JP2005081403A - レーザ溶接装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
レーザ照射と溶接ワイヤを溶接部に供給する際のタイミングを溶接欠陥の発生する可能性が抑制できるように制御する。
【解決手段】
レーザ光１２を被溶接物１０の溶接部に照射するための照射ヘッド２と溶接部に溶接ワイヤ１１を供給する溶接ワイヤ供給装置４を備えたレーザ溶接装置において、溶接ワイヤ１１に予め電圧を印加電源１３から印加した後に、溶接ワイヤ１１を被溶接物１０に接触するまで送給し、その接触で配線１４に流れた電流をリレー１５で検知し、その後にレーザ発振器１からのレーザ光１２を照射ヘッド２から溶接部へ照射を開始し、溶接開始時に確実に溶接ワイヤ１１が溶接部に供給されているタイミングを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接装置とレーザ溶接方法に関し、レーザ溶接におけるレーザ照射の開始を制御する技術に係る。

オーステナイト系ステンレス鋼などの高温割れを起こしやすい被溶接物を対象とした溶接においては、この高温割れを防止するためにδフェライトを適正な量にするために溶加材を添加して溶接を行うのが一般的であるが、レーザ溶接において、前記レーザ照射開始をトリガーとして溶加材である溶接ワイヤを溶接部に供給する場合、溶接開始点（レーザ照射開始点）と溶接ワイヤの先端の距離、および溶接ワイヤの供給速度を調整して溶接開始とともに溶接部に溶接ワイヤが適切に添加されるように制御することが良好な溶接部を得る必要から要求される。

良好な溶接部を効率よく得るために、レーザ照射と消耗電極ガスシールドアーク溶接とを組み合わせた複合溶接方法においては、消耗電極ガスシールドアーク溶接に用いられる溶接電源の電源投入をトリガーにしてレーザ照射のタイミングを合わせる技術的事項が公知である。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００３−２５０８１号公報

レーザ照射と消耗電極ガスシールドアーク溶接とを組み合わせた複合溶接方法では、一方の消耗電極ガスシールドアーク溶接手段側に溶接電源が備わっているので、その溶接電源の投入との関係でレーザ照射のタイミングが取りやすいが、そのような複合溶接方法でなかった場合には、溶接電源自体が無いのでレーザ照射のタイミングが図れない。

また、先の複合溶接方法も、溶接ワイヤの溶接部への到達をレーザ照射のタイミングとするものではなかった。

そのため、溶接電源を用いずに、且つ、溶加材である溶接ワイヤが溶接部に供給される形式を採って、供給されてきた溶接ワイヤをレーザの熱で溶融させるレーザ溶接方法を採用するものにあっては、溶接ワイヤの溶接部への到達とレーザ照射のタイミングとをあわせることが困難であった。

したがって、複合溶接方法を採らないレーザ溶接においては、例えば、溶接ワイヤの供給が早すぎるとレーザ照射開始前に溶接部に過剰に溶接ワイヤが供給され、溶融不足、すなわち溶融しない溶接ワイヤが溶接ビード上に残ってしまう結果となる。あるいは、オーステナイトステンレス鋼等の溶接において、溶接ワイヤの供給が遅れた場合、溶接開始点に十分な溶加材が供給されず高温割れが発生する可能性が高くなる。このことは、溶接部の品質を悪化する。

本発明の目的は、複合溶接方法を採らずにレーザの熱で溶接ワイヤを溶融させるレーザ溶接を施工するものにおいて、溶接部の品質悪化を抑制することにある。

本発明の目的を達成する手段として、被溶接物に設定された溶接部へ照射ヘッドからレーザを照射する手段と、前記溶接部へ溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給装置とを備えたレーザ溶接装置において、前記溶接ワイヤに電圧を印加する手段と、前記溶接ワイヤが前記被溶接物に接触した際に通電された電流を検知する手段と、前記検知に基づいて前記レーザを照射する手段からレーザ照射を開始するように制御する制御手段とを備えたレーザ溶接装置、及び被溶接物に設定された溶接部へレーザを照射すると共に前記溶接部へ溶接ワイヤを供給して前記溶接部を溶接するレーザ溶接方法において、前記溶接ワイヤに予め電圧を印加した状態で前記溶接ワイヤを前記溶接部方向へ供給し、前記溶接ワイヤが前記被溶接物に接触することで通電された電流を検知し、前記検知に基づいて前記レーザの照射を開始するレーザ溶接方法を提供できる。

