JP5155598B2 - 重ねレーザ溶接方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数枚重ねのワークにレーザビームを照射して溶接を行う重ねレーザ溶接方法および装置に関する。

従来、重ねレーザ溶接は、ワークの板面に対して円形ビームを垂直に照射して行うのが一般的であるが、最近では、溶接割れやブローホール等の溶接欠陥の発生防止を目的に、ワークに対して楕円形状にレーザビームを照射することも行われている（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、ビード内に発生する溶接割れは、一箇所に発生した微小な割れがビード長手方向（溶接方向）へ伝播して大きな割れに発展し、致命的な欠陥になることが多い。特に、ワークのフランジ部の重ね合せ部をそのエッジ（フランジ端）に沿って、重ねレーザ溶接すると、大きな溶接割れ発生し易くなる。これは、剛性不足によりエッジ端側に変形（歪）が発生し、これに起因してビードに大きな引張応力が発生したためと推定されるが、このような溶接割れを防ぐ有効な溶接方法が、いまだ見当たらないのが現状である。

特開平６−１９０５７５号公報（図１、[００１９]）

本発明は、上記した技術的背景に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、ビード内に発生する微小な溶接割れの溶接方向への伝播を抑え、もって大きな溶接割れの発生を抑えることができる重ねレーザ溶接方法および装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る重ねレーザ溶接方法は、レーザビームを、溶接方向に直交する面内でワークに対する照射ポイントを中心に左右方向に揺動させながら溶接方向へ走査し、傾斜角度が連続に変化するビードを形成することを特徴とする。

このようにレーザビームを、溶接方向に直交する面内でワークに対する照射ポイントを中心に左右方向に揺動させながら溶接方向へ走査し、傾斜角度が連続に変化するビードを形成することにより、ビード内に微小な溶接割れが発生しても、その伝播が抑えられて、大きな割れに発展しない。

本発明において、ワークの重ね枚数は任意であり、二枚重ねであっても三枚重ねであってもよい。また、ワークの材種も任意であり、鉄系材料であっても、アルミニウム合金のような非鉄系材料であってもよい。
以下に、本発明の態様をいくつか例示し、それらについて項分けして説明する。

（１）複数枚重ねのワークのエッジに沿ってレーザビームを照射して溶接を行う重ねレーザ溶接方法において、前記レーザビームを、溶接方向に直交する面内でワークに対する照射ポイントを中心に左右方向に揺動させながら溶接方向へ走査し、傾斜角度が連続に変化するビードを形成することを特徴とする重ねレーザ溶接方法。

本（１）項に記載のようにレーザビームを、溶接方向に直交する面内でワークに対する照射ポイントを中心に左右方向に揺動させながら溶接方向へ走査し、傾斜角度が連続に変化するビードを形成することで、ビードにうねりが付与され、ビード内に微小な溶接割れが発生しても、その伝播が途中で抑えられ、大きな割れに発展することはなくなる。また、ビードが溶接方向に直交する面内で傾斜して形成されるので、ビードの最終凝固線に作用する引張力が緩和され、溶接割れそのものの発生が抑えられて、溶接割れ対策として万全となる。

（２）
複数枚重ねのワークのエッジに沿って溶接トーチからレーザビームを照射し、前記ワークと前記溶接トーチとを相対移動させて溶接を行う重ねレーザ溶接装置において、前記溶接トーチを、ワークに対する照射ポイントを中心に左右方向に揺動可能に配設し、該溶接トーチを揺動させながら前記相対移動をさせて、傾斜角度が連続に変化するビードを形成することを特徴とする重ねレーザ溶接装置。

本（２）のように溶接トーチを、ワークに対する照射ポイントを中心に左右方向に揺動可能に配設し、該溶接トーチを揺動させながら前記相対移動をさせて、傾斜角度が連続に変化するビードを形成することで、ビードに簡単にうねりを付与することができ、ビード内に微小な溶接割れが発生しても、その伝播が途中で抑えられ、大きな割れに発展することはなくなる。また、レーザビームをワーク板面に垂直に照射するので、レーザビームの動きが単純となり、レーザビームを動かす機構を簡略化できる。

本発明に係る重ねレーザ溶接方法および装置によれば、ビードに簡単にうねりを付与して、傾斜角度が連続に変化するビードを形成することにより、ビード内に発生する微小な溶接割れの溶接方向への伝播が抑えられるので、大きな溶接割れに発展することはなく、特に溶接割れが発生し易いワークのエッジに沿う重ねレーザ溶接に向けて有用となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態としての重ねレーザ溶接装置を示したものである。同図において、１は、二枚の薄鋼板（ワーク）Ｗを重ね合せた状態で支持するクランプユニット、２は、レーザビームＢをワークＷに向けて照射する溶接トーチ３を揺動可能に支持するトーチ支持ユニットであり、トーチ支持ユニット２は、図示を略す移動手段によりクランプユニット１に支持されたワークＷに対し、紙面に垂直方向へ直線移動（相対移動）するようになっている。

