JPH0747485A

JPH0747485A - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JPH0747485A
Application number: JP5213538A
Authority: JP
Inventors: Yasunobu Miyazaki; 康信宮崎; Masahiro Obara; 昌弘小原; Toru Saito; 亨斉藤; Nobutaka Yurioka; 信孝百合岡; Shunji Hiwatari; 俊二樋渡
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-08-06
Filing date: 1993-08-06
Publication date: 1995-02-21
Anticipated expiration: 2016-06-18
Also published as: JP3176778B2

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ溶接後、成形加工を施す鋼板部材の溶
接において、溶接部の成形性を向上させる方法を提供す
る。【構成】鋼板のレーザ溶接方法において、レーザ溶接
用のシールドガスとして酸素を０．５〜１０ｖｏｌ％含
有し、その他不可避的不純物を含むＡｒ、Ｈｅ、あるい
はＡｒ及びＨｅの混合ガスを使用する。【効果】レーザ溶接において必要とされる突き合わせ
精度および溶接線倣い精度を緩和できる。また、レーザ
溶接された鋼板の成形性を簡便にかつ大幅に向上させる
ことがきる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動車のボディなどの
部材のレーザ溶接方法に係わり、特にレーザ溶接後、成
形加工を施す鋼板部材の溶接において、溶接部の成形性
を向上させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高密度エネルギーレーザビームを照射し
て溶接するレーザ溶接方法は、溶接ビードが狭くその熱
影響の及ぶ範囲が小さいので、溶接歪を嫌う部材の溶接
方法として、また極めて高い溶接速度が得られるので高
速溶接方法として広く行われている。しかし、レーザ溶
接方法では、溶接ビードが狭く、溶接速度が極めて高い
ため、溶接ビード部が急熱急冷で硬化を起こして硬度が
大幅に上昇し、それにともなって成形性が大幅に低下し
てしまう。このため、レーザ溶接された鋼板からなる部
材に、溶接部を含めてプレス成形など塑性加工を施す
と、前記溶接ビード部から割れが入り易くなってしま
う。

【０００３】このような問題点を解決するために従来、
レーザ溶接するに際し予熱、後熱等の熱処理を施し、溶
接部の硬度上昇を抑える、あるいは特開昭６２−２７９
０９２号公報に開示されているごとく、極低炭素のフィ
ラーを供給して溶接部の成分組成を変更するなどの方法
が用いられてきた。しかし、前記のように予熱、後熱等
の熱処理を施す方法では、熱処理装置が必要になり設置
スペースを必要とするとともに、予熱、後熱のための電
力を要し生産コストが高くなるという問題があった。ま
た、予熱、後熱に時間がかかって溶接作業の速度が遅く
なり、熱歪が増加するため、レーザ溶接の特徴である高
速溶接、低歪溶接が損なわれるという問題があった。

【０００４】次に特開昭６２−２７９０９２号公報に開
示されているような極低炭素のフィラーを供給してレー
ザ溶接を行い、溶接金属の成分変更を行う方法にまつわ
る問題点を整理すると以下のようである。すなわち、フ
ィラーを供給してレーザ溶接を行う場合、レーザ光の集
光スポット径が小さいためにフィラー供給位置を微妙に
調整しなければならず、このため作業効率を著しく阻害
する。また、フィラーを用いて溶接金属の成分組成を変
更し溶接ビードの硬度上昇を抑制するためには、多量の
フィラーを供給する必要がある。このため、生産コスト
が高くなってしまう。

【０００５】ところで、溶接部の成形性は溶接部の硬さ
のみならず、溶接ビード幅にも依存する（溶接学会全国
大会講演概要第５２集２０２〜２０３ページ参
照）。したがって多量のフィラーを供給して溶接ビード
の硬度上昇を抑制しても、溶接ビードに供給された多量
の溶融金属が周囲の鋼板を溶融させ、このため溶接ビー
ド幅が広くなってしまい、そのため溶接部の成形性は溶
接部の硬度のみで期待されるほど改善されないという問
題点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
問題点に鑑み、溶接ビード幅を広くすることなく溶接ビ
ードの硬度上昇を抑制したレーザ溶接方法を提供するこ
とを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、鋼板のレーザ溶接方法において、レ
ーザ溶接用のシールドガスとして酸素を０．５〜１０ｖ
ｏｌ％含有し、その他は不可避的不純物を含むＡｒ、Ｈ
ｅ、あるいはＡｒ及びＨｅの混合ガスを使用してレーザ
溶接を行うことを特徴とするレーザ溶接方法である。

