JP2018171623A - 溶接装置および溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウムのレーザ溶接において溶接部に溶接割れが発生するのを抑制すること。【解決手段】加工対象にレーザ光を照射掃引して当該加工対象を溶融および再凝固させる溶接装置であって、前記加工対象に照射するためのレーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器と前記加工対象との間に配置され、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、前記主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するプロファイルを形成するビームシェイパと、を備えることを特徴とする溶接装置。【選択図】図１

Description

本発明は、溶接装置および溶接方法に関する。

金属材料を溶接する手法の一つとして、レーザ溶接が知られている。レーザ溶接とは、レーザ光を加工対象の溶接部分に照射し、レーザ光のエネルギーで溶接部分を溶融させる溶接方法である。レーザ光が照射された溶接部分には、溶融池と呼ばれる溶融した金属材料の液溜りが形成され、その後、溶融池の金属材料が固まることによって溶接が行われる。

ところで、溶接欠陥の一つに「溶接割れ」と呼ばれる欠陥がある。この溶接割れには、その原因が各種知られているが、アルミニウムまたはその合金のレーザ溶接においては、溶接部の急冷により割れが発生しやすいということが知られている。そこで、アルミニウムまたはその合金のレーザ溶接では、光路中にクサビプリズムを挿入することでレーザ光を分岐させ、溶接部の溶融と徐冷を合わせて行う手法も知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平９−１９７８５号公報

しかしながら、光路中にクサビプリズムを挿入する場合、その端部でレーザ光の損失が発生してしまうという問題がある。また、溶接割れを抑制するには、適切な箇所に適切な強さのレーザ光を照射して徐冷する必要があるが、光路中にクサビプリズムを挿入しただけでは、レーザ光を分岐するに留まり、分岐されたレーザ光の照射位置までは自由に設計することはできないという問題があり、溶接割れを抑制するのに適切なレーザ光の分岐を実現することができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、アルミニウムのレーザ溶接において溶接部に溶接割れが発生するのを抑制することができる溶接装置および溶接方法を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る溶接装置は、加工対象にレーザ光を照射掃引して当該加工対象を溶融および再凝固させる溶接装置であって、前記加工対象に照射するためのレーザ光を発振するレーザ発振器と、前記レーザ発振器と前記加工対象との間に配置され、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、前記主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するプロファイルを成型するビームシェイパと、を備える、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接装置は、前記副ピークの照射領域は、前記主ピークの照射によって形成された溶融池の固液境界部である、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接装置は、前記副ピークの照射領域は、前記溶融池と前記溶融池が再凝固したビードとの間の固液境界部である、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接装置は、前記副ピークの照射領域は、前記ビードを横断する大きさである、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接装置は、前記副ピークの照射領域は、前記ビードを横断する方向の長さが前記掃引方向よりも長い形状である、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接装置は、前記副ピークの照射領域は、前記溶融池と前記ビードとの間の固液境界部を全て覆う領域である、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接方法は、加工対象にレーザ光を照射掃引して当該加工対象を溶融および再凝固させる溶接方法であって、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、前記主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するように、前記レーザ光のプロファイルを成型し、前記主ピークの照射によって形成された溶融池の固液境界部に前記副ピークを照射する、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接方法は、前記副ピークの照射領域は、前記溶融池と前記溶融池が再凝固したビードとの間の固液境界部である、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接方法は、前記副ピークの照射領域は、前記ビードを横断する領域である、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接方法は、前記副ピークの照射領域は、前記ビードを横断する方向の範囲が前記掃引方向よりも長い領域である、ことを特徴とする。

