JP3229110B2 - アルミニウム合金の接合方法 - Google Patents
アルミニウム合金の接合方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はアルミハニカム等の構造
材、自動車部品及び缶製品などの製造に用いるアルミニ
ウム合金の接合方法に関するものである。
材、自動車部品及び缶製品などの製造に用いるアルミニ
ウム合金の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】アルミは一般的に金属のレーザ加工で用
いられるＹＡＧ，ＣＯ2 レーザの波長域では反射率が高
く、また、熱伝導率が高いため、レーザによる効率のよ
い入熱は困難である。そこで従来、アルミのレーザ溶接
では大出力の連続波（ＣＷ）のＹＡＧ，ＣＯ2 レーザを
用い、かつ焦点距離の短いレンズ等でレーザ光を微小ス
ポットに集光し、平均的なパワー密度を大きくすること
で対応していた。しかし、これらの方法は大型のレーザ
装置が必要となり、設備的にコストが高いし、過大な入
熱のため特に薄板の場合、溶接点近傍や裏面に不必要な
変形などの熱影響が発生する問題があった。
いられるＹＡＧ，ＣＯ2 レーザの波長域では反射率が高
く、また、熱伝導率が高いため、レーザによる効率のよ
い入熱は困難である。そこで従来、アルミのレーザ溶接
では大出力の連続波（ＣＷ）のＹＡＧ，ＣＯ2 レーザを
用い、かつ焦点距離の短いレンズ等でレーザ光を微小ス
ポットに集光し、平均的なパワー密度を大きくすること
で対応していた。しかし、これらの方法は大型のレーザ
装置が必要となり、設備的にコストが高いし、過大な入
熱のため特に薄板の場合、溶接点近傍や裏面に不必要な
変形などの熱影響が発生する問題があった。
【０００３】また、特開平５−２２８６６１号公報や特
開平５−２２８６６２号公報のように溶接部の凝固割れ
や凹みを防止するために、溶接すべきアルミニウム材と
して溶加材が予め被覆されたものを用いてレーザ溶接を
行う方法か、溶加材を複合押出により表面に複合一体化
した複合材を製作した後、この複合押出材に熱間圧延を
施して、これを溶加材層を表面に有する板材に形成した
ものを用意し、この溶加材複合アルミニウム板を用い
て、レーザ溶接を行う方法が提案されている。更には、
特開平４−２１４８９８号公報はアルミ材のめっき後の
処理の際、被処理材を支持台に取り付けて、処理液に浸
される。この時、被処理材を支持台にレーザ溶接で取付
け、またレーザ切断で切り離す。この時使用するレーザ
装置としてＣＯ2 レーザ、平均出力１６００Ｗ、パルス
ピーク出力３０００Ｗ、周波数１０〜３０００Ｈｚ、ま
た、ＹＡＧレーザ、平均出力４００×３台、パルスピー
ク出力５０００Ｗ×３台の仕様が開示されている。
開平５−２２８６６２号公報のように溶接部の凝固割れ
や凹みを防止するために、溶接すべきアルミニウム材と
して溶加材が予め被覆されたものを用いてレーザ溶接を
行う方法か、溶加材を複合押出により表面に複合一体化
した複合材を製作した後、この複合押出材に熱間圧延を
施して、これを溶加材層を表面に有する板材に形成した
ものを用意し、この溶加材複合アルミニウム板を用い
て、レーザ溶接を行う方法が提案されている。更には、
特開平４−２１４８９８号公報はアルミ材のめっき後の
処理の際、被処理材を支持台に取り付けて、処理液に浸
される。この時、被処理材を支持台にレーザ溶接で取付
け、またレーザ切断で切り離す。この時使用するレーザ
装置としてＣＯ2 レーザ、平均出力１６００Ｗ、パルス
ピーク出力３０００Ｗ、周波数１０〜３０００Ｈｚ、ま
た、ＹＡＧレーザ、平均出力４００×３台、パルスピー
ク出力５０００Ｗ×３台の仕様が開示されている。
