JP6715815B2 - レーザ光伝送用光ファイバ及び溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光伝送用光ファイバ及び溶接方法に関する。

光ファイバからレーザ光を照射して溶接を行う技術が知られている。例えば、特許文献１には、そのときのレーザ光のパワーをモニタリングする装置が開示されている。

特開２０１７−１４４４６６号公報

ところで、レーザ光を用いて例えば金属メッキ鋼板をブレージング溶接する場合、スパッタの発生により溶接部が汚れるという問題がある。

本発明の課題は、溶接部の汚れを抑制することができるレーザ光伝送用光ファイバ及び溶接方法を提供することである。

本発明は、第１及び第２金属材を溶接するのに用いられるレーザ光伝送用光ファイバであって、前記第１及び第２金属材の溶接予定部に沿って照射されるブレージング溶接を行うためのレーザ光を出射する横断面形状が多角形状の溶接用コアと、前記溶接用コアからのレーザ光を前記第１及び第２金属材の溶接予定部に沿って照射してブレージング溶接するとき、前記ブレージング溶接される前の前記第１及び第２金属材の溶接予定部のうちの少なくとも一方に沿って照射される金属メッキの除去を行うためのレーザ光を出射するように設けられた横断面形状が円形状のメッキ除去用コアとを有するレーザ光伝送用光ファイバである。

本発明は、第１及び第２金属材の溶接予定部に沿って、ビーム形状が多角形状のトップハット型のレーザ光を照射してブレージング溶接する溶接方法であって、前記ブレージング溶接の前に、前記第１及び第２金属材の溶接予定部のうちの少なくとも一方に沿って、ビーム形状が円形状のガウシアン型のレーザ光を照射して金属メッキを除去するものである。

本発明によれば、第１及び第２金属材の溶接予定部に沿ってトップハット型のレーザ光を照射してブレージング溶接する前に、第１及び第２金属材の溶接予定部のうちの少なくとも一方に沿ってガウシアン型のレーザ光を照射して金属メッキを除去するので、ブレージング溶接時におけるスパッタの発生が減じられ、それによって溶接部が汚れるのを抑制することができる。

実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバの端面の正面図である。 ワークの平面図である。 図２ＡにおけるIIB-IIB断面図である。 実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバを用いた溶接方法を示す平面図である。 図３におけるX-Xに沿ったレーザ光の光パワー分布を示す図である。 図３におけるY-Yに沿ったレーザ光の光パワー分布を示す図である。 図３におけるX-X断面図である。 図３におけるY-Y断面図である。 実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバの第１変形例の端面の正面図である。 実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバの第２変形例の端面の正面図である。 実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバの第３変形例の端面の正面図である。 実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバの第４変形例の端面の正面図である。 実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバの第５変形例の端面の正面図である。 実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバの第６変形例の端面の正面図である。 実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバの第７変形例の端面の正面図である。 実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバの第８変形例の端面の正面図である。 溶接方法の変形例を示す平面図である。

以下、実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバ１０を示す。このレーザ光伝送用光ファイバ１０は、例えば金属材のブレージング溶接に用いられるものである。

実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバ１０は、ファイバ横断面の形状が円形であって、その外径が例えば５００μｍ以上２０００μｍ以下である。実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバ１０は、相対的に高屈折率である溶接用コア１１及び一対のメッキ除去用コア１２と、それらを被覆する相対的に低屈折率のクラッド１３とを有する。レーザ光伝送用光ファイバ１０は、クラッド１３の外側を更に被覆するサポート層を有していてもよい。

溶接用コア１１は、横断面形状が正方形状に形成されている。溶接用コア１１は、円形のファイバ横断面において、コア中心がファイバ中心から偏心した位置に配置され、且つ一対の対向する辺がその偏心方向に延びるとともに、他の一対の対向する辺が偏心方向に直交する方向に延びるように設けられている。溶接用コア１１は、純粋石英ガラスで形成されている事が好ましい。溶接用コア１１の最大径は例えば５０μｍ以上１２００μｍ以下である。

