複合溶接装置
【課題】良好な溶込みとビードを形成することができる複合溶接装置を提供することにある。
【解決手段】被溶接物の表面におけるレーザビームのビーム直径を設定するビーム直径設定手段と、レーザビームのレーザ出力を設定する出力設定手段と、ビーム直径設定手段からのビーム直径設定値と前記出力設定手段からのレーザ出力設定値を入力して前記ビーム直径設定値に対するレーザ出力設定値の適否を判定してその判定結果を前記制御手段に出力する出力判定手段と、出力判定手段からの出力を入力する警告手段を設け、レーザビームで被溶接物にキーホールを形成しながら溶接すると共に、アークを溶接線に沿って先行させ、レーザビームを前記アークよりも後行させる。
【解決手段】被溶接物の表面におけるレーザビームのビーム直径を設定するビーム直径設定手段と、レーザビームのレーザ出力を設定する出力設定手段と、ビーム直径設定手段からのビーム直径設定値と前記出力設定手段からのレーザ出力設定値を入力して前記ビーム直径設定値に対するレーザ出力設定値の適否を判定してその判定結果を前記制御手段に出力する出力判定手段と、出力判定手段からの出力を入力する警告手段を設け、レーザビームで被溶接物にキーホールを形成しながら溶接すると共に、アークを溶接線に沿って先行させ、レーザビームを前記アークよりも後行させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄を主成分とする被溶接物の同一箇所をレーザ溶接とアーク溶接を用いて溶接線に沿って同時に溶接する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、高エネルギー密度のため熱影響部の狭い高速溶接ができる。しかし、被溶接物にギャップがあると、レーザビームがそのギャップから抜けてしまい溶接ができなくなる欠点があった。一方、消耗電極式アーク溶接はギャップ裕度が広がるが、前記レーザ溶接と比較して溶接速度が遅い欠点があった。
【０００３】
そこで、前記レーザ溶接とアーク溶接との利点を活かしつつその欠点を補完するために、レーザ溶接と消耗電極式アーク溶接とを複合する方法が提案されていた。図１２にこのような従来の複合溶接装置のブロック図を示す。
【０００４】
図において、レーザ発生手段１は、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ものである。前記レーザ発振器２は、外部の制御装置、例えば後述する制御装置１２でそのレーザ出力と出力タイミングを制御してよい。前記レーザ伝送手段３は、光ファイバーであってもよく、レンズで組み合わせた伝送系であってもよい。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よい。
【０００５】
また、アーク発生手段７は、溶接開始時にワイヤ８をワイヤ送給手段９によってトーチ１０を通して前記被溶接物６の溶接位置に供給し、前記ワイヤ８と前記被溶接物６との間にアーク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９による前記ワイヤ８の供給を停止すると共に、前記アーク１１を停止するよう制御するものである。前記アーク発生手段７は、外部の制御装置、例えば後述する制御手段１２でその出力と出力タイミングを制御してよい。
【０００６】
また、制御手段１２は、溶接開始または終了命令を受け、前記レーザ発生手段１と前記アーク発生手段７とを制御するものである。前述の通り、前記制御手段１２は、前記レーザ発生手段１から発生するレーザビーム５の照射タイミングとその出力とを制御すると共に、前記アーク発生手段７から発生するアーク１１のタイミングとその出力とを制御してよい。前記制御手段１２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１２として、ロボットを使用してもよい。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１０とを固定して使用してよい。
【０００７】
このような従来の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前記制御手段１２は前記レーザ発生手段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、前記アーク発生手段７にアーク溶接開始信号を送り、アーク１１を開始するが、溶接終了時には、溶接終了命令を受けた前記制御手段１２は前記レーザ発生手段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、前記アーク発生手段７にアーク溶接終了信号を送り、前記アーク１１を終了する。
