JP2009512556A - 金属蒸気キャピラリーの形成制御を用いたレーザービーム溶接方法 - Google Patents

Abstract

本発明はレーザービームによって少なくとも１つ、好ましくは２つの金属ワークピースを互いに溶接する方法に関し、レーザービーム（１０）と、第１のガス流と、レーザービームおよび第１のガス流が通過する出力オリフィスを具備した溶接ノズルとを用い、金属蒸気で満たされるキャピラリー（１１）またはキーホール（１２）が形成されるように前記溶接可能な単数または複数のワークピースにレーザービームが衝突する地点で金属自体を溶融することによってワークピースを溶接することからなる。溶接の間、第１のガスは、ガス動圧が生じるように溶接可能な単数または複数の部品に対して垂直な方向で、金属蒸気キャピラリーの開口部に対してのみ向けられる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、溶接の間にレーザービームの衝突点にて形成されるキャピラリー上に収束されたガス流により、液溜りの流体力学を制御するレーザー溶接方法に関する。

レーザービーム溶接において、２つのワークピースの間での溶接部の形成は、レーザービームの衝突点での材料の溶融および気化現象に基づいている。

十分に高いすなわち数ＭＷ／ｃｍ^２の比出力密度に関しては、金属蒸気で満たされるキャピラリーまたはキーホールが材料の中に形成され、材料の中心部にエネルギーを直接運ぶことを可能にしている。

キャピラリーの壁は溶融金属で形成され、内部の蒸気によって確立される動的平衡により維持される。動きに依存して、溶融金属はキャピラリー周辺を通過し、これの後ろで「液溜り」を形成する。

継続的に動く液溜りの中心部におけるこのキャビティの存在は、したがって得られる溶接部の質を落としかねない多数の欠陥を生じる不安定性の原因である。

実際、カメラの助けにより溶接箇所を観察すると、放出された蒸気と接触する溶接溜りの表面に発現し、「ウェーブ」を形成する大きな不安定性が観察される。時折り、キャピラリーから放出された金属蒸気も、液体金属の液滴を帯びる。液溜りは時に、自身の重さの作用により潰れ、一時的にキャピラリーを塞ぎ、大きな不安定性を引き起こす。

それ故に、溶接部の外見は、しばしば非常に粗くぎさぎざである一方で、多孔性が現れ、得られる溶接シームを弱くする。

換言すれば、得られる溶接シームは質が悪い。

Ｋａｍｉｍｕｋｉらによる文献Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｄｅｆｅｃｔ ｂｙ ｓｉｄｅ ｇａｓ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｉｔｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ Ｎｄ:ＹＡＧ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ， Ｊ． ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ａｐｐｌ．， １４(３), ｐ． １３６−１４５, ２００２は、専らキーホールの近くに配置された通常の円筒ノズルを介して放出される横方向ガスジェットが、ときに溶接シームのスパッタおよび多孔性を減じることが可能なことを説明する。

しかしながら、この解決策の主な問題は、ノズル配置の大きな困難性にある。実際、ガスジェットの圧力が少し高すぎるか、またはキャピラリーの後方に数ミリメートルずれた場合は、後者を塞ぎ、液溜りの不安定性を増大させ、求めるものと逆の効果を引き起こすのに十分である。

さらに、溶接はこのようなノズルを用いてただ１つの方向でしか行うことができない。これは、溶接されるワークピースの複雑性に依存して、溶接がいくつかの方向で実行されなければならない工業的な環境では非常に実用的ではない。

さらに、文献ＪＰ−Ａ−６１２２９４９１，ＪＰ−Ａ−０４３１３４８５およびＵＳ−Ａ−４６８４７７９には、補助ガスを用いたレーザー溶接方法が提案されている。１つ以上のガス流を溶接されるワークピースに向けて送り、溶接領域における雰囲気中に認められるガス状不純物を排除する。換言すれば、これらの文献においては、ガス流が低圧で送られ、専ら溶接領域をシールドするガス雰囲気を与える。

このような方法は、作られる溶接シームの質を向上させることができない。なぜならば、単数または複数のガス流は専ら溶接溜りに圧力を及ぼし、溶融金属をキャピラリーに向けて押込むので、したがってキャピラリーの不安定化、または極めて単純にその閉塞を引き起こすからである。

それ故に、生じる問題は、溶接シームの質を高める一方で、先述の有害な現象を避けるような方法で、既存の溶接法を改善することである。

本発明の解決策は、工業的な環境でも利用できなければならない。すなわち、その構成において簡単で、特に１つの溶接方向に制限されないという、使用において大きな融通性をもっていなければならない。

