JPH0243590B2 - - Google Patents
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- JPH0243590B2 JPH0243590B2 JP59077054A JP7705484A JPH0243590B2 JP H0243590 B2 JPH0243590 B2 JP H0243590B2 JP 59077054 A JP59077054 A JP 59077054A JP 7705484 A JP7705484 A JP 7705484A JP H0243590 B2 JPH0243590 B2 JP H0243590B2
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- Japan
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- welding
- laser
- laser beam
- steel plates
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/21—Bonding by welding
- B23K26/24—Seam welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
- B23K2103/04—Steel or steel alloys
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
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- Laser Beam Processing (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、薄鋼板の突合せシーム溶接に関し、
特に、レーザを用いる突合せ溶接に関する。
特に、レーザを用いる突合せ溶接に関する。
［従来技術］
薄鋼板の連続処理ラインにおいて、先行のスト
リツプの後端と後行のストリツプの先端部を接続
して連続通板を行うため、各種の溶接法が用いら
れているが、0.05〜0.5mmのような板厚が薄いも
のについては、板の突合せの問題や、溶接速度の
点で、満足な溶接法がない現状であり、そこでレ
ーザ溶接法が注目されている。
リツプの後端と後行のストリツプの先端部を接続
して連続通板を行うため、各種の溶接法が用いら
れているが、0.05〜0.5mmのような板厚が薄いも
のについては、板の突合せの問題や、溶接速度の
点で、満足な溶接法がない現状であり、そこでレ
ーザ溶接法が注目されている。
薄鋼板のレーザ溶接は通常、特開昭54−32154
号公報に開示されているように、溶接すべき２端
面を突合せ、端面間中央にレンズ等の光学系で集
光したエネルギー密度の高いレーザビームを照射
して、単位溶接当り入熱速度の小さい高速溶接を
行うのが特徴となつている。
号公報に開示されているように、溶接すべき２端
面を突合せ、端面間中央にレンズ等の光学系で集
光したエネルギー密度の高いレーザビームを照射
して、単位溶接当り入熱速度の小さい高速溶接を
行うのが特徴となつている。
この場合、端面が平旦で互に十分密着している
場合は、突合せ面の両側がレーザビームによつて
溶融され溶接が行われる。しかし端面の凸凹や曲
り等で、両端面間に隙間を生じている場合には、
集光されたレーザビームはこの隙間を通過したり
（第２ａ図）、一方の端面のみに吸収されたり（第
２ｂ図）する結果、完全な突合せ溶接が行われな
いことになる。
場合は、突合せ面の両側がレーザビームによつて
溶融され溶接が行われる。しかし端面の凸凹や曲
り等で、両端面間に隙間を生じている場合には、
集光されたレーザビームはこの隙間を通過したり
（第２ａ図）、一方の端面のみに吸収されたり（第
２ｂ図）する結果、完全な突合せ溶接が行われな
いことになる。
このため従来のレーザ溶接では、剪断機構や押
え機構等の周辺設備の改良により端面加工突合せ
の精度を極端に高める必要があり、このため設備
費が極めて大きくなつている。
え機構等の周辺設備の改良により端面加工突合せ
の精度を極端に高める必要があり、このため設備
費が極めて大きくなつている。
突合せが精度よく行われた場合でも、幾分かの
間隙は残る。溶接は周辺の金属が溶融してこの間
隙を埋めるようにして行われるが、レーザビーム
