複合溶接方法と複合溶接装置
【課題】レーザ溶接とアーク溶接を制御して行う複合溶接方法と複合溶接装置において、良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることを目的とする。
【解決手段】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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法と複合溶接装置であって、演算手段２０は、前記アーク発生手段１３から制御される前記第１ワイヤ３の換算送給速度と前記第２ワイヤ７の換算送給速度の和を前記溶接速度に比例するよう演算処理を行う。
【解決手段】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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法と複合溶接装置であって、演算手段２０は、前記アーク発生手段１３から制御される前記第１ワイヤ３の換算送給速度と前記第２ワイヤ７の換算送給速度の和を前記溶接速度に比例するよう演算処理を行う。
【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】
レーザはエネルギ密度が高く、熱ひずみの少ない溶接を高速で行うことができるため、様々な板厚または材質の材料の溶接に使用可能である。しかし、被溶接物にギャップがあると、レーザビームがギャップから抜けてしまい溶接ができなくなったり、溶融金属がギャップを埋めるのに消費され、溶融金属不足に起因する溶接欠陥が発生したりする欠点がある。この欠点を補うために、フィラーを使用したレーザ溶接法が従来からあったが、フィラー溶融に余分のレーザエネルギが消費されるため、溶接速度の向上には限界がある。耐ギャップ能力と溶接速度の両立を図るために、レーザと消耗電極方式のアーク溶接を併用する複合溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１）が、溶融したワイヤがギャップを埋める役割を果すことがポイントである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−６６９９１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、従来の複合溶接方法に使用するアーク溶接では、ワイヤ送給速度とアーク電流を独立に調整することができないため、溶着金属量と入熱の両方を自由に調整することができない。
【０００５】
この問題を解決するために、本発明の発明者が提案中の方法（特願２００８−２１０４２３）では、レーザ溶接とアーク溶接を同時に行う複合溶接の溶融池に第２ワイヤを供給することによって、溶着金属量の調整を行っている。
【０００６】
図７は本発明の発明者が提案した従来の複合溶接方法の構成を示す模式図である。１は被溶接物、２はレーザビーム、３は第１ワイヤ、４は前記第１ワイヤ３と前記被溶接物１との間に形成したアーク、５は前記第１ワイヤ３が溶融して形成した溶滴、６は前記レーザビーム２と前記アーク４で前記被溶接物１に形成した溶融池、７は前記溶融池６に送給される第２ワイヤ、８は前記溶融池６が凝固して形成したビードである。図８は、図７の従来の複合溶接方法の原理を説明する模式図である。ＭＲＡは従来の消耗電極式のアーク溶接方法の溶着速度を示す溶融曲線である。良好なビードを得るために、適正な溶着速度で溶接を行う必要がある。仮に目標の溶着速度をＶＷ０とすると、アーク溶接でこの溶着速度を実現するためには、Ｉ０のアーク電流を供給する必要がある。一方、複合溶接方法を使用すると、第２ワイヤ７の送給速度を入熱と関係なく自由に調整することができるので、低いアーク電流でも高い溶着速度を実現することができる。例えば、溶融曲線ＭＲＦで示した溶着速度ＶＷＦで前記第２ワイヤ７を送給すると、溶着速度は溶融曲線ＭＲＨに従う。この際、目標の溶着速度ＶＷ０を得るために必要なアーク電流は、従来のアーク溶接の前記アーク電流Ｉ０からアーク電流ＩＨに低下する。すなわち、同一の溶着速度を実現しつつ、アーク溶接の入熱をＩＨ／Ｉ０倍に下げることができる。
【０００７】
しかし、この本発明の発明者が提案した複合溶接方法では、従来の課題を解決できるものの、その一方でレーザ出力とアーク電流とアーク電圧と第２ワイヤの送給速度など多くのパラメータを溶接する前に設定する必要があり、また、溶接速度を変えるたびにこれらのパラメータを溶接速度に応じて再度設定しなおさねばならない操作が必要である。
【０００８】
そこで、本発明では、従来の解決するとともに本発明の発明者が提案中のものより溶接パラメータの設定を容易にすることのでき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】
【０００９】
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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法であって、前記レーザビームの出力と前記第１ワイヤの送給速度と前記第２ワイヤの送給速度との何れも溶接速度に比例して調整する複合溶接方法であって、前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとの換算送給速度の和を溶接速度に比例して調整する複合溶接方法、前記レーザビームの出力と前記アーク溶接のアーク電流と前記第２ワイヤの送給速度との何れも溶接速度に比例して調整する複合溶接方法、数１で算出したレーザ入熱Qlaserと数２で算出したアーク入熱Qarcをほぼ等しくする複合溶接方法、数１で算出したレーザ入熱Qlaserと数２で算出したアーク入熱Qarcが数３を満足する記載の複合溶接方法、数１で算出したレーザ入熱Qlaserを数２で算出したアーク入熱Qarc以上にする複合溶接方法である。
【００１０】
【数１】
【００１１】
【数２】
【００１２】
【数３】
【００１３】
但し、P0はレーザ出力、IAはアーク電流、VAはアーク電圧、v0は溶接速度である。
【００１４】
また、本発明は、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、第１トーチを介して前記溶接位置に第１ワイヤを送給する第１ワイヤ送給手段と、第２トーチを介して前記溶接位置に第２ワイヤを送給する第２ワイヤ送給手段と、前記第１ワイヤ送給手段を制御しながら前記第１ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するアーク発生手段と、溶接速度設定手段から溶接速度を、比例定数設定手段から比例定数を入力して演算処理を行う演算手段と、前記演算手段の演算結果を入力し前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段と前記第２ワイヤ送給手段とを制御する制御手段とを備え、前記演算手段は、前記レーザ発生手段のレーザ出力と前記アーク発生手段から制御される第１ワイヤの送給速度と前記第２ワイヤの送給速度との何れも前記溶接速度に比例するよう演算処理を行う複合溶接装置であって、前記演算手段の代わりに前記第１ワイヤの送給速度と前記第２ワイヤの送給速度との和を前記溶接速度に比例するよう演算処理を行う演算手段を使用する複合溶接装置、前記演算手段の代わりに前記レーザ発生手段のレーザ出力と前記アーク発生手段のアーク電流と前記第１ワイヤの送給速度との何れも前記溶接速度に比例するよう演算処理を行う演算処理手段を使用する複合溶接装置、
また、本発明は、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、第１トーチを介して前記溶接位置に第１ワイヤを送給する第１ワイヤ送給手段と、第２トーチを介して前記溶接位置に第２ワイヤを送給する第２ワイヤ送給手段と、前記第１ワイヤ送給手段を制御しながら前記第１ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するアーク発生手段と、前記レーザ発生手段からレーザ出力を、前記アーク発生手段からアーク電流とアーク電圧とを、溶接速度設定手段から溶接速度を入力して演算処理を行う演算手段と、前記演算手段からの演算結果を入力し、前記演算手段から溶接許可信号を受けた場合は前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段と前記第２ワイヤ送給手段を制御して溶接を行うが、前記演算手段から溶接不可信号を受けた場合は溶接を行わずに表示手段に表示信号のみを出力する制御手段とを備え、前記演算手段は、前記演算手段は数１で算出したレーザ入熱Qlaserと数２で算出したアーク入熱Qarcが数３を満足した場合のみ前記溶接許可信号を出力する複合溶接装置であって、前記演算手段の代わりに、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarc以上になった場合のみ前記溶接許可信号を出力する演算手段を使用する複合溶接装置である。
【００１５】