【０００８】

【作用】本発明は、レーザ溶接時のシールドガス中に酸
素を混入することにより溶接金属の硬さが低下し、かつ
溶接ビード幅が細くなるというメカニズムを利用し、レ
ーザ溶接後の成形加工性を向上させるものである。従
来、レーザ溶接においてシールドガス中に酸素を混入す
ることが行われなかったわけではない。例えば、特開昭
５８−１８４０８２号公報に開示されているものでは、
レーザビームで添加金属を溶かして溶接する際に、酸素
あるいは二酸化炭素を加えた混合ガスを用いることで、
レーザ誘起プラズマの生成を促し、添加金属の溶融を容
易ならしめる方法が開示されている。

【０００９】また、Ｚｎめっき鋼のレーザ溶接におい
て、酸素−アルゴン混合ガスを用いることでブローホー
ルの無い溶接部を形成する方法も知られている。しかし
ながら、特開昭５８−１８４０８２号公報に開示されて
いる方法は、レーザ誘起プラズマの生成を促すことを目
的としており、レーザ溶接後、成形加工を施す鋼板部材
の溶接において、溶接部の成形性を向上することを目的
としたレーザ溶接方法については何も開示されていなか
った。

【００１０】本発明者らはレーザ溶接においてシールド
ガス中に酸素を０．５〜１０ｖｏｌ％混入させること
で、溶接金属の硬さを低下することができることを確認
した。図１はレーザシールドガス中の酸素濃度と溶接ビ
ードの硬さの関係を図示したものである。この時使用し
た鋼材は炭素含有量０．００３ｗｔ％、０．０６ｗｔ
％、０．１ｗｔ％で、板厚０．８ｍｍの炭素鋼であり、
炭酸ガスレーザ光を４ｋｗ照射し、溶接速度６ｍ／ｍｉ
ｎで溶接を行った。

【００１１】図１より酸素濃度が０．５ｖｏｌ％以下で
は、溶接金属硬さを低下する効果の無いことがわかる。
一方、酸素濃度が０．５〜１０ｖｏｌ％の範囲内では溶
接金属の硬さを低下することに対しほぼ同等の効果が得
られている。この効果はシールドガス中の酸素が鋼中の
Ｓｉ、Ａｌ等と反応し、微細酸化物を形成することによ
り凝固初期のオーステナイト粒の成長を効率的に抑制
し、溶接金属組織の焼き入れ性を低下することによって
生じると考えられる。

【００１２】ところで、アーク溶接においても、酸素を
混合したガスがアークの安定性を向上させるために使わ
れているが、アーク溶接においてはレーザ溶接に比べ溶
接入熱が大きく冷却速度が遅いため、溶接中に生じた酸
化物は粗大化してしまい、オーステナイト粒の成長を抑
制する効果は得られない。また、酸素濃度が１０ｖｏｌ
％を越えると、溶接金属が酸化され溶接不良を引き起こ
すので溶接部の成形性を改善する効果はなくなる。

【００１３】レーザ溶接後プレス加工を行う場合、溶接
金属の伸びが不足して溶接ビードで破断することが多
い。これは硬化した焼き入れ組織である溶接金属の伸び
が母材の伸びに比較して低いためであり、溶接金属の伸
びは溶接金属硬さが低下すると大きくなり、硬さが高く
なると伸びは小さくなる。従って本発明により溶接金属
硬さが低下すると、溶接金属の伸びが母材に近づき、プ
レスなどの加工において溶接部で破断することはなくな
る。

