JP6139228B2 - レーザー溶接装置およびレーザー溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は減圧環境で行なうレーザー溶接装置およびレーザー溶接方法に関する。

レーザー溶接工法はアーク溶接工法と比べて被溶接物に対して非接触での溶接施工が可能であることや、高エネルギー密度のビームを集中させることができることから、深い溶け込みが得られるという利点や、アーク溶接に比べて低入熱量で深い溶け込みが得られるために被溶接物の変形量が小さく、被溶接物に与える熱影響も小さいという利点がある。

レーザー溶接工法はこのような利点を有するために、産業機器の製造現場で採用されており、たとえば、電力機器、造船、自動車等の分野や、それ以外の数多くの分野で採用されている。

ところで、レーザー溶接はその施工雰囲気によって常圧環境下（大気圧環境下ともいう）で行われる工法と、減圧環境下で行われる工法とに大別することができる。通常は、常圧環境下で溶接部にシールドガスを吹きつけながら行う溶接工法が一般的である。これに対して、減圧環境下での溶接工法は、常圧環境下で行う溶接工法よりも金属の沸点が低下して金属蒸気の発生が活発となるため、溶け込み深さが増加して溶接工程の効率化が図れるという利点がある。

この減圧環境下でのレーザー溶接施工に関して、以下のように幾つかの技術が提案されている。
先ず一つ目の技術は、低真空雰囲気を形成する真空溶接チャンバー内に被溶接物とこの被溶接物を載置して移動させる移送手段とを収納し、真空溶接チャンバーの上部に位置するレーザー光線照射窓から被溶接物にレーザー光線を照射するようにした溶接施工法である。

次に二つ目の技術は、被溶接物全体を大気圧環境下に置き、被照射部であるレーザー加工部のみをレーザー加工ヘッドで覆って被溶接物に対して相対的に移動可能な状態にし、さらに、レーザー加工ヘッドの被溶接物に接する部分にゴムなどのシール部材を取り付けて、レーザー加工ヘッドと被溶接物との間に形成された空間部を真空引きにして局部的に減圧空間部を形成した溶接施工法である。

特開２０１１−２４０３６５号公報 特開平０７−６８３９７号公報

川人洋介ほか３名「高出力・高輝度レーザーを用いた低真空溶接」第７４回レーザー加工学会講演論文集（２０１０，１２）、第１９頁−２３頁。

まず、上記したチャンバー技術の場合、減圧環境を形成するチャンバー内に被溶接物および移送手段を収納する必要があるため、減圧チャンバーの寸法によっては被溶接物の寸法が制限される。

たとえば、電力機器、船体、鉄道車両などの大型構造物などに減圧レーザー溶接を適用すれば、深い溶け込み深さが得られるため溶接工程の効率化を図る上で有効であるが、上述した制約から現状においては実製品への適用が困難である。

仮に減圧チャンバー内に被溶接物を収納できた場合でも、減圧チャンバーの寸法が巨大となるため溶接装置が高価となるほか、減圧チャンバー内の真空引きに多大な時間を要する。さらに、減圧チャンバー内への被溶接物の搬入と搬出にも多大な時間を要するため、減圧レーザー溶接の利点を存分に生かすことができないといえる。

次に、上記した二つ目の技術の場合、レーザー加工ヘッド内部を大気からシールするために、ゴムなどのシール部材を被溶接物に押しつけて変形させた状態でレーザー加工ヘッド全体の荷重を支えるように構成されているため、減圧チャンバー内の負圧状態を維持する機能については良好であるが、シール部材を構成するゴム材は静止摩擦係数が大きいため、変形した状態でレーザー加工ヘッドを任意の方向へ摺動させるうえで支障をきたすおそれがある。

また、被溶接物が鉄鋼材料である場合、溶接施工部周辺は溶接直後に１千℃以上の高温に達し、シール部材の近傍も数百℃の高温環境に晒される。従って、シール部材にゴム材を適用した場合、ゴム材の溶融や蒸発が生じてシール性能に支障を及ぼすだけでなく、摺動性能に対しても更なる支障を及ぼす恐れがある。

