JP2013176809A - 金属板のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ溶接機本体の前方や後方に整形ロールを備えたレーザ溶接において、発生するスパッタによる被溶接材の外観品質の低下を防止できる金属板のレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】溶接前の突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧して金属板表裏面を整形する前方整形ロールに噛み込む直前の金属板の表面に気体を噴射し、および／または溶接後の溶接部を板厚の上下方向から押圧して溶接部を整形する後方整形ロールに噛み込む直前の金属板の表面に向けて気体を噴射して、金属板上のスパッタを吹き飛ばしながらレーザビームを照射して溶接し、溶融池から飛散するスパッタに向けて、溶接部気体噴射ノズルから溶融池の直上を横切って気体を噴射するものであり、溶接部気体噴射ノズルは、その噴射口の下端に沿う延長線と、溶融池との垂直距離が３ｍｍ以下となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属板のレーザ溶接方法およびその装置に関し、詳しくは溶接時に発生するスパッタが被溶接材に付着することによる溶接品質の低下を抑制する金属板のレーザ溶接方法およびその装置に関する。

レーザ溶接は、高密度エネルギ光線であるレーザビームを光学部品により集光して被溶接材に照射し、被溶接材を溶融させる溶接法である。レーザ溶接によれば、アーク溶接などの他の溶接法と比べ、高速溶接が可能であり、かつ、その熱影響範囲が小さいという特徴を有する。

レーザ溶接は、このような特徴を活かし、例えば、自動車の組み立て溶接やテーラードブランク溶接などの部材溶接への適用例が見られる。そのほか、金属板を連続処理する例えば酸洗ラインや冷間圧延ラインなどの連続ラインにおいて、途切れることなく金属板を連続ラインへ供給するために、先行する金属板の後端面と、後行する金属板の先端面とを突き合わせ溶接する、いわゆるコイル継ぎ溶接工程に適用される例も見られる。

コイル継ぎ溶接工程のように端面同士を突き合わせて溶接する装置では、先行する被溶接材の端面と後行する被溶接材の端面とを精度良く溶接するため、前処理として溶接装置に取り付けた切断装置で先行する被溶接材の端と後行する被溶接材の端を切断する。このとき、突き合わせ部を形成する端部は平らな表面ではなく微小な形状のばらつきを生じ得るとともに、切断端面にはかえりが発生する場合がある。このように端部の形状がばらついたり、かえりが発生したりした状態でレーザ溶接を行うと端面の突き合わせギャップの変化により段差溶接または穴あき溶接等の形状不良が生じるという問題がある。

そこで、切断装置と溶接機との間に上下一対の整形ロールを設け、切断した後の突き合わせ部を整形ロールで押圧することにより、切断によって生じるかえりや切断形状のばらつき等の突き合わせ部における形状不良を矯正することができる。さらには、切断精度の限界から生じる突き合わせ時の隙間を小さくし、溶接工程において均一で安定した溶接部が得られることが知られている。なお、このロールを前方整形ロールと呼ぶ。

一方、先行被溶接材の板厚と後行被溶接材の板厚とが異なる場合、溶接部において母材との間に段差が生じる。また、溶接工程により溶接部にビード盛り上がり等の表面凹凸変形が生じる。このような段差や表面凹凸変形が生じた状態で、被溶接材が後工程である連続ラインに供給されて繰り返し曲げを受ける場合、溶接部に曲げ応力が作用し、この溶接部で破断するという問題がある。

そこで、溶接機の下流側に上下一対の整形ロールを設け、この整形ロールで溶接部を押圧することで、段差や表面凹凸変形を矯正する方法が知られている。この整形ロールを後方整形ロールと呼ぶ。

ところで、レーザ溶接においては、高密度エネルギを照射するが故に急激な金属の溶融を伴い、形成された溶融池から溶融金属が飛散することがある。これは、被溶接材の品質を確保する上で問題となることがある。この飛散する溶融金属をスパッタという。

上記したように、コイル継ぎ溶接で被溶接材に付着したスパッタは、例えば、次の圧延工程で圧延ロールにより圧延されるが、スパッタにより圧延ロールに凹み疵が生じ、以後の圧延において、金属板表面に圧延ロールから凹み疵が転写され、製品の外観品質を損なう。また、金属板表面に付着したスパッタが金属板内部に押し込まれ、以後の圧延工程における板破断の要因となる。このように、被溶接材に付着したスパッタは、被溶接材の品質を低下させるため研削等の必要が生じ、生産効率の阻害要因となる。

このような、溶接時に発生するスパッタの付着に対する対策として特許文献１乃至５が開示されている。特許文献１にはスパッタ遮蔽板と高速気流によるスパッタの付着防止方法が開示されている。これによれば遮蔽板によりスパッタを遮蔽し、遮蔽板中の通光孔を通過するスパッタは高速気流により吹き飛ばすことができる。特許文献２には、レーザ加工ヘッドの先端を二重管状のノズルとし、外側のノズルで遮蔽カーテンを形成することが開示されている。特許文献３には、センターコーンから供給されるガス圧に対して０．６倍乃至１．２倍のガス圧力のガスをサイドに設けたノズルから鋭角上方より噴射してスパッタを飛散させる方法が開示されている。これによれば、溶融池から飛散したスパッタに対し、離脱直後にサイドガス流により方向性を与え、レーザヘッド内に侵入するスパッタ量を低減させることができる。特許文献４には、保護ガラスによる保護に加え、加工ヘッド内に超音波ガスを流すこと、および加工ノズル先端を漏斗形状とすることで、ノズル先端部の孔からスパッタを吸い込む能力を向上させ、加工ノズル内部で飛散するスパッタを効率良く吹き飛ばすことが開示されている。特許文献５には管の円周溶接を対象としてレーザ加工ノズルと被溶接材との間に横方向から流体を噴射する技術が開示されている。

