JPH04162974A - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、レーザ溶接に関し、特に、パイプとフランジ
とを組み合わせて製造する密封性の高い容器に用いるレ
ーザ溶接に関する。

［従来の技術］ 従来技術においては、パイプとフランジとを組み合わせ
て密封性の高い容器を製造する場合に、すみ肉等の余盛
部を形成するときは、アーク溶接を採用している。

また、レーザを用いる溶接技術は、特開昭５７−９１８
９３号公報に記載されている。

この技術は、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で、レ
ーザ照射による急熱急冷現象を利用する技術である。

上記公報には、レーザビームとアルゴンガスと肉感用金
属粉末とを、供給管から同軸状に供給して、肉感を行な
う技術が記載されている。

また、酸化防止用治具内に不活性ガスを満たし、その中
でレーザ溶接する技術が記載されている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記アーク溶接を利用した従来技術においては、アーク
のニネルギを高密度に集束することができず、そのため
、接合したい被加工物の極一部だけを溶融・接合するこ
とができない。

また、アークによる長時間加熱は、溶融したい部分のみ
ならず、他の部分まで伝わり、この部分を加熱する。

従って、アーク溶接においては、アークによる広範囲の
加熱とその後の冷却のため、被加工物は変形することが
多い。

そのため、被加工物の高い精度を得るために、アーク溶
接後には、機械加工が必要である。

また、溶接変形の低減対策としては、予歪の付加、材料
の板厚の増加、又は、仕上代の増加などが必要であり、
このため、材料費および加工時間が増加するという問題
がある。

次に、特開昭５７−９１８９３号公報に記載されている
技術は、肉盛用のレーザ溶接であるので、比較的小型部
品が適用対象であり、大径のパイプにフランジを溶接す
る等の大型部品には、適用できないという問題がある。

また、アルゴン等の不活性ガスを供給する供給管は、一
定の大きさを有するので、被加工物の極一部だけにレー
ザビームを照射し、溶接や肉感をすることは困難である
という問題がある。

また、肉感部に予じめ溝加工が必要であること、および
、肉感金属として給供される粉末金属は肉盛中以上の巾
を持つ供給管から、レーザー光線とアルゴンガスととも
に、同時に供給されるという理由から、被加工物が大物
品である肉感の場合は、粉末金属の単位時間当りの供給
量が増大し、これに伴なって入熱量が増加し。

そのために被加工物の変形量が増加するという問題があ
る。

本発明の目的は、溶接による被加工物の熱変形を低減し
、高い精度の溶接が可能なレーザ溶接技術を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、大・中・小径の３本の同軸パイプを有し、
この３本の同軸パイプは、大径パイプと中径パイプとで
囲まれた空間部を金属粉末の経路とし、中径パイプと小
径パイプとで囲まれた空間部を、小径パイプの先端に設
けたカライドスコープと小径パイプとを冷却するための
冷却水経路とし、小径パイプ内をレーザビームの経路と
するレーザ溶接装置により達成できる。

また、上記目的は、溶融した溶接材料を被溶接面に付着
するとともに、この被溶接面にレーザビームを照射する
レーザ溶接方法により達成できる。

［作用］ 上記した３本の同軸のパイプを有するレーザ溶接装置の
作用について説明する。

レーザビームは、小径パイプの内部を補助ガス（）（ｅ
ガス等の不活性ガス）とともに通過し、小径の先端に付
けられたカライドスコープを介して、溶接部を必要なス
ポット径で照射する。

溶着金属となる金属微粉は、アシストガス（Ａｒガス等
の不活性ガス）に搬送され、カライドスコープの外部に
付属したノズルを通って、レーザビームの熱により加熱
され、溶着金属となる。

また、冷却水用パイプに冷却水を流し、小径パイプとカ
ライドスコープの過熱を防止している。

さらに、カバーによって、金属微粉等の飛散を防止する
。

また、溶接部に、溶着金属を均等に形成させるために、
カライドスコープを含めたノズル全体を揺動し、溶接す
る。

次に、溶融した溶接材料を被溶接面に付着させるととも
に、この被溶接面にレーザビームを照射するレーザ溶接
方法の作用について説明する。

溶融した溶接材料を母材の被溶接面に付着させる場合に
おいては、溶接材料と母材との密着性を高めるために、
レーザビームは母材の溶接面に照射される。これは、母
材表面近傍の短時間加熱用のエネルギーとしてレーザビ
ームを使用するためである。この結果、母材への入熱は
少なく、溶接変形を少なくすることができる。