本発明によれば、複合溶接方法を採らずにレーザ溶接におけるレーザ照射のタイミングを制御できるので、レーザ溶接部の品質悪化を抑制できる効果がある。

本発明の実施例では、本発明の目的を達成するために、溶接ワイヤ１１に予め電圧を印加した後、溶接ワイヤ１１を溶接ワイヤ供給装置４にて送給し、溶接ワイヤ１１が被溶接物１０に接触すると通電され、この電流を制御装置５にて検知し、これをトリガーとしてレーザ発振器１を作動し、レーザ照射を開始することにより、レーザ照射開始時に確実に溶接ワイヤ１１が供給されるようにするとともに、溶接ワイヤ１１先端の送給前の位置決め及び溶接ワイヤ供給装置４の供給速度の設定を容易にすることができることを特徴とするレーザ溶接方法が提案されている。

また、レーザ照射開始前後での溶接ワイヤ１１の溶接ワイヤ供給装置４による供給速度を変更することにより、レーザ照射開始のトリガーを得るために溶接ワイヤ１１を使用する場合と本溶接での溶融プール内への溶接ワイヤ１１を添加する場合を各々に適した条件にすることにより、安定したレーザ溶接を可能とすることを提案している。

また、溶接ワイヤ１１に予め電圧を印加した後、溶接ワイヤ１１を溶接ワイヤ供給装置４にて送給し、溶接ワイヤ１１が被溶接物１０に接触すると通電され、この電流を制御装置５にて検知し、これをトリガーとして照射ヘッド２を照射ヘッド移動装置８にて移動させ溶接することにより、レーザ照射開始時に確実に溶接ワイヤ１１が供給された状態でレーザ照射開始し、以降溶接開先に沿って溶接することにより、安定した溶接開始時の溶接ビードの形成を可能としている。

また、溶接ワイヤ１１に予め電圧を印加した後、溶接ワイヤ１１を溶接ワイヤ供給装置４にて送給し、溶接ワイヤ１１が被溶接物１０に接触すると通電され、この電流を制御装置５にて検知し、これをトリガーとして被溶接物１０を被溶接部移動装置９にて移動させて溶接することにより、レーザ照射開始時に確実に溶接ワイヤ１１が供給された状態でレーザ照射開始し、以降溶接開先に沿って溶接することにより、安定した溶接開始時の溶接ビードの形成を可能としている。

また、例えば、レーザ照射スポット径が溶接ワイヤ１１と同等またはそれより小さい場合に、溶接ワイヤ１１に予め電圧を印加した後、溶接ワイヤ１１を溶接進行方向側から溶接ワイヤ供給装置４にて送給し、溶接ワイヤ１１が被溶接物１０に接触すると通電され、この電流を制御装置５にて検知し、レーザ照射開始することにより、溶接ワイヤ１１をレーザ光１２の進行方向前方側にて溶融し、溶接することにより、溶融部後方の凝固していく溶融プールへの影響を小さくし、安定した溶接開始時の溶接ビードの形成を可能とするようにしても良い。

また、例えば、レーザ照射スポット径が溶接ワイヤ１１と同等またはそれより大きい場合に、溶接ワイヤ１１に予め電圧を印加した後、溶接ワイヤ１１を溶接進行方反対側から溶接ワイヤ供給装置４にて送給し、溶接ワイヤ１１が被溶接物１０に接触すると通電され、この電流を制御装置５にて検知し、レーザ照射開始することにより、溶接ワイヤ１１がレーザ光１２で直接照射され、母材である被溶接部１１０への照射が阻害され被溶接物
１０の溶融が妨げられるのを防止するため、溶接ワイヤ１１をレーザ光１２にて被溶接物１０が溶融し形成した溶融プール内に供給することにより、溶融不足を抑制し、安定した溶接開始時の溶接ビードの形成を可能とするようにしても良い。

