JPS63260691A - 溶接法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レーザビームを使用する金属要素の溶接法に
関し、特に、前もって表面クリーニング又は縁処理をす
ることなくかかる金属要素をレーザビームで溶接する方
法に関する。

従来の溶接法、例えばガス・金属・アーク溶接法（ＧＭ
ＡＷ）、ガス・タングステン・アーク溶接法（ＧＴＡＷ
）及びフラッシュ溶接法では、表面をクリー声ングする
が、それと共に溶接される／（べき部品の衝合する表面
に機械加工により特定の端処理を行なうことが多い。主
として、表面に存在する天然の酸化物がぬれ（Ｗｅｔｔ
ｉｎｇ）を妨げようとするので、溶接されるべき表面を
クリーニングすることが必要である。その上、これらの
酸化物は気孔やクラックを生ぜしめる溶接の金属汚染を
助長し、かくして品質が低く、それと対応して機械的性
質の劣化した溶接物が出来上フてしまう。

同様に、多数個の要素を効率的に溶接するためには、溶
接に先立って部品に必要な縁処理をおこなうための機械
加工作業が必要であり、この作業は費用がかかり且つ時
間のかかるものである。

これらの溶接法では又、溶接物を形成するために金属溶
加材ワイヤを溶着部に供給することも必要である。従来
、供給ワイヤを溶融させるためには供給ワイヤが導電性
で港なければならない。米国特許第４，４４７，７０３
号に記載されている最近開発された供給物駆動装置は溶
加材ワイヤを溶融池に導入する前に溶加材ワイヤを抵抗
加熱する。金属要素を溶接するために現在ではレーザが
利用されているが依然として接合されるべき表面をクリ
ーニングして他の従来溶接法と同様に１１ｉ処理をする
ことが一般に行なわれている。

キーホール（ｋｅｙｈｏｌｅ）溶接と呼ばれ厚形材に利
用されるレーザ溶接の成る態様では、ビームをシャープ
に合焦させてエネルギ密度を高め、部品を１回のパスで
接合するためにレーザビームと一緒に移動する母材の中
に液状金属で囲まれた孔又は空所を作る。接合されるべ
き部品を良好に合致させることがかかるキーホール溶接
法の必要条件と考えられ、このためには大抵の場合、接
合されるべき表面を良好に接触させるための縁処理が必
要である。この縁処理は、溶接に先立って表面汚染物を
除去するための表面の徹底的なりリーニングと共に行な
われる。導通レーザ溶接では、あまり焦点の合わないビ
ームを溶加材ワイヤと一緒に利用するが、この場合もま
た又溶接に先立って表面汚染物を除去することが必要で
あると考えられている。

多くの場合、溶接によって接合されるべぎ部品は酸化物
、ミルスケール、グリース又は塗料等で覆われている。

これらの汚染物を除去してから溶接を行なうのは時間が
かかるが、今日まで品質の良い溶着部を得るためには必
要な工程であると考えられている。

本発明の目的は、表面クリーニング又は縁処理を必要と
しない金属要素の溶接法を提供することにある。

この目的及びその他の目的は、接合されるべき表面にミ
ルスケース、表面酸化物、塗料、グリース等の表面汚染
物のある未処理の厚肉金属要素及び合金要素を溶接する
ための本発明の方法によって達成される。上記要素を、
接合されるべき表面を互いに接触させ、汚染物が依然と
してかかる表面にあるが縁処理を行なわないで配置する
。本発明の一実施例によれば、レーザビームを一方の要
素に隣接した他方の要素に向け、他方の要素に沿って、
接合されるべき要素の厚さを実質的に１００％貫通した
キーホール溶着部を１回のパスで生ぜしめる速度及び合
焦出力で移動させる。

かくして品質の良い１００％貫通溶着部が表面クリーニ
ング又は縁処理を必要としないで１回のパスで作られる
。これは生産性を著しく高めるとともにコストを著しく
下げる。変形例として、接合されるべき要素の厚さを実
質的に５０％貫通したキーホール溶着部を、接合される
べき表面の各側に沿って１回のパスで作ってもよい。

