JP5958894B2 - レーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を用い、第１、第２の被溶接母材をレーザ溶接する場合に用いるシールドガスの噴出方法に関する。

通常、レーザ溶接における溶接部のシールド方法は、レーザ光に沿って溶接部にシールドガスを噴射するセンターノズル方式や、斜め上方からシールドガスを噴出するサイドノズル方式（特許文献１参照）が提案されていた。特に、特許文献２はサイドノズル方式で、シールドガスをプラズマに指向させ、カーテン状にシールドガスを噴射して溶融の停滞を引き起こすプラズマを除去すると共に、このシールドガスで溶融部を冷却して溶融幅を狭くし、かつ溶け込み深さを深くする技術が提案されている。

そして、特許文献３には、比較的厚い材料を大出力レーザにより溶接する場合、ガスノズルの角度を変えて、スポット欠陥を減少させ、溶接部の品質及び歩留りを向上することが記載されている。

特開２００３−１５４４７６号公報 特許第３０９８０８８号公報 特許第３６９４９７９号公報

しかしながら、図２（Ｂ）に示すように、実際にガスノズルの角度をレーザ光照射方向に対して斜めにして突合せ溶接を行うと、ガスが溶融金属を開先内に押し込み、溶接部にポロシティ（気泡）が発生し、これによって溶接不良が発生することを知見した。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、溶接部を覆うシールドガスの噴射方向を変えて、より欠陥の少ないレーザ溶接を行うレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法は、レーザ溶接を行う第１の被溶接母材と第２の被溶接母材の溶接部へのシールドガスの噴射方法であって、
前記シールドガスを前記第１、第２の被溶接材母材の少なくともいずれか１の表面に平行で、かつ前記溶接部の直上に向けてノズルから噴出し、
しかも、前記ノズルから吹き出すシールドガスの流量は、８〜２０Ｌ／ｍｉｎ（リットル／分）の範囲、前記ノズルの軸線と前記溶接部との距離は１５〜３０ｍｍの範囲、かつ前記ノズルの噴出口と前記レーザ溶接を行うレーザ光との距離は２０〜５０ｍｍの範囲にある。

また、本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、前記ノズルの噴出口は円筒形で、前記ノズルの内部に前記シールドガスの流れの均等化を行うガスレンズが設けられているのが好ましい。

本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、前記ノズルから噴出されるシールドガスの流速は、６〜２５ｍ／ｓｅｃの範囲にあるのが好ましい。

そして、本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、前記シールドガスがＡｒ又はＮ₂であるのが好ましい。

本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法においては、シールドガスを第１、第２の被溶接材母材の少なくともいずれか１の表面に平行で、かつ溶接部の直上に向けてノズルから噴出するので、溶接部の溶融金属がシールドガスによってカバーされると共に、溶融金属がルートギャップ内に強制的に押し込まれたり、溶接部内に生じた微小空間を閉塞することがない。従って、ポロシティが全くないか、極めて少ない溶接部となる。

本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法においては、ノズルから吹き出すシールドガスの流量を、８〜２０Ｌ／ｍｉｎの範囲、ノズルの軸線と溶接部との距離を１５〜３０ｍｍの範囲、かつノズルの噴出口とレーザ溶接を行うレーザ光との距離を２０〜５０ｍｍの範囲にしたので、シールドガスが溶接部を覆い、溶接部での溶融金属を押し下げようとするシールドガスの力が小さく、溶接部に対して斜め方向又は上方向からシールドガスを吹き付ける場合に比較して、ポロシティの発生が激減する。

特に、本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、ノズルの噴出口が円筒形で、ノズルの内部にシールドガスの流れの均等化を行うガスレンズが設けられた場合は、ノズルから噴き出すシールドガスの流れが整流され、溶接部の直上のより広い範囲を覆うことができる。

