JP2000351086A - ビーム溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルス出力モードのビームによる溶接方法を
採用し、より高いアスペクト比の溶接部断面形状を得る
ビーム溶接方法を得る。 【解決手段】 パルス出力モードのビーム２０をキーホ
ール１４が溶融金属１６によって閉じる直前に照射し、
表面張力の作用により溶融金属１６が流出してキーホー
ル１４が開いている期間には停止することにより、溶融
金属１６を適量に制御しながら、キーホール１４底部を
効率的に加熱して溶接を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被溶接金属母材の
継ぎ目にパルス出力モードのビームを照射して、継ぎ目
を溶接するビーム溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高パワー密度ビーム（以後、ビームと呼
ぶ）とは、レーザビーム、電子ビーム、イオンビームあ
るいはプラズマビームなどを意味し、光学的または電磁
気的手段を用いて集束することにより、高いパワー密度
（＝ビームエネルギー出力／ビームスポット面積）で金
属を加熱することができるので、高能率かつ高品質のビ
ーム加工ができる。例えば、ビームのパワー密度を１０
ｋＷ／ｃｍ² から１０ＭＷ／ｃｍ² の範囲に調整して
金属に照射すると、金属は局部的に溶融、蒸発してキー
ホールが形成される結果、幅が狭く深さが深い高アスペ
クト比の溶接部断面形状が得られる。なお、キーホール
の形成に必要なパワー密度が得られるビームエネルギー
出力の最小値は、ビームの種類やビームスポット面積に
よって異なる。

【０００３】図４は高パワー密度のビームによるキーホ
ール溶接の概念図である。第１の被溶接金属母材１１お
よび第２の被溶接金属母材１２を突き合わせ密着させた
継ぎ目１３に対し、ビーム２０を矢印３１の方向に一定
速度で水平移動しながら連続的に照射すると、局所的に
溶融しさらに蒸発して、第１の被溶接金属母材１１およ
び第２の被溶接金属母材１２の表面から内部まで一貫す
るキーホール１４が形成される。この結果、ビーム２０
はキーホール１４の内壁を直接加熱して溶融金属１６が
形成され、その周囲には溶融金属１６の溶融池１５が形
成される。キーホール１４は、溶融金属１６に働く重力
の作用により閉じられようとする一方、溶融金属１６が
ビームにより再加熱されキーホール１４内部の蒸発金属
の蒸気圧が高まって間欠的に高速でキーホール１４を閉
じようとした溶融金属１６が外部に排出されるので、形
状が維持される。キーホール１４を囲んでいる高温の溶
融金属１６は、低温ほど表面張力が大きいので、キーホ
ール１４の周囲の高温で表面張力が小さい溶融金属１６
は表面張力差に基づく対流によりキーホール１４から離
れる方向（矢印３１と反対方向）に流れる。その流れる
間、溶融金属１６は第１の被溶接金属母材１１および第
２の被溶接金属母材１２への熱伝導で冷却されて凝固
し、平均溶融幅ｄ、溶け込み深さｈｐの溶接部断面１８
を有する溶接ビード１７が形成される。

【０００４】図５は高パワー密度のビームの代表例とし
て、レーザビームによる下向き姿勢での溶接方法を示す
概念図である。ビーム２０はレーザ発振器２１から空気
中に取り出されて伝送光学系（反射鏡または固体ファイ
バー）２２によって方向を設定され、集束光学系（レン
ズまたは鏡）２３により集束されて、第１の被溶接金属
母材１１と第２の被溶接金属母材１２との接合面である
継ぎ目１３に照射される。通常、ビーム２０の出力は電
源２４の電力を制御することにより調整され、ビーム焦
点２５は継ぎ目１３のほぼ表面に設定され、駆動台２６
を水平移動することにより溶接が行われる。一般に、パ
ワー密度が十分高くキーホールが安定して形成される場
合は、一定のビーム出力および溶接速度の基で、一定の
溶け込み深さｈｐおよび平均溶融幅ｄの溶接ビード１７
が形成される。

