(57)【要約】【課題】簡単な構造で、冷却割れを生じさせることなく、異形状部での溶接焼けを防止する。【解決手段】レーザ光５が照射される突き合わせ部分Ｓにシールドガスを吹き付ける際の所定の設計パラメータを、ノズル７の噴出口７ａから噴き出されるシールドガスＧの噴出速度ｖと、ノズル７の噴出口７ａからこの噴出口７ａと対向する突き合わせ部分Ｓまでの距離（シールドガスＧの吹き付けの狙いとする位置ＰＴまでの距離）ｘとを少なくとも含むものとする。【選択図】  図３
2020082161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
端部同士が突き合わされた筒状の第１の部材と第２の部材とを被溶接部材とし、この被溶接部材を周方向に回転させるように構成された回転駆動装置と、
周方向に回転する前記被溶接部材の前記第１の部材と前記第２の部材との突き合わせ部分にレーザ光を照射するように構成されたレーザ装置と、
シールドガスを噴き出す噴出口を有し、前記レーザ光が照射される前記突き合わせ部分に前記噴出口から所定の設計パラメータにより噴き出される前記シールドガスを吹き付けるように構成されたノズルとを備え、
前記設計パラメータは、
前記ノズルの噴出口から噴き出される前記シールドガスの噴出速度と、前記ノズルの噴出口からこの噴出口と対向する前記突き合わせ部分までの距離とを少なくとも含む
ことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
請求項１に記載されたレーザ溶接装置において、
前記設計パラメータは、
前記突き合わせ部分に含まれる前記第１の部材と前記第２の部材とで異なる形状とされた異形状部での前記シールドガスの吹き付けによる空気の巻き込みが抑制されるように、かつ、前記シールドガスにより徐冷される前記突き合わせ部分の範囲が拡大されるように設定されている
ことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載されたレーザ溶接装置において、
前記設計パラメータは、
さらに、前記ノズルからの前記シールドガスの吹き付け角度と、前記ノズルからの前記シールドガスの吹き付けの狙いとする位置とを含む
ことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項４】
請求項２に記載されたレーザ溶接装置において、
前記突き合わせ部分は、
前記異形状部としてＤカット面を含む
ことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載されたレーザ溶接装置において、
前記ノズルからの前記シールドガスの吹き付けの狙いとする位置は、
前記レーザ光の照射位置に対して前記被溶接部材の回転方向側に所定角度ずれた位置とされている
ことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載されたレーザ溶接装置において、
前記ノズルは、
前記噴出口につながる直管路を有し、
前記直管路内の前記シールドガスの流れは、
乱流状態である
ことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項７】
端部同士が突き合わされた筒状の第１の部材と第２の部材とを被溶接部材とし、この被溶接部材を周方向に回転させるステップと、
周方向に回転する前記被溶接部材の前記第１の部材と前記第２の部材との突き合わせ部分にレーザ光を照射するステップと、
前記レーザ光が照射される前記突き合わせ部分にノズルの噴出口から所定の設計パラメータにより噴き出されるシールドガスを吹き付けるステップとを備え、
前記設計パラメータは、
前記ノズルの噴出口から噴き出される前記シールドガスの噴出速度と、前記ノズルの噴出口からこの噴出口と対向する前記突き合わせ部分までの距離とを少なくとも含む