［実施例コ 次に、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

本発明の第１実施例は、レーザ溶接装置であり、第１図
を用いて説明する。

第１図は、第１実施例のレーザ溶接装置の断面図と、こ
のレーザ溶接装置を用いてレーザ溶接する被加工物の断
面図とを示す。

第１図に示すように、レーザ溶接装置１００は、同軸の
３本のパイプから構成されている。

直径の一番大きい外側のパイプは、金属微粉と、アルゴ
ンガス等の不活性ガスからなるアシストガスとを、供給
口１４から′供給し、被加工物の溶接面に供給する溶着
金属供給パイプ１３の外壁となるパイプである。

このパイプの先端は、金属微粉を目的の所に照射するた
めに、内側に絞られ、ノズル１５になっている。

直径が二番目に大きいパイプは、溶着金属供給パイプ１
３の内壁となるパイプであり、同時に、後述する導波管
とカライドスコープとを冷却するための冷却水を流すパ
イプの内壁となる冷却水用パイプ２１である。

この冷却水用パイプ２１の上部には、冷却水を循環する
ための冷却水口１９ａ、１９ｂが設けられている。

一番内側にある小径パイプは、レーザビームと、Ｈｅ等
の補助ガスとを供給するための導波管１１である。

この導波管１１の一方の端は、図示しないレーザ発振器
に接続されている。また、他端にはレーザビームのスポ
ット径を調整するためのカライドスコープ１２が設けら
れている。また。

ノズル１５の先端には、金属微粉の飛散防止のためのカ
バー１６が設けられている。

上記レーザ溶接装置１００を用いて、パイプ１とフラン
ジ２とをすみ肉溶接する場合について説明する。

パイプ１とフランジ２とは、あらかじめ、レーザビーム
にて、深溶は込み溶接されている。

レーザビーム１０は、導波管１１の内部を補助ガス２０
（Ｈｅガス等の不活性ガス）とともに通電し、導波管１
１の先端に付けられたカライドスコープ１２を介して、
すみ肉溶接部５をスポット径Ｓｕｍ角（レーザビームが
正方形に集光された場合の正方形の一辺の長さをＳ■履
とすると、同一面積に集光される矩形モードのときは、
スポット径をＳｍｍ角として標記し、レーザビームの集
光条件を示す。）で照射する。

このレーザビームの密度は、深溶は込み溶接に必要なエ
ネルギ密度Ｐｄ　（一般に、深溶は込み溶接に必要なＰ
ｄは、Ｐｄ＞　５　Ｘ　１０　＠ｖ／ｃｍ”　テある。

）よりも小さなエネルギ密度となるように選定される。

溶着金属４となる金属微粉は、アシストガス（Ａｒガス
等の不活性ガス）に搬送されて、カライドスコープ１２
の外部に付属したノズル１５を通って、レーザビーム１
０の熱により加熱され、すみ肉形成部５にて溶着金属４
となる。

また、冷却水用バイブ２１に冷却水を流し、導波管１１
とカライドスコープ１２の過熱を防止している。

さらに、カバー１６が設けられているので、金属微粉等
は飛散しない。

また、すみ肉温接部５に、溶着金属４を、均等に形成す
るために、カライドスコープ１２を含めたノズル１５全
体を揺動し、溶接する。

本実施例によれば、低入熱、浅い溶は込みで、すみ肉溶
接継手が得られ、しかも、低入熱であるので、フランジ
２の変形を低くおさえることが可能となる。

次に、本発明の第２実施例について、第２図および第３
図を用いて説明する。

本実施例は、ワイヤをレーザビームによって溶融しつつ
溶接を行う場合における、ワイヤ等の溶接材料の形状に
ついての実施例である。

第２図は、パイプ１とフランジ２との補強溶接を行う場
合において、ワイヤ２５にレーザビーム１０を照射し、
補強溶接を行なっている様子を示す断面図である。

第２図（ａ）は、パイプ１の軸に対して直角方向から見
た断面図であり、同図（ｂ）はパイプ１の軸方向から見
た断面図である。

補強溶接は、同図に示すように、アシストガス２６を溶
接部分に照射しつつ、レーザビーム１０によってワイヤ
２５を溶融することにより行う。

レーザビーム１０をワイヤ２５に照射する際のレーザビ
ーム１０とワイヤ２５との芯ズレ許容差を大きくするた
めに、本実施例に係るワイヤ２５は、その断面を矩形ま
たは長円等の扁平形状にし、レーザビーム１０に対する
投影面積を増加している。