【０００８】
複合溶接では、レーザ溶接とアーク溶接とをいかに設置するかは重要であるが、前記レーザ溶接と前記アーク溶接との配置が決まると、どのくらいのレーザ出力とビーム直径を使用すればよいかが重要になってくる。
【０００９】
複合溶接に使用するレーザ溶接のレーザ出力についての提案は、従来から多数開示されている（例えば、特許文献１または２参照）。しかし、いずれの提案もレーザ出力のみの提案であり、ビーム直径を考慮したものではなかった。
【００１０】
実際の複合溶接では、ビーム直径も重要なパラメータである（非特許文献１参照）。この非特許文献１によると、レーザビーム５のパワー密度に応じて形成される溶接ビードの溶込み形状が異なる。その内容について、図１１を参照して説明する。図１１はレーザビーム５のパワー密度が異なった場合に形成する溶込み断面形状を示す模式図である。図１１（ａ）はパワー密度の低い時に相当し、溶融池１０１の形成はレーザビーム５からのレーザ吸収と熱伝導１０２とによって支配されるが、溶込みは熱伝導型であり、その深さはその幅の１／２を超えることがない。一方、図１１（ｂ）はパワー密度の高い時に相当し、被溶接物６の表面がレーザビーム５の照射を受け激しい蒸発１０３を発生し、レーザから得た熱と激しい蒸発の蒸発反力によって加工点にキーホール１０４と呼ばれる深い穴が形成されながら溶接が進行するため、溶融池１０５が次第に深くなり、安定状態では前記キーホール１０４と熱伝導１０６とのバランスで溶融池１０７を形成し、ビード幅をはるかに超えた溶込み深さが得られる。上述の通り、レーザ出力のみではなく、ビーム直径も溶接結果を左右する重要なパラメータである。
【００１１】
一方、複合溶接では、レーザ溶接とアーク溶接との配置が一旦決まると、レーザ溶接を先行させるかまたはアーク溶接を先行させるかが重要になってくる。これは、両者では溶込みとビードの形成現象が異なるためである。溶込みとビードの形成現象は、特に鉄を主成分とする被溶接物６を溶接する際に考えるべき重要な要素である。複合溶接では、溶接速度が従来のアーク溶接と比較して飛躍的に増加するので、ハンピングを含めアンダーカットなどの溶接欠陥の形成を防止する必要があった。レーザ溶接を先行にするかまたはアーク溶接を先行にするかについての提案は、従来から多数開示されている（例えば、特許文献３から特許文献５参照）。特許文献３では、アーク同士の複合溶接におけるアークの相互干渉を避けるために先行熱源としてＴＩＧまたはＭＩＧアークを使用するが、後行熱源としてエネルギービームを使用することを提案している。特許文献４では、開先内にアークを誘導するためにレーザをＭＡＧアークに先行して照射する方法を提案している。特許文献５では、アーク溶接の前方を余熱すべく先行熱源としてＣＯ２ガスレーザビームまたはＹＡＧレーザビームを使用することを提案している。
【００１２】
上述の通り、溶込みとビードの形成現象はレーザ溶接を先行させるかまたはアーク溶接を先行させるかを決定する上で非常に重要要素であるものの、従来技術ではそれを考慮していなかった。
【特許文献１】特開平１０−２７２５７７号公報
【特許文献２】特開２００２−３３６９８２号公報
【特許文献３】特開昭５３−１３７０４４号公報
【特許文献４】特開平１０−２７２５７７号公報
【特許文献５】特開昭６１−３６８２号公報
【非特許文献１】レーザプロセス技術ハンドブック、朝倉書店、１９９２．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、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、良好な溶込みとビードを形成することができる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】
【００１４】
