(57)【要約】【課題】  温度および圧力が制御された不活性雰囲気中で、溶接対象物を観察しながら溶融溶接を行うことが可能な溶接装置、および加工上のフレキシビリティに優れ、溶接割れがなく機械的特性に優れた溶接構造物が得られる溶接構造物の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  レーザ光を透過するレーザ光透過部材４を備え、溶接対象物を収容可能な密封容器１と、この密封容器１の外部に配置され、前記レーザ光透過部材４を介して前記密封容器１の外部からこの密封容器１の内部に収容した前記溶接対象物にレーザ光を照射可能なレーザ光出射部１５とを備えた溶接装置を用いて溶接を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を透過するレーザ光透過部材を備え、溶接対象物を収容可能な密封容器と、
該密封容器の外部に配置され、前記レーザ光透過部材を介して前記密封容器の外部から該密封容器の内部に収容した前記溶接対象物にレーザ光を照射可能なレーザ光出射部とを備えたレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記溶接対象物を加熱する加熱装置を備えた請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記密封容器の内部に連通し、該密封容器内部を真空排気する真空排気装置を備えた請求項１または２に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記密封容器の内部に連通し、該密封容器内部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置を備えた請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記密封容器の内部に連通し、該密封容器内部を加圧する加圧装置を備えた請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
前記レーザ光出射部がＹＡＧレーザ出射部である請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
前記レーザ光透過部材が石英ガラスからなる請求項１から６のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項８】
溶接対象物を、レーザ光を透過するレーザ光透過部材を備えた密封容器内に収容する工程と、
前記レーザ光透過部材を介して前記密封容器の外部から前記溶接対象物にレーザ光を照射して溶接を行う工程とを含む溶接構造物の製造方法。
【請求項９】
前記溶接対象物を加熱する工程を含む請求項８に記載の溶接構造物の製造方法。
【請求項１０】
前記密封容器内を真空排気する工程を含む請求項８または９に記載の溶接構造物の製造方法。
【請求項１１】
前記密封容器内に不活性ガスを充填する工程を含む請求項８から１０のいずれか一項に記載の溶接構造物の製造方法。
【請求項１２】
前記密封容器内を加圧する工程を含む請求項８から１１のいずれか一項に記載の溶接構造物の製造方法。
【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溶接構造物の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＴｉＡｌ鍛造材をはじめとする金属間化合物材料を用いた製品の開発においては、部材の大型化及び歩留まり向上が実現可能な接合技術が求められている。
【０００３】
ＴｉＡｌ鍛造材等の金属間化合物材料は、優れた高温比強度特性を持つ材料であるが、常温での延性が極めて小さく、金属間化合物材料に対してレーザ溶接などの溶融溶接を行った場合、溶接後に溶接部分が凝固して収縮すると、収縮応力に素材が追従できず、溶接割れを起こすという問題があった。
【０００４】
また、例えばＴｉＡｌ鍛造材は活性元素のＴｉおよびＡｌから構成されるため、接合時の雰囲気によって溶接部組織や組成が変化し易く、継手特性もその組織形態に左右され易い。従ってＴｉＡｌ鍛造材を大気中で溶接すると、ＴｉおよびＡｌが酸素、窒素と反応して脆い化合物（酸化物、窒化物）を形成し、これが異物として材料中に残存するため、継手の機械的特性を劣化させるという問題があった。
