WO2015107664A1 - レーザ溶接方法及び溶接継手 - Google Patents

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旭東 張
青田　欣也
雅徳 宮城
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a laser welding method and a welded joint.
  • Laser welding is used in various fields because a low distortion, high speed and high precision welded joint can be obtained because the energy density of the laser beam of the heat source is high.
  • a plurality of materials to be welded are overlapped or butt welded to a steel material such as stainless steel or carbon steel, or a metal material such as an aluminum alloy or a nickel alloy.
  • a fuel pump, and an injector fuel injection valve
  • a welding process using a pulse wave or continuous wave laser light is used.
  • Laser welding generally uses a deep penetration (keyhole mode) welding method.
  • the power density (laser power per unit area) of the laser beam irradiated to the surface of the material to be welded is 10 6 W / cm 2 or more
  • the temperature of the metal surface becomes higher than the boiling point of the metal and plasma
  • the metal vapor jumps out of the laser irradiation point with the occurrence of the metal vapor
  • the molten metal surface is dented by the reaction force of the metal vapor, and the laser beam is repeatedly reflected in the dent and is incident, and the deep and thin keyhole type welding is To be done.
  • the laser keyhole can be formed by maintaining the balance between the pressure of metal vapor inside the keyhole and the static pressure and surface tension of the molten metal around the keyhole.
  • FIG. 2 since the laser beam 2 irradiated to the workpiece 1 is welded while moving in the welding direction, it is necessary to advance the keyhole continuously in the welding process.
  • the molten pool also flows dynamically, it is difficult to stabilize the keyhole shape.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a laser keyhole and a molten pool in laser welding. 1 is a material to be welded and 2 is a laser beam. In the vicinity of the opening of the keyhole 4, the surface of the molten pool 5 generally flows outward from the keyhole.
  • the bead shape after welding has a wine cup-like weld bead shape which is as narrow as about half the penetration width b in the bead with respect to the surface width a by the two effects.
  • the keyhole itself formed by the laser irradiation repeatedly expands and contracts and is very unstable.
  • the inside of the keyhole is filled with metal vapor, air or shielding gas used to prevent oxidation of the molten metal may be involved.
  • the air or shielding gas entrained in the metal vapor forms bubbles in the molten pool and is trapped in the solidified wall to produce porosity.
  • the porosity can be reduced by stabilizing the keyhole by using a pulse laser beam having an appropriate pulse width or frequency.
  • a pulse laser beam having an appropriate pulse width or frequency.
  • the key hole can be stabilized in the laser irradiation period, but the key hole opening may be completely closed in the period in which the irradiation is interrupted, and the occurrence of spatter becomes severe.
  • research and development of laser processing technology using a scanner for oscillating a laser beam has been advanced. The purpose of this method is to control the beam spot diameter at the processing point while rotating the laser beam at high speed.
  • Patent Document 1 provides a method and apparatus for adjusting the diameter of a laser beam spot, which enables adjustment of the diameter of a laser beam spot, particularly enlargement, using a laser beam scanner.
  • An object of the present invention is to reduce the occurrence of spattering caused by keyhole instability.
  • the figure which shows the weld bead cross-sectional shape seen from the welding direction in Example 1 of this invention A diagram illustrating a prior art laser welding method Diagram showing the generation mechanism of spatter in the prior art laser welding method Diagram showing the cross-sectional shape of the weld bead as viewed from the welding direction in the prior art
  • the figure which shows the scanner laser welding method in Example 1 of this invention The figure which shows the cross-sectional shape of the molten pool and the keyhole in Example 1 of this invention.
  • Example 2 The figure which shows the weld bead cross-sectional shape seen from the welding direction in Example 2 of this invention
  • the welding method of this example is as follows.
  • the welded joint manufactured by the welding method of this embodiment is, for example, a lap joint of stainless steel having a plate thickness of 1.0 mm.
  • a fiber laser having a wavelength of 1070 to 1080 nm can be used, but laser light of another wavelength may be used.
  • laser light is generated from a laser transmitter (not shown), condensed by a beam scanner and a condensing lens (not shown) via a transfer path, and the laser light is irradiated to the surface of the stainless steel lap joint described above. .
  • FIG. 5 shows a schematic view of laser welding using a beam scanner.
  • the material to be welded 1 is irradiated while rotating the laser beam 3 using a beam scanner.
  • the irradiation track as shown in the figure is obtained by advancing the laser welding head including the beam scanner in the welding direction while repeating irradiating the laser beam only while drawing a circle using a pulsed laser beam. Irradiation may be continuous rather than pulse.
