(57)【要約】【課題】気孔欠陥の著しい低減を図ることが可能な溶接方法を提供すること。【解決手段】溶接工程の後に、気孔消失工程を実施する。この気孔消失工程では、レーザビームによる加熱溶融深さがビームを照射するスリーブ１１の厚さ以下になるようにレーザ出力を調節する。これにより、溶接工程においてビード部に発生した気孔を再溶融によって消失させながら、加熱溶融深さをスリーブ１１内に制限しているので、気密性を阻害する新たな気孔を発生させないようにするができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの被溶接部材を重ね合わせて、その重ね合わせ部分における一方の被溶接部材にビームを照射するものであって、そのビーム照射において、加熱溶融深さが他方の被溶接部材に達するように前記ビームによる加熱溶融度合を調節することにより、前記２つの被溶接部材を互いに溶接する溶接部を形成する溶接工程と、
前記溶接工程の後、前記溶接工程において形成された溶接部に、さらにビームを照射するものであって、そのビーム照射において、加熱溶融深さが当該ビームを直接照射する側の被溶接部材の厚さ以下となるように前記ビームによる加熱溶融度合を調節することにより、前記溶接工程において発生した気孔を消失させる気孔消失工程とを備えることを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記気孔消失工程におけるビームの照射範囲は、前記溶接工程におけるビームの照射範囲よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記ビームはレーザビームであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記溶接工程では、前記ビームをパルス状に放射することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項５】
前記気孔消失工程では、前記ビームを連続的に放射することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項６】
前記２つの被溶接部材の少なくとも一方は中空円筒状に形成され、
他方の被溶接部材が前記一方の被溶接部材の中空円筒部に圧入され、
前記一方の被溶接部材と前記他方の被溶接部材が重なり合っている円周部分の全周に渡って、前記溶接工程により溶接部を形成し、かつその円周状の溶接部に対して前記気孔消失工程を実施することにより、前記一方の被溶接部材と前記他方の被溶接部材とを気密に溶接することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも２つの被溶接部材の溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの被溶接部材をレーザ溶接する際に、その溶接部に気孔欠陥（ブローホールやピット）が生じる場合がある。このような気孔欠陥が発生すると、溶接部の気密性が低下する等、溶接品質の劣化を招くため、従来から、気孔欠陥を低減するための種々の手法が検討されている。
【０００３】
例えば、気孔欠陥は、溶接の熱でガス化する物質（例えば水分、油、錆等の汚れ）が被溶接部材の表面にある場合発生しやすくなる。このため、溶接前に、被溶接部材の汚れを十分に除去することが行なわれている。
【０００４】
さらに、気孔欠陥は、溶接時の各種の溶接条件によっても発生量が変わってくる。例えば、シールドガス流量不足等によってアルゴンや窒素等のシールドガスが溶融池を十分に覆うことができないと、溶融池にエアが巻き込まれて気泡となる。この気泡が抜けきらないうちに溶融金属が凝固すると、ブローホールが溶接金属中に発生する。その他にも、溶接速度や、溶接時のレーザ出力、レーザビームのフォーカス位置等によっても、溶接部の気孔欠陥の発生量は変化する。このため、これらの溶接条件の最適な組合せについて検討することで、気孔欠陥の発生量の低減を図ることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したように、洗浄を実施したり、溶接条件を最適に設定しても、気孔欠陥の発生低減には限度がある。
【０００６】
本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、気孔欠陥の著しい低減を図ることが可能な溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の溶接方法は、
少なくとも２つの被溶接部材を重ね合わせて、その重ね合わせ部分における一方の被溶接部材にビームを照射するものであって、そのビーム照射において、加熱溶融深さが他方の被溶接部材に達するようにビームによる加熱溶融度合を調節することにより、２つの被溶接部材を互いに溶接する溶接部を形成する溶接工程と、
