レーザ溶接方法
【課題】
本発明は、レーザ単独照射においても、より深い溶込みが得られ安定した溶接が可能な溶接方法を提供することにある。
【解決手段】
本発明のレーザ溶接方法は、１１００ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を、加工ヘッドを用いて集光し、被溶接材に照射し、キーホールを形成し、前記レーザ光により溶融された前記被溶接材の溶融部及びその周辺を、シールドガスを用いて保護し、前記加工ヘッド、又は、前記被溶接材を、移動させながら溶接を行うものであって、前記レーザ光のレーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部に、細径ノズルを用いて、前記シールドガスとは別にガスを吹き付け、前記キーホールの開口部、及びその近傍を押し下げながら溶接を行うことを特徴とする。
本発明は、レーザ単独照射においても、より深い溶込みが得られ安定した溶接が可能な溶接方法を提供することにある。
【解決手段】
本発明のレーザ溶接方法は、１１００ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を、加工ヘッドを用いて集光し、被溶接材に照射し、キーホールを形成し、前記レーザ光により溶融された前記被溶接材の溶融部及びその周辺を、シールドガスを用いて保護し、前記加工ヘッド、又は、前記被溶接材を、移動させながら溶接を行うものであって、前記レーザ光のレーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部に、細径ノズルを用いて、前記シールドガスとは別にガスを吹き付け、前記キーホールの開口部、及びその近傍を押し下げながら溶接を行うことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接方法に関し、特に、中厚板及び厚板の鋼板の溶接に好適なレーザ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、熱源のレーザビームのエネルギー密度が高いので、アーク溶接に比べ、深い溶込みが得られる。また、電子ビーム溶接のように真空環境を必要としないので、高能率溶接法として、各方面で使用されている。
【０００３】
中厚板及び厚板の鋼板の溶接にレーザ溶接を適用するには、大出力のレーザ発振器が必要なことから、中厚板及び厚板の鋼板の溶接には、ＣＯ2レーザが用いられている。
【０００４】
ＣＯ2レーザは、波長が約１０μｍと長いので、ファイバーを用いての伝送が出来ない。また、溶接時プラズマが発生し、被溶接材の溶融を阻害するので、プラズマを除去する手段が必要である。
【０００５】
近年、ファイバーレーザ，半導体レーザ，ＹＡＧレーザ等の、波長１１００ｎｍ以下のレーザを発生させる発振器が開発され、高出力化が進められている。
【０００６】
これらのレーザはファイバー伝送が可能であり、ＣＯ2レーザのように溶接時にプラズマが発生しないことから、急速に普及している。
【０００７】
レーザ溶接は、キーホールと呼ばれる細く深い穴を形成することにより深い溶込みを得るが、溶融された金属の酸化防止、キーホールを安定して形成する等の目的のために溶融金属部をシールドガスで覆うことが行われている。
【０００８】
また、このシールドガスは、レーザと同軸のノズル、或いは，サイドからシールドノズルにより供給され、溶融金属部の保護以外に、溶融金属部のスパッタの除去，溶込み幅の制御，ポロシティ等の溶接欠陥を防止する等の目的にも使用されている。
【０００９】
例えば、特許文献１には、レーザ光の酸化防止雰囲気を維持しながら、スパッタの集光レンズへの付着を低減させると共に、溶接品質の向上を図ることが出来るレーザ加工方法及び装置が開示されている。
【００１０】
また、特許文献２には、溶接継手の開先加工精度及びレーザ光の照射位置精度の許容範囲を拡大するために、シールドガスの圧力を（大気圧＋０.１kg／cm2）を超え、（大気圧＋０.３kg／cm2）未満として接合部の溶込み幅を大きくするレーザ溶接方法が開示されている。
【００１１】
また、特許文献３には、アシストガスの吹き付け角度を被溶接材に対し垂直から溶接方向前方に０°から７０°または後方に０°から１０°とすることにより、比較的厚い材料を高速でレーザ溶接する場合に生ずるスポット欠陥のような溶接欠陥を防止する方法が開示されている。
【００１２】
また、特許文献４や特許文献５には、深い溶込みを得るために、アーク溶接とレーザ溶接とを併用し、アーク熱を有効に利用するため、アークにより形成されたクレータ部にレーザを照射して溶接を行う方法が開示されている。
【００１３】
【特許文献１】特開平１０−３２８８７６号公報
【特許文献２】特許第３６３４８１９号公報
【特許文献３】特開平０９−３２３１８８号公報
【特許文献４】特開昭５９−０６６９９１号公報
【特許文献５】特開２００１−２８７０６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
中厚板及び厚板の鋼板の溶接にレーザ溶接を適用するには、深い溶込みが必要であるが、ファイバー伝送が可能な１１００ｎｍ以下の波長を有する大出力のレーザ発振器は高額であり、また、入手が可能なレーザ出力には限界がある。
【００１５】
また、レーザ出力が大きくなると、プルームと呼ばれる金属蒸気のキーホール口からの噴出も盛んになり、場合によっては、溶融金属が吹き上げられ、溶接が不安定となり、溶接欠陥が発生するともに、安定した溶込みが得られない。
【００１６】
さらに、溶接速度１ｍ／minより遅い溶接速度の領域では、レーザにより溶融される溶融金属の量が多くなるので、キーホールを押し縮めようとする方向に作用する溶融金属に起因する圧力の影響が大きくなるため、キーホール内の圧力と上記溶融金属に起因する圧力との圧力バランスがアンバランスとなる。
【００１７】
そのため、溶融プール内の溶融金属の変動が生じ、溶接が不安定となり、レーザ出力の増加或いは溶接速度の低減等により溶融エネルギーを増加しても、それに見合う深い溶込みが得られないという問題がある。
【００１８】
特許文献４及び特許文献５には、アーク溶接とレーザ溶接とを併用して、深い溶込みを得る方法が、開示されているが、両エネルギーを併用すると、レーザ単独に比べ深い溶込みは得られるが、両者の熱源の総和を考えると、被溶接材に投入された入熱にくらべ、溶込みの増加は小さい。
【００１９】
また、溶け込み部の形状は、アークの影響により、溶け込み部の幅が広い溶け込み形状になる。このため、レーザ溶接の特長の一つである、溶接変形等の低減効果が得られ難い。
【００２０】
従来の技術においては、レーザビームにより形成された溶接部に吹き付けるシールドガスあるいはアシストガスを用いて、溶融金属部のスパッタの除去，溶込み幅の制御，溶接欠陥の防止等の技術は開示されているが、他の熱源を併用することなく、レーザ単独照射で、より深い溶込みが得られる方法については開示されていない。
【００２１】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、レーザ単独照射においても、より深い溶込みが得られ安定した溶接が可能な溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明のレーザ溶接方法は、１１００ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を、加工ヘッドを用いて集光し、被溶接材に照射し、キーホールを形成し、レーザ光により溶融された前記被溶接材の溶融部及びその周辺を、シールドガスを用いて保護し、加工ヘッド、又は、前記被溶接材を、移動させながら溶接を行うものである。
【００２３】
そして、レーザ光のレーザ照射部に形成されたキーホールの開口部に、細径ノズルを用いて、シールドガスとは別にガス（以下、単に、ガスと称する。）を吹き付け、キーホールの開口部、及びその近傍を押し下げながら溶接を行うことを特徴とするものである。
【００２４】
また、被溶接材のレーザ照射部において１.５ｋＰａ〜６.０ｋＰａの圧力でガスを吹き付けることが好ましい。
【００２５】