上記目的を達成するため本発明は、鉄を主成分とする被溶接物に照射するレーザビームを発生するレーザ発生手段と、鉄を主成分とするワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生するアーク発生手段と、前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段とを制御する制御手段と、前記被溶接物の表面における前記レーザビームのビーム直径を設定するビーム直径設定手段と、前記レーザビームのレーザ出力を設定する出力設定手段と、前記ビーム直径設定手段からのビーム直径設定値と前記出力設定手段からのレーザ出力設定値を入力して前記ビーム直径設定値に対する前記レーザ出力設定値の適否を判定してその判定結果を前記制御手段に出力する出力判定手段と、前記出力判定手段からの出力を入力する警告手段を設け、前記レーザビームで前記被溶接物にキーホールを形成しながら溶接すると共に、前記アークを溶接線に沿って先行させ、前記レーザビームを前記アークよりも後行させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように本発明は、鉄を主成分とするワイヤを使用し鉄を主成分とする被溶接物の同一箇所を溶接線に沿って同時に溶接する複合溶接において、レーザ溶接でキーホールを形成しながら溶接すると共に、アークを先行させ、前記レーザビームを後行させることによって良好なビードを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における複合溶接の現象を説明するもので、具体的にはアーク形態、溶融池形状及び溶融池内流れを示す模式図で、図（ａ）は横から見た断面、図（ｂ）は上方から見た図である。
【００１７】
本実施の形態１に用いる複合溶接装置は、後述する図５に示す複合溶接装置を用いるが、実施の形態２に示す複合溶接装置を用いてもよい。
【００１８】
なお、図１２に示す従来例と同様の構成及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。
【００１９】
図１では、溶接方向を矢印Ａと、ワイヤ８の中心軸をａａ’と、被溶接物６の表面における溶接線をｂｂ’と、レーザビーム５の光軸をｃｃ’と、溶融池を１０８と、ビードを１０９と、前記溶融池１０８の振動を示す溶融池振動を矢印Ｂと、前記ワイヤ８の先端から離脱して前記溶融池１０８に移行する溶滴を２０１と、前記レーザビーム５の照射によって前記溶融池１０８に形成するキーホールを２０２と、前記溶滴２０１が移行して前記溶融池１０８と接触する部分のほぼ両サイドを示す溶融池サイド点をＫとＬと、それぞれ前記溶融池１０８の前方と後方とを示す溶融池前方点と溶融池後方点をＭとＮと、前記溶融池１０８の前方（前記キーホール２０２の前方）において、溶融金属が前記溶融池サイド点Ｋと前記溶融池サイド点Ｌとに向かって流れる方向を１１０ａと１１０ｂと、前記溶融池１０８の後方（前記キーホール２０２の後方）において、溶融金属が前記溶融池１０８の両サイドを流れる方向を１１１ａと１１１ｂと、前記溶融池１０８の後方（前記キーホール２０２の後方）において、溶融金属が前記溶融池１０８の中央部を流れる方向を１１１ｃと示している。
【００２０】
なお、前記ワイヤ８は、図示の通り被溶接物６に対して垂直方向に描いたが、ワイヤ８ａまたはワイヤ８ｂの位置にしてもよい。前記ワイヤ８とレーザビーム５との干渉を考慮すると、ワイヤ８ｂの位置がよいが、前記ワイヤ８ａと前記レーザビーム５との干渉さえなければワイヤ８ａの位置でもよい。
【００２１】
上記実施の形態における溶接中の挙動について説明する。
【００２２】
溶接中、溶接池１０８の溶融金属は、溶滴２０１の衝撃とアーク１１のアーク力とを受け、絶えず溶融池振動Ｂで示すように振動する。
【００２３】
図示の通り、レーザビーム５が前記溶融池１０８に照射して前記溶滴２０１が前記溶融池１０８と接触する位置の溶融池後方にキーホール２０２を形成するので、前記キーホール２０２は、前記溶滴２０１を含む前記溶融池１０８の前方の溶融金属と前記溶融池１０８の後方の溶融金属とを分断する。
【００２４】
その結果、溶接の進行と共に前記溶融池１０８に移行した後の溶滴２０１または前記溶融池１０８の前方の溶融金属が前記溶融池１０８の後方に流れる前に、図示の通り、一旦溶融池サイド点Ｋと溶融池サイド点Ｌとに向かった流れである流れ１１０ａと流れ１１０とを形成する。
【００２５】
