溶接方法及び溶接システム
【課題】溶接信頼性を高める。
【解決手段】 母材Ｍ中で、溶接エネルギーを受けて溶融している溶融プールＰに隣接し、且つ溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域Ｆｆに、レーザ光を照射して、母材表面の酸化皮膜を形成する粒子を飛散させる。
【解決手段】 母材Ｍ中で、溶接エネルギーを受けて溶融している溶融プールＰに隣接し、且つ溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域Ｆｆに、レーザ光を照射して、母材表面の酸化皮膜を形成する粒子を飛散させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材の一部を溶融して母材を溶接する溶接技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
母材を溶接する場合、母材表面に酸化皮膜が存在すると、溶接信頼性が著しく低下する。このため、例えば、以下の特許文献１に記載されているように、母材表面を酸性水溶液等で洗浄して酸化皮膜を予め除去してから、又は、予め母材表面にレーザ光を照射して酸化皮膜を予め除去してから、母材を溶接する方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許平５−２６１５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術では、母材中に、ＡｌやＴｉ等、酸素との親和性が極めて高い元素が含まれている場合、予め母材表面の酸化皮膜を除去しても、母材を溶接する過程で高温になった部分に再び酸化皮膜が形成されてしまい、十分な溶接信頼性を確保できないことがある、という問題点がある。特に、原子力施設やガスタービン施設等において、高い溶接信頼性を求められる部品では軽視できない問題である。
【０００５】
そこで、本発明では、以上のような従来技術の問題点に着目し、溶接信頼性を高めることができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記問題点を解決するための発明に係る溶接方法は、
母材の溶接予定位置に、該母材を溶融する溶接エネルギーを加えて、該母材を溶接する溶接方法において、前記母材を溶接しつつ、前記溶接エネルギーを受けて溶融している溶融プールに隣接し、且つ該溶融プールに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域に、該母材の表面粒子を飛散させることができるクリーニングエネルギーを加える、ことを特徴とする。
【０００７】
母材の溶接時には、溶融プールが形成される。この溶融プールの回りの領域は高温であるため、溶接中にこの領域に酸化皮膜が形成される。当該溶接方法では、溶接中、溶融プールに隣接し、且つ溶融プールに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域に、クリーニングエネルギーを加えているので、溶接中、当該前側除去領域中に新たに形成された酸化皮膜を除去することができる。このため、当該溶接方法によれば、溶接信頼性を高めることができる。
【０００８】
ここで、前記溶接方法において、前記前側除去領域は、前記溶融プールに隣接し、該溶融プールに対して溶接方向前側の前記領域と、該溶融プール中の溶接方向前側の領域とを含んでもよい。当該溶接方法では、溶融プール中の溶接方向前側の部分と固相部との境界に対して、確実にクリーニングエネルギーを加えることができる。このため、当該溶接方法によれば、溶融プールに対して溶接方向前側であって溶接プールに隣接する領域の酸化皮膜を確実に除去することができる。
【０００９】
また、前記溶接方法において、前記溶融プールに対して溶接方向後側で、前記溶融プールと固相部との境界を含む第一後側除去領域と、該溶融プールに対して溶接方向後側の溶接ビード中、前記母材で規定される酸化物発生温度未満の第二後側除去領域とのうち、少なくとも該第一後側領域に、前記クリーニングエネルギーを加えてもよい。
【００１０】
当該溶接方法で、第一後側除去領域にクリーニングエネルギーを加えると、溶融プールが凝固する過程で、その表面に形成された酸化皮膜を除去することができ、酸化皮膜の溶接ビード内への巻き込みを防ぐことができる。また、当該溶接方法で、第二後側除去領域にクリーニングエネルギーを加えると、溶接ビード上に形成された酸化皮膜を除去することができ、その後の溶接パスの際の溶接信頼性を高めることができる。
【００１１】
また、前記溶接方法において、前記母材に対して荷電粒子又はレーザ光を照射することで、該母材に前記クリーニングエネルギーを加えてもよい。
【００１２】
前記問題点を解決するための発明に係る溶接システムは、
母材の溶接予定位置に、該母材を溶融する溶接エネルギーを加える溶接ヘッドを有する溶接装置と、前記母材に、該母材の表面粒子を飛散させることができるクリーニングエネルギーを加えるクリーニングヘッドを有するクリーング装置と、前記クリーニングヘッドを支持する支持手段と、前記溶接ヘッドが溶接方向に移動しつつ、前記母材の溶接予定位置に前記溶接エネルギーを加えている際に、該溶接エネルギーを受けて溶融している溶融プールに隣接し、且つ該溶融プールに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域に、前記クリーニングエネルギーが加わるよう、該溶接ヘッドの溶接方向への移動に伴って、前記クリーニングヘッドを支持している前記支持手段を該溶接方向に移動させるヘッド連動手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１３】
当該溶接システムでは、溶接中、溶融プールに隣接し、且つ溶融プールに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域に、クリーニングエネルギーを加えて、溶接中、当該前側除去領域中に新たに形成された酸化皮膜を除去することができる。このため、当該溶接システムによれば、溶接信頼性を高めることができる。
【００１４】
また、前記溶接システムにおいて、複数の前記クリーニングヘッドと、複数の前記支持手段とを備え、複数の前記支持手段のうちの第一支持手段は、複数の前記クリーニングヘッドのうちの第一クリーニングヘッドを支持し、複数の前記支持手段のうちの第二支持手段は、複数の前記クリーニングヘッドのうちの第二クリーニングヘッドを支持し、
前記ヘッド連動手段は、前記前側除去領域に前記クリーニングエネルギーが加わるよう、前記溶接ヘッドの溶接方向の移動に伴って、前記第一クリーニングヘッドを支持する前記第一支持手段を該溶接方向へ移動させる第一連動手段と、前記溶融プールに対して溶接方向後側で、該溶融プールと固相部との境界を含む後側除去領域に、前記クリーニングエネルギーが加わるよう、前記溶接ヘッドの溶接方向の移動に伴って、前記第二クリーニングヘッドを支持する前記第二支持手段を該溶接方向へ移動させる第二連動手段と、を有してもよい。
【００１５】
当該溶接システムでは、後側除去領域にクリーニングエネルギーを加えることで、溶融プールが凝固する過程で、その表面に形成された酸化皮膜を除去することができ、酸化皮膜の溶接ビード内への巻き込みを防ぐことができる。
【００１６】
また、前記溶接システムにおいて、第三クリーングヘッドと、該第三クリーニングヘッドを支持する第三支持手段とを備え、
前記ヘッド連動手段は、前記溶融プールに対して溶接方向後側の溶接ビード中、前記母材で規定される酸化物発生温度未満の領域に、前記クリーニングエネルギーが加わるよう、前記溶接ヘッドの溶接方向の移動に伴って、前記第三クリーニングヘッドを支持する前記第三支持手段を移動させる第三連動手段を有してもよい。
【００１７】
当該溶接システムでは、溶融プールに対して溶接方向後側の溶接ビード中、酸化物発生温度未満の領域にクリーニングエネルギーを加えることで、溶接ビード上に形成された酸化皮膜を除去することができ、その後の溶接パスの際の溶接信頼性を高めることができる。
【００１８】
また、前記溶接システムにおいて、前記支持手段は、該支持手段が支持している前記クリーニングヘッドの向きを変更可能に、前記ヘッド連動手段に取り付けられていてもよい。
【００１９】
溶接条件を変更すると、溶接プールの大きさ等が変わると、溶接プールの中心から、クリーニングエネルギーを加える領域までの距離も変わる。当該溶接システムでは、クリーニングヘッドの向きを変えることができるので、溶接条件に伴う、溶接プールの中心から、クリーニングエネルギーを加える領域までの距離の変化に対応することができる。
【００２０】
また、前記溶接システムにおいて、前記支持手段は、前記母材に対向する仮想面内で前記溶接方向に対して垂直な方向の複数個所で、前記クリーニングヘッドを支持する複数の支持部を有してもよい。
【００２１】
当該溶接システムでは、母材に対向する仮想面内で溶接方向に対して垂直な方向に関し、クリーニングエネルギーを加える領域の幅を適宜変更することができる。
【００２２】
また、前記溶接システムにおいて、前記ヘッド連動手段は、前記母材に対向する仮想面内で前記溶接方向に対して垂直な方向に、前記クリーニングヘッドを往復移動させるウィービング手段を有してもよい。
【００２３】
当該溶接システムでは、母材に対向する仮想面内で溶接方向に対して垂直な方向に関し、クリーニングエネルギーを加える領域の幅を広げることができる。
【００２４】
また、前記溶接システムにおいて、前記溶接ヘッドは、前記母材に対して電子を照射することで、該母材に溶接エネルギーを加え、前記クリーニングヘッドは、前記母材に対してレーザ光を照射することで、該母材に前記クリーニングエネルギーを加えるものであってもよい。また、前記溶接ヘッドは、前記母材に対してレーザ光を照射することで、該母材に溶接エネルギーを加え、前記クリーニングヘッドは、前記母材に対して荷電粒子又はレーザ光を照射することで、該母材に前記クリーニングエネルギーを加えるものであってもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、溶接中、溶接により高温になった領域に形成される酸化皮膜を除去することができ、溶接信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る第一実施形態における溶接システムの構成図である。
【図２】溶接中の母材の温度分布を示す説明図である。
【図３】本発明に係る第一実施形態における、前側除去領域と溶融プールの位置関係を示す説明図である。
【図４】本発明に係る第一実施形態で、レーザ光により酸化皮膜を除去する過程を示す説明図である。
【図５】本発明に係る第二実施形態における溶接システムの構成図である。
【図６】本発明に係る第二実施形態における、前側除去領域及び後側除去領域と溶接プールとの位置関係を示す説明図である。
【図７】本発明に係る第三実施形態における溶接システムの構成図である。
【図８】本発明に係る第三実施形態における、前側除去領域、第一後側除去領域及び第二後側除去領域と溶接プールとの位置関係を示す説明図である。
【図９】本発明に係る第四実施形態における溶接システムの構成図である。
【図１０】本発明に係る第四実施形態で、アークにより酸化皮膜を除去する過程を示す説明図である。
【図１１】本発明に係る第四実施形態で、ＴＩＧクリーニングヘッドに供給する電流の変化を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る第四実施形態における、前側除去領域と溶融プールの位置関係を示す説明図である。
【図１３】本発明に係る実施形態の変形例における、前側除去領域と溶融プールの位置関係を示す説明図である。
【図１４】本発明に係る実施形態の他の変形例における、前側除去領域と溶融プールの位置関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照し、本発明に係る溶接方法、及びこの方法を実行する溶接システムの各種実施形態について説明する。
【００２８】
「第一実施形態」
まず、本発明に係る溶接方法、及びこの方法を実行する溶接システムの第一実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
【００２９】
本実施形態の溶接システムは、図１に示すように、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas)アークを発生するＴＩＧ溶接ヘッドを有するＴＩＧ溶接装置１０と、レーザ光を出射するレーザヘッド４１を有するクリーニング装置４０と、レーザヘッド４１を保持するレーザヘッド支持具（支持手段）３３と、ＴＩＧ溶接ヘッド１１を基準にしてレーザヘッド４１を揺動させるウィービング機構（連動手段）３５と、このウィービング機構３５を駆動するウィービング駆動回路３９と、ＴＩＧ溶接装置１０やクリーニング装置４０等を制御する制御装置５０と、を備えている。
【００３０】
ＴＩＧ溶接装置１０は、前述のＴＩＧ溶接ヘッド１１と、ＴＩＧ溶接ヘッド１１にイナートガスとしてのＡｒガスを供給するＡｒガス発生装置２１と、ＴＩＧ溶接ヘッド１１に溶接用の電力を供給する溶接電源２３と、溶接アークＡｗ内に溶加材２９を供給する溶加材供給装置２５と、ＴＩＧ溶接ヘッド１１を母材Ｍに対して相対移動させるヘッド移動機構３１と、を有している。なお、ここでは、イナートガスとして、Ａｒガスを用いているが、Ｈｒガスや、ＡｒとＨｒの混合ガス等、他のイナートガスを用いてもよい。
【００３１】
