WO2015159820A1

WO2015159820A1 - 溶接構造物、レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置

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Publication number: WO2015159820A1
Application number: PCT/JP2015/061246
Authority: WO
Inventors: 剛久奥田; 正糸山; 藤谷　泰之
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2015-10-22
Also published as: EP3117951A1; EP3117951B1; JP6335602B2; JP2015202506A; EP3117951A4; US20170036302A1; US10286492B2

Abstract

　溶接構造物としてのノズルは、ノズル本体（５）と、ノズル本体（５）に対し、レーザ溶接によって接合される座屈防止フィン（６）と、を備え、レーザ溶接前の座屈防止フィン（６）の端部は、ノズル本体（５）に対向して設置されると共に、ノズル本体（５）と座屈防止フィン（６）との設置状態は、ノズル本体（５）と座屈防止フィン（６）との間にギャップＧが形成される設置状態を含んでおり、座屈防止フィン（６）は、ノズル本体（５）と対向する端部に開先加工される開先部（５１）を有している。

Description

溶接構造物、レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置

　本発明は、レーザ溶接によって被溶接物とフィン部材とを接合することで製作される溶接構造物、レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置に関するものである。

　従来、溶接構造物として、レーザ溶接形鋼が知られている（例えば、特許文献１参照）。このレーザ溶接形鋼は、いずれも鋼板からなるフランジ材に対してウェブ材の端部に垂直に押し当てられて形作られたＴ字状継手部がレーザ光の片側からの１パス照射によって溶融接合されている。

特開２０１２－１５２８２０号公報

　ところで、溶接構造物は、被溶接物とフィン部材とをレーザ溶接によって接合することで製作されるものがある。被溶接物とフィン部材とを接合する場合、特許文献１のように、被溶接物の表面に対してフィン部材の端部を押し当てて、レーザ溶接を行うことが考えられる。しかしながら、フィン部材は、必ずしも被溶接物の表面に倣った形状に形成されるとは限らず、加工誤差等の寸法公差によって、被溶接物とフィン部材との間にギャップが生じる場合がある。この場合、被溶接物とフィン部材との間のギャップを埋めるべく、多くの溶加材を供給することが考えられるが、溶加材を多量供給することによってギャップ周りの入熱量が増大する。入熱量が増大すると、被溶接物とフィン部材との間に形成される溶接部が溶接不良となる可能性がある。一方で、溶接不良を抑制すべく、ギャップ周りの入熱量を調整する場合、ギャップに応じてレーザ溶接の溶接条件を変更することになるため、溶接作業が煩雑となる。

　そこで、本発明は、ギャップが生じても、溶接条件を変えることなく、レーザ溶接によって被溶接物とフィン部材を好適に接合することができる溶接構造物、レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供することを課題とする。

　本発明の溶接構造物は、被溶接物と、前記被溶接物に対し、レーザ溶接によって接合されるフィン部材と、を備え、レーザ溶接前の前記フィン部材の端部は、前記被溶接物に対向して設置されると共に、前記被溶接物と前記フィン部材との設置状態は、前記被溶接物と前記フィン部材との間にギャップが形成される設置状態を含んでおり、前記フィン部材は、前記被溶接物と対向する前記端部に開先加工される開先部を有していることを特徴とする。

　また、本発明のレーザ溶接方法は、被溶接物とフィン部材の端部とを対向させ、前記被溶接物と前記フィン部材との間にレーザ光を照射して、前記被溶接物と前記フィン部材とを接合するレーザ溶接方法において、レーザ溶接前の前記被溶接物と前記フィン部材との設置状態は、前記被溶接物と前記フィン部材との間にギャップが形成される設置状態を含んでおり、前記フィン部材は、前記被溶接物と対向する前記端部に開先加工される開先部を有していることを特徴とする。

　この構成によれば、フィン部材の端部に開先部を開先加工することで、被溶接物とフィン部材の端部との間には、ギャップの有無に関わらず、開先部によって所定の空間が形成される。つまり、被溶接物とフィン部材の端部との間にギャップが形成されない場合、被溶接物とフィン部材の端部との間には、開先部によって所定の空間が形成される。また、被溶接物とフィン部材の端部との間にギャップが形成される場合、被溶接物とフィン部材の端部との間には、ギャップ及び開先部によって所定の空間が形成される。このように、被溶接物とフィン部材の端部との間には、ギャップの有無に関わらず、所定の空間が形成されることから、ギャップに応じて必要な溶加材の供給量の変動が抑制され、溶加材を安定して供給することができる。このため、溶加材の供給による入熱量が安定することから、溶接不良の発生を抑制することができる。また、フィン部材の端部に開先部を開先加工することで、レーザ溶接において照射されるレーザ光による入熱を、被溶接物とフィン部材の端部との間の広域に亘って与えることができる。このため、過剰な入熱による溶接不良の発生を抑制することができる。以上から、ギャップが生じても、溶接条件を変えることなく、レーザ溶接によって被溶接物とフィン部材を好適に接合することができる。なお、このレーザ溶接では、開先部に対して１パスで溶接を行ってもよいし、開先部に対して複数パスで溶接を行ってもよい。

　また、前記フィン部材は、表面と、前記表面の反対側に形成される裏面と、前記被溶接物に対向する前記端部の端面と、前記端部に開先加工される前記開先部の開先面と、を有し、前記被溶接物と前記フィン部材との間に形成される空間面積は、前記レーザ溶接の進行方向に直交する断面において、前記フィン部材と対向する前記被溶接物の溶接対象面と、前記被溶接物の前記溶接対象面と対向する前記端面と、前記開先部の開先面と、前記フィン部材の前記表面に沿って前記被溶接部側に延びる表側仮想面と、前記フィン部材の前記裏面に沿って前記被溶接部側に延びる裏側仮想面と、によって囲まれる面積であり、前記空間面積が最大となる最大空間面積をＥｍａｘとし、前記空間面積が最小となる最小空間面積をＥｍｉｎとすると、前記開先部は、（Ｅｍａｘ／Ｅｍｉｎ）≦５を満たすように、開先加工されることが好ましい。

