WO2005082568A1 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

レーザ出力に制御された波形および周波数の変動を付与することにより溶接欠陥の発生を防止するレーザ溶接方法において、レーザ溶接部で発生するプラズマもしくはプルームの発光強度の時間変化を検出し、発光強度の時間変化とレーザ出力の変動が対応するようにレーザ出力変動条件を設定してレーザ溶接を行い、レーザ出力に適切な波形ならびに周波数で変動を付与して溶接欠陥の発生を防止するレーザ溶接方法において、より簡便かつ確実にレーザ出力変動条件の最適化を行うことのできる、新しいレーザ溶接方法とする。

Description

レーザ溶接方法 技術分野

この出願の発明は、 レーザ溶接方法に関するものである。 さらに詳し くは、 この出願の発明は、 レーザ出力に適切な波形ならびに周波数で変 動を付与することにより、 ポロシティ、 ブローホールおよび割れ等の溶 接欠陥の発生を防止するレーザ溶接方法において、 より簡便かつ確実【こ レーザ出力変動条件の最適化を行うことのできる、 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、 これを深溶け込み · 高速溶接へ適用することが期待されている。 しかし、 深溶け込みにおレ ては、 溶込みが深くなるにしたがいレーザ照射部で形成されるキーホー ルを安定に維持することが困難となり、 これに基づき、 ポロシティ、 づ ローホール、 割れなどの溶接欠陥が発生しやすくなるという問題がある。 そのため、 レーザ技術を構造材などを含む広範囲な材料加工に適用する ためには、 この うな溶接欠陥を確実に防止する技術が必要不可欠とな る。

これに対して、 この出願の発明者らは、 レーザ出力に周期的な変動を 付与し、 その周波数を溶融池の表面で発生する波の固有振動周波数と一 致させることにより、 効果的に溶接欠陥を防止する技術を提案している

(例えば、 特許文献 1参照）。 より具体的には、 この出願の発明者ら：^ 既に提案したレーザ出力に周期的な変動を付与した溶接においては、 レ —ザ出力がベース出力からヒーク出力へと急激に上昇するときに、 添付 した図面の図 1に示したように、 キーホール内部から大量の溶融金属:^ 噴出し、 溶融池表面に波を発生させる。 この波は溶融池を後方へと伝播 し、 後端で反射した後、 再ぴキーホール内へと戻る動きをとる。 このと きの溶融池における波の往復運動の周波数、 すなわち波の固有振動周波 数 (Hz) は、 キーホールから後方の溶融池長さを L (mm), 波の 伝播速度を V (mm/ s ) としたとき、 次式で示される。

f = v/2 L (1)

この式 （1) からわかるように、 波の固有振動周波数は溶融池長さ に 依存して変化する。

また、 図 2は、 レーザ出力をピーク出力 20 kW、 ベース出力 12 k Wの矩形波形で変動させて溶接したときのレーザ出力変動周波数と欠 陥発生率の関係の一例を示した図である。 なお、 この欠陥発生率とは、 溶接部の縦断面において X線透過試験を行い、 溶融断面積に対するポロ シティ総断面積の割合 （％) として定義されるものである。 ここで、 出 力変動のデューティ （du t y) のみを、 たとえば 50%と 70 %の異 なる 2通りに設定すると、溶融池長さ Lがそれぞれ 19. 6mm、 23. 8 mmと変化する。 波の伝播速度はいずれも 630 mm/sであるため、 上記 （1) 式からそれぞれに波の固有振動周波数を計算すると、 16. 1 H z (デューティ 50%)、 13. 2 H z (デューティ 70%) とな る。 つまり、 いずれのデューティにおいても、 溶融池で発生する波の固 有振動周波数と一致した周波数でレーザ出力変動を行った場合に、 最も 効果的にポロシティの発生を防止できるのである。

また、 この出願の発明者らは、 レーザ出力の変動の波形を適切に制御 することにより、 さらに欠陥防止効果を高める技術を提案してもいる (例えば、 特許文献 2参照）。

