JP2014147944A - レーザ溶接方法、その装置、および前記方法を用いたタンクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ溶接時における溶融金属の酸化を適切に防止し得るとともに、レーザ溶接時に発生するプラズマによってレーザ光が遮られるといったことを従来よりも確実に防止し、品質の高いレーザ溶接を施すことが可能なレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】シールドガス供給用のノズルとして、溶接対象部位９のレーザ走査方向前方側および後方側にそれぞれ位置する前側ノズル３Ａおよび後側ノズル３Ｂを設けておき、レーザ溶接時において溶接対象部位９に発生するプラズマ９０を前側ノズル３Ａから噴出するシールドガスによってレーザ走査方向後方側に偏らせつつ、後側ノズル３Ｂから噴出するシールドガスを溶接対象部位９に形成される溶融池９１に供給させ、レーザ溶接加工ヘッド５から溶接対象部位９に照射されるレーザ光については、その光軸５０がレーザ走査方向前方側に傾いた状態とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ溶接方法、このレーザ溶接を行なうためのレーザ溶接装置、および前記レーザ溶接方法を用いたタンクの製造方法に関する。

従来、ヒートポンプ式の給湯装置やコージェネレーションシステムなどに用いられる貯湯タンクを製造する場合には、円筒状に形成された胴体部材と、椀状の鏡板との開口周縁部どうしを嵌合させた上で、この嵌合部分にＴＩＧ溶接などのアーク溶接を施していたのが実情である。
しかしながら、アーク溶接は、入熱が大きいために、溶接箇所周辺に熱歪みなどが生じ易い。また、溶接箇所の品質劣化を防止するための手段として、貯湯タンクの外部および内部の双方を不活性ガス雰囲気とする必要があり、大量の不活性ガスを消費する。しかも、その不活性ガスとしては、高価なアルゴンガスとする必要もある。このため、溶接作業コストはかなり高いものとなる。
そこで、貯湯タンクの製造に際し、アーク溶接に代えて、レーザ溶接を用いることが考えられる。レーザ溶接は、入熱が少ないために、熱歪みを少なくすることが可能であり、また溶接部の結晶の肥大化もなく、シールドガスとして廉価な窒素を用いることが可能である。さらには、タンクの内側をシールドガス雰囲気とする必要もなくなる。

レーザ溶接方法の具体例として、特許文献１に記載の方法がある。
同文献に記載のレーザ溶接方法においては、溶接加工ヘッドから溶接対象部位にレーザ光を照射する際に、この溶接対象部位に対してレーザ走査方向（溶接進行方向）の前方側からシールドガスを供給している。このような方法によれば、レーザ溶接時に発生するプラズマ（プラズマプルーム、またはプルーム）をレーザ走査方向後方側に偏らせることができる。溶接対象部位にプラズマが存在したのでは、このプラズマによってレーザ光が吸収され、または拡散されるために、溶接対象部位への入熱またはエネルギ密度が減少する不具合を生じるが、前記した手段によれば、そのような不具合を抑制することが可能である。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように、未だ改善の余地がある。
すなわち、前記従来技術では、溶接対象部位に向けてレーザ走査方向前方側からシールドガスを供給させているだけであるために、溶接対象部位のレーザ走査方向後方側に形成される溶融池に対してはシールドガスが十分に供給され難い。したがって、溶融池の金属が酸化し、溶接品質が劣化する可能性がある。
また、シールドガスを利用してプラズマをレーザ走査方向後方側に偏らせているものの、これだけでは、レーザ光がプラズマによって遮られないようにすることを確実にする上で、十分であるとは断言できない。したがって、この点においても未だ改善の余地がある。