本発明のもう一つの実施例によりば、レーザビームを、
接合されるべき汚染表面の一方の縁に沿って、溶融池を
備えた導電性溶着部を作る出力及び焦点で要素に向ける
。抵抗加熱された溶加材ワイヤをこの溶融池の中に供給
する。レーザビーム及びワイヤ供給物を、接合されるべ
き表面の一方の縁に沿フて、要素の厚さの少なくとも中
間まで貫通した溶加材入り溶着部を１回のパスで形成す
る速度で移動させる。次に、この工程を、接合されるべ
き表面の他方の側で繰返し、厚さを完全に貫通した溶着
部を作る。この場合も、表面クリーニング又は縁を必要
としないで品質の良い溶着部を迅速且つ効率的に作るこ
とができる。

溶接に先立って良好な機械的衝合を達成するように表面
を処理することが必要であると考えられる他の溶接法と
異なり、接合されるべき表面の間に最大約４．７５ｍｍ
のばらつきのある隙間があっても本発明の方法により品
質の良い溶着部を作ることができる。

本発明の完全な理解は添付の図面と関連してなされる好
ましい実施例についての以下の説明から得ることができ
る。

本発明をプレートの縁への管の溶接法に適用するものと
して説明するが、本発明は任意の形状の金属要素及び合
金要素の溶接法に適用できることは理解されよう。

レーザ溶接法を含む従来の溶接法では、まず最初にミル
スケール、表面酸化物、塗料、グリース等の表面汚染物
を完全に取除く。第１Ａ図に示す管１の円筒状の表面３
とプレート５の縁７のような、形状において相補的でな
い表面の場合、接合されるべき表面を良好な機械的衝合
が達成されるように以下に例示するような態様で処理す
る。すなわち、例えば第１Ｂ図に示すように管の円筒面
３にフライス加工により平坦部９を形成し、或いは第１
Ｃ図に示すようにプレートの縁７に凹面１１を形成し、
又は第１Ｄ図に示すように開先加工部１２を形成するこ
とにより処理がなされる。クリーニングされ且つ端処理
のなされた表面を次に完全に接触させた状態で従来の溶
接を行なう。この従来の溶接法としては、溶加材を接合
された表面の両方の縁に沿って付けて行なうレーザ溶接
、又は１回のパスのレーザ・キーホール溶接がある０表
面クリーニング作業及び縁処理作業は両方とも時間を要
し、また溶接コストを増大させる。

本発明者は溶加材を使用し、或いは使用しないレーザ溶
接を利用することによりコストを節約して高品質の溶着
部を生ぜしめる新規な且つ改良した方法を発明した。か
かる方法では、溶接に先立つ表面クリーニング作業及び
縁処理作業は行われず、また接合されるべき表面の交差
部に接合されるべき未処理表面の凹凸によりばらつきの
ある隙間が生じるような場合であっても溶接に先立って
上記作業は行われない。

第２図は管１をプレート５の縁７に溶接するための構成
を示し、これらの要素は未処理の状態で、すなわち、管
の円筒面３′ＢＬびプレートの縁７が表面汚染物１３、
例えばミルスケース及び／又は表面酸化物、塗料、グリ
ース又はその他の汚染物で覆われ且つ縁の処理がなされ
ていない状態で示されている。かくして、第２図で分か
るように、接合されるべき表面は参照番号１５のところ
で線接触しているだけである。第３図の平面図に示すよ
うに、この線接触部には接合されるべぎ表面の凹凸又は
表面汚染物１３の凹凸により隙間１７が生じることがあ
る。