　この構成によれば、（Ｅｍａｘ／Ｅｍｉｎ）≦５を満たすように、開先部を開先加工することで、ギャップに応じて必要な溶加材の供給量の変動がより抑制されるため、溶加材をより安定的に供給することができる。

　また、前記フィン部材の前記表面と前記裏面とを結ぶ厚さ方向における前記フィン部材の厚さをｔとし、前記被溶接物と前記フィン部材とが対向する方向における前記端面からの前記開先部の形成深さをａとすると、前記開先部は、ａ≦ｔを満たすように、開先加工されることが好ましい。

　この構成によれば、被溶接物とフィン部材とが対向する方向において、開先部の形成深さａを、フィン部材の厚さｔ以下の深さとすることができる。このため、被溶接物とフィン部材とが対向する方向において、開先部が広がり過ぎることなく、溶接部を好適に形成し易い開先部の形状とすることができる。

　また、前記フィン部材の前記表面と前記裏面とを結ぶ厚さ方向における前記フィン部材の厚さをｔとし、前記厚さ方向における前記開先部の前記表面からの形成深さをｂとすると、前記開先部は、ｂ≧ｔ／２を満たすように、開先加工されることが好ましい。

　この構成によれば、フィン部材の厚さ方向において、開先部の形成深さｂを、フィン部材の厚さｔの半分以上とすることができる。このため、フィン部材の厚さ方向において、開先部が浅くなり過ぎることなく、溶接部を好適に形成し易い開先部の形状とすることができる。

　また、前記被溶接物は、外周面を有する円錐形状のノズル本体であり、前記フィン部材は、前記ノズルの前記外周面に沿って配置される円環状の板金部材であることが好ましい。

　この構成によれば、レーザ溶接前の円環状のフィン部材は、ノズル本体の外周面に沿って配置される。このとき、ノズル本体とフィン部材とは、その間に形成されるギャップを、埋め難い構成となっている。つまり、ノズル本体とフィン部材との間にギャップが形成される場合、ギャップを埋めるべく、フィン部材をノズルの径方向における一方側に寄せても、径方向の他方側のギャップが広がることから、ギャップを解消し難い。このような、ギャップを解消し難い構成となるノズル本体及びフィン部材に対しても、ギャップの有無に関わらず、開先部により所定の空間が形成されることから、溶接条件を変えることなく、レーザ溶接によってノズル本体とフィン部材とを好適に接合することができる。

　また、前記レーザ溶接において前記開先部に照射されるレーザ光は、前記レーザ光の照射方向と前記被溶接物の溶接対象面とが為す角度が、前記レーザ光の照射方向と前記フィン部材の表面とが為す角度に比して小さくなっていることが好ましい。

　この構成によれば、被溶接物の溶接対象面側に沿わせて、レーザ光を開先部へ向けて照射することができる。このため、被溶接物への入熱を抑制しつつ、フィン部材を被溶接物に接合することができる。なお、レーザ光を照射するレーザ照射装置と被溶接物との物理的な干渉が生じなければ、レーザ光と溶接対象面とが為す角度を、可能な限り小さくすることが好ましい。

　また、前記レーザ溶接において前記開先部に照射されるレーザ光は、前記フィン部材の表面に沿って前記被溶接物側に延びる表側仮想面上の所定の照射範囲に照射され、所定の前記照射範囲は、前記レーザ溶接の進行方向に直交する断面において、前記被溶接物と前記フィン部材とが対向する方向における前記表側仮想面の中央から、前記フィン部材側までの範囲となっていることが好ましい。

　この構成によれば、上記した所定の照射範囲にレーザ光を照射することができる。このため、被溶接物への入熱を抑制しつつ、フィン部材を被溶接物に接合することができる。

　また、前記レーザ溶接に用いられる溶加材は、前記被溶接物と同じ材料を用いることが好ましい。

　この構成によれば、被溶接物と同じ材料となる溶加材を用いて、フィン部材を被溶接物に接合することができる。このため、被溶接物と、被溶接物とフィン部材との間に形成される溶接部との耐用温度を、同じ温度とすることができる。なお、フィン部材も、被溶接物及び溶加材と同じ材料であることがより好ましい。

　また、前記レーザ溶接に用いられる溶加材は、前記ギャップが最大となるときに、前記被溶接物と前記フィン部材との間に形成される溶接部が、前記フィン部材の表面と同じ高さとなるように供給されことが好ましい。

　この構成によれば、ギャップが最大となるときに、被溶接物とフィン部材との間に形成される溶接部が、フィン部材の表面と同じ高さとなる。一方で、ギャップが最小となる最小間隙時において、被溶接物とフィン部材との間に形成される溶接部は、フィン部材の表面よりも高く、肉盛された状態となる。このため、ギャップの最大間隙時において、開先部に供給される溶加材が不足することなく、溶接部を好適に形成することができる。また、最小間隙時において、開先部に供給される溶加材により形成される溶接部を、肉盛溶接部として機能させることができるため、被溶接物とフィン部材との接合を強固なものにすることができる。

　また、前記被溶接物と前記フィン部材とのレーザ溶接時において、前記開先部には、レーザ光が照射され、前記開先部を挟んで、前記レーザ光が照射される照射側の反対側には、不活性ガスが充満するバックシールドが形成されることが好ましい。

