JP2003251481A

JP2003251481A - パルスレーザ溶接方法及びパルスレーザ溶接装置

Info

Publication number: JP2003251481A
Application number: JP2002051793A
Authority: JP
Inventors: Sachi Hachiwaka; 佐知八若
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2003-09-09

Abstract

(57)【要約】【課題】Ａ７０００系のアルミニウム合金の溶接に適
したパルスレーザ溶接方法及びパルスレーザ溶接装置を
提供することを目的とする。【解決手段】階段状に出力レベルを増大及び減少する
制御信号の制御によって、パルスレーザ発振器から断続
的に出力されたパルスレーザ波形により、Ａ７０００系
のアルミニウム合金を溶接するパルスレーザ溶接方法に
おいて、前記パルスレーザ波形が出力されてから次のパ
ルスレーザ波形出力されるまでのパルスレーザ波形出力
間隔Ｔと、前記パルスレーザ波形のパルス幅Ｗとの比率
（Ｗ／Ｔ）を２０％以上、４０％以下とすることにより
上記課題を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パルスレーザ溶接
方法及びパルスレーザ溶接装置に係り、特に、アルミニ
ウム合金の溶接に適したパルスレーザ溶接方法及びパル
スレーザ溶接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、非鉄材料の中で構造材料として多
用されているアルミ系材料は、ＣＯ_２レーザビームの吸
収率が低くレーザ溶接は困難とされてきた。しかし、Ｃ
Ｏ_２レーザによるエネルギー密度の向上や吸収率の高い
ＹＡＧレーザの出力アップによってアルミ系材料のレー
ザ溶接が可能となっている。

【０００３】更に、以前はレーザ加工に占める溶接の割
合は切断加工と比較して著しく低かったが、最近の高出
力のレーザ発振器（１０ｋＷ以上のＣＯ_２レーザや４ｋ
Ｗ級のＹＡＧレーザ等）が市場に出回るようになってき
たこと、あるいはレーザ溶接のもつ高品質性に対する需
要面からレーザ溶接に関する技術開発が活発化し、様々
なレーザ溶接が実用化されている。

【０００４】ここで、レーザ溶接方法には連続波とパル
ス波を用いる方法があり、材質や加工手法の違いに応じ
て使い分けて使用されている。一般に、連続波は、切断
やつぎ目のない溶接等の加工に適している。一方、パル
ス波は、照射時間が短いため、周辺への影響を及ぼさず
に微小な孔を開けたり、スポット溶接する等、微細加工
を要する場合に適している。

【０００５】ところで、上記したパルスレーザ波形によ
る溶接をアルミニウム合金材に適用した場合、急速な溶
融と凝固とを伴う本溶接方法は溶接部に割れを生じやす
い。特に、固液相間温度範囲が広いアルミニウム合金材
の場合に溶接部の割れの発生が顕著に表れている。

【０００６】上述した問題の対応として、パルスレーザ
の照射条件を適正化したアルミニウム合金のパルスレー
ザ溶接方法（特開平０９−１２２９５８号公報）や、１
５ｍｓ以上のパルス幅を設け、ピーク値を除々に下げて
いくことで急冷を防ぎ、溶接部の割れ防止させるアルミ
ニウム合金材のパルスレーザ溶接方法（特開平１１−１
７００７５号公報）が既に公知の技術となっている。

【０００７】上述に示したパルスレーザ溶接方法により
溶接割れをある程度抑制することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、より溶
接加工の品質を向上させるためには、溶接部の割れを防
ぐだけではなく、スパッタ等を抑制させることも必要と
なる。

【０００９】ここで、図１にレーザ溶接装置の一構成例
の図を示す。

【００１０】図１のレーザ溶接装置は、制御装置１１
と、パルスレーザ発振器１２と、反射ミラー１３と、加
工レンズ１４とを有するように構成されている。

【００１１】図１において、まず制御装置１１にて、パ
ルスレーザ発振器１２により発振されるパルスレーザ光
の波形制御を行う。ここで、制御装置１１はコントロー
ルパネル等の設定画面から設定を行う。

【００１２】制御装置１１にて設定されたパルスレーザ
の制御情報に基づいて、パルスレーザ発振器１２はパル
スを生成して発振（出力）する。パルスレーザ発振器１
２にはＹＡＧレーザ等が用いられる。発振されたパルス
レーザ光は反射ミラー１３で、加工対象物１５がある方
向に向けられ、加工レンズ１４にて結像した後、加工対
象物１５の加工ポイントに照射することで溶接を行う。
なお、図１のレーザ溶接装置は、溶接だけではなく穴開
けや切断等の加工も行うことができる。

