JP2015030014A - レーザビーム溶接機 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビーム溶接機において、一の金属板および他の金属板が同じ板厚の場合は一の金属板と他の金属板の突き合わせ部において一の金属板および他の金属板の上面および下面共、同一平面を形成し、異なる板厚の場合は一の金属板および他の金属板の下面を同一平面に形成した状態を維持して溶接を行い、一の金属板および他の金属板の母材の強度以上の接合強度および凹凸のない均一な接合状態を得る。
【解決手段】一の金属板と他の金属板の先端部の突き合わせ部の近傍において、一の金属板と他の金属板の先端部の両側の上面と下面とに各々配置され、加工ヘッドの溶接方向への移動と同期しながら、上記突き合わせ部と平行に回転しつつ移動し、一の金属板と他の金属板の突き合わせ部の近傍の上面と下面を加圧保持する複数のローラを設けた。
【選択図】 図４

Description

この発明は、金属板の端部同士をレーザビームの照射により溶接するレーザビーム溶接機に関する。

従来のレーザビーム溶接機においては、２本の鋼帯端部を鋼帯長手方向に対向配置し、各鋼帯端部をそれぞれクランプ装置で挟持すると共に、対向配置される２本の鋼帯端部の端面側下面にバックバー上面を下側から当接し当該２つの鋼帯端部を支持させた状態で、バックバー上面は、鋼帯長手方向に沿ってクランプ装置からの鋼帯端部の突出量１０％以上４０％以下の長さＹだけ、鋼帯端部下面に接触可能な形状となっているものである（例えば特許文献１参照）。

特許２００１−２６９７８６号公報（第２、３頁、第５図）

レーザビーム溶接機が使用される鉄鋼プロセスラインにおいては、先行金属板の後端部と後行金属板の先端部とを溶接するにあたり、切断装置によって切断された金属の突き合わせ部の端部は通常、板厚方向に平面ではなく微小な歪みがあるとともに、特に薄い鋼板においては垂れ下がる傾向にあり、先行金属板の後端部と後行金属板の先端部との突き合わせ部では板厚方向に段差が発生することがある。さらに、レーザビームの照射される箇所においてはレーザビームの熱により金属板の歪みが拡大して段差も拡大する傾向にある。従来のレーザビーム溶接機においては、バックバーは鋼帯の端部の下部のみを支持するものであり、金属板の上方向への歪みを押さえることはできない。また、レーザビームの照射中、すなわち溶接中に発生する金属板の突き合わせ部の微小な段差を解消することもできない。従って、金属板の端部同士の段差がある状態、すなわち板厚方向に異なったレベルで溶接される箇所があるため、溶接品質が低下するという問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、先行金属板の後端部と後行金属板の先端部との突き合わせ部において、溶接前の前段での突き合わせ部で金属板の上面および下面より板厚方向のレベル矯正をするとともに、レーザビームが照射される溶接点の直近前後で突き合わせ部を加圧保持する機能を備えているので、板厚方向の段差を解消、すなわち先行金属板および後行金属板が同じ板厚の場合は突き合わせ部において先行金属板および後行金属板の上面および下面共、同一平面を形成し、異なる板厚の場合は先行金属板および後行金属板の下面を同一平面に形成した状態で溶接を行う事ができ、先行金属板および後行金属板の母材の強度以上の接合強度および凹凸のない均一な接合形状を得ることができるレーザビーム溶接機を得るものである。

この発明に係るレーザビーム溶接機においては、
一の金属板と他の金属板とが突き合わされた突き合わせ部をレーザビームによって溶接するレーザビーム溶接機において、
前記一の金属板と前記他の金属板の両面かつ前記突き合わせ部の両側に配置され、前記金属板に対する前記レーザビームの加工ヘッドの溶接方向への相対的な移動に同期して移動し、前記突き合わせ部近傍で、前記各金属板の両面から前記各金属板を加圧保持する複数
のローラを有するものである。

