JP2009039749A - Laser beam machining apparatus and laser beam machining method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光によって被加工物の溶接加工を行なうレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関するものである。 The present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method for welding a workpiece by laser light.
レーザ加工は、レーザ発振器から出力されるレーザ光をレンズなどの光学部品によって被加工物の加工面に集束させ、このとき被加工物の加工面で発生する高密度エネルギーを利用して被加工物の切断や溶接などを行う熱加工である。このレーザ加工を行なう際に用いるレーザ光は高密度エネルギーであるので、レーザ加工ではアーク溶接などと比較して被加工物の溶融や凝固の時間が短い。このため、レーザ加工はアーク溶接よりも加工速度が5〜10倍以上速くなる。 In laser processing, laser light output from a laser oscillator is focused on a processing surface of a workpiece by an optical component such as a lens, and the workpiece is processed using high-density energy generated on the processing surface of the workpiece at this time. This is thermal processing that cuts and welds steel. Since the laser beam used when performing this laser processing has high density energy, the time required for melting and solidifying the workpiece is shorter in laser processing than in arc welding or the like. For this reason, laser processing is 5 to 10 times faster than arc welding.
レーザ加工によって例えばアルミニウムやアルミニウム合金からなる板材(以下、アルミニウム材という)を互いに高速で溶接すると、溶接部分(接合面)の深さ方向に気泡(ブローホール)などの溶接欠陥が生じ、その結果、溶接部分の強度が低下する。このため、アルミニウム材は、MIG溶接(Metal Inert Gas Welding)やTIG溶接(Tungsten Innert Gas Welding)などの低速度溶接によって溶接を行っていた。レーザによるアルミニウム材の溶接時に発生するブローホールは、大気の巻き込み、アルミニウム材の表面の酸化膜、アルミニウム材の固液間での水素固溶度の差によって発生する。 When plate materials made of, for example, aluminum or an aluminum alloy (hereinafter referred to as aluminum materials) are welded at a high speed by laser processing, welding defects such as bubbles (blow holes) occur in the depth direction of the welded portion (joint surface), and as a result. , The strength of the welded portion is reduced. For this reason, the aluminum material was welded by low-speed welding such as MIG welding (Metal Inert Gas Welding) or TIG welding (Tungsten Innert Gas Welding). Blow holes generated during welding of an aluminum material by a laser are generated by air entrainment, an oxide film on the surface of the aluminum material, and a difference in hydrogen solid solubility between the solid and liquid of the aluminum material.
このブローホールの発生を防いでレーザ溶接を行なう方法としては、加工ノズルの開口内円の第1ノズルにアルゴンガスあるいは窒素ガスを導入し、第1ノズルと同心円状に配設された開口外円の第2ノズルにヘリウムガスを導入したレーザ溶接方法がある(例えば、特許文献1参照)。 As a method of performing laser welding while preventing the occurrence of this blowhole, argon gas or nitrogen gas is introduced into the first nozzle of the inner circle of the machining nozzle, and the outer circle of the opening concentrically arranged with the first nozzle. There is a laser welding method in which helium gas is introduced into the second nozzle (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記従来技術では、レーザ光の出射軸とシールドガスの出射軸が同軸でないため、レーザ光の出射方向とシールドガスの出射方向が異なり、曲線溶接や狭あいな部位への溶接が困難であるという問題があった。 However, since the laser beam emission axis and the shield gas emission axis are not coaxial in the above-described conventional technology, the laser beam emission direction and the shield gas emission direction are different, making it difficult to perform curved welding or welding to narrow areas. There was a problem that there was.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した良好な溶接を容易に行なうレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a laser processing apparatus and a laser processing method that easily perform stable and good welding.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、加工ヘッドから出射するレーザ光を被加工物に照射して前記被加工物同士の溶接を行なうレーザ加工装置において、前記加工ヘッドは、前記レーザ光を前記被加工物の溶接位置に出射するとともに、前記被加工物の溶接位置から空気を遮断する第1のシールドガスを前記レーザ光の出射軸と同軸方向で前記被加工物の溶接位置に吹き付ける内側加工ノズルと、前記内側加工ノズルの周縁部を囲うよう配設されて、前記被加工物の溶接位置から空気を遮断する第2のシールドガスを前記レーザ光の出射軸と同軸方向で前記被加工物の溶接位置に吹き付ける外側加工ノズルと、を備え、前記第1のシールドガスの比重は、前記第2のシールドガスの比重よりも大きいことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention provides a laser processing apparatus that welds the workpieces to each other by irradiating the workpieces with laser light emitted from the processing head. Emits the laser beam to a welding position of the workpiece, and uses a first shield gas for blocking air from the welding position of the workpiece in the direction coaxial with the emission axis of the laser beam. An inner processing nozzle that sprays the welding position of the laser beam, and a second shield gas that is disposed so as to surround a peripheral edge of the inner processing nozzle and blocks air from the welding position of the workpiece, And an outer processing nozzle that sprays the welding position of the workpiece in the coaxial direction, wherein the specific gravity of the first shield gas is larger than the specific gravity of the second shield gas.
