JPH09225663A

JPH09225663A - レーザーによる溶接方法

Info

Publication number: JPH09225663A
Application number: JP8056770A
Authority: JP
Inventors: Masao Iwasaki; 誠夫岩崎; Tatsuhiko Aoki; 辰彦青木; Yasuhiro Hirose; 康浩広瀬; Keisuke Ando; 圭介安藤
Original assignee: Toyota Steel Center Co Ltd
Current assignee: Toyota Steel Center Co Ltd
Priority date: 1996-02-19
Filing date: 1996-02-19
Publication date: 1997-09-02

Abstract

(57)【要約】【課題】継ぎ手に対し高い精度を要求せず、エネルギ
ー効率を高め、比較的低出力のレーザーでも十分な溶け
込み深さと溶接速度を得ることができるレーザーによる
溶接方法を提供する。【解決手段】一の母材１ａの溶接端面１１ａと他の母
材１ｂの溶接端面１１ｂとを突き合わせて形成される開
先に、レーザーを照射して行うレーザーによる溶接方法
であって、一の母材１ａの溶接端面１１ａが、少なくと
も周縁部寄りの一部にレーザーの照射方向に対して傾斜
する傾斜面を有する端面形状を備え、他の母材１ｂの溶
接端面１１ｂが、一の母材１ａの溶接端面１１ａと所定
の隙間をもって向かい合い、若しくは略接触する端面形
状を備える。また、一の母材の溶接端が、少なくとも一
部に段差部を有する形状を備え、他の母材の溶接端が、
一の母材の溶接端と所定の隙間をもって向かい合う形状
等を備えてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザーによる溶
接方法に関し、更に詳しく言えば、溶接される母材間の
隙間からのレーザーの通過を抑制しながら、効率的な溶
接を行うレーザーによる溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、板などの溶接には、レーザー
による突き合わせ溶接が行われており、このレーザー溶
接は、アーク溶接やプラズマ溶接と比較して入熱が小さ
いことから溶接変形も小さいと言われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、レーザー溶接
において、継ぎ手に要求される精度は、他の溶接法に比
べ、非常に高い。特に、薄板の溶接の際、溶接端面の１
０μｍオーダーの形状、寸法の誤差が、溶接の品質を左
右する場合がある。即ち、図５，６に示すように、最も
単純なＩ型突き合わせ溶接の場合、母材１ｃと母材１ｄ
の隙間が大きいと、その隙間から集光されたレーザ光が
通過してしまい、十分な溶け込みが得られず、また、溶
接速度を上げることができない。従って、母材の隙間に
要求される精度、即ち、継ぎ手に要求される精度は非常
に高いものとなる。特に、ビームの中心にエネルギーの
ピーク値があるシングルモードのレーザーを用いた場合
には、高精度が要求される。尚、エネルギーのピークが
一点に集中しないマルチモード、リングモードのレーザ
ーを用いる場合、満足できる溶け込み深さ及び溶接速度
を得るためには、レーザー発振器を高出力のものとしな
ければならないという問題がある。一方、上記の継ぎ手
の精度の問題を解決するために、溶接線に対してレーザ
ーの焦点を蛇行させて送ることも考えられるが、溶接線
そのものに沿ってレーザーの焦点を送った場合に比べて
溶接速度において劣る。

【０００４】本発明は、上記観点に鑑みてなされたもの
であり、継ぎ手に対して高い精度を要求することなく、
エネルギー効率を高めて、比較的低出力のレーザーでも
十分な溶け込み深さと溶接速度を得ることができるレー
ザーによる溶接方法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本第１発明のレーザーに
よる溶接方法は、一の母材の溶接端面と他の母材の溶接
端面とを突き合わせて形成される開先に、レーザーを照
射して行うレーザーによる溶接方法であって、該一の母
材の溶接端面が、少なくとも周縁部寄りの一部にレーザ
ーの照射方向に対して傾斜する傾斜面を有する端面形状
を備え、該他の母材の溶接端面が、該一の母材の溶接端
面と所定の隙間をもって向かい合い、若しくは略接触す
る端面形状を備えることを特徴とする。

