JP5911204B2

JP5911204B2 - レーザ溶接方法

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Publication number: JP5911204B2
Application number: JP2011116614A
Authority: JP
Inventors: 景太山田; 拓哉吉原; 竹野　祥瑞; 祥瑞竹野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2031-05-25
Also published as: JP2012245523A

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関するものであり、特に、シールドガスにＨｅとＡｒとの混合ガスまたはＨｅとＮ_２との混合ガスを用いたレーザ溶接方法に関する。

金属の溶接方法として、電気的エネルギーを利用するアーク溶接、機械的エネルギーを利用する摩擦溶接、光エネルギーを利用するレーザ溶接等が挙げられる。
この中で、レーザ溶接は、摩擦溶接やアーク溶接と比べて、熱源が高エネルギー密度であり、加熱・冷却サイクルが短いので、高速深溶け込み溶接が可能であり、溶接熱の影響が非常に少なく溶接変形が小さいといった特長がある。一方、金属のエネルギー吸収率が低く、焦点深度が浅いとの欠点がある。それと、溶接部にプラズマが発生すると、プラズマによりレーザビームが吸収・屈折され、母材に入るレーザパワーが減少し、溶融部の溶け込み深さ（溶け込み深さと記す）が浅くなるとの欠点もある。

レーザ溶接におけるプラズマの発生は、以下の過程でおきると言われている。
まず、レーザビームが、材料表面に照射されると、溶融部あるいは溶融部から発生した金属蒸気から、電子が放出される。この電子はレーザエネルギーを吸収し加速される。加速された電子は、次々と中性の金属粒子を、衝突励起または電離することによって、やがて全面的な電離破壊を生じ、プラズマを形成する。

通常、レーザ溶接では、金属プラズマ発生の抑制や大気からの溶融金属保護のために、レーザ照射部に、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎ_２等のシールドガスを吹き付けながら溶接する。このシールドガスは、一般的にレーザノズル中央からのセンターガスである。
しかし、プラズマを抑制する能力はシールドガスの種類によって大きく異なり、Ｈｅが、他のガスと比べて熱伝導度が大きく、プラズマの熱を多く奪うため、効果が大きい。また、Ｈｅをイオン化するエネルギーを金属プラズマは保有していない。
一方、Ａｒは、Ｈｅと比べて熱伝導度が小さいので冷却作用が小さく、電離電圧が小さいので、一部イオン化する。

また、各シールドガスを用いたレーザ溶接において、Ａｒ＜Ｎ_２＜Ｈｅの順に、溶け込み深さが深くなると言われており、Ｈｅをシールドガスに用いるのが最も好ましい。
しかし、Ｈｅをシールドガスに用いると、Ｈｅが、Ｎ_２やＡｒに比べて、高価であるので、加工費が高くなるという問題があった。
そこで、シールドガスに、安価なＮ_２やＡｒを用いて、溶け込み深さを深くする溶接方法が検討されているが、単一のＮ_２やＡｒを用いたのでは、困難であるとの問題があった。

この問題を解決するレーザ溶接方法として、シールドガスに、Ｈｅの割合を２０〜７０％にしたＨｅとＡｒとの混合ガス（Ｈｅ−Ａｒ混合ガスと記す）を用いたレーザ溶接方法がある。
この方法では、溶け込み深さを、シールドガスにＨｅ単一ガスを用いたレーザ溶接方法での溶け込み深さに、近づけることができる（例えば、特許文献１参照）。

特公平０２−０５６１９６号公報（第２頁、第３図）

しかし、特許文献１に記載のシールドガスにＨｅの割合が２０〜７０％のＨｅ−Ａｒ混合ガスを用いたレーザ溶接方法では、その溶け込み深さが、Ｈｅ単一ガスを用いた場合以上にはなっていない。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、シールドガスに、高価なＨｅの使用量を減らすことができる、Ｈｅ−Ａｒ混合ガスまたはＨｅ−Ｎ_２混合ガスを用いても、シールドガスにＨｅ単一ガスを用いた場合の溶け込み深さ以上の溶け込み深さを実現できるレーザ溶接方法を得ることである。