以下、本発明の第１実施例を図１および図２に基づいて説明する。図１は、レーザ発振器１としてＹＡＧレーザを使用した本発明の実施例によるレーザ溶接装置の全体構成図である。本実施例のレーザ溶接装置は、レーザ光１２を発生させるレーザ発振器１，レーザ発振器１から発振されたレーザ光１２を被溶接物１０に照射するためにレーザ光１２の調整，収束を行う照射ヘッド２，レーザ発振器１から照射ヘッド２までレーザ光１２を搬送するためのレーザ搬送装置３（本実施例では光ファイバーを使用した。），溶接ワイヤ
１１を溶接部側へ送給するための溶接ワイヤ供給装置４，溶接ワイヤ１１を溶接部の決められた位置に供給するために溶接ワイヤ１１が通されたコンジットチップ６，溶接ワイヤ供給装置４からコンジットチップ６までの溶接ワイヤ１１を保護するために溶接ワイヤ
１１が通されたコンジットケーブル７，溶接時にレーザ光を被溶接物１０の溶接部である溶接開先にそって照射させるために照射ヘッド２側を移動させるための照射ヘッド移動装置８，被溶接物１０側を移動させるための被溶接部移動装置９，コンジットチップ６を介して溶接ワイヤ１１に電圧を印加するための印加電源１３，溶接ワイヤ１１が被溶接物
１０に接触した際に印加電源１３→コンジットチップ６→溶接ワイヤ１１→被溶接物１０→制御装置５と電流が流れるように回路を形成するための配線１４、および前記電流を検知する手段として採用され、前記電流が流れることにより作動するリレー１５の回路とより構成されている。

このリレー回路は、パーソナルコンピュータ（以下、パソコンという。）とともにレーザ溶接装置の制御装置５に内蔵されている。その制御装置５は、リレー１５の回路の作動によって前記電流を検知したことを溶接ワイヤ接触信号としてパソコンに入力して認識し、レーザ溶接装置の制御に利用している。

次に、その制御装置５で制御されたレーザ溶接装置を用いて溶接を行う際のそのレーザ溶接装置の動作手順について図２に示すタイミングチャートを参照して説明する。

まず、溶接ワイヤ１１が被溶接物１０に接触していない状態で印加電源１３でコンジットチップ６を介して溶接ワイヤ１１に電圧がかかった状態とする。次に、制御装置５から溶接ワイヤ供給装置４に正転（溶接ワイヤ１１を溶接部に供給する回転方向）指令を出し、溶接ワイヤ１１を被溶接物１０の溶接部に向けて溶接ワイヤ１１を送る。

被溶接物１０の溶接部に向けて送り出された溶接ワイヤ１１が被溶接物１０に接触すると、印加電源１３により溶接ワイヤ１１に電圧が印加されているので、印加電源１３→コンジットチップ６→溶接ワイヤ１１→被溶接物１０→配線１４→リレー１５へと電流が流れる。この電流、すなわち溶接ワイヤ接触信号を制御装置５内のパソコンに入力信号として入力し、パソコン内のクロックを利用して、時間Ｔ１後にパソコンより出力信号としてのレーザ照射の信号がレーザ発振器に送られ、レーザ照射が開始される。また、制御装置５内のパソコンから出力された前記レーザ照射の信号である出力信号をパソコンへの入力信号とし、制御装置５内のパソコン内のクロックを利用して、レーザ照射開始後すなわちレーザ照射の信号を受信して時間Ｔ２後、照射ヘッド２または被溶接部移動装置９を作動し、被溶接物１０の溶接開先線に沿って溶接ワイヤ１１を供給しながら溶接を行う。

