WO2002060634A1

WO2002060634A1 - Procede de soudage au laser

Info

Publication number: WO2002060634A1
Application number: PCT/JP2001/007703
Authority: WO
Inventors: Susumu Tsukamoto; Isao Kawaguchi; Goro Arakane; Hiroshi Honda
Original assignee: National Institute for Materials Science; Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp; National Institute for Materials Science
Priority date: 2001-02-01
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2003-08-01
Also published as: US6900410B2; US20040026381A1

Description

明細書レーザ溶接方法技術分野

この出願の発明は、レーザ加工機を用いたレーザ溶接方法に関し、レーザ溶接において、パルス出力に、波形を制御した出力の周期的な変動を付与することにより、溶融金属の周期的な流動を活発にし、これにより溶接欠陥の発生を効果的に防止することのできる、新しいレーザ溶接方法に関するものである。背景技術

近年、レーザ発振器の大出力化が飛躍的に進み、深溶込み ·高速溶接への適用が期待されている。

このような環境において、発明者は、かつ高強度高靱性の溶接構造物を構築することを目的として、大出力レーザによる小入熱深溶込み溶接の検討を行ってきた。

上記の目的を達成する上で最も大きな問題は、深溶込み深さの増加に伴いキーホールを安定的に維持することが困難となり、ポロシティ、ブローホール、割れなどの欠陥が発生しやすくなることであった。

その結果、これらの欠陥を防止するには、キーホール及びその周辺で起こる現象を適切に制御する必要があるとの知見を得た。

そして、これを実現する一つの手段として、パルス波形及び、ピーク出力とベース出力の比が欠陥の抑制に与える影響についての検討から、レーザ出力に適切な周波数及び波形で変調を付与することにより、溶融金属の流動制御を試み、溶接欠陥の発生を大幅に抑制することができることを見出した。

出力変動の波形制御を使用したパルス溶接法としては、 Y A Gレーザにおいて、ブローホール、割れ、スパッタを防止しょうとする例がある。しかし、出力変動の周波数は、溶融池の固有振動周波数を用いておらず、このため、溶融金属の周期的な流動を活発にするというものではなく、深溶け込み溶接時に欠陥を防止するには充分ではない。

また、亜鉛メツキ鋼板のポロシティをパルス振動によって防止しようとする例もある。しかし、この場合も、亜鉛の高い蒸気圧に起因して発生する欠陥の発生機構と全く異なるものであり、かつ対象とする材料並びに溶込み深さが特異なものであった。

そこで、この出願の発明は、発明者により得られた知見に基づいて、従来技術の問題点を解消し、溶融欠陥の発生を防止し、高品質な溶接継手を提供することができる、レーザによる深溶込み溶接技術を広範囲な材料加工に適応することも可能となる、新しいレーザ溶接方法を提供することを課題としている。発明の課題

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第 1 には、出力のパルス変調を行うレーザによるキーホール溶接において、金属溶融池の固有振動数と一致した周波数でレーザ出力を周期的に変動させて溶接することを特徴とするレーザ溶接方法を提供する。

また、この出願の発明は、第 2には、大出力の C 0 ₂レーザによる深溶込み溶接を行うことを特徴とする上記のレーザ溶接方法も提供する。そして、この出願の発明は、第 3には、レーザを用いたキーホール溶接において、溶融池の固有振動と一致した周波数で、かつ波形を制御したレ一ザ出力の変動を付与するレーザ溶接方法であって、レーザ出力の立ち上がり変動に勾配を与えることを特徴とするレーザ溶接方法を提供し、第 4 には、レーザ出力の降下変動に勾配を与えることを特徴とするレーザ溶接方法を提供し、第 5には、レーザ出力の立ち上がり変動並びに降下変動のいずれにも勾配を与えることを特徴とするレーザ溶接方法を提供する。さらにまた、この出願の発明は、第 6には、上記いずれかの方法において、ベース出力（W B ) と " —ク ¾力— ( W P ) どの比ズ WB Wp)-を 0 . 6以下とすることを特徴とするレーザ溶接方法も提供する。

