JP2010167435A

JP2010167435A - レーザ溶接方法。

Info

Publication number: JP2010167435A
Application number: JP2009011261A
Authority: JP
Inventors: Masashi Oikawa; 昌志及川; Tadashi Sobagaki; 正側垣; Naoki Kawada; 直樹河田; Jun Koshikawa; 純越川; Shota Endo; 翔太遠藤
Original assignee: Tokyu Car Corp
Current assignee: Tokyu Car Corp
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2009-01-21
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】複雑なギャップ管理を行なうことなく、金属板の端部同士を健全な溶接部によって接合できるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】このレーザ溶接方法では、互いのビームスポットＳ１，Ｓ２が接し、かつ溶接予定線Ｒに直交する方向に並ぶように、レーザビームを第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２に分割し、金属板１，２の端部間のギャップＧ内で、レーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給している。この方法では、単一のレーザビームを照射する場合に比べてフィラーワイヤ１６から発生する金属蒸気Ｖが溶接予定線Ｒの幅方向に拡張されるので、厳密なギャップ管理を行わなくとも、ギャップＧ内で溶融したフィラーワイヤ１６と、フィラーワイヤ１６から生じた金属蒸気Ｖによって溶融した金属板１，２の端部とによって、健全な溶接部２１を形成できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

従来のレーザ溶接方法として、レーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給することにより、健全な溶接部の形成を図ったものがある。例えば特許文献１に記載のレーザ溶接方法では、レーザビームの焦点位置にフィラーワイヤの先端を一致させ、焦点位置の回転変位に同期するようにフィラーワイヤ供給部全体を回転変位させている。

特開２００３−３２６３８２号公報

ところで、レーザ溶接を適用する溶接形態の一つとして、金属板の端部同士の突き合せ部分に沿って溶接部を形成する突き合わせ溶接がある。突き合わせ溶接で健全な溶接部を形成するにあたっては、金属板の端部のギャップ管理が非常に重要なものとなっている。そのため、一般的には、金属板の端部同士を突き合わせた際のギャップは、板厚の１／１０以下に抑えることが望ましいとされている。

しかしながら、例えば鉄道車両構体などの分野では、溶接対象である金属板が長尺であることが多く、金属板の加工精度の限界によって、金属板の端部同士を突き合わせた際のギャップが局所的に板厚の１／１０を超えてしまう場合があった。従来では、所定の治具を用いて金属板を突き合わせ方法に加圧する等の方法でギャップ管理が行われていたが、装置の大型化や工程の複雑化の要因となっていた。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、複雑なギャップ管理を行なうことなく、金属板の端部同士を健全な溶接部によって接合できるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係るレーザ溶接方法は、溶接予定線に沿ってレーザビームの照射による溶接部を形成することにより、第１の金属板の端部と第２の金属板の端部とを溶接するレーザ溶接方法であって、端部同士が所定のギャップをもって互いに対向するように第１の金属板と第２の金属板とを配置し、互いのビームスポットが接し、かつ溶接予定線に直交する方向に並ぶように、レーザビームを第１のレーザビーム及び第２のレーザビームに分割し、ギャップ内で、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給して溶接部を形成することを特徴としている。

このレーザ溶接方法では、単一のレーザビームを照射する場合と比較して、金属板への入熱時間を長くすることが可能となる。また、ビームスポットを溶接予定線に直交する方向に並べることで、フィラーワイヤにレーザビームが照射されることによって生じる金属蒸気が溶接予定線と直交する方向に拡散し易くなっている。このため、レーザビームの照射によってギャップ内で溶融したフィラーワイヤと、フィラーワイヤから生じた金属蒸気によって溶融した金属板の端部とによって、端部間のギャップを埋めるように溶接部が形成される。したがって、このレーザ溶接方法では、厳密なギャップ管理を行わなくても、金属板の端部同士を健全な溶接部によって接合できる。

また、フィラーワイヤを第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの進行方向側から供給することが好ましい。こうすると、フィラーワイヤにレーザビームが照射されることによって生じる金属蒸気を溶接予定線と直交する方向に効率良く拡散させることができる。

また、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームのスポット径と前記フィラーワイヤの径とを略同径とすることが好ましい。この場合、第１のレーザビーム及び第２のレーザビームの照射位置に対するフィラーワイヤの供給位置の位置決めが容易となる。また、フィラーワイヤの供給量が十分に確保されるので、溶接部の傾斜部分が凹状になってしまうことも抑制される。

また、第１のレーザビームと第２のレーザビームとの出力比が１：１となるようにレーザビームを分割することが好ましい。この場合、入熱のムラが小さくなり、溶接部の健全性を担保できる。

