JP2002035971A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 端面が相互に突き合わされた２本の管の突き
合わせ部を、速くかつ効率よく溶接することができるレ
ーザ溶接方法を提供する。 【解決手段】 ２本のレーザ光６１，６３を、並行し
て、それぞれ内周面６０と外周面６２との両側から、突
き合わせ部５４の内周面６０および外周面６２に向けて
照射するので、いずれか一方のレーザ光６１，６３で、
突き合わせ部５４を鋼管５２，５３の厚み方向に完全に
溶融させる必要がなくなる。したがって、いずれか一方
のみのレーザ光６１，６３が溶融すべき金属量が少なく
なるので、重力による溶融金属の垂れ下がり量が少なく
なり、溶接作業が阻害されない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、端面が相互に突き
合わされた２本の管の突き合わせ部に、レーザ光を照射
することによって、突き合わせ部を加熱溶融し、２本の
管を接合するレーザ溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１１は、従来技術のマルチトーチ化さ
れた自動ＭＡＧ（Metal Active Gas）溶接装置によっ
て、Ｖ形開先が形成された２本の管２の突き合わせ部５
を溶接する方法を示す図であり、図１２（ａ）は溶接前
の突き合わせ部５を示す図であり、図１２（ｂ）は溶接
後の溶接部３０を示す図である。外部に臨んで開口する
Ｖ形開先が形成された突き合わせ部５を溶接するとき、
２つのトーチ１ａ，１ｂを、管２の外周面３１に電極３
を臨ませた状態で管２の外部に配置し、この各トーチ１
ａ，１ｂを管軸４まわりに管２の外周に沿って、同一回
転方向に移動させながら、溶接する。

【０００３】図１３は、他の従来技術のマルチトーチ化
した自動ＭＡＧ溶接装置によって、Ｘ形開先が形成され
た２本の管２の突き合わせ部７を溶接する方法を示す図
であり、図１４（ａ）は溶接前の突き合わせ部７を示す
図であり、図１４（ｂ）は溶接後の溶接部３２を示す図
である。外部に臨んで開口するＸ形開先が形成された突
き合わせ部７を溶接するとき、２つのトーチ１ｃ，１ｄ
を、その電極部３を管２の外周面３１に臨ませた状態で
管２の外部に配置し、１つのトーチ１ｅを、管２の内周
面３３に臨ませた状態で管２の内部に配置し、これらの
各トーチ１ｃ〜１ｅを管軸４まわりに管２の外周および
内周に沿って、同一回転方向に移動させながら溶接す
る。

【０００４】図１５は、さらに他の従来技術のプラズマ
アーク溶接方法によって、突き合わせ部９を溶接する方
法を示す図であり、図１６（ａ）は溶接前の突き合わせ
部９を示す図であり、図１６（ｂ）は溶接後の溶接部３
４を示す図である。プラズマアーク溶接方法は、管２を
固定したまま、溶接棒１１を管２の外周に沿って移動さ
せて、突き合わせ部９を全周にわたって溶接する、いわ
ゆる「全姿勢溶接」が困難であるため、溶接棒１１の先
端１２を略鉛直下向き（図１５の下方）に保持した状態
で溶接する必要がある。すなわち、略水平に配置された
２本の管２の突き合わせ部９の上半分を、管２の外部に
配置された溶接棒１１ａを、管軸４まわりに外周面３１
に沿って双方向に移動させて溶接し、突き合わせ部９の
下半分を、管２の内部に配置された溶接棒１１ｂを、管
軸４まわりに内周面３３に沿って双方向に移動させて溶
接する。

【０００５】図１７は、さらに他の従来技術の１パス電
子ビーム溶接方法によって、２本の管２の突き合わせ部
１３を溶接する方法を示す図であり、図１８（ａ）は溶
接前の突き合わせ部１３を示す図であり、図１８（ｂ）
は溶接後の溶接部３５を示す図である。１パス電子ビー
ム溶接方法（ＥＢＷ：Electron-Beam Welding）で突き
合わせ部１３を溶接するとき、この突き合わせ部１３の
溶接雰囲気を真空にし、管２の内部に設けられ、電子ビ
ーム出射孔を管２の内周面３３に臨ませた１つの電子銃
１４が、管軸４まわりに内周面３３に沿って移動しなが
ら、突き合わせ部１３の内周面３３に向けて１本の電子
ビーム１５を照射することによって、突き合わせ部１３
を管２の厚み方向に完全に溶融させて、各管２を接合す
る。

【０００６】図１９は、さらに他の従来技術の１パスレ
ーザ溶接方法によって、２本の管２の突き合わせ部１７
を溶接する方法を示す図であり、図２０（ａ）は溶接前
の突き合わせ部１７を示す図であり、図２０（ｂ）は溶
接後の溶接部３６を示す図である。１パスレーザ溶接方
法で突き合わせ部１７を溶接するとき、管２の内部に設
けられ、レーザ出射口を管２の内周面に臨ませた１つの
レーザ出力ヘッド１８が、管軸４まわりに内周面３３に
沿って移動しながら、突き合わせ部１７の内周面３３に
向けて１本のレーザ１９を照射することによって、突き
合わせ部１７を管２の厚み方向に完全に溶融させて、各
管２を接合する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した自動ＭＡＧ溶
接装置による溶接方法は、この自動ＭＡＧ溶接装置が低
価格であるという利点を有するが、図１２（ｂ）および
図１４（ｂ）に示すように、ビード６，８が多盛層とな
るので、効率よく高速度で溶接するためには、図１１お
よび図１３に示すように、複数個のトーチ１を同時に使
用する必要がある。しかしながらこのＭＡＧ溶接方法
は、基本的に溶接速度が遅く、マルチトーチ化したとし
ても、溶接完了までの総施工時間が長いといった問題が
ある。さらに、マルチトーチ化することによって、自動
ＭＡＧ溶接装置の構成が複雑化し、メンテナンスコスト
が増加するといった問題がある。

