JP5341538B2

JP5341538B2 - レーザ溶接装置

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Publication number: JP5341538B2
Application number: JP2009018956A
Authority: JP
Inventors: 旭東張; 栄次芦田; 湘多羅沢; 勇介安間; 昌哉岡田
Original assignee: Hitachi Ltd
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Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-01-30
Also published as: JP2010172941A

Description

本発明は、レーザを用いて金属を溶接するレーザ溶接装置に関するものである。

レーザ溶接は、熱源のレーザビームのエネルギー密度が高いため、通常のアーク溶接に比べ、深い溶け込みが得られる。さらに、低歪み，高速度，高精度の溶接継手が得られることから、各方面で使用されている。レーザ溶接では、レーザビームの集光スポットサイズが小さいため、溶接部のギャップに対する裕度が低いという難点を有する。従って、突合せ溶接において溶接のギャップが避けられない場合、溶接ワイヤを供給しながらレーザ溶接が行われている。

しかしながら、レーザ溶接では厚板の鋼板の貫通溶接は容易ではない。世間一般で広く使用されている最大出力数kWから十数kWのレーザにおいても、厚さ２５mmを超える厚板の溶接を行うために、突合せ溶接の際に開先を設けて、レーザと溶接ワイヤとの併用により多層溶接が行われている。

特開平９−２０１６８７号公報（特許文献１）には、被溶接部をより狭い開先幅に設定し、溶接ワイヤを供給しつつレーザビームを溶接ワイヤに照射する積層溶接方法が開示されている。特開２００４−２０９５３６号公報（特許文献２）には、被溶接部に溶接ワイヤを送給しつつ、レーザビームを照射によって溶接部にプラズマプルームを発生させ、プラズマプルームの発生に伴う蒸発反力によって溶融物を溶接部の内側へ送り込む溶接方法が開示されている。特開２００２−１５５７号公報（特許文献３）には、開先部とルート面部を併せ持つ開先形状の突合せレーザ溶接において、開先底面部の幅を、レーザによりルート面部が毛管現象を発生しない寸法以上とするレーザ溶接方法が開示されている。特表２００５−５１５８９５号公報（特許文献４）には、ワイヤ添加する開先レーザ溶接方法において、溶接ワイヤを予熱することで、溶接ワイヤを熔融させるのに必要なエネルギーと溶接時間を低減し、溶接部形状をアスペクト約２以上とするレーザ溶接方法が開示されている。特開２００７−１９０５８６号公報（特許文献５）には、突合せ部に狭開先を設けると共に、開先の底部に曲率、およびルート面を設け、かつ、溶接金属の溶け込み幅に対する溶け込み深さの比を１以上１.４以下とするレーザ溶接方法が開示されている。

非特許文献１には、ＣＯ₂レーザを用いた開先レーザ溶接方法において、レーザ照射部の溶接進行方向の前方に、プラズマを除去するための内径１mmの補助ノズルを配置し、ガスを吹き付けると共に、レーザ照射部に溶接ワイヤを供給しながら溶接するレーザ溶接方法が開示されている。

特開平９−２０１６８７号公報特開２００４−２０９５３６号公報特開２００２−１５５７号公報特表２００５−５１５８９５号公報特開２００７−１９０５８６号公報

Yoshiaki Arata, Hiroshi Maruo, Isamu Miyamoto, Ryoji Nishio. High Power CO2 Laser Welding of Thick Plate. Transactions of JWRI, 15(2), 1986, 27-34

レーザ溶接は、エネルギー密度が高いため、レーザを照射した材料表面で金属蒸発が起こり、約０.０１μｍ〜０.１μｍの金属粒子を大量に含む金属蒸気が生じる。金属蒸気は、レーザ溶接の進行に伴い、空気中へ放出されると急速な冷却によって凝固し、微細な多数のミクロン程度の固体粒子が形成され、溶接ヒュームという金属の酸化物粉塵が形成される。特に、溶接ワイヤを添加するレーザ溶接では、ワイヤにレーザビームを直接に照射するため溶接ワイヤの金属蒸発が激しくなり、レーザ単独溶接に比べて溶接ヒュームの発生もさらに激しい。また、厚板の狭開先レーザ溶接の場合、開先幅が狭く開先深さが深いため、開先底部のシールドが困難である。その結果、蒸発した金属粒子はさらに酸化しやすくなって、溶接ヒュームの発生量は増大する。

