JP5234471B2 - レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法 - Google Patents
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Description
低真空雰囲気下で、レーザ光により溶接を行うレーザ溶接装置であって、
レーザ光の光軸に沿って、溶接部と所定の間隔を設けて配置され、上端には透過窓が設けられ、下端は雰囲気制御域内に開口しているシールドガス筒と、
前記シールドガス筒の透過窓側から前記シールドガス筒内部へシールドガスを導入するシールドガス供給手段と
を備えていることを特徴とするレーザ溶接装置である。
焦点距離が350mm以上の長焦点レーザ溶接装置であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ溶接装置である。
前記シールドガス筒の内壁の長手方向に、所定の間隔毎に、レーザ光の通路を取り囲む環状の遮蔽板が設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ溶接装置である。
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、
被溶接材を前記レーザ溶接装置内に配置する被溶接材配置工程と、
前記レーザ溶接装置内の圧力雰囲気を低真空雰囲気にする雰囲気圧力制御工程と、
シールドガス筒にシールドガスを導入するシールドガス導入工程と、
レーザを前記被溶接材に照射するレーザ照射工程と
を有し、
前記シールドガスの導入量は、シールドガスが溶接時、溶接部に直接吹き付けられることがない量に制御されている
ことを特徴とするレーザ溶接方法である。
図1は、本発明の実施の形態のレーザ溶接装置を示す斜視図であり、図2は、本発明の実施の形態のレーザ溶接装置の原理を説明する断面図である。
図1および図2に示すように、レーザ溶接装置は、基本的には、レーザ光Rを発生させるレーザ発振機11と、光ファイバー12と、加工ヘッド13と、レーザ光Rの焦点を調整するための光学系14と、透過板を有する透過窓15と、低真空雰囲気下で溶接を行うためのチャンバー30と、シールドガス筒40と、図外の制御手段を備えている。また、チャンバー30内には、供試材61を移動させるための移送装置71が設置されている。
次に、本実施の形態のレーザ溶接装置を用いた溶接方法について説明する。
図3は、シールドガス筒の他の態様を示す断面図である。図3のようにシールドガス筒40は、その内周側に、縦方向に適宜間隔を置いて内鍔状の内部フィン45が複数段形成されている。
実施例Aにおいては、シールドガス筒を有する実験装置(上記のレーザ溶接装置)と、シールドガス筒を有しない実験装置とを用いて、連続して溶接可能なビード長を測定することにより、溶接の安定性を評価した。
実施例は、シールドガス筒を有する実験装置を用いて、以下に示す溶接条件で、溶接を行って、連続して溶接できたビード長を測定した。
チャンバー内の圧力: 0.1kPa
シールドガス筒の長さおよび内径:430mm、60mm
シールドガス(N2)の供給量: 100〜200cc/min
レーザ出力: 8kW
溶接速度: 0.3m/min
焦点位置(デフォーカス量): 焦点位置(0mm)
供試材の材質および厚み: ステンレス鋼(SUS304)、50mm
光ファイバーのコア径: 100μm
二基の真空ポンプのポンピング速度:
162リットル/min、500リットル/min
連続して溶接可能な時間を調べることにより、溶接の安定性について評価した。
図4はビード表面の金属組織を表す写真である。図4(a)は、実施例の写真であり、図4(b)は比較例の写真である。
シールドガス筒のある実験装置の場合は、シールドガス筒のない実験装置の場合とは異なり、ビード長を大幅に伸ばすことができ、実用化が可能であることが確認できた。
実施例Bにおいては、シールドガス筒を有する溶接装置を用いて、チャンバー内の圧力の相違による溶接品質を評価した。
シールドガス筒を有する実験装置(上記のレーザ溶接装置)を用いて、次の溶接条件の下で、チャンバー内の圧力を変えて、ビード表面および溶込み断面の形状、溶込み深さ、溶込み断面積を観察、測定した。
