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JP2736182B2 - レーザ装置及びレーザ溶接方法 - Google Patents

レーザ装置及びレーザ溶接方法

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JP2736182B2
JP2736182B2 JP3115397A JP11539791A JP2736182B2 JP 2736182 B2 JP2736182 B2 JP 2736182B2 JP 3115397 A JP3115397 A JP 3115397A JP 11539791 A JP11539791 A JP 11539791A JP 2736182 B2 JP2736182 B2 JP 2736182B2
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FUANATSUKU KK
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は表面処理金属を溶接する
レーザ装置及びレーザ溶接方法に関し、特に亜鉛メッキ
鋼板をレーザビームによって溶接するレーザ装置及びレ
ーザ溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ発振器の大出力化に伴い、従来の
ガス溶接あるいは電気溶接に代わってレーザビームを使
用したレーザ溶接の適用分野が拡がりつつあり、特に鋼
板等の重ね合わせ溶接は自動車産業を中心に需要が大き
い。このような自動車産業で使用される鋼板には、防錆
の観点から亜鉛メッキがされた亜鉛メッキ鋼板が使用さ
れる。これらの亜鉛メッキ鋼板等の安定で高速なレーザ
溶接が要請されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、亜鉛メッキ鋼
板の重ね合わせ溶接では鋼板の表面メッキ層が、レーザ
ビームを照射した際に蒸発し、多量のブローホールを発
生させていた。特に、鋼板の間に隙間がないと、蒸発し
た亜鉛蒸気が溶融している母材を吹き飛ばしてしまい、
溶接が不可能であった。これは、亜鉛の沸点が鉄の融点
に比して低く、蒸発圧力が高いために溶けた鉄を吹き飛
ばしてしまうためと考えられている。
【０００４】このために、亜鉛メッキ鋼板を重ね合わせ
て溶接する場合は、鋼板の間に数百ミクロンの隙間を持
たせ、表面から発生する亜鉛蒸気を逃がすようにしてい
る。しかし、実際の生産現場でこの隙間を一定の値に維
持することは極めて困難であり、鋼板を密着した状態で
レーザ溶接することが要請されている。本発明はこのよ
うな点に鑑みてなされたものであり、亜鉛メッキ鋼板等
の表面処理金属を密着したままで、安定して溶接できる
レーザ装置を提供することを目的とする。また、本発明
の他の目的は亜鉛メッキ鋼板等の表面処理金属でのブロ
ーホールの少ないレーザ溶接を可能にするレーザ溶接方
法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、連続波あるいはパルス波形のレーザビー
ムを出力するレーザ装置において、酸素ガスと他のガス
とからなる補助ガスが、それぞれ異なる混合比で封入さ
れた複数のガスボンベと、前記複数のガスボンベのガス
噴出口に接続され、前記複数のガスボンベの中の１種類
の前記補助ガスのみを選択的に出力する構造のガスセレ
クタと、前記ガスセレクタから出力される前記補助ガス
を溶接個所へ導く補助ガス噴出経路と、を有することを
特徴とするレーザ装置が提供される。また、蒸発温度が
金属の融点より低い物体をコーティングした表面処理金
属を、連続波あるいはパルス波形であるレーザビームに
よって溶接するレーザ溶接方法において、補助ガスとし
て酸素と他のガスとを使用し、溶接速度が高い程、前記
酸素の比率を高くして溶接を行うことを特徴とするレー
ザ溶接方法が、提供される。
【０００６】
【作用】本発明のレーザ装置によれば、蒸発温度が金属
の融点より低い物体をコーティングした表面処理金属の
溶接をレーザビームによって行う際に、溶接速度などに
応じて、溶接条件に適した補助ガスをセレクタにより選
択できる。所望の補助ガスを選択した状態で、レーザビ
ームによる溶接を行うと、セレクタで選択された酸素ガ
スと他のガスとからなる補助ガスが、補助ガス噴出経路
を通り溶接個所に噴出される。すると、材料は一旦燃焼
し、酸素と鉄の混じった溶融池を形成する。この溶融池
は粘性が低く亜鉛の蒸気は容易に外部に排出される。ま
