JP6511664B2

JP6511664B2 - レーザ溶接方法

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Publication number: JP6511664B2
Application number: JP2017025847A
Authority: JP
Inventors: 洋三芦田; 春樹水谷; 大地住森; 晋吾伊藤
Original assignee: Nadex Products Co Ltd
Current assignee: Nadex Products Co Ltd
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2037-02-15
Also published as: JP2017144485A

Description

本発明はレーザ溶接方法に関し、より具体的には、高品質の深溶込みレーザ溶接を簡便かつ安定的に行うことができるレーザ溶接方法に関する。

高エネルギー密度のビームを集中させるレーザ溶接は、アーク溶接と比較して深溶込みが得られやすい。また、比較的小さな入熱量で深溶込みが得られるため、被溶接材の変形量が小さく、被溶接材に与える熱影響も小さくなる。このような種々の利点を有するレーザ溶接は、造船や自動車に代表される各種構造物の製造現場における利用が急速に拡大している。

一方で、構造物の多様化に伴って厚板に対する溶接が求められており、特に深い溶込み深さが求められる場合には、主として電子ビーム溶接が検討されてきた。例えば、特殊な大型の電子ビーム溶接装置を用いることで、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼板に対して１０ｃｍ以上の溶込み深さが得られている（非特許文献１）。しかしながら、電子ビーム溶接は高真空環境下で行う必要があり、装置が複雑かつ高価になると共に、被接合材のサイズも制限されてしまう。

これに対し、近年、レーザ溶接においても厚板溶接に関する種々の検討がなされている。例えば、特許文献１（特開２０１１−２４０３６５号公報）においては、低真空雰囲気下で、レーザ光により溶接を行うレーザ溶接装置であって、レーザ光の光軸に沿って、溶接部と所定の間隔を設けて配置され、上端には透過窓が設けられ、下端は雰囲気制御域内に開口しているシールドガス筒と、当該シールドガス筒の透過窓側からシールドガス筒内部へシールドガスを導入するシールドガス供給手段と、を備えていることを特徴とするレーザ溶接装置が提案されている。

前記特許文献１に記載のレーザ溶接装置においては、透過窓と溶接部との間にエアシールドが形成されるため、低真空下において非常に速い速度で透過窓方向に噴出する金属蒸気の飛翔をブロックして、透過窓への金属蒸気の付着を防止することができ、低真空雰囲気下において、十分な溶込み深さが確保される溶接を長時間安定して行うことができる、としている。

特開２０１１−２４０３６５号公報

ＹｏｓｈｉａｋｉＡｒａｔａａｎｄＭｉｃｈｉｏＴｏｍｉｅ，１００−ｋＷＣｌａｓｓＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＷｅｌｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＲｅｐｏｒｔＩ） ―ＷｅｌｄｉｎｇＡｐｐａｒａｔｕｓａｎｄＳｏｍｅＡｓｐｅｃｔｓａｓａＨｅａｔＳｏｕｒｃｅ―，ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＪＷＲＩ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．１，１９７３ｐｐ．１７−２０

しかしながら、前記特許文献１に記載のレーザ溶接装置においては、溶接の雰囲気を低真空とするための減圧チャンバー及び減圧装置が必須であり、装置構成が複雑になると共に被接合材の大きさが制限される。また、接合部の形状（溶込み形状）やビードの余盛形状を制御することは困難である。

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、低真空雰囲気を用いることなく深溶込みが得られる簡便なレーザ溶接方法であって、接合部の形状（溶込み形状）やビードの余盛形状を適当に制御することができるレーザ溶接方法を提供することにある。

本発明者は上記目的を達成すべく、レーザ溶接方法について鋭意研究を重ねた結果、常圧下で高品質のレーザ溶接を簡便かつ安定的に行うためには、被接合材をセラミックス製等の表当て材で被覆することが極めて効果的であることを見出し、本発明に到達した。

即ち、本発明は、
被接合材の表面を表当て材で被覆し、
前記表当て材の側からレーザ光を照射すること、
を特徴とするレーザ溶接方法、を提供する。

従来のレーザ溶接方法では被接合材のレーザ光照射面には何も配置しないが、本発明のレーザ溶接方法においては、当該レーザ光照射面に表当て材を配置することで、溶込み深さの増加や溶融領域形状の制御等を達成することができる。ここで、表当て材は被接合材の表面に当接させてもよく、シム（スペーサー）等を介して僅かに浮かせた状態で配置してもよい。