以上のとおりの、この出願の発明によれば、レーザ加工機を用いたキーホール溶接において、溶融池の固有振動と一致した周波数で、かつ波形を制御したレーザ出力の変動を付与することによリ、溶融金属の周期的な流動を活発にし、ポロシティ一、ブローホール及び割れ等の溶接欠陥の発生を効果的に防止することができる。図面の簡単な説明

図 1 は、キーホールレーザ溶接について説明した概要図である。

図 2は、実施例で使用した出力波形を例示した図である。図中 W Pはピーク出力、 WBはベース出力を示す。

図 3は、溶融池の動きを説明する模式図である。

図 4は、欠陥発生を防止するために使用した出力波形の一例を示す図である。

図 5は、周波数とポロシティ発生率の関係を示し、共振周波数で最もポ口シティ発生率が小さくなることを示している。

図中 P rは欠陥発生率（溶接金属の面積に対する検出された欠陥面積の総和の割合（％) ) を示す。

図 6は、パルス出力の降下時間を 0とする条件において、パルス出力の立ち上がり時間 t uが欠陥発生率 P rに及ぼす影響を示す図である。

図 7は、パルス出力の立ち上がり時間 t u = 1 0 ms—定の条件において、降下時間 t dが欠陥発生率 P rに及ぼす影響を示す図である。

図 8は、欠陥発生状況の X線検査結果の比較図であり、（a ) は通常の C W (連続）溶接における X線検査結果を、（b ) は実施例の適正条件における X線検査結果を、それぞれ示す。

なお、図中の符号は次のものを示す。

t u 立ち上がり時間

t p ピーク出力時間

t d 降下時間

t b ベース出力時間

W P ピーク出力

WB ベース出力

P r 欠陥発生率発明を実施するための最良の形態

この出願の発明は、上記のとおりの特徴を有するものであるが、以下にその実施の形態について説明する。

すなわち、まず、この出願の発明は、レーザを用いたキーホール溶接において、溶融池の固有振動と一致した周波数でレーザ出力を変動することにより、ポロシティ一、ブローホール及び割れ等の溶接欠陥を効果的に防止することを特徴としている。

概略的に説明すると、たとえば、図 1 に示すように、レーザにより溶接を行う場合、溶込みが深くなるに従って、キーホールの安定な形成が困難となり、これにともなってポロシティ（空孔）などの溶接欠陥が発生しやすくなる。このようなキーホール溶接において、図 2に示したような出力のパルス変調を行ったレーザにより溶接を行うと、図 2とともに図 3にも例示したように、パルスが立ち上がる（図 2 t 1、図 3 ( a ) ) 時点で、激しいプラズマの発生を伴って大量の溶融金属がキーホール内部から噴出する（図 3 ( b ) )。噴出した溶融金属は、波動として溶接池表面を後端に向かって移動し（図 3 ( c ) )、ここで反射した後（図 3 ( d ) ) 再びキ一ホールへと戻る（図 3 ( e ) ( f ) )。そこで、この出願の発明においては、この溶融金属の移動について、出力の変動周波数を溶融池の往復運動の周波数すなわち溶融金属の固有振動周波数に一致させる。このようにすることで、溶融池の共振により溶融金属の流動を活発にすることができ、これによリ上記溶接欠陥の発生を防止することができる。なお、出力の周期的な振動は、溶融金属の共振周波数で行えば、矩形パルス波形だけでなく他のあらゆる波形でも実現することができる。

以上のことからも明らかなように、この出願の発明においては、「金属溶融池の固有振動数」は、溶融した金属の表面で発生する波の往復運動の周波数を意味している。従って、この発明では、出力のパルス変調を行ってのレーザ溶接において、パルスレーザ出力をこの往復運動の周波数に一致させて周期的に変動させることになる。

従来では、 Y A Gレーザ溶接を中心にレーザの出力変動により、プロホール、割れ、スパッタ等の溶接欠陥を防止しょうとする方法が知られているが、この出願の発明のように、金属溶融池の固有振動に着目し、これと一致した周波数の出力変動により欠陥を防止した例は全く知られていない。また、亜鉛メツキ鋼板のポロシティをパルス発振によって防止した例も知られているが、亜鉛の高い蒸気圧に起因して発生する欠陥の発生機構はこの出願の発明で対象とした欠陥の機構と異なるものであり、したがって防止手法も本質的に相異している。