本発明に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、ノズルから噴出されるシールドガスの流速が、６〜２５ｍ／ｓｅｃの範囲にある場合には、溶接部の直上に発生するプルーム（金属蒸気又はプラズマ）を吹き飛ばして、レーザ光の遮りを減少し、レーザ溶接の効率が上昇する。

本発明の一実施の形態に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法の概略説明図である。 （Ａ）は同レーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法の説明図、（Ｂ）は従来例に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法の説明図である。 同レーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法の作用、効果を確認するために行った第１の被溶接母材と第２の被溶接母材の配置図である。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれシールドガスの供給量とポロシティの発生を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）はそれぞれシールドガスの供給量とプルームの発生状況を示すグラフである。 平均プルーム高さ及びシールドガス供給量とポロシティとの関係を示すグラフである。 シールドガス供給量、開先ギャップ及びポロシティの関係を示すグラフである。

続いて、添付した図面を参照しながら、本発明を具体化した実施の形態について説明する。
まず、図１、図２を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法を適用した溶接方法及びその装置について説明する。

図１に示すように、中央に隙間を有する架台１０と、架台１０上で、しかも図１において手前と奥の前後に突合せて配置された第１の被溶接母材１１と第２の被溶接母材１２（それぞれ母材）とからなる試験材１３と、試験材１３の溶接部（突合せ部）に向けて配置されたレーザ溶接ヘッド１４と、レーザ溶接ヘッド１４を垂直状態に保持し、ガイド部材１５に沿って水平方向に移動させる台車１６とを有している。

台車１６には図示しない支持部材を介してシールドガスを噴出するノズル１８が設けられている。このノズル１８は第１、第２の被溶接母材１１、１２の表面（平面）と平行で、その溶接部（正確には溶接予定部、即ち溶接線）の直上に配置され、このノズル１８の軸線と試験材１３の表面との距離ｃが１５〜３０ｍｍ（好ましくは、１８〜２５ｍｍ）の範囲にあり、垂直に向いたレーザ溶接ヘッド１４からのレーザ光とノズル１８の噴出口２３との距離ｄは、２０〜５０ｍｍの範囲となっている。なお、距離ｃを１５ｍｍより短くすると、ノズル１８が試験材１３の表面に当接する恐れがあり、距離ｃが３０ｍｍを超えると、ノズル１８から発生するガスが溶接部をシールドしないことになる。また、距離ｄが２０〜５０ｍｍの範囲を外れると、溶接部のガスによるカバーが困難となる。これによって、レーザ光が直接照射される溶接部の直上がシールドガスによってカバーされる。

レーザ溶接ヘッド１４にはファイバーレーザ溶接法が適用され、レーザ発振器本体１９によって発するレーザ光は、光ファイバー２０を介してレーザ溶接ヘッド１４に送られている。この実施の形態では、レーザ溶接ヘッド１４からは、最大出力２ｋＷのレーザ光が溶接部に照射され、焦点距離２５０ｍｍ、集光径が４８０μｍであった。

ノズル１８の出側の円筒形の噴出口２３の直径ｅは１０ｍｍで、シールドガスとしてＡｒガスを使用し、更に、ノズル１８内には流れるガスの均等化を行う周知構造のガスレンズが配置されている。このノズル１８の噴出口２３での流速は６〜２５ｍ／ｓｅｃで、レーザ光の照射位置、即ち、レーザ溶接ヘッド１４の軸線上では、その一部が低速になって拡散し、溶接部を覆うようになっている。なお、ノズル１８は全長に渡って直線状で、噴出口から乱流、屈曲流を形成する屈曲部（途中曲がり）は存在しないものを使用した。ここで、ノズル１８から噴出されるシールドガスの流量は８〜３０Ｌ／ｍｉｎ程度である。