【０００５】
そこで、開先温度および雰囲気を制御して金属間化合物を接合する方法として、完全密封した炉内で、高温高圧で拡散接合やロウ付けを行う方法が一般的に採用されていた。
【０００６】
また、不活性ガスを噴出することによって形成したシールド内に溶接対象物を置くことで雰囲気制御を行い、かつ溶接対象物を溶接熱源とは別の熱源で加熱することによって温度制御を行いながら、レーザ溶接を行う方法が提案されている（特許文献１および特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２３７３２７号公報
【特許文献２】特開２００２−２１９５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、完全密封した炉内で拡散接合やロウ付けを行う場合、接合対象物を炉の中に入れ、所定の温度・圧力プログラムが終了し、炉の蓋を開放するまでその出来上がり状況が確認できない。従って、接合を行っている際は接合対象物の状態を逐次観察できず、接合工程で異常がおきたときに、オペレータが手動でパラメータ変更を行うなどの適切な処置を行うことができないという不都合があった。また、これら接合方法は接合部品質も設備やプロセスに大きく依存するために、作業者が状況に応じて細かく対処できる溶融溶接に比べて加工上のフレキシビリティに劣っている。
また、不活性ガスでシールドを形成してレーザ溶接を行ったとしても、溶接部の窒素含有量は１％位までにしか低減することはできず、溶接部の実用的な強度を得ることはできない。
【０００９】
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、温度および圧力が制御された不活性雰囲気中で、溶接対象物を観察しながら溶融溶接を行うことが可能なレーザ溶接装置、および加工上のフレキシビリティに優れ、溶接割れがなく機械的特性に優れた溶接構造物が得られる溶接構造物の製造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】
【００１０】
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溶接構造物の製造方法は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるレーザ溶接装置は、レーザ光を透過するレーザ光透過部材を備え、溶接対象物を収容可能な密封容器と、この密封容器の外部に配置され、前記レーザ光透過部材を介して前記密封容器の外部からこの密封容器の内部に収容した前記溶接対象物にレーザ光を照射可能なレーザ光出射部とを備える。
この装置により、温度および圧力が制御された不活性雰囲気中で、溶接対象物を観察しながら溶融溶接を行うことができる。
【００１１】
前記レーザ溶接装置に、前記溶接対象物を加熱する加熱装置を設けてもよい。
加熱装置を設けることにより、溶接対象物が常温で延性の低いＴｉＡｌ等の金属間化合物材料であっても、加熱して延性を増大させて溶接を行うことができるので、溶接割れを防ぐことができる。
【００１２】
前記レーザ溶接装置は、前記密封容器の内部に連通し、この密封容器内部を真空排気する真空排気装置を備えていることが好ましい。
真空排気装置により、密封容器内の大気を除去し、溶接対象物中の金属元素が大気中の酸素や窒素と反応して脆い酸化物や窒化物を形成するのを防ぐことができる。
【００１３】
前記レーザ溶接装置は、前記密封容器の内部に連通し、この密封容器内部に不活性ガスを供給する不活性ガス供給装置を備えていてもよい。
この不活性ガス供給装置により、密封容器内に溶接対象物と反応しない不活性ガスを供給し、密封容器内の圧力を溶接対象物の性状に合わせて調節することができる。
【００１４】
さらに、前記レーザ溶接装置は、前記密封容器の内部に連通し、この密封容器内部を加圧する加圧装置を備えていてもよい。
この加圧装置により密封容器を加圧することで、溶接対象物にマンガンやアルミニウムなどの蒸気圧の高い金属元素が含まれる場合でも、その金属元素が溶接の際に気化するのを防ぐことができる。
【００１５】
