JP5108321B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関するものである。

二つの被加工物を当接させ、該当接部分に設定された接合予定線に沿ってレーザ光を照射することにより被加工物同士を溶接するレーザ溶接方法として、従来、特許文献１に記載の方法が知られている。この方法では、接合予定線上に溝を形成し、この溝に向かってレーザ光を照射する。
特開２００２−３６１４５４号公報

しかしながら従来の方法では、被加工物の溶融が不十分で溝を埋めることができず、溶接部にくぼみや陥没といった形状欠陥が生じることがあった。そのため、溶接部の機械的特性、特に疲労強度が低下してしまうという問題が生じていた。

従来の方法を用いて溝を確実に埋めるには、被加工物を十分に溶融させる必要がある。そのためには、単位面積あたりの入熱量が大きいレーザ光を被加工物に照射することが考えられる。しかしながら、例えば被加工物が沸点の低い材料を含んでいる場合、この被加工物に対して入熱量が大きいレーザ光を照射すると、照射部分が急速に加熱されて上記材料が気化し、溶接部がポーラス（多孔質）状になってしまうことがある。したがって入熱量が大きいレーザ光を用いたとしても、溶接部の機械的特性が向上せず、むしろ低下してしまうおそれがあった。

そこで本発明は、機械的特性に優れた溶接部を得ることが可能なレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は、二つの被加工物を当接させ、該当接部分に設定された接合予定線に対してレーザ光を移動させつつ照射することにより二つの被加工物を溶接するレーザ溶接方法であって、レーザ光の照射によって溶融し二つの被加工物の溶融を促進する溶融促進材を接合予定線に対するレーザ光の移動方向前方から供給しながら、移動方向における長さが該移動方向と直交する方向における長さよりも長いビーム形状を有するレーザ光を移動させることを特徴とするものである。

本発明において、レーザ光のビーム形状は、移動方向の長さが移動方向と直交する方向の長さよりも長くなっている。すなわち、移動方向に沿った長形を呈している。ビーム形状が真円形ではなく長形であるため、真円形のときと比してレーザ光の単位面積あたりの入熱量が小さくなり、一つの地点に対する照射時間が長くなる。このようなレーザ光が照射された被加工物は、レーザ光の移動方向前方側にて予熱されたのち、レーザ光の中央にて溶融が開始され、レーザ光の移動方向後方側にて更に溶融されることになる。レーザ光が照射されなくなると冷却されて固化していくが、レーザ光の入熱量が小さいため、急激に冷却されることはない。よって、ビーム形状が長形のレーザ光を用いた場合には急速な加熱・冷却が抑制されるため、溶接部の劣化が生じにくくなる。

また、本発明では、二つの被加工物の溶融を促進する溶融促進材を用いている。溶融促進材はレーザ光の移動方向前方から供給される。したがって、溶融促進材に対してレーザ光を比較的長い間照射することができる。これによって溶融促進材は格段に溶融しやすくなり、被加工物に付着しやすくなる。その結果、被加工物を効率よくかつ十分に溶融させることが可能となり、接合予定線に隙間がある場合でもこれを確実に埋めることができる。

このように本発明によれば、溶接部に劣化が生じにくくなり、また接合予定線に隙間がある場合でも、被加工物と溶融促進材とでこれを埋めることができる。そのため、機械的特性に優れた溶接部を得ることが可能となる。

また、本発明のレーザ溶接方法では、レーザ光の照射により接合予定線上に形成されたレーザ光の照射領域において、移動方向前方に位置する一端から移動方向後方に位置する他端までの距離を１としたときに、一端からの距離が０．２５〜０．５となる位置に溶融促進材を供給することが好ましい。上記の位置に溶融促進材を供給した場合には、溶融促進材は、一端と供給地点との間でレーザ光を横切ることになる。溶融促進材のうちレーザ光を横切る部分は、レーザ光の照射により十分に加熱される。つまり、照射領域のうち一端からの距離が０．２５未満となる領域で溶融促進材をレーザ光によって加熱し、溶融促進材の溶融性を高めておくことができる。これにより、被加工物を効率よくかつ十分に溶融させることがより確実に可能となる。

