JP2011143416A

JP2011143416A - レーザ溶接方法

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Publication number: JP2011143416A
Application number: JP2010004239A
Authority: JP
Inventors: Mikio Sakurai; 幹男櫻井; Hiroyuki Sugiyama; 裕之杉山
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2011-07-28

Abstract

【課題】減圧チャンバー１の大型化を抑えること、レーザ溶接の自由度を高めること。
【解決手段】少なくとも天井部１ａ及び側壁部１ｂがレーザＬの透過率８５％以上の構成材料からなる減圧チャンバー１を用い、減圧チャンバー１内に複数の金属部品Ｗ１，Ｗ２を突き合わせるようにセットし、減圧チャンバー１の外側に独立して配設されかつレーザＬを集光する集光レンズ１１を備えたレーザ溶接ヘッド９を用い、減圧チャンバー１内を０．１気圧以下の減圧雰囲気に保持した状態で、レーザ溶接ヘッド９から突き合わせ部Ｂに対してレーザＬを照射すること。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の金属部品（被溶接物）を突き合わせて、この突き合わせ部に対してレーザを照射することにより、突き合わせ部を溶融させて、複数の金属部品を溶接するレーザ溶接方法に関する。

近年、レーザ溶接に関して種々の研究開発がなされており、レーザ溶接方法の先行技術として特許文献１に示すものがある。そして、先行技術に係るレーザ溶接方法について簡単に説明すると、次のようになる。

即ち、減圧チャンバー内に複数の金属部品を突き合わせるようにセットする。そして、減圧チャンバーの天井部に一体的に設けられかつレーザを集光する集光レンズを備えたレーザ溶接ヘッド（レーザ照射ヘッド）を用い、減圧チャンバー内を５０Ｔｏｒｒ以下（０．０６６気圧以下）の減圧雰囲気に保持した状態で、レーザ溶接ヘッドから複数の金属部品の突き合わせ部に対してレーザを照射する。これにより、突き合わせ部を溶融させて、複数の金属部品を溶接することができる。

特開平７−６８３９７号公報

ところで、前述の先行技術に係るレーザ溶接方法に用いるレーザ溶接ヘッドが減圧チャンバーの天井部に一体的に設けられているため、減圧チャンバーの剛性をレーザ溶接ヘッド等の重量に十分に耐える程度に確保する必要がある。そのため、減圧チャンバーが大型化して、レーザ溶接に伴う設備コスト及び設置スペースが増大することになる。

また、同じ理由により、レーザ溶接ヘッドのレーザの出射領域（出射位置）が減圧チャンバーの天井部側に限られてしまう。そのため、レーザ溶接の自由度（加工自由度）を高めることができず、レーザ溶接の作業能率を十分に向上させることができない。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、複数の金属部品（被溶接物）を突き合わせて、この突き合わせ部に対してレーザを照射することにより、前記突き合わせ部を溶融させて、複数の前記金属部品を溶接するレーザ溶接方法において、少なくとも天井部（屋根部）及び側壁部が前記レーザの透過率８５％以上の構成材料からなる減圧チャンバーを用い、前記減圧チャンバー内に複数の前記金属部品を突き合わせるようにセットする金属部品セット工程（被溶接物セット工程）と、前記金属部品セット工程の終了後に、前記減圧チャンバーの外側に独立して配設されかつ前記レーザを集光する集光レンズを備えたレーザ溶接ヘッド（レーザ照射ヘッド）を用い、前記減圧チャンバー内を０．１気圧以下の減圧雰囲気に保持した状態で、前記レーザ溶接ヘッドから前記突き合わせ部に対して前記レーザを照射するレーザ照射工程と、を具備したことを要旨とする。

本発明の特徴によると、レーザ溶接方法に用いる前記レーザ溶接ヘッドは、前記減圧チャンバーの外側に独立して配設されているため、換言すれば、前記減圧チャンバーと別体構造（独立構造）になっているため、前記減圧チャンバーの剛性を前記レーザ溶接ヘッド等の重量に十分に耐える程度に確保する必要がなくなり、前記金属部品のサイズに応じたサイズの前記減圧チャンバーを前記レーザ溶接ヘッドと切り離して個別に選択することができると共に、前記レーザ溶接ヘッドの出射領域（出射位置）を前記減圧チャンバーの前記天井部側だけでなく、前記減圧チャンバーの前記側壁部側まで拡げることができる。