また、レーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部にガスを吹き付ける細径ノズルは、内径が１mm〜４mmのノズルであることが好ましい。
【００２６】
また、溶接進行方向後方から、レーザ光の光軸に対して、２０°〜５０°の角度から、レーザ照射部に形成されたキーホールの開口部にガスを吹き付けることが好ましい。
【００２７】
また、シールドガスのノズルと細径ノズルとが同軸であることが好ましい。
【００２８】
また、加工ヘッド、又は、被溶接材の、移動速度である溶接速度が、１ｍ／min以下であることが好ましい。
【００２９】
また、加工ヘッドを用いて集光されたレーザ光の焦点位置を、前記被溶接材の表面より、板厚方向で、３mm〜１４mmの位置とすることが好ましい。
【００３０】
また、レーザ照射部に形成されたキーホールの開口部に吹き付けるガスは、アルゴン，ヘリウム，窒素，酸素及び二酸化炭素から選択される少なくとも１種以上からなることが好ましい。
【００３１】
また、レーザ光により溶融された前記被溶接材の溶融部及びその周辺を保護するシールドガスと、前記細径ノズルを用いてレーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部に吹き付けるガスとは、異なる種類のガスを使用することが好ましい。
【００３２】
こうした構成を有することにより、レーザ照射部に形成されたキーホールの開口部に、細径のノズルを用いて、シールドガスとは別のガスを吹き付け、キーホールの開口部、及びその近傍を押し下げながら溶接を行うことができるので、上記の課題を解決することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、レーザ単独照射においても、より深い溶込みが得られ安定した溶接が可能な溶接方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図１を参照して、本発明のレーザ溶接方法及び装置の第１の例を説明する。
【００３５】
本実施例のレーザ溶接装置は、図示していないレーザ発振器から照射されたレーザ光１がファイバーにより伝送され、伝送されたレーザ光１を集光し、被溶接材４に照射するレーザ加工ヘッド２と、レーザ光照射部に形成されたキーホール５の上部にガスを吹き付け、くぼみ１０を形成させる細径ノズル９及びレーザ光により溶融された溶融金属６及びその周辺の酸化を防止するシールドガスノズル８を有する。レーザ光１は被溶接材４表面に照射され、キーホール５を形成しながら、被溶接材４を溶融し、溶融金属６形成しながら溶接が進行する。溶融金属６は、凝固し溶接金属７となる。
【００３６】
レーザ光１に溶融されて生じた溶融金属６及び其の周辺はシールドガスノズル８から吹き出されるシールドガスにより雰囲気を形成し、大気の酸素の影響による酸化，ポロシティ等の溶接欠陥の発生から保護される。
【００３７】
また、レーザ光１には、可視光のＨｅ−Ｎｅレーザからなる小出力のパイロットレーザが重畳されており、被溶接材４上のレーザ光１の照射位置を目視で確認できるよう構成されている。
【００３８】
細径ノズル９とシールドガスノズル８は図示しないがおのおの異なるガス調節器を経由して同一或いは異なるガスボンベに接続されており、ガス調整器により、おのおのノズルに供給されるガスの圧力及び流量が調整される。
【００３９】
本実施例では、細径ノズル９とシールドガスノズル８を同軸で構成したが、同軸である必要は無い。また、シールドノズルは、被溶接材の形状等により、前方或いは側面方向に設置してもかまない。また、細径ノズルからのキーホール上部の開口部へのガスの吹き付け方向は前方からでもかまわないが、好ましくは後方の方が、より安定した溶接ビードの形成と深い溶込みが得られるので望ましい。
【００４０】
レーザ溶接の溶け込み深さには、レーザのパワー密度と共に、キーホールの安定性が大きく起因する。特に、溶接速度を落とし、深い溶込みを得ようとする場合には、溶接速度に比し深い溶込みが得られない。
【００４１】
この原因は、前述したように、低溶接速度域では溶融金属の量が多くなるので、キーホール内の圧力と、キーホールに作用する溶融金属の圧力とのバランスがアンバランスになり易いと共に、キーホール内のガス（金属蒸気）噴出がスムースに行われないことが一因にある。
【００４２】
本実施例によれば、プラズマの発生を伴わない波長１１００ｎｍ以下のレーザ光を用い、レーザ光の照射により形成されたキーホールの開口部に、細径ノズルを用いて、溶融部及びその近傍を保護するシールドガスとは別のガスを吹き付け、前記キーホールの開口部、及びその近傍を押し下げながら溶接を行うので、キーホールの開口部が有効的に広げられ、キーホール内のガスの噴出がスムースになるため、キーホールの形成が安定する。
【００４３】
そのため、レーザ光はキーホール内を通って、より深くまで浸入できるので、深い溶込みが得られる。
【００４４】
本実施例は、被溶接材の移動速度である溶接速度に特によらないが、溶接速度が１ｍ／min以下である場合がより効果的である。これは、溶接速度が速くなると、溶融池が長くなるため、キーホールの形成が安定し易いためと思われる。
【００４５】
レーザ光照射部に形成されたキーホール開口部に吹き付ける細径ノズルから噴出されるガスの圧力は、被溶接材上のレーザ照射部における圧力が、１.５ｋＰａ〜６ｋＰａ（大気圧を含まない圧力）であることが望ましい。
【００４６】
図２は細径ノズルから噴出されるガスの圧力と溶込み深さ及び溶接安定領域の関係を示す。ガスの圧力は、被溶接材表面のレーザが照射される位置における圧力を、マノメターを用いて測定した。また。溶接時における圧力の設定は、事前にガス流量とガス圧力の関係を測定しておき、ガス流量を制御する事により、行った。
【００４７】
細径ノズルから噴出されるガスの圧力が増加するに伴い溶込み深さが増大する。細径ノズルから噴出されるガスの圧力が１.５ｋＰａ未満であると、安定した溶接が行えない。
【００４８】
これは、被溶接材４がレーザ光１の照射により溶融され、溶融金属６により形成された溶融池は変動しているので、ガス圧力が低い場合は、溶融金属６を押し下げる作用が小さく、溶融池の変動を抑え、安定してキーホール５の開口部及びその近傍を押し下げることができないためであると思われる。
【００４９】
特に、０.５ｋＰａ〜１.５ｋＰａ未満の圧力では、シールドガスのみの場合より、溶接はより不安定となる。
【００５０】
また、ガス圧力が高くなると、溶融金属を吹き飛ばし、切断に近い状態となるために、溶接ビードの形成が困難となる。
【００５１】
このため、細径ノズルから噴出させキーホール口に吹き付けるガスの圧力を、被溶接材上のレーザ照射部において、１.５ｋＰａ〜６ｋＰａ（大気圧を含まない圧力）とすることにより溶込みが深く、ビード形状の良好な溶接ビードが得られる。
【００５２】
前記レーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部にガスを吹き付ける細径ノズルは、内径が１mm〜４mmのノズルであることが望ましい、細径ノズルの内径が１mm未満であると、押し下げる面積が小さいので、キーホール開口部及びその近傍を安定して押し下げることが出来ない。
【００５３】
また、スパッタ等により噴出口が損傷され易い。反対に、ノズルの内径が大きいと押し下げるのに多量の吹き付けガスが必要になる。また、押し下げる部分の面積が広すぎる場合にも、溶接が不安定となり易い。
【００５４】
本実施例では、レーザ光１の後部より、すなわち、溶接進行方向後方からレーザ光１の光軸３に対して、２０°〜５０°の角度から細径ノズル９を用いてキーホール５の上部の開口部に向けて、ガスを吹き付け、キーホール開口部及びその近傍を押し下げくぼみ１０を形成させながら溶接を行うのが望ましい。
【００５５】
図３は細径ノズルの角度と溶込み深さ及び溶接安定領域の関係を示す。細径ノズルの角度はレーザ光１の光軸３と細径ノズル９なす角度（θ）１１である。細径ノズルの角度１１が４０〜４５°付近で最も深い溶込みが得られる。
【００５６】
また、本実施例の方法を用いれば、細径ノズル角度０°から６０°の広い範囲で、従来法に比べ、深い溶込みが得られる。細径ノズル９から噴出されたガスは、開口部、及びその近傍を押し下げると共に、キーホール５の開口部の前縁にあたり、一部のガスが反射され、キーホール後縁を含む開口部の上部が広げられる。細径ノズル９の角度が大きくなるとキーホール口を押し下げる力に比べ、キーホール開口部の前縁を押す力の方が大きくなるので、開口部前方の溶融金属を吹き飛ばすようになる。
