JP4998634B1

JP4998634B1 - レーザ溶接方法

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Publication number: JP4998634B1
Application number: JP2011073023A
Authority: JP
Inventors: 博幸角; 浩史矢埜
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2031-03-29
Also published as: JP2012206138A

Abstract

【課題】溶接中にスパッタが飛散して被溶接材の上面および光学部品へ付着することを抑制するとともに、被溶接材の裏面のアンダーカットやアンダーフィルが発生することを防止できるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】２本のレーザビームを溶接線に沿って被溶接材の上面側から照射し、被溶接材の上面側で溶接進行方向に先行するジャストフォーカスでのスポット径の先行レーザビームおよび後行するジャストフォーカスでのスポット径の後行レーザビームを被溶接材の上面に垂直方向に対する入射角を設けて溶接進行方向に傾斜させて照射するとともに、被溶接材の上面での先行レーザビームの照射領域の中心と後行レーザビームの照射領域の中心との距離を所定の範囲内としてレーザ溶接を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接中に発生するスパッタが被溶接材の上面や光学部品に付着するのを抑制できるとともに、被溶接材の裏面にアンダーカットやアンダーフィルが発生するのを防止できるレーザ溶接方法に関するものである。

レーザ溶接は、高いエネルギー密度を得ることができるので、溶け込みが深くかつ高速の溶接が可能であり、高能率な溶接方法として期待されている。また、極めて局所的な溶融となるため被溶接材（たとえば薄鋼板，厚鋼板，ステンレス鋼板等）に加わる熱の影響も小さく、歪や変形が小さくなり、高品質の溶接継手を得ることができる。このため、自動車などの薄鋼板の分野においては、既に部材や車体の組立工程に実用化が進んでいる。一方、厚鋼板の分野においても、最近では高出力で光ファイバー伝送が可能な高性能のレーザ溶接機が市販されるようになり、溶接可能な板厚が増大したことから実用化に向けた本格的な検討がなされている。

しかしながら、レーザ溶接は高エネルギー密度のレーザビームを光学部品により集光して溶接部に照射するため、被溶接材が急激に溶融することになる。そのため、形成された溶融池から溶融メタルがスパッタとして周囲に飛散することがある。この飛散したスパッタが被溶接材に付着すると、溶接部の外観品質を損ねることになる。さらに、スパッタが保護ガラスやレンズなどの光学部品に付着すると、レーザビームの集光性や照射量等が変化し、レーザ溶接が不安定になる。

また、スパッタが多量に発生すると溶融地の溶融メタルが減少するので、アンダーカットやアンダーフィル(すなわち窪み)などの溶接欠陥が生じやすくなる。アンダーカットやアンダーフィルが発生すれば、溶接部の強度低下を招く。
これに対して、例えば特許文献１では、二重管状のノズル構造を有するレーザ加工ヘッドを用い、外側ノズルから噴出させたアシストガスによって遮蔽カーテンを形成して、レーザ加工ヘッド内部へのスパッタ飛散を防止する技術が開示されている。

特許文献２では、レーザ溶接の溶接部にフィラーワイヤを揺動させながら送給することで、アンダーフィルを防止し、スパッタの発生を抑制する技術が開示されている。
特許文献３では、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して、レーザ加工ヘッドおよび被溶接材へのスパッタ付着を防止する技術が開示されている。
特許文献４では、レーザビームの照射により形成される溶融池から飛散するスパッタに向けて、横方向から被溶接材に近い位置で気体を吹き付けることで、光学部品や被溶接材へのスパッタ付着を防止する技術が開示されている。

特開平11-123578号公報特開2004-330299号公報特開2003-334686号公報特開2009-166050号公報

しかし、特許文献１に開示された技術では、レーザ加工ヘッド内部へのスパッタ付着は防止できるものの、レーザ加工ヘッド先端や被溶接材へのスパッタ付着を防止することはできない。
特許文献２に開示された技術では、使用するフィラーワイヤの成分によって溶接金属の組成が変化し、その結果、溶接金属の特性が変動するので、被溶接材の成分に応じて好適なフィラーワイヤを選択する必要がある。そのため、フィラーワイヤの在庫管理やフィラーワイヤを選択する作業管理の負荷が増大する。