前記Ｔ１，Ｔ２の時間は、被溶接物１０の材質，形状等による溶接条件によって、各溶接に応じて設定する。また、溶接ワイヤ供給速度については、図２に示すように、溶接ワイヤ接触信号検知後、その溶接条件により制御装置５内のパソコンに予め組み込まれたプログラムにより、溶接ワイヤ１１の供給速度をケース１，ケース２，ケース３のように変更される。尚、以下に述べる時間Ｔ３からＴ５のタイミング及び入出力信号の授受も制御装置５内のパソコンにて制御した。

溶接終了時には、照射ヘッド移動装置８または被溶接部移動装置９作動後、時間Ｔ５経過後を照射ヘッド移動装置８または被溶接部移動装置９を停止し、停止後時間Ｔ３経過後、溶接ワイヤ供給装置４の正転指令を停止し、溶接ワイヤ１１の供給を停止するとともに溶接ワイヤ供給装置４に逆転（正転とは逆の回転方向）指令を出し、溶接部から溶接ワイヤ１１を引抜く。

溶接ワイヤ１１は、溶接部から引抜かれた後、コンジットチップ６の被溶接物１０側の先端部から少し突き出した状態で停止する。溶接ワイヤ１１の供給停止後時間Ｔ４後にレーザ照射を停止し、溶接を終了する。前記Ｔ３，Ｔ４の時間は、被溶接物１０の材質，形状等による溶接条件によって、また、Ｔ５の時間は、溶接速度および溶接長により、各溶接に応じて設定する。

また、溶接ワイヤ供給速度は、上述したレーザ照射信号と同様に溶接ワイヤ１１が被溶接物１０に接触すると印加電源１３により溶接ワイヤ１１に電圧が印加されているので印加電源１３→コンジットチップ６→溶接ワイヤ１１→被溶接物１０→配線１４→リレー
１５へと電流が流れ、この電流、すなわち溶接ワイヤ接触信号を制御装置５内のパソコンに入力信号として入力し、パソコン内のクロックを利用して、時間Ｔ１後にパソコンより出力信号としての溶接ワイヤ供給装置４の回転速度設定信号をワイヤ供給装置に送信し、図２に示すワイヤ供給速度が溶接ワイヤ１１が被溶接物１０に接触する前と同じケース１，ワイヤ供給速度が溶接ワイヤ１１が被溶接物１０に接触する前より速くなるケース２，ワイヤ供給速度が溶接ワイヤ１１が被溶接物１０に接触する前より速くなるケース３となる。これらは、照射されるレーザの出力，溶接速度，開先形状，必要とされる溶接部溶け込み深さ等によりいずれかのケースに設定されて実行される。

上記ＹＡＧレーザを使用したレーザ溶接装置を用いて溶接した実施例１を図３（ａ）
（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す。被溶接物Ａ２１は、材質がＳＵＳ３１６Ｌ，板厚約７mm，被溶接物Ｂ２２は、材質がＳＵＳ３１６Ｌ、板厚約１mmの薄板である。図３（ａ）に示す溶接前組立状態のように被溶接物Ａ２１と被溶接物Ｂ２２との突合せ部には溶接開先としてＩ形溶接開先を設けておく。その突合せ部を前記図１に示すレーザ溶接装置にて、溶接ワイヤ１１としてＳＵＳ３１６ＵＬＣを供給して、溶接を実施した。

被溶接物Ａ２１と被溶接物Ｂ２２は溶接中は固定された状態とし、図１の照射ヘッド移動装置８を作動させることにより照射ヘッド２とコンジットチップ６とを被溶接物Ａ２１と被溶接物Ｂ２２に対して相対的に移動させて溶接した。また、溶接ワイヤ供給速度は図２のケース２に示すようなワイヤ供給速度が溶接ワイヤ１１が被溶接物１０に接触する前より速くなるような設定とした。

溶接後、図３（ｂ）に示す溶接部２３に対して液体浸透探傷試験を行ったが、高温割れ等の溶接欠陥は、従来方法で実施した場合、試験個所１００ヶ中４ヶ認められたが、本実施例では試験個所６００ヶ中に欠陥は認められなかった。尚、本実施例１で溶接部の酸化防止としてのシールドガスは、窒素ガスを使用し、溶接姿勢は下向きとした。