この発明のレーザビーム溶接機では、一の金属板と他の金属板の突き合わせ部において、上記一の金属板と上記他の金属板との両側の上面と下面とに配置され、上記レーザビーム溶接機の加工ヘッドと同期しながら上記突き合わせ部と平行に移動、回転して上記一の金属板と上記他の金属板の突き合せ部の直近を加圧保持する複数のローラをレーザビームが照射される溶接点の前後に設けたので、突き合わせ部の板厚方向の段差を解消、すなわち一の金属板および他の金属板が同じ板厚の場合は突き合わせ部において一の金属板および他の金属板の上面および下面共、同一平面を形成し、異なる板厚の場合は一の金属板および他の金属板の下面を同一平面に形成した状態で溶接を行う事ができ、一の金属板および他の金属板の母材強度以上の接合強度および凹凸のない均一な接合形状を得る。

この発明の実施の形態１におけるレーザビーム溶接機の外観を示す図である。 この発明の実施の形態１における金属板の突き合わせ部を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるレーザビーム溶接機の金属板の溶接方向に沿った機器の配置を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるレーザビーム溶接機の金属板の突き合わせ部において、ローラの配置を示す側面図である。 この発明の実施の形態１におけるレーザビーム溶接機の金属板の突き合わせ部において、ローラの配置を示す正面図である。 この発明の実施の形態１における金属板の突き合わせ部における端部の垂れ下がりによる突き合わせ部の段差が解消される様子を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるレーザビーム溶接機の金属板の突き合わせ部において、先行金属板の板厚と後行金属板の板厚とが異なる場合に、第１ローラによって金属板の下面の段差が解消された突き合わせ状態を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１におけるレーザビーム溶接機の外観を示す図である。一般的に薄板鉄鋼プロセスラインにおいては、金属板の厚みが０．２ｍｍから３．５ｍｍ程度、幅が６００ｍｍから１９００ｍｍ程度のコイル状の金属板３が、図１に示す金属板進行方向に、図示しない走行装置に駆動されて連続的に走行する。金属板３が、次工程で連続して圧延、熱処理、鍍金処理等をするために、レーザビーム溶接機は、先行金属板３ａの後端部と後行金属板３ｂの先端部とを溶接して接合するものである。

図１において、レーザビーム溶接機１のキャリッジフレーム２には、先行金属板（一の金属板に同じ。以下同様）３ａの後端部および後行金属板（他の金属板に同じ。以下同様）３ｂの先端部を切断する切断装置５および６、レーザビームを照射する加工ヘッド１１、上部ローラ２１、下部ローラ２２、溶接後の溶接ビ−ド部を加圧しながら押し付けるスエージングロール１５が搭載され、一体となって金属板３の溶接方向または逆方向に走行することができる。加工ヘッド１１は加工ヘッド昇降機構１０により昇降し、ファイバーレーザまたはディスクレーザなどの短波長固体レーザを発振するレーザ発振器１２からファイバーケーブル１３を通してレーザビームが供給されている。また、加工ヘッド１１、上部ローラ２１、下部ローラ２２、およびスエージングロール１５は溶接方向、すなわち金属板３の幅方向にわたって直線状に配置されている。また、切断装置は、先行金属板３ａの後端部と後行金属板３ｂの先端部を同時に切断できるように、刃はダブルギロチンシャ−である。

最初に、本発明のレーザビーム溶接機の基本的な動作を説明する。鉄鋼プロセスラインが運転中（通板中）から減速すると、図１に示す原点位置（溶接方向の移動端）にて待機していたキャリッジフレーム２が、図１の溶接方向と逆方向に、切断装置５および６が出側クランプ装置７と入側クランプ装置８の間に配置される位置まで移動する。先行金属板３ａの後端部がレーザビーム溶接機の切断点に到達すると先行金属板３ａの走行は停止し、続いて後行金属板３ｂの先端部がレーザビーム溶接機の切断点に到達すると後行金属板３ｂの走行も停止する。

