溶接トーチに従ってレーザユニットを制御するレーザ・アーク複合溶接のための装置と方法
本発明は、レーザ・アーク複合溶接方法並びに、レーザビーム（３）を発生するレーザユニット（２）と、アーク（５）を発生する溶接トーチ（４）と、レーザユニット（２）用の給電ユニット（６）と、溶接トーチ（４）用の給電ユニット（７）とを備えるレーザ・アーク複合溶接装置（１）に関する。エネルギーバランスを最適化すると共に、レーザ・アーク複合溶接法を夫々の条件に適合させるために、溶接トーチ（４）に従ってレーザユニット（２）を制御する制御装置（１４）が設けられる。レーザ出力（ＰＬａｓｅｒ）は、アーク出力（ＰＡｒｃ）に適合させられると共に、閉制御回路によって制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームを発生するレーザユニットとアークを発生する溶接トーチがエネルギーを供給されて制御されるレーザ・アーク複合溶接のための方法に関する。
本発明は、更に、レーザビームを発生するレーザユニットと、アークを発生する溶接トーチと、レーザユニット用の給電ユニットと、溶接トーチ用の給電ユニットと、レーザーユニットと溶接トーチを制御する少なくとも１個の制御ユニットとを備えるレーザ・アーク複合溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接トーチは、ミグ（ＭＩＧ）溶接法／マグ（ＭＡＧ）溶接法を実行するように構成されることが好ましい。
【０００３】
国際公開第０２／４０２１１号は、レーザを発生するレーザユニット、アークを発生する溶接トーチと溶接ワイヤ供給装置を備えるレーザハイブリッド溶接法のためのレーザハイブリッド溶接ヘッドを記載する。従来、この型式の装置は、相対的にかさばるため、手溶接具としてではなく、ロボット用途用の溶接装置としてだけ使用可能であった。
【０００４】
特開２００２−１１３５８８号と特開２００２−１０３０７５号は、レーザハイブリッド溶接ユニットと呼ばれるレーザ・アーク複合溶接装置を記載する。レーザハイブリッド溶接ユニットは、迅速性及び加工物への良好な熱入力というレーザの利点を、従来の溶接方法、例えば、ミグ溶接方法の良好な間隙ブリッジング性等の利点と組合せる。
【０００５】
それらは、レーザユニットの給電のために相対的に大きなエネルギーを必要とするという欠点を有する。現在入手できるレーザ・アーク複合溶接装置では、レーザユニットの制御は、アークを発生する溶接トーチの制御に対する固定的割当てにより行われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、最適溶接結果、最高溶接速度、最高安全性での最小エネルギー消費を確保するために、レーザビームとアークの最適組合せを達成できる、上記の方法と上記の装置を提供することである。公知のシステムの欠点は解消又は軽減される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
方法に関して、本発明の目的は、レーザユニットを溶接トーチに従って制御することにより達成される。レーザユニットを溶接トーチの制御に従って制御することは、常に、夫々の要求に対する最適の調整を可能にする。
【０００８】
溶接トーチに従ってレーザユニットを制御するためには、本発明の別の特徴によれば、アークのパラメータが溶接作業中に監視されると共に、アークのパラメータの一つが指定偏倚した時に、レーザユニットが不活性化される。よって、アークのパラメータの一つの指定偏倚によって検出されるアークの消衰の後に、レーザビームが直ちに確実に不活性化される。よって、アークの非点火時に、特に手溶接具で負傷や損傷につながるレーザビームの発生又は維持が防止される。レーザ光は殆どの場合に不可視赤外光からなるので、レーザビームによる負傷の危険は高くなる。従って、特に手溶接具では、レーザ光による作業者又は他の人員への負傷を防止する特別の注意を払わなければならない。
【０００９】
アーク電流及び／又はアーク電圧をアークのパラメータとして使用することにより、アークの状態を検出することができる。
【００１０】
本発明の別の特徴として、アークのパラメータが所定時間に渡り指定偏倚をした時に、レーザユニットが不活性化されることが挙げられる。その結果、アークの短絡が少なくとも一時的に生じる溶接において、レーザの遮断が直ちに生じることが防止される。この時、所定時間は、このような溶接において通常起こるアークの短絡期間よりも長く調整される。例えば、アークが存在しないが電流が検出される短絡において、レーザビームは、活性状態を維持し続ける。アークが、長すぎたり消衰したりした場合、電流又は電圧の閾値を超過して、レーザビームが不活性化される。
【００１１】
レーザユニットはアークの点火後にのみ活性化され、該点火は、指定値に到達したアークのパラメータによって検出され、よって、アークの指定状態が得られることにより、上記の安全性が高められる。この措置により、レーザビームを発生するための相対的に高いエネルギー入力も最小化される。次に、レーザビームは、アークの点火後にのみ活性化される共に、特に、溶接、例えば、ミグ溶接の終了後の指定期間の後に再び不活性化される。例えば、手溶接法では、使用者は、溶接の前後においてレーザビームを不注意で活性化することができない。その結果、レーザビームの活性化の前に、使用者は、溶接を実行するのに必要な位置に溶接トーチを配置することが確実になる。特定の角度偏倚により、即ち、もし使用者が、例えば、溶接トーチを傾斜させて、より長いアークが引かれたり形成されることにより、電流と電圧の閾値を超過して、レーザビームが溶接中に点火又は不活性化されないので、アークの電流と電圧を測定することにより、溶接トーチが、例えば、加工物に対する必要角度に位置決めされることが保証される。よって、レーザハイブリッドユニットの安全性が、再び簡単に保証される。
【００１２】
レーザユニットは、アークの点火後、特に、アークの指定状態の到達後に時間遅れで活性化されることが好都合である。その結果、レーザビームは、アークを点火せずに活性化することができないので、安全性が簡単に高められる。例えば、手溶接トーチでは、レーザビームの故意でない活性化の危険が排除されて、手溶接トーチの不適当な取扱いによる負傷の危険が大略最小化される。
【００１３】
更に、時間遅れが調整自在であることが好都合である。時間遅れは、例えば、５００ｍｓであり得る。よって、レーザビームは、異なる作業状態、特に、アークの異なる状態に合わせて調整することができる。
【００１４】
レーザビームの電力は、アークの電力に従って調整自在であることが好都合である。よって、レーザ電力を、夫々の条件、例えば、溶接される加工物の材料と厚さに最適に適合させる一方、最小のエネルギー消費で最適の溶接結果を得ることができる。この時、通常、レーザ電力がアーク電力に大略対応するように目指す。所定の溶接のために、例えば、アーク電力に対してより高いレーザ電力を目指すより深い溶込みに到達することが好都合である。
【００１５】
従って、もしアーク電力に対するレーザ電力の比が調整自在であれば、最も多様な溶接法の実施のために好都合である。
【００１６】
アークの電力は、アークを発生する溶接トーチの溶接電圧と溶接電流に依存するので、レーザ電力が、アークを発生する溶接トーチの溶接電圧及び／又は溶接電流に従って調整自在であることが好都合である。この場合、溶接トーチの溶接電圧及び／又は溶接電流が、検出されると共に、それに従って、レーザユニット用の給電ユニットを調整するためにフィードバックされる制御ループが形成され得る。
【００１７】
最後に、レーザビームの焦点が、アークの長さに従って自動的に変更されることが好都合である。アークの長さは、例えば、アークを発生する溶接トーチの溶接電圧により検出することができ、その後、レーザビームの焦点が常に溶接部位内に位置するように、レーザビームの焦点を変更する装置が、それに従って自動的に活性化される。その上、レーザビームの焦点は入力されるレーザ電力と共に変化するので、レーザビームの焦点の修正が必須である。
【００１８】
本発明の目的は、レーザを発生するレーザユニットと、アークを発生する溶接トーチと、レーザユニット用の給電ユニットと、溶接トーチ用の給電ユニットと、レーザユニットと溶接トーチを制御する少なくとも１個の制御ユニットとを備えると共に、溶接トーチに従ってレーザユニットを制御する制御装置を設けたレーザ・アーク複合溶接のための装置によっても達成される。よって、レーザユニットと溶接トーチを制御する少なくとも１個の制御ユニットと当然同一であってもよいレーザビームの制御装置により、アークの電力に従ってレーザビームを選択的に活性化又は不活性化することができる。よって、制御装置は、又、危険を構成すると共に大量のレーザエネルギーを消費することになる、非点火アークにおけるレーザビームの活性化を効果的に防止することができる。