特許文献３に開示された技術では、対象とする被溶接材の板厚が増大してレーザ出力が大きくなると、飛散するスパッタ量が増加するためレーザ加工ヘッドおよび被溶接材へのスパッタ付着を完全に防止することはできない。
特許文献４に開示された技術では、被溶接材の上面側（すなわちレーザビームを照射する側）に発生したスパッタの付着防止には有効であるが、飛散するスパッタを吹き飛ばして除去するので、溶融池の溶融メタルが減少してアンダーカットやアンダーフィルなどの溶接欠陥が被溶接材の裏面側に発生しやすい。

そこで本発明は、突合せ溶接における被溶接材の突合せ面に設けられた開先に上面側からレーザビームを照射して溶接する方法に関して、フィラーワイヤを使用せず、溶接中にスパッタが飛散して被溶接材の上面および光学部品へ付着することを抑制するとともに、被溶接材の裏面のアンダーカットやアンダーフィルが発生することを防止できるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

発明者らは、特許文献１〜４に開示された技術が、いずれも１本のレーザビームを被溶接材に垂直に照射してレーザ溶接を行なうものであることに着目した。レーザビームを１本のみ使用して垂直に照射する場合は、そのレーザビームが被溶接材に照射される部位にエネルギーが集中するので、溶融メタルの温度が著しく上昇して揺動し、被溶接材の上面にスパッタが発生しやすくなるばかりでなく、被溶接材の裏面にアンダーカットやアンダーフィルが発生しやすくなる。

これに対してレーザビームを２本使用し、それらを溶接線に沿って配置することによってエネルギーを分散させると、溶融メタルの温度上昇や揺動を抑制できるので、被溶接材の上面で発生するスパッタが軽減され、かつ被溶接材の裏面にアンダーカットやアンダーフィルが発生するのを防止できる。さらにその被溶接材の上面側で溶接進行方向に先行するレーザビーム（以下、先行レーザビームという）および後行するレーザビーム（以下、後行レーザビームという）を溶接進行方向に傾斜させて照射し、かつ先行レーザビームと後行レーザビームが被溶接材の内部で交差しないように配置することによって、スパッタを軽減し、ひいてはアンダーカットやアンダーフィルを防止する効果が増大する。そのメカニズムの詳細は不明であるが、傾斜角をもって照射される２本のレーザビームにエネルギーを分散させ、かつ先行レーザビームがスパッタを抑制しながら鋼板を予熱した後、後行レーザビームが鋼板を溶融することによって、スパッタの飛散が抑制されると推定される。なお、レーザビームの入射角は、被溶接材の上面に垂直な方向とレーザビームを照射する方向とのなす角を指す。

本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、異なる光ファイバーを用いて伝送された２本のレーザビームを溶接線に沿って被溶接材の上面側から照射し、被溶接材の上面側で溶接進行方向に先行するジャストフォーカスでのスポット径Ｄa（mm）の先行レーザビームおよび後行するジャストフォーカスでのスポット径Ｄb（mm）の後行レーザビームを被溶接材の上面に垂直な方向から入射角を設けて溶接進行方向に傾斜させて照射するとともに、被溶接材の上面での先行レーザビームの照射領域の中心と後行レーザビームの照射領域の中心との間隔をスポット径Ｄaとスポット径Ｄbの大きい方のスポット径Ｄ_maxに対して６×Ｄ_max以下とし、かつ被溶接材の裏面で先行レーザビームの出射領域の中心と後行レーザビームの出射領域の中心との間隔をＤ_maxに対して２×Ｄ_max〜１２×Ｄ_maxの範囲内としてレーザ溶接を行なうレーザ溶接方法である。

