JPWO2008099866A1 - 鋼板のレーザ溶接方法、およびレーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

被溶接材溶接部の形状不良を低減させ、十分な接合強度を得ることができる鋼板のレーザ溶接方法、及びその装置を提供する。複数の鋼板の端面同士を突き合わせ、突き合わせた鋼板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して突き合わせ部分を溶接する鋼板のレーザ溶接方法であって、鋼板の端面を突き合わせに適する形状に形成する切断工程と、切断工程により形成された端面を突き合わせる突き合わせ工程と、突き合わせ部分を加熱する第１の加熱工程と、第１の加熱工程により加熱された前記突き合わせ部分をレーザにより溶接するレーザ溶接工程とを備える鋼板のレーザ溶接方法とする。

Description

本発明は、鋼板の突き合わせ部分のレーザ溶接方法およびそのレーザ溶接装置に関する。

一般的に、熱延鋼板や冷延鋼板等の鋼板を処理するプロセスライン（酸洗、焼鈍、圧延、巻戻し、検査等のライン）においては、連続的に鋼板が供給され、供給された鋼板を連続的に処理する連続ラインがよく用いられる。

このような連続的に処理可能な連続ラインに対して、処理する鋼板を連続的に供給するためには、この連続ラインの上流工程において、鋼板と鋼板を突き合わせ溶接することによって途切れることなく鋼板を連続ラインへ供給する必要がある。

この連続ラインの上流工程に配置される一般的な溶接装置として、先行する鋼板である溶接材（以下、先行被溶接材という）の端面と、先行被溶接材に対して後行する鋼板である溶接材（以下、後行被溶接材という）の端面とを溶接して接続する溶接装置がある。さらに、溶接する被溶接材が高炭素鋼及び高張力鋼板である場合に、生産性の向上、品質の安定化を目的としてレーザ光を用いて溶接するレーザ溶接装置がよく用いられている。しかしながら、このような高炭素鋼および高張力鋼板のレーザ溶接においては、溶接後の急冷による被溶接材内部のマルテンサイト生成に伴い、溶接割れを生起することが多い。そのため、マルテンサイト生成度合いを低減して溶接割れを少なくさせるため、被溶接材の急激な温度変化を低減する必要があった。

例えば、特許文献１には、レーザ溶接を行う端面を相対させた鋼板の突き合わせ溶接部に沿い溶接機の溶接トーチの移動に同期して走行する台車と、この台車に回転可能に配設するとともに、台車の走行に伴い溶接部に下方から裏当てするように構成したロータリー式裏当て部材と、台車の走行に伴い溶接トーチに先行して突き合わせ部及びその近傍部分を予熱するコイルを備える板継溶接装置が記載されている。

特許文献２には、レーザビームが通過した後に所定の温度に加熱することにより、溶接金属の硬化を防止し、成形性の良好な溶接部を形成する高張力鋼板のレーザ溶接方法が開示されている。
特開平６−３１２２８５号公報 特開２００４−２０９４９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の板継溶接装置では、以下のような問題点があった。即ち、鋼板が連続処理される連続ラインに使用されるレーザ溶接装置は、先行被溶接材の端と後行被溶接材の端とを精度良く溶接するため、前処理として先行被溶接材の端と後行被溶接材の端を板継溶接装置に内蔵した切断装置で切断する。このとき、突き合わせ部を形成する端部は平らな面ではなく微小な形状のばらつきを生じ得るとともに、かえりが発生する場合がある。このような端部の形状がばらついたり、かえりが発生した状態で誘導加熱及びレーザ溶接を行うと板端の突き合わせギャップの変化により段差溶接または穴あき溶接等の溶接部の形状不良が生じるという問題点があった。

また、特許文献１に記載の板継溶接装置では、特に先行被溶接材の板厚と後行被溶接材の板厚が異なる場合、溶接部において母材との間に段差が生じる。そのため、この段差が生じた状態で被溶接材が後工程である連続ラインに供給され繰り返し曲げを受ける場合、溶接部に局所的に曲げ応力が作用してこの溶接部で破断するという問題があった。

さらに、特許文献１に記載の板継溶接装置では、被溶接材の板厚方向に磁束を発生させるので、被溶接材の端面間の接触状況により貫通磁束量が変化し、安定した均一な加熱が難しいという問題がある。

ところで、連続ラインに鋼板が供される前には、鋼板表面のスケール粉などの異物を除去するために鋼板表面にスプレー水を供給することが一般的に行われている。あるいは、鋼板表面のスケール粉等の異物がロールに付着しないように、ロール表面にスプレー水を吹きかけながら通板する場合もある。また、スプレー水を供給しない場合であっても、鋼板が水冷却工程などを経ている場合には、鋼板に冷却水が残存していることがある。従って、上記した鋼板の溶接を行う際には、鋼板端部の突き合わせ部分が洗浄水や冷却水により濡れている場合が多い。水分が残存した突き合わせ部にレーザを照射することにより溶接を行うと、水蒸気が発生する。この水蒸気は、溶融金属を吹き飛ばして溶接部の表面が大きく窪んだ欠陥を形成したり、溶接金属中に残存してブローホール欠陥を形成する。このような欠陥を含んだ溶接部は、接合強度の低下を招く。その結果、連続ラインの途中で溶接部から鋼板が破断し、製造ラインを止めて復旧させることが必要となる。これは製造効率上回避すべき問題である。

