(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板を突き合せた突合せ部に１０〜２０ｋＷのレーザー光を照射して突合せ溶接部を生成し連続して鋼板を溶接するレーザー溶接装置であって、
前記突合せ溶接部の前記レーザー光の照射側に５０〜７０体積％のヘリウムガスを含むヘリウムガスとアルゴンガスとの混合ガスを供給する混合ガス供給部と、
前記突合せ溶接部の前記レーザー光の非照射側にアルゴンガスを供給するアルゴンガス供給部と、
を備え、
前記混合ガス供給部は、
前記レーザー光の光軸に平行であって前記レーザー光の外周に沿って管状に前記混合ガスを前記突合せ溶接部に供給する同軸供給ノズルと、
前記レーザー光の光軸に対して第１の所定角度傾斜した方向から、前記同軸供給ノズルからの前記混合ガスの流量に比して大きい流量の前記混合ガスを溶接進行方向側から前記突合せ溶接部に供給する上部斜め供給ノズルと、
を備え、
前記アルゴンガス供給部は、
前記レーザー光の光軸に対して第２の所定角度傾斜した方向であって溶接進行方向側から前記アルゴンガスを前記突合せ溶接部に供給する下部斜め供給ノズルを備えることを特徴とするレーザー溶接装置。
【請求項２】
鋼板を突き合せた突合せ部に１０〜２０ｋＷのレーザー光を照射して突合せ溶接部を生成し連続して鋼板を溶接するレーザー溶接方法であって、
前記突合せ溶接部の前記レーザー光の照射側に５０〜７０体積％のヘリウムガスを含むヘリウムガスとアルゴンガスとの混合ガスを供給するとともに、前記突合せ溶接部の前記レーザー光の非照射側にアルゴンガスを供給し、前記レーザー光の照射側に対する混合ガスは、前記レーザー光の光軸に平行であって前記レーザー光の外周に沿って管状に供給するとともに、前記レーザー光の光軸に対して第１の所定角度傾斜した溶接進行方向側から、管状に供給される前記混合ガスの流量に比して大きい流量の前記混合ガスを前記突合せ溶接部に供給することを特徴とするレーザー溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板を突き合せた突合せ部にレーザー光を照射して突合せ溶接部を生成し突き合せられた鋼板を連続して接合するレーザー溶接装置及びレーザー溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、熱延鋼板などの鋼板同士をレーザー溶接機を用いて連続的に突合せ溶接する場合、溶融金属が大気と反応して酸化することを防止するため、突合せ溶接部に保護ガスとしての不活性ガスを吹き付けている。この不活性ガスとしては、例えば、ヘリウムガスやアルゴンガスが用いられる。
【０００３】
例えば、特許文献１では、被溶接材の裏面側に設置した多数の孔からアルゴンガスを対流させるように噴射し、溶接裏面部をアルゴンガス雰囲気として溶接することによって、裏面にアルゴンプラズマを生成させている。このアルゴンプラズマによって裏面ビードの改善を図っている。
【０００４】
また、特許文献２では、保護ガスとしてヘリウムガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いている。ここで、混合ガスは、１８〜５５容量％のヘリウムガスを含有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３２０１５１号公報
【特許文献２】特開平６−３４４１７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、レーザー出力が５ｋＷまでの低出力の場合、保護ガスはアルゴンガス、ヘリウムガス、あるいはアルゴンガスとヘリウムガスとの混合ガスとが用いられる。前述の特許文献１および特許文献２では、レーザー出力５ｋＷでのレーザー溶接結果が示されているものである。一方、レーザー出力が５ｋＷを超える高出力の場合、保護ガスはアルゴンガスではなく、ヘリウムガスが用いられる。
【０００７】
希ガスは、電離電圧が大きい傾向であり、希ガスの中でもヘリウムガスの電離電圧は非常に大きい。このため、ヘリウムガスは、高出力レーザーによる溶接であってもプラズマ化しにくく、高出力レーザーを用いた溶接時の保護ガスとして用いられる。一方、アルゴンガスの電離電圧は、ヘリウムガスほどには大きくなく、入熱密度が高い高出力レーザーでは、突合せ溶接時に発生する金属プラズマに呼応してアルゴンガスがプラズマ化し、このプラズマによってレーザー光の溶接部への透過量が低減されて溶接を阻害するため、高出力レーザーを用いた溶接時の保護ガスとしてはヘリウムガスが選択されている。