そこで本発明の目的は、被溶接物の溶接施工部の表面を、レーザー加工ヘッドを取り付けた筐体で覆って真空引きすることによって筐体と被溶接物との間に局部的な減圧空間の溶接チャンバーを形成し、かつ、筐体の下部開口縁部にシール性能、摺動性能および耐熱性能に優れた材料のシール部材を取り付けるようにしたレーザー溶接装置およびその溶接方法を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明のレーザー溶接装置は、一端部を蓋部によって閉塞してレーザー加工ヘッドを固定し、他端部の開放端部を被溶接物の上に載置することにより溶接チャンバーを形成する筒形状の筐体と、前記筐体の蓋部に設けられ、前記筐体の内部空間を大気側から仕切る空力窓生成装置と、前記筐体の開放端部に取り付けられ、所定の丈尺の細い金属の素線を多数束ねて所定の厚みのブラシ状に形成されたシール部材と、前記溶接チャンバー内を大気圧に対して減圧環境状態にする減圧装置と、前記筐体および前記被溶接物を相対的に移動させる駆動装置と、を備えたレーザー溶接装置であって、前記シール部材は、前記素線の直径が０．１ｍｍ以下、素線密度が９０％以上のステンレス鋼またはニッケル基合金で構成されるとともに、当該シール部材の丈尺が３０ｍｍ以上、厚みが４０ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明によれば、溶接施工部周辺が溶接直後に１千℃以上の高温に達したとしても、溶接チャンバー内部の圧力を安定した所定の減圧環境状態に保持することができる。

本発明の実施形態１に係わるレーザー溶接装置を示す図であり、図１（ａ）は図１（ｂ）をａ−ａ線で切断し、矢視方向に見た平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）をｂ−ｂ線で切断し、矢視方向に見た断面図である。 図１に示したシール部材の一例を示す拡大図。 図１のレーザー溶接装置を用いて曲面状の表面を有する被溶接物を減圧環境で溶接する様子を示す図。 本発明の実施形態２に係わるレーザー溶接装置を示す図であり、図４（ａ）は図４（ｂ）をａ−ａ線で切断し、矢視方向に見た断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）をｂ−ｂ線で切断し、矢視方向に見た側断面図である。 図４のレーザー溶接装置を用いて曲面状の表面を有する被溶接物を減圧環境で溶接する様子を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図を通して共通する部分には同一符号を付けて説明する。
［実施形態１］
図１は本実施形態に係わるレーザー溶接装置を示す図であり、図１（ａ）は図１（ｂ）をａ−ａ線で切断し、矢視方向に見た断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）をｂ−ｂ線で切断し、矢視方向に見た側断面図である。そして、図２はシール部材の一例を示す拡大図である。また、図３は図１のレーザー溶接装置で曲面状の表面を有する被溶接物を減圧環境で溶接する様子を示す図である。

（構成）
通常、レーザー溶接装置は、レーザー光線を発生させるレーザー発振器、レーザー光線を導く光路、伝送されてきたレーザー光線を適切なサイズに集光し焦点を調整する集光光学系で構成されたレーザー加工ヘッド、このレーザー加工ヘッドあるいは被溶接物を駆動する駆動系、溶接チャンバー、シールドガス配管系統などで構成されるが、本発明ではレーザー発振器、光路および駆動系については対象外なので、図１（ａ）、（ｂ）ではこれらの図示を省略している。
また、実施形態１のレーザー溶接装置には、炭酸ガスレーザー、ＹＡＧレーザー、ファイバレーザーなどを適用することができる。

図１（ａ）および（ｂ）において、本実施形態に係るレーザー溶接装置には、部分的な減圧環境下でレーザー溶接の施工が行なえるように、空力窓生成装置２０を一体的に設けた筐体３０の上部に適当な支持部材１１を介してレーザー加工ヘッド（溶接トーチともいう）１０が取り付けられている。

