される。また、第１のレーザビームＬ１の照射位置が溶接予定線の始点に位置するようにツインスポットレーザ２１をセットする。   Next, the laser welding method according to this embodiment will be described. First, the work W is set on a predetermined surface plate. At this time, a planned welding line is set along the abutting portion L by abutting the end faces of the workpiece W together. Further, the twin spot laser 21 is set so that the irradiation position of the first laser beam L1 is positioned at the start point of the planned welding line.

次に、ツインスポットレーザ２１を図１における矢印Ａ方向に所定の速度で移動させる。ツインスポットレーザ２１が移動すると、まず、第１のレーザビームＬ１よって突き合わせ部分Ｌに予熱部分２４が形成される。その後、ツインスポットレーザ２１が更に矢印Ａ方向に進行すると、第１のレーザビームＬ１に追従する第２のレーザビームＬ２が予熱部分２４に照射される。   Next, the twin spot laser 21 is moved at a predetermined speed in the direction of arrow A in FIG. When the twin spot laser 21 moves, first, a preheating portion 24 is formed in the butt portion L by the first laser beam L1. Thereafter, when the twin spot laser 21 further travels in the direction of the arrow A, the preheating portion 24 is irradiated with the second laser beam L2 that follows the first laser beam L1.

このとき、フィラーワイヤ供給部２２によって第２のレーザビームＬ２の照射位置にフィラーワイヤＹが供給され、この位置で溶融プールＰ１が形成される。第２のレーザビームＬ２が溶融プールＰ１を通過すると、溶融プールＰ１が徐々に冷却し、溶接部２３が形成される。ツインスポットレーザ２１が溶接予定線の終点に到達すると、突き合わせ部分Ｌに沿って連続的な溶接部２３が形成され、ワークＷの溶接が終了する。   At this time, the filler wire Y is supplied to the irradiation position of the second laser beam L2 by the filler wire supply unit 22, and the molten pool P1 is formed at this position. When the second laser beam L2 passes through the molten pool P1, the molten pool P1 is gradually cooled, and the welded portion 23 is formed. When the twin spot laser 21 reaches the end point of the planned welding line, a continuous welded portion 23 is formed along the abutting portion L, and the welding of the workpiece W is completed.

上述したように、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、第２のレーザビームＬ２を照射して溶接部２３を形成する前に、第１のレーザビームＬ１を照射して予熱部分２４を形成している。予熱部分２４の形成により、第２のレーザビームＬ２によって溶接部２３を形成する際に急激な入熱に起因するスパッタの発生が抑制されるので、母材の飛散を防止でき、良好な溶接部２３を形成できる。   As described above, in the laser welding method according to the present embodiment, the preheating portion 24 is formed by irradiating the first laser beam L1 before irradiating the second laser beam L2 to form the welded portion 23. ing. The formation of the preheating portion 24 suppresses the generation of spatter due to a rapid heat input when forming the welded portion 23 by the second laser beam L2, thereby preventing the scattering of the base material and a good welded portion. 23 can be formed.

また、このレーザ溶接方法では、第１のレーザビームＬ１を照射し、それに追従してより出力の大きな第２のレーザビームＬ２を照射している。このため、単発でレーザビームの照射を行う場合（図２（ａ）参照）と比べると、本実施形態のようにレーザビームを２段階に照射する場合（図２（ｂ）参照）では、ワークＷの溶融に必要な温度θｃの維持時間が長く（ｔ２＞ｔ１）なっている。また、温度がθｃから常温になるまでの時間も長く（ｔ４＞ｔ３）なっている。このように、ワークＷへの入熱時間を長くすると共に、レーザビーム照射後のワークＷの冷却速度を遅くすることにより、溶接部２３の健全性を担保できる。 In this laser welding method, the first laser beam L1 is irradiated, and the second laser beam L2 having a larger output is irradiated following the irradiation. For this reason, in comparison with the case where the laser beam is irradiated in a single shot (see FIG. 2A), in the case where the laser beam is irradiated in two stages as in this embodiment (see FIG. 2B), the workpiece W maintaining time of temperature theta c required for melting the is longer (t2> t1). Further, the time from the temperature θ c to the normal temperature is also long (t4> t3). In this way, the soundness of the welded portion 23 can be ensured by increasing the heat input time to the workpiece W and slowing the cooling rate of the workpiece W after the laser beam irradiation.

［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係るレーザ溶接方法について説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接方法の概要を示す図である。図３に示すように、このレーザ溶接方法は、レーザ溶接装置３０を用いて実行される。レーザ溶接装置３０は、可動式のマルチスポットレーザ３１と、第１実施形態と同様のフィラーワイヤ供給部２２とを含んで構成されている。 [Second Embodiment]
Next, a laser welding method according to the second embodiment will be described. FIG. 3 is a diagram showing an outline of a laser welding method according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, this laser welding method is executed using a laser welding apparatus 30. The laser welding apparatus 30 includes a movable multi-spot laser 31 and a filler wire supply unit 22 similar to that in the first embodiment.

