(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラーワイヤを送給しながらレーザ光を金属材料に照射して上記材料を溶接するレーザ溶接方法において、
上記金属材料の溶接部の終端付近でフィラーワイヤの送給速度を徐々に減少させた後に上記送給を停止させ、上記フィラーワイヤの送給速度の減少開始とほぼ同時に、上記フィラーワイヤ及びレーザ光の焦点位置を共に、上記溶接部から徐々に所定の距離だけ離間させた後にレーザ光の照射を停止させることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
フィラーワイヤを送給しながらレーザ光を金属材料に照射して上記材料を溶接するレーザ溶接方法において、
上記金属材料の溶接部の終端付近で溶接速度及びフィラーワイヤの送給速度を徐々に減少させた後に上記溶接及び上記送給を停止させ、上記フィラーワイヤの送給速度の減少開始とほぼ同時に、上記フィラーワイヤ及びレーザ光の焦点位置を共に、上記溶接部から徐々に所定の距離だけ離間させた後にレーザ光の照射を停止させることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項３】
フィラーワイヤを送給しながらレーザ光を金属材料に照射して上記材料を溶接するレーザ溶接方法において、
上記金属材料の溶接部の終端付近で上記溶接部の単位長さあたり溶着量が一定となるように、溶接速度及びフィラーワイヤの送給速度を徐々に減少させた後に上記溶接及び上記送給を停止させ、上記フィラーワイヤの送給速度の減少開始とほぼ同時に、上記フィラーワイヤ及びレーザ光の焦点位置を共に、上記溶接部から徐々に所定の距離だけ離間させた後にレーザ光の照射を停止させ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、レーザ溶接方法に関わり、特に、溶接部分の終端部における処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ溶接において、溶接部の終端部にてレーザ光の照射を急激に停止すると、溶接部におけるキーホールを溶融金属が理める前に、この溶融金属が、冷却凝固するため、クレータが発生してしまう。このクレータは、その中央部に不純物が多く含まれているため、さらに、その形状から、割れの要因となり溶接後の製品の品質に悪影響を及ぼすものである。
【０００３】
従来の技術における、レーザ溶接部の終端部での上記クレーター処理の一例としては、特開昭５５−１１４４９０号公報に記載された、レーザ光の焦点位置を溶接部から移動させることにより、ワーク表面でのパワー密度を下げる方法がある。
【０００４】
また、クレータ処理の他の例としては、特開昭６０−２１６９８７号公報に記載されているように、レーザー光の焦点位置を移動するとともにパワーを減少させることにより、溶接部で形成されているキーホールのサイズを徐々に小さくする方法がある。
【０００５】
また、フィラーワイヤを用いたレーザー溶接の終端部におけるクレータの処理の一例としては、特開昭６２−２１４８３号公報に記載されたものがある。この公報記載の技術は、溶接終端部において、フィラーワイヤの送給とワークの移動を停止後、レーザ光の照射をある一定時間行い、終端部周辺の母材からの溶け込みを良好とした後に、レーザ光の照射を停止し、クレータの発生を防止しようとするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、フィラーワイヤを送給しながらレーザ溶接する方法の場合、上記特開昭５５−１１４４９０号公報に記載されているような焦点位置を移動させる方法のみでクレータを処理しようとした場合、図６に示すようなハンピングした不整なビード１６が発生する。
これは、以下のような理由による。
【０００７】
つまり、通常、フィラーワイヤを送給しながらのレーザ溶接の場合、図７に示すように、レーザ光３が加工ワーク８に照射される位置にフィラーワイヤ１５が送給され、レーザ光３およびワーク８付近で発生するプラズマ１８の熱により溶融される。そして、溶融された金属１７はレーザ光３により形成された溶融プールに定常的に流れこみ、ビード１６を形成する。
