(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚み４．０ｍｍ以上の炭素鋼または合金鋼を出力１５ｋＷ以上のレーザビームにより溶接速度２ｍ毎分以上で深溶込み溶接を行う際に、アシストガスの吹き付け角度を被溶接材に対して垂直から溶接方向前方に０°から７０°または後方に０°から１０°とすることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
アシストガスをヘリウムとすることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
溶接に先立ち被溶接材を予熱することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、板厚の厚い材料のレーザ溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームによる深溶込み溶接においては、被溶接材料である金属がレーザビームにより蒸発し、蒸発反力と蒸気圧によりキーホールと呼ばれる空洞が材料中に形成される。キーホールは金属蒸気により満たされており、キーホール口から蒸気は外部に噴出している。
この金属蒸気がレーザビームにより電離され、金属蒸気のプラズマが被溶接材表面に発生する。プラズマはレーザビームを吸収するため、レーザのエネルギーの一部は材料表面のプラズマに吸収され、空気中に放散される。このためレーザビームのエネルギーの材料への伝達効率が低下し、溶込みが減小してしまう。
【０００３】
深い溶込みを得るためには、プラズマの発生を抑制する必要があるが、これにはアシストガスをレーザ照射点に吹き付けて金属蒸気を吹き飛ばす方法が有効である。アシストガスとしてはアルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガスが一般に用いられている。
【０００４】
アシストガスの吹き付け方法としては、ノズルをレーザ照射点の近くに設け、溶接方向に対して斜め後方から照射点に向け吹き付ける方法が一般的である。斜め後方より吹き付ける理由としては、こうした方が溶接が安定となるためである。
【０００５】
ところで、従来、レーザ発振器の出力は小さく５ｋＷ程度までであった。このため、さらに大出力のレーザによる溶接に関する知見はほとんどないのが現状である。
しかしながら、近年１０ｋＷを超える出力のレーザ発振器が開発され、４．０ｍｍを超える厚みの材料を２．０ｍ毎分を超えるような高速で溶接ができるようになった。
このように厚い材料を高速で溶接する際には従来報告されなかった欠陥が発生する。図３にこの欠陥の一例を示す。これは、板厚１０ｍｍの炭素鋼を２５ｋＷのレーザパワーで、アシストガスとしてヘリウムを８０リットル毎分で後方３０°から吹き付け、４ｍ毎分の溶接速度で溶接したものである。図３からわかるように、表ビード側で溶接金属が飛散している点Ａが発生していることがわかる。また裏ビード側からは、表側で欠陥の発生している点Ａで裏ビードが形成されておらず、レーザビームが材料を貫通していないことがわかる。このような欠陥は不規則に間欠的に発生しており、ここではこのような欠陥をスポット欠陥と呼ぶこととする。
【０００６】
スポット欠陥の発止を防止するため、アシストガス量および吹き付け角度の検討を行った。検討結果を図４に示す。吹き付け角度θは溶接方向に対して図４に示すように−３０゜および−６０゜とした（被溶接材料１の表面に対して垂直を０°とし、溶接方向前方に傾けた場合を正、後方に傾けた場合を負とする）。
図４からわかるように、アシストガス流量が増加するに従いスポット欠陥の発生量が増加した。アシストガス流量を下げることによりスポット欠陥は減少したが、アシストガスを減らしすぎると、プラズマ除去の効果がなくなり溶込みが減少するため、従来言われているような斜め後方からのアシストガスの吹き付けでは、溶込み深さを確保したままスポット欠陥の発生を防止することは不可能であった。
【０００７】
スポット欠陥は以下のような原因により発生しているものと考えられる。図５に示すように、溶接方向の後方からのアシストガス６の吹き付けでは溶融金属５がアシストガス６により押され、キーホール４を閉塞することが考えられる。キーホール４内に溶融金属５が押し込まれると、溶融金属５はレーザビーム２により急速に加熱され、爆発的に蒸発し、周りの溶融金属を飛散させる。また、蒸発した金属はレーザビームによりプラズマ化され、大きなプラズマプルームが形成されて、レーザのエネルギーを全て吸収する。このため一時的にレーザが材料を貫通しなくなる。
アシストガス流量を増加させるとスポット欠陥が増加することからもこの考え方が正しいと考えられる。
