JPH0422679B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はレーザビームを利用したレーム溶接装
置に関わり、更に詳細には、例えば帯鋼等のごと
き金属材料の一側辺を次第に接近させ突合わせて
シーム溶接するに当り、金属材料の間から溶接後
のシーム溶接線に一致する方向にレーザビームを
照射するシーム溶接装置に関するものである。

（従来技術） 従来レーザビームによつて金属材料の側辺を突
合わせ溶接するのは後述する「キーホール」現象
を利用したものであつた。

すなわちレーザビームは、被溶接材の表面に垂
直に照射されエネルギーは材料の薄い層に蓄積さ
れ、この表面で材料の表面は強烈に加熱されて崩
壊させられ最終的には「キーホール」と呼ばれる
凹部が形成されて完全に吸収される。

ビームパワーが数キロワツトの場合は、「キー
ホール」は数ミリメートルの深さである。

金属蒸気圧がこの空洞を取り囲む液体金属の静
止圧に対して該空洞を保守する。ビームと被溶接
材との間の適宜な相対移動で空洞は物理的に安定
となり材料内を移動するが、この場合まづ溶接が
なされ、つづいて固化がなされる。

溶接工学におけるフイールド深さは比較的に浅
いので、すべてのビームパワーが減衰するまで多
重反射と部分吸収プロセスによつて、ビームは空
洞内に進行するがそれ以上の溶込みはなされな
い。

与えられたパワーレベルにおいて、溶接の溶込
みは溶接速度に逆比例する。同様に一定の速度で
は溶込みはパワーに直接に関係している。

溶接速度が一定のパワーレベルで減速される
時、空洞を取り囲む溶接金属領域の範囲が単位長
さ当りの増加したエネルギー蓄積量に比例して拡
大される。

そして遂には金属蒸気圧は液状金属の動圧力に
対抗するには充分でなくなり、深い溶込み空洞が
崩壊する。こうした条件の下で溶込みの急激な減
少が生じ、表面エネルギー入力の特徴を示すほぼ
半球状の融合部が得られる。

従つて空洞崩壊の直前の状態は溶接の最大の溶
込みを限定するのに役立つのである。

上記した「キーホール」を利用する溶接方法
は、溶接工程でありこの溶接工程に於て溶込みと
熱影響部（以下にHAZと呼ぶ）とはレーザパワ
ーと溶接速度の関数である。

一定のレーザパワーでは溶込みの最大値が達成
されるまで溶接速度を低下させることにより溶込
みを増すことができる。この速度より遅いと溶込
みを一定したままで溶接巾とHAZとが増し溶接
は質の悪いものしか得られない。

特にレーザビーム溶接で低出力のレーザを利用
して比較的薄い材料をシーム溶接する場合は、狭
い溶接部で溶接することを主目的とするものであ
るから巾広の溶接部をともなうことは極めて不都
合なものである。

そこで、帯鋼等のごとき金属材料の一側を次第
に接近させて突合わせてシーム溶接するに当り、
金属材料の間から溶接後のシーム溶接線に一致す
る方向にレーザビームを照射して、いわゆる「キ
ーホール」現象によらない表皮効果を利用したシ
ーム溶接方法として、例えば特開昭56−114590号
公報（以下単に先行例と称す）に記載のごとき溶
接方法がある。

（発明が解決しようとする課題） 先行例は溶接原理を示すに過ぎないものである
ので、実際の実施に当つては解決すべき種々の問
題点がある。

（課題を解決するための手段） 上述のごとき問題に鑑みて、本発明は、帯状の
第１の金属材料と第２の金属材料とを側方向から
挾圧して上記両材料の側縁を互に接触せしめる一
対のピンチローラと、上記両材料の長手方向への
移動方向に見て上記ピンチローラより前側におい
て上記両材料を板厚方向から挾圧する一対の送り
出し兼張力ローラと、上記両材料の移動方向に見
て後方位置から上記両材料の接合点へレーザビー
ムを照射する装置とを備えてなるシーム溶接装置
にして、上記両材料の移動方向に見て前記接合点
の後方位置に、上記両材料を板厚方向から同時に
挾圧して両材料の板厚方向の整列を行なう一対の
整列ローラを設け、上記各整列ローラに、前記レ
ーザビームが透過自在の小径の首部を設けてなる
ものである。