【０００８】
これに対して、レーザ光３の焦点位置をワーク８の上方にフィラーワイヤ１５と一緒に移動させた場合、フィラーワイヤ１５の溶融金属１７は図８、図９に示すように溶融した大きな溶滴を形成した後、ワーク８に滴下する移行となるため、単位長さあたりに溶着する金属量が一定とならずハンピングしたようなビード１６となる。
【０００９】
なお、図８に示した状態は、フィラーワイヤ１５の送給速度が、比較的に遅い場合に焦点位置をワーク８の上方に移動させた状態であり、一つの大きな溶融金属１７の溶滴が形成されている。また、図９に示した状態は、フィラーワイヤ１５の送給速度が、比較的に速い場合に焦点位置をワーク８の上方に移動させた状態であり、複数の小さな溶融金属１７の溶滴が形成されている。
【００１０】
また、特開昭６０−２１６９８７の号公報に記載された技術のように、レーザ光の焦点位置の移動及びパワーを減少させる方法の場合、終端部分において、フィラーワイヤ１５を溶融するだけのレーザパワーが得られず、図１０に示すように、フィラーワイヤ１５がワーク８上に溶け残ったり、フィラー１５とワーク８が固着した状態で終了してしまう場合がある。この状態のままでワーク８を移動した場合には、溶接ヘッドや、フィラー送給装置を損傷するという事態が発生可能性がある。
【００１１】
また、特開昭６２−２１４８３号公報に記載された技術のように、溶接終端部において、フィラー送給とワークの移動とを停止後、レーザの照射をある一定時間行い、その後レーザを停止する方法の場合は、上記特開昭６０−２１６９８７号公報記載の技術のようなフィラーワイヤの溶け残りの発生は防止することはできる。
【００１２】
しかしながら、上記特開昭６２−２１４８３号公報に記載された技術は、接終端部に一定時間レーザ光を照射するため、終端部での入熱が過多の状態となる。さらに、レーザ光の照射パワーも急激に止めてしまう方法のため、クレータが残る可能性がある。また、フィラーワイヤが溶融プール付近にあるため、ワークとフィラーワイヤとが固着する事態が発生する可能性もある。
【００１３】
本発明の目的は、フィラーワイヤを送給しながらレーザ溶接する方法において、溶接部の終端部で、ビードのハンピングを抑制し、ワイヤーの溶け残りや、溶接終了後のワークとワイヤとの固着を防止し、終端部における溶接品質を向上可能なレーザ溶接方法を実現することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
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）フィラーワイヤを送給しながらレーザ光を金属材料に照射して上記材料を溶接するレーザ溶接方法において、上記金属材料の溶接部の終端付近でフィラーワイヤの送給速度を徐々に減少させた後に上記送給を停止させ、上記フィラーワイヤーの送給速度の減少開始とほぼ同時に、上記レーザ光の焦点位置と上記溶接部とを徐々に所定の距離だけ離間させた後にレーザ光の照射を停止させる。
【００１５】
（２）フィラーワイヤを送給しながらレーザ光を金属材料に照射して上記材料を溶接するレーザ溶接方法において、上記金属材料の溶接部の終端付近で溶接速度及びフィラーワイヤの送給速度を徐々に減少させた後に上記溶接及び上記送給を停止させ、上記フィラーワイヤーの送給速度の減少開始とほぼ同時に、上記レーザ光の焦点位置と上記溶接部とを徐々に所定の距離だけ離間させた後にレーザ光の照射を停止させる。
【００１６】
（３）フィラーワイヤを送給しながらレーザ光を金属材料に照射して上記材料を溶接するレーザ溶接方法において、上記金属材料の溶接部の終端付近で上記溶接部の単位長さあたり溶着量が一定となるように、溶接速度及びフィラーワイヤの送給速度を徐々に減少させた後に上記溶接及び上記送給を停止させ、上記フィラーワイヤーの送給速度の減少開始とほぼ同時に、上記レーザ光の焦点位置と上記溶接部とを徐々に所定の距離だけ離間させた後にレーザ光の照射を停止させる。  溶接部の終端付近でフィラーワイヤの送給速度を徐々に減少して停止させ、同時に照射するレーザ光の焦点位置を金属材料の表面より徐々に移動させ照射を停止することにより、フィラーの溶滴の金属材料への移行がフィラーワイヤ送給速度の減少により、大きな溶滴での移行から細かな溶滴の移行となる。
