JP2022135403A - Laser welding method and welding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、レーザ光を用いたレーザ溶接方法及び溶接装置に関する。 TECHNICAL FIELD Embodiments of the present invention relate to a laser welding method and welding apparatus using laser light.
レーザ溶接は局所加熱や高速性から、溶融池及びその周辺の温度変化が激しく、これに起因した気孔、スパッタ(粒状飛散物)、溶接割れ等の欠陥発生が問題となっている。特に、アルミニウム、マグネシウム、銅等の高熱伝導率で低粘性の溶接材料ではそれらの欠陥が特に発生しやすい。さらに高エネルギー密度で行うキーホール型レーザ溶接では深い溶け込みが可能となる反面、温度分布が大きく欠陥発生のリスクがより高まる。 Due to local heating and high-speed laser welding, the temperature of the molten pool and its surroundings changes drastically, which causes defects such as pores, spatter (particles), and weld cracks. In particular, such defects are likely to occur with high thermal conductivity and low viscosity welding materials such as aluminum, magnesium, and copper. Furthermore, while keyhole laser welding performed at high energy density enables deep penetration, the temperature distribution is wide and the risk of defect generation increases.
上述のとおり、レーザ溶接では激しい温度変化が欠陥発生の原因と考えられているため、これらの欠陥発生を抑制すべく、第2のレーザ光や熱源を付与する新しいレーザ溶接技術とその溶接条件を選定する方法が提案されてきた。例えば、溶接割れの発生を抑制するために、第1のレーザ光よりもエネルギー密度が低い第2レーザ光を溶接方向の後方に照射する手段が提案されている。 As mentioned above, it is believed that the occurrence of defects in laser welding is caused by severe temperature changes. Therefore, in order to suppress the occurrence of these defects, we have developed a new laser welding technology that applies a second laser beam or heat source and the welding conditions. A selection method has been proposed. For example, in order to suppress the occurrence of weld cracks, there has been proposed a means of irradiating a second laser beam, which has a lower energy density than the first laser beam, backward in the welding direction.
しかしながら、溶接方向の後方に第2のレーザ光を照射する従来のレーザ溶接手段では、第1のレーザ光で溶融した金属の溶融及び再凝固を促進して徐冷効果を与え、これにより溶接割れを低減する効果は有するものの、気孔やスパッタ等の欠陥を抑制する効果は期待できない。さらに、第2のレーザ光の効果は溶接部の表面近傍に限られるため、溶接部の内部に発生する欠陥を抑制する効果は期待できないという課題がある。 However, in the conventional laser welding means that irradiates the second laser beam backward in the welding direction, the melting and resolidification of the metal melted by the first laser beam is accelerated to provide a slow cooling effect, which results in weld cracking. However, the effect of suppressing defects such as pores and spatter cannot be expected. Furthermore, since the effect of the second laser beam is limited to the vicinity of the surface of the welded portion, there is a problem that the effect of suppressing defects generated inside the welded portion cannot be expected.
本実施形態は、上記課題を解決するためになされたもので、溶接部の表面のみならず内部に欠陥が発生するのを抑制することができるレーザ溶接方法及び溶接装置を提供することを目的とする。 The present embodiment has been made to solve the above problems, and aims to provide a laser welding method and a welding apparatus capable of suppressing the occurrence of defects not only on the surface of the welded portion but also on the inside of the welded portion. do.
上述課題を解決するために、本実施形態に係るレーザ溶接方法は、被溶接対象物の加工点に第1レーザ光を照射しキーホール及びその周囲に溶融池を形成する工程と、前記被溶接対象物の掃引方向に対し、前記加工点の前方に設定された予熱点に第2レーザ光を照射する工程と、前記溶融池と凝固部の境界面から当該溶融池の後方の所定距離以上離間した位置に加工後点を設定する工程と、演算処理装置により前記予熱点、加工点及び加工後点の表面温度をそれぞれ所定の温度に制御する工程と、を有するレーザ溶接方法であって、前記予熱点の表面温度を前記被溶接対象物の沸点未満とするとともに、前記加工後点の表面温度を前記予熱点の表面温度と同等又は当該表面温度以下とすることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the laser welding method according to the present embodiment includes steps of irradiating a processing point of an object to be welded with a first laser beam to form a keyhole and a molten pool around the keyhole; A step of irradiating a second laser beam to a preheating point set in front of the processing point with respect to the sweep direction of the object; and a step of controlling the surface temperatures of the preheating point, the working point, and the post-working point to predetermined temperatures by means of an arithmetic processing unit, wherein the The surface temperature of the preheating point is lower than the boiling point of the object to be welded, and the surface temperature of the post-processing point is equal to or lower than the surface temperature of the preheating point.