ＴＩＧ溶接ヘッド１１は、Ａｒガス発生装置２１からのＡｒガスを噴射するガスノズル１２と、ガスノズル１２内に配置されたタングステン電極１３と、ガスノズル１２内に配置され、タングステン電極１３を保持するコンタクトノズル１４と、ガスノズル１２が取り付けられているヘッドボディ１５と、を有している。
【００３２】
溶加材供給装置２５は、溶加材２９を排出する溶加材供給機構２６と、溶加材供給機構２６が排出した溶加材２９を溶接アークＡｗ内に導く溶加材送給ガイド２８と、を有している。ここで、溶加材は、ワイヤ形状のものであっても、粉末であってもよい。
【００３３】
ヘッド移動機構３１は、ＴＩＧ溶接ヘッド１１のヘッドボディ１５を把持し、制御装置５０からの支持に応じて、ＴＩＧ溶接ヘッド１１を三次元空間内で移動させるロボットである。
【００３４】
クリーニング装置４０は、例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ光を発振するレーザ発振器４３と、レーザ発振器４３からのレーザ光を集光する集光光学系を有するレーザヘッド４１と、を有している。
【００３５】
ウィービング機構３５は、ＴＩＧ溶接ヘッド１１に固定されているウィービングベース３６と、このウィービングベース３６を基準にして、タングステン電極１３と平行な軸回りに揺動するウィービングアーム３７と、このウィービングアーム３７を揺動させる揺動機構（不図示）と、を有している。揺動機構はウィービング駆動回路３９からの駆動電力を受けて駆動する。ウィービングアーム３７の先端部には、タングステン電極１３に対して平行な軸回りに回転可能に、レーザヘッド支持具３３が取り付けられている。
【００３６】
次に、以上で説明した溶接システムの動作について説明する。
【００３７】
ヘッド移動機構３１は、制御装置５０からの指示を受けて、ＴＩＧ溶接ヘッド１１を母材Ｍの溶接予定位置中の溶接開始位置に対向させると共に、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の向きを調整して、ＴＩＧ溶接ヘッド１１に対してレーザヘッド支持具３３を予定する溶接方向前側に位置させる。そして、ヘッド移動機構３１は、溶接予定位置に沿って、溶接開始位置から溶接終了位置に向けて、つまり溶接方向にＴＩＧ溶接ヘッド１１を移動させる。
【００３８】
Ａｒガス発生装置２１は、制御装置５０からの指示に従って、ＴＩＧ溶接ヘッド１１にＡｒガスを供給する。このＡｒガスは、ＴＩＧ溶接ヘッド１１のガスノズル１２から母材Ｍへ向けて噴射される。また、溶接電源２３は、制御装置５０からの指示に従って、ＴＩＧ溶接ヘッド１１のタングステン電極１３に直流正極性の電流、又は交流電流を供給する。溶接電源２３から溶接電力が供給されたタングステン電極１３からは、ガスノズル１２から噴出したＡｒガスの雰囲気内で、母材Ｍに向かって電子が放出される。この結果、タングステン電極１３と母材Ｍとの間にアークが発生し、そのアーク熱によって溶加材２９及び母材Ｍが溶融して、溶融プールに溶加材２９を供給することにより母材Ｍが溶接される。
【００３９】
母材Ｍの溶接が開始されると、母材Ｍ上には、図２に示すように、溶加材２９と母材Ｍとの溶融物で形成されている溶融プールＰが形成される。この溶融プールＰは次第に凝固し、溶接ビードＢを形成する。この際、母材Ｍ上の温度分布は、溶融プールＰから遠ざかるに連れて温度が低下する温度分布を示す。溶融プールＰと固相部分との境の温度は、固相部が溶融する母材Ｍの固相線温度（例えば、1200〜1300℃）、又は液相部が凝固する母材Ｍの液相線温度（例えば、1250〜1350℃）である。この溶融プールＰの外回りに、温度分布が形成される。ここでは、例として、1000℃、500℃、200℃の温度領域を示す。いずれの温度領域も、溶融プールＰを中心に形成される。但し、各温度領域は、溶融プールＰから溶接方向前側の温度境界までの距離よりも、溶融プールＰから溶接方向後側の温度境界までの距離の方が長い。
【００４０】
母材表面には、そこが凝固していても、約５００℃以上であれば、酸化皮膜が発生する。なお、この酸化皮膜が発生する温度（約５００℃）は、母材Ｍの材質等により若干変動する。仮に、本実施形態のように、イナートガス雰囲気内でアークを発生させても、母材Ｍ中にＡｌやＴｉ等、酸素との親和性が極めて高い元素が含まれている場合には、このイナートガス雰囲気内に残存する酸素が母材Ｍ中のＡｌやＴｉに結びついて、酸化皮膜が形成される。また、母材Ｍに酸素元素が含まれている場合にも、この酸素元素により酸化皮膜が形成される場合もある。
【００４１】
このため、母材表面を酸性水溶液等で予め洗浄して酸化皮膜を除去してから、又は、母材表面にレーザ光を予め照射して酸化皮膜を除去してから溶接を行っても、溶融プールＰよりも溶接方向前側の５００℃以上の領域に、溶接による熱で酸化皮膜が形成されることがある。
【００４２】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、溶接中、この溶接で形成される溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域Ｆｆに対して、酸化皮膜を除去するクリーニング処理を実行するようにしている。
【００４３】
本実施形態において、前側除去領域Ｆｆは、５００℃以上の領域内であって、溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域と、溶融プールＰ内の溶接方向前側の領域とを含み、溶接方向に対して垂直な方向の幅Ｗｆが、溶融プールＰの幅Ｗｐ（例えば、５ｍｍ）に対して数十パーセントほど広い領域である。
【００４４】
本実施形態でクリーニング処理は、クリーニング装置４０が実行する。
【００４５】
本実施形態では、以上で説明した溶接に先立ち、まず、ＴＩＧ溶接ヘッド１１に設けられているウィービング機構３５のウィービングアーム３７に回転可能に取り付けられているレーザヘッド支持具３３で、レーザヘッド４１を保持する。次に、このレーザヘッド４１からのレーザ光Ｌｃが、ＴＩＧ溶接ヘッド１１からのアークＡｗによって形成される溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向前側に照射されるよう、レーザヘッド４１を保持しているレーザヘッド支持具３３の向きを調節する。さらに、レーザヘッド４１の集光光学系を調整して、母材表面上のレーザ光Ｌｃの照射径の大きさを目的の大きさにする。なお、溶融プールＰと固相部との境界の位置は、当該溶接と同じ溶接条件の溶接テスト等を行って、溶融プールＰの大きさ等を予め把握しておくことで、容易に定めることができる。
【００４６】
レーザ発振器４３は、制御装置５０からの指示を受けて駆動し、レーザ光を発振する。このレーザ光は、光ファイバ４２を経て、レーザヘッド４１から母材Ｍへ照射される。このレーザヘッド４１は、ウィービング機構３５及びレーザヘッド支持具３３によりＴＩＧ溶接ヘッド１１の前方に連結されているため、ＴＩＧ溶接ヘッド１１がヘッド移動機構３１により溶接方向に移動すると、レーザヘッド４１も、溶接方向へ移動する。この際、制御装置５０からの指示でウィービング機構３５が駆動し、レーザヘッド支持具３３で保持されているレーザヘッド４１は、ＴＩＧ溶接ヘッド１１を基準にして、溶接方向及びタングステン電極１３に対して垂直な方向に揺動する。
【００４７】
このように、本実施形態では、レーザヘッド４１からのレーザ光Ｌｃが溶融プールＰと固相部との境界であって溶融プールＰの溶接方向前側に照射されるよう、レーザヘッド４１の向きを調節した上で、溶接中、ＴＩＧ溶接ヘッド１１を基準にしてレーザヘッド４１をウィービングさせつつ、このレーザヘッド４１からレーザ光Ｌｃを出力させているので、レーザヘッド４１からのレーザ光Ｌｃは、前述の前側除去領域Ｆｆに照射される。
【００４８】
ここで、本実施形態のレーザ出力の波形は、ピーク出力とベース出力とを交互に繰り返すパルス状の出力波形である。この際、本実施形態のレーザ照射条件は、例えば、以下の通りである。
レーザピーク出力値：８０〜１５０Ｗ
レーザベース出力値：０〜２０Ｗ
レーザパルス周波数：１０〜４０ＫＨｚ
ウィービング周波数：５０〜２００ＫＨｚ
ウィービング幅：５〜２０ｍｍ
【００４９】
図４（ａ）に示すように、母材Ｍ表面に酸化皮膜１が形成されている場合、同図（ｂ）（ｃ）に示すように、そこにレーザ光Ｌｃを照射すると、酸化皮膜１を形成している粒子２がレーザ光Ｌｃを受けたことにより加熱され、融解・蒸発して飛散してしまう。この結果、同図（ｄ）に示すように、母材Ｍ表面上の酸化皮膜１は除去される。また、母材Ｍ表面上に油分や錆等がある場合でも、同様の原理で、油分や錆等は除去される。
【００５０】
従って、レーザ光Ｌｃが照射される前側除去領域Ｆｆは、レーザ光Ｌｃの照射によるクリーニングエネルギーを受けてクリーニング処理され、この前側除去領域Ｆｆ内の母材表面に酸化皮膜、油分、錆等があったとしても、これが除去される。このため、本実施形態では、溶接信頼性を高めることができる。
【００５１】
なお、本実施形態では、溶融プールＰの幅Ｗｐ（例えば、５ｍｍ）に対して、母材Ｍ表面上のレーザ光Ｌｃの照射径が小さいために、レーザヘッド４１をウィービングしているが、レーザヘッド４１の集光光学系を調整して、母材表面上のレーザ光Ｌｃの照射径を溶融プールＰの幅Ｗｐより大きくしても、母材表面のエネルギー密度をクリーニング処理可能なエネルギー密度にできる場合には、レーザヘッド４１をウィービングする必要はない。
【００５２】
また、本実施形態における溶加材２９は、ワイヤ状又は粉末状のものを用いてもよい。
【００５３】
さらに、本実施形態では、レーザヘッド支持具３３とＴＩＧ溶接ヘッド１１とをウィービング機構３５（連動手段）で連結することにより、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の移動に伴って、レーザヘッド４１も溶接方向に移動するようにしているが、レーザヘッド４１に対して独自のヘッド移動機構を設け、このヘッド移動機構により、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の移動に同期して、レーザヘッド４１を溶接方向に移動させると共に、レーザヘッド４１をウィービングさせてもよい。
【００５４】
「第二実施形態」
次に、本発明に係る溶接方法、及びこの方法を実行する溶接システムの第二実施形態について、図５及び図６を用いて説明する。
【００５５】
本実施形態の溶接システムも、図５に示すように、第一実施形態と同様、ＴＩＧ溶接装置１０と、クリーニング装置４０ａと、クリーニング装置４０ａのレーザヘッド４１，４１ａを保持するレーザヘッド支持具３３，３３ａと、レーザヘッド４１，４１ａを揺動させるウィービング機構３５，３５ａと、このウィービング機構３５，３５ａを駆動するウィービング駆動回路３９と、ＴＩＧ溶接装置１０やクリーニング装置４０ａ等を制御する制御装置５０と、を備えている。但し、本実施形態では、クリーニング装置４０ａがレーザヘッド４１，４１ａを二つ有し、この関係で、レーザヘッド支持具３３，３３ａ及びウィービング機構３５，３５ａも二つ備えている。
【００５６】
本実施形態において、二つのウィービング機構３５，３５ａのうち、一方のウィービング機構３５は、第一実施形態と同様、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向前側に設けられ、他方のウィービング機構３５ａは、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向後側に設けられている。各ウィービング機構３５，３５ａのウィービングアーム３７，３７の先端部には、レーザヘッド支持具３３，３３が、ＴＩＧ溶接ヘッド１１内のタングステン電極１３に対して平行な軸回りに回転可能に取り付けられている。各ウィービング機構３５，３５ａは、ウィービング駆動回路３９からの駆動電力により駆動する。
【００５７】
本実施形態において、二つのレーザヘッド４１，４１ａのうち、一方のレーザヘッド４１は、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向前側に設けられているレーザヘッド支持具３３により保持され、他方のレーザヘッド４１ａは、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向後側に設けられているレーザヘッド支持具３３ａにより保持される。各レーザヘッド４１，４１ａには、レーザ発振器４３から分配器４５を介して、レーザ光Ｌｃが送られる。なお、ここでは、一つのレーザ発振器４３からのレーザ光Ｌｃを分配器４５で分配して、各レーザヘッド４１，４１ａに送っているが、各レーザヘッド４１，４１ａ毎にレーザ発振器を設けてもよい。
【００５８】
本実施形態でも、第一実施形態と同様、溶接に先立ち、各レーザヘッド支持具３３，３３ａで、各レーザヘッド４１，４１ａを保持する。次に、二つのレーザヘッド４１のうち前側のレーザヘッド４１からのレーザ光Ｌｃが、ＴＩＧ溶接ヘッド１１からのアークＡｗによって形成される溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向前側に照射されるよう、前側のレーザヘッド４１を保持しているレーザヘッド支持具３３の向きを調節する。さらに、後側のレーザヘッド４１ａからのレーザ光Ｌｃが、ＴＩＧ溶接ヘッド１１からのアークＡｗによって形成される溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向後側に照射されるよう、後側のレーザヘッド４１ａを保持しているレーザヘッド支持具３３ａの向きを調節する。そして、各レーザヘッド４１，４１ａの集光光学系を調整して、母材表面上のレーザ光Ｌｃの照射径の大きさを目的の大きさにする。
