JPH07251281A - アルミニウム合金の接合方法 - Google Patents
アルミニウム合金の接合方法Info
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- JPH07251281A JPH07251281A JP6043452A JP4345294A JPH07251281A JP H07251281 A JPH07251281 A JP H07251281A JP 6043452 A JP6043452 A JP 6043452A JP 4345294 A JP4345294 A JP 4345294A JP H07251281 A JPH07251281 A JP H07251281A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 狭開先パルスCO2 レーザ溶接により、パル
スピーク出力密度と平均出力密度をパラメータにした溶
接可能最適領域において、低平均出力密度のレーザ装置
で溶接を可能としたアルミニウム合金の溶接方法を提供
すること。 【構成】 パルスCO2 レーザを用いて、狭開先密着部
におけるレーザ光パルスピーク出力密度Pp(MW/c
m2 )とし、平均出力密度Pa(MW/cm2 )とする
とき、70×exp(−20×Pa)≦Pp≦1800
0×exp(−16×Pa)を満足した領域で狭開先レ
ーザ溶接を行うこと。
スピーク出力密度と平均出力密度をパラメータにした溶
接可能最適領域において、低平均出力密度のレーザ装置
で溶接を可能としたアルミニウム合金の溶接方法を提供
すること。 【構成】 パルスCO2 レーザを用いて、狭開先密着部
におけるレーザ光パルスピーク出力密度Pp(MW/c
m2 )とし、平均出力密度Pa(MW/cm2 )とする
とき、70×exp(−20×Pa)≦Pp≦1800
0×exp(−16×Pa)を満足した領域で狭開先レ
ーザ溶接を行うこと。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はアルミハニカム等の構造
材、自動車部品及び缶製品などの製造に用いるアルミニ
ウム合金の接合方法に関するものである。
材、自動車部品及び缶製品などの製造に用いるアルミニ
ウム合金の接合方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】アルミは一般的に金属のレーザ加工で用
いられるYAG,CO2 レーザの波長域では反射率が高
く、また、熱伝導率が高いため、レーザによる効率のよ
い入熱は困難である。そこで従来、アルミのレーザ溶接
では大出力の連続波(CW)のYAG,CO2 レーザを
用い、かつ焦点距離の短いレンズ等でレーザ光を微小ス
ポットに集光し、平均的なパワー密度を大きくすること
で対応していた。しかし、これらの方法は大型のレーザ
装置が必要となり、設備的にコストが高いし、過大な入
熱のため特に薄板の場合、溶接点近傍や裏面に不必要な
変形などの熱影響が発生する問題があった。
いられるYAG,CO2 レーザの波長域では反射率が高
く、また、熱伝導率が高いため、レーザによる効率のよ
い入熱は困難である。そこで従来、アルミのレーザ溶接
では大出力の連続波(CW)のYAG,CO2 レーザを
用い、かつ焦点距離の短いレンズ等でレーザ光を微小ス
ポットに集光し、平均的なパワー密度を大きくすること
で対応していた。しかし、これらの方法は大型のレーザ
装置が必要となり、設備的にコストが高いし、過大な入
熱のため特に薄板の場合、溶接点近傍や裏面に不必要な
変形などの熱影響が発生する問題があった。
【0003】また、特開平5−228661号公報や特
開平5−228662号公報のように溶接部の凝固割れ
や凹みを防止するために、溶接すべきアルミニウム材と
して溶加材が予め被覆されたものを用いてレーザ溶接を
行う方法か、溶加材を複合押出により表面に複合一体化
した複合材を製作した後、この複合押出材に熱間圧延を
施して、これを溶加材層を表面に有する板材に形成した
ものを用意し、この溶加材複合アルミニウム板を用い
て、レーザ溶接を行う方法が提案されている。更には、
特開平4−214898号公報はアルミ材のめっき後の
処理の際、被処理材を支持台に取り付けて、処理液に浸
される。この時、被処理材を支持台にレーザ溶接で取付
け、またレーザ切断で切り離す。この時使用するレーザ
