(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センターガス吹出し口がレーザビーム光軸を中心とする円周上にあるとともにレーザビーム光軸に関し対称に配置された複数のセンターノズルと、サイドガス吹出し口が前記円周より外側に位置する１個のサイドノズルとを備え、センターガス合成点がレーザビームの集光点より上方に位置し、前記サイドノズル軸線とレーザビーム光軸との交点が前記センターガス合成点とレーザビームの集光点との間に位置する熱間圧延鋼片の突合せ溶接用レーザ溶接ノズル。
【請求項２】
前記センターノズルおよびサイドノズルは、これらノズルから噴出するセンターガスおよびサイドガスがレーザ誘起プラズマの中心をレーザビームの中心から溶接方向に、レーザ出力およびビーム径、ならびにセンターガスの種類および流量から決まる基準プラズマ径の０．２〜０．５倍の距離だけずらす請求項１記載の熱間圧延鋼片の突合せ溶接用レーザ溶接ノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シートバーやスラブなどの熱間圧延鋼片をレーザビームにより突合せ溶接に用いられるレーザ溶接ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０のように集光したレーザビームＬＢを被溶接材Ｂに照射して最もエネルギー密度の高くなる領域であるキーホールＫを熱源とし、これを走査するのが高エネルギービームであるレーザビームＬＢによる溶接方法の原理である。
【０００３】
この金属が円筒状に蒸発した領域であるキーホールＫを走査することによって、周辺の溶融領域がレーザビームＬＢの通過とともに徐々に凝固し、溶接ビードが形成される。このキーホールＫはレーザ溶接の際、キーホールＫ内の蒸発金属による蒸気圧と重力とのバランスによって形成されている。キーホールＫ上に発生する蒸発金属、および溶接ガスがプラズマ化し、レーザ誘起プラズマＰとなり、このレーザ誘起プラズマＰとレーザビームＬＢとの相互作用によって被溶接材Ｂへの入射エネルギーが決定する。このレーザビームＬＢとプラズマＰとの相互作用は時々刻々状態変化し、これに応じて図１１のように溶込み深さｄも増減する。プラズマの量が増大した時にはレーザビームＬＢがプラズマに吸収されてレーザビームＬＢが被溶接材Ｂに到達しなくなり、溶込み深さｄが減少する。一方、プラズマの量が減少した時にはレーザビームＬＢが被溶接材Ｂに容易に到達するためスパイキングとなって溶込み深さｄが一時的に増大する。特に、２５ kW 以上の高出力レーザで溶接するとプラズマの大きさは極めて大きくなり、溶込み深さｄのばらつき率も２５〜３０％と非常に大きかった。
【０００４】
熱延ラインにおける熱間圧延鋼片のレーザ溶接では、もともと熱間圧延鋼片が９００℃以上の高温であるため、レーザ照射によって金属が容易に沸点に達しプラズマ化する。そして、レーザビームとレーザ誘起プラズマとの相互作用が活性化しプラズマの増大、収縮を繰り返しプラズマ発生領域が不安定となるため、これに応じてスパイキングが頻発し、溶込み深のさばらつきが増大する。この溶込み深さの増減が大きいと、熱間圧延連続化のようなシャー切断後の突合せ溶接の場合、圧延時に破断しないように狙った接合面積率を確保することが大変難しい。また、開先突合せ溶接の場合、スパイキングによる溶込み深さｄが過大であると、図１１のように溶融金属が下方に流れ落ちる、いわゆる溶落ちＭＤが発生し、これによる接合面積率が低下するおそれがある。
【０００５】