深い開先、または狭い開先内では、溶接ヒュームの排出が困難であり、発生した溶接ヒュームは、溶融池に比べ温度の低い開先底部と開先両側壁に付着する。溶接ヒュームは主に金属の酸化物であるため、溶接ヒュームが溶接方向に対して溶融池前方の開先底部や両側壁面に付着した場合、溶融金属との接触・溶融金属中への混入により、溶接ヒュームが溶融池中に混入することにより、溶接金属部にポロシティの溶接欠陥が形成される。

また、溶接ヒュームは、溶融金属に混入され、溶融金属の流動性に大きな影響を及ぼす。特に、開先底部と側壁との隅での流動性に大きな支障を与える。その結果、溶接ビードの形成に影響し、融合不良の溶接欠陥が発生し易くなる。

さらに、狭開先を設けた厚板をワイヤ添加しながらレーザ溶接する場合、溶接ヒュームが溶接ワイヤの表面に付着する。この溶接ワイヤをそのまま溶融池内に送給すると、溶接金属内のポロシティの発生率はさらに増大する。

上記のような理由により、特許文献１ないし５に記載されたようなワイヤを送給するレーザ溶接では、厚板・狭開先溶接に適用すると欠陥が生じやすいという課題がある。

また、非特許文献１のように、ＣＯ₂レーザを用いて溶接する場合には、溶接に伴い発生したプラズマをＨｅ又はＡｒなど非活性ガスを補助ガスとして使用することにより抑制することができる。しかしながら、溶融地内に混入する溶接ヒュームを除去することが困難であり、融合不良や、ポロシティ発生などの欠陥が生じやすいという課題がある。

そこで本願発明は上記の事情に鑑みてなされたものであって、欠陥の発生を抑制するレーザ溶接装置を提案することにある。

上記課題を解決するための本願発明の特徴は、溶接ヒュームを除去することの可能なレーザ溶接装置にある。具体的には、本発明の溶接装置は、溶接ワイヤを供給するためのワイヤ送給ノズルと、レーザ光を照射するレーザ加工ヘッドと、レーザ光を制御するためのレーザ加工機と、溶融地の酸化防止雰囲気を維持するシールドガスを供給するシールドノズルとを有し、レーザ加工ヘッドの溶接進行方向前方にワイヤ送給ノズル，シールドノズルを配置し、シールドノズルの内径を溶接開先の幅より大きくするとともに、シールドノズルの出口のガス圧力を０.０１kPa〜０.４kPaに設定としている。

特に、シールドノズルの内径は、開先の底幅＋１.０mmの寸法以上とすることが好ましい。レーザ光の照射によって被溶接材の開先内に形成される溶融部を大気による酸化から保護するシールドガスの保護範囲は、溶融部の幅に比べ大きいため、溶融金属の酸化を防止することができる。

また、シールドノズルは、レーザ加工ヘッドの溶接進行方向の前方に配置される。このことによって、高エネルギー密度のレーザ光の照射により発生した溶接ヒュームは溶融池の前方にある被溶接材の表面に付着しない。その結果、ヒュームの溶融池への混入を防止することができ、融合不良や溶接欠陥を抑制できる。

上記の本発明の溶接装置によれば、溶接ヒュームの溶融金属への混入を防止することができる。その結果、溶接部の融合不良，ポロシティなどの溶接欠陥を抑制できる。

レーザ溶接装置の一実施形態を示す図。レーザ溶接装置の一実施形態を示す図。レーザ溶接装置の一実施形態を示す図。レーザ溶接装置の一実施形態を示す図。レーザ溶接装置のシールドガスノズルの例を示す図。レーザ溶接装置のシールドガスノズルの例を示す図。シールドガス流量と溶接ポロシティ及び溶接ビードの状態の関係図。溶接ビード断面の模式図。溶接ビード断面の模式図。溶接ビード断面の模式図。

以下、本発明の望ましい形態について、更に詳細を説明する。

上記の溶接装置は、溶接方向の前方から開先内に溶接ワイヤを供給しつつ、被溶接部にレーザ光が照射される。同時に溶接方向の前方から溶融部及びその近傍を大気による酸化から保護するシールドガスが供給される。そして、高エネルギー密度のレーザ光の照射により発生した金属蒸気の冷却凝固により形成された溶接ヒュームを、溶融池の前方にある被溶接材の表面に付着させないので、溶接の進行に伴う溶融池の中にヒュームの混入を防止することができる。