本発明の効果を損なわない限りにおいて、表当て材の材質及び形状は特に限定されず、板状や粉末状のセラミックス又はフラックス材等を使用することができる。ここで、レーザ照射による溶込み深さの増加や溶融領域形状の制御等がこれらの表当て材の使用によって達成される理由は必ずしも明らかにはなっていないが、被接合材表面からの抜熱抑制や溶融池保護等の効果があるものと思われる。

また、本発明のレーザ溶接方法においては、前記表当て材をセラミックス製又はフラックス製の板材とし、前記表当て材で被覆されていない領域に対してレーザ光を照射すること、が好ましい。

従来の溶接方法においては溶接部で良好な裏波形状が連続的に得られるようにセラミックス製の裏当て材が用いられる場合があるが、本発明のレーザ溶接方法では、セラミックス製板材を被接合材の表面に配置することで良好な溶接部を得ることができる。例えば、一枚のセラミックス製板材を表当て材として用いる場合は被接合界面に位置する領域に貫通孔等を設け、当該貫通孔等から被接合界面近傍にレーザ光を照射することで、効果的に深溶込みを得ることができる。

また、通常のレーザ溶接方法で得られる溶接部は被接合材の表面近傍で広がり、深さの増加に伴い細くなる。これに対し、本発明のレーザ溶接方法では表面近傍における広がりが抑制され、全体的に細くかつ深い理想的な溶接部を得ることができる。更に、表面近傍における広がりが抑制されることで、幅が狭く滑らかな余盛形状を得ることができる。

また、本発明のレーザ溶接方法においては、前記表当て材として少なくとも２枚以上の板材を用い、前記レーザ光の入射経路を中心として前記板材同士を対向させて配置し、前記板材同士の間に略一定間隔の隙間を設け、前記隙間から前記被接合材の被接合界面近傍にレーザ光を照射すること、が好ましい。

被接合材の表面でセラミックス製又はフラックス製の板材を対向させることで、極めて簡便に略一定間隔の隙間を設けることができ、必要に応じて当該間隔も容易に変更することができる。また、被接合界面と当該隙間との位置調整も容易である。

また、本発明のレーザ溶接方法においては、前記隙間の間隔を１〜４ｍｍとすること、が好ましい。好適な間隔は被接合材及びレーザ光の種類等によっても変化するが、間隔が１ｍｍ未満の場合、被接合材の溶融量や溶融金属の移動量等が不足して、ビード表面に凹部が形成されやすくなる。一方で、間隔が４ｍｍよりも広い場合、表当て材で被接合材を被覆した効果が十分に得られず、深溶込みが得られない。加えて、表面近傍における接合部の広がりを抑制することができない。

また、本発明のレーザ溶接方法においては、前記表当て材の主成分がシリカ（ＳｉＯ_２）であること、が好ましい。シリカの熱伝導率は数Ｗ／ｍ・Ｋと低いため、被接合材表面からの抜熱を効率的に抑制することができる。加えて、その他のセラミックス材と比較して安価であることから、板材の価格を抑えることができる。

また、本発明のレーザ溶接方法においては、前記隙間に粉末状のフラックスを充填すること、が好ましい。隙間に粉末状のフラックスを充填してレーザ光を照射することで、フラックスを使用しない場合よりも大きな溶込み深さを得ることができる。溶込み深さが増加する理由は必ずしも明らかになっていないが、フラックスによる溶融部表面のシールド効果等によるものであると考えられる。なお、フラックスは粉末状に限定されるものではなく、例えば、ワイヤ状のフラックスを溶接領域に順次供給してもよい。当該態様でのフラックス供給は、溶接の自動化に資するものである。

また、本発明のレーザ溶接方法においては、前記フラックスの主成分がシリカ（ＳｉＯ_２）であること、が好ましい。上述のとおり、シリカの熱伝導率は数Ｗ／ｍ・Ｋと低いため、被接合材表面からの抜熱を効率的に抑制することができる。加えて、溶接中における鉄のマランゴニ対流は酸素の微量添加によって内側下向きとなることが知られており、シリカを構成する酸素がレーザ溶接でも効果的に作用している可能性もある。

なお、溶融部にシールドガスを供給する場合、当該溶融部にガス圧が印加されるように供給することで、溶込み深さを向上させることができる。また、当該シールドガスの供給圧力を周期的に変動させることで（パルス状のシールドガスを供給することで）、より効果的に深溶込みを得ることができる。溶込み深さが増加する理由は必ずしも明らかになっていないが、パルス状のシールドガスによってキーホールの開口部及びその近傍が押し下げられ、当該圧力がキーホールの底部にまで効率的に伝達される結果、深溶込みが達成されるものと思われる。

