JP2013166160A - Shielding gas jetting method in laser welding - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光を用い、第1、第2の被溶接母材をレーザ溶接する場合に用いるシールドガスの噴出方法に関する。 The present invention relates to a shielding gas ejection method used when laser welding is performed on first and second workpieces to be welded using laser light.
通常、レーザ溶接における溶接部のシールド方法は、レーザ光に沿って溶接部にシールドガスを噴射するセンターノズル方式や、斜め上方からシールドガスを噴出するサイドノズル方式(特許文献1参照)が提案されていた。特に、特許文献2はサイドノズル方式で、シールドガスをプラズマに指向させ、カーテン状にシールドガスを噴射して溶融の停滞を引き起こすプラズマを除去すると共に、このシールドガスで溶融部を冷却して溶融幅を狭くし、かつ溶け込み深さを深くする技術が提案されている。
Usually, as a method for shielding a welded portion in laser welding, a center nozzle method for injecting a shielding gas to the welded portion along a laser beam and a side nozzle method for injecting a shielding gas obliquely from above (see Patent Document 1) have been proposed. It was. In particular,
そして、特許文献3には、比較的厚い材料を大出力レーザにより溶接する場合、ガスノズルの角度を変えて、スポット欠陥を減少させ、溶接部の品質及び歩留りを向上することが記載されている。
しかしながら、図2(B)に示すように、実際にガスノズルの角度をレーザ光照射方向に対して斜めにして突合せ溶接を行うと、ガスが溶融金属を開先内に押し込み、溶接部にポロシティ(気泡)が発生し、これによって溶接不良が発生することを知見した。 However, as shown in FIG. 2B, when butt welding is actually performed with the angle of the gas nozzle inclined with respect to the laser beam irradiation direction, the gas pushes the molten metal into the groove, and porosity ( It was found that air bubbles) were generated, which caused poor welding.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、溶接部を覆うシールドガスの噴射方向を変えて、より欠陥の少ないレーザ溶接を行うレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a method for jetting shield gas in laser welding in which laser welding with fewer defects is performed by changing the jet direction of the shield gas covering the welded portion. To do.
前記目的に沿う本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法は、レーザ溶接を行う第1の被溶接母材と第2の被溶接母材の溶接部へのシールドガスの噴射方法であって、
前記シールドガスを前記第1、第2の被溶接材母材の少なくともいずれか1の表面に平行で、かつ前記溶接部の直上に向けてノズルから噴出する。
A method for jetting shield gas in laser welding according to the present invention that meets the above-described object is a method for injecting shield gas to a welded portion of a first welded base material and a second welded base material that perform laser welding. ,
The shield gas is ejected from the nozzle in parallel to at least one of the surfaces of the first and second workpiece base materials and directly above the weld.
本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、前記ノズルから吹き出すシールドガスの流量は、8〜30L/min(リットル/分)の範囲、前記ノズルの軸線と前記溶接部との距離は15〜30mmの範囲、かつ前記ノズルの噴出口と前記レーザ溶接を行うレーザ光との距離は20〜50mmの範囲にあるのが好ましい。 In the method for jetting shield gas in laser welding according to the present invention, the flow rate of the shield gas blown from the nozzle is in the range of 8 to 30 L / min (liters / minute), and the distance between the axis of the nozzle and the welded portion is 15. The distance between the nozzle outlet and the laser beam for laser welding is preferably in the range of 20 to 50 mm.
また、本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、前記ノズルの噴出口は円筒形で、前記ノズルの内部に前記シールドガスの流れの均等化を行うガスレンズが設けられているのが好ましい。 Further, in the method for jetting shield gas in laser welding according to the present invention, the nozzle has a cylindrical jet nozzle, and a gas lens for equalizing the flow of the shield gas is provided inside the nozzle. preferable.
本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、前記ノズルから噴出されるシールドガスの流速は、6〜25m/secの範囲にあるのが好ましい。 In the method for ejecting shield gas in laser welding according to the present invention, the flow rate of the shield gas ejected from the nozzle is preferably in the range of 6 to 25 m / sec.