また、本実施形態に係るレーザ溶接装置は、第1レーザ光及び第2レーザ光を生成するレーザ発振器と、被溶接対象物の上部に設けられ当該被溶接対象物に第1レーザ光及び第2レーザ光を照射する光学ヘッドと、前記被溶接対象物の表面温度を計測する温度センサと、前記被溶接対象物に希ガス又は不活性ガスを供給するシールドガスノズルと、前記第1レーザ光及び第2レーザ光のエネルギー密度、パターン、強度、照射位置、掃引速度、等のパラメータを制御する演算処理装置と、を有することを特徴とする。 Further, the laser welding apparatus according to the present embodiment includes a laser oscillator that generates a first laser beam and a second laser beam, and a laser oscillator that is provided above an object to be welded and emits the first laser beam and the second laser beam to the object to be welded. an optical head that irradiates a laser beam; a temperature sensor that measures the surface temperature of the object to be welded; a shield gas nozzle that supplies a rare gas or inert gas to the object to be welded; 2) an arithmetic processing unit for controlling parameters such as energy density, pattern, intensity, irradiation position, sweep speed, etc. of laser light;
本実施形態に係るレーザ溶接方法及び溶接装置によれば、溶接部の表面のみならず内部に欠陥が発生するのを抑制することができる。 According to the laser welding method and welding apparatus according to the present embodiment, it is possible to suppress the occurrence of defects not only on the surface of the welded portion but also on the inside thereof.
以下、本発明に係るレーザ溶接方法及び溶接装置の実施形態について、図面を参照して説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of a laser welding method and a welding apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施形態]
第1の実施形態に係るレーザ溶接方法及び溶接装置について、図1~図9を用いて説明する。
[First Embodiment]
A laser welding method and welding apparatus according to a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 9. FIG.
(全体構成)
本実施形態に係るレーザ溶接装置1は、図1に示すように、レーザ光L(Lp、Ls)を発振するレーザ発振器2と、レーザ光Lを被溶接対象物Wに照射する光学ヘッド4と、レーザ発振器2で発振されたレーザ光Lを光学ヘッド4へ導く光ファイバ3(3p、3s)と、被溶接対象物Wの表面にシールドガスを供給するシールドガスノズル5と、溶接中の温度をモニタリングする温度センサ6と、レーザ発振器2を外部から制御するレーザ発振器制御装置7と、光学ヘッド4を外部から制御する光学ヘッド制御装置8と、温度センサ6を外部から制御する温度センサ制御装置9と、レーザ発振器2と温度センサ6から得られるパラメータ及びデータから表面温度を推定する手段を有し、かつ予め得られたデータベースを保存する媒体を有する演算処理装置10と、演算処理装置10を用いて所望の表面温度に近づけるフィードバック手段とを有する。
なお、本実施形態では、被溶接対象物Wとして、アルミニウム、マグネシウム、銅、等の高熱伝導率かつ低粘性率の溶接材料を想定している。
(overall structure)
As shown in FIG. 1, a
In this embodiment, welding materials with high thermal conductivity and low viscosity, such as aluminum, magnesium, and copper, are assumed as the object W to be welded.
(レーザ発振器)
レーザ発振器2は、第1レーザ光Lpを生成する第1レーザ発振器2pと第2レーザ光Lsを生成する第2レーザ発振器2sから構成される。ここで、第1レーザ光Lpは、被溶接対象物Wに照射されたときにキーホール11(図4参照)を形成する程度のエネルギー密度を有し、第2レーザ光Lsは被溶接対象物Wに照射されたときに沸点未満の温度まで加熱する程度のエネルギー密度を有する。
(laser oscillator)
The
なお、本実施形態では、特に断りがない限り、第1レーザ発振器2pと第2レーザ発振器2sの2つのレーザ発振器を用いる例を説明するが、第1レーザ光Lp及び第2レーザ光Lsは、それぞれ異なるレーザ発振器から得る必要はなく、1つのレーザ発振器から生成するようにしてもよい。例えば、第1レーザ発振器2pから出たレーザ光を途中で分割して第1レーザ光Lp及び第2レーザ光Lsを生成することもできる。
In this embodiment, unless otherwise specified, an example using two laser oscillators, the
また、本実施形態では、レーザ発振器2は、複数のレーザ発振器2p、2sを内部に有するが、それぞれのレーザ発振器2p、2sとして、例えばファイバーレーザ、YAGレーザ、ディスクレーザが用いられる。なお、他のレーザ発振器を用いることも可能である。
