JP2017209685A - 高エネルギービーム溶接方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高エネルギービーム溶接方法及びその装置において、上向き溶接時における接合部からの溶融金属の垂れ落ちを抑制して溶接品質の向上を図る。【解決手段】溶接ヘッド１１と部材Ｗ１，Ｗ２とを相対的に移動させながら、部材Ｗ１，Ｗ２における開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂに向けてレーザビームＬを上向き照射して溶接を行う高エネルギービーム溶接方法において、溶接係数ａ、開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂの表面張力γ、溶接ビード幅ＷＢ、部材Ｗ１，Ｗ２の密度ρ、重力加速度ｇとして下記数式により溶込み深さｈと溶接ビード幅ＷＢを設定するとき、ｈ≦ａ・γ／（ＷＢ・ρ・ｇ）溶接係数ａを０より大きく４．５以下に設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザビームなどの高エネルギービームを用いて部材を溶接により接合する高エネルギービーム溶接方法及びその装置に関するものである。

例えば、高エネルギービームとしてレーザビームを用いて２つの部材を溶接により接合する場合、２つの部材を互いの接合部が接触するように配置し、必要に応じて開先部を形成する。そして、レーザビームを集光した状態で接触する２つの部材の各接合部に照射することで、この接合部を溶融、凝固させて２つの部材を接合する。

ところで、板厚が数十ミリとなる厚い２つの板材を溶接により接合する場合、まず、互いの接合部が接触するように配置された２つの部材に対して、集光したレーザビームを上方から表面側の接合部に照射して溶接を行う。次に、表面側が溶接された２つの部材を反転させて裏面側を上方に向け、集光したレーザビームを上方から裏面側の接合部に照射して溶接を行う。このようにして板厚が数十ミリとなる厚い２つの板材を溶接により接合する。

このようなレーザビーム溶接方法としては、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。

特許第４２１９１７４号公報

ところで、板厚が数十ミリとなる厚い２つの板材は、重量物であり、溶接作業の途中で反転させることは容易ではなく、長時間を要してしまい、作業性が良くない。また、この厚い２つの板材が大型の部材であれば、更なる工数を要してしまう。そのため、レーザビームを上方から表面側の接合部に照射して溶接を行った後、２つの部材を反転させずに、レーザビームを下方から裏面側の接合部に照射して溶接を行うことが考えられる。ところが、２つの部材の接合部に向けて下方から上方に向けてレーザビームを照射して溶接を行う場合、接合部から溶融金属やスパッタが垂れ落ちてしまい、適正な溶接を行うことが困難となる。

本発明は上述した課題を解決するものであり、上向き溶接時における接合部からの溶融金属の垂れ落ちを抑制して溶接品質の向上を図る高エネルギービーム溶接方法及びその装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の高エネルギービーム溶接方法は、溶接ヘッドと溶接対象物とを相対的に移動させながら、前記溶接対象物における下部接合部に向けて高エネルギービームを上向き照射して溶接を行う高エネルギービーム溶接方法において、溶接係数ａ、前記下部接合部の表面張力γ、溶接ビード幅Ｗ_Ｂ、前記溶接対象物の密度ρ、重力加速度ｇとして下記数式
ｈ≦ａ・γ／（Ｗ_Ｂ・ρ・ｇ）
により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定するとき、溶接係数ａを０より大きく３．０以下に設定する、ことを特徴とするものである。

従って、溶接係数ａを３．０以下に設定した条件で溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定し、溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂが設定された数値となるように、溶接ヘッドと溶接対象物とを相対的に移動させながら、溶接対象物の下部接合部に向けて高エネルギービームを上向き照射して溶接を行う。そのため、高エネルギービームにより下部接合部が溶融するものの、この溶融金属の垂れ落ちが抑制され、適正な溶接ビードを形成することができる。その結果、上向き溶接時における接合部からの溶融金属の垂れ落ちを抑制して溶接品質を向上することができる。