この発明によれば、レーザ光の出射軸と同軸方向で被加工物の溶接位置に吹き付ける第1のシールドガスの比重が、第2のシールドガスの比重よりも大きいので、安定した良好な溶接を容易に行なうことが可能になるという効果を奏する。 According to this invention, since the specific gravity of the first shield gas sprayed to the welding position of the workpiece in the same direction as the laser beam emission axis is larger than the specific gravity of the second shield gas, stable and good welding is achieved. There is an effect that it can be easily performed.
以下に、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of a laser processing apparatus and a laser processing method according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
実施の形態
図1は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図であり、図2は、レーザ加工装置によるレーザ溶接を説明するための図である。レーザ加工装置100は、レーザ光(図2に示すレーザ光1)を被加工物(図2に示す板材2a,2b)に照射して被加工物のレーザ加工(溶接など)を行なう装置であり、制御装置10、レーザ発振器11、内側シールドガス供給部12X、外側シールドガス供給部12Y、加工ヘッド3を有している。
Embodiment FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram for explaining laser welding by the laser processing apparatus. The
レーザ発振器11は、所定のタイミングで発振させたレーザ光1を加工ヘッド3に送る。加工ヘッド3は、レーザ発振器11から送られてくるレーザ光1と、内側シールドガス供給部12X、外側シールドガス供給部12Yから送られてくる各シールドガスを板材2a,2bの接合面に照射して板材2a,2bの溶接などを行う。
The
加工ヘッド3は、概略円柱状をなしており、中心軸の周縁部(最内周)に配設される筒状の内側加工ノズル31と、内側加工ノズル31の周縁部(最外周)を囲うように配設される円環柱状の外側加工ノズル32を備えている。換言すると、加工ヘッド3は、中央部と周辺部に分割され、中央部に内側加工ノズル31を配設するとともに、周辺部に外側加工ノズル32を配設している。内側加工ノズル31と外側加工ノズル32は、それぞれの中心軸がレーザ光の出射軸と一致するよう同軸方向に配設されており、内側加工ノズル31と外側加工ノズル32は、同軸の2重ノズルとなっている。
The
内側加工ノズル31は、開口内円の吹出し側からレーザ光1と所定のシールドガス(溶接位置を空気から遮断するために用いるガス)を同軸方向に出射し、外側加工ノズル32は、開口外円の吹出し側から所定のシールドガスを出射する。
The
内側シールドガス供給部12Xは、内側加工ノズル31に所定流量のシールドガスを供給し、外側シールドガス供給部12Yは、外側加工ノズル32に所定流量のシールドガスを供給する。
The inner shield gas supply unit 12 </ b> X supplies a predetermined flow rate of shield gas to the
制御装置10は、レーザ発振器11、内側シールドガス供給部12X、外側シールドガス供給部12Y、加工ヘッド3を制御する。本実施の形態では、制御装置10が内側シールドガス供給部12Xや外側シールドガス供給部12Yから加工ヘッド3へ供給して板材2a,2bに吹き付けるガス流量を制御する。また、制御装置10は、レーザ発振器11のレーザ光1の発振タイミングなどを制御するとともに、加工ヘッド3の位置などを制御する。
The
つぎに、レーザ加工装置100によるレーザ溶接について説明する。本実施の形態では、板材2a,2bがアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、レーザ加工装置100が、この複数の板材2aと板材2bとを一度に突合せレーザ溶接する場合をレーザ加工の一例として説明する。
Next, laser welding by the
