JPH03234390A - レーザ溶接、レーザ表面改質時のプルーム除去方法 - Google Patents
レーザ溶接、レーザ表面改質時のプルーム除去方法Info
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- JPH03234390A JPH03234390A JP2030286A JP3028690A JPH03234390A JP H03234390 A JPH03234390 A JP H03234390A JP 2030286 A JP2030286 A JP 2030286A JP 3028690 A JP3028690 A JP 3028690A JP H03234390 A JPH03234390 A JP H03234390A
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Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
(産業上の利用分野)
本発明は、レーザ溶接又はレーザ表面改質法に係り、よ
り詳しくは、レーザ溶接又はレーザ表面改質時に発生す
るプルームを効果的に除去する方法に関する。 (従来の技術及び解決しようとする課題)レーザを熱源
に用いた溶接法及び表面改質法は、凝固組織の微細化、
偏析の減少、固溶限の拡大、準安定相又はアモルファス
相の形成などの可能性より、近年注目されてきている。 ところで、レーザビームを被加工物(母材)に照射する
と瞬時に溶融蒸発が起こり、プルームが発生する。プル
ームは、いわゆるプラズマと称されているが、大部分が
母材の超微粉より構成されている。 レーザビームを被加工物表面に対して垂直に入射させる
と、プルームによってレーザは最大30%程度散乱され
、このプルームの発生とプルームによるレーザの散乱と
が周期的に起こり、安定したレーザ溶接、レーザ表面改
質などのレーザ処理を行なうことがむずかしい。 そのため、従来より、安定したレーザ処理のために、第
1図に示すように1個の穴を備えたガスノズル5を用い
て、レーザビーム入射方向に対して横方向から各種ガス
(Ar、 He、 N2など)を流すことにより、プル
ームの除去を図っていた。 しかし乍ら、プルームの発生速度は、最低でも60m/
sであり、ジャストフォーカス位置及び焦点距離の短か
いレンズを用いると、Loom/s以上の速度にも十分
むり得るものである。第↓表はパルスNd:YAGレー
ザを用いて母材(SUS310S)にスポット溶接を行
なった場合におけるプルームの発生速度の一例を示して
いる。 したがって、このように高速のプルーム発生領域に横方
向からガスを供給してプルーム発生方向を変えるには、
上述のようなガスノズルを用いたのでは、非常に多量の
ガスを消費すると共に、十分にプルームの発生方向を変
えることができない場合が多い。
り詳しくは、レーザ溶接又はレーザ表面改質時に発生す
るプルームを効果的に除去する方法に関する。 (従来の技術及び解決しようとする課題)レーザを熱源
に用いた溶接法及び表面改質法は、凝固組織の微細化、
偏析の減少、固溶限の拡大、準安定相又はアモルファス
相の形成などの可能性より、近年注目されてきている。 ところで、レーザビームを被加工物(母材)に照射する
と瞬時に溶融蒸発が起こり、プルームが発生する。プル
ームは、いわゆるプラズマと称されているが、大部分が
母材の超微粉より構成されている。 レーザビームを被加工物表面に対して垂直に入射させる
と、プルームによってレーザは最大30%程度散乱され
、このプルームの発生とプルームによるレーザの散乱と
が周期的に起こり、安定したレーザ溶接、レーザ表面改
質などのレーザ処理を行なうことがむずかしい。 そのため、従来より、安定したレーザ処理のために、第
1図に示すように1個の穴を備えたガスノズル5を用い
て、レーザビーム入射方向に対して横方向から各種ガス
(Ar、 He、 N2など)を流すことにより、プル
ームの除去を図っていた。 しかし乍ら、プルームの発生速度は、最低でも60m/
sであり、ジャストフォーカス位置及び焦点距離の短か
いレンズを用いると、Loom/s以上の速度にも十分
むり得るものである。第↓表はパルスNd:YAGレー
ザを用いて母材(SUS310S)にスポット溶接を行
なった場合におけるプルームの発生速度の一例を示して
いる。 したがって、このように高速のプルーム発生領域に横方
向からガスを供給してプルーム発生方向を変えるには、
