(57)【要約】【課題】溶接不良を生じることなく溶接できるとともに溶接後の溶接部に形成されるビードの高さが低いレーザーフィラー溶接を提供すること。【解決手段】本発明のレーザーフィラー溶接方法は、レーザー光の照射が、全体を１００ｖｏｌ％としたときに、３０ｖｏｌ％以上の酸素ガスを含有するシールドガスが供給された状態で行われることを特徴とする。本発明のレーザーフィラー溶接方法は、フィラーが線状であり、かつフィラーと同軸的に溶融池にシールドガスが供給されたことを特徴とする。本発明のレーザーフィラー溶接方法は、高温かつ大きな溶融池を形成でき、溶接部に形成されるビードの高さを低くすることができる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接材にレーザー光を照射して溶融池を形成し、該溶融池にフィラーを供給するレーザーフィラー溶接であって、
該レーザー光の照射が、全体を１００ｖｏｌ％としたときに、３０ｖｏｌ％以上の酸素ガスを含有するシールドガスが供給された状態で行われることを特徴とするレーザーフィラー溶接方法。
【請求項２】
溶接材にレーザー光を照射して溶融池を形成し、該溶融池にフィラーを供給するレーザーフィラー溶接であって、
該フィラーが線状であり、かつ該フィラーと同軸的に該溶融池にシールドガスが供給されたことを特徴とするレーザーフィラー溶接方法。
【請求項３】
前記シールドガスが、該シールドガス全体を１００ｖｏｌ％としたときに３０ｖｏｌ％未満の酸素ガスを含有する請求項２記載のレーザーフィラー溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加熱源として照射されたレーザー光により形成された溶融池にフィラーを供給してレーザー溶接を行うレーザー溶接方法に関し、詳しくは、溶接後のビードの盛り上がりの高さが低く抑えられたレーザーフィラー溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金属材の接合にレーザー溶接が用いられるようになってきている。レーザー溶接は、非常に高い熱エネルギーを加工部に加えることができるため、エネルギーのロス、熱による歪みを最小限に抑えることができ、かつ溶け込みの深い溶接ができる効果を有している。
【０００３】
そして、レーザー溶接の１つの形態としてレーザーフィラー溶接がある。レーザーフィラー溶接は、フィラーを供給することで、溶接不良の発生を抑える溶接方法である。すなわち、レーザー光の照射により形成された溶融池から金属材の溶融液が流れ出し、この状態で溶融池が凝固すると、溶接部の金属量の不足から十分な溶接強度が得られないという問題があった。レーザーフィラー溶接は、フィラーの供給によりこの金属量の不足分を補うことで溶接不良の発生を抑える溶接方法である。（たとえば、特許文献１参照。）
レーザーフィラー溶接は、溶接される二つの溶接材の間にすき間が存在した状態での溶接に特に効果を発揮する。
【０００４】
また、レーザーフィラー溶接は、高エネルギーを集中させる溶接方法であるため、フィラーをレーザー光の直下に供給する必要があった。しかしながら、フィラーの先端部をレーザー光の直下に供給することは難しかった。具体的には、フィラーは、通常リール等に巻かれたワイヤ状を有しており、フィラーワイヤの巻き癖や、フィラーとフィラー供給装置のフィラーガイドとのすき間などにより、フィラーワイヤの先端部の位置が一定しないためである。
【０００５】
さらに、レーザーフィラー溶接においては、溶接される二つの金属材のすき間が小さい場合には、溶接部に形成されるビードの高さが高くなり、外観の不良や他部品への干渉といった問題が生じていた。ここで、他部品への干渉とは、ビードの高さがその後の加工において邪魔となる場合を示し、具体的には、溶接された金属材の表面に他の部材を取り付けたときに金属材と他の部材との密着性を低下させる等の不具合を示す。
【０００６】