ことを特徴とするレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関し、特に被溶接部材の突き合わせ部分をレーザ光によって溶接するレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被溶接部材の突き合わせ部分を溶接する装置として、レーザ溶接装置が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。この種のレーザ溶接装置では、端部同士が突き合わされた２つの部材を被溶接部材とし、この２つの部材の突き合わせ部分にシールドガス（例えば、アルゴン）を吹き付けながら、レーザ光を照射することによって、被溶接部材の突き合わせ部分を溶接する。
【０００３】
なお、特許文献１では２つの部材を板材としているが、２つの部材を円筒状の部材とする場合には、端部同士が突き合わされた２つの円筒状の部材を被溶接部材とし、この被溶接部材を周方向に回転させながら、この被溶接部材の突き合わせ部分にレーザ光を照射することによって、被溶接部材の突き合わせ部分の全周を溶接するようにする。この突き合わせ部分の溶接に際しては、溶接面の溶接焼け（酸化）を防止するために、レーザ光が照射される突き合わせ部分に、ノズルの先端（噴出口）から噴き出されるシールドガスを吹き付ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−３９７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような円筒状の部材を溶接するレーザ溶接装置では、２つの部材の突き合わせ部分に一方の部材と他方の部材とで異なる形状とされた異形状部を含む場合、異形状部にレーザ光を照射して溶接すると、溶接面に溶接焼けが生じるという問題があった。これは、突き合わせ部分の周面の表面形状が変化することによって、シールドガスの流れに乱れが生じ、シールドガスに大気中の酸素が混入するからである。
【０００６】
上述した異形状部での溶接焼けを抑える方法として、(１)ノズルの噴出口から噴き出されるシールドガスの噴出速度を上げる、（２）ノズルの噴出口を溶接面に近づける、（３）溶接箇所の雰囲気を覆う等の方法が考えられる。しかし、（１），(２)の方法では、溶接焼けを防ぐことができても、溶接点（レーザ光が照射される点）のガス面圧の上昇、シールドガスにより徐冷される範囲（徐冷範囲）の減少により、かなりの確率で異形状部に冷却割れが生じる。また、（３）の方法では、装置の構造が複雑となり、高コストとなる。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、簡単な構造で、冷却割れを生じさせることなく、異形状部での溶接焼けを防止することが可能なレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を達成するために本発明は、端部同士が突き合わされた筒状の第１の部材（１）と第２の部材（２）とを被溶接部材（３）とし、この被溶接部材を周方向に回転させるように構成された回転駆動装置（８）と、周方向に回転する前記被溶接部材の前記第１の部材と前記第２の部材との突き合わせ部分（Ｓ）にレーザ光（５）を照射するように構成されたレーザ装置（４）と、シールドガス（Ｇ）を噴き出す噴出口（７ａ）を有し、前記レーザ光が照射される前記突き合わせ部分に前記噴出口から所定の設計パラメータにより噴き出される前記シールドガスを吹き付けるように構成されたノズル（７）とを備え、前記設計パラメータは、前記ノズルの噴出口から噴き出される前記シールドガスの噴出速度（ｖ）と、前記ノズルの噴出口からこの噴出口と対向する前記突き合わせ部分までの距離（ｘ）とを少なくとも含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明において、設計パラメータは、前記突き合わせ部分に含まれる前記第１の部材と前記第２の部材とで異なる形状とされた異形状部（２ａ）での前記シールドガスの吹き付けによる空気の巻き込みが抑制されるように、かつ、前記シールドガスにより徐冷される前記突き合わせ部分の範囲（δ）が拡大されるように設定するようにするとよい。
【００１０】
