JP2010131615A - レーザ溶接シールド方法及びシールドガス供給ノズル及びレーザ溶接シールド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
溝を有する部材の溶接に於いて、シールドガスによるシールド性を向上すると共にシールドガスの消費量を抑制して溶接コストの低減を図る。
【解決手段】
溶接線４に沿ってスリット状のシールドガス吐出口１７を対峙させ、該シールドガス吐出口より被溶接部材２，３の表面に沿って層状にシールドガスを吐出し、溶接部をガスシールドする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、溝を有する部材をレーザにより突合わせ溶接を行う場合のレーザ溶接シールド方法及びシールドガス供給ノズル及びレーザ溶接シールド装置に関するものである。

溶接品質を向上、維持する為、溶接部を不活性ガスにより覆うガスシールドが行われる。特に、アルミニウム、ステンレス鋼の様に酸化皮膜が溶接品質を阻害する様な母材では良好なガスシールドは不可欠である。

又、溝を有する部材、例えば冷却フィンを有するヒートシンクの様な部材を、溝が連続する様に溶接する場合は、突合わせ部の溶接線は溝の断面形状に沿って複雑に屈曲する。

例えば、図８に示される様な、Ｕ字溝１が所定ピッチで形成され被溶接部材２，３を前記Ｕ字溝１が連続する様に突合わせ、溶接線４に沿って溶接する場合、該溶接線４は前記Ｕ字溝１の断面形状に従って、複雑に屈曲している。

この為、前記溶接線４に沿ってレーザ溶接する場合、溶接点を局部的にガスシールドするのは困難であり、従来では前記Ｕ字溝１の上端開口部をテープ、或は板等の遮蔽部材５により閉塞し、前記Ｕ字溝１の端面から不活性ガス６を流し、溶接部のガスシールドを行っている。

ところが、レーザ溶接を行う為、前記遮蔽部材５の溶接線対応部分に欠切部７を生じ、該欠切部７から大気を巻込み、シールド性を損うという問題があった。更に、前記Ｕ字溝１全体をシールドガス雰囲気としなければならず、シールドガスの消費量が多くなり、溶接コストが上昇するという問題があった。

尚、平板をレーザ溶接する場合にシールドガスを供給するノズルについては、特許文献１に示されるものがある。

特開２００７−２５３２１６号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、溝を有する部材の溶接に於いて、シールドガスによるシールド性を向上すると共にシールドガスの消費量を抑制して溶接コストの低減を図るものである。

本発明は、溶接線に沿ってスリット状のシールドガス吐出口を対峙させ、該シールドガス吐出口より被溶接部材の表面に沿って層状にシールドガスを吐出し、溶接部をガスシールドするレーザ溶接シールド方法に係り、又前記溶接線が溝を有する被溶接物の突合わせ部に形成され、前記シールドガス吐出口は、前記溝の断面形状に沿う様屈曲されたレーザ溶接シールド方法に係るものである。

又本発明は、溶接線と平行に形成されたシールドガス吐出口を具備し、該シールドガス吐出口より、被溶接物表面に沿って層状にシールドガスを吐出する様構成したことを特徴とするシールドガス供給ノズルに係るものである。

又本発明は、被溶接物の溝に嵌合可能な外形を有する外ケースと、該外ケースの内側に配設され、該外ケースとの間に空間を形成する内ケースとを具備し、前記シールドガス吐出口は前記外ケースの溶接線側端縁と該溶接線側端縁に対峙する前記内ケースの端縁によって形成されたシールドガス供給ノズルに係り、又前記シールドガス吐出口と反対側に位置する後板を有し、前記空間にはシールドガス供給管が挿入配設され、該シールドガス供給管の前記後板に対峙する面に所定ピッチでガス噴出口が穿設され、前記シールドガス供給管に供給されたシールドガスは前記ガス噴出口より前記後板に向って噴出される様構成したシールドガス供給ノズルに係り、又前記シールドガス供給管は、前記空間の１端から他端に向って横断し、溝の断面形状と相似形となる様屈曲されたシールドガス供給ノズルに係り、又前記内ケースの溶接線側端部は溝の壁面に向う様傾斜され、吐出されるシールドガスに溝の壁面に向う分速を与える様にしたシールドガス供給ノズルに係り、更に又シールドガス吐出方向と平行なガス噴出管を有し、該ガス噴出管からレーザ光線を横切る様に圧縮ガスが噴出され、プラズマの発生を抑制する様にしたシールドガス供給ノズルに係るものである。