た、酸素と亜鉛は反応して酸化亜鉛あるいは過酸化亜鉛
となり、蒸気にはならない。レーザビームが通過する
と、酸化鉄はスラグとして表面に分離し、溶融した鉄も
酸化しなかった部分が固まって溶接が達成される。な
お、亜鉛メッキ鋼板の亜鉛層は鋼板の厚さに比べて薄い
ので、溶接後の強度に影響しない。さらに、酸素と鉄が
反応して発生する熱も溶接に大きく寄与する。この際に
起きる反応は酸素ガスの濃度、他に使用するガスの種
類、ビームの集光の方法、パルス照射等の条件によって
異なるが、酸素ガスは有益な作用を果たす。従って、レ
ーザ装置に酸素ガスを供給するガス供給装置を設けて、
酸素ガスを供給してレーザ溶接を行う。
【０００７】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明の第１の参考例のレーザ装置の外
観図である。レーザビーム１はレンズ２によって集光さ
れて、ノズル８から出力され、亜鉛メッキ鋼板３ａ，３
ｂに照射される。レンズ２は加工ヘッド７に固定されて
いる。また、亜鉛メッキ鋼板３ａ，３ｂはクランプ１０
ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄによってテーブル１０ｅに
固定されている。
【０００８】一方、酸素ガス（Ｏ2 ）ボンベ４ａとアル
ゴンガス（Ａｒ）ボンベ４ｂからはホース５ａ，５ｂを
通して、酸素ガスとアルゴンガスが供給され、混合器６
で混合されて、ホース５ｃから加工ヘッド７に供給さ
れ、ノズル８から加工点９に噴射される。
【０００９】酸素ガスは亜鉛と化合して、酸化亜鉛、過
酸化亜鉛となり、これらは固体であるので亜鉛の蒸発を
抑え、ブローホールの発生を抑制する。また、化合時の
熱は溶接に寄与する。
【００１０】ここでは、亜鉛メッキ鋼板３ａ，３ｂの厚
さは０．９ｍｍ，レーザ出力は３ＫＷ，送り速度は１．
５ｍ／ｍｉｎ，酸素ガスとアルゴンガスの比は４：１で
あり、補助ガスは総量で２０Ｌ／ｍｉｎとしている。レ
ーザビームはパルス波形としている。
【００１１】図２は本参考例の溶接の状態を示す図であ
り、図２（Ａ）は加工ヘッドの進行方向に対して側面か
ら見た図、図２（Ｂ）は加工ヘッドの進行方向の正面か
ら見た図である。ここでは、ヒューム（蒸発し、イオン
化したガスの雲）１１，１２が亜鉛メッキ鋼板３ａの上
側と、亜鉛メッキ鋼板３ｂの下側に発生している。ま
た、上下共にスパッタ（弾き出された金属の溶けたかた
まり）１３，１４が発生しているが、その発生量は少な
い。
【００１２】図３は酸素ガスを使用しないときの溶接の
表面の状態を示す図であり、図３（Ａ）は加工ヘッドの
進行方向に対して側面から見た図、図３（Ｂ）は加工ヘ
ッドの進行方向の正面から見た図である。ここでは、ヒ
ューム（蒸発し、イオン化したガスの雲）１１，１２が
亜鉛メッキ鋼板３ａの上側と、亜鉛メッキ鋼板３ｂの下
側に発生している。また、上下共にスパッタ（弾き出さ
れた金属の溶けたかたまり）１３，１４が発生している
が、その発生量は非常に多い。すなわち、図２と図３か
ら明らかなように、酸素ガスを補助ガス中に含めること
により、亜鉛の蒸発を抑制し、スパッタを抑制すること
ができる。
【００１３】図４は本参考例の溶接箇所の表面状態を示
す図であり、図４（Ａ）は裏面の状態を示す図であり、
図４（Ｂ）は上面の状態を示す図である。ビード２３の
両側には黄色い粉の濃い部分２２ａ，２２ｂと薄い部分
２１ａ，２１ｂができる。ビード２３の一部にはスラグ
２５が発生している。ここでは、ブローホールは殆ど発
生していない。
【００１４】図５は酸素ガスを使用しない場合の溶接箇
所の表面の状態を示す図であり、図５（Ａ）は裏面の状
態を示す図であり、図５（Ｂ）は上面側の状態を示す図
である。ビード２３の両側には黄色い粉の濃い部分２２
ａ，２２ｂと薄い部分２１ａ，２１ｂができる。ここで
は、ビード２３上に多数の貫通していないブローホール
２６、貫通しているブローホール２７が発生している。
また、亜鉛と炭化物を示す黒い粉２８が発生しており、
さらに、スパッタ２９の痕跡も多い。このように、図４
と図５から明らかなように、酸素ガスをアルゴンガスに
含めた補助ガスを使用することにより、ブローホールが
殆どなくなり、安定した溶接が可能になる。
【００１５】なお、酸素の比は溶接速度が大きい程、そ
の量を大きくしたほうが効果がある。また、出力パワー
が大きい程酸素の比を大きくすることが必要である。ま
た、アルゴンガス以外のヘリウムガス、窒素ガス、ある
いはその混合ガスでも同様な効果がある。さらに、亜鉛
メッキ鋼板の亜鉛の厚さは薄いので、酸素の使用で発生
するスラグによる溶接強度上の問題は発生しない。
