JP2803571B2 - レーザ溶接管製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ溶接管製造装置の
改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接は他の溶接方法と比べて熱源
のエネルギ密度が高いため溶込みが深く高速溶接が可能
であり、また総入熱量を少なくできるため溶接部の性能
も良好である。このため、鋼管の溶接法としても注目さ
れ、適用が進められている。また、上記レーザ溶接法に
高周波予熱を付加して更なる高速化を図る技術も提案
（特開昭５６−１６８９８１号等）されている。同号公
報の第３図によればワークの流れに沿ってフィンパスロ
ールＦＲ，ＦＲ、ワークコイルＷ、ＴＩＧ溶接ヘッド
（又はレーザトーチ）Ｔ、スクイズロールＳＲ，ＳＲを
配置し、フィンパスロールＦＲ，ＦＲで未溶接管Ｐを成
形し、ワークコイルＷで高周波加熱による予熱を施し、
スクイズロールＳＲ，ＳＲで被溶接部を突合せ、ＴＩＧ
溶接ヘッド（又はレーザトーチ）Ｔで被溶接部を溶接す
るというものである。

【０００３】上記例ではレーザトーチＴをスクイズロー
ルＳＲ，ＳＲからかなり離れた位置に配置している。し
かし、スクイズロールＳＲ，ＳＲから離れるほど、被溶
接部の突合せ状態は悪くなる恐れがある。特に、エネル
ギ密度の高いレーザ溶接においては、レーザビームが母
材にキーホールと称する貫通孔を形成する関係上、良好
な突合せ状態で溶接を実施する必要がある。そこで、レ
ーザトーチを一対のスクイズロールの間に配置すること
が望まれる。

【０００４】図８は従来のレーザ溶接管製造装置の断面
図であり、管状に成形された管属帯Ｗは矢印方向に水平
に移動し、図面表裏方向に配置された一対のスクイズロ
ール１０２，１０２で挟持され、レーザトーチ１０３で
溶接される。レーザトーチ１０３は筺体１０４にベンデ
ィングミラー１０５，集光ミラー１０６を収納し、図示
せぬレーザ発振器（図１の符号１１参照）から発せられ
たレーザ光１０７を光路管１０８を介して導入し、ベン
ディングミラー１０５で反転し、集光ミラー１０６で再
反転するとともに絞り込んで被溶接部へ照射する。

【０００５】レーザ光は波長１０．６μｍの炭酸ガスレ
ーザビームであり、ミラーの焦点距離ｆとスポット径ｄ
との間に次式の関係が成り立つ。

【０００６】

【数１】

【０００７】最適スポット径ｄを維持するためには、π
及びλが一定であるために、（ｆ／ω）を一定に保つこ
とが重要である。

【０００８】図９は図８の正面断面図であり、レーザ溶
接の対象となる厚肉の金属帯Ｗは曲げ成形不十分のため
に被溶接部Ｗ１の突合せ形状が悪くなるこたがある。ス
クイズロール１０２，１０２の上部フランジ１０２ａを
大径化して、上部フランジ１０２ａのエッジを被溶接部
Ｗ１付近まで張出す手法も考えられるが、金属帯Ｗが大
径管の場合、スクイズロール１０２の幅方向周速差（上
部フランジ１０２ａ／小径部１０２ｃ／下部フランジ１
０２ｂ相互の周速差）が大きくなるために金属帯Ｗに疵
が付きやすい。そこで、スクイズロール１０２の負担を
軽減する目的でトップロールを設ける手法がある。

【０００９】図１０は従来のトップロール付きレーザ溶
接管製造装置の原理図であり、張出し量の小さな（即ち
上部・下部フランジが小径の）スクイズロール１１１，
１１１と、ボトムロール１１２と、トップロール１１
３，１１３と、レーザトーチ１０３とからなる。トップ
ロール１１３，１１３で被溶接部Ｗ１を上から抑えるこ
とができるので上記問題が解決できるというものであ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１０におい
てレーザビーム１０７との干渉を避けるために、トップ
ロール１１３，１１３をＶ字形に配置する必要があり、
しかもレーザ溶接の熱を避けるためにトップロール１１
３，１１３を被溶接部Ｗ１からある程度スクイズロール
１１１，１１１側へ寄せなければならず、トップロール
１１３，１１３の配置は容易でない。または、トップロ
ール１１３，１１３との干渉を避けるためにレーザトー
チ１０３を図のように上げなければならず、上げると前
記ミラーの焦点距離ｆが保てなくなり、結果としてスポ
ット径ｄは適正値より大きくなり、エネルギ密度の集中
化が図れないという問題がある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は左
右のスクイズロール間にレーザトーチを置いたレーザ溶
接管製造装置において、トップロールをある程度レーザ
トーチから離すことが出来るのではないかと知見し、種
々の実験を重ね、トープロールをレーザトーチの上流側
に設置することに成功した。

