JP4944701B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関し、特に、被溶接材の突き合わせ部分に隙間が生じてしまう場合であってもその突き合わせ部分に均一な溶接ビードを形成することができるレーザ溶接方法に関するものである。

従来より、複数の被溶接材を突き合わせてその突き合わせ部分を溶接することが行われている。この場合、被溶接材の突き合わせ部分は研磨等を行わない限り加工誤差により凹凸が存在するので、被溶接材の突き合わせ部分にギャップや溝等の隙間が生じてしまう。

被溶接材の突き合わせ部分の溶接をレーザ装置で行う場合、レーザビームのスポット径はわずか０.４ｍｍ程であるため、レーザビームがギャップや溝等の隙間を透過してしまい、被溶接材が溶融されない場合がある。この場合、被溶接材の突き合わせ部分に研磨等を行えば加工誤差を解消してギャップ等の発生を防止できるが、研磨等の加工工程が増加し、好ましくない。そこで、そのギャップ等の隙間にフィラーワイヤを供給することにより、フィラーワイヤを溶融させてフィラーワイヤによって隙間を埋めながら溶接を行うことが一般的に行われている。図３は、従来のレーザ溶接方法により被溶接材１００，２００の突き合わせ部分を溶接している状態を示す正面図であり、必要な箇所のみ示し、残りは省略している。
特開平８―２１５８７１号公報（「００１２」、図１）

しかしながら、ギャップが大きくなると、フィラーワイヤの供給量が増大し、フィラーワイヤの供給不足を生じやすくなる。
図３に示すように、フィラーワイヤ８０の径がギャップ３０の大きさより小さい場合、フィラーワイヤ８０をギャップ３０に当接させて位置決めすることができないので、フィラーワイヤ８０がレーザビーム７０ｃの焦点位置に対して矢印で示す方向に変動しやすくなり、レーザビーム７０ｃの焦点位置とフィラーワイヤ８０の位置関係が大きく変わり、フィラーワイヤ８０の供給不足が生じてしまう。よって、被溶接材１００，２００の溶接部分が陥没してしまうために生じる凹みであるアンダーフィルが生じてしまい、溶接部分の強度が低下するという問題点があった。

一方、ギャップ等の隙間が均一であれば、フィラーワイヤを均一に供給することによって、溶接部分で凝固して溶着した金属である溶接ビードの形状を一定に保つことができる。しかしながら、溶接部分のギャップ又は溝等は、前述したように、被溶接材の突き合わせ部分が凹凸であり一様な形状とはならないので、フィラーワイヤを適量に充填するためには、溶接速度、フィラ―ワイヤの送り量を細かく制御することが必要となり、煩雑であるという問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、被溶接材の突き合わせ部分に隙間が生じてしまう場合であってもその突き合わせ部分に均一な溶接ビード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している。

この目的を達成するために、請求項１記載のレーザ溶接方法は、複数の被溶接材を互いに突き合わせて配置し、その被溶接材の突き合わせ部分に生じる隙間にフィラーワイヤを供給しつつ、そのフィラーワイヤにレーザビームを照射して前記被溶接材の突き合わせ部分を溶接する方法であり、その隙間に充填材を供給してその隙間を充填材で埋める充填工程と、その充填工程で前記隙間を埋めた前記充填材の上に前記隙間より小径のフィラーワイヤを配置する配置工程と、その配置工程により配置された前記フィラーワイヤにレーザビームを照射して前記被溶接材の突き合わせ部分に溶接ビードを形成するビード形成工程とを備え、前記充填工程は、少なくとも前記被溶接材の上面の高さまで前記充填材を供給するものであり、その充填材の高さは少なくとも水平方向で略均一になるように設定され、前記配置工程は、前記充填工程により高さが設定された前記充填材の上面に、その充填材の上面と当接するように前記フィラーワイヤが配置されることで、前記充填材の上面より上方であって水平方向で略均一な高さになるように前記フィラーワイヤが位置決めされる工程を備えている。

請求項２記載のレーザ溶接方法は、請求項１記載のレーザ溶接方法において、前記被溶接材の突き合わせ部分の上端を仮止めすることで連結し、その連結部分を被溶接材の上面より上方に突出させる仮止め工程を備え、前記充填工程は、その仮止め工程により上方に突出した前記被溶接材の連結部分の高さまで充填材を供給するものである。

