JP2016168621A - シールドノズルおよびシールド方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、厚板狭開先溶接において、開先内の溶接部に十分なシールド雰囲気を形成することが可能なシールドノズルおよびシールド方法を提供する。【解決手段】レーザ光３が通過するレーザ通路８を有するとともにシールドガス５を放出することができるシールドノズル４を、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置し、シールドノズル４を用いて、シールドガス５を開先外部から溶接部に層流の状態で供給する。【選択図】 図１

Description

本発明は、厚板の突合せ継手その他の継手に対する狭開先溶接において用いられる、ガスシールドノズルおよびガスシールド方法に関する。

従来、溶接作業を容易にし、溶接継手の品質を向上させるために、突合せ溶接等において母材の溶接面に開先を設ける開先溶接が行われている。鉄鋼材料やニッケル基合金等の厚板に対して開先溶接を行う場合、母材の板厚が増加するのに伴い開先断面積が増加し、溶接効率が低下したり、変形や溶接ひずみの増加によって溶接品質が低下したりする傾向がある。このため、開先を狭くして開先断面積を小さくする狭開先溶接への要求が高まっており、近年の溶接技術の進歩により熱源の出力、熱源をレーザ光としたときの集束性または指向性が著しく向上していることとも相まって、盛んに開発が進められている。

種々の溶接方法において、溶接部に気孔や割れ等の溶接欠陥が生じないよう、溶接部における酸素を含んだ空気をシールドガスで置換するのが重要であることは公知の事実であり、溶接部のガスシールドの重要性は、厚板狭開先溶接においても同様である。

溶接部をガスシールドする方法としては、シールドノズルの円形開口部からシールドガスを噴射して母材表面に吹き付ける方法（たとえば特許文献１）等があるが、厚板狭開先溶接においては、母材表面ではなく開先内の溶接部をガスシールドすることが必要である。開先外部から開先内の溶接部に向けてシールドガスを噴射すると、シールドガスは乱流状態となって外気を巻き込み、開先内の空気を効率的に置換しない。また、開先外部から供給されたシールドガスが開先底部に届かないうちにレーザ光が照射されてしまうことがあり、十分な溶接品質が保証されないことがある。このため、開先内の溶接部をガスシールドすべく、開先内にシールドノズルを挿入する方法（たとえば特許文献２）も開発されている。しかし、厚板狭開先溶接において開先内にシールドノズルを挿入した場合、溶接中に発生したスパッタが開先壁面に付着したり、開先が入熱によって縮んだりなどすることによって、シールドノズルが開先と干渉して損傷してしまうことがあるため、シールドノズルを開先内に挿入することは実用的でない。加えて、母材の板厚が大きくなるほど、または開先角度が小さくなるほど、開先内へのシールドノズルの挿入が困難になることからも、厚板狭開先溶接における実用性は低い。

また、熱源を移動させ連続的に行われる溶接においては、例えばレーザ光を熱源とした場合、シールドノズルはレーザ光の照射部の移動に伴って移動するが、照射部のみではなく、溶接予定部（すなわち照射部に対して溶接方向前方に位置する部分）や高温状態にある溶接完了部（すなわち照射部に対して溶接方向後方に位置する部分）においてもシールド雰囲気を形成することが好ましい。通常採用される細径パイプのシールドノズルによっては溶接完了部を含む広範囲がガスシールドされないため、複数のシールドガス噴出口を備えるシールドノズル（たとえば特許文献３）も開発されているが、厚板狭開先溶接において開先内の溶接部近傍に十分なシールド雰囲気を形成するには、シールドノズルやシールドガス噴出口の形状等の工夫が依然必要である。

特開２００３−１５４４７６号公報 特開２０１１−５５３３号公報 特開２００３−１８１６７６号公報

本発明は、上述した従来法の問題点を鑑みてなされたもので、厚板狭開先溶接において、開先内の溶接部に十分なシールド雰囲気を形成することが可能なシールドノズルおよびシールド方法を提供することを目的とする。また、溶接予定部や高温状態にある溶接完了部を含む、溶接部近傍にシールドガスを供給することが可能なシールドノズルおよびシールド方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、開先外部から開先内に、シールドガスを一様な流れ、つまり層流の状態で供給することにより、開先内の溶接部において高いガスシールド効果が得られることを見出した。

