JPH07164173A - アルミニウム合金部材のレーザ溶接方法 - Google Patents

アルミニウム合金部材のレーザ溶接方法

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JPH07164173A
JPH07164173A JP5311986A JP31198693A JPH07164173A JP H07164173 A JPH07164173 A JP H07164173A JP 5311986 A JP5311986 A JP 5311986A JP 31198693 A JP31198693 A JP 31198693A JP H07164173 A JPH07164173 A JP H07164173A
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松本  剛
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミニウム合金部材同士によって構成され
た接合すべき溶接部を、溶込みが貫通溶込みとなるよう
にレーザ溶接するに際し、ポロシティ欠陥及び溶落ち欠
陥の発生を極めて少なくすること。 【構成】 アルミニウム合金部材同士によって構成され
た接合すべき溶接部を、溶込みがレーザ光入射側の面か
らその反対側の裏面に達する貫通溶込みとなるようにレ
ーザ溶接するに際し、接合すべき溶接部の前記裏面の側
に、その裏面に接して、幅が溶接線を中心として1〜6
mmで、かつ反裏面方向への深さが1〜3mmの断面寸
法を有して溶接線に沿って延びる空洞を形成し、この空
洞内にバックシールドガスとして不活性ガスを供給しな
がらレーザ溶接を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、アルミニウム合金部
材同士をレーザ溶接する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、自動車、鉄道車両、船舶等の輸送
機分野においては、低燃費化及び高速化に対応するた
め、その製造にあたり、鉄鋼材料にかえて軽量なアルミ
ニウム合金材が採用されるようになってきている。溶接
によるアルミニウム合金部材の接合には、一般的に消耗
電極式のアーク溶接が用いられている。このアーク溶接
によるアルミニウム合金部材の接合では、Y型、あるい
はV型等の比較的広い開先形状を有する溶接用継手が採
用されることが多く、アルミニウム合金材の性質上、そ
の熱伝導率が高いので溶接には比較的大入熱が必要とな
り、その結果、余盛が必要以上に大きくなったり、また
溶接後の変形も大きくなったりすることから、これらを
修正するための後処理に手間を要している。
【0003】一方、レーザ溶接は、そのレーザビームが
高エネルギー密度の集中熱源としての性質を持つことか
ら、低入熱で深溶込みの溶接ができ、接合すべき部材に
及ぼす熱影響や熱変形が極めて少なく、また高速度の溶
接が可能なものとして知られている。そこで、アルミニ
ウム合金部材同士によって構成された接合すべき突合せ
溶接部、もしくは重ね(ラップ)溶接部を、1パスにて
溶込みがレーザ光入射側の面からその反対側の裏面に達
する貫通溶込み(フル溶込み)となるようにレーザ溶接
することが試みられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来に
おけるアルミニウム合金部材のレーザ溶接方法では、単
にレーザ出力や溶接速度を加減調整するようにしたもの
であるから、ポロシティ欠陥や、裏面にて粘性の低い溶
融池が溶接線に沿って部分的に溶落ちるという溶落ち欠
陥が多発していた。
【0005】この発明は、前記事情に鑑みてなされたも
のであって、アルミニウム合金部材同士によって構成さ
れた接合すべき溶接部を、溶込みがレーザ光入射側の面
からその反対側の裏面に達する貫通溶込みとなるように
レーザ溶接するに際し、ポロシティ欠陥及び溶落ち欠陥
の発生を極めて少なくすることができ、溶接欠陥が極め
