JPH0259189A - アルミニウム系材料のレーザ溶接方法及びその溶接部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はアルミニウムまたはアルミニウム合金を高品質
にまた著しく強度を低下させることなしにレーザ溶接す
るアルミニウム系材料のレーザ溶接方法及びその溶接部
品に関する。

（従来の技術） アルミニウム系材料はその軽駁なことから多岐に渡る分
野で活用されている材料である。これを用いた精密部品
としては航空機・宇宙関連機器をはじめとする多くの製
品があり、夫々の製品は溶接により接合し所定の形状に
形成して使用されている。特にこれら精密部品の溶接に
おいては低入熱化、低歪のため電子ビーム溶接法が従来
多用されている。しかしながらこの電子ビーム溶接は本
質的に真空チャンバー内の施工に限定されるため精密部
品の大型化にともない真空排気に多大な時間を要し生産
性の面で問題があった。一方、近年になって高密度エネ
ルギービームを発するプロセスとしてレーザビームを用
いる溶接法（以下レーザ溶接法と称す）が急速に発達し
つつある。そこでアルミニウム系材料部品においてもレ
ーザ溶接法の適用が望まれている。しかしながらアルミ
ニウムやアルミニウム合金はレーザビームの反射率が高
いために溶接が困難であった。これらを解決する対策と
してレーザビーム吸収率を高めるために、被溶接物の表
面にカーボン系の表面処理を塗布したり（８６０年度精
機学会秋季大会学術講演論文集Ｐ６７９〜６８０、発行
日Ｓ　６Ｏ−９−２４）、溶接時のシールドガス中に酸
素（０□）や窒素（Ｎ２）の活性ガスを混合させてアル
ミニウム表面に窒化アルミニウムや酸化アルミニウムを
形成させる（特開昭６２−２５４９９２号、アルミニウ
ム部材のレーザ溶接方法）方法が知られている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながらこれらの炭素、酸素あるいは窒素はいずれ
もアルミニウムやアルミニウム合金の溶接部に残留しや
すく溶接部にブローホールや割れなどの欠陥を生ずると
いう問題があった。また、たとえ溶接欠陥を生じなくと
も溶接金属中に多数存在するアルミニウムの炭化物、窒
化物、酸化物あるいはそれらの複合された不純物により
溶接継手の継手効率が低下する問題は避けられず、当該
精密部品への適用は実現できなかった。

そこで本発明は上記の間層点を解決するために溶接金属
中に不純物が添加されることを防止し、かつ十分に高強
度を有する溶接部を得ることができるアルミニウム系材
料のレーザ溶接方法及びその溶接部品を提供することを
目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は母材として沸点の高いＭｇ含有量を多量に含ま
ない材料を用い、シールドガスとして不活性ガスを使用
し、溶接のためのレーザビーム照射に当っては母材表面
に溶融が生ずるレベルまでビームのパワー密度を高める
ようにしてレーザ溶接する方法及びその溶接部品を提供
する。

（作　用） アルミニウム系材料を軽量化を目的として部、Ｗに採用
する場合、より軽量化を計るため高強度なアルミニウム
合金が用いられることがある。よく知られているように
アルミニウムの合金元素としてはＳｉ、　Ｍｇ、　Ｃｕ
等多くのものがあり、これらの元素の添加によりさまざ
まな高強度アルミニウム合金が形成されている。

しかしこれらの元素のうち職は基材のＡρに対してその
沸点がはるかに低いためレーザビーム照射をうけたとき
選択的に蒸発する。その結果、溶接金属の外観が損われ
るのみならず、溶接金属中のＭｇ量が低下し溶接部の継
手効率が著しく低下する。

そこで本発明においては溶接される母材としてＭにを低
含有量に抑えたアルミニウム系材料を用いる。

さらに溶接用シールドガスとしては不活性ガスであるア
ルゴンあるいはヘリウムを用いガスとアルミニウムとの
反応による不純物の混合を未然に防止する。ビーム照射
に当ってはレーザビー１１を集光光学系によって集光す
るが、十分にビームのパワー密度を高めるように集光光
学系等を設定し、これによって溶接される母材表面を溶
融させ前述の不活性ガスシールドの下でレーザ溶接が進
行できる。その結果、溶接金属中にはアルミニウムの炭
化物、窒化物、酸化物等の不純物の生成もなく、さらに
沸点の低い元素の消耗に起因する成分変化もなく溶接継
手は十分に高い強度を維持できる。