次に、出側クランプ装置７および入側クランプ装置８が先行金属板３ａおよび後行金属板３ｂをそれぞれクランプした後、切断装置５および６が先行金属板３ａの後端部および後行金属板３ｂの先端部を切断する。その後、後行金属板３ｂの入側クランプ装置８を先行金属板３ａ側の出側クランプ装置７側へ移動させるインデックス動作を行い、先行金属板３ａの切断された後端部と後行金属板３ｂの切断された先端部とを突き合わせる。図２は先行金属板３ａの切断された後端部と後行金属板３ｂの切断された先端部とが突き合わせられた平面図を示す。なお、図中の白抜き矢印は溶接方向を示し、記号Ｌｗは金属板３の板幅を示し、点線の丸で囲んだ部分（記号Ｐで示す）の板幅方向の線は突き合わせ部を示す。

次に、キャリッジフレーム２を溶接方向に連続的に移動させながら、先行金属板３ａの後端部と後行金属板３ｂの先端部との突き合わせ部Ｐの溶接を行う。図３に示す加工ヘッド１１は、図１に示す加工ヘッド昇降機構１０により矢印Ａの方向（上下方向）に移動可能であり、上昇端から下降した位置に移動した後、キャリッジフレーム２とともに金属板の板幅方向に移動しながらレーザビームを図中に示した溶接点に照射する。スエージングロール１５は、レーザビームで溶接された溶接部を上下方向から加圧しながら押し付け、溶接ビ−ドの表裏面を滑らかに仕上げる。この際、金属板３は停止状態で加工ヘッド１１、上部ローラ２１、下部ローラ２２、スエージングロール１５が連動して溶接方向に移動する。

このようにレーザビームの照射により金属板３の幅方向にわたって突き合わせ部Ｐの溶接が連続的に行われ、溶接が完了するとレーザビームの照射は停止し、キャリッジフレーム２は図１に示す原点位置（溶接方向の移動端）で停止する。

次に、上部ローラ２１および下部ローラ２２の動作を説明する。図４に示すように、上部ローラ２１および下部ローラ２２は、加工ヘッド１１からレーザビームを照射する溶接点の前後に溶接方向に沿って複数個配置されている。上部ローラ２１は、金属板３の上面に３個配置されて、溶接方向、すなわちローラが金属板３上面の突き合わせ部Ｐに沿ってかつ溶接方向に向かって前端から順番に上部第１ローラ２１ａ、上部第２ローラ２１ｂおよび上部第３ローラ２１ｃで構成されている。
下部ローラ２２は同様に、金属板３の下面に３個配置されて、溶接方向、すなわちローラが金属板３下面の突き合わせ部Ｐに沿って、かつ溶接方向に向かって前端から順番に下部第１ローラ２２ａ、下部第２ローラ２２ｂおよび下部第３ローラ２２ｃで構成されている。

これらの上部ローラ２１および下部ローラ２２は、図５にもそれらの配置を示すように、突き合わせ部の両側にて先行金属板３ａおよび後行金属板３ｂを各々上下より押圧する構成で、キャリッジフレーム２すなわち加工ヘッド１１とともに移動する。図５（ａ）は、加工ヘッドの溶接方向に対して最前列に配置された円筒形状のローラを示す。一方、図５（ｂ）は、加工ヘッドの溶接方向に対してレーザビーム照射点の前後に配置された円錐形状のローラを示す。

また、図５（ａ）に示すように、上部ローラ２１および下部ローラ２２（第１、第２、第３）の内、溶接方向に向かって前端に配置される上部第１ローラ２１ａおよび下部第１ローラ２２ａは円筒形状である。

一方、図５（ｂ）に示すように、溶接方向に向かって前端から２番目と３番目にそれぞれ配置される上部第２ローラ２１ｂと上部第３ローラ２１ｃおよび下部第２ローラ２２ｂと下部第３ローラ２２ｃは円錐形状である。

また、下部第１ローラ２２ａ、下部第２ローラ２２ｂおよび下部第３ローラ２２ｃのローラ上面の高さ方向の取り付けは金属板下面と同一レベルで、かつ突き合わせ部Ｐの両側ローラとも前述した同一レベルに固定されている。