また、前記減圧チャンバーの前記天井部及び前記側壁部が前記レーザの透過率８５％以上の構成材料からなり、前記減圧チャンバー内を０．１気圧以下の減圧雰囲気に保持した状態で、前記レーザ溶接ヘッドから前記突き合わせ部に対して前記レーザを照射しているため、後述の不完全溶け込み溶接試験の結果（実施例参照）による新規な知見を適用すると、レーザ溶接特有の欠陥であるポロシティの発生を十分に抑えることができる。

本発明によれば、前記レーザ溶接ヘッド等の重量に十分に耐える程度に前記減圧チャンバーの剛性を確保する必要がなくなり、前記金属部品のサイズに応じたサイズの前記減圧チャンバーを前記レーザ溶接ヘッドと切り離して個別に選択することができるため、前記減圧チャンバーの大型化を抑えて、レーザ溶接に伴う設備コスト及び設置スペースを低減することができる。

また、前記レーザ溶接ヘッドの出射領域（出射位置）を前記減圧チャンバーの前記天井部側だけでなく、前記減圧チャンバーの前記側壁部側まで拡げることができるため、レーザ溶接の自由度（加工自由度）を高めて、レーザ溶接の作業能率を十分に向上させることができる。

更に、レーザ溶接特有の欠陥であるポロシティの発生を十分に抑えることができるため、レーザ溶接の品質の向上を十分に高めることができる。

本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法、及び本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法に用いる装置等を示す斜視図である。本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法、及び本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法に用いる装置等を説明する斜視図である。図３（ａ）〜（ｄ）は、実施例１〜４に係る不完全溶け込み溶接試験の結果を示す試験片の断面マクロ写真図、図３（ｅ）〜（ｈ）は、比較例１〜４に係る不完全溶け込み溶接試験の結果を示す試験片の断面マクロ写真図である。図４（ａ）は、実施例５に係る不完全溶け込み溶接試験の結果を示す試験片の断面マクロ写真図、図４（ｂ）は、実施例６に係る不完全溶け込み溶接試験の結果を示す試験片の断面マクロ写真図である。比較例１〜４に係る不完全溶け込み溶接試験の結果を示すＸ線写真図である。

［本発明の実施形態］
本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法に用いる装置等、本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法等について図１及び図２を参照して説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法に用いる減圧チャンバー１は、天井部（屋根部）１ａ、側壁部１ｂ、及び床部（底面部）１ｃを有しており、天井部１ａ、側壁部１ｂ、及び床部１ｃは、ファイバレーザ又はＹＡＧレーザ等のレーザＬの透過率８５％以上（本発明の実施形態にあっては、９０％）のアクリル板により構成されており、天井部１ａは、側壁部１ｂに対して着脱可能である。なお、天井部１ａ、側壁部１ｂ、及び床部１ｃは、レーザＬの透過率８５％以上のアクリル板の代わりに、レーザＬの透過率８５％以上のガラス板により構成されるようにしても構わなく、床部１ｃは、レーザＬの透過率８５％以上のアクリル板又はガラス板により構成されなくても構わない。

減圧チャンバー１内には、２つの金属部品（被溶接物）Ｗ１，Ｗ２をセットするための治具３が載置されており、治具３の構成は、溶接対象である２つの金属部品Ｗ１，Ｗ２に応じて変更可能である（図２参照）。また、減圧チャンバー１の外側には、減圧チャンバー１内に真空圧を発生させる真空源としてのロータリーポンプ５が配設されており、このロータリーポンプ５は、減圧チャンバー１内に接続されてあって、減圧チャンバー１の側壁部１ｂには、減圧チャンバー１内の真空度を計測する真空計７が設けられている。更に、減圧チャンバー１の側壁部１ｂには、アルゴンガス等の不活性ガスを導入する導入口（図示省略）が形成されおり、この導入口は、減圧チャンバー１内を不活性ガス雰囲気に置換する置換ユニット（図示省略）に接続されている。

減圧チャンバー１の外側には、レーザ溶接ロボット（図示省略）が配設されており、このレーザ溶接ロボットは、多関節構造のロボットアーム（図示省略）を備えてあって、このロボットアームの先端部には、レーザＬを照射するレーザ溶接ヘッド（レーザ照射ヘッド）９が設けられている。換言すれば、減圧チャンバー１の外側には、レーザ溶接ロボットにおけるロボットアームを介してレーザ溶接ヘッド９が独立して（切り離して）配設されている。また、レーザ溶接ヘッド９は、レーザＬを集光する集光レンズ１１を備えてあって、レーザ溶接ロボットにおけるロボットアームの操作により減圧チャンバー１に対して任意の方向へ移動するようになっている。更に、減圧チャンバー１の外側には、レーザＬを発振するレーザ発振器（図示省略）が配設されており、このレーザ発振器は、レーザ溶接ヘッド９に光学的に接続されている。

