JPH08206865A - パイプのレーザー溶接倣い装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小径，厚肉パイプ造管時の溶接不良の改善。 【構成】 パワーレーザーでパイプを連続造管溶接する
設備において、パイプの外径Ｄｐ，シ−ムセンタ検出値
Ｓｃ，溶接焦点オフセット量Ｓｆを用いて、反射ミラー
１９とビーム集光用凸レンズ１３の偏位量Ｌｍｄと振れ
角Ｐｃとを演算し、ステップモータの回転位相量を制御
し減速機とウォームギヤーを介して光学系１９，１３を
制御して、レーザービームをシームセンター沿直線１６
方向から照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パイプ、主として金属
パイプ、の造管に関し、特に、平板状の管材を円形に成
形したパイプのシ−ム部を、パワーレーザーを用いて連
続的に倣い溶接する、レーザー溶接倣い装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接部の組織的性質と機械的性質に優れ
ること、溶接作業のエネルギー効率や生産性が優れてい
ることから、パワーレーザーを用いたレーザー溶接が、
例えばステンレス等の金属パイプの造管方法として採用
されている。

【０００３】一般に造管工程では、外径，肉厚の異なる
複数の仕様のパイプを成形ロールを替えることにより同
一の設備で造り込む。このような造管ラインでは、ロー
ル列の調整不良があるとシームセンターが蛇行する。ま
た蛇行は、平板素材の幅方向の材質や寸法の不均一によ
っても起こる。この蛇行は造管工程に避けがたい現象で
あるため、光学式もしくは電磁式のシームセンター検出
器を溶接点直前に設置し、これに倣うようにレーザービ
ーム照射位置を制御することが行われている。図１にレ
ーザー溶接によるパイプ製造プロセスの一般的な構成の
簡略図を示す。図中で、５の成形ロール列で円形に成形
された材料は、１２のレーザー溶接トーチからのビーム
をシームセンター検出器で検出された位置に照射するよ
うにビームの照射方向を造管ラインと直角方向に揺動制
御して溶接される。

【０００４】図６に、従来の集光レンズ（凸レンズ）の
変位量制御によるレーザービームの倣い制御の動作を示
す。図６の（ａ）はシームセンターのずれ量Ｓｃが「０
のとき」のレーザービーム集光の状況を表し、図６の
（ｂ）はＳｃが「０でないとき」の集光状況を表す。レ
ーザー発信器本体から導波管を経由して造管プロセスの
中心軸上に導かれた円環状のビームは、シ−ムセンタ検
出値に基づき、制御装置を介してステップモーターを回
転させ、ウォームギヤーを介して凸レンズを水平方向に
動かして焦点変位量を制御する。またパイプ表面からの
溶接焦点深さが溶接条件によって異なることがあるた
め、レンズの上下位置を手動もしくは制御装置にて調整
又は制御して、溶接焦点深さを調節する。このような従
来の方法による制御では、パイプ径Ｄｐが小さく、かつ
パイプ肉厚ｔｐが小さいとき溶接外れが生じるという問
題点がある。

【０００５】図７に、図６の（ｂ）の「Ｓｃが０でない
とき」の溶接部へのレーザービームの照射図を示し、溶
接外れの発生を説明する。図７の（ａ）はビームの拡が
りを考慮しないとき、図７の（ｂ）はビームの拡がりを
考慮したときである。平板素材をパイプ形状に成形した
ときの、原板の端面の突き合わせ線であるシーム線１８
が、レーザービームを照射すべき線である。パイプ中心
からの距離Ｓｃと溶接焦点レベルＬｗｆとの交点Ｐにレ
−ザ−ビームの焦点を置くようにレ−ザ−ビーム焦点位
置が制御されるが、ビームの拡がりを考慮した場合（図
７の（ｂ））でも、パイプの肉厚方向で略上半分は溶接
されるが、下半分はビームがシーム線１８に当らないた
め、溶接されないことが分かる。金属材料をレーザー溶
接するときは、ビーム焦点近傍が高エネルギー密度とな
り、この部分の材料が瞬時的に蒸発しホールができるこ
とにより、溶融金属表面でレーザービームが反射する
「ウォールホール効果」と一般に呼ばれている現象が生
じ、この効果の結果、ビーム焦点以降は「キーホール」
と呼ばれるビーム中心直進方向に針状のプラズマ化され
た穴が生じる。そのため図７で示すよりも、一層顕著に
溶接不良現象が生じることになるが、一方で、溶融面か
らの伝熱現象も付加されるため、キーホールは膨らみを
持ち、この効果は緩和されることになる。溶接対象材料
や溶接条件によって異なるためウォールホール効果の及
ぼす影響は一概に論じられない。発明者らがステンレス
パイプのレーザー溶接機で経験したところでは、 Ｌｗｆ＝０［mm］、Ｓｃ≧３［mm］で、Ｄｐ×ｔｐ≦８
０［mm²］ Ｌｗｆ：焦点レベル，Ｓｃ：シ−ムセンタ−オフセット
量，Ｄｐ：パイプ径，ｔｐ：パイプ肉厚 になると溶接不良が起こることがあることが分った。勿
論この不良発生条件は溶接機の構成や造管ラインの運転
条件によって変化するため、一意には論じられないが、
レーザー溶接においてはその特性上ビームの広がりが小
さいため一般的に起こる現象である。

