JP2009039749A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した良好な溶接を容易に行なうレーザ加工装置を得ること。
【解決手段】加工ヘッドから出射するレーザ光１を板材２ａ，２ｂに照射して板材２ａ，２ｂ同士の溶接を行なうレーザ加工装置において、加工ヘッドは、レーザ光１を板材２ａ，２ｂの溶接位置に出射するとともに、板材２ａ，２ｂの溶接位置から空気を遮断するシールドガス５をレーザ光１の出射軸と同軸方向で板材２ａ，２ｂの溶接位置に吹き付ける内側加工ノズル３１と、内側加工ノズル３１の周縁部を囲うよう配設されて、板材２ａ，２ｂの溶接位置から空気を遮断するシールドガス６をレーザ光１の出射軸と同軸方向で板材２ａ，２ｂの溶接位置に吹き付ける外側加工ノズル３２と、を備え、第１のシールドガスの比重を、第２のシールドガスの比重よりも大きくする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レーザ光によって被加工物の溶接加工を行なうレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関するものである。

レーザ加工は、レーザ発振器から出力されるレーザ光をレンズなどの光学部品によって被加工物の加工面に集束させ、このとき被加工物の加工面で発生する高密度エネルギーを利用して被加工物の切断や溶接などを行う熱加工である。このレーザ加工を行なう際に用いるレーザ光は高密度エネルギーであるので、レーザ加工ではアーク溶接などと比較して被加工物の溶融や凝固の時間が短い。このため、レーザ加工はアーク溶接よりも加工速度が５〜１０倍以上速くなる。

レーザ加工によって例えばアルミニウムやアルミニウム合金からなる板材（以下、アルミニウム材という）を互いに高速で溶接すると、溶接部分（接合面）の深さ方向に気泡（ブローホール）などの溶接欠陥が生じ、その結果、溶接部分の強度が低下する。このため、アルミニウム材は、ＭＩＧ溶接（Metal Inert Gas Welding）やＴＩＧ溶接（Tungsten Innert Gas Welding）などの低速度溶接によって溶接を行っていた。レーザによるアルミニウム材の溶接時に発生するブローホールは、大気の巻き込み、アルミニウム材の表面の酸化膜、アルミニウム材の固液間での水素固溶度の差によって発生する。

このブローホールの発生を防いでレーザ溶接を行なう方法としては、加工ノズルの開口内円の第１ノズルにアルゴンガスあるいは窒素ガスを導入し、第１ノズルと同心円状に配設された開口外円の第２ノズルにヘリウムガスを導入したレーザ溶接方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−７９８４号公報

しかしながら、上記従来技術では、レーザ光の出射軸とシールドガスの出射軸が同軸でないため、レーザ光の出射方向とシールドガスの出射方向が異なり、曲線溶接や狭あいな部位への溶接が困難であるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した良好な溶接を容易に行なうレーザ加工装置およびレーザ加工方法を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、加工ヘッドから出射するレーザ光を被加工物に照射して前記被加工物同士の溶接を行なうレーザ加工装置において、前記加工ヘッドは、前記レーザ光を前記被加工物の溶接位置に出射するとともに、前記被加工物の溶接位置から空気を遮断する第１のシールドガスを前記レーザ光の出射軸と同軸方向で前記被加工物の溶接位置に吹き付ける内側加工ノズルと、前記内側加工ノズルの周縁部を囲うよう配設されて、前記被加工物の溶接位置から空気を遮断する第２のシールドガスを前記レーザ光の出射軸と同軸方向で前記被加工物の溶接位置に吹き付ける外側加工ノズルと、を備え、前記第１のシールドガスの比重は、前記第２のシールドガスの比重よりも大きいことを特徴とする。

この発明によれば、レーザ光の出射軸と同軸方向で被加工物の溶接位置に吹き付ける第１のシールドガスの比重が、第２のシールドガスの比重よりも大きいので、安定した良好な溶接を容易に行なうことが可能になるという効果を奏する。

以下に、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態
図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図であり、図２は、レーザ加工装置によるレーザ溶接を説明するための図である。レーザ加工装置１００は、レーザ光（図２に示すレーザ光１）を被加工物（図２に示す板材２ａ，２ｂ）に照射して被加工物のレーザ加工（溶接など）を行なう装置であり、制御装置１０、レーザ発振器１１、内側シールドガス供給部１２Ｘ、外側シールドガス供給部１２Ｙ、加工ヘッド３を有している。