シールドガスの圧力は、０.０１kPa〜０.４kPaに設定することが好ましい。溶融金属の流れを乱さず、溶接ヒュームの溶融金属への混入を防止できるため、安定な溶接ビードが形成される。

レーザ光の波長は１１００nm以下であることが好ましい。波長を１１００nm以下とすることで、レーザ光を被溶接材に照射すると、金属の蒸発が生じるもののプラズマが発生しないため、効率よく安定にレーザ溶接できる。

また、レーザの波長が長くなると、溶接時にプラズマが発生し易い。プラズマが発生すると、被溶接材（金属）に対するレーザエネルギーの吸収率が低減し、溶融効率が低くなるため、溶接溶込みが足らなくなる問題が生じる。ＣＯ₂レーザは１０６４０nmの波長を有し、１１００nm以下の波長を有するＹＡＧレーザ，ファイバーレーザとディスクレーザにくらべ、プラズマが発生しやすい。ＣＯ₂レーザ溶接の場合、プラズマの除去・低減が不可欠である。また、他のレーザであっても、プラズマを除去することが溶接品質の向上に有効である。

シールドガスノズルの内径は、溶接時の溶融金属池の幅より太くすることが溶接のシールドのために好ましい。この溶融金属池の幅は溶接パス（溶接積層）毎に異なる。従って、少なくとも現状の溶接技術では、ノズル径を３mm以上とする必要がある。また、ワイヤ送給ノズル内径よりもシールドガスノズルの内径を大きくすること、特に３倍以上とすることが好ましい。本願の実施例では、開先底幅２〜３mm，開先開口部幅５〜６mmの条件では、内径８mm以上のノズルを用い、充分に良好なシールド効果が得られた。

レーザ光の照射スポット径は、開先幅とともに、レーザ出力（レーザパワー），レーザパワー密度（単位面積に当りレーザパワー），積層溶接金属の溶着量（積層高さに相当）などより適宜設定される。本願の実施例では、レーザ光の照射スポット径は０.３〜１.０mmに設定した。

また、上記のシールドガス供給ノズルに換えて（もしくは併用して）、溶接ヒュームを吸収するためのヒューム吸収ノズルをレーザ加工ヘッドの後方に配置する。溶接方向の前方から開先内にシールドガスが供給されると同時に溶接方向の後方にヒューム吸収ノズルが設置される。そして、溶融池の前方にある開先底部と側壁と、同時に溶融池の後方に凝固により形成した溶接ビード表面に、溶接ヒュームを付着させないことができる。なお、ヒューム吸収ノズルを使用する場合には、シールドガス供給ノズルの位置を変えることもできる。ヒューム吸収ノズルで溶融池の前方にある開先底部，側壁，溶融池の後方にある溶接ビード表面のいずれにも溶接ヒュームを付着させず、溶接ヒュームの溶融金属への混入を防止できる。また、多層溶接を行う場合には、前層の溶接ビード表面にヒュームが付着されてないため、次の層で溶接を実施する前に前層の溶接ビード表面に付着したヒュームの洗浄工程を省略，短縮することが可能である。

シールドガス供給ノズルは、レーザ加工ヘッドと一体とすることが可能である。一体とする場合には、レーザ光とシールドガスとを同軸方向で配置し、レーザ光の周囲にシールドガスを流したり、その逆にシールドガスの周囲よりレーザ光を照射することができる。同様に、ワイヤノズルとシールドガス供給ノズルを一体とすることができる。ワイヤとシールドガスは同軸方向で配置される必要はないが、同軸で供給する場合には、溶接ワイヤを中心に環状出口形状を有するシールドノズルから、シールドガスを噴出させる。また、シールドガスをレーザ光とワイヤとの間（ワイヤの上部）に供給してもよい。

このようなレーザ溶接装置は、下向き溶接姿勢，横向き溶接姿勢，上向き溶接姿勢，立向き溶接姿勢のいずれの溶接姿勢でも溶接を実行することが可能である。

シールドガス，ワイヤをレーザ溶接の前方から供給する場合には、シールドノズルは、被溶接材の開先底部との角度を４５°以上７５°以下とすることが好ましい。また、溶接ワイヤは、被溶接材の開先底部との角度を５°以上４５°以下とする。

