JP3671544B2

JP3671544B2 - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JP3671544B2
Application number: JP24783196A
Authority: JP
Inventors: 義典近江; 保典河本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-09-19
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2016-09-19
Also published as: JPH1085974A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接方法に関するものであり、更に詳しく述べるならば、鉄・炭素鋼、又はステンレス鋼の中で従来溶接が困難であって、溶接割れが発生しやすい材料として知られていた鋼材料に、溶接割れを発生することなくレーザ溶接する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属材料に対するレーザ溶接方法は、当該溶接金属材料を大気から保護（金属酸化物の生成防止および表面酸化の防止）し、かつ、キーホール近傍に生成するプラズマを除去して、深溶け込みを実現するために、不活性ガス（Ａｒ，Ｈｅ，Ｎ₂など）をアシストガスとして、レーザ照射部に吹きつけながら、レーザ溶接する方法が知られている。一方、鉄・炭素鋼およびステンレス鋼の中で従来溶接が困難であると知られていた材料についても、溶接コストの低下のために、レーザ溶接を利用しようとするニーズが急増している。このような金属材料に前記のような従来のレーザ溶接法を適用すると、レーザ照射により形成される溶け込み部（溶融池）に大きな収縮応力が発生し、また、金属溶融量が増大するため、当該溶接部に溶接欠陥（割れ）が発生し、品質良好な溶接物品が得られないという問題点がある。
【０００３】
また、母材材料よりも低い融点を有する金属により被覆されている複合金属材料、例えば亜鉛めっき鋼材などに、レーザ溶接を施すときに、前記低融点金属の爆発現象を防止するために、アシストガス中に５〜３５容積％の酸素を含有させて、溶融部中の前記低融点金属を酸化し、その爆発を防止することが知られている。
しかしながら、爆発現象を発生するような低融点金属被覆層を含まず、しかも、鉄・炭素鋼、およびステンレス鋼の中で従来溶接が困難として知られていたものを、溶接割れを発生することなくスムースにレーザ溶接する方法は、知られていなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、鉄・炭素鋼およびステンレス鋼の中で従来溶接が困難として知られていた、金属材料を溶接割れを生ずることなく溶接することが可能なレーザ溶接方法を提供しようとするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のレーザ溶接方法は、５０重量％以上の鉄、および０．２重量％以上の炭素、または０．０４５重量％以上の硫黄、または０．０４重量％以上のりんを含有する鉄・炭素鋼材料、およびクロム当量とニッケル当量の比Ｃｒ _eq ／Ｎｉ _eq が１．４８以下のステンレス鋼から選ばれた複数の板材を重ね合わせ、これにアシストガスを吹きつけながら、レーザビームを照射して、前記複数の板材を溶接するに際し、前記アシストガスの酸素ガス含有量を５〜５０容量％に調整して、前記溶接部におけるＷ／Ｌ比（但しＷは溶融部のビード幅を表し、Ｌは前記複数の板材の接合部の幅を表す）を、１．０〜１．５の範囲にコントロールすることを特徴とするものである。
本発明のレーザ溶接方法において、前記Ｗ／Ｌ比を、ほぼ１．０に近づけるようにコントロールすることが好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明のレーザ溶接法において、溶接に供される材料は、鉄・炭素鋼およびステンレス鋼の中で従来溶接が困難とされている材料である。これらの材料の中でも、鉄・炭素鋼では、５０重量％以上の鉄を含有し０．２重量％以上の炭素または、０．０４５重量％以上の硫黄（Ｓ）または０．０４重量％以上のりん（Ｐ）を含有している材料、およびステンレス鋼では、クロム当量（Ｃｒ_eq＝Ｃｒ＋Ｍｏ＋１．５Ｓｉ＋０．５Ｎｂ（重量％））と、ニッケル当量（Ｎｉ_eq＝Ｎｉ＋３０Ｃ＋０．５Ｍｎ（重量％））との比：Ｃｒ_eq／Ｎｉ_eqが１．４８以下の材料に対し、本発明方法が、有効に適用される。
【０００７】