【００１４】さらに、本発明者らはレーザ溶接において
シールドガス中に酸素を０．５〜１０ｖｏｌ％混入させ
ることで図２に示すように溶接ビードのレーザ照射側の
幅（表ビード幅）と反対側の幅（裏ビード幅）を均一化
する効果のあることを確認した。この時、使用した鋼材
は炭素含有量０．０５ｗｔ％で、板厚０．８ｍｍの炭素
鋼であり、炭酸ガスレーザ光を４ｋｗ照射し、溶接速度
１０、５、４、３ｍ／ｍｉｎで溶接を行った。

【００１５】図２より、表ビード幅は細くなり、裏ビー
ド幅が広くなることで表裏ビード幅が均一化されている
ことがわかる。この効果はシールドガス中にある酸素
が、溶融池内の溶融金属の対流現象を変化させることで
生じると考えられる。

【００１６】レーザ溶接では溶接ビードが細いために高
い突き合わせ精度、溶接線倣い精度が必要となるが、レ
ーザ溶接では通常、表ビード幅が広く裏ビード幅の狭い
溶接ビードが形成されることから、裏ビード幅の狭さが
高い溶接線倣い精度を必要とする原因となっている。し
たがって、シールドガス中に酸素を混入し溶接裏ビード
幅を増加させることにより、必要とされる突き合わせ精
度、および溶接線倣い精度を緩和することが可能とな
る。この効果はレーザ溶接後、成形加工を行う鋼板部材
の溶接だけでなく、単に必要とされる突き合わせ精度を
緩和することを目的として利用することもできる。

【００１７】また、必要とされる突き合わせ精度、およ
び溶接線倣い精度は高速度で溶接を行い溶接ビードが細
くなるほど高くなってしまうが、シールドガス中に酸素
を混入することで従来技術に比較してより高速で溶接を
行っても突き合わせ位置の倣い不良に起因する溶接不良
が生じないので、溶接ビード幅を狭くすることができ
る。その結果、溶接ビードの硬度低下に起因する効果以
上に、溶接部の成形性を向上させることができる。これ
は、母材に比べて伸びの少ない溶接ビードの幅が広くな
ると、溶接ビードの周囲の母材は溶接ビードの細い場合
に比べ、より大きな伸びの負担を強いられ加工硬化し、
溶接金属と強度バランスが取れたところで伸びの少ない
溶接金属部に破断が生じるためである。

【００１８】本発明は、板材の溶接において、フィラー
を供給する場合においても使用することができる。特
に、溶接部の溶融メタル不足を補うために少量のフィラ
ーを供給する場合には、フィラー添加にともなう溶接ビ
ード幅の増加もなく、優れた効果を発揮する。

【００１９】次にシールドガスの成分とガス流量につい
て述べる。レーザ溶接においてシールドガスを使用する
目的は２つあり、１つは溶融金属の酸化を防止すること
である。従って、シールドガスにはＡｒ、Ｈｅなどの不
活性ガスが使用される。本発明においても、溶融金属の
酸化を防ぐ目的からシールドガスの主成分はＡｒ、Ｈ
ｅ、あるいはこれらの混合ガスとし、混入する酸素濃度
は１０ｖｏｌ％以下とする。

【００２０】不活性ガスとしてはＮｅ、Ｋｒ等も存在す
るが、Ａｒ、Ｈｅに比べ高価であるため、通常レーザ溶
接でのシールドガスとして工業的に利用されることはな
い。また、シールドガス中にＮｅ、Ｋｒ等の不活性ガス
を混入してもなんら本発明の効果を損なうものではない
が、工業的利用を考えた場合には有効な選択であるとは
言えない。さらにＮ₂ 等、不純物ガス成分が１ｖｏｌ％
以下、特に０．５ｖｏｌ％以下混入する程度において本
発明の効果はなんら損なわれるものではない。

【００２１】レーザ溶接においてシールドガスを使用す
るもう１つの目的はレーザ誘起プラズマの抑制である。
溶接中、レーザ照射部分に生じるこのプラズマが過大に
成長するとレーザ光のエネルギーがプラズマ中で消費さ
れ、溶接できなくなる。したがって溶接中はガスを吹き
付けてプラズマを冷却してその成長を抑制し、またガス
流とともに押し流してプラズマで消費されるレーザエネ
ルギーを少なくする必要がある。