以下、本発明の第１実施形態を図１に基づいて説明する。本実施例のレーザ溶接装置は、レーザ加工ヘッド３１，ワイヤ供給ノズル２１，シールドノズル４０を備える。

シールドノズル４０は、溶接方向１６に沿って、レーザ光３０の前方に設置され、溶接ヒュームを付着させないために必要とされるシールドガスを供給する。シールドガスにより、溶融池１３のみならず、溶融池１３の前方にある開先の底部１１及び両側の開先側壁１０の酸化防止雰囲気を維持する。同一或いは複数の異なるガスボンベから供給されたシールドガスは、ガス圧力及び流量を調整するガス調整器を経由して、シールドノズル４０により被溶接材１の開先内に送給される。レーザ光３０の照射により形成された溶融池１３及びその周辺は吹き出されるシールドガスにより雰囲気を形成し、大気の酸素の影響による酸化の発生から保護される。また、同時に、シールドノズル出口のガス圧力を０.０１kPa〜０.４kPaの範囲に設定することによって、溶接方向１６に沿って、溶融池１３の前方から溶融池１３の後方にシールドガスを流し、溶融池１３の前方にある開先底部１１及び両側の開先側壁１０に溶接中発生した溶接ヒューム１４を付着させない。

シールドガスは、アルゴン，ヘリウム，窒素，酸素及び二酸化炭素などより選択される少なくとも１種以上からなるガスを用いる。シールドガスは、溶接ヒュームを除去する働きがある。一般的には、溶接を酸化雰囲気としないよう、酸素と二酸化炭素を除外したガスを使用する。また、特にレーザ溶接の場合、溶接金属に溶解され易いガスを用いると、レーザ光の照射によりキーホールが形成されてシールドガスが採りこまれてもポロシティを生じにくい。例えばオーステナイト系ステンレス鋼をレーザ溶接する場合は窒素ガスを、炭素鋼では二酸化炭素を用いる。

また、炭素鋼を溶接する場合、少量の酸素或いは二酸化炭素を含むアルゴンやヘリウムガスを使用すると溶融池の流動性を改善できる。なお、このような場合には、溶接品質に悪影響を与えないよう溶融金属内の酸素量を数ppm以下（例えば２００ppm以下）に抑制する必要がある。

シールドガスは、シールドノズルにより被溶接材の開先内に送給される。シールドノズル４０の設置位置は、ワイヤ送給ノズル２１或いは溶接ワイヤ２０と、レーザ加工ヘッド３１の中間位置である。即ち、シールドノズル４０の中心軸と被溶接材の開先底部１１との間の角度４１は、ワイヤ送給ノズル２１或いは溶接ワイヤ２０と開先底部１１との間の角度より大きい。

特に、本実施例の被溶接材の開先底面とシールドガスノズルの間の角度αは、４５°以上７５°以下であることが好ましい。これは、レーザ照射により発生した溶接ヒュームを溶融池前方の開先内に付着させないと同時に、溶融池及びその周辺を大気中の酸素の影響による酸化の発生から保護するためである。角度を４５°以下とすると、溶融池前方の開先内の溶接ヒュームの除去に対し優れた効果を奏するものの、シールドガスの溶接方向の後方への流れにより、溶融池の前方から溶融池部に空気の巻き込みが発生し易くなる。

また、シールドガスノズルの内径（シールドガス送給口の内径）は、開先の底幅より大きく、具体的には少なくとも開先底幅＋１.０mm以上の寸法とする。例えば、被溶接材の開先の底幅を４mmとした場合、シールドノズルの出口の内径は５mm以上、特に８mm以上が望ましい。シールドノズルの内径を開先底幅と同等、もしくは開先底幅以下とすると、シールドガスによる酸化防止雰囲気の範囲は開先幅より狭く、開先の開口部の縁部から開先内に空気の巻き込みが生じ、溶融金属の酸化が発生しやすい。上記の内径範囲とすることで、溶融池及びその周辺を大気中の酸素の影響による酸化の発生から保護できる。また、ガスの送給により、レーザ光の照射により発生した溶接ヒュームを溶融池前方の開先内に付着させない効果を得られる。

