JPS61232078A - レ−ザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ溶接法の改良に関する。

〔従来の技術及びその問題点〕

金属材等の溶接方式の１つとしてレーザ溶接法が知られ
ている◎ レーザビームはレンズで集光することにより１０６〜１
０７ｗ／♂の高エネルギー密度を得ることができ、この
エネルギー密度は従来のアーク溶接熱源の１０３〜１０
４倍にも達する。このためレーザ溶接は、（１）高速溶
接が可能である、（２）溶接熱変形が小さい、（３）基
本的には溶加材が不要である等の特徴を有し、高能率、
省資源溶接法として最近脚光を浴びている。また、同じ
高エネルギー密度溶接法である電子ビーム溶接法と異な
り、真空芽囲気を必要としない、タイム・シェアリング
により複数ステージでの溶接が可能である等の利点も併
せ持っており、かかる特徴を活用した利用面での開拓が
図られつつある。

通常、レーザ溶接では以下に示す過程で溶接が行なわｎ
る。

（１１集光されたレーザビームが集魚近傍におかｎた被
溶接物表面にあたり吸収される結果被溶接物表面を一部
溶融し、その一部を蒸発させる。

（２）蒸発物質がレーザビームの一部を吸収して、シー
ルドガスのプラズマ化を促進し、シールドガスのプラズ
マを生成する。

（３）被溶接物表面での急激な蒸発による反力で溶融池
にビーム孔が形成される。

（４）ビーム孔側壁でのレーザビームの反射により、ビ
ーム孔底におけるエネルギー密度が増し、吸収・穿孔の
過程を反復しつつ、やがてレーザビームが被溶接材の肉
厚を貫通する。

以上の溶接過程によって形成されるビードは、ｔＪＡ７
図に示すようにワインカップ形状を呈しており、裏側に
近い程ビード幅が狭いのが特徴である。すなわち、上部
溶融部（８ａ）はプラズマからの熱伝達も加わって広い
ビード幅が得られるが、下部溶融部（８ｂ）の領域のビ
ード幅はほぼレーザビームの穿孔幅によって決定され、
レーザビームは非常に細く絞られていることから溶融部
（８ｂ）の領域のビード幅は必然的に狭くなる。だが、
このように裏面側で幅狭のビードしか得られないという
ことは、レーザの実用化に際して極めて厳しい開先形状
の管理及びレーザビームのねらい位置精度が要求される
ことになる。この要求を満足するには、レーザ溶接周辺
設備に対し多大なる投資を強いることになり、結果的に
前述したようなレーザ溶接の利点を打ち消すことにもな
りかねない。

この溶融部（８ｂ）の領域のビード幅を広げる方法とし
て１例えばビーム焦点位置をデフォーカスにする方法が
考えらｎる。しかし、このようにデフォーカスＣトする
と被溶接材に照射されるレーザビームのエネルギー密度
が減少して溶接できる肉厚が極端に低下するという問題
がある。また、プラズマをレーザビーム照射点から除去
してビームエネルギーの吸収、反射損失を減少させ、溶
融部（８ｂ）に入るビームエネルギーを増大させる方法
や、プラズマをビーム孔に封じ込め、プラズマの保有熱
量を活用する方法も考えらｎ、ている。これらの方法は
、レーザビーム照射点付近に設けたノズルで高速ガスを
プラズマに吹き付けることによりプラズマを制御し、ビ
ード形状の改善を図るものである。ところが、こｎらガ
ス吹き付けによるプラズマ制御方法では、ビーム孔の直
径が０．５〜１．０■と小さいため、ガスの吹き付は方
向、位置及びガス流量・圧力の設定に極めて高い精度が
要求されること、この要求精度から外れた場合にパンピ
ングビード等の不連続・不安定ビードが形成され、逆効
果を招く危険性があること、さらには、中・厚板になる
と上記効果が薄れ裏ビード幅の拡大がほとんど期待でき
なくなること、等の大きな問題があり、実用的に有効な
方法とは言い難い。

Ｃ問題を解決するための手段及び実施例〕本発明はこの
ような問題に鑑み、レーザビーム照射面の裏面側におい
ても良好な溶接ビードが得らｎ、る溶接法を提供せんと
するものであり、このため、レーザ照射面の裏面側に反
射板を配置し、被溶接材を貫通したレーザビームを反射
させて被溶接材溶融部及びその近傍領域に照射し、所望
幅の溶接ビードを得るようにしたものである。

