JPH09122958A - アルミニウム合金のパルスレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミニウム合金を溶接する場合、溶接速度
および溶接強度の低下を招くことなく、溶接割れの発生
が無いパルスレーザ溶接方法を提供する。 【構成】 パルスレーザの照射条件として、パルス繰返
し周波数ｆが２０（Ｈｚ）≦ｆを満たし、パルスラップ
率Ｒlap が７５％≦Ｒlap ＜１００％を満たし、パルス
デューティＤが２０％≦Ｄ≦３０％を満たすことによっ
て、凝固速度を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パルスレーザを用いて
アルミニウム合金の溶接、たとえば突合せ溶接や重ね連
続溶接などを行うレーザ溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム合金は、鉄鋼材に比べて、
１）比重が軽い、２）耐食性が高い、３）外観が美麗、
４）深絞りが可能、等の優れた性質を有し、ＪＩＳ規格
によるとＨ４０００〜Ｈ４１８０に規定されている。こ
うしたアルミニウム合金は、自動車、家電製品等の分野
で広範に使用されている。

【０００３】アルミニウム合金の溶接方法として、たと
えばＭＩＧやＴＩＧ等のアーク溶接やＣＷ型ＣＯ₂ レー
ザを用いたレーザ溶接が一般に使用されており、最近で
はパルスＹＡＧレーザを用いたパルスレーザ溶接が検討
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のＭＩ
ＧやＴＩＧ等のアーク溶接やスポット溶接、あるいはＣ
Ｗ型ＣＯ₂ レーザやパルスＹＡＧレーザを用いたレーザ
溶接において、被溶接材としてアルミニウム合金を使用
する場合、溶接施工時に溶接割れが発生し易いことが知
られている。そのため、アーク溶接の場合には、溶接中
心部をアーク放電によって溶融しながら、割れの発生し
易い周辺部分を別途バーナ等で加熱することによって、
凝固速度を低下させるという工夫がなされる。しかし、
この溶接方法では２つ以上の熱源を操作する必要があ
り、しかも作業員の熟練も要求されるため、作業効率が
極めて悪い。

【０００５】特に、パルスＹＡＧレーザでは、アルミニ
ウム合金の溶融と凝固が繰り返すことになるため、溶接
割れ、特に凝固割れの発生が避けられず、このことが産
業界への普及を妨げている。

【０００６】本発明の目的は、アルミニウム合金を溶接
する場合、溶接速度および溶接強度の低下を招くことな
く、溶接割れの発生が無いパルスレーザ溶接方法を提供
することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、アルミニウム
合金をパルスレーザを用いて溶接を行う方法であってパ
ルスレーザの照射条件として、パルス繰返し周波数ｆ
が、２０（Ｈｚ）≦ｆを満たし、パルスラップ率Ｒlap
が、７５％≦Ｒlap ＜１００％を満たし、パルスデュー
ティＤが、２０％≦Ｄ≦３０％を満たすことを特徴とす
るアルミニウム合金のパルスレーザ溶接方法である。

【０００８】なお、本発明の溶接方法において、パルス
繰返し周波数ｆの上限はある程度高くても構わないが、
レーザ装置の発振可能な周波数の上限で決まる。たとえ
ば希工類をドープしたＹＡＧをフラッシュランプで励起
してレーザビームを発振させるレーザ装置の場合は、１
０ｋ（ＰＰＳ）程度までが実用的な範囲である。

【０００９】また、パルスラップ率Ｒlap は次のように
定義される。図１の断面図に示すように、アルミニウム
合金から成る被溶接材２ａ、２ｂをパルスレーザ光によ
って重ね溶接する場合、レーザビームを一定の速度で相
対的に移動させる。このとき、レーザビームの照射領域
は溶融と凝固を繰り返すことになるが、凝固領域３の平
面形状はビーム移動方向に沿って長円状になる。この長
円の長手方向の長さ、すなわち長径を凝固時のナゲット
径といい、Ｒｎ（単位はｍｍ）で定義する。また、レー
ザビームの１パルス分の送り量をＳ（単位はｍｍ）、溶
接速度をＶ（単位はｍｍ／秒）、パルス繰返し周波数を
ｆ（単位はＨｚ）でそれぞれ定義する。すると、パルス
ラップ率Ｒlap は下記の式（１）で定義される。

【００１０】

【数１】 また、パルスデューティＤは、パルス繰返し周期Ｔ（＝
１／ｆ）の期間中に、レーザパルスの発生期間の割合を
示すものである。

【００１１】

【作用】アルミニウム合金のような熱伝導の高い金属を
割れのない良好な溶接を行うためには、凝固速度を低減
することが効果的である。本発明者はそのためのパルス
レーザの条件としてパルス繰返し周波数、パルスラップ
率、パルスデューティの３つのパラメータが重要である
ことを見い出した。