又本発明は、溶接線と平行にシールドガス吐出口が形成され、該シールドガス吐出口より、被溶接物表面に沿って層状にシールドガスを吐出する様構成したシールドガス供給ノズルを具備したレーザ溶接シールド装置に係るものである。

本発明によれば、溶接線に沿ってスリット状のシールドガス吐出口を対峙させ、該シールドガス吐出口より被溶接部材の表面に沿って層状にシールドガスを吐出し、溶接部をガスシールドするので、溶接部がシールドガスにより確実に覆われ、シールド性が向上する。

又本発明によれば、前記溶接線が溝を有する被溶接物の突合わせ部に形成され、前記シールドガス吐出口は、前記溝の断面形状に沿う様屈曲されたので、複雑な形状を有する被溶接物のレーザ溶接に於いて、溶接部を確実にシールドガスにより覆い、シールド可能である為、溶接品質が向上し、又溶接部に限定してガスシールドするので、シールドガスの消費を抑制でき、溶接コストの低減が図れる。

又本発明によれば、溶接線と平行に形成されたシールドガス吐出口を具備し、該シールドガス吐出口より、被溶接物表面に沿って層状にシールドガスを吐出する様構成したので、少量のシールドガスにより確実に溶接部を覆うことができシールドガスの消費を抑制でき、溶接コストの低減が図れる。

又本発明によれば、被溶接物の溝に嵌合可能な外形を有する外ケースと、該外ケースの内側に配設され、該外ケースとの間に空間を形成する内ケースとを具備し、前記シールドガス吐出口は前記外ケースの溶接線側端縁と該溶接線側端縁に対峙する前記内ケースの端縁によって形成されたので、シールドガス供給ノズルの設置は溝に嵌合するだけでよく、短時間でセッティングが可能であり、作業性に優れる。

又本発明によれば、前記シールドガス吐出口と反対側に位置する後板を有し、前記空間にはシールドガス供給管が挿入配設され、該シールドガス供給管の前記後板に対峙する面に所定ピッチでガス噴出口が穿設され、前記シールドガス供給管に供給されたシールドガスは前記ガス噴出口より前記後板に向って噴出される様構成したので、シールドガスの流速分布が均一化し、溶接線全長に亘って、均等で高品質なガスシールドが実現できる。

又本発明によれば、前記シールドガス供給管は、前記空間の１端から他端に向って横断し、溝の断面形状と相似形となる様屈曲されたので、空間内に均等にシールドガスが噴出され、速度分布の均一化が図れる。

又本発明によれば、前記内ケースの溶接線側端部は溝の壁面に向う様傾斜され、吐出されるシールドガスに溝の壁面に向う分速を与える様にしたので、壁面に沿ったシールドガスの層状流れが形成でき、溶接部を確実にシールド可能となる。

又本発明によれば、シールドガス吐出方向と平行なガス噴出管を有し、該ガス噴出管からレーザ光線を横切る様に圧縮ガスが噴出され、プラズマの発生を抑制する様にしたので、プラズマによるレーザ光線のエネルギの吸収を抑制でき、溶接品質が向上する。

更に又本発明によれば、溶接線と平行にシールドガス吐出口が形成され、該シールドガス吐出口より、被溶接物表面に沿って層状にシールドガスを吐出する様構成したシールドガス供給ノズルを具備したので、溶接部がシールドガスにより確実に覆われ、シールド性が向上し、高品質な溶接が行える等の優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