アシストガスとして不活性ガス（Ａｒ，Ｈｅ，Ｎｅなど）を用いる従来のレーザ溶接方法を、鉄−炭素鋼材料、又はステンレス鋼材料に適用すると、重ね合わされた材料１および２の溶接部分に形成される、溶け込み部（溶融池）３は、図１Ａに示されているような表面形状および図１Ｂに示されているように断面形状、すなわちワインカップ形状を示す。これは、レーザ照射面の温度分布が不均一であると、それに対応して、溶融池表面の表面張力の分布が不均一になり、このため溶融池内に、図１Ａおよび図１Ｂに矢印により示されているような方向の対流を生ずる。すなわち、溶融池表面において、溶融金属は、溶融池の中央部から外周部に向って流れ、中央部に戻る対流、および熱輸送系が形成される。このときの、温度分布と表面張力との関係は図１Ｃに示されている。図１Ｃに示されているように、溶融金属の温度が高い程、その表面張力は低下するから、温度の最も高い中央部から外周に向って熱輸送が行われ、かつ対流を生ずる。このため、溶融池のレーザ照射表面のビード幅Ｗは、重ね合わされた材料１および２の溶接面の幅Ｌより著るしく大きくなる。すなわちＷ／Ｌ比は１より著るしく大である。
【０００８】
図２は、従来方法による溶接部の断面形状を示したものであって、重ね合わされた金属材料１、および２の接合部に形成された溶接部の接合部の幅Ｌにくらべて、溶接部上面のビード部の幅Ｗは著るしく大きくなっている。このように、Ｗ／Ｌ比が著るしく大きな状態で溶融池３が冷却凝固すると、ＷとＬとの差に基づく収縮応力が発生し、この収縮応力によって、金属材料１および２の接合面と、溶接部外周面との交点の近くから溶接割れ４が発生する。従って、鉄・炭素鋼およびステンレス鋼の中で、従来溶接が困難であると知られていた金属材料に、不活性ガスのみをアシストガスとして使用する従来方法を適用すると、品質良好な溶接結果を得ることはできなかった。
【０００９】
一般的に、溶接割れは、凝固部（組織）に、引張り（収縮）応力が作用したとき、この凝固部が脆弱であって、この応力に耐えることができないときに発生す。従って、溶接割れを防止するには、（１）発生する収縮応力を小さくすること、および／又は（２）凝固部の強度を向上させること、が必要である。
【００１０】
本発明者らは溶接部に発生する収縮応力を低減することにより、溶接欠陥（割れ）の発生を防止できることに着目し、この収縮応力を低減する手段について検討した。
図３に、溶接部において、溶接割れを発生し易い点Ａ（重ね合わされた２枚の金属材料１，２の接合部と、溶融池外周面との交差点近傍）に生ずる収縮応力と、ビード幅／接合部幅Ｗ／Ｌとの関係を、ＦＥＭを用いて計算した結果を示す。図３において、従来の溶接部のＷ／Ｌは、約２．６であって、このときにＡ点に発生する収縮応力は、Ｗ／Ｌ比が１の場合のＡ点における収縮応力の約６．４倍である。すなわち、溶接部に発生する収縮応力を低下させ、溶接割れの発生を防止するためには、溶接部（溶融池）の形状を、適切化し、Ｗ／Ｌを１．０〜１．５の範囲に制御することが有効であり、このとき、Ｗ／Ｌをほぼ１．０に近づけるように制御することが好ましい。
【００１１】
本発明においては、鉄−炭素鋼およびステンレス鋼の中で、従来溶接が困難であると知られていた材料のレーザ溶接において、アシストガスに５〜５０容積％の酸素を含有させ、残余を、Ａｒ，Ｈｅ、又はＮ₂などの不活性ガスとし、このような特殊組成のガスをアシストガスとしてレーザ照射面に吹き当てることにより、図３に示した理想形状の溶接部を形成し、それによって、溶接部の冷却凝固の際に発生する収縮応力を最小にすることに成功したものである。
【００１２】
本発明方法においては、図４Ａに示されているように、ビードにおける熱輸送方向（対流方向）は、ビード外周面から中央に向う方向であるから、ビード幅が拡大することがなく、図４Ｂに示されているように、溶接部断面において、熱輸送方向（対流方向）は中央下部から、ビード外周部に向う方向をとるから、この断面形状が図１Ｂに示されているように、著るしく下方に狹くなることがない。このため、ビード幅Ｗおよび接合部幅Ｌの比Ｗ／Ｌの値は、１．０〜１．５の範囲内にコントロールされ、好ましくは、ほぼ１に近づくことになる。図４Ａおよび図４Ｂに示されているような熱輸送方向（対流方向）をとるということは、溶融池において、温度が高い部分（溶融池の中央部すなわちレーザの照射中心部）の表面張力が、温度の低い部分（外周部）の表面張力よりも高いということであり、このため、対流は、ビード表面部においては外周部から、中央部に向う方向に発生し、この流れは、中央部において下降し、さらに外向きに上昇するのである。
【００１３】