In this embodiment, the
レーザ発振器2において、第1レーザ発振器2p及び第2レーザ発振器2sは、レーザ発振器2の制御部2eに接続されており、制御部2eは外部のレーザ発振器制御装置7と接続され、例えばビームプロファイルやエネルギー密度、波長、発振周波数、等の各種パラメータを調整するが、必要に応じて他のパラメータも調整可能である。各種パラメータはレーザ発振器制御装置7にて手動及び/又は自動で設定されるが、他のパラメータも設定可能である。
In the
第1レーザ発振器2pと第2レーザ発振器2sからそれぞれ出射された第1レーザ光Lpと第2レーザ光Lsは光ファイバ3に入射される。このとき、第1レーザ光Lpと第2レーザ光Lsは同じ光路を伝播してもよいが、異なる光路を伝播してもよい。本実施形態では、図1に示すように、異なる光路(第1光ファイバ3p及び第2光ファイバ3s)を伝播する例を説明する。
The first laser beam Lp and the second laser beam Ls respectively emitted from the
また、1つのレーザ発振器2を用いる場合は、例えば、レーザ発振器2から発振されるレーザ光Lを異なる光学系に分岐して、それぞれの光学系でビームプロファイルを整形して光ファイバ3(3p及び3s)に入射させることも可能である(図示せず)。
Further, when one
(光ファイバ)
本実施形態では、光ファイバ3は、第1レーザ発振器2pから出射されたレーザ光Lpを伝送する第1光ファイバ3pと第2レーザ発振器2sから出射されたレーザ光Lsを伝送する第2光ファイバ3sとで構成される。その際、光ファイバ3(3p、3s)の光学特性は特に指定されず、被溶接対象物Wで照射されるレーザ光L(Lp、Ls)のビームプロファイルパターンと同じファイバーコア形状でもよい。
(optical fiber)
In this embodiment, the optical fiber 3 includes a first
このように、光ファイバ3(3p、3s)は、レーザ発振器2から出射された第1レーザ光Lpと第2レーザ光Lsを光学ヘッド4に伝送する目的として構成される。
なお、本実施形態では、光ファイバ3は複数用いられているが、一本の光ファイバのみで構成してもよい。
Thus, the optical fibers 3 ( 3 p, 3 s) are configured for the purpose of transmitting the first laser beam Lp and the second laser beam Ls emitted from the
Although a plurality of optical fibers 3 are used in this embodiment, only one optical fiber may be used.
(光学ヘッド)
光学ヘッド4は、レーザ発振器2から出射されたレーザ光L(第1レーザ光Lp、第2レーザ光Ls)を所定のエネルギー密度に集光して、被溶接対象物Wに照射するための光学装置である。
(optical head)
The
そのために、光学ヘッド4は、内部にコリメートレンズや集光レンズなど、レーザ光を集光するための光学素子等を備えている。また、レーザ光を集光するための光学素子等はその位置や傾きなどを可変にして、レーザ光Lを所望のビームプロファイルに設定可能な構成である。このとき、光学ヘッド4に接続された光学ヘッド制御装置8を用いることで、レーザ光Lを所望のビームプロファイルに設定することが可能である(図示せず)。
For this purpose, the
また、光学ヘッド4は、被溶接対象物Wにおけるレーザ光Lの照射位置を掃引させるために、被溶接対象物Wとの相対位置を変更可能に設けられている。被溶接対象物Wとの相対位置を変更する方法としては、光学ヘッド4を移動することや、被溶接対象物Wを移動すること等が含まれる。例えば、図1の例では、溶接方向を可変とする可変ステージ16を用いることで、光学ヘッド4に対して被溶接対象物Wを相対的に掃引させることが可能である。このレーザ光Lの照射位置を掃引させることは光学ヘッド制御装置8により制御可能である。
Further, the
また、光学ヘッド4は、照射範囲の拡大縮小、照射角度のうち、一つ以上を変化させる機能を持つ調整手段を有するが、それ以外の機能を有してもよい。例えば、照射範囲の拡大縮小に関して、光学ヘッド4内部の光学素子を任意の結像倍率に可変可能とし、ビームプロファイルを所望の寸法に拡大縮小可能となるような調整手段を有してもよい。さらに、照射角度に関して、例えば、光学ヘッド4自体を傾けるようにしてもよい(図示せず)。
Further, the
(照射点)
被溶接対象物Wへの照射点に関して、光学ヘッド4から出射されたレーザ光Lのうち、第1レーザ光Lpの照射点を加工点Pp、第2レーザ光の照射点を予熱点Psとする(図4参照)。
(Irradiation point)
Regarding the irradiation points on the workpiece W to be welded, the irradiation point of the first laser beam Lp among the laser beams L emitted from the
また、第1レーザ光Lpが通過した後の被溶接対象物Wである加工後点Paは、予熱点Psと加工点Ppの直線上に位置し、かつ溶融池Yの後方であって、溶融池Yと凝固部の境界面から凝固部側に1mm以上後方とする。 Further, the post-processing point Pa, which is the object to be welded W after the first laser beam Lp has passed through, is located on the straight line between the preheating point Ps and the processing point Pp, is behind the molten pool Y, and It shall be 1 mm or more behind the interface between the pond Y and the solidified portion toward the solidified portion.