図2に示すように、加工ヘッド3からは、中央部の内側加工ノズル31と、周辺部の外側加工ノズル32とから2種類のシールドガスが噴出される。内側加工ノズル31は、内側シールドガス供給部12Xから供給されるシールドガス(第1のシールドガス)5を板材2a,2bの溶接位置に吹き付ける。外側加工ノズル32は、外側シールドガス供給部12Yから供給されるシールドガス(第2のシールドガス)6を板材2a,2bに吹き付ける。内側加工ノズル31と外側加工ノズル32から照射されたシールドガス5,6は、板材2a,2bの溶接金属部4やその近傍に供給される。溶接金属部4は、板材2a,2bを溶接する際に板材2a,2bを溶融させた部分であり、この溶接金属部4によって板材2aと板材2bが接合される。
As shown in FIG. 2, two types of shield gas are ejected from the
シールドガス5の板材2a,2bへの照射によって、溶接金属部4表面の酸化を防止できる。また、板材2a,2bを溶接する際に発生するプラズマを抑制して溶接金属部4表面を滑らかにすることが可能となる。また、シールドガス6の板材2a,2bへの照射によって、溶接金属部4の周辺から大気の巻き込みを防ぐことが可能となる。
Oxidation of the surface of the
本実施の形態では、流量や比重の異なるシールドガス5とシールドガス6とを板材2a,2bへ照射する。このように、アルミニウムやアルミニウム合金をレーザ溶接する場合、同心状に配設した内側加工ノズル31と外側加工ノズル32から、流量や比重の異なるシールドガスを供給することによって、溶接金属部4への大気の巻き込みを防ぐことができるので、ブローホールなどの溶接欠陥の発生を低減することが可能となる。
In the present embodiment, the
つぎに、板材2a,2bをレーザ溶接する際の、シールドガス5,6の種類と供給流量について説明する。図3は、板材をレーザ溶接する際の種々の溶接条件を示す図である。図3では、板材2a,2bをレーザ溶接する際の溶接条件(条件A〜J)として、内側加工ノズル31と外側加工ノズル32から供給するシールドガス5,6の種類および供給流量を示している。
Next, the types and supply flow rates of the
例えば、条件Aでは、内側加工ノズル31からアルゴンを毎分5リットル照射し、外側加工ノズル32からはシールドガスを照射しない。また、条件Bでは、内側加工ノズル31からアルゴンを毎分5リットル照射し、外側加工ノズル32からはアルゴンを毎分20リットル照射する。また、条件Cでは、内側加工ノズル31からアルゴンを毎分5リットル照射し、外側加工ノズル32からは窒素を毎分20リットル照射する。
For example, under condition A, 5 liters of argon per minute is irradiated from the
また、条件Dでは、内側加工ノズル31からアルゴンを毎分10リットル照射し、外側加工ノズル32からはシールドガスを照射しない。また、条件Eでは、内側加工ノズル31からアルゴンを毎分10リットル照射し、外側加工ノズル32からはアルゴンを毎分20リットル照射する。また、条件Fでは、内側加工ノズル31からアルゴンを毎分20リットル照射し、外側加工ノズル32からはシールドガスを照射しない。
In condition D, 10 liters of argon per minute is irradiated from the
また、条件Gでは、内側加工ノズル31から窒素を毎分5リットル照射し、外側加工ノズル32からはシールドガスを照射しない。また、条件Hでは、内側加工ノズル31から窒素を毎分5リットル照射し、外側加工ノズル32からはアルゴンを毎分20リットル照射する。また、条件Iでは、内側加工ノズル31から窒素を毎分5リットル照射し、外側加工ノズル32からは窒素を毎分20リットル照射する。また、条件Jでは、内側加工ノズル31から窒素を毎分5リットル照射し、外側加工ノズル32からはシールドガスを照射しない。
Further, under the condition G, nitrogen is irradiated from the
条件A〜Jで板材2a,2bを溶接する際、板材2a,2bには例えば熱処理型アルミニウム合金(A5052)を用いる。また、条件A〜Jで板材2a,2bを溶接する際、レーザ加工装置100は、例えばレーザ出力を2.5kWの連続波(CW)とし、加工速度2m/minで加工を行う。
When welding the
条件A〜Jで板材2a,2bを溶接を行った場合の溶接の良否について説明する。ここでは、以下の2つの評価項目に基づいて溶接の良否判定を行った場合の判定結果について説明する。
The quality of welding when the