特開平６−１７０５７７号公報 特開平１１−１２３５７８号公報 特開平１０−３２８８７６号公報 特開平９−１６４４９５号公報 特開２００３−３３４６８６号公報

しかしながら、レーザ溶接機の前後に整形ロールを備えた溶接装置による溶接方法では、特許文献１乃至５に記載された方法でも、スパッタの付着による表面品質の低下防止は不十分で、問題となることが判った。

そこで、本発明は、金属板のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関し、詳しくは、レーザ溶接機本体の前方や後方に整形ロールを備えた溶接装置によるレーザ溶接において、溶接時に発生するスパッタによる被溶接材の外観品質の低下を防止することができる金属板のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供することを課題とする。

発明者らは、鋭意検討の結果、以下の知見を得て発明を完成させた。
（１）外観品質を損なう凹み傷の原因の１つは、溶融池から飛散したスパッタが前方整形ロールと被溶接材との間や後方整形ロールと被溶接材との間に巻き込まれることにある。すなわち、スパッタが前方整形ロールと被溶接材との間や後方整形ロールと被溶接材との間に巻き込まれると、被溶接材の特に溶接部やその周辺部にスパッタの押し込みによる凹み傷が生じ、外観品質を損なう。また、スパッタの巻き込みにより整形ロール表面に凹み傷が生じると、被溶接材に転写され、製品の外観品質を損なう。さらに、被溶接材の凹み傷は外観品質を損なうだけでなく、溶接部の強度低下を招き、次の工程で溶接部破断の要因となる。

（２）前方整形ロールや後方整形ロールと被溶接材との間に巻き込まれるスパッタ、すなわち整形ロールに押圧される直前のスパッタは、溶接材に固着していないスパッタ（非固着スパッタ）と固着しているスパッタ（固着スパッタ）に分類される。

（３）溶融池から飛散するスパッタに対して、横方向から気体を吹き付けることにより、スパッタは気体の噴射方向に吹き飛ばされる。これにより、スパッタが被溶接材の表面に付着するまでの飛散時間が長くなり、スパッタの表面が十分に冷却され、また、溶融池からより離れた、鋼板温度が低い部分に飛散するため、金属板表面への固着が抑制される。すなわち固着スパッタの数が大幅に減少するため、固着スパッタの整形ロールへの巻き込みが抑制される。

（４）整形ロールに巻き込まれる直前のスパッタに向けて、気体を吹き付けることにより、被溶接材表面上の非固着スパッタは容易に吹き飛ばされ、非固着スパッタの整形ロールへの巻き込みを防止できる。

（５）前方整形ロールとレーザ溶接機本体との間に溶接する前の被溶接材の突き合わせ部を加熱する誘導加熱コイルなどの加熱手段を設ける場合や、レーザ溶接機本体と後方整形ロールとの間に、溶接部を加熱する誘導加熱コイルなどの加熱手段を設ける場合も、同様に適用できる。

以下、本発明について説明する。

請求項１に記載の発明は、複数の金属板の端部同士を突き合わせ、突き合わせた金属板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して突き合わせ部分を溶接して溶接部を有する溶接金属板を得る金属板のレーザ溶接方法であって、溶接前の突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧することにより突き合わせ部分の金属板表裏面を整形する前方整形ロールに噛み込む直前の金属板の表面に気体を噴射し、および／または溶接後の溶接部を板厚の上下方向から押圧することによって溶接部を整形する後方整形ロールに噛み込む直前の金属板の表面に向けて気体を噴射して、金属板上のスパッタを吹き飛ばしながらレーザビームを照射して溶接し、さらに、レーザビームの照射により形成される金属板の溶融池から飛散するスパッタに向けて、溶接部気体噴射ノズルから溶融池の直上を横切って気体を噴射するものであり、溶接部気体噴射ノズルは、当該溶接部気体噴射ノズルの噴射口の下端に沿う延長線と、溶融池との垂直距離が３ｍｍ以下となるように配置されていることを特徴とする金属板のレーザ溶接方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の金属板のレーザ溶接方法において、溶接部気体噴射ノズルは、当該溶接部気体噴射ノズルの基部に２つの並列する気体の噴射口を有するものである。

請求項３に記載の発明は、複数の金属板の端部同士を突き合わせ、突き合わせた金属板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して突き合わせ部分を溶接して溶接部を有する溶接金属板を得る金属板のレーザ溶接方法であって、溶接前の突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧することにより突き合わせ部分の金属板表裏面を整形する前方整形ロールに噛み込む直前の金属板の表面に気体を噴射し、および／または溶接後の溶接部を板厚の上下方向から押圧することによって溶接部を整形する後方整形ロールに噛み込む直前の金属板の表面に向けて気体を噴射して、金属板上のスパッタを吹き飛ばしながらレーザビームを照射して溶接し、さらに、レーザビームの照射により形成される金属板の溶融池から飛散するスパッタに向けて、溶接部気体噴射ノズルから溶融池の直上を横切って気体を噴射するものであり、溶接部気体噴射ノズルは、当該溶接部気体噴射ノズルの基部に２つの並列する気体の噴射口を有するものであることを特徴とする金属板のレーザ溶接方法である。