この加工後点Paを溶融池Yと凝固部の境界面から凝固部側に1mm以上後方に定義した理由は、予熱点Psが溶融前である可能性があり、あらゆる材料でも確実に凝固している位置が、溶融池Yと凝固部の境界面から凝固部側に1mm以上後方であるからである。
また、予熱点Psの表面温度をTs、加工後点Paの表面温度をTaとする。
The reason why the post-processing point Pa is defined 1 mm or more behind the boundary surface between the molten pool Y and the solidified portion toward the solidified portion is that the preheating point Ps may be before melting, and any material can be reliably solidified. This is because the position is 1 mm or more behind the interface between the molten pool Y and the solidified portion toward the solidified portion.
Let Ts be the surface temperature of the preheating point Ps, and Ta be the surface temperature of the post-processing point Pa.
(演算処理装置)
演算処理装置10は、レーザ発振器制御装置7からのレーザ出力、波長、パルス幅、繰り返し周波数、等のレーザ発振器溶接条件情報と、光学ヘッド制御装置8からの掃引速度、第2レーザ光の照射位置、スポット径、光学ヘッド溶接条件等の情報と、温度センサ制御装置9からの予熱点Psの表面温度情報に関するデータベースが保持されており、レーザ発振器制御装置7と光学ヘッド制御装置8にそれぞれ情報が入出力可能に接続されている。
(arithmetic processing unit)
The
演算処理装置10では、レーザ発振器制御装置7、光学ヘッド制御装置8及び温度センサ制御装置9から得られるレーザ光Lのエネルギー密度等の溶接条件や表面温度情報と、予め得られたデータベースを比較して、既存の予測式から計算により温度を推定したり、欠陥発生や欠陥発生が抑制される溶接条件を推定したりする機能を持つことも可能である。
The
加えて、その推定結果を基に最適な溶接条件を、レーザ発振器制御装置7及び光学ヘッド制御装置8を経由して、レーザ発振器2及び光学ヘッド4にそれぞれフィードバックするフィードバック手段を具備してもよい。
In addition, feedback means may be provided for feeding back the optimum welding conditions based on the estimation results to the
最適な溶接条件として制御する対象パラメータは、例えば掃引速度、第2レーザ光Lsの照射位置、レーザ出力、スポット径、エネルギー密度、波長、パルス幅、繰り返し周波数、等があり、フィードバック手段はそのうち1つ以上のパラメータを制御して所望の表面温度に近づける機能を有する。なお、その他のパラメータを制御可能としてもよい。 Target parameters to be controlled as the optimum welding conditions include, for example, sweep speed, irradiation position of the second laser beam Ls, laser output, spot diameter, energy density, wavelength, pulse width, repetition frequency, etc. One of them is feedback means. It has the function of controlling one or more parameters to approach the desired surface temperature. Note that other parameters may be controllable.
(その他の構成)
シールドガスノズル5は、溶接時の酸化を防止するようなシールドガス、例えば希ガスや窒素ガスなどの不活性気体を溶融池Yに噴出することを可能とする。
(Other configurations)
The
温度センサ6は、被溶接対象物Wの表面温度を計測し、温度センサ6により計測された温度情報は温度センサ制御装置9に出力される。
温度センサ6は、例えば熱電対のように直接温度を測るものでもよいが、CCDカメラや中赤外カメラのような輝度情報から温度を逆算する手段で構成するようにしてもよい。
The
The
(レーザ光のエネルギー密度)
図2は、第1レーザ光Lpと第2レーザ光Lsのエネルギー密度プロファイルの例を示す棒グラフで、横軸は第1レーザ光Lpと第2レーザ光Ls、縦軸はエネルギー密度を示す。
(Energy density of laser light)
FIG. 2 is a bar graph showing an example of energy density profiles of the first laser beam Lp and the second laser beam Ls, where the horizontal axis represents the first laser beam Lp and the second laser beam Ls, and the vertical axis represents the energy density.
第1レーザ光Lpは被溶接対象物Wに照射されて加工点Ppとなり、キーホール11を形成する。そのため、図2に示すように、第1レーザ光Lpのエネルギー密度は熱伝導型の溶け込みからキーホール型へと変化するキーホール変化値以上のものとする。
The first laser beam Lp irradiates the object W to be welded, becomes a processing point Pp, and forms the
第2レーザ光Lsは被溶接対象物Wに照射されて予熱点Psとなる。予熱点Psはキーホール変化値未満のエネルギー密度とする。すなわち、被溶接対象物Wが沸点未満の温度となるようなエネルギー密度となる。 The object W to be welded is irradiated with the second laser beam Ls and becomes a preheating point Ps. The preheating point Ps has an energy density less than the keyhole change value. That is, the energy density is such that the object to be welded W is at a temperature below the boiling point.