【０００８】上述したプラズマアーク溶接方法は、装置
が比較的低価格であるという利点を有するが、溶接速度
が遅く、さらに一回の溶接操作（１パス）における金属
の溶け込み量が少ない。したがって、厚肉の管２同士を
溶接する場合では、図１６（ｂ）に示すように、まず当
接部２０を溶接してビード１０ａを形成し、次に開先部
２１ａを溶接してビード１０ｂを形成し、さらに開先部
２１ｂを溶接してビード１０ｃを形成する３パス施工が
必要となり、溶接完了までの施工時間が長くかかるとい
った問題がある。

【０００９】上述した１パス電子ビーム溶接方法は、高
速度および低歪で溶接することができるという利点を有
するが、図１８（ｂ）に示すように、形成されるビード
１６が細くなるため、突き合わせ部１７の各管２の端面
２３を厳密に加工する必要があり、開先のギャップ許容
度が少なくなるといった問題がある。さらに、溶接雰囲
気を真空にする必要があるので、真空チャンバを必要と
し、装置全体が大型化および複雑化する。したがって、
装置が高価になってしまう。また、溶接仕上がりが、外
部環境の影響を受け易く、さらに真空チャンバ内を真空
引きするための施工待ち時間があるなどといった問題が
ある。

【００１０】１パスレーザ溶接方法は、高速度および低
歪で溶接できるという利点を有し、さらに突き合わせ部
１７の溶接雰囲気を真空にする必要がないので、真空チ
ャンバを必要とせず、装置が小形化するといった利点を
有する。しかしながら、図２０（ｂ）に示すように、形
成されるビード２２が太くなる。すなわち電子ビーム溶
接方法に比べて溶融金属量が多くなるので、全姿勢溶接
を安定して行うことが困難であるといった問題がある。
特に、略水平に配置された各管２の突き合わせ部１７の
上半分を溶接するとき、溶融金属の重力による垂れ下が
りによって、安定した溶接作業が阻害されることがあ
る。また一本のレーザ光を用いて、管２を厚み方向に完
全に溶融させる必要があるので、レーザ光の出力エネル
ギが大きくなってしまう。したがって、大出力のレーザ
光を発生させるために、極めて大出力のレーザ発振器を
必要とし、装置全体が高価になるとともに、メンテナン
スコストが嵩むといった問題がある。

【００１１】したがって本発明の目的は、端面が相互に
突き合わされた２本の管の突き合わせ部を、高速度およ
び高効率で溶接するとともに、装置を小形化および簡略
化し、さらに外部環境の影響を受けることなく、安定し
て溶接することができるレーザ溶接方法を提供すること
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、略水平に配置され、端面が相互に突き合わされた２
本の管の突き合わせ部に、レーザ光を照射することによ
って、突き合わせ部を加熱溶融し、２本の管を接合する
レーザ溶接方法において、前記突き合わせ部の内周面側
と外周面側との両側から、突き合わせ部の内周面および
外周面に向けて、並行してレーザ光を照射することを特
徴とするレーザ溶接方法である。

【００１３】本発明に従えば、略水平に配置され、端面
が相互に突き合わされた２本の管の突き合わせ部に、内
周面側と外周面側との両側からレーザ光を照射すること
によって、この突き合わせ部が加熱溶融され、２本の管
が接合される。すなわち、複数本のレーザ光を、それぞ
れ内周面と外周面との両側から、突き合わせ部に照射す
る構成であるため、内周面側および外周面側のいずれか
一方側からのレーザ光の照射によって、突き合わせ部を
管の厚み方向に完全に溶融させる必要がない。したがっ
て、従来技術の１パスレーザ溶接方法に比べて、内周面
側または外周面側から照射されるレーザ光によって、溶
融すべき金属量が少なくなるので、重力による溶融金属
の垂れ下がりが少なくなり、垂れ下がり量の多い場合に
比べて、溶接部への外部環境の影響が少なくて済み、安
定した溶接が可能となる。また、突き合わせ部の内周面
側と外周面側とを、並行して溶接する構成であるので、
従来技術に比べて、作業効率の低下が防がれ、高品位の
溶接が実現される。また、内周面側および外周面側のい
ずれか一方のレーザ光によって、管の全厚みを溶融させ
る必要がないので、比較的レーザ出力の低いレーザ光を
使用することができる。したがってこのレーザ光を発生
するためのレーザ発生源は、低出力のレーザ光を発生す
る既存のレーザ発生源でよく、これによって溶接装置を
安価に提供することができる。

【００１４】請求項２記載の本発明は、請求項１記載の
構成において、前記突き合わせ部の内周面および外周面
のうち鉛直下方に臨む面に照射されるレーザ光の照射位
置が、前記管の周方向に沿って一方向に移動し、前記突
き合わせ部の内周面および外周面のうち鉛直上方に臨む
面に照射されるレーザ光の照射位置が、前記鉛直下方に
臨む面に照射されるレーザ光の照射位置に追従して、前
記管の周方向に沿って同一方向に移動することを特徴と
する。

【００１５】本発明に従えば、略水平に配置された２本
の管の突き合わせ部の上半分の第１領域では、内周面が
鉛直下方に臨み、外周面が鉛直上方に臨む。この第１領
域を溶接するとき、内周面側から内周面に向けて照射さ
れる第１レーザ光の照射位置が、先行して、管の周方向
に沿って一方側に移動し、外周面側から外周面に向けて
照射される第２レーザ光の照射位置が、内周面側の第１
レーザ光の照射位置に追従して、管の周方向に沿って、
同一回転方向に移動する。