一方、レーザ溶接を用いるために水による洗浄をしない場合にはスケール粉等が鋼板に残り、これが後の処理により鋼板表面に生じるキズ等の原因となる場合があった。

特許文献２等に記載された発明をはじめとする従来の技術では、レーザ溶接の鋼板への適用はされているものの上記問題ついてこれを解決するものではなく、依然解決の要望が高かった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、被溶接材溶接部の形状不良を低減させ、十分な接合強度を得ることができる鋼板のレーザ溶接方法、及びその装置を提供することを課題とする。

以下本発明について説明する。

請求の範囲第１項に記載の発明は、複数の鋼板の端面同士を突き合わせ、突き合わせた鋼板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して突き合わせ部分を溶接する鋼板のレーザ溶接方法であって、鋼板の端面を突き合わせに適する形状に形成する切断工程と、切断工程により形成された前記端面を突き合わせる突き合わせ工程と、突き合わせ部分を加熱する第１の加熱工程と、第１の加熱工程により加熱された突き合わせ部分をレーザにより溶接するレーザ溶接工程とを備える鋼板のレーザ溶接方法を提供することにより前記課題を解決する。

請求の範囲第２項に記載の発明は、請求の範囲第１項に記載の鋼板のレーザ溶接方法において、第１の加熱工程は、鋼板の表面に平行に貫通する磁束を発生させるコイルにより加熱することを特徴とする。

請求の範囲第３項に記載の発明は、請求の範囲第１項に記載の鋼板のレーザ溶接方法において、突き合わせ工程と第１の加熱工程との間にさらに、突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧することにより突き合わせ部分の鋼板表裏面を整形する整形工程を備えることを特徴とする。

請求の範囲第４項に記載の発明は、請求の範囲第１項に記載の鋼板のレーザ溶接方法において、レーザ溶接工程で溶接された鋼板の溶接部を加熱する第２の加熱工程と、第２の加熱工程により加熱された溶接部を板厚の上下方向から押圧することによって溶接部を整形する加圧工程とを備えることを特徴とする。

請求の範囲第５項に記載の発明は、請求の範囲第４項に記載の鋼板のレーザ溶接方法において、第２の加熱工程は、鋼板の表面に平行に貫通する磁束を発生させるコイルにより加熱することを特徴とする。

請求の範囲第６項に記載の発明は、請求の範囲第４項に記載の鋼板のレーザ溶接方法における第２の加熱工程による加熱はレーザ溶接工程と同時に行うことを特徴とする。

請求の範囲第７項に記載の発明は、請求の範囲第１項〜第６項のいずれかに記載の鋼板のレーザ溶接方法における第１の加熱工程で、突き合わせ部分の加熱により該突き合わせ部分の鋼板表裏面の温度がいずれも２００℃以上に達することを特徴とする。

請求の範囲第８項に記載の発明は、複数の鋼板の端面同士を突き合わせ、突き合わせた鋼板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して突き合わせ部分を溶接する鋼板のレーザ溶接装置であって、鋼板の端面を突き合わせに適する形状に形成する切断手段と、突き合わせ部分を加熱する第１の加熱手段と、第１の加熱手段により加熱された突き合わせ部分をレーザにより溶接するレーザ溶接手段とを備える鋼板のレーザ溶接装置を提供することにより前記課題を解決する。

請求の範囲第９項に記載の発明は、請求の範囲第８項に記載の鋼板のレーザ溶接装置において、第１の加熱手段は、鋼板の表面に平行に貫通する磁束を発生させるコイルであることを特徴とする。

請求の範囲第１０項に記載の発明は、請求の範囲第８項に記載の鋼板のレーザ溶接装置におけるレーザ溶接手段により突き合わせ部分を溶接する前に該突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧することにより突き合わせ部分の鋼板表裏面を整形する整形手段を備えることを特徴とする。

請求の範囲第１１項に記載の発明は、請求の範囲第８項に記載の鋼板のレーザ溶接装置におけるレーザ溶接手段により溶接された鋼板の溶接部を加熱する第２の加熱手段と、該第２の加熱手段により加熱された溶接部を板厚の上下方向から押圧することにより、溶接部を整形する加圧手段とを備えることを特徴とする。

請求の範囲第１２項に記載の発明は、請求の範囲第１１項に記載の鋼板のレーザ溶接装置において、第２の加熱手段は、鋼板の表面に平行に貫通する磁束を発生させるコイルであることを特徴とする。

請求の範囲第１３項に記載の発明は、請求の範囲第１１項に記載の鋼板のレーザ溶接装置における整形手段、第１の加熱手段、レーザ溶接手段、第２の加熱手段および加圧手段を有する溶接キャリッジを走行可能に設けることを特徴とする。