以下、筐体３０に取り付けられた空力窓生成装置２０から説明する。
空力窓生成装置２０は、後述するノズルからディフューザーに向って円弧状に超音速ガス流ＪＳを流すことによって自由渦式の空力窓２０_-１を作り、この空力窓２０_-１によって筐体３０の内部空間を大気側から仕切るように構成されている。

空力窓２０_-１の開口面積は、レーザー溶接時にレーザー光線ＬＢとの干渉が生じないように多少余裕をもって製作されており、たとえば、１０×１０ｍｍ^２〜４０×４０ｍｍ^２程度の矩形または円形に形成されている。

そして、本実施形態で採用する空力窓生成装置２０は、一例として次のように構成されている。すなわち、レーザー光線ＬＢが透り抜けるレーザー光線通過路２０_-２の両側にノズル構成体２０_-３およびディフューザ構成体２０_-４を所定距離だけ離間して配置するとともに、これらノズル構成体２０_-３およびディフューザ構成体２０_-４の両側面を閉塞板２０_-５、２０_-６で挟持して閉塞してシールするように構成されている。そして、ノズル構成体２０_-３、ディフューザ構成体２０_-４、閉塞板２０_-５、２０_-６で囲まれた空間をレーザー光線通過路２０_-２として構成している。なお、ノズル構成体２０_-３およびディフューザ構成体２０_-４が離間する所定距離とは、レーザー光線通過路２０_-２の開口面積に対応する寸法分である。

ノズル構成体２０_-３は、レーザー光線通過路２０_-２の開口面積に対応した１０〜４０ｍｍ程度の厚み（紙面の前後方法）と、この厚みの２〜３倍程度寸法の幅（紙面の左右方法）および高さ（紙面の上下方法）を有する四角いブロック状の金属材料で形成されている。

そして、このノズル構成体２０_-３は前記閉塞板２０_-５、２０_-６に面する平面部のほぼ中央部に溜気槽２０_-３ａを刳り貫いて形成するとともに、この溜気槽２０_-３ａから上部隅部に向かってスロート部２０_-３ｂと、ノズル２０_-３ｃとを刳り貫いて形成している。

ノズル２０_-３ｃはスロート部２０_-３ｂに連通する入口側から出口側に向かって幅が徐々に拡がる非対称形状に形成されている。さらにノズル構成体２０_-３は、溜気槽２０_-３ａを外部と連通する連通孔２０_-３ｄを設けている。この連通孔２０_-３ｄはガス供給管２１を介して窒素ガスや乾燥空気等の高圧ガス供給源（ガスボンベ）２２に接続されるように構成されている。

一方、ディフューザ構成体２０_-４は、前述したノズル構成体２０_-３と同じ厚みの四角いブロック状の金属材料で形成されており、前記ノズル２０_-３ｃの出口に対向した位置にディフューザ２０_-４ａの入口を形成している。このディフューザ２０_-４ａの出口は下向きに形成されている。なお、このディフューザ２０_-４ａの内側壁は、超音速ガス流ＪＳの剥離を防ぐように機械加工されている。

次に筐体３０について説明する。
筐体３０は、たとえば茶筒の蓋を伏せたような形状、すなわち円筒形に形成された筒状部３０_-１の一端を円板状の蓋部３０_-２で閉塞した形状をしており、その蓋部３０_-２の外側には支持部材１１を介して前述した空力窓生成装置２０を一体的に取り付けている。この蓋部３０_-２の中央部にはレーザー光線通過路２０_-２と同心状にレーザー光線照射窓３０_-３を設けている。なお、筐体３０の形状は円筒形状に限らず、矩形状の筒であってもよい。

そして、筒状部３０_-１の他端部である下部開口縁部３０_−４の全周には後述するシール部材４０を取り付けている。このように構成された筐体３０を被溶接物５０上に載置すると、筐体３０、シール部材４０および被溶接物５０との間に溶接チャンバー３０_-５が形成される。