もちろん、この出願の発明においては、対象とする被溶接材と、溶接材料の種類に特段の限定はなく、レーザによるキーホール溶接についての基本技術としてこの出願の発明は重要である。また、レーザ発振装置についても同様に各種のものであってよい。出力をパルス変調可能としているものであればよい。

なかでも、この出願の発明は、大出力レーザとして c o ₂レーザを用いての高品質深溶込み溶接に好適に適用されることになる。

そして、実際の溶接操作においては、溶融金属表面の波の移動を高速度力メラ等で観察することによって、レーザ出力のパルス変調の周波数を溶融金属の固有振動周波数にその場で一致させてもよいし、あらかじめ一致させることが検証された周波数にレーザ出力のパルス周波数を設定するようにしてもよい。

次にこの出願の発明について、ピーク出力（W P) や焦点外し距離、シ一ルドガス条件、溶接速度一定のもとで、パルス波形や、ベース出力（W B) 等がポロシティの制御に及ぼす効果について、また、パルス立ち上がり時間（ t u)、ピーク出力時間（ t p) がポロシティの発生に及ぼす影響等についてまず説明する。

出力周波数とともに、図 4に示すパルス立ち上がり時間（ t u)、ピーク出力時間（ t p)、パルス降下時間（ t d)、ベース出力時間（ t b)、ピーク出力（W P)、ベース出力（WB) をそれぞれ以下のように制御することにより、欠陥を制御することができる。 (a) レーザ出力のパルス周波数については、溶融池の固有振動周波数に一致させる。この際のパルス波形の例が図 1 に例示される。パルス周波数の溶融池の固有振動周波数との一致により、溶融金属の周期的な流動を活発にすることができる。

( b) ベース出力（W B) とピーク出力（W P) の比（WB/WP) については、この値をできる限り小さくすることにより、溶接池振動の振幅を大きくし、周期的な溶接金属の流動を活発にすることができる。

(c) パルス立ち上がり時間（ tu) については、 WBZWPを小さくすると、急激な出力変動時に、スパッターが発生しやすくなる。

また、立ち上がりの勾配を小さくしすぎると周期的な流動が緩慢となるため、 t uは、スパッターが発生しない程度に短くすることが必要である。

(d) パルス降下時間（ t d) については、ベース出力（WB) からピーク出力（WP) への変化に伴い、キーホールサイズが急激に小さくなる。このため、キーホール内部への溶接金属の急激な流入に伴う欠陥の発生を防止するため、降下の勾配を付ける必要がある。パルス降下時間（ t d) は、この欠陥を防止できる時間にすることが好ましい。

(e) ピーク出力時間（ t p) については、 t p が長すぎると、間欠的な噴出が t p (ピーク出力時間）の間に発生し、出力変動にょリ付与している周期的な流動を擾乱する。したがって、 t pは間欠的な噴出が起こらない程度に短くすることが好ましい。

なお、通常の CW (連続）溶接では、自然発生的にキーホールから間欠的にランダムな周波数で溶接金属の噴出が起こる。

( f ) ベース出力時間（ t b) については、出力の変動に対する溶融金属の応答は速くないため、 t bが短すぎると、出力変動により付与している溶融金属の振動の振幅が小さくなる。このため、振幅に影響しない程度の時間が必要である。

以上のとおりの諸点を踏まえてこの出願の発明は構成されているものである。そしてこの出願の発明における「勾配」については、ベース出力（W B) からピーク出力（W P)、あるいは逆にピーク出力（W P) からべ一ス出力（WB) を直接的に、もしくはほぼ直線的に推移させた場合の時間に対する出力の変化の状態を示している。

そこで、以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、以下のま発明を跟定するもではな、。実施例

<実施例 1 >

パルス変調を行った CO ₂レーザを用いて、一般溶接構造用鋼 S M 4 9 0 Cの部分溶込み溶接を行った。シールドガスには H eを用い、流量 5 0 L/m i nでサイドシールドを行った。