請求項４に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の金属板のレーザ溶接方法において、２つの並列する噴射口の内側の間隔は、溶融池の幅に対して０．５倍以上１倍以下であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、複数の金属板の端部同士を突き合わせ、突き合わせた金属板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して突き合わせ部分を溶接して溶接部を有する溶接金属板を得る金属板のレーザ溶接装置であって、レーザビームを発振する発振機と、該発振機から放出されるレーザビームを伝送する光ファイバと、光ファイバが接続された光学系を有するレーザ溶接機本体と、を備え、突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧することにより突き合わせ部分の金属板表面を整形する前方整形ロール、および／または溶接部を板厚の上下方向から押圧することによって溶接部を整形する後方整形ロールを具備し、さらに、前方整形ロール、および後方整形ロールの少なくとも一方には、該前方整形ロール、または後方整形ロールに噛み込む直前の前記金属板の表面に向けて気体を噴射する整形ロール気体噴射手段を有し、さらに、レーザビームの照射により形成される金属板の溶融池から飛散するスパッタに向け前記溶融池の直上を横切って気体を噴射する溶接部気体噴射ノズルを有し、溶接部気体噴射ノズルは、当該溶接部気体噴射ノズルの噴射口の下端に沿う延長線と、溶融池との垂直距離が３ｍｍ以下であることを特徴とする金属板のレーザ溶接装置である。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の金属板のレーザ溶接装置において、溶接部気体噴射ノズルは、当該溶接部気体噴射ノズルの基部に２つの並列する噴射口を有するものである。

請求項７に記載の発明は、複数の金属板の端部同士を突き合わせ、突き合わせた金属板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して突き合わせ部分を溶接して溶接部を有する溶接金属板を得る金属板のレーザ溶接装置であって、レーザビームを発振する発振機と、該発振機から放出されるレーザビームを伝送する光ファイバと、光ファイバが接続された光学系を有するレーザ溶接機本体と、を備え、突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧することにより突き合わせ部分の金属板表面を整形する前方整形ロール、および／または溶接部を板厚の上下方向から押圧することによって溶接部を整形する後方整形ロールを具備し、さらに、前方整形ロール、および後方整形ロールの少なくとも一方には、該前方整形ロール、または後方整形ロールに噛み込む直前の金属板の表面に向けて気体を噴射する整形ロール気体噴射手段を有し、さらに、レーザビームの照射により形成される金属板の溶融池から飛散するスパッタに向け溶融池の直上を横切って気体を噴射する溶接部気体噴射ノズルを有し、溶接部気体噴射ノズルは、当該溶接部気体噴射ノズルの基部に２つの並列する噴射口を有するものであることを特徴とする金属板のレーザ溶接装置である。

請求項８に記載の発明は、請求項６または請求項７に記載の金属板のレーザ溶接装置において、２つの並列する噴射口の内側の間隔は、溶融池の幅に対して０．５倍以上１倍以下であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の金属板のレーザ溶接装置において、整形ロール気体噴射手段は、前方整形ロール、および／または後方整形ロールのロール幅方向の両側のそれぞれに配置される。

本発明によれば、レーザ溶接の突き合わせ溶接において、溶接時に発生するスパッタによる被溶接材の外観品質の低下を防止することができる。すなわち、溶融池から飛散したスパッタが整形ロールに巻き込まれるのが抑制されるので、被溶接材の凹み疵の発生を防止できる。また、凹み疵の発生抑制に伴い、後工程における溶接部の破断が減少する。

第一の形態にかかる溶接装置の各構成を模式的に示した図である。 前方気体噴射ノズルの配置を説明するための図である。 図１の溶接装置の溶接手段の構成を模式的に示した図である。 第二の形態にかかる溶接装置の各構成を模式的に示した図である。 図４の溶接装置の溶接手段および溶接部気体噴射ノズルの構成を模式的に示した図である。 溶接部気体噴射ノズルの他の配置例を説明するための図である。 溶接部気体噴射ノズルの他の例を説明するための図である。

本発明の上記した作用および利得は、次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。なお、以下の説明は、金属板として鋼板を例示するが、これに限定されるものでない。

最初に、第一の形態に係るレーザ溶接装置１０について説明する。図１は、レーザ溶接装置１０の構成を模式的に示す説明図で、レーザ溶接装置１０を製造ラインに配置した場面において該製造ラインの上流工程側からレーザ溶接装置１０を見た図である。従って、図１に示した被溶接材である鋼板１（図では鋼板は突き合わされる２つのうち一方しか表れない。）は、紙面手前から紙面奥方向に製造ラインを移動する。鋼板の幅方向は紙面の左右方向であり、鋼板の突き合わせ部分は当該幅方向に沿って形成される。レーザ溶接装置１０は、フレーム１１、切断手段１２、上下一対の前方整形ロール２０、整形ロール気体噴射手段としての前方気体噴射ノズル２１、レーザ溶接機本体であるレーザ溶接手段３０、上下一対の後方整形ロール４０、および整形ロール気体噴射手段としての後方気体噴射ノズル４１を備えている。

以下、図１を参照しつつ各構成について説明する。これら各構成要素において、切断手段１２、前方整形ロール２０、前方気体噴射ノズル２１、レーザ溶接手段３０、後方整形ロール４０および後方気体噴射ノズル４１の各々は、フレーム１１に固定され、一体に形成されている。