【００１２】具体的には管状に曲げ形成され、被溶接部
が上向きとされた金属帯を左右から挟持して前記被溶接
部を突合せる左右一対のスクイズロールと、これらスク
イズロールの間に下向きに取付けられ、前記被溶接部を
溶接するレーザトーチと、下記〜の条件を満足する
位置に取付けられ、前記被溶接部を上から抑えるトップ
ロールとからレーザ溶接管製造装置を構成する。 トップロールの位置： レーザトーチより上流側で且つトップロールがレーザ
トーチ又はレーザビームと干渉しない位置であること。 スクイズロールの中心からトップロールのロール軸ま
での距離が、スクイズロールの上部フランジの半径以下
であること。

【００１３】

【作用】管状に曲げ成形された金属帯の被溶接部をトッ
プロールで抑え、この状態で金属帯をスクイズロールに
受け渡し、スクイズロールの上部フランジで金属帯の上
部を抑えつつ、レーザトーチにて溶接をなす。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を添付図に基づいて以下に説
明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。図
１は本発明に係るレーザ溶接管製造装置を備えたパイプ
圧延機の概略図であり、パイプ圧延機１は平板状の金属
帯Ｗを、徐々に管状に曲げ成形する設備であり、高速成
形するために、潤滑剤を使用している。このパイプ圧延
機１の出側に、レーザ溶接管製造装置１０を配置する。
１１はレーザ発振器、１２は光路管である。

【００１５】図２は本発明に係るレーザ溶接管製造装置
（第１実施例）の平面図であり、レーザ溶接管製造装置
１０は、管状に曲げ形成され、被溶接部Ｗ１が上向きと
された金属帯Ｗを左右から挟持して被溶接部Ｗ１を突合
せる左右一対のスクイズロール１３，１３と、これらス
クイズロール１３，１３の間に下向きに取付けられ、前
記被溶接部Ｗ１を溶接するレーザトーチ１４と、このレ
ーザトーチ１４より上流側に取付けられ、前記被溶接部
Ｗ１を上から抑えるトップロール１５，１５とからなる

【００１６】なお、前記トップロール１５は、スクイズ
ロール１３からあまり離れると効果が無くなるので、以
下の範囲に配置する。スクイズロール１３の上部フラン
ジ１３ａの半径をＲｔ、スクイズロール１３の中心から
トップロール１５のロール軸１５ａまでの距離をＬとし
た場合に、０＜Ｌ≦Ｒｔで且つ、レーザトーチ１４若し
くはレーザビームと干渉しない範囲にトップロール１
５，１５を配置する。

【００１７】図３は本発明に係るレーザ溶接管製造装置
（第１実施例）の正面図であり、左右のスクイズロール
１３，１３、トップロール１５，１５及びレーザビーム
１６の相対位置を示し、レーザビーム１６（及びレーザ
トーチ１４）と干渉する心配がないので、トップロール
１５，１５は被溶接部Ｗ１に十分近づけることができ
る。

【００１８】以上に述べたレーザ溶接管製造装置の作用
を次に説明する。図４はスクイズロール及びトップロー
ルの作用説明図であり、金属帯Ｗは被溶接部Ｗ１が想像
線で示す通りにやや開いた状態で送り込まれ、先ず最も
大径の下部フランジ１３ｂのコーナ１３ｄに当接し、次
にトップロール１５，１５で被溶接部Ｗ１が実線の通り
強制的に折り曲げられ、続いて上部フランジ１３ａのコ
ーナ１３ｃに当接する。その後、金属帯Ｗはスクイズロ
ール１３の小径部１３ｅに充満し、図３の状態で溶接が
なされる。