出力波形は、図 2に示すような矩形波を用い、ピーク出力 WPを 2 O k W、ベース出力 WB を 1 2 k Wに設定した。また、デューティーは 50 % 及び 70 %の 2種類を選択し、種々の周波数のもとで、ビード才ンプレー卜溶接を行った。溶接欠陥の検出は、溶接試験片の側面から、レーザビー厶軸及び溶接線と直角方向に照射した X線検査にょリ行った。溶接金属の面積に対する検出された欠陥面積の総和の割合（％) を欠陥発生率 P r と定義し、 P rにより欠陥の抑制効果を評価した。図 5は、種々の周波数のもとで Pr を測定した結果を示すが、デューティーが 5 0 %の時は 1 6 H z、 7 0 %の時は 1 3 H zの周波数でそれぞれ欠陥が最も効果的に抑制された。

このような条件のもとで、溶接中に溶融池表面の動きを高速度カメラで観察した。その結果、図 3に模式図に示すように、レーザ出力がベース出力 WBからピーク出力 W Pへ立ち上がるときに発生する波が溶融池後端に向かって進み、後端で反射した後再びキーホールへ向かう現象が観察された。この波の往復運動すなわち固有振動の周波数 f は、溶融池の長さをし、波の速度（溶接速度）を Vとしたとき、以下の式で示される。

f = v / 2 L ( 1 )

表 1に、デューティが 5 0 %及び 7 0 %の時に高速度撮影により求めたし、 V及び（1 ) 式から求めた f の値を示す。表 1 より、いずれのデューティーにおいても、欠陥が効果的に抑制されるパルス変調周波数と溶融池の固有振動周波数が良く一致していることがわかる。したがって、溶融池の固有振動と共振した周波数でレーザ出力を周期的に変動させることにより、ポロシティ一等の溶接欠陥が効果的に防止できることが実証された c 表 1

<実施例 2 >

パルス変調を行った C O ₂レーザを用いて、一般溶接構造用鋼 S M 4 9 0 Cの部分溶込み溶接を行った。シールドガスには H eを用い、流量 5 0 L / m i nでサイドシールドを行った。

出力波形は、図 4に示すような台形波形を用い、ピーク出力 W Pを 2 0 k W、ベース出力 WBを 8 k Wに設定し、立上がり時間 t u及び立下り時間 t d を変化させた。また、デューティは 5 0 %でビードオンプレー卜溶接を行った。このときの溶込み深さは約 2 O mmである。

溶接欠陥の検出は、溶接試験片の側面から、レーザビーム軸及び溶接線直角方向に照射した X線検査により行った。溶接金属の面積に対する検出された欠陥面積の総和の割合（％) を欠陥発生率 P rと定義し、 Prによリ欠陥の抑制効果を評価した。

図 6は、パルス降下時間 t dを 0秒（ t d=0 ms)とした条件下において、パルス立上がリ時間 t uが欠陥発生量へ及ぼす影響について示す。

パルス立上がり時間 t uを小さくした領域の短時間の場合には、スパッ夕の発生率が著しく、これに伴って、アンダーフィルやポロシティ等の発生が顕著となった。

また、パルス立上がり時間 t u が増加すると、上記のようなスパッ夕の発生が抑えられ、正常なビードの形成が可能となり、 t u=1 Omsのときに最も欠陥が抑制されるものであった。このこように、 t u の増加が、効果的な欠陥抑制の要因の一つになっていることが判る。

しかし、 t u=1 Omsを超えてさらに t uを長くすると、溶融池に与える周期的な振動が緩やかになり、ポロシティが再び発生しやすくなるものであった。

なお、図中の Prは欠陥発生率を表し、欠陥発生率は溶接金属の面積に対する検出された欠陥面積の総和の割合（％) を示すものである。

前記実験例より、 t u=1 Omsで欠陥が最も抑制されることが判ったため，次にパルス立上がり時間 t u=1 Oms—定とする条件の下で、降下時間 t d を変化させた場合の欠陥発生率への影轡について評価した。

