WO2015104762A1 - レーザ溶接方法 - Google Patents

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篤寛 川本
康士 向井
潤司 藤原
中川　龍幸
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/244—Overlap seam welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head

Definitions

  • the present disclosure relates to laser welding in which a workpiece is irradiated with a laser beam to join two workpieces, and in particular, a laser welding method with improved tolerance for positional deviation of laser beams and a gap between two workpieces. About.
  • laser welding is performed by superposing an upper plate 101 having a convex portion 102 on a lower surface and a lower plate 103 having a concave portion 104 on a side surface so as to form a T joint.
  • the protrusions 102 of the upper plate 101 are overlapped so as to be accommodated in the recesses 104 of the lower plate 103.
  • the laser beam 105 is irradiated from the upper surface side of the upper plate 101 so as to penetrate the upper plate 101. Accordingly, the molten metal penetrates the upper plate 101 and reaches the lower plate 103, and the upper plate 101 and the lower plate 103 can be joined by the joining portion 106.
  • the lower plate 103 has the recess 104, even if there is a gap between the upper plate 101 and the lower plate 103, the molten metal is received by the recess 104, so that the molten metal does not flow out to the outside. Thereby, the upper board 101 and the lower board 103 can be joined reliably.
  • the lower plate 103 cannot be irradiated with the laser beam 105, and the upper plate 101 is burned off. Further, it is necessary to form the convex portion 102 on the lower surface of the upper plate 101 and to form the concave portion 104 on the side surface of the lower plate 103. Further, the lower plate 103 needs to be thick enough to form the recess 104. For this reason, the man-hour for forming the convex part 102 and the recessed part 104 is needed, and the thickness of the lower board 103 is restrict
  • the present disclosure relates to a laser welding method in which welding is performed by irradiating a laser beam from a surface opposite to a surface in contact with a T joint, and provides a laser welding method with improved tolerance for positional deviation of a laser beam. .
  • the laser welding method of the present disclosure includes a joint forming process and a welding process.
  • a T joint in which the side surface of the first member and the lower surface of the second member are overlapped is formed.
  • the first member and the second member are laser-welded by irradiating laser light from the upper surface opposite to the lower surface of the second member. Furthermore, in the welding process, the laser beam is moved in a direction along the side surface of the first member while being weaved.
  • the penetration can be made shallower and the bead width can be widened, and the tolerance for the target positional deviation can be improved.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view illustrating a state of a laser welding method according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing a state after laser welding in the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2A is a plan view showing a zigzag weaving according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2B is a plan view illustrating the wavy weaving according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2C is a plan view showing helical weaving in the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating welding results with various welding parameters according to the embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a conventional laser welding method.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing a state of the laser welding method in the present embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view showing a state after laser welding in the present embodiment.
  • FIG. 2A is a plan view showing zigzag weaving in the present embodiment.
  • FIG. 2B is a plan view showing the wavy weaving in the present embodiment.
  • FIG. 2C is a plan view showing helical weaving in the present embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing welding results with various welding parameters in the present embodiment.
  • the side surface of the first plate 1 (first member) having a thickness T1 is brought into contact with the lower surface of the second plate 2 (second member). Weld the contacted T joint.
  • the laser beam 3 is irradiated from the surface (upper surface) opposite to the surface with which the first plate 1 is in contact with the second plate 2.
  • the laser beam 3 is irradiated from a direction perpendicular to the upper surface of the second plate 2.
