(57)【要約】【課題】より簡便な構造でレーザ溶接時に管の内周側にスパッタを発生させない管レーザ溶接装置およびその溶接方法を提供することを目的とする。【解決手段】管体の外周側に設置され、管体の接合面１０にレーザ光４を照射するレーザ照射部５と、レーザ照射部５から照射されるレーザ光４の出力を調整するレーザ光出力調整部６と、を備え、レーザ光出力調整部６により、レーザ光４により管体の管厚内に形成されたキーホール３が管厚内にて有底状態となるように、レーザ光４の出力が調整されることを特徴とする。【選択図】図１
2014012288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管体の外周側に設置され、前記管体の接合面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、
該レーザ照射部から照射されるレーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部と、
を備え、
前記レーザ光出力調整部により、前記レーザ光により前記管体の管厚内に形成されたキーホールが該管厚内にて有底状態となるように、レーザ光の出力が調整されることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
管体の外周側に設置され、前記管体の接合面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、
該レーザ照射部から照射されるレーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部と、
を備え、
前記レーザ照射部は、前記レーザ光の延長線が前記管体の内周面に接する位置と、該管体の外周面に接する位置との間を通過するように設けられていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項３】
管体の外周側に設置され、前記管体の接合面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、
該レーザ照射部から照射されるレーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部と、
前記レーザ光の前記接合面に対する照射位置を揺動させる揺動手段と、
を備えていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項４】
管体の外周側に設置され、前記管体の接合面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、
該レーザ照射部から照射されるレーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部と、を備えたレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、
前記レーザ光出力調整部により、前記レーザ光により前記管体の管厚内に形成されたキーホールが該管厚内にて有底状態となるように、レーザ光の出力が調整されることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項５】
管体の外周側に設置され、前記管体の接合面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、
該レーザ照射部から照射されるレーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部と、を備えたレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、
前記レーザ光の延長線が前記管体の内周面に接する位置と、該管体の外周面に接する位置との間を通過するように設けられていることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項６】
管体の外周側に設置され、前記管体の接合面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、
該レーザ照射部から照射されるレーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部と、
前記レーザ光の前記接合面に対する照射位置を揺動させる揺動手段と、
を備えたレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、
前記接合面の溶接時に前記レーザ光を揺動させる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、配管等の溶接に用いられて好適なレーザ溶接装置およびその溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、高密度エネルギー光線であるレーザビームを光学部品により集光した後に被溶接材に照射し、被溶接材を溶融させる溶接法である。レーザ溶接は、アーク溶接などの他の溶接法と比べ、高速溶接が可能であり、かつ、その熱影響範囲が小さいという特徴を有する。
【０００３】
レーザ溶接は、このような特徴を活かし、例えば、自動車の組み立て溶接への適用例が見られるほか、鋼板を連続処理する例えば酸洗ラインや冷間圧延ラインなどの連続ラインにおいて、途切れることなく鋼板を連続ラインへ供給するために、先行する鋼板である溶接材の端面と、後行する鋼板である溶接材の端面とを接続する、いわゆるコイル継ぎ溶接工程に適用される例が見られる。
【０００４】
しかし、高密度エネルギーを照射するが故に急激な金属の溶融を伴い、形成された溶融池から溶融金属が飛散することがある。これは、溶接部の品質を確保する上で問題となることがある。この飛散する溶融金属をスパッタという。
【０００５】
鋼板の溶接時には貫通したレーザ光によって、鋼板下部からも激しいスパッタと共に溶融金属が排出される。この時にキーホールの下部に達するまで巻き込まれた加工シールドガスが、溶融金属と一緒に排出され得る。溶接ビードの下部に見られる気孔はレーザ溶接時のレーザ光の貫通が不十分で、裏面から排出されるに至らなかった気孔が残留したものと考えられる。