第２図は又、レーザ源２１が発生したレーザビーム１９
を合焦させてレーザ・キーホール溶接法で管ｌとプレー
ト５とを接合する態様を示している。理解できるように
、ビーム１９はプレート５の縁７に沿って差向けられる
。レーザビーム１９の出力及び焦点並びにレーザビーム
１９を縁７に沿って第２図の紙面に対し垂直方向に移動
させる速度を選択して、出力密度の大きさをレーザビー
ムが第４図に示すようにイオン化金属蒸気で支持された
溶融金属中に孔又はキーホール２０を形成するほど十分
な大きさく約２〜５　Ｍ　ｗ　／　ｃ　ｒｎ’　）にす
る。かかるキーホール溶接では第５図に示すように１回
のパスで１００％貫通溶着部が作られる。ハツチング領
域２７は管１及びプレート５のそれぞれ熱の影響を受け
た区域２９及び３１と側面を接する溶接ビードである。

実験例Ｉ ＡＳＴＭ　　Ａ２１０炭素鋼で作られた外径５０ｍｍ、
肉厚８ｍｍの管を、ＡＳＴＭ　　Ａ３６炭素鋼で作られ
た幅３８ｍｍ（第２図では寸法「ａ」で示されている）
、厚さ１２ｍｍ　（寸法「ｂ」）のプレート５の縁７に
当接させた。受入れたままの状態の両方の要素は表面酸
化物（さび）及び／又はミルスケースがあったが、溶接
に先立つ表面クリーニング又は縁処理は全く行なわれな
かった。さらに、組立てられた状態では管とプレートと
の間の隙間１５の大きさは溶接物の全長に亘り、Ｏｍｍ
から最大約１．６ｍｍまでのばらつきがあった。

１５ＫＷＣＯｚ　レーザーを使用して一回のパスで厚さ
を１００％貫通した溶着部を形成した。この場合、溶加
材を使用しなかった。溶接を１１Ｋｗのビーム出力で行
ない、プレート５の頂面３３に対するビームの焦点の高
さはビームのウェストすなわち周囲長さを１ｍｍとして
上２゜５ｍｍの範囲にあった。ビームをプレートの縁に
沿って６３　ｃ　ｍ／分〜８９ｃｍ／分の速さで移動さ
せた。所望の焦点高さが＋２．５ｍｍ〜−２，５ｍｍで
あるとは言え、約＋１０ｍｍ〜−１０ｍｍの高さでも満
足のゆく溶着部が得られる。加つるに、約４Ｋｗ〜１５
Ｋｗの出力と約５０　ｃ　ｍ／分〜１８０ｃｍ／分の範
囲の速さを適当に組合せることができる。

この実験例における重要な特徴は、厚さ貫通溶着部が現
行の溶接法で達成されている溶接速度よりもかなり高い
溶接速度で比較的厚い形材に一回のパスで作られている
ことにある。溶加材を使用せず且つ表面クリーニング／
縁処理を前もって行なわないで溶接を首尾よく行なった
（第５図参照）。後で同様な態様ではあるがコールドワ
イヤ（加熱されていない溶加材）を用いて何回か溶には
魅力的なことである。

本発明のもう一つの態様によれば、溶加材を使用するけ
れども表面クリーニング又は縁処理を行わないで溶接を
行うことができる。要素を第２図に示すように配置する
。この場合、ウェスト３５が太く、したがって出力密度
の低いレーザビーム１９を第６図に示すように接合され
るべき要素のうちの一方又は両方の隣接部分に向ける。

これにより導通溶着部としての金属の溶融池３７が作ら
れる。管及びプレートをレーザビーム１９゛に対して第
６図の矢印の方向に移動させながら、加熱された溶加材
ワイヤ３９を米国特許第４，４４７．７０３号に記載さ
れた装置で溶融池３７に供給して溶着部に溶加材を加え
る。接合されるべき表面４３．４５の各縁に沿ってパス
を１回だけ行なって第７図に横断面で示す完成溶着部を
作る。