て少ない高品質の溶接部を安定して得ることができる、
アルミニウム合金部材のレーザ溶接方法の提供を目的と
する。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項1の発明は、アルミニウム合金部材同士に
よって構成された接合すべき溶接部を、溶込みがレーザ
光入射側の面からその反対側の裏面に達する貫通溶込み
となるようにレーザ溶接するに際し、接合すべき溶接部
の前記裏面の側に、その裏面に接して、幅が溶接線を中
心として1〜6mmで、かつ反裏面方向への深さが1〜
3mmの断面寸法を有して溶接線に沿って延びる空洞を
形成し、この空洞内にバックシールドガスとして不活性
ガスを供給しながらレーザ溶接を行うことを特徴とする
アルミニウム合金部材のレーザ溶接方法である。また、
請求項2の発明は、前記請求項1の発明において、前記
不活性ガスがヘリウムガス単体、またはヘリウムガスを
混合比で30vol%以上含むヘリウムガスとアルゴン
ガスの混合ガスであるアルミニウム合金部材のレーザ溶
接方法である。
【0007】
【作用】この発明によるレーザ溶接方法では、アルミニ
ウム合金部材同士によって構成された接合すべき溶接部
を、溶込みがレーザ光入射側の面からその反対側の裏面
に達する貫通溶込みとなるようにレーザ溶接するに際
し、前記裏面の側に、その裏面に接して、溶接線に沿っ
て延びる空洞を形成してあるので、レーザ溶接時に金属
蒸気や水素等が前記空洞へ排出されることにより、これ
ら金属蒸気や水素等に起因して発生する溶込みビード内
(溶接金属内)におけるポロシティ欠陥(ブローホール
欠陥)を、極めて少なくすることができる。そして前記
空洞内に、バックシールドガスとして不活性ガスを供給
するようにしたので、溶接部裏面における裏ビードとな
る溶融池が冷却されること、さらにその溶融池の冷却に
よってキーホールの形成が安定化されることから、溶接
部裏面における溶融池の溶落ちを極めて少なくすること
ができる。なお、前記空洞内に供給される不活性ガス
は、裏ビードとなる溶融池を保護したり、プラズマを除
去したりする機能をも果たすものである。
【0008】この発明によるレーザ溶接方法では、前記
空洞はその幅が溶接線を中心として1〜6mmで、かつ
反裏面方向への深さが1〜3mmの断面寸法を有して溶
接線に沿って延びるように形成することが重要である。
空洞の反裏面方向への深さが1mm未満では、貫通した
レーザ光の溶接部裏面への反射が起こり、裏ビードの形
状不良が発生し、3mmを超えると溶接部裏面における
溶融池の冷却が不十分となって溶落ち防止効果が少ない
ためである。また、空洞の幅が1mm未満では、裏ビー
ド最小幅よりも狭くなって金属蒸気や水素等の排出が妨
げられことになり、6mmを超えると溶接部裏面におけ
る溶融池の冷却が不十分となって溶落ち防止効果が少な
いためである。
【0009】そしてこの発明によるレーザ溶接方法で
は、前記空洞内に供給する不活性ガスは、溶接部裏面に
おける溶融池に対する冷却効果の点から、ヘリウムガス
単体、またはヘリウムガスを混合比で30vol%以上
含むヘリウムガスとアルゴンガスの混合ガスを用いるこ
とが好ましい。混合ガスでヘリウムガスの混合比で30
vol未満では、溶融池の冷却が十分でなく溶落ち防止
効果が悪くなり好ましくない。
【0010】なお、この発明によるレーザ溶接方法で
は、レーザ出力、溶接速度等の溶接条件は、レーザの種
類、接合すべき溶接部の厚み、継手形状等に応じて設定
すればよく、例えばレーザ出力は、アルミニウム合金部
材に適用されることから、炭酸ガスレーザを用いる場合
には3kW以上に設定され、YAGレーザを用いる場合
には1kW以上に設定される。
【0011】
【実施例】以下、この発明の実施例を説明する。 〔実施例1〕図1はこの発明の実施例1によるレーザ溶
接方法にかかる突合せ溶接部及び空洞を説明するための
断面図である。この実施例では、図1に示すように、端
部に断面矩形の凹部を有しアルミニウム合金からなる2
つの部材1A,1Bを、その前記凹部を相対向させて端
部同士を互いに突合せることにより、図における上側の