請求の範囲第１４項に記載の発明は、請求の範囲第８項〜第１３項のいずれかに記載の鋼板のレーザ溶接装置におけるレーザ溶接手段は、並列に配置された複数のファイバ状またはディスク状の結晶体から構成されるレーザビーム発振器と該発振器から放出されるレーザ光を伝送する光ファイバとを備えることを特徴とする。

本発明のレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法によれば、被溶接材溶接部の形状不良を低減させ、さらに被溶接材の溶接割れを低減させることができる。そして、連続プロセス中に溶接部の破断を防止することができ、これによる生産ラインの稼動停止を防止し、生産性を向上させることも可能となる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザ溶接装置の斜視図である。 第１の実施形態に係るレーザ溶接装置の溶接キャリッジの断面を示した断面図である。 被溶接材を切断するギロチンシャーの説明図である。 予熱処理用誘導加熱ヘッド及び後熱処理用誘導加熱ヘッドの加熱作用について説明する説明図である。 ギロチンシャーにより切断された被溶接材を突き合わせた状態を示す板厚方向からみた断面を示す説明図である。 ギロチンシャーで切断した後の被溶接材を突き合わせた状態を示す平面図である。 整形ロールで押圧された被溶接材の断面図である。 フィラワイヤーを使用しないで被溶接材を溶接した場合における溶接部の断面図である。 フィラワイヤーを使用して被溶接材を溶接した場合の溶接部の断面図である。 加工ロールで押圧された被溶接材の断面図である。 被溶接材の厚さが異なる場合において、加工ロールで押圧された被溶接材の断面図である。 第３の実施形態に係るレーザ溶接装置の斜視図である。 実施例における溶接部断面を示す図である。 実施例における溶接部断面を示す図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ レーザ溶接装置
２ クランプ（保持手段）
３ 溶接キャリッジ
４ 炭酸ガスレーザ発振器
４ｂ ＹＡＧ系レーザ発振器
５ ギロチンシャー
６ 整形ロール（整形手段）
７ 予熱処理用誘導加熱ヘッド（第１の加熱手段）
８ バックロール
９ 加工ヘッド（レーザ溶接手段）
１０ 後熱処理用誘導加熱ヘッド（第２の加熱手段）
１１ 加圧ロール（加圧手段）
１００ａ、１００ｂ 被溶接材

以下に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しつつ説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ溶接装置の斜視図である。

図１に示すように、第１の実施形態に係るレーザ溶接装置１は、板状の被溶接材を保持するクランプ２と、図１のＹ方向に移動しながらＸ方向に搬送される被溶接材を溶接する溶接キャリッジ３と、炭酸ガスレーザ発振器４とを備える。

図２は、第１の実施形態に係るレーザ溶接装置１の溶接キャリッジ３の断面を示した断面図である。

図２に示すように、溶接キャリッジ３は、搬送される被溶接材の両端を切断する手段であるギロチンシャー５ａ、５ｂと、クランプ２により保持された被溶接材のうち突き合わされた部分を板厚の上下方向から押圧することによって整形する手段である整形ロール６ａ、６ｂと、整形ロール６ａ、６ｂにより整形された被溶接材を誘導加熱する第１の加熱手段である予熱処理用誘導加熱ヘッド７と、予熱処理用誘導加熱ヘッド７により加熱された被溶接材にレーザ光を照射することによってこの被溶接材を溶接する手段である加工ヘッド９と、加工ヘッド９の直下に配置され、溶接中の先行被溶接材及び後行被溶接材の端面を下面から支えると共に、溶接中の被溶接材の下面から漏洩するレーザ光が外部に照射されるのを防止するバックロール８と、加工ヘッド９により溶接された被溶接材を誘導加熱する第２の加熱手段である後熱処理用誘導加熱ヘッド１０と、加工ヘッド９により溶接された溶接部を板厚の上下方向から挟み込むことによって整形する加圧手段である加圧ロール１１ａ、１１ｂとを備える。

溶接キャリッジ３は、被溶接材を上下から挟むように配設され、サーボモータにより回転速度を制御されたボールネジ（図示せず）を介し、矢印Ｙの正方向、又は矢印Ｙの逆方向に移動する。また、ギロチンシャー５ａ、５ｂ、整形ロール６ａ，６ｂ、予熱処理用誘導加熱ヘッド７、バックロール８、加工ヘッド９、後熱処理用誘導加熱ヘッド１０、及び加圧ロール１１ａ、１１ｂは所定の間隔を設けてＹ方向に直線上に配置されている。

図３は、被溶接材を切断するギロチンシャー５ａ、５ｂの説明図である。

図３に示すように、クランプ２は、先行被溶接材１００ａをクランプする前方クランプ２Ｆと後行被溶接材１００ｂをクランプする後方クランプ２Ｒとを備えている。前方クランプ２Ｆは、前方クランプ下部２Ｆａ、前方クランプ上部２Ｆｂ、及び前方クランプ上部２Ｆｂを上下方向に駆動させる前方クランプシリンダ２Ｆｃを備えている。同様に、後方クランプ２Ｒは、後方クランプ下部２Ｒａ、後方クランプ上部２Ｒｂ、及び後方クランプ上部２Ｒｂを上下方向に駆動させる後方クランプシリンダ２Ｒｃを備えている。