特許文献 1 ：特開 2002— 224867号公報

特許文献 2 ：特開 2002— 273586号公報 発明の開示

以上のとおりのこの発明者らがすでに提案している方法において、 溶 接欠陥の防止効果はレーザ出力の変動の波形および周波数に大きく依 存するため、 これらのレーザ出力変動条件を簡便に最適化することが最 も重要なプロセスであった。 そこで、 この出願の発明者らは、 さらに、 この溶接方法において、 最適波形を決定する目的で、 レーザ照射位置か ら発生するプラズマの発光強度を計測し、 このプラズマの発光強度がし きい値以下になる状態を検出することによって、 最適周波数や最適波形 を簡便かつ容易に決定する手法を開発し、 特許出願している （特願 2 0 0 2— 2 5 7 1 9 5 )。 しかしながら、 その一方で、 より多角的かつ詳 細に溶接欠陥の形成機構について研究するにつれ、 より簡便かつ確実に、 レーザ出力変動条件を決定することができるのではないかとの可能性 を残してもいた。 特に、 最適波形を決定する手段についての検討の余地 を残していた。

そこで、 この出願の発明は、 上記のとおりの発明者らが提案したレー ザ溶接方法において、 プラズマ信号の発光強度を計測し、 その信号の変 動周波数解析を行うことにより、 より簡便かつ確実にレーザ出力変動条 件の最適化を行うことのできる、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。

この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第 1には、 レーザ出力に制御された波形および周波数の変動を付与することによ り溶接欠陥の発生を防止するレーザ溶接方法において、 レーザ溶接部で 発生するプラズマもしくはプルームの発光強度の時間変化を検出し、 発 光強度の時間変化とレーザ出力の変動が対応するようにレーザ出力変 動条件を設定することを特徴とするレーザ溶接方法を提供する。

また、 第 2には、 この出願の発明は、 レーザ出力に制御された波形お よび周波数の変動を付与することにより溶接欠陥の発生を防止するレ 一ザ溶接方法において、 レーザ溶接部で発生するプラズマもしくはプル ームの発光強度の時間変化を検出し、 周波数解析して、 レーザ出力の変 動周波数と同一もしくはその近傍の周波数成分の大きさをもとめ、 これ が最大となるように、 レーザ出力変動条件を設定することを特徵とする レーザ溶接方法を提供する。

そして、 この出願の発明は、 第 3には、 レーザ出力に制御された波形 および周波数の変動を付与することにより溶接欠陥の発生を防止する レーザ溶接方法において、 レーザ溶接部で発生するプラズマもしくはプ ルームの発光強度の時間変化を検出し、 プラズマもしくはプルームの発 光強度の時間変化に任意のしきい値を設け、 発光強度がしきい値以下に なる時間の総和が最小となるようにレーザ出力変動条件を設定するこ とを特徴とするレーザ溶接方法を提供する。

さらに、 第 4には、 発光強度がある一定時間より長くしきい値以下と なる時間の総和が最小となるようにレーザ出力変動条件を設定するこ とを特徴とする方法を提供する。

以上のこの出願の発明は、 レーザ照射位置から発生するプラズマもし くはプルームの発光強度を計測することによってレーザ出力の変動条 件を最適化するものであるが、 この出願の発明においては、 特に、 レー ザ出力変動周波数と発光強度との関係に着目するようにしている。 そし て、 これらを適切に解析 ·処理することにより、 簡便で迅速かつより確 実に、 最適なレーザ出力の変動周波数を見つける事こと可能とするもの である。 図面の簡単な説明

図 1は、 レーザ溶接時の材料表面付近における溶融池の挙動を模式的 に示した図である。

図 2は、 デューティ 5 0 %および 7 0 %で出力変動を付与した溶接に おける、 出力変動周波数と欠陥発生率の関係を例示した図である。 図 3は、 この出願の発明にかかわるプラズマもしくはプルームの発光 信号を検出するための構成を例示した図である。