装置としてCO2 レーザ、平均出力1600W、パルス
ピーク出力3000W、周波数10〜3000Hz、ま
た、YAGレーザ、平均出力400×3台、パルスピー
ク出力5000W×3台の仕様が開示されている。
開平5−228662号公報のように溶接部の凝固割れ
や凹みを防止するために、溶接すべきアルミニウム材と
して溶加材が予め被覆されたものを用いてレーザ溶接を
行う方法か、溶加材を複合押出により表面に複合一体化
した複合材を製作した後、この複合押出材に熱間圧延を
施して、これを溶加材層を表面に有する板材に形成した
ものを用意し、この溶加材複合アルミニウム板を用い
て、レーザ溶接を行う方法が提案されている。更には、
特開平4−214898号公報はアルミ材のめっき後の
処理の際、被処理材を支持台に取り付けて、処理液に浸
される。この時、被処理材を支持台にレーザ溶接で取付
け、またレーザ切断で切り離す。この時使用するレーザ
装置としてCO2 レーザ、平均出力1600W、パルス
ピーク出力3000W、周波数10〜3000Hz、ま
た、YAGレーザ、平均出力400×3台、パルスピー
ク出力5000W×3台の仕様が開示されている。
【0004】特開昭59−30492号公報にはアルミ
合金の溶接性向上のため、アルミニウムとアルミニウム
合金或いはアルミニウム合金同志を溶接する場合に両溶
接母材と成分の異なるアルミニウム合金よりなるフィラ
ーメタルを両溶接母材間に介在させて、YAGレーザに
より両溶接母材を溶接する方法や特開平4−33958
4号公報は被溶接部に間隙を設け、レーザ光を特定の角
度で入射し、間隙内でのレーザ光の多重反射で接合面を
加熱する金属筒体の製造方法や特開平2−142686
号公報は狭開先レーザ溶接と超音波シーム溶接の組合せ
によるアルミニウム合金製溶接缶胴体の製造方法が提案
されている。
合金の溶接性向上のため、アルミニウムとアルミニウム
合金或いはアルミニウム合金同志を溶接する場合に両溶
接母材と成分の異なるアルミニウム合金よりなるフィラ
ーメタルを両溶接母材間に介在させて、YAGレーザに
より両溶接母材を溶接する方法や特開平4−33958
4号公報は被溶接部に間隙を設け、レーザ光を特定の角
度で入射し、間隙内でのレーザ光の多重反射で接合面を
加熱する金属筒体の製造方法や特開平2−142686
号公報は狭開先レーザ溶接と超音波シーム溶接の組合せ
によるアルミニウム合金製溶接缶胴体の製造方法が提案
されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述した特開平5−2
28661号公報や特開平5−228662号公報にあ
っては、特にレーザ出力特性については記載がなく、ま
た、溶加材を被覆しなければならないので汎用性に劣る
と言う問題がある。また、特開平4−214898号公
報はレーザのピーク出力と平均出力密度(W/cm2 )
の兼ね合いについては特に示されていないし、また、狭
開先溶接でない。特開昭59−30492号公報は特開
平5−228661号公報や特開平5−228662号
公報と同様、特にレーザ出力特性については何ら記載が
なく、また、溶加材を被覆しなければならないので汎用
性に劣ると言う問題がある。更に、特開平4−3395
84号公報は多重反射を利用する観点からは狭開先溶接
法の基本特許と同じで、そのバリエーションの一つであ
るが、しかし、レーザについてはYAG,CO2 が好ま
しいとあるだけで出力性能には何ら限定がないし、材料
の限定もない。また、特開平2−142686号公報は
レーザについてのYAG或いはCO2 の限定がなく、実
施例ではCW,YAG600Wを使用しているのが実状
である。
28661号公報や特開平5−228662号公報にあ
っては、特にレーザ出力特性については記載がなく、ま
た、溶加材を被覆しなければならないので汎用性に劣る
と言う問題がある。また、特開平4−214898号公
報はレーザのピーク出力と平均出力密度(W/cm2 )
の兼ね合いについては特に示されていないし、また、狭
開先溶接でない。特開昭59−30492号公報は特開
平5−228661号公報や特開平5−228662号
公報と同様、特にレーザ出力特性については何ら記載が
なく、また、溶加材を被覆しなければならないので汎用
性に劣ると言う問題がある。更に、特開平4−3395
84号公報は多重反射を利用する観点からは狭開先溶接
法の基本特許と同じで、そのバリエーションの一つであ