フレーム１１は、図１に示した視点において上部部材１１ａ、下部部材１１ｂ、立設部材１１ｃ、および開口部１１ｄを有する略コ字形状とされており、その内側に各構成要素を包含することができるように形成されている。従って、各構成要素を精度よく保持するための所定の剛性、および強度を備えている。またフレーム１１は、鋼板１が移動する方向に略直交する水平方向（図中の矢印Ｙ）に移動可能とされている。これによりフレーム１１に取り付けられた各構成要素を鋼板１の表裏面の真下、真上に移動し、適切に作用させることができる。フレーム１１の移動とこれに伴う構成要素の各動作は後で詳しく説明する。移動の速度は、後述する溶接を適切におこなうことができれば特に限定されるものではないが、通常、１．０ｍ／分以上１５ｍ／分以下程度とされる。

また、レーザ溶接装置１０の上記各構成である切断手段１２、前方整形ロール２０、前方気体噴射ノズル２１、レーザ溶接手段３０、後方整形ロール４０、および後方気体噴射ノズル４１は、フレーム１１の移動の軌道に平行に、該軌道に沿って並べられている。本形態ではフレーム１１はコ字形状を有しているが、鋼板１の移動や、各構成要素の適切な動作が確保されるものであればこれに限定されるものではない。

切断手段１２は、フレーム１１の内側における立設部材１１ｃ近傍に配置され、接合される２つの鋼板の端部を切り揃えるための手段である。通常、鋼板の長手方向端部は圧延加工において自由端であることから、２つの該鋼板の端部同士を突き合わせて溶接するためには突き合わせの際に大きな隙間が発生しないように精度よく切断する必要があるので、切断手段１２はそのためのものである。従って、切断手段１２の種類は特に限定されるものではなく、鋼板の製造に用いられる通常の切断手段を適用することができる。

前方整形ロール２０および後方整形ロール４０の基本構造は同じであり、図１に示すように、前方整形ロール２０は上部前方整形ロール２０ａと下部前方整形ロール２０ｂとを備え、後方整形ロール４０は上部後方整形ロール４０ａと下部後方整形ロール４０ｂとを備えている。さらに上部前方整形ロール２０ａ、上部後方整形ロール４０ａは、これを上下方向に駆動するシリンダ（図示せず）を具備している。上部前方整形ロール２０ａと下部前方整形ロール２０ｂとは上下に配置され、同様に上部後方整形ロール４０ａと下部後方整形ロール４０ｂとが上下に配置されている。また、上部前方整形ロール２０ａと上部後方整形ロール４０ａとはＹ方向に向かって直線上に配置されており、同様に下部前方整形ロール２０ｂと下部後方整形ロール４０ｂもＹ方向に向かって直線上に配置されている。そして、シリンダにより上部前方整形ロール２０ａと下部前方整形ロール２０ｂとの上下間隔を調整することができ、同様に、上部後方整形ロール４０ａと下部後方整形ロール４０ｂとの上下間隔を調整することが可能である。また、前方整形ロール２０（２０ａ、２０ｂ）および後方整形ロール４０（４０ａ、４０ｂ）は各々支持軸（図示せず）を中心に回転する構造を有する。

前方気体噴射ノズル２１と後方気体噴射ノズル４１は、整形ロール気体噴射手段として機能し、その基本構造は同じである。前方気体噴射ノズル２１は、上部前方整形ロール２０ａに噛みこまれる直前の被溶接材の表面に気体を所定の方向に吹き付ける噴射口を有するノズルである。一方、後方気体噴射ノズル４１は、上部後方整形ロール４０ａに噛みこまれる直前の被溶接材の表面に気体を所定の方向に吹き付ける噴射口を有するノズルである。ここで所定の方向は、当該吹き付けによりスパッタを鋼板上から除外するように気流を形成して気体を吹き付ける方向である。当該気流により上部前方整形ロール２０ａ、および上部後方整形ロール４０ａの軌道上からスパッタを除去できればよい。ただし、スパッタを鋼板上から完全に除外することが最も好ましい。ノズルの種類は特に限定されるものではなく、あらゆる形態のノズルを適用することが可能である。これには例えば矩形の噴射口を有するフラットノズルや円管による丸管ノズル等を挙げることができる。

図２は、前方気体噴射ノズル２１の取付けについて説明する模式図であり、破線Ａはノズルの軸線で気体噴射方向を示し、点線Ｂで挟まれた範囲は噴流が流れる領域を示す。図２（ａ）は、側面側から見た図、図２（ｂ）は正面側から見た図、および図２（ｃ）は、上方から見た図である。なお、後方気体噴射ノズル４１についても同様であり、ここでは説明を省略する。また、図２は、下部前方整形ロール２０ｂは省略している。

図２からわかるように、前方気体噴射ノズル２１、２１は、２つ設けられており、各前方気体噴射ノズル２１、２１の軸線（Ａ、Ａ）がＤ点近傍を通るように、上部前方整形ロール２０ａの左右両側のそれぞれに傾斜角θ２で設置されている。ここで、Ｄ点は、被溶接材表面に垂直で上部前方整形ロール２０ａの外周に接する線（一点鎖線Ｃで表した。）と被溶接材との交点を意味する。また、それぞれの前方気体噴射ノズル２１、２１は、被溶接材の進行方向に対して傾斜角θ１で傾斜して設けられる。傾斜角θ２は４５°以上９０°未満とするのが望ましく、傾斜角θ１は３０°以上６０°以下とするのが望ましい。