すなわち、第１発明に係るシールドノズルは、厚板狭開先レーザ溶接に用いられるガスシールドノズルであって、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置され、レーザ光が通過するレーザ通路と、シールドガスを開先外部から溶接部に層流の状態で供給する層流発生部とを有することを特徴とする。

第２発明に係るシールドノズルは、第１発明の構成において、溶接部に溶接ワイヤを供給する際に溶接ワイヤを挿通させることができるワイヤ通路をさらに有する。
第３発明に係るシールドノズルは、第１発明または第２発明の構成において、前記レーザ通路および／または前記ワイヤ通路からレーザ光源側に離れた位置に、圧縮空気の噴射により開先部への外気の流入および／または開先部からのシールドガスの漏出を防ぐエアノズルをさらに有する。

第４発明に係るシールドノズルは、第１〜３発明いずれかの構成において、前記層流発生部が、溶接部に対向する層流放出面を有し、前記層流放出面から開先底部までの距離をＨ、溶接送り速度をＶ_ｗ、ガス流速をＶ_ｇ、溶接完了部の酸化が抑制される温度まで冷却される時間をｔとしたとき、前記層流放出面のレーザ通路の中心より溶接進行方向前方の長さＬ_１および溶接進行方向後方の長さＬ_２が次式を満たすことを特徴とする。

Ｌ_１≧Ｈ×Ｖ_ｗ／Ｖ_ｇ −式（１）
Ｌ_２≧Ｖ_ｗ×ｔ −式（２）
第５発明に係るシールドノズルは、第１〜４発明いずれかの構成において、前記層流発生部が、シールドガスの通過可能な多孔焼結体からなることを特徴とする。

第６発明に係るシールド方法は、厚板狭開先レーザ溶接に用いられるガスシールド方法であって、レーザ光が通過するレーザ通路を有するとともにシールドガスを放出することができるシールドノズルを、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置し、前記シールドノズルを用いて、シールドガスを開先外部から溶接部に層流の状態で供給することを特徴とする。

第７発明に係るシールド方法は、第６発明の構成において、前記シールドノズルとして、溶接部に対向する層流放出面を有するシールドノズルを用い、前記層流放出面のレーザ通路の中心より溶接進行方向前方の長さをＬ_１、溶接進行方向後方の長さをＬ_２、前記層流放出面から開先底部までの距離をＨ、溶接完了部の酸化が抑制される温度まで冷却される時間をｔとしたとき、溶接送り速度Ｖ_ｗおよびガス流速Ｖ_ｇについて次式の条件設定を行うことを特徴とする。

Ｖ_ｇ≧Ｈ×Ｖ_ｗ／Ｌ_１ −式（３）
Ｖ_ｗ≦Ｌ_２／ｔ −式（４）

第１発明および第６発明の構成によれば、シールドノズルは、シールドガスを開先外部から溶接部に層流の状態で供給する。層流状態のシールドガスは、外気を巻き込むことなく開先内に流入し、開先内に存在する、酸素を含んだ空気を押し出す。開先内の空気はシールドガスによって次第に置換され、開先内に高いシールド雰囲気が形成される。シールドノズルはレーザ通路を有するため、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置されていても、レーザ光を遮ることはない。

第２発明に係るシールドノズルはワイヤ通路を有するため、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置されていても、溶接ワイヤの送給を妨げることはない。

第３発明に係るシールドノズルは圧縮空気を噴射するエアノズルを備えており、噴射された圧縮空気はエアカーテン（エアナイフ）としての役割を果たす。すなわち、外気がレーザ通路やワイヤ通路から開先部に流入したり、シールドガスがレーザ通路やワイヤ通路から漏出したりすることを防ぐ。さらに、エアノズルから噴射された圧縮空気のエアカーテン（エアナイフ）は、溶接部で発生したプルームやスパッタが噴き出してレーザ光源等の溶接装置を損傷することを防止する役割も果たす。

