JP5000982B2

JP5000982B2 - 差厚材のレーザ溶接方法

Info

Publication number: JP5000982B2
Application number: JP2006296510A
Authority: JP
Inventors: 徹中嶋
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: JP2008110390A

Description

本発明は、板厚が異なる平板状の厚板と薄板とを突合わせ、両者の突合わせ面をレーザ溶接によって接合するのに好適に用いられる差厚材のレーザ溶接方法に関する。

一般に、板厚が異なる平板状の厚板と薄板とを突合わせて溶接する場合には、厚板と薄板との突合わせ面に生じた凹凸部（ギャップ）を埋めながら両者を溶接するため、フィラワイヤ等の溶加材を溶融させつつ、厚板と薄板との突合わせ面に沿ってレーザ溶接を行なう溶接方法が採用されている。

ここで、厚板と薄板との突合わせ面のギャップは、厚板や薄板に対して切断加工等を行ったときのバリ、厚板や薄板を溶断したときの酸化膜等によって発生するもので、当該ギャップ内に溶加材を溶融させて充填することにより、溶接強度の低下を招くアンダフィル等がない良好な溶接ビードを形成する必要がある。

しかしながら、厚板と薄板との突合わせ面に生じるギャップの大きさは一定ではないため、例えば最も大きなギャップに合わせて溶加材の添加量を設定すると、厚板と薄板との突合わせ面のうちギャップが小さい部位では溶加材の添加量が過剰となる。この結果、薄板側のビード止端部が、薄板に向けて凸状に張出すようになり、薄板側のビード止端部と薄板の表面（上面）との間に急激な段差が形成されてしまう。

このように、薄板側のビード止端部と薄板の表面との間に段差が形成された場合には、溶接構造体に繰返して荷重が作用することにより薄板側のビード止端部に応力が集中してしまう。この結果、薄板側のビード止端部が起点となって亀裂（クラック）が発生し、溶接構造体が破損してしまうという問題がある。

これに対し、２枚の金属板を溶加材を用いて溶接してなる溶接継手において、各金属板間に形成された溶接ビードの止端部を、ＴＩＧ溶接等の加熱手段によって再溶融させることにより、ビード止端部を金属板の表面から滑らかに連続するように形成し、このビード止端部に応力が集中するのを抑えるようにした溶接継手の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６２−７７１７７号公報

また、他の従来技術として、２枚の金属板間に形成された溶接ビードの止端部に回転体を押圧し、この回転体によってビード止端部を加圧することにより、このビード止端部に応力が集中するのを抑えるようにした溶接止端部の加圧方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−２９６４８０号公報

しかし、上述した特許文献１のＴＩＧ溶接による溶接継手の製造方法は、ほぼ等しい板厚を有する２枚の金属板を溶接するには適しているが、板厚が異なる厚板と薄板との突合わせ面を溶接する場合には、ビード止端部を狙ってアークを発生しても、磁気吹きによりトーチに対してビード止端部より近距離側の板材に向かってアークが曲がるため、ＴＩＧ溶接によりビード止端部を再溶融することは困難である。

一方、上述した特許文献２の溶接止端部の加圧方法は、溶接ビードの止端部を回転体によって加圧するための加圧装置が必要となり、この加圧装置にかかるコストが増大してしまうという問題がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、板厚が異なる厚板と薄板との突合わせ面に形成された溶接ビードのうち、薄板側のビード止端部に応力が集中するのを抑え、溶接強度を高めることができるようにした差厚材のレーザ溶接方法を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するため本発明は、板厚が異なる厚板と薄板とを突合わせてレーザ溶接を行なう差厚材のレーザ溶接方法に適用される。

そして、請求項１の発明による溶接方法の特徴は、レーザビームによって溶加材を溶かしながら前記厚板と薄板との突合わせ面にレーザ溶接を施し、前記厚板と薄板との間に溶接ビードを形成する第１の溶接工程と、前記第１の溶接工程によって形成された前記溶接ビードのうち前記薄板側のビード止端部をレーザビームによって再度溶融させる第２の溶接工程とを有し、前記第１の溶接工程では、前記厚板と薄板との突合わせ面に沿って始端位置から終端位置に向けてレーザ溶接を行ない、前記第２の溶接工程では、前記第１の溶接工程における溶接方向の終端位置から始端位置に向けて前記薄板側のビード止端部にレーザビームを照射することにある。