を絞る通常の溶接では、溶融金属部が小さいため
間隙を十分埋め切れず、ハンピングが生じ溶接が
不安定になる。
間隙は残る。溶接は周辺の金属が溶融してこの間
隙を埋めるようにして行われるが、レーザビーム
を絞る通常の溶接では、溶融金属部が小さいため
間隙を十分埋め切れず、ハンピングが生じ溶接が
不安定になる。
また鋼板の突合せ以外にも薄鋼板のレーザ溶接
を困難にしている問題がある。
を困難にしている問題がある。
すなわち、いま鋼板表示のレーザビーム吸収率
をαとし、継手部溶融に必要なエネルギーをPM
（KW）とすると、溶接に必要なレーザパワーＰ
（KW）は、 Ｐ＝PM／α となる。
をαとし、継手部溶融に必要なエネルギーをPM
（KW）とすると、溶接に必要なレーザパワーＰ
（KW）は、 Ｐ＝PM／α となる。
一般に吸収率αは種々の要因によつて変るが、
現在、鋼板突合せに最もよく使われているCO2レ
ーザの場合、常温において0.1程度であり、従つ
て溶接に最低限必要なエネルギーより遥かに大き
いレーザビームエネルギーを投入しないと溶接が
開始しない。
現在、鋼板突合せに最もよく使われているCO2レ
ーザの場合、常温において0.1程度であり、従つ
て溶接に最低限必要なエネルギーより遥かに大き
いレーザビームエネルギーを投入しないと溶接が
開始しない。
しかし、一度表面が溶融すると吸収率αは１に
近くなるため、熱が入りすぎ、ハンピングが生じ
安定した溶接を行いにくい。
近くなるため、熱が入りすぎ、ハンピングが生じ
安定した溶接を行いにくい。
また、吸収率αを上げるために、通常、プラズ
マを発生させる方法がとられるが、この場合、エ
ネルギー密度をプラズマ発生限界以上（たとえば
５×105W／cm2）にする必要があるため、現状の
レーザマシンのもつ出力ではビーム径を小さく集
光しなければならず、やはり高精度の突合せを要
する。
マを発生させる方法がとられるが、この場合、エ
ネルギー密度をプラズマ発生限界以上（たとえば
５×105W／cm2）にする必要があるため、現状の
レーザマシンのもつ出力ではビーム径を小さく集
光しなければならず、やはり高精度の突合せを要
する。
更にビームスポツト径が小さいと、突合せ線に
添つての倣いが困難で、溶接目外れが起り易くな
る。
添つての倣いが困難で、溶接目外れが起り易くな
る。
以上述べた様に、従来行われている。レーザビ
ームを集光して高エネルギー密度、低入熱の高速
溶接では、溶け落ち、ハンピング、目外れ等の問
題があり、特に極薄鋼板では、安定した溶接を行
うことが難しく、製造ラインでのレーザを用いた
全自動溶接機は実用化されていない。
ームを集光して高エネルギー密度、低入熱の高速
溶接では、溶け落ち、ハンピング、目外れ等の問
題があり、特に極薄鋼板では、安定した溶接を行
うことが難しく、製造ラインでのレーザを用いた
全自動溶接機は実用化されていない。
［発明の目的］
本発明は、これらの問題点を考慮し、安定かつ
効率のよいレーザ溶接を行なう方法を提供するこ
とを目的とする。
効率のよいレーザ溶接を行なう方法を提供するこ
とを目的とする。
［発明の構成、作用］
本発明では、レーザビームを極端に絞らず、む
しろ適当にスポツト径を大きくし、かつエネルギ
ー密度を低くした状態で溶接を行う。以下図面を
参照して本発明を詳細に説明する。
しろ適当にスポツト径を大きくし、かつエネルギ
ー密度を低くした状態で溶接を行う。以下図面を
参照して本発明を詳細に説明する。
第１図に本発明の実施態様を概念的に示す。同
図において、１，１′は溶接されるべき鋼板、２
は光学系、３はレーザビーム、４は衝合せ間隙で
ある。
図において、１，１′は溶接されるべき鋼板、２
は光学系、３はレーザビーム、４は衝合せ間隙で
ある。
第３図は突合せ溶接後の溶接部の断面を示す。
同図において、５が溶融凝固部である。
同図において、５が溶融凝固部である。
第５ａ図および第５ｂ図に、光フアイバー６を
使用してレーザビームを溶接部に搬送する態様を
示す。
使用してレーザビームを溶接部に搬送する態様を
示す。
本発明により鋼板１，１′を突合せ溶接する場
合には、第１図に示すようにレーザビーム３を極
端に絞らず、鋼板の衝合せ間隙４の値ｇに対して
ビームスポツト径ｄを遥かに大きくする。すなわ
ち、ビーム径ｄの大きさを鋼板の板厚ｔの２倍以
上あるいは鋼板間の間隙ｇの10倍以上とする。ま
た照射面におけるレーザビームの入力エネルギー
密度は、プラズマが発生するような高密度ではな