上述のようなガスノズルを用いたのでは、非常に多量の
ガスを消費すると共に、十分にプルームの発生方向を変
えることができない場合が多い。
【以下余白)
本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、効果的にプ
ルームの除去を行なうことができる方法を提供すること
を目的とするものである。 (課題を解決するための手段) 本発明者は、前記課題を解決するためには、少なくとも
プルームの発生速度に近似する速度でガスを供給する必
要があることから、その方策について鋭意研究を重ねた
結果、ここに本発明をなしたものである。 すなわち、本発明に係るレーザ溶接、レーザ表面改質時
のプルーム除去方法は、レーザを熱源として溶接又は表
面改質する過程において被加工物表面から発生するプル
ームに対して、ガス供給装置の複数個の吹出口から吹き
出して加速されながら焦点に収斂するガス流束をその焦
点がプルーム発生領域内に位置するように供給すること
を特徴とし、或いは更に、発生したプルーム混成ガスを
吸引装置により取り除くことを特徴とするものである。 以下に本発明を更に詳細に説明する。 (作用) 前述の如く、プルームの発生速度は少なくとも60cm
/sであるが、通常のガスノズルを用いたのでは、単に
ガスを流してもこのレベルの流速を得ることは不可能で
ある。 そこで、本発明者は、流体に関する法則の1つである″
連続の法則″′に着目し、これを有効に利用し得る実用
的な方法を検討した。 ″連続の法則″は、流体が流路いっばいに流れる場合、
単位時間に流れる量は一定であり、単位時間当たりの流
量Vは、流路のある位置1.2・・・・・・での流速を
V工、v2・・・・・・、断面積をAo、A2・・・と
すると、次式で表わされる。 V=A1v1=A2v、=− したがって、この法則に従えば、プルーム除去用のガス
吹出口(断面積A、)からガスを初速v1で流した場合
、一定の距離だけ離れた位置で断面積A!(<A□)に
流れるガスの流速はv2〉vlの関係を満たす高速の流
速が得られることになる。 しかし5この法則による作用を実用化させるには、ガス
吹出口から吹き出したガスは、高速の流速■1であって
も大気中に放散されてしまい、急速に減速するという事
情を考慮し、吹き出した後。 放散させずに更に加速できる対策が必要である。 そこで、本発明では、このような作用をガス供給口前面
の大気中においても効果的に発揮させることができる方
法として、3形ガス切断トーチのような構造のガス供給
装置を利用することを見い出した。 すなわち、3形ガス切断トーチの構造は、ガスの吹出口
が複数個あって、それらが同心円状に配置されていると
共に、ガス吹出口の軸方向が一点(焦点)に収斂するよ
うに設計されている。一方、吹出口から噴出した複数個
のガス流束は、高速であるため、互いにからみあう特性
を有するので、放散されない。しかも、各ガス流束は一
点に収斂する方向に噴出しているので、焦点では上記法
則において最も小さな断面積を実現することが可能とな
る。したがって、第2図に示すように、ガス吹出口6(
断面積A1)から初速V工で噴出したガス流束は、収斂
して焦点F(断面積A、)において初速V工よりも速い
流速v、(>v、)が得られる。例えば、初速40m/
sの場合、焦点でほぼ60m/sに近い流速が実現可能
である。 したがって、第3図に示すように、このような構造のガ
ス吹出口6を備えたガス供給装置を用いて、ガス流束の
焦点がプルーム発生領域に位置するようにすれば、プル
ームの発生方向を効果的に変えることができ、レーザビ
ームの散乱を最小限に抑えることができる。焦点がプル
ーム発生領域にある限り、ガス吹出口をどのような位置
、方向に配置してもよく、例えば、ガス吹出口をプルー
ム発生領域から1011II11以上離して斜目方向に
配置する。しかし、あまり離しすぎるとガスを浪費する
ことになる。 第4図は3形ガス切断トーチの一例(一体形火口)を示
している。8個のガス吹出口6が同心円状に配列されて
おり、しかも、各ガス吹出口6の軸方向(吹き出し方向
)が−点(焦点)に収斂するように設計されている。組
立形火口の場合も同様の構造を備えている。ガス吹出口
6の数は適宜決めることができ、また、軸方向並びに焦
点位置も適宜決めることができる。 勿論、本発明において使用できるガス供給装置としては
、上述の3形ガス切断トーチだけに限定されるものでは
ない。例えば、当たり長さ部、トーチヘッド等々をより