また、本発明は、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、第１トーチを介して前記溶接位置に第１ワイヤを送給する第１ワイヤ送給手段と、第２トーチを介して前記溶接位置に第２ワイヤを送給する第２ワイヤ送給手段と、前記第１ワイヤ送給手段を制御しながら前記第１ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するアーク発生手段と、前記レーザ発生手段からレーザ出力を、前記アーク発生手段からとアーク電流とアーク電圧とを、溶接速度設定手段から溶接速度を入力して演算処理を行う演算手段と、前記演算手段からの演算結果を入力し前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段と前記第２ワイヤ送給手段とを制御して溶接を行う制御手段とを備え、前記演算手段は、前記演算手段は数１で算出したレーザ入熱Qlaserと数２で算出したアーク入熱Qarcが数３を満足せず、なおかつ、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcより小さい場合のみ、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcと等しくなるよう前記レーザ発生手段のレーザ出力を自動的に算出する複合溶接装置である。
【００１６】
また、本発明は、前記アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を用いる複合溶接方法と複合溶接装置であって、前記レーザビームとしてＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザの何れかを用いる複合溶接方法と複合溶接装置、前記被溶接物と前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとして材質がアルミニウム合金のものを用いる複合溶接方法と複合溶接装置である。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように本発明は、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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法と複合溶接装置であって、前記レーザビームの出力と前記第１ワイヤの送給速度と前記第２ワイヤの送給速度との何れも溶接速度に比例して調整することによって良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における複合溶接方法と複合溶接装置の構成を示す模式図
【図２】ビード形状と溶接パラメータの関係を調べるために使用した溶接条件および入熱の説明図
【図３】図２の溶接条件で得られたビード外観およびビード断面図
【図４】本発明の実施の形態２における複合溶接方法と複合溶接装置の構成を示す模式図
【図５】ビード形状と溶接パラメータの関係を調べるために使用した溶接条件および入熱の説明図
【図６】図５の溶接条件で得られたビード外観およびビード断面図
【図７】本発明の発明者が提案した複合溶接方法の構成を示す模式図
【図８】本発明の発明者が提案した複合溶接方法の原理を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における複合溶接方法と複合溶接装置の構成を示す模式図である。
【００２０】
なお、図７と図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。
【００２１】
９はレーザ発振器１０とレーザ伝送手段１１と集光光学系１２から構成されるレーザ発生手段、１３はケーブル１５とケーブル１６を通して第１ワイヤ３と被溶接物１との間にアーク４を発生するための電力を供給するアーク発生手段、１４は第１トーチ１７を通って前記第１ワイヤ３を前記被溶接物１に送給する第１ワイヤ送給手段、１８は第２トーチ１９を通って第２ワイヤ７を前記被溶接物１に形成した溶融池６に送給する第２ワイヤ送給手段である。２０は溶接速度設定手段２１から溶接速度v0を、比例定数設定手段２２から比例定数αi (i=1, 2, 3, 4, 5)を入力して演算処理を行う演算手段であり、その演算処理の結果であるレーザ出力P1と、第１ワイヤ３の送給速度DVWF1またはアーク電流I1と、第２ワイヤ７の送給速度DVFF1とを制御手段２３に出力する。前記制御手段２３では、前記演算手段２０の演算結果であるレーザ出力P1と第１ワイヤ３の送給速度DVWF1と第２ワイヤ７の送給速度DVFF1をそれぞれ前記レーザ発生手段９と前記アーク発生手段１３と前記第２ワイヤ送給手段１８に出力し、それらを制御して溶接を行う。前記レーザ発生手段９は、その集光光学系１２でレーザビーム２を集光して前記被溶接物１に照射する。前記集光光学系１２は一枚あるいは複数のレンズから構成されてもよい。前記レーザ伝送手段１１は光ファイバであってもよく、レンズによって組み合わせた伝送系であってもよい。前記レーザ発振器１０は、図示していないが、外部の制御装置によってその出力値および出力タイミングを自由に制御することができるが、その出力値および出力タイミングを外部制御装置に出力することもできる。前記アーク発生手段１３は、溶接開始時には前記第１ワイヤ送給手段１４を制御し、前記第１ワイヤ３を前記被溶接物１に向かって送給しつつ、前記第１ワイヤ３と前記被溶接物１の間にアーク４を発生するよう制御するが、溶接終了時には前記第１ワイヤ送給手段１４による前記第１ワイヤ３の送給を停止すると共に、前記アーク４を停止するよう制御する。前記アーク発生手段１３は、図示していないが、外部の制御装置によってその出力値および出力タイミングを自由に制御することができるが、その出力値および出力タイミングを外部制御装置に出力することもできる。前記第１ワイヤ送給装置１４は前記アーク発生手段１３によって制御されるが、前記第１ワイヤ３の送給速度は外部の制御装置によって自由に制御することができるが、その送給速度値を外部制御装置に出力することもできる。前記第２ワイヤ送給装置１８は前記制御手段２３によって制御されるが、前記第２ワイヤ７の送給速度は外部の制御装置によって自由に制御することができるが、その送給速度値を外部制御装置に出力することもできる。前記制御手段２３として、コンピュータを使用してもよいが、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２３として、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場合は、前記ロボットのマニピュレータ部に前記集光光学系１２と前記第１トーチ１７と前記第２トーチ１９とを固定して使用することができる。
【００２２】
演算手段２０の動作について説明する。溶接開始時には、前記演算手段２０は、溶接速度設定手段２１から溶接速度v0を、比例定数設定手段２２から比例定数αi（i=1, 2, 3, 4, 5）を入力し、数４より前記レーザ発生手段９から出力すべくレーザ出力P1と、前記アーク発生手段１３が前記第１ワイヤ送給手段１４を制御して出力すべく前記第１ワイヤ３の送給速度DVWF1と、前記第２ワイヤ送給手段１８から出力すべく前記第２ワイヤ７の送給速度DVFF1を算出してその算出値を前記制御手段２３に出力する。
【００２３】
【数４】
【００２４】
但し、P1はレーザ出力、v0は溶接速度、DVWF1は第１ワイヤ３の送給速度、DVFF1は第２ワイヤ７の送給速度、α1、α2、α3は比例定数である。使用する被溶接物１の板厚および材質が決まれば、溶接実験を行うことによって前記比例定数α1、α2、α3を決定することができるが、前記比例定数α2とα3は、詳細な計算方法の説明を省略するが、必要なビード予盛量やギャップや開先形状などから算出してもよい。
【００２５】
図１に示した本発明の実施の形態１における複合溶接装置の動作について説明する。溶接開始時には、図示していないが、溶接開始命令を受けた制御手段２３は、前記演算手段２０の演算結果を受け、前記レーザ発生手段９にレーザ溶接の開始信号と前記レーザ出力値P1を送りレーザビーム２照射を開始すると共に、前記アーク発生手段１３にアーク溶接の開始信号と前記第１ワイヤ３の送給速度DVWF1を送ってアーク放電を開始し、また、前記第２ワイヤ送給手段１８に第２ワイヤ７の送給の開始信号と前記第２ワイヤ７の送給速度DVFF1を送り前記第２ワイヤ７の送給を開始するよう動作する。前記アーク発生手段１３はその出力の指令がアーク電流で設定する場合があるが、前記制御手段２３では前記第１ワイヤ３の送給速度DVWF1をアーク電流に換算した値を出力してもよい。この際の換算方法は、前記第１ワイヤ３の送給速度DVWF1とアーク電流との実験式で換算してよい。一方、溶接終了時には、溶接終了命令を受けた前記制御手段２３は、前記レーザ発生手段９にレーザ溶接終了信号を送り前記レーザビーム２の照射を終了すると共に、前記アーク発生手段１３にアーク溶接終了信号を送ってアーク放電を終了し、また、前記第２ワイヤ送給手段１８にワイヤ送給の終了信号を送ることによって溶接を終了するよう動作する。
【００２６】
