(57)【要約】【課題】レーザ光が被溶接物に反射して、反射光が溶接トーチに照射されることが無いレーザ照射アーク溶接方法を提供する。【解決手段】被溶接物の溶接個所にレーザ発振器から出力されたレーザ光を照射してガスシールドアーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法において、レーザ光がアークに先行又は後行し、レーザ光と鉛直線とが形成する角度及び溶接トーチと鉛直線とが形成する角度がいずれも前進角又は後退角であり、レーザ発振器がファイバーレーザであるレーザ照射アーク溶接方法である。【選択図】図１
2006095559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物の溶接個所にレーザ発振器から出力されたレーザ光を照射してガスシールドアーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法において、
前記レーザ光がアークに先行又は後行し、
前記レーザ光と鉛直線とが形成する角度及び溶接トーチと前記鉛直線とが形成する角度がいずれも前進角又は後退角であることを特徴とするレーザ照射アーク溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載の前記レーザ発振器がレーザダイオードとダブルクラッドファイバとを備えたファイバーレーザであることを特徴とするレーザ照射アーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザトーチから被溶接物にレーザ光を照射すると共にガスシールドアーク溶接を行う改善されたレーザ照射アーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等を利用したレーザ溶接は、高エネルギー密度の熱源であるので、２［ｍ／分］を超える高速溶接が可能である。しかし、このレーザ溶接では、重ね継手、突き合わせ継手等への溶接において、その継手部分にギャップがある場合には、レーザ照射部のビームスポットが小さいために溶融金属量が少なく、ギャップを埋めながら溶接することが難しい。従って、レーザ溶接においては、被溶接物の継手部分をギャップがない状態にする必要があるために、実用上の適用範囲は非常に限定されていた。
【０００３】
上述したレーザ溶接の問題点を解決する１つの方法として、レーザ照射と消耗電極ガスシールドアーク溶接又はティグ溶接とを併用するレーザ照射アーク溶接方法が提案されている。この溶接方法は、前述したレーザ照射によって形成される高エネルギー密度の熱源による高速溶接性を確保した上で、アークによって形成される広がりのある熱源によって継手部分を幅広く溶融する。それと共に溶接ワイヤをギャップ部分に充填することによって、ギャップのある継手部分に対しても良好な高速溶接を行うことができる。
【０００４】
図１３は、一般的なレーザ照射アーク溶接装置を示す図であり、例えばＹＡＧレーザ又は半導体レーザと消耗電極ガスシールドアーク溶接装置とを使用する場合を示している。
【０００５】
図１３において、溶接用電源ＰＳは、溶接ワイヤ送給装置ＷＭの溶接ワイヤ送給ロールＷＲの回転を制御して、溶接ワイヤ１が溶接トーチ４を通して送給される。また、溶接用電源ＰＳは、溶接トーチ４内に設けられた給電チップと被溶接物２との間に電力を供給してアーク３を発生させる。
【０００６】
また、レーザ発振器９から出力されたレーザ光１０は光ファイバ１１によって集光レンズ光学系１２に伝送され、この集光レンズ光学系１２によって被溶接物２に焦点が生じるように収束されて照射される。上記のレーザ光１０を照射する位置は、被溶接物２のアーク３の発生部に対し適宜な距離を持つ位置である。（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−２０５３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１３に示したレーザ照射アーク溶接装置において、例えば、図１４に示すようにレーザ光１０と鉛直線５とが形成する角度Θ１が後退角で、溶接トーチ４と鉛直線５とが形成する角度Θ２が前進角のとき、レーザ光１０が被溶接物２に反射して、反射光６が溶接トーチ４に照射されて、溶接トーチ４が損傷し、溶接トーチ４の寿命を短縮するという不具合が生じる。
図１４は、レーザ光が被溶接物に反射して反射光が溶接トーチに照射されている状態を示す図である。
【０００８】
