JP3042404B2

JP3042404B2 - レーザビーム溶接方法

Info

Publication number: JP3042404B2
Application number: JP8131669A
Authority: JP
Inventors: 克之松廣; 洋次稲葉; 智隆林; 義信下村
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-05-27
Filing date: 1996-05-27
Publication date: 2000-05-15
Anticipated expiration: 2016-05-27
Also published as: JPH09314373A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビーム溶接
方法に係わり、より詳細にはサイドシールドガスを用い
た場合における溶け落ち防止を図ったレーザビーム溶接
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザビーム溶接は、高エネルギー密度
ビームによる溶接であるために低入熱で板材などの被溶
接材をワンパスで貫通溶接可能であり、高能率かつ高品
質の溶接法として、多方面で利用されている。

【０００３】ところが、肉厚がおよそ６ｍｍを超えるよ
うな板材をワンパスで貫通溶接すると、溶融金属が裏面
側に落ち込んで表面が凹状になる、いわゆる溶け落ち、
もしくは垂れ落ちと称される欠陥が発生しやすくなる。
この欠陥は、溶融池の重量をその表面張力のみで保持で
きなくなるために発生する。

【０００４】従来、上記の欠陥（溶け落ち）を防止する
方法としては、次に示すような方法が利用されてきた。

【０００５】(1) 被溶接材料である板材の裏面側に、溶
融池の落ち込みを防止する裏当金と称される金属板を配
置する方法（例えば、特開平６−３１５７９８号公
報）。

【０００６】(2) 溶融池にかかる重力が溶け落ちの発生
原因にならないように、縦向き上進あるいは横向きで溶
接する方法（例えば、特公昭５７−３７４３５号公
報）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、(1) の方法
は、特別に裏当金を用いるのみならず、この裏当金の耐
久性に問題があるので頻繁なメンテナンスが必要であ
る。また、その配置位置の制約も極めて厳しい。このた
め、裏当金のメンテナンスが極めて困難であり、かつ長
時間連続的に溶接を実施する必要がある製管溶接のよう
なプロセスには適用できないという欠点がある。また、
(2) の方法は、レーザビームを上向きに照射するので、
その適用プロセスが特殊なものに限定されるという欠点
がある。

【０００８】このため、下向き溶接の際に裏当金を用い
ることなく溶け落ち発生を防止し得る簡便かつ耐久性の
あるレーザビーム溶接方法の開発が望まれていた。

【０００９】本発明は、上記の実情に鑑みてなされたも
ので、その課題は、裏当金を用いずとも溶け落ちの発生
を防ぐことのできる簡便かつ耐久性あるレーザビーム溶
接方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決すべく多くの実験を行った結果、次のことを知
見し、本発明をなすに到った。

【００１１】すなわち、レーザビーム溶接時に用いるサ
イドシールドガスを、溶接線に沿って溶接進行方向の上
流側から下流側に向けて被溶接材料の表面に略平行に供
給するとともに、その溶融池直上における流速を所定値
以上にすればよいことを見いだした。

【００１２】上記の知見に基づく本発明の要旨は、次の
レーザビーム溶接方法にある。

【００１３】センターシールドガスとサイドシールドガ
スを用いるレーザビーム溶接において、前記サイドシー
ルドガスを下記およびの条件で供給することを特徴
とするレーザビーム溶接方法。

【００１４】溶接線に沿って溶接進行方向の上流側か
ら下流側に向けて被溶接材料表面に対してほぼ平行な状
態で供給すること。

【００１５】被溶接材料の肉厚をｔ（ｍｍ）としたと
き、溶融池直上でのガス流速ｖ（ｍ／ｓ）を被溶接材料
肉厚ｔの２．２倍以上とすること。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の方法を、添付図面
を参照して詳細に説明する。

【００１７】図１は本発明の実施態様の一例を示す模式
的縦断面図、図２は溶融池に対する作用力を説明するた
めの模式的拡大縦断面図、図３は図１のＩ−Ｉ線矢視拡
大横断面図である。