接合すべき溶接部がI型突合せ形状であり、さらにその
接合すべき溶接部の裏面の側に、その裏面に接して、断
面矩形であって、溶接線を中心として幅がWで、反裏面
方向への深さがDの断面寸法を有して溶接線に沿って延
びる空洞Cが形成されたものを作製した。そして空洞C
の幅Wと深さDとが異なるものを複数個用意し、後述す
る溶接条件にて溶込みが貫通溶込みとなるようにレーザ
溶接を行い、しかる後、その溶接結果を調査した。なお
この実施例では、端部に断面矩形の凹部を有する部材1
A,1Bとしては押出形材を使用し、また空洞C内へ
は、その溶接線方向における一方側の端部を塞いだ状態
で、他方側の端部からバックシールドガスを供給するよ
うにした。
【0012】溶接条件としては、供試材:JIS A6
N01S、溶接部板厚:2mm、溶接姿勢:下向き溶
接、炭酸ガスレーザ出力:4kW、溶接速度:50mm
/s、シールドガスの種類及びその流量:Arガス,毎
分20リットル、空洞内へのバックシールドガスの種類
及びその流量:Ar50%+He50%,合計毎分20
リットル、溶接長:500mm、とした。
【0013】溶接結果を表1に示す。表1において、溶
込みビード内(溶接金属内)の欠陥発生状況を知るため
の放射線透過試験はJIS Z 3105によるもので
あり、溶落ち発生率は、目視でカウントし得る溶落ち欠
陥発生箇所の数を溶接長で除したものを単位長さ当たり
に換算したものであって、単位長さ100mm当たりの
溶落ち発生数を表すものである。また、比較例である試
験番号17及び18については、図7に示すように、2
つの部材1C,1Dによって構成された接合すべきI型
突合せ形状の溶接部を、その裏面の側にバックシールド
ガスを供給することなく、単に貫通溶込みとなるように
レーザ溶接した場合の溶接結果を示すものである。
【0014】
【表1】
【0015】表1より、2つのアルミニウム合金部材1
A,1Bによって構成された接合すべきI型の突合せ溶
接部を、溶込みがレーザ光入射側の面からその反対側の
裏面に達する貫通溶込みとなるようにレーザ溶接するに
際し、接合すべき溶接部の裏面の側に、その裏面に接し
て矩形断面を有し溶接線に沿って延びる空洞を前記2つ
のアルミニウム合金部材自体によって形成し、前記空洞
の断面寸法が幅が溶接線を中心として1〜6mmで、か
つ反裏面方向への深さが1〜3mmという範囲を満たし
ているものであれば、その空洞内にバックシールドガス
として不活性ガスを供給しながらレーザ溶接を行うこと
により、ポロシティ欠陥及び溶落ち欠陥の発生を極めて
少なくすることができ、溶接欠陥が極めて少ない高品質
の溶接部を安定して得られることがわかる。
【0016】〔実施例2〕図2はこの発明の実施例2に
よるレーザ溶接方法にかかる突合せ溶接部及び空洞を説
明するための断面図である。この実施例では、図2に示
すように、端部に断面矩形の凹部を有しアルミニウム合
金からなる2つの部材1E,1Fを、その前記凹部を相
対向させて端部同士を互いに突合せることにより、図に
おける上側の接合すべき溶接部と下側の接合すべき溶接
部とがI型突合せ形状であり、さらにその接合すべき溶
接部の裏面の側に、その裏面に接して、断面矩形であっ
て、溶接線を中心として幅がWで、反裏面方向への深さ
がDの断面寸法を有して溶接線に沿って延びる空洞Cが
形成されたものを作製した。そして空洞Cの幅Wと深さ
Dとが異なるものを複数個用意し、後述する溶接条件に
て溶込みが貫通溶込みとなるようにレーザ溶接を行い、
しかる後、その溶接結果を調査した。レーザ溶接は、図
における上側の接合すべき突合せ溶接部を下向き姿勢に
て行い、しかる後に部材を反転して図における下側の突
合せ溶接部を下向き姿勢にて行った。なおこの実施例で
は、端部に断面矩形の凹部を有する部材1E,1Fとし
ては押出形材を使用し、また空洞C内へは、その溶接線
方向における一方側の端部を塞いだ状態で、他方側の端
部からバックシールドガスを供給するようにした。
【0017】溶接条件としては、供試材:JIS A6
N01S、溶接部板厚:3mm、溶接姿勢:下向き溶