また、本発明の一態様に係る溶接方法は、前記副ピークの照射領域は、前記溶融池と前記ビードとの間の固液境界部を全て覆う領域である、ことを特徴とする。

本発明に係る溶接装置および溶接方法は、アルミニウムのレーザ溶接において溶接部に溶接割れが発生するのを抑制することができるという効果を奏する。

図１は、第１実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。 図２は、加工対象上におけるレーザ光の照射領域の例を示す図である。 図３は、加工対象上におけるレーザ光の照射領域の例を示す図である。 図４は、加工対象上におけるレーザ光の照射領域の例を示す図である。 図５は、加工対象上におけるレーザ光の照射領域の例を示す図である。 図６は、第２実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。 図７は、第３実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る溶接装置および溶接方法を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図１に示すように、第１実施形態に係る溶接装置１００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射掃引して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例であり、ここでの加工対象Ｗは、アルミニウム（合金を含む、以下同じ。）を想定している。図１に示すように、溶接装置１００は、レーザ光を発振するレーザ発振器１１０と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド１２０と、レーザ発振器１１０で発振されたレーザ光を光学ヘッド１２０へ導く光ファイバ１３０とを備えている。

レーザ発振器１１０は、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成されている。例えば、レーザ発振器１１０は、内部に複数の半導体レーザ素子を備え、当該複数の半導体レーザ素子の合計の出力として数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成することとしてもよいし、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等様々なレーザを用いてもよい。

光学ヘッド１２０は、レーザ発振器１１０から導かれたレーザ光Ｌを、加工対象Ｗを溶融し得る強度のパワー密度に集光して、加工対象Ｗに照射するための光学装置である。そのために、光学ヘッド１２０は、内部にコリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２とを備えている。コリメートレンズ１２１は、光ファイバ１３０によって導かれたレーザ光を一旦平行光化するための光学系であり、集光レンズ１２２は、平行光化されたレーザ光を加工対象Ｗに集光させるための光学系である。

光学ヘッド１２０は、加工対象Ｗにおけるレーザ光Ｌの照射位置を掃引させるために、加工対象Ｗとの相対位置を変更可能に設けられている。加工対象Ｗとの相対位置を変更する方法としては、光学ヘッド１２０自身を移動することや、加工対象Ｗを移動することなどが含まれる。

第１実施形態に係る光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２との間にビームシェイパとしての回折光学素子１２３を備えている。回折光学素子１２３は、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するプロファイルを成型するためのものである。また、回折光学素子１２３は、回転可能に設ける構成とすることができる。また、交換可能に設ける構成とすることもできる。

加工対象Ｗに照射するレーザ光のプロファイルが、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有することの作用を、図２から図５を参照しながら以下で説明する。図２から図５は、加工対象上におけるレーザ光の照射領域の例を示す図である。

図２は、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するプロファイルのレーザ光の照射の例を示す模式図である。なお、図２において、レーザ光の掃引方向が図中矢印にて記されている。

図２に示すように、パワー密度が高い主ピークＰ１は加工対象に照射され、加工対象に溶融池ＷＰを形成する。そして、レーザ光が加工対象上を掃引されるにつれて、溶融池ＷＰが再凝固し、溶融池ＷＰの掃引方向後方にビードＢを形成する。一方、主ピークＰ１よりもパワー密度が低い副ピークＰ２は、主ピークＰ１よりも掃引方向後方に照射される。

より具体的には、図２に示すように、副ピークＰ２の照射領域は、主ピークＰ１の照射によって形成された溶融池ＷＰの固液境界部であることが好ましい。つまり、副ピークＰ２は、主ピークＰ１よりも掃引方向後方に照射されるので、副ピークＰ２は、溶融池ＷＰとビードＢとの間の固液境界部に照射されることになる。

副ピークＰ２を固液境界部に照射する作用は以下の通りである。アルミニウムの溶接割れは、大部分が高温割れという、凝固温度に近い温度での収縮応力に起因していると考えられている。したがって、アルミニウムにおける溶接割れを抑制するためには、凝固温度に近い温度における温度制御が重要である。そこで、本照射領域の例では、主ピークＰ１よりもパワー密度が低い副ピークＰ２を溶融池ＷＰの固液境界部に照射することにより、凝固温度に近い温度における徐冷を行い、溶接割れが発生するのを抑制している。