  • the point is that the connecting portion of the members may be traced while rotating the laser beam so as to draw a circle on the connecting portion at the tip of the laser beam, rather than simply tracing the connecting portion of a plurality of members.
  • nitrogen can be used as a shielding gas in order to prevent the oxidation of the molten metal.
  • the shield gas is not limited to nitrogen, and Ar (argon), He (helium) or a mixed gas of these may be used.
  • the laser output is 200 W to 1000 W
  • the beam spot diameter is 0.04 mm to 0.2 mm
  • the number of repetition of beam rotation is 60 Hz to 500 Hz
  • the beam rotation diameter is 3.0 mm or less.
  • the welding speed can be appropriately set at 10 mm / s to 100 mm / s
  • the flow rate of shield gas can be set at 5.0 l / min to 30.0 l / min.
  • FIG. 1 is a view showing a cross-sectional shape of a weld bead as viewed from the welding direction.
  • the surface width of the weld bead (melt pool) viewed from the welding direction is a
  • the penetration depth at the center of the weld bead is d
  • the maximum penetration depth of the weld bead is h
  • the maximum penetration depth is h
  • the penetration width at the position which is / 2 be b.
  • the depth of the keyhole and the maximum penetration depth of the weld bead are both the depth from the surface of the workpiece 1.
  • the same reference numerals indicate the same positions.
  • FIG. 6 shows the cross-sectional shapes of the keyhole and the molten pool in the process of advancing the beam in the welding direction while rotating the laser beam at high speed.
  • a keyhole can be formed also from the center of the beam to the outside, so that a molten pool with a wider surface width a is formed compared to the conventional welding method that does not rotate the beam. can do.
  • FIG. 7 shows the cross-sectional shapes of the molten pool and the keyhole viewed from the welding direction.
  • the depth of the keyhole 4 is the same as the maximum penetration depth of the molten pool h. In other words, it indicates that the depth of the keyhole is the deepest place of the molten pool.
  • the beam rotation speed is very high, for example, the beam rotation diameter is 2.0 mm, the rotation frequency is 100 Hz, and the scanner speed of the beam is 600 mm / s or more, this speed advances the laser beam in the welding direction ( 12 times the welding speed).
  • the cross-sectional shape of the molten pool cut in the direction orthogonal to the welding direction is such that two places spaced outward from the center of the bottom of the molten pool are convex downward.
  • the melting located in front of the keyhole with respect to the moving direction of the laser beam (helical direction combining the linear welding direction and rotational direction). Since the amount of the pond can be reduced, the surface width a of the molten pool does not become much wider than the diameter of rotation of the keyhole. That is, the change in width from the surface to the bottom of the molten pool is smaller than that of the conventional welding method.
  • the rotational speed of the laser beam is very high, the time when the molten pool behind the keyhole flows back to the opening of the keyhole becomes short, and the opening becomes difficult to close.
  • the keyhole does not move linearly but rotates in the direction of travel of the laser beam, the flow of the molten pool also flows in the direction of rotation of the keyhole.
  • the flow of the molten pool is retained for a certain period of time by its inertia, and the stirring effect of the keyhole generated by the irradiation of the laser beam is received.
  • the opening of the keyhole is recessed backward in the keyhole movement direction, avoiding direct irradiation of the molten pool surface of the laser beam, and the laser beam can be irradiated directly to the bottom of the keyhole, the keyhole opening
  • the occurrence of spattering can be suppressed because there is no intense evaporation of the molten metal in the vicinity of the part.
  • the weld bead shape welded under the welding conditions of the present embodiment is (i) the penetration width b at the position where the penetration depth is h / 2 and the maximum penetration depth h of the weld bead cross section
  • the relationship between the surface width a of the weld bead is b / a> 0.6
  • (ii) the relationship between the penetration depth d at the weld bead center position and the maximum penetration depth h is h / d> 1.0
  • the relationship between the maximum penetration depth h of the weld bead cross section and the bead surface width a is h / a ⁇ 3.0.
  • welding was performed using a conventional welding method that does not use a beam scanner.
  • the test strip materials and dimensions used for the weld test are the same as used in Example 1.
  • the welding conditions include laser power of 200 W to 1000 W, beam spot diameter of 0.04 mm to 0.2 mm, welding speed of 10 mm / s to 100 mm / s, shield gas flow rate of 5.0 l / min to 30.0 l / Min.
  • FIG. 1 An example of the weld bead shape implemented on said welding conditions is shown in FIG.
  • the surface width a is twice or more the penetration width b, and the position where the penetration depth is the deepest is the central portion of the weld bead, exhibiting a wine cup shape.
  • a large amount of spatter occurs in the welding process.
  • the welding method of this example is as follows.
