JP5191648B2 - レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に関するものである。

従来、一のレーザ光を溶接対象物に対して相対的に走査することにより、かかる溶接対象物を溶接するレーザ溶接方法やレーザ溶接装置が知られている。なお、上記の方法は文献公知発明に係るものではないので、記載すべき先行技術文献情報はない。

従来のレーザ溶接方法やレーザ溶接装置を用いた場合、形成される溶接ビードにおいて、表面粗さが大きくなることがあった。溶接ビードの表面粗さが大きいと、外観を損なうばかりでなく、塗装が困難になる。これらの問題を回避する目的で、従来は溶接ビード部分の研磨を行っていたが、鉄道車両や航空機のように車体長（機体長）が長いものにおいては、溶接長が長いために研磨作業が極めて困難となっていた。また、ミクロな観点においても、表面粗さの増大は疲労強度の低下や応力集中につながるため、好ましくない。

そこで、溶接ビードの表面粗さを小さくすることが可能なレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ装置は、溶接対象物に対してレーザ光を相対的に走査することにより、当該溶接対象物を溶接するレーザ溶接装置であって、
入射したレーザ光を第１のレーザ光と第２のレーザ光とに分割する分割手段と、前記第１のレーザ光を前記溶接対象物に向けて出射する第１の出射手段と、前記第１のレーザ光が照射されることにより前記溶接対象物に生じた溶融池形成後の固化がある程度進行している溶融池に向けて、前記第２のレーザ光を出射する第２の出射手段と、を備え、前記第２のレーザ光の光量は、前記第１のレーザ光の光量よりも小さいことを特徴とする。
本発明のレーザ溶接装置は、好ましくは、前記分割手段は、前記第１のレーザ光の光量と前記第２のレーザ光の光量の比が１１：９から３：１の範囲内となるように分割することを特徴とする。

本発明のレーザ溶接装置は、第１のレーザ光を溶接対象物に照射して溶融池を形成したのち、かかる溶融池に第２のレーザ光を照射する。第２のレーザ光を照射することにより、形成後固化しつつある（ただし完全には固化していない）溶融池を再溶融させることができる。第２のレーザ光の光量は第１のレーザ光の光量と比べて小さいので、溶融池のうち、比較的表面に近い部分のみを再溶融することが可能となる。したがって、深さ方向に影響を及ぼすことなく溶融池の表面性状を整えることができる。溶融池は、第２のレーザ光の照射後に固化が完了して溶接ビードとなる。本発明では、第１および第２のレーザ光を溶接対象物に対して相対的に走査することにより、溶融池の表面性状を連続的に整えることができる。その結果、表面粗さが小さい溶接ビードを形成することができる。

また、本発明のレーザ溶接装置では、第２の出射手段は、第２のレーザ光の進行方向を変えるための反射手段を有するとともに、当該反射手段を介して第２のレーザ光を出射することが好ましい。

この場合、反射手段を動かすことによって、形成されて間もない溶融池に第２のレーザ光を照射することも、形成されて比較的時間が経った溶融池に第２のレーザ光を照射することも可能となる。形成されて間もない溶融池、すなわち固化がほとんど生じていない溶融池に第２のレーザ光を照射した場合には、かかる溶融池の表面をより滑らかに整えることができる。逆に、形成されて比較的時間が経った溶融池、すなわち固化がある程度進行している溶融池に第２のレーザ光を照射した場合には、溶融池表面のうち大きく隆起している部分を減らす程度に表面を整えることができる。このように、反射手段を動かすことにより溶接ビードの表面を所望の表面粗さに調節することが可能となる。

本発明のレーザ溶接工程は、溶接対象物に対してレーザ光を相対的に走査することにより、当該溶接対象物を溶接するレーザ溶接方法であって、 前記第１のレーザ光を前記溶接対象物に照射する第１の照射工程と、前記第１のレーザ光の照射により前記溶接対象物に生じた溶融池形成後の固化がある程度進行している溶融池に対して、前記第１のレーザ光よりも光量が小さい前記第２のレーザ光を照射する第２の照射工程と、を有し、前記第１及び第２のレーザ光は、一のレーザ光を分割してなるものであることを特徴とする。本発明のレーザ溶接方法によれば、先に述べたレーザ溶接装置を用いた場合と同様に、表面粗さが小さい溶接ビードを形成することができる。