【００１８】図１ないし図３において、符号１はレーザ
ビーム、２は被溶接材料、３はセンターシールドノズ
ル、４はサイドシールドノズル、５はセンターシールド
ガス流、６はサイドシールドガス流、７はキーホール、
８は溶融池、９は溶融後凝固して形成された溶接金属、
１０はサイドシールドガス流６と溶融池８表面との間の
摩擦力によって発生する溶融金属を後方へ押しやろうと
する力、１１はサイドシールドガス流６による圧力低下
によって発生する溶融金属を上方へ吸い上げようとする
力を示している。

【００１９】また、図１および図２中の９’部分は、６
ｍｍ超の厚肉材料をレーザビーム溶接した場合に一般的
に認められる肉厚中央付近の溶融金属が優先的に凝固し
た先行凝固部である。

【００２０】図１に示すように、本発明の方法において
は、センターシールドノズル３の溶接進行方向の上流側
（図中の左方）に、サイドシールドノズル４が配置され
る。

【００２１】このサイドシールドノズル４は、溶接線の
真上に被溶接材料２の表面２ａに対してほぼ平行になる
ように配置されている。そして、溶接進行方向の上流側
から下流側（図中の右方）に向け、溶融池８に対してほ
ぼ水平なサイドシールドガス流６を形成させるようにな
っている。

【００２２】上記のようにしてサイドシールドガス流６
を形成させた場合には、図２に示すように、溶融池８の
溶融金属に対して押し流し力１０と吸引力１１とが作用
するようになる。すなわち、溶融池８の溶融金属を溶接
進行方向の下流側へ押しやる力、換言すれば被溶接材料
２の裏面側近傍の溶融金属を先行凝固部９’の上に乗り
上げさせる力となる押し流し力１０と、溶融金属全体を
上方へ引き上げる吸引力１１とが作用する。

【００２３】従って、溶融池８は、溶融金属の表面張力
と上記２つの押し流し力１０および吸引力１１の３つの
力によって保持されることになるので、その保持力が上
昇する。このため、溶融池８が被溶接材料２の裏面２ｂ
から大きくたれ落ちることがなくなり、図３に示すよう
に、溶け落ちのない健全な溶接継手が形成されるように
なる。

【００２４】ここで、溶け落ちを確実に防止するために
必要な上記押し流し力１０および吸引力１１を得るため
には、上記したように、そのサイドシールドガス流６
を、溶接線に沿い、かつ被溶接材料２の表面２ａに対し
てほぼ平行な状態で溶接進行方向の上流側から下流側に
向けて供給する必要がある。また、その流速について
は、溶融池８の直上における流速ｖ（ｍ／ｓ）を、被溶
接材料の肉厚ｔ（ｍｍ）の２．２倍以上にする必要があ
る。その理由は、次のとおりである。

【００２５】（サイドシールドガス流６の向きと方向に
ついて）溶け落ちの発生を防止するには、前述したよう
に、上記押し流し力１０によって被溶接材料２の裏面側
近傍の溶融金属を先行凝固部９’の上に乗り上げさせる
必要がある。このため、サイドシールドガス流６は、溶
接線に沿って、溶接進行方向の上流側から下流側に向け
て流すことが必要なのである。

【００２６】また、サイドシールドガス流６の傾きは、
これが被溶接材料２の表面２ａに対して下向きである
と、溶融池８を下方に押し下げる分力が発生し、上記先
行凝固部９’上方への溶融金属の乗り上げ効果が低下す
る。

【００２７】なお、その傾きを被溶接材料２の表面２ａ
に対して若干上向きにした場合には、下方に押し下げる
力が溶融池８に作用しないので、溶け落ちを防止する観
点からは何らの問題もない。しかし、その傾きを上向き
に大きくし過ぎると、センターシールドガス流５を乱す
ことになる。また、その装置構成上、サイドシールドノ
ズル４がセンターシールドノズル３および被溶接材料２
と干渉する。よって、その上向き角度はせいぜい５°程
度にまでしか大きくできなが、この範囲であればその傾
きを上向きにしてもよい。

【００２８】従って、サイドシールドガス流６は、その
傾きが下向きであってはならず、被溶接材料２の表面２
ａに対してほぼ平行でなければならないのである。

【００２９】（流速について）上記センターシールドガ
ス流５は、溶融池８の直上における流速ｖ（ｍ／ｓ）が
被溶接材料２の肉厚ｔ（ｍｍ）の２．２倍以上でなけれ
ばならない。これは、表１に示す実験結果から明らかで
ある。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１は、被溶接材料として、肉厚が６．５
ｍｍ、９ｍｍおよび１２ｍｍの３種類の炭素鋼製板材を
対象にレーザビーム溶接を行った結果を示す表である。