実験例２ 実験例１で使用したのと同一の管及びプレートを第２図
に示すように同様に組立てた。両方とも表面酸化物及び
／又はミルスケールのある受入れられたままの要素に対
して、この実験例においても表面クリーニング又は縁処
理は行なわれず、管とプレートとの間の隙間１５は溶接
物の全長に亘り、Ｏｍｍ〜約３ｍｍのばらつきがあった
。同一の１５ＫｗＣＯ２レーザーを出力９Ｋｗ、焦点十
１９ｍｍ（プレート表面よりも１９ｍｍ上方にある焦点
の意である）で使用して導通溶着部を生ぜしめた。溶融
池３７に導入する前に約１３２℃まで抵抗加熱された直
径１ｍｍのＥ−７０Ｓ−６炭素鋼ワイヤを最大２５４ｃ
ｍ／分までの供給速度でプレート５と管１との間の隙間
の中に自動供給した。レーザビームを２５ｃｍ／分の速
さで８動させ、１回のパスで管とプレートとの間の交差
部の一方の側部に沿って溶着部を完成させた。１回のパ
スの完了後、同一の手順を溶接物の他方の側部に対して
繰返した。

本発明の方法を利用し、出力密度を８Ｋｗ〜１５Ｋｗの
範囲とし、焦点の高さを最大約±３２ｍｍとし、速度を
一１２ｃｍ／分〜７６Ｃｍ／分としてかかる要素に対し
て溶加材を用い溶接を首尾よく行なうことができる。

第７図に示す溶着接合部４７により、高品質の完全貫通
溶着部がちょうど２回のパスで作られたが、従来のＧＭ
ＡＷ溶接における、例えば断面の大きなグループの盛上
げに必要な多くのパスに匹ある表面クリーニング及び縁
処理を省略したことによりぬれ、酸化物汚染又は溶融領
域が悪影響を受けたという兆しはなかった。別に行った
実験の示すところによれば、管とプレートとの間の隙間
の幅は４．７５ｍｍまで増大させたが依然として高品質
の溶着部が得られる。これらの溶着部が全てバックアッ
プ・プレートを使用しないで作られていることはン主目
されるべきである。

この実験例においてこれらの厚肉要素の溶接の成功に寄
与する主要な特徴はレーザビームと高付着速度の高温溶
加材ワイヤとの組合せにある。酸化物が加工物を電極か
ら絶縁させる不均質性をもたらすことがあるアーク溶接
とは異なり、本発明で利用される高度の高温ワイヤ法は
加工物とは電気的に無関係である。

上記実験例ではレーザーにより迅速な加熱速度及び非常
に局部化された加熱が達成されたので表面酸化物が迅速
に除去され、それにより溶融池と溶接されるべき部分と
の間に良好な結合が達成されることになった。初めのレ
ーザビーム結合はおそらく管とプレートの双方の受入れ
られたままの表面の反射率が低いことにより高められた
。表面の反射率を低くすれば優先的なビーム結合及び表
面汚染物の蒸発により溶接金属の清浄度が高くなる。

上記実験例で説明した方法は厚さ約１２ｍｍ〜１８ｍｍ
の厚肉材又は厚形材に最適であるが上記寸法のものに限
定されるわけではない。事実、上記方法は約３８ｍｍ以
下の厚形材の溶接に関し費用効果及び時間節約の面で有
利であり、ビームと加工物の配置を変えると一層厚い形
状でありても適合させることができる。接合されるべき
表面の両側で１回のパスを行なう場合にはこれらの厚さ
を２倍（７６ｍｍ）にすることができる。

同様の効果がスナンレス鋼に限定されず、その他の材料
例えばニッケル合金及び他の非鉄合金についても得られ
ることが予想できる。さらに本明細書で開示した方法に
より異なる化学組成の部品の間で溶接を行なうことがで
きる。