【００１６】また、突き合わせ部の下半分の第２領域で
は、外周面が鉛直下方に臨み、内周面が鉛直上方に臨
む。この第２領域を溶接するとき、外周面側から外周面
に向けて照射される第２レーザ光の照射位置が、先行し
て、管の周方向に沿って一方側に移動し、内周面側から
内周面に向けて照射される第１レーザ光の照射位置が、
外周面側の第２レーザ光の照射位置に追従して、管の周
方向に沿って、同一回転方向に移動する。

【００１７】なお、第１領域と第２領域との境界部分で
は、追従している第１および第２レーザ光の照射位置
は、先行している第１および第２レーザ光の照射位置を
追い越して、先行する。

【００１８】上述のように、各第１および第２レーザ光
の照射位置の移動を制御することによって、先行するレ
ーザ光によって形成された第１キーホールと追従するレ
ーザ光によって形成された第２キーホールとが連通す
る。したがって、突き合わせ部に気孔が形成されるなど
といった不具合が生じない。また、突き合わせ部の厚み
の鉛直上方側領域の金属は、先行するレーザ光によって
予熱された後に、追従するレーザ光によって溶融される
ので、鉛直上方側領域の溶融金属の温度が高く、この鉛
直上方側領域の溶融金属が硬化するまでの時間が長くな
る。したがって、溶融金属が硬化するまでに、溶接部の
気泡が抜け出すことができるので、ブローホールを防止
することができる。また、突き合わせ部の鉛直下方側領
域の溶融金属は、比較的速く硬化するので、この鉛直下
方側領域の重力による溶融金属の垂れ下がりを防止でき
る。また、追従するレーザ光は３０°程度以下の前進角
を持って照射されてもよい。前進角を持って照射される
ことで、追従レーザ光によって形成された溶融金属内の
気泡が、同光で形成されたキーホールに抜け出すことが
できるので、ブローホールを防止することができる。こ
のように、欠陥を修復しながら、溶接を行うことができ
るので、高品質な溶接継手を得ることができる。

【００１９】請求項３記載の本発明は、請求項１または
２記載の構成において、前記突き合わせ部の内周面およ
び外周面に向けて照射される各レーザ光のレーザ出力を
一定に保持した状態で、各レーザ光の照射位置の前記管
の周方向に沿う一方向への移動速度を制御することによ
って、突き合わせ部の内周面側のビードと、外周面側の
ビードとの前記管の厚み方向の重なり量を全周にわたっ
て、ほぼ一定に保持することを特徴とする。

【００２０】本発明に従えば、突き合わせ部の内周面側
のビードと外周面側のビードとの管の厚み方向の重なり
量が、管の全周に渡って、ほぼ一定に保持されるので、
溶接部の強度および応力が、管の全周にわたってほぼ均
一と成る。したがって、溶接部および管の歪みが低減さ
れる。また、レーザ光のレーザ出力を一定に保持するの
で、このレーザ光の発生源として、レーザ出力の可変形
のレーザ光発生源を使用する必要がなく、溶接装置の構
成が単純化する。

【００２１】請求項４記載の本発明は、請求項１または
２記載の構成において、前記突き合わせ部の内周面およ
び外周面に向けて照射される各レーザ光の照射位置の前
記管の周方向に沿う一方向への移動速度を一定に保持し
た状態で、各レーザ光のレーザ出力を制御することによ
って、突き合わせ部の内周面側のビードと、外周面側の
ビードとの前記管の厚み方向の重なり量を全周にわたっ
て、ほぼ一定に保持することを特徴とする。

【００２２】本発明に従えば、突き合わせ部の内周面側
のビードと外周面側のビードとの管の厚み方向の重なり
量が、管の全周にわたって、ほぼ一定に保持されるの
で、溶接部の強度および応力が、管の全周にわたってほ
ぼ均一と成る。したがって、溶接完了後の溶接部および
管の歪みが低減される。また、各レーザ光の管の周方向
に沿う方向の移動速度を一定に保持するので、レーザ光
を出射するレーザ出力ヘッドの移動機構の構成を単純化
することができる。

【００２３】請求項５記載の本発明は、請求項１〜４の
いずれか一つに記載の構成において、前記突き合わせ部
の内周面および外周面に向けて照射される各レーザ光
は、一つのレーザ光発生源から出力されたレーザ光を分
光することによって得られることを特徴とする。

【００２４】本発明に従えば、各レーザ光は、１つのレ
ーザ発生源から得られた一本のレーザ光を分光すること
によって、得られる。したがって、溶接装置は、１つの
レーザ発生源を備えているだけでよく、装置台数を減ら
すことができ、溶接装置を低価格で提供することができ
る。

【００２５】請求項６記載の本発明は、請求項１〜５の
いずれか一つに記載の構成において、前記突き合わせ部
を溶接した後、突き合わせ部の内周面側あるいは内周面
および外周面の両面側に形成されたビードに向けて、溶
接時よりも出力エネルギの低いレーザ光を照射すること
を特徴とする。

【００２６】本発明に従えば、突き合わせ部の内周面側
あるいは内周面および外周面の両面側に形成されたビー
ドに、溶接時よりも低い出力エネルギである、たとえば
焦点をぼかしたレーザ光が照射され、これによってビー
ドの表面が部分的に溶融されて、滑らかになる。したが
って、管内を流れる流体の流れ抵抗が可及的に少なくな
り、圧力損失が少なくなる。また、外周面側に形成され
たビード表面が滑らかになることで、外観品質が不良な
場合、改良できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】まず、本発明のレーザ溶接方法を
実現する実施の一形態のレーザ溶接装置５１について説
明する。図１は、レーザ溶接装置５１を示す図である。
レーザ溶接装置５１は、２本の鋼管５２，５３を固定す
る管固定機構５６と、２本の鋼管５２，５３の突き合わ
せ部５４の内周面６０側に配置される第１レーザ出力ヘ
ッド５７と、突き合わせ部５４の外周面６２側に配置さ
れる第２レーザ出力ヘッド５８と、レーザ発振器５９
と、レーザ発振器５９と第１および第２レーザ出力ヘッ
ド５７，５８とを接続するレーザ導光ファイバケーブル
６５とによって構成される。