【００１９】即ち、トップロール１５，１５での押圧作
用が有効なうちに、上部フランジ１３ａのコーナ１３ｃ
で金属帯Ｗを抑えさせるというものであり、そのために
図２で示した通りトップロール１５のロール軸１５ａを
上部フランジ１３ａの半径Ｒ以内とした。

【００２０】次に、本発明装置と従来装置との比較実験
したのでその結果を説明する。表１は共通条件を示し、
設備の都合で大径管の実験が出来なかったので本実験で
は外径１０１．６ｍｍの炭素鋼を供試材（サンプル）と
した。

【００２１】

【表１】

【００２２】表２は、実施例１〜４（本発明に係る図２
の設備）、比較例１〜４（図８の従来の装置）及び比較
例５〜７（図１０の従来の装置）の実験条件及び結果を
まとめたものである。

【００２３】

【表２】

【００２４】実施例１；トップロール１５，１５を備え
た図２の設備で、被溶接部−集光レンズ間距離を４００
ｍｍとし、溶接速度を１ｍ／ｍｉｎ、出力４ｋＷとして
実験したところ、レーザビームは良好に「貫通」し、溶
接後の溶接部及び管の形状（仕上り形状）は良好「○」
であったので、評価は「○」である。 実施例２，３，４；実施例１に対して、溶接速度を３，
５，７ｍ／ｍｉｎ、出力１０，１７，２５ｋＷとして実
験したところ、レーザビームは良好に「貫通」し、溶接
後の溶接部及び管の形状（仕上り形状）は良好「○」で
あったので、評価は「○」である。 なお、上記実施例１〜４において、スクイズロールの上
部フランジの半径は１５０ｍｍであり、スクイズロール
の中心からトップロールのロール軸までの距離は１２５
ｍｍとした。

【００２５】比較例１；トップロールを備えない従来の
設備で、焦点距離を４００ｍｍとし、溶接速度を１ｍ／
ｍｉｎ、出力４ｋＷとして実験したところ、レーザビー
ムは良好に「貫通」した。しかし、被溶接部が上方に盛
り上がったため溶接後の溶接部及び管の形状（仕上り形
状）は不良「×」であり、評価は「×」である。 比較例２，３，４；比較例１に対して、溶接速度を３，
５，７ｍ／ｍｉｎ、出力１０，１７，２５ｋＷとして実
験したところ、レーザビームは良好に「貫通」した。し
かし、被溶接部が上方に盛り上がったため溶接後の溶接
部及び管の形状（仕上り形状）は不良「×」であり、評
価は「×」である。

【００２６】比較例５；トップロールを備えた従来設備
で、トップロールとの干渉を避けるために焦点距離８０
０ｍｍのミレーを用いて、溶接速度を１ｍ／ｍｉｎ、出
力２５ｋＷとして実験したところ、レーザビームは貫通
したが、溶接後の溶接部の形状はやや不良「△」であ
り、出力が有効に生かされていない点から評価は「×」
とした。 比較例６，７；比較例５に対して、溶接速度を３，５ｍ
／ｍｉｎ、出力を２５ｋＷ限度で実験したところ、同様
にレーザビームは貫通せず評価は「×」である。

【００２７】

【表３】

【００２８】表３はトップロールの位置を変更した実験
例を示す。 実施例２；表２の実施例２と同じである。 実施例５；実施例２に対して、スクイズロール中心−ト
ップロール軸間距離を１５０ｍｍに拡大したものであ
り、この１５０ｍｍは上部フランジの半径に合致する。
この場合でも評価は○であった。

【００２９】比較例１１；実施例２に対して、スクイズ
ロール中心−トップロール軸間距離を１６０ｍｍに拡大
したものであり、この１６０ｍｍは上部フランジの半径
を超えたものである。この場合、レーザビームは良好に
貫通するものの、被溶接部が溶接前に若干盛り上がった
ために溶接部の形状がやや不良（△）となり、評価は
「×」である。 比較例１２；比較例１１と同結果となり、評価は「×」
である。