【０００８】
鉄鋼プロセスラインでは、突合せ溶接によって鋼板を連続溶接するが、鋼板の溶接にかかる時間は、鉄鋼プロセスラインの生産性を大きく左右する。したがって、鉄鋼プロセスラインでは、高出力レーザーを用いた突合せ溶接を行って生産性を上げるようにしている。
【０００９】
しかし、ヘリウムガスは、アルゴンガスに比して高価でありコスト面で不利である。また、ヘリウムガスは、比熱が高く突合せ溶接部の溶融部の冷却速度が速いため、裏抜け不良やアンダーカットなどの溶接不良を生じさせる場合がある。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大出力レーザーを用いて鋼板の突合せ溶接処理の生産性を向上させる場合、保護ガスのコストを抑え、かつ、溶接不良を低減することができるレーザー溶接装置及びレーザー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】
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザー溶接装置は、鋼板を突き合せた突合せ部にレーザー光を照射して突合せ溶接部を生成し連続して鋼板を溶接するレーザー溶接装置であって、前記突合せ溶接部の前記レーザー光の照射側にヘリウムガスとアルゴンガスとの混合ガスを供給する混合ガス供給部と、前記突合せ溶接部の前記レーザー光の非照射側にアルゴンガスを供給するアルゴンガス供給部と、を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかるレーザー溶接装置は、上記の発明において、前記混合ガスは、５０〜７０体積％のヘリウムガスを含むことが好ましい。
【００１３】
また、本発明にかかるレーザー溶接装置は、上記の発明において、前記混合ガス供給部は、前記レーザー光の光軸と同軸の方向から前記混合ガスを前記突合せ溶接部に供給する同軸供給ノズルと、前記レーザー光の光軸に対して第１の所定角度傾斜した方向から前記混合ガスを前記突合せ溶接部に供給する上部斜め供給ノズルと、を備え、前記アルゴンガス供給部は、前記レーザー光の光軸に対して第２の所定角度傾斜した方向から前記アルゴンガスを前記突合せ溶接部に供給する下部斜め供給ノズルを備えることが好ましい。
【００１４】
また、本発明にかかるレーザー溶接装置は、上記の発明において、前記上部斜め供給ノズルは、前記突合せ溶接の溶接進行方向側から前記突合せ溶接部に対して斜めに前記混合ガスを供給し、前記下部斜め供給ノズルは、前記突合せ溶接の溶接進行方向側から前記突合せ溶接部に対して斜めに前記アルゴンガスを供給することが好ましい。
【００１５】
また、本発明にかかるレーザー溶接装置は、上記の発明において、前記レーザー光は、１０〜２０ｋＷの出力光であることが好ましい。
【００１６】
また、本発明にかかるレーザー溶接方法は、鋼板を突き合せた突合せ部にレーザー光を照射して突合せ溶接部を生成し連続して鋼板を溶接するレーザー溶接方法であって、前記突合せ溶接部の前記レーザー光の照射側にヘリウムガスとアルゴンガスとの混合ガスを供給するとともに、前記突合せ溶接部の前記レーザー光の非照射側にアルゴンガスを供給することが好ましい。
【００１７】
また、本発明にかかるレーザー溶接方法は、上記の発明において、前記混合ガスは、５０〜７０体積％のヘリウムガスを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、突合せ溶接部のレーザー光の照射側にヘリウムガスとアルゴンガスとの混合ガスを供給するとともに、前記突合せ溶接部の前記レーザー光の非照射側にアルゴンガスを供給するようにしている。したがって、高価なヘリウムガスの使用量が低減されるのでコストを抑えることができる。また、非照射側の保護ガスには、ヘリウムガスに比して比熱が低いアルゴンガスのみを用いているため、突合せ溶接部内の溶融金属が冷えて固まる現象を遅らせることができる。この結果、深い溶け込み深さを得ることができ、非照射側の溶融性が改善され、溶接不良を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態にかかるレーザー溶接装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示した鋼板の溶接状態を斜め上からみた斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