本発明は、レーザ光が被溶接物に反射して、反射光が溶接トーチに照射されることが無いレーザ照射アーク溶接方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、第１の発明は、
被溶接物の溶接個所にレーザ発振器から出力されたレーザ光を照射してガスシールドアーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法において、
前記レーザ光がアークに先行又は後行し、
前記レーザ光と鉛直線とが形成する角度及び溶接トーチと前記鉛直線とが形成する角度がいずれも前進角又は後退角であることを特徴とするレーザ照射アーク溶接方法である。
【００１０】
第２の発明は、
第１の発明に記載の前記レーザ発振器がレーザダイオードとダブルクラッドファイバとを備えたファイバーレーザであることを特徴とするレーザ照射アーク溶接方法である。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明のレーザ照射アーク溶接方法は、レーザ光と鉛直線とが形成する角度及び溶接トーチと鉛直線とが形成する角度をいずれも前進角又は後退角としている。
この結果、レーザ光１０が被溶接物２に反射して、その反射光が溶接トーチ４に照射されて、溶接トーチ４が損傷することが無く、溶接トーチ４の寿命を短縮することが無い。
【００１２】
第２の発明のレーザ照射アーク溶接方法は、レーザ発振器としてファイバーレーザを用いている。
この結果、溶接トーチ４とレーザ光１０との配置及び角度をより適切にして、被溶接物２に対する溶接姿勢を最適にすることができるので、溶接品質を向上させることができる。
さらに、集光レンズ光学系１２内のコリメートレンズの焦点距離Ｆ１を短くすることができ、また、集光レンズ光学系のレンズ上のビーム直径Ｄ３を小さくすることができるために、集光レンズ光学系１２を小型に製作することができる。また、溶接トーチ４とレーザ光１０との相対角Θ３を小さくすることができるために、レーザヘッドを小さくすることができ、狭い個所の溶接が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［実施の形態１］
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
図１及び図２は、本発明の実施の形態１のレーザ照射アーク溶接方法を説明するための図であって、図１は、レーザ光と鉛直線とが形成する角度及び溶接トーチと鉛直線とが形成する角度がいずれも前進角である場合であり、図２は、これらの角度がいずれも後退角である場合である。
【００１４】
図１において、レーザ光１０と鉛直線５とが形成する角度Θ１及び溶接トーチ４と鉛直線５とが形成する角度Θ２のいずれも前進角である。また、図２においては、これらの角度Θ１及びΘ２がいずれも後退角である。その他の機能は、図１３に示したレーザ照射アーク溶接装置の機能と同じであるので、説明を省略する。
このような角度を維持することによって、レーザ光１０が被溶接物２に反射して、その反射光が溶接トーチ４に照射されて、溶接トーチ４が損傷することが無く、溶接トーチ４の寿命を短縮することが無い。
【００１５】
［実施の形態２］
図３乃至図５は、本発明の実施の形態２のレーザ照射アーク溶接方法を説明するための図であって、図３は、溶接トーチ及びレーザ光の鉛直線からの適切な角度を示す図であり、図４は、溶接トーチ及びレーザ光の相対角を示す図であり、図５は、集光レンズ光学系を示す図である。
以下、レーザ発振器としてファイバ−レーザを用いる理由を説明する。
【００１６】
図３において、アーク溶接での２［ｍ／分］を超える高速溶接においては、溶接トーチ４の鉛直線５からの角度Θ２が１５度以下のときは、シールドガスが十分に溶融池を覆うことができず大気からのシールド性が低下する。
また、溶接トーチ４の鉛直線５からの角度Θ２が３０度以上のときは、シールドガスが十分に溶融池を覆うことができず大気からのシールド性が低下し、さらに、アークが不安定になる。従って、溶接トーチ４の鉛直線５からの角度Θ２は、１５度〜３０度が適切である。
【００１７】
次に、レーザ溶接においては、レーザ光１０の鉛直線５からの角度Θ１が５度以下の場合は、例えば、レーザ光１０に対し高反射率な材質であるアルミニウムなどをレーザ溶接するとき、反射光が集光レンズ光学系１２へ戻り、集光レンズ光学系１２、光ファイバ１１又はレーザ発振器９そのものを損傷する恐れがある。
