(57)【要約】【課題】レーザー溶接を行う場合は、溶接すべき両母材の突合部にギャップがあると該ギャップ部分をレーザービームが通り抜けてしまう（溶接不良となる）が、ギャップがある状態でもレーザービームが通り抜けないようにしたレーザー溶接方法を提供する。【解決手段】２つの母材１，２の各突合面１１，２１間にルートギャップＳを設けた状態で各突合面間にレーザービームＲで溶融した溶融金属を供給しつつ溶接開始位置から溶接終了位置側に向けて順次連続して溶接するようにしたレーザー溶接方法において、各突合面１１，２１を溶接するに当たって、該突合面１１，２１を溶接開始位置から溶接終了位置に向かうに従って所定角度だけ下向きに傾斜させた状態で行うことにより、ルートギャップＳのある状態でも両母材１，２の突合面１１，２１を確実に溶接し得るようにしている。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの母材の各突合面間にルートギャップを設けた状態で、前記各突合面間にレーザービームで溶融した溶融金属を供給しつつ溶接開始位置から溶接終了位置側に向けて順次連続して溶接するようにしたレーザー溶接方法であって、前記各突合面を溶接するに当たって、該突合面を溶接開始位置から溶接終了位置に向かうに従って所定角度だけ下向きに傾斜させた状態で行うことを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項２】
請求項１において、突合面を傾斜させる所定角度を１５°〜４５°の範囲に設定したことを特徴とするレーザー溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、２つの金属製母材の突き合わせ面（以下、突合面という）間にルートギャップを設けた状態で、各突合面間にレーザービームで溶融した溶融金属を供給しつつ溶接開始位置から溶接終了側に向けて順次連続して溶接するようにしたレーザー溶接方法に関するものである。
【０００２】
尚、本願のレーザー溶接方法は、２つの母材（主として板材）を平面状やＬ型やＴ型等に突き合わせた状態でその突合面同士を溶接するのに好適なものである。
【背景技術】
【０００３】
２つの母材（金属材）を溶接する手法としては各種のものがあるが、その中でも、レーザー溶接方法は、２つの母材の突合面同士を局所的に加熱して溶接できるので、熱影響部が少なく、且つきれいで堅固な溶接が行える手法である。
【０００４】
又、近年では、レーザー溶接機の高出力化により、母材同士の突合面幅（板厚さ）が比較的広幅（例えば２０mm幅程度）でも、その突合面同士をレーザービームで溶接可能になっている。
【０００５】
この種のレーザー溶接方法は、例えば図５に示すように、両母材１，２の突合面１１，２１部分（突合部）にレーザービームＲを照射して、その突合部の両側を所定小幅ずつ溶融させることで両突合面１１，２１を融接（溶融溶接の略）するものである。尚、図５のレーザー溶接例では、長尺の両板材（母材）１，２の長辺部同士を平面状に接合して行うものである。
【０００６】
レーザー溶接時に照射されるレーザービームＲの焦点部分は、一般に直径が１mm以下の極めて狭い範囲となっている。従って、溶接すべき突合部を溶融させるには、両突合面１１，２１を溶接すべき全長に亘ってギャップ（隙間）なしに突合させる（例えばＩ型継手にする）ことが望ましい。
【０００７】
ところで、両母材１，２の溶接すべき各突合面１１，１２の形状が相互に不揃いであると、両母材の突合面１１，２１を平行に維持した状態で突合させたときに、図５に鎖線図示するように両突合面１１′，１２′間にルートギャップＳができることがある。
【０００８】
そして、そのルートギャップＳの間隔がビーム径より大きいと（例えば２mm以上あると）、レーザービームＲが図６に矢印Ｒａで示すようにギャップＳ間を通り抜けて（所謂吹き抜け現象が起こる）溶接不能になる。
【０００９】