また、従来、ここで述べたようなスポット欠陥が発生しなかったのは、低パワーのレーザによる溶接では材料が薄く溶融金属の量が少ないため、あるいは厚い材料を溶接する場合には溶接速度が遅いため、溶接の不安定性の発生機構が、厚い材料を高速で溶接する場合と全く異なっていたためと考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のように比較的板厚の厚い材料を高速でレーザ溶接する場合における問題点、すなわちスポット欠陥のような溶接欠陥の発生を防止することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、出力１５ｋＷ以上のレーザビームにより、板厚４．０ｍｍ以上の炭素鋼または合金鋼を２ｍ毎分以上の溶接速度でレーザ溶接する際の、上記スポット欠陥の発生を防止するために、アシストガスの吹き付け方向を溶接方向に対して前方０゜から７０゜または後方０゜から１０゜（−１０゜から＋７０゜）と規定したレーザ溶接方法である。
【００１０】
以下、本発明について図１により詳細に説明する。図１において、１は被溶接材料、２はリングモード（ＴＥＭ01＊）からなるレーザビーム、３はアシストガスノズル、４はキーホール、５は溶融金属である。すなわち、スポット欠陥の発生を防止するためには、図１に示すようにアシストガス６の吹き付け方向を溶接方向ａに対して前方あるいは上方からとし、溶融金属５がキーホール４に被さる方向に力Ｐが働かないようにしてやればよい。
【００１１】
図２はスポット欠陥の発生量および溶込み深さとアシストガス吹き付け角度との関係を示したものである。アシストガスを前方より（吹き付け角度が正）吹き付けた場合にはスポット欠陥の発生はみられないが、−２０゜以下ではスポット欠陥の発生がみられ、発生量は吹き付け角度が後方に大きくなるに従い増大する。したがって、スポット欠陥の発生を防止するにはアシストガスの吹き付け角度を−１０゜以上とすべきである。
【００１２】
しかしながら、アシストガスの吹き付け角度が大きくなりすぎると、アシストガスのプラズマ除去効果が小さくなるため、溶込み深さが減少する。特に＋７０゜を超えると溶込みの減少が著しい。したがって、溶込み深さの観点からは吹き付け角度を＋７０゜以下とすべきである。
【００１３】
また、アシストガスとしては通常用いられているヘリウム、アルゴン、窒素などの不活性ガスおよびこれらの混合ガスのいずれを用いてもよいが、ヘリウムはプラズマの除去作用が大きくなるため、スポット欠陥の発生防止および溶込み深さの確保の観点から最も望ましい。
【００１４】
被溶接材を溶接に先立ち予熱すると、同じ溶接速度を確保するのに必要とされるレーザパワーが少なくてすむようになるため、キーホールに溶融金属が入り込んだ場合にもスポット欠陥の発生の原因となる溶融金属の爆発的な蒸発の可能性が少なくなる。予熱温度は高ければ高いほどスポット欠陥の発生防止の観点からは望ましいが、予熱温度は材料の特性を損なわないように材料に応じて設定すべきである。
【００１５】
【実施例】
実施例１
表１に示す溶接条件でヘリウムガスをアシストガスとして炭素鋼（Ｃ＝０．０５％、厚み４．０ｍｍ）をレーザ溶接した場合のスポット欠陥の発生量を表２に示す。
本発明の吹き付け角度範囲ではスポット欠陥の発生がみられず、良好な溶接が得られた。
【００１６】
【表１】
0003694979.tif 000002
【００１７】
【表２】
0003694979.tif 000003
【００１８】
実施例２
表３に示す溶接条件でヘリウムガスをアシストガスとして炭素鋼（Ｃ＝０．０５％、厚み６．０ｍｍ）をレーザ溶接した場合のスポット欠陥の発生量を表４に示す。
本発明の吹き付け角度範囲ではスポット欠陥の発生がみられず、良好な溶接が得られた。
【００１９】
【表３】
0003694979.tif 000004
【００２０】
【表４】
0003694979.tif 000005
【００２１】
実施例３
表５に示す溶接条件でヘリウムガスをアシストガスとして炭素鋼（Ｃ＝０．０５％、厚み１２．０ｍｍ）をレーザ溶接した場合のスポット欠陥の発生量を表６に示す。
本発明の吹き付け角度範囲ではスポット欠陥の発生がみられず、良好な溶接が得られた。
【００２２】
【表５】
0003694979.tif 000006
【００２３】
【表６】
0003694979.tif 000007
【００２４】
実施例４
表７に示す溶接条件でヘリウムガスをアシストガスとして炭素鋼（Ｃ＝０．０５％、厚み１９．０ｍｍ）をレーザ溶接した場合のスポット欠陥の発生量を表８に示す。
本発明の吹き付け角度範囲ではスポット欠陥の発生がみられず、良好な溶接が得られた。
【００２５】
【表７】
0003694979.tif 000008
【００２６】
【表８】
0003694979.tif 000009
【００２７】
実施例５