　この構成によれば、被溶接物とフィン部材との間に形成される溶接部が酸化することなく、溶接部を好適に形成することができる。

　また、前記レーザ溶接は、貫通溶接となっていることが好ましい。

　この構成によれば、溶接部を、フィン部材の表面から裏面まで貫通させて形成することができ、溶接部の裏面側に裏波を形成することができる。

　また、前記レーザ溶接によって前記被溶接物と前記フィン部材との間に形成される溶接部には、前記レーザ溶接において照射されるレーザ光の照射側の反対側から、なめ付け溶接が行われることが好ましい。

　この構成によれば、照射側とは反対側の溶接部に対して、なめ付け溶接を行うことで、溶接部を一様な形状とすることができる。なお、なめ付け溶接は、溶加材を用いた化粧盛溶接であってもよいし、溶加材を用いない共付け溶接であってもよい。また、なめ付け溶接は、レーザ溶接時よりもレーザ光の出力を低くして行うことが好ましく、例えば、半分以下の出力で行ってもよい。

　本発明のレーザ溶接装置は、被溶接物とフィン部材の端部とを対向させ、前記被溶接物と前記フィン部材との間にレーザ光を照射し、前記被溶接物と前記フィン部材とを接合して、上記の溶接構造物を製作することを特徴とする。

　この構成によれば、被溶接物とフィン部材との間にギャップが生じても、溶接条件を変えることなく、レーザ溶接によって被溶接物とフィン部材を好適に接合することができる。

図１は、本実施例に係るレーザ溶接装置を模式的に示す概略構成図である。図２は、本実施例に係るノズルの半部を示す断面図である。図３は、レーザ溶接前のノズルの要部を示す断面図である。図４は、ノズルにおけるギャップの間隙面積を示す説明図である。図５は、座屈防止フィンの寸法を示す説明図である。図６は、ギャップに応じて形成される溶接部の一例の断面図である。図７は、ギャップに応じて形成される溶接部の一例の断面図である。図８は、ギャップに応じて形成される溶接部の一例の断面図である。図９は、本実施例に係るレーザ溶接方法の溶接作業を示すフローチャートである。

　以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせることも可能である。

　本実施例に係る溶接構造物は、例えば、ロケットのノズル１であり、図１に示すレーザ溶接装置１０による溶接対象となっている。先ず、レーザ溶接装置１０を説明する前に、図２を参照して、溶接対象となるノズル１について説明する。

　図２に示すように、ノズル１は、その内部において、外部へ向けて噴射される燃焼ガスが流通している。ノズル１は、ノズル本体（被溶接物）５と、ノズル本体５の外周面（溶接対象面）に接合される座屈防止フィン（フィン部材）６とを有している。

　ノズル本体５は、燃焼ガスの流通方向の上流側から下流側に向かって広がる略円錐形状の筒体に形成されており、その軸方向に沿って燃焼ガスが流通する。ここで、ノズル本体５は、内部において燃焼ガスが流通することから、ノズル本体５の内部が減圧する。このため、ノズル本体５は、その内部の圧力が、外部の圧力に比して低くなる。

　座屈防止フィン６は、円環状となる板材であり、ノズル本体５の外周面の周方向に沿って、全周に亘って設けられている。この座屈防止フィン６は、ノズル本体５の座屈を防止する部材である。つまり、ノズル本体５は、内部圧力が外部圧力に比して低くなることから、座屈防止フィン６は、ノズル本体５が内側に座屈することを抑制するための補強部材となっている。

　また、座屈防止フィン６は、板金加工によって形成される板金部材となっている。具体的に、座屈防止フィン６は、鋼板をプレス加工することで半円弧形状に形成した板材の両端部をそれぞれ接合することで形成される。この座屈防止フィン６は、ノズル本体５の軸方向に沿って、所定の間隔を空けて複数並べて設けられている。このとき、ノズル本体５は、円錐形状となっていることから、複数の座屈防止フィン６は、その直径がそれぞれ異なる直径となっている。ここで、座屈防止フィン６は、ノズル本体５の軸方向の一方側（図２及び図３の上側）の面が表面であり、ノズル本体５の軸方向の他方側（図２及び図３の下側）の面が裏面である。

　この座屈防止フィン６は、レーザ溶接前に、ノズル本体５の外周面に嵌め合わせられる。このため、レーザ溶接前のノズル本体５と座屈防止フィン６とは、ノズル本体５の外周面と、座屈防止フィン６の内周側の端部とが対向する設置状態となる。そして、この設置状態で、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間が、下記するレーザ溶接装置１０により溶接される。ここで、ノズル本体５及び座屈防止フィン６は、同じ材料を用いて構成されている。

　次に、図１を参照して、レーザ溶接装置１０について説明する。レーザ溶接装置１０は、移動機構となるマニピュレータ１１と、レーザ照射装置１２と、シールドガス供給装置１３と、ワイヤ供給装置１４と、カメラ１５と、制御装置１６とを備えている。

　マニピュレータ１１は、例えば、６軸マニピュレータであり、その先端部には、支持フレーム１８が取り付けられている。支持フレーム１８には、レーザ照射装置１２の一部である後述するレーザ照射ヘッド２３が保持されている。このマニピュレータ１１は、制御装置１６に接続され、制御装置１６によって動作が制御されることで、レーザ照射装置１２から照射されるレーザ光の照射方向及び照射位置を変化させることができる。

　レーザ照射装置１２は、レーザ発振器２１と、伝送ケーブル２２によってレーザ発振器２１に接続されるレーザ照射ヘッド２３とを有している。レーザ発振器２１は、レーザ光を照射し、制御装置１６に接続されている。レーザ発振器２１は、制御装置１６によってレーザ光の照射が制御されることで、所定の出力となるレーザ光を照射する。伝送ケーブル２２は、レーザ発振器２１から照射されたレーザ光を、レーザ照射ヘッド２３へ向けて導光する。レーザ照射ヘッド２３は、伝送ケーブル２２により導光されたレーザ光を、溶接対象となるノズル１へ向けて照射している。このレーザ照射ヘッド２３は、支持フレーム１８によって保持されている。また、レーザ照射ヘッド２３は、シールドガス供給装置の一部（後述するシールドガス噴射ノズル３３）と一体となっていることから、レーザ光と共にシールドガスが噴射される。