特許第３１２６７８８号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、レーザ溶接時における溶融金属の酸化を適切に防止し得るとともに、レーザ溶接時に発生するプラズマによっ
てレーザ光が遮られるといったことを従来よりも確実に防止し、品質の高いレーザ溶接を施すことが可能なレーザ溶接方法、この方法に用いられるレーザ溶接装置、および前記レーザ溶接方法を用いたタンクの製造方法を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供されるレーザ溶接方法は、シールドガス供給用のノズルから溶接対象部位に向けてシールドガスを供給させながら、レーザ溶接加工ヘッドから溶接対象部位にレーザ光を照射させる、レーザ溶接方法であって、前記シールドガス供給用のノズルとして、前記溶接対象部位のレーザ走査方向前方側および後方側にそれぞれ位置する前側ノズルおよび後側ノズルを設けておき、レーザ溶接時において前記溶接対象部位に発生するプラズマを前記前側ノズルから噴出するシールドガスによってレーザ走査方向後方側に偏らせつつ、前記後側ノズルから噴出するシールドガスを前記溶接対象部位に形成される溶融池に供給させ、前記溶接対象部位に照射されるレーザ光については、その光軸がレーザ走査方向前方側に傾いた状態とすることを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
第１に、レーザ溶接時に発生する溶融池に対しては後側ノズルからシールドガスを適切に供給することができるために、溶融池の金属が酸化することは適切に防止される。したがって、溶接部の品質を高くすることができる。
第２に、前側ノズルからシールドガスを噴出させる作用によりプラズマをレーザ走査方向後方側に偏らせることができるだけではなく、レーザ光の光軸は、プラズマが偏った方向とは反対のレーザ走査方向前方側に偏っているために、レーザ光がプラズマによって遮られることは、より確実に回避される。したがって、プラズマに起因して溶接対象部位への入熱またはエネルギ密度が本来の値よりも減少することを防止する上で、その信頼性が従来よりも高くなり、溶接部の品質を高くする上で、より好ましいものとなる。

本発明の第２の側面により提供されるレーザ溶接装置は、溶接対象部位にレーザ光を照射可能なレーザ溶接加工ヘッドと、前記溶接対象部位に向けてシールドガスを供給可能なシールドガス供給用のノズルと、を備えている、レーザ溶接装置であって、前記シールドガス供給用のノズルとして、前記溶接対象部位のレーザ走査方向前方側および後方側にそれぞれ位置する前側ノズルおよび後側ノズルを備え、前記溶接対象部位に発生するプラズマを前記前側ノズルから噴出するシールドガスによってレーザ走査方向後方側に偏らせつつ、前記後側ノズルから噴出するシールドガスを前記溶接対象部位に形成される溶融池に供給することが可能とされており、前記レーザ溶接加工ヘッドは、前記溶接対象部位に照射されるレーザ光の光軸がレーザ走査方向前方側に傾くように設定されていることを特徴としている。

このような構成のレーザ溶接装置によれば、本発明の第１の側面により提供されるレーザ溶接方法を適切に実施することができ、本発明のレーザ溶接方法について述べたのと同様な効果が得られる。

本発明において、好ましくは、前記前側ノズルおよび前記後側ノズルからのシールドガス噴出領域の上方領域に向けてエアを吹き出すエアカーテン形成用のエア噴出ノズルと、集塵機と、をさらに備えており、前記エア噴出ノズルは、前記溶接対象部位よりもレーザ走査方向前方側の位置からレーザ走査方向後方側に向けてエア噴出を行なうように設けられ、前記集塵機は、前記溶接対象部位よりもレーザ走査方向後方側の位置において集塵を行なうように設けられている。

このような構成によれば、レーザ溶接時に発生する溶接ヒュームやスパッタなどの物質が広く拡散したり、これらの物質によってレーザ溶接加工ヘッドが損傷を受けるといったことを防止可能である。とくに、前記構成では、エア噴出ノズルからエア噴出が行なわれて集塵が行なわれる方向は、プラズマを偏らせる方向と一致しているために、集塵効率を高める上でより好ましいものとなる。

本発明の第３の側面により提供されるタンクの製造方法は、筒状の胴体部材と椀状の鏡板との端部どうしを嵌合させた状態において、前記嵌合部分を溶接する溶接工程を有している、タンクの製造方法であって、前記溶接工程において、本発明の第１の側面により提供されるレーザ溶接方法を用いることを特徴としている。