また、レーザ光１０の鉛直線５からの角度Θ１が１０度以上のときは、レーザ光１０が被溶接物２に照射される断面が楕円形に成り、レーザ光１０のスポット直径が大きくなり、エネルギ密度が小さくなる。従って、レーザ光１０の鉛直線５からの角度Θ１は、５度〜１０度が適切である。
【００１８】
上記の溶接トーチ４及びレーザ光１０の鉛直線５からの適切な角度を満たし、いずれも前進角又は後退角とするには、図４に示すように、溶接トーチ４及びレーザ光１０の相対角Θ３は、１０度〜１５度が適切である。この理由は、相対角Θ３を１０度以下にするには、溶接トーチ４の先端がレーザ光１０を遮ることになる。また、相対角Θ３を１５度以上にすると、溶接トーチ４と集光レンズ光学系１２とから成るレーザヘッドの形状が大きく成り、例えば、このレーザヘッドをロボットのアームの先端に取付けて溶接を行うとき、操作性が低下するためである。
【００１９】
溶接ワイヤ１の送給方向と被溶接物２との交わる点とレーザ光１０の先端との距離である溶接ワイヤレーザ光先端間距離Ｌ１は、２〜５ｍｍが適切である。この理由は、溶接ワイヤレーザ光先端間距離Ｌ１が、２ｍｍ以下のときは、レーザ光１０が溶接ワイヤ１を焼くことになる。また、溶接ワイヤレーザ光先端間距離Ｌ１が５ｍｍ以上のときは、アークに対するレーザ光１０の作用が低下するためである。
【００２０】
そして、例えば、溶接トーチ４及びレーザ光１０の相対角Θ３を１０度とし、溶接ワイヤレーザ光先端間距離Ｌ１を２ｍｍとした場合、被溶接物２へ集光されるレーザ光１０のコーンアングルΘ４は、溶接トーチ４の先端がレーザ光を遮らないためには、３．５度以下である必要がある。
【００２１】
ほこりが、集光レンズ光学系１２に付着することを防止したり、消耗電極ガスシールドアーク溶接によって発生するヒューム及びスパッタが集光レンズ光学系１２に付着することを防止するために、集光レンズ光学系１２の被溶接物２側に保護ガラスが設けられている。
【００２２】
この保護ガラスにスパッタが付着して放置しておくと、レーザ光１０が照射されてスパッタの温度が上昇して保護ガラスが破壊されたり、被溶接物２に照射されるレーザ光１０の出力が減衰されることによって、適切な溶接品質を得ることができない。従って、保護ガラスを頻繁に交換することが必要であるが、その作業を行う代わりに、クロスジェットが保護ガラスの被溶接物２側に設けられ、集光レンズ光学系１２から出力されたレーザ光１０に対して一方向からほぼ直角方向に空気を噴出してスパッタ等を除去している。
このクロスジェットがシールドガスを巻き込むのを防ぐために、集光レンズ光学系の焦点距離Ｆ２は、図５に示すように、２００ｍｍ以上であることが適切である。
【００２３】
また、レーザ溶接がキーホール溶接となるためのレーザ光１０によるエネルギ密度は、一般的に１０の６乗Ｗ／ｃｍ２であり、例えば、出力が４ｋＷのレーザ発振器の場合、レーザのスポット直径Ｄ２は、０．７ｍｍ以下であることが必要である。
【００２４】
光ファイバから出射されたレーザ光は、図５に示すように、コリメートレンズ７によって平行光に変換され、集光レンズ８によって被溶接物２へ集光される。光ファイバ直径をＤ１、コリメートレンズの焦点距離をＦ１、集光レンズの焦点距離をＦ２、スポット直径をＤ２とすると、Ｄ１×Ｆ２＝Ｄ２×Ｆ１という近似式が与えられる。
また、光ファイバ１１からのレーザ光の広がり角度Θ５は、光ファイバ直径Ｄ１とコリメートレンズの焦点距離Ｆ１から求まる。また、（光ファイバ出射後のビーム品質）＝（光ファイバ直径Ｄ１）×（レーザ光の広がり角度Θ５）で求まる。
【００２５】
図６は、上記式に、スポット直径Ｄ２＝０．７ｍｍ、集光レンズの焦点距離Ｆ２＝２００ｍｍを代入し、光ファイバ直径Ｄ１とコリメートレンズの焦点距離Ｆ１とを適宜選択したときの、光ファイバからのレーザ光の広がり角度Θ５とビーム品質との関係を示す図である。同図において、ビーム品質は、約２１ｍｍ×ｍｒａｄという値が得られる。
従って、ビーム品質が２１ｍｍ×ｍｒａｄ以下のレーザ発振器を用いて、集光レンズ光学系１２を調整することによって、レーザ光のコーンアングルΘ４を３．５度以下にすることができる。このレーザ発振器として、以下に示す理由からファイバーレーザを用いる。
【００２６】
図７は、ファイバーレーザの動作原理を説明するための図である。同図において、レーザダイオード１５は励起源である。ダブルクラッドファイバ１６は発振源であって、例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）等の希土類元素が添加されたコア１７と、このコア１７の外周を取囲む第１クラッド１８とこの第１クラッド１８の外周を取囲む第２クラッド１９とから成る。第１クラッド１８及び第２クラッド１９は、高純度の２層の石英ガラスで形成されていて、これらの境界面にて、レーザダイオード１５から入力された励起光が全反射して伝播し、伝播の過程でコア１７を横切ることによって、少しずつコア１７に吸収され、希土類元素を励起し、レーザ光１０に変換される。
