JP2017131919A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネシウム合金からなる母材同士の溶接にあたって健全な溶接部を形成できるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】このレーザ溶接方法は、マグネシウム合金からなる母材Ｍ，Ｍ同士を溶接するレーザ溶接方法であって、母材Ｍ，Ｍ同士の溶接予定部分Ａに対するレーザビームＬの照射位置に向けてフィラーワイヤＦを供給する工程を有し、当該工程において、フィラーワイヤＦの融点の９０％以上となる温度を制御目標値として、照射位置に向けて供給するフィラーワイヤＦをヒータ１２によって加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

従来、鉄道車両などの車体の軽量化を目的として、アルミニウム合金が用いられてきた。近年では、更なる軽量化及び強度の向上を両立させるために、マグネシウム合金が着目されている。マグネシウム合金を母材とする溶接技術としては、例えば特許文献１に記載の溶接方法がある。この溶接方法は、アーク溶接に関するものであり、レーザの出力値やビームスポット径等を調整することにより、溶融池にキーホールが形成されず、かつ所定の溶け込み深さが得られるようにレーザ照射部のエネルギー密度を設定している。

特開２００４−１９５５２８号公報

マグネシウム合金からなる母材同士をレーザ溶接する場合にも、解決すべき課題が存在する。一般に、マグネシウムは、アルミニウムに比べて液相温度が低く、かつ比重が小さい。したがって、マグネシウムは、アルミニウムに比べて沸点が低く、かつ表面張力が小さい。このため、母材をレーザ溶接する際に母材のぬれ性が過剰となり、溶融した金属が溶接部から流失し易く、溶接中のスパッタも発生し易くなるおそれがある。

母材同士の継手において、溶接部の一方側（レーザ照射側）は、母材の表面と面一であることが理想的である。これに対し、実際のレーザ溶接においては、上記の理由によって溶接落ち込みが発生する。このため、溶接部の一方側が減肉してしまう場合がある。

従来、溶接部の減肉の問題に対しては、レーザビームの照射位置へのフィラー材の供給が行われている。しかしながら、マグネシウム合金からなる母材をレーザ溶接の対象とする場合、マグネシウム合金の冷却速度が非常に速いことが問題となる。このため、フィラー材をそのまま供給すると、フィラー材がレーザビームの照射位置において冷却材として作用してしまうおそれがある。この場合、母材の溶け込みが不十分になり、健全な溶接部の形成が阻害されることが考えられる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、マグネシウム合金からなる母材同士の溶接にあたって健全な溶接部を形成できるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るレーザ溶接方法は、マグネシウム合金からなる母材同士を溶接するレーザ溶接方法であって、母材同士の溶接予定部分に対するレーザビームの照射位置に向けてフィラー材を供給する工程を有し、工程において、フィラー材の融点の９０％以上となる温度を制御目標値として、照射位置に向けて供給するフィラー材を加熱手段によって加熱する。

このレーザ溶接方法では、フィラー材の融点の９０％以上となる温度を制御目標値として加熱手段で加熱し、レーザビームの照射位置に供給する。加熱したフィラー材をレーザビームの照射位置に供給することで、レーザビームの照射によって母材が液相温度まで上昇する際の温度変化、及び自然冷却によって母材が固相に戻って常温となるまでの温度変化が緩和される。これにより、母材の溶け込みを十分に生じさせることができ、マグネシウム合金からなる母材同士の溶接にあたって健全な溶接部の形成が可能となる。

また、フィラー材として、母材と同材質のフィラー材を用いることが好ましい。これにより、マグネシウム合金からなる母材同士の溶接予定部分に対して好適に溶接部を形成できる。

本発明によれば、マグネシウム合金からなる母材同士の溶接にあたって健全な溶接部を形成できる。

本実施形態に係るレーザ溶接方法の実施に用いるレーザ溶接装置の概略図である。 本実施形態及び従来例におけるレーザビームの照射前後の温度変化の様子を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係るレーザ溶接方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係るレーザ溶接方法の実施に用いるレーザ溶接装置の概略図である。同図に示すように、レーザ溶接装置１は、例えば母材Ｍ，Ｍの端面同士の突き合わせ溶接を行う装置として構成されている。母材Ｍは、例えば鉄道車両構体の外板として用いられる厚さ数ｍｍ程度の平板部材である。母材Ｍは、鉄道車両の車体の更なる軽量化及び強度の向上を両立させるため、マグネシウム合金によって形成されている。