【００５９】
以上の調整作業が終了すると、第一実施形態と同様に、溶接システムを動作させて、溶接及びクリーニング処理を並行実施する。
【００６０】
本実施形態では、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の前側と後側とにレーザヘッド４１，４１ａを設け、それぞれをウィービング機構３５，３５ａによりウィービングさせているので、図６に示すように、第一実施形態と同様に、前側除去領域Ｆｆがクリーニング処理されると共に、溶融プールＰに対して溶接方向後側で、溶融プールＰと固相部との境界を含む後側除去領域Ｆｂ１もクリーング処理される。この後側除去領域Ｆｂ１は、溶接方向に対して垂直な方向の幅Ｗが、前側除去領域Ｆｆと同様、溶融プールＰの幅Ｗｐに対して数十パーセントほど広い。
【００６１】
溶融プールＰに対して溶接方向後側で、溶融プールＰと固相部との境界は、約５００℃以上の領域内であるため、酸化皮膜が発生し始める箇所である。仮に、この境界で酸化皮膜が形成されると、溶接ビードＢ内にこの酸化皮膜が巻き込まれる恐れがある。そこで、本実施形態では、後側除去領域Ｆｂ１においてもクリーニング処理を実行し、溶融プールＰに対して溶接方向後側で、溶融プールＰと固相部との境界に、仮に酸化皮膜が発生したとしても、これを除去することで、溶接ビードＢ内への酸化皮膜の巻き込みを防ぎ、溶接信頼性を高めている。
【００６２】
「第三実施形態」
次に、本発明に係る溶接方法、及びこの方法を実行する溶接システムの第三実施形態について、図７及び図８を用いて説明する。
【００６３】
本実施形態の溶接システムも、図７に示すように、第一及び第二実施形態と同様、ＴＩＧ溶接装置１０と、クリーニング装置４０ｂと、クリーニング装置４０ｂのレーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂを保持するレーザヘッド支持具３３，３３ａ，３３ｂと、レーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂを揺動させるウィービング機構３５，３５ａ，３５ｂと、このウィービング機構３５，３５ａ，３５を駆動するウィービング駆動回路３９と、ＴＩＧ溶接装置１０やクリーニング装置４０ｂ等を制御する制御装置５０と、を備えている。但し、本実施形態では、クリーニング装置４０ｂがレーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂを三つ有し、この関係で、レーザヘッド支持具３３，３３ａ，３３ｂ及びウィービング機構３５，３５ａ，３５ｂも三つ備えている。
【００６４】
本実施形態において、三つのウィービング機構３５，３５ａ，３５ｂのうち、第一のウィービング機構３５は、第一実施形態と同様、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向前側に設けられ、第二及び第三のウィービング機構３５ａ，３５ｂは、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向後側に設けられている。各ウィービング機構３５，３５ａ，３５ｂのウィービングアーム３７，３７，３７の先端部には、レーザヘッド支持具３３，３３ａ，３３ｂが、ＴＩＧ溶接ヘッド１１内のタングステン電極１３に対して平行な軸回りに回転可能に取り付けられている。第三のウィービング機構３５ｂのウィービングアーム３７は、第二のウィービング機構３５ｂのウィービングアーム３７より長い。このため、第三のウィービング機構３５ｂのウィービングアーム３７の先端部に取り付けられているレーザヘッド支持具３３ｂは、第二のウィービング機構３５ｂのウィービングアーム３７の先端部に取り付けられているレーザヘッド支持具３３ａよりも後方に位置している。各ウィービング機構３５，３５ａ，３５ｂは、ウィービング駆動回路３９からの駆動電力により駆動する。
【００６５】
本実施形態において、三つのレーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂのうち、第一のレーザヘッド４１は、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向前側に設けられているレーザヘッド支持具３３により保持され、第二及び第三のレーザヘッド４１ａ，４１ｂは、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向後側に設けられているレーザヘッド支持具３３ａ，３３ｂにより保持される。各レーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂには、レーザ発振器４３から分配器４５を介して、レーザ光Ｌｃが送られる。なお、ここでは、一つのレーザ発振器４３からのレーザ光Ｌｃを分配器４５で分配して、各レーザヘッド４１に送っているが、各レーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂ毎にレーザ発振器を設けてもよい。
【００６６】
本実施形態でも、第一及び第二実施形態と同様、溶接に先立ち、各レーザヘッド支持具３３，３３ａ，３３ｂで、各レーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂを保持する。次に、第一のレーザヘッド４１からのレーザ光Ｌｃが、ＴＩＧ溶接ヘッド１１からのアークＡｗによって形成される溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向前側に照射されるよう、前側のレーザヘッド４１を保持しているレーザヘッド支持具３３の向きを調節する。また、第二のレーザヘッド４１ａからのレーザ光Ｌｃが、溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向後側に照射されるよう、第二のレーザヘッド４１ａを保持しているレーザヘッド支持具３３ａの向きを調節する。さらに、最も後方の第三のレーザヘッド４１ｂからのレーザ光Ｌｃが、溶融プールＰに対して溶接方向後側の溶接ビードＢ中、酸化皮膜が発生する温度（約５００℃）未満の領域に照射されるよう、第三のレーザヘッド４１ｂを保持しているレーザヘッド支持具３３ｂの向きを調節する。そして、各レーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂの集光光学系を調整して、母材表面上のレーザ光Ｌｃの照射径の大きさを目的の大きさにする。
【００６７】
以上の調整作業が終了すると、第一及び第二実施形態と同様に、溶接システムを動作させて、溶接及びクリーニング処理を並行実施する。
【００６８】
本実施形態では、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の前側に第一のレーザヘッド４１を設け、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の後側に第二のレーザヘッド４１ａを設け、さらにそれよりも後側に第三のレーザヘッド４１ｂを設け、それぞれをウィービング機構３５，３５ａ，３５ｂによりウィービングさせているので、図８に示すように、第二実施形態と同様、前側除去領域Ｆｆ及び第一後側除去領域Ｆｂ１がクリーニング処理されると共に、溶融プールＰに対して溶接方向後側の溶接ビードＢ中で、酸化皮膜が発生する温度（約５００℃）未満の領域を含む第二後除去領域Ｆｂ2もクリーング処理される。この第二後側除去領域Ｆｂ2は、溶接方向に対して垂直な方向の幅Ｗが、前側除去領域Ｆｆ及び第一後側除去領域Ｆｂ１と同様、溶融プールＰの幅Ｗｐに対して数十パーセントほど広い。
【００６９】
溶融プールＰに対して溶接方向後側で、溶融プールＰと固相部との境界を含む第一後除去領域Ｆｂ１は、５００℃以上の領域内を横断しており、この第一後除去領域Ｆｂ１よりも後側には、酸化皮膜が発生する温度（約５００℃）以上の領域が存在するため、この領域に酸化皮膜が発生する。
【００７０】
溶接予定位置を１パスで溶接する場合、溶接ビードＢ上に酸化皮膜が形成されても、その後の加工処理等があり、この加工処理等で酸化皮膜が不都合なものでない限り、基本的に何ら問題はない。しかし、溶接予定位置を複数パスで溶接する場合、第一回パスの溶接で形成された溶接ビードＢ上に酸化皮膜が形成されると、第二回パスの溶接における溶接信頼性が低下する。本実施形態の場合、第一回パスの溶接で形成された溶接ビードＢ上に酸化皮膜が形成されても、第二後側除去領域Ｆｂ2にクリーニング処理を施しているので、第二回パスの溶接の前に、この溶接ビードＢ上の酸化皮膜を除去することができる。しかも、本実施形態の場合、第二回パスの溶接時にも、前側除去領域Ｆｆにクリーニング処理を施すので、第二回パスの溶接では、酸化皮膜が確実に除去されている部分を溶接することができる。
【００７１】
よって、本実施形態では、溶接予定位置を多数パスで溶接する場合の溶接信頼性をより高めることができる。また、溶接予定位置を１パスで溶接し、その溶接後に、この溶接で形成された溶接ビードＢを含む領域に何らかの加工処理を施す場合に、溶接ビードＢ上に酸化皮膜が形成されていないことで、この加工処理での効果を確実に得ることができる。
【００７２】
「第四実施形態」
次に、本発明に係る溶接方法、及びこの方法を実行する溶接システムの第三実施形態について、図９〜図１１を用いて説明する。
【００７３】
本実施形態の溶接システムは、以上の各実施形態と異なり、レーザ光Ｌｗにより溶接を行い、ＴＩＧアークＡｃによりクリーニング処理を行うものである。このため、本実施形態の溶接システムは、図９に示すように、レーザ光Ｌｗを出射するレーザ溶接ヘッド６１を有するレーザ溶接装置６０と、ＴＩＧアークを発生するＴＩＧクリーニングヘッド７１を有するクリーニング装置７０と、ＴＩＧクリーニングヘッド７１を保持するＴＩＧヘッド支持具８３と、レーザ溶接ヘッド６１の移動に伴ってＴＩＧクリーニングヘッド７１を移動させるためにＴＩＧヘッド支持具８３とレーザ溶接ヘッド６１とを連結するヘッド連結具（連動手段）８５と、レーザ溶接装置６０やクリーニング装置７０等を制御する制御装置９０と、を備えている。
【００７４】
レーザ溶接装置６０は、例えば、ＹＡＧレーザ光Ｌｃを発振するレーザ発振器６３と、レーザ発振器６３からのレーザ光Ｌｗを集光する集光光学系を有するレーザ溶接ヘッド６１と、レーザ溶接ヘッド６１を母材Ｍに対して相対移動させるヘッド移動機構６９と、を有している。すなわち、このレーザ溶接装置６０は、ヘッド移動機構６９を除き、第一実施形態のクリーニング装置４０と基本的に同じ構成を成している。但し、このレーザ溶接装置６０は、母材Ｍを溶接するものであるから、母材表面の酸化皮膜等を除去するための第一実施形態のクリーニング装置７０よりも、高出力のレーザ光Ｌｗを出射する。さらに、このレーザ溶接装置６０は、ＹＡＧレーザ光Ｌｃ内に溶加材２９を供給する溶加材供給装置２５を有している。
【００７５】
ヘッド移動機構６９は、レーザ溶接ヘッド６１のベース６５を把持し、制御装置９０からの支持に応じて、レーザ溶接ヘッド６１を三次元空間内で移動させるロボットである。
【００７６】
クリーニング装置７０は、前述のＴＩＧクリーニングヘッド７１と、このＴＩＧクリーニングヘッド７１にイナートガスとしてのＡｒガスを供給するＡｒガス発生装置７６と、ＴＩＧクリーニングヘッド７１にクリーニング用の電力を供給するクリーニング電源７８と、を有している。ＴＩＧクリーニングヘッド７１は、Ａｒガス発生装置７６からのＡｒガスを噴射するガスノズル７２と、ガスノズル７２内に配置されたタングステン電極７３と、ガスノズル７２内に配置され、タングステン電極７３を保持するコンタクトノズル７４と、を有している。すなわち、このクリーニング装置７０は、第一実施形態のＴＩＧ溶接装置１０と基本的に同じ構成である。但し、本実施形態のクリーニング装置７０は、あくまでもクリーニング処理を実行する装置であるため、第一実施形態のＴＩＧ溶接装置１０のように、溶加材２９を供給する溶加材供給装置２５を有していない。さらに、このクリーニング装置７０のクリーニング電源７８は、第一実施形態における溶接装置の溶接電源２３とは異なり、後述するように、逆極性の電流をタングステン電極７３に供給する。
【００７７】
ＴＩＧヘッド支持具８３は、一方の端部がレーザ溶接ヘッド６１に固定されているヘッド連結具８５の先端部に回転可能に取り付けられている。
【００７８】
次に、以上で説明した溶接システムの動作について説明する。
【００７９】
ヘッド移動機構６９は、制御装置９０からの指示を受けて、レーザ溶接ヘッド６１を母材Ｍの溶接予定位置中の溶接開始位置に対向させると共に、レーザ溶接ヘッド６１の向きを調整して、レーザ溶接ヘッド６１に対してＴＩＧヘッド支持具８３を予定する溶接方向前側に位置させる。そして、ヘッド移動機構６９は、溶接予定位置に沿って、溶接開始位置から溶接終了位置に向けて、つまり溶接方向にレーザ溶接ヘッド６１を移動させる。
【００８０】
レーザ発振器６３は、レーザ溶接ヘッド６１の溶接予定位置に沿った移動に同調して、制御装置９０からの指示を受けて、レーザ光Ｌｗを発振する。このレーザ光Ｌｗは光ファイバ６２を介してレーザ溶接ヘッド６１に送られ、レーザ溶接ヘッド６１で集光され、母材Ｍに照射される。レーザ光Ｌｗが照射され、溶接エネルギーが加えられた母材Ｍは、溶融して溶接される。
【００８１】