（実施例） 第１図に示した実施例では、溶接されるべき金
属材料は可撓性を備えた帯鋼のごとき材料１と３
であつて、図示のＸ−Ｙ面における接合点で角度
θに突合わされている。レーザビーム５は光学的
な形状を付与されてＹ軸にそつて照射され溶接継
目と同じ直線上にある。

前記材料１，３の長手方向への移動方向に見
て、前記レーザビーム５が材料１，３の縁部に溶
融を生じさせる前記接合点より前側には、両材料
１，３をＸ軸方向に挾圧するピンチローラ９，１
１が設けてある。

上記ピンチローラ９，１１は材料１と３とを適
宜に整合し間〓を制御する機能を持つている。

レーザビーム５にはＸ−Ｙ面に対し第２図に示
したようなガウス分布を呈し、Ｘ軸方向には第３
図に示したような均一なエネルギー密度を示すほ
ぼ直線状のエネルギー源を得るために特別な光学
形状であることが望ましい。

これは例えば円筒状のレンズなどを経て形成さ
れるものである。このレーザ溶接の技術は、溶接
継目に垂直に照射されるレーザビームを利用した
従来技術より優れている。

それはこの新工程によつて、Ｚ軸に沿つた均一
な熱入力が、機械的強度に優れた均一な横方向溶
接断面を与えるからである。

固相溶接の場合の溶融は材料の表皮にだけ発生
するので、非常に狭い溶接部とHAZに止めるこ
とができる。

また固相溶接が所望される場合には、溶接金属
酸化物および他の表面不純物が絞り出され、含有
物及び不純物の無い溶接部が得られるように締付
力が加えられるのである。

このレーザ溶接は、材料に関してのレーザビー
ムの特異な形状による溶込みを得るもので、いわ
ゆる「キーホール」現象に依存するものではな
い。

レーザビームは被溶接材の厚さ方向に沿つて同
時に且つ均一に供給される。このように「溶込
み」は集光工学系（focusing optics）に依存し、
レーザパワーは溶接速度に左右にされるものでは
ない。

一方レーザパワーは溶接速度とHAZを制御す
るのである。

溶接継目方向と同一直線上のレーザビームによ
る溶接は、可撓性材料の連続溶接が要求される場
合に適用される。「Ｙ形状」の送りを許容するよ
うに材料は薄くて充分な可撓性を有していなけれ
ばならない。

図面に基づいて装置の構成を説明すると、ガイ
ドローラ１３，１５と、１７，１９とにより可撓
性を備えた材料１と３とが同じ速度で連続して送
られてくる。

ガイドローラ１３，１５，１７，１９からなる
２組の送りローラは、Ｘ−Ｙ面に帯鋼１，３を整
列させ、頂点における角度θを制御する。またピ
ンチローラ９，１１に対する張力の制御手段とし
ての作用も兼ねている。

整列ローラ２３，２５は、レーザビーム５が透
過して接合点に届くように各ローラの中央に小径
の首部２７，２９を備えている。

上記した整列ローラ２３，２５は２枚の材料
１，３の送り込み速度を厳密に制御し、これら材
料を最終的に整列させる。

ピンチローラ９，１１の頂点からの距離と締付
け力とは溶接間隔を制御のために可変になつてい
る。すでに前記したようにギヤツプが零でも充分
な締付け力を作用させて固相溶接が可能である。

溶接された材料は最終的には、前記ピンチロー
ラ９，１１より前側に設けた送り出し兼張力ロー
ラ３１，３３を通過してコイラー（図示省略）へ
と送り込まれる。送り出し兼張力ローラ３１，３
３は、溶接中の帯鋼の張力を調整し兼ねて整列ロ
ーラ２３，２５の送り込み速度と同じ速度で材料
を送り出すのである。

溶接された材料はコイラー（図示省略）に最終
的に巻きとられる。

なお下記のパラメータが制御されねばならない
ことはいうまでもない。

(a) レーザビームパワー (b) レーザビーム形状 (c) レーザビームの焦点寸法 (d) 被溶接材の送り速度（溶接速度） (e) 頂点角度θ (f) 材料の張力と整列状態 (g) 締付け力 レーザビームは材料の厚さ方向に沿つて、ほぼ
均一な密度を有し、焦点において材料の厚さに等
しくなるような適宜の光学系を用いてその形状が
与えられる。

