JPH10328861A

JPH10328861A - レーザ重ね溶接方法

Info

Publication number: JPH10328861A
Application number: JP9139946A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kitani; 靖木谷; Koichi Yasuda; 功一安田; Shizuo Yamamoto; 静夫山本
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 1998-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】重ね代およびレーザビーム照射位置を適正に設
定することで、突合せ継手と同等の機械的特性および塗
装性などが得られる重ね継手を得ることができるレーザ
重ね溶接方法を提供することを課題としている。【解決手段】二枚の鋼板１，２の端部同士を重ね、溶接
熱源としてのレーザビーム５を板の重ね部３に照射して
レーザ重ね溶接する際に、上記板１，２の重ね代ｘを、
上記二枚の板１，２の板厚ｄ１，ｄ２の合計の４０％，
及びレーザ照射部４でのビームスポット径φのいずれか
小さい寸法以下に設定すると共に、上記レーザビーム５
のスポット中心Ｐを、板厚方向からみて上記二つの板
１，２の端部同士の重ね部内に位置させることで行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビ一ムを用
いた金属板同士の溶接方法に係り、特に、薄板同士の重
ね溶接において、突合せ溶接と同等の継手特性が得られ
るレーザ重ね溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接は、高エネルギー密度の熱源
を用いるため、熱影響の少ない高品質の溶接を高速で行
うことができるという利点がある反面、薄板材の突合せ
溶接においては、突合せ精度および突合せ端面精度に対
する要求が厳しいことが知られている。

【０００３】特に、被溶接材の突合せ端面精度について
は、切断時の直線性や平行度といったマクロ的な精度以
外にも、シャーカット時に生じる端面のバリやかえりと
いったミクロ的な形状の影響も、レーザ溶接を行う際の
欠陥発生の要因となる場合がある。

【０００４】この間題を解決するため、従来にあって
は、特開平３−１６９４８３号公報に記載されているよ
うに被溶接材の端面を研削処理する方法や、特開昭６３
一５２７８８号公報に記載されているようなレーザビー
ムをウィービングさせる方法、あるいは特公昭６３−３
２５５４に記載されているようにフィラーワイヤを添加
させて突合せ精度を緩和する方法などが提案されてい
る。

【０００５】しかしながら、これらの方法は、いずれも
実際の適用においては特別な装置を必要としたり、ある
いは溶接速度を遅くし生産性を低下させるという問題が
あり、溶接作業のコストアップの原因となる。

【０００６】これに対し、重ね溶接を採用した場合に
は、上記突合せ溶接と異なり、母材および被溶接材の端
面精度の要求が厳しくない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
金属板のレーザ重ね溶接では、図５、図６及び図７に示
すように、二枚の金属板５０，５１の重ね部５２におい
て，一方又は両方の端部５１ａ，５０ａが溶融すること
なく継手の切欠きとなって残存する。このため、従来の
重ね溶接では、突合せ継手と比較すると、引張強度、疲
労強度、成形性などの機械的特性が劣っているという問
題がある。

【０００８】また、防食、防錆を目的として溶接後に塗
装あるいは表面処理を行う場合には、上記のように溶融
しなかった端部５１ａ，５０ａが切欠きとして存在する
ため、溶接後の塗装、表面コーティング処理の際に未処
理の部分を残し易く、継手の耐食・防錆性が突合せ継手
に比べ劣ることは避けがたいという問題があった。

【０００９】このため、従来にあっては、重ね溶接が適
用できる用途は限定されているのが実状である。一方、
突合せ溶接においては、上述のように、金属板突合せ面
の端面形状の要求精度が厳しく、特に板厚の薄い材料の
溶接で溶接欠陥を生じやすいという問題がある。

【００１０】本発明は、かかる問題点に着目してなされ
たものであって、レーザビームを熱源とする金属薄板の
重ね溶接において、重ね代およびレーザビーム照射位置
を適正に設定することで、突合せ継手と同等の機械的特
性および塗装性などを備えた継手を得ることができるレ
ーザ重ね溶接方法を提供することを課題としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明うち請求項１に記載のレーザ重ね溶接方法
は、二枚の金属板の端部同士を重ね、溶接熱源としての
レーザビームを板の重ね部に照射して融接するレーザ重
ね溶接方法であって、上記二枚の板の端部同士を板厚方
向に相互に押しつけた状態で上記レーザ重ね溶接を行
い、溶融時には上記重ね部を全て溶融させることを特徴
とするものである。