また、本実施例の溶接装置では、シールドノズルから送給されるシールドガスの圧力は、０.０１kPa〜０.４kPaとした。図７にシールドノズル出口のガス圧力と、溶接安定性及びポロシティの発生状況の関係を示す。本実施例の溶接条件では、レーザ出力，溶接速度，ワイヤ送給速度，ワイヤ送給角度などの溶接条件を一定にした場合、ガス流速の増加に伴い、溶接金属内部に溶接ヒュームにより形成されるポロシティ数が減少する傾向がある。これに対し、ガス圧力が０.０１kPa以下になると、シールドガスにより溶接ヒュームの除去効果があまりなく、即ち、溶融池の前方の開先底部及び開先側壁に溶接ヒュームが付着し、ポロシティ数が増加すると共に溶融池の流動性が悪くなり、溶接ビード表面が不安定になる。

一方、ガス圧力は０.４kPa以上になると、溶接ヒュームの排除効果が良く、ポロシティ数は減少するものの、溶融池の表面を強く押し下げ、さらに溶融金属を吹き飛ばすことになるため、安定な溶接ビードの形成が困難となる。従って、安定なビード表面形状が得られるために、ガス流速は０.０１kPa以上０.４kPa以下の範囲内で設定することが望ましい。

ワイヤ供給ノズル２１は、図示していないワイヤ送給装置から送給された溶接ワイヤ２０を、溶接方向１６に沿って、開先を設けられた被溶接材１の開先内で加工ヘッド３１の前方に送給する。溶接ワイヤ２０は、図示していない送給速度を調整されるワイヤ送給装置から送給され、ワイヤ送給ノズル２１を経由して、被溶接材１の開先底部１１まで送給される。

本実施例の溶接ワイヤの送給角度Θは、被溶接材の開先底部に対し、５°以上４５°以下である。溶接ワイヤの送給角度を５°以下とすると、安定な積層溶接ビードが得られない。また、溶接ワイヤの送給角度を４５°以上とすると、ワイヤの送給により発生する微細な位置ずれにより、ワイヤ位置とレーザ光の相互作用に大きな変動が生じやすく、安定な溶接が得られない。

レーザ加工ヘッド３１は、図示していないファイバーにより伝送されるレーザ発振器から照射された波長１０６４０nmのＣＯ₂レーザ光、又は、波長１１００nm以下の固体レーザ光３０を集光し、被溶接材１に照射する。レーザ光３０は被溶接材１の開先底部１１に照射され、開先底部１１まで送給された溶接ワイヤ２０と、被溶接材１を溶融し、溶融池１３を形成させながら溶接が進行する。溶融池１３は、凝固し溶接金属１５となる。

次に、図１に示すレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法について説明する。

本実施例では、被溶接材料はオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌ，溶接ワイヤはオーステナイト系ステンレス溶接材料Ｙ３１６ＵＬＣ，レーザは波長１０６４nmのＮｄ：ＹＡＧレーザ装置を用いた。溶接は、下向き溶接を実施した。シールドガスには窒素ガスを用いた。

レーザ発振器（図示せず）からレーザ光を発生させ、転送経路を経由し、集光レンズにより集光し、開先部とルート面を有する開先を設ける被溶接材の開先内に照射する。開先部分を埋める溶接層を形成するために、溶接ワイヤ送給装置（図示せず）から、ワイヤ送給ノズルを経由して、被溶接材の開先内に溶接ワイヤを送給する。ガスボンベより、シールドノズルを経由しシールドガスを供給する。シールドノズルはワイヤ送給ノズルとレーザ加工ヘッドとの中間位置に設置されており、シールドガスは溶接方向に沿って溶融池の前方から開先内まで送給される。レーザ光照射，溶接ワイヤ送給の前に、シールドガスの送給を開始する。溶融金属の周囲に充分な酸化防止雰囲気が形成されるまでに一定の時間が必要であるためである。充分な酸化防止雰囲気が形成された後に、レーザ光照射，溶接ワイヤ送給を開始する。また、溶接スタート時よりレーザ光の照射により発生した溶接ヒュームを溶融池前方の被溶接材の開先内に付着させない効果がある。

