JP2000317671A

JP2000317671A - レーザー溶接方法及びその装置

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Publication number: JP2000317671A
Application number: JP2000013681A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Yokoya; 真一郎横谷; Seiji Katayama; 聖二片山; Shigeo Takagi; 茂男高木
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2000-11-21
Anticipated expiration: 2020-01-24
Also published as: JP3779117B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザー照射部にシールドガス成分の混入を
なくして、酸化を防止し、安定な溶接を行うことができ
るレーザー溶接方法及びその装置を提供する。【解決手段】レーザー溶接方法において、レーザーノ
ズル２５内のシールドガス４に旋回を付与し、レーザー
照射部３Ａとその近傍を負圧にし、プラズマ・プルーム
を吸い出して除去し、前記レーザー照射部３Ａ内にシー
ルドガス４が侵入しないようにし、しかも、周囲の大気
１１の侵入を防止し、酸化をも防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー溶接方法
及びそのレーザー溶接装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザー溶接においては、一般に溶接時
にレーザー照射部から一部イオン化したプラズマを含む
金属蒸気、即ちプラズマ・プルームが発生することが知
られている。このプラズマ・プルームは、レーザー光を
吸収・屈折させるためその除去が試みられてきた。

【０００３】一方、レーザー溶接時に溶接ビード部の表
面酸化も除外すべきであり、そのために、従来はＡｒ等
の不活性ガスをシールドガスとして溶接ビード部に向け
て上方や斜めから吹き付けて、これら表面酸化とプルー
ムの除去とを試みてきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
のレーザー溶接時には、レーザー照射（キーホール）部
から一部イオン化したプラズマを含む金属蒸気のプルー
ムが発生する。これは、レーザー光を吸収・屈折させる
作用があるため、レーザーエネルギーが加工部に有効に
投入されず、深溶込みの溶接部が得られないという問題
が生じる。

【０００５】また、レーザー溶接中に不活性ガスをシー
ルドガスとして用いないと、溶接ビード部の表面が酸化
され、良好な溶接部が得られない。

【０００６】したがって、レーザー溶接中には、このプ
ラズマ・プルームを除去するためと酸化防止の両立の問
題解決のため、レーザー照射部に、アルゴンガスかヘリ
ウムガスなどの不活性ガスを同軸上にまたは斜めからサ
イドガスとして吹き付ける方法が採られる。

【０００７】このような通常のガス吹付け方法では、プ
ラズマ・プルームを除去することによって深溶込みの溶
接部が形成できる反面、レーザー溶接ビード部にはポロ
シティが多数発生するという問題点がある。

【０００８】このように、従来のレーザー溶接における
シールドガス吹き付け法では、所期の目的が達成でき
ず、溶接ビード部にＡｒ等の不活性ガス成分が混入する
等して必ずしも安定な溶接が得られなかった。

【０００９】本発明は、上記問題点を除去し、レーザー
照射部にシールドガス成分の混入をなくして、酸化を防
止し、安定な溶接を行うことができるレーザー溶接方法
及びその装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、〔１〕レーザー溶接方法において、レーザーノズル内の
シールドガスに旋回を付与し、レーザー照射部とその近
傍を負圧にし、プラズマ・プルームを吸い出して除去
し、前記レーザー照射部内にシールドガスが侵入しない
ようにし、しかも、周囲の大気の侵入をも防止すように
したものである。

【００１１】〔２〕上記〔１〕記載のレーザー溶接方法
において、前記シールドガスによって溶融池の一部の融
液がキーホールからの蒸発に伴い発生するスパッタの進
入を抑え、このシールドガスによって前記スパッタをレ
ーザーノズル中から大気中に排除することを特徴とす
る。

【００１２】〔３〕レーザー溶接装置において、レーザ
ーノズルと、このレーザーノズル内に導入されるシール
ドガス流を前記レーザーノズルの内周面に沿って旋回さ
せる旋回発生手段とを具備するようにしたものである。

【００１３】〔４〕上記〔３〕記載のレーザー溶接装置
において、前記旋回発生手段は、前記レーザーノズルの
内周面に沿ったシールドガス流を発生させる導入口を具
備するようにしたものである。

【００１４】〔５〕上記〔３〕記載のレーザー溶接装置
において、前記旋回発生手段は、レーザーを導入する内
筒とシールドガスを導入する外筒間に旋回羽根を配置
し、この旋回羽根の下流に配置されるレーザーノズルの
内周面に沿ってシールドガス流を発生させるようにした
ものである。