【０００６】また、溶接不良を生じさせないためのこの
他のレーザー溶接の機構として、レーザー溶接ロボット
を使う方法も考えられるが、制御精度，応答性，設備費
用の観点から上記の対策として適用困難である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来のレーザー
ビーム制御方法では、小径，厚肉のパイプを溶接すると
きに、上述の溶接不良が発生するという問題点があっ
た。本発明は、この問題点を解決するためになされたも
ので、材料の突き合わせ部にレーザービームをシームセ
ンターとパイプ中心を結ぶ方向から正しく照射し、溶接
不良を防止するレーザービームの倣い装置を提供するも
のである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、パイプ進行方
向（造管ライン）と直角方向から入射する円環状のレー
ザービームを前記シーム部とパイプ中心を結ぶ方向に調
節する光学系を備える。本発明の実施例は、レーザー発
信器から導波管を経由して伝送され造管ラインの直角方
向から入射する円環状のレーザービームを反射するミラ
ーと反射されたビームを収束させる凸レンズとからなる
光学系と、これらのパイプ表面からの距離，角度をシ−
ムセンタ検出器による検出値，溶接焦点のパイプ表面か
らのオフセット指令値ならびに造管されるパイプの仕様
等とから制御量を演算する制御部と、ステップモータ，
減速機，ウォームギヤからなる駆動部とからなるもので
ある。

【０００９】

【実施例】図２に本発明の一実施例の構成概要を示し、
図３に、図２に示す溶接ト−チ１２の光学系収納ボック
ス２１の内部にある反射ミラ−１９および凸レンズ１３
を示す。なお、溶接ト−チ１２は、図１に示す態様で溶
接に使用されるものである。まず図３を参照する。図中
Ｄｂは、レーザー発信器から導波管を経由して伝送され
た円環状のレーザービームの外径を、Ｄｐはパイプの外
径を、ｔｐはパイプの肉厚を、Ｓｃはシームセンターの
変位量を、またＳｆはパイプ表面からの溶接焦点の深度
指令値を表す。なお、これらの単位は〔ｍｍ〕である。
反射ミラー１９と凸レンズ１３は光学系として２点鎖線
で示すボックス２１に収納されている。

【００１０】制御されるのは、パイプ中心鉛直線からの
光学系収納ボックス２１の変位量Ｌｍｄ〔ｍｍ〕，点Ｃ
ｍを中心とするミラー１９の回転角度Ｐｍ〔ラジア
ン〕，点Ｃｍを回転中心とするレンズ１３の振れ角度Ｐ
ｃ〔ラジアン〕，ミラー１９の中心Ｃｍとレンズ１３の
中心Ｃ１との距離Ｌｌｍ〔ｍｍ〕、および、パイプ表面
とミラー１９の中心Ｃｍとの距離Ｌｐｍ〔ｍｍ〕であ
り、図２に示す駆動機構４１によって操作される。それ
ぞれの値は、レンズ１３の焦点距離ｆｌ〔ｍｍ〕と、シ
−ムセンタ−オフセット量Ｓｃ〔ｍｍ〕および溶接焦点
深さＳｆ〔ｍｍ〕を使って、次の式（１）から式（４）
により演算される。