本発明において、設計パラメータとしては、ノズルの噴出口から噴き出されるシールドガスの噴出速度（ｖ）、ノズルの噴出口からこの噴出口と対向する突き合わせ部分までの距離（ｘ）の他にも、ノズルからのシールドガスの吹き付け角度（θ）、ノズルからのシールドガスの吹き付けの狙いとする位置（ＰＴ）などが挙げられる。また、異形状部としてはＤカット面（２ａ）などが挙げられ、ノズルからのシールドガスの吹き付けの狙いとする位置を、レーザ光の照射位置に対して被溶接部材の回転方向側に所定角度ずれた位置としたり、ノズルの噴出口につながる直管路内のシールドガスの流れを乱流状態としたりしてもよい。
【００１１】
なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ光が照射される突き合わせ部分にシールドガスを吹き付ける際の所定の設計パラメータを、ノズルの噴出口からき出されるシールドガスの噴出速度と、ノズルの噴出口からこの噴出口と対向する突き合わせ部分までの距離とを少なくとも含むものとしたので、所定の設計パラメータの設定により、簡単な構造で、冷却割れを生じさせることなく、異形状部での溶接焼けを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ溶接装置の全体構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係るレーザ溶接装置（改良後のレーザ溶接装置）の要部を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係るレーザ溶接装置において突き合わせ部分の溶接面が異形状部（Ｄカット面）となった時の様子を示す図である。
【図４】図４は、現行のレーザ溶接装置の要部を示す図である。
【図５】図５は、現行のレーザ溶接装置における突き合わせ部分へのシールドガスの吹き付け状況を示す図である。
【図６】図６は、現行のレーザ溶接装置において突き合わせ部分の溶接面が異形状部（Ｄカット面）となった時の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。先ず、実施の形態の説明に入る前に、本出願人が採用している現行のレーザ溶接装置について説明する。
【００１５】
〔現行のレーザ溶接装置〕
図４に、現行のレーザ溶接装置１００Ｂの要部を示す。このレーザ溶接装置１００Ｂは、端部同士が突き合わされた円筒状の部材１と部材２とを被溶接部材３とし、この被溶接部材３を周方向に回転させながら、部材１と部材２との突き合わせ部分Ｓにレーザ発振器４から射出されるレーザ光５を照射することによって、突き合わせ部分Ｓの全周を溶接するように構成されている。
【００１６】
このレーザ溶接装置１００Ｂでは、部材１と部材２との突き合わせ部分Ｓの溶接に際して、溶接焼けが生じないように、レーザ光５が照射される突き合わせ部分Ｓに、ノズル６の噴出口６ａから噴き出されるシールドガスＧを吹き付けるようにしている。
【００１７】
このレーザ溶接装置１００Ｂにおいて、ノズル６からの突き合わせ部分ＳへのシールドガスＧの吹き付けは、被溶接部材３の周面に対向する方向から行われる（図５参照）。この場合、被溶接部材３は、シールドガスＧの吹き付け方向に向かって回転する。このような被溶接部材３の回転を「向い回転」と呼んでいる。
【００１８】
これにより、溶接面の溶接焼けが防止されるとともに、溶接面の徐冷が図られる。図５では、シールドガスＧにより徐冷される突き合わせ部分Ｓの範囲（徐冷範囲）をδとして示している。
【００１９】
なお、この例において、ノズル６は「く」の字状に曲げられており、ノズル６の内径ｄは９ｍｍ、ノズル６の直管部６ｂの長さＬは３６ｍｍ（Ｌ＝４ｄ）、ノズル６の噴出口６ａからこの噴出口６ａと対向する突き合わせ部分Ｓまでの距離（後述するシールドガスＧの吹き付けの狙いとする位置ＰＴまでの距離）ｘは５ｍｍ、ノズル６からのシールドガスＧの吹き付け角度θは１０゜、ノズル６へ供給されるシールドガスＧの流量Ｑは５[Ｌ／ｍｉｎ]、ノズル６の噴出口６ａから噴き出されるシールドガスＧの噴出速度ｖは１．３１[ｍ／ｓ]、部材１，２の直径φは２５ｍｍとされている。
【００２０】
また、この例において、ノズル６からのシールドガスＧの吹き付けの狙いとする位置ＰＴは、突き合わせ部分Ｓに照射されるレーザ光５の照射位置Ｐ０とされている。以下、レーザ光５の照射位置Ｐ０を１２時の位置とし、この位置を基準として時計方向に１時、２時、３時・・・・というように被溶接部材３の回転角度位置を定める。
