JPH10216973A - アルミニウム及びアルミニウム合金のレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミニウム合金のレーザー溶接法におい
て、アスペクト比の大きい４ｍｍ以上の深い溶込み深さ
のレーザー溶接部のポロシティを解消し、アスペクト比
の大きい、かつ溶接歪みの小さいレーザー溶接を可能と
する。 【構成】 二つのレーザー光を被溶接材に前後して照射
し、２番目のレーザー光照射によりビードの中心部の溶
融状態及び凝固速度を制御してポロシティの発生を抑制
し、溶込み深さを確保する。 【効果】 ２番目のレーザー光照射により、ビームホー
ルからの金属蒸気やガスの逸脱のための開口が維持さ
れ、また強固速度が小さくなることにより、ポロシティ
の逸脱が促進される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶込み深さが３〜４ｍ
ｍ以上となる比較的板厚の大きいアルミニウム合金材の
レーザー溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザー溶接法は、高いエネルギー密度
を有するので、従来のＴＩＧ溶接法やＭＩＧ溶接法に比
べて高速溶接が可能であり、或いは深い溶込みの溶接が
できる。また、レーザー溶接法では、高速で溶接できる
こととビードのアスペクト比（溶込み深さ／ビード幅）
が大きいので、ビード幅の小さい溶接ビードが得られ、
このため溶接歪みの小さい溶接材が作製できる等の優れ
た特性を有することから、車両、航空機、船舶構造体や
建築土木構造体等の広い用途に適用されている。しかし
ながら、アルミニウム合金のレーザー溶接に際しては、
その液相と固相のガス溶解度の差が大きいことや上記の
特性から溶融池の凝固速度が極めて大きく、ビームホー
ル内の金属蒸気やアシストガス等が凝固組織に閉じ込め
られることから溶接部内にポロシティを発生し易い。こ
れらのポロシティは、溶接部内の欠陥となって溶接継ぎ
手の強度を低下するばかりでなく、疲労強度等の機械的
特性や信頼性をも低下して溶接の品質を低下する。従っ
て、高い強度及び溶接継ぎ手部の高い信頼性の要求され
る前記のような強度部材への応用はあまり進んでいない
現状にある。

【０００３】レーザー溶接法は、高エネルギー密度の溶
接方法であるため、被溶接材に対してレーザーを照射す
ると、図２（ａ）に示すようにレーザー照射により形成
されたビームホール内の溶融金属が金属蒸気やアシスト
ガス等のヒュームにより押しやられてキャビティ周囲に
盛り上がった状態となり、ビーム後方でこれが閉じられ
てビードを形成する際、溶融金属の凝固が急速に進行す
るためこれらの金属蒸気やアシストガスが閉じ込められ
て、図２（ｂ）に示すように、ビード中心部にポロシテ
ィが形成され易い。また、凝固速度が大きいことから、
溶融池中に生成したポロシティは浮上逸脱し切れず、残
留し易い。このようなポロシティの生成は、溶込みが深
く、ビードのアスペクト比が大きいほど著しいため、厚
みのあるアルミニウム合金材のレーザー溶接において
は、健全な組織の溶接部を得ることが困難であり、前述
のように高い強度、信頼性を要求される構造部材へのレ
ーザー溶接の適用上の隘路となっている。

