JP2017131918A - Laser welding method - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ溶接方法に関する。 The present invention relates to a laser welding method.
従来、鉄道車両などの車体の軽量化を目的として、アルミニウム合金が用いられてきた。近年では、更なる軽量化及び強度の向上を両立させるために、マグネシウム合金が着目されている。マグネシウム合金を母材とする溶接技術としては、例えば特許文献１に記載の溶接方法がある。この溶接方法は、アーク溶接に関するものであり、レーザの出力値やビームスポット径等を調整することにより、溶融池にキーホールが形成されず、かつ所定の溶け込み深さが得られるようにレーザ照射部のエネルギー密度を設定している。 Conventionally, an aluminum alloy has been used for the purpose of reducing the weight of a vehicle body such as a railway vehicle. In recent years, a magnesium alloy has attracted attention in order to achieve further weight reduction and strength improvement. As a welding technique using a magnesium alloy as a base material, for example, there is a welding method described in Patent Document 1. This welding method relates to arc welding, and by adjusting the laser output value, beam spot diameter, etc., laser irradiation is performed so that a keyhole is not formed in the molten pool and a predetermined penetration depth is obtained. The energy density of the part is set.
マグネシウム合金からなる母材同士をレーザ溶接する場合にも、解決すべき課題が存在する。一般に、マグネシウムは、アルミニウムに比べて液相温度が低く、かつ比重が小さい。したがって、マグネシウムは、アルミニウムに比べて沸点が低く、かつ表面張力が小さい。このため、母材をレーザ溶接する際に母材のぬれ性が過剰となり、溶融した金属が溶接部から流失し易く、溶接中のスパッタも発生し易くなるおそれがある。この傾向は、特にカルシウムを含むマグネシウム合金の場合に顕著なものとなる。 Problems to be solved also exist when laser welding base materials made of magnesium alloy. In general, magnesium has a lower liquidus temperature and a lower specific gravity than aluminum. Therefore, magnesium has a lower boiling point and lower surface tension than aluminum. For this reason, when laser welding the base material, the wettability of the base material becomes excessive, the molten metal is likely to flow out of the welded portion, and spattering during welding may easily occur. This tendency becomes remarkable particularly in the case of a magnesium alloy containing calcium.
母材同士の継手において、溶接部の一方側（レーザ照射側）は、母材の表面と面一であることが理想的である。しかしながら、実際のレーザ溶接においては、上記の理由によって溶接落ち込みが発生する。このため、溶接部の一方側が減肉して凹状となり、健全な溶接部が形成されないおそれがある。 In the joint between the base materials, it is ideal that one side (laser irradiation side) of the welded portion is flush with the surface of the base material. However, in actual laser welding, a welding drop occurs due to the above reason. For this reason, one side of the welded portion is thinned to become concave, and there is a possibility that a sound welded portion may not be formed.
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、カルシウムを含むマグネシウム合金からなる母材同士の溶接にあたって健全な溶接部を形成できるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a laser welding method capable of forming a sound welded portion when welding base materials made of a magnesium alloy containing calcium.
本発明の一側面に係るレーザ溶接方法は、カルシウムを含むマグネシウム合金からなる母材同士を溶接するレーザ溶接方法であって、基準母材同士を溶接し、当該溶接中のレーザ出力値及び形成された溶接部の断面積に基づいて、レーザ出力値と溶接部の落込量との相関を求める相関算出ステップと、実母材同士を事前溶接し、当該溶接中のレーザ出力値と相関算出ステップで求めた相関とを照合して、事前溶接で形成された溶接部の推定落込量を求める推定落込量算出ステップと、推定落込量算出ステップで求めた推定落込量に基づいてフィラー供給条件を含む溶接条件を決定し、当該溶接条件に基づいて実母材同士の実溶接を実行する実溶接実行ステップと、を備える。 A laser welding method according to one aspect of the present invention is a laser welding method of welding base materials made of a magnesium alloy containing calcium, and welding the reference base materials to each other, and a laser output value and formation during the welding. Based on the cross-sectional area of the welded part, the correlation calculation step for obtaining the correlation between the laser output value and the amount of drop of the welded part, and the actual base metal are pre-welded to each other, and the laser output value and the correlation calculating step during the welding are obtained. Welding conditions including filler supply conditions based on the estimated drop amount calculated in the estimated drop amount calculation step and the estimated drop amount calculated in the estimated drop amount calculation step. And an actual welding execution step of executing actual welding between the actual base materials based on the welding conditions.
このレーザ溶接方法では、基準母材に対して溶接を実施し、溶接中のレーザ出力値と溶接部の落込量との相関を予め求める。そして、実母材同士の事前溶接の際のレーザ出力値を相関と照合して推定落込量を求め、この推定落込量に基づいて決定した溶接条件によって実母材同士の実溶接を実行する。このような手法により、カルシウムを含むマグネシウム合金からなる母材同士を溶接する場合のように、レーザ溶接の際の母材のぬれ性が大きい場合でも、溶接条件の適正化によって溶接落ち込みを抑制することが可能となり、健全な溶接部を形成できる。 In this laser welding method, welding is performed on a reference base material, and a correlation between a laser output value during welding and a drop amount of the weld is obtained in advance. Then, the estimated output amount is obtained by comparing the laser output value at the time of preliminary welding between the actual base materials with the correlation, and actual welding between the actual base materials is executed according to the welding condition determined based on the estimated indent amount. By such a technique, even when the base material made of a magnesium alloy containing calcium is welded to each other, even when the base material has high wettability at the time of laser welding, the welding sagging is suppressed by optimizing the welding conditions. And a sound weld can be formed.