溶接工程の後、溶接工程において形成された溶接部に、さらにビームを照射するものであって、そのビーム照射において、加熱溶融深さが当該ビームを直接照射する側の被溶接部材の厚さ以下となるようにビームによる加熱溶融度合を調節することにより、溶接工程において発生した気孔を消失させる気孔消失工程とを備えることを特徴とする。
【０００８】
上述したように、請求項１に記載の溶接方法では、溶接工程の後に、気孔消失工程を実施する。この気孔消失工程では、ビームによる加熱溶融度合を調節して、その加熱溶融深さがビームを照射する側の被溶接部材の厚さ以下になるようにする。これにより、溶接工程において溶接部に発生した気孔を再溶融によって消失させながら、新たな気孔を発生させないようにするができる。この結果、従来技術のように単に溶接条件の設定等を行なう場合に比較して、気孔欠陥の著しい低減を図ることが可能になる。
【０００９】
請求項２に記載したように、気孔消失工程におけるビームの照射範囲は、溶接工程におけるビームの照射範囲よりも広いことが好ましい。これにより、気孔消失工程において、ビームが直接照射される側の被溶接部材における溶接部の全領域を再溶融することができるので、溶接部に発生した気孔の大部分を消失させることができる。
【００１０】
請求項３に記載したように、ビームはレーザビームであることが好ましい。レーザビームの場合、溶接工程及び気孔消失工程における、加熱溶融度合の調節が容易であるとともに、溶接速度を比較的早く設定しても安定した溶接を行なうことができるためである。
【００１１】
請求項４に記載したように、溶接工程では、ビームをパルス状に放射することが好ましい。これにより、発振器等のビーム形成回路にそれほど負荷をかけずに、ビームのピークパワーを高めることができる。
【００１２】
一方、請求項５に記載したように、気孔消失工程では、ビームを連続的に放射することが好ましい。溶接工程によって形成された溶接部（ビード部）に対してビームを連続的に放射すると、そのビード部を滑らかにすることができる。
【００１３】
また、請求項６に記載したように、
２つの被溶接部材の少なくとも一方は中空円筒状に形成され、
他方の被溶接部材が一方の被溶接部材の中空円筒部に圧入され、
一方の被溶接部材と他方の被溶接部材が重なり合っている円周部分の全周に渡って、溶接工程により溶接部を形成し、かつその円周状の溶接部に対して気孔消失工程を実施することにより、一方の被溶接部材と他方の被溶接部材とを気密に溶接することができる。
【００１４】
本発明による溶接方法では、溶接部における気孔欠陥を低減することにより、溶接部の気密性を十分に確保することができる。従って、上述した中空円筒状の被溶接部材を用いて形成される各種電磁弁等の、特に気密性が求められる製品の溶接に適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態による溶接方法について説明する。まず、本実施形態による溶接方法が適用される加工ワークとしての電磁弁の構成について簡単に説明する。ただし、本発明による溶接方法の適用対象は電磁弁に限られるものではなく、溶接部に気密性が求められる製品や、溶接部における溶接品質を向上する必要がある製品に好適に用いることができる。
【００１６】
図１に示すように、加工ワークとしての電磁弁１０は、円筒状に形成されたスリーブ１１と、そのスリーブ１１の開口部に圧入され、かつスリーブ１１との重ね合わせ部分がレーザ溶接されるバルブハウジング１２とを有している。このスリーブ１１とバルブハウジング１２とが、本実施形態による溶接方法を用いて溶接されることにより、電磁弁１０内部の気密性が確保される。
【００１７】
スリーブ１１内には、ソレノイド１３及び、第１のプランジャ１４が設けられている。この第１のプランジャ１４は、ソレノイド１３に通電されたときに、ソレノイド１３が発生する磁束によって図１の下方向に向かって吸引される。
【００１８】
バルブハウジング１２内には、第２のプランジャ１５が摺動可能に設けられている。この第２のプランジャ１５は、第１のプランジャ１４が図１の下方向に向かって吸引されたとき、第１のプランジャ１４とともに移動する。第２のプランジャ１５の一端にはボール弁１６が取り付けられている。このボール弁１６は、バルブハウジング１２内に形成された弁座２０に着座したとき、流路１８と流路１９とを遮断し、弁座２０から離間したとき流路１８と流路１９とを連通する。
【００１９】
弁座２０と第２のプランジャ１５との間には、スプリング１７が設けられており、このスプリング１７は第２のプランジャを図１の上方向に付勢している。従って、この電磁弁１０は、ソレノイド１３への非通電時には流路１８，１９が連通状態となり、通電時には遮断状態となるノーマリオープン型の二方向弁である。このような電磁弁１０においては、内部を作動流体が流通するため、気密性を確保する必要がある。
【００２０】
