(57)【要約】【課題】安価かつ簡便に深溶け込みを得ることができるレーザ溶接方法を提供し、より具体的には、溶融部へのガス供給のみによって効果的に溶け込み深さを増加させることができるレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】被接合材にレーザ光を照射してキーホールを形成しつつ、シールドガスを用いて溶融部及びその周辺を保護するレーザ溶接方法において、シールドガスの供給圧力を周期的に変動させること、を特徴とするレーザ溶接方法。シールドガス供給圧力の変動周波数は１〜４５Ｈｚとすることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合材にレーザ光を照射してキーホールを形成しつつ、シールドガスを用いて溶融部及びその周辺を保護するレーザ溶接方法において、
前記シールドガスの供給圧力を周期的に変動させること、
を特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記供給圧力の変動周波数を１〜４５Ｈｚとすること、
を特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記シールドガスの最大供給流速を２１２ｍ／秒とすること、
を特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記シールドガスを前記レーザ光の光軸に対して鋭角方向から供給すること、
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
【請求項５】
溶接速度を０．３〜２．０ｍ／分とすること、
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
【請求項６】
前記レーザ光の出力を１０〜１００ｋＷとすること、
を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
【請求項７】
前記シールドガスに加えて、前記供給圧力が略一定の第２シールドガスを用い、
前記レーザ光の前記光軸と略同軸となるように、前記第２シールドガスを前記溶融部及びその周辺に供給すること、
を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギ密度のビームを集中させるレーザ溶接は、アーク溶接と比較して深溶け込みが得られやすい。また、比較的小さな入熱量で深溶け込みが得られるため、被溶接材の変形量が小さく、被溶接材に与える熱影響も小さくなる。このような種々の利点を有するレーザ溶接は、造船や自動車に代表される各種構造物の製造現場における利用が急速に拡大している。
【０００３】
このような状況下において、近年、レーザ溶接を用いた厚板溶接に関する種々の検討がなされている。ここで、溶け込み深さを増加させるための最も直接的なアプローチはレーザ出力の増大であるが、装置が高額になることに加えてヒュームやスパッタ等によるレーザ光透過窓の汚染が問題となる。
【０００４】
これに対し、比較的低コストで導入可能なシールドガスに着目したレーザ溶接方法も検討されている。例えば、特許文献１（特開２００９−１６６０８０号公報）においては、レーザ光のレーザ照射部に形成されたキーホールの開口部に、細径ノズルを用いて、シールドガスとは別にガスを吹き付け、キーホールの開口部及びその近傍を押し下げながら溶接を行うこと、を特徴とするレーザ溶接方法が提案されている。
【０００５】
上記特許文献１に記載のレーザ溶接方法においては、シールドガスとは別のガスを吹き付けることによってキーホールの開口部及びその近傍を押し下げながら溶接を行うことができるため、レーザ単独照射においても、より深い溶け込みが得られ安定した溶接が可能となる、としている。
【０００６】
また、特許文献２（特開平１０−３２３７９１号公報）においては、センターガス吹き出し口がレーザビーム光軸を中心とする円周上にあるとともにレーザビーム光軸に関し対称に配置された複数のセンターノズルと、サイドガス吹出し口が前記円周より外側に位置する１個のサイドノズルとを備え、センターガス合成点がレーザビームの集光点より上方に位置し、前記サイドノズル軸線とレーザビーム光軸との交点が前記センターガス合成点とレーザビームの集光点との間に位置する熱間圧延鋼片の突合せ溶接用レーザ溶接ノズルが提案されている。
【０００７】
上記特許文献２に記載のレーザ溶接ノズルにおいては、熱間圧延鋼片に到達するレーザビームのエネルギ密度が増大し、かつ一定となることから、レーザエネルギ効率が向上し、溶融深さと溶融幅とが増加して、安定な接合部を形成することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１６６０８０号公報