請求項２の発明は、前記第２の溶接工程における前記レーザビームの光軸は、ビーム先端の照射面積のうち１／２以上が前記薄板側のビード止端部に照射される範囲に設定したことにある。

請求項３の発明は、前記第２の溶接工程では、前記薄板側のビード止端部に照射するレーザビームの熱量を、前記第１の溶接工程で前記厚板と薄板との突合わせ面に照射したレーザビームの熱量よりも低く設定したことにある。

請求項１の発明によれば、溶加材を用いた第１の溶接工程において、厚板と薄板との突合わせ面に形成された溶接ビードのうち薄板側のビード止端部が、薄板の表面との間に段差を形成したとしても、第２の溶接工程において、薄板側のビード止端部をレーザビームによって再度溶融させることにより、ビード止端部と薄板の表面との間の段差をなくし、ビード止端部が薄板の表面に滑らかに連続するように成形することができる。

これにより、薄板側のビード止端部に応力が集中するのを抑え、差厚材の溶接強度を高めることができる。しかも、第１の溶接工程における溶加材を用いた厚板と薄板との溶接と、第２の溶接工程における薄板側のビード止端部の再溶融とを、いずれもレーザ溶接によって行なうことができるので、例えば第１，第２の溶接工程を単一のレーザ溶接機を用いて実行することにより、差厚材の製造コストを低減することができる。

ここで、第１の溶接工程で厚板と薄板との突合わせ面をレーザ溶接するときの溶接方向と、第２の溶接工程で薄板側のビード止端部にレーザビームを照射するときの溶接方向とが、互いに逆向きとなる。この場合、レーザ溶接は、溶接作業の始端位置から終端位置に向けてレーザビームを照射することにより、溶融金属を溶接方向の後側（始端位置側）に流しながら終端位置へと進行するので、溶接ビードは、レーザ溶接の始端位置では盛上がり、終端位置では窪むようになる。

これに対し、第１の溶接工程と第２の溶接工程とで溶接方向を反対向きとすることにより、第１の溶接工程における溶接の終端位置が、第２の溶接工程における溶接の始端位置と重なり、第１の溶接工程における溶接の始端位置が、第２の溶接工程における溶接の終端位置と重なる。このため、厚板と薄板との突合わせ面に形成される溶接ビードの形状を、その長さ方向（溶接方向）において均一化することができ、差厚材の溶接強度を一層高めることができる。

さらに、第１の溶接工程での終端位置が、第２の溶接工程での始端位置となるので、第１の溶接工程と第２の溶接工程とを連続的に実行することができ、厚板と薄板とをレーザ溶接するときの作業性を高めることができる。

請求項２の発明によれば、第１の溶接工程で形成された薄板側のビード止端部に対し、ビーム先端の照射面積の１／２以上を照射することにより、薄板側のビード止端部とその周囲に対し、レーザビームを無駄なく照射することができる。これにより、薄板側のビード止端部を効率良く溶融させることができると共に、ビード止端部の周囲を加熱して溶融金属のぬれ性を高めることができる。

この結果、薄板の表面との間に急激な段差を形成する薄板側のビード止端部を溶融させ、この溶融金属を薄板側へと導くことができるので、ビード止端部の形状を薄板の表面に滑らかに連続させることができ、差厚材の溶接強度を高めることができる。

請求項３の発明によれば、第２の溶接工程において薄板側のビード止端部に照射するレーザビームの熱量を、第１の溶接工程で厚板と薄板との突合わせ面に照射したレーザビームの熱量よりも低く設定することにより、薄板側のビード止端部が必要以上に溶融してしまうことがなく、溶接歪みや変形等を抑えることができるので、信頼性の高い差厚材を製造することができる。