本発明のレーザ溶接方法においては、先行レーザビームの入射角を後行レーザビームの入射角よりも大きくしてレーザ溶接を行なうことが好ましい。また、先行レーザビームと後行レーザビームの入射角を５〜50°とすることが好ましい。

本発明によれば、突合せ溶接を行なうにあたって、溶接中にスパッタが被溶接材の上面から飛散することを抑制するとともに、被溶接材の裏面にアンダーカットやアンダーフィルが発生することを防止できる。

本発明を適用して２本のレーザビームで溶接する例を模式的に示す斜視図である。図１の鋼板の上面における先行レーザビームの照射領域，後行レーザビームの照射領域および溶接線の配置の例を模式的に示す平面図である。図１の先行レーザビーム，後行レーザビームおよび鋼板の上面に垂直な線の配置の例を模式的に示す側面図である。

図１は、本発明を適用して２本のレーザビームで被溶接材の突合せ溶接を行なう例を模式的に示す斜視図である。図１中の矢印Ａは溶接進行方向を示す。溶接線２は、互いに突き合わせた鋼板１の接合部を示す線である。なお、レーザビーム3a，3bの照射によって発生する深い空洞（以下、キーホールという）４と、その周囲に形成される溶融メタル５は透視図として示す。以下に被溶接材１として鋼板の溶接を行なう例について説明する。

本発明では、２本のレーザビーム3a，3bを、鋼板１の溶接線２に沿って、鋼板１の上面側から照射する。その際、単一の光ファイバーで伝送したレーザビームを光学部品（たとえばプリズム等）で分割しながら照射すると、後述する照射領域の中心点の間隔や入射角，スポット径を個別に設定することができない。したがって、２本のレーザビーム3a，3bをそれぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送する必要がある。

使用するレーザ発振器は１台でも良いし、あるいは２台でも良い。レーザ発振器が１台で、２本のレーザビームを伝送する場合は、発振されたレーザ光を光学部品で分割した後、それぞれ異なる光ファイバーに供給して伝送すれば良い。
図１に示すように、レーザビーム3a，3bは溶接線２に沿って前後に配置する。鋼板１の上面側で溶接進行方向に先行するレーザビームを先行レーザビーム3aとし、後行するレーザビームを後行レーザビーム3bとする。鋼板１上面における先行レーザビーム3aの照射領域7a，後行レーザビーム3bの照射領域7bおよび溶接線２の配置の例を模式的に平面図として図２に示す。

図２に示すように、鋼板１上面における先行レーザビーム3a，後行レーザビーム3bの照射領域7a，7bの中心が溶接線２に一致するように配置することが好ましい。ただし、そのような配置を維持して溶接を行なうことは難しく、溶接施工中には鋼板１上面における照射領域7a，7bの中心は、必ずしも溶接線２に一致しない。照射領域7a，7bの中心と溶接線２との間隔が増大すると、先行レーザビーム3a，後行レーザビーム3bが突合せ開先から逸脱することになり、開先の溶け残り等の溶接欠陥が発生しやすくなる。

照射領域7a，7bの中心が溶接線２に一致しなくても、照射領域7a，7b内を溶接線２が通過する状態で溶接を行なうと、溶接欠陥は発生しない。したがって、照射領域7a，7bの中心と溶接線２との間隔は、いずれも照射領域7a，7bの半径以内とすることが好ましい。
先行レーザビーム3aのジャストフォーカスでのスポット径Ｄa（mm），後行レーザビーム3bのジャストフォーカスでのスポット径Ｄb（mm）は、いずれも直径0.3mm以上が好ましい。ここで、ジャストフォーカスでのスポット径とは、レーザビーム3a，3bを光学的に集光させた時のレーザビームの焦点平行部のビーム径を指す。従って、ジャストフォーカスの位置ではレーザビームのエネルギー密度は最も高くなっている。レーザビーム3a，3bのジャストフォーカスでのスポット径が0.3mmよりも小さいと、溶接時の溶接ビード６の幅が狭くなり、開先の溶け残りが発生する。一方、スポット径が1.2mmを超えると、キーホール４が不安定となる。そのため、レーザビーム3a，3bのジャストフォーカスでのスポット径Ｄa，Ｄbはいずれも1.2mm以下が好ましい。