レーザ発振器１１は、所定のタイミングで発振させたレーザ光１を加工ヘッド３に送る。加工ヘッド３は、レーザ発振器１１から送られてくるレーザ光１と、内側シールドガス供給部１２Ｘ、外側シールドガス供給部１２Ｙから送られてくる各シールドガスを板材２ａ，２ｂの接合面に照射して板材２ａ，２ｂの溶接などを行う。

加工ヘッド３は、概略円柱状をなしており、中心軸の周縁部（最内周）に配設される筒状の内側加工ノズル３１と、内側加工ノズル３１の周縁部（最外周）を囲うように配設される円環柱状の外側加工ノズル３２を備えている。換言すると、加工ヘッド３は、中央部と周辺部に分割され、中央部に内側加工ノズル３１を配設するとともに、周辺部に外側加工ノズル３２を配設している。内側加工ノズル３１と外側加工ノズル３２は、それぞれの中心軸がレーザ光の出射軸と一致するよう同軸方向に配設されており、内側加工ノズル３１と外側加工ノズル３２は、同軸の２重ノズルとなっている。

内側加工ノズル３１は、開口内円の吹出し側からレーザ光１と所定のシールドガス（溶接位置を空気から遮断するために用いるガス）を同軸方向に出射し、外側加工ノズル３２は、開口外円の吹出し側から所定のシールドガスを出射する。

内側シールドガス供給部１２Ｘは、内側加工ノズル３１に所定流量のシールドガスを供給し、外側シールドガス供給部１２Ｙは、外側加工ノズル３２に所定流量のシールドガスを供給する。

制御装置１０は、レーザ発振器１１、内側シールドガス供給部１２Ｘ、外側シールドガス供給部１２Ｙ、加工ヘッド３を制御する。本実施の形態では、制御装置１０が内側シールドガス供給部１２Ｘや外側シールドガス供給部１２Ｙから加工ヘッド３へ供給して板材２ａ，２ｂに吹き付けるガス流量を制御する。また、制御装置１０は、レーザ発振器１１のレーザ光１の発振タイミングなどを制御するとともに、加工ヘッド３の位置などを制御する。

つぎに、レーザ加工装置１００によるレーザ溶接について説明する。本実施の形態では、板材２ａ，２ｂがアルミニウムまたはアルミニウム合金であり、レーザ加工装置１００が、この複数の板材２ａと板材２ｂとを一度に突合せレーザ溶接する場合をレーザ加工の一例として説明する。

図２に示すように、加工ヘッド３からは、中央部の内側加工ノズル３１と、周辺部の外側加工ノズル３２とから２種類のシールドガスが噴出される。内側加工ノズル３１は、内側シールドガス供給部１２Ｘから供給されるシールドガス（第１のシールドガス）５を板材２ａ，２ｂの溶接位置に吹き付ける。外側加工ノズル３２は、外側シールドガス供給部１２Ｙから供給されるシールドガス（第２のシールドガス）６を板材２ａ，２ｂに吹き付ける。内側加工ノズル３１と外側加工ノズル３２から照射されたシールドガス５，６は、板材２ａ，２ｂの溶接金属部４やその近傍に供給される。溶接金属部４は、板材２ａ，２ｂを溶接する際に板材２ａ，２ｂを溶融させた部分であり、この溶接金属部４によって板材２ａと板材２ｂが接合される。

シールドガス５の板材２ａ，２ｂへの照射によって、溶接金属部４表面の酸化を防止できる。また、板材２ａ，２ｂを溶接する際に発生するプラズマを抑制して溶接金属部４表面を滑らかにすることが可能となる。また、シールドガス６の板材２ａ，２ｂへの照射によって、溶接金属部４の周辺から大気の巻き込みを防ぐことが可能となる。

本実施の形態では、流量や比重の異なるシールドガス５とシールドガス６とを板材２ａ，２ｂへ照射する。このように、アルミニウムやアルミニウム合金をレーザ溶接する場合、同心状に配設した内側加工ノズル３１と外側加工ノズル３２から、流量や比重の異なるシールドガスを供給することによって、溶接金属部４への大気の巻き込みを防ぐことができるので、ブローホールなどの溶接欠陥の発生を低減することが可能となる。