るが、しかし、レーザについてはYAG,CO2 が好ま
しいとあるだけで出力性能には何ら限定がないし、材料
の限定もない。また、特開平2−142686号公報は
レーザについてのYAG或いはCO2 の限定がなく、実
施例ではCW,YAG600Wを使用しているのが実状
である。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明はこれらの問題を
解消し、パルスCO2 レーザを用いて、時間的にも高密
度なレーザ光を入射することで、アルミ材料を瞬間的に
溶融状態にすることが可能であることの知見のもとに、
狭開先レーザ溶接により、パルスピーク出力密度と平均
出力密度をパラメータにした溶接可能最適領域を見出
し、低平均出力のレーザ装置で溶接を可能としたもので
ある。その発明の要旨とするところは、アルミの狭開先
レーザ溶接による接合方法において、パルスCO2 レー
ザを用い、狭開先密着部におけるレーザ光のパルスピー
ク出力密度をPp(MW/cm2 )とし、平均出力密度
をPa(MW/cm2 )とするとき、Ppが70×ex
p(−20×Pa)以上であり、かつ18000×ex
p(−16×Pa)以下なる領域を満足する条件で溶接
することを特徴とするアルミニウム合金の接合方法にあ
る。
解消し、パルスCO2 レーザを用いて、時間的にも高密
度なレーザ光を入射することで、アルミ材料を瞬間的に
溶融状態にすることが可能であることの知見のもとに、
狭開先レーザ溶接により、パルスピーク出力密度と平均
出力密度をパラメータにした溶接可能最適領域を見出
し、低平均出力のレーザ装置で溶接を可能としたもので
ある。その発明の要旨とするところは、アルミの狭開先
レーザ溶接による接合方法において、パルスCO2 レー
ザを用い、狭開先密着部におけるレーザ光のパルスピー
ク出力密度をPp(MW/cm2 )とし、平均出力密度
をPa(MW/cm2 )とするとき、Ppが70×ex
p(−20×Pa)以上であり、かつ18000×ex
p(−16×Pa)以下なる領域を満足する条件で溶接
することを特徴とするアルミニウム合金の接合方法にあ
る。
【0007】
【作用】以下本発明について図面に従って詳細に説明す
る。図1は本発明に係るアルミの狭開先によるレーザ溶
接の斜視図である。図1に示すように、二枚の溶接材料
であるアルミニウム合金板1を押さえロール2によって
押さえながら連続的に狭開先密着部3にパルスCO2 レ
ーザを用いてレーザ光をレンズ4によって光を調整しな
がらレーザ溶接を行っている状態を示している。なお、
符号5は二枚に溶接材料であるアルミニウム合金板1の
レーザ溶接された溶接部である。このように狭開先によ
るレーザ溶接を対象としている。ここで狭開先溶接とは
図1にも示しているように、物体の接合面の少なくとも
一方を曲げて溶接部へ導入して、この溶接部で他方の接
合面へ密着し、そして溶接部の前方では楔状空隙を作る
ようにしたものを言う。この状態でレーザビームを楔状
空隙の開放面側より奥部へ向けて投射してアルミニウム
合金板の接合面の両面を加熱、溶着させるものである。
る。図1は本発明に係るアルミの狭開先によるレーザ溶
接の斜視図である。図1に示すように、二枚の溶接材料
であるアルミニウム合金板1を押さえロール2によって
押さえながら連続的に狭開先密着部3にパルスCO2 レ
ーザを用いてレーザ光をレンズ4によって光を調整しな
がらレーザ溶接を行っている状態を示している。なお、
符号5は二枚に溶接材料であるアルミニウム合金板1の
レーザ溶接された溶接部である。このように狭開先によ
るレーザ溶接を対象としている。ここで狭開先溶接とは
図1にも示しているように、物体の接合面の少なくとも
一方を曲げて溶接部へ導入して、この溶接部で他方の接
合面へ密着し、そして溶接部の前方では楔状空隙を作る
ようにしたものを言う。この状態でレーザビームを楔状
空隙の開放面側より奥部へ向けて投射してアルミニウム
合金板の接合面の両面を加熱、溶着させるものである。
【0008】図2はパルスピーク出力密度に係る時間と
出力との関係を示す図である。図2に示すように、狭開
先レーザ溶接を適用した場合にパルスピーク出力密度と
平均出力密度が時間tと共にt1 時間の周期で生じてい
ることが判る。すなわち、パルスピーク出力6のパルス
エネルギー(J/pulse)をEとし、パルス時間幅
t2 とすると、E/t2 [W]、パルス繰返し周期数