【００１３】次に、パルスレーザ発振器から発振させる
パルスレーザの設定条件とパルスレーザ波形の関係を示
した一例を図２に示す。なお、図２（ａ）は、設定条件
を示す図であり、横軸にパルス幅（ｍｓｅｃ）を示し、
縦軸にパルスエネルギーの出力レベル（ハイト）（％）
を示す。また、図２（ｂ）は、実際にパルスレーザ発振
器から発振されたパルスレーザ波形を示す図であり、横
軸にパルス幅（ｍｓｅｃ）を示し、縦軸にパルスエネル
ギー（ｍＪ）を示す。

【００１４】通常、パルスレーザ波形の設定条件は図２
（ａ）に示すように1パルス毎に設定される。図２
（ａ）の設定によりパルスレーザ発振器から発振された
パルスレーザ波形（図２（ｂ））は、発振された直後に
スパイクと呼ばれるピークの突出部が瞬時的に現れる。
このスパイクの立ち上がりを無くすようにパルス波形を
形成することで、スパッタを抑制することができる。

【００１５】また、パルスレーザ波形をアルミニウム合
金等の加工対象物に照射した後、溶融した金属（ビー
ド）が凝固する際に、体積の収縮が起こり、この収縮が
大きいと溶湯（融解した金属）が十分に補給されずに割
れの発生につながる。上述したスパッタの発生を防ぐこ
とにより、溶湯の補給がされ易くなりレーザ溶接の品質
を向上させることができる。

【００１６】また、アルミニウム合金の中でもＡ７００
０系の合金は、強度が強いのにも関わらず溶接割れを起
こし易く、溶接による接合等は困難とされている。

【００１７】したがって、上述したようにＡ７０００系
のアルミニウム合金の溶接時にも急速な溶融と凝固によ
る割れや、スパッタによる割れが発生しないような溶接
加工が必要である。

【００１８】本発明は、上述した問題点に鑑みなされた
ものであり、特にアルミニウム合金の溶接に適したパル
スレーザ溶接方法及びパルスレーザ溶接装置を提供する
ことを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本件発明は、以下の特徴を有する課題を解決するた
めの手段を採用している。

【００２０】請求項１に記載された発明は、階段状に出
力レベルを増大及び減少する制御信号の制御によって、
パルスレーザ発振器から断続的に出力されたパルスレー
ザ波形により、Ａ７０００系のアルミニウム合金を溶接
するパルスレーザ溶接方法において、前記パルスレーザ
波形が出力されてから次のパルスレーザ波形出力される
までのパルスレーザ波形出力間隔Ｔと、前記パルスレー
ザ波形のパルス幅Ｗとの比率（Ｗ／Ｔ）を２０％以上、
４０％以下とすることを特徴とする。

【００２１】請求項１記載の発明によれば、上述した照
射間隔にすることで、アルミニウム合金の温度が下がり
きらないうちに次のパルスレーザ光が照射されて溶融が
始まるため、パルスレーザ波形照射後のアルミニウム合
金の急激な温度の増加（以下、急熱という）と、急激な
温度の減少（以下、急冷という）を抑制することができ
溶接割れを防ぐことができる。

【００２２】請求項２に記載された発明は、前記パルス
レーザ波形のピーク部分のパルスエネルギーが７．０Ｊ
以上、１１．０Ｊ以下であることを特徴とする。

【００２３】請求項２記載の発明によれば、溶接部（ビ
ード）の割れを防ぐことができ、溶接加工の品質を向上
させることができる。

【００２４】請求項３に記載された発明は、前記パルス
レーザ波形は、パルス幅が１０ｍｓ以下であることを特
徴とする。

【００２５】請求項３記載の発明によれば、加工対象物
に対する負荷を低減させることで、溶接部の割れを防ぐ
ことができる。

【００２６】請求項４に記載された発明は、前記アルミ
ニウム合金の溶接に対して、複数の前記パルスレーザ波
形を有する場合、前記アルミニウム合金に対する前記パ
ルスレーザ波形の照射面積の重複率は７０％以上、１０
０％以下とすることを特徴とする。