また、本発明のレーザ溶接方法においては、貫通溶接とすること、が好ましい。一般的に厚鋼板のレーザ貫通溶接では溶落ちが発生しやすく、良好な溶接ビードを安定して形成させることが困難である。これに対し、被接合材のレーザ光照射面に表当て材を配置することと裏面に裏当て材を配置することで、溶込み深さの増加や溶融領域形状の制御等を達成することができるとともに当該溶落ちの発生を効果的に抑制することができる。当該裏当て材の主成分をシリカ（ＳｉＯ_２）とすることがより好ましい。

更に、本発明のレーザ溶接方法においては、スポット溶接とすること、が好ましい。本発明のレーザ溶接方法を用いてスポット溶接することで、深い溶け込みを有するスポット溶接部を簡便かつ安定して形成させることができる。

本発明のレーザ溶接方法に用いるレーザとしては、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々のレーザを用いることができ、例えば、ファイバーレーザ、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等を使用することができる。

また、本発明のレーザ溶接方法が対象とする被接合材は、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の金属材を用いることができるが、鉄鋼材においてはより確実に良好な溶接部を得ることができる。

なお、レーザ出力及び溶接速度等の各種溶接条件は特に限定されず、被接合材の種類や所望の溶接部形状等に応じて適宜設定すればよい。ここで、例えばアーク溶接部を粉末状フラックスで被覆するサブマージアーク溶接では横向き及び上向きの溶接姿勢に対応することができないが、本発明のレーザ溶接方法で板状の表当て材を使用する場合は全ての溶接姿勢に対応することができる。

本発明の溶接方法によれば、低真空雰囲気を用いることなく深溶込みが得られる簡便なレーザ溶接方法であって、接合部の形状（溶込み形状）やビードの余盛形状を適当に制御することができるレーザ溶接方法を提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る被接合材及び表当て材の配置を示す概略断面図である。本発明の第二実施形態に係る被接合材及び表当て材の配置を示す概略断面図である。本発明の第二実施形態に係る被接合材及び表当て材の配置を示す概略平面図である。本発明の第三実施形態に係る被接合材及び表当て材の配置を示す概略断面図である。本発明の第三実施形態に係る被接合材及び表当て材の配置を示す概略平面図である。本発明の第四実施形態に係る被接合材及び表当て材の配置を示す概略断面図である。本発明の第四実施形態に係る被接合材及び表当て材の配置を示す概略平面図である。本発明の第五実施形態に係る被接合材、表当て材及び裏当て材の配置を示す概略断面図である。本発明の第五実施形態に係る被接合材、表当て材及び裏当て材の配置を示す概略平面図である。本発明の第五実施形態に係る被接合材、表当て材及び裏当て材の配置を示す概略裏面図である。実施例１〜１１及び比較例１，２で得られた溶接部の表面外観写真である。実施例１〜１１及び比較例１，２で得られた溶接部の断面マクロ写真である。実施溶接部１２の表面外観写真である。実施溶接部１２の断面マクロ写真である。実施溶接部１３の表面外観写真である。実施溶接部１３の断面マクロ写真である。実施溶接部１４の表面外観写真である。実施溶接部１４の断面マクロ写真である。実施溶接部１５の表面外観写真である。実施溶接部１５の断面マクロ写真である。実施溶接部１６の断面マクロ写真である。実施溶接部１７の断面マクロ写真である。実施溶接部１８の表面外観写真及び断面マクロ写真である。比較溶接部３の断面マクロ写真である。

以下、図面を参照しながら本発明のレーザ溶接方法の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。

（１）第一実施形態
図１は、本発明の第一実施形態に係る被接合材及び表当て材の配置を示す概略断面図である。本発明の第一実施形態では、被接合材２同士を突き合わせ被接合界面４を形成し、被接合界面４を含む被接合材２の表面を表当て材６で被覆している。

ここで、レーザ光Ｒを表当て材６側から被接合材２に照射し、被接合界面４を含む領域を溶融凝固させることで、被接合材２同士の溶接が達成される。表当て材６を使用しない場合と比較して接合領域（溶融凝固領域）の深さが増加することに加え、被接合材２の表面近傍における当該接合領域の幅が狭くなる。

