JP4232024B2 - 溶接ビード構造及び溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、へり溶接又は突合せ溶接における溶接ビード構造及びこの溶接ビード構造をレーザビームを用いて得る溶接方法に関するものである。

従来から、板体を突合せ溶接する方法にレーザビームを用いる方法があった。しかし、厚板を突合せ溶接する場合のように深い溶込みを得るための大出力レーザは大型かつ高価になる。
そこで近年、特に厚板を突合せ溶接する方法として、レーザビームを用いると共にアークを用いる、複合溶接方法が提案された。これは、溶接線に沿って先行をレーザ、後行を消耗電極式アークとして溶接を行う方法である（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−２１６９７２号公報

しかしながら上記従来技術では、複合溶接の一方に溶接ワイヤを用いたアーク溶接を使用する。このため、溶接ワイヤの送給精度や狙い位置の設定、あるいは溶接ワイヤの巻き癖への対処等、溶接の高速化に当たり困難な問題が多く、これがボトルネックとなって溶接全体の高速化が困難になるという問題点があった。また、レーザビームを用いる溶接もアークを用いる溶接も共に、溶込み深さの深いキーホール型の溶接であり、溶接強度は満足できても、溶接部（ビード及びその周辺部分）の気密性の確保に一定の限界があるという問題点もあった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解消するためになされたもので、へり溶接や特に厚板の突合せ溶接において、溶接強度及び溶接部の気密性共に満足できる溶接ビード構造及びこの溶接ビード構造をレーザビームを用いて高速に得ることのできる溶接方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、レーザビームによるへり溶接又は突合せ溶接における溶接ビード構造において、被溶接部をなす被溶接部材を溶融して形成されたキーホール型の深溶込みビード上に、その深溶込みビードよりも幅の広い熱伝導型の幅広ビードであって、その深溶込みビードの両側の前記被溶接部材を溶融して形成された幅広ビードが重ね合わされたことを特徴とする。

特許請求の範囲の請求項２に記載の発明は、へり溶接又は突合せ溶接をレーザビームを用いて行う溶接方法において、被溶接部に対し、この被溶接部の延出方向に沿ってＹＡＧレーザビームを照射して前記被溶接部をなす被溶接部材の重ね合わせ面間に深溶け込みビードを形成し、ビーム幅方向寸法が前記ＹＡＧレーザビーム径寸法よりも大きくかつ前記被溶接部材間隔よりも広い半導体レーザビームを前記ＹＡＧレーザビーム照射部の後を一定間隔置いて追って照射することにより、キーホール型の深溶込みビード上に、この深溶込みビードよりも幅の広い熱伝導型の幅広ビードが重ね合わされた溶接ビード構造を前記被溶接部の延出方向に沿って連続的に形成することを特徴とする。

特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、へり溶接又は突合せ溶接において、溶接強度及び溶接部の気密性共に高い溶接ビード構造が得られる。
また、特許請求の範囲の請求項２に記載の発明によれば、へり溶接又は突合せ溶接をレーザビームを用いて行う溶接方法において、溶接強度及び溶接部の気密性共に高い溶接ビード構造が得られると共に、このような溶接ビード構造をもつへり溶接又は突合せ溶接を高速に実現できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明に係る溶接ビード構造及び溶接方法の一実施形態を説明するための斜視図である。
ここでは、本発明方法を、被溶接部材である燃料タンク１の上容器２及び下容器３のへり溶接に適用した場合について述べる。なお、上容器２及び下容器３は、防錆メッキ処理が施された軟鋼板から成形されたものである。
図１において、燃料タンク１の上容器２及び下容器３はそれぞれの側端縁に沿って相対向する板状部であるフランジ部４，５を備えており、これらフランジ部４，５は重ね合わされた状態で加圧、挟持されている。