本実施形態においても、以上の実施形態と同様、溶接に先立ち、まず、ヘッド連結具８５に回転可能に取り付けられているＴＩＧヘッド支持具８３で、ＴＩＧクリーニングヘッド７１を保持する。次に、レーザ溶接ヘッド６１からのレーザ光Ｌｗによって形成される溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向前側に、このＴＩＧクリーニングヘッド７１との間でＴＩＧアークＡｃが発生するよう、ＴＩＧクリーニングヘッド７１を保持しているＴＩＧヘッド支持具８３の向きを調節する。
【００８２】
Ａｒガス発生装置７６は、レーザ溶接装置６０が溶接を開始する直前に、制御装置９０から指示を受けて、ＴＩＧクリーニングヘッド７１にＡｒガスを供給する。このＡｒガスは、ＴＩＧクリーニングヘッド７１のガスノズル１２から母材Ｍへ向けて噴射される。また、クリーニング電源７８も、Ａｒガス発生装置７６と同様、レーザ溶接装置６０が溶接を開始する直前に、制御装置９０から指示を受ける。このクリーニング電源７８は、逆極性（＋）の電流をＴＩＧクリーニングヘッド７１のタングステン電極７３に供給して、このタングステン電極７３を正極にし、このタングステン電極７３からアークＡｃを発生させる。タングステン電極１３が正極になると、Ａｒガスがイオン化し、Ａｒ＋になる。
【００８３】
図１０（ａ）に示すように、母材Ｍ表面に酸化皮膜１が形成されている場合、同図（ｂ）に示すように、タングステン電極７３を正極にして、Ａｒガスをイオン化させると、Ａｒ＋が酸化皮膜１を形成している粒子２に衝突して、この粒子２を飛散させる。この結果、同図（ｃ）に示すように、母材Ｍ表面の酸化皮膜１は除去される。また、母材Ｍ表面上に油分や錆等がある場合でも、同様の原理で、油分や錆等は除去される。
【００８４】
ここで、本実施形態において、タングステン電極７３に供給される電流値の波形は、図１１に示すように、正のピーク電流値と、正のベース電流値とを交互に繰り返すパルス状の波形である。この際の供給電流条件は、例えば、以下の通りである。
ピーク電流値：５〜３０Ａ
ベース電流値：１〜５Ａ
周波数：１００〜５００Ｈｚ
Duty比（＝τ/Ｔ×100）：２５〜７５％
【００８５】
本実施形態では、前述したように、溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向前側に、このＴＩＧクリーニングヘッド７１との間でＴＩＧアークＡｃが発生するよう、ＴＩＧクリーニングヘッド７１の向きを調節した上で、このＴＩＧ溶接ヘッド１１によりアークＡｃを発生させているので、図１２に示すように、溶接中、この溶接で形成される溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域Ｆｆａに対してクリーニング処理を行うことができる。なお、ＴＩＧクリーニングヘッド７１により形成されるアークＡｃの母材表面上の径は、レーザ溶接ヘッド６１からのレーザ光Ｌｗにより形成される溶融プールＰの幅より大きいため、本実施形態では、クリーニングヘッド７１を以上の実施形態のようにウィービングする必要がなく、その結果、前側除去領域Ｆｆａは、母材Ｍ表面上でアークＡｃが形成されているほぼ円形の領域となる。
【００８６】
以上、本実施形態でも、以上の各実施形態と同様、前側除去領域Ｆｆａは、ＴＩＧアークＡｃによるクリーニングエネルギーを受けてクリーニング処理されるので、溶接信頼性を高めることができる。
「変形例」
第四実施形態では、前述したように、ＴＩＧクリーニングヘッド７１により形成されるアークＡｃの母材表面上の径は、レーザ溶接ヘッド６１からのレーザ光Ｌｃにより形成される溶融プールＰの幅より明らかに大きいため、一つのＴＩＧクリーニングヘッド７１で、これをウィービングさせずに、クリーニング処理している。
【００８７】
しかしながら、ＴＩＧクリーニングヘッド７１により形成されるアークＡｃの母材表面上の径が、仮に、レーザ溶接ヘッド６１からのレーザ光Ｌｗにより形成される溶融プールＰの幅より僅かに大きいか、逆に小さい場合には、溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域全体に対してクリーニング処理を行うことができない。
【００８８】
そこで、このような場合には、レーザ溶接ヘッド６１の前側に、溶接方向に垂直な方向に並んだ複数のＴＩＧクリーニングヘッド７１を設け、図１３に示すように、複数のＴＩＧクリーニングヘッド７１により形成されるアークＡｃによりクリーニング処理される領域を前側除去領域Ｆｆｂにすることで、溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域全体に対してクリーニング処理できるようにする。この際、隣り合うＴＩＧクリーニングヘッド７１により形成される各アークＡｃ中のアルゴンイオン（Ａｒ＋）は、いずれも、ほぼ同じ向きに移動する関係で、各アークＡｃには引力が作用する。すなわち、複数のＴＩＧクリーニングヘッド７１により形成されるアークＡｃは、互いに引き合う。このため、複数のＴＩＧクリーニングヘッド７１の向き及び相互間距離は、この引力を考慮して定めることが好ましい。
【００８９】
なお、第一〜第三実施形態においても、以上と同様、溶接方向に垂直な方向に並んだ複数のレーザクリーニングヘッド４１を設けて、レーザクリーニングヘッド４１をウィービングさせずに、溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域全体に対してクリーニング処理を行うようにしてもよい。
【００９０】
このように、複数のクリーニングヘッドを設ける場合、ヘッド支持具に複数のヘッド支持部を設けることになる。複数のヘッド支持部を設けると、複数の支持部のうちでクリーニングヘッドを実際に支持する支持部の数を選択することで、クリーニングエネルギーを加える領域の幅（溶接方向に対して垂直な方向の幅）を適宜変更することができる。
【００９１】
さらに、前述の場合、図１４に示すように、ＴＩＧクリーニングヘッド７１をウィービングさせることで、溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域全体を含む前側除去領域Ｆｆｃとし、この前側除去領域Ｆｆｃに対してクリーニング処理できるようにしてもよい。
【００９２】
また、第二及び第三実施形態は、いずれも、ＴＩＧアークＡｗにより溶接を行い、レーザ光Ｌｃでクリーニング処理を行っているが、これらの実施形態においても、第四実施形態と同様、レーザ光Ｌｗで溶接を行い、ＴＩＧアークＡｃでクリーニング処理を行うようにしてもよい。すなわち、第四実施形態での前側除去領域Ｆｆのみならず、第一後側除去領域や第二後側除去領域も、ＴＩＧアークＡｃでクリーニング処理を行うようにしてもよい。
【００９３】
また、以上の実施形態は、いずれも、溶接とクリーニング処理とのうち、一方をＴＩＧアークにより行い、他方をレーザ光で行っているが、両方ともレーザ光Ｌｃで行うようにしてもよい。また、母材Ｍの溶接は、ＴＩＧ溶接やレーザ溶接なくても、例えば、ＭＩＧ（Metal inert gas）溶接やＭＡＧ（Metal Active Gas）溶接であってもよい。すなわち、本発明では、溶接予定位置に溶接エネルギーを与えて、母材Ｍ上に溶融プールＰを形成するものであれば、如何なる溶接方法を採用してもよい。
【符号の説明】
【００９４】
１：酸化皮膜）、１０：ＴＩＧ溶接装置、１１：ＴＩＧ溶接ヘッド、１３，７３：タングステン電極、２１，７６：Ａｒガス発生装置、２３：溶接電源、２５：溶加材供給装置、２９：溶加材、３１，６９：ヘッド移動機構、３３，３３ａ，３３ｂ：レーザヘッド支持具（支持手段）、３５，３５ａ，３５ｂ：ウィービング機構（連動手段）、４０，４０ａ，４０ｂ，７０：クリーニング装置、４１：レーザクリーニングヘッド、４３，６３：レーザ発振器、５０，９０：制御装置、６１：レーザ溶接ヘッド、７１：ＴＩＧクリーニングヘッド、７８：クリーニング電源、８３：ＴＩＧヘッド支持具（支持手段）、８５：ヘッド連結具（連動手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、母材の一部を溶融して母材を溶接する溶接技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
母材を溶接する場合、母材表面に酸化皮膜が存在すると、溶接信頼性が著しく低下する。このため、例えば、以下の特許文献１に記載されているように、母材表面を酸性水溶液等で洗浄して酸化皮膜を予め除去してから、又は、予め母材表面にレーザ光を照射して酸化皮膜を予め除去してから、母材を溶接する方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許平５−２６１５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術では、母材中に、ＡｌやＴｉ等、酸素との親和性が極めて高い元素が含まれている場合、予め母材表面の酸化皮膜を除去しても、母材を溶接する過程で高温になった部分に再び酸化皮膜が形成されてしまい、十分な溶接信頼性を確保できないことがある、という問題点がある。特に、原子力施設やガスタービン施設等において、高い溶接信頼性を求められる部品では軽視できない問題である。
【０００５】
そこで、本発明では、以上のような従来技術の問題点に着目し、溶接信頼性を高めることができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記問題点を解決するための発明に係る溶接方法は、
母材の溶接予定位置に、該母材を溶融する溶接エネルギーを加えて、該母材を溶接する溶接方法において、前記母材を溶接しつつ、前記溶接エネルギーを受けて溶融している溶融プールに隣接し、且つ該溶融プールに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域に、該母材の表面粒子を飛散させることができるクリーニングエネルギーを加える、ことを特徴とする。
【０００７】
母材の溶接時には、溶融プールが形成される。この溶融プールの回りの領域は高温であるため、溶接中にこの領域に酸化皮膜が形成される。当該溶接方法では、溶接中、溶融プールに隣接し、且つ溶融プールに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域に、クリーニングエネルギーを加えているので、溶接中、当該前側除去領域中に新たに形成された酸化皮膜を除去することができる。このため、当該溶接方法によれば、溶接信頼性を高めることができる。
【０００８】
ここで、前記溶接方法において、前記前側除去領域は、前記溶融プールに隣接し、該溶融プールに対して溶接方向前側の前記領域と、該溶融プール中の溶接方向前側の領域とを含んでもよい。当該溶接方法では、溶融プール中の溶接方向前側の部分と固相部との境界に対して、確実にクリーニングエネルギーを加えることができる。このため、当該溶接方法によれば、溶融プールに対して溶接方向前側であって溶接プールに隣接する領域の酸化皮膜を確実に除去することができる。
【０００９】
また、前記溶接方法において、前記溶融プールに対して溶接方向後側で、前記溶融プールと固相部との境界を含む第一後側除去領域と、該溶融プールに対して溶接方向後側の溶接ビード中、前記母材で規定される酸化物発生温度未満の第二後側除去領域とのうち、少なくとも該第一後側領域に、前記クリーニングエネルギーを加えてもよい。
【００１０】
当該溶接方法で、第一後側除去領域にクリーニングエネルギーを加えると、溶融プールが凝固する過程で、その表面に形成された酸化皮膜を除去することができ、酸化皮膜の溶接ビード内への巻き込みを防ぐことができる。また、当該溶接方法で、第二後側除去領域にクリーニングエネルギーを加えると、溶接ビード上に形成された酸化皮膜を除去することができ、その後の溶接パスの際の溶接信頼性を高めることができる。
【００１１】
また、前記溶接方法において、前記母材に対して荷電粒子又はレーザ光を照射することで、該母材に前記クリーニングエネルギーを加えてもよい。
【００１２】
前記問題点を解決するための発明に係る溶接システムは、
母材の溶接予定位置に、該母材を溶融する溶接エネルギーを加える溶接ヘッドを有する溶接装置と、前記母材に、該母材の表面粒子を飛散させることができるクリーニングエネルギーを加えるクリーニングヘッドを有するクリーング装置と、前記クリーニングヘッドを支持する支持手段と、前記溶接ヘッドが溶接方向に移動しつつ、前記母材の溶接予定位置に前記溶接エネルギーを加えている際に、該溶接エネルギーを受けて溶融している溶融プールに隣接し、且つ該溶融プールに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域に、前記クリーニングエネルギーが加わるよう、該溶接ヘッドの溶接方向への移動に伴って、前記クリーニングヘッドを支持している前記支持手段を該溶接方向に移動させるヘッド連動手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１３】
当該溶接システムでは、溶接中、溶融プールに隣接し、且つ溶融プールに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域に、クリーニングエネルギーを加えて、溶接中、当該前側除去領域中に新たに形成された酸化皮膜を除去することができる。このため、当該溶接システムによれば、溶接信頼性を高めることができる。
【００１４】
また、前記溶接システムにおいて、複数の前記クリーニングヘッドと、複数の前記支持手段とを備え、複数の前記支持手段のうちの第一支持手段は、複数の前記クリーニングヘッドのうちの第一クリーニングヘッドを支持し、複数の前記支持手段のうちの第二支持手段は、複数の前記クリーニングヘッドのうちの第二クリーニングヘッドを支持し、
