JPH0313289A - 金属帯等のレーザ溶接方法ならびにその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は金属帯等のレーザ溶接方法ならびにその装置に
係り、詳しくは、金属帯等の被溶接材の端面を互いに突
合わせ、この溶接線に沿ってレーザ溶接する際に、この
溶接線に沿って、被溶接材の板厚、段差、目違いなどを
測定し、口の測定結果に適応してレーザビームの焦点を
位Ｍ決めしてレーザ溶接する方法ならひにその装置に係
る。

なお、金属帯とは、例えば熱延コイルの如き鋼板ストリ
ップのほかに、鋼板等の板状材その他の材料を一般的に
含む。

従　　来　　の　　技　　術 最近、レーザビームがアークその他の熱源に比べると、
エネルギー東中度が非常に高い熱源であることから、ア
ークその他の熱源に代って、金属板や金属帯の圧延過程
の溶接、溶断や円筒体等の穿孔加工等にも利用されてい
る。

例えば、圧延過程等において、金属帯の端部を互いに突
合わせ、これを溶接して連続なものとしてから、圧延処
理する際にも、従来ではＴｌＧ１６接、ＭＩＧ溶接が用
いられていたが、最近は、これに代って、レーザ溶接が
用いられることが多い。

すなわら、レーザビームを熱源として用いると、低入熱
溶接が実現でき、ビード幅に対する溶込み深さが大きく
でき、なかでも、熱影響部がほとんど存在しないほど小
さくなる。このために、圧延過程で熱延コイルなどの金
属帯を互いに接合する場合にレーザ溶接を用いると、そ
の特徴が最も発揮できる。しかしながら、レーザビーム
のエネルギー東中度を高める上から、レンズ等の東光系
を用いて東光されるレーザビムのビーム焦点を小さくす
る必要があり、これに伴って、金属帯の突合わせ開先は
、レーザビームの径に合わせて開先間隙をはと／υどギ
ャップなしの如（正確に突合わせる必要がある。また、
突合わせ開先は、この間隙を最少にするほか、レーザト
ーチの走１）ＦＪと完全に一致した直線性を持つことが
必要であり、更に、）容接線に沿っての板厚の変化や、
段差、目違い等があると、レーザ溶接のＶｆ取が十分に
発揮できない。

しかしながら、これらの条件を充足する精度の向上をは
かることは極めてむずかしく、とりわけ、近年板幅が大
きくなるに従って、板幅方向、つまり、溶接線に；Ωつ
での板厚変化が一点で求めた公称板厚に対して太き（な
っている。

そこで、先行の金属帯と後行の金属帯とを突合わせ、こ
の突合わせ部に沿ってレーザトーチを移動ざｔて溶接す
る際に、これら両金属帯をクランプする上下の各クラン
プのうらで、各上クランプを昇降するクランプシリンダ
の昇降を測定するレーザ溶接機が提案されている。この
レーザ溶接機であると、圧延時に突合わせ溶接すべき金
属帯の板厚を求め、その板厚に応じて溶接条件を設定し
て溶接できる。

しかしながら、このレーザ溶接機で測定する板厚は溶接
すべき金属帯の一点の板厚に過ぎず、板幅方向において
板厚が相当変化しているにも拘らず、その板厚分布を把
握することができない。

すなわら、熱延コイルなどの金属帯の圧延時には、溶接
すべき金属帯の板ｊワは、一応公称板厚として与えられ
るが、実際の板厚は相当かけはなれ、板幅方向における
扱ＮＩＩｆｍは、相当ばらつき、単に、クランプシリン
ダの移動機を求めるのみでは測定点の板厚しか測定でき
ず、これによって例えばレーザトーチの焦点などの溶接
条件を定めても、必ずしも、板１）〕全長にｔ）　を二
って良好なビードが得られるとは限らない。

また、突合わせるべき先行ならひに後行の金属帯は、板
幅方向の板厚分布のほかに、形状も異なるため、上記の
如き♂接機で板ｊワをス）１定して最適溶接条件を定め
ても、良りｆな溶接Ｉｆできない。要するに、公称板厚
あるいは実測板厚が板厚を代表させてレーザトーチ高さ
、つまり、レーザビームの最３！ｉ焦点位置を決めて溶
接する方法であると、板幅方向に沿って、経時的に焦点
位置を変化させなければ、艮Ｑｆなレーザ溶接が達成で
きない。

