JPH0890263A - アルミニウム製部材のレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 開先面同士を密着させるべく合わせた場合に
大きな開先ギャップが生じるような開先精度が悪いアル
ミニウム製部材でも良好にレーザによる突合せ溶接を行
うことができるレーザ溶接方法を得る。 【構成】 二つのアルミニウム製部材の相対向する開先
面の間に、長手方向に直線状で、長手方向に垂直な断面
がＵ字形であり、かつ、溶接長に対応する長手方向長さ
を持つアルミニウム製のインサート部材を、その凸側が
レーザ光入射側に位置する姿勢にて溶接方向に沿わせて
配し、次いで前記両アルミニウム製部材により前記イン
サート部材を挟みつけた状態で支持してなる突合せ部を
構成し、この突合せ部をレーザ溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、二つのアルミニウム
製部材を突き合わせ、その溶け込みが貫通溶込みとなる
ようにレーザ溶接する方法に関するもので、詳しくは、
開先面同士を密着させるべく合わせた場合に開先ギャッ
プが生じるような開先精度が悪いアルミニウム製部材で
も良好にレーザによる突合せ溶接を行うことができるよ
うにした、アルミニウム製部材のレーザ溶接方法に関す
るものである。なお、本明細書では、「アルミニウム」
は、工業用純アルミニウムおよびアルミニウム合金を含
む意味で使用している。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車、鉄道車両、船舶等の輸送
機分野においては、低燃費化及び高速化に対応するた
め、そのフレーム等の構造材料として、鉄鋼材にかえて
軽量なアルミニウム材が採用されるようになってきてい
る。そして、アルミニウム製部材は、アーク溶接を主体
とする溶接により接合されて構造物に組み込まれること
が多く、溶接によるアルミニウム製部材の接合には、一
般的には消耗電極式のアーク溶接が用いられている。こ
のアーク溶接によるアルミニウム製部材の接合では、Ｙ
型、あるいはＶ型等の広い断面の開先を有する突合せ継
手（突合せ部）が採用されることが多く、アルミニウム
材の性質上、熱伝導率が高いので鉄鋼材料に比べて大入
熱が必要となり、その結果、溶接による変形や歪みが大
きくなって、その補修のための後処理に手間を要してい
る。

【０００３】一方、レーザ溶接は、レーザビームが高エ
ネルギー密度の集中熱源としての性質を持つことから、
低入熱で深溶込みの溶接ができ、接合すべき部材に及ぼ
す熱影響や熱変形が極めて少なく、また高速度の溶接が
可能なものとして知られている。そして、二つのアルミ
ニウム製部材同士を突き合わせてなる突合せ部を、１パ
スにてその溶込みがレーザ光入射側の面からその反対側
の裏面に達する貫通溶込みとなるようにレーザ溶接する
ことが行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来に
おけるアルミニウム製部材のレーザ溶接方法では、溶接
接合に用いられる集光したレーザビームのビーム径が直
径０．１〜１．０ｍｍ程度とかなり小さいことから、突
合せ部の最大許容開先ギャップが０．２〜０．３ｍｍ程
度と小さく、開先ギャップ裕度が極めて狭かった。この
ため、例えば押出形材でなるアルミニウム製部材同士を
特に開先加工を施すことなくそのままで突合せ溶接した
り、あるいは、機械鋸切断のままの開先面としたアルミ
ニウム製部材同士の突合せ溶接を行ったりすることが難
しく、レーザ溶接しようとするアルミニウム製部材の開
先精度を高めるための機械加工による開先加工が必要と
なって開先加工コストが高くつき、継手製作費がコスト
アップするという問題があった。

【０００５】そこでこの発明は、前記のような問題に鑑
みてなされたものであって、開先面同士を密着させるべ
く合わせた場合に大きな開先ギャップが生じるような開
先精度が悪いアルミニウム製部材でも良好にレーザによ
る突合せ溶接を行うことができ、最大許容開先ギャップ
が大きいことで実用性に優れ、開先加工コストの低減に
よる継手製作費のコストダウンを図ることができる、ア
ルミニウム製部材のレーザ溶接方法を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、この発明によるアルミニウム製部材のレーザ溶接
方法は、二つのアルミニウム製部材を突き合わせ、その
溶け込みが貫通溶込みとなるようにレーザ溶接する方法
において、前記両アルミニウム製部材の相対向する開先
面の間に、長手方向に直線状で、長手方向に垂直な断面
がＵ字形であり、かつ、溶接長に対応する長手方向長さ
を持つアルミニウム製のインサート部材を、その凸側が
レーザ光入射側に位置する姿勢にて溶接方向に沿わせて
配し、次いで前記両アルミニウム製部材により前記イン
サート部材を挟みつけた状態で支持してなる突合せ部を
構成し、レーザ光を前記インサート部材の凸側から前記
突合せ部に照射し、この突合せ部をその溶け込みが貫通
溶込みとなるようにレーザ溶接することを特徴とするも
のである。