本発明のレーザ溶接方法では、接合予定線に対して１０〜７０度の角度で線状の溶融促進材を供給することが好ましい。このような角度で線状の溶融促進材を供給することにより、溶融前の溶融促進材と被加工物とが接触することを防げる。また、溶融促進材とレーザ光を出射する装置とが接触することも防げる。

本発明のレーザ溶接方法では、レーザ光として、二つの被加工物に対する単位面積当たりの入熱量が１０〜３０００ｋＪ／ｃｍ^２となるようなレーザ光を用いることが好ましい。この場合、入熱量が比較的小さいので、被加工物が急速に加熱されることを確実に防ぐことができる。これにより、溶接部の劣化がより生じにくくなる。

本発明のレーザ溶接方法では、供給される溶融促進材は予熱されたものであることが好ましい。予熱された溶融促進材は、レーザ光の照射に応じて容易に溶融するため、被加工物の溶融をいっそう効率よく行うことができる。

本発明は、二つの被加工物を当接させ、該当接部分に設定された接合予定線に対してレーザ光を移動させつつ照射することにより二つの被加工物を溶接するレーザ溶接方法であって、レーザ光として、接合予定線に沿う方向における長さが該接合予定線と直交する方向における長さよりも長いビーム形状を有すると共に、二つの被加工物に対する単位面積当たりの入熱量が１０〜３０００ｋＪ／ｃｍ^２となるようなレーザ光を用いることを特徴とするものである。

本発明では、被加工物に対する単位面積当たりの入熱量が１０〜３０００ｋＪ／ｃｍ^２と比較的小さいので、被加工物が急速に加熱されることを防ぐことができる。なお、入熱量が小さいと被加工物の溶融が不十分となることが懸念されるが、本発明ではレーザ光のビーム形状を移動方向に沿った長形としているので、真円形のときと比べて一つの場所にレーザ光を長時間照射することができる。よって、被加工物を十分に溶融することができ、接合予定線に隙間が形成されている場合でも、溶融した被加工物でこの隙間を確実に埋めることができる。

本発明によれば、機械的特性に優れた溶接部を得ることが可能なレーザ溶接方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

本実施形態に係るレーザ溶接方法は、例えば図１に示すような鉄道車両用台車の製造に用いることができる。図１の鉄道車両用台車１は、大別して、台車枠２と、台車枠２を支持する輪軸３と、輪軸３を回転駆動させるダイレクトドライブモータ４と、ダイレクトドライブモータ４と台車枠２とを連結する連結部６と、輪軸３の振動を緩衝し車体の乗り心地を良くする空気ばね７とを備えている。台車枠２は、側梁８を有している。以下、この側梁８の組み立てに本実施形態に係るレーザ溶接方法を用いた場合について説明する。

側梁８を組み立てる際にはまず、図２に示されるように、二つの部材（被加工物）１０，１１を用意する。部材１０，１１はアルミニウム合金からなる断面コの字型の部材であって、側梁８を二分割した形状を呈している。用意した部材１０と部材１１とを、長手方向に沿って延びる端面が互いに対向するように突き合わせる。なお、部材１０，１１の端面には開先加工が施されていてもよい。

次に、図３，図４に示すように、部材１０，１１の接合予定線ＳＳに沿って、半導体レーザ装置１２から出射されたレーザ光Ｌを矢印Ｘ方向に連続移動させつつ照射する。接合予定線ＳＳとは、部材１０，１１の当接部分に設定された線であり、より具体的には、部材１０，１１の端面を突き合わせることで生じた部材１０，１１の境界線である。半導体レーザ装置１２としては、市販の半導体レーザ装置を適宜用いることができる。中でも、部材１０，１１におけるレーザ光Ｌの吸収率を高めるという観点から、波長が１０００ｎｍ以下のレーザ光Ｌを出射可能な装置を用いることが好ましい。レーザ光Ｌの矢印Ｘ方向への移動は、半導体レーザ装置１２を矢印Ｘ方向に移動させる、あるいは部材１０，１１を矢印Ｘ方向と逆の方向に移動させることで実現される。

