JPH08238587A - レーザ溶接ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 各種溶接条件に応じてサイドガスの吹付け角
度θを調節できるレーザ溶接ヘッドを提供する。 【構成】 溶接ヘッド１の左右に上下動可能な第１テー
ブル４を配置し、加工面に対して平行にスライドできる
第２テーブル５を第１テーブル４に配置する。そして、
角度調節可能なサイドノズル２を、第２テーブルの下部
に設けている。 【効果】 サイドノズル２を三次元的に移動及び旋回可
能に設けているため、必要な吹付け角度θ及び距離Ｘを
設定する自由度が高く、良好な条件下で溶接が進行し、
アンダーカットが低減された健全な溶接部が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ溶接時に発生す
るプラズマを除去し、アンダーカットの防止又は低減を
可能にしたレーザ溶接ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接で鋼板等を突合せ溶接又は重
ね溶接するとき、プラズマが発生する。プラズマは、鋼
板等の表面に達するレーザビームのエネルギー量を減少
させ、溶込み不良等の発生原因となる。プラズマに起因
した溶込み不良等の欠陥は、サイドノズルからＡｒガス
等（以下、これをサイドガスという）を吹き付けてプラ
ズマを除去することにより低減される。そのため、たと
えば図１に示すように、ヘッド１にサイドノズル２を一
体化したレーザ溶接ヘッドが使用されている。サイドノ
ズル２をヘッド１に一体化した場合、サイドノズル２の
位置及び指向方向が異なる溶接ヘッドを複数用意してお
き、それぞれの溶接条件に応じアンダーカット等の欠陥
がない溶接部が得られるヘッドを探索する必要がある。
また、複数の溶接ヘッドを用意しておく必要があること
から、ヘッドの作成に費用がかかり、ヘッドの交換作業
もばかにならない。そこで、サイドノズルの指向方向や
位置制御を可能にしたレーザ溶接ヘッドが一部で使用さ
れている（特開平５−８０６７号公報，特開平５−２０
０５７１号公報等参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】サイドノズルから噴射
されるサイドガスは、プラズマに起因する溶込み不良を
軽減する反面、溶接欠陥の一つである溶接ビードに深い
アンダーカットを発生させる原因となる。すなわち、サ
イドガスの吹付け流量，吹付け角度，吹付け方向等の設
定条件が不適切であると、溶融金属がボンド部に十分流
れ込まず、アンダーカットが発生する。溶融金属の流動
は、鋼板等の種類，板厚，溶接速度等に応じて粘性や量
が変化するため、予め把握することができない。そのた
め、サイドノズル２を一体化したレーザ溶接ヘッドで
は、鋼板の種類，板厚，溶接速度等が変化するに従って
サイドノズル２の方向，角度，高さ等が異なるレーザ溶
接ヘッドに交換し、深いアンダーカットの発生を防止で
きる適正なサイドガス条件を設定する必要がある。ま
た、サイドノズルの指向方向や位置制御を可能にしたレ
ーザ溶接ヘッドでも、それぞれの溶接条件に応じたサイ
ドガス条件を設定することが難しく、依然として健全な
レーザ溶接部が得られないのが現状である。本発明は、
このような問題を解消すべく案出されたものであり、溶
接ヘッドに対してサイドノズルを三次元的に移動可能及
び旋回可能に設けることにより、ヘッドを交換する必要
なく、鋼板の種類，板厚，溶接速度等の変化に十分対応
したサイドガス条件を設定できるレーザ溶接ヘッドを提
供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ溶接ヘッ
ドは、その目的を達成するため、溶接ヘッドと、溶接ヘ
ッドの左右に配置された上下動可能な第１テーブルと、
第１テーブルに配置され、加工面に対して平行にスライ
ドできる第２テーブルと、第２テーブルの下部に設けら
れた角度調節可能なサイドノズルとを備えていることを
特徴とする。本発明のレーザ溶接ヘッドにおいては、溶
接ヘッド本体に対してサイドノズルを上下動、水平動及
び旋回できるように設けている。このようなサイドノズ
ルの配置は、本発明者等によるレーザ溶接に関する調査
・研究から、種々の溶接条件に対応してアンダーカット
を防止する上で有効なものであることを解明した。