【０００５】従来の連続出力モードのビーム２０を使用
する溶接の場合には、所期の溶け込み深さｈｐを得るた
めに選択可能な入熱条件パラメータは、ビーム出力Ｐ、
ビーム焦点位置および溶接速度ｖに限られていた。この
ため、例えば溶け込み深さｈｐを一定にしたままでアス
ペクト比を高くする（平均溶融幅ｄを小さくする。）た
めには、パラメータの選択肢としては、ビーム焦点位置
および溶接速度の最適化が求められる。ところで、前述
したように、重力を受けた溶融金属１６によりキーホー
ル１４が閉じられるのを防止するために、ビーム２０に
より溶融金属１６は再加熱されて一部蒸発化されるの
で、溶融金属１６は過熱され、その保有熱の伝導により
第１および第２の被溶接金属母材１１，１２が二次溶融
して、溶融幅が広がり、例えば単純にビーム焦点位置お
よび溶接速度の最適化を図るだけでは、高アスペクト比
の溶接部断面形状を得ることはできなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の連続出力モード
のビーム溶接方法では、溶け込み深さｈｐが一定のまま
で、高アスペクト比を実現するという目的に対して、キ
ーホール１４を閉じるのを防止するために再加熱された
溶融金属１６の保有熱により第１および第２の被溶接金
属母材１１，１２が二次溶融するので、高アスペクト比
の溶接部断面形状を得ることが困難であるという問題点
があった。

【０００７】一方、パルス出力モードのビームを使用す
る溶接の場合は、選択可能な入熱条件パラメータとし
て、新たにパルスピーク出力Ｐｐ、パルス周波数ｆｐ、
パルスデューティ（パルス周期に対するパルス発生時間
の割合）Ｄｕ等が考えられるが、選択肢が増加した分、
パラメータの適正値を設定する作業が複雑になる。ま
た、パルス出力モードによる溶接機構が十分理解できて
おらず、止むを得ず各パラメータを独立に設定してい
た。そして、例えば、単純にパルスピーク出力Ｐｐを高
くしていくだけでは溶融金属が沸騰飛散するので、溶接
部にブローホールやスパッタなどの欠陥が多発し、結
局、高アスペクト比の溶接部断面形状を得ることは困難
であるという問題点があった。

【０００８】本発明は、上記問題点を解決することを課
題とするものであって、パルス出力モードのビームによ
る溶接方法を採用し、より高いアスペクト比の溶接部断
面形状を得るビーム溶接方法を得ることを目的とす

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項１に係
るビーム溶接方法は、接合される被溶接金属母材の継ぎ
目にパルス出力モードのビームを照射して、継ぎ目を溶
融、蒸発させて継ぎ目にキーホールを形成し、このキー
ホールの内周に形成され重力によりキーホールを閉じよ
うとする溶融金属を加熱して一部蒸発した蒸発金属の蒸
発力を利用して、溶融金属がキーホールを閉じるのを防
止し、また溶融金属は表面張力の作用により、キーホー
ルから離れる方向に移動するにつれて凝固して所定の平
均溶融幅と溶け込み深さの溶接部断面を得るビーム溶接
方法であって、前記キーホールが前記溶融金属によって
閉じられる直前に前記ビームを照射して溶融金属を蒸発
させるとともに、表面張力の作用により溶融金属がキー
ホールから離れる方向に移動している間ではビームの照
射を停止するタイミングで前記継ぎ目にビームを照射す
るものである。

【００１０】この発明の請求項２に係るビーム溶接方法
では、キーホールの開閉周期よりも短い周期およびキー
ホール開口よりも狭いビームパルス間隔（溶接速度／ビ
ームのパルス周波数）でビームを照射するものである。

【００１１】この発明の請求項３に係るビーム溶接方法
では、ビームパルス間隔と平均溶融幅の比をパラメータ
として溶接条件を設定するものである。

【００１２】この発明の請求項４に係るビーム溶接方法
では、ビームパルス間隔と平均溶融幅との比が一定の範
囲に収まるように、溶接条件であるビーム出力、パルス
周波数、溶接速度を設定するものである。

【００１３】この発明の請求項５に係るビーム溶接方法
では、溶け込み深さ、アスペクト比、平均溶融幅および
平均ビーム出力を選定した後に溶接速度を設定する工程
と、パルスデューティを選定した後にパルスピーク出力
を設定する工程と、パルス間隔と平均溶融幅の比を選定
した後にパルス周波数を設定する工程とを含むものであ
る。