前記ヘッド連動手段は、前記前側除去領域に前記クリーニングエネルギーが加わるよう、前記溶接ヘッドの溶接方向の移動に伴って、前記第一クリーニングヘッドを支持する前記第一支持手段を該溶接方向へ移動させる第一連動手段と、前記溶融プールに対して溶接方向後側で、該溶融プールと固相部との境界を含む後側除去領域に、前記クリーニングエネルギーが加わるよう、前記溶接ヘッドの溶接方向の移動に伴って、前記第二クリーニングヘッドを支持する前記第二支持手段を該溶接方向へ移動させる第二連動手段と、を有してもよい。
【００１５】
当該溶接システムでは、後側除去領域にクリーニングエネルギーを加えることで、溶融プールが凝固する過程で、その表面に形成された酸化皮膜を除去することができ、酸化皮膜の溶接ビード内への巻き込みを防ぐことができる。
【００１６】
また、前記溶接システムにおいて、第三クリーングヘッドと、該第三クリーニングヘッドを支持する第三支持手段とを備え、
前記ヘッド連動手段は、前記溶融プールに対して溶接方向後側の溶接ビード中、前記母材で規定される酸化物発生温度未満の領域に、前記クリーニングエネルギーが加わるよう、前記溶接ヘッドの溶接方向の移動に伴って、前記第三クリーニングヘッドを支持する前記第三支持手段を移動させる第三連動手段を有してもよい。
【００１７】
当該溶接システムでは、溶融プールに対して溶接方向後側の溶接ビード中、酸化物発生温度未満の領域にクリーニングエネルギーを加えることで、溶接ビード上に形成された酸化皮膜を除去することができ、その後の溶接パスの際の溶接信頼性を高めることができる。
【００１８】
また、前記溶接システムにおいて、前記支持手段は、該支持手段が支持している前記クリーニングヘッドの向きを変更可能に、前記ヘッド連動手段に取り付けられていてもよい。
【００１９】
溶接条件を変更すると、溶接プールの大きさ等が変わると、溶接プールの中心から、クリーニングエネルギーを加える領域までの距離も変わる。当該溶接システムでは、クリーニングヘッドの向きを変えることができるので、溶接条件に伴う、溶接プールの中心から、クリーニングエネルギーを加える領域までの距離の変化に対応することができる。
【００２０】
また、前記溶接システムにおいて、前記支持手段は、前記母材に対向する仮想面内で前記溶接方向に対して垂直な方向の複数個所で、前記クリーニングヘッドを支持する複数の支持部を有してもよい。
【００２１】
当該溶接システムでは、母材に対向する仮想面内で溶接方向に対して垂直な方向に関し、クリーニングエネルギーを加える領域の幅を適宜変更することができる。
【００２２】
また、前記溶接システムにおいて、前記ヘッド連動手段は、前記母材に対向する仮想面内で前記溶接方向に対して垂直な方向に、前記クリーニングヘッドを往復移動させるウィービング手段を有してもよい。
【００２３】
当該溶接システムでは、母材に対向する仮想面内で溶接方向に対して垂直な方向に関し、クリーニングエネルギーを加える領域の幅を広げることができる。
【００２４】
また、前記溶接システムにおいて、前記溶接ヘッドは、前記母材に対して電子を照射することで、該母材に溶接エネルギーを加え、前記クリーニングヘッドは、前記母材に対してレーザ光を照射することで、該母材に前記クリーニングエネルギーを加えるものであってもよい。また、前記溶接ヘッドは、前記母材に対してレーザ光を照射することで、該母材に溶接エネルギーを加え、前記クリーニングヘッドは、前記母材に対して荷電粒子又はレーザ光を照射することで、該母材に前記クリーニングエネルギーを加えるものであってもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明では、溶接中、溶接により高温になった領域に形成される酸化皮膜を除去することができ、溶接信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る第一実施形態における溶接システムの構成図である。
【図２】溶接中の母材の温度分布を示す説明図である。
【図３】本発明に係る第一実施形態における、前側除去領域と溶融プールの位置関係を示す説明図である。
【図４】本発明に係る第一実施形態で、レーザ光により酸化皮膜を除去する過程を示す説明図である。
【図５】本発明に係る第二実施形態における溶接システムの構成図である。
【図６】本発明に係る第二実施形態における、前側除去領域及び後側除去領域と溶接プールとの位置関係を示す説明図である。
【図７】本発明に係る第三実施形態における溶接システムの構成図である。
【図８】本発明に係る第三実施形態における、前側除去領域、第一後側除去領域及び第二後側除去領域と溶接プールとの位置関係を示す説明図である。
【図９】本発明に係る第四実施形態における溶接システムの構成図である。
【図１０】本発明に係る第四実施形態で、アークにより酸化皮膜を除去する過程を示す説明図である。
【図１１】本発明に係る第四実施形態で、ＴＩＧクリーニングヘッドに供給する電流の変化を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る第四実施形態における、前側除去領域と溶融プールの位置関係を示す説明図である。
【図１３】本発明に係る実施形態の変形例における、前側除去領域と溶融プールの位置関係を示す説明図である。
【図１４】本発明に係る実施形態の他の変形例における、前側除去領域と溶融プールの位置関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照し、本発明に係る溶接方法、及びこの方法を実行する溶接システムの各種実施形態について説明する。
【００２８】
「第一実施形態」
まず、本発明に係る溶接方法、及びこの方法を実行する溶接システムの第一実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
【００２９】
本実施形態の溶接システムは、図１に示すように、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas)アークを発生するＴＩＧ溶接ヘッドを有するＴＩＧ溶接装置１０と、レーザ光を出射するレーザヘッド４１を有するクリーニング装置４０と、レーザヘッド４１を保持するレーザヘッド支持具（支持手段）３３と、ＴＩＧ溶接ヘッド１１を基準にしてレーザヘッド４１を揺動させるウィービング機構（連動手段）３５と、このウィービング機構３５を駆動するウィービング駆動回路３９と、ＴＩＧ溶接装置１０やクリーニング装置４０等を制御する制御装置５０と、を備えている。
【００３０】
ＴＩＧ溶接装置１０は、前述のＴＩＧ溶接ヘッド１１と、ＴＩＧ溶接ヘッド１１にイナートガスとしてのＡｒガスを供給するＡｒガス発生装置２１と、ＴＩＧ溶接ヘッド１１に溶接用の電力を供給する溶接電源２３と、溶接アークＡｗ内に溶加材２９を供給する溶加材供給装置２５と、ＴＩＧ溶接ヘッド１１を母材Ｍに対して相対移動させるヘッド移動機構３１と、を有している。なお、ここでは、イナートガスとして、Ａｒガスを用いているが、Ｈｒガスや、ＡｒとＨｒの混合ガス等、他のイナートガスを用いてもよい。
【００３１】
ＴＩＧ溶接ヘッド１１は、Ａｒガス発生装置２１からのＡｒガスを噴射するガスノズル１２と、ガスノズル１２内に配置されたタングステン電極１３と、ガスノズル１２内に配置され、タングステン電極１３を保持するコンタクトノズル１４と、ガスノズル１２が取り付けられているヘッドボディ１５と、を有している。
【００３２】
溶加材供給装置２５は、溶加材２９を排出する溶加材供給機構２６と、溶加材供給機構２６が排出した溶加材２９を溶接アークＡｗ内に導く溶加材送給ガイド２８と、を有している。ここで、溶加材は、ワイヤ形状のものであっても、粉末であってもよい。
【００３３】
ヘッド移動機構３１は、ＴＩＧ溶接ヘッド１１のヘッドボディ１５を把持し、制御装置５０からの支持に応じて、ＴＩＧ溶接ヘッド１１を三次元空間内で移動させるロボットである。
【００３４】
クリーニング装置４０は、例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ光を発振するレーザ発振器４３と、レーザ発振器４３からのレーザ光を集光する集光光学系を有するレーザヘッド４１と、を有している。
【００３５】
ウィービング機構３５は、ＴＩＧ溶接ヘッド１１に固定されているウィービングベース３６と、このウィービングベース３６を基準にして、タングステン電極１３と平行な軸回りに揺動するウィービングアーム３７と、このウィービングアーム３７を揺動させる揺動機構（不図示）と、を有している。揺動機構はウィービング駆動回路３９からの駆動電力を受けて駆動する。ウィービングアーム３７の先端部には、タングステン電極１３に対して平行な軸回りに回転可能に、レーザヘッド支持具３３が取り付けられている。
【００３６】
次に、以上で説明した溶接システムの動作について説明する。
【００３７】
ヘッド移動機構３１は、制御装置５０からの指示を受けて、ＴＩＧ溶接ヘッド１１を母材Ｍの溶接予定位置中の溶接開始位置に対向させると共に、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の向きを調整して、ＴＩＧ溶接ヘッド１１に対してレーザヘッド支持具３３を予定する溶接方向前側に位置させる。そして、ヘッド移動機構３１は、溶接予定位置に沿って、溶接開始位置から溶接終了位置に向けて、つまり溶接方向にＴＩＧ溶接ヘッド１１を移動させる。
【００３８】
Ａｒガス発生装置２１は、制御装置５０からの指示に従って、ＴＩＧ溶接ヘッド１１にＡｒガスを供給する。このＡｒガスは、ＴＩＧ溶接ヘッド１１のガスノズル１２から母材Ｍへ向けて噴射される。また、溶接電源２３は、制御装置５０からの指示に従って、ＴＩＧ溶接ヘッド１１のタングステン電極１３に直流正極性の電流、又は交流電流を供給する。溶接電源２３から溶接電力が供給されたタングステン電極１３からは、ガスノズル１２から噴出したＡｒガスの雰囲気内で、母材Ｍに向かって電子が放出される。この結果、タングステン電極１３と母材Ｍとの間にアークが発生し、そのアーク熱によって溶加材２９及び母材Ｍが溶融して、溶融プールに溶加材２９を供給することにより母材Ｍが溶接される。
【００３９】
母材Ｍの溶接が開始されると、母材Ｍ上には、図２に示すように、溶加材２９と母材Ｍとの溶融物で形成されている溶融プールＰが形成される。この溶融プールＰは次第に凝固し、溶接ビードＢを形成する。この際、母材Ｍ上の温度分布は、溶融プールＰから遠ざかるに連れて温度が低下する温度分布を示す。溶融プールＰと固相部分との境の温度は、固相部が溶融する母材Ｍの固相線温度（例えば、1200〜1300℃）、又は液相部が凝固する母材Ｍの液相線温度（例えば、1250〜1350℃）である。この溶融プールＰの外回りに、温度分布が形成される。ここでは、例として、1000℃、500℃、200℃の温度領域を示す。いずれの温度領域も、溶融プールＰを中心に形成される。但し、各温度領域は、溶融プールＰから溶接方向前側の温度境界までの距離よりも、溶融プールＰから溶接方向後側の温度境界までの距離の方が長い。
【００４０】
母材表面には、そこが凝固していても、約５００℃以上であれば、酸化皮膜が発生する。なお、この酸化皮膜が発生する温度（約５００℃）は、母材Ｍの材質等により若干変動する。仮に、本実施形態のように、イナートガス雰囲気内でアークを発生させても、母材Ｍ中にＡｌやＴｉ等、酸素との親和性が極めて高い元素が含まれている場合には、このイナートガス雰囲気内に残存する酸素が母材Ｍ中のＡｌやＴｉに結びついて、酸化皮膜が形成される。また、母材Ｍに酸素元素が含まれている場合にも、この酸素元素により酸化皮膜が形成される場合もある。
【００４１】
このため、母材表面を酸性水溶液等で予め洗浄して酸化皮膜を除去してから、又は、母材表面にレーザ光を予め照射して酸化皮膜を除去してから溶接を行っても、溶融プールＰよりも溶接方向前側の５００℃以上の領域に、溶接による熱で酸化皮膜が形成されることがある。
【００４２】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、溶接中、この溶接で形成される溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域Ｆｆに対して、酸化皮膜を除去するクリーニング処理を実行するようにしている。
【００４３】
本実施形態において、前側除去領域Ｆｆは、５００℃以上の領域内であって、溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域と、溶融プールＰ内の溶接方向前側の領域とを含み、溶接方向に対して垂直な方向の幅Ｗｆが、溶融プールＰの幅Ｗｐ（例えば、５ｍｍ）に対して数十パーセントほど広い領域である。
【００４４】
本実施形態でクリーニング処理は、クリーニング装置４０が実行する。
【００４５】
本実施形態では、以上で説明した溶接に先立ち、まず、ＴＩＧ溶接ヘッド１１に設けられているウィービング機構３５のウィービングアーム３７に回転可能に取り付けられているレーザヘッド支持具３３で、レーザヘッド４１を保持する。次に、このレーザヘッド４１からのレーザ光Ｌｃが、ＴＩＧ溶接ヘッド１１からのアークＡｗによって形成される溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向前側に照射されるよう、レーザヘッド４１を保持しているレーザヘッド支持具３３の向きを調節する。さらに、レーザヘッド４１の集光光学系を調整して、母材表面上のレーザ光Ｌｃの照射径の大きさを目的の大きさにする。なお、溶融プールＰと固相部との境界の位置は、当該溶接と同じ溶接条件の溶接テスト等を行って、溶融プールＰの大きさ等を予め把握しておくことで、容易に定めることができる。
