JP5227142B2

JP5227142B2 - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JP5227142B2
Application number: JP2008297236A
Authority: JP
Inventors: 直樹河田; 昌志及川
Original assignee: Japan Transport Engineering Co
Current assignee: Japan Transport Engineering Co
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: JP2010120065A

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

金属材の溶接形態として、金属材を重ね合わせてレーザビームを照射し、一方の金属材と他方の金属材の一部とを溶融させて溶接する非貫通型（キーホール型）のレーザ溶接がある。このレーザ溶接では、レーザビームが照射された一方の金属材の表面にのみビードが露出するため、他方の金属材の外観は良好に保たれる。しかしながら、非貫通型のレーザ溶接では、溶接部の内部にレーザビームの照射によって生じる非金属製物質（スラグ）が外部に放出されないため溶接部内に残留したり、一方向からの加熱により溶接歪み（金属板の変形）が大きくなるといった問題がある。

そこで、例えば特許文献１に記載の溶接方法では、２枚の金属板を重ね合わせてレーザビームを照射し、２枚の金属材を貫通させて溶接している（例えば特許文献１参照）。この貫通型のレーザ溶接では、溶接時にスラグが金属材の外部に放出され易く、溶接部の健全性が保たれる。また、溶接部が２枚の金属板を貫通するため、溶接歪みも抑制される。
特開２００２−１４４０６３号公報

しかしながら、上記従来の貫通型のレーザ溶接では、接合後の接合体の両面にビードが露出する。このため、レーザ溶接を施された被加工物を鉄道車両構体の外板などに利用するには、外観を良好に保つ工夫が必要であった。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、貫通溶接における被加工物の外観を良好なものと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。

上記課題を解決するために、本発明に係るレーザ溶接方法は、レーザビームの照射によって被加工物に貫通溶接部を形成するレーザ溶接方法であって、貫通溶接部の形成予定位置に対応して設けられた溝部を有する一方の被加工物に他方の被加工物を重ね合わせる工程と、形成予定位置に沿って被加工物の重ね合わせ部分にレーザビームを照射し、溝部の底部に貫通溶接部を形成する工程と、溝部を埋めるように貫通溶接部の表面にロウ付け部を形成する工程と、を備えることを特徴とする。

このレーザ溶接方法では、一方の被加工物に溝部を形成しておくことにより、溝部の底部に貫通溶接部を形成する。そして、溝部を埋めるように貫通溶接部の表面にロウ付け部を形成する。溶接後の被加工物においては、ロウ付け部によって貫通溶接部の少なくとも一方側が表面に露出しなくなるので、被加工物の外観が良好なものとなる。また、このレーザ溶接方法では、溶接時には被加工物を貫通する貫通溶接部を形成するので、スラグや溶接歪みの問題も軽減できる。

また、一方の被加工物側から重ね合わせ部分にレーザビームを照射することが好ましい。この場合、一方の被加工物に形成された溝部を目標とすることで、レーザビームを照射する際の位置合わせが容易になる。

また、他方の被加工物にも貫通溶接部の形成予定位置に溝部が設けられ、一方の被加工物の溝部と他方の被加工物の溝部とをそれぞれ埋めるように、貫通溶接部の表面にロウ付け部を形成することが好ましい。この場合、溶接後の被加工物において、ロウ付け部によって貫通溶接部の両側が表面に露出しなくなるので、被加工物の外観が更に良好なものとなる。

また、被加工物の表面から突出するようにロウ付け部を形成した後、ロウ付け部の突出部分を研磨することにより、ロウ付け部の表面と被加工物の表面とが面一となるように平坦化することが好ましい。この場合、ロウ付け部の表面と被加工物の表面とがより確実に平坦になるので、被加工物の外観が更に良好なものとなる。

また、溝部における底部の幅は、形成しようとする貫通溶接部の幅よりも大きく形成されていることが好ましい。この場合、貫通溶接部の幅を広くする場合や、スポット状の貫通溶接部を千鳥状に形成する場合等にも上記の方法を適用できる。

また、溝部は、断面矩形状であること好ましい。この場合、溝部の底部の面積を確保し易いので、レーザビームの位置合わせを容易に行うことができる。

また、溝部は、断面円弧状であることが好ましい。この場合、溝部の底部に形成される貫通溶接部への応力集中を緩和することができる。

また、溝部は、断面三角形状であることが好ましい。この場合、溝部の形成を容易に行うことができる。

また、ロウ材は、色素成分が添加されていることが好ましい。この場合、被加工物の外観をより良好なものにすることができる。

また、ロウ材は、被加工物とは異なる材質であることが好ましい。この場合、被加工物の外観をより良好なものにすることができる。

本発明によれば、貫通溶接における被加工物の外観を良好なものとすることができる。

以下、図面を参照して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説明する。

図１は、本発明の一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、重ね合わされた２枚の金属板１０ａ、１０ｂ（以下、これらを「ワーク（被加工物）Ｗ」という）を重ね溶接するためものである。本実施形態では、ワークＷのうち金属板１０ａの方向からレーザビームＬ１を照射して、貫通溶接を行う。金属板１０ａ，１０ｂは、例えばステンレスである。