【０００４】このポロシティの問題を解決するため、本
出願人は先の出願において（平成７年特許願第１８８０
５０号）、溶接部裏面に溶融金属が露出しないアルミニ
ウム合金のレーザー溶接法において、ビードのアスペク
ト比を０．９以下に規制して溶融池中のポロシティが浮
上逸脱し易くすることを提案した。しかし、この方法で
は、深い溶込み深さを得るためには、ビード幅も広くな
り、溶接歪みが大きくなる等の問題があり、板厚の大き
い構造材等への応用には限界がある。また、ＹＡＧレー
ザーによる溶接方法において、レーザー光の波形を矩形
からｓｉｎｅ波に近付くようにプログラム制御すること
によりポロシティを低減することが試みられている。し
かし、この方法では、４ｍｍ以上の深い溶込みへの適用
は、溶接機の出力上の制限より実施が困難である。或い
は、ビームオシレーションによりキーホール開口部を拡
大して蒸気の排出を容易にする方法等が試みられている
が（「溶接・接合便覧」丸善株式会社、平成７年４月５
日発行第２刷、社団法人溶接学会編、第３６４頁）、エ
ネルギーが分散されて溶込み深さが小さくなり、また、
溶接効率が低下するほか、熱影響部が拡大して溶接歪み
が大きくなる等のため前述のような用途について必ずし
も適用できない。このように、従来試みられた種々の手
段を採用しても、なお、例えば４ｍｍ以上の深い溶込み
深さではポロシティの発生が十分に抑制されず、板厚の
大きい構造材のレーザー溶接については、強度及び信頼
性の点でこれらの強度部材の要求を満たすことができな
いのが現状である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
問題を解消すべく案出されたものであり、アルミニウム
合金のレーザー溶接法において、アスペクト比の大きい
４ｍｍ以上の深い溶込み深さのレーザー溶接部のポロシ
ティの問題を解消することを目的とするものである。ま
た、ポロシティを著しく低減した、アスペクト比の大き
いレーザー溶接を可能とすることにより、溶接部に高い
強度及び信頼性を付与し、かつ溶接歪みを小さくして、
船舶構造体や建築土木構造体等の広い用途への応用を可
能とすることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、その目的を達
成するため、アルミニウム及びアルミニウム合金のレー
ザー溶接において、二つのレーザー光を被溶接材に前後
して照射し、２番目のレーザー光照射によりビードの中
心部の溶融状態及び凝固速度を制御してポロシティの発
生及び溶込み深さを制御するものであり、また、この二
つのレーザー光を照射する間隔を１ｍｍ以上４ｍｍ以下
で、且つ二番目のレーザー光の出力が一番目のレーザー
出力の８０〜４０％とし、更に、フィラーワイヤーを加
えながら被溶接材にレーザー照射して溶接するものであ
る。

【０００７】

【作用】本発明の直列レーザー溶接法は、図１の概念図
に示すように、被溶接材に対して二つのレーザー光を前
後して照射しながら溶接する。先行する１番目のレーザ
ー光の後に所定の間隔をおいて、２番目のレーザー光に
よる照射を行い、連続照射してビードを形成する。１番
目のレーザー光の照射により溶融した溶融池は、図３
（ａ）に示すようにビームホールの左右に盛り上がった
状態となり、ビーム後方で矢印に示すようにビームホー
ルを閉じつつ急速に凝固し始める。この時点で２番目の
レーザー光の照射を行うと、ビード中心部を加熱するこ
とにより凝固速度が小さくなる効果と左右の盛り上がっ
た溶融金属の間に溶融池上方への開口を確保する効果と
により、図３（ｂ）に示すようにビード中心部に集中し
た金属蒸気やガス等に起因したポロシティを溶融池上方
に逸脱することが可能となる。このような作用の結果、
溶融池中のポロシティはビード中心部から逸脱する時間
的余裕が生じ、ビード中心部はその後凝固するため、ポ
ロシティの生成は極力抑制され、図３（ｃ）に示すよう
な健全な溶接組織とすることができた。

【０００８】この時のレーザー溶接の条件は、二つのレ
ーザー光の間隔及び２番目のレーザー光の１番目のレー
ザー光に対する出力比率によって変わる。レーザー光の
間隔が１ｍｍ以下の場合、これら１番目のレーザー光と
２番目のレーザー光の間隔が小さいために、２番目のレ
ーザー光照射により溶込み深さを大きくしつつ、単一の
レーザー光の照射の場合と同様の凝固形態となり、溶融
池の凝固速度の低下効果が十分に得られず、ポロシティ
が多く発生する。レーザー光の間隔が４ｍｍ以上の場合
は、溶融池がかなり凝固したときにレーザー光が照射さ
れる状態になるので、ビードを再溶融する形となるため
にポロシティが多く発生し、溶込み深さも減少する。

【０００９】また、２番目のレーザー光の出力を増して
１番目のレーザー光の８０％以上とした場合、１番目の
レーザー光の照射の場合と同様にビームホール左右に溶
融池を押しやって大きなキャビティを形成し、これが閉
じられて凝固する際にビード中心部にポロシティを生じ
易く、その大きな加熱作用のため高温度からの急冷とな
ってビード中心部の凝固速度の低下効果が小さくなり、
ポロシティが浮上逸脱できずに数多く残存することとな
る。一方、２番目のレーザー光の出力が４０％以下の場
合は、１番目のレーザー光の出力に比べて２番目の出力
が小さ過ぎるために、比較的深い位置に生成したポロシ
ティがビード外に逸脱できない。