【００２７】請求項４記載の発明によれば、一度溶接部
の割れが発生した場合でも、次のパルスが重ねて照射さ
れるため、割れた部分をカバーすることができる。その
ため、溶接加工の品質を向上させることができる。

【００２８】請求項５に記載された発明は、請求項１乃
至４の何れか一項に記載のパルスレーザ溶接方法を用い
たパルスレーザ溶接装置である。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明は、パルスレーザ光による
溶接において、パルスレーザ発振器にて発振させるパル
スレーザ波形を、１パルス幅中の所定の間隔毎に出力レ
ベルを制御し、Ａ７０００系アルミニウム合金に適した
波形に形成させることで、溶接加工の品質を向上させる
ことを主眼とする。

【００３０】次に、本発明におけるパルスの制御方法と
パルスレーザ波形について、図を用いて説明する。

【００３１】なお、本発明においては、説明を容易にす
るため、図１に示したレーザ溶接装置の装置構成に基づ
いて説明するが、レーザ溶接装置の構成についてはこの
限りではない。

【００３２】図３は、本発明におけるパルス波形の設定
条件と実際のパルスレーザ波形を示す一例の図である。
なお、図３（ａ）は、設定条件を示す図であり、横軸に
パルス幅（ｍｓｅｃ）を示し、縦軸にパルスエネルギー
の出力レベル（ハイト）（％）を示す。また、図３
（ｂ）は実際にパルスレーザ発振器から発振されたパル
スレーザ波形を示す図であり、横軸にパルス幅（ｍｓｅ
ｃ）を示し、縦軸にパルスエネルギー（ｍＪ）を示す。

【００３３】本発明では、上述の図１に示したようなレ
ーザ溶接装置において、制御装置１１にて１パルス中に
おける各区間での出力レベルを、図３（ａ）に示すよう
に、ピーク部を有し、そこまで、階段状に出力を増大
させる部分とピーク部から階段状に減少させる部分
とにより構成される出力制御信号によりパルスレーザ
光を形成することで、図３（ｂ）に示すように立ち上が
りのスパイクがなく、且つピーク値のエネルギーから徐
々にエネルギーを減少させることにより、加工対象物で
あるアルミニウム合金の溶接部を徐冷させることができ
るため、溶接部の割れを防ぐことができる。

【００３４】次に、アルミニウム合金へのパルスレーザ
波形の照射のタイミングを示す一例の図を図４に示す。
なお、図４の横軸は時間（ｍｓｅｃ）を示し、縦軸はパ
ルスエネルギー（ｍＪ）を示す。

【００３５】図４において、１レーザパルス波形のパル
ス幅をＷ（ｍｓｅｃ）とし、パルスレーザ発振器からパ
ルスレーザ波形が出力されてから次のパルスレーザ波形
が出力されるまでの時間（繰り返し時間）をＴ（ｍｓｅ
ｃ）とすると、パルス幅Ｗと繰り返し時間Ｔの比率（Ｗ
／Ｔ）を２０％〜４０％の間で設定することにより、加
工対象物であるアルミニウム合金の溶接部分の温度が下
がりきらずに次のパルスレーザ光が照射され融解が始ま
るため、結果的に凝固速度を遅くすることができ、これ
により溶接割れを防ぐことができ、また、アルミニウム
合金の溶接加工の品質を向上させることができる。

【００３６】また、アルミニウム合金の溶接に対して、
複数のパルスレーザ波形を有する場合、アルミニウム合
金に対するパルスレーザ波形の照射面積の重複（オーバ
ーラップ）率（以下、ＯＲ率という）は７０％〜１００
％にすることが望ましい。

【００３７】ここで、図５にＯＲ率を示す一例の図を示
す。

【００３８】溶接割れは、１パルスにより形成される照
射痕の中でも、最後に凝固する中央部へ近づくほど起こ
り易い。しかし、一度割れが発生した場合でも次のパル
スレーザ光が重ねて照射されるので、一度発生した割れ
を修復することができる。また、最終的に溶接部（ビー
ド）の表面には、照射痕の（１００−ＯＲ率）％の領域
（例えば、図５の斜線部）だけが残ることになる。つま
り、ＯＲ率が大きいほどカバーできる割れ部の面積も多
くなる。

【００３９】ＯＲ率は、加工対象物の材質又は形状等に
より変化させる必要があるが、Ａ７０００系のアルミニ
ウム合金は、割れ易い材質であるため、７０〜１００％
の設定が必要となる。

