(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ溶接方法及び装置、構造物において、溶接品質と作業性を向上する。【解決手段】レーザ光の焦点位置を目標溶込み溶接部Ｗの最深位置Ｄ１よりレーザ光の照射方向の前方側に設定し、溶接対象物Ｔと溶接ヘッド９とを相対的に移動しながら、真空状態で溶接対象物Ｔにレーザ光を照射して溶接を行うことで、目標溶込み溶接部に高エネルギ密集地点であるレーザ光の焦点位置がなくなり、部材の高温化による溶込み溶接部での欠陥の発生が抑制され、溶接品質を工場することができると共に、作業性を向上することができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の焦点位置を目標溶込み溶接部の最深位置よりレーザ光の照射方向の前方側に設定し、溶接部にレーザ光を照射して溶接を行うことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
溶接対象物と溶接ヘッドとを相対的に移動しながら、真空状態で溶接を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記溶接対象物に応じて目標溶込み深さを設定し、目標溶込み深さに基づいてレーザ光の焦点位置を設定すると共に、レーザ光の出力と溶接速度を設定することを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
レーザ光の焦点位置を前記目標溶込み溶接部の最深位置よりレーザ光の照射方向の前方側で、且つ、前記目標溶込み溶接部の最深位置から前記目標溶込み深さだけレーザ光の照射方向の前方側の位置よりレーザ光の照射方向の後方側に設定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法。
【請求項５】
前記目標溶込み溶接部の最深位置からレーザ光の焦点位置までの距離を前記目標溶込み深さの５０％から６０％の範囲に設定することを特徴とする請求項４に記載のレーザ溶接方法。
【請求項６】
前記目標溶込み溶接部が逆台形形状となるように溶接を行うことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法。
【請求項７】
前記溶接対象物の表面との間で真空空間を画成する真空チャンバを設けると共に、前記真空チャンバの下端部に全周にわたってシール部を設け、前記シール部を溶込み溶接部に押圧して変形させた状態で、前記溶接対象物と前記溶接ヘッド及び前記真空チャンバとを相対的に移動しながら溶接を行うことを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法。
【請求項８】
一パスでレーザ溶接を行うことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法。
【請求項９】
レーザ溶接は、減圧レーザ溶接であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法。
【請求項１０】
溶接ヘッド、アクチュエータ、真空チャンバ、真空ポンプを用いて請求項１から請求項９のいずれか一項のレーザ溶接方法を実施することを特徴とする真空溶接装置。
【請求項１１】
請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ溶接方法で溶接されたことを特徴とする構造物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接対象物と溶接ヘッドとを相対的に移動しながらレーザ溶接を行うレーザ溶接方法及び装置、そして、構造物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、熱源としてレーザ光を使用し、集光した状態で接合部に照射し、この接合部を溶融、凝固させることにより部材を接合するものである。
【０００３】