【００１９】
レーザユニットを制御する制御装置は、溶接トーチの溶接電圧及び／又は溶接電流を検出する検出装置に接続されていることが好ましい。よって、レーザ電力を夫々のアーク電力に自動的に適合させる制御ループが実現される。
【００２０】
レーザ電力をアーク電力に従って調整するには、調整器具を設けることが好ましい。調整器具として、所定値や所定比を入力する回転調整器又は数値キーボードが設けられる。
調整値を制御するために、調整されたレーザ電力、アーク電力等を表示するディスプレイを設けることが好都合である。
【００２１】
更に、アークの点火後にレーザビームを時間的に遅れて活性化する装置を設けることができる。この目的のために、アークの点火を検出する装置が必要であり、この装置は、例えば、溶接トーチの電圧及び／又は電流を測定する測定ユニットで形成することができる。指定時間遅れの経過後に、レーザユニット用の給電ユニットが活性化されることにより、レーザビームがオンされる。
【００２２】
時間遅れを調整する装置を設けることが好都合である。この調整装置は、再び、時間遅れの所定値を入力する回転スイッチ又は数値キーボードで形成することができる。
【００２３】
レーザユニットを制御する制御装置と、アークを制御する制御装置とがデジタル信号プロセッサで形成されることができる。このような信号プロセッサは、容易にプログラムされると共に、夫々の要求に適合され得る。
【００２４】
本発明の別の特徴によれば、レーザユニットが、レーザビームの焦点を変更する装置を含み、該装置が、アークを発生する溶接トーチの溶接電圧を検出する検出装置に接続されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、レーザビーム３を発生するレーザユニット２を備えるレーザ・アーク複合溶接装置１、いわゆる、レーザハイブリッド溶接装置を概略的に且つ簡易に図示する。更に、レーザ・アーク複合溶接装置１は、溶接アーク５を発生する溶接トーチ４、レーザユニット２用の給電ユニット６と溶接トーチ４用の給電ユニット７を含み、これらを介して、２個の溶接法に必要なエネルギーを調整することができる。レーザハイブリッド溶接装置、即ち、レーザユニット２と溶接トーチ４は、レーザビーム３が好ましくは溶接トーチ４に先行するように、２個の加工物８の接合部に指向される。これは、溶接方向に見て、最初にレーザービーム３が、次に、アーク５が加工物８の接合部に指向されることを意味する。
【００２６】
溶接トーチ４は、ミグ／マグ溶接法を実行することが好ましいけれども、どの型式の溶接法用のいかなる型式の溶接トーチから選択してもよい。制御装置９が、レーザユニット２と溶接トーチ４を制御すると共に、溶接装置１を制御、操作及び監視するように設けられることが好都合である。インターフェース１０は、操作パネル１１、遠隔制御装置１２と、例えば、ワイヤフィーダ１３を溶接装置１と接続するように働く。本発明によれば、レーザユニット２を溶接トーチ４に従って制御する制御装置１４が設けられる。この場合、例えば、デジタル信号プロセッサからなる制御装置１４は、レーザユニット２用の給電ユニット６と溶接トーチ４用の給電ユニット７に直接に接続されることが好都合である。これは、レーザビーム３の電力Ｐｌａｓｅｒのアーク５の電力Ｐａｒｃに対する比の制御装置１４による調整を可能にする。必要条件に応じて、例えば、加工物８の接合部へのレーザビーム３のより深い溶込みを達成することができる。後の溶接法が、より小さな電力で加工物８の接合部により深く作用し得るので、これは、後のアーク溶接法による溶接を大幅に高める。勿論、給電ユニット６と７を共通ユニットで形成することもできる。給電ユニット６により加工物８に入力される電力Ｐｌａｓｅｒ又はレーザビーム３のエネルギーは、アーク５の給電ユニット７の電力Ｐａｒｃ又はエネルギーに適合させられ、それに応じて制御される。
【００２７】
レーザユニット２を制御する制御装置１４は、制御ループを形成するように、溶接トーチ４の溶接電圧Ｕ及び／又は溶接電流Ｉを検出する検出装置１５と、オプションとしてＡ／Ｄコンバータ１６を介して接続され得る。このようなフィードバックは、レーザビーム３のレーザ電力Ｐｌａｓｅｒのアーク５のアーク電力Ｐａｒｃに対する自動適合を可能にする。
【００２８】
通常、レーザユニット２は、レーザビーム３の焦点を変更する装置を備え、この装置は、溶接トーチ４の溶接電圧を検出する検出装置１５と接続される。図示されるように、この接続は、レーザユニット２を制御する制御装置１４を介して行うことができる。この結果、溶接電圧Ｕによりアーク５の長さを検出して、その後、レーザビーム３の焦点をアーク５のその検出長さに適合することができる。レーザ焦点を最適に調整することによって、入力エネルギーを最小化することができる。レーザユニット２を制御する制御装置１４は、更に、アーク５の点火後にレーザビーム３を時間的に遅延して活性化する装置を更に備える。この時間遅延は、例えば、操作パネル１１又は制御装置１４上に設けられた調整素子によって調整自在であることが好都合である。
【００２９】
アークの状態を検出するのに使用されるアーク５のパラメータは、溶接トーチ４の溶接電圧Ｕ及び／又は溶接電流Ｉを検出する検出装置１５によって検出されると共に、レーザユニット２を制御する制御装置１４に送信される。アーク５のパラメータ、例えば、アーク電流Ｉ及び／又はアーク電圧Ｕは、溶接作業中に監視されることが好都合である。この結果、アーク５の１個以上のパラメータの指定偏倚が検出され、レーザユニット２がそれに応じて制御され得る。このようにして、アーク５の消衰又はアークの短絡を検出できる結果、レーザユニット２が不活性化されることにより、レーザビーム３が消衰させられる。短絡発生溶接法において、アーク５の短時間の短絡は、故意に又は任意に発生するが、レーザユニット２の自動的不活性化をもたらさない。この目的のために、時間３８（図４乃至図６）を設定して、短絡の発生時に、時間３８を開始させて、この時間３８内の短絡中にレーザユニット２が活性状態にあり、時間３８が超過して短絡が生じている時にだけレーザユニット２が不活性化される。時間３８は、短絡発生溶接法における短絡の通常時間よりも長く決定される。
【００３０】
もし長すぎるアーク５が引かれると、アーク５の溶接電流Ｉ又は溶接電圧Ｕが上昇する。これは、各種の理由、例えば、加工物８から離隔しすぎた溶接トーチ４の移動又は加工物８に対する溶接トーチ４の角度の変化によって生じる。アーク５の指定パラメータの指定偏倚において、レーザユニット２は、制御装置１４によって不活性化される。
【００３１】
このようにして、レーザビーム３は、負傷の危険をもたらさないことが確実にされる。もし、例えば、溶接トーチ４が傾く、即ち、加工物８に対する溶接トーチ４の角度が変化すると、レーザビーム３は、加工物８の上で燃焼することにより、回りに立っている人を負傷させたり近くに配置された機器を損傷させることを引起こし得る。角度変化により、アーク５が、より長くなると共に、そのパラメータを変化させるので、レーザビーム３は、アーク５のパラメータの検出により自動的に不活性化される。アーク５の消衰後に、レーザビーム３は直ちにオフされるので、溶接の終了後に、使用者は、レーザビーム３を不注意で活性化することなく、溶接トーチ４をレーザユニット２と共に片付けることができる。検出装置１５を短絡検出と組合せて、レーザビーム３が、短絡溶接法において発生するように、アーク５の短絡で不活性化されない。従って、短絡溶接法において、レーザビーム３による加工物８内への更なる溶込みが、短絡中に起こり得る。
【００３２】
検出装置１５をアーク５の点火の検出に使用して、レーザビーム３を、アーク５の点火後にだけオンすることができる。レーザユニット２との溶接トーチ４の不適当な取扱いを防止すると共に、可能な限り最高の安全性を保証するために、レーザビーム３を、所定の時間遅れの後にオンすることができる。この結果、不注意で活性化されたレーザビーム３による負傷又は損傷の危険が除かれるように、レーザビーム３は、点火したアーク５なしに活性化されないことが簡単に達成される。
【００３３】
図２は、操作パネル１１を含む溶接機１７を概略的に図示する。エネルギーは、操作パネル１１上に配置された調整器具１８、特に、回転調整器を用いて使用者によって調整される。調整器具１８は、本実施例において図示されていない遠隔制御装置１２上に配置することもできる。
【００３４】