以下、本発明に係る差厚材のレーザ溶接方法の実施の形態を、図１ないし図１１を参照しつつ詳細に説明する。

図中、１は金属板からなる厚板を示し、該厚板１は、後述の薄板２と共に差厚材１１を構成するものである。ここで、厚板１は、例えば厚肉な金属板をレーザ切断、ガス切断等の手段を用いて切断することにより、厚さ寸法Ｔを有する長方形の平板状に形成されている。そして、厚板１のうち後述の薄板２と対面する端面は、後述する薄板２の突合わせ面２Ａに当接する突合わせ面１Ａとなっている。

２は金属板からなる薄板で、該薄板２は、レーザ溶接によって厚板１に突合わせ溶接されるものである。ここで、薄板２は、例えば薄肉な金属板をレーザ切断、ガス切断等の手段を用いて切断することにより、厚板１よりも小さな厚さ寸法ｔを有する長方形の平板状に形成されている。そして、薄板２のうち厚板１と対面する端面は、厚板材１の突合わせ面１Ａに当接する突合わせ面２Ａとなっている。

そして、厚板１と薄板２とは、突合わせ面１Ａ，２Ａを突合わせた状態で定盤（図示せず）上に配置され、厚板１の突合わせ面１Ａの上側は、薄板２の突合わせ面２Ａから上方に突出している。また、互いに突合わされた厚板１と薄板２の長手方向の一端側は、後述する第１の溶接工程でレーザ溶接が開始される始端位置３となり、長手方向の他端側は、第１の溶接工程でレーザ溶接が終了する終端位置４となっている。

５は厚板１の突合わせ面１Ａと薄板２の突合わせ面２Ａとが交差する交差部で、この交差部５は、厚板１の突合わせ面１Ａと薄板２の突合わせ面２Ａとに沿って長手方向に延びている。そして、この交差部５は、後述する溶加材６の先端が突当てられることにより、この溶加材６の先端を案内するものである。

６は厚板１の突合わせ面１Ａと薄板２の突合わせ面２Ａとの交差部５に供給される溶加材で、該溶加材６は、図２に示すように、フィラワイヤ等と呼ばれる細長い線状の金属材料からなっている。そして、この溶加材６は、溶加材用の供給装置（図示せず）によって厚板１と薄板２との間の交差部５に連続的に供給され、後述するレーザ溶接機７からのレーザビーム８が照射されるものである。

７はレーザ溶接機で、該レーザ溶接機７は、レーザ発振器（図示せず）から放射されたレーザ光を、レンズ、反射鏡等の集光装置（図示せず）によって極めて微小な面積範囲に集光させ、この集光したレーザビーム８を溶接対象物に向けて照射するものである。

そして、レーザ溶接機７は、厚板１と薄板２との交差部５の上方に配置され、この交差部５の長手方向に沿って図２中の矢示Ａ方向、または図６中の矢示Ｂ方向に移動する構成となっている。

次に、レーザ溶接機７を用いて厚板１と薄板２とを溶接するレーザ溶接方法について説明する。

まず、図１に示すように、厚板１と薄板２とを、互いの突合わせ面１Ａ，２Ａを突合わせた状態で定盤（図示せず）上に配置する。このとき、厚板１と薄板２との間には、互いの突合わせ面１Ａ，２Ａに沿って長手方向に延びる交差部５が形成される。また、各突合わせ面１Ａ，２Ａ間には、切断加工時のバリ等によるギャップが形成されている。

次に、図２に示すように、厚板１と薄板２との間に形成された交差部５に溶加材６を供給し、レーザ溶接機７からのレーザビーム８を溶加材６の先端に照射しつつ、当該レーザ溶接機７を、厚板１と薄板２の長手方向の始端位置３から終端位置４に向けて矢示Ａ方向に移動させる（第１の溶接工程）。

このようにして、レーザビーム７によって溶加材６を溶かしながら厚板１、薄板２を溶融させることにより、厚板１の突合わせ面１Ａと薄板２の突合わせ面２Ａとを溶接することができる。この結果、厚板１と薄板２との間には、図３ないし図５に示すように、長手方向の始端部９Ａと終端部９Ｂとを有すると共に、厚板１側のビード止端部９Ｃと薄板２側のビード止端部９Ｄとを有する溶接ビード９が形成される。