なお、図２に示すレーザ光の照射の例における各種パラメータは以下のとおりである。主ピークに割り当てられたレーザ光の出力は３ｋＷであり、副ビームに割り当てられたレーザ光の出力は４００Ｗである。これを速度６ｍ／ｍｉｎで掃引する。主ピークのスポット径は１８０μｍであり、副ピークは、主ピークの掃引方向後方２ｍｍの位置に、ビードの横断方向の幅が４．５ｍｍの領域に照射される。副ピークのパワー密度は、主ピークよりも低いというのは、溶融池が広がらない程度のパワー密度を照射して、固液境界部の徐冷を行うという趣旨である。なお、図２の記載からも明らかなように、副ピークは、必ずしも急峻な先頭値を有するものではなく、ある程度の範囲で一定値となるものや、複数のピークを連ねて実質的に連続的な領域でピークとなるものも含み得る。

さらに、本例の照射領域は、ビードＢを横断する大きさであり、その形状は、ビードＢを横断する方向の長さが掃引方向よりも長い。溶接割れは、ビードＢにおけるレーザ光の掃引方向に発生することが多く、このことは、ビードＢの横断方向に収縮応力が発生していることを意味している。したがって、本例では、ビードＢを横断する大きさでその方向に長い範囲を徐冷し、溶接割れが発生するのを抑制している。

図３は、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するプロファイルのレーザ光の照射の例を示す模式図である。なお、図３において、レーザ光の掃引方向が図中矢印にて記されている。

図３に示すように、パワー密度が高い主ピークＰ１は加工対象に照射され、加工対象に溶融池ＷＰを形成する。そして、レーザ光が加工対象上を掃引されるにつれて、溶融池ＷＰが再凝固し、溶融池ＷＰの掃引方向後方にビードＢを形成する。一方、主ピークＰ１よりもパワー密度が低い副ピークＰ２は、主ピークＰ１よりも掃引方向後方に照射される。

より具体的には、図３に示すように、副ピークＰ２の照射領域は、主ピークＰ１の照射によって形成された溶融池ＷＰと溶融池ＷＰが再凝固したビードＢとの間の固液境界部を全て覆う領域であることが好ましい。

先述したように、アルミニウムにおける溶接割れは、大部分が高温割れであるので、これを抑制するために、本例では、溶融池ＷＰとビードＢとの間の固液境界部を全て覆う領域で徐冷を行い、溶接割れが発生するのを抑制している。

図４は、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するプロファイルのレーザ光の照射のその他の例を示す模式図である。なお、図４において、レーザ光の掃引方向が図中矢印にて記されている。

図４に示すように、パワー密度が高い主ピークＰ１は加工対象に照射され、加工対象に溶融池ＷＰを形成する。そして、レーザ光が加工対象上を掃引されるにつれて、溶融池ＷＰが再凝固し、溶融池ＷＰの掃引方向後方にビードＢを形成する。一方、主ピークＰ１よりもパワー密度が低い副ピークＰ２は、主ピークＰ１よりも掃引方向後方に照射される。

本例では、図４に示すように、溶融池ＷＰとビードＢとビードＢでない領域Ｎとの３つの境界付近に副ピークＰ２を照射している。ビードＢは金属材料が一度溶融した後に再凝固したものであり、一方、ビードＢでない領域Ｎは再凝固しないので、応力が発生しやすい。そこで、本例では、３つの境界付近の徐冷を行い、溶接割れが発生するのを抑制している。プリズムを用いて副ピークを形成する従来例では、複数の副ピークを形成することは困難である。一方、回折光学素子を用いた場合、副ピークを有するレーザのスポットサイズおよび副ピークの個数において自由度が高いので固液境界部が広範囲にわたる場合でも照射可能となり、図４に示すような副ピークＰ２の照射ができ、従来例よりも高温割れに効果的である。

図５は、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するプロファイルのレーザ光の照射のその他の例を示す模式図である。なお、図５において、レーザ光の掃引方向が図中矢印にて記されている。

図５に示すように、パワー密度が高い主ピークＰ１は加工対象に照射され、加工対象に溶融池ＷＰを形成する。そして、レーザ光が加工対象上を掃引されるにつれて、溶融池ＷＰが再凝固し、溶融池ＷＰの掃引方向後方にビードＢを形成する。一方、主ピークＰ１よりもパワー密度が低い副ピークＰ２は、主ピークＰ１よりも掃引方向後方に照射される。