また、筐体３０の筒状部３０_-１には、シールドガス供給配管３１と、真空引き配管３２とを接続している（図１（ｂ））。レーザー溶接の際は、シールドガス供給管３１から溶接チャンバー３０_-５内にアルゴンガス、ヘリウムガス、窒素ガス等のシールドガスを供給している状態で真空引き配管３２に接続された真空ポンプ３３を運転することにより、溶接チャンバー３０_-５内を所定の減圧環境状態にする。なお、シールドガス供給管３１および吸引管３２の本数あるいは真空ポンプ３３の個数や位置は、施工条件や施工対象物によって適切に選択することは勿論である。

一般的に、減圧レーザー溶接時に要求されるレーザー照射部の雰囲気は１０ｋＰａ以下であり、このため、筐体３０はこの１０ｋＰａ以下の減圧環境と、１千℃程度の高温に十分に耐えられる強度および耐熱性を備えた鉄やその合金等金属材料で製作される。なお、筐体３０に設ける観察用窓には耐熱性に優れた石英ガラスを利用してもよい。

次にシール部材４０について説明する。
シール部材４０は、図１（ｂ）のように筐体３０を被溶接物５０上に載置した状態でレーザー溶接を施工するとき、溶接チャンバー３０_-５内が大気に対して１０ｋＰａ程度の減圧環境を維持しながら筐体３０と被溶接物５０との相対的な移動を円滑に行なえるようにするための部材であり、筐体３０の下部開口縁部３０_-４の全周に１段（一重）取り付けられる。このシール部材４０には、上述した摺動性能およびシール性能が良好なことは勿論、溶接施工部の高温にも十分耐えるものでなければならない。

このため、シール部材４０としては細い金属製の素線を所定の厚みに多数束ねて構成したブラシ状が好ましい。以下、シール部材４０として金属性のブラシ４０を例に挙げて説明する。
ブラシ４０は、図１（ｂ）および図２で示すように、可撓性および耐熱性に富む金属の多数の細い素線４１を、金属あるいはセラミックス等の耐熱性に富む束ね部材４２で束ねて構成され、素線４１が被溶接物５０の表面に対して鉛直状に接触するように、筐体３０の下部開口縁部３０_-４に取り付けられる。

素線４１の材質は、被溶接物５０の材料が鉄鋼材料である場合、鉄鋼材料の融点に近い温度に対する耐熱性が求められ、耐食性を配慮してステンレス鋼またはニッケル基合金であることが望ましい。

減圧環境でのレーザー溶接に求められる１０ｋＰａ以下の減圧環境状態を維持するためには、ブラシ４０の素線４１の直径は０．１ｍｍ以下、素線４１の密度は９０％以上であることが望ましい。ブラシ４０の素線４１が太い場合、必然的に素線４１の密度が小さくなり、シール性能は低下すると同時に、溶接施工面５１へ接触したときにブラシ４０の素線４１への反力も大きくなり、摺動性に支障をきたす恐れがある。

また、ブラシ４０の丈尺（Ｌ）については、被溶接物５０の形状に合わせて選定する必要があるが、摺動性能およびシール性能を考慮すると長い方が望ましい。たとえば、ブラシ４０の丈尺（Ｌ）が短い場合、減圧部が負圧環境となりブラシ４０全体に圧縮方向の力が作用しブラシ４０の素線４１が過度に撓むため、シール性と摺動性の両立が困難となる。このようなことから、１０ｋＰａの減圧環境をシールするためのブラシ４０の丈尺（Ｌ）は３０ｍｍ以上であることが望ましい。

なお、このように丈尺（Ｌ）が３０ｍｍ以上のブラシ４０の場合は、図３のように溶接施工面５１が曲面である場合や、被溶接物の表面に大きな凹凸がある場合（図示せず）であっても、ブラシ４０が溶接を終えたビードを乗り越えて移動する際にシール性を十分確保することができる。

