(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダとショベルのフロントブーム又はアームと連結する鋼板からなるブラケットの板厚部と上記フロントブーム又はアームの被溶接面とが接触するよう上記ブラケットを上記被溶接面に載せ、上記フロントブーム又はアームと上記ブラケットとの互いの接触面をレーザにより溶接するレーザ溶接方法において、
上記レーザビームのフォーカス位置を上記ブラケットの板厚部と上記被溶接面との境界部分にあわせて、上記ブラケットの厚さ方向にレーザビームを照射して、上記ブラケットの長手方向に上記レーザビームを移動して溶接するとともに、
上記ブラケットの板厚方向の形状を、その厚さ寸法が、上記ブラケットの溶接終了側の端部側において、上記ブラケットの溶接終了側の端部に向うにつれて徐々に小となるような形状とし、
上記ブラケットの溶接終了側の端部側において、上記ブラケットの厚さ寸法を上記ブラケットの溶接終了側の端部に向うにつれて徐々に小とすることにより、上記レーザビームのフォーカス位置を、上記ブラケットの溶接終了側の端部に向かうにつれて、上記ブラケットの板厚部と上記被溶接面との境界部分から徐々に遠ざけて、上記フロントブーム又はアームとブラケットとを溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ溶接方法において、上記ブラケットの上記被溶接面に直交する方向の形状を、その方向の高さ寸法が、上記ブラケットの溶接終了側の端部側において、上記ブラケットの溶接終了側の端部に向かうにつれて徐々に小となるような形状とし、上記ブラケットの上記被接触面と接触する板厚部に対向する上面が上記被溶接面に対して傾斜する形状を有することを特徴とするレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザを被溶接物に照射して、溶接・接合を行うレーザ溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術において、鋼板の板厚部分（厚さ方向面）を溶接面あるいは曲面上（以下、溶接面とする）に溶接する場合、例えば、図９に示すような溶接構造物を製造する場合、実際に溶接・接合を行うには、溶接しようとする鋼板１をこの鋼板の板厚部分１３が溶接面２と接触するように溶接面２上に載せる。
【０００３】
そして、鋼板１と溶接面２とに対して、いわゆる、すみ肉溶接が行われる。つまり、図１０に示すように、鋼板１と溶接面２との角部分をＭＩＧ（Metal   Inert  Gas）溶接やＭＡＧ（Metal  Active  Gas）溶接という溶接方法による人手作業の半自動溶接、あるいはロボットによる全自動溶接によって、鋼板１の両側溶接あるいは全周溶接することによって、すみ肉溶接ビード３を形成して接合する。
【０００４】
上述のような溶接方法では、図１１に示すように、溶接後には溶接始端部から溶接終端部５に渡る溶接ビード４が形成される形状となる。
【０００５】
しかし、溶接ビード４が形成された形状のままでは、たとえば、例えば、図１２に示すようにショベル１７のフロント部分とシリンダとをつなぐピンを挿入するブラケット１ａ、１ｂを上述した溶接により接合した場合、鋼板１の長手方向に繰り返し荷重が負荷された際、図１１に示す構造物の溶接ビード４の止端部や始終端部５に応力が集中する。
【０００６】
その結果、接合された鋼板１が繰り返し荷重による疲労あるいは一発の衝撃によって応力集中部である溶接ビード４の止端部から亀裂が生じ、破断する可能性がある。
【０００７】
そこで、通常、鋼板１の長手方向の先端部は、ＭＩＧ溶接やＭＡＧ溶接の後工程として溶接後の応力を分散させるための滑らかなビードを生成するために、図１３に示すように、鋼板１の端部は、溶接面２と垂直な面の面積をある大きさに確保するため、面６が形成され、切り立った形状となっている。
【０００８】
溶接構造物を製造する際、被溶接物の長手方向のすみ肉溶接を半自動あるいは全自動溶接で行った後に、図１３に示した面６の鋼板端部の切り立った部分と溶接面２とを、図１４に示すように成形する。
【０００９】
つまり、溶接面２に溶接された鋼板１への応力集中が抑制されるように、別工程で化粧ビードと称し、手棒溶接にて端部のみ溶接し応力の集中し難い形状にしたり、あるいはアーク溶接を行った後に、図１５に示すように、グラインダにて溶接端部を滑らかにし、応力集中をなくすように削ってしまうといった作業がなされている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の技術においては、溶接された鋼板１に対する応力集中を抑制する後工程での手棒溶接による作業は、工程が増えるために余分な労力を費やすうえ、半自動溶接に比べて溶融効率が低いために作業時間がかかるという問題点があった。