また、第1レーザ光Lp及び第2レーザ光Lsのビームプロファイルのパターンは必ずしも一通りではない。例えば、図3(a)~(f)に例示するように、円状プロファイルパターン(a)、ドーナッツ状(円環状)プロファイルパターン(b)、楕円状プロファイルパターン(c)、八の字状プロファイルパターン(d)、複雑形状プロファイルパターン(e)、半環状のプロファイルパターン(図示せず)のような各種パターンを用いてもよく、また、複数のレーザ光を用いた複数光源形状のプロファイルパターン(f)を用いてもよい。 Moreover, the pattern of the beam profiles of the first laser beam Lp and the second laser beam Ls is not necessarily the same. For example, as illustrated in FIGS. 3(a) to 3(f), a circular profile pattern (a), a donut-shaped (annular) profile pattern (b), an elliptical profile pattern (c), and an eight-shaped profile. Various patterns such as pattern (d), complex shape profile pattern (e), semi-circular profile pattern (not shown) may be used, and multiple light source shape profile patterns using multiple laser beams ( f) may be used.
また、被溶接対象物Wの溶接時に、第1レーザ光Lpと第2レーザ光Lsが同時に被溶接対象物Wに対して相対的に掃引されていく際、予熱点Psの表面温度Tsは加工後点Paの温度Taよりも高温に保たれるようなエネルギー密度でなければならない。 Further, when welding the object W to be welded, when the first laser beam Lp and the second laser beam Ls are swept relative to the object W to be welded at the same time, the surface temperature Ts of the preheating point Ps increases during processing. The energy density must be such that the temperature Ta at the rear point Pa is maintained higher than the temperature Ta.
図4は本実施形態の溶接工程の説明図で、被溶接対象物Wと第1レーザ光Lp及び第2レーザ光Lsの位置関係を示す模式図である。
図4において、掃引方向17が右矢印の方向としたとき、予熱点Psが一番右側(掃引方向前方)、加工点Ppがその左隣(溶接方向後方)に位置する。また、その加工点Ppよりも掃引方向17に対して後方に位置し、かつ溶融池Yと凝固部の境界から凝固部側に1mm以上離間して設定された箇所を加工後点Paとする。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the welding process of the present embodiment, and is a schematic diagram showing the positional relationship between the object to be welded W and the first laser beam Lp and the second laser beam Ls.
In FIG. 4, when the
このとき、加工後点Paの表面温度Taは、予熱点Psの表面温度Tsと略等しいか又は低くする必要がある。このとき、Tbを被溶接対象物Wの沸点と定義すると、加工後点Paの表面温度Taと予熱点Psの表面温度Tsの温度の関係は、Ta≦Ts<Tbの不等式で表される。 At this time, the surface temperature Ta of the post-processing point Pa needs to be substantially equal to or lower than the surface temperature Ts of the preheating point Ps. At this time, if Tb is defined as the boiling point of the object to be welded W, the relationship between the surface temperature Ta at the post-processing point Pa and the surface temperature Ts at the preheating point Ps is expressed by the inequality Ta≦Ts<Tb.
(作用)
上記のように構成されたレーザ溶接装置及び溶接方法の作用について、図5~図9を用いて説明する。
(action)
The operation of the laser welding apparatus and welding method configured as described above will be described with reference to FIGS. 5 to 9. FIG.
<従来の溶接方法>
まず、第2レーザ光Lsを使用しない従来の溶接方法について、図5~図6を用いて説明する。
ここで、図5は第1レーザ光Lpのみを用いた従来の溶接工程の説明図で、図6は従来の溶接工程において気孔欠陥が発生する際の説明図である。
<Conventional welding method>
First, a conventional welding method that does not use the second laser beam Ls will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG.
Here, FIG. 5 is an explanatory diagram of a conventional welding process using only the first laser beam Lp, and FIG. 6 is an explanatory diagram of occurrence of pore defects in the conventional welding process.
第1レーザ光Lpが被溶接対象物Wに照射されたとき、図5に示すように、金属を蒸発させることでキーホール11が形成され、深い溶け込みが生成される。このとき、溶融した金属の表面張力12より高い外力13が与えられなければ、キーホール11は崩れない。ここで外力13とは、金属の蒸発による反力や環境雰囲気ガスによる蒸気圧、空間的温度変化(温度勾配)や時間的温度変化による溶融金属内部の熱輸送による湯流れ等が該当する。
When the object W to be welded is irradiated with the first laser beam Lp, the metal is evaporated to form a
しかしながら、アルミニウム、マグネシウム、銅、等の材料でのレーザ溶接では、低粘性率のために、キーホール11を保持する表面張力12が非常に弱い。そのため、図6に示すように、キーホール11内部の蒸気は温度勾配の高い領域である前方の溶融部由来の湯流れによりキーホール11先端を屈曲させ、溶融金属が内部の蒸気を巻き込み気泡14を発生させる。そして、そのまま凝固すればポロシティーやブローホールなどの気孔欠陥15が発生する。
However, in laser welding of materials such as aluminum, magnesium, copper, etc., the
このように、アルミニウム、マグネシウム、銅、等の低粘性率の材料は、ステンレス等の比較的高い高粘性率の材料と比べて、第1レーザ光だけで良質な溶接を得ることは非常に困難である。 As described above, it is very difficult to obtain high-quality welding only with the first laser beam for materials with low viscosity such as aluminum, magnesium, and copper, compared to materials with relatively high viscosity such as stainless steel. is.
