JP6391412B2 - Laser welding method and laser welding apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、クレーンのブームや橋梁の梁等の大型構造物の溶接に好適な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。 The present invention relates to a laser welding method and a laser welding apparatus suitable for welding large structures such as crane booms and bridge beams.
従来、例えば、クレーンのブームを製造する場合、長尺部材（母材）の各接合面同士を突き合せて、その突き合わせ部に沿ってレーザ光を照射すると共に、このレーザ光の照射に伴って突き合わせ部上を移動するレーザスポットにフィラーワイヤを送給するレーザ溶接方法が採用されており、このレーザ溶接方法では、長尺部材同士の突き合わせ部におけるギャップ量が比較的大きい場合であったとしても、アンダカットの少ない溶接部が得られるようになっている（例えば、非特許文献１）。 Conventionally, for example, when manufacturing a boom of a crane, each joint surface of a long member (base material) is abutted and irradiated with laser light along the abutting portion, and along with the irradiation of this laser light A laser welding method is used in which a filler wire is fed to a laser spot that moves on the abutting portion. In this laser welding method, even if the gap amount in the abutting portion between the long members is relatively large, A welded portion with less undercut is obtained (for example, Non-Patent Document 1).
しかし、このレーザ溶接方法において、長尺部材の溶融不良を防ぐために高入熱で溶接を行うと、長尺部材に歪や反り等の変形が生じる虞があることから、入熱量及び溶接速度をいずれも抑え気味にして溶接を実施しているのが現状であり、結局、このレーザ溶接方法では、低入熱で且つ高能率の溶接を行うことができない。 However, in this laser welding method, if welding is performed with high heat input in order to prevent poor melting of the long member, the long member may be deformed, such as distortion or warping. In the present situation, welding is carried out while suppressing both of them, and as a result, this laser welding method cannot perform welding with low heat input and high efficiency.
加えて、このレーザ溶接方法において、長尺部材の溶け込み幅がレーザ光の照射に伴って突き合わせ部上を移動するレーザスポットの大きさに制限されるので、突き合わせ部のギャップ量の変化に対応しきれずにアンダカットが生じてしまう場合がある。 In addition, in this laser welding method, the penetration width of the long member is limited to the size of the laser spot that moves on the abutting portion in accordance with the irradiation of the laser beam, so that it can cope with the change in the gap amount of the abutting portion. Undercutting may occur without this.
従来において、これに対応するために、溶接予定線上で２つのレーザスポットが互いに接して並ぶようにレーザ光を２分割して照射するレーザ溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１）。このレーザ溶接方法は、板厚の互いに異なる金属板の突き合わせ接合に用いるのに好適な方法であって、溶接予定線上において２つのレーザスポットを隣接状態で並ばせているので、金属板への入熱時間が長くなって入熱量が増加する分だけ、溶け込み幅が広がることとなる。 Conventionally, in order to cope with this, a laser welding method has been proposed in which a laser beam is irradiated in two so that two laser spots are arranged in contact with each other on a planned welding line (for example, Patent Document 1). This laser welding method is suitable for use in the butt joining of metal plates having different thicknesses, and two laser spots are arranged adjacent to each other on the planned welding line. As the heat time becomes longer and the amount of heat input increases, the penetration width increases.
ところが、上記したレーザ光を２分割して照射するレーザ溶接方法では、２分割されたレーザ光をいずれも母材である長尺部材及びフィラーワイヤの各溶融に用いているので、長尺部材の溶融不足及びフィラーワイヤの溶融過多を招いたり、これとは逆に長尺部材の溶融過多及びフィラーワイヤの溶融不足を招いたりする可能性があるという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっている。 However, in the laser welding method in which the laser beam is divided into two and irradiated as described above, the laser beam divided into two is used for melting each of the long member and filler wire as the base material. Insufficient melting and excessive melting of the filler wire, or conversely, there is a possibility of causing excessive melting of the long member and insufficient melting of the filler wire. This is a conventional problem.
本発明は、上記したような従来の課題を解決するためになされたもので、母材に歪や反り等の変形が生じる懸念を払拭したうえで、低入熱で且つ高能率の溶接を行うことができると共に、母材同士の突き合わせ部のギャップ量変化に対応することができる、すなわち、ギャップ裕度の拡大を実現することができ、加えて、母材及びフィラーワイヤを常に過不足なく溶融させることが可能であるレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and eliminates the concern that the base material may be deformed, such as distortion or warpage, and performs welding with low heat input and high efficiency. It is possible to cope with the gap amount change of the butt portion between the base materials, that is, the gap tolerance can be increased, and the base material and the filler wire are always melted without excess or deficiency. It is an object of the present invention to provide a laser welding method and a laser welding apparatus that can be used.