チャンバー内圧力: 0.1kPa(実施例1)
1kPa(実施例2)
10kPa(実施例3)
101.3kPa(比較例)(大気圧)
シールドガス筒の長さおよび内径: 430mm、60mm
シールドガス(N2)の供給量: 100〜200cc/min(実施例1)
200〜300cc/min(実施例2)
500cc/min(実施例3)
40000cc/min(大気圧)
レーザ出力: 10kW
溶接速度: 0.1m/min
焦点位置(デフォーカス量): 焦点位置(0mm)
供試材の材質および厚み: ステンレス鋼(SUS304)、50mm
光ファイバーのコア径: 100μm
二基の真空ポンプのポンピング速度:162リットル/min、
500リットル/min
ビードの表面状態、溶込み断面の形状、溶込み深さおよび溶込み断面積により、溶接品質を評価した。
図5および図6に溶接結果を示す。図5は、各圧力下におけるビード・オン・プレート溶接のビード表面と断面の形状および溶込み深さ、溶込み断面積を示す図であり、(a)は溶接速度が0.1m/minの結果であり、(b)は溶接速度が0.3m/minの結果である。図6は、図5の結果に基づいて圧力と溶込み深さとの関係を示した図である。
(イ)ビードの表面状態
実施例1〜3は、ビードの幅が細くてきれいであり、比較例は、ビードの幅が太く、きれいな状態ではない。
実施例1〜3は、溶込み深さが深く、溶接速度が0.1m/min、0.3m/minの場合ともに、溶込み深さが30mmを超えているのに対し、比較例は、実施例1〜3に比べて溶込み深さが浅くなることが確認できた。
実施例の場合は、ビード幅が小さく、深い溶込みが得られていることが確認できた。比較例の場合は、ビード幅が大きく、浅い溶込みになることが確認できた。さらに、実施例1〜3は、溶接部にポロシティの存在が認められず、高品質のレーザ溶接であることが確認できた。
溶込み断面積については、溶接速度が0.1m/minの場合、実施例1〜3の方が大きくなった。一方、溶接速度が0.3m/minの場合、溶接ビード幅が狭いため、実施例1〜3の方が小さくなった。
12 光ファイバー
13 加工ヘッド
14 光学系
15 透過窓
21 ガスボンベ
22 ガス配管
30 チャンバー
31 チャンバーの天板
32 導入口
40 シールドガス筒
41 シールドガス筒の上端
42 シールドガス筒の下端
43 シールドガス導入部
44 シールドガス導入用孔
45 内部フィン
46 環状フィン
51、52 真空ポンプ
53 排気管
61 供試材(被溶接材)
71 移送装置
R レーザ光
Claims (4)
- 低真空雰囲気下で、レーザ光により溶接を行うレーザ溶接装置であって、
レーザ光の光軸に沿って、溶接部と所定の間隔を設けて配置され、上端には透過窓が設けられ、下端は雰囲気制御域内に開口しているシールドガス筒と、
前記シールドガス筒の透過窓側から前記シールドガス筒内部へシールドガスを導入するシールドガス供給手段と
を備えていることを特徴とするレーザ溶接装置。 - 焦点距離が350mm以上の長焦点レーザ溶接装置であることを特徴とする請求項1に記載のレーザ溶接装置。
- 前記シールドガス筒の内壁の長手方向に、所定の間隔毎に、レーザ光の通路を取り囲む環状の遮蔽板が設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ溶接装置。
- 請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法であって、
被溶接材を前記レーザ溶接装置内に配置する被溶接材配置工程と、
前記レーザ溶接装置内の圧力雰囲気を低真空雰囲気にする雰囲気圧力制御工程と、
シールドガス筒にシールドガスを導入するシールドガス導入工程と、
レーザを前記被溶接材に照射するレーザ照射工程と
を有し、
前記シールドガスの導入量は、シールドガスが溶接時、溶接部に直接吹き付けられることがない量に制御されている
ことを特徴とするレーザ溶接方法。
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