また、ブラシ４０の厚さ（Ｄ）に関しては、減圧時に加わる圧縮力に対する剛性、シール性能を考慮すると、できるだけ厚い方が望ましく、１０ｋＰａの減圧環境をシールするためには４０ｍｍ以上の厚さ（Ｄ）であることが望ましい。

（作用）
次に、図１〜図３を参照して本実施形態の作用を説明する。
レーザー発振器の稼働に先立ち、まず空力窓生成装置２０を稼働させる。すなわち、非対称型ノズル２０_−３ｃから超音速ガス流ＪＳを噴出させてディフューザ２０_-４ａに送り込む。これにより、レーザー光線通過路２０_-２の上部に空力窓２０_-１が生成され、これによって溶接チャンバー３０_-５内部は大気側から圧力的に隔離される。

空力窓２０_-１が生成された後、溶接チャンバー３０_-５内にシールドガス供給管３１からシールドガスを供給し、溶接施工部５１に吹付ける。これとほぼ同時期に真空ポンプ３３を稼働させて真空引きし、溶接チャンバー３０_-５内を１０ｋＰａ以下の減圧環境にする。

その後、図示しないレーザー発振器の稼働により、レーザー加工ヘッド（溶接トーチ）から照射されたレーザー光線ＬＢは、空力窓２０_-１を通過したのちレーザー光線通過路２０_-２およびレーザー光線照射窓３０_-３を経て溶接チャンバー３０_-５内に入り、被溶接材５０の溶接施工部５１に照射されてレーザー溶接を行う。

このレーザー溶接時に溶接施工部５１から真上方向に溶接プルーム（溶接ヒュームあるいはスパッタ）Ｐが急速に上昇するが、上昇した溶接プルーム（溶接ヒュームあるいはスパッタ）Ｐは、空力窓２０_-１を生成する超音速ガス流ＪＳによってディフューザ２０_-４ａへ排出されるために、空力窓生成装置２０のさらに上方に位置するレーザー加工ヘッド１０への損傷を回避することができる。この結果、減圧環境下で連続的に長時間のレーザー溶接施工を行なうことが可能となる。

図１に示す実施形態では、筐体３０の下部開口縁部３０_−４の全周に設けたシール部材として機能するブラシ４０は、耐熱性に優れた金属材料の素線を多数束ねて構成してあるので、大気側から溶接チャンバー３０_-５内への空気の侵入を防いで所定の差圧（１０ｋＰａ）を保持しながら筐体３０と一体的に被溶接材５０の表面上を円滑に摺動することができる。しかも、溶接施工部５１周辺の温度が数百℃になっても、熱的に劣化することはない。

（効果）
以上述べたように、本実施形態のレーザー溶接装置は、溶接チャンバー３０_-５を構成する筐体３０の下部開口縁部３０_-４にシール性能、摺動性能および耐熱性能に優れた材料で構成したシール部材４０を取り付けるようにしたので、溶接施工部５１周辺が溶接後に１千℃以上の高温に達してシール部材の近傍も数百℃の高温環境に晒されたとしてもシール部材のシール性能、摺動性能および耐熱性能に支障をきたすことはなく、筐体内部圧力を安定して減圧環境に保持することができる。

［実施形態２］
図４は本発明の実施形態に係わるレーザー溶接装置を示す図であり、図４（ａ）は図４（ｂ）をａ−ａ線で切断し、矢視方向に見た平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）をｂ−ｂ線で切断し、矢視方向に見た側断面図である。また、図５は、実施形態２に係わるレーザー溶接装置を用いて曲面状の表面を有する被溶接物を減圧環境で溶接する様子を示す図である。