【００２７】
コア１７の両端面に形成されたファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）２０は共振源であって、特定の波長の光だけを反射する。レーザ光１０はこのファイバブラッググレーティング２０で反射を繰り返して増幅される。
【００２８】
次に、ファイバレーザ加工機の構成を図８を参照して説明する。同図は、ファイバーレーザ加工機の構成を示す図である。同図においてレーザダイオード１５が励起源であり、ダブルクラッドファイバ１６が発振源であり、図５に示したファイバブラッググレーティング２０が共振源であり、レーザ発振器用集光レンズ光学系２１が集光機器であり、光ファイバ１１が伝送機器であり、レーザトーチ用集光レンズ光学系１２に伝送される。
レーザ発振器２２の内部にレーザダイオード１５、ダブルクラッドファイバ１６及びレーザ発振器用集光レンズ光学系２１が設けられていて、光ファイバ取付け口２３に光ファイバ１１が取付けられている。
【００２９】
以下、動作を説明する。
図８において、レーザダイオード１５から出力された励起光が、ダブルクラッドファイバ１６に入力されて、レーザ光１０に変換されて増幅される。増幅されたレーザ光１０は、レーザ発振器用集光レンズ光学系２１によって光ファイバ１１へ入射可能となるように集光される。集光されたレーザ光１０は、光ファイバ取付け口２３を通って、光ファイバ１１によってレーザトーチ用集光レンズ光学系１２へ伝送され、所望の焦点径に集光されてレーザ光１０が被溶接物に照射される。
【００３０】
ここで、ファイバーレーザとＹＡＧレーザとの代表的なビーム品質を図９に示す。図９は、ファイバーレーザとＹＡＧレーザとの代表的なビーム品質を比較する図である。
【００３１】
図９に示したビーム品質で、それぞれのレーザ発振器の集光レンズの焦点距離Ｆ２を２００ｍｍ、コーンアングルΘ４を３．５度としたときに必要なコリメートレンズの焦点距離Ｆ１とスポット直径Ｄ２とを算出した結果を図１０に示す。
同図に示すように、ＹＡＧレーザは、スポット直径Ｄ２がファイバーレーザと比較して、著しく大きい。
【００３２】
次に、上記条件で、スポット直径Ｄ２を０．７ｍｍとするために必要なコリメートレンズの焦点距離Ｆ１を算出した結果を図１１に示す。同図に示すように、ＹＡＧレーザは、コリメートレンズの焦点距離Ｆ１が、ファイバーレーザと比較して長くなる。さらに、集光レンズ光学系のレンズ上のビーム直径Ｄ３が長くなり、図１２に示すように、集光レンズ光学系１２が、ファイバーレーザと比較して、大きくなる。
図１２は、スポット直径Ｄ２を０．７ｍｍとしたときのファイバーレーザとＹＡＧレーザの集光レンズ光学系を比較する図である。
また、レーザ光１０のコーンアングルΘ４が大きくなり、溶接トーチ４の先端がレーザ光１０を遮るために、溶接トーチ４とレーザ光１０との配置を最適にすることができない。
【００３３】
これに対して、レーザ発振器がファイバーレーザの場合、レーザ光のスポット直径Ｄ２とコーンアングルΘ４が適正値以下となるために、溶接トーチ４とレーザ光１０との配置を最適にできるだけでなく、集光レンズ光学系１２の仕様の設計に、自由度を持たせることができる。
【００３４】
本発明の実施の形態２のレーザ照射アーク溶接方法は、実施の形態１の方法において、レーザ発振器としてファイバーレーザを使用することによって、溶接トーチ４とレーザ光１０との配置及び角度をより適切にして、被溶接物２に対する溶接姿勢を最適にすることができるので、溶接品質を向上させることができる。
さらに、集光レンズ光学系１２内のコリメートレンズの焦点距離Ｆ１を短くすることができ、また、集光レンズ光学系のレンズ上のビーム直径Ｄ３を小さくすることができるために、集光レンズ光学系１２を小型に製作することができる。また、溶接トーチ４とレーザ光１０との相対角Θ３を小さくすることができるために、レーザヘッドを小さくすることができ、狭い個所の溶接が可能となる。
【００３５】
なお、本発明のレーザ照射アーク溶接方法は、消耗電極ガスシールドアーク溶接について説明したが、消耗電極ガスシールドアーク溶接だけでなく、ＴＩＧアーク溶接も使用することができる。