第１、第２の被溶接母材１１、１２は厚みが４．５ｍｍの普通鋼板（ＳＳ４００）からなり、０．１〜０．３ｍｍのルート間隙（ギャップ）を設けて配置し、溶接速度１２〜２０ｍｍ／ｓｅｃ（更に詳細には１４〜１８ｍｍ／ｓｅｃ）で溶接すると、裏波を有する良好の溶接が可能となった。溶接部を切断してポロシティの有無を検査すると、ポロシティは殆どなかった。なお、図３では一方のルート間隙を０他方を０．３ｍｍとして、溶接長さを２２０ｍｍとし、ルート間隙を徐々に変えた例を示している。

続いて、発明の作用、効果を確認するために行った実施例１について説明する。図２（Ａ）では、ノズル１８は、試験材１３の表面に対して水平、溶接部に対して平行であった（即ち、溶接線の表面に平行）が、ノズル１８を水平にした場合の方が、ノズル１８を図２（Ｂ）に示すように斜めにした場合より、良好であることを調べる実験を行った。なお、図２（Ｂ）において、ノズル１８の試験材１３の表面に対する角度は４０度で、溶接部からノズル１８の噴出口２３までの距離は４０ｍｍとし、流すガス及びその流量、及びその他の条件は、図２（Ａ）の場合と同一であった。

実験によるとノズル１８を傾斜させた場合は、ノズル１８を水平にした場合より、溶接部に発生するポロシティの量が多かった。この原因は、レーザ光で溶融した溶融金属を斜めに向けたノズル１８から発生するガスが溶接部内に押し込み、これによってポロシティの発生量が多いものとなる。なお、ガス流をレーザ光と同軸で流す方法においても、溶接部をガスで抑え込むので、ポロシティが多いことが確認されている。
ここで、ノズルからの流速を減らすことも考えられるが、ガス流量を減らすと、溶接部から発生するプルームの除去ができず、結果としてプルームがレーザ光を遮り、溶接入熱の減少を齎す。

次に、実施例２において、第１、第２の被溶接母材１１、１２の開先ギャップ（ルート間隙）と、ノズル１８へのガス供給量と、ポロシティレベルとの関係を調べる実験を行った。溶接部が平面となった第１、第２の被溶接母材１１、１２（厚みが４．５ｍｍ、幅が１００ｍｍ、長さが３００ｍｍ）の一方を接し、他方に０．３ｍｍのスペーサを配置して、開先ギャップを徐々に変化させて、ノズル１８は図２（Ａ）に示すように水平として、レーザ溶接を行った。これによって、開先ギャップを変えた場合の溶接状況を容易に把握できる。その結果を図４（Ａ）、（Ｂ）に、溶接部が厚み方向上下に貫通せず、裏側に未溶接部分が残る場合（「部分溶込み溶接」という）と、溶接部が開先ギャップを上下に貫通する場合（「貫通溶接」という）で示す。

図４（Ａ）、（Ｂ）は、ポロシティが溶接部全線に及ぶものを１、ポロシティがない状態を５として、ポロシティの量に応じて５段階で示している。シールドガスとしてＡｒを用いた場合、図４（Ａ）においてはガス供給量１０Ｌ／ｍｉｎでは全くポロシティが発生しなかったが、ガス供給量を増やす（例えば、３５Ｌ／ｍｉｎ）と、ポロシティが発生する傾向がみられた。なお、図４（Ｂ）に示すように、貫通溶接（突合せ面の全部を溶かす場合）では、ポロシティの発生は殆どなかった。シールドガスがＮ₂の場合は、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ガスの供給量が２０Ｌ／ｍｉｎでポロシティの発生はなかった。

次に、図５（Ａ）、（Ｂ）には、シールドガスをＡｒ又はＮ₂にした場合の、シールドガス供給量とプルーム高さの関係を示すが、図５（Ｂ）に示すように、貫通溶接の場合は、シールドガスの流量を変えても、プルーム高さとの相関性は認められなかった。また、図５（Ａ）に示すように、部分溶込み溶接の場合は、貫通溶接に比較しプルーム高さが高いことが分かる。これらのことから、貫通溶接の場合は、照射面側及び裏面側からプルームが噴出することが分かる。なお、ガスの種類（Ａｒ、Ｎ₂）を変えてもプルームの高さに変化はなかった。