本発明の高エネルギービーム溶接方法は、溶接ヘッドと溶接対象物とを相対的に移動させながら、前記溶接対象物における下部接合部の開先に向けて高エネルギービームを上向き照射して溶接を行う高エネルギービーム溶接方法において、溶接係数ａ、前記開先の表面張力γ、溶接ビード幅Ｗ_Ｂ、前記溶接対象物の密度ρ、重力加速度ｇとして下記数式
ｈ≦ａ・γ／（Ｗ_Ｂ・ρ・ｇ）
により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定するとき、溶接係数ａを０より大きく４．５以下に設定する、ことを特徴とするものである。

従って、溶接係数ａを４．５以下に設定した条件で溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定し、溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂが設定された数値となるように、溶接ヘッドと溶接対象物とを相対的に移動させながら、溶接対象物の下部接合部の開先に向けて高エネルギービームを上向き照射して溶接を行う。そのため、高エネルギービームにより下部接合部が溶融するものの、この溶融金属の垂れ落ちが抑制され、適正な溶接ビードを形成することができる。その結果、上向き溶接時における接合部からの溶融金属の垂れ落ちを抑制して溶接品質を向上することができる。

本発明の高エネルギービーム溶接方法では、前記数式により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定するとき、高エネルギービームによる入熱量として、高エネルギービームの出力または溶接速度を調整することを特徴としている。

従って、高エネルギービームの出力または溶接速度を調整することで、溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを最適値に設定することができる。

本発明の高エネルギービーム溶接方法では、前記溶接ヘッドの上方で高エネルギービームと交差する方向に保護用ガスを噴出することを特徴としている。

従って、溶接ヘッドの上方に保護用ガスを噴出することで、この保護用ガスにより溶接中に飛散する溶接スパッタが溶接ヘッドに付着することが抑制され、溶接ヘッドを保護することができる。

本発明の高エネルギービーム溶接方法では、前記溶接対象物の下方から前記溶接ビードに向けて酸化防止用ガスを噴出することを特徴としている。

従って、溶接ビードに向けて酸化防止用ガスを噴出することで、この酸化防止用ガスにより溶接ビードの酸化を抑制することができる。

本発明の高エネルギービーム溶接方法では、前記溶接対象物の下方で且つ溶接方向の下流側から前記下部接合部に向けてシールドガスを噴出することを特徴としている。

従って、下部接合部に向けてシールドガスを噴出することで、このシールドガスにより下部接合部をガスパージして溶接ヒュームを排出することができる。

また、本発明の高エネルギービーム溶接装置は、溶接対象物の下部接合部に向けて高エネルギービームを上向き照射する溶接ヘッドと、前記溶接ヘッドを溶接方向に沿って移動する駆動装置と、前記溶接ヘッドから照射される高エネルギービームの出力と前記駆動装置による前記溶接ヘッドの溶接速度を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記高エネルギービーム溶接方法を実施する、ことを特徴とするものである。

従って、溶接係数ａを適正値に設定した条件で溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定し、溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂが設定された数値となるように、制御装置は、駆動装置により溶接ヘッドを移動させながら、溶接対象物の下部接合部に向けて高エネルギービームを上向き照射して溶接を行う。そのため、高エネルギービームにより下部接合部が溶融するものの、この溶融金属の垂れ落ちが抑制され、適正な溶接ビードを形成することができる。その結果、上向き溶接時における接合部からの溶融金属の垂れ落ちを抑制して溶接品質を向上することができる。

本発明の高エネルギービーム溶接装置では、前記溶接ヘッドは、ガイド部材の下方に水平方向に沿って移動自在に吊下げ支持され、前記溶接対象物を前記ガイド部材の上方に支持可能であることを特徴としている。

従って、簡単な構成でガイド部材により溶接ヘッドを溶接対象物の下方で水平方向に沿って移動させることができ、適正な上向き溶接を実施することができる。

本発明の高エネルギービーム溶接装置では、前記溶接ヘッドは、水平方向に照射された高エネルギービームを鉛直方向に沿って反射する反射部材を有することを特徴としている。

従って、水平方向に沿って照射された高エネルギービームは、反射部材により鉛直方向の上方に向けて反射されることとなり、溶接ヘッドにおける鉛直方向の長さを短くすることができ、溶接領域の高さが低い狭隘部であっても、溶接ヘッドを移動自在に配置することができる。