【００１１】

【数２】

【００１２】Ｐｃ，Ｌｍｄ，ＬｌｍおよびＰｍの値（目
標値）は、図２に示す制御装置４０にて、変動量である
Ｄｐ，Ｓｃ，Ｓｆ，溶接ト−チ固有のｆｌ、および、溶
接中は設定値に固定されるＬｐｍを使って演算される。
式（１）〜（４）において、Ｓｃ《Ｄｐのときは、それ
ぞれ式（１）は式（５）で、式（２）は式（６）で、式
（３）は式（７）で、式（４）は式（８）で近似したＰ
ｃ’，Ｌｍｄ’，Ｌｌｍ’，Ｐｍ’を使っても実用上差
し支えない。

【００１３】

【数３】

【００１４】また、式（５）〜（８）を更に簡略化する
こともできる。本発明の倣い装置を使用することによ
り、図７で説明した従来の制御方式によるごとき溶接外
れがないことを、図４の円弧倣い溶接部拡大図を用いて
示す。図で示すように、レーザービームはシーム線１８
のパイプ中心からの延長線１６方向から照射され、従来
の制御方法のような、パイプ肉厚方向で半分が溶接され
ないという溶接不良は発生しない。実際のレーザーは若
干のビーム拡がりがあるためビームの集束は点ではなく
拡がりを持つが、これに関する図は省略する。

【００１５】図２を参照する。倣い装置の制御装置４０
においてＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）２２に
は、オペレ−タにより造管されるパイプの外径Ｄｐと肉
厚ｔｐ，溶接焦点オフセット量設定値Ｓｆが入力され、
シームセンサー検出器１１によりシ−ムセンタ検出値Ｓ
ｃが入力される。ＰＬＣ２２は、先に説明した演算式
（１）〜（４）を用いて、Ｐｃ，Ｌｍｄ，Ｌｌｍ，Ｐｍ
を演算し、減速機３５，３３，３４，３６の減速比とウ
ォームギヤ３８，３９の移動量／回転比とから、ステッ
プモータ３０，２８，２９，３１への制御指令値を演算
し、モ−タドライバ２５，２３，２４，２６に与える。
Ｌｍｄ，Ｌｌｍは減速機とウォームギヤを介して移動量
に変換される。Ｐｃ，Ｐｍは減速機を介して回転角に変
換される。制御装置４０は、５セットの駆動機構を備え
ており、上述のように４セットが溶接中に制御される。
この実施例では、残り１セット（２７，３２，３７）
は、パイプ１０に対するト−チ位置（ボックス２１の距
離）を設定するものである。オペレ−タが設定値Ｌｐｍ
を入力すると、ＰＬｃ２２はこれをメモリにセ−ブし、
ステップモータ３２への制御指令値を演算し、モ−タド
ライバ２７に与える。Ｌｐｍは減速機とウォームギヤを
介して移動量に変換される。新たにＬｐｍが入力されな
い限り、ＰＬＣ２２は次に入力されたＬＰｍ値を保持
し、モ−タ３２の駆動は行なわない。すなわちＬＰｍ
（図３）は、設定値に固定である。なお、変位計でパイ
プ１０の高さ方向（直線１７に沿う方向）の変位を検出
し、この検出値に従ってＬｐｍを設定値に維持するよう
にモ−タ３２への制御指令値をフィ−ドバック制御して
もよく、また、変位計の検出値を上記式中のＬｐｍとし
て、Ｐｃ，Ｌｍｄ，Ｌｌｍ，Ｐｍの算出に用いて、Ｌｐ
ｍの変動に対応してＰｃ，Ｌｍｄ，Ｌｌｍ，Ｐｍを制御
するようにしてもよい。

【００１６】図５に、各制御量を記入した。光学系収納
ボックス２１は、Ｄｐに応じてＬｐｍ移動軸に沿って、
Ｌｐｍ（オペレ−タ入力値）の高さに調整される。発明
者らの実施例では、Ｌｐｍは造管されるパイプの外径に
より一意に定まり、調整頻度が少ないため、オペレ−タ
入力があったときのみ入力値に設定するようにしてい
る。以降ではこの高さＬｐｍは固定値として扱う。

【００１７】この実施例では、Ｌｍｄ移動軸は光学系収
納ボックスをＳｃに応じて水平方向に移動する軸であ
る。Ｌｍｄの移動と連動して、Ｃｍを振れ中心としてＰ
ｃ，Ｐｍの角度が制御される。また、Ｓｆの設定値に応
じて、Ｌｐｍ移動軸に沿ってＬｐｍが制御される。反射
ミラーの有効径は127［mm］（５［inch］）、凸レンズ
の有効径は76.2［mm］（３［inch］）、焦点距離は254
［mm］（１０［inch］）である。また導波管を経由して
伝送されたレーザービームの径Ｄｂは50.8［mm］（２
［inch］）である。Ｓｃは適用対象ラインの実績から−
３から＋３［mm］とした。Ｓｆは造管対象パイプの仕様
より−１から＋３［mm］とした。