図１に示した本発明の実施の形態１における複合溶接装置を使用した溶接の特徴について説明する。前記数４によれば、前記レーザビーム２の出力P1と前記第１ワイヤ３の送給速度DVWF1と前記第２ワイヤ７の送給速度DVFF1との何れも溶接速度に比例して算出されている。ビードに対する溶融金属の溶着金属量を考えると、単位ビード長さ当りの溶着金属量は第１ワイヤ３と第２ワイヤ７との合計したワイヤ送給速度に比例し、溶接速度と反比例する。したがって、数４を使用した場合、溶接速度と関係なく、単位ビード長さ当りの溶着金属量が一定になるので、ほぼ一定の形状のビードを得る条件が満たされる。一方、ビードに対する入熱を考えると、本発明の入熱は、レーザ入熱とアーク入熱の二つからなる。入熱が溶接速度と反比例する関係を考慮すると、数４を使用した場合、溶接速度と関係なく、単位ビード長さ当りのレーザ入熱が一定になる。但し、アーク入熱に関しては、例えば、アーク電流が第１ワイヤ３の送給速度とほぼ比例関係にあるアルミニウム合金の場合には、溶接速度と関係なく、アーク電流の増加に伴うアーク電圧の増加分を除いてアーク入熱はほぼ一定になる。すなわち、本発明の実施の形態１における複合溶接装置を使用した際には、単位ビード長さ当りの溶着金属量が一定になると共に、入熱も凡そ一定にすることが可能であると考えられる。その結果、溶接速度を変えてもほぼ一定のビード形状の溶接を得ることができる。但し、アーク電流と第１ワイヤ３の送給速度が比例関係から大きく離れる、例えば、細いワイヤ径のステンレス鋼または鉄鋼材料では、入熱は、アーク電流の増加に伴うアーク電圧の増加分以外に、ワイヤ突出し部分の抵抗発熱分も入るので、誤差がやや大きくなる場合がある。この場合、アーク電圧を調整することによってビード形状を調整することも可能なので、ほぼ一定のビード形状の溶接を得ることが可能である。
【００２７】
板厚２ｍｍのＡ５０５２アルミニウム合金のビード・オン・プレート溶接を使用し、ビード形状と溶接パラメータの関係について調べた結果を説明する。図２は使用した溶接条件で、図３は得られたビード外観とビード断面である。図２（ａ）は、溶接速度を変えた時に使用したレーザ出力（○印）、アーク電流（◇印）および第１ワイヤ３（△印）と第２ワイヤ７（口印）の送給速度である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の溶接条件をもとにして算出した入熱（入熱＝〔（アーク電流×アーク電圧＋レーザ出力）／溶接速度〕。アーク入熱：○印、レーザ入熱：◇印、全体の入熱：△印）である。この実験では、レーザ出力とアーク電流および第１ワイヤ３と第２ワイヤ７の送給速度の溶接条件を溶接速度とほぼ比例するよう選定している。この際、レーザ入熱はほぼ一定であるが、アーク入熱は、アーク電流の増加に従って増加したアーク電圧を採用していたため、溶接速度に対してやや増加した。全体の入熱は、溶接速度に対してアーク入熱が増加した分だけやや増加する傾向であった。図３に示した溶接結果では、何れの溶接条件においてもほぼ同じ形状のビードが得られることがわかった。前述の通り、アーク入熱は、アーク電流の増加に従って増加したアーク電圧を採用していたために全体の入熱が溶接速度の増加に従って増加したが、ビード形状に及ぼす影響が少なかったことが言える。
【００２８】
以上のように本発明の実施の形態によれば、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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法と複合溶接装置であって、前記レーザビームの出力と前記第１ワイヤの送給速度と前記第２ワイヤの送給速度との何れも溶接速度に比例して調整することによって良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることができる。
【００２９】
以上の説明では、前記第１ワイヤ３と前記第２ワイヤ７との換算送給速度の和を溶接速度に比例して調整する演算手段を使用してもよい。前記換算送給速度の求め方および前記演算手段の演算方法は、数５によって表される。
【００３０】
【数５】
【００３１】
但し、DVTranは換算送給速度、DVWF1とφ1は第１ワイヤの送給速度とワイヤ直径、DVFF1とφ2は第２ワイヤの送給速度とワイヤ直径、v0は溶接速度、α4は比例定数である。言うまでも、使用する被溶接物１の板厚および材質が決まれば、溶接実験を行うことによって前記比例定数α4を決定することができる。この演算を行うことによって、例えば、アーク電流（または第１ワイヤ３の送給速度DVWF1）をもってビードに対する入熱を微調整した場合には溶着金属量が変化するので、第２ワイヤ７の送給速度DVWF1をもって単位ビード長さ当りの溶着金属量を補正して一定にすることができる。その結果、良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることができる。
【００３２】
また、以上の説明では、前記レーザ出力と前記アーク溶接のアーク電流と前記第２ワイヤの送給速度との何れも溶接速度に比例して調整する演算手段を使用してもよい。その演算方法としては、前記レーザ出力P1と前記第２ワイヤの送給速度DVFF1とは数４から算出するが、前記アーク電流は数６から算出することができる。
【００３３】
【数６】
【００３４】
但し、I1はアーク電流、v0は溶接速度、α4は比例定数である。被溶接物１の板厚および材質が決まれば、溶接実験を行うことによって前記比例定数α5を決定することができる。
【００３５】
この場合の溶接の特徴について説明する。前述の通り、第１ワイヤ３の突出し分の抵抗発熱の多いステンレス鋼または鉄鋼材料では、単位ビード長さ当りの溶着金属量と入熱との両方を一定にするほうが困難な場合がある。この際、多少の溶着金属量の変動があっても、ビードに対する入熱を重視する場合を考えると、前述の通り、数４を使用することによって単位ビード長さ当りのレーザ入熱を一定にすることができる。また、数６を使用することによって単位ビード長さ当りのアーク入熱も、アーク電流の増加に伴うアーク電圧の増加分を除いて一定にすることができる。以上の説明の通り、前記レーザ出力P1と前記アーク電流I1と前記第２ワイヤの送給速度DVFF1の何れも溶接速度に比例して調整することで良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることができる。
【００３６】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における複合溶接方法と複合溶接装置の構成を示す模式図である。図４は、図１において、演算手段２０の代わりに演算手段２４を使用すると共に、制御手段２３の代わりに制御手段２５を使用したものである。なお、図１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。前記演算手段２４は、レーザ発生手段９からレーザ出力設定値P0を、アーク発生手段１３からアーク電流IAとアーク電圧VAを、溶接速度設定手段２１から溶接速度v0を入力して演算処理を行い、その演算処理の結果である溶接許可信号と溶接不可信号を前記制御手段２５に出力する。溶接開始時には、図示していないが、溶接開始命令を受けた前記制御手段２５は、前記演算手段２４の演算結果を受け、前記演算手段２４から溶接許可信号を受けた場合は、前記レーザ発生手段９にレーザ溶接の開始信号を送りレーザビーム２の照射を開始すると共に、前記アーク発生手段１３にアーク溶接の開始信号を送ってアーク放電を開始し、また、前記第２ワイヤ送給手段１８に第２ワイヤ７の送給の開始信号を送り前記第２ワイヤ７の送給を開始するよう動作するが、前記演算手段２４から溶接不可信号を受けた場合は、前記表示手段２６に溶接不可の表示信号のみを出力して前記表示手段２６でそれを表示させ、溶接を行わないよう動作する。
【００３７】
演算手段２４の動作について説明する。溶接開始時には、前記演算手段２４は、レーザ発生手段９からレーザ出力設定値P0を、アーク発生手段１３からアーク電流IAとアーク電圧VAを、溶接速度設定手段２１から溶接速度v0を入力し数１と数２でそれぞれレーザ入熱Qlaserとアーク入熱Qarcを算出する。その後、前記レーザ入熱Qlaserと前記アーク入熱Qarcの関係が数３を満足するかどうかを確認し、満足した場合のみ溶接許可信号を出力するが、それ以外の場合は溶接不可信号を前記制御手段２５に出力する。
【００３８】
この場合の溶接の特徴について説明する。被溶接物１に対する入熱がレーザ入熱Qlaserとアーク入熱Qarcとの二つの部分からなる。アーク４は前記被溶接物１の上の広い領域にかかり前記アーク入熱Qarcも広い範囲に分散するので、前記アーク４によって形成される溶融領域が広くて浅くなる。一方、レーザビーム２は前記被溶接物１の上の非常に狭い領域に照射され前記レーザ入熱Qlaserも非常に狭い領域にしか分散しないので、前記レーザビーム２によって形成される溶融領域が非常に狭くて深くなる。したがって、前記被溶接物１の深いところまで有効に溶融させるには、前記レーザ入熱Qlaserと前記アーク入熱Qarcとをほぼ等しくすることが望ましい。
【００３９】