本発明の解決策は、少なくとも１つの金属ワークピース、好ましくは２つの金属ワークピースを互いにレーザービーム溶接する方法であって、
ａ）レーザービームと、第1のガス流と、出口オリフィスを具備した溶接ノズルとを用い、前記オリフィスを前記レーザービームおよび第1のガス流が通過し、；
ｂ）溶接される単数または複数のワークピース上の前記レーザービームの衝突点において、前記溶接される単数または複数のワークピースの金属を溶融させることによって前記単数または複数のワークピースを溶接し、その際キャピラリーまたはキーホールが形成されかつ金属蒸気で満たすものである。

本発明によれば、溶接の間に、第1のガス流は専ら金属蒸気キャピラリーの開口に向けて、かつ溶接される単数または複数のワークピースに対して垂直な方向に導かれ、そこに動ガス圧を及ぼし、キーホールの開放を維持する一方で、それを広げる。

本発明の文脈内にて、溶接されるシート金属の表面に存在する、金属蒸気が通って逃げるキャピラリー領域は、「金属蒸気キャピラリー開口（またはキーホール）」と呼ばれる。このように、図５の図表は、レーザービーム１０による溶接プロセスの過程での、溶接領域の縦断面を示す。この図表は、一方で金属蒸気１２がそこから逃げるキャピラリー１１の表現と、他方で後部１３で溜りを形成する金属液体壁１４との表現を区別している。矢印は、溶接方向Ｓを示す。

場合により、本発明の方法は以下の特徴の１つ以上を含む：
- 第１のガス流を用いて、蒸気キャピラリーの開口に、継続的かつ一定の動ガス圧を及ぼす；
- 第１のガス流を用いて、溶融金属の液溜りの流れを安定化させる；
- 第１のガス流周囲に配置されたシールドガスの第２の流れをさらに用いる；
- レーザービームの軸回りの第１のガス流と同軸に配置されたシールドガスの第２の流れをさらに用いる；
- 第１のガスの量がおよそ１０ないし２０ ｌ／分であり、第２のガスの量がおよそ２０ないし３０ ｌ／分である；
- ノズルは同軸ノズルである；
- 第１および第２のガスはアルゴン、ヘリウム、窒素およびそれらガスと場合により少ない割合のＣＯ_２、酸素または水素との混合物から選択される；
- レーザービームはＮｄ：ＹＡＧ、イッテルビウムファイバーまたはＣＯ_２レーザー発生器によって発生させる；
- 溶接ノズルはロボットアームによって運ばれる；
- 溶接される単数または複数の金属ワークピースは被覆または無被覆の炭素鋼、アルミニウムもしくはステンレス鋼である；
- 第１のガス流を送達する溶接ノズルが０．１ないし１０ｍｍ^２のガス流面積をもつ；および、
- 第１のガス流の圧力は１ないし１０ｋＰａである。

それ故に、本発明は、前記キャピラリー開口に向けて、またはその上に向けられる「速い」第１のガスジェットもしくはガス流を介してキーホール開口上に作用し、この位置に動ガス圧を及ぼして開口の形状を安定化させるか、またはそれを広げることによって、溶接の間に液溜りの流を安定化させることに基づいており、このようにして先述の問題を解決する。

実際、この動圧のおかげで、キャピラリーは開口したままである。なぜならば、第１のガスの圧力がそれを広げ、キャピラリー内で発生した金属蒸気は、近くの溶融金属溜りに妨げられることなく逃げることができるからである。

それ故に、飛沫の数は明らかに減り、容易に液体金属の流体力学流のより容易な形成が認められ、改善された溶接シームの外見、および溶接部の多孔性の減少を導く。なぜならば、もはや金属蒸気がそこでトラップされないか、または極めて少量だからである。

これを補足して、レーザー溶接に通常使用されるような、より低い流量のシールドガスの第２のジェットが周囲に配置され、溶接領域周囲にガスシールドまたはカバーを形成することによって溶接溜りを酸化からシールドする。

換言すれば、好ましくは、本発明の解決策は、キーホール開口に向けられているか、または収束されている、レーザービームの軸回りに対称に配置された第１の「速い」安定化ガスジェットと、溶接領域をカバーまたはシールドする「遅い」第２のガスジェットとを利用する。