本発明の高エネルギービーム溶接装置では、前記溶接ヘッドは、溶接方向に対して水平方向に所定角度だけ傾斜して配置されることを特徴としている。

従って、溶接ヘッドを水平方向に傾斜して配置することで、溶接ヘッドが溶接方向の前方側の水平方向へ突出することがなく、小型化することができる。

本発明の高エネルギービーム溶接装置では、前記溶接ヘッドによる高エネルギービームの上向き照射方向は、鉛直方向に対して所定角度だけ傾斜する方向に調整可能であることを特徴としている。

従って、各種の溶接条件に応じて、溶接ヘッドによる高エネルギービームの上向き照射方向を調整することで、上向き溶接時における接合部からの溶融金属の垂れ落ちを抑制して溶接品質を向上することができる。

本発明の高エネルギービーム溶接方法及びその装置によれば、溶接条件に応じて溶込み深さｈと、溶接ビード幅Ｗ_Ｂと、溶接係数ａを適正値に設定するので、上向き溶接時における接合部からの溶融金属の垂れ落ちを抑制して溶接品質を向上することができる。

図１は、第１実施形態の高エネルギービーム溶接装置を表す概略構成図である。 図２は、高エネルギービーム溶接装置を表す正面図である。 図３は、高エネルギービーム溶接装置を表す平面図である。 図４は、溶接前の部材接合箇所を表す断面図である。 図５は、溶接後の部材接合箇所を表す断面図である。 図６は、高エネルギービーム溶接状態を表す断面図である。 図７は、高エネルギービーム溶接状態を表す平面図である。 図８は、ビード幅に対する溶込み深さを表すグラフである。 図９は、第２実施形態の高エネルギービーム溶接装置を表す正面図である。 図１０は、高エネルギービーム溶接装置を表す平面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る高エネルギービーム溶接方法及びその装置の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の高エネルギービーム溶接装置を表す概略構成図、図２は、高エネルギービーム溶接装置を表す正面図、図３は、高エネルギービーム溶接装置を表す平面図、図４は、溶接前の部材接合箇所を表す断面図、図５は、溶接後の部材接合箇所を表す断面図である。

第１実施形態において、図２及び図３に示すように、高エネルギービーム溶接装置１０は、溶接ヘッド１１と、駆動装置１２と、ガイド部材１３と、取付台１４と、制御装置１５とを備えている。

ガイド部材１３は、水平方向に沿って配置されると共に、所定間隔を空けて平行に配置される一対のガイドレール２１により構成されている。駆動装置１２は、この一対のガイドレール２１の下方に水平方向に沿って移動自在に吊下げ支持されている。溶接ヘッド１１は、この駆動装置１２における溶接方向Ａの前方側（下流側）に装着されている。溶接ヘッド１１は、鉛直方向に沿って配置されており、本体部２２と、高エネルギービームとして高出力（例えば、３０ｋＷ以上）のレーザビームを伝送する伝送ケーブル２３と、レーザビームを照射するノズル部２４とから構成されている。

取付台１４は、ガイド部材１３の上部に配置され、一対のガイドレール２１の上方に水平方向に沿って延出する支持部２５を有し、溶接対象物としての部材Ｗ１，Ｗ２をガイドレール２１上に支持可能な複数の支持ロッド２６，２７が装着されている。そのため、部材Ｗ１，Ｗ２は、ガイドレール２１上に載置され、上面部が複数の支持ロッド２６，２７により支持される。また、部材Ｗ１，Ｗ２は、側面がガイドレール２１上に載置される補助支持ロッド２８により支持される。そして、このとき、部材Ｗ１，Ｗ２は、下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａが密着し、溶接ヘッド１１におけるノズル部２４の上方で溶接方向Ａに沿って位置決めされる。