キーホール４は、レーザビーム3a，3bを照射することによって、鋼板１が溶融し、かつ溶融メタル５が蒸発して、その蒸発圧と蒸発反力によって発生するものである。したがって、本発明を適用して鋼板１の突合せ溶接を安定して行なうためには、キーホール４を安定させる必要がある。
鋼板１の上面からレーザビーム3a，3bのフォーカスまでの距離をｔ（mm）とし、鋼板１の板厚をＴ（mm）として、鋼板１の上面からフォーカスまでの距離ｔが−３×Ｔ（すなわち上面から上方へ３Ｔ）を超えると、フォーカスの位置が高すぎるので、キーホール４を安定して維持することが難しい。一方、３×Ｔ（すなわち上面から下方へ３Ｔ）を超えると、フォーカスの位置が深すぎるので、鋼板１の裏面側からスパッタが発生し易くなる。したがって、鋼板１の上面からフォーカスまでの距離ｔは−３×Ｔ〜３×Ｔの範囲内に設定するのが好ましい。

レーザビーム3a，3bのジャストフォーカスでのスポット形状は円形が好ましいが、楕円形であってもよい。スポット形状が楕円形の場合は、ジャストフォーカスでの短径を0.3mm以上とする。また前述の円形の場合と同様の理由から、短径は1.2mm以下が好ましい。
鋼板１上面における先行レーザビーム3a，後行レーザビーム3bの照射領域7a，7bの中心間隔Ｌ₁が大きすぎる場合は、溶融メタル５が分離してしまうので、スパッタが発生し易くなる。そこで、レーザビーム3a，3bのジャストフォーカスでのスポット径Ｄa，Ｄbの大きい方のスポット径Ｄ_maxに対して、鋼板１上面における照射領域7a，7bの中心間隔Ｌ₁を６×Ｄ_max以下とする。

鋼板１の裏面では、先行レーザビーム3aの出射領域が矢印Ａで示す溶接進行方向の前方に位置し、後行レーザビーム3bの出射領域が後方に位置する。その出射領域の中心間隔Ｌ₂は、２×Ｄ_max〜１２×Ｄ_maxの範囲内とすることによって、十分な溶込み深さを確保し、鋼板１裏面におけるアンダーフィルを防止できる。
図３は、図１の先行レーザビーム3a，後行レーザビーム3bおよび鋼板１上面に垂直な線の配置の例を模式的に示す側面図である。図３に示すように、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bは、いずれも矢印Ａで示す溶接進行方向に傾斜させて鋼板１上面に照射する。その先行レーザビーム3aと鋼板１上面に垂直な線とのなす角θaを先行レーザビーム3aの入射角とし、後行レーザビーム3bと鋼板１上面に垂直な線とのなす角θbを後行レーザビーム3bの入射角として、それぞれの入射角がθa＞θbを満足するように設定することが好ましい。

さらに、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bが鋼板１の内部で交差しないように配置する。鋼板１の上面から先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの交差位置までの距離をＸ（mm）、鋼板１の板厚をＴ（mm）とすると、Ｘは０（すなわち鋼板１の上面）≦Ｘ≦２×Ｔ（すなわち鋼板１の上面から上方へ２Ｔ）の範囲内に設定するのが好ましい。Ｘ＜０の場合は先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bが鋼板１の内部で交差するため、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの各キーホール４が合体して、巨大なキーホールが生じ、スパッタが多量に発生し易くなる。一方、Ｘ＞２×Ｔの場合は、溶融メタル５が分離してしまうので突合せ部の溶融が不安定となり、スパッタが多量に発生し易くなる。

