JP2014024078A - レーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤを安定して溶接部に送給する。
【解決手段】被溶接材１にワイヤ４を送給するワイヤ供給装置と、前記被溶接材に照射される第一のレーザビーム２と前記ワイヤに照射される第二のレーザビーム３とを発生させるレーザヘッドとを備えたレーザ溶接装置において、前記第一のレーザビームを前記被溶接材に照射して溶融池を形成し、前記第二のレーザビームを前記溶融池に送給される前記ワイヤに前記ワイヤの融点未満で照射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ溶接装置に関する。

レーザビームと溶接ワイヤを併用する溶接方法は、接合部にギャップがあるものの溶接、開先を設けた突合せ継手の溶接、Ｔ形隅肉溶接、重ね継手の溶接等に適用されている。しかし、ワイヤを溶融するためにレーザエネルギーの一部が消費されるため、ワイヤなしのレーザ溶接に比べ溶接効率が低下する。このような問題を解決するために、レーザ光を利用して母材を予熱する方法が行われている。

特許文献１には、複数のレーザ光を用いたレーザブレージング方法において、先行レーザ光を接合材料の供給位置に対して加工方向前方に位置する接合予定部に照射するとともに、後行レーザ光を供給位置に供給される接合材料に照射することが開示されている。

特開２００７−１５２３８１号公報

しかし特許文献１のレーザブレージング方法は、後行レーザ光を小さい領域に集光させワイヤに集中的に照射することで、ワイヤの溶融を促進させている。従って、ワイヤが途中で溶断され、ワイヤを安定して溶接部に送給しにくくなるという課題がある。

本願発明は上記の事情に鑑みてなされたものであって、ワイヤを安定して溶接部に送給することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、被溶接材にワイヤを送給するワイヤ供給装置と、前記被溶接材に照射される第一のレーザビームと前記ワイヤに照射される第二のレーザビームとを発生させるレーザヘッドとを備えたレーザ溶接装置において、前記第一のレーザビームを前記被溶接材に照射して溶融池を形成し、前記第二のレーザビームを前記溶融池に送給される前記ワイヤに前記ワイヤの融点未満で照射することを特徴とする。

本発明によれば、ワイヤを安定して溶接部に送給することができる。

本発明の実施例１におけるレーザ溶接装置の構成を示す図。 本発明の実施例２におけるレーザ溶接装置の構成を示す図。 被溶接材の開先形状を示す図。 本発明の実施例３におけるレーザ溶接装置の構成を示す図。

本発明は、複数のレーザビームを用い、第一のレーザビームを被溶接材の融点以上で被溶接材の表面に照射し、被溶接材を溶かして溶融池（溶接部）を形成する。そして、第二のレーザビームをワイヤの融点未満で溶融池に送給されるワイヤに照射する。これにより、ワイヤが溶断しにくくなる。これらのレーザビームを照射可能なレーザヘッドを備えるので、第一のレーザビームによって被溶接材に形成された溶融池に、第二のレーザビームによって予熱されたワイヤを安定して送給することができる。

ワイヤの照射部分は、ワイヤが溶融池に到達する手前、即ち被溶接材とワイヤの送給部分との間が好ましい。これにより、溶接前に予めワイヤが加熱されるので、溶融池を形成する第一のレーザビームのエネルギーを消費することが抑制され、溶接効率が向上する。

また、第二のレーザビームの焦点の前後でワイヤに照射する。ビームの焦点がずれた位置でワイヤに照射することで、ビームスポットが大きくなる。これにより、送給途中のワイヤが局所的に温度上昇しにくく、更にワイヤを広範囲に予熱することができるので、ワイヤが溶断しにくくなる。従って、ワイヤを安定して溶融池に送給することができる。

以下、本発明の各実施例について、更に詳細を説明する。

図１に実施例１のレーザ溶接装置の構成を示す。本実施例のレーザ溶接装置は、第一のレーザヘッドから第一のレーザビームが照射され、第二のレーザヘッドから第二のレーザビームが照射されるものである。光ファイバー２３から伝送された第一のレーザビーム２は、第一のレーザヘッド２２に設けられた集光レンズ２１によって集光され、被溶接材１の表面に照射される。光ファイバー３３から伝送された第二のレーザビーム３は、第二のレーザヘッド３２に設けられた集光レンズ３１によって集光され、ワイヤ４に照射される。本実施例では、第一のレーザビームと第二のレーザビームが交差しているが、相互干渉の現象が生じなければ、溶接の安定性には影響しない。光ファイバー３３はレーザ発振器４４に接続され、レーザ発信器は複数でもよい。レーザビームは制御装置によって照射強度や照射位置を制御してもよいが、照射開始時に照射強度等を設定して、照射中は変更しないものであってもよい。

