(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金に複数の同径高エネルギビームを照射してアルミニウム合金を溶接するに際し、
複数の高エネルギビームのうちの最も近接するビーム間の加工点における距離をｗとし、前記両ビームの加工点におけるビーム径をそれぞれｄとするとき、両者の比ｗ／ｄを１．５〜２．６の範囲として溶接することを特徴とするアルミニウム合金の溶接方法。
【請求項２】
前記両ビームが溶接進行方向に略平行方向に並列するときには、ビーム間距離ｗとビーム径ｄの比ｗ／ｄを１．５〜２．３の範囲とし、両ビームが溶接進行方向に略直交方向に並列するときには、前記比ｗ／ｄを１．５〜２．６の範囲とすることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金の溶接方法。
【請求項３】
前記高エネルギビームのパワー密度をそれぞれ２００００Ｗ／ｍｍ２  以上とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアルミニウム合金の溶接方法。
【請求項４】
高エネルギビームがレーザビームであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のアルミニウム合金の溶接方法。
【請求項５】
レーザビームがＹＡＧレーザビームであることを特徴とする請求項４記載のアルミニウム合金の溶接方法。
【請求項６】
複数のレーザ発振器から発振されたレーザビームを複数の光ファイバを介してそれぞれ伝送することによって複数のレーザビームを形成することを特徴とする請求項５記載のアルミニウム合金の溶接方法。
【請求項７】
１台のレーザ発振器から発振され１本の光ファイバを介して伝送されたレーザビームを溶接ヘッド内に設けられたプリズム光学系により分岐することによって複数のレーザビームを形成することを特徴とする請求項５記載のアルミニウム合金の溶接方法。
【請求項８】
アルミニウム合金がマグネシウムや亜鉛などの低沸点元素を含有する合金であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のアルミニウム合金の溶接方法。
【請求項９】
溶接継手が重ね溶接継手であると共に、高エネルギビームを照射する側の板厚が０．６ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲であることを特徴とする１ないし請求項８のいずれかに記載のアルミニウム合金の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームや電子ビームなどの高エネルギビームを用いたアルミニウム合金の溶接技術に係わり、さらに詳しくは、アルミニウムの板材，押出し材、あるいはアルミニウム鋳物などの溶接に際して、加工エネルギを高くしても溶接プロセスを安定に維持することができ、溶け込み量の深い溶接ビードを得ることが可能なアルミニウム合金の溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および課題】
例えば、アルミニウム合金を自動車の構造部材として使用する場合、これら部材の製造や組立てに際して、溶接のエネルギ源としてレーザビームや電子ビームなどの高エネルギビームを適用すると、ＭＩＧ溶接やＴＩＧ溶接と比較して高速で溶接することができ、溶接時間の短縮や熱歪みの低減が可能になるという効果が期待できる。
【０００３】
しかしながら、アルミニウム合金は、鋼材などに比べて熱伝導率や反射率が高いために、溶接に際して加工エネルギを高くしないことには、深い溶け込み量が得られず、十分な継手強度を得ることが難しい。
【０００４】
ところが、ただ単に加工エネルギを高くすると、溶け込み量は深くなるものの、溶接プロセスが不安定となってスパッタが発生したり、溶接ビード中に気孔が残ったりすることから、安定した継手強度を得ることができないという問題点があり、このような問題点を解決することがこのような高エネルギビームによるアルミニウム合金の溶接における課題となっていた。
【０００５】
