JP5822376B2 - 鋼板のレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板のレーザ溶接方法に関し、より詳しくは、複数の鋼板を相互レーザ溶接時、溶接部に対して低入熱のレーザビームを一定ピッチのジグザグ状に重畳させ、一定速度で照射して溶接することにより、溶接部の接合強度をさらに向上させる鋼板のレーザ溶接方法に関する。

一般に、車体部品を組み立てるための溶接法として、スポット溶接が主に利用されており、このようなスポット溶接が不可能な区間ではアーク溶接やレーザ溶接が適用されている。

まず、上記したアーク溶接の中で、代表的なガス金属アーク溶接（Ｇａｓ Ｍｅｔａｌ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ、ＧＭＡＷ）は、基本的に溶加材（ｆｉｌｌｅｒ ｍｅｔａｌ）として作用する消耗電極ワイヤ（ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅ ｗｉｒｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を一定速度で母材（ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ）に送給しながら、電流を通じてワイヤと母材との間でアーク（ａｒｃ）が発生するようにする溶接法である。

つまり、上記したガス金属アーク溶接は、連続的に送給されるワイヤが、アークの高い熱によって溶融して金属蒸気または溶滴（ｇｌｏｂｕｌｅ）となり、母材は溶けて溶融池（ｍｏｌｔｅｎ ｗｅｌｄ ｐｏｏｌ）を形成する。溶融部位は、ガスノズルを通じて供給される保護ガス（ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｇａｓ）によって周囲の大気から保護されるようにして溶接を行い、使用される保護ガスの種類により、Ａｒのような不活性ガスを使用するミグ溶接（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ、ＭＩＧ）、純粋な炭酸ガスだけを使用する炭酸ガスアーク溶接（ＣＯ_２溶接）、炭酸ガスとＡｒガスが混合されたガスを使用するマグ溶接（Ｍｅｔａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ、ＭＡＧ）に分類される。

このようなガス金属アーク溶接は、比較的に細径（０．９〜１．６ｍｍ）の電極ワイヤを使用するので溶着速度が速く、そのため被覆アーク溶接（Ｓｈｉｅｌｄｅｄ Ｍｅｔａｌ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ、ＳＭＡＷ）に比べて能率的であり、溶接材料の損失が少なく、溶着効率が９５％以上可能である。また、溶接ロボットや自動化機器などを使用して溶接自動化が比較的に容易であるので、溶接生産性を高めることができるなどの利点がある。

反面、上述したガス金属アーク溶接は、被覆アーク溶接（ＳＭＡＷ）に比べて装備が多少複雑で、故障率が高く、高価であるため設備費用が過多となり、特に、炭酸ガスアーク溶接の場合にはスパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）が多量発生し、このようなスパッタが母材表面に付着して外形を損傷させる短所がある。また、このスパッタがノズルに付着する場合には、保護ガスの供給が円滑に行われないため、溶接品質を低下させ、溶接トーチが溶接部に接近し難い条件では、溶接が不可能であるという短所もある。

一方、上述したレーザ溶接は、高速の溶接速度、短い溶接サイクル、小さい入熱量（ｓｍａｌｌ ｈｅａｔ ｉｎｐｕｔ）、小さい熱影響部（ＨＡＺ；ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ）、最小限の変形などのような長所があって、上述したスポット溶接とアーク溶接に代えて、車体部品の溶接に適用されている。このようなレーザ溶接は、レーザビームの焦点区間でエネルギー多重反射および吸収を利用したキーホール溶接（ｋｅｙｈｏｌｅ ｗｅｌｄｉｎｇ）が主に用いられ、このようなキーホール溶接は、レーザビーム（ＬＢ）がレンズによって集積され、素材に対してエネルギー多重反射および多重吸収が起こる約２ｍｍ以内の焦点区間で行われる。

つまり、上記キーホール溶接の場合には、レーザビームの電磁波エネルギーが集積された焦点位置（ｆｏｃａｌ ｐｏｉｎｔ）で素材の表面に衝突し、その衝突エネルギーは熱エネルギーを発散しながら電磁波の連続的な現象であるキーホール現象を維持する。このようなキーホール現象は、高出力のレーザ溶接において、溶融プール（ｍｅｌｔ ｐｏｏｌ）に蒸気圧などの作用によって小さい孔を作りながら溶接が行われる状態をいう。