（実施例） 本発明によるアルミニウム系材料のレーザ溶接方法及び
その溶接部分の一実施例について第１図及び第２図参照
にして説明する。第１図においては発振器であり、この
発振器１からウィンドウ２を介して放出されたレーザビ
ーム３は、集光レンズ４によって必要なパワー密度に絞
られる。レーザビームのパワー密度の調節はレーザ発振
器１から放出されるレーザビーム３のパワーを直接増減
させろ方法の他に集光レンズ４と溶接対象部材との相対
距離を調整しレーザビームの最果光点５を溶接対象部材
６に対して適度に設定する方法も用いられる。第１図は
レーザビームの最果光点５が溶接対象部材６の表面上に
設定された例である。

さらに他のパワー密度調節法として集光レンズ４を交換
し集光レンズ４の焦点距離を適度に選定する方法がある
。すなわち集光レンズ４に短焦点距離レンズを用いれば
最果光点５におけるビームスポット径は集魚距離に対し
て比例的に小さくなるため、レーザ発振器から放出する
レーザビームのバリーを変化させることなしに溶接対象
部材６に照射されるビームのバリー密度を増加させるこ
とができる。また別の方法としてレーザビームの入射ピ
ームロ径を大きくする方法やレーザ発振器を変更して短
波長のレーザビームが放出されるようにすることによっ
ても最果光点５におけるビームスポット径を小さくでき
、その結果として照射されるビームのパワー密度を増加
させることができる。

溶接工点の手順としてはビーム照射に先立ち、ガス導入
ロアよりＡｒガス等の不活性ガスをシールドガスとして
流し入れる。このシールドガスはレーザ溶接中に集光レ
ンズ４の下面が汚染されるのを防止する役割も兼ねてい
る。その後、レーザビーム３を溶接対象部材６に照射し
て溶接ビード８を形成し、図示しない移動テーブルによ
って溶接対象部材６を移動させることにより溶接を進行
させ、所定の位置で溶接を終了する。

前述のごとくアルミニウム系材料はレーザビームの吸収
率が低いためステンレス鋼や軟鋼等で用いているレーザ
照射条件では十分な溶融が得られず、これを解決する方
法として従来は種々の表面性状改善策を施しビーム吸収
率を高めていた。しかしその対策が溶接金属中への不純
物混入を引き起こし、高品質溶接継手が得られなかった
。これに対し本発明者らは詳細な実験の結果、アルミニ
ウムと反応しない不活性ガスを用い、かつ事前に特殊な
表面処理をすることなく溶接対象部材６の表面に与える
レーザビームのパワー密度を所定の値以上にすることに
より、アルミニウム系材料を溶融させられることを発見
した。第１図の例ではレーザビームに００２レーザを用
いシールドガスとしてアルゴンガスを用い、集光レンズ
にはＺｎ５ｅ製焦点距離５インチのレンズを用い前述し
たように最装光点を溶接対象部材６の表面上に設定して
いる。レーザ出力は３ＫＷ、加工速度は２０００　ｖｔ
ｎ　／　ｍｉｎとした。このときパワー密度はｌＸｌ０
’す／ｄであつた・ 以上の施工条件にて、溶接対象部材に対し特殊な表面処
理なしに脱脂洗浄を行なった後、不活性ガスを用いたレ
ザー溶接方法によるアルミニウム及びアルミニウム合金
への適用性を検討した。得られた結果の一部をまとめて
第１表に示す。なお相合判定は溶接ビードの外観、母材
に対する溶接継手効率等から総合的に決定した。

第１表 Ａｌ、Ａ２は工業用純アルミニウムであり、高強度は呈
さないものの不純物を含まない健全な溶接金属が得られ
ており、母材に対する溶接継手効率は十分である。

次にＢ　１　、、Ｂ　２はＡＱ−Ｃｕ系合金のうちＭｇ
量が低く抑えられたものである。溶接ビードの外観、溶
接金属中の成分変化、溶接継手効率のいずれも良好であ
り、高強度を有するアルミニウム合金溶接継手が得られ
ている。

さらにＢ２はＡＱ−５ｉ−Ｍｇ系合金のうちＭｇ１ｔが
低く抑えられたものでありＢ１と同様に良好な結果が得
られ、高強度を有するアミルニウム合金溶接継手が得ら
れている。尚、溶込み深さはいずれも約３ｒ＠である。