  • welding is performed by moving the laser beam 3 along the direction in which the side surface of the first plate 1 extends (direction perpendicular to the paper surface) while weaving so that the weaving width 4 is obtained.
  • FIG. 1A shows an example in which the laser light 3 is moved in a direction perpendicular to the paper surface while the laser light 3 is weaved in the left-right direction of the paper surface.
  • the weaving width 4 is a width in which the center of the spot of the laser beam 3 is weaved. Further, the diameter of the spot of the laser beam 3 is defined as “spot diameter”.
  • the bead width 6 of the melted part 5 is wider than when the laser beam 3 is not weaved. Moreover, since the irradiation area of the laser beam 3 increases, the heat input per unit area decreases, and the penetration depth 7 of the melting part 5 becomes shallow. As a result, compared to the conventional technique in which weaving is not performed (see FIG. 4), the penetration depth 7 of the melted part 5 is shallow and the bead width 6 of the melted part 5 is widened. Moreover, since the bead width 6 of the melting part 5 is widened, the amount of molten metal is increased, so that the gap between the first plate 1 and the second plate 2 is filled, and the tolerance for the gap is improved.
  • the weaving shape will be described with reference to FIGS. 2A to 2C.
  • the laser beam 3 is moved in the traveling direction at a constant speed, and the laser beam 3 is reciprocated in a direction perpendicular to the traveling direction at a constant speed, thereby performing zigzag weaving by a straight line. be able to.
  • the laser beam 3 is moved in the traveling direction at a constant speed, and the laser beam 3 is reciprocated in a direction perpendicular to the traveling direction so as to decelerate at the end of the weaving width 4.
  • wavy weaving with a curve can be performed.
  • helical weaving can be performed by moving the laser light 3 in the traveling direction at a constant speed and rotating the laser light 3.
  • 2A to 2C show an example in which the weaving width 4 is larger than the thickness T1 of the first plate 1, the weaving width 4 may be the same as the thickness T1 of the first plate 1, The thickness of the first plate 1 may be smaller than the thickness T1.
  • the penetration depth 7 and the bead width 6 of the melted part 5 are affected by the weaving width 4 and the spot diameter of the tip of the laser beam 3. That is, the irradiation range of the laser beam 3 increases as the weaving width 4 is increased or the spot diameter is increased. For this reason, the bead width 6 of the fusion
  • the welding result by the deviation of the spot diameter of the laser beam 3, the weaving width 4, the center of the weaving width 4 and the center of the side surface of the first plate 1 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 3 shows the results of welding with various weaving widths 4 of the laser light 3, various spot diameters of the laser light 3, and various misalignments between the center of the weaving width 4 and the center of the side surface of the first plate 1. It is the table shown. In FIG. 3, the sum of the weaving width 4 of the laser beam 3 and the spot diameter is obtained. Since the weaving width 4 of the laser light 3 is the weaving width at the center of the spot of the laser light 3, the sum of the weaving width 4 of the laser light 3 and the spot diameter indicates the width of the irradiation range of the laser light 3. Note that all the welding results in FIG.
  • the thickness T1 of the first plate 1 is 1.6 mm
  • the thickness of the second plate 2 is 1.6 mm
  • the welding speed the laser beam 3 is the first plate 1). This is the result of welding at a speed of 1.0 m / min and laser output of 2 kW.
  • the weaving width 4 is 0 mm, that is, no weaving.
  • good welding results are obtained when the deviation of the laser beam 3 from the center of the side surface of the first plate 1 is 0.0 mm and 0.3 mm. It was.
  • the second plate 2 was melted. Since the thickness T1 of the first plate 1 is 1.6 mm, even though the laser beam 3 is irradiated on the first plate 1, the burn-out has occurred. This is because the laser beam 3 melts the first plate 1 excessively because the laser beam 3 is not weaved.
  • the laser beam 3 is irradiated while weaving, so that the penetration 7 of the melting part 5 is shallow and the bead width 6 of the melting part 5 is widened. Can do. Therefore, the positional deviation of the laser beam 3 with respect to the workpiece and the tolerance to the gap of the workpiece are improved.
  • the present disclosure can improve the tolerance to the positional deviation of the laser beam in welding of the T joint, and is industrially useful as a laser welding method for laser welding of the T joint.

