JP2011005533A

JP2011005533A - レーザ狭開先溶接装置および溶接方法

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Publication number: JP2011005533A
Application number: JP2009153210A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tsukamoto; 武志塚本; Keiji Kawanaka; 啓嗣川中; Yoshinao Maeda; 義尚前田; Shinji Imaoka; 信治今岡; Tetsuya Kuwano; 哲也桑野; Taiji Hashimoto; 泰司橋本
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2011-01-13
Anticipated expiration: 2029-06-29
Also published as: CN101934430A; EP2269764A1; CN101934430B; JP5136521B2; US20100326969A1; US8481885B2

Abstract

【課題】厚板のレーザ狭開先溶接において、溶接ビードと開先側壁との間に生じる融合不良を防止し、溶加材が開先の側壁に接触して溶着し次層以降の溶接において溶加材の送給不具合や融合不良が生じることを抑制する。
【解決手段】狭開先内に固形溶加材を送給しながらレーザ光を溶接進行方向に走査して溶接を行うレーザ狭開先溶接に用いる溶接装置及び溶接方法であって、レーザ光の照射位置を開先の底部で所定の振幅で周期的に揺動させる機構を有したレーザ光照射ヘッドと、該レーザ光によって開先の底部に形成される溶融プールに固形溶加材を供給し、検出した固形溶加材の先端位置が常に開先の中央にあるように前記レーザ光照射ヘッドの動作とは独立して送給位置の調整を行う固形溶加材供給部を有する溶加材制御装置を備えた狭開先溶接装置および溶接方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光による厚板の積層溶接装置及び溶接方法に関するものである。

鉄鋼材料やニッケル基合金などの厚板の溶接は、溶接部位に開先を形成し、溶接ワイヤや溶接棒などの溶加材を供給しながら複数パスの積層溶接によって開先を埋める方法が一般的に行われているが、板厚の増加に伴って開先の断面積が増加するため、溶接パス数の増加による生産効率の低下、変形や溶接ひずみの増大による溶接品質の低下など、課題を有している。

このため、開先を狭くして必要となる溶着金属量を低減する狭開先溶接方法が開発されており、熱源についてもアークの指向性を高めたり、集束性の高いレーザ光を用いるなど、狭開先化に対応する工夫がなされている。特にレーザは、近年発振器の進歩により出力、集束性の向上が著しく、たとえば特許文献１に記載されているように、従来のアーク熱源では不可能な狭開先化が可能である。

特開平０９−２０１６８７号公報

上記のレーザによる狭開先溶接ではエネルギーの集中性が高いために、一般的にはアーク溶接よりも形成される溶接ビードの幅が小さくなる。一方、開先の形状はレーザ光との干渉を避けるように決定されるが、レーザ光は集光レンズからレンズの焦点距離に応じた一定の集光角度をもって開先の底部に照射されるため、溶接部位の板厚が増し、開先が深くなるに従って必要となる開先上部の幅も拡大する。このため、開先の下部では１層あたり１パスの健全な溶接が可能であっても、開先の上部に積層が進むに連れて開先の壁と溶接ビードの間に融合不良が生じやすくなる問題があった。

また、レーザ狭開先溶接では、開先の幅が小さいために溶接ワイヤや溶接棒等の固形溶加材の送給が開先側壁方向へずれた状態で行われやすく、側壁方向にずれて形成された溶着部が次層の溶接時に溶加材の送給の障害となって健全な溶接が阻害される問題があった。

また、レーザ狭開先溶接では、レーザ光の照射によって発生した金属蒸気が狭い開先内に充満し、レーザ光を散乱して溶接部への入熱効率を低下させる問題があった。本発明は上記した従来技術の欠点を解決することを課題とする。

本発明は、狭い開先内に固形溶加材を送給しながらレーザ光を溶接進行方向に走査して、前記開先底部に形成される溶融プールで固形溶加材と被溶接材を溶融させて溶接を行うレーザ狭開先溶接装置において、前記開先底部におけるレーザ光照射量を周期的に変化させるレーザ光照射ヘッドと、前記溶融プールに固形溶加材を供給する固形溶加材供給部と、固形溶加材の先端位置を検出する位置検出装置を有し、固形溶加材先端が常に開先中央に位置するように前記レーザ光照射ヘッドの動作と独立して固形溶加材の位置調整を行う溶加材制御装置を備えたことを特徴とする。