[HZ ]=1/t1 [1/sec]、また、平均出力は
パルスエネルギー(E)×繰返し周期数(1/t1 )=
E/t1 [W]で表すことが出来る。そこでビーム断面
積をSとすると、次の式で表すことが出来る。 パルスピーク出力密度Pp=(E/t2 )/S[W/cm2 ] … (1) 平均出力密度Pa=(E/t1 )/S[W/cm2 ] … (2) なお、ここで各出力密度は狭開先を作らずにレンズから
の距離だけで決まるレーザビーム断面積[cm2 ]に含
まれるパワー密度である。
出力との関係を示す図である。図2に示すように、狭開
先レーザ溶接を適用した場合にパルスピーク出力密度と
平均出力密度が時間tと共にt1 時間の周期で生じてい
ることが判る。すなわち、パルスピーク出力6のパルス
エネルギー(J/pulse)をEとし、パルス時間幅
t2 とすると、E/t2 [W]、パルス繰返し周期数
[HZ ]=1/t1 [1/sec]、また、平均出力は
パルスエネルギー(E)×繰返し周期数(1/t1 )=
E/t1 [W]で表すことが出来る。そこでビーム断面
積をSとすると、次の式で表すことが出来る。 パルスピーク出力密度Pp=(E/t2 )/S[W/cm2 ] … (1) 平均出力密度Pa=(E/t1 )/S[W/cm2 ] … (2) なお、ここで各出力密度は狭開先を作らずにレンズから
の距離だけで決まるレーザビーム断面積[cm2 ]に含
まれるパワー密度である。
【0009】図3は本発明に係る平均出力密度Paとピ
ーク出力密度Ppとの関係を示す図である。図3に示す
ように、アルミニウム合金材料に狭開先レーザ溶接法を
適用した場合、パルスピーク出力密度Ppと平均出力密
度Paをパラメータにした溶接可能領域、すなわち、7
0×exp(−20×Pa)≦Pp≦18000×ex
p(−16×Pa)の領域である図3に示す斜線部
(B)であることが判明した。すなわち、領域(A)で
は入熱不足により溶融現象が起こらない。また、領域
(C)では過大な入熱のため溶融を通り越し、蒸発に至
るため溶接欠陥が発生し、良好な溶接が出来ない。更に
は、この領域では大型のレーザ装置が必要となり経済性
が悪化する。そこで狭開先レーザ溶接を適用した場合、
パルスピーク出力密度と平均出力密度が上記式を満足す
る領域に該当する値にする必要がある。それ未満である
と溶接が不可能であることを示している。
ーク出力密度Ppとの関係を示す図である。図3に示す
ように、アルミニウム合金材料に狭開先レーザ溶接法を
適用した場合、パルスピーク出力密度Ppと平均出力密
度Paをパラメータにした溶接可能領域、すなわち、7
0×exp(−20×Pa)≦Pp≦18000×ex
p(−16×Pa)の領域である図3に示す斜線部
(B)であることが判明した。すなわち、領域(A)で
は入熱不足により溶融現象が起こらない。また、領域
(C)では過大な入熱のため溶融を通り越し、蒸発に至
るため溶接欠陥が発生し、良好な溶接が出来ない。更に
は、この領域では大型のレーザ装置が必要となり経済性
が悪化する。そこで狭開先レーザ溶接を適用した場合、
パルスピーク出力密度と平均出力密度が上記式を満足す
る領域に該当する値にする必要がある。それ未満である
と溶接が不可能であることを示している。
【0010】
【実施例】供試材として、厚さ0.23mmのアルミニ
ウム合金3004なる薄板を重ね合わせ、開放側から狭
開先密着部にレーザビームを照射しながら押さえロール
にて二枚を溶接した溶接板を得るもので、そのレーザは
次のような条件で行った。 レーザ装置:高速パルスCO2 レーザ(波長10.6μ
m) パルスピーク出力 0.5〜20KW 平均出力 100〜500W パルス繰り返し周波数 1KHz 集光レンズ:ZnSeレンズ 集点距離f=5゛,7.
5゛ 材料 :アルミニウム合金 3004 材料移動速度:250mm/sec 狭開先密着部でのレーザビーム断面積S: f=5゛ S=1.96×10-3cm2 f=7.5゛ S=4.07×10-3cm2
ウム合金3004なる薄板を重ね合わせ、開放側から狭
開先密着部にレーザビームを照射しながら押さえロール
にて二枚を溶接した溶接板を得るもので、そのレーザは
次のような条件で行った。 レーザ装置:高速パルスCO2 レーザ(波長10.6μ
m) パルスピーク出力 0.5〜20KW 平均出力 100〜500W パルス繰り返し周波数 1KHz 集光レンズ:ZnSeレンズ 集点距離f=5゛,7.