【００４６】
レーザ発振器４３は、制御装置５０からの指示を受けて駆動し、レーザ光を発振する。このレーザ光は、光ファイバ４２を経て、レーザヘッド４１から母材Ｍへ照射される。このレーザヘッド４１は、ウィービング機構３５及びレーザヘッド支持具３３によりＴＩＧ溶接ヘッド１１の前方に連結されているため、ＴＩＧ溶接ヘッド１１がヘッド移動機構３１により溶接方向に移動すると、レーザヘッド４１も、溶接方向へ移動する。この際、制御装置５０からの指示でウィービング機構３５が駆動し、レーザヘッド支持具３３で保持されているレーザヘッド４１は、ＴＩＧ溶接ヘッド１１を基準にして、溶接方向及びタングステン電極１３に対して垂直な方向に揺動する。
【００４７】
このように、本実施形態では、レーザヘッド４１からのレーザ光Ｌｃが溶融プールＰと固相部との境界であって溶融プールＰの溶接方向前側に照射されるよう、レーザヘッド４１の向きを調節した上で、溶接中、ＴＩＧ溶接ヘッド１１を基準にしてレーザヘッド４１をウィービングさせつつ、このレーザヘッド４１からレーザ光Ｌｃを出力させているので、レーザヘッド４１からのレーザ光Ｌｃは、前述の前側除去領域Ｆｆに照射される。
【００４８】
ここで、本実施形態のレーザ出力の波形は、ピーク出力とベース出力とを交互に繰り返すパルス状の出力波形である。この際、本実施形態のレーザ照射条件は、例えば、以下の通りである。
レーザピーク出力値：８０〜１５０Ｗ
レーザベース出力値：０〜２０Ｗ
レーザパルス周波数：１０〜４０ＫＨｚ
ウィービング周波数：５０〜２００ＫＨｚ
ウィービング幅：５〜２０ｍｍ
【００４９】
図４（ａ）に示すように、母材Ｍ表面に酸化皮膜１が形成されている場合、同図（ｂ）（ｃ）に示すように、そこにレーザ光Ｌｃを照射すると、酸化皮膜１を形成している粒子２がレーザ光Ｌｃを受けたことにより加熱され、融解・蒸発して飛散してしまう。この結果、同図（ｄ）に示すように、母材Ｍ表面上の酸化皮膜１は除去される。また、母材Ｍ表面上に油分や錆等がある場合でも、同様の原理で、油分や錆等は除去される。
【００５０】
従って、レーザ光Ｌｃが照射される前側除去領域Ｆｆは、レーザ光Ｌｃの照射によるクリーニングエネルギーを受けてクリーニング処理され、この前側除去領域Ｆｆ内の母材表面に酸化皮膜、油分、錆等があったとしても、これが除去される。このため、本実施形態では、溶接信頼性を高めることができる。
【００５１】
なお、本実施形態では、溶融プールＰの幅Ｗｐ（例えば、５ｍｍ）に対して、母材Ｍ表面上のレーザ光Ｌｃの照射径が小さいために、レーザヘッド４１をウィービングしているが、レーザヘッド４１の集光光学系を調整して、母材表面上のレーザ光Ｌｃの照射径を溶融プールＰの幅Ｗｐより大きくしても、母材表面のエネルギー密度をクリーニング処理可能なエネルギー密度にできる場合には、レーザヘッド４１をウィービングする必要はない。
【００５２】
また、本実施形態における溶加材２９は、ワイヤ状又は粉末状のものを用いてもよい。
【００５３】
さらに、本実施形態では、レーザヘッド支持具３３とＴＩＧ溶接ヘッド１１とをウィービング機構３５（連動手段）で連結することにより、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の移動に伴って、レーザヘッド４１も溶接方向に移動するようにしているが、レーザヘッド４１に対して独自のヘッド移動機構を設け、このヘッド移動機構により、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の移動に同期して、レーザヘッド４１を溶接方向に移動させると共に、レーザヘッド４１をウィービングさせてもよい。
【００５４】
「第二実施形態」
次に、本発明に係る溶接方法、及びこの方法を実行する溶接システムの第二実施形態について、図５及び図６を用いて説明する。
【００５５】
本実施形態の溶接システムも、図５に示すように、第一実施形態と同様、ＴＩＧ溶接装置１０と、クリーニング装置４０ａと、クリーニング装置４０ａのレーザヘッド４１，４１ａを保持するレーザヘッド支持具３３，３３ａと、レーザヘッド４１，４１ａを揺動させるウィービング機構３５，３５ａと、このウィービング機構３５，３５ａを駆動するウィービング駆動回路３９と、ＴＩＧ溶接装置１０やクリーニング装置４０ａ等を制御する制御装置５０と、を備えている。但し、本実施形態では、クリーニング装置４０ａがレーザヘッド４１，４１ａを二つ有し、この関係で、レーザヘッド支持具３３，３３ａ及びウィービング機構３５，３５ａも二つ備えている。
【００５６】
本実施形態において、二つのウィービング機構３５，３５ａのうち、一方のウィービング機構３５は、第一実施形態と同様、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向前側に設けられ、他方のウィービング機構３５ａは、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向後側に設けられている。各ウィービング機構３５，３５ａのウィービングアーム３７，３７の先端部には、レーザヘッド支持具３３，３３が、ＴＩＧ溶接ヘッド１１内のタングステン電極１３に対して平行な軸回りに回転可能に取り付けられている。各ウィービング機構３５，３５ａは、ウィービング駆動回路３９からの駆動電力により駆動する。
【００５７】
本実施形態において、二つのレーザヘッド４１，４１ａのうち、一方のレーザヘッド４１は、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向前側に設けられているレーザヘッド支持具３３により保持され、他方のレーザヘッド４１ａは、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向後側に設けられているレーザヘッド支持具３３ａにより保持される。各レーザヘッド４１，４１ａには、レーザ発振器４３から分配器４５を介して、レーザ光Ｌｃが送られる。なお、ここでは、一つのレーザ発振器４３からのレーザ光Ｌｃを分配器４５で分配して、各レーザヘッド４１，４１ａに送っているが、各レーザヘッド４１，４１ａ毎にレーザ発振器を設けてもよい。
【００５８】
本実施形態でも、第一実施形態と同様、溶接に先立ち、各レーザヘッド支持具３３，３３ａで、各レーザヘッド４１，４１ａを保持する。次に、二つのレーザヘッド４１のうち前側のレーザヘッド４１からのレーザ光Ｌｃが、ＴＩＧ溶接ヘッド１１からのアークＡｗによって形成される溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向前側に照射されるよう、前側のレーザヘッド４１を保持しているレーザヘッド支持具３３の向きを調節する。さらに、後側のレーザヘッド４１ａからのレーザ光Ｌｃが、ＴＩＧ溶接ヘッド１１からのアークＡｗによって形成される溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向後側に照射されるよう、後側のレーザヘッド４１ａを保持しているレーザヘッド支持具３３ａの向きを調節する。そして、各レーザヘッド４１，４１ａの集光光学系を調整して、母材表面上のレーザ光Ｌｃの照射径の大きさを目的の大きさにする。
【００５９】
以上の調整作業が終了すると、第一実施形態と同様に、溶接システムを動作させて、溶接及びクリーニング処理を並行実施する。
【００６０】
本実施形態では、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の前側と後側とにレーザヘッド４１，４１ａを設け、それぞれをウィービング機構３５，３５ａによりウィービングさせているので、図６に示すように、第一実施形態と同様に、前側除去領域Ｆｆがクリーニング処理されると共に、溶融プールＰに対して溶接方向後側で、溶融プールＰと固相部との境界を含む後側除去領域Ｆｂ１もクリーング処理される。この後側除去領域Ｆｂ１は、溶接方向に対して垂直な方向の幅Ｗが、前側除去領域Ｆｆと同様、溶融プールＰの幅Ｗｐに対して数十パーセントほど広い。
【００６１】
溶融プールＰに対して溶接方向後側で、溶融プールＰと固相部との境界は、約５００℃以上の領域内であるため、酸化皮膜が発生し始める箇所である。仮に、この境界で酸化皮膜が形成されると、溶接ビードＢ内にこの酸化皮膜が巻き込まれる恐れがある。そこで、本実施形態では、後側除去領域Ｆｂ１においてもクリーニング処理を実行し、溶融プールＰに対して溶接方向後側で、溶融プールＰと固相部との境界に、仮に酸化皮膜が発生したとしても、これを除去することで、溶接ビードＢ内への酸化皮膜の巻き込みを防ぎ、溶接信頼性を高めている。
【００６２】
「第三実施形態」
次に、本発明に係る溶接方法、及びこの方法を実行する溶接システムの第三実施形態について、図７及び図８を用いて説明する。
【００６３】
本実施形態の溶接システムも、図７に示すように、第一及び第二実施形態と同様、ＴＩＧ溶接装置１０と、クリーニング装置４０ｂと、クリーニング装置４０ｂのレーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂを保持するレーザヘッド支持具３３，３３ａ，３３ｂと、レーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂを揺動させるウィービング機構３５，３５ａ，３５ｂと、このウィービング機構３５，３５ａ，３５を駆動するウィービング駆動回路３９と、ＴＩＧ溶接装置１０やクリーニング装置４０ｂ等を制御する制御装置５０と、を備えている。但し、本実施形態では、クリーニング装置４０ｂがレーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂを三つ有し、この関係で、レーザヘッド支持具３３，３３ａ，３３ｂ及びウィービング機構３５，３５ａ，３５ｂも三つ備えている。
【００６４】
本実施形態において、三つのウィービング機構３５，３５ａ，３５ｂのうち、第一のウィービング機構３５は、第一実施形態と同様、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向前側に設けられ、第二及び第三のウィービング機構３５ａ，３５ｂは、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向後側に設けられている。各ウィービング機構３５，３５ａ，３５ｂのウィービングアーム３７，３７，３７の先端部には、レーザヘッド支持具３３，３３ａ，３３ｂが、ＴＩＧ溶接ヘッド１１内のタングステン電極１３に対して平行な軸回りに回転可能に取り付けられている。第三のウィービング機構３５ｂのウィービングアーム３７は、第二のウィービング機構３５ｂのウィービングアーム３７より長い。このため、第三のウィービング機構３５ｂのウィービングアーム３７の先端部に取り付けられているレーザヘッド支持具３３ｂは、第二のウィービング機構３５ｂのウィービングアーム３７の先端部に取り付けられているレーザヘッド支持具３３ａよりも後方に位置している。各ウィービング機構３５，３５ａ，３５ｂは、ウィービング駆動回路３９からの駆動電力により駆動する。
【００６５】
本実施形態において、三つのレーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂのうち、第一のレーザヘッド４１は、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向前側に設けられているレーザヘッド支持具３３により保持され、第二及び第三のレーザヘッド４１ａ，４１ｂは、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の溶接方向後側に設けられているレーザヘッド支持具３３ａ，３３ｂにより保持される。各レーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂには、レーザ発振器４３から分配器４５を介して、レーザ光Ｌｃが送られる。なお、ここでは、一つのレーザ発振器４３からのレーザ光Ｌｃを分配器４５で分配して、各レーザヘッド４１に送っているが、各レーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂ毎にレーザ発振器を設けてもよい。
【００６６】
本実施形態でも、第一及び第二実施形態と同様、溶接に先立ち、各レーザヘッド支持具３３，３３ａ，３３ｂで、各レーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂを保持する。次に、第一のレーザヘッド４１からのレーザ光Ｌｃが、ＴＩＧ溶接ヘッド１１からのアークＡｗによって形成される溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向前側に照射されるよう、前側のレーザヘッド４１を保持しているレーザヘッド支持具３３の向きを調節する。また、第二のレーザヘッド４１ａからのレーザ光Ｌｃが、溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向後側に照射されるよう、第二のレーザヘッド４１ａを保持しているレーザヘッド支持具３３ａの向きを調節する。さらに、最も後方の第三のレーザヘッド４１ｂからのレーザ光Ｌｃが、溶融プールＰに対して溶接方向後側の溶接ビードＢ中、酸化皮膜が発生する温度（約５００℃）未満の領域に照射されるよう、第三のレーザヘッド４１ｂを保持しているレーザヘッド支持具３３ｂの向きを調節する。そして、各レーザヘッド４１，４１ａ，４１ｂの集光光学系を調整して、母材表面上のレーザ光Ｌｃの照射径の大きさを目的の大きさにする。
