JP2010099731A

JP2010099731A - 溶接装置及び溶接方法

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Publication number: JP2010099731A
Application number: JP2008275826A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Sugino; 友洋杉野; Katsura Owaki; 桂大脇; Kotaro Inose; 幸太郎猪瀬; Junko Kanbayashi; 順子神林
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2028-10-27
Also published as: JP5309890B2

Abstract

【課題】レーザの集光性を維持しつつレーザ照射ヘッドの耐久性を向上することができる溶接装置及び溶接方法を提供する。
【解決手段】Ｔ字型継手ＴＷに沿って進行するレーザ照射ヘッド３を有し、レーザＢが照射される出力面Ｐ１の法線がレーザ照射ヘッド３の進行方向と略直交するようにレーザ照射ヘッド３に配され、レーザ照射ヘッド３の進行方向の前方側から出力面Ｐ１に向かって空気を噴射するガス供給部５を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、本発明は、溶接装置及び溶接方法に関する。

近年、レーザ溶接の特徴である深溶込み、高速溶接と、アーク溶接の特徴である開先精度に対する余裕度と、を両立させるハイブリッド溶接が様々な分野で利用されている。この技術を利用したレーザアーク複合溶接装置によれば、レーザ照射によって形成される高エネルギー密度の熱源による高速溶接性を確保した上で、アークによって形成される広がりのある熱源によって継手部分を幅広く溶融することができる。このようなレーザアーク複合溶接装置として、溶接トーチボディの先端にレーザ光導入口が設けられたレーザ・アークノズルを有するレーザ照射アーク溶接ヘッドが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このレーザ照射アーク溶接ヘッドには、レーザ光を絞り込むための集光レンズ光学系や、集光レンズ光学系を保護するための保護ガラスが設けられている。そして、レーザ光導入口には、空気が流入することを防止するためのエアーカーテンが設けられている。このエアーカーテンは、レーザ光に対してシールドガスを噴出することによって、レーザ光導入口から空気が流入してシールドガスの純度が低下することを防止している。また、このシールドガスは、レーザ光に沿ってレーザ・アークノズル先端方向に流れるために、シールド性を向上させるとともに、スパッタが集光レンズ光学系に付着することを防止している。
特開２００４−２１６４４１号公報

しかしながら、従来のレーザアーク複合溶接装置によれば、レーザ照射に伴って発生したプラズマにレーザ光が吸収されて減衰することを抑えることができない、という問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、レーザの集光性を維持しつつレーザ照射ヘッドの耐久性を向上することができる溶接装置及び溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に係る溶接装置及び溶接方法では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
第１の発明は、被溶接物に沿って進行するレーザ照射ヘッドを有し、レーザが照射される出力面の法線が前記レーザ照射ヘッドの進行方向と略直交するように前記レーザ照射ヘッドに配された溶接装置であって、前記レーザ照射ヘッドの進行方向前方側から前記出力面に向かってガスを噴射するガス供給部を備えていることを特徴とする。

これにより、出力面に向かって噴射されたガスを出力面に沿って流れるガスと出力面からレーザ照射ヘッド内へ進入するガスとに分流させることができる。そのため、出力面に沿って流れるガスによって、レーザ照射ヘッド内へのプラズマの進入を抑える一方、レーザ照射ヘッド内部に進入したガスの循環によってヘッド内部の機器へのスパッタ付着をより好適に抑えることができる。

また、前記ガス供給部は、前記出力面に略平行に延びるガスの噴射口を備えることを特徴とする。
これにより、出力面に略平行の帯状のガスを出力面に向かって噴射させることができ、ガスで出力面全体を覆うことができる。

また、前記ガス供給部は、前記レーザ照射ヘッドの進行方向に対して２度以上かつ５度以下の角度でレーザ照射側に傾斜した方向から前記ガスを噴射することを特徴とする。
これにより、出力面に向かって噴射されたガスを出力面に沿って流れるガスと出力面からレーザ照射ヘッド内へ進入するガスとにより好適に分流させることができる。