図 4は、 最適出力変動条件下で測定したプラズマ発光強度の時間変化 を例示した図である。

図 5は、 最適出力変動条件下で測定したプラズマ発光信号の周波数解 祈の結果を例示した図であり、 横軸はプラズマ発光信号の周波数を、 縦 軸はその周波数成分における振幅を示している。

図 6は、 レーザ溶接時に計測したプラズマ発光強度を例示した図であ る。

図 7は、 この発明の実施例におけるレーザ出力の変動波形を示した図 である。

図 8は、 図 7に示した出力変動を付与した溶接部における欠陥発生率 と出力変動周波数の関係を示した図である。

図 9は、 この発明の実施例における各出力変動周波数の下で計測した プラズマ発光強度の時間変化を例示した図である。

図 1 0は、 この発明の実施例におけるプラズマ発光信号の周波数解析 結果から、 各出力変動周波数条件での、 その出力変動周波数に一致した 周波数成分における振幅の大きさを例示した図である。

図 1 1は、 この発明の実施例においてプラズマ発光強度が 0 . 0 2 V 以下になる状態が 2 m s以上持続した時間の総和の計測時間に対する 割合 （ t _e / t ) を示した図である

なお、 図中の符号は次のものを示す。

1 プラズマもしくはプルーム

2 フォトダイオード

3 記録装置

4 レーザ

5 放物面鏡

6 被溶接物

7 ワークテーブル 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もつものであるが、 以下にそ の実施の形態について説明する。 この出願の発明者らは、 ポロシティの 形成機構について以下のような知見を得、 この出願の発明を完成させる に至っている。 すなわち、 ポロシティの形成機構を明らかにするため、 この出願の発明者らは、 レーザ溶接時のキーホールの動的な挙動を X線 透過像の高速度撮影により観察した。 それによると、 レーザ出力一定の 下で溶接を行っても、 キ一ホールは深さ方向および径方向にランダムに 大きく振動し、 キーホールから自然発生的に間欠的にランダムな周波数 で溶接金属の噴出が起こるのが観察された。 そして、 ポロシティの発生 は、 このようなキ一ホールの振動と大きく関係し、 キーホールが深さ方 向に大きく振動するときに、 キーホールの先端が不安定現象により分離 し、 溶融金属内で気泡が発生する。 ここで発生した気泡は、 多くの場合 溶融金属が凝固するまで残留し、 その結果として、 ポロシティが形成さ れるのである。 そしてまた、 溶接時にキーホールが深さ方向に大きく振 動する現象は、 径方向へのキーホールの振動により誘起される。 すなわ ち、 キーホールの径方向への振動が大きくなるほどポロシティが発生し やすくなる。 これらのことから、 キーホールの径方向の動向が検出でき れば、 振動を起こさないための適正条件を容易に見つけることができ、 ポロシティの形成を効果的に防止する条件の最適化が容易にできるこ とになる。

そこで、 この出願の発明が提供するレーザ溶接方法は、 レーザ出力に 制御された波形および周波数の変動を付与することにより溶接欠陥の 発生を防止するレーザ溶接方法において、 レーザ溶接部で発生するブラ ズマもしくはプルームの発光強度の時間変化を検出し、 発光強度の時間 変化とレーザ出力の変動が対応するようにレーザ出力変動条件を設定 することを特徵としている。