ここで、レーザビームＬ１が直接照射される金属板１０ａには、貫通溶接部２４の形成予定位置に対応して溝部（凹部）Ｇが設けられている。具体的に、図２を参照しながら溝部Ｇについて説明する。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。同図に示すように、溝部Ｇは、断面長方形であり、溝部Ｇの底部Ｇａの幅は、形成しようとする貫通溶接部２４の幅（破線部分）よりも寸法が約２倍程度大きくなるように形成されている。溝部Ｇの深さは、金属板１０ａの板厚の１／３程度となっている。なお、溝部Ｇは、溶接予定領域Ｐとなる。

図１に戻って、上記のレーザ溶接方法は、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、ワークＷにレーザビームＬ１を照射して貫通溶接部２４を形成する溶接用レーザ２１と、溶接用レーザ２１の後段においてレーザビームＬ２を照射するロウ付用レーザ２２と、ロウ材供給部２３とを含んで構成されている。

溶接用レーザ２１は、金属板１０ａの溶接予定領域Ｐ（重ね合わせ部分）に向けてレーザ発振部（図示しない）からレーザビームＬ１を照射する。溶接用レーザ２１は、ワークＷに貫通溶接を施すことができる程度のレーザビームＬ１をレーザヘッドから出射させる。溶接用レーザ２１から出射されるレーザビームＬ１は、例えば波長１．０６μｍ、出力約４．０ｋＷのＹＡＧレーザである。

ロウ付用レーザ２２は、溶接用レーザ２１から出射されたレーザビームＬ１に追従するように、ロウ材供給部２３から供給されるロウ材Ｒの先端に向けてレーザビームＬ２を照射する。ロウ付用レーザ２２は、溶接用レーザ２１から出射されるレーザビームＬ１よりも出力の小さいレーザビームＬ２（Ｌ１＞Ｌ２）を照射する。

ロウ材供給部２３は、ロウ付用レーザ２２のレーザビームＬ２の照射位置に向けてロウ材（硬ロウ）Ｒを供給する部分である。ロウ材Ｒとしては、例えばワークＷ（ステンレス）と異種金属である銅や真鍮等が用いられる。ロウ材供給部２３は、ロウ付用レーザ２２の進行方向に対して前方側に配置され、ワークＷの表面に対して傾斜した状態で、ロウ材Ｒを供給する。

また、レーザ溶接装置２０は、溶接用レーザ２１を用いて形成した貫通溶接部２４の溶接状態の検査を実施するための構成要素として、図１に示すように、フォトセンサ２５と、モニタ２６とを備えている。ここでは、溶接状態として、貫通溶接部２４がワークＷを正しく貫通しているか否かを検査する。

フォトセンサ２５は、例えば溶接用レーザ２１の内部に設けられている。フォトセンサ２５は、ワークＷの表面ＷａにおけるレーザビームＬの照射位置で発生するプラズマの一部を検出する。フォトセンサ２５は、プラズマの光強度に対応する検出信号をモニタ２６に出力する。

モニタ２６は、溶接状態を波形パターンとして表示する。モニタ２６は、フォトセンサ２５から出力された検出信号を受け取ると、検出信号の時間軸に対する波形パターンを生成する。そして、モニタ２６は、その生成した波形パターンをディスプレイに表示する。ディスプレイに表示される波形パターンの具体例については後述する。

本実施形態に係るレーザ溶接方法を図１及び図２を参照しながら説明する。まず、ワークＷを溝部Ｇが上側になるように所定の定盤上にセットする。また、溶接用レーザ２１のレーザビームＬ１の照射位置が溶接予定領域Ｐである溝部Ｇの始点に位置するように、溶接用レーザ２１をセットする。このとき、図２に示すように、レーザビームＬ１の照射位置が溝部Ｇの略中央となるようにセットする。

次に、溶接用レーザ２１を図１における矢印Ａ方向に所定の速度でレーザビームＬ１を照射しながら移動させる。これにより、溝部Ｇの底部Ｇａにおいて、金属板１０ａ，１０ｂを貫通する貫通溶接部２４順次形成されていく。