なお、先行レーザビーム3aの入射角θaと後行レーザビーム3bの入射角θbを、θa＜θbと設定すると、後行レーザビーム3bが通過する鋼板１の上面から裏面までの距離が長くなるので、後行レーザビーム3bのエネルギーが減衰して加熱効率が低下する。そのため、先行レーザビーム3aによる突合せ部の予熱効果は得られるが、後行レーザビーム3bによるエッジ部２の溶融が不安定になる。

また、θa＝θbと設定すると、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの各キーホール４が合体しやすくなり、巨大なキーホールが生じて、スパッタが多量に発生する惧れがある。
したがって、先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの入射角をθa＞θbと設定することが好ましい。つまり、先行レーザビーム3aは突合せ部を予熱するにあたってスパッタを抑制するために傾斜角θaを大きくする。後行レーザビーム3bは突合せ部を溶融するにあたって加熱効率を高めるために傾斜角θbを小さくする。

また、先行レーザビーム3aの入射角θaが５°未満では、入射角θaが小さすぎるので、先行レーザビーム3aを垂直に照射する場合と同様の挙動を示し、スパッタの発生を抑制する効果が得られない。一方、入射角θaが50°を超えると、先行レーザビーム3aが通過する鋼板１の上面から裏面までの距離が長くなるので、先行レーザビーム3aのエネルギーが減衰して十分な予熱効果が得られなくなる。したがって、先行レーザビーム3aの入射角θaは５〜50°の範囲内が好ましい。

同様に後行レーザビーム3bの入射角θbが５°未満では、入射角θbが小さすぎるので、後行レーザビーム3bを垂直に照射する場合と同様の挙動を示し、スパッタの発生を抑制する効果が得られない。一方、入射角θbが50°を超えると、後行レーザビーム3bが通過する鋼板１の上面から裏面までの距離が長くなるので、後行レーザビーム3bのエネルギーが減衰して十分な溶込み深さが得られなくなる。したがって、後行レーザビーム3bの入射角θbは５〜50°の範囲内が好ましい。

以上のようにして、本発明によれば、溶接施工中にスパッタが被溶接材の上面から飛散することを抑制するとともに、被溶接材の裏面のアンダーカットやアンダーフィルが発生することを防止して、突合せ溶接を行なうことができる。
また本発明は、被溶接材（たとえば薄鋼板，厚鋼板，ステンレス鋼板等）の突合せ溶接のみならず、それらの被溶接材を円筒状に成形して溶接管を製造する際の溶接にも適用できる。

図１に示すように、被溶接材１としてステンレス鋼板（SUS304，板厚５mm，10mm）の突合せ溶接を行なうにあたって、２台のレーザ発振器から発振されるレーザビームをそれぞれ先行レーザビーム3a，後行レーザビーム3bとし、各照射領域7a，7bを図２に示すように溶接線２上に配置した。溶接の条件は表１に示す通りである。ステンレス鋼板１の上面からフォーカスまでの距離ｔ（mm）は、板厚Ｔに対して、いずれも１／２Ｔとした。またステンレス鋼板１の上面から先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bの交差位置までの距離Ｘ（mm）は、板厚Ｔに対して、０、１／４Ｔ、１／２Ｔ、Ｔとした。表１中のレーザビームの入射角θa，θbは図３に示す角度である。入射角がマイナスとなるものは、レーザビームを矢印Ａで示す溶接進行方向の逆方向に傾斜させて照射したことを示す。

