JP5987305B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接中に発生するスパッタが被溶接材の表面や光学部品へ付着するのを抑制するとともに、被溶接材の裏面のアンダーカットやアンダーフィルが発生するのを防止するレーザ溶接方法に関するものである。

レーザ溶接は、高いエネルギー密度を得ることができるため深溶け込みの高速溶接が可能であり、高能率な溶接方法として期待されている。さらに、この溶接時には、溶接金属が極めて局所的な溶融状態となるため母材に加わる熱の影響も小さく、歪や変形の小さな高品質の溶接継手を得ることができる。このため、自動車用鋼板の薄板分野においては、既に部材や車体の組立工程に実用化が進んでおり、多くの適用実績がある。一方、厚板分野においても、最近では高出力で光ファイバー伝送が可能な高性能のレーザ溶接機が市販されるようになり、溶接可能な板厚が増大したことから実用化に向けた本格的な検討がなされるようになった。

しかしながら、レーザ溶接は高エネルギー密度のレーザビームを光学部品により集光して溶接部に照射するため、溶接の際に急激な金属の溶融を伴うことになる。そのため、形成された溶融池から溶融金属がスパッタとして周囲に飛散することがある。この飛散したスパッタが鋼板表面に付着すると、溶接部の外観品質を損ねることになる。さらに、スパッタが保護ガラスやレンズなどの光学部品に付着すると、レーザビームの集光性や照射量などが変化し、レーザ溶接施工が不安定になる。

また、スパッタが多量に発生すると溶融地の溶融金属が減少する結果となり、アンダーカットやアンダーフィル（「窪み」とも呼ばれている。）などの溶接欠陥が生じやすくなる。これらアンダーカットやアンダーフィルの発生は、溶接部の強度低下の要因となる。

このよう溶接欠陥を防止するため、例えば特許文献１では、二重管状のノズル構造を有するレーザ加工ヘッドを用い、外側ノズルから噴出させたアシストガスによって遮蔽カーテンを形成して、レーザ加工ヘッド内部へのスパッタ飛散を防止する技術が開示されている。

また、特許文献２には、レーザ溶接加工点にフィラーワイヤを揺動させながら送給することで、アンダーフィルを防止し、スパッタの発生を抑制する技術が開示されている。

特許文献３には、レーザ加工ノズルと被溶接材との間に横方向から物体を噴射して、レーザ加工ヘッドおよび被溶接材へのスパッタ付着を防止する技術が開示されている。

さらに、特許文献４には、レーザビームの照射により形成される溶融池から飛散するスパッタに向け、横方向から鋼板表面に近い位置で気体を吹き付けることで、光学部品や被溶接材へのスパッタ付着を防止する技術が開示されている。

特開平１１−１２３５７８号公報 特開２００４−３３０２９９号公報 特開２００３−３３４６８６号公報 特開２００９−１６６０５０号公報

しかし、特許文献１で提案された手法では、レーザ加工ヘッド内部へのスパッタ付着は防止できるものの、加工ヘッド先端や被溶接材表面へのスパッタ付着を防止することはできない。

また、特許文献２で提案された手法では、フィラーワイヤを添加することが前提となっているため、用いるフィラーワイヤの成分によってレーザ溶接金属の組成が変化し、被溶接材である鋼板の成分に応じて適当なフィラーワイヤを選択する必要がある。

特許文献３で提案された手法では、対象とする被溶接材の板厚が増大してレーザ出力が大きくなると、飛散するスパッタ量が増加するためレーザ加工ヘッドおよび被溶接材へのスパッタ付着を完全に防止することはできない。