第1の評価項目は、溶接金属部4表面の凹凸の度合いである。この凹凸の度合いは、表面観察を行った領域での最大凹み量に基づいて算出する。板材2a,2bがアルミニウムやアルミニウム合金の場合の溶接では、溶接後に板材2a,2bの表面機械加工を行うので、溶接金属部4は必ず凸形状でなければならない。そのため、溶接金属部4が凸形状であるものを良好な溶接と判断する。
The first evaluation item is the degree of unevenness on the surface of the
ここで、溶接金属部4の凹凸量の測定方法を図4〜6を用いて説明する。図4は、レーザ溶接した後の板材を示す図である。同図に示すように、溶接した後の板材2a,2bには、溶接の進行方向に沿った板材2aと板材2bの境界面に溶接金属部4が存在する。
Here, the measuring method of the unevenness | corrugation amount of the
図5および図6は、図4に示した板材のx1−x2断面図である。図5に示すように、板材2a,2bの表面に凹部があれば、最も凹みが大きい部分の凹み量h1を求める。また、図6に示すように、板材2a,2bの表面に凹部が無ければ、最も凸になっている部分の高さh2を求める。
5 and 6 are x1-x2 cross-sectional views of the plate shown in FIG. As shown in FIG. 5, if there are concave portions on the surfaces of the
第2の評価項目は、単位長さあたりの溶接金属部4のブローホール発生個数である。本実施の形態では、シールドガス5,6の供給方法毎(加工条件毎)にブローホールの発生個数を数えて評価する。ブローホールの発生個数は、例えば溶接金属部4のX線透過写真を撮影することによって測定する。
The second evaluation item is the number of blow holes generated in the
図3に示した溶接条件に基づいて板材2a,2bを溶接した場合の、溶接金属部4の表面最大凹み量およびブローホール発生個数について説明する。図7および図8は、溶接金属部表面の最大凹み量とブローホールの発生個数の測定結果の一例を示す図である。
A description will be given of the maximum surface dent amount and the number of blow holes generated in the
図7では、溶接金属部4表面の凹凸量(最大値)を条件A〜J毎に示している。図7に示すように、表面が凸形状となるのは、条件Cおよび条件Hの場合である。したがって、表面を凸形状にするためには、内側加工ノズル31からのシールドガス5の供給流量を5リットル/分以下にする必要がある。また外側加工ノズル32からは内側加工ノズル31から射出されるシールドガス5と異なる種類のシールドガス6を吹き付ける必要がある。内側加工ノズル31からのシールドガス5の供給流量が多い場合、アルミニウム融液が押し下げられたりスパッタとして飛散したりするので、溶接金属部4表面の凹みが大きくなると考えられる。このため、内側加工ノズル31からのシールドガス5の供給流量を少なくした場合に表面が凸形状となる。
In FIG. 7, the unevenness | corrugation amount (maximum value) of the
図8では、シールドガス5,6の比重比(シールドガス6/シールドガス5)と、溶接金属部4内でのブローホール発生個数(総数)の関係を、条件B,C,E,H,I毎に示している。図8に示すブローホール発生個数は、従来の加工方法と同じである条件である条件F(内側加工ノズル31のみからアルゴンを毎分20リットル射出する場合)でのブローホール発生個数を100として、他の条件でのブローホールの発生個数を規格化したものである。条件Fよりもブローホールの発生個数が減少しているのは、条件C,B,E,Iの場合である。
In FIG. 8, the relationship between the specific gravity ratio (
また、内側加工ノズル31のみからシールドガス5を射出する条件A,D,G,Jは、条件Fとほぼ同等のブローホールの個数である。このため、ブローホールの発生個数を低減させるためには、2重シールドガスを用いるとともに、内側加工ノズル31からアルゴンガスを射出させ、外側加工ノズル32からは内側加工ノズル31と同等または比重の小さな窒素を射出させる。さらに、内側加工ノズル31から射出させるシールドガス5のガス流量を毎分5リットル以下とする。
In addition, the conditions A, D, G, and J for injecting the