【０００６】
これらの気孔によるトラブルの対策について開示された文献として、下記特許文献１がある。
【０００７】
特許文献１には、内部溶接欠陥（割れ、気孔）のないレーザによる鋼板溶接を可能として、ガス配管、オイル配管などの施工で必要とされる溶接欠陥に非常に厳しい規格に合致する配管溶接が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３００７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、特許文献１は内部溶接欠陥をなくすためにレーザ光を母材に貫通させる必要があった。レーザ光が母材を貫通する際に激しいスパッタと共に溶融金属が排出されるので、配管等の溶接時には、内周面にスパッタが付着するという問題があった。
【００１０】
スパッタは、塗装欠陥などの原因になり品質に悪影響を与えるものであり、配管の場合には、レーザ溶接により発生するスパッタが配管内面に付着し、製品の付加価値を下げていた。さらに、配管内面に付着したスパッタを取り除くにも工数がかかり製品のコストを上げるなどの問題があった。
【００１１】
また、配管のレーザ溶接の場合、配管の接合面を溶接した後に配管内周面に付着したスパッタを確認することが困難であるという問題があった。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、より簡便な構造でレーザ溶接時に管の内周側にスパッタを発生させない管のレーザ溶接装置およびその溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明のレーザ溶接装置およびその溶接方法は以下の手段を採用する。
本発明に係るレーザ溶接装置は、管体の外周側に設置され、前記管体の接合面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、該レーザ照射部から照射されるレーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部と、を備え、前記レーザ光出力調整部により、前記レーザ光により前記管体の管厚内に形成されたキーホールが該管厚内にて有底状態となるように、レーザ光の出力が調整されることを特徴とする。
【００１４】
レーザ光出力調整部により、レーザ光出力を（例えば下げて）調整することができる。レーザ光出力を調整することで管体を構成する金属の金属蒸発の圧力を低下させることができる。これにより、管体の管厚内に有底状のキーホールを形成することで、管体の内周面を貫通することを防ぐことができる。金属蒸発により形成されるキーホールが管体の内周側に貫通しないため、内周面にスパッタが発生するのを防ぐことができる。また、レーザ光出力を落とすことで、熱伝導により管体の内周面を溶融させることができる。これにより、内周面の裏波を形成することができる。
【００１５】
さらに、本発明のレーザ溶接装置では、管体の外周側に設置され、前記管体の接合面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、該レーザ照射部から照射されるレーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部と、前記レーザ光の延長線が前記管体の内周面に接する位置と、該管体の外周面に接する位置との間を通過するように設けられていることを特徴とする。
【００１６】
レーザ照射部の位置は、管体の中心軸位置から離芯させ、レーザ光の延長線が管体の内周面に接する位置と、管体の外周面に接する位置との間を通過するように設けられている。これにより、レーザ光の狙い位置を内周側に貫通する可能性のある位置から離すことができる。また、レーザ光により形成されるキーホールが不安定な状態でも管体の内面に貫通することがないので、スパッタの発生を防ぐことができる。
【００１７】
さらに、本発明のレーザ溶接装置では、管体の外周側に設置され、前記管体の接合面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、該レーザ照射部から照射されるレーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部と、前記レーザ光の前記接合面に対する照射位置を揺動させる揺動手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１８】
照射位置を揺動させる揺動手段により、レーザ光を揺動（オシレーション）させることができる。これにより、レーザ光のエネルギーが接合面（溶接部）の一点に集中することを防ぐことができる。したがって、レーザ光の出力や回転部の回転を落とすことなく金属蒸発の圧力を低下させることができる。
【００１９】
さらに、本発明のレーザ溶接方法では、管体の外周側に設置され、前記管体の接合面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、該レーザ照射部から照射されるレーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部と、を備えたレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、前記レーザ光出力調整部により、前記レーザ光により前記管体の管厚内に形成されたキーホールが該管厚内にて有底状態となるように、レーザ光の出力が調整されることを特徴とする。
【００２０】
レーザ光出力調整部によりレーザ光出力を調整することができる。レーザ光が調整されることにより管体の金属蒸発の圧力を下げることができる。これにより、管体の管厚内に形成されたキーホールが管厚内にて有底状態とすることができる。したがって、管体の内周面にキーホールが貫通するのを防ぐことができる。キーホールが内周面に貫通することがないので、スパッタが管体内面に付着するのを防ぐことができる。レーザ溶接を安定して行うことができるので、ＴＩＧ溶接などの溶接線が多層から構成される溶接に比べて溶接時間を短縮することができる。