【０００７】

【作用】この発明によるアルミニウム製部材のレーザ溶
接方法においては、二つのアルミニウム製部材の相対向
する開先面の間に、長手方向に直線状で、長手方向に垂
直な断面がＵ字形であり、かつ、溶接長に対応する長手
方向長さを持つアルミニウム製のインサート部材を、そ
の凸側がレーザ光入射側に位置する姿勢にて溶接方向に
沿わせて配し、次いで前記両アルミニウム製部材により
前記インサート部材を挟みつけた状態で支持してなる突
合せ部を構成することにより、開先面同士を密着させる
べく合わせた場合に大きな開先ギャップが生じるような
開先精度が悪いアルミニウム製部材であっても、両アル
ミニウム製部材の相対向する開先面がその間に挟み込ま
れた前記インサート部材によって溶接全長にわたって機
械的に連絡される。そしてこのように構成された突合せ
部のインサート部材がその凸側からレーザビームの照射
によって溶融され、これによって二つのアルミニウム製
部材の開先面間を満たす溶融池が形成されて開先面が溶
融され、その溶融池が凝固して、前記突合せ部が貫通溶
込みとなるように良好にレーザ溶接されることとなる。

【０００８】このように、この発明によるレーザ溶接方
法では、溶接すべき二つのアルミニウム製部材の相対向
する開先面がインサート部材で溶接全長にわたって機械
的に連絡されるようにした突合せ部を構成し、その突合
せ部をレーザ溶接するようにしたものであるから、欠陥
なく溶接可能な最大許容開先ギャップが従来に比べて拡
大されて、溶接すべきアルミニウム製部材の開先精度が
大幅に緩和される。この発明によるレーザ溶接方法で
は、最大許容開先ギャップ（インサート部材を挟み込む
ことなく二つのアルミニウム製部材の開先面同士を密着
させるべく合わせたときに生じる開先ギャップの最大
値）は、アルミニウム製部材の材質、レーザ光源の種
類、その出力等にもよるが、被溶接部材であるアルミニ
ウム製部材の板厚が例えば２ｍｍ程度までの場合では、
被溶接部材板厚の８０％程度である。この値を超えると
溶融池の溶落ちが発生し易くなるためであり、被溶接部
材による最大許容開先ギャップが被溶接部材板厚の５０
％程度であれば、溶落ちの心配なくより確実にレーザに
よる突合せ溶接を行うことができる。

【０００９】前記インサート部材としては、例えば、ア
ルミニウム板材を断面Ｕ字形となるように二枚重ね状に
曲げ加工したものや、断面Ｕ字形をなすアルミニウム押
出形材などを用いるようにすればよい。前記インサート
部材は、品質上の点から当然ながら、被溶接部材と実質
的に同種類であるものが好ましい。インサート部材のい
わゆる調質による質別は、板材でなるインサート部材を
使用する場合、曲げ加工されることから、曲げ加工が容
易で曲げ裕度のある「Ｏ材」であることがより好まし
い。断面Ｕ字形をなすインサート部材の板厚は、開先面
の間に挟みつけられたときに溶接方向に延びる開先面に
これに沿って、折れるようなことなく接触しうること、
また開先面の間に二枚重ね状に挟み込まれたときの厚み
や、レーザビームによる溶融幅のこと等の点から、最大
でも１ｍｍ程度とすることが望ましい。

【００１０】前記インサート部材は、両アルミニウム製
部材の相対向する開先面の間に、その曲がり部がアルミ
ニウム製部材のレーザ光入射側の部材表面より突出する
状態で配するようにすることがよい。このようにするこ
とで、インサート部材がレーザ光の照射によって開先面
より先に確実に溶融されて開先面間を満たす溶融池が形
成されるので、レーザ光が溶融に寄与することなく開先
ギャップを通過するというようなことが防げ、また、余
盛形成にも役立つためである。