従来のレーザ溶接方法としては、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。特許文献１に記載されたレーザ溶接方法は、１層目は完全溶込溶接とし、２層目以上は焦点位置を前層ビード上より焦点距離の１／２０以上離してビームを照射するものである。また、特許文献２に記載されたレーザ溶接方法は、レーザ溶接装置内の圧力雰囲気を低真空雰囲気にし、シールドガス筒にシールドガスを導入してレーザを被溶接材に照射し、シールドガスの導入量をシールドガスが溶接時に溶接部に直接吹き付けられることがない量に制御するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０７−３２３３８６号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／１４５５１４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したように、レーザ光を用いて部材を接合するとき、接合する部材の厚さが厚いとき、所定の溶込み深さが必要となる。しかし、所定の溶込み深さを確保するために、溶接速度を低下して高出力のレーザ光を接合部に照射すると、溶込み溶接時に欠陥が発生しやすい。上述した従来のレーザ溶接方法では、多層溶接したり、シールドガスの導入量を規制することで対応していたが、作業性がよくない。
【０００６】
本発明は上述した課題を解決するものであり、溶接品質と作業性を向上するレーザ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】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明のレーザ溶接方法は、レーザ光の焦点位置を目標溶込み溶接部の最深位置よりレーザ光の照射方向の前方側に設定し、溶接部にレーザ光を照射して溶接を行うことを特徴とするものである。
【０００８】
従って、レーザ光の焦点位置が目標溶込み溶接部の最深位置よりレーザ光の照射方向の前方側にあることから、目標溶込み溶接部にレーザ光の焦点位置、つまり、レーザ光による高エネルギ密集地点がなくなり、部材の高温化による溶込み溶接部での欠陥の発生が抑制され、溶接品質を向上することができると共に、作業性を向上することができる。
【０００９】
本発明のレーザ溶接方法では、溶接対象物と溶接ヘッドとを相対的に移動しながら、真空状態で溶接を行うことを特徴としている。
【００１０】
従って、十分な溶込み深さを確保することができると共に、高精度な接合を行うことができる。
【００１１】
本発明のレーザ溶接方法では、前記溶接対象物に応じて目標溶込み深さを設定し、目標溶込み深さに基づいてレーザ光の焦点位置を設定すると共に、レーザ光の出力と溶接速度を設定することを特徴としている。
【００１２】
従って、目標溶込み深さに基づいてレーザ光の焦点位置を設定すると共に、レーザ光の出力と溶接速度を設定するため、レーザ光の焦点位置を溶込み溶接部より照射方向の前方側に容易に設定することで、溶込み溶接部での欠陥の発生を抑制することができる。
【００１３】
本発明のレーザ溶接方法では、レーザ光の焦点位置を前記目標溶込み溶接部の最深位置よりレーザ光の照射方向の前方側で、且つ、前記目標溶込み溶接部の最深位置から前記目標溶込み深さだけレーザ光の照射方向の前方側の位置よりレーザ光の照射方向の後方側に設定することを特徴としている。
【００１４】
従って、レーザ光の焦点位置を目標溶込み溶接部の最深位置から目標溶込み深さだけレーザ光の照射方向の前方側の位置よりレーザ光の照射方向の後方側に設定することで、溶接速度の低下を防止して所定の生産性を確保することができる。
【００１５】
本発明のレーザ溶接方法では、前記目標溶込み溶接部の最深位置からレーザ光の焦点位置までの距離を前記目標溶込み深さの５０％から６０％の範囲に設定することを特徴としている。
【００１６】
従って、目標溶込み溶接部における欠陥の発生の抑制と高い生産性の確保を両立することができる。
【００１７】
本発明のレーザ溶接方法では、前記目標溶込み溶接部が逆台形形状となるように溶接を行うことを特徴としている。
【００１８】
従って、適正な溶接部を確保することができる。
【００１９】
本発明のレーザ溶接方法では、前記溶接対象物の表面との間で真空空間を画成する真空チャンバを設けると共に、前記真空チャンバの下端部に全周にわたってシール部を設け、前記シール部を溶込み溶接部に押圧して変形させた状態で、前記溶接対象物と前記溶接ヘッド及び前記真空チャンバとを相対的に移動しながら溶接を行うことを特徴としている。
【００２０】
従って、溶接時にシール部からの漏れを防止して真空チャンバ内の真空状態を適正に維持することができる。
【００２１】
本発明のレーザ溶接方法では、一パスでレーザ溶接を行うことを特徴としている。
【００２２】
従って、作業性を向上することができる。
【００２３】
本発明のレーザ溶接方法では、レーザ溶接は、減圧レーザ溶接であることを特徴としている。
【００２４】
従って、作業性を向上することができる。
【００２５】