そして、本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、前記シールドガスがAr又はN2であるのが好ましい。 Then, the ejection method of shielding gas in the laser welding according to the present invention, preferably the shielding gas is Ar or N 2.
本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法においては、シールドガスを第1、第2の被溶接材母材の少なくともいずれか1の表面に平行で、かつ溶接部の直上に向けてノズルから噴出するので、溶接部の溶融金属がシールドガスによってカバーされると共に、溶融金属がルートギャップ内に強制的に押し込まれたり、溶接部内に生じた微小空間を閉塞することがない。従って、ポロシティが全くないか、極めて少ない溶接部となる。 In the method of jetting shield gas in laser welding according to the present invention, the shield gas is parallel to at least one of the surfaces of the first and second workpieces to be welded and directed from the nozzle directly above the weld. Since it is ejected, the molten metal in the welded portion is covered with the shielding gas, and the molten metal is not forced into the root gap and does not block the minute space generated in the welded portion. Therefore, the welded portion has no or very little porosity.
本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、ノズルから吹き出すシールドガスの流量を、8〜30L/minの範囲、ノズルの軸線と溶接部との距離を15〜30mmの範囲、かつノズルの噴出口とレーザ溶接を行うレーザ光との距離を20〜50mmの範囲にした場合は、シールドガスが溶接部を覆い、溶接部での溶融金属を押し下げようとするシールドガスの力が小さいので、溶接部に対して斜め方向又は上方向からシールドガスを吹き付ける場合に比較して、ポロシティの発生が激減する。 In the method for jetting shield gas in laser welding according to the present invention, the flow rate of the shield gas blown from the nozzle is in the range of 8 to 30 L / min, the distance between the nozzle axis and the welded portion is in the range of 15 to 30 mm, and the nozzle When the distance between the jet port and the laser beam for laser welding is in the range of 20 to 50 mm, the shield gas covers the weld and the force of the shield gas that pushes down the molten metal at the weld is small. The generation of porosity is drastically reduced as compared with the case where the shielding gas is blown from the oblique direction or upward direction to the welded portion.
特に、本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、ノズルの噴出口が円筒形で、ノズルの内部にシールドガスの流れの均等化を行うガスレンズが設けられた場合は、ノズルから噴き出すシールドガスの流れが整流され、溶接部の直上のより広い範囲を覆うことができる。 In particular, in the method for jetting shield gas in laser welding according to the present invention, when the nozzle nozzle has a cylindrical nozzle and a gas lens for equalizing the flow of the shield gas is provided inside the nozzle, the nozzle is jetted from the nozzle. The flow of shielding gas is rectified and can cover a wider area directly above the weld.
本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、ノズルから噴出されるシールドガスの流速が、6〜25m/secの範囲にある場合には、溶接部の直上に発生するプルーム(金属蒸気又はプラズマ)を吹き飛ばして、レーザ光の遮りを減少し、レーザ溶接の効率が上昇する。 In the method of jetting shield gas in laser welding according to the present invention, when the flow velocity of the shield gas jetted from the nozzle is in the range of 6 to 25 m / sec, a plume (metal vapor or (Plasma) is blown away, and the shielding of the laser beam is reduced, and the efficiency of laser welding is increased.
続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施の形態について説明する。
まず、図1、図2を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法を適用した溶接方法及びその装置について説明する。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, with reference to FIGS. 1 and 2, a welding method and apparatus to which a shield gas injection method in laser welding according to an embodiment of the present invention is applied will be described.