また、図３に示すように、ギロチンシャー５は、下部シャー刃５ａ、上部シャー刃５ｂ、及び上部シャー刃５ｂを上下方向に駆動させるシリンダ５ｃとを備えている。そして、ギロチンシャー５は、溶接キャリッジ３の移動に伴い、前方クランプ２Ｆと後方クランプ２Ｒとの間に進入し、または後退する。

図４は、予熱処理用誘導加熱ヘッド７及び後熱処理用誘導加熱ヘッド１０の加熱作用について説明する説明図である。後熱処理用誘導加熱ヘッド１０は予熱処理用誘導加熱ヘッド７と同様の構成を有するので、ここでは予熱処理用誘導加熱ヘッド７についてのみ説明する。

図４に示すように、予熱処理用誘導加熱ヘッド７は、鉄心７ａとこの鉄心７ａに巻回されたコイル７ｂとを備える。そして、電源（図示しない）からこのコイル７ｂに電流を通電して磁束（交番磁束）を発生させ、この磁束を被溶接材１００ａ、１００ｂに貫通させることにより被溶接材１００ａ、１００ｂに渦電流を誘起させて、この渦電流によりジュール熱を発生させて被溶接材１００ａ、１００ｂを加熱する。

ここで、予熱処理用誘導加熱ヘッド７の鉄心７ａ、コイル７ｂによって発生した磁束は、図４に示すように、被溶接材１００ａ、１００ｂの板厚方向に対して直角な方向、即ち、被溶接材１００ａ、１００ｂの表面に平行に貫通する。従って、被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ端面の板幅方向における接触・非接触の状態、すなわち被溶接材の対向した端面間の隙間の有無に拘わらず、被溶接材１００ａ、１００ｂを貫通する磁束量は板幅方向に同程度となる。これにより、予熱処理用誘導加熱ヘッド７ならびに後熱処理用誘導加熱ヘッド１０は、被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部（溶接部）を均一に加熱昇温するので、それぞれ予熱、後熱を均一に行うことができる。なお、図４では、予熱処理用誘導加熱ヘッド７を被溶接材の下方に設ける場合を示したが、これに限定されるものでなく、被溶接材の上方に設けてもよい。

予熱処理用誘導加熱ヘッド７による加熱の程度は上流工程における水洗浄の程度、被溶接材の板厚、予処理用誘導加熱ヘッド７の被溶接材との位置関係等により、適切な到達温度、及び保持時間が採用される。従って特に限定されるものではない。その中でも、確実に水分を除去することができるとともに、製造効率及びエネルギー効率の観点から、突き合わせられた部分における被溶接材の表裏面の温度がいずれも２００℃以上とされるとともに、これが１秒間以上保持される加熱が好ましい。これにより必要以上のエネルギーを消費することなく、かつ製造効率を適切に維持することが可能となる。

また、図２に示すように、バックロール８は、加工ヘッド９の直下に配置されている。バックロール８は、溶接中の被溶接材１００ａ、１００ｂの端面を下面から支え、被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ精度の向上を図り、又溶接中の被溶接材１００ａ、１００ｂの下面から漏洩するレーザビームが外部に照射されるのを防止する。

整形ロール６は、図２に示すように、下部整形ロール６ａと、上部整形ロール６ｂと、上部整形ロール６ｂを上下方向に駆動するシリンダ６ｃ（図示せず）とを備えている。下部整形ロール６ａ及び上部整形ロール６ｂは上下に、またＹ方向に向かって直線上に配置されており、シリンダ６ｃにより下部整形ロール６ａと上部整形ロール６ｂとの上下間隔を調整することができる。また、下部整形ロール６ａ及び上部整形ロール６ｂは各々支持軸（図示せず）を中心に回転する構造を有する。

加圧ロール１１は、図２に示すように、下部加圧ロール１１ａと、上部加圧ロール１１ｂと、上部加圧ロール１１ｂを上下方向に駆動するシリンダ１１ｃ（図示せず）とを備えている。下部加圧ロール１１ａ及び上部加圧ロール１１ｂは、上下に、またＹ方向に向かって直線上に配設されており、下部加圧ロール１１ａと上部加圧ロール１１ｂとの上下間隔は、シリンダ１１ｃにより調整させる。また、下部加圧ロール１１ａ及び上部加圧ロール１１ｂは、各々支持軸（図示せず）を中心に回転する構造を有する。

次に、第１の実施形態に係るレーザ溶接装置１の作用について、図１、及び図２を参照して説明する。

まず、先行被溶接材１００ａが、図１の矢印Ｘで示す方向に向かってレーザ溶接装置１の溶接キャリッジ３内へ搬送される。その後、搬送された先行被溶接材１００ａの尾端と所定の間隔を空けて後行被溶接材１００ｂが、レーザ溶接装置１の溶接キャリッジ３内へ搬送される。

そして、溶接キャリッジ３内へ搬送された先行被溶接材１００ａは、図３に示すように、先行被溶接材１００ａの尾端がギロチンシャー５内に導かれ図３に示す位置で停止する。また、溶接キャリッジ３内へ搬送された後行被溶接材１００ｂも同様に、後行被溶接材１００ｂの先端が同じギロチンシャー５内に導かれ図３に示す位置で停止する。