本発明によれば、複雑なギャップ管理を行なうことなく、金属板の端部同士を健全な溶接部によって接合できる。

本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態を示す図である。第１のレーザビームのビームスポット及び第２のレーザビームのビームスポットの状態を示す図である。第１のレーザビームのビームスポット及び第２のレーザビームの照射によってフィラーワイヤから生じる金属蒸気の状態を示す図である。金属板の端部間に形成される溶接部の状態を示す図である。レーザビームの照射とフィラーワイヤの温度との関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るレーザ溶接方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係るレーザ溶接方法の一実施形態を示す図である。同図に示すように、このレーザ溶接方法は、２つの金属板１，２の端部同士の接合に適用される方法である。金属板１，２は、例えばＳＵＳ３０４などのステンレス鋼板であり、例えば厚さ３ｍｍの長方形状をなしている。

金属板１，２は、幅方向の端部同士を所定のギャップＧをもって対向させた状態で、加工テーブル３上に載置されている。加工テーブル３は、金属板１，２を固定した状態で、任意の速度で溶接予定線Ｒ方向に移動可能となっている。溶接予定線Ｒは、金属板１，２の端部間のギャップＧの略中央部分に沿って設定されている。

また、レーザ溶接方法に用いられるレーザ溶接システム１０は、レーザ照射装置１１と、フィラーワイヤ供給装置１２とを備えて構成されている。レーザ照射装置１１は、レーザ発振器１３と、集光器１４とを有している。レーザ発振器１３は、例えば最大出力４ｋＷのＮｄ：ＹＡＧレーザである。レーザ発振器１３から出力されるレーザビームは、光ファイバ１５によって集光器１４に伝送される。光ファイバ１５は、例えばコア径０．６ｍｍのステップインデックス型ファイバである。

集光器１４の内部には、例えば焦点距離１５０ｍｍのコリメーションレンズと、レーザビームを２分割するウェッジ基板と、焦点距離１５０ｍｍの集光レンズとが配置されている。光ファイバ１５を介して集光器１４に入射したレーザビームは、出力比が１：１となるように第１のレーザビームＬ１と第２のレーザビームＬ２とに分割され、金属板１，２の突き合せ部分に集光する。

このとき、第１のレーザビームＬ１のビームスポットＳ１と第２のレーザビームＬ２のビームスポットＳ２とは、例えば直径０．６ｍｍの略真円状をなし、図２に示すように、金属板１，２の平面視において、溶接予定線Ｒに直交する方向に並んでおり、かつ溶接予定線Ｒ上で互いに接した状態となっている。

第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の径は、例えば第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の１／ｅ^３全幅で定義される。したがって、ビームスポットＳ１，Ｓ２が接した状態とは、金属板１，２の突き合わせ部分の表面において、１／ｅ^３全幅で定義される第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の断面形状が互いに接していることを言う。なお、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の径の定義は、必ずしも１／ｅ^３全幅でなくてもよく、１／ｅ^２全幅や半値全幅などを用いてもよい。

フィラーワイヤ供給装置１２は、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の照射位置に向けてフィラーワイヤ１６を供給する装置である。フィラーワイヤ１６は、例えば金属板１，２と同材質の線状部材である。このフィラーワイヤ１６の径は、第１のレーザビームＬ１のスポット径及び第２のレーザビームＬ２のスポット径と同径となるように、直径０．６ｍｍとなっている。

フィラーワイヤ１６は、フィラーワイヤ供給装置１２に接続された供給ノズル１７の先端から繰り出され、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の進行方向側から所定の供給速度で照射位置に供給される。なお、供給ノズル１７は、フィラーワイヤ１６が金属板１，２の表面に対して約５５°傾斜した状態となるように配置されていることが好ましい。

このようなレーザ溶接システム１０を用いて金属板１，２を溶接する場合、まず、第１のレーザビームＬ１のビームスポットＳ１及び第２のレーザビームＬ２のビームスポットＳ２が溶接予定線Ｒの始点に位置するように、レーザ照射装置１１をセットする。金属板１，２の端部間のギャップＧは、例えば０．５ｍｍとする。次に、レーザ発振器１３からの出力を４ｋＷとし、加工テーブル３を毎分０．５ｍの速度で溶接予定線Ｒ方向に移動させながら、フィラーワイヤ１６を毎分２ｍの供給速度でレーザビームの進行方向側から供給する。フィラーワイヤ１６の供給位置は、ギャップＧの略中央部分、すなわち、ビームスポットＳ１，Ｓ２の接点とすることが好ましい。

第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２がフィラーワイヤ１６に照射されることにより、フィラーワイヤ１６が溶融し、図３に示すように、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の照射位置を中心とする金属蒸気ＶがギャップＧ内で発生する。そして、ギャップＧ内で溶融したフィラーワイヤ１６と、フィラーワイヤ１６から生じた金属蒸気Ｖによって溶融した金属板１，２の端部とによって、図４に示すように、端部間のギャップＧを埋めるように溶接部２１が形成される。