発明が解決しようとする課題 本発明は上記欠点の解決を目的とし、具体的には、互い
に突合わせ溶接すべき金属帯の溶接方向若しくは板輻方
向の板厚変８ならびに形状変化に拘らず、常に最適焦点
位置にレーザビムの焦点を調整してレーザ溶接でき、溶
接方向にわたって一様に安定しかつ溶接欠陥のない溶接
継手がａられるレーザ溶接方法ならびにその装置を１！
！案する。

課題を解決するための 手段ならびにその作用 すなわち、本発明は、先行ならびに後１テの金属帯の対
向端面を突合わぜて突合わぜ開先を形成し、この突合わ
せ開先に沿ってレーザトーチを走行させてレーザ溶接す
る際に、このレーザトーチあるいはレーザトーチ基準面
から突合わせ開先近傍の各金属帯までの距離を測定する
一方、これら測定距離のほか、予め与えられた公称板厚
あるいは予め測定された測定板厚、レーザトーチから金
属帯パスラインまでの距離から、レーザビームの最適焦
点位置を求め、この最適焦点位置にレーザビーム焦点を
合せてレーザ溶接することを特徴とする。

そこで、己れら手段たる構成ならびにその作用について
、図面によって更に具体的に説明すると、次の通りであ
る。

なお、第１図は本発明でレーザ溶接する際の段差態様の
一部及びパスライン方向（Ｘｌと溶接線方向（Ｙ）を示
す斜視図であり、第２図ならびに第３図は本発明でレー
ザ溶接する場合の正面図と矢視Ａ−Ａ方向からの側面図
であり、ｉ４図は段差量と最適焦点位置との関係を示す
グラフであり、第５図は本発明でレーザ溶接する際の突
合わせ開先の斜視図であり、第６図ならびに第７図は第
５図に示す開先を溶接する際のレーザトーチの移！ｔｌ
！！ｉ様の一例の各説明図である。

まず、第１図ならびに第２図に示す通り、先行金属帯１
ならびに後行量ｍ帯２の各対向端面１ａ、２ａを突合わ
せて、その間に突合わせ開先を形成し、この開先に沿っ
てレーザトーチ３を走行させて溶接する。この場合、各
金属帯１．２の板厚は、例えば、板厚１＋　（先行材）
、【２（後行材）の如く、相違することが多く、突合わ
せ開先には、第１図ならびに第２図に示す通り、段差（
Δ【−ｔ、　−ｔ２１が士じるが、この段差（Δで）に
対応するＲ適焦点位置は実験的に予め求めることができ
る。すなわら、第４図に一例を示す如く、段差Δｔに応
じてレーザビームの焦点位コを突合わせ面から高い側へ
Ｘだけ移動させると最良の溶接結果が得られる。この位
置にレーザピムの焦点を保も、この状態でレーザトーチ
を走行させて開先線の仝艮にわたって溶接する。すなわ
ら、レーザトーチ３においては下端のノズル４からレー
ザビームが発せられ、このビームの焦点を最適焦点位置
に保って溶接する。また、レーザトーチ３としては、一
般には、Ｃ０２ガスレーザを用いることができるが、こ
のＧ０２ガスレーザ以外、例えば、化学レーザのほかい
かなるレーザも用いることができる。レーザトーチ３は
突合わせ開先線に沿って（Ｙ軸方向）移動できるほか、
垂直方向（ＺＮ方向）に昇降自在に構成し、なかでも、
溶接時のビーム焦点を常に最適焦点位置に維持するため
に、金属帯パスラインと平行な方向（Ｘｌ［１）方向）
に移動できるよう構成する。

