JP5108498B2

JP5108498B2 - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JP5108498B2
Application number: JP2007335041A
Authority: JP
Inventors: 昌志及川; 陽介大塚; 直樹河田; 正側垣; 岳仁浅井
Original assignee: Japan Transport Engineering Co
Current assignee: Japan Transport Engineering Co
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-12-26
Also published as: JP2009154186A

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

被加工物にレーザ溶接を施すと、その溶接箇所に凸状のビードが生成される。このため、レーザ溶接を施された被加工物を、鉄道車両構体の外板などにそのまま利用すると、溶接部が他の部分に対して目立つので、構体全体の美観を損ねる場合がある。そこで、ビードの形状を制御する技術として、例えば特許文献１では、被加工物の貫通溶接部の裏ビード側から適切な流量でガスを吹き付けることにより、ビードの突出量をコントロールしている。
特開平６−２１０４７９号公報

ところで、レーザ溶接においては、溶融金属が大気中の酸素と反応して溶接部の表面に酸化膜が生成され、この酸化膜の厚みによって溶接部にテンパーカラーが発生する場合がある。テンパーカラーは酸化膜の厚みが増すほど色調が変化して黒色に近づき、溶接部が被加工物のほかの部分と比べて目立つようになる。したがって、被加工物の美観を向上させる観点からは、テンパーカラーが発生しないように、溶接時に酸化膜の生成を抑制できることが望ましい。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、溶接部の表面における酸化膜の形成を抑えることにより、被加工物の美観を向上させることができるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ溶接方法は、レーザビームの照射によって被加工物に貫通溶接部を形成するレーザ溶接方法であって、貫通溶接部の形成位置に対応して設けられた溝部を有する載置台に被加工物を載置し、被加工物の一面と溝部とによって少なくとも１つの開口部を備えた空間を形成する第１工程と、開口部を介して空間内にアシストガスを流通させながら、貫通溶接部の一端部が空間に突出するように、被加工物の他面側から形成位置にレーザビームを照射する第２工程と、を備えることを特徴としている。

このレーザ溶接方法では、被加工物の一面と溝部とによって形成される空間にアシストガスを流通させながらレーザ溶接が行われる。このため、空間に突出した貫通溶接部の一端部の周辺では、アシストガスの流通により酸素が少なくなる。これにより、貫通溶接部の一端部においては、酸化反応が発生しにくくなり、酸化膜の厚さを抑制できる。酸化膜の厚さを抑制すると、溶接部の反射光と酸化膜の反射光とが干渉してテンパーカラーが抑制され、溶接部の色が被加工物の他の部分の色に対して目立たなくなる。したがって、貫通溶接部の一端部が突出する被加工物の一面の美観を向上させることができる。

また、本発明のレーザ溶接方法では、第１工程において、被加工物の一面と溝部とによって形成される空間にアシストガスの供給口および排出口を形成するのが好適である。これにより、空間内でアシストガスの流れる方向が一意に決まるので、空間から一層確実に大気を追い出して、迅速に空間内にアシストガスを流通させることができる。

また、本発明のレーザ溶接方法では、第２工程において、被加工物の溶融池に生じるキーホールから開口部に向かって空間内にアシストガスを流通させるのが好適である。これにより、被加工物の一面と溝部とによって形成される空間にアシストガスを供給する手段を新たに設けることなく、空間内にアシストガスを流通させることができる。

また、本発明のレーザ溶接方法では、被加工物は、鉄道車両構体に用いられる外板であり、被加工物の一面は、鉄道車両構体の外壁面であることが好適である。同様に、本発明のレーザ溶接方法では、被加工物は、鉄道車両構体に用いられる内板であり、被加工物の一面は、鉄道車両構体の内壁面であることが好適である。これにより、酸化膜が薄く溶接部が目立たない被加工物の一面を、目につきやすい外壁面または内壁面として利用するので、鉄道車両構体の美観を向上させることができる。

本発明のレーザ溶接方法によると、貫通溶接部の一端部が突出する被加工物の一面の美観を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明に係るレーザ溶接方法の好適な実施形態について説明する。

本発明に係るレーザ溶接方法は、図１に示すような鉄道車両構体１０の製造に利用される。より詳細には、このレーザ溶接方法は、鉄道車両構体１０の長手方向の側部を構成する側構体１１において、外壁部１１ａまたは内壁部１１ｂと、これらの間に配置される骨部材（図示せず）とを結合させるために利用される。