本発明の第１の実施態様は、母材同士の突き合わせ部に沿ってレーザ光を照射すると共に前記レーザ光の照射に伴って前記突き合わせ部上を移動するレーザスポットにフィラーワイヤを送給して前記母材同士を接合するレーザ溶接方法であって、母材溶融レーザスポット及びワイヤ溶融レーザスポットの二つのレーザスポットのうちの前記ワイヤ溶融レーザスポットを前記母材溶融レーザスポットよりも溶接方向後退側に並べるべく、前記突き合わせ部に対して前記母材を溶融する母材溶融レーザ光及び前記フィラーワイヤの先端部を溶融するワイヤ溶融レーザ光の二筋のレーザ光を照射し、前記母材溶融レーザ光及び前記ワイヤ溶融レーザ光の各出力と、前記母材溶融レーザスポット及び前記ワイヤ溶融レーザスポットの相互間隔と、前記母材溶融レーザスポット及び前記ワイヤ溶融レーザスポットの各スポット径とを溶接条件である前記母材同士の突き合わせ部のギャップ量，前記フィラーワイヤの送給速度及び溶接速度に応じてそれぞれ調整する構成としている。 In the first embodiment of the present invention, a filler wire is fed to a laser spot that irradiates a laser beam along the abutting portion between the base materials and moves on the abutting portion as the laser beam is irradiated. A laser welding method for joining the base materials to each other, wherein the wire melting laser spot of two laser spots of the base material melting laser spot and the wire melting laser spot is moved backward in the welding direction from the base material melting laser spot. The base metal melting laser is irradiated with two laser beams of a base metal melting laser beam that melts the base material and a wire melting laser beam that melts the tip of the filler wire. Each output of the light and the wire melting laser beam, the mutual interval between the base material melting laser spot and the wire melting laser spot, The material melting laser spot and each spot diameter of the wire melting laser spot are respectively adjusted according to the gap amount of the butt portion between the base materials, which is a welding condition, the feeding speed of the filler wire, and the welding speed. .
また、本発明の第２の態様は、母材同士の突き合わせ部に沿ってレーザ光を照射すると共に前記レーザ光の照射に伴って前記突き合わせ部上を移動するレーザスポットにフィラーワイヤを送給して前記母材同士を接合するレーザ溶接装置であって、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から送給されるレーザ光を前記突き合わせ部上に前記母材を溶融する母材溶融レーザ光として照射すると共に該母材溶融レーザ光の前記突き合わせ部上の母材溶融レーザスポットよりも溶接方向後退側にワイヤ溶融レーザスポットを並べるべく前記フィラーワイヤの先端部を溶融するワイヤ溶融レーザ光を照射するレーザヘッドと、前記レーザヘッドを前記突き合わせ部に沿って移動させる駆動部と、前記突き合わせ部上の前記ワイヤ溶融レーザ光のレーザスポットに前記フィラーワイヤを送給するフィラーワイヤ送給部と、前記母材溶融レーザ光及び前記ワイヤ溶融レーザ光の各出力と、前記母材溶融レーザスポット及び前記ワイヤ溶融レーザスポットの相互間隔と、前記母材溶融レーザスポット及び前記ワイヤ溶融レーザスポットの各スポット径とを溶接条件である前記母材同士の突き合わせ部のギャップ量，前記フィラーワイヤの送給速度及び溶接速度に応じてそれぞれ調整する制御部を備えた構成としている。 In the second aspect of the present invention, the filler wire is fed to the laser spot that irradiates the laser beam along the abutting portion between the base materials and moves on the abutting portion in accordance with the irradiation of the laser beam. A laser welding apparatus for joining the base materials to each other, irradiating a laser oscillator and a laser beam fed from the laser oscillator as a base material melting laser beam for melting the base material on the butted portion A laser head for irradiating a wire melting laser beam that melts the tip of the filler wire so as to arrange the wire melting laser spot on the backward side in the welding direction with respect to the base metal melting laser spot on the abutting portion of the base metal melting laser beam; A driving unit for moving the laser head along the abutting portion; and a laser beam of the wire melting laser light on the abutting portion. A filler wire feeding unit that feeds the filler wire to the wire, each output of the base metal melting laser beam and the wire melting laser beam, and an interval between the base metal melting laser spot and the wire melting laser spot; The base metal melting laser spot and the spot diameter of the wire melting laser spot are respectively adjusted according to the gap amount of the butt portion between the base materials, which is a welding condition, the feeding speed of the filler wire, and the welding speed. The configuration includes a control unit.
さらに、本発明の第３の態様において、前記レーザヘッドには、前記レーザ発振器から送給されるレーザ光を前記母材溶融レーザ光及び前記ワイヤ溶融レーザ光に分けるレーザ光分岐機構が具備されている構成としている。 Furthermore, in the third aspect of the present invention, the laser head is provided with a laser beam branching mechanism that divides the laser beam supplied from the laser oscillator into the base material melting laser beam and the wire melting laser beam. It has a configuration.
さらにまた、本発明の第４の態様において、前記レーザ光分岐機構は、前記レーザ発振器から送給されるレーザ光の一部を前記ワイヤ溶融レーザ光として反射しそれ以外を前記母材溶融レーザ光として透過するビームスプリッターを具備している構成としている。 Furthermore, in the fourth aspect of the present invention, the laser beam branching mechanism reflects a part of the laser beam sent from the laser oscillator as the wire melting laser beam, and the rest reflects the base material melting laser beam. It is set as the structure which comprises the beam splitter which permeate | transmits as.
本発明に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置において、レーザ発振器には、ファイバレーザや半導体レーザの各発振器を用いるのが一般的であるが、これらのものに限定されない。 In the laser welding method and laser welding apparatus according to the present invention, it is common to use fiber laser or semiconductor laser oscillators as the laser oscillator, but the laser oscillator is not limited to these.