【０００６】即ち、「本発明の溶接方法に用いられる開
先の溶接端面」は、「Ｉ型の開先の溶接端面」の様に、
各母材（板材）の表裏面にほぼ垂直となるのではない。
各母材の表裏面に対して傾斜している部分（傾斜面）を
有している。そして、この「傾斜面」は、溶接される一
の母材と他の母材の突き合わせ方向に対して傾斜してい
る。尚、この傾斜面は、図８に示すように、溶接端面の
周縁部寄りの一部に形成されても、図１及び２に示すよ
うに、溶接端面全体に形成されてもよい。

【０００７】また、通常、レーザー溶接においては、レ
ーザーは、溶接される一の母材と他の母材の突き合わせ
方向に対してほぼ９０度をなす方向から照射される。こ
の際、母材が板材である場合には、表面及び裏面に対し
てほぼ９０度から照射され、その照射方向は前述の照射
方向と一致する。一方、本発明で用いる開先は、上記の
様に、一の母材の溶接端面の少なくとも一部を傾斜面を
備え、他の母材の溶接端面は、一の母材の溶接端面と所
定の隙間をもって向かい合い、若しくは略接触する端面
形状を備えるため、Ｉ型の開先の様に、母材の隙間から
レーザーが通過することがなく、また、レーザーをその
傾斜面又は他の母材で受け止めることができる。また、
その傾斜面は溶接端面の周縁部寄りであるため、照射さ
れるレーザーを効率的に受け止めることができる。

【０００８】尚、Ｉ型開先においても、溶接端面をレー
ザーの照射方向に対して傾斜させることは可能である
が、そのためには、レーザーの照射方向を一定の角度だ
け傾けなければならない。しかし、溶接部位に対するレ
ーザーの中心位置合わせは、溶接部位に対して垂直にレ
ーザーを照射する場合がもっとも容易であり、レーザー
の照射方向を一定の角度だけ傾けたまま位置合わせを行
うには、より複雑な制御を要することとなる。一方、本
発明では、突き合わせ溶接する板の開先を本発明に示す
ような形状とすることで、溶接端面がレーザーの照射方
向に対して傾斜している溶接を実施することが可能とな
り、かつ、既存の溶接設備のままでレーザーの中心位置
合わせができる。尚、本発明において、溶接端面の傾斜
面等の「傾斜の角度」又は「傾斜角度」とは、溶接され
る一の母材と他の母材の突き合わせ方向に対して、垂直
な面の角度を基準面（角度０度）として、傾斜面等が、
そこからどれだけ傾いているかを表す角度をいう。本明
細書において、この点に関しては、以下同様である。

【０００９】また、溶接する素材、レーザーの出力、レ
ーザーのモード、母材の最大隙間間隔及び溶接端面の傾
斜角は、本発明の目的を有効に達成できる範囲で種々選
択できる。例えば、素材が鋼板、その板厚が０．７〜
２．０ｍｍで、１．０〜２０ｋｗのレーザーを用いる
場合には、集光径０．１〜０．３ｍｍ、母材と母材の隙
間間隔が０〜１００μｍで、傾斜角度を５〜３５度とす
ることで、開先の精度、溶接速度の両面からもっとも好
ましい溶接を行うことができる。この様に、隙間間隔を
１００μｍ以下とするのが好ましいのは、この間隔が１
００μｍを超える場合、その隙間からレーザーの大半が
通過してしまう恐れがあるからである。また、傾斜角度
を３５度以下とするのが好ましいのは、この角度が３５
度よりも大きいと、一般に、溶接端面全てを良好に溶か
すことが困難となるからである。また、この角度を５度
以上とするのが好ましいのは、この角度が、５度より小
さいと母材の隙間から通過してしまうレーザーが多くな
り、本発明の目的を達成することが困難となる恐れがあ
るからである。

【００１０】また、上記開先は、原板を切断する際に、
切断機の刃面を、原板の板厚方向から適宜の角度だけ傾
けて切断することにより構成することができる。この場
合、刃面を垂直な角度から傾ける角度は、溶接の際の開
先の溶接端面の傾斜角度に略一致させることとなる。こ
のように、板の切断と同時に開先を設けることで、溶接
する板の溶接部分の外形を整えると同時にその溶接端面
の開先を設けることができる。