尚、２つの母材をＬ型に溶接する場合は、母材が板材であると該母材に反りが生じ易くなり、両母材の突合面を突合させたときにその突合部にルートギャップができ易くなる。又、母材にプレス加工（例えばＬ型折曲）を施したものでは、そのプレス加工によって溶接すべき箇所に加工公差が生じ易くなり、その場合も両母材の突合面を突合させたときにその突合部にルートギャップができ易くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、２つの母材１，２の突合面同士をレーザー溶接する場合に、上記のように両突合面１１，２１間にルートギャップＳ（例えば間隔が２mm以上）があると、そのギャップＳ部分をレーザービームＲが通り抜けてしまい（母材の突合面を溶融させにくい）、溶接不能（又は溶接不良）になるという問題がある。
【００１１】
従って、レーザー溶接では、両母材１，２の各溶接面（突合面）１１，２１を溶接すべき全長に亘ってギャップなしに突合するように機械加工（例えばＩ型継手に削り加工）しておくことが望まれるが、そのＩ型継手の機械加工は面倒であり、特に溶接を必要とする部分が長大な母材では、その各突合面１１，２１を全長に亘ってＩ型継手に機械加工（削り加工）するのは非常に難しく且つ多大の手間が必要であるという問題があった。
【００１２】
そこで、本願発明は、両母材の突合面同士を隙間なしに突合させるための機械加工（例えばＩ型継手に削り加工）をすることなく、換言すれば両母材の突合部に若干間隔のルートギャップがある状態でも、該ルートギャップ部分を比較的簡単な手法で良好に溶接し得るようにしたレーザー溶接方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願発明は、上記課題を解決するための手段として次の構成を有している。尚、本願発明は、２つの母材のルートギャップのある突合面をレーザービームにより溶接開始位置から溶接終了側に向けて順次連続して溶接するようにしたレーザー溶接方法を対象にしている。
【００１４】
レーザー溶接する際には、上記の「発明が解決しようとする課題」の項で説明したように、両母材の溶接すべき各突合面を隙間なしに突合させ得るように機械加工（例えばＩ型継手に削り加工）しておくことが望ましいが、特に両母材の溶接部分が非常に長い場合には、その溶接部全長に亘って各突合面を隙間なしに突合させるための機械加工をするのは非常に面倒である。
【００１５】
そこで、本願発明のレーザー溶接方法では、両母材の突合面同士を精密に同形（例えばＩ型継手）に削り加工することなく、２つの母材の各突合面間に若干間隔（例えば２mm程度の間隔）のルートギャップを設けた状態で行うものである。
【００１６】
［本願請求項１の発明］
本願請求項１の発明のレーザー溶接方法は、２つの母材の各突合面間にルートギャップを設けた状態で、各突合面間にレーザービームで溶融した溶融金属を供給しつつ溶接開始位置から溶接終了位置側に向けて順次連続して溶接するものであって、前記突合面を溶接するに当たって、該突合面を溶接開始位置から溶接終了位置に向かうに従って所定角度だけ下向きに傾斜させた状態で行うものである。尚、以下の説明では、突合面を下向きに傾斜させたことを「下降傾斜」ということがある。
【００１７】
レーザービームで溶融される溶融金属の元となる溶加材としては、一般的な溶接ワイヤーが使用できる。この溶加材は、ルートギャップのある開先部内に溶融金属を供給するためのものである。そして、この溶加材は、レーザー溶接の進行に伴って溶融される分ずつレーザービーム照射位置に送り込んでいくものである。
【００１８】
本願請求項１のレーザー溶接方法では、まず両母材の突合面間にルートギャップを設けた状態で、レーザービームの照射位置および溶加材の先端を溶接開始位置にセットし、そこからレーザー溶接を開始する。このとき、前記突合面を、溶接開始位置から溶接終了位置に向かうに従って所定角度だけ下降傾斜させた状態で行う。
【００１９】
そして、レーザー溶接を開始すると、レーザービームのエネルギー（熱）で溶加材が溶融されて前記突合面間に溶融溶加材（以下、これを溶融池ということがある）が供給されるが、このとき溶融池はレーザービーム照射位置の直前位置に供給されるようになる。その結果、レーザービームが該溶融池に照射することで、レーザービームのエネルギー（熱）が溶融池を介して両母材の突合面に伝導して該両突合面を溶融させるようになる。
【００２０】