溶接材のすき間が小さくなると、溶融池からの溶融液の流れ出しが少なくなる。この溶接材のすき間が小さい状態でレーザーフィラー溶接が行われると、フィラーが溶融池へ供給されることで溶融池の溶融液の液量が過剰となる。そして、レーザーフィラー溶接において形成される溶融池は小さいため、この溶融池が凝固することで表面からの突出高さが高いビードが形成される。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２７１１６５５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、溶接不良を生じることなく溶接できるとともに溶接後の溶接部に形成されるビードの高さが低いレーザーフィラー溶接を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明者は、レーザーフィラー溶接時にシールドガスを制御することで上記課題を解決できることを見出した。
【００１０】
すなわち、本発明のレーザーフィラー溶接方法は、溶接材にレーザー光を照射して溶融池を形成し、溶融池にフィラーを供給するレーザーフィラー溶接であって、レーザー光の照射が、全体を１００ｖｏｌ％としたときに、３０ｖｏｌ％以上の酸素ガスを含有するシールドガスが供給された状態で行われることを特徴とする。
【００１１】
本発明のレーザーフィラー溶接方法は、酸化性を有するガスをシールドガスとして用いていることで、高温かつ大きな溶融池を形成できる。この結果、溶接部に形成されるビードの高さを低くすることができる。
【００１２】
また、本発明のレーザーフィラー溶接方法は、溶接材にレーザー光を照射して溶融池を形成し、溶融池にフィラーを供給するレーザーフィラー溶接であって、フィラーが線状であり、かつフィラーと同軸的に溶融池にシールドガスが供給されたことを特徴とする。
【００１３】
本発明のレーザーフィラー溶接方法は、大きな溶融池を形成できる。この結果、溶接部に形成されるビードの高さを低くすることができる。さらに、フィラーの溶融不良による溶接不良の発生を抑えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第一発明）
本発明の溶接方法は、溶接材にレーザー光を照射して溶融池を形成し、溶融池にフィラーを供給するレーザーフィラー溶接において、レーザー光の照射が、全体を１００ｖｏｌ％としたときに、３０ｖｏｌ％以上の酸素ガスを含有するシールドガスが供給された状態で行われる。
【００１５】
本発明の溶接方法は、酸素ガスを含有することでシールドガスが酸化性を有している。そして、シールドガスは、レーザー光が照射されるキーホールの近傍に供給される。キーホールの近傍は、溶融池が形成されている。溶融池に酸素を有するシールドガスが供給されると、溶接材の溶融液がシールドガス中の酸素と反応する。この反応は酸化反応であり、反応熱により溶融池の温度が上昇する。溶融池の温度が上昇すると、溶融池の大きさが大きくなる。溶融池が大きくなると、凝固したときに生じるビードの高さが低くなる。
【００１６】
そして、溶融池が高温になると、溶融液自身の粘性が低下して溶融液が移動しやすくなっており、表面側のビードの高さが低くなる。
【００１７】
加えて、本発明の溶接方法においては、溶融池が高温となっているため、フィラーを溶融池の広い範囲に供給することができる。具体的には、従来のレーザーフィラー溶接においては、レーザー光の直下にフィラーを供給しなければフィラーが溶融しなかったが、本発明の溶接方法では溶融池が高温となっているため、フィラー先端部がレーザー光の直下からはずれていてもフィラーが溶融する。
【００１８】
シールドガスに含まれる酸素ガスが３０ｖｏｌ％未満となると、溶融液の酸化反応が十分に進行せず、大きな溶融池が形成されなくなる。そして、結果として、溶接不良が生じるようになる。
【００１９】
シールドガスを構成するガスとは、従来のレーザー溶接においてシールドガスとして用いられているガスを用いることができる。たとえば、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスあるいはＣＯ２ガスをあげることができる。
【００２０】
シールドガスは、レーザー光と同軸で溶接材に吹き付けられることが好ましい。すなわち、本発明の溶接方法において、レーザー光と同軸でシールドガスを吹き付けることで、キーホールの近傍へのシールドガスの供給が容易となる。
【００２１】