ここでは、上部前方整形ロール２０ａ、および上部後方整形ロール４０ａについてのみ説明したが、鋼板の下面（裏面）におけるスパッタ除去の観点から、下部前方整形ロール２０ｂや下部後方整形ロール４０ｂの両側にも気体噴射ノズルを設けることが望ましい。これにより、鋼板を噛み込む直前の鋼板の下面（裏面）に向けて気体を噴射することができる。

レーザ溶接手段３０は、レーザ発振機３１、光ファイバ３２および光学系３４を備える。図３に模式図を示した。レーザ発振機３１は、溶接熱源となるレーザを発振する装置である。溶接装置３０でレーザ溶接に用いるレーザの種類は、光ファイバ３２で伝送可能であれば特に限定されず、そのようなレーザを発振することができればよい。これには例えば、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ、ファイバレーザなどの発振機を挙げることができる。これらは半導体レーザなどの励起エネルギ源により励起されてレーザ光を放出する。このように光ファイバで伝送することができるとともに、高出力を得ることが可能なレーザの使用により効率よく溶接をすることができる。レーザ出力は特に限定されるものではないが、高出力であるほど効果が顕著となる。

レーザ発振機３１としては、発振媒体がファイバ状またはディスク状の結晶体であることが好ましい。これによれば、ファイバ状またはディスク状の結晶体は容易に並列配置することが可能であるため、例えば出力６ｋＷ以上の高出力を容易に得ることができる。
光ファイバ３２は、レーザ発振機３１から光学系３４にレーザを伝送する手段である。光ファイバ３２の適用により容易にレーザを伝送することができ、維持も容易なレーザ溶接装置１０を提供できる。光ファイバの径は特に限定されるものではないが、通常１．０ｍｍ以下のものが用いられ、集光光学系のサイズとエネルギ密度の観点から径は小さい方がよく、０．６ｍｍ以下であることが好ましい。さらに好ましくは０．２ｍｍ以下である。

光学系３４は、光ファイバの出力端３３に接続され、伝送されたレーザを導入し、該レーザを溶接に適するように制御して溶接部に出射する手段である。光学系３４にはコリメートレンズ３５と集光レンズ３６とが含まれ、上述した光ファイバ３２の径、および両レンズ３５、３６の焦点距離の比により焦点径が決まる。例えば、ファイバ径をＤｆｉｂｅｒ、コリメートレンズの焦点距離をＦ１、集光レンズの焦点距離をＦ２としたときに、焦点位置におけるスポット径Ｄｓは、Ｄｓ＝Ｄｆｉｂｅｒ・（Ｆ２／Ｆ１）で表される。

次に、第二の形態に係るレーザ溶接装置１１０について説明する。図４は、レーザ溶接装置１１０の構成を模式的に表した図である。レーザ溶接装置１１０は、フレーム１１、切断手段１２、上下一対の前方整形ロール２０、整形ロール気体噴射手段としての前方気体噴射ノズル２１、レーザ溶接手段３０、上下一対の後方整形ロール４０、整形ロール気体噴射手段としての後方気体噴射ノズル４１、および溶接部気体噴射手段としての溶接部気体噴射ノズル１１７を備えている。なお、以下の説明では、溶接部気体噴射ノズル１１７以外の構成は第一の形態と同様であり省略する。

溶接部気体噴射ノズル１１７は、いわゆる噴射口を備える通常のノズルであり、その噴射口から気体を所定の方向に向けて噴射することができるものである。ここでノズルの種類は特に限定されるものではなく、あらゆる形態のノズルを適用することが可能である。これには例えば矩形の噴射口を有するフラットノズルや円管による丸管ノズル等を挙げることができる。

図５に、溶接部気体噴射ノズル１１７の配置等について説明する図を示した。図５からわかるように、溶接部気体噴射ノズル１１７は、レーザ溶接手段３０の近傍に配置される。図５に符号Ｐで示した破線は溶接部気体噴射ノズル１１７の気体噴射方向の軸線、符号Ｑで示した点線で囲まれた範囲は噴流が流れる領域を示している。符号Ｐｋは溶接部気体噴射ノズル１１７の噴射口の下端に沿う延長線を示し、符号Ｑで示した噴流の流れる領域の下端と概ね一致する。また、符号Ｒで示した部位は被溶接材である鋼板１における溶融池Ｒが形成される部位である。このように、溶接装置１１０では、溶接部気体噴射ノズル１１７の軸線Ｐおよび上記延長線Ｐｋが溶融池Ｒの真上を通るように構成されるとともに、該軸線Ｐおよび延長線Ｐｋが鋼板１の上面に略平行である。

当該軸線Ｐおよび延長線Ｐｋと溶接方向とは必ずしも一致する必要はないが、より効率的なスパッタ付着防止のため、軸線Ｐおよび延長線Ｐｋと溶接方向とは一致することが好ましい。また、図５に示した溶接部気体噴射ノズル１１７のように延長線Ｐｋが鋼板１の上面に平行になるように配置する場合の他、図６に、溶接部気体噴射ノズル１１７’、延長線Ｐ’ｋ、または溶接部気体噴射ノズル１１７’’、延長線Ｐ’’ｋで示したように配置しても良い。すなわち、溶接部気体噴射ノズル１１７’は延長線Ｐ’ｋが延長線Ｐｋに対して上向きにθ’傾いており、溶接部気体噴射ノズル１１７’’は延長線Ｐ’’ｋが延長線Ｐｋに対して下向きにθ’’傾くように配置されている。ここでθ’、θ’’の大きさは特に限定されるものではないが、噴射ノズルの配置等の観点からθ’、θ’’ともに０度以上３０度以下であることが好ましく、特にθ’’が０度以上２０度以下であることがさらに好ましい。