さらに、特許文献４で提案された手法では、被溶接材表面側に発生したスパッタの付着防止には有効であるが、飛散するスパッタを吹き飛ばして除去しているため溶融池の溶融金属が減少しアンダーカットやアンダーフィルなどの溶接欠陥が発生しやすいと懸念される。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、レーザ溶接の突合せ溶接方法に関して、溶接中にスパッタが飛散して被溶接材の表面や光学部品へ付着することを抑制するとともに、被溶接材裏面のアンダーカットやアンダーフィルが発生することを防止できるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、特許文献１〜４に開示された技術が、いずれも１本のレーザビームを被溶接材に垂直に照射してレーザ溶接を行なうものであることに着目した。レーザビームを１本のみ使用して垂直に照射する場合は、そのレーザビームが被溶接材に照射される部位にエネルギーが集中するので、溶融メタルの温度が著しく上昇して揺動し、被溶接材の上面にスパッタが発生しやすくなるばかりでなく、被溶接材の裏面にアンダーカットやアンダーフィルが発生しやすくなる。

これに対してレーザビームを２本使用し、それらを溶接線方向に沿って前後に配置することによってエネルギーを分散させると、溶融メタルの温度上昇や揺動を抑制できるので、被溶接材の上面で発生するスパッタが軽減され、かつ被溶接材の裏面にアンダーカットやアンダーフィルが発生するのを防止できると考えた。

さらには、その２本のレーザビームの配置を、前方のレーザビームと後方のレーザビームは鉛直方向に対して相互に溶接方向に対して反対側へそれぞれ傾斜させた。すなわち、１本は溶接方向前方側へ傾斜させ、もう１本は溶接方向後方側に傾斜させるとともに、その被溶接材を水平面に対して傾斜させて溶接を行なったところ、スパッタが激減し、ひいてはアンダーカットやアンダーフィルを防止する効果が増大することを見出した。

そのメカニズムの詳細は不明であるが、被溶接材を傾斜させることで、レーザビームが溶接方向の後ろ側から斜めに入射するため、被溶接材の表面よりも内部が優先的に溶融し、スパッタの飛散が抑制されるものと推定される。

本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明は
（１）２本のレーザビームを溶接方向の前後に配置して溶接するレーザ溶接方法において、前記２本のレーザビームは、ジャストフォーカスでのスポット径が直径で０．３ｍｍ以上であり、
被溶接材の上面から前記２本のレーザビームのフォーカスまでの距離ｔは−３×Ｔ〜３×Ｔの範囲内とし、
前方のレーザビームと後方のレーザビームは鉛直方向に対して相互に溶接方向に対して反対側へそれぞれ５〜２０°傾斜させ、
さらに、被溶接材を水平面に対して溶接方向側が低くなるように１５°以上傾斜させて溶接を行なうことを特徴とするレーザ溶接方法。
ここで、Ｔは被溶接材の板厚（ｍｍ）である。
（２）前方のレーザビームと後方のレーザビームは、被溶接材表面からＸの距離（ｍｍ）で交差し、前記Ｘは下記式を具備することを特徴とする（１）に記載のレーザ溶接方法。
０≦Ｘ≦２×Ｔ、ここで、Ｔは被溶接材の板厚（ｍｍ）である。

本発明によれば、レーザ溶接の突合せ溶接を行うに当たって、溶接中にスパッタが被溶接材の表面から飛散することを抑制するとともに、被溶接材の裏面のアンダーカットやアンダーフィルが発生することを防止できる。

２本のレーザビームで被溶接材の突合せ溶接を行なう本発明例を模式的に溶接方向の横から見た側面図。 ２本のレーザビームの照射領域と溶接線の配置を模式的に示した平面図。

本発明を実施するための形態を以下に述べる。まず、本発明の要件限定理由について説明する。

図１は、本発明を適用して２本のレーザビームで被溶接材の突合せ溶接を行なう例を模式的に溶接方向の横から見た側面図である。すなわち、被溶接材１に対して、矢印Ａが溶接方向を示している。また、被溶接材の表面側で溶接方向の前方に照射されるレーザビームが１ａ、溶接方向の後方に照射されるレーザビームが１ｂとなる。さらに、角度θａはレーザビーム１ａの鉛直方向に対する傾斜角、角度θｂはレーザビーム１ｂの鉛直方向に対する傾斜角を示しており、角度αは被溶接材１の水平面に対する傾斜角を示している。