図２に本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法を実現するレーザ溶接装置の構成を示す。図２に示すレーザ溶接装置２０は、重ね合わされた２枚の金属板２１、２２（以下、これらを「ワーク（被加工物）２３」という）を重ね溶接するための装置である。本実施形態では、レーザ溶接装置２０は、ワーク２３のうち金属板２１の方向からワーク２３に対してレーザビームＬを照射して、ワーク２３に貫通溶接を行う。ここで、ワーク２３のうちレーザビームＬが直接照射される金属板２１は、図１に示す鉄道車両構体１０の骨部材であり、他方の金属板２２は、外壁部１１ａまたは内壁部１１ｂである。

レーザ溶接装置２０は、ワーク２３を載置してワーク２３の溶接予定領域（貫通溶接部の形成位置）Ｒに沿って移動するステージ（載置台）２４と、ワーク２３にレーザビームＬを照射するレーザ照射部２５と、レーザビームＬの照射位置にアシストガスを供給するガス供給部２６と、を備えている。ステージ２４、レーザ照射部２５、およびガス供給部２６は、上位の制御装置（図示せず）に接続され、この制御装置から出力される動作指示情報に従って、各動作を自動で実行する。

ワーク２３は、金属板２１側の面（被加工物の他面。以下「ワーク表面」という）２３ａに溶接予定領域Ｒを備え、金属板２２側の面（被加工物の一面。以下「ワーク裏面」という）２３ｂをステージ２４の載置面２４ａに接するようにステージ２４上に載置される。

ステージ２４は、ワーク２３を載置面２４ａの所定位置に固定するための固定手段（図示せず）およびワーク２３を固定した状態で溶接予定領域Ｒに沿って移動させるための移動手段（図示せず）を備えている。ステージ２４は、制御装置（図示せず）から走査開始を指示する旨の動作指示情報を受け取ると、ワーク表面２３ａの溶接予定領域Ｒに沿った方向（図１の矢印Ａ）に一定の速度で移動する。これにより、ステージ２４に載置されたワーク２３は、溶接予定領域Ｒに沿って、レーザ照射部２５によるレーザビームＬの照射位置Ｐに対して相対的に移動する。すなわち、レーザビームＬがステージ２４の移動方向と正反対の方向（図１の矢印Ｂ）にワーク表面２３ａ上を移動する。なお、代替的に、ステージ２４が所定位置に固定され、レーザ照射部２５がワーク２３の溶接予定領域Ｒに沿って移動するような構成としても良い。

ステージ２４には、載置面２４ａ上に載置面２４ａの両端まで伸びる溝（溝部）２７が設けられている。溝２７は、例えば幅１０ｍｍ、深さ最大１０ｍｍの寸法をとる直法体の形状である。ワーク２３がステージ２４に固定されると、ワーク裏面２３ｂと溝２７とが、両端に開口部２８ａ、２８ｂを備える空間２８を形成することになる。

レーザ照射部２５は、ワーク表面２３ａにある溶接予定領域Ｒに向けてレーザビームＬを照射する。レーザ照射部２５は、制御装置（図示せず）から照射開始を指示する動作指示情報を受け取ると、ワーク２３に貫通溶接を施すことができる程度の出力でレーザビームＬをレーザヘッド（図示せず）から出射させる。上述のように、溶接時にはステージ２４がワーク２３の溶接予定領域Ｒに沿った方向Ａに移動するので、レーザビームＬは相対的に、方向Ａとは正反対の方向（図１の矢印Ｂ）へワーク表面２３ａ上の照射位置Ｐを走査されることになる。レーザ照射部２５から射出されるレーザビームＬは、例えば、波長１．０６μｍ、出力約４．０ｋＷのＹＡＧレーザである。

また、レーザ照射部２５は、内部に出力切替機構（図示せず）を備えている。この出力切替機構により、レーザ照射部２５は、ワーク２３に対して連続的にレーザビームＬを照射することもできるし、パルス状にレーザビームＬを照射してスポット溶接を行うこともできる。