以下１本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の基本構成を示すもので、（１］は被溶
接材、（２）はその突合せ面、（３］はレーザビームの
集光レンズである。

本発明は、レーザビーム（４）に集光レンズ（３）で集
光して被溶接材（１）の片面側から突合せ面（２）に対
して照射し、該レーザビーム（４）を被溶接材を貫通さ
せて溶融接合するに際し、レーザ照射面の裏面側に反射
板（５）を配置し、被溶接材（１）を貫通したレーザビ
ーム（４ａ）を反射板（５）で反射させ、この反射ビー
ム（４ｂ）を被溶接材裏面側の溶融部及びその近傍領域
に照射し、その部分の溶融部を拡大し、ビード幅の拡大
を図るものである。

レーザビーム（４）は集光レンズ（３）によって被溶接
材（１）の表面付近で焦点を結ぶが、この際のレーザ溶
接条件（入熱）は被溶接材（１）の厚みｔ以上の溶は込
みが得らｎるよう設定され、このようにしてレーザビー
ムを照射することにより入射したレーザビーム（４）の
一部は被溶接材の突合せ面（２）を貫通して反射板（５
）に達し。

該反射板（５）で反射されることにより被溶接材裏面（
６）に照射されることになる。被溶接材裏面側の溶融部
の近傍領域は接融温度若しくはそれに近い温度に達して
いるため、反射ビーム（４ｂ）は効率良く被溶接材（１
）に吸収され、溶融部幅を拡大するどとになる。

第２図は、第１図に示されるような本発明法、反射板を
用いない従来のビーム貫通溶接法、さらには非貫通溶接
法の各方法を実施した場合における溶融効率（被溶接材
の溶融に使用されたエネルギー／入射レーザエネルギー
）を示すものである。これによれば、反射板を設けるこ
とにより溶融効率が著しく上昇し、約４５係までに達し
ている。この条件で非貫通溶接（部分滲込み溶接）した
時の溶融効率が約５０優であるから、反射板を用いるこ
とにより、被溶接材を貫通したビームの７０チを再度被
溶接材の溶融に利用したことになる。このように、貫通
したビームを反射させて被溶接材裏面に照射することに
よって、エネルギー効率の高いレーザ貫通溶美が可能と
なることが判る。

この反射ビームによって被溶接材が溶融される領域は反
射ビーム量、反射板と被溶接材間の距離、ビーム焦点位
置及び被溶接材の肉厚によって決定される。例えば、第
１図に示すように入射するレーザビーム（４）の焦点を
被溶接材表面近傍に置き、且つ被溶接材（１）と反射板
（５）との間隔をｄとすると、反射ビーム（４ｂ）が被
溶接材裏面（６）に到達する時の焦点位置からのずれは
近似的に（２ｃｉ＋ｈ）で与えられる。

ｈは焦点位置から被溶接材裏面（６）までの距離である
。そしてｄ及びｈが大きい程、被溶接材裏面（６）に到
達する時の反射ビーム径は大きくなる。この場合、反射
ビーム（４ｂ）によって溶融される被溶接材裏面（６）
の範囲は広くなり、幅広で且つフラットなビードが裏面
側に形成され、ることになる。

逆に、焦点位置が被溶接材裏面近傍に存在し、被溶接材
（１）と反射板（５）との間隔が小さい場合には、被溶
接材裏面（６）に到達する反射ビーム（４ｂ）の焦点位
置からのずれは小さく、高いエネルギー密度を保った状
態で被溶接材裏面（６）を照射する。この場合は第３図
に示すように板厚方向に和尚の溶込みを有する溶融部（
７）が得られており、第７図で示した溶融部（８ｂ）の
領域のビード幅拡大に極めて効果的である０貫通し、た
レーザビームの量が増加する程、この傾向は助長さｎる
。

第４図は本発明法の実施例と、反射板を用いない従来法
による比較例の各裏ビード幅を比較して示すもので、反
射板を設けることにより、裏ビード幅を２〜３倍拡大で
きていることが判る。