図１〜図４に於いて、本発明が実施されるシールドガス供給ノズルについて説明する。

尚、シールドガス供給ノズルの一例として、図８で示したＵ字溝１に適用される場合を説明する。又、図１中、左を後ろ、右を前とし、上下は図中の上下と同一とする。

シールドガス供給ノズル１１は上記したＵ字溝１に嵌合可能な形状となっている。

以下、具体的に説明する。

板材を下部が円筒面となる様にＵ字形状に屈曲成形した外ケース１２を後板１３に固着し、又前記外ケース１２の内部にＵ字形状の内ケース１４を配設し、該内ケース１４を前記後板１３に固着する。

該内ケース１４と前記外ケース１２との間にＵ状の空間１５が形成され、該空間１５の上方は、前記外ケース１２と前記内ケース１４の上端に掛渡って固着された上板１６によって気密に閉塞される。

前記内ケース１４の前端部１４ａは前端が前記外ケース１２に近接する様に傾斜され、更に前記内ケース１４の前端は前記外ケース１２の前端より所定量前方に突出される。而して、前記内ケース１４の前端縁と該前端縁に対峙する前記外ケース１２の前端縁との間にＵ状のスリット間隙であるシールドガス吐出口１７が形成される。

前記空間１５にはシールドガス供給管１８が、前記空間１５の１端から他端に向って横断する様に配設される。前記シールドガス供給管１８は、好ましくは、該空間１５と相似形状であるＵ字形状に屈曲され、前記シールドガス供給管１８は前記上板１６を貫通して上方に延出すると共に該上板１６に固着され、該上板１６に支持される。前記外ケース１２、前記後板１３、前記内ケース１４、前記上板１６によって前記空間１５は気密に閉塞され、該空間１５に前記シールドガス吐出口１７が連通する。

前記シールドガス供給管１８は前記後板１３と所定の間隔を隔てて平行となっており、前記シールドガス供給管１８の後面（前記後板１３と対峙する面）には所定のピッチで、管軸心に沿ってガス噴出口１９が穿設されている。

前記後板１３にはガス噴出管２１が、前記外ケース１２と平行に、即ち該外ケース１２の円筒部の中心線と平行に貫通し、前記ガス噴出管２１は前記内ケース１４で囲まれた空間の中心部に所定長さ突出している。

前記後板１３の後面には、前記Ｕ字溝１より僅かに大きい相似形のシールプレート２２が固着されている。該シールプレート２２は、高弾性材料、例えばゴム製となっている。

前記シールドガス供給管１８は、不活性ガス供給源、例えばアルゴンガス供給源に接続され、前記ガス噴出管２１は圧縮ガス源、例えば圧縮空気源に接続される。

以下、図５、図６を参照して本発明の作用について説明する。

図５中、前記上板１６を省略して図示してあり、又図６中、２４はレーザ溶接シールド装置のレーザ照射ヘッドであり、レーザ光線２５を溶接部に照射すると共に、前記溶接線４に沿ってレーザ光線２５を走査する様、回転可能となっている。

レーザ溶接を行う準備として、前記シールドガス供給ノズル１１を前記Ｕ字溝１に嵌合する。該シールドガス供給ノズル１１の嵌合位置は、前記溶接線４と前記シールドガス吐出口１７とが所要距離Ｌ、離れた位置となる様に設定する。ここで、前記距離Ｌは、レーザ溶接に支障ない距離で更に、シールド性が損われない距離であり、略５〜５０ｍｍとする。

前記シールドガス供給ノズル１１が前記Ｕ字溝１に嵌合した状態では、前記シールプレート２２が前記Ｕ字溝１の壁面に密着しており、前記シールドガス供給ノズル１１と前記Ｕ字溝１間の間隙を封止する。

