JP2009269036A

JP2009269036A - レーザ溶接方法

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Publication number: JP2009269036A
Application number: JP2008118784A
Authority: JP
Inventors: Naoki Kawada; 直樹河田; Masashi Oikawa; 昌志及川
Original assignee: Tokyu Car Corp
Current assignee: Tokyu Car Corp
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2009-11-19

Abstract

【課題】良好な溶接部を形成することができるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】レーザ溶接方法では、第２のレーザビームＬ２を照射して溶接部２３を形成する前に、第１のレーザビームＬ１を照射して予熱部分２４を形成する。予熱部分２４の形成により、第２のレーザビームＬ２によって溶接部２３を形成する際に急激な入熱に起因するスパッタの発生が抑制されるので、母材の飛散を防止でき、良好な溶接部２３を形成できる。また、第１のレーザビームＬ１を照射し、それに追従して第２のレーザビームＬ２を照射するので、単発でレーザビームを照射する場合に比べて、入熱時間を長くできると共に、レーザビーム照射後のワークＷの冷却速度も遅くできる。これにより、溶接部２３の健全性を担保することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

従来のレーザ溶接方法として、レーザ光の焦点位置を所定の軸に沿って被加工物上で変位させながら焦点位置にフィラーワイヤを順次供給して被加工物を溶接するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３２６３８２号公報

しかしながら、上述した従来の方法では、被加工物に対してレーザビームが照射された際、被加工物への急激な入熱に起因してスパッタが発生することがある。スパッタが発生すると、母材が飛散し、溶接部が良好に形成されないといった問題が生じるおそれがある。また、被加工物の温度が急激に上昇すると、冷却速度が速くなることに起因して、溶接部の健全性を損ねることも考えられる。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、良好な溶接部を形成することができるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係るレーザ溶接方法は、第１のレーザビームを溶接予定線に沿って被加工物に照射して予熱部分を形成すると共に、予熱部分にフィラーワイヤを供給しながら第１のレーザビームに追従する第２のレーザビームを照射して溶接部を形成することを特徴とする。

このレーザ溶接方法では、第２のレーザビームを照射して溶接部を形成する前に、第１のレーザビームを照射して予熱部分を形成する。予熱部分の形成により、第２のレーザビームによって溶接部を形成する際に急激な入熱に起因するスパッタの発生が抑制されるので、母材の飛散を防止でき、良好な溶接部を形成できる。また、第１のレーザビームを照射し、それに追従して第２のレーザビームを照射するので、単発でレーザビームを照射する場合に比べて、入熱時間を長くできると共に、レーザビーム照射後の被加工物の冷却速度も遅くできる。これにより、溶接部の健全性を担保することができる。

また、第１のレーザビームの出力は、第２のレーザビームの出力よりも小さいことが好ましい。この場合、第１レーザビームによって予熱を行う際のスパッタをより確実に防止でき、第２のレーザビームによる溶接部をより良好に形成できる。

また、本発明に係るレーザ溶接方法は、第１のレーザビームを溶接予定線に沿って被加工物に照射して溶融プールを形成すると共に、第１のレーザビームに追従する第２のレーザビームを照射して溶融させたフィラーワイヤを溶融プールに供給して溶接部を形成することを特徴とする。

このレーザ溶接方法では、第１のレーザビームによって被加工物に溶融プールを形成し、第１のレーザビームに追従する第２のレーザビームで溶融させたフィラーワイヤを溶融プールに流し込む。これにより、溶融プール内に生じる乱流が抑制され、表面状態が整った良好な溶接部を形成できる。

また、第１のレーザビームの出力は、第２のレーザビームの出力よりも大きいことが好ましい。被加工物を溶融させるためのヒートマスは、フィラーワイヤを溶融させる場合に比べて大きい。そのため、第１のレーザビームの出力を第２のレーザビームよりも大きくすることで、溶融プールを好適に形成できる。

また、第１のレーザビームに先行する第３のレーザビームを被加工物に照射して予熱部分を形成し、予熱部分に第１のレーザビームを照射して溶融プールを形成することが好ましい。予熱部分の形成により、第１のレーザビームによって溶融プールを形成する際に、急激な入熱に起因するスパッタの発生が抑制されるので、母材の飛散を防止でき、良好な溶接部を形成できる。

また、第３のレーザビームの出力は、第１のレーザビームの出力よりも小さいことが好ましい。この場合、第３レーザビームによって予熱を行う際のスパッタをより確実に防止でき、第１のレーザビームによる溶融プールをより良好に形成できる。

また、第３のレーザビームの出力は、第２のレーザビームの出力よりも大きいことが好ましい。この場合、被加工物の予熱をより確実に行うことができる。

また、レーザビームの光源としてマルチスポットレーザを用いることが好ましい。この場合、上述したレーザ溶接方法を簡易に且つコンパクトに実行できる。

本発明に係るレーザ溶接方法では、良好な溶接部を形成することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るレーザ溶接方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接方法の概要を示す図である。図１に示すように、このレーザ溶接方法は、例えば端面同士が突き合わされた鉄道車両の外板等の金属板１０ａ，１０ｂ（以下、これらを「ワーク（被加工物）Ｗ」という）同士の溶接に用いられる方法であり、レーザ溶接装置２０を用いて実行される。レーザ溶接装置２０は、可動式のツインスポットレーザ２１と、フィラーワイヤ供給部２２とを含んで構成されている。