また、上記ビーム品質を満たすディスクレーザ等他のレーザ発振器を用いても、同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】レーザ光と鉛直線とが形成する角度及び溶接トーチと鉛直線とが形成する角度がいずれも前進角である場合である。
【図２】レーザ光と鉛直線とが形成する角度及び溶接トーチと鉛直線とが形成する角度がいずれも後退角である場合である。
【図３】溶接トーチ及びレーザ光の鉛直線からの適切な角度を示す図である。
【図４】溶接トーチ及びレーザ光の相対角を示す図である。
【図５】集光レンズ光学系を示す図である。
【図６】光ファイバ直径Ｄ１とコリメートレンズの焦点距離Ｆ１とを適宜選択したときの、光ファイバからのレーザ光の広がり角度Θ５とビーム品質との関係を示す図である。
【図７】ファイバーレーザの動作原理を説明するための図である
【図８】ファイバーレーザ加工機の構成を示す図である。
【図９】ファイバーレーザとＹＡＧレーザとの代表的なビーム品質を比較する図である。
【図１０】図９に示したビーム品質で、それぞれのレーザ発振器の集光レンズの焦点距離Ｆ２を２００ｍｍ、コーンアングルΘ４を３．５度としたときに必要なコリメートレンズの焦点距離Ｆ１とスポット直径Ｄ２とを算出した結果を示す図である。
【図１１】スポット直径Ｄ２を０．７ｍｍとするために必要なコリメートレンズの焦点距離Ｆ１を算出した結果を示す図である。
【図１２】図１２は、スポット直径Ｄ２を０．７ｍｍとしたときのファイバーレーザとＹＡＧレーザの集光レンズ光学系を比較する図である。
【図１３】一般的なレーザ照射アーク溶接装置を示す図である。
【図１４】レーザ光が被溶接物に反射して反射光が溶接トーチに照射されている状態を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１            溶接ワイヤ
２            被溶接物
３            アーク
４            溶接トーチ
５            鉛直線
６            反射光
７            コリメートレンズ
８            集光レンズ
９            レーザ発振器
１０            レーザ光
１１            光ファイバ
１２            （レーザトーチ用）集光レンズ光学系
１５            レーザダイオード
１６            ダブルクラッドファイバ
１７            コア
１８            第１クラッド
１９            第２クラッド
２０            ファイバブラッググレーティング
２１            レーザ発振器用集光レンズ光学系
２２            レーザ発振器
２３            光ファイバ取付け口
Ｄ１            光ファイバ直径
Ｄ２            スポット直径
Ｄ３            集光レンズ光学系のレンズ上のビーム直径
Ｆ１            コリメートレンズの焦点距離
Ｆ２            集光レンズの焦点距離
Ｌ１            溶接ワイヤレーザ光先端間距離
ＰＳ            溶接用電源
ＷＭ            溶接ワイヤ送給装置
ＷＲ            溶接ワイヤ送給ロール
Θ１            溶接トーチの鉛直線からの角度
Θ２            レーザ光の鉛直線からの角度
Θ３            溶接トーチとレーザ光との相対角
Θ４            コーンアングル
Θ５            レーザ光の広がり角度
【図１】
2006095559.tif 000003
【図２】
2006095559.tif 000004
【図３】
2006095559.tif 000005
【図４】
2006095559.tif 000006
【図５】
2006095559.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006095559.tif 000009
【図８】
2006095559.tif 000010
【図９】
2006095559.tif 000011
【図１０】
2006095559.tif 000012
【図１１】
2006095559.tif 000013
【図１２】
2006095559.tif 000014
【図１３】
2006095559.tif 000015
【図１４】
2006095559.tif 000016