JP6896599B2 - 溶接装置及び溶接方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、溶接装置及び溶接方法に関する。

オーステナイト系ステンレス鋼は、低温環境下での靭性が優れているため、低温での破壊靭性値を要求される高付加価値の製品に活用されている。ここで、レーザ溶接法は、アーク溶接法と比較すると入熱量が低いため、オーステナイト系ステンレス鋼に対し、Ｍ２３Ｃ６などの炭化物の析出を抑えられる品質上の利点と、アーク溶接法と比較して溶接効率が高い利点と、があるものの、レーザ発振器などの導入により、初期コストが高くなるため、高付加価値の製品に適用される傾向がある。

厚板材の溶接にレーザ溶接法を適用する場合、レーザ発振器の最大出力での溶込み深さ以上の厚さの厚板材については、レーザ溶接法単独での施工は難しく、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接法又はその他のアーク溶接のプロセスを組合せて施工する必要がある。この用途での厚板材の開先形状は、溝部とルートフェース部とを有する。この種の形状の開先に対してレーザ溶接施工を行う場合、レーザ溶接の溶融池をシールドガスで覆うことは溶接品質を向上させるために不可欠である。

溝部を有する開先については、従来では、溝部にパイプ形状のガスシールド冶具を挿入し、レーザ光の加工点を直接、シールドする方法や、レーザ光の加工点を含んだ溝部を既存のトレーラノズルで覆ってシールドする方法などが知られている。

しかしながら、このような従来のシールド方法では、溶接線の近傍を完全にシールドガスに置換できないうえ、シールドガスの粘性により大気がシールドガス内に巻き込まれるため、溶融池への酸素の侵入を防ぐことができず、溶接箇所の酸素含有量を一定量以下に低下させることが難しくなっている。

特許第５９５１４０９号公報 特開２０１３−６６９１０号公報 特開２０１０−１３１６１５号公報 特開２０１０−２３０９６号公報

ここで、上記したオーステナイト系ステンレス鋼は、溶接箇所の酸素含有量が多くなると、極低温での靭性値が低下するデメリットがある。このため、レーザ溶接時の溶接箇所をシールドする構成についての改善が求められている。

本発明が解決しようとする課題は、レーザ溶接時の溶接箇所に対する酸素の混入を抑制することができる溶接装置及び溶接方法を提供することである。

実施の形態の溶接装置は、レーザヘッド、可動部材、シールドガス供給機構及び遮蔽部材を備えている。レーザヘッドは、母材間の開先にレーザ光を照射する。可動部材は、開先へのレーザ光の照射により生成される溶融池を含む領域を母材との間で包囲しつつ、溶接線に沿った方向に移動する。シールドガス供給機構は、可動部材と母材との間で包囲された領域内にシールドガスを供給する。遮蔽部材は、可動部材に設けられ、母材と可動部材との境界部分をシールする。可動部材は、レーザ光が通過するレーザ光通過口と、可動部材の移動方向を基準として、レーザ光通過口が設けられた位置よりも前方側の位置に設けられた第１のシールドガス供給口と、可動部材の移動方向を基準として、レーザ光通過口が設けられた位置よりも後方側の位置に設けられた第２のシールドガス供給口と、前記可動部材の移動方向を基準として、第１のシールドガス供給口が設けられた位置よりも前方側の位置に設けられた第３のシールドガス供給口とを有する。さらに、溶接装置は、可動部材の移動方向を基準として、第３のシールドガス供給口と前記第１のシールドガス供給口との間の位置に設けられ、包囲された領域を、上流側分割領域と前記溶融池を含む下流側分割領域とに開先内で遮る第２の遮蔽部材を備える。

実施の形態に係る溶接装置を模式的に示す正面方向から観た断面図。 図１に示す溶接装置を側面方向から観た断面図。 図１に示す溶接装置が有するケーシング部のＡ矢視図。 図３に示すケーシング部のＢ−Ｂ断面図。 図３に示すケーシング部のＣ−Ｃ断面図。 図１の溶接装置において、設定した溶接速度毎の前方ガス流量とノズルユニット内の酸素濃度との関係を示す図。 図６に表された酸素濃度を指標とした場合の溶接速度と前方ガス流量との関係を示す図。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
図１〜図５に示すように、本実施形態の溶接装置１０は、レーザヘッド３と水冷式のトレーラノズル５とを備えた溶接システムである。レーザヘッド３は、一対の母材１、２どうしの間の開先７にレーザ光３ａを照射する。レーザ光３ａは、母材１、２の開先７の底部を溶融し、溶融池６を形成する。トレーラノズル５は、溶融池６のシールド性を確保するために、溶融池６の上面には、開先７の頂上部の幅以上の幅を有しており、レーザ溶接時の反射光や高温のヒュームやプラズマの輻射熱に耐え得る銅製の水冷式トレーラノズルユニットである。