【００５７】
このため、細径ノズルの角度が６０°を超える付近から溶融池内の溶融金属の変動が激しくなり、溶接が不安定となる。そのため、溶込み深さの増加効果は得られなくなる。反対に、細径ノズル９の角度が小さくなる方向は、前述したように、０°であっても、細径ノズルによるガス吹き付け作用を有しない通常のシールドガスのみの溶接に比べ、深い溶込みが得られるが、キーホール開口部に対して、垂直方向より斜め上方から、ガスを吹きつけた方が、開口部を広げる作用が大きくなるので、細径ノズル９の角度が大きくなるに伴い、溶け込み深さは増大し、溶接の安定性はより高くなり、溶接の安定性は２０°付近でほぼ、飽和する。このため、溶込みが深く、ビード形状の良好な溶接ビードを得るためには、細径ノズル９の角度は２０°〜５０°とすることが最も望ましい。
【００５８】
レーザ光照射部に形成されたキーホール開口部に吹き付けるガスは、アルゴン，ヘリウム，窒素，酸素及び二酸化炭素からなる群より選択される少なくとも１種以上からなるガスが好ましい。特に、キーホール口にむけて噴出されるので、キーホール内に採りこめられてもポロシティと呼ばれる気泡を生じない溶接金属に溶解され易いガスが好ましい。
【００５９】
オーステナイト系ステンレス鋼では、窒素ガス，炭素鋼では二酸化炭素ガスが好ましい。
【００６０】
また、シールドノズルから放出させるシールドガスは、溶接金属及び周辺部の酸化防止が主目的なためアルゴン，ヘリウム，窒素のような不活性ガスが望ましい。
【００６１】
また、前記レーザ光により溶融された前記被溶接材の溶融部及びその周辺を保護するシールドガスと、前記細径ノズルを用いてレーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部に吹き付けるガスとは、同種のガスを用いても、異なる種類のガスを用いてもよい。
【００６２】
本実施例の方法では、上述したように細径のノズル９を用いて、レーザ光照射部に形成されたキーホール５開口部にガスを吹き付け、開口部及びその近傍を押し下げながら溶接を行う。この場合、細径ノズルから噴出されたガスの被溶接材への吹き付け位置は、溶接開始前に、被溶接材のレーザ照射位置に、細径ノズルから噴出されたガスが当るように、細径ノズル９の溶接方向の位置は設定される。
【００６３】
しかし、溶接時には、細径ノズル９からのガスで溶融金属６が押し下げられる分だけ、キーホール開口部の位置は、溶接開始前に設定された被溶接材４上でのレーザ照射位置より、板厚方向にずれる。そのため、これを考慮して、溶接前に、被溶接材４へ細径ノズル９から噴出されたガスが当る位置の設定を行う必要がある。
【００６４】
この位置は、実験により確認した結果、被溶接材４のレーザ光が照射される面において、細径ノズル９の中心線の延長線が被溶接材４のレーザ光が照射される面と交わる位置とレーザ光１の光軸３が被溶接材のレーザ光が照射される面と交わる位置の距離を０から溶接進行方向から反対方向３mmまでの位置に設定することが好ましい。
【００６５】
レーザ溶接では、レーザ光１の焦点位置を、被溶接材４のレーザ照射される面の表面或いは被溶接材の板厚方向の所定位置に設定して溶接を行う。この位置は、焦点はずし距離１２（Ｄｆ）と呼ばれている。焦点はずし距離は、あらかじめ、確認試験により焦点はずし距離と溶込み深さの関係を求めておき、最も溶込みが深くなる焦点はずし位置に焦点位置を設定し溶接を行っている。本発明の方法では、上述したように、キーホール５開口部にガスを吹き付け、開口部及びその近傍を押し下げながら溶接を行うので、従来法の溶接時に比べ、キーホール開口面は、溶融池の表面より押し下げられた分、板厚方向に下がる。
【００６６】
また、本実施例の方法では、上述したように、キーホール内のガスの噴出がスムースになるため、キーホールの形成が安定し、レーザ光はキーホール内を通って、より深くまで浸入できる。
【００６７】
このため、本実施例の方法では、従来法の焦点はずし距離より、板厚方向に３mm〜１０mm大きい位置に設定するのが望ましい。キーホール口の押し下げられる分が１〜５mm、吹き付け効果により開口部が広げられたための効果分が２〜５mmである。
【００６８】
すなわち、従来法のレーザ溶接で深い溶込みを得るための溶接では、焦点はずし距離は０〜４mm（板厚方向）が用いられているので、本実施例の方法を用いて溶接を行う場合の焦点はずし距離は３〜１４mmが好ましい。
【００６９】
図４は、本発明の実施例の溶接装置を用いて溶接した溶接部の断面の模写図を示す。比較として従来法で溶接を行った溶接部の断面の模写図を示す。
【００７０】
溶接材料はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）、レーザは波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ装置を用いた。レーザ出力は４ｋＷ、溶接速度は０.３ｍ／min、である。細径ノズルは内径２mmのものを使用した。細径ノズルからの吹き付けガスの圧力は３.５〜４ｋＰａである。また、ノズル角度は４５°である。シールドガスノズルの内径は２０mmである。ノズルから吹き出すガスは細径ノズル及びシールドガスノズルとも、窒素ガスを用いた。焦点はずし距離は、４mm（板厚方向）である。
【００７１】
なお、従来法の場合は０mmである。シールドガスの流量は５０Ｌ／minである。シールドガスの圧力は、測定したところ、被溶接材表面で約０.０１〜０.０２ｋＰａであった。
【００７２】
従来法のビードは表面ビード幅が広いＴ型の溶込み形状を示しているのに対し、本実施例の方法のビードは表面ビード幅の狭い、棒状の溶込み形状である。従来法の溶込み深さは７.５mmであるのに対し、本方法の溶込み深さは１１.５mmであり、本方法を用いることにより、深い溶込みを得ることが出来る。
【００７３】
本実施例では、細径ノズルとシールドガスノズルとも、同種のガスを用いたが、異なるガス用いても良い。また、ビードの表面が酸化しても問題の無い部材の溶接の場合には、シールドガスノズルが無くても良いことは言うまでも無い。
【００７４】
図５に本発明実施例による溶接時の撮影画像の模写図を示す。レーザ光及びキーホール部から噴出されるプルーム（金属蒸気）の光は特殊フィルターを用いて除去している。細径ノズルから噴出されたガスにより、レーザ光に照射部が押し下げられ、凹みを生じながら溶接が行われている。
【００７５】
図６にシールドノズルを溶接方向の前方に配置した本発明実施例の溶接装置の構成を示す。図示していないレーザ発振器からファイバーを用いて伝送されたレーザ光は加工ヘッド２で集光され被溶接材４に照射される。細径ノズル９はレーザ光１の後方より光軸３と３０°の角度をなして構成されている。
【００７６】
シールドガスノズル８はレーザ光の前方にレーザ光の光軸と４５°の角度をなして構成されている。
【００７７】
本溶接装置を用いて板厚４０mmの第１の部材である被溶接金属１３と第２の部材である被溶接金属１４を突合せた継手の両面溶接を行った。レーザ発振器は波長１０７０ｎｍのレーザ光を出力するファイバーレーザ装置を用いた。
【００７８】
被溶接材料はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）、レーザ出力は１０ｋＷ、溶接速度は０.３ｍ／min、である。細径ノズルは内径２mmのものを使用した。細径ノズルからの吹き付けガスの圧力は３〜３.５ｋＰａである。また、細径ノズル口と被溶接材表面との距離は６mmである。シールドガスノズルの内径は２０mmである。ノズルから吹き出させるガスは、細径ノズルは窒素ガス、シールドガスノズルは、窒素とヘリウムの混合ガスを用いた。焦点はずし距離（Ｄｆ）は、１２mm（板厚方向）である。
【００７９】
図７に溶接断面の溶込み部の模式図を示す。片面各１パスの２パスの溶接ビード（１５ａ，１５ｂ）で４０mm板厚を溶接することが出来、ポロシティ等の溶接欠陥のない溶接継手が得られた。本発明の実施例では、溶接金属部に溶加材を添加しなかったが、溶加材を添加しながら溶接を行っても良い。