本発明に係わるレーザ溶接方法は、ノズルの先端からレーザビームと同軸にシールドガスを、被溶接材の溶接部に吹き付けながら溶接するレーザ溶接方法であって、シールドガスに、Ｈｅの容積割合が３０〜９０％である、ＨｅとＡｒとの混合ガスを用い、ノズルの内径Ｄに対して、ノズル先端と被溶接材との間隔Ｌを、２Ｄ≦Ｌ≦３Ｄの範囲に設定して、シールドガスが、溶接時に大気の酸素を巻き込んで、ノズル中心距離Ｘがノズル半径Ｄの２倍の位置での被溶接材の表面の酸素濃度を５％にして溶接するものである。

本発明に係わるレーザ溶接方法は、ノズルの先端からレーザビームと同軸にシールドガスを、被溶接材の溶接部に吹き付けながら溶接するレーザ溶接方法であって、シールドガスに、Ｈｅの容積割合が３０〜９０％である、ＨｅとＡｒとの混合ガスを用い、ノズルの内径Ｄに対して、ノズル先端と被溶接材との間隔Ｌを、２Ｄ≦Ｌ≦３Ｄの範囲に設定して、シールドガスが、溶接時に大気の酸素を巻き込んで、ノズル中心距離Ｘがノズル半径Ｄの２倍の位置での被溶接材表面の酸素濃度を５％にして溶接するものであり、シールドガスにＨｅ単一ガスを用いた場合の溶け込み深さ以上の溶け込み深さを実現でき、溶接コストの低減と生産性の向上とが図れる。

本発明の実施の形態１に係わるレーザ溶接方法に用いられる溶接装置で溶接する状態を示す模式図である。本発明の実施の形態１に係わるレーザ溶接方法に用いられる混合シールドガスの生成方法を示す模式図である。シールドガスにＨｅ−Ａｒ混合ガスを用い、シールドガスを吹き付けるノズルの先端と被溶接材との間隔をＨｅ単一ガスの場合と同様にした時の溶融池の状態を示す模式図である。シールドガスにＨｅ−Ａｒ混合ガスを用い、シールドガスを吹き付けるノズルの先端と被溶接材との間隔をＨｅ単一ガスの場合より広くした時の溶融池の状態を示す模式図である。実施例１における、ノズル間隔と溶け込み深さとの関係を示す図である。被溶接材の表面におけるノズル中心の投射点とノズル中心距離を説明する図である。実施例２における、ノズル中心距離と被溶接材表面の酸素濃度との関係を示す図である。実施例３における、シールドガスであるＨｅ−Ａｒ混合ガスのＨｅのガス流量の割合と溶け込み深さとの関係を示す図である。

以下に、本発明によるレーザ溶接方法の実施の形態を、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わるレーザ溶接方法に用いられる溶接装置で溶接する状態を示す模式図である。
図１に示すように、本実施の形態のレーザ溶接方法では、ＣＯ_２レーザのレーザビーム７が、放物面鏡６により反射され、加工点付近に集光される。この時、放物面鏡６は、レーザビーム７により温度が上昇するので、背面を冷却水で冷却する。溶接中は被溶接材３のレーザビーム照射部に溶融池１が形成される。
本実施の形態では、例えば、放物面鏡６に１０インチのものを用い、レーザビーム加工点付近でのスポット径を０．３ｍｍに絞っている。

被溶接材３に形成される溶融池１は、加工ヘッド５内部を通り、ノズル４の先端からレーザビーム７と同軸にセンターガスとして溶接部に吹き付けられるシールドガス２により、大気中から保護される。
シールドガス２には、Ｈｅ−Ａｒ混合ガスまたはＨｅ―Ｎ_２混合ガスを用いている。

図２は、本発明の実施の形態１に係わるレーザ溶接方法に用いられる混合シールドガスの生成方法を示す模式図である。
図２に示すように本実施の形態では、Ｈｅガスボンベ９とＡｒガスボンベ１０との各々から供給されるガス量を、Ｈｅガスボンベ９に接続されている第１の流量計１１ａとＡｒガスボンベ１０に接続されている第２の流量計１１ｂとで調整する。そして、各調整された流量の、ＨｅとＡｒとが、混合ミキサ１２に供給されて混合されることにより、シールドに必要である流量の均一な混合シールドガス２を得る。