つぎに、板材２ａ，２ｂをレーザ溶接する際の、シールドガス５，６の種類と供給流量について説明する。図３は、板材をレーザ溶接する際の種々の溶接条件を示す図である。図３では、板材２ａ，２ｂをレーザ溶接する際の溶接条件（条件Ａ〜Ｊ）として、内側加工ノズル３１と外側加工ノズル３２から供給するシールドガス５，６の種類および供給流量を示している。

例えば、条件Ａでは、内側加工ノズル３１からアルゴンを毎分５リットル照射し、外側加工ノズル３２からはシールドガスを照射しない。また、条件Ｂでは、内側加工ノズル３１からアルゴンを毎分５リットル照射し、外側加工ノズル３２からはアルゴンを毎分２０リットル照射する。また、条件Ｃでは、内側加工ノズル３１からアルゴンを毎分５リットル照射し、外側加工ノズル３２からは窒素を毎分２０リットル照射する。

また、条件Ｄでは、内側加工ノズル３１からアルゴンを毎分１０リットル照射し、外側加工ノズル３２からはシールドガスを照射しない。また、条件Ｅでは、内側加工ノズル３１からアルゴンを毎分１０リットル照射し、外側加工ノズル３２からはアルゴンを毎分２０リットル照射する。また、条件Ｆでは、内側加工ノズル３１からアルゴンを毎分２０リットル照射し、外側加工ノズル３２からはシールドガスを照射しない。

また、条件Ｇでは、内側加工ノズル３１から窒素を毎分５リットル照射し、外側加工ノズル３２からはシールドガスを照射しない。また、条件Ｈでは、内側加工ノズル３１から窒素を毎分５リットル照射し、外側加工ノズル３２からはアルゴンを毎分２０リットル照射する。また、条件Ｉでは、内側加工ノズル３１から窒素を毎分５リットル照射し、外側加工ノズル３２からは窒素を毎分２０リットル照射する。また、条件Ｊでは、内側加工ノズル３１から窒素を毎分５リットル照射し、外側加工ノズル３２からはシールドガスを照射しない。

条件Ａ〜Ｊで板材２ａ，２ｂを溶接する際、板材２ａ，２ｂには例えば熱処理型アルミニウム合金（Ａ５０５２）を用いる。また、条件Ａ〜Ｊで板材２ａ，２ｂを溶接する際、レーザ加工装置１００は、例えばレーザ出力を２．５ｋＷの連続波（ＣＷ）とし、加工速度２ｍ／ｍｉｎで加工を行う。

条件Ａ〜Ｊで板材２ａ，２ｂを溶接を行った場合の溶接の良否について説明する。ここでは、以下の２つの評価項目に基づいて溶接の良否判定を行った場合の判定結果について説明する。

第１の評価項目は、溶接金属部４表面の凹凸の度合いである。この凹凸の度合いは、表面観察を行った領域での最大凹み量に基づいて算出する。板材２ａ，２ｂがアルミニウムやアルミニウム合金の場合の溶接では、溶接後に板材２ａ，２ｂの表面機械加工を行うので、溶接金属部４は必ず凸形状でなければならない。そのため、溶接金属部４が凸形状であるものを良好な溶接と判断する。

ここで、溶接金属部４の凹凸量の測定方法を図４〜６を用いて説明する。図４は、レーザ溶接した後の板材を示す図である。同図に示すように、溶接した後の板材２ａ，２ｂには、溶接の進行方向に沿った板材２ａと板材２ｂの境界面に溶接金属部４が存在する。

図５および図６は、図４に示した板材のｘ１−ｘ２断面図である。図５に示すように、板材２ａ，２ｂの表面に凹部があれば、最も凹みが大きい部分の凹み量ｈ１を求める。また、図６に示すように、板材２ａ，２ｂの表面に凹部が無ければ、最も凸になっている部分の高さｈ２を求める。

第２の評価項目は、単位長さあたりの溶接金属部４のブローホール発生個数である。本実施の形態では、シールドガス５，６の供給方法毎（加工条件毎）にブローホールの発生個数を数えて評価する。ブローホールの発生個数は、例えば溶接金属部４のＸ線透過写真を撮影することによって測定する。

図３に示した溶接条件に基づいて板材２ａ，２ｂを溶接した場合の、溶接金属部４の表面最大凹み量およびブローホール発生個数について説明する。図７および図８は、溶接金属部表面の最大凹み量とブローホールの発生個数の測定結果の一例を示す図である。