接、炭酸ガスレーザ出力:5.5kW、溶接速度:6
6.7mm/s、シールドガスの種類及びその流量:A
rガス,毎分20リットル、空洞内へのバックシールド
ガスの種類及びその流量:He,毎分10リットル、溶
接長:300mm、とした。
【0018】溶接結果を表2に示す。表2において、放
射線透過試験は、実施例1と同様に、JIS Z 31
05によるものであり、溶落ち発生率は、同じく実施例
1と同様に、単位長さ100mm当たりの溶落ち発生数
を表すものである。
【0019】
【表2】
【0020】表2より、2つのアルミニウム合金部材1
E,1Fによって構成された2つの接合すべきI型の突
合せ溶接部を、溶込みがレーザ光入射側の面からその反
対側の裏面に達する貫通溶込みとなるようにレーザ溶接
するに際し、接合すべき2つの溶接部の裏面の側に、つ
まり前記各溶接部の間に矩形断面を有し溶接線に沿って
延びる空洞を前記2つのアルミニウム合金部材自体によ
って形成し、前記空洞の断面寸法が幅が溶接線を中心と
して1〜6mmで、かつ反裏面方向への深さが1〜3m
mという範囲を満たしているものであれば、その空洞内
にバックシールドガスとして不活性ガスを供給しながら
レーザ溶接を行うことにより、ポロシティ欠陥及び溶落
ち欠陥の発生を極めて少なくすることができ、溶接欠陥
が極めて少ない高品質の溶接部を安定して得られること
がわかる。
【0021】〔実施例3〕図3はこの発明の実施例3に
よるレーザ溶接方法にかかる突合せ溶接部及び空洞を説
明するための断面図である。この実施例では、前述した
実施例2の比較例における空洞の断面寸法がこの発明に
よる寸法範囲を超えるものについて、図3に示すよう
に、銅合金製の空洞形成用補助板2を使用することで、
2つのアルミニウム合金部材1G,1Hによって構成さ
れた接合すべき溶接部の裏面の側に、幅Wが溶接線を中
心として1〜6mmで、かつ反裏面方向への深さDが1
〜3mmという範囲を満たす空洞Cを形成し、レーザ溶
接を行った。なお、空洞形成用補助板2は、アルミニウ
ム合金、あるいは鋼よりなるものでもよい。溶接条件は
実施例2と同じである。溶接結果を表3に示す。
【0022】
【表3】
【0023】表3より、2つのアルミニウム合金部材1
G,1H自体と空洞形成用補助板2とにより、前記アル
ミニウム合金部材1G,1Hによって構成された接合す
べき突合せ溶接部の裏面の側に、幅が溶接線を中心とし
て1〜6mmで、かつ反裏面方向への深さが1〜3mm
という範囲を満たす空洞を形成し、その空洞内にバック
シールドガスとして不活性ガスを供給しながらレーザ溶
接を行うことにより、溶落ち欠陥の発生を極めて少なく
することができ、溶接欠陥が極めて少ない高品質の溶接
部を安定して得られることがわかる。
【0024】〔実施例4〕図4はこの発明の実施例4に
よるレーザ溶接方法にかかる重ね溶接部及び空洞を説明
するための断面図である。この実施例では、図4に示す
ように、端部に断面矩形の凹部を有しアルミニウム合金
からなり互いにトータル厚みの異なる2つの部材1I,
1Jを、その端部がラップする状態で突合せることによ
り、図における上側の接合すべき溶接部と下側の接合す
べき溶接部とが重ね合せ形状であり、さらにその接合す
べき溶接部の裏面の側に、その裏面に接して、断面矩形
であって、溶接線を中心として幅がWで、反裏面方向へ
の深さがDの断面寸法を有して溶接線に沿って延びる空
洞Cが形成されたものを作製した。そして空洞Cの幅W
と深さDとが異なるものを複数個用意し、後述する溶接
条件にて溶込みが貫通溶込みとなるようにレーザ溶接を
行い、しかる後、その溶接結果を調査した。レーザ溶接
は、図における上側の接合すべき重ね溶接部を下向き姿
勢にて行い、しかる後に部材を反転して図における下側
の重ね溶接部を下向き姿勢にて行った。なおこの実施例
では、端部に断面矩形の凹部を有する部材1I,1Jと
しては押出形材を使用し、また空洞C内へは、その溶接
線方向における一方側の端部を塞いだ状態で、他方側の
端部からバックシールドガスを供給するようにした。