図示の実施例において、レーザビーム３とアーク５の両方が、溶接機１７内に配置された共通溶接電流源１９によって供給される。勿論、２個のユニットのために、１個又は数個の溶接電流源１９を、溶接機１７内又は溶接機１７の外に配置することもできる。溶接機１７をオンした後又は溶接トーチ４上に設けられた溶接ボタン２０（図１）を作動させた後、溶接電流源１９は、両溶接法のためのエネルギーを供給する。よって、ここで、例えば、アーク５に一定エネルギーを供給することができると共に、レーザビーム３の電力は、使用者の必要に応じて調整することができる。当然、レーザビーム３を一定エネルギーで作動させる一方、アーク５を必要条件に適合させることもできる。
【００３５】
この場合、レーザビーム３のレーザ電力Ｐｌａｓｅｒとアーク５のアーク電力Ｐａｒｃを、好ましくは、単一の調整器具１８により相対比に調整することもできる。よって、溶接電流源１９は必要なエネルギーを供給し、両溶接法の電力を、加工物８の要求又は性質に応じて単一の調整器具１８により調整することができる。
【００３６】
これにより、最小エネルギー消費で最適な溶接結果が得られる。通常、レーザ電力Ｐｌａｓｅｒは、大体、アーク電力Ｐａｒｃに対応することが目指される。ある溶接法では、例えば、加工物８へのより深い溶込みを達成することが好都合であり、その理由により、アーク電力Ｐａｒｃに比べて、より高いレーザ電力Ｐｌａｓｅｒが目指される。
【００３７】
もし、例えば、レーザ電力Ｐｌａｓｅｒが、アーク電力Ｐａｒｃに対して増加させられると、レーザビーム３による溶接法において加工物８へのより深い溶込みが達成される。アーク５は、レーザビーム３に対して減少させたその電力により、加工物８間の間隙を充填する。レーザビーム３のより高い電力Ｐｌａｓｅｒの大きな長所は、溶接速度を、特別な品質低下無しに大幅に増大できる点である。当然、レーザビーム３の焦点は、例えば、加工物８の厚さの中心に位置するように、調整されることができる。よって、電力変化の代わりに、レーザビーム３の焦点だけを変化させることができる。レーザビーム３の電力Ｐｌａｓｅｒを低下させることにより、レーザビーム３の加工物８への溶込みがより小さくなる結果、溶融浴によるアークのより良好な間隙ブリッジング性と、確実で、より良好で完全な又は完全に近い溶接継目とが得られる。
【００３８】
極端に多様な溶接法を実行するために、レーザ電力Ｐｌａｓｅｒのアーク電力Ｐａｒｃに対する比が調整自在であることが好都合である。この時、例えば、単一の調節器具１８により、レーザ電力Ｐｌａｓｅｒのアーク電力Ｐａｒｃに対する比を調整することが、単一の調整で両エネルギー源の電力を適当に変化させることを使用者に可能にする簡単な操作をもたらす。
【００３９】
図３は、図２の溶接機の操作パネル１１を図示する。操作パネル１１及び／又は遠隔制御装置１２は、レーザビーム３とアーク５の調整された電力値が表示されて、使用者により読取られるディスプレイ２１を含む。
【００４０】
レーザビーム３の電力のアーク５の電力に対する比は、調整器具１８により調整することができる。よって、レーザビーム３の加工物８の接合部への溶込みと加工物８の融解の深さをより小さくするように、例えば、レーザ電力Ｐｌａｓｅｒが、アーク電力Ｐａｒｃに比べて低減される（矢印２２）。一方、アーク５の電力Ｐａｒｃが、レーザビーム３の電力Ｐｌａｓｅｒに比べてより高く調整されるので、例えば、より良好な間隙ブリッジング性が達成される。同様に、レーザビーム３の電力Ｐｌａｓｅｒをアーク５の電力Ｐａｒｃより高く印加することにより（矢印２３）、レーザビーム３の大幅に大きな溶込みが得られ、レーザビーム３より遅延するアーク５が、より小さな電力で加工物８の接合部上に溶接継目を形成することができる。レーザビーム３のより高い電力Ｐｌａｓｅｒの大きな利点は、溶接速度が、特別な品質低下無しに大幅に増大することである。
【００４１】
操作パネル１１上には、レーザビーム３とアーク５用の別の調整オプション部材を設けることができる。例えば、キー２８を作動するだけで、後で用いる溶接法の溶加材の直径を選択して、それをディスプレイ２４上に表示することができる。更に、用いる溶加材の材料を調整してディスプレイ２５上に表示することができ、又、遅延する溶接法を調整してディスプレイ２６上に表示することができ、更に、レーザビーム３の焦点を調整してディスプレイ２７上に表示することができる。キー２８を作動するだけで、レーザハイブリッド溶接法のために望ましい値を固定することができる。
【００４２】
この結果、使用者は、溶接すべき加工物８に対して最適な溶接法、特に、最適なレーザハイブリッド溶接法を選択することができる。例えば、加工物８の反りを規制、特に、最小化するために、冷間金属トランスファ溶接法をレーザ溶接法と組合せることができる。あらゆる他の現在の溶接法をレーザ溶接法と組合せて調整することができることは言うまでもない。
【００４３】
図４は、ミグ溶接法の電圧／時間線図２９及び電流／時間線図３０と、レーザ溶接法の電圧／時間線図３１及び電流／時間線図３２を図示する。本発明によりレーザ溶接法に組合された溶接法では、例えば、いわゆる「リフトアーク原理」が、点火相３３中にアーク５を点火するのに使用される。この時、溶加材、特に、溶接ワイヤが加工物８に接触するまで前進させられ、次に、溶接ワイヤの移動が反転されて、溶接ワイヤが加工物８から所定距離まで戻され、溶接ワイヤの移動が再び反転される。溶接ワイヤの融解を防止するように選択される指定の電流Ｉを、溶接ワイヤに短絡時点３４から供給することにより、アーク５の点火が溶接ワイヤの後退移動と上昇中に起こる。アーク５の点火後に、レーザビーム３を、所定の時間遅れ３５の後の時点３６に作動させることができる。よって、レーザユニット２は、アーク５の点火後の時間遅れ３５で作動させられる。この結果、作動の早すぎるレーザビーム３による負傷の危険を除くことにより、安全性が更に高められる一方、レーザビーム３の発生に必要なエネルギー入力が低減される。その上、レーザビーム３は、確実に点火されたアーク５によってだけ作動させられる。この措置により、溶接法が実際に開始されて、レーザハイブリッド溶接トーチが適当に使用されたことが確保されるように、レーザビーム３は、アーク５の点火の指定時間遅れ３５の経過後にオンされることが確実になる。
【００４４】
時間遅れ３５は、調整自在であることが好都合であると共に、例えば、５００ｍｓである。アーク５のパラメータを、検出すると共に、制御装置１４に転送して、レーザビーム３を制御することができる。よって、レーザビーム３は、アーク５の指定状態の到達時にのみ点火され得る。
【００４５】
時点３７に対応する溶接の終了時に、検出装置１５は、アーク５の不足した電流Ｉ及び／又は不足した電圧Ｕを検出する。これが制御装置１４に転送されて、制御装置１４は、レーザユニット２に対するエネルギー供給を停止する。よって、アーク５が故意に終了されたか又は使用者が、手溶接中に、アーク５が消える程加工物８から溶接トーチ４をレーザユニット２で故意でなしに持上げたかどうかに拘わらず、レーザビーム３の自動的不活性化が保証される。その結果、レーザビーム３は、存在するアーク５で活性化され、更に、調整時間３８後の溶接の故意でない又は故意の終了時に再び不活性化されることにより、レーザユニット４による溶接トーチ４の不適当な操作が防止されるので、安全性が大幅に高められる。
【００４６】
図５は、パルス溶接法の電圧／時間線図３９及び電流／時間線図４０と、レーザビーム３の電圧／時間線図４１及び電流／時間線図４２を図示する。再びリフトアーク原理に基づいて生じる点火相３３の後、パルス溶接が、時間差３５の後の時点３６において開始される。
【００４７】
パルス溶接法では、点火相３３の後に、加工物８への方向の溶接ワイヤの移動が、加工物８に当接するまで行われる。短絡が時点４３において形成され、そのためにアーク５が全く存在しない。しかしながら、この方法では、アーク５の再点火までの短絡の長さ、即ち、期間４４は非常に短い。パルス溶接法では、レーザビーム３は、短絡の間、即ち、期間４４中にも連続的に活性化されたままである。これは、レーザユニット２が不活性化される前に短絡が存在しなければならない時間３８がプリセットされることにより、達成される。アーク５の消衰、よって、電圧Ｕの零値４５への低下後の時点４３で短絡を検出した後、電圧Ｕが所定時間３８の間に零値４５に保持されている場合にだけ、レーザユニット２が活性化される。短絡溶接法では、レーザビーム３が、検出装置１５でトリガされる制御装置１４によってオフされるまでの時間３８は、アーク５の再点火までの短絡の期間４４より長く指定されなければならない。しかしながら、溶接の実際の終了後にできるだけ僅かな時間しか経過しないことにより、溶接トーチ４をレーザユニット２と共に使用する時に可能な限り最大の安全性が再び保証されるように、レーザビーム３の不活性化までの時間３８は選択される。時間３８は、例えば、０．５秒と２秒の間にある。これは、使用者が、不適当な操作で、レーザビーム３によって、他人に対して負傷や付近の物体に対して損傷を与えることを心配する必要がない点で、特に、手溶接の分野において好都合である。