次に上記ＹＡＧレーザを使用したレーザ溶接装置を用いて溶接した実施例２を図４，図５に示す。図４（ａ）に示すように、被溶接物Ｃ３１は、材質がＳＵＳ３１６Ｌの円柱形状体、被溶接物Ｄ３２は、材質がＳＵＳ３１６Ｌ、板厚約１mmの薄板円筒形状体である。図４（ｂ）に示す溶接前組立状態のように、被溶接物Ｃ３１の右側は、被溶接物Ｄ３２の内側にはめ込まれ、被溶接物Ｃ３１と被溶接物Ｄ３２とが突き合わされている部位には溶接開先が溶接部３４に施されている。その溶接開先は、Ｉ形溶接開先としてある。

図４（ｂ）のように、被溶接物Ｃ３１と被溶接物Ｄ３２とが嵌め込み合わせられたまま、被溶接物Ｃ３１がポジショナ３３のチャックにてポジショナ３３に取り付けられる。ポジショナ３３はチャックした被溶接物Ｃ３１を被溶接物Ｄ３２の円筒中心軸線廻りに回転させることができる。

ポジショナ３３に取り付けられた被溶接物Ｃ３１と被溶接物Ｄ３２とは、被溶接物Ｃ31と被溶接物Ｄ３２との突合せ部が溶接開先に沿って図１に示すレーザ溶接装置にて溶接される。その溶接に際して、使用される溶接ワイヤ１１は、材質がＳＵＳ３１６ＵＬＣであり、その材質の溶接ワイヤ１１を溶接開先へ供給して、溶接を実施した。

その溶接に際しては、被溶接物Ｃ３１と被溶接物Ｄ３２をポジショナ３３で回転させることにより溶接した。ポジショナ３３は、制御装置５内のパソコンから出力された前記レーザ照射の信号である出力信号をパソコンへの入力信号とし、制御装置５内のパソコン内のクロックを利用して、レーザ照射開始後すなわちレーザ照射の信号を受信して時間Ｔ２後、ポジショナ３３の回転を開始させ、被溶接物Ｃ３１、及び被溶接物Ｄ３２の溶接部
３４（溶接前は溶接開先を示す）に沿って溶接ワイヤ１１を供給しながら溶接を行う。その溶接で、図４（ｃ）で示す溶接部３４（溶接後は溶接ビードをいう。）を形成した。

溶接ワイヤ１１の供給は、ポジショナ３３の回転方向を変えることにより、図５のように溶接進行方向前方から供給する場合である回転方向Ａ３５と溶接進行方向後方から供給する場合である回転方向Ｂ３６の２通りの場合を実施した。また、溶接ワイヤ１１の直径は、レーザビーム（レーザ光１２）の溶接部３４におけるスポット径と同等のものを使用した。

溶接後、溶接部３４に対して液体浸透探傷試験を行ったが、溶接ワイヤ１１を溶接進行方向前方から供給する場合である回転方向Ａ３５と溶接進行方向後方から供給する場合である回転方向Ｂ３６のいずれの場合も、高温割れ等の溶接欠陥は、観察されなかった。尚、本実施例２で溶接部３４の酸化防止としてのシールドガスは、アルゴンガスを使用し、溶接姿勢は下向きとした。

本実施例では、被溶接物側を回転させることにより溶接を実施したが、照射ヘッド２及びコンジットチップ６と被溶接物の相対的な移動を考慮すれば、逆に被溶接物（本実施例では被溶接物Ｃ３１及び被溶接物Ｄ３２）を固定した状態とし、照射ヘッド２及びコンジットチップ６を被溶接体の開先に沿って回転させることによって溶接を施工しても良い。

