JP2018023986A - Laser welding device and laser welding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に関するものである。 The present invention relates to a laser welding apparatus and a laser welding method.
上記したレーザ光を用いたレーザ溶接において、被溶接物のレーザ光照射部分で生じる高濃度のヒューム(金属蒸気)やスパッタ(金属溶滴)によりレーザ光が遮られて、被溶接物に到達するエネルギー量が少ない場合には、被溶接物のレーザ光照射部分に生じるキーホールがその内部にヒュームを残したまま塞がれてポロシティ(気泡)となって残留してしまう。 In the laser welding using the laser beam described above, the laser beam is blocked by high-concentration fumes (metal vapor) or spatter (metal droplets) generated at the laser beam irradiation portion of the workpiece, and reaches the workpiece. When the amount of energy is small, the keyhole generated in the laser beam irradiated portion of the work piece is closed with fume left inside and remains as porosity (bubbles).
このポロシティは、例えば、インロー継手に対して行う周溶接のような非貫通レーザ溶接の場合に多く発生することが知られており、従来、ポロシティの発生を防止するための手段として、負圧環境下でレーザ溶接を行うレーザ溶接装置が考案されている(例えば、特許文献1参照)。 This porosity is known to occur frequently in the case of non-penetrating laser welding such as circumferential welding performed on an inlay joint. Conventionally, as a means for preventing the occurrence of porosity, a negative pressure environment is used. There has been devised a laser welding apparatus for performing laser welding below (see, for example, Patent Document 1).
このレーザ溶接装置は、レーザヘッドの下方に、被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせる負圧環境発生機構を配置した構成を成しており、この負圧環境発生機構は、レーザヘッドから照射されるレーザ光を横切る方向に窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスを噴射するノズルと、レーザ光を挟んでノズルと対峙してレーザ光を横切った不活性ガスを導入して拡散させるディフューザを具備している。 This laser welding apparatus has a configuration in which a negative pressure environment generation mechanism that generates a negative pressure environment in a laser beam irradiation portion of an object to be welded is disposed below the laser head. A nozzle that injects an inert gas such as nitrogen gas or argon gas in a direction that crosses the laser beam emitted from the laser head, and an inert gas that crosses the laser beam across the nozzle with the laser beam interposed therebetween. It has a diffuser that diffuses.
上記したレーザ溶接装置では、被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせる負圧環境発生機構を配置しているので、この負圧環境発生機構を使用しない場合と比較して、ポロシティの発生を大幅に抑えることができるものの、溶接品質の観点からは満足できるとまでは言えない状況である。 In the laser welding apparatus described above, a negative pressure environment generating mechanism that generates a negative pressure environment is disposed in the laser light irradiation portion of the work piece, so that the porosity is lower than when the negative pressure environment generating mechanism is not used. Although it is possible to greatly suppress the occurrence of the above, it cannot be said that it is satisfactory from the viewpoint of welding quality.
そこで、上記したレーザ溶接装置において、例えば、不活性ガスの供給源としてアキュムレータを使用することで、被溶接物のレーザ光照射部分の圧力を下げて優れた負圧環境を作り出すことも考えられるが、装置構成が複雑化すると共に装置コストが上昇してしまうという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっている。 Therefore, in the laser welding apparatus described above, for example, it may be possible to create an excellent negative pressure environment by lowering the pressure of the laser light irradiated portion of the workpiece to be welded by using an accumulator as an inert gas supply source. However, there is a problem that the apparatus configuration becomes complicated and the apparatus cost increases, and it has been a conventional problem to solve these problems.
本発明は、上記したような従来の課題を解決するためになされたもので、装置構成のシンプル化及び低コスト化を実現したうえで、ポロシティの発生を少なく抑えることが可能なレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems. A laser welding apparatus capable of suppressing the generation of porosity while realizing a simplified apparatus configuration and cost reduction, and The object is to provide a laser welding method.
