JP2013240804A - レーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接歪を従来よりもさらに抑制することが可能なレーザ溶接装置を提供する。
【解決手段】溶接線Ｌに沿ってレーザを照射するレーザ溶接装置１であって、レーザ照射装置２と、レーザ照射装置２を溶接線Ｌに沿って移動させるロボットアーム５と、加熱装置３と、加熱装置３を溶接線Ｌに沿って移動させる移動装置６と、制御装置７と、を備え、レーザ照射装置２は、加熱装置３による溶接線Ｌの加熱位置と同位置又はその直後の位置の溶接線Ｌにレーザを照射して溶接線Ｌを溶接し、制御装置７は、レーザの照射位置と加熱装置３の加熱位置の相対的位置関係を保ったまま、レーザ照射装置２及び加熱装置３が溶接線Ｌに沿って移動するように、ロボットアーム５及び移動装置６を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接装置に関する。

カーテンウォール用薄肉Ｈ形鋼に代表される建材用ステンレス形鋼や、ジェットエンジンの燃焼室に使用されている高温燃焼ガスと常温空気分離壁等に用いられている薄板低熱伝導度耐熱合金の製造に関しては、従来、ステンレス形鋼の圧延によって製造されており、少量多品種の製造要求に応えることが製造コストの点で非常に困難であった。

一方、これらの製品を溶接で製造すれば、製造コストの低減を図ることができると考えられる。従来、溶接による歪を抑制することを目的として、溶接後の加工部位に冷却ガスを吹き付けるレーザ溶接方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−４２４３４号公報

しかしながら、溶接物の長さや厚さが大きくなると、特許文献１に記載のレーザ溶接方法でも要求精度よりも大きな歪が発生する可能性がある。特に、上記のような製品は、溶接物の長さや厚さが非常に大きくなるため、溶接歪が大きくなり易い。また、近年の工業製品の高精度化に伴い、溶接歪のさらなる低減が求められている。

本発明は、これらの問題に鑑みて成されたものであり、溶接による歪を従来よりもさらに抑制することが可能なレーザ溶接装置を提供することを課題とする。

発明者らは、鋭意研究の結果、レーザの照射位置とその周辺位置の温度差（温度勾配）が大きいほど、溶接後のワークに歪が生じるという原因を突き止め、この問題を解消することができる本発明を開発するに至った。

本発明は、ワーク同士を突き合わせて形成した未溶接の溶接線に沿ってレーザを照射することで前記溶接線を溶接するレーザ溶接装置であって、前記ワークの溶接線にレーザを照射するレーザ照射装置と、前記レーザ照射装置を前記溶接線に沿って移動させる第１移動装置と、前記溶接線を加熱する加熱装置と、前記レーザ照射装置の移動に同期して前記加熱装置を前記溶接線に沿って移動させる第２移動装置と、前記第１移動装置及び前記第２移動装置を制御する制御装置と、を備え、前記レーザ照射装置は、前記加熱装置による前記溶接線の加熱位置と同位置又はその直後の位置の前記溶接線にレーザを照射して前記溶接線を溶接し、前記制御装置は、前記レーザの照射位置と前記加熱装置の加熱位置の相対的位置関係を保ったまま、前記レーザ照射装置及び前記加熱装置が前記溶接線に沿って移動するように、前記第１移動装置及び第２移動装置を制御することを特徴とするレーザ溶接装置である。

このような構成によれば、レーザ溶接装置は、加熱装置による溶接線の加熱位置と同位置又はその直後の位置の前記溶接線にレーザを照射して溶接線を溶接するので、レーザの照射位置とその周辺位置の温度差（温度勾配）が小さくなり、溶接後のワークの歪を抑制することができる。また、制御装置は、前記レーザの照射位置と前記加熱装置の加熱位置の相対的位置関係を保ったまま、前記レーザ照射装置及び前記加熱装置が前記溶接線に沿って移動するように、前記第１移動装置及び第２移動装置を制御するので、溶接線の全長に亘って溶接歪を抑制することができる。