本実施形態のレーザー溶接装置は、実施形態１で説明した空力窓生成装置２０に替えて光学ガラスによる固体材窓２０Ａを適用したものであり、溶接プルームや溶接ヒューム、スパッタＰの発生量が比較的少ない入熱量の小さい溶接条件で採用される。
本実施形態の場合も筐体３０、および筐体３０に取り付けられるシールドガス供給配管３１や真空引き配管３２、シール部材４０に関しては実施形態１の場合と変わらない。

また、本実施形態の場合も実施形態１同様にシール部材４０として、素線４１の直径が０．１ｍｍ以下、素線４１の密度が９０％以上、丈尺（Ｌ）が３０ｍｍ以上、厚さが４０ｍｍ以上のブラシ４０を採用するので、図５のように溶接施工面５１が曲面である場合や、被溶接物５０の表面に大きな凹凸がある場合（図示せず）であっても、ブラシ４０が溶接を終えたビードを乗り越えて移動する際にシール性を十分確保することができ、大気圧環境に比べて深い溶け込み深さが得られる減圧環境でのレーザー溶接を行うことが可能であり、大型製品を効率的な溶接することが可能である。

（変形例）
以上説明した実施形態１および２では、筐体３０の下部開口縁部３０_-４にシール材４０を１段（一重）だけ取り付けるようにしたが、シール性能を高めるためにシール材４０は下部開口縁部３０_-４の厚さ方向に沿って２段（二重）以上取り付けるようにしてもよい。

なお、以上説明の実施形態は例として提示したものであって発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…レーザー加工ヘッド（溶接トーチ）、２０…空力窓生成装置、２０_-１…空力窓、２０_-２…レーザー光線通過路、２０_-３…ノズル構成体、２０_-３ａ…溜気槽、２０_-３ｂ…スロート部、２０_-３ｃ…ノズル、２０_-４…ディフューザ構成体、２０_-４ａ…ディフューザ、２０Ａ…固体材窓、３０…筐体、３０_-１…筒状部、３０_-２…蓋部、３０_-３…レーザー光線照射窓、３０_-４…下部開口縁部、３０_-５…溶接チャンバー、３１…シールドガス供給配管、３２…真空引き配管、３３…真空ポンプ、４０…シール部材（ブラシ）、４０_-１…素線、４０_-２…束ね部材、５０…被溶接物、５１…溶接施工部、ＬＢ…レーザー光線、Ｐ…溶接プルーム、溶接ヒューム、スパッタ。

Claims (4)

1. 一端部を蓋部によって閉塞してレーザー加工ヘッドを固定し、他端部の開放端部を被溶接物の上に載置することにより溶接チャンバーを形成する筒形状の筐体と、
   前記筐体の蓋部に設けられ、前記筐体の内部空間を大気側から仕切る空力窓生成装置と、
   前記筐体の開放端部に取り付けられ、所定の丈尺の細い金属の素線を多数束ねて所定の厚みのブラシ状に形成されたシール部材と、
   前記溶接チャンバー内を大気圧に対して減圧環境状態にする減圧装置と、
   前記筐体および前記被溶接物を相対的に移動させる駆動装置と、を備えたレーザー溶接装置であって、
   前記シール部材は、前記素線の直径が０．１ｍｍ以下、素線密度が９０％以上のステンレス鋼またはニッケル基合金で構成されるとともに、当該シール部材の丈尺が３０ｍｍ以上、厚みが４０ｍｍ以上であることを特徴とするレーザー溶接装置。
2. 前記筐体の下部開口縁部にシール部材を前記開放端部の厚さ方向に沿って２段以上取付けたことを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接装置。
3. 前記空力窓生成装置は、スロート部に連通する入口から出口に向かって幅が徐々に拡がるように非対称形状に形成されているノズルと、このノズルの出口に対向した位置に入口を有し出口が下向きに形成されているディフューザーと、前記ノズルの出口と前記ディフューザーの入口の間に円弧状に超音速ガス流を流すことによって前記筐体の内部空間を大気側から仕切る空力窓と、から構成されることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザー溶接装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザー溶接装置を用いて溶接をおこなうことを特徴とするレーザー溶接方法。

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