【００２１】
さらに、本発明のレーザ溶接方法では、管体の外周側に設置され、前記管体の接合面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、該レーザ照射部から照射されるレーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部と、を備えたレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、前記レーザ照射部は、前記レーザ光の延長線が前記管体の内周面に接する位置と、該管体の外周面に接する位置との間を通過するように設けられていることを特徴とする。
【００２２】
レーザ照射部の位置を管体の中心軸位置から離芯させ、レーザ光の延長線が管体の内周面に接する位置と、管体の外周面に接する位置との間を通過するように設けられることにより、レーザ光の狙い位置を内周面に貫通する可能性のある位置から離すことができる。これにより、レーザ光により形成されるキーホールが不安定な状態でも管体の内面に貫通することがないので、スパッタの発生を防ぐことができる。
【００２３】
さらに、本発明のレーザ溶接方法では、管体の外周側に設置され、前記管体の接合面にレーザ光を照射するレーザ照射部と、該レーザ照射部から照射されるレーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部と、前記レーザ光の前記接合面に対する照射位置を揺動させる揺動手段と、を備えたレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、前記接合面の溶接時に前記レーザ光を揺動させることを特徴とする。
【００２４】
照射位置を揺動させる揺動手段を用いて、レーザ光を揺動（オシレーション）させることにより、レーザ光のエネルギーが管体の溶接部の一点に集中することを防ぐことができる。これにより、レーザ光の出力や回転部の回転を落とすことなく金属蒸発の圧力を低下させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、レーザ光出力調整部によってレーザ光出力を下げることで管体金属の金属蒸発の圧力を低下させることができる。これにより、金属蒸発により形成されるキーホールが管体の内周面に貫通しないため、管内周面にスパッタが発生するのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係るレーザ溶接装置およびその溶接方法の第１実施形態を示した正面図である。
【図２】本発明に係るレーザ溶接装置およびその溶接方法の第２実施形態を示した正面図である。
【図３】本発明に係るレーザ溶接装置およびその溶接方法の第３実施形態を示した斜視図である。
【図４】本発明に係るレーザ溶接装置およびその溶接方法の第３実施形態の変形例を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明に係るレーザ溶接装置およびその溶接方法の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２８】
各実施形態にかかるレーザ溶接装置およびその溶接方法は、例えば陸用ボイラの熱交換器の伝熱管等の円管とされた管体の突き合わせ溶接に用いられる。
具体的には、円管とされた一対の管体（以下、単に「管」という）のそれぞれの端部同士が互いに突き合わされた状態で隣接されて配置される（例えば図３及び図４参照）。これらの管は、図示されない固定具などによって固定され、図示されない回転部によって管の軸線回りに同期して回転可能とされている。
【００２９】
［第１実施形態］
図１には、第１実施形態にかかるレーザ溶接装置が示されている。同図には、一対の管が突き合わされた接合面１０において、一方の管の端面を見た正面図である。
レーザ溶接装置は、管に向けてレーザを照射するレーザ照射部５と、レーザ光の出力を調整するレーザ光出力調整部６とを備えている。
レーザ照射部５は、管の外周側にて、管同士の接合面１０に対向した状態で設けられている。レーザ照射部５によって集光されたレーザ光が接合面１０に向けて出射される。レーザ照射部５の設置位置は、管中心点Ａから離芯させた位置とする。この離芯距離（すなわち管中心点Ａとレーザ光中心軸との距離）は、例えばレーザ出力３ｋＷ，溶接速度０．７ｍ／分および管φ４５×ｔ６（材質：ＳＵＳ３０４）の溶接条件において４ｍｍとされる。
レーザ光出力調整部６は、レーザ照射部のレーザ光上流側に設けられ、図示しない制御部からの指令によってレーザ光出力の増減を行うものである。
【００３０】
管を水平にして溶接する場合、レーザ光４を照射する位置は管の上端位置（図１において１２時の位置）よりも回転方向上流側とされている。レーザ光４が照射された管の接合面１０は、図示しない回転部によって管軸線回りに回転され、回転方向における管の上端位置で溶融金属２が固まるように回転速度が調整されて回転されている。これは、管の溶融金属２が溶融したままの状態で管の上端位置よりも回転方向下流側に位置される場合に、重力による溶融金属２の液だれが発生するのを防止するためである。
【００３１】
管を垂直にして溶接する場合、レーザ光４を照射する位置や回転方向は、回転により溶接後の位置が下方に位置して溶融金属２の液だれが発生するおそれがないので、管を水平にして溶接する場合のような条件は必要とされない。
【００３２】
次に、上記構成のレーザ溶接装置を用いた溶接方法について説明する。
まず、図示されないレーザ発振器からのレーザ光４が図示されない光路によってレーザ光出力調整部６に伝送される。レーザ光出力調整部６によって出力が調整されたレーザ光４は、レーザ照射部５によって接合面１０へと照射される。この時、溶接金属部の酸化等を防ぐために、通常はシールドガスを接合面１０へ吹付ける。シールドガスには、不活性ガスが好適に用いられ、例えば、アルゴン，ヘリウムおよび窒素などが用いられる。
【００３３】
