JP2024090047A - レーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体レーザを用いたレーザ溶接装置において、溶接時に形成されるスパッタを抑制する。
【解決手段】コイルのストリップ端部同士を溶接するためのレーザ溶接装置が提供される。レーザ溶接装置は、固体レーザで構成されたレーザ発振器と、前記レーザ発振器によって生成されたビームを伝達する光ファイバと、前記光ファイバから伝達されたビームを集光して焦点面に所定の形状のスポットを形成する光学系と、前記光学系が設けられた溶接ヘッドと、を備え、前記焦点面において、コアビームと、該コアビームを取り囲むリング状ビームとが重畳されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ溶接装置に関する。

コイル材の端部同士を溶接で接合するために、レーザ溶接装置が用いられている。従前の溶接プロセスでは、レーザ源としてＣＯ_２レーザを使用していた。ＣＯ_２レーザを使用する溶接では、プロセスウインドウが非常に大きいため、溶接することができる鋼板（ストリップ）の厚さの範囲が大きいことが知られている。

図１は、レーザ源としてＣＯ_２レーザを使用するレーザ溶接装置で形成された溶接シームの断面の顕微鏡写真である。ＣＯ_２レーザを使用する場合には、溶接部においてプラズマが発生し、この発生を低減するために、ヘリウムなどのガスがアシストガスとして溶接部に吹き付けられる。このプラズマは、ヘリウムとともに、熱エネルギーの金属面への入射を補償するので、鋼板に形成される溶接池が大きくなる（非特許文献１）。図１に示されているように、鋼板の接合部にはＶ字状の溶接池が形成されており、さらに奥側、つまり鋼板の溶接面とは反対側では、溶接池がより狭くなり、Ｉ字状の部分が形成されている。広い溶融池が形成されると、溶接プロセス中に発生する金属蒸気による乱流の発生が防止されるため、金属スパッタの形成が低減される。

これに対して、図２は、レーザ源として固体レーザを使用した溶接装置で形成された溶接シームの断面の顕微鏡写真である。固体レーザ源の場合、レーザの波長が異なるため、溶接部にプラズマは発生しない。したがって、プラズマの発生を防ぐための、ヘリウムなどのアシストガスは使用されない。固体レーザの場合は、溶接部には広い溶接池は形成されず、図２に示すように、Ｉ字状の狭く平行な溶接池が形成される。この場合、溶接プロセス中に発生する金属蒸気が乱流を形成するため、溶接部の近傍に金属スパッタが形成されてしまう（非特許文献２）。その結果、固体レーザを使用する溶接プロセスでは、溶接品質が低下する。

Binroth, D. et al., "Differences of CO2 and Solid-State Laser Welding in Industrial Flat Steel Production", AISTech2019 Proceedings of the Iron and Steel Technology Conference (2019) Kaplan, Alexander & Powell, John, Laser welding: The spatter map, International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (2010), p. 683-690

上記のように、固体レーザ源を使用するレーザ溶接装置では、溶接シームの周辺にスパッタが飛散するため、溶接品質に影響を及ぼすおそれがある。そこで、本発明の課題は、固体レーザ源を使用するレーザ溶接装置において、スパッタの発生を抑制することである。

本発明の一実施形態によれば、コイルのストリップ端部同士を溶接するためのレーザ溶接装置であって、固体レーザで構成されたレーザ発振器と、前記レーザ発振器によって生成されたビームを伝達する光ファイバと、前記光ファイバから伝達されたビームを集光して焦点面に所定の形状のスポットを形成する光学系と、前記光学系が設けられた溶接ヘッドと、を備え、前記焦点面において、コアビームと、該コアビームを取り囲むリング状ビームとが重畳されている、レーザ溶接装置が提供される。