また、前記加熱装置は、前記ワークの一面側に配置されており、前記レーザ照射装置は、前記ワークの他面側に配置されているのが好ましい。

例えば、ワークに対して表面側（他面側）からレーザを照射した場合、裏面側よりも表面側の温度が高くなるが、このような構成によれば、加熱装置がワークの裏面側（一面側）に配置されているので、ワークの裏面側（一面側）を加熱してワークの裏面側（一面側）と表面側（他面側）の温度差を小さくすることができる。

また、本発明に係るレーザ溶接装置は、前記ワークの他面側に配置され、溶接した前記溶接線を冷却する冷却装置をさらに備えるのが好ましい。

このような構成によれば、ワークの他面側からレーザを照射した後に、温度の高いワークの他面側を冷却装置で冷却するので、レーザの照射位置とその周辺位置の温度差（温度勾配）を小さくして、溶接後のワークの歪を一層抑制することができる。

また、前記第２移動装置は、前記加熱装置の設置位置を調節可能なフレキシブルアームを介して前記加熱装置を支持しているのが好ましい。

このような構成によれば、第２移動装置は、加熱装置の設置位置を調節可能なフレキシブルアームを介して加熱装置を支持しているので、加熱装置を、レーザ照射位置の直前又はレーザ照射位置と同位置に容易に配置することができる。また、第２移動装置によって、レーザ照射位置との位置関係を保ったまま、フレキシブルアームと共に加熱装置を移動させることができる。

また、前記レーザ照射装置は、ファイバーレーザ照射装置であるのが好ましい。

このような構成によれば、ファイバーレーザ溶接において、溶接歪の発生を抑制することができるので、ワークの溶接品質を一層向上させることができる。

本発明によれば、溶接による歪を従来よりもさらに抑制することが可能なレーザ溶接装置を提供することができる。

本実施形態に係るレーザ溶接装置の斜視図である。 レーザ溶接装置の側面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。 レーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法のフロー図である。

本発明の実施形態について、図１乃至図４を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。また、方向を説明する場合は、図１に示す前後左右上下を基準として説明する。図１は、本実施形態に係るレーザ溶接装置の斜視図である。図２は、レーザ溶接装置の側面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視断面図である。

図１乃至図３に示すように、レーザ溶接装置１は、レーザ照射装置２と、加熱装置３と、冷却装置４と、レーザ照射装置２を移動可能に保持するロボットアーム５と、加熱装置３及び冷却装置４を保持する移動装置６と、ロボットアーム５及び移動装置６を制御する制御装置７と、を主に備えている。

なお、溶接対象となるワークＷは、カーテンウォール用薄肉Ｈ形鋼に代表される建材用ステンレス形鋼や、ジェットエンジンの燃焼室等に使用されている薄板低熱伝導度耐熱合金など、が挙げられる。例えば、建材用ステンレス形鋼では、縦方向歪を３ｍｍ／５ｍ以下、角歪を０．０５ｒａｄ以下に抑えるのが好ましい。また、ジェットエンジン用Ｎｉ基耐熱合金では、円筒変形歪を１ｍｍ以下に抑えるのが好ましい。

２つのワークＷは、互いの側端部を突き合わせた状態で支持台Ｄの上に載置されている。付き合わされた側端部によって溶接線Ｌが形成される。支持台Ｄは、天板Ｄａと複数の脚部Ｄｂと、天版に形成された開口部Ｄｃとを有している。開口部Ｄｃは、溶接線Ｌに対応する部分に形成されている。これにより、後記する加熱装置３で、溶接線Ｌを下側から加熱することが可能になる。

レーザ照射装置２は、レーザ光線を照射して溶接線Ｌを溶接する装置である。レーザ照射装置２は、例えば、高出力ファイバーレーザ照射装置で構成されている。レーザ照射装置２は、ロボットアーム５に保持されており、レーザを照射しながら溶接線Ｌに沿って移動できるように構成されている。レーザ照射装置２は、例えば、ワークＷの表面Ｗａ側（他面側）に配置されている。