  • the lap welded joint according to the present embodiment is, for example, a butt joint of a copper plate (not shown) having a plate thickness of 1.0 mm.
  • visible light and near-infrared laser having a wavelength of 500 nm to 880 nm can be used, but laser light having another wavelength may be used.
  • laser light is generated from a laser transmitter (not shown), condensed by a beam scanner and a condenser lens (not shown) via a transfer path, and the laser light is irradiated to the surface of the butt joint of the copper plate.
  • welding is performed by advancing the laser welding head including the beam scanner in the welding direction while rotating the laser beam using the beam scanner.
  • Ar argon
  • a shielding gas it is not limited to Ar, He (helium) or these mixed gas may be used.
  • the laser output is 200 W to 800 W
  • the beam spot diameter is 0.04 mm to 0.2 mm
  • the number of repetitions of beam rotation is 300 Hz to 1000 Hz
  • the beam rotation diameter is 0.2 mm to 3.0 mm.
  • the welding speed can be appropriately set at 10 mm / s to 100 mm / s
  • the flow rate of shield gas can be set at 5.0 l / min to 30.0 l / min.
  • FIG. 8 shows a bead cross-sectional shape welded under the above-described welding conditions.
  • the relationship between the indentation depth h and the bead surface width a is h / a ⁇ 3.0.
  • FIG. 9 shows the relationship between the number of spatters generated and the number of rotations (frequency).
  • FIG. 10 shows the relationship between the number of spatters generated and the number of rotations (frequency). It can be seen from the figure that when the beam rotation frequency is 60 Hz to 900 Hz and the beam rotation diameter is 0.2 mm to 2.6 mm, the number of sputters can be halved by the conventional method.

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Abstract

複数の被溶接材がレーザビームの照射により溶接された溶接継手において、前記複数の部材に渡って形成された溶接ビードの表面幅をａ、前記溶接ビードの最大溶込み深さをｈ、前記溶接ビードの溶込み深さがｈ／２となる位置での前記溶接ビードの溶込み幅をｂ、前記溶接ビードの中心位置の溶込み深さをｄとしたとき、以下の数式１乃至３、　ｂ／ａ≧０．６・・・（数式１）ｈ／ｄ≧１．０・・・（数式２）ｈ／ａ＜３．０・・・（数式３）を満たすことにより、キーホールを安定させ、スパッタの発生を抑制する。

Description

レーザ溶接方法及び溶接継手
　本発明は、レーザ溶接方法及び溶接継手に関する。
　レーザ溶接は、熱源のレーザビームのエネルギー密度が高いため、低歪み、高速度、高精度の溶接継手が得られることから各方面で使用されている。自動車分野において、ステンレス鋼や炭素鋼などの鉄鋼材料や、アルミ合金や、ニッケル合金などの金属材料に対し、複数の被溶接材を重ね又は突合せて溶接した製品が多い。例えば、車体や、燃料ポンプ、インジェクタ（燃料噴射弁）の製造において、パルス波または連続波のレーザ光を用いた溶接プロセスが使われている。
　また、樹脂などの非金属材料を使用したエアーフローセンサや、応力・ひずみセンサーなどの製品において、レーザ光を用いて樹脂部材を接合させるプロセスや接合装置にも開発、適用されている。
