(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接部材である円筒部材乃至円柱部材を軸回りに回転させながら所定位置に配設したレーザ溶接ヘッドで、その突き合わせ部にレーザビームを照射してこの突き合わせ部にキーホールを形成して深溶け込み溶接するように構成したレーザ溶接装置において、
前記被溶接部材の頂部近傍に溶接凝固点が形成されるように、前記被溶接部材の回転方向に関し、この被溶接部材の頂部よりも上流側に配設したレーザ溶接ヘッドを有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
被溶接部材である円筒部材乃至円柱部材を軸回りに回転させながら所定位置に配設したレーザ溶接ヘッドで、その突き合わせ部にレーザビームを照射してこの突き合わせ部にキーホールを形成して深溶け込み溶接するように構成したレーザ溶接装置において、
前記被溶接部材の頂部近傍に溶接凝固点が形成されるように、前記被溶接部材の回転方向に関し、この被溶接部材の頂部よりも上流側に配設したレーザ溶接ヘッドと、
前記被溶接部材の回転方向に関し、前記レーザ溶接ヘッドの下流側に配設するとともに、分流した溶接用のシールドガスの一部を前記突き合わせ部に向けて噴射する冷却ノズルとを有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載するレーザ溶接装置において、
被溶接部材の一回転に伴う溶接の終了時点の近傍で、この終了時点に向けて、前記レーザビームの出力を漸減するとともに、キーホールを残さないように前記出力の時間軸に沿う傾きが、さらに緩やかになるように調整するレーザ発振器の制御手段を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のレーザ溶接装置において、
前記深溶け込み溶接の深さは１０ｍｍ程度であることを特徴とするレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ溶接装置に関し、特に厚肉円筒及び円柱部材の溶接に適用して有用なものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ溶接装置によりパイプ等の円筒部材を突合せ溶接する場合、図５に示すように、その溶接ヘッド０１を、この場合の被溶接部材０２である円筒部材の頂部の上方に配設し、この位置から垂直下方にレーザビーム０３を照射して溶接部位を溶融するとともに、この溶接作業の進行に伴い被溶接部材０２を回転させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く被溶接部材０２の頂部の上方に溶接ヘッド０１を配設して溶接を行う場合、頂部で溶けた溶融金属が、被溶接部材０２の回転に伴い十分固化せず垂れ落ちて健全な溶接ビードが得られないという不都合を生起する場合がある。特に、大出力レーザ溶接装置を用いた、深溶け込み溶接（例えば１０ｍｍ程度）を行う場合に顕著な問題となる。また、この種のキーホール溶接では、円筒部材を一回転させた場合の溶接の重なり部であるクレータ部にアンダーカット及び亀裂等の欠陥を生起し易いという問題もある。
【０００４】
本発明は、上記従来技術に鑑み、円筒部材及び円柱部材のレーザ溶接に際し、溶融金属の垂れ落ちを生起することなく健全な溶接ビードを得るとともに、クレータ部における溶接欠陥の発生も除去し得るレーザ溶接装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。
【０００６】
１）  被溶接部材である円筒部材乃至円柱部材を軸回りに回転させながら所定位置に配設したレーザ溶接ヘッドで、その突き合わせ部にレーザビームを照射してこの突き合わせ部にキーホールを形成して深溶け込み溶接するように構成したレーザ溶接装置において、
前記被溶接部材の頂部近傍に溶接凝固点が形成されるように、前記被溶接部材の回転方向に関し、この被溶接部材の頂部よりも上流側に配設したレーザ溶接ヘッドを有すること。
【０００７】
２）  被溶接部材である円筒部材乃至円柱部材を軸回りに回転させながら所定位置に配設したレーザ溶接ヘッドで、その突き合わせ部にレーザビームを照射してこの突き合わせ部にキーホールを形成して深溶け込み溶接するように構成したレーザ溶接装置において、