なお、例えば特開平１０−１３７９６５号公報などには、複数のビームを用いて溶接する方法や装置が開示されているが、これらは加工点におけるビームを複数にするための装置であったり、ビームを複数にすることにより複数の加工を同時に行う方法であったりして、溶接プロセスの安定化に対する考慮はなされていない。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、従来の高エネルギビームによるアルミニウム合金の溶接技術における上記課題に着目してなされたものであって、溶接プロセスを安定に維持しながら加工エネルギを高めることができ、溶接部の溶け込み量を深くして高い継手強度を安定して得ることができるアルミニウム合金の溶接方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題の解決を目的として高エネルギビームの照射条件に付いて種々検討を重ねた結果、高エネルギビームを２つあるいはそれ以上に分割すると共に、ビーム間の距離を所定範囲に保持することによって、ビームの相互干渉を防止して溶接プロセスを安定にし、ビーム同士の相乗作用によって溶け込み量を増加させることができることを見出すに至った。
【０００８】
本発明は、このような知見に基づくものであって、本発明の請求項１に係わるアルミニウム合金の溶接方法は、アルミニウム合金に複数の同径高エネルギビームを照射してアルミニウム合金を溶接するに際し、複数の高エネルギビームのうちの最も近接するビーム間の加工点における距離をｗとし、前記両ビームの加工点におけるビーム径をそれぞれｄとするとき、両者の比ｗ／ｄを１．５〜２．６の範囲として溶接する構成とし、アルミニウム合金の溶接方法におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としたことを特徴としている。
【０００９】
本発明によるアルミニウム合金の溶接方法の実施態様として請求項２に係わる溶接方法においては、前記両ビームが溶接進行方向に略平行方向に並列するときには、ビーム間距離ｗとビーム径ｄの比ｗ／ｄを１．５〜２．３の範囲とし、両ビームが溶接進行方向に略直交方向に並列するときには、前記比ｗ／ｄを１．５〜２．６の範囲とする構成とし、同じく実施態様として請求項３に係わるアルミニウム合金の溶接方法においては前記高エネルギビームのパワー密度をそれぞれ２００００Ｗ／ｍｍ２  以上とする構成とし、請求項４に係わるアルミニウム合金の溶接方法においては高エネルギビームがレーザビームである構成とし、請求項５に係わるアルミニウム合金の溶接方法においてはレーザビームがＹＡＧレーザビームである構成としたことを特徴としている。
【００１０】
また、実施態様として請求項６に係わるアルミニウム合金の溶接方法においては、複数のレーザ発振器から発振されたレーザビームを複数の光ファイバを介してそれぞれ伝送することによって複数のレーザビームを形成する構成とし、請求項７に係わるアルミニウム合金の溶接方法においては、１台のレーザ発振器から発振され１本の光ファイバを介して伝送されたレーザビームを溶接ヘッド内に設けられたプリズム光学系により分岐することによって複数のレーザビームを形成する構成とし、さらに実施態様として請求項８に係わる溶接方法においてはアルミニウム合金がマグネシウムや亜鉛などの低沸点元素を含有する合金である構成とし、請求項９に係わる溶接方法においては、溶接継手が重ね溶接継手であると共に、高エネルギビームを照射する側の板厚が０．６ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲である構成としたことを特徴としており、アルミニウム合金の溶接方法におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係わるアルミニウム合金の溶接方法は、レーザビームや電子ビームなどの高エネルギビームをアルミニウム合金に照射するに際して、複数のビーム、例えば図１（ａ）に示すように２つのビームＢ１  ，Ｂ２  を照射すると共に、これら両ビームＢ１  ，Ｂ２  間の距離ｗを所定範囲、すなわち図１（ｂ）に示すように加工点における両ビームＢ１  ，Ｂ２  のビームスポットＳ１  ，Ｓ２  の径ｄの１．５倍から２．６倍に範囲に保持することにより、溶接プロセスの安定化と溶け込み量の増加とを両立させたものであって、両ビームＢ１  ，Ｂ２  間の距離ｗとビーム径ｄの比ｗ／ｄが１．５に満たない場合には、ビーム同士の位置関係が相対的に狭まり、大きなパワー密度のシングルビーム溶接したときの現象に近いものとなって、溶融金属部に巻き込まれたシールドガスの排出が困難となったり、溶融金属内で蒸発した金属ガスが激しく活動して、溶接ビード内に空孔として残ったり、溶接ビード表面を乱したりする結果、溶接部の強度が低下する。一方、前記比ｗ／ｄが２．６を超えた場合には、ビーム同士の位置関係が相対的に広がり過ぎて、それぞれの影響力が弱まるために、十分な溶け込み量が得られないことから溶接部の強度が低下することになる。
