複合溶接方法と複合溶接装置
【課題】 ワイヤにレーザビームが直接照射するよう前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とを配置し、レーザ・アーク間距離に応じてパルス周波数を設定する複合溶接方法と複合溶接装置に関する。
【解決手段】 レーザ・アーク間距離Ｌ０を設定するレーザ・アーク間距離設定手段１７の設定値を入力してパルス周波数を設定するパルス周波数設定手段１５と、前記パルス周波数設定手段１５とパルス波形設定手段１４の設定値を入力してパルスアーク溶接を行うパルスアーク発生手段１３とを備え、前記レーザ・アーク間距離Ｌ０に応じてパルス周波数を設定することによって被溶接物６への入熱を低減させ、ギャップ裕度を向上させる。
【解決手段】 レーザ・アーク間距離Ｌ０を設定するレーザ・アーク間距離設定手段１７の設定値を入力してパルス周波数を設定するパルス周波数設定手段１５と、前記パルス周波数設定手段１５とパルス波形設定手段１４の設定値を入力してパルスアーク溶接を行うパルスアーク発生手段１３とを備え、前記レーザ・アーク間距離Ｌ０に応じてパルス周波数を設定することによって被溶接物６への入熱を低減させ、ギャップ裕度を向上させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被溶接物にレーザビームの照射とアーク溶接を行う複合溶接方法と複合溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、エネルギー密度が高いため、高速で熱影響部の狭い溶接を行うことが可能である。しかし、被溶接物間にギャップがあると、例えば、突合せ継手ではレーザビームがそのギャップから抜けてしまい、被溶接物を溶接できなくなる恐れがあった。この問題を克服するために、消耗電極方式のアーク溶接との複合溶接方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
図８は従来の複合溶接装置の構成を示すブロック図である。１はレーザ発生手段で、レーザ発振器２とレーザ伝送手段３と集光光学系４とからなり、レーザビーム５を被溶接物６の溶接位置に照射する。前記レーザ伝送手段３は、光ファイバーであってもよく、レンズによって組み合わせた伝送系であってもよい。また、前記集光光学系４は、一枚あるいは複数のレンズから構成されてもよい。７はワイヤで、ワイヤ送給手段８によってトーチ９を通して前記被溶接物６の溶接位置に送給される。１０はアーク発生手段で、溶接開始時には前記ワイヤ送給手段８を制御し、前記トーチ９を通して前記ワイヤ７を前記被溶接物６の溶接位置に向かって送給し、前記ワイヤ７と前記被溶接物６との間に溶接アーク１１を発生するよう制御するが、溶接終了時には前記ワイヤ送給手段８によるワイヤ７の送給を停止させると共に、前記溶接アーク１１を停止するよう制御する。１２は制御手段で、図示していないが、外部から溶接開始または溶接終了命令を受けてから、前記レーザ発生手段１から発生するレーザビーム５の照射開始と終了タイミングを制御すると共に、前記アーク発生手段１０から発生する溶接アーク１１の放電開始と終了タイミングを制御する。前記制御手段１２は、コンピュータを使用して構成してもよいが、コンピュータのような演算機能を有する部品、デバイス、装置あるいはそれらの組み合わせを使用してもよい。また、前記制御手段１２としては、ロボットを使用してもよい。詳細の説明を省略するが、ロボットを使用する際には、前記ロボットのマニピュレータ部に前記集光光学系４と前記トーチ１１とを固定して使用することができる。前記レーザ発振器２は、図示していないが、予め設定した所定のレーザ出力を出力するが、前記制御手段１２で設定したレーザ出力の信号を受け、それを出力することができる。また、前記アーク発生手段１０は、前記レーザ発生手段１と同様に、予め設定した所定のアーク出力値を出力するが、前記制御手段１２で設定したアーク出力値の信号を受け、それを出力することができる。
以上のように構成された複合溶接装置の動作としては、溶接開始時には、溶接開始命令を受けた制御手段１２はレーザ発生手段１にレーザ溶接開始信号を送り、レーザビーム５の照射を開始すると共に、アーク発生手段１０にアーク溶接開始信号を送り、アーク放電を開始することによって溶接を開始するが、溶接終了時には、溶接終了命令を受けた制御手段１２はレーザ発生手段１にレーザ溶接終了信号を送り、レーザビーム５の照射を終了すると共に、アーク発生手段１０にアーク溶接終了信号を送り、アーク放電を終了することによって溶接を終了する。
【０００３】
以上に示した複合溶接方法では、レーザ溶接とアーク溶接とをいかに配置するかは非常に重要であるため、従来から多数の提案があった。例えば、被溶接物の溶融速度向上に視点を置いてなされたものとしては、レーザ照射とアーク放電との間隔をアークがレーザと干渉しないよう所定の間隔を開けて配置したほうがよいというものがあった（例えば特許文献２参照）。また、開先溶接の開先中心位置倣い制御に視点を置いてなされたものとしては、溶接状態をセンシングすることによってレーザ照射点とアーク発生点間の距離を制御するものがあった（例えば特許文献３参照）。
【０００４】
前述した従来の提案は、被溶接物の溶融速度の向上または倣い制御に視点を置いてなされたものであったが、レーザビームが直接にワイヤとかかわりそれを溶融することがなかった。したがって、その場合の溶接電流はほとんどアーク溶接の溶接電流のままであり、また、溶融池の大きさもアーク溶接の溶融池の大きさによってほぼ決まってしまう（非特許文献１）。そのため、被溶接物への投入熱量が大きく、大きな熱変形をもたらす恐れがあった。この問題を克服するために本発明の発明者は、レーザビームを直接にワイヤに照射してアークと共にそれを溶融することによってアーク電流を低減させ、溶融池の大きさを減少させる提案をすでに行っている（例えば未公開自社出願の特願２００６−２８００５９号参照）。しかし、前記本発明の発明者による提案は、アーク電流を減少させることに視点を置いて行ったため、レーザビームがワイヤに照射した場合のアーク溶接の溶接出力をいかに制御するかについては、その具体的方法まで提示していなかった。
【特許文献１】特開２００２−３３６９８２号公報
【特許文献２】特開２００２−３４６７７７号公報
【特許文献３】特開２００７−９２０号公報
【非特許文献１】片山聖二、内海怜、水谷正海、王静波、藤井孝治、アルミニウム合金のＹＡＧレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接における溶込み特性とポロシティの防止機構、軽金属溶接、４４、３（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、レーザ・アーク間距離に応じてパルスアーク溶接のパルス周波数を制御することによって被溶接物への入熱を低減させ、ギャップ裕度を向上させる複合溶接方法と複合溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため本発明は、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置にワイヤを送給して前記被溶接物との間でパルスアーク溶接を同時に行う複合溶接方法において、
前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸を交わる位置に前記光軸と前記中心軸を配置し、前記光軸と前記被溶接物との交点と前記中心軸と前記被溶接物との交点との距離となるレーザ・アーク間距離に応じ、パルスアーク溶接におけるパルス電流とパルス幅とベース電流を所定の値にしたままレーザ・アーク間距離が長いほどパルス周波数を低く設定する複合溶接方法または、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ発生手段と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給手段と、前記ワイヤと前記被溶接物にパルスアーク溶接のための電力を供給するパルスアーク発生手段と、前記レーザ発生手段と前記パルスアーク発生手段を制御する制御手段を備え、