図８に、本発明の実施例の溶接装置を用いて溶接した多層溶接の第１層目（以下、初層と称する）と２層目の溶接部の断面形状の模式図を示す。

本実施例の溶接方法は下記の通りである。厚さ２０mmの板材を用い、図８に示したような片側狭開先溶接を実施した。本実施例の溶接条件は、レーザ出力４〜８kW，溶接速度０.２ｍ／min〜０.５ｍ／minの条件で行った。また、レーザ光の焦点位置は、ルートフェイスの溶接では開先溝部の底面とし、開先溝部の積層溶接では前層の積層溶接ビード表面の上方から２mm〜１５mmとした。まず片側に狭開先の組み立てを行った後、開先底部１１の中心に集光されたレーザ光３０を照射し、図８に示すような細く長い形状の初層溶接金属６１を形成し、ルート面１２を溶融して被溶接材１の突合せ部を完全に接合させた。

本実施例では開先ルート面１２の溶融接合にワイヤを供給せず、レーザ光の照射のみで溶接を行った。なお、溶接金属の組織改善のため、溶接ワイヤを供給しながらルート面部の溶接を実施しても良い。また、本実施例は片側開先を設けた例であり、ルート面部を片側から溶接したが、両側開先を設けた被溶接材に両側面から溶接して完全溶融接合させてもかまわない。

ルート面部を溶接した後、狭開先内に溶接ワイヤを供給しながら、レーザ加工ヘッドから集光されたレーザ光を用い、溶接ワイヤを溶融させて開先を埋める積層溶接を行った。被溶接材を溶融して接合させ、図８に示したような２層目溶接金属部６２を形成した。

また、比較として従来の溶接方法（集光されたレーザビームの光軸と同軸のシールドノズルを用いる溶接装置）で溶接した溶接部の断面形状の模式図を示す。従来例として用いた装置のシールドノズル径は、本実施例のシールドノズルと同じ内径とした。比較例でも、初層にはワイヤを使用せずレーザ溶接を行った。

実施例、比較例とも、同じ条件で行った初層の溶接のビード形状は同じ形状を示した。本実施例で得られた２層目の溶接ビードは、ビード下部幅に比べ、ビード上部の幅が広くなった。また、積層高さの増大に伴い、ビード幅の増大傾向があった。さらに、横方向に開先両側の被溶接材への溶け込み深さが大きい。

従来法の溶接では、溶接材の開先側壁にあたる位置の付近で溶接金属内に多数のポロシティが認められた。これに対し、本発明の溶接では、溶接金属内にポロシティが発生しなかった。

また、比較例の従来の溶接結果では、上下部のビード幅がほぼ一致し、開先幅に比べやや広い。また、横方向の開先両側面の被溶接材への溶け込み深さが非常に浅い。これは、従来の同軸シールド方式では、溶融池の周囲を酸化防止雰囲気にできるものの、溶融池前方の開先底面と両側の金属表面に溶接ヒュームの付着を防止することができないためである。その結果、溶接の進行に伴い、溶融池前方の溶接ヒュームが溶融池内へ混入し、開先側壁付近の溶融金属の流動性および溶融金属から側壁への熱輸送効果に大きな支障を与え、溶接ビードの横方向幅が狭くなった。

一方、本実施例では、シールドガスが溶接方向の前方から供給され、ガス圧力の最適化により溶融池の周囲に酸化防止雰囲気を形成させることができると同時に、溶融池の溶接方向前方の開先底面と、溶融池の両側の被溶接材表面に溶接ヒュームの付着を防止することができる。その結果、溶融金属は開先内で良好な流動性および溶融金属から側壁への熱輸送効果が得られ、良好な溶接ビード形状が得られた。

また、上述の図８に示した溶接条件（初層溶接金属６１，２層目溶接金属６２の溶接条件）を用い、厚板３０mmのＳＵＳ３１６Ｌ材の突合せ溶接を実施した。ルート面部の溶接は、ワイヤを添加せずにレーザ光の照射のみとし、初層溶接金属６１を得た。開先部では、溶接ワイヤ及び部材の溶融により形成された積層溶接を繰り返し、図９のような溶接部を形成した。片面３パスの溶接ビードで厚板３０mmのＳＵＳ３１６Ｌ材の突合せ溶接することができ、ポロシティと融合不良など溶接欠陥のない溶接継手が得られた。