本発明の効果を損なわない限りにおいて、表当て材６の材質及び形状は特に限定されず、板状や粉末状のセラミックス又はフラックス材等を使用することができる。ここで、レーザ照射による溶込み深さの増加や溶融領域形状の制御等がこれらの表当て材６の使用によって達成される理由は必ずしも明らかにはなっていないが、被接合材２表面からの抜熱抑制や溶融池保護等の効果があるものと思われる。また、表当て材６をセラミックス製とすることで、被接合材２との溶着を防止することができる。

表当て材６の主成分は、シリカ（ＳｉＯ_２）であることが好ましい。シリカの熱伝導率は数Ｗ／ｍ・Ｋと低いため、被接合材２表面からの抜熱を効率的に抑制することができる。加えて、その他のセラミックス材と比較して安価であることから、セラミックス製板材の価格を抑えることができる。

なお、レーザ光Ｒの出力及び溶接速度等の各種溶接条件は特に限定されず、被接合材２の種類や所望の溶接部形状等に応じて適宜設定すればよい。また、溶接雰囲気を低真空とすることなく、大気圧下での溶接で深溶込みを実現することができる。ここで、本発明のレーザ溶接方法で板状の表当て材６を使用する場合は、全ての溶接姿勢に対応することができる。

被接合材２は、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々の金属材を用いることができるが、鉄鋼材を用いることで、より確実に良好な溶接部を得ることができる。

また、レーザ光Ｒとしては、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々のレーザを用いることができ、例えば、ファイバーレーザ、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等を使用することができる。

なお、溶融部にシールドガスを供給する場合、当該溶融部にガス圧が印加されるように供給することで、溶込み深さを向上させることができる。また、当該シールドガスの供給圧力を周期的に変動させることで（パルス状のシールドガスを供給することで）、より効果的に深溶込みを得ることができる。溶込み深さが増加する理由は必ずしも明らかになっていないが、パルス状のシールドガスによってキーホールの開口部及びその近傍が押し下げられ、当該圧力がキーホールの底部にまで効率的に伝達される結果、深溶込みが達成されるものと思われる。なお、シールドガスの供給によってレーザ照射部近傍にフラックスが作用しない局所空間を形成することにより、当該フラックスの散布に起因する溶接金属へのスラグ巻き込みの頻度が抑制され、ビード表面の荒れが解消して美麗な表面が形成される。レーザ照射部近傍にフラックスが作用しない局所空間を形成させる方法はシールドガスの供給に限定されず、従来公知の種々の方法を用いることができる。例えば、スリットや棒状体等でフラックスを掻き分け、レーザ影響領域への侵入を防止してもよい。

（２）第二実施形態
図２及び図３は、それぞれ本発明の第二実施形態に係る被接合材及び表当て材の配置を示す概略断面図及び概略平面図である。本発明の第二実施形態では、被接合材２同士を突き合わせ被接合界面４を形成し、被接合界面４を含む被接合材２の表面を、貫通孔８を有する表当て材６で被覆している。

表当て材６は被接合界面４が貫通孔８の内側に位置するように配置され、レーザ光Ｒは表当て材６側から貫通孔８を介して被接合界面４に照射される。ここで、貫通孔８の幅Ｗは１〜４ｍｍとすること、が好ましい。好適な間隔は被接合材２及びレーザ光Ｒの種類等によっても変化するが、間隔が１ｍｍ未満の場合、被接合材２の溶融量や溶融金属の移動量等が不足して、ビード表面に凹部が形成されやすくなる。一方で、間隔が４ｍｍよりも広い場合、表当て材６で被接合材２を被覆した効果が十分に得られず、深溶込みが得られない。また、表面近傍における接合部の広がりを抑制することができない。

なお、被接合材２及び表当て材６の材質、レーザ光Ｒの種類、及びレーザ溶接条件等については、上述の第一実施形態と同様である。

（３）第三実施形態
図４及び図５は、それぞれ本発明の第三実施形態に係る被接合材及び表当て材の配置を示す概略断面図及び概略平面図である。本発明の第三実施形態では、被接合材２同士を突き合わせ被接合界面４を形成し、被接合界面４の両側を表当て材６で被覆している。

レーザ光Ｒは表当て材６側から被接合材２同士の隙間を通過して、被接合界面４に照射される。ここで、隙間の幅Ｗは１〜４ｍｍとすること、が好ましい。好適な間隔は被接合材２及びレーザ光Ｒの種類等によっても変化するが、間隔が１ｍｍ未満の場合、被接合材２の溶融量や溶融金属の移動量等が不足して、ビード表面に凹部が形成されやすくなる。一方で、間隔が４ｍｍよりも広い場合、表当て材６で被接合材２を被覆した効果が十分に得られず、深溶込みが得られない。また、表面近傍における接合部の広がりを抑制することができない。

