JP5248347B2

JP5248347B2 - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JP5248347B2
Application number: JP2009011267A
Authority: JP
Inventors: 昌志及川; 正側垣; 直樹河田; 純越川; 翔太遠藤
Original assignee: Japan Transport Engineering Co
Current assignee: Japan Transport Engineering Co
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-01-21
Also published as: JP2010167436A

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

従来のレーザ溶接方法として、レーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給することにより、健全な溶接部の形成を図ったものがある。例えば特許文献１に記載のレーザ溶接方法では、レーザビームの焦点位置にフィラーワイヤの先端を一致させ、焦点位置の回転変位に同期するようにフィラーワイヤ供給部全体を回転変位させている。

特開２００３−３２６３８２号公報

ところで、レーザ溶接を適用する溶接形態の一つとして、金属板の端部同士の突き合せ部分に沿って溶接部を形成する突き合わせ溶接がある。突き合わせ溶接では、板厚の等しい金属板同士を接合するのが通常であるが、加工物の種類によっては板厚の異なる金属板同士を接合することも想定される。

しかしながら、板厚の異なる金属板同士をレーザ溶接で接合する場合、金属板の端部の高さが互いに異なるため、突き合わせ部分に形成される溶接部には、高さの異なる金属板の端部同士を結ぶように傾斜部分が現れることとなる。このとき、溶接部の傾斜部分が急峻になると、溶接部に応力集中が生じ易くなり、接合体の疲労強度が低下してしまうおそれがある。この問題の解決は、レーザビームの照射位置に単純にフィラーワイヤを供給するだけでは困難であり、レーザ照射条件を含めた新たな工夫が必要であった。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、板厚の異なる金属板の突き合わせ接合において、接合体の疲労強度を十分に確保できるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係るレーザ溶接方法は、第１の金属板の端部と、第１の金属板とは板厚が異なる第２の金属板の端部とを突き合わせ、当該突き合せ部分に設定された溶接予定線に沿ってレーザビームの照射による溶接部を形成するレーザ溶接方法であって、突き合わせ部分上で互いのビームスポットが接し、かつ溶接予定線方向に並ぶように、レーザビームを第１のレーザビーム及び第２のレーザビームに分割し、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給して溶接部を形成することを特徴としている。

このレーザ溶接方法では、ビームスポットを溶接予定線方向に並べることで、単一のレーザビームを照射する場合と比較して、金属板への入熱時間を長くすることが可能となる。入熱時間が長くなると、溶接予定線と直交する方向への入熱量が増加し、溶接部の幅が拡張される。また、フィラーワイヤにレーザビームが照射されることによって生じる金属蒸気が溶接予定線と直交する方向に拡散し易くなり、溶接部の幅の拡張が助長される。溶接部の幅が拡張されることにより、高さの異なる金属板の端部同士を結ぶように現れる溶接部の傾斜部分の角度が緩やかになり、溶接部での応力集中が緩和されるので、接合体の疲労強度を十分に確保できる。

また、フィラーワイヤを第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの進行方向側から供給することが好ましい。こうすると、フィラーワイヤにレーザビームが照射されることによって生じる金属蒸気を溶接予定線と直交する方向に効率良く拡散させることができる。

また、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームのスポット径とフィラーワイヤの径とを略同径とすることが好ましい。この場合、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの照射位置に対するフィラーワイヤの供給位置の位置決めが容易となる。また、フィラーワイヤの供給量が十分に確保されるので、溶接部の傾斜部分が凹状になってしまうことも抑制される。

また、第１のレーザビームと第２のレーザビームとの出力比が１：１となるようにレーザビームを分割することが好ましい。この場合、入熱のムラが小さくなり、溶接部の健全性を担保できる。

本発明に係るレーザ溶接方法によれば、板厚の異なる金属板の突き合わせ接合において、接合体の疲労強度を十分に確保できる。

本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態を示す図である。第１のレーザビームのビームスポット及び第２のレーザビームのビームスポットの状態を示す図である。レーザビームの照射と金属板の温度との関係を示す図である。金属板の突き合わせ部分に形成される溶接部の状態を示す図である。本発明に係るレーザ溶接方法の変形例を用いて金属板の突き合わせ部分に形成される溶接部の状態を示す図である。

以下、図面を参照しながら、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詳細に説明する。

図１は、本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態を示す図である。同図に示すように、このレーザ溶接方法は、板厚の異なる２つの金属板１，２の端部同士の突き合わせ接合に適用される方法である。金属板１，２は、例えばＳＵＳ３０４などのステンレス鋼板であり、長方形状をなしている。