ところで、レーザービーム照射位置の前後近傍にある金属は、熱の伝導により溶融する（溶融池となる）が、金属が溶融すると流動性が生じ且つ熱膨張することで体積が若干大きくなる性質を有している。
【００２１】
そして、本願のレーザー溶接方法では、突合面を溶接開始位置から溶接終了位置に向かうに従って所定角度だけ下降傾斜させた状態で行うので、レーザービーム照射位置が移動するのに先んじて溶融池がルートギャップに沿って順次下降傾斜側に流下していくこととなる。つまり、溶融池が重力によりルートギャップ部分を溶接進行側（下降傾斜側）に流動し易くなって、該溶融池がレーザービーム照射位置直前の開先部を順次埋めていくようになる。
【００２２】
このように、溶融池がレーザービーム照射位置直前の開先部を順次埋めていくと、レーザービームの通り抜けが阻止され（レーザービームが溶融池部分に確実に照射され）、該レーザービームのエネルギーにより溶融池を介してその溶接進行側近傍の母材両突合面を順次確実に溶融させることができる。従って、両母材の各突合面を高精度に同形（例えばＩ型継手）に削り加工しなくても、溶接部全長に亘って良好に融接することができる。
【００２３】
［本願請求項２の発明］
本願請求項２の発明は、上記請求項１のレーザー溶接方法において、両母材の突合面を下降傾斜させる角度を１５°〜４５°の範囲で行うようにしたものである。尚、突合面を下降傾斜させる角度を１５°未満とすると、溶融池が流下する速度が遅くなり過ぎてレーザービームに先んじることができにくくなって、レーザービームがルートギャップを通り抜けてしまうこととなる。他方、突合面を下降傾斜させる角度が４５°を超えると、溶融した溶加材（溶融池）の流下速度が速くなって該溶融池がレーザービーム照射位置から早く離れてしまい（溶融池が早く温度低下してしまう）、該溶融池による母材を溶融させる機能が低下して溶接の信頼性が劣るという問題があるほか、レーザービーム及び溶加材の移動操作が難しくなるとともに、作業性が極端に悪化するという問題もある。
【発明の効果】
【００２４】
［本願請求項１の発明の効果］
本願請求項１のレーザー溶接方法は、２つの母材の各突合面間にルートギャップを設けた状態で、各突合面間にレーザービームで溶融した溶加金属を供給しつつ溶接開始位置から溶接終了位置側に向けて順次連続して溶接するに当たって、突合面を溶接開始位置から溶接終了位置に向かうに従って所定角度だけ下降傾斜させた状態で行うものである。
【００２５】
このように、溶接進行側を下降傾斜させた状態でレーザー溶接を行うと、上記のように溶融池がレーザービーム照射位置直前の開先部に流下し易くなり、該溶融池がルートギャップ部分を順次確実に埋めていくようになる。
【００２６】
従って、本願請求項１のレーザー溶接方法では、両母材の突合面を溶接開始位置から溶接終了位置に向かうに従って所定角度だけ下降傾斜させるという簡単な手法で、従来困難とされていた長尺のルートギャップに対するレーザ溶接を連続して行えるとともに良好な溶接部を得ることができるという効果がある。
【００２７】
又、本願請求項１のレーザー溶接方法では、両母材の突合面間にルートギャップを設けた状態でレーザー溶接が行えるので、該各突合面の形状が多少不揃いであってもレーザー溶接可能であり、従って該各突合面を隙間なしに突合させるための機械加工（例えばＩ型継手のための削り加工）が不要となるという効果がある。
【００２８】
［本願請求項２の発明の効果］
本願請求項２のレーザー溶接方法は、上記請求項１において、突合面を下降傾斜させる角度を１５°〜４５°の範囲に設定した状態で溶接するようにしたものである。
【００２９】
ところで、突合面の下降傾斜角度を１５°未満とすると、溶融溶加材（溶融池）が流下する速度が遅くなり過ぎてレーザービームに先んじることができなくなり、レーザービームがルートギャップを通り抜けてしまうこととなる。他方、突合面を下降傾斜させる角度が４５°を超えると、溶融した溶加材（溶融池）の流下速度が速くなって該溶融池がレーザービーム照射位置から早く離れてしまい（溶融池が早く温度低下してしまう）、該溶融池による母材を溶融させる機能が低下して溶接の信頼性が劣るという問題があるほか、レーザービーム及び溶加材の移動操作が難しくなるとともに、作業性が極端に悪化するという問題もある。
