(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接レーザビームを溶接レーザ発振器から伝送光路を介して溶接位置に伝送し、伝送光路中に配置したビーム伝送調整手段を調整して溶接レーザビームを溶接加工点に照射し、熱間圧延鋼片を突合せ溶接する方法において、
熱間圧延鋼片を溶接作業位置に搬入する前に、前記溶接レーザビームを参照レーザビームに切替えて前記伝送光路を介して溶接位置に伝送し、溶接位置に隣接する位置での参照レーザビームの照射位置と集光像を２次元イメージセンサで検出し、集光像に基づいて所定の演算で参照レーザビームの溶接加工点からの照射位置のずれを求めて、参照レーザビームが前記溶接加工点を照射するように前記ビーム伝送調整手段を調整し、ついで熱間圧延鋼片を溶接作業位置に搬入し、直前に通過した熱間圧延鋼片による熱影響を補正し、突合せ溶接する熱間圧延鋼片の突合せ溶接方法。
【請求項２】
溶接レーザビームを溶接レーザ発振器から伝送光路を介して溶接位置に伝送し、伝送光路中に配置したビーム伝送調整手段を調整して溶接レーザビームを溶接加工点に照射し、熱間圧延鋼片を突合せ溶接する方法において、
熱間圧延鋼片を溶接作業位置に搬入する前に、前記溶接レーザビームを参照レーザビームに切替えて前記伝送光路を介して溶接位置に伝送し、溶接位置に隣接する位置での参照レーザビームの照射位置と集光像を２次元イメージセンサで検出し、集光像に基づいて前記照射位置にける参照レーザビームのビーム集光径の目標との偏差を求めて、参照レーザビームが溶接加工点で目標ビーム集光径となるように伝送光路中に配置したビーム集光径調整手段を調整し、ついで熱間圧延鋼片を溶接作業位置に搬入し、直前に通過した熱間圧延鋼片による熱影響を補正し、突合せ溶接する熱間圧延鋼片の突合せ溶接方法。
【請求項３】
溶接レーザ発振器と、ベンディング角度が調整可能なレーザミラーを有し、溶接レーザビームを溶接位置に伝送するビーム伝送手段と、レーザミラーの角度を調整するミラー角度調整手段とを備えた熱間圧延鋼片突合せ溶接装置において、
参照レーザビーム発振器と、
前記溶接レーザビームを参照レーザビームに切替えるためのレーザ切替え手段と、
前記ビーム伝送手段を介して溶接位置に伝送された参照レーザビームの、溶接位置に隣接する位置での照射位置と集光像を検出する２次元イメージセンサと、
２次元イメージセンサで検出した集光像に基づき、所定の演算で参照レーザビームの溶接加工点からの照射位置のずれを求める画像処理装置と、
照射位置のずれに基づき前記ミラー角度調整手段を制御するビーム照射位置制御手段とを
備えている熱間圧延鋼片突合せ溶接装置。
【請求項４】
溶接レーザ発振器と、ベンディング角度が調整可能なレーザミラーを有し、溶接レーザビームを溶接位置に伝送するビーム伝送手段と、レーザミラーの角度を調整するミラー角度調整手段とを備えた熱間圧延鋼片突合せ溶接装置において、
前記溶接レーザビームを参照レーザビームに切替えるためのレーザ切替え手段と、
前記ビーム伝送手段を介して溶接位置に伝送された参照レーザビームの、溶接位置に隣接する位置での照射位置と集光像を検出する２次元イメージセンサと、
２次元イメージセンサで検出した集光像に基づき照射位置にけるビーム集光径の目標からの偏差を求める画像処理装置と、
前記ビーム伝送手段の伝送光路に設けられたビーム集光径変更手段と、
前記ビーム集光径の偏差に基づいて前記ビーム集光径変更手段を制御するビーム集光径制御手段とを備えている熱間圧延鋼片突合せ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シートバーやスラブなどの熱間圧延鋼片をレーザビームにより突合せ溶接する方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シートバーやスラブなどの鋼片の熱間圧延では、先行鋼片の後端部と後行鋼片の先端部とを接合することが行われている。これら熱間圧延鋼片は、厚みが２０〜５０mm、幅が６００〜１２００mm程度である。熱間圧延鋼片の温度は１０００℃前後である。