本例では、図５に示すように、ビードＢを横断する大きさであり、その形状は、ほぼ円形である。簡便には、副ピークＰ２を円形としても、ビードＢを横断する範囲を徐冷することができるので、溶接割れが発生するのを抑制する効果が得られる。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図６に示すように、第２実施形態に係る溶接装置２００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射掃引して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例であり、ここでの加工対象Ｗは、アルミニウムを想定している。第２実施形態に係る溶接装置２００は、第１実施形態に係る溶接装置と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものである。したがって、以下では、溶接装置２００の装置構成の説明のみを行う。

図６に示すように、溶接装置２００は、レーザ光を発振するレーザ発振器２１０と、レーザ光を加工対象Ｗに照射する光学ヘッド２２０と、レーザ発振器２１０で発振されたレーザ光を光学ヘッド２２０へ導く光ファイバ２３０とを備えている。

レーザ発振器２１０は、例えば数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成されている。例えば、レーザ発振器２１０は、内部に複数の半導体レーザ素子を備え、当該複数の半導体レーザ素子の合計の出力として数ｋＷの出力のマルチモードのレーザ光を発振し得るように構成することとしてもよいし、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ等様々なレーザを用いてもよい。

光学ヘッド２２０は、レーザ発振器２１０から導かれたレーザ光Ｌを、加工対象Ｗを溶融し得る強度のパワー密度に集光して、加工対象Ｗに照射するための光学装置である。そのために、光学ヘッド２２０は、内部にコリメートレンズ２２１と集光レンズ２２２とを備えている。コリメートレンズ２２１は、光ファイバ２３０によって導かれたレーザ光を一旦平行光化するための光学系であり、集光レンズ２２２は、平行光化されたレーザ光を加工対象Ｗに集光させるための光学系である。

光学ヘッド２２０は、集光レンズ２２２と加工対象Ｗとの間に、ガルバノスキャナを有している。ガルバノスキャナとは、２枚のミラー２２４ａ，２２４ｂの角度を制御することで、光学ヘッド２２０を移動させることなく、レーザ光Ｌの照射位置を移動させることができる装置である。図６に示される例では、集光レンズ２２２から出射したレーザ光Ｌをガルバノスキャナへ導くためにミラー２２６を備えている。また、ガルバノスキャナのミラー２２４ａ，２２４ｂは、それぞれモータ２２５ａ，２２５ｂによって角度が変更される。

第２実施形態に係る光学ヘッド２２０は、コリメートレンズ２２１と集光レンズ２２２との間にビームシェイパとしての回折光学素子２２３を備えている。回折光学素子２２３は、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するプロファイルを成型するためのものである。また、回折光学素子２２３は、回転可能に設ける構成とすることができる。また、交換可能に設ける構成とすることもできる。

第２実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するプロファイルのレーザ光を用い、副ピークを溶融池の固液境界部に照射することにより、凝固温度に近い温度における徐冷を行い、溶接割れが発生するのを抑制することが可能である。

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。図７に示すように、第３実施形態に係る溶接装置３００は、加工対象Ｗにレーザ光Ｌを照射掃引して加工対象Ｗを溶融させる装置の構成の一例であり、ここでの加工対象Ｗは、アルミニウムを想定している。第３実施形態に係る溶接装置３００は、第１実施形態に係る溶接装置と同様の作用原理によって溶接方法を実現するものであり、光学ヘッド３２０以外の構成（レーザ発振器３１０および光ファイバ３３０）は、第２実施形態と同様である。したがって、以下では、光学ヘッド３２０の装置構成の説明のみを行う。

光学ヘッド３２０は、レーザ発振器３１０から導かれたレーザ光Ｌを、加工対象Ｗを溶融し得る強度のパワー密度に集光して、加工対象Ｗに照射するための光学装置である。そのために、光学ヘッド３２０は、内部にコリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２とを備えている。コリメートレンズ３２１は、光ファイバ３３０によって導かれたレーザ光を一旦平行光化するための光学系であり、集光レンズ３２２は、平行光化されたレーザ光を加工対象Ｗに集光させるための光学系である。