第４発明および第７発明の構成によれば、層流放出面のレーザ通路の中心より溶接進行方向前方の長さＬ_１、溶接進行方向後方の長さＬ_２、層流放出面から開先底部までの距離Ｈ、溶接送り速度Ｖ_ｗ、ガス流速Ｖ_ｇ、溶接完了部の酸化が抑制される温度まで冷却される時間ｔが次式の関係を満たすため、後述するように、溶接予定部（すなわち、溶接進行方向前方）や高温状態にある溶接完了部（すなわち、溶接進行方向後方）を含む、溶接部近傍にシールドガスを供給することができる。

Ｌ_１／Ｖ_ｗ≧Ｈ／Ｖ_ｇ −式（５）
Ｌ_２／Ｖ_ｗ≧ｔ −式（６）
請求項４および請求項７に記載された式（１）および式（３）は、式（５）を変形してＬ_１またはＶ_ｇを左辺に置いたものであり、式（２）および式（４）は、式（６）を変形してＬ_２またはＶ_ｗを左辺に置いたものである。

本発明を適用して厚板狭開先溶接を行う状態の例を示す模式断面図である。 本発明の対象とする、厚板狭開先溶接の模式図である。 本発明に係るシールドノズルの斜視断面図である。 本発明に係るシールドノズルの斜視図である。 本発明に係るシールドノズルの上面図である。 本発明に係るシールドノズルの下面図である。 シールドノズルがワイヤ通路を有さない例を示す模式図である。 シールドノズルがワイヤ通路を有する例を示す模式図である。 実験例１を示す図およびグラフである。 対比例１を示す図およびグラフである。 対比例２を示す図およびグラフである。 実験例２〜４を示す図およびグラフである。 実験例５〜７を示す図およびグラフである。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
図２は、本発明の対象とする、厚板狭開先溶接の模式図である。図３において、１は母材の厚板であり、その溶接面には開先２が形成されている。本発明においては、厚板１表面側の開先２周辺の空間を開先部と呼ぶ。３はレーザ光であり、レーザ光源（図示せず）から射出され、開先２内部に集光される。４はシールドノズルであり、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置され、開先２内の溶接部にシールドガス５を供給する。ここで、本発明において、厚板とは板厚が５０ｍｍｔ以上である鋼板や鋼材をいい、板厚２００ｍｍｔ程度までの厚板であれば本発明の対象となり得る。また、本発明において、狭開先とはルート幅が５ｍｍ以下であり、かつ開先角度が片側４°以下である開先をいうものとする。

図３および図４を参照し、本発明に係るシールドノズル４の構成を説明する。
シールドノズル４は、シールドガス供給口６、ケース７、レーザ通路８、および層流発生部９を有し、層流発生部９は、溶接部に対向し、溶接部に向けてシールドガス５を放出する層流放出面１０を有する。ガスボンベ等から供給されたシールドガス５は、シールドガス供給口６を通って密閉構造のケース７内に流入し、層流発生部９によって層流化され、層流放出面１０から放出される。シールドガス供給口６の材質、形状、大きさ、位置等は特に限定されず、公知のノズルや導管を用いることができる。ケース７の材質、形状、位置等も特に限定されず、矩形や円形等の金属製フレームを用いることができる。

層流発生部９は、ケース７内のシールドガス５を層流化して溶接部に供給する手段であり、シールドガス５が通過できる数十μｍ〜１００μｍ程度の微小な径の空孔を持つ焼結体のほか、金属メッシュ、セラミック、焼結金属等により形成することができる。また、ケース７内にスチールウールを配し、金属メッシュによって支持することによっても形成することができる。

レーザ通路８は、レーザ光３が通過し得るよう、光軸に沿って、ケース７および層流発生部９を貫通するように形成される。レーザ通路８は、具体的には、貫通孔や、円筒状または円錐台状のガラス等であってもよい。

また、シールドノズル４は、溶接部に溶接ワイヤを供給する際に溶接ワイヤを挿通させることができるワイヤ通路１１を有していてもよい。ワイヤ通路１１は、溶接ワイヤを挿通することができるものであればよく、幅数ｍｍ程度のスリット等が採用され得る。