また、本発明のレーザ溶接方法では、第２の照射工程では、第２のレーザ光を可変の反射鏡で反射させることにより、第２のレーザ光の照射方向を変化させることが好ましい。この場合、溶接ビードの表面を所望の表面粗さに調節することが可能となる。

本発明によれば、溶接ビードの表面粗さを小さくすることが可能なレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

本実施形態に係るレーザ溶接装置は、溶接対象物に対してレーザ光を相対的に走査することにより、当該溶接対象物Ｗを連続的に溶接する装置である。レーザ光の走査は、二枚の溶接対象物Ｗの端面が突き合わされてなる直線状の接合予定線ＳＳに沿って行われる。

図１は、本実施形態に係るレーザ溶接装置が備える加工ヘッドの構成を示す図である。本実施形態に係るレーザ溶接装置は、加工ヘッド１と移動手段（図示せず）とを備えている。移動手段は、加工ヘッド１を接合予定線ＳＳに沿って移動させる部分である。この移動手段によって、加工ヘッド１は矢印Ａで示す方向に移動する。加工ヘッド１は、レーザ発振部２と、ビームスプリッタ（分割手段）４と、第１の出射部（第１の出射手段）６と、第２の出射部（第２の出射手段）８とを有している。

レーザ発振部２は、レーザ光Ｌを発生する部分である。本実施形態では、レーザ発振部２は、波長が３５５ｎｍ〜１０６０ｎｍ、出力が１〜５ｋＷのレーザ光Ｌを発生する。レーザ発振部２にて発生したレーザ光Ｌは、ビームスプリッタ４に入射される。

ビームスプリッタ４は、レーザ光Ｌを第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザ光Ｌ２とに分割する部分である。ビームスプリッタ４は、レーザ光Ｌの一部を透過させ残部を反射させることで該レーザ光Ｌを２分割する。このとき、ビームスプリッタ４を透過した光が第１のレーザ光Ｌ１となり、ビームスプリッタ４により反射された光が第２のレーザ光Ｌ２となる。ビームスプリッタ４においては、透過率が反射率よりも大きくなっている。このように透過率が反射率よりも大きいビームスプリッタ４を用いることで、第２のレーザ光Ｌ２の光量を第１のレーザ光Ｌ１の光量よりも小さくすることができる。なお、ビームスプリッタ４としては、透過率が約５５％〜７５％であり反射率が約４５％〜２５％のものを用いることができるが、透過率が約６０％であり反射率が約４０％のものを用いることがより好ましい。

第１の出射部６は、第１のレーザ光Ｌ１を溶接対象物Ｗに向けて出射する部分である。第１の出射部６は、第１のレーザ光Ｌ１を集光する集光レンズ１０を有している。集光レンズ１０によって集光された第１のレーザ光Ｌ１は、加工ヘッド１に設けられた第１の出射孔（図示せず）から出射される。第１の出射孔は、第２のレーザ光Ｌ２を出射する第２の出射孔（図示せず）よりも、矢印Ａで示す溶接方向の前方位置に配置されている。

第２の出射部８は、第２のレーザ光Ｌ２を溶接対象物Ｗに向けて出射する部分であって、反射鏡（反射手段）１２と集光レンズ１４と有している。反射鏡１２は、第２のレーザ光Ｌ２の進行方向を変えるためのものである。反射鏡１２は、ビームスプリッタ４により分割された第２のレーザ光Ｌ２を反射して、当該第２のレーザ光Ｌ２を溶接対象物Ｗの溶融池Ｍに導く。反射鏡１２は可変となっており、反射鏡１２の向きを変えることによって第２のレーザ光Ｌ２の進行方向を調節することができる。より具体的には、反射鏡１２の向きを変えることで、第２のレーザ光Ｌ２の進行方向と溶接対象物Ｗの主面の法線Ｎとがなす角度θを０度〜４５度の範囲で調整することができる。角度θが大きくなるほど、溶接対象物Ｗにおける第１のレーザ光Ｌ１の照射点Ｐ₁と第２のレーザ光Ｌ２の照射点Ｐ_２との距離が短くなる。したがって、加工ヘッド１が矢印Ａで示す溶接方向に移動しているときには、第１のレーザ光Ｌ１が照射されてから、当該照射位置に第２のレーザ光Ｌ２が照射されるまでの時間が短くなる。