図 3は、 この出願の発明におけるレーザ出力変動条件を設定する方法 の一例を示した図である。 より具体的な例を示して説明すると、 レーザ 溶接中、 レーザ （4) が照射される位置では、 レーザ （4) と被溶接材 (6)の相互作用によりプラズマもしくはプルーム（1)が形成される。 このプラズマもしくはプルーム （1) の発光を溶接部周辺に設置したフ オトダイード （2) 等からなるセンサで検出し、 レーザ （4) 出力の変 化と同期してこれを記録装置 （3) に記録する。 すると、 たとえば、 図 9に例示したように、 レーザ （4) 出力に付与する変動の周波数を、 1 0Hz、 16. 7Ηζ、 20Ηζ · · ·などと変化させることで、 プラ ズマもしくはプルーム（1)の発光強度の時間変化は様々な形態となる。 しかしこれを詳細に検討すると、 レーザ （4) 出力の変動をある周波数 とすると、 図 4に例示したように、 プラズマもしくはプルーム (1) の 発光強度の時間変化はレーザ （4) 出力の変動と周波数および波形がき わめてよく対応して変化することが見出された。 そして、 このときに、 キーホールの径方向への変動が小さく、 安定したキーホールが維持され、 最も良く溶接欠陥の発生が防止されることが判明した。 すなわち、 この 周波数を最適レーザ出力変動条件とすればよいといえる。 これに対して、 レーザ （4) 出力の変動の周波数をこの最適値から外していくと、 それ にしたがいキーホールの径方向への変動が大きくなり、 キーホールの変 動に対応して発光強度に擾乱が生じ、 レーザ （4) 出力の変動とプラズ マもしくはプルーム （1) の発光強度の時間変化は一致しにくくなつて しまう。

このように、 プラズマもしくはプルーム （1) の発光強度の時間変化 とレーザ （4) 出力の変動が対応するようにレーザ （4) 出力変動条件 を設定することで、 簡便に溶接欠陥の発生を防止してレーザ （4) 溶接 を行うことができる。 なお、 ここで、 発光強度の時間変化とレーザ（4) 出力の変動の対応の判定については、 なによりも、 発光強度の時間変化 にレーザ出力の変動とほぼ同じとみなせる周期性が見られることが重 要であり、 さらには、 発光強度の各周期における最大ピーク時間がレー ザのピーク出力の時間と一致もしくはほぼ一致していることが求めら れる。 さらには、 レーザのベース出力の時間において発光強度が各周期 で低い値をとっていることが好ましい。

そこで、 これらの判定を容易かつ確実なものとするために、 この出願 の発明が提供するレーザ溶接方法においては、 前記のとおりに得たブラ ズマもしくはプルーム （1 ) の発光強度の時間変化のデータを周波数解 祈し、 レーザ出力の変動周波数と同一もしくはその近傍の周波数成分の 大きさをもとめ、 これが最大となるように、 レーザ出力変動条件を設定 するようにしている。

レーザ （4 ) 出力の変動の周波数を変化させて溶接した場合、 どの条 件においても、 プラズマ信号には変動の周波数と一致した周波数成分に おいて振幅のピークが観察される。

この変動周波数と一致した周波数成分における振幅のピークは、 出力 変動の周波数が最適な条件である場合に最も大きく、 最適な条件からず れた場合には小さくなる。 これは、 プラズマ信号の変動と出力変動との 対応が高いか低いかを示しているのである。

たとえば、 図 4に例示した最適レーザ （4 ) 出力変動条件のもとで得 られたプラズマ信号からは、 図 5に示すような、 レーザ （4 ) 出力に付 与した変動の周波数 （2 2 . 2 H z ) と一致した周波数成分において、 振幅の大きなピークが観察される。 しかし、 他の変動周波数、 たとえば 1 0 H zで出力に変動を与えると、 やはり 1 0 H zの位置にピークが見 られるが、その高さは最適周波数の場合と比べて小さくなる。図 1 0は、 このような各出力変動条件のもとで、 その変動周波数と一致した周波数 成分における振幅 （ピーク値） を求めた結果を例示してものである。 し たがって、 レーザ （4 ) 出力に付与した変動周波数と同一もしくはその 近傍の周波数成分で振幅が最大となるように、 レーザ （4 ) 出力の変動 の周波数を設定することで、容易に、そしてより明確に、最適レーザ（4 ) 出力変動条件を実現することができる。 なお、 この出願の発明においては、 周波数解析の手法については特に 限定されるものではなく、 広く一般に用いられている解析法を利用する ことができる。 たとえば、 具体的には、 高速フーリエ変換法などを利用 することができる。