また、本発明のレーザ溶接装置は、溶接ヘッド、アクチュエータ、真空チャンバ、真空ポンプを用いてレーザ溶接方法を実施するものである。
【００２６】
従って、溶接品質を向上することができると共に、作業性を向上することができる。
【００２７】
また、本発明の構造物は、前記レーザ溶接方法で溶接されたことを特徴とするものである。
【００２８】
従って、溶接品質を向上することで構造物の品質を向上することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のレーザ溶接方法及び装置、構造物によれば、レーザ光の焦点位置を目標溶込み溶接部の最深位置よりレーザ光の照射方向の前方側に設定するので、部材の高温化による溶込み溶接部での欠陥の発生が抑制され、溶接品質を向上することができると共に、作業性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本実施形態のレーザ溶接方法を実施するための移動式真空溶接装置を表す概略構成図である。
【図２】図２は、真空式レーザ溶接装置を表す縦断面図である。
【図３】図３は、真空式レーザ溶接装置の下面図である。
【図４】図４は、真空式レーザ溶接装置におけるホルダと第２シール部材を表す斜視図である。
【図５】図５は、ホルダと第２シール部材を表す正面図である。
【図６】図６は、複数のレーザ焦点位置に応じた溶接状態を表す概略図である。
【図７】図７は、複数のレーザ焦点位置に応じた溶接部位の品質評価表である。
【図８】図８は、溶込み形状を表す概略図である。
【図９】図９は、レーザ焦点位置に対する品質と施工能率を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に添付図面を参照して、本発明に係るレーザ溶接方法及び装置、構造物の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
【００３２】
図１は、本実施形態のレーザ溶接方法を実施するための移動式真空溶接装置を表す概略構成図、図２は、真空式レーザ溶接装置を表す縦断面図、図３は、真空式レーザ溶接装置の下面図、図４は、真空式レーザ溶接装置におけるホルダと第２シール部材を表す斜視図、図５は、ホルダと第２シール部材を表す正面図である。
【００３３】
本実施形態にて、図１に示すように、移動型真空溶接装置１は、平板状の溶接対象物Ｔを移動させるラインコンベア２と、真空式レーザ装置（減圧レーザ装置）３とを有している。溶接対象物Ｔは、ラインコンベア２のライン４上を移動するパレット５上に載置されている。これにより溶接対象物Ｔは、真空式レーザ装置３との間で相対的に移動可能となっている。即ち、真空式レーザ装置３に対して、ラインコンベア２により溶接対象物Ｔが移動方向Ｘに沿って移動する。なお、溶接対象物Ｔを固定し、真空式レーザ装置３を移動してもよい。
【００３４】
真空式レーザ装置３は、図２に示すように、溶接対象物Ｔの表面に対向する面が開口された直方体形状をなして開口部にシール部８が設けられた真空チャンバ７と、真空チャンバ７の開口部とは反対側の面である上面７ａに設けられた溶接ヘッド９と、シール部８に予圧を与えるアクチュエータ１０とを有している。
【００３５】
真空チャンバ７は、溶接対象物Ｔの表面との間で真空空間を画成する容器であり、上述したように、溶接対象物Ｔに対向する面が開口された直方体形状とされている。真空チャンバ７の開口部には、Ｏリングなどの第一密封部材１３を介して枠形状のホルダ１２（縁部）が取り付けられている。シール部８は、ホルダ１２の溶接対象物Ｔに対向する四辺に全周にわたって設けられている。また、真空チャンバ７は、ホルダ１２の対向する一方の二辺の長手方向が移動方向Ｘに沿い、対向する他方の二辺が溶接箇所（溶込み溶接部）を跨ぐように配置されている。
【００３６】
溶接ヘッド９は、真空空間内で溶接対象物Ｔの表面に溶接を施す装置であり、板形状のベース部１５と、ベース部１５を貫通するように取り付けられたノズル部１６と、ノズル部１６の先端側とは反対側の基端部（図２の上方）に取り付けられたレーザヘッド１７とを有している。
【００３７】
レーザヘッド１７は、レーザの出射光学部であり、ノズル部１６は、レーザ光の軌道に合わせた円錐形状とされている。ベース部１５は、ノズル部１６をチャンバ本体に固定するための部材であり、第二密封部材２５を介して真空チャンバ７の上面７ａに取り付けられている。ノズル部１６は、基端側にレンズ２２が取り付けられている。
【００３８】