第２の発明は、被溶接物に沿ってレーザ照射ヘッドを進行させながら、前記レーザ照射ヘッドの進行方向に略直交する方向へレーザを照射する溶接方法であって、前記レーザ照射ヘッドの進行方向前方側から前記レーザ照射ヘッドに設けられた前記レーザの出力面に向かってガスを噴射するガス供給工程を備えていることを特徴とする。

また、前記出力面に略平行の帯状のガスを供給することを特徴とする。
これにより、出力面に略平行の帯状のガス（エアーナイフ）を出力面に向かって噴射させることができ、ガスで出力面全体を覆うことができる。

また、前記ガスの噴射に際し、前記レーザ照射ヘッドの進行方向に対して２度以上かつ５度以下の角度でレーザ照射側に傾斜した方向から前記ガスを噴射することを特徴とする。
これにより、出力面に向かって噴射されたガスを出力面に沿って流れるガスと出力面からレーザ照射ヘッド内へ進入するガスとにより好適に分流させることができる。

本発明によれば、レーザの集光性を維持しつつレーザ照射ヘッドの耐久性を向上することができる。

以下、本発明に係る溶接装置及び溶接方法の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザアーク複合溶接装置を示す概要図である。図２は、本発明の一実施形態に係るレーザアーク複合溶接装置のレーザ溶接ヘッドを示す断面図である。図３は、図２におけるII-II方向一部断面図である。

本実施形態に係るレーザアーク複合溶接装置（溶接装置）１は、例えば被溶接物であるＴ字型継手ＴＷに沿って進行してアーク溶接を行うアークトーチ２と、アークトーチ２の近傍に配されてレーザ溶接を行うレーザ照射ヘッド３と、レーザ照射ヘッド３の進行方向前方側からレーザ光Ｂの出力面ＯＰに向かって空気（ガス）を噴射するガス供給部５と、を備えている。

そして、アーク溶接を行うために、レーザアーク複合溶接装置１は、アークトーチ２に供給される溶接ワイヤＷが巻回された溶接ワイヤ送給ロール７を有する溶接ワイヤ送給装置８と、溶接ワイヤ送給ロール７の回転を制御して、アークトーチ２を通して溶接ワイヤＷを送給するとともに、アークトーチ２内に配された不図示の給電チップとＴ字型継手ＴＷとの間に電力を供給してアークを発生させる溶接用電源装置１０と、をさらに備えている。
なお、アークトーチ２からは、溶接箇所に向けてシールドガスＳが噴出される。

また、レーザ溶接を行うために、レーザアーク複合溶接装置１は、レーザ光を出力するレーザ発振装置１１と、レーザ発振装置１１から出力されたレーザ光Ｂをレーザ照射ヘッド３に伝送する光ファイバ１２と、をさらに備えている。
なお、炭酸ガスレーザのように波長が赤外線領域にある場合には、光ファイバ１２の代わりに反射ミラーなどを用いて伝送する。

レーザ照射ヘッド３は、レーザ光Ｂの出力面ＯＰが配された筐体１３、筐体１３内に配されてレーザ光ＢをＴ字型継手ＴＷに焦点が生じるように収束させる集光レンズ光学系１５、ほこり等が集光レンズ光学系１５に付着することを防止するとともにアーク溶接によって発生するスパッタが集光レンズ光学系１５に付着することを防止する保護ガラス１６及びレーザ光Ｂの向きを調節する反射ミラー１７等を備えている。

出力面ＯＰは、Ｔ字型継手ＴＷと対向する筐体１３の平面状の側面Ｐ１に開口して形成されている。この側面Ｐ１は、出力面ＯＰの法線Ｎがレーザ照射ヘッド３の進行方向Ｄと略直交するように配されている。すなわち、この側面Ｐ１は、レーザ照射ヘッド３の進行方向Ｄと平行に配されている。

