(57)【要約】金属部材どうしを溶接する方法であって、レーザービーム(20)を、一組の金属部材(24)(26)間の境界面(22)に沿って第１の方向(Ａ)へ移動させることを含んでおり、集束ビーム(20)の近傍にて、各金属部材の金属が蒸気化され、溶融金属(30)の溶融溜まりにキーホール(28)が生成される。レーザービーム(20)を、第１の方向とは異なる方向(Ｂ)(つまり、第１の方向を横切る方向)にオシレートさせることにより、キーホール(28)を溶融金属(30)の溶融溜まりの中でオシレートさせ、キーホール(28)の位置が変わるたびにキーホール(28)の中に溶融金属が充填される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部材を溶接する方法であって、
レーザービームを、一組の金属部材の境界面に沿って第１の方向へ移動させることにより、レーザービームの近傍で、各金属部材の金属を溶融し蒸気化させて、溶融金属の溶融溜まりにキーホールを生成するステップ、
レーザービームを、第１の方向とは異なる方向にオシレートさせることにより、キーホールを溶融金属の溶融溜まりの中でオシレートさせて、キーホールの位置が変わるたびに、溶融金属がキーホールの中に充填されるステップ、
を含んでいる方法。
【請求項２】
レーザービームは、第１の方向を横切る方向にオシレートする請求項１の方法。
【請求項３】
溶接は、ラップペネトレーション溶接である請求項１の方法。
【請求項４】
溶接は、突合せ溶接である請求項１の方法。
【請求項５】
溶接は、ラップフィレット溶接である請求項１の方法。
【請求項６】
金属部材は、各々が、アルミニウム合金である請求項１の方法。
【請求項７】
レーザービームは、約５〜約１２０Ｈｚの周波数でオシレートする請求項１の方法。
【請求項８】
レーザービームは、境界面に沿って、約５〜約４００インチ／分の速度で進む請求項１の方法。
【請求項９】
溶接は、幅が、約０.１〜約０.２５インチである請求項７の方法。
【請求項１０】
レーザービームは、直線経路をオシレートする請求項１の方法。
【請求項１１】
レーザービームは、円形経路若しくは楕円経路又は円形経路及び楕円経路をオシレートする請求項１の方法。
【請求項１２】
金属部材の薄肉部の厚さは、約０.１インチ以上である請求項３の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー溶接に関し、より具体的には、レーザービームをオシレートさせて、キーホールの移動と再充填(refilling)を行なう溶接に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な溶接接合として、突合せ接合、ラップペネトレーション接合(lap-penetration joints)、ラップフィレット接合(lap-fillet joints)がある。レーザー溶接は、コヒーレント光の集束ビームを用いて、隣接する金属部材を溶融し、溶融物を凝固させて接合部を形成することによって金属部材を接合する方法である。レーザー溶接によって突合せ接合を行なうことはできるが、航空機、自動車及び船舶産業には必ずしも適しているとは限らない。ラップペネトレーション接合、ラップフィレット接合を、レーザー溶接で行なうことはより困難である。図１及び図２は、レーザー溶接によるラップペネトレーション接合の結果を示しており、レーザービームは、部材(4)と部材(6)の境界面(2)の領域に当てられる。レーザービームと金属部材組立体との間では、境界面(2)に沿って相対移動が行われる。レーザービームは、境界面の金属の一部を揮発させて、溶融金属(10)が境界となるキーホール(8)が生成される。キーホール(8)は、レーザービームの移動と共に、矢印Ａの方向に前進する。溶融金属(10)は、前進するキーホール(8)の背後で凝固し、金属部材間に接合部が形成される。
【０００３】
実際には、レーザー溶接によってラップペネトレーション接合及びラップフィレット接合を行なうことは制約がある。例えば、図１及び図２に示されるラップペネトレーション接合の場合、溶接部の幅Ｗは、接合される部材の最も薄肉部厚さｔに等しいか又はそれ以上であらねばならいことは十分認識されている。溶接プロセスでは、キーホールの不安定及び／又は高い分圧(例えば、Ｍｇ)による低融点成分の揮発化によって、溶接部にボイドが生成されないように制御されなければならない。また、レーザー溶接はコストが比較的高い。レーザービームは、一般的には、１０6Ｗ/ｃｍ2以上で実施されるが、このパワーレベルでは、溶接を８０ｉｐｍ(インチ/分)以上の速度で効率良く行なう必要がある。溶接すべき部材の厚みが０.１インチ以下のとき、１２０ｉｐｍを超える速度では、必要な０.１インチの溶接幅Ｗを得ることはできない。ボイドが生成しないようにするには、焦点をぼかしたり、２焦点光学系を用いることによって適切に制御することができる。しかしながら、溶接すべき部材の厚みが大きくなると、所望の溶接品質及び送り速度を維持しつつ、所望の溶接幅を得ることはより困難となる。
【０００４】