前記レーザ光出射部はＹＡＧレーザ出射部とすることができる。
ＹＡＧレーザ光を用いることにより、加工上のフレキシビリティを持たせることができ、品質保証も比較的し易くなる。
【００１６】
前記レーザ光透過部材の材料としては、石英ガラスが好ましい。
石英ガラスをレーザ光透過部材の材料として用いることにより、レーザ光のエネルギー損失を低く抑えることができる。
【００１７】
また本発明の溶接構造物の製造方法は、溶接対象物をレーザ光を透過するレーザ光透過部材を備えた密封容器内に収容する工程と、前記レーザ光透過部材を介して前記密封容器の外部から前記溶接対象物にレーザ光を照射して溶接を行う工程とを含んでいる。
この方法により、密封容器内の温度および圧力が制御しながら溶融溶接を行うことができるので、溶接割れがなく機械的特性に優れた溶接構造物を製造することができる。また、溶接対象物を観察しなら確実に溶接することができる。
【００１８】
前記溶接構造物の製造方法において、前記溶接対象物を加熱して溶接を行ってもよい。
溶接対象物がＴｉＡｌ等の常温で延性が低い金属間化合物の場合には、溶接対象物を加熱することにより延性が増大するので、凝固収縮応力に追随することができる。従って、溶接割れを防ぐことができる。
【００１９】
前記溶接構造物の製造方法において、前記密封容器内を真空排気する工程を設けても良い。
密封容器内を真空排気することにより、密封容器内の大気が除去されるので、溶接対象物中の金属元素が大気中の酸素や窒素と反応して脆い酸化物や窒化物を形成するのを防ぐことができる。従って、継手の機械的特性に優れた溶接構造物を製造することができる。
【００２０】
前記溶接構造物の製造方法において、前記密封容器内に不活性ガスを充填する工程を設けてもよい。
密封容器内に不活性ガスを充填することにより、密封容器内に溶接対象物と反応しない不活性ガスが供給され、密封容器内の圧力は溶接対象物の性状に合わせて調節される。
【００２１】
前記溶接構造物の製造方法において、前記密封容器内を加圧する工程を設けてもよい。
密封容器内を加圧することにより、溶接対象物にマンガンやアルミニウムなどの蒸気圧の高い金属元素が含まれる場合でも、その金属元素が溶接の際に気化するのを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、温度および圧力が制御された不活性雰囲気中で、溶接対象物を観察しながら加工上のフレキシビリティに優れた溶融溶接を行うことが可能になる。また、溶接割れがなく機械的特性に優れた溶接構造物が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明のレーザ溶接装置および溶接構造物の製造方法にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本実施形態のレーザ溶接装置の概略構成図である。
このレーザ溶接装置は、溶接対象物を収容するための密封容器１を有している。密封容器１は略円柱状のチャンバであり、底部が閉止され上部が開口した筒状の胴部２と、胴部２の上部開口を閉じる蓋部３とから構成されている。胴部２上部の開口は縁部がフランジ形状になっており、開閉できるように蓋部３がボルトによって取り付けられている。
【００２５】
胴部２の側部には、窓状のレーザ光透過部材４が設けられている。このレーザ光透過部材４を介して密封容器外部から内部の溶接対象物に向けてレーザ光が照射される。レーザ光透過部材４の材料としては、溶接の際の温度や圧力等の環境に耐え得る材料であり、かつレーザ光のエネルギーを吸収しない材料が用いられる。これらの条件から、レーザ光透過部材４の材料としては、石英ガラスを好適に用いることができる。
【００２６】
密封容器１の内部には、溶接対象物を加熱するための加熱装置１０が設けられている。加熱装置１０は、ヒータおよびヒータブロック等から構成することができる。ＴｉＡｌ鍛造材等の金属間化合物材料は常温では延性が低いが、６００℃以上では２０〜１００％位の延性示す。従って、金属間化合物材料を溶接する場合は、加熱装置１０で溶接対象物を加熱して、開先温度を調節しながら溶接を行うことにより、凝固収縮応力に追随できるので、溶接割れを防ぐことができる。
但し、十分な延性を有する材料を溶接する場合は、加熱装置１０は設けなくてもよい。