【００１２】本発明は、二枚の板の端部同士を板厚方向
に相互に押しつけた状態で、且つ溶接時に溶融しない重
ね部がないようにレーザ溶接を行うことにより、溶融時
に前記二枚の板の端部は、上記押付けによって板厚方向
での位置が互いに一致する方向に移動して、溶接後の継
手形状が、突き合わせ溶接における継手形状と同等とな
る。

【００１３】そして、本発明のうち請求項２に記載した
レーザ重ね溶接方法は、二枚の金属板の端部同士を重
ね、溶接熱源としてのレーザビームを板の重ね部に照射
して融接するレーザ重ね溶接方法であって、上記板の重
ね代を、上記二枚の板の板厚の合計の４０％，及びレー
ザ照射部でのビームスポット径のいずれか小さい寸法以
下に設定すると共に、上記レーザビームのスポット中心
を、板厚方向からみて上記二つの板の端部同士の重ね部
内に位置させることを特徴とするものである。

【００１４】本発明は、適切な重ね代で重ね継手を形成
することで、溶融しない重ね部がないようにレーザビー
ムを照射し溶接を行うことが可能となり、これによっ
て、重ね溶接であっても、接合する金属板の各端面に特
別な処理を行う必要もなく、突合せ溶接と同等の継手特
性を得る。

【００１５】次に、上記重ね代の限定について説明す
る。２枚の金属板を重ねて溶接を行う場合、当然，溶け
込み深さは、両板の板厚の合計（貫通板厚）以下の範囲
となる。

【００１６】また、レーザ溶接で、両板の板厚の合計値
が溶け込み深さとなる貫通溶接では、例えば、溶け込み
深さ（貫通板厚）２mmに対して溶融幅は１mm以下という
ようになり、アスペクト比（溶け込み深さ／溶融幅）に
して２以上となる。

【００１７】一般に、レーザ溶接部の溶融幅はレーザ照
射側表面で最も広く、この表面から板厚方向に深くなる
に従って狭くなるため、前記アスペクト比から、重ね部
での溶融幅は、接合する２枚の板の板厚の合計の約５０
％以下となる場合が多い。

【００１８】実際に、後述の実施例に示す如く、レーザ
照射部でのビームスポット径よりも、接合する二枚の板
の板厚合計値が４０％の値の方が小さい範囲において
は、重ね代を該板厚合計値の４０％以下に設定すること
で、レーザ溶接時に重ね合わせ部全体を溶融させ、溶接
後に溶融しない重ね部を残さないようにすることが可能
となる。

【００１９】また、接合する板の板厚が厚く上記板厚合
計値の４０％が、レーザ照射部でのビームスポット径よ
りも大きい場合には、溶接後に溶融しない重ね部が残る
おそれがあるので、重ね代をレーザ照射部でのビームス
ポット径よりも小さい範囲とした。

【００２０】なお、実際に数多くの実験を行い、重ね代
を上記本願発明の範囲とすることで、重ね部を完全に溶
融するレーザ溶接が可能であるとの結論を得ている。こ
のように、金属板間の重ね部全体が溶融（融接）する重
ね継手では、突合せ継手と同等の強度、成形性などの機
械的特性が得られ、表面処理のためのコーテング等の際
にも未処理部が残るという問題がない。

【００２１】次に、レーザビームの照射位置について説
明する。上述のように重ね部が残存しない重ね溶接を行
うには、レーザビームの照射位置も重要なパラメータで
ある。

【００２２】レーザビームの照射位置としては、金属板
の重ね部の中央が理想的な位置であると考えられるが、
発明者らは各種継手においてレーザビーム照射位置の許
容範囲について実験を重ねた結果、ビームスポット中心
が重ね合わせた２枚の金属板の互いの端面の間にある場
合、つまり、レーザビームのスポット中心を、板厚方向
からみて上記二つの板の端部同士の重ね部内に位置させ
るように設定した場合には、レーザ出力や溶接速度など
の条件の調整により、重ね部を完全に溶融（融接）させ
る溶接が可能であるとの結論に達した。

【００２３】このため、レーザビームスポットの中心
が、板厚方向からみて上記二つの板の端部同士の重ね部
内に位置させて、レーザビームを照射することを条件と
した。次に、請求項３に記載の発明は、請求項２の構成
に対して、上記二枚の板の接合する端部同士を板厚方向
に相互に押しつけた状態で、上記溶接を実施することを
特徴とするものである。