ガス供給部５は、レーザ照射ヘッド３の進行方向Ｄ、すなわち、側面Ｐ１に対して２度以上かつ５度以下の角度θでレーザ照射側に傾斜した方向から空気を噴射するように配されている。ガス供給部５には、出力面ＯＰに略平行に延びるスリット状の噴射口５Ａが配されている。

次に、本実施形態に係るレーザアーク複合溶接方法について、レーザアーク複合溶接装置１の作用とともに説明する。
図４は、本発明の一実施形態に係るレーザアーク複合溶接方法を示すフロー図である。

このレーザアーク複合溶接方法は、Ｔ字型継手ＴＷに沿ってアークトーチ２及びレーザ照射ヘッド３を進行させながらアーク溶接とともに、レーザ照射ヘッド３の進行方向Ｄに略直交する方向へレーザを照射してレーザ溶接を行うハイブリッド溶接工程（Ｓ０１）と、レーザ照射ヘッド３の進行方向前方側からレーザ光Ｂの出力面ＯＰに向かって空気を噴射するガス供給工程（Ｓ０２）と、を有している。

ハイブリッド溶接工程（Ｓ０１）では、まず、溶接用電源装置１０を所定の溶接電圧に設定し、溶接ワイヤ送給ロール７を所定のワイヤ送給速度に設定する。そして、シールドガスを溶接点に供給しつつ溶接ワイヤＷを送給して給電する。
また、例えば、ＹＡＧレーザを所定の出力に設定し、かつ集光レンズ光学系１５及び反射ミラー１７を設定して、溶接点にて所定の集光スポット径となるようにレーザ光Ｂを照射しつつ、レーザ照射ヘッド３を５０ｃｍ／ｍｉｎ以上の速度で進行させる。
これによって、レーザ照射位置にアークプラズマが拘束され、溶接ワイヤＷの溶融がレーザ光Ｂによって促進されるため、安定した高速溶接が行われる。

ガス供給工程（Ｓ０２）では、レーザ照射ヘッド３の進行方向Ｄに対して２度以上かつ５度以下の角度θでレーザ照射側に傾斜した方向から出力面ＯＰに向かって、出力面ＯＰに略平行の帯状に広がる空気Ａが０．５ＭＰａの空気圧でガス供給部５の噴射口５Ａから噴射される。噴射された空気Ａは、アーク溶接用のシールドガスと干渉することなく、レーザ照射ヘッド３の進行方向Ｄとは逆方向に流れていく。
そして、レーザ照射ヘッド３に到達した空気は、さらに出力面ＯＰに沿って流れる空気Ａ１と出力面ＯＰからレーザ照射ヘッド３内へ進入する空気Ａ２とに分流される。

出力面ＯＰに沿って流れる空気Ａ１は帯状（エアーナイフ）なので、出力面ＯＰを覆うように流れる。そのため、出力面ＯＰ近傍まで飛散したスパッタやアークプラズマがレーザ照射ヘッド３内に進入するのが抑制される。
一方、レーザ照射ヘッド３内部に進入した空気Ａ２は、レーザ照射ヘッド３内を流れる。そのため、保護ガラス１６や反射ミラー１７へのスパッタの付着が抑制され、プラズマによるレーザ光Ｂの減衰が抑制される。

このレーザアーク複合溶接装置１及びレーザアーク複合溶接方法によれば、ハイブリッド溶接時に、レーザ照射ヘッド３の進行方向Ｄとは逆方向側に出力面ＯＰに向かって空気Ａ（Ａ１及びＡ２）を噴射することができる。この際、噴射された空気Ａを出力面ＯＰに沿って流れる空気Ａ１と出力面ＯＰからレーザ照射ヘッド３内へ進入する空気Ａ２とに分流させることができる。