金属板１の板厚は、例えば４．５ｍｍとなっており、金属板２の板厚は、例えば３．０ｍｍとなっている。金属板１，２は、幅方向の端部同士を突き合わせた状態で、加工テーブル３上に載置されている。加工テーブル３は、金属板１，２を固定した状態で、任意の速度で溶接予定線Ｒ方向に移動可能となっている。

また、レーザ溶接方法に用いられるレーザ溶接システム１０は、レーザ照射装置１１と、フィラーワイヤ供給装置１２とを備えて構成されている。レーザ照射装置１１は、レーザ発振器１３と、集光器１４とを有している。レーザ発振器１３は、例えば最大出力４ｋＷのＮｄ：ＹＡＧレーザである。レーザ発振器１３から出力されるレーザビームは、光ファイバ１５によって集光器１４に伝送される。光ファイバ１５は、例えばコア径０．６ｍｍのステップインデックス型ファイバである。

集光器１４の内部には、例えば焦点距離１５０ｍｍのコリメーションレンズと、レーザビームを２分割するウェッジ基板と、焦点距離１５０ｍｍの集光レンズとが配置されている。光ファイバ１５を介して集光器１４に入射したレーザビームは、出力比が１：１となるように第１のレーザビームＬ１と第２のレーザビームＬ２とに分割され、金属板１，２の突き合せ部分に集光する。

このとき、第１のレーザビームＬ１のビームスポットＳ１と第２のレーザビームＬ２のビームスポットＳ２とは、例えば直径０．６ｍｍの略真円状をなし、図２に示すように、金属板１，２の突き合せ部分の平面視において、溶接予定線Ｒ方向の前後に並んでおり、かつ互いに接した状態となっている。

第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の径は、例えば第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の１／ｅ^３全幅で定義される。したがって、ビームスポットＳ１，Ｓ２が接した状態とは、金属板１，２の突き合わせ部分の表面において、１／ｅ^３全幅で定義される第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の断面形状が互いに接していることを言う。なお、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の径の定義は、必ずしも１／ｅ^３全幅でなくてもよく、１／ｅ^２全幅や半値全幅などを用いてもよい。

フィラーワイヤ供給装置１２は、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の照射位置に向けてフィラーワイヤ１６を供給する装置である。フィラーワイヤ１６は、例えば金属板１，２と同材質の線状部材である。このフィラーワイヤ１６の径は、第１のレーザビームＬ１のスポット径及び第２のレーザビームＬ２のスポット径と同径となるように、直径０．６ｍｍとなっている。

フィラーワイヤ１６は、フィラーワイヤ供給装置１２に接続された供給ノズル１７の先端から繰り出され、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の進行方向側から所定の供給速度で照射位置に供給される。なお、供給ノズル１７は、フィラーワイヤ１６が金属板１，２の表面に対して約５５°傾斜した状態となるように配置されていることが好ましい。

このようなレーザ溶接システム１０を用いて金属板１，２を溶接する場合、まず、第１のレーザビームＬ１のビームスポットＳ１及び第２のレーザビームＬ２のビームスポットＳ２が溶接予定線Ｒの始点に位置するように、レーザ照射装置１１をセットする。次に、レーザ発振器１３からの出力を４ｋＷとし、加工テーブル３を毎分１ｍの速度で溶接予定線Ｒ方向に移動させながら、フィラーワイヤ１６を毎分３ｍの供給速度でレーザビームの進行方向側から供給する。

これにより、金属板１，２の突き合わせ部分には、溶接部２１が順次形成される。第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２が溶接予定線Ｒの終点まで到達すると、溶接予定線Ｒに沿って連続的な溶接部２１が形成され、金属板１，２の突き合わせ溶接が完了する。

このレーザ溶接方法では、図２に示したように、金属板１，２の突き合わせ部分上で互いのビームスポットＳ１，Ｓ２が接し、かつ溶接予定線Ｒ方向に並ぶように、レーザビームを１：１の出力比で第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２に分割することにより、金属板１，２への入熱時間を長くしている。

レーザビームを分割せずにそのまま金属板１，２に照射した場合、照射位置における金属板１，２の温度は、図３（ａ）に示すように、照射の開始と共に急激に上昇し、金属板１，２の溶融温度Ｔｃを超えてピーク温度Ｔ_Ｐ１に達した後、急激に下降する。

レーザビームを第１のレーザビームＬ１と第２のレーザビームＬ２とに分割して金属板１，２に照射した場合、照射位置における金属板１，２の温度が照射の開始と共に上昇し、一定のピーク温度に達した後に下降する点では、レーザビームを分割しない場合と同様である。しかしながら、図３（ｂ）に示すように、ピーク温度Ｔ_Ｐ２がピーク温度Ｔ_Ｐ１に比べて低くなると共に温度の上昇・下降が緩やかになり、金属板１，２の溶融温度Ｔｃを超えている時間Ｔ_２は、レーザビームを分割しない場合（図３（ａ）における時間Ｔ_１）に比べて長くなる。

