JPH03198991A - Ｙａｇレーザによる極薄金属パイプの製造方法及び装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、厚さ３０〜１５０μｍの極薄金属箔のＹＡＧ
レーザ溶接によるパイプの製造方法とその装置に関する
ものである。

［従来の技術］ 現在、鋼板からのパイプの成形は特開昭５８−１６７旧
号公報に見られるように、数段のスクイズロール、フィ
ンバスロールといったロール群によっておこなわれてい
る。この様な方法をそのまま極薄金属箔に適用すると、
成形過程に於いて挫屈を起し安定した成形及び突き合せ
を行う事は困難である。また、成形過程でのパイプの保
持が不十分なため溶接中にパイプにねじれか起り安定し
た溶接を行うことも出来ない。

第３図はフープ材から連続的に成形と溶接の加工を行っ
てパイプを製造する従来の溶接法の模様を示した概念図
である。コイルから巻戻されたフープ材はその端部２が
互いに相対するようにフープ材の進行につれて連続的に
成形加工を行う。端面が会合する近傍には楔形状部が成
形され、その部分がレーザ照射部４であり、上部よりレ
ーザビームを照射し、溶接を行いパイプが製造される。

なお、溶接位置でのフープ材の端部は部分拡大図に示す
ように、端部面３ａと３ｂが互いに突き合せの状態にな
っている。

この場合衝合部の溶接をＴＩＧ等の電気溶接で行うこと
は、溶接点のパイプエツジ端面のエツジ条件の正確な調
節、ギャップ及びオフセット条件の正確な調節、突き合
せの正確な調節ならびに厳しい入熱制限が要求される極
薄金属箔には適さない。また熱影響層も大きいため溶接
性の点で問題かある。ざらにレーザ溶接に於いても上記
のエツジ、ギャップ、オフセット、突き合せ条件の正確
な調整、及び厳しい入熱制限のために、極薄金属箔の溶
接においてはレーザの照射位置ならびにビーム径、パワ
ーを正確に限定する必要がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、極薄金属箔を成形加工と溶接によりパイプ化
する際の挫屈の起こらないスムーズな成形が出来、電気
溶接及び従来のレーザ溶接法では克服出来ない厳しいエ
ツジ条件、オフセット条件、突き合せ条件ならびに入熱
条件の問題を克服し、溶接熱影響層の少ない品質の良い
極薄金属箔パイプが得られる製造方法と装置を提供する
事を目的としてしする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記の目的を達成するためになされたものであ
り、その要旨とするところは、極薄金属箔を連続的に成
形して相対する突き合せ端面を楔形状に収束させ、該楔
形状部にレーザを照射して溶接する極薄金属箔パイプの
製造方法において、極薄金属箔両端部を楔状部に突き合
せ管状に成形し、楔形状部のギャップが極薄金属箔の板
厚の１倍以上５倍以下になる点にデフォーカスＹＡＧレ
ーザビームの中心を一致させて照射し、端面から板厚の
２〜１０倍の領域を溶融し、溶融端面を凝固直前に押し
付けて溶接を完了させる方法と、さらに上記造管方法に
おいて、成形方法か予め極薄金属箔表面にスリット状の
疵を付し、テーパーのあるマンドレルに押さえ板とカリ
バーロールでもって極薄金属箔を巻き付け、相対するス
クイズロールで両端面を近接せしめ、さらに端部を押さ
えロールでマンドレルに押し付け、該楔形状に成形する
成形方法と、 ８ｉｆ＃金属箔の表面と接触して高速で回転する研磨ロ
ールと、パイプ形成直前の極薄金属箔の内部に心棒とし
て設置され頂角０．３６〜５ｍのテーパーのあるマンド
レルと、極薄金属箔を外側から該マンドレルに巻き付け
るため半円状の切り込みのある押さえ板と、極薄金属箔
をマンドレルに巻き付け回転移送するカリバーロールと
、極薄金属箔の移動方向に対して角度をもって設置され
、極薄金属箔の両端部を接近せしめるスクイズロールと
、極薄金属箔端部の段差を解消するための押さえロール
と、極薄金属箔の収束部に成形する楔形状部をデフォー
カスで照射するＹＡＧレーザビームの発生装置と光学系
とを備えたことを特徴とするＹＡＧレーザによる極薄金
属箔パイプの製造装置とにある。