【００４８】
検出装置１５が、短絡の検出時に制御装置１４に信号を転送しないことにより、レーザビーム３が、短絡期間４４中に不活性化されないことがあり得る。その結果、レーザビーム３の不活性化までの時間３８が更に短縮されることにより、本発明にかかるレーザハイブリッドユニットの更に高い安全性が得られる。
【００４９】
図６は、冷間金属トランスファ溶接法の電圧／時間線図４６及び電流／時間線図４７と、レーザビーム３の電圧／時間線図４８と電流／時間線図４９を図示する。
冷間金属トランスファ溶接は、再び、点火相３３中に上記リフトアーク原理によって再開始される。アーク５が点火されると、レーザビーム３は、時間遅れ３５の後の時点３６において活性化される。
【００５０】
冷間金属トランスファ溶接中に、溶加材、特に、溶接ワイヤが、開始位置から加工物８への方向に移動させられる。溶接ワイヤが、加工物８に当接して、時点５０において短絡を形成した後、ワイヤ送りが反転されて、溶接ワイヤが、好ましくは開始位置に戻される。冷間金属トランスファ溶接中の溶滴形成又は溶接ワイヤの溶融を達成するために、溶接電流Ｉは、加工物８への方向の溶接ワイヤの前進移動中の時点５２において、基部電流５１に対して増加させられる。溶融浴への溶接ワイヤの浸漬とそれに続く溶接ワイヤの後退移動により、溶滴又は溶融材料が溶接ワイヤから離脱させられる（不図示）。溶滴の離脱を促進するために、溶接電流Ｉのパルス状増加を実行してもよい。
【００５１】
レーザ溶接法と冷間金属トランスファ溶接法の組合せの利点は、冷間金属トランスファ溶接法により、大幅に少ないエネルギーと熱が加工物８に導入される点にある。その結果、冷間金属トランスファ溶接法は、いわゆる冷間溶接法であるので、例えば、加工物８の反りが好都合に最小化される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明にかかるレーザ・アーク複合溶接装置のブロック図である。
【図２】本発明にかかるレーザ・アーク複合溶接装置を含む溶接機を示す。
【図３】図２の溶接機の操作パネルを示す。
【図４】レーザ・パルス複合溶接法の電流−時間線図と電圧−時間線図である。
【図５】レーザ・短絡複合溶接法の電流−時間線図と電圧−時間線図である。
【図６】レーザ・冷間金属トランスファ複合溶接法の電流−時間線図と電圧−時間線図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ レーザ・アーク複合溶接装置
２ レーザユニット
３ レーザビーム
４ 溶接トーチ
５ アーク
６ 給電ユニット
７ 給電ユニット
８ 加工物
９ 制御装置
１０ インターフェース
１１ 操作パネル
１２ 遠隔制御装置
１３ ワイヤフィーダ
１４ 制御装置
１５ 検出装置
１６ Ａ／Ｄコンバータ
１７ 溶接機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームを発生するレーザユニットとアークを発生する溶接トーチがエネルギーを供給されて制御されるレーザ・アーク複合溶接のための方法に関する。
本発明は、更に、レーザビームを発生するレーザユニットと、アークを発生する溶接トーチと、レーザユニット用の給電ユニットと、溶接トーチ用の給電ユニットと、レーザーユニットと溶接トーチを制御する少なくとも１個の制御ユニットとを備えるレーザ・アーク複合溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接トーチは、ミグ（ＭＩＧ）溶接法／マグ（ＭＡＧ）溶接法を実行するように構成されることが好ましい。
【０００３】
国際公開第０２／４０２１１号は、レーザを発生するレーザユニット、アークを発生する溶接トーチと溶接ワイヤ供給装置を備えるレーザハイブリッド溶接法のためのレーザハイブリッド溶接ヘッドを記載する。従来、この型式の装置は、相対的にかさばるため、手溶接具としてではなく、ロボット用途用の溶接装置としてだけ使用可能であった。
【０００４】
特開２００２−１１３５８８号と特開２００２−１０３０７５号は、レーザハイブリッド溶接ユニットと呼ばれるレーザ・アーク複合溶接装置を記載する。レーザハイブリッド溶接ユニットは、迅速性及び加工物への良好な熱入力というレーザの利点を、従来の溶接方法、例えば、ミグ溶接方法の良好な間隙ブリッジング性等の利点と組合せる。
【０００５】
それらは、レーザユニットの給電のために相対的に大きなエネルギーを必要とするという欠点を有する。現在入手できるレーザ・アーク複合溶接装置では、レーザユニットの制御は、アークを発生する溶接トーチの制御に対する固定的割当てにより行われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、最適溶接結果、最高溶接速度、最高安全性での最小エネルギー消費を確保するために、レーザビームとアークの最適組合せを達成できる、上記の方法と上記の装置を提供することである。公知のシステムの欠点は解消又は軽減される。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
方法に関して、本発明の目的は、レーザユニットを溶接トーチに従って制御することにより達成される。レーザユニットを溶接トーチの制御に従って制御することは、常に、夫々の要求に対する最適の調整を可能にする。
【０００８】
溶接トーチに従ってレーザユニットを制御するためには、本発明の別の特徴によれば、アークのパラメータが溶接作業中に監視されると共に、アークのパラメータの一つが指定偏倚した時に、レーザユニットが不活性化される。よって、アークのパラメータの一つの指定偏倚によって検出されるアークの消衰の後に、レーザビームが直ちに確実に不活性化される。よって、アークの非点火時に、特に手溶接具で負傷や損傷につながるレーザビームの発生又は維持が防止される。レーザ光は殆どの場合に不可視赤外光からなるので、レーザビームによる負傷の危険は高くなる。従って、特に手溶接具では、レーザ光による作業者又は他の人員への負傷を防止する特別の注意を払わなければならない。
【０００９】
アーク電流及び／又はアーク電圧をアークのパラメータとして使用することにより、アークの状態を検出することができる。
【００１０】
本発明の別の特徴として、アークのパラメータが所定時間に渡り指定偏倚をした時に、レーザユニットが不活性化されることが挙げられる。その結果、アークの短絡が少なくとも一時的に生じる溶接において、レーザの遮断が直ちに生じることが防止される。この時、所定時間は、このような溶接において通常起こるアークの短絡期間よりも長く調整される。例えば、アークが存在しないが電流が検出される短絡において、レーザビームは、活性状態を維持し続ける。アークが、長すぎたり消衰したりした場合、電流又は電圧の閾値を超過して、レーザビームが不活性化される。
【００１１】
レーザユニットはアークの点火後にのみ活性化され、該点火は、指定値に到達したアークのパラメータによって検出され、よって、アークの指定状態が得られることにより、上記の安全性が高められる。この措置により、レーザビームを発生するための相対的に高いエネルギー入力も最小化される。次に、レーザビームは、アークの点火後にのみ活性化される共に、特に、溶接、例えば、ミグ溶接の終了後の指定期間の後に再び不活性化される。例えば、手溶接法では、使用者は、溶接の前後においてレーザビームを不注意で活性化することができない。その結果、レーザビームの活性化の前に、使用者は、溶接を実行するのに必要な位置に溶接トーチを配置することが確実になる。特定の角度偏倚により、即ち、もし使用者が、例えば、溶接トーチを傾斜させて、より長いアークが引かれたり形成されることにより、電流と電圧の閾値を超過して、レーザビームが溶接中に点火又は不活性化されないので、アークの電流と電圧を測定することにより、溶接トーチが、例えば、加工物に対する必要角度に位置決めされることが保証される。よって、レーザハイブリッドユニットの安全性が、再び簡単に保証される。
【００１２】
レーザユニットは、アークの点火後、特に、アークの指定状態の到達後に時間遅れで活性化されることが好都合である。その結果、レーザビームは、アークを点火せずに活性化することができないので、安全性が簡単に高められる。例えば、手溶接トーチでは、レーザビームの故意でない活性化の危険が排除されて、手溶接トーチの不適当な取扱いによる負傷の危険が大略最小化される。
【００１３】
