JPS582753B2 - レ−ザ溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ溶接方法に係り、特に被溶接物の材質や
形状、表面の状態等の異なりによる溶接加工状態の再現
性の低下を除去したレーザ溶接方法に関する。

近年、レーザ圧力下技術の発達に伴ってレーザ光を用い
た溶接方法が各種出現した。

このような溶接方法は犬別してバルスレーザ光を用いた
ものと、連続波レーザ光を用いたものがある。

上記バルスレーザ光を用いた溶接方法は通常、単純な山
形波形や矩形波的な出力強度のレーザ光を出力するもの
で、また前記連続波レーザ光を用いた溶接方法は通常、
一定出力強度のレーザ光を出力するものである。

しかし上記方法を用いて被溶接物を溶接する場合には、
上記被溶接物の形状、材質やその表面状態によって照射
するレーザ光の出力波形や出力強度を大きく変更しなけ
れば再現性のある溶接加工を行うことができなおった。

また被溶接物の形状、材質やその表面状態によってはレ
ーザ光を用いて溶接することができないとされるものも
多かった。

例えば鉄等はレーザ光の出力強度を一定に設定し２てお
いても、比較的安定した再現性の良い溶接加工を行うこ
とができる。

しかし例えば銅等の熱伝導率の高い物質を溶接する為に
は、その溶接部表向を例えばラツピング等の処理を行っ
て所定の表面状態を設定し７なければ所望の溶接加工を
行うことができないという問題があった。

また、たとえ前処理を行なって所定の表面状態を設定し
ても、レーザ照射スポットを順次移動させながら溶接を
行たり、いわゆる線状溶接の場合には、溶接中の熱が隣
接する次の溶接スポット部分に影響を与え、このスポッ
ト部分の表面に部分的に酸化物層が形成されることがあ
る。

この酸化物層が形成されると、溶接時の熱の伝わり方が
部分的に偏ったり、また酸化物層が被溶接物中に混在し
て溶接状態に組織的な不安定部分が発生し、この結果溶
接の品質を損なう不具合があった。

本発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的
とするところは、被溶接物の溶接面を前処理して所定の
表面状態にすることなく、シかも連続溶接を行なっても
、溶接状態が均一で不純物の混在等を生じない安定した
再現性の良い溶接加工を行なうことのできるレーザ溶接
方法を提供することにある。

本発明は、被溶接物に対するレーザ光の照射位置をその
照射スポット分だけ移動させる毎に、先ず被溶接物の熱
流時定数より短かく設定した初期期間だけ高強度でレー
ザ光の照射を行なって被溶接物の不純物表層部、つまり
塗料や酸化物層を加熱して除去し、次に残りの期間で上
記初期期間より低強度のレーザ光を照射して被溶接物を
溶融させることにより、所望の線状溶接を行々うように
したものである。

ここで、熱流時定数とは、被溶接物の材質および熱注入
部分の体積によシ定まる熱容量Ｃと、熱伝導率Ｋの逆数
として表わされる熱流抵抗Ｒとの積（ＣＲ）として規定
されるもので、例えば２枚の板体を重ね合わせて加熱す
る場合には次のようになる。

先ず上記２枚の板体が同一材料からなる場合は、各板体
の厚さをそれぞれＳ１，Ｓ２〔ｃｒｎ｝とし、かつ加熱
スポットの直径をｄ〔ｃｍ）とすると、で表わされる。

一方、２枚の板体が異種材料である場合は、 で表わされる。

ただし、ｂ，ｂ１，ｂ２：材料の比熱（Ｊ・Ｇ・℃〕ｐ
，ｐ１，ｐ２：材料の密度〔Ｇ・ｃｍ−３〕Ｋ，Ｋ１，
Ｋ２：材料の熱伝導率〔Ｗ・ｃｍ−１℃−１〕α：熱拡
散率〔ｃｍ２・Ｓｅｃ−１〕 である。

第１図および第２図は本発明の溶接に使用されるレーザ
光の波形を示すもので、第１図は各パルスレーザの光照
射期間Ｔ１中の初期照射期間Ｔ２のレーザ光強度を高く
したものである。

