JP2013094831A

JP2013094831A - シールドガス供給装置及び供給方法

Info

Publication number: JP2013094831A
Application number: JP2011241242A
Authority: JP
Inventors: Toshio Onawa; 登史男大縄; Toshiyuki Tazawa; 俊幸田澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2013-05-20

Abstract

【課題】シールドガスの供給位置を予め設定された照準位置に短時間で精度良く調整することを可能とする。
【解決手段】シールドガス１５を溶接部４に供給するシールドガス導入管６と、前記シールドガス導入管６の一端部に設けられた照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手７と、を備えたレーザ溶接装置のシールドガス供給装置であって、照準用レーザ光１２を、前記照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手７を介して前記シールドガス導入管６に導入し当該シールドガス導入管６の内部を通過させて溶接部４に入射させる。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ溶接装置に用いられシールドガス供給装置及び供給方法に関する。

一般のレーザ溶接ではレーザ光の照射により溶接部の金属が溶融し溶融池やキーホールが形成される。この溶接部には大気からの遮蔽等のために不活性ガスからなるシールドガスが供給される。図３に示す従来のレーザ溶接装置では、レンズ３で集光された溶接用のレーザ光２が入射される母材１の溶接部４にフィラーワイヤ２１を供給するワイヤトーチ２０を備え、アルゴンガス等からなるシールドガス１５がシールドガス導入管６から溶接部４に供給される。図３の例では、シールドガス導入管６は２つ設けられ、溶接方向前方と後方からシールドガス１５を溶接部４に導入する構成となっている（非特許文献１）。

このレーザ溶接装置では、フィラーワイヤ２１が溶融池５に挿入されているが、フィラーワイヤ２１を挿入しない場合にも溶接部を大気から遮蔽するためにシールドガス供給手段が設けられている。

図３に示すシールドガス供給手段では、シールドガスの溶接部４への導入方向は母材１を水平０゜として、約４５゜以内の角度としている。しかし、厚板の溶接においては、シールドガスの機能として溶融池５の大気からの遮蔽機能の外に、溶融池中の気泡発生防止、溶融池の盛り上がり防止、又はキーホール（図示せず）内部への溶融金属の流れ促進という副次的な機能が要求されている。このような機能を持たせるために、シールドガスの導入の方向を４５゜以内とするのが一般的である。

また、厚板のレーザ溶接においては、シールドガスの照準位置（狙い位置）が重要になる。シールドガスの照準位置は溶接用のレーザ光２の母材１上の照射位置とは異なる場合もある。例えば、レーザ光２の照射位置から数ミリメートル前方であったり、場合によっては数ミリメートル後方になる等、照射位置からオフセットを持たせた位置にシールドガスの照準を設定することがある。

このように、予め定められたシールドガスの照準位置にシールドガスを高精度で供給することは、特に厚板のレーザ溶接において重要なプロセス因子となっている。

"高出力・高輝度レーザによる高張力鋼厚板のホットワイヤ併用突合せ溶接法" 溶接学会論文集第２９巻第１号ｐ41-47、２０１１年２月

上述したように、シールドガスを予め設定された照準位置に高精度で供給することは、特に厚板のレーザ溶接においては重要なプロセス因子となっている。しかしながら、従来のシールドガス供給装置ではシールドガスの供給位置を予め設定された照準位置に短時間で精度良く調整することは非常に困難であった。例えば、シールドガスの供給位置を求めるために、溶接方向に対し垂直な方向からデジタルカメラ等を用いて写真撮影を行い、その写真をパソコン上に取り込み、画像処理ソフト等を用いて、シールドガス導入管の中心線を延長し、母材表面との交点を求め、該交点とレーザ照射位置との距離を写真上から読み取り、シールドガスの供給位置を調整する方法がある。

しかしながら、この方法では、写真撮影→シールドガスの供給位置確認→予め設定された照準位置との偏差確認→シールドガス導入管の位置調整→写真撮影というルーチンを繰り返す必要があり、シールドガス導管を所望の位置に決定するまでに多大な作業負担と時間を要するという課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、シールドガスの供給位置を予め設定された照準位置に短時間で精度良く調整することができるシールドガス供給装置及び供給方法を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係るシールドガス供給装置は、シールドガスを溶接部に供給するシールドガス導入管と、前記シールドガス導入管の一端部に設けられた照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手と、を備えたレーザ溶接装置のシールドガス供給装置であって、照準用レーザ光を、前記照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手を介して前記シールドガス導入管に導入し当該シールドガス導入管の内部を通過させて溶接部に入射させることを特徴とする。

また、本発明に係るシールドガス供給方法は、シールドガスを溶接部に供給するシールドガス導入管に照準用レーザ光を導入し、前記シールドガス導入管の内部を通過した照準用レーザ光を溶接部に入射させ、その反射点を目視又は光検出器で検出することにより、シールドガスの供給位置を予め定められた位置に調整することを特徴とする。

本発明によれば、シールドガスの供給位置を予め設定された照準位置に短時間で精度良く調整することができる。

第１の実施形態に係るシールドガス供給装置の構成図。第２の実施形態に係るシールドガス供給装置の構成図。従来のシールドガス供給装置の構成図。

以下、本発明に係るシールドガス供給装置及び供給方法の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
（構成）
第１の実施形態に係るシールドガス供給装置を図１により説明する。
本実施形態のシールドガス供給装置は、例えば内径が約１０ｍｍφ以下の金属パイプからなるシールドガス導入管６と、シールドガス導入管６の一端部に設けられた照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手７と、照準用レーザ光１２を発生させるレーザ光源８と、レーザ光源８からの照準用レーザ光１２を照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手７に導く光ファイバ９と、シールドガス容器１０からのシールドガス１５を照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手７に供給するシールドガス配管１１と、から構成される。