【００２１】
（装置構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかるレーザー溶接装置の全体構成を示す模式図である。また、図２は、図１に示した鋼板１の溶接状態を斜め上からみた斜視図である。図１及び図２に示すように、このレーザー溶接装置は、鋼板１ａ，１ｂを突き合わせ、この突合せ領域Ｅ１に対し、レーザー照射によって溶融した突合せ溶接部Ｅ２を溶接進行方向（＋Ｘ方向）Ａ１に向けて連続して生成し、鋼板１ａ，１ｂを、溶接領域Ｅ３を介して接続した鋼板１を形成する。本実施の形態では、突合せ溶接部Ｅ２の溶接進行方向Ａ１への生成は、鋼板１（１ａ，１ｂ）を後方（−Ｘ方向）への移動によって行っているが、鋼板１（１ａ，１ｂ）とレーザー光３とが相対的に移動できればよい。例えば、鋼板１（１ａ，１ｂ）を停止状態にしてレーザー光３を溶接進行方向（＋Ｘ方向）Ａ１に移動させてもよい。
【００２２】
レーザー溶接装置は、鋼板１の表面Ｓ１側からレーザー光３を突合せ溶接部Ｅ２に照射するレーザー光源２と、ヘリウム（Ｈｅ）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスとの混合ガスＧ１を突合せ溶接部Ｅ２の表面Ｓ１側に供給するとともに、アルゴンガスＧ２を突合せ溶接部Ｅ２の裏面Ｓ２側に供給するガス供給部１０と、少なくともレーザー光源２及びガス供給部１０を制御するコントローラ３０とを有する。
【００２３】
レーザー光源２は、突合せ溶接部Ｅ２の表面Ｓ１側にレーザー光３を集光する。レーザー光源２は、１０〜２０ｋＷの高出力レーザー光を出力し、例えばＣＯ２レーザーである。レーザー光３の光軸Ｃ１は、表面Ｓ１に垂直（Ｚ方向に平行）である。
【００２４】
ガス供給部１０は、混合ガスＧ１を突合せ溶接部Ｅ２の表面Ｓ１側に供給する混合ガス供給部１１と、アルゴンガスＧ２を突合せ溶接部Ｅ２の裏面Ｓ２側に供給するアルゴンガス供給部１２とを有する。
【００２５】
混合ガス供給部１１は、ヘリウムガスボンベ２０のヘリウムガスとアルゴンガスボンベ２１のアルゴンガスとを混合した混合ガスＧ１を、配管４ａを介してノズル４に供給するとともに、配管５ａを介してノズル５に供給する。この混合ガスＧ１は、５０〜７０体積％のヘリウムガスを含有する。
【００２６】
ノズル４は、レーザー光３に干渉しないように形成された管状ノズルであり、上部の一端が配管４ａに接続される。配管４ａを介して流入した混合ガスＧ１は、下部の管状開口から、光軸Ｃ１に平行して噴き付けられ、突合せ溶接部Ｅ２の表面Ｓ１側に供給される。ノズル４の管状開口と突合せ溶接部Ｅ２の表面Ｓ１との距離は、８〜１５ｍｍである。また、噴き付けられる混合ガスＧ１の流量は、３０〜１００Ｌ／ｍｉｎである。
【００２７】
ノズル５は、鋼板１の表面Ｓ１側に配置され、光軸Ｃ１に対して４０〜６０度の傾きθ１で、溶接進行方向Ａ１（＋Ｘ方向）側から混合ガスＧ１を突合せ溶接部Ｅ２の表面Ｓ１に噴き付けて供給する。ノズル５の先端と突合せ溶接部Ｅ２の表面Ｓ１との距離は、３０〜５０ｍｍである。また、噴き付けられる混合ガスＧ１の流量は、４０〜１００Ｌ／ｍｉｎである。
【００２８】
一方、アルゴンガス供給部１２は、アルゴンガスボンベ２１のアルゴンガスを流量調整し、配管６ａを介してノズル６に供給する。ノズル６は、鋼板１の裏面Ｓ２側に配置され、光軸Ｃ１に対して４０〜６０度の傾きθ２で、溶接進行方向Ａ１(＋Ｘ方向)側からアルゴンガスＧ２を突合せ溶接部Ｅ２の裏面Ｓ２に噴き付けて供給する。ノズル６の先端と突合せ溶接部Ｅ２の裏面Ｓ２との距離は、３０〜５０ｍｍである。また、噴き付けられるアルゴンガスＧ２の流量は、３０〜８０Ｌ／ｍｉｎである。
【００２９】
なお、レーザー光３にて溶接する突合せ溶接部Ｅ２、レーザー光３、及びノズル４は、ＸＺ平面上に存在している。ノズル５，６は、ＸＺ平面上に存在させてもよいし、ＸＺ平面に対して対称になるようにそれぞれ複数本存在させてもよい。また、溶接速度は、３．０〜６．０ｍ／ｍｉｎである。また、鋼板１の厚さは、１．６〜６．０ｍｍである。