次に、前記シールドガス供給管１８に不活性ガス（例えばアルゴンガス）であるシールドガスを供給する。シールドガスは、複数の前記ガス噴出口１９から分散して前記後板１３に向って噴出し、該後板１３に衝突する。該後板１３に衝突することで、シールドガスは拡散し、反転して前記シールドガス吐出口１７に向って流れる。噴出したシールドガスが拡散、反転することで、流れ分布が均一化され、更に前記空間１５で膨張、滞留した後、前記シールドガス吐出口１７に至る間に整流され、該シールドガス吐出口１７より吐出する。従って、シールドガスは前記シールドガス吐出口１７全長に亘って速度が均一で、而も層流状態で流出する。又、前記前端部１４ａは、前記外ケース１２に近接する様に傾斜されているので、前記シールドガス吐出口１７から吐出されるシールドガスは、前記前端部１４ａに案内され、前記Ｕ字溝１の壁面に向う分速が与えられる。吐出されたシールドガスは、該Ｕ字溝１の壁面に沿った層流状態の流れとなり、前記溶接線４の全長に亘りガスシールドする。

前記レーザ照射ヘッド２４から前記レーザ光線２５を射出し、前記Ｕ字溝１の底面最下位置から該Ｕ字溝１の壁面の上端に向って走査して、溶接を実行する。前記溶接線４全長を溶接する場合は、２回に分けられ、いずれも下方から上方に向って溶接が行われる。

下方から上方に向って溶接をすることで、溶融金属の溶落ちが抑制され、アンダーカットが防止できる。

又、レーザ溶接を行うことで、溶融金属から金属蒸気が発生し、更に金属蒸気によりプラズマが発生する。プラズマは、レーザ光線２５のエネルギを吸収するので、溶接に寄与するエネルギが減少する。この為、溶込みが小さくなる等、溶接品質に影響を及す。

プラズマの発生を抑制する為、前記ガス噴出管２１からプラズマを横切る様に、前記シールドガスの吐出方向と平行に圧縮空気を噴出する。圧縮空気は金属蒸気を吹飛ばし、プラズマの発生、プラズマの成長を抑制する。尚、前記圧縮空気の噴出流速は、９００ｍ／ｓを含み、略９００ｍ／ｓが好ましい。

而して、前記シールドガス吐出口１７から吐出されるシールドガスにより、前記溶接線４を含む溶接部全長が、安定してガスシールドされ、又圧縮空気によりプラズマの成長が抑制されることにより、効率のよい高品質のレーザ溶接が行える。

又、前記Ｕ字溝１の裏面側の溶接線を囲ってシールドガス雰囲気とし、更に隣接するＵ字溝１ａについて上端を閉塞して該Ｕ字溝１ａにシールドガスを流してシールドガス雰囲気とすれば、裏面側からの酸化が防止でき、溶接品質を向上できる。

１つのＵ字溝１の溶接完了後、他のＵ字溝１について、レーザ溶接を行う場合は、溶接済のＵ字溝１から前記シールドガス供給ノズル１１を取外して、他のＵ字溝１に嵌合し、上記したと同様にレーザ溶接を実行する。尚、前記シールドガス供給ノズル１１は、Ｕ字溝１に単に嵌合しているだけであるので、前記シールドガス供給ノズル１１の着脱は容易である。

図７は、シールドガス供給ノズル１１の他の形態を示している。図７中、図２中で示したものと、同等のものには同符号を付し、その説明を省略する。

図７に示されるシールドガス供給ノズル１１は、内ケース１４の形状を変更したものである。

該内ケース１４の前端部１４ａを外ケース１２と平行とし、該外ケース１２と前記前端部１４ａ間で扁平な平行流路２６を形成したものである。尚、該平行流路２６の前端がシールドガス吐出口１７となる。シールドガス供給管１８のガス噴出口１９から噴出されたシールドガスは、空間１５で滞留した後、前記平行流路２６を流れる間に整流され、前記シールドガス吐出口１７から吐出される。吐出されたシールドガスは、Ｕ字溝１の壁面に沿って流れ、溶接部をガスシールドする。又、前記ガス噴出管２１からはプラズマ遮断用の圧縮空気が噴出される。

尚上記実施の形態は、Ｕ状溝について説明したが、Ｕ状溝形状に限定されるものではなく、任意の溝形状に対して実施可能であり、溝形状に合わせて、シールドガス供給ノズルの外形形状を設定すればよい。