［作用］ （１）本発明のパイプ製造方法の成形加工は第１図に示
すような、極薄金属箔を連続的に成形して相対する突き
合せ端面を楔形状に収束させ、溶接箇所においてエツジ
端面のオフセットが板厚の３０％以下に納まる成形方法
であればどのような方法にも適用出来るが、以下に述べ
る成形方法はさらに溶接箇所でのエツジ端面のオフセッ
ト等が小さく糾持できるので望ましい。

（２）第１図は本発明を実施するために用いた装置全体
の概略を示す斜視図であり、第２図はその主要部を拡大
して示した斜視図である。この装置の構成治具は、それ
ぞれ以下のような働きをする。

■研磨ロール５ニ砥粒、ショツトブラスト、サンドブラ
スト、液体ホーニング、あるいは球状粒子を固着した不
織布を成形してなる弾性ホイールのロールである、高速
で回転させ、極薄金属箔の外表面に接触させることによ
り極薄金属箔の外表面にスリット状の疵を付けることが
できる。

■マンドレル６：へアライン加工で湾曲を付けた極薄金
属箔を挫屈しないように意図するＶスロート角θ（約１
〜１５ｍ）に成形する。

■押さえ板７：極薄金属箔のマンドレルへの巻き付けを
密にする。

■カリバーロール８：極薄金属箔のマンドレルへの巻き
付けを密にする。また回転することにより極薄金属箔パ
イプを送る。

■スクイズロール９：極薄金属箔のマンドレルへの巻き
付けを密にする。また極薄金属箔の送り方向に対して角
度をもっているので、このロールが回転すると極薄金属
箔の両エツジが内側に寄せ合わされることになる。

■押さえロールｌＯ：極薄金属笛の両端部の高さを揃え
オフセットを減少させる。

また、この装置によりフープ材は以下にのべるような過
程で成形される。

■極薄金属箔の前加工：研磨ロール５にて極薄金属箔の
片側表面に一方向へスリット状の疵を付ける。極薄金属
箔に対する前加工の効果は以下のとおりである。フープ
状の極薄金属箔をそのままパイプ状に成形しようとする
と、どうしても挫屈の危険を免れる事が出来ない。これ
を避けるには、極薄金属箔自体に前加工を施し、成形時
の負担を軽くすればよい。即ち、極薄金属に一方向へス
リット状の疵を付し、応力歪を付けてあく事によって、
成形を行わなくとも極薄金属自体が自然にある曲率をも
って丸くなる様に加工しておくのである。この事により
成形時の挫屈の発生を抑制することが出来る。

■前加工された極薄金属箔は、マンドレルに巻き付けら
れる事により意図するＶスロート角θをもつパイプ状に
成形される。

■マンドレルに巻き付けられた極薄金属箔は、押さえ板
・スクイズロール・カリバーロールにより押さえられ、
マンドレルに一層緊密に巻き付けられる。

■マンドレルを出た極薄金属箔の両端部は、スクイズロ
ールにより内側に引き寄せられ突き合わされる。

（３）第４図及び第５図はデフォーカスＹＡＧレーザビ
ームによるソフト溶接法の概念図である。図の様にＹＡ
Ｇレーザをデフォーカスにて極薄金属箔の開先のギャッ
プが板厚の１倍以上５倍以下に開いたところに照射し、
極薄金属箔の両端面を板厚の２〜１０倍の幅にわたり溶
融させ溶は落ちの無い溶接を行う。この時、極薄金属箔
の両端溶接部の幅手両端部のギヤツブ長ｇ＝ＹＡＧレー
ザのビーム径りとなっている。