また、前記レーザ光照射ヘッドは、前記開先底部における前記レーザ光の照射位置を、開先底部と平行に所定振幅で周期的に揺動させるレーザ光照射ヘッドであることを特徴とする。

また、前記溶加材制御装置は、前記開先底部でレーザ光の照射位置を揺動させる周期と同期して、前記固形溶加材供給部による固形溶加材の供給速度を周期的に変化させることを特徴とする。

また、前記レーザ光照射ヘッドは、レーザ光の集光スポット寸法を開先の底部で所定の寸法範囲内で周期的に変化させるレーザ光照射ヘッドであることを特徴とする。

また、前記溶加材制御装置は、前記開先の底部でレーザ光の集光スポット寸法を変化させる周期と同期して、前記固形溶加材供給部による固形溶加材の供給速度を周期的に変化させることを特徴とする。

また、前記開先の中に挿入された先端とレーザ光集光スポットの中心間距離を所定の間隔に保ちながら、前記溶融プールにシールドガスを噴出する内側ノズルと、前記内側ノズルを内包して二重管構造を形成し前記溶融プールの周囲にシールドガスを噴出する外側ノズルから成るシールドガス供給装置を有することを特徴とする。

また、前記外側ノズルが開先の外部に位置し、前記外側ノズル先端と開先上部との距離を所定の間隔に維持するシールドガス供給装置を有することを特徴とする。

さらに、狭い開先内に固形溶加材を送給しながらレーザ光を溶接進行方向に走査して、前記開先底部に形成される溶融プールで固形溶加材と被溶接材を溶融させて溶接を行うレーザ狭開先溶接方法において、前記開先底部におけるレーザ光照射量を周期的に変化させ、固形溶加材の先端位置を検出し、固形溶加材先端が常に開先中央に位置するように前記レーザ光照射ヘッドの動作と独立して固形溶加材の位置調整を行うことを特徴とする。

さらに、前記開先底部における前記レーザ光の照射位置を、開先底部と平行に所定振幅で周期的に揺動させることを特徴とする。

さらに、前記開先底部でレーザ光の照射位置を揺動させる周期と同期して、前記固形溶加材供給部による固形溶加材の供給速度を周期的に変化させることを特徴とする。

さらに、レーザ光の集光スポット寸法を開先の底部で所定の寸法範囲内で周期的に変化させることを特徴とする。

さらに、開先の底部でレーザ光の集光スポット寸法を変化させる周期と同期して、前記固形溶加材供給部による固形溶加材の供給速度を周期的に変化させることを特徴とする。

さらに、開先の中に挿入された先端とレーザ光集光スポットの中心間距離を所定の間隔に保ちながら、前記溶融プールにシールドガスを噴出し、さらに前記溶融プールの周囲にシールドガスを噴出するシールドガス供給方法を有することを特徴とする。

さらに、前記外側ノズルが開先の外部に位置し、前記外側ノズル先端と開先上部との距離を所定の間隔に維持するシールドガス供給方法を有することを特徴とする。

本発明は、レーザ光の照射量を開先底部で周期的に変化させるレーザ光照射ヘッドと、固形溶加材の先端位置が常に開先の中央にあるように前記レーザ光照射ヘッドの動作とは独立して送給位置の調整を行う溶加材制御装置を備えることにより、溶接部の板厚が増加した場合にも開先上部の側壁と溶接ビードの間に生じる融合不良を抑制し、健全なレーザ狭開先溶接を可能とする。

また、本発明は、固形溶加材の送給位置が開先の側壁側へずれて固形溶加材が開先の側壁に溶着し、次層の溶接時に固形溶加材の送給が乱れる不具合を防止することが出来る。

本発明の実施例１を示す模式図である。本発明の実施例１における開先と溶接ワイヤ、およびレーザ光の揺動運動の位置関係を示す平面模式図である。本発明の実施例１における開先と溶接ワイヤ、およびレーザ光の揺動運動の位置関係を示す断面模式図である。本発明の実施例２を示す模式図である。本発明の実施例２における開先と溶接棒、およびレーザ光の焦点位置の往復運動の位置関係を示す平面模式図である。本発明の実施例２における開先と溶接棒、およびレーザ光の焦点位置の往復運動の位置関係を示す断面模式図である。