【0025】溶接条件としては、供試材:JIS A6
N01S、溶接部板厚:2mm、溶接姿勢:下向き溶
接、炭酸ガスレーザ出力:6kW、溶接速度:33.3
mm/s、シールドガスの種類及びその流量:Arガ
ス,毎分20リットル、空洞内へのバックシールドガス
の種類及びその流量:He,毎分10リットル、溶接
長:1000mm、とした。溶接結果を表4に示す。
【0026】
【表4】
【0027】表4より、2つのアルミニウム合金部材1
I,1Jによって構成された2つの接合すべき重ね溶接
部を、溶込みがレーザ光入射側の面からその反対側の裏
面に達する貫通溶込みとなるようにレーザ溶接するに際
し、接合すべき2つの溶接部の裏面の側に、つまり前記
各溶接部の間に矩形断面を有し溶接線に沿って延びる空
洞を前記2つのアルミニウム合金部材自体によって形成
し、前記空洞の断面寸法が幅が溶接線を中心として1〜
6mmで、かつ反裏面方向への深さが1〜3mmという
範囲を満たしているものであれば、その空洞内にバック
シールドガスとして不活性ガスを供給しながらレーザ溶
接を行うことにより、溶落ち欠陥の発生を極めて少なく
することができ、溶接欠陥が極めて少ない高品質の溶接
部を安定して得られることがわかる。なお、この実施例
4の比較例における空洞の断面寸法がこの発明による寸
法範囲を超えるものについては、前述した空洞形成用補
助板を使用することにより、溶落ち欠陥の発生を極めて
少なくすることが可能である。
【0028】〔実施例5〕図5はこの発明の実施例5に
よるレーザ溶接方法にかかる突合せ溶接部及び空洞を説
明するための断面図である。この実施例では、図5に示
すように、アルミニウム合金からなる平板をなす2つの
部材1K,1Lの端部同士を互いに突合せて、接合すべ
きI型突合せの溶接部を構成し、さらにその接合すべき
溶接部の裏面の側に、アルミニウム合金製の空洞形成用
溝付き裏当て板3を固定し、これにより、前記溶接部の
裏面の側に、その裏面に接して、断面矩形であって、溶
接線を中心として幅がWで、反裏面方向への深さがDの
断面寸法を有して溶接線に沿って延びる空洞Cが形成さ
れたものを作製した。そして、部材1K,1Lの板厚、
空洞Cの幅W、及び空洞Cの深さDとが異なるものを複
数個用意し、後述する溶接条件にて溶込みが貫通溶込み
となるようにレーザ溶接を行い、しかる後、その溶接結
果を調査した。この実施例では、空洞C内へは、その溶
接線方向における一方側の端部を塞いだ状態で、他方側
の端部からバックシールドガスを供給するようにした。
なお、空洞形成のための凹形の溝を有する前記空洞形成
用溝付き裏当て板3は、銅、あるいは鋼よりなるもので
もよい。
【0029】溶接条件としては、供試材:JIS A5
052P、溶接姿勢:下向き溶接、炭酸ガスレーザ出
力:3〜12kW、溶接速度:83.3mm/s、シー
ルドガスの種類及びその流量:Arガス,毎分20リッ
トル、空洞内へのバックシールドガスの種類及びその流
量:He,毎分10リットル、溶接長:500mm、と
した。溶接結果を表5に示す。
【0030】
【表5】
【0031】表5より、アルミニウム合金部材1K,1
Lによって構成された接合すべきI型の突合せ溶接部の
裏面の側に、凹形溝を有する空洞形成用溝付き裏当て板
3を使用して前記裏面に接して矩形断面を有し溶接線に
沿って延びる空洞を形成し、その空洞の断面寸法が幅が
溶接線を中心として1〜6mmで、かつ反裏面方向への
深さが1〜3mmという範囲を満たしているものであれ
ば、その空洞内にバックシールドガスとして不活性ガス
を供給しながらレーザ溶接を行うことにより、ポロシテ
ィ欠陥及び溶落ち欠陥の発生を極めて少なくすることが
でき、溶接欠陥が極めて少ない高品質の溶接部を安定し
て得られることがわかる。
【0032】〔実施例6〕この実施例では、前記図5に
示すものにおいて、空洞(裏当て板3の溝)内に供給す
るバックシールドガスであってヘリウムとアルゴンの混
合ガスの混合比を変化させてレーザ溶接を行い、その溶
接結果を調査した。
【0033】溶接条件としては、供試材:JIS A5