表１中の発明例（継手No.２〜４，６，７，11）は、ステンレス鋼板１上面における先行レーザビーム3a，後行レーザビーム3bの照射領域7a，7bの中心間隔Ｌ₁および裏面における照射領域の中心間隔Ｌ₂が本発明の範囲を満足し、かつ先行レーザビーム3a，後行レーザビーム3bを溶接進行方向に傾斜させて照射した例である。
表１中の比較例のうち、継手No.１は後行レーザビーム3bの入射角θbを０°とした例（すなわち垂直に照射した例）、継手No.５，８，10は裏面における出射領域の中心間隔Ｌ₂が本発明の範囲を外れる例、継手No.９は上面における照射領域の中心間隔Ｌ₁および裏面における出射領域の中心間隔Ｌ₂が本発明の範囲を外れる例、継手No.12はレーザビーム3a，3bを溶接進行方向の逆方向に傾斜させて照射した例である。

このようにしてレーザ溶接を行なった後、ステンレス鋼板１の上面を目視で観察して、スパッタの付着状況を調査した。また、ステンレス鋼板１の裏面の溶接ビードを目視で観察して、アンダーカットやアンダーフィルの発生状況を調査した。その結果を表２に示す。

表２から明らかなように、発明例ではスパッタの付着およびアンダーカットやアンダーフィルの発生は認められなかった。
表２中の比較例のうち、継手No.１は後行レーザビーム3bの入射角θbを０°としたので、ステンレス鋼板１にスパッタが多量に付着しかつ溶接ビードにアンダーフィルが発生した。継手No.５は先行レーザビーム3aの入射角θaが本発明の範囲を外れるので、予熱効果が不十分となり、ステンレス鋼板１にスパッタが付着しかつ溶接ビードにアンダーフィルが発生した。継手No.８，10は裏面における出射領域の中心間隔Ｌ₂が本発明の範囲を外れるので、裏面にアンダーフィルが発生した。継手No.９は上面における照射領域の中心間隔Ｌ₁および裏面における出射領域の中心間隔Ｌ₂が本発明の範囲を外れるので、ステンレス鋼板１にスパッタが多量に付着しかつ溶接ビードにアンダーフィルが発生した。継手No.12は先行レーザビーム3aと後行レーザビーム3bを溶接進行方向の逆方向に傾斜させたので、ステンレス鋼板１にスパッタが多量に付着しかつ溶接ビードにアンダーフィルが発生した。

突合せ溶接を行なうにあたって、溶接中にスパッタが被溶接材の上面から飛散することを抑制するとともに、被溶接材の裏面のアンダーカットやアンダーフィルが発生することを防止できるので、産業上格段の効果を奏する。

１被溶接材
２溶接線
3a 先行レーザビーム
3b 後行レーザビーム
４キーホール
５溶融メタル
６溶接ビード
7a 先行レーザビームの照射領域
7b 後行レーザビームの照射領域

Claims

異なる光ファイバーを用いて伝送された２本のレーザビームを溶接線に沿って被溶接材の上面側から照射し、該被溶接材の上面側で溶接進行方向に先行するジャストフォーカスでのスポット径Ｄa（mm）の先行レーザビームおよび後行するジャストフォーカスでのスポット径Ｄb（mm）の後行レーザビームを前記被溶接材の上面に垂直な方向から入射角を設けて前記溶接進行方向に傾斜させて照射するとともに、前記被溶接材の上面での前記先行レーザビームの照射領域の中心と前記後行レーザビームの照射領域の中心との間隔を前記スポット径Ｄaと前記スポット径Ｄbの大きい方のスポット径Ｄ_maxに対して６×Ｄ_max以下とし、かつ前記被溶接材の裏面で前記先行レーザビームの出射領域の中心と前記後行レーザビームの出射領域の中心との間隔を前記Ｄ_maxに対して２×Ｄ_max〜１２×Ｄ_maxの範囲内としてレーザ溶接を行なうことを特徴とするレーザ溶接方法。
前記先行レーザビームの入射角を前記後行レーザビームの入射角よりも大きくしてレーザ溶接を行なうことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
前記先行レーザビームと前記後行レーザビームの入射角が５〜50°であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。