【００３０】
（表面側の混合ガスの作用）
ここで、突合せ溶接部Ｅ２の表面Ｓ１側にアルゴンガスのみを噴き付ける場合、レーザー光３によって発生する金属蒸気に呼応してアルゴンガスがプラズマ化し、表面Ｓ１の上部領域Ｅ１０にプラズマが生成される。この上部領域Ｅ１０のプラズマは、レーザー光３の突合せ溶接部Ｅ２への照射を阻止し、レーザー光３による突合せ溶接部Ｅ２へのエネルギー供給が抑えられて突合せ溶接部Ｅ２の溶融を確実に行えなくなる。
【００３１】
本実施の形態では、アルゴンガスに比して電離電圧が大きいヘリウムガスを５０〜７０体積％含んでいるので、上部領域Ｅ１０でのプラズマ発生を抑えることができる。この結果、レーザー光３のエネルギーを損失無く突合せ溶接部Ｅ２に供給することができる。もちろん、アルゴンガス及びヘリウムガスは、保護ガスとして機能する。また、溶接速度が速くても、表面Ｓ１側への溶融金属の供給が間に合うため、表面Ｓ１側でのアンダーカットを防止することができる。
【００３２】
（裏面側のアルゴンガスの作用）
一方、突合せ溶接部Ｅ２の裏面Ｓ２側では、アルゴンガスＧ２のみを噴き付けている。裏面Ｓ２側では、レーザー光３が存在しないため、ヘリウムガスを設ける必要がないからである。また、アルゴンガスＧ２は、ヘリウムガスに比して比熱が低いため、突合せ溶接部Ｅ２の裏面Ｓ２の下部領域Ｅ２０における冷却速度をヘリウムガスに比して遅くすることができる。すなわち、突合せ溶接部Ｅ２内の溶融金属が冷えて固まる現象を遅らせることができるので、従来より、深い溶け込み深さを得ることができ、裏面Ｓ２の溶融性が改善される。その結果、裏面Ｓ２のビード幅を広くすることができる。
【００３３】
本実施の形態では、１０〜２０ｋＷの大出力レーザーを用いて溶接速度を速くして鋼板１の突合せ溶接処理の生産性を向上させる場合であっても、保護ガスとして、表面Ｓ１の上部領域Ｅ１０のみにヘリウムガスを含む混合ガスＧ１を用いてレーザー光３のエネルギー供給効率を高め、裏面Ｓ２の下部領域Ｅ２０にはアルゴンガスＧ２のみを用いているので、保護ガスに含まれるヘリウムガスの含有量を減らすことができ、保護ガスのコストを抑えることができる。また、下部領域Ｅ２０にアルゴンガスＧ２を用い、突合せ溶接部Ｅ２の溶融金属が冷えて固まる現象を遅らせることができるので、裏面Ｓ２及び表面Ｓ１での溶接不良を低減することができる。
【００３４】
（実施例）
次に、実施例について説明する。この実施例の溶接対象の鋼板１は、板厚５．５ｍｍの極低炭素鋼である。レーザー光源２は、ＣＯ２レーザーである。レーザー光３の出力は、１５ｋＷである。また、溶接速度は、３．２ｍ／ｍｉｎである。また、フィラワイヤを用い、その速度は３．０ｍ／ｍｉｎである。
【００３５】
ノズル４からの混合ガスＧ１は、ヘリウムガス５５体積％を含有し、流量５０Ｌ／ｍｉｎである。また、ノズル５からの混合ガスＧ１は、ヘリウムガス５５体積％を含有し、流量８０Ｌ／ｍｉｎである。さらに、ノズル６からのアルゴンガスＧ２は、アルゴンガスの流量５０Ｌ／ｍｉｎである。
【００３６】
また、ノズル５の角度θ１及びノズル６の角度θ２は、それぞれ４５度である。ノズル４，５，６から表面Ｓ１あるいは裏面Ｓ２までの距離は、それぞれ１３ｍｍ、４０ｍｍ、４１ｍｍである。さらに、ノズル５，６の直径は、４ｍｍである。
【００３７】
本実施例では、上述した３．２ｍ／ｍｉｎの溶接速度であっても、溶接不良が低減された突合せ溶接を実現できた。しかも、この場合におけるヘリウムガス使用量は、全て混合ガスＧ１とした場合に比して７０％低減され、コストを抑えることができた。
【符号の説明】
【００３８】
１，１ａ，１ｂ  鋼板
２  レーザー光源
３  レーザー光
４，５，６  ノズル
４ａ，５ａ，６ａ  配管
１０  ガス供給部
１１  混合ガス供給部
１２  アルゴンガス供給部
２０  ヘリウムガスボンベ
２１  アルゴンガスボンベ
３０  コントローラ
Ａ１  溶接進行方向
Ｃ１  光軸
Ｅ１  突合せ領域
Ｅ２  突合せ溶接部
Ｅ３  溶接領域
Ｅ１０  上部領域
Ｅ２０  下部領域
Ｇ１  混合ガス
Ｇ２  アルゴンガス
Ｓ１  表面
Ｓ２  裏面
θ１，θ２  傾き
【図１】
0006482820.tif 000002
【図２】
0006482820.tif 000003