【００１４】この発明の請求項６に係るビーム溶接方法
では、軟鋼のパルスレーザ溶接において、パルス間隔と
平均溶融幅との比が０．０２〜０．４０の範囲になるよ
うに、ビーム出力、パルス周波数、溶接速度を設定する
ものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
に基づいて詳細に説明する。以下の説明中、従来技術と
同一または相当部分については同一符号を付して説明す
る。図１は、本発明の原理を説明するための、パルス出
力モードの高エネルギー密度ビームの照射による溶接縦
断面を示す模式図である。同図（ａ）では、蒸気化した
金属蒸気１９の圧力によりキーホール１４の外部に排出
された溶融金属１６の一部が重力の作用でキーホール１
４内に流入し、キーホール１４を閉じようとする様子を
示す。同図（ｂ）では、溶融金属１６がキーホール１４
の底部を閉じようとする直前に、ビーム２０がキーホー
ル１４の前方壁および底部を照射する様子を示す。同図
（ｃ）では、ビーム２０で加熱された溶融金属１６の一
部が蒸気化し、その金属蒸気１９の圧力で、キーホール
１４内部の溶融金属１６が押し上げられる様子を示す。
同図（ｄ）では、押し上げられた溶融金属１６がキーホ
ール１４から離れる方向に移動する様子を示す。溶融金
属１６が矢印Ａの方向に流れる間、溶融金属１６は第１
の被溶接金属母材１１および第２の被溶接金属母材１２
への熱伝導で冷却されて凝固し、平均溶融幅ｄ、溶け込
み深さｈｐの溶接ビード１７が形成される。

【００１６】溶融金属１６がキーホール１４から離れた
方向に移動するのは、溶融金属１６内で生じる表面張力
差により生じる対流からである。つまり、溶融金属１６
は高温ほど表面張力が小さいので、キーホール１４の周
囲の高温で表面張力が小さい溶融金属１６はその周囲か
ら離れた低温で表面張力が大きい溶融金属１６側に引っ
張られるのである。

【００１７】上記ビーム溶接方法では、ビーム２０の出
力モードをパルス化し、溶融金属１６が矢印Ａの方向に
流れ、再び溶融金属１６の一部が重力の作用でキーホー
ル１４内に流入し、キーホール１４を閉じようとする直
前まではビーム２０の照射は停止される。キーホール１
４が溶融金属１６によって閉じられる直前に照射される
ビーム２０のエネルギーは、被溶接金属母材１１，１２
の溶融、キーホール１４の形成、溶融金属１６の蒸発化
に費やされるものの、溶融金属１６のビーム２０による
二次加熱で溶融金属１６が必要以上に加熱され、その溶
融金属１６の保有熱の伝導で被溶接金属母材１１，１２
が二次溶融することは防止される。

【００１８】ところで、ビーム２０を照射する場合、金
属蒸気１９で溶融金属１６を押し上げ、かつキーホール
１４に流入する溶融金属１６の再加熱を出来るだけ防止
するためには、キーホール１４の底部を的確に加熱する
必要性があり、そのためには、キーホール１４の開口寸
法よりも狭いパルス間隔Ｌｐ（＝溶接速度ｖ／パルス周
波数ｆｐ）でビーム２０を照射する必要がある。また、
溶融金属１６の過熱化を防止するために、キーホール１
４の開閉周期（図１（ａ）〜図１（ｄ）の期間）よりも
短い周期でビーム２０を照射する必要性がある。キーホ
ール１４の開閉周期は、被溶接金属母材１１，１２の材
質よって異なり、溶融池１５の大きさが大きい程長くな
る。

【００１９】次に、溶接条件を設定する手順について説
明する。本願発明者は、アスペクト比と、ビーム２０の
パルス間隔Ｌｐおよび平均溶融幅ｄの比Ｌｐ／ｄとの間
に相関があり、高アスペクト比の溶接部断面形状を得る
ためには、この比Ｌｐ／ｄが一定の範囲に収まるよう
に、ビーム出力Ｐ、パルス周波数ｆｐ、溶接速度ｖをパ
ラメータとして設定すればよいことを見出した。

【００２０】図２は、高アスペクト比の溶接部断面形状
を実現できる溶接条件設定のアルゴリズムを示す。先
ず、ビームの種類（電子ビーム、炭酸ガスレーザ、ＹＡ
Ｇレーザ）、母材の材質（鉄系合金、アルミニウム合
金、銅、銅合金等）、継手形状（突き合わせ継ぎ手、重
ね継ぎ手等）および溶接姿勢（下向き、横向き、上向き
等）を条件設定する（Ｓ１）。これに対する境界条件と
して、例えば、アスペクト比の上限値（ｍａｘ ｈｐ／
ｄ）および下限値（＝連続出力モードの場合の上限値）
（ｍｉｎｈｐ／ｄ） 、キーホール１４形成に必要な平
均ビーム出力Ｐの下限値（ｍｉｎＰ）とこれに対応した
溶け込み深さの下限値（ｍｉｎ ｈｐ）、溶融金属の沸
騰飛散の抑制に必要なパルスピーク出力Ｐｐの上限値
（ｍａｘ Ｐｐ）、キーホール１４の開閉周期に対応し
たパルス周波数ｆｐの上限値（ｍａｘ ｆｐ）と下限値
（ｍｉｎ ｆｐ） 、さらにアスペクト比の上限値および
下限値に対応したパラメータＬｐ／ｄの上限値（ｍａｘ
Ｌｐ／ｄ）および下限値（ｍｉｎ Ｌｐ／ｄ）をあらか
じめ準備してあるデータベースから選び出す（Ｓ２）。

