JP2003181676A - レーザ溶接用ガスシールドノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】比較的少ないガス消費量で効果的なガスシール
ドが可能であり、かつ熱源の視認性を確保可能な小型で
簡便なガスシールドノズルを提供する。 【解決手段】 溶接ノズルの進行方向で見て中心の集束
レーザ光とイナートガスを供給するイナートガスノズル
４と、その周囲に設けた加圧シールドガスノズル５と、
加圧シールドガスノズルの後側にのみに、前記両ノズル
を覆う拡がりを持つ酸化防止用シールドガスノズル６を
円弧形状に設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、溶接材料を加熱
して溶融する際に、加熱溶融した材料表面の酸化など化
学反応を抑制、あるいは促す上で必要なガスシードノズ
ル、並びにこのノズルを用いたガスシールド溶接方法に
関する。特に本発明は、小寸法の金属材料の高精度溶接
が可能なレーザビーム溶接用のノズルに関する。また、
本発明は、高速溶接を可能とし、溶接姿勢や溶接形状の
制約を受けない小型のレーザビーム溶接用ノズルに関す
る。

【０００２】

【従来技術】本発明者は、特願２０００−１３８４３８ 「レーザ溶接方法、レーザ溶接装置及びレーザ溶接用ガ
スシールド装置」ならびに 特願２０００−１３５５５９ 「レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置」の出願における
発明者を兼ねている。本発明は、これらの発明をより効
果的に行うように研究した結果得られたものである。

【０００３】溶接等においては、溶融金属の表面が大気
中成分である活性ガスとの反応を防ぐ、あるいは効率的
に反応させるために、不活性ガスによるシールドが必要
となる。ガスシールドの不良は、溶融部分に気孔や割れ
といった欠陥を形成しやすく、接合が不完全となること
もある。耐腐食性材料においては、ガスシールドが不十
分な場合、高温金属表面に酸化皮膜を形成し、この酸化
皮膜が耐腐食性能を低下させることから、皮膜除去のた
めの二次工程が必要となる。

【０００４】ガスシールドの重要度は溶融金属の成分に
より違いがあるが、シールドの善し悪しが品質に影響を
及ぼすことはすべてにおいて共通の認識である。また、
反対に高純度のガス雰囲気中で材料を加熱・溶融するこ
とにより、ガスと材料の表面反応により不動態化、ある
いは安定化処理も可能となる。

【０００５】従来、ガスシールドの重要度が高い金属等
の場合は、熱源となるノズル等を一体形としてコンテナ
と呼ばれる比較的に大きめのフードによって、溶融部近
傍を大きく覆うものが採用されている。またガスシール
ドの重要度が低い金属等の場合は、熱源となるノズル中
心部から同心円上にシールドガスを吹き付ける円筒形や
円錐形のノズルが採用されている。前者は、ノズルに付
属するコンテナの形状を溶接部の形状にあわせる必要が
あり熱源位置の視認性も悪いため、実際に使用されるノ
ズルとしては、後者のノズルがその大半を占めている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的
な円筒形や円錐形のノズルにおいては、ガス吹き出し口
の大小や噴出ガス流量の増減のみでは効果的なガスシー
ルドを得ることはできない。効果的なガスシールドと
は、高濃度のシールドガス雰囲気がシールドを必要とす
る高温部分を広く覆うことであり、シールドガスの拡散
や流れを制御する工夫が必要となる。更に、熱源を精度
良く溶接位置に合わせるためのノズルは、比較的小型の
形状にて熱源位置の視認性を確保する必要がある。

【０００７】また、溶接等においての熱源は、移動によ
り連続的に行われるのが一般的であり、金属材料は表面
温度約５００℃以上で急速に酸化されると言われてお
り、この温度以下まで冷却するまでの時間の間をガスシ
ールドすると効果的であるため、移動熱源においては進
行方向後方のいわゆるアフターシールド効果をあげるこ
とが重要である。そこでこの発明は、熱源の上部よりシ
ールドガスを吹き付ける簡易シールドにおいて、比較的
少ないガス消費量で効果的なガスシールドが可能であ
り、かつ、熱源位置の視認性を確保可能な小型の簡便な
ガスシールドノズルを提案することを目的とする。