加熱装置３は、溶接線Ｌを（より詳しくは溶接線Ｌを構成するワークＷを）加熱する装置である。加熱装置３は、レーザ照射位置の直前又はレーザ照射位置と同位置の溶接線Ｌを加熱するように配置されている。加熱装置３は、例えば、５００度乃至２０００度の範囲で加熱温度を調節可能なガスバーナ等で構成されている。加熱装置３は、フレキシブルアーム６２を介して移動装置６に移動可能に支持されている。

加熱装置３は、ワークＷの裏面Ｗｂ側（一面側）、つまりレーザ照射装置２と反対側に配置されている。これにより、ワークＷの表面Ｗａと裏面Ｗｂの温度差を小さくすることができる。また、加熱装置３は、レーザ照射位置から前方に０〜１０ｍｍの範囲で離れた位置を加熱するように配置するのが好ましい。本実施形態では、加熱装置３は、レーザ照射位置から前方に約５ｍｍ程度離れた位置に配置されている。

冷却装置４は、冷却材Ｃを吹き付けることで溶接線Ｌを冷却する装置である。冷却材Ｃとしては、例えば冷却ガスや水（ミスト）等を用いることができる。また、冷却ガスとしては、例えば、不活性ガスである炭酸ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス又はこれらの混合ガス等を用いることができる。冷却装置４は、フレキシブルアーム６２を介して移動装置６に移動可能に支持されている。

冷却装置４は、ワークＷの表面Ｗａ側（他面側）、つまりレーザ照射装置２と同じ側に配置されている。これにより、ワークＷの表面と裏面の温度差をさらに小さくすることができる。また、冷却装置４は、レーザ照射位置から後方に５〜１５ｍｍ程度離れた位置を冷却するように配置するのが好ましい。本実施形態では、冷却装置４は、レーザ照射位置から後方に約１０ｍｍ程度離れた位置に配置されている。

なお、冷却装置４は、図示は省略するが、冷却材流量調節装置や冷却材温度調節装置を有している。冷却材Ｃとして冷却ガスを用いる場合は、ガス流量を０〜６０Ｌ／ｍｉｎの範囲で調節できるようにするのが好ましい。また、冷却材Ｃとして冷却水（ミスト）を用いる場合は、冷却水流量を０〜５００ｍＬ／ｍｉｎの範囲で調節できるようにするのが好ましい。また、冷却材Ｃとして圧縮空気を用いる場合は、圧縮空気の温度を−２０℃〜室温の範囲で調節できるようにするのが好ましい。

第１移動装置としてのロボットアーム５は、先端に保持したレーザ照射装置２を溶接線Ｌに沿って移動させる装置である。ロボットアーム５は、ロボットアーム本体５１と、複数のアーム部５２と、複数の関節部５３と、を有している。ロボットアーム５は、複数のアーム部５２と複数の関節部５３とを駆動することで、レーザ照射装置２を溶接線Ｌに沿って移動させるように、制御装置７によって制御される。

第２移動装置としての移動装置６は、加熱装置３及び冷却装置４を溶接線Ｌに沿って移動させる装置である。移動装置６は、本体６１と、フレキシブルアーム６２，６２と、ボールねじ６３と、サーボモータ６４と、レール６５とを主に備えている。

本体６１は、ねじ溝が形成された貫通孔６１ａを有している。貫通孔６１ａにはボールねじ６３が挿通されている。ボールねじ６３の両端部は、軸受部６３ａ，６３ａによって回転可能に支持されている。本体６１は、溶接線Ｌと平行に配置されたレール６５上に摺動可能に載置されている（図２、図３参照）。