本発明に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置では、母材溶融レーザスポット及びワイヤ溶融レーザスポットの二つのレーザスポットのうちのワイヤ溶融レーザスポットが母材溶融レーザスポットよりも溶接方向後退側に並ぶようにしたうえで、母材を溶融する母材溶融レーザ光及びフィラーワイヤの先端部を溶融するワイヤ溶融レーザ光の二筋のレーザ光を突き合わせ部に沿って照射して、ワイヤ溶融レーザ光の照射に伴って突き合わせ部上を移動するワイヤ溶融側のレーザスポットにフィラーワイヤを送給すると、母材及びフィラーワイヤが互いに別のレーザ光で溶かされることとなる。 In the laser welding method and the laser welding apparatus according to the present invention, the wire melting laser spot of the two laser spots of the base metal melting laser spot and the wire melting laser spot is arranged closer to the welding direction backward side than the base metal melting laser spot. In addition, irradiation of the wire melting laser beam is performed by irradiating the laser beam of the base metal melting laser beam for melting the base material and the wire laser beam laser beam for melting the tip of the filler wire along the abutting portion. Accordingly, when the filler wire is fed to the laser spot on the wire melting side that moves on the abutting portion, the base material and the filler wire are melted by different laser beams.
この際、溶接条件である母材同士の突き合わせ部のギャップ量，フィラーワイヤの送給速度及び溶接速度に応じて、母材溶融レーザ光及びワイヤ溶融レーザ光の各出力と、突き合わせ部上における母材溶融レーザスポット及びワイヤ溶融レーザスポットの相互間隔と、両レーザスポットの各スポット径とをそれぞれ調整すると、母材同士の突き合わせ部及びフィラーワイヤが常に過不足なく溶融して、低入熱の溶接を高能率で行い得ることとなり、その結果、溶接時間の短縮を図ったうえで、母材の変形のない良好な溶接部が得られることとなる。 At this time, each output of the base metal melting laser beam and the wire melting laser beam and the base material on the butt portion according to the gap amount of the butt portion between the base materials, which is a welding condition, the feeding speed of the filler wire, and the welding speed are determined. By adjusting the distance between the material melting laser spot and the wire melting laser spot and the spot diameter of both laser spots, the butt portion of the base metal and filler wire always melt without excess and deficiency, and welding with low heat input As a result, it is possible to obtain a good weld without deformation of the base material after shortening the welding time.
加えて、母材溶融レーザ光及びワイヤ溶融レーザ光の各レーザスポットを母材同士の突き合わせ部に沿う方向で且つ突き合わせ部を横切る方向にも並ぶようにすると、すなわち、母材同士の突き合わせ部に対して二つのレーザスポットが斜めに並ぶようにすると、母材の溶け込み幅が広がることになるので、母材の溶け込み量を確保しつつ安定したフィラーワイヤの送給が成されることとなり、したがって、ギャップ裕度の拡大が図られることとなる。 In addition, if the laser spots of the base metal melting laser beam and the wire melting laser beam are aligned in the direction along the abutting portion between the base materials and also in the direction crossing the abutting portion, that is, in the abutting portion between the base materials. On the other hand, if the two laser spots are arranged obliquely, the penetration width of the base material will be widened, so that a stable filler wire feed will be achieved while ensuring the amount of penetration of the base material. The gap margin will be expanded.
また、レーザヘッドに、レーザ発振器から送給されるレーザ光を母材溶融レーザ光及びワイヤ溶融レーザ光に分けるレーザ光分岐機構を具備した構成とすると、一つのレーザ発振器で済む分だけ、装置コストの低減が図られることとなる。 Also, if the laser head is equipped with a laser beam branching mechanism that divides the laser beam sent from the laser oscillator into the base metal melting laser beam and the wire melting laser beam, the cost of the apparatus is as much as one laser oscillator is sufficient. Is reduced.
そして、レーザ光分岐機構として、レーザ発振器から送給されるレーザ光の一部を前記ワイヤ溶融レーザ光として反射しそれ以外を前記母材溶融レーザ光として透過するビームスプリッターを具備した機構を採用すると、レーザ光分岐機構の構造が簡略なものとなり、より一層の装置コストの低減が図られることとなる。 And, as a laser beam branching mechanism, a mechanism comprising a beam splitter that reflects a part of the laser beam sent from the laser oscillator as the wire melting laser beam and transmits the other as the base material melting laser beam is adopted. Thus, the structure of the laser beam branching mechanism is simplified, and the apparatus cost can be further reduced.
本発明に係るレーザ溶接方法によれば、母材に歪や反り等の変形を生じさせることなく、低入熱で且つ高能率の溶接を行うことが可能であると共に、ギャップ裕度の拡大を実現することができ、加えて、母材及びフィラーワイヤを常に過不足なく溶融させることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。 According to the laser welding method of the present invention, it is possible to perform welding with low heat input and high efficiency without causing deformation such as distortion and warpage in the base material, and increase the gap tolerance. In addition, the excellent effect that the base material and the filler wire can always be melted without excess or deficiency is obtained.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention.