前記レーザ発生手段と前記トーチは、前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる位置に前記光軸と前記中心軸とを配置する構成とし、前記光軸と前記被溶接物との交点と前記中心軸と前記被溶接物との交点との距離となるレーザ・アーク間距離を設定するレーザ・アーク間距離設定手段と、前記レーザ・アーク間距離設定手段の設定値を入力し、レーザ・アーク間距離が長いほどパルス周波数を低く設定するパルス周波数設定手段と、パルスアーク溶接におけるパルス波形を設定するパルス波形設定手段を設け、
前記パルスアーク発生手段に前記パルス周波数設定手段と前記パルス波形設定手段からの設定値を入力し、パルスアーク溶接におけるパルス電流とパルス幅とベース電流を所定の値にしたままレーザ・アーク間距離が長いほどパルス周波数を低くする複合溶接装置である。
【０００７】
このように被溶接物に供給するワイヤにレーザビームを直接照射するよう前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる位置に前記光軸と前記中心軸とを配置し、レーザ・アーク間距離に応じてパルス電流とパルス幅とベース電流とを所定の値にしたままパルス周波数のみを変更して溶接することによって母材への入熱を低減させ、ギャップ裕度を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように本発明は、被溶接物に供給するワイヤにレーザビームを直接照射するよう前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる位置に前記光軸と前記中心軸とを配置し、レーザ・アーク間距離に応じてパルス電流とパルス幅とベース電流とを所定の値にしたままパルス周波数のみを変更して溶接することによって母材への入熱を低減させ、ギャップ裕度を向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態における複合溶接装置の構成を示す模式図である。なお、図８に示した内容と同様の構成および動作と作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００１０】
図１は、図８のアーク発生手段１０の代わりにパルスアーク発生手段１３を使用したものである。前記パルスアーク発生手段１３は、パルス波形設定手段１４で設定した所定のパルス電流とパルス幅とベース電流と後述するパルス周波数設定手段１５で設定したパルス周波数とからなるパルス状の溶接電力を出力し、ワイヤ７と被溶接物６との間にパルスアーク１６を発生しながらパルスアーク溶接を行う。１８はレーザ発振器２のレーザ出力を設定するレーザ出力設定手段、１９は溶接位置近傍Ａでのレーザ輝度を設定するレーザ輝度入力手段で、レーザ出力設定手段１８からレーザ出力の設定値が、また、レーザ輝度入力手段１９からレーザ輝度の設定値が、夫々、パルス周波数設定手段１５に入力するようにしている。なお、レーザ出力設定手段１８は制御手段１２が兼ねても良い。この場合は制御手段１２の信号をパルス周波数設定手段１５に入力するように構成を変える。
【００１１】
前記パルス周波数設定手段１５は、レーザビーム５の光軸と被溶接物６との交点とワイヤ７の中心軸と被溶接物６との交点との距離、すなわち、レーザ・アーク間距離Ｌ０（図１には溶接位置近傍Ａの略図のみを示したが、その詳細を図２以降に説明する。）を入力し、前記レーザ・アーク間距離Ｌ０に応じて前記パルスアーク発生手段１３にパルス周波数を出力する。
【００１２】
実際のパルスアーク溶接では、前記パルス周波数設定手段１５で設定するパルス周波数は、レーザ・アーク間距離Ｌ０またはレーザ出力またはレーザ輝度によって異なる。
【００１３】
すなわち、レーザ・アーク間距離Ｌ０が長いほど前記パルス周波数を低く、前記レーザ・アーク間距離Ｌ０が短いほど前記パルス周波数を高く設定する。
【００１４】
また、同一のレーザ・アーク間距離Ｌ０であっても、レーザ出力が高くなるほど前記パルス周波数を低く、前記レーザ出力が低くなるほど前記パルス周波数を高く設定する。
【００１５】
なお、同一のレーザ出力であっても、レーザ輝度が高いほど前記パルス周波数を低く、前記レーザ輝度が低いほど前記パルス周波数を高く設定する。
【００１６】
前述したパルス周波数設定手段１５のパルス周波数の設定方法の原理について、図２〜図４を参照して説明する。
【００１７】
図２は、本発明の実施の形態の複合溶接装置の溶接位置近傍Ａにおけるレーザビーム５とワイヤ７との配置方法（図２（ａ１）、図２（ｂ１））およびそれと対応するパルスアーク溶接のパルス状の溶接出力を示すパルス波形の模式図（図２（ａ２）、図２（ｂ２））である。
【００１８】
Ｌ１とＬ２はレーザ・アーク間距離で、いずれも図１のレーザ・アーク間距離Ｌ０に相当するものである。説明のため、図２（ａ）に示した前記レーザ・アーク間距離Ｌ１が図２（ｂ）に示した前記レーザ・アーク間距離Ｌ２より短いものとする。９ａは、トーチ９の先端に取り付けられ、ワイヤ７に電力を供給する給電チップである。ａａ’はレーザビーム５の光軸で、ｂｂ’はワイヤ７の中心軸である。１００と１０１は前記レーザ・アーク間距離Ｌ１と前記レーザ・アーク間距離Ｌ２とに対応するパルスアーク溶接のパルス波形の模式図である。Ｆ１とＦ２とはそれぞれ前記パルス波形１００と前記パルス波形１０１のパルス周波数である。Ｉｐはパルス電流、ｔｐはパルス幅、Ｉｂはベース電流である。
【００１９】
図２の動作について説明するためにはワイヤ７の先端から溶滴が離脱して被溶接物６の溶接位置に移行するプロセスについて説明する必要があり、その内容については図３と図４とを参照しつつ説明する。図３はパルスアーク溶接の溶滴離脱・移行形態を示す模式図である。図４は複合溶接の溶滴離脱・移行形態を示す模式図である。パルス電流Ｉｐとパルス幅ｔｐとベース電流Ｉｂは図２と同様なので、その表示を省略する。
【００２０】
図３のパルスアーク溶接について説明する。１０２はパルスアーク溶接のパルス波形であり、Ｆ０はそのパルス周波数である。良好な溶接を得るためには、通常一つのパルスで一つの溶滴を移行させるよう、前記パルス電流Ｉｐとパルス幅ｔｐとベース電流Ｉｂとは言うまでもなく、前記パルス波形１０２のパルス周波数Ｆ０を選定する。これは、すなわち、１パルス１ドロップ移行である。その動作について説明する。タイミング（１）では、ベース期間がほぼ終了し、ワイヤ７の先端部分に極わずかな溶融金属しか残っていない。２００は前記溶融金属と前記ワイヤ７の未溶融部分の境界を示す溶融・未溶融境界である。以下の説明では、図面を簡略化するために、タイミング（２）からは前記溶融・未溶融境界の図示を省略する。タイミング（２）では、パルス期間が始まりパルス電流Ｉｐの作用でワイヤ７の先端に溶融金属であるワイヤ端溶滴２０１が形成される。タイミング（３）では、パルス期間の後半に入りパルス電流Ｉｐのピンチ作用によって前記溶融・未溶融境界２００付近の前記ワイヤ端溶滴２０１側にくびれ２０２が生じる。その後、前記くびれ２０２が更に成長し、ベース期間に入った直後のタイミング（４）では前記ワイヤ端溶滴２０１が前記ワイヤ７の先端から離脱して溶滴２０３を形成する。その後、前記溶滴２０３は、ベース期間中のタイミング（５）を経てベース期間終了直前のタイミング（６）まで、被溶接物６の溶接位置に移行していく。ベース電流Ｉｂは通常低く設定されるので、ベース期間中にはワイヤ７がほとんど溶融しない。ベース期間終了直前のタイミング（６）は、前記タイミング（１）と同様の状態である。以上のタイミング（１）からタイミング（６）までのプロセスは溶接中に繰り返され、１パルス１ドロップ移行を実現する。その結果、スパッタの少ない、良好な溶接結果を得ることができる。