ボールねじ６３は、溶接線Ｌと平行に配置されている。ボールねじ６３の両端部は、軸受部６３ａ，６３ａによって回転可能に支持されている。また、ボールねじ６３の一端部は、サーボモータ６４の回転軸に連結されている。サーボモータ６４は、制御装置７に接続されており、本体６１等がロボットアーム５に同期して移動するように、回転数を制御されている。

フレキシブルアーム６２は、屈曲自在に構成されており、加熱装置３及び冷却装置４を所定の位置に保持できるようになっている。各フレキシブルアーム６２は、加熱装置３及び冷却装置４の設置位置を、レーザ照射位置から０〜±５０ｍｍの範囲で調整できるように構成されている。なお、フレキシブルアーム６２は、燃料及び冷却材の供給通路を兼ねている。

本体６１には、加熱装置３に燃料を供給する燃料タンク３１が燃料ホース３２を介して接続されている。また、本体６１には、冷却装置４に冷却材を供給する冷却材タンク４１が冷却材ホース４２を介して接続されている。燃料ホース３１及び冷却材ホース４２は、本体６１の移動に追従可能なように十分な長さを有している。

制御装置７は、ロボットアーム５と移動装置６を制御して、レーザ照射装置２、加熱装置３及び冷却装置４を同期して移動させる装置である。具体的には、制御装置７は、ワークＷの板厚やレーザ照射装置２の出力等に基づいて設定されるレーザ照射装置２の溶接速度に、加熱装置３の移動速度が等しくなるように、サーボモータ６４の回転速度を制御する。

制御装置７は、いわゆるコンピュータであり、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）又はハードディスクなどの記憶装置に記憶した制御プログラムを読み出して、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置で演算することにより、ロボットアーム５及び移動装置６を制御している。その他、制御装置７は、制御条件を入力する入力装置としてのキーボードと、制御条件を表示する出力装置としてのディスプレイと、を備えている。

レーザ溶接装置１は、基本的に以上のように構成されるものであり、次に、このレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法について図１乃至図４を参照して説明する。図４は、レーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法のフロー図である。
図４に示すように、レーザ溶接方法は、準備工程Ｓ１と、加熱工程Ｓ２と、レーザ溶接工程Ｓ３と、冷却工程Ｓ４と、を備えている。

＜準備工程Ｓ１＞
初めに、加熱装置３用のフレキシブルアーム６２を屈曲させて、加熱装置３をワークＷの裏面Ｗｂ側であって溶接線Ｌの端部に対応する位置に配置する。また、ロボットアーム５を操作して、ワークＷの表面Ｗａ側であって溶接線Ｌの端部から後方に５ｍｍ程度離れた位置にレーザ照射装置２を配置する。また、冷却装置４用のフレキシブルアーム６２を屈曲させて、ワークＷの表面Ｗａ側であって溶接線Ｌの端部から後方に１５ｍｍ程度（すなわちレーザ照射装置２から後方に１０ｍｍ程度）離れた位置に冷却装置３を配置する。また、ワークＷの材質や板厚に基づいてレーザ照射装置２の出力と移動速度を設定する。

＜加熱工程Ｓ２＞
上記の準備が終了したら、加熱装置３に燃料を供給して点火し、ワークＷの裏面Ｗｂ側から溶接線Ｌを加熱するとともに、移動装置６を駆動して、溶接線Ｌに沿って加熱装置３を移動させる。これにより、レーザの照射に先行して溶接線Ｌが加熱されることとなる。なお、移動装置６は、加熱装置３がレーザ照射装置２と同期して移動するように、制御装置７によって制御されている。加熱装置３の移動に追従して、レーザ照射装置２及び冷却装置４も移動を開始する。