また、溶接用レーザ２１に追従して、ロウ付用レーザ２２からレーザビームＬ２が照射される。レーザビームＬ２の照射位置には、ロウ材供給部２３からロウ材Ｒが供給され、溶融したロウ材Ｒによって溝部Ｇが埋められることにより、貫通溶接部２４の表面２４ａにロウ付け部２７が順次形成される。

ロウ付用レーザ２２が溶接予定領域Ｐの終点に到達すると、溝部Ｇがロウ材Ｒによって埋められた連続的な貫通溶接部２４及びロウ付け部２７が形成され、ワークＷの溶接が終了する。溶接が終了した直後の状態では、貫通溶接部２４の表面２４ａを覆うロウ付け部２７は、図３（ａ）に示すように、金属板１０ａの表面Ｗａから突出するように形成されている。そこで、例えば粒度が＃５０番程度の細目の砥石が取り付けられたグラインダーによって、金属板１０ａの表面Ｗａから突出するロウ付け部２７の突出部分２７ａを研磨することにより、図３（ｂ）に示すように、ロウ付け部２７の表面２７ｂとワークＷの表面Ｗａとが面一になるように平坦化する。

また、レーザ溶接装置２０は、レーザビームＬ１の照射中にフォトセンサ２５で検出したプラズマの光強度に基づいて、溶接状態を示す波形パターンをモニタ２６に表示する。図４は、貫通溶接が正常に終了した場合におけるフォトセンサ２５からの出力信号の波形パターンＰ１と、溶接の途中から非貫通となった場合におけるフォトセンサ２５からの出力信号の波形パターンＰ２とを示す図である。図４に示すように、貫通溶接が正常に終了した場合には、レベルＦ１程度の低いレベルで安定した波形パターンＰ１となる。

一方、溶接部が途中から非貫通となった場合には、例えば時間ｔ１から急激に反射光強度がレベルＦ２付近まで高くなり、時間軸に対して波形パターンＰ１よりも反射光強度が不安定な波形パターンＰ２となる。従って、溶接を実施する作業者は、モニタ２６の表示される波形パターンの挙動を監視することにより、貫通溶接部２４が正常に形成されているか否かを判断することができる。さらに、実際のワークＷの貫通溶接部２４を目視することによって、溶接状態の可否を確認することもできる。

上述したように、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、一方の金属板１０ａに溝部Ｇを形成しておくことにより、溝部Ｇの底部Ｇａに貫通溶接部２４を形成する。そして、溝部Ｇを埋めるように貫通溶接部２４の表面２４ａにロウ付け部２７を形成する。溶接後のワークＷにおいては、ロウ付け部２７によって貫通溶接部２４の少なくとも一方側が表面Ｗａに露出しなくなるので、ワークＷの外観が良好なものとなる。また、このレーザ溶接方法では、溶接時にはワークＷを貫通する貫通溶接部２４を形成するので、非貫通溶接において生じるスラグや溶接歪みの問題も軽減できる。

また、ロウ付け部２７を金属板１０ａの表面Ｗａよりも突出するように形成し、その突出部分２７ａをグラインダー等によって研磨してロウ付け部２７の表面２７ｂと金属板１０ａの表面Ｗａとを面一にする。これにより、ロウ付け部２７の表面２７ｂと金属板１０ａの表面Ｗａとが確実に平坦になるので、ワークＷの外観が更に良好なものとなる。

また、このレーザ溶接方法では、レーザビームＬ１を底部Ｇａの面積が十分に確保された断面長方形の溝部Ｇを目標として照射することで、レーザビームＬ１の位置合わせを容易に行うことができる。更に、ロウ材Ｒとしてステンレスの金属板１０ａ，１０ｂとは異種金属である銅や真鍮を用いるので、ロウ付け部２７が金属板１０ａ，１０ｂに対して色付けされる。これにより、ワークＷの外観がより良好なものとなる。

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、一方の金属板１０ａに溝部Ｇを設けたが、図５に示すように、金属板１０ｂにも、金属板１０ａの溝部Ｇに対向する位置に溝部Ｇを設け、貫通溶接部２８の形成後、２つの溝部Ｇ，Ｇを埋めるように貫通溶接部２８の表面２８ａ，２８ｂにそれぞれロウ付け部２９を形成してもよい。この場合、溶接後のワークＷにおいて、ロウ付け部２９によって貫通溶接部２８の両側が表面Ｗａに露出しなくなるので、ワークＷの外観が更に良好なものとなる。