制御装置１５は、溶接ヘッド１１と駆動装置１２を制御可能となっている。そのため、ガイド部材１３の上方に取付台１４により部材Ｗ１，Ｗ２が支持された状態で、制御装置１５は、溶接ヘッド１１と駆動装置１２を制御する。すると、駆動装置１２は、ガイドレール２１に沿って自走しながら、溶接ヘッド１１を溶接方向Ａに沿って移動し、溶接ヘッド１１は、部材Ｗ１，Ｗ２の下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａに向けてレーザビームＬを上向き照射する。このとき、制御装置１５は、溶接ヘッド１１から照射されるレーザビームＬの出力と、駆動装置１２による溶接ヘッド１１の溶接速度を調整する。

本実施形態にて、図４に示すように、部材Ｗ１，Ｗ２は、下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａにおける下部に開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂが形成されている。そのため、駆動装置１２により溶接ヘッド１１が溶接方向Ａに沿って移動し、溶接ヘッド１１から部材Ｗ１，Ｗ２の下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａに向けてレーザビームＬを上向き照射すると、下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａが溶融して凝固することで、開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂから所定深さの溶接ビードＢが形成され、部材Ｗ１，Ｗ２が接合される。

溶接ヘッド１１は、図１に示すように、レーザビームＬが溶接方向Ａの後方側（上流側）に向けて照射されるように、鉛直方向に対して所定角度だけ傾斜角度が設定されており、図示しない調整装置により溶接ヘッド１１を移動して傾斜角度を調整可能となっている。また、高エネルギービーム溶接装置１０は、光学系保護用ガス供給装置３１と、シールドボックス３２と、シールドガス供給装置３３とを備えている。

光学系保護用ガス供給装置３１は、溶接ヘッド１１の上側方に配置され、レーザビームＬと交差する方向に向けて保護用ガス（例えば、不活性ガスとしての窒素ガス）Ｇ１を噴出するものである。シールドボックス３２は、所定の位置に支持された部材Ｗ１，Ｗ２の下方に配置され、溶接ビードＢ（下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａ）に向けて酸化防止用ガス（例えば、不活性ガスとしての窒素ガス）Ｇ２を噴出するものである。シールドガス供給装置３３は、所定の位置に支持された部材Ｗ１，Ｗ２の下方で、且つ、溶接方向Ａの前方側（下流側）から溶融部Ｍ（下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａ）に向けてシールドガス（例えば、不活性ガスとしての窒素ガス）Ｇ３を噴出するものである。

そのため、溶接中に飛散するスラグや金属粒などの溶接スパッタは、保護用ガスＧ１により溶接ヘッド１１に付着することが抑制され、溶接ヘッド１１の光学系が保護される。また、溶接ビードＢは、酸化防止用ガスＧ２により下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａの溶接雰囲気部のガスパージが行われ、溶接ビードＢの酸化が抑制される。また、溶接中に発生する溶接ヒュームは、シールドガスＧ３により部材Ｗ１，Ｗ２の開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂがガスパージされて排出される。

ところで、板厚が数十ミリ（例えば、３０ｍｍ以上）である板材を上向き溶接する場合、重力により溶融金属が溶接部に付着せずに垂れ落ちてしまうことが考えられる。そのため、本実施形態では、板厚の厚い板材を上向き溶接しても、重力により溶融金属が溶接部から垂れ落ちずに適正な溶接ビードを形成することができる溶接条件を設定した。

本実施形態の高エネルギービーム溶接方法は、図１に示すように、溶接ヘッド１１を部材Ｗ１，Ｗ２に対して移動させながら、部材Ｗ１，Ｗ２における下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａの開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂに向けてレーザビームＬを上向き照射して溶接を行うとき、溶接係数ａ、下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａの表面張力γ、溶接ビード幅Ｗ_Ｂ、部材Ｗ１，Ｗ２の密度ρ、重力加速度ｇとし、下記数式により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定する。
ｈ≦ａ・γ／（Ｗ_Ｂ・ρ・ｇ）
このとき、溶接係数ａを０より大きく４．５以下に設定する。