【００１６】図６は亜鉛メッキ鋼板を３枚重ねて溶接す
る場合の例を示す図である。亜鉛メッキ鋼板３３ａ，３
３ｂ，３３ｃを重ね、亜鉛メッキ鋼板３３ａ，３３ｂの
み溶融してビード３４を構成する。溶融部３１の外側に
熱的な影響を受ける部分３２が発生するが、亜鉛鋼板３
３ｃには熱的な影響もない。このような、溶接はレーザ
ビームの出力パワー、周波数、デューティ比、溶接速度
を選定することにより行う。このような溶接は亜鉛メッ
キ鋼板３３ｃが熱的な影響を受けず、表面に溶接の影響
がでてはならない箇所等の溶接に有効である。
【００１７】図７は本発明の第２の参考例を示す図であ
る。図において、レーザ発振器２０から出力されたレー
ザビーム１は、円偏光鏡２１、平面鏡２２ａ、２２ｂに
よって加工ヘッド７に導かれる。レンズ２で集光された
レーザビーム１は亜鉛メッキ鋼板３ａ、３ｂに照射され
て、レーザ溶接が成る。一方、酸素ガスボンベ４ａとア
ルゴンガスボンベ４ｂからはそれぞれ酸素ガスとアルゴ
ンガスが導入され、制御バルブ３０ａ、３０ｂを経由し
て混合器６で混合され、補助ガスとして加工ヘッド７の
ガス導入口７０からノズル８に供給され、加工点９に噴
射される。数値制御装置５０は、レーザ発振器２０を制
御するとともに、加工プログラムを実行してテーブル１
０のサーボモータ１１ａ、１１ｂを駆動する。さらに、
メモリ５１に貯えられたデータに基づいて補助ガスの混
合比及び流量を計算し、その計算結果に応じて制御弁３
０ａ、３０ｂを駆動する。これにより常時、最適な混合
比と流量の補助ガスが供給され、良好なレーザ溶接を行
うことができる。
【００１８】次に、溶接条件に対する補助ガスの最適領
域について説明する。ここで、最適領域とは、ブローホ
ールがなく、かつスラグの少ない領域をいう。図８はテ
ーブルの送り速度に対する補助ガスの混合比の最適領域
を示す図である。最適領域６０における補助ガスの混合
比Ｒ (＝Ａｒ／（Ａｒ＋Ｏ2)）は、テーブル１０の送り
速度 (溶接速度) Ｆを速くすると、低下する。すなわ
ち、送り速度Ｆを速くすると、補助ガスの酸素比率を高
くする必要がある。図９は亜鉛メッキ層の厚さに対する
補助ガスの混合比の最適領域を示す図である。最適領域
６１における補助ガスの混合比Ｒ (＝Ａｒ／（Ａｒ＋Ｏ
2)）は、亜鉛メッキ層の厚さｔを厚くすると低下する。
すなわち、亜鉛メッキ層の厚さｔを厚くすると、補助ガ
スの酸素比率を高くする必要がある。
【００１９】図１０はテーブルの送り速度に対する補助
ガスの流量の最適領域を示す図である。送り速度Ｆを速
くすると、補助ガスの流量Ｌを増加させる必要がある。
ただし、送り速度Ｆには上限があり、その上限を越える
と流量Ｌを増加させても効果を得られない。そのような
場合は、他のパラメータ、例えば混合比Ｒを変える必要
がある。上述した溶接条件に対する補助ガスの最適領域
に関するデータは、数値制御装置５０のメモリ５１に格
納され、補助ガスの混合比Ｒ等の制御に使用される。図
１１は本発明の実施例を示す図である。第２の参考例と
の相違点は、酸素ガスとアルゴンガスを、予め数段階の
混合比を有する混合ガスボンベ４１、４２、４３及び４
４に分けた点にある。混合ガスボンベ４１、４２、４
３、４４の混合比はそれぞれ１０％、２０％、４０％、
６０％である。これらの混合ガスボンベ４１〜４４はガ
スセレクタ４５によって選択され、その選択された混合
ガスボンベからの混合ガスが制御弁３１を経由してノズ
ル８に導入される。このガスセレクタ４５及び制御弁３
１は、数値制御装置５０によって駆動され、溶接条件に
応じた最適な補助ガスがレーザ溶接に使用される。
【００２０】上記の説明では溶接材料として、亜鉛メッ
キ鋼板を例に説明したが、金属より融点の低い物体をコ
ーティングしたその他の表面処理金属にも同様に適用で
きることはいうまでもない。また、酸素ガスと他のガス
は混合器６で混合することで説明したが、直接ノズルま
で供給して、酸素ガスと他のガスを直接溶接箇所に噴射
するようにしても同様な効果を得られる。また、補助ガ
スの混合比及び流量を決定するパラメータ (溶接条件)
として、送り速度 (溶接速度) 、亜鉛メッキ層の厚さを
用いたが、他のパラメータ、例えば、コーティング材の
材質 (亜鉛＋ニッケル、合金化処理等) 、溶接ビードの
形状を用いることもできる。さらに、レーザビームはパ
ルス波形としたが連続としてもよい。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、酸素を
含む補助ガスの混合比をセレクタにより選択できるよう
なレーザ装置としたので、常に最適な混合比の補助ガス