板厚２ｍｍのＡ５０５２アルミニウム合金のビード・オン・プレート溶接を使用して、ビード形状と溶接パラメータの関係について調べた結果を説明する。図５は使用した溶接条件で、図６は得られたビード外観とビード断面である。図５（ａ）では、条件１（図２の溶接速度4 m/minの条件と同一条件）は比較のための基準条件で、条件２はアーク入熱Qarcを上げた条件である。図５（ａ）には、２つの条件のレーザ出力（△印）と第１ワイヤ３の送給速度（○印）と第２ワイヤ７の送給速度（◇印）が示されている。図では、前記条件２のアーク電流を前記条件１のアーク電流より上げた際に入熱をほぼ一定にするために、レーザ出力を下げている。また、単位ビード長さ当りの溶着金属量を一定にするために前記第２ワイヤ７の送給速度をも下げている。図５（ｂ）は、図５（ａ）の溶接条件をもとにして算出した入熱（入熱＝〔（アーク電流×アーク電圧＋レーザ出力）／溶接速度〕。アーク入熱：○印、レーザ入熱：◇印、全体の入熱：△印）である。図６は、図５に示した溶接条件で溶接した際のビード外観およびビード断面である。この実験では、全体の入熱をほぼ一定にしているが、前記条件１ではレーザ入熱Qlaserが大きく、前記条件２ではアーク入熱Qarcが大きく選定されている。その結果、図６に示した通り、アーク入熱Qarcの大きい前記条件２では、前記条件１と同様に裏波溶接が得られるものの、ビード幅または溶込み幅の何れも前記条件１より広がっていた。言い換えれば、全体の入熱をほぼ一定にしても、前記レーザ入熱Qlaserを前記アーク入熱Qarcより大きくすることによって、ビードまたは溶込み幅の狭い溶接ができる。また、前記レーザ入熱Qlaserを前記アーク入熱Qarcとほぼ同等にしても、同様の効果を得ることが可能である。
【００４０】
以上のように本発明の実施の形態によれば、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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法と複合溶接装置であって、前記数１で算出したレーザ入熱Qlaserと数２で算出したアーク入熱Qarcが数３を満足した場合のみ溶接許可信号を出力する演算手段を使用することによって良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることができる。言うまでもよく、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarc以上になった場合のみ溶接許可信号を出力する演算手段を使用してもよい。
【００４１】
また、以上の説明では、前記レーザ入熱Qlaserと前記アーク入熱Qarcが数３を満足しない場合には、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcと等しくなるよう前記レーザ発生手段９が出力すべくレーザ出力P1を自動的に算出する演算手段を使用してもよい。その内容について、図４を参照しつつ説明する。図４では、前記演算手段２４は、前述した機能以外に、前記レーザ発生手段９のレーザ出力P1を自動的に算出して前記制御手段２５に出力する機能を有する。その機能の原理は、以下の通りである。前記演算手段２４は、前記レーザ発生手段９からレーザ出力設定値P0を、前記アーク発生手段１３からアーク電流IAとアーク電圧VAとを、前記溶接速度設定手段２１から溶接速度v0を入力し、数１から算出したレーザ入熱Qlaserと数２から算出したアーク入熱Qarcが数３を満足せず、なおかつ、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcより小さい場合のみ、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcと等しくなるよう、数７より前記レーザ発生手段９が出力すべくレーザ出力P1を自動的に算出して前記制御手段２５に出力する。この際、前記レーザ発生手段９からは、前記制御手段２５から入力された前記レーザ出力P1が出力されるのは言うまでもない。
【００４２】
【数７】
【００４３】
但し、P1はレーザ出力、IAはアーク電流、VAはアーク電圧である。
【００４４】
以上のように本発明の実施の形態によれば、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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法と複合溶接装置であって、前記数１で算出したレーザ入熱Qlaserと前記数２で算出したアーク入熱Qarcが前記数３を満足せず、なおかつ、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcより小さい場合のみ、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcと等しくなるよう前記レーザ発生手段のレーザ出力を自動的に算出することによって同様の効果を得ることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように本発明によれば、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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法であって、前記レーザビームの出力と前記第１ワイヤの送給速度と前記第２ワイヤの送給速度との何れも溶接速度に比例して調整することによって良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることのできる複合溶接方法と複合溶接装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１ 被溶接物
２ レーザビーム
３ 第１ワイヤ
４ アーク
５ 溶滴
６ 溶融池
７ 第２ワイヤ
８ ビード
９ レーザ発生手段
１０ レーザ発信器
１１ レーザ伝送手段
１２ 集光光学系
１３ アーク発生手段
１４ 第１ワイヤ送給手段
１５ ケーブル
１６ ケーブル
１７ 第１トーチ
１８ 第２ワイヤ送給手段
１９ 第２トーチ
２０ 演算手段
２１ 溶接速度設定手段
２２ 比例定数設定手段
２３ 制御手段
２４ 演算手段
２５ 制御手段
２６ 表示手段
ＤＶＦＦ１ 送給速度
ＤＶＷＦ１ 送給速度
Ｉ０ アーク電流
Ｉ１ アーク電流
ＩＡ アーク電流
ＩＨ アーク電流
ＭＲＡ 溶融曲線
ＭＲＦ 溶融曲線
ＭＲＨ 溶融曲線
Ｐ０ レーザ出力設定値
Ｐ１ レーザ出力
Ｖ０ 溶接速度
ＶＡ アーク電圧
ＶＷＦ 溶着速度
ＶＷ０ 溶着速度
αｉ（ｉ＝１,２,３,４,５） 比例定数
【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】
レーザはエネルギ密度が高く、熱ひずみの少ない溶接を高速で行うことができるため、様々な板厚または材質の材料の溶接に使用可能である。しかし、被溶接物にギャップがあると、レーザビームがギャップから抜けてしまい溶接ができなくなったり、溶融金属がギャップを埋めるのに消費され、溶融金属不足に起因する溶接欠陥が発生したりする欠点がある。この欠点を補うために、フィラーを使用したレーザ溶接法が従来からあったが、フィラー溶融に余分のレーザエネルギが消費されるため、溶接速度の向上には限界がある。耐ギャップ能力と溶接速度の両立を図るために、レーザと消耗電極方式のアーク溶接を併用する複合溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１）が、溶融したワイヤがギャップを埋める役割を果すことがポイントである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−６６９９１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、従来の複合溶接方法に使用するアーク溶接では、ワイヤ送給速度とアーク電流を独立に調整することができないため、溶着金属量と入熱の両方を自由に調整することができない。
【０００５】
この問題を解決するために、本発明の発明者が提案中の方法（特願２００８−２１０４２３）では、レーザ溶接とアーク溶接を同時に行う複合溶接の溶融池に第２ワイヤを供給することによって、溶着金属量の調整を行っている。
【０００６】
図７は本発明の発明者が提案した従来の複合溶接方法の構成を示す模式図である。１は被溶接物、２はレーザビーム、３は第１ワイヤ、４は前記第１ワイヤ３と前記被溶接物１との間に形成したアーク、５は前記第１ワイヤ３が溶融して形成した溶滴、６は前記レーザビーム２と前記アーク４で前記被溶接物１に形成した溶融池、７は前記溶融池６に送給される第２ワイヤ、８は前記溶融池６が凝固して形成したビードである。図８は、図７の従来の複合溶接方法の原理を説明する模式図である。ＭＲＡは従来の消耗電極式のアーク溶接方法の溶着速度を示す溶融曲線である。良好なビードを得るために、適正な溶着速度で溶接を行う必要がある。仮に目標の溶着速度をＶＷ０とすると、アーク溶接でこの溶着速度を実現するためには、Ｉ０のアーク電流を供給する必要がある。一方、複合溶接方法を使用すると、第２ワイヤ７の送給速度を入熱と関係なく自由に調整することができるので、低いアーク電流でも高い溶着速度を実現することができる。例えば、溶融曲線ＭＲＦで示した溶着速度ＶＷＦで前記第２ワイヤ７を送給すると、溶着速度は溶融曲線ＭＲＨに従う。この際、目標の溶着速度ＶＷ０を得るために必要なアーク電流は、従来のアーク溶接の前記アーク電流Ｉ０からアーク電流ＩＨに低下する。すなわち、同一の溶着速度を実現しつつ、アーク溶接の入熱をＩＨ／Ｉ０倍に下げることができる。