この断面形状について説明する。

第３図（ａ）は、断面形状が円形状のワイヤの場合を示
す断面図であり、同図（ｂ）は、断面形状が長円形状の
ワイヤの場合を示す断面図である。

同図（ａ）に示すように、円形断面２５ａを示すワイヤ
を使用するときは、ワイヤ径ｄに対して、レーザビーム
１０の中心位置の許容差は、±ｄ／４の範囲となる。

ただし、レーザビームのスポット径（ワイヤ径ｄ、円形
断面２６ａを有するワイヤの表面法線とレーザビーム１
０との成す角が３０°以内を有効と考える。

同図（ｂ）に示すように、長円断面２５ｂをもつワイヤ
の場合、上記ワイヤと同一断面積を有し、かつ、レーザ
ビーム１０に対して直角方向の巾すが、ワイヤ径ｄの２
倍となるように選定すると、平坦部Ｃの長さ党は、Ｑ＝
ｘ、ｓ９ｄとなり、レーザビーム１０の中心位置の許容
差は、±１２／２４±０．８ｄとなり、円形断面２５ａ
のワイヤと比較し、その許容差は３倍以上となる５上記
したように、長円断面２５ｂを有するワイヤの場合は、
溶接条件の範囲が広がり、レーザ適用の効果が大きくな
る。

また、狭い部分の補強溶接を効率的におこなうことがで
きる。

次に１本発明の第３実施例について、第４図を用いて説
明する。

第４図は、パイプ１の軸に対し、直角方向から見た断面
図であり、プラズマガン４７によって、ワイヤ４６を溶
融し、すみ肉形成部４１にレーザビーム１０を照射し、
パイプ１とフランジ２との肉盛溶接を行う場合を示す断
面図であり、溶融した溶接材料を被溶接面に付着させる
プラズマガン４７等の溶接材料付着手段と、上記被溶接
面にレーザビーム１０を照射するレーザビーム照射手段
とを備えて構成されるレーザ溶接装置の一部を示す。

集光されたレーザビーム１０は、パイプ１とフランジ２
のすみ肉形成部４１に照射される。

すみ肉形成部４１にめがけて、プラズマガン４７によっ
て加熱・溶融された溶滴がワイヤ４６から離れ、すみ肉
形成部４１に付着する。

このとき、レーザビーム１０のパワーを、照射面である
すみ肉形成部４１が赤熱するだけの容量に確保し、かつ
、プラズマガン４７の８力を、ワイヤ４６から離れた溶
滴が、すみ肉形成部４１にて凝着するように選定するこ
とで、変形量の少ない肉盛溶接が可能となる。この際レ
ーザビームは、パルス状または連続状のいずれでもよい
。

この結果、パイプ１およびフランジ２において、加熱す
る必要のないところには入熱がほとんどなく、上記方法
を用いてすみ肉を形成した容器では、高い精度が容易に
保たれる。