ケース７内のシールドガス５が漏出しないよう、レーザ通路８およびワイヤ通路１１の側面は塞いでおく必要がある。
さらに、シールドノズル４は、レーザ通路８および／またはワイヤ通路１１からレーザ光源側に離れた位置に、圧縮空気の噴射により開先部への外気の流入および／または開先部からのシールドガス５の漏出を防ぐ、エアノズル１２を有していてもよい。エアノズル１２は、レーザ通路８やワイヤ通路１１の、レーザ光源に対向して開口している面上にエアカーテン（エアナイフ）を形成すべく、取り付け位置や噴出方向、形状や大きさ、取り付け個数を適宜調整することができる。例えば、レーザ通路８が貫通孔である場合にはレーザ通路８からレーザ光源側に離れた位置に、ワイヤ通路１１が設けられている場合にはワイヤ通路１１からレーザ光源側に離れた位置にエアノズル１２を配置するとよく、レーザ通路８およびワイヤ通路１１の両方がレーザ光源に対向して開口している場合には、複数のエアノズル１２や広範囲に圧縮空気を噴射できるエアノズル１２を設けると良い。なお、エアノズル１２は、圧縮空気が層流発生部７から放出されたシールドガス５の流れに影響を及ぼさない程度に、レーザ通路８および／またはワイヤ通路１１からレーザ光源側に離れた位置に設けられるべきである。

続いて、図１を参照する。本発明に係るシールドノズルおよびシールド方法は、積層溶接や突合せ溶接、肉盛り溶接等の種々の溶接方法に利用することが可能であり、開先や継手の種類も制限されないが、図面を参照した以下の説明はＶ字開先突合せ継手の積層溶接における実施態様に関するものである。図１および図７〜１３において、溶接進行方向前方（図中左方向）を前、溶接進行方向後方を後として、紙面手前を左、紙面奥を右、図中上方向を上、図中下方向を下とするが、これらの方向は便宜上のものであり、本発明の実施はこれらの方向に限定されるものではない。

シールドノズル４は、層流発生部９の層流放出面１０が開先部における溶接部を覆い、厚板１表面に平行になるように配置される。レーザ光３は、上方のレーザ光源（図示せず）から射出され、レーザ通路８を通って、スポット径０．５〜２．０ｍｍ程度で開先２内部に集光される。レーザ光３は、所定の溶接送り速度で前方に移動するとともに所定の周波数で左右方向にウィービングし、積層の進行に伴って上下方向に移動してもよい。シールドノズル４はレーザ光３に同期して移動し、開先部における溶接部を覆う。具体的には、シールドノズル４はレーザ光３の移動に同期した装置によって支持され、かつ移動される。

図１において、１３は溶接ワイヤであり、溶接ワイヤ１３は、シールドノズル４の前方または後方から、開先２内の溶接部に供給される。溶接ワイヤ１３としては、市販の細径ワイヤ等を用いればよく、細径ワイヤ以外に、溶接効率を向上させるために、太径ワイヤや帯状ワイヤ等を用いることも可能である。１４は溶融ビードであり、溶接ワイヤ１３が供給されている溶接部の後方にある、溶接完了部に形成される。

シールドノズル４内のシールドガス供給口６からケース７内に流入したシールドガス５は、層流発生部９により層流化され、溶接部に対向する層流放出面１０から開先２内の溶接部に向けて放出される。層流状態のシールドガス５は開先２内に流入し、開先２内の空気を置換してシールド雰囲気を形成する。シールドガス５には市販のものを用いることができ、ＣＯ_２等の活性ガス、Ａｒ，Ｎ_２，Ｈｅ等の不活性ガス、Ａｒ−ＣＯ_２混合ガス等、その種類や流量は、溶接条件によって適宜決定すればよい。

同図において、Ｌ_１［ｍｍ］は、レーザ通路８の中心より前方の層流放出面１０の長さ、Ｌ_２［ｍｍ］はレーザ通路８の中心より後方の層流放出面１０の長さであり、Ｈ［ｍｍ］は層流放出面１０から開先２底部までの距離である。Ｖ_ｗ［ｍｍ／ｓｅｃ］は溶接送り速度であり、Ｖ_ｇ［ｍｍ／ｓｅｃ］はガス流速、すなわち、シールドガス供給口６から供給されるガス流量［ｍｍ^３／ｓｅｃ］を、層流放出面１０の面積［ｍｍ^２］で割ったものである。