【００１８】ＬｐｍはＤｐ＝５０を基準として、330.2
±50［mm］に、Ｐｃは０［deg］を基準に±２０［deg］
に、Ｌｍｄは０［mm］を基準に±120［mm］に、Ｌｌｍ
は85［mm］を基準に±１０［mm］に、Ｐｍは４５［de
g］を基準に±１０［deg］にそれぞれ最大移動量を余裕
を見て設定した。

【００１９】発明者らは上述のレ−ザ溶接倣い装置を、
図１に示す溶接ト−チ２１に組付けて、ステンレスなら
びにチタンパイプの連続溶接ライン（図１）に適用し
た。該ラインで製造されるパイプの外径Ｄｐは21.7から
89.1［mm］、肉厚ｔｐは1.5から4.0［mm］である。パワ
ーレーザー源は電気室に設置された不安定型の５［ｋ
ｗ］ＣＯ２レーザー発信器を用い、光路長約９［ｍ］の
導波管を経由して溶接ラインの直上に水平方向からビー
ムを導き、レーザー溶接を実施するもので、従来一般に
この種のパイプを製造するのに使われていたティグ溶接
機に代わって設備化されたものである。該ラインでは、
種々のシームセンター捻れ対策を実施したが、最大±３
［mm］のシーム捻れが避けられないことが判明した。こ
のシーム捻れのために、当初に設置した従来方式のレー
ザービーム倣い機構を用いたのでは、小径，厚肉のパイ
プを製造すると、先に説明した溶接不良が生じ製品歩留
まりの低下を来していたが、上記実施例の適用により、
溶接不良が減少し製品歩留まりが向上した。

【００２０】すなわち次のような効果があった。

【００２１】１）小径，厚肉パイプの溶接で発生してい
た溶接不良が生じなくなった。溶接後に溶接部を切り取
り内面からシームセンターと溶接中心を実測した結果
で、全てのパイプ仕様について±５０［μm］の精度で
溶接されていることが確 認された。

【００２２】２）その結果、製品歩留まりが向上した。

【００２３】３）速い応答特性の倣い制御が達成でき
た。ミラー，レンズ，駆動用のステップモーターは軽量
でありシームセンターの移動速度最大値である３［mm/s
ec］を十分に満たすことができた。

【００２４】４）安価に設備化できた。当初のレーザー
ビーム入射方向がラインの上方からであったのをライン
の横方向からに改造することと、従来の倣い機構を本発
明による円弧倣いに改造するだけで、安価に設備化でき
た。

【００２５】５）また、大径，薄肉から小径，厚肉まで
のパイプを１つのレーザー溶接ラインで製造可能にあ
り、生産性が向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】 連続的にレーザー溶接を実施し、パイプを製
造するラインの一般的なプロセス構成を示すブロック図
である。切断機等溶接部以降の設備については図示を省
略した。

【図２】 本発明の一実施例の全体概要を示すブロック
図である。

【図３】 図２に示す光学系収納ボックス２１の内部お
よび溶接対象パイプ１０の横断面を示すブロック図であ
る。

【図４】 図３のパイプ１０の一部を拡大して示す横断
面図である。

【図５】 図３の光学系収納ボックス２１の内部を拡大
して示すブロック図である。

【図６】 従来からレーザー溶接機のラインで使用され
ていた凸レンズの変位量制御だけによるレーザービーム
の倣い制御を説明する説明図であり、溶接対象パイプ１
０およびレ−ザ−照射レンズ１３の横断面を示す。
（ａ）はシームセンターオフセットＳｃが０でパイプ搬
送ラインの中心上方に溶接線があるときを、（ｂ）はＳ
ｃが動いたときのレーザービームの集光，倣いの状況を
示す。

【図７】 シームセンターが変化したとき、従来の倣い
制御によると溶接外れが発生することを説明する図であ
り、溶接対象パイプ１０の横断面を示す。（ａ）はレー
ザービームの拡がりを考慮しないときの、（ｂ）は拡が
りを考慮したときの、レーザービームのパイプ肉厚方向
への照射状況を示す。