【０００４】特開昭５９−３０４９２号公報にはアルミ
合金の溶接性向上のため、アルミニウムとアルミニウム
合金或いはアルミニウム合金同志を溶接する場合に両溶
接母材と成分の異なるアルミニウム合金よりなるフィラ
ーメタルを両溶接母材間に介在させて、ＹＡＧレーザに
より両溶接母材を溶接する方法や特開平４−３３９５８
４号公報は被溶接部に間隙を設け、レーザ光を特定の角
度で入射し、間隙内でのレーザ光の多重反射で接合面を
加熱する金属筒体の製造方法や特開平２−１４２６８６
号公報は狭開先レーザ溶接と超音波シーム溶接の組合せ
によるアルミニウム合金製溶接缶胴体の製造方法が提案
されている。
合金の溶接性向上のため、アルミニウムとアルミニウム
合金或いはアルミニウム合金同志を溶接する場合に両溶
接母材と成分の異なるアルミニウム合金よりなるフィラ
ーメタルを両溶接母材間に介在させて、ＹＡＧレーザに
より両溶接母材を溶接する方法や特開平４−３３９５８
４号公報は被溶接部に間隙を設け、レーザ光を特定の角
度で入射し、間隙内でのレーザ光の多重反射で接合面を
加熱する金属筒体の製造方法や特開平２−１４２６８６
号公報は狭開先レーザ溶接と超音波シーム溶接の組合せ
によるアルミニウム合金製溶接缶胴体の製造方法が提案
されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述した特開平５−２
２８６６１号公報や特開平５−２２８６６２号公報にあ
っては、特にレーザ出力特性については記載がなく、ま
た、溶加材を被覆しなければならないので汎用性に劣る
と言う問題がある。また、特開平４−２１４８９８号公
報はレーザのピーク出力と平均出力密度（Ｗ／ｃｍ2 ）
の兼ね合いについては特に示されていないし、また、狭
開先溶接でない。特開昭５９−３０４９２号公報は特開
平５−２２８６６１号公報や特開平５−２２８６６２号
公報と同様、特にレーザ出力特性については何ら記載が
なく、また、溶加材を被覆しなければならないので汎用
性に劣ると言う問題がある。更に、特開平４−３３９５
８４号公報は多重反射を利用する観点からは狭開先溶接
法の基本特許と同じで、そのバリエーションの一つであ
るが、しかし、レーザについてはＹＡＧ，ＣＯ2 が好ま
しいとあるだけで出力性能には何ら限定がないし、材料
の限定もない。また、特開平２−１４２６８６号公報は
レーザについてのＹＡＧ或いはＣＯ2 の限定がなく、実
施例ではＣＷ，ＹＡＧ６００Ｗを使用しているのが実状
である。
２８６６１号公報や特開平５−２２８６６２号公報にあ
っては、特にレーザ出力特性については記載がなく、ま
た、溶加材を被覆しなければならないので汎用性に劣る
と言う問題がある。また、特開平４−２１４８９８号公
報はレーザのピーク出力と平均出力密度（Ｗ／ｃｍ2 ）
の兼ね合いについては特に示されていないし、また、狭
開先溶接でない。特開昭５９−３０４９２号公報は特開
平５−２２８６６１号公報や特開平５−２２８６６２号
公報と同様、特にレーザ出力特性については何ら記載が
なく、また、溶加材を被覆しなければならないので汎用
性に劣ると言う問題がある。更に、特開平４−３３９５
８４号公報は多重反射を利用する観点からは狭開先溶接
法の基本特許と同じで、そのバリエーションの一つであ
るが、しかし、レーザについてはＹＡＧ，ＣＯ2 が好ま
しいとあるだけで出力性能には何ら限定がないし、材料
の限定もない。また、特開平２−１４２６８６号公報は
レーザについてのＹＡＧ或いはＣＯ2 の限定がなく、実
施例ではＣＷ，ＹＡＧ６００Ｗを使用しているのが実状
である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明はこれらの問題を
解消し、パルスＣＯ2 レーザを用いて、時間的にも高密