図1に示すように、中央に隙間を有する架台10と、架台10上で、しかも図1において手前と奥の前後に突合せて配置された第1の被溶接母材11と第2の被溶接母材12(それぞれ母材)とからなる試験材13と、試験材13の溶接部(突合せ部)に向けて配置されたレーザ溶接ヘッド14と、レーザ溶接ヘッド14を垂直状態に保持し、ガイド部材15に沿って水平方向に移動させる台車16とを有している。
As shown in FIG. 1, a
台車16には図示しない支持部材を介してシールドガスを噴出するノズル18が設けられている。このノズル18は第1、第2の被溶接母材11、12の表面(平面)と平行で、その溶接部(正確には溶接予定部、即ち溶接線)の直上に配置され、このノズル18の軸線と試験材13の表面との距離cが15〜30mm(好ましくは、18〜25mm)の範囲にあり、垂直に向いたレーザ溶接ヘッド14からのレーザ光とノズル18の噴出口23との距離dは、20〜50mmの範囲となっている。なお、距離cを15mmより短くすると、ノズル18が試験材13の表面に当接する恐れがあり、距離cが30mmを超えると、ノズル18から発生するガスが溶接部をシールドしないことになる。また、距離dが20〜50mmの範囲を外れると、溶接部のガスによるカバーが困難となる。これによって、レーザ光が直接照射される溶接部の直上がシールドガスによってカバーされる。
The
レーザ溶接ヘッド14にはファイバーレーザ溶接法が適用され、レーザ発振器本体19によって発するレーザ光は、光ファイバー20を介してレーザ溶接ヘッド14に送られている。この実施の形態では、レーザ溶接ヘッド14からは、最大出力2kWのレーザ光が溶接部に照射され、焦点距離250mm、集光径が480μmであった。
A fiber laser welding method is applied to the
ノズル18の出側の円筒形の噴出口23の直径eは10mmで、シールドガスとしてArガスを使用し、更に、ノズル18内には流れるガスの均等化を行う周知構造のガスレンズが配置されている。このノズル18の噴出口23での流速は6〜25m/secで、レーザ光の照射位置、即ち、レーザ溶接ヘッド14の軸線上では、その一部が低速になって拡散し、溶接部を覆うようになっている。なお、ノズル18は全長に渡って直線状で、噴出口から乱流、屈曲流を形成する屈曲部(途中曲がり)は存在しないものを使用した。ここで、ノズル18から噴出されるシールドガスの流量は8〜30L/min程度である。
The diameter e of the
第1、第2の被溶接母材11、12は厚みが4.5mmの普通鋼板(SS400)からなり、0.1〜0.3mmのルート間隙(ギャップ)を設けて配置し、溶接速度12〜20mm/sec(更に詳細には14〜18mm/sec)で溶接すると、裏波を有する良好の溶接が可能となった。溶接部を切断してポロシティの有無を検査すると、ポロシティは殆どなかった。なお、図3では一方のルート間隙を0他方を0.3mmとして、溶接長さを220mmとし、ルート間隙を徐々に変えた例を示している。
The first and
続いて、発明の作用、効果を確認するために行った実施例1について説明する。図2(A)では、ノズル18は、試験材13の表面に対して水平、溶接部に対して平行であった(即ち、溶接線の表面に平行)が、ノズル18を水平にした場合の方が、ノズル18を図2(B)に示すように斜めにした場合より、良好であることを調べる実験を行った。なお、図2(B)において、ノズル18の試験材13の表面に対する角度は40度で、溶接部からノズル18の噴出口23までの距離は40mmとし、流すガス及びその流量、及びその他の条件は、図2(A)の場合と同一であった。
Then, Example 1 performed in order to confirm the effect | action and effect of invention is demonstrated. In FIG. 2A, the
実験によるとノズル18を傾斜させた場合は、ノズル18を水平にした場合より、溶接部に発生するポロシティの量が多かった。この原因は、レーザ光で溶融した溶融金属を斜めに向けたノズル18から発生するガスが溶接部内に押し込み、これによってポロシティの発生量が多いものとなる。なお、ガス流をレーザ光と同軸で流す方法においても、溶接部をガスで抑え込むので、ポロシティが多いことが確認されている。
ここで、ノズルからの流速を減らすことも考えられるが、ガス流量を減らすと、溶接部から発生するプルームの除去ができず、結果としてプルームがレーザ光を遮り、溶接入熱の減少を齎す。
According to the experiment, when the
Here, it is conceivable to reduce the flow velocity from the nozzle. However, if the gas flow rate is reduced, the plume generated from the welded portion cannot be removed, and as a result, the plume blocks the laser beam, thereby reducing the welding heat input.