更に、時間遅れが調整自在であることが好都合である。時間遅れは、例えば、５００ｍｓであり得る。よって、レーザビームは、異なる作業状態、特に、アークの異なる状態に合わせて調整することができる。
【００１４】
レーザビームの電力は、アークの電力に従って調整自在であることが好都合である。よって、レーザ電力を、夫々の条件、例えば、溶接される加工物の材料と厚さに最適に適合させる一方、最小のエネルギー消費で最適の溶接結果を得ることができる。この時、通常、レーザ電力がアーク電力に大略対応するように目指す。所定の溶接のために、例えば、アーク電力に対してより高いレーザ電力を目指すより深い溶込みに到達することが好都合である。
【００１５】
従って、もしアーク電力に対するレーザ電力の比が調整自在であれば、最も多様な溶接法の実施のために好都合である。
【００１６】
アークの電力は、アークを発生する溶接トーチの溶接電圧と溶接電流に依存するので、レーザ電力が、アークを発生する溶接トーチの溶接電圧及び／又は溶接電流に従って調整自在であることが好都合である。この場合、溶接トーチの溶接電圧及び／又は溶接電流が、検出されると共に、それに従って、レーザユニット用の給電ユニットを調整するためにフィードバックされる制御ループが形成され得る。
【００１７】
最後に、レーザビームの焦点が、アークの長さに従って自動的に変更されることが好都合である。アークの長さは、例えば、アークを発生する溶接トーチの溶接電圧により検出することができ、その後、レーザビームの焦点が常に溶接部位内に位置するように、レーザビームの焦点を変更する装置が、それに従って自動的に活性化される。その上、レーザビームの焦点は入力されるレーザ電力と共に変化するので、レーザビームの焦点の修正が必須である。
【００１８】
本発明の目的は、レーザを発生するレーザユニットと、アークを発生する溶接トーチと、レーザユニット用の給電ユニットと、溶接トーチ用の給電ユニットと、レーザユニットと溶接トーチを制御する少なくとも１個の制御ユニットとを備えると共に、溶接トーチに従ってレーザユニットを制御する制御装置を設けたレーザ・アーク複合溶接のための装置によっても達成される。よって、レーザユニットと溶接トーチを制御する少なくとも１個の制御ユニットと当然同一であってもよいレーザビームの制御装置により、アークの電力に従ってレーザビームを選択的に活性化又は不活性化することができる。よって、制御装置は、又、危険を構成すると共に大量のレーザエネルギーを消費することになる、非点火アークにおけるレーザビームの活性化を効果的に防止することができる。
【００１９】
レーザユニットを制御する制御装置は、溶接トーチの溶接電圧及び／又は溶接電流を検出する検出装置に接続されていることが好ましい。よって、レーザ電力を夫々のアーク電力に自動的に適合させる制御ループが実現される。
【００２０】
レーザ電力をアーク電力に従って調整するには、調整器具を設けることが好ましい。調整器具として、所定値や所定比を入力する回転調整器又は数値キーボードが設けられる。
調整値を制御するために、調整されたレーザ電力、アーク電力等を表示するディスプレイを設けることが好都合である。
【００２１】
更に、アークの点火後にレーザビームを時間的に遅れて活性化する装置を設けることができる。この目的のために、アークの点火を検出する装置が必要であり、この装置は、例えば、溶接トーチの電圧及び／又は電流を測定する測定ユニットで形成することができる。指定時間遅れの経過後に、レーザユニット用の給電ユニットが活性化されることにより、レーザビームがオンされる。
【００２２】
時間遅れを調整する装置を設けることが好都合である。この調整装置は、再び、時間遅れの所定値を入力する回転スイッチ又は数値キーボードで形成することができる。
【００２３】
レーザユニットを制御する制御装置と、アークを制御する制御装置とがデジタル信号プロセッサで形成されることができる。このような信号プロセッサは、容易にプログラムされると共に、夫々の要求に適合され得る。
【００２４】
本発明の別の特徴によれば、レーザユニットが、レーザビームの焦点を変更する装置を含み、該装置が、アークを発生する溶接トーチの溶接電圧を検出する検出装置に接続されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、レーザビーム３を発生するレーザユニット２を備えるレーザ・アーク複合溶接装置１、いわゆる、レーザハイブリッド溶接装置を概略的に且つ簡易に図示する。更に、レーザ・アーク複合溶接装置１は、溶接アーク５を発生する溶接トーチ４、レーザユニット２用の給電ユニット６と溶接トーチ４用の給電ユニット７を含み、これらを介して、２個の溶接法に必要なエネルギーを調整することができる。レーザハイブリッド溶接装置、即ち、レーザユニット２と溶接トーチ４は、レーザビーム３が好ましくは溶接トーチ４に先行するように、２個の加工物８の接合部に指向される。これは、溶接方向に見て、最初にレーザービーム３が、次に、アーク５が加工物８の接合部に指向されることを意味する。
【００２６】
溶接トーチ４は、ミグ／マグ溶接法を実行することが好ましいけれども、どの型式の溶接法用のいかなる型式の溶接トーチから選択してもよい。制御装置９が、レーザユニット２と溶接トーチ４を制御すると共に、溶接装置１を制御、操作及び監視するように設けられることが好都合である。インターフェース１０は、操作パネル１１、遠隔制御装置１２と、例えば、ワイヤフィーダ１３を溶接装置１と接続するように働く。本発明によれば、レーザユニット２を溶接トーチ４に従って制御する制御装置１４が設けられる。この場合、例えば、デジタル信号プロセッサからなる制御装置１４は、レーザユニット２用の給電ユニット６と溶接トーチ４用の給電ユニット７に直接に接続されることが好都合である。これは、レーザビーム３の電力Ｐｌａｓｅｒのアーク５の電力Ｐａｒｃに対する比の制御装置１４による調整を可能にする。必要条件に応じて、例えば、加工物８の接合部へのレーザビーム３のより深い溶込みを達成することができる。後の溶接法が、より小さな電力で加工物８の接合部により深く作用し得るので、これは、後のアーク溶接法による溶接を大幅に高める。勿論、給電ユニット６と７を共通ユニットで形成することもできる。給電ユニット６により加工物８に入力される電力Ｐｌａｓｅｒ又はレーザビーム３のエネルギーは、アーク５の給電ユニット７の電力Ｐａｒｃ又はエネルギーに適合させられ、それに応じて制御される。
【００２７】
レーザユニット２を制御する制御装置１４は、制御ループを形成するように、溶接トーチ４の溶接電圧Ｕ及び／又は溶接電流Ｉを検出する検出装置１５と、オプションとしてＡ／Ｄコンバータ１６を介して接続され得る。このようなフィードバックは、レーザビーム３のレーザ電力Ｐｌａｓｅｒのアーク５のアーク電力Ｐａｒｃに対する自動適合を可能にする。
【００２８】
通常、レーザユニット２は、レーザビーム３の焦点を変更する装置を備え、この装置は、溶接トーチ４の溶接電圧を検出する検出装置１５と接続される。図示されるように、この接続は、レーザユニット２を制御する制御装置１４を介して行うことができる。この結果、溶接電圧Ｕによりアーク５の長さを検出して、その後、レーザビーム３の焦点をアーク５のその検出長さに適合することができる。レーザ焦点を最適に調整することによって、入力エネルギーを最小化することができる。レーザユニット２を制御する制御装置１４は、更に、アーク５の点火後にレーザビーム３を時間的に遅延して活性化する装置を更に備える。この時間遅延は、例えば、操作パネル１１又は制御装置１４上に設けられた調整素子によって調整自在であることが好都合である。
【００２９】
アークの状態を検出するのに使用されるアーク５のパラメータは、溶接トーチ４の溶接電圧Ｕ及び／又は溶接電流Ｉを検出する検出装置１５によって検出されると共に、レーザユニット２を制御する制御装置１４に送信される。アーク５のパラメータ、例えば、アーク電流Ｉ及び／又はアーク電圧Ｕは、溶接作業中に監視されることが好都合である。この結果、アーク５の１個以上のパラメータの指定偏倚が検出され、レーザユニット２がそれに応じて制御され得る。このようにして、アーク５の消衰又はアークの短絡を検出できる結果、レーザユニット２が不活性化されることにより、レーザビーム３が消衰させられる。短絡発生溶接法において、アーク５の短時間の短絡は、故意に又は任意に発生するが、レーザユニット２の自動的不活性化をもたらさない。この目的のために、時間３８（図４乃至図６）を設定して、短絡の発生時に、時間３８を開始させて、この時間３８内の短絡中にレーザユニット２が活性状態にあり、時間３８が超過して短絡が生じている時にだけレーザユニット２が不活性化される。時間３８は、短絡発生溶接法における短絡の通常時間よりも長く決定される。