度なレーザ光を入射することで、アルミ材料を瞬間的に
溶融状態にすることが可能であることの知見のもとに、
狭開先レーザ溶接により、パルスピーク出力密度と平均
出力密度をパラメータにした溶接可能最適領域を見出
し、低平均出力のレーザ装置で溶接を可能としたもので
ある。その発明の要旨とするところは、アルミの狭開先
レーザ溶接による接合方法において、パルスＣＯ2 レー
ザを用い、狭開先密着部におけるレーザ光のパルスピー
ク出力密度をＰｐ（ＭＷ／ｃｍ2 ）とし、平均出力密度
をＰａ（ＭＷ／ｃｍ2 ）とするとき、Ｐｐが７０×ｅｘ
ｐ（−２０×Ｐａ）以上であり、かつ１８０００×ｅｘ
ｐ（−１６×Ｐａ）以下なる領域を満足する条件で溶接
することを特徴とするアルミニウム合金の接合方法にあ
る。
解消し、パルスＣＯ2 レーザを用いて、時間的にも高密
度なレーザ光を入射することで、アルミ材料を瞬間的に
溶融状態にすることが可能であることの知見のもとに、
狭開先レーザ溶接により、パルスピーク出力密度と平均
出力密度をパラメータにした溶接可能最適領域を見出
し、低平均出力のレーザ装置で溶接を可能としたもので
ある。その発明の要旨とするところは、アルミの狭開先
レーザ溶接による接合方法において、パルスＣＯ2 レー
ザを用い、狭開先密着部におけるレーザ光のパルスピー
ク出力密度をＰｐ（ＭＷ／ｃｍ2 ）とし、平均出力密度
をＰａ（ＭＷ／ｃｍ2 ）とするとき、Ｐｐが７０×ｅｘ
ｐ（−２０×Ｐａ）以上であり、かつ１８０００×ｅｘ
ｐ（−１６×Ｐａ）以下なる領域を満足する条件で溶接
することを特徴とするアルミニウム合金の接合方法にあ
る。
【０００７】
【作用】以下本発明について図面に従って詳細に説明す
る。図１は本発明に係るアルミの狭開先によるレーザ溶
接の斜視図である。図１に示すように、二枚の溶接材料
であるアルミニウム合金板１を押さえロール２によって
押さえながら連続的に狭開先密着部３にパルスＣＯ2 レ
ーザを用いてレーザ光をレンズ４によって光を調整しな
がらレーザ溶接を行っている状態を示している。なお、
符号５は二枚に溶接材料であるアルミニウム合金板１の
レーザ溶接された溶接部である。このように狭開先によ
るレーザ溶接を対象としている。ここで狭開先溶接とは
図１にも示しているように、物体の接合面の少なくとも
一方を曲げて溶接部へ導入して、この溶接部で他方の接
合面へ密着し、そして溶接部の前方では楔状空隙を作る
ようにしたものを言う。この状態でレーザビームを楔状
空隙の開放面側より奥部へ向けて投射してアルミニウム
合金板の接合面の両面を加熱、溶着させるものである。
る。図１は本発明に係るアルミの狭開先によるレーザ溶
接の斜視図である。図１に示すように、二枚の溶接材料
であるアルミニウム合金板１を押さえロール２によって
押さえながら連続的に狭開先密着部３にパルスＣＯ2 レ
ーザを用いてレーザ光をレンズ４によって光を調整しな
がらレーザ溶接を行っている状態を示している。なお、
符号５は二枚に溶接材料であるアルミニウム合金板１の
レーザ溶接された溶接部である。このように狭開先によ
るレーザ溶接を対象としている。ここで狭開先溶接とは
図１にも示しているように、物体の接合面の少なくとも
一方を曲げて溶接部へ導入して、この溶接部で他方の接
合面へ密着し、そして溶接部の前方では楔状空隙を作る
ようにしたものを言う。この状態でレーザビームを楔状
空隙の開放面側より奥部へ向けて投射してアルミニウム
合金板の接合面の両面を加熱、溶着させるものである。
【０００８】図２はパルスピーク出力密度に係る時間と
出力との関係を示す図である。図２に示すように、狭開
先レーザ溶接を適用した場合にパルスピーク出力密度と
平均出力密度が時間ｔと共にｔ1 時間の周期で生じてい