その後、前記キーホール２０２の両サイドを迂回しながら、前記溶融池１０８の後方に向かう流れである流れ１１１ａと流れ１１１ｂとを形成する。この時、言うまでもなく、前記キーホール２０２の後ろには前記溶融池１０８の中心部を流れる流れ１１１ｃを形成する。溶接時には前記溶融池１０８は、前記溶融池振動Ｂに示すように絶えず振動しているが、それを分断する前記キーホール２０２の存在は、前記キーホール２０２の両サイドを迂回する流れ１１１ａと流れ１１１とを形成することによって溶融池サイド点Ｋと溶融池サイド点Ｌへの溶融金属の供給をスムーズにすると共に、前記溶融池１０８の溶融池振動Ｂを抑える役割を果たす。
【００２６】
その結果、ハンピングビードの形成を防ぐのみでなく、高速溶接時にビード止端部に形成しやすいアンダーカットの形成をも防ぐことができる。
【００２７】
上記実施の形態でハンピングビードまたはアンダーカットの溶接欠陥を防止できるかについて、図２と図３とに示す方法を参照しつつ説明する。
【００２８】
図２は、アーク溶接単独時のアーク形態、溶融池形状及び溶融池内流れを示す模式図で、図（ａ）は横から見た断面、図（ｂ）は上方から見た図である。
【００２９】
図３は、レーザが溶融池前方に照射した場合のアーク形態、溶融池形状及び溶融池内流れを示す模式図で、図（ａ）は横から見た断面、図（ｂ）は上方から見た図である。
【００３０】
なお、図１に示す図面と同様の構成及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、異なるところの動作及び作用について中心に説明する。
【００３１】
図２では、溶接方向を矢印Ｘと、アーク溶接単独時の溶融池を１１２と、ビードを１１３と、前記溶融池１１２の振動を示す溶融池振動を矢印Ｃと、前記溶融池１１２内の両サイドの溶融金属の流れ方向を１１４ａと１１４ｂと、前記溶融池１１２内の中心部の溶融金属の流れ方向を１１４ｃと示している。
【００３２】
溶接中、前記溶接池１１２の溶融金属は溶滴２０１の衝撃とアーク１１のアーク力とを受け、前記流れ１１４ａと流れ１１４ｂと流れ１１４ｃとに示す方向に流れながら、絶えず溶融池振動Ｃで示すように振動する。
【００３３】
また、溶接速度が速い場合は、前記溶融池１１２に対して前記アーク１１は先行気味になるので、ワイヤ８の先端から移行してきた溶滴２０１は溶融池前方点Ｍの固体部分付近に落ちやすくなり、前記溶融池前方点Ｍの固体部分とのなじみが悪くなる場合がある。
【００３４】
その結果、高速溶接時には、前記溶融池振動Ｃに対するキーホールの抑制効果が少ないのみでなく、前記溶融池前方点Ｍの固体部分付近のなじみが悪化することが原因で、ハンピングビードを形成しやすくなる。前記ハンピングビードが形成しなくても、溶接速度が速い場合には前記流れ１１４ｃが強くなり溶融池サイド点Ｋまたは溶融池サイド点Ｌへの溶融金属の供給が不足になり、アンダーカットを形成しやすくなる。
【００３５】
図２に示すアーク溶接単独時と比較して、図３に示す方法をもっても、ハンピングビードの形成をある程度防止できるが、アンダーカットの形成を防止することが難しい。その内容について、図３を参照しつつ説明する。
【００３６】
図３では、溶接方向を矢印Ｙと、レーザビーム５が前記溶融池１１５の前方に照射した際の溶融池を１１５と、ビードを１１６と、前記溶融池１１５の振動を示す溶融池振動を矢印Ｄと、レーザビーム５の照射によって前記溶融池１１５の前方に形成するキーホールを２０３と、前記溶融池１１５内の両サイドの溶融金属の流れ方向を１１７ａと１１７ｂと、前記溶融池１１５内の中心部の溶融金属の流れ方向を１１７ｃと示しており、レーザビーム５とワイヤ８との配置位置に関しては、図１とちょうど正反対としている。
【００３７】
溶接中、前記溶接池１１５の溶融金属は、溶滴２０１の衝撃とアーク１１のアーク力とを受け、前記流れ１１７ａと流れ１１７ｂと流れ１１７ｃとに示す方向に流れながら、絶えず溶融池振動Ｄで示すように振動をする。
【００３８】
図示の通り、前記レーザビーム５は前記溶融池１１５の溶融池前方点Ｍの付近に照射し、前記キーホール２０３を形成するので、前記溶融池１１５の溶融金属の流れ１１７ａと流れ１１７ｂと流れ１１７ｃとは、前記キーホール２０３の影響を受けることが少ない。
【００３９】
また、図１と比較すると、前記キーホール２０３の前記溶融池振動Ｄに対する抑制効果も少ない。但し、前記溶融池１１５に移行する溶滴２０１の前方に前記レーザビーム５が照射してキーホール２０３を形成するので、図２に示すような、溶融池前方点Ｍの固体付近における溶融金属のなじみ悪化が発生しにくい。
【００４０】