【００２８】管固定機構５６は、略水平に配置され、端
面５５が相互に突き合わされる２本の鋼管５２，５３の
突き合わせ部５４を、外周面６２側から把持して固定す
るとともに、各鋼管５２，５３の管軸６４が同軸となる
ように、各鋼管５２，５３の位置決めを行う部材であ
る。

【００２９】第１レーザ出力ヘッド５７は、レーザ出射
口８７を突き合わせ部５４の内周面６０に対向させた状
態で、突き合わせ部５４の内周面６０側に配置され、各
鋼管５２，５３に共通な管軸６４を中心として、内周面
６０に沿って、移動可能に設けられる。この第１レーザ
出力ヘッド５７は、レーザ出射口８７から突き合わせ部
５４の内周面６０に向けて、第１レーザ光６１を出射す
る。

【００３０】第２レーザ出力ヘッド５８は、レーザ出射
口８７を突き合わせ部５４の外周面６２に対向させた状
態で、突き合わせ部５４の外周面６２側に配置され、鋼
管５２，５３に共通な管軸６４を中心として、外周面６
２に沿って、上記第１レーザ出力ヘッド５７と同一方向
に移動可能に設けられる。この第２レーザ出力ヘッド５
８は、レーザ出射口８７から突き合わせ部５４の外周面
６２に向けて、第２レーザ光６３を出射する。

【００３１】レーザ発振器５９は、ハウジング６８と、
このハウジング６８内部に収納され、一本のレーザ光６
９を出力するレーザ発生源６６と、このレーザ発生源６
６で出力された一本のレーザ光６９を２本の第１および
第２レーザ光６１，６３に分光するハーフミラーなどの
分光手段６７とを含んで構成される。この分光手段６７
によって分光された第１および第２レーザ光６１，６３
が、レーザ導光ファイバ６５を介して、第１および第２
レーザ出力ヘッド５７，５８に入力される。このよう
に、２本の第１および第２レーザ光６１，６３は、１つ
のレーザ発生源６６で出力された一本のレーザ光６９を
分光することによって得られるので、レーザ溶接装置５
１は、１つのレーザ発生源６６を備えているだけでよ
い。したがって、装置台数を減らすことができ、レーザ
溶接装置５１を低価格で提供することができる。また、
上記レーザ発生源６６によって出力されるレーザ光６９
は、ＹＡＧレーザなどのパルスレーザまたは炭酸ガスレ
ーザなどの連続発振レーザなどが使用される。

【００３２】次に、第１および第２レーザ出力ヘッド５
７，５８について詳細に説明する。この第１および第２
レーザ出力ヘッド５７，５８は、図２に示す直筒形のレ
ーザ出力ヘッド７１または図３に示す屈折筒形のレーザ
出力ヘッド７２が用いられる。なお、図２および図３に
おいて、同一の作用を有する部材については同一の参照
符を付す。

【００３３】図２に示すように、直筒形レーザ出力ヘッ
ド７１は、両端部が開口し、一端部（図２の上方）にレ
ーザ導光ファイバケーブル６５が接続される出力ヘッド
筐体７３と、出力ヘッド筐体７３の他端部側（図２の下
方）に設けられる先細状の溶接ノズル７６と、出力ヘッ
ド筐体７３の内部に設けられる波長選択ミラー７７、リ
コリメートレンズ７４および集光レンズ７５と、出力ヘ
ッド筐体７３の側壁の開口部８３から外方に屈曲して設
けられる中空の屈曲部８４と、屈曲部８４の端部に設け
られるＣＣＤカメラなどの溶接部観察装置７８とによっ
て構成される。

【００３４】レーザ発振器５９（図１参照）から出力さ
れたレーザ光８５は、レーザ導光ファイバケーブル６５
内の光ファイバ７９を通って、出力ヘッド筐体７３の内
部に入光される。光ファイバ７９を出たレーザ光８５
は、波長選択透過ミラー７７を透過し、リコリメートレ
ンズ７４によって、その幅が一定に保持され、集光レン
ズ７５によって集光されて、溶接ノズル７６の先端のレ
ーザ出射口８７から出射される。溶接部から出力ヘッド
筐体７３内部に入光された可視光８１は、波長選択ミラ
ー７７によって、開口部８３側に反射され、屈曲部８４
に入光される。屈曲部８４に入光された可視光８１は、
屈曲部８４の傾斜壁８６によって、溶接部観察装置７８
側に反射され、かつ集光された後、溶接部観察装置７８
に入光される。また、溶接ノズル７６には、矢符８２に
示すように、不活性ガスなどのシールドガスが導入さ
れ、レーザ出射口８７から導出される。

【００３５】図３に示すように、屈折筒形レーザ出力ヘ
ッド７２は、Ｔ字状の３方向に臨んで開口する第１〜第
３開口部８９〜９１を有する出力ヘッド筐体９２と、出
力ヘッド筐体９２の第１開口部８９側に設けられる先細
状の溶接ノズル７６と、出力ヘッド筐体７３の内部に設
けられる波長選択ミラー７７、リコリメートレンズ７４
および集光レンズ７５と、出力ヘッド筐体９２の第２開
口部９０側に設けられるＣＣＤカメラなどの溶接部観察
装置７８とによって構成される。レーザ導光ファイバケ
ーブル６５は、出力ヘッド筐体９２の第３開口部９１側
に接続される。

