JPH05155B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は鋼帯の溶接接続方法に係わり、鋼帯の
板厚が薄くても溶接が容易でかつすぐれた溶接継
手性能が得られる鋼帯のレーザー溶接方法に関す
る。

珪素鋼板、冷延鋼板等の鋼板の製造ライン例え
ば酸洗ライン、冷間圧延ライン、焼鈍ライン等に
おいては、先行の鋼帯と続行の鋼帯は溶接接続さ
れ連続的に通板され処理される。各ラインでの処
理を円滑に行なうには溶接部に起因する板破断等
のトラブルを発生させないことが重要である。

また例えば鋼帯がコイル状に捲かれたとき、溶
接部が他に押圧力を与え押し疵等の欠陥を生じせ
しめないようにする必要もある。

（従来技術） 従来の鋼帯の溶接方法としては、例えばTIG溶
接がある。これはタングステン電極と鋼帯との間
にアークを発生させて溶接接続するものであり、
入熱が比較的大きいため熱延鋼帯の如く板厚の厚
いものには問題は少ないが、一方、低入熱コント
ロールが難しく、薄い鋼帯では溶け落ちが発生
し、溶接接続不良となつたり、あるいは溶接はで
きても熱影響部大で曲げ力が作用したとき折れが
発生しやすい。また溶接部厚みも大となり後手入
に手間を要する。さらに溶接前の鋼帯の突合せ溶
接該当部は、機械的な剪断精度をよくし、かつ精
度よく突合せる必要があり、この点の作業に熟練
と時間を要する。

この他に例えば特開昭54−32154号公報にみら
れるようにレーザー溶接がある。レーザー溶接は
レーザーの高エネルギー密度という特性を活用し
て鋼帯を低入熱で溶接接続するもので、CO₂レー
ザー溶接法が一般的である。前記公開公報による
と溶接部の余盛なしに溶接接続できるという利点
があるが、一方、レーザービームは高エネルギー
密度を得るため、非常に小さく絞り込んだ状態で
鋼帯の突合せ部に投射されるので、この突合せ面
は隙間（ギヤツプ）が生じないように剪断と突合
せ精度は厳しく要求され、この点の作業性の問題
が依然としてある。この剪断と突合せ精度の緩和
を図るために、レーザービームの焦点を突合せ面
からずらすと（Deforcus）エネルギー密度が減
少し溶接不良なる。

このようなレーザー溶接の問題の対策として、
例えば特開昭57−106487号公報に提案されている
如く、突合せ溶接を行なうにあたり、突合せ部の
開先間隙に鉄粉末の如き強磁性体粉末を充填し、
次いで磁場を印加しレーザー溶接する方法があ
る。

これによると溶接不良は減少するであろうが、
溶接作業が繁雑になり、装置的にも複雑化する。

（発明の目的） 本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、鋼
帯の突合せ溶接該当部の剪断精度、突合せ精度が
緩和され溶接が容易でかつ鋼帯は薄物であつても
すぐれた溶接継手性能が得られ例えば冷延破断等
が少ない鋼帯のレーザー溶接方法の提供を目的と
する。

（発明の構成・作用） 本発明者らはレーザービームによる鋼帯の突合
せ溶接について詳細な検討を行ない、前記目的を
達成するすぐれたレーザー溶接方法を発明した。

以下詳細に述べる。

まず本発明者らはレーザービームによる鋼帯の
突合せ溶接について検討した。これを鋼帯の突合
せ溶接断面を説明の便宜上拡大して示す第１図を
参照して述べる。

第１図においてｔ＝板厚、ｄ＝突合わせギヤツ
プ、ｌ＝溶融ゾーン（レーザービーム投射範囲）
である。いまｄのギヤツプを持つて突き合わされ
た鋼帯１−１，１−２の溶融ゾーンｌを溶融し、
突合わせ溶接した後のビード断面形状が破線の状
態になつたとする。これを以後の説明を簡単にす
るために斜線を施こした形状になつたと仮定す
る。この場合、下記の式が成り立つ。

ｄ＝（ｔ＝2Δt）＝（ｌ−ｄ）×2Δt … ここで、2Δtは母材板厚と溶接後のビードの板
厚の差である。上記式を溶融ゾーンｌについて
解くとｌ＝ｄ×ｔ／2Δt……(2)となる。いま、板
厚ｔがｔ0.30mmの薄い鋼帯を溶接する場合を想
定し、溶接後の継手性能（曲げ強度、引張強度
等）が劣化しない片側の前記板厚差Δtの値を経
験上１／10tとすれば(2)式よりｌ＝5dの式が導か
れる。更に溶接該当部の剪断精度、突合わせ精度
の緩和を考慮し突合せギヤツプｄを、ｄ＝１／２ｔ とすれば溶融ゾーンｌはｌ＝５／２ｔが必要となる。