【００２４】接合する端部を板厚方向に相互に押しつけ
ることで、欠陥を低減しより信頼性を高めることができ
る。即ち、接合する端部同士が板厚方向に押しつけられ
ることで、重ね部を構成する各板の端部の関係が、溶融
時に，より突合せの状態に近くなるため、さらなる特性
の向上が期待できる。

【００２５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。まず、図１に示すように、溶接
する鋼板１，２の端部同士を上下に重ねる。このとき、
上側の鋼板１の端部を下側の鋼板２に向けて押しつけ
る。

【００２６】ここで、例えば、上記接合する両鋼板１，
２の板厚ｄ１，ｄ２が共に０．７mmの場合には、二枚の
板１，２の板厚の合計Ｄ＝１．４mmとなるので、上記重
ね代ｘは、１．４×０．４＝０．５６mm以下とする。な
お、上記レーザ照射部４でのビームスポットの径φは
０．５６mmよりも大きいとする。

【００２７】次に、上記重ね部３位置に、上方（板厚方
向）からみて、レーザビーム５のスポット中心Ｐが位置
するように設定して、上側から当該レーザビーム５を照
射して重ね部３を溶融し融接する。

【００２８】これによって、両鋼板１，２は接合され、
図２に示すような継手が形成される。このように、重ね
代ｘ及びレーザビーム５の照射位置を設定するだけで、
重ね部３全体が溶融して両鋼板１，２の接合が行われ
る。

【００２９】このため、本実施形態によるレーザ溶接で
は、金属板間の重ね部３全体が溶融（融接）して、従来
のような未溶融の重ね部が残存しない重ね継手が得られ
る。この結果、溶接作業性の良い重ね継手を採用して
も、本願発明に基づけば、突合せ継手と同等の強度、成
形性などの機械的特性が得られ、しかもコーテングの際
にも未処理部が残るという問題もない。

【００３０】また、上側の鋼板１を下側の鋼板２に押し
つけながら溶接を行うことが好ましい。例えば、図３に
示すように下側鋼板２及び上側鋼板１を台座６，台座７
の上に載せて、上側鋼板２を矢印Ａの向きに押しつけな
がらレーザ溶接を行う。

【００３１】この場合、図４に示すように、溶融するに
つれて、上側の鋼板１が下降し突き合わせ溶接に近い溶
接状態が得られる。上側鋼板１の押しつけ力は特に限定
されないが、本発明の適用効果が大きい板厚２mm以下の
薄鋼板のレーザ溶接の際には、溶接線から押しつけ位置
までの距離（図３中のＬ）を３０mm以内とし、単位幅当
たりの押しつけ力を１kg/ cm以上とすることが好まし
い。

【００３２】なお、上記実施の形態では、溶接する両金
属板１，２の板厚ｄ１，ｄ２を等しいとして説明してい
るが、両板厚ｄ１，ｄ２が相互に異なる場合でも同様で
ある。

【００３３】

【実施例】次に本発明の実施例を示す。供試材（金属
板）および溶接条件は、以下のとおりとし、板厚ｄおよ
びビームスポット径φに応じて重ね代ｘとビーム照射位
置を変化させて溶接を行った。

【００３４】材料：低炭素鋼板ＳＰＣＣ（板厚０．７〜
２．０mm）レーザ出力：４〜５ｋＷ溶接速度：４〜６ｍ／ｍｉｎ、シールドガス：Ａｒ（２０リットル／ｍｉｎ）集光光学系：放物面鏡（焦点距離：１０インチ）焦点外し距離：＋１．５mm 鋼板表面でのビームスポット径φ：０．６２mm その結果を、下記表１及び表２に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】ここで、溶接後の継手の評価は、ビード
外観および断面観察と、引張試験（ＪＩＳＺ２２０１，
５号試験片）及びエリクセン試験（ＪＩＳＺ２２４７、
２号試験片）により行った。

【００３８】接合する両鋼板の試験片形状は同じとし、
つまり両鋼板の板厚は等しく、継手引張試験では重ね部
上の平行部中央に溶接ビードを配置し、また、継手エリ
クセン試験では張出し部中央に溶接ビードを配置した。

【００３９】なお、表１及び表２中、引張強さは母材の
９０％以上の値を○とした。また、表１及び表２中、エ
リクセン値は母材の７０％以上の値を○とした。ここ
で、本実施例ではビームスポット径φは０．６２mmであ
るから、板厚０．７７５mm以上では接合する二枚の板の
板厚合計値の４０％よりビームスポット径φの方が小さ
い寸法となる。