表９に示す溶接条件でヘリウムガスをアシストガスとしてオーステナイトステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、厚み１３．０ｍｍ）をレーザ溶接した場合のスポット欠陥の発生量を表１０に示す。
本発明の吹き付け角度範囲ではスポット欠陥の発生がみられず、良好な溶接が得られた。
【００２８】
【表９】
0003694979.tif 000010
【００２９】
【表１０】
0003694979.tif 000011
【００３０】
実施例６
表１１に示す溶接条件でヘリウムガスをアシストガスとして二相ステンレス鋼（ＳＵＳ３２９、厚み９．０ｍｍ）をレーザ溶接した場合のスポット欠陥の発生量を表１２に示す。
本発明の吹き付け角度範囲ではスポット欠陥の発生がみられず、良好な溶接が得られた。
【００３１】
【表１１】
0003694979.tif 000012
【００３２】
【表１２】
0003694979.tif 000013
【００３３】
実施例７
表１３に示す溶接条件でヘリウムガスをアシストガスとしてマルテンサイトステンレス鋼（ＳＵＳ４１０、厚み９．０ｍｍ）をレーザ溶接した場合のスポット欠陥の発生量を表１４に示す。
本発明の吹き付け角度範囲ではスポット欠陥の発生がみられず、良好な溶接が得られた。
【００３４】
【表１３】
0003694979.tif 000014
【００３５】
【表１４】
0003694979.tif 000015
【００３６】
実施例８
表１５に示す溶接条件でヘリウムガスをアシストガスとして炭素鋼（Ｃ＝０．０５％、厚み１２．０ｍｍ）をレーザ溶接した場合のスポット欠陥の発生量を表１６に示す。
本発明の吹き付け角度範囲ではスポット欠陥の発生がみられず、良好な溶接が得られた。
【００３７】
【表１５】
0003694979.tif 000016
【００３８】
【表１６】
0003694979.tif 000017
【００３９】
実施例９
表１７に示す溶接条件でヘリウムガスをアシストガスとして炭素鋼（Ｃ＝０．０５％、厚み１２．０ｍｍ）をレーザ溶接した場合のスポット欠陥の発生量を表１８に示す。
本発明の吹き付け角度範囲ではスポット欠陥の発生がみられず、良好な溶接が得られた。
【００４０】
【表１７】
0003694979.tif 000018
【００４１】
【表１８】
0003694979.tif 000019
【００４２】
実施例１０
表１９に示す溶接条件でヘリウムガスをアシストガスとして材料を溶接に先立ち、６００℃に電気抵抗加熱により材料を予熱し、炭素鋼（Ｃ＝０．０５％、厚み１２．０ｍｍ）をレーザ溶接した場合のスポット欠陥の発生量を表２０に示す。
本発明の吹き付け角度範囲ではスポット欠陥の発生がみられず、良好な溶接が得られた。
【００４３】
【表１９】
0003694979.tif 000020
【００４４】
【表２０】
0003694979.tif 000021
【００４５】
実施例１１
表２１に示す溶接条件でヘリウムガスをアシストガスとして材料を溶接に先立ち、１０００℃に電気抵抗加熱により材料を予熱し、炭素鋼（Ｃ＝０．０５％、厚み１２．０ｍｍ）をレーザ溶接した場合のスポット欠陥の発生量を表２２に示す。
本発明の吹き付け角度範囲ではスポット欠陥の発生がみられず、良好な溶接が得られた。
【００４６】
【表２１】
0003694979.tif 000022
【００４７】
【表２２】
0003694979.tif 000023
【００４８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明はアシストガスの吹き付け角度を規定することにより、比較的厚い材料を大出力レーザにより溶接する際に特有なスポット欠陥の発生を防止し、良好な溶接が得られるものである。これにより溶接部の品質および歩留まりが向上する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ溶接方法を示す概要図である。
【図２】スポット欠陥の発生量および溶込み深さとアシストガスの吹き付け角度との関係を示す図である。
【図３】厚板をレーザ溶接した場合のスポット欠陥の発生状況を示す概要図である。
【図４】アシストガスを後方から吹き付けた場合のスポット欠陥の発生量とアシストガス流量との関係を示す図である。
【図５】スポット欠陥の発生機構を示す概要図である。
【符号の説明】
１  被溶接材料
２  レーザビーム
３  アシストガスノズル
４  キーホール
５  溶融金属
６  アシストガス
【図１】
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【図２】
0003694979.tif 000025
【図３】
0003694979.tif 000026
【図４】
0003694979.tif 000027
【図５】
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