本発明の溶接方法において、レーザーフィラー溶接される溶接材は特に限定されるものではなく、従来のレーザーフィラー溶接により溶接される溶接材を用いることができる。この溶接材としては、金属材であることが好ましい。
【００２２】
また、本発明の溶接方法において、溶接材の厚さはレーザー光を照射されたときに溶融できる厚さであれば特に限定されるものではない。また、溶接材は、板状を有することが好ましい。
【００２３】
本発明の溶接方法においては、溶接材の数は特に限定されない。すなわち、溶接材が二層だけでなく、三層以上であってもよい。
【００２４】
本発明の溶接方法において、溶融池に供給されるフィラーは特に限定されるものではなく、従来公知のフィラーを用いることができる。フィラーは、ワイヤ状を有することが好ましい。フィラーがワイヤ状を有することで、フィラーワイヤの先端を溶融池に浸漬することで、フィラーの供給ができる。
【００２５】
レーザー光が溶接材の表面を走査することが好ましい。すなわち、レーザー光を走査することで、線状に溶接を行うことができ、溶接部の長さを長くすることができる。このことは、溶接強度を増加させる。なお、レーザー光が走査されるときには、シールドガスが吹き付けられる位置がレーザー光の走査と同様に移動する。
【００２６】
本発明の溶接方法において、溶接に用いられるレーザー光は、溶接される溶接材にエネルギーを付与できるレーザー光であれば特に限定されない。たとえば、ガラス：ネオジム３＋レーザー、ＹＡＧ：ネオジム３＋レーザー、ＣＯ２レーザー、半導体レーザー等のレーザー光をあげることができる。より好ましいレーザーとしては、ＹＡＧ：ネオジム３＋レーザーやＣＯ２レーザーをあげることができる。
【００２７】
また、シールドガスの供給は、従来公知のレーザー溶接装置のシールドガスの供給方法であり、本発明の溶接方法を従来公知の溶接装置を用いて行うことができる。すなわち、本発明の溶接方法の実施には、特別な装置の追加を必要としないため、低コストで溶接不良の生じない溶接を行うことができる。
【００２８】
本発明のレーザーフィラー溶接方法は、酸化性を有するガスをシールドガスとして用いていることで、高温かつ大きな溶融池を形成できる。この結果、溶接部に形成されるビードの高さを低くすることができる。
【００２９】
（第二発明）
本発明の溶接方法は、溶接材にレーザー光を照射して溶融池を形成し、溶融池にフィラーを供給するレーザーフィラー溶接であって、フィラーが線状であり、かつフィラーと同軸的に溶融池にシールドガスが供給される。
【００３０】
本発明の溶接方法は、溶接材にレーザー光を照射して溶融池を形成し、溶融池にフィラーを供給する溶接方法である。
【００３１】
本発明の溶接方法は、線状のフィラーが用いられる。線状のフィラーは、その先端を溶融池に浸漬させることで、溶融池への供給を行うことができる。また、フィラーが線状を有することで、フィラーの先端位置の調節（溶融池への浸漬位置の制御）が可能となる。
【００３２】
フィラーの線状とは、先端位置を溶融池に連続的に供給できる形態であれば、その断面形状等は限定されない。すなわち、フィラーは、略円柱状や略帯状を有していてもよい。
【００３３】
本発明の溶接方法は、フィラーと同軸的に溶融池にシールドガスが供給される。フィラーと同軸的にシールドガスが溶融池に供給されることで、フィラーの先端位置にシールドガスを供給することができる。フィラーの先端位置にシールドガスが供給されることで、フィラーの先端部が溶融池に溶融するようになる。すなわち、フィラーが残留して溶接部のビードの不良の発生が抑えられる。
【００３４】
本発明の溶接方法において、シールドガスは特に限定されるものではない。
【００３５】
シールドガスは、全体を１００ｖｏｌ％としたときに、３０ｖｏｌ％以上の酸素ガスを含有することが好ましい。シールドガスが酸素ガスを含有することで、溶融池の大きさが大きくなるとともに、溶融池の温度が高くなる。溶融池の温度が高温となることで、溶接不良の発生が抑えられる。
【００３６】
シールドガスに含まれる酸素ガスが３０ｖｏｌ％未満となると、溶融液の酸化反応が十分に進行せず、大きな溶融池が形成されなくなる。そして、結果として、溶接不良が生じるようになる。
【００３７】