簡略にしてもよい。要は、複数個のガス吹出口を有し、
その軸方向が一点に収斂する方向を持った構造のもので
あればよい。 使用するガスとしては、Ar、Heなどのほが、空気も
可能であり、ガス吹出口における供給ガス圧が高いほど
、ガス流速の初速を高くできる。 なお1発生したプルーム混成ガスを吸引装置により取り
除くようにすれば、ガス供給装置によるプルーム除去作
用を助長できる。吸引装置は、プルーム発生領域に対し
、ガス吹出口を配置した位置と反対方向に配置するのが
望ましい。 次に本発明の実施例を示す。 (実施例) プルーム除去のためのガス供給装置としてJIS B
6802に規定される3形ガス切断用ト一チ1号(
ガス吹出口8個)を使用し、出力5KW、溶接速度40
00n+n+/minの条件でC○2レーザ溶接を実施
した。 ガスはArガスを使用し、放出圧力2kgf/mm”、
放出流量70 Q /winで、ガス供給装置のガス吹
出口をプルーム発生領域から10+++m離して斜目方
向からガスを供給した。 なお、比較のため、ガス供給装置を使用しない場合につ
いても同じ条件でC○2レーザ溶接を実施した。 溶接長さ1000m+++のうち、前半部分と後半部分
についてビード幅、裏ビードの発生状況を調べて、プル
ーム除去効果を判定した。 その結果、第2表に示すように、溶接長さの全長にわた
ってガス供給を行なった本発明例の場合には、美麗なビ
ード形状が得られると共に裏ビードも十分出ていた。こ
れは、収斂したガスによってプルーム発生方向が変えら
れた結果である。 一方、溶接長さの前半のみ或いは後半のみにっいてガス
供給を行なった場合には、ガス供給を行なわなかった部
分において裏ビードが出にくい傾向が観察された。更に
、全長にわたってガス供給を行なわなかった場合には、
ビード形状に乱れがあると共に裏ビードも出ない個所が
ところどころにII!察された。 【以下余白】 第 表 (注) −は、 ガス供給を実施しない場合である。 (発明の効果) 以上詳述したように、本発明によれば、ガス切断トーチ
又はこれに類似する構造のガス供給装置を使用して、−
点に収斂する特性のガスをプルーム発生領域に高速で供
給するので、プルーム発生方向が効果的に変えられ、レ
ーザビームの散乱を防止することができる。したがって
、安定した均一なレーザ溶接、レーザ表面改質が可能と
なる。
ルームの除去を行なうことができる方法を提供すること
を目的とするものである。 (課題を解決するための手段) 本発明者は、前記課題を解決するためには、少なくとも
プルームの発生速度に近似する速度でガスを供給する必
要があることから、その方策について鋭意研究を重ねた
結果、ここに本発明をなしたものである。 すなわち、本発明に係るレーザ溶接、レーザ表面改質時
のプルーム除去方法は、レーザを熱源として溶接又は表
面改質する過程において被加工物表面から発生するプル
ームに対して、ガス供給装置の複数個の吹出口から吹き
出して加速されながら焦点に収斂するガス流束をその焦
点がプルーム発生領域内に位置するように供給すること
を特徴とし、或いは更に、発生したプルーム混成ガスを
吸引装置により取り除くことを特徴とするものである。 以下に本発明を更に詳細に説明する。 (作用) 前述の如く、プルームの発生速度は少なくとも60cm
/sであるが、通常のガスノズルを用いたのでは、単に
ガスを流してもこのレベルの流速を得ることは不可能で
ある。 そこで、本発明者は、流体に関する法則の1つである″
連続の法則″′に着目し、これを有効に利用し得る実用
的な方法を検討した。 ″連続の法則″は、流体が流路いっばいに流れる場合、
単位時間に流れる量は一定であり、単位時間当たりの流
量Vは、流路のある位置1.2・・・・・・での流速を
V工、v2・・・・・・、断面積をAo、A2・・・と
すると、次式で表わされる。 V=A1v1=A2v、=− したがって、この法則に従えば、プルーム除去用のガス
吹出口(断面積A、)からガスを初速v1で流した場合
、一定の距離だけ離れた位置で断面積A!(<A□)に
流れるガスの流速はv2〉vlの関係を満たす高速の流
速が得られることになる。 しかし5この法則による作用を実用化させるには、ガス
吹出口から吹き出したガスは、高速の流速■1であって
も大気中に放散されてしまい、急速に減速するという事
情を考慮し、吹き出した後。 放散させずに更に加速できる対策が必要である。 そこで、本発明では、このような作用をガス供給口前面
の大気中においても効果的に発揮させることができる方