また、相関算出ステップは、基準母材の本体部分に対してレーザを照射し、レーザ照射面の反対面の直前まで到達するように本体部分に溶接部を形成すると共に、当該レーザ照射中のレーザ出力値と本体部分に形成された溶接部の落込量とを求める第１ステップと、基準母材同士の溶接予定部分に対して第１ステップと同条件でレーザを照射し、溶接予定部分に溶接部を形成すると共に、当該レーザ照射中のレーザ出力値と溶接予定部分に形成された溶接部の落込量とを求める第２ステップと、第１ステップで求めたレーザ出力値と第２ステップで求めたレーザ出力値との差分値、及び第１ステップで求めた落込量と第２ステップで求めた落込量との差分値をそれぞれ求める第３ステップと、を有していてもよい。 The correlation calculation step irradiates the main body portion of the reference base material with a laser, forms a welded portion on the main body portion so as to reach just before the opposite surface of the laser irradiation surface, and the laser during the laser irradiation. The first step for determining the output value and the amount of drop of the weld formed on the main body part, and the target welding part between the reference base materials are irradiated with laser under the same conditions as the first step, and the welding target part is welded A second step for determining a laser output value during the laser irradiation and a drop amount of the weld formed in the portion to be welded, a laser output value obtained in the first step, and a second step And a third step for obtaining a difference value between the laser output value and a difference value between the drop amount obtained in the first step and the drop amount obtained in the second step.
この場合、第１ステップにより理想的な形状の溶接部に対するレーザ出力値及び落込量が求まり、これを基準として第２ステップで求めたレーザ出力値及び落込量との差分値が求まる。したがって、溶接中のレーザ出力値と溶接部の落込量との相関を精度良く求めることができる。 In this case, a laser output value and a drop amount for an ideally shaped weld are obtained in the first step, and a difference value between the laser output value and the drop amount obtained in the second step is obtained based on this. Therefore, the correlation between the laser output value during welding and the drop amount of the weld can be obtained with high accuracy.
また、第２ステップにおいて、基準母材同士の溶接予定部分に照射するレーザのフォーカス位置を変位させ、第３ステップにおいて、フォーカス位置ごとの複数のレーザ出力値の差分値と複数の落込量の差分値とをそれぞれ求めてもよい。この場合、複数のレーザ出力値の差分値と複数の落込量の差分値とのプロット結果を近似することで、溶接中のレーザ出力値と溶接部の落込量との相関を精度良く求めることができる。 Further, in the second step, the focus position of the laser to be irradiated on the portion to be welded between the reference base materials is displaced, and in the third step, the difference value between the plurality of laser output values and the difference between the plurality of drop amounts for each focus position. Each value may be obtained. In this case, by approximating the plot results of the difference values of the plurality of laser output values and the difference values of the plurality of drop amounts, the correlation between the laser output value during welding and the drop amount of the weld can be accurately obtained. it can.
本発明によれば、カルシウムを含むマグネシウム合金からなる母材同士の溶接にあたって健全な溶接部を形成できる。 According to the present invention, a sound welded portion can be formed when welding base materials made of a magnesium alloy containing calcium.
以下、図面を参照しながら、本発明の一側面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。 Hereinafter, preferred embodiments of a laser welding method according to one aspect of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１は、本実施形態に係るレーザ溶接方法の実施に用いるレーザ溶接装置の概略図である。同図に示すように、レーザ溶接装置１は、例えば母材Ｍ，Ｍの端面同士の突き合わせ溶接を行う装置として構成されている。母材Ｍは、例えば鉄道車両構体の外板として用いられる厚さ数ｍｍ程度の平板部材である。母材Ｍは、鉄道車両の車体の更なる軽量化及び強度の向上を両立させるため、マグネシウム合金によって形成されている。 FIG. 1 is a schematic view of a laser welding apparatus used for carrying out the laser welding method according to the present embodiment. As shown in the figure, the laser welding apparatus 1 is configured as an apparatus that performs butt welding of end surfaces of base materials M and M, for example. The base material M is a flat plate member having a thickness of about several mm used as an outer plate of a railway vehicle structure, for example. The base material M is made of a magnesium alloy in order to achieve further weight reduction and strength improvement of the body of the railway vehicle.
本実施形態では、母材Ｍは、特にカルシウムを含むマグネシウム合金によって形成されている。このような合金としては、例えばＭｇ−６Ａｌ−Ｚｎ−Ｃａ合金（ＡＺＸ６１１合金）が挙げられる。ＡＺＸ６１１合金は、Ａｌを６％、亜鉛を１％、カルシウムを１％含有する難燃性マグネシウム合金である。 In the present embodiment, the base material M is formed of a magnesium alloy containing calcium in particular. Examples of such an alloy include Mg-6Al-Zn-Ca alloy (AZX611 alloy). The AZX611 alloy is a flame retardant magnesium alloy containing 6% Al, 1% zinc, and 1% calcium.