また、ノズル部１６は、内部にこのノズル部１６の側部に設けられたガス導入管２３を介してレンズシールドガスＧが導入されている。ノズル部１６は、溶接部分から発生する金属蒸気がレンズ２２などに付着するのを防止するためのノズルである。
【００３９】
真空チャンバ７は、一側部に排気孔１８が設けられており、排気孔１８に排気管１９を介して真空ポンプ２０が接続されている。また、真空チャンバ７は、上面７ａにノズル部１６が挿入されるノズル挿通孔２１が形成されている。
【００４０】
ホルダ１２は、四角枠形状をなし、溶接対象物Ｔに面する下面１２ａにシール部８が嵌め込まれる凹条溝２６が形成されている。アクチュエータ１０は、油圧シリンダであり、ロッド１１が真空チャンバ７の上面７ａを押圧することによりシール部８に対してシールに必要な予圧を与える予圧部として機能する。即ち、シール部８は、アクチュエータ１０によって予め荷重が加えられている。なお、アクチュエータ１０は、油圧シリンダに限ることはなく、シール部８に必要な予圧を与えることができれば、空気圧シリンダや電動シリンダ、回転ねじ機構等を採用することができる。
【００４１】
シール部８は、図３に示すように、ホルダ１２の全周にわたってホルダ１２と溶接対象物Ｔとの間に介在される封止材であって、弾性材料からなり、ホルダ１２の四辺に沿って延びる第一シール部材２７と、ホルダ１２の四辺のうち、溶接箇所を通過する二辺に設けられた第二シール部材２８とを有している。換言すれば、第一シール部材２７は、真空チャンバ７の溶接対象物Ｔの表面と対向する四辺のうち、移動方向Ｘに沿う二辺に設けられており、第二シール部材２８は、移動方向Ｘに直交する二辺に設けられている。なお、第二シール部材２８は、移動方向Ｘに直交する二辺両方に設ける必要はなく、少なくとも溶接によって形成された溶込み溶接部Ｗが通過する移動方向Ｘの後方側のみに設ける構成としてもよい。
【００４２】
第一シール部材２７は、非金属タイプスクィーズパッキン（ゴムガスケット）であり、具体的に、本実施形態の第一シール部材２７は、シリコンゴムによって形成されたＯリングである。また、第一シール部材２７は、溶接対象物Ｔとの摩擦抵抗を低減するために、溶接対象物Ｔとの当接部に真空グリースが塗布されている。なお、第一シール部材２７としては、Ｏリングに限ることはなく、Ｘリング、Ｄリング、Ｔリングなどの非金属タイプスクィーズパッキンを採用することができる。
【００４３】
第二シール部材２８は、第一シール部材２７よりも可撓性の高いシール部材とされており、本実施形態の第二シール部材２８は、耐熱性を有するグランドパッキンである。グランドパッキンは、例えば、グラファイトファイバを編組した構造（編組パッキン）や、グラファイトファイバを積層させたり、ロール巻き形とした構造（重ね形パッキン）を採用させたりすることができる。本実施形態のグランドパッキンは、これらのパッキンを特殊潤滑剤で処理したものである。
【００４４】
グランドパッキンは、例えば、高さ３ｍｍの溶込み溶接部Ｗのうねりに対する追従性を有しており、グランドパッキンの耐熱温度は、２００℃〜６００℃である。また、グランドパッキンを構成する材料は、グラファイトファイバのみならず炭素繊維（カーボンファイバ）を採用することもできる。図４に示すように、第二シール部材２８は、断面四角形状をなしており、凹条溝２６は、第二シール部材２８に対応した形状とされている。
【００４５】
ここで、本実施形態の移動型真空溶接装置１の作用について説明する。
【００４６】
まず、図１及び図２に示すように、アクチュエータ１０によってシール部８に予圧が加えられている状態で、レーザ光の焦点が溶接対象物Ｔの溶接部となるように焦点合わせを行う。次に、この溶接位置での溶接対象物Ｔの溶接部に対して、真空チャンバ７を当接させるように予圧が加えられた後、真空ポンプ２０により真空引きすることで、真空チャンバ７内の溶接位置の周囲を真空環境とする。
【００４７】
そして、レーザヘッド１７よりレーザ光を出射し、溶接対象物Ｔの溶接を実施する。ここで、所定の駆動装置によりラインコンベア２を作動させ、溶接対象物Ｔを真空式レーザ装置３に対して相対的に移動させる。このとき、図４及び図５に示すように、第二シール部材２８は、溶込み溶接部Ｗのうねり（形状）に追従して変形する。
【００４８】
従って、第二シール部材２８が溶込み溶接部Ｗのうねりに追従して変形するため、シール部８からの漏れを防止し、真空チャンバ７内の真空を確保することができる。
【００４９】
ところで、真空式レーザ装置３を用いて溶接対象物Ｔのレーザ溶接を行う場合、レーザ光の焦点をどの位置にするかが重要であり、レーザ光の焦点の位置によっては、溶込み溶接部Ｗに欠陥が発生するおそれがある。そこで、異なるレーザ焦点位置での溶込み溶接部の溶接状態を調べてみた。