本発明では、２本のレーザビーム１ａ、１ｂを、それぞれ異なる光ファイバーを用いて伝送させ、溶接線方向に沿って配置する。使用するレーザ発振器は１台でも良いし、あるいは２台でも良い。レーザ発振器が１台で、２本のレーザビームを伝送する場合は、発振されたレーザ光を光学系部品で分割した後、それぞれ異なる光ファイバーに供給して伝送すれば良い。

図２は、被溶接材１の上面における溶接方向の前方に照射されるレーザビーム１ａの照射領域４ａ、後方に照射されるレーザビーム１ｂの照射領域４ｂ、および溶接線５の配置の例を模式的に示した平面図である。溶接線５に沿って前後に配置する２本のレーザビーム１ａ、１ｂの照射領域４ａ、４ｂの中心は溶接線５に一致するように配置することが好ましい。

ただし、そのような配置を維持して溶接を行なうことは難しく、溶接施工中には被溶接材１の表面における照射領域４ａ、４ｂの中心は必ずしも溶接線５に一致しない。照射領域４ａ、４ｂの中心と溶接線５との間隔が増大すると、レーザビーム１ａ、１ｂが突合せ開先から逸脱することになり、開先の溶け残り等の溶接欠陥が発生しやすくなる。

照射領域４ａ、４ｂの中心が溶接線５に一致しなくても、照射領域４ａ、４ｂ内を溶接線５が通過する状態で溶接を行なうと、溶接欠陥は発生しない。従って、照射領域４ａ、４ｂの中心と溶接線５との間隔は、いずれも照射領域４ａ、４ｂの半径以内とすることが好ましい。

また、前方のレーザビーム１ａおよび後方のレーザビーム１ｂのジャストフォーカスにおけるスポット径は、いずれも直径０．３ｍｍ以上とする必要がある。ここで、ジャストフォーカスでのスポット径とは、レーザビーム１ａ、１ｂを光学的に集光させた時のレーザビームの焦点平行部のビーム径を指す。従って、ジャストフォーカスの位置ではレーザビームのエネルギー密度は最も高くなっている。レーザビーム１ａ、１ｂのジャストフォーカスでのスポット径が０．３ｍｍよりも小さいと、溶接時の溶接ビードの幅が狭くなり、開先の溶け残りが発生する。一方、ジャストフォーカスでのスポット径が１．２ｍｍを超えると、キーホールが不安定となる。そのため、レーザビームのジャストフォーカスでのスポット径は１．２ｍｍ以下が好ましい。

被溶接材１の上面からレーザビーム１ａ、１ｂのフォーカスまでの距離をｔ（ｍｍ）、被溶接材１の板厚をＴ（ｍｍ）とすると、被溶接材の上面からフォーカスまでの距離ｔが−３×Ｔ（すなわち上面から上方へ３Ｔ）を超えると、フォーカスの位置が高すぎるのでキーホールを安定して維持することが難しい場合がある。一方、３×Ｔ（すなわち上面から下方へ３Ｔ）を超えると、フォーカスの位置が深すぎるので被溶接材１の裏面側からスパッタが発生し易くなる。したがって、被溶接材１の上面からフォーカスまでの距離ｔは−３×Ｔ〜３×Ｔの範囲内に設定するのが好ましい。

レーザビーム１ａ，１ｂのジャストフォーカスでのスポット形状は円形が好ましいが、楕円形であってもよい。スポット形状が楕円形の場合は、ジャストフォーカスでの短径を０．３ｍｍ以上とする。また前述の円形の場合と同様の理由から、短径は１．２ｍｍ以下が好ましい。

図１の側面図に示すように、前方のレーザビーム１ａは鉛直方向に対して角度θａだけ矢印Ａで示す溶接方向側へ傾斜させ、後方のレーザビーム１ｂは鉛直方向に対して角度θｂだけ矢印Ａで示す溶接方向の反対側へ傾斜させて、被溶接材１の上面に照射する。この時、前方のレーザビーム１ａの傾斜角θａおよび後方のレーザビーム１ｂの傾斜角θｂは、５〜２０°の範囲で設定する必要がある。レーザビームの傾斜角が５°よりも小さいと、前方のレーザビーム１ａと後方のレーザビーム１ｂが被溶接材１に対してほぼ平行に照射されることになり、２本のレーザビームによるエネルギー分散効果が得られず、被溶接材１の上面でのスパッタの発生を抑制することができない。一方、レーザビームの傾斜角が２０°を超えると、レーザビームの被溶接材１へ投入されるエネルギーが減衰して十分な溶込み深さが得られないことになる。