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Abstract

第１の部材（１）の側面と第２の部材（２）の下面とを重ねたＴ継手を形成し、第２の部材（２）の下面とは反対側の上面からレーザ光を照射して第１の部材（１）と第２の部材（２）とをレーザ溶接すると共に、レーザ光をウィービングさせながら第１の部材の側面に沿う方向に移動させることで、溶込みを浅くしてビード幅を広くすることができ、ねらい位置ズレに対する裕度を向上する。

Description

レーザ溶接方法
　本開示は、被溶接材にレーザ光を照射して２つの被溶接材を接合するレーザ溶接に関し、特に、レーザ光の位置ズレや２つの被溶接材のギャップに対する裕度を向上したレーザ溶接方法に関する。
　特許文献１に記載された従来のレーザ溶接方法を、図４を用いて説明する。
　従来のレーザ溶接方法では、図４に示すように、下面に凸部１０２を有する上板１０１と、側面に凹部１０４を有する下板１０３とをＴ継手となるように重ね合わせてレーザ溶接を行う。このとき、上板１０１の凸部１０２が下板１０３の凹部１０４に収まるように重ね合わせる。そして、レーザビーム１０５を上板１０１の上面側から上板１０１を貫通するように照射する。これにより、溶融金属が上板１０１を貫通して下板１０３に達し、上板１０１と下板１０３とを接合部１０６によって接合できる。
　また、下板１０３は凹部１０４を有するため、上板１０１と下板１０３との間に隙間があっても、溶融金属が凹部１０４に受け止められるため、溶融金属が外部に流出することがない。これにより、上板１０１と下板１０３とを確実に接合できる。
特開昭６３－２０３２８６号公報
　しかし、従来のレーザ溶接方法では、レーザビーム１０５が位置ズレを起こすと、下板１０３にレーザビーム１０５を照射できず、上板１０１の溶け落ちが発生する。また、上板１０１の下面に凸部１０２を形成する必要があるとともに、下板１０３の側面に凹部１０４を形成する必要がある。さらに、下板１０３には凹部１０４を形成するだけの厚みが必要となる。このため、凸部１０２や凹部１０４を形成する工数が必要となる上に、下板１０３の厚みが制約される。本開示は、Ｔ継手に当接させた面とは反対側の面からレーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接方法に関し、レーザ光の位置ズレに対する裕度を向上したレーザ溶接方法を提供する。
　上記課題を解決するために、本開示のレーザ溶接方法は、継手形成工程と、溶接工程とを有する。継手形成工程では、第１の部材の側面と第２の部材の下面とを重ねたＴ継手を形成する。溶接工程では、第２の部材の下面とは反対側の上面からレーザ光を照射して第１の部材と第２の部材とをレーザ溶接する。さらに、溶接工程では、レーザ光をウィービングさせながら第１の部材の側面に沿う方向に移動させる。
　本開示によれば、レーザ光をウィービングさせながら第２の部材に照射することで、溶込みを浅くしてビード幅を広くすることができ、ねらい位置ズレに対する裕度を向上することができる。
図１Ａは、本開示の実施の形態におけるレーザ溶接方法の状態を示す断面図である。 図１Ｂは、本開示の実施の形態におけるレーザ溶接後の状態を示す断面図である。 図２Ａは、本開示の実施の形態におけるジグザグ状のウィービングを示す平面図である。 図２Ｂは、本開示の実施の形態における波状のウィービングを示す平面図である。 図２Ｃは、本開示の実施の形態におけるらせん状のウィービングを示す平面図である。 図３は、本開示の実施の形態におけるさまざまな溶接パラメータでの溶接結果を示す図である。 図４は、従来のレーザ溶接方法を示す断面図である。
　（実施の形態）
　本実施の形態のレーザ溶接方法について、図１Ａ～図３を用いて説明する。図１Ａは、本実施の形態におけるレーザ溶接方法の状態を示す断面図である。図１Ｂは、本実施の形態におけるレーザ溶接後の状態を示す断面図である。図２Ａは、本実施の形態におけるジグザグ状のウィービングを示す平面図である。図２Ｂは、本実施の形態における波状のウィービングを示す平面図である。図２Ｃは、本実施の形態におけるらせん状のウィービングを示す平面図である。図３は、本実施の形態におけるさまざまな溶接パラメータでの溶接結果を示す図である。
　本実施の形態のレーザ溶接方法は、図１Ａに示すように、厚さＴ１の第１の板１（第１の部材）の側面を第２の板２（第２の部材）の下面に当接させたＴ継手を溶接する。第２の板２の、第１の板１を当接させた面とは反対側の面（上面）からレーザ光３を照射する。なお、図１Ａでは、第２の板２の上面に垂直な方向からレーザ光３を照射する。そして、レーザ光３を、ウィービング幅４となるようにウィービングさせながら、第１の板１の側面が伸びる方向（紙面に垂直な方向）に沿って移動させて溶接を行う。これにより、図１Ｂに示すように、ビード幅６と溶け込み深さ７の溶融部５が形成されて第１の板１と第２の板２とが溶接される。このとき、図１Ａは、レーザ光３を紙面の左右方向にウィービングをさせながら、レーザ光３を紙面に垂直な方向へ移動させていく例を示している。