レーザ光源８としてヘリウム−ネオンの赤色レーザ発振器が用いられるが、これに限定されず、可視光に波長域を持つレーザ光源であって、ＪＩＳ−Ｃ−６８１２におけるクラス１からクラス２Ｍの範囲に該当する出力が約１ｍＶ以下のレーザ光源も用いることができる。

また、光ファイバーケーブル９を用いずに、照準用レーザ光源８を直接照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手７に取り付けるようにしてもよい。
さらに、光ファイバーケーブル９を必要に応じて照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手７から取り外し可能とし、その際、気密性を持った閉止栓（図示せず）によって照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手７の光ファイバ接続部（図示せず）を閉止するようにしてもよい。

（作用）
このように構成されたシールドガス供給装置において、レーザ光源８からの可視領域の照準用レーザ光１２を、光ファイバ９を介して照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手７に導入し、シールドガス導入管６内部のほぼ中心軸を通過させて母材１表面の溶接部４に入射させ、その入射位置における反射点を目視又は光検出器等（図示せず）により検出する。これによりシールドガス１５の供給位置の中心は照準用レーザ光１２の入射位置と同じになるので、照準用レーザ光１２の反射点を確認することで、シールドガス１５の供給位置を明確に同定することが可能となる。

照準用レーザ光１２の入射位置が予め設定された位置（照準位置）と異なる場合は、適宜、シールドガス導入管６の傾斜角度、位置等を修正し、照準用レーザ光１２の入射位置が設定された位置となるように調整する。これによりシールドガス１５を溶接部４の所望の位置に供給することができる。

（効果）
本第１の実施形態によれば、溶接部に供給されるシールドガスのシールドガス導入管の略中心軸上を可視光の波長域にある照準用レーザ光を通過させて溶接部に入射させることにより、シールドガスの入射位置を予め定められた位置に短時間でかつ高精度で調整することができる。

これにより、溶接加工の事前準備に要する時間の短縮化を図ることができるとともに、レーザ溶接装置を移設した場合や溶接ワークの入れ替え等でシールド治具等の再設定が必要な場合においても、シールドガスの供給位置を最適な位置に迅速に調整することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係るシールドガス供給装置を図２により説明する。
第２の実施形態ではシールドガス供給装置を複数設け、溶接部４の前後２つの方向からシールドガス１５を溶接部４に供給する構成としているが、その際、レーザ光源８ａ、８ｂとしてレーザダイオード（ＬＤ）を用いるとともに、レーザ光源８ａ、８ｂから発生する照準用レーザ光１２ａ、１２ｂを異なる色としている。

このように構成されたシールドガス供給装置において、溶接方向前方から溶接部前方の照準点に入射させるレーザ光源８ａとして、例えば、６００ｎｍ台の波長を持つ赤色のレーザを用い、溶接方向後方から溶接部後方の照準点に入射させるレーザ光源８ｂとして、例えば５００ｎｍ台に波長を持つ緑色のレーザを用いる。

これにより、シールドガス導入管６ａ、６ｂから溶接部４に入射する照準用レーザ光１２ａ、１２ｂの色が異なるため、位置調整の際に溶接部前方からのシールドガスの照準位置と、溶接線後方からのシールドガスの照準位置を混同する恐れがなくなる。

なお、本第２の実施形態ではレーザダイオードからなるレーザ光源８ａ、８ｂはシールドガス導入管６ａ、６ｂの一方の端部に設置された照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手７ａ、７ｂに直接取り付けられているが、これに限定されず、第１の実施形態のように光ファイバーケーブル９によりレーザ光源８ａ、８ｂを照準用レーザ光兼シールドガス継ぎ手７ａ、７ｂに接続してもよい。

また、本第２の実施形態では溶接部４の前後２つの方向からシールドガス１５を供給する例を説明したが、側方も含め３以上の方向からシールドガス１５を供給する場合にも適用可能であり、その際もそれぞれ色の異なる照準用レーザ光が用いられる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…母材、２…レーザ光、３…レンズ、４…溶接部、５…溶融池、６，６ａ，６ｂ…シールドガス導入管、７，７ａ，７ｂ…照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手、８，８ａ，８ｂ…レーザ光源、９…光ファイバーケーブル、１０…シールドガス容器、１１…シールドガス配管、１２，１２ａ，１２ｂ…照準用レーザ光、１５…シールドガス。

Claims

シールドガスを溶接部に供給するシールドガス導入管と、前記シールドガス導入管の一端部に設けられた照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手と、を備えたレーザ溶接装置のシールドガス供給装置であって、
照準用レーザ光を、前記照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手を介して前記シールドガス導入管に導入し当該シールドガス導入管の内部を通過させて溶接部に入射させることを特徴とするシールドガス供給装置。
前記照準用レーザ光を発生するレーザ光源を前記照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手に直接取り付けるか、又は光ファイバーケーブルを介して前記照準用レーザ光導入兼シールドガス継ぎ手に接続することを特徴とする請求項１記載のシールドガス供給装置。
前記シールドガス供給装置を複数備え、各シールドガス供給装置から色が異なる照準用レーザ光を溶接部に入射させることを特徴とする請求項１又は２記載のシールドガス供給装置。
シールドガスを溶接部に供給するシールドガス導入管に照準用レーザ光を導入し、前記シールドガス導入管の内部を通過した照準用レーザ光を溶接部に入射させ、その反射点を目視又は光検出器で検出することにより、シールドガスの供給位置を予め定められた位置に調整することを特徴とするシールドガス供給方法。
複数のシールドガス導入管から溶接部に入射する照準用レーザ光は、各シールドガス導入管毎に色が異なることを特徴とする請求項４記載のシールドガス供給方法。