このように、金属板１，２への入熱時間が長くなると、溶接予定線Ｒと直交する方向への入熱量が増加し、この方向への金属板１，２の溶融が進むため、溶接部２１の幅が拡張される。また、フィラーワイヤ１６に第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２が照射されることによって生じる金属蒸気が溶接予定線Ｒと直交する方向に拡散し易くなり、溶接部２１の幅の拡張が助長される。

ここで、本実施形態のように、板厚の異なる金属板１，２同士をレーザ溶接で接合する場合、図４に示すように、金属板１，２の端部の高さが互いに異なるため、突き合わせ部分に形成される溶接部２１には、高さの異なる金属板１，２の端部同士を結ぶように傾斜部分２２が現れることとなる。このとき、溶接部２１の傾斜部分２２の角度θ_１が急峻になると、溶接部２１に応力集中が生じ易くなり、結果として金属板１，２の接合体の疲労強度が低下してしまうおそれがある。

これに対し、本実施形態では、溶接部２１の幅が拡張されることにより、レーザビームを分割しない方法で形成した溶接部３１の傾斜部分３２の角度θ_２と比較して、溶接部２１の傾斜部分２２の角度θ_１が緩やかなものとなる（図４参照）。したがって、溶接部２１での応力集中が緩和され、接合体の疲労強度を十分に確保できる。なお、応力集中の緩和という観点からは、溶接部２１の傾斜部分２２の角度θ_１は、４５°以下となっていることが好ましい。

また、本実施形態では、フィラーワイヤ１６を第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の進行方向側から供給している。これにより、フィラーワイヤ１６に第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２が十分な時間照射されるので、レーザビームが照射されることによって生じる金属蒸気を溶接予定線Ｒと直交する方向に効率良く拡散させることができる。したがって、溶接部２１の幅を一層確実に拡張できる。

また、フィラーワイヤ１６の径が、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２のスポット径と略同径となっているので、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の照射位置に対するフィラーワイヤ１６の供給位置の位置決めが容易となる。また、フィラーワイヤ１６の供給量が十分に確保されるので、溶接部２１の傾斜部分２２の角度θ_１が４５°以下となるように溶接部２１の幅を拡張させた場合であっても、溶接部２１の傾斜部分２２が凹状になってしまうことを抑制できる。これにより、金属板１，２の接合強度の向上が図られる。

さらに、本実施形態では、第１のレーザビームＬ１と第２のレーザビームＬ２との出力比が１：１となるようにレーザビームを分割しているので、入熱のムラが小さくなり、溶接部２１の健全性を担保できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。レーザ出力条件、フィラーワイヤ供給条件等は、金属板１，２の板厚・板厚差等に応じて適宜変更可能である。また、上述した実施形態では、金属板１，２の突き合わせ部分において段差面側から第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２を照射しているが、例えば厚みが小さい方の金属板２の裏側にスペーサ部材を配置することにより、突き合わせ部分の段差面を金属板１，２の裏側に形成し、突き合わせ部分の平坦面側から第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２を照射するようにしてもよい。

この場合であっても、図５に示すように、傾斜部分４２の角度θ_３が４５°よりも緩やかな溶接部４１を形成できるので、溶接部４１での応力集中が緩和され、金属板１，２の接合体の疲労強度を十分に確保できる。また、レーザ照射によって溶融した金属が自重で下がるので、溶接部４１の傾斜部分４２が凸状に形成され易くなる。この結果、全体として溶接部２１が肉厚になるので、金属板１，２の接合強度の向上が一層図られる。

１，２…金属板、１０…レーザ溶接システム、１６…フィラーワイヤ、２１，４１…溶接部、Ｌ１…第１のレーザビーム、Ｌ２…第２のレーザビーム、Ｓ１，Ｓ２…ビームスポット、Ｒ…溶接予定線。

Claims

第１の金属板の端部と、前記第１の金属板とは板厚が異なる第２の金属板の端部とを突き合わせ、当該突き合せ部分に設定された溶接予定線に沿ってレーザビームの照射による溶接部を形成するレーザ溶接方法であって、
前記突き合わせ部分上で互いのビームスポットが接し、かつ前記溶接予定線方向に並ぶように、前記レーザビームを第１のレーザビーム及び第２のレーザビームに分割し、
前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給して前記溶接部を形成することを特徴とするレーザ溶接方法。
前記フィラーワイヤを前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームの進行方向側から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。
前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームのスポット径と前記フィラーワイヤの径とを同径とす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。
前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとの出力比が１：１となるように前記レーザビームを分割す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。