052P、板厚:3mm、溶接姿勢:下向き溶接、炭酸
ガスレーザ出力:5kW、溶接速度:40mm/s、シ
ールドガスの種類及びその流量:Arガス,毎分20リ
ットル、溶接長:500mm、空洞:幅6mm,深さ2
mm、とした。なお、バックシールドガスの合計流量
は、毎分20リットルとした。結果を図6に示す。
【0034】図6に示されるように、バックシールドガ
スにおけるヘリウムの混合比が30vol%以上になる
と、溶落ち欠陥の発生率が激減している。これは、ヘリ
ウムガスによる溶融池の冷却効果と、この溶融池の冷却
によってキーホールの形成が安定化されることによるも
のと考えられる。
【0035】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によるアル
ミニウム合金部材のレーザ溶接方法によると、アルミニ
ウム合金部材同士によって構成された接合すべき溶接部
を、溶込みがレーザ光入射側の面からその反対側の裏面
に達する貫通溶込みとなるようにレーザ溶接するに際
し、接合すべき溶接部の前記裏面の側に、その裏面に接
して、所定断面寸法を有して溶接線に沿って延びる空洞
を形成し、この空洞内にバックシールドガスとして不活
性ガスを供給しながらレーザ溶接を行うようにしたもの
であるから、ポロシティ欠陥及び溶落ち欠陥の発生を極
めて少なくすることができ、溶接欠陥が極めて少ない高
品質の溶接部を安定して得ることができる。これによ
り、低入熱で深溶込みの溶接ができ、接合すべき部材に
及ぼす熱影響や熱変形が極めて少ないというような長所
を備えたレーザ溶接のアルミニウム合金部材への適用拡
大に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例1によるレーザ溶接方法にか
かる突合せ溶接部及び空洞を説明するための断面図であ
る。
【図2】この発明の実施例2によるレーザ溶接方法にか
かる突合せ溶接部及び空洞を説明するための断面図であ
る。
【図3】この発明の実施例3によるレーザ溶接方法にか
かる突合せ溶接部及び空洞を説明するための断面図であ
る。
【図4】この発明の実施例4によるレーザ溶接方法にか
かる重ね溶接部及び空洞を説明するための断面図であ
る。
【図5】この発明の実施例5によるレーザ溶接方法にか
かる突合せ溶接部及び空洞を説明するための断面図であ
る。
【図6】この発明の実施例6にかかる図であって、ヘリ
ウムガスとアルゴンガスとの混合率と、溶落ち発生率と
の関係を示す図である。
【図7】この発明の実施例1にかかる比較例を説明する
ための断面図である。
【符号の説明】
1A〜1L…アルミニウム合金部材 2…空洞形成用補
助板 3…空洞形成用溝付き裏当て板 C…空洞 W…
空洞の幅 D…空洞の深さ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アルミニウム合金部材同士によって構成
    された接合すべき溶接部を、溶込みがレーザ光入射側の
    面からその反対側の裏面に達する貫通溶込みとなるよう
    にレーザ溶接するに際し、接合すべき溶接部の前記裏面
    の側に、その裏面に接して、幅が溶接線を中心として1
    〜6mmで、かつ反裏面方向への深さが1〜3mmの断
    面寸法を有して溶接線に沿って延びる空洞を形成し、こ
    の空洞内にバックシールドガスとして不活性ガスを供給
    しながらレーザ溶接を行うことを特徴とするアルミニウ
    ム合金部材のレーザ溶接方法。
  2. 【請求項2】 前記不活性ガスがヘリウムガス単体、ま
    たはヘリウムガスを混合比で30vol%以上含むヘリ
    ウムガスとアルゴンガスの混合ガスである請求項1記載
    のアルミニウム合金部材のレーザ溶接方法。
JP05311986A 1993-12-13 1993-12-13 アルミニウム合金部材のレーザ溶接方法 Expired - Fee Related JP3136231B2 (ja)

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