【００３０】以下に、本発明装置の別実施例（第２実施
例及び第３実施例）を示す。図５は本発明に係るレーザ
溶接管製造装置（第２実施例）の平面図であり、レーザ
溶接管製造装置２０は鼓型トップロール２５を採用した
ことを特徴とする。その他は、図２の第１実施例と同じ
なので符号を準用して説明は省略する。１個の鼓型トッ
プロール２５で、２個のトップロール（図３参照）の作
用をなせるので、部品数の削減が図れ好ましい。

【００３１】図６は本発明に係るレーザ溶接管製造装置
（第３実施例）の平面図、図７は同正面図であり、レー
ザ溶接管製造装置３０は左右のスクイズロール３３，３
３、ボトムロール３４、上流側トップロール３５，３
５、レーザトーチ３６及び下流側トップロール３７，３
７とからなる。ボトムロール３４を採用したので、スク
イズロール３３の下部フランジ３３ｂを小径にすること
ができる。下部フランジ３３ｂが上部フランジ３３ａ並
みに小径であれば、周速差に起因する疵の発生を抑える
ことができる。また、上流側・下流側トップロール３
５，３５，３７，３７で被溶接部Ｗ１を抑えることによ
り、より好ましい溶接がなせる。なお、下流側トップロ
ール３７，３７は被溶接部Ｗ１の盛り上がりの心配が殆
どないので、位置は自在であって、上部フランジ３３ａ
の半径Ｒｔから外れることは差支えないが、好しくは上
部フランジ３３ａの半径Ｒｔ以内に配置する。

【００３２】

【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。請求項１のレーザ溶接管製造装置は、左右一対の
スクイズロールと、これらスクイズロールの間に下向き
に取付けられたレーザトーチと、レーザトーチより上流
側で且つレーザトーチ又はレーザビームと干渉しない位
置には位置され、ロール軸がスクイズロールの上部フラ
ンジの半径以内に置かれたトップロールとから構成し、
管状に曲げ成形された金属帯の被溶接部をトップロール
で抑え、この状態で金属帯をスクイズロールに受け渡す
ようにしたので、被溶接部が上方へ盛り上がる心配はな
く、良好な溶接管を製造できる。また、レーザトーチと
トップロールとを金属帯の流れ方向に干渉せぬように配
置したので、トップロールをレーザトーチとは関係なく
自由に配置でき、結果としてトップロールを十分に被溶
接部に接近させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ溶接管製造装置を備えたパ
イプ圧延機の概略図

【図２】本発明に係るレーザ溶接管製造装置（第１実施
例）の平面図

【図３】本発明に係るレーザ溶接管製造装置（第１実施
例）の正面図

【図４】本発明に係るスクイズロール及びトップロール
の作用説明図

【図５】本発明に係るレーザ溶接管製造装置（第２実施
例）の平面図

【図６】本発明に係るレーザ溶接管製造装置（第３実施
例）の平面図

【図７】本発明に係るレーザ溶接管製造装置（第３実施
例）の正面図

【図８】従来のレーザ溶接管製造装置の断面図

【図９】図８の正面断面図

【図１０】従来のトップロール付きレーザ溶接管製造装
置の原理図

【符号の説明】

１…パイプ圧延機、１０，２０，３０…レーザ溶接管製
造装置、１１…レーザ発振器、１２…光路、１３，３３
…スクイズロール、１３ａ，３３ａ…上部フランジ、１
４，３６…レーザトーチ、１５，２５，３５，３７…ト
ップロール、１５ａ…ロール軸、１６…レーザビーム、
Ｌ…トップロールのロール軸とスクイズロールの中心と
の間の距離、Ｒｔ…スクイズロールの上部フランジの半
径、Ｗ…金属帯、Ｗ１…被溶接部。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管状に曲げ形成され、被溶接部が上向き
   とされた金属帯を左右から挟持して前記被溶接部を突合
   せる左右一対のスクイズロールと、これらスクイズロー
   ルの間に下向きに取付けられ、前記被溶接部を溶接する
   レーザトーチと、下記，の条件を満足する位置に取
   付けられ、前記被溶接部を上から抑えるトップロールと
   からなるレーザ溶接管製造装置。 トップロールの位置： レーザトーチより上流側で且つトップロールがレーザ
   トーチ又はレーザビームと干渉しない位置であること。 スクイズロールの中心からトップロールのロール軸ま
   での距離が、スクイズロールの上部フランジの半径以下
   であること。