図７では、溶接金属部４表面の凹凸量（最大値）を条件Ａ〜Ｊ毎に示している。図７に示すように、表面が凸形状となるのは、条件Ｃおよび条件Ｈの場合である。したがって、表面を凸形状にするためには、内側加工ノズル３１からのシールドガス５の供給流量を５リットル／分以下にする必要がある。また外側加工ノズル３２からは内側加工ノズル３１から射出されるシールドガス５と異なる種類のシールドガス６を吹き付ける必要がある。内側加工ノズル３１からのシールドガス５の供給流量が多い場合、アルミニウム融液が押し下げられたりスパッタとして飛散したりするので、溶接金属部４表面の凹みが大きくなると考えられる。このため、内側加工ノズル３１からのシールドガス５の供給流量を少なくした場合に表面が凸形状となる。

図８では、シールドガス５，６の比重比（シールドガス６／シールドガス５）と、溶接金属部４内でのブローホール発生個数（総数）の関係を、条件Ｂ，Ｃ，Ｅ，Ｈ，Ｉ毎に示している。図８に示すブローホール発生個数は、従来の加工方法と同じである条件である条件Ｆ（内側加工ノズル３１のみからアルゴンを毎分２０リットル射出する場合）でのブローホール発生個数を１００として、他の条件でのブローホールの発生個数を規格化したものである。条件Ｆよりもブローホールの発生個数が減少しているのは、条件Ｃ，Ｂ，Ｅ，Ｉの場合である。

また、内側加工ノズル３１のみからシールドガス５を射出する条件Ａ，Ｄ，Ｇ，Ｊは、条件Ｆとほぼ同等のブローホールの個数である。このため、ブローホールの発生個数を低減させるためには、２重シールドガスを用いるとともに、内側加工ノズル３１からアルゴンガスを射出させ、外側加工ノズル３２からは内側加工ノズル３１と同等または比重の小さな窒素を射出させる。さらに、内側加工ノズル３１から射出させるシールドガス５のガス流量を毎分５リットル以下とする。

図７および図８の測定結果から、条件Ａ〜Ｊの何れかで板材２ａ，２ｂを溶接する場合、最も適切な溶接条件は条件Ｃである。したがって、本実施の形態では、レーザ加工装置１００は、例えば条件Ｃを用いて板材２ａ，２ｂの溶接を行う。

つぎに、内側加工ノズル３１と外側加工ノズル３２の内径について説明する。図９は、外側加工ノズル３２の内径を変化させた場合のブローホール発生個数の変化を示す図である。図９では、条件Ｃによって板材２ａ，２ｂを溶接する場合の、外側加工ノズル３２の内径とブローホール発生個数の関係を示している。図９に示すブローホール発生個数は、図８の場合と同様に、条件Ｆでのブローホール発生個数を１００として、他の条件でのブローホールの発生個数を規格化している。図９に示すように、ブローホールの発生個数を低減させるためには、内側加工ノズル３１よりも大きな内径の外側加工ノズル３２を用いればよく、内径比（外側加工ノズル３２の内径／内側加工ノズル３１の内径）が大きいほどその効果も大きくなる。

このため、本実施の形態では、ブローホールの発生個数を少なくしてレーザ溶接の品質を向上させるために、外側加工ノズル３２の内径を内側加工ノズル３１の内径よりも大きくしておく。内側加工ノズル３１の内径と外側加工ノズル３２の内径の比は、要求されるレーザ溶接の品質に応じて変更してもよい。例えば、ブローホールの発生個数を少なくしたい場合には、外側加工ノズル３２の内径を内側加工ノズル３１の内径の４．５倍にする。

なお、本実施の形態では、アルミニウムやアルミニウム合金の板材２ａ，２ｂに対する突合せレーザ溶接を行う場合について説明したが、レーザ加工装置１００は、大気の巻き込みによるブローホールの発生が懸念される他の材料や、重ね合わせ溶接等の他の溶接を行ってもよい。換言すると、板材２ａ，２ｂを溶接する場合には、２重ノズルによるシールドガス供給を行えばよく、シールドガスの種類や供給方法は条件Ｃ以外の条件であってもよい。例えば、シールドガス５，６にヘリウムや二酸化炭素などを用いてもよい。また、シールドガス５，６にアルゴン、窒素、ヘリウム、二酸化炭素などの混合ガスを用いてもよい。これにより、シールドガスの特殊な供給ノズルを用いること無く、内側加工ノズル３１と外側加工ノズル３２によるシールドガスの供給によって良好なレーザ溶接を行なうことが可能となる。