本発明は、第一の実施形態として、レーザを用いた厚板の狭開先溶接において、レーザ光の照射位置を開先の底部で所定の振幅で周期的に揺動させるレーザ光照射ヘッドと、レーザ光によって開先の底部に形成される溶融プールに溶接ワイヤや溶接棒等の固形溶加材を供給し、固形溶加材の先端位置を検出して先端が常に開先中央にあるように前記レーザ光照射ヘッドの動作と独立して送給位置の調整を行う溶加材制御装置を有する溶接装置を用いて、溶接不良を抑制する。

また、本発明は第二の実施形態として、レーザ光の集光スポット寸法を開先の底部で所定の寸法範囲内で周期的に変化させるレーザ光照射ヘッドと、レーザ光によって開先の底部に形成される溶融プールに固形溶加材を供給し、固形溶加材の先端の位置を検出して溶加材先端が常に開先の中央にあるように前記レーザ光照射ヘッドの動作とは独立して送給位置の調整を行う固形溶加材供給部を有する溶接装置を用いて溶接不良を抑制する。

図１は本発明の実施例１であって、溶接装置の構成および溶接プロセスを示す模式図であり、溶接進行方向の側方から開先の内部を概略的に示している。１は出力10ｋｗのレーザ光照射ヘッド、１１は溶接進行方向、２は溶加材制御装置、２１は溶加材供給部、２２は溶加材供給ノズル、２３は溶加材先端位置検出装置としての撮像カメラ、３はシールドガス供給装置、３１は内側ノズル、３２は外側ノズル、４はレーザ光、５は開先、５１は開先底部、６１は固形溶加材としての溶接ワイヤ、７１は内側ノズル３１からのシールドガスの流れ、７２は外側ノズル３２からのシールドガスの流れ、８は溶融プール、９１は溶接ビード、１００は被溶接材である。実施例１では被溶接材の材質をＳＵＳ３０４、溶接ワイヤの材質をＹ３０８Ｌとし、シールドガスは窒素とした。

レーザ光４によって溶融形成された金属の溶融プール８に溶接進行方向１１の前方から溶加材供給部２１により溶加材供給ノズル２２を通して溶接ワイヤ６１を連続的に供給し、溶接ビード９１を形成した。このときシールドガス供給装置３の内側ノズル３１から溶融プール８に向かって噴出されたシールドガスの流れ７１により、溶融プール８から発生する金属蒸気が吹き飛ばされ、レーザ光４の散乱を防止する。また、外側ノズル３２から溶融プール８の周囲に向かって噴出されたシールドガスの流れ７２により、溶接部近傍の加熱領域が大気によって酸化されることを抑制する。

図２Ａは開先５の上部から溶接部を概略的に示した平面模式図、図２Ｂは溶接進行方向１１の前方から開先５長手方向に対し直交する断面を概略的に示した断面模式図である。１１は溶接進行方法を示す。４１はレーザ光集光スポット、４２はレーザ光４の開先底部と平行な揺動方向、９２は前回の溶接パスで形成された溶接ビードである。

レーザ光照射ヘッド１を溶接進行方向１１に走査しながら、レーザ光４を開先５の底部で溶接進行方向１１と直交する方向に所定の振幅で周期的に揺動させることにより、熱エネルギーが十分かつ均等に溶接部に供給され、開先５の側壁と溶接ビード９１の間に生じる融合不良を抑制することが可能となる。レーザ光４を揺動させる振幅は、およそ溶接部の開先幅からレーザ光集光スポット４１の直径を引いた値とし、揺動周期は溶接装置が安定的に作動できる熱的条件および機構的条件等から、１から１０Ｈｚの範囲とした。