前記コアビームの焦点面における直径が０．１５～０．８ｍｍであってもよく、前記リング状ビームの焦点面における直径が０．７～３．０ｍｍであってもよい。

前記光ファイバは、コアビーム用ファイバとリング状ビーム用とから構成されており、前記レーザ発振器からそれぞれにビームが供給されてもよい。

前記光学系は、前記光ファイバから供給されたビームから前記コアビームと前記リング状ビームとを形成する回折光学素子を備えていてもよい。

ビーム強度の最小１０％～最大８０％が前記コアビームに分配されており、ビーム強度の最小２０％～最大９０％が前記リング状ビームに分配されていてもよい。

前記リング状ビームは、さらに内側リング状ビームと外側リング状ビームとで構成されていてもよい。

前記外側リング状ビームの焦点面における直径が１．５ｍｍ～３．５ｍｍであってもよい。

本発明によれば、固体レーザ源を使用するレーザ溶接装置において、スパッタの発生を抑制することができる。

レーザ源としてＣＯ_２レーザを使用するレーザ溶接装置で形成された溶接シームの断面の顕微鏡写真である。 レーザ源として固体レーザを使用するレーザ溶接装置で形成された溶接シームの断面の顕微鏡写真である。 （ａ）は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置の構成を示す概略図である。（ｂ）は、焦点面におけるビームの断面図である。（ｃ）および（ｄ）は、焦点面におけるビーム強度の分布図である。 焦点面におけるビームの三次元強度分布である。 一実施形態に係るレーザ溶接装置で形成された溶接シームの断面の顕微鏡写真である。 （ａ）は従来のレーザ溶接装置で形成された溶接シームであり、（ｂ）は一実施形態に係るレーザ溶接装置で形成された溶接シームである。 （ａ）は、本発明の別の実施形態に係るレーザ溶接装置の構成を示す概略図である。（ｂ）は、焦点面におけるビームの断面図である。

本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置について、以下に説明する。本実施形態のレーザ溶接装置は、コイルのストリップ端部同士を溶接するために使用される。一般に、ストリップ端部の溶接は特別な課題である。溶接前の製品には、うねりがあり、厚さの公差が大きく、オイル、グリース、スケールなどによって汚染されている。そのため、完成品を溶接する場合に比べて、スパッタが飛散するリスクが大きくなる。そのため、ストリップ端部の溶接には、堅牢な溶接プロセスと溶接装置が必要になる。なお、本実施形態のレーザ溶接装置は、これ以外の溶接にも使用可能である。

図３（ａ）は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置１０の構成を示す概略図である。レーザ溶接装置１０は、レーザ発振器１と、光ファイバ２と、光学系３と、を少なくとも備えている。

レーザ発振器１は、レーザ媒体を励起させると共に、励起したレーザ媒体が発した光を増幅させることで、ビームを生成する。レーザ発振器は、例えば、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザなどの固体レーザで構成されており、予め定めた波長および予め定めた出力のレーザビームを供給する。レーザ発振器１におけるレーザ出力は、４～２４ｋＷであってよい。

光ファイバ２は、レーザ発振器１にて生成されたビームを光学系３に導く。

光学系３は、光ファイバにより導かれたビームを平行ビームに変換するコリメートレンズと、レーザビームを集光して焦点面に所定の形状のスポットを形成するための集光レンズとで構成されている。このようなコリメートレンズおよび集光レンズは当業者には周知であるので、光学系３の詳細な構成については説明を省略する。光学系３は、図示しない溶接ヘッド内に設けられており、この溶接ヘッドを、ワーク、すなわち本実施形態では互いに突き合せたストリップ端部に対して移動させることによって、レーザ溶接を行う。焦点面に集光されたレーザビームによって、ワーク材料が溶融して溶融池が形成される。

本実施形態では、焦点面において、コアビーム５ａと、コアビームの周りを囲むリング状ビーム５ｂとを重畳するようにレーザビームを照射する。コアビームのビーム強度と、リング状ビームのビーム強度とを互いに異ならせることで、ワークにおける溶融池の形成を制御することができる。

図３（ｂ）は、焦点面におけるビームの断面図である。コアビーム５ａの直径は、例えば０．１５～０．８ｍｍでああってよく、リング状ビーム５ｂの直径（外径）は、例えば０．７～３．０ｍｍであってよい。

図３（ｃ）は、焦点面におけるビーム強度の分布の一例であり、ビーム強度の９０％がコアビームに、ビーム強度の１０％がリング状ビームに分配されている。図３（ｄ）は、焦点面におけるビーム強度の分布の別の例であり、ビーム強度の１０％がコアビームに、ビーム強度の９０％がリング状ビームに分配されている。

コアビームとリング状ビームとを形成するために、光ファイバ２は、コアビームを伝達するためのコアファイバと、コアファイバを取り囲みリング状ビームを伝達するためのリングファイバとで構成されている。代替的に、光学系３が、光ファイバ２から供給されたビームからコアビームとリング状ビームとを形成するための回折光学素子を備えていてもよい。

図４は、固体レーザの出力が１０００Ｗであり、ビーム強度の２０％をコアビームに、８０％をリング状ビームに分配した場合の、焦点面におけるビームの三次元強度分布を示している。この場合、焦点面の中央部におけるビーム強度が高くなるので、ワークにおいて深くかつ広い溶融池を形成することができる。