また、本実施形態の高エネルギービーム溶接方法は、溶接ヘッド１１を部材Ｗ１，Ｗ２に対して移動させながら、部材Ｗ１，Ｗ２における下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａ（開先なし）に向けてレーザビームＬを上向き照射して溶接を行うとき、溶接係数ａ、下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａの表面張力γ、溶接ビード幅Ｗ_Ｂ、部材Ｗ１，Ｗ２の密度ρ、重力加速度ｇとし、下記数式により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定する。
ｈ≦ａ・γ／（Ｗ_Ｂ・ρ・ｇ）
このとき、溶接係数ａを０より大きく３．０以下に設定する。

そして、溶接係数ａを適正範囲に設定し、数式により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定するとき、レーザビームＬによる入熱量として、レーザビームＬの出力または溶接速度を調整する。また、溶接係数ａを適正範囲に設定し、数式により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定するとき、各種の溶接条件に応じて、レーザビームＬの焦点位置、溶接ヘッド１１の傾斜角度や溶接姿勢などを調整してもよい。例えば、溶融池の形状を円錐と推定して、体積＝底辺の面積（直径φＷ_Ｂ）×深さ×１／３の金属を溶融するのに必要な下式の熱量以上をレーザビームにて供給する。
レーザビームによる入熱量＝各材料の比熱×体積×（融点-室温）＋融解熱（潜熱）

図６は、高エネルギービーム溶接状態を表す断面図、図７は、高エネルギービーム溶接状態を表す平面図、図８は、ビード幅に対する溶込み深さを表すグラフである。

図６及び図７に示すように、溶接ヘッド１１が部材Ｗ１，Ｗ２に対して溶接方向Ａに沿って移動しながら、下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａの開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂに向けてレーザビームＬを上向き照射する。すると、開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂは、レーザビームＬにより下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａに沿って母材（部材Ｗ１，Ｗ２）が溶融して溶融金属Ｍとなり、この溶融金属Ｍが凝固して溶接ビードＢが形成される。このときの開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂからの溶接ビードＢの高さが溶込み深さｈであり、開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂの下方から見た溶接ビードＢの幅が溶接ビード幅Ｗ_Ｂである。

図８は、ビード幅Ｗ_Ｂに対する溶込み深さｈを表すグラフであり、溶接係数ａを変化させたときの溶接金属Ｍの垂れ落ち限界を表したものである。一点鎖線で表したものは、部材Ｗ１，Ｗ２の下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａに開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂを形成しないで溶接を実施したときの溶接金属Ｍの垂れ落ち限界であり、前述した数式にて、溶接係数ａ＝３．０であった。また、実線で表したものは、部材Ｗ１，Ｗ２の下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａに開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂを形成して溶接を実施したときの溶接金属Ｍの垂れ落ち限界であり、前述した数式にて、溶接係数ａ＝４．５であった。

即ち、部材Ｗ１，Ｗ２の下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａに開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂを形成しないで溶接を実施するとき、下記数式を満足する溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定すればよい。
ｈ≦３γ／（Ｗ_Ｂ・ρ・ｇ）
また、部材Ｗ１，Ｗ２の下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａに開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂを形成して溶接を実施するとき、下記数式を満足する溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定すればよい。
ｈ≦４．５γ／（Ｗ_Ｂ・ρ・ｇ）

そして、上述した数式を満足する溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定するとき、部材Ｗ１，Ｗ２に対するレーザビームＬによる入熱量として、レーザビームＬの出力または溶接速度を調整することが好ましい。

このように第１実施形態の高エネルギービーム溶接方法にあっては、溶接ヘッド１１と部材Ｗ１，Ｗ２とを相対的に移動させながら、部材Ｗ１，Ｗ２における下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａに向けてレーザビームＬを上向き照射して溶接を行う高エネルギービーム溶接方法において、溶接係数ａ、下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａの表面張力γ、溶接ビード幅Ｗ_Ｂ、部材Ｗ１，Ｗ２の密度ρ、重力加速度ｇとして下記数式により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定するとき、
ｈ≦ａ・γ／（Ｗ_Ｂ・ρ・ｇ）
溶接係数ａを０より大きく３．０以下に設定するものである。