請求項３記載のレーザ溶接方法は、請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法において、前記被溶接材の突き合わせ部分の下面に当て板を取り付ける取付工程を備え、前記充填工程は、その取付工程によって前記隙間の下端を前記当て板により閉塞した後に充填材を供給するものである。

請求項１記載のレーザ溶接方法によれば、複数の被溶接材を互いに突き合わせて配置し、その突き合わせ部分を溶接するに際しては、まず、被溶接材の突き合わせ部分に生じる隙間に充填材を供給してその隙間を充填材で埋める充填工程を行う。その後、その充填工程で埋められた充填材の上にフィラーワイヤを配置する配置工程を行い、その配置工程により配置されたフィラーワイヤにレーザビームを照射して溶接ビードを形成するビード形成工程を行う。ここで、被溶接材の突き合わせ部分に生じる隙間は、充填工程によってフィラーワイヤが供給される前に既に充填剤で埋められているので、隙間の大小に応じたフィラーワイヤの送り量や溶接速度の制御を簡易化することができるという効果がある。

また、請求項１記載のレーザ溶接方法によれば、充填工程において少なくとも被溶接材の上面の高さまで充填材を供給し、その充填工程で高さが少なくとも水平方向で均一な高さとなるように設定された充填剤の上に配置工程においてフィラーワイヤを配置するので、充填材の高さに対応してフィラーワイヤを少なくとも水平方向で略均一な高さに配置することができる。さらに、フィラーワイヤは、充填工程によって被溶接材の隙間に埋められた充填材の上に配置されるので、充填材に当接されて位置決めされ、フィラーワイヤに対してレーザビームの焦点位置を一定にすることができる。よって、レーザビームの焦点位置とフィラーワイヤの位置関係を保った状態でフィラーワイヤにレーザビームを照射することができるので、フィラーワイヤの供給不足を防止でき、被溶接材の突き合わせ部分にアンダーフィルを生じさせることなく均一な溶接ビードを形成することができるという効果がある。

請求項２記載のレーザ溶接方法によれば、請求項１記載のレーザ溶接方法の奏する効果に加え、次の効果を奏する。即ち、充填工程により充填材を供給する前に、被溶接材の突き合わせ部分の上端を仮止めすることで連結する仮止め工程を行い、その後、充填工程において、仮止め工程において被溶接材の上面より上方に突出させた被溶接材の連結部分の高さまで充填材を供給する。よって、仮止めされていない被溶接材の突き合わせ部分に充填材を充填することによって、その部分の高さを仮止めによって上方に突出した連結部分の高さに合わせることができるので、その上に配置されるフィラーワイヤを、一定の高さに保つことができる。従って、フィラーワイヤに対してレーザビームの焦点位置を一定にしてレーザ溶接を行うことができるという効果がある。

請求項３記載のレーザ溶接方法によれば、請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法の奏する効果に加え、充填工程により充填材を供給する前に、被溶接材の突き合わせ部分の下面に当て板を取り付ける取付工程を行い、その後、充填工程において被溶接材の突き合わせ部分の隙間に充填材を供給するので、当て板により充填材が隙間から漏れるのを防止することができ、充填工程を簡易に行うことができるという効果がある。

図１を参照して、本発明の第１実施形態におけるレーザ溶接方法について説明する。図１は、本発明の第１実施形態における被溶接材１，２の突き合わせ部分を溶接している状態を示す正面図であり、図１（ａ）は、被溶接材１，２の下面に当て板４を取付ける状態を示しており、図１（ｂ）は、被溶接材１，２の突き合わせ部分に生じるギャップ３に充填材６を充填している状態を示しており、図１（ｃ）は、レーザ溶接装置７により被溶接材１，２の突き合わせ部分を溶接している状態を示しており、図１（ｄ）は、被溶接材１，２の突き合わせ部分に溶接ビード９が形成された状態を示している。