続いて、本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法について説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法は、２つの金属部品Ｗ１，Ｗ２を突き合わせて、この突き合わせ部Ｂに対してレーザＬを照射することにより、突き合わせ部Ｂを溶融させて、２つの金属部品Ｗ１，Ｗ２を溶接する方法であって、金属部品セット工程（被溶接物セット工程）とレーザ照射工程とを具備している。そして、本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法における各工程の具体的な構成は、次のようになる。

金属部品セット工程（被溶接物セット工程）
前述のように天井部１ａ、側壁部１ｂ、及び床部１ｃがレーザＬの透過率８５％以上（本発明の実施形態にあっては、透過率９０％）のアクリル板又はガラス板からなる減圧チャンバー１を用い、減圧チャンバー１の天井部１ａを側壁部１ｂに対して離脱させて、減圧チャンバー１の上側を開放する。次に、２つの金属部品Ｗ１，Ｗ２を上側から減圧チャンバー１内に挿入して、突き合わせるように治具３（減圧チャンバー１内の所定位置）にセットする。そして、減圧チャンバー１の天井部１ａを側壁部１ｂに対して気密的に装着して、減圧チャンバー１の上側を封鎖する。

ここで、アクリル板又はガラス板のレーザＬの透過率を８５％以上としたのは、アクリル板又はガラス板のレーザＬの透過率が８５％未満であると、アクリル板又はガラス板のレーザＬの吸収率が高くなって、アクリル板又はガラス板に熱変形等が生じるからである。

レーザ照射工程
金属部品セット工程の終了後に、ロータリーポンプ５の駆動によって減圧チャンバー１内の真空引きを行い、置換ユニットによって減圧チャンバー１内を不活性ガス雰囲気に置換した。次に、真空計７によって減圧チャンバー１内の真空度を監視しつつ、ロータリーポンプ５の駆動によって減圧チャンバー１内を０．１気圧以下の減圧雰囲気に保持する。ここで、真空引き及び不活性ガス雰囲気の置換は、複数回行うことが望ましい。

そして、前述のように減圧チャンバー１の外側に独立して配設されたレーザ溶接ヘッド９を用い、減圧チャンバー１内を０．１気圧以下の減圧雰囲気に保持した状態で、レーザ溶接ロボットにおけるロボットアームの操作によりレーザ溶接ヘッド９を溶接線方向（突き合わせ部Ｂの長手方向）へ移動させながら、レーザ溶接ヘッド９から突き合わせ部Ｂに対してレーザＬを照射する。これにより、突き合わせ部Ｂを溶融させて、２つの金属部品Ｗ１，Ｗ２を溶接することができる。なお、レーザ溶接ヘッド９を移動させる代わりに、減圧チャンバー１を移動させて、レーザ溶接ヘッド９を減圧チャンバー１に対して相対的に移動させるようにしても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法に用いるレーザ溶接ヘッド９は、減圧チャンバー１の外側に独立して配設されているため、換言すれば、減圧チャンバー１と別体構造（独立構造）になっているため、減圧チャンバー１の剛性をレーザ溶接ヘッド９等の重量に十分に耐える程度に確保する必要がなくなり、金属部品Ｗ１，Ｗ２のサイズに応じたサイズの減圧チャンバー１をレーザ溶接ヘッド９と切り離して個別に選択することができると共に、レーザ溶接ヘッド９の出射領域（出射位置）を減圧チャンバー１の天井部１ａ側だけでなく、図２に示すように、減圧チャンバー１の側壁部１ｂ側まで拡げることができる。

また、減圧チャンバー１の天井部１ａ及び側壁部１ｂがレーザＬの透過率８５％以上の構成材料からなり、減圧チャンバー１内を０．１気圧以下の減圧雰囲気に保持した状態で、レーザ溶接ヘッド９から突き合わせ部Ｂに対してレーザＬを照射しているため、後述の不完全溶け込み溶接試験の結果（実施例参照）による新規な知見を適用すると、レーザ溶接特有の欠陥であるポロシティの発生を十分に抑えることができる。

従って、本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法によれば、減圧チャンバー１の剛性をレーザ溶接ヘッド９等の重量に十分に耐える程度に確保する必要がなくなり、金属部品Ｗ１，Ｗ２のサイズに応じたサイズの減圧チャンバー１をレーザ溶接ヘッド９と切り離して個別に選択することができるため、減圧チャンバー１の大型化を抑えて、レーザ溶接に伴う設備コスト及び設置スペースを十分に低減することができる。