レーザ光３ａの種類としては、波長が１０７０ｎｍ〜１０９０ｎｍのファイバレーザ、波長が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ、波長が１０６００ｎｍの炭酸ガスレーザ、波長が１０３０ｎｍのディスクレーザなどを例示できる。なお、レーザ光の出力が低い場合、水冷式のトレーラノズルではなく、冷却機能を有さないトレーラノズルを使用することも可能である。

溶接対象となる母材１、２は、ステンレス鋼、炭素鋼、低合金鋼、非鉄合金などである。図２に示すように、母材１、２間の開先７は、溝部７ａとルートフェース部７ｂとを有する。溝部７ａ及びルートフェース部７ｂは、両Ｕ型の両側開先形状とされているが、片側開先形状としてもよい。図１〜図５に示すように、トレーラノズル５は、可動部材８、シールドガス供給機構９、弾性（可とう性）を有する遮蔽部材（第１の遮蔽部材）１１、板状の第２の遮蔽部材１２、例えば断面形状が格子状又は網目状の整流部材１４を備えている。

可動部材８は、開先７へのレーザ光３ａの照射により生成される溶融池６を含む領域１５を母材１、２との間で包囲しつつ、溶接線に沿った方向（図１中の矢印Ｘ１方向）に移動する。ここで、可動部材８を含むトレーラノズル５は、ロボット、又は加工機のレーザ溶接装置駆動部に保持されており、溶接速度と同じ速度で移動する。また、可動部材８は、図５に示すように、冷媒流路２６やシールドガス溜まり部２７を内部に備えている。シールドガス供給機構９は、可動部材８と母材１、２との間で包囲された領域１５内にシールドガスを供給する。シールドガスとしては、不活性ガスであるアルゴンガス、窒素ガスの他、活性ガスである炭酸ガスなどが挙げられる。

一方、遮蔽部材１１は、図１〜図４に示すように、可動部材８に設けられており、母材１、２と可動部材８との境界部分をシールする（気密に塞ぐ）。遮蔽部材１１は、トレーラノズル５（領域１５）内への大気の侵入（混入）を遮断するために、ゴムなどの弾力性を有する材料を適用し、平面方向からみて矩形状のトレーラノズル５（可動部材８）の３つの辺部を少なくとも覆い、機密性を高めている。より具体的には、遮蔽部材１１は、図３に示すように、可動部材８の側面部及び前面部（前方部）に複数のネジ２８により締結されている。なお、レーザ溶接より母材温度が７０℃以上に上昇することもあることから、遮蔽部材１１の材料には、フッ素ゴムなどの耐熱性を有する材料を使用することも可能である。

また、上記した可動部材８は、図１、図３に示すように、レーザ光３ａが通過するレーザ光通過口２４や、例えば銅製の第１〜第３のシールドガス供給口２１〜２３を有している。第１のシールドガス供給口２１は、可動部材８の移動方向（Ｘ１方向）を基準として、レーザ光通過口２４が設けられた位置よりも前方側の位置に設けられている。第１のシールドガス供給口（ガス吐出口）２１は、トレーラノズル５（領域１５）内でのレーザ溶接時のプラズマ及びヒュームを後方（溶接方向Ｘ１の逆方向）に吹き飛ばす役割を有する。一方、第２のシールドガス供給口（ガス吐出口）２２は、可動部材８の移動方向を基準として、レーザ光通過口２４が設けられた位置よりも後方側の位置に設けられている。この第２のシールドガス供給口２２は、ビード表層のシールド性を高める（ビード表層の酸化防止の）ために備えられている。これら２系統の第１、第２のシールドガス供給口２１、２２からのシールドガスの供給により溶融池６の雰囲気はシールドガスに置換される。

さらに、第３のシールドガス供給口２３は、可動部材８の移動方向を基準として、第１のシールドガス供給口２１が設けられた位置よりも前方側の位置に設けられている。ここで、図１、図４に示すように、第２の遮蔽部材１２は、可動部材８の移動方向を基準として、第３のシールドガス供給口２３と第１のシールドガス供給口との間の位置に設けられている。第２の遮蔽部材１２は、可動部材８と母材１、２との間で包囲された領域１５を、上流側分割領域１５ａと溶融池６を含む下流側分割領域１５ｂとに開先７内で遮る。

このような第２の遮蔽部材１２は、図４に示すように、機密性を高めるために、開先７における溝部７ａの断面形状に適合（フィット）する形状を有している。第２の遮蔽部材１２は、第３のシールドガス供給口２３から供給（吐出）されたシールドガスが、当該シールドガスの粘性により周囲の空気を巻き込みながら、トレーラノズル５（溶融池６を含む領域１５）内に侵入することを防止する。第２の遮蔽部材１２は、可動部材８に対してネジなどで締結されている。第２の遮蔽部材１２は、レーザ溶接により発生する高温の溶接ヒュームに対する耐熱性を持つ例えばステンレス鋼などの材料が適用されている。なお、溶接ヒューム（ヒューム）とは、高温で蒸発した金属やフラックスが大気中で冷却されて発生する微細な鉱物性粉塵である。