【００２１】
図４の複合溶接について説明する。図４（ａ）と図４（ｂ）はそれぞれ図２（ａ）と図２（ｂ）と対応するものであり（Ｌ１＜Ｌ２）、それぞれのパルス波形は１００と１０１である。図３と同様の動作または機能のものについては同一の記号を付与しその説明を省略する。なお、図面簡略化のため、パルス電流Ｉｐとパルス幅ｔｐとベース電流Ｉｂの表示を省略する。図３に示したパルスアーク溶接と同様、複合溶接でも基本的には良好な溶接を得るためには、１パルス１ドロップ移行になるようパルス周波数を決定する必要がある。
【００２２】
図４（ａ）について説明する。説明のため、ベース期間に入った直後の、溶滴がワイヤ７の先端から離脱した直後のタイミング（１）から説明する。タイミング（１）では、２０４はワイヤ７の先端から離脱した直後の溶滴である。２０５は、溶滴離脱直後に前記ワイヤ７の先端部分に残った極わずかな溶融金属と前記ワイヤ７の未溶融部分の境界を示す溶融・未溶融境界である。タイミング（２）では、ベース期間中ではあるが、この時、図示していないが、前記ワイヤ７の先端部分の表面はレーザビーム５の直接照射を受けて溶融するので、前記ワイヤ７の先端が時間の増加と共に溶融し、ワイヤ端溶滴２０６を形成する。その後、前記ワイヤ端溶滴２０６は、ベース期間が終了する直前まで成長し続く（タイミング（３）を含む。）。言うまでもなく、この期間中には前記溶滴２０４が被溶接物６の溶接位置に移行していく。その後、パルス期間に入ったタイミング（４）では、パルス電流Ｉｐの作用もワイヤ７の溶融に寄与するので、ワイヤ端溶滴２０６の大きさが更に増加していく。パルス期間の後半のタイミング（５）では、パルスアーク溶接の時と同様に、パルス電流Ｉｐのピンチ作用によって前記溶融・未溶融境界２０５付近の前記ワイヤ端溶滴２０６側にくびれ２０７を生じる。その後、前記くびれ２０７が成長し、ベース期間に入った直後のタイミング（６）では前記ワイヤ端溶滴２０６が前記ワイヤ７の先端から離脱して、溶滴２０８を形成する。このタイミング（６）は、前記タイミング（１）と同様な状態となる。以降、以上のタイミング（１）からタイミング（６）までのプロセスが繰り返される。図３と比較すると、前記溶滴２０４または２０８の大きさは、ベース期間からワイヤ７の先端部分がレーザビーム５の直接照射を受けて溶融するため、パルスアーク溶接の時の溶滴２０３よりサイズが大きくなる。したがって、１パルス１ドロップ移行を実現するためのパルス周波数Ｆ１は、図３に示したパルスアーク溶接の時のパルス周波数Ｆ０より低くなる。
【００２３】
図４（ｂ）について説明する。比較のために、図４（ｂ）に図４（ａ）のパルス波形１００を図示する。２０９はパルス期間の直後にワイヤ７の先端から離脱した溶滴で、２１０は前記溶滴２０９が離脱した直後に前記ワイヤ７の先端部分に残った極わずかな溶融金属とワイヤ７の未溶融部分との境界を示す溶融・未溶融境界である（タイミング（１））。２１１は、ベース期間中にワイヤ７の先端部分の表面がレーザビーム５の直接照射を受け溶融して形成したワイヤ端溶滴である（タイミング（２））。２１２は、その後のパルス期間の後半部分においてパルス電流Ｉｐのピンチ作用によって前記溶融・未溶融境界２１０付近の前記ワイヤ端溶滴２１１側に生じたくびれである（タイミング（５））。２１３は、前記タイミング（５）を経過してからベース期間に入った直後のタイミング（６）において前記ワイヤ端溶滴２１１がワイヤ７の先端から離脱して形成した溶滴である。図４（ｂ）が図４（ａ）と異なるのは、図４（ｂ）のレーザ・アーク間距離Ｌ２が図４（ａ）のレーザ・アーク間距離Ｌ１より大きいため、ワイヤ７の先端部分がレーザビーム５の直接照射を受ける範囲が広くなったことである。この場合、たとえ同一のレーザ出力でも溶融できるワイヤ７の量が増加することが容易に推察される。その結果、図４（ａ）と同一のベース期間の長さでも図４（ｂ）では、次のパルス期間で離脱するワイヤ端溶滴２１１の大きさが増加する。したがって、１パルス１ドロップ移行を実現するためのパルス周波数Ｆ２は、図４（ａ）に示した前記パルス周波数Ｆ１より低くなる。結果的に、パルス電流Ｉｐとパルス幅ｔｐとベース電流Ｉｂとが同じであれば、パルス周波数がＦ１からＦ２のように低くなると、アーク電流の平均値が低下してしまう。アーク電流が低下すると、アーク電流による入熱が減少し、アークによる溶融池の大きさの減少ができる（未公開自社出願の特願２００６−２８００５９号）。継手の溶接に適用した場合は、ギャップ裕度を広げることが可能と考えられる。
【００２４】
図３と図４の結果から以下のことが言える。パルスアーク溶接と比較すると、レーザ・アーク間距離Ｌ１の複合溶接では溶滴２０４または溶滴２０８の大きさがパルスアーク溶接の時の溶滴２０３より大きくなる。その結果、１パルス１ドロップ移行を維持するために、レーザ・アーク間距離がＬ１の時のパルス周波数Ｆ１をパルスアーク溶接のパルス周波数Ｆ０より低く設定する必要がある。一方、レーザ・アーク間距離がＬ１からＬ２のように長くなった場合、レーザビーム５がワイヤ７の先端部分に照射できる範囲が広くなるので、形成し得る溶滴２０９または溶滴２１３は前記溶滴２０４または溶滴２０８よりも更にそのサイズが大きくなる。したがって、レーザ・アーク間距離が長くなると（Ｌ２）、パルス周波数Ｆ２を前記パルス周波数Ｆ１より低く設定する必要がある。
【００２５】
本発明の実施の形態の効果を確認するために、板厚２ｍｍのＡ５０５２アルミニウム合金に対してＡ５３５６のワイヤを使用し、２．７ｋＷのＹＡＧレーザ（被溶接物６の表面における集光径はφ０．６ｍｍである。）で複合溶接を行った。使用するパルスアーク溶接法は、パルスＭＩＧアーク溶接法であった。図５にレーザ・アーク間距離を変えた場合のアーク電流とパルス周波数の計測例を示す。図６に、図５と同様の溶接条件を使用してレーザ・アーク間距離を変えた場合のアーク電流および電圧波形を計測した例を示す。なお、電圧波形は、トーチ９の通電部（図示していない）と被溶接物６との間から、できるだけ通電ケーブルの電圧降下分を除いた形で採集したものである。レーザ・アーク間距離が０ｍｍの場合は、レーザビーム５とワイヤ７とのかかわりがないため、そのアーク電流は基本的にはパルスＭＩＧアーク溶接と同様である。一方、前記レーザ・アーク間距離を０ｍｍより長くすると共に、アーク電流が減少し、パルス周波数が減少した。前記Ａ５０５２材料の突合せ継手に本発明の実施の形態の複合溶接方法およびパルスＭＩＧアーク溶接法を適用した場合のビード形状の測定例およびギャップ裕度の計測例を示す。本実施の形態の複合溶接方法では、前述の通りアーク電流を減少させることが可能なため、パルスＭＩＧアーク溶接法と比較して広いギャップ裕度を得ることができた。目視による溶接状態の観察の結果によると、パルスＭＩＧアーク溶接と同様に、本実施の形態の複合溶接方法によるスパッタの発生が非常に少なかった。
【００２６】
以上のように本発明の実施の形態によれば、被溶接物に供給するワイヤにレーザビームを直接照射するよう前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる位置に前記光軸と前記中心軸とを配置し、前記レーザ・アーク間距離に応じてパルス電流とパルス幅とベース電流とを所定の値にしたままパルス周波数のみを所定の値に設定して溶接することによって母材への入熱を低減させ、ギャップ裕度を向上させることが可能である。
【００２７】