レーザ照射部５から接合面１０に対して照射されたレーザ光４は、管の外周面１から管の内周面７に向かって照射される。レーザ光４の熱により、管の金属を溶融金属２の状態とさせる。レーザ光出力調整部６でレーザ光４の出力を下げ、図示されない回転部による回転（矢印Ｂ）の速度を調整することで管厚内に形成されるキーホール３が有底状態となった状態で溶接される。管厚内に形成されたキーホール３の底部３ａから管の内周面７までの間は、レーザ光４が直接照射されるのではなく、レーザ光４によって発生する熱の熱伝導によって溶接される。
【００３４】
以上の通り、本実施形態によれば以下の作用効果を奏する。
レーザ光出力調整部６により、レーザ光４の出力を調整し、かつ、管の回転速度を調整することで、管の金属の金属蒸発の圧力を低下させることができる。
【００３５】
金属蒸発の圧力を低下させることで、管の管厚内に有底状のキーホール３を形成することで、管の内周面７を貫通することを防ぐことができる。金属蒸発により形成されるキーホール３が、管の内周面７に貫通しないため、管の内周面７にスパッタが発生するのを防ぐことができる。また、レーザ光４の出力を落とすことで、熱伝導により管の内周面７を溶融させることができる。これにより、管の内周面７に裏波を形成することができる。
【００３６】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図２を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に示したレーザ照射部５の設置位置を、さらに管中心点Ａから離芯させて、レーザ光４の延長線が管体の内周面７に接する位置Ｌ１と、管体の外周面１に接する位置Ｌ２との間を通過するように設けられている。したがって、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付しその説明を省略する。
図２に示されているように、レーザ照射部５の設置位置は、管中心点Ａから離心させて、レーザ光４の延長線が管体の内周面７に接する位置Ｌ１と、管体の外周面１に接する位置Ｌ２との間を通過するように設けられている。離芯距離は、例えばレーザ出力３ｋＷ，溶接速度０．３ｍ／分および管φ４５×ｔ６（材質：ＳＵＳ３０４）の溶接条件において１７ｍｍとされる。
【００３７】
本実施形態では、レーザ照射部５の設置位置は、管中心点Ａから離芯させて、レーザ光４の延長線が管体の内周面７に接する位置Ｌ１と、管体の外周面１に接する位置Ｌ２との間を通過するように設けられている。すなわち、管の内周面７にレーザ光４を貫通させない設置位置とされている。これにより、管の内周面７からレーザ光４までの距離が離されることから、管の内周面７への熱伝導が低下する。したがって、管の内周面７へ裏波を形成するために、溶接速度（矢印Ｂの方向に回転する速度）を第１実施形態よりも下げて溶接される。
【００３８】
本実施形態によれば、レーザ照射部５の位置は、管中心点Ａから離芯させ、レーザ光４の延長線が管の内周面７に接する位置Ｌ１と、管体の外周面１に接する位置Ｌ２との間を通過するように設けられている。これにより、レーザ光４の狙い位置を管の内周面７にレーザ光４が貫通する可能性のある位置から離すことができる。また、レーザ光４により形成されるキーホール３が不安定な状態でも管の内周面７に貫通することがないので、スパッタの発生を防ぐことができる。
【００３９】
また、レーザ光４の熱伝導が影響する管の内周面７の面積が広くなる為、裏波の幅を広く形成することができる。
【００４０】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図３および図４を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に示したレーザ光４を図示されない揺動手段により揺動させて用いるものである。したがって、第１実施形態と同様の構成には同一符号を付しその説明を省略する。
図３に示されているように、レーザ照射部５は矢印ａおよび矢印ｂの方向に揺動手段（図示せず）により揺動（オシレーション）されている。これにより、レーザ光４も矢印ｃおよび矢印ｄの方向に揺動される。レーザ光４を揺動させる場合の溶接条件は、例えばレーザ出力４ｋＷ，溶接速度０．５ｍ／分，管φ４５×ｔ６（材質：ＳＵＳ３０４）および離芯距離４ｍｍとされる。
【００４１】
本実施形態によれば、レーザ光４が揺動手段により揺動されることで、レーザ光４のエネルギーが溶接部１１の一点に集中することを防ぐことができる。これにより、レーザ光４の出力や回転部の回転を落とすことなく金属蒸発の圧力を低下させることができる。したがって、レーザ光４が管の内周面７へと貫通することがなく、管の内周面７のスパッタの発生を防止することができる。
【００４２】
また、本実施形態では、レーザ照射部５を揺動させてレーザ光４を揺動させているが、本実施形態の変形例として図４に示されるように、レーザ照射部５の替わりにミラー８を設けることとしてもよい。
【００４３】
レーザ照射部５から照射されたレーザ光４をミラー８に照射して、溶接部１１へと反射させている。ミラー８が矢印ａおよび矢印ｂの方向に図示されない揺動手段により、揺動されることで、レーザ光４も矢印ｃおよび矢印ｄの方向に揺動される。これにより、レーザ光４のエネルギーが溶接部１１の一点に集中されることを防ぐことができる。さらに、レーザ光４の出力や回転部の回転を落とすことなく金属蒸発の圧力を低下させることができる。これにより、レーザ光４が管の内周面７へと貫通することがなく、管の内周面７のスパッタを防止することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  外周面
２  溶融金属
３  キーホール
３ａ  キーホール底部
４  レーザ光
５  レーザ照射部
６  レーザ光出力調整部
７  内周面
８  ミラー
１０  接合面
１１  溶接部
Ａ  管中心点
【図１】
2014012288.tif 000003
【図２】
2014012288.tif 000004
【図３】
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【図４】
2014012288.tif 000006