【００４０】上述のように、パルスレーザ波形の出力・
照射方法を制御することにより、スパッタを抑制し、ま
た、溶接部の割れを防ぐことができ、レーザ溶接の品質
を向上させることができる。

【００４１】次に、本発明によるパルスレーザ波形を用
いた実施例を図を用いて説明する。

【００４２】図６は、本実施例におけるパルスレーザ波
形の制御条件を示す図である。ここで、横軸にパルス幅
（ｍｓｅｃ）を示し、縦軸にパルスエネルギーの出力レ
ベル（ハイト）（％）を示す。

【００４３】図４に示すように、ピーク部のハイトを
５０％とし、ピーク部の前にパルスエネルギーの急激
な立ち上がりを無くすことでスパイクの発生を防ぎ、ス
パッタを抑制するため、階段状にハイトを増大させる増
大部を設定する（図４では、３％、３０％）。また、
パルスエネルギーの急激な減少を防ぐためピーク部か
ら６段階に渡り、ハイトが３〜１０％ずつ徐々に低くな
るように減少部を設定する（図４では、４０％、３７
％、３３％、２９％、２５％、２０％）。

【００４４】なお、この時のパルス幅を１０ｍｓにし、
ピーク出力を１．０ｋＷ以下とする。また、分割して設
定するパルス幅の範囲を１．０ｍｓから１．２ｍｓと
し、ほぼ等分割することで、分割したパルス幅の境目の
急激な温度変化を抑制し、なだらかなパルスレーザ波形
を形成することができる。

【００４５】上述のような設定によりパルスレーザ波形
を形成させて、そのパルスレーザ波形で溶接加工を行う
ことで、ビードオン加工での割れは観察されなくなる。

【００４６】なお、上述した増大部、減少部の段階数
は、発明の範囲においてこの限りではない。

【００４７】また、１パルスを上述のように多段階に設
定することにより、冷却速度を遅くすることができると
共に、パルス幅中のピーク出力部分を小さく取っている
ので熱伝導型のビードが時間的に早く形成させることが
できる。

【００４８】次に、本発明により生成したパルスレーザ
波形を加工対象物に照射した結果を図を用いて説明す
る。

【００４９】図７は、図６で設定し形成されたパルスレ
ーザ波形を、パルスエネルギー値を夫々変えて実行した
結果を示す図である。

【００５０】ここで、加工対象物には、Ａ７０７５合金
を使用し、パルスレーザ発振器にはＹＡＧレーザを使用
した。（ＪＫ７０１＋Φ１．０ｍｍコア径ファイバ使
用）また、パルスレーザ波形のパルス幅を一定（１０．
０ｍｓ）とし、繰り返し周波数２０Ｈｚ（繰り返し時間
５０ｍｓ）とした。また、加工レンズには、ｆ２００ｍ
ｍとｆ８０ｍｍを使用し、この時の加工スポット径は光
学設計値Φ４００μｍとした。シールドガスはアルゴン
を使用し、ノズルはレーザ光と同軸でガスを照射する同
軸ノズルとした。これは、サイドノズルでは同軸ノズル
に比べて加工物への当たり方がより局所的になり易いた
め、加工対象物の溶接部の加工品質を損なう恐れがある
ためである。

【００５１】また、本発明の実施におけるＡ７０７５合
金へのパルスレーザ波形の照射状態を図８に示す。

【００５２】図８に示すように、パルスレーザ波形の照
射角度は、Ａ７０７５合金（加工対象物）の垂直方向に
対して、Ａ７０７５合金の進行方向に１２°の傾きを有
し、進行速度は１５０ｍｍ／ｍｉｎした。

【００５３】図７の（ａ）〜（ｄ）の下図は、Ａ７０７
５合金の溶接部の溶込みの深さを示す図であり、図７の
上図は、その溶込み部分（ビード）の拡大図である。

【００５４】図７（ａ）は、照射したパルスレーザ波形
のピークエネルギーが５．０Ｊであり、ビード幅が０．
５８ｍｍ、溶込み深さは０．１６ｍｍである。また、図
７（ｂ）は、ピークエネルギーが７．０Ｊであり、ビー
ド幅が０．７０ｍｍ、溶込み深さは０．１８ｍｍであ
る。また、図７（ｃ）は、ピークエネルギーが９．０Ｊ
であり、ビード幅が０．７７ｍｍ、溶込み深さは０．２
７ｍｍである。また、図７（ｄ）は、ピークエネルギー
が１１．０Ｊであり、ビード幅が０．８８ｍｍ、溶込み
深さは０．３８ｍｍである。