【０００３】
この熱間圧延鋼片の接合方法の一つとして、先行鋼片の後端面と後行鋼片の先端面とを突き合わせ、突合せ部に沿って仮付け溶接し、引き続き仮付け溶接部およびその近傍を鋼片厚み方向に圧下して両鋼片を接合する方法が周知である。仮付け溶接にレーザ溶接が用いられることも知られている。たとえば、Ｗ０９４／６８３８号公報には、圧延中の先行圧延材の後端と後行圧延材の先端とを突き合わせた後、突合せ部をレーザビームにより溶接して連続圧延を行う方法が開示されている。また、レーザ溶接においては溶接部に金属添加を行うことにより溶接開先部の被接合面に凹凸がある場合においても良好な溶接部が得られることも知られている。たとえば、この例としては特開昭５８−１８４０８２号公報などで開示された技術がある。レーザ溶接は、レーザ発振器よりレーザビームを平面ミラー、または曲率を持ったミラーにより導波し、レンズまたは凹面ミラーによりレーザビームを円形に集光してエネルギ密度を高くして溶接を行う。なお、鋼片の先端部及び後端部は走間シャーなどで切断し、接合面を形成する。
【０００４】
鋼片の接合面は、後続の圧延工程で破断しない十分な接合強度を備えていなければならない。この必要溶接断面積は鋼材の開先線に沿った断面積の少なくとも約３０％が必要である。このため、突合せ部溶接に用いるレーザビームの位置精度、およびレーザビーム集光径は非常に制限のあるものであった。必要位置精度の例としては４５ kW レーザを用いた場合、約０．５mmである。レーザビーム集光径については、少なくとも約１０％の精度が必要とされる。しかし、熱間圧延工程では加工点が約１０００℃であるので、レーザ発振器をその輻射熱から保護するため加工点から最低２０m 以上通常は５０m 程度離すことが必要である。このため、伝送ミラーを設定することが機械精度的に非常に困難であり、また、この必要伝送光路においても、導波媒体である空気の温度（屈折率）を完全に均一とすることが非常に困難である。このため導波されたレーザビームが、ミラー部品の歪み、および空気の屈折率の違いによる曲がりによって大きく目的の加工点より外れ、レーザ溶接を不可能とする問題があった。また、空気の屈折率の違いによりレーザビーム径が導波中に変化し、レーザビーム集光点におけるレーザ集光径が大きく変化し、所望のレーザエネルギ密度が得られる範囲（約１０％）を超えることも問題であった。特に、これらの問題点は熱間圧延ラインの動作状況によって変わり得るので、事前に調整を行うことが不可能であるという問題もあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、熱間圧延ラインにおける上記レーザ溶接の問題点を解決するものであって、レーザビーム伝送光学系および伝送空間の熱による光学的歪みにかかわりなく溶接レーザを溶接位置に正確に伝送すること、および溶接位置でレーザビームを所要の集光径で集光することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の熱間圧延鋼片の突合せ溶接方法は、溶接レーザビームを溶接レーザ発振器から伝送光路を介して溶接位置に伝送し、伝送光路中に配置したビーム伝送調整手段を調整して溶接レーザビームを溶接加工点に照射し、熱間圧延鋼片を突合せ溶接する方法において、熱間圧延鋼片を溶接作業位置に搬入する前に、前記レーザビームを参照レーザビームに切替えて前記伝送光路を介して溶接位置に伝送し、溶接位置に隣接する位置での参照レーザビームの照射位置と集光像を２次元イメージセンサで検出し、集光像に基づいて所定の演算で参照レーザビームの溶接加工点からの照射位置のずれを求めて、参照レーザビームが前記溶接加工点を照射するように前記ビーム伝送調整手段を調整し、ついで熱間圧延鋼片を溶接作業位置に搬入し、直前に通過した熱間圧延鋼片による熱影響を補正し、突合せ溶接する。