なお、上記実施例において、プラズマガン４７の電流は
２００Ａ〜３００Ａ程度、レーザビーム１０のパワーは
５ｋＶとして、すみ肉を形成した。

次に、本発明の第４実施例について、第５゜６．７．８
図を用いて説明する。

第５図は、上記した第１〜３実施例の溶接装置および溶
接方法を用いて製造したＧｉＳ用圧力容器５０を示す斜
視図である。

ＧｉＳ用圧力容器は、容器内にＳＦ、ガス等のＭｌガス
を封じ込めて使用するガス絶縁変電機器に使用する。そ
のため、絶縁ガスの漏洩防止が重要である。

ＧｉＳ用圧力容器５０は、同図に示すように、複数本の
パイプ５１ａ、　５１ｂ、　５６ａ。

５６ｂ等を目的の数だけ接続して構成される。

これらのパイプとフランジ５２ａ等との接続に、上記し
た実施例に係る溶接装置および溶接方法を使用する。

また、継目５８の溶接に、上記した実施例の溶接装置お
よび溶接方法を使用してもよい。

次に、ＧｉＳ用圧力容器を製造する際の、パイプとフラ
ンジの製造について説明する。

第８図は、ＧｉＳ用圧力容器５０の一部を製造するとき
の製造工程を示したものである。

まず、フランジ材８２に、複数のボルト孔８２ｂをあけ
、フランジ８２ａを製造する。

これは、フランジ８３ａを製造するときも同じである。

次に、このフランジ８２ａ、８３ａを、それぞれパイプ
８１、分岐管８６に溶接する。

その後、パイプ８１に孔８８をあけ、分岐管８６を溶接
する。

上記のようにして製作した容器を接続しＧｉＳ用圧力容
器とする。

ＧｉＳ用圧力容器は、上記のように、例えば、パイプ８
１、分岐管８６、フランジ８２ａ。

８３ａ等から構成されており、パイプ８１にフランジ８
２ａを溶接するときや、分岐管８６にフランジ８３ａを
溶接するときのすみ肉溶接に、上記実施例記載の溶接技
術を使用する。

また、パイプ８１に、孔８８をあけ、分岐管８６を、孔
８８の周囲に溶接するときにも、上記実施例の溶接技術
が使用できる。

パイプ８１にフランジ８２を溶接する場合について、第
６，７図を用いて説明する。

第６図（ａ）は、バイブロ１の端部にフランジ６２を溶
接した状態を示す断面図である。

同図に示すＴ型すみ肉溶接継手を製造する場合において
、バイブロ１とフランジ６２の接合面ａを、まず集光し
たレーザビームにより、深溶は込み溶接にて接合する。

このレーザビームは、第１図に示すレーザ溶接装置１０
０を使って得ることもできる。また、接合部を完全溶は
込み溶接とすることも可能である。

次に、レーザビームを利用して、溶着金属をすみ内形状
に溶融し、すみ自溶接部６５を形成し、Ｔ型すみ肉溶接
継手を製造する。

このすみ自溶接部６５を形成する際には、第１図に示す
レーザ溶接装置１００を使用することもできるし、また
、第４図に示す溶接方法を使用してもよい。また、第２
図に示すように、長円断面のワイヤを使用してもよい。

第６図（ｂ）は、インナーフランジを溶接する場合の例
である。

この場合も同図（ａ）の場合と同様に行う。

上記いずれの場合も、レーザビームを用いているので、
溶接に必要な最小範囲だけが溶融、接合さｔている。

次に、比較のために第７図に、第６図と同じ場所をアー
ク溶接したときの断面図を示す。

アーク溶接を使用する場合において、溶接継手を得る際
に密封構造とする必要があるときには、バイブロ１の端
部には、両側、又は、片側に開先を設ける必要があり、
溶融部分６７の量が増加するので、アークの入熱も増加
し、フランジ６２の変形が避けられない。

溶接にアーク溶接を採用する従来の製作法のでは、フラ
ンジに反りが生じ、また、複数のフランジ間の相対寸法
が変化し、その結果、溶接のままの状態では、ＧｉＳ用
圧力容器として使用できない。このため、溶接後、第８
図に示すフランジ面Ｗを機械加工する必要が生じる。

本発明の溶接技術を採用することにより、溶接後の変形
は減少し、フランジはフランジ材の状態で機械加工する
だけでよく、溶接後に、容器■の機械加工が不要となる
。

［発明の効果］ 本発明によれば、少ない溶接材を用いて低入熱で溶接が
行なえるので、溶接による被溶接物の変形は少ない。そ
の結果、他の構造物とネジ等で締結されている管状容器
等のパイプ、フランジ及びその他の部分に対する補修溶
接を現地で行なう場合にも、構造物としての精度を保っ
たままで加工することが可能となり、製品据付工事期間
の短縮化が図れる。