【００８０】
図８に図６の構成の溶接装置を用いてＴ型溶接継手の溶接を行った溶接部の断面の模式図を示す。第１の部材である被溶接金属１３と第２の部材である被溶接金属１４をＴ型に組み合わせ両面より本方法により溶接を行った。被溶接材料は第１及び第２の部材とも炭素鋼である。また、第２の部材の板厚は３２mmである。レーザ装置は、波長１０７０ｎｍのファイバーレーザを用いた。溶接条件はレーザ出力１０ｋＷ、溶接速度は０.５ｍ／minである。細径ノズルは内径２mmのものを使用した。細径ノズルからの吹き付けガスの圧力は２.３〜２.７ｋＰａ、細径ノズル口と被溶接材表面との距離は６mmである。シールドガスノズルの内径は２０mmである。ノズルから吹き出させるガスは、細径ノズルは二酸化炭素ガス、シールドガスノズルは、アルゴンガスを用いた。焦点はずし距離（Ｄｆ）は、１２mm（板厚方向）である。本発明の方法で溶接することにより溶接欠陥の無い良好なビードが得られた。
【００８１】
図９にレーザ光の光軸３と細径ノズル９及びシールドガスノズル８の中心軸が同軸からなる本発明実施例の溶接装置示す。レーザ光１は光軸３と同軸に配置された細径ノズル９を通って被溶接材４上に照射され、被溶接材４を溶融し、キーホール５を形成しながら溶接が行われる。溶融された溶融金属６により溶融プールが形成され、溶融金属６が凝固し溶接金属７を形成する。先端が細く絞られた細径ノズル９から、レーザ光１と共にガスが噴出される。吹き出されたガスは被溶接材４上に照射され、溶融プール内に形成されたキーホール上部の開口部および周辺部を押し下げ、くぼみ１０を形成する。溶融プール及びその周辺部は、光軸と同軸に配置されたシールドガスノズル８から吹き出されるシールドガスによりシールドされる。レーザ光の照射角度は、被溶接材の垂直方向より、溶接進行方向と反対方向に１０°傾けた方向とした。
【００８２】
図１０に本発明の装置を適用して溶接を行った構造物の溶接部を説明するための模式図を示す。オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる円筒形の部材１７に同種のオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる円板１８をはめ込み、はめ合わせ突合せ部の円周シール溶接に本発明の溶接方法を適用した。円板の厚さは８mmである。レーザ発振機はＮｄ：ＹＡＧレーザ装置（波長１０６４ｎｍ）を用いた。溶接条件は、レーザ出力４ｋＷ，溶接速度０.３ｍ／min、である。細径ノズルは内径３mmのものを使用した。細径ノズルの噴出ガスは窒素ガス、吹き付けガスの圧力はは３ｋＰａである。シールドガスは窒素ガスである。細径ノズルの吹き付けガスの圧力は、溶接開始前、圧力センサーを用いて、被溶接材表面のレーザ照射位置における圧力が所定の圧力になるよう、ガス流量を調整し、その流量を用いて溶接を行った。なお、細径ノズル先端と被溶接材表面間の距離は５mm、シールドノズル先端の端面と被溶接材表面間の距離は３mmとした。シール部の突合せ部は完全に溶融され、溶接欠陥のない良好な溶接部が得られた。
【００８３】
本実施例によると、溶接速度１ｍ／min以下の領域でも、安定した溶接が可能となると共に、溶込みが深く、ポロシティ等の溶接欠陥のない、高品質で安定した溶接ビードが得られる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明のレーザ溶接方法は、特に、中厚板及び厚板の鋼板の溶接に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明のレーザ溶接方法及び溶接装置の一実施形態を説明するための模式図。
【図２】本発明の細径ノズルから噴出されるガスの圧力と溶込み深さ及び溶接安定領域の関係の説明図。
【図３】本発明の細径ノズルの角度と溶込み深さ及び溶接安定領域の関係の説明図。
【図４】本発明の実施例の溶接装置を用いて溶接した溶接部の断面形状の模写図。
【図５】本発明実施例による溶接時の模写図。
【図６】シールドノズルを溶接方向の前方に配置した本発明実施例の溶接装置の一実施形態を説明するための模式図。
【図７】本発明の実施例の溶接部断面を説明するための模式図。
【図８】本発明の実施例の溶接部断面を説明するための模式図。
【図９】本発明のレーザ溶接方法及び溶接装置の一実施形態を説明するための模式図。
【図１０】本発明の実施例の溶接部を説明するための模式図。
【符号の説明】
【００８６】
１ レーザ光
２ レーザ加工ヘッド
３ 光軸
４ 被溶接材
５ キーホール
６ 溶融金属
７ 溶接金属
８ シールドガスノズル
９ 細径ノズル
１０ くぼみ
１１ レーザ光の光軸と細径ノズルなす角度（θ）
１２ 焦点はずし距離
１３ 第１の部材
１４ 第２の部材
１５ａ，１５ｂ 突合せ溶接の溶接ビード
１６ａ，１６ｂ Ｔ型隅肉溶接の溶接ビード
１７ 円筒部材
１８ 円板
１９ 溶接部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接方法に関し、特に、中厚板及び厚板の鋼板の溶接に好適なレーザ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、熱源のレーザビームのエネルギー密度が高いので、アーク溶接に比べ、深い溶込みが得られる。また、電子ビーム溶接のように真空環境を必要としないので、高能率溶接法として、各方面で使用されている。
【０００３】
中厚板及び厚板の鋼板の溶接にレーザ溶接を適用するには、大出力のレーザ発振器が必要なことから、中厚板及び厚板の鋼板の溶接には、ＣＯ2レーザが用いられている。
【０００４】
ＣＯ2レーザは、波長が約１０μｍと長いので、ファイバーを用いての伝送が出来ない。また、溶接時プラズマが発生し、被溶接材の溶融を阻害するので、プラズマを除去する手段が必要である。
【０００５】
近年、ファイバーレーザ，半導体レーザ，ＹＡＧレーザ等の、波長１１００ｎｍ以下のレーザを発生させる発振器が開発され、高出力化が進められている。
【０００６】
これらのレーザはファイバー伝送が可能であり、ＣＯ2レーザのように溶接時にプラズマが発生しないことから、急速に普及している。
【０００７】
レーザ溶接は、キーホールと呼ばれる細く深い穴を形成することにより深い溶込みを得るが、溶融された金属の酸化防止、キーホールを安定して形成する等の目的のために溶融金属部をシールドガスで覆うことが行われている。
【０００８】
また、このシールドガスは、レーザと同軸のノズル、或いは，サイドからシールドノズルにより供給され、溶融金属部の保護以外に、溶融金属部のスパッタの除去，溶込み幅の制御，ポロシティ等の溶接欠陥を防止する等の目的にも使用されている。
【０００９】
例えば、特許文献１には、レーザ光の酸化防止雰囲気を維持しながら、スパッタの集光レンズへの付着を低減させると共に、溶接品質の向上を図ることが出来るレーザ加工方法及び装置が開示されている。
【００１０】
また、特許文献２には、溶接継手の開先加工精度及びレーザ光の照射位置精度の許容範囲を拡大するために、シールドガスの圧力を（大気圧＋０.１kg／cm2）を超え、（大気圧＋０.３kg／cm2）未満として接合部の溶込み幅を大きくするレーザ溶接方法が開示されている。
【００１１】
また、特許文献３には、アシストガスの吹き付け角度を被溶接材に対し垂直から溶接方向前方に０°から７０°または後方に０°から１０°とすることにより、比較的厚い材料を高速でレーザ溶接する場合に生ずるスポット欠陥のような溶接欠陥を防止する方法が開示されている。
【００１２】
また、特許文献４や特許文献５には、深い溶込みを得るために、アーク溶接とレーザ溶接とを併用し、アーク熱を有効に利用するため、アークにより形成されたクレータ部にレーザを照射して溶接を行う方法が開示されている。
【００１３】
【特許文献１】特開平１０−３２８８７６号公報
【特許文献２】特許第３６３４８１９号公報
【特許文献３】特開平０９−３２３１８８号公報
【特許文献４】特開昭５９−０６６９９１号公報
【特許文献５】特開２００１−２８７０６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