マルチスポットレーザ３１のヘッド内には、光源からのレーザビームを分割するビームスプリッタ（図示しない）が内蔵されている。これにより、マルチスポットレーザ３１のヘッドからは、第１のレーザビームＬ３と、溶接予定線に沿って第１のレーザビームＬ３に追従する第２のレーザビームＬ４と、第１のレーザビームＬ３に先行する第３のレーザビームＬ５とが出射するようになっている。また、第１〜第３のレーザビームＬ３〜Ｌ５の出力は、Ｌ３＞Ｌ５＞Ｌ４となるように設定されている。   In the head of the multi-spot laser 31, a beam splitter (not shown) that divides the laser beam from the light source is incorporated. Thereby, from the head of the multi-spot laser 31, the first laser beam L3, the second laser beam L4 following the first laser beam L3 along the planned welding line, and the first laser beam L3. The preceding third laser beam L5 is emitted. The outputs of the first to third laser beams L3 to L5 are set to satisfy L3> L5> L4.

続いて、本実施形態に係るレーザ溶接方法を説明する。まず、ワークＷを所定の定盤上にセットする。このとき、ワークＷの端面同士を突き合わせることで、突き合わせ部分Ｌに沿って溶接予定線が設定される。また、第３のレーザビームＬ５の照射位置が溶接予定線の始点に位置するようにマルチスポットレーザ３１をセットする。   Next, the laser welding method according to this embodiment will be described. First, the work W is set on a predetermined surface plate. At this time, a planned welding line is set along the abutting portion L by abutting the end faces of the workpiece W together. Further, the multi-spot laser 31 is set so that the irradiation position of the third laser beam L5 is located at the start point of the planned welding line.

次に、マルチスポットレーザ３１を図３における矢印Ａ方向に所定の速度で移動させる。マルチスポットレーザ３１が移動すると、まず、第３のレーザビームＬ５よって予熱部分３３が形成される。その後、マルチスポットレーザ３１が矢印Ａ方向に進行すると、第３のレーザビームＬ５に追従する第１のレーザビームＬ３が予熱部分３３に照射され、この位置で溶融プールＰ２が形成される。   Next, the multi-spot laser 31 is moved at a predetermined speed in the direction of arrow A in FIG. When the multi-spot laser 31 moves, first, the preheating portion 33 is formed by the third laser beam L5. Thereafter, when the multi-spot laser 31 travels in the direction of arrow A, the pre-heated portion 33 is irradiated with the first laser beam L3 following the third laser beam L5, and a molten pool P2 is formed at this position.

マルチスポットレーザ３１が更に矢印Ａ方向に進行すると、第１のレーザビームＬ３の照射位置に、第２のレーザビームＬ４が追従して照射される。この第２のレーザビームＬ４は、図４に示すように、溶融プールＰ２の後方側から供給されるフィラーワイヤＹの先端を溶融させる。溶融したフィラーワイヤＹは、液滴状となって溶融プールＰ２の後方側に流し込まれる。そして、第２のレーザビームＬ４が溶融プールＰ２を通過すると、溶融プールＰ２が徐々に冷却し、溶接部３２が形成される。マルチスポットレーザ３１が溶接予定線の終点に到達すると、突き合わせ部分Ｌに沿って連続的な溶接部３２が形成され、ワークＷの接合が終了する。   When the multi-spot laser 31 further travels in the direction of arrow A, the second laser beam L4 follows and irradiates the irradiation position of the first laser beam L3. As shown in FIG. 4, the second laser beam L4 melts the tip of the filler wire Y supplied from the rear side of the melting pool P2. The melted filler wire Y becomes droplets and flows into the rear side of the molten pool P2. Then, when the second laser beam L4 passes through the molten pool P2, the molten pool P2 is gradually cooled, and the welded portion 32 is formed. When the multi-spot laser 31 reaches the end point of the planned welding line, a continuous welded portion 32 is formed along the butted portion L, and the joining of the workpieces W is completed.

上述したように、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、第１のレーザビームＬ３によってワークＷに溶融プールＰ２を形成し、第１のレーザビームＬ３に追従する第２のレーザビームＬ４で液滴状に溶融させたフィラーワイヤＹを溶融プールＰ２に流し込む。溶融プールＰ２に流し込まれたフィラーワイヤＹは、第１のレーザビームＬ３の照射によって生じた溶融プールＰ２内の乱流を抑制する作用を発揮する。したがって、このレーザ溶接方法では、表面状態が整った良好な溶接部３２を形成できる。   As described above, in the laser welding method according to the present embodiment, the molten pool P2 is formed on the workpiece W by the first laser beam L3, and the droplet is generated by the second laser beam L4 that follows the first laser beam L3. The filler wire Y melted in a shape is poured into the molten pool P2. The filler wire Y poured into the molten pool P2 exhibits an effect of suppressing turbulent flow in the molten pool P2 caused by irradiation with the first laser beam L3. Therefore, with this laser welding method, it is possible to form a good welded portion 32 with a well-prepared surface state.