その後、クランプ２Ｆ、２Ｒが先行被溶接材１００ａ及び後行被溶接材１００ｂを固定する。具体的には、前方クランプ上部２Ｆｂが前方クランプシリンダ２Ｆｃの動力により下降し、前方クランプ下部２Ｆａとの間で、先行被溶接材１００ａを挟み込むことによって固定する。同様に、後方クランプ上部２Ｒｂが後方クランプシリンダ２Ｒｃの動力により下降し、後方クランプ下部２Ｒａとの間で、後行被溶接材１００ｂを挟み込むことによって固定する。

そして、溶接キャリッジ３に内蔵されたギロチンシャ−５の上部シャー刃５ｂがシリンダ５ｃの動力により下降し、下部シャー刃５ａとの間で挟み込むことによって、先行被溶接材１００ａ及び後行被溶接材１００ｂの対向する端部を同時に切断する（切断工程）。これにより、先行被溶接材１００ａの断面と後行被溶接材１００ｂの断面とをほぼ平行することができ、溶接を容易にすることができる。

次に、レーザ溶接装置１のギロチンシャー５は、上部シャー刃５ｂを上昇させる。そして、後行被溶接材１００ｂを拘束している後方クランプ２Ｒを上部シャー刃５ｂの刃幅Ｗ分だけ先行被溶接材１００ａを拘束している前方クランプ２Ｆ側へ移動させる。これにより、先行被溶接材１００ａの尾端と後行被溶接材１００ｂの先端とが突き合わされる（突き合わせ工程）。

図５は、ギロチンシャー５により切断された先行被溶接材１００ａ及び後行被溶接材１００ｂの板厚方向からみた断面を示す断面図であり、図６は、ギロチンシャー５で切断した後の被溶接材１００ａ、１００ｂを突き合わせた状態を示した平面図である。

図５に示すように、ギロチンシャー５で切断した後、先行被溶接材１００ａ及び後行被溶接材１００ｂの端面を突き合わせると、微小な形状のばらつきが生じたり、かえりが発生したりする場合がある。さらに図６に示すように、被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部に部分的にギャップが生じる場合がある。

このような突き合わせ状態において先行被溶接材１００ａと後行被溶接材１００ｂとを溶接した場合、板端の突き合わせギャップの変化により段差溶接または穴あき溶接が生じることがある。

そこで、整形ロール６ａ、６ｂが、ギロチンシャー５で切断した後の突き合わせ部を押圧する（整形工程）ことで、切断によって生じるかえりや切断形状のばらつき等の突き合わせ部における形状不良を矯正することができる。

具体的には、まず、レーザ溶接装置１は、図２に示した矢印Ｙで示す方向に溶接キャリッジ３を移動させる。その際、上部整形ロール６ｂは、予め設定された上部整形ロール６ｂと下部整形ロール６ａとの間隔となるように、シリンダ６ｃの動力により下降される。そして、溶接キャリッジ３のＹ方向への移動と共に、図７に示すように、上部整形ロール６ｂは先行被溶接材１００ａと後行被溶接材１００ｂとの突き合わせ部に乗り上げ、回転しながら予め設定された荷重にて先行被溶接材１００ａ及び後行被溶接材１００ｂの突き合わせ部を押圧する。これにより、切断によって生じる被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部の形状不良を矯正することができる。

次に、レーザ溶接装置１は、さらに図２に示した矢印Ｙで示す方向に溶接キャリッジ３を移動させる。

溶接キャリッジ３の移動に伴い、被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部は、整形ロール６ａ、６ｂと所定の間隔を設けて配置されている予熱処理用誘導加熱ヘッド７の上部を通過する。その際、被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部は、予熱処理用誘導加熱ヘッド７によりレーザ溶接の予熱に必要な温度になるように誘導加熱される（第１の加熱工程）。具体的には、電源（図示せず）から予熱処理用誘導加熱ヘッド７のコイル７ｂに電流を通電して磁束（交番磁束）を発生させ、この磁束を被溶接材１００ａ、１００ｂの表面方向と平行になるように被溶接材１００ａ、１００ｂ内を貫通させる。これにより被溶接材１００ａ、１００ｂに渦電流を誘起させて、この渦電流によりジュール熱を発生させて誘導加熱する。

このように、予熱処理用誘導加熱ヘッド７は、被溶接材１００ａ、１００ｂの板厚方向に対して直角な方向、即ち、被溶接材１００ａ、１００ｂの表面に平行に磁束を貫通させることにより、被溶接材１００ａ、１００ｂを誘導加熱するので、被溶接材１００ａ、１００ｂの溶接部を均一に加熱昇温することができる。これにより、被溶接材１００ａ、１００ｂの溶接部の水分を蒸発させ、溶接欠損の発生を防止することができる。