シールドノズル４により供給された層流状態のシールドガス５が開先２内の溶接部に届くまでには、最大でＨ／Ｖ_ｇ［ｓｅｃ］程度の時間を要する。そのため、溶接進行方向前方の溶接予定部にもシールドガス５のプリフローを行っておくことが好ましく、溶接予定部にプリフローが開始されてから実際にレーザ光３が照射されるまでの時間Ｌ_１／Ｖ_ｗ［ｓｅｃ］内に、シールドガス５が開先２底部に届いていることが必要である。すなわち、
Ｌ_１／Ｖ_ｗ≧Ｈ／Ｖ_ｇ −式（５）
層流発生部９の層流放出面１０の寸法（形状）と溶接条件との関係が上記式（５）を満たさない場合、開先２内の溶接部にシールドガス５が供給される前、つまり十分なシールド雰囲気が形成される前にレーザ光３が照射されて溶接が開始されてしまうおそれがある。

下記の式（１）および式（３）は、式（５）を変形したものであり、それぞれ、十分なプリフローを行うための、レーザ通路８の中心より前方の層流放出面１０の長さＬ_１の最小値と、ガス流速Ｖ_ｇの最小値を定めたものである。

Ｌ_１≧Ｈ×Ｖ_ｗ／Ｖ_ｇ −式（１）
Ｖ_ｇ≧Ｈ×Ｖ_ｗ／Ｌ_１ −式（３）
溶接部後方の溶接完了部は、一般的に、高温状態にある方が酸化されやすく、ある温度以下になると酸化が抑制される。酸化が抑制される温度は母材の組成等により異なるが、３００〜５５０℃程度であり、鉄では約５００℃以下、チタンでは約３５０℃以下である。溶接完了部が、酸化が抑制される温度まで冷却されるのに要する時間ｔは、レーザ出力や溶接送り速度等によって決まり、例えば本発明の実験例においては、レーザ出力６ｋＷ、溶接送り速度５ｍｍ／ｓｅｃの場合、溶接完了部が５００℃以下まで冷却されるには１５ｓｅｃほどかかる。高温状態にある溶接完了部は、酸化が抑制される温度まで冷却されるまでシールドガス５のアフターフローを行っておくことが好ましく、すなわち、
Ｌ_２／Ｖ_ｗ≧ｔ −式（６）
層流発生部９の層流放出面１０の寸法（形状）と溶接条件との関係が上記式（６）を満たさない場合、高温状態の溶接完了部におけるシールド性が不十分になり、溶接完了部が酸化されてしまうおそれがある。

下記の式（２）および式（４）は、式（６）を変形したものであり、それぞれ、十分なアフターフローを行うための、レーザ通路８の中心より後方の層流放出面１０の長さＬ_２の最小値と、溶接送り速度Ｖ_ｗの最大値を定めたものである。

Ｌ_２≧Ｖ_ｗ×ｔ −式（２）
Ｖ_ｗ≦Ｌ_２／ｔ −式（４）
図７および図８を参照して、第２発明に係るワイヤ通路１１の有無による差異を示し、シールドノズル４がワイヤ通路１１を有することの効果について説明する。図７および図８は、開先突合せ継手の積層溶接において、開先底部から上方へと積層が進み、厚板１表面付近の溶接を行う様子を示しており、溶接ワイヤ１３をシールドノズル４の前方から４５°の送給角度（溶接ワイヤ１３と厚板１表面とのなす角）で送給する場合を示す。図７および図８は、それぞれ、シールドノズル４がワイヤ通路１１を有さない場合、シールドノズル４がワイヤ通路１１を有する場合のものである。