＜レーザ溶接工程Ｓ３＞
次に、ロボットアーム５でレーザ照射装置２を溶接線Ｌに沿って移動させながら、加熱装置３によって加熱された未溶接の溶接線Ｌに対してワークＷの表面Ｗａ側からレーザを照射して溶接線Ｌを溶接する。このとき、ワークＷの溶接線Ｌ及びその周辺領域は、加熱装置３によって予め加熱されているので、レーザの照射位置とその周辺領域との温度差が少なくなる。特に、ワークＷの表面Ｗａ側からレーザが照射され、ワークＷの裏面Ｗｂ側から加熱装置３で加熱されているので、ワークＷの表面Ｗａ側と裏面Ｗｂ側の温度差が少なくなる。その結果、ワークＷの温度差（温度勾配）に起因する溶接歪を低減することができる。

＜冷却工程Ｓ４＞
さらに、冷却装置４は、レーザが照射されて溶接された溶接線ＬにワークＷの表面Ｗａ側から冷却材Ｃを吹き付けて溶接線Ｌを冷却する。これにより、レーザの熱によって高温になったワークＷの表面Ｗａを冷やして、ワークＷの裏面Ｗｂとの温度差を小さくすることができる。

そして、溶接線Ｌの全長を溶接し終えた段階で、ロボットアーム５及び移動装置６を停止すると共に、レーザ照射装置２によるレーザの照射を終了する。また、加熱装置３を消火すると共に冷却装置４からの冷却材Ｃの噴射を停止する。これにより、レーザ溶接が終了する。

本実施形態に係るレーザ溶接装置１によれば、加熱装置３による溶接線Ｌの加熱位置と同位置又はその直後の位置の溶接線Ｌにレーザ照射装置２からレーザを照射して溶接線Ｌを溶接するので、レーザの照射位置とその周辺位置の温度差（温度勾配）が小さくなり、溶接後のワークＷの歪を抑制することができる。また、制御装置７は、レーザの照射位置と加熱装置３の加熱位置の相対的位置関係を保ったまま、レーザ照射装置２及び加熱装置３が溶接線Ｌに沿って移動するように、第１移動装置であるロボットアーム５及び第２移動装置である移動装置６を制御するので、溶接線Ｌの全長に亘って溶接歪を抑制することができる。

また、本実施形態に係るレーザ溶接装置１によれば、ワークＷに対して表面Ｗａ側（他面側）からレーザを照射しているので、ワークＷの裏面Ｗｂ側よりもワークＷの表面Ｗａ側の温度が大きく成り易いが、加熱装置３がワークＷの裏面Ｗｂ側（一面側）に配置されているので、ワークＷを裏面Ｗｂ側（一面側）から加熱してワークＷの表面Ｗａ側（他面側）との温度差を小さくすることができる。

また、本実施形態に係るレーザ溶接装置１によれば、ワークＷの表面Ｗａ側からレーザを照射した後に、温度の高いワークＷの表面Ｗａ側を冷却装置４で冷却するので、レーザの照射位置とその周辺位置の温度差（温度勾配）を小さくして、溶接後のワークＷの歪を一層抑制することができる。

また、本実施形態に係るレーザ溶接装置１によれば、移動装置６は、加熱装置３の設置位置を調節可能なフレキシブルアーム６２を介して加熱装置３を支持しているので、加熱装置３を、レーザ照射位置の直前又はレーザ照射位置と同位置に容易に配置することができる。また、移動装置６によって、レーザ照射位置との位置関係を保ったまま、フレキシブルアーム６２と共に加熱装置３を移動させることができる。

また、本実施形態に係るレーザ溶接装置１によれば、移動装置６は、冷却装置４の設置位置を調節可能なフレキシブルアーム６２を介して冷却装置４を支持しているので、冷却装置４を、レーザ照射位置の後方に容易に配置することができる。また、移動装置６によって、レーザ照射位置との位置関係を保ったまま、フレキシブルアーム６２と共に冷却装置４を移動させることができる。

また、本実施形態に係るレーザ溶接装置１によれば、レーザ照射装置２が、ファイバーレーザ照射装置で構成されているので、ファイバーレーザ溶接において、溶接歪の発生を抑制することができる。そのため、ワークＷの溶接品質を一層向上させることができる。