第1のガス供給部２６は、ワーク表面２３ａにあるレーザビームの照射位置Ｐに対してアシストガスを供給する。第1のガス供給部２６は、レーザ照射位置Ｐの進行方向Ｂより後方の、ワーク表面２３ａに対して約４５度上傾した方向から、レーザビームの照射位置Ｐにアシストガスを供給する。第1のガス供給部２６は、制御装置（図示せず）から供給開始を指示する動作指示情報を受け取ると、所定の供給量でレーザビームの照射位置Ｐにアシストガスを供給する。アシストガスとしては、ワーク２３の酸化防止及びスパッタ防止等を目的として、ヘリウムガス又はアルゴンガス等が用いられる。

なお、上記のように出力約４ｋＷのＹＡＧレーザを用いた場合、かつ、溶接速度（ステージ２４の移動速度）を３ｍ／分とした場合には、ガス供給部２６の位置は、レーザ照射位置の後方約２０ｍｍ近傍である。

レーザ溶接装置２０は、さらに、ステージ２４の溝２７とワーク裏面２３ｂとで形成された空間２８にアシストガスを供給する第2のガス供給部２９を備える。第2のガス供給部２９も、上位の制御装置（図示せず）に接続され、この制御装置から出力される動作指示情報に従って、各動作を自動で実行するようになっている。第2のガス供給部２９は、制御装置（図示せず）から供給開始を指示する動作指示情報を受け取ると、所定の供給量で空間２８の一方の開口部２８ａから空間２８内へアシストガスを供給する。

次に、本実施形態に係るレーザ溶接方法について説明する。図３に、レーザ溶接方法のフローチャートを示す。このレーザ溶接方法は、ワーク２３と溝２７とによって両端を開口した空間２８を形成するためのステップＳ１０１（第１工程）と、一方の開口部２８ａから空間２８にアシストガスを流通させながら、貫通溶接部３２の一端部３２ｂ（図５参照）が空間２８に突出するように、ワーク２３にレーザ溶接を施すためのステップＳ１０２〜Ｓ１０６（第２工程）とを含む。

まず、ステージ２４上に設けられた溝２７とワーク裏面２３ｂとによって、両端を開口した空間２８が形成されるように、ステージ２４にワーク２３が載置される（Ｓ１０１）。ワーク２３は、ワーク表面２３ａの溶接予定領域Ｒが溝２７と重なり、貫通溶接によりワーク裏面２３ｂに突出する貫通溶接部３２の一端部３２ｂが空間２８に接することができるように（図５参照）、ステージ２４上に固定される。

次に、第1のガス供給部２６により、ワーク２３上のレーザビームＬの照射位置Ｐに対して、アシストガスの供給が開始される（Ｓ１０２）。また、第2のガス供給部２９により、空間２８の一方の開口部２８ａから空間２８内へアシストガスの供給が開始される（Ｓ１０３）。空間２８へ供給されたアシストガスは、他方の開口部２８ｂから排出され、空間２８内に常にアシストガスが流通された状態になる。このアシストガスの流れによって、元々この空間２８内にあった大気が外部へ追い出され、以下の処理の間では、常に空間２８内にはアシストガスが流通していることになる。

次に、ステージ２４の移動手段（図示せず）により、ワーク２３の溶接予定領域Ｒに沿った方向（図２の矢印Ａ）に一定の速度でステージ２４の移動が開始される（Ｓ１０４）。さらに、レーザ照射部２５によって、ワーク表面２３ａの溶接予定領域Ｒにレーザビームが照射される（Ｓ１０５）。ステップＳ１０２〜Ｓ１０５の処理を実行することによって、レーザ溶接が開始される。レーザ溶接は、ステップＳ１０６において、制御装置（図示せず）によって、溶接予定領域Ｒに対してレーザ溶接が完了したことが確認されるまで継続される。

レーザ溶接が完了したことが確認されると（Ｓ１０６のＹＥＳ）、制御装置（図示せず）により、第1のガス供給部２６および第2のガス供給部２９によるアシストガスの供給、ステージ２４の移動、およびレーザ照射部２５によるレーザビーム照射が停止され（Ｓ１０７）、レーザ溶接の一連の処理が終了する。

