JP6089323B2 - 差厚材のレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接強度に優れた差厚材の突合せレーザ溶接方法と差厚溶接部材に関する。

レーザは、高エネルギー密度熱源であることから、種々の分野に利用されている。特に、溶接分野においては、高速かつ低入熱溶接であることから被照射物の熱歪みや変質が少ないという特徴があり、鋼材や各種金属材料の溶接に利用されている。

レーザ溶接方法では、アーク溶接方法等の他の溶接方法と同様に、重ね隅肉溶接継手、Ｔ字継手、突合せ継手等の溶接継手を得ることができる。このうち、レーザビームを溶接面の鉛直方向から照射するレーザ溶接方法を用いて突合せ継手を得る場合、レーザビームの狙い位置や、互いに溶接する材料(被溶接材)の突合せ間隔などを厳密に管理する必要がある。
なぜなら、レーザビームのビーム径は、レーザの発振方式やレンズ等によって異なるが、一般的に０．５ｍｍ以下と小さい。このため、後述のようにレーザビームの狙い位置がずれた場合には、溶接部分に溶け込み不良が発生し、互いに溶接する材料の突合せ間隔がレーザビーム径よりも広い場合には、鉛直方向に進むレーザビームが当該間隔を突き抜けて溶接できなくなるからである。

特に、被溶接材の厚みが互いに異なる差厚材を突合せてレーザビームで溶接する、いわゆる差厚溶接では、レーザビームの狙い位置と被溶接材の突合せ間隔を厳密に管理する必要がある。厚みが極端に異なる材料の組合せでは、例えば図１に示すように、レーザビーム３の焦点位置が薄板１側にずれると、薄板１は溶融して溶融部４ができるが、厚板２は入熱不足で溶融しないといった溶接不良が発生する。また、被溶接材を切断する際に使用されるシャーやチップソー、バンドソー等の切断方法では、溶接面となる切断面を隣接する面に対して直角に、しかも一直線に切断することが困難で、ダレや変形も発生する。このような場合、図２に示すように、突合せ部５がレーザビーム３のビーム径よりも広くなり、レーザビーム３が突き抜けて溶接不良が発生する。かかる不具合を防止するためには、切断面に機械研磨仕上げを施して突合せ間隔を狭くするか、あるいは溶加材を用いて隙間を埋めることが必要となり、共にコストアップになる。

以上のような差厚溶接の問題点を解決するため、下記の特許文献１及び２には、レーザビームを被溶接材の突合せ面に対して斜めに照射する溶接方法が開示されている。これは図３に示すように、厚みが異なる二つの被溶接材のレーザビーム照射側の表面と反対側の表面(図３における底面)を面一とし、レーザ狙い位置を厚板２の角６から内側にオフセットし、厚板２側から斜めにレーザビーム３を照射して厚板２の角６を薄板１側に溶け込ませるレーザ溶接方法である。かかる方法によれば、厚板２の角６の部分、すなわち厚板２の薄板１との差厚部分を重点的に溶け込ませるものであることから、レーザ狙い位置の設定をシビアに行なう必要がなく、また、被溶接材の突合せ端面に機械加工を施したり、溶加材を使用したりしなくても良好な突合せ継手を高効率に得ることができる。

特開平７−１３２３８６号公報 特開平９−２１６０７８号公報

しかしながら、上記従来の差厚溶接では、溶接強度を上げるためには、厚板２の角６の部分をしっかりと溶かし込んで厚板２と薄板１との突合せ面(界面)に供給する必要が有るが、そうすると、その突合せ面に溶かし込んだ厚板２の溶解部分のうち余剰な部分が不所望な裏ビードとなって継手表面（図３における底面側）に現れ、溶接品質を低下させてしまうと言った問題が生じ得る。ここで、裏ビードとは、熱源照射面の反対側の面に露出した溶接金属（ビード）のことである。
また、厚板２側からレーザビーム３を斜めに入射させた場合、熱伝導性の高い金属材料からなる厚板２にレーザビーム３の熱が吸収されるので、厚板２の角６の部分は溶融できたとしても、レーザビーム３の熱ロスが大きく効率的に溶接が出来ているとは言い難い。
本発明は、このような現状に鑑み、厚板の厚みにかかわらず、効率的に、優れた溶接強度と仕上がりとが得られる差厚材のレーザ溶接方法を提供することを主たる目的とする。