　ここで、図３に示すように、レーザ照射装置１２から照射されたレーザ光Ｌは、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に照射される。具体的に、レーザ光Ｌは、ノズル本体５の外周面と座屈防止フィン６とが為す角度が大きいほうとなる側から照射される。つまり、ノズル本体５の外周面と座屈防止フィン６の表面とが為す角度が、ノズル本体５の外周面と座屈防止フィン６の裏面とが為す角度に比して大きい。このため、座屈防止フィン６の表面側が、レーザ光Ｌの照射側となる。

　シールドガス供給装置１３は、シールドガス供給部３１と、シールドガス供給ライン３２によってシールドガス供給部３１に接続されるシールドガス噴射ノズル３３とを有している。シールドガス供給部３１は、不活性ガスを供給し、制御装置１６に接続されている。シールドガス供給部３１は、制御装置１６によって不活性ガスの供給が制御されることで、所定の供給量で不活性ガスを供給する。シールドガス供給ライン３２は、シールドガス供給部３１から供給された不活性ガスを、シールドガス噴射ノズル３３へ向けて流通させる。シールドガス噴射ノズル３３は、上記したようにレーザ照射ヘッド２３と一体となっていることから、支持フレーム１８によって保持されている。このシールドガス噴射ノズル３３は、レーザ光が照射される溶接位置へ向けてシールドガスを噴射する。

　また、図３に示すように、シールドガス供給装置１３は、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間を挟んで、レーザ光Ｌの照射側とは反対側にバックシールドを形成している。具体的に、シールドガス供給装置１３は、レーザ光Ｌの照射側の反対側において、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間を覆うシールドカバー３４を有している。シールドカバー３４は、その一端部がノズル本体５の外周面に当接し、その他端部が座屈防止フィン６の裏面に当接する。そして、シールドガス供給装置１３は、シールドカバー３４の内部へ向けて、図示しないシールドガス供給ラインを介してシールドガス供給部３１から不活性ガスを供給する。これにより、シールドカバー３４は、その内部が不活性ガスで充満し、これにより、バックシールドが形成される。

　ワイヤ供給装置１４は、ワイヤリール部４１と、ワイヤ供給ライン４２によってワイヤリール部４１と接続されるワイヤノズル４３とを有している。ワイヤリール部４１は、溶接ワイヤ（溶加材）４５を供給し、制御装置１６に接続されている。ワイヤリール部４１は、制御装置１６によって溶接ワイヤ４５の供給が制御されることで、所定の供給速度で溶接ワイヤ４５を供給する。ワイヤ供給ライン４２は、ワイヤリール部４１から供給された溶接ワイヤ４５を、ワイヤノズル４３へ向けて供給する。ワイヤノズル４３は、支持フレーム１８から突出する支持部材４８によって保持されており、レーザ光が照射される溶接位置へ向けて溶接ワイヤ４５を案内する。このとき、溶接ワイヤ４５は、ノズル本体５及び座屈防止フィン６と同じ材料となっている。

　カメラ１５は、支持部材４８に取り付けられており、レーザ光が照射される溶接位置を撮像している。カメラ１５は、制御装置１６に接続され、溶接位置を撮像した撮像データを、制御装置１６へ向けて出力する。制御装置１６は、カメラ１５により撮像した撮像データに基づいて、マニピュレータ１１の動作を制御する。

　ここで、レーザ照射ヘッド２３、シールドガス噴射ノズル３３、ワイヤノズル４３及びカメラ１５は、支持フレーム１８及び支持部材４８によって一体に支持されることから、相対的な位置関係が固定される。このため、マニピュレータ１１は、支持部材４８を移動させることで、レーザ照射装置１２によるレーザ光の照射方向及び照射位置、シールドガス噴射ノズル３３による不活性ガスの供給位置、ワイヤノズル４３による溶接ワイヤ４５の案内位置、及びカメラ１５の撮像位置を、一体に移動させることができる。

　制御装置１６は、カメラ１５により撮像された撮像データに基づいて、マニピュレータ１１の動作を制御することで、レーザ照射装置１２によるレーザ光の照射方向及び照射位置、シールドガス噴射ノズル３３による不活性ガスの供給位置、ワイヤノズル４３による溶接ワイヤ４５の案内位置、及びカメラ１５の撮像位置を調整する。

　このように構成されたレーザ溶接装置１０は、ノズル本体５と、ノズル本体５の外周面に嵌め合わせられる座屈防止フィン６との間に向けて、座屈防止フィン６の表面側から、レーザ光を照射する。また、レーザ溶接装置１０は、ノズル本体５の外周面に嵌め合わせられる座屈防止フィン６との間に沿って、ノズル本体５の周方向を進行方向として、レーザ光を移動させながら溶接を行う。

　ここで、レーザ溶接前において、ノズル本体５の外周面に嵌め合わせられる座屈防止フィン６は、板金部材であることから、ノズル本体５の外周面に倣って精度良く形成することが困難である。このため、ノズル本体５の外周面と、座屈防止フィン６の内周側の端部との間には、ギャップＧが生じる場合がある。つまり、ノズル本体５と座屈防止フィン６との設置状態は、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間にギャップＧが形成される設置状態と、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間にギャップＧが形成されない設置状態とが含まれる。