溶接部気体噴射ノズル１１７の幅（溶接進行方向と鋼板の板厚方向に直交する方向の噴射口幅）は、溶融池Ｒを覆うことのできるように、鋼板１表面位置における溶融池Ｒの幅の１倍程度以上とする。好ましくは３倍以上である。噴射ノズルの厚さ（幅に直角方向の噴射口寸法）は、噴射流量や噴射圧力により適宜設定される。

溶接部気体噴射ノズル１１７の高さ方向（図５、図６の紙面上下方向）位置は、後述するように溶接部気体噴射ノズル１１７の噴射口の下端に沿う延長線Ｐｋ、Ｐ’ｋ、Ｐ’’ｋと、溶融池Ｒとの垂直距離（図５、図６にＳで示した距離）が３ｍｍ以下となるように調整されることが好ましい。

図７は、溶接部気体噴射ノズルの形状例である溶接部気体噴射ノズル１２７を説明するための図で、図７（ａ）は溶接部気体噴射ノズル１２７を噴射口側から見た図、図７（ｂ）は、溶接部気体噴射ノズル１２７が溶接装置に取り付けられた姿勢で上面側から見た図で、軸線や噴流を模式的に表している。図７からわかるように、溶接部気体噴射ノズル１２７は、基部１２７ａに２つの並列する噴射口１２７ｂ、１２７ｃを有していることが特徴である。従って溶接部気体噴射ノズル１２７は２つの軸線Ｐ２、Ｐ３を有する２つの噴流Ｑ２、Ｑ３を出射することが可能である。ここで溶接部気体噴射ノズル１２７の溶接装置への配置は、各噴射口１２７ｂ、１２７ｃが被溶接材の面から同じ高さ位置となるように配置される。また、２つの軸線Ｐ２、Ｐ３の中間線であるＰ４が溶融部の真上を通るように設置される。そしてこの場合にも溶接部気体噴射ノズル１２７の噴射口１２７ｂ、１２７ｃの下端に沿う延長線と、溶融池との垂直距離は３ｍｍ以下となるように調整されることが好ましい。

図７（ａ）において、Ｌｉで示した噴射口の内側の間隔は、溶融池幅に対し狭くなり過ぎると、溶融池直上の噴射速度が大きく、溶融池から溶融金属が流出してスパッタが増加し、逆に溶融池幅よりも広いと、溶融池から飛散するスパッタを吹き飛ばすことができないため、溶融池幅に対し０．５倍以上１倍以下とすることが好ましい。また、Ｌｏで示した噴射口の外側の間隔は溶融池を覆うことのできるように、溶融池幅の１倍以上で、好ましくは３倍以上である。

次に、１つの形態にかかる溶接方法について説明する。判りやすさのため、ここでは上記した溶接装置１０、１１０を用いて溶接することを説明するが、本形態の溶接方法はこれに限定されることはなく、効果を奏するあらゆる装置を用いることができる。

第一の形態にかかる溶接方法Ｍ１は、例えば第一の形態に係る溶接装置１０を用いて溶接されることによりおこなわれる。すなわち、溶接方法Ｍ１は、突き合わせられた鋼板１にレーザビームを照射して溶接する際において、前方気体噴射ノズル２１は、上部前方整形ロール２０ａに噛みこまれる直前の被溶接材の表面に気体を所定の方向に吹き付ける。一方、後方気体噴射ノズル４１は、上部後方整形ロール４０ａに噛みこまれる直前の被溶接材の表面に気体を所定の方向に吹き付ける。ここで所定の方向は、当該吹き付けによりスパッタを鋼板上から除外するように気流を形成して気体を吹き付ける方向である。当該気流により上部前方整形ロール２０ａ、および上部後方整形ロール４０ａの軌道上からスパッタを除去できればよい。ただし、スパッタを鋼板上から完全に除外することが最も好ましい。これにより、上部前方整形ロール２０ａおよび上部後方整形ロール４０ａに噛み込まれるスパッタが抑制され、被溶接材の凹み疵の発生が抑制される。

気体を吹き付ける範囲は、図２（ｃ）に、Ｅで示した斜線の領域を含む範囲とするのが望ましい。すなわち、斜線の領域Ｅは、溶接方向に上部前方整形ロール２０ａの中心線から溶接前方に向かって（図２（ｃ）にＦで示した方向）、ロール径Ｌの１倍程度であり、溶接直角方向（図２（ｃ）にＧで示した方向）にはロールセンタを中央に、ロール幅Ｗの３倍程度とするのが望ましい。また傾斜角θ１は３０°以上６０°以下で、傾斜角θ２は４５°以上９０°以下であることが望ましい。

吹き付ける気体の種類は特に限定されるものではないが、圧縮空気や不活性ガスなどを用いることができる。吹き付けの条件としては例えば圧縮空気で圧力０．３ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下で流量１００Ｌ／分以上３００Ｌ／分以下であることが望ましい。なお、上記説明は、上部前方整形ロール２０ａと上部後方整形ロール４０ａの両方を備え、前方気体噴射ノズル２１と後方気体噴射ノズル４１の両方を用いる場合であるが、必ずしもこの形態に限定されるものではない。いずれか一方でもよい。

また、ここでは、上部前方整形ロール２０ａ、上部後方整形ロール４０ａについてのみ説明したが、鋼板の下面（裏面）におけるスパッタ除去の観点から、下部前方整形ロール２０ｂや下部後方整形ロール４０ｂの両側にも気体噴射ノズルを設け、同様に鋼板を噛み込む直前の鋼板の下面（裏面）に向けて気体を噴射することが望ましい。