一方第２図は連続波レーザの任意の特定期間Ｔ３毎に短
時間Ｔ４だけ強度を高めた部分を形成したものである。

このようなレーザ光を被溶接物に照射すれば、照射期間
Ｔ２−Ｔ４のレーザ光によって上記被照射物の不純物表
層部だけが高温に加熱され除去される。

そしてその後、照射期間Ｔ１−Ｔ２，Ｔ３−Ｔ４のレー
ザ光によって被溶接物はその照射部分が溶融して、所定
の溶接がなされる。

ここで、以上の溶接動作は、被溶接物に対するレーザ光
照射位置をそのスポット分ずつステップ移動させる毎に
行なわれる。

ところで、前記照射期間Ｔ２，Ｔ４は、被溶接物の熱流
時定数よりも必ず短かく設定される。

第５図に、１ｍｍ厚の同種の被溶接物を２枚重ね合わせ
てこれを円柱過熱した場合の温度上昇特性を示す。

同図において、直線Ａが熱流時定数τだけ加熱した場合
の温度上昇率である。

この特性図から明らかなように、レーザビームの高レベ
ル照射期間を熱流時定数℃よりも短かく設定すると、被
溶接物の上昇温度は最大でも被溶接部全体が溶融する最
大温度ＱｍＡｘには満たない。

つまり被溶接部は深部まで溶融あるいは飛散（スプラッ
シュ）しない。

したがって、高レベル照射期間を必ず熱流時定数よりも
小さく設定しておけば、被溶接部全体を溶融あるいは飛
散させることなく希望とする上層部分のみを除去するこ
とが可能である。

すなわち、本発明のように被溶接物の不純物表層部のみ
を除去しようとする場合には、高レベル照射期間の長さ
を熱流時定数よりも小さい値とした上で、上記除去しよ
うとする不純物表層部の厚さに応じて設定した値にすれ
ばよい。

例えば、レーザ照射期間と溶接深さとは略比例するので
、２ｍｍ厚の板体に存在する１０μｍ厚の不純物層を除
去しようとすれば、被溶接部全体を溶融させるに必要な
時間の約１／２００に設定すればよい。

このようにすれば、高レベル照射期間Ｔ２，Ｔ４で被溶
接物の上層部分が加熱され、その中で特に不純物表層部
が高温となってこの部分に存在する塗料や酸化物等の不
純物層が、例えば溶融したのち蒸発あるいは昇華する等
して除去される。

したがって、被溶接物の真の溶接面が露出する。

そして、この面に定常的な強度のレーザ光を照射すれば
、被溶接物が均一に溶融して溶接深さ等の均一な溶接が
なされる。

また上記のように不純物層が除去してあるので、この不
純物層が溶接時に溶融層内に混在して溶接状態が組織上
不安定になるこもない。

さらには、レーザ光の照射スポットをステップ移動させ
ながら溶接を行なっても、各ステップ毎に酸化物層は確
実に除去されるので、酸化物が溶接部内に残留して組織
上不安定になることがない。

す々わち、本発明の溶接方法であれば、従来のように被
溶接物の表面をラツピング等の前処理をして不純物を除
去し均一にする必要がなく、シかも均一で不純物の混在
を生じない高能率で品質の良い溶接を行なうことができ
る。

また、レーザ光の照射スポットをステップ移動させなが
ら溶接を行なっても、酸化物が溶接部内に混在する不具
合も解消できる利点がある。

以下、本発明の実施例を説明する。

第３図はバルスレーザを用いてレーザ溶接を行う方法を
適用した装置の概略図、１は例えばＮｄ３＋ガラスレー
ザ発振器である。

このレーザ発振器１はレーザ電源２から波形制御回路３
を介して供給される電気エネルギーに相当したレーザ光
４を出力するものである。

この出力されたレーザ光４はレンズ系５によって集光さ
れ、被溶接物６に照射される。

この被溶接物６に照射されるレーザ光４の照射点は例え
ば上記レンズ系５の取り付け角を制御する等して順次移
動され、所望の溶接加工カ桁われるようになっている。

ところで前記波形制御回路３によるレーザ光４の出力制
御は次のようにして行われる。

波形制御回路３は例えばインダクタンスＬと容量Ｃとか
らなるポンピング回路を複数有するもので、上記複数の
ポンピング回路の充放電特性はそれぞれ異なるように設
定されており、レーザ発振器１に対して励起電圧及び供
給時間の異なる電気エネルギーを供給するようになって
いる。

このような波形制御回路３によれば例えば上記各ポンピ
ング回路から同時に電気エネルギーを出力させ、それら
の電気エネルギーを合成して初期の短時間だけ大さなエ
ネルギーを出力させ、その後一定レベルのエネルギーを
出力させることがでる。

このような電気エネルギーが供給されるレーザ発振器１
は上記供給された電気エネルギーに応じたエネルギーの
レーザ光４を出力するものである。

従ってレーザ発振器１からは上記波形制御回路３によっ
て制御された電気エネルギーに相当したレーザ光４が出
力されることに々り、前記第１図に示す如く、初期の短
時間にピーク値が高く、あとの時間は一定レベルのレー
ザ光４が出力されるようになる。