　一般的に、レーザ溶接は深溶込み型（キーホールモード）溶接方法を使用している。この方法は、被溶接材の表面に照射されたレーザビームのパワー密度（単位面積あたりのレーザ出力）が106 W/cm2以上になると、金属表面の温度が金属の沸点以上になり、プラズマの発生と共に金属蒸気がレーザ照射点から激しく飛び出し、その金属蒸気の反動力で溶融金属面が凹み、またレーザビームは凹みの中で反射を繰り返しながら入射して、深く細いキーホール型の溶接が行われる。
理論上は、キーホール内部の金属蒸気の圧力と、キーホール周辺の溶融金属の静圧と表面張力のバランスを維持することにより、レーザキーホールを形成できる。しかし、図２に示すように、被溶接材１に照射されるレーザビーム２が溶接方向に移動しながら溶接されているため、溶接過程においてキーホールを連続的に前進させる必要がある。
一方で、溶融池も動的に流れているため、キーホール形状の安定化が困難である。図３にレーザ溶接におけるレーザキーホールと溶融池の断面図を示す。１は被溶接材、２はレーザビームである。キーホール４開口部付近では、一般的に溶融池５の表面がキーホールから外側に向かって流れている。しかし、キーホール内部の圧力が急激に低下したり表面張力が変動したりすることにより、図に示すように、流れが瞬間的に逆方向（キーホールに向かって溶融金属が流れる）になる場合がある。特に、キーホールは主に溶接方向に対し溶融池の前方に存在し、キーホール前方の溶融金属が非常に少ないため、キーホール後方の溶融池の表面張力と静水圧がキーホールを閉じる動力になる。このような溶融池の表面流れを受け、キーホールの開口部後方が急に狭くなり、レーザ光が溶融池表面に垂直照射し、溶融金属の激しい蒸発が発生し、スパッタ６が生じる。
従来の深溶込み型レーザ溶接では、図４に示すように、溶接ビードの表面幅ａが溶込み幅ｂより大きく上回るワインカップ状のビード形状が形成しやすい。これは、キーホール４から噴出されている高温の金属蒸気（プラズマ）の熱が金属表面に対し伝熱し、溶融池５表面を広げる効果があるためである。また、金属蒸気の噴出によりキーホール周辺の溶融池をキーホールから外へ押出すことにより溶融金属の流れが外向きになる。その二つの作用により、溶接後のビード形状は表面幅ａに対して、ビード内部の溶込み幅ｂが半分程度に狭いワインカップ状の溶接ビード形状が得られる。
また、レーザの照射により形成されたキーホール自身は膨張・収縮を繰り返し、非常に不安定である。そのキーホールの内部には金属蒸気が充満しているが、空気又は溶融金属の酸化を防止するために使用したシールドガスが巻き込まれる場合もある。その金属蒸気に巻き込まれた空気またはシールドガスが溶融池に気泡を形成し、凝固壁にトラップされ、ポロシティを生じる。
上述のようなキーホールの不安定性による生じたポロシティを抑制する為に、適切なパルス幅または周波数を設定したパルスレーザ光を用い、キーホールを安定化させることによりポロシティを低減できる。しかし、パルスレーザ光を使用した場合、レーザ照射期間でキーホールの安定化ができるが、照射を中断した期間にはキーホール開口部が完全に閉じる可能性があり、スパッタの発生が激しくなる。
近年，レーザビームを揺動させるスキャナーを用いたレーザ加工技術の研究開発が進められている。この方法は、レーザビームを高速回転しながら加工点のビームスポット径を制御することが目的としている。
　例えば特許文献１には、レーザビームのスキャナーを用いて、レーザ光スポットの径の調整、特に拡大が可能となるレーザビームスポット径の調整方法及び装置を提供している。
特開２０１２－１５２８２２号公報
しかしながら、特許文献１に記載されたレーザビームスポット径の調整方法及び装置は、ビームスポット径の拡大により、レーザビームが溶融池表面に照射する瞬間に溶融金属の蒸発面積が増加し、スパッタのサイズが大きくなるという課題がある。
　本発明の目的は、キーホールの不安定により生じるスパッタの発生を低減することにある。
　　上記目的は請求項に記載された発明により達成される。
　本発明によれば、キーホールの不安定により生じるスパッタの発生を低減することができる。
本発明の実施例１における溶接方向から見た溶接ビード断面形状を示す図 従来技術のレーザ溶接方法を示す図 従来技術のレーザ溶接方法におけるスパッタの発生メカニズムを示す図 従来技術における溶接方向から見た溶接ビード断面形状を示す図 本発明の実施例１におけるスキャナーレーザ溶接方法を示す図 本発明の実施例１における溶融池とキーホールの断面形状を示す図 本発明の実施例１における溶接方向から見た溶融池とキーホールの断面形状を示す図 本発明の実施例２における溶接方向から見た溶接ビード断面形状を示す図 本発明の実施例１におけるスパッタ数と繰返数の関係を示す図 本発明の実施例１におけるスパッタ数とビーム回転径の関係を示す図
　以下、本発明の実施例について、詳細を説明する。
　本実施例の溶接方法は下記の通りである。本実施例の溶接方法により製造される溶接継手は、例えば、板厚１．０ｍｍのステンレス鋼の重ね継手である。
　本実施例では、例えば、波長が１０７０～１０８０ｎｍのファイバーレーザを用いることができるが、他の波長のレーザ光を使用してもよい。また、図示しないレーザ発信器からレーザ光を発生させ、転送経路を経由し、ビームスキャナー及び集光レンズ（不図示）により集光し、上記のステンレス鋼の重ね継手の表面にレーザ光を照射する。
　図５にビームスキャナーを用いたレーザ溶接の概要図を示す。ビームスキャナーを用いてレーザビーム３を回転させながら被溶接材１に照射する。パルス状のレーザビームを用いて円を一周描く間だけレーザビームを照射することを繰り返しながら、ビームスキャナーを含んだレーザ溶接ヘッドを溶接方向に前進させることで図のような照射軌跡になる。パルスでなく連続的に照射するものであってもよい。要は、複数の部材の接続部分を単にトレースするのではなく、レーザビーム先端で接続部分に円を描くようにレーザビームを回転させながら、部材の接続部分をトレースするものであればよい。