本願発明者は、上記のレーザ溶接装置を用いて溶接試験を実施した。この試験では、厚さ０．４ｍｍ～１５ｍｍの鋼およびアルミニウムの試験片を使用し、パラメータとして、総レーザ出力、出力分布、コアビームおよびリング状ビームの直径、焦点面の位置、ならびに溶接速度を様々に変化させて、試験片同士を溶接した。

図５は、上記試験で得られた溶接シームの断面の顕微鏡写真である。適切なパラメータが選択されている場合、固体レーザを用いた場合であっても、図１に示したＣＯ_２レーザを用いた場合と同様に、適度な深さのＶ字状の溶融池と、その奥に細くて狭いＩ字状の溶融池とを形成することができることが分かった。コアビームとリング状ビームへのビーム強度の配分を変更することによって、Ｖ字状の溶融池と、Ｉ字状の溶融池の形状を調整することができる。ビーム強度の配分は、溶接されるストリップの材料特性（例えば、熱伝導性など）や、ストリップ表面の汚染の種類や程度に適したものが選択される。

図６（ａ）は、固体レーザを用いた従来のレーザ溶接装置によって形成された溶接シームの拡大図である。図から分かるように、シームの両側に多くのスパッタが形成されてしまっている。

これに対して、図６（ｂ）は、本実施形態に係る、固体レーザを用いたレーザ溶接装置によって形成された溶接シームの拡大図である。図から分かるように、溶接シームの近傍にはスパッタが形成されておらず、またビードの幅も図６（ａ）と比較して大きく形成されている。

このように、コアビームとリング状ビームとを重畳させる本実施形態のレーザ溶接装置では、適切なパラメータを選択しさえすれば、固体レーザであっても、ＣＯ_２レーザの場合と同様に、より深くより大きな溶融池が形成されるため、ビード幅を大きくし、かつ、スパッタの少ない溶接を実行することができる。したがって、溶接の品質を向上させることができる。

図７（ａ）は、本発明の別の実施形態に係るレーザ溶接装置である。この実施形態では、図３（ａ）に示した実施形態と異なり、リング状ビームが二重に形成される。すなわち、図７（ｂ）に示されているように、コアビーム５ａと、その周囲の第１リング状ビーム５ｂと、さらにその周囲の第２リング状ビーム５ｃとが形成される。二重のリング状ビームを使用すると、焦点面におけるレーザのビーム強度の分布をより正確に調整することができる。これは主に、表面に厚い汚染層がある薄いストリップを溶接する場合に適している。なぜなら、より広いＶ字状の溶融池を形成することができるからである。

１ レーザ発振器
２ 光ファイバ
３ 光学系
４、４’ ビーム
５ ビーム断面
５ａ コアビーム
５ｂ リング状ビーム
５ｂ１ 内側リング状ビーム
５ｂ２ 外側リング状ビーム
１０、１０’ レーザ溶接装置

Claims (7)

1. コイルのストリップ端部同士を溶接するためのレーザ溶接装置であって、
   固体レーザで構成されたレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器によって生成されたビームを伝達する光ファイバと、
   前記光ファイバから伝達されたビームを集光して焦点面に所定の形状のスポットを形成する光学系と、
   前記光学系が設けられた溶接ヘッドと、
   を備え、
   前記焦点面において、コアビームと、該コアビームを取り囲むリング状ビームとが重畳されていることを特徴とする、レーザ溶接装置。
2. 前記コアビームの焦点面における直径が０．１５～０．８ｍｍであり、前記リング状ビームの焦点面における直径が０．７～３．０ｍｍであることを特徴とする、請求項１記載のレーザ溶接装置。
3. 前記光ファイバは、コアビーム用ファイバとリング状ビーム用とから構成されており、前記レーザ発振器からそれぞれにビームが供給されている、請求項１または２記載のレーザ溶接装置。
4. 前記光学系は、前記光ファイバから供給されたビームから前記コアビームと前記リング状ビームとを形成する回折光学素子を備えている、請求項１または２記載のレーザ溶接装置。
5. ビーム強度の最小１０％～最大８０％が前記コアビームに分配されており、ビーム強度の最小２０％～最大９０％が前記リング状ビームに分配されている、請求項１記載のレーザ溶接装置。
6. 前記リング状ビームは、さらに内側リング状ビームと外側リング状ビームとで構成されていることを特徴とする、請求項１記載のレーザ溶接装置。
7. 前記外側リング状ビームの焦点面における直径が１．５ｍｍ～３．５ｍｍであることを特徴とする、請求項６記載のレーザ溶接装置。