発明者らの詳細な研究の結果、厚みが異なる二つの板材の溶接面を、該溶接面に隣接する表面が面一となるように突合せた後、面一とした表面の薄板側から上記の溶接面に向けて斜めにレーザビームを入射させるレーザ溶接方法の有用性を見出すと共に、レーザ狙い位置、入射角、突合せ間隔を適正範囲内に制御することで、厚板の厚みにかかわらず優れた溶接強度が得られるという知見を得て本発明を完成したものである。
なお、本発明では、厚みが異なる２つの被溶接材の一表面が面一（ツライチ）となるように突合せた突合せ面を後に溶接して構成した溶接継手において、その面一となった面（図４における上面）を「溶接継手の表面」、段差が生じる面（図４における下面）を「溶接継手の裏面」と称する場合もある。

すなわち本発明は、厚みの異なる薄板１０と厚板１２とを、それらの一表面が面一となるように突合せた後、その突合せ面にレーザビーム１４を照射して溶接する差厚材のレーザ溶接方法であって、前記レーザビーム１４を、薄板１０の前記面一とした表面側から厚板１２の突合せ端面１２ａに向けて斜めに入射させ、当該レーザビーム１４の狙い位置Ｐを上記厚板１２の突合せ端面１２ａにすると共に、前記レーザビーム１４入射側板材表面からの狙い位置深さＤを下記（１）式の範囲にすることを特徴とする。
ｔ／３≦Ｄ≦ｔ …（１）
（但し、ｔは薄板１０の突合せ端面１０ａ面方向の厚みであり、Ｄ，ｔ共に単位はｍｍ。）
この発明では、レーザビーム１４を、薄板１０の面一とした表面側から厚板１２の突合せ端面１２ａに向けて斜めに入射させているので、溶かし込んだ厚板１２の溶解部分のうち余剰な部分が不所望な裏ビードとなって溶接継手の裏面に現れたとしても、この裏ビードは厚板１２の差厚部分によって段差が生じた溶接継手の裏面に形成されるため、外観上違和感を生じさせることはなく、溶接品質を低下させることはない。

また、本発明においては、前記レーザビーム１４の入射角θが前記厚板１２の突合せ端面１２ａに対して５°〜３０°薄板１０側に傾斜させたものであることが好ましく、前記厚板１２と前記薄板１０との突合せ間隔Ｃが１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

本発明によれば、厚板の厚みにかかわらず、効率的に、優れた溶接強度と仕上がりとが得られる差厚材のレーザ溶接方法、並びに該方法を用いた溶接品質に優れる差厚溶接部材を提供することができる。

従来技術においてレーザ狙い位置が薄板側にずれた場合の溶接部断面を示した図である。 従来技術において突合せ間隔が広い場合の溶接部断面を示した図である。 従来の段差溶接部の断面を示した図である。 本発明の差厚材のレーザ溶接方法を模式的に示す図であって、レーザ狙い位置、レーザ照射角、突合せ間隔を定義する図である。

以下、図面を参照しつつ本発明を説明する。図４は、本発明の差厚材のレーザ溶接方法を模式的に示す図である。なお、図４では薄板１０の端面１０ａの凹凸、厚板１２の端面１２ａの凹凸、及び薄板１０と厚板１２との突合せ間隔Ｃを誇張して描いている。
本発明では、薄板１０と厚板１２とを、それらの一表面が面一となるように突合せた後、その突合せ面にレーザビーム１４を照射して溶接する差厚材のレーザ溶接方法である。とりわけ、前記レーザビーム１４を、薄板１０の前記面一とした表面側から厚板１２の突合せ端面１２ａに向けて斜めに入射させ、当該レーザビーム１４の狙い位置Ｐを上記厚板１２の突合せ端面１２ａにすると共に、前記レーザビーム１４入射側板材表面からの狙い位置深さＤを後述する所定の範囲にすることを特徴としている。
以下に、本発明の突合せレーザ溶接条件を詳述する。

本発明では、図４に示すように、薄板１０と厚板１２とを、それらの一表面が面一となるように突合せた後、レーザビーム１４を、薄板１０の前記面一とした表面側から厚板１２の突合せ端面１２ａに向けて斜めに照射するので、厚板１２の厚みの制約を受けない。
また、本発明では、レーザビーム１４の狙い位置Ｐを厚板１２の突合せ端面１２ａとしたことにより、薄板１０の突合せ端面１０ａの位置が変動しても溶け込みにおよぼす影響が小さい。ちなみに、レーザの狙い位置Ｐを薄板１０の突合せ端面１０ａあるいは当該端面１０ａの角部１０ｂにした場合、狙い位置検出器が必要となるため設備が高額となり、また、突合せ部１６の間隔が変動すると溶け込みが不安定になる。