一対のメッキ除去用コア１２のそれぞれは、横断面形状が円形状に形成されている。一対のメッキ除去用コア１２は、円形状のファイバ横断面において、溶接用コア１１の偏心側とは反対側に、溶接用コア１１の偏心方向を対称軸とするように配設されている。メッキ除去用コア１２は、純粋石英ガラスで形成されていてもよく、また、Ｇｅ等の屈折率を高めるドーパントがドープされた石英ガラスで形成されていてもよい。メッキ除去用コア１２は、溶接用コア１１と同一材料で形成されていてもよく、また、溶接用コア１１と異なる材料で形成されていてもよい。一対のメッキ除去用コア１２は、同一材料で形成されていることが好ましい。メッキ除去用コア１２は、ＧＩ型（グレーデッドインデックス型）の屈折率プロファイルを有してもよく、また、ＳＩ型（ステップインデックス型）の屈折率プロファイルを有してもよいが、後述するメッキ除去性の観点から、ＧＩ型の屈折率プロファイルを有することが好ましい。メッキ除去用コア１２の最大径は、溶接用コア１１の最大径よりも小さいことが好ましく、例えば１０μｍ以上４００μｍ以下である。一対のメッキ除去用コア１２の配設方向の外径間寸法は、後述するブレージング溶接時における金属メッキによるスパッタの発生を抑制する観点から、それに対応する溶接用コア１１の外径寸法、つまり、一辺の長さと同一又はそれよりも長いことが好ましい。一対のメッキ除去用コア１２の最大径は同一であることが好ましい。

ここで、本出願において、四角形状等の「多角形状」は、いわゆる多角形の他、真っ直ぐな辺が丸みを帯びた角部で連結された多角形も含む。また、「円形状」は、いわゆる真円の他、楕円も含む。

クラッド１３は、溶接用コア１１及びメッキ除去用コア１２が純粋石英ガラスで形成されている場合には、Ｆ等の屈折率を低めるドーパントがドープされた石英ガラスで形成されていることが好ましい。

以上の構成の実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバ１０は、公知の方法で作製した母材を線引きすることにより製造することができる。また、実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバ１０は、樹脂製のジャケットで被覆されて心線に構成されるとともに、可撓管に通されて両端に光コネクタが取り付けられてケーブルに構成され、そして、入射側の光コネクタがレーザ光源に接続されるとともに、出射側の光コネクタがレーザ光照射用のトーチ部材に接続されて用いられる。

次に、実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバ１０を用いた溶接方法について、図２Ａ及びＢ〜図５Ａ及びＢに基づいて説明する。

ワーク２０は、第１及び第２金属材２１，２２で構成される。第１及び第２金属材２１，２２のそれぞれは、金属材本体２１ａ，２２ａの表面に金属メッキ２１ｂ，２２ｂが施されている。金属材本体２１ａ，２２ａを形成する金属としては、例えば、鉄鋼、ステンレス鋼、真鍮等が挙げられる。金属メッキ２１ｂ，２２ｂとしては、例えば、亜鉛メッキ、クロムメッキ、ニッケルメッキ等が挙げられる。

実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバ１０を用いた溶接方法では、まず、図２Ａ及びＢに示すように、第１及び第２金属材２１，２２を突き合わせる。ワーク２０の第１及び第２金属材２１，２２のそれぞれにおいて、それらの突き合わせ部から一定幅の帯状部分が溶接予定部２１ｃ，２２ｃに構成される。

そして、図３に示すように、実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバ１０及びワーク２０を相対移動させながら、レーザ光伝送用光ファイバ１０の溶接用コア１１及び一対のメッキ除去用コア１２からのレーザ光を、ワーク２０の第１及び第２金属材２１，２２の溶接予定部２１ｃ，２２ｃに、それらの溶接予定部２１ｃ，２２ｃに沿って照射する。この際、レーザ光伝送用光ファイバ１０は、移動方向における後方側に溶接用コア１１及び進行側に一対のメッキ除去用コア１２がそれぞれ配置されるようにする。また、溶接用コア１１からのレーザ光の照射部に、メッキ除去用コア１２からのレーザ光が照射されないように、側方からブレージングワイヤ３０を供給する。ブレージングワイヤ３０としては、例えばＡｌ-Ｓｉ系合金等が挙げられる。なお、レーザ光伝送用光ファイバ１０及びワーク２０の相対移動は、レーザ光伝送用光ファイバ１０を固定してワーク２０を移動させてもよく、また、ワーク２０を固定してレーザ光伝送用光ファイバ１０を移動させてもよく、さらに、レーザ光伝送用光ファイバ１０及びワーク２０の両方を移動させてもよい。