【００２１】
このレーザ溶接装置１００Ｂでは、例えば図６に示すように、部材１の突き合わせ部分Ｓの周面が円周となっているのに対し、部材２の突き合わせ部分Ｓの周面の円周の一部が切り欠かれてＤカット面２ａとされているような場合、溶接箇所がＤカット面（異形状部）２ａになった時に、このＤカット面２ａでシールドガスＧに大きな渦が生じ、この渦に周囲の大気が巻き込まれて、空気とシールドガスＧとが混合し、溶接面に溶接焼けが生じることがある。
【００２２】
また、このＤカット面２ａでの溶接焼けを抑えようとして、ノズル６の噴出口６ａから噴き出されるシールドガスＧの噴出速度ｖを上げたり、ノズル６の噴出口６ａを溶接箇所に近づけたりすると、溶接点のガス面圧の上昇、徐冷範囲の減少により、Ｄカット面２ａに冷却割れが生じてしまう虞がある。
【００２３】
〔改良後のレーザ溶接装置（本発明の実施の形態）〕
【００２４】
図１に、本発明の実施の形態に係るレーザ溶接装置１００Ａの全体構成を示す。このレーザ溶接装置１００Ａは、被溶接部材３の部材１と部材２との突き合わせ部分Ｓにレーザ光５を照射するレーザ発振器４と、被溶接部材３を周方向に回転させる回転駆動装置８と、ノズル７へシールドガスＧを供給するシールドガス供給部９と、制御装置１０とを備えている。
【００２５】
制御装置１０は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、レーザ発振器４、回転駆動装置８およびシールドガス供給部９の動作を制御する。このレーザ溶接装置１００Ａにおいて、レーザ発振器４は、本発明でいうレーザ装置に相当する。
【００２６】
図２は、本発明の実施の形態に係るレーザ溶接装置１００Ａの要部を示す図である。同図において、図５を参照して説明した構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００２７】
このレーザ溶接装置１００Ａは、現行のレーザ溶接装置１００Ｂにおける「く」の字状に曲げられたノズル６に代えて、真っ直ぐな管路とされたノズル７を用いている。以下、このノズル７の噴出口７ａにつながる管路７ｂを直管路と呼ぶ。
【００２８】
このレーザ溶接装置１００Ａにおいて、ノズル７の内径ｄは９ｍｍ、ノズル７の直管路７ｂの長さＬは３６０ｍｍ（Ｌ＝４０ｄ）、ノズル７の噴出口７ａからこの噴出口７ａと対向する突き合わせ部分Ｓまでの距離（シールドガスＧの吹き付けの狙いとする位置ＰＴまでの距離）ｘは１５ｍｍ、ノズル７からのシールドガスＧの吹き付け角度θは３０゜、ノズル７へ供給されるシールドガスＧの流量Ｑは５[Ｌ／ｍｉｎ]、ノズル７の噴出口７ａから噴き出されるシールドガスＧの噴出速度ｖは１．９７[ｍ／ｓ]、部材１，２の直径φは２５ｍｍ、シールドガスＧの吹き付けの狙いとする位置ＰＴは１１時の位置とされている。
【００２９】
すなわち、このレーザ溶接装置１００Ａにおいて、ノズル７の内径ｄ、ノズル７へ供給されるシールドガスＧの流量Ｑ、部材１，２の直径φは現行のレーザ溶接装置１００Ｂと同じであるが、現行のレーザ溶接装置１００Ｂに対し、ノズル７の直管路７ｂの長さＬは１０倍（Ｌ＝４ｄ→Ｌ＝４０ｄ）、ノズル７からのシールドガスＧの吹き付け角度θは３倍（θ＝１０゜→θ＝３０゜）、ノズル７の噴出口７ａから噴き出されるシールドガスＧの噴出速度ｖは１．５倍（ｖ＝１．３１[ｍ／ｓ]→ｖ＝１．９７[ｍ／ｓ]）、ノズル７の噴出口７ａからこの噴出口７ａと対向する突き合わせ部分Ｓまでの距離ｘは３倍（５ｍｍ→１５ｍｍ）、ノズル７からのシールドガスＧの吹き付けの狙いとする位置ＰＴは被溶接部材３の回転方向側に３０゜ずれた位置（１２時の位置→１１時の位置）とされている。
【００３０】
このレーザ溶接装置１００Ａでは、ノズル７からのシールドガスＧの吹き付け角度θを３０゜、ノズル７の直管路７ｂの長さＬを３６０ｍｍとすることによって、ノズル７へ供給するシールドガスＧの流量Ｑを現行のレーザ溶接装置１００ＢにおけるシールドガスＧの流量Ｑと同じとしたまま、ノズル７の噴出口７ａから噴き出されるシールドガスＧの噴出速度ｖを現行のレーザ溶接装置１００ＢにおけるシールドガスＧの噴出速度ｖの１．５倍としている。また、直管路７ｂ内におけるシールドガスの流れを乱流状態（Ｒｅ＝１０Ｅ−０７レベル、Ｒｅ：レイノルズ数）とし、直管路７ｂ内のシールドガスＧの流速分布をハット型としている。