上部第１ローラ２１ａ、上部第２ローラ２１ｂおよび上部第３ローラ２１ｃはスプリング機構２３に支持されて加工ヘッド昇降機構１０に取り付けられ、加工ヘッド１１と連動して昇降するとともに、レーザビーム照射時に加工ヘッド１１が下降しているときには、スプリング機構２３の圧力により、金属板３を上方より加圧している。また、上部ローラ２１および下部ローラ２２は突き合わせ部を中心として両側のローラの間隙が各ロ−ラ毎に最適な間隙となるよう任意に調整可能な構造としている。

次に、上部ローラ２１と下部ローラ２２による金属板３の突き合わせ部における板厚方向の段差を解消する原理について、図６を用いて説明する。図６において、図６（ａ）はローラによる加圧される前の金属板３の突き合わせ部における端部の垂れ下がりを示す図で、図６（ｂ）は図６（ａ）の突き合わせ部の段差を説明する拡大図、図６（ｃ）は第１ローラによって段差が解消される様子を示す図、図6（ｄ）は第２、第３ロ−ラによって
段差が解消された状態でレーザビームの照射ができる様子を示す図である。

金属板の突き合わせ部における先行金属板３ａと後行金属板３ｂの端部は、図６（ａ）に示すように垂直方向、すなわち板厚方向にて微小な歪みがあり、また特に板厚の薄い金属板では垂れ下がる傾向にある。図６（ｂ）は図６（ａ）の突き合わせ部Ｐの拡大図で、先行金属板３ａと後行金属板３ｂとの間には段差ができることを示す。

ここで、上部第１ローラ２１ａ、上部第２ローラ２１ｂおよび上部第３ローラ２１ｃと下部第１ローラ２２ａ、下部第２ローラ２２ｂおよび下部第３ローラ２２ｃは、加工ヘッド１１からレーザビームを照射する溶接点の前後に近接して配置されて金属板３の突き合わせ部Ｐを金属板の上面と下面から加圧保持しているため、溶接点の近傍、すなわち、図６（ａ）および図６（ｂ）に示す突き合わせ部Ｐの段差を解消し、図６（ｃ）、図６（ｄ）に示すように突き合わせ部の板厚方向において上面および下面共、同一平面を形成して溶接を行うことができる。

さらに、上部第１ローラ２１ａ、上部第２ローラ２１ｂおよび上部第３ローラ２１ｃと下部第１ローラ２２ａ、下部第２ローラ２２ｂおよび下部第３ローラ２２ｃの形状による動作について図５を用いて補足説明する。

図５（ａ）は円筒形状のローラを配置した第１ローラを示す図、図５（ｂ）は円筒形状のローラを配置した第２ローラ、第３ローラを示す図である。
図５（ａ）に示すように、回転軸芯が金属板上面と水平方向である上部第１ローラ２１ａおよび下部第１ローラ２２ａは、先行金属板３ａの後端部と後行金属板３ｂの先端部の突き合せ部Ｐを中心として両側のロ−ラの間隙Ｌｓを極力狭く（１〜４ｍｍ程度）して金属板の変形を矯正しつつ板厚方向のレベル合わせをする。

一方、図５（ｂ）に示すように、回転軸芯が突き合わせ部に向かって上方向または下方向にそれぞれ角度θ１およびθ２で傾斜している上部第２ローラ２1ｂ、上部第３ローラ２1ｃ、下部第２ローラ２２ｂおよび下部第３ローラ２２ｃは先行金属板３ａの後端部と後行金属板３ｂの先端部の付き合せ部を中心として両側のロ−ラの間隙Ｌｓを極力狭く（７〜１０ｍｍ程度）している。また、溶接部と母材との硬度差の縮小と、突き合わせギャップ裕度の拡大による溶接安定性の向上とを目的として、溶接点において、フィラワイヤを供給するフィラワイヤ供給ノズル（図は省略）を配置できるように、また、酸化防止の手段として不活性ガス（アルゴンガス、窒素ガス等）の環境下で溶接するために、溶接点においてサイド加工ガスを供給するサイド加工ガスノズル、（図は省略）、バックシールドガスを供給するバックシールドガスノズル（図は省略）等を配置できるように、物理的スペースが確保できる円錐形状とし、上部第１ローラ２１ａおよび下部第１ローラ２２ａと同様に金属板の変形を矯正しつつ板厚方向のレベル合わせをする。