【００５０】
図６は、複数のレーザ焦点位置に応じた溶接状態を表す概略図、図７は、複数のレーザ焦点位置に応じた溶接部位の評価表、図８は、溶込み形状を表す概略図、図９は、レーザ焦点位置に対する品質と生産性を表すグラフである。
【００５１】
図６は、異なるレーザ焦点位置での溶込み溶接部の溶接状態を表している。ここで、Ｄ０は、溶接対象物Ｔの表面位置、Ｄは、溶込み深さ、Ｄ１は、溶込み溶接部Ｗの最深位置、Ｆ（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６，Ｆ７，Ｆ８）は、レーザ焦点位置、Ａ（Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６，Ａ７，Ａ８）は、溶込み溶接部Ｗの最深位置Ｄ１からレーザ焦点位置Ｆ（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６，Ｆ７，Ｆ８）までの距離（以下、レーザ焦点距離と称する。）である。
【００５２】
ここで、レーザ焦点位置Ｆ１は、溶込み溶接部Ｗ１の最深位置Ｄ１からレーザ光の照射方向における後方側に溶込み深さＤの１３０％（レーザ焦点距離Ａ１）だけ移動した位置である。レーザ焦点位置Ｆ２は、溶込み溶接部Ｗ２の最深位置Ｄ１からレーザ光の照射方向における後方側に溶込み深さＤの８０％（レーザ焦点距離Ａ２）だけ移動した位置である。レーザ焦点位置Ｆ３は、溶込み溶接部Ｗ３の最深位置Ｄ１からレーザ光の照射方向における後方側に溶込み深さＤの５０％（レーザ焦点距離Ａ３）だけ移動した位置である。レーザ焦点位置Ｆ４は、溶込み溶接部Ｗ４の最深位置Ｄ１からレーザ光の照射方向における後方側に溶込み深さＤの３０％（レーザ焦点距離Ａ４）だけ移動した位置である。レーザ焦点位置Ｆ５は、溶込み溶接部Ｗ５の最深位置Ｄ１からレーザ光の照射方向における後方側に溶込み深さＤの５％（レーザ焦点距離Ａ５）だけ移動した位置である。レーザ焦点位置Ｆ６は、溶込み溶接部Ｗ６の最深位置Ｄ１からレーザ光の照射方向における前方側に溶込み深さＤの５％（レーザ焦点距離Ａ６）だけ移動した位置である。レーザ焦点位置Ｆ７は、溶込み溶接部Ｗ７の最深位置Ｄ１からレーザ光の照射方向における前方側に溶込み深さＤの６０％（レーザ焦点距離Ａ７）だけ移動した位置である。レーザ焦点位置Ｆ８は、溶込み溶接部Ｗ８の最深位置Ｄ１からレーザ光の照射方向における前方側に溶込み深さＤの１００％（レーザ焦点距離Ａ８）だけ移動した位置である。
【００５３】
そして、レーザ焦点位置Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３で溶接を行うと、溶込み溶接部Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３にくびれ欠陥Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３が形成されると共に、空洞欠陥Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が形成され、スパイキングも形成された。レーザ焦点位置Ｆ４で溶接を行うと、溶込み溶接部Ｗ４にくびれ欠陥Ｈ４が形成されるが、空洞欠陥は形成されず、但し、スパイキングが形成された。レーザ焦点位置Ｆ５で溶接を行うと、溶込み溶接部Ｗ５にくびれ欠陥と空洞欠陥は形成されないが、スパイキングが形成された。そして、レーザ焦点位置Ｆ６，Ｆ７，Ｆ８で溶接を行うと、溶込み溶接部Ｗ６，Ｗ７，Ｗ８にくびれ欠陥、空洞欠陥、スパイキングの全てが形成されなかった。
【００５４】
図７は、このときの異なるレーザ焦点位置に応じた溶接部位の品質評価表の一例である。この品質評価表から、レーザ焦点位置Ｆ６を、溶込み溶接部Ｗ６の最深位置Ｄ１からレーザ光の照射方向における前方側に溶込み深さＤの５％（レーザ焦点距離Ａ６）以上移動した位置に設定したとき、品質が合格となる。即ち、レーザ焦点位置Ｆを、溶込み溶接部Ｗの最深位置Ｄ１よりレーザ光の照射方向における前方側に移動した位置に設定すると、溶接部位に欠陥が発生せず、品質は合格となる。また、レーザ焦点位置Ｆを込み溶接部Ｗの最深位置Ｄ１よりレーザ光の照射方向における前方側に移動するほど、溶接部位の品質は向上する。
【００５５】
以上の結果から、本実施形態のレーザ溶接方法は、レーザ光の焦点位置を目標溶込み溶接部の最深位置よりレーザ光の照射方向の前方側に設定し、溶接対象物Ｔと溶接ヘッド９とを相対的に移動しながら、真空状態で溶接対象物Ｔにレーザ光を照射して溶接を行うものである。