ちなみに板厚ｔ＝0.30mmの鋼帯であれば溶融ゾー
ンｌはｌ＝0.75mm必要である。

ところが現状のCO₂レーザー発振器ではその波
長特性、レンズ焦点距離、レンズ前ビーム径等か
ら集光スポツト径φは0.20mm以下が一般的であ
り、そのゆえに溶融ゾーンｌに相当するφ0.75mm
の集光スポツト径を得るために焦点位置よりレン
ズ側或は反レンズ側の位置に溶接面をもつてくる
いわゆる面溶接法をとることになる。

しかしこの方法を採用した場合、溶接面でレン
ズの焦点がズレ（Defocus）しているので溶接面
におけるレーザービームのエネルギー密度が低下
することになる。そこでレーザーの発振出力パワ
ーを上げるか溶接速度を低下させ、鋼帯を溶融に
至らしめなければならないが、これには次の問題
が生じることをつきとめた。

即ち、CO₂レーザーは波長が1.06μｍであるた
め、溶融する前の鋼帯への吸収率が非常に小さく
（約10％）、なかなか溶融に至しめられないこと、
又溶融に至らしめた後においては、溶融状態の金
属に対するビームの吸収率が100％に近い値にな
ることから、溶融する前に投入していたパワーで
は大きすぎ（溶融する前の溶接スピードでは遅す
ぎ、結果としてパワー過大の状態となる）、溶融
部が溶け込み溶接欠陥を生じることになる。これ
は特に板厚が0.4mm未満の鋼帯の突合せ溶接の場
合に生じる。

そこで本発明者らは溶融前の鋼帯に対するビー
ム吸収率向上について、レーザービームの波長特
性に着目した。すなわち、CO₂レーザーの波長
10.6μｍに対し、可視光に近いレーザーを種々検
討し、その中で最も溶接性に優れたYAGレーザ
ーによる溶接法を開発したのである。即ちYAG
レーザーの波長は1.06μｍで、CO₂レーザーに対
して溶融前の鋼板に対するビーム吸収率が４倍以
上に達することをレーザーパワー、溶接速度、突
合わせギヤツプ、加工レンズ焦点距離などの条件
を変化させた実験より知見した。

さらに、YAGレーザー溶接によると、溶融前
の鋼帯に対するビーム吸収率と溶融状態にある鋼
帯へのビーム吸収率の格差を縮小できるととも
に、レンズの焦点位置よりレンズ側或は反レンズ
側の位置に溶接面をもつてくる溶接方法において
も不都合なく鋼帯の溶接が可能となることを見出
した。そこでCO₂レーザーよりも短波長である
YAGレーザーの波長に基づく、溶接前の鋼帯に
対するビーム吸収率が高いことを利用すれば、
0.4mm未満の鋼帯の端面同士の突合せ溶接が、パ
ワー過大のために溶融部が溶け込み溶接欠陥を生
じるということなしに、可能であることを確か
め、本発明を創案したものである。

（実施例） 以下に実施例を述べる。

板厚0.200mmの冷延鋼帯を本発明のYAGレーザ
ーによる突合せ溶接と従来のCO₂レーザーによる
突合せ溶接を次の条件にて行つた。

(1) 溶接条件 レーザービーム出力＝600W 溶接速度＝６ｍ／分 突合せ部のギヤツプ＝60〜70μｍ 溶接の後、溶接接続部について破壊に至るまで
の繰返し曲げ回数を調査した。なお、曲げ曲率Ｒ
は５mmで90゜曲げにて行つた。

その結果を第２図に示すが、本発明のYAGレ
ーザー溶接によると突合せ部のギヤツプが60〜
70μｍと大きいにもかかわらず、溶接接続は十分
であり、繰返し曲げ回数がCO₂レーザー溶接にく
らべ著るしくすぐれている。

さらに溶接接続部の断面組識を調査し、その断
面組織を第３図に示す。この図においてａは
YAGレーザー溶接の場合でｂはCO₂レーザー溶
接の場合である。２は母材部、３は溶融部であ
る。これより、YAGレーザー溶接による溶接継
手が、CO₂レーザー溶接による継手よりも溶融部
の巾が3.5〜４倍に達しており、YAGレーザー溶
接は面熱源的に熱を与え溶接できることが明らか
で、Defocus状態で溶接した効果が明確に現われ
ている。このことは溶接時の突合せ精度を緩和で
きることに外ならず、当然ながら剪断精度も緩和
される。

また、前述の如くYAGレーザー溶接では面熱
源的に突合せ溶接できるので、薄い鋼帯であつて
も確実にかつ作業性が容易にして溶接される。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザービームによる鋼帯の突合せ溶
接の検討を説明するための図、第２図は本発明の
１実施例における繰返し曲げ回数の調査結果を示
す図、第３図は本発明と従来法の溶接接続部の断
面組織を示す写真図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 板厚0.4mm未満の鋼帯の端面同士の突合せ面
   に、YAGレーザーをデフオーカス状態で投射し
   て突合せ溶接することを特徴とする鋼帯のレーザ
   ー溶接方法。