このように構成されたレーザビーム溶接機では、先行金属板の後端部と後行金属板の先端部の突き合わせ部において、先行金属板の後端部と後行金属板の先端部との両側の上面と下面とに配置され、加工ヘッドと同期しながら突き合わせ部と平行に移動し、回転して先行金属板の後端部と後行金属板の先端部の突き合せ部の直近を加圧保持する複数のローラをレーザビームが照射される溶接点の前後に設けたので、突き合わせ部の板厚方向の段差を解消して、先行金属板と後行金属板の突き合わせ部において先行金属板と後行金属板の上面および下面共、同一平面を形成し、先行金属板と後行金属板の母材の強度以上の接合強度および凹凸のない均一な接合形状を得ることができる。

また、回転軸芯が突き合わせ部に向かって上方向または下方向に傾斜している円錐形状のローラを設け、溶接点へのフィラワイヤ供給ノズル、サイド加工ガスノズル、バックシールドガスノズルを配置できるようにしているため、溶接部と母材との硬度差が縮小できるとともに、不活性ガス（アルゴンガス、窒素ガス等）の環境下で溶接できるため、突き合わせギャップ裕度の拡大による溶接安定性の向上あるいは酸化防止ができ、母材の強度以上の接合強度および凹凸のない均一な接合形状などのいわゆる溶接品質をさらに向上させることができる。

上記の実施例では、先行金属板３ａと後行金属板３ｂの板厚は同一としているが、板厚が異なる場合でも同様の効果を得ることができる。すなわち、先行金属板３ａと後行金属板３ｂの板厚が異なる場合において、第２、第３ローラの状態図は省略した場合について、図７を用いて説明する。図７は、突き合わせ部において先行金属板と後行金属板とが異なる場合に、第１ローラによって金属板の下面の段差が解消された突き合わせ状態を示す図であり、（図示しない）第２ローラ、および第３ローラについても第１ローラと同様の突き合わせ状態となる。

図７に示すように、図６（ｃ）、図６（ｄ）の同一の板厚の場合と同様に、下部第１ローラ２２ａ、第２ローラ２２ｂおよび第３ローラ２２ｃのローラ上面の高さ方向の位置は、先行金属板３ａの下面および後行金属板３ｂの下面と同一レベルで、かつ突き合わせ部Ｐの両端ロールとも前述した同一レベルに固定されている。

また、上部第１ローラ２１ａ、第２ローラ２１ｂおよび第３ローラ２１ｃは、先行金属板３ａと後行金属板３ｂの上面が板厚により異なったレベルであってもスプリング機構２３により先行金属板３ａと後行金属板３ｂの上面を各々押圧することができ、先行金属板３ａと後行金属板３ｂの上面は板厚差だけ段差になるが、下面は同厚の場合と同様、下部第１ローラ２２ａ、第２ローラ２２ｂおよび第３ローラ２２ｃのローラ上面の高さ方向の位置あるいは先行金属板３ａの下面および後行金属板３ｂの下面と同一レベルで、かつ突き合わせ部Ｐの両側ロールとも前述した同一レベルに固定されているので、同一平面を形成して溶接することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、上部ローラ２１と下部ローラ２２を、先行金属板３ａの後端部と後行金属板３ｂの先端部との突き合わせ部の近傍、すなわち、図６（ａ）および図６（ｂ）に示す突き合わせ部Ｐにおいて先行金属板の後端部と後行金属板の先端部の上面と下面とに各々３組（１組は突き合わせ部の両側の上下に配置される４個のローラを示す）配置されているが、４組以上としてもよい。
この場合には、溶接前の突き合せ部における金属板の板厚方向の段差を解消、すなわち先行金属板および後行金属板が同じ板厚の場合は、突き合わせ部において先行金属板および後行金属板の上面および下面共、同一平面を形成し、異なる板厚の場合は、先行金属板および後行金属板の下面を同一平面に形成した状態をさらに強化するために、上部第１ローラ２１ａおよび下部第１ローラ２２ａの数を各々２組以上とする。このように構成されたレーザビーム溶接機においても、上記の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