中厚板及び厚板の鋼板の溶接にレーザ溶接を適用するには、深い溶込みが必要であるが、ファイバー伝送が可能な１１００ｎｍ以下の波長を有する大出力のレーザ発振器は高額であり、また、入手が可能なレーザ出力には限界がある。
【００１５】
また、レーザ出力が大きくなると、プルームと呼ばれる金属蒸気のキーホール口からの噴出も盛んになり、場合によっては、溶融金属が吹き上げられ、溶接が不安定となり、溶接欠陥が発生するともに、安定した溶込みが得られない。
【００１６】
さらに、溶接速度１ｍ／minより遅い溶接速度の領域では、レーザにより溶融される溶融金属の量が多くなるので、キーホールを押し縮めようとする方向に作用する溶融金属に起因する圧力の影響が大きくなるため、キーホール内の圧力と上記溶融金属に起因する圧力との圧力バランスがアンバランスとなる。
【００１７】
そのため、溶融プール内の溶融金属の変動が生じ、溶接が不安定となり、レーザ出力の増加或いは溶接速度の低減等により溶融エネルギーを増加しても、それに見合う深い溶込みが得られないという問題がある。
【００１８】
特許文献４及び特許文献５には、アーク溶接とレーザ溶接とを併用して、深い溶込みを得る方法が、開示されているが、両エネルギーを併用すると、レーザ単独に比べ深い溶込みは得られるが、両者の熱源の総和を考えると、被溶接材に投入された入熱にくらべ、溶込みの増加は小さい。
【００１９】
また、溶け込み部の形状は、アークの影響により、溶け込み部の幅が広い溶け込み形状になる。このため、レーザ溶接の特長の一つである、溶接変形等の低減効果が得られ難い。
【００２０】
従来の技術においては、レーザビームにより形成された溶接部に吹き付けるシールドガスあるいはアシストガスを用いて、溶融金属部のスパッタの除去，溶込み幅の制御，溶接欠陥の防止等の技術は開示されているが、他の熱源を併用することなく、レーザ単独照射で、より深い溶込みが得られる方法については開示されていない。
【００２１】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、レーザ単独照射においても、より深い溶込みが得られ安定した溶接が可能な溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明のレーザ溶接方法は、１１００ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を、加工ヘッドを用いて集光し、被溶接材に照射し、キーホールを形成し、レーザ光により溶融された前記被溶接材の溶融部及びその周辺を、シールドガスを用いて保護し、加工ヘッド、又は、前記被溶接材を、移動させながら溶接を行うものである。
【００２３】
そして、レーザ光のレーザ照射部に形成されたキーホールの開口部に、細径ノズルを用いて、シールドガスとは別にガス（以下、単に、ガスと称する。）を吹き付け、キーホールの開口部、及びその近傍を押し下げながら溶接を行うことを特徴とするものである。
【００２４】
また、被溶接材のレーザ照射部において１.５ｋＰａ〜６.０ｋＰａの圧力でガスを吹き付けることが好ましい。
【００２５】
また、レーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部にガスを吹き付ける細径ノズルは、内径が１mm〜４mmのノズルであることが好ましい。
【００２６】
また、溶接進行方向後方から、レーザ光の光軸に対して、２０°〜５０°の角度から、レーザ照射部に形成されたキーホールの開口部にガスを吹き付けることが好ましい。
【００２７】
また、シールドガスのノズルと細径ノズルとが同軸であることが好ましい。
【００２８】
また、加工ヘッド、又は、被溶接材の、移動速度である溶接速度が、１ｍ／min以下であることが好ましい。
【００２９】
また、加工ヘッドを用いて集光されたレーザ光の焦点位置を、前記被溶接材の表面より、板厚方向で、３mm〜１４mmの位置とすることが好ましい。
【００３０】
また、レーザ照射部に形成されたキーホールの開口部に吹き付けるガスは、アルゴン，ヘリウム，窒素，酸素及び二酸化炭素から選択される少なくとも１種以上からなることが好ましい。
【００３１】
また、レーザ光により溶融された前記被溶接材の溶融部及びその周辺を保護するシールドガスと、前記細径ノズルを用いてレーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部に吹き付けるガスとは、異なる種類のガスを使用することが好ましい。
【００３２】
こうした構成を有することにより、レーザ照射部に形成されたキーホールの開口部に、細径のノズルを用いて、シールドガスとは別のガスを吹き付け、キーホールの開口部、及びその近傍を押し下げながら溶接を行うことができるので、上記の課題を解決することができる。
【発明の効果】
【００３３】
本発明は、レーザ単独照射においても、より深い溶込みが得られ安定した溶接が可能な溶接方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
図１を参照して、本発明のレーザ溶接方法及び装置の第１の例を説明する。
【００３５】
本実施例のレーザ溶接装置は、図示していないレーザ発振器から照射されたレーザ光１がファイバーにより伝送され、伝送されたレーザ光１を集光し、被溶接材４に照射するレーザ加工ヘッド２と、レーザ光照射部に形成されたキーホール５の上部にガスを吹き付け、くぼみ１０を形成させる細径ノズル９及びレーザ光により溶融された溶融金属６及びその周辺の酸化を防止するシールドガスノズル８を有する。レーザ光１は被溶接材４表面に照射され、キーホール５を形成しながら、被溶接材４を溶融し、溶融金属６形成しながら溶接が進行する。溶融金属６は、凝固し溶接金属７となる。
【００３６】
レーザ光１に溶融されて生じた溶融金属６及び其の周辺はシールドガスノズル８から吹き出されるシールドガスにより雰囲気を形成し、大気の酸素の影響による酸化，ポロシティ等の溶接欠陥の発生から保護される。
【００３７】
また、レーザ光１には、可視光のＨｅ−Ｎｅレーザからなる小出力のパイロットレーザが重畳されており、被溶接材４上のレーザ光１の照射位置を目視で確認できるよう構成されている。
【００３８】
細径ノズル９とシールドガスノズル８は図示しないがおのおの異なるガス調節器を経由して同一或いは異なるガスボンベに接続されており、ガス調整器により、おのおのノズルに供給されるガスの圧力及び流量が調整される。
【００３９】
本実施例では、細径ノズル９とシールドガスノズル８を同軸で構成したが、同軸である必要は無い。また、シールドノズルは、被溶接材の形状等により、前方或いは側面方向に設置してもかまない。また、細径ノズルからのキーホール上部の開口部へのガスの吹き付け方向は前方からでもかまわないが、好ましくは後方の方が、より安定した溶接ビードの形成と深い溶込みが得られるので望ましい。
【００４０】
レーザ溶接の溶け込み深さには、レーザのパワー密度と共に、キーホールの安定性が大きく起因する。特に、溶接速度を落とし、深い溶込みを得ようとする場合には、溶接速度に比し深い溶込みが得られない。
【００４１】
この原因は、前述したように、低溶接速度域では溶融金属の量が多くなるので、キーホール内の圧力と、キーホールに作用する溶融金属の圧力とのバランスがアンバランスになり易いと共に、キーホール内のガス（金属蒸気）噴出がスムースに行われないことが一因にある。
【００４２】
本実施例によれば、プラズマの発生を伴わない波長１１００ｎｍ以下のレーザ光を用い、レーザ光の照射により形成されたキーホールの開口部に、細径ノズルを用いて、溶融部及びその近傍を保護するシールドガスとは別のガスを吹き付け、前記キーホールの開口部、及びその近傍を押し下げながら溶接を行うので、キーホールの開口部が有効的に広げられ、キーホール内のガスの噴出がスムースになるため、キーホールの形成が安定する。
【００４３】
そのため、レーザ光はキーホール内を通って、より深くまで浸入できるので、深い溶込みが得られる。
【００４４】
本実施例は、被溶接材の移動速度である溶接速度に特によらないが、溶接速度が１ｍ／min以下である場合がより効果的である。これは、溶接速度が速くなると、溶融池が長くなるため、キーホールの形成が安定し易いためと思われる。
【００４５】