以上に示したように、同一のレーザ出力ではレーザ・アーク間距離が長いと、ベース期間中にレーザビームの直接照射を受けて溶融したワイヤが長くなり大きな溶滴を形成できるため、１パルス１ドロップ移行を実現するためには、パルス周波数を低く設定する必要があった。言うまでもなく、レーザ出力を上げること、またはレーザ輝度を上げることによって同一長さのベース期間中に溶融し得るワイヤの長さを長くすることが可能なため、レーザ出力またはレーザ輝度が高くなるほどパルス周波数を低く設定する必要がある。逆に、レーザ出力またはレーザ輝度が低くなるほどパルス周波数を高く設定する必要があることが言うまでもない。
【００２８】
また、以上の説明ではパルスアーク溶接の例としてパルスＭＩＧアーク溶接をすでに使用したが（図５〜図７）、言うまでもなく、本発明の実施の形態としてはパルスＭＩＧアーク溶接を使用することが望ましい。
【００２９】
また、被溶接物とワイヤとしては共にアルミニウム合金を使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上のように本発明によれば、レーザ・アーク間距離に応じてパルスアーク溶接のパルス周波数を設定することによって被溶接物への入熱を低減させ、ギャップ裕度を向上させることのできる複合溶接方法と複合溶接装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態における複合溶接装置の構成を示すブロック図
【図２】溶接位置近傍Ａの詳細を示す模式図およびそれと対応するパルス波形を示す模式図
【図３】パルスアーク溶接の溶滴離脱・移行形態を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態の複合溶接の溶滴離脱・移行形態を示す模式図
【図５】レーザ・アーク間距離を変えた場合のアーク電流とパルス周波数の計測例を示す図
【図６】レーザ・アーク間距離を変えた場合のアーク電流および電圧波形の計測例を示す図
【図７】発明の実施の形態の複合溶接方法とパルスアーク溶接法を突合せ継手に適用した場合のビード形状およびギャップ裕度の例を示す図
【図８】従来の複合溶接装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００３２】
１ レーザ発生手段
２ レーザ発振器
３ レーザ伝送手段
４ 集光光学系
５ レーザビーム
６ 被溶接物
７ ワイヤ
８ ワイヤ送給手段
９ トーチ
９ａ 給電チップ
１０ アーク発生手段
１１ 溶接アーク
１２ 制御手段
１３ パルスアーク発生手段
１４ パルス波形設定手段
１５ パルス周波数設定手段
１６ パルスアーク
１７ レーザ・アーク間距離設定手段
１００ パルス波形
１０１ パルス波形
１０２ パルス波形
２００ 溶融・未溶融境界
２０１ ワイヤ端溶滴
２０２ くびれ
２０３ 溶滴
２０４ 溶滴
２０５ 溶融・未溶融境界
２０６ ワイヤ端溶滴
２０７ くびれ
２０８ 溶滴
２０９ 溶滴
２１０ 溶融・未溶融境界
２１１ ワイヤ端溶滴
２１２ くびれ
２１３ 溶滴
Ａ 溶接位置近傍
Ｌ０ レーザ・アーク間距離
Ｌ１ レーザ・アーク間距離
Ｌ２ レーザ・アーク間距離
ａａ’ 光軸
ｂｂ’ 中心軸
Ｆ０ パルス周波数
Ｆ１ パルス周波数
Ｆ２ パルス周波数
Ｉｂ ベース電流
Ｉｐ パルス電流
ｔｐ パルス時間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被溶接物にレーザビームの照射とアーク溶接を行う複合溶接方法と複合溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、エネルギー密度が高いため、高速で熱影響部の狭い溶接を行うことが可能である。しかし、被溶接物間にギャップがあると、例えば、突合せ継手ではレーザビームがそのギャップから抜けてしまい、被溶接物を溶接できなくなる恐れがあった。この問題を克服するために、消耗電極方式のアーク溶接との複合溶接方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
図８は従来の複合溶接装置の構成を示すブロック図である。１はレーザ発生手段で、レーザ発振器２とレーザ伝送手段３と集光光学系４とからなり、レーザビーム５を被溶接物６の溶接位置に照射する。前記レーザ伝送手段３は、光ファイバーであってもよく、レンズによって組み合わせた伝送系であってもよい。また、前記集光光学系４は、一枚あるいは複数のレンズから構成されてもよい。７はワイヤで、ワイヤ送給手段８によってトーチ９を通して前記被溶接物６の溶接位置に送給される。１０はアーク発生手段で、溶接開始時には前記ワイヤ送給手段８を制御し、前記トーチ９を通して前記ワイヤ７を前記被溶接物６の溶接位置に向かって送給し、前記ワイヤ７と前記被溶接物６との間に溶接アーク１１を発生するよう制御するが、溶接終了時には前記ワイヤ送給手段８によるワイヤ７の送給を停止させると共に、前記溶接アーク１１を停止するよう制御する。１２は制御手段で、図示していないが、外部から溶接開始または溶接終了命令を受けてから、前記レーザ発生手段１から発生するレーザビーム５の照射開始と終了タイミングを制御すると共に、前記アーク発生手段１０から発生する溶接アーク１１の放電開始と終了タイミングを制御する。前記制御手段１２は、コンピュータを使用して構成してもよいが、コンピュータのような演算機能を有する部品、デバイス、装置あるいはそれらの組み合わせを使用してもよい。また、前記制御手段１２としては、ロボットを使用してもよい。詳細の説明を省略するが、ロボットを使用する際には、前記ロボットのマニピュレータ部に前記集光光学系４と前記トーチ１１とを固定して使用することができる。前記レーザ発振器２は、図示していないが、予め設定した所定のレーザ出力を出力するが、前記制御手段１２で設定したレーザ出力の信号を受け、それを出力することができる。また、前記アーク発生手段１０は、前記レーザ発生手段１と同様に、予め設定した所定のアーク出力値を出力するが、前記制御手段１２で設定したアーク出力値の信号を受け、それを出力することができる。
以上のように構成された複合溶接装置の動作としては、溶接開始時には、溶接開始命令を受けた制御手段１２はレーザ発生手段１にレーザ溶接開始信号を送り、レーザビーム５の照射を開始すると共に、アーク発生手段１０にアーク溶接開始信号を送り、アーク放電を開始することによって溶接を開始するが、溶接終了時には、溶接終了命令を受けた制御手段１２はレーザ発生手段１にレーザ溶接終了信号を送り、レーザビーム５の照射を終了すると共に、アーク発生手段１０にアーク溶接終了信号を送り、アーク放電を終了することによって溶接を終了する。
【０００３】
以上に示した複合溶接方法では、レーザ溶接とアーク溶接とをいかに配置するかは非常に重要であるため、従来から多数の提案があった。例えば、被溶接物の溶融速度向上に視点を置いてなされたものとしては、レーザ照射とアーク放電との間隔をアークがレーザと干渉しないよう所定の間隔を開けて配置したほうがよいというものがあった（例えば特許文献２参照）。また、開先溶接の開先中心位置倣い制御に視点を置いてなされたものとしては、溶接状態をセンシングすることによってレーザ照射点とアーク発生点間の距離を制御するものがあった（例えば特許文献３参照）。
【０００４】
前述した従来の提案は、被溶接物の溶融速度の向上または倣い制御に視点を置いてなされたものであったが、レーザビームが直接にワイヤとかかわりそれを溶融することがなかった。したがって、その場合の溶接電流はほとんどアーク溶接の溶接電流のままであり、また、溶融池の大きさもアーク溶接の溶融池の大きさによってほぼ決まってしまう（非特許文献１）。そのため、被溶接物への投入熱量が大きく、大きな熱変形をもたらす恐れがあった。この問題を克服するために本発明の発明者は、レーザビームを直接にワイヤに照射してアークと共にそれを溶融することによってアーク電流を低減させ、溶融池の大きさを減少させる提案をすでに行っている（例えば未公開自社出願の特願２００６−２８００５９号参照）。しかし、前記本発明の発明者による提案は、アーク電流を減少させることに視点を置いて行ったため、レーザビームがワイヤに照射した場合のアーク溶接の溶接出力をいかに制御するかについては、その具体的方法まで提示していなかった。