【０００７】
しかし、この本発明の発明者が提案した複合溶接方法では、従来の課題を解決できるものの、その一方でレーザ出力とアーク電流とアーク電圧と第２ワイヤの送給速度など多くのパラメータを溶接する前に設定する必要があり、また、溶接速度を変えるたびにこれらのパラメータを溶接速度に応じて再度設定しなおさねばならない操作が必要である。
【０００８】
そこで、本発明では、従来の解決するとともに本発明の発明者が提案中のものより溶接パラメータの設定を容易にすることのでき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】
【０００９】
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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法であって、前記レーザビームの出力と前記第１ワイヤの送給速度と前記第２ワイヤの送給速度との何れも溶接速度に比例して調整する複合溶接方法であって、前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとの換算送給速度の和を溶接速度に比例して調整する複合溶接方法、前記レーザビームの出力と前記アーク溶接のアーク電流と前記第２ワイヤの送給速度との何れも溶接速度に比例して調整する複合溶接方法、数１で算出したレーザ入熱Qlaserと数２で算出したアーク入熱Qarcをほぼ等しくする複合溶接方法、数１で算出したレーザ入熱Qlaserと数２で算出したアーク入熱Qarcが数３を満足する記載の複合溶接方法、数１で算出したレーザ入熱Qlaserを数２で算出したアーク入熱Qarc以上にする複合溶接方法である。
【００１０】
【数１】
【００１１】
【数２】
【００１２】
【数３】
【００１３】
但し、P0はレーザ出力、IAはアーク電流、VAはアーク電圧、v0は溶接速度である。
【００１４】
また、本発明は、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、第１トーチを介して前記溶接位置に第１ワイヤを送給する第１ワイヤ送給手段と、第２トーチを介して前記溶接位置に第２ワイヤを送給する第２ワイヤ送給手段と、前記第１ワイヤ送給手段を制御しながら前記第１ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するアーク発生手段と、溶接速度設定手段から溶接速度を、比例定数設定手段から比例定数を入力して演算処理を行う演算手段と、前記演算手段の演算結果を入力し前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段と前記第２ワイヤ送給手段とを制御する制御手段とを備え、前記演算手段は、前記レーザ発生手段のレーザ出力と前記アーク発生手段から制御される第１ワイヤの送給速度と前記第２ワイヤの送給速度との何れも前記溶接速度に比例するよう演算処理を行う複合溶接装置であって、前記演算手段の代わりに前記第１ワイヤの送給速度と前記第２ワイヤの送給速度との和を前記溶接速度に比例するよう演算処理を行う演算手段を使用する複合溶接装置、前記演算手段の代わりに前記レーザ発生手段のレーザ出力と前記アーク発生手段のアーク電流と前記第１ワイヤの送給速度との何れも前記溶接速度に比例するよう演算処理を行う演算処理手段を使用する複合溶接装置、
また、本発明は、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、第１トーチを介して前記溶接位置に第１ワイヤを送給する第１ワイヤ送給手段と、第２トーチを介して前記溶接位置に第２ワイヤを送給する第２ワイヤ送給手段と、前記第１ワイヤ送給手段を制御しながら前記第１ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するアーク発生手段と、前記レーザ発生手段からレーザ出力を、前記アーク発生手段からアーク電流とアーク電圧とを、溶接速度設定手段から溶接速度を入力して演算処理を行う演算手段と、前記演算手段からの演算結果を入力し、前記演算手段から溶接許可信号を受けた場合は前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段と前記第２ワイヤ送給手段を制御して溶接を行うが、前記演算手段から溶接不可信号を受けた場合は溶接を行わずに表示手段に表示信号のみを出力する制御手段とを備え、前記演算手段は、前記演算手段は数１で算出したレーザ入熱Qlaserと数２で算出したアーク入熱Qarcが数３を満足した場合のみ前記溶接許可信号を出力する複合溶接装置であって、前記演算手段の代わりに、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarc以上になった場合のみ前記溶接許可信号を出力する演算手段を使用する複合溶接装置である。
【００１５】
また、本発明は、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、第１トーチを介して前記溶接位置に第１ワイヤを送給する第１ワイヤ送給手段と、第２トーチを介して前記溶接位置に第２ワイヤを送給する第２ワイヤ送給手段と、前記第１ワイヤ送給手段を制御しながら前記第１ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するアーク発生手段と、前記レーザ発生手段からレーザ出力を、前記アーク発生手段からとアーク電流とアーク電圧とを、溶接速度設定手段から溶接速度を入力して演算処理を行う演算手段と、前記演算手段からの演算結果を入力し前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段と前記第２ワイヤ送給手段とを制御して溶接を行う制御手段とを備え、前記演算手段は、前記演算手段は数１で算出したレーザ入熱Qlaserと数２で算出したアーク入熱Qarcが数３を満足せず、なおかつ、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcより小さい場合のみ、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcと等しくなるよう前記レーザ発生手段のレーザ出力を自動的に算出する複合溶接装置である。
【００１６】
また、本発明は、前記アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を用いる複合溶接方法と複合溶接装置であって、前記レーザビームとしてＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザの何れかを用いる複合溶接方法と複合溶接装置、前記被溶接物と前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとして材質がアルミニウム合金のものを用いる複合溶接方法と複合溶接装置である。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように本発明は、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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法と複合溶接装置であって、前記レーザビームの出力と前記第１ワイヤの送給速度と前記第２ワイヤの送給速度との何れも溶接速度に比例して調整することによって良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における複合溶接方法と複合溶接装置の構成を示す模式図
【図２】ビード形状と溶接パラメータの関係を調べるために使用した溶接条件および入熱の説明図
【図３】図２の溶接条件で得られたビード外観およびビード断面図
【図４】本発明の実施の形態２における複合溶接方法と複合溶接装置の構成を示す模式図
【図５】ビード形状と溶接パラメータの関係を調べるために使用した溶接条件および入熱の説明図
【図６】図５の溶接条件で得られたビード外観およびビード断面図
【図７】本発明の発明者が提案した複合溶接方法の構成を示す模式図
【図８】本発明の発明者が提案した複合溶接方法の原理を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における複合溶接方法と複合溶接装置の構成を示す模式図である。
【００２０】
なお、図７と図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。
【００２１】