図１に概略的に示すように、このレーザ溶接装置１は、クレーンのブームや橋梁の梁等の大型構造物の突き合わせ溶接に好適なレーザ溶接装置１であって、レーザ発振器２と、光学系１０を内蔵したレーザヘッド４と、このレーザヘッド４を母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡに沿って移動させる駆動部５と、突き合わせ部ＷＡ上にフィラーワイヤＦを送給するフィラーワイヤ送給部６を備えている。レーザヘッド４は、レーザ発振器２から光ファイバ３を介して送給されるレーザ光を光学系１０によって集光して母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡ上に母材Ｗを溶融する母材溶融レーザ光Ｌｗとして照射するようになっている。 As schematically shown in FIG. 1, a laser welding apparatus 1 is a laser welding apparatus 1 suitable for butt welding of a large structure such as a crane boom or a bridge beam, and includes a laser oscillator 2 and an optical system. , A laser head 4 incorporating 10, a drive unit 5 that moves the laser head 4 along the abutting portion WA between the base materials W and W, and a filler wire feeding that feeds a filler wire F onto the abutting portion WA Part 6 is provided. The laser head 4 condenses the laser beam sent from the laser oscillator 2 through the optical fiber 3 by the optical system 10 and melts the base material W on the butt portion WA between the base materials W and W. Irradiation is performed as molten laser light Lw.
この場合、レーザヘッド４に内蔵した光学系１０はレーザ光分岐機構としてあり、図２にも示すように、レーザ発振器２から送給されるレーザ光Ｌの一部を反射しそれ以外を透過するビームスプリッター１１と、このビームスプリッター１１を透過するレーザ光Ｌ１を集光して上記した母材溶融レーザ光Ｌｗとして母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡ上に照射する集光レンズ１２と、ビームスプリッター１１で反射されたレーザ光Ｌ２を母材Ｗ，Ｗ側に折り返す折り返しミラー１３と、この折り返しミラー１３で折り返されたレーザ光Ｌ３を集光してフィラーワイヤＦの先端部を溶融するワイヤ溶融レーザ光Ｌｆとして突き合わせ部ＷＡ上に照射する集光レンズ１４を具備している。 In this case, the optical system 10 built in the laser head 4 serves as a laser beam branching mechanism, and reflects a part of the laser beam L sent from the laser oscillator 2 and transmits the others as shown in FIG. A beam splitter 11, a condensing lens 12 that condenses the laser light L 1 that passes through the beam splitter 11, and irradiates it on the abutting portion WA between the base materials W and W as the base material melted laser light Lw; Folding mirror 13 that folds the laser beam L2 reflected by the splitter 11 toward the base materials W and W, and the wire melting that condenses the laser beam L3 folded by the fold mirror 13 and melts the tip of the filler wire F. A condensing lens 14 that irradiates the butted portion WA as the laser beam Lf is provided.
集光レンズ１２から照射される母材溶融レーザ光Ｌｗの突き合わせ部ＷＡ上における母材溶融レーザスポットＳｗと、集光レンズ１４から照射されるワイヤ溶融レーザ光Ｌｆの突き合わせ部ＷＡ上におけるワイヤ溶融レーザスポットＳｆとは、突き合わせ部ＷＡに沿う方向に互いに並ぶように設定されており、母材溶融レーザスポットＳｗがワイヤ溶融レーザスポットＳｆの溶接方向進行側に位置するように設定されている。 The base metal melting laser spot Sw on the abutting portion WA of the base material melting laser beam Lw irradiated from the condensing lens 12 and the wire melting laser on the abutting portion WA of the wire melting laser beam Lf irradiated from the condensing lens 14. The spots Sf are set so as to be aligned with each other in the direction along the abutting portion WA, and the base metal melting laser spot Sw is set so as to be positioned on the traveling side in the welding direction of the wire melting laser spot Sf.
また、このレーザ溶接装置１は、図３に示すように、母材溶融レーザ光Ｌｗ及びワイヤ溶融レーザ光Ｌｆの各出力と、母材溶融レーザスポットＳｗ及びワイヤ溶融レーザスポットＳｆの相互間隔ｄと、両レーザスポットＳｗ，Ｓｆの突き合わせ部ＷＡ上における各スポット径φｗ，φｆとを調整する制御部７を備えており、この制御部７では、溶接条件である母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡのギャップ量Ｇ，フィラーワイヤＦの送給速度及び溶接速度に応じてそれぞれ調整するようになっている。 In addition, as shown in FIG. 3, the laser welding apparatus 1 includes outputs of the base metal melting laser beam Lw and the wire melting laser beam Lf, and an interval d between the base metal melting laser spot Sw and the wire melting laser spot Sf. The control unit 7 is provided for adjusting the spot diameters φw and φf on the abutting portion WA of the laser spots Sw and Sf. In the control unit 7, the abutting portion between the base materials W and W which are welding conditions is provided. Adjustment is made according to the gap amount G of the WA, the feeding speed of the filler wire F, and the welding speed.
このように構成されたレーザ溶接装置１を用いて大型構造物の突き合わせ溶接を行うに際しては、まず、制御部７に対して溶接条件である母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡのギャップ量Ｇ，フィラーワイヤＦの送給速度及び溶接速度を入力する。 When performing butt welding of a large structure using the laser welding apparatus 1 configured as described above, first, the gap amount G of the butt portion WA between the base materials W and W, which is a welding condition, with respect to the control unit 7. , The feeding speed and the welding speed of the filler wire F are input.