　本実施例の深溶込み型レーザ溶接では、溶融金属の酸化を防止するために、シールドガスとして窒素を用いることができる。なお、シールドガスとしては、窒素に限定されるものでなく、Ａｒ（アルゴン）、Ｈｅ（ヘリウム）またはこれら混合ガスを使用してもよい。
　溶接条件としては、例えば、レーザ出力を２００Ｗ～１０００Ｗ、ビームスポット径を０．０４ｍｍ～０．２ｍｍ、ビーム回転の繰返数を６０Ｈｚ～５００Ｈｚ、ビーム回転径を３．０ｍｍ以下とする。ほかには、溶接速度を１０ｍｍ／ｓ～１００ｍｍ／ｓ、シールドガスの流量を５．０　ｌ／ｍｉｎ～３０．０　ｌ／ｍｉｎで適宜設定することができる。
　以下、図６、図７、図１を用い、本実施例に用いた溶接条件で溶接した場合の、キーホールと溶融池挙動及び溶接後のビード形状を説明する。
　図１は溶接方向から見た溶接ビード断面形状を示す図である。溶接方向から見た溶接ビード（溶融池）の表面幅をａとし、溶接ビード中央部の溶込み深さをｄとし、溶接ビードの最大溶込み深さをｈとし、最大溶込み深さがｈ/２である位置での溶込み幅をｂとする。キーホールの深さと溶接ビードの最大溶込み深さは、何れも被溶接材１の表面からの深さとする。以下の図においても、同じ符号は同じ位置を示す。
　図６にレーザビームを高速回転させながらビームを溶接方向に前進させる過程において、キーホール及び溶融池の断面形状を示す。レーザビーム２の先端が円を描くことにより、ビーム中心から外側にもキーホールを形成することができるので、従来のビームを回転させない溶接方法に比べ、表面幅ａが大きく広がった溶融池を形成することができる。
　図７に溶接方向から見た溶融池とキーホールの断面形状を示す。ここではキーホール４の深さを溶融池の最大溶込み深さと同じｈとする。つまり、キーホールの深さが溶融池の最も深い場所となることを示す。レーザビーム３を高速回転させながら溶接方向に前進させることにより、キーホールの回転径（キーホール同士の間隔）がビーム回転径ｅと同じとなり、溶融池の最も深い位置は溶融池の中心から外側にｅ／２ずれた位置となる。また、ビーム回転速度が非常に高く、例えば、ビーム回転径を２．０ｍｍ、回転周波数を１００Ｈｚ、ビームのスキャナー速度が６００ｍｍ／ｓ以上とすると、この速度はレーザビームを溶接方向への前進速度（溶接速度）の１２倍になる。その結果、溶接方向と直交する方向で切断した溶融池の断面形状は図７に示すように、溶融池底部の中央から外側に離れた２箇所が下に凸となっている。
　また、レーザビームの回転速度は溶接方向に進行する速度より大幅に速いので、レーザビームの移動方向（直線の溶接方向と回転方向を組合せた螺旋線方向）に対し、キーホールの前方にある溶融池の量を少なくすることができるので、キーホールの回転径に比べ、溶融池の表面幅ａは大幅に広くなることがない。つまり、溶融池の表面から底部までの幅の変化が従来溶接方法より小さい。
　さらに、レーザビームの回転速度が非常に高いため、キーホール後方の溶融池がキーホールの開口部に逆流する時間が短くなり、開口部が閉じにくくなる。また、キーホールは直線移動せず、レーザビームの進行方向に対して回転移動するため、溶融池の流動もキーホールの回転方向に従って流動する。しかし、溶融池の流動はその慣性により一定時間滞留し、レーザビームの照射により生じたキーホールの撹拌効果が受けている。その結果、キーホールの開口部はキーホール移動方向の後方に凹みが生じ、レーザビームの溶融池表面を直接に照射すること避け、レーザビームが直接にキーホール低部まで照射でき，キーホール開口部付近に溶融金属の激しい蒸発がなくなり，スパッタの発生を抑制できる。
　具体的に、本実施例の溶接条件で溶接した溶接ビード形状は、(ｉ)　溶接ビード断面の最大溶込み深さｈに対し、溶込み深さがｈ/２位置での溶込み幅ｂと溶接ビードの表面幅ａの関係はｂ／ａ＞０．６になり、(ｉｉ)　溶接ビード中心位置の溶込み深さｄと最大溶込み深さｈの関係はｈ／ｄ＞１．０になり、（ｉｉｉ）溶接ビード断面の最大溶込み深さｈとビード表面幅ａの関係はｈ／ａ＜３．０になる。
比較例
　比較例として、ビームスキャナーを使用しない従来の溶接方法を用いて溶接を実施した。溶接試験を用いられた試験片材料と寸法は実施例１に使用したものと同じである。溶接条件は、レーザ出力を２００Ｗ～１０００Ｗ、ビームスポット径を０．０４ｍｍ～０．２ｍｍ、溶接速度を１０ｍｍ／ｓ～１００ｍｍ／ｓ、シールドガスの流量を５．０　ｌ／ｍｉｎ～３０．０　ｌ／ｍｉｎである。
　上記の溶接条件で実施した溶接ビード形状の一例を図４に示す。溶接ビード形状は、表面幅ａが溶込み幅ｂの２倍以上であり、溶込み深さが最も深い位置が溶接ビードの中央部であり、ワインカップ状を呈している。また、溶接過程において、大量のスパッタが生じている。
　本実施例の溶接方法は下記の通りである。本実施例に係る重ね溶接継手は、例えば、図示しない板厚１．０ｍｍの銅板の突合せ継手である。
　本実施例のレーザ溶接では、例えば、波長が５００ｎｍ～８８０ｎｍの可視光と近赤外線レーザを用いることができるが、他の波長のレーザ光を使用してもよい。また、図示しないレーザ発信器からレーザ光を発生させ、転送経路を経由し、ビームスキャナー及び集光レンズ（不図示）により集光し、上記の銅板の突合せ継手の表面にレーザ光を照射する。
　溶接方法は実施例１に示した溶接方法と同様に、ビームスキャナーを用いてレーザビームを回転させながら、ビームスキャナーを含んだレーザ溶接ヘッドを溶接方向に前進させることにより溶接を行う。また、溶融金属の酸化を防止するめに、シールドガスとしてＡｒ（アルゴン）を用いることができる。なお、シールドガスとしては、Ａｒに限定されるものでなく、Ｈｅ（ヘリウム）またはこれら混合ガスを使用してもよい。
