(57)【要約】      （修正有）【課題】アーク溶接部にレーザ５を照射しながらマグネシウム又はマグネシウム合金２を溶接するレーザ照射アーク溶接方法において、３mm以下の板厚の溶接ではレーザ照射により形成されたキーホールによって溶け落ちが発生し、良好な溶接ができない。【解決手段】本発明は、マグネシウム又はマグネシウム合金の被溶接材２の板厚が０．８mm以上３mm以下であり、アーク溶接法がＭＩＧパルス溶接であり、レーザ５の照射部のエネルギー密度を、溶融池にキーホールが形成される値未満の範囲であって所定の溶け込み深さを得ることができる値に設定するマグネシウム又はマグネシウム合金のレーザ照射アーク溶接方法である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク溶接部にレーザを照射しながらマグネシウム又はマグネシウム合金を溶接するレーザ照射アーク溶接方法において、
前記マグネシウム又はマグネシウム合金の被溶接材の板厚が０．８mm以上３mm以下であり、前記アーク溶接法がＭＩＧパルス溶接であり、前記レーザの照射部のエネルギー密度を、溶融池にキーホールが形成される値未満の範囲であって所定の溶け込み深さを得ることができる値に設定する、ことを特徴とするマグネシウム又はマグネシウム合金のレーザ照射アーク溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載のエネルギー密度の設定を、前記レーザの出力値及び／又は照射部のビームスポット径を調整することによって行うことを特徴とするマグネシウム又はマグネシウム合金のレーザ照射アーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク溶接部にレーザを照射しながらマグネシウム又はマグネシウム合金を溶接するレーザ照射アーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネシウム又はその合金は、アルミニウム又はその合金よりも軽くかつ強度も高いことから，自動車、車両等の輸送機器の材料として使用されつつある。マグネシウム材を構造物に使用する場合、その接合方法としてはＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等のアーク溶接が一般に適用される。しかし、マグネシウム材は、材料表面にアルミニウム材よりも強固な酸化被膜が形成されているために、この酸化皮膜を何らかの方法によって除去しないと安定したアーク溶接を行うことはできない。
【０００３】
［従来技術１］
例えば、特許文献１に記載するアルミニウム合金のＴＩＧ溶接方法では、マグネシウム材ではなくアルミニウム材を対象とするものであるが、交流電流の通電と正極性パルス電流の通電とを交互に繰り返すことによって、クリーニング作用を作用させてアルミニウム表面の酸化被膜を除去し、かつ、溶け込み等のビード形状を良好にすることができる。このＴＩＧ溶接方法をマグネシウム材に適用すれば、同様に良好な溶接結果を得ることができる。しかし、一般的にＴＩＧ溶接方法は、溶接速度が遅いために作業能率が低いという問題がある。さらに、ＴＩＧ溶接は、溶接ロボット等を利用して自動化を図ることが難しいという問題もある。
【０００４】
［従来技術２］
次に、特許文献２に記載するアルミニウム合金の溶接方法では、図６に示すように、溶接トーチ先端部に取り付けた１つのノズル４から、アーク３を発生させるために給電された電極ワイヤ１と溶融池２ａに添加されるフィラーワイヤ１ａとを共に送給することによって、作業能率を高くしかつ溶接部の品質を向上させることができる。この溶接方法はアルミニウム材を対象とするものであり、マグネシウム材に適用すると下記のような問題が発生する。
【０００５】
すなわち、図７に示すように、マグネシウムワイヤのワイヤ溶融速度はアルミニウムワイヤのワイヤ溶融速度よりも１．５倍程度速い。このために、マグネシウム溶接では、平均溶接電流が小さい値でマグネシウムワイヤは溶融するために、被溶接材への入熱が不足して溶け込みの浅い凸状ビードとなり、溶接品質が悪くなるという問題がある。このようなビード形状の例を図８に示す。同図（Ａ）は重ね隅肉溶接の場合であり、同図（Ｂ）はＴ字隅肉溶接の場合である。どちらの場合も、溶け込みが浅く溶け込み不足であり、凸状ビードとなっている。これらの問題を解決するためには、マグネシウムワイヤを溶融させるアーク３以外から被溶接材２への入熱を追加して与える必要がある。しかし、上述した従来技術２の溶接方法では、被溶接材２への入熱は電極ワイヤ１を溶融させるアーク３のみから行われるために、上記の問題は解決することができない。
【０００６】
［従来技術３］