レーザ光照射部に形成されたキーホール開口部に吹き付ける細径ノズルから噴出されるガスの圧力は、被溶接材上のレーザ照射部における圧力が、１.５ｋＰａ〜６ｋＰａ（大気圧を含まない圧力）であることが望ましい。
【００４６】
図２は細径ノズルから噴出されるガスの圧力と溶込み深さ及び溶接安定領域の関係を示す。ガスの圧力は、被溶接材表面のレーザが照射される位置における圧力を、マノメターを用いて測定した。また。溶接時における圧力の設定は、事前にガス流量とガス圧力の関係を測定しておき、ガス流量を制御する事により、行った。
【００４７】
細径ノズルから噴出されるガスの圧力が増加するに伴い溶込み深さが増大する。細径ノズルから噴出されるガスの圧力が１.５ｋＰａ未満であると、安定した溶接が行えない。
【００４８】
これは、被溶接材４がレーザ光１の照射により溶融され、溶融金属６により形成された溶融池は変動しているので、ガス圧力が低い場合は、溶融金属６を押し下げる作用が小さく、溶融池の変動を抑え、安定してキーホール５の開口部及びその近傍を押し下げることができないためであると思われる。
【００４９】
特に、０.５ｋＰａ〜１.５ｋＰａ未満の圧力では、シールドガスのみの場合より、溶接はより不安定となる。
【００５０】
また、ガス圧力が高くなると、溶融金属を吹き飛ばし、切断に近い状態となるために、溶接ビードの形成が困難となる。
【００５１】
このため、細径ノズルから噴出させキーホール口に吹き付けるガスの圧力を、被溶接材上のレーザ照射部において、１.５ｋＰａ〜６ｋＰａ（大気圧を含まない圧力）とすることにより溶込みが深く、ビード形状の良好な溶接ビードが得られる。
【００５２】
前記レーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部にガスを吹き付ける細径ノズルは、内径が１mm〜４mmのノズルであることが望ましい、細径ノズルの内径が１mm未満であると、押し下げる面積が小さいので、キーホール開口部及びその近傍を安定して押し下げることが出来ない。
【００５３】
また、スパッタ等により噴出口が損傷され易い。反対に、ノズルの内径が大きいと押し下げるのに多量の吹き付けガスが必要になる。また、押し下げる部分の面積が広すぎる場合にも、溶接が不安定となり易い。
【００５４】
本実施例では、レーザ光１の後部より、すなわち、溶接進行方向後方からレーザ光１の光軸３に対して、２０°〜５０°の角度から細径ノズル９を用いてキーホール５の上部の開口部に向けて、ガスを吹き付け、キーホール開口部及びその近傍を押し下げくぼみ１０を形成させながら溶接を行うのが望ましい。
【００５５】
図３は細径ノズルの角度と溶込み深さ及び溶接安定領域の関係を示す。細径ノズルの角度はレーザ光１の光軸３と細径ノズル９なす角度（θ）１１である。細径ノズルの角度１１が４０〜４５°付近で最も深い溶込みが得られる。
【００５６】
また、本実施例の方法を用いれば、細径ノズル角度０°から６０°の広い範囲で、従来法に比べ、深い溶込みが得られる。細径ノズル９から噴出されたガスは、開口部、及びその近傍を押し下げると共に、キーホール５の開口部の前縁にあたり、一部のガスが反射され、キーホール後縁を含む開口部の上部が広げられる。細径ノズル９の角度が大きくなるとキーホール口を押し下げる力に比べ、キーホール開口部の前縁を押す力の方が大きくなるので、開口部前方の溶融金属を吹き飛ばすようになる。
【００５７】
このため、細径ノズルの角度が６０°を超える付近から溶融池内の溶融金属の変動が激しくなり、溶接が不安定となる。そのため、溶込み深さの増加効果は得られなくなる。反対に、細径ノズル９の角度が小さくなる方向は、前述したように、０°であっても、細径ノズルによるガス吹き付け作用を有しない通常のシールドガスのみの溶接に比べ、深い溶込みが得られるが、キーホール開口部に対して、垂直方向より斜め上方から、ガスを吹きつけた方が、開口部を広げる作用が大きくなるので、細径ノズル９の角度が大きくなるに伴い、溶け込み深さは増大し、溶接の安定性はより高くなり、溶接の安定性は２０°付近でほぼ、飽和する。このため、溶込みが深く、ビード形状の良好な溶接ビードを得るためには、細径ノズル９の角度は２０°〜５０°とすることが最も望ましい。
【００５８】
レーザ光照射部に形成されたキーホール開口部に吹き付けるガスは、アルゴン，ヘリウム，窒素，酸素及び二酸化炭素からなる群より選択される少なくとも１種以上からなるガスが好ましい。特に、キーホール口にむけて噴出されるので、キーホール内に採りこめられてもポロシティと呼ばれる気泡を生じない溶接金属に溶解され易いガスが好ましい。
【００５９】
オーステナイト系ステンレス鋼では、窒素ガス，炭素鋼では二酸化炭素ガスが好ましい。
【００６０】
また、シールドノズルから放出させるシールドガスは、溶接金属及び周辺部の酸化防止が主目的なためアルゴン，ヘリウム，窒素のような不活性ガスが望ましい。
【００６１】
また、前記レーザ光により溶融された前記被溶接材の溶融部及びその周辺を保護するシールドガスと、前記細径ノズルを用いてレーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部に吹き付けるガスとは、同種のガスを用いても、異なる種類のガスを用いてもよい。
【００６２】
本実施例の方法では、上述したように細径のノズル９を用いて、レーザ光照射部に形成されたキーホール５開口部にガスを吹き付け、開口部及びその近傍を押し下げながら溶接を行う。この場合、細径ノズルから噴出されたガスの被溶接材への吹き付け位置は、溶接開始前に、被溶接材のレーザ照射位置に、細径ノズルから噴出されたガスが当るように、細径ノズル９の溶接方向の位置は設定される。
【００６３】
しかし、溶接時には、細径ノズル９からのガスで溶融金属６が押し下げられる分だけ、キーホール開口部の位置は、溶接開始前に設定された被溶接材４上でのレーザ照射位置より、板厚方向にずれる。そのため、これを考慮して、溶接前に、被溶接材４へ細径ノズル９から噴出されたガスが当る位置の設定を行う必要がある。
【００６４】
この位置は、実験により確認した結果、被溶接材４のレーザ光が照射される面において、細径ノズル９の中心線の延長線が被溶接材４のレーザ光が照射される面と交わる位置とレーザ光１の光軸３が被溶接材のレーザ光が照射される面と交わる位置の距離を０から溶接進行方向から反対方向３mmまでの位置に設定することが好ましい。
【００６５】
レーザ溶接では、レーザ光１の焦点位置を、被溶接材４のレーザ照射される面の表面或いは被溶接材の板厚方向の所定位置に設定して溶接を行う。この位置は、焦点はずし距離１２（Ｄｆ）と呼ばれている。焦点はずし距離は、あらかじめ、確認試験により焦点はずし距離と溶込み深さの関係を求めておき、最も溶込みが深くなる焦点はずし位置に焦点位置を設定し溶接を行っている。本発明の方法では、上述したように、キーホール５開口部にガスを吹き付け、開口部及びその近傍を押し下げながら溶接を行うので、従来法の溶接時に比べ、キーホール開口面は、溶融池の表面より押し下げられた分、板厚方向に下がる。
【００６６】
また、本実施例の方法では、上述したように、キーホール内のガスの噴出がスムースになるため、キーホールの形成が安定し、レーザ光はキーホール内を通って、より深くまで浸入できる。
【００６７】
このため、本実施例の方法では、従来法の焦点はずし距離より、板厚方向に３mm〜１０mm大きい位置に設定するのが望ましい。キーホール口の押し下げられる分が１〜５mm、吹き付け効果により開口部が広げられたための効果分が２〜５mmである。
【００６８】
すなわち、従来法のレーザ溶接で深い溶込みを得るための溶接では、焦点はずし距離は０〜４mm（板厚方向）が用いられているので、本実施例の方法を用いて溶接を行う場合の焦点はずし距離は３〜１４mmが好ましい。
【００６９】
図４は、本発明の実施例の溶接装置を用いて溶接した溶接部の断面の模写図を示す。比較として従来法で溶接を行った溶接部の断面の模写図を示す。
【００７０】