本発明の第1の態様は、レーザ光を照射するレーザヘッドを備えたレーザ溶接装置であって、前記レーザヘッドから被溶接物に照射されるレーザ光を横切る方向にガスを噴射するノズル、及び、前記ノズルと前記レーザ光を挟んで対峙して該ノズルから噴射されて前記レーザ光を横切ったガスを導入するディフューザを具備した負圧環境発生部を備えたレーザ溶接装置において、前記負圧環境発生部の前記ディフューザのガス排出側には、該ディフューザから排出された前記ガスの圧力を下げる付加負圧部を備えている構成としている。 A first aspect of the present invention is a laser welding apparatus including a laser head that irradiates laser light, a nozzle that injects gas in a direction across the laser light irradiated from the laser head to an object to be welded, and In the laser welding apparatus comprising a negative pressure environment generating section provided with a diffuser that introduces a gas that is jetted from the nozzle and opposed to the laser beam across the laser beam, the negative pressure environment On the gas discharge side of the diffuser of the generating section, an additional negative pressure section for reducing the pressure of the gas discharged from the diffuser is provided.
また、本発明の第2の態様において、前記付加負圧部は、付加ガスを噴射する付加ノズル、及び、該付加ノズルから噴射された付加ガスとともに前記負圧環境発生部の前記ディフューザから排出された前記ガスを導入する付加ディフューザを具備している構成としている。 In the second aspect of the present invention, the additional negative pressure section is discharged from the diffuser of the negative pressure environment generating section together with the additional nozzle for injecting additional gas and the additional gas injected from the additional nozzle. In addition, an additional diffuser for introducing the gas is provided.
さらに、本発明の第3の態様は、前記負圧環境発生部における前記ノズルのガス噴射量及び前記付加負圧部における前記付加ノズルの付加ガス噴射量を個別に調整する制御部を備えている構成としている。 Furthermore, the third aspect of the present invention includes a control unit that individually adjusts the gas injection amount of the nozzle in the negative pressure environment generation unit and the additional gas injection amount of the additional nozzle in the additional negative pressure unit. It is configured.
さらにまた、本発明の第4の態様は、前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を覆うと共に前記被溶接物を収容する容器を備え、前記容器に前記負圧環境発生部の前記ノズル及び前記ディフューザが固定されている構成としている。 Furthermore, a fourth aspect of the present invention includes a container that covers the laser beam irradiated from the laser head and accommodates the workpiece, and the nozzle and the diffuser of the negative pressure environment generation unit are provided in the container. Is configured to be fixed.
さらにまた、本発明の第5の態様は、前記容器内に不活性ガスが充填されている構成としている。 Furthermore, the fifth aspect of the present invention is configured such that the container is filled with an inert gas.
さらにまた、本発明の第6の態様において、前記付加負圧部は、前記負圧環境発生部の前記ディフューザから排出された前記ガスが導入される真空ポンプである構成としている。 Furthermore, in the sixth aspect of the present invention, the additional negative pressure section is a vacuum pump into which the gas discharged from the diffuser of the negative pressure environment generation section is introduced.
一方、本発明の第7の態様は、レーザヘッドから被溶接物にレーザ光を照射して溶接を行うに際して、前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を挟んでノズル及びディフューザを対峙させ、前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を横切る方向に前記ノズルからガスを噴射すると共に前記レーザ光を横切った前記ガスを前記ディフューザに導入して前記被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせ、前記ディフューザから排出された前記ガスの圧力をさげる付加負圧部を前記ディフューザのガス排出側に配置して、前記ディフューザから排出された前記ガスの圧力を前記付加負圧部によりさらに下げつつ溶接を行う構成としている。 On the other hand, according to the seventh aspect of the present invention, when welding is performed by irradiating a workpiece with a laser beam from a laser head, a nozzle and a diffuser are opposed to each other with the laser beam irradiated from the laser head interposed therebetween. A gas is jetted from the nozzle in a direction crossing the laser beam irradiated from the head, and the gas crossing the laser beam is introduced into the diffuser to create a negative pressure environment in the laser beam irradiated portion of the workpiece. An additional negative pressure portion for reducing the pressure of the gas discharged from the diffuser is disposed on the gas discharge side of the diffuser, and welding is performed while further reducing the pressure of the gas discharged from the diffuser by the additional negative pressure portion. It is set as the structure which performs.