【特許文献２】特開平１０−３２３７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１に記載のレーザ溶接方法を用いて得られる溶け込み深さの増加は十分とは言い難く、ガスフローの効果を十分に活用できていない。また、上記特許文献２に記載の突合せ溶接用レーザ溶接ノズルの主な効果は溶融部形状の安定化であり、溶け込み深さの増加に関しては不十分である。
【００１０】
以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、安価かつ簡便に深溶け込みを得ることができるレーザ溶接方法を提供することにあり、より具体的には、溶融部へのガス供給のみによって効果的に溶け込み深さを増加させることができるレーザ溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は上記目的を達成すべく、レーザ溶接方法について鋭意研究を重ねた結果、溶融部に対するシールドガスの供給圧力を周期的に変動させること等が極めて効果的であることを見出し、本発明に到達した。
【００１２】
即ち、本発明は、
被接合材にレーザ光を照射してキーホールを形成しつつ、シールドガスを用いて溶融部及びその周辺を保護するレーザ溶接方法において、
前記シールドガスの供給圧力を周期的に変動させること、
を特徴とするレーザ溶接方法、を提供する。
【００１３】
供給圧力を周期的に変動させたシールドガスによってレーザ溶融部の溶け込み深さが増加する理由は必ずしも明らかになっていないが、パルス状のシールドガスによってキーホールの開口部及びその近傍が押し下げられ、当該圧力がキーホールの底部にまで効率的に伝達される結果、深溶け込みが達成されるものと思われる。
【００１４】
本発明のレーザ溶接方法においては、前記供給圧力の変動周波数を１〜４５Ｈｚとすること、が好ましい。変動周波数を１Ｈｚ以上とすることで、シールドガスを十分にパルス化させることができる。また、変動周波数を４５Ｈｚ以下とすることで、キーホールの開口部及びその近傍を押し下げるために必要な圧力及び圧力印加時間を１パルス当たりのシールドガスに付与することができる。
【００１５】
また、本発明のレーザ溶接方法においては、前記シールドガスの最大供給流速を２１２ｍ／秒とすること、が好ましい。シールドガスの供給流速を２１２ｍ／秒以下とすることで溶接欠陥の形成等を抑制することができ、安定したレーザ溶接を行うことができる。
【００１６】
また、本発明のレーザ溶接方法においては、前記シールドガスを前記レーザ光の光軸に対して鋭角方向から供給すること、が好ましい。シールドガスをレーザ光の光軸に対して鋭角方向から供給することで、当該シールドガスによる圧力をキーホールの開口部及びその近傍に効率的に印加することができる。
【００１７】
ここで、レーザ光の光軸に対するシールドガス供給角度は３０〜７０°とすることがより好ましく、４０〜６０°とすることが最も好ましい。当該角度を４０°以上とすることで当該シールドガスによる圧力がキーホール開口部近傍の溶融池に干渉しにくく融合不良を抑制することができ、６０°以下とすることでキーホール開口部へ効率的に印加し深溶込みを実現することができる。
【００１８】
また、本発明のレーザ溶接方法においては、溶接速度を０．３〜２．０ｍ／分とすること、が好ましい。溶接速度を０．３ｍ／分以上とすることで、実施工で要求される加工速度に対応することができ、２．０ｍ／分以下とすることで、被接合材の溶融量を十分に確保することができる。
【００１９】
また、本発明のレーザ溶接方法においては、前記レーザ光の出力を１０〜１００ｋＷとすること、が好ましい。レーザ光の出力を１０ｋＷ以上とすることで被接合材の溶融量や基本的なキーホールの深さを十分に確保することができる。また、レーザ光の出力を１００ｋＷ以下とすることで、現状存在する産業利用可能なレーザ発振機を用いて溶接を行うことができる。
【００２０】
更に、本発明のレーザ溶接方法においては、前記シールドガスに加えて、前記供給圧力が略一定の第２シールドガスを用い、前記レーザ光の前記光軸と略同軸となるように、前記第２シールドガスを前記溶融部及びその周辺に供給すること、が好ましい。
【００２１】
供給圧力が略一定の第２シールドガスを用い、レーザ光の光軸と略同軸となるように第２シールドガスを溶融部及びその周辺に供給することで、シールドガスの通常の目的（溶接部の大気からの遮断）は当該第2シールドガスによって達成することができる。その結果、供給圧力を周期的に変動させたシールドガスは溶け込み深さの増加のみを目的として供給条件等を最適化することができる。
【００２２】