上記の溶接プロセスの際、レーザ光４の揺動周期と同期して溶加材制御装置２により溶加材供給部２１で溶接ワイヤ６１の供給速度制御を行う。すなわち、レーザ光集光スポット４１が開先５の中央にある場合に溶接ワイヤ６１の供給速度を極大とし、レーザ光集光スポット４１が開先５の側壁に最も近づいた場合に溶接ワイヤ６１の供給速度を極小とする周期的な供給速度制御を行う。このような制御により熱供給量に応じて最適量の溶接ワイヤを供給して、溶接ワイヤ６１の溶融不良を生じることなく欠陥のない安定した溶接が可能となる。

また、溶接ワイヤ６１の先端位置を撮像カメラ２３で検出し、溶加材制御装置２によってレーザ光４の位置とは独立に溶接ワイヤ６１の先端が常に開先５の中心に位置するように調整を行う。開先５内部における溶接ワイヤ６１の先端位置は光学フィルタを介したＣＣＤカメラ等の撮像カメラ２３による映像を画像解析することにより求め、これを溶加材制御装置２および溶加材供給部２１にフィードバックして位置調整を行った。この制御により、溶接ビードの前層において溶接ワイヤ６１が開先５の側壁に溶着し、次層の溶接時に溶接ワイヤ６１の送給が阻害されることを防止することができる。実施例１では開先５の深さが１００ｍｍ、開先上部の幅が１０ｍｍまでであれば健全な溶接が可能である。
実施例１では、被溶接材１００の材質をＳＵＳ３０４とし、溶接ワイヤ６１の材質をこれに対応してＹ３０８Ｌとしたが、他の材料の組合わせであっても構わない。また、溶加材は位置制御可能な固形の溶加材であれば、溶接棒であってもよい。シールドガス７は他の不活性ガスや二酸化炭素、不活性ガスと二酸化炭素や酸素を混合したガスを用いることも可能である。シールドガス供給装置３および溶加材供給部２１の配置位置は、溶接進行方向１１に対して本実施例と反対側であってもよい。レーザ光集光スポット４１の形状は本実施例と同じ円形である必要はなく、楕円や線形もしくは矩形のレーザ光集光スポットを用いることも可能である。

図３は本発明の実施例２であって、溶接装置の構成および溶接プロセスを示す模式図であり、溶接進行方向の側方から開先の内部を概略的に示している。１はレーザ光照射ヘッド、１１は溶接進行方向、２は溶加材制御装置、２１は溶加材供給部、２２は溶加材供給ノズル、２４はレーザ変位計、３はシールドガス供給装置、３１は内側ノズル、３２は外側ノズル、４はレーザ光、５は開先、５１は開先底部、６２は固形溶加材としての溶接棒、７１は内側ノズル３１からのシールドガスの流れ、７２は外側ノズル３２からのシールドガスの流れ、８は溶融プール、９１は溶接ビード、１００は被溶接材である。本実施例では被溶接材の材質をＳＭ４００Ａ、溶接ワイヤの材質をＹＧＴ５０とし、シールドガスは二酸化炭素とした。

レーザ光４によって溶融形成された溶融プール８に溶接進行方向１１の前方から溶加材供給ノズル２２を通して溶加材供給部２１によって溶接棒６２を供給して、溶接ビード９１を形成した。このときシールドガス供給装置３の内側ノズル３１から溶融プール８に向かって噴出されたシールドガスの流れ７１により、溶融プール８から発生する金属蒸気が吹き飛ばされ、レーザ光４の散乱を防止することが可能となる。また、外側ノズル３２から溶融プール８の周囲に向かって噴出されたシールドガスの流れ７２により、溶接部近傍の加熱領域が大気によって酸化されることを抑制する。

溶接ビード９１の積層の進行に伴って開先５が浅くなるため、内側ノズル３１の先端位置は徐々に上昇するが、外側ノズル３２の先端と開先５上端の距離を一定に保つ機構を設けることにより、外側ノズル３２から噴出されるシールドガスの流れ７２が開先５の外部に逸れることを防ぎ、溶接部に対するシールド性の低下を抑制することが可能となる。

図４Ａは開先５の上部から見た溶接部を概略的に示した平面模式図、図４Ｂは溶接進行方向１１の前方から開先５長手方向に対し直交する断面を概略的に示した断面模式図である。１１は溶接進行方法を示す。４１はレーザ光集光スポット、４３はレーザ光４の焦点位置、４４は焦点位置４３の上下往復運動方向、２１は前層の溶接ビードである。