次に、実施例2において、第1、第2の被溶接母材11、12の開先ギャップ(ルート間隙)と、ノズル18へのガス供給量と、ポロシティレベルとの関係を調べる実験を行った。溶接部が平面となった第1、第2の被溶接母材11、12(厚みが4.5mm、幅が100mm、長さが300mm)の一方を接し、他方に0.3mmのスペーサを配置して、開先ギャップを徐々に変化させて、ノズル18は図2(A)に示すように水平として、レーザ溶接を行った。これによって、開先ギャップを変えた場合の溶接状況を容易に把握できる。その結果を図4(A)、(B)に、溶接部が厚み方向上下に貫通せず、裏側に未溶接部分が残る場合(「部分溶込み溶接」という)と、溶接部が開先ギャップを上下に貫通する場合(「貫通溶接」という)で示す。
Next, in Example 2, an experiment was conducted to examine the relationship between the groove gap (root gap) of the first and
図4(A)、(B)は、ポロシティが溶接部全線に及ぶものを1、ポロシティがない状態を5として、ポロシティの量に応じて5段階で示している。シールドガスとしてArを用いた場合、図4(A)においてはガス供給量10L/minでは全くポロシティが発生しなかったが、ガス供給量を増やす(例えば、35L/min)と、ポロシティが発生する傾向がみられた。なお、図4(B)に示すように、貫通溶接(突合せ面の全部を溶かす場合)では、ポロシティの発生は殆どなかった。シールドガスがN2の場合は、図4(A)、(B)に示すように、ガスの供給量が20L/minでポロシティの発生はなかった。
4 (A) and 4 (B), the case where the porosity reaches the entire welded line is 1, and the state where there is no porosity is 5, and it is shown in five stages according to the amount of porosity. When Ar is used as the shielding gas, no porosity is generated at a gas supply rate of 10 L / min in FIG. 4A, but a porosity is generated when the gas supply rate is increased (for example, 35 L / min). There was a trend. In addition, as shown in FIG. 4B, in the case of through welding (when all of the butt surfaces are melted), there was almost no generation of porosity. When the shielding gas was N 2 , as shown in FIGS. 4A and 4B, no porosity was generated at a gas supply rate of 20 L / min.
次に、図5(A)、(B)には、シールドガスをAr又はN2にした場合の、シールドガス供給量とプルーム高さの関係を示すが、図5(B)に示すように、貫通溶接の場合は、シールドガスの流量を変えても、プルーム高さとの相関性は認められなかった。また、図5(A)に示すように、部分溶込み溶接の場合は、貫通溶接に比較しプルーム高さが高いことが分かる。これらのことから、貫通溶接の場合は、照射面側及び裏面側からプルームが噴出することが分かる。なお、ガスの種類(Ar、N2)を変えてもプルームの高さに変化はなかった。 Next, FIGS. 5A and 5B show the relationship between the shielding gas supply amount and the plume height when the shielding gas is Ar or N 2 , as shown in FIG. 5B. In the case of through welding, no correlation with the plume height was observed even when the flow rate of the shielding gas was changed. Further, as shown in FIG. 5A, in the case of partial penetration welding, it can be seen that the plume height is higher than that of through welding. From these facts, it can be seen that plumes are ejected from the irradiated surface side and the back surface side in the case of through welding. Note that the plume height did not change even when the gas type (Ar, N 2 ) was changed.
図6は、シールドガス供給量、ポロシティの発生状況を示すグラフである。ここで、実線は貫通溶接を、破線は部分溶込み溶接を示す。また、特記のないものは1)シールドガスがAr、2)ノズルは水平ノズル、3)ノズルからの噴出の方向は溶接方向前方から後方にしている。レーザ光軸に対して傾斜したノズルを用いると、ポロシティの発生が多く、ノズルを水平にすると、ポロシティの発生が減少することが分かる。また、貫通溶接の方が部分溶込み溶接よりポロシティが少ない。 FIG. 6 is a graph showing the amount of shield gas supplied and the occurrence of porosity. Here, a solid line shows penetration welding and a broken line shows partial penetration welding. Further, unless otherwise specified, 1) the shielding gas is Ar, 2) the nozzle is a horizontal nozzle, and 3) the direction of ejection from the nozzle is from the front to the rear in the welding direction. It can be seen that the use of a nozzle inclined with respect to the laser optical axis causes a lot of porosity, and if the nozzle is made horizontal, the generation of porosity decreases. Also, penetration welding has less porosity than partial penetration welding.