法として、3形ガス切断トーチのような構造のガス供給
装置を利用することを見い出した。 すなわち、3形ガス切断トーチの構造は、ガスの吹出口
が複数個あって、それらが同心円状に配置されていると
共に、ガス吹出口の軸方向が一点(焦点)に収斂するよ
うに設計されている。一方、吹出口から噴出した複数個
のガス流束は、高速であるため、互いにからみあう特性
を有するので、放散されない。しかも、各ガス流束は一
点に収斂する方向に噴出しているので、焦点では上記法
則において最も小さな断面積を実現することが可能とな
る。したがって、第2図に示すように、ガス吹出口6(
断面積A1)から初速V工で噴出したガス流束は、収斂
して焦点F(断面積A、)において初速V工よりも速い
流速v、(>v、)が得られる。例えば、初速40m/
sの場合、焦点でほぼ60m/sに近い流速が実現可能
である。 したがって、第3図に示すように、このような構造のガ
ス吹出口6を備えたガス供給装置を用いて、ガス流束の
焦点がプルーム発生領域に位置するようにすれば、プル
ームの発生方向を効果的に変えることができ、レーザビ
ームの散乱を最小限に抑えることができる。焦点がプル
ーム発生領域にある限り、ガス吹出口をどのような位置
、方向に配置してもよく、例えば、ガス吹出口をプルー
ム発生領域から1011II11以上離して斜目方向に
配置する。しかし、あまり離しすぎるとガスを浪費する
ことになる。 第4図は3形ガス切断トーチの一例(一体形火口)を示
している。8個のガス吹出口6が同心円状に配列されて
おり、しかも、各ガス吹出口6の軸方向(吹き出し方向
)が−点(焦点)に収斂するように設計されている。組
立形火口の場合も同様の構造を備えている。ガス吹出口
6の数は適宜決めることができ、また、軸方向並びに焦
点位置も適宜決めることができる。 勿論、本発明において使用できるガス供給装置としては
、上述の3形ガス切断トーチだけに限定されるものでは
ない。例えば、当たり長さ部、トーチヘッド等々をより
簡略にしてもよい。要は、複数個のガス吹出口を有し、
その軸方向が一点に収斂する方向を持った構造のもので
あればよい。 使用するガスとしては、Ar、Heなどのほが、空気も
可能であり、ガス吹出口における供給ガス圧が高いほど
、ガス流速の初速を高くできる。 なお1発生したプルーム混成ガスを吸引装置により取り
除くようにすれば、ガス供給装置によるプルーム除去作
用を助長できる。吸引装置は、プルーム発生領域に対し
、ガス吹出口を配置した位置と反対方向に配置するのが
望ましい。 次に本発明の実施例を示す。 (実施例) プルーム除去のためのガス供給装置としてJIS B
6802に規定される3形ガス切断用ト一チ1号(
ガス吹出口8個)を使用し、出力5KW、溶接速度40
00n+n+/minの条件でC○2レーザ溶接を実施
した。 ガスはArガスを使用し、放出圧力2kgf/mm”、
放出流量70 Q /winで、ガス供給装置のガス吹
出口をプルーム発生領域から10+++m離して斜目方
向からガスを供給した。 なお、比較のため、ガス供給装置を使用しない場合につ
いても同じ条件でC○2レーザ溶接を実施した。 溶接長さ1000m+++のうち、前半部分と後半部分
についてビード幅、裏ビードの発生状況を調べて、プル
ーム除去効果を判定した。 その結果、第2表に示すように、溶接長さの全長にわた
ってガス供給を行なった本発明例の場合には、美麗なビ
ード形状が得られると共に裏ビードも十分出ていた。こ
れは、収斂したガスによってプルーム発生方向が変えら
れた結果である。 一方、溶接長さの前半のみ或いは後半のみにっいてガス
供給を行なった場合には、ガス供給を行なわなかった部
分において裏ビードが出にくい傾向が観察された。更に
、全長にわたってガス供給を行なわなかった場合には、
ビード形状に乱れがあると共に裏ビードも出ない個所が
ところどころにII!察された。 【以下余白】 第 表 (注) −は、 ガス供給を実施しない場合である。 (発明の効果) 以上詳述したように、本発明によれば、ガス切断トーチ
又はこれに類似する構造のガス供給装置を使用して、−
点に収斂する特性のガスをプルーム発生領域に高速で供
給するので、プルーム発生方向が効果的に変えられ、レ
ーザビームの散乱を防止することができる。したがって
、安定した均一なレーザ溶接、レーザ表面改質が可能と
なる。
第1図は従来のプルーム除去方法を説明する図、第2図
は本発明におけるプルーム除去方法の原理を説明する図