ることが判る。すなわち、パルスピーク出力６のパルス
エネルギー（Ｊ／ｐｕｌｓｅ）をＥとし、パルス時間幅
ｔ2 とすると、Ｅ／ｔ2 ［Ｗ］、パルス繰返し周期数
［ＨZ ］＝１／ｔ1 ［１／ｓｅｃ］、また、平均出力は
パルスエネルギー（Ｅ）×繰返し周期数（１／ｔ1 ）＝
Ｅ／ｔ1 ［Ｗ］で表すことが出来る。そこでビーム断面
積をＳとすると、次の式で表すことが出来る。 パルスピーク出力密度Ｐｐ＝（Ｅ／ｔ2 ）／Ｓ［Ｗ／ｃｍ2 ］ … （１） 平均出力密度Ｐａ＝（Ｅ／ｔ1 ）／Ｓ［Ｗ／ｃｍ2 ］ … （２） なお、ここで各出力密度は狭開先を作らずにレンズから
の距離だけで決まるレーザビーム断面積［ｃｍ2 ］に含
まれるパワー密度である。
出力との関係を示す図である。図２に示すように、狭開
先レーザ溶接を適用した場合にパルスピーク出力密度と
平均出力密度が時間ｔと共にｔ1 時間の周期で生じてい
ることが判る。すなわち、パルスピーク出力６のパルス
エネルギー（Ｊ／ｐｕｌｓｅ）をＥとし、パルス時間幅
ｔ2 とすると、Ｅ／ｔ2 ［Ｗ］、パルス繰返し周期数
［ＨZ ］＝１／ｔ1 ［１／ｓｅｃ］、また、平均出力は
パルスエネルギー（Ｅ）×繰返し周期数（１／ｔ1 ）＝
Ｅ／ｔ1 ［Ｗ］で表すことが出来る。そこでビーム断面
積をＳとすると、次の式で表すことが出来る。 パルスピーク出力密度Ｐｐ＝（Ｅ／ｔ2 ）／Ｓ［Ｗ／ｃｍ2 ］ … （１） 平均出力密度Ｐａ＝（Ｅ／ｔ1 ）／Ｓ［Ｗ／ｃｍ2 ］ … （２） なお、ここで各出力密度は狭開先を作らずにレンズから
の距離だけで決まるレーザビーム断面積［ｃｍ2 ］に含
まれるパワー密度である。
【０００９】図３は本発明に係る平均出力密度Ｐａとピ
ーク出力密度Ｐｐとの関係を示す図である。図３に示す
ように、アルミニウム合金材料に狭開先レーザ溶接法を
適用した場合、パルスピーク出力密度Ｐｐと平均出力密
度Ｐａをパラメータにした溶接可能領域、すなわち、７
０×ｅｘｐ（−２０×Ｐａ）≦Ｐｐ≦１８０００×ｅｘ
ｐ（−１６×Ｐａ）の領域である図３に示す斜線部
（Ｂ）であることが判明した。すなわち、領域（Ａ）で
は入熱不足により溶融現象が起こらない。また、領域
（Ｃ）では過大な入熱のため溶融を通り越し、蒸発に至
るため溶接欠陥が発生し、良好な溶接が出来ない。更に
は、この領域では大型のレーザ装置が必要となり経済性
が悪化する。そこで狭開先レーザ溶接を適用した場合、
パルスピーク出力密度と平均出力密度が上記式を満足す
る領域に該当する値にする必要がある。それ未満である
と溶接が不可能であることを示している。
ーク出力密度Ｐｐとの関係を示す図である。図３に示す
ように、アルミニウム合金材料に狭開先レーザ溶接法を
適用した場合、パルスピーク出力密度Ｐｐと平均出力密
度Ｐａをパラメータにした溶接可能領域、すなわち、７
０×ｅｘｐ（−２０×Ｐａ）≦Ｐｐ≦１８０００×ｅｘ
ｐ（−１６×Ｐａ）の領域である図３に示す斜線部
（Ｂ）であることが判明した。すなわち、領域（Ａ）で
は入熱不足により溶融現象が起こらない。また、領域
（Ｃ）では過大な入熱のため溶融を通り越し、蒸発に至
るため溶接欠陥が発生し、良好な溶接が出来ない。更に
は、この領域では大型のレーザ装置が必要となり経済性
が悪化する。そこで狭開先レーザ溶接を適用した場合、
パルスピーク出力密度と平均出力密度が上記式を満足す
る領域に該当する値にする必要がある。それ未満である
と溶接が不可能であることを示している。
【００１０】
【実施例】供試材として、厚さ０．２３ｍｍのアルミニ
ウム合金３００４なる薄板を重ね合わせ、開放側から狭
開先密着部にレーザビームを照射しながら押さえロール
にて二枚を溶接した溶接板を得るもので、そのレーザは
次のような条件で行った。 レーザ装置：高速パルスＣＯ2 レーザ（波長１０．６μ