本発明に係るレーザ溶接装置では、装置構成のシンプル化及び低コスト化を実現しつつ、ポロシティの発生を減らすことができるという非常に優れた効果がもたらされる。 The laser welding apparatus according to the present invention has a very excellent effect that the generation of porosity can be reduced while realizing simplification of the apparatus configuration and cost reduction.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1及び図2は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置を示しており、この実施形態では、本発明に係るレーザ溶接装置を一対のシャフト間のインロー継手における周溶接に用いた場合を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 show a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, the laser welding apparatus according to the present invention is used for circumferential welding at an inlay joint between a pair of shafts. Is shown.
図1に示すように、このレーザ溶接装置1は、レーザ発振器2と、光学系を内蔵してレーザ発振器2から光ファイバ3を介して供給されるレーザ光Lを集光して一対のシャフトWn,Ws間のインロー継手Waに照射するレーザヘッド4と、溶接速度,レーザ出力及びスポット径をコントロールする制御部5を備えており、この実施形態では、レーザ光Lの焦点LAがインロー継手Waの表面上に位置するように設定されている。
As shown in FIG. 1, the laser welding apparatus 1 includes a
また、このレーザ溶接装置1は、一対のシャフトWn,Wsのレーザ光照射部分、すなわち、レーザ光Lの焦点LA付近に負圧環境を生じさせる負圧環境発生部10を備えている。
Further, the laser welding apparatus 1 includes a negative pressure
この負圧環境発生部10は、レーザヘッド4から照射されるレーザ光Lを横切る方向に窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスGを高速で噴射するノズル11及びこのノズル11とレーザ光Lを挟んで対峙してノズル11から噴射されてレーザ光Lを横切った不活性ガスGを導入して拡散させるディフューザ12と、レーザヘッド4から照射されるレーザ光Lを覆って焦点LA付近の負圧環境を維持可能な被覆筒13aを有する容器13と、この容器13の被覆筒13aのレーザヘッド4側を覆う透明カバー14を具備しており、ノズル11及びディフューザ12はいずれも容器13の被覆筒13aに固定されている。
The negative pressure
この場合、容器13は、図外の駆動手段により回転する一対のシャフトWn,Wsを支持するシャフト支持筒13bを被覆筒13aと一体で有しており、透明カバー14と被覆筒13aの上端との間にOリング15を配置すると共に、シャフト支持筒13bと一対のシャフトWn,Wsとの間にもOリング16を配置することで、容器13の被覆筒13a内の負圧環境が保たれるようにしている。
In this case, the
さらに、このレーザ溶接装置1は、負圧環境発生部10のディフューザ12のガス排出側に配置した付加負圧部20を備えている。
The laser welding apparatus 1 further includes an additional
この付加負圧部20は、付加ガスGeを噴射する付加ノズル21と、この付加ノズル21から噴射された付加ガスGeとともに負圧環境発生部10のディフューザ12から排出された不活性ガスGを導入して合流ガスGMとして排出する付加ディフューザ22を具備している。
The additional
つまり、この付加負圧部20では、負圧環境発生部10のディフューザ12から排出された不活性ガスGの圧力をさらに下げることで、負圧環境発生部10により既に負圧環境にあるレーザ光照射部分をより減圧するようにしている。
That is, in this additional
この実施形態では、負圧環境発生部10のディフューザ12,付加ノズル21及び付加ディフューザ22をいずれも負圧環境が保たれる合流ボックス23で接続させており、付加ノズル21からの付加ガスGe及び負圧環境発生部10のディフューザ12からの不活性ガスGを合流させて付加ディフューザ22に導入する動作をこの合流ボックス23内で行うようにしている。
In this embodiment, the
また、この実施形態では、不活性ガスボンベ17から供給される負圧環境発生部10におけるノズル11の不活性ガス噴射量及び付加ガスボンベ18から供給される付加負圧部20における付加ノズル21の付加ガス噴射量を制御部5で個別に調整するようにしている。
Further, in this embodiment, the inert gas injection amount of the
ここで、負圧環境発生部10におけるノズル11及びディフューザ12の間隔を狭く設定すると、レーザ光Lの焦点LA付近に良好な負圧環境を形成できる反面、ノズル11及びディフューザ12の間を通して行う溶接状況の観察がし難くなり、一方、ノズル11及びディフューザ12の間隔を広く設定すると、溶接状況が観察し易くなるものの、レーザ光Lの焦点LA付近における減圧効果が減少する。