レーザ溶接装置１は、図１に示すように、レーザ光源２と、フィラー供給ノズル３と、アシストガス供給ノズル４と、温度検出部５とを備えて構成されている。また、レーザ溶接装置１は、不図示の制御部を有している。制御部は、例えばプロセッサ、メモリ等を含んで構成されるコンピュータシステムである。制御部は、レーザ光源２、フィラー供給ノズル３、アシストガス供給ノズル４、温度検出部５、及びヒータ１２（後述する）の制御を実行する。

レーザ光源２は、レーザビームＬを発生させる装置である。レーザ光源２としては、例えばファイバレーザを用いることができる。レーザ光源２の加工ヘッド１１は、ハンドリング用ロボットなどによって支持され、レーザ溶接装置１の制御部によって駆動・走査の制御がなされる。レーザビームＬが母材Ｍ，Ｍ同士の溶接予定部分Ａに沿って走査されることにより、溶接予定部分Ａに沿って溶接部Ｗが形成される。

母材Ｍ，Ｍの板厚が４ｍｍである場合を例示すると、レーザ光源２から例えば波長１０６４ｎｍ、スポット径φ０．６ｍｍのレーザビームＬが出力される。また、加工ヘッド１１の走査速度は、例えば１．２ｍ／ｍｉｎに設定される。加工ヘッド１１によるレーザビームＬの走査速度は、すなわち溶接速度である。この条件下では、母材Ｍ，Ｍの溶接予定部分Ａの表面において、直径約２ｍｍ程度の溶融池が約２０ｍｍ／ｓで移動していくこととなる。

フィラー供給ノズル３は、溶接部Ｗの減肉を抑制するため、レーザビームＬの照射位置に向けてフィラーワイヤ（フィラー材）Ｆを供給する部分である。フィラー供給ノズル３は、例えば加工ヘッド１１の走査方向の前方側において、母材Ｍ，Ｍの表面に対して４５°程度傾斜した状態で配置されている。フィラー供給ノズル３の先端から供給されるフィラーワイヤＦは、例えば母材Ｍ，Ｍと同材質の断面円形の線状部材である。フィラーワイヤＦの径は、例えばレーザビームＬのスポット径と同径となっている。

また、フィラー供給ノズル３には、ヒータ（加熱手段）１２が取り付けられている。ヒータ１２によってフィラー供給ノズル３を加熱することにより、フィラーワイヤＦが加熱され、レーザビームＬの照射位置に向けてホットワイヤが供給される。ヒータ１２の動作は、温度検出部５による検出結果に基づいて、レーザ溶接装置１の制御部によって制御される。ヒータ１２によるフィラーワイヤＦの加熱温度の制御目標値は、当該フィラーワイヤＦの構成材料の融点の９０％以上融点未満となるように設定される。

制御目標値の設定にあたっては、ヒータ１２の温度制御の精度を考慮することが好ましい。フィラーワイヤＦがＡＺ３１合金（Ａｌを３％、亜鉛を１％含有する難燃性マグネシウム合金）によって構成されている場合を例示する。ＡＺ３１合金の融点は、５７５℃〜６３０℃と見積もられる。この場合、例えば融点の下限値である５７５℃の９０％である５１８℃をヒータ１２による制御目標値として設定する。ヒータ１２の温度制御の精度が±５％と仮定すると、レーザビームＬの照射位置におけるフィラーワイヤＦの温度は、４９０℃（融点の８５％）〜５４６℃（融点の９５％）と見積もられる。

アシストガス供給ノズル４は、レーザビームＬの照射点に向けてアシストガスを供給する部分である。アシストガス供給ノズル４は、例えばレーザビームＬと略同軸に配置され、レーザ溶接装置１の制御部（不図示）により、加工ヘッド１１と同期して駆動・走査される。アシストガスとしては、例えばヘリウムガス又はアルゴンガスが用いられる。これにより、母材Ｍ，Ｍの酸化防止及びスパッタ防止が図られる。なお、アシストガス供給ノズル４は、加工ヘッド１１の走査方向の後方側において、母材Ｍ，Ｍの表面に対して４５°程度傾斜した状態で配置されていてもよい。

温度検出部５は、レーザビームＬの照射位置近傍の温度（≒フィラーワイヤＦの先端の温度）を検出する部分である。温度検出部５としては、例えば赤外線サーモグラフィが用いられる。温度検出部５は、例えば加工ヘッド１１の走査方向の後方側において、母材Ｍ，Ｍの表面に対して４５°程度傾斜した状態で配置されている。温度検出部５は、２次元的な視野範囲の中心部分にフィラーワイヤＦのワイヤ径と略同等の空間分解能を有しており、視野範囲の中心部分をレーザビームＬの照射位置に合わせることにより、時刻歴での温度測定が可能となっている。

このようなレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法では、加工ヘッド１１が母材Ｍ，Ｍの溶接予定部分Ａに沿って相対的に走査される。これにより、レーザビームＬの照射位置では、母材Ｍ，Ｍの溶融・凝固が生じ、溶接部Ｗが形成される。また、レーザビームＬの照射位置には、アシストガス供給ノズル４からアシストガスが供給されると共に、フィラー供給ノズル３からフィラー材の融点の９０％以上となる温度を制御目標値としてヒータ１２で加熱されたフィラーワイヤＦが供給される。

このようなレーザ溶接方法によれば、レーザビームＬの照射によって母材Ｍが液相温度まで上昇する際の温度変化、及び自然冷却によって母材Ｍが固相に戻って常温となるまでの温度変化が緩和される。図２は、本実施形態及び従来例におけるレーザビームの照射前後の温度変化の様子を概略的に示す図である。同図では、横軸に時間を示し、縦軸にレーザビームＬの照射位置における母材Ｍの温度を示す。

フィラーワイヤＦに対して加熱を行わずに常温でレーザビームＬの照射位置に供給する場合（従来例）、グラフＧ１に示すように、レーザビームＬが照射された直後からレーザビームＬによって母材Ｍの温度が急激に上昇し、融点（≒液相温度）に達することで照射位置における母材Ｍの溶融が生じる。その後、照射位置からレーザビームＬが外れると、自然冷却によって母材Ｍの温度が一定の冷却曲線をもって常温まで低下し、母材Ｍの溶融部分が固相に戻ることで溶接部Ｗとなる。

一方、フィラーワイヤＦを融点近くまで加熱してレーザビームＬの照射位置に供給する場合（本実施形態）、レーザビームＬとホットワイヤとによって母材Ｍの温度を上昇させるので、グラフＧ２に示すように、レーザビームＬが照射された直後の母材Ｍの温度上昇が従来例に比べて緩やかとなる。また、照射位置からレーザビームＬが外れた後の母材Ｍの温度の冷却も従来例に比べて緩やかとなる。

これにより、母材Ｍの溶け込みを十分に生じさせることができ、マグネシウム合金からなる母材Ｍ，Ｍ同士の溶接にあたって健全な溶接部Ｗの形成が可能となる。また、フィラーワイヤＦの溶け込みも十分に生じさせることができるため、溶接部Ｗ内でフィラーワイヤＦが個片状態で残存することを抑制できる。これにより、個片状態のフィラーワイヤＦを起点とする溶接部Ｗのクラッキング等も防止できる。

本実施形態では、フィラーワイヤＦとして、母材Ｍと同材質のフィラー材を用いている。これにより、マグネシウム合金からなる母材Ｍ，Ｍ同士の溶接予定部分Ａに対して母材Ｍと同種の溶接部Ｗを好適に形成できる。

なお、フィラーワイヤＦの温度は、例えばヒータ１２に供給される電流値を用いて制御してもよい。この場合、ヒータ１２の電源電圧値と電流値との積によってヒータ１２の電力を算出し、ヒータ１２の電力と通電時間との積によってフィラーワイヤＦに供給されるエネルギーからフィラーワイヤＦの温度を算出すればよい。温度検出部５によるフィラーワイヤＦの先端の温度の検出結果に基づいてヒータ１２に供給される電流値を制御することにより、より融点に近い範囲でフィラーワイヤＦの温度を制御することが可能となる。

例えば上記実施形態では、母材Ｍ，Ｍの突き合わせ溶接を例示したが、本発明の手法は、隅肉溶接などの他の溶接形態についても適用可能である。

１２…ヒータ（加熱手段）、Ａ…溶接予定部分、Ｌ…レーザビーム、Ｍ…母材、Ｗ…溶接部。

Claims (2)

1. マグネシウム合金からなる母材同士を溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記母材同士の溶接予定部分に対するレーザビームの照射位置に向けてフィラー材を供給する工程を有し、
   前記工程において、前記フィラー材の融点の９０％以上となる温度を制御目標値として、前記照射位置に向けて供給する前記フィラー材を加熱手段によって加熱するレーザ溶接方法。
2. 前記フィラー材として、前記母材と同材質のフィラー材を用いる請求項１記載のレーザ溶接方法。

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