【００６７】
以上の調整作業が終了すると、第一及び第二実施形態と同様に、溶接システムを動作させて、溶接及びクリーニング処理を並行実施する。
【００６８】
本実施形態では、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の前側に第一のレーザヘッド４１を設け、ＴＩＧ溶接ヘッド１１の後側に第二のレーザヘッド４１ａを設け、さらにそれよりも後側に第三のレーザヘッド４１ｂを設け、それぞれをウィービング機構３５，３５ａ，３５ｂによりウィービングさせているので、図８に示すように、第二実施形態と同様、前側除去領域Ｆｆ及び第一後側除去領域Ｆｂ１がクリーニング処理されると共に、溶融プールＰに対して溶接方向後側の溶接ビードＢ中で、酸化皮膜が発生する温度（約５００℃）未満の領域を含む第二後除去領域Ｆｂ2もクリーング処理される。この第二後側除去領域Ｆｂ2は、溶接方向に対して垂直な方向の幅Ｗが、前側除去領域Ｆｆ及び第一後側除去領域Ｆｂ１と同様、溶融プールＰの幅Ｗｐに対して数十パーセントほど広い。
【００６９】
溶融プールＰに対して溶接方向後側で、溶融プールＰと固相部との境界を含む第一後除去領域Ｆｂ１は、５００℃以上の領域内を横断しており、この第一後除去領域Ｆｂ１よりも後側には、酸化皮膜が発生する温度（約５００℃）以上の領域が存在するため、この領域に酸化皮膜が発生する。
【００７０】
溶接予定位置を１パスで溶接する場合、溶接ビードＢ上に酸化皮膜が形成されても、その後の加工処理等があり、この加工処理等で酸化皮膜が不都合なものでない限り、基本的に何ら問題はない。しかし、溶接予定位置を複数パスで溶接する場合、第一回パスの溶接で形成された溶接ビードＢ上に酸化皮膜が形成されると、第二回パスの溶接における溶接信頼性が低下する。本実施形態の場合、第一回パスの溶接で形成された溶接ビードＢ上に酸化皮膜が形成されても、第二後側除去領域Ｆｂ2にクリーニング処理を施しているので、第二回パスの溶接の前に、この溶接ビードＢ上の酸化皮膜を除去することができる。しかも、本実施形態の場合、第二回パスの溶接時にも、前側除去領域Ｆｆにクリーニング処理を施すので、第二回パスの溶接では、酸化皮膜が確実に除去されている部分を溶接することができる。
【００７１】
よって、本実施形態では、溶接予定位置を多数パスで溶接する場合の溶接信頼性をより高めることができる。また、溶接予定位置を１パスで溶接し、その溶接後に、この溶接で形成された溶接ビードＢを含む領域に何らかの加工処理を施す場合に、溶接ビードＢ上に酸化皮膜が形成されていないことで、この加工処理での効果を確実に得ることができる。
【００７２】
「第四実施形態」
次に、本発明に係る溶接方法、及びこの方法を実行する溶接システムの第三実施形態について、図９〜図１１を用いて説明する。
【００７３】
本実施形態の溶接システムは、以上の各実施形態と異なり、レーザ光Ｌｗにより溶接を行い、ＴＩＧアークＡｃによりクリーニング処理を行うものである。このため、本実施形態の溶接システムは、図９に示すように、レーザ光Ｌｗを出射するレーザ溶接ヘッド６１を有するレーザ溶接装置６０と、ＴＩＧアークを発生するＴＩＧクリーニングヘッド７１を有するクリーニング装置７０と、ＴＩＧクリーニングヘッド７１を保持するＴＩＧヘッド支持具８３と、レーザ溶接ヘッド６１の移動に伴ってＴＩＧクリーニングヘッド７１を移動させるためにＴＩＧヘッド支持具８３とレーザ溶接ヘッド６１とを連結するヘッド連結具（連動手段）８５と、レーザ溶接装置６０やクリーニング装置７０等を制御する制御装置９０と、を備えている。
【００７４】
レーザ溶接装置６０は、例えば、ＹＡＧレーザ光Ｌｃを発振するレーザ発振器６３と、レーザ発振器６３からのレーザ光Ｌｗを集光する集光光学系を有するレーザ溶接ヘッド６１と、レーザ溶接ヘッド６１を母材Ｍに対して相対移動させるヘッド移動機構６９と、を有している。すなわち、このレーザ溶接装置６０は、ヘッド移動機構６９を除き、第一実施形態のクリーニング装置４０と基本的に同じ構成を成している。但し、このレーザ溶接装置６０は、母材Ｍを溶接するものであるから、母材表面の酸化皮膜等を除去するための第一実施形態のクリーニング装置７０よりも、高出力のレーザ光Ｌｗを出射する。さらに、このレーザ溶接装置６０は、ＹＡＧレーザ光Ｌｃ内に溶加材２９を供給する溶加材供給装置２５を有している。
【００７５】
ヘッド移動機構６９は、レーザ溶接ヘッド６１のベース６５を把持し、制御装置９０からの支持に応じて、レーザ溶接ヘッド６１を三次元空間内で移動させるロボットである。
【００７６】
クリーニング装置７０は、前述のＴＩＧクリーニングヘッド７１と、このＴＩＧクリーニングヘッド７１にイナートガスとしてのＡｒガスを供給するＡｒガス発生装置７６と、ＴＩＧクリーニングヘッド７１にクリーニング用の電力を供給するクリーニング電源７８と、を有している。ＴＩＧクリーニングヘッド７１は、Ａｒガス発生装置７６からのＡｒガスを噴射するガスノズル７２と、ガスノズル７２内に配置されたタングステン電極７３と、ガスノズル７２内に配置され、タングステン電極７３を保持するコンタクトノズル７４と、を有している。すなわち、このクリーニング装置７０は、第一実施形態のＴＩＧ溶接装置１０と基本的に同じ構成である。但し、本実施形態のクリーニング装置７０は、あくまでもクリーニング処理を実行する装置であるため、第一実施形態のＴＩＧ溶接装置１０のように、溶加材２９を供給する溶加材供給装置２５を有していない。さらに、このクリーニング装置７０のクリーニング電源７８は、第一実施形態における溶接装置の溶接電源２３とは異なり、後述するように、逆極性の電流をタングステン電極７３に供給する。
【００７７】
ＴＩＧヘッド支持具８３は、一方の端部がレーザ溶接ヘッド６１に固定されているヘッド連結具８５の先端部に回転可能に取り付けられている。
【００７８】
次に、以上で説明した溶接システムの動作について説明する。
【００７９】
ヘッド移動機構６９は、制御装置９０からの指示を受けて、レーザ溶接ヘッド６１を母材Ｍの溶接予定位置中の溶接開始位置に対向させると共に、レーザ溶接ヘッド６１の向きを調整して、レーザ溶接ヘッド６１に対してＴＩＧヘッド支持具８３を予定する溶接方向前側に位置させる。そして、ヘッド移動機構６９は、溶接予定位置に沿って、溶接開始位置から溶接終了位置に向けて、つまり溶接方向にレーザ溶接ヘッド６１を移動させる。
【００８０】
レーザ発振器６３は、レーザ溶接ヘッド６１の溶接予定位置に沿った移動に同調して、制御装置９０からの指示を受けて、レーザ光Ｌｗを発振する。このレーザ光Ｌｗは光ファイバ６２を介してレーザ溶接ヘッド６１に送られ、レーザ溶接ヘッド６１で集光され、母材Ｍに照射される。レーザ光Ｌｗが照射され、溶接エネルギーが加えられた母材Ｍは、溶融して溶接される。
【００８１】
本実施形態においても、以上の実施形態と同様、溶接に先立ち、まず、ヘッド連結具８５に回転可能に取り付けられているＴＩＧヘッド支持具８３で、ＴＩＧクリーニングヘッド７１を保持する。次に、レーザ溶接ヘッド６１からのレーザ光Ｌｗによって形成される溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向前側に、このＴＩＧクリーニングヘッド７１との間でＴＩＧアークＡｃが発生するよう、ＴＩＧクリーニングヘッド７１を保持しているＴＩＧヘッド支持具８３の向きを調節する。
【００８２】
Ａｒガス発生装置７６は、レーザ溶接装置６０が溶接を開始する直前に、制御装置９０から指示を受けて、ＴＩＧクリーニングヘッド７１にＡｒガスを供給する。このＡｒガスは、ＴＩＧクリーニングヘッド７１のガスノズル１２から母材Ｍへ向けて噴射される。また、クリーニング電源７８も、Ａｒガス発生装置７６と同様、レーザ溶接装置６０が溶接を開始する直前に、制御装置９０から指示を受ける。このクリーニング電源７８は、逆極性（＋）の電流をＴＩＧクリーニングヘッド７１のタングステン電極７３に供給して、このタングステン電極７３を正極にし、このタングステン電極７３からアークＡｃを発生させる。タングステン電極１３が正極になると、Ａｒガスがイオン化し、Ａｒ＋になる。
【００８３】
図１０（ａ）に示すように、母材Ｍ表面に酸化皮膜１が形成されている場合、同図（ｂ）に示すように、タングステン電極７３を正極にして、Ａｒガスをイオン化させると、Ａｒ＋が酸化皮膜１を形成している粒子２に衝突して、この粒子２を飛散させる。この結果、同図（ｃ）に示すように、母材Ｍ表面の酸化皮膜１は除去される。また、母材Ｍ表面上に油分や錆等がある場合でも、同様の原理で、油分や錆等は除去される。
【００８４】
ここで、本実施形態において、タングステン電極７３に供給される電流値の波形は、図１１に示すように、正のピーク電流値と、正のベース電流値とを交互に繰り返すパルス状の波形である。この際の供給電流条件は、例えば、以下の通りである。
ピーク電流値：５〜３０Ａ
ベース電流値：１〜５Ａ
周波数：１００〜５００Ｈｚ
Duty比（＝τ/Ｔ×100）：２５〜７５％
【００８５】
本実施形態では、前述したように、溶融プールＰと固相部との境界であって、溶融プールＰの溶接方向前側に、このＴＩＧクリーニングヘッド７１との間でＴＩＧアークＡｃが発生するよう、ＴＩＧクリーニングヘッド７１の向きを調節した上で、このＴＩＧ溶接ヘッド１１によりアークＡｃを発生させているので、図１２に示すように、溶接中、この溶接で形成される溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域Ｆｆａに対してクリーニング処理を行うことができる。なお、ＴＩＧクリーニングヘッド７１により形成されるアークＡｃの母材表面上の径は、レーザ溶接ヘッド６１からのレーザ光Ｌｗにより形成される溶融プールＰの幅より大きいため、本実施形態では、クリーニングヘッド７１を以上の実施形態のようにウィービングする必要がなく、その結果、前側除去領域Ｆｆａは、母材Ｍ表面上でアークＡｃが形成されているほぼ円形の領域となる。
【００８６】
以上、本実施形態でも、以上の各実施形態と同様、前側除去領域Ｆｆａは、ＴＩＧアークＡｃによるクリーニングエネルギーを受けてクリーニング処理されるので、溶接信頼性を高めることができる。
「変形例」
第四実施形態では、前述したように、ＴＩＧクリーニングヘッド７１により形成されるアークＡｃの母材表面上の径は、レーザ溶接ヘッド６１からのレーザ光Ｌｃにより形成される溶融プールＰの幅より明らかに大きいため、一つのＴＩＧクリーニングヘッド７１で、これをウィービングさせずに、クリーニング処理している。
【００８７】
しかしながら、ＴＩＧクリーニングヘッド７１により形成されるアークＡｃの母材表面上の径が、仮に、レーザ溶接ヘッド６１からのレーザ光Ｌｗにより形成される溶融プールＰの幅より僅かに大きいか、逆に小さい場合には、溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域全体に対してクリーニング処理を行うことができない。
【００８８】
そこで、このような場合には、レーザ溶接ヘッド６１の前側に、溶接方向に垂直な方向に並んだ複数のＴＩＧクリーニングヘッド７１を設け、図１３に示すように、複数のＴＩＧクリーニングヘッド７１により形成されるアークＡｃによりクリーニング処理される領域を前側除去領域Ｆｆｂにすることで、溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域全体に対してクリーニング処理できるようにする。この際、隣り合うＴＩＧクリーニングヘッド７１により形成される各アークＡｃ中のアルゴンイオン（Ａｒ＋）は、いずれも、ほぼ同じ向きに移動する関係で、各アークＡｃには引力が作用する。すなわち、複数のＴＩＧクリーニングヘッド７１により形成されるアークＡｃは、互いに引き合う。このため、複数のＴＩＧクリーニングヘッド７１の向き及び相互間距離は、この引力を考慮して定めることが好ましい。
【００８９】
なお、第一〜第三実施形態においても、以上と同様、溶接方向に垂直な方向に並んだ複数のレーザクリーニングヘッド４１を設けて、レーザクリーニングヘッド４１をウィービングさせずに、溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域全体に対してクリーニング処理を行うようにしてもよい。
【００９０】
このように、複数のクリーニングヘッドを設ける場合、ヘッド支持具に複数のヘッド支持部を設けることになる。複数のヘッド支持部を設けると、複数の支持部のうちでクリーニングヘッドを実際に支持する支持部の数を選択することで、クリーニングエネルギーを加える領域の幅（溶接方向に対して垂直な方向の幅）を適宜変更することができる。
【００９１】
さらに、前述の場合、図１４に示すように、ＴＩＧクリーニングヘッド７１をウィービングさせることで、溶融プールＰに隣接し、この溶融プールＰに対して溶接方向前側の領域全体を含む前側除去領域Ｆｆｃとし、この前側除去領域Ｆｆｃに対してクリーニング処理できるようにしてもよい。
【００９２】
また、第二及び第三実施形態は、いずれも、ＴＩＧアークＡｗにより溶接を行い、レーザ光Ｌｃでクリーニング処理を行っているが、これらの実施形態においても、第四実施形態と同様、レーザ光Ｌｗで溶接を行い、ＴＩＧアークＡｃでクリーニング処理を行うようにしてもよい。すなわち、第四実施形態での前側除去領域Ｆｆのみならず、第一後側除去領域や第二後側除去領域も、ＴＩＧアークＡｃでクリーニング処理を行うようにしてもよい。
【００９３】