【０００５】サイドガスを使用したレーザ溶接で、図２
に示すようにサイドガスの吹付け角度をθとし、レーザ
ビームの中心軸と被溶接材３の交点からサイドノズル２
の中心軸と被溶接材３の交点までの距離をＸとする。被
溶接材３として板厚２ｍｍのＳＵＳ４３０ステンレス鋼
を使用し、レーザ出力７ｋＷ，溶接速度５ｍ／分の条件
下で突合せ溶接した。そして、サイドノズル２の吹付け
角度θと溶込み深さとの関係を調査した。調査結果を示
す図３にみられるように、吹付け角度θが３０度に満た
ない鋭角側では、溶込み深さが極端に浅くなり、溶込み
不良のある溶接部が形成された。これは、吹付け角度θ
が３０度より小さくなるほど、除去できるプラズマの量
が少なくなったことに起因する。被溶接材３として板厚
１．５ｍｍのＳＵＳ３０４ステンレス鋼板を使用し、レ
ーザ出力１〜８ｋＷの条件下で突合せ溶接した。そし
て、アンダーカットが板厚の１％以下になる溶接速度と
距離Ｘとの関係を調査した。調査結果を示す図４にみら
れるように、アンダーカットが１％以下になる範囲は、
溶接速度の上昇に応じて距離Ｘが長い側にシフトした。
また、２ｍ／分，５ｍ／分及び１０ｍ／分の各溶接速度
に共通して、アンダーカットを１％以下にする距離Ｘの
一定値はなかった。

【０００６】板厚０．２〜２ｍｍの冷延鋼板を被溶接材
３として使用し、レーザ出力１〜１０ｋＷ及び溶接速度
５ｍ／分の条件下で突合せ溶接した。そして、アンダー
カットが板厚の１％以下となる板厚とサイドノズル２の
吹付け角度θとの関係を調査した。調査結果を示す図５
にみられるように、アンダーカットが板厚の１％以下と
なる吹付け角度θは、板厚に応じて変化した。また、
０．２ｍｍ，１ｍｍ，２ｍｍの各板厚に共通して、アン
ダーカットを板厚の１％以下にする吹付け角度θの一定
値はなかった。板厚１．５ｍｍの冷延鋼板，ＳＵＳ４３
０ステンレス鋼板及びＳＵＳ３０４ステンレス鋼板を被
溶接材３として使用し、レーザ出力４〜５ｋＷ及び溶接
速度５ｍ／分の条件下で突合せ溶接した。そして、アン
ダーカットが板厚の１％以下になる鋼種と距離Ｘとの関
係を調査した。調査結果を示す図６にみられるように、
同じ板厚であっても、アンダーカットが板厚の１％以下
になる距離Ｘは、鋼種に応じて異なっていた。この場合
も、各鋼種に共通して、アンダーカットを１％以下にす
る距離Ｘの一定値はなかった。