ここで、ステップＳ１０５〜Ｓ１０６においてレーザビームＬがワーク２３に照射されて、ワーク２３に貫通溶接部３２が形成されている最中に、溶接部分で生じる現象について説明する。図４および図５に、本実施形態によるレーザ溶接が実施されているときのワーク２３の溶接部分の概略を示す。図４は、溶接部分をレーザビームの進行方向Ｂに沿った断面で表した概略図である。図５では、矢印Ｂで示すとおり左方向へレーザビームＬが走査して溶接が行われている。図５は、図４の溶接部分をＶＩＩ−ＶＩＩ線で切った断面図である。

図４に示すように、レーザビームＬがワーク表面２３ａの照射位置Ｐに照射されると、ワーク２３を構成する金属板２１，２２が溶解して混合されて溶融池３１が形成され、やがて貫通溶接部３２となる。この過程で、溶融池３１が大気中の酸素と酸化反応を生じ、図７に示すように、ワーク表面２３ａから突出した貫通溶接部３２の端部３２ａおよびワーク裏面２３ｂから突出した貫通溶接部３２の端部３２ｂの表面に酸化膜３３が生成される。

ここで、ワーク裏面２３ｂから突出した貫通溶接部３２の端部３２ｂに注目する。端部３２ｂの表面は、ワーク裏面２３ｂと溝２７とで形成される空間２８の中に突出されている。この空間２８には、溶接の実施中には、第2のガス供給部２９により常にアシストガスが供給されており、例えば図４の矢印Ｃで示すように一方向に流通されている。このアシストガスの流れによって、元々この空間２８内にあった大気が外部へと追い出され、溶接中には常に空間２８内にはアシストガスが充満していることになる。つまり、溶接時には空間２８内の酸素量が少なくなるので、端部３２ｂの周辺では酸化反応が鈍るようになる。これにより、ワーク裏面２３ｂでは、貫通溶接部３２の表面に付着する酸化膜３３の厚さが抑制される。

本実施形態では、ワーク２３は、図１に示したように、鉄道車両構体１０の側構体１１であり、ワーク裏面２３ｂは、側構体１１の外壁部１１ａまたは内壁部１１ｂである。つまり、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、鉄道車両構体１０の外壁部１１ａまたは内壁部１１ｂと、骨部材（図示せず）との間で貫通溶接が施され、外壁部１１ａまたは内壁部１１ｂと、溝２７とによって形成される空間２８にアシストガスを流通させながらレーザ溶接が行われる。このため、溶接時には、空間２８に突出した貫通溶接部３２の一端部３２ｂの周辺では、アシストガスの流通により酸素が少なくなる。これにより、貫通溶接部３２の一端部３２ｂにおいては、酸化反応が発生しにくくなり、酸化膜３３の厚さを抑制できる。つまり、鉄道車両構体１０の外壁部１１ａまたは内壁部１１ｂにおいて、貫通溶接部３２の表面に付着する酸化膜３３を薄くすることができる。

具体的には、本実施形態により酸化膜３３の厚さを１００ｎｍ以下にすることができ、これにより、貫通溶接部３２の反射光と酸化膜３３の反射光とが干渉してテンパーカラーが抑制される。テンパーカラーが抑制されると、貫通溶接部３２の色が外壁部１１ａまたは内壁部１１ｂの他の部分の色に近づき、貫通溶接部３２が目立たなくなる。したがって、鉄道車両構体１０の美観を向上させることができる。

また、本発明のレーザ溶接方法では、ステップＳ１０１において、ワーク裏面２３ｂと溝２７とによって形成される空間２８が、アシストガスの供給口および排出口となるような２つの開口部２８ａ、２８ｂを備えるのが好適である。これにより、空間２８内でアシストガスの流れる方向が一意に決まるので、空間２８から一層確実に大気を追い出して、迅速に空間２８内にアシストガスを流通させることができる。

なお、従来より、テンパーカラーを抑制するために、溶接後に電解エッチング液によって酸化部分（テンパーカラー部位）を処理する手法がある。しかし、この手法では、溶接後に別工程が必要であったり、テンパーカラー部位を所望の色に変えるために電解エッチング液の量を調節するなどの煩雑な処理が必要となる。これに対し、本発明のレーザ溶接方法は、このような別工程や煩雑な処理は必要なく、ステージ２４に溝２７を設けてレーザ溶接を実施すれば貫通溶接部３２のテンパーカラーを抑制することができる。