前記被溶接部材の頂部近傍に溶接凝固点が形成されるように、前記被溶接部材の回転方向に関し、この被溶接部材の頂部よりも上流側に配設したレーザ溶接ヘッドと、
前記被溶接部材の回転方向に関し、前記レーザ溶接ヘッドの下流側に配設するとともに、分流した溶接用のシールドガスの一部を前記突き合わせ部に向けて噴射する冷却ノズルとを有すること。
【０００８】
３）  上記１）または２）に記載するレーザ溶接装置において、
被溶接部材の一回転に伴う溶接の終了時点の近傍で、この終了時点に向けて、前記レーザビームの出力を漸減するとともに、キーホールを残さないように前記出力の時間軸に沿う傾きが、さらに緩やかになるように調整するレーザ発振器の制御手段を有すること。
【０００９】
４）  上記１）乃至請求項３）の何れかに記載のレーザ溶接装置において、
前記深溶け込み溶接の深さは１０ｍｍ程度であること。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の実施の形態に係るレーザ溶接装置を示すブロック線図である。同図に示すように、本形態に係るレーザ溶接装置は、円筒部材乃至円柱部材を被溶接部材１とするもので、この被溶接部材１をその軸回りに回転させながら所定位置に配設したレーザ溶接ヘッド２で、その突き合わせ部にレーザビーム３を照射してこの突き合わせ部を溶接するものである。ここで、被溶接部材１は回転駆動部４で回転される。
【００１３】
レーザ溶接ヘッド２は、光ファイバ５を介して伝送するレーザ光を光学系２ａを介して集光し、レーザビーム３として被溶接部材１の突き合わせ溶接部に照射するとともに、溶接部の酸化を防止するシールドガスを、シールドガスノズル２ｂを介して溶接部に向け噴射するように構成してある。
【００１４】
本形態におけるレーザ溶接ヘッド２は、図２（ａ）に特にこの部分を抽出して模式的に示すように、被溶接部材１の頂部近傍に溶接凝固点が形成されるように、前記被溶接部材１の回転方向（本形態では図中に矢印で示すように時計方向）に関し、被溶接部材１の頂部よりも上流側に配設してある。すなわち、レーザ溶接ヘッド２は、被溶接部材１の垂直方向の中心線ｌに対して反時計方向に、例えば１０°乃至２０°偏位した位置に配設してある。このように配設することで、被溶接部材１の頂部よりも先行する位置でレーザビーム３の照射により溶融した溶融金属が被溶接部材１の回転に伴い頂部に至る間に冷却されて頂部近傍で丁度凝固する。このことにより溶融金属の垂れ落ちを防止して健全な溶接ビードを形成することができる。
【００１５】
溶接部の良好な溶け込み、すなわち十分に深い溶け込みを得るためには、レーザビーム３を被溶接部材１の頂部に照射するようレーザ溶接ヘッド２を配設するのが望ましい。この点に鑑み、従来技術においてはレーザ溶接ヘッド２を被溶接部材１の頂部の上方に配設していたのであるが、この場合には溶融金属の垂れ落ちによる溶接ビードの不良を生起するという問題がある。このように、溶接部の良好な溶け込みを実現するための要件と、溶融金属の垂れ落ちを防止するための要件とは、相反する要件となっている。そこで、レーザ溶接ヘッド２の中心線ｌに対する角度θは、前述の如き両要件の調和を考慮して適宜決定する。この角度θの決定の際の要素としては、被溶接部材１の回転速度、溶け込み深さ、レーザビーム３の強度等が考えられる。
【００１６】
図２（ａ）に示す場合は、溶接ワイヤを必要としない場合（例えば、突き合わせ部がＩ開先である場合）であるが、溶接ワイヤが必要な場合（例えば、突き合わせ部がＵ開先である場合）がある。この場合には、図２（ｂ）に示すように、溶接ワイヤ１３をレーザ溶接ヘッド２よりもさらに先行する位置に配設して、被溶接部材１の回転方向に関し、上流側からレーザビーム３の照射位置に供給する。
【００１７】
冷却ノズル６は、被溶接部材１の回転方向に関し、レーザ溶接ヘッド２の下流側に配設するとともに、分流した溶接用のシールドガスの一部を被溶接部材１の突き合わせ部に向けて噴射するものである。本形態において、シールドガスは、シールドガス供給部７から管路８を介してレーザ溶接ヘッド２に供給されるが、同時に管路８から分岐する分岐管９を介してその一部が冷却ノズル６にも供給される。この結果、冷却ノズル６からは、溶接部の冷却ガスとして機能するシールドガスが溶接部に供給され、レーザビーム３の照射により溶融した溶融金属をレーザヘッド２の下流側で冷却することができる。