【００４０】そして、表１中の実施例１〜１１に示すよ
うに、重ね代ｘを、前記板厚合計値Ｄの４０％あるいは
ビームスポット径φ（０．６２mm）のいずれか小さい寸
法以下とし、且つ、レーザビーム５のスポット中心Ｐ
が、上側に重ねた鋼板１の端部と下側に重ねた鋼板２の
端部の間に位置するようビーム照射位置を調整すると、
重ね部３に重ね代残りや溶接欠陥もなく、引張強さ、エ
リクセン値が高い優れた特性の継手が得られることが分
かる。

【００４１】ここで、ビーム照射位置とは、上記図１に
おいて、上側の板１の端面ｅからスポット中心Ｐまでの
距離で、端面ｅから重ね部３側の距離を正として表した
値である。

【００４２】一方、表２中の比較例１２、１４、１６、
１８に示すように、ビーム照射位置が適切でない場合に
は、つまりビームスポットの中心Ｐが鋼板端部同士の重
ね部３内にないため、たとえ重ね代ｘを接合する二枚の
板の板厚合計値の４０％あるいはビームスポット径φ
（０．６２mm）のいずれか小さい寸法以下としても、溶
け落ちあるいは重ね部残りが生じたり、引張強さやエリ
クセン値が母材に比べて低下していることが分かる。

【００４３】また、表２中の比較例１３、１５、１７、
１９に示すように、本願の範囲よりも重ね代ｘを大きく
設定しても、溶け落ちあるいは重ね部残りが生じたり、
引張強さやエリクセン値が母材に比べて低下したりして
いることが分かる。

【００４４】例えば、比較例１７，１９に示すように、
重ね代ｘが、板厚合計値の４０％内であっても、ビーム
スポット径φよりも大きく設置すれば、溶融されない重
ね部残りが発生する。

【００４５】同様に、比較例１０に示すように、重ね代
ｘがビームスポット径φよりも小さくても、板厚合計値
の４０％よりも大きければ、溶融されない重ね部残りが
発生することが分かる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、レーザを利用した突合せ溶接よりも作業性等がよい
重ね溶接を採用しても、接合する金属板の板厚およびレ
ーザビームのスポット径に応じて重ね代及びレーザビー
ム照射位置を適正に設定することだけで、未溶融（未融
接）の重ね部がない、優れた機械的特性を有する重ね継
手を得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ重ね溶接時の
条件を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態に係るレーザ重ね溶接後の
状態を示す図である。

【図３】本発明の実施の形態に係るレーザ重ね溶接時の
条件を示す図である。

【図４】本発明の実施の形態に係るレーザ重ね溶接後の
状態を示す図である。

【図５】従来における重ね溶接後の状態を示す図であ
る。

【図６】従来における重ね溶接後の別の状態を示す図で
ある。

【図７】従来における重ね溶接後の別の状態を示す図で
ある。

【符号の説明】

１，２鋼板（金属板）３重ね部４レーザ照射部５レーザビーム６台座７台座ｘ重ね代 φ レーザスポット径Ｐレーザビームのスポット中心ｄ１，ｄ２板厚

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二枚の金属板の端部同士を重ね、溶接熱
源としてのレーザビームを板の重ね部に照射して融接す
るレーザ重ね溶接方法であって、上記二枚の板の端部同
士を板厚方向に相互に押しつけた状態で上記レーザ重ね
溶接を行い、溶融時には上記重ね部を全て溶融させるこ
とを特徴とするレーザ重ね溶接方法。
【請求項２】二枚の金属板の端部同士を重ね、溶接熱
源としてのレーザビームを板の重ね部に照射して融接す
るレーザ重ね溶接方法であって、上記板の重ね代を、上
記二枚の板の板厚の合計の４０％，及びレーザ照射部で
のビームスポット径のいずれか小さい寸法以下に設定す
ると共に、上記レーザビームのスポット中心を、板厚方
向からみて上記二つの板の端部同士の重ね部内に位置さ
せることを特徴とするレーザ重ね溶接方法。
【請求項３】上記二枚の板の接合する端部同士を板厚
方向に相互に押しつけた状態で、上記溶接を実施するこ
とを特徴とする請求項２に記載されたレーザ重ね溶接方
法。