９はレーザ発振器１０とレーザ伝送手段１１と集光光学系１２から構成されるレーザ発生手段、１３はケーブル１５とケーブル１６を通して第１ワイヤ３と被溶接物１との間にアーク４を発生するための電力を供給するアーク発生手段、１４は第１トーチ１７を通って前記第１ワイヤ３を前記被溶接物１に送給する第１ワイヤ送給手段、１８は第２トーチ１９を通って第２ワイヤ７を前記被溶接物１に形成した溶融池６に送給する第２ワイヤ送給手段である。２０は溶接速度設定手段２１から溶接速度v0を、比例定数設定手段２２から比例定数αi (i=1, 2, 3, 4, 5)を入力して演算処理を行う演算手段であり、その演算処理の結果であるレーザ出力P1と、第１ワイヤ３の送給速度DVWF1またはアーク電流I1と、第２ワイヤ７の送給速度DVFF1とを制御手段２３に出力する。前記制御手段２３では、前記演算手段２０の演算結果であるレーザ出力P1と第１ワイヤ３の送給速度DVWF1と第２ワイヤ７の送給速度DVFF1をそれぞれ前記レーザ発生手段９と前記アーク発生手段１３と前記第２ワイヤ送給手段１８に出力し、それらを制御して溶接を行う。前記レーザ発生手段９は、その集光光学系１２でレーザビーム２を集光して前記被溶接物１に照射する。前記集光光学系１２は一枚あるいは複数のレンズから構成されてもよい。前記レーザ伝送手段１１は光ファイバであってもよく、レンズによって組み合わせた伝送系であってもよい。前記レーザ発振器１０は、図示していないが、外部の制御装置によってその出力値および出力タイミングを自由に制御することができるが、その出力値および出力タイミングを外部制御装置に出力することもできる。前記アーク発生手段１３は、溶接開始時には前記第１ワイヤ送給手段１４を制御し、前記第１ワイヤ３を前記被溶接物１に向かって送給しつつ、前記第１ワイヤ３と前記被溶接物１の間にアーク４を発生するよう制御するが、溶接終了時には前記第１ワイヤ送給手段１４による前記第１ワイヤ３の送給を停止すると共に、前記アーク４を停止するよう制御する。前記アーク発生手段１３は、図示していないが、外部の制御装置によってその出力値および出力タイミングを自由に制御することができるが、その出力値および出力タイミングを外部制御装置に出力することもできる。前記第１ワイヤ送給装置１４は前記アーク発生手段１３によって制御されるが、前記第１ワイヤ３の送給速度は外部の制御装置によって自由に制御することができるが、その送給速度値を外部制御装置に出力することもできる。前記第２ワイヤ送給装置１８は前記制御手段２３によって制御されるが、前記第２ワイヤ７の送給速度は外部の制御装置によって自由に制御することができるが、その送給速度値を外部制御装置に出力することもできる。前記制御手段２３として、コンピュータを使用してもよいが、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２３として、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場合は、前記ロボットのマニピュレータ部に前記集光光学系１２と前記第１トーチ１７と前記第２トーチ１９とを固定して使用することができる。
【００２２】
演算手段２０の動作について説明する。溶接開始時には、前記演算手段２０は、溶接速度設定手段２１から溶接速度v0を、比例定数設定手段２２から比例定数αi（i=1, 2, 3, 4, 5）を入力し、数４より前記レーザ発生手段９から出力すべくレーザ出力P1と、前記アーク発生手段１３が前記第１ワイヤ送給手段１４を制御して出力すべく前記第１ワイヤ３の送給速度DVWF1と、前記第２ワイヤ送給手段１８から出力すべく前記第２ワイヤ７の送給速度DVFF1を算出してその算出値を前記制御手段２３に出力する。
【００２３】
【数４】
【００２４】
但し、P1はレーザ出力、v0は溶接速度、DVWF1は第１ワイヤ３の送給速度、DVFF1は第２ワイヤ７の送給速度、α1、α2、α3は比例定数である。使用する被溶接物１の板厚および材質が決まれば、溶接実験を行うことによって前記比例定数α1、α2、α3を決定することができるが、前記比例定数α2とα3は、詳細な計算方法の説明を省略するが、必要なビード予盛量やギャップや開先形状などから算出してもよい。
【００２５】
図１に示した本発明の実施の形態１における複合溶接装置の動作について説明する。溶接開始時には、図示していないが、溶接開始命令を受けた制御手段２３は、前記演算手段２０の演算結果を受け、前記レーザ発生手段９にレーザ溶接の開始信号と前記レーザ出力値P1を送りレーザビーム２照射を開始すると共に、前記アーク発生手段１３にアーク溶接の開始信号と前記第１ワイヤ３の送給速度DVWF1を送ってアーク放電を開始し、また、前記第２ワイヤ送給手段１８に第２ワイヤ７の送給の開始信号と前記第２ワイヤ７の送給速度DVFF1を送り前記第２ワイヤ７の送給を開始するよう動作する。前記アーク発生手段１３はその出力の指令がアーク電流で設定する場合があるが、前記制御手段２３では前記第１ワイヤ３の送給速度DVWF1をアーク電流に換算した値を出力してもよい。この際の換算方法は、前記第１ワイヤ３の送給速度DVWF1とアーク電流との実験式で換算してよい。一方、溶接終了時には、溶接終了命令を受けた前記制御手段２３は、前記レーザ発生手段９にレーザ溶接終了信号を送り前記レーザビーム２の照射を終了すると共に、前記アーク発生手段１３にアーク溶接終了信号を送ってアーク放電を終了し、また、前記第２ワイヤ送給手段１８にワイヤ送給の終了信号を送ることによって溶接を終了するよう動作する。
【００２６】
図１に示した本発明の実施の形態１における複合溶接装置を使用した溶接の特徴について説明する。前記数４によれば、前記レーザビーム２の出力P1と前記第１ワイヤ３の送給速度DVWF1と前記第２ワイヤ７の送給速度DVFF1との何れも溶接速度に比例して算出されている。ビードに対する溶融金属の溶着金属量を考えると、単位ビード長さ当りの溶着金属量は第１ワイヤ３と第２ワイヤ７との合計したワイヤ送給速度に比例し、溶接速度と反比例する。したがって、数４を使用した場合、溶接速度と関係なく、単位ビード長さ当りの溶着金属量が一定になるので、ほぼ一定の形状のビードを得る条件が満たされる。一方、ビードに対する入熱を考えると、本発明の入熱は、レーザ入熱とアーク入熱の二つからなる。入熱が溶接速度と反比例する関係を考慮すると、数４を使用した場合、溶接速度と関係なく、単位ビード長さ当りのレーザ入熱が一定になる。但し、アーク入熱に関しては、例えば、アーク電流が第１ワイヤ３の送給速度とほぼ比例関係にあるアルミニウム合金の場合には、溶接速度と関係なく、アーク電流の増加に伴うアーク電圧の増加分を除いてアーク入熱はほぼ一定になる。すなわち、本発明の実施の形態１における複合溶接装置を使用した際には、単位ビード長さ当りの溶着金属量が一定になると共に、入熱も凡そ一定にすることが可能であると考えられる。その結果、溶接速度を変えてもほぼ一定のビード形状の溶接を得ることができる。但し、アーク電流と第１ワイヤ３の送給速度が比例関係から大きく離れる、例えば、細いワイヤ径のステンレス鋼または鉄鋼材料では、入熱は、アーク電流の増加に伴うアーク電圧の増加分以外に、ワイヤ突出し部分の抵抗発熱分も入るので、誤差がやや大きくなる場合がある。この場合、アーク電圧を調整することによってビード形状を調整することも可能なので、ほぼ一定のビード形状の溶接を得ることが可能である。
【００２７】
板厚２ｍｍのＡ５０５２アルミニウム合金のビード・オン・プレート溶接を使用し、ビード形状と溶接パラメータの関係について調べた結果を説明する。図２は使用した溶接条件で、図３は得られたビード外観とビード断面である。図２（ａ）は、溶接速度を変えた時に使用したレーザ出力（○印）、アーク電流（◇印）および第１ワイヤ３（△印）と第２ワイヤ７（口印）の送給速度である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の溶接条件をもとにして算出した入熱（入熱＝〔（アーク電流×アーク電圧＋レーザ出力）／溶接速度〕。アーク入熱：○印、レーザ入熱：◇印、全体の入熱：△印）である。この実験では、レーザ出力とアーク電流および第１ワイヤ３と第２ワイヤ７の送給速度の溶接条件を溶接速度とほぼ比例するよう選定している。この際、レーザ入熱はほぼ一定であるが、アーク入熱は、アーク電流の増加に従って増加したアーク電圧を採用していたため、溶接速度に対してやや増加した。全体の入熱は、溶接速度に対してアーク入熱が増加した分だけやや増加する傾向であった。図３に示した溶接結果では、何れの溶接条件においてもほぼ同じ形状のビードが得られることがわかった。前述の通り、アーク入熱は、アーク電流の増加に従って増加したアーク電圧を採用していたために全体の入熱が溶接速度の増加に従って増加したが、ビード形状に及ぼす影響が少なかったことが言える。
【００２８】
以上のように本発明の実施の形態によれば、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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法と複合溶接装置であって、前記レーザビームの出力と前記第１ワイヤの送給速度と前記第２ワイヤの送給速度との何れも溶接速度に比例して調整することによって良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることができる。
【００２９】
以上の説明では、前記第１ワイヤ３と前記第２ワイヤ７との換算送給速度の和を溶接速度に比例して調整する演算手段を使用してもよい。前記換算送給速度の求め方および前記演算手段の演算方法は、数５によって表される。
【００３０】
【数５】
【００３１】