【０００７】
この発明の他の熱間圧延鋼片の突合せ溶接方法は、溶接レーザビームを溶接レーザ発振器から伝送光路を介して溶接位置に伝送し、伝送光路中に配置したビーム伝送調整手段を調整して溶接レーザビームを溶接加工点に照射し、熱間圧延鋼片を突合せ溶接する方法において、熱間圧延鋼片を溶接作業位置に搬入する前に、前記レーザビームを参照レーザビームに切替えて前記伝送光路を介して溶接位置に伝送し、溶接位置に隣接する位置での参照レーザビームの照射位置と集光像を２次元イメージセンサで検出し、集光像に基づいて前記照射位置にける参照レーザビームのビーム集光径の目標との偏差を求めて、参照レーザビームが溶接加工点で目標ビーム集光径となるように伝送光路中に配置したビーム集光径調整手段を調整し、ついで熱間圧延鋼片を溶接作業位置に搬入し、直前に通過した熱間圧延鋼片による熱影響を補正し、突合せ溶接する。
【０００８】
この発明の熱間圧延鋼片の突合せ溶接方法では、レーザビーム伝送光学系および伝送空間（空気）の熱による光学的歪みが解消され、溶接レーザビームを正確に溶接加工点に、あるいは所要のビーム集光径で照射することができる。なお、上記いずれの熱間圧延鋼片の突合せ溶接方法においても、参照レーザビームを用いて照射位置およびビーム集光径を調整するが、溶接レーザビームと参照レーザビームとは同じ伝送光路を同軸または互いに平行に伝送される。したがって、参照レーザビームで調整しても、溶接レーザビームは所要のビーム集光径で溶接加工点に照射される。また、熱による伝送空間の光学的歪みの変化はそれほど早くないため、照射位置およびビーム集光径をレーザ溶接直前に補正すれば十分である。
【０００９】
この発明の熱間圧延鋼片の突合せ溶接装置は、溶接レーザ発振器と、ベンディング角度が調整可能なレーザミラーを有し、溶接レーザビームを溶接位置に伝送するビーム伝送手段と、レーザミラーの角度を調整するミラー角度調整手段とを備えた熱間圧延鋼片突合せ溶接装置において、参照レーザビーム発振器と、前記溶接レーザビームを参照レーザビームに切替えるためのレーザ切替え手段と、前記ビーム伝送手段を介して溶接位置に伝送された参照レーザビームの、溶接位置に隣接する位置での照射位置と集光像を検出する２次元イメージセンサと、２次元イメージセンサで検出した集光像に基づき、所定の演算で参照レーザビームの溶接加工点からの照射位置のずれを求める画像処理装置と、照射位置のずれに基づき前記ミラー角度調整手段を制御するビーム照射位置制御手段とを備えている。
【００１０】
この発明の他の熱間圧延鋼片突合せ溶接装置は、溶接レーザ発振器と、ベンディング角度が調整可能なレーザミラーを有し、溶接レーザビームを溶接位置に伝送するビーム伝送手段と、レーザミラーの角度を調整するミラー角度調整手段とを備えた熱間圧延鋼片突合せ溶接装置において、前記溶接レーザビームを参照レーザビームに切替えるためのレーザ切替え手段と、前記ビーム伝送手段を介して溶接位置に伝送された参照レーザビームの、溶接位置に隣接する位置での照射位置と集光像を検出する２次元イメージセンサと、２次元イメージセンサで検出した集光像に基づき照射位置にけるビーム集光径の目標からの偏差を求める画像処理装置と、前記ビーム伝送手段の伝送光路に設けられたビーム集光径変更手段と、前記ビーム集光径の偏差に基づいて前記ビーム集光径変更手段を制御するビーム集光径制御手段とを備えている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の突合せ溶接方法を実施するレーザ突合せ溶接装置の構成の一例を示している。レーザ突合せ溶接装置は、溶接レーザ発振器１１および参照レーザ発振器１３を備えている。