図１に示すように、第１実施形態における被溶接材１，２は、略同形状で形成された鋼体であって、その被溶接材１，２は対向加工面１ａ，２ａを突き合わせた状態で配置されている。その被溶接材１，２の突き合わせ部分、即ち対向加工面１ａ，２ａ間にはギャップ３が生じている。ギャップ３は、被溶接材１，２を加工する際に被溶接材１，２の対向加工面１ａ，２ａに加工誤差等が生じることによって発生する隙間である。なお、被溶接材１，２が大型化するとその誤差も大きくなり、その誤差が大きくなると、ギャップ３の大きさも拡大すると共にギャップ３が不均一に生じることとなる。

まず、図１（ａ）に示すように、溶接を行う前に、被溶接材１，２の突き合わせ部分の下面１ｂ，２ｂに当て板４を取り付ける。当て板４は、後述する充填材６（図１（ｂ）参照）をギャップ３に充填する際に、その充填材６がギャップ３から漏れるのを防止するために取付けられるものである。

次に、図１（ｂ）に示すように、充填材供給装置５によって、被溶接材１，２と略同じ成分で構成された充填材６をギャップ３に供給し、そのギャップ３を充填材６で埋める。この場合、充填材６が被溶接材１，２の上面１ｃ，２ｃまで供給され、少なくとも水平方向で略均一になるように、充填材供給装置５により供給される充填材６の量が調整され、余分はヘラ等でならす。よって、被溶接材１，２の間に生じるギャップ３は、後述するフィラーワイヤ８が供給される前に既に充填材６で埋められるので、ギャップ３へのフィラーワイヤ８の供給量が大幅に軽減され、ギャップ３の不均一にも大きな影響を受けることなく、フィラーワイヤ８の送り量及び溶接速度を簡易に制御することができる。

更に、図１（ｃ）に示すように、図示しないフィラーワイヤ送り装置によって、被溶接材１，２の突き合わせ部分に生じるギャップ３にフィラーワイヤ８が供給され、そのフィラーワイヤ８はギャップ３に埋められた充填材６の上面にその充填材６と当接するように配置される。その後、レーザ溶接装置７によって充填材６上に配置されたフィラーワイヤ８にレーザビーム７ｃを照射する。このようにギャップ３に埋められた充填材６上に配置されたフィラーワイヤ８は、その充填材６の上面にその充填材６と当接するように配置されることで充填材６により位置決めされ、フィラーワイヤ８を安定して配置することができる。

また、フィラーワイヤ８は、前述したように少なくとも水平方向で略均一な高さとなるように供給された充填材６上に配置されるので、充填材６の略均一な高さに対応して、少なくとも水平方向において略均一な高さにフィラーワイヤ８を配置することができる。

よって、レーザ溶接装置７により照射されるレーザビーム７ｃの焦点位置がフィラーワイヤ８の配置位置に対して一定となりレーザビーム７ｃの焦点位置を容易に設定することができる。

また、レーザ溶接装置７は、レーザビーム７ｃを照射するレーザトーチ７ａとレーザビーム７ｃを出力するレーザ発振装置７ｂとを有して構成され、被溶接材１，２の突き合わせ部分に沿ってレーザトーチ７ａを移動させながらレーザビーム７ｃを照射してレーザ溶接が行われる。この場合、フィラーワイヤ８の配置位置に対してレーザビーム７ｃの焦点位置が適切となるようにレーザビーム７ｃの焦点位置を設定した状態で、レーザトーチ７ａによってフィラーワイヤ８にレーザビーム７ｃを照射してフィラーワイヤ８を溶融させることにより、被溶接材１，２の突き合わせ部分に溶融池が形成される。その溶融池にレーザビーム７ｃを照射し、更にギャップ３に埋められた充填材６と、被溶接材１，２の対向加工面１ａ，２ａとを溶融させて、被溶接材１，２の対向加工面１ａ，２ａを溶接する。

このように、レーザ溶接により、被溶接材１，２の対向加工面１ａ，２ａが溶接されると、図１（ｄ）に示すように、被溶接材１，２の上面１ｃ，２ｃに溶接の進行方向で均一に被溶接材１，２の上面１ｃ，２ｃから突出した溶接ビード９が形成される。このように、溶接の進行方向で均一に被溶接材１，２の上面１ｃ，２ｃから突出した溶接ビード９が形成されるので、被溶接材１，２の溶接部分にフィラーワイヤ８の供給不足によるアンダーフィルが生じるのを防止でき、溶接部分の強度を向上させることができる。