本実施例では、第一のレーザヘッド２２は、被溶接材の表面に対し９０°の位置で配置されているが、±１５°範囲内で変更してもよい。レーザヘッドの角度や照射距離は適宜調整可能である。第二のレーザヘッド３２は、第一のレーザヘッド２２の位置よりも溶接方向後方（図の右側）に配置すると共に、第二のレーザビーム３が被溶接材表面に対し５°〜６０°で照射されるように配置されていることが望ましい。本実施例では、上記の角度を４５°としている。

ワイヤ４は、ワイヤ送給ノズル４１とワイヤ送給ローラ４２を備えたワイヤ供給装置によって、溶接方向前方（図の左側）から被溶接材１の表面に供給される。２つのレーザヘッド２２の位置よりも溶接方向前方にワイヤ送給ノズル４１を配置する。溶接装置と被溶接材は、溶接時にどちらを動かしてもよく、両方とも動かしてもよい。

本実施例では、板厚３０mmのオーステナイトステンレス鋼の突合せ溶接を実施した。波長１１００nm以下の連続発振のレーザ光を使用し、ワイヤ４は被溶接材１と同じ化学組成を有するものを使用し、ワイヤ径は１.２mmとした。異なる化学組成のワイヤと被溶接材とを溶接してもよい。

レーザビームに対し反射率が高い材料を溶接する場合、被溶接材の表面に対し第一のレーザビームの中心線の角度が８０°〜８５°となるように照射することが望ましい。これにより、反射率が高い材料の場合に、レーザビームを光学部品やレーザ発振器へ反射することを防止し、予熱効率を向上させることができる。送給されるワイヤに対する第二のレーザビームの中心線の角度についても同様である。

第一のレーザビームは主に被溶接材を溶かして溶融池を形成するため、高いエネルギー密度が必要になるので、ビームスポットは小さくするのがよい。これに対し、ワイヤを広範囲に照射するために第二のレーザビームは大きいビームスポットとする。図１の矢印で示すように、レーザヘッドを軸方向にスライドさせると、レーザヘッド内に設けられた集光レンズも同様にスライドする。そのため、レーザビームの焦点も移動してビームスポットの大きさを調節することができる。

本実施例では、第二のレーザヘッド３２を後方にスライドさせて、第二のレーザビームの焦点よりも後方（ワイヤ側）でワイヤに照射する。これにより、第一、第二のレーザヘッドの先端同士がぶつからず、装置の設計が容易になる。

溶接するとき、溶融池の酸化を防止するために、シールドガスが使われている。シールドガスは、第一のレーザヘッドまたは、図に示されていないサイドノズルから供給される。溶融池及びその周辺は、シールドガスの雰囲気を形成し、大気の酸素による酸化されにくくなる。

シールドガスは、アルゴン、ヘリウム、窒素、酸素及び二酸化炭素などから選択される１種以上のガスが含まれる。シールドガスは、溶接ヒュームを除去する働きがある。一般的には、溶接を酸化雰囲気としないよう、酸素と二酸化炭素を除外したガスを使用する。また、特にレーザ溶接の場合、溶接金属に溶解され易いガスを用いると、レーザ光の照射によりキーホールが形成されてシールドガスが溶接金属に採りこまれてもポロシティを生じにくい。例えばオーステナイト系ステンレス鋼をレーザ溶接する場合は窒素ガスを、炭素鋼では二酸化炭素を用いる。

また、炭素鋼を溶接する場合、少量の酸素或いは二酸化炭素を含むアルゴンやヘリウムガスを使用すると溶融池の流動性を改善できる。なお、このような場合には、溶接品質に悪影響を与えないよう溶融金属内の酸素量を数ppm以下（例えば２００ppm以下）に抑制する必要がある。