【００３６】レーザ発振器５９から出力されたレーザ光
８５は、レーザ導光ファイバケーブル６５内の光ファイ
バ７９を通って、出力ヘッド筐体７３の内部に入光され
る。このレーザ光８５は、リコリメートレンズ７４によ
って、その幅が一定に保持される。リコリメートレンズ
７４を通過したレーザ光８５は、波長選択ミラー７７に
よって、第１開口部８９側に反射され、集光レンズ７５
によって集光された後、溶接ノズル７６の先端のレーザ
出射口８７から出射される。溶接部から出力ヘッド筐体
７３の内部に入光した可視光８１は、波長選択ミラー７
７によって、第２開口部９０側に反射され、集光レンズ
８８によって、集光された後、溶接部観察装置７８に入
光する。また、溶接ノズル７６には、矢符８２に示すよ
うに、不活性ガスなどのシールドガスが導入され、レー
ザ出射口８７から導出される。

【００３７】次に図４〜図７を参照して、本発明のレー
ザ溶接方法について説明する。図４は、本発明のレーザ
溶接方法を説明するための簡略図であり、図５は溶接完
了後の溶接部１２６を示す図であり、図６は溶接途中の
状態を示す斜視図であり、図７は図６の仮想線で囲まれ
る領域９３を拡大して示す図である。まず接合すべき２
本の鋼管５２，５３を、その各管軸６４同士を同軸にし
た状態で略水平に配置し、各鋼管５２，５３の各端面５
５を相互に突き合わせて、管固定機構５６で各鋼管５
２，５３を固定する。

【００３８】次に、２本の鋼管５２，５３の突き合わせ
部５４の内部９８に設けられた第１レーザ出力ヘッド５
７を、管軸６４を中心軸として内周面６０に沿って、一
回転方向（矢符１００方向）に移動させながら、内周面
６０に向けて第１レーザ光６１を照射する。これに並行
して、突き合わせ部５４の外部９９に設けられた第２レ
ーザ出力ヘッド５８を管軸６４を中心軸として外周面６
２に沿って、第１レーザ出力ヘッド５７と同一回転方向
（矢符１０１方向）に移動させながら、外周面６２に向
けて第２レーザ光６２を照射する。このように、２つの
レーザ出力ヘッド５７，５８から突き合わせ部５４に第
１および第２レーザ光６１，６３が照射されることによ
って、この突き合わせ部５４が、全周にわたって、加熱
溶融され、２本の鋼管５２，５３が接合される。このよ
うに、突き合わせ部５４の内周面６０側と外周面６２側
とを並行して溶接するので、従来技術に比べて、作業効
率の低下が防がれる。

【００３９】さらに詳しく述べると、突き合わせ部５４
の上半分の第１領域１０２では、内周面６０が鉛直下方
に臨み、外周面６２が鉛直上方に臨む。この第１領域１
０２を溶接するとき、内部９８から内周面６０に向けて
照射される第１レーザ光６１の照射位置が、先行して、
内周面６０に沿って一方側（図５から見て時計方向）に
移動し、外部９９から外周面６２に向けて照射される第
２レーザ光６３の照射位置が、第１レーザ光６１の照射
位置の移動に追従して、外周面６２に沿って、同一回転
方向（図５から見て時計方向）に移動するように、第１
および第２レーザ出力ヘッド５７，５８の移動を制御す
る。

【００４０】また、突き合わせ部５４の下半分の第２領
域１０３では、外周面６２が鉛直下方に臨み、内周面６
０が鉛直上方に臨む。この第２領域１０３を溶接すると
き、外部９９から外周面６２に向けて照射される第２レ
ーザ光６３の照射位置が、先行して、外周面６２に沿っ
て一方側（図５から見て時計方向）に移動し、内部９８
から内周面６０に向けて照射される第１レーザ光６１の
照射位置が、外周面６２の第２レーザ光６３の照射位置
の移動に追従して、内周面６０に沿って、同一回転方向
（図５から見て時計方向）に移動するように、第１およ
び第２レーザ出力ヘッド５７，５８を制御する。

【００４１】また、第１領域１０２と第２領域１０３と
を分断する第１境界位置１０４で、第２レーザ光６３が
第１レーザ光６１の照射位置を、追い越して先行し、第
２境界位置１０５で、第１レーザ光６１の照射位置が第
２レーザ光の照射位置を、追い越して先行するように、
第１および第２レーザ出力ヘッド５７，５８を制御す
る。

【００４２】また図６および図７に示すように、第１レ
ーザ光６１および第２レーザ光６３は、これらいずれか
一方のレーザ光のみによって、突き合わせ部５４を、厚
み方向に完全に溶融しないように照射される。すなわ
ち、第１レーザ光６１は、その焦点１１２が鋼管５２の
厚み方向中心線１１４よりも、わずかに外周面６２側
（図７の上方）に突出して配置されるように照射され、
第２レーザ光６３は、その焦点１１３が鋼管５２の厚み
方向中心線１１４よりも、わずかに内周面６０側（図７
の下方）に突出して配置されるように照射される。した
がって、第１および第２レーザ光６１，６３として、比
較的レーザ出力の低いレーザ光を使用することができ
る。したがって、レーザ光発生源６６（図１参照）は、
低出力のレーザ光を発生する既存のレーザ光発生源でよ
い。これによって、レーザ溶接装置５１を安価に提供す
ることができる。

【００４３】また上述したように、各レーザ光６１，６
３のいずれか一方のレーザ光のみによって、突き合わせ
部５４は厚み方向に完全に溶融されないので、従来技術
の１パスレーザ溶接方法に比べて、各一本の第１および
第２レーザ光６１，６３がそれぞれ溶融すべき金属量は
少なくなる。したがって、重力による溶融金属の垂れ下
がり量が少なくなる。これによって、従来技術のよう
に、垂れ下がり量の多い場合に比べて、溶接部への外部
環境の影響が少なくて済み、安定した溶接が可能とな
る。