しかし、上述した従来のレーザ溶接は、大部分が高出力のキーホール溶接によって行われて、溶接線に沿って噴火口（ｃｒａｔｏｒ）形状に溶接部を貫いて行われるため、上記したアーク溶接のような溶接品質が得られないという短所がある。

そのために、上述したレーザビームの多様な特性を利用して、既存の炭酸ガスアーク溶接（ＣＯ_２溶接）のような溶接品質を得ながらも、ワイヤの供給なしで自生溶接（ａｕｔｏｇｅｎｏｕｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）が可能なレーザ溶接方法などが要求されている。

そこで、本発明は上記のような要求に応じて発明されたものであって、本発明の目的は、複数の鋼板を相互レーザ溶接する際に、溶接部に対して低入熱のレーザビームを一定ピッチのジグザグ状の溶接パターンに重畳させ、一定速度で溶接することにより、別途のワイヤの送給がなくても、鋼板間の自生溶接によって溶接品質を高め、溶接部の接合強度もさらに向上させることのできる鋼板のレーザ溶接方法を提供することにある。

上記のような技術的課題を実現するための本発明に係る鋼板のレーザ溶接方法は、相互重畳して溶接する鋼板のうち、一つの鋼板の先端に沿って、その溶接部に低入熱のレーザビームを一定ピッチのジグザグ状の溶接パターンを有するように一定の溶接速度で照射し、その溶融部の両端の一部がピッチ当り少なくとも２回以上重畳し、前記溶融部の中央の一部がピッチ当り少なくとも３回以上重畳するようにして溶接することを特徴とする。

前記レーザビームは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器から発振されるＮｄ：ＹＡＧレーザビームからなることを特徴とする。

前記レーザビームの出力は、３．２Ｋｗ乃至３．８Ｋｗの範囲内に設定されることを特徴とする。

前記ジグザグ状の溶接パターンは、繰り返される”Ｖ”字状に形成され、そのピッチが１ｍｍ以下の間隔に設定され、その溶接パターンの幅は４ｍｍ乃至６ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする。

前記溶接速度は、１５０ｍｍ／ｓｅｃ乃至２５０ｍｍ／ｓｅｃの範囲内に設定されることを特徴とする。

前記溶融部は、その溶接部の表面で、前記溶接パターンのピッチより大きい半径を有するように形成されることを特徴とする。

前記相互重畳する鋼板の間のギャップは、１ｍｍ以内であることを特徴とする。

〔発明の効果〕
本発明による鋼板のレーザ溶接方法によれば、複数の鋼板を相互レーザ溶接する際に、溶接部に対して３．２〜３．８Ｋｗの出力を有する低入熱のレーザビームを、１ｍｍ以下のピッチを有するジグザグ状の溶接パターンで高速に照射して、その溶融部が重畳するように溶接することによって、アーク溶接のように別途のワイヤを送給することなく、鋼板間の自生溶接を可能にして、従来の炭酸ガスアーク溶接（ＣＯ_２溶接）と同様な良好な溶接品質を確保することができ、その溶接部の接合強度も従来のレーザキーホール溶接および炭酸ガスアーク溶接に比べて向上させる効果がある。

また、本発明による鋼板のレーザ溶接方法によれば、従来の炭酸ガスアーク溶接のように、シールドガスとして炭酸ガスを使用しなくてもよいことで、環境にやさしく、自生溶接によって行われるので、別途のワイヤを送給する必要がなく、溶接材料費を節減するなどの利点もある。