整流部材１４は、第３のシールドガス供給口２３の内部に設けられており、第３のシールドガス供給口２３を通るシールドガスの流れを整流する、いわゆるガスレンズである。

上記した第２の遮蔽部材１２が配置される一方で、整流部材１４が組み込まれた第３のシールドガス供給口２３から供給（吐出）されるシールドガスにより、トレーラノズル５の前方側の開先７の溝部７ａ内（上流側分割領域１５ａ）を、空気からシールドガスに置換することが可能となる。ここで、第２の遮蔽部材１２と溶融池６との離間距離は、３０ｍｍ以上であることが好ましく、第２の遮蔽部材１２と第３のシールドガス供給口２３との離間距離は、１０ｍｍ以上であることが望ましい。

また、本実施形態の溶接装置１０には、溶接ヒュームを逃がすための開口部２５が備えられている。開口部２５は、可動部材８の移動方向を基準として、第２のシールドガス供給口２２の位置よりも後方側の位置に設けられている。

このように構成された溶接装置１０による溶接方法は、少なくとも、シールドガス供給工程、レーザ光照射工程、可動部材移動工程を有する。まず、シールドガス供給工程では、母材１、２間の開先７に生じる（生じることになる）溶融池６を含む領域１５を母材１、２との間で包囲すると共に母材１、２との境界部分をシールする遮蔽部材１１が設けられた可動部材８と、当該母材１、２との間で、前記包囲した領域１５内にシールドガスを供給する。一方、レーザ光照射工程では、溶融池６が生じることになる母材１、２間の開先７にレーザヘッド３からレーザ光３ａを照射する。さらに、可動部材移動工程では、レーザ光３ａが開先７に照射されている状態で、可動部材８を溶接線に沿った方向（Ｘ１方向）に移動させる。

既述したように、本実施形態の溶接装置１０及び溶接方法によれば、レーザ溶接時の溶接箇所（溶融池６）に対する酸素の混入（侵入）を抑制することができる。より具体的には、トレーラノズル５の前方に設置した３のシールドガス供給口２３から供給されるシールドガスにより、トレーラノズル５の前方の上流側分割領域１５ａを、予めシールドガスに置換できる。このため、トレーラノズル５が溶接速度と同じ速度で移動しても、トレーラノズル５内に進入するガスは、常にシールドガスとなり酸素の進入を防止できる。

また、シールドガス供給口２３の内部に整流部材１４を設けていることで、シールドガスの流速を抑制でき、さらには、第２の遮蔽部材１２を設けていることで、トレーラノズル５内（溶融池６を含む下流側分割領域１５ｂ）への、シールドガスの粘性による酸素の巻き込みが防止される。

なお、シールド性は、トレーラノズル５と母材１、２の隙間に影響を受け、隙間を０．５ｍｍ未満に保つとトレーラノズル５内の酸素濃度が低下するが、トレーラノズル５の保持状態により、剛体のトレーラノズル５（可動部材８）と母材１、２が溶接中に干渉するリスクがあり、干渉防止のための調整作業が発生する。これを踏まえて、本実施形態の溶接装置１０では、トレーラノズル５の側面及び前面部にゴムなどの弾力性を有するシール材として遮蔽部材１１を設けている。この遮蔽部材１１を介して、トレーラノズル５（可動部材８）を母材１、２で保持させることで、トレーラノズル５と母材１、２が溶接中に干渉するリスクを低減できると共に、トレーラノズル５と母材１、２との隙間がなくなることでシールド性を高めることができる。また、本実施形態の溶接装置１０を用いた溶接方法によれば、上記した干渉防止のための調整作業が不要なため、溶接の作業時間を短縮できる。

＜実施例＞
次に実施例について図６及び図７に基づき説明する。ここで、図１〜図５に示した溶接装置１０を実施例に適用した。なお、上記した特許文献１の図４、図６に構成を例示した溶接システムを比較例として適用した。実施例の溶接装置１０では、シールドガスとして不活性ガスであるアルゴンガスを使用し、図６に示すように、水冷式のトレーラノズル５の前方に設置したシールドガス供給口２３からのシールドガス流量（前方ガス流量）を３０Ｌ／ｍｉｎ以上、トレーラノズル５内のシールドガス流量を５Ｌ／ｍｉｎ以上に設定すれば、トレーラノズル５（可動部材８）を速度３０ｃｍ／ｍｉｎ〜１００ｃｍ／ｍｉｎにて動作させても（ドライ運転）、トレーラノズル５内の酸素濃度を０％に下げることが確認できている。なお、この際、シールド性を向上させる目的でトレーラノズル５の前方又は後方の溝部７ａを、耐熱性のある布又はゴムシートでカバーする（覆う）ことについては、トレーラノズル５内の酸素濃度の低減には効果がなく、逆に酸素濃度が上昇する傾向がある。