そこで、以上のようにレーザ溶接するにあたり、レーザ
トーチ３を機幅方向、つまり、溶接方向に向って突合わ
せ開先線に沿って移動させて溶接するときに、第２図な
らびに第３図に小す如く、レーザトーチ３あるいはレー
ザトーチ３の基準面Ｔから突合わせ開先の近傍の各金属
帯１．２の表面までの距離１）．１２を個別的に、しか
も、突合わせ開先、つまり、溶接線の仝艮にわたって測
定する。この測定は、後記の如く、レーザトーチ３に取
付けた距離測定計５によって１）なわれるが、このよう
に測定された測定距離１、．１２と、予め与えられた公
称板工９まｔ；は予め測定された測定板厚ならびにレー
ザトーチ３がら金属帯パスラインまでの距離とにもとす
いて、両金属帯１．２の突合わせ面の段差ａ（Δｔ−ｉ
ｔ　　　Ｌ＋ｌを求めると共に、この段差ｍから第４図
に示す関係によって最適焦点位置を求める。その上で、
この最適焦点位置とレーザビーム焦点との差、つまり、
ずれ澁を求めて、このずれ世にもとすいて、レーザビー
ム焦点が最適焦点位置にＶ３東するよう、レーザトーチ
３をＸ軸方向ならびにＸ軸方向に移動させて、レーザ溶
接を行なう。

史に詳しく説明すると、第１図ならびに第２図に示す如
（、実際の溶接開先では互いに突合わされた金属帯１．
２の板厚ｊ、、ｊ２が相違し、更に板面が完全に平坦で
はないので、開先部分の段差が一様でない場合が多い。

この場合に、従来例の如＜、公称板厚や例えばクランプ
シリンダの昇降−によって求めた実測板厚にもとずいて
、ビーム焦点位置を定めて溶接するときには、溶接線の
全長にわたってビーム焦点位置を一定として溶接しても
、全長にわたり良好な溶接ビドが形成できない。これに
対し、本発明においては、溶接線に沿ってレーザトーチ
３を移動させて溶接する際に、その都度、板厚の段差量
、目違いなどを求め、これらの因子を取込んで最適焦点
位置を求め、それに応じてレーザトーチ３をＺ？Ｉ１）
又はＸ軸方向に移動させ溶接する。このレーザトーチ３
の移動はｌ軸方向、つまり、突合わせ開光線（又は溶接
線）に対して垂直な高さ方向と、Ｘ軸方向、つまり、金
属帯パスラインと平行方向とに行なう。

また、このようにレーザ溶接する場合、第２図ならびに
第３図に示すように、レーザトーチ３の１つの側面に距
離測定計５を設け、この距離測定計５によってレーザト
ーチ３の１面Ｉ（かう各金属帯１．２の表面までの距１
ｌｌｌｌ　、１２を個別的に測定できるよう、構成する
。また、各金属帯１．２の板厚を実測するのには、いず
れの手段でも達成できるが、従来例の如く、各金属帯を
ウラン７ｊる上クランプを昇降りるシリンダの昇降轟に
よって実測することができる。更に、距＠測定計５や板
厚測定装置からの情報により最適焦点位置を求めるには
、この演算装置をレザトーチなどに関連して組込むこと
ができる。

実施例 まず、先行ならびに後行の鋼板ストリップ６．７の対向
端部を互いに突合わせて下クランプ８．９ならびに上ク
ランプでクランプしたところ、第５図に示す通りに突合
わされた。この突合わせ開先では、その溶接方向（Ｙ軸
方向）にわたって大きな段差があって、このため、レー
ザトーチをＹ軸方向に走行させて溶接するときに、両鋼
板ストリップ６．７について！、、ｆ２（ｉ２図参照）
を求め、このｌ、　、１２とから段差量を求め、この段
差間に対応する最適焦点位置を求めた。この最適焦点位
置にレーザビーム焦点が一致するよう、レーザトーチ３
をパスラインに垂直な方向（ｌ軸方向）には第６図の実
線、パスラインに平行な方向（Ｘ軸方向）には第７図の
実線の通り、レーザトーチを移動させて溶接した。これ
に対し、クランプシリンダの移ｆｊｌｆｆｉによって板
厚を実測し、この板厚にもとすいてレーザビムの焦点を
定め、己れを一定として、レーザトーチを移動させるこ
となく溶接方向に走行させた。つまり、この場合は、第
６図ならびに第７図で破線で示す通り、レーザトーチは
Ｙ−１而ならびにｘ−Ｙ面で焦点位置を一定として溶接
した。