レーザー溶接によりラップフィレット接合を行なう場合、溶接システムは、接合すべき部材間のエッジ部及びギャップに対して、レーザービームの横方向配置の変化に適応させなければならず、ガス金属アーク溶接(gas metal arc welding; GMAW)による溶着部(deposits)と同等の性能を得るには、より高価な溶接システムを用いて溶接速度を調整する必要がある。
【０００５】
レーザー溶接によるラップペネトレーション接合及びラップフィレット接合の課題を解消させるための１つの選択肢として、焦点距離がより長いビーム又はデフォーカスされたビームを有するビームインテグレータ、集束光学素子(ミラー又はレンズ)が用いられる。しかしながら、レーザーと、接合すべき部材との間で、一定の光学的結合を確実に行ない、接合部で局部的溶融させるには、パワー密度の低下を補うために、レーザーシステムのパワー出力を増す必要がある。パワー出力が十分であると、キーホールモードではなく、より穏やかな伝導モードで、幅が拡大された溶接部が作られる。キーホールモードは、接合領域に沿ってキャビティ(キーホール)の並進(translation)を伴うが、伝導モード(conduction mode)は、前記キーホールモードとは異なり、接合領域に沿って金属の溶融プールを並進させることによって行われる。キーホール内での金属の激しい揮発化を最小にすることにより、より穏やかな伝導モードでは、キーホールモードに固有の不安定さを解消させることができる。その結果、伝導モードでは、レーザー溶接においてボイドの発生を最小にすることができる。しかしながら、この方法を実行するには、非常に高パワーのレーザー(用途に応じて、例えば、１８ＫＷ〜２５ＫＷ)及び高価なレーザー発生システムを用いる必要があり、これが、多くの産業で実用化を妨げている。
【０００６】
レーザー溶接の効率を向上させる他の方法として、１０００Ｈｚを超える周波数でレーザービームをオシレートする方法が米国特許第４３６９３４８号に記載されている。これは、レーザーを非常に高速で移動させることにより、金属の熱応答時間よりも高い周波数にレーザー強度を分配し時間平均するものである。このように、接合される金属部材間の境界面での特定位置における時間平均強度は、オシレーションを行わないときの熱の強度よりも大きい。しかしながら、１０００Ｈｚを超えるオシレーション周波数のレーザービームを用いることは、困難であり、コストが高くなる。この方法を実行する唯一の方法は、連続溶融プールが維持される伝導モードで溶接を行なうことである。
【０００７】
それゆえ、レーザー溶接を、低コストで、効果的に行なう方法が依然として要請されている。
【発明の開示】
【０００８】
＜発明の要旨＞
本発明は上記要請に応えるもので、レーザービームを、一組の金属部材の接合すべき領域に当てて、連続的な溶融溜まり(molten pool)を生成し、該溶融溜まりの中にキーホールを形成することを含んでいる。溶融溜まりは、各金属部材の金属混合物である。集束ビームを、接合すべき領域に沿って第１の方向に移動させると共に、同時に、前記ビームを、溶融溜まりの中を第１の方向とは異なる方向にオシレートさせることにより、キーホールは連続的に移動し、キーホールは、直ちに、隣接する溶融金属によって再び満たされる。キーホールが溶融溜まりの中に侵入し、金属部材の溶接される境界面が溶融して、溶接が行われる。集束されたレーザービームの近傍にて、溶融溜まりは蒸気化され、キーホールが生成される。このキーホールは、オシレーションビームの移動と対応している。ビームが第１の方向とは異なる方向(例えば、第１の方向を横切る方向)にオシレートすると、キーホールは、溶融金属の溶融溜まりの中をオシレートし、そのオシレートするキーホールの中に溶融金属が充填される。このようにして、キーホールは連続的に生成され、次に溶融金属で再び満たされ、これが凝固して溶接部が形成される。
【０００９】
溶接は、ラップペネトレーション溶接、突合せ溶接、ラップフィレット溶接であってよい。接合部の種類、厚さの組合せ、溶接位置に応じて、レーザービームは約５〜約１２０Ｈｚの周波数でオシレートし、約５〜約４００ｉｐｍの速度で第１の方向に前進する。本明細書に記載の範囲の周波数又は寸法を用いる場合、その範囲は、全ての中間値を含んでいる。例えば、第１の方向の速度の場合、その速度は、５、６、７……、４００ｉｐｍを含んでいる。オシレーションの形状は、直線、円形、楕円又はこれらの組合せの他に、移動キーホールを達成できるものであれば他のどんな形状でもよい。金属部材の薄肉部の厚さは０.１インチ以上である。本発明では、レーザーにより、溶接寸法の幅が最大約０.５０インチ(例えば、厚さ０.２５インチの金属部材の境界面の溶接幅が０.２５インチ)までの様々な種類の接合が可能となる。
【００１０】
＜望ましい実施例の詳細な説明＞
本発明の方法は、鋼又はアルミニウム合金等の金属部材を、レーザー溶接によって接合するものである。図３に示されるように、放射線(20)(例えばレーザービーム)が、一組の金属部材(24)(26)の境界面(22)の上に集束される。図３の金属部材(24)(26)は、一方が他方の上に積み重ねられ、ラップペネトレーション溶接部(lap-penetration weld)が形成される。なお、これは、ラップペネトレーション溶接に限定することを意味するものではなく、本発明に基づいて、突合せ溶接やラップフィレット溶接(lap-fillet welds)等の他の溶接接合も可能である。レーザービーム(20)は、矢印Ａの方向に移動する。この方向は、直線経路でもよいし、他の経路でもよい。矢印Ａの経路は、部材(24)と部材(26)の接合位置を決定する。
