JP2013128974A - 超音波付加レーザ加工方法及び超音波付加レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームの照射による被加工部の溶融部分を超音波により均一に攪拌させることができ、レーザビームの照射時に不具合が生じるのを少なく抑え得る超音波付加レーザ加工方法及び超音波付加レーザ加工装置を提供する。
【解決手段】ワークＷの被加工部ＷａにレーザビームＬを照射して被加工部Ｗａを溶融させるレーザヘッド３と、このレーザヘッド３からのレーザビームＬの照射と同時に超音波ビームＳを照射して、レーザビームＬの照射によって溶融する被加工部Ｗａの溶融金属Ｗｍを超音波ビームＳの音圧で押圧する超音波コーン５を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークにレーザビームを照射して溶接や切断を行う際に、ワークの被加工部に対する超音波ビームの照射を付加する超音波付加レーザ加工方法及び超音波付加レーザ加工装置に関するものである。

上記したように、レーザビームの照射に超音波ビームの照射を付加する加工としては、例えば、特許文献１に開示された超音波付加溶接方法がある。
この超音波付加溶接方法は、レーザビームを被溶接部に照射して溶融させた後、この溶融した被溶接部に対して超音波ビームを非接触で照射して、被溶接部の溶融部分を超音波の疎密波で均一に攪拌させながら凝固させることで、残留応力が生じない溶接を行い得るようにしている。

特開2008-049351号公報

しかしながら、上記した従来の超音波付加溶接方法において、レーザビームの照射による被溶接部の溶融部分を均一に攪拌させながら凝固させることができるものの、レーザビームの照射時における内部欠陥であるブローホールや、溶け込み不良や、スパッタ等の不具合の発生を少なく抑えることができるとは言い難いという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、レーザビームの照射による被加工部の溶融部分を超音波により均一に攪拌させることができるのは言うまでもなく、レーザビームの照射時に、ブローホールや、溶け込み不良や、スパッタ等の不具合が生じるのを極力少なく抑えることが可能である超音波付加レーザ加工方法及び超音波付加レーザ加工装置を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するために、本発明の請求項１に係る発明は、ワークの被加工部にレーザビームを照射して該被加工部を溶融させながら、このレーザビームの照射によって溶融する前記被加工部に超音波ビームを照射して該超音波ビームの音圧で前記被加工部の溶融金属を押圧する構成としたことを特徴としており、この超音波付加レーザ加工方法の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の請求項２に係る超音波付加レーザ加工方法は、前記レーザビームと、前記超音波ビームとを同軸で照射する構成とし、本発明の請求項３に係る超音波付加レーザ加工方法は、前記超音波ビームを前記被加工部の溶融金属に照射した際の照射スポットが矩形形状を成している構成としている。

一方、本発明の請求項４に係る超音波付加レーザ加工装置は、ワークの被加工部にレーザビームを照射して該被加工部を溶融させるレーザ照射部と、このレーザ照射部からのレーザビームの照射と同時に超音波ビームを照射して、前記レーザビームの照射によって溶融する前記被加工部の溶融金属を前記超音波ビームの音圧で押圧する超音波照射部を備えた構成としたことを特徴としており、この超音波付加レーザ加工装置の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の請求項５に係る超音波付加レーザ加工装置は、前記レーザビームと、前記超音波ビームとを同軸で且つ同時に照射するべく、前記レーザビームの光軸上に前記超音波照射部が位置している構成とし、本発明の請求項６に係る超音波付加レーザ加工装置において、前記超音波照射部は、前記被加工部の溶融金属上における照射スポットが矩形形状を成す超音波ビームを照射する構成としている。

本発明に係る超音波付加レーザ加工方法及び超音波付加レーザ加工装置は、レーザ溶接及びレーザ切断のいずれの加工にも適用可能であるほか、アーク溶接を組み合わせたレーザアークハイブリッド溶接にも適用可能である。

また、本発明に係る超音波付加レーザ加工方法及び超音波付加レーザ加工装置において、溶融する被加工部に照射する超音波ビームの周波数は、１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚとすることが望ましく、２０〜１００ｋＨｚとすることがより望ましい。

本発明に係る超音波付加レーザ加工方法及び超音波付加レーザ加工装置では、ワークの被加工部にレーザビームを照射するのと同時に超音波ビームを被加工部に照射して、レーザビームの照射で溶融する被加工部の溶融金属を超音波ビームの音圧で押圧するようにしているので、溶融金属の攪拌が効率良く行われることとなって、内部欠陥であるブローホールや溶け込み不良の発生が少なく抑えられ、加えて、溶融金属が超音波ビームの音圧で押さえ込まれる分だけ、スパッタ発生率の低減が図られることとなる。

この際、レーザビームと、超音波ビームとを同軸で照射するように成せば、溶融金属の攪拌がより一層効率良く行われることになるので、ブローホールや溶け込み不良やスパッタ等の不具合の発生がより少なく抑えられることとなる。