Here, if the interval between the
したがって、負圧環境発生部10におけるノズル11及びディフューザ12の間隔は、レーザ出力や、レーザ光Lの焦点LA付近に要求される負圧の大きさに応じて調整することとしている。
なお、溶接性を維持乃至向上させるために、負圧環境発生部10と同じ系統又は異なる系統を介して、容器13の被覆筒13a内に不活性ガスGを供給するようにしてもよい。
Therefore, the interval between the
In order to maintain or improve the weldability, the inert gas G may be supplied into the coated
本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法において、「負圧環境」とは、90kPa以下の圧力の雰囲気を指し、ノズルからの不活性ガスの噴射速度は、ノズル及びディフューザ間を90kPa以下の圧力雰囲気にし得る速度である。
そして、本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に用いられるレーザとしては、YAGレーザやCO2レーザやファイバーレーザやディスクレーザを挙げることができるが、これらのものに限定されない。
また、レーザ溶接装置によるレーザ溶接も周溶接に限定されない。
In the laser welding apparatus and laser welding method according to the present invention, the “negative pressure environment” refers to an atmosphere having a pressure of 90 kPa or less, and the injection speed of the inert gas from the nozzle is a pressure of 90 kPa or less between the nozzle and the diffuser. It is the speed that can be made into the atmosphere.
Examples of the laser used in the laser welding apparatus and the laser welding method according to the present invention include a YAG laser, a CO 2 laser, a fiber laser, and a disk laser, but are not limited thereto.
Further, laser welding by a laser welding apparatus is not limited to circumferential welding.
次に、このレーザ溶接装置1によって、一対のシャフトWn,Ws間のインロー継手Waに周溶接を行って、一対のシャフトWn,Ws同士を接合する場合の要領を説明する。
まず、レーザヘッド4から照射されるレーザ光Lを挟んで対峙させた負圧環境発生部10のノズル11及びディフューザ12のうちのノズル11から、レーザ光Lを横切る方向に不活性ガスGを高速で噴射させると共に、レーザ光Lを横切った不活性ガスGをディフューザ12に導入する。
Next, the point in the case where the laser welding apparatus 1 performs circumferential welding on the spigot joint Wa between the pair of shafts Wn and Ws to join the pair of shafts Wn and Ws together will be described.
First, from the
これと同時に、付加負圧部20の付加ノズル21から付加ガスGeを高速で噴射させ、この付加ノズル21から噴射された付加ガスGeを負圧環境発生部10のディフューザ12から排出された不活性ガスGとともに付加ディフューザ22に導入して、合流ガスGMとして拡散させる。
At the same time, the additional gas Ge is injected from the
次いで、この状態で溶接を開始して、レーザ光Lを一対のシャフトWn,Ws間のインロー継手Waに照射しつつ、容器13のシャフト支持筒13bに支持された一対のシャフトWn,Wsを図外の駆動手段により回転させる。
Next, welding is started in this state, and the pair of shafts Wn and Ws supported by the
この一対のシャフトWn,Wsの回転により、図2に示すように、インロー継手Waには、非貫通状態で溶接金属Weが全周にわたって形成され、この間、レーザヘッド4からのレーザ光Lの照射によるインロー継手Waの部分の溶融蒸発により、インロー継手Waの部分にキーホールが形成されてその内部からヒュームが噴出する。 Due to the rotation of the pair of shafts Wn and Ws, as shown in FIG. 2, the weld metal We is formed over the entire circumference of the spigot joint Wa in a non-penetrating state. As a result of the melt evaporation of the portion of the spigot joint Wa due to the above, a keyhole is formed in the spigot joint Wa portion, and fumes are ejected from the inside.