【００１１】この発明によるレーザ溶接方法では、レー
ザ出力、溶接速度、シールドガスの種類とその流量等の
溶接条件は、レーザの種類、被溶接部材の板厚等に応じ
て適宜設定すればよい。例えば、レーザ出力は、アルミ
ニウム合金部材の溶接であることから、炭酸ガスレーザ
を用いる場合には３ｋＷ以上に設定され、ＹＡＧレーザ
を用いる場合には１ｋＷ以上に設定され、シールドガス
流量は、アルゴンガスの場合、５〜３０リットル／分の
範囲に設定すればよい。なお、特に余盛形成が必要とさ
れる場合には、ワイヤなどの余盛形成用の溶加材を供給
するようにすればよい。

【００１２】

【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。
図１はこの発明によるレーザ溶接方法に係る突合せ継手
の突合せ部を示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面
図、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図、図４はこの発明によ
るレーザ溶接方法を説明するための図、図５は比較例の
レーザ溶接方法に係る突合せ継手の突合せ部を示す平面
図である。

【００１３】図１に示すような突合せ部を構成するのに
必要なインサート部材３について説明する。実施例１〜
１０では、アルミニウム製被溶接部材１，２は、板材
（圧延材）であって、板厚２ｍｍでＪＩＳ・Ａ５０５２
材よりなるものである。そして、インサート部材３とし
て、アルミニウム合金であるＪＩＳ・Ａ５０５２−Ｏ材
よりなり、板厚０．８ｍｍで長さが５５０ｍｍで幅が６
ｍｍでなる寸法の板材（圧延材）を、曲げ半径１．５ｍ
ｍ、曲げ角度１８０°で曲げ加工し、断面Ｕ字形となる
ように二枚重ね状に曲げ加工が施されたインサート部材
を用意した。

【００１４】そして、アルミニウム製被溶接部材１，２
の相対向する機械鋸切断のままの開先面の間に、前記し
たインサート部材３を、図４の（ａ）に示すように、そ
の曲がり部の凸側が図における上側であるレーザ光入射
側に位置する姿勢にて溶接方向に沿わせて配し、次いで
アルミニウム製被溶接部材１，２により両側からインサ
ート部材３を挟みつけた状態で支持してなる突合せ部を
構成した（図４の（ｂ）参照）。なお、インサート部材
３は、その曲がり部がアルミニウム製被溶接部材１，２
のレーザ光入射側の部材表面より突出する状態で開先面
の間に挟み込むようにした。図４における４はレーザ溶
接トーチのノズルを示し、図４の（ｃ）は、レーザ溶接
された溶接部を示す。

【００１５】前記のようにして突合せ部を構成すること
により、開先精度が悪いアルミニウム製被溶接部材１，
２であっても、両アルミニウム製部材１，２の相対向す
る開先面がその間に挟み込まれたインサート部材３によ
って溶接全長にわたって機械的に連絡される。つまり、
図２に示すように、アルミニウム製被溶接部材１，２の
開先面同士を密着させるべく合わせた場合に開先面同士
が密着しうる部位では、被溶接部材１，２の開先面の間
がインサート部材３で隙間なく満たされた状態となる一
方、図３に示すように、アルミニウム製被溶接部材１，
２の開先精度が悪く大きな開先ギャップが生じる部位で
は、被溶接部材１，２の開先面の間には両開先面にイン
サート部材３が接して開先中央にわずかに隙間があるだ
けの状態となる。

【００１６】このようにして、開先精度が悪いために開
先面同士を密着させるべく合わせたときに開先ギャップ
を生じその値の最大値が表１に示すようなものとなるア
ルミニウム製被溶接部材について、前記した断面Ｕ字形
となるように二枚重ね状に曲げ加工を施したインサート
部材３を用いて突合せ部を構成し、この突合せ継手の突
合せ部について後述する溶接条件にて溶込みが部材表面
から裏面に達する貫通溶込みとなるようにレーザ溶接を
行い、その溶接結果を調査した。なお、比較のために、
図５に示すような、インサート部材３を用いずにアルミ
ニウム製被溶接部材１，２により構成した突合せ部を溶
接するようにした従来のレーザ溶接を行い、その溶接結
果をも調査した。