さらに、本発明に係る超音波付加レーザ加工方法及び超音波付加レーザ加工装置において、超音波ビームを被加工部の溶融金属に照射した際の照射スポットが矩形形状を成している場合には、超音波ビームによる溶融金属の押圧範囲を絞り込み得ることとなって、レーザ切断加工に好適なものとなる。

本発明の請求項１に係る超音波付加レーザ加工方法及び請求項４に係る超音波付加レーザ加工装置では、上記した構成としているので、レーザビームの照射による被加工部の溶融部分を超音波によって均一に攪拌させつつ、レーザビームの照射時に発生するブローホールや、溶け込み不良や、スパッタ等の不具合の低減を実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の請求項２に係る超音波付加レーザ加工方法及び請求項５に係る超音波付加レーザ加工装置では、上記した構成としているので、溶融金属の攪拌をより一層効率良く行うことができ、その結果、ブローホールや溶け込み不良やスパッタ等の不具合の発生をより少なく抑えることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされ、本発明の請求項３に係る超音波付加レーザ加工方法及び請求項６に係る超音波付加レーザ加工装置では、上記した構成としているので、超音波ビームによる溶融金属の押圧範囲を絞り込むことができ、したがって、良好にレーザ切断を行うことが可能になるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施形態に係る超音波付加レーザ加工装置を示す概略構成説明図である。 図１における超音波付加レーザ加工装置により溶接を行った際のビード幅及び溶け込み深さを比較例のビード幅及び溶け込み深さとともに示す被溶接部のビード外観写真及び断面写真である。 本発明の他の実施形態に係る超音波付加レーザ加工装置の超音波照射部を示す側面説明図（ａ）及び斜視説明図（ｂ）である。 図３における超音波付加レーザ加工装置から照射される超音波ビームの照射スポットの変形例を示す拡大説明図である。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る超音波付加レーザ加工装置の一実施形態を説明する図であり、この実施形態では、本発明に係る超音波付加レーザ加工装置がレーザアークハイブリッド溶接装置である場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、この超音波付加レーザアークハイブリッド溶接装置１は、ベッド２に載置したワークＷの被加工部ＷａにレーザビームＬを照射してこの被加工部Ｗａを溶融させるレーザヘッド（レーザ照射部）３と、被加工部Ｗａに対するレーザビームＬの照射に併せてアーク溶接を行うアークトーチ４と、レーザヘッド３からのレーザビームＬの照射と同時に超音波ビームＳを照射して、レーザビームＬの照射によって溶融する被加工部Ｗａの溶融金属Ｗｍを超音波ビームＳの音圧で押圧する超音波コーン（超音波照射部）５を備えており、この超音波コーン５は、被加工部Ｗａの溶融金属Ｗｍ上における照射スポットが円形形状を成す超音波ビームＳを照射するようになっている。

この超音波付加レーザアークハイブリッド溶接装置１において、レーザヘッド３と、アークトーチ４と、超音波コーン５は、いずれも図示しない枠に固定されており、ワークＷに対して一体的に矢印方向に移動するようになっている。

この際、溶融する被加工部Ｗａに照射する超音波ビームＳの周波数は、１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚとすることが望ましく、２０〜１００ｋＨｚとすることがより望ましい。
また、レーザビームＬに対する超音波ビームＳの照射角度θは、超音波ビームＳの音圧で溶融金属Ｗｍを効率的に押さえ込み得る角度、すなわち、０〜４５°とすることが望ましい。

この超音波付加レーザアークハイブリッド溶接装置１では、ワークＷの被加工部Ｗａに対してレーザヘッド３からレーザビームＬを照射すると共にアークトーチ４からアークを生じさせ、これと同時に超音波コーン５から超音波ビームＳを被加工部Ｗａに照射しつつ、レーザヘッド３，アークトーチ４及び超音波コーン５をワークＷに対して適宜溶接速度で一体的に移動させてレーザアークハイブリッド溶接を行う。

この溶接の間、レーザビームＬの照射及びアークの発生により溶融する被加工部Ｗａの溶融金属Ｗｍを超音波コーン５からの超音波ビームＳの音圧で押圧するようにしているので、溶融金属Ｗｍの攪拌が効率良く行われることとなり、その結果、内部欠陥であるブローホールや溶け込み不良の発生が少なく抑えられるうえ、溶融金属Ｗｍが超音波ビームＳの音圧で押さえ込まれる分だけ、スパッタ発生率の低減が図られることとなる。

そこで、この超音波付加レーザアークハイブリッド溶接装置１により、レーザパワーを８．３ｋＷ、レーザ焦点はずし距離を５ｍｍ、溶接速度を１．２ｍ／ｍｉｎ、アーク電流及び電圧をそれぞれ３００Ａ及び２７Ｖ、アークシールドガス（Ａｒ＋５％Ｏ₂）の注入量を２５ｌ／ｍｉｎ、バックシールドガス（Ａｒ）の注入量を２０ｌ／ｍｉｎ、フィラーワイヤ径を１．２φ、超音波ビームＳの周波数を２８ｋＨｚ、レーザビームＬに対する超音波ビームＳの照射角度θを４５°として、レーザアークハイブリッド溶接を行った際のビード幅及び溶け込み深さを調べたところ、図２に示す結果を得た。なお、図２において、超音波を付加しないでレーザアークハイブリッド溶接を行った際のビード幅及び溶け込み深さを比較例として併せて記載した。