【００３２】すなわち、出力２５ｋＷの炭酸ガスレーザ
溶接機を用い、溶接速度４ｍ／ｍｉｎで、前述のの条
件、すなわちＨｅガスからなるサイドシールドガスを溶
接線に沿って溶接進行方向の上流側から下流側に向けて
被溶接材料表面に対してほぼ平行な状態で供給するとと
もに、その流速を種々変えたサイドシールドガス流を形
成させた場合における、溶融池直上のガス流速と溶け落
ち発生との関係を示している。

【００３３】なお、センターシールドノズル３として
は、本体部の内径が３０ｍｍ、先端部の内径が１５ｍｍ
のものを用いた。また、センターシールドガスとして
は、Ｈｅガスを用い、このガスを１００Ｎ（ノルマル）
リッター／ｍｉｎで供給してセンターシールドガス流５
を形成させた。

【００３４】溶け落ち発生の有無は、図４に示す基準に
よって判定した。すなわち、図４（ａ）に示すように、
健全な形状の溶接金属９が得られた場合についてのみ、
溶け落ち発生無しとした。これに対し、図４（ｂ）に示
すように、母材２の表面２ａと溶接金属９の表面の最低
高さ部分とを比較し、溶接金属９の表面の最低高さ部分
の方が低く、落差Ｈが生じた場合には、その絶対値の如
何に係わらず、溶け落ち発生有りとした。

【００３５】表１に示す結果から明らかなように、溶融
池８直上におけるサイドシールドガス流６の流速ｖが、
肉厚６．５ｍｍの板材では１０ｍ／ｓ以下、肉厚９ｍｍ
の板材では１５ｍ／ｓ以下、肉厚１２ｍｍの板材では２
５ｍ／ｓ以下である場合には、いずれも溶け落ちが発生
している。これに対し、上記の流速ｖが、肉厚６．５ｍ
ｍの板材では１５ｍ／ｓ以上、肉厚９ｍｍの板材では２
０ｍ／ｓ以上、肉厚１２ｍｍの板材では２８ｍ／ｓ以上
の場合には、いずれも溶け落ちは発生していない。この
ことから、サイドシールドガス流６の流速は、溶融池８
直上における流速ｖを被溶接材料肉厚ｔの２．２倍以上
とする必要があるのである。

【００３６】なお、上記の流速ｖは、速ければ速いほど
よく、その上限を定める必要は特にない。しかし、流速
ｖをあまり速くし過ぎると、溶融池８が吹き飛ばされ、
溶接部の表面形状が凹凸になるなどの不都合を招く。こ
のため、その上限は、サイドシールドノズル４の内径に
よって異なるが、例えば内径４ｍｍのサイドシールドノ
ズル４を用いる場合では２６０ｍ／ｍｉｎ（ガス流量で
２００Ｎ（ノルマル）リットル／ｍｉｎ）程度に抑える
のが望ましい。

【００３７】サイドシールドノズル４としては、その内
径ｄが２〜１０ｍｍ程度のもので十分である。そして、
その配置位置は、被溶接材料２の表面２ａから内径ｄの
下端までの離間距離ｈが５ｍｍ以下で、その先端とレー
ザビーム１の光軸心との離間距離Ｌが１〜１０ｍｍとな
る程度の位置に配置すれば十分である（図１参照）。

【００３８】このサイドシールドノズル４は、上記した
ように、センターシールドノズル３に対して溶接進行方
向の上流側に配置されるので、溶接熱影響をほとんど受
けることがなく、溶損することがほとんどない。従っ
て、その寿命が極めて長寿命であるので、そのメンテナ
ンスが事実上不要である。

【００３９】サイドシールドガス流６を形成させるガス
としては、ＨｅやＡｒなどの不活性ガスであればいずれ
のガスであってもかまわない。

【００４０】なお、サイドシールドガス流６は、周囲の
大気を巻き込んで、溶融池８中の溶融金属の酸化や窒化
などを促進し、溶融金属を汚染させやすい。しかし、本
発明では、図１に示すように、センターシールドノズル
３からセンターシールドガス流５を形成させて溶接部を
シールドする。そして、このセンターシールドガス流５
の形成域内にその先端が位置するように配置したサイド
シールドノズル４によってサイドシールドガス流６を形
成させる。このため、サイドシールドガス流６による大
気巻き込みは全く生じないので、健全な品質の溶接部が
得られる。