ツインスポットレーザ２１のヘッド内には、光源からのレーザビームを分割するビームスプリッタ（図示しない）が内蔵されている。これにより、ツインスポットレーザ２１のヘッドからは、第１のレーザビームＬ１と、溶接予定線に沿って第１のレーザビームＬ１に追従する第２のレーザビームＬ２とが出射するようになっている。また、第１のレーザビームＬ１の出力は、第２のレーザビームＬ２の出力よりも小さく（Ｌ１＜Ｌ２）なるように設定されている。

フィラーワイヤ供給部２２は、レーザビームの照射位置に向けてフィラーワイヤＹを供給する部分である。フィラーワイヤ供給部２２は、ツインスポットレーザ２１の進行方向に対して後方側に配置され、ワークＷの表面に対して約５５度傾斜した状態で、フィラーワイヤＹを供給する。フィラーワイヤＹとしては、例えばワークＷと同素材のものが用いられる。

続いて、本実施形態に係るレーザ溶接方法を説明する。まず、ワークＷを所定の定盤上にセットする。このとき、ワークＷの端面同士を突き合わせることで、突き合わせ部分Ｌに沿って溶接予定線が設定される。また、第１のレーザビームＬ１の照射位置が溶接予定線の始点に位置するようにツインスポットレーザ２１をセットする。

次に、ツインスポットレーザ２１を図１における矢印Ａ方向に所定の速度で移動させる。ツインスポットレーザ２１が移動すると、まず、第１のレーザビームＬ１よって突き合わせ部分Ｌに予熱部分２４が形成される。その後、ツインスポットレーザ２１が更に矢印Ａ方向に進行すると、第１のレーザビームＬ１に追従する第２のレーザビームＬ２が予熱部分２４に照射される。

このとき、フィラーワイヤ供給部２２によって第２のレーザビームＬ２の照射位置にフィラーワイヤＹが供給され、この位置で溶融プールＰ１が形成される。第２のレーザビームＬ２が溶融プールＰ１を通過すると、溶融プールＰ１が徐々に冷却し、溶接部２３が形成される。ツインスポットレーザ２１が溶接予定線の終点に到達すると、突き合わせ部分Ｌに沿って連続的な溶接部２３が形成され、ワークＷの溶接が終了する。

上述したように、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、第２のレーザビームＬ２を照射して溶接部２３を形成する前に、第１のレーザビームＬ１を照射して予熱部分２４を形成している。予熱部分２４の形成により、第２のレーザビームＬ２によって溶接部２３を形成する際に急激な入熱に起因するスパッタの発生が抑制されるので、母材の飛散を防止でき、良好な溶接部２３を形成できる。

また、このレーザ溶接方法では、第１のレーザビームＬ１を照射し、それに追従してより出力の大きな第２のレーザビームＬ２を照射している。このため、単発でレーザビームの照射を行う場合（図２（ａ）参照）と比べると、本実施形態のようにレーザビームを２段階に照射する場合（図２（ｂ）参照）では、ワークＷの溶融に必要な温度θ_ｃの維持時間が長く（ｔ２＞ｔ１）なっている。また、温度がθ_ｃから常温になるまでの時間も長く（ｔ４＞ｔ３）なっている。このように、ワークＷへの入熱時間を長くすると共に、レーザビーム照射後のワークＷの冷却速度を遅くすることにより、溶接部２３の健全性を担保できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接方法について説明する。図３は、本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接方法の概要を示す図である。図３に示すように、このレーザ溶接方法は、レーザ溶接装置３０を用いて実行される。レーザ溶接装置３０は、可動式のマルチスポットレーザ３１と、第１実施形態と同様のフィラーワイヤ供給部２２とを含んで構成されている。

マルチスポットレーザ３１のヘッド内には、光源からのレーザビームを分割するビームスプリッタ（図示しない）が内蔵されている。これにより、マルチスポットレーザ３１のヘッドからは、第１のレーザビームＬ３と、溶接予定線に沿って第１のレーザビームＬ３に追従する第２のレーザビームＬ４と、第１のレーザビームＬ３に先行する第３のレーザビームＬ５とが出射するようになっている。また、第１〜第３のレーザビームＬ３〜Ｌ５の出力は、Ｌ３＞Ｌ５＞Ｌ４となるように設定されている。

続いて、本実施形態に係るレーザ溶接方法を説明する。まず、ワークＷを所定の定盤上にセットする。このとき、ワークＷの端面同士を突き合わせることで、突き合わせ部分Ｌに沿って溶接予定線が設定される。また、第３のレーザビームＬ５の照射位置が溶接予定線の始点に位置するようにマルチスポットレーザ３１をセットする。

