JPH04313479A - レ−ザ溶接方法及び装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレ−ザビ−ムをエネルギ
−源とする、物体の溶接方法およびその装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来技術】レ−ザビ−ムをエネルギ−源として溶接を
行うことは、例えば「第３版鉄鋼便覧第６巻二次加工、
表面処理、熱処理、溶接」，（社）溶接学会編Ｐ４４６
〜４８１等に示されているように、種々の用途に適用さ
れている。また本出願人も先に溶接点がクサビ状に形成
された部分にレ−ザビ−ムを照射して溶接を行う方法（
特公昭６０−３２５５３公報）、該方法に電気抵抗溶接
法を併用する方法（特開昭５８−１００９８５号公報、
特開昭５９−１９１５７７号公報）等を発明し特許出願
した。しかしながらこれらの方法においては、レ−ザビ
−ム径、出力などを制御し、最適な条件で溶接を行うこ
とは簡単ではなかった。また前述の電気抵抗溶接は、溶
接法としては最もよく使用されている技術の１つである
。例えば、溶接鋼管の製造分野において、一般に電縫管
と呼ばれている管を製造する方法は、溶接速度の速い、
すなわち生産性の高い溶接法として広く行われている。 図６は、従来一般に行われている高周波接触式電気抵抗
溶接法による造管の一例を示すもので、鋼帯を、図示し
ていない成形ロ−ル群によって管状に成形し、さらに該
鋼管（以下管状体という）１の端部２をスクイズロ−ル
３によって突き合せ、突き合せ部を頂点とするクサビ状
に形成する。さらに、スクイズロ−ル３の上流に設けた
接触子４ａ，４ｂに高周波電源４から高周波電圧を印加
し、接触子４ａから４ｂ（あるいは４ｂから４ａ）へ高
周波電源回路を形成して、クサビ状を呈する端部２を加
熱する。その結果、帯状鋼はクサビ形状の頂点において
溶接温度に達し、スクイズロ−ル３により加圧溶接され
鋼管となる。ところが、溶接速度を高めようとした場合
には、図７に示すように、端部２のコ−ナ部２ａ，２ｂ
の高周波電流密度が板厚中央部２ｃの高周波電流密度よ
り高くなり、その結果温度分布は、Ｈａ２　に示すよう
に、板厚中央部に低温部を生じ、溶接欠陥が発生する。 また、冷接をなくすために高入熱状態にすると、温度分
布は図７のＨａ１　に示すようになり、ペネトレ−ト欠
陥が発生する。これらの不均一加熱をなくす方法として
、相対する溶接面は互に漸近し、溶接点を頂点とするク
サビ形状を呈する電気抵抗溶接にレ−ザビ−ムを併用し
た特許（特開昭５８−１００９８５号公報、同５９−１
９１５７７号公報）が出願されている。この相対する溶
接面は互に漸近し、溶接点を頂点とするクサビ形状を呈
する電気抵抗溶接とレ−ザビ−ムとの複合溶接において
、本出願の板厚０．８ｍｍ〜２．０ｍｍの鋼板を高速溶
接するには、ビ−ム形状としてビ−ム縦径を鋼板の板厚
の約１／２にすること、および、板厚に対応したビ−ム
縦径が必要となる。図８に従来でのビ−ム形状を制御す
る光学系を示す。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】レンズ系においてビ−
ムを集光した場合、集光径ｄｘは約０．５ｍｍにできる
が、ミラ−系においてはレンズ系ほど集光することはで
きない。またレンズ系だけで板厚に対応したビ−ム縦径
を制御することはできない。

【０００４】本発明は、相対する溶接面は互に漸近し、
溶接点を頂点とするクサビ形状を呈する０．８ｍｍ〜２
．０ｍｍの鋼板を対象とした電気抵抗溶接とレ−ザビ−
ムとの複合溶接において、レ−ザビ−ムの縦径を鋼板の
板厚の約１／２に集光させ、板厚０．８ｍｍ〜２．０ｍ
ｍの変化に対応し、簡単で精度よくレ−ザビ−ムの縦径
を制御することにより溶接をさらに確実かつ効率よく行
うことを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、被溶接物にレ
−ザビ−ムを照射して溶接を行うに際し、レ−ザビ−ム
の光路に集光用放物面鏡と２分割鏡により構成されるミ
ラ−系を配置し、該ミラ−径の位置と被溶接点の距離お
よび２分割鏡のそれぞれの集光方向を制御することによ
り、レ−ザビ−ムの形状と強度分布を制御する。またこ
れを有利に実行するために、レ−ザ光源と溶接点とを結
ぶ光路に、光軸変更用ミラ−を設け、かつ集光用放物面
鏡の位置調整と２分割鏡の集光方向制御が可能に構成す
る。