次に、この電磁弁１０を加工ワークとして溶接を行なう溶接装置３０について、図２（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。なお、図２（ａ）は、円筒状の加工ワークの中心位置に対して、レーザビームの照射位置を所定のオフセット量だけずらした状態を示す説明図であり、図２（ｂ）は、溶接装置３０の全体構成を示す構成図である。
【００２１】
図２（ｂ）に示すように、溶接装置３０は、レーザ発振器３２を備え、このレーザ発振器３２からのレーザ出力が溶接ヘッド３３によってレーザビームに変換されて、加工ワークに照射される。つまり、溶接ヘッド３３は、レーザ発振器３２のレーザ出力を所定の焦点距離を持つレーザビームに変換する光学系を有している。さらに、溶接ヘッド３３に関して、加工ワークに対する位置を調節する位置調節機構が設けられており、この位置調節機構により、加工ワークにおける溶接ヘッド３３からのレーザビームの照射位置や焦点位置を調節することができる。また、レーザ発振器３２は、そのレーザ出力の大きさや、連続的あるいはパルス的に出力するように出力タイミングを変更することが可能であり、後述する制御回路３１からの制御信号に従った大きさ及び出力タイミングでレーザ出力を溶接ヘッド３３に与える。
【００２２】
溶接工程のレーザビームの照射位置に関しては、例えば図２（ａ）に示すように、加工ワークである電磁弁１０の軸中心位置から所定のオフセット量だけずれた位置に設定される。また、レーザビームの焦点位置に関しては、図２（ｂ）に示すように、ジャストフォーカス位置が、スリーブ１１表面ではなく、バルブハウジング１２の内部に位置するように設定される。なお、スリーブ１１の表面からジャストフォーカス位置までの距離をディフォーカス量と呼ぶ。
【００２３】
溶接装置３０は、さらにエアポンプ３４及びエアカーテン発生部３５を備えている。エアカーテン発生部３５は、エアポンプ３４によって供給されたエアをカーテン状に噴出するものである。このエアカーテンにより、加工ワークの溶接部に向かう外気の流れを遮断することで、溶融池へのエアの巻き込みの低減を図ることができる。
【００２４】
駆動モータ３６は、加工ワークの保持具３７に接続されており、溶接工程及び気孔消失工程において、加工ワークを回転駆動する。これにより、加工ワークの全周に渡って、溶接ヘッド３３からレーザビームを照射することが可能になる。
【００２５】
なお、図示していないが、溶接装置３０は、溶融池へのエアの巻き込みを図るべく、シールドガスとしての窒素ガスを供給する供給源を備えている。この窒素ガスは、ガイド３８により、加工ワークの表面に沿って流れるように案内される。この結果、レーザビームの照射位置、すなわち溶融池の発生箇所が窒素ガスによってシールドされる。
【００２６】
制御回路３１は、上述したレーザ発振器３２、エアポンプ３４、及び駆動モータ３６等に制御信号を出力して、極力、気孔の発生を抑制するように溶接工程を実行する。つまり、上述したオフセット量、ディフォーカス位置、さらには、溶接速度（回転速度）、溶接時のレーザ出力、レーザをパルス波出力としたときのデューティ比及び周波数、エアカーテンの噴出方法及び窒素ガスの噴出方法等は、気孔の発生量に関連があるため、気孔の発生量が極力少なくなるように最適な組合せ条件を設定し、その組合せ条件に従って、各構成部品が作動するように制御信号を出力する。
【００２７】
ただし、そのような最適な組合せ条件を設定して溶接工程を実施しても、気孔の発生を完全に防止することは不可能であり、そのため、本実施形態による溶接方法では、溶接工程後に、気孔消失工程を実施する。
【００２８】
本実施形態の溶接装置３０によって実行される溶接工程及び気孔消失工程について図３（ａ），（ｂ）及び図４（ａ），（ｂ）を用いて詳細に説明する。なお、図３（ａ）は、溶接工程におけるレーザ出力と、そのレーザ出力でのレーザビーム照射による溶け込み深さｄ１及び幅ｌ１との関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は、溶け込み深さｄ１及び幅ｌ１を示すための説明図である。また、図４（ａ）は、気孔消失工程におけるレーザ出力と、そのレーザ出力でのレーザビーム照射による溶け込み深さｄ２及び幅ｌ２との関係を示すグラフであり、図４（ｂ）は、その溶け込み深さｄ２及び幅ｌ２を示すための説明図である。
【００２９】
溶接工程では、レーザ発振器３２からのレーザ出力を用いて、スリーブ１１とバルブハウジング１２との重ね合わせ部分を加熱溶融して溶接する。このため、レーザビームの照射による加熱溶融深さが、バルブハウジング１２まで達する必要がある。このとき、必要な溶接強度を確保するために、図３（ｂ）に示すように、バルブハウジング１２内における溶け込み深さｄ１及び幅ｌ１を対象として、これらが所定の下限値以上となる条件で溶接を行なう。このため、図３（ａ）に示す例では、バルブハウジング１２内における溶け込み深さｄ１及び幅ｌ１が所定の下限値である、ｄ１：０．１［ｍｍ］、ｌ１：０．１５［ｍｍ］以上となるように、レーザ出力の大きさを７００〜９００［Ｗ］の高出力に設定している。