キーホールを開口させたままにしておくのに十分な動圧をキーホールに及ぼすために十分な運動エネルギーを持つか、または獲得する場合には、収束されたガスは「速い」と言われる。これに対して、カバーガスは「遅い」と言われる。なぜならば、それは液溜りの流を乱してはならないが、後者と周囲空気中の酸素との接触を防がなければならないからである。

流量は、速い第１のガスについてはおよそ１０ないし２０ ｌ／分、遅い第２のガスについてはおよそ２０ないし３０ ｌ／分である。「速い」ガスの流れの断面積は、典型的に０．１ないし１０ｍｍ^２である。実際、ガス流の径は、ノズル出口でのレーザービームのものよりも数十分の１ミリメートルだけ大きい。

必要とされるガス流量は、有効な動圧を得るために用いられるガスの密度に直接依存する。この圧力は、典型的に数ｋＰａのオーダーである。

与えられた溶接操作に最適なガス流量の個々の選択は、それ故に所望される溶接条件、特に溶接される材料のタイプ、利用可能なガスの種類、および使用されるレーザー発生器の出力に依存して、当業者によって経験的になされる。

ガスジェットまたは流は、図１ないし４に示すような、互いに対して同軸である２つのガス流を送達するノズルであり、「同軸」ノズルとも呼ばれる１つの「デュアルフロー」ノズルによって送達することができる。この原理は、いくつかの、特に３つの同心ガス流にまで拡大適用され得る。

代替的に、速い収束ガスは、いくつかの適切に配置されたノズルによって、例えば、典型的に３ｍｍ未満の小径であり、ビームの軸に対して２０°ないし４５°の角度で、「遅い」ガスを送達する通常の環状シールドノズルの周囲に規則的に分配することにより配置される、４つの先細ノズルによって送達されてもよい。

好ましくは、第１および第２のガス流として同一のガスが使用されることは注目される。しかしながら、これら２つのガスは異なっていてもよい。

したがって、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー溶接においては一般にレーザービームをシールドするガスとしてアルゴンが使用される一方で、ＣＯ_２レーザー溶接においては逆火現象を防ぐためにヘリウムが必須である。

しかしながら、ＹＡＧまたはファイバーレーザー発生器について任意の不活性ガスを使用できるように、或る用途については、ヘリウム／窒素、ヘリウム／アルゴンまたはその他のヘリウムベースのガス混合物をＣＯ_２レーザー発生器からのビームに使用してもよい。

同様に、低い比率（数％）で加えられる酸素、ＣＯ_２または水素のような１つ以上の追加の成分とともに、アルゴン、窒素、ヘリウムまたはそれらの混合物を使用してもよい。

図１ないし４は、本発明による「同軸」ノズルのいくつかの実施態様を模式的に示す。

図１ないし４に見られるように、同軸ノズルは少なくとも２つの同心ガス送達回路で形成されるノズルである。

図１は、同軸ノズルの第１のバージョンである。第１のガスジェットは、キーホール開口に向けて０．２ないし３ｍｍ径のオリフィス１を通してノズルの中心で送達される。

カバーガスは、今度は開口１と同心のリング２において拡散される。リング２の輪郭は、壁効果（ｗａｌｌ ｅｆｆｅｃｔ）が得られるように、換言すれば遅いガスの流れの方向がベクトル３によって示されるような壁の曲率に沿うように選択することができる。

図２は、レーザービームの軸に沿って速いガスの流れを収束させるために壁効果を用いるノズルのバージョンを示す。この実施態様において、３つのガス流回路を設ける：主に、レーザー光学系に戻るあらゆる汚染の防止に供する遅いガスの送給および低流速のための１つの軸方向回路４、キーホール開口に向けて速いガスをチャネリングする第１の周囲回路５および遅いカバーガスを送達する第２の回路６である。

図３は、遅いガスのガス状カバーが、ノズル出口にてガスを水平に動かす傾向のある回転成分を伴った「渦」分布により広げられる実施態様を示す。

図４は、速いガスが、中細オリフィスである中細ノズルを介して加速されるノズルを示す。

同軸ノズルの使用における主な関心は、その配置の容易さ、およびノズルを運ぶ溶接ヘッドの移動が可能な方向に関しての独立性にある。

これは、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーによる溶接の場合には、光ファイバーケーブルを介してノズルを支えるレーザーヘッドに運ばれる前に、Ｎｄ：ＹＡＧ発生器によってレーザービームが発生されるロボットアームの端にそれを直接配置することが可能であることを示唆する。