以上、本発明に係るレーザ溶接方法について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では重ね溶接を対象として説明したが、本発明は突き合わせ溶接にも適用可能である。また、上記実施形態では、ステージ２４に溝２７を設けたが、ワーク２３とステージ２４との間に溝２７を備える治具を挟むように構成しても良い。

また、上記実施形態では、溝２７がステージ２４の端部まで設けられ、溝２７とワーク裏面２３ｂとで形成された空間２８は両端を開口部２８ａ、２８ｂで開口されていた。これに対し、例えば、図６に示すように、ステージ２４の載置面２４ａの内側に凹状に形成された溝４０と、ステージ２４の下方などから溝部４０へ貫通された２本の通路４１ａ、４１ｂとを設け、一方の通路４１ａから第2のガス供給部２９がアシストガスを供給し、他方の通路４１ｂから排出されるように構成しても良い。

また、上記実施形態では、第2のガス供給部２９によって、空間２８の一方の開口部２８ａからアシストガスを供給していたが、これに対し、第1のガス供給部２６によるアシストガスの供給量を増大させて、キーホール４２を通してワーク表面２３ａから裏面２３ｂ側へアシストガスを供給するように構成しても良い。この場合、例えば図７（ａ）に示すように、キーホール４２を通して第1のガス供給部２６により供給されたアシストガスを、空間４３の開口部４３ａ、４３ｂから排出する。また、図７（ｂ）に示すように、ステージ２４の載置面２４ａの内側に凹状に形成された溝４４と、ステージ２４の下方などから溝部２７へ貫通された通路４５とを設け、キーホール４２を通して第1のガス供給部２６により供給されたアシストガスを、通路４５から排出するように構成しても良い。これにより、第２のガス供給部２９のようなアシストガスを空間２８内に供給するための新たな手段を設けることなく、空間２８内にアシストガスを流通させることができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法を利用する鉄道車両構体の構成を示す図である。本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法を実現するレーザ溶接装置の構成を示す図である。本実施形態に係るレーザ溶接方法のフローチャートを示す図である。本実施形態によるレーザ溶接が実施されているときのワークの溶接部分の概略を示す図である。図４に示した溶接部分をVII−VII線で切ったときの断面図である。ステージに設ける溝の変形例を示す図である。ワーク裏面側の空間にアシストガスを流通させる手法の変形例を示す図である。

符号の説明

１０・・・鉄道車両構体、１１・・・側構体、１１ａ・・・外壁部、１１ｂ・・・内壁部、２０…レーザ溶接装置、２１，２２…金属板、２３…ワーク（被加工物）、２３ａ・・・ワーク表面（被加工物の他面）、２３ｂ・・・ワーク裏面（被加工物の一面）、２４…ステージ（載置台）、２５…レーザ照射部、２６…第1のガス供給部、２７…溝（溝部）、２８・・・空間、２８ａ、２８ｂ・・・開口部、２９・・・第2のガス供給部、３１・・・溶融池、３２・・・貫通溶接部、３２ａ、３２ｂ・・・貫通溶接部の一端部、３３・・・酸化膜、４２・・・キーホール、Ｌ・・・レーザビーム、Ｒ・・・溶接予定領域（貫通溶接部の形成位置）、Ｓ１０１…第１工程、Ｓ１０２〜Ｓ１０６…第２工程。

Claims

レーザビームの照射によって被加工物に貫通溶接部を形成するレーザ溶接方法であって、
前記貫通溶接部の形成位置に対応して設けられた溝部を有する載置台に前記被加工物を載置し、前記被加工物の一面と前記溝部とによって少なくとも１つの開口部を備えた空間を形成する第１工程と、
前記開口部を介して前記空間内にアシストガスを流通させながら、前記貫通溶接部の一端部が前記空間に突出するように、前記被加工物の他面側から前記形成位置に前記レーザビームを照射する第２工程と、を備え、
前記第１工程において、前記溝部の底部に前記アシストガスの供給口と排出口とを形成しておくことを特徴とするレーザ溶接方法。
前記被加工物は、鉄道車両構体に用いられる外板であり、
前記被加工物の前記一面は、前記鉄道車両構体の外壁面であることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
前記被加工物は、鉄道車両構体に用いられる内板であり、
前記被加工物の前記一面は、前記鉄道車両構体の内壁面であることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。