少なくとも２枚の板材を表当て材２とすることで、幅Ｗを容易に変更することができる。具体的には、幅Ｗを１〜４ｍｍの範囲で適宜調整することで、ビード表面での凹部形成を抑制しつつ、十分な溶込み深さを得ることができる。

（４）第四実施形態
図６及び図７は、それぞれ本発明の第四実施形態に係る被接合材及び表当て材の配置を示す概略断面図及び概略平面図である。本発明の第四実施形態では、被接合材２同士を突き合わせ被接合界面４を形成し、被接合界面４の両側を表当て材６で被覆している。加えて、表当て材６同士の隙間に、粉末状のフラックス１０が充填されている。

表当て材６同士の隙間に粉末状のフラックス１０を充填した状態でレーザ光Ｒを照射することで、フラックス１０を使用しない場合よりも大きな溶込み深さを得ることができる。溶込み深さが増加する理由は必ずしも明らかになっていないが、フラックス１０による溶融部表面のシールド効果等によるものであると考えられる。

フラックス１０の主成分は、シリカ（ＳｉＯ_２）であることが好ましい。上述のとおり、シリカの熱伝導率は数Ｗ／ｍ・Ｋと低いため、被接合材２表面からの抜熱を効率的に抑制することができる。加えて、溶接中における鉄のマランゴニ対流は酸素の微量添加によって内側下向きとなることが知られており、シリカを構成する酸素がレーザ溶接でも効果的に作用している可能性もある。

レーザ光Ｒは表当て材６側からフラックス１０が充填されている被接合材２同士の隙間を通過して、被接合界面４に照射される。ここで、隙間の幅Ｗは１〜４ｍｍとすること、が好ましい。好適な間隔は被接合材２及びレーザ光Ｒの種類等によっても変化するが、間隔が１ｍｍ未満の場合、被接合材２の溶融量や溶融金属の移動量等が不足して、ビード表面に凹部が形成されやすくなる。一方で、間隔が４ｍｍよりも広い場合、表当て材６で被接合材２を被覆した効果が十分に得られず、深溶込みが得られない。また、表面近傍における接合部の広がりを抑制することができない。

（５）第五実施形態
図８〜図１０は、それぞれ本発明の第五実施形態に係る被接合材、表当て材及び裏当て材の配置を示す概略断面図、概略平面図及び概略裏面図である。なお、第五実施形態は第四実施形態に裏当て材１２を追加したものであるが、裏当て材１２はその他の実施形態に追加してもよい。

表当て材６同士の隙間に粉末状のフラックス１０を充填した状態でレーザ光Ｒを照射することで大きな溶込み深さを得ることができることに加え、接合部裏面に配置された裏当て材１２によって、裏面からの溶落ちを効果的に抑制することができる。なお、裏当て材１２の主成分はシリカ（ＳｉＯ_２）とすることがより好ましい。

なお、第一実施形態〜第五実施形態では線接合に関する実施形態を示したが、スポット溶接とすることで、深い溶込みを有するスポット溶接部を簡便かつ安定して形成させることができる。スポット溶接を行う場合、線接合の場合と同様の表当て材６を用いてもよいが、例えば、略円形の貫通孔を設けた表当て材６を用いてもよい。

以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。

≪実施例１≫
供試材を厚さ５０×幅６０×長さ２００ｍｍの炭素鋼板とし、ファイバーレーザ（ファイバー径：０．５ｍｍ，ビーム集光スポット径：１ｍｍ）を用いてビードオンプレートにて溶接を行った。ここで、表当て材には貫通孔（間隔：３ｍｍ）を有する９×２８×３２ｍｍのセラミックス板（（株）神戸製鋼所社製ＦＢ−Ｂ３，ＳｉＯ_２：３０〜４０ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３：４０〜６０ｗｔ％，ＭｇＯ：≦１０ｗｔ％）を用い、炭素鋼板の表面に配置した。