溶接レーザはＣＯ2 レーザであり、参照レーザはＨｅ−Ｎｅレーザである。溶接レーザ発振器１１の出側にビーム切替えベンディングミラー１５が配置されている。溶接レーザ発振器１１から出た溶接レーザビームＬW は伝送光路Ｐに直交し、参照レーザ発振器１３から出た参照レーザビームＬR は伝送光路Ｐに平行に入射する。溶接レーザ発振器１１の出側に配置されたレーザ切替えベンディングミラー１５は、伝送光路Ｐに出入可能である。レーザ切替えベンディングミラー１５が伝送光路Ｐに進入したときは、溶接レーザビームＬW は伝送光路Ｐに沿って溶接位置に伝送される。レーザ切替えベンディングミラー１５が、伝送光路Ｐから後退したときは、参照レーザビームＬR が伝送光路Ｐに沿って溶接位置に伝送される。
【００１２】
伝送光路Ｐを形成するビーム伝送手段２１は、第１ベンディングミラー２３、ビーム径変更ボックス２５、第２ベンディングミラー３７、ベンディング角度調整可能な第３ベンディングミラー４３、および集光レンズ４７とから構成されている。第３ベンディングミラー４３および集光レンズ４７は、後述の溶接加工ヘッド４１に取り付けられている。この伝送光路Ｐを経由する伝送距離は、レーザ発振器１１、１３を熱間圧延鋼片１、３その他の輻射熱より保護するため最低２０m 以上とすることが望ましい。
【００１３】
ビーム径変更ボックス２５は、図２に示す固定レンズ２７と可動レンズ２８とを備えている。上記レンズ２７、２８を、図３に示すように固定凹面鏡３０と可動凹面鏡３２としてもよい。可動レンズ２８には、リニアモータを含むレンズ移動機構３５が連結されている。第３ベンディングミラー４３は、サーボモータを含む回転駆動機構４５が連結されている。
【００１４】
溶接加工ヘッド４１は、上記第３ベンディングミラー４３と集光レンズ４７とを備えている。溶接加工ヘッド４１は、移動装置（図示しない）により溶接線５に沿って移動可能である。
【００１５】
溶接位置に隣接して、光センサボックス５１が配置されている。光センサボックス５１は、図４に示すようにハウジング５２の窓５３の直下にフィルタ５５が配置されており、フィルタ５５は周囲からのノイズとなる光を除去する。ハウジング５２内に２次元イメージセンサ５７が内蔵されている。２次元イメージセンサ５７は、窓５３から入射した参照レーザビームＬR を検出する。光センサボックス５１には、画像処理装置６１および制御装置６３が信号線５９を介して接続されている。
【００１６】
上記のように構成された装置において、熱間圧延鋼片１、３を溶接作業位置に搬入する前に、参照レーザビームＬR の照射位置を溶接加工点に一致させるとともに、ビーム集光径を所要の大きさとする。このために、参照レーザビームＬRを前記伝送光路Ｐを介して溶接位置に伝送し、２次元イメージセンサ５７で参照レーザビームＬR の照射位置および集光像を検出し、その結果は画像処理装置６１に出力される。画像処理装置６１では、参照レーザビームＬR の集光像からその重心位置を演算し、溶接加工点からのずれを求める。溶接加工点からのずれは、制御装置６３に出力される。制御装置６３は画像処理装置６１からの信号に基づき、第３ベンディングミラー４３の回転駆動機構４５に操作信号を出力する。図５に示すように、第３ベンディングミラー４３は回転して照射位置が溶接加工点に一致する。ついで、画像処理装置６１は溶接加工点でのビーム集光径と参照ビーム集光径の目標ビーム集光径からの偏差を求め、その結果を制御装置６３に出力する。制御装置６３は画像処理装置６１からの信号に基づき、ビーム径変更ボックス２５のレンズ移動機構３５に操作信号を出力する。レンズ移動機構３５は可動レンズ２８を変位させ、溶接加工点でのビーム集光径を目標の大きさとする。図２（ａ）は可動レンズ２８が基準位置にある場合を示している。固定レンズ２７と可動レンズ２８との間隔を大きくすると、図２（ｂ）に示すようにビーム集光径は小さくなる。また、間隔を小さくすると図２（ｃ）に示すようにビーム集光径は大きくなる。