さらに、特許文献３に記載するレーザ光によるアーク誘導溶接方法及び装置では、図９に示すように、溶接部にレーザ５を照射してアーク３を照射位置に誘導することによって、深い溶け込みを得ながら高速溶接を行うことができる。これは、溶融池２ａにレーザ５が照射されるとその非常に高いエネルギー密度によってキーホール７が形成される。そして、この照射部からプラズマ６ａ及びプルーム（金属蒸気）６ｂが生成される。このプラズマ６ａ及びプルーム６ｂにアーク３が誘導されることになるからである。上記において、通常レーザ５は、照射部でのエネルギー密度を高くするために、被溶接材２の表面近傍でフォーカスが正確に合うように調整される。このために、ビームスポット径は０．５〜１mm程度と小さくなる。
【０００７】
しかし、上記の溶接方法では、レーザ５の照射によって溶融池２ａ内にキーホール７を形成させてその周辺部を溶融するで深い溶け込みを得ている。このために、板厚が３mm以下になると、逆にこのキーホール７によって溶け落ちが発生しやすくなる。したがって、この溶接方法では、板厚３mm以下のマグネシウム材を溶接することは難しい。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−３１４９６６号公報
【特許文献２】
特開平５−１６９２６８号公報
【特許文献３】
特開２０００−３０１３３８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
板厚が３mm以下のマグネシウム及びその合金のＭＩＧ溶接において、被溶接材表面の強固な酸化皮膜を除去すると共に溶け落ちの発生しない溶接をすることができ、適正な溶け込み深さ及び凸状でないフラットなビード外観を得るために適正な被溶接材への入熱を与えることができ、作業効率を高めるために高速溶接をすることができるレーザ照射アーク溶接方法を提供することが本発明の課題である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、アーク溶接部にレーザを照射しながらマグネシウム又はマグネシウム合金を溶接するレーザ照射アーク溶接方法において、
前記マグネシウム又はマグネシウム合金の被溶接材の板厚が０．８mm以上３mm以下であり、前記アーク溶接法がＭＩＧパルス溶接であり、前記レーザの照射部のエネルギー密度を、溶融池にキーホールが形成される値未満の範囲であって所定の溶け込み深さを得ることができる値に設定する、ことを特徴とするマグネシウム又はマグネシウム合金のレーザ照射アーク溶接方法である。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１記載のエネルギー密度の設定を、前記レーザの出力値及び／又は照射部のビームスポット径を調整することによって行うことを特徴とするマグネシウム又はマグネシウム合金のレーザ照射アーク溶接方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明のレーザ照射アーク溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。溶接電源装置９は、ＭＩＧパルス溶接を行うための溶接電圧及び溶接電流をアーク３に供給する。マグネシウム材の溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給装置の送給ロール１２の回転によって溶接トーチ８を通って被溶接材２へと送給されて、アーク３が発生する。
【００１３】
レーザ発振装置１１は、レーザ５をレーザトーチ１０を介して溶接部に照射する。このレーザの種類としては、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ又は半導体レーザを使用することができる。
【００１４】
図２は、上述した図９に対応する本発明の溶接部の模式図である。レーザ５は、キーホールが形成されないエネルギー密度の値未満であり、かつ、適正な溶け込み深さ及びフラットなビード外観が得られるエネルギー密度の値に設定される。ここで、エネルギー密度Ｅｄ［kw/cm2］は、下式で定義される。
Ｅｄ＝Ｐ／((0.5×Ｄ×0.1)×(0.5×Ｄ×0.1)×π)
ここで、Ｐ［ｋＷ］はレーザ出力値であり、Ｄ［mm］はビームスポットの直径であり、πは円周率である。この式から明らかなように、エネルギー密度Ｅｄを設定するためには、レーザ出力Ｐ及び／又はビームスポット径Ｄを調整すればよい。
【００１５】
同図に示すように、レーザ照射によってキーホールが形成されないために、プラズマ及びプルームが少ししか生成されないので、アーク３がレーザ照射位置に誘導されることはない。したがって、レーザ５の作用は、アーク３の誘導ではなく被溶接材２への追加の入熱を与えることである。このことで、溶け落ちを発生させることなく、適正な溶け込み深さ及びフラットなビード外観を得ることができる。
【００１６】
図３は、キーホールが形成されずかつ溶け込み不足も発生しないエネルギー密度Ｅｄの範囲の一例を示す図である。同図の横軸はビームスポット径Ｄを示し、縦軸はエネルギー密度Ｅｄを示す。同図は、被溶接材に板厚３mmのマグネシウム合金を用いて、同材質でワイヤ径１．２mmのマグネシウム合金ワイヤによってＭＩＧパルス溶接を行い、同時に溶接部にレーザを照射したものである。その他の溶接条件としては、溶接電流７０Ａ（ワイヤ送給速度８３０cm/分）、溶接電圧２０Ｖ、溶接速度３ｍ／分のときである。