また、以上の実施形態は、いずれも、溶接とクリーニング処理とのうち、一方をＴＩＧアークにより行い、他方をレーザ光で行っているが、両方ともレーザ光Ｌｃで行うようにしてもよい。また、母材Ｍの溶接は、ＴＩＧ溶接やレーザ溶接なくても、例えば、ＭＩＧ（Metal inert gas）溶接やＭＡＧ（Metal Active Gas）溶接であってもよい。すなわち、本発明では、溶接予定位置に溶接エネルギーを与えて、母材Ｍ上に溶融プールＰを形成するものであれば、如何なる溶接方法を採用してもよい。
【符号の説明】
【００９４】
１：酸化皮膜）、１０：ＴＩＧ溶接装置、１１：ＴＩＧ溶接ヘッド、１３，７３：タングステン電極、２１，７６：Ａｒガス発生装置、２３：溶接電源、２５：溶加材供給装置、２９：溶加材、３１，６９：ヘッド移動機構、３３，３３ａ，３３ｂ：レーザヘッド支持具（支持手段）、３５，３５ａ，３５ｂ：ウィービング機構（連動手段）、４０，４０ａ，４０ｂ，７０：クリーニング装置、４１：レーザクリーニングヘッド、４３，６３：レーザ発振器、５０，９０：制御装置、６１：レーザ溶接ヘッド、７１：ＴＩＧクリーニングヘッド、７８：クリーニング電源、８３：ＴＩＧヘッド支持具（支持手段）、８５：ヘッド連結具（連動手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の溶接予定位置に、該母材を溶融する溶接エネルギーを加えて、該母材を溶接する溶接方法において、
前記母材を溶接しつつ、前記溶接エネルギーを受けて溶融している溶融プールに隣接し且つ該溶融プールに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域に、該母材の表面粒子を飛散させることができるクリーニングエネルギーを加える、
ことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接方法において、
前記前側除去領域は、前記溶融プールに隣接し且つ該溶融プールに対して溶接方向前側の前記領域と、該溶融プール中の溶接方向前側の領域とを含む、
ことを特徴とする溶接方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の溶接方法において、
前記溶融プールに対して溶接方向後側で、前記溶融プールと固相部との境界を含む第一後側除去領域と、該溶融プールに対して溶接方向後側の溶接ビード中、前記母材で規定される酸化物発生温度未満の第二後側除去領域とのうち、少なくとも該第一後側領域に、前記クリーニングエネルギーを加える、
ことを特徴とする溶接方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の溶接方法において、
前記母材に対して荷電粒子又はレーザ光を照射することで、該母材に前記クリーニングエネルギーを加える、
ことを特徴とする溶接方法。
【請求項５】
母材の溶接予定位置に、該母材を溶融する溶接エネルギーを加える溶接ヘッドを有する溶接装置と、
前記母材に、該母材の表面粒子を飛散させることができるクリーニングエネルギーを加えるクリーニングヘッドを有するクリーング装置と、
前記クリーニングヘッドを支持する支持手段と、
前記溶接ヘッドが溶接方向に移動しつつ、前記母材の溶接予定位置に前記溶接エネルギーを加えている際に、該溶接エネルギーを受けて溶融している溶融プールに隣接し、且つ該溶融プールに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域に、前記クリーニングエネルギーが加わるよう、該溶接ヘッドの溶接方向への移動に伴って、前記クリーニングヘッドを支持している前記支持手段を該溶接方向に移動させるヘッド連動手段と、
を備えていることを特徴とする溶接システム。
【請求項６】
請求項５に記載の溶接システムにおいて、
複数の前記クリーニングヘッドと、複数の前記支持手段とを備え、
複数の前記支持手段のうちの第一支持手段は、複数の前記クリーニングヘッドのうちの第一クリーニングヘッドを支持し、複数の前記支持手段のうちの第二支持手段は、複数の前記クリーニングヘッドのうちの第二クリーニングヘッドを支持し、
前記ヘッド連動手段は、
前記前側除去領域に前記クリーニングエネルギーが加わるよう、前記溶接ヘッドの溶接方向の移動に伴って、前記第一クリーニングヘッドを支持する前記第一支持手段を該溶接方向へ移動させる第一連動手段と、
前記溶融プールに対して溶接方向後側で、該溶融プールと固相部との境界を含む後側除去領域に、前記クリーニングエネルギーが加わるよう、前記溶接ヘッドの溶接方向の移動に伴って、前記第二クリーニングヘッドを支持する前記第二支持手段を該溶接方向へ移動させる第二連動手段と、
を有する、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項７】
請求項６に記載の溶接システムにおいて、
第三クリーングヘッドと、該第三クリーニングヘッドを支持する第三支持手段とを備え、
前記ヘッド連動手段は、前記溶融プールに対して溶接方向後側の溶接ビード中、前記母材で規定される酸化物発生温度未満の領域に、前記クリーニングエネルギーが加わるよう、前記溶接ヘッドの溶接方向の移動に伴って、前記第三クリーニングヘッドを支持する前記第三支持手段を移動させる第三連動手段を有する、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか一項に記載の溶接システムにおいて、
前記支持手段は、該支持手段が支持している前記クリーニングヘッドの向きを変更可能に、前記ヘッド連動手段に取り付けられている、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項９】
請求項５から８のいずれか一項に記載の溶接システムにおいて、
前記支持手段は、前記母材に対向する仮想面内で前記溶接方向に対して垂直な方向の複数個所で、前記クリーニングヘッドを支持する複数の支持部を有する、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項１０】
請求項５から９のいずれか一項に記載の溶接システムにおいて、
前記ヘッド連動手段は、前記母材に対向する仮想面内で前記溶接方向に対して垂直な方向に、前記クリーニングヘッドを往復移動させるウィービング手段を有している、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項１１】
請求項５から１０のいずれか一項に記載の溶接システムにおいて、
前記溶接ヘッドは、前記母材に対して電子を照射することで、該母材に溶接エネルギーを加え、
前記クリーニングヘッドは、前記母材に対してレーザ光を照射することで、該母材に前記クリーニングエネルギーを加える、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項１２】
請求項５から１０のいずれか一項に記載の溶接システムにおいて、
前記溶接ヘッドは、前記母材に対してレーザ光を照射することで、該母材に溶接エネルギーを加え、
前記クリーニングヘッドは、前記母材に対して荷電粒子又はレーザ光を照射することで、該母材に前記クリーニングエネルギーを加える、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項１】
母材の溶接予定位置に、該母材を溶融する溶接エネルギーを加えて、該母材を溶接する溶接方法において、
前記母材を溶接しつつ、前記溶接エネルギーを受けて溶融している溶融プールに隣接し且つ該溶融プールに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域に、該母材の表面粒子を飛散させることができるクリーニングエネルギーを加える、
ことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接方法において、
前記前側除去領域は、前記溶融プールに隣接し且つ該溶融プールに対して溶接方向前側の前記領域と、該溶融プール中の溶接方向前側の領域とを含む、
ことを特徴とする溶接方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の溶接方法において、
前記溶融プールに対して溶接方向後側で、前記溶融プールと固相部との境界を含む第一後側除去領域と、該溶融プールに対して溶接方向後側の溶接ビード中、前記母材で規定される酸化物発生温度未満の第二後側除去領域とのうち、少なくとも該第一後側領域に、前記クリーニングエネルギーを加える、
ことを特徴とする溶接方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の溶接方法において、
前記母材に対して荷電粒子又はレーザ光を照射することで、該母材に前記クリーニングエネルギーを加える、
ことを特徴とする溶接方法。
【請求項５】
母材の溶接予定位置に、該母材を溶融する溶接エネルギーを加える溶接ヘッドを有する溶接装置と、
前記母材に、該母材の表面粒子を飛散させることができるクリーニングエネルギーを加えるクリーニングヘッドを有するクリーング装置と、
前記クリーニングヘッドを支持する支持手段と、
前記溶接ヘッドが溶接方向に移動しつつ、前記母材の溶接予定位置に前記溶接エネルギーを加えている際に、該溶接エネルギーを受けて溶融している溶融プールに隣接し、且つ該溶融プールに対して溶接方向前側の領域を含む前側除去領域に、前記クリーニングエネルギーが加わるよう、該溶接ヘッドの溶接方向への移動に伴って、前記クリーニングヘッドを支持している前記支持手段を該溶接方向に移動させるヘッド連動手段と、
を備えていることを特徴とする溶接システム。
【請求項６】
請求項５に記載の溶接システムにおいて、
複数の前記クリーニングヘッドと、複数の前記支持手段とを備え、
複数の前記支持手段のうちの第一支持手段は、複数の前記クリーニングヘッドのうちの第一クリーニングヘッドを支持し、複数の前記支持手段のうちの第二支持手段は、複数の前記クリーニングヘッドのうちの第二クリーニングヘッドを支持し、
前記ヘッド連動手段は、
前記前側除去領域に前記クリーニングエネルギーが加わるよう、前記溶接ヘッドの溶接方向の移動に伴って、前記第一クリーニングヘッドを支持する前記第一支持手段を該溶接方向へ移動させる第一連動手段と、
前記溶融プールに対して溶接方向後側で、該溶融プールと固相部との境界を含む後側除去領域に、前記クリーニングエネルギーが加わるよう、前記溶接ヘッドの溶接方向の移動に伴って、前記第二クリーニングヘッドを支持する前記第二支持手段を該溶接方向へ移動させる第二連動手段と、
を有する、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項７】
請求項６に記載の溶接システムにおいて、
第三クリーングヘッドと、該第三クリーニングヘッドを支持する第三支持手段とを備え、
前記ヘッド連動手段は、前記溶融プールに対して溶接方向後側の溶接ビード中、前記母材で規定される酸化物発生温度未満の領域に、前記クリーニングエネルギーが加わるよう、前記溶接ヘッドの溶接方向の移動に伴って、前記第三クリーニングヘッドを支持する前記第三支持手段を移動させる第三連動手段を有する、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項８】
請求項５から７のいずれか一項に記載の溶接システムにおいて、
前記支持手段は、該支持手段が支持している前記クリーニングヘッドの向きを変更可能に、前記ヘッド連動手段に取り付けられている、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項９】
請求項５から８のいずれか一項に記載の溶接システムにおいて、
前記支持手段は、前記母材に対向する仮想面内で前記溶接方向に対して垂直な方向の複数個所で、前記クリーニングヘッドを支持する複数の支持部を有する、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項１０】
請求項５から９のいずれか一項に記載の溶接システムにおいて、
前記ヘッド連動手段は、前記母材に対向する仮想面内で前記溶接方向に対して垂直な方向に、前記クリーニングヘッドを往復移動させるウィービング手段を有している、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項１１】
請求項５から１０のいずれか一項に記載の溶接システムにおいて、
前記溶接ヘッドは、前記母材に対して電子を照射することで、該母材に溶接エネルギーを加え、
前記クリーニングヘッドは、前記母材に対してレーザ光を照射することで、該母材に前記クリーニングエネルギーを加える、
ことを特徴とする溶接システム。
【請求項１２】
請求項５から１０のいずれか一項に記載の溶接システムにおいて、
前記溶接ヘッドは、前記母材に対してレーザ光を照射することで、該母材に溶接エネルギーを加え、
前記クリーニングヘッドは、前記母材に対して荷電粒子又はレーザ光を照射することで、該母材に前記クリーニングエネルギーを加える、
ことを特徴とする溶接システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−６０２８（Ｐ２０１２−６０２８Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４２６２７（Ｐ２０１０−１４２６２７）
【出願日】平成２２年６月２３日（２０１０．６．２３）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２３日（２０１０．６．２３）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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