【００１５】〔６〕上記〔３〕記載のレーザー溶接装置
において、前記旋回発生手段は、レーザー及びシールド
ガスを導入する大径の導入管内に石英ガラス板からなる
蓋体を配置し、この蓋体の下方の周辺部に旋回羽根を配
置し、この旋回羽根の下流に配置される小径のレーザー
ノズルの内周面に沿ってシールドガス流を発生させるよ
うにしたものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら詳細に説明する。

【００１７】図１は本発明の第１実施例を示すレーザー
溶接装置の一部破断概略斜視図、図２はそのレーザー溶
接装置の渦流式旋回発生器の上面図、図３はそのレーザ
ー溶接装置の渦流式旋回発生器の斜視図である。

【００１８】これらの図において、１はシールドガスの
渦流式旋回発生器であり、注入シールドガス量は１〜２
００ｌ／ｍｉｎである。２は管型ノズル（曲率半径Ｒは
５〜１００ｍｍまたは直管）であり、その内径は５〜５
０ｍｍである。２Ａはシールドガス導入口であり、図２
から明らかなように、管型ノズル２の中心に対して偏心
した位置からシールドガス４が導入されて、管型ノズル
２の内周面に沿って旋回するようになっている。ここで
は、シールドガス導入口２Ａは一個になっているが、管
型ノズル２の中心から偏心した位置であれば、何個設け
るようにしてもよい。また、シールドガス導入口２Ａは
四角の断面形状をしているが、これに限定されるもので
はなく、円形の断面形状であってもよい。２Ｂは管型ノ
ズルの本体部、２Ｃは管型ノズルの先端部、２Ｄは管型
ノズルの先端部のノズル曲壁である。３はレーザーによ
る被加工ピース、３Ａはレーザー照射部、４はシールド
ガス、５はレーザー光である。なお、１１は大気であ
る。

【００１９】以下、この実施例の具体的作用について説
明する。

【００２０】図４は本発明のレーザー溶接装置を用いた
シールドガスとしてのＡｒガスを３０ｌ／ｍｉｎ注入し
た場合の流れを示す図、図５は本発明のレーザー溶接装
置を用いたプラズマ・プルームの流れを示す図である。

【００２１】図４から明らかなように、旋回発生器１に
シールドガス４としてのＡｒガスを３０ｌ／ｍｉｎ注入
した場合、シールドガス気流に旋回が付与され、ノズル
曲壁２Ｄに沿って流出していることが分かる。すなわ
ち、シールドガスは旋回による遠心力でノズル曲壁２Ｄ
に沿って大気１１中に流出する。なお、ノズルの中心部
には負圧部１２が形成されている。

【００２２】一方、図５に示すように、レーザー照射部
３Ａとその近傍を負圧にして、プラズマ・プルーム（０
〜２００ｍ／ｓ）１３を吸い出し、シールドガス４に巻
き込んで管型ノズルの先端部２Ｃより流出し除去される
様子が示されている。

【００２３】図６は本発明の第２実施例を示すレーザー
溶接装置の旋回羽根を有する旋回発生器の斜視図であ
る。

【００２４】この図において、２０はシールドガス、２
１は密閉容器を兼ねる注入シールドガス導入部２１Ａか
らのシールドガス２０を導入する外筒、２２はレーザー
導入のための内筒、２３は外筒２１と内筒２２間に配置
される旋回羽根、２４は外筒２１から内筒２２へのリー
クを防止する旋回羽根カバー、２５は旋回羽根２３の下
流に配置される管型レーザーノズル、２６はレーザー光
である。

【００２５】この実施例では、密閉容器２１の側面のシ
ールドガス導入部２１Ａから注入されたシールドガス２
０は外筒２１内に導入され、旋回羽根２３によって管型
レーザーノズル２５の内周面に沿ったシールドガス気流
に旋回が付与される。

【００２６】したがって、第１実施例と同様に、図５に
示したように、レーザー照射部とその近傍を負圧にし
て、プラズマ・プルーム（０〜２００ｍ／ｓ）を吸い出
し、シールドガス２０に巻き込んでノズル先端部より流
出させ除去することができる。