レーザの照射位置を開先ギャップが板厚の値未満に位置
すると、突き合せ点に照射するのと同様になり、よく知
られているように端部のオフセットを板厚の１０％以下
の精度にする必要があり、これは極薄金属箔に対しては
非常に高度な技術が要求され、実行する事は困難である
。また、板厚の５倍の値を越える位置では２両端部が離
れすぎているために上手く突き合わせる事が出来ず良好
な溶接が出来ない。また、端面からの溶融領域が板厚の
２倍未満では不十分な溶接となり、それが１０倍超では
過剰な溶融となり溶は落ちが生じる。

また、本発明においては、溶接においてデフォーカスＹ
ＡＧレーザビームを用い、かつ極薄金属箔の溶融幅を制
御する事で端部のオフセットを板厚の３０％以下に成形
する事とし、従来の値の３倍程度に拡大しているが、そ
れでも端部のオフセットが板厚の３０％よりも犬きくな
ると、突き合せの際にずれが生じ、ハンピング等の溶接
欠陥が起こる。このため端部のオフセットは３０％以下
にする方かよい。

（４）−旦ＹＡＧレーザによって溶接が完成すると、Ｙ
ＡＧレーザに対して金属箔パイプが移動する過程で溶接
されたパイプの開先の突き合せ点自体が後部の両端面を
引き合わせる力を発生させる。パイプに無理な力を加え
る事無く溶接を行うので、パイプの捩れ等動きを減少さ
せる事か出来溶接中の目外れか起こるのを防ぐ。このよ
うにパイプに無理な力を加える事無く溶接を行うのでパ
イプの捩れ等の動きを減少させることが出来、溶接中の
目外れが起こるのを防ぐことが出来る。

（５）ＹＡＧレーザをデフォーカスビームにて照射し溶
接するには以下に述べるような利点がある。

第６図は金属鋼板の波長吸収特性を示したものである。

ＣＯ，レーザはその波長がＩＯ，６＃Ｊｍと長く、第６
図に示す様に金属に対して鏡面反射となり、レーザ光の
吸収率は１０％以下と非常に低い。この為レーザパワー
を高密度に収集し照射する必要があり、いわゆるキーホ
ール溶接を行わなければならない。しかし、キーホール
溶接の場合、ビームスポットが小さくなるので突き合せ
精度に非常に厳しい制約が課せられる。そうすると、板
厚１５０μ−以下の場合オフセットが約１０３４１１と
なり、これを達成するのは現状の技術では困難である。

これを避ける方法としてデフォーカスビームによる溶接
法がある。しかしこの場合は、レーザの吸収率の特性と
して溶融状態（１００％）と非溶融状態（５〜１０％）
での吸収率の差が１０倍近くなる。そのためＣＯ□レー
ザでデフォーカス溶接（低密魔人熱溶接）を行うとする
と入熱吸収の効率の変化が激しく（１：１０）、溶接中
に入熱の状態が周期的に変わるという事になり、ハンピ
ング現象や、溶は落ち現象の原因になる。

これに対しＹＡＧレーザは、前述したＣ０２　レーザに
比べて波長か１．０６ＪＪＩｌｌと１０分の１であり、
第６図に示した様に鋼板に対する吸収率は約４０％であ
る。この為、先に述べた溶融の前後での吸収効率の変化
が１：２．５と比較的小さくなるので、突き合せ精度を
緩和できるデフォーカスビームによる”面熱源的レーザ
ビーム溶接法”が適用出来る。

このようにＹＡＧレーザを用いる事により、極薄金属箔
の溶接に対してハンピング現象、溶は落ち現象の無い溶
接を行う事が出来ることになる。

（６）デフォーカスビームによる面熱源的溶接法による
成形条件の緩和は以下のような理由による。

■第４図ギャップｇが板厚の２倍程度あるところにレー
ザを照射することで、突き合せ点で極薄金属箔を溶融さ
せる場合に比べつき合う範囲が広くなるので（第７図）
オフセットの条件（板厚の１０％以下）が緩和される。