　溶接条件としては、例えば、レーザ出力を２００Ｗ～８００Ｗ、ビームスポット径を０．０４ｍｍ～０．２ｍｍ、ビーム回転の繰返数を３００Ｈｚ～１０００Ｈｚ、ビーム回転径を０．２ｍｍ～３．０ｍｍとする。ほかには、溶接速度を１０ｍｍ／ｓ～１００ｍｍ／ｓ、シールドガスの流量を５．０　ｌ／ｍｉｎ～３０．０　ｌ／ｍｉｎで適宜設定することができる。
　図８に上記の溶接条件で溶接したビード断面形状を示す。(ｉ)　溶接ビード中央部の溶込み深さｄが最も深く（ｄ＝ｈ）、溶込み深さがｈ/２位置での溶接溶込み幅ｂと溶接ビードの表面幅ａの関係がｂ／ａ≧０．６になり、(ｉｉ)　溶接ビード中心位置の溶込み深さｄと最大溶込み深さｈの関係がｈ／ｄ＝１．０になり、（ｉｉｉ）溶接ビード断面の最大溶込み深さｈとビード表面幅ａの関係はｈ／ａ＜３．０になる。
　また、溶接途中でスパッタの発生が観察されなかった。
　以上の結果を纏めたものを図９と図１０に示す。図９に、スパッタ発生数と回転繰返数(周波数)の関係を示す。図１０に、スパッタ発生数と回転繰返数(周波数)の関係を示す。図中から、ビーム回転周波数を６０Ｈｚ～９００Ｈｚ、ビーム回転径を０．２ｍｍ～２．６ｍｍとした場合、従来方法よりスパッタ数を半減できることがわかった。
１　被溶接材（母材）
２　レーザビーム
３　レーザビーム
４　キーホール
５　溶融池（溶接ビード）
６　スパッタ

Claims (4)

  1. 　複数の被溶接材がレーザビームの照射により溶接された溶接継手において、前記複数の部材に渡って形成された溶接ビードの表面幅をａ、前記溶接ビードの最大溶込み深さをｈ、前記溶接ビードの溶込み深さがｈ／２となる位置での前記溶接ビードの溶込み幅をｂ、前記溶接ビードの中心位置の溶込み深さをｄとしたとき、以下の数式１乃至３、
    　　ｂ／ａ≧０．６・・・（数式１）
    　　ｈ／ｄ≧１．０・・・（数式２）
    　　ｈ／ａ＜３．０・・・（数式３）
    を満たすことを特徴とする溶接継手。
  2. 　請求項１において、前記溶接ビードは、前記溶接ビードの中心位置の両外側に溶込み深さが最大となる下向きの凸部を有することを特徴とする溶接継手。
  3. 　複数の被溶接材の接続部分にレーザビームを照射して前記被溶接材の金属表面を蒸発させることにより前記複数の被溶接材を溶接するレーザ溶接方法において、前記複数の被溶接材に照射される前記レーザビームの先端を回転させながら前記複数の被溶接材を溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。
  4. 　請求項３において、前記レーザビームのビーム回転周波数を６０Ｈｚ～９００Ｈｚ、ビーム回転径を０．２ｍｍ～２．６ｍｍとすることを特徴とするレーザ溶接方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018011049A1 (en) * 2016-07-14 2018-01-18 Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG Energy storage device and method of manufacturing such energy storage device
JP2019005769A (ja) * 2017-06-20 2019-01-17 トヨタ自動車株式会社 積層金属箔の溶接方法
JP2020506808A (ja) * 2017-01-31 2020-03-05 ヌブル インク 青色レーザーを使用して銅を溶接するための方法及びシステム
CN114523203A (zh) * 2022-03-13 2022-05-24 扬州沃盛车业制造有限公司 一种激光智能焊接方法及系统

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017120051B4 (de) * 2017-08-31 2023-01-12 Baosteel Tailored Blanks Gmbh Verfahren zum Laserstrahlschweißen eines oder mehrerer Stahlbleche aus presshärtbarem Mangan-Borstahl
JP7165073B2 (ja) * 2019-02-20 2022-11-02 株式会社東芝 ダイカスト部材のレーザ溶接方法及びダイカスト製品の製造方法
CN109708783B (zh) * 2019-02-22 2023-09-01 无锡昆仑富士仪表有限公司 一种耐腐蚀金属薄膜片组件的激光焊接方法
DE102019131906A1 (de) * 2019-11-26 2021-05-27 Voestalpine Automotive Components Linz Gmbh Verfahren zum Verschweißen beschichteter Stahlbleche
FR3109192B1 (fr) * 2020-04-09 2022-03-18 Valeo Emrayages Système d’accouplement pour un engin de mobilité
CN111843204A (zh) * 2020-06-22 2020-10-30 河海大学常州校区 一种基于细化焊缝晶粒的Ti2AlNb基合金激光焊接方法
JP2022127158A (ja) * 2021-02-19 2022-08-31 株式会社神戸製鋼所 銅合金板の接合方法及び銅合金板の接合体