なお、本発明の溶接方法に用いるレーザは、本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々のレーザを用いることができ、例えば、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ等を使用することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の溶接方法によれば、安価かつ簡便に深溶け込みを得ることができるレーザ溶接方法を提供することができ、より具体的には、溶融部へのガス供給のみによって効果的に溶け込み深さを増加させることができるレーザ溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のレーザ溶接方法の一例を示す模式図である。
【図２】実施例１で得られた溶接部の断面マクロ写真である。
【図３】実施例２で得られた溶接部の断面マクロ写真である。
【図４】実施例３で得られた溶接部の断面マクロ写真である。
【図５】比較例１で得られた溶接部の断面マクロ写真である。
【図６】比較例２で得られた溶接部の断面マクロ写真である。
【図７】比較例３で得られた溶接部の断面マクロ写真である。
【図８】比較例４で得られた溶接部の断面マクロ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら本発明のレーザ溶接方法の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。
【００２６】
図１は、本発明のレーザ溶接方法の一例を示す模式図である。本発明のレーザ溶接方法においては、レーザ発振器（図示せず）から発振されたレーザ光２を被接合材４の表面近傍に集光させ、キーホール６を形成させる。レーザは本発明の効果を損なわない範囲で従来公知の種々のレーザを用いることができ、例えば、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザ等を使用することができる。ここで、キーホール６の周囲には溶融部８が形成されるが、キーホール６及び溶融部８に対して供給圧力を周期的に変動させたシールドガス１０をシールドガスノズル１２より供給することで、効率的に深溶け込みを達成することができる。
【００２７】
シールドガスノズル１２の穴径はキーホール６及び溶融部８のサイズ及びガス流量等に応じて適宜設定すればよいが、例えば、φ０．５ｍｍ〜φ５．０ｍｍとすることが好ましく、φ１．０ｍｍ〜φ３．０ｍｍとすることがより好ましい。シールドガスノズル１２の穴径をφ１．０ｍｍ以上とすることでキーホール６及び溶融部８の十分な領域にシールドガス１０を供給することができ、φ３．０ｍｍ以下とすることで、無駄なシールドガスの消費を抑制することができる。
【００２８】
上述の通り、供給圧力を周期的に変動させたシールドガス１０によって溶け込み深さが増加する理由は必ずしも明らかになっていないが、パルス状のシールドガス１０によってキーホール６の開口部及び溶融部８が押し下げられ、当該圧力がキーホール６及び溶融部８の底部にまで効率的に伝達される結果、深溶け込みが達成されるものと思われる。
【００２９】
シールドガス１０の供給圧力は変動周波数を１〜４５Ｈｚとすること、が好ましい。変動周波数を１Ｈｚ以上とすることで、シールドガス１０を十分にパルス化させることができる。また、変動周波数を４５Ｈｚ以下とすることで、キーホール６の開口部及び溶融部８を押し下げるために必要な圧力及び圧力印加時間を１パルス当たりのシールドガス１０に付与することができる。
【００３０】
また、シールドガス１０の最大供給流速は２１２ｍ／秒とすること、が好ましい。シールドガス１０の供給流速を２１２ｍ／秒以下とすることで溶接欠陥の形成等を抑制することができ、安定したレーザ溶接を行うことができる。
【００３１】
また、シールドガス１０はレーザ光２の光軸に対して鋭角方向から供給すること、が好ましい。シールドガス１０をレーザ光２の光軸に対して鋭角方向から供給することで、シールドガス１０による圧力をキーホール６の開口部及び溶融部８に効率的に印加することができる。
【００３２】
レーザ光２の光軸に対するシールドガス１０の供給角度θは３０〜７０°とすることがより好ましく、４０〜６０°とすることが最も好ましい。供給角度θを４０°以上とすることで当該シールドガスによる圧力がキーホール開口部近傍の溶融池に干渉しにくく融合不良を抑制することができ、６０°以下とすることでキーホール開口部へ効率的に印加し深溶込みを実現することができる。
【００３３】
また、溶接速度は０．３〜２．０ｍ／分とすること、が好ましい。溶接速度を０．３ｍ／分以上とすることで、実施工で要求される加工速度に対応することができ、２．０ｍ／分以下とすることで、被接合材の溶融量を十分に確保することができる。
【００３４】