レーザ溶接装置１は、図１に示すように、レーザ光源２と、フィラー供給ノズル３と、アシストガス供給ノズル４と、光検出部５とを備えて構成されている。また、レーザ溶接装置１は、不図示の制御部を有している。制御部は、例えばプロセッサ、メモリ等を含んで構成されるコンピュータシステムである。制御部は、レーザ光源２、フィラー供給ノズル３、アシストガス供給ノズル４、及び光検出部５の制御を実行する。また、制御部は、後述するレーザ溶接方法における各種の演算を実行する。
As shown in FIG. 1, the laser welding apparatus 1 includes a laser light source 2, a filler supply nozzle 3, an assist gas supply nozzle 4, and a
レーザ光源２は、レーザビームＬを発生させる装置である。レーザ光源２としては、例えばファイバレーザを用いることができる。レーザ光源２の加工ヘッド１１は、ハンドリング用ロボットなどによって支持され、レーザ溶接装置１の制御部によって駆動・走査の制御がなされる。レーザビームＬが母材Ｍ，Ｍ同士の溶接予定部分Ａに沿って走査されることにより、溶接予定部分Ａに沿って溶接部Ｗが形成される。
The laser light source 2 is a device that generates a laser beam L. As the laser light source 2, for example, a fiber laser can be used. The
母材Ｍ，Ｍの板厚が４ｍｍである場合を例示すると、レーザ光源２から例えば波長１０６４ｎｍ、スポット径φ０．６ｍｍのレーザビームＬが出力される。また、加工ヘッド１１の走査速度は、例えば１．２ｍ／ｍｉｎに設定される。加工ヘッド１１によるレーザビームＬの走査速度は、すなわち溶接速度である。この条件下では、母材Ｍ，Ｍの溶接予定部分Ａの表面において、直径約２ｍｍ程度の溶融池が約２０ｍｍ／ｓで移動していくこととなる。
For example, when the thicknesses of the base materials M and M are 4 mm, the laser light source 2 outputs a laser beam L having a wavelength of 1064 nm and a spot diameter of 0.6 mm, for example. Further, the scanning speed of the
フィラー供給ノズル３は、溶接部Ｗの減肉を抑制するため、レーザビームＬの照射点に向けてフィラーワイヤＦを供給する部分である。フィラー供給ノズル３は、例えば加工ヘッド１１の走査方向の前方側において、母材Ｍ，Ｍの表面に対して４５°程度傾斜した状態で配置されている。フィラー供給ノズル３の先端から供給されるフィラーワイヤＦは、例えば母材Ｍ，Ｍと同材質の断面円形の線状部材である。フィラーワイヤＦの径は、例えばレーザビームＬのスポット径と同径となっている。
The filler supply nozzle 3 is a portion that supplies the filler wire F toward the irradiation point of the laser beam L in order to suppress the thinning of the welded portion W. The filler supply nozzle 3 is disposed, for example, on the front side in the scanning direction of the
また、フィラー供給ノズル３には、ヒータ１２が取り付けられていてもよい。ヒータ１２によってフィラー供給ノズル３を加熱することにより、レーザビームＬの照射位置に向けてホットワイヤを供給できる。これにより、レーザビームＬの照射点で形成される溶融池の凝固後の冷却速度を緩和することが可能となる。
Further, a
アシストガス供給ノズル４は、レーザビームＬの照射点に向けてアシストガスを供給する部分である。アシストガス供給ノズル４は、例えばレーザビームＬと略同軸に配置され、レーザ溶接装置１の制御部（不図示）により、加工ヘッド１１と同期して駆動・走査される。アシストガスとしては、例えばヘリウムガス又はアルゴンガスが用いられる。これにより、母材Ｍ，Ｍの酸化防止及びスパッタ防止が図られる。なお、アシストガス供給ノズル４は、加工ヘッド１１の走査方向の後方側において、母材Ｍ，Ｍの表面に対して４５°程度傾斜した状態で配置されていてもよい。
The assist gas supply nozzle 4 is a portion that supplies assist gas toward the irradiation point of the laser beam L. The assist gas supply nozzle 4 is disposed substantially coaxially with the laser beam L, for example, and is driven and scanned in synchronization with the
レーザ光源２によるレーザ出力条件及びフィラー供給ノズル３によるフィラー供給条件は、後述する相関算出ステップ及び推定落込量算出ステップを経て決定される。レーザ溶接装置１の制御部は、決定されたレーザ出力条件及びフィラー供給条件に従ってレーザ出力及びフィラー供給を制御する。 The laser output condition by the laser light source 2 and the filler supply condition by the filler supply nozzle 3 are determined through a correlation calculation step and an estimated drop amount calculation step to be described later. The control unit of the laser welding apparatus 1 controls the laser output and filler supply according to the determined laser output condition and filler supply condition.
光検出部５は、レーザビームＬの照射点近傍の光量を検出する部分である。光検出部５としては、例えばフォトダイオードが用いられる。光検出部５は、加工ヘッド１１の走査方向の後方側において、母材Ｍ，Ｍの表面に対して４５°程度傾斜した状態で配置され、レーザ溶接装置１の制御部（不図示）により、加工ヘッド１１と同期して駆動・走査される。
The
光検出部５は、照射点近傍の赤外線を一定の時間間隔（例えば０．５秒間隔）で検出し、検出結果を示す信号をレーザ溶接装置１の制御部に出力する。照射点近傍の赤外線を検出することにより、溶接中のレーザビームＬの出力が間接的に取得される。
The
続いて、上述したレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法について詳細に説明する。 Then, the laser welding method using the laser welding apparatus 1 mentioned above is demonstrated in detail.