　一方で、溶接作業の簡素化を図るべく、レーザ溶接装置１０による溶接条件を変更することなく、ノズル本体５と座屈防止フィン６とを接合する。そこで、本実施例において、レーザ溶接前の座屈防止フィン６は、内周側の端部に開先部５１が開先加工されている。以下、図４及び図５を参照して、座屈防止フィン６の開先部５１の形状について説明する。

　図４に示すように、座屈防止フィン６の開先部５１は、内周側の端部において、表面Ｐ１側の縁部をテーパ形状に開先加工することで形成される。このため、開先加工されることにより形成される開先部５１の開先面Ｐ４は、テーパ面となる。この開先面Ｐ４は、座屈防止フィン６の内周側端部の端面Ｐ３と、座屈防止フィン６の表面Ｐ１とにそれぞれ交わる面となっている。そして、開先部５１を有する座屈防止フィン６は、テーパ形状となるノズル本体５の外周面Ｐ５に対して、座屈防止フィン６の端面Ｐ３が、非平行の状態で対向して配置される。つまり、ノズル本体５の外周面Ｐ５に対して、座屈防止フィン６の端面Ｐ３は、斜めになっている。

　ここで、図４に示すように、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間の空間面積Ｅは、レーザ溶接の進行方向（ノズル本体５の周方向）に直交する断面において、所定の面によって囲まれた面積とする。具体的に、空間面積Ｅは、ノズル本体５の外周面Ｐ５と、座屈防止フィン６の端面Ｐ３と、開先部５１の開先面Ｐ４と、座屈防止フィン６の表面Ｐ１に沿ってノズル本体５側に延びる表側仮想面Ｐ６と、座屈防止フィン６の裏面Ｐ２に沿ってノズル本体５側に延びる裏側仮想面Ｐ７と、によって囲まれた面積となっている。

　この空間面積Ｅは、ノズル本体５の外周面Ｐ５と座屈防止フィン６の端面Ｐ３とによって形成される第１空間面積ＥＡと、開先部５１の形状によって形成される第２空間面積ＥＢと、ギャップＧによって形成される第３空間面積ＥＣとを含む面積となっている。

　第１空間面積ＥＡは、ノズル本体５の外周面Ｐ５がノズル本体５の軸方向に対して斜めとなっている一方で、座屈防止フィン６の端面Ｐ３がノズル本体５の軸方向に沿った面となっていることから、変化することがない面積となる。具体的に、第１空間面積ＥＡは、ノズル本体５に座屈防止フィン６が当接した状態において、ノズル本体５の外周面Ｐ５と、表側仮想面Ｐ６と、座屈防止フィン６の端面Ｐ３とにより囲まれた三角形状の面積となっている。

　第２空間面積ＥＢは、開先部５１の形状によって変化可能な面積となる。具体的に、第２空間面積ＥＢは、表側仮想面Ｐ６と、開先面Ｐ４と、端面Ｐ３に沿った面とにより囲まれた三角形状の面積となっている。

　第３空間面積ＥＣは、形成されるギャップＧの長さによって変化可能な面積となる。具体的に、ギャップＧは、ノズル本体の軸方向に直交する径方向において、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に形成される隙間であり、具体的には、ノズル本体５の外周面Ｐ５と、座屈防止フィン６の裏面Ｐ２との間に形成される隙間である。つまり、図４の上方側に示す座屈防止フィン６が、ノズル本体５との間で、ギャップＧが形成されていない（ギャップＧがゼロの）状態となっている。一方で、図４の下方側に示す座屈防止フィン６が、ノズル本体５との間で、ギャップＧが形成されている状態となっている。

　ここで、空間面積Ｅは、ギャップＧが最大となるときに、最大空間面積となり、一方で、ギャップＧがゼロとなるとき（図４の上方側の図）に、最小空間面積となる。このとき、開先部５１は、最大空間面積をＥｍａｘとし、最小空間面積をＥｍｉｎとした場合、（Ｅｍａｘ／Ｅｍｉｎ）≦５を満たすように、開先加工されている。つまり、開先部５１は、最大空間面積Ｅｍａｘが、最小空間面積Ｅｍｉｎの５倍以下となるように、開先加工される。

　次に、図５を参照して、開先部５１の形状について説明する。上記したように、開先部５１の開先面Ｐ４は、テーパ面に形成されている。このとき、座屈防止フィン６の表面Ｐ１と裏面Ｐ２とを結ぶ厚さ方向における座屈防止フィン６の厚さをｔとし、座屈防止フィン６の端面Ｐ３からの形成深さをａとする。なお、形成深さａは、ノズル本体５と座屈防止フィン６とが対向する方向（ノズル本体５の径方向）において、最も深い部分の深さである。この場合、開先部５１は、ａ≦ｔを満たすように、開先加工される。つまり、開先部５１の形成深さａは、座屈防止フィン６の厚さｔ以下の深さとなるように開先加工される。

　また、座屈防止フィン６の表面Ｐ１からの形成深さをｂとする。なお、形成深さｂは、座屈防止フィン６の厚さ方向において、最も深い部分の深さである。この場合、開先部５１は、ｂ≧ｔ／２を満たすように、開先加工される。つまり、開先部５１の形成深さｂは、座屈防止フィン６の厚さｔの半分以上の深さとなるように開先加工される。

　次に、図３を参照して、ノズル本体５と、上記のように形成された開先部５１を有する座屈防止フィン６との間に照射されるレーザ光Ｌの照射条件について説明する。このレーザ光Ｌは、ノズル本体５と座屈防止フィン６とを貫通溶接可能な出力となっている。また、図３に示すように、レーザ光Ｌの進行方向（ノズル本体５の周方向）に直交する断面において、レーザ光Ｌの照射方向とノズル本体５の外周面Ｐ５とが為す角度θ１は、レーザ光Ｌの照射方向と座屈防止フィン６の表面Ｐ１とが為す角度θ２に比して小さい角度となっている。