光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２との間に、ガルバノスキャナを有している。ガルバノスキャナのミラー３２４ａ，３２４ｂは、それぞれモータ３２５ａ，３２５ｂによって角度が変更される。光学ヘッド３２０では、第２実施形態と異なる位置にガルバノスキャナを設けているが、同様に、２枚のミラー３２４ａ，３２４ｂの角度を制御することで、光学ヘッド３２０を移動させることなく、レーザ光Ｌの照射位置を移動させることができる。

第３実施形態に係る光学ヘッド３２０は、コリメートレンズ３２１と集光レンズ３２２との間にビームシェイパとしての回折光学素子３２３を備えている。回折光学素子３２３は、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するプロファイルを成型するためのものである。また、回折光学素子３２３は、回転可能に設ける構成とすることができる。また、交換可能に設ける構成とすることもできる。

第３実施形態に係る溶接装置およびこれを用いた溶接方法では、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するプロファイルのレーザ光を用い、副ピークを溶融池の固液境界部に照射することにより、凝固温度に近い温度における徐冷を行い、溶接割れが発生するのを抑制することが可能である。

以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明の範疇に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００，２００，３００ 溶接装置
１１０，２１０，３１０ レーザ発振器
１２０，２２０，３２０ 光学ヘッド
１２１，２２１，３２１ コリメートレンズ
１２２，２２２，３２２ 集光レンズ
１２３，２２３，３２３ 回折光学素子
２２４ａ，２２４ｂ，２２６，３２４ａ，３２４ｂ ミラー
２２５ａ，２２５ｂ，３２５ａ，３２５ｂ モータ
１３０，２３０，３３０ 光ファイバ

Claims (11)

1. 加工対象にレーザ光を照射掃引して当該加工対象を溶融および再凝固させる溶接装置であって、
   前記加工対象に照射するためのレーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器と前記加工対象との間に配置され、パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、前記主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するプロファイルを成型するビームシェイパと、を備える、
   ことを特徴とする溶接装置。
2. 前記副ピークの照射領域は、前記主ピークの照射によって形成された溶融池の固液境界部である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記副ピークの照射領域は、前記溶融池と前記溶融池が再凝固したビードとの間の固液境界部である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の溶接装置。
4. 前記副ピークの照射領域は、前記ビードを横断する大きさである、
   ことを特徴とする請求項３に記載の溶接装置。
5. 前記副ピークの照射領域は、前記ビードを横断する方向の長さが前記掃引方向よりも長い形状である、
   ことを特徴とする請求項４に記載の溶接装置。
6. 前記副ピークの照射領域は、前記溶融池と前記ビードとの間の固液境界部を全て覆う領域である、
   ことを特徴とする請求項５に記載の溶接装置。
7. 加工対象にレーザ光を照射掃引して当該加工対象を溶融および再凝固させる溶接方法であって、
   パワー密度が高い主ピークよりも掃引方向後方に、前記主ピークよりもパワー密度が低い副ピークを有するように、前記レーザ光のプロファイルを成型し、
   前記主ピークの照射によって形成された溶融池の固液境界部に前記副ピークを照射する、
   ことを特徴とする溶接方法。
8. 前記副ピークの照射領域は、前記溶融池と前記溶融池が再凝固したビードとの間の固液境界部である、
   ことを特徴とする請求項７に記載の溶接方法。
9. 前記副ピークの照射領域は、前記ビードを横断する領域である、
   ことを特徴とする請求項８に記載の溶接方法。
10. 前記副ピークの照射領域は、前記ビードを横断する方向の範囲が前記掃引方向よりも長い領域である、
    ことを特徴とする請求項９に記載の溶接方法。
11. 前記副ピークの照射領域は、前記溶融池と前記ビードとの間の固液境界部を全て覆う領域である、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の溶接方法。

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