狙い位置深さＤは、レーザビーム１４入射側板材表面(すなわち薄板１０の面一表面)から厚板１２の突合せ端面１２ａにおけるレーザビーム１４の狙い位置Ｐまでの深さを表すもので、下記（１）式の範囲とするのが好ましい。
ｔ／３≦Ｄ≦ｔ …（１） （但し、ｔは薄板１０の突合せ端面１０ａ面方向の厚みであり、Ｄ，ｔ共に単位はｍｍ。）
狙い位置深さＤが薄板１０の厚みｔの１／３よりも浅い場合には、被溶接材の溶け込み量が少なくなり、逆に、狙い位置深さＤがｔよりも深い場合には、薄板１０のみが溶融して厚板１２が溶融不足となるからである。

レーザビーム１４の入射角θは、図４に示すように、厚板１２上面角１２ｂの鉛直線とレーザビーム１４中心の間の角度と定義されるものであり、具体的にその角度は、厚板１２の突合せ端面１２ａに対して５°〜３０°薄板１０側に傾斜させたものとするのが好ましい。このレーザビーム１４の入射角θが５°未満の場合には、突合せ間隔Ｃが広くなるとレーザビーム１４の突き抜ける量が増えて入熱不足となり、逆に、同入射角θが３０°を超えると薄板１０にのみレーザビーム１４が照射されて厚板１２が溶融不足となるからである。

本発明における突合せ間隔Ｃは、薄板１０の突合せ端面１０ａと厚板１２の突合せ端面１２ａとの間に生じる隙間のことであり、溶接開始位置から終了位置までの間におけるこの突合せ間隔Ｃの最大値を１．０ｍｍ以下に制限するのが好ましい。突合せ間隔Ｃが１．０ｍｍを超えると溶接部分が薄く粗密となって溶接強度不足となるからである。また、レーザビーム１４の入射角θが小さい場合にはレーザビーム１４の突き抜けが発生して溶接できなくなる虞があるからである。

本発明の差厚材のレーザ溶接方法においては、前記以外のレーザ溶接条件、例えばレーザの波長、レーザ出力、レーザビーム径、溶接速度等の条件は特に限定されない。後述する被溶接材の種類、厚み等によって適宜選択される。

本発明で、被溶接材、すなわち差厚材である薄板１０と厚板１２の種類は特に限定されない。なお、この被溶接材として、低炭素鋼、ステンレス鋼およびこれらの鋼材にＺｎ系めっき、Ａｌ系めっき、Ｚｎ−Ａｌ系合金めっき、Ａｌ−Ｓｉ系合金めっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｓｉ系合金めっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金めっき、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金めっき等を施したものを例示することができる。また、上記の鋼材に限らずＡｌ等の非鉄金属同士および鋼材と非鉄金属との差厚溶接にも本発明は適用できる。さらに、被溶接材の切断方法も限定されない。シャー、チップソー、バンドソー等の一般的な切断方法を用いればよい。また、切断後、機械研磨仕上げしてもよい。

本発明では、上述したように厚板１２の厚みは限定されない。ちなみにこの厚板１２の形状は、板状に限られず、ブロック状であってもよい。
一方、薄板１０は厚みｔは６ｍｍ以下が好適である。薄板１０は厚みｔがこの６ｍｍより厚くなると大出力のレーザ溶接機が必要となり、設備が高額となるからである。また、薄板１０がこのように厚くなると、溶接速度が遅くなるため生産性が低下するからである。

以上のような差厚材のレーザ溶接方法を用いて製造される差厚溶接部材は、突合せ面における面積の５０％以上で溶け込みが生じているのが好ましい。溶接の際に溶け込んだ部分はレーザビーム１４の高熱によって焼き入れされた状態となるため、硬さや引張強度が向上する。その結果、突合せ面における面積の５０％以上で溶け込みが生じていれば、差厚溶接部材の薄板１０と厚板１２とを離間させる方向に力を加えた場合、薄板１０が材破壊するほどの溶接強度を得ることができるからである。

以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

先ず始めに、表１に示す低炭素鋼、ＳＵＳ３０４、Ａｌ(アルミニウム)合金を供試材として準備した。このうち低炭素鋼は、めっき無しのものと、溶融Ｚｎ−６質量％Ａｌ−３質量％Ｍｇめっきを片面当りの付着量が９０ｇ／ｍ^２施したものをそれぞれ準備した。そして、厚み６ｍｍ以下の供試材はシャー、チップソー、バンドソーで切断し、厚み１０ｍｍ以上の供試材はバンドソーで切断して幅１００ｍｍ、長さ１００ｍｍのサイズに切り出した。また、一部の供試材については切断端面を機械研磨仕上げした。
ここで、表１中の材料種記号は、表２−１〜表２−３における薄板及び厚板それぞれの材料種を表すために用いる記号である。