【００４４】上述したように、第１および第２レーザ出
力ヘッド５７，５８の移動および第１および第２レーザ
光６１，６３の照射深さを制御することによって、突き
合わせ部５４の厚み方向鉛直上方側領域１０７は、先行
するレーザ光６１によって予熱された後に、追従するレ
ーザ光６２によって溶融される。したがって、鉛直上方
側領域１０７の溶融金属の温度が高く、この領域１０７
の溶融金属が硬化するまでの時間が長い。これによっ
て、溶融金属が硬化するまでに、発生した気泡がこの領
域１０７から外部に抜け出すことができるので、ブロー
ホールを防止することができる。また、突き合わせ部５
４の鉛直下方側領域１０８は、先行するレーザ光６１の
みによって、加熱されるだけであるので、溶融金属は比
較的速く硬化する。したがって、この領域１０８の溶融
金属の垂れ下がりを防止できる。このように、欠陥を修
復しながら、溶接を行うことができるので、高品質な溶
接継手を得ることができる。

【００４５】さらに、図６および図７に示すように、先
行する第１レーザ光６１によって形成された第１キーホ
ール１０５と、これに追従する第２レーザ光６２によっ
て形成された第２キーホール１０６とが、常に連通する
ように、第１および第２レーザ出力ヘッド５７，５８の
移動速度を制御することが好ましい。これによって、溶
接部１２６に気孔が形成されるなどといった不具合が生
じない。

【００４６】このとき、溶接部１２６の内周面６０側の
第１ビード１０９と外周面６２側の第２ビード１１０と
の鋼管５２の厚み方向の重なり量が、管の全周にわたっ
て、ほぼ一定に保持されることが好ましい。このよう
に、第１および第２ビード１０９，１１０の重なり部１
１５の重なり量をほぼ一定にすることによって、溶接部
１２６の強度および応力が鋼管５２の全周にわたってほ
ぼ均一と成り、溶接部１１１および溶接後の鋼管５２，
５３の歪みが、従来技術の溶接方法に比べて低減され
る。

【００４７】なお、上記第１および第２ビード１０９，
１１０の重なり量を、ほぼ一定に保持する方法として、
レーザ出力ヘッド５７，５８から照射されるレーザ光６
１，６３のレーザ出力を一定に保持した状態で、レーザ
光６１，６３の照射位置の移動速度を制御する方法があ
る。すなわち、レーザ出力が一定の状態で、レーザ出力
ヘッド５７，５８の移動速度を制御する。この方法で
は、第１および第２レーザ光６１，６３のレーザ出力を
一定に保持するので、レーザ発振器５９（図１参照）と
して、可変エネルギ形のレーザ発振器を使用する必要が
なく、レーザ溶接装置５１の構成が単純化する。

【００４８】また、上記第１および第２ビード１０９，
１１０の重なり量を、ほぼ一定に保持する他の方法とし
て、レーザ光６１，６３の照射位置の移動速度を一定に
保持した状態、すなわちレーザ出力ヘッド５７，５８の
移動速度を一定に保持した状態で、レーザ光６１，６３
のレーザ出力を制御する方法がある。この方法では、レ
ーザ出力ヘッド５７，５８を移動させる移動機構の構成
を単純化することができる。

【００４９】また前述したように、レーザ出力ヘッド５
７，５８は、溶接部観察装置７８を備えているので、溶
接作業中に、溶接部１２６の状態を監視することがで
き、欠陥の発生をすぐに検出することができる。

【００５０】また、突き合わせ部５の内周面側に形成さ
れた第１ビード１０９に、溶接時よりも低い出力エネル
ギである、たとえば焦点をぼかしたレーザ光が照射する
ことが好ましい。つまり、突き合わせ部５の内周部ある
いは内周部および外周部の両面を、化粧盛溶接すること
が好ましい。これによってビードの表面が部分的に溶融
されて、滑らかになる。したがって、管内の流体の流れ
抵抗が可及的に少なくなり、圧力損失が少なくなる。ま
た、外周面側に形成されたビード表面が滑らかになるこ
とで、外観品質が不良な場合、改良できる。

【００５１】図８は、レーザ溶接装置５１の制御系統を
示すブロック図である。レーザ溶接装置５１は、前述の
機械的構成に加えて、レーザ溶接装置５１を制御する制
御部１２３と、第１および第２レーザ出力ヘッド５７，
５８の管軸６４まわりの角度位置を検出する位置検出手
段１１８と、第１および第２レーザ出力ヘッド５７，５
８のレーザ出射口８７（図２および図３参照）と突き合
わせ部５４の内周面６０または外周面６２との間の距離
を検出する対物距離検出手段１１９と、先行するレーザ
出力ヘッドの加工条件が複数記憶された第１加工条件デ
ータベース１２０と、追従するレーザ出力ヘッドの加工
条件が複数記憶された第２加工条件データベース１２１
と、先行して移動するレーザ出力ヘッドによって、溶融
された部分の溶け込み深さを算出するための情報が記憶
された第３加工条件データベース１２２とを備える。

【００５２】すなわち制御部１２３は、溶接部観察装置
７８によって観察された溶け込み深さ情報と、位置検出
手段１１８によって検出された角度位置情報と、対物距
離検出手段１１９によって検出された対物距離情報とに
基づいて、第１〜第３加工条件データベース１２０〜１
２２から最適な加工条件を選択し、この選択された加工
条件に基づいて、第１および第２レーザ出力ヘッド５
７，５８およびレーザ発振器５９を制御する。

【００５３】次に、図９および図１０を参照して、制御
部１２３の制御方法について説明する。図９は、制御部
１２３が先行するレーザ出力ヘッド（略鉛直上方に向け
てレーザ光を出射する第１または第２レーザ出力ヘッド
５７，５８）を制御する方法を示すフローチャートであ
り、図１０は制御部１２３が追従するレーザ出力ヘッド
（略鉛直下方に向けてレーザ光を出射する第１または第
２レーザ出力ヘッド５７，５８）を制御する方法を示す
フローチャートである。