図２は、本実施形態に係るレーザ溶接方法の全体ステップの一例を示すフローチャートである。同図に示すように、このレーザ溶接方法は、相関算出ステップ（ステップＳ０１）、推定落込量算出ステップ（ステップＳ０２）、及び実溶接実行ステップ（ステップＳ０３）を含んで構成されている。 FIG. 2 is a flowchart showing an example of overall steps of the laser welding method according to the present embodiment. As shown in the figure, this laser welding method includes a correlation calculation step (step S01), an estimated drop amount calculation step (step S02), and an actual welding execution step (step S03).
相関算出ステップは、基準母材同士を溶接し、当該溶接中のレーザ出力値及び形成された溶接部の断面積に基づいて、レーザ出力値と溶接部の落込量との相関を求めるステップである。相関算出ステップでは、図３に示すように、まず、基準母材の本体部分に対する溶接部の形成、及びレーザ照射中のレーザ出力値と溶接部の落込量との取得がなされる（ステップＳ１１：第１ステップ）。 The correlation calculating step is a step of welding the reference base materials and obtaining a correlation between the laser output value and the amount of drop of the welded portion based on the laser output value during the welding and the cross-sectional area of the formed welded portion. . In the correlation calculation step, as shown in FIG. 3, first, a welded portion is formed on the main body portion of the reference base material, and the laser output value during laser irradiation and the amount of drop of the welded portion are acquired (step S11: First step).
基準母材は、溶接対象である母材Ｍと同一の部材である。すなわち、基準母材は、カルシウムを含むマグネシウム合金によって母材Ｍと同形状に形成された平板部材である。第１ステップでは、図４に示すように、単体の基準母材Ｓを用意し、基準母材Ｓの本体部分ＳａにレーザビームＬを照射する。そして、レーザ照射面の反対面の直前まで到達するように本体部分Ｓａに溶接部Ｗａを形成する。この溶接部Ｗａは、溶接落ち込みが殆ど生じない理想的な溶接部として位置付けられる。溶接部Ｗａの形成にあたっては、フィラーの供給は行わない。 The reference base material is the same member as the base material M to be welded. That is, the reference base material is a flat plate member formed in the same shape as the base material M by a magnesium alloy containing calcium. In the first step, as shown in FIG. 4, a single reference base material S is prepared, and a main body portion Sa of the reference base material S is irradiated with a laser beam L. And the welding part Wa is formed in the main-body part Sa so that it may reach | attain just before the surface opposite to a laser irradiation surface. The welded portion Wa is positioned as an ideal welded portion where almost no weld drop occurs. In forming the welded portion Wa, no filler is supplied.
なお、第１ステップでは、基準母材Ｓの本体部分Ｓａに溶融・凝固部を形成しているのであり、基準母材Ｓ，Ｓ同士の溶接は行ってはいないが、説明の便宜上、当該溶融・凝固部を溶接部Ｗａと称す。溶接部Ｗａを本体部分Ｓａにおける反対面ａの直前まで到達させるためのレーザ照射条件（出力・時間）は、予め複数回の試行により決定される。 In the first step, the melted and solidified portion is formed in the main body portion Sa of the reference base material S, and the reference base materials S and S are not welded to each other. The solidified part is referred to as a welded part Wa. The laser irradiation conditions (output and time) for causing the welded portion Wa to reach just before the opposite surface a in the main body portion Sa are determined in advance by a plurality of trials.
溶接部Ｗａを形成する際のレーザ照射中のレーザ出力値は、光検出部５で検出された照射点近傍の赤外線強度の積分値（若しくは二乗和）によって求められる。また、溶接部Ｗａの落込量は、溶接部Ｗａの形成後に基準母材Ｓを切断し、溶接部Ｗａの断面をマクロ観察することによって求められる。マクロ観察にあたっては、溶接部Ｗの断面を研磨及びエッチングしておくことが好適である。マクロ観察によって溶接部Ｗａの断面積を求め、当該断面積から溶接部Ｗａの落込量（体積）を求めることができる。
The laser output value during laser irradiation when forming the welded portion Wa is obtained by the integrated value (or sum of squares) of the infrared intensity in the vicinity of the irradiation point detected by the
第１ステップの後、図３に示すように、基準母材同士の溶接予定部分に対して第１ステップと同条件でレーザを照射し、溶接予定部分に溶接部を形成すると共に、当該レーザ照射中のレーザ出力値と溶接予定部分に形成された溶接部の落込量とを求める（ステップＳ１２：第２ステップ）。 After the first step, as shown in FIG. 3, the laser beam is irradiated to the planned welding portion between the reference base materials under the same conditions as in the first step to form a welded portion in the planned welding portion, and the laser irradiation is performed. The inside laser output value and the drop amount of the weld formed at the planned welding portion are obtained (step S12: second step).