なお、溶接ビード９が形成された後に、当て板４を取り外すことも可能であり、当て板４を取り外す場合は、当て板４は被溶接材１，２と異質の材質で形成され、取り外さない場合は、当て板４は被溶接材１，２と同質の材料で形成されることとなる。

次に、図２を参照して、本発明の第２実施形態におけるレーザ溶接方法について説明する。第１実施形態におけるレーザ溶接方法では、被溶接材１，２の対向加工面１ａ，２ａを突き合わせた状態でその突き合わせ部分のギャップ３に充填材６を供給した後、レーザビーム７ｃを照射したが、第２実施形態におけるレーザ溶接方法は、被溶接材１１，１２の対向加工面１１ａ，１２ａを突き合わせた状態でその被溶接材１１，１２の対向加工面１１ａ，１２ａを数箇所（本発明の第２実施形態においては４箇所）仮止めした後、その突き合わせ部分のギャップ１３に充填材６を供給し、レーザビーム７ｃを照射している。

図２（ａ）は、レーザ溶接装置７により被溶接材１１，１２の突き合わせ部分を溶接している状態を示す正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の平面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）の側面図である。また、図２（ｂ）と図２（ｃ）とにおいて、矢印Ｘは溶接の進行方向を示している。なお、本発明の第１実施形態と同一の部分については、同一の符号を付して説明する。また、図２（ｂ）では、レーザトーチ７ａとレーザ発振装置７ｂとの図示を省略している。

図２（ａ）に示すように、本発明の第２実施形態では、被溶接材１１，１２の対向加工面１１ａ，１２ａの上端を溶接等により仮止めして被溶接材１１，１２の上端を連結させ、レーザ溶接を行う際に被溶接材１１，１２の位置がずれるのを防止している。特に、被溶接材１１，１２が大型化すると、被溶接材１１，１２の対向加工面１１ａ，１２ａを突き合わせる際に位置ずれが生じてしまうため、このような仮止めを行うことが有効である。この仮止めの後に被溶接材１１，１２の突き合わせ部分の下面１１ｂ，１２ｂに当て板４を取り付ける。

このように仮止めを行うと、仮止めにより連結された連結部分１０が被溶接材１１，１２の上面１１ｃ，１２ｃ上方に突出してしまうため、その連結部分（仮止め部分）１０にフィラーワイヤ１８が当接すると、その他の部分（ギャップ１３に供給される充填材６）にフィラーワイヤ１８が当接する場合に比べて、フィラーワイヤ１８の配置位置が上方に高くなってしまう。即ち、溶接の進行方向Ｘ（図２（ｂ）、図２（ｃ）参照）でフィラーワイヤ１８の高さが異なって配置される。このため、仮止めによる連結部分１０ではレーザビーム７ｃの焦点位置に対してフィラーワイヤ１８の配置位置が変わり、フィラーワイヤ１８の供給量が変化するので、レーザビーム７ｃの焦点位置を調整しなければならない。

しかしながら、本発明の第２実施形態のレーザ溶接方法では、仮止めにより連結された連結部分１０の高さまで充填材６を供給するので（図２（ｃ）参照）、フィラーワイヤ１８の配置高さを上下方向で略一定に保つことができ、レーザビーム７ｃの焦点位置を調整する必要がなく、同じ高さに配置されたフィラーワイヤ１８にレーザビーム７ｃを照射してレーザ溶接を簡易に行うことができる。

なお、図２（ｂ）に示すように、被溶接材１１，１２の対向加工面１１ａ，１２ａの上端を４箇所溶接により仮止めしており、その仮止めにより連結された連結部分１０にフィラーワイヤ１８が当接されている。

また、図２（ｃ）に示すように、その連結された連結部分１０は被溶接材１１，１２の上面１１ｃ，１２ｃより上方に突出する。このため、充填材６は、仮止めによる連結部分１０とギャップ１３に埋められた充填材６の高さが略同一になるまでギャップ１３に供給される。