　なお、ウィービング幅４とは、レーザ光３のスポットの中心がウィービングする幅のことである。また、レーザ光３のスポットの直径を「スポット径」とする。
　このように、レーザ溶接を行う際にレーザ光３をウィービングさせることで、図１Ｂに示すように、レーザ光３をウィービングさせない場合よりも溶融部５のビード幅６が広がる。また、レーザ光３の照射面積が増加するため、単位面積当たりの入熱が減少し、溶融部５の溶け込み深さ７が浅くなる。これにより、ウィービングさせない従来技術（図４参照）に比べ、溶融部５の溶け込み深さ７が浅く溶融部５のビード幅６が広くなるので、レーザ光３の位置ズレの裕度が向上する。また、溶融部５のビード幅６が広くなるので溶融金属量が増加するため、第１の板１と第２の板２との間のギャップを埋め、ギャップに対する裕度も向上する。
　次に、図２Ａ～図２Ｃを用いて、ウィービングの形状について説明する。図２Ａに示すように、一定の速度でレーザ光３を進行方向に移動させるとともに、一定の速度で進行方向と垂直な方向にレーザ光３を往復させることで、直線によるジグザグ状のウィービングを行うことができる。また、図２Ｂに示すように、一定の速度でレーザ光３を進行方向に移動させるとともに、ウィービング幅４の端部で減速するように、進行方向と垂直な方向にレーザ光３を往復させることで、曲線による波状のウィービングを行うことができる。また、図２Ｃに示すように、一定の速度でレーザ光３を進行方向に移動させるとともに、レーザ光３を回転させることで、らせん状のウィービングを行うことができる。図２Ａ～図２Ｃでは、ウィービング幅４が第１の板１の厚さＴ１よりも大きい例を示しているが、ウィービング幅４は第１の板１の厚さＴ１と同じでも構わなく、また、第１の板１の厚さＴ１よりも小さくても構わない。
　なお、溶融部５の溶け込み深さ７およびビード幅６は、ウィービング幅４やレーザ光３の先端のスポット径の影響を受ける。すなわち、ウィービング幅４が大きい程、もしくは、スポット径が大きい程、レーザ光３の照射範囲が増加する。このため、溶融部５のビード幅６が増加し、第２の板２への入熱が低くなり、溶融部５の溶け込み深さ７は浅くなる。レーザ光３のスポット径、ウィービング幅４、ウィービング幅４の中心と第１の板１の側面の中心とのズレなどによる溶接結果について、図３を用いて説明する。
　図３は、レーザ光３のさまざまなウィービング幅４、レーザ光３のさまざまなスポット径、ウィービング幅４の中心と第１の板１の側面の中心とのさまざまなズレで溶接を行った結果を示した表である。図３において、レーザ光３のウィービング幅４とスポット径との和を求めている。レーザ光３のウィービング幅４はレーザ光３のスポットの中心のウィービング幅であるため、レーザ光３のウィービング幅４とスポット径との和はレーザ光３の照射範囲の幅を示すものとなる。なお、図３の溶接結果は全て、第１の板１の厚さＴ１を１．６ｍｍ、第２の板２の厚さを１．６ｍｍ、溶接速度（レーザ光３が第１の板１の側面方向に移動する速度）を１．０ｍ／分、レーザ出力を２ｋＷで溶接を行った結果である。
　まず、ウィービング幅４が０ｍｍ、すなわち、ウィービングを行わない従来技術について説明する。ウィービング無し（ウィービング幅０ｍｍ）、スポット径０．６ｍｍとして溶接した場合、第１の板１の側面の中心からのレーザ光３のズレが０．０ｍｍおよび０．３ｍｍでは良好な溶接結果が得られた。しかし、第１の板１の側面の中心からのレーザ光３のズレが０．４ｍｍでは第２の板２の溶け落ちが発生した。第１の板１の厚さＴ１は１．６ｍｍであるため、レーザ光３は第１の板１に照射されているにもかかわらず、溶け落ちが発生したことになる。これは、レーザ光３をウィービングさせていないため、レーザ光３が過剰に第１の板１を溶融したからである。
　次に、ウィービング幅４が０．３ｍｍ、スポット径０．４ｍｍとして溶接した場合、第１の板１の側面の中心からのレーザ光３のズレが０．０ｍｍ～０．８ｍｍでは良好な溶接結果が得られた。しかし、第１の板１の側面の中心からのレーザ光３のズレが０．９ｍｍでは第２の板２の溶け落ちが発生した。第１の板１の厚さＴ１は１．６ｍｍであるため、レーザ光３は第１の板１から外れたため、溶け落ちが発生したことになる。すなわち、レーザ光３をウィービングさせていれば、レーザ光３のウィービングの中心が第１の板１の端部となるまでは溶接ができることを示している。