【００１１】
また、上記後工程でのグラインダによる作業では、工程が増えるだけでなくグラインダによって生ずる周囲への騒音、溶接ビードを削ることにより生ずる研削粉による塵肺やグラインダ作業中の振動など環境や人体に与える悪影響も少なくないといった問題点があった。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みて提案されたもので、その目的は、溶接部の応力集中抑制工程の省略が可能でありながら、溶接部の応力集中を抑制可能なレーザ溶接方法を実現することである。
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
（１）すなわち、本発明は、シリンダとショベルのフロントブーム又はアームと連結する鋼板からなるブラケットの板厚部と上記フロントブーム又はアームの被溶接面とが接触するよう上記ブラケットを上記被溶接面に載せ、上記フロントブーム又はアームと上記ブラケットとの互いの接触面をレーザにより溶接するレーザ溶接方法において、上記レーザビームのフォーカス位置を上記ブラケットの板厚部と上記被溶接面との境界部分にあわせて、上記ブラケットの厚さ方向にレーザビームを照射して、上記ブラケットの長手方向に上記レーザビームを移動して溶接するとともに、上記ブラケットの板厚方向の形状を、その厚さ寸法が、上記ブラケットの溶接終了側の端部側において、上記ブラケットの溶接終了側の端部に向うにつれて徐々に小となるような形状とし、上記ブラケットの溶接終了側の端部側において、上記ブラケットの厚さ寸法を上記ブラケットの溶接終了側の端部に向うにつれて徐々に小とすることにより、上記レーザビームのフォーカス位置を、上記ブラケットの溶接終了側の端部に向かうにつれて、上記ブラケットの板厚部と上記被溶接面との境界部分から徐々に遠ざけて、上記フロントブーム又はアームとブラケットとを溶接する。
【００１４】
（２）好ましくは、上記（１）において、上記ブラケットの上記被溶接面に直交する方向の形状を、その方向の高さ寸法が、上記ブラケットの溶接終了側の端部側において、上記ブラケットの溶接終了側の端部に向かうにつれて徐々に小となるような形状とし、上記ブラケットの上記被接触面と接触する板厚部に対向する上面が上記被溶接面に対して傾斜する形状を有する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
まず、本発明による一実施形態であるレーザ溶接方法における鋼板１の形状は、図１に示すように、その端面を応力集中が生じないように、湾曲状又は直線状に徐々に高さ方向を小さくし滑らかな形状となっている。
【００２６】
図１に示した例における鋼板１は、図１２に示したショベル１７のブラケットであり、溶接面２はフロントのブームやアームのブラケット１ａ、１ｂ等の溶接面部分の例である。このブラケットの形状そのものが鋼板１の形状となっている。
【００２７】
そして、この鋼板１の形状は、溶接しようとする溶接面２との接触角が極めて小さく、その接触面の幅がレーザにより形成されるビードの幅より小さい形状とする。つまり、鋼板１（一方の被溶接物）は、この鋼板１の、溶接面２（他方の被溶接物の溶接面）にほぼ直交する方向の寸法は端部に向かうにつれて徐々に小となる形状を有する。
【００２８】
鋼板１と溶接面２とのレーザによる溶接は、鋼板１を図１に示すように、鋼板１の板厚部（厚さ方向面）が溶接面２に接触するように載せる。そして、図２に示すように、レーザビーム１０を、鋼板１の板厚方向に向けて、鋼板１と溶接面２との接触面に照射し、鋼板１と溶接面２との接触面をレーザエネルギによって加熱・溶融させることにより溶接を行う。
【００２９】
レーザビーム１０は、アーク溶接に比ベパワー密度が高く、レーザ出力１ｋＷあたり約１ｍｍの貫通能力がある。このため、鋼板１の厚さがレーザ最大溶け込み量以下の場合には、図３に示すように、鋼板１の片側から裏側まで貫通し溶け込み、溶融金属１１が形成され、不良のない良好な接合部が形成される。
【００３０】
その結果、構造物で応力集中部となる鋼板１の端部は、図４に示すように、レーザビーム１０によって鋼板１の滑らかな形状のままの溶接端部１６が形成されるために応力集中部が生ずることが抑制される。
【００３１】
通常、溶接面２の上を単にレーザビーム１０で溶接を行う際、深い溶け込みを得るためのレーザビーム１０のフォーカス位置は、被溶接材料の表面かあるいは表面よりも１．２ｍｍ程度、被溶接材料の内部に設定したときである。
【００３２】
図１の例にように、すみ肉のような角の形状を溶接しようとすると、深い溶け込みを得るためには、レーザビーム１０のフォーカス位置を図２の９の位置、つまり、鋼板１と溶接面２との接触面の境界部分９に合わせる。
【００３３】