制御部７において、この入力された溶接条件に対応する最適な溶接施工条件、すなわち、母材溶融レーザ光Ｌｗ及びワイヤ溶融レーザ光Ｌｆの各出力と、母材溶融レーザスポットＳｗ及びワイヤ溶融レーザスポットＳｆの相互間隔ｄと、両レーザスポットＳｗ，Ｓｆの突き合わせ部ＷＡ上における各スポット径φｗ，φｆとが決定される。 In the control unit 7, the optimum welding conditions corresponding to the input welding conditions, that is, the respective outputs of the base metal melting laser beam Lw and the wire melting laser beam Lf, the base material melting laser spot Sw, and the wire melting laser spot The mutual distance d of Sf and the spot diameters φw and φf on the butted portion WA of both laser spots Sw and Sf are determined.
この後、上述のように決定されたレーザ出力で母材溶融レーザ光Ｌｗ及びワイヤ溶融レーザ光Ｌｆの二筋のレーザ光をギャップ量Ｇの母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡに対してそれぞれ照射する。 Thereafter, the base metal melting laser beam Lw and the wire melting laser beam Lf with the laser output determined as described above are applied to the base material W of the gap amount G and the butting portion WA between the W materials W, respectively. Irradiate.
これと同時に、二筋のレーザ光Ｌｗ，Ｌｆの照射によって突き合わせ部ＷＡ上において間隔ｄで並ぶスポット径φｗの母材溶融レーザスポットＳｗと、この母材溶融レーザスポットＳｗよりも溶接方向後退側に位置するスポット径φｆのワイヤ溶融レーザスポットＳｆとを設定された溶接速度で移動させる。 At the same time, the base metal melting laser spot Sw having the spot diameter φw arranged at the interval d on the butt portion WA by irradiation of the two laser beams Lw and Lf, and on the rear side in the welding direction from the base metal melting laser spot Sw. The wire melting laser spot Sf having the spot diameter φf is moved at a set welding speed.
そして、突き合わせ部ＷＡ上を移動するワイヤ溶融側のレーザスポットＳｆにフィラーワイヤＦを設定された送給速度で送給すると、母材Ｗ，Ｗ及びフィラーワイヤＦが互いに別の母材溶融レーザ光Ｌｗ及びワイヤ溶融レーザ光Ｌｆで溶かされることとなる。 When the filler wire F is fed to the laser spot Sf on the wire melting side moving on the abutting portion WA at a set feeding speed, the base materials W and W and the filler wire F are separated from each other. It is melted by Lw and the wire melting laser beam Lf.
このとき、溶接条件である母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡのギャップ量Ｇ，フィラーワイヤＦの送給速度及び溶接速度に基づいて、最適な溶接施工条件である母材溶融レーザ光Ｌｗ及びワイヤ溶融レーザ光Ｌｆの各出力と、母材溶融レーザスポットＳｗ及びワイヤ溶融レーザスポットＳｆの相互間隔ｄと、両レーザスポットＳｗ，Ｓｆの突き合わせ部ＷＡ上における各スポット径φｗ，φｆの各調整が制御部７において成されているので、母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡ及びフィラーワイヤＦがいずれも常に過不足なく溶融して、低入熱の溶接が高能率で行われることとなり、その結果、溶接時間の短縮を図ったうえで、母材Ｗ，Ｗの変形のない良好な溶接部Ｂが得られることとなる。 At this time, based on the base material W, which is the welding condition, the gap amount G of the butted portion WA between the W, the feeding speed of the filler wire F, and the welding speed, the base material melting laser beam Lw, which is the optimal welding condition, Each adjustment of each output of the wire melting laser beam Lf, the mutual space d between the base metal melting laser spot Sw and the wire melting laser spot Sf, and the respective spot diameters φw and φf on the abutting portion WA of both the laser spots Sw and Sf Since it is made in the control part 7, both the butting parts WA of the base materials W and W and the filler wire F are always melted without excess and deficiency, and welding with low heat input is performed with high efficiency. As a result, after shortening the welding time, a good weld B without deformation of the base materials W and W can be obtained.
ここで、母材溶融レーザ光Ｌｗ及びワイヤ溶融レーザ光Ｌｆの各レーザスポットＳｗ，Ｓｆを母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡに沿う方向で且つ突き合わせ部ＷＡを横切る方向にも並ぶようにすると、すなわち、図４に示すように、母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡに対して二つのレーザスポットＳｗ，Ｓｆが斜めに並ぶようにすると、母材Ｗの溶け込み幅Ｈが広がることになるので、母材Ｗの溶け込み量を確保しつつ安定したフィラーワイヤＦの送給が成されることとなり、したがって、ギャップ裕度の拡大が図られることとなる。 Here, the laser spots Sw and Sf of the base metal melting laser beam Lw and the wire melting laser beam Lf are aligned in the direction along the butting portion WA between the base materials W and W and in the direction crossing the butting portion WA. That is, as shown in FIG. 4, when the two laser spots Sw and Sf are arranged obliquely with respect to the abutting portion WA between the base materials W and W, the penetration width H of the base material W increases. As a result, the filler wire F is stably fed while ensuring the amount of penetration of the base material W, and therefore the gap margin is increased.