【００１７】実施例１〜１０及び比較例１〜５での溶接
条件は、溶接姿勢：下向き溶接、炭酸ガスレーザ出力：
３．５ｋＷ、溶接速度：５０ｍｍ／ｓ、シールドガスの
種類及びその流量：アルゴンガス，２０リットル／分、
溶接長５００ｍｍ、ノズル高さ（被溶接部材とノズルと
の距離）：１０ｍｍ、とした。溶接結果を表１に示す。

【００１８】

【表１】

【００１９】表１より理解されるように、この発明によ
るアルミニウム製部材のレーザ溶接方法によると、従来
のレーザ溶接方法に比べて約６〜７倍の最大許容開先ギ
ャップの拡大を図ることができた。

【００２０】次に、実施例１１〜２０では、アルミニウ
ム製被溶接部材１，２として、ＪＩＳ・Ａ６０６３材よ
りなる押出材であって、端面の板厚が３ｍｍで開先加工
を施していないもの用い、インサート部材３として、Ｊ
ＩＳ・Ａ６０６３−Ｔ５材よりなり、厚み１．０ｍｍ、
長さ３００ｍｍ、横幅３ｍｍ、及び高さ５．０ｍｍであ
り断面Ｕ字形の押出形材を用いて、前記実施例と同様に
して、レーザ溶接を行い、その溶接結果を調査した。な
お、比較のために、インサート部材を使用しない従来の
レーザ溶接も実施した。

【００２１】この実施例１１〜２０及び比較例６〜１０
での溶接条件は、溶接姿勢：下向き溶接、炭酸ガスレー
ザ出力：４．５ｋＷ、溶接速度：３３ｍｍ／ｓ、シール
ドガスの種類及びその流量：アルゴンガス，２５リット
ル／分、溶接長３００ｍｍ、ノズル高さ（被溶接部材と
ノズルとの距離）：１２ｍｍ、とした。溶接結果を表２
に示す。

【００２２】

【表２】

【００２３】表２より理解されるように、この発明によ
るアルミニウム製部材のレーザ溶接方法によると、従来
のレーザ溶接方法に比べて約５〜６倍の最大許容開先ギ
ャップの拡大を図ることができた。

【００２４】このように、この発明によるアルミニウム
製部材のレーザ溶接方法によると、従来よりも開先精度
が悪いアルミニウム製部材でも良好にレーザビームによ
る突合せ溶接を行うことができ、最大許容開先ギャップ
が大きいことで実用性に優れ、開先加工コストの低減に
よる継手製作費のコストダウンを図ることができ、ひい
ては、自動車、鉄道車両、船舶等の輸送機分野における
アルミニウム材の適用拡大による軽量化に寄与すること
ができる。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、この発明によるアル
ミニウム製部材のレーザ溶接方法によると、インサート
部材を用いて構成した突合せ部をレーザ溶接するように
したものであるから、開先面同士を密着させるべく合わ
せた場合に大きな開先ギャップが生じるような従来より
も開先精度が悪いアルミニウム製部材でも良好にレーザ
による突合せ溶接を行うことができ、従来に比べ最大許
容開先ギャップが大きいことで実用性に優れ、開先加工
コストの低減による継手製作費のコストダウンを図るこ
とができ、ひいては、自動車、鉄道車両、船舶等の輸送
機分野におけるアルミニウム材の適用拡大による軽量化
に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明によるレーザ溶接方法に係る突合せ継
手の突合せ部を示す平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】この発明によるレーザ溶接方法を説明するため
の図である。

【図５】比較例のレーザ溶接方法に係る突合せ継手の突
合せ部を示す平面図である。

【符号の説明】

１，２…アルミニウム製被溶接部材 ３…インサート部
材 ４…レーザ溶接トーチのノズル

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二つのアルミニウム製部材を突き合わ
   せ、その溶け込みが貫通溶込みとなるようにレーザ溶接
   する方法において、前記両アルミニウム製部材の相対向
   する開先面の間に、長手方向に直線状で、長手方向に垂
   直な断面がＵ字形であり、かつ、溶接長に対応する長手
   方向長さを持つアルミニウム製のインサート部材を、そ
   の凸側がレーザ光入射側に位置する姿勢にて溶接方向に
   沿わせて配し、次いで前記両アルミニウム製部材により
   前記インサート部材を挟みつけた状態で支持してなる突
   合せ部を構成し、レーザ光を前記インサート部材の凸側
   から前記突合せ部に照射し、この突合せ部をその溶け込
   みが貫通溶込みとなるようにレーザ溶接することを特徴
   とするアルミニウム製部材のレーザ溶接方法。