本発明の実施形態に係る鋼板のレーザ溶接方法の工程斜視図である。 本発明の実施形態に係る鋼板のレーザ溶接方法が適用された溶接部の側断面図である。 本発明の実施形態に係る鋼板のレーザ溶接方法による溶接パターン図である。 本発明の実施形態に係る鋼板のレーザ溶接方法の溶接パターンによる溶融部の一部の重畳原理図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について、添付した図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る鋼板のレーザ溶接方法の工程斜視図であり、図２は、本発明の実施形態による鋼板のレーザ溶接方法が適用された溶接部の側断面図であり、図３と図４は、本発明の実施形態に係る鋼板のレーザ溶接方法による溶接パターン図、およびその溶接パターンによる溶融部の一部の重畳原理図である。

本実施形態に係る鋼板のレーザ溶接方法は、図１に示したように、下部鋼板１に対して上部鋼板３の先端に沿って溶接部５を形成して、相互重畳して溶接するためのレーザ溶接方法であって、前記溶接部５に対して低入熱のレーザビーム（ＬＢ）を一定ピッチ（Ｐ）のジグザグ状の溶接パターン（ＷＰ）を有するように、一定の溶接速度で照射して行われる。

つまり、前記下部鋼板１に対して上部鋼板３を相互重畳した状態で、図２に示したように、前記下部鋼板１に対して上部鋼板３の先端部（Ｅ）を低入熱のレーザビーム（ＬＢ）で溶融させ、上部鋼板３と下部鋼板１の溶接部５に形成される溶融部７が一部重畳するようにして溶接する。

上記したジグザグ状の溶接パターン（ＷＰ）は、図３に示したように、繰り返される“Ｖ”字状に形成され、そのピッチ（Ｐ）は１ｍｍ以下の間隔に設定され、その溶接パターンの幅（Ｗ）は４ｍｍ乃至６ｍｍの範囲内に設定されることが実験的に好ましかった。

この時、前記溶融部７は、図４に示したように、半楕円形の断面形状を有するが、その溶接部５の表面（Ｆ）で前記溶接パターン（ＷＰ）のピッチ（Ｐ）より大きい半径（Ｒ）に形成されて、前記下部鋼板１に対して上部鋼板３の先端部（Ｅ）が溶加材の役割を果たすように溶融され、このような溶融部７は、前記溶接パターン（ＷＰ）のピッチ（Ｐ）当り少なくとも２回以上一部が重畳するようにして自生溶接が行われる。

ここで、前記レーザビーム（ＬＢ）は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器から発振されるＮｄ：ＹＡＧレーザビームからなることが好ましい。

このようなレーザ溶接方法において、前記低入熱のレーザビーム（ＬＢ）が有する出力は、３．２Ｋｗ乃至３．８Ｋｗの範囲内に設定されることが好ましく、その溶接速度は、１５０ｍｍ／ｓｅｃ乃至２５０ｍｍ／ｓｅｃの範囲内に設定されることが好ましく、このような数値は数回にかけた実験結果によって確認することができた。

また、本実施形態に係るレーザ溶接方法を適用するためには、前記上部鋼板３と下部鋼板１との間のギャップ（Ｇ；Ｇａｐ）が１ｍｍ以内に設定される。

したがって、上記のような鋼板のレーザ溶接方法により、上部鋼板３と下部鋼板１とを相互重畳してレーザ溶接することは、図１に示したように、前記上部鋼板３の先端に沿ってその溶接部５に対し３．２〜３．８Ｋｗの出力を有する低入熱のレーザビーム（ＬＢ）を１５０ｍｍ／ｓｅｃ〜２５０ｍｍ／ｓｅｃ範囲の溶接速度で、図３に示したように、１ｍｍ以下のピッチ（Ｐ）と、４ｍｍ〜６ｍｍ範囲内の幅（Ｗ）を有するジグザグ状、つまり、繰り返される“Ｖ”字状の溶接パターン（ＷＰ）に沿って照射して行われる。

この時、その溶接部５は、図４に示したように、溶融部７が両端には一部が一ピッチ（Ｐ）当り少なくとも２回以上重畳し、上部鋼板３の先端に対応する中央線（ＣＬ）を沿っては一ピッチ（Ｐ）当り少なくとも一部が３回以上重畳して、アーク溶接のように別途のワイヤを送給することなくても、上部鋼板３の先端部が溶融して溶加材の役割を果たすことにより、自生溶接が行われ、その溶接品質を高める。