ここで、第１の溶接工程では、溶加材６を溶かしながら厚板１、薄板２の突合わせ面１Ａ，２Ａをレーザ溶接することにより、厚板１の突合わせ面１Ａと薄板２の突合わせ面２Ａとの間に大きなギャップがある場合でも、このキャップに溶融させた溶加材６を充填することができ、溶接ビード９にアンダフィル等が発生するのを防止することができる。

一方、厚板１の突合わせ面１Ａと薄板２の突合わせ面２Ａとの間に大きなギャップがない場合には、溶加材６の添加量が過剰となり、図４に示すように、溶接ビード９のうち薄板２側のビード止端部９Ｄが薄板２側に凸状に張出すことにより、薄板２の表面２Ｂとビード止端部９Ｄとの境界部に急激な段差が形成されてしまう。

また、第１の溶接工程では、図２に示すように、レーザ溶接機７を、厚板１と薄板２の長手方向の始端位置３から終端位置４に向けて矢示Ａ方向に移動させながらレーザ溶接を行なう。このとき、レーザ溶接機７からのレーザビーム８によって溶融した溶融金属は、図５中に矢印ａで示すように、レーザ溶接機７の移動方向Ａに対して後側（始端部９Ａ側）へと流動しつつ徐々に凝固していく。このため、図５に示すように、第１の溶接工程で形成された溶接ビード９は、始端部９Ａ側では山形に盛上った盛上り部９Ｅとなり、終端部９Ｂ側では窪み部９Ｆとなり、これら盛上り部９Ｅ、窪み部９Ｆは、溶接ビード９全体の強度を低下させる要因となるものである。

次に、図６及び図７に示すように、第１の溶接工程で形成された溶接ビード９のうち薄板２側のビード止端部９Ｄに対し、レーザ溶接機７からのレーザビーム８を照射する。そして、このレーザ溶接機７を、厚板１と薄板２の長手方向の終端位置４から始端位置３へと図６中の矢示Ｂ方向に移動させることにより、薄板２側のビード止端部９Ｄを再度溶融させる（第２の溶接工程）。

ここで、図７及び図８に示すように、第２の溶接工程においてレーザ溶接機７から薄板２側のビード止端部９Ｄに照射されるレーザビーム８の光軸Ｏ−Ｏは、ビード止端部９Ｄに対して厚板１側に片寄り、直径Ｄの円形をなすビーム先端（ビームスポット）８Ａの照射面積のうち１／２以上がビード止端部９Ｄに照射される範囲に設定されている。これにより、薄板２側のビード止端部９Ｄとその周囲の溶接ビード９、薄板２等に対し、レーザビーム８を無駄なく照射することができるようになっている。

また、第２の溶接工程では、レーザ溶接機７から薄板２側のビード止端部９Ｄに照射するレーザビーム８の熱量を、第１の溶接工程で厚板１と薄板２との突合わせ面１Ａ，２Ａに照射したレーザビーム８の熱量よりも低く設定している。この場合、本実施の形態では、例えばレーザ溶接機７の出力を制御することにより、第２の溶接工程におけるレーザビーム８の熱量を、第１の溶接工程におけるレーザビーム８の熱量よりも低く設定し、薄板２側のビード止端部９Ｄが必要以上に溶融するのを抑えることができるようになっている。

このようにして、第１の溶接工程で形成された溶接ビード９のうち、薄板２側に凸状に張出した薄板２側の止端部９Ｄに対し、第２の溶接工程においてレーザ溶接機７からのレーザビーム８を照射することにより、この薄板２側の止端部９Ｄを再度溶融させることができる。この結果、図９に示すように、厚板１と薄板２との間に新たな溶接ビード１０が形成された差厚材１１を製造することができる。

