JP7397406B2

JP7397406B2 - レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置

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Publication number: JP7397406B2
Application number: JP2020033623A
Authority: JP
Inventors: 友洋杉野; 修史松岡; 哲郎山崎
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2023-12-13
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: JP2021133417A

Description

本開示は、例えば、板厚５ｍｍ程度の金属板同士を突き合わせてレーザ光の照射によって接合する際に用いられるレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置に関するものである。

上記したような板厚５ｍｍ程度の金属板同士を突き合わせて接合する場合、金属板間にはギャップが否応なく生じる。このようなギャップがある金属板同士をレーザ光により接合する場合には、このギャップをなくすために、従来において、例えば、金属板間に向けて照射するレーザ光をオシレートさせるレーザ溶接方法が採用されている。
なお、ここで言う「ギャップ」とは、金属板間に生じる隙間のことであり、金属板間に意図して設ける『ルートギャップ（ルート間隔）』のことではない。

すなわち、このレーザ溶接方法では、金属板間のギャップを跨ぐようにレーザ光を往復移動させつつレーザ光をギャップに沿って移動させることで、このギャップ付近における溶融領域を広げてギャップをなくすようにしている。なお、このレーザ溶接方法に類する方法が特許文献１に記載されている。

特開２０１４－２０５１６６号公報

ところが、レーザ光をオシレートさせる従来のレーザ溶接方法において、レーザ光はそのスポット径が小さく且つエネルギ密度が高いことから、局所的に温度差が生じ、これにより生じるレーザ光照射部分とレーザ光非照射部分との間の大きな温度勾配等に起因して、オシレートするレーザ光の折り返し部（金属板間のギャップを跨いで往復移動するレーザ光の移動端部）において多量のスパッタが発生してしまうという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっている。

本開示は、上記した従来の課題を解決するためになされたもので、板厚５ｍｍ程度の金属板同士を突き合わせてレーザ光の照射により接合する場合において、金属板間のギャップをなくすことができるのは勿論のこと、金属板間のギャップ及びその近傍に生じるスパッタを少なく抑えることが可能なレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供することを目的としている。

ここで、オシレートするレーザ光の折り返し部において多量のスパッタが発生するメカニズムを図４及び図５を用いて考察する。

図４の上側には金属板ｗ，ｗ間のギャップｗａを横切る方向の部分拡大断面を示しており、この部分拡大断面から判るように、オシレートするレーザ光ｌには、一点鎖線で示す溶融池ｍｓが追従して移動する。図４の下側に溶融池ｍｓの平面形状を模式的に示す。

この溶融池ｍｓ内における溶融金属の進行方向（図示右方向）の流速ｖ及び溶融池ｍｓの溶融深さｄは、いずれもレーザ光ｌの出力Ｌｐの大きさに伴って増減する。
したがって、図５に示すように、折り返し部Ｐ１，Ｐ２間をレーザ光ｌの出力Ｌｐを大きく保ったまま変化させずにオシレートさせると、溶融池ｍｓは、その溶融金属の流速ｖ及び溶融深さｄがいずれも大きいままの状態で、レーザ光ｌの折り返し部Ｐ２（図４に斜線で示す部分（レーザ光非照射部分））に到達する。

このように、レーザ光ｌの折り返し部Ｐ２におけるレーザ光ｌの出力Ｌｐが大きい（レーザ光照射部分とレーザ光非照射部分との間の温度勾配が大きい）と、溶融金属に大きな慣性力が作用すること、レーザ光ｌが折り返す時点で溶融金属の深い部分に残される金属蒸気が冷えかかった溶融金属表面から一気に噴き出すこと、溶融池内部で発生した気化ガスの気泡が浮上して溶融池表面で破裂する際に付近の溶融金属を弾き飛ばすこと、及び、キーホールの溶接進行方向後方の溶融金属溜まりに生じている上向きの溶融金属の流れがレーザ出力や溶接速度を上げることで大きくなって、溶融金属溜まり表面の溶融金属が火花となって飛散することが相俟って、多量のスパッタｓが発生すると考えられる。