【００１０】

【実施例】出力１０ｋＷのＣＯ₂ レーザー溶接機と８ｋ
ＷのＣＯ₂ レーザー溶接機を直列に配置した溶接システ
ムを用いて、板厚１０ｍｍのアルミニウム合金ＪＩＳ
Ａ５０８３−Ｏ材にビードオン溶接を施した。レーザー
出力を、９ｋＷと６ｋＷ、６ｋＷと４ｋＷ、及び３．５
ｋＷと２．５ｋＷの３種の組合せで、溶接速度を変えて
目標の溶込み深さになるように実施した。その結果をそ
れぞれ図４、５、６に示す。図４に示すレーザー出力９
ｋＷ＋６ｋＷの組合せの場合、ビーム間隔３ｍｍでポロ
シティの極小値を示し、１〜４ｍｍの範囲でポロシティ
数が著しく減少した。また、この範囲において大きな溶
込み深さが得られることが判る。一方、この範囲外では
ポロシティ数が急激に増大すると共にこの範囲を超える
と溶込み深さも急激に小さくなることが判る。尚、ポロ
シティ数は、溶接長さ１００ｍｍあたりの積算値であ
り、そのポロシティはＸ線写真で確認された直径０．４
ｍｍ以上のものである。同様にレーザー出力６ｋＷ＋４
ｋＷ及び３．５ｋＷ＋２．５ｋＷの組合せの場合も、図
５及び６に示されるように、ビーム間隔１〜４ｍｍの範
囲においてビーム間隔２〜３ｍｍ近傍を極小値としてポ
ロシティ数が著しく減少するが、この範囲外ではポロシ
ティが著しく増加し、またビーム間隔４ｍｍを超えると
溶込み深さの急激な低下を生じることが判る。

【００１１】次に、レーザー光の間隔を３ｍｍとして、
１番目のレーザー光の出力９ｋＷ（溶接速度：５m/min
、７m/min ）、６ｋＷ（溶接速度：２m/min 、４m/min
）及び３．５ｋＷ（溶接速度：０．５m/min 、２．０m
/min ）に対して２番目のレーザー光の出力を変えてそ
の影響を調査した。図７、８、９にその結果を示す。１
番目のレーザー光の出力９ｋＷの場合について、図７に
示すように２番目のレーザー光の出力比率が８０〜４０
％の範囲において、約６５％付近を極小値としてポロシ
ティ数が激減することが判る。同様に、１番目のレーザ
ー光の出力が６ｋＷ及び３．５ｋＷの場合においても、
図８及び９に示すように２番目のレーザー光の出力比率
が８０〜４０％の範囲においてポロシティが著しく減少
することが判る。

【００１２】また、溶接継ぎ手構造の相違による影響を
調査するため、以下の条件で本発明のレーザー溶接を実
施した。レーザー光の出力９ｋＷ＋６ｋＷ及び６ｋＷ＋
４ｋＷの組合せでレーザー光の間隔を３ｍｍ、溶込み深
さ８ｍｍ及び５ｍｍとした条件で、板厚１０ｍｍのアル
ミニウム合金ＪＩＳ Ａ ５０８３−Ｏ材の板材をビー
ドオン溶接し、また、板厚８ｍｍと５ｍｍのアルミニウ
ム合金ＪＩＳ Ａ ５０８３−Ｏ材の板材を突合せ溶接
した。更に、同じ条件で、板厚４ｍｍと２．５ｍｍのア
ルミニウム合金ＪＩＳ Ａ ５０８３−Ｏ材の板材２枚
を重ねた部分を溶接する重ね溶接を実施した。それらの
結果を出力１０ｋＷの単一のレーザー光により溶接した
場合と対比して図１０（ａ）及び（ｂ）に示す。図１０
（１）及び（２）に示すように、溶接継ぎ手構造がビー
ドオン溶接、突合せ溶接及び重ね溶接のいずれの場合
も、単一レーザー光による場合と比較して、本発明の二
つのレーザー光を組合せる溶接法を用いることにより、
ポロシティを激減できることが判明した。