また、レーザ光２の出力は１０〜１００ｋＷとすること、が好ましい。レーザ光２の出力を１０ｋＷ以上とすることで被接合材２の溶融量や基本的なキーホール６の深さを十分に確保することができる。また、レーザ光２の出力を１００ｋＷ以下とすることで、現状存在する産業利用可能なレーザ発振機を用いて溶接を行うことができる。
【００３５】
更に、シールドガス１０に加えて、供給圧力が略一定の第２シールドガス１４を用い、レーザ光２の光軸と略同軸となるように、第２シールドガス１４を溶融部８及びその周辺に供給すること、が好ましい。
【００３６】
供給圧力が略一定の第２シールドガス１４を用い、レーザ光２の光軸と略同軸となるように第２シールドガス１４を溶融部８及びその周辺に供給することで、シールドガスの通常の目的（溶接部の大気からの遮断）は第2シールドガス１４によって達成することができる。その結果、供給圧力を周期的に変動させたシールドガス１０は深溶け込みのみを目的として供給条件等を最適化することができる。
【００３７】
シールドガス１０及び第２シールドガス１４として用いるガスは本発明の効果を損なわない限りにおいて制限されず、従来周知の種々のシールドガスを用いることができ、例えば、アルゴン、ヘリウム及び窒素等の不活性ガスやこれらの混合ガスを用いることができる。
【００３８】
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【００３９】
≪実施例１≫
供試材を厚さ７０×幅５０×長さ１５０ｍｍのステンレス鋼板とし、ファイバーレーザ（ファイバー径：０．５ｍｍ，ビーム集光スポット径：１ｍｍ）を用いてビードオンプレートにて溶接を行った。
【００４０】
レーザ出力：５０ｋＷ、溶接速度：０．３ｍ／分、レーザ焦点：ステンレス鋼板表面（ジャストフォーカス）とし、レーザ光の照射軸に対して４５°の角度から供給圧力を１５Ｈｚで周期的に変化させた（パルス化させた）窒素ガスをシールドガスとして溶融部に供給した。なお、当該シールドガスの流速は１０６ｍ／秒とし、シールドガスノズル先端からレーザ光照射部までの距離は１０ｍｍとした。得られた溶接部の断面マクロ写真を図２に示す。溶け込み深さは５０ｍｍであった。
【００４１】
≪実施例２≫
レーザ光の照射軸に対するシールドガスの供給角度を５５°としたこと以外は実施例１と同様にして、溶接部を得た。得られた溶接部の断面マクロ写真を図３に示す。溶け込み深さは５７ｍｍであった。
【００４２】
≪実施例３≫
レーザ光の照射軸に対するシールドガスの供給角度を５５°とし、シールドガスのパルス周期を４５Ｈｚとしたこと以外は実施例１と同様にして、溶接部を得た。得られた溶接部の断面マクロ写真を図４に示す。溶け込み深さは４９ｍｍであった。
【００４３】
≪比較例１≫
シールドガスを供給しなかったこと以外は実施例１と同様にして、溶接部を得た。得られた溶接部の断面マクロ写真を図５に示す。溶け込み深さは４１ｍｍであった。
【００４４】
≪比較例２≫
シールドガスをパルス化せず連続供給したこと以外は実施例１と同様にして、溶接部を得た。得られた溶接部の断面マクロ写真を図６に示す。溶け込み深さは４３ｍｍであった。
【００４５】
≪比較例３≫
シールドガスをパルス化せず連続供給し、流速を５３ｍ／秒としたこと以外は実施例１と同様にして、溶接部を得た。得られた溶接部の断面マクロ写真を図７に示す。溶け込み深さは４２ｍｍであった。
【００４６】
≪比較例４≫
シールドガスをパルス化せず連続供給し、流速を２１２ｍ／秒としたこと以外は実施例１と同様にして、溶接部を得た。得られた溶接部の断面マクロ写真を図８に示す。溶接部に大きな欠陥が形成されており、溶け込み深さの評価を行うことができなかった。
【００４７】
比較例１〜比較例４の比較により、シールドガスを連続供給する場合の溶け込み深さはシールドガスを用いない場合とほぼ同様である。加えて、シールドガスの流速を増加させても溶け込み深さに大きな変化は認められない（流速を増加させ過ぎると欠陥が形成される）。当該結果は、シールドガスを連続供給する場合は種々条件を最適化しても溶け込み深さを増加させることができないことを示している。
【００４８】
これに対し、シールドガスをパルス化することにより、顕著な溶け込み深さの増加が認められる（実施例１〜実施例３）。シールドガスのパルス化の有無のみが異なる実施例１と比較例２とを比較すると、シールドガスをパルス化することで溶け込み深さが７ｍｍ増加しており、シールドガスの供給角度を５５°とすることで、溶け込み深さが更に７ｍｍ増加している（実施例２）。
【符号の説明】
【００４９】
２・・・レーザ光、
４・・・被接合材、
６・・・キーホール、
８・・・溶融部、
１０・・・シールドガス、
１２・・・シールドガスノズル、
１４・・・第２シールドガス。
【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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