【００１１】本第２発明のレーザーによる溶接方法は、
一の母材の溶接端と他の母材の溶接端とを突き合わせて
形成される開先に、レーザーを照射して行うレーザーに
よる溶接方法であって、該一の母材の溶接端が、少なく
とも一部に段差部を有する形状を備え、該他の母材の溶
接端が、該一の母材の溶接端と所定の隙間をもって向か
い合い、若しくは略接触する形状を備えることを特徴と
する。即ち、通常のレーザー溶接の場合、レーザーは、
溶接される一の母材と他の母材の突き合わせ方向に対し
てほぼ９０度をなす方向から照射される。この際、母材
が板材である場合は、表面及び裏面に対してほぼ９０度
から照射され、その照射方向は前述の照射方向と一致す
る。このとき、本発明では、一の母材の溶接端が、少な
くとも一部に段差部を有する形状とされ、他の母材の溶
接端が、一の母材の溶接端と所定の隙間をもって向かい
合い、若しくは略接触する形状とされているため、Ｉ型
の開先のように母材の隙間からレーザーが通過すること
がなく、レーザーをその段差部又は他の母材で受け止め
ることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。ただし、本発明は、以下の実施形態によって何ら
限定されるものではない。本形態は、図１に示す開先に
対し、図２に示す様にして、レーザーによる溶接を施し
たものである。上記開先は、図１に示すように、第１母
材１ａ（板厚；１．０〜２．０ｍｍ、鋼製）の溶接端面
１１ａと第２母材１ｂの溶接端面１１ｂとを突き合わせ
て構成されている。

【００１３】このうち、第１母材１ａの溶接端面１１ａ
は、第１母材１ａの板厚方向に対して約２０度傾いてい
る。また、第２母材１ｂの溶接端面１１ｂは、第２母材
１ｂの板厚方向に対して、溶接端面１１ａと対応した傾
きを有している。尚、この傾き角度は１０〜３０度の範
囲で、板厚、母材の最大隙間間隔等を考慮して定めるこ
とが好ましい。

【００１４】そして、この開先は、図３に示す様な方法
で形成されたものである。即ち、この開先の端面形状
は、図３に示す様に、所定の原板４を、シャー５により
切断して形成することができる。このシャー５は、図３
に示すように、上刃５１と、下刃５２とを備えるもので
あり、原板４切断の際には、この上刃５１及び下刃５２
は、原板４の板厚方向に対して約２０度だけ傾けられて
いる。このため、シャー５により原板４から切断された
第１母材１ａの端面１１ａは、図２に示すように、第１
母材１ａの表面１２ａに対して垂直な角度から約２０度
だけ傾いたものとなる。また、第２母材の溶接端面１１
ｂの端面形状についても同様に形成される。尚、上刃及
び下刃の傾け角は、第１母材１ａ及び第２母材１ｂのそ
れぞれの溶接端面を、必要な角度に形成できる角度であ
れば、どのような値でもよい。

【００１５】そして、以上の様に構成される開先の突き
合わせ溶接は、以下の様に行われる。即ち、図２に示す
様に、レンズ２を備えたレーザー溶接機により、第１母
材１ａ及び第２母材１ｂに対してレーザー３を照射して
溶接が行われる。但し、本形態では、このときのレーザ
ーの出力を３〜５ｋｗ、集光径を０．２ｍｍとした。
尚、この集光径は、０．１〜０．３ｍｍとすることが好
ましいが、母材の最大隙間間隔の大きさ、精度等に応じ
て、この範囲を種々変更できる。また、レーザーの出力
も、母材の厚さ及び要求される溶接時間等に応じて種々
変更することができ、例えば、より厚い母材を短時間に
溶接することを要求される場合は、十数ｋｗ程度まであ
げることもできる。

【００１６】以上の様に、本形態では、溶接される端面
１１ａ，１１ｂが斜面となっており、第１母材１ａと第
２母材１ｂの間に、レーザー３の照射方向に沿って貫通
した隙間がない。しかも、レーザー３は、全て第１又は
第２母材に受け止められるため、レーザー３が、通過し
てエネルギーが無駄になることがない。このため、溶接
部分の単位長さ当たりにレーザーを照射する時間が短く
てすむ。