上記実施の形態１では金属板を炭素鋼板としたが、通常の炭素鋼板以外の例えば電磁鋼板やステンレス鋼板であっても、上記の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、例えばアルミニウム、チタン、銅などの金属板であっても上記の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

上記実施の形態１ではレーザビ−ム溶接機のレーザ発振器１２はファイバーレーザまたはディスクレーザを使用している例を示したが、他のレーザ、例えばＹＡＧレーザ、LDレーザまたはＣＯ２レーザを使用しても上記の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

上記実施の形態１では特に薄板鉄鋼プロセスラインに適用するとしたが、上部ロ−ラおよび下部ロ−ラの剛性を高める事により厚板（例えば板厚０．８ｍｍ〜６．６ｍｍ）対応のレーザビーム溶接機においても上記の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
また、以上においては、加工ヘッドは溶接の際、水平方向に移動する場合について説明したが、これに限らず、金属板が垂直方向に設置され、加工ヘッドは溶接の際、垂直方向に移動する場合でも、本発明の構成要素である加工ヘッド及びローラ等と、金属板との相対位置関係が変わらない限り、同様の効果を奏する。
さらに、以上においては、金属板は静止しており、加工ヘッドの側が移動する場合について説明したが、これと逆の関係、すなわち、加工ヘッドの側は静止しており、金属板が移動する場合についても、同様の効果を奏する。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ レーザビーム溶接機、２ キャリッジフレーム、３ 金属板、３ａ 先行金属板、３ｂ 後行金属板、１０ 加工ヘッド昇降機構、１１ 加工ヘッド、２１ 上部ローラ、２１ａ 上部第１ローラ、２１ｂ 上部第２ローラ、２１ｃ 上部第３ローラ、２２ 下部ローラ、２２ａ 下部第１ローラ、２２ｂ 下部第２ローラ、２２ｃ 下部第３ローラ、２３ スプリング機構、Ａ 加工ヘッド移動方向、Ｌｓ 両側のロ−ラの間隙、Ｌｗ 金属板の板幅、P 突き合わせ部、Ｔ 金属板の板厚、Ｔｆ 先行金属板の板厚、Ｔｂ 後行金属板の板厚。

Claims (5)

1. 一の金属板と他の金属板とが突き合わされた突き合わせ部をレーザビームによって溶接するレーザビーム溶接機において、
   前記一の金属板と前記他の金属板の両面かつ前記突き合わせ部の両側に配置され、前記金属板に対する前記レーザビームの加工ヘッドの溶接方向への相対的な移動に同期して移動し、前記突き合わせ部近傍で、前記各金属板の両面から前記各金属板を加圧保持する複数のローラを有することを特徴とするレーザビーム溶接機。
2. 前記複数のローラは、前記加工ヘッドの溶接方向に対して最前に配置される円筒形状のローラと、前記レーザビームの照射点の前後に配置される円錐形状のローラによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザビーム溶接機。
3. 前記各金属板の上面に配置される上部ローラは、スプリング機構によって前記各金属板を加圧保持することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザビーム溶接機。
4. 前記各金属板の上面に配置される上部ローラは、加工ヘッドとともに昇降することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザビーム溶接機。
5. 前記加工ヘッドの溶接方向の各所定位置で、前記一の金属板の両面に配置される両ローラと、前記他の金属板の両面に配置される両ローラとは、前記突き合わせ部を中心とした前記各所定位置での前記２つの両ローラ間の間隙Ｌｓを所定の値に調整可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザビーム溶接機。
   

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