【００１７】
これにより、終端部に形成されたキーホールをほぼ消失することができるとともに、余分な溶融金属の付着を防止して、高品質な終端処理を行うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるレーザ溶接方法を実施するレーザ溶接装置の概略構成図である。
【００１９】
図１におけるレーザ溶接装置は、レーザ光３を発振するレーザ発振器１と、このレーザ発振器１からのレーザ発振のために必要な電力を供給するレーザ用電源部２とを備える。
【００２０】
上記レーザ発振器１から発振したレーザ光３は、２つの伝送用ミラー（ベンディングミラー）４により加工ヘッド６内の放物面鏡５に誘導され、この放物面鏡５により反射されたレーザ光３はワーク８の表面に集光され、照射される。
【００２１】
上記ワーク８は、テーブル１０上にワーク固定治具９により固定されており、上記テーブル１０はコントローラ１１により、その移動動作が制御される。また、コントローラ１１はレーザ発振器１およびレーザ用電源部２のコントロールもおこなう。
【００２２】
また、加工ヘッド６は図示しないＺ軸に固定されており、図１の上下方向へ移動をすることが可能であり、その動作は上記コントローラ１１により制御される。
【００２３】
また、放物面鏡５が収容されている加工ヘッド６には、フィラー送給用のトーチ１２が取り付けられている。そして、このフィラー送給用のトーチ１２には、フィラー送給装置１３から、コントローラ１１により制御されるモータ１４によりフィラーワイヤ１５が送給される仕組みと成っている。
【００２４】
また、レーザ光３がワーク８に照射する付近にシールドガスを吹き付けるためのノズル７が配置されている。このシールドガス噴射ノズル７は、シールドガスとしてアルゴン、ヘリウム、窒素等を加工ワーク８に噴射する。
【００２５】
上述したように構成されたレーザ溶接装置により、ワーク８にレーザ光３を集光して、照射し、テーブル１０によりワーク８を移動させて、このワーク８の溶接を行う。
【００２６】
本発明の一実施形態では、溶接部の終端付近までは一定の溶接条件でレーザ溶接を行い。その後、本発明の特徴とする、後述するような終端処理を行った。
つまり、本発明の一実施形態における終端処理は、終端部において、フィラー送給速度を図２に示すように、減速して、フィラーの送給を停止する。このフィラーの送給の減速と同時に、レーザ溶接装置のＺ軸を図３に示すように上昇させ、ワーク８に対してレーザ光３の焦点位置を上方に移動させ、ワーク８に照射するレーザ光３のパワー密度を減少させる。このとき、フィラー送給用トーチ１２もレーザ光３の焦点位置とともに、ワーク８の上方に移動する。
【００２７】
なお、図２の縦軸は、フィラー送給速度ＶFを示し、横軸は時間を示す。また、図３の縦軸は、レーザ光３の焦点位置を示し、横軸は時間を示す。
【００２８】
そして、５ｋＷの炭酸ガスレーザを用いた場合を一例とすれば、例えば、溶接中のフィラー送給速度を２ｍ／分としたとき、フィラー送給の停止は、送給速度の減速を開始してから２秒後に停止させる。
【００２９】
また、例えば、径が２００ｍｍの集光ミラーを用いた場合、レーザ光の焦点位置を２秒間で１０ｍｍ程度（図３のＰ１からＰ２までの距離）上昇させる。
【００３０】
これらフィラー送給速度の制御、レーザ光の焦点位置の移動制御は、コントローラ１１により行われれる。
【００３１】
以上のように、本発明の一実施形態によれば、レーザ溶接の終端部において、フィラー送給速度を徐々に減少して零とするとともに、フィラー送給速度の減少開始と同時に、レーザ光の焦点位置を徐々に終端部から離間させることにより、終端部におけるキーホールの容積の減少に伴って、溶融金属の量を減少させることができ、キーホールをほぼ消失するとともに、余分な溶融金属の付着を防止して、高品質な終端処理を行うことができる。