このとき、具体的に、ワーク２０には、最初に、第１及び第２金属材２１，２２の溶接予定部２１ｃ，２２ｃに沿って、メッキ除去用コア１２から出射したレーザ光が照射される。メッキ除去用コア１２からのレーザ光は、メッキ除去用コア１２の横断面形状が円形状であるので、図４Ａに光パワー分布を示すように、ビーム形状が円形状で且つガウシアン型のレーザ光となる。このように第１及び第２金属材２１，２２のそれぞれの溶接予定部２１ｃ，２２ｃに、メッキ除去用コア１２からのガウシアン型のレーザ光Ｌを照射することにより、図５Ａに示すように、溶接予定部２１ｃ，２２ｃの表面の金属メッキ２１ｂ，２２ｂの除去を行う。

それに続いて、金属メッキ２１ｂ，２２ｂが除去された第１及び第２金属材２１，２２の溶接予定部２１ｃ，２２ｃに沿って、溶接用コア１１から出射したレーザ光が照射される。溶接用コア１１からのレーザ光は、溶接用コア１１の横断面形状が正方形状であるので、図４Ｂに光パワー分布を示すように、ビーム形状が正方形状で且つトップハット型のレーザ光となる。このように金属メッキ２１ｂ，２２ｂが除去された第１及び第２金属材２１，２２の溶接予定部２１ｃ，２２ｃに、溶接用コア１１からのトップハット型のレーザ光Ｌを照射することにより、その側方から供給するブレージングワイヤ３０を溶融させ、図５Ｂに示すように、第１及び第２金属材２１，２２の溶接予定部２１ｃ，２２ｃ間のブレージング溶接を行う。

以上の通り、実施形態に係るレーザ光伝送用光ファイバ１０によれば、第１及び第２金属材２１，２２の溶接予定部２１ｃ，２２ｃに沿ってトップハット型のレーザ光を照射してブレージング溶接する前に、第１及び第２金属材２１，２２の溶接予定部２１ｃ，２２ｃに沿ってガウシアン型のレーザ光を照射して金属メッキ２１ｂ，２２ｂを除去するので、ブレージング溶接時におけるスパッタの発生が減じられ、それによって溶接部が汚れるのを抑制することができる。それに加えて、ブレージング溶接の前に予め金属メッキ２１ｂ，２２ｂを除去するので、ブレージング溶接の時間短縮を図ることができる。

なお、上記実施形態では、横断面形状が正方形状の溶接用コア１１が、その一対の対向する辺が偏心方向に延びるとともに、他の一対の対向する辺が偏心方向に直交する方向に延びるように設けられた構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、図６に示すように、横断面形状が正方形状の溶接用コア１１が、その一方の対角線が偏心方向に延びるとともに、他の対角線が偏心方向に直交する方向に延びるように設けられた構成であってもよい。

上記実施形態では、溶接用コア１１の横断面形状が正方形状である構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、図７Ａに示すように、溶接用コア１１の横断面形状が、偏心方向に延びる一対の対向する辺が長辺の長方形である構成であってもよく、また、図７Ｂに示すように、溶接用コア１１の横断面形状が、偏心方向に延びる一対の対向する辺が短辺の長方形である構成であってもよい。

溶接用コア１１の横断面形状の角部の数は、好ましくは４以上８以下、より好ましくは４以上６以下である。溶接用コア１１の横断面形状は、必ずしも正多角形状である必要はないが、正多角形状であることが好ましい。溶接用コア１１の横断面形状は、製造容易性の観点から、好ましくは四角形状、より好ましくは矩形状、更に好ましくは正方形状である。

溶接用コア１１は、図８Ａに示すように、最大径方向が偏心方向に一致するように設けられていてもよく、また、図８Ｂに示すように、最大径方向が偏心方向に直交する方向に一致するように設けられていてもよい。なお、図８Ａ及びＢは、溶接用コア１１の横断面形状が正六角形状の例である。