【００１２】
ビーム同士の配列方向としては、特に限定されないが、請求項２に記載しているように、両ビームＢ１  ，Ｂ２  が溶接進行方向に対して平行、あるいはほぼ平行な方向に並列しているとき（図２（ａ）参照）には、ビーム間距離ｗとビーム径ｄの比ｗ／ｄを１．５〜２．３の範囲とし、両ビームＢ１  ，Ｂ２  が溶接進行方向に対して直交、あるいはほぼ直交する方向に並列しているとき（図２（ｂ）参照）には、前記ビーム間距離ｗとビーム径ｄの比ｗ／ｄを１．５〜２．６の範囲として溶接することが、溶け込み量を増して溶接部の強度の向上効果をより確実にする観点から望ましい。
【００１３】
なお、本発明に係わる溶接方法は、高エネルギビームが２つの場合のみならず、図３（ａ）ないし（ｅ）に示すように、ビーム数が３，４、あるいはそれ以上の場合にも適用することができ、この場合には、これらのビームのうちの最も近接したビームＢ１  およびＢ２  間の位置関係（ｗ／ｄ）を上記範囲とすることによって同様の作用効果を得ることができる。
【００１４】
また、本発明に係わる溶接方法における高エネルギビームのパワー密度としては、請求項３に記載しているように、２００００Ｗ／ｍｍ２  以上とすることが望ましい。すなわち、被溶接材に照射される高エネルギビームのそれぞれのパワー密度が２００００Ｗ／ｍｍ２  に満たない場合には、深い溶け込み量が安定して得られなくなる傾向があることによる。なお、この場合、必ずしも複数のビームのパワー密度を等しくする必要はない。
【００１５】
本発明に係わるアルミニウム合金の溶接方法においては、大気中における減衰や広がりがなく、簡単な光学系によって任意の位置に集光できることから、請求項４に記載しているように高エネルギビームとしてレーザビームを用いることが望ましく、さらに消費電力が少なく装置の小型化が可能であると共に、光ファイバが使用できて取扱いが容易であることから、請求項４に記載しているように、ＹＡＧレーザを適用することが望ましい。
【００１６】
また、高エネルギビームとしてレーザビーム、とりわけＹＡＧレーザを使用した場合には、例えば図４（ａ）に示すように、複数のレーザ発振器（図では２台）から発振されたレーザビームＢ１  ，Ｂ２  を複数の光ファイバ２ａ，２ｂを介して溶接ヘッド３にそれぞれ伝送し、溶接ヘッド３に備えたコリメーションレンズ４およびフォーカシングレンズ５からなる光学系を用いて加工点にビームスポットＳ１  ，Ｓ２  として集光することにより、複数のレーザビームＢ１  ，Ｂ２  を被溶接物に照射することができる。さらには、図４（ｂ）に示すように、１台のレーザ発振器から発振されたレーザビームＢを１本の光ファイバ２を介して溶接ヘッド３に伝送し、溶接ヘッド３内のコリメーションレンズ４によって平行ビームとしたのち、半円状のプリズムレンズ６によってビームＢを分割し、さらにフォーカシングレンズ５に用いて加工点上にビームスポットＳ１  ，Ｓ２  として集光することにより、複数のレーザビームＢ１  ，Ｂ２  を被溶接物に照射することができる。この場合、プリズムレンズ６の位置をフォーカシングレンズ５に近付けたり、遠ざけたりすることによってビーム間距離ｗを制御することができる。
【００１７】
本発明に係わるアルミニウム合金の溶接方法は、請求項８に記載しているように、添加元素としてマグネシウムや亜鉛などようにアルミニウムより低い沸点を有する元素を含むアルミニウム合金、具体的には、ＪＩＳに規定される合金番号５０００系、あるいは７０００系合金などに適用した場合に、その特徴をより有効に活かすことができる。すなわち、このような低沸点元素を含む材料の高エネルギビーム溶接においては、溶融金属内で蒸発したこれらのガスが溶接プロセスを不安定にするばかりでなく、溶接ビード中に気孔として残存して強度低下を引起すことから、従来のシングルビームによる溶接では、高エネルギを投入して深い溶け込み量を得ることが極めて困難であったが、本発明に係わる溶接方法を適用することによって、このような低沸点元素を含むアルミニウム合金においても溶接プロセスを安定に保持することができ、深い溶け込み量の溶接ビードが得られることになる。
