JPH0785837B2

JPH0785837B2 - Ｙａｇレーザによる極薄金属パイプの製造方法及び装置

Info

Publication number: JPH0785837B2
Application number: JP1336267A
Authority: JP
Inventors: 勝宏南田; 敦史杉橋; 俊樹鶴田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-12-27
Filing date: 1989-12-27
Publication date: 1995-09-20
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: JPH03198991A

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58−16781号公
報に見られるように、数段のスクイズロール、フィンパ
スロールといったロール群によっておこなわれている。
この様な手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が起り安定した溶
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態様を示した概念図
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
管状に成形加工を行う。端面が会合する近傍には楔形状
部が形成され、その部分がレーザ照射部４となり、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、溶接点のパイプエッジ端面のエッジ条件の正確な調
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
性の点で問題がある。さらにレーザ溶接に於いても上記
のエッジ、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
ッジ条件、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
事を目的としている。

［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、次の通りである。

（１）極薄金属箔を連続的に管状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、楔形状部に照射するレーザとしてデフォーカスされ
たYAGレーザビームを用い、このレーザビームの中心
が、楔形状部における対向する極薄金属箔両端部間のギ
ャップ内でかつ該ギャップが極薄金属箔の板厚の１倍以
上５倍以下になる範囲に位置するように照射すると共
に、レーザビーム照射範囲が金属箔端面から板厚の２〜
10倍の領域を包含するように照射して被照射部を溶融
し、相対する溶融端面を凝固直前に押しつけて溶接する
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）前記極薄金属箔を連続的に成形して相対する突き
合わせ端面を楔形状に収束させる方法が、予め極薄金属
箔表面にスリット状の傷を付し、テーパーのあるマンド
レルに押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、さらに端部を押えロールでマンドレルに押し付ける
ことであることを特徴とする（１）記載のYAG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
転し該金属箔表面にスリット状の疵を付する研磨ロール
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、該研磨ロールを上記構成要素の最上流に配し、ま
た、該カリバーロールと該押え板を該マンドレルの長さ
の範囲内に配し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。

［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管状に成形して相対す
る突き合せ端面を楔形状に収束させ、溶接箇所において
エッ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ッジ端面のオフ
セット等が小さく維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:砥粒、ショットブラスト、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。これを
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:ヘ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〜
15゜）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
の両エッジが内側に寄せ合わされることになる。

押さえロール10:極薄金属箔の両端部の高さを揃えオ
フセットを減少させる。

また、上記の装置により極薄金属箔のフープ材は以下に
のべるような過程で成形される。

（ａ）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、応力歪を付けておく事によっ
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。

（ｂ）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。

（ｃ）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。

（ｄ）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。図の様に楔形状
部に照射するためレーザビーム11をレンズ12を通してデ
フォーカスしたYAGレーザビーム13を用い、このレーザ
ビーム13の中心が、楔形状部における対向する極薄金属
箔１の両端部間のギャップｇ内でかつ該ギャップが極薄
金属箔１の板厚の１倍以上５倍以下になる範囲に位置す
るように照射すると共に、レーザビーム照射範囲が金属
箔端面から板厚の２〜10倍の領域αを包含するように照
射する。第５図で17がYAGレーザビームスポットであ
る。これによって被照射部を溶融し、相対する溶融端面
を凝固直前に押しつけて溶け落ちの無い溶接を行う。第
５図において、15は溶融状態部、16は溶接ビードを示
す。

この場合、第５図に示すように照射するデフォーカスレ
ーザビーム13のビーム径Ｄ、ビームスポット17の中心と
溶接位置（楔形状交点）14との距離Ｌ、突合せ角度θ、
その位置での極薄金属箔端部のギャップｇ、極薄金属箔
の厚みｔは以下のような関係にある。ｔ≦ｇ≦5t、tan
（θ/2）＝g/2L、2t≦（Ｄ−ｇ）/2≦10t、2t≦ｄ≦10t
となっている。また、レーザビームが円形でなく楕円な
どである場合については、パイプ進行方向に垂直な方向
のビーム径Ｄ′にたいして上記の関係のうちＤに関して
の式を2t≦（Ｄ′−ｇ）/2≦10tとなるように変更すれ
ば良い。

レーザの照射位置が、板厚の値未満の開先ギャップ内に
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に照射すると、
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、レーザビーム照射
範囲、即ち、金属箔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
溶融となり溶け落ちが生じる。

また、本発明においては、溶接においてデフォーカスYA
G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％よりも大きくなると、
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
がよい。

（４）一旦YAGレーザによって溶接が完成すると、YAG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、パイプの捩れ等の動きを減少させる
事が出来、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。CO₂レーザは
その波長が10.6μｍ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150μｍ以下の場合オ
フセットが約10μｍ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CO₂レーザでデフォーカス溶接（低密度入熱溶接）
を行うとすると入熱吸収の効率の変化が激しく（1:1
0）、溶接中に入熱の状態が周期的に変わるという事に
なり、ハンピング減少や、溶け落ち現象の原因になる。

これに対しYAGレーザは、前述したCO₂レーザに比べて波
長が1.06μｍ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、溶け落ち現象の無い
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図におけるギャップ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突き合わせる範囲が広くなるの
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（極薄金属箔の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投入が行えるため、ハンピ
ング・溶け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30〜150μｍ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６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:10mm×l:40mm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
ずつの繰り返し曲げを行う。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SUS304（板厚0.15mm）をYAGレーザを
板の表面でのビーム径1mmφ、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、溶け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、繰り返し曲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SUS304（板厚0.10mm）に対
しYAGレーザを板の表面でのビーム径1mmφ、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、溶け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、繰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。

・上記と同様ステンレス鋼板SUS304（板厚0.15mm）に対
しYAGレーザを板の表面でのビーム径1mmφ、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、溶け落ち欠陥の無い溶接が溶
接速度2.0m/minで得られる。また、ビードの厚みは母材
厚の120％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SUS304、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400μ
ｍであったが、本発明によるYAGレーザを用いた方法に
よると、ビード幅は約100μｍ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、溶け落ち、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った様な
極薄の金属箔のパイプの溶接が溶け落ち、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
と要部拡大図である。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……YA
G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……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、16……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、Ｌ……楔形状交点とビーム中心との距離。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】極薄金属箔を連続的に管状に成形して相対
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、楔形状部に照射するレーザとしてデフォーカスされたYA
Gレーザビームを用い、このレーザビームの中心が、楔
形状部における対向する極薄金属箔両端部間のギャップ
内でかつ該ギャップが極薄金属箔の板厚の１倍以上５倍
以下になる範囲に位置するように照射すると共に、レー
ザビーム照射範囲が金属箔端面から板厚の２〜10倍の領
域を包含するように照射して被照射部を溶融し、相対す
る溶融端面を凝固直前に押しつ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。
【請求項２】前記極薄金属箔を連続的に成形して相対す
る突き合わせ端面を楔形状に収束させる方法が、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、さらに端部を押えロールでマンドレルに押し付
けることであることを特徴とする請求項１記載のYAGレ
ーザによる極薄金属箔パイプの製造方法。
【請求項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し該金属箔表面
にスリット状の疵を付する研磨ロールと、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、該研磨ロールを上
記構成要素の最上流に配し、また、該カリバーロールと
該押え板を該マンドレルの長さの範囲内に配したことを
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。