【００２２】上記目的において必要とされるガス流量
は、シールドガスを溶接部に吹き付ける方法によっても
大きく変化するが、本発明においても通常Ａｒ、Ｈｅあ
るいはＡｒとＨｅの混合ガスを用いて溶接する場合に必
要なガス流量と同じ程度でよい。たとえば、レーザ光と
同軸にシールドガスを吹き付ける、センターシールディ
ングでは、レーザ光とガスの出てくるノズルの穴径３ｍ
ｍで、ノズル先と鋼板表面との距離が８ｍｍである場
合、３〜３０リットル／ｍｉｎ程度のシールドガスを供
給してやれば良い。

【００２３】次にレーザの種類と溶接条件について述べ
る。本発明の効果はレーザの種類には依存せず、ＹＡＧ
レーザでも同様の効果が得られている。また、発振の方
法にも依存せず、連続発振以外にもパルス発振でも同様
の効果が得られた。また、溶接条件についても、通常レ
ーザ溶接を適用される範囲であれば特に限定はない。本
発明を適用する鋼材鋼種について、特に制限すべき理由
はない。

【００２４】

【実施例】本発明による、レーザ溶接部の成形性改善効
果を確認するために、液圧バルジ試験によりレーザ溶接
された鋼板の成形性の定量化を行った。用いた鋼材は板
厚０．８ｍｍで、炭素含有量０．００３２ｗｔ％の炭素
鋼であり、炭酸ガスレーザ加工機を用いて、レーザ照射
出力４ｋｗで溶接を行った。

【００２５】シールドガスとして酸素５ｖｏｌ％を含む
Ａｒガスを、センターシールドガスとして１０リットル
／ｍｉｎ供給して、溶接速度１０ｍ／ｍｉｎ（本発明例
１）、５ｍ／ｍｉｎ（本発明例２）、３ｍ／ｍｉｎ（本
発明例３）で溶接を行った。また、酸素３ｖｏｌ％を含
むＨｅガスを、センターシールドガスとして１５リット
ル／ｍｉｎ供給して、溶接速度１０ｍ／ｍｉｎ（本発明
例４）、５ｍ／ｍｉｎ（本発明例５）、３ｍ／ｍｉｎ
（本発明例６）で溶接を行った。さらに、比較のために
純Ａｒガス１０リットル／ｍｉｎを、センターシールド
ガスとして供給して、溶接速度１０ｍ／ｍｉｎ（比較例
１）、５ｍ／ｍｉｎ（比較例２）、３ｍ／ｍｉｎ（比較
例３）で溶接を行った。

【００２６】これらの結果を表１に示す。表１より、本
発明を利用することにより同じレーザ照射出力、溶接速
度で溶接しても、より柔らかい溶接金属、より細い溶接
ビードが得られ、その結果レーザ溶接された鋼板の成形
性を向上させることができることが確かめられる。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【発明の効果】本発明を利用することにより、レーザ溶
接において必要とされる突き合わせ精度および溶接線倣
い精度を緩和できる。また、レーザ溶接された鋼板の成
形性を簡便にかつ大幅に向上させることがきるので、特
にプレス成形を行う部品などにおいて、より複雑な形状
を成形することができる、溶接位置をより自由に選択す
ることができるなど、その産業上利すること甚大であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】各種鋼板をレーザ溶接した場合のＡｒシールド
ガス中の酸素濃度と溶接金属硬さの関係を示すグラフ

【図２】レーザ溶接においてシールドガスを変えたとき
の溶接速度と溶接ビード幅の関係を示すグラフ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者百合岡信孝千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内 (72)発明者樋渡俊二千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼板のレーザ溶接方法において、レーザ
溶接用のシールドガスとして酸素を０．５〜１０ｖｏｌ
％含有し、その他不可避的不純物を含むＡｒ、Ｈｅ、あ
るいはＡｒ及びＨｅの混合ガスを使用してレーザ溶接を
行うことを特徴とするレーザ溶接方法。