さらに、本発明の実施例の溶接装置を用いて、板厚５０mmの被溶接材１Ａ，１Ｂを突合せた継手の両面溶接を行った。図１０に得られた溶接結果を示す。被溶接材料はオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌ，溶接ワイヤはオーステナイト系ステンレス溶接材料Ｙ３１６Ｌ，レーザは波長１０７０nmのファイバーレーザ装置を用いた。溶接は、表と裏１パスずつ繰替えで下向き溶接を実施した。初層の１〜２パスでは、ワイヤを添加せずレーザ単独貫通溶接を行った。２パス〜１０パスまでは、ワイヤを添加する積層レーザ溶接を実施した。上記の例と同様の溶接条件を用いて溶接を実施した結果、片面各５パスの１０パスの溶接ビードで厚板５０mmのＳＵＳ３１６Ｌ材の突合せ溶接することができ、ポロシティや融合不良などの溶接欠陥のない溶接継手が得られた。

次に、本発明の第二の実施形態を図２を用いて説明する。本実施形態は、第一の実施形態にヒューム吸収ノズルを設けた例である。

本実施例の溶接装置は、開先を設けた被溶接材を溶接するためのレーザ溶接装置であって、開先内に溶接ワイヤを供給するワイヤ送給ノズルと、レーザ光を集光させる加工ヘッドと、レーザ光の照射位置を移動させるための加工機と、溶融池の酸化防止雰囲気を維持するシールドガスを供給するシールドノズルを有する。加工機は、レーザ光の照射方向などを移動させるか、被溶接対象の位置の少なくともいずれかを移動させてレーザ光と被溶接物の相対位置を修正するものであり、レーザ加工ヘッドなどに取り付けられる。

ワイヤ送給ノズルは溶接進行方向に沿ってレーザ加工ヘッドの前方に配置され、溶接ヒュームを吸収するためのヒューム吸収ノズルは、レーザ加工ヘッドの後方に配置されている。溶融池１３の前方にシールドノズル４０を設置し、シールドガスにより溶接ヒューム１４を溶融池１３の後方に流れさせ、溶融池１３の後方に設置されたヒューム吸収ノズル５で溶接ヒューム１４を吸収して、溶融池１３の前方の開先内の底部１１や両側の開先側壁１０の付着を防止する。

溶融池の後方のヒューム吸収ノズルの設置によって、溶融池の後方で凝固して形成した溶接ビード表面に、溶接ヒュームを付着させないことができる。その結果、多層溶接の場合、前層の溶接ビード表面にヒュームが付着されてないため、次の層で溶接を実施する前のヒューム洗浄工程時間を短縮又は省略することができる。

また、本実施例では、前方よりシールドガスを供給しているため、溶融池の前方にある開先底部と側壁への溶接ヒュームの付着を防止することができる。

以下、図３の実施形態を説明する。

本実施例の溶接装置は、開先を設けた被溶接材を溶接するためのレーザ溶接装置であって、開先内に溶接ワイヤを供給するワイヤ送給ノズルと、レーザ光を集光させる加工ヘッドと、レーザ光の照射位置を移動させるための加工機と、溶融池の酸化防止雰囲気を維持するシールドガスを供給するシールドノズルにおいて、上記シールドノズルはレーザ加工ヘッドと一体になり、レーザ光軸と同軸方向からシールドガスが供給され、ワイヤ送給ノズルは溶接進行方向に沿って、レーザ加工ヘッドの前方に配置され、溶接ヒュームを吸収するためのヒューム吸収ノズルは、レーザ加工ヘッドの後方に配置されている。

本実施例の溶接装置を用いて、板厚３０mmの第１の部材である被溶接材１Ａと第２の部材である被溶接材１Ｂを突合せた継手の両面溶接を行った。被溶接材料はオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６Ｌ，溶接ワイヤはオーステナイト系ステンレス溶接材料Ｙ３１６Ｌ，レーザは波長１０６４０nmのＣＯ₂レーザ装置を用いた。溶接は、表と裏１パスずつ繰替えで下向き溶接を実施した。シールドガスをＮ₂とした。溶接を実施した結果、片面５パスの溶接ビードで厚板５０mmのＳＵＳ３１６Ｌ材の突合せ溶接することができ、ポロシティや融合不良などの溶接欠陥のない溶接継手が得られた。