また、溶接ヘッド１１と部材Ｗ１，Ｗ２とを相対的に移動させながら、部材Ｗ１，Ｗ２における開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂに向けてレーザビームＬを上向き照射して溶接を行う高エネルギービーム溶接方法において、溶接係数ａ、開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂの表面張力γ、溶接ビード幅Ｗ_Ｂ、部材Ｗ１，Ｗ２の密度ρ、重力加速度ｇとして下記数式により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定するとき、
ｈ≦ａ・γ／（Ｗ_Ｂ・ρ・ｇ）
溶接係数ａを０より大きく４．５以下に設定するものである。

従って、溶接係数ａを３．０または４．５以下に設定した条件で溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定し、溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂが設定された数値となるように、溶接ヘッド１１と部材Ｗ１，Ｗ２とを相対的に移動させながら、部材Ｗ１，Ｗ２の下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａまたは開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂに向けてレーザビームＬを上向き照射して溶接を行う。そのため、レーザビームＬにより下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａが溶融するものの、この溶融金属Ｍの垂れ落ちが抑制され、適正な溶接ビードＢを形成することができる。その結果、上向き溶接時における下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａからの溶融金属Ｍの垂れ落ちを抑制して溶接品質を向上することができる。

第１実施形態の高エネルギービーム溶接方法では、数式により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定するとき、レーザビームＬによる入熱量として、レーザビームＬの出力または溶接速度を調整するようにしている。従って、溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを最適値に設定することができる。

第１実施形態の高エネルギービーム溶接方法では、溶接ヘッド１１の上方でレーザビームＬと交差する方向に保護用ガスＧ１を噴出するようにしている。従って、保護用ガスＧ１により溶接中に飛散する溶接スパッタが溶接ヘッド１１に付着することが抑制され、溶接ヘッド１１を保護することができる。

第１実施形態の高エネルギービーム溶接方法では、部材Ｗ１，Ｗ２の下方から溶接ビードＢに向けて酸化防止用ガスＧ２を噴出するようにしている。従って、酸化防止用ガスＧ２により溶接ビードＢの酸化を抑制することができる。

第１実施形態の高エネルギービーム溶接方法では、部材Ｗ１，Ｗ２の下方で且つ溶接方向Ａの下流側から下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａに向けてシールドガスＧ３を噴出するようにしている。従って、シールドガスＧ３により下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａをガスパージして溶接ヒュームを排出することができる。

また、第１実施形態の高エネルギービーム溶接装置にあっては、部材Ｗ１，Ｗ２の下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａに向けてレーザビームＬを上向き照射する溶接ヘッド１１と、溶接ヘッド１１を溶接方向Ａに沿って移動する駆動装置１２と、溶接ヘッド１１から照射されるレーザビームＬの出力と駆動装置１２による溶接ヘッド１１の溶接速度Ａを制御する制御装置１５とを備え、制御装置１５は、上述した高エネルギービーム溶接方法を実施するものである。

従って、レーザビームＬにより下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａが溶融するものの、この溶融金属Ｍの垂れ落ちが抑制され、適正な溶接ビードＢを形成することができる。その結果、上向き溶接時における下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａからの溶融金属Ｍの垂れ落ちを抑制して溶接品質を向上することができる。

第１実施形態の高エネルギービーム溶接装置では、溶接ヘッド１１は、ガイド部材１３の下方に水平方向に沿って移動自在に吊下げ支持され、部材Ｗ１，Ｗ２をガイド部材１３の上方に支持可能である。従って、簡単な構成でガイド部材１３により溶接ヘッド１１を部材Ｗ１，Ｗ２の下方で水平方向に沿って移動させることができ、適正な上向き溶接を実施することができる。

［第２実施形態］
図９は、第２実施形態の高エネルギービーム溶接装置を表す正面図、図１０は、高エネルギービーム溶接装置を表す平面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第２実施形態において、図９及び図１０に示すように、高エネルギービーム溶接装置４０は、溶接ヘッド４１と、駆動装置１２と、ガイド部材１３と、取付台１４と、制御装置１５とを備えている。