例えば、流量が５０ｌ／ｍｉｎであり、７０％Ｈｅ−３０％Ａｒ混合ガスを生成するためには、第１の流量計１１ａでＨｅの流量を３５ｌ／ｍｉｎとし、第２の流量計１１ｂでＡｒの流量を１５ｌ／ｍｉｎとすれば良い。
また、Ｈｅと混合するガスがＮ_２の場合も、同様にして、シールドに必要な流量であり、且つ均一な混合シールドガス２を得ることができる。

次に、本実施の形態のレーザ溶接方法が、シールドガス２に、Ｈｅ−Ａｒ混合ガスまたはＨｅ―Ｎ_２混合ガスを用い、溶け込み深さを深くできる機構について説明する。
図３は、シールドガスにＨｅ−Ａｒ混合ガスを用い、シールドガスを吹き付けるノズルの先端と被溶接材との間隔をＨｅ単一ガスの場合と同様にした時の溶融池の状態を示す模式図である。
図４は、シールドガスにＨｅ−Ａｒ混合ガスを用い、シールドガスを吹き付けるノズルの先端と被溶接材との間隔をＨｅ単一ガスの場合より広くした時の溶融池の状態を示す模式図である。

シールドガスにＨｅ−Ａｒ混合ガスを用い、ノズル先端と被溶接材との間隔（ノズル間隔と記す）ＬがＨｅ単一ガスの場合と同様であると、Ｈｅ単一ガスを用いた場合に比べて、溶融部でのプラズマのサイズが大きくなり、図３に示すように、溶融池１の径が大きくなり、溶融池の深さｄ、すなわち溶け込み深さは浅くなる。この時、溶融池１の対流は、矢印Ａで示すように、溶融池の中央から外側方向である。

しかし、シールドガスにＨｅ−Ａｒ混合ガスを用い、ノズル間隔ＬをＨｅ単一ガスの場合より大きくすると、溶融池１付近でのシールドガスによるシールド性が、若干悪くなり大気の酸素を巻き込む。そして、この巻き込まれた酸素が溶融金属に混入すると、溶融池１の対流は、図４において矢印Ｂで示すように、溶融池の外側から中央へ流れ、さらに深さ方向に流れることにより、溶融池の深さｄ、すなわち溶融部の溶け込み深さが増加する。
この図３と図４とに示す現象は、シールドガスにＨｅ―Ｎ_２混合ガスを用いた場合も同様である。

これに対して、シールドガスにＨｅ単一ガスを用い、ノズル間隔Ｌを広くすると、逆に、溶け込み深さは浅くなる。
この現象は、Ｈｅが空気より軽いので、ノズル間隔Ｌを広くすると、溶接部近傍までＨｅが到達しなくなり、シールド性が極端に落ちてプラズマが多く発生するためである。
シールドガスがＨｅ−Ａｒ混合ガスの場合は、Ａｒが空気より重いので、ノズル間隔Ｌが広くなっても、シールドガスが溶接部近傍まで到達し、シールド性が維持される。シールドガスがＨｅ−Ｎ_２混合ガスの場合も同様である。

シールドガスに、Ｈｅ−Ａｒ混合ガスまたはＨｅ−Ｎ_２混合ガスを用いるレーザ溶接方法では、ノズル間隔Ｌが狭いと、シールド性は良いが、溶け込み深さがＨｅ単一ガスを用いた場合以上に深くなることはない。
しかし、ノズル間隔Ｌをある程度広くすると、上記のような機構により、大気中の酸素を巻き込み、溶け込み深さを深くすることができる。
すなわち、本発明のプラズマ溶接方法は、ノズル間隔Ｌをノズル内径Ｄに対して、２Ｄ≦Ｌ≦３Ｄと設定して溶接を行うものであり、ノズル間隔Ｌを調整し、溶融池内に酸素を溶け込ませることで、溶け込み深さがＨｅ単一ガスを用いた場合以上に深くなる。