図６は、シールドガス供給量、ポロシティの発生状況を示すグラフである。ここで、実線は貫通溶接を、破線は部分溶込み溶接を示す。また、特記のないものは１）シールドガスがＡｒ、２）ノズルは水平ノズル、３）ノズルからの噴出の方向は溶接方向前方から後方にしている。レーザ光軸に対して傾斜したノズルを用いると、ポロシティの発生が多く、ノズルを水平にすると、ポロシティの発生が減少することが分かる。また、貫通溶接の方が部分溶込み溶接よりポロシティが少ない。

図７にシールドガス供給量と連続した貫通溶接が開始した間隙（開先ギャップ）とその溶接条件でのポロシティの状況を示すが、ノズルを水平に配置した場合、いずれの場合においても、傾斜ノズルよりポロシティが減少することが分かる。
また、表１にはレーザ出力等エネルギー密度を変えた場合のポロシティの発生状況を示すが、レーザ出力等が変わっても水平ノズルの場合はポロシティの発生はないか少なくなることが分かる。ここで、焦点外し距離は、溶接部の表面からレーザ光の焦点までの距離をいう（試験材内にあるので、マイナス表示をしている）。

シールドガスにＡｒガス、及びＮ₂ガスを用いて溶接試験を行い、継手引張及び曲げ試験（ＪＩＳＺ３１２１、ＪＩＳＺ３１２２）を行ったが、引張試験では母材破断し、引張強さは５１５Ｎ／ｍｍ²以上であり、曲げ試験でも疵はなかった。

本発明は以上の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で変更可能である。例えば、レーザ溶接の出力、ノズルの直径、試験材の厚みなどは任意である。

例えば、ガスレンズの位置は、ノズル内だけではなく、ノズル手前でガスが通る支持部材にあってもよい。また、溶接の対象となる継手は、実施の形態ではＩ型突合せであるが、Ｙ型突合せや、Ｔ継手、角継手、重ね継手、ヘリ継手にも本発明は適用可能である。

また、レーザ溶接部にフィラーワイヤを供給する場合や、そのワイヤに電圧をかけてアークを発生させるレーザアークハイブリット溶接にも本発明は適用可能である。

１０：架台、１１：第１の被溶接母材、１２：第２の被溶接母材、１３：試験材、１４：レーザ溶接ヘッド、１５：ガイド部材、１６：台車、１８：ノズル、１９：レーザ発振器本体、２０：光ファイバー、２３：噴出口

Claims (4)

1. レーザ溶接を行う第１の被溶接母材と第２の被溶接母材の溶接部へのシールドガスの噴射方法であって、
   前記シールドガスを前記第１、第２の被溶接材母材の少なくともいずれか１の表面に平行で、かつ前記溶接部の直上に向けてノズルから噴出し、
   しかも、前記ノズルから吹き出すシールドガスの流量は、８〜２０Ｌ／ｍｉｎの範囲、前記ノズルの軸線と前記溶接部との距離は１５〜３０ｍｍの範囲、かつ前記ノズルの噴出口と前記レーザ溶接を行うレーザ光との距離は２０〜５０ｍｍの範囲にあることを特徴とするレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法。
2. 請求項１記載のレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、前記ノズルの噴出口は円筒形で、前記ノズルの内部に前記シールドガスの流れの均等化を行うガスレンズが設けられていることを特徴とするレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法。
3. 請求項１又は２記載のレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、前記ノズルから噴出されるシールドガスの流速は、６〜２５ｍ／ｓｅｃの範囲にあることを特徴とするレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１記載のレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法において、前記シールドガスがＡｒ又はＮ₂であることを特徴とするレーザ溶接におけるシールドガスの噴出方法。

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