く、それより低い値に設定する。そのため、レー
ザの出力エネルギーＰにはエネルギー吸収率や溶
接速度によつて最適値があるが、例えば５×
105W／cm2以下に設定する。このようにして鋼板
１，１′の突合せ部にレーザビーム３を照射すれ
ば、プラズマ発生、溶け落ち、ハンピング等が発
生することなく、間隙ｇに対して十分広い領域を
溶融して第３図に示すようにハンピングを生じ
ず、かつ継手部板厚減少が小さい、安定した溶接
を行うことができる。
合には、第１図に示すようにレーザビーム３を極
端に絞らず、鋼板の衝合せ間隙４の値ｇに対して
ビームスポツト径ｄを遥かに大きくする。すなわ
ち、ビーム径ｄの大きさを鋼板の板厚ｔの２倍以
上あるいは鋼板間の間隙ｇの10倍以上とする。ま
た照射面におけるレーザビームの入力エネルギー
密度は、プラズマが発生するような高密度ではな
く、それより低い値に設定する。そのため、レー
ザの出力エネルギーＰにはエネルギー吸収率や溶
接速度によつて最適値があるが、例えば５×
105W／cm2以下に設定する。このようにして鋼板
１，１′の突合せ部にレーザビーム３を照射すれ
ば、プラズマ発生、溶け落ち、ハンピング等が発
生することなく、間隙ｇに対して十分広い領域を
溶融して第３図に示すようにハンピングを生じ
ず、かつ継手部板厚減少が小さい、安定した溶接
を行うことができる。
なお第４図はレーザの出力エネルギーＰを増加
していつた場合の溶融部温度Ｔを概念的に示した
ものである。TMは金属の融点を示し、THは溶融
部の温度が高くなりすぎてハンピング、溶け落ち
等が始まる温度である。この温度THは、レーザ
の出力エネルギー、鋼板へのエネルギー吸収率、
レーザビームのエネルギー密度、板厚、溶融幅、
溶接速度、鋼板の熱材料特性等から決まるが、溶
融部温度Ｔが領域になるように設定する。
していつた場合の溶融部温度Ｔを概念的に示した
ものである。TMは金属の融点を示し、THは溶融
部の温度が高くなりすぎてハンピング、溶け落ち
等が始まる温度である。この温度THは、レーザ
の出力エネルギー、鋼板へのエネルギー吸収率、
レーザビームのエネルギー密度、板厚、溶融幅、
溶接速度、鋼板の熱材料特性等から決まるが、溶
融部温度Ｔが領域になるように設定する。
以上説明したように、本発明はビームスポツト
を大きく、エネルギー密度を低くすることを特徴
とするため、光学率が簡単になる。
を大きく、エネルギー密度を低くすることを特徴
とするため、光学率が簡単になる。
第５ａ図はレーザビーム照射部にフアイバーを
用いた場合の説明で、フアイバー６、レンズ系７
の調整により、最適条件のビームスポツト径で溶
接する。さらに本発明では、ビームを極端に絞り
込むのでなく、適当に拡げて使用するため、第５
ｂ図に示すように、レンズ系を用いることなくフ
アイバーを出たままの状態のビームを用いること
も可能である。
用いた場合の説明で、フアイバー６、レンズ系７
の調整により、最適条件のビームスポツト径で溶
接する。さらに本発明では、ビームを極端に絞り
込むのでなく、適当に拡げて使用するため、第５
ｂ図に示すように、レンズ系を用いることなくフ
アイバーを出たままの状態のビームを用いること
も可能である。
また、フアイバーは一本でなく、複数本を用
い、かつこれらのフアイバを何本毎かに区分し、
かつ適当なパワーをもつたビームを所定区分のフ
アイバーのみに投入することにより、溶接部へ照
射するビーム径を変えたり、また第６図に示すよ
うに、たとえば、突合せ間隙部に対する中央のフ
アイバー７にビームを投入せず、その周囲の８個
のフアイバのみにビームを投入して特定のエネル
ギー分布のビームパターン８を形成し使用するこ
とも可能である。
い、かつこれらのフアイバを何本毎かに区分し、
かつ適当なパワーをもつたビームを所定区分のフ
アイバーのみに投入することにより、溶接部へ照
射するビーム径を変えたり、また第６図に示すよ
うに、たとえば、突合せ間隙部に対する中央のフ
アイバー７にビームを投入せず、その周囲の８個
のフアイバのみにビームを投入して特定のエネル
ギー分布のビームパターン８を形成し使用するこ
とも可能である。
第７図に本発明を一態様で実施する装置構成を
示す。第７図において、９，９′は溶接部を被覆
するキヤビテイ、１０はレーザ発振装置、１１は
レーザビーム照射ヘツド、１３，１３′は鋼板１，
１′の上下クランプ機構、１４はレーザビーム照
射ヘツド１１を板幅方向に走査するヘツド倣い駆
動機構、１５はレーザビーム照射ヘツドを上下方