【００１８】
制御部１０は、当該レーザ溶接装置の各部、すなわち回転駆動部４、シールドガス供給部７及びレーザ発振器１１等の所定の制御を行うものである。さらに詳言すると、回転駆動部４は、センサ１２が検出する被溶接部材１の回転速度の情報を処理して、予め設定した回転速度で被溶接部材１を回転移動するように制御される。シールドガス供給部７は、予め設定した流量のシールドガスを供給するように制御される。レーザ発振器１１は、予め設定した強度のレーザ光を出射するように制御される。ここで、被溶接部材１の回転速度、シールドガスの供給量及びレーザ光の強度等は、制御部１０に設定されるが、被溶接部材１の大きさ、溶け込み深さ等の溶接条件を考慮して決定する。ここで、溶接の進行に伴い、この場合の溶融池の様子を画像情報として取り込み、この画像情報を処理することにより、最適な溶接がなされるよう逐次前記各制御量を補正するようにしても勿論良い。
【００１９】
本形態に係る制御部１０は、被溶接部材１の一回転に伴う溶接の終了時点の近傍で、この終了時点に向けて、前記レーザビームの出力を漸減するとともに、キーホールを残さないようにレーザ発振器１１の出力の時間軸に沿う傾きを調整するようになっている。すなわち、レーザ溶接は、レーザビーム３の照射によりキーホールを形成して行う溶接であるため、円筒乃至円柱部材である被溶接部材１の突合せ溶接に際しては、被溶接部材１を一回転させた溶接の終了時点近傍では溶接ビードの重なり部（クレータ部）にキーホールが残らないような処理を行う必要がある。このキーホールが残った場合、これが溶接欠陥となるからである。そこで、円筒乃至円柱部材である被溶接部材１の突合せ溶接に際しては、レーザ発振器１１のレーザ出力特性に３つのモードを持たせている。図３に示すような、立ち上がり部ａ、定常部ｂ、スロープダウン部ｃであり、溶接の開始に伴い速やかに出力を定常値まで立ち上げ（立ち上がり部ａ）、その後一定の出力で溶接作業を進行させ（定常部ｂ）、溶接の終了時点近傍で出力を漸減する（スロープダウン部ｃ）ことによりキーホールを閉じて溶接を終了する。
【００２０】
ところが、従来のスロープダウン部ｃにおける出力は同一傾斜で漸減するようになっていたので、溶接の最後にキーホールが残る場合があった。そこで、本形態では、スロープダウン部ｃにおいてレーザビーム３の出力を漸減するとともに、上述の如くキーホールを残さないようさらにレーザ発振器１１の出力の時間軸に沿う傾きを調整する。すなわち、例えば図４（ａ）に区間ｄ１として示すように、キーホールが閉じる限界付近のレーザ出力（これはレーザ光のパワー密度；Ｗ／ｃｍ2 に依存する。）特性の傾斜をさらに緩やかにして自然にキーホールが閉じるように制御する。この制御は、溶け込み深さ（レーザ出力と溶接速度）に応じて設定した傾斜特性に基づいて行う。
【００２１】
図４（ａ）に示す特性は、レーザ発振器１１から出力されるレーザ光が連続波（ＣＷ波）の場合であるが、これがパルス波（ＰＷ波）である場合は、図４（ｂ）に区間ｄ２として示すような特性で制御する。すなわち、同図に示すように、キーホールが閉じる限界付近のレーザ出力のパルス波形を細かいピッチで、例えば直前のパルス出力との差がΔＰ１からΔＰ２（＜ΔＰ１）になるように制御し、キーホール閉塞時に溶接金属内部に欠陥を発生させないように制御する。なお、ここで、パルス波形に関しては図４（ｂ）に示すものに限る必要はない。例えば、パルス波形と連続波とを複合した波形、連続波にパルス波を重畳した波形等が考えられる。
【００２２】
上述の如き本形態に係るレーザ溶接装置によれば、被溶接部材１の頂部よりも若干先行する位置にレーザ溶接ビーム３を照射しており、同時に溶融金属に対して冷却ガスを噴射しているので、被溶接部材１がその回転に伴い頂部近傍に至った時点では良好に凝固した状態とすることができる。この結果、健全な溶接ビードを形成することができる。また、溶接終了時点の近傍では、レーザ出力をキーホールが閉じる限界付近のレーザ出力に迄、絞り込むようにしたので、クレータ部におけるキーホールの発生を防止することができる。