【００５４】まず図９を参照して、先行するレーザ出力
ヘッドの制御について説明する。ステップｓ０で溶接作
業を開始すると、ステップｓ１に進み、位置検出手段１
１８が先行するレーザ出力ヘッドの角度位置を検出し、
対物距離検出手段１１９が先行するレーザ出力ヘッドと
突き合わせ部５４の内周面または外周面との距離を検出
する。次にステップｓ２に進み、位置検出手段１１８お
よび対物距離検出手段１１９の検出結果に基づいて第１
加工条件データベース１２０から、最適な加工条件を選
択し、ステップｓ３で、この選択された加工条件に基づ
いて、突き合わせ部５４に向けてレーザ光を出射する。
次にステップｓ４に進み、溶接部観察装置７８で溶接途
中の溶接部１２６を観察し、ステップｓ５で、この観察
結果に基づいて、第３加工条件データベース１２２か
ら、溶融金属の溶け込み深さを算出し、ステップｓ６
で、算出した溶け込み深さを第２加工条件データベース
１２１に出力する。その後、ステップｓ７で、溶接終端
部を検知すると、ステップｓ８に進み、溶接終端処理を
行う。またステップｓ７で、溶接終端部が検知されなけ
れば、ステップｓ１に戻り、上述の制御を繰り返す。

【００５５】次に、図１０を参照して追従するレーザ出
力ヘッドの制御について説明する。ステップｔ０で、追
従するレーザ出力ヘッドの移動が開始されるとステップ
ｔ１に進み、位置検出手段１１８が追従するレーザ出力
ヘッドの角度位置を検出し、対物距離検出手段１１９が
追従するレーザ出力ヘッドと突き合わせ部５４の内周面
または外周面との距離を検出する。次にステップｔ２に
進み、位置検出手段１１８および対物距離検出手段１１
９の検出結果に基づいて、先行するレーザ出力ヘッドに
よって溶融された金属の溶け込み深さ情報が入力された
第２加工条件データベース１２０から、最適な加工条件
を選択し、ステップｔ３で、この選択された加工条件に
基づいて、突き合わせ部５４に向けてレーザ光を出射す
る。次にステップｔ４に進み、溶接部観察装置７８でレ
ーザ光が照射されている溶接部を観察する。その後ステ
ップｔ５で、溶接終端部を検知すると、ステップｔ６に
進み、溶接終端処理を行って、ステップｔ７で溶接作業
が終了する。またステップｔ６で、溶接終端部が検知さ
れなければ、ステップｔ１に戻り、上述の制御を繰り返
す。

【００５６】上述してきたように、本発明のレーザ溶接
方法では、突き合わせ部５４を溶融するための熱源とし
て、レーザ光６１，６３を使用しているので、突き合わ
せ部５４を高速度で厚み方向に溶融することができ、し
たがって高速度で溶接を完了することができる。また、
電子ビーム溶接方法のように、溶接部の雰囲気を真空に
する必要がないので、真空チャンバを必要とせず、レー
ザ溶接装置５１の小型化および単純化を図ることができ
る。さらに、真空にするまでの溶接施工の待ち時間を必
要としないので、電子ビーム溶接方法に比べて、溶接作
業の総施工時間が短くて済む。また、電子ビーム溶接方
法に比べて、形成されるビード１０９．１１０が大きい
ので、各鋼管５２，５３の端面５５を厳密に加工する必
要がなく、この端面５５の開先のギャップ許容度が大き
い。

【００５７】また、以上に説明した本発明のレーザ溶接
方法は、たとえばパイプライン敷設作業において好適に
実施され、さらに大容量のガスなどの流体を輸送するた
めの大径の管および高圧輸送に耐えるための厚板の管を
接続するときに、特に好適に実施される。

【００５８】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、レーザ
光を、それぞれ内周面と外周面との両側から、突き合わ
せ部に照射するので、いずれか一方側のレーザ光で、突
き合わせ部を管の厚み方向に完全に溶融させる必要がな
くなる。したがって、いずれか一方側のレーザ光が溶融
すべき金属量が少なくなるので、重力による溶融金属の
垂れ下がり量が少なくなり、溶接作業が阻害されること
が防がれる。また、突き合わせ部の内周面側と外周面側
とを、並行して溶接する構成であるので、従来技術に比
べて作業効率が低下しない。また、いずれか一方側のレ
ーザ光のみによって管の厚み方向に完全に溶融させる必
要がないので、比較的レーザ出力の低いレーザ光を使用
することができる。

【００５９】請求項２記載の本発明によれば、先行する
レーザ光によって形成された第１キーホールと追従する
レーザ光によって形成された第２キーホールとが連通す
るおで、突き合わせ部に気孔が形成されるなどといった
不具合が生じない。また、突き合わせ部の厚みの鉛直上
方側領域の金属は、先行するレーザ光によって予熱され
た後に、追従するレーザ光によって溶融されるので、鉛
直上方側領域の溶融金属の温度が高く、この鉛直上方側
領域の溶融金属が硬化するまでの時間が長くなる。した
がって、溶融金属が硬化するまでに、溶接部の気泡が抜
け出すことができるので、ブローホールを防止すること
ができる。また、突き合わせ部の鉛直下方側領域の溶融
金属は、比較的速く硬化するので、この鉛直下方側領域
の重力による溶融金属の垂れ下がりを防止できる。

【００６０】請求項３記載の本発明によれば、突き合わ
せ部の内周面側のビードと外周面側のビードとの管の厚
み方向の重なり量が、管の全周に渡って、ほぼ一定に保
持されるので、溶接部の強度および応力が、管の全周に
わたってほぼ均一と成り、溶接部および管の歪みが低減
される。また、レーザ光のレーザ出力を一定に保持する
ので、レーザ出力の可変形のレーザ光発生源を使用する
必要がない。