【００３２】
つまり、フィラーワイヤ１５は、送給速度が徐々に減少するため、従来技術のように、フィラーの大きな溶滴を形成し、これが、ワーク８に移行する現象の発生を防止でき、徐々に細かい粒となってワーク８に移行するため、ハンピング状態のビートと成らずに高品質の終端処理が行える。
【００３３】
また、ディフォーカス、つまり、レーザ光３の焦点位置をワーク８から離間する際に、同時にフィラー送給用トーチ１２も一緒に上方に移動するため、フィラーワイヤーがワーク８に固着する問題も発生せずに良好なクレータ処理（終端処理）を行うことができる。
【００３４】
なお、好ましくは、図４（縦軸は溶接速度、横軸は時間を表す）に示すように、溶接速度ＶLを終端部近辺で徐々に減少させることで、終端処理部での単位長さあたりの溶着量をほぼ一定とし、溶着量が急激に減少することを緩和することが望ましい。
【００３５】
さらに、好ましくは、図５に示すように、クレータ処理前の条件から溶接速度ＶLとフィラー送給速度ＶFとをともに制御し、単位長さあたりの溶着量が一定となるように、溶接速度ＶLとフィラー送給速度ＶFとをほぼ比例させて、減少させることが望ましい。このようにすれば、より高品質な終端処理を行うことができる。
【００３６】
なお、上述した例においては、レーザ光３の焦点位置をワーク８の終端部から上方へ移動するように構成したが、レーザ光３の焦点位置は、ワーク８の週終端部から離間する方向に移動するのであれば、移動方向は、上方に限らず、下方向横方向等であってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ溶接の終端部において、フィラー送給速度を徐々に減少して零とするとともに、フィラー送給速度の減少開始と同時に、レーザ光の焦点位置を徐々に終端部から離間させることにより、終端部におけるキーホールの容積の減少に伴って、溶融金属の量を減少させるように構成される。
【００３８】
したがって、フィラーワイヤを送給しながらレーザ溶接する方法において、溶接部の終端部で、ビードのハンピングを抑制し、ワイヤーの溶け残りや、溶接終了後のワークとワイヤとの固着を防止し、終端部における溶接品質を向上可能なレーザ溶接方法を実現することができる。
【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を実施するレーザ溶接装置の概略構成図である。
【図２】溶接部の終端部付近におけるフィラー送給速度の変化を示すグラフである。
【図３】溶接部の終端部付近におけるレーザ光の焦点位置の変化を示すグラフである。
【図４】溶接部の終端部付近における溶接速度の変化を示すグラフである。
【図５】溶接部の終端部付近におけるフィラー送給速度と溶接速度との関係を示すグラフである。
【図６】従来の技術において、ハンピングした不整なビードを示す図である。
【図７】フィラーワイヤを送給しながらのレーザ溶接の状態を説明する図である。
【図８】フィラーワイヤ送給速度が速い場合で、フィラーワイヤ送給位置をワークより上方に移動させた場合のフィラー先端にできた大きな溶滴の様子を示す図である。
【図９】フィラーワイヤ送給速度が遅い場合で、フィラーワイヤ送給位置をワークより上方に移動させた場合のフィラー先端にできた大きな溶滴の様子を示す図である。
【図１０】フィラーワイヤの溶け残りと、フィラーワイヤとワークとの固着を示す図である。
【符号の説明】
１    レーザ発振器
２    レーザ用電源
３    レーザ光
４    伝送用ミラー
５    放物面鏡
６    加工ヘッド
７    シールドガス噴射ノズル
８    加工ワーク
９    ワーク固定冶具
１０  ＸＹテーブル
１１  コントローラ
１２  フィラー送給トーチ
１３  フィラー送給装置
１４  モータ
１５  フィラーワイヤ
１６  ビード
１７  溶融金属
１８  プラズマ
【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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