図7にシールドガス供給量と連続した貫通溶接が開始した間隙(開先ギャップ)とその溶接条件でのポロシティの状況を示すが、ノズルを水平に配置した場合、いずれの場合においても、傾斜ノズルよりポロシティが減少することが分かる。
また、表1にはレーザ出力等エネルギー密度を変えた場合のポロシティの発生状況を示すが、レーザ出力等が変わっても水平ノズルの場合はポロシティの発生はないか少なくなることが分かる。ここで、焦点外し距離は、溶接部の表面からレーザ光の焦点までの距離をいう(試験材内にあるので、マイナス表示をしている)。
FIG. 7 shows the shielding gas supply amount and the gap (groove gap) where continuous welding is started and the porosity under the welding conditions. In the case where the nozzle is horizontally arranged, the inclined nozzle is used in any case. It can be seen that the porosity decreases more.
Table 1 shows the occurrence of porosity when the energy density such as laser output is changed. It can be seen that the occurrence of porosity is reduced or reduced in the case of a horizontal nozzle even if the laser output is changed. Here, the defocusing distance refers to the distance from the surface of the welded portion to the focal point of the laser beam (since it is in the test material, it is displayed as a minus sign).
シールドガスにArガス、及びN2ガスを用いて溶接試験を行い、継手引張及び曲げ試験(JISZ3121、JISZ3122)を行ったが、引張試験では母材破断し、引張強さは515N/mm2以上であり、曲げ試験でも疵はなかった。 Ar gas shielding gas, and N 2 do welding test using a gas, the joint tensile and bending test (JISZ3121, JISZ3122) were subjected to, in a tensile test fracture matrix, the tensile strength 515n / mm 2 or more There was no flaw even in the bending test.
本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で変更可能である。例えば、レーザ溶接の出力、ノズルの直径、試験材の厚みなどは任意である。 The present invention is not limited to the above embodiment, and can be changed without changing the gist of the present invention. For example, laser welding output, nozzle diameter, test material thickness, etc. are arbitrary.
例えば、ガスレンズの位置は、ノズル内だけではなく、ノズル手前でガスが通る支持部材にあってもよい。また、溶接の対象となる継手は、実施の形態ではI型突合せであるが、Y型突合せや、T継手、角継手、重ね継手、ヘリ継手にも本発明は適用可能である。 For example, the position of the gas lens may be not only in the nozzle but also in the support member through which the gas passes in front of the nozzle. In addition, the joint to be welded is I-type butt in the embodiment, but the present invention can also be applied to Y-type butt, T-joint, square joint, lap joint, and helicopter joint.
また、レーザ溶接部にフィラーワイヤを供給する場合や、そのワイヤに電圧をかけてアークを発生させるレーザアークハイブリット溶接にも本発明は適用可能である。 The present invention can also be applied to the case where a filler wire is supplied to the laser welding portion, or to laser arc hybrid welding in which a voltage is applied to the wire to generate an arc.
10:架台、11:第1の被溶接母材、12:第2の被溶接母材、13:試験材、14:レーザ溶接ヘッド、15:ガイド部材、16:台車、18:ノズル、19:レーザ発振器本体、20:光ファイバー、23:噴出口
10: mount, 11: first welded base material, 12: second welded base material, 13: test material, 14: laser welding head, 15: guide member, 16: carriage, 18: nozzle, 19: Laser oscillator body, 20: optical fiber, 23: jet outlet
Claims (5)
前記シールドガスを前記第1、第2の被溶接材母材の少なくともいずれか1の表面に平行で、かつ前記溶接部の直上に向けてノズルから噴出することを特徴とするレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法。 A method for injecting a shielding gas to a welded portion of a first welded base material and a second welded base material that performs laser welding,
The shield gas in laser welding, wherein the shield gas is jetted from a nozzle parallel to at least one surface of the first and second workpiece base materials and directly above the weld. How to erupt.
The method for jetting shield gas in laser welding according to claim 1, wherein the shield gas is Ar or N 2 .
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