【００６１】請求項４記載の本発明によれば、突き合わ
せ部の内周面側のビードと外周面側のビードとの管の厚
み方向の重なり量が、管の全周にわたって、ほぼ一定に
保持されるので、溶接部の強度および応力が、管の全周
にわたってほぼ均一と成り、溶接完了後の溶接部および
管の歪みが低減される。また、各レーザ光の移動速度を
一定に保持するので、レーザ光を出射するレーザ出力ヘ
ッドの移動機構の構成を単純化することができる。

【００６２】請求項５記載の本発明によれば、各レーザ
光は、１つのレーザ発生源から得られた一本のレーザ光
を分光することによって、得られるので、装置台数を減
らすことができ、レーザ溶接装置を低価格で提供するこ
とができる。

【００６３】請求項６記載の本発明によれば、突き合わ
せ部の内周面側に形成されたビードの表面が部分的に溶
融されて、滑らかになる。したがって、管内を流れる流
体の流れ抵抗が可及的に少なくなり、圧力損失が少なく
なる。

【００６４】また、外周面側に形成されたビードの表面
が部分的に滑らかになることで、外観品質が不良な場
合、改良できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ溶接装置５１を示す図である。

【図２】直筒形レーザ出力ヘッド７１を示す図である。

【図３】屈折筒形レーザ出力ヘッド７２を示す図であ
る。

【図４】本発明のレーザ溶接方法を説明するための図で
ある。

【図５】溶接完了後の溶接部１２６を示す図である。

【図６】溶接途中の状態を示す図である。

【図７】図６の仮想線で囲まれる領域９３を拡大して示
す図である。

【図８】レーザ溶接装置５１の制御系統を示すブロック
図である。

【図９】先行するレーザ出力ヘッドを制御する方法を示
すフローチャートである。

【図１０】追従するレーザ出力ヘッドを制御する方法を
示すフローチャートである。

【図１１】自動ＭＡＧ溶接装置で、Ｖ形開先が形成され
た２本の管２の突き合わせ部５を溶接する方法を示す図
である。

【図１２】（ａ）は、溶接前の突き合わせ部５を示す図
であり、（ｂ）は溶接後の溶接部３０を示す図である。

【図１３】自動ＭＡＧ溶接装置で、Ｘ形開先が形成され
た２本の管２の突き合わせ部５を溶接する方法を示す図
である。

【図１４】（ａ）は、溶接前の突き合わせ部７を示す図
であり、（ｂ）は溶接後の溶接部３２を示す図である。

【図１５】プラズマアーク溶接方法で、突き合わせ部９
を溶接する方法を示す図である。

【図１６】（ａ）は、溶接前の突き合わせ部９を示す図
であり、（ｂ）は溶接後の溶接部３４を示す図である。

【図１７】１パス電子ビーム溶接方法で、突き合わせ部
１３を溶接する方法を示す図である。

【図１８】（ａ）は、溶接前の突き合わせ部１３を示す
図であり、（ｂ）は溶接後の溶接部３５を示す図であ
る。

【図１９】１パスレーザ溶接方法で、突き合わせ部１７
を溶接する方法を示す図である。

【図２０】（ａ）は、溶接前の突き合わせ部１７を示す
図であり、（ｂ）は溶接後の溶接部３６を示す図であ
る。

【符号の説明】

５１ レーザ溶接装置 ５２，５３ 鋼管 ５４ 突き合わせ部 ５５ 端面 ５６ 管固定機構 ５７ 第１レーザ出力ヘッド ５８ 第２レーザ出力ヘッド ５９ レーザ発振器 ６１ 第１レーザ光 ６３ 第２レーザ光 １０９ 第１ビード １１０ 第２ビード １１５ 重なり部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略水平に配置され、端面が相互に突き合
   わされた２本の管の突き合わせ部に、レーザ光を照射す
   ることによって、突き合わせ部を加熱溶融し、２本の管
   を接合するレーザ溶接方法において、 前記突き合わせ部の内周面側と外周面側との両側から、
   突き合わせ部の内周面および外周面に向けて、並行して
   レーザ光を照射することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 【請求項２】 前記突き合わせ部の内周面および外周面
   のうち鉛直下方に臨む面に照射されるレーザ光の照射位
   置が、前記管の周方向に沿って一方向に移動し、 前記突き合わせ部の内周面および外周面のうち鉛直上方
   に臨む面に照射されるレーザ光の照射位置が、前記鉛直
   下方に臨む面に照射されるレーザ光の照射位置に追従し
   て、前記管の周方向に沿って同一方向に移動することを
   特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 【請求項３】 前記突き合わせ部の内周面および外周面
   に向けて照射される各レーザ光のレーザ出力を一定に保
   持した状態で、各レーザ光の照射位置の前記管の周方向
   に沿う一方向への移動速度を制御することによって、突
   き合わせ部の内周面側のビードと、外周面側のビードと
   の前記管の厚み方向の重なり量を全周にわたって、ほぼ
   一定に保持することを特徴とする請求項１または２記載
   のレーザ溶接方法。
4. 【請求項４】 前記突き合わせ部の内周面および外周面
   に向けて照射される各レーザ光の照射位置の前記管の周
   方向に沿う一方向への移動速度を一定に保持した状態
   で、各レーザ光のレーザ出力を制御することによって、
   突き合わせ部の内周面側のビードと、外周面側のビード
   との前記管の厚み方向の重なり量を全周にわたって、ほ
   ぼ一定に保持することを特徴とする請求項１または２記
   載のレーザ溶接方法。
5. 【請求項５】 前記突き合わせ部の内周面および外周面
   に向けて照射される各レーザ光は、一つのレーザ光発生
   源から出力されたレーザ光を分光することによって得ら
   れることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記
   載のレーザ溶接方法。
6. 【請求項６】 前記突き合わせ部を溶接した後、突き合
   わせ部の内周面側あるいは内周面および外周面の両面側
   に形成されたビードに向けて、溶接時よりも出力エネル
   ギの低いレーザ光を照射することを特徴とする請求項１
   〜５のいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。