そして、このようなレーザ光４の出力動作をレーザ光４
の照射スポットをステップ移動させる毎に繰り返し行な
わせる。

このようにレーザ光４を照射すれば、前述した如く溶接
加工に於て極めて効果的な利点を有することになる。

第４図は本発明の他の実施例を示すもので、連続波レー
ザを用いて溶接加工を行う装置の構成図である。

レーザ発振器１１はレーザ電源１２の駆動により連続波
レーザ光１３を出力するものである。

またレーザ発振器１４はレーザ電源１５の駆動により断
続的なレーザ光１６を出力するものである。

これらのレーザ発振器１１，１４は制御回路１７によっ
て制御されるもので、例えば、レーザ発振器１４から出
力されるレーザ光１６の時間間隔等が制御されている。

前記各レーザ発振器１１，１４からそれぞれ出力される
レーザ光１３，１６はハーフミラー１８を介して合成さ
れ、レンズ系１９によって集光されて被溶接物２０に照
射される。

このような構成の装置によれば、レーザ光１３に特定時
間毎にレーザ光１６が重量されて、前記第２図に示す如
く波形のレーザ光として被溶接物２０に照射される。

この照射されるレーザ光のピーク値の高いレーザ光の周
期は、レーザ光照射点の移動速度と、上記レーザ光のス
ポット径によって設定されるものである。

例えばレーザ光の照射点を順次移動する際には、レーザ
光照射点がスポット径分移動する毎に、つまり、新規な
溶接部分に達する毎にピーク値の高いレーザ光を照射す
る。

このように設定することにより、レーザ光が新規な溶接
部分に達する毎に、その部分の不純物表層部だけを加熱
して例えば酸化層等を除去しながら溶接加工を行うこと
ができる。

しかして、連続波レーザを用いた装置でも前述したパル
スレーザを用いた装置と同様な効果を奏する。

なお、本発明は上記各実施例に限定されるものではなく
、本発明の要旨を逸脱しない範囲に於て種々変形して用
いることができる。

例えばレーザ発振手段としては、ルビーレーザ、Ｎｄ３
＋レーザ、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ等、被溶接物
の材質や形状、表面状態に応じて適宜用いればよく、そ
の出力エネルギーや照射時間等も用途に応じて設定すれ
ばよい。

また、本発明の手段によれば、例えば表面が塗装された
被溶接物に対しても、上記塗装面を短時間に照射される
ピーク値の高いレーザ光によって溶融して除去すること
ができ、その効果は絶大なものである。

また被溶接物に照射されるレーザ光は同種類のレーザ光
であることもなく、例えば前記第４図に示す実施例に於
て、レーザ発振器１１を炭酸ガスレーザ、レーザ発振器
１４をルビーレーザ等のようにしてもよい。

即ち、被溶接物に照射されるレーザ光の波形が第１図ま
たは第２図に示す如く出力波形を有するものであれば、
そのレーザ光出力手段は限定されるものではない。

以上詳述したように、本発明のレーザ溶接方法は、被溶
接物に対するレーザ光照射スポットをそのスポット分ず
つステップ移動させる毎に、先ず被溶接物の熱流時定数
よりも短かく設定した初期期間だけ高強度のレーザ光を
照射して被溶接物の不純表層部を除去し、しかるのち残
りの期間で比較的低強度のレーザ光を照射して被溶接物
を溶融させ、溶接するようにしたものである。

したがって本発明であれば、被溶接物の溶接面を前収理
して所定の表面状態にすることなく、しかも連続溶接を
行なっても、溶接状態が均一で不純物の混在を生じない
安定で再現性の良い溶接加工を行ない得るレーザ溶接方
法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図及び第２図はそれぞれ本発明方法に用いられるレ
ーザ光の出力波形例を示す図、第３図は本発明の一実施
例におけるレーザ溶接方法に用いられるバルスレーザを
発生する装置の構成図、第４図は本発明の他の実施例に
おけるレーザ溶接方法に用いられる連続波レーザを発生
する装置の構成図、第５図は本発明の作用を説明するだ
めの温度上昇特性図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被溶接物にレーザ光を照射して溶接を行なうレーザ
   溶接方法において、被溶接物に対するレーザ光の照射位
   置をその照射スポット分だけ移動させる毎に、被溶接物
   の熱流時定数より短く設定した初期照射期間だけ高強度
   のレーザ光を照射して上記被溶接物の不純物表層部のみ
   を局部的に加熱して除去し、しかるのち残りの照射期間
   において上記初期照射期間より低強度のレーザ光を照射
   して上記被溶接物を溶融させ、溶接を行なうようにした
   ことを特徴とするレーザ溶接方法。