【００５６】
この場合、本実施形態のレーザ溶接方法は、溶接対象物Ｔに応じて目標溶込み深さを設定し、目標溶込み深さに基づいてレーザ光の焦点位置を設定すると共に、レーザ光の出力と溶接速度を設定する。
【００５７】
また、本実施形態のレーザ溶接方法は、レーザ光の焦点位置を目標溶込み溶接部の最深位置よりレーザ光の照射方向の前方側で、且つ、目標溶込み溶接部の最深位置から目標溶込み深さだけレーザ光の照射方向の前方側の位置よりレーザ光の照射方向の後方側に設定する。この場合、目標溶込み溶接部の最深位置からレーザ光の焦点位置までの距離を目標溶込み深さの５０％から６０％の範囲に設定することが望ましい。
【００５８】
即ち、レーザ光の焦点位置は、レーザ光による高エネルギ密集地点であり、レーザ光のエネルギが熱エネルギに変換されて高温化する。そのため、レーザ光の焦点位置が目標溶込み溶接部Ｗの範囲にあると、目標溶込み溶接部Ｗの一部が高温化して欠陥が発生しやすい。具体的に説明すると、例えば、図６に示すように、レーザ焦点位置Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４で溶接を行ったとき、溶込み溶接部Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４にくびれ欠陥Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４が形成された。これは、レーザ焦点位置Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の近傍では、レーザ光のエネルギが大きいことから、部材が早期に高温となって溶融した後に凝固する。しかし、レーザ焦点位置Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の前方では、レーザ光のエネルギが大きくないことから、部材が遅れて高温となって溶融した後に凝固する。そのため、くびれ欠陥Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４が形成されてしまう。
【００５９】
また、レーザ焦点位置Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３で溶接を行ったとき、溶込み溶接部Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３に空洞欠陥Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が形成された。これは、レーザ焦点位置Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３の近傍では、レーザ光のエネルギが大きいことから、部材が早期に高温となって溶融した後に凝固する。しかし、レーザ焦点位置Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の前方では、レーザ光のエネルギが大きくないことから、部材が遅れて高温となって溶融した後に凝固する。このとき、発生した金属蒸気の逃げ場がなくなり、空洞欠陥Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が形成されてしまう。
【００６０】
また、レーザ焦点位置Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５で溶接を行ったとき、溶込み溶接部Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５にスパイキングが形成された。これも空洞欠陥Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３と同様に、発生した金属蒸気の逃げ場がなくなって形成されてしまうものである。
【００６１】
一方、本実施形態のレーザ溶接方法は、レーザ光の焦点位置が目標溶込み溶接部の最深位置よりレーザ光の照射方向の前方側にある。そのため、溶込み溶接部Ｗにレーザ焦点位置Ｆがなく、溶込み溶接部Ｗにレーザ光による高エネルギ密集地点がなくなり、部材の高温化による溶込み溶接部Ｗでの欠陥の発生が抑制される。
【００６２】