但し、DVTranは換算送給速度、DVWF1とφ1は第１ワイヤの送給速度とワイヤ直径、DVFF1とφ2は第２ワイヤの送給速度とワイヤ直径、v0は溶接速度、α4は比例定数である。言うまでも、使用する被溶接物１の板厚および材質が決まれば、溶接実験を行うことによって前記比例定数α4を決定することができる。この演算を行うことによって、例えば、アーク電流（または第１ワイヤ３の送給速度DVWF1）をもってビードに対する入熱を微調整した場合には溶着金属量が変化するので、第２ワイヤ７の送給速度DVWF1をもって単位ビード長さ当りの溶着金属量を補正して一定にすることができる。その結果、良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることができる。
【００３２】
また、以上の説明では、前記レーザ出力と前記アーク溶接のアーク電流と前記第２ワイヤの送給速度との何れも溶接速度に比例して調整する演算手段を使用してもよい。その演算方法としては、前記レーザ出力P1と前記第２ワイヤの送給速度DVFF1とは数４から算出するが、前記アーク電流は数６から算出することができる。
【００３３】
【数６】
【００３４】
但し、I1はアーク電流、v0は溶接速度、α4は比例定数である。被溶接物１の板厚および材質が決まれば、溶接実験を行うことによって前記比例定数α5を決定することができる。
【００３５】
この場合の溶接の特徴について説明する。前述の通り、第１ワイヤ３の突出し分の抵抗発熱の多いステンレス鋼または鉄鋼材料では、単位ビード長さ当りの溶着金属量と入熱との両方を一定にするほうが困難な場合がある。この際、多少の溶着金属量の変動があっても、ビードに対する入熱を重視する場合を考えると、前述の通り、数４を使用することによって単位ビード長さ当りのレーザ入熱を一定にすることができる。また、数６を使用することによって単位ビード長さ当りのアーク入熱も、アーク電流の増加に伴うアーク電圧の増加分を除いて一定にすることができる。以上の説明の通り、前記レーザ出力P1と前記アーク電流I1と前記第２ワイヤの送給速度DVFF1の何れも溶接速度に比例して調整することで良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることができる。
【００３６】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における複合溶接方法と複合溶接装置の構成を示す模式図である。図４は、図１において、演算手段２０の代わりに演算手段２４を使用すると共に、制御手段２３の代わりに制御手段２５を使用したものである。なお、図１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。前記演算手段２４は、レーザ発生手段９からレーザ出力設定値P0を、アーク発生手段１３からアーク電流IAとアーク電圧VAを、溶接速度設定手段２１から溶接速度v0を入力して演算処理を行い、その演算処理の結果である溶接許可信号と溶接不可信号を前記制御手段２５に出力する。溶接開始時には、図示していないが、溶接開始命令を受けた前記制御手段２５は、前記演算手段２４の演算結果を受け、前記演算手段２４から溶接許可信号を受けた場合は、前記レーザ発生手段９にレーザ溶接の開始信号を送りレーザビーム２の照射を開始すると共に、前記アーク発生手段１３にアーク溶接の開始信号を送ってアーク放電を開始し、また、前記第２ワイヤ送給手段１８に第２ワイヤ７の送給の開始信号を送り前記第２ワイヤ７の送給を開始するよう動作するが、前記演算手段２４から溶接不可信号を受けた場合は、前記表示手段２６に溶接不可の表示信号のみを出力して前記表示手段２６でそれを表示させ、溶接を行わないよう動作する。
【００３７】
演算手段２４の動作について説明する。溶接開始時には、前記演算手段２４は、レーザ発生手段９からレーザ出力設定値P0を、アーク発生手段１３からアーク電流IAとアーク電圧VAを、溶接速度設定手段２１から溶接速度v0を入力し数１と数２でそれぞれレーザ入熱Qlaserとアーク入熱Qarcを算出する。その後、前記レーザ入熱Qlaserと前記アーク入熱Qarcの関係が数３を満足するかどうかを確認し、満足した場合のみ溶接許可信号を出力するが、それ以外の場合は溶接不可信号を前記制御手段２５に出力する。
【００３８】
この場合の溶接の特徴について説明する。被溶接物１に対する入熱がレーザ入熱Qlaserとアーク入熱Qarcとの二つの部分からなる。アーク４は前記被溶接物１の上の広い領域にかかり前記アーク入熱Qarcも広い範囲に分散するので、前記アーク４によって形成される溶融領域が広くて浅くなる。一方、レーザビーム２は前記被溶接物１の上の非常に狭い領域に照射され前記レーザ入熱Qlaserも非常に狭い領域にしか分散しないので、前記レーザビーム２によって形成される溶融領域が非常に狭くて深くなる。したがって、前記被溶接物１の深いところまで有効に溶融させるには、前記レーザ入熱Qlaserと前記アーク入熱Qarcとをほぼ等しくすることが望ましい。
【００３９】
板厚２ｍｍのＡ５０５２アルミニウム合金のビード・オン・プレート溶接を使用して、ビード形状と溶接パラメータの関係について調べた結果を説明する。図５は使用した溶接条件で、図６は得られたビード外観とビード断面である。図５（ａ）では、条件１（図２の溶接速度4 m/minの条件と同一条件）は比較のための基準条件で、条件２はアーク入熱Qarcを上げた条件である。図５（ａ）には、２つの条件のレーザ出力（△印）と第１ワイヤ３の送給速度（○印）と第２ワイヤ７の送給速度（◇印）が示されている。図では、前記条件２のアーク電流を前記条件１のアーク電流より上げた際に入熱をほぼ一定にするために、レーザ出力を下げている。また、単位ビード長さ当りの溶着金属量を一定にするために前記第２ワイヤ７の送給速度をも下げている。図５（ｂ）は、図５（ａ）の溶接条件をもとにして算出した入熱（入熱＝〔（アーク電流×アーク電圧＋レーザ出力）／溶接速度〕。アーク入熱：○印、レーザ入熱：◇印、全体の入熱：△印）である。図６は、図５に示した溶接条件で溶接した際のビード外観およびビード断面である。この実験では、全体の入熱をほぼ一定にしているが、前記条件１ではレーザ入熱Qlaserが大きく、前記条件２ではアーク入熱Qarcが大きく選定されている。その結果、図６に示した通り、アーク入熱Qarcの大きい前記条件２では、前記条件１と同様に裏波溶接が得られるものの、ビード幅または溶込み幅の何れも前記条件１より広がっていた。言い換えれば、全体の入熱をほぼ一定にしても、前記レーザ入熱Qlaserを前記アーク入熱Qarcより大きくすることによって、ビードまたは溶込み幅の狭い溶接ができる。また、前記レーザ入熱Qlaserを前記アーク入熱Qarcとほぼ同等にしても、同様の効果を得ることが可能である。
【００４０】
以上のように本発明の実施の形態によれば、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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法と複合溶接装置であって、前記数１で算出したレーザ入熱Qlaserと数２で算出したアーク入熱Qarcが数３を満足した場合のみ溶接許可信号を出力する演算手段を使用することによって良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることができる。言うまでもよく、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarc以上になった場合のみ溶接許可信号を出力する演算手段を使用してもよい。
【００４１】
また、以上の説明では、前記レーザ入熱Qlaserと前記アーク入熱Qarcが数３を満足しない場合には、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcと等しくなるよう前記レーザ発生手段９が出力すべくレーザ出力P1を自動的に算出する演算手段を使用してもよい。その内容について、図４を参照しつつ説明する。図４では、前記演算手段２４は、前述した機能以外に、前記レーザ発生手段９のレーザ出力P1を自動的に算出して前記制御手段２５に出力する機能を有する。その機能の原理は、以下の通りである。前記演算手段２４は、前記レーザ発生手段９からレーザ出力設定値P0を、前記アーク発生手段１３からアーク電流IAとアーク電圧VAとを、前記溶接速度設定手段２１から溶接速度v0を入力し、数１から算出したレーザ入熱Qlaserと数２から算出したアーク入熱Qarcが数３を満足せず、なおかつ、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcより小さい場合のみ、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcと等しくなるよう、数７より前記レーザ発生手段９が出力すべくレーザ出力P1を自動的に算出して前記制御手段２５に出力する。この際、前記レーザ発生手段９からは、前記制御手段２５から入力された前記レーザ出力P1が出力されるのは言うまでもない。
【００４２】
【数７】
【００４３】
但し、P1はレーザ出力、IAはアーク電流、VAはアーク電圧である。
【００４４】