レーザ光Ｌのビーム形状は、接合予定線ＳＳに沿う方向における長さが該接合予定線ＳＳと直交する方向における長さよりも長くなっている。すなわちビーム形状は、接合予定線ＳＳ方向に沿って延びる長形状を呈している。これに伴い、レーザ光Ｌの照射により接合予定線ＳＳ上に形成された照射領域Ｆもまた、接合予定線ＳＳに沿う方向における長さＡ１が該接合予定線ＳＳと直交する方向における長さＡ２よりも長い、長形状となっている。図３に示す照射領域Ｆは長円形であるが、長方形や楕円形であってもよい。長さＡ１及びＡ２に関しては、例えば、長さＡ１は２〜１２ｍｍの範囲から適宜選択可能であり、長さＡ２は０．２〜２ｍｍの範囲から適宜選択可能である。ただし、長さＡ１が長さＡ２よりも長くなければならない。照射領域Ｆは、矢印Ｘ方向の前方に位置する一端Ｆ１と、矢印Ｘ方向の後方に位置する他端Ｆ２を含んでいる。

照射領域Ｆにおいて、部材１０，１１に対する単位面積当たりの入熱量は、１０〜３０００ｋＪ／ｃｍ^２となっている。入熱量を１０〜３０００ｋＪ／ｃｍ^２とすることにより、部材１０，１１が急速に加熱されることを防げる。半導体レーザ装置１２は、上述した入熱量のレーザ光Ｌを出力するように調整がなされている。

このような照射領域Ｆに、溶融促進材１６を供給する。ここで溶融促進材１６とは、レーザ光Ｌの照射によって溶融し、部材１０，１１の溶融を促進するものである。溶融促進材１６は、直径が約１ｍｍの線状体であり、アルミニウムとシリコンとを含有している。

溶融促進材１６は、照射領域Ｆ内に位置する供給地点Ｆ３に供給される。供給地点Ｆ３は、照射領域Ｆの一端Ｆ１から他端Ｆ２までの距離を１とした場合、一端Ｆ１からの距離が０．２５〜０．５となる地点である。この供給地点Ｆ３にて、溶融促進材１６の先端が部材１０，１１と接触する。

線状の溶融促進材１６は、矢印Ｘ方向の前方から供給地点Ｆ３に向かって供給される。線状の溶融促進材１６を供給地点Ｆ３に供給する際、溶融促進材１６と接合予定線ＳＳとの相対角度θは１０〜７０度となっている。相対角度θを１０度以上とすることにより、供給地点Ｆ３以外で溶融促進材１６と部材１０，１１とが接触することを防げる。相対角度θを７０度以下とすることにより、溶融促進材１６が半導体レーザ装置１２と接触することを防げる。

溶融促進材１６は、図示しないヒータ等により予熱されている。これにより溶融促進材１６の溶融性が向上するため、溶融促進材１６に溶け残りが発生することを防げる。また、溶融促進材１６はレーザ光Ｌの照射により溶融するが、予熱しておくことにより溶融促進材１６が溶融するのに必要なエネルギーが少なくて済むので、レーザ光Ｌのエネルギーロスを減らすことができる。

予熱された溶融促進材１６を供給する一方で、照射領域Ｆに向けて、ガス供給ノズル１４からアシストガスＧを噴射する。アシストガスＧとしては、例えばアルゴンガスを用いることができる。アシストガスＧを噴射させた状態で、溶融促進材１６を供給しながら、照射領域Ｆの形成位置を矢印Ｘ方向に移動させる。照射領域Ｆが移動した後には、溶接部ＬＪが形成される。

ここで、溶接部ＬＪの形成過程について説明する。時刻ｔにおける照射領域Ｆの形成位置をＰ（ｔ）とし、時刻ｔから所定時間経過した時刻ｔ＋１における照射領域Ｆの形成位置をＰ（ｔ＋１）とする。照射領域Ｆが位置Ｐ（ｔ）にあるとき、照射領域Ｆの一端Ｆ１と供給地点Ｆ３との間を横切る溶融促進材１６の部分１６ａは、レーザ光Ｌの照射により十分に加熱される。