　また、図３に示すようにレーザ光Ｌは、表側仮想面Ｐ６上の所定の照射範囲に照射される。所定の照射範囲は、レーザ光Ｌの進行方向（ノズル本体５の周方向）に直交する断面において、ノズル本体５の径方向における、ノズル本体５の外周面Ｐ５と座屈防止フィン６との間の表側仮想面Ｐ６の中央（一点鎖線Ｉ）から、表側仮想面Ｐ６上の座屈防止フィン６側までの範囲となっている。

　そして、レーザ溶接装置１０は、レーザ溶接の溶接条件、つまり、レーザ光Ｌの出力、溶接ワイヤ４５の供給量、溶接速度等を変えることなく、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に、レーザ光Ｌを照射する。

　次に、図６から図８を参照して、レーザ溶接後において、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に形成される溶接部について説明する。ここで、図６は、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間のギャップＧがゼロのときに形成される溶接部の図である。図８は、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間のギャップＧが最大のときに形成される溶接部の図である。図７は、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間のギャップＧが、図６と図８との間のギャップＧとなるときに形成される溶接部の図である。

　ここで、図８に示すように、ギャップＧが最大となる場合（最大空間面積Ｅｍａｘとなる場合）、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に供給される溶接ワイヤ４５は、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に形成される溶接部が、座屈防止フィン６の表面Ｐ１と同じ高さとなるように供給される。一方で、ギャップＧの有無にかかわらず、供給する溶接ワイヤ４５の供給量は変化しないことから、図６に示すように、ギャップＧがゼロとなる場合（最小空間面積Ｅｍｉｎとなる場合）、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に形成される溶接部は、座屈防止フィン６の表面Ｐ１から盛り上がるように形成される。つまり、最小空間面積Ｅｍｉｎとなる場合、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に形成される溶接部は、肉盛溶接となる。

　そして、図６から図８に示すように、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に形成される溶接部は、ギャップＧの有無に関わらず、レーザ溶接装置１０の溶接条件を変更せずとも、好適に形成されることが確認された。

　次に、図９を参照して、ノズル本体５と座屈防止フィン６とを溶接する溶接作業について説明する。先ず、レーザ溶接装置１０による溶接を行う前に、ノズル本体５の外周面には、環状の座屈防止フィン６が嵌め合わされ、ノズル本体５と座屈防止フィン６とが位置決めされる（ステップＳ１）。この後、ノズル本体５と座屈防止フィン６とが、ＴＩＧ溶接等によって仮付溶接される（ステップＳ２）。

　続いて、レーザ溶接装置１０は、仮付溶接されたノズル本体５及び座屈防止フィン６に対して、溶接倣い位置が設定される（ステップＳ３）。つまり、レーザ溶接装置１０から照射されるレーザ光Ｌが、仮付溶接されたノズル本体５及び座屈防止フィン６の間に沿って、ノズル本体５の外周面Ｐ５に倣って移動するように、レーザ溶接装置１０におけるレーザ光Ｌの照射方向、照射位置及び進行方向等が設定される。

　そして、レーザ溶接装置１０は、ステップＳ３において設定した溶接倣い位置に応じて、本溶接を施工する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、レーザ溶接装置１０が、溶接条件を変更することなく、また、図３に示すレーザ光Ｌの照射方向と、照射範囲を満たして、レーザ溶接を実行する。そして、ステップＳ４では、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に貫通溶接を行うことから、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に形成される溶接部は、座屈防止フィン６の裏面Ｐ２側において、裏波が形成される。ノズル本体５及び座屈防止フィン６が一体となったレーザ溶接後のノズル１は、目視検査等によって外観検査される（ステップＳ５）。

　外観検査の終了後、ノズル１は、ステップＳ４における溶接位置状態から、その位置状態が反転される（ステップＳ６）。つまり、ステップＳ４において、座屈防止フィン６の表面Ｐ１側が上方側であり、裏面Ｐ２側が下方側である場合には、座屈防止フィン６の表面Ｐ１側が下方側となり、裏面Ｐ２側が上方側となるように、ノズル１が反転させられる。

　レーザ溶接装置１０は、反転したノズル１に対し、座屈防止フィン６の裏面Ｐ２側から、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間、すなわち、レーザ溶接によって形成された溶接部の裏側に対して、なめ付け溶接を行う（ステップＳ７）。レーザ溶接装置１０は、なめ付け溶接を行うことで、座屈防止フィン６の裏面Ｐ２側に形成される裏波を一様の状態とする。なお、なめ付け溶接は、溶接ワイヤ４５を用いた化粧盛溶接であってもよいし、溶接ワイヤ４５を用いない共付け溶接であってもよい。また、なめ付け溶接は、ステップＳ４におけるレーザ溶接時よりもレーザ光Ｌの出力を低くして行うことが好ましく、例えば、半分以下の出力で行ってもよい。

　なめ付け溶接後のノズル１は、座屈防止フィン６の表面Ｐ１側及び裏面Ｐ２側において、仕上げ加工が施される（ステップＳ８）。そして、仕上げ加工されたノズル１は、超音波探傷検査等の探傷検査によって、ノズル１の品質が評価される（ステップＳ９）。