【符号の説明】

１：レベラー ２：シャー ３：ウェルダー ４：ピンチ
ロール ５：成形ロール列 ６：入側押
さえロール ７：出側押さえロール ８：スリッ
トコイル ９：板状素材 １０：パイプ １１：シ−ムセンタ検出器 １２：レー
ザー溶接トーチ １３：凸レンズ（集光レンズ） １４：円環
状レーザービーム １５：集光中のレーザービーム １６：光軸
中心線 １７：パイプ造管ライン中心線 １８：シー
ム線 １９：レンズの水平動を示す矢印 ２０：レン
ズの上下動を示す矢印 ２１：光学系収納ボツクス ２２：ＰＬＣ ２３〜２７：ステ
ップモータドライバー ２８〜３２：ステップモータ ３３〜３７：減速
機 ３８〜３９：ウォームギア ４０：制御
装置 ４１：駆動装置 ４２：導波
管 ４３：Ｌｐｍ移動軸 ４４：Ｌｍ
ｄ移動軸 ４５：Ｌｐｍ移動軸 ４６：Ｐｍ
振れ移動 Ｓｃ：シームセンターオフセット量 Ｓｆ：溶接
焦点のオフセット量 ｆｌ：集光レンズの焦点距離 Ｄｐ：パイ
プ外径 ｔｐ：パイプ肉厚 Ｌｐｓ：パイ
プ表面レベル Ｌｗｆ：溶接焦光レベル Ｌｐｃ：パイ
プ中心レベル Ｐ：レーザービーム集光焦点 Ｌｐｍ：パイプ表面と反射ミラー間距離 Ｌｍｄ：反射
ミラーの移動量 Ｌｌｍ：反射ミラーと集光レンズ間距離 Ｐｃ：集光レ
ンズの振れ角 Ｐｍ：反射ミラーの振れ角 Ｄｃ：レーザ
ービーム径 Ｃｍ：反射ミラーの回転中心軸 Ｃｌ：集光レ
ンズの中心 Ｃｐ：パイプの中心

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平板状の管材を円形に成形したパイプの
   シ−ム部を、パワーレーザーを用いて連続的に倣い溶接
   する、パイプのレーザー溶接倣い装置において、 パイ
   プ進行方向と直角方向から入射する円環状のレーザービ
   ームを前記シーム部とパイプ中心を結ぶ方向に調節する
   光学系を有することを特徴とするパイプのレーザー溶接
   倣い装置。
2. 【請求項２】 前記調節光学系は、入射した円環状のレ
   ーザービームを反射する平面鏡と前記平面鏡で反射した
   レーザービームを集光する集光レンズを含み；レーザー
   溶接倣い装置は更に、パイプのシ−ムセンター位置を検
   出する手段、ならびに、検出したシ−ムセンター位置に
   基づき、前記平面鏡の位置と回転角および前記集光レン
   ズの位置を制御する手段を有することを特徴とする請求
   項１記載のパイプのレーザー溶接倣い装置。
3. 【請求項３】 平板状の管材を円形に成形したパイプの
   シ−ム部を、パワーレーザーを用いて連続的に倣い溶接
   する、パイプのレーザー溶接倣い装置において、 レー
   ザー発信器から導波管を通して造管ラインに直角方向か
   ら伝送された平行円環ビームを反射させる反射ミラーと
   反射した円環ビームを集光する集光レンズを含む光学
   系；パイプ外径Ｄｐ，造管中に時々刻々変化するシーム
   センター検出値Ｓｃ，ビーム集光焦点のパイプ表面から
   の深度指令値Ｓｆ，集光レンズの焦点距離Ｆｌ、およ
   び、Ｆｌの大きさから予め定まるパイプ表面から光学系
   移動中心までの距離Ｌｐｍを用いて、下記（１）式から
   （４）式もしくはこれらの近似解を用いて、反射ミラー
   の移動中心からの移動量Ｌｍｄ，集光レンズと反射ミラ
   ーとの距離Ｌｌｍ，集光レンズの反射ミラー中心からの
   振れ角Ｐｃおよび集光レンズの振れ角と連動する反射ミ
   ラーの回転角Ｐｍを演算する演算手段；該演算装置の演
   算結果に基づき制御量を決定する制御手段；および、 前記制御量に基づき前記光学系を駆動する駆動手段； 【数１】