また、予熱処理用誘導加熱ヘッド７による加熱によって、溶接部の冷却速度が小さくなり、マルテンサイトの出現が抑制される効果や、加熱によるマルテンサイトの焼き戻しの効果などが得られる。さらに、整形ロール６ａ、６ｂにより整形された後に被溶接材１００ａ、１００ｂを誘導加熱するので、熱膨張により突き合わせギャップを最適化することができる。また、後述する加工ヘッド９のレーザパワーの低減や溶接速度の増加の効果を得ることもできる。予熱処理用誘導加熱ヘッド７による予熱の程度は、上流工程における水洗浄の程度、被溶接材１００ａ、１００ｂの厚さ、予熱処理用誘導加熱ヘッド７の被溶接材１００ａ、１００ｂとの位置関係等により、適切な到達温度、及び保持時間が採用される。従って特に限定されるものではない。その中でも、確実に水分を除去することができるとともに、製造効率及びエネルギー効率の観点から、突き合わせられた部分における被溶接材の表裏面の温度がいずれも２００℃以上とされるとともに、これが１秒間以上保持される加熱が望ましい。これにより必要以上のエネルギーを消費することなく、かつ製造効率を適切に維持することができる。

次に、レーザ溶接装置１は、さらに図２に示した矢印Ｙで示す方向に溶接キャリッジ３を移動させる。

溶接キャリッジ３の移動に伴い、被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部は、バックロール８の上部を通過する。このとき、被溶接材１００ａ、１００ｂは、加工ヘッド９及びバックロール８によって、レ−ザ溶接される（レーザ溶接工程）。具体的には、炭酸ガスレーザ発振器４からの空気伝播されたレーザ光が加工ヘッド９から被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部に照射され、これにより、先行被溶接材１００ａと後行被溶接材１００ｂとが溶接される。レーザの出力、焦点径、焦点位置、溶接速度等の条件は、鋼板の種類及び板厚、突き合わせにおける鋼板同士の間隙の大きさ、鋼板と加工ヘッドとの距離などにより適宜選択される。

さらに、レーザ溶接装置１は、図２に示した矢印Ｙで示す方向に溶接キャリッジ３を移動させる。

溶接キャリッジ３の移動に伴い、被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部（溶接部）は、後熱処理用誘導加熱ヘッド１０の上部を通過する。その際、被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部（溶接部）は、後熱処理用誘導加熱ヘッド１０により所定温度に誘導加熱される（第２の加熱工程）。例えば、４００℃以上９００℃以下の温度に加熱する。これにより、溶接後の急冷が抑制されるため、急冷に伴う溶接部の過剰な硬化が抑制され、通板時の破断が防止される。加熱温度は、５５０℃程度以上８００℃以下とすることが望ましい。具体的には、電源（図示しない）から後熱処理用誘導加熱ヘッド１０のコイル１０ａに電流を通電して磁束（交番磁束）を発生させ、この磁束を被溶接材１００ａ、１００ｂに磁束が表面方向と平行になるように貫通させることにより被溶接材１００ａ、１００ｂに渦電流を誘起させて、この渦電流によりジュール熱を発生させて誘導加熱する。

次に、レーザ溶接装置１は、さらに、図２に示した矢印Ｙで示す方向に溶接キャリッジ３を移動させる。その際、上部加圧ロール１１ｂは、予め設定された上部加圧ロール１１ｂと下部加圧ロール１１ａとの間隔となるように、シリンダ１１ｃの動力により下降される。そして、溶接キャリッジ３の移動と共に、上部加圧ロール１１ｂは被溶接材１００ａ、１００ｂの溶接部分に乗り上げ、回転しながら予め設定された荷重にて被溶接材１００ａ、１００ｂの溶接部分を押圧する（加圧工程）。これにより、被溶接材１００ａ、１００ｂの表裏面を滑らかに仕上げ、先行被溶接材１００ａと後行被溶接材１００ｂの板厚が同じ場合は、溶接部の板厚を先行被溶接材１００ａと後行被溶接材１００ｂの板厚とほぼ同じにすることができる。

また、先行被溶接材１００ａと後行被溶接材１００ｂの板厚が異なる場合においても、上部加圧ロール１１ｂと下部加圧ロール１１ａとの押圧により溶接部の表面形状を滑らかにすることができる。

以上により、第１の実施形態に係るレーザ溶接装置１によれば、被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部の形状不良を矯正して、溶接時の穴あき等の溶接欠損を防止し、更に溶接割れを防止することができる。

なお、整形ロ−ル６ａ、６ｂ、予熱処理用誘導加熱ヘッド７、加工ヘッド９、バックロール８、後熱処理用誘導加熱ヘッド１０、加圧ロール１１ａ、１１ｂは溶接進行方向に向かって所定の間隔で配置されている。そのため、予熱処理用誘導加熱ヘッド７による予熱処理及び／又は後熱処理用誘導加熱ヘッド１０による後熱処理が必要でない鋼種の被溶接材１００ａ、１００ｂを溶接する場合は、これら予熱処理及び／又は後熱処理を省略するように制御することもできる。

＜第２の実施形態＞
第１の実施形態に係るレーザ溶接装置１では、予熱処理用誘導加熱ヘッド７により加熱された被溶接材１００ａ、１００ｂにレーザ光を照射することによってこの被溶接材１００ａ、１００ｂを溶接する加工ヘッド９を備える構成とした。