【０００７】以上のことから、吹付け角度θ及び距離Ｘ
は、被溶接材３の種類，板厚，溶接速度等に応じて調整
する必要があることが判る。また、被溶接材３によって
は、溶接速度の変化に伴って、粘性及び溶融金属量等に
起因してアンダーカットを低減する条件が得られず、サ
イドガスの吹付け方向を逆方向にすることによりアンダ
ーカットを低減する条件を得る場合もある。更に、レー
ザ溶接の方向を反対にする場合、サイドガスを反対側か
ら吹き付ける必要がある。従来のレーザ溶接ヘッドで
は、このような種々の要求を満足させることができな
い。そこで、本発明に従ったレーザ溶接ヘッドは、必要
とする吹付け角度θ及び距離Ｘの設定自由度を高めるた
め、たとえば図７に示すように、溶接ヘッド１の左右に
上下動可能な第１テーブル４を配置し、加工面に対して
平行にスライドできる第２テーブル５を第１テーブル４
に配置する。そして、角度調節可能なサイドノズル２
を、第２テーブルの下部に設けている。このようにサイ
ドノズル２を三次元的に移動及び旋回可能に設けている
ため、必要な吹付け角度θ及び距離Ｘを設定する自由度
が高く、良好な条件下で溶接が進行するサイドガス条件
が設定され、アンダーカットが低減された健全な溶接部
が得られる。また、溶接ヘッド１の両側にサイドノズル
２を設けているので、溶接ヘッド１を反転させる必要な
くサイドガスの吹付け方向を変更できる。

【０００８】

【実施例】内径８ｍｍのセンターノズルを持つ溶接ヘッ
ド１に、図７に示す設備構成で内径３ｍｍのサイドノズ
ル２を取り付けた。サイドノズル２は１０〜７０度の範
囲で傾斜角度を変更でき、第１テーブル４及び第２テー
ブル５の移動可能な距離をそれぞれ５０ｍｍに設定し
た。そして、第１テーブル４及び第２テーブル５による
サイドノズル２の移動及びサイドノズル２の傾斜角度を
変えることにより、吹付け角度θ及び距離Ｘの設定を変
更した。なお、設定変更の際には、被溶接材の表面から
センターノズル先端までの距離を１５ｍｍ，サイドノズ
ル２の先端までの距離を１０ｍｍの一定値に維持した。
板厚の変化に対する従来のレーザ溶接ヘッド及び本発明
のレーザ溶接ヘッドの対応可能範囲を把握するため、板
厚０．５〜３ｍｍのＳＵＳ４３０ステンレス鋼板を突合
せ溶接した。溶接条件としては、レーザ出力を５ｋＷと
し、センターガス及びサイドガスにＡｒを使用し、セン
ターガスの流量を１５リットル／分とし、サイドガスの
流量をプラズマの除去に最低限必要な量に設定した。ま
た、サイドガスは、アンダーカットを低減させる効果が
大きい方向から溶接部に吹き付けた。

【０００９】形成されたレーザ溶接部を評価するため、
溶接部に内側半径が板厚の３倍となる１８０度曲げ試験
を行った。そして、１８０度曲げ試験で溶接部に発生し
た割れの有無を観察した。調査結果を示す表１にみられ
るように、従来のレーザ溶接ヘッドでは、１８０度曲げ
で割れが発生する板厚があり、割れは深いアンダーカッ
トを起点にしていた。そのため、サイドノズル２の位置
が異なるレーザ溶接用ヘッドに交換する必要があった。
これに対し、本発明に従ったレーザ溶接ヘッドでは、吹
き付け角度θ及び距離Ｘを調整することにより、０．５
〜３ｍｍの全板厚に対して深いアンダーカットを発生さ
せることなく健全な溶接部が得られるサイドガス条件を
設定できた。これら溶接部は、表１にみられるように、
１８０度曲げ試験によって割れを発生させることがなか
った。この対比から明らかなように、本発明に従ったレ
ーザ溶接ヘッドを使用するとき、ヘッドを交換する必要
なく、板厚０．５〜３ｍｍのＳＵＳ４３０ステンレス鋼
板を突合せ溶接し、健全な溶接部が得られることが確認
された。