続いて、レーザ溶接前に隙間ゲージで突合せ部の幅１００ｍｍの間の最大突合せ間隔を測定した。なお、厚み０．１ｍｍの隙間ゲージが突合せ部に入らない場合は最大突合せ間隔０．１ｍｍ以下とした。得られた結果は表２−１〜表２−３に示す。
そして、最大出力７ｋＷのファイバーレーザ溶接機を用いて、後述する様々な条件で突合せレーザ溶接を行なった。
突合せレーザ溶接したサンプルから幅３０ｍｍの引張試験用サンプルを採取し、ＪＩＳ Ｚ−２２４１に準拠した引張試験を行った。また、突合せレーザ溶接したサンプルの溶接中間部の断面を光学顕微鏡観察し、溶け込み状態を観察した。引張試験結果と溶け込み状態の観察結果からレーザ溶接部の総合評価を行った。この総合評価の基準を以下に示す。
◎：引張試験において薄板１側で母材破断、且つ溶接部の溶融部の厚みが薄板の板厚の７０〜１００％。
○：引張試験において薄板１側で母材破断、且つ溶接部の溶融部の厚みが薄板の板厚の６０〜６９％。
△：引張試験において薄板１側で母材破断、且つ溶接部の溶融部の厚みが薄板の板厚の４５〜５９％。
×：引張試験で溶接部が破断。
かかる総合評価の結果、溶融部が厚くなる程、引張強度や疲労強度が高く、また溶接部が引張変形を受けた時の口開きが小さくなるので好ましいことが明らかとなった。

表２−１〜表２−３にレーザ溶接条件、最大突合せ間隔および総合評価結果を示す。なお、レーザ狙い位置深さＤの欄のｔは、薄板１０の厚みである。

表２−１のＮｏ．１〜５，１６〜２０、表２−２の３１，３２，３７及び３８に示すように、レーザ狙い位置深さＤ、レーザ入射角、突合せ間隔のいずれもが本発明の範囲内の実施例は総合評価が◎で良好な溶接強度と溶け込みが得られた。また、その他の実施例も溶け込み浅くなるものの、良好な溶接強度が得られた。

それに対して、レーザ狙い位置深さＤ、レーザ入射角、突合せ間隔のいずれもが本発明の範囲外である表２−３のＮｏ．４３〜５４に示した比較例では、溶け込み不足のため引張試験で溶接部が破断した。

１０…薄板
１０ａ…(薄板)の突合せ端面
１２…厚板
１２ａ…(厚板)の突合せ端面
１４…レーザビーム
Ｃ…(厚板と薄板との)突合せ間隔
Ｄ…狙い位置深さ
Ｐ…レーザビームの狙い位置
ｔ…薄板の突合せ端面面方向の厚み
θ…レーザビームの入射角

Claims (3)

1. 厚みの異なる薄板(１０)と厚板(１２)とを、それらの一表面が面一となるように突合せた後、その突合せ面にレーザビーム(１４)を照射して溶接する差厚材のレーザ溶接方法であって、
   前記レーザビーム(１４)を、薄板(１０)の前記面一とした表面側から厚板(１２)の突合せ端面(１２ａ)に向けて斜めに入射させ、当該レーザビーム(１４)の狙い位置(Ｐ)を上記厚板(１２)の突合せ端面(１２ａ)にすると共に、前記レーザビーム(１４)入射側板材表面からの狙い位置深さＤを下記（１）式の範囲にする、ことを特徴とする差厚材のレーザ溶接方法。
   ｔ／３≦Ｄ≦ｔ …（１）
   （但し、ｔは薄板(１０)の突合せ端面(１０ａ)面方向の厚みであり、Ｄ，ｔ共に単位はｍｍ。）
2. 請求項１に記載の差厚材のレーザ溶接方法において、
   前記レーザビーム(１４)の入射角(θ)が前記厚板(１２)の突合せ端面(１２ａ)に対して５°〜３０°薄板(１０)側に傾斜させたものであることを特徴とする差厚材のレーザ溶接方法。
3. 請求項１又は２に記載の差厚材のレーザ溶接方法において、
   前記厚板(１２)と前記薄板(１０)との突合せ間隔(Ｃ)が１．０ｍｍ以下であることを特徴とする差厚材のレーザ溶接方法。

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