レーザ光照射ヘッド１を溶接進行方向１１に走査しながら、レーザ光４の焦点位置４３を往復運動方向４４の方向に所定の振幅で開先底部と垂直方向に往復運動させ、開先５の底部に形成されるレーザ光集光スポット４１の大きさを変化させて開先５の底部のみにレーザ光４が照射される状態と開先５の側壁にもレーザ光が照射される状態を周期的に繰り返す制御を行うことで、開先５の側壁と溶接ビード９１の間に生じる融合不良を抑制することが可能となる。レーザ光４の焦点位置４３を往復運動させる振幅は、レーザ光集光スポット４１の直径が溶接部の開先幅の約１／２から開先幅＋４〜５ｍｍまで変化する振幅とし、揺動周期は１から５Ｈｚの範囲とした。

このとき、溶加材供給部２１により、レーザ光４の焦点位置４３の往復運動の周期と同期して、レーザ光集光スポット４１の大きさが極小となった場合に溶接棒６２の供給速度を極大とし、レーザ光集光スポット４１の大きさが極大となった場合に溶接棒６２の供給速度を極小とする周期的な速度制御を行うことで、溶接棒６２の溶融不良を生じることなく安定した溶接が可能となる。

レーザ光集光スポット４１を周期的に変化させる方法は、本実施例に記載したレーザ光４の焦点位置４３を上下に往復運動させる方法のほかに、レーザ光照射ヘッド１の内部でレンズの組合せによって形成される集光光学系を調整することでレーザ光４の集光角度を周期的に変化させる方法を用いることも可能である。レーザ光集光スポット４１の形状は本実施例と同じ円形である必要はなく、楕円や線形もしくは矩形のレーザ光も使用できる。

また、溶接棒６２の先端位置をレーザ変位計２４で検出し、溶加材供給部２１によってレーザ光集光スポット４１の位置および大きさに関わらず溶接棒６２の先端が常に開先５の中心に位置するように調整を行うことにより、溶接棒６２が開先５の側壁に溶着し次層の溶接時に溶接棒６２の送給が阻害されることを防止することが可能である。開先５内部における溶接棒６２の先端位置はレーザ変位計２４を用いた二次元断層計測により求め、これを溶加材供給部２１にフィードバックして位置調整を行った。実施例２では、開先５の深さが１００ｍｍ、開先上部の幅が１０ｍｍまでであれば健全な溶接が可能であった。

実施例２では、被溶接材１００の材質をＳＭ４００Ａ、溶接棒６２の材質をＹＧＴ５０としたが他の材料を用いても構わない。また溶加材は溶接ワイヤの形態であってもよい。

シールドガス７は他の不活性ガスや、不活性ガスと二酸化炭素や酸素を混合したガスを用いることも可能である。シールドガス供給装置３および溶加材供給部２１の配置位置は、溶接進行方向１１に対して、本実施例と反対側であってもよい。

本発明は、発電プラントや化学プラントの大型構造物、造船、重機などの厚板溶接に利用が可能である。

１：レーザ光照射ヘッド
２：溶加材制御装置
２１：溶加材供給部
２２：溶加材供給ノズル
２３：撮像カメラ
２４：レーザ変位計
３：シールドガス供給装置
３１：内側ノズル
３２：外側ノズル
４：レーザ光
４１：レーザ光集光スポット
４２：レーザ光の揺動方向
４３：レーザ光の焦点位置
４４：焦点位置の往復運動方向
５：開先
５１：開先底部
６１：溶接ワイヤ
６２：溶接棒
８：溶融プール
９１：溶接ビード
１００：被溶接材

