JPH11320150A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】１パスで裏波を形成させる際、母材の裏面側を
不活性ガスでシールドせずとも、またシールドする場合
でも完全なシールド雰囲気にせずとも、裏波側にブロー
ホールおよび開口欠陥が発生することがないレーザ溶接
方法を提供する。 【解決手段】母材を貫通したレーザパワーをＰt （ｋ
Ｗ）、母材の裏面側のシールド用不活性ガスの体積比を
ｐs とした時、母材の裏面側を不活性ガスでシールドし
ない場合には式「Ｐt ＜３．０」、シールドする場合に
は式「Ｐt ＜３．０／（１−ｐs ）」を満たす条件で溶
接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属材料のレーザ
溶接方法に係わり、より詳しくは１パスで裏波を形成さ
せる際、溶接部、なかでも裏波側にブローホールおよび
開口欠陥が発生するのを確実に防止することが可能なレ
ーザ溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属材料のレーザ溶接においてしばしば
問題となる溶接欠陥には、ブローホールおよび開口欠陥
がある。このため、ブローホールおよび開口欠陥を防止
する方法については従来から種々の方法が提案されてお
り、その代表的な方法には以下の３つがある。

【０００３】第１の方法は、溶接部をシールドボックス
で完全に覆うとともに、このシールドボックスに傾斜配
設されたノズルを用い、溶接進行方向の後方斜め上方か
ら溶接部に向けてアシストガスを吹き付けながら溶接す
る方法である（特開平７−１３６７９１号公報参照）。

【０００４】第２の方法は、レーザビームの照射角度
を、溶接方向に対して前進角２０〜６０°または後退角
２０〜６０゜に設定して溶接する方法である（特開平７
−９６３７９号公報参照）。

【０００５】第３の方法は、Ａｌ、ＳｉおよびＴｉのう
ちから選ばれた１種または２種以上を０．０５〜３重量
％含むフィラーワイヤーの溶滴を溶接部に供給しながら
溶接する方法である（特開平８−３０９４０２号公報参
照）。

【０００６】これらの方法は、確かに、ブローホールお
よび開口欠陥の発生防止に効果があるが、いずれの方法
も以下に述べる欠点を有している。

【０００７】すなわち、第１の方法は、照射したレーザ
ビームが母材の裏面に達しない非貫通溶接方法であり、
しかも溶接部をシールドボックスで覆って完全なシール
ド雰囲気にした上で溶接することを前提とした方法であ
る。このため、実際の生産現場、なかでも１パスで裏波
を形成させる１パス貫通溶接を行う生産現場に適用した
場合、母材の表裏両面、特に裏面側を完全なシールド雰
囲気にできないことが多く、裏波側にブローホールおよ
び開口欠陥が発生するのを防止できないという欠点を有
している。

【０００８】また、第２の方法は、第１の方法と同様
に、照射したレーザビームが母材の裏面に達しない非貫
通溶接方法であり、しかも母材の裏面シールドが全く考
慮されていない。このため、１パス貫通溶接には適用で
きず、仮に適用しても裏波側にブローホールおよび開口
欠陥が発生するのを防止できないという欠点を有してい
る。さらに、第３の方法は、溶接部にフィラーワイヤー
の溶滴を供給しないことを前提とした溶接には利用でき
ないという欠点を有している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、溶接
部にフィラーワイヤーの溶滴を供給しないことを前提と
し、しかも１パスで裏波を形成させる１パス貫通溶接方
法であり、母材の裏面を全くシールドしなくても、また
シールドする場合でも完全なシールド雰囲気にしなくて
も、裏波側にブローホールおよび開口欠陥が発生するこ
とがないレーザ溶接方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、下記
（１）および（２）のレーザ溶接方法にある。

【００１１】（１）１パスで裏波を形成させる金属材料
のレーザ溶接であって、母材を貫通したレーザパワーＰ
t （ｋＷ）が下式を満たす条件で溶接を行うことを特徴
とするレーザ溶接方法。

【００１２】Ｐt ＜３．０ （２）１パスで裏波を形成させる金属材料のレーザ溶接
であって、母材の裏面を不活性ガスでシールドするとと
もに、母材を貫通したレーザパワーＰt （ｋＷ）が下式
を満たす条件で溶接を行うことを特徴とするレーザ溶接
方法。

【００１３】Ｐt ＜３．０／（１−ｐs ） ただし、 ｐs ：母材裏面のシールド用不活性ガスの体積比 上記の本発明は、下記の知見に基づいて完成された。

【００１４】本発明者らは、１パスで裏波を形成させる
１パス貫通溶接する際の溶接条件（レーザ出力、溶接速
度、母材肉厚）および母材の裏面側のシールド条件が溶
接部、特に裏波側のブローホールおよび開口欠陥の発生
に及ぼす影響を明らかにするために、次の実験を行っ
た。