このように、重ね合わされたフランジ部４，５等の端面間（被溶接部６）の溶接をへり溶接という。本実施形態においては、上記被溶接部６に対し、その被溶接部６の延出方向に沿って、つまりフランジ部４，５相互間隙の長さ方向イに沿って、ＹＡＧレーザビーム１１を照射しつつ、このＹＡＧレーザビーム照射部１２の後を一定間隔Ｌ１だけ置いて追うように、半導体レーザビーム１３を照射して行く。図中、１４は半導体レーザビーム照射部、矢印ロは溶接進行方向を示す。
ここで、上記半導体レーザビーム１３のビーム幅方向寸法Ｗ２は、ＹＡＧレーザビーム径寸法Ｗ１よりも大きい値（Ｗ１＜Ｗ２）に設定されている。ＹＡＧレーザビーム径寸法Ｗ１が、被溶接部６におけるフランジ部４，５相互間隙Ｗ３よりも大きいことは勿論である。
なお寸法Ｗ１，Ｗ２は、いずれも照射部１２，１４、つまり被溶接部６上における寸法である。

このような溶接方法によると、図２にその断面（図１中のＡ−Ａ線断面）を示すように、キーホール型の深溶込みビード３１上に、この深溶込みビード３１よりも幅の広い熱伝導型の幅広ビード３２が重ね合わされた溶接ビード構造３３が、被溶接部６の延出方向（図示面と直交する方向）に沿って、つまりへり溶接の溶接線上に連続的に形成される。
これは、図１に示すように、被溶接部６に対し、先行してＹＡＧレーザビーム１１を照射してキーホール型の深溶込みビード３１を形成し、その後に、ＹＡＧレーザビーム径寸法Ｗ１よりも大きなビーム幅方向寸法Ｗ２を有する半導体レーザビーム１３を照射し、深溶込みビード３１よりも幅の広い熱伝導型の幅広ビード３２を形成するからである。

このようして得られた溶接ビード構造３３によれば、キーホール型の深溶込みビード３１により高い溶接強度が得られる。また、キーホール型の深溶込みビード３１上に、この深溶込みビード３１よりも幅の広い熱伝導型の幅広ビード３２が重ね合わされる。
したがって、深溶込みビード３１の形成時に、そのビード３１部分にタンク１内外方向（被溶接部６の深さ方向）に貫通する方向に、連続して、あるいは不連続に孔が生じた場合であっても、この孔に対する上記幅広ビード３２の覆い形成によって、あるいは幅広ビード３２の溶込みによって塞がれ、高い気密性が確保できる。
すなわちへり溶接において、溶接強度及び溶接部（溶接後の被溶接部６）の気密性共に高い溶接ビード構造３３が得られ、溶接部において剥がれや液漏れを生じることのない、図３に示すような燃料タンク１を形成できる。なお、図３は燃料タンク１の一部が切り欠かかれて示されている。
また、共にレーザビーム１１，１３を用いる複合溶接であり、溶接ワイヤは用いないので、溶接ワイヤを用いることに起因した、溶接高速化に当たっての困難な問題は生じなく、溶接全体の高速化が可能となる。