そして、出力面ＯＰに沿って流れる空気Ａ１によってレーザ照射ヘッド３内へのプラズマの進入を抑えることができる。
また、レーザ照射ヘッド３内部に進入した空気Ａ２によって、レーザ照射ヘッド３内部の機器へのスパッタ付着をより好適に抑えることができる。したがって、レーザ光Ｂの集光性を維持しつつレーザ照射ヘッド３の耐久性を向上することができる。

特に、ガス供給部５が、レーザ照射ヘッド３の進行方向Ｄに対して２度以上かつ５度以下の角度θでレーザ照射側に傾斜した方向から空気Ａを噴射するので、噴射された空気を出力面ＯＰに沿って流れる空気Ａ１と出力面ＯＰからレーザ照射ヘッド３内へ進入する空気Ａ２とに、それぞれ好適な配分量で分流させることができる。

また、空気Ａの噴射方向とアークトーチ２におけるシールドガスの噴射方向とが異なるので、ガス供給部５から噴射した空気Ａ（Ａ１及びＡ２）が、シールドガスと混ざって乱れを生じさせないようにすることができる。

さらに、出力面ＯＰに略平行に延びる空気Ａの噴射口５Ａがガス供給部５に配されているので、出力面ＯＰに略平行の帯状の空気を出力面ＯＰに向かって噴射させることができ、出力面ＯＰ全体を覆うように空気Ａを流すことができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、溶接装置としてハイブリッド溶接を行うレーザアーク複合溶接装置１としているが、レーザ溶接のみを行うレーザ溶接装置でもよい。この場合においても、発生するプラズマによるレーザ光の減衰を好適に抑えることができる。

本発明の一実施形態に係るレーザアーク複合溶接装置を示す概要図である。本発明の一実施形態に係るレーザアーク複合溶接装置のレーザ溶接ヘッドを示す断面図である。図２におけるII-II方向一部断面図である。本発明の一実施形態に係るレーザアーク複合溶接方法を示すフロー図である

符号の説明

１…レーザアーク複合溶接装置（溶接装置）、２…アークトーチ、３…レーザ照射ヘッド、５…ガス供給部、５Ａ…噴射口、１６…保護ガラス、１７…反射ミラー、Ａ，Ａ１，Ａ２…空気（ガス）、Ｂ…レーザ光、Ｄ…進行方向、Ｎ…法線、ＯＰ…出力面、ＴＷ…Ｔ字型継手（被溶接物）、 θ…角度

Claims

被溶接物に沿って進行するレーザ照射ヘッドを有し、レーザが照射される出力面の法線が前記レーザ照射ヘッドの進行方向と略直交するように前記レーザ照射ヘッドに配された溶接装置であって、
前記レーザ照射ヘッドの進行方向前方側から前記出力面に向かってガスを噴射するガス供給部を備えることを特徴とする溶接装置。
前記ガス供給部は、前記出力面に略平行に延びるガスの噴射口を備えることを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
前記ガス供給部は、前記レーザ照射ヘッドの進行方向に対して２度以上かつ５度以下の角度でレーザ照射側に傾斜した方向から前記ガスを噴射することを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接装置。
被溶接物に沿ってレーザ照射ヘッドを進行させながら前記レーザ照射ヘッドの進行方向に略直交する方向へレーザを照射する溶接方法であって、
前記レーザ照射ヘッドの進行方向前方側から前記レーザ照射ヘッドに設けられた前記レーザの出力面に向かってガスを噴射するガス供給工程を備えることを特徴とする溶接方法。
前記出力面に略平行の帯状のガスを供給することを特徴とする請求項４に記載の溶接方法。
前記ガスの噴射に際し、前記レーザ照射ヘッドの進行方向に対して２度以上かつ５度以下の角度でレーザ照射側に傾斜した方向から前記ガスを噴射することを特徴とする請求項４又は５に記載の溶接方法。