レーザ溶接では、先に述べたように高エネルギ密度であるため、被溶接物の裏側への貫通溶接が可能であるが、鋼板１の端部にてレーザ照射を停止させた場合、材質、板厚等により、図４の溶接端部１６の溶接終端部は、表面が窪んでしまい、また、裏面も表面同様窪んでしまって、溶接欠陥となる可能性がある。
【００３４】
さらに、レーザ照射を急に停止してしまうことで溶接部が急冷され、溶融金属が凝固する際に割れが生じる高温割れによる欠陥が発生する可能性がある。
【００３５】
そこで、レーザ照射による終端部の処理の方法として、レーザビーム１０のフォーカス位置を鋼板１と溶接面２の角に合わせて溶接するが、溶接終了間際の鋼板１の端部面８にさしかかったところでレーザビームのフォーカス位置を、図５に示すように、鋼板１と溶接面２の角から遠ざける、あるいは逆にフォーカス位置を被溶接材料内部とする（以下、デフォーカスとする）。
【００３６】
これにより、レーザビーム照射位置でのレーザの照射範囲が大きくなってデフォーカスされた照射面１５となり、それに伴ってパワー密度が低下する。そのため、貫通能力は低下するもののビード表面を加熱することによりクレータと呼ばれる溶接欠陥の生じやすい部分はなくなる。
【００３７】
また、レーザビームの発振をパルス化してもよい。レーザビームをパルス発振とすることにより、レーザ照射と停止とが繰り返されるため、レーザビーム停止の期間に溶融金属が冷却されるため、この溶融金属が必要以上に加熱されることが回避される。
【００３８】
したがって、溶接ビードが細くなるために、図４の溶接端部１６は段差が小さく応力集中のない形状となる。
【００３９】
先に述べたとおり、レーザ溶接はアーク溶接に比ベてパワー密度が高く、貫通能力も高いため、鋼板１の厚さがレーザ最大溶け込み量以下の場合には、図３に示すように、鋼板１の片側から裏側までレーザビームが貫通し、溶け込み不良のない良好な接合部が形成される。
【００４０】
そのため、従来技術におけるアーク溶接では、板厚に関わらず、鋼板１の両側を溶接する必要があったが、レーザ溶接とすることにより、鋼板１の片側からのレーザの照射だけで溶接が完了するため溶接工程は、アーク溶接の半分となる。
【００４１】
鋼板１の板厚が、レーザの最大溶け込み量以上の場合には、完全溶け込みを得るために鋼板１の両側からレーザを照射することにより、溶け込み不良のない溶け込みが得られる。
【００４２】
また、鋼板１が厚板の場合、従来技術におけるアーク溶接では深い溶け込みが難しいために、被溶接物に開先を形成する必要があったが、レーザ溶接を適用した場合には、開先加工は必要なく、作業工程の低減を図ることができる。
【００４３】
また、溶接する鋼板１の形状を図６及び図７に示すように、鋼板１の端部の板厚方向の幅がレーザ溶接方向から遠ざかるように徐々に細くなるようにすることによって（鋼板１（一方の被溶接物）の厚さ寸法を、端部に向かうにつれて、徐々に小とする）クレータ処理を目的としたレーザのデフォーカスをする必要がなくなる。
【００４４】
これは、鋼板１の端部に角度をつけることにより、レーザのフォーカス位置を一直線上に設定したまま溶接を続けると、鋼板１の端部では、図７に示すように、鋼板１の形状により、自然とフォーカス位置と鋼板１とが離れ、あたかもデフォーカスしていることになり、レーザをデフォーカスさせる必要はなくなる。
【００４５】
さらに、図８に示すように、鋼板１の側面と溶接面２の端面とが一平面となるような角継ぎ手とした場合、レーザ溶接では、開先をとることなくその突き合わせ面に、レーザを照射し溶接をおこなうことが可能である。
【００４６】
このような形状とすると、溶接材同士が同一溶接面上にのることになるので、レーザ溶接の前工程での缶組作業は容易となる。
【００４７】
また、Ｔ形継ぎ手になっていると、レーザが、図２の境界部分９に照射・溶融する前に、溶接面２に照射される可能性があるためにレーザを溶接面２に照射しないように、溶接面２から１０°程度傾斜してレーザを照射する必要がある。これにより、鋼板１に対し直角にレーザビームを照射することが難しく、直角に照射しない分だけエネルギーロスが生じる。
【００４８】
それに対し、図８に示すような形状とすると、レーザビームが溶接面１に干渉することはないため、鋼板１に対し直角にレーザビームを照射することができるのでレーザの貫通力を余すことなく発揮でき、エネルギーロスを抑制することができる。
【００４９】
以上のように、本発明の一実施形態によれば、レーザビームの溶け込み深さより端面の厚みが小であって、端部がなだらかな形状となった一方の被溶接物の端面を、他方の被溶接物と接触させ、この接触部分にレーザビームを照射して、一方の被溶接物と他方の被溶接物とを溶接・接合するように構成される。
【００５０】
したがって、一方の被溶接物の一側面側からのレーザビーム照射により、他方側面からのレーザビームの照射を行うことなく、工程の省略が可能でありながら、一方の被溶接物と他方の被溶接物とを強固に接合することができる。