第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２が溶接予定線Ｒの終点まで到達すると、溶接予定線Ｒに沿って連続的な溶接部２１が形成され、金属板１，２の端部同士の溶接が完了する。

このレーザ溶接方法では、図２に示したように、互いのビームスポットＳ１，Ｓ２が接し、かつ溶接予定線Ｒに直交する方向に並ぶように、レーザビームを１：１の出力比で第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２に分割することにより、フィラーワイヤ１６への入熱時間を長くしている。

レーザビームを分割せずにそのままフィラーワイヤ１６に照射した場合、照射位置におけるフィラーワイヤ１６の温度は、図５（ａ）に示すように、照射の開始と共に急激に上昇し、フィラーワイヤ１６の溶融温度Ｔｃを超えてピーク温度Ｔ_Ｐ１に達した後、急激に下降する。

レーザビームを第１のレーザビームＬ１と第２のレーザビームＬ２とに分割してフィラーワイヤ１６に照射した場合、照射位置におけるフィラーワイヤ１６の温度が照射の開始と共に上昇し、一定のピーク温度に達した後に下降する点では、レーザビームを分割しない場合と同様である。しかしながら、図５（ｂ）に示すように、ピーク温度Ｔ_Ｐ２がピーク温度Ｔ_Ｐ１に比べて低くなると共に温度の上昇・下降が緩やかになり、フィラーワイヤ１６の溶融温度Ｔｃを超えている時間Ｔ_２は、レーザビームを分割しない場合（図５（ａ）における時間Ｔ_１）に比べて長くなる。

このように、フィラーワイヤ１６への入熱時間が長くなると、フィラーワイヤ１６の溶融が進むため、単一のレーザビームを照射する場合に比べてフィラーワイヤ１６から発生する金属蒸気Ｖが拡張される。また、ビームスポットＳ１，Ｓ２が溶接予定線Ｒに直交する方向に並んでいるので、金属蒸気Ｖは、特に溶接予定線Ｒの幅方向に拡張されることとなる（図３参照）。

したがって、このレーザ溶接方法では、金属板１，２の端部間のギャップＧが板厚の１／１０以下となるような厳密なギャップ管理を行わなくとも、レーザビームの照射によってギャップＧ内で溶融したフィラーワイヤ１６と、フィラーワイヤ１６から生じた金属蒸気Ｖによって溶融した金属板１，２の端部とによって、端部間のギャップＧを埋めるように健全な溶接部２１を形成できる。

また、本実施形態では、フィラーワイヤ１６を第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の進行方向側から供給している。これにより、フィラーワイヤ１６に第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２が十分な時間照射されるので、レーザビームが照射されることによって生じる金属蒸気Ｖを溶接予定線Ｒと直交する方向に効率良く拡散させることができる。

また、フィラーワイヤ１６の径が、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２のスポット径と略同径となっているので、第１のレーザビームＬ１及び第２のレーザビームＬ２の照射位置に対するフィラーワイヤ１６の供給位置の位置決めが容易となる。また、フィラーワイヤ１６の供給量が十分に確保されるので、溶接部２１の頂部２２が凹状になってしまうことを抑制できる。これにより、金属板１，２の接合強度の向上が図られる。

さらに、本実施形態では、第１のレーザビームＬ１と第２のレーザビームＬ２との出力比が１：１となるようにレーザビームを分割しているので、入熱のムラが小さくなり、溶接部２１の健全性を担保できる。

１，２…金属板、１０…レーザ溶接システム、１６…フィラーワイヤ、２１…溶接部、Ｇ…ギャップ、Ｌ１…第１のレーザビーム、Ｌ２…第２のレーザビーム、Ｓ１，Ｓ２…ビームスポット、Ｒ…溶接予定線。

Claims

溶接予定線に沿ってレーザビームの照射による溶接部を形成することにより、第１の金属板の端部と第２の金属板の端部とを溶接するレーザ溶接方法であって、
前記端部同士が所定のギャップをもって互いに対向するように前記第１の金属板と前記第２の金属板とを配置し、
互いのビームスポットが接し、かつ前記溶接予定線に直交する方向に並ぶように、前記レーザビームを第１のレーザビーム及び第２のレーザビームに分割し、
前記ギャップ内で、前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームの照射位置にフィラーワイヤを供給して前記溶接部を形成することを特徴とするレーザ溶接方法。
前記フィラーワイヤを前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームの進行方向側から供給することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームのスポット径と前記フィラーワイヤの径とを略同径とすることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。
前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームとの出力比が１：１となるように前記レーザビームを分割することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。