レーザ出力：５０ｋＷ、溶接速度：１０００ｍｍ／ｍｉｎ、レーザ焦点：炭素鋼板表面（ジャストフォーカス）とし、大気圧下で実施溶接部１を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪実施例２≫
貫通孔を設けなかったこと以外は実施例１と同様にして、実施溶接部２を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪実施例３≫
貫通孔の間隔を１ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、実施溶接部３を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪実施例４≫
貫通孔の間隔を２ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、実施溶接部４を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪実施例５≫
貫通孔の間隔を４ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、実施溶接部５を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪実施例６≫
貫通孔の間隔を５ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、実施溶接部６を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪実施例７≫
貫通孔の間隔を６ｍｍとしたこと以外は実施例１と同様にして、実施溶接部７を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪実施例８≫
表当て材として用いる板材の材質を固形フラックス（（株）神戸製鋼所社製裏当て材ＦＡ−Ｂ１の一部）としたこと以外は実施例１と同様にして、実施溶接部８を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪実施例９≫
セラミックス板の貫通孔にフラックスとしてトーヨーマテラン（株）社製のシリカサンド４号（代表粒径：８５０μｍ，ＳｉＯ_２：９６．８ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３：１．７ｗｔ％，Ｆｅ_２Ｏ_３：０．０５ｗｔ％，強熱減量：０．１９ｗｔ％）を充填したこと以外は実施例１と同様にして、実施溶接部９を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪実施例１０≫
セラミックス板の貫通孔にフラックスとしてソフト・シリカ（株）社製の珪酸塩白土（ＳｉＯ_２：７２．９６ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３：９．９２ｗｔ％，Ｆｅ_２Ｏ_３：４．９５ｗｔ％，Ｎａ_２Ｏ：４．９８ｗｔ％，Ｋ_２Ｏ：０．１３ｗｔ％，Ｈ_２Ｏ：３．８１ｗｔ％）を充填したこと以外は実施例１と同様にして、実施溶接部１０を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪実施例１１≫
セラミックス板の貫通孔にフラックスとして日鐵住金溶接工業（株）製の溶融型中酸化マンガン系フラックスＹＦ−１５Ａ（粒度（メッシュ）：１２×１５０，ＳｉＯ_２：４０〜５０ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３：≦１０ｗｔ％，ＣａＯ：≦１０ｗｔ％，ＴｉＯ_２：≦１０ｗｔ％，水溶性無機化合物：≦１０ｗｔ％，その他の無機化合物：≦２０〜３０ｗｔ％）を充填したこと以外は実施例１と同様にして、実施溶接部１１を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪実施例１２≫
供試材を厚さ６０×幅８０×長さ２４８ｍｍの炭素鋼板とし、ファイバーレーザ（ファイバー径：０．５ｍｍ，ビーム集光スポット径：１ｍｍ）を用いてビードオンプレートにて溶接を行った。ここで、表当て材には貫通孔（間隔：１１ｍｍ）を有する９×２８×３２ｍｍのセラミックス板（（株）神戸製鋼所社製ＦＢ−Ｂ３，ＳｉＯ_２：３０〜４０ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３：４０〜６０ｗｔ％，ＭｇＯ：≦１０ｗｔ％）を用い、炭素鋼板の表面に配置した。加えて、セラミックス板の貫通孔にフラックスとして日鐵住金溶接工業（株）製の溶融型中酸化マンガン系フラックスＹＦ−１５Ａ（粒度（メッシュ）：１２×１５０，ＳｉＯ_２：４０〜５０ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３：≦１０ｗｔ％，ＣａＯ：≦１０ｗｔ％，ＴｉＯ_２：≦１０ｗｔ％，水溶性無機化合物：≦１０ｗｔ％，その他の無機化合物：≦２０〜３０ｗｔ％）を充填した。

レーザ出力：５０ｋＷ、溶接速度：６００ｍｍ／ｍｉｎ、レーザ焦点：炭素鋼板表面から−４０ｍｍとし、大気圧下で実施溶接部１２を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１３及び図１４にそれぞれ示す。

≪実施例１３≫
セラミックス板の貫通孔にフラックスを充填しなかったこと以外は実施例１２と同様にして、実施溶接部１３を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１５及び図１６にそれぞれ示す。

≪実施例１４≫
供試材を厚さ６０×幅８０×長さ２４８ｍｍの炭素鋼板とし、ファイバーレーザ（ファイバー径：０．５ｍｍ，ビーム集光スポット径：１ｍｍ）を用いてビードオンプレートにて溶接を行った。ここで、表当て材には貫通孔（間隔：１２ｍｍ）を有する９×２８×３２ｍｍのセラミックス板（（株）神戸製鋼所社製ＦＢ−Ｂ３，ＳｉＯ_２：３０〜４０ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３：４０〜６０ｗｔ％，ＭｇＯ：≦１０ｗｔ％）を用い、炭素鋼板の表面に配置した。加えて、セラミックス板の貫通孔にフラックスとして日鐵住金溶接工業（株）製の溶融型中酸化マンガン系フラックスＹＦ−１５Ａ（粒度（メッシュ）：１２×１５０，ＳｉＯ_２：４０〜５０ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３：≦１０ｗｔ％，ＣａＯ：≦１０ｗｔ％，ＴｉＯ_２：≦１０ｗｔ％，水溶性無機化合物：≦１０ｗｔ％，その他の無機化合物：≦２０〜３０ｗｔ％）を充填した。また、裏面には厚さ２０ｍｍの固形フラックス（日鐵住金溶接工業（株）製ＳＴ−１Ａ，ＳｉＯ_２：２５〜３５ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０ｗｔ％，ＣａＯ：１５〜２０ｗｔ％，ＭｎＯ_２：１５〜２０ｗｔ％，ＴｉＯ_２：≦５ｗｔ％）を溶接線に沿って配置した。