ｍ） パルスピーク出力 ０．５〜２０ＫＷ 平均出力 １００〜５００Ｗ パルス繰り返し周波数 １ＫＨｚ 集光レンズ：ＺｎＳｅレンズ 集点距離ｆ＝５゛，７．
５゛ 材料 ：アルミニウム合金 ３００４ 材料移動速度：２５０ｍｍ／ｓｅｃ 狭開先密着部でのレーザビーム断面積Ｓ： ｆ＝５゛ Ｓ＝１．９６×１０-3ｃｍ2 ｆ＝７．５゛ Ｓ＝４．０７×１０-3ｃｍ2
ウム合金３００４なる薄板を重ね合わせ、開放側から狭
開先密着部にレーザビームを照射しながら押さえロール
にて二枚を溶接した溶接板を得るもので、そのレーザは
次のような条件で行った。 レーザ装置：高速パルスＣＯ2 レーザ（波長１０．６μ
ｍ） パルスピーク出力 ０．５〜２０ＫＷ 平均出力 １００〜５００Ｗ パルス繰り返し周波数 １ＫＨｚ 集光レンズ：ＺｎＳｅレンズ 集点距離ｆ＝５゛，７．
５゛ 材料 ：アルミニウム合金 ３００４ 材料移動速度：２５０ｍｍ／ｓｅｃ 狭開先密着部でのレーザビーム断面積Ｓ： ｆ＝５゛ Ｓ＝１．９６×１０-3ｃｍ2 ｆ＝７．５゛ Ｓ＝４．０７×１０-3ｃｍ2
【００１１】その溶接結果を図４に示す。図４は図３と
同様に平均出力密度とピーク出力密度との関係を示す図
であって、レンズ集点距離を５インチ（１２７ｍｍ）お
よび７．５インチ（１９１ｍｍ）の各レンズを用いた場
合の溶接の可否を○●×で表示した。すなわち、○はレ
ンズ集点距離を５インチの場合、●はレンズ集点距離を
７．５インチの場合のそれぞれの溶接可能な点を示して
いる。また、×はレンズ集点距離を５インチ、××はレ
ンズ集点距離を７．５インチのそれぞれの溶接不可能な
点を示している。これより判るように溶接可能点は本発
明のＰｐ条件を満たしていることが判る。
同様に平均出力密度とピーク出力密度との関係を示す図
であって、レンズ集点距離を５インチ（１２７ｍｍ）お
よび７．５インチ（１９１ｍｍ）の各レンズを用いた場
合の溶接の可否を○●×で表示した。すなわち、○はレ
ンズ集点距離を５インチの場合、●はレンズ集点距離を
７．５インチの場合のそれぞれの溶接可能な点を示して
いる。また、×はレンズ集点距離を５インチ、××はレ
ンズ集点距離を７．５インチのそれぞれの溶接不可能な
点を示している。これより判るように溶接可能点は本発
明のＰｐ条件を満たしていることが判る。
【００１２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によってパル
スＣＯ2 レーザをアルミの狭開先レーザ溶接に適用し、
パルスのピーク、平均出力を制御することで効率的にア
ルミ溶接を行える。また、高ピーク出力のレーザを用い
ることで溶接に必要な平均レーザ出力を下げることが可
能で、小型のレーザ装置で低コストで溶接が可能とな
り、しかも、高Ｍｇ含有アルミ溶接にも優れた低入熱で
熱影響の少ない溶接が可能である等種々の優れた効果を
奏するものである。
スＣＯ2 レーザをアルミの狭開先レーザ溶接に適用し、
パルスのピーク、平均出力を制御することで効率的にア
ルミ溶接を行える。また、高ピーク出力のレーザを用い
ることで溶接に必要な平均レーザ出力を下げることが可
能で、小型のレーザ装置で低コストで溶接が可能とな
り、しかも、高Ｍｇ含有アルミ溶接にも優れた低入熱で
熱影響の少ない溶接が可能である等種々の優れた効果を
奏するものである。
【図１】本発明に係るアルミの狭開先によるレーザ溶接
の斜視図、
の斜視図、
【図２】パルスピーク出力密度に係る時間と出力との関
係を示す図、
係を示す図、
【図３】本発明に係る平均出力密度とピーク出力密度と
の関係を示す図、
の関係を示す図、
【図４】平均出力密度とピーク出力密度との関係を示す
図である。
図である。