【００２１】続いて、入熱条件パラメータは以下の手順
で設定する。先ず、溶接の目的から境界条件の範囲内
で、溶け込み深さｈｐ、アスペクト比ｈｐ／ｄを設定し
て、平均溶融幅ｄを算出する（Ｓ３〜Ｓ７）。また、境
界条件の範囲内で平均ビーム出力Ｐを設定することによ
り、溶接速度ｖを算出する（Ｓ８〜Ｓ１０）。次に、パ
ルスデューティＤｕを選定して、パルスピーク出力Ｐｐ
が境界条件の範囲に収まるように繰り返し計算すること
により、 ＤｕおよびＰｐを設定する（Ｓ１１〜Ｓ１
３）。最後に、境界条件の範囲でパラメータＬｐ／ｄを
選定して、パルス周波数ｆｐが境界条件の範囲に収まる
ように繰り返し計算することにより、 Ｌｐ／ｄおよび
ｆｐを設定する（Ｓ１４〜Ｓ１７）。なお、パルスピー
ク出力の設定と、パルス周波数ｆｐの設定との順序を逆
にしてもよい。

【００２２】図３は本発明の方法によりＹＡＧレーザを
使用して軟鋼を毎分０．３〜４ ｍの速度で溶接した場
合の実験例を示す図である。この実験結果では、出力が
３００ Ｗ付近で溶融が開始し、１０００ Ｗ以上で安定
したキーホール１４が形成された。本発明の方法によれ
ば、矩形波のパルス出力モードの場合、パルスデューテ
ィＤｕを３０％〜７０％の範囲で、またパルス周波数ｆ
ｐを２０〜５００Ｈｚの範囲で選定し、出力が１２００
Ｗ以上のときには、パラメータＬｐ／ｄが０．０１〜
０．４０の範囲では２．０以上のアスペクト比が得ら
れ、またパラメータＬｐ／ｄを０．０６〜０．２の範囲
では３．０以上のアスペクト比が得られた。一般に、連
続出力モードの場合のアスペクト比は１．６〜２．３の
範囲が上限であることからして、この実験結果からも、
本発明の溶接方法によれば、従来の連続出力モードの場
合と比較して高アスペクト比の溶接部断面形状が得れる
ことが確認された。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の請求項
１に係るビーム溶接方法によれば、接合される被溶接金
属母材の継ぎ目にパルス出力モードのビームを照射し
て、継ぎ目を溶融、蒸発させて継ぎ目にキーホールを形
成し、このキーホールの内周に形成され重力によりキー
ホールを閉じようとする溶融金属を加熱して一部蒸発し
た蒸発金属の蒸発力を利用して溶融金属がキーホールを
閉じるのを防止し、また溶融金属は表面張力の作用によ
り、キーホールから離れる方向に移動するにつれて凝固
して所定の平均溶融幅と溶け込み深さの溶接部断面を得
るビーム溶接方法であって、前記キーホールが前記溶融
金属によって閉じられる直前に前記ビームを照射して溶
融金属を蒸発させるとともに、表面張力の作用により溶
融金属がキーホールから離れる方向に移動している間で
はビームの照射を停止するタイミングで前記継ぎ目にビ
ームを照射するものであるので、ビームのエネルギー
は、キーホールの形成、溶融金属の蒸発化に費やされる
ものの、溶融金属のビームによる二次加熱で溶融金属が
必要以上に加熱されその溶融金属の保有熱の伝導で被溶
接金属母材が二次溶融することが防止され、平均溶融幅
が小さく、高アスペクト比の溶接部断面形状が得られ
る。。

【００２４】また、この発明の請求項２に係るビーム溶
接方法によれば、キーホールの開閉周期よりも短い周期
およびキーホール開口よりも狭いビームパルス間隔（溶
接速度／ビームのパルス周波数）でビームを照射するも
のであるので、溶融金属の過熱化は防止されるととも
に、キーホールの底部にビームが効率よく照射されるこ
とが可能になる。