シールドガスを構成するガスとは、従来のレーザー溶接においてシールドガスとして用いられているガスを用いることができる。たとえば、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスあるいはＣＯ２ガスをあげることができる。
【００３８】
本発明の溶接方法において、レーザーフィラー溶接される溶接材は特に限定されるものではなく、従来のレーザーフィラー溶接により溶接される溶接材を用いることができる。この溶接材としては、金属材であることが好ましい。
【００３９】
また、本発明の溶接方法において、溶接材の厚さはレーザー光を照射されたときに溶融できる厚さであれば特に限定されるものではない。また、溶接材は、板状を有することが好ましい。
【００４０】
本発明の溶接方法においては、溶接材の数は特に限定されない。すなわち、溶接材が二層だけでなく、三層以上であってもよい。
【００４１】
本発明の溶接方法において、フィラーの材質は特に限定されるものではなく、従来公知の材質を用いることができる。
【００４２】
レーザー光が溶接材の表面を走査することが好ましい。すなわち、レーザー光を走査することで、線状に溶接を行うことができ、溶接部の長さを長くすることができる。このことは、溶接強度を増加させる。なお、レーザー光が走査されるときには、シールドガスが吹き付けられる位置がレーザー光の走査と同様に移動する。
【００４３】
本発明の溶接方法において、溶接に用いられるレーザー光は、溶接される溶接材にエネルギーを付与できるレーザー光であれば特に限定されない。
【００４４】
本発明のレーザーフィラー溶接方法は、大きな溶融池を形成できる。この結果、溶接部に形成されるビードの高さを低くすることができる。さらに、フィラーの溶融不良による溶接不良の発生を抑えることができる。
【００４５】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【００４６】
本発明の実施例として、鋼板のレーザーフィラー溶接を行った。
【００４７】
（実施例１）
溶接される鋼板は厚さが０．８ｍｍの鋼板であり、レーザー光は最大出力６ｋＷのＹＡＧレーザー溶接機から照射された。
【００４８】
レーザーフィラー溶接は、二枚の鋼板を密着状態で積層させ、シールドガスとともにレーザー光を照射して行われた。また、レーザーフィラー溶接は、レーザーの出力が２．５ｋＷ、レーザー光の走査速度が２ｍ／ｍｉｎで行われた。
【００４９】
レーザーフィラー溶接において、シールドガスは、レーザー光が発せられるレーザートーチから、レーザー光と同軸的に吹き出された。また、シールドガスは、１００％酸素ガスが、１０ｌ／ｍｉｎの流速でレーザー光と同軸に吹き出された。
【００５０】
実施例のレーザーフィラー溶接においては、溶融池にフィラーワイヤが供給された。フィラーは、φ１．２ｍｍの鋼線が用いられた。
【００５１】
実施例のレーザーフィラー溶接は、以下のように進行した。
【００５２】
まず、積層した鋼板にシールドガスと同軸に進行するレーザー光を照射して鋼板に溶融池を形成した。このとき、溶融池は積層した鋼板を貫通した状態で形成される。そして、この溶融池にフィラーワイヤの先端部を供給し、フィラーワイヤを溶融池に溶融させた。その後、この溶融池が凝固して積層した鋼板を貫通した溶接部が形成された。
【００５３】
（比較例）
シールドガスとして１００％アルゴンガスを用いた以外は、実施例と同様に重ね溶接を行った。
【００５４】
（評価）
実施例および比較例において溶接された鋼板の溶接部の断面写真を撮影し、図１および２に示した。
【００５５】
図１および２より、実施例の溶接部のビードの高さが比較例よりかなり低くなっていることがわかる。すなわち、実施例の溶接部のビードは、比較例のビードと比較して、溶接後の溶接部の外観が向上しているだけでなく、溶接された部材のビードが他の部材に干渉することが抑えられている。
【００５６】
また、図１および２より、レーザー溶接時に形成される溶融池の大きさが、比較例に比べて実施例のほうが大きいことが確認できる。すなわち、大きな溶融池が形成されることで、溶接材の表面からの突出高さが低くなる。
【００５７】
さらに、キーホールからのフィラーワイヤの先端部の位置を様々に変化させてレーザーフィラー溶接を行った。