　以上のように、本実施例によれば、座屈防止フィン６の端部に開先部５１を開先加工することで、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間には、ギャップの有無に関わらず、開先部５１によって所定の空間（空間面積Ｅ）が形成される。つまり、ノズル本体５と座屈防止フィン６の端部との間にギャップＧが形成されない場合、ノズル本体５と座屈防止フィン６の端部との間には、開先部５１によって所定の空間（第１空間面積ＥＡ及び第２空間面積ＥＢ）が形成される。また、ノズル本体５と座屈防止フィン６の端部との間にギャップＧが形成される場合、ノズル本体５と座屈防止フィン６の端部との間には、ギャップＧ及び開先部５１によって所定の空間（第１空間面積ＥＡ、第２空間面積ＥＢ及び第３空間面積ＥＣ）が形成される。このように、ノズル本体５と座屈防止フィン６の端部との間には、ギャップＧの有無に関わらず、所定の空間が形成されることから、ギャップＧに応じて必要な溶接ワイヤ４５の供給量の変動が抑制され、溶接ワイヤ４５を安定して供給することができる。このため、溶接ワイヤ４５の供給による入熱量が安定することから、溶接不良の発生を抑制することができる。また、座屈防止フィン６の端部に開先部５１を開先加工することで、レーザ溶接において照射されるレーザ光による入熱を、ノズル本体５と座屈防止フィン６の端部との間の広域に亘って与えることができる。このため、レーザ溶接装置１０は、過剰な入熱による溶接不良の発生を抑制することができる。以上から、ギャップＧが生じても、溶接条件を変えることなく、レーザ溶接によってノズル本体５と座屈防止フィン６とを好適に接合することができる。なお、このレーザ溶接では、開先部５１に対して１パスで溶接を行ってもよいし、開先部５１に対して複数パスで溶接を行ってもよい。

　また、本実施例によれば、（Ｅｍａｘ／Ｅｍｉｎ）≦５を満たすように、開先部５１を開先加工することで、ギャップＧに応じて必要な溶加材の供給量の変動が抑制されるため、開先部５１へ向けて供給される溶接ワイヤ４５の変動をより好適に抑制することができ、溶接ワイヤ４５をより安定的に供給することができる。

　また、本実施例によれば、ａ≦ｔを満たすように、開先部５１を開先加工することができる。このため、開先部５１がノズル本体５の径方向に広がり過ぎて形成されることなく、溶接部を好適に形成し易い開先部５１の形状とすることができる。

　また、本実施例によれば、ｂ≧ｔ／２を満たすように、開先部５１を開先加工することができる。このため、座屈防止フィン６の厚さ方向において、開先部５１が浅くなり過ぎることなく、溶接部を好適に形成し易い開先部５１の形状とすることができる。

　また、本実施例によれば、座屈防止フィン６に開先部５１を形成することで、ギャップＧを埋め難い円錐形状のノズル本体５及び円環状の座屈防止フィン６に対しても、溶接条件を変えることなく、レーザ溶接によってノズル本体５と座屈防止フィン６とを好適に接合することができる。

　また、本実施例によれば、角度θ１を、角度θ２に比して小さくすることができる。このため、ノズル本体５の外周面Ｐ５側に沿わせて、レーザ光Ｌを開先部５１へ向けて照射することができる。このため、ノズル本体５への入熱を抑制しつつ、座屈防止フィン６をノズル本体５に接合することができる。なお、レーザ光Ｌを照射するレーザ照射装置１２とノズル本体５との物理的な干渉が生じなければ、角度θ１を、可能な限り小さくすることが好ましい。

　また、本実施例によれば、レーザ溶接装置１０は、表側仮想面Ｐ６の中央から、座屈防止フィン６側までの範囲にレーザ光Ｌを照射することができる。このため、ノズル本体５への入熱を抑制しつつ、座屈防止フィン６をノズル本体５に接合することができる。

　また、本実施例によれば、ノズル本体５及び座屈防止フィン６と同じ材料となる溶接ワイヤ４５を用いて、座屈防止フィン６をノズル本体５に接合することができる。このため、ノズル本体５と溶接部との耐用温度を、同じ温度とすることができる。なお、溶接ワイヤ４５は、少なくともノズル本体５と同じ材料であればよい。

　また、本実施例によれば、ギャップＧが最大となるとき（最大空間面積Ｅｍａｘとなるとき）に、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に形成される溶接部を、座屈防止フィン６の表面Ｐ１と同じ高さにすることができる。このため、ギャップＧの最大間隙時において、開先部５１に供給される溶接ワイヤ４５が不足することなく、溶接部を好適に形成することができる。また、最小間隙時において、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に形成される溶接部を、肉盛溶接部として機能させることができるため、ノズル本体５と座屈防止フィン６との接合を強固なものにすることができる。

　また、本実施例によれば、開先部５１を挟んで、レーザ光Ｌの照射側の反対側に、不活性ガスが充満するバックシールドを形成することができる。このため、ノズル本体５と座屈防止フィン６との間に形成される溶接部が酸化することなく、溶接部を好適に形成することができる。

　また、本実施例によれば、レーザ溶接が貫通溶接であるため、溶接部を、座屈防止フィン６の表面Ｐ１から裏面Ｐ２まで貫通させて形成することができ、溶接部の裏面Ｐ２側に裏波を形成することができる。

　また、本実施例によれば、溶接部の裏面Ｐ２側に形成される裏波に対して、なめ付け溶接を行うことで、溶接部を一様な形状とすることができる。

　なお、本実施例では、被溶接物としてのノズル本体５を、円錐形状のノズル本体５としたが、ノズル本体５の形状は、特に限定されず、例えば、円筒形状であってもよい。この場合、ノズル本体５の外周面Ｐ５と、座屈防止フィン６の端面Ｐ３とは平行となるため、第１空間面積ＥＡは、ゼロとなるが、開先部５１を、（Ｅｍａｘ／Ｅｍｉｎ）≦５を満たすように、形成することは可能である。