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11156579A (ja) * 1996-11-15 1999-06-15 Amada Co Ltd レーザー切断方法、レーザーピアス方法、レーザー溶接方法、およびレーザー加飾方法並びに前記各方法に使用するレーザー加工ヘッド
JP2001030089A (ja) * 1999-07-19 2001-02-06 Sumitomo Electric Ind Ltd レーザ溶接方法
WO2002066197A1 (fr) * 2001-02-19 2002-08-29 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Procédé et dispositif de traitement laser
JP2007319878A (ja) * 2006-05-31 2007-12-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ加工装置及びレーザ加工方法
JP2012135794A (ja) * 2010-12-27 2012-07-19 Suzuki Motor Corp レーザ重ね溶接方法
JP2012152822A (ja) 2011-01-21 2012-08-16 Leister Technologies Ag 加工用レーザ光スポットの調整方法及びその装置

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3688080A (en) * 1969-09-08 1972-08-29 Andrew John Cartwright Welding
US4000392A (en) * 1974-07-01 1976-12-28 United Technologies Corporation Fusion zone purification by controlled laser welding
US4019018A (en) * 1974-09-30 1977-04-19 Kobe Steel Ltd. Process for narrow gap welding of aluminum alloy thick plates
US4163869A (en) * 1977-11-02 1979-08-07 Westinghouse Electric Corp. Electrical connection between aluminum conductors
IT1179064B (it) * 1984-08-20 1987-09-16 Fiat Auto Spa Procedimento di saldatura di lamiere
US4782206A (en) * 1987-01-27 1988-11-01 The Babcock & Wilcox Company Method and apparatus for controlling weld bead shape to eliminate microfissure defects when shape melting austenitic materials
JPS6422488A (en) * 1987-07-20 1989-01-25 Toshiba Corp Laser beam welding method
US20010047988A1 (en) * 1997-10-20 2001-12-06 Kazuo Hiraoka Welding method and welded joint structure
US6521861B2 (en) * 2000-02-07 2003-02-18 General Electric Company Method and apparatus for increasing welding rate for high aspect ratio welds
US6740845B2 (en) * 2002-05-24 2004-05-25 Alcoa Inc. Laser welding with beam oscillation
US6828526B1 (en) * 2003-05-15 2004-12-07 Alcoa Inc. Gas metal buried arc welding of lap-penetration joints
JP2004340874A (ja) * 2003-05-19 2004-12-02 Hitachi Ltd 中性子吸収棒及び端栓溶接方法並びに溶接装置
US7154064B2 (en) * 2003-12-08 2006-12-26 General Motors Corporation Method of improving weld quality
US20060011592A1 (en) * 2004-07-14 2006-01-19 Pei-Chung Wang Laser welding control
JP2006075853A (ja) * 2004-09-08 2006-03-23 Sumitomo Metal Ind Ltd オーステナイト系合金鋼のレーザ溶接継手およびその製造方法
DE102007038502B4 (de) * 2007-08-14 2013-01-03 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum Fügen von mindestens zwei Werkstücken mittels eines Laserstrahls
US20090314757A1 (en) * 2008-06-18 2009-12-24 Caterpillar Inc. Thick gage welding