第２ステップでは、図５に示すように、実溶接と同様に基準母材Ｓ，Ｓの端面同士を突き合わせ、基準母材Ｓ，Ｓの溶接予定部分ＡにレーザビームＬを照射し、溶接予定部分Ａに溶接部Ｗｂを形成する。溶接部Ｗｂの形成にあたっては、フィラーの供給は行わない。この第２ステップの後、光検出部５で検出された照射点近傍の赤外線強度の積分値（若しくは二乗和）によって溶接部Ｗｂを形成する際のレーザ照射中のレーザ出力値を求める。また、溶接部Ｗｂの形成後に基準母材Ｓ，Ｓの接合体を切断し、溶接部Ｗｂの断面をマクロ観察することによって溶接部Ｗｂの落込量（体積）を求める。
In the second step, as shown in FIG. 5, the end surfaces of the reference base materials S and S are brought into contact with each other in the same manner as in the actual welding, and the laser beam L is irradiated to the welding target portion A of the reference base materials S and S to be welded. A welded portion Wb is formed in the portion A. In forming the welded portion Wb, no filler is supplied. After this second step, the laser output value during laser irradiation when forming the welded portion Wb is obtained from the integrated value (or sum of squares) of the infrared intensity in the vicinity of the irradiation point detected by the
第２ステップの後、図３に示すように、第１ステップで求めたレーザ出力値と第２ステップで求めたレーザ出力との差分値、及び第１ステップで求めた落込量と第２ステップで求めた落込量との差分値をそれぞれ算出する（ステップＳ１３：第３ステップ）。 After the second step, as shown in FIG. 3, the difference value between the laser output value obtained in the first step and the laser output obtained in the second step, and the drop amount obtained in the first step and the second step. A difference value from the calculated drop amount is calculated (step S13: third step).
第２ステップ及び第３ステップは、基準母材Ｓ，Ｓの溶接予定部分Ａに対するレーザビームＬのフォーカス位置を基準母材Ｓ，Ｓの厚さ方向に変えながら複数回実行する。第３ステップの後、予定されていた全てのフォーカス位置についてレーザ出力値の差分値及び落込量の差分値の算出が完了したか否かを判断する（ステップＳ１４）。 The second step and the third step are executed a plurality of times while changing the focus position of the laser beam L with respect to the welding target portion A of the reference base materials S and S in the thickness direction of the reference base materials S and S. After the third step, it is determined whether or not the calculation of the difference value of the laser output value and the difference value of the drop amount has been completed for all the planned focus positions (step S14).
全てのフォーカス位置について差分値の算出が完了していない場合、レーザのフォーカス位置を基準母材Ｓ，Ｓの厚さ方向に調整し、第２ステップ及び第３ステップを再び実行する。全てのフォーカス位置について差分値の算出が完了した場合、レーザ出力値の差分値に対する落込量の差分値をプロットし、レーザ出力値と溶接部の落込量との相関を算出する（ステップＳ１５）。相関の算出には、例えばプロットされたデータを直線近似する。 When the calculation of the difference value is not completed for all the focus positions, the laser focus position is adjusted in the thickness direction of the reference base materials S and S, and the second step and the third step are executed again. When the calculation of the difference value is completed for all the focus positions, the difference value of the drop amount with respect to the difference value of the laser output value is plotted, and the correlation between the laser output value and the drop amount of the weld is calculated (step S15). In calculating the correlation, for example, the plotted data is linearly approximated.
図６は、レーザ出力値と溶接部の落込量との相関の一例を示すグラフである。レーザ出力値は、レーザ照射中の光検出部５で検出された照射点近傍の赤外線強度の積分値（若しくは二乗和）から求めたものである。同図の例では、横軸がレーザ出力値の差分値、縦軸が落込量の差分値となっており、フォーカス位置±０．５ｍｍ、±１．０ｍｍ、±１．５ｍｍ、±２．０ｍｍの場合の計８点の相関がプロットされている。フォーカス位置は、基準母材Ｓにおけるレーザ照射側の表面を基準としている。フォーカス位置が−にシフトしている場合、レーザビームＬのフォーカス位置は、基準母材Ｓの内部となり、フォーカス位置が＋にシフトしている場合、レーザビームＬのフォーカス位置は、基準母材Ｓの表面よりも手前（加工ヘッド１１側）となる。フォーカス位置が−側にシフトするほど溶け込み（落ち込み）が深くなる傾向があり、フォーカス位置が＋側にシフトするほど溶け込み（落ち込み）が浅くなる傾向がある。
FIG. 6 is a graph showing an example of the correlation between the laser output value and the weld drop amount. The laser output value is obtained from the integrated value (or sum of squares) of the infrared intensity near the irradiation point detected by the
推定落込量算出ステップは、実母材同士を事前溶接し、当該溶接中のレーザ出力値と相関算出ステップで求めた相関とを照合して、事前溶接で形成された溶接部の推定落込量を求めるステップである。推定落込量算出ステップでは、図７に示すように、まず、実母材同士の事前溶接を実行する（ステップＳ２１）。すなわち、実母材同士の溶接予定部分に沿ってレーザビームＬを照射し、溶接部を形成する。この溶接部の形成にあたっては、フィラーの供給は行わない。 In the estimated drop amount calculation step, the actual base materials are pre-welded, the laser output value during the welding is compared with the correlation obtained in the correlation calculation step, and the estimated drop amount of the weld formed by pre-welding is obtained. It is a step. In the estimated sagging amount calculation step, as shown in FIG. 7, first, pre-welding between actual base materials is executed (step S21). That is, the laser beam L is irradiated along the planned welding portion between the actual base materials to form a welded portion. In forming the welded portion, no filler is supplied.