また、 さらにこの出願の発明が提供するレーザ溶接方法では、 上記の 通りに得たプラズマもしくはプルーム （1 ) の発光強度の時間変化に任 意のしきい値を設け、 発光強度がしきい値以下になる時間の総和が最小 となるようにレーザ （4 ) 出力変動条件を設定するようにしている。 と いうのは、 レーザ （4 ) 溶接中、 キーホールが径方向に大きく変動した 場合には、 図 6に *印で示すように、 プラズマ （1 ) 発光信号が短時間 継続して途絶える現象が見られる。 そこで、 このようなプラズマ （1 ) 発光信号が短時間継続して途絶える現象、 すなわち、 キーホールの径方 向の変動が最小となるように、 レーザ （4 ) 出力変動条件を設定するこ とができる。 信号が短時間継続して途絶えることの検出については、 発 光強度の時間変化に任意のしきい値を設け、 発光強度がしきい値以下に なる時間を検出することでより簡便に対応することができる。発光強度 のしきい値については、 溶接の状況や発光強度の検出手段などにより任 意に設定することができるが、 一般的には、 発光がしばらく途絶えたと 判定できる状態を含んでいるかどうかを目安とすることができる。

そしてまた、 発光が途絶える時間についても任意に設定することがで き、 この出願の発明においては、 発光強度がある一定時間より長くしき い値以下となる時間の総和が最小となるようにレーザ出力変動条件を 設定することができる。 この一定時間とは、 発光信号の検出における 様々な条件により異なってくるのであるが、 おおよその目安としては、 2 m s程度を例示することができる。 これらのこの出願の発明によると、 発光が途絶えることの厳密な検出をせずとも、 より簡便にレーザ出力変 動条件を設定することができるようになる。 これによつても、 キーホー ルの径方向への変動を抑え、 安定したキーホールが維持し、 ポロシティ の形成をより効果的に防止するための条件を実現することができる。 な お、 この場合の方法は、 この出願の発明者が既に提案 （特願 2002— 257195) しているレーザ溶接方法と同様の手順でできることから、 最適な波形の制御および周波数の設定を同時に容易に行うことができ る。 また、 上記のこの出願の発明の方法を 2つ以上併用することで、 さ らに精度良く、 最適レーザ出力変動条件を設定することが可能となる。 以上のこの出願の発明の方法は、 レーザ溶接時にその場で極短時間で 最適レーザ出力変動条件を得ることができる。 そしてフィードバック制 御として用いることもできる。

以下、 添付した図面に沿って実施例を示し、 この出願の発明について さらに詳しく説明する。 もちろん、 この発明は以下の例に限定されるも のではなく、 細部については様々な態様が可能であることは言うまでも ない。 実施例

<a> 一般溶接構造用鋼 SM 49 OAを用い、 ビードオンプレートに より部分溶込み溶接を行った。 溶接に際し、 溶接欠陥の発生を防止する ため、 図 7に示すように、 ピーク出力 20 kW、 ベース出力 8 kWの三 角波でレーザ出力に変動を付与した。ベース出力からピーク出力に変動 する立ち上がり時間は 1 Omsで一定とし、 周波数を 10 Hzから 98 Hzの範囲で変化させた。 図 3に示した構成の装置を用い、 溶接時のプ ラズマの発光強度を感度波長範囲 190〜 1 100 mの S iフォト ダイオード 2 (S i -PD) を使い、 サンプリング周波数 50 kH zで 計測した。 なお、 S i— PDは、 被溶接物 （6) と同一レベルの水平延 長上に設置した。 レーザ （4) ビームは、 焦点距離 50 Ommの放物面 鏡 （5) により被溶接物 （6) の表面に収束した。 試験片は、 幅 20m m、 高さ 3 Omm、 長さ 25 Ommのものを用い、 溶接後に幅方向で X 線透過試験を行い、 溶融断面積に対する溶接欠陥総面積の割合 （％) を 欠陥発生率として、 溶接欠陥の状況を定量化した。