さらに、本発明では被溶接材１を水平面に対して角度αで傾斜させるように設定する。この被溶接材１の傾斜角度αは、１５°以上とする必要がある。被溶接材１の傾斜角度αを１５°以上とすることで、前述した鉛直方向を挟んで前後に配置されたレーザビーム１ａ、１ｂは、いずれも被溶接材に対して溶接方向の後方側から斜めに入射することになる。このため、被溶接材１の表面よりも内部が優先的に溶融することになり、スパッタの発生が抑制される。しかし、被溶接材１の傾斜角度αが５０°を超えると溶接欠陥が生じやすくなるので、上限を５０°とすることが好ましい。さらに好ましくは２０°以上４０°以下であることが好ましい。

また、前方のレーザビーム１ａと後方のレーザビーム１ｂが被溶接材１の内部で交差しないように配置することが好ましい。被溶接材１の上面からレーザビーム１ａとレーザビーム１ｂの交差位置までの距離をＸ（ｍｍ）、被溶接材１の板厚をＴ（ｍｍ）とすると、Ｘは０（すなわち被溶接材１の上面）≦Ｘ≦２×Ｔ（すなわち被溶接材１の上面から上方へ２Ｔ）の範囲内に設定するのが好ましい。その理由は、Ｘ＜０の場合はレーザビーム１ａとレーザビーム１ｂが被溶接材１の内部で交差するため、レーザビーム１ａとレーザビーム１ｂの各キーホールが合体して、巨大なキーホールが生じ、スパッタが多量に発生し易くなる場合がある。一方、Ｘ＞２×Ｔの場合は、溶融メタルが分離してしまうので突合せ部の溶融が不安定となり、スパッタが多量に発生し易くなる場合がある。

以上のようにして、本発明によれば、溶接施工中にスパッタが被溶接材１の上面から飛散することを抑制するとともに、被溶接材１の裏面のアンダーカットやアンダーフィルが発生することを防止して、突合せ溶接を行なうことができる。

また本発明は、被溶接材１（たとえば薄鋼板，厚鋼板，ステンレス鋼板等）の突合せ溶接のみならず、それらの被溶接材を円筒状に成形して溶接管を製造する際の溶接にも適用できる。

図１に示すように、被溶接材１としてステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４，板厚５ｍｍ）の突合せ溶接を行なうにあたって、２台のレーザ発振器から発振されるレーザビームをそれぞれ前方レーザビーム１ａ，後方レーザビーム１ｂとし、各照射領域４ａ，４ｂを図２に示すように溶接線５上に配置した。溶接の条件は表１に示す通りである。表１中のレーザビームの傾斜角θａ、θｂおよび被溶接材の傾斜度αは、図１に示す角度である。
ステンレス鋼板１の上面からフォーカスまでの距離ｔ（ｍｍ）は、板厚Ｔに対して、いずれも１／２Ｔとした。またステンレス鋼板１の上面から前方レーザビーム１ａと後方レーザビーム１ｂの交差位置までの距離Ｘ（ｍｍ）は、板厚Ｔに対して、いずれも１／２Ｔとした。

表１中の発明例（継手Ｎｏ．１，６，８）は、前方レーザビーム１ａ、後方レーザビーム１ｂのジャストフォーカスでのスポット径が本発明の範囲を満足するとともに、前方レーザビーム１ａ、後方レーザビーム１ｂの鉛直方向に対するそれぞれの傾斜角θａ、θｂ、ステンレス鋼板１の水平面に対する傾斜角αが本発明の範囲を満足するように設定した例である。