第２の実施形態に係るレーザ溶接装置１ａでは、加工ヘッド９の替わりにフィラワイヤーを注入する機能を有する加工ヘッド９ａを備える構成とする。

ここで、フィラワイヤーとは、金属の溶加材であり、特に被溶接材１００ａ、１００ｂが高炭素鋼、高Ｓｉ鋼等の難溶接材である場合等によく用いられる。加工ヘッド９ａにより溶接部にフィラワイヤーを注入しながらレーザ溶接した場合、溶接金属を希釈する効果があり溶接品質を向上させることができる。また、ギロチンシャー５の経年劣化により機械精度が低下し、被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部の形状にばらつきが生じた場合にも、この溶接部にフィラワイヤーを注入しながらレーザ溶接することによって、この被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部における形状のばらつきを吸収することができる。

図８は、フィラワイヤーを使用しないで溶接した場合における溶接部の断面図であり、図９はフィラワイヤーを使用して溶接した場合の溶接部の断面図である。

図８に示すように、フィラワイヤー無しで被溶接材１００ａ、１００ｂを溶接した場合には溶接部は被溶接材１００ａ、１００ｂの元の厚さに対しやや薄くなる。一方、図９に示すように、フィラワイヤーを用いて溶接した場合、溶接部は被溶接材１００ａ、１００ｂの元の厚さに対し厚くなる。このような被溶接材１００ａ、１００ｂの溶接部継手形状の変化は圧延ラインにおいて圧延した時の鋼板の破断の原因となる。

しかし、この第２の実施形態に係るレーザ溶接装置では、溶接部を上部加圧ロール１１ｂ及び下部加圧ロール１１ａにより予め設定された荷重で押圧することにより、図１０に示すように、溶接部の表裏面を滑らかに仕上げる事ができる。

そのため、溶接部の被溶接材１００ａ、１００ｂの溶接部継手形状が急変する事がないので圧延ラインにおいても鋼板の破断を防止することができる。

また、先行被溶接材１００ａの板厚と後行被溶接材１００ｂの板厚とが異なる場合でも、図１１に示すように、溶接部形状を滑らかにする事ができる為、圧延ラインにおいて鋼板の破断を防止することができる。

＜第３の実施形態＞
図１２は、第３の実施形態に係るレーザ溶接装置の斜視図である。

第１の実施形態に係るレーザ溶接装置１では、炭酸ガスレーザ発振器４と、この炭酸ガスレーザ発振器４から空中伝播されたレーザ光を被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部に照射する加工ヘッド９を備える構成とした。

第３の実施形態に係るレーザ溶接装置１ｂでは、炭酸ガスレーザ発振器４の替わりにＹＡＧ系レーザ発振器、又は複数のファイバ状結晶体を並列に配置したファイバ状レーザ発振器あるいはディスク状レーザ発振器等の発振器４ｂを備え、この発振器４ｂから発光され、光ファイバ１２にて伝送されたレーザ光を被溶接材１００ａ、１００ｂの突き合わせ部に照射する加工ヘッド９ｂを備える構成とする。
なお、ファイバ状レーザ発振器とは、ダブルクラッドファイバのコアファイバにＹｂ（イッテリビウム）を添加し、このダブルクラッド層に導入されたＬＤ（レーザダイオード）励起光が伝送することで、コアファイバが励起・増幅することによりレーザビームを取り出すモジュールを並列に接続して出力を増加するように構成された公知の発振器である。

このように、本発明に係るレーザ溶接装置は、あらゆるレーザ発振器に適用可能であり、同様に被溶接材１００ａ、１００ｂの溶接部の形状不良、及び溶接割れを低減させることができる。

次に実施例によりさらに詳しく説明する。ただし、本発明は本実施例に限定されるものではない。

実施例では、表裏面に水分が残存し、端部を突き合わせ形状に切断成形した鋼板を用い、この鋼板を突き合わせ、その突き合わせ部を所定温度に加熱した後、突き合わせ部をレーザにて溶接する本発明方法を行った場合（本発明例）と、突き合わせ部を加熱せずにレーザにて溶接を行った場合（比較例）とにおいて、接合強度の比較をおこなった。なお、本発明例と比較例２は、水分残存量が大きい鋼板を用いた場合で、比較例１は、水分残存量が小さい鋼板を用いた場合である。
＜条件＞
以下に条件を示す。
・レーザの種類：炭酸ガスレーザ、ファイバレーザ
・レーザの出力：１０ｋＷ
・鋼板の突き合わせ間隙：０．０ｍｍ
・鋼板の板厚：２．２ｍｍ、４．０ｍｍ
・溶接速度：８．０ｍ／分（板厚２．２ｍｍ時）、６．０ｍ／分（板厚４．０ｍｍ時）
・突き合わせ部の加熱：誘導加熱にて表裏面の温度を２００℃以上に、２００℃以上の保持時間１．０秒以上

＜評価方法＞
曲率半径６０ｍｍの繰り返し曲げ試験を行い、破断までの回数を比較することにより接合強度を評価した。最大繰り返し数を２０回とし、２０回の繰り返し曲げをおこなっても破断しなかったものについては接合強度が良好であると判断した。