上記実施形態では、一対のメッキ除去用コア１２を有する構成としたが、特にこれに限定されるものではなく、第１及び第２金属材２１，２２のうちの一方のみに金属メッキ２１ｂ，２２ｂが施されている場合には、図９Ａに示すように、単一のメッキ除去用コア１２を有し、そこからのレーザ光を金属メッキ２１ｂ，２２ｂが施されている方の溶接予定部２１ｃ，２２ｃに照射する構成であってもよく、また、図９Ｂに示すように、単一のメッキ除去用コア１２を有し、そこからのレーザ光を第１及び第２金属材２１，２２の両方の溶接予定部２１ｃ，２２ｃに照射する構成であってもよい。さらに、図９Ｃに示すように、間隔の異なる一対のメッキ除去用コア１２を複数有し、溶接予定部２１ｃ，２２ｃ間の幅によって一対のメッキ除去用コア１２を選択する構成であってもよい。

上記実施形態では、レーザ光伝送用光ファイバ１０を用いた溶接方法としたが、特にこれに限定されるものではなく、図１０に示すように、溶接用コア１１を有する溶接用光ファイバ４１と、各々、メッキ除去用コア１２を有する一対のメッキ除去用光ファイバ４２とを用い、第１及び第２金属材２１，２２の溶接予定部２１ｃ，２２ｃに沿って、一対のメッキ除去用光ファイバ４２のメッキ除去用コア１２から、それぞれビーム形状が円形状のガウシアン型のレーザ光を、第１及び第２金属材２１，２２の対応する溶接予定部２１ｃ，２２ｃに沿ってレーザ光を照射して金属メッキ２１ｂ，２２ｂを除去した後、溶接用光ファイバ４１の溶接用コア１１から、ビーム形状が多角形状のトップハット型のレーザ光を照射してブレージング溶接を行ってもよい。

本発明は、レーザ光伝送用光ファイバ及び溶接方法の技術分野について有用である。

１０ レーザ光伝送用光ファイバ
１１ 溶接用コア
１２ メッキ除去用コア
１３ クラッド
２０ ワーク
２１，２２ 第１，第２金属材
２１ａ，２２ａ 金属材本体
２１ｂ，２２ｂ 金属メッキ
２１ｃ，２２ｃ 溶接予定部
３０ ブレージングワイヤ
４１ 溶接用光ファイバ
４２ メッキ除去用光ファイバ

Claims (5)

1. 第１及び第２金属材を溶接するのに用いられるレーザ光伝送用光ファイバであって、
   前記第１及び第２金属材の溶接予定部に沿って照射されるブレージング溶接を行うためのレーザ光を出射する横断面形状が多角形状の溶接用コアと、
   前記溶接用コアからのレーザ光を前記第１及び第２金属材の溶接予定部に沿って照射してブレージング溶接するとき、前記ブレージング溶接される前の前記第１及び第２金属材の溶接予定部のうちの少なくとも一方に沿って照射される金属メッキの除去を行うためのレーザ光を出射するように設けられた横断面形状が円形状のメッキ除去用コアと、
   を有するレーザ光伝送用光ファイバ。
2. 請求項１に記載されたレーザ光伝送用光ファイバにおいて、
   前記メッキ除去用コアを一対有するレーザ光伝送用光ファイバ。
3. 請求項１又は２に記載されたレーザ光伝送用光ファイバにおいて、
   前記溶接用コアの横断面形状が四角形状であるレーザ光伝送用光ファイバ。
4. 第１及び第２金属材の溶接予定部に沿って、ビーム形状が多角形状のトップハット型のレーザ光を照射してブレージング溶接する溶接方法であって、
   前記ブレージング溶接の前に、前記第１及び第２金属材の溶接予定部のうちの少なくとも一方に沿って、ビーム形状が円形状のガウシアン型のレーザ光を照射して金属メッキを除去する溶接方法。
5. 請求項４に記載された溶接方法において、
   請求項１乃至３のいずれかに記載されたレーザ光伝送用光ファイバを用いてレーザ光を照射する溶接方法。

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