ここで、第１，第２の溶接工程を経て製造された差厚材１１の溶接ビード１０は、図９ないし図１１に示すように、長手方向の始端部１０Ａと終端部１０Ｂとを有すると共に、厚板１側のビード止端部１０Ｃと薄板２側のビード止端部１０Ｄとを有している。この場合、薄板２側のビード止端部１０Ｄは、薄板２の表面２Ｂから滑らかに連続しつつ厚板１側に窪む形状となる。このため、薄板２側のビード止端部１０Ｄと薄板２の表面２Ｂとの間の段差をなくし、薄板２側のビード止端部１０Ｄに応力が集中するのを抑えることができるので、厚板１と薄板２との溶接強度を高め、差厚材１１の信頼性を高めることができる。

この場合、第２の溶接工程では、図６に示すように、レーザ溶接機７を厚板１と薄板２の長手方向の終端位置４から始端位置３へと移動させつつ、第１の溶接工程で形成された薄板２側のビード止端部９Ｄにレーザビーム８を照射している。即ち、第２の溶接工程におけるレーザ溶接機７の移動方向（図６中の矢示Ｂ方向）を、第１の溶接工程におけるレーザ溶接機７の移動方向（図２中の矢示Ａ方向）に対して逆向きに設定している。

このとき、溶接ビード９が溶融してなる溶融金属は、図１１中に矢印ｂで示すように、レーザ溶接機７の移動方向Ｂに対して後側（始端部１０Ａ側）へと流動しつつ徐々に凝固していく。このため、図１１中に二点鎖線で示す溶接ビード９の盛上り部９Ｅは、溶接ビード９の溶融金属が矢印ｂ方向に流動することにより平滑化し、溶接ビード９の窪み部９Ｆは、その内部に溶融金属が充填されることにより平滑化する。この結果、第２の溶接工程によって形成された溶接ビード１０の形状を、長手方向の始端部１０Ａから終端部１０Ｂにかけてほぼ均一化することができ、差厚材１１の溶接強度を高めることができる。

しかも、溶加材６を用いて厚板１と薄板２とを溶接する第１の溶接工程と、第１の溶接工程で形成された薄板２側のビード止端部９Ｄを再度溶融させる第２の溶接工程とを、単一のレーザ溶接機７を用いて行なうことができるので、差厚材１１の製造コストを低減することができる。

さらに、レーザ溶接機７は、第１の溶接工程では厚板１と薄板２の長手方向の始端位置３から終端位置４へと移動し、第２の溶接工程では終端位置４から始端位置３へと移動するので、第１の溶接工程と第２の溶接工程とを連続的に実行することができ、厚板１と薄板２とをレーザ溶接するときの作業性を高めることができる。

また、本実施の形態によれば、第２の溶接工程におけるレーザビーム８の光軸Ｏ−Ｏを、第１の溶接工程で形成された薄板２側のビード止端部９Ｄに対し、直径Ｄの円形をなすビーム先端（ビームスポット）８Ａの照射面積のうち１／２以上が照射される範囲に設定することにより、薄板２側のビード止端部９Ｄとその周囲の溶接ビード９、薄板２等に対し、レーザビーム８を無駄なく照射することができる。

このため、薄板２側のビード止端部９Ｄを効率良く溶融させると共に、当該ビード止端部９Ｄの周囲を加熱して溶融金属のぬれ性を高めることができる。この結果、薄板２の表面２Ｂとの間に急激な段差を形成するビード止端部９Ｄを溶融させ、この溶融金属を薄板２側に導くことができるので、新たに形成された溶接ビード１０のうち薄板２側のビード止端部１０Ｄの形状を、薄板２の表面２Ｂに滑らかに連続させることができ、差厚材１１の溶接強度を高めることができる。

さらに、本実施の形態によれば、レーザ溶接機７から薄板２側のビード止端部９Ｄに照射するレーザビーム８の熱量を、第１の溶接工程で厚板１と薄板２との突合わせ面１Ａ，２Ａに照射したレーザビーム８の熱量よりも低く設定している。これにより、薄板２側のビード止端部９Ｄが必要以上に溶融してしまうのを抑えることができ、溶接歪みや変形等を抑えることができるので、信頼性の高い差厚材１１を製造することができる。