【特許文献１】特開２００２−３３６９８２号公報
【特許文献２】特開２００２−３４６７７７号公報
【特許文献３】特開２００７−９２０号公報
【非特許文献１】片山聖二、内海怜、水谷正海、王静波、藤井孝治、アルミニウム合金のＹＡＧレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接における溶込み特性とポロシティの防止機構、軽金属溶接、４４、３（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、レーザ・アーク間距離に応じてパルスアーク溶接のパルス周波数を制御することによって被溶接物への入熱を低減させ、ギャップ裕度を向上させる複合溶接方法と複合溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため本発明は、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置にワイヤを送給して前記被溶接物との間でパルスアーク溶接を同時に行う複合溶接方法において、
前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸を交わる位置に前記光軸と前記中心軸を配置し、前記光軸と前記被溶接物との交点と前記中心軸と前記被溶接物との交点との距離となるレーザ・アーク間距離に応じ、パルスアーク溶接におけるパルス電流とパルス幅とベース電流を所定の値にしたままレーザ・アーク間距離が長いほどパルス周波数を低く設定する複合溶接方法または、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ発生手段と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給手段と、前記ワイヤと前記被溶接物にパルスアーク溶接のための電力を供給するパルスアーク発生手段と、前記レーザ発生手段と前記パルスアーク発生手段を制御する制御手段を備え、
前記レーザ発生手段と前記トーチは、前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる位置に前記光軸と前記中心軸とを配置する構成とし、前記光軸と前記被溶接物との交点と前記中心軸と前記被溶接物との交点との距離となるレーザ・アーク間距離を設定するレーザ・アーク間距離設定手段と、前記レーザ・アーク間距離設定手段の設定値を入力し、レーザ・アーク間距離が長いほどパルス周波数を低く設定するパルス周波数設定手段と、パルスアーク溶接におけるパルス波形を設定するパルス波形設定手段を設け、
前記パルスアーク発生手段に前記パルス周波数設定手段と前記パルス波形設定手段からの設定値を入力し、パルスアーク溶接におけるパルス電流とパルス幅とベース電流を所定の値にしたままレーザ・アーク間距離が長いほどパルス周波数を低くする複合溶接装置である。
【０００７】
このように被溶接物に供給するワイヤにレーザビームを直接照射するよう前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる位置に前記光軸と前記中心軸とを配置し、レーザ・アーク間距離に応じてパルス電流とパルス幅とベース電流とを所定の値にしたままパルス周波数のみを変更して溶接することによって母材への入熱を低減させ、ギャップ裕度を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように本発明は、被溶接物に供給するワイヤにレーザビームを直接照射するよう前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる位置に前記光軸と前記中心軸とを配置し、レーザ・アーク間距離に応じてパルス電流とパルス幅とベース電流とを所定の値にしたままパルス周波数のみを変更して溶接することによって母材への入熱を低減させ、ギャップ裕度を向上させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態における複合溶接装置の構成を示す模式図である。なお、図８に示した内容と同様の構成および動作と作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
【００１０】
図１は、図８のアーク発生手段１０の代わりにパルスアーク発生手段１３を使用したものである。前記パルスアーク発生手段１３は、パルス波形設定手段１４で設定した所定のパルス電流とパルス幅とベース電流と後述するパルス周波数設定手段１５で設定したパルス周波数とからなるパルス状の溶接電力を出力し、ワイヤ７と被溶接物６との間にパルスアーク１６を発生しながらパルスアーク溶接を行う。１８はレーザ発振器２のレーザ出力を設定するレーザ出力設定手段、１９は溶接位置近傍Ａでのレーザ輝度を設定するレーザ輝度入力手段で、レーザ出力設定手段１８からレーザ出力の設定値が、また、レーザ輝度入力手段１９からレーザ輝度の設定値が、夫々、パルス周波数設定手段１５に入力するようにしている。なお、レーザ出力設定手段１８は制御手段１２が兼ねても良い。この場合は制御手段１２の信号をパルス周波数設定手段１５に入力するように構成を変える。
【００１１】
前記パルス周波数設定手段１５は、レーザビーム５の光軸と被溶接物６との交点とワイヤ７の中心軸と被溶接物６との交点との距離、すなわち、レーザ・アーク間距離Ｌ０（図１には溶接位置近傍Ａの略図のみを示したが、その詳細を図２以降に説明する。）を入力し、前記レーザ・アーク間距離Ｌ０に応じて前記パルスアーク発生手段１３にパルス周波数を出力する。
【００１２】
実際のパルスアーク溶接では、前記パルス周波数設定手段１５で設定するパルス周波数は、レーザ・アーク間距離Ｌ０またはレーザ出力またはレーザ輝度によって異なる。
【００１３】
すなわち、レーザ・アーク間距離Ｌ０が長いほど前記パルス周波数を低く、前記レーザ・アーク間距離Ｌ０が短いほど前記パルス周波数を高く設定する。
【００１４】
また、同一のレーザ・アーク間距離Ｌ０であっても、レーザ出力が高くなるほど前記パルス周波数を低く、前記レーザ出力が低くなるほど前記パルス周波数を高く設定する。
【００１５】
なお、同一のレーザ出力であっても、レーザ輝度が高いほど前記パルス周波数を低く、前記レーザ輝度が低いほど前記パルス周波数を高く設定する。
【００１６】
前述したパルス周波数設定手段１５のパルス周波数の設定方法の原理について、図２〜図４を参照して説明する。
【００１７】
図２は、本発明の実施の形態の複合溶接装置の溶接位置近傍Ａにおけるレーザビーム５とワイヤ７との配置方法（図２（ａ１）、図２（ｂ１））およびそれと対応するパルスアーク溶接のパルス状の溶接出力を示すパルス波形の模式図（図２（ａ２）、図２（ｂ２））である。
【００１８】
Ｌ１とＬ２はレーザ・アーク間距離で、いずれも図１のレーザ・アーク間距離Ｌ０に相当するものである。説明のため、図２（ａ）に示した前記レーザ・アーク間距離Ｌ１が図２（ｂ）に示した前記レーザ・アーク間距離Ｌ２より短いものとする。９ａは、トーチ９の先端に取り付けられ、ワイヤ７に電力を供給する給電チップである。ａａ’はレーザビーム５の光軸で、ｂｂ’はワイヤ７の中心軸である。１００と１０１は前記レーザ・アーク間距離Ｌ１と前記レーザ・アーク間距離Ｌ２とに対応するパルスアーク溶接のパルス波形の模式図である。Ｆ１とＦ２とはそれぞれ前記パルス波形１００と前記パルス波形１０１のパルス周波数である。Ｉｐはパルス電流、ｔｐはパルス幅、Ｉｂはベース電流である。
【００１９】