図 7は、その結果を示している。

図 7において、降下時間 t d を長くすることにより、 P r が減少し、 t d=2 Oms である場合に最も欠陥が抑制されることを示している。これは、 WP から WBへ急激に出力が変化すると、キーホール周辺の溶融金属が急激にキーホール内に流入し、ポロシティが残存しやすくなるのに対し、これを緩やかに変化させることにより欠陥発生を防止できるためである。降下時間 t dの増加も、効果的な欠陥抑制の要因になっていることが判る。また、降下時間 t d についても、上記立上がり時間 t u と同様、最適値が存在し、降下時間 t d=2 Omsのときで最も欠陥が抑制されている。

しかし、降下時間 t dが 2 Omsょリさらに長くなり過ぎると、再び、欠陥の抑制効果が低下する。これは、立下^诗闖 ΐ iiの増加 1こ伴うてベース出力時間 t b が短くなリ、キーホールが完全に小さくなる前にレーザ出力が立ち上がり、このときの溶融池に与える振動の振幅が小さくなるためである。

図 8は、 CW (連続）溶接の場合と、この出願の発明による最適条件下で、波形制御を用いたパルス溶接の場合における欠陥発生状況の X線検査結果を、比較して示している。

CW (連続）溶接において、 1 8. 3 kWの出力の溶接の場合で、欠陥発生率は、 P r= 1 . 5 %であった。一方、この出願の発明における実施例で得られた最適条件、すなわち、 WB= 8KW、 W P = 2 0KW、 t u= 1 0、 t d= 2 Omsとした場合における欠陥発生は、 Pr= 0. 1 %であった。これによつて、この出願の発明は、最適条件下でのレーザ溶接方法による場合、欠陥発生率が、 CW (連続）溶接と比較して 1 1 5に減少する結果が得られ、非常に効果的に欠陥の発生が抑制されるものであった。上記実施例において、ベース出力とピーク出力の比（WBZWP) は 0. 4の場合に、効果的な欠陥発生抑制効果を得ることができるものであったが、（WBZWP) は 0. 6の場合にも、同様の効果を得ることができた。この場合、矩形が最も欠陥抑制に効果的であった。産業上の利用可能性

この出願の発明によれば、レーザ加工機を用いたキーホール溶接において、溶融池の固有振動と一致した周波数で、かつ波形を制御したレーザ出力の変動を付与することにより、溶融金属の周期的な流動を活発にし、ポ口シティ一、ブローホール及び割れ等の溶接欠陥の発生を効果的に防止することができる。

また、この出願の発明によれば、特に深刻な問題である溶接欠陥の防止方法を必要とする厚板の溶接においても適用可能なものとして提供することができる。これによリ、従来困難であった厚板の高品質レーザ溶接が可能となり、レーザ溶接の適用分野の拡大が期待される。

さらに、この出願の発明によれば、厚板の高能率溶接が可能となり、生産ラインにおけるコス卜低減が期待できる。

Claims

請求の範囲

1 . 出力のパルス変調を行うレーザによるキーホール溶接において、金属溶融池の固有振動数と一致した周波数でレーザ出力を周期的に変動させて溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。

2. C0₂レーザにより溶接することを特徴とする請求項 1のレーザ溶接方法。

3. レーザを用いるキーホール溶接において、レーザのパルス出力を、溶融池の固有振動と一致した周波数で周期的に変動させるとともに、レーザ出力の立ち上がリ変動に勾配をつけることを特徴とするレーザ溶接方法。

4. レーザを用いるキーホール溶接において、レーザのパルス出力を、溶融池の固有振動と一致した周波数で周期的に変動させるとともに、レーザ出力の降下変動に勾配をつけることを特徴とするレーザ溶接方法。

5. レーザ出力の立ち上がり変動にも勾配をつけることを特徴とする請求項 4のレーザ溶接方法。

6. ベース出力（W B) とピーク出力（W P) との比（WB/W P) を 0. 6以下とすることを特徴とする請求項 3ないし 5のいずれかのレーザ溶接方法。