以上、本実施形態に係るレーザ溶接装置１について、図１乃至図４を参照して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

例えば、第２移動装置としての移動装置６は、ボールねじ６３をサーボモータ６４で回転させて加熱装置３及び冷却装置４を移動させる構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、移動装置６を別のロボットアームで構成してもよい。このようにすれば、直線状ではない溶接線にも本発明を適用することができる。また、ボールねじ６３に代えてギアとチェーンを用いた他の移動機構等（図示省略）を採用してもよい。

また、本実施形態では、レーザの照射位置の５ｍｍ前方を加熱することとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、レーザの照射位置と同位置を加熱するようにしてもよい。このような構成でも、ワークＷの表面Ｗａと裏面Ｗｂの温度差を小さくして溶接歪を抑制することができる。

また、本実施形態では、ワークＷの裏面Ｗｂ側（ワークＷに対してレーザ照射装置２と反対側）に加熱装置３を配置したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ワークＷの表面Ｗａ側（ワークＷに対してレーザ照射装置２と同じ側）に加熱装置３を配置してもよい。このような配置でも、レーザの照射位置とその周辺領域を事前又は同時に加熱することで、両者の温度差（温度勾配）を小さくすることができる。

また、本実施形態では、移動装置６で冷却装置４を支持する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ロボットアーム５で冷却装置４を支持する構成としてもよい。なお、冷却装置４は、ワークＷに対してレーザ照射装置２と同じ側に配置されているので、冷却装置４をロボットアーム５で容易に支持することができる。

また、本実施形態では、移動装置６と別体に燃料タンク３１及び冷却材タンク４２を設置して両者を燃料ホース３２及び冷却材ホース４２で接続する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、燃料タンク３１及び冷却材タンク４２を小型化して、本体６１に搭載する構成としてもよい。

１ レーザ溶接装置
２ レーザ照射装置
３ 加熱装置
３１ 燃料タンク
３２ 燃料ホース
４ 冷却装置
４１ 冷却材タンク
４２ 冷却材ホース
５ ロボットアーム（第１移動装置）
５１ ロボットアーム本体
５２ アーム部
５３ 関節部
６ 移動装置（第２移動装置）
６１ 本体
６２ フレキシブルアーム
６３ ボールねじ
６４ サーボモータ
６５ レール
Ｌ 溶接線
Ｗ ワーク
Ｗａ 表面側（他面側）
Ｗｂ 裏面側（一面側）

Claims (5)

1. ワーク同士を突き合わせて形成した未溶接の溶接線に沿ってレーザを照射することで前記溶接線を溶接するレーザ溶接装置であって、
   前記溶接線にレーザを照射するレーザ照射装置と、
   前記レーザ照射装置を前記溶接線に沿って移動させる第１移動装置と、
   前記溶接線を加熱する加熱装置と、
   前記レーザ照射装置の移動に同期して前記加熱装置を前記溶接線に沿って移動させる第２移動装置と、
   前記第１移動装置及び前記第２移動装置を制御する制御装置と、を備え、
   前記レーザ照射装置は、前記加熱装置による前記溶接線の加熱位置と同位置又はその直後の位置の前記溶接線にレーザを照射して前記溶接線を溶接し、
   前記制御装置は、前記レーザの照射位置と前記加熱装置の加熱位置の相対的位置関係を保ったまま、前記レーザ照射装置及び前記加熱装置が前記溶接線に沿って移動するように、前記第１移動装置及び前記第２移動装置を制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 前記加熱装置は、前記ワークの一面側に配置されており、前記レーザ照射装置は、前記ワークの他面側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記ワークの他面側に配置され、溶接した前記溶接線を冷却する冷却装置をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記第２移動装置は、前記加熱装置の設置位置を調節可能なフレキシブルアームを介して前記加熱装置を支持していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
5. 前記レーザ照射装置は、ファイバーレーザ照射装置であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。

Images