■突き合せ点の状態（Ｍｉ薄全金属箔両端部の重なり具
合い）が微妙に変化しても、そのために起こる熱容量の
微妙な変化には左右されず熱の没入が行えるため、ハン
ピング・溶は落ちのない溶接を行える。

この方法によりギャップ及びオフセットの許容値（板厚
の１０％以下）が大幅（２〜３倍）に拡大出来る。

［実施例］ ・第１図に示すような装置を用いて厚さ３０〜１５０ｕ
ｍの金属箔をパイプ状に成形し、ＹＡＧレーザを使って
溶接を行った。

上記実施例における疲労試験の手順は以下のとおりであ
る。第９図に示す様に溶接した極薄金属箔パイプをその
溶接ビードを含む様にＷ　：　ＩＯｍｍＸβ：　４０＋
ｎｍの短冊状に切りとり、第１０図に示す様に角の曲率
Ｒが０．５ｍｍである二枚の鋼板の角に溶接ビードが倣
う様に挟み込み、前後に９０度ずつの縁り返し曲げを行
う。リファレンスとして、極薄金属箔の母材に対しても
同じ実験を行う。第８図のグラフはこの実験における破
断回数をプロットしたものである。

・ステンレス鋼板ＳＯ５：１０４　（板厚０．１５ｍｍ
）をＹＡＧレーザを板の表面でのビーム径［１φ、出力
２００Ｗで、パイプの突き合せギャップが０．３ｍｍの
ところに照射し溶接を実施したところ、溶は落ち欠陥の
無い溶接が溶接速度２．５ｍ／ｍｉｎで得られた。また
、ビードの厚みは母材厚の１２０％以下であり、縁り返
し白げによる疲労破壊テストでも５０回以上と良好な結
果が得られた。

・上記と同様ステンレス鋼板５ＵＳ３０４　（板厚０．
ＩＯｍｍ）に対しＹＡＧレーザを板の表面でのビーム径
１　ｍｍφ、出力１５０Ｗで、パイプの突き合せギャッ
プが０．２ｍｍのところに照射し溶接を実施したところ
、溶は落ち欠陥の無い溶接が溶接速度３．０ｍ／ｍｉｎ
で得られた。また、ビードの厚みは母材厚の１２０％以
下であり、縁り返し曲げによる疲労破壊テストでも４０
回以上と良好な結果が得られた。

・−Ｆ記と同様ステンレス鋼板ＳＯ５：１０４　（板厚
０．１５ｍｍ）に対しＹＡＧレーザを板の表面でのビー
ム径１＋ｎｏ＋φ、出力２００Ｗで、パイプの突き合せ
ギャップが０．３ｍｍのところに照射し溶接を実施した
ところ、溶は落ち欠陥の無い溶接が溶接速度２．０ｍ／
ｍｉｎで得られた。また、ビードの厚みは母材厚の１２
０％以下であり、繰り返し曲げによる疲労破壊テストで
も３０回以上と良好な結果が得られた。

・同条件の実験を５ＵＳ３０４、及びＴＩＧ溶接部に対
して行ったところ、それぞれ、母材部は破断回数７０回
、ＴＩＧ溶接部は破断回数３７回であった。

・上記実施例において溶接のビード幅を測定したところ
、従来のＴＩＧを用いた方法によるとビード幅は約４０
０１であったが、本発明にょるＹＡＧレーザを用いた方
法によると、ビード幅は約１００ＪＪＯＩと４分の１に
なった。