ガイド部材１３は、一対のガイドレール２１により構成され、駆動装置１２は、一対のガイドレール２１の下方に水平方向に沿って移動自在に吊下げ支持されている。溶接ヘッド４１は、この駆動装置１２における溶接方向Ａの前方側（下流側）に装着されている。溶接ヘッド４１は、水平方向から鉛直方向に向いてほぼ直角に屈曲して配置されており、本体部５１と、レーザビームＬを伝送する伝送ケーブル５２と、レーザビームＬを照射するノズル部５３と、本体部５１内に収容される反射部材５４とから構成されている。なお、溶接ヘッド４１は、鉛直方向に向いて配置されているものの、第１実施形態と同様に、レーザビームＬが溶接方向Ａの後方側（上流側）に向けて照射されるように傾斜角度を設定することが望ましい。

この反射部材５４は、反射鏡の表面に耐熱金属をコーティングすると共に、裏面に冷却部が設けられて構成される。伝送ケーブル５２から本体部５１内に水平方向に沿って照射されたレーザビームＬは、反射部材５４により鉛直方向の上方に向けて反射されてノズル部５３に送られる。そのため、溶接ヘッド４１における鉛直方向の長さを短くすることができ、部材Ｗ１，Ｗ２の下方の高さが低い狭隘部であっても、溶接ヘッド４１を移動自在に配置することができる。

また、溶接ヘッド４１は、駆動装置１２に固定された支持部材５５により溶接方向Ａに対してこの溶接方向Ａの後方側（上流側）の水平方向に向けて所定角度θだけ傾斜して配置されている。この所定角度θは、例えば、３０度から５０度（好ましくは、ほぼ４０度）である。溶接ヘッド４１を水平方向に傾斜して配置することで、溶接ヘッド４１が溶接方向Ａの前方側（下流側）の水平方向に突出することがない。高エネルギービーム溶接装置４０を遮へい容器内に収容して溶接を実施するとき、溶接方向Ａへの突出物をなくすことで、遮へい容器を小型化することができる。

制御装置１５は、溶接ヘッド４１と駆動装置１２を制御可能となっている。そのため、ガイド部材１３の上方に取付台１４により部材Ｗ１，Ｗ２が支持された状態で、制御装置１５は、溶接ヘッド４１と駆動装置１２を制御する。すると、駆動装置１２は、ガイドレール２１に沿って自走しながら、溶接ヘッド４１を溶接方向Ａに沿って移動し、溶接ヘッド４１は、部材Ｗ１，Ｗ２の下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａに向けてレーザビームＬを上向き照射する。すると、部材Ｗ１，Ｗ２は、下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａが溶融して凝固することで、図６及び図７に示すように、開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂから所定深さの溶接ビードＢが形成され、部材Ｗ１，Ｗ２が接合される。

また、第２実施形態の高エネルギービーム溶接方法は、溶接ヘッド４１を部材Ｗ１，Ｗ２に対して移動させながら、部材Ｗ１，Ｗ２における下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａまたは開先Ｗ１ｂ，Ｗ２ｂに向けてレーザビームＬを上向き照射して溶接を行うとき、溶接係数ａ、下部接合部Ｗ１ａ，Ｗ２ａの表面張力γ、溶接ビード幅Ｗ_Ｂ、部材Ｗ１，Ｗ２の密度ρ、重力加速度ｇとし、下記数式により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定する。このとき、溶接係数ａを適正値に設定する。
ｈ≦ａ・γ／（Ｗ_Ｂ・ρ・ｇ）
詳細は、第１実施形態と同様であることから、説明は省略する。

このように第２実施形態の高エネルギービーム溶接装置にあっては、溶接ヘッド４１に水平方向に照射されたレーザビームＬを鉛直方向に沿って反射する反射部材５４を設けている。

従って、水平方向に沿って照射されたレーザビームＬは、反射部材５４により鉛直方向の上方に向けて反射されることとなり、溶接ヘッド４１における鉛直方向の長さを短くすることができ、溶接領域の高さが低い狭隘部であっても、溶接ヘッド４１を移動自在に配置することができる。