よって、その供給された充填材６上に配置されるフィラーワイヤ１８を連結部分１０上に配置されるフィラーワイヤ１８と同じ高さにすることができるので、仮止めにより連結された連結部分１０に当接されるフィラーワイヤ１８に対してレーザビーム７ｃの焦点位置が適切となるように設定すれば、レーザ溶接の進行に伴い、ギャップ１３に供給される充填材６に当接されるフィラーワイヤ１８に対して、再度レーザビーム７ｃの焦点位置を調整する必要がなく、フィラーワイヤ１８に対してレーザビーム７ｃの焦点位置が適切となる状態でレーザ溶接装置７によってレーザ溶接を簡易に行うことができる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、本発明の第１実施形態では、被溶接材１，２の上面１ｃ，２ｃまで充填材６を供給したが、被溶接材１，２の突き合わせ部分にアンダーフィルが生じことを可及的に防止すべく、被溶接材１，２の上面１ｃ，２ｃを超えるまで充填材６を供給することは当然可能である。

また、本発明の第１実施形態及び第２実施形態では、充填材６は、粉状のものを使用したが、これに限定されず、液状、粒状又は棒状等の充填材６を使用することは当然可能である。この場合、充填材６がギャップ３，１３から漏れない場合は、当て板４を取り付けることなく、レーザ溶接を行うことは当然可能である。

本発明の第１実施形態におけるレーザ溶接方法により被溶接材の突き合わせ部分を溶接している状態を示す正面図であり、（ａ）は、被溶接材の下面に当て板を取付ける状態を示しており、（ｂ）は、被溶接材の突き合わせ部分に生じるギャップに充填材を充填している状態を示しており、（ｃ）は、レーザ溶接装置により被溶接材の突き合わせ部分を溶接している状態を示しており、（ｄ）は、被溶接材の突き合わせ部分に溶接ビードが形成された状態を示している。 （ａ）は、レーザ溶接装置により被溶接材の突き合わせ部分を溶接している状態を示す正面図であり、（ｂ）は、図２（ａ）の平面図であり、（ｃ）は、図２（ａ）の側面図である。 従来のレーザ溶接方法により被溶接材の突き合わせ部分を溶接している状態を示す正面図である。

１，２，１１，１２ 被溶接材
３，１３ ギャップ（隙間）
４ 当て板
６ 充填材
７ｃ レーザビーム
８，１８ フィラーワイヤ
９ 溶接ビード
１０ 連結部分

Claims (3)

1. 複数の被溶接材を互いに突き合わせて配置し、その被溶接材の突き合わせ部分に生じる隙間にフィラーワイヤを供給しつつ、そのフィラーワイヤにレーザビームを照射して前記被溶接材の突き合わせ部分を溶接するレーザ溶接方法において、
   その隙間に充填材を供給してその隙間を充填材で埋める充填工程と、
   その充填工程で前記隙間を埋めた前記充填材の上に前記隙間より小径のフィラーワイヤを配置する配置工程と、
   その配置工程により配置された前記フィラーワイヤにレーザビームを照射して前記被溶接材の突き合わせ部分に溶接ビードを形成するビード形成工程とを備え、
   前記充填工程は、少なくとも前記被溶接材の上面の高さまで前記充填材を供給するものであり、その充填材の高さは少なくとも水平方向で略均一になるように設定され、
   前記配置工程は、前記充填工程により高さが設定された前記充填材の上面に、その充填材の上面と当接するように前記フィラーワイヤが配置されることで、前記充填材の上面より上方であって水平方向で略均一な高さになるように前記フィラーワイヤが位置決めされる工程を備えることを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記被溶接材の突き合わせ部分の上端を仮止めすることで連結し、その連結部分を被溶接材の上面より上方に突出させる仮止め工程を備え、
   前記充填工程は、その仮止め工程により上方に突出した前記被溶接材の連結部分の高さまで充填材を供給するものであることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 前記被溶接材の突き合わせ部分の下面に当て板を取り付ける取付工程を備え、
   前記充填工程は、その取付工程によって前記隙間の下端を前記当て板により閉塞した後に充填材を供給するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。

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