【００１５】図１は、実験に用いた装置を示す模式的縦
断面図で、被溶接材料である母材４の表面側には、焦点
が母材４の表面に合わされたレーザビーム１と同軸にシ
ールドガスを吹き付け、そのガス流れ３によって溶接部
表側の雰囲気を制御するシールドノズル２が配置されて
いる。また、母材４の裏面側には、溶接部裏側の雰囲気
を制御するためのＡｒガスやＨｅガスまたはこれらの混
合ガスからなる不活性ガスが供給口６から排出口７に向
かって流れるシールドボックス５が配置されている。

【００１６】先ず始めに、肉厚９ｍｍの炭素鋼を母材４
とし、シールドボックス５にはシールドガスを供給せず
に、すなわち溶接部の裏側（母材４の裏面側）を不活性
ガスでシールしない状態で、出力が２５Ｋｗの炭酸ガス
レーザを照射し、溶接速度を１〜６ｍ／ｍｉｎまで０．
５ｍ／ｍｉｎ刻みで変化させて１パス貫通溶接を行っ
た。この時、溶接部の表側（母材４の表面側）は、シー
ルドノズル２にＨｅガスを３０リットル／ｍｉｎで供給
し、完全なシールド雰囲気に制御した。

【００１７】そして、得られた裏波ビードの表面を目視
観察して裏面ビード長さ５００ｍｍ当たりの開口欠陥の
発生個数を調べる一方、ＪＩＳ Ｚ ３１０４に規定さ
れるＸ線透過試験方法に準じて撮影したＸ線写真に写っ
ているビード長さ５００ｍｍ当たりのブローホールの発
生個数を調べたところ、表１に示す結果が得られた。な
お、ブローホールの発生個数は、Ｘ線写真上の球状欠陥
の総数から目視観察による開口欠陥の発生個数を除いた
個数とした。

【００１８】

【表１】

【００１９】表１に示すように、溶接部の裏側（母材４
の裏面側）を不活性ガスでシールしない場合では、溶接
速度を５ｍ／ｍｉｎ以上にすると開口欠陥が発生しなく
なるとともに、ブローホールの発生数が激減することが
判明した。

【００２０】次に、母材４および溶接部の表側と裏側の
シールド条件を上記と同じにし、レーザ出力と溶接速度
を種々変化させて１パス貫通溶接を行った。そして、上
記と同様の方法により、裏面ビード長さ５００ｍｍ当た
りの開口欠陥の発生個数とブローホールの発生個数を調
べた。

【００２１】図２は、その調査結果を示す図で、縦軸に
レーザ出力、横軸に溶接速度を採って示してある。ま
た、図中、「○」印は開口欠陥の発生個数が０（ゼロ）
で、かつブローホールの発生個数が１個以下の場合、
「●」印は開口欠陥の発生個数が１個以上またはブロー
ホールの発生個数が２個以上の場合を示している。

【００２２】図２に示す結果から、溶接部の裏側（母材
４の裏面側）を不活性ガスでシールドしない場合、健全
な溶接結果が得られる条件は、レーザビーム１の出力に
よって異なり、レーザ出力が１５ｋＷでは２ｍ／ｍｉｎ
以上、２０ｋＷでは３．５ｍ／ｍｉｎ以上、２５ｋＷで
は５ｍ／ｍｉｎ以上で欠陥の発生個数が激減することが
判明した。

【００２３】すなわち、母材４の裏面側のシールド用の
不活性ガスの体積比が０（不活性ガスの分圧が０）の場
合における臨界条件（欠陥が多発するかまたは欠陥がほ
とんど発生しなくなるかの境界条件）は、レーザ出力が
大きくなると、高速溶接側にシフトすることが判明し
た。このことから、臨界条件は、母材４を貫通したレー
ザパワーと相関関係を有する可能性が高いことが予想さ
れた。そこで、これを確かめるべく、次の実験を行っ
た。

【００２４】図３は、実験に用いた装置を示す模式的縦
断面図で、母材４の裏面側には、レーザビーム１の貫通
部に発生するプラズマを除去するプラズマ除去用ガス
（Ｈｅガス）８を吹き付けるサイドガスノズル９と、母
材４を貫通したレーザビーム１０のパワー（以下、「母
材貫通後のレーザパワー」という）を測定するためのパ
ワーメーター１１が配置されている。