このような構成によれば、タンクの製造に際して、本発明のレーザ溶接方法について述べたのと同様な効果が得られ、胴体部材と鏡板との嵌合部分の溶接品質に優れ、腐食などを生じ難いタンクを適切かつ廉価に製造することが可能となる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

（ａ）は、本発明に係るレーザ溶接装置の一例を示す概略説明図であり、（ｂ）は、レーザ溶接対象となるタンクの一例を示す断面図である。 図１（ｂ）に示すタンクの分解断面図である。 図１に示すタンクのレーザ溶接後の状態を示す断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１（ａ）に示すレーザ溶接装置Ａは、レーザ溶接加工ヘッド５、シールドガス供給用の前側ノズル３Ａならびに後側ノズル３Ｂ、エアカーテン形成用のエア噴出ノズル６、および集塵機７を備えている。
本実施形態では、溶接対象物が後述するタンクＴであり、このタンクＴに対する溶接は、レーザ溶接加工ヘッド５を移動させることなく、タンクＴをたとえば反時計方向に回転させながら行なわれる。したがって、図１（ａ）の右側方向が、レーザ走査方向である。

レーザ溶接加工ヘッド５は、レーザ発振器（図示略）で発振させたレーザ光を集光させて溶接対象部位９に照射させるためのものであり、レーザ発振器としては、たとえば半導体レーザが用いられる。タンクＴは、ステンレス製であり、レーザ波長は、ステンレスが吸収可能な波長域（波長１０００ｎｍ近辺）である。レーザ溶接加工ヘッド５は、レーザ光の光軸５０が溶接対象部位９を通過する垂直線Ｌに対して適当な角度α（たとえば、αは１５°程度）で傾斜するように設定されている。その傾斜方向は、レーザ走査方向前方側である。

前側ノズル３Ａおよび後側ノズル３Ｂは、ガスボンベ（図示略）から供給されてくる不活性ガスを、シールドガスとして溶接対象部位９に向けて噴出するためのノズルである。シールドガスとしては、たとえば窒素が用いられている。前側ノズル３Ａおよび後側ノズル３Ｂは、溶接対象部位９よりもレーザ走査方向前方側と後方側とにそれぞれ振り分けられた配置とされ、かつ適当な角度β１，β２で傾斜して設けられており、溶接対象部位９に対してその斜め上からシールドガスを噴出可能である。本実施形態では、角度β１，β２は略同一とされ、また両ノズル３Ａ，３Ｂからのシールドガス噴出流量も略同一とされている。ただし、前側ノズル３Ａは、後側ノズル３Ｂよりも溶接対象部位９に接近した配
置とされており、このことにより後述する作用が得られるようになっている。

エア噴出ノズル６は、ブロア（図示略）から送られてくるエアを噴出し、前側ノズル３Ａおよび後側ノズル３Ｂからのシールドガス噴出領域の上方であって、レーザ溶接加工ヘッド５よりも下方の領域に、エアカーテンを形成するためのものである。エア噴出ノズル６は、溶接対象部位９よりもレーザ走査方向前方側の位置からレーザ走査方向後方側に向けてやや下向きの角度でエアを噴出するように設けられている。集塵機７は、レーザ溶接に伴って発生する溶接ヒュームやスパッタなどを捕集するためのものであり、吸気用ブロア（図示略）を備えている。この集塵機７は、溶接対象部位９および後側ノズル３Ｂよりもレーザ走査方向後方側に設けられている。

溶接対象となるタンクＴは、図１（ｂ）および図２に示すように、円筒状の胴体部材１の開口周縁部１０と、椀状の鏡板２の開口周縁部２０とを嵌合させたものである。鏡板２の開口周縁部２０の先端側には、先端側ほど外径が小さくなるように、適当な角度θで外周面が傾斜した傾斜筒状部２１が形成されており、この傾斜筒状部２１が胴体部材１の開口周縁部１０の内側に差し込まれている。この傾斜筒状部２１と開口周縁部１０との差し込み嵌合部分が、溶接対象部位９となる。本実施形態とは反対に、胴体部材１に傾斜筒状部を形成し、鏡板２に傾斜筒状部を形成しない構成とすることもできる。タンクＴは、溶接が施される際には、その中心軸Ｃが水平方向に延びる姿勢とされて、左右一対のクランプホルダ８ａ，８ｂ間に保持され、かつモータＭの駆動により中心軸Ｃ周りに回転される。