【００１７】また、図５，６に示すような、従来のＩ型
の開先においては、母材１ｃ，１ｄの端面１１ｃ，１１
ｄの直線精度は５／１００ｍｍ以下で管理されていた
が、本形態の様に、溶接端面１１ｃ，１１ｄを、２０度
傾けることで、理論的には（板厚）×ｔａｎ２０°のオ
ーダーまでは、従来の精度に上乗せして端面１１ｃ，１
１ｄの形状寸法にばらつきがあっても、レーザーが母材
（１１ａ，１１ｂ）の隙間から通過してしまうことはな
くなる。尚、（板厚）×ｔａｎ２０°は、板厚１．５ｍ
ｍのとき、０．５５ｍｍである。この様に、本形態は、
レーザービームの集光径をできるかぎり小さくすること
により、継ぎ手に非常に高い精度を要求することなく、
十分な溶け込み深さと溶接速度を得ることができる。そ
して、本形態の開先及びその制作方法は、レーザによる
溶接を容易にするものである。

【００１８】尚、本形態は、レーザーがシングルモード
である場合に特に有効であるが、マルチモード、リング
モード等で溶接を行っても差し支えない。以下で各ビー
ムモードについて、本発明の溶接方法との相性を検討す
る。例えば、板厚０．８ｍｍ、レーザ出力１ｋｗの場合
を例に取ると、シングルモードにおいては、裏波限界発
生速度は、最高約１１ｍ／ｓｅｃ、突き合わせギャップ
裕度は約０．０５ｍｍ、ビーム芯ずれ裕度は、約０．１
ｍｍである。ここで、「裏波発生限界速度」とは、母材
の裏側まで溶接ビードが形成される限界溶接速度であ
る。また、「突き合わせギャップ裕度」とは、十分な強
度を持った溶接が可能な範囲での母材の隙間間隔の最大
誤差である。更に、「ビーム芯ずれ裕度」とは、同様
に、十分な強度を持った溶接が可能な範囲でのビームの
軸心と突き合わせ線とのずれの最大値である。

【００１９】これが、低次マルチモードにおいては、裏
波限界発生速度は、最高約４ｍ／ｓｅｃ、突き合わせギ
ャップ裕度は約０．１５ｍｍ、ビーム芯ずれ裕度は、約
０．２ｍｍである。高次マルチモードにおいては、それ
ぞれ約３ｍ／ｓｅｃ、約０．１７ｍｍ、約０．２２ｍ
ｍ、リングモードにおいては、約４ｍ／ｓｅｃ、約０．
１６ｍｍ、約０．１８ｍｍである。この結果から、レー
ザーの出力が同じであれば、シングルモードがもっとも
高速で溶接することが可能であり、低次マルチモード、
リングモードがそれに続き、高次マルチモードがもっと
も溶接速度が低くなることが分かる。しかし、突き合わ
せギャップ裕度、ビーム芯ずれ裕度、については、シン
グルモードがもっとも要求が厳しく、低次マルチモー
ド、リングモードがそれに続き、高次マルチモードがも
っとも突き合わせギャップの寸法ずれ、ビームの芯のず
れに対して強いことが分かる。

【００２０】よって、本発明は、レーザー溶接一般につ
いて効果があるものであるが、特に、低出力で高速溶接
が可能であるというシングルモードの長所を生かしたま
ま、その欠点、即ち要求精度が高いという欠点を補うも
のであり、シングルモードによる溶接の場合にもっとも
有効であることがわかる。そして、低次マルチモード、
リングモードによる溶接の場合がそれに続くということ
が分かる。

【００２１】尚、本発明においては、上記具体的実施形
態に示すものに限られず、目的、用途に応じて本発明の
範囲内で種々変更した実施形態とすることができる。即
ち、実際のシャー５による切断において、切断面即ち端
面は、図４に示すように、ダレによる部分１３ｇや破断
による部分１４ｇが生じる場合がある。しかし、図４に
示すように、一部に傾斜面１１ｇを有する溶接端面を向
かい合わせることによっても、本発明の開先を設けるこ
とはでき、溶接においては、その傾斜面により、図２に
示すような開先と同様の効果が得られると考えられる。

【００２２】また、開先はシャー５による切断の際に同
時に設けられるものとしたが、これに限られるものでは
なく、レーザーやウォータージェット等の他の切断手段
によるものとしてもよく、また、切断とは別に開先の加
工を行うものとしてもよい。これらの場合には、ややコ
ストがかかるが、切断面の形状が良好となるという利点
がある。また、切断とは別に開先の加工を行うものとす
れば、上記の場合と同様コストがかかるが、理想的な形
状に溶接端面を加工することが可能である。また、本発
明の開先及び溶接方法においては、必ずしも溶接端面全
体を傾斜面とする必要はなく、図７に示すように一部が
傾斜面であるような開先、及びその開先を用いるレーザ
ー溶接とすることもできる。