なお、上述した実施の形態では、第２の溶接工程で薄板２側のビード止端部９Ｄに照射するレーザビーム８の熱量を、第１の溶接工程で厚板１と薄板２との突合わせ面１Ａ，２Ａに照射したレーザビーム８の熱量よりも低く設定するため、レーザ溶接機７の出力を制御する場合を例示している。

しかし、本発明はこれに限るものではなく、例えばレーザ溶接機７の出力は一定に保ち、第２の溶接工程におけるレーザ溶接機７の移動速度を高めることにより、薄板２側のビード止端部９Ｄに照射されるレーザビーム８の熱量を低下させてもよい。

また、例えば薄板２側のビード止端部９Ｄに対するレーザ溶接機７の高さ位置を変化させ、ビード止端部９Ｄに照射されるレーザビーム８の焦点をぼかす（デフォーカス）ことにより、レーザビーム８の熱量を低下させてもよい。

また、上述した実施の形態では、第２の溶接工程においてレーザ溶接機７から薄板２側の止端部９Ｄに照射されるレーザビーム８のビーム先端８Ａが、直径Ｄの円形をなすものとして説明している。しかし、本発明はこれに限らず、例えばビーム先端が、楕円形、矩形等の非円形な形状を有するレーザビームを用いてもよい。

本発明に係るレーザ溶接の実施の形態に用いる厚板と薄板とを、互いに突合わせた状態で示す斜視図である。第１の溶接工程を示す斜視図である。第１の溶接工程で形成された溶接ビード、厚板、薄板を示す斜視図である。溶接ビード等を図３中の矢示IV−IV方向からみた断面図である。溶接ビードを図３中の矢示Ｖ−Ｖ方向からみた断面図である。第２の溶接工程を示す斜視図である。薄板側のビード止端部にレーザビームを照射した状態を拡大して示す拡大断面図である。薄板側のビード止端部とビーム先端との位置関係を図７中の矢示VIII−VIII方向からみた断面図である。本発明に係るレーザ溶接によって製造された差厚材を示す斜視図である。差厚材の溶接ビードを図９中の矢示Ｘ−Ｘ方向からみた断面図である。差厚材の溶接ビードを図９中の矢示XI−XI方向からみた断面図である。

符号の説明

１厚板
１Ａ突合わせ面
２薄板
２Ａ突合わせ面
２Ｂ表面
３始端位置
４終端位置
５交差部
６溶加材
７レーザ溶接機
８レーザビーム
８Ａビーム先端
９，１０溶接ビード
９Ａ，１０Ａ始端部
９Ｂ，１０Ｂ終端部
９Ｃ，１０Ｃ厚板側の止端部
９Ｄ，１０Ｄ薄板側の止端部

Claims

板厚が異なる厚板と薄板とを突合わせてレーザ溶接を行なう差厚材のレーザ溶接方法において、
レーザビームによって溶加材を溶かしながら前記厚板と薄板との突合わせ面にレーザ溶接を施し、前記厚板と薄板との間に溶接ビードを形成する第１の溶接工程と、
前記第１の溶接工程によって形成された前記溶接ビードのうち前記薄板側のビード止端部をレーザビームによって再度溶融させる第２の溶接工程とを有し、
前記第１の溶接工程では、前記厚板と薄板との突合わせ面に沿って始端位置から終端位置に向けてレーザ溶接を行ない、前記第２の溶接工程では、前記第１の溶接工程における溶接方向の終端位置から始端位置に向けて前記薄板側のビード止端部にレーザビームを照射することを特徴とする差厚材のレーザ溶接方法。
前記第２の溶接工程における前記レーザビームの光軸は、ビーム先端の照射面積のうち１／２以上が前記薄板側のビード止端部に照射される範囲に設定してなる請求項１に記載の差厚材のレーザ溶接方法。
前記第２の溶接工程では、前記薄板側のビード止端部に照射するレーザビームの熱量を、前記第１の溶接工程で前記厚板と薄板との突合わせ面に照射したレーザビームの熱量よりも低く設定してなる請求項１または２に記載の差厚材のレーザ溶接方法。