このような現象に対して、従来は接合面積率を実効突合せ厚さぎりぎりを狙うのではなく、レーザ出力を落としたり、溶接速度を減速する等、熱間圧延鋼片への全入力エネルギーを抑えて、溶込み深さのばらつきを減らす方法をとっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、溶接ビード部分の溶込み深さを均一にし、スパイキングや溶込み過ぎの無い溶融底部がフラットなビード形状を得ることを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の熱間圧延鋼片の突合せ溶接用レーザ溶接ノズルは、センターガス吹出し口がレーザビーム光軸を中心とする円周上にあるとともにレーザビーム光軸に関し対称に配置された複数のセンターノズルと、サイドガス吹出し口が前記円周より外側に位置する１個のサイドノズルとを備え、センターガス合成点がレーザビームの集光点より上方に位置し、前記サイドノズル軸線とレーザビーム光軸との交点が前記センターガス合成点とレーザビームの集光点との間に位置する。
【０００８】
上記のように構成されたレーザ溶接ノズルにおいて、センターノズルおよびサイドノズルのそれぞれの吹出し口径および吹出し方向（ノズル傾斜角）は、レーザ出力、溶接条件などに基づいてノズル設計時にあらかじめ決められる。ガスの合成圧力とレーザビームの集光点との関係位置、したがってレーザ誘起プラズマの中心を所要の位置させるには、センターガスおよびサイドガスの流量をそれぞれ調整する。
【０００９】
上記レーザ溶接ノズルにおいて、前記センターノズルおよびサイドノズルは、これらノズルから噴出するセンターガスおよびサイドガスがレーザ誘起プラズマの中心をレーザビームの中心から溶接方向に、レーザ出力およびビーム径、ならびにセンターガスの種類および流量から決まる基準プラズマ径の０．２〜０．５倍の距離だけずらすようにすることができる。
【００１０】
レーザ照射によって、図１に示すようにキーホールＫ上のレーザビーム光軸ｌL に沿って上昇するレーザ誘起プラズマ（基準プラズマ）Ｐ0が発生する。この発明では、レーザ誘起プラズマＰ0 にサイドガスＧS を吹き付けて、溶接方向に、つまり未溶接位置方向に基準プラズマ径ＤP0の０．２〜０．５倍の距離だけずらす。ずれの距離が基準プラズマ径ＤP0の０．２倍未満であると、プラズマによる予備加熱およびプラズマを通過したレーザビームの出力が確保できない。また、ずれの距離が基準プラズマ径ＤP0の０．５倍を超えると、プラズマの発生が不安定となる。レーザ誘起プラズマＰの発生域がレーザビームＬＢの照射位置からδxずれることで、レーザビームＬＢは位置がずれたプラズマＰ中の電子密度の比較的高い範囲を外れて溶接部を照射するため、レーザビームＬＢのプラズマＰに対する吸収量は減少する。また、熱間圧延鋼片Ｂに到達するレーザビームＬＢのエネルギ密度は増大し、かつ一定となる。この結果、極端なスパイキングの発生が抑えられるとともに、溶込み過ぎによる溶落ちがなくなり、溶込み深さが均一となって溶融底部はフラットとなる。また、レーザエネルギ効率が向上し、溶融深さと溶融幅とが増加して、安定な接合部を形成することができる。これにより、接合面積が増加して、突合せ線の変動が生じても、目外れの許容値を拡大し、安定な接合部を形成することで、接合の確度を上げ、レーザ溶接後の圧接プロセスでの破断を防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この熱間圧延鋼片の突合せ溶接方法は、９００℃以上の熱間圧延鋼片の非貫通突合せ溶接に用いられる。熱間圧延鋼片の厚みは２５〜５０mm、幅（突合せ幅）は６００〜１２００mm程度である。レーザはＣＯ２レーザが適しており、出力は２５kW以上、ビーム径は０．４〜０．６mm程度である。センターガスおよびサイドガスとして、ＨｅガスまたはＡｒガスが用いられる。溶接部に供給されるセンターガスの流量は４０〜１２０ l/min、サイドガスの流量は４０〜８０ l/min程度である。
【００１２】