１ アルミニウム合金板 ２ 押さえロール ３ 狭開先密着部 ５ レンズ ６ パルスピーク出力
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉橋 敦史 神奈川県相模原市淵野辺５−10−１ 新 日本製鐵株式会 エレクトロニクス研究 所内 (72)発明者 南田 勝宏 神奈川県相模原市淵野辺５−10−１ 新 日本製鐵株式会 エレクトロニクス研究 所内 (56)参考文献 特開 昭52−60256（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−318153（ＪＰ，Ａ) 特表 平２−500628（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 26/00 B32B 15/01 B23K 103:10
Claims (1)
- 【請求項１】 アルミの狭開先レーザ溶接による接合方
法において、パルスＣＯ2 レーザを用いて、狭開先密着
部におけるレーザ光のパルスピーク出力密度をＰｐ（Ｍ
Ｗ／ｃｍ2 ）とし、平均出力密度をＰａ（ＭＷ／ｃ
ｍ2 ）とするとき、Ｐｐが７０×ｅｘｐ（−２０×Ｐ
ａ）以上であり、かつ１８０００×ｅｘｐ（−１６×Ｐ
ａ）以下なる領域を満足する条件で溶接することを特徴
とするアルミニウム合金の接合方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04345294A JP3229110B2 (ja) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | アルミニウム合金の接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04345294A JP3229110B2 (ja) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | アルミニウム合金の接合方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07251281A JPH07251281A (ja) | 1995-10-03 |
| JP3229110B2 true JP3229110B2 (ja) | 2001-11-12 |
Family
ID=12664103
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04345294A Expired - Fee Related JP3229110B2 (ja) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | アルミニウム合金の接合方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3229110B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5428543B2 (ja) * | 2009-06-03 | 2014-02-26 | 日産自動車株式会社 | レーザー溶接方法 |
-
1994
- 1994-03-15 JP JP04345294A patent/JP3229110B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07251281A (ja) | 1995-10-03 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20010828 |
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