本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、当業者であ
れば開示された教示に鑑みて細部に対する種々の修正及
び変形を成しえることは理解されよう。したがって開示
した特定の構成は例示に過ぎず、特許請求の範囲の記載
に基づいて定められる本発明の技術的範囲を限定しよう
とするものではない。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図、第１Ｂ図、第１Ｃ図はそれぞれ、溶接のため
に良好な機械的結合を達成するように要素を先行技術に
従って処理する態様を示す図である。　第２図は、本発
明による溶接のために管とプレートを組立てる態様及び
本発明の一実施例に従ってレーザビームをこの組立体に
合焦させる態様を示す図である。 第３図は、第２図の要素の組立体の平面図である。 第４図は、本発明の一実施例に従って溶接されている第
２図の要素の横断面図である。 第５図は、第４図に示す本発明の実施例に従って溶接さ
れた溶接物の横断面図である。 第６図は、本発明の別の実施例に従って溶接されている
第２図の要素の側面図である。 第７図は、第６図に示す本発明の実施例に従って溶接さ
れた第２図の要素の端面図である。 １．５・・・要素、　　　３．７・・・表面、１３・・
・表面汚染、　　１９・・・レーザビーム出願人　　　
　　　　　　ウエスチンクへウス・エレクトリック・コ
ーポレーシゴン代理人　　　　加藤紘一部　（ばか１名
）ＦＩＧ、　　２゜ ＦＩＧ、　　３゜

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）接合されるべき表面に表面汚染物のある未処理の
   厚肉金属要素及び合金要素の溶接法であって、接合され
   るべき表面を互いに接触させた状態で要素を配置し、一
   方の要素に隣接した他方の要素にレーザビームを向ける
   溶接法において、前記表面に表面汚染物を残したまま縁
   処理しないで前記レーザビームを一方の要素に隣接した
   他方の要素に沿って移動させ、前記レーザビームは接合
   されるべき要素の厚さの実質的に５０％〜１００％を貫
   通するキーホール溶着部を一回のパスで生ぜしめる合焦
   出力及び速度で移動させることを特徴とする溶接法。
2. （２）接合されるべき表面を互いに接触した状態で要素
   を配置すると、最大約３ｍｍのばらつきのある隙間が接
   合されるべき表面の凹凸によつて形成されることを特徴
   とする請求項第（１）項記載の溶接法。
3. （３）前記要素のうちの一方は円筒状の管であり、他方
   の要素は縁を有するプレートであり、プレートの前記縁
   が前記管の長さ方向に接触した状態に前記管及びプレー
   トを配置し、前記レーザビームをプレートの前記縁に向
   け、そして前記縁に沿って移動させて前記キーホール溶
   着部を生ぜしめることを特徴とする請求項第（１）項記
   載の溶接法。
4. （４）接合されるべき表面に表面汚染物のある厚肉金属
   要素及び合金要素の溶接法において、（ａ）接合される
   べき表面を互いに接触させ、表面汚染物を前記表面にそ
   のまま残し、縁処理をしないで前記要素を配置し、（ｂ
   ）レーザビームを接合されるべき表面の交差部の一方の
   側から前記要素に向け、前記レーザビームは金属溶融池
   を備えた導通溶着部を生ぜしめる出力及び焦点を有し、
   （ｃ）抵抗加熱溶加材ワイヤを制御された速度で溶融池
   内に供給し、（ｄ）前記レーザビーム及び溶加材ワイヤ
   供給物を前記交差部に沿い１回以上のパスで溶加材入り
   溶着部を生ぜしめる速度で移動させ、（ｅ）上記工程（
   ｂ）〜（ｄ）を接合されるべき前記表面の交差部の反対
   側で繰返すことを特徴とする溶接法。
5. （５）接合されるべき表面を互いに接触した状態で要素
   を配置すると、最大約４．７５ｍｍのばらつきのある隙
   間が接合されるべき表面の凹凸によって形成され、接合
   されるべき要素に対するレーザビームの移動速度及び前
   記ばらつきのある隙間を満たすように溶加材ワイヤを供
   給する速度のうち少なくとも一方を変化させることを特
   徴とする請求項第（４）項記載の溶接法。
6. （６）前記レーザビームを一方の要素に隣接した他方の
   要素に沿って移動させ、レーザビームは接合されるべき
   要素の各側から、接合されるべき要素の厚さの実質的に
   ５０％を貫通するキーホール溶着部を一回のパスで生じ
   させる合焦出力及び速度で移動させることを特徴とする
   請求の範囲第（１）項記載の溶接法。