集光レンズ１４は、反射鏡１２により反射された第２のレーザ光Ｌ２を集光する。集光レンズ１４によって集光された第２のレーザ光Ｌ２は、加工ヘッド１に設けられた第２の出射孔（図示せず）から出射されて、溶接対象物Ｗの溶融池Ｍに照射される。

このような構成を有するレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法について説明する。レーザ溶接を行うにあたって、溶接対象物Ｗをセットする。このとき、加工ヘッド１の第１の出射孔（図示せず）の直下に溶接対象物Ｗの接合予定線ＳＳの端部が位置するようにする。溶接対象物Ｗをセットした後、加工ヘッド１における反射鏡１２の位置を調整する。反射鏡１２の位置調整については、のちに詳しく述べる。なお、反射鏡１２の位置調整は溶接対象物Ｗをセットする前でもよい。

溶接対象物Ｗのセットおよび反射鏡１２の位置調整が完了したら、第１の出射孔から第１のレーザ光Ｌ１を出射する。これにより、接合予定線ＳＳ上に第１のレーザ光Ｌ１が照射されて、溶融池Ｍが形成される。第１のレーザ光Ｌ１を照射する際には、第１のレーザ光Ｌ１と共にシールドガスを噴射する。シールドガスを噴射することにより、溶融池Ｍの周囲に酸化防止雰囲気を形成することができ、その結果、溶接対象物Ｗの過度な酸化・燃焼及び焼け焦げ等を防止できる。

続いて、図示しない移動手段によって加工ヘッド１を矢印Ａ方向に移動させる。加工ヘッド１が移動すると、第１のレーザ光Ｌ１が照射された位置に第２のレーザ光Ｌ２が照射される。第１のレーザ光Ｌ１が照射された位置には溶融池Ｍが形成されているが、かかる溶融池Ｍでは、第１のレーザ光Ｌ１が照射されてから第２のレーザ光Ｌ２が照射されるまでの間に固化が進行している。固化が進行しつつある溶融池Ｍに第２のレーザ光Ｌ２を照射することにより、溶融池の表面を再度溶融することができる。その結果、溶融池Ｍの表面性状を変化させて整えることができる。先述したように、第１および第２のレーザ光Ｌ１，Ｌ２はレーザ光Ｌをビームスプリッタ４で２分割したものであり、第２のレーザ光Ｌ２は第１のレーザ光Ｌ１よりも光量が小さくなっている。したがって、第２のレーザ光Ｌ２が入射するのは溶融池Ｍの比較的表面に近い領域のみであり、第２のレーザ光Ｌ２によって溶融池Ｍの深さ（溶込み深さ）が変化することはない。このように第１および第２のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を接合予定線ＳＳに照射しながら、加工ヘッド１を矢印Ａ方向に徐々に移動させていく。これにより、溶融池が連続してなる溶接ビードが接合予定線ＳＳ上に形成され、溶接対象物Ｗ同士が溶接されることとなる。