この実施例に係るレーザ溶接装置１では、レーザ発振器２から送給されるレーザ光Ｌを母材溶融レーザ光Ｌｗ及びワイヤ溶融レーザ光Ｌｆに分けるレーザ光分岐機構を光学系１０としてレーザヘッド４に内蔵しているので、一つのレーザ発振器２で済む分だけ、装置コストの低減が図られることとなる。 In the laser welding apparatus 1 according to this embodiment, a laser beam branching mechanism that divides the laser beam L fed from the laser oscillator 2 into the base metal melting laser beam Lw and the wire melting laser beam Lf is used as the optical system 10 in the laser head 4. Since it is built-in, the cost of the apparatus can be reduced as much as one laser oscillator 2 is sufficient.
また、この実施例に係るレーザ溶接装置１では、レーザ光分岐機構として、レーザ発振器２から送給されるレーザ光ｌの一部をワイヤ溶融レーザ光Ｌｆとして反射しそれ以外を母材溶融レーザ光Ｌｗとして透過するビームスプリッターを具備した機構を採用しているので、レーザ光分岐機構の構造が簡略なものとなり、より一層の装置コストの低減が図られることとなる。 Further, in the laser welding apparatus 1 according to this embodiment, as the laser beam branching mechanism, a part of the laser beam l sent from the laser oscillator 2 is reflected as the wire melting laser beam Lf, and the other part is the base material melting laser beam. Since a mechanism including a beam splitter that transmits light as Lw is employed, the structure of the laser beam branching mechanism is simplified, and the apparatus cost can be further reduced.
そこで、この実施例に係るレーザ溶接装置１の効果を確かめるために、以下の試験を行った。
まず、図５（ａ）に示すように、ＨＴ５９０鋼（高張力鋼）から成る長さl×幅w ×厚みtが 500(mm)×300(mm)×3.2(mm)の平板状の母材Ｗ，Ｗを用意し、これらの母材Ｗ，Ｗの側面同士を突き合わせて各々の端部間を溶接により仮付けして仮溶接部Ｂｓとした。この際、母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡはＩ形開先であり、そのギャップ量Ｇを1(mm)とし、フィラーワイヤＦには、薄板の溶接に適したＹＭ−５０ＤＭを用いることとした。
Therefore, in order to confirm the effect of the laser welding apparatus 1 according to this example, the following test was performed.
First, as shown in FIG. 5 (a), a flat-shaped mother made of HT590 steel (high-tensile steel) of length l × width w × thickness 500 (mm) × 300 (mm) × 3.2 (mm) Materials W and W were prepared, the side surfaces of these base materials W and W were brought into contact with each other, and the respective end portions were temporarily attached by welding to form a temporary welded portion Bs. At this time, the abutting portion WA between the base materials W and W is an I-shaped groove, the gap amount G is set to 1 (mm), and the filler wire F is made of YM-50DM suitable for thin plate welding. It was.
次に、上記ギャップ量Ｇの他に溶接条件として溶接速度を0.5(m/min)に設定すると共に、フィラーワイヤＦの送給速度を2.0(m/min)に設定するのに続いて、これらの溶接条件に基づいて、最適な溶接施工条件である母材溶融レーザ光Ｌｗ及びワイヤ溶融レーザ光Ｌｆの各出力をそれぞれ3.5(kW)に調整した。 Next, in addition to the gap amount G, the welding speed is set to 0.5 (m / min) as a welding condition, and the feeding speed of the filler wire F is set to 2.0 (m / min). Based on the welding conditions, the respective outputs of the base metal melting laser beam Lw and the wire melting laser beam Lf, which are optimum welding conditions, were adjusted to 3.5 (kW).
同じく最適な溶接施工条件である母材溶融レーザスポットＳｗ及びワイヤ溶融レーザスポットＳｆの相互間隔ｄ及び両レーザスポットＳｗ，Ｓｆの突き合わせ部ＷＡ上における各スポット径φｗ，φｆをそれぞれ調整した。 Similarly, the mutual welding distance d between the base metal melting laser spot Sw and the wire melting laser spot Sf and the respective spot diameters φw and φf on the abutting portion WA between the laser spots Sw and Sf, which are optimum welding conditions, were adjusted.
この際、先行する母材溶融レーザ光Ｌｗの母材溶融レーザスポットＳｗのスポット径φｗを小さくすることで、エネルギー密度を上げて高能率での母材溶融を図り、後行のワイヤ溶融レーザ光Ｌｆにおけるワイヤ溶融レーザスポットＳｆのスポット径φｆを大きくすることで、フィラーワイヤＦを安定して溶融させてギャップ裕度のより一層の拡大及び高品質な溶接施工を実現する。そして、二つのレーザスポットＳｗ，Ｓｆをそれぞれ独立させて機能させるために、両レーザスポットＳｗ，Ｓｆの間隔ｄを大き目(1〜3(mm) 程度)に設定する。 At this time, by reducing the spot diameter φw of the base material melting laser spot Sw of the preceding base material melting laser beam Lw, the energy density is increased to achieve high efficiency base material melting, and the subsequent wire melting laser beam By increasing the spot diameter φf of the wire melting laser spot Sf at Lf, the filler wire F is stably melted to realize further expansion of the gap margin and high-quality welding. Then, in order to cause the two laser spots Sw and Sf to function independently, the distance d between the laser spots Sw and Sf is set to be large (about 1 to 3 (mm)).