溶接材料はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）、レーザは波長１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧレーザ装置を用いた。レーザ出力は４ｋＷ、溶接速度は０.３ｍ／min、である。細径ノズルは内径２mmのものを使用した。細径ノズルからの吹き付けガスの圧力は３.５〜４ｋＰａである。また、ノズル角度は４５°である。シールドガスノズルの内径は２０mmである。ノズルから吹き出すガスは細径ノズル及びシールドガスノズルとも、窒素ガスを用いた。焦点はずし距離は、４mm（板厚方向）である。
【００７１】
なお、従来法の場合は０mmである。シールドガスの流量は５０Ｌ／minである。シールドガスの圧力は、測定したところ、被溶接材表面で約０.０１〜０.０２ｋＰａであった。
【００７２】
従来法のビードは表面ビード幅が広いＴ型の溶込み形状を示しているのに対し、本実施例の方法のビードは表面ビード幅の狭い、棒状の溶込み形状である。従来法の溶込み深さは７.５mmであるのに対し、本方法の溶込み深さは１１.５mmであり、本方法を用いることにより、深い溶込みを得ることが出来る。
【００７３】
本実施例では、細径ノズルとシールドガスノズルとも、同種のガスを用いたが、異なるガス用いても良い。また、ビードの表面が酸化しても問題の無い部材の溶接の場合には、シールドガスノズルが無くても良いことは言うまでも無い。
【００７４】
図５に本発明実施例による溶接時の撮影画像の模写図を示す。レーザ光及びキーホール部から噴出されるプルーム（金属蒸気）の光は特殊フィルターを用いて除去している。細径ノズルから噴出されたガスにより、レーザ光に照射部が押し下げられ、凹みを生じながら溶接が行われている。
【００７５】
図６にシールドノズルを溶接方向の前方に配置した本発明実施例の溶接装置の構成を示す。図示していないレーザ発振器からファイバーを用いて伝送されたレーザ光は加工ヘッド２で集光され被溶接材４に照射される。細径ノズル９はレーザ光１の後方より光軸３と３０°の角度をなして構成されている。
【００７６】
シールドガスノズル８はレーザ光の前方にレーザ光の光軸と４５°の角度をなして構成されている。
【００７７】
本溶接装置を用いて板厚４０mmの第１の部材である被溶接金属１３と第２の部材である被溶接金属１４を突合せた継手の両面溶接を行った。レーザ発振器は波長１０７０ｎｍのレーザ光を出力するファイバーレーザ装置を用いた。
【００７８】
被溶接材料はオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）、レーザ出力は１０ｋＷ、溶接速度は０.３ｍ／min、である。細径ノズルは内径２mmのものを使用した。細径ノズルからの吹き付けガスの圧力は３〜３.５ｋＰａである。また、細径ノズル口と被溶接材表面との距離は６mmである。シールドガスノズルの内径は２０mmである。ノズルから吹き出させるガスは、細径ノズルは窒素ガス、シールドガスノズルは、窒素とヘリウムの混合ガスを用いた。焦点はずし距離（Ｄｆ）は、１２mm（板厚方向）である。
【００７９】
図７に溶接断面の溶込み部の模式図を示す。片面各１パスの２パスの溶接ビード（１５ａ，１５ｂ）で４０mm板厚を溶接することが出来、ポロシティ等の溶接欠陥のない溶接継手が得られた。本発明の実施例では、溶接金属部に溶加材を添加しなかったが、溶加材を添加しながら溶接を行っても良い。
【００８０】
図８に図６の構成の溶接装置を用いてＴ型溶接継手の溶接を行った溶接部の断面の模式図を示す。第１の部材である被溶接金属１３と第２の部材である被溶接金属１４をＴ型に組み合わせ両面より本方法により溶接を行った。被溶接材料は第１及び第２の部材とも炭素鋼である。また、第２の部材の板厚は３２mmである。レーザ装置は、波長１０７０ｎｍのファイバーレーザを用いた。溶接条件はレーザ出力１０ｋＷ、溶接速度は０.５ｍ／minである。細径ノズルは内径２mmのものを使用した。細径ノズルからの吹き付けガスの圧力は２.３〜２.７ｋＰａ、細径ノズル口と被溶接材表面との距離は６mmである。シールドガスノズルの内径は２０mmである。ノズルから吹き出させるガスは、細径ノズルは二酸化炭素ガス、シールドガスノズルは、アルゴンガスを用いた。焦点はずし距離（Ｄｆ）は、１２mm（板厚方向）である。本発明の方法で溶接することにより溶接欠陥の無い良好なビードが得られた。
【００８１】
図９にレーザ光の光軸３と細径ノズル９及びシールドガスノズル８の中心軸が同軸からなる本発明実施例の溶接装置示す。レーザ光１は光軸３と同軸に配置された細径ノズル９を通って被溶接材４上に照射され、被溶接材４を溶融し、キーホール５を形成しながら溶接が行われる。溶融された溶融金属６により溶融プールが形成され、溶融金属６が凝固し溶接金属７を形成する。先端が細く絞られた細径ノズル９から、レーザ光１と共にガスが噴出される。吹き出されたガスは被溶接材４上に照射され、溶融プール内に形成されたキーホール上部の開口部および周辺部を押し下げ、くぼみ１０を形成する。溶融プール及びその周辺部は、光軸と同軸に配置されたシールドガスノズル８から吹き出されるシールドガスによりシールドされる。レーザ光の照射角度は、被溶接材の垂直方向より、溶接進行方向と反対方向に１０°傾けた方向とした。
【００８２】
図１０に本発明の装置を適用して溶接を行った構造物の溶接部を説明するための模式図を示す。オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる円筒形の部材１７に同種のオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる円板１８をはめ込み、はめ合わせ突合せ部の円周シール溶接に本発明の溶接方法を適用した。円板の厚さは８mmである。レーザ発振機はＮｄ：ＹＡＧレーザ装置（波長１０６４ｎｍ）を用いた。溶接条件は、レーザ出力４ｋＷ，溶接速度０.３ｍ／min、である。細径ノズルは内径３mmのものを使用した。細径ノズルの噴出ガスは窒素ガス、吹き付けガスの圧力はは３ｋＰａである。シールドガスは窒素ガスである。細径ノズルの吹き付けガスの圧力は、溶接開始前、圧力センサーを用いて、被溶接材表面のレーザ照射位置における圧力が所定の圧力になるよう、ガス流量を調整し、その流量を用いて溶接を行った。なお、細径ノズル先端と被溶接材表面間の距離は５mm、シールドノズル先端の端面と被溶接材表面間の距離は３mmとした。シール部の突合せ部は完全に溶融され、溶接欠陥のない良好な溶接部が得られた。
【００８３】
本実施例によると、溶接速度１ｍ／min以下の領域でも、安定した溶接が可能となると共に、溶込みが深く、ポロシティ等の溶接欠陥のない、高品質で安定した溶接ビードが得られる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明のレーザ溶接方法は、特に、中厚板及び厚板の鋼板の溶接に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明のレーザ溶接方法及び溶接装置の一実施形態を説明するための模式図。
【図２】本発明の細径ノズルから噴出されるガスの圧力と溶込み深さ及び溶接安定領域の関係の説明図。
【図３】本発明の細径ノズルの角度と溶込み深さ及び溶接安定領域の関係の説明図。
【図４】本発明の実施例の溶接装置を用いて溶接した溶接部の断面形状の模写図。
【図５】本発明実施例による溶接時の模写図。
【図６】シールドノズルを溶接方向の前方に配置した本発明実施例の溶接装置の一実施形態を説明するための模式図。
【図７】本発明の実施例の溶接部断面を説明するための模式図。
【図８】本発明の実施例の溶接部断面を説明するための模式図。
【図９】本発明のレーザ溶接方法及び溶接装置の一実施形態を説明するための模式図。
【図１０】本発明の実施例の溶接部を説明するための模式図。
【符号の説明】
【００８６】
１ レーザ光
２ レーザ加工ヘッド
３ 光軸
４ 被溶接材
５ キーホール
６ 溶融金属
７ 溶接金属
８ シールドガスノズル
９ 細径ノズル
１０ くぼみ
１１ レーザ光の光軸と細径ノズルなす角度（θ）
１２ 焦点はずし距離
１３ 第１の部材
１４ 第２の部材
１５ａ，１５ｂ 突合せ溶接の溶接ビード
１６ａ，１６ｂ Ｔ型隅肉溶接の溶接ビード
１７ 円筒部材
１８ 円板
１９ 溶接部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１１００ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を、加工ヘッドを用いて集光し、被溶接材に照射し、キーホールを形成し、