しかしながら、負圧環境発生部10のノズル11及びディフューザ12間に不活性ガスGを増速して流すことで、一対のシャフトWn,Ws間のレーザ光照射部分、すなわち、レーザ光Lの焦点LA付近は負圧となっており、加えて、付加負圧部20の付加ノズル21からの付加ガスGeを負圧環境発生部10のディフューザ12から排出された不活性ガスGとともに付加ディフューザ22に導入して不活性ガスGの圧力をさらに下げているので、既に負圧環境にあるレーザ光Lの焦点LA付近はより減圧されることとなり、キーホールから噴出するヒュームはディフューザ12に確実に吸引され、この際、ヒュームとともにスパッタが噴出する場合もあるが、これもディフューザ12に吸引される。
However, by accelerating the inert gas G between the
このように、このレーザ溶接装置1では、キーホールで発生するヒュームやスパッタがレーザ光Lを遮ることなく負圧環境発生部10のディフューザ12に吸引されて除去されるので、ポロシティの発生が少なく抑えられることとなる。
As described above, in this laser welding apparatus 1, fumes and spatters generated in the keyhole are sucked and removed by the
また、このレーザ溶接装置1では、レーザ光照射部分の圧力を下げて優れた負圧環境を作り出すために、高価なアキュムレータなどを使用しないので、装置構成のシンプル化及び低コスト化を図ったうえで、ポロシティの発生を少なく抑え得ることとなる。 Further, in this laser welding apparatus 1, since an expensive accumulator is not used in order to create an excellent negative pressure environment by lowering the pressure of the laser light irradiation portion, the apparatus configuration is simplified and the cost is reduced. Therefore, the generation of porosity can be suppressed to a small extent.
そこで、このレーザ溶接装置1の負圧環境発生部10及び付加負圧部20のそれぞれに不活性ガスG及び付加ガスGeを流して、各々における圧力がそれぞれ0.8MPa,0.05MPaとなるようにして周溶接を行ったところ、レーザ光Lの焦点LA付近には0.02atmの負圧環境が形成された。
Therefore, the inert gas G and the additional gas Ge are allowed to flow through the negative pressure
比較のため、このレーザ溶接装置1の負圧環境発生部10のみに不活性ガスGを流して、その圧力が0.5MPaとなるようにして周溶接を行ったところ、レーザ光Lの焦点LA付近には0.16atmの負圧環境が形成された。
For comparison, when an inert gas G was allowed to flow only through the negative pressure
また、負圧環境発生部10及び付加負圧部20のそれぞれに不活性ガスG及び付加ガスGeを流した際のインロー継手Wa及び負圧環境発生部10だけに不活性ガスGを流した際のインロー継手Waのそれぞれに対してCT走査を行ったところ、図3(a),(b)に示すCT画像を得た。
Further, when the inert gas G is allowed to flow only through the spigot joint Wa and the negative pressure
比較のために行った負圧環境発生部10だけに不活性ガスGを流した状況では、レーザ光Lの焦点LA付近の負圧環境が0.16atmであり、図3(b)のCT画像から、少なからずポロシティPが発生していることが判る。
In the situation where the inert gas G is allowed to flow only to the negative pressure
これに対して、負圧環境発生部10及び付加負圧部20のそれぞれに不活性ガスG及び付加ガスGeを流した状況では、レーザ光Lの焦点LA付近の負圧環境が0.02atmであり、図3(a)のCT画像から、ポロシティPが僅かしか発生していないことが判り、したがって、このレーザ溶接装置1によれば、ポロシティPの発生が大幅に抑えられることが実証できた。
On the other hand, in a situation where the inert gas G and the additional gas Ge are caused to flow through the negative pressure
本発明に係るレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、他の構成として、例えば、図4に示すように、合流ボックス23に代えてY字状の合流管25を採用してもよい。この場合は、付加負圧部20の付加ノズル21から噴射された付加ガスGeと負圧環境発生部10のディフューザ12から排出された不活性ガスGとが合流する際の圧力損失を減らすことができる。
The configurations of the laser welding apparatus and the laser welding method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments. As another configuration, for example, as shown in FIG. A