ここで、反射鏡１２の位置調整について説明する。第２のレーザ光Ｌ２と溶接対象物Ｗの主面の法線Ｎとがなす角度θが０度となるように反射鏡１２を調整した場合、第２のレーザ光Ｌ２の照射点Ｐ_２が第１のレーザ光Ｌ１の照射点Ｐ₁に対して比較的遠くなる。そのため、第１のレーザ光Ｌ１が照射されてから第２のレーザ光Ｌ２が照射されるまでの時間が長くなる。かかる時間の長さに応じて溶融池Ｍの温度が低下し固化が進むので、第２のレーザ光Ｌ２はだいぶ固化が進行した溶融池Ｍに対して照射されることとなる。固化が進んでいるため、第２のレーザ光Ｌ２の照射により再溶融されるのは、溶融池Ｍ表面の一部、より具体的にいうと大きく隆起した部分のみとなる。したがって、溶融池Ｍ表面、ひいては溶接ビード表面を、高低差が緩和された程度の滑らかさとすることができる。

一方、第２のレーザ光Ｌ２と溶接対象物Ｗの主面の法線Ｎとがなす角度θが４５度となるように反射鏡１２を調整した場合、第２のレーザ光Ｌ２の照射点Ｐ_２が第１のレーザ光Ｌ１の照射点Ｐ₁に対して比較的近くなる。よって、第１のレーザ光Ｌ１が照射されてから第２のレーザ光Ｌ２が照射されるまでの時間が短くなるため、固化がほとんど進んでいない溶融池Ｍに対して第２のレーザ光Ｌ２を照射することとなる。したがって、溶融池Ｍ表面の隆起や段差は、その多くが第２のレーザ光Ｌ２の照射により均されることとなる。その結果、溶融池Ｍ表面、ひいては溶接ビード表面をより滑らかなものとすることができる。

このように、反射鏡１２を調整することによって第２のレーザ光の照射方向を自在に変えることができ、その結果、溶接ビードの表面を所望の表面粗さに調節することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を用いれば、表面粗さが小さい溶接ビードを形成することができる。よって、従来行っていた溶接ビードの研磨作業が不要となるため、車体長（機体長）が長い鉄道車両や航空機に溶接加工を施す際には非常に有用なものとなる。

また、第１のレーザ光Ｌ１を照射した後に溶融池Ｍを見ると、溶融金属の飛散物が溶融池Ｍの上に堆積していることがある。本実施形態のレーザ溶接装置では、第２のレーザ光Ｌ２を照射することによって、溶融池Ｍ上に堆積した溶融金属の飛散物も溶融池Ｍと共に再溶融することができる。そのため、溶接ビード表面における細かい凹凸も減らすことが可能となる。

また、本実施形態のレーザ溶接装置では、ビームスプリッタ４を用いることにより、溶融池を形成する第１のレーザ光Ｌ１と、表面を整える第２のレーザ光Ｌ２とを同時に取得している。第１および第２のレーザ光Ｌ１，Ｌ２が同時に得られるからこそ、第１および第２のレーザ光Ｌ１，Ｌ２を同時に照射することができ、溶接加工と溶融池表面の整形とを同時に行うことができる。これにより、表面粗さが小さい溶接ビードをワンパスで形成することが可能となり、製造にかかる時間を顕著に短縮することができる。さらにビームスプリッタ４を用いることにより、第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザ光Ｌ２とでレーザ発振部２を別個に用意する必要がないため、装置を安価なものとすることができる。

次に、本実施形態に係るレーザ溶接装置を用いた場合の効果を確認するため、以下の実験を行った。

すなわち、本発明者らは、従来のレーザ溶接装置によって形成された溶接ビードと、本実施形態に係るレーザ溶接装置によって形成された溶接ビードとについて、表面粗さを比較する実験を行った。従来のレーザ溶接装置とは、一のレーザ光を溶接対象物Ｗの接合予定線ＳＳに沿って照射することにより溶接対象物同士をワンパス溶接する装置である。このような従来のレーザ溶接装置と本実施形態に係るレーザ溶接装置とを用いて、ステンレス製のワークをそれぞれ溶接した。そして、形成された溶接ビードについて、算術表面粗さＲａ、最大高さＲｙ、および十点平均粗さＲｚ（算術表面粗さＲａ、最大高さＲｙ、十点平均粗さＲｚともJIS B0601-1994に規定）を測定した。その結果を図２に示す。また、従来のレーザ溶接装置で得られる溶接ビードの上面写真を図３（ａ）に、本実施形態に係るレーザ溶接装置で得られる溶接ビードの上面写真を図３（ｂ）に示す。