【００２７】
密封容器１の外部には、レーザ光透過部材４を介して密封容器１の内部に収容した溶接対象物にレーザ光を照射可能な位置に、レーザヘッド（レーザ光出射部）１５が配置されている。レーザヘッド１５は、光ファイバ（図示略）によってレーザ光源（図示略）と光学的に接続されている。
レーザ光源としては、加工上のフレキシビリティを持たせることができ、品質保証も比較的し易いＹＡＧレーザ光が好ましい。
【００２８】
また、前記密封容器１の外部には、密封容器内部に連通する真空ポンプ（真空排気装置）２５が設けられている。この真空ポンプ２５により密封容器１内の大気を除去することにより、溶接対象物中の金属元素が大気中の酸素や窒素と反応して脆い酸化物や窒化物を形成するのを防ぐことができる。
【００２９】
また、前記密封容器１の外部には、密封容器内部に連通する不活性ガスボンベ（不活性ガス供給装置）２０が設けられている。この不活性ガスボンベ２０で密封容器１内部に不活性ガスを供給することにより、溶接対象物の性状に応じて中・低圧で溶接を行うことが可能となる。不活性ガスボンベ中の不活性ガスとしては、アルゴンを好適に用いることができる。
【００３０】
また、前記密封容器１の外部に、密封容器内部に連通する加圧装置（図示略）を設けてもよい。溶接対象物にマンガンやアルミニウムなどの蒸気圧の高い元素が含まれる場合は、加圧装置により密封容器１内を加圧状態にして溶接を行うことにより、これら蒸気圧の高い元素が気化するのを防ぐことができる。
【００３１】
本実施形態のレーザ溶接装置を用いて溶接構造物を製造するには、まず蓋部３を開いた状態で加熱装置１０に接するか若しくは近接するように溶接対象物を配置する。次に、蓋部３で胴部２の上部開口を閉止することにより密封容器１内部を密閉状態とする。ついで、真空ポンプ２５により密封容器１内部の大気を除去し、不活性ガスボンベ２０および加圧装置（図示略）により密封容器１内部の圧力を適宜調整する。必要に応じて加熱装置１０により溶接対象物を加熱して開先温度を調節する。そして、レーザヘッド１５からレーザ光を出射し、レーザ光透過部材４を介して溶接対象物に照射することにより溶接を行い、溶接構造物を製造する。
【００３２】
なお、本発明の溶接装置および溶接構造物の製造方法は、溶接の際に雰囲気および温度の制御が必要な、金属間化合物材料や比較的炭素量の多い鉄鋼材料溶接等に好適に採用される。中でも、活性元素から構成されるＴｉＡｌ鍛造材の溶接には特に好適に採用される。しかし、本発明の溶接装置および溶接構造物の製造方法の適用は金属間化合物材料や鉄鋼材料に限定されず、通常溶接法で接合される他の金属材料にも適用される。
【００３３】
以下、実施例により本発明をさらに詳述する。
（実施例）
供試材料および試験方法：
Ｔｉ−２８．６Ａｌ−６．９Ｍｎ鍛造材（２００Ｌ×５０Ｗ×４ｔｍｍ）２枚を突合せて溶接を行った。継手形状はＩ型とした。鍛造材をチャンバ内に設置する前に、開先面及び開先近傍の表裏面はワイヤーブラッシングによる清浄化処理を行った。また開先部拘束のため、純Ｔｉ溶接棒を用いて開先線上の両端をＧＴＡＷ（Ｇａｓ  Ｔｕｎｇｓｔｅｎ  Ａｒｃ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）による仮付け溶接を行った。
【００３４】
溶接試験には、図１に示したレーザ溶接装置を用いた。レーザ溶接機として、定格出力１０ｋＷのＹＡＧレーザ溶接機（ファイバー種：ＳＩ型ファイバー、ファイバー径：０．８ｍｍ、光学系：Ｂｆ２００ｍｍ）を用いた。密封容器１には、供試体を加熱する加熱装置（ヒータ及びヒータブロック）１０を内部に設け、真空排気及び不活性ガス導入の雰囲気制御ができるように不活性ガスボンベ２０および真空ポンプ２５を接続した。レーザ光は、不活性雰囲気を確保するための密封容器１の外から、ＹＡＧレーザ用両面単層コートを施した石英ガラス（レーザ光透過部材）４を介して供試体開先部に照射して溶接した。供試体は縦置きとした。溶接施工は、安定した溶融池形状が確保でき、高品質溶接施工が可能で、アンダーフィル、アンダーカット等の凹凸が生じにくいために溶接部の研削加工等の溶接後の仕上げ加工が極力低減可能な立向き上進施工とした。尚、供試体の加熱は、供試体開先を拘束するための治具を兼ねたヒータブロックで行い、供試体の温度管理は開先表面に直接取付けた熱電対にて行った。開先上への溶込み溶接前には、ギャップ、ミスマッチ量を極力低減し、開先の位置拘束のための点付け溶接（開先上３点）及びシール溶接（部分溶込み溶接）を行った。点付け溶接、シール溶接及び溶込み溶接（本溶接）は、ヒータブロックにて供試体を加熱しながら行った。