前記レーザ光により溶融された前記被溶接材の溶融部及びその周辺を、シールドガスを用いて保護し、
前記加工ヘッド、又は、前記被溶接材を、移動させながら溶接を行うレーザ溶接方法において、
前記レーザ光のレーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部に、細径ノズルを用いて、前記シールドガスとは別にガスを吹き付け、前記キーホールの開口部、及びその近傍を押し下げながら溶接を行うことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記被溶接材のレーザ照射部において１.５ｋＰａ〜６.０ｋＰａの圧力で前記ガスを吹き付けることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記レーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部にガスを吹き付ける細径ノズルは、内径が１mm〜４mmのノズルであることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項４】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
溶接進行方向後方から、前記レーザ光の光軸に対して、２０°〜５０°の角度から、前記レーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部にガスを吹き付けることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項５】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記シールドガスのノズルと前記細径ノズルとが同軸であることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項６】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記加工ヘッド、又は、前記被溶接材の、移動速度である溶接速度が、１ｍ／min以下であることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項７】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記加工ヘッドを用いて集光されたレーザ光の焦点位置を、前記被溶接材の表面より、板厚方向で、３mm〜１４mmの位置とすることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項８】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記レーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部に吹き付けるガスは、アルゴン，ヘリウム，窒素，酸素及び二酸化炭素から選択される少なくとも１種以上からなることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項９】
請求項１記載のレーザ溶接方法において、
前記レーザ光により溶融された前記被溶接材の溶融部及びその周辺を保護するシールドガスと、前記細径ノズルを用いてレーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部に吹き付けるガスとは、異なる種類のガスを使用することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項１】
１１００ｎｍ以下の波長を有するレーザ光を、加工ヘッドを用いて集光し、被溶接材に照射し、キーホールを形成し、
前記レーザ光により溶融された前記被溶接材の溶融部及びその周辺を、シールドガスを用いて保護し、
前記加工ヘッド、又は、前記被溶接材を、移動させながら溶接を行うレーザ溶接方法において、
前記レーザ光のレーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部に、細径ノズルを用いて、前記シールドガスとは別にガスを吹き付け、前記キーホールの開口部、及びその近傍を押し下げながら溶接を行うことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記被溶接材のレーザ照射部において１.５ｋＰａ〜６.０ｋＰａの圧力で前記ガスを吹き付けることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記レーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部にガスを吹き付ける細径ノズルは、内径が１mm〜４mmのノズルであることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項４】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
溶接進行方向後方から、前記レーザ光の光軸に対して、２０°〜５０°の角度から、前記レーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部にガスを吹き付けることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項５】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記シールドガスのノズルと前記細径ノズルとが同軸であることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項６】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記加工ヘッド、又は、前記被溶接材の、移動速度である溶接速度が、１ｍ／min以下であることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項７】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記加工ヘッドを用いて集光されたレーザ光の焦点位置を、前記被溶接材の表面より、板厚方向で、３mm〜１４mmの位置とすることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項８】
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記レーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部に吹き付けるガスは、アルゴン，ヘリウム，窒素，酸素及び二酸化炭素から選択される少なくとも１種以上からなることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項９】
請求項１記載のレーザ溶接方法において、
前記レーザ光により溶融された前記被溶接材の溶融部及びその周辺を保護するシールドガスと、前記細径ノズルを用いてレーザ照射部に形成された前記キーホールの開口部に吹き付けるガスとは、異なる種類のガスを使用することを特徴とするレーザ溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１６６０８０（Ｐ２００９−１６６０８０Ａ）
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６３６２（Ｐ２００８−６３６２）
【出願日】平成２０年１月１６日（２００８．１．１６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１６日（２００８．１．１６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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