照射領域Ｆが位置Ｐ（ｔ＋１）に移動すると、加熱された溶融促進材１６の部分１６ａは、この照射領域Ｆの供給地点Ｆ３に位置することになる。つまり、溶融促進材１６のうち、レーザ光Ｌにより熱せられて溶融性の向上した部分が、部材１０，１１と接触することになる。

一方、部材１０，１１について着目すると、照射領域Ｆが位置Ｐ（ｔ）にある場合、この照射領域Ｆの一端Ｆ１と供給地点Ｆ３との間に位置する部分は、レーザ光Ｌにより加熱される。加熱された部分は、照射領域Ｆの移動に伴って、移動後の照射領域Ｆの供給地点Ｆ３に位置することになる。つまり、照射領域Ｆが位置Ｐ（ｔ＋１）に移動すると、部材１０，１１のうち、レーザ光Ｌにより加熱されて溶融性が向上した部分が溶融促進材１６と接触することになる。

照射領域Ｆが位置Ｐ（ｔ＋１）に移動したとき、部材１０，１１のうち溶融促進材１６と接触する部分も、溶融促進材１６のうち部材１０，１１と接触する部分も、共に溶融しやすくなっている。溶融促進材１６は直径が約１ｍｍと細いことから、部材１０，１１に接触した状態でレーザ光Ｌが照射されると、溶融促進材１６が先に溶融する。溶融した溶融促進材１６は部材１０，１１の表面になじむ。既に溶融しやすい状態となっている部材１０，１１は、表面になじんだ溶融促進材１６によって溶融が促進され、スムーズに溶融を開始する。

照射領域Ｆが位置Ｐ（ｔ＋１）にある場合における供給地点Ｆ３を、Ｆ３（ｔ＋１）とする。照射領域Ｆの形成位置が移動し、供給地点Ｆ３（ｔ＋１）にレーザ光Ｌが照射されなくなるまで、この供給地点Ｆ３（ｔ＋１）では部材１０，１１及び溶融促進材１６の溶融がすすむ。溶融された部材１０，１１及び溶融促進材１６は、接合予定線ＳＳの隙間を埋めていく。照射領域Ｆの形成位置が移動して供給地点Ｆ３（ｔ＋１）にレーザ光Ｌが照射されなくなると、供給地点Ｆ３（ｔ＋１）で溶融した部材１０，１１及び溶融促進材１６が徐々に冷却され、固化して溶接部ＬＪとなる。

以上説明したように、本実施形態のレーザ接合方法では、レーザ光のビーム形状が矢印Ｘ方向に沿った長形を呈しているため、照射領域Ｆもまた矢印Ｘ方向に沿った長形となっている。部材１０，１１はまず、レーザ光Ｌの矢印Ｘ方向前方側、すなわち照射領域Ｆの一端Ｆ１側にて予熱される。次に、レーザ光Ｌの中央、すなわち照射領域Ｆの一端Ｆ１側と他端Ｆ２側の間にて溶融が開始される。そして、レーザ光Ｌの矢印Ｘ方向後方側、すなわち照射領域Ｆの他端Ｆ２側にて更に溶融されていく。照射領域Ｆから外れると、徐々に冷却されて凝固する。このように、ビーム形状が長形のレーザ光Ｌを用いた場合には急速な加熱・冷却が抑制されるため、溶接部ＬＪの劣化が生じにくくなる。

また、本実施形態のレーザ接合方法では、部材１０，１１の溶融を促進する溶融促進材１６を用いている。溶融促進材１６は矢印Ｘ方向前方から供給される。そのため、溶融促進材１６に対してレーザ光Ｌを比較的長い間照射することができる。これによって溶融促進材１６は溶融しやすくなり、部材１０，１１に付着しやすくなる。その結果、部材１０，１１を効率よくかつ十分に溶融させることが可能となり、接合予定線ＳＳに隙間がある場合でもこれを確実に埋めることができる。