【００１７】
上記のように調整された状態では、レーザビーム伝送系に熱歪みはなく、参照レーザビームＬR の重心は２次元イメージセンサ５７の中心に位置している。また、ビーム集光径は焦点径（最小径）となっている。
【００１８】
上記調整が終わると、熱間圧延鋼片１、３を溶接作業位置に搬入し、先行の熱間圧延鋼片１の後端部と後行の熱間圧延鋼片３の先端部とを突き合わせる。ついで、熱間圧延鋼片１、３の輻射熱で変化した伝送光学系による照射位置およびビーム集光径の変動を、上記と同じ方法で修正する。照射位置およびビーム集光径の再調整が終了すると直ちに溶接線５に沿ってレーザ溶接を行う。照射位置およびビーム集光径の熱影響による補正は、熱間圧延鋼片１、３ごとに、または必要に応じて行う。
【００１９】
この発明の突合せ溶接方法は、熱間圧延鋼片どうしの仮付け溶接に適用することができる。また、上記レーザ突合せ溶接装置において、複数の伝送ミラーについて角度調整可能としてもよく、固定レンズを省略して１個の可動レンズでビーム集光径を調整するようにしてもよい。
【００２０】
【実施例】
図１に示すされる１４ kW 炭酸ガスレーザ溶接システムにおいて、１０００℃、２０ mm 厚、１．５m 幅の熱間圧延鋼片を突き合わせ、溶接速度２m/min で溶接した。参照レーザとして５ mW のＨｅＮｅレーザを用い、発振器直後のミラーをスライドさせて４枚のミラーと２枚の組みレンズ、１枚の集光レンズを用いた。光センサボックスとして４枚のミラーと２枚の組レンズ、１枚の集光レンズを用いた。光センサボックスとして、ビーム位置精度０．２ mm 、ビーム径精度０．０２ mm のセンシング能力を持った画像処理装置を、熱間圧延鋼片と同じ高さで、約２m 離して設置した。このときビーム径は冷間時に０．６ mm であった。レーザビームの照射位置の修正は、集光レンズ直前のミラー角度を調整した。このシステムを用いて溶接した結果、１００回の溶接に対し問題となる溶接目外れは皆無であった。
【００２１】
【発明の効果】
この発明では、レーザビーム伝送光学系および伝送空間の熱による光学的歪みにかかわりなく溶接レーザを溶接位置に正確に伝送すること、および溶接位置でレーザビームを所要の集光径で集光することができる。このため、溶接レーザビームは溶接線を正確に走査するので、目外れを生じることはない。また、目標レーザ集光径で溶接加工点を照射するので、所望のエネルギ密度で熱間圧延鋼片を突合せ溶接することができる。これらのことから、健全な突合せ溶接部が得られ、接合強度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の突合せ溶接方法を実施するレーザ突合せ溶接装置の構成の一例を示す図面である。
【図２】図１に示す装置のビーム集光径調整手段のレンズ構成図である。
【図３】他のビーム集光径調整手段を示す図面である。
【図４】図１に示す光センサボックスの一部詳細図である。
【図５】照射位置調整の説明図である。
【符号の説明】
１  熱間圧延鋼片
３  熱間圧延鋼片
５  溶接線
１１  溶接レーザ発振器
１３  参照レーザ発振器
２１  ビーム伝送手段
２３  第１ベンディングミラー
２５  ビーム径変更ボックス
２７  固定レンズ
２８  可動レンズ
３５  レンズ移動機構
３７  第２ベンディングミラー
４１  溶接加工ヘッド
４３  第３ベンディングミラー
４５  回転駆動機構
４７  集光レンズ
５１  光センサボックス
５７  ２次元イメージセンサ
６１  画像処理装置
６３  制御装置
【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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