開先２底部や底部付近の溶接を行う場合、開先２内に挿入される溶接ワイヤ１３と、開先２外部に配置されるシールドノズル４の干渉が問題になることはないが、積層が進み、溶接ワイヤ１３の供給位置が厚板１表面に近づくと、溶接ワイヤ１３の上部がシールドノズル４の層流放出面１０に干渉する。溶接ワイヤ１３の送給角度を調節することによってシールドノズル４との干渉を避けるのは難しく、また溶接ワイヤ１３の送給角度を下げるにも限界があるため、厚板１表面付近の溶接を行うにはシールドノズル４を上昇させる必要が生じる。

図７に示すごとく、シールドノズル４にワイヤ通路１１が形成されていないと、シールドノズル４のレーザ通路８より前方の部分と溶接ワイヤ１３の上部とが互いに干渉することのないよう、シールドノズル４を上方に持ち上げる必要がある。溶接ワイヤ１３の送給角度が４５°の場合、厚板１表面と層流発生部９の層流放出面１０との間の距離が、レーザ通路８の中心より前方の層流放出面１０の長さＬ_１と同程度以上となるようにする必要が生じる。後述する実験例と同じ寸法のシールドノズル４を用いた場合、層流発生部９の層流放出面１０は厚板１表面の５０ｍｍ程度上方に配置される必要がある。層流放出面１０が溶接部から遠ざかることにより、放出されたシールドガス５が効率的に開先２内に供給されなくなり、溶接品質の低下が生じる可能性がある。これに対し、図８に示すごとく、シールドノズル４にワイヤ通路１１が形成されている場合、積層が進み、厚板１表面付近への溶接ワイヤ１３の供給が必要になっても、シールドノズル４を上方に持ち上げる必要はなく、溶接部の高いシールド性を維持したまま開先２内の溶接部に溶接ワイヤ１３を送給することができ、高品質な積層溶接が可能となる。

以下、実験例および対比例に基づいて本発明をより詳細に説明する。
［実験例１］
本例は、図９に示すごとく、本発明に係るシールドノズルおよびシールド方法を用いた例である。

板厚１００ｍｍの厚板１を準備し、その溶接面にルート幅３ｍｍ、片側２°のＶ字型の開先２を形成して裏当てを取り付けた。シールドノズル４を、層流発生部９の層流放出面１０が厚板１表面と平行に、その８ｍｍ上方に位置するように配置した。このとき、層流放出面１０から開先２底部までの距離は１０８ｍｍであった。

シールドノズル４のケース７として１５０×１００×２０ｍｍｔの矩形状の金属製フレームを用い、溶接進行方向に対する前方長さが４５ｍｍ、後方長さが１０５ｍｍになるよう、ケース７にレーザ通路８としての貫通孔（φ３０ｍｍ）を形成した。溶接ワイヤ１３はφ１．２ｍｍの市販のものを用い、溶接ワイヤ１３を溶接進行方向前方から供給するために、幅５ｍｍのスリット状のワイヤ通路１１をケース７に形成した。シールドノズル４の下面は、レーザ通路８およびワイヤ通路１１を除く部分が層流放出面１０となっており、層流発生部９には、粒径３μｍのステンレス粒子からなり数十μｍの空孔を持つ多孔焼結体を用いた。シールドガス５にはＣＯ_２を用い、一定流量５０Ｌ／ｍｉｎ（＝８．３３×１０^５ｍｍ^３／ｓｅｃ）で供給した。エアノズル１２としては、ノズル幅４０ｍｍのフラットノズルを、レーザ通路８の上方３０ｍｍの位置に、レーザ光３の光軸を横断するエアカーテン（エアナイフ）を形成するように配置した。エアノズル１２から噴射される圧縮空気の流速は、２０ｍ／ｓｅｃとした。

図中のレーザ光３は溶接部を示すための便宜上のものであって実際の溶接は行わないが、レーザ出力を６ｋｗ、溶接送り速度を５ｍｍ／ｓｅｃとした場合、層流放出面１０の寸法（形状）と溶接条件との関係は、先述の式（５）および（６）を満足するものであった。