全ての場合において、このような同軸ノズルを用いた本発明による方法を実施することによって、第１のガスジェットは加速され、キャピラリー開口の方向にとどめられる。これにより、キャピラリーの後方での流量を変動させることが可能となる。

したがって、キャピラリーは溶接方向においてより開き、液溜りの流が一定、連続的となり、あらゆる表面振動が無くなる。

Ｎｄ：ＹＡＧレーザー発振器による溶接の場合は、溶接シームは非常に平滑で、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー溶接に特徴的な「シュブロン構造」を完全に除くことができる。

もちろん、ガスジェットの流量は通常の流量よりも大きくなければならないが、溶融金属を押出すことを避けるために大きすぎてはいけない。

本発明の実施は、さらに、溶接部の溶込み深さの顕著な増大を導くという利点も持っている。

このようにして、キャピラリー開口に向けられ、かつ閉じ込められるガスジェットによって実行される試みは、２５％の溶込みの増加を示している。

このことは、キャピラリーが本発明によるガスジェットによって伸張されることを考慮すると、レーザービームがキャピラリー後方の波面の揺らぎによって殆ど妨害されない事実によって説明されるであろう。

さらに、ガスジェットによるより大きなキャピラリー開口によって、例えばＣＯ_２レーザー発振器による溶接の場合は、より低い濃度のプラズマ、および結果的によりレーザーを吸収しないものが得られる。

キャピラリーを伸張させることは、レーザー溶接の間に溶接シーム中に発生する多孔性も大きく減じる。

液溜りの流が本発明による収束ガスジェットを介して安定化される場合、溶融金属の飛沫が減り、金属液滴の押出しを完全に除くことができる。

キャピラリー開口に速いガスジェットを閉じ込める同軸ノズルの使用は、液溜りの流体力学を効果的に制御することを可能にする。

後者の流は、それ故に非常に良好に安定化され、金属スパッタは完全に除かれる。これは、３ ｍ／分未満の低い溶接速度で、向上した溶込み深さをもって、非常に高い溶接シームの質を得ることが可能にする。

速いジェットによるこの溶接方法はそれ故に、およそ１ないし５ｍｍの中程度の厚さでのレーザー溶接の応用に好適である。

説明無し 説明無し 説明無し 説明無し 説明無し

Claims (13)

1. 少なくとも１つの金属ワークピース、好ましくは２つの金属ワークピースを互いにレーザービーム溶接する方法であって、
   ａ）レーザービームと、第1のガス流と、出口オリフィスを具備した溶接ノズルとを用い、前記オリフィスを前記レーザービームおよび第1のガス流が通過し、
   ｂ）溶接される単数または複数のワークピース上の前記レーザービームの衝突点において、前記溶接される単数または複数のワークピースの金属を溶融させることによって前記単数または複数のワークピースを溶接し、その際キャピラリーまたはキーホールが形成されかつ金属蒸気で満たされ、
   溶接の間、前記第１のガス流が専ら金属蒸気キャピラリーの開口に向けて、かつ前記溶接される単数または複数のワークピースに対して垂直な方向に導かれ、そこに動ガス圧を及ぼし、キーホールの開放を維持することを特徴とする方法。
2. 前記第１のガス流を用いて、蒸気キャピラリーの開口に継続的かつ一定の動ガス圧を及ぼすことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のガス流を用いて、溶融金属の液溜りの流れを安定化させることを特徴とする請求項１および２のいずれかに記載の方法。
4. 前記第１のガス流の周囲に配置されたシールドガスの第２の流れをさらに用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記レーザービームの軸回りに前記第１のガス流と同軸に配置されたシールドガスの第２の流をさらに用いることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記第１のガスの流量がおよそ１０ないし２０ ｌ／分であり、第２のガスの流量がおよそ２０ないし３０ ｌ／分であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記ノズルが同軸ノズルであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第１および第２のガスが、アルゴン、ヘリウム、窒素およびそれらのガスと場合により少ない割合のＣＯ_２、酸素または水素との混合物から選択されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記レーザービームがＮｄ：ＹＡＧ、イッテルビウムファイバーまたはＣＯ_２レーザー発生器によって発生することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記溶接ノズルをロボットアームによって運ぶことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記溶接される単数または複数の金属ワークピースが、被覆または無被覆の炭素鋼、アルミニウムもしくはステンレス鋼から作られることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記第１のガス流を送達する溶接ノズルが、０．１ないし１０ｍｍ^２のガス流面積を持つことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記第１のガス流の圧力が１ないし１０ｋＰａであることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の方法。

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