【００１２】本発明に従えば、アルミニウム合金をパル
スレーザで溶接する場合、凝固速度を低減するように所
定のパルス繰返し周波数ｆ、所定のパルスラップ率Ｒla
p および所定のパルスデューティＤにそれぞれ設定する
ことによって、溶接施工時の溶接割れの発生を防止する
ことができる。

【００１３】また、こうしたパルスレーザ照射条件の下
では、溶接金属のスパッタ飛散が抑制され、レーザ光学
系の汚染も解消されるため、光学系メンテナンスの負担
を大幅に軽減できる。

【００１４】

【実施例】本実施例で使用したパルスレーザの溶接条件
を以下に示す。

【００１５】レーザの種類はＮｄ：ＹＡＧレーザであ
り、フラッシュランプによりＮｄ：ＹＡＧロッドを側面
から照射し発振波長は１．０６μｍ、溶接平均出力は７
００Ｗ、発振モードはマルチモード、レーザパルス波形
は矩形波のレーザパルスを得た。光学系として、レーザ
装置から溶接ヘッドへ導光する光ファイバは、直径０．
６ｍｍのＳＩ（ステップインデックス）型で、光ファイ
バの長さは２０ｍであった。また、溶接ヘッドに格納さ
れた集光レンズの開口数（ＮＡ）は０．２で、その焦点
距離は１２０ｍｍ、集光スポット径は約１．１ｍｍで、
焦点位置は被溶接材表面に一致させるジャストフォーカ
スとした。

【００１６】その他に、溶接長は１００ｍｍとして、シ
ールドガスとしてＡｒガスを使用し、シールドガスの流
量は２０リットル／分とした。

【００１７】被溶接材料として、Ａｌ−Ｍｇ合金（ＪＩ
Ｓ Ｈ４０００ Ａ５０５２Ｐ−Ｈ３４）、Ａｌ−Ｍｇ
合金（ＪＩＳ Ｈ４０００ Ａ２０２４Ｐ−Ｔ３）、Ａ
ｌ−Ｍｇ合金（ＪＩＳ Ｈ４０００ Ａ１０５０Ｐ−Ｈ
２４）の３種類を用いた。なお、被溶接材料の寸法は、
長さ１００ｍｍ、幅３０ｍｍの平板である。

【００１８】次に実施例（表１）および比較例（表２）
の結果を示す。なお、各表において、「B.O.P.」はビー
ドオンプレート（重ね溶接に相当）、「Butt」は突合せ
溶接を意味し、合否の「○」は溶接割れ無し、「×」は
溶接割れ有りを示す。

【００１９】

【表１】 図２は、実施例５の溶接断面を示す顕微鏡写真である。
写真中央部において若干湾曲して、溶融および凝固によ
って結晶構造が変化しているが、溶接割れの発生は皆無
であることが判る。

【００２０】図３は、実施例１０の溶接断面を示す顕微
鏡写真である。写真中央部において上面が若干湾曲し
て、溶融および凝固によって結晶構造が変化している
が、溶接割れの発生は皆無であることが判る。なお、断
面中央のピンホールは極めて小さく、溶接強度に影響を
与えないものである。

【００２１】

【表２】 図４は、比較例２の溶接断面を示す顕微鏡写真である。
写真中央部において上面が厚みの１割程度窪んでおり、
しかも断面内部には細かいひび割れが多数散在している
ことが判る。こうしたひび割れは、溶融金属が急速に凝
固することによって発生するものであり、溶接強度の低
下をもたらす主な原因となる。

【００２２】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、ア
ルミニウム合金をパルスレーザで溶接する場合、所定の
パルス繰返し周波数ｆ、所定のパルスラップ率Ｒlap お
よび所定のパルスデューティＤにそれぞれ設定すること
によって、溶接施工時の溶接割れの発生を防止すること
ができる。したがって、品質の優れた溶接を容易に実現
することができる。

【００２３】また、こうしたパルスレーザ照射条件の下
では、溶接金属のスパッタ飛散が抑制され、レーザ光学
系の汚染も解消されるため、光学系メンテナンスの負担
を大幅に軽減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】パルスラップ率Ｒlap の定義を示す断面図であ
る。

【図２】実施例５の溶接断面を示す顕微鏡写真である。

【図３】実施例１０の溶接断面を示す顕微鏡写真であ
る。

【図４】比較例２の溶接断面を示す顕微鏡写真である。

【符号の説明】

２ａ、２ｂ 被溶接材 ３ 凝固領域 Ｒｎ 凝固時のナゲット径 Ｓ １パルス分の送り量

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム合金をパルスレーザを用い
   て溶接を行う方法であってパルスレーザの照射条件とし
   て、 パルス繰返し周波数ｆが、２０（Ｈｚ）≦ｆを満たし、 パルスラップ率Ｒlap が、７５％≦Ｒlap ＜１００％を
   満たし、 パルスデューティＤが、２０％≦Ｄ≦３０％を満たすこ
   とを特徴とするアルミニウム合金のパルスレーザ溶接方
   法。