更に、溶接線が直線であっても実施可能であり、例えば前記シールドガス吐出口１７が溶接線と平行な直線に形成され、溶接点を含み溶接方向に充分なスリット長さを有し、前記レーザ照射ヘッド２４と一体に移動する様にすればよい。

尚、前記シールプレート２２は前記外ケース１２の側面の全面に貼設され、前記シールドガス供給ノズル１１が前記シールプレート２２を介して前記Ｕ字溝１に嵌合して、該Ｕ字溝１と前記シールドガス供給ノズル１１間の間隙を封止する様にしてもよい。

本発明の実施の形態に係るシールドガス供給ノズルの正面図である。 同前本発明の実施の形態に係るシールドガス供給ノズルの平断面図である。 同前本発明の実施の形態に係るシールドガス供給ノズルの右側面図である。 同前本発明の実施の形態に係るシールドガス供給ノズルの左側面図である。 同前本発明の実施の形態に係るシールドガス供給ノズルの使用状態を示す斜視図である。 Ｕ字溝をレーザ溶接する場合の、溶接方向を示す説明図である。 本発明の他の実施の形態を示す平面図である。 従来例を示す説明図である。

符号の説明

１ Ｕ字溝
４ 溶接線
１１ シールドガス供給ノズル
１２ 外ケース
１３ 後板
１４ 内ケース
１４ａ 前端部
１５ 空間
１７ シールドガス吐出口
１８ シールドガス供給管
１９ ガス噴出口
２１ ガス噴出管
２４ レーザ照射ヘッド
２５ レーザ光線

Claims (9)

1. 溶接線に沿ってスリット状のシールドガス吐出口を対峙させ、該シールドガス吐出口より被溶接部材の表面に沿って層状にシールドガスを吐出し、溶接部をガスシールドすることを特徴とするレーザ溶接シールド方法。
2. 前記溶接線が溝を有する被溶接物の突合わせ部に形成され、前記シールドガス吐出口は、前記溝の断面形状に沿う様屈曲された請求項１のレーザ溶接シールド方法。
3. 溶接線と平行に形成されたシールドガス吐出口を具備し、該シールドガス吐出口より、被溶接物表面に沿って層状にシールドガスを吐出する様構成したことを特徴とするシールドガス供給ノズル。
4. 被溶接物の溝に嵌合可能な外形を有する外ケースと、該外ケースの内側に配設され、該外ケースとの間に空間を形成する内ケースとを具備し、前記シールドガス吐出口は前記外ケースの溶接線側端縁と該溶接線側端縁に対峙する前記内ケースの端縁によって形成された請求項３のシールドガス供給ノズル。
5. 前記シールドガス吐出口と反対側に位置する後板を有し、前記空間にはシールドガス供給管が挿入配設され、該シールドガス供給管の前記後板に対峙する面に所定ピッチでガス噴出口が穿設され、前記シールドガス供給管に供給されたシールドガスは前記ガス噴出口より前記後板に向って噴出される様構成した請求項４のシールドガス供給ノズル。
6. 前記シールドガス供給管は、前記空間の１端から他端に向って横断し、溝の断面形状と相似形となる様屈曲された請求項５のシールドガス供給ノズル。
7. 前記内ケースの溶接線側端部は溝の壁面に向う様傾斜され、吐出されるシールドガスに溝の壁面に向う分速を与える様にした請求項４又は請求項５のシールドガス供給ノズル。
8. シールドガス吐出方向と平行なガス噴出管を有し、該ガス噴出管からレーザ光線を横切る様に圧縮ガスが噴出され、プラズマの発生を抑制する様にした請求項３のシールドガス供給ノズル。
9. 溶接線と平行にシールドガス吐出口が形成され、該シールドガス吐出口より、被溶接物表面に沿って層状にシールドガスを吐出する様構成したシールドガス供給ノズルを具備したことを特徴とするレーザ溶接シールド装置。

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