【００２５】また、この発明の請求項３に係るビーム溶
接方法によれば、アスペクト比と相関のあるビームパル
ス間隔と平均溶融幅との比をパラメータとして溶接条件
を設定することで、高アスペクト比の溶接条件を見出す
ことができる。

【００２６】また、この発明の請求項４に係るビーム溶
接方法によれば、ビームパルス間隔と平均溶融幅との比
が一定の範囲に収まるように、溶接条件であるビーム出
力、パルス周波数、溶接速度を設定することで、高アス
ペクト比の溶接部断面形状が得られる。

【００２７】また、この発明の請求項５に係るビーム溶
接方法によれば、溶け込み深さ、アスペクト比、平均溶
融幅および平均ビーム出力を選定した後に溶接速度を設
定する工程と、パルスデューティを選定した後にパルス
ピーク出力を設定する工程と、パルス間隔と平均溶融幅
の比を選定した後にパルス周波数を設定する工程とを含
むので、合理的に適正溶接条件を設定することができ
る。

【００２８】また、この発明の請求項６に係るビーム溶
接方法によれば、軟鋼のパルスレーザ溶接において、パ
ルス間隔と平均溶融幅との比が０．０２〜０．４０の範
囲になるように、ビーム出力、パルス周波数、溶接速度
を設定することにより、従来のものと比較して高アスペ
クト比の溶接部断面形状が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の原理説明をするための、パルス出力
モードの高エネルギー密度ビームの照射による溶接縦断
面を示す模式図である。

【図２】 本発明の一実施例として、パルス出力モード
の高エネルギー密度ビームによる溶接において、高アス
ペクト比の溶け込み形状を実現できる溶接条件設定のア
ルゴリズムを示すフローチャート図である。

【図３】 本発明のビーム溶接方法により、矩形波のパ
ルス出力モードのＹＡＧレーザを使用して軟鋼を溶接し
た場合の実験結果を示す図である。

【図４】 従来の高パワー密度のビームによるキーホー
ル溶接の概念図である。

【図５】 従来の高パワー密度のビームの代表例とし
て、レーザビームによる下向き姿勢での溶接方法を示す
概念図である。

【符号の説明】

１１ 第１の被溶接金属母材、１２ 第２の被溶接金属
母材、１４ キーホール、１５ 溶融池、１６ 溶融金
属、１９ 金属蒸気、２０ ビーム。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 接合される被溶接金属母材の継ぎ目にパ
   ルス出力モードのビームを照射して、継ぎ目を溶融、蒸
   発させて継ぎ目にキーホールを形成し、このキーホール
   の内周に形成され重力によりキーホールを閉じようとす
   る溶融金属を加熱して一部蒸発した蒸発金属の蒸発力を
   利用して溶融金属がキーホールを閉じるのを防止し、ま
   た溶融金属は表面張力の作用により、キーホールから離
   れる方向に移動するにつれて凝固して所定の平均溶融幅
   と溶け込み深さの溶接部断面を得るビーム溶接方法であ
   って、 前記キーホールが前記溶融金属によって閉じられる直前
   に前記ビームを照射して溶融金属を蒸発させるととも
   に、表面張力の作用により溶融金属がキーホールから離
   れる方向に移動している間ではビームの照射を停止する
   タイミングで前記継ぎ目にビームを照射するビーム溶接
   方法。
2. 【請求項２】 キーホールの開閉周期よりも短い周期お
   よびキーホール開口よりも狭いビームパルス間隔（溶接
   速度／ビームのパルス周波数）でビームを照射する請求
   項１に記載のビーム溶接方法。
3. 【請求項３】 ビームパルス間隔と平均溶融幅との比を
   パラメータとして溶接条件を設定する請求項１または２
   に記載のビーム溶接方法。
4. 【請求項４】 ビームパルス間隔と平均溶融幅との比が
   一定の範囲に収まるように、溶接条件であるビーム出
   力、パルス周波数、溶接速度を設定する請求項３に記載
   のビーム溶接方法。
5. 【請求項５】 溶け込み深さ、アスペクト比、平均溶融
   幅および平均ビーム出力を選定した後に溶接速度を設定
   する工程と、 パルスデューティを選定した後にパルスピーク出力を設
   定する工程と、パルス間隔と平均溶融幅の比を選定した
   後にパルス周波数を設定する工程とを含む請求項３また
   は４に記載のビーム溶接方法。
6. 【請求項６】 軟鋼のパルスレーザ溶接において、パル
   ス間隔と平均溶融幅との比が０．０２〜０．４０の範囲
   になるように、ビーム出力、パルス周波数、溶接速度を
   設定する請求項４または５に記載のビーム溶接方法。