次に、実施例を用いて、本実施の形態のレーザ溶接方法の効果を説明する。
実施例１．
実施例１では、出力が５〜５．５ｋＷのＣＯ_２レーザを用いた溶接装置で、シールドガスにＨｅ−Ａｒ混合ガスを用い、シールドガス流量を３０〜５０ｌ／ｍｉｎ、溶接速度を０．５〜１ｍ／ｍｉｎの条件で溶接した各場合の、ノズル間隔Ｌと溶け込み深さとの関係を調べている。溶接に用いたノズルは、ノズル内径Ｄが、φ５ｍｍとφ６ｍｍとの２種類であり、ノズル間隔Ｌは５〜２１ｍｍの範囲である。

図５は、実施例１における、ノズル間隔と溶け込み深さとの関係を示す図である。
図５には、出力が５．５ｋＷのＣＯ_２レーザの溶接装置で、シールドガスに７０％Ｈｅ−３０％Ａｒ混合ガスを用い、シールドガス流量を５０ｌ／ｍｉｎ、溶接速度を０．７ｍ／ｍｉｎの条件で溶接した場合の、ノズル間隔Ｌと溶け込み深さとの関係を示している。
図５に示すように、ノズル内径Ｄがφ５ｍｍでは、ノズル間隔Ｌが８〜１５ｍｍである場合、この範囲以外である場合より、溶け込み深さが深くなっている。
また、ノズル内径Ｄがφ６ｍｍでは、ノズル間隔Ｌが１２〜１８ｍｍである場合、この範囲以外である場合より、溶け込み深さが深くなっている。

図５は、ノズル内径Ｄがφ５ｍｍの場合、ノズル内径Ｄの２倍である１０ｍｍからノズル内径Ｄの３倍である１５ｍｍのノズル間隔Ｌの範囲が、溶け込み深さを深くできる領域となっており、ノズル内径Ｄがφ６ｍｍの場合、ノズル内径Ｄの２倍である１２ｍｍからノズル内径Ｄの３倍である１８ｍｍのノズル間隔Ｌの範囲が、溶け込み深さを深くできる領域となっていることを示している。
すなわち、ノズル間隔Ｌが２Ｄ≦Ｌ≦３Ｄの範囲の場合、溶け込み深さがより深くなることを示している。
このノズル間隔Ｌが２Ｄ≦Ｌ≦３Ｄの範囲の場合に、溶け込み深さをより深くできることは、上記の本実施例の各条件の溶接においても同様である。

図５では、シールドガスに７０％Ｈｅ−３０％Ａｒ混合ガスを用いた場合を示しているが、ノズル間隔Ｌが２Ｄ≦Ｌ≦３Ｄの範囲の場合が、この範囲以外の場合より、溶け込み深さを深くできることは、後述する混合割合のＨｅ−Ａｒ混合ガスを用いても同様であり、シールドガスに同様な割合のＨｅ−Ｎ_２混合ガスを用いても同様である。

実施例２．
実施例２では、混合ガスに７０％Ｈｅ−３０％Ａｒ混合ガスを用い、ノズル内径Ｄがφ２ｍｍのノズルを用い、ノズル間隔Ｌが３、４、５、６、７ｍｍの各々で、実施例１と同様な条件で溶接した場合の、図６に示す被溶接材３の表面におけるノズル中心の投射点Ｃからの距離（ノズル中心距離と記す）Ｘと、被溶接材３の表面の酸素濃度との関係を調べている。
検討したノズル中心距離Ｘは、ノズル内径Ｄと同じ、すなわちノズル半径Ｒの２倍である２ｍｍまでである。
図７は、実施例２における、ノズル中心距離と被溶接材表面の酸素濃度との関係を示す図である。