本発明のいずれの実施例でも、溶接ワイヤ１１に予め電圧を印加した後、溶接ワイヤ
１１を溶接ワイヤ供給装置にて溶接部へ送給し、溶接ワイヤ１１が被溶接物に接触すると通電され、この電流を制御装置５にて検知し、これをトリガーとしてレーザ発振器１を作動し、レーザ照射を開始することにより、レーザ照射開始時に確実に溶接ワイヤ１１が溶接部に供給されている状況を作れるで溶接ワイヤ１１の溶融不足、あるいは溶接ワイヤ添加不足による高温割れを防止する効果がある。

本発明に係わるレーザ溶接装置の構成図である。 本発明に係わるレーザ溶接装置による溶接作業における動作のタイミングチャート図である。 本発明のレーザ溶接装置による溶接の施工にかかわる実施例１を示しており、（ａ）図は溶接前の被溶接物の突合せ組立て状態を示す平面図、（ｂ）図は溶接後の被溶接物の状態を示す平面図、（ｃ）図は（ａ）図のＡ−Ａ断面図、（ｄ）図は （ｂ）図のＢ−Ｂ断面図である。 本発明のレーザ溶接装置による溶接の施工にかかわる実施例２を示しており、（ａ）図は溶接前の被溶接物の突合せ組立て前の状態を示す立面図、（ｂ）図は溶接前の被溶接物の突合せ組立て後の組み物をポジショナに取り付けた状態を図５のポジショナの左側面から見て示した立面図、（ｃ）図は溶接後の被溶接物の状態を示す立面図である。 本発明のレーザ溶接装置による溶接の施工にかかわる実施例２で使用したレーザ溶接装置の全体図である。

符号の説明

１…レーザ発振器、２…照射ヘッド、３…レーザ搬送装置、４…溶接ワイヤ供給装置、５…制御装置、６…コンジットチップ、７…コンジットケーブル、８…照射ヘッド移動装置、９…被溶接部移動装置、１０…被溶接物、１１…溶接ワイヤ、１２…レーザ光、１３…印加電源、１４…配線、１５…リレー、２１…被溶接物Ａ、２２…被溶接物Ｂ、２３，３４…溶接部、３１…被溶接物Ｃ、３２…被溶接物Ｄ、３３…ポジショナ、３５…回転方向Ａ、３６…回転方向Ｂ。

Claims (6)

1. 被溶接物に設定された溶接部へ照射ヘッドからレーザを照射する手段と、前記溶接部へ溶接ワイヤを供給する溶接ワイヤ供給装置とを備えたレーザ溶接装置において、
   前記溶接ワイヤに電圧を印加する手段と、
   前記溶接ワイヤが前記被溶接物に接触した際に通電された電流を検知する手段と、
   前記検知に基づいて前記レーザを照射する手段からレーザ照射を開始するように制御する制御手段と、
   を備えたレーザ溶接装置。
2. 請求項１において、前記検知に基づいて前記溶接ワイヤの供給速度を変更するように溶接ワイヤ供給装置を制御する制御手段を備えたレーザ溶接装置。
3. 請求項１において、前記照射ヘッド又は前記被溶接物を移動させる手段を備え、前記検知に基づいて前記照射ヘッドと前記被溶接物とを前記溶接部に沿って相対的に移動させるように前記移動させる手段を制御する制御手段を備えたレーザ溶接装置。
4. 被溶接物に設定された溶接部へレーザを照射すると共に前記溶接部へ溶接ワイヤを供給して前記溶接部を溶接するレーザ溶接方法において、
   前記溶接ワイヤに予め電圧を印加した状態で前記溶接ワイヤを前記溶接部方向へ供給し、
   前記溶接ワイヤが前記被溶接物に接触することで通電された電流を検知し、
   前記検知に基づいて前記レーザの照射を開始するレーザ溶接方法。
5. 請求項４において、前記検知に基づいて前記溶接ワイヤの供給速度を変更するレーザ溶接方法。
6. 請求項４において、前記検知に基づいて前記照射ヘッドと前記被溶接物とを前記溶接部に沿って相対的に移動させるレーザ溶接方法。
   

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