本開示者は、上記したように、レーザ光をオシレートさせるレーザ溶接において、レーザ光に追従して移動する溶融池内における溶融金属の流速及び溶融深さがレーザ出力の大きさに伴って増減することに着目して、本開示をするに至った。

すなわち、本開示の第１の態様は、金属板同士をレーザ溶接により接合するレーザ溶接方法であって、金属板間のギャップを跨ぐようにレーザ光をオシレートさせつつ前記ギャップに沿ってレーザ光を照射するに際して、レーザ光が前記ギャップ上を含むオシレート中間部を移動する際のレーザ光の出力を前記ギャップの一方側及び他方側で等しく設定し、前記ギャップの一方側のオシレート折り返し部及び他方側のオシレート折り返し部に近づくにつれてレーザ光の出力を漸次低くするべく設定する構成としている

一方、本開示の第２の態様は、金属板同士をレーザ溶接により接合するレーザ溶接装置であって、レーザ光を前記金属板間に照射するレーザヘッドと、前記レーザ光を前記金属板間のギャップに沿って移動させるヘッド駆動機構と、前記ギャップを跨ぐようにレーザ光をオシレートさせるオシレート機構と、前記オシレート機構の角度及び前記レーザヘッドによるレーザ光の出力を制御する制御部を備えたレーザ溶接装置において、前記制御部は、前記オシレート機構の動作に同期してレーザ出力を制御し、オシレートするレーザ光が前記ギャップ上を含むオシレート中間部を移動する際のレーザ光の出力を前記ギャップの一方側及び他方側で等しくし、前記ギャップの一方側のオシレート折り返し部及び他方側のオシレート折り返し部に近づくにつれてレーザ光の出力を漸次低くするべく制御する構成としている。

本開示に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置において、金属板間のギャップから離れたオシレート折り返し部のレーザ光の出力をオシレート中間部のレーザ光の出力よりも低くする。例えば、オシレート中間部のレーザ光の出力を１０ｋＷとする場合には、オシレート折り返し部のレーザ光の出力は、その１割程度の１ｋＷにまで落とすようにする。

なお、本開示に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置において、レーザ溶接により接合する金属板の厚さは特に限定しない。例えば、所謂中板と呼称される３～６ｍｍの金属板を特に対象としている。

また、本開示に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置において、レーザにはＹＡＧレーザや半導体レーザやファイバーレーザを用いるのが一般的であるが、これらのものに限定されない。

さらに、本開示に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置は、金属板同士の突き合わせ継手に用いることができるほか、本開示に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を金属板同士の重ね継手にも適用することができる。

本開示に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置によれば、板厚５ｍｍ程度の金属板同士をレーザ光の照射により接合する場合に、スパッタの発生を少なく抑えたうえで、金属板間のギャップをなくすことが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本開示の一実施形態に係るレーザ溶接方法に用いるレーザ溶接装置を示す概略説明図である。図１のレーザ溶接装置によるレーザ光のオシレートの状況に溶融池の平面形状を併せて示す拡大断面説明図である。図１のレーザ溶接装置によるオシレート中のレーザ光出力の変化を示すグラフである。従来のレーザ溶接方法によるレーザ光のオシレートの状況に溶融池の平面形状を併せて示す拡大断面説明図である。図４のオシレート中のレーザ光出力の変化を示すグラフである。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本開示の一実施形態に係るレーザ溶接装置を示しており、本実施形態では、本開示に係るレーザ溶接装置を金属板同士の突き合わせ接合に用いた場合を例に挙げて説明する。