WO2010137186A1 (ja) * 2009-05-27 2010-12-02 Ｊｆｅスチール株式会社 鋼板のサブマージアーク溶接方法
DK2508290T3 (en) * 2009-12-04 2017-04-10 Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp STUFF WASTE COLLECTION AND PROCEDURE FOR PREPARING THIS
RU2518654C2 (ru) * 2010-01-20 2014-06-10 Кабусики Кайся Тосиба Труба с двойными стенками, способ изготовления трубы с двойными стенками и парогенератор
JP5827454B2 (ja) * 2010-03-08 2015-12-02 株式会社神戸製鋼所 レーザー・アーク複合溶接方法及び該溶接方法による溶接部材の製造方法
WO2011155620A1 (ja) * 2010-06-07 2011-12-15 新日本製鐵株式会社 超高強度溶接継手およびその製造方法
US20130000121A1 (en) * 2011-06-30 2013-01-03 Gregory Mark Burgess Spherical cutter and method for machining a curved slot
EP2594357A1 (en) * 2011-11-16 2013-05-22 Optec S.p.A. Device for and process of laser welding with a calibration unit with refraction means
JP2016503348A (ja) * 2012-11-30 2016-02-04 ディレクトフォトニクス インダストリーズ ゲーエムベーハーＤｉｒｅｃｔｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ｇｍｂｈ レーザ加工装置及びレーザ加工方法
KR102049445B1 (ko) * 2013-05-31 2019-11-28 삼성디스플레이 주식회사 레이저 빔 조사 장치 및 이를 이용한 유기 발광 디스플레이 장치의 제조 방법
US9381292B2 (en) * 2014-07-24 2016-07-05 Kamal Ahmed ALJOHANI Diabetes regulator

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11156579A (ja) * 1996-11-15 1999-06-15 Amada Co Ltd レーザー切断方法、レーザーピアス方法、レーザー溶接方法、およびレーザー加飾方法並びに前記各方法に使用するレーザー加工ヘッド
JP2001030089A (ja) * 1999-07-19 2001-02-06 Sumitomo Electric Ind Ltd レーザ溶接方法
WO2002066197A1 (fr) * 2001-02-19 2002-08-29 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Procédé et dispositif de traitement laser
JP2007319878A (ja) * 2006-05-31 2007-12-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ加工装置及びレーザ加工方法
JP2012135794A (ja) * 2010-12-27 2012-07-19 Suzuki Motor Corp レーザ重ね溶接方法
JP2012152822A (ja) 2011-01-21 2012-08-16 Leister Technologies Ag 加工用レーザ光スポットの調整方法及びその装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3095548A4

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018011049A1 (en) * 2016-07-14 2018-01-18 Lithium Energy and Power GmbH & Co. KG Energy storage device and method of manufacturing such energy storage device
US11407064B2 (en) 2016-07-14 2022-08-09 Gs Yuasa International Ltd. Energy storage device and method of manufacturing energy storage device
JP2020506808A (ja) * 2017-01-31 2020-03-05 ヌブル インク 青色レーザーを使用して銅を溶接するための方法及びシステム
JP2019005769A (ja) * 2017-06-20 2019-01-17 トヨタ自動車株式会社 積層金属箔の溶接方法
CN114523203A (zh) * 2022-03-13 2022-05-24 扬州沃盛车业制造有限公司 一种激光智能焊接方法及系统
CN114523203B (zh) * 2022-03-13 2022-11-29 扬州沃盛车业制造有限公司 一种激光智能焊接方法及系统

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