<第1の実施形態の溶接方法>
次に、第2レーザ光Lsを用いた第1の実施形態に係る溶接方法を図7~図9を用いて説明する。ここで図7は第1の実施形態に係る溶接工程の説明図で、図8は予熱点の表面温度と気孔発生率の関係図で、図9は予熱点の表面温度と各種パラメータの関係図である。
<Welding method of the first embodiment>
Next, a welding method according to the first embodiment using the second laser beam Ls will be described with reference to FIGS. 7 to 9. FIG. Here, FIG. 7 is an explanatory diagram of the welding process according to the first embodiment, FIG. 8 is a relational diagram between the surface temperature of the preheating point and the pore generation rate, and FIG. 9 is a relational diagram of the surface temperature of the preheating point and various parameters. is.
本第1の実施形態では、図7に示すように、第1レーザ光Lpによる加工点Ppより前方の予熱点Psに第2レーザ光Lsを照射して予熱させることで、溶融池Yの前段の面積を広げることを可能とする。これにより、前段の溶融金属の体積も増加させることが可能となり、溶融金属全体のキーホール11の底部周辺と固相までの距離が長くなるため、温度勾配が緩和され、湯流れの抑制が可能となる。
In the first embodiment, as shown in FIG. 7, the second laser beam Ls is applied to a preheating point Ps in front of the processing point Pp by the first laser beam Lp to preheat it. It is possible to expand the area of As a result, it is possible to increase the volume of the molten metal in the preceding stage, and the distance between the bottom of the
その際、予熱点Psの表面温度Tsを所定の値に制御することで、気泡14の生成を抑制し、気孔欠陥15の発生を抑制することができる。例えば、演算処理装置10に格納されているデータベースから予熱点の表面温度Tsに対する気孔発生率のデータを取得し(図8参照)、予熱点Psの表面温度Tsを所定の温度(例えば、図8のT1)に制御することで気孔発生率を最小化する効果が期待される。
At this time, by controlling the surface temperature Ts of the preheating point Ps to a predetermined value, the generation of air bubbles 14 can be suppressed, and the generation of
しかし、表面温度Tsが所定の温度から離反してしまい、欠陥発生が予測される場合、演算処理装置10に格納されているデータベースの参照及びフィードバック手段を利用することにより、掃引速度、第2レーザ光の照射位置、照射角度、出力、スポット径、エネルギー密度、波長、パルス幅、繰り返し周波数のうち1つ以上を制御して所定の表面温度Tsに近づけることができる。 However, if the surface temperature Ts deviates from the predetermined temperature and the occurrence of defects is predicted, the sweep speed, the second laser One or more of light irradiation position, irradiation angle, output, spot diameter, energy density, wavelength, pulse width, and repetition frequency can be controlled to bring the surface temperature closer to a predetermined surface temperature Ts.
例えば、図9に示すように、データベースを参照した結果、横軸をエネルギー密度等の各種パラメータ、縦軸を予熱点Psの表面温度Tsとしたときの欠陥の発生しないプロセスウィンドウが領域Zである場合、フィードバック手段を用いることで、当該領域Zへ表面温度Tsを制御することができる。図9に図示の○、●は、領域Zの範囲外にある表面温度●が、各種パラメータを調整した結果、領域Zの範囲内の表面温度○に移行した例を示す模式図である。 For example, as shown in FIG. 9, as a result of referring to the database, the region Z is a process window in which no defect occurs when various parameters such as energy density are plotted on the horizontal axis and the surface temperature Ts of the preheating point Ps is plotted on the vertical axis. In this case, the surface temperature Ts of the region Z can be controlled by using feedback means. ○ and ● shown in FIG. 9 are schematic diagrams showing an example in which the surface temperature ●, which is outside the range of the region Z, shifts to the surface temperature ○ within the range of the region Z as a result of adjusting various parameters.
なお、データベースを参照して所定の温度に制御するパラメータの種類は上記以外のものを加えても構わないが、少なくとも上記のうち一つ以上が制御対象に含まれる必要がある。 It should be noted that although parameters other than those described above may be added to the types of parameters controlled to a predetermined temperature by referring to the database, at least one or more of the above must be included in the control target.
(効果)
以上説明したように、本第1の実施形態に係るレーザ溶接方法及び溶接装置によれば、被溶接対象物Wが低粘性のものであっても、第2レーザ光を用いるとともに、加工点、予熱点、加工後点、等の温度を最適に制御することにより、溶接割れ、気孔、スパッタ等の欠陥発生を抑制することができる。
(effect)
As described above, according to the laser welding method and welding apparatus according to the first embodiment, even if the object W to be welded has a low viscosity, the second laser beam is used, and the processing point, By optimally controlling the temperatures of the preheating point, the post-processing point, and the like, it is possible to suppress the occurrence of defects such as weld cracks, pores, and spatter.