実母材は、実際に製品の対象となる母材（すなわち、図１に示した母材Ｍ）を用いてもよく、母材Ｍと実質的に同等の別の母材Ｍを用いてもよい。実母材として母材Ｍを用いる場合、母材Ｍに予め余白部分を設け、実溶接後に溶接部を含む余白部分を切断してもよい。こうすると、事前溶接のために新たな母材Ｍを用意する必要がなくなり、溶接継手の製造コストの低減化が図られる。 As the actual base material, the base material that is actually the target of the product (that is, the base material M shown in FIG. 1) may be used, or another base material M that is substantially equivalent to the base material M may be used. . When the base material M is used as the actual base material, a blank portion may be provided in the base material M in advance, and the blank portion including the welded portion may be cut after actual welding. If it carries out like this, it will become unnecessary to prepare the new base material M for prior welding, and the reduction of the manufacturing cost of a welded joint will be achieved.
事前溶接における溶接部の形成にあたっては、相関算出ステップと同様に、レーザ照射中のレーザ出力値を取得する（ステップＳ２２）。このレーザ出力値も、光検出部５で検出された照射点近傍の赤外線強度の積分値（若しくは二乗和）によって求められる。次に、ステップＳ２２で取得したレーザ出力値と、相関算出ステップの第１ステップで求めたレーザ出力値との差分値を算出する（ステップＳ２３）。事前溶接における必要熱量（レーザ出力の初期設定値）Ｑｍｅｌｔ−０は、Ｑｍｅｌｔ−０＝（母材の比熱×母材の融点＋潜熱）×溶融体積分の質量で表される。この式における溶融体積とは、相関算出ステップの第１ステップで基準母材Ｓの本体部分Ｓａに形成した理想的な溶接部Ｗａの体積である。
In forming the welded part in the pre-welding, the laser output value during laser irradiation is acquired in the same manner as the correlation calculating step (step S22). This laser output value is also obtained from the integrated value (or sum of squares) of the infrared intensity near the irradiation point detected by the
レーザ出力値の差分値を算出した後、当該レーザ出力値と相関算出ステップで求めた相関とを照合し、推定落込量を算出する（ステップＳ２４）。図６に示した例では、レーザ出力値と溶接部の落込量との相関が近似直線によって表されている。したがって、ステップＳ２３で求めたレーザ出力値の差分値を近似直線の式に代入することにより、推定落込量を求めることができる。 After calculating the difference value of the laser output value, the laser output value is compared with the correlation obtained in the correlation calculating step to calculate the estimated drop amount (step S24). In the example shown in FIG. 6, the correlation between the laser output value and the amount of drop in the weld is represented by an approximate line. Therefore, the estimated drop amount can be obtained by substituting the difference value of the laser output values obtained in step S23 into the approximate straight line equation.
実溶接実行ステップは、推定落込量算出ステップで求めた推定落込量に基づいて、レーザ出力条件及びフィラー供給条件を含む溶接条件を決定し、当該溶接条件に基づいて実母材Ｍ，Ｍ同士の実溶接を実行するステップである。実溶接実行ステップでは、図８に示すように、まず、推定落込量に基づいて、フィラー添加のための必要熱量を算出する（ステップＳ３１）。 The actual welding execution step determines welding conditions including a laser output condition and a filler supply condition based on the estimated amount of depression obtained in the estimated amount of depression calculation step, and based on the welding conditions, It is a step of performing welding. In the actual welding execution step, as shown in FIG. 8, first, a necessary heat amount for filler addition is calculated based on the estimated drop amount (step S31).
必要熱量Ｑｍｅｌｔは、Ｑｍｅｌｔ＝（母材の比熱×母材の融点＋潜熱）×推定落込量分の質量で表される。したがって、必要熱量Ｑｍｅｌｔ≒入熱量Ｑｉｎ＝熱源による出力の不足分／溶接速度としてレーザ出力条件を決定できる（ステップＳ３２）。熱源による出力の不足分は、フィラー供給ノズル３にヒータ１２が設けられる場合には、レーザ出力値の増加分とヒータ出力値とによって補われる。また、熱源による出力の不足分は、フィラー供給ノズル３にヒータ１２が設けられない場合には、レーザ出力値の増加分のみによって補われる。
The required heat quantity Q melt is expressed as Q melt = (specific heat of base material × melting point of base material + latent heat) × mass of estimated drop amount. Therefore, the laser output condition can be determined as necessary heat quantity Q melt ≈ heat input quantity Q in = insufficient output by heat source / welding speed (step S32). When the
次に、推定落込量に基づいてフィラー供給条件を決定する（ステップＳ３３）。フィラー供給条件の決定にあたっては、まず、推定落込量（体積）と理想溶融体積との比を算出する。理想溶融体積は、例えば相関算出ステップの第１ステップで基準母材Ｓに形成した溶接部Ｗａの体積である。算出した比と溶接速度との積をフィラー供給速度とする。そして、フィラー供給速度からフィラー供給量を算出する。フィラー供給量は、フィラー供給速度とフィラー断面積との積によって算出できる。 Next, filler supply conditions are determined based on the estimated drop amount (step S33). In determining the filler supply conditions, first, a ratio between the estimated drop amount (volume) and the ideal melt volume is calculated. The ideal molten volume is, for example, the volume of the welded portion Wa formed on the reference base material S in the first step of the correlation calculation step. The product of the calculated ratio and the welding speed is taken as the filler supply speed. Then, the filler supply amount is calculated from the filler supply speed. The filler supply amount can be calculated by the product of the filler supply rate and the filler cross-sectional area.