ただ、本発明法において反射板を被溶接材の裏面に密着
（ｄ＝ｏ）させて取り付けると、溶接条件によっては被
溶接材と反射板が溶着することがあり、このため、反射
板と被溶接材の間隔は少なくとも０．５　ｗ以上設ける
ことが望ましい。

反射板としては上記実施例で用いたような銅板のほか、
レーザビームに対して反射率の高い適宜な材質のものを
用いることができ、また、適当な素材に反射率の高い物
質をコーティングしたもの（例えばアルミ材に金コーテ
ィングしたもの）等も使用することができる。

また反射板は上記実施例では平板状のものを用いたが、
曲率を有する凹面形状の反射板を用いることができ、こ
乙によって反射ビームを溶接部近傍に集中し、被溶接材
を効果的に加熱、溶融することができる。また、この反
射板の曲率及び被溶接材とビーム反射板との間隔を調整
することによって溶接部近傍への反射ビームの集中の程
度を制御することが可能であり、必要とされるビード形
状を任意に形成できる。

第５図は凹面反射板（５）（２次元凹面鏡）を用いた場
合の実施状況を示すものであるが、このような方式によ
り曲率の異なる反射板（５）で溶接を実施したところ、
曲率が大きい反射板（５）を用いた場合には第６図ら）
のタイプのビード形状が、また曲率が小さい反射板（５
）を用いた場合には第６図（ｂ）タイプのビード形状が
それぞｎ得られた。

また反射板としては、上記した２次凹面鏡のほか、３次
元球面鏡、パラポリツク鏡を用いることができ、これら
を用いた場合反射ビームをより集中的に溶接部に照射で
きる。

長時間にわたって溶接を行う場合、或いは被溶接材を貫
通するビーム量が多いような場合には、反射板の温度が
上昇し、ビーム反射率が低下したり反射板の表面が損傷
したりするおそれがあるが、このようなおそｎがある場
合には反射板を水冷構造とすることができ、これにより
安定且つ曳好な溶接が可能となる。

また本発明では、反射板に裏ビードのシールド機能を持
たせることも可能であり１例えば、Ｃｒ製凹面鏡の両側
にシールドガス供給用の孔を設け、この孔からＡｒガス
を供給して溶接する方法を採ることができ、こむにより
凹面鏡のビーム反射性能を損うことなく金属光沢を呈Ｔ
る裏ビードを得ることができ、満足できるシールド効果
が得られる。

なお３、反射板は固定式、移動式向れの方式でも適用可
能であることは言うまでもない。

以上のような本発明法は、炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼
等の鉄系金属のみならず、その他各種の非鉄金属材料、
さらにはセラミックスをはじめとする非金属材料の溶接
にも適用可能である。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、レーザ照射面の裏面
側にも幅広で良好なビードを形成することができる効果
がある。またこの結果、レーザ溶接で最も懸念されるオ
フシーム欠陥の発生を防止できるとともに、開先精度及
びビームねらい位置精度に対する要求も緩和でき、溶接
の安定性の向上のみならず、付帯設備費用も軽減できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成図である。第２図は本発明法
の実施例における溶融効率を従来法等による溶融効率と
比較して示すものである。第３図は本発明法によって得
らｎる溶接部の断面の一例を示す説明図である。第４図
は本発明法の実施例における溶接速度と裏ビードとの関
係を従来法のそれと比較して示すものである。第５図は
本発明法の一実施状況を示す説明図である。 第６図（ａ）（ｂ）はそれぞれ第５図に示す実施例で得
らｎた溶接部断面を示す説明図である。 第７図は従来法により得られ、た溶接部断面を示す説明
図である。 図において、（１］は被溶接材、（２）は突合せ面、（
４）はレーザビーム、（４ａ）は貫通レーザビーム、（
４ｂ）は反射ビーム、（５）は反射板、（６）は被溶接
材裏面を各示す。 第　　５　　図 第６図 第７図 第２図 ８柊 第　　４　　図 洛捲像友ν（ｍ／分）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザビームを被溶接材の片側から照射して溶融接合す
   る方法において、レーザ照射面の裏面側に反射板を配置
   し、被溶接材を貫通したレーザビームを反射させて被溶
   接材溶融部及びその近傍領域に照射することにより所望
   のビード幅を得るようにすることを特徴とするレーザ溶
   接方法。