表１中の比較例のうち、継手Ｎｏ．２は前方レーザビーム１ａの傾斜角θａを０°とした例（すなわち鉛直方向に設定）、継手Ｎｏ．３はステンレス鋼板１の水平面に対する傾斜角αを５°した例、継手Ｎｏ．４は前方レーザビーム１ａおよび後方レーザビーム１ｂのジャストフォーカスでのスポット径が本発明の範囲を外れる例、継手Ｎｏ．５は前方レーザビーム１ａの傾斜角を３０°とし後方レーザビーム１ｂの傾斜角を０°とした例、継手Ｎｏ．７は後方レーザビーム１ｂの傾斜角を３０°とした例である。

このようにしてレーザ溶接を行なった後、ステンレス鋼板１の上面を目視で観察して、スパッタの付着状況を調査した。また、ステンレス鋼板１の裏面の溶接ビードを目視で観察して、アンダーカットやアンダーフィルの発生状況を調査した。その結果を表２に示す。

表２から明らかなように、発明例ではスパッタの付着およびアンダーカットやアンダーフィルの発生は認められなかった。

表２中の比較例のうち、継手Ｎｏ．２は前方レーザビーム１ａの傾斜角θａを０°としたので、ステンレス鋼板１にスパッタが多量に付着しかつ溶接ビードにアンダーフィルが発生した。継手Ｎｏ．３はステンレス鋼板１の水平面に対する傾斜角αを５°したので、ステンレス鋼板１にスパッタが多量に付着しかつ溶接ビードにアンダーフィルが発生した。継手Ｎｏ．４は前方レーザビーム１ａおよび後方レーザビーム１ｂのジャストフォーカスでのスポット径が小さいので、スパッタの発生を抑えられず、溶接ビードにアンダーフィルが発生した。継手Ｎｏ．５は前方レーザビーム１ａの傾斜角および後方レーザビーム１ｂの傾斜角が本発明の範囲外としたので、ステンレス鋼板１にスパッタが多量に付着しかつ溶接ビードにアンダーフィルが発生した。継手Ｎｏ．７は後方レーザビーム１ｂの傾斜角が本発明の範囲外としたため、ステンレス鋼板１にスパッタが多量に付着しかつ溶接ビードにアンダーフィルが発生した（表２中では「スパッタ多量付着」と表示）。

本発明によれば、レーザ溶接による突合せ溶接を行なうにあたって、溶接中にスパッタが被溶接材の表面から飛散することを抑制するとともに、被溶接材の裏面のアンダーカットやアンダーフィルが発生することを防止できるので、産業上格段の効果を奏する。

１ 被溶接材
１ａ 前方レーザビーム
１ｂ 後方レーザビーム
２ 鉛直線方向
３ 水平面方向
４ａ 前方レーザビームの照射領域
４ｂ 後方レーザビームの照射領域
５ 溶接線
Ｔ 被溶接材の板厚（ｍｍ）
Ａ 溶接方向
α 被溶接材の傾き
Ｘ 前方レーザビームと後方レーザビームの交差した点から被溶接材表面までの距離

Claims (2)

1. ２本のレーザビームを溶接方向の前後に配置して溶接するレーザ溶接方法において、前記２本のレーザビームは、ジャストフォーカスでのスポット径が直径で0.3mm以上であり、
   被溶接材の上面から前記２本のレーザビームのフォーカスまでの距離ｔは−３×Ｔ〜３×Ｔの範囲内とし、
   前方のレーザビームと後方のレーザビームは鉛直方向に対して相互に溶接方向に対して反対側へそれぞれ5〜20°傾斜させ、
   さらに、被溶接材を水平面に対して溶接方向側が低くなるように15°以上傾斜させて溶接を行なうことを特徴とするレーザ溶接方法。
   ここで、Ｔは被溶接材の板厚（ｍｍ）である。
2. 前方のレーザビームと後方のレーザビームは、被溶接材表面からＸの距離（ｍｍ）で交差し、前記Ｘは下記式を具備することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
   ０≦Ｘ≦２×Ｔ、ここで、Ｔは被溶接材の板厚（ｍｍ）である。

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