［発明の効果］ 本発明の方法及び装置により以下のような効果を得るこ
とができた。

■極薄金属箔自体に、前加工を施し、成形時の挫屈を防
ぐ事ができる。

■マンドレルを用いた巻き付け成形であり、ロールフォ
ーミング法の様に、中空成形ではないので、挫屈が起こ
らない成形が可能となる。

■スクイズロールにより、突き合わせ部の極薄金属箔の
両端部の制御が正確に行える。

■ＹＡＧレーザを極薄金属箔の両端部の開先が開いたと
ころにデフォーカスで照射し、溶は落ち、ハンピング等
欠陥のない溶接を行う事ができる。

以上の様に、本発明によって従来は得られなかフた様な
極薄の金属箔のパイプの溶接が溶は落ち、溶接欠陥を発
生させることなく安定して実施することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は本発明の実施に用いた装置例の概略図
である。第３図は従来の鋼管の製造におけるレーザ溶接
の概念図である。第４図はＹＡＧレーザビームの集光状
態、照射法の概念を示した斜視図である。第５図は第４
図の平面図である。 第６図は金属鋼板の吸収率特性を示すグラフである。第
７図は本発明による極薄金属箔のパイプへの成形・溶接
時の成形条件の緩和を示す模式図である。第８図は実験
で得られたパイプの溶接部の曲げ試験の結果を示すグラ
フ、第９図（ａ）　（ｂ）は実施例で用いた試験片の側
面図と正面図である。第１０図は本発明実施例の実験の
態様の正面図である。 １・・・極薄金属箔、２・・・端部、３・・・端面、４
・−ＹＡＧレーザ照射位置、５・・・研磨ロール、６・
・・マンドレル、７・・・押さえ板、８・・・カリバー
ロール、９ニスクイズロール、１０・・・押さえロール
、１１・・・ＹＡＧレーザビーム、１２・・・レンズ、
１３・・・デフォーカスビーム、１４・・・溶接位置、
１５−・・溶融状態部、ｌ　６−・・溶接ビード、１７
・・・ＹＡＧレーザビームスポット、Ｄ・・・照射スポ
ット径、ｄ・・・溶融幅、ｇ・・・開先ギャップ、θ・
・・開先角度

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、極薄金属箔を連続的に成形して相対する突き合せ端
   面を楔形状に収束させ、該楔形状部にレーザを照射して
   溶接する極薄金属箔パイプの製造方法において、極薄金
   属箔両端部を楔状部に突き合せ管状に成形し、楔形状部
   のギャップが極薄金属箔の板厚の１倍以上５倍以下にな
   る点にデフォーカスＹＡＧレーザビームの中心を一致さ
   せて照射し、端面から板厚の２〜１０倍の領域を溶融し
   、溶融端面を凝固直前に押し付けて溶接することを特徴
   とするＹＡＧレーザによる極薄金属箔パイプの製造方法
   。 ２、予め極薄金属箔表面にスリット状の疵を付し、テー
   パーのあるマンドレルに押さえ板とカリバーロールでも
   って極薄金属箔を巻き付け、相対するスクイズロールで
   両端面を近接せしめ、さらに端部を押さえロールでマン
   ドレルに押し付けることを特徴とする請求項１記載のＹ
   ＡＧレーザによる極薄金属箔パイプの製造方法。 ３、極薄金属箔を連続的に成形して相対する突き合せ端
   面を楔形状に収束させる成形装置と、該楔形状部にレー
   ザを照射する溶接装置からなる極薄金属箔パイプの製造
   装置において、極薄金属箔の表面と接触して高速で回転
   する研磨ロールと、パイプ形成直前の極薄金属箔の内部
   に心棒として設置され頂角０．３゜〜５゜のテーパーの
   あるマンドレルと、極薄金属箔を外側から該マンドレル
   に巻き付けるため半円状の切り込みのある押さえ板と、
   極薄金属箔をマンドレルに巻き付け回転移送するカリバ
   ーロールと、極薄金属箔の移動方向に対して角度をもっ
   て設置され、極薄金属箔の両端部を接近せしめるスクイ
   ズロールと、極薄金属箔端部の段差を解消するための押
   さえロールと、極薄金属箔の収束部に成形する楔形状部
   をデフォーカスで照射するＹＡＧレーザビームの発生装
   置と光学系とを備えたことを特徴とするＹＡＧレーザに
   よる極薄金属箔パイプの製造装置。