したがって本実施形態のレーザ接合方法によれば、機械的特性に優れた溶接部ＬＪを得ることが可能となる。また、照射領域Ｆが矢印Ｘ方向に沿って長くなっているため、照射領域Ｆが真円形の場合と比べて、照射領域Ｆ内の特定位置に溶融促進材１６を供給する作業がしやすい。

また、本実施形態では、照射領域における単位面積当たりの入熱量が１０〜３０００ｋＪ／ｃｍ^２と比較的小さくなっている。そのため、部材１０，１１が急速に加熱されることを確実に防ぐことができ、溶接部ＬＪに劣化がより生じにくくなる。なお、入熱量が小さいと部材１０，１１の溶融が不十分となることが懸念されるが、本実施形態では照射領域Ｆの形状を接合予定線ＳＳに沿った長形としているので、真円形の場合と比べて一つの地点にレーザ光Ｌを長時間照射することができる。よって、部材１０，１１を時間をかけて十分に溶融することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態において溶融促進材１６はアルミニウムとシリコンとを含有しているとしたが、部材１０，１１と同様のアルミニウム合金から形成されるとしてもよいし、あるいは溶接部ＬＪの機械的強度を補完するような成分を含有するとしてもよい。

また、本実施形態では、照射領域における単位面積当たりの入熱量を１０〜３０００ｋＪ／ｃｍ^２とし、更に溶融促進材１６を用いているが、溶融促進材１６を用いないとしてもよい。溶融促進材１６を用いなくとも、照射領域における単位面積当たりの入熱量を１０〜３０００ｋＪ／ｃｍ^２とすることで、機械的特性に優れた溶接部を得ることができる。ただし、機械的特性に優れた溶接部をより確実に得るという観点からすれば、本実施形態の方法を適用することが望ましい。

また、本実施形態のレーザ溶接方法を台車枠２の側梁８の組み立てに用いた場合について説明したが、本実施形態のレーザ溶接方法がその他種々の部品の組み立てについても適用可能であることはいうまでもなく、また突合せ溶接に限られないこともいうまでもない。

鉄道車両用台車を示す側面図である。 側梁の組み立て工程を示す図である。 本実施形態に係る溶接方法により部材が溶接されている状態を示す斜視図である。 本実施形態に係る溶接方法により部材が溶接されている状態を示す側面図である。

符号の説明

１…鉄道車両用台車、２…台車枠、８…側梁、１０，１１…部材、１２…半導体レーザ装置、１６…溶融促進材、Ｆ…照射領域、Ｆ１…一端、Ｆ２…他端、Ｆ３…供給地点、Ｌ…レーザ光、ＬＪ…溶接部、ＳＳ…接合予定線。

Claims (4)

1. 二つの被加工物を当接させ、該当接部分に設定された接合予定線に対してレーザ光を移動させつつ照射することにより前記二つの被加工物を溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記レーザ光の照射によって溶融し前記二つの被加工物の溶融を促進する溶融促進材を前記接合予定線に対する前記レーザ光の移動方向前方から供給しながら、前記移動方向における長さが該移動方向と直交する方向における長さよりも長いビーム形状を有する前記レーザ光を移動させ、
   前記レーザ光の照射により前記接合予定線上に形成された前記レーザ光の照射領域において、前記移動方向前方に位置する一端から前記移動方向後方に位置する他端までの距離を１としたときに、前記一端からの距離が０．２５〜０．５となる位置において前記溶融促進材の先端が前記被加工物と接触し且つ前記溶融促進材のうち前記レーザ光を横切る部分が前記レーザ光の照射により加熱されるように前記溶融促進材を供給することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記接合予定線に対して１０〜７０度の角度で線状の前記溶融促進材を供給することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 前記レーザ光として、前記二つの被加工物に対する単位面積当たりの入熱量が１０〜３０００ｋＪ／ｃｍ^２となるようなレーザ光を用いることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。
4. 供給される前記溶融促進材は予熱されたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。

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