【００５８】
具体的には、図３に示したように、レーザー光の進行方向をＸ方向、Ｘ方向に垂直な方向をＹ方向として、ＸおよびＹを変化させてレーザーフィラー溶接を行った。具体的な溶接条件は実施例および比較例と同様にして行われた。溶接結果を図４および５に示した。なお、図４および５において溶け残り発生とは、フィラーワイヤが溶融池に溶融しきらずに残留する状態であり、図６にその様子を示した。
【００５９】
図４より、実施例のレーザーフィラー溶接においては、キーホールから離れた位置にフィラーワイヤの先端部が位置するようになっても、良好な溶接結果が得られた。これに対して、図５に示された従来例では、レーザー光の直下においてのみ良好な溶接結果が得られている。すなわち、実施例のレーザーフィラー溶接においては、大きな溶融池が形成されるだけでなく、形成された大きな溶融池がフィラーワイヤの溶融に十分な熱量を有していることがわかる。
【００６０】
すなわち、実施例のレーザーフィラー溶接においては、フィラーワイヤの先端部の位置（フィラーワイヤの溶融池への供給位置）の自由度が高くなっている。このことは、フィラーワイヤ自身にそりや曲がりがあっても、フィラーワイヤの溶け残りが生じにくくなることを示す。すなわち、レーザーフィラー溶接を簡単に行うことができる。
【００６１】
（実施例２）
実施例２として、シールドガスの供給をフィラーワイヤと同軸にした以外は実施例１と同様にしてレーザーフィラー溶接を行った。実施例２のレーザーフィラー溶接を図６に示した。
【００６２】
なお、実施例２のレーザーフィラー溶接において、シールドガスは、１００％酸素ガスが用いられた。
【００６３】
実施例２のレーザーフィラー溶接においても、実施例１と同様に低いビードの溶接部が得られた。
【００６４】
実施例２のレーザーフィラー溶接はフィラーワイヤの供給装置とシールドガスの供給装置とが一体に形成されている。すなわち、レーザートーチ近傍の装置の構成が複雑となっていないため、メンテナンス等に要するコストを低減できる効果を有する。
【００６５】
【発明の効果】
本発明のレーザーフィラー溶接は、溶接不良を生じさせることなく溶接部に形成されるビードの突出高さを低くできる。また、本発明のレーザーフィラー溶接は、フィラーの供給位置の自由度が高くなっているため、フィラーの供給に高い制御が必要とされなくなっている。すなわち、本発明のレーザーフィラー溶接は、簡便かつ安価にレーザーフィラー溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の鋼板の溶接部の断面写真である。
【図２】比較例の鋼板の溶接部の断面写真である。
【図３】実施例１のレーザーフィラー溶接を示した図である。
【図４】実施例１のレーザーフィラー溶接におけるフィラーワイヤの先端部の位置による溶接性を示した図である。
【図５】比較例のレーザーフィラー溶接におけるフィラーワイヤの先端部の位置による溶接性を示した図である。
【図６】フィラーワイヤの溶け残りの状態を示した図である。
【図７】実施例２のレーザーフィラー溶接を示した図である。
【図１】
2004160516.tif 000002
【図２】
2004160516.tif 000003
【図３】
2004160516.tif 000004
【図４】
2004160516.tif 000005
【図５】
2004160516.tif 000006
【図６】
2004160516.tif 000007
【図７】
2004160516.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成14年11月19日(2002.11.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004160516.tif 000009
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2004160516.tif 000010
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2004160516.tif 000011