を供給する事ができる。そのため、表面処理金属間の隙
間を設けることなく、ブローホールの少ない安定した溶
接が可能になる。また、溶接速度に応じて、酸素の比率
を高くしたので、条件の異なる溶接においてもブローホ
ールの少ない溶接が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の参考例のレーザ装置の外観図で
ある。
【図２】本参考例の溶接の状態を示す図であり、図２
（Ａ）は加工ヘッドの進行方向に対して側面から見た
図、図２（Ｂ）は加工ヘッドの進行方向の正面から見た
図である。
【図３】酸素ガスを使用しないときの溶接の表面状態を
示す図であり、図３（Ａ）は加工ヘッドの進行方向に対
して側面から見た図、図３（Ｂ）は加工ヘッドの進行方
向の正面から見た図である。
【図４】本参考例の溶接箇所の表面状態を示す図であ
り、図４（Ａ）は裏面の状態を示す図であり、図４
（Ｂ）は上面の状態を示す図である。
【図５】酸素ガスを使用しない場合の溶接箇所の表面の
状態を示す図であり、図５（Ａ）は裏面の状態を示す図
であり、図５（Ｂ）は上面の状態を示す図である。
【図６】亜鉛メッキ鋼板を３枚重ねて溶接する場合の例
を示す図である。
【図７】本発明の第２の参考例を示す図である。
【図８】テーブルの送り速度に対する補助ガスの混合比
の最適領域を示す図である。
【図９】亜鉛メッキ層の厚さに対する補助ガスの混合比
の最適領域を示す図である。
【図１０】テーブルの送り速度に対する補助ガスの流量
の最適領域を示す図である。
【図１１】本発明の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザビーム ２ レンズ ３ａ，３ｂ 亜鉛メッキ鋼板 ４ａ ガスボンベ（Ｏ2 ） ４ｂ ガスボンベ（Ａｒ） ６ 混合器 ７ 加工ヘッド ８ ノズル ９ 加工点 ３０ａ，３０ｂ，３１ 制御弁 ４１，４２，４３，４４ 混合ガスボンベ ４５ ガスセレクタ ５０ 数値制御装置 ５１ メモリ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山崎 悦雄 山梨県南都留郡忍野村忍草字古馬場3580 番地 ファナック株式会社 レーザ研究 所内 (56)参考文献 特開 平２−268991（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−122684（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 連続波あるいはパルス波形のレーザビー
    ムを出力するレーザ装置において、 酸素ガスと他のガスとからなる補助ガスが、それぞれ異
    なる混合比で封入された複数のガスボンベと、 前記複数のガスボンベのガス噴出口に接続され、前記複
    数のガスボンベの中の１種類の前記補助ガスのみを選択
    的に出力する構造のガスセレクタと、 前記ガスセレクタから出力される前記補助ガスを溶接個
    所へ導く補助ガス噴出経路と、 を有することを特徴とするレーザ装置。
  2. 【請求項２】 前記補助ガス噴出経路は、レーザビーム
    を出力するためのノズルとガス導入口とが設けられた加
    工ヘッドと、前記ガスセレクタのガス出力口と前記加工
    ヘッドのガス導入口との間を接続するホースとで構成さ
    れていることを特徴とする請求項１記載のレーザ装置。
  3. 【請求項３】 前記ガスセレクタを駆動する数値制御装
    置を有することを特徴とする請求項１記載のレーザ装
    置。
  4. 【請求項４】 蒸発温度が金属の融点より低い物体をコ
    ーティングした表面処理金属を、連続波あるいはパルス
    波形であるレーザビームによって溶接するレーザ溶接方
    法において、 補助ガスとして酸素と他のガスとを使用し、溶接速度が
    高い程、前記酸素の比率を高くして溶接を行うことを特
    徴とするレーザ溶接方法。
  5. 【請求項５】 前記表面処理金属を３枚重ねて溶接を行
    い、一番下の前記表面処理金属を溶融させないことを特
    徴とする請求項４記載のレーザ溶接方法。
  6. 【請求項６】 前記酸素と前記他のガスとの混合比並び
    に前記酸素及び前記他のガスの各流量は、前記表面処理
    金属のコーティング層の厚さ、コーティング材の材質、
    溶接ビードの形状等に応じて制御することを特徴とする
    請求項４記載のレーザ溶接方法。
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