【００３５】
適用した溶接条件を表１にまとめる。スポット径、加工点出力、溶接速度等の溶接部寸法に直接影響を与える基本的な溶接条件については、供試体の板厚４ｍｍを考慮して開先溶接が可能な最適な溶接条件をあらかじめ設定しておき、素材構成成分のうちＭｎ、Ａｌの蒸気圧の高い成分が素材と溶接部とでどの程度変化するのか、あるいは構成成分が変化した継手部の冶金的及び機械的特性変化を把握するために、溶接雰囲気を高真空（１０−３Ｔｏｒｒ）と低真空（１０−１Ｔｏｒｒ）に変化させて継手の形成を行った。
【００３６】
【表１】
2006167756.tif 000003
【００３７】
試験結果および考察：
（ＹＡＧレーザ溶接試験）
溶接供試体は、密封容器１上面の蓋部３をクレーンで吊って開放し、密封容器１内のヒータブロック間に挿入して拘束している。溶接姿勢には立向き姿勢を採用し、かつ開先表面からの反射光がレーザヘッド１５内の集光レンズ及びその先の光ファイバーまで達して損傷させないよう溶接進行方向に１５°倒した。従って、溶接ヘッドを上進移動させた場合には、溶接供試体に対して後進角での溶接施工となる。下向き溶接及び立向き水平溶接施工時には、開先部の予熱並びに溶融池の安定化を図るために前進角での溶接施工を採用するのが一般的であるが、立向き上進溶接の場合、前進角での溶接施工を採用すると、特に電子ビーム溶接やレーザ溶接等のようにキーホール型の溶融形態を示す溶接法においては、一旦溶融した金属が重力の影響により垂れ落ちて、再度その溶融金属が照射ビームに当って溶融池挙動を不安定なものにし、それにより蒸発金属や素材からの発生ガスを溶融池内に巻き込みやすくなってポロシティ等の内部欠陥の発生要因となり得るため、本試験では後進角での溶接施工を採用した。
【００３８】
高真空雰囲気及び低真空雰囲気でレーザ溶接した溶接供試体（溶接したまま）の外観から、両雰囲気で溶接した溶接供試体のビード表面性状は、アンダーカットやアンダーフィル等による凹みがほとんどなく、酸化・窒化による変色もほとんど観られず金属白色を呈していた。また浸透探傷検査の結果、表面ポロシティや溶接割れの存在を示唆するような点状及び線状インディケーションは認められなかった。また放射線透過検査の結果、両雰囲気で溶接した全ての溶接供試体の溶接部には、ポロシティや異物の巻き込み等の内部欠陥は全く認められず、例えば航空機・宇宙機器の溶接部品の組立に一般的に適用される溶接スペックＡＷＳ  Ｄ１７．１（旧ＡＭＳ−ＳＴＤ−２２１９）に規定される溶接部内部品質要求を満足していた。
【００３９】
（成分分析試験）
表２に鍛造材、高真空雰囲気及び低真空雰囲気でレーザ溶接した供試体溶接部の成分分析結果を示す。高真空雰囲気及び低真空雰囲気で溶接した溶接部共に、Ａｌ、Ｍｎ量が鍛造材のそれらに比べて約１ｗｔ％程度減少していたが、両者の間に構成成分の大きな差は認められなかった。Ｃ、Ｎ、Ｈのガス成分量も溶接部と鍛造材間並びに高真空雰囲気と低真空雰囲気との間で差は認められずほぼ同等で素材規格値内に入っていたが、溶接部及び鍛造材共にＯ含有量が規格値に比べて若干高めであった。本試験結果より、高真空雰囲気並びに低真空雰囲気でレーザ溶接した供試体溶接部の構成成分は、鍛造材のそれと比べて著しく変化していないことが明らかになった。
【００４０】
【表２】
2006167756.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態のレーザ溶接装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  密封容器
２  胴部
３  蓋部
４  石英ガラス（レーザ光透過部材）
１０  加熱装置
１５  レーザヘッド（レーザ光出射部）
２０  不活性ガスボンベ（不活性ガス供給装置）
２５  真空ポンプ（真空排気装置）
【図１】
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