その他、ＹＡＧレーザビーム１１及び半導体レーザビーム１３を用いた複合溶接の利点を以下に列挙する。
半導体レーザビーム１３単独の溶接では、被溶接部６、ここでは鋼板の溶融量が不足し、フランジ部４，５相互の間隙寸法が一定値を超えた場合に溶接が不可能になる。しかし、ＹＡＧレーザビーム１１及び半導体レーザビーム１３を用いた上述複合溶接によれば、まずＹＡＧレーザビーム１１が深溶込みビード３１を形成し、フランジ部４，５相互の間隙を深溶込みビード３１が埋める。これにより、その後に照射される半導体レーザビーム１３がフランジ部４，５相互の間隙を抜けなくなり、したがって、鋼板（フランジ部４，５）へのレーザ吸収率が高くなり、熱伝導によって同鋼板の溶融量が増え、溶接が可能となる。このように、単独で半導体レーザビーム１３を用いる場合に比べ、より効果的に不連続に発生した孔を塞ぎ、気密性を向上させることができるという利点がある。
また、後追いする半導体レーザビーム１３により、溶接ビード構造３３表面の凹凸が滑らかにされるので、溶接加工の外観品質が向上する。
ＹＡＧレーザビーム１１及び半導体レーザビーム１３の発振装置は、共に産業用として同等の高出力域のレーザ発振が可能であり、ＹＡＧレーザビーム１１単体で溶接しようとしたときの生産性と比較して、同等又はそれ以上の生産性で、製品品質を向上させることができる。
ＹＡＧレーザビーム１１単体でこれを高出力化し、フランジ部４，５相互の間隙寸法に対する裕度を向上させようとした場合に、キーホール型溶接による材料（ここでは鋼板）の蒸発が激しくなり、スパッタによるレーザビーム光学系の損傷割合を増大させる虞がある。しかし、ＹＡＧレーザビーム１１は高出力化せず、それを半導体レーザビーム１３で補うようにすることで、スパッタが少ない静かな溶接を施すことができ、レーザビーム光学系の損傷割合を小さくすることが可能となる。
更に、ＹＡＧレーザビーム１１及び半導体レーザビーム１３を用いた複合溶接によれば、シールドガスを特に必要としないという利点もある。

上述実施形態では、本発明方法をへり溶接に適用した場合について述べたが、板体、特に厚板の突合せ溶接においても同様に本発明方法を適用できる。
また溶接に当たっては、ＹＡＧレーザビーム１１の照射を先行させ、その後に半導体レーザビーム１３を照射させるようにすれば、被溶接部材（被溶接部６）を固定してレーザビーム１１，１３を移動させても、あるいはレーザビーム１１，１３を固定して被溶接部材を移動させてもよい。更には、被溶接部材及びレーザビーム１１，１３の両方を移動（ただし互い違いの方向に移動）させてもよい。

本発明による溶接方法の一実施形態を説明するための斜視図である。 図１に示す溶接方法により得られた溶接ビード構造の一例を示す断面図である。 同上溶接方法が適用されて形成された燃料タンクの概要を一部切り欠いて示す斜視図である。

符号の説明

４，５：フランジ部、６：被溶接部、１１：ＹＡＧレーザビーム、１２：ＹＡＧレーザビーム照射部、１３：半導体レーザビーム、１４：半導体レーザビーム照射部、Ｌ１：ＹＡＧレーザビーム照射部と半導体レーザビーム照射部との間隔、Ｗ１：ＹＡＧレーザビーム径寸法、Ｗ２：半導体レーザビーム幅方向寸法、３１：キーホール型の深溶込みビード、３２：熱伝導型の幅広ビード、３３：溶接ビード構造。

Claims (2)

1. レーザビームによるへり溶接又は突合せ溶接における溶接ビード構造において、
   被溶接部をなす被溶接部材を溶融して形成されたキーホール型の深溶込みビード上に、
   その深溶込みビードよりも幅の広い熱伝導型の幅広ビードであって、その深溶込みビードの両側の前記被溶接部材を溶融して形成された幅広ビードが重ね合わされたことを特徴とする溶接ビード構造。
2. へり溶接又は突合せ溶接をレーザビームを用いて行う溶接方法において、
   被溶接部に対し、この被溶接部の延出方向に沿ってＹＡＧレーザビームを照射して前記被溶接部をなす被溶接部材の重ね合わせ面間に深溶け込みビードを形成し、
   ビーム幅方向寸法が前記ＹＡＧレーザビーム径寸法よりも大きくかつ前記被溶接部材間隔よりも広い半導体レーザビームを前記ＹＡＧレーザビーム照射部の後を一定間隔置いて追って照射することにより、
   キーホール型の深溶込みビード上に、この深溶込みビードよりも幅の広い熱伝導型の幅広ビードが重ね合わされた溶接ビード構造を前記被溶接部の延出方向に沿って連続的に形成することを特徴とする溶接方法。

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