【００１０】

【表１】

【００１１】実施例２：実施例１と同じレーザ溶接ヘッ
ドを使用し、溶接速度を変化させて、板厚１．５ｍｍの
ＳＵＳ４０９ステンレス鋼板を突合せ溶接し、外径５
０．８ｍｍの溶接管を製造した。そして、溶接速度の変
化に対する従来のレーザ溶接ヘッドと本発明に従ったレ
ーザ溶接ヘッドの対応可能範囲を調査した。溶接条件と
しては、レーザ出力を１〜１２ｋＷとし、センターガス
及びサイドガスにＡｒを使用し、センターガスの流量を
１５リットル／分とし、サイドガスの流量をプラズマの
除去に最低限必要な量に設定した。また、サイドガス
は、アンダーカットを低減させる効果が大きい方向から
溶接部に吹き付けた。形成されたレーザ溶接部を評価す
るため、溶接部に内側半径が板厚の２倍となる扁平試験
を行った。そして、扁平試験で溶接部に発生した割れの
有無を観察した。調査結果を示す表２にみられるよう
に、従来のレーザ溶接ヘッドでは、扁平試験で割れが発
生する板厚があり、割れは深いアンダーカットを起点に
していた。そのため、サイドノズル２の位置が異なるレ
ーザ溶接用ヘッドに交換する必要があった。これに対
し、本発明に従ったレーザ溶接ヘッドでは、吹き付け角
度θ及び距離Ｘを調整することにより、５〜２０ｍ／分
の全溶接速度に対して深いアンダーカットを発生させる
ことなく健全な溶接部が得られる条件が設定された。こ
れら溶接部は、表２にみられるように、扁平試験によっ
て割れを発生させることがなかった。この対比から明ら
かなように、本発明に従ったレーザ溶接ヘッドを使用す
るとき、ヘッドを交換する必要なく、種々の溶接速度で
ＳＵＳ４０９ステンレス鋼板を突合せ溶接し、健全な溶
接部が得られることが確認された。

【００１２】

【表２】

【００１３】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のレーザ
溶接ヘッドは、サイドノズルを三次元的に移動可能且つ
旋回可能にしているので、ヘッドを交換する必要なく、
吹付け角度θ及び距離Ｘを調整することにより、プラズ
マの除去及びアンダーカットの防止又は低減に有効なサ
イドガス条件を設定することができる。そのため、鋼板
の種類，板厚，溶接速度等が異なっても、一つのレーザ
溶接ヘッドで設定条件を適正に変更でき、ヘッド作製費
用やヘッド交換時間等が節約される。また、多鋼種且つ
多サイズの溶接部に提供できるため、たとえば各種サイ
ズの溶接管の製造等で生産効率が向上する。しかも、ヘ
ッドを反転させずにサイドガスの吹き付け方向が変更で
きるため、反転作業に要していた時間も節約される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 サイドノズルを一体化した従来のレーザ溶接
ヘッド

【図２】 従来のレーザ溶接ヘッドを使用して吹き付け
角度θ及び距離Ｘが及ぼす影響を調査したときの説明図

【図３】 健全な溶接部が得られる吹き付け角度θと溶
込み深さとの関係を表したグラフ

【図４】 健全な溶接部が得られる距離Ｘと溶接速度と
の関係を表したグラフ

【図５】 健全な溶接部が得られる板厚と吹付け角度θ
との関係を表したグラフ

【図６】 健全な溶接部が得られる鋼種と距離Ｘとの関
係を表したグラ

【図７】 本発明に従ったレーザ溶接ヘッド

【符号の説明】

１：溶接ヘッド ２：サイドノズル ３：被溶接材
４：第１テーブル ５：第２テーブル θ：サイドガスの吹付け角度 Ｘ：レーザビームの中心軸と被溶接材３の交点からサイ
ドノズル２の中心軸と被溶接材３の交点までの距離

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接ヘッドと、溶接ヘッドの左右に配置
   された上下動可能な第１テーブルと、第１テーブルに配
   置され、加工面に対して平行にスライドできる第２テー
   ブルと、第２テーブルの下部に設けられた角度調節可能
   なサイドノズルとを備えているレーザ溶接ヘッド。