また、レーザ溶接ヘッド９の出射領域を減圧チャンバー１の天井部１ａ側だけでなく、減圧チャンバー１の側壁部１ｂ側まで拡げることができるため、レーザ溶接の自由度（加工自由度）を高めて、レーザ溶接の作業能率の向上を図ることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

［実施例］
本発明の実施例に係る不完全溶け込みの溶接試験について図３から図５を参照して説明する。

天井部、側壁部、及び床部がファイバレーザの透過率９０％のアクリル板からなる減圧チャンバーを用い、減圧チャンバー内にINCO718製及び6-4-Ti製の試験片をセットし、減圧チャンバー内の真空引き及びアルゴンガス雰囲気の置換を３回行った。そして、減圧チャンバーの外側に独立して配設されたレーザ溶接ヘッドを用い、減圧チャンバー内を０．１気圧以下の減圧雰囲気に保持した状態で、レーザ溶接ヘッドからINCO718製及び6-4-Ti製の試験片に対してファイバレーザを照射することにより、INCO718製及び6-4-Ti製の試験片に対して溶け込み深さ３〜４ｍｍ程度の不完全溶け込み溶接試験を行った（実施例１〜６の場合）。なお、比較用に、アシストガスとしてのアルゴンガスを供給しつつ、大気圧雰囲気でレーザ溶接ヘッドからINCO718製の試験片に対してファイバレーザを照射することにより、INCO718製の試験片に対して溶け込み深さ３〜４ｍｍ程度の不完全溶け込み溶接試験を行った（比較例１〜４の場合）。

実施例１〜６の場合、比較例１〜４の場合の試験条件をまとめると、次の表１に示すようになる。

なお、集光レンズの焦点距離は、２００ｍｍであって、集光レンズの焦点が試験片の表面に一致してあって、集光レンズの焦点位置におけるスポット径は、０．１７ｍｍである。

そして、実施例に係る不完全溶け込み溶接試験の結果をまとめると、次のようになる。

即ち、比較例１〜４の場合には、溶接線方向の全域に亘って図５に示すようなレーザ溶接特有の欠陥であるポロシティの発生が確認されたのに対して、実施例１〜６の場合には、溶接線方向の全域に亘ってポロシティの発生が確認されなかった。なお、減圧チャンバーの天井部及び側壁部がファイバレーザの透過率８５％のガラス板からなるようにしても、同様の結果を得ることができた。つまり、減圧チャンバーの天井部及び側壁部がファイバレーザの透過率８５％以上の構成材料からなり、減圧チャンバー内を０．１気圧以下の減圧雰囲気に保持した状態で、レーザ溶接ヘッドからファイバレーザを照射することにより、ポロシティの発生を十分に抑えることができるという、新規な知見を得ることができた。

また、図３（ｅ）〜（ｈ）に示すように、比較例１〜４の場合には、溶け込み部の表面側の形状がワインカップ形状になったのに対して、図３（ａ）〜（ｄ）及び図４（ａ）（ｂ）に示すように、実施例１〜６の場合には、溶け込み部の表面側の形状がネイルヘッド形状になった。

Ｗ１金属部品
Ｗ２金属部品
Ｂ突き合わせ部
Ｌレーザ
１減圧チャンバー
１ａ天井部
１ｂ側壁部
１ｃ床部
１ｃ底面部
３治具
５ロータリーポンプ
７真空計
９レーザ溶接ヘッド
１１集光レンズ

Claims

複数の金属部品を突き合わせて、この突き合わせ部に対してレーザを照射することにより、前記突き合わせ部を溶融させて、複数の前記金属部品を溶接するレーザ溶接方法において、
少なくとも天井部及び側壁部が前記レーザの透過率８５％以上の構成材料からなる減圧チャンバーを用い、前記減圧チャンバー内に複数の前記金属部品を突き合わせるようにセットする金属部品セット工程と、
前記金属部品セット工程の終了後に、前記減圧チャンバーの外側に独立して配設されかつ前記レーザを集光する集光レンズを備えたレーザ溶接ヘッドを用い、前記減圧チャンバー内を０．１気圧以下の減圧雰囲気に保持した状態で、前記レーザ溶接ヘッドから前記突き合わせ部に対して前記レーザを照射するレーザ照射工程と、を具備したことを特徴とするレーザ溶接方法。
前記レーザは、ファイバレーザ又はＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
前記レーザ照射工程中に、前記レーザ溶接ヘッドを前記減圧チャンバーに対して溶接線方向へ相対的に移動させながら、前記レーザ溶接ヘッドから前記突き合わせ部に対して前記レーザを照射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ溶接方法。
前記レーザの透過率８５％以上の構成材料は、アクリル板又はガラス板であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれかの請求項に記載のレーザ溶接方法。