このようにＸ−Ｙ面におけるレーザビームの外
形は図示のごときものである。すなわち第３図で
ｂは材料の厚さであり、ａは出来るだけ小さくさ
れる。第２図はビームのＸ−Ｙ断面も示されてい
る。

材料の縁部で厚さ方向に沿つて均一に溶融が生
じるように、パラメータが制御されねばならな
い。

また一定のレーザパワーに対する溶接速度を制
御することにより、溶接の表皮深さを制御するこ
とができる。

溶接には0.1ミリメートルのオーダの表皮深さ
が要求され、また固相溶接には、それよりも小さ
い表皮深さが要求される。

皺あるいは非整列が生じないように材料を保つ
ため、整列ローラと送り出し兼張力ローラとの間
で材料に充分な張力が保持されることが望まし
い。

（発明の効果） 以上のごとき実施例の説明より理解されるよう
に、要するに本発明は、帯状の第１の金属材料１
と第２の金属材料３とを側方向から挾圧して上記
両材料１，３の側縁を互に接触せしめる一対のピ
ンチローラ９，１１と、上記両材料１，３の長手
方向への移動方向に見て上記ピンチローラ９，１
１より前側において上記両材料１，３を板厚方向
から挾圧する一対の送り出し兼張力ローラ３１，
３３と、上記両材料１，３の移動方向に見て後方
位置から上記両材料１，３の接合点へレーザビー
ム５を照射する装置とを備えてなるシーム溶接装
置にして、上記両材料１，３の移動方向に見て前
記接合点の後方位置に、上記両材料１，３を板厚
方向から同時に挾圧して両材料１，３の板厚方向
の整列を行なう一対の整列ローラ２３，２５を設
け、上記各整列ローラ２３，２５に、前記レーザ
ビーム５が透過自在の小径の首部２７，２９を設
けてなるものである。

上記構成より明らかなように、本発明において
は、例えば帯鋼等のごとき両材料１，３の側縁部
を接触せしめてシーム溶接するに際して、上記両
材料１，３の移動方向にみて両材料１，３の接合
点の後方位置に、両材料１，３を板厚方向から挾
圧して板厚方向の整列を行なう一対の整列ローラ
２３，２５が設けてあるから、両材料１，３の接
合点における板厚方向の整列が正確に行なわれる
こととなり、例えば両材料１，３の板厚が等しい
場合、前記接合点において段差を生じるようなこ
とがなく、正確な溶接が行なわれ得るものであ
る。

また、本発明においては、上記整列ローラ２
３，２５には、レーザビーム５が透過自在の小径
の首部が設けてあるから、両材料１，３の接合点
へ後方位置からレーザビーム５を照射するとき、
整列ローラ２３，２５が邪魔になるようなことが
なく、上記整列ローラ２３，２５が前記接合点に
近接している場合であつても、接合点へのレーザ
ビーム５の照射を後方から容易に行ない得るもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の説明図、第２図は第
１図のＸ−Ｙ断面での溶接エネルギー分布図、第
３図は第１図のＺ−Ｘ断面での溶接エネルギー分
布図である。 （図面の主要部を表わす符号の説明）、１，３
……材料、５……レーザビーム、９，１１……ピ
ンチローラ、２３，２５……整列ローラ、２７…
…首部、３１，３３……送り出し兼張力ローラ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 帯状の第１の金属材料１と第２の金属材料３
   とを側方向から挾圧して上記両材料１，３の側縁
   を互に接触せしめる一対のピンチローラ９，１１
   と、上記両材料１，３の長手方向への移動方向に
   見て上記ピンチローラ９，１１より前側において
   上記両材料１，３を板厚方向から挾圧する一対の
   送り出し兼張力ローラ３１，３３と、上記両材料
   １，３の移動方向に見て後方位置から上記両材料
   １，３の接合点へレーザビーム５を照射する装置
   とを備えてなるシーム溶接装置にして、上記両材
   料１，３の移動方向に見て前記接合点の後方位置
   に、上記両材料１，３を板厚方向から同時に挾圧
   して両材料１，３の板厚方向の整列を行なう一対
   の整列ローラ２３，２５を設け、上記各整列ロー
   ラ２３，２５に、前記レーザビーム５が透過自在
   の小径の首部２７，２９を設けてなることを特徴
   とするシーム溶接装置。