図９内のグラフは、レーザ光３を照射しないときの開先２底部における酸素濃度を、溶接進行方向に沿って１０〜２０ｍｍ間隔で測定した結果を示している。
グラフに示すように、溶接部前方から後方まで広範囲にかけて酸素濃度０％が維持され、広範囲での高いシールド性が示された。
［対比例１］
従来例として、太径パイプを３本連結してなる太径パイプ製シールドノズル１５を開先２外部に配置した場合について、図１０に示す。シールドノズル以外の溶接条件や測定内容は実験例１と同様とした。また、グラフには、シールドガス５の流量を３０Ｌ／ｍｉｎ（＝５．０×１０^５ｍｍ^３／ｓｅｃ）に変更した場合の酸素濃度を併せて示す。

本例に用いた太径パイプは、一辺１５ｍｍの正方形断面を有する角パイプであり、その一端を、角パイプを水平方向から４５°傾けた際に端面が母材表面と平行になるように切断してガス噴出口とした。前記太径パイプを３本連結して太径パイプ製シールドノズル１５とし、ガス噴出口の溶接部に近接する側の端部が溶接部の１０８ｍｍ後方、厚板１表面の８ｍｍ上方に位置するように配置した。

グラフに示すように、噴射されたシールドガス５は主に溶接部およびその前後３０ｍｍの範囲にしか到達せず、溶接部前後３０ｍｍ以内においても、開先２底部の酸素濃度は４％以上となった。
［対比例２］
従来例として、細径パイプを１０本連結してなる細径パイプ製シールドノズル１６を開先２内に挿入した場合について、図１１に示す。シールドノズル以外の溶接条件や測定内容は実験例１と同様とした。また、グラフには、シールドガス５の流量を３０Ｌ／ｍｉｎ（＝５．０×１０^５ｍｍ^３／ｓｅｃ）に変更した場合の酸素濃度を併せて示す。

本例に用いた細径パイプは径３ｍｍの丸パイプであり、それを１０本連結したものを細径パイプ製シールドノズル１６とした。細径パイプ製シールドノズル１６を、水平方向から４５°傾けて開先２内の、開先２底部から３０ｍｍ上方の位置に挿入し、ガス噴出口の溶接部に近接する側の端部が溶接部の３０ｍｍ後方に位置するように配置した。

グラフに示すように、噴射されたシールドガス５は主に溶接部後方２０〜６０ｍｍの範囲、すなわち細径パイプ製シールドノズル１６の噴出口付近にしか到達しなかった。溶接部での酸素濃度は２〜４％であり、また、開先２底部の酸素濃度が０％になるのは噴出口付近のみであって、開先２底部の広範囲において十分なシールド雰囲気は形成されなかった。
［実験例２〜４］
実験例２〜４は、図１２にある通り、本発明においてシールドノズル４にワイヤ通路１１が形成されていない場合を示すためのものである。また、ワイヤ通路１１が形成されていない場合においての、エアノズル１２の有無による、開先２底部の酸素濃度の違いを示す。実験例１の溶接条件において、溶接ワイヤ１３の送給角度が４５°である場合を想定し、層流発生部９の層流放出面１０が厚板１表面と平行に、その５０ｍｍ上方に位置するように配置した。

実験例２は、ワイヤ通路１１が形成されておらず、レーザ通路８が貫通孔であり、エアノズル１２が設けられていない例である。実験例３は、ワイヤ通路１１が形成されておらず、レーザ通路８が貫通孔であり、レーザ通路８上方にエアノズル１２が設けられている例である。実験例４は、ワイヤ通路１１が形成されておらず、レーザ通路８がレーザ光３を透過する材質によって塞がれており、エアノズル１２が設けられていない例である。

シールドノズル４にワイヤ通路１１が形成されていない場合、シールドノズル４と溶接部との距離が遠くなるため、図１３内のグラフに示すように、開先２底部の溶接部近傍における酸素濃度は、エアノズル１２を用いない実験例２では４％以上であり、エアノズル１２を用いた実験例３においても２％以上となった。
［実験例５〜７］
実験例５〜７は、図１３にある通り、本発明におけるエアノズル１２の効果を示すためのものである。実験例１の溶接条件において、エアノズル１２を用いることによる効果を見やすくするため、シールドノズル４を母材表面の２０ｍｍ上方に配置して、シールドガス５の供給および酸素濃度の測定を行った。