図２は、この発明のレーザ溶接ノズルの実施の形態の一例を示している。レーザ溶接ノズル１１は、円筒状のノズル本体１２を備えている。ノズル本体１２の下端部にセンターノズルブロック１５がねじ１６で取り付けられている。センターノズルブロック１５には、レーザビームノズル１８およびこれの周囲に６個のセンターノズル２０が設けられている。センターノズル２０のセンターガス吹出し口２１は、レーザビーム光軸ｌL を中心とする円周上で６０゜の間隔をおいて配置されている。センターガスＧc が、センターガス容器から流量調節弁（いずれも図示しない）を介してセンターノズル２０に供給される。センターノズルブロック１５にサイドノズルブロック２５が取り付けられている。サイドノズルブロック２５にサイドノズル２７が設けられている。サイドノズル２７のサイドガス吹出し口２８は、センターガス吹出し口２１と同一平面上にあって上記円周より外側に位置している。サイドガスＧs が、サイドガス容器から流量調節弁（いずれも図示しない）を介してサイドノズル２７に供給される。なお、サイドノズル２７に対向する位置に配置されたワイヤノズル３５からフィラーワイヤＷが溶接部に供給される。
【００１３】
上記のように構成されたレーザ溶接ノズルにおいて、センターノズルおよびサイドノズルの寸法・形状は、ガス流量の調整によってレーザ誘起プラズマの中心を所要の位置に位置させることができる適切な値・形状でなければならない。そのために、たとえば次のような寸法・形状が選ばれる。センターノズルの個数は５〜７個、吹出し穴間隔ｄ1 は５〜２０ mm 、センターガス吹出し口の直径は１〜２ mm 程度である。センターガス吹出し合成角θC は、１０゜〜６０゜である。サイドガス吹出し口の直径は３〜６ mm 程度であり、サイドガス吹出し角θS は、１５゜〜４５゜である。また、図３に示すようにセンターガス合成点（センターノズル軸線ｌC の交点）ＩC がレーザビームＬＢの集光点ＩL より上方に位置し、サイドノズル軸線ｌS とレーザビーム光軸ｌL との交点ＩS がセンターガス合成点ＩC とレーザビームＬＢの集光点ＩL との間に位置している。なお、図３において、ｘ軸が溶接線方向、ｙ軸が熱間圧延鋼片の通板方向、ｚ軸が高さ方向をそれぞれ示している。また、センターガス合成点と熱間圧延鋼片表面との間隔をＨｃ、サイドガスの熱間圧延鋼片表面での吹出し点とレーザビームＬＢの集光点ＩL との間隔（吹出し狙い位置）をＬｘとして示している。間隔Ｈｃは１０〜２０ mm 、吹出し狙い位置Ｌｘは３〜１０ mm 程度である。
【００１４】
図４に示すように、溶込み深さばらつき量Ｂｄと平均溶込み深さｄとの比をばらつき率Ｂｄ／ｄと定義すると、通常のレーザ溶接方法では、ばらつき率Ｂｄ／ｄは約２０％である。また、ばらつき率Ｂｄ／ｄは、図５に示すように溶接速度Ｖには依存しない。溶接速度Ｖが速くなると溶込み深さは減少し、同じ割合でばらつき量Ｂｄも減少する。溶接中に発生するレーザ誘起プラズマをレーザビームに対する２次熱源として利用する場合、上記ばらつき率Ｂｄ／ｄの２０％は約１５％に減少する。
【００１５】
つぎに、サイドガス吹出し位置と被溶接材表面でのガス圧力分布との関係について説明する。図６は、ガス圧力分布の測定方法の概要を示している。レーザ溶接ノズル１１の直下に受圧円盤４１が配置されており、受圧円盤４１には直径０．５mmの受圧穴４３が設けられている。受圧穴４３は、ガス圧力分布が変化しない形状となっている。受圧円盤４１の下面に、受圧穴４３を塞ぐようにして微小圧力センサ４５が取り付けられている。微小圧力センサ４５からの信号は信号線４７を介して増幅器などの信号処理装置を経てコンピュータ（いずれも図示しない）に送られ、データ処理される。
【００１６】
図７に、圧力分布の測定結果を示す。センターガスの流量は８０l/min 、サイドガスの流量を１２０l/min に一定とした。図７（ａ）は、サイドガスの熱間圧延鋼片表面での吹付け点とレーザビームの集光点との位置間隔Ｌｘ（図３参照）を−７mmにした場合の圧力分布の測定結果を示す。図７（ｂ）は位置間隔Ｌｘを０mm、図７（ｃ）は位置間隔Ｌｘを＋７mmにした場合の測定結果である。その効果を図８に溶融形状の変化として示した。図８（ａ）は、サイドガスの熱間圧延鋼片表面での吹付け点とレーザビームの集光点との位置間隔Ｌｘを−７mmにした場合で、溶融深さが増大している。図８（ｂ）は、位置間隔Ｌｘを０mmとした場合で、効果が少ない。図８（ｃ）は、位置間隔Ｌｘを＋７mmとした場合で、効果が全くない。センターガス吹出し合成角、吹出し穴間隔、吹出し角、レーザビームとの交点位置、サイドガスの吹出し角度と吹出し狙い位置、およびセンターガスノズルと熱間圧延鋼片の間隔を最適化した状態では、このばらつき率Ｂｄ／ｄは約５％減少する。