【００１８】
本発明に係わるアルミニウム合金の溶接方法を、例えば重ね溶接に適用する場合の被溶接材の板厚については、請求項９に記載しているように、０．６ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲が好適である。すなわち、被溶接材が０．６ｍｍ未満の板厚の場合には、本発明の溶接方法を適用するまでもなく、従来のシングルビーム溶接によって安定した溶接と十分な溶け込みを得ることができ、３．０ｍｍを超えた板厚の被溶接材の場合には、十分な継手強度を得るためには上下板材の境界ぶにおける溶接ビードの溶け込み幅が３．０ｍｍ以上必要となることから、熱伝導率の高いアルミニウム合金においてこれだけの溶接幅を得るためには、エネルギの無駄が大きくなり、高エネルギビーム溶接を重ね溶接に適用するメリットが少なくなることによる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わるアルミニウム合金の溶接方法は、被溶接材に複数の同径高エネルギビームを照射するに際して、加工点における最も近接したビーム間の距離ｗとビーム径ｄとの比ｗ／ｄを１．５〜２．６の範囲として溶接するようにしているので、トータルの加工エネルギが高いにも拘らず溶接プロセスを安定に維持することができ、溶接部の溶け込み量が深くなって高い継手強度を安定して得ることができるという極めて優れた効果をもたらすものである。
【００２０】
本発明によるアルミニウム合金の溶接方法の実施態様として請求項２に係わる溶接方法においては、最も近接した両ビームが溶接進行方向に略平行方向に並列するときには、ビーム間距離ｗとビーム径ｄの比ｗ／ｄを１．５〜２．３の範囲とし、略直交方向に並列するときには、比ｗ／ｄを１．５〜２．６の範囲として溶接するようにしているので、溶け込み量を増して溶接部の強度をより確実に向上させることができ、同じく実施態様として請求項３に係わるアルミニウム合金の溶接方法においては高エネルギビームのパワー密度をそれぞれ２００００Ｗ／ｍｍ２  以上としているので、深い溶け込み量を安定して得ることができ、請求項４に係わるアルミニウム合金の溶接方法においては高エネルギビームとしてレーザビームを使用するようにしているので、光学系によって任意の位置に容易に集光することができ、さらに請求項５に係わる溶接方法においてはレーザビームとしてとくにＹＡＧレーザビームを用いるようにしているので、消費電力が少なく小型の装置が使用できると共に、光ファイバが使用できることから極めて容易に取り扱うことができるという優れた効果がもたらされる。
【００２１】
また、請求項６に係わるアルミニウム合金の溶接方法においては、複数のレーザビームを複数のレーザ発振器から発振されたレーザビームを複数の光ファイバを介してそれぞれ伝送することによって得るようにしているので、パワー密度やビーム径、ビーム間距離などの調整の自由度を高くすることができ、請求項７に係わる溶接方法においては、複数のレーザビームを１台のレーザ発振器から発振されたレーザビームを１本の光ファイバを介して溶接ヘッドに伝送し、溶接ヘッド内のプリズム光学系により複数に分岐することによって得るようにしているので、溶接装置のコストを低減することができ、請求項８に係わる溶接方法においてはアルミニウム合金がマグネシウムや亜鉛などの低沸点元素を含有する合金であるので、本発明の溶接方法の特徴を活かして従来の方法では溶接が難しかった材料への高エネルギビーム溶接の適用を可能にすることができ、請求項９に係わる溶接方法においては、本発明に係わる溶接方法を重ね溶接に適用するに際して、高エネルギビームを照射する側の板厚を０．６ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲としたものであるから、高エネルギビームによるアルミニウム合金の重ね溶接におけるメリットを最大限に引き出し、コストパーフォーマンスを高めることができるというさらに優れた効果がもたらされる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