【００１３】Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金及びＡｌ−Ｚｎ−
Ｍｇ系合金は、レーザー溶接を行うと溶接割れを生じ易
い材料であり、その溶接割れの防止には、フィラーワイ
ヤーを加えながらレーザー溶接する方法が実施されてい
る。そこで、溶接割れを生じ易い板厚８ｍｍと５ｍｍの
アルミニウム合金ＪＩＳＡ ６Ｎ０１−Ｏ材の板材を用
いて、レーザー出力９ｋＷ＋６ｋＷと６ｋＷ＋４ｋＷの
組合せでレーザー光の間隔を３ｍｍとした条件で、アル
ミニウム合金溶接ワイヤーＪＩＳ Ａ ５３５６−ＷＹ
のフィラーワイヤーを加えながらレーザー溶接を実施し
た。レーザー出力９ｋＷ＋６ｋＷ及び６ｋＷ＋４ｋＷの
組合せについて、それぞれ図１１（ａ）及び（ｂ）に示
す。図１１（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、フィ
ラーワイヤを加えたレーザー溶接でも二つのレーザー光
を組合せた本発明の溶接法を用いれば、ポロシティを激
減できることが判明した。更に、板厚１６ｍｍのアルミ
ニウム合金ＪＩＳ Ａ ６Ｎ０１−Ｏ材の板材の突合せ
溶接に本発明のレーザー溶接法を適用した。その時、表
裏の２方向より溶接する溶接法を用いた。図１２に示す
ように表裏２方向からレーザー溶接する場合でも、単一
のレーザー光で溶接する方法よりも、二つのレーザー光
を組合せた本発明法の方が、ポロシティが著しく少ない
ことが判明した。

【００１４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のレーザ
ー溶接法においては、深い溶込み深さが得られると共に
ポロシティの著しく少ない溶接部が得られる。従って、
深いアスペクト比で健全な溶接部にできることから、４
ｍｍ以上の厚さのアルミニウム合金材に対しても、従来
のようにビード幅を広くする必要はなく、しかも溶接歪
みの小さい溶接継ぎ手を形成することができる。このこ
とから、高い強度及び信頼性を要求される船舶構造材や
土木建築用構造材等の広い用途に対してレーザー溶接を
適用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のレーザー溶接概念図。

【図２】 従来のレーザー溶接概略図、溶接中（ａ）、
溶接後（ｂ）。

【図３】 本発明のレーザー溶接の１番目のビーム照射
（ａ）、２番目のビーム照射（ｂ）、溶接後のビード
（ｃ）の各工程を示す。

【図４】 出力９ｋＷ及び６ｋＷの二つのレーザー光の
組合せにおけるビーム間隔が溶込み深さ及びポロシティ
に及ぼす影響を示す。

【図５】 出力６ｋＷ及び４ｋＷの二つのレーザー光の
組合せにおけるビーム間隔が溶込み深さ及びポロシティ
に及ぼす影響を示す。

【図６】 出力３．５ｋＷ及び２．５ｋＷの二つのレー
ザー光の組合せにおけるビーム間隔が溶込み深さ及びポ
ロシティに及ぼす影響を示す。

【図７】 １番目のレーザー光のビーム出力９ｋＷに対
する２番目のレーザー光のビーム出力比率がポロシティ
に及ぼす影響を示す。

【図８】 １番目のレーザー光のビーム出力６ｋＷに対
する２番目のレーザー光のビーム出力比率がポロシティ
に及ぼす影響を示す。

【図９】 １番目のレーザー光のビーム出力３．５ｋＷ
に対する２番目のレーザー光のビーム出力比率がポロシ
ティに及ぼす影響を示す。

【図１０】 溶接継ぎ手構造がビードオン、突き合せ及
び重ねの場合について、従来のレーザー溶接法に対して
本発明法によるポロシティ減少効果を示す。（ａ）レー
ザー光９ｋＷ及び６ｋＷの組合せ、（ｂ）６ｋＷ及び４
ｋＷの組合せ。

【図１１】 フィラーワイヤーを加えて溶接継ぎ手構造
がビードオン及び突き合せの場合について、従来のレー
ザー溶接法に対して本発明法によるポロシティ減少効果
を示す。（ａ）レーザー光９ｋＷ及び６ｋＷの組合せ、
（ｂ）６ｋＷ及び４ｋＷの組合せ。

【図１２】 突き合せ表裏２方向からの溶接の場合につ
いて、従来のレーザー溶接法に対して本発明法によるポ
ロシティ減少効果を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樋野 治道 静岡県庵原郡蒲原町蒲原１丁目34番１号 日本軽金属株式会社グループ技術センター 内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム及びアルミニウム合金のレ
   ーザー溶接において、二つのレーザー光を被溶接材に前
   後して照射し、２番目のレーザー光照射によりビードの
   中心部の溶融状態及び凝固速度を制御してポロシティの
   発生及び溶込み深さを制御するレーザー溶接法。
2. 【請求項２】 前記二つのレーザー光を照射する間隔を
   １ｍｍ以上４ｍｍ以下で、且つ二番目のレーザー光の出
   力が一番目のレーザー出力の８０〜４０％とする請求項
   １記載のレーザー溶接法。
3. 【請求項３】 フィラーワイヤーを加えながら被溶接材
   にレーザー照射して溶接する請求項１または２記載のレ
   ーザー溶接法。