【００３０】
この溶接工程を実行する場合、レーザ発振器３２のレーザ出力を、所定のデューティ比を有するパルス波出力とし、このデューティ比を可能な限り低く設定することが好ましい。これにより、レーザ発振器３２にかかる負荷を抑えながら、レーザ出力のピーク値を上げることができる。なお、このパルス波出力によるビード部（溶接部）は、加工ワークにおける気密性が確保されるように、隣接する複数のビード部が重なるように形成される。
【００３１】
また、その溶接工程の後に行なわれる気孔消失工程においては、レーザ発振器３２はレーザ出力を例えば４００〜５００［Ｗ］の低出力にするとともに、連続的に出力される連続波出力とする。この気孔消失工程におけるレーザ出力の大きさは、レーザビームが照射されるスリーブ１１にて気密性を阻害する新たな気孔の発生を防止するために、レーザビームの照射による加熱溶融深さがスリーブ１１の厚さ以下となるように定められる。すなわち、気孔消失工程では、図４（ｂ）に示すように、スリーブ１１内における溶け込み深さｄ２及び幅ｌ２を対象とし、その溶け込み深さｄ２が、スリーブ１１の板厚（０．３２３［ｍｍ］）以下となるように、レーザ出力を低出力に設定する（図４（ａ）参照）。
【００３２】
また、スリーブ１１内の溶け込み幅ｌ２に関しては、少なくとも溶接工程におけるバルブハウジング１２内の溶け込み幅ｌ１より大きくなるように、レーザビームのディフォーカス量等が変更される。例えば、図３（ａ）及び図４（ａ）に示す例では、バルブハウジング１２の溶け込み幅ｌ１は０．２〜０．４［ｍｍ］の範囲に収まっているのに対し、スリーブ１１の溶け込み幅ｌ２は０．５〜０．６［ｍｍ］の範囲の値となる。
【００３３】
ここで、図３（ｂ）に示すように、溶接工程におけるスリーブ１１の表面の溶け込み幅は、バルブハウジング１２における溶け込み幅ｌ１と略同等である。このため、気孔消失工程におけるスリーブ表面の溶け込み幅ｌ２は、溶接工程におけるスリーブ表面の溶け込み幅よりも大きくなる。この結果、気孔消失工程において、レーザビームが直接照射されるスリーブ１１におけるビード部（溶接部）の全領域を再溶融することができるので、ビード部に発生した気孔の大部分（実質的に全ての気孔）を消失させることができる。
【００３４】
さらに、気孔消失工程において、レーザ出力を連続波出力とすることにより、溶接工程におけるパルス波出力によって発生した不連続なビード部を再溶融して、その表面を滑らかにすることができる。
【００３５】
以上説明した溶接工程と気孔消失工程とを連続して実行することにより、ビード部における気孔欠陥の著しい低減を図ることができる。
【００３６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
【００３７】
例えば、上述した実施形態では、レーザビームを用いて溶接を行なう例について説明したが、溶接工程及び気孔消失工程の加熱源としては電子ビーム、光ビーム、プラズマジェット、及びアークを用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】加工ワークとしての電磁弁の構造を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、円筒状の加工ワークの中心位置に対して、レーザビームの照射位置を所定のオフセット量だけずらした状態を示す説明図であり、（ｂ）は、溶接装置３０の全体構成を示す構成図である。
【図３】（ａ）は、溶接工程におけるレーザ出力と、そのレーザ出力でのレーザビーム照射による溶け込み深さｄ１及び幅ｌ１との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、溶け込み深さｄ１及び幅ｌ１を示すための説明図である。
【図４】（ａ）は、気孔消失工程におけるレーザ出力と、そのレーザ出力でのレーザビーム照射による溶け込み深さｄ２及び幅ｌ２との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、その溶け込み深さｄ２及び幅ｌ２を示すための説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  電磁弁（加工ワーク）
１１  スリーブ
１２  バルブハウジング
３０  溶接装置
３１  制御回路
３１  レーザ発振器
３２  溶接ヘッド
３４  エアポンプ
３５  エアカーテン発生部
３６  駆動モータ
３７  保持具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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