【００１７】
図９は、開先材を突合せ溶接した時のサイドガスの吹出し位置が不適切な場合のばらつき率Ｂｄ／ｄへの影響を示している。レーザ集光点位置で溶接し、サイドガスを含むレーザ溶接ノズルと被溶接材との相対位置をノズル調整ずれ量Δｚとして横軸に示した。サイドガスの効果が最も得られるレーザビームの集光点とガス吹出し点との間隔が−４mmの時に、ばらつき率Ｂｄ／ｄも最小となる。そして、レーザ溶接ノズルの調整ずれ量Δｚに応じてばらつき率Ｂｄ／ｄは増大し、ずれ量が０の時のＢｄ／ｄが約１０％であるのに対して６mmのずれではＢｄ／ｄは約２０％に増大する。
【００１８】
このように、それぞれのガス吹出し方向とその流量、そしてガスの合成圧力とレーザビームの集光点との関係を最適点とすることでプラズマの発生域を制御でき、同時にばらつき率Ｂｄ／ｄも最適化できる。これによりレーザエネルギ効率を高め、溶融深さと溶融幅の増加を図り、溶込み過ぎによる溶落ちの無い安定な接合部を形成することができる。
【００１９】
【実施例】
４５ kW 炭酸ガスレーザを用い、約１０００℃のＳＳ４１鋼板を突合せ溶接した。センターガスとしてへリウムを８０ l/min、サイドガスとしてヘリウムを８０ l/min吹き付けた。サイドガスの吹付け角度は３０゜とし、溶接点に対する吹付け位置は未溶接点方向に４mm前方を狙った。溶接速度Ｖは３m/min とした。突合せ溶接の結果、突合せ溶接部での溶融金属の溶落ち、および接合面積率の低下は無かった。このときのばらつき率Ｂｄ／ｄは、約１０％であった。なお、溶接ガス条件の調整不良の時のレーザビーム方向上方に６mm、サイドガス吹付け位置が更に前方に１０mmずれた場合、ばらつき率Ｂｄ／ｄは２０％に悪化した。
【００２０】
【発明の効果】
この発明によれば、レーザエネルギー効率を高め、溶融深さと溶融幅の増加を図り、溶込み過ぎによる溶落ちの無い安定な接合部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この突合せ溶接方法の説明図である。
【図２】（ａ）はこの発明のレーザ溶接ノズルの縦断面図であり、（ｂ）は底面図である。
【図３】図２に示すレーザ溶接ノズルの位置関係を表す記号の図面である。
【図４】溶込み深さのばらつき率の定義を説明する図面である。
【図５】溶接速度と溶込み深さのばらつき率との関係の一例を示すグラフである。
【図６】ガス圧力分布の測定方法を説明する図面である。
【図７】ガス圧力分布（プラズマのずれ）の測定結果を示すグラフである。
【図８】プラズマのずれによる溶融形状の変化を模式的に示す図面である。
【図９】レーザ溶接ノズル位置のずれと溶込み深さのばらつき率との関係を示すグラフである。
【図１０】レーザ溶接の一般的な方法を説明する図面である。
【図１１】従来のレーザ溶接方法による溶込み深さの増減を説明する図面である。
【符号の説明】
１１  溶接ノズル
１２  ノズル本体
１８  レーザビームノズル
２０  センターノズル
２１  センターノズル吹出し口
２７  サイドノズル
２８  サイドノズル吹出し口
ＬＢ  レーザビーム
ＧC   センターガス
ＧS   サイドガス
Ｐ0   基準プラズマ
Ｐ    プラズマ
Ｂ    熱間圧延鋼片（被溶接材）
δx   プラズマ位置のずれ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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