　次に、ウィービング幅４が１．０ｍｍ、スポット径０．６ｍｍとして溶接した場合、第１の板１の側面の中心からのレーザ光３のズレが０．０ｍｍ～０．８ｍｍでは良好な溶接結果が得られた。しかし、第１の板１の側面の中心からのレーザ光３のズレが０．９ｍｍでは第２の板２の溶落ちが発生した。これも同様に、第１の板１の厚さＴ１は１．６ｍｍであるため、レーザ光３は第１の板１から外れて、溶け落ちが発生したことになる。すなわち、レーザ光３をウィービングさせていれば、レーザ光３のウィービングの中心が第１の板１の端部となるまでは溶接ができることを示している。
　次に、ウィービング幅４が１．５ｍｍ、スポット径０．８ｍｍとして溶接した場合、第１の板１の側面の中心からのレーザ光３のズレが０．０ｍｍ～０．８ｍｍでは良好な溶接結果が得られた。しかし、第１の板１の側面の中心からのレーザ光３のズレが０．９ｍｍでは第２の板２の溶け込み不足が発生した。すなわち、レーザ光３が第１の板１から外れてはいるものの、溶け落ちではなく溶け込み不足が起きている。これは、レーザ光３のウィービングの中心が第１の板１の端部となる場合まで第１の板１を溶融し、溶接ができることを示している。そして、レーザ光３のウィービングの中心が第１の板１の端部から外れると、第１の板１を溶融できないことを示している。
　最後に、ウィービング幅４が１．５ｍｍ、スポット径１．０ｍｍとして溶接した場合、第１の板１の側面の中心からのレーザ光３のズレが０．０ｍｍでも溶け込み不足が発生することを確認した。これは、ウィービング幅４とスポット径との和が大きくなりすぎて、溶融部５の溶け込み深さ７が不十分であることを示している。
　以上の結果より、ウィービング幅４とスポット径の和が０．７ｍｍ～２．３ｍｍであれば、第１の板１の端部までウィービングの中心がずれても溶接ができることがわかる。すなわち、ウィービングを行わない場合のウィービングの中心のズレが０．３ｍｍまでしか許容されなかったのに対して、ウィービングを行えば、ウィービングの中心のズレが０．８ｍｍまで許容される。すなわち、ウィービングを行えば、レーザ光３のウィービングのズレの裕度は２倍以上に向上することがわかる。また、第１の板１の厚みＴ１が１．６ｍｍだったことから、ウィービング幅４とスポット径の和は、第１の板の厚みの０．４倍（０．６４ｍｍ）よりは大きく、１．５倍（２．４ｍｍ）よりは小さいと、適切な溶接が行えることがわかる。
　なお、第１の板１の側面の中心からのズレが大き過ぎれば、上記関係を満たしていても良好な溶接はできない。すなわち、第１の板１の厚みの半分を超えるズレが生じると、良好な溶接は実現できない。
　以上のように、本実施の形態のレーザ溶接方法によれば、レーザ光３をウィービングしながら照射することで、溶融部５の溶け込み７を浅くし、溶融部５のビード幅６を広くすることができる。従って、被溶接材に対するレーザ光３の位置ズレや、被溶接材のギャップに対する裕度が向上する。
　本開示は、Ｔ継手の溶接において、レーザ光の位置ズレに対する裕度を向上することができ、Ｔ継手をレーザ溶接するレーザ溶接方法として産業上有用である。
１　第１の板
２　第２の板
３　レーザ光
４　ウィービング幅
５　溶融部
６　ビード幅
７　溶け込み深さ
１０１　上板
１０２　凸部
１０３　下板
１０４　凹部
１０５　レーザビーム
１０６　接合部

Claims (5)

  1. 　第１の部材の側面と第２の部材の下面とを重ねたＴ継手を形成する継手形成工程と、
    　前記第２の部材の前記下面とは反対側の上面からレーザ光を照射して前記第１の部材と前記第２の部材とをレーザ溶接する溶接工程と、を備え、
    　前記溶接工程では、前記レーザ光をウィービングさせながら前記第１の部材の前記側面に沿う方向に移動させるレーザ溶接方法。
  2. 　前記レーザ光の前記ウィービングの幅と前記レーザ光のスポット径との和は、前記第１の部材の厚みの０．４倍より大きく１．５倍より小さい請求項１に記載のレーザ溶接方法。
  3. 　前記レーザ光の前記ウィービングは、直線によるジグザグ状である請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
  4. 　前記レーザ光の前記ウィービングは、曲線による波状である請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
  5. 　前記レーザ光の前記ウィービングは、らせん状である請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
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