【００３０】
従って、この請求項２のレーザー溶接方法では、上記請求項１の効果に加えて、溶融池の流下速度を適正に維持できるところから、レーザービームがルートギャップを通り抜けることなく、溶接開始位置から溶接終了位置まで適正な溶接を行うことが可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本願実施例のレーザー溶接方法を説明するための斜視図である。
【図２】図１のII−II拡大断面図である。
【図３】図１のIII−III拡大断面図である。
【図４】図３のIV−IV断面図である。
【図５】従来のレーザー溶接方法の説明図である。
【図６】図５の両母材の突合面間にルートギャップがある場合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
［実施例］
図１〜図４を参照して本願実施例のレーザー溶接方法を説明する。尚、この実施例（図１〜図４）は、本願請求項１と２に対応するものである。
【００３３】
図１には、それぞれ長尺板材からなる２つの母材１，２を平面状に並置してその各長辺部分をレーザー溶接する場合を示している。
【００３４】
ところで、本願のレーザー溶接方法に関する背景として、上記［背景技術］の項で説明した次のことがある。
【００３５】
即ち、図６に示すように、レーザー溶接時に照射されるレーザービームＲの焦点部分は、一般に直径が１mm以下の極めて狭い範囲となっており、２つの母材１，２をレーザー溶接する場合は、溶接すべき各突合面１１，２１を隙間なしに突合させるための機械加工（Ｉ型継手に削り加工）をしておくことが望ましいが、この各突合面１１，２１のＩ型継手加工は非常に面倒である。
【００３６】
そして、溶接すべき各突合面１１，２１が不揃いの状態で突き合わせたときには、その突合部にルートギャップＳができるが、突合部にルートギャップＳがあるままでレーザー溶接しようとすると、ギャップ部分をレーザービームが通り抜けるので溶接不能となる（図６の矢印Ｒａ参照）。
【００３７】
そこで、この実施例のレーザー溶接方法では、図１に示すように、溶接すべき両母材１，２をその各突合面１１，２１間に小間隔のルートギャップＳができる状態で並置し、２つの母材１，２の各突合面１１，２１間に、該突合面１１，２１に沿ってレーザービームＲで溶融した溶加材３（図３、図４の溶融池Ｂａとなる）を供給しつつ溶接開始位置から溶接終了位置側に向けて順次連続して溶接するものである。そして、この実施例のレーザー溶接方法では、溶接を開始するに当たって、前記突合面１１，２１を溶接開始位置から溶接終了位置に向かうに従って所定角度θ（図１、図３参照）だけ下向きに傾斜させた状態で行うようにしている。
【００３８】
ルートギャップＳの間隔は、２mm程度までが適当である。又、この実施例では、両母材１，２の各突合面１１，２１は、図２に拡大図示するように、上部側２／３の厚さ部分に若干角度（例えば２.５°）の傾斜面１１ａ，２１ａを設け、下部側１／３の厚さ部分を垂直面１１ｂ，２１ｂにしている。従って、両突合面１１，２１を相互に近接させた状態では、図２に示すように上部側に角度５°程度の開先部が形成されるようになる。
【００３９】
この実施例（図１〜図４）のレーザー溶接方法では、レーザービームＲの照射位置にシールドガス（図１及び図３の符号Ｇ）を噴出させるノズル４と、溶融池となる溶加材３とを使用している。
【００４０】
ノズル４から噴出されるシールドガスＧは、二酸化炭素やアルゴンガス等のガスであって高温になる溶接ビードＢの表面が酸化するのを防止するためのものである。
【００４１】
溶加材３としては、一般的な溶接ワイヤーが使用できる。この溶加材３は、後述するようにルートギャップＳの開先部内に溶融金属を供給するためのものである。そして、この溶加材３は、レーザー溶接の進行に伴って溶融される分ずつレーザービーム照射位置に送り込んでいく。
【００４２】
この実施例のレーザー溶接方法は、次のように行う。まず、図１に示すように、溶接すべき両母材１，２を、その各突合面１１，２１間に所定小間隔（例えば２mmの間隔）のルートギャップＳを設けた状態で相互に平行姿勢で且つ突合面１１，２１が所定角度θだけ下降傾斜した姿勢で位置保持する。尚、このときの下降傾斜角度θは、１５°〜４５°の範囲が適当である。