図７に示すように、ノズル間隔Ｌが３〜７ｍｍの全ての場合で、被溶接材表面において、ノズル中心距離Ｘが大きくなるに従い、酸素濃度が増加している。
しかし、ノズル間隔Ｌが３ｍｍの場合は、酸素濃度の増加が小さく、シールド性が良好であることを示しており、ノズル間隔Ｌが、４、５、６ｍｍと大きくなると、酸素濃度が増加していき、７ｍｍになると増加量が特に多くなることを示している。
本発明のレーザ溶接方法では、溶接材表面の酸素濃度が１０％を超えるとブローホール発生の要因となるため、本実施例においては、ノズル間隔Ｌは７ｍｍ未満でなければならない。

すなわち、本実施例は、ノズル間隔Ｌが、ノズル内径Ｄの２倍である４ｍｍからノズル内径Ｄの３倍である６ｍｍの範囲では、ノズル中心距離Ｘが、ノズル半径の２倍の位置でも、被溶接材表面の酸素濃度が５％程度であり、溶融金属に適量の酸素が混入され、溶融部の溶け込み深さを深くすることができることを示している。
しかし、ノズル間隔Ｌが３ｍｍと、ノズル内径Ｄの２倍より小さいと、溶接材表面の酸素濃度が低く、溶融金属に混入される酸素量が少なく、溶融部の溶け込み深さを深くすることができない。逆に、ノズル間隔Ｌが、ノズル内径Ｄの３倍より広い７ｍｍになると、溶接材表面の酸素濃度が高くなり過ぎ、溶接に不具合を生じる。

本実施例は、ノズル内径Ｄが２ｍｍの場合であるが、一般的にノズルから出た流体の純度が保たれる距離はノズル内径Ｄに比例することから、これより大きなノズル内径Ｄの場合でも、ノズル間隔Ｌが、２Ｄ≦Ｌ≦３Ｄである範囲では、溶融金属に適量の酸素を混入でき、溶融部の溶け込み深さを深くすることができる。
また、実施例１から、ノズル間隔Ｌがノズル内径Ｄの２〜３倍の範囲であると、溶け込み深さが大きくなることが明らかであるので、本実施例の結果は、被溶接材表面の酸素濃度を５％程度に制御すると、溶け込み深さを深くできることを示している。
本実施例では、混合ガスがＨｅ−Ａｒ混合ガスの場合を示しているが、Ｈｅ−Ｎ_２混合ガスの場合も同様である。

実施例３．
実施例３では、シールドガスに、Ｈｅ、ＡｒまたはＮ_２の単一ガス、あるいはＨｅ−Ａｒ混合ガスを用い、ノズル内径Ｄがφ６ｍｍのノズルを用い、ノズル間隔Ｌが１５ｍｍで、これ以外の条件は実施例１と同様にして、厚さ１６ｍｍのＳＳ４００を被溶接材として、ビードオンプレート試験を実施し、断面観察より溶け込み深さを調べている。
Ｈｅ−Ａｒ混合ガスは、Ｈｅのガス流量の割合が２０〜９０％のものを用いている。

図８は、実施例３における、シールドガスであるＨｅ−Ａｒ混合ガスのＨｅのガス流量の割合と溶け込み深さとの関係を示す図である。
図８には、シールドガスが、Ｈｅ、ＡｒまたはＮ_２のいずれかの単一ガスである場合の溶け込み深さも示している。

図８に示すように、溶け込み深さは、単一ガスの場合は、Ｈｅが最も深く、Ｎ_２が次であり、Ａｒが最も浅くなっており、Ｈｅと、Ｎ_２およびＡｒとの差は大きい。
これは、各ガスの熱伝導率の差に起因すると考えられ、熱伝導率は、Ｈｅ＞Ｎ_２＞Ａｒの順に高くなっている。すなわち、熱伝導率が高いガスは、プラズマ冷却作用が大きく、溶融部付近に発生したプラズマを小さくし、溶け込み深さを深くできる。
また、図８に示すように、Ｈｅ−Ａｒ混合ガスのＨｅガス流量の割合、すなわち、Ｈｅ−Ａｒ混合ガスにおけるＨｅの容積割合が３０〜９０％の場合は、Ｈｅ単一ガスを用いた場合の溶け込み深さ以上の溶け込み深さが得られる。