【００１７】
同図から明らかなように、エネルギー密度Ｅｄが５００kW/cm2を超えると、溶融池にキーホールが形成されるために、溶け落ちが発生しやすくなる。他方、エネルギー密度Ｅｄが１５kW/cm2未満になると入熱不足となり、溶け込み不足が発生しやすくなる。したがって、良好な溶接結果を得るためには、エネルギー密度Ｅｄを、キーホールの形成される値未満の範囲で、所定の溶け込みを得ることができる値に設定する必要がある。
【００１８】
アーク溶接法としてＭＩＧパルス溶接を使用する理由は、直流ＭＩＧ溶接に比べてスパッタの発生が少なく、かつ、フラットなビード外観を得ることができるからである。すなわち、ＭＩＧパルス溶接からの入熱と、レーザ照射による入熱とが加算されて、適正な溶け込み深さ及びフラットなビード外観を実現することができる。
【００１９】
また、アークとレーザ照射とによって強固な酸化皮膜を除去しながら、安定した溶接を行うことができる。上述したように、レーザは、ビームスポット径が略最小値（０．５〜1.０mm程度）となるフォーカス状態で使用されるのが原則である。しかし、本発明では、ビームスポット径が１〜５mm程度のデフォーカス状態でも積極的に使用する。これは、薄板の高速溶接においては、ビームスポット径が大きい方が、レーザ照射位置、被溶接材の固定位置、溶接トーチの溶接線倣い誤差等の位置ズレに対する裕度が広くなる効果もあるからである。また、現在使用されているマグネシウム材の最小板厚は、０．８mm程度である。したがって、本発明の対象となる板厚の範囲は、０．８mm以上３mm以下となる。
【００２０】
図４は、本発明の効果の一例として上述した図８に対応するビード断面図である。同図（Ａ）に示す重ね隅肉溶接の場合及び同図（Ｂ）に示すＴ字隅肉溶接の場合も、溶け込みは適正であり、ビード外観も凸状ではなくフラットであり、良好な溶接品質となっている。
【００２１】
図５は、本発明の作業能率の向上効果を表わす良好な溶接が可能な最大溶接速度の範囲を示す図である。同図は、従来技術１、従来技術２及び本発明において、板厚が０．８〜３mmのマグネシウム合金を良好に溶接することができる最大溶接速度を測定した結果である。なお、従来技術３は、板厚が３mm以下であるために溶け落ちが発生しやすく測定することができなかった。同図から明らかなように、本発明の各板厚に対する最大溶接速度は、従来技術１の約８倍、従来技術２の約４倍となり、作業能率が大幅に向上することになる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明のマグネシウム又はマグネシウム合金のレーザ照射アーク溶接方法によれば、板厚０．８〜３mmのマグネシウム材の溶接において、被溶接材表面の強固な酸化皮膜をアーク及びレーザによって除去することができ、かつ、適正な溶け込み深さ及びフラットなビード外観を形成することができ、かつ、溶接速度が従来技術のときの約４倍以上となり作業能率の高い溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ照射アーク溶接装置の構成図である。
【図２】本発明のレーザ照射アーク溶接部の模式図である。
【図３】本発明におけるレーザ照射部のエネルギー密度の設定範囲を示す図である。
【図４】本発明のビード断面図である。
【図５】本発明の最大溶接速度を示す図である。
【図６】従来技術２の溶接方法を示す溶接トーチ先端部の模式図である。
【図７】マグネシウムワイヤ及びアルミニウムワイヤの溶融特性図である。
【図８】従来技術２のビード断面図である。
【図９】従来技術３の溶接方法を示す溶接部の模式図である。
【符号の説明】
１            溶接ワイヤ
１ａ            フィラーワイヤ
２            被溶接材
２ａ            溶融池
２ｂ            ビード
３            アーク
４            ノズル
５            レーザ
６ａ            プラズマ
６ｂ            プルーム
７            キーホール
８            溶接トーチ
９            溶接電源装置
１０            レーザトーチ
１１            レーザ発振装置
１２            送給ロール
Ｄ            ビームスポット径
Ｅｄ            エネルギー密度
Ｐ            レーザ出力値
【図１】
2004195528.tif 000003
【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】
2004195528.tif 000008
【図７】
2004195528.tif 000009
【図８】
2004195528.tif 000010
【図９】
2004195528.tif 000011