【０００８】本発明は、上述の目的と合わせて、他の溶
接方法に比べ高速溶接となる１〜１０〔ｍ／ｍｉｎ〕、
あるいはそれ以上の溶接速度においても有効なガスシー
ルドを可能とするガスシールドノズルであり、従来のガ
スシールド方法が、僅かな空気の流れや、下向き以外の
溶接姿勢においてはガスの拡散により、シールドガス雰
囲気の安定化が難しかったのに比べ、本発明によるガス
シールドノズルは、これら問題を解決したものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明のガスシールド
ノズルは、たとえばレーザ溶接において熱源となる集束
レーザ照射口に、被溶接材に向かうイナートガスノズル
を同軸上に設けるとともに、このイナートガスノズルの
外周側に、溶接部に向け加圧シールドガスを溶接進行方
向の後方に半円あるいは半楕円状に吹き付ける１個以上
のシールドガスノズルを設けることを特徴とする。

【００１０】とくに本発明は、レーザ光集束用光学系手
段と、レーザ光照射口とを有するレーザ溶接装置のガス
シールドノズルにおいて、ガスシールドノズルの中心線
と同軸上の集束レーザ光照射口とイナートガスノズルを
兼ねる中央放射ノズルと、該中央放射ノズルの外周にこ
れと同軸に設けた１個以上の加圧シールドガスノズルを
設け、前記集束レーザ光熱源の進行方向より見て中央放
射ノズルより後側の最外周に、ノズルの進行方向で見て
前記加圧シールドガスノズルの幅を覆うように円弧状に
拡がっている１以上の酸化防止用シールドガスノズルを
設けたことを特徴とする。

【００１１】この発明のガスシールドノズルの他の態様
においては、このイナートガスノズルの外周側に、加圧
シールドガスを筒状に吹き付ける１個以上のガスシール
ドノズルを設け、その最も外周側に溶接進行方向の後方
に半円あるいは円楕円状に吹き付ける１個以上のシール
ドガスノズルを設けることを特徴とする。

【００１２】この発明のガスシールドノズルの他の態様
においては、このイナートガスノズルの外周側のシール
ドガス吹き出し口を任意の構成毎にガス圧力、流速、流
量を制御するものである。この発明のガスシールドノズ
ルの他の態様においては、このイナートガスノズルの外
周側のシールドガス吹き出し口を任意の構成毎にガスの
組成を変えることを含むものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】前述したように、溶接等において
は溶融金属が凝固し一定温度まで冷却するまで効果的な
ガスシールドを施すことは、溶接品質を向上させるため
に重要な技術である。また、本発明の原理は熱源が移動
する場合においては、進行方向前方よりむしろ後方から
溶融金属の凝固する冷却過程をたどるので、後方のガス
シールドが酸化皮膜を防ぐ上で重要となる。そこで、こ
の発明においては、熱源となるノズル中心と同軸の複数
の外周上から不活性なシールドガスを吹き付け、複数の
層から形成されるシールドガスの流れを制御することに
より、高濃度のシールドガス雰囲気を必要範囲において
安定的に形成することが可能となる。

【００１４】図１は、この発明に従うノズル断面の一例
を示す図である。ノズル部１の中央ｙ軸上の被溶接体３
上面に熱源位置ｓｐがあり、同軸上にイナートガスノズ
ル４を有する。このイナートガスノズル４は、被溶接体
３の溶接部に向けてたとえば集束レーザ光２の照射口
と、柱状の加圧イナートガス噴出口とを兼ね、集束レー
ザ光の軸線ｙと噴射口の軸線ｙとを事実上一致させてい
る。また、このイナートガスノズル４を取り巻くその外
周側には、１個以上のシールドガスノズル５を同心円状
に設けることとする。このシールドガスノズル５は、溶
接部に向けて加圧シールドガスを筒状に吹き付けるため
のノズルである。

【００１５】さらに、これらノズルの最外周には、１個
以上の酸化防止用シールドガスノズル６をノズルが移動
する場合におけるノズル進行方向ｖの後方側に設けるこ
ととする。これら各ノズル４，５，６からはそれぞれ所
定のゲージ圧力ｐ１，ｐ２，ｐ３に調整した加圧イナー
トガスｉｇ１，ｉｇ２，ｉｇ３を溶接部および高温部に
吹き付け、高濃度のシールドガス雰囲気を形成させる。
また、各ノズルはそれぞれに異なる成分の不活性ガス、
例えばＮ_２ガス、Ａｒガス、Ｈｅガスをそれぞれの圧
力、流速、流量にて調整することも可能とし、シールド
ガス雰囲気を安定させる多くの調整手段を有する。