トーチ支持ユニット２には、溶接トーチ３の基端部に取付けたガイド部材４を摺動可能に案内する案内溝５が設けられている。案内溝５は、ワークＷに対する照射ポイントＰを中心に溶接トーチ３を揺動（振動）できるようにその曲げ半径が設定されている。トーチ支持ユニット２には、前記ガイド部材４を案内溝５内で往復移動させる旋回駆動手段（図示略）が配設されており、溶接トーチ３は、該旋回駆動手段によりワークＷに対して直立する姿勢を中立位置として前記照射ポイントＰを中心に所定の角度範囲で左右方向へ揺動可能になっている。ここで、溶接トーチ３は、トーチ支持ユニット２の直線移動に同期して所定の速度で揺動するように制御される。この場合、トーチ支持ユニット２の直線移動速度に基づいて前記旋回駆動手段をフィードバック制御するようにしてもよい。

以下、本装置による重ねレーザ溶接方法を図２も参照して説明する。
溶接に際しては、クランプユニット１に二枚重ねの状態でワークＷを支持させた後、溶接トーチ３からレーザビームＢを出射させながら、トーチ支持ユニット２を直線移動させ、さらに溶接トーチ３を揺動させる。すると、上下二枚のワークＷの重ね合せ部には、上下に貫通するビード６が形成され、上下２枚のワーク１は該ビード６を介して連続に重ね溶接される。このとき、溶接トーチ３が照射ポイントＰを中心に揺動することで、ビード６は、溶接方向Ｆに直交する面内で右傾斜状態６Ａから垂直状態６Ｂを経て左傾斜状態６Ｃへ、さらにその逆へと連続に傾斜角度を変化させる。この場合、ワークＷの表面側では照射ポイントＰが一定となっているので、ビード６は、溶接方向Ｆへほぼ直線状に形成されるが、ワークＷの裏面側ではビード６の傾斜角度が連続に変化することで、図３に示されるように、波形にビード６が形成される。

すなわち、本第１の実施形態においては、ビード６が所定のサイクルでうねりながら（振幅しながら）溶接方向Ｆへ連続し、これによってビード６内に微小な溶接割れが発生しても、その伝播が途中で抑えられ、大きな割れに発展することはなくなる。

本第１の実施形態においては特に、ビード６の大部分が板厚方向で傾斜しているので、図４に示されるように、たとえば、剛性不足によりフランジ端側に変形（歪）が生じ、この変形によって、ビード６に、合せ面に平行な方向の大きな引張応力Ｆが発生しても、最終凝固線Ｃに垂直に作用する引張力Ｆ_Cは、前記引張応力Ｆの垂直成分となる。したがって、最終凝固線Ｃに作用する引張力Ｆｃは引張応力Ｆに比して十分に小さくなり、結果として、ビード６内における溶接割れそのものの発生が抑えられる。したがって、本第１の実施例は、特に溶接割れが発生し易いワークのエッジに沿う重ねレーザ溶接に向けて有用となる。

図５は、本発明の第２の実施形態としての重ねレーザ溶接装置を示したものである。なお、全体的構成は、第１の実施形態と同じであるので、ここでは、前出図１に示した部分と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。本第２の実施形態の特徴とするところは、溶接トーチ３をその基端部に取付けたピン１０を中心に揺動可能にトーチ支持ユニット２に支持させた点にある。ピン１０の支持点は、前記ワークＷの板面に垂直な軸Ｌ上に設定されている。トーチ支持ユニット２には、ピン１０を左右方向に回転させる回転駆動手段（図示略）が配設されており、溶接トーチ３は、該回転駆動手段によりワークＷに対して直立する姿勢を中立位置として前記ピン１０を中心に所定の角度範囲で左右方向へ揺動可能になっている。