【００３０】
もし長すぎるアーク５が引かれると、アーク５の溶接電流Ｉ又は溶接電圧Ｕが上昇する。これは、各種の理由、例えば、加工物８から離隔しすぎた溶接トーチ４の移動又は加工物８に対する溶接トーチ４の角度の変化によって生じる。アーク５の指定パラメータの指定偏倚において、レーザユニット２は、制御装置１４によって不活性化される。
【００３１】
このようにして、レーザビーム３は、負傷の危険をもたらさないことが確実にされる。もし、例えば、溶接トーチ４が傾く、即ち、加工物８に対する溶接トーチ４の角度が変化すると、レーザビーム３は、加工物８の上で燃焼することにより、回りに立っている人を負傷させたり近くに配置された機器を損傷させることを引起こし得る。角度変化により、アーク５が、より長くなると共に、そのパラメータを変化させるので、レーザビーム３は、アーク５のパラメータの検出により自動的に不活性化される。アーク５の消衰後に、レーザビーム３は直ちにオフされるので、溶接の終了後に、使用者は、レーザビーム３を不注意で活性化することなく、溶接トーチ４をレーザユニット２と共に片付けることができる。検出装置１５を短絡検出と組合せて、レーザビーム３が、短絡溶接法において発生するように、アーク５の短絡で不活性化されない。従って、短絡溶接法において、レーザビーム３による加工物８内への更なる溶込みが、短絡中に起こり得る。
【００３２】
検出装置１５をアーク５の点火の検出に使用して、レーザビーム３を、アーク５の点火後にだけオンすることができる。レーザユニット２との溶接トーチ４の不適当な取扱いを防止すると共に、可能な限り最高の安全性を保証するために、レーザビーム３を、所定の時間遅れの後にオンすることができる。この結果、不注意で活性化されたレーザビーム３による負傷又は損傷の危険が除かれるように、レーザビーム３は、点火したアーク５なしに活性化されないことが簡単に達成される。
【００３３】
図２は、操作パネル１１を含む溶接機１７を概略的に図示する。エネルギーは、操作パネル１１上に配置された調整器具１８、特に、回転調整器を用いて使用者によって調整される。調整器具１８は、本実施例において図示されていない遠隔制御装置１２上に配置することもできる。
【００３４】
図示の実施例において、レーザビーム３とアーク５の両方が、溶接機１７内に配置された共通溶接電流源１９によって供給される。勿論、２個のユニットのために、１個又は数個の溶接電流源１９を、溶接機１７内又は溶接機１７の外に配置することもできる。溶接機１７をオンした後又は溶接トーチ４上に設けられた溶接ボタン２０（図１）を作動させた後、溶接電流源１９は、両溶接法のためのエネルギーを供給する。よって、ここで、例えば、アーク５に一定エネルギーを供給することができると共に、レーザビーム３の電力は、使用者の必要に応じて調整することができる。当然、レーザビーム３を一定エネルギーで作動させる一方、アーク５を必要条件に適合させることもできる。
【００３５】
この場合、レーザビーム３のレーザ電力Ｐｌａｓｅｒとアーク５のアーク電力Ｐａｒｃを、好ましくは、単一の調整器具１８により相対比に調整することもできる。よって、溶接電流源１９は必要なエネルギーを供給し、両溶接法の電力を、加工物８の要求又は性質に応じて単一の調整器具１８により調整することができる。
【００３６】
これにより、最小エネルギー消費で最適な溶接結果が得られる。通常、レーザ電力Ｐｌａｓｅｒは、大体、アーク電力Ｐａｒｃに対応することが目指される。ある溶接法では、例えば、加工物８へのより深い溶込みを達成することが好都合であり、その理由により、アーク電力Ｐａｒｃに比べて、より高いレーザ電力Ｐｌａｓｅｒが目指される。
【００３７】
もし、例えば、レーザ電力Ｐｌａｓｅｒが、アーク電力Ｐａｒｃに対して増加させられると、レーザビーム３による溶接法において加工物８へのより深い溶込みが達成される。アーク５は、レーザビーム３に対して減少させたその電力により、加工物８間の間隙を充填する。レーザビーム３のより高い電力Ｐｌａｓｅｒの大きな長所は、溶接速度を、特別な品質低下無しに大幅に増大できる点である。当然、レーザビーム３の焦点は、例えば、加工物８の厚さの中心に位置するように、調整されることができる。よって、電力変化の代わりに、レーザビーム３の焦点だけを変化させることができる。レーザビーム３の電力Ｐｌａｓｅｒを低下させることにより、レーザビーム３の加工物８への溶込みがより小さくなる結果、溶融浴によるアークのより良好な間隙ブリッジング性と、確実で、より良好で完全な又は完全に近い溶接継目とが得られる。
【００３８】
極端に多様な溶接法を実行するために、レーザ電力Ｐｌａｓｅｒのアーク電力Ｐａｒｃに対する比が調整自在であることが好都合である。この時、例えば、単一の調節器具１８により、レーザ電力Ｐｌａｓｅｒのアーク電力Ｐａｒｃに対する比を調整することが、単一の調整で両エネルギー源の電力を適当に変化させることを使用者に可能にする簡単な操作をもたらす。
【００３９】
図３は、図２の溶接機の操作パネル１１を図示する。操作パネル１１及び／又は遠隔制御装置１２は、レーザビーム３とアーク５の調整された電力値が表示されて、使用者により読取られるディスプレイ２１を含む。
【００４０】
レーザビーム３の電力のアーク５の電力に対する比は、調整器具１８により調整することができる。よって、レーザビーム３の加工物８の接合部への溶込みと加工物８の融解の深さをより小さくするように、例えば、レーザ電力Ｐｌａｓｅｒが、アーク電力Ｐａｒｃに比べて低減される（矢印２２）。一方、アーク５の電力Ｐａｒｃが、レーザビーム３の電力Ｐｌａｓｅｒに比べてより高く調整されるので、例えば、より良好な間隙ブリッジング性が達成される。同様に、レーザビーム３の電力Ｐｌａｓｅｒをアーク５の電力Ｐａｒｃより高く印加することにより（矢印２３）、レーザビーム３の大幅に大きな溶込みが得られ、レーザビーム３より遅延するアーク５が、より小さな電力で加工物８の接合部上に溶接継目を形成することができる。レーザビーム３のより高い電力Ｐｌａｓｅｒの大きな利点は、溶接速度が、特別な品質低下無しに大幅に増大することである。
【００４１】
操作パネル１１上には、レーザビーム３とアーク５用の別の調整オプション部材を設けることができる。例えば、キー２８を作動するだけで、後で用いる溶接法の溶加材の直径を選択して、それをディスプレイ２４上に表示することができる。更に、用いる溶加材の材料を調整してディスプレイ２５上に表示することができ、又、遅延する溶接法を調整してディスプレイ２６上に表示することができ、更に、レーザビーム３の焦点を調整してディスプレイ２７上に表示することができる。キー２８を作動するだけで、レーザハイブリッド溶接法のために望ましい値を固定することができる。
【００４２】
この結果、使用者は、溶接すべき加工物８に対して最適な溶接法、特に、最適なレーザハイブリッド溶接法を選択することができる。例えば、加工物８の反りを規制、特に、最小化するために、冷間金属トランスファ溶接法をレーザ溶接法と組合せることができる。あらゆる他の現在の溶接法をレーザ溶接法と組合せて調整することができることは言うまでもない。
【００４３】
図４は、ミグ溶接法の電圧／時間線図２９及び電流／時間線図３０と、レーザ溶接法の電圧／時間線図３１及び電流／時間線図３２を図示する。本発明によりレーザ溶接法に組合された溶接法では、例えば、いわゆる「リフトアーク原理」が、点火相３３中にアーク５を点火するのに使用される。この時、溶加材、特に、溶接ワイヤが加工物８に接触するまで前進させられ、次に、溶接ワイヤの移動が反転されて、溶接ワイヤが加工物８から所定距離まで戻され、溶接ワイヤの移動が再び反転される。溶接ワイヤの融解を防止するように選択される指定の電流Ｉを、溶接ワイヤに短絡時点３４から供給することにより、アーク５の点火が溶接ワイヤの後退移動と上昇中に起こる。アーク５の点火後に、レーザビーム３を、所定の時間遅れ３５の後の時点３６に作動させることができる。よって、レーザユニット２は、アーク５の点火後の時間遅れ３５で作動させられる。この結果、作動の早すぎるレーザビーム３による負傷の危険を除くことにより、安全性が更に高められる一方、レーザビーム３の発生に必要なエネルギー入力が低減される。その上、レーザビーム３は、確実に点火されたアーク５によってだけ作動させられる。この措置により、溶接法が実際に開始されて、レーザハイブリッド溶接トーチが適当に使用されたことが確保されるように、レーザビーム３は、アーク５の点火の指定時間遅れ３５の経過後にオンされることが確実になる。
【００４４】
時間遅れ３５は、調整自在であることが好都合であると共に、例えば、５００ｍｓである。アーク５のパラメータを、検出すると共に、制御装置１４に転送して、レーザビーム３を制御することができる。よって、レーザビーム３は、アーク５の指定状態の到達時にのみ点火され得る。