図 8は、 各出力変動周波数における溶接欠陥の発生率を示した図であ る。 図からわかるように、 出力変動の周波数が 2 2 . 2 H zにおいて、 溶接欠陥が最も効率的に防止できた。 すなわち、 2 2 . 2 H zを最適出 力変動周波数とすることができる。

< b > 図 9は、 各出力変動周波数のものとで、 溶接時にプラズマの発 光強度を計測した例を示した図である。最適変動周波数（2 2 . 2 H z ) の下では、 レーザ出力の変動とよく対応してプラズマ発光強度が変動す るのに対して、 変動周波数が最適値からずれるにしたがって、 プラズマ 発光強度の変化がよりランダムになることがわかる。 そこで、 各変動周 波数におけるプラズマ発光信号の周波数解析を行い、 各変動周波数成分 における振幅を算出し、その結果を図 1 0に示した。最適変動周波数（2 2 . 2 H z ) の下で振幅が飛びぬけて高い値を示すことがわかった。 こ のことから、 プラズマの発光強度を検出し、 その周波数解析した結果か らレーザ出力の変動周波数における振幅を求め、 この振幅が最大となる ようにすることで、 最適出力変動条件を容易に決定することができる。 < c > 一方で、 図 9に示したプラズマ発光強度の信号に対して 0 . 0 2 Vのしきい値を設定し、 この状態が 2 m s以上持続した場合の時間の 総和 tを求め、 プラズマ発光強度の計測時間 t _flに対する割合を示した ものが図 1 1である。 最適変動周波数 2 2 . 2 H zの下でこの割合が最 小値を示しており、 しきい値を利用したこの方法でも最適周波数の決定 が可能であることが示された。 産業上の利用可能性

以上詳しく説明したとおり、 この出願の発明によって、 レーザ出力に 適切な波形ならぴに周波数で変動を付与して溶接欠陥の発生を防止す るレーザ溶接方法において、 より簡便かつ確実にレーザ出力変動条件の 最適化を行うことのできる、 新しいレーザ溶接方法が提供される。 これ により、 たとえば厚板の高品質溶接が容易にできるようになり、 厚板レ 一ザ溶接の実用化に貢献することが期待できる。

Claims

請求の範囲

1 . レーザ出力に制御された波形おょぴ周波数の変動を付与すること により溶接欠陥の発生を防止するレーザ溶接方法において、 レーザ溶接 部で発生するプラズマもしくはプルームの発光強度の時間変化を検出 し、 発光強度の時間変化とレーザ出力の変動が対応するようにレーザ出 力変動条件を設定することを特徴とするレーザ溶接方法。

2 . レーザ出力に制御された波形おょぴ周波数の変動を付与すること により溶接欠陥の発生を防止するレーザ溶接方法において、 レーザ溶接 部で発生するプラズマもしくはプルームの発光強度の時間変化を検出 し、 周波数解析して、 レーザ出力の変動周波数と同一もしくはその近傍 の周波数成分の大きさをもとめ、 これが最大となるように、 レーザ出力 変動条件を設定することを特徴とするレーザ溶接方法。

3 . レーザ出力に制御された波形および周波数の変動を付与すること により溶接欠陥の発生を防止するレーザ溶接方法において、 レーザ溶接 部で発生するプラズマもしくはプルームの発光強度の時間変化を検出 し、 プラズマもしくはプルームの発光強度の時間変化に任意のしきい値 を設け、 発光強度がしきい値以下になる時間の総和が最小となるように レーザ出力変動条件を設定することを特徴とする請求項 1または 2記 載のレーザ溶接方法。

4 . 発光強度がある一定時間より長くしきい値以下となる時間の総和 が最小となるようにレーザ出力変動条件を設定することを特徴とする 請求項 3記載のレーザ溶接方法。