本装置による重ねレーザ溶接方法においては、溶接トーチ３からレーザビームＢを出射させながら、トーチ支持ユニット２を直線移動させ、さらに溶接トーチ３を揺動させる。すると、第１の実施形態と同様に、上下二枚のワークＷの重ね合せ部には、前出図２に示したと同様に溶接方向Ｆに直交する面内で連続に傾斜角度を変化させるビード６（６Ａ〜Ｃ）が形成される。したがって、この場合も、第１の実施形態と同様にビード６が所定のサイクルでうねりながら（振幅しながら）溶接方向Ｆへ連続し、これによってビード６内に微小な溶接割れが発生しても、その伝播が途中で抑えられ、大きな割れに発展することはなくなる。また、最終凝固線Ｃに作用する引張力Ｆｃも低減し、ビード６内における溶接割れそのものの発生が抑えられる。本第２の実施形態においては特に、ワークＷの上方の一点（ピン１０）を中心に溶接トーチ３が揺動するので、ワークＷの上面側でも波形のビード６が形成され、ワークＷの全域でビード６にうねりの付与され、溶接割れの伝播がより確実に抑えられる。

図６は、本発明の第３の実施形態としての重ねレーザ溶接装置を示したものである。なお、全体的構成は、第１の実施形態と同じであるので、ここでは、前出図１に示した部分と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。本第３の実施形態の特徴とするところは、トーチ支持ユニット２に設けられる案内溝５を直線状とすると共に、溶接トーチ３の基端部に取付けたガイド部材４を前記直線状の案内溝５に沿って摺動可能な形状にした点にある。トーチ支持ユニット２には、ガイド部材４を左右方向に往復移動させる直線駆動手段（図示略）が配設されており、溶接トーチ３は、該直線駆動手段によりワークＷに対して直立する姿勢を維持しながら左右方向へ平行移動可能になっている。

本装置による重ねレーザ溶接においては、溶接トーチ３からレーザビームＢを出射させながら、トーチ支持ユニット２を直線移動させ、さらに溶接トーチ３を往復移動（平行移動）させる。すると、上下二枚のワークＷの重ね合せ部には、図７に示されるように、ビード６がジグザグ形状（歯形状）に形成され、これによってビード６内に微小な溶接割れが発生しても、その伝播が途中で抑えられ、大きな割れに発展することはなくなる。本第３の実施形態においては、溶接トーチ３を平行移動させるだけなので、溶接トーチ３を移動させる機構は簡単となり、トーチ支持ユニット２の簡略化を達成できる。

ここで、上記第３の実施形態において、トーチ支持ユニット２の移動手段を制御して、トーチ支持ユニット２すなわち溶接トーチ３を断続的にワークＷと相対移動させた場合は、図８に示されるように、ビード６がクランク形状に形成され、この場合も溶接割れの伝播が抑えられる。

なお、本発明は、上記溶接トーチ３を、溶接方向Ｆに直交する面内で振動させることなくワークＷと相対移動させ、この相対移動の間、溶接トーチ３からレーザビームＢを断続的に出射させるようにしてもよいものである。この場合は、図９に示されるように、ビード６が短ステッチ状に形成されるが、この場合でも、溶接割れの伝播抑制に効果がある。

本発明の第１の実施形態としての重ねレーザ溶接装置の構造を示す模式図である。 本第１の実施形態としての装置による重ねレーザ溶接の実施状況を示す模式図である。 本第１の実施形態によるワーク裏面側のビードの形成状態を示す断面図である。 本第１の実施形態によるビードに作用する引張力の大きさを示す説明図である。 本発明の第２の実施形態としての重ねレーザ溶接装置の構造を示す模式図である。 本発明の第３の実施形態としての重ねレーザ溶接装置の構造を示す模式図である。 本第３の実施形態としての装置によるビードの形成状態を示す平面図である。 本第３の実施形態としての装置による、他のビードの形成状態を示す平面図である。 本発明の変形実施形態によるビードの形成状態を示す平面図である。

１ クランプユニット
２ トーチ支持ユニット
３ 溶接トーチ
４ ガイド部材
５ 案内溝
６ ビード
１０ ピン（揺動中心）
Ｂ レーザビーム
Ｆ 溶接方向
Ｐ 照射ポイント

Claims (2)

1. 複数枚重ねのワークのエッジに沿ってレーザビームを照射して溶接を行う重ねレーザ溶接方法において、
   前記レーザビームを、溶接方向に直交する面内でワークに対する照射ポイントを中心に左右方向に揺動させながら溶接方向へ走査し、傾斜角度が連続に変化するビードを形成することを特徴とする重ねレーザ溶接方法。
2. 複数枚重ねのワークのエッジに沿って溶接トーチからレーザビームを照射し、前記ワークと前記溶接トーチとを相対移動させて溶接を行う重ねレーザ溶接装置において、
   前記溶接トーチを、ワークに対する照射ポイントを中心に左右方向に揺動可能に配設し、該溶接トーチを揺動させながら前記相対移動をさせて、傾斜角度が連続に変化するビードを形成することを特徴とする重ねレーザ溶接装置。