【００４５】
時点３７に対応する溶接の終了時に、検出装置１５は、アーク５の不足した電流Ｉ及び／又は不足した電圧Ｕを検出する。これが制御装置１４に転送されて、制御装置１４は、レーザユニット２に対するエネルギー供給を停止する。よって、アーク５が故意に終了されたか又は使用者が、手溶接中に、アーク５が消える程加工物８から溶接トーチ４をレーザユニット２で故意でなしに持上げたかどうかに拘わらず、レーザビーム３の自動的不活性化が保証される。その結果、レーザビーム３は、存在するアーク５で活性化され、更に、調整時間３８後の溶接の故意でない又は故意の終了時に再び不活性化されることにより、レーザユニット４による溶接トーチ４の不適当な操作が防止されるので、安全性が大幅に高められる。
【００４６】
図５は、パルス溶接法の電圧／時間線図３９及び電流／時間線図４０と、レーザビーム３の電圧／時間線図４１及び電流／時間線図４２を図示する。再びリフトアーク原理に基づいて生じる点火相３３の後、パルス溶接が、時間差３５の後の時点３６において開始される。
【００４７】
パルス溶接法では、点火相３３の後に、加工物８への方向の溶接ワイヤの移動が、加工物８に当接するまで行われる。短絡が時点４３において形成され、そのためにアーク５が全く存在しない。しかしながら、この方法では、アーク５の再点火までの短絡の長さ、即ち、期間４４は非常に短い。パルス溶接法では、レーザビーム３は、短絡の間、即ち、期間４４中にも連続的に活性化されたままである。これは、レーザユニット２が不活性化される前に短絡が存在しなければならない時間３８がプリセットされることにより、達成される。アーク５の消衰、よって、電圧Ｕの零値４５への低下後の時点４３で短絡を検出した後、電圧Ｕが所定時間３８の間に零値４５に保持されている場合にだけ、レーザユニット２が活性化される。短絡溶接法では、レーザビーム３が、検出装置１５でトリガされる制御装置１４によってオフされるまでの時間３８は、アーク５の再点火までの短絡の期間４４より長く指定されなければならない。しかしながら、溶接の実際の終了後にできるだけ僅かな時間しか経過しないことにより、溶接トーチ４をレーザユニット２と共に使用する時に可能な限り最大の安全性が再び保証されるように、レーザビーム３の不活性化までの時間３８は選択される。時間３８は、例えば、０．５秒と２秒の間にある。これは、使用者が、不適当な操作で、レーザビーム３によって、他人に対して負傷や付近の物体に対して損傷を与えることを心配する必要がない点で、特に、手溶接の分野において好都合である。
【００４８】
検出装置１５が、短絡の検出時に制御装置１４に信号を転送しないことにより、レーザビーム３が、短絡期間４４中に不活性化されないことがあり得る。その結果、レーザビーム３の不活性化までの時間３８が更に短縮されることにより、本発明にかかるレーザハイブリッドユニットの更に高い安全性が得られる。
【００４９】
図６は、冷間金属トランスファ溶接法の電圧／時間線図４６及び電流／時間線図４７と、レーザビーム３の電圧／時間線図４８と電流／時間線図４９を図示する。
冷間金属トランスファ溶接は、再び、点火相３３中に上記リフトアーク原理によって再開始される。アーク５が点火されると、レーザビーム３は、時間遅れ３５の後の時点３６において活性化される。
【００５０】
冷間金属トランスファ溶接中に、溶加材、特に、溶接ワイヤが、開始位置から加工物８への方向に移動させられる。溶接ワイヤが、加工物８に当接して、時点５０において短絡を形成した後、ワイヤ送りが反転されて、溶接ワイヤが、好ましくは開始位置に戻される。冷間金属トランスファ溶接中の溶滴形成又は溶接ワイヤの溶融を達成するために、溶接電流Ｉは、加工物８への方向の溶接ワイヤの前進移動中の時点５２において、基部電流５１に対して増加させられる。溶融浴への溶接ワイヤの浸漬とそれに続く溶接ワイヤの後退移動により、溶滴又は溶融材料が溶接ワイヤから離脱させられる（不図示）。溶滴の離脱を促進するために、溶接電流Ｉのパルス状増加を実行してもよい。
【００５１】
レーザ溶接法と冷間金属トランスファ溶接法の組合せの利点は、冷間金属トランスファ溶接法により、大幅に少ないエネルギーと熱が加工物８に導入される点にある。その結果、冷間金属トランスファ溶接法は、いわゆる冷間溶接法であるので、例えば、加工物８の反りが好都合に最小化される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明にかかるレーザ・アーク複合溶接装置のブロック図である。
【図２】本発明にかかるレーザ・アーク複合溶接装置を含む溶接機を示す。
【図３】図２の溶接機の操作パネルを示す。
【図４】レーザ・パルス複合溶接法の電流−時間線図と電圧−時間線図である。
【図５】レーザ・短絡複合溶接法の電流−時間線図と電圧−時間線図である。
【図６】レーザ・冷間金属トランスファ複合溶接法の電流−時間線図と電圧−時間線図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ レーザ・アーク複合溶接装置
２ レーザユニット
３ レーザビーム
４ 溶接トーチ
５ アーク
６ 給電ユニット
７ 給電ユニット
８ 加工物
９ 制御装置
１０ インターフェース
１１ 操作パネル
１２ 遠隔制御装置
１３ ワイヤフィーダ
１４ 制御装置
１５ 検出装置
１６ Ａ／Ｄコンバータ
１７ 溶接機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビーム（３）を発生するレーザユニット（２）とアーク（５）を発生する溶接トーチ（４）が、エネルギーを供給されると共に制御されるレーザ・アーク複合溶接のための方法において、
レーザユニット（２）が、溶接トーチ（４）に従って制御される方法。
【請求項２】
アーク（５）のパラメータが溶接作業中に監視されると共に、アーク（５）のパラメータの一つが指定偏倚をした時に、レーザユニット（２）が不活性化される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アーク電流（Ｉ）及び／又はアーク電圧（Ｕ）が監視される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
アーク（５）のパラメータが所定時間（３８）に渡り指定偏倚をした時に、レーザユニット（２）が不活性化される請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
レーザユニット（２）は、アーク（５）の点火後だけに活性化され、又、該点火は、アーク（５）のパラメータが指定値に到達したことにより検出される請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
レーザユニット（２）が、アーク（５）の点火後に時間遅れ（３５）で活性化される請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
時間遅れ（３５）が調整自在である請求項６に記載の方法。
【請求項８】
レーザビーム（３）の電力（Ｐｌａｓｅｒ）が、アーク（５）の電力（Ｐａｒｃ）に従って調整自在である請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
レーザ電力（Ｐｌａｓｅｒ）が、アーク電力（Ｐａｒｃ）に比例して調整自在である請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
レーザ電力（Ｐｌａｓｅｒ）が、アーク（５）を発生する溶接トーチ（４）の溶接電圧（Ｕ）及び／又は溶接電流（Ｉ）に従って調整自在である請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
レーザビーム（３）の焦点が、アーク（５）の長さに従って自動的に変更される請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
レーザビーム（３）を発生するレーザユニット（２）と、アーク（５）を発生する溶接トーチ（４）と、レーザユニット（２）用の給電ユニット（６）と、溶接トーチ（４）用の給電ユニット（７）と、レーザユニット（２）と溶接トーチ（４）を制御する少なくとも１個の制御ユニット（９）とを備えるレーザ・アーク複合溶接のための装置において、
溶接トーチ（４）に従ってレーザユニット（２）を制御する制御装置（１４）を設けた装置。
【請求項１３】
レーザユニット（２）を制御する制御装置（１４）が、溶接トーチ（４）の溶接電圧（Ｕ）及び／又は溶接電流（Ｉ）を検出する検出装置（１５）に接続されている請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