フィラー供給条件の決定後、フィラー加熱条件を決定する（ステップＳ３４）。ここでは、例えばフィラーワイヤＦの温度がフィラーワイヤＦを構成する材料の融点の９０％となる温度となるように、ヒータ１２によるフィラー加熱条件を決定する。すなわち、ヒータ１２によるフィラーワイヤＦの加熱温度は、材料の融点の９０％となる温度からフィラーワイヤＦの加熱前の温度（≒室温）を差し引いた温度となる。ヒータ出力は、母材の比熱×母材の密度×加熱温度×フィラー供給量で求められる。
After determining the filler supply conditions, the filler heating conditions are determined (step S34). Here, for example, the filler heating condition by the
なお、フィラーワイヤＦの温度は、温度測定によって制御するものではなく、ヒータ１２に供給される電流値によって制御するものであってもよい。この場合、ヒータ１２の電源電圧値と電流値との積によってヒータ１２の電力を算出し、ヒータ１２の電力と通電時間との積によってフィラーワイヤＦに供給されるエネルギーを算出すればよい。
Note that the temperature of the filler wire F is not controlled by temperature measurement, but may be controlled by a current value supplied to the
レーザ出力条件、フィラー供給条件、及びフィラー加熱条件を決定した後、実母材Ｍ，Ｍ同士の実溶接を実行する（ステップＳ３５）。実溶接では、決定した溶接条件に基づいてレーザ溶接を実施し、実母材Ｍ，Ｍ同士の溶接予定部分Ａに沿って溶接部Ｗを形成する（図１参照）。 After determining the laser output condition, the filler supply condition, and the filler heating condition, actual welding between the actual base materials M and M is executed (step S35). In actual welding, laser welding is performed based on the determined welding conditions, and a welded portion W is formed along a planned welding portion A between the actual base materials M and M (see FIG. 1).
以上説明したように、このレーザ溶接方法では、基準母材Ｓに対して溶接を実施し、溶接中のレーザ出力値と溶接部Ｗｂの落込量との相関を予め求める。そして、実母材Ｍ，Ｍ同士の事前溶接の際のレーザ出力値を相関と照合して推定落込量を求め、この推定落込量に基づいて決定した溶接条件によって実母材Ｍ，Ｍ同士の実溶接を実行する。このような手法により、カルシウムを含むマグネシウム合金からなる母材Ｍ，Ｍ同士を溶接する場合のように、レーザ溶接の際の母材のぬれ性が大きい場合でも、溶接条件の適正化によって溶接落ち込みを抑制することが可能となり、健全な溶接部Ｗを形成できる。 As described above, in this laser welding method, the reference base material S is welded, and the correlation between the laser output value during welding and the amount of drop of the weld Wb is obtained in advance. Then, the laser output value at the time of preliminary welding between the actual base materials M and M is compared with the correlation to obtain an estimated drop amount, and actual welding between the actual base materials M and M is performed according to the welding conditions determined based on the estimated drop amount. Execute. Even if the base material M made of a magnesium alloy containing calcium is welded by such a technique, even when the wettability of the base material at the time of laser welding is large, the welding sagging is achieved by optimizing the welding conditions. Can be suppressed, and a sound weld W can be formed.
また、本実施形態では、相関算出ステップは、基準母材Ｓの本体部分Ｓａに対してレーザを照射し、レーザ照射面の反対面の直前まで到達するように本体部分Ｓａに溶接部Ｗａを形成すると共に、当該レーザ照射中のレーザ出力値と本体部分Ｓａに形成された溶接部Ｗａの落込量とを求める第１ステップと、基準母材Ｓ，Ｓ同士の溶接予定部分Ａに対して第１ステップと同条件でレーザを照射し、溶接予定部分Ａに溶接部Ｗｂを形成すると共に、当該レーザ照射中のレーザ出力値と溶接予定部分Ａに形成された溶接部Ｗｂの落込量とを求める第２ステップと、第１ステップで求めたレーザ出力値と第２ステップで求めたレーザ出力値との差分値、及び第１ステップで求めた落込量と第２ステップで求めた落込量との差分値をそれぞれ求める第３ステップと、を有している。 In the present embodiment, the correlation calculation step irradiates the main body portion Sa of the reference base material S with laser, and forms the welded portion Wa in the main body portion Sa so as to reach the position just before the opposite surface of the laser irradiation surface. In addition, the first step for obtaining the laser output value during the laser irradiation and the amount of drop of the welded portion Wa formed in the main body portion Sa, and the first to the welding planned portion A between the reference base materials S and S are first. The laser is irradiated under the same conditions as in the step to form the welded portion Wb in the planned welding portion A, and the laser output value during the laser irradiation and the drop amount of the welded portion Wb formed in the planned welding portion A are obtained. 2 steps, a difference value between the laser output value obtained in the first step and the laser output value obtained in the second step, and a difference value between the drop amount obtained in the first step and the drop amount obtained in the second step. Ask for each And the step, the has.
このような手法によれば、第１ステップにより理想的な形状の溶接部Ｗａに対するレーザ出力値及び落込量が求まり、これを基準として第２ステップで求めたレーザ出力値及び落込量との差分値が求まる。したがって、溶接中のレーザ出力値と溶接部Ｗｂの落込量との相関を精度良く求めることができる。 According to such a method, the laser output value and the drop amount for the ideally shaped welded portion Wa are obtained in the first step, and the difference value between the laser output value and the drop amount obtained in the second step on the basis of this. Is obtained. Therefore, the correlation between the laser output value during welding and the drop amount of the weld Wb can be obtained with high accuracy.