図２の動作について説明するためにはワイヤ７の先端から溶滴が離脱して被溶接物６の溶接位置に移行するプロセスについて説明する必要があり、その内容については図３と図４とを参照しつつ説明する。図３はパルスアーク溶接の溶滴離脱・移行形態を示す模式図である。図４は複合溶接の溶滴離脱・移行形態を示す模式図である。パルス電流Ｉｐとパルス幅ｔｐとベース電流Ｉｂは図２と同様なので、その表示を省略する。
【００２０】
図３のパルスアーク溶接について説明する。１０２はパルスアーク溶接のパルス波形であり、Ｆ０はそのパルス周波数である。良好な溶接を得るためには、通常一つのパルスで一つの溶滴を移行させるよう、前記パルス電流Ｉｐとパルス幅ｔｐとベース電流Ｉｂとは言うまでもなく、前記パルス波形１０２のパルス周波数Ｆ０を選定する。これは、すなわち、１パルス１ドロップ移行である。その動作について説明する。タイミング（１）では、ベース期間がほぼ終了し、ワイヤ７の先端部分に極わずかな溶融金属しか残っていない。２００は前記溶融金属と前記ワイヤ７の未溶融部分の境界を示す溶融・未溶融境界である。以下の説明では、図面を簡略化するために、タイミング（２）からは前記溶融・未溶融境界の図示を省略する。タイミング（２）では、パルス期間が始まりパルス電流Ｉｐの作用でワイヤ７の先端に溶融金属であるワイヤ端溶滴２０１が形成される。タイミング（３）では、パルス期間の後半に入りパルス電流Ｉｐのピンチ作用によって前記溶融・未溶融境界２００付近の前記ワイヤ端溶滴２０１側にくびれ２０２が生じる。その後、前記くびれ２０２が更に成長し、ベース期間に入った直後のタイミング（４）では前記ワイヤ端溶滴２０１が前記ワイヤ７の先端から離脱して溶滴２０３を形成する。その後、前記溶滴２０３は、ベース期間中のタイミング（５）を経てベース期間終了直前のタイミング（６）まで、被溶接物６の溶接位置に移行していく。ベース電流Ｉｂは通常低く設定されるので、ベース期間中にはワイヤ７がほとんど溶融しない。ベース期間終了直前のタイミング（６）は、前記タイミング（１）と同様の状態である。以上のタイミング（１）からタイミング（６）までのプロセスは溶接中に繰り返され、１パルス１ドロップ移行を実現する。その結果、スパッタの少ない、良好な溶接結果を得ることができる。
【００２１】
図４の複合溶接について説明する。図４（ａ）と図４（ｂ）はそれぞれ図２（ａ）と図２（ｂ）と対応するものであり（Ｌ１＜Ｌ２）、それぞれのパルス波形は１００と１０１である。図３と同様の動作または機能のものについては同一の記号を付与しその説明を省略する。なお、図面簡略化のため、パルス電流Ｉｐとパルス幅ｔｐとベース電流Ｉｂの表示を省略する。図３に示したパルスアーク溶接と同様、複合溶接でも基本的には良好な溶接を得るためには、１パルス１ドロップ移行になるようパルス周波数を決定する必要がある。
【００２２】
図４（ａ）について説明する。説明のため、ベース期間に入った直後の、溶滴がワイヤ７の先端から離脱した直後のタイミング（１）から説明する。タイミング（１）では、２０４はワイヤ７の先端から離脱した直後の溶滴である。２０５は、溶滴離脱直後に前記ワイヤ７の先端部分に残った極わずかな溶融金属と前記ワイヤ７の未溶融部分の境界を示す溶融・未溶融境界である。タイミング（２）では、ベース期間中ではあるが、この時、図示していないが、前記ワイヤ７の先端部分の表面はレーザビーム５の直接照射を受けて溶融するので、前記ワイヤ７の先端が時間の増加と共に溶融し、ワイヤ端溶滴２０６を形成する。その後、前記ワイヤ端溶滴２０６は、ベース期間が終了する直前まで成長し続く（タイミング（３）を含む。）。言うまでもなく、この期間中には前記溶滴２０４が被溶接物６の溶接位置に移行していく。その後、パルス期間に入ったタイミング（４）では、パルス電流Ｉｐの作用もワイヤ７の溶融に寄与するので、ワイヤ端溶滴２０６の大きさが更に増加していく。パルス期間の後半のタイミング（５）では、パルスアーク溶接の時と同様に、パルス電流Ｉｐのピンチ作用によって前記溶融・未溶融境界２０５付近の前記ワイヤ端溶滴２０６側にくびれ２０７を生じる。その後、前記くびれ２０７が成長し、ベース期間に入った直後のタイミング（６）では前記ワイヤ端溶滴２０６が前記ワイヤ７の先端から離脱して、溶滴２０８を形成する。このタイミング（６）は、前記タイミング（１）と同様な状態となる。以降、以上のタイミング（１）からタイミング（６）までのプロセスが繰り返される。図３と比較すると、前記溶滴２０４または２０８の大きさは、ベース期間からワイヤ７の先端部分がレーザビーム５の直接照射を受けて溶融するため、パルスアーク溶接の時の溶滴２０３よりサイズが大きくなる。したがって、１パルス１ドロップ移行を実現するためのパルス周波数Ｆ１は、図３に示したパルスアーク溶接の時のパルス周波数Ｆ０より低くなる。
【００２３】
図４（ｂ）について説明する。比較のために、図４（ｂ）に図４（ａ）のパルス波形１００を図示する。２０９はパルス期間の直後にワイヤ７の先端から離脱した溶滴で、２１０は前記溶滴２０９が離脱した直後に前記ワイヤ７の先端部分に残った極わずかな溶融金属とワイヤ７の未溶融部分との境界を示す溶融・未溶融境界である（タイミング（１））。２１１は、ベース期間中にワイヤ７の先端部分の表面がレーザビーム５の直接照射を受け溶融して形成したワイヤ端溶滴である（タイミング（２））。２１２は、その後のパルス期間の後半部分においてパルス電流Ｉｐのピンチ作用によって前記溶融・未溶融境界２１０付近の前記ワイヤ端溶滴２１１側に生じたくびれである（タイミング（５））。２１３は、前記タイミング（５）を経過してからベース期間に入った直後のタイミング（６）において前記ワイヤ端溶滴２１１がワイヤ７の先端から離脱して形成した溶滴である。図４（ｂ）が図４（ａ）と異なるのは、図４（ｂ）のレーザ・アーク間距離Ｌ２が図４（ａ）のレーザ・アーク間距離Ｌ１より大きいため、ワイヤ７の先端部分がレーザビーム５の直接照射を受ける範囲が広くなったことである。この場合、たとえ同一のレーザ出力でも溶融できるワイヤ７の量が増加することが容易に推察される。その結果、図４（ａ）と同一のベース期間の長さでも図４（ｂ）では、次のパルス期間で離脱するワイヤ端溶滴２１１の大きさが増加する。したがって、１パルス１ドロップ移行を実現するためのパルス周波数Ｆ２は、図４（ａ）に示した前記パルス周波数Ｆ１より低くなる。結果的に、パルス電流Ｉｐとパルス幅ｔｐとベース電流Ｉｂとが同じであれば、パルス周波数がＦ１からＦ２のように低くなると、アーク電流の平均値が低下してしまう。アーク電流が低下すると、アーク電流による入熱が減少し、アークによる溶融池の大きさの減少ができる（未公開自社出願の特願２００６−２８００５９号）。継手の溶接に適用した場合は、ギャップ裕度を広げることが可能と考えられる。
【００２４】
図３と図４の結果から以下のことが言える。パルスアーク溶接と比較すると、レーザ・アーク間距離Ｌ１の複合溶接では溶滴２０４または溶滴２０８の大きさがパルスアーク溶接の時の溶滴２０３より大きくなる。その結果、１パルス１ドロップ移行を維持するために、レーザ・アーク間距離がＬ１の時のパルス周波数Ｆ１をパルスアーク溶接のパルス周波数Ｆ０より低く設定する必要がある。一方、レーザ・アーク間距離がＬ１からＬ２のように長くなった場合、レーザビーム５がワイヤ７の先端部分に照射できる範囲が広くなるので、形成し得る溶滴２０９または溶滴２１３は前記溶滴２０４または溶滴２０８よりも更にそのサイズが大きくなる。したがって、レーザ・アーク間距離が長くなると（Ｌ２）、パルス周波数Ｆ２を前記パルス周波数Ｆ１より低く設定する必要がある。
【００２５】