次に、本発明の実施例２について図２、図３を用いて説明する。本実施例は、第二のレーザビーム３を第一のレーザビーム２よりも溶接方向前方からワイヤ４に照射し、第二のレーザヘッド３２をワイヤ供給装置と第一のレーザヘッド２２との間に配置した。即ち、本実施例は、実施例１と比較して、ワイヤと第二のレーザビームの中心線との角度が鋭角になっている点が異なる。

図３に被溶接材の開先形状を示す。同じ化学組成を有するＳＵＳ３１６Ｌ材である被溶接材１Ａと被溶接材１Ｂの接合面に開先が加工され、突合せ継手を形成し溶接される。開先ルートフェース１３を１０mmとし、開先底部１１を３mmとした。ワイヤ４は被溶接材１Ａ，１Ｂにより形成された開先底部１１に対し４５°の角度から、開先底部まで送給した。ワイヤと被溶接材の開先底部の交差点は、第一のレーザビームと被溶接材の開先底部の交差点と同じ位置とした。

本実施例のようにワイヤと第二のレーザビームの中心線との角度を鋭角にすると、ワイヤから第二のレーザビームが反射する割合が増加する。そのためワイヤの予熱効率は下がるが、開先を設けた突合せ継手を溶接する場合は、開先側壁１２にワイヤから反射したレーザビームが当たるため、被溶接材の溶融効率を上げることができる。

次に、本発明の実施例３について図６を用いて説明する。本実施例は、実施例１と比較して、第一のレーザビーム２と第二のレーザビーム３は同じレーザヘッド２２から照射されている点が異なる。

本実施例では、１つの集光レンズ２４で複数のレーザビームが照射されるように集光される。これは、異なる曲率の曲面が存在するように集光レンズ２４の一面を構成すればよい。このうちの一部のレーザビーム（第一のレーザビーム２）が被溶接材１表面に照射されて溶融池を形成し、他の一部のレーザビーム（第二のレーザビーム３）がワイヤ４に照射され予熱される。また、レーザヘッド内に２枚の集光レンズを設けて、各々の集光レンズからレーザビームが照射されるようにしてもよい。本実施例によれば、レーザヘッドが１つなので、装置の設計が容易になる。

上記の実施例１〜３では、被溶接材は突合せ継手で溶接されているが、ほかの継手形状、たとえば、Ｔ形隅肉継手でも適用できる。

本実施例のレーザ溶接装置は、中厚板及び厚板の金属溶接に有効である。

１，１Ａ，１Ｂ 被溶接材
２，３ レーザビーム
４ ワイヤ
１１ 開先底部
１２ 開先側壁
１３ 開先ルートフェース
２１，２４，３１ 集光レンズ
２２，３２ レーザヘッド
２３，３３ 光ファイバー
４１ ワイヤ送給ノズル
４２ ワイヤ送給ローラ

Claims (7)

1. 被溶接材にワイヤを送給するワイヤ供給装置と、前記被溶接材に照射される第一のレーザビームと前記ワイヤに照射される第二のレーザビームとを発生させるレーザヘッドとを備えたレーザ溶接装置において、
   前記第一のレーザビームを前記被溶接材に照射して溶融池を形成し、前記第二のレーザビームを前記溶融池に送給される前記ワイヤに前記ワイヤの融点未満で照射することを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 請求項１において、前記ワイヤ供給装置はワイヤ送給ノズルを備え、前記第二のレーザビームが前記ワイヤ送給ノズルと前記被溶接材との間に照射することを特徴とするレーザ溶接装置。
3. 請求項１又は２において、前記第二のレーザビームの焦点からずれた位置で前記ワイヤに照射することを特徴とするレーザ溶接装置。
4. 請求項３において、前記第二のレーザビームの焦点後方の位置で前記ワイヤに照射することを特徴とするレーザ溶接装置。
5. 請求項１において、前記レーザヘッドは複数であり、前記第一のレーザビームは第一のレーザヘッドから発生し、前記第二のレーザビームは第二のレーザヘッドから発生することを特徴とするレーザ溶接装置。
6. 請求項２において、前記ワイヤと前記第二のレーザビームの中心線との角度が８０°〜８５°に調整可能であることを特徴とするレーザ溶接装置。
7. 請求項２において、前記ワイヤと前記第二のレーザビームの中心線との角度が鋭角に調整可能であることを特徴とするレーザ溶接装置。