【００２３】
なお、上記実施の形態では、レーザ溶接ヘッド２を、被溶接部材１の回転方向に関しその頂部よりも先行する位置に配設し、同時に冷却ノズル６による溶接部の冷却も行うように構成したが、必ずしもこのように構成する必要はない。何れか、一方のみの構成を採用するだけても、溶接条件によっては溶融金属の垂れ落ちを防止することができる。ただ、上記実施の形態の如く構成することにより、深溶け込み溶接を行う場合であっても溶融金属の垂れ落ちを防止して十分健全な溶接ビードを形成することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上実施の形態とともに具体的に説明した通り、〔請求項１〕に記載する発明は、被溶接部材である円筒部材乃至円柱部材を軸回りに回転させながら所定位置に配設したレーザ溶接ヘッドで、その突き合わせ部にレーザビームを照射してこの突き合わせ部にキーホールを形成して深溶け込み溶接するように構成したレーザ溶接装置において、前記被溶接部材の頂部近傍に溶接凝固点が形成されるように、前記被溶接部材の回転方向に関し、この被溶接部材の頂部よりも上流側に配設したレーザ溶接ヘッドを有するので、
レーザビームの照射により溶融した溶融金属が被溶接部材の頂部近傍に至る間に良好に凝固する。この結果、これよりさらに被溶接部材が回転しても溶融金属が垂れ落ちることはなく健全な溶接ビードを形成することができる。
【００２６】
〔請求項２〕に記載する発明は、被溶接部材である円筒部材乃至円柱部材を軸回りに回転させながら所定位置に配設したレーザ溶接ヘッドで、その突き合わせ部にレーザビームを照射してこの突き合わせ部にキーホールを形成して深溶け込み溶接するように構成したレーザ溶接装置において、前記被溶接部材の頂部近傍に溶接凝固点が形成されるように、前記被溶接部材の回転方向に関し、この被溶接部材の頂部よりも上流側に配設したレーザ溶接ヘッドと、前記被溶接部材の回転方向に関し、前記レーザ溶接ヘッドの下流側に配設するとともに、分流した溶接用のシールドガスの一部を前記突き合わせ部に向けて噴射する冷却ノズルとを有するので、
レーザビームの照射により溶融した溶融金属が冷却ガスの噴射により冷却されるので、速やかに凝固する。この結果、これよりさらに被溶接部材が回転しても溶融金属が垂れ落ちることはなく健全な溶接ビードを形成することができるという作用・効果と、
〔請求項１〕に記載する発明の作用・効果を重畳した作用・効果が得られ、最も健全な溶接ビードを形成した溶接を行うことができる。
【００２８】
〔請求項３〕に記載する発明は、〔請求項１〕または〔請求項２〕に記載するレーザ溶接装置において、被溶接部材の一回転に伴う溶接の終了時点の近傍で、この終了時点に向けて、前記レーザビームの出力を漸減するとともに、キーホールを残さないように前記出力の時間軸に沿う傾きが、さらに緩やかになるように調整するレーザ発振器の制御手段を有するので、
〔請求項１〕乃至〔請求項２〕の作用・効果に加え、
キーホールが閉じる寸前の出力とすることができ、これによりクレータ部におけるキーホールの発生を除去し得る。すなわち、クレータ部の溶接欠陥を除去し得るという作用・効果も得ることができる。
また〔請求項４〕の発明では、最適な深溶け込みの寸法を規定することにより、本発明を適切に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザ溶接装置を示すブロック線図である。
【図２】図１の被溶接部材及びレーザ溶接ヘッド部分を抽出して示す説明図である。
【図３】当該溶接時のレーザ光の出力特性を示す特性図である。
【図４】スロープダウンコントロール時における本形態に係るレーザ光の出力特性を示す特性図である。
【図５】従来技術に係る被溶接部材及びレーザ溶接ヘッド部分を抽出して示す説明図である。
【符号の説明】
１        被溶接部材
２        レーザ溶接ヘッド
３        レーザビーム
６        冷却ノズル
【図１】
0003716198.tif 000002
【図２】
0003716198.tif 000003
【図３】
0003716198.tif 000004
【図４】
0003716198.tif 000005
【図５】
0003716198.tif 000006