【００２３】
板厚２．０ｍｍのアルミニウム合金Ａ５１８２−Ｏ材（４．５％Ｍｇ−０．３％Ｍｎ）Ｐ１  ，Ｐ２  を２枚重ね合わせ、高エネルギビームとして２つのレーザビームＢ１  ，Ｂ２  を上方から照射することによって上記アルミニウム合金Ｐ１  ，Ｐ２  を重ね溶接し、得られた溶接継手の継手強度に及ぼすビーム間距離ｗとビーム径ｄの比ｗ／ｄの影響について調査した。
【００２４】
すなわち、図１（ａ）はその溶接状況を示すものであって、図４（ａ）にも示すように、図外のＹＡＧレーザ発振器２台から発振されたレーザビームＢ１  ，Ｂ２  をそれぞれ２本の光ファイバ２ａ，２ｂを介して溶接ヘッド３内に導き、溶接ヘッド３内に備えた光学系（コリメーションレンズ４，フォーカシングレンズ５）によって被溶接材Ｐ１  ，Ｐ２  上の加工点にビームスポットＳ１  ，Ｓ２  として集光させることにより溶接を行った。
【００２５】
このとき、ＹＡＧレーザ発振器からのレーザ出力については、それぞれ２ｋＷ（合計４ｋＷ）とし、ビーム径ｄについては、０．３ｍｍ（約２８０００Ｗ／ｍｍ２  ）と０．３５ｍｍ（約２０８００Ｗ／ｍｍ２  ）の２水準とした。溶接速度については、両ビームＢ１  ，Ｂ２  を最も接近させたとき（ｗ＝０．３６ｍｍ）に、重ね合わせた２枚のアルミニウム合金材Ｐ１  ，Ｐ２  を貫通する溶接速度をあらかじめ求め、この溶接速度３．５ｍ／ｍｉｎに固定した。
【００２６】
そして、図２（ａ）に示したように、２つのビームＢ１  ，Ｂ２  が溶接進行方向に対してほぼ平行に並んだ直列ビームの場合と、図２（ｂ）に示したように、２つのビームＢ１  ，Ｂ２  が溶接進行方向に対してほぼ直行する方向に並んだ並行ビームの場合のそれぞれについて、ビーム間距離ｗを種々変化させたときの継手強度との関係について比較検討した。
【００２７】
図５は、この結果を示すものであって、ビーム間距離ｗとビーム径ｄの比ｗ／ｄが小さい場合には、溶接プロセスが不安定となって、溶接ビードの表側および裏側の外観の乱れと、溶接ビードに空孔が観察され、そのため継手強度も若干低いものとなった。
【００２８】
一方、上記比ｗ／ｄが大きい場合には、溶け込み深さが浅くなり、とくに両ビームＢ１  ，Ｂ２  を溶接進行方向に配した場合（直列ビーム）に、その傾向が顕著となって継手強度が大幅に低下する結果となった。そして、継手強度を確保するためのｗ／ｄの適性範囲としては、ビーム径ｄが０．３ｍｍ，０．３５ｍｍ、いずれの場合も、直列ビームでは１．５〜２．３、並行ビームでは１．５〜２．６となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）    本発明に係わるアルミニウムの溶接方法における溶接状況の一例を示す斜視図である。
（ｂ）    図１（ａ）におけるビーム間距離とビーム径の関係を説明する拡大図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は両ビームの配列方向のバリエーションを示す概略説明図である。
【図３】（ａ）ないし（ｅ）はビーム数および各ビーム配置例のバリエーションを示す概略説明図である。
【図４】（ａ）    本発明に係わるアルミニウムの溶接方法における複数ビームの形成方法の一例を示す説明図である。
（ａ）    本発明に係わるアルミニウムの溶接方法における複数ビームの形成方法の他の例を示す説明図である。
【図５】本発明に係わるアルミニウムの溶接方法における継手強度に及ぼすビーム間距離とビーム径の比（ｗ／ｄ）の影響を示すグラフである。
【符号の説明】
２，２ａ，２ｂ    光ファイバ
３    溶接ヘッド
Ｂ，Ｂ１  ，Ｂ２      レーザビーム（高エネルギビーム）
Ｐ１  ，Ｐ２      被溶接材（アルミニウム合金）
ｗ    ビーム間距離
ｄ    ビーム径
【図１】
0003596326.tif 000002
【図２】
0003596326.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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