また、本実施形態では、第２ステップにおいて、基準母材Ｓ，Ｓ同士の溶接予定部分Ａに照射するレーザのフォーカス位置を変位させ、第３ステップにおいて、フォーカス位置ごとの複数のレーザ出力値の差分値と複数の落込量の差分値とをそれぞれ求めている。この場合、複数のレーザ出力値の差分値と複数の落込量の差分値とのプロット結果を近似することで、溶接中のレーザ出力値と溶接部Ｗｂの落込量との相関を精度良く求めることができる。 Further, in the present embodiment, in the second step, the focus position of the laser irradiated to the welding target portion A between the reference base materials S and S is displaced, and in the third step, a plurality of laser output values for each focus position are determined. A difference value and a plurality of drop amount difference values are obtained. In this case, the correlation between the laser output value during welding and the drop amount of the weld Wb is accurately obtained by approximating the plot result of the difference value of the plurality of laser output values and the difference value of the plurality of drop amounts. Can do.
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、母材Ｍ，Ｍの突き合わせ溶接を例示したが、本発明の手法は、隅肉溶接などの他の溶接形態についても適用可能である。また、上記実施形態では、加工ヘッド１１の走査方向の後方側において、光検出部５が母材Ｍ，Ｍの表面に対して４５°程度傾斜した状態で配置されているが（図１参照）、図９に示すように、加工ヘッド１１の走査方向の前方側において、光検出部５が母材Ｍ，Ｍの表面に対して４５°程度傾斜した状態で配置されていてもよい。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, the butt welding of the base materials M and M is illustrated, but the method of the present invention can also be applied to other welding forms such as fillet welding. Moreover, in the said embodiment, although the
この場合、アシストガス供給ノズル４は、加工ヘッド１１の走査方向の後方側において、母材Ｍ，Ｍの表面に対して４５°程度傾斜した状態で配置されていてもよい。また、図１の場合と同様に、レーザビームＬと略同軸に配置されていてもよい。
In this case, the assist gas supply nozzle 4 may be disposed on the rear side in the scanning direction of the
Ａ…溶接予定部分、Ｍ…母材，実母材、Ｓ…基準母材、Ｓａ…本体部分、Ｗ，Ｗａ，Ｗｂ…溶接部。 A ... planned welding part, M ... base material, actual base material, S ... reference base material, Sa ... main body part, W, Wa, Wb ... welded part.
Claims (3)
基準母材同士を溶接し、当該溶接中のレーザ出力値及び形成された溶接部の断面積に基づいて、レーザ出力値と溶接部の落込量との相関を求める相関算出ステップと、
実母材同士を事前溶接し、当該溶接中のレーザ出力値と前記相関算出ステップで求めた前記相関とを照合して、前記事前溶接で形成された溶接部の推定落込量を求める推定落込量算出ステップと、
前記推定落込量算出ステップで求めた前記推定落込量に基づいて、レーザ出力条件及びフィラー供給条件を含む溶接条件を決定し、当該溶接条件に基づいて実母材同士の実溶接を実行する実溶接実行ステップと、を備えたレーザ溶接方法。 A laser welding method for welding base materials made of a magnesium alloy containing calcium,
Correlation calculation step for obtaining a correlation between the laser output value and the amount of drop of the weld, based on the laser output value during the welding and the cross-sectional area of the formed weld, and welding the reference base materials,
Preliminary welding between actual base materials, collating the correlation between the laser output value during the welding and the correlation obtained in the correlation calculation step, and obtaining an estimated depression amount for the welded portion formed by the preliminary welding A calculation step;
Based on the estimated drop amount obtained in the estimated drop amount calculation step, welding conditions including a laser output condition and a filler supply condition are determined, and actual welding is performed to perform actual welding between actual base materials based on the welding conditions. And a laser welding method.
前記基準母材の本体部分に対してレーザを照射し、レーザ照射面の反対面の直前まで到達するように前記本体部分に溶接部を形成すると共に、当該レーザ照射中のレーザ出力値と前記本体部分に形成された前記溶接部の落込量とを求める第１ステップと、
前記基準母材同士の溶接予定部分に対して第１ステップと同条件でレーザを照射し、前記溶接予定部分に溶接部を形成すると共に、当該レーザ照射中のレーザ出力値と前記溶接予定部分に形成された前記溶接部の落込量とを求める第２ステップと、
前記第１ステップで求めた前記レーザ出力値と前記第２ステップで求めた前記レーザ出力値との差分値、及び前記第１ステップで求めた前記落込量と前記第２ステップで求めた前記落込量との差分値をそれぞれ求める第３ステップと、を有する請求項１記載のレーザ溶接方法。 The correlation calculating step includes:
The main body portion of the reference base material is irradiated with a laser, a weld is formed in the main body portion so as to reach just before the opposite surface of the laser irradiation surface, and the laser output value during the laser irradiation and the main body A first step of determining a drop amount of the weld formed in a portion;
Laser irradiation is performed on the planned welding portion between the reference base materials under the same conditions as in the first step, a weld is formed on the welding planned portion, and the laser output value during the laser irradiation and the welding planned portion are applied. A second step of determining a drop amount of the formed weld,
The difference value between the laser output value obtained in the first step and the laser output value obtained in the second step, and the drop amount obtained in the first step and the drop amount obtained in the second step. The laser welding method according to claim 1, further comprising: a third step for obtaining a difference value between each of the values.
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