Claims

狭い開先内に固形溶加材を送給しながらレーザ光を溶接進行方向に走査して、前記開先底部に形成される溶融プールで固形溶加材と被溶接材を溶融させて溶接を行うレーザ狭開先溶接装置において、前記開先底部におけるレーザ光照射量を周期的に変化させるレーザ光照射ヘッドと、前記溶融プールに固形溶加材を供給する固形溶加材供給部と、固形溶加材の先端位置を検出する位置検出装置を有し、固形溶加材先端が開先中央に位置するように前記レーザ光照射ヘッドの動作と独立して固形溶加材の位置調整を行う溶加材制御装置を備えたことを特徴とするレーザ狭開先溶接装置。
請求項１に記載されたレーザ狭開先溶接装置において、前記レーザ光照射ヘッドは、前記開先底部における前記レーザ光の照射位置を、開先底部と平行に所定振幅で周期的に揺動させるレーザ光照射ヘッドであることを特徴とするレーザ狭開先溶接装置。
請求項２に記載されたレーザ狭開先溶接装置において、前記溶加材制御装置は、前記開先底部でレーザ光の照射位置を揺動させる周期と同期して、前記固形溶加材供給部による固形溶加材の供給速度を周期的に変化させることを特徴とするレーザ狭開先溶接装置。
請求項１に記載されたレーザ狭開先溶接装置において、前記レーザ光照射ヘッドは、レーザ光の集光スポット寸法を開先の底部で所定の寸法範囲内で周期的に変化させるレーザ光照射ヘッドであることを特徴とするレーザ狭開先溶接装置。
請求項４に記載されたレーザ狭開先溶接装置において、前記溶加材制御装置は、前記開先の底部でレーザ光の集光スポット寸法を変化させる周期と同期して、前記固形溶加材供給部による固形溶加材の供給速度を周期的に変化させることを特徴とするレーザ狭開先溶接装置。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載されたレーザ狭開先溶接装置において、前記開先の中に挿入された先端とレーザ光集光スポットの中心間距離を所定の間隔に保ちながら、前記溶融プールにシールドガスを噴出する内側ノズルと、前記内側ノズルを内包して二重管構造を形成し前記溶融プールの周囲にシールドガスを噴出する外側ノズルから成るシールドガス供給装置を有することを特徴とするレーザ狭開先溶接装置。
請求項６に記載されたレーザ狭開先溶接装置において、前記外側ノズルが開先の外部に位置し、前記外側ノズル先端と開先上部との距離を所定の間隔に維持するシールドガス供給装置を有することを特徴とするレーザ狭開先溶接装置。
狭い開先内に固形溶加材を送給しながらレーザ光を溶接進行方向に走査して、前記開先底部に形成される溶融プールで固形溶加材と被溶接材を溶融させて溶接を行うレーザ狭開先溶接方法において、前記開先底部におけるレーザ光照射量を周期的に変化させ、固形溶加材の先端位置を検出し、固形溶加材先端が開先中央に位置するように前記レーザ光照射ヘッドの動作と独立して固形溶加材の位置調整を行うことを特徴とするレーザ狭開先溶接方法。
請求項８に記載されたレーザ狭開先溶接方法において、前記開先底部における前記レーザ光の照射位置を、開先底部と平行に所定振幅で周期的に揺動させることを特徴とするレーザ狭開先溶接方法。
請求項９に記載されたレーザ狭開先溶接方法において、前記開先底部でレーザ光の照射位置を揺動させる周期と同期して、前記固形溶加材供給部による固形溶加材の供給速度を周期的に変化させることを特徴とするレーザ狭開先溶接方法。
請求項８に記載されたレーザ狭開先溶接方法において、レーザ光の集光スポット寸法を開先底部で所定の寸法範囲内で周期的に変化させることを特徴とするレーザ狭開先溶接方法。
請求項１１に記載されたレーザ狭開先溶接方法において、開先底部でレーザ光の集光スポット寸法を変化させる周期と同期して、前記固形溶加材供給部による固形溶加材の供給速度を周期的に変化させることを特徴とするレーザ狭開先溶接方法。
請求項８乃至１２のいずれか１項に記載されたレーザ狭開先溶接方法において、開先の中に挿入された先端とレーザ光集光スポットの中心間距離を所定の間隔に保ちながら、前記溶融プールにシールドガスを噴出し、さらに前記溶融プールの周囲にシールドガスを噴出するシールドガス供給方法を有することを特徴とするレーザ狭開先溶接方法。
請求項１３に記載されたレーザ狭開先溶接方法において、前記外側ノズルが開先の外部に位置し、前記外側ノズル先端と開先上部との距離を所定の間隔に維持するシールドガス供給方法を有することを特徴とするレーザ狭開先溶接方法。