実験例５は、ワイヤ通路１１が形成されており、レーザ通路８が貫通孔であり、エアノズル１２が設けられてない例である。実験例６は、ワイヤ通路１１が形成されており、レーザ通路８が貫通孔であり、レーザ通路８上方にエアノズル１２が設けられている例である。実験例７は、ワイヤ通路１１が形成されており、レーザ通路８がレーザ光３を透過する材質によって塞がれており、エアノズル１２が設けられていない例である。

図１４内のグラフに示すように、エアノズル１２を用いることにより、開先２底部の酸素濃度を低くし、高いシールド性が実現された。

本発明は、厚板の突合せ継手その他の継手に対する狭開先溶接において利用することができ、また、極めて狭い開先における溶接にも利用できる。さらに、以上に説明したようなレーザ溶接のみではなく、レーザを用いないアーク溶接等の狭開先溶接においても利用可能性がある。

１ 厚板
２ 開先
３ レーザ光
４ シールドノズル
５ シールドガス
６ シールドガス供給口
７ ケース
８ レーザ通路
９ 層流発生部
１０ 層流放出面
１１ ワイヤ通路
１２ エアノズル
１３ 溶接ワイヤ
１４ 溶融ビード
１５ 太径パイプ製シールドノズル
１６ 細径パイプ製シールドノズル

Claims (7)

1. 厚板狭開先レーザ溶接に用いられるガスシールドノズルであって、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置され、レーザ光が通過するレーザ通路と、シールドガスを開先外部から溶接部に層流の状態で供給する層流発生部とを有することを特徴とするシールドノズル。
2. 溶接部に溶接ワイヤを供給する際に溶接ワイヤを挿通させることができるワイヤ通路をさらに有する、請求項１記載のシールドノズル。
3. 前記レーザ通路および／または前記ワイヤ通路からレーザ光源側に離れた位置に、圧縮空気の噴射により開先部への外気の流入および／または開先部からのシールドガスの漏出を防ぐエアノズルをさらに有する、請求項１または２記載のシールドノズル。
4. 前記層流発生部が、溶接部に対向する層流放出面を有し、前記層流放出面から開先底部までの距離をＨ、溶接送り速度をＶ_ｗ、ガス流速をＶ_ｇ、溶接完了部の酸化が抑制される温度まで冷却される時間をｔとしたとき、前記層流放出面のレーザ通路の中心より溶接進行方向前方の長さＬ_１および溶接進行方向後方の長さＬ_２が次式を満たすことを特徴とする、請求項１〜３いずれかに記載のシールドノズル。
   Ｌ_１≧Ｈ×Ｖ_ｗ／Ｖ_ｇ −式（１）
   Ｌ_２≧Ｖ_ｗ×ｔ −式（２）
5. 前記層流発生部が、シールドガスの通過可能な多孔焼結体からなることを特徴とする、請求項１〜４いずれかに記載のシールドノズル。
6. 厚板狭開先レーザ溶接に用いられるガスシールド方法であって、レーザ光が通過するレーザ通路を有するとともにシールドガスを放出することができるシールドノズルを、レーザ光源と溶接部との間に、開先部における溶接部を覆うように配置し、前記シールドノズルを用いて、シールドガスを開先外部から溶接部に層流の状態で供給することを特徴とするシールド方法。
7. 前記シールドノズルとして、溶接部に対向する層流放出面を有するシールドノズルを用い、前記層流放出面のレーザ通路の中心より溶接進行方向前方の長さをＬ_１、溶接進行方向後方の長さをＬ_２、前記層流放出面から開先底部までの距離をＨ、溶接完了部の酸化が抑制される温度まで冷却される時間をｔとしたとき、溶接送り速度Ｖ_ｗおよびガス流速Ｖ_ｇについて次式の条件設定を行うことを特徴とする、請求項６記載のシールド方法。
   Ｖ_ｇ≧Ｈ×Ｖ_ｗ／Ｌ_１ −式（３）
   Ｖ_ｗ≦Ｌ_２／ｔ −式（４）
   

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