本発明の実施の形態の効果を確認するために、板厚２ｍｍのＡ５０５２アルミニウム合金に対してＡ５３５６のワイヤを使用し、２．７ｋＷのＹＡＧレーザ（被溶接物６の表面における集光径はφ０．６ｍｍである。）で複合溶接を行った。使用するパルスアーク溶接法は、パルスＭＩＧアーク溶接法であった。図５にレーザ・アーク間距離を変えた場合のアーク電流とパルス周波数の計測例を示す。図６に、図５と同様の溶接条件を使用してレーザ・アーク間距離を変えた場合のアーク電流および電圧波形を計測した例を示す。なお、電圧波形は、トーチ９の通電部（図示していない）と被溶接物６との間から、できるだけ通電ケーブルの電圧降下分を除いた形で採集したものである。レーザ・アーク間距離が０ｍｍの場合は、レーザビーム５とワイヤ７とのかかわりがないため、そのアーク電流は基本的にはパルスＭＩＧアーク溶接と同様である。一方、前記レーザ・アーク間距離を０ｍｍより長くすると共に、アーク電流が減少し、パルス周波数が減少した。前記Ａ５０５２材料の突合せ継手に本発明の実施の形態の複合溶接方法およびパルスＭＩＧアーク溶接法を適用した場合のビード形状の測定例およびギャップ裕度の計測例を示す。本実施の形態の複合溶接方法では、前述の通りアーク電流を減少させることが可能なため、パルスＭＩＧアーク溶接法と比較して広いギャップ裕度を得ることができた。目視による溶接状態の観察の結果によると、パルスＭＩＧアーク溶接と同様に、本実施の形態の複合溶接方法によるスパッタの発生が非常に少なかった。
【００２６】
以上のように本発明の実施の形態によれば、被溶接物に供給するワイヤにレーザビームを直接照射するよう前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる位置に前記光軸と前記中心軸とを配置し、前記レーザ・アーク間距離に応じてパルス電流とパルス幅とベース電流とを所定の値にしたままパルス周波数のみを所定の値に設定して溶接することによって母材への入熱を低減させ、ギャップ裕度を向上させることが可能である。
【００２７】
以上に示したように、同一のレーザ出力ではレーザ・アーク間距離が長いと、ベース期間中にレーザビームの直接照射を受けて溶融したワイヤが長くなり大きな溶滴を形成できるため、１パルス１ドロップ移行を実現するためには、パルス周波数を低く設定する必要があった。言うまでもなく、レーザ出力を上げること、またはレーザ輝度を上げることによって同一長さのベース期間中に溶融し得るワイヤの長さを長くすることが可能なため、レーザ出力またはレーザ輝度が高くなるほどパルス周波数を低く設定する必要がある。逆に、レーザ出力またはレーザ輝度が低くなるほどパルス周波数を高く設定する必要があることが言うまでもない。
【００２８】
また、以上の説明ではパルスアーク溶接の例としてパルスＭＩＧアーク溶接をすでに使用したが（図５〜図７）、言うまでもなく、本発明の実施の形態としてはパルスＭＩＧアーク溶接を使用することが望ましい。
【００２９】
また、被溶接物とワイヤとしては共にアルミニウム合金を使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上のように本発明によれば、レーザ・アーク間距離に応じてパルスアーク溶接のパルス周波数を設定することによって被溶接物への入熱を低減させ、ギャップ裕度を向上させることのできる複合溶接方法と複合溶接装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態における複合溶接装置の構成を示すブロック図
【図２】溶接位置近傍Ａの詳細を示す模式図およびそれと対応するパルス波形を示す模式図
【図３】パルスアーク溶接の溶滴離脱・移行形態を示す模式図
【図４】本発明の実施の形態の複合溶接の溶滴離脱・移行形態を示す模式図
【図５】レーザ・アーク間距離を変えた場合のアーク電流とパルス周波数の計測例を示す図
【図６】レーザ・アーク間距離を変えた場合のアーク電流および電圧波形の計測例を示す図
【図７】発明の実施の形態の複合溶接方法とパルスアーク溶接法を突合せ継手に適用した場合のビード形状およびギャップ裕度の例を示す図
【図８】従来の複合溶接装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００３２】
１ レーザ発生手段
２ レーザ発振器
３ レーザ伝送手段
４ 集光光学系
５ レーザビーム
６ 被溶接物
７ ワイヤ
８ ワイヤ送給手段
９ トーチ
９ａ 給電チップ
１０ アーク発生手段
１１ 溶接アーク
１２ 制御手段
１３ パルスアーク発生手段
１４ パルス波形設定手段
１５ パルス周波数設定手段
１６ パルスアーク
１７ レーザ・アーク間距離設定手段
１００ パルス波形
１０１ パルス波形
１０２ パルス波形
２００ 溶融・未溶融境界
２０１ ワイヤ端溶滴
２０２ くびれ
２０３ 溶滴
２０４ 溶滴
２０５ 溶融・未溶融境界
２０６ ワイヤ端溶滴
２０７ くびれ
２０８ 溶滴
２０９ 溶滴
２１０ 溶融・未溶融境界
２１１ ワイヤ端溶滴
２１２ くびれ
２１３ 溶滴
Ａ 溶接位置近傍
Ｌ０ レーザ・アーク間距離
Ｌ１ レーザ・アーク間距離
Ｌ２ レーザ・アーク間距離
ａａ’ 光軸
ｂｂ’ 中心軸
Ｆ０ パルス周波数
Ｆ１ パルス周波数
Ｆ２ パルス周波数
Ｉｂ ベース電流
Ｉｐ パルス電流
ｔｐ パルス時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置にワイヤを送給して前記被溶接物との間でパルスアーク溶接を同時に行う複合溶接方法において、
前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸を交わる位置に前記光軸と前記中心軸を配置し、前記光軸と前記被溶接物との交点と前記中心軸と前記被溶接物との交点との距離となるレーザ・アーク間距離に応じ、パルスアーク溶接におけるパルス電流とパルス幅とベース電流を所定の値にしたままレーザ・アーク間距離が長いほどパルス周波数を低く設定する複合溶接方法。
【請求項２】
被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置にワイヤを送給して被溶接物との間でパルスアーク溶接を同時に行う複合溶接方法において、
前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸を交わる位置に前記光軸と前記中心軸を配置し、前記光軸と前記被溶接物との交点と前記中心軸と前記被溶接物との交点との距離となるレーザ・アーク間距離に応じ、パルスアーク溶接におけるパルス電流とパルス幅とベース電流とを所定の値にしたままレーザ・アーク間距離が長いほど、また、レーザ出力が高くなるほどパルス周波数を低く設定する複合溶接方法。
【請求項３】
同一のレーザ出力でも、レーザ輝度が高いほどパルス周波数を低く設定する請求項１または請求項２記載の複合溶接方法。
【請求項４】
パルスアーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を用いる請求項１から請求項３のいずれかに記載の複合溶接方法。
【請求項５】
被溶接物とワイヤは共にアルミニウム合金を用いる請求項１から請求項４のいずれかに記載の複合溶接方法。
【請求項６】
被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ発生手段と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給手段と、前記ワイヤと前記被溶接物にパルスアーク溶接のための電力を供給するパルスアーク発生手段と、前記レーザ発生手段と前記パルスアーク発生手段を制御する制御手段を備え、
前記レーザ発生手段と前記トーチは、前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる位置に前記光軸と前記中心軸とを配置する構成とし、前記光軸と前記被溶接物との交点と前記中心軸と前記被溶接物との交点との距離となるレーザ・アーク間距離を設定するレーザ・アーク間距離設定手段と、前記レーザ・アーク間距離設定手段の設定値を入力し、レーザ・アーク間距離が長いほどパルス周波数を低く設定するパルス周波数設定手段と、パルスアーク溶接におけるパルス波形を設定するパルス波形設定手段を設け、