以上の通り、本発明と比較例とで溶接した結果、本発明
による場合は、圧延以１景の工程で破断を１じる場合の
発生率は、１％以Ｆであったが、比較例であると、５〜
８％程度ときわめて多かった。

〈発明の効果〉 以上詳しく説明した通り、本発明は、鋼板ストリップそ
の他の金属帯を突合わせ、この突合わせ開先に沿ってレ
ーザトーチを溶接方向に走行させてレーザ溶接する際に
、レーザトーチ塞準面から突合わせられた両金属帯表面
までの距離を突合わせ開先線に沿って）１続的に測定し
、これら測定距離のほか、予め与えられた公称板厚ある
いは予め測定された測定板厚、レーザトーチがら金属帯
パスラインまでの距離から、レーザビームの＠過焦点位
置を求め、この最適焦点位置にレーザビーム焦点を合わ
せられるよう、レーザトーチを移動させつつ、レーザ溶
接するものである。

従って、本発明によれば、被溶接材の金属帯の♂接方向
に対する板厚変動、形状変化に追随させて、常に最適な
焦点位置にビームの焦点を合わせてレーザ溶接すること
が可能となり、様に安定した溶接継手がＩＪられ、溶接
欠陥が大巾に減少できる。

４、図面のＰＩＪ！１）な説明 第１図は本発明でレーザ溶接する際の段差態様の一部及
びパスライン方向＋ＸＪと溶接線方向（Ｙ）を示す斜視
図、第２図ならびに第３図は本発明でレーザ溶接する場
合の正面図と矢視Ａ−Ａ方向からの側面図、第４図は段
差量と最適焦点位置との関係を示すグラフ、第５図は本
発明でレーザ溶接する際の突合わせ開先の斜視図、第６
図ならびに第７図は第５図に示す開先を溶接する際のレ
ーザトーチの移動態様の一例の各説明図である。

符号１・・・・・・先行の金属帯 ３・・・・・・レーザトーチ ５・・・・・・距離測定計 ２・・・・・・後行の金属帯 Ｒ・・・・・・基準面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）先行ならびに後行の金属帯の対向端面を突合わせて
   突合わせ開先を形成し、この突合わせ開先に沿つてレー
   ザトーチを走行させてレーザ溶接する際に、 このレーザトーチあるいはレーザトーチ基準面から前記
   突合わせ開先近傍の各金属帯までの距離を前記突合わせ
   開先に沿つて連続的に測定する一方、これら測定距離の
   ほか、予め与えられた公称板厚あるいは予め測定された
   測定板厚、前記レーザトーチから金属帯パスラインまで
   の距離から、レーザビームの最適焦点位置を求め、溶接
   中、この最適焦点位置にレーザビーム焦点を一致させて
   レーザ溶接することを特徴とする金属帯等のレーザ溶接
   方法。 ２）前記測定距離、前記公称板厚、前記測定板厚、前記
   レーザトーチから金属帯パスラインまでの距離などから
   、前記突合わせ溶接開先についてレーザビームの最適焦
   点位置を演算してから、その最適焦点位置にレーザビー
   ム焦点が一致するよう、前記レーザトーチの位置を前記
   突合わせ開先線に対して垂直かつ前記金属帯パスライン
   と平行およびまたは垂直な方向に移動させることを特徴
   とする請求項１記載の金属帯等のレーザ溶接方法。 ３）先行ならびに後行の金属帯の対向端面間の突合わせ
   開先に沿つて走行して溶接するレーザトーチに、前記各
   金属帯の板厚を測定する板厚測定装置を設けるほか、前
   記突合わせ開先の近傍での各金属帯表面からこのレーザ
   トーチまたはレーザトーチ基準面までの距離を個別的に
   測定する距離測定計を設け、前記距離測定結果と前記板
   厚とから最適焦点位置を求める演算装置と、前記演算位
   置にもとずいて焦点位置を調整する制御装置とから成る
   ことを特徴とする金属帯等のレーザ溶接装置。