第二の形態に係る溶接方法Ｍ２は、例えば第二の形態に係る溶接装置１１０を用いて行われる。すなわち、溶接方法Ｍ２では、溶接方法Ｍ１に加えて、レーザビームの照射により形成される溶融池Ｒから飛散するスパッタに向け、溶融池Ｒの直上を横切って気体を噴射する。例えば、溶接部気体噴射ノズル１１７の噴射口下端に沿う延長線Ｐｋと、溶接池Ｒとの垂直距離（図５、６のＳ）が３ｍｍ以内とするのが望ましい。これにより、スパッタとして飛散した溶融金属は、噴流の方向に吹き飛ばされる。その結果、スパッタが被溶接材の表面に付着するまでの飛散時間が長くなり、スパッタの表面が十分に冷却される。また、溶融池Ｒからより離れた、鋼板温度が低い部分に飛散するため、鋼板表面への固着が抑制される。すなわち固着スパッタの数が大幅に減少するため、固着スパッタの整形ロールへの巻き込みが抑制される。噴流は、溶融池Ｒの上面に対してほぼ水平であることが好ましいが、これに限定されることはなく、溶融池の上面に対して離れる、または近づく方向に角度を有していてもよい。なお、噴流が溶融池に吹きかけられると、溶融金属が流出してスパッタが増加するため、後方整形ロール４０が備えられている場合は、噴流により飛ばされたスパッタが後方整形ロール４０に衝突し、ロールと溶接材に巻き込まれるので、これを防ぐために気体の噴射方向は溶接方向前方とすることが望ましい。

なお、ここまで被溶接材として鋼材を例に説明したが、これに限定されることはなく、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム等の他の金属の板材にも適用可能である。

次に実施例によりさらに詳しく説明する。ただし、本発明は実施例に限定されるものではない。

実施例では、図４に示した基本構成を備えるレーザ溶接装置を用いて、様々な条件で鋼板の突き合わせ溶接を行い、そのときのスパッタ付着状況を評価した。

＜条件＞
各例における共通の条件は次の通りである。
・供試鋼板（供試金属板）：低炭素鋼（Ｃ：０．０２質量％）、板厚６．０ｍｍ
・溶接長：１２５０ｍｍ
・レーザ発振機：ファイバレーザ発振機、出力１０ｋＷ
・コリメートレンズ：焦点距離１２５ｍｍ
・集光レンズ：焦点距離２００ｍｍ
・スポット条件：デフォーカス量５ｍｍ
・溶接速度：３．４ｍ／分

ここで、前方気体噴射ノズル２１および後方気体噴射ノズル４１として、内径４ｍｍ、外径６ｍｍの丸管ノズルを用いた。傾斜角は、図２におけるθ１を４５°、θ２を４５°として取付け、０．５ＭＰａの圧縮空気を噴射量１００Ｌ／分で噴射した。

噴射ノズルは、図７に示した溶接部気体噴射ノズル１２７とし内径４ｍｍ、外径６ｍｍの丸管２本を水平方向に隣接した丸管隣接ノズルを被溶接材表面にほぼ平行に、かつ、噴射ノズル先端位置がレーザ光路より１２ｍｍ離れた位置となるように配置した。噴射ノズル下端の延長線と溶融池との距離は２ｍｍとし、噴流が溶融池直上を横切るように０．５ＭＰａの圧縮空気を噴射量１００Ｌ／分で噴射した。なお、溶融池直上の噴射速度が大きいと、溶融池から溶融金属が流出し、スパッタが増加するが、この丸管隣接ノズルを使用することで、噴流の横断面において中央の速度が遅い速度分布をえることができるので溶融池からのスパッタの飛散を抑制することができる。

＜評価＞
溶接の評価は、溶接を１０回行い、被溶接材へのスパッタの押込まれた回数で行った。押込まれた回数が、０回は「◎」、１乃至２回は「○」、３乃至５回は「△」、６乃至１０回は「×」の４水準で評価し、前から順に、「特に良好」、「良好」、「可」、「不良」とした。結果を表1に示す。

表１からわかるように、Ｎｏ.２からＮｏ.７の溶接では、いずれも被溶接材へのスパッタ付着回数を少なく抑えることができ、「可」以上であった。前方気体噴射ノズルおよび後方気体噴射ノズルのいずれかを用いると「可」で、両方を用いると「良好」で、さらに溶接部気体噴射ノズルを用いると「特に良好」であった。

以上、現時点において実践的であり、かつ好ましいと思われる形態に関連して本発明を説明したが、本発明は本願明細書中に開示された形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う、レーザ溶接方法、およびその装置も本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

１０ レーザ溶接装置
２０ 前方整形ロール
２０ａ 上部前方整形ロール
２０ｂ 下部前方整形ロール
２１ 前方気体噴射ノズル（整形ロール気体噴射手段）
３０ 溶接手段
４０ 後方整形ロール
４０ａ 上部後方整形ロール
４０ｂ 下部後方整形ロール
４１ 後方気体噴射ノズル（整形ロール気体噴射手段）
１１０ レーザ溶接装置
１１７ 溶接部気体噴射ノズル（溶接部気体噴射手段）

Claims (9)