【００５１】
また、レーザビームによる接合は、形成されるビードが小さく、接合後このビードの除去等の後工程を行う必要がなく、これによっても、工程を省略することができる。
【００５２】
また、一方の被溶接物の端部をなだらかな形状となるようにしたが、従来の技術においても、端部への応力集中緩和を図るために、被溶接物の端面を加工したり、溶接後、被溶接物の端部をグラインダ等によりなだらかな形状とするよう加工していたので、溶接前に被溶接物の端部をなだらかな形状とする工程は、それらに代わるものであり、工程数の増加とはならない。
【００５３】
なお、上述した例においては、一方の被溶接物の厚みを、レーザビームの溶け込み深さより小としたが、大のものであっても、本発明を適用することが可能である。この場合は、レーザビームを一方の被溶接物の両側面側から照射する必要があり、上述した一実施形態より一工程増加することとなるが、従来技術のように、アーク等により溶接・接合する場合の比較して、工程数は少なく、かつ、強固な接合を施すことが可能である。
【００５４】
また、上述した例においては、一方の被溶接物の端部をなだらかな形状としたが、端部がなだらか形状となっていないものについても、本発明は適用可能であり、従来技術のアーク溶接等に比較して、工程数が少なく、より強固な接合を施すことができる。
【００５５】
さらに、上述した例においては、一方の被溶接物を、ショベルのブラケットとしたが、ブラケットに限らず、建設機械の作業用部材等のように、一方の被溶接物の止端部を溶接面（母材）に溶接・接合するものであれば、適用可能である。
【００５６】
また、上述した例においては、一方の被溶接物と他方の被溶接物との接触面に沿ってレーザビームを照射して溶接・接合するようにしたが、被溶接部の終端部のみ、レーザビームを照射して、溶接・接合するように構成してもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、溶接部の応力集中抑制工程の省略が可能でありながら、溶接部の応力集中を抑制可能なレーザ溶接方法を実現することができる。
【００５８】
つまり、従来技術であるアーク溶接には必要であった溶接後工程が不要となり、溶接継ぎ手等の品質向上と共に作業時間を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法の説明図である。
【図２】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法におけるレーザ照射部分を示すである。
【図３】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法におけるレーザ照射の溶け込み深さの説明図である。
【図４】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法におけるビード形成の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法における終端部処理の一例の説明図である。
【図６】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法における終端部処理の他の例の説明図である。
【図７】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法における終端部処理の他の例の説明図である。
【図８】本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法における角継ぎ手の処理方法の説明図である。
【図９】従来の技術における溶接方法の説明図である。
【図１０】従来の技術における溶接方法の説明図である。
【図１１】従来の技術における溶接方法の説明図である。
【図１２】溶接・接合を行う一例を示す図である。
【図１３】従来の技術における溶接方法の端部処理の説明図である。
【図１４】従来の技術における溶接方法の端部処理の説明図である。
【図１５】従来の技術における溶接方法の端部処理の説明図である。
【符号の説明】
１ 鋼板
１ａ、１ｂ シリンダとフロント部を連結するブラケット
２ 溶接平面
９ レーザ溶接時のレーザ照射位置
１０ レーザビーム
１１ レーザによる溶融金属
１２ 終端部でフォーカス位置を変えた際のレーザの位置
１３ 板厚部分
１５ デフォーカスされたレーザ照射面
１６ レーザによる溶接端部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0004578006.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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