具体的には、上記溶接条件に基づいて、母材溶融レーザスポットＳｗ及びワイヤ溶融レーザスポットＳｆの相互間隔ｄを3(mm)に調整すると共に、両レーザスポットＳｗ，Ｓｆの突き合わせ部ＷＡ上における各スポット径φｗ，φｆをそれぞれ1(mm),2(mm)に調整した。 Specifically, based on the above welding conditions, the mutual distance d between the base metal melting laser spot Sw and the wire melting laser spot Sf is adjusted to 3 (mm), and both the laser spots Sw, Sf are on the butted portion WA. The spot diameters φw and φf were adjusted to 1 (mm) and 2 (mm), respectively.
また、図５（ｂ）に示すように、母材溶融レーザ光Ｌｗの母材溶融レーザスポットＳｗと、ワイヤ溶融レーザ光Ｌｆのワイヤ溶融レーザスポットＳｆとが突き合わせ部ＷＡに沿う方向に互いに並ぶようにし、且つ、母材溶融レーザスポットＳｗがワイヤ溶融レーザスポットＳｆの溶接方向進行側に位置するようにして、突き合わせ溶接を実施した（試験１）。 Further, as shown in FIG. 5B, the base metal melting laser spot Sw of the base metal melting laser beam Lw and the wire melting laser spot Sf of the wire melting laser beam Lf are aligned with each other in the direction along the abutting portion WA. In addition, butt welding was performed such that the base metal melting laser spot Sw was positioned on the traveling side of the wire melting laser spot Sf in the welding direction (Test 1).
比較のため、母材溶融レーザ光Ｌｗ及びワイヤ溶融レーザ光Ｌｆの各出力をそれぞれ4.0(kW)に調整して突き合わせ溶接を実施し（試験２）、さらに比較のため、フィラーワイヤＦの送給速度を1.5(m/min)に設定すると共に、これに対応して母材溶融レーザ光Ｌｗ及びワイヤ溶融レーザ光Ｌｆの各出力をそれぞれ4.0(kW)に調整して突き合わせ溶接を実施した（試験３）。 For comparison, each output of the base metal melting laser beam Lw and the wire melting laser beam Lf is adjusted to 4.0 (kW) and butt welding is performed (Test 2), and further, the filler wire F is fed for comparison. The speed was set to 1.5 (m / min), and butt welding was performed by adjusting each output of the base metal melting laser beam Lw and the wire melting laser beam Lf to 4.0 (kW) correspondingly (test) 3).
試験１〜３の各表ビード及び裏ビードの外観を図６に示し、試験１〜３の各突き合わせ部ＷＡの断面を図７に拡大して示す。 The external appearance of each front bead and back bead of Tests 1 to 3 is shown in FIG. 6, and the cross section of each butted portion WA of Tests 1 to 3 is enlarged and shown in FIG. 7.
図６に示すように、試験１〜３のいずれにおいても、表裏共にスパッタの少ない良好なビードが得られており、一方、図７に示すように、試験１〜３のいずれにおいても、溶け込み不良やブローホールの無い良好なビードが得られており、したがって、この実施例に係るレーザ溶接装置１では、母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡ及びフィラーワイヤＦがいずれも常に過不足なく溶融して低入熱の溶接が高能率で行われ、母材Ｗ，Ｗの変形のない良好な溶接部Ｂが得られることが実証できた。 As shown in FIG. 6, a good bead with less spatter was obtained on both the front and back sides in each of Tests 1 to 3, while poor penetration was found in any of Tests 1 to 3 as shown in FIG. Therefore, in the laser welding apparatus 1 according to this embodiment, the base material W, the butted portion WA between the Ws and the filler wire F are always melted without excess or deficiency. Thus, it has been proved that welding with low heat input is performed with high efficiency and a good weld B without deformation of the base materials W and W can be obtained.
また、この実施例に係るレーザ溶接装置１の更なる効果を確かめるべく、図８に示すように、レーザ光の照射角度を母材Ｗ，Ｗ同士の突き合わせ部ＷＡに沿う方向に対して45°傾けて二つのレーザスポットＳｗ，Ｓｆが斜めに並ぶようにして、試験１と同じ条件で突き合わせ溶接を実施した（試験４）。 Moreover, in order to confirm the further effect of the laser welding apparatus 1 according to this embodiment, as shown in FIG. 8, the irradiation angle of the laser beam is 45 ° with respect to the direction along the butt portion WA between the base materials W and W. Butt welding was performed under the same conditions as in Test 1 so that the two laser spots Sw and Sf were tilted and aligned obliquely (Test 4).
試験４の表ビードの外観を試験１の表ビードの外観と共に図９に示す。
図９に示すように、試験４では、試験１の母材Ｗの溶け込み幅Ｈ１と比べて母材Ｗの溶け込み幅Ｈ４が広がっており、これにより、母材Ｗの溶け込み量を確保しつつ安定したフィラーワイヤＦの送給が成され、ギャップ裕度の拡大が図られることが実証できた。
The appearance of the front bead of Test 4 is shown in FIG. 9 together with the appearance of the front bead of Test 1.
As shown in FIG. 9, in the test 4, the penetration width H4 of the base material W is wider than the penetration width H1 of the base material W of the test 1, and thereby stable while ensuring the penetration amount of the base material W. It was proved that the filler wire F was supplied and the gap tolerance was increased.
本発明に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。 The configurations of the laser welding method and the laser welding apparatus according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention.