＜結果＞
表１に結果を示す。

表１に示すように、本発明のレーザ溶接方法によりレーザ溶接をした鋼板では板厚にかかわらず高い繰り返し曲げ強度が得られ、良好な接合強度が得られている。一方、比較例では、水分残存量が大きい場合（比較例１−２、比較例２−２）には、板厚にかかわらず接合強度が極めて低く、水分残存量が小さい場合（比較例１−１、比較例２−１）でも板厚４．０ｍｍでは接合強度が低下した。

図１３、図１４にそれぞれ炭酸ガスレーザとファイバレーザによる溶接部の断面の例を示した。図１３（ａ）および図１４（ａ）は本発明のレーザ溶接方法によるもの、図１３（ｂ）及び図１４（ｂ）は比較例により溶接したものである。図１３（ｂ）および図１４（ｂ）に見られるように、水分が残存したままレーザ溶接をすることにより、図１３（ｂ）のＡで示したようにブローホールの欠陥や図１３（ｂ）のＢ、および図１４（ｂ）に示す表面が大きく窪んだ欠陥が見受けられ、この欠陥により溶接強度が低下したものと推察される。

以上、現時点において最も実践的であり、かつ、好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う、鋼板のレーザ溶接方法、及びそのレーザ溶接装置も本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

Claims (14)

1. 複数の鋼板の端面同士を突き合わせ、突き合わせた前記鋼板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して前記突き合わせ部分を溶接する鋼板のレーザ溶接方法であって、
   前記鋼板の端面を突き合わせに適する形状に形成する切断工程と、
   前記切断工程により形成された前記端面を突き合わせる突き合わせ工程と、
   前記突き合わせ部分を加熱する第１の加熱工程と、
   前記第１の加熱工程により加熱された前記突き合わせ部分をレーザにより溶接するレーザ溶接工程と、を備える鋼板のレーザ溶接方法。
2. 前記第１の加熱工程は、前記鋼板の表面に平行に貫通する磁束を発生させるコイルにより加熱することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
3. 前記突き合わせ工程と前記第１の加熱工程との間にさらに、前記突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧することにより前記突き合わせ部分の前記鋼板表裏面を整形する整形工程を備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
4. 前記レーザ溶接工程で溶接された前記鋼板の溶接部を加熱する第２の加熱工程と、前記第２の加熱工程により加熱された溶接部を板厚の上下方向から押圧することによって前記溶接部を整形する加圧工程とを備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
5. 前記第２の加熱工程は、前記鋼板の表面に平行に貫通する磁束を発生させるコイルにより加熱することを特徴とする請求の範囲第４項に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
6. 前記第２の加熱工程による加熱は前記レーザ溶接工程と同時に行うことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の鋼板のレーザ溶接方法。
7. 前記第１の加熱工程で、前記突き合わせ部分の加熱により該突き合わせ部分の前記鋼板表裏面の温度がいずれも２００℃以上に達することを特徴とする請求の範囲第１項〜第６項のいずれかに記載の鋼板のレーザ溶接方法。
8. 複数の鋼板の端面同士を突き合わせ、突き合わせた前記鋼板の突き合わせ部分にレーザビームを照射して前記突き合わせ部分を溶接する鋼板のレーザ溶接装置であって、
   前記鋼板の端面を前記突き合わせに適する形状に形成する切断手段と、
   前記突き合わせ部分を加熱する第１の加熱手段と、
   前記第１の加熱手段により加熱された前記突き合わせ部分をレーザにより溶接するレーザ溶接手段と、を備える鋼板のレーザ溶接装置。
9. 前記第１の加熱手段は、前記鋼板の表面に平行に貫通する磁束を発生させるコイルであることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の鋼板のレーザ溶接装置。
10. 前記レーザ溶接手段により前記突き合わせ部分を溶接する前に該突き合わせ部分を板厚の上下方向から押圧することにより前記突き合わせ部分の鋼板表裏面を整形する整形手段を備えることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の鋼板のレーザ溶接装置。
11. 前記レーザ溶接手段により溶接された前記鋼板の溶接部を加熱する第２の加熱手段と、該第２の加熱手段により加熱された前記溶接部を板厚の上下方向から押圧することにより、前記溶接部を整形する加圧手段とを備えることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の鋼板のレーザ溶接装置。
12. 前記第２の加熱手段は、前記鋼板の表面に平行に貫通する磁束を発生させるコイルであることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の鋼板のレーザ溶接装置。
13. 前記整形手段、前記第１の加熱手段、前記レーザ溶接手段、前記第２の加熱手段および前記加圧手段を有する溶接キャリッジを走行可能に設けることを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の鋼板のレーザ溶接装置。
14. 前記レーザ溶接手段は、並列に配置された複数のファイバ状またはディスク状の結晶体から構成されるレーザビーム発振器と該発振器から放出されるレーザ光を伝送する光ファイバとを備えることを特徴とする請求の範囲第８項〜第１３項のいずれかに記載の鋼板のレーザ溶接装置。

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