また、他の構成として、例えば、図5に示すように、ディフューザ12のガス排出側に付加負圧部としての真空ポンプ30を配置してもよい。
As another configuration, for example, as shown in FIG. 5, a
さらに、他の構成として、付加負圧部20の後流側にさらに付加負圧部を付け足すことも可能である。
Furthermore, as another configuration, it is possible to add an additional negative pressure portion to the downstream side of the additional
1 レーザ溶接装置
4 レーザヘッド
5 制御部
10 負圧環境発生部
11 ノズル
12 ディフューザ
13 容器
13a 被覆筒(容器)
13b シャフト支持筒(容器)
20 付加負圧部
21 付加ノズル
22 付加ディフューザ
30 真空ポンプ
G 不活性ガス
Ge 付加ガス
L レーザ光
LA レーザ光の焦点
Wn,Ws シャフト(被溶接物)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
13b Shaft support tube (container)
20 Additional
Claims (7)
前記レーザヘッドから被溶接物に照射されるレーザ光を横切る方向にガスを噴射するノズル、及び、前記ノズルと前記レーザ光を挟んで対峙して該ノズルから噴射されて前記レーザ光を横切ったガスを導入するディフューザを具備した負圧環境発生部を備えたレーザ溶接装置において、
前記負圧環境発生部の前記ディフューザのガス排出側には、該ディフューザから排出された前記ガスの圧力を下げる付加負圧部を備えているレーザ溶接装置。 A laser welding apparatus including a laser head for irradiating laser light,
A nozzle that injects a gas in a direction across the laser beam irradiated from the laser head to the workpiece, and a gas that is injected from the nozzle opposite the nozzle and the laser beam across the laser beam In a laser welding apparatus provided with a negative pressure environment generator equipped with a diffuser for introducing
A laser welding apparatus comprising an additional negative pressure section for reducing the pressure of the gas discharged from the diffuser on the gas discharge side of the diffuser of the negative pressure environment generating section.
前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を挟んでノズル及びディフューザを対峙させ、
前記レーザヘッドから照射されるレーザ光を横切る方向に前記ノズルからガスを噴射すると共に前記レーザ光を横切った前記ガスを前記ディフューザに導入して前記被溶接物のレーザ光照射部分に負圧環境を生じさせ、
前記ディフューザから排出された前記ガスの圧力を下げる付加負圧部を前記ディフューザのガス排出側に配置して、
前記ディフューザから排出された前記ガスの圧力を前記付加負圧部によりさらに下げつつ溶接を行うレーザ溶接方法。 When performing welding by irradiating the workpiece with laser light from the laser head,
The nozzle and the diffuser are opposed to each other with the laser light emitted from the laser head interposed therebetween,
A gas is injected from the nozzle in a direction crossing the laser beam irradiated from the laser head, and the gas crossing the laser beam is introduced into the diffuser to create a negative pressure environment in the laser beam irradiation portion of the workpiece. Give rise to
An additional negative pressure part that lowers the pressure of the gas discharged from the diffuser is disposed on the gas discharge side of the diffuser,
A laser welding method for performing welding while further lowering the pressure of the gas discharged from the diffuser by the additional negative pressure portion.
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