次に、マルチスポットレーザ３１を図３における矢印Ａ方向に所定の速度で移動させる。マルチスポットレーザ３１が移動すると、まず、第３のレーザビームＬ５よって予熱部分３３が形成される。その後、マルチスポットレーザ３１が矢印Ａ方向に進行すると、第３のレーザビームＬ５に追従する第１のレーザビームＬ３が予熱部分３３に照射され、この位置で溶融プールＰ２が形成される。

マルチスポットレーザ３１が更に矢印Ａ方向に進行すると、第１のレーザビームＬ３の照射位置に、第２のレーザビームＬ４が追従して照射される。この第２のレーザビームＬ４は、図４に示すように、溶融プールＰ２の後方側から供給されるフィラーワイヤＹの先端を溶融させる。溶融したフィラーワイヤＹは、液滴状となって溶融プールＰ２の後方側に流し込まれる。そして、第２のレーザビームＬ４が溶融プールＰ２を通過すると、溶融プールＰ２が徐々に冷却し、溶接部３２が形成される。マルチスポットレーザ３１が溶接予定線の終点に到達すると、突き合わせ部分Ｌに沿って連続的な溶接部３２が形成され、ワークＷの接合が終了する。

上述したように、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、第１のレーザビームＬ３によってワークＷに溶融プールＰ２を形成し、第１のレーザビームＬ３に追従する第２のレーザビームＬ４で液滴状に溶融させたフィラーワイヤＹを溶融プールＰ２に流し込む。溶融プールＰ２に流し込まれたフィラーワイヤＹは、第１のレーザビームＬ３の照射によって生じた溶融プールＰ２内の乱流を抑制する作用を発揮する。したがって、このレーザ溶接方法では、表面状態が整った良好な溶接部３２を形成できる。

また、このレーザ溶接方法では、第１のレーザビームＬ３に先行する第３のレーザビームＬ５をワークＷに照射して予熱部分３３を形成し、予熱部分３３に第１のレーザビームＬ３を照射して溶融プールＰ２を形成している。したがって、第１実施形態と同様に、第１のレーザビームＬ３によって溶融プールＰ２を形成する際に急激な入熱に起因するスパッタの発生が抑制されるので、母材の飛散を防止でき、一層良好な溶接部３２を形成できる。

また、このレーザ溶接方法では、第１〜第３のレーザビームＬ３〜Ｌ５の出力がＬ３＞Ｌ５＞Ｌ４となるように設定されている。ワークＷを予熱や溶融させるためのヒートマスは、フィラーワイヤＹを溶融させる場合に比べて大きい。そのため、出力をＬ３＞Ｌ５＞Ｌ４となるように設定することで、ワークＷの予熱を確実に行うことができると共に、第１のレーザビームＬ３による溶融プールＰ２をより良好に形成できる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、光源からのレーザビームをビームスプリッタで分割して、レーザビームＬ１〜Ｌ５を出射させる構成としたが、例えばレーザビームＬ１〜Ｌ５に対応する別箇の光源を設ける構成としてもよい。

本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接方法の概要を示す図である。（ａ）は、従来のレーザ溶接方法における溶接部の温度変化を示す図である。（ｂ）は、本実施形態のレーザ溶接方法における溶接部の温度変化を示す図である。本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接方法の概要を示す図である。レーザビームの照射位置近傍の現象を説明する図である。

符号の説明

１０ａ，１０ｂ…金属板（被加工物）、２３，３２…溶接部、２４，３３…予熱部分、Ｌ１，Ｌ３…第１のレーザビーム、Ｌ２，Ｌ４…第２のレーザビーム、Ｌ５…第３のレーザビーム、Ｌ…突き合わせ部分（溶接予定線）、Ｙ…フィラーワイヤ、Ｐ１，Ｐ２…溶融プール、Ｗ…ワーク（被加工物）。

Claims

第１のレーザビームを溶接予定線に沿って被加工物に照射して予熱部分を形成すると共に、当該予熱部分にフィラーワイヤを供給しながら前記第１のレーザビームに追従する第２のレーザビームを照射して溶接部を形成することを特徴とするレーザ溶接方法。
前記第１のレーザビームの出力は、前記第２のレーザビームの出力よりも小さいことを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
第１のレーザビームを溶接予定線に沿って被加工物に照射して溶融プールを形成すると共に、前記第１のレーザビームに追従する第２のレーザビームを照射して溶融させたフィラーワイヤを前記溶融プールに供給して溶接部を形成することを特徴とするレーザ溶接方法。
前記第１のレーザビームの出力は、前記第２のレーザビームの出力よりも大きいことを特徴とする請求項３記載のレーザ溶接方法。
前記第１のレーザビームに先行する第３のレーザビームを前記被加工物に照射して予熱部分を形成し、当該予熱部分に前記第１のレーザビームを照射して前記溶融プールを形成することを特徴とする請求項３又は４記載のレーザ溶接方法。
前記第３のレーザビームの出力は、前記第１のレーザビームの出力よりも小さいことを特徴とする請求項５記載のレーザ溶接方法。
前記第３のレーザビームの出力は、前記第２のレーザビームの出力よりも大きいことを特徴とする請求項５又は６記載のレーザ溶接方法。
前記レーザビームの光源としてマルチスポットレーザを用いることを特徴とする請求項１〜７記載のレーザ溶接方法。