レーザ出力：１００ｋＷ、溶接速度：１２００ｍｍ／ｍｉｎ、レーザ焦点：炭素鋼板表面から−４０ｍｍとし、φ２ｍｍのノズルから７０Ｌ／分の窒素ガスを溶接部に供給して実施溶接部１４を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１７及び図１８にそれぞれ示す。

≪実施例１５≫
窒素ガスを供給しなかったこと以外は実施例１４と同様にして、実施溶接部１５を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１９及び図２０にそれぞれ示す。

≪実施例１６≫
供試材を厚さ４０×幅３５×長さ１９０ｍｍの炭素鋼板とし、ファイバーレーザ（ファイバー径：０．５ｍｍ，ビーム集光スポット径：１ｍｍ）を用いてビードオンプレートにてスポット溶接を行った。ここで、表当て材には板厚さ５ｍｍとした固形フラックス（日鐵住金溶接工業（株）製ＳＴ−１Ａ，ＳｉＯ_２：２５〜３５ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０ｗｔ％，ＣａＯ：１５〜２０ｗｔ％，ＭｎＯ_２：１５〜２０ｗｔ％，ＴｉＯ_２：≦５ｗｔ％）を用い、炭素鋼板の表面との間隔を２ｍｍとして配置した。

レーザ出力：１５ｋＷ、入射角：２０°、溶接時間：１．０秒、レーザ焦点：炭素鋼板表面から−２５ｍｍとして実施溶接部１６を得た。得られた溶接部の断面マクロ写真を図２１に示す。なお、得られた溶込み深さは１７．０ｍｍである。

≪実施例１７≫
表当て材の炭素鋼板の表面との間隔を１．２ｍｍとしたこと以外は実施例１６と同様にして、実施溶接部１７を得た。得られた溶接部の断面マクロ写真を図２２に示す。なお、得られた溶込み深さは１８．４ｍｍである。

≪実施例１８≫
供試材を厚さ４０×幅３５×長さ１９０ｍｍの炭素鋼板とし、ファイバーレーザ（ファイバー径：０．５ｍｍ，ビーム集光スポット径：１ｍｍ）を用いてビードオンプレートにて溶接を行った。ここで、表当て材には貫通孔（間隔：２ｍｍ）を有する９×２８×３２ｍｍのセラミックス板（（株）神戸製鋼所社製ＦＢ−Ｂ３，ＳｉＯ_２：３０〜４０ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３：４０〜６０ｗｔ％，ＭｇＯ：≦１０ｗｔ％）を用い、炭素鋼板の表面に配置した。また、裏面には厚さ２０ｍｍの固形フラックス（日鐵住金溶接工業（株）製ＳＴ−１Ａ，ＳｉＯ_２：２５〜３５ｗｔ％，Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０ｗｔ％，ＣａＯ：１５〜２０ｗｔ％，ＭｎＯ_２：１５〜２０ｗｔ％，ＴｉＯ_２：≦５ｗｔ％）を溶接線に沿って配置した。

レーザ出力：５０ｋＷ、溶接速度：５４０ｍｍ／ｍｉｎ、レーザ焦点：炭素鋼板表面から−４０ｍｍとして実施溶接部１８を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図２３に示す。なお、参考として、裏板が無い領域で形成された溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真も示している。

≪比較例１≫
表当て材を使用しなかったこと以外は実施例１と同様にして、比較溶接部１を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪比較例２≫
表当て材を使用せず、被接合材の表面に幅３ｍｍ、深さ８ｍｍの溝を形成し、当該溝に対してレーザ光を照射した以外は実施例１と同様にして、比較溶接部２を得た。得られた溶接部の表面外観写真及び断面マクロ写真を図１１及び図１２にそれぞれ示す。