図２に示す結果から、この超音波付加レーザアークハイブリッド溶接装置１では、超音波を付加しないでレーザアークハイブリッド溶接を行った場合と比較して、ブローホールや溶け込み不良やスパッタの発生を少なく抑えつつ、ビード幅をほとんど増すことなく、溶け込み深さを大きくし得ることが実証できた。

図３は、本発明の他の実施形態による超音波付加レーザ加工装置を示しており、この実施形態による超音波付加レーザアークハイブリッド溶接装置１１が先の実施形態による超音波付加レーザアークハイブリッド溶接装置１と相違するところは、レーザビームＬと、超音波ビームＳとを同軸で且つ同時に照射するべく、すなわち、レーザビームＬに対する超音波ビームＳの照射角度θを０°とするべく、レーザビームＬの光軸ＬＬ上に超音波コーン１５を配置した点にあり、他の構成は先の実施形態による超音波付加レーザ加工装置１と同じである。

図３に部分的に示すように、この超音波付加レーザアークハイブリッド溶接装置１１の超音波コーン１５は、レーザビームＬの光軸ＬＬと直交する方向で且つ互いに相反する側から光軸ＬＬに向けて入射する超音波ＳＳを光軸ＬＬ上に乗せる変換体１５ａと、光軸ＬＬ上に乗った超音波ＳＳの振幅を拡大するブースタホーン１５ｂと、振幅が拡大した超音波ＳＳを超音波ビームＳとして照射する振動子１５ｃとを一体で有している。

この超音波付加レーザアークハイブリッド溶接装置１１では、レーザビームＬと、超音波ビームＳとを同軸で照射するようにしているので、溶融金属Ｗｍの攪拌がより一層効率良く行われることになり、ブローホールや溶け込み不良やスパッタ等の不具合の発生がより少なく抑えられることとなる。

本発明に係る超音波付加レーザ加工装置の構成は、上記した実施形態における超音波付加レーザアークハイブリッド溶接装置１，１１の構成に限定されるものではなく、他の構成として、超音波照射部が、図４に示すように、被加工部Ｗａの溶融金属Ｗｍ上における照射スポットＳＰが矩形形状を成す超音波ビームを照射するものであってもよく、この場合には、超音波ビームによる溶融金属Ｗｍの押圧範囲を絞り込み得ることとなって、レーザ切断に好適なものとなる。

なお、上記した実施形態では、本発明に係る超音波付加レーザ加工装置が超音波付加レーザアークハイブリッド溶接装置である場合を例に挙げてしたが、これに限定されるものではなく、レーザ溶接装置及びレーザ切断装置のいずれであってもよい。

１，１１ 超音波付加レーザアークハイブリッド溶接装置（超音波付加レーザ加工装置）
３ レーザヘッド（レーザ照射部）
５，１５ 超音波コーン（超音波照射部）
Ｌ レーザビーム
ＬＬ レーザビームの光軸
Ｓ 超音波ビーム
ＳＰ 照射スポット
Ｗ ワーク
Ｗａ 被加工部
Ｗｍ 溶融金属

Claims (6)

1. ワークの被加工部にレーザビームを照射して該被加工部を溶融させながら、このレーザビームの照射によって溶融する前記被加工部に超音波ビームを照射して該超音波ビームの音圧で前記被加工部の溶融金属を押圧する
   ことを特徴とする超音波付加レーザ加工方法。
2. 前記レーザビームと、前記超音波ビームとを同軸で照射する請求項１に記載の超音波付加レーザ加工方法。
3. 前記超音波ビームを前記被加工部の溶融金属に照射した際の照射スポットが矩形形状を成している請求項１又は２に記載の超音波付加レーザ加工方法。
4. ワークの被加工部にレーザビームを照射して該被加工部を溶融させるレーザ照射部と、
   このレーザ照射部からのレーザビームの照射と同時に超音波ビームを照射して、前記レーザビームの照射によって溶融する前記被加工部の溶融金属を前記超音波ビームの音圧で押圧する超音波照射部を備えた
   ことを特徴とする超音波付加レーザ加工装置。
5. 前記レーザビームと、前記超音波ビームとを同軸で且つ同時に照射するべく、前記レーザビームの光軸上に前記超音波照射部が位置している請求項４に記載の超音波付加レーザ加工装置。
6. 前記超音波照射部は、前記被加工部の溶融金属上における照射スポットが矩形形状を成す超音波ビームを照射する請求項４又は５に記載の超音波付加レーザ加工装置。