1. 複数の金属板の端部同士を突き合わせ、突き合わせた前記金属板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して前記突き合わせ部分を溶接して溶接部を有する溶接金属板を得る金属板のレーザ溶接方法であって、
   溶接前の前記突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧することにより前記突き合わせ部分の前記金属板表裏面を整形する前方整形ロールに噛み込む直前の前記金属板の表面に気体を噴射し、および／または溶接後の前記溶接部を板厚の上下方向から押圧することによって前記溶接部を整形する後方整形ロールに噛み込む直前の前記金属板の表面に向けて気体を噴射して、前記金属板上のスパッタを吹き飛ばしながら前記レーザビームを照射して溶接し、
   さらに、前記レーザビームの照射により形成される前記金属板の溶融池から飛散するスパッタに向けて、溶接部気体噴射ノズルから前記溶融池の直上を横切って気体を噴射するものであり、
   前記溶接部気体噴射ノズルは、当該溶接部気体噴射ノズルの噴射口の下端に沿う延長線と、前記溶融池との垂直距離が３ｍｍ以下となるように配置されていることを特徴とする金属板のレーザ溶接方法。
2. 前記溶接部気体噴射ノズルは、当該溶接部気体噴射ノズルの基部に２つの並列する気体の噴射口を有するものである請求項１に記載の金属板のレーザ溶接方法。
3. 複数の金属板の端部同士を突き合わせ、突き合わせた前記金属板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して前記突き合わせ部分を溶接して溶接部を有する溶接金属板を得る金属板のレーザ溶接方法であって、
   溶接前の前記突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧することにより前記突き合わせ部分の前記金属板表裏面を整形する前方整形ロールに噛み込む直前の前記金属板の表面に気体を噴射し、および／または溶接後の前記溶接部を板厚の上下方向から押圧することによって前記溶接部を整形する後方整形ロールに噛み込む直前の前記金属板の表面に向けて気体を噴射して、前記金属板上のスパッタを吹き飛ばしながら前記レーザビームを照射して溶接し、
   さらに、前記レーザビームの照射により形成される前記金属板の溶融池から飛散するスパッタに向けて、溶接部気体噴射ノズルから前記溶融池の直上を横切って気体を噴射するものであり、
   前記溶接部気体噴射ノズルは、当該溶接部気体噴射ノズルの基部に２つの並列する気体の噴射口を有するものであることを特徴とする金属板のレーザ溶接方法。
4. 前記２つの並列する噴射口の内側の間隔は、前記溶融池の幅に対して０．５倍以上１倍以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の金属板のレーザ溶接方法。
5. 複数の金属板の端部同士を突き合わせ、突き合わせた前記金属板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して前記突き合わせ部分を溶接して溶接部を有する溶接金属板を得る金属板のレーザ溶接装置であって、
   前記レーザビームを発振する発振機と、該発振機から放出される前記レーザビームを伝送する光ファイバと、前記光ファイバが接続された光学系を有するレーザ溶接機本体と、を備え、
   前記突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧することにより前記突き合わせ部分の金属板表面を整形する前方整形ロール、および／または前記溶接部を板厚の上下方向から押圧することによって前記溶接部を整形する後方整形ロールを具備し、
   さらに、前記前方整形ロール、および前記後方整形ロールの少なくとも一方には、該前方整形ロール、または前記後方整形ロールに噛み込む直前の前記金属板の表面に向けて気体を噴射する整形ロール気体噴射手段を有し、
   さらに、前記レーザビームの照射により形成される前記金属板の溶融池から飛散するスパッタに向け前記溶融池の直上を横切って気体を噴射する溶接部気体噴射ノズルを有し、
   前記溶接部気体噴射ノズルは、当該溶接部気体噴射ノズルの噴射口の下端に沿う延長線と、前記溶融池との垂直距離が３ｍｍ以下であることを特徴とする金属板のレーザ溶接装置。
6. 前記溶接部気体噴射ノズルは、当該溶接部気体噴射ノズルの基部に２つの並列する噴射口を有するものである請求項５に記載の金属板のレーザ溶接装置。
7. 複数の金属板の端部同士を突き合わせ、突き合わせた前記金属板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して前記突き合わせ部分を溶接して溶接部を有する溶接金属板を得る金属板のレーザ溶接装置であって、
   前記レーザビームを発振する発振機と、該発振機から放出される前記レーザビームを伝送する光ファイバと、前記光ファイバが接続された光学系を有するレーザ溶接機本体と、を備え、
   前記突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧することにより前記突き合わせ部分の金属板表面を整形する前方整形ロール、および／または前記溶接部を板厚の上下方向から押圧することによって前記溶接部を整形する後方整形ロールを具備し、
   さらに、前記前方整形ロール、および前記後方整形ロールの少なくとも一方には、該前方整形ロール、または前記後方整形ロールに噛み込む直前の前記金属板の表面に向けて気体を噴射する整形ロール気体噴射手段を有し、
   さらに、前記レーザビームの照射により形成される前記金属板の溶融池から飛散するスパッタに向け前記溶融池の直上を横切って気体を噴射する溶接部気体噴射ノズルを有し、
   前記溶接部気体噴射ノズルは、当該溶接部気体噴射ノズルの基部に２つの並列する噴射口を有するものであることを特徴とする金属板のレーザ溶接装置。
8. 前記２つの並列する噴射口の内側の間隔は、前記溶融池の幅に対して０．５倍以上１倍以下であることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の金属板のレーザ溶接装置。
9. 前記整形ロール気体噴射手段は、前記前方整形ロール、および／または前記後方整形ロールのロール幅方向の両側のそれぞれに配置される請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の金属板のレーザ溶接装置。

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