【００２５】上記の装置を用い、レーザビーム１の出力
を種々変化（１５、２０および２５ｋＷ）させる一方、
溶接速度を種々変化（１〜６ｍ／ｍｉｎ）させて１パス
貫通溶接した。この時、サイドガスノズル９から母材４
の裏面のレーザ貫通部にＨｅガス８を吹き付けてプラズ
マを事実上発生させないようにした状態のもとで、各条
件での母材貫通後のレーザパワーをパワーメーター１１
で測定した。また、溶接は、サイドガスノズル９に対す
るＨｅガス８の供給を停止し、溶接部の裏側（母材４の
裏面側）を不活性ガスでシールドしない状態で行った。
そして、上記と同様の方法により、裏面ビード長さ５０
０ｍｍ当たりの開口欠陥の発生個数とブローホールの発
生個数を調べた。

【００２６】図４は、その測定結果を示す図で、縦軸に
母材を母材貫通後のレーザパワー、横軸に溶接速度を採
って示してある。また、図中、「○および●」印はレー
ザビーム１の出力が１５ｋＷ、「△および▲」は２０ｋ
Ｗ、「□および■」印は２５ｋＷの場合を示している。
さらに、「○、△および□」印は開口欠陥の発生個数が
０（ゼロ）で、かつブローホールの発生個数が１個以下
の場合、「●、▲および■」印は開口欠陥の発生個数が
１個以上またはブローホールの発生個数が２個以上の場
合を示している。

【００２７】図４に示す結果から、溶接部の裏側、すな
わち母材４の裏面を不活性ガスでシールドしない場合に
おける上記の臨界条件は、レーザビーム１の出力と溶接
速度の如何にかかわらず、母材貫通後のレーザパワーが
３ｋＷの時であり、母材貫通後のレーザパワーが３ｋＷ
以下になる条件で１パス貫通溶接を行う場合には、開口
欠陥が発生せず、しかもブローホールもほとんど発生し
ないことが判明した。

【００２８】上記の臨界条件（母材貫通後のレーザパワ
ーが３ｋＷ）は、溶接部の裏側（母材４の裏面側）のシ
ールド雰囲気が異なれば変化することが予想される。

【００２９】そこで、前述の図１に示したように、母材
４の裏面側にシールドボックス５を配置し、このシール
ドボックス５に対してＡｒガスの体積比を０．０１〜１
の範囲で種々変化させたＡｒガスと空気との混合ガスま
たはＡｒガスを供給することによって溶接部の裏面側の
シールド雰囲気を種々変化させた以外は上記と同様の条
件で１パス貫通溶接し、各条件での母材貫通後のレーザ
パワーをパワーメーター１１で測定する一方、上記と同
様の方法により、得られた裏面ビードの開口欠陥の発生
個数とブローホールの発生個数を調べた。

【００３０】図５は、その調査結果を示す図で、縦軸に
母材貫通後のレーザパワー、横軸に溶接部裏側（母材の
裏面側）のシールド用不活性ガス（Ａｒガス）の体積比
を採って示してある。また、図中、「○」印は開口欠陥
の発生個数が０（ゼロ）で、かつブローホールの発生個
数が１個以下の場合、「●」印は開口欠陥の発生個数が
１個以上またはブローホールの発生個数が２個以上の場
合を示している。

【００３１】図５に示す結果から、上記の臨界条件（母
材貫通後のレーザパワー３ｋＷ）は、溶接部裏側（母材
の裏面側）のシールド用不活性ガス（Ａｒガス）の体積
比によって変化しており、母材貫通後のレーザパワーを
Ｐt （ｋＷ）、母材裏面のシールド用不活性ガスの体積
比をｐs とすると、「Ｐt ＝３．０／（１−ｐs ）」の
曲線を描くことが判明した。

【００３２】そして、上記図５の関係は、詳細なデータ
の記載は省略するが、母材４の肉厚が異なる場合、およ
び母材裏面のシールド用の不活性ガスにＨｅガスまたは
Ｈｅガスと空気との混合ガスを用いた場合においても全
く同じであった。

【００３３】すなわち、母材４の裏面側を不活性ガスを
用いてシールドしなくても、下記（１）式を満たす条件
で１パス貫通溶接すれば、ブローホールおよび開口欠陥
のない裏波（裏面ビード）を有する溶接部が得られる。
また、母材４の裏面側を不活性ガスを用いてシールドす
る場合でも、完全なシールド雰囲気にする必要はなく、
下記（２）式を満たす条件で１パス貫通溶接すれば、ブ
ローホールおよび開口欠陥のない裏波（裏面ビード）を
有する溶接部が得られることを知見した。

【００３４】 Ｐt （ｋＷ）＜３．０ ・・・・・・・・・・ （１） Ｐt （ｋＷ）＜３．０／（１−ｐs ） ・・・ （２）

【００３５】

【発明の実施の形態】本発明の１パス貫通溶接方法にお
いては、前述したように、必ずしも母材４の裏面側をシ
ールドボックス５（前述の図１および図５参照）でシー
ルドする必要はない。