本実施例では、ワイヤ送給ノズル２１とシールドノズル４０とを一体に構成する例について説明する。実施例１，２ではワイヤ送給ノズル２１及びワイヤ送給ノズル２１から送給された溶接ワイヤ２０と、レーザ加工ヘッド３１との中間位置で、シールドガスノズル４０が設置されている。図４に、本実施例のワイヤ送給ノズル２１と、溶接ワイヤ２０と、ワイヤ送給ノズル２１と同軸構成されたシールドノズル４０と、レーザ加工ヘッド３１と、レーザ加工ヘッドから照射されたレーザ光３０と、開先を設ける被溶接材１を備えるレーザ溶接装置を示す。

シールドノズルがワイヤ送給ノズルと一体になることによって、レーザ溶接装置の構造が小型化しやすい。従って、複雑構造物や狭小空間の溶接への適用が容易となる。

また、ワイヤ供給ノズルとシールドガスノズルを同じ中心を有する同軸とする必要はない。図５に、溶接ワイヤ２０を送給経由するワイヤ送給ノズル２１中心と、シールドノズル４０の中心とが同軸ではない例を示す。シールドノズル４０から噴出するシールドガスは主に溶接ワイヤ２０の上方、又は、レーザ光３０と溶接ワイヤ２０との中間位置から流れさせる。また、別の例を図６に示す。シールドノズル４０とワイヤ送給ノズル２１とを一体構造としシールドガスの出口４２を、溶接ワイヤ２０の上部（レーザ光３０と溶接ワイヤ２０との中間位置）とする。

シールドノズルがワイヤ送給ノズルと一体になるとともに、溶接ワイヤとシールドガスの位置関係が固定されることによって、ワイヤ送給角度とシールドガス流れの角度を一括で調整することができる。その結果、レーザ溶接装置の操作便利性が向上させ、被溶接対象の変化に応じて溶接効率の向上が図られる。

本実施例のレーザ溶接方法，溶接装置は、中厚板及び厚板の金属溶接に有効である。

１被溶接材
５ヒューム吸収ノズル
１０開先側壁
１１開先底部
１２ルート面
１３溶融池
１４溶接ヒューム
１５溶接金属
１６溶接方向
２０溶接ワイヤ
２１ワイヤ送給ノズル
２２ワイヤと開先底部との角度
３０レーザ光
３１レーザ加工ヘッド
４０シールドノズル
４１シールドノズルと開先底部の角度
４２シールドノズルの出口
６１初層溶接金属（１〜２パス）
６２２層目溶接金属（３〜４パス）
６３３層目溶接金属（５〜６パス）
６４４層目溶接金属（７〜１０パス）
６５ポロシティ

Claims

溶接部に溶接ワイヤを供給するワイヤ送給ノズルと、溶接部にレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドと、溶融池の酸化防止雰囲気を維持するシールドガスを供給するシールドノズルと、レーザ光の照射位置を移動させるための加工機と、を有し、開先を設けた被溶接材を溶接するためのレーザ溶接装置であって、
前記ワイヤ送給ノズルは、溶接進行方向に沿って前記シールドノズルの前方に配置され、前記溶接ワイヤは、被溶接材の開先底部との間の角度が５°以上４５°以下となるように前記開先内の前記溶接部に供給され、
前記シールドノズルは、溶接進行方向に沿って前記レーザ加工ヘッドの前方かつ被溶接材の開先底部との間の角度が４５°以上７５°以下となるように配置され、前記シールドノズルの内径は、前記開先の底幅より大きく、前記シールドノズルより前記溶接部に供給されるシールドガスの圧力が０.０１kPa〜０.４kPaであることを特徴とするレーザ溶接装置。
請求項１に記載のレーザ溶接装置において、前記レーザ溶接装置は溶接ヒュームを吸収するためのヒューム吸収ノズルを有し、前記ヒューム吸収ノズルは、溶接進行方向に沿って前記レーザ加工ヘッドの後方に配置されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
請求項１に記載のレーザ溶接装置において、前記レーザ加工ヘッドより照射されるレーザ光の波長が１１００nm以下であることを特徴とするレーザ溶接装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載されたレーザ溶接装置であって、前記シールドノズルの内径は２mm以上でありかつ前記開先の底幅より１mm以上大きいことを特徴とするレーザ溶接装置。