【００１６】図２，図３，図４及び図５は、この発明に
よるガスシールドノズル平面のガス噴出用開口部の一部
を示す図であり、それぞれにおいてノズル進行方向ｖの
後方側に配置されたシールドガスノズル６，６−１，６
−２の形状に特徴を備え、図３〜図５によるシールドガ
スノズル６−１，６−２はそれぞれにおいてシールドガ
スの調整手段を有するものである。

【００１７】その他の態様においては、図４，図５によ
るシールドガスノズル６−１，６−２の形状を組み合わ
せたものも有効で、図３，図４によるシールドガスノズ
ル６，６−１，６−２の端部の形状は、図６に示したも
のがその代表的なものであり、必要なシールド範囲に合
わせて有効量のガス供給をすることにより、ガス消費量
を減らし、かつ、溶融部の化学反応や表面の酸化皮膜を
抑制した信頼性の高い高品質な入熱施工を高速度で可能
とすることができる。

【００１８】

【発明の効果】以上で述べたようにこの発明のガスシー
ルドノズルおよびガスシールド方法によれば、溶接にお
ける溶融部の欠陥や表面の酸化膜の形成をほぼ完全に抑
制することが可能であり、後処理等の二次工程の削減お
よび高品質な入熱施工が可能となる。本発明では高出力
により入熱量が増えた場合、アフターシールドを必要と
する範囲が拡大するが、ガスの吹き出し口を有効配置す
ることでノズルの小型化が可能であり、且つまた、小型
でありながら必要な広い範囲に効果的なシールドガス雰
囲気を形成するため、ガス消費量が少なく、頂点や稜線
の内側などの狭い構造物に適用が可能な用途範囲の広さ
もあわせもち、取り扱いや保守なども簡便である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明によるガスシールドノズルの断面の
一例を示す図である。

【図２】 この発明によるガスシールドノズル平面のガ
ス噴出用開口部の一例を示す図である。

【図３】 この発明によるガスシールドノズル平面のガ
ス噴出用開口部の一例を示す図である。

【図４】 この発明によるガスシールドノズル平面のガ
ス噴出用開口部の一例を示す図である。

【図５】 この発明によるガスシールドノズル平面のガ
ス噴出用開口部端部の一例を示す図である。

【図６】 この発明によるガスシールドノズル平面のガ
ス噴出用開口部端部の一例を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大藤 仁志 北海道札幌市手稲区曙２条４丁目２番29号 株式会社産鋼スチール内 Ｆターム(参考） 4E068 CH02 CJ01

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光集束用光学系手段と、レーザ光
   照射口とを有するレーザ溶接装置のガスシールドノズル
   において、 ガスシールドノズルの中心線と同軸上の集束レーザ光照
   射口とイナートガスノズルを兼ねる中央放射ノズル
   （４）と、該中央放射ノズルの外周にこれと同軸に設け
   た１個以上の加圧シールドガスノズル（５）を設け、前
   記集束レーザ光熱源の進行方向より見て中央放射ノズル
   （４）より後側の最外周に、ノズルの進行方向で見て前
   記加圧シールドガスノズル（５）の幅を覆うように円弧
   状に拡がっている、１以上の酸化防止用シールドガスノ
   ズル（６）を設けたことを特徴とするレーザ溶接装置の
   ガスシールドノズル。
2. 【請求項２】 前記酸化防止用シールドガスノズル
   （６）を連続した円弧状の開口とした請求項１記載のガ
   スシールドノズル。
3. 【請求項３】 ガスシールドノズルの外形を長方形ある
   いは楕円形とし、連続した円弧状の開口を２重に設けた
   請求項１記載のガスシールドノズル。
4. 【請求項４】 前記酸化防止用シールドガスノズル
   （６）を全体の円弧形を複数個の円弧形状開口に分割し
   た請求項１記載のガスシールドノズル。
5. 【請求項５】 前記酸化防止用シールドガスノズル
   （６）を全体の円弧形状を多数の円形開口で形成した請
   求項１記載のガスシールドノズル。
6. 【請求項６】 前記酸化防止用シールドガスノズル
   （６）を複数の円弧形状開口と、多数の円形開口の組合
   せで構成した請求項１記載のガスシールドノズル。
7. 【請求項７】 円弧状開口部の円弧端部の形状として、
   半円形状、曲線形状、あいは直線形状を特徴とする開口
   をもつ請求項１〜６記載のガスシールドノズル。
8. 【請求項８】 前記の各開口または開口群には、それぞ
   れ最適な圧力、流速、流量を制御したガスを供給し、ガ
   スシールドを施す溶接方法。