図１に概略的に示すように、このレーザ溶接装置１は、金属板Ｗ，Ｗ同士をレーザ溶接により突き合わせ接合するものであって、レーザ発振器２と、このレーザ発振器２から供給されるレーザ光Ｌを内蔵した光学系３により集光して金属板Ｗ，Ｗ間に照射するレーザヘッド４と、レーザ発振器２からのレーザ光Ｌをレーザヘッド４へ導く光ファイバ５と、レーザヘッド４を金属板Ｗ，Ｗ間のギャップＷａに沿って移動させるヘッド駆動機構６と、ギャップＷａを跨ぐようにレーザ光Ｌを往復移動させる、すなわち、図１の拡大円内に示す折り返し部Ｐ１，Ｐ２の間でレーザ光Ｌをオシレートさせるオシレート機構８と、このオシレート機構８によるオシレート角度及びレーザヘッド４による溶接速度，レーザ出力，スポット径等を制御する制御部１０を備えている。

ヘッド駆動機構６は、金属板Ｗ，Ｗ間のギャップＷａに沿って配置されるレール６ａと、このレール６ａ上を往復移動するスライダ６ｂを具備している。この場合、レーザヘッド４は、金属板Ｗ，Ｗと平行で且つレール６ａと直交する方向にレーザ光照射方向を合わせるようにしてスライダ６ｂに固定されている。

また、オシレート機構８は、ヘッド駆動機構６のスライダ６ｂに支持台７を介して取り付けられたケース９に保持されており、レーザヘッド４からのレーザ光Ｌを反射するスキャナミラー８ａと、このスキャナミラー８ａを所定の範囲で回動させるスキャナモータ８ｂとから構成されている。
つまり、ヘッド駆動機構６及びオシレート機構８では、双方をそれぞれ動作させてスライダ６ｂとともにレーザヘッド４を金属板Ｗ，Ｗ間のギャップＷａに沿って移動させつつ、レーザ光Ｌを反射するスキャナミラー８ａを所定の範囲で回動させることで、ギャップＷａを跨ぐようにレーザ光Ｌをジグザグに往復移動させるようになっている。

この際、制御部１０において、オシレート機構８によるギャップＷａを跨いだオシレート中において、レーザ光ＬがギャップＷａ上を通過するオシレート中間部におけるレーザ光Ｌの出力よりもギャップＷａから離れたオシレート折り返し部Ｐ１，Ｐ２におけるレーザ光Ｌの出力が低くなるように設定している。例えば、オシレート中間部のレーザ光Ｌの出力を１０ｋＷとする場合には、オシレート折り返し部Ｐ１，Ｐ２のレーザ光Ｌの出力をその１割程度の１ｋＷにまで落とすように設定している。

このように構成されたレーザ溶接装置１を用いて金属板Ｗ，Ｗ同士を接合するに際しては、まず、金属板Ｗ，Ｗの各両端部間にタブ板Ｔをそれぞれ仮付けする。

この後、レーザ溶接装置１を始動すると、レーザ発振器２からレーザヘッド４に対するレーザ光Ｌの供給が開始され、レーザヘッド４からは光学系３で集光したレーザ光Ｌの照射が金属板Ｗ，Ｗ間に向けて開始される。

これと同時に、ヘッド駆動機構６及びオシレート機構８がそれぞれ動作を開始し、これにより、金属板Ｗ，Ｗ間のギャップＷａを跨ぐようにオシレートしつつレーザ光ＬがギャップＷａに沿って移動する。

このレーザ溶接装置１では、オシレート機構８によるギャップＷａを跨いだオシレート中において、オシレート折り返し部Ｐ１，Ｐ２のレーザ光Ｌの出力が、レーザ光ＬがギャップＷａ上を通過するオシレート中間部（ギャップＷａの一方側のオシレート折り返し部Ｐ１と、ギャップＷａの他方側のオシレート折り返し部Ｐ２との間の部分）のレーザ光Ｌの出力よりも低くなるようにしている。