前記パルスアーク発生手段に前記パルス周波数設定手段と前記パルス波形設定手段からの設定値を入力し、パルスアーク溶接におけるパルス電流とパルス幅とベース電流を所定の値にしたままレーザ・アーク間距離が長いほどパルス周波数を低くする複合溶接装置。
【請求項７】
被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ発生手段と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給手段と、前記ワイヤと前記被溶接物にパルスアーク溶接のための電力を供給するパルスアーク発生手段と、前記レーザ発生手段と前記パルスアーク発生手段を制御する制御手段を備え、
前記レーザ発生手段と前記トーチは、前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる位置に前記光軸と前記中心軸とを配置する構成とし、前記光軸と前記被溶接物との交点と前記中心軸と前記被溶接物との交点との距離となるレーザ・アーク間距離を設定するレーザ・アーク間距離設定手段と、前記レーザ発生手段におけるレーザ出力を設定するレーザ出力設定手段と、前記レーザ出力設定手段と前記レーザ・アーク間距離設定手段の設定値を入力し、レーザ・アーク間距離が長いほど、また、レーザ出力が高くなるほどパルス周波数を低く設定するパルス周波数設定手段と、パルスアーク溶接におけるパルス波形を設定するパルス波形設定手段とを設け、
前記パルスアーク発生手段にパルス周波数設定手段とパルス波形設定手段からの設定値を入力し、パルスアーク溶接におけるパルス電流とパルス幅とベース電流を所定の値にしたままレーザ・アーク間距離が長いほど、また、レーザ出力が高くなるほどパルス周波数を低くする複合溶接装置。
【請求項８】
前記レーザビームのレーザ輝度を設定するレーザ輝度設定手段を設け、前記レーザ輝度の設定値を前記パルスアーク発生手段に入力し、レーザ輝度が高いほどパルス周波数を低く設定する請求項６または請求項７記載の複合溶接装置。
【請求項１】
被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置にワイヤを送給して前記被溶接物との間でパルスアーク溶接を同時に行う複合溶接方法において、
前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸を交わる位置に前記光軸と前記中心軸を配置し、前記光軸と前記被溶接物との交点と前記中心軸と前記被溶接物との交点との距離となるレーザ・アーク間距離に応じ、パルスアーク溶接におけるパルス電流とパルス幅とベース電流を所定の値にしたままレーザ・アーク間距離が長いほどパルス周波数を低く設定する複合溶接方法。
【請求項２】
被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置にワイヤを送給して被溶接物との間でパルスアーク溶接を同時に行う複合溶接方法において、
前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸を交わる位置に前記光軸と前記中心軸を配置し、前記光軸と前記被溶接物との交点と前記中心軸と前記被溶接物との交点との距離となるレーザ・アーク間距離に応じ、パルスアーク溶接におけるパルス電流とパルス幅とベース電流とを所定の値にしたままレーザ・アーク間距離が長いほど、また、レーザ出力が高くなるほどパルス周波数を低く設定する複合溶接方法。
【請求項３】
同一のレーザ出力でも、レーザ輝度が高いほどパルス周波数を低く設定する請求項１または請求項２記載の複合溶接方法。
【請求項４】
パルスアーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を用いる請求項１から請求項３のいずれかに記載の複合溶接方法。
【請求項５】
被溶接物とワイヤは共にアルミニウム合金を用いる請求項１から請求項４のいずれかに記載の複合溶接方法。
【請求項６】
被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ発生手段と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給手段と、前記ワイヤと前記被溶接物にパルスアーク溶接のための電力を供給するパルスアーク発生手段と、前記レーザ発生手段と前記パルスアーク発生手段を制御する制御手段を備え、
前記レーザ発生手段と前記トーチは、前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる位置に前記光軸と前記中心軸とを配置する構成とし、前記光軸と前記被溶接物との交点と前記中心軸と前記被溶接物との交点との距離となるレーザ・アーク間距離を設定するレーザ・アーク間距離設定手段と、前記レーザ・アーク間距離設定手段の設定値を入力し、レーザ・アーク間距離が長いほどパルス周波数を低く設定するパルス周波数設定手段と、パルスアーク溶接におけるパルス波形を設定するパルス波形設定手段を設け、
前記パルスアーク発生手段に前記パルス周波数設定手段と前記パルス波形設定手段からの設定値を入力し、パルスアーク溶接におけるパルス電流とパルス幅とベース電流を所定の値にしたままレーザ・アーク間距離が長いほどパルス周波数を低くする複合溶接装置。
【請求項７】
被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ発生手段と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給手段と、前記ワイヤと前記被溶接物にパルスアーク溶接のための電力を供給するパルスアーク発生手段と、前記レーザ発生手段と前記パルスアーク発生手段を制御する制御手段を備え、
前記レーザ発生手段と前記トーチは、前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる位置に前記光軸と前記中心軸とを配置する構成とし、前記光軸と前記被溶接物との交点と前記中心軸と前記被溶接物との交点との距離となるレーザ・アーク間距離を設定するレーザ・アーク間距離設定手段と、前記レーザ発生手段におけるレーザ出力を設定するレーザ出力設定手段と、前記レーザ出力設定手段と前記レーザ・アーク間距離設定手段の設定値を入力し、レーザ・アーク間距離が長いほど、また、レーザ出力が高くなるほどパルス周波数を低く設定するパルス周波数設定手段と、パルスアーク溶接におけるパルス波形を設定するパルス波形設定手段とを設け、
前記パルスアーク発生手段にパルス周波数設定手段とパルス波形設定手段からの設定値を入力し、パルスアーク溶接におけるパルス電流とパルス幅とベース電流を所定の値にしたままレーザ・アーク間距離が長いほど、また、レーザ出力が高くなるほどパルス周波数を低くする複合溶接装置。
【請求項８】
前記レーザビームのレーザ輝度を設定するレーザ輝度設定手段を設け、前記レーザ輝度の設定値を前記パルスアーク発生手段に入力し、レーザ輝度が高いほどパルス周波数を低く設定する請求項６または請求項７記載の複合溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２２９６３１（Ｐ２００８−２２９６３１Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−６８４１４（Ｐ２００７−６８４１４）
【出願日】平成１９年３月１６日（２００７．３．１６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月１６日（２００７．３．１６）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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