図２に示される比較例１は、従来のレーザ溶接装置を用いた場合の結果である。図２に示される実施例１は、本実施形態に係るレーザ溶接装置を用いた場合の結果である。従来のレーザ溶接装置を用いた場合、溶接ビードの算術表面粗さＲａは２．５μｍ、最大高さＲｙは１９．５μｍ、十点平均粗さＲｚは１５．０μｍであった。これに対して、本実施形態に係るレーザ溶接装置を用いた場合、溶接ビードの算術表面粗さＲａは１．８μｍ、最大高さＲｙは１２．５μｍ、十点平均粗さＲｚは６．５μｍであった。このように、算術表面粗さＲａ、最大高さＲｙ、および十点平均粗さＲｚのいずれにおいても、従来のレーザ溶接装置を用いた場合と比べて良好な値が得られた。また、図３に示される写真からも、本実施形態に係るレーザ溶接装置で得られる溶接ビードでは、従来のレーザ溶接装置で得られるものと比べて凹凸が非常に少なくなっていることがわかる。

以上の実験結果からも、本実施形態に係るレーザ溶接装置を用いた場合には表面粗さが小さい溶接ビードを得られることが確認された。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態では、第１のレーザ光Ｌ１を照射する際にシールドガスを噴射するとしたが、第２のレーザ光Ｌ２の照射時にもシールドガスを噴射するとしてもよい。

また、本実施形態のレーザ溶接装置を、いわゆる突合せ溶接に用いた場合について説明したが、重ね溶接やその他種々の溶接に用いることができるのはもちろんである。

本実施形態に係るレーザ溶接装置における加工ヘッドの構成を示す図である。 溶接ビードの算術表面粗さＲａ、最大高さＲｙ、および十点平均粗さＲｚを測定した結果を示す図表である。 溶接ビードの上面写真を示す図である。

符号の説明

１…加工ヘッド、４…ビームスプリッタ、６…第１の出射部、８…第２の出射部、１０，１４…集光レンズ、１２…反射鏡、Ｌ１…第１のレーザ光、Ｌ２…第２のレーザ光、Ｍ…溶融池、Ｗ…溶接対象物。

Claims (5)

1. 溶接対象物に対してレーザ光を相対的に走査することにより、当該溶接対象物を溶接するレーザ溶接装置であって、
   入射したレーザ光を第１のレーザ光と第２のレーザ光とに分割する分割手段と、
   前記第１のレーザ光を前記溶接対象物に向けて出射する第１の出射手段と、
   前記第１のレーザ光が照射されることにより前記溶接対象物に生じた溶融池形成後の固化がある程度進行している溶融池に向けて、前記第２のレーザ光を出射する第２の出射手段と、
   を備え、前記第２のレーザ光の光量は、前記第１のレーザ光の光量よりも小さいことを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 前記分割手段は、前記第１のレーザ光の光量と前記第２のレーザ光の光量の比が１１：９から３：１の範囲内となるように分割することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記第２の出射手段は、前記第２のレーザ光の進行方向を変えるための反 射手段を有するとともに、当該反射手段を介して前記第２のレーザ光を出射することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接装置。
4. 溶接対象物に対してレーザ光を相対的に走査することにより、当該溶接対象物を溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記第１のレーザ光を前記溶接対象物に照射する第１の照射工程と、
   前記第１のレーザ光の照射により前記溶接対象物に生じた溶融池形成後の固化がある程度進行している溶融池に対して、前記第１のレーザ光よりも光量が小さい前記第２のレーザ光を照射する第２の照射工程と、
   を有し、
   前記第１及び第２のレーザ光は、一のレーザ光を分割してなるものであることを特徴とするレーザ溶接方法。
5. 第２の照射工程では、前記第２のレーザ光を可変の反射鏡で反射させることにより、前記第２のレーザ光の照射方向を変化させることを特徴とする請求項４に記載のレーザ溶接方法。