これは、本実施例のように、シールドガスにＨｅ−Ａｒ混合ガスを用い、ノズル間隔Ｌが２Ｄ≦Ｌ≦３Ｄの範囲にある条件で溶接すると、図４で示した機構により、溶融金属に適量の酸素が混入され、溶融池の対流が深さ方向に流れ、溶け込み深さが深くなり、特に、Ｈｅ−Ａｒ混合ガスにおけるＨｅの容積割合が、３０〜９０％では、この効果が顕著になるためである。
本実施例では、シールドガスに用いられる混合ガスがＨｅ−Ａｒ混合ガスの場合を示しているが、Ｈｅ−Ｎ_２混合ガスの場合も同様である。

本実施の形態のレーザ溶接方法は、シールドガスに、Ｈｅの容積割合を３０〜９０％としたＨｅ−Ａｒ混合ガスまたはＨｅ−Ｎ_２混合ガスを用い、Ｈｅ単一ガスを用いた場合より深い溶け込み深さを実現できるものであり、高価なＨｅガスの使用量を減らすことができ、溶接コストを低減できる。

また、本実施の形態のレーザ溶接方法は、Ｈｅ単一ガスを用いた場合より溶け込み深さが深くなるので、従来溶接方法でＨｅ−Ａｒ混合ガスまたはＨｅ−Ｎ_２混合ガスを用いた場合より溶け込み深さが深くなり、溶け込み深さが浅くなる低レーザ出力での溶接であっても、従来溶接方法でＨｅ−Ａｒ混合ガスまたはＨｅ−Ｎ_２混合ガスを用いた場合と同程度の溶け込み深さを実現でき、溶接装置の運転コストが下がり、溶接コストを低減できる。
また、溶け込み深さが浅くなる高速度での溶接であっても、従来溶接方法でＨｅ−Ａｒ混合ガスまたはＨｅ−Ｎ_２混合ガスを用いた場合と同程度の溶け込み深さを実現でき、生産性が向上する。

本発明に係わるレーザ溶接方法は、シールドガスに用いられるＨｅの使用量を低減できるとともに、溶接装置の運転コストの低減と溶接速度の向上とが可能であり、コスト低減と生産性向上とが要求される装置の溶接に用いることができる。

１溶融池、２シールドガス、３被溶接材、４ノズル、５加工ヘッド、
６放物面鏡、７レーザビーム、９Ｈｅガスボンベ、１０Ａｒガスボンベ、
１１ａ第１の流量計、１１ｂ第２の流量計、１２混合ミキサ、Ｌノズル間隔、
Ｄノズル内径、ｄ溶融池の深さ、Ｃノズル中心の投射点、Ｘノズル中心距離、
Ｒノズル半径。

Claims

ノズルの先端からレーザビームと同軸にシールドガスを、被溶接材の溶接部に吹き付けながら溶接するレーザ溶接方法であって、
上記シールドガスに、Ｈｅの容積割合が３０〜９０％である、ＨｅとＡｒとの混合ガスを用い、上記ノズルの内径Ｄに対して、上記ノズル先端と上記被溶接材との間隔Ｌを、２Ｄ≦Ｌ≦３Ｄの範囲に設定して、上記シールドガスが、溶接時に大気の酸素を巻き込んで、ノズル中心距離Ｘが上記ノズル半径Ｄの２倍の位置での上記被溶接材の表面の酸素濃度を５％にして溶接するレーザ溶接方法。
ノズルの先端からレーザビームと同軸にシールドガスを、被溶接材の溶接部に吹き付けながら溶接するレーザ溶接方法であって、
上記シールドガスに、Ｈｅの容積割合が３０〜９０％である、ＨｅとＮ_２との混合ガスを用い、上記ノズルの内径Ｄに対して、上記ノズル先端と上記被溶接材との間隔Ｌを、２Ｄ≦Ｌ≦３Ｄの範囲に設定して、上記シールドガスが、溶接時に大気の酸素を巻き込んで、ノズル中心距離Ｘが上記ノズル半径Ｄの２倍の位置での上記被溶接材の表面の酸素濃度を５％にして溶接するレーザ溶接方法。