次に、前記したレーザ溶接装置Ａを用いたレーザ溶接方法の一例について説明する。

まず、レーザ溶接加工ヘッド５から溶接対象部位９にレーザ光を照射する際には、既述したように、その光軸５０を垂直線Ｌに対してレーザ走査方向前方側に傾斜させた状態に設定しておく。また、前側ノズル３Ａおよび後側ノズル３Ｂからは、溶接対象部位９に向けてシールドガスを噴出させる。溶加材は使用しない。レーザ溶接時には、溶接対象部位９のレーザ走査方向後方側部分に溶融池９１が形成されるが、この溶融池９１に対しては後側ノズル３Ｂからシールドガスを適切に供給することができる。このため、溶融池９１においての金属の酸化が防止される。

一方、前側ノズル３Ａから噴出するシールドガスは、溶接対象部位９に発生するプラズマ９０をレーザ走査方向後方側に偏らせる作用を生じさせる。前側ノズル３Ａは、後側ノズル３Ｂよりも溶接対象部位９に接近した位置にあるために、プラズマ９０が発生する箇所においては、後側ノズル３Ｂから噴出されるシールドガスよりも前側ノズル３Ａから噴出されるシールドガスの方が圧力は高く、プラズマ９０をレーザ走査方向後方側に押しやることが可能である。このため、レーザ光がプラズマ９０によって遮られないこととなり、プラズマ９０に起因して溶接対象部位への入熱またはエネルギ密度が本来の値よりも減少する現象を抑制することができる。加えて、レーザ光の光軸５０は、プラズマ９０とは反対のレーザ走査方向前方側に傾斜しているために、レーザ光がプラズマ９０によって遮られることはより確実に回避されることとなる。

前記したレーザ溶接時には、エア噴出ノズル６からのエア噴出動作によりエアカーテンを形成するとともに、集塵機７を稼働させておく。このことにより、レーザ溶接時に発生する溶接ヒュームやスパッタなどの物質が広く拡散することが防止され、集塵機７によって捕集される。したがって、溶接作業環境が良好となり、レーザ溶接加工ヘッド５がダメージを受けることも防止される。エア噴出ノズル６から噴出されたエアが集塵機７に向かう方向は、プラズマ９０を偏らせる方向と一致しているために、集塵効率を高めることが可能である。

図３は、前記したレーザ溶接が施されたタンクＴを示している。鏡板２の傾斜筒状部２１と胴体部材１の開口周縁部１０との嵌合箇所には、たとえば同図の要部拡大断面図に示すような形態のビード部４（溶融凝固金属部）が形成される。このビード部４は、既述したように、溶融池９１における金属の酸化が防止された状態で形成されたものであって、品質劣化が殆どないために、腐食を生じ難いものとなる。また、低入力のレーザ溶接で形成されたものであるために、ビード部４の幅を小さくし得るとともに、その周辺部に大きな熱歪みも生じさせないものとなる。さらに、レーザ溶接は、高速性に優れるために、生産性を高めることができる他、不活性ガスとして廉価な窒素を使用し、しかもタンクＴの内部にガスシールドを供給する必要もないために、溶接作業コストを低減し、タンクＴの製造コストを廉価とすることが可能である。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るレーザ溶接方法、およびタンクの製造方法の各工程の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に変更可能である。本発明に係るレーザ溶接装置の各部の具体的な構成についても、種々に設計変更可能である。

上述の実施形態では、前側ノズルから噴出されるシールドガスの作用によってプラズマをレーザ走査方向後方側に偏らせつつ、後側ノズルから噴出されるシールドガスを溶融池に適切に供給させるための手段として、溶接対象部位から前側ノズルまでの距離と後側ノズルまでの距離とを相違させているが、本発明はこれに限定されない。前記したように距離を相違させることに代えて、または加えて、たとえば前側ノズルおよび後側ノズルのそれぞれのシールドガス噴出角度、噴出圧、噴出流量、およびノズル形状などのうち、少なくとも1つを相違させることによって、前側ノズルから噴出するシールドガスによってプラズマをレーザ走査方向後方側に偏らせることと、後側ノズルから溶融池にシールドガスを適切に供給させることを両立させることが可能である。