【００２７】図７は本発明の第３実施例を示すレーザー
溶接装置の石英ガラスと旋回羽根を有する旋回発生器の
斜視図である。

【００２８】この図において、３０はシールドガス、３
１は密閉容器を兼ねるレーザーとシールドガスを導入す
る大径の導入管、３２は小径の管型レーザーノズル、３
３は大径の導入管３１内に配置され、シールドガス３０
を案内する石英ガラス板からなる蓋体、３４はその蓋体
３３の下部の周辺部に配置される旋回羽根であり、上記
した小径の管型レーザーノズル３２は旋回羽根３４の下
流に配置される。ここで、蓋体３３は大径の導入管３１
から小径の管型レーザーノズル３２へのシールドガスの
リークを防止する役目をしている。３５はレーザー光で
あり、ここで、このレーザー光３５を石英ガラス板から
なる蓋体３３は容易に通すことができる。なお、３２Ａ
は小径の管型レーザーノズル３２の先端部である。

【００２９】この実施例では、密閉容器としての大径の
導入管３１の上方から導入されるシールドガス３０には
旋回羽根３４によって小径の管型レーザーノズル３２の
内周面に沿って旋回が付与される。

【００３０】したがって、第１又は第２実施例と同様
に、図５に示したように、レーザー照射部とその近傍を
負圧にして、プラズマ・プルームを吸い出し、シールド
ガスに巻き込んでノズル先端部より流出させ除去するこ
とができる。

【００３１】上記したように、本発明によれば、第１、
第２又は第３実施例による旋回発生器を経て旋回流とな
ったシールドガス流は、遠心力でノズル曲壁に沿って流
下して、ノズル先端部３２Ａから流出する。その際レー
ザー照射部近傍は負圧となり、図５に示すように、プラ
ズマ・プルームを吸い出し、シールドガス３０に巻き込
んでノズル先端部３２Ａより大気中に流出して除去する
ことができる。

【００３２】なお、シールドガスとしては、上記したよ
うにアルゴンガス、又はヘリウムガス、窒素ガス、アル
ゴン・ヘリウム混合ガス、アルゴン・窒素混合ガス、ヘ
リウム・窒素混合ガス、炭酸ガス、アルゴン・酸素混合
ガス等を用いることができる。

【００３３】また、溶接対象材料としては、鉄鋼材料、
ステンレス鋼、アルミニウム合金、耐熱鋼、チタン合
金、銅合金等のすべての金属材料が挙げられる。

【００３４】本発明は、上記したレーザー照射物の酸化
の防止にととまらず、シールドガスによって溶融池の一
部の融液がキーホールからの蒸発に伴い発生する、いわ
ゆるスパッタの対策を講じることができる。

【００３５】図８は本発明の他の実施例を示すレーザー
溶接装置を用いたシールドガスとスパッタの流れを示す
図である。

【００３６】従来からＣＯ₂やＹＡＧレーザー等を熱源
として溶接する際に、シールドガスによって溶融池の一
部の融液がキーホールからの蒸発に伴い発生する、いわ
ゆるスパッタが発生し、集光レンズ、又は集光ミラーに
付着することが多い。このスパッタが、集光レンズや集
光ミラーに付着すると、照射レーザーパワーが減少し、
所定の溶け込み深さが得られなくなるという問題があ
り、その結果正常な製品ができなくなってしまう。

【００３７】また、ノズル口に付着してシールドガスの
流れを邪魔し、更にひどくなると照射レーザーの進行も
邪魔するようになる、更に溶接部周辺に付着すると製品
の品質の低下になる。

【００３８】通常、これを防止するためにガスを流す
が、強過ぎると溶融池が窪んだりして、他の溶接欠陥が
発生する。

【００３９】ところが、本発明では、図８に示すよう
に、被加工物４１のレーザー照射部４１Ａから生じたス
パッタは、旋回が付与されたシールドガス（不活性ガ
ス）流４４によって、レーザー管型ノズル４２中から大
気４０中に排出される。４５はそのスパッタの流跡を示
している。

【００４０】したがって、スパッタのレーザー光４３の
集光レンズや集光ミラーへの侵入が抑えられ、シールド
ガスによってレーザー管型ノズル４２中から大気４０中
にスパッタを排除することができる。同時に、前記実施
例で説明したように、レーザー照射部４１Ａとその近傍
を負圧にして、プラズマ・プルームを吸い出して除去
し、キーホール内にシールドガスが侵入しないように
し、しかも、周囲の大気４０の侵入も防止して溶接ビー
ド表面の酸化も防止できる。

【００４１】上記のように構成される本発明は、ＣＯ₂
レーザーやＹＡＧレーザー等のレーザー熱源を利用して
溶接を行う分野（レーザー溶接を利用する自動車産業、
電気・電子業界、板金薄板加工、重工業等）に好適であ
る。

【００４２】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００４３】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。