トレーラノズル５内の酸素濃度は、図７に示すように、トレーラノズル５の前方に設置したシールドガス供給口２１からのシールドガス流量（前方ガス流量）と溶接速度のパラメータにより影響を受け、トレーラノズル５内の酸素濃度を０％とするためには、溶接速度が３０ｃｍ／ｍｉｎの場合、トレーラノズル５の前方ガス流量が３０Ｌ／ｍｉｎ以上であることが必要であり、溶接速度が７０ｃｍ／ｍｉｎの場合、トレーラノズル５の前方ガス流量が２０Ｌ／ｍｉｎ以上であることが必要であり、溶接速度が１００ｃｍ／ｍｉｎの場合、トレーラノズル５の前方ガス流量が１５Ｌ／ｍｉｎ以上であることが必要である。

特許文献１の図４に例示されたレーザ光の加工点を含んだ開先溝を、水冷式のトレーラノズルで覆ってシールドする比較例の溶接方法では、シールドガスとして不活性ガスのアルゴンガスを使用し、シールドガス流量を４５Ｌ／ｍｉｎ、溶接速度を７０ｃｍ／ｍｉｎの条件にしてドライ運転し、水冷式トレーラノズルを動作させたところ、水冷式トレーラノズル内の酸素濃度が、０．７％までしか下がらなかった。これに対して、実施例の溶接装置１０による溶接方法では、比較例の溶接方法と比べて、トレーラノズル５内の酸素濃度を大幅に低減することができる。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、レーザ溶接時の溶接箇所に対する酸素の混入を抑制することができる。

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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施す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、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

１，２…母材、３…レーザヘッド、３ａ…レーザ光、５…水冷式のトレーラノズル、６…溶融池、７…開先、７ａ…溝部、７ｂ…ルートフェース部、８…可動部材、９…シールドガス供給機構、１０…溶接装置、１１…遮蔽部材（第１の遮蔽部材）、１２…第２の遮蔽部材、１４…整流部材、１５…領域、１５ａ…上流側分割領域、１５ｂ…下流側分割領域、２１…第１のシールドガス供給口、２２…第２のシールドガス供給口、２３…第３のシールドガス供給口、２４…レーザ光通過口、２５…開口部、２６…冷媒流路、２７…シールドガス溜まり部、２８…ネジ。

Claims (6)

1. 母材間の開先にレーザ光を照射するレーザヘッドと、
   前記レーザ光の前記開先への照射により生成される溶融池を含む領域を前記母材との間で包囲しつつ、溶接線に沿った方向に移動する可動部材と、
   前記可動部材と前記母材との間で包囲された前記領域内にシールドガスを供給するシールドガス供給機構と、
   前記可動部材に設けられ、前記母材と前記可動部材との境界部分をシールする遮蔽部材と、
   を備える溶接装置であって、
   前記可動部材は、
   前記レーザ光が通過するレーザ光通過口と、
   前記可動部材の移動方向を基準として、前記レーザ光通過口が設けられた位置よりも前方側の位置に設けられた第１のシールドガス供給口と、
   前記可動部材の移動方向を基準として、前記レーザ光通過口が設けられた位置よりも後方側の位置に設けられた第２のシールドガス供給口と、
   前記可動部材の移動方向を基準として、前記第１のシールドガス供給口が設けられた位置よりも前方側の位置に設けられた第３のシールドガス供給口と
   を有し、
   前記可動部材の移動方向を基準として、前記第３のシールドガス供給口と前記第１のシールドガス供給口との間の位置に設けられ、前記包囲された領域を、上流側分割領域と前記溶融池を含む下流側分割領域とに前記開先内で遮る第２の遮蔽部材をさらに備える
   溶接装置。
2. 前記遮蔽部材は、弾性を有する、請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記第３のシールドガス供給口を通るシールドガスの流れを整流する整流部材、
   をさらに備える請求項１または２に記載の溶接装置。
4. 前記開先は、溝部とルートフェース部とを備え、
   前記第２の遮蔽部材は、前記溝部の断面形状に適合する形状を有する、
   請求項１から３のいずれかに記載の溶接装置。
5. 前記可動部材の移動方向を基準として、前記第２のシールドガス供給口の位置よりも後方側の位置に設けられ、溶接ヒュームを逃がすための開口部、
   をさらに有する請求項１から４のいずれかに記載の溶接装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の溶接装置を用いて溶接を行う、溶接方法。

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