[第2の実施形態]
第2の実施形態に係るレーザ溶接方法及び溶接装置について、図10~図16を用いて説明する。本実施形態は、溶融池Yの表面揺動を抑制し、スパッタ等の欠陥が発生するのを防止する。
[Second embodiment]
A laser welding method and welding apparatus according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 10 to 16. FIG. This embodiment suppresses surface oscillation of the molten pool Y and prevents defects such as spatter from occurring.
<従来の溶接方法>
まず、第2レーザ光を使用しない従来の溶接方法について、図10~図12を用いて説明する。
<Conventional welding method>
First, a conventional welding method that does not use the second laser beam will be described with reference to FIGS. 10 to 12. FIG.
例えば、図10のように、第2レーザ光Lsを用いずに円状ビームプロファイルの第1レーザ光Lpだけを照射して溶接する場合、加工点Ppは急加熱されてキーホール11を形成するため、沸点Tb以上の温度又は沸点近傍の温度となる。
For example, as shown in FIG. 10, when welding is performed by irradiating only the first laser beam Lp with a circular beam profile without using the second laser beam Ls, the processing point Pp is rapidly heated to form a
一方、掃引方向線上の点において、加工点Ppに対して前方の室温Trとなる点を室温点Prとする。このとき、第1レーザ光Lpのみ用いた加工点Ppと室温Trとなる室温点Prとの距離(第1距離)をXpとしたとき、図11に示すような直線の傾きに相当する第1の温度勾配Gxpが得られる。なお、Tbは被溶接対象物Wの沸点で、Tmは融点である。この第1の温度勾配Gxpにより溶融池Yの内部で湯流れが生じる。この湯流れにより、図12に示すような溶融池Yの表面揺動が発生し、これによりスパッタ等の欠陥が生じる。 On the other hand, a point on the sweep direction line that is the room temperature Tr ahead of the processing point Pp is defined as a room temperature point Pr. At this time, when the distance (first distance) between the processing point Pp using only the first laser beam Lp and the room temperature point Pr, which is the room temperature Tr, is Xp, the first distance corresponding to the slope of the straight line as shown in FIG. A temperature gradient Gxp of is obtained. Tb is the boiling point of the object W to be welded, and Tm is the melting point. A melt flow occurs inside the molten pool Y due to this first temperature gradient Gxp. Due to this molten metal flow, surface fluctuation of the molten pool Y occurs as shown in FIG. 12, which causes defects such as spatter.
<第2の実施形態の溶接方法>
次に、第2のレーザ光を用いた本第2の実施形態に係る溶接方法を図13~図16を用いて説明する。
<Welding method of the second embodiment>
Next, a welding method according to the second embodiment using the second laser beam will be described with reference to FIGS. 13 to 16. FIG.
本第2の実施形態では、図13に示すように、円状ビームプロファイルの第1レーザ光Lpに加えて、例えば三日月状(半環状)のビームプロファイルの第2レーザ光Lsを使用する。 In the second embodiment, as shown in FIG. 13, in addition to the first laser beam Lp having a circular beam profile, for example, a second laser beam Ls having a crescent-shaped (semi-annular) beam profile is used.
これにより、加工点Ppの周辺部が予熱され、加工点Ppから溶接線上における室温となる点Prまでの距離(第2距離)Xsは、第1レーザ光のみを使用する場合の第1距離Xpよりも長くなり、図14に示すような第2の温度勾配Gxsが得られる。図14に示した第2の温度勾配Gxsは、図11に示した第1の温度勾配Gxpよりも緩やかであるため、溶融池Yの内部の湯流れは、第2レーザ光Lsを用いた方が抑制される効果を与えることができる。 As a result, the peripheral portion of the processing point Pp is preheated, and the distance (second distance) Xs from the processing point Pp to the point Pr on the weld line at room temperature is the first distance Xp when only the first laser beam is used. , and a second temperature gradient Gxs as shown in FIG. 14 is obtained. Since the second temperature gradient Gxs shown in FIG. 14 is gentler than the first temperature gradient Gxp shown in FIG. can give the effect of being suppressed.
この場合も前記湯流れにより図15に示すような溶融池Yの表面揺動が生じるが、温度勾配Gxsが緩やかなため、図12に示したものよりも表面揺動の振幅は抑制される。このように、第2レーザ光Lsを用いることでスパッタ等の欠陥発生を抑制することができる。 In this case as well, the melt flow causes surface oscillation of the molten pool Y as shown in FIG. 15, but since the temperature gradient Gxs is gentle, the amplitude of the surface oscillation is suppressed more than that shown in FIG. Thus, the use of the second laser beam Ls can suppress the occurrence of defects such as spatter.
以上説明したように、本第2の実施形態に係るレーザ溶接方法及び溶接装置によれば、上記第1の実施形態の作用効果に加えて、溶融池Yの表面揺動を小さくすることにより、溶接割れ、気孔、スパッタ等の欠陥発生をさらに抑制することができる。 As described above, according to the laser welding method and welding apparatus according to the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, by reducing the surface oscillation of the molten pool Y, It is possible to further suppress the occurrence of defects such as weld cracks, pores, and spatters.