【００４３】
この状態で、レーザービーム照射装置から照射されるレーザービームＲが溶接開始位置に照射されるようにセットする一方、該レーザービームＲの進行経路及び進行スピード等を指定する。尚、レーザービームＲの進行経路は、突合面１１，２１の下降傾斜角度θ（図１、図３参照）と平行になるように設定される。
【００４４】
又、溶加材３は、その先端部がレーザービーム照射位置の直下近傍に位置するようにセットする。尚、この溶加材３は、レーザービームの進行とともに溶接終了側に移動させるが、消耗する長さずつ順次送り出すようにしている。
【００４５】
これらのセット完了後、レーザー溶接作業をスタートさせると、図３及び図４に示すように、レーザービームＲのエネルギー（熱）で溶加材３を順次溶融させていくが、その溶融金属は突合面１１，２１間に供給されてレーザービーム照射位置の直前位置において溶融池Ｂａを形成する（ギャップ部分を塞ぐ）ようになる。すると、進行しているレーザービームＲが確実に溶融池Ｂａに照射することで、レーザービームＲのエネルギー（熱）が溶融池Ｂａを介して両母材１，２の突合面１１，２１に伝導して該両突合面１１，２１を所定幅だけ溶融させるようになる（図４の溶融池Ｂｂ，Ｂｂ参照）。
【００４６】
ところで、レーザービーム照射位置の前後近傍位置にある金属は、熱の伝導により溶融している（溶融池Ｂとなる）が、金属が溶融すると流動性が生じ且つ熱膨張することで体積が大きくなる。又、このとき、溶融池Ｂはギャップ内で表面張力が働いているので、該溶融池Ｂが該ギャップから下方に流れ落ちることはない。
【００４７】
そして、レーザービーム照射装置（レーザービームＲ）は、図３の矢印方向に移動していくが、そのとき図１及び図３に示すように突合面１１，２１を所定角度θだけ溶接進行側に向かって下降傾斜させた状態で行うので、溶融池ＢａはレーザービームＲに先んじて下降傾斜側（図３の矢印Ａ側）に流れるようになる。つまり、溶融池Ｂａが重力によりルートギャップ部分を溶接進行側（図３の矢印Ａ側）に流動し易くなって、該溶融池Ｂａがレーザービーム照射位置直前の開先部を順次埋めていくようになる。
【００４８】
このように、溶融池Ｂａがレーザービーム照射位置直前の開先部を順次埋めていくと、レーザービームＲの通り抜けが阻止され（レーザービームが溶融池Ｂａ部分に確実に照射され）、該レーザービームＲのエネルギーが該溶融池Ｂａを介してその溶接進行側近傍の母材両突合面１１，２１を順次確実に溶融させることができる。従って、両母材１，２の各突合面１１，２１を高精度に同形（例えばＩ型継手）に機械加工しなくても、溶接部全長に亘って良好に融接することができる。
【００４９】
上記のように、本願実施例のレーザー溶接方法では、突合面１１，２１を、溶接開始位置から溶接終了位置に向かうに従って所定角度θ（１５°〜４５°）だけ下向きに傾斜させるという簡単な手法で、従来困難とされていた長尺のルートギャップＳに対するレーザ溶接を連続して行えるとともに良好な溶接部を得ることができるという効果がある。
【００５０】
又、該突合面１１，２１の下降傾斜角度θを１５°〜４５°の範囲に設定すると、ルートギャップ部分を流下する溶融溶加材（溶融池Ｂａ）の流下速度を適正に維持でき、該溶融池Ｂａをレーザービーム照射位置直前の開先部に効率よく埋めていくことができる。
【００５１】
尚、上記実施例では、両母材１，２を平面状に溶接する場合のものであるが、本願のレーザー溶接方法は、両母材をＬ型に溶接する場合や、両母材をＴ型に溶接する場合にも適用できることは勿論である。
【符号の説明】
【００５２】
１，２は母材、３は溶加材、１１，２１は突合面、Ｂ，Ｂａ，Ｂｂは溶接ビード、Ｇはシールドガス、Ｒはレーザービーム、Ｓはルートギャップ、θは所定角度である。
【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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【図６】
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