【００４４】旋回発生器を経て旋回流となったシールド
ガス流は、遠心力でノズル曲壁に沿って流下して、ノズ
ル先端部から流出する。その際レーザー照射部近傍は負
圧となり、プラズマ・プルームを吸い出し、シールドガ
スに巻き込んでノズル先端部より流出し大気中に流出さ
せて除去することができる。

【００４５】したがって、レーザー照射部にシールドガ
ス成分の混入をなくして、酸化を防止し、安定な溶接を
行うことができる。

【００４６】また、レーザー照射軸に沿ってシールドガ
スをノズルから吹き付ける際に、これらノズル内のシー
ルドガスに旋回を付与することによって、スパッタ現象
に起因するレンズ系へのスパッタの付着弊害を防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すレーザー溶接装置の
一部破断概略斜視図である。

【図２】本発明の第１実施例を示すレーザー溶接装置の
渦流式旋回発生器の上面図である。

【図３】本発明の第１実施例を示すレーザー溶接装置の
渦流式旋回発生器の斜視図である。

【図４】本発明のレーザー溶接装置を用いたシールドガ
スとしてのＡｒガスの流れを示す図である。

【図５】本発明のレーザー溶接装置を用いたプラズマ・
プルームの流れを示す図である。

【図６】本発明の第２実施例を示すレーザー溶接装置の
旋回羽根を有する旋回発生器の斜視図である。

【図７】本発明の第３実施例を示すレーザー溶接装置の
石英ガラスと旋回羽根を有する旋回発生器の斜視図であ
る。

【図８】本発明の他の実施例を示すレーザー溶接装置を
用いたシールドガスとスパッタの流れを示す図である。

【符号の説明】

１シールドガスの渦流式旋回発生器２，４２管型ノズル２Ａシールドガス導入口２Ｂ管型ノズルの本体部２Ｃ管型ノズルの先端部２Ｄ管型ノズルの先端部のノズル曲壁３被加工ピース３Ａ，４１Ａレーザー照射部４，２０，３０シールドガス５，２６，３５，４３レーザー光１１，４０大気１２負圧部１３プラズマ・プルーム２１外筒（密閉容器）２１Ａシールドガス導入部２２内筒２３，３４旋回羽根２４旋回羽根カバー２５管型レーザーノズル３１大径の導入管（密閉容器）３２小径の管型レーザーノズル３３蓋体（石英ガラス板）４１被加工物４４旋回が付与されたシールドガス（不活性ガス）
流４５スパッタの流れ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー溶接方法において、レーザーノズル内のシールドガスに旋回を付与し、レー
ザー照射部と該レーザー照射部の近傍を負圧にし、プラ
ズマ・プルームを吸い出して除去し、前記レーザー照射
部内にシールドガスが侵入しないようにし、しかも、周
囲の大気の侵入をも防止することを特徴とするレーザー
溶接方法。
【請求項２】請求項１記載のレーザー溶接方法におい
て、前記シールドガスによって溶融池の一部の融液がキ
ーホールからの蒸発に伴い発生するスパッタの進入を抑
え、該シールドガスによって前記スパッタをレーザーノ
ズル中から大気中に排除することを特徴とするレーザー
溶接方法。
【請求項３】レーザー溶接装置において、（ａ）レー
ザーノズルと、（ｂ）該レーザーノズル内に導入される
シールドガス流を前記レーザーノズルの内周面に沿って
旋回させる旋回発生手段とを具備することを特徴とする
レーザー溶接装置。
【請求項４】請求項３記載のレーザー溶接装置におい
て、前記旋回発生手段は、前記レーザーノズルの内周面
に沿ったシールドガス流を発生させる導入口を具備する
ことを特徴とするレーザー溶接装置。
【請求項５】請求項２記載のレーザー溶接装置におい
て、前記旋回発生手段は、レーザーを導入する内筒とシ
ールドガスを導入する外筒間に旋回羽根を配置し、該旋
回羽根の下流に配置されるレーザーノズルの内周面に沿
ってシールドガス流を発生させることを特徴とするレー
ザー溶接装置。
【請求項６】請求項３記載のレーザー溶接装置におい
て、前記旋回発生手段は、レーザー及びシールドガスを
導入する大径の導入管内に石英ガラス板からなる蓋体を
配置し、該蓋体の下方の周辺部に旋回羽根を配置し、該
旋回羽根の下流に配置される小径のレーザーノズルの内
周面に沿ってシールドガス流を発生させることを特徴と
するレーザー溶接装置。