本発明方法において、溶融池に図４Ａ、およびＢに示されているような方向の熱輸送および対流が発生する機構は、下記のように説明される。一般に、液体の表面張力は、構成元素（本発明方法においてはＦｅ元素）の分子間結合力に比例するものと思われる。Ｆｅの分子間結合力は、温度上昇とともに低下するから、従って、その表面張力は、温度上昇とともに低下する。ところが、本発明において、アシストガスに酸素を含有させると、酸素がＦｅと置換結合し、そのため、Ｆｅの分子間結合力が低下し、しかも、非金属元素である酸素は高温になるほど解離しやすい。このため、特定温度域、例えば融点から沸点近傍の範囲においては酸素とＦｅとの結合の度合により、溶融池における溶融金属の表面張力は温度の上昇とともに増大するものと思われる。つまり温度が高くなる程表面張力が低下するという比例則が本発明方法においては、逆転しているのである。このため、図４Ａ，ＢおよびＣに示されているように、溶融池における熱輸送方向および対流状態が理想状態となりＷ／Ｌ比を、１．０〜１．５にコントロールし、好ましくはほゞ１に近づくようにコントロールすることが可能になり、その結果、溶接欠陥の発生を防止できるのである。
【００１４】
図５には、本発明方法により得られる溶接部の断面形状を示す。図５において、溶接部のビード幅と、接合部幅とは互に近似し、比Ｗ／Ｌは、１．０〜１．５にコントロールされ、好ましくはほぼ１に近づくようにコントロールされる。また、図に示されているような断面形状を有する溶接部は、溶接欠陥（割れ）の発生しにくいものである。
【００１５】
上述のような溶接部を形成するために有効なアシストガス中の酸素濃度について検討した。
継手上側材料（材料組成＝Ｃｒ：１９％、Ｎｉ：９％、Ｃ：０．０６％、残部：Ｆｅ）と、下側材料（材料組成＝Ｃｒ：１３％、Ｃ：０．６５％、残部：Ｆｅ）とを重ね合わせ、この試料を一定速度で移動させながら、パルスＹＡＧレーザを繰り返えし照射した。溶接条件＝パルス幅：２ｍ秒、エネルギー：３．５Ｊ／Ｐ。上記溶接において、アシストガス中の酸素濃度を、０〜１００％の間で変化させ、得られた溶接部のＷ／Ｌ比を測定した。その結果を図６に示す。
【００１６】
図６に示されているように、アシストガスの酸素濃度が５容量％未満であると、Ｗ／Ｌ比値が著るしく増大し、従って、溶接欠陥を生じ易くなる。また、それが５０容量％を超えて高くなると、溶接部に穴あきが発生するようになる。従って、アシストガス中の酸素濃度は５〜５０容量％内にコントロールすべきであり、１０〜３０容量％にすることが好ましい。
また、得られた溶接部の組成をミクロ分析した結果、アシストガス中の酸素濃度が５０容量％以下の場合、得られる溶接部組成中に、酸素の残留は認められず、従って、添加した酸素は、溶融時に、すべてスラグの状態で溶接部表面に遊離し、凝固するものと認められる。よって、本発明方法において、アシストガスに含まれる酸素は、得られる溶接部の耐食性に、実用上影響を与えることはない。
【００１７】
【発明の効果】
本発明方法において、鉄−炭素鋼およびステンレス鋼の中で従来溶接が困難と認められていた材料を溶接欠陥（割れ）を生ずることなく、強固に溶接することができる。また、その耐食性を大きく低下させることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１Ａは従来方法による溶融池表面の形状を示す平面図。
図１Ｂは従来方法による溶融池の断面形状を示す断面図。
図１Ｃは従来方法における温度と表面張力の関係を示すグラフ。
【図２】図２は従来方法により得られる溶接部の一例の断面形状を示す断面図。
【図３】図３は、従来の溶接部の形状および溶接部の理想形状におけるビード幅／接合部幅（Ｗ／Ｌ）比と、溶接割れ発生点Ａにおける収縮応力比との関係を示すグラフ。
【図４】図４Ａは本発明方法により得られる溶融池の表面形状を示す平面図。
図４Ｂは、本発明方法により得られる溶融池の断面形状を示す断面図。
【図５】図５は、本発明方法により得られる溶接部の一例の断面形状を示す断面図。
【図６】図６は、本発明方法におけるアシストガス中の酸素濃度と、得られる溶接部のＷ／Ｌ比との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１，２…金属材料
３…溶融池
４…溶接割れ

Claims

５０重量％以上の鉄、および０．２重量％以上の炭素、または０．０４５重量％以上の硫黄、または０．０４重量％以上のりんを含有する鉄・炭素鋼材料、およびクロム当量とニッケル当量の比Ｃｒ _eq ／Ｎｉ _eq が１．４８以下のステンレス鋼から選ばれた複数の板材を重ね合わせ、これにアシストガスを吹きつけながら、レーザビームを照射して、前記複数の板材を溶接するに際し、前記アシストガスの酸素ガス含有量を５〜５０容量％に調整して、前記溶接部におけるＷ／Ｌ比（但しＷは溶融部のビード幅を表し、Ｌは前記複数の板材の接合部の幅を表す）を、１．０〜１．５の範囲にコントロールすることを特徴とする、レーザ溶接方法。
前記Ｗ／Ｌ比を、ほぼ１．０に近づけるようにコントロールする、請求項１に記載のレーザ溶接方法。