すなわち、図２の上側に示すギャップＷａを横切る方向の拡大断面から判るように、レーザ光Ｌが折り返し部Ｐ１，Ｐ２に近づくにつれて、レーザ出力がＬＰｈ→ＬＰｍ→ＬＰｌとなるように漸次変化させているので、レーザ光Ｌに追従して移動する溶融池ＭＳが一点鎖線で示す状態→二点鎖線示す状態→実線で示す状態に変化して、溶融池ＭＳ内における溶融金属の進行方向（図示右方向）の流速Ｖが徐々に減じると共に、溶融深さＤも徐々に浅くなる。図２の下側に溶融池ＭＳの平面形状を模式的に示している。

したがって、図３に示すように、折り返し部Ｐ１，Ｐ２間において、レーザ光Ｌの出力ＬＰを上述のようにＬＰｌ→ＬＰｍ→ＬＰｈ→ＬＰｍ→ＬＰｌと変化させてオシレートさせると、折り返し部Ｐ１，Ｐ２において、溶融金属が遅い流速Ｖで非照射部分（図２に斜線で示す部分）に到達することになる。

加えて、折り返し部Ｐ１，Ｐ２において、溶融金属の溶融深さＤが浅い分だけ上方に噴き出す金属蒸気が少ないこととなり、その結果、レーザ光Ｌが折り返す時点に発生するスパッタ量が少なく抑えられることとなる。

なお、上記した実施形態では、金属板Ｗ，Ｗと平行で且つレール６ａと直交する方向にレーザ光照射方向を合わせるようにしてレーザヘッド４をスライダ６ｂに固定し、このレーザヘッド４からのレーザ光Ｌを反射するスキャナミラー８ａを所定の範囲で回動させることで、ギャップＷａを跨ぐようにレーザ光Ｌを往復移動させるようにしているが、レーザヘッド４及びスキャナミラー８ａの相対位置関係はこれに限定されるものではない。

また、上記した実施形態では、ギャップＷａを跨ぐようにレーザ光Ｌをジグザグに往復移動させるようにしているが、レーザ光Ｌの移動軌跡はこれに限定されるものではなく、例えば、サインカーブを描くようにしてギャップＷａを跨いでレーザ光Ｌを往復移動させるようにしてもよい。

上記した実施形態では、本開示に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置が、金属板Ｗ，Ｗ同士を突き合わせ接合するレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置である場合を示したが、これに限定されるものではなく、本開示に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を金属板同士の重ね継手にも適用することが当然可能である。

本開示に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

１レーザ溶接装置
４レーザヘッド
６ヘッド駆動機構
８オシレート機構
１０制御部
Ｌレーザ光
Ｐ１，Ｐ２オシレート折り返し部
Ｗ金属板
Ｗａギャップ

Claims

金属板同士をレーザ溶接により接合するレーザ溶接方法であって、
金属板間のギャップを跨ぐようにレーザ光をオシレートさせつつ前記ギャップに沿ってレーザ光を照射するに際して、
レーザ光が前記ギャップ上を含むオシレート中間部を移動する際のレーザ光の出力を前記ギャップの一方側及び他方側で等しく設定し、前記ギャップの一方側のオシレート折り返し部及び他方側のオシレート折り返し部に近づくにつれてレーザ光の出力を漸次低くするべく設定するレーザ溶接方法。
金属板同士をレーザ溶接により接合するレーザ溶接装置であって、
レーザ光を前記金属板間に照射するレーザヘッドと、
前記レーザ光を前記金属板間のギャップに沿って移動させるヘッド駆動機構と、
前記ギャップを跨ぐようにレーザ光をオシレートさせるオシレート機構と、
前記オシレート機構の角度及び前記レーザヘッドによるレーザ光の出力を制御する制御部を備えたレーザ溶接装置において、
前記制御部は、前記オシレート機構の動作に同期してレーザ出力を制御し、オシレートするレーザ光が前記ギャップ上を含むオシレート中間部を移動する際のレーザ光の出力を前記ギャップの一方側及び他方側で等しくし、前記ギャップの一方側のオシレート折り返し部及び他方側のオシレート折り返し部に近づくにつれてレーザ光の出力を漸次低くするべく制御するレーザ溶接装置。