向に移動させ、鋼板上のビームスポツト径を調節
するビームスポツト調節機構である。
示す。第７図において、９，９′は溶接部を被覆
するキヤビテイ、１０はレーザ発振装置、１１は
レーザビーム照射ヘツド、１３，１３′は鋼板１，
１′の上下クランプ機構、１４はレーザビーム照
射ヘツド１１を板幅方向に走査するヘツド倣い駆
動機構、１５はレーザビーム照射ヘツドを上下方
向に移動させ、鋼板上のビームスポツト径を調節
するビームスポツト調節機構である。
被溶接鋼板１，１′はレーザビームの吸収効率
を上げるため、キヤビテイ９，９′内に収容し、
クランプ機構１３，１３′により押えた後、レー
ザ発振装置１０から光フアイバー６によりレーザ
ビーム照射ヘツド１１に搬送し、ビームスポツト
調節機構１５によつてビームスポツト径を調節し
た後、ヘツド倣い駆動機構１４によつてレーザビ
ーム３を鋼板１，１′の突合せ部に沿つて走査す
る。
を上げるため、キヤビテイ９，９′内に収容し、
クランプ機構１３，１３′により押えた後、レー
ザ発振装置１０から光フアイバー６によりレーザ
ビーム照射ヘツド１１に搬送し、ビームスポツト
調節機構１５によつてビームスポツト径を調節し
た後、ヘツド倣い駆動機構１４によつてレーザビ
ーム３を鋼板１，１′の突合せ部に沿つて走査す
る。
この場合、薄板で安定した溶接を行うために、
レーザパワー、エネルギー密度、ビームスポツト
サイズ等に特徴を持たしているが、この特徴が有
効に生かされるためには、レーザビームの吸収率
が大きいことが望ましい。そのため使用レーザの
波長を短波長側に設定する、たとえばYAGレー
ザ等を使用すると共に、キヤビテイ構造を用いて
実効的な吸収率を向上させている。
レーザパワー、エネルギー密度、ビームスポツト
サイズ等に特徴を持たしているが、この特徴が有
効に生かされるためには、レーザビームの吸収率
が大きいことが望ましい。そのため使用レーザの
波長を短波長側に設定する、たとえばYAGレー
ザ等を使用すると共に、キヤビテイ構造を用いて
実効的な吸収率を向上させている。
キヤビテイ断面は半球状が最も望ましいが、長
手方向に伸びた半円筒形状等、他の形状も考えら
れる。また第７図では、キヤビテイはクランプ機
構に組込んで押え機構の一部としているが、勿
論、クランプ機構と独立にし、ビーム照射ヘツド
と一体として移動させることも可能である。
手方向に伸びた半円筒形状等、他の形状も考えら
れる。また第７図では、キヤビテイはクランプ機
構に組込んで押え機構の一部としているが、勿
論、クランプ機構と独立にし、ビーム照射ヘツド
と一体として移動させることも可能である。
［実施例］
出力600WのYAGレーザおよびコアー径0.6mm
のフアイバーを用い、半径７mmの金メツキ鋼製の
キヤビテイを用いて、鋼板上のビームスポツト径
2.0mmの条件で板厚0.18mmの薄板を溶接した結果、
ギヤツプが0.09mmあつたにもかかわらず極めて安
定なシーム溶接が行われた。
のフアイバーを用い、半径７mmの金メツキ鋼製の
キヤビテイを用いて、鋼板上のビームスポツト径
2.0mmの条件で板厚0.18mmの薄板を溶接した結果、
ギヤツプが0.09mmあつたにもかかわらず極めて安
定なシーム溶接が行われた。
このギヤツプは、従来法では未溶融、又はハン
ビングが生じて安定な溶接が不可能であつたもの
である。
ビングが生じて安定な溶接が不可能であつたもの
である。
［発明の効果］
以上説明したように本発明によれば、薄鋼板の
溶接を確実に行うことができ、しかも周辺設備の
簡素化を図ることができる等、その効果は極めて
大きい。
溶接を確実に行うことができ、しかも周辺設備の
簡素化を図ることができる等、その効果は極めて
大きい。
第１図は本発明方法の一実施態様を概念的に示
す側面図、第２ａ図および第２ｂ図は従来法の実
施態様を概念的に示す側面図である。第３図は本
発明方法による溶接部を示す説明図、第４図は本
発明方法におけるレーザの出力エネルギーと溶融
部温度との関係を示すグラフ、第５ａ図および第
５ｂ図は本発明の実施態様を示し、レーザビーム
搬送に光フアイバーを用いた場合を示す説明図、
第６図も本発明の実施態様を示し、光フアイバー
の一部に選択的にレーザビームを導入する一例を
示す説明図である。第７図は本発明方法を一態様
で実施する装置構成を示す斜視図である。 １，１′：鋼板、２：光学系、３：レーザビー
ム、４：衝合せ間隙、５：溶融凝固部、６：光フ
アイバー、７：光フアイバー（中央）、８：ビー