以上のように溶接対象部材としてＭｇ含有量が０．８ｗ
ｔ％以下のアルミニウム及びアルミニウム合金を用い、
シールドガスを不活性ガスとし、特殊な事前の表面処理
を行わずレーザビーム照射に当っては溶接対象部材上の
ビームパワー密度を溶融が起こるレベルまで増加させて
レーザ溶接を遂行するようにしたので、溶接金属中の不
純物混入はなく、また母材に対する溶接金属の成分変化
もないため十分な溶接継手効率の得られるレーザ溶接方
法及びレーザ溶接部品が提供できる。また長時間の真空
排気が必要な電子ビーム溶接に比べて生産性が向上し、
大型の溶接部品にも対応することができる。

次に本発明によるレーザ溶接方法の他の実施例について
説明する。

ここではシールドガスとしてアルゴンとヘリウムの混合
ガスを採用している。集光レンズにはＺｎ５ｅ製焦点距
離７．５インチのレンズを用い、最集光点を溶接対象部
材の表面下ｉｎｎに設定している。

の各アルミニウム系材料に対しＣＯ２レーザ溶接を施し
、評価試験を行なった。いずれも溶接ビート外観、溶接
金属中の成分変化、溶接継手効率の各評価は良好であり
健全な溶接部であることが確認されている。尚、ここで
与えたパワー密度は１．４Ｘ１０’Ｗ／ａ＋ｔであった
。

以上の他にレーザビームとしてＣ０２レーザやＴＡＧレ
ーザを用いても同様の溶接結果は得られる。また集光光
学系として集光レンズに代えて凹面鏡を用いても同穣効
果は得られる。また必要に応じ溶加材を用いて溶接して
も同様の効果は得られる。

第２図は前述のレーザ溶接方法を用いて製作した溶接部
材の一実施例を示す超大型加速器の胴である。数メート
ルにも及ぶ胴は従来電子ビーム溶接されていたがその真
空チャンバーの真空排気時間は非常に長く生産性はきわ
めて低かった。これに対し前述のレーザ溶接法で製作し
た部品は電子ビーｌ、溶接法と同等の溶接継手品質を有
しており、生産性が向上し低コスト化が実現できる。ま
た、超大型加速器の胴に限らず種々の製品に対しても大
きさに制限されることなく良質の製品が得られる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、溶接対象部材として
Ｍｇ含有量が０．８ｗｔ％以下のアルミニウムまたはア
ルミニウム合金を用い、溶接前の特殊な表面処理は行な
わずシールドガスを不活性ガスとし、レーザビーム照射
に当っては溶接対象部材上のビームパワー密度を溶融が
起こるレベルまで増加させてレーザ溶接を遂行するよう
にしたので。

溶接金属中の不純物混入はなく、また母材に対する溶接
金属の成分変化もないため、十分な溶接継手効率や高い
品質の溶接部を得られるアルミニウム系材料のレーザ溶
接方法が提供できる。また本溶接法により低コストに高
品質な溶接部品が提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるアルミニウム材料のレーザ溶接方
法の一実施例を示す説明図、第２図は本発明による溶接
部品の一実施例を示す概略図である。 １・・・発振器、　　　　　　２・・・ウィンドウ、３
・・・レーザビーム、　　４・・・集光レンズ、５・・
・レーザビームの最集光点、 ６・・・溶接対象部材、　　７・・・ガス導入口、８・
・・溶接ビード、 ９　・・胴。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　第子丸　　　健

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）Ｍｇ含有量が０．８重量％（ｗｔ％）以下のアルミ
   ニウムまたはアルミニウム合金を被溶接部材とし、この
   被溶接部材に対して不活性ガスをシールドガスとし、前
   記被溶接部材上のビームパワー密度を前記被溶接部材の
   溶融が生ずるレベルに増加させたレーザビームを照射し
   て溶接することを特徴とするアルミニウム系材料のレー
   ザ溶接方法。 ２）素材をＭｇ含有量を０．８ｗｔ％以下のアルミニウ
   ム及びアルミニウム合金とし、溶接に際して不活性ガス
   をシールドガスとし、溶接時の被溶接部材上のビームパ
   リー密度を溶融が生ずるレベルまで増加させたレーザビ
   ームを照射して溶接されたことを特徴とする溶接部品。