【００１１】
レーザービーム(20)は矢印Ａの方向に移動するが、レーザービーム(20)はまた、双方向矢印Ｂの方向にオシレートする。双方向矢印Ｂの矢印Ａに対する角度は、例えば矢印Ａを横切る方向である。図３において、レーザービーム(20)は、矢印Ａと直交する直線経路をオシレートしているが、これに限定されるものではない。レーザービーム(20)の進行経路は、円形、楕円形、正弦波等のような他の経路でもよい。図４及び図５に示されるように、集束されたレーザービーム(20)の近傍にて、部材(24)(26)の金属は蒸気化し、溶融金属(30)によって取り囲まれたキーホール(28)が形成される。レーザービーム(20)をオシレートさせることにより、キーホール(28)が形成され、これに溶融金属(30)が充填され、そのキーホールに隣接して新たなキーホールが形成される。キーホール(28)は、一方の位置から他方の位置へ矢印Ａの経路を横切って連続的に移動する。移動前のキーホールは、溶融金属(30)の無い状態であるが、その中に溶融金属(30)が充填され、新たなキーホール(28)として再形成される。このプロセスは、キーホールが溶融金属(30)の中を横方向に移動し、溶融金属(30)が、空間部を有するキーホール(28)を連続的に「修復する(heal)」ように作用する。このようにして、従来の溶接部よりも幅が有意的に広いＷ１を有する溶接部が形成される。例えば、ラップペネトレーション溶接接合の場合、本発明の方法で接合される溶接部の境界面の幅は、溶接される薄肉部の厚さ以上である。本発明の方法を用いて形成される溶接部は、典型的には、従来の方法を用いて形成されるレーザービーム溶接の幅寸法の２〜５倍である。例えば、厚さ約０.１インチ〜約０.２５インチの厚肉部材をラップペネトレーション溶接する場合、幅広の溶接部は特に有用である。
【００１２】
レーザービーム(20)のオシレーションとして適当な周波数は、約５〜約１２０Ｈｚであり、約１０Ｈｚが望ましい。レーザービームが境界面に沿って前進する速度は、約５〜約４００ｉｐｍ、望ましくは約４０〜約２００ｉｐｍ、より望ましくは約８０ｉｐｍである。
【００１３】
また、充填材ワイヤ等の充填材料源を含むことが有用な場合がある。充填材料は溶接中に加えられるもので、その形態は、例えば、直径約０.０３０〜０.０６２インチを有するワイヤ又は粉末である。充填材料は、確立された工学原理を使用し、所望の溶接特性に基づいて選択された合金を用いることができる。充填材料は、典型的には、水平面、つまり上部部材の平面に対して３０〜６０度の角度で、溶融溜まりの前部又は後部に加えられる。溶融溜まりをシールドし、蒸気化した金属が、ビーム及び材料の相互作用ゾーンから遠ざかる方向に向かうように、プロセスガスを利用することもできる。これは、一般的には、プラズマ抑制(plasma suppression)と称される。水平面から３０〜６０度の角度で溶融溜まりの後部に向けられたノズルを通じて、ガスは、一般的には、溶融溜まりの前部に供給される。
【００１４】
＜実施例＞
厚さ０.１９６インチのＡｌクラッド６０１３−Ｔ６からなる一組のプレート間に、レーザーによるラップペネトレーション溶接を行なった。直径０.０４５インチの４０４７合金の充填材ワイヤを３５度の角度で供給し、ワイヤの供給速度は９０ｉｐｍである。１０ＫＷパワーのＣＯ2レーザー(移動する前部から、プラズマ抑制ガスとして流量１１０ｃｆｈのヘリウムを供給)を使用し、送り速度は８０ｉｐｍで、プレートスタックの上表面から下０.２５インチの位置に焦点を合わせた。レーザーは、溶接方向を横切る方向に直線的にオシレートされ、速度は４００ｉｐｍで、オシレーションの全幅は０.２５インチ(即ち、中心間距離が０.１２５インチ)である。得られた境界面の溶接幅は、０.２２インチよりも僅かに大きかった。
【００１５】
本発明の望ましい実施例を記載したが、これら実施例以外についても、特許請求の範囲内で実施できることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の方法によってレーザー溶接を行ない、キーホールが形成された一組の金属部材の、概略断面図である。
【図２】従来のレーザー溶接によって接合された図１に示す部材の上側部材の上面図である。
【図３】本発明の方法によってレーザー溶接される一組の金属部材の斜視図である。
【図４】図３に示された金属部材の上面図である。
【図５】図４の５−５線に沿って切断した金属部材の断面図である。
【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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【国際調査報告】
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