１ レーザ溶接装置
２ レーザ発振器
４ レーザヘッド
５ 駆動部
６ フィラーワイヤ送給部
７ 制御部
１０ 光学系（レーザ光分岐機構）
１１ ビームスプリッター（レーザ光分岐機構）
ｄ 母材溶融レーザスポット及びワイヤ溶融レーザスポットの間隔
Ｆ フィラーワイヤ
Ｇ 突き合わせ部のギャップ量
Ｌ レーザ光
Ｌｆ ワイヤ溶融レーザ光
Ｌｗ 母材溶融レーザ光
Ｓｆ ワイヤ溶融レーザスポット
Ｓｗ 母材溶融レーザスポット
Ｗ 母材
ＷＡ 突き合わせ部
φｆ ワイヤ溶融レーザスポットのスポット径
φｗ 母材溶融レーザスポットのスポット径
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser welding apparatus 2 Laser oscillator 4 Laser head 5 Drive part 6 Filler wire feeding part 7 Control part 10 Optical system (laser beam branching mechanism)
11 Beam splitter (Laser beam splitting mechanism)
d Interval between base metal melting laser spot and wire melting laser spot F Filler wire G Gap gap amount L Laser beam Lf Wire melting laser beam Lw Base metal melting laser beam Sf Wire melting laser spot Sw Base metal melting laser spot W Base material WA Butting part φf Spot diameter of wire melting laser spot φw Spot diameter of base metal melting laser spot
Claims (4)
母材溶融レーザスポット及びワイヤ溶融レーザスポットの二つのレーザスポットのうちの前記ワイヤ溶融レーザスポットを前記母材溶融レーザスポットよりも溶接方向後退側に並べるべく、前記突き合わせ部に対して前記母材を溶融する母材溶融レーザ光及び前記フィラーワイヤの先端部を溶融するワイヤ溶融レーザ光の二筋のレーザ光を照射し、
前記母材溶融レーザ光及び前記ワイヤ溶融レーザ光の各出力と、前記母材溶融レーザスポット及び前記ワイヤ溶融レーザスポットの相互間隔と、前記母材溶融レーザスポット及び前記ワイヤ溶融レーザスポットの各スポット径とを溶接条件である前記母材同士の突き合わせ部のギャップ量，前記フィラーワイヤの送給速度及び溶接速度に応じてそれぞれ調整するレーザ溶接方法。 A laser welding method for joining the base materials by irradiating a laser beam along a butt portion between the base materials and feeding a filler wire to a laser spot that moves on the butt portion as the laser light is irradiated. Because
Of the two laser spots of the base metal melting laser spot and the wire melting laser spot, the base metal is arranged with respect to the abutting portion in order to arrange the wire melting laser spot on the backward side in the welding direction from the base metal melting laser spot. Irradiate two laser beams, a base metal melting laser beam to melt and a wire melting laser beam to melt the tip of the filler wire,
Respective outputs of the base metal melting laser beam and the wire melting laser beam, mutual intervals of the base material melting laser spot and the wire melting laser spot, and spot diameters of the base material melting laser spot and the wire melting laser spot Is adjusted according to the gap amount of the butt portion between the base materials, the feeding speed of the filler wire, and the welding speed, which are welding conditions.
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から送給されるレーザ光を前記突き合わせ部上に前記母材を溶融する母材溶融レーザ光として照射すると共に該母材溶融レーザ光の前記突き合わせ部上の母材溶融レーザスポットよりも溶接方向後退側にワイヤ溶融レーザスポットを並べるべく前記フィラーワイヤの先端部を溶融するワイヤ溶融レーザ光を照射するレーザヘッドと、
前記レーザヘッドを前記突き合わせ部に沿って移動させる駆動部と、
前記突き合わせ部上の前記ワイヤ溶融レーザ光のレーザスポットに前記フィラーワイヤを送給するフィラーワイヤ送給部と、
前記母材溶融レーザ光及び前記ワイヤ溶融レーザ光の各出力と、前記母材溶融レーザスポット及び前記ワイヤ溶融レーザスポットの相互間隔と、前記母材溶融レーザスポット及び前記ワイヤ溶融レーザスポットの各スポット径とを溶接条件である前記母材同士の突き合わせ部のギャップ量，前記フィラーワイヤの送給速度及び溶接速度に応じてそれぞれ調整する制御部を備えたレーザ溶接装置。 A laser welding apparatus that irradiates laser light along the abutting portion between the base materials and feeds a filler wire to a laser spot that moves on the abutting portion as the laser light is irradiated to join the base materials together Because
A laser oscillator;
The laser beam supplied from the laser oscillator is irradiated as a base material melting laser beam for melting the base material onto the butting portion, and the base material melting laser spot on the butting portion of the base material melting laser light is irradiated. A laser head for irradiating a wire melting laser beam that melts the tip of the filler wire so as to arrange a wire melting laser spot on the retreat side in the welding direction;
A drive unit for moving the laser head along the abutting unit;
A filler wire feeding unit that feeds the filler wire to a laser spot of the wire melting laser beam on the abutting portion;
Respective outputs of the base metal melting laser beam and the wire melting laser beam, mutual intervals of the base material melting laser spot and the wire melting laser spot, and spot diameters of the base material melting laser spot and the wire melting laser spot And a control unit that adjusts according to the gap amount of the abutting portion between the base materials, which is a welding condition, the feeding speed of the filler wire, and the welding speed.
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