【００４１】

【実施例】肉厚が６．５ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍおよび
１５ｍｍの炭素鋼製の板材（母材）を対象に、定格出力
２５ｋＷの炭酸ガスレーザ溶接機を用いてレーザビーム
溶接を行った。この際、いずれの肉厚の板材について
も、サイドシールドガス流６を形成させない場合と、流
速ｖを２通りに変えたサイドシールドガス流６を形成さ
せた場合の３通りの条件で貫通溶接を行い、溶け落ち発
生の有無を調べた。

【００４２】この時、センターシールドノズル３として
は、本体部の内径が３０ｍｍ、先端部の内径が１５ｍｍ
のものを用いた。また、センターシールドガスとして
は、Ｈｅガスを用い、このガスを１００Ｎ（ノルマル）
リッター／ｍｉｎで供給してセンターシールドガス流５
を形成させた。さらに、サイドシールドノズル４として
は、内径ｄが４ｍｍの銅管を用いた。そして、この銅管
を、溶接線の真上に、図１中のｈとＬとがそれぞれ１ｍ
ｍと５ｍｍとなる位置に配置し、母材の表面に平行なサ
イドシールドガス流６を形成させた。

【００４３】また、溶け落ち発生の有無は、前述の図４
に示したと同様の方法で評価した。

【００４４】その結果を、溶接条件と併せて、表２に示
した。

【００４５】

【表２】

【００４６】表２に示す結果から明らかなように、サイ
ドシールドガス流６を形成させなかった場合には、いず
れの肉厚も溶け落ちが発生した。また、サイドシールド
ガス流６を形成させたものの、溶融池直上における流速
ｖが母材肉厚の２．２倍未満である場合には、いずれの
肉厚も溶け落ちが発生した。

【００４７】これに対し、形成させたサイドシールドガ
ス流６の溶融池直上における流速ｖが母材肉厚の２．２
倍以上の場合には、いずれの肉厚も溶け落ちは発生しな
かった。

【００４８】

【発明の効果】本発明の方法によれば、センターシール
ドノズルに対して溶接進行方向上流側の溶接線の真上に
サイドシールドノズルを配置し、このノズルを用いて一
定流速以上のサイドシールドガス流を形成させるとい
う、極めて簡便な手段で溶け落ちが発生するのを確実に
防ぐことが可能である。この結果、健全な溶接継手を得
ることができる。また、溶接補助具のメンテナンスが事
実上不要であるので、長時間連続的に溶接を実施する必
要がある製管溶接のようなプロセスへも容易に適用でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザビーム溶接方法の実施態様を示
す模式的縦断面図である。

【図２】溶融池に対する作用力を説明するための模式的
拡大縦断面図である。

【図３】図１のＩ−Ｉ線矢視拡大横断面図である。

【図４】溶け落ち発生の判定基準を示す図で、同図
（ａ）は溶け落ちがない場合、同図（ｂ）は溶け落ちが
発生した場合、をそれぞれ示す模式的横断面図である。

【符号の説明】

１：レーザビーム、２：被溶接材料、３：センターシールドノズル、４：サイドシールドノズル、５：センターシールドガス流、６：サイドシールドガス流、７：キーホール、８：溶融池、９：溶接金属、９’：先行凝固部、１０：押し流し力、１１：吸引力。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者下村義信大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号住友金属工業株式会社内 (56)参考文献特開昭54−40378（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−27188（ＪＰ，Ａ) 実開昭62−151091（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】センターシールドガスとサイドシールドガ
スを用いるレーザビーム溶接において、前記サイドシー
ルドガスを下記およびの条件で供給することを特徴
とするレーザビーム溶接方法。溶接線に沿って溶接進行方向の上流側から下流側に向
けて被溶接材料表面に対してほぼ平行な状態で供給する
こと。被溶接材料の肉厚をｔ（ｍｍ）としたとき、溶融池直
上でのガス流速ｖ（ｍ／ｓ）を被溶接材料肉厚ｔの２．
２倍以上とすること。