、 第3図は本発明におけるプルーム除去要領を説明する図
、 第4図は3形ガス切断用トーチ(一体形火口)を示す図
で、(a)は縦断面図であり、(b)はガス吹出口の配
列状況を示している。 1・・・レーザ発振器、2・・・トーチ、3・・・母材
、4・・・ビード、5・・・ガスノズル、6・・・ガス
供給装置(ガス吹出口)。 第 図 第 図 第 図
は本発明におけるプルーム除去方法の原理を説明する図
、 第3図は本発明におけるプルーム除去要領を説明する図
、 第4図は3形ガス切断用トーチ(一体形火口)を示す図
で、(a)は縦断面図であり、(b)はガス吹出口の配
列状況を示している。 1・・・レーザ発振器、2・・・トーチ、3・・・母材
、4・・・ビード、5・・・ガスノズル、6・・・ガス
供給装置(ガス吹出口)。 第 図 第 図 第 図
Claims (3)
- (1)レーザを熱源として溶接又は表面改質する過程に
おいて被加工物表面から発生するプルームに対して、ガ
ス供給装置の複数個の吹出口から吹き出して加速されな
がら焦点に収斂するガス流束をその焦点がプルーム発生
領域内に位置するように供給することを特徴とするレー
ザ溶接、レーザ表面改質時のプルーム除去方法。 - (2)ガス供給装置が3形ガス切断用トーチである請求
項1に記載の方法。 - (3)発生したプルーム混成ガスを吸引装置により取り
除く請求項1又は2に記載の方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2030286A JPH03234390A (ja) | 1990-02-09 | 1990-02-09 | レーザ溶接、レーザ表面改質時のプルーム除去方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2030286A JPH03234390A (ja) | 1990-02-09 | 1990-02-09 | レーザ溶接、レーザ表面改質時のプルーム除去方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03234390A true JPH03234390A (ja) | 1991-10-18 |
Family
ID=12299478
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2030286A Pending JPH03234390A (ja) | 1990-02-09 | 1990-02-09 | レーザ溶接、レーザ表面改質時のプルーム除去方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH03234390A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20130146674A1 (en) * | 2011-08-25 | 2013-06-13 | Preco, Inc. | Method and apparatus for a clean cut with a laser |
US9536551B2 (en) | 2011-02-28 | 2017-01-03 | Nhk Spring Co., Ltd. | Laser processing method and apparatus |
-
1990
- 1990-02-09 JP JP2030286A patent/JPH03234390A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9536551B2 (en) | 2011-02-28 | 2017-01-03 | Nhk Spring Co., Ltd. | Laser processing method and apparatus |
US20130146674A1 (en) * | 2011-08-25 | 2013-06-13 | Preco, Inc. | Method and apparatus for a clean cut with a laser |
US9061304B2 (en) * | 2011-08-25 | 2015-06-23 | Preco, Inc. | Method and apparatus for a clean cut with a laser |
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