１　ノズル
５　ノズル本体
６　座屈防止フィン
１０　レーザ溶接装置
１１　マニピュレータ
１２　レーザ照射装置
１３　シールドガス供給装置
１４　ワイヤ供給装置
１５　カメラ
１６　制御装置
１８　支持フレーム
２１　レーザ発振器
２２　伝送ケーブル
２３　レーザ照射ヘッド
３１　シールドガス供給部
３２　シールドガス供給ライン
３３　シールドガス噴射ノズル
３４　シールドカバー
４１　ワイヤリール部
４２　ワイヤ供給ライン
４３　ワイヤノズル
４５　溶接ワイヤ
４８　支持部材
５１　開先部
Ｇ　ギャップ
Ｐ１　表面
Ｐ２　裏面
Ｐ３　端面
Ｐ４　開先面
Ｐ５　外周面
Ｐ６　表側仮想面
Ｐ７　裏側仮想面
Ｅ　空間面積
ＥＡ　第１空間面積
ＥＢ　第２空間面積
ＥＣ　第３空間面積
θ１　角度
θ２　角度

Claims

　被溶接物と、
　前記被溶接物に対し、レーザ溶接によって接合されるフィン部材と、を備え、
　レーザ溶接前の前記フィン部材の端部は、前記被溶接物に対向して設置されると共に、前記被溶接物と前記フィン部材との設置状態は、前記被溶接物と前記フィン部材との間にギャップが形成される設置状態を含んでおり、
　前記フィン部材は、前記被溶接物と対向する前記端部に開先加工される開先部を有していることを特徴とする溶接構造物。
　前記フィン部材は、表面と、前記表面の反対側に形成される裏面と、前記被溶接物に対向する前記端部の端面と、前記端部に開先加工される前記開先部の開先面と、を有し、
　前記被溶接物と前記フィン部材との間に形成される空間面積は、前記レーザ溶接の進行方向に直交する断面において、前記フィン部材と対向する前記被溶接物の溶接対象面と、前記被溶接物の前記溶接対象面と対向する前記端面と、前記開先部の開先面と、前記フィン部材の前記表面に沿って前記被溶接部側に延びる表側仮想面と、前記フィン部材の前記裏面に沿って前記被溶接部側に延びる裏側仮想面と、によって囲まれる面積であり、
　前記空間面積が最大となる最大空間面積をＥｍａｘとし、前記空間面積が最小となる最小空間面積をＥｍｉｎとすると、
　前記開先部は、（Ｅｍａｘ／Ｅｍｉｎ）≦５を満たすように、開先加工されることを特徴とする請求項１に記載の溶接構造物。
　前記フィン部材の前記表面と前記裏面とを結ぶ厚さ方向における前記フィン部材の厚さをｔとし、前記被溶接物と前記フィン部材とが対向する方向における前記端面からの前記開先部の形成深さをａとすると、
　前記開先部は、ａ≦ｔを満たすように、開先加工されることを特徴とする請求項２に記載の溶接構造物。
　前記フィン部材の前記表面と前記裏面とを結ぶ厚さ方向における前記フィン部材の厚さをｔとし、前記厚さ方向における前記開先部の前記表面からの形成深さをｂとすると、
　前記開先部は、ｂ≧ｔ／２を満たすように、開先加工されることを特徴とする請求項２または３に記載の溶接構造物。
　前記被溶接物は、外周面を有する円錐形状のノズル本体であり、
　前記フィン部材は、前記ノズルの前記外周面に沿って配置される円環状の板金部材であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の溶接構造物。
　前記レーザ溶接において前記開先部に照射されるレーザ光は、前記レーザ光の照射方向と前記被溶接物の溶接対象面とが為す角度が、前記レーザ光の照射方向と前記フィン部材の表面とが為す角度に比して小さくなっていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の溶接構造物。
　前記レーザ溶接において前記開先部に照射されるレーザ光は、前記フィン部材の表面に沿って前記被溶接物側に延びる表側仮想面上の所定の照射範囲に照射され、
　所定の前記照射範囲は、前記レーザ溶接の進行方向に直交する断面において、前記被溶接物と前記フィン部材とが対向する方向における前記表側仮想面の中央から、前記フィン部材側までの範囲となっていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の溶接構造物。
　前記レーザ溶接に用いられる溶加材は、前記被溶接物と同じ材料を用いることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の溶接構造物。
　前記レーザ溶接に用いられる溶加材は、前記ギャップが最大となるときに、前記被溶接物と前記フィン部材との間に形成される溶接部が、前記フィン部材の表面と同じ高さとなるように供給されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の溶接構造物。
　前記被溶接物と前記フィン部材とのレーザ溶接時において、前記開先部には、レーザ光が照射され、前記開先部を挟んで、前記レーザ光が照射される照射側の反対側には、不活性ガスが充満するバックシールドが形成されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の溶接構造物。
　前記レーザ溶接は、貫通溶接となっていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の溶接構造物。
　前記レーザ溶接によって前記被溶接物と前記フィン部材との間に形成される溶接部には、前記レーザ溶接において照射されるレーザ光の照射側の反対側から、なめ付け溶接が行われることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の溶接構造物。
　被溶接物とフィン部材の端部とを対向させ、前記被溶接物と前記フィン部材との間にレーザ光を照射して、前記被溶接物と前記フィン部材とを接合するレーザ溶接方法において、
　レーザ溶接前の前記被溶接物と前記フィン部材との設置状態は、前記被溶接物と前記フィン部材との間にギャップが形成される設置状態を含んでおり、
　前記フィン部材は、前記被溶接物と対向する前記端部に開先加工される開先部を有していることを特徴とするレーザ溶接方法。
　被溶接物とフィン部材の端部とを対向させ、前記被溶接物と前記フィン部材との間にレーザ光を照射し、前記被溶接物と前記フィン部材とを接合して、請求項１から１２のいずれか１項に記載の溶接構造物を製作することを特徴とするレーザ溶接装置。