ムパターン、９，９′：キヤビテイ、１０：レー
ザ発振装置、１１：ビーム照射ヘツド、１３，１
３′：クランプ機構、１４：ヘツド倣い駆動機構、
１５：ビームスポツト調節機構。
す側面図、第２ａ図および第２ｂ図は従来法の実
施態様を概念的に示す側面図である。第３図は本
発明方法による溶接部を示す説明図、第４図は本
発明方法におけるレーザの出力エネルギーと溶融
部温度との関係を示すグラフ、第５ａ図および第
５ｂ図は本発明の実施態様を示し、レーザビーム
搬送に光フアイバーを用いた場合を示す説明図、
第６図も本発明の実施態様を示し、光フアイバー
の一部に選択的にレーザビームを導入する一例を
示す説明図である。第７図は本発明方法を一態様
で実施する装置構成を示す斜視図である。 １，１′：鋼板、２：光学系、３：レーザビー
ム、４：衝合せ間隙、５：溶融凝固部、６：光フ
アイバー、７：光フアイバー（中央）、８：ビー
ムパターン、９，９′：キヤビテイ、１０：レー
ザ発振装置、１１：ビーム照射ヘツド、１３，１
３′：クランプ機構、１４：ヘツド倣い駆動機構、
１５：ビームスポツト調節機構。
Claims (1)
- １ 厚さ0.05〜0.5mmの薄鋼板の溶接方法におい
て；光フアイバーを用いてレーザビームを溶接部
に搬送し、かつ該レーザビームのスポツト径を溶
接しようとする鋼板の厚さの２倍以上、もしくは
鋼板の突合せ間隙の10倍以上のいずれかに設定す
るとともに、エネルギー密度をプラズマ発生限界
より低くした状態で溶接を行うことを特徴とする
レーザによる薄鋼板の溶接方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59077054A JPS60221185A (ja) | 1984-04-17 | 1984-04-17 | レ−ザによる薄鋼板の溶接方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59077054A JPS60221185A (ja) | 1984-04-17 | 1984-04-17 | レ−ザによる薄鋼板の溶接方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60221185A JPS60221185A (ja) | 1985-11-05 |
| JPH0243590B2 true JPH0243590B2 (ja) | 1990-09-28 |
Family
ID=13623070
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59077054A Granted JPS60221185A (ja) | 1984-04-17 | 1984-04-17 | レ−ザによる薄鋼板の溶接方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60221185A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6487090A (en) * | 1987-09-30 | 1989-03-31 | Toyo Seikan Kaisha Ltd | Butt welding method by laser beam |
| JPH0745112B2 (ja) * | 1987-12-19 | 1995-05-17 | 川崎重工業株式会社 | レーザ溶接方法 |
| JP5385509B2 (ja) | 2007-04-20 | 2014-01-08 | 新日鐵住金株式会社 | レーザ溶接装置、レーザ溶接方法及び金属板材の製造方法 |
| GB201712152D0 (en) * | 2017-07-28 | 2017-09-13 | Rolls Royce Plc | Methods and apparatus for welding a first component and a second component together |
-
1984
- 1984-04-17 JP JP59077054A patent/JPS60221185A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60221185A (ja) | 1985-11-05 |
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