図7および図8の測定結果から、条件A〜Jの何れかで板材2a,2bを溶接する場合、最も適切な溶接条件は条件Cである。したがって、本実施の形態では、レーザ加工装置100は、例えば条件Cを用いて板材2a,2bの溶接を行う。
From the measurement results of FIGS. 7 and 8, when welding the
つぎに、内側加工ノズル31と外側加工ノズル32の内径について説明する。図9は、外側加工ノズル32の内径を変化させた場合のブローホール発生個数の変化を示す図である。図9では、条件Cによって板材2a,2bを溶接する場合の、外側加工ノズル32の内径とブローホール発生個数の関係を示している。図9に示すブローホール発生個数は、図8の場合と同様に、条件Fでのブローホール発生個数を100として、他の条件でのブローホールの発生個数を規格化している。図9に示すように、ブローホールの発生個数を低減させるためには、内側加工ノズル31よりも大きな内径の外側加工ノズル32を用いればよく、内径比(外側加工ノズル32の内径/内側加工ノズル31の内径)が大きいほどその効果も大きくなる。
Next, the inner diameters of the
このため、本実施の形態では、ブローホールの発生個数を少なくしてレーザ溶接の品質を向上させるために、外側加工ノズル32の内径を内側加工ノズル31の内径よりも大きくしておく。内側加工ノズル31の内径と外側加工ノズル32の内径の比は、要求されるレーザ溶接の品質に応じて変更してもよい。例えば、ブローホールの発生個数を少なくしたい場合には、外側加工ノズル32の内径を内側加工ノズル31の内径の4.5倍にする。
For this reason, in the present embodiment, the inner diameter of the
なお、本実施の形態では、アルミニウムやアルミニウム合金の板材2a,2bに対する突合せレーザ溶接を行う場合について説明したが、レーザ加工装置100は、大気の巻き込みによるブローホールの発生が懸念される他の材料や、重ね合わせ溶接等の他の溶接を行ってもよい。換言すると、板材2a,2bを溶接する場合には、2重ノズルによるシールドガス供給を行えばよく、シールドガスの種類や供給方法は条件C以外の条件であってもよい。例えば、シールドガス5,6にヘリウムや二酸化炭素などを用いてもよい。また、シールドガス5,6にアルゴン、窒素、ヘリウム、二酸化炭素などの混合ガスを用いてもよい。これにより、シールドガスの特殊な供給ノズルを用いること無く、内側加工ノズル31と外側加工ノズル32によるシールドガスの供給によって良好なレーザ溶接を行なうことが可能となる。
In the present embodiment, the case where butt laser welding is performed on the aluminum or aluminum
このように実施の形態によれば、レーザ光1の出射軸とシールドガスの出射軸が同軸であるので、レーザ光1の出射方向とシールドガスの出射方向が同じになり、曲線溶接や狭あいな部位への溶接を容易に行うこと可能となる。したがって、板材2a,2bの安定した良好な溶接を容易に行なうことが可能となる。
As described above, according to the embodiment, since the emission axis of the
また、外側加工ノズル32から出射するシールドガス6の比重が内側加工ノズル31から出射するシールドガス5の比重よりも小さなシールドガス5,6を用いて板材2a,2bを溶接しているので、溶接金属部4表面の凹みが少なくブローホールの発生個数が少ない溶接を行うことが可能となる。
Further, since the specific gravity of the shielding
また、シールドガス5のガス流量を毎分5リットル以下とすることによって、少ないシールドガス5の量で、効率良くブローホールの発生を抑制することが可能となる。また、シールドガス5をアルゴンガスとし、シールドガス6を窒素ガスとすることによって効率良くブローホールの発生を抑制することが可能となる。したがって、板材2a,2bがアルミニウムやアルミニウム合金からなる板材の場合であっても、効率良くブローホールの発生を抑制することが可能となる。
Further, by setting the gas flow rate of the
以上のように、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、レーザ光による被加工物の溶接加工に適している。 As described above, the laser processing apparatus and the laser processing method according to the present invention are suitable for welding a workpiece by laser light.