第２実施形態の高エネルギービーム溶接装置では、溶接ヘッド４１を溶接方向Ａに対して水平方向に所定角度だけ傾斜して配置している。従って、溶接ヘッド４１が溶接方向Ａの前方側の水平方向へ突出することがなく、小型化することができる。

なお、上述した実施形態では、溶接対象物としての部材Ｗ１，Ｗ２を固定し、溶接ヘッド１１，４１を移動するように構成したが、部材Ｗ１，Ｗ２を移動するように構成してもよい。

１０ 高エネルギービーム溶接装置
１１，４１ 溶接ヘッド
１２ 駆動装置
１３ ガイド部材
１４ 取付台
１５ 制御装置
２１ ガイドレール
３１ 光学系保護用ガス供給装置
３２ シールドボックス
３３ シールドガス供給装置

Claims (11)

1. 溶接ヘッドと溶接対象物とを相対的に移動させながら、前記溶接対象物における下部接合部に向けて高エネルギービームを上向き照射して溶接を行う高エネルギービーム溶接方法において、
   溶接係数ａ、前記下部接合部の表面張力γ、溶接ビード幅Ｗ_Ｂ、前記溶接対象物の密度ρ、重力加速度ｇとして下記数式
   ｈ≦ａ・γ／（Ｗ_Ｂ・ρ・ｇ）
   により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定するとき、
   溶接係数ａを０より大きく３．０以下に設定する、
   ことを特徴とする高エネルギービーム溶接方法。
2. 溶接ヘッドと溶接対象物とを相対的に移動させながら、前記溶接対象物における下部接合部の開先に向けて高エネルギービームを上向き照射して溶接を行う高エネルギービーム溶接方法において、
   溶接係数ａ、前記開先の表面張力γ、溶接ビード幅Ｗ_Ｂ、前記溶接対象物の密度ρ、重力加速度ｇとして下記数式
   ｈ≦ａ・γ／（Ｗ_Ｂ・ρ・ｇ）
   により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定するとき、
   溶接係数ａを０より大きく４．５以下に設定する、
   ことを特徴とする高エネルギービーム溶接方法。
3. 前記数式により溶込み深さｈと溶接ビード幅Ｗ_Ｂを設定するとき、高エネルギービームによる入熱量として、高エネルギービームの出力または溶接速度を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高エネルギービーム溶接方法。
4. 前記溶接ヘッドの上方で高エネルギービームと交差する方向に保護用ガスを噴出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の高エネルギービーム溶接方法。
5. 前記溶接対象物の下方から前記溶接ビードに向けて酸化防止用ガスを噴出することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の高エネルギービーム溶接方法。
6. 前記溶接対象物の下方で且つ溶接方向の下流側から前記下部接合部に向けてシールドガスを噴出することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の高エネルギービーム溶接方法。
7. 溶接対象物の下部接合部に向けて高エネルギービームを上向き照射する溶接ヘッドと、
   前記溶接ヘッドを溶接方向に沿って移動する駆動装置と、
   前記溶接ヘッドから照射される高エネルギービームの出力と前記駆動装置による前記溶接ヘッドの溶接速度を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、請求項１から請求項６のいずれか一項の高エネルギービーム溶接方法を実施する、
   ことを特徴とする高エネルギービーム溶接装置。
8. 前記溶接ヘッドは、ガイド部材の下方に水平方向に沿って移動自在に吊下げ支持され、前記溶接対象物を前記ガイド部材の上方に支持可能であることを特徴とする請求項７に記載の高エネルギービーム溶接装置。
9. 前記溶接ヘッドは、水平方向に照射された高エネルギービームを鉛直方向に沿って反射する反射部材を有することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の高エネルギービーム溶接装置。
10. 前記溶接ヘッドは、溶接方向に対して水平方向に所定角度だけ傾斜して配置されることを特徴とする請求項９に記載の高エネルギービーム溶接装置。
11. 前記溶接ヘッドによる高エネルギービームの上向き照射方向は、鉛直方向に対して所定角度だけ傾斜する方向に調整可能であることを特徴とする請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の高エネルギービーム溶接装置。

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