5゛ 材料 :アルミニウム合金 3004 材料移動速度:250mm/sec 狭開先密着部でのレーザビーム断面積S: f=5゛ S=1.96×10-3cm2 f=7.5゛ S=4.07×10-3cm2
【0011】その溶接結果を図4に示す。図4は図3と
同様に平均出力密度とピーク出力密度との関係を示す図
であって、レンズ集点距離を5インチ(127mm)お
よび7.5インチ(191mm)の各レンズを用いた場
合の溶接の可否を○●×で表示した。すなわち、○はレ
ンズ集点距離を5インチの場合、●はレンズ集点距離を
7.5インチの場合のそれぞれの溶接可能な点を示して
いる。また、×はレンズ集点距離を5インチ、××はレ
ンズ集点距離を7.5インチのそれぞれの溶接不可能な
点を示している。これより判るように溶接可能点は本発
明のPp条件を満たしていることが判る。
同様に平均出力密度とピーク出力密度との関係を示す図
であって、レンズ集点距離を5インチ(127mm)お
よび7.5インチ(191mm)の各レンズを用いた場
合の溶接の可否を○●×で表示した。すなわち、○はレ
ンズ集点距離を5インチの場合、●はレンズ集点距離を
7.5インチの場合のそれぞれの溶接可能な点を示して
いる。また、×はレンズ集点距離を5インチ、××はレ
ンズ集点距離を7.5インチのそれぞれの溶接不可能な
点を示している。これより判るように溶接可能点は本発
明のPp条件を満たしていることが判る。
【0012】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によってパル
スCO2 レーザをアルミの狭開先レーザ溶接に適用し、
パルスのピーク、平均出力を制御することで効率的にア
ルミ溶接を行える。また、高ピーク出力のレーザを用い
ることで溶接に必要な平均レーザ出力を下げることが可
能で、小型のレーザ装置で低コストで溶接が可能とな
り、しかも、高Mg含有アルミ溶接にも優れた低入熱で
熱影響の少ない溶接が可能である等種々の優れた効果を
奏するものである。
スCO2 レーザをアルミの狭開先レーザ溶接に適用し、
パルスのピーク、平均出力を制御することで効率的にア
ルミ溶接を行える。また、高ピーク出力のレーザを用い
ることで溶接に必要な平均レーザ出力を下げることが可
能で、小型のレーザ装置で低コストで溶接が可能とな
り、しかも、高Mg含有アルミ溶接にも優れた低入熱で
熱影響の少ない溶接が可能である等種々の優れた効果を
奏するものである。
【図1】本発明に係るアルミの狭開先によるレーザ溶接
の斜視図、
の斜視図、
【図2】パルスピーク出力密度に係る時間と出力との関
係を示す図、
係を示す図、
【図3】本発明に係る平均出力密度とピーク出力密度と
の関係を示す図、
の関係を示す図、
【図4】平均出力密度とピーク出力密度との関係を示す
図である。
図である。
1 アルミニウム合金板 2 押さえロール 3 狭開先密着部 5 レンズ 6 パルスピーク出力
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 南田 勝宏 神奈川県相模原市淵野辺5−10−1 新日 本製鐵株式会 エレクトロニクス研究所内
Claims (1)
- 【請求項1】 アルミの狭開先レーザ溶接による接合方
法において、パルスCO2 レーザを用いて、狭開先密着
部におけるレーザ光のパルスピーク出力密度をPp(M
W/cm2 )とし、平均出力密度をPa(MW/c
m2 )とするとき、Ppが70×exp(−20×P
a)以上であり、かつ18000×exp(−16×P
a)以下なる領域を満足する条件で溶接することを特徴
とするアルミニウム合金の接合方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04345294A JP3229110B2 (ja) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | アルミニウム合金の接合方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04345294A JP3229110B2 (ja) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | アルミニウム合金の接合方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07251281A true JPH07251281A (ja) | 1995-10-03 |
JP3229110B2 JP3229110B2 (ja) | 2001-11-12 |
Family
ID=12664103
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP04345294A Expired - Fee Related JP3229110B2 (ja) | 1994-03-15 | 1994-03-15 | アルミニウム合金の接合方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3229110B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010279965A (ja) * | 2009-06-03 | 2010-12-16 | Nissan Motor Co Ltd | レーザー溶接方法 |
-
1994
- 1994-03-15 JP JP04345294A patent/JP3229110B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010279965A (ja) * | 2009-06-03 | 2010-12-16 | Nissan Motor Co Ltd | レーザー溶接方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3229110B2 (ja) | 2001-11-12 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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