【０００６】

【作用】以下図面を参照して本発明を詳細に説明する。 図１は、本発明に使用するミラ−系を示すものであり、
ビ−ム形状変換器で、その内部には、レ−ザビ−ムに光
軸上に、光源方向から順に光軸変換用ミラ−１４、放物
面鏡１５、２分割鏡１６を配置してある。２分割鏡１６
は図２の（ａ）（拡大正面図）および（ｂ）（拡大側面
図）に示すように、上下に分割した上側ミラ−１６ａと
下側ミラ−１６ｂで構成してあり、その境界線（結合部
）１６ｃが中央にある。角度調整器１６ｄには支点軸１
２が固定されており、この支点軸にミラ−１６ａ，１６
ｂが回動可能に結合されており、ミラ−１６ａ，１６ｂ
に先端が係合した長さ可変棒１１ａ，１１ｂの長さを変
えることで角度θを調整することができる。

【０００７】本発明は、レ−ザ発振器５からレ−ザビ−
ム１３をビ−ム形状変換器７を介して接合部に照射し、
その際ビ−ム形状変換器７に内蔵されるミラ−系を調整
することによりビ−ム形状を制御することを特徴とする
ものである。その実際を、図３に示すレ−ザ溶接と電気
抵抗溶接を併用して電縫管の製造に適用した場合を例に
して説明すると、前述の図６の場合と同様に、鋼帯を成
形ロ−ル（図示せず）により管状に成形し、レ−ザ発振
器５からレ−ザビ−ム１３を、ビ−ム形状変換器７、対
物ミラ−８およびビ−ムダクト９を介して管状体１の端
部２の突き合せに投射する。一方、高周波電源４からの
高周波電流を接触子４ａおよび４ｂを介して管状体１の
楔状端部に流し加熱する。その結果、前記楔状端部２（
Ｖ開先という）を加熱溶接することができる。このとき
本発明においては、レ−ザビ−ム１３の光路にビ−ム形
状変換器７を配置し、該変換器に光軸変換用ミラ−１４
、放物面鏡１５、２分割鏡１６からなるミラ−系を設け
ている。放物面鏡１５、２分割鏡１６と溶接部とのそれ
ぞれの距離および２分割鏡の合成角を変化する事によっ
て、焦点位置と集光径を決定する事が出来、これにより
溶接部でのビ−ム径が決定する。すなわち、レ−ザ発振
器５からのレ−ザビ−ム１３の発散角αと、放物面鏡１
５の焦点距離ｆｂによって集光位置Ｌｘと集光径ｄｘは
次のようになる。　　　　Ｌｘ＝Ａ・ｆｂｄｘ＝Ｂ・α
・ｆｂ ここで、ＡとＢはレ−ザビ−ムのモ−ドおよび伝送距離
等により決定される定数である。ＡとＢは約１．０〜１
．１であるが、低次モ−ドでは１で、集光位置Ｌｘは集
光距離ｆｂにほぼ等しくなり、集光径ｄｘはビ−ムの発
散角αと焦点距離ｆｂの積となる。

【０００８】ここで図４に示すように、放物面鏡１５に
よってビ−ムの進行方向の焦点位置Ｌｘは決定するが、
被溶接鋼板の板厚方向（Ｙ軸）のビ−ムの強度分布は２
分割鏡１６での合成角θを調整して、照射点における垂
直平面上での２分割鏡の上鏡１６ａと下鏡１６ｂのＹ軸
方向のそれぞれの焦点位置ＦＰ１　とＦＰ２　および焦
点位置間隔△ＦＰを設定し、その合成ビ−ムとしてのビ
−ムの縦径ｄｖを決定する事ができる。

【０００９】図５に、合成角θとビ−ム縦径ｄｖの関係
を示す。合成角θを１８０度から１８０±０．０８度に
した場合、ビ−ムの縦径ｄｖを０．５ｍｍから１．５ｍ
ｍに制御する事が出来た。これにより、鋼板板厚０．８
ｍｍ〜２．０ｍｍに対応したビ−ム形状になり複合溶接
が欠陥発生なしで行う事が可能となった。そこで、溶接
鋼板の板厚ｔと溶接速度ｖおよび高周波電力Ｅｐ×Ｉｐ
（印加電圧Ｅｐと電流Ｉｐの積で通常は扱う）によって
焦点位置１ｘでのビ−ム縦径ｄｖでの強度分布とレ−ザ
出力Ｐｏなどを調節し、溶接形状が平担になるように制
御して溶接性を高めることが出来る。