【００３１】
このレーザ溶接装置１００Ａでは、ノズル７の噴出口７ａから噴き出されるシールドガスＧの噴出速度ｖを上げることによって、突き合わせ部分Ｓに吹き付けられるシールドガスの速度を高め、Ｄカット面２ａで大きな渦が生じないようにしている（図３参照）。これにより、Ｄカット面２ａでのシールドガスＧの吹き付けによる空気の巻き込みが抑制され、Ｄカット面２ａでの溶接焼けが防止されるものとなる。
【００３２】
また、このレーザ溶接装置１００Ａでは、ノズル７の噴出口７ａから噴き出されるシールドガスＧの噴出速度ｖを上げることによって、ノズル７の噴出口７ａから噴き出されるシールドガスＧの到達距離を延ばし、ノズル７の噴出口７ａからこの噴出口７ａと対向する突き合わせ部分Ｓまでの距離ｘを長くしている。これにより、徐冷範囲δが拡がるとともに、溶接点のガス面圧の上昇が抑えられ、冷却割れが生じないものとなる。
【００３３】
このようにして、本実施の形態のレーザ溶接装置１００Ａでは、Ｄカット面２ａでのシールドガスＧの吹き付けによる空気の巻き込みが抑制され、またシールドガスＧにより徐冷される範囲（徐冷範囲）δが拡大されるものとなり、簡単な構造で、冷却割れを生じさせることなく、Ｄカット面２ａでの溶接焼けを防止することができるようになる。
【００３４】
なお、上記の説明においては、簡単のために、Ｄカット面２ａでのシールドガスＧの吹き付けによる空気の巻き込みの抑制や徐冷範囲δの拡大に寄与する設計パラメータとして、ノズル７の噴出口７ａから噴き出されるシールドガスＧの噴出速度ｖとノズル７の噴出口７ａからこの噴出口７ａと対向する突き合わせ部分Ｓまでの距離ｘとを挙げたが、ノズル７からのシールドガスＧの吹き付け角度θやノズル７からのシールドガスＧの吹き付けの狙いとする位置ＰＴなどの設計パラメータもＤカット面２ａでのシールドガスＧの吹き付けによる空気の巻き込みの抑制や徐冷範囲δの拡大に寄与している。また、ノズル７の直管路７ｂ内のシールドガスの流れが乱流状態（ハット型の流速分布）とされ、この乱流状態とされたシールドガスＧがノズル７の噴出口７ａから噴き出され、突き合わせ部分ＳのＤカット面２ａに吹き付けられることも、Ｄカット面２ａでのシールドガスＧの吹き付けによる空気の巻き込みの抑制や徐冷範囲δの拡大に寄与している。
【００３５】
また、上述した実施の形態では、ノズル７の内径ｄを９ｍｍ、ノズル７の直管路７ｂの長さＬを３６０ｍｍ、ノズル７の噴出口７ａからこの噴出口７ａと対向する突き合わせ部分Ｓまでの距離ｘを１５ｍｍ、ノズル７からのシールドガスＧの吹き付け角度θを３０゜、ノズル７へ供給されるシールドガスＧの流量Ｑを５[Ｌ／ｍｉｎ]、ノズル７の噴出口７ａから噴き出されるシールドガスＧの噴出速度ｖを１．９７[ｍ／ｓ]）、部材１，２の直径φを２５ｍｍ、ノズル７からのシールドガスＧの吹き付けの狙いとする位置ＰＴを１１時の位置としたが、これらの値は一例に過ぎず、これに限定されるものではない。また、上述した実施の形態では、突き合わせ部分に含まれる異形状部としてＤカット面を挙げたが、異形状部はＤカット面に限られるものでもない。
【００３６】
〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１，２…部材、２ａ…Ｄカット面、３…被溶接部材、４…レーザ発振器、５…レーザ光、７…ノズル、７ａ…噴出口、７ｂ…直管路、８…回転駆動装置、９…シールドガス供給部、１０…制御装置、Ｇ…シールドガス、Ｓ…突き合わせ部分、１００Ａ…レーザ溶接装置。
【図１】
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【図２】
2020082161.tif 000004
【図３】
2020082161.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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