レーザ光は、溶接時において、溶接対象部位よりもレーザ走査方向前方側に光軸が傾いた状態にあればよく、具体的な傾き角度は問わない。レーザの種類は、半導体レーザに限らず、ＹＡＧレーザやその他の様々な種類のレーザを用いることができる。不活性ガスは、コスト低減の観点からは窒素を用いることが好ましものの、やはりこれに限定されるものではない。

上述の実施形態では、貯湯用のタンクを溶接対象としているが、本発明に係るレーザ溶接方法の溶接対象はこれに限定されず、貯湯用以外のタンクは勿論のこと、タンク以外の様々な部材や物品類を溶接対象とすることができる。

Ａ レーザ溶接装置
Ｔ タンク
１ 胴体部材
２ 鏡板
３Ａ 前側ノズル（シールドガス供給用のノズル）
３Ｂ 後側ノズル（シールドガス供給用のノズル）
５ レーザ溶接加工ヘッド
６ エア噴出ノズル
７ 集塵機
１０ 開口周縁部（胴体部材の）
２０ 開口周縁部（鏡板の）
９０ プラズマ
９１ 溶融池

Claims (4)

1. シールドガス供給用のノズルから溶接対象部位に向けてシールドガスを供給させながら、レーザ溶接加工ヘッドから溶接対象部位にレーザ光を照射させる、レーザ溶接方法であって、
   前記シールドガス供給用のノズルとして、前記溶接対象部位のレーザ走査方向前方側および後方側にそれぞれ位置する前側ノズルおよび後側ノズルを設けておき、
   レーザ溶接時において前記溶接対象部位に発生するプラズマを前記前側ノズルから噴出するシールドガスによってレーザ走査方向後方側に偏らせつつ、前記後側ノズルから噴出するシールドガスを前記溶接対象部位に形成される溶融池に供給させ、
   前記溶接対象部位に照射されるレーザ光については、その光軸がレーザ走査方向前方側に傾いた状態とすることを特徴とする、レーザ溶接方法。
2. 溶接対象部位にレーザ光を照射可能なレーザ溶接加工ヘッドと、
   前記溶接対象部位に向けてシールドガスを供給可能なシールドガス供給用のノズルと、
   を備えている、レーザ溶接装置であって、
   前記シールドガス供給用のノズルとして、前記溶接対象部位のレーザ走査方向前方側および後方側にそれぞれ位置する前側ノズルおよび後側ノズルを備え、
   前記溶接対象部位に発生するプラズマを前記前側ノズルから噴出するシールドガスによってレーザ走査方向後方側に偏らせつつ、前記後側ノズルから噴出するシールドガスを前記溶接対象部位に形成される溶融池に供給することが可能とされており、
   前記レーザ溶接加工ヘッドは、前記溶接対象部位に照射されるレーザ光の光軸がレーザ走査方向前方側に傾くように設定されていることを特徴とする、レーザ溶接装置。
3. 請求項２に記載のレーザ溶接装置であって、
   前記前側ノズルおよび前記後側ノズルからのシールドガス噴出領域の上方にエアカーテンを形成するためのエア噴出ノズルと、
   集塵機と、
   をさらに備えており、
   前記エア噴出ノズルは、前記溶接対象部位よりもレーザ走査方向前方側の位置からレーザ走査方向後方側に向けてエア噴出を行なうように設けられ、
   前記集塵機は、前記溶接対象部位よりもレーザ走査方向後方側の位置において集塵を行なうように設けられている、レーザ溶接装置。
4. 筒状の胴体部材と椀状の鏡板との開口周縁部どうしを嵌合させた状態において、この嵌合部分を溶接する溶接工程を有している、タンクの製造方法であって、
   前記溶接工程において、請求項１に記載のレーザ溶接方法を用いることを特徴とする、タンクの製造方法。

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