【００１０】

【実施例】鏡間距離Ｄｘと２分割鏡１６の合成角θを調
整してレ−ザビ−ムの縦径ｄｖおよび集光位置Ｌｘを設
定し、ビ−ムの形状およびその強度分布を所望の態様に
制御した。例えば、放物面鏡１５と溶接点の距離は７５
０ｍｍで、鏡間距離Ｄｘを２００ｍｍ、放物面鏡の焦点
距離ｆｂを７５０ｍｍに設定すると、レ−ザビ−ムの縦
径は０．５〜１．５ｍｍに制御できる。これをもとにし
て突き合せ頂点にビ−ムの集光点を合わせて複合溶接を
鋼板送り速度６０ｍ／ｍｉｎ、板厚０．８ｍｍ〜２．０
ｍｍ、電力２００ＫＶＡでおこなった。その結果、欠陥
のない溶接ができた。

【００１１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、レ
−ザ発振器からのレ−ザビ−ムを放物面鏡と２分割鏡に
よって、被溶接物の形状と加熱状態などに応じて鏡間距
離と２分割鏡の合成角を調整し、レ−ザビ−ムの形状と
強度分布を最適的なものとする事が出来るので、溶接を
一層確実にそして均一加熱が可能になるので溶接継ぎ手
性能が向上する事が出来、その効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明を実施するレ−ザビ−ム変換器にお
けるミラ−系を示す断面図である。。

【図２】　　図１に示す２分割鏡１６ａ，１６ｂの拡大
図であり、図２の（ａ）は正面を、図２の（ｂ）は側面
を示す。

【図３】　　本発明の一実施態様を示す斜視図である。

【図４】　　図４の（ａ）は本発明で使用する２分割鏡
１６ａ，１６ｂの光軸と焦点を示す側面図、図４の（ｂ
）は２ビ−ムの合成点が略同一の場合の焦点でのエネル
ギ−密度分布を示し、（ｃ）は合成点に差異が生じた場
合の焦点でのエネルギ−密度分布を示す。

【図５】　　２分割鏡での合成角と集光した合成ビ−ム
の縦径の関係を示すグラフである。

【図６】　　従来公知の高周波接触式電気抵抗溶接によ
る電縫管の製造工程を示す斜視図である。

【図７】　　該従来の製造工程における管厚方向の温度
分布を示す部分断面図である。

【図８】　　従来技術によるビ−ム形状を制御する光学
系の側面図と、各光学系で得られるエネルギ−密度分布
を示すグラフとを示す。

【符号の説明】

１：管状体　　　　　　　　　　２：端部　　　　　　
　　　　　　　　　　　　３：スクイズロ−ル ４：高周波電源　　　　　　　　　　　　４ａ，４ｂ：
接触子５：レ−ザ発振器　　　　７：ビ−ム形状変換器
　　　　　　８：対物ミラ− ９：ビ−ムダクト　　　　　　　　　　　　　　　　１
０：ガス供給管１０ａ：ノズル部　　　　　　　　　　
１１ａ，１１ｂ：長さ可変棒 １２：支点軸　　　　　　　　１３：レ−ザビ−ム　　
　　　　　　１４：光軸変換用ミラ− １５：放物面鏡　　　　　　１６：２分割鏡　　　　　
　　　　　１６ａ：上側ミラ− １６ｂ：下側ミラ−　　１６ｃ：境界線（結合部）　　
１６ｄ：角度調整器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　相対する溶接面は互に漸近し、溶接点
   を頂点とするクサビ形状を呈する０．８ｍｍ〜２．０ｍ
   ｍの鋼板を対象とした電気抵抗溶接とレ−ザビ−ムとの
   複合溶接において、レ−ザビ−ムの光路に集光用ミラ−
   と２分割鏡とにより構成されるミラ−系を配置し、２分
   割鏡の合成角による集光方向を制御することによりレ−
   ザビ−ムの形状と強度分布を制御し該クサビ形状にレ−
   ザビ−ムを照射することを特徴とするレ−ザ溶接方法。
2. 【請求項２】　　レ−ザ光源と溶接点とを結ぶ光路に、
   光軸変換用ミラ−，集光用ミラ−と２分割鏡を配置した
   ミラ−系を設け、かつ２分割鏡の合成角による集光方向
   を制御し合成ビ−ムの縦径と、そのエネルギ−密度分布
   を制御することを特徴とする請求項１記載のレ−ザ溶接
   装置。