このような鋼板のレーザ溶接方法は、従来の炭酸ガスアーク溶接（ＣＯ_２溶接）と同様な良好な溶接品質を確保するだけでなく、その溶接部５の接合強度も従来のレーザキーホール溶接および炭酸ガスアーク溶接に比べて向上する。

また、上記した鋼板のレーザ溶接方法は、従来の炭酸ガスアーク溶接のように、炭酸ガスをシールドガスとして使用しなくてもよいので、環境にやさしい溶接法であるといえ、上部鋼板の先端を溶融させて自生溶接が行われることにより、別途のワイヤ送給を必要とせず、これによって溶接材料費を節減するようになる。

以上、本発明に関する好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されず、本発明の実施形態から当該発明が属する技術分野における通常の知識を有する者による、容易に変更されて均等であると認められる範囲の全ての変更を含む。

１：下部鋼板
３：上部鋼板
５：溶接部
７：溶融部
ＬＢ：レーザビーム
ＣＬ：中央線
ＷＰ：溶接パターン
Ｐ：ピッチ
Ｒ：半径
Ｅ：先端部
Ｇ：ギャップ

Claims (11)

1. 鋼板のレーザ溶接方法において、
   相互重畳して溶接する鋼板のうち、一つの鋼板の先端に沿って、その溶接部に、出力が３．２Ｋｗ乃至３．８Ｋｗの範囲内に設定される低入熱のレーザビームを一定ピッチのジグザグ状の溶接パターンを有するように一定の溶接速度で照射し、
   その溶融部の両端の一部がピッチ当り少なくとも２回以上重畳し、前記溶融部の中央の一部がピッチ当り少なくとも３回以上重畳するようにして溶接することを特徴とする鋼板のレーザ溶接方法。
2. 前記レーザビームは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器から発振されるＮｄ：ＹＡＧレーザビームからなることを特徴とする、請求項１に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
3. 前記ジグザグ状の溶接パターンは、繰り返される”Ｖ”字状に形成され、そのピッチが１ｍｍ以下の間隔に設定され、その溶接パターンの幅は４ｍｍ乃至６ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする、請求項１に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
4. 前記溶接速度は、１５０ｍｍ／ｓｅｃ乃至２５０ｍｍ／ｓｅｃの範囲内に設定されることを特徴とする、請求項１に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
5. 前記溶融部は、その溶接部の表面で、前記溶接パターンのピッチより大きい半径を有するように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
6. 前記相互重畳される鋼板の間のギャップは、１ｍｍ以内であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
7. 下部鋼板に対し、上部鋼板の先端に沿って溶接部を形成して、相互重畳して溶接するための鋼板のレーザ溶接方法において、
   前記溶接部に対し、出力が３．２Ｋｗ乃至３．８Ｋｗの範囲内に設定される低入熱のレーザビームを一定ピッチのジグザグ状の溶接パターンを有するように一定の溶接速度で照射し、
   前記溶接部の表面で、前記溶接パターンの一定ピッチより大きい半径を有する溶融部を形成するように、前記下部鋼板に対して前記上部鋼板の先端を溶融させ、前記溶融部の両端の一部がピッチ当り少なくとも２回以上重畳し、前記溶融部の中央の一部がピッチ当り少なくとも３回以上重畳するようにして自生溶接が行われるように溶接することを特徴とする鋼板のレーザ溶接方法。
8. 前記レーザビームは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器から発振されるＮｄ：ＹＡＧレーザビームからなることを特徴とする、請求項７に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
9. 前記ジグザグ状の溶接パターンは、繰り返される”Ｖ”字状に形成され、そのピッチが１ｍｍ以下の間隔に設定され、その溶接パターンの幅は４ｍｍ乃至６ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする、請求項７に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
10. 前記溶接速度は、１５０ｍｍ／ｓｅｃ乃至２５０ｍｍ／ｓｅｃの範囲内に設定されることを特徴とする、請求項７に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
11. 前記上部鋼板と下部鋼板との間のギャップは、１ｍｍ以内であることを特徴とする、請求項７に記載の鋼板のレーザ溶接方法。

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