また、このレーザ溶接方法では、第１のレーザビームＬ３に先行する第３のレーザビームＬ５をワークＷに照射して予熱部分３３を形成し、予熱部分３３に第１のレーザビームＬ３を照射して溶融プールＰ２を形成している。したがって、第１実施形態と同様に、第１のレーザビームＬ３によって溶融プールＰ２を形成する際に急激な入熱に起因するスパッタの発生が抑制されるので、母材の飛散を防止でき、一層良好な溶接部３２を形成できる。   In this laser welding method, the workpiece W is irradiated with the third laser beam L5 preceding the first laser beam L3 to form the preheating portion 33, and the preheating portion 33 is irradiated with the first laser beam L3. Thus, a molten pool P2 is formed. Therefore, as in the first embodiment, since the generation of spatter due to rapid heat input is suppressed when the molten pool P2 is formed by the first laser beam L3, scattering of the base material can be prevented. A good weld 32 can be formed.

また、このレーザ溶接方法では、第１〜第３のレーザビームＬ３〜Ｌ５の出力がＬ３＞Ｌ５＞Ｌ４となるように設定されている。ワークＷを予熱や溶融させるためのヒートマスは、フィラーワイヤＹを溶融させる場合に比べて大きい。そのため、出力をＬ３＞Ｌ５＞Ｌ４となるように設定することで、ワークＷの予熱を確実に行うことができると共に、第１のレーザビームＬ３による溶融プールＰ２をより良好に形成できる。   In this laser welding method, the outputs of the first to third laser beams L3 to L5 are set to satisfy L3> L5> L4. The heat mass for preheating or melting the workpiece W is larger than when the filler wire Y is melted. Therefore, by setting the output to satisfy L3> L5> L4, the workpiece W can be reliably preheated, and the molten pool P2 by the first laser beam L3 can be formed better.

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、光源からのレーザビームをビームスプリッタで分割して、レーザビームＬ１〜Ｌ５を出射させる構成としたが、例えばレーザビームＬ１〜Ｌ５に対応する別箇の光源を設ける構成としてもよい。   The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, the laser beam from the light source is divided by the beam splitter to emit the laser beams L1 to L5. However, for example, another light source corresponding to the laser beams L1 to L5 may be provided. Good.

１０ａ，１０ｂ…金属板（被加工物）、２３，３２…溶接部、２４，３３…予熱部分、Ｌ１，Ｌ３…第１のレーザビーム、Ｌ２，Ｌ４…第２のレーザビーム、Ｌ５…第３のレーザビーム、Ｌ…突き合わせ部分（溶接予定線）、Ｙ…フィラーワイヤ、Ｐ１，Ｐ２…溶融プール、Ｗ…ワーク（被加工物）。   10a, 10b ... metal plate (workpiece), 23, 32 ... weld, 24, 33 ... preheated part, L1, L3 ... first laser beam, L2, L4 ... second laser beam, L5 ... third Laser beam, L ... butting portion (scheduled welding line), Y ... filler wire, P1, P2 ... melt pool, W ... workpiece (workpiece).

Claims (6)

第１のレーザビームを溶接予定線に沿って被加工物に照射して溶融プールを形成すると共に、前記第１のレーザビームに追従する第２のレーザビームを照射して溶融させたフィラーワイヤを前記溶融プールに供給して溶接部を形成することを特徴とするレーザ溶接方法。   A filler wire is formed by irradiating a workpiece along a planned welding line with a first laser beam to form a molten pool, and irradiating a second laser beam following the first laser beam to melt the filler wire. A laser welding method, wherein a weld is formed by supplying the molten pool. 前記第１のレーザビームの出力は、前記第２のレーザビームの出力よりも大きいことを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。   The laser welding method according to claim 1, wherein an output of the first laser beam is larger than an output of the second laser beam. 前記第１のレーザビームに先行する第３のレーザビームを前記被加工物に照射して予熱部分を形成し、当該予熱部分に前記第１のレーザビームを照射して前記溶融プールを形成することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。   Irradiating the workpiece with a third laser beam preceding the first laser beam to form a preheated portion, and irradiating the preheated portion with the first laser beam to form the molten pool. The laser welding method according to claim 1 or 2. 前記第３のレーザビームの出力は、前記第１のレーザビームの出力よりも小さいことを特徴とする請求項３記載のレーザ溶接方法。   The laser welding method according to claim 3, wherein an output of the third laser beam is smaller than an output of the first laser beam. 前記第３のレーザビームの出力は、前記第２のレーザビームの出力よりも大きいことを特徴とする請求項３又は４記載のレーザ溶接方法。   The laser welding method according to claim 3 or 4, wherein an output of the third laser beam is larger than an output of the second laser beam. 前記レーザビームの光源としてマルチスポットレーザを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。   The laser welding method according to any one of claims 1 to 5, wherein a multi-spot laser is used as a light source of the laser beam.
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