【００５５】図７の結果からもわかるように、図７の
（ａ）、（ｃ）、及び（ｄ）の上図の点線部に示すよう
にエネルギーが低すぎる（図７（ａ））の場合にはビー
ド両端部が割れ、逆にエネルギーが高すぎる（図７
（ｃ）及び（ｄ））場合にはビード中央部が割れている
ことがわかる。このことから、割れがなくで良好に溶接
できるエネルギー領域は限られており実験の結果７．０
Ｊ〜１１．０Ｊであることがわかった。

【００５６】したがって、良好な加工が可能となるエネ
ルギー領域を考慮して、パルスエネルギーを設定するこ
とにより、Ａ７０００合金のように溶接が困難な加工物
に対して溶接の品質を向上させた加工を行うことができ
る。

【００５７】上述したように、本発明により、パルスレ
ーザ発振器より発振されるパルスレーザ波形を所定の時
間間隔で分割し、分割した部分の出力レベルをピーク出
力に到達するまで階段状に増大させる部分とピーク出力
から階段状に減少させる部分とからなる設定条件とこと
により、急熱せず、凝固する速度を遅くすることができ
るパルスレーザ波形を形成させ、そのパルスレーザ波形
を所定の照射タイミングでＡ７０００系のアルミニウム
合金に照射することで、加工物に負荷をかけることなく
溶接を行うことができ、溶接加工の品質を向上させるこ
とができる。

【００５８】また、溶接だけでなく、切断や穴開け等の
レーザ加工においても、同様のパルスレーザ波形を用い
ることにより、溶接の品質を向上させた加工を行うこと
ができる。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、パルスレーザ発振器に
て発振させるパルスレーザ波形を、１パルス幅中の所定
の間隔毎に出力レベルを制御し、Ａ７０００系のアルミ
ニウム合金に適した波形に形成させることで、溶接加工
の品質を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ溶接装置の一構成例の図である。

【図２】パルスレーザ発振器から発振させるパルスレー
ザの設定条件とパルスレーザ波形の関係を示した一例の
図である。

【図３】本発明におけるパルス波形の設定条件と実際の
パルスレーザ波形を示す一例の図である。

【図４】アルミニウム合金へのパルスレーザ波形の照射
のタイミングを示す一例の図である。

【図５】ＯＲ率を示す一例の図である。

【図６】本実施例におけるパルスレーザ波形の制御条件
を示す図である。

【図７】図６で設定し形成されたパルスレーザ波形を、
パルスエネルギー値を夫々変えて実行した結果を示す図
である。

【図８】Ａ７０７５合金へのパルスレーザ波形の照射状
態を示す図である。

【符号の説明】

１１制御装置１２パルスレーザ発振器１３反射ミラー１４加工レンズ１５加工対象物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】階段状に出力レベルを増大及び減少する
制御信号の制御によって、パルスレーザ発振器から断続
的に出力されたパルスレーザ波形により、Ａ７０００系
のアルミニウム合金を溶接するパルスレーザ溶接方法に
おいて、前記パルスレーザ波形が出力されてから次のパルスレー
ザ波形出力されるまでのパルスレーザ波形出力間隔Ｔ
と、前記パルスレーザ波形のパルス幅Ｗとの比率（Ｗ／
Ｔ）を２０％以上、４０％以下とすることを特徴とする
パルスレーザ溶接方法。
【請求項２】前記パルスレーザ波形のピーク部分のパ
ルスエネルギーが７．０Ｊ以上、１１．０Ｊ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスレーザ溶接方
法。
【請求項３】前記パルスレーザ波形は、パルス幅が１０ｍｓ以下であることを特徴とする請求項
１又は２に記載のパルスレーザ溶接方法。
【請求項４】前記アルミニウム合金の溶接に対して、
複数の前記パルスレーザ波形を有する場合、前記アルミ
ニウム合金に対する前記パルスレーザ波形の照射面積の
重複率は７０％以上、１００％以下とすることを特徴と
する請求項１乃至３の何れか一項に記載のパルスレーザ
溶接方法。
【請求項５】請求項１乃至４の何れか一項に記載のパル
スレーザ溶接方法を用いたパルスレーザ溶接装置。