アーク（５）の電力（Ｐａｒｃ）に従ってレーザビーム（３）の電力（Ｐｌａｓｅｒ）を調整する調整器具（１８）を設けた請求項１２又は１３に記載の装置。
【請求項１５】
調整されたレーザ電力（Ｐｌａｓｅｒ）、アーク電力（Ｐａｒｃ）等を表示する少なくとも１個のディスプレイ（２１、２４、２５、２７、２８）を設けた請求項１２乃至１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
アーク（５）の点火後にレーザビーム（３）を時間的に遅れて活性化する装置を設けた請求項１２乃至１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
時間遅れ（３５）を調整する装置を設けた請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
レーザユニット（２）を制御する制御装置（１４）と、アーク（５）を制御する制御装置（１４）とがデジタル信号プロセッサで形成された請求項１２乃至１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
レーザユニット（２）が、レーザビーム（３）の焦点を変更する装置を含み、又、該装置が、アーク（５）を発生する溶接トーチ（４）の溶接電圧（Ｕ）及び／又は溶接電流（Ｉ）を検出する検出装置（１５）に接続されている請求項１２乃至１８のいずれかに記載の装置。
【請求項１】
レーザビーム（３）を発生するレーザユニット（２）とアーク（５）を発生する溶接トーチ（４）が、エネルギーを供給されると共に制御されるレーザ・アーク複合溶接のための方法において、
レーザユニット（２）が、溶接トーチ（４）に従って制御される方法。
【請求項２】
アーク（５）のパラメータが溶接作業中に監視されると共に、アーク（５）のパラメータの一つが指定偏倚をした時に、レーザユニット（２）が不活性化される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
アーク電流（Ｉ）及び／又はアーク電圧（Ｕ）が監視される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
アーク（５）のパラメータが所定時間（３８）に渡り指定偏倚をした時に、レーザユニット（２）が不活性化される請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
レーザユニット（２）は、アーク（５）の点火後だけに活性化され、又、該点火は、アーク（５）のパラメータが指定値に到達したことにより検出される請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
レーザユニット（２）が、アーク（５）の点火後に時間遅れ（３５）で活性化される請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
時間遅れ（３５）が調整自在である請求項６に記載の方法。
【請求項８】
レーザビーム（３）の電力（Ｐｌａｓｅｒ）が、アーク（５）の電力（Ｐａｒｃ）に従って調整自在である請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
レーザ電力（Ｐｌａｓｅｒ）が、アーク電力（Ｐａｒｃ）に比例して調整自在である請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
レーザ電力（Ｐｌａｓｅｒ）が、アーク（５）を発生する溶接トーチ（４）の溶接電圧（Ｕ）及び／又は溶接電流（Ｉ）に従って調整自在である請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
レーザビーム（３）の焦点が、アーク（５）の長さに従って自動的に変更される請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
レーザビーム（３）を発生するレーザユニット（２）と、アーク（５）を発生する溶接トーチ（４）と、レーザユニット（２）用の給電ユニット（６）と、溶接トーチ（４）用の給電ユニット（７）と、レーザユニット（２）と溶接トーチ（４）を制御する少なくとも１個の制御ユニット（９）とを備えるレーザ・アーク複合溶接のための装置において、
溶接トーチ（４）に従ってレーザユニット（２）を制御する制御装置（１４）を設けた装置。
【請求項１３】
レーザユニット（２）を制御する制御装置（１４）が、溶接トーチ（４）の溶接電圧（Ｕ）及び／又は溶接電流（Ｉ）を検出する検出装置（１５）に接続されている請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
アーク（５）の電力（Ｐａｒｃ）に従ってレーザビーム（３）の電力（Ｐｌａｓｅｒ）を調整する調整器具（１８）を設けた請求項１２又は１３に記載の装置。
【請求項１５】
調整されたレーザ電力（Ｐｌａｓｅｒ）、アーク電力（Ｐａｒｃ）等を表示する少なくとも１個のディスプレイ（２１、２４、２５、２７、２８）を設けた請求項１２乃至１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
アーク（５）の点火後にレーザビーム（３）を時間的に遅れて活性化する装置を設けた請求項１２乃至１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
時間遅れ（３５）を調整する装置を設けた請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
レーザユニット（２）を制御する制御装置（１４）と、アーク（５）を制御する制御装置（１４）とがデジタル信号プロセッサで形成された請求項１２乃至１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
レーザユニット（２）が、レーザビーム（３）の焦点を変更する装置を含み、又、該装置が、アーク（５）を発生する溶接トーチ（４）の溶接電圧（Ｕ）及び／又は溶接電流（Ｉ）を検出する検出装置（１５）に接続されている請求項１２乃至１８のいずれかに記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２００８−５２２８３３（Ｐ２００８−５２２８３３Ａ）
【公表日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５４５７７９（Ｐ２００７−５４５７７９）
【出願日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＴ２００５／０００５０４
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０６３３７４
【国際公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【出願人】（５０４３８０６１１）フロニウス・インテルナツィオナール・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング (65)
【氏名又は名称原語表記】ＦＲＯＮＩＵＳ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＧＭＢＨ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年７月３日（２００８．７．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１５日（２００５．１２．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＴ２００５／０００５０４
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０６３３７４
【国際公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【出願人】（５０４３８０６１１）フロニウス・インテルナツィオナール・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング (65)
【氏名又は名称原語表記】ＦＲＯＮＩＵＳ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＧＭＢＨ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]