さらに、寸法精度の高い管状容器を製作する場合におい
て、すみ肉溶接を施す必要があるときは、従来のように
、予歪をフランジに与えたり、仕上代を多めにとって機
械加工を行なう必要がない。その結果、ＧｉＳ賽器等の
ガスを密封した構造物を形成する容器に適用したときは
、溶接前の予歪、材料の板厚、及び機械加工における仕
上代等の低減が図れ、材料費、加工時間等が減少できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１実施例に係るレーザ溶接装置およびこのレ
ーザ溶接装置を用いてレーザ溶接する被加工物の断面図
、第２図はパイプとフランジとの補強溶接を行う状態を
示す断面図、第３図（ａ）は断面形状が円形状のワイヤ
の状態を示す断面図、第３図（ｂ）は断面形状が長円形
状のワイヤの状態を示す断面図、第４図はプラズマガン
を用いて肉感溶接をする状態を示す断面図、第５図は本
発明に係る溶接装置および溶接方法を用いて製造したＧ
ｉＳ用圧力容器を示す斜視図、第６図（ａ）はパイプの
端部にフランジを溶接した状態を示す断面図、第６図（
ｂ）はパイプの端部にインナーフランジを溶接した状態
を示す断面図、第７図は比較のために第６図と同じ場所
をアーク溶接したときの断面図、第８図はＧｉＳ用圧力
容器の一部を製造するときの製造工程図である。 １．５１ａ、５１ｂ、５６ａ、６１，８１　−パイプ、
２，５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、６２ａ。 ６２　ｂ　、　８２　ａ　、　８３　ａ−フランジ、４
・・・溶着金属、５・・・すみ自溶接部、１０・・・レ
ーザビーム。 １１・・・導波管、１２・・・カライドスコープ、１３
・・・溶着金属供給パイプ、１４・・・供給口、１５・
・・ノズル、１６・・・カバー、１９ａ、１９ｂ・・・
冷却水口、２０・・・補助ガス、２１・・・冷却水用パ
イプ、２６・・・アシストガス、４６・・・ワイヤ、４
７・・・プラズマガン、５０・・・ＧｉＳ用圧力容器、
８６・・・分岐管、１００・・・レーザ溶接装置、ａ・
・・接合面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザビームを照射するとともに金属粉末を噴射す
   るレーザ溶接装置において、 カライドスコープを上記溶接装置の先端に設けたことを
   特徴とするレーザ溶接装置。 ２、レーザビームを照射するとともに金属粉末を噴射す
   るレーザ溶接装置において、 大・中・小径の３本の同軸パイプを有し、 この３本の同軸パイプは、大径パイプと中径パイプとで
   囲まれた空間部を金属粉末の経路とし、中径パイプと小
   径パイプとで囲まれた空間部を、上記カライドスコープ
   と小径パイプとを冷却するための冷却水経路とし、小径
   パイプ内をレーザビームの経路とすることを特徴とする
   レーザ溶接装置。 ３、溶融した溶接材料を被溶接面に付着させるとともに
   、この被溶接面にレーザビームを照射することを特徴と
   するレーザ溶接方法。 ４、溶融した溶接材料を被溶接面に付着させる溶接材料
   付着手段と、上記被溶接面にレーザビームを照射するレ
   ーザビーム照射手段とを備えて構成されることを特徴と
   するレーザ溶接装置。 ５、扁平な断面構造を有することを特徴とするレーザ溶
   接材料。 ６、溶接面の近傍で、請求項５記載のレーザ溶接材料の
   扁平な面にレーザビームを照射し、被溶接物を溶接する
   ことを特徴とするレーザ溶接方法。 ７、溶接接合された金属容器の溶接部分を補強溶接して
   金属容器を製造する際に、請求項３または６記載のレー
   ザ溶接方法を用いて補強溶接し、金属容器を製造するこ
   とを特徴とする金属容器の製造方法。 ８、溶接接合されたＧｉＳ用圧力容器の溶接部分を補強
   溶接してＧｉＳ用圧力容器を製造する際に、請求項３ま
   たは６記載のレーザ溶接方法を用いて補強溶接し、Ｇｉ
   Ｓ用圧力容器を製造することを特徴とする、ＧｉＳ用圧
   力容器製造方法。