≪比較例３≫
表当て材を使用しなかったこと以外は実施例１６と同様にして、比較溶接部３を得た。得られた溶接部の断面マクロ写真を図２４に示す。なお、得られた溶込み深さは８．６ｍｍである。

実施溶接部１と比較溶接部１の断面マクロ写真の比較により、本発明のレーザ溶接方法によって溶込み深さが増加し、被接合材表面近傍の溶接部の幅が狭くなることが分かる。また、表面外観写真の比較により、本発明のレーザ溶接方法によって得られるビードの幅は狭く、安定した形状を有していることが分かる。

実施溶接部１〜実施溶接部７及び比較溶接部１の断面マクロ写真の比較により、表当て材に貫通孔を設けない場合は比較溶接部１と比較して溶込み深さが増加しているが、ビード表面が凹状となっている。また、表当て材の間隔が１〜４ｍｍの場合に、顕著に溶込み深さが増加している。間隔が５ｍｍ及び６ｍｍの場合は１〜４ｍｍの場合と比較すると溶込み深さは浅くなるが、比較溶接部１と比較すると表面近傍の溶接部の幅が狭くなっている。

実施溶接部９〜実施溶接部１１及び比較溶接部１の断面マクロ写真の比較により、表当て材の間にフラックスを充填してレーザ溶接することで、極めて効果的に溶込み深さを増加させ、表面近傍での溶接部の広がりを抑制できることが分かる。また、実施溶接部１と実施溶接部９の断面マクロ写真の比較により、表当て材の貫通孔に適当なフラックスを充填させることで、表当て材のみを使用する場合よりも溶込み深さが増加することが分かる。

実施溶接部１及び比較溶接部２の断面マクロ写真の比較により、実施溶接部１の溶込み深さは比較溶接部よりも明らかに大きくなっている。当該結果は、溶込み深さ増加の原因はレーザ照射部の凹形状ではなく、表当て材であることを示している。

実施溶接部１２と実施溶接部１３の表面外観写真の比較により、セラミックス板の貫通孔にフラックスを充填した場合はビード幅がより狭くなっている。また、断面マクロ写真の比較により、フラックスを充填した場合は溶込み深さが増加していることに加えて、溶接部底部の凹凸形状が小さくなっており、より安定した深溶込み溶接が実現されていることが確認される。

実施溶接部１４と実施溶接部１５の比較により、溶接部にシールドガスを供給した場合、当該溶接部にガス圧が印加されるように供給することで、レーザ照射部近傍にフラックスが作用しない局所空間を形成することにより、当該フラックスの散布に起因する溶接金属へのスラグ巻き込みの頻度が抑制されることで、ビード表面の荒れが解消して美麗な表面を形成し、裏波も安定化する効果を奏している。

実施溶接部１６及び実施溶接部１７と比較溶接部３の比較により、スポット溶接の場合であっても、表当て材を使用すると溶込み深さが顕著に増加することが分かる。加えて、表当て材を使用することで、幅の狭いシャープな溶接部を得ることができる。また、表当て材の間隔により溶込み深さが変化し、間隔を１．２ｍｍとすることで１８．４ｍｍに達する溶込み深さが得られている。

実施例１８の結果より、接合部裏面に配置された裏当て材によって、裏面からの溶落ちが効果的に抑制されており、理想的な貫通溶接が達成されていることが分かる。

２・・・被接合材、
４・・・被接合界面、
６・・・表当て材、
８・・・貫通孔、
１０・・・フラックス、
１２・・・裏当て材。

Claims

被接合材の表面に前記被接合材の位置を固定しない表当て材を当接させ、
前記表当て材の側からレーザ光を照射し、
前記表当て材の主成分がシリカ（ＳｉＯ ₂ ）であること、
を特徴とするレーザ溶接方法。
前記表当て材として少なくとも２枚以上の板材を用い、
前記レーザ光の入射経路を中心として前記板材同士を対向させて配置し、前記板材同士の間に略一定間隔の隙間を設け、
前記隙間から前記被接合材の被接合界面近傍にレーザ光を照射すること、
を特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
前記隙間の間隔を１〜４ｍｍとすること、
を特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接方法。
前記隙間に粉末状のフラックスを充填すること、
を特徴とする請求項２又は３に記載のレーザ溶接方法。
貫通溶接であること、
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ溶接方法
前記被接合材の裏面に裏当て材を配置すること、
を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
前記裏当て材の主成分がシリカ（ＳｉＯ₂）であること、
を特徴とする請求項６に記載のレーザ溶接方法。
スポット溶接であること、
を特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ溶接方法。