【００２３】更に、図８に示す様に、一の母材１ｅの溶
接端に、段差部１１１ｅを設け、他の母材１ｆの溶接端
に、これと凹凸の略反転した段差部１１１ｆを設けるこ
ともできる。この場合も、母材１ｅ、１ｆ間の隙間から
のレーザーの通過を抑制し、レーザーを、段差部１１１
ｆで受け止めることができる。従って、本実施の形態と
同様に、良好な溶接を行うことができる。

【００２４】また、溶接されるそれぞれの鋼板は、別々
の工程を通って溶接工程に来ることが多い。従って、本
実施形態では、鋼板は共に平板であり、同じ板厚である
ものと仮定して図示し、説明したが、両者が平板ではな
く、また、両者の板厚が異なっていてもよい。更に、本
発明は板の溶接に限られるものではなく、Ｈ形鋼、Ｌ形
鋼等の様々な態様の溶接に用いることもでき、そのよう
な場合においても、本発明の開先、溶接方法及び開先の
設け方は有効である。更に、本実施形態では鋼板の溶接
としたが、本発明は鋼板の溶接に限られるものではな
く、アルミ等の金属の溶接に用いることもできる。

【００２５】

【発明の効果】本第１及び２発明の溶接方法では、溶接
端面がレーザーの照射方向に対して所定の角度を持って
いるため、継ぎ手に非常に高い精度を要求することな
く、母材と母材の隙間からのレーザーの通過を少なした
り、なくすことができる。その結果、エネルギー効率を
高めて、比較的低出力のレーザーでも十分な溶け込み深
さと溶接速度を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態に係わる開先を示す斜視図で
ある。

【図２】発明の実施の形態に係わるレーザーによる溶接
方法を説明するための説明図である。

【図３】図１の開先の形成方法を説明するための説明図
である。

【図４】溶接端面の一部に傾斜面を有する母材（変形的
な形態）の説明図である。

【図５】Ｉ型の開先を示す説明図である。

【図６】図５の開先に対し、レーザーによる溶接を施す
方法を示す説明図である。

【図７】周縁部寄りの一部に、傾斜面を有する溶接端面
を備える開先に対しレーザーによる溶接を施す方法を示
す説明図である。

【図８】本第２発明に用いられる開先の一例を示す説明
図である。

【符号の説明】

１ａ；第１母材、１ｂ；第２母材、１ｃ，１ｄ，１ｅ，
１ｆ，１ｇ；母材（鋼板）、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，
１１ｄ，１１ｇ；溶接端面、１１１ｂ；溶接される端面
の周縁部の一部、１２ａ，１２ｂ，１２ｇ；母材（鋼
板）の表面、１３ｇ；剪断によるダレ部分、１４ｇ；破
断による部分、２；レンズ、３；レーザー、４；原板、
５；シャー（切断機）、５１；シャーの上刃、５２；シ
ャーの下刃。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安藤圭介愛知県東海市新宝町33番の４豊田スチールセンター株式会社本社工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一の母材の溶接端面と他の母材の溶接端
面とを突き合わせて形成される開先に、レーザーを照射
して行うレーザーによる溶接方法であって、該一の母材の溶接端面が、少なくとも周縁部寄りの一部
にレーザーの照射方向に対して傾斜する傾斜面を有する
端面形状を備え、該他の母材の溶接端面が、該一の母材
の溶接端面と所定の隙間をもって向かい合い、若しくは
略接触する端面形状を備えることを特徴とするレーザー
による溶接方法。
【請求項２】一の母材の溶接端と他の母材の溶接端と
を突き合わせて形成される開先に、レーザーを照射して
行うレーザーによる溶接方法であって、該一の母材の溶接端が、少なくとも一部に段差部を有す
る形状を備え、該他の母材の溶接端が、該一の母材の溶
接端と所定の隙間をもって向かい合い、若しくは略接触
する形状を備えることを特徴とするレーザーによる溶接
方法。