また、上記実施形態では、連続的にレーザビームＬ１を照射して連続した貫通溶接部２４を形成しているが、上記のレーザ溶接方法は、スポット溶接に適用されてもよい。図６は、スポット溶接におけるワークの斜視図である。図６に示すように、例えば形成しようとする貫通スポット溶接部３０の幅よりも４倍程度寸法の大きい断面長方形の溝部Ｇを設け、この溝部Ｇの底部Ｇａに例えば千鳥状の貫通スポット溶接部３０を形成した後、溝部Ｇを埋めるようにスポット溶接部３０の表面３０ａにそれぞれロウ付け部３１を形成してもよい。この場合であっても、溶接後のワークＷにおいては、ロウ付け部３１によってスポット溶接部３０の少なくとも一方側が表面Ｗａに露出しなくなるので、ワークＷの外観が良好なものとなる。

また、上記実施形態では、溝部Ｇを断面矩形状としたが、溝部Ｇの形状はこれに限定されない。例えば、図７（ａ）に示すように、断面台形状であってもよい。この場合、レーザビームＬ１の位置合わせを容易に行うことができると共に、形成される貫通溶接部２４への応力集中を緩和することができる。また、図７（ｂ）に示すように、断面円弧状であってもよい。この場合、溝部Ｇの底部Ｇａが湾曲面となるので、形成される貫通溶接部２４への応力集中をより緩和することができる。更に、図７（ｃ）に示すように、断面三角形状であってもよい。この場合、溝部Ｇの形成を上記の形状よりも容易に行うことができる。

また、上記実施形態では、金属板１０ａの表面Ｗａよりも突出するようにロウ付け部２７を形成した後、その突出部分２７ａをグラインダーによって研磨し、ロウ付け部２７の表面２７ｂを平坦化しているが、ロウ付け部２７の突出部分２７ａが図４（ａ）に示した状態よりも小さくなるようにロウ材Ｒを適宜供給し、ロウ付け部２７形成後の突出部分２７ａの研磨を省略してもよい。この場合、工程の簡素化が図られる。

また、上記実施形態に加えて、ロウ材Ｒに色素成分を添加してもよい。色素成分としては、例えば銅やアルミニウム等が用いられる。この場合、ロウ付け部２７を金属板１０ａ，１０ｂに対して所望の色に色付けできるので、ワークＷの外観がより良好なものとなる。

本発明の一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におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。貫通溶接が正常に終了した場合におけるフォトセンサからの出力信号の波形パターンと、溶接の途中から非貫通となった場合におけるフォトセンサからの出力信号の波形パターンとを示す図である。変形例に係る貫通溶接部の断面図である。スポット溶接におけるワークの斜視図である。変形例に係る溝部を示す図である。

符号の説明

１０ａ，１０ｂ…金属板（被加工物）、２４，２８，３０…貫通溶接部、２４ａ，２８ａ，２８ｂ，３０ａ…貫通溶接部の表面、２７，２９，３１…ロウ付け部、２７ｂ…ロウ付け部の表面、Ｇ…溝部、Ｇａ…底部、Ｌ１…レーザビーム、Ｒ…ロウ材、Ｗ…ワーク、Ｗａ…ワーク（金属板）の表面。

Claims

レーザビームの照射によって被加工物に貫通溶接部を形成するレーザ溶接方法であって、
前記貫通溶接部の形成予定位置に対応して設けられた溝部を有する一方の被加工物に他方の被加工物を重ね合わせる工程と、
前記形成予定位置に沿って前記被加工物の重ね合わせ部分に前記レーザビームを照射し、前記溝部の底部に前記貫通溶接部を形成する工程と、
前記溝部を埋めるように前記貫通溶接部の表面にロウ付け部を形成する工程と、
を備えることを特徴とするレーザ溶接方法。
前記一方の被加工物側から前記重ね合わせ部分に前記レーザビームを照射することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
前記他方の被加工物にも前記貫通溶接部の形成予定位置に溝部が設けられ、
前記一方の被加工物の溝部と前記他方の被加工物の溝部とをそれぞれ埋めるように、前記貫通溶接部の表面にロウ付け部を形成することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。
前記被加工物の表面から突出するように前記ロウ付け部を形成した後、前記ロウ付け部の突出部分を研磨することにより、前記ロウ付け部の表面と前記被加工物の表面とが面一となるように平坦化することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
前記溝部における前記底部の幅は、形成しようとする貫通溶接部の幅よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
前記溝部は、断面矩形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
前記溝部は、断面円弧状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
前記溝部は、断面三角形状であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
前記ロウ材は、色素成分が添加されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
前記ロウ材は、前記被加工物とは異なる材質であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。