(変形例)
本変形例では、図16に示すように、第2レーザ光Lsを例えばドーナッツ状(環状)のビームプロファイルとし、加工点Ppの後段も予熱する構成とする。これにより、溶融池Y後段の表面揺動を抑制する効果が得られ、溶接割れ、気孔、スパッタ等の欠陥発生をさらに抑制することができる。
(Modification)
In this modified example, as shown in FIG. 16, the second laser beam Ls has, for example, a doughnut-shaped (annular) beam profile, and the post-processing point Pp is also preheated. As a result, the effect of suppressing the surface oscillation of the latter stage of the molten pool Y can be obtained, and the occurrence of defects such as weld cracks, pores, and spatters can be further suppressed.
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the invention have been described above, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and spirit of the invention, as well as the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
W…被溶接対象物、L…レーザ光、Lp…第1レーザ光、Ls…第2レーザ光、Gxp…第1の温度勾配、Gxs…第2の温度勾配、Pp…加工点、Ps…予熱点、Pa…加工後点、Pr…室温点、Ta…加工後点Paの表面温度、Tb…被溶接対象物Wの沸点、Ts…予熱点Psの表面温度、Tr…室温、Y…溶融池、Z…欠陥非生成領域、Xp…第1距離、Xs…第2距離、
1…レーザ溶接装置、2…レーザ発振器、2p…第1レーザ発振器、2s…第2レーザ発振器、2e…制御部、3…光ファイバ、3p…第1光ファイバ、3s…第2光ファイバ、4…光学ヘッド、5…シールドガスノズル、6…温度センサ、7…レーザ発振器制御装置、8…光学ヘッド制御装置、9…温度センサ制御装置、10…演算処理装置、11…キーホール、12…表面張力、13…外力、14…気泡、15…気孔欠陥、16…可変ステージ、17…掃引方向
W... Object to be welded, L... Laser beam, Lp... First laser beam, Ls... Second laser beam, Gxp... First temperature gradient, Gxs... Second temperature gradient, Pp... Processing point, Ps... Preheating Point, Pa... Point after working, Pr... Room temperature point, Ta... Surface temperature of point Pa after working, Tb... Boiling point of object W to be welded, Ts... Surface temperature of preheating point Ps, Tr... Room temperature, Y... Molten pool , Z... defect-free region, Xp... first distance, Xs... second distance,
Claims (5)
前記被溶接対象物の掃引方向に対し、前記加工点の前方に設定された予熱点に第2レーザ光を照射する工程と、
前記溶融池と凝固部の境界面から当該溶融池の後方の所定距離以上離間した位置に加工後点を設定する工程と、
演算処理装置により前記予熱点、加工点及び加工後点の表面温度をそれぞれ所定の温度に制御する工程と、を有するレーザ溶接方法であって、
前記予熱点の表面温度を前記被溶接対象物の沸点未満とするとともに、前記加工後点の表面温度を前記予熱点の表面温度と同等又は当該表面温度以下とすることを特徴とするレーザ溶接方法。 a step of irradiating a processing point of an object to be welded with a first laser beam to form a molten pool in and around the keyhole;
a step of irradiating a second laser beam to a preheating point set in front of the processing point with respect to the sweep direction of the object to be welded;
A step of setting a post-processing point at a position separated by a predetermined distance or more behind the molten pool from the interface between the molten pool and the solidified portion;
A laser welding method comprising the step of controlling the surface temperatures of the preheating point, the processing point and the post-processing point to predetermined temperatures by an arithmetic processing unit,
A laser welding method, wherein the surface temperature of the preheating point is less than the boiling point of the object to be welded, and the surface temperature of the post-processing point is equal to or lower than the surface temperature of the preheating point. .
第1レーザ光及び第2レーザ光を生成するレーザ発振器と、
被溶接対象物の上部に設けられ当該被溶接対象物に第1レーザ光及び第2レーザ光を照射する光学ヘッドと、
前記被溶接対象物の表面温度を計測する温度センサと、
前記被溶接対象物に希ガス又は不活性ガスを供給するシールドガスノズルと、
前記第1レーザ光及び第2レーザ光のエネルギー密度、パターン、強度、照射位置、掃引速度、等のパラメータを制御する演算処理装置と、を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
A laser welding apparatus that performs the laser welding method according to any one of claims 1 to 4,
a laser oscillator that generates a first laser beam and a second laser beam;
an optical head provided above the object to be welded for irradiating the object to be welded with the first laser beam and the second laser beam;
a temperature sensor for measuring the surface temperature of the object to be welded;
a shield gas nozzle that supplies a rare gas or an inert gas to the object to be welded;
and an arithmetic processing unit for controlling parameters such as energy density, pattern, intensity, irradiation position, sweep speed, etc. of the first laser beam and the second laser beam.
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