1 レーザ光
2a,2b 板材
3 加工ヘッド
4 溶接金属部
5,6 シールドガス
10 制御装置
11 レーザ発振器
12Y 外側シールドガス供給部
12X 内側シールドガス供給部
31 内側加工ノズル
32 外側加工ノズル
100 レーザ加工装置
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記加工ヘッドは、
前記レーザ光を前記被加工物の溶接位置に出射するとともに、前記被加工物の溶接位置から空気を遮断する第1のシールドガスを前記レーザ光の出射軸と同軸方向で前記被加工物の溶接位置に吹き付ける内側加工ノズルと、
前記内側加工ノズルの周縁部を囲うよう配設されて、前記被加工物の溶接位置から空気を遮断する第2のシールドガスを前記レーザ光の出射軸と同軸方向で前記被加工物の溶接位置に吹き付ける外側加工ノズルと、
を備え、
前記第1のシールドガスの比重は、前記第2のシールドガスの比重よりも大きいことを特徴とするレーザ加工装置。 In a laser processing apparatus that welds the workpieces by irradiating the workpieces with laser light emitted from a processing head,
The processing head is
The laser beam is emitted to a welding position of the workpiece, and a first shield gas that blocks air from the welding position of the workpiece is welded to the workpiece in a direction coaxial with the laser beam emission axis. An inner working nozzle that sprays the position,
A welding position of the workpiece that is disposed so as to surround a peripheral portion of the inner machining nozzle and that shields air from the welding position of the workpiece in a direction coaxial with the laser beam emission axis. An outer working nozzle that sprays on
With
The laser processing apparatus, wherein the specific gravity of the first shield gas is greater than the specific gravity of the second shield gas.
前記レーザ光を前記被加工物の溶接位置に出射する際に、前記被加工物の溶接位置から空気を遮断する第1のシールドガスを前記レーザ光の出射軸と同軸方向に配設される内側加工ノズルから前記被加工物の溶接位置に吹き付けるとともに、前記被加工物の溶接位置から空気を遮断する第2のシールドガスを前記内側加工ノズルの周縁部を囲うよう配設される外側加工ノズルから前記レーザ光の出射軸と同軸方向で前記被加工物の溶接位置に吹き付けるステップを含み、
前記第1のシールドガスの比重は、前記第2のシールドガスの比重よりも大きいことを特徴とするレーザ加工方法。 In the laser processing method for welding the workpieces by irradiating the workpieces with laser light emitted from the processing head,
When the laser beam is emitted to the welding position of the workpiece, the first shield gas that shuts off air from the welding position of the workpiece is disposed in the coaxial direction with the laser beam emission axis. A second shield gas that blows from the machining nozzle to the welding position of the workpiece and blocks air from the welding position of the workpiece from an outer machining nozzle disposed so as to surround the peripheral edge of the inner machining nozzle. Spraying a welding position of the workpiece in a direction coaxial with an emission axis of the laser beam,
The laser processing method according to claim 1, wherein a specific gravity of the first shield gas is larger than a specific gravity of the second shield gas.
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