このように実施の形態によれば、レーザ光１の出射軸とシールドガスの出射軸が同軸であるので、レーザ光１の出射方向とシールドガスの出射方向が同じになり、曲線溶接や狭あいな部位への溶接を容易に行うこと可能となる。したがって、板材２ａ，２ｂの安定した良好な溶接を容易に行なうことが可能となる。

また、外側加工ノズル３２から出射するシールドガス６の比重が内側加工ノズル３１から出射するシールドガス５の比重よりも小さなシールドガス５，６を用いて板材２ａ，２ｂを溶接しているので、溶接金属部４表面の凹みが少なくブローホールの発生個数が少ない溶接を行うことが可能となる。

また、シールドガス５のガス流量を毎分５リットル以下とすることによって、少ないシールドガス５の量で、効率良くブローホールの発生を抑制することが可能となる。また、シールドガス５をアルゴンガスとし、シールドガス６を窒素ガスとすることによって効率良くブローホールの発生を抑制することが可能となる。したがって、板材２ａ，２ｂがアルミニウムやアルミニウム合金からなる板材の場合であっても、効率良くブローホールの発生を抑制することが可能となる。

以上のように、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、レーザ光による被加工物の溶接加工に適している。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 レーザ加工装置によるレーザ溶接を説明するための図である。 板材をレーザ溶接する際の種々の溶接条件を示す図である。 レーザ溶接した後の板材を示す図である。 図４に示した板材のｘ１−ｘ２断面図（１）である。 図４に示した板材のｘ１−ｘ２断面図（２）である。 溶接金属部表面の最大凹み量を溶接条件毎に測定した結果を示す図である。 ブローホールの発生個数を溶接条件毎に測定した結果を示す図である。 外側加工ノズルと内側加工ノズルとの内径比を変化させた場合のブローホール発生個数の変化を示す図である。

符号の説明

１ レーザ光
２ａ，２ｂ 板材
３ 加工ヘッド
４ 溶接金属部
５，６ シールドガス
１０ 制御装置
１１ レーザ発振器
１２Ｙ 外側シールドガス供給部
１２Ｘ 内側シールドガス供給部
３１ 内側加工ノズル
３２ 外側加工ノズル
１００ レーザ加工装置

Claims (4)

1. 加工ヘッドから出射するレーザ光を被加工物に照射して前記被加工物同士の溶接を行なうレーザ加工装置において、
   前記加工ヘッドは、
   前記レーザ光を前記被加工物の溶接位置に出射するとともに、前記被加工物の溶接位置から空気を遮断する第１のシールドガスを前記レーザ光の出射軸と同軸方向で前記被加工物の溶接位置に吹き付ける内側加工ノズルと、
   前記内側加工ノズルの周縁部を囲うよう配設されて、前記被加工物の溶接位置から空気を遮断する第２のシールドガスを前記レーザ光の出射軸と同軸方向で前記被加工物の溶接位置に吹き付ける外側加工ノズルと、
   を備え、
   前記第１のシールドガスの比重は、前記第２のシールドガスの比重よりも大きいことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記内側加工ノズルから前記被加工物の溶接位置に吹き付ける前記第１のシールドガスの流量は、毎分５リットル以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記第１のシールドガスはアルゴンガスであり、かつ前記第２のシールドガスは窒素ガスであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 加工ヘッドから出射するレーザ光を被加工物に照射して前記被加工物同士の溶接を行なうレーザ加工方法において、
   前記レーザ光を前記被加工物の溶接位置に出射する際に、前記被加工物の溶接位置から空気を遮断する第１のシールドガスを前記レーザ光の出射軸と同軸方向に配設される内側加工ノズルから前記被加工物の溶接位置に吹き付けるとともに、前記被加工物の溶接位置から空気を遮断する第２のシールドガスを前記内側加工ノズルの周縁部を囲うよう配設される外側加工ノズルから前記レーザ光の出射軸と同軸方向で前記被加工物の溶接位置に吹き付けるステップを含み、
   前記第１のシールドガスの比重は、前記第２のシールドガスの比重よりも大きいことを特徴とするレーザ加工方法。

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