また、図８に示すように、溶込み溶接部（目標溶込み溶接部）Ｗが逆台形形状（先細形状）となるように溶接を行う。溶込み溶接部Ｗは、溶込み深さＤ、上部幅Ｂ１、下部幅Ｂ２とするとき、上部幅Ｂ１が下部幅Ｂ２より大きくなるようにする。そして、目標溶込み溶接部の溶込み深さＤ、上部幅Ｂ１、下部幅Ｂ２を、接合に必要な深さｄ、上部幅ｂ１、下部幅ｂ２より１ｍｍから２ｍｍだけ大きく設定することが望ましい。これは、溶接精度を考慮する必要からである。
【００６３】
なお、図９は、レーザ焦点位置に対する溶接品質と施工能率を表すグラフである。レーザ焦点位置に対する溶接品質（欠陥の有無）は、前述したように、目標溶込み溶接部の最深位置からレーザ光の焦点位置までの距離を目標溶込み深さの０％より大きい範囲に設定すると、十分確保される、つまり、品質が合格となる。一方、レーザ焦点位置に対する施工能率（溶接作業の迅速性）は、レーザ光の焦点位置が目標溶込み溶接部の最深位置からレーザ方向の後方−５０％より大きくなると低下していく。これは、レーザ焦点距離を大きくすると、溶接対象物Ｔに対するレーザ光のエネルギが低下することから、溶接速度を低下させなければならず、生産性が低下するものである。その結果、溶接品質と施工能率をともに考慮すると、目標溶込み溶接部の最深位置からレーザ光の焦点位置までの距離を、目標溶込み深さの５０％から６０％の範囲に設定すると最適となる。
【００６４】
このように本実施形態のレーザ溶接方法にあっては、レーザ光の焦点位置を目標溶込み溶接部の最深位置よりレーザ光の照射方向の前方側に設定し、溶接対象物Ｔにレーザ光を照射して溶接を行うようにしている。従って、レーザ光の焦点位置が目標溶込み溶接部の最深位置よりレーザ光の照射方向の前方側にあることから、溶込み溶接部Ｗにレーザ光の焦点位置、つまり、レーザ光による高エネルギ密集地点がなくなり、溶接対象物Ｔの高温化による溶込み溶接部での欠陥の発生が抑制され、溶接品質を向上することができると共に、作業性を向上することができる。
【００６５】
本実施形態のレーザ溶接方法では、溶接対象物Ｔと溶接ヘッド９とを相対的に移動しながら、真空状態で溶接を行うようにしている。従って、十分な溶込み深さを確保することができると共に、高精度な接合を行うことができる。
【００６６】
本実施形態のレーザ溶接方法では、溶接対象物Ｔに応じて目標溶込み深さを設定し、目標溶込み深さに基づいてレーザ光の焦点位置を設定すると共に、レーザ光の出力と溶接速度を設定するようにしている。従って、レーザ光の焦点位置を溶込み溶接部より前方側に容易に設定することで、溶込み溶接部Ｗでの欠陥の発生を抑制することができる。
【００６７】
本実施形態のレーザ溶接方法では、溶接対象物Ｔの表面との間で真空空間を画成する真空チャンバ７を設けると共に、真空チャンバ７の下端部に全周にわたってシール部８を設け、シール部８を溶込み溶接部Ｗに押圧して変形させた状態で、溶接対象物Ｔと溶接ヘッド９及び真空チャンバ７とを相対的に移動しながら溶接を行うようにしている。従って、溶接時にシール部８からの漏れを防止して真空チャンバ７内の真空状態を適正に維持することができる。
【００６８】
本実施形態のレーザ溶接方法では、一パスでレーザ溶接を行うことで、作業性を向上することができる。
【００６９】
本実施形態のレーザ溶接方法では、レーザ溶接は、減圧レーザ溶接であることで、作業性を向上することができる。
【００７０】
また、本実施形態のレーザ溶接装置は、溶接ヘッド、アクチュエータ、真空チャンバ、真空ポンプを用いてレーザ溶接方法を実施することで、溶接品質を向上することができると共に、作業性を向上することができる。
【００７１】
また、本実施形態の構造物は、上述したレーザ溶接方法で溶接されたことで、溶接品質を向上することで構造物の品質を向上することができる。ここで、構造物の一例としては、圧力容器、車室、風車の柱などである。
【００７２】
なお、上述した実施形態では、本発明のレーザ溶接方法を真空式レーザ溶接方法に適用して説明したが、通常のレーザ溶接方法にも適用することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１  移動型真空溶接装置
２  ラインコンベア
３  真空式レーザ装置
７  真空チャンバ
８  シール部
９  溶接ヘッド
１０  アクチュエータ
１２  ホルダ
１７  レーザヘッド
２７  第一シール部材
２８  第二シール部材
Ｔ  溶接対象物
Ｈ  くびれ欠陥
Ｃ  空洞欠陥
Ａ  レーザ焦点距離
Ｆ  レーザ焦点位置
Ｄ  溶込み深さ
Ｗ  溶込み溶接部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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