以上のように本発明の実施の形態によれば、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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法と複合溶接装置であって、前記数１で算出したレーザ入熱Qlaserと前記数２で算出したアーク入熱Qarcが前記数３を満足せず、なおかつ、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcより小さい場合のみ、前記レーザ入熱Qlaserが前記アーク入熱Qarcと等しくなるよう前記レーザ発生手段のレーザ出力を自動的に算出することによって同様の効果を得ることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように本発明によれば、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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法であって、前記レーザビームの出力と前記第１ワイヤの送給速度と前記第２ワイヤの送給速度との何れも溶接速度に比例して調整することによって良好な溶接を行うと共に、溶接パラメータの設定を容易にすることのできる複合溶接方法と複合溶接装置を提供することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１ 被溶接物
２ レーザビーム
３ 第１ワイヤ
４ アーク
５ 溶滴
６ 溶融池
７ 第２ワイヤ
８ ビード
９ レーザ発生手段
１０ レーザ発信器
１１ レーザ伝送手段
１２ 集光光学系
１３ アーク発生手段
１４ 第１ワイヤ送給手段
１５ ケーブル
１６ ケーブル
１７ 第１トーチ
１８ 第２ワイヤ送給手段
１９ 第２トーチ
２０ 演算手段
２１ 溶接速度設定手段
２２ 比例定数設定手段
２３ 制御手段
２４ 演算手段
２５ 制御手段
２６ 表示手段
ＤＶＦＦ１ 送給速度
ＤＶＷＦ１ 送給速度
Ｉ０ アーク電流
Ｉ１ アーク電流
ＩＡ アーク電流
ＩＨ アーク電流
ＭＲＡ 溶融曲線
ＭＲＦ 溶融曲線
ＭＲＨ 溶融曲線
Ｐ０ レーザ出力設定値
Ｐ１ レーザ出力
Ｖ０ 溶接速度
ＶＡ アーク電圧
ＶＷＦ 溶着速度
ＶＷ０ 溶着速度
αｉ（ｉ＝１,２,３,４,５） 比例定数
【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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法であって、
前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとの換算送給速度の和を溶接速度に比例して調整する複合溶接方法。
【請求項２】
前記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に記載の複合溶接方法。
【請求項３】
前記レーザビームとしてＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザの何れかを用いる請求項１または請求項２に記載の複合溶接方法。
【請求項４】
前記被溶接物と前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとして材質がアルミニウム合金のものを用いる請求項１から請求項３に記載の複合溶接方法。
【請求項５】
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、第１トーチを介して前記溶接位置に第１ワイヤを送給する第１ワイヤ送給手段と、第２トーチを介して前記溶接位置に第２ワイヤを送給する第２ワイヤ送給手段と、前記第１ワイヤ送給手段を制御しながら前記第１ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するアーク発生手段と、
溶接速度設定手段から溶接速度を、比例定数設定手段から比例定数を入力して演算処理を行う演算手段と、
前記演算手段の演算結果を入力し前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段と前記第２ワイヤ送給手段とを制御する制御手段とを備え、
前記演算手段は、前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとの換算送給速度の和を前記溶接速度に比例するよう演算処理を行う複合溶接装置。
【請求項６】
前記アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を用いる請求項５に記載の複合溶接装置。
【請求項７】
前記レーザビームとしてＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザの何れかを用いる請求項５または請求項６に記載の複合溶接装置。
【請求項８】
前記被溶接物と前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとして材質がアルミニウム合金のものを用いる請求項５から請求項７の何れかに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第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法であって、
前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとの換算送給速度の和を溶接速度に比例して調整する複合溶接方法。
【請求項２】
前記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に記載の複合溶接方法。
【請求項３】
前記レーザビームとしてＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザの何れかを用いる請求項１または請求項２に記載の複合溶接方法。
【請求項４】
前記被溶接物と前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとして材質がアルミニウム合金のものを用いる請求項１から請求項３に記載の複合溶接方法。
【請求項５】
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、第１トーチを介して前記溶接位置に第１ワイヤを送給する第１ワイヤ送給手段と、第２トーチを介して前記溶接位置に第２ワイヤを送給する第２ワイヤ送給手段と、前記第１ワイヤ送給手段を制御しながら前記第１ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するアーク発生手段と、
溶接速度設定手段から溶接速度を、比例定数設定手段から比例定数を入力して演算処理を行う演算手段と、
前記演算手段の演算結果を入力し前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段と前記第２ワイヤ送給手段とを制御する制御手段とを備え、
前記演算手段は、前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとの換算送給速度の和を前記溶接速度に比例するよう演算処理を行う複合溶接装置。
【請求項６】
前記アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を用いる請求項５に記載の複合溶接装置。
【請求項７】
前記レーザビームとしてＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザの何れかを用いる請求項５または請求項６に記載の複合溶接装置。
【請求項８】
前記被溶接物と前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとして材質がアルミニウム合金のものを用いる請求項５から請求項７の何れかに記載の複合溶接装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図３】
【図６】
【図２】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図３】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−５６３７４（Ｐ２０１３−５６３７４Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２５２９４７（Ｐ２０１２−２５２９４７）
【出願日】平成２４年１１月１９日（２０１２．１１．１９）
【分割の表示】特願２００８−２３１７２８（Ｐ２００８−２３１７２８）の分割
【原出願日】平成２０年９月１０日（２００８．９．１０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月１９日（２０１２．１１．１９）
【分割の表示】特願２００８−２３１７２８（Ｐ２００８−２３１７２８）の分割
【原出願日】平成２０年９月１０日（２００８．９．１０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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