【００３６】ところが、実際の生産現場においては、種
々の事情によりやむをえず溶接速度を遅くする必要が生
じる。この場合、前述の図４に示す結果からわかるよう
に、母材４を貫通したレーザビーム１０（前述の図３参
照）のパワー、すなわち母材材貫通後のレーザパワーＰ
t が大きくなって開口欠陥およびブローホールが発生す
るようになることがある。

【００３７】しかし、このような場合、母材４の裏面側
にシールドボックス５を配置し、このシールドボックス
５内に上記の（２）式を満たす体積比のＡｒガスまたは
Ｈｅガスと空気との混合ガスを供給して母材裏面のシー
ルドすると、前述の図５に示す結果からわかるように、
母材貫通後のレーザパワーＰt が大きくても、開口欠陥
およびブローホールが発生することはない。

【００３８】

【実施例】肉厚が６ｍｍ、１２ｍｍおよび１５ｍｍの炭
素鋼からなる母材を準備し、前述の図１に示す装置を用
い、種々の溶接条件と母材裏面のシールド条件で１パス
貫通溶接を行った。

【００３９】ただし、シールドノズル２には、Ｈｅガス
を３０リットル／ｍｉｎ一定で供給し、溶接部表側の雰
囲気をＨｅガスで完全にシールドした。また、シールド
ボックス５には、Ａｒガスの体積比を種々変化させたＡ
ｒガスと空気との混合ガスまたはＡｒガスを５０リット
ル／ｍｉｎ一定で供給した。

【００４０】そして、得られた溶接部を対象に、裏面ビ
ードの外観を観察し、裏面ビード５００ｍｍ当たりの開
口欠陥の発生数を調べる一方、ＪＩＳ Ｚ ３１０４に
規定されるＸ線透過試験方法に準じて撮影したＸ線写真
に写っているビード長さ５００ｍｍ当たりのブローホー
ルの発生個数を調べた。なお、ブローホールの発生個数
は、Ｘ線写真上の球状欠陥の総数から目視観察による開
口欠陥の発生個数を除いた個数とした。

【００４１】また、各条件での母材４を貫通したレーザ
ビーム１０のパワー（母材貫通後のレーザパワー）Ｐt
は、その溶接前に前述の図３に示す装置を用い、サイド
ガスノズル９から母材４の裏面のレーザ貫通部にＨｅガ
ス８を吹き付けてプラズマを事実上発生させないように
した状態で測定した。

【００４２】以上の調査結果を、表２に、溶接条件およ
び母材裏面のシールド条件と併せて示した。

【００４３】

【表２】

【００４４】表２に示す結果から明らかなように、本発
明で規定する条件を満たす母材貫通後のレーザパワーＰ
t で１パス貫通溶接を行った本発明例（No. １、２、
４、７、８および１０）では、レーザビーム１の出力お
よび溶接速度の如何にかかわらず、裏面ビードに開口欠
陥が発生せず、しかもブローホールも１個以下でほとん
ど発生しなかった。

【００４５】これに対し、本発明で規定する条件を満た
さない母材貫通後のレーザパワーＰt で１パス貫通溶接
を行った比較例（No. ３、５、６、および９）では、裏
面ビードに開口欠陥が４２個以上と多く発生し、しかも
ブローホールも９０個以上と極めて多く発生した。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、１パスで裏波を形成さ
せる際、母材裏面を不活性ガスを用いて全くシールドし
なくても、またシールドする場合でも完全なシールド雰
囲気にせずとも、裏面ビードの開口欠陥および溶接部の
ブローホール発生を確実に防ぐこと可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実験に用いた装置を示す模式的縦断面図であ
る。

【図２】実験結果を示す図である。

【図３】実験に用いた装置を示す模式的縦断面図であ
る。

【図４】実験結果を示す図である。

【図５】実験結果を示す図である。

【符号の説明】

１ ：レーザビーム、 ２ ：シールドノズル、 ３ ：シールドガス流れ、 ４ ：母材、 ５ ：シールドボックス、 ６ ：供給口、 ７ ：排出口、 ８ ：プラズマ除去用ガス流れ、 ９ ：サイドガスノズル、 １０：母材を貫通したレーザビーム、 １１：パワーメーター。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１パスで裏波を形成させる金属材料のレー
   ザ溶接方法であって、母材を貫通したレーザパワーＰt
   （ｋＷ）が下式を満たす条件で溶接を行うことを特徴と
   するレーザ溶接方法。 Ｐt ＜３．０
2. 【請求項２】１パスで裏波を形成させる金属材料のレー
   ザ溶接方法であって、母材の裏面を不活性ガスでシール
   ドするとともに、母材を貫通したレーザパワーＰt （ｋ
   Ｗ）が下式を満たす条件で溶接を行うことを特徴とする
   レーザ溶接方法。 Ｐt ＜３．０／（１−ｐs ） ただし、 ｐs ：母材裏面のシールド用不活性ガスの体積比