その結果、高速溶接を行ってもハンピングビードが形成しにくい。しかし、前記の通り、前記流れ１１７ａと前記流れ１１７ｂとに比較して前記流れ１１７ｂは、前記キーホール２０３の影響を受けずに発達しやすいため、溶融池サイド点Ｋまたは溶融池サイド点Ｌへの溶融金属の補給が不十分になりがちであり、ハンピングが形成しなくてもアンダーカットが形成することがある。
【００４１】
本発明の実施の形態で形成した良好なビードの止端部の模式図を図４（ａ）に、図２と図３に示す方法で形成した不良なビードの止端部の模式図を図４（ｂ）に示す。
【００４２】
図４では、溶込み領域を１１８と１１９と、止端部をＳとＴとＱとＲと示している。
【００４３】
図示の通り、図（ｂ）におけるアンダーカットが発生した止端部Ｑと止端部Ｒとに対して、図（ａ）では、良好な止端部Ｓと止端部Ｔが得られる。
【００４４】
図（ｂ）では、図２または図３の方法で得られる溶込み領域１１８の形状を同様に描いたが、実際の溶接では、図２の方法で得られた溶込み領域１１８の深さは、図３の方法より深い。
【００４５】
本実施の形態では、図１に示すように、鉄を主成分とするワイヤを使用して鉄を主成分とする被溶接物の同一箇所を溶接線に沿って同時に複合溶接する場合、レーザ溶接にはキーホールを形成しながら溶接すると共に、アークを先行させ、前記レーザビームを後行させることによって良好なビードを得ることができる。
【００４６】
図１において、溶接線ｂｂ’を直線として描いたが、前記溶接線ｂｂ’が曲線であってもよい。この場合、被溶接物６の表面におけるレーザビーム５の照射点とワイヤ８の狙い点とを通す直線を前記曲線状の溶接線ｂｂ’の切線と一致するように配置すればよい。
【００４７】
こ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を図５に示す。
【００４８】
図５では、図１２に示す従来例または図１に示す実施の形態１と同様の構成及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。
【００４９】
図５では、レーザビーム５のレーザ出力を設定する出力設定手段１４で設定したレーザ出力設定値Ｐと、被溶接物６の表面におけるレーザビーム５のビーム直径φを設定するビーム直径設定手段１５で設定したビーム直径設定値φとを入力し、前記ビーム直径設定値φに対する前記レーザ出力設定値Ｐの適否を判定してその判定結果を制御手段１２と警告手段１６とに出力する出力判定手段を１３で示している。
【００５０】
また、前記出力判定手段１３からの入力を受け、レーザ発生手段１とアーク発生手段７とを御する制御手段を１７で示している。
【００５１】
前記出力判定手段１３と前記制御手段１７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。前記警告手段１６として、音を発する部品または装置を使用してよく、ランプを使用してそれを点灯または点滅させてもよい。
【００５２】
上記実施の形態の動作について説明する。
【００５３】
溶接開始する際に、前記出力判定手段１３では、レーザ出力設定手段１４で設定したレーザ出力設定値Ｐとビーム直径設定手段１５で設定したビーム直径設定値φとを入力して、前記ビーム直径設定値φと前記レーザ出力Ｐとの組合せで溶融池１０８においてキーホール２０２が形成できるかどうかを計算する。
【００５４】
計算の結果、前記レーザ出力設定値Ｐと前記ビーム直径設定値φとの組合せで前記キーホール２０２が形成できる場合は、前記出力判定手段１３は、前記レーザ出力設定値Ｐをそのまま制御手段１７に出力する。
【００５５】
前記制御手段１７は、溶接開始信号を受けてから一定期間以内に前記出力判定手段１３から前記レーザ出力設定値Ｐを受けると、レーザ発生手段１とアーク発生手段７とを制御して複合溶接を行う。
【００５６】
一方、前記出力判定手段１３の計算結果で前記レーザ出力設定値Ｐと前記ビーム直径設定値φとの組合せで前記キーホール２０２が形成できない場合は、前記出力判定手段１３は、前記制御手段１７に溶接不可信号を出力すると共に、警告信号を警告手段１６に出力する。
【００５７】
前記制御手段１７は、溶接開始信号を受けてから一定期間以内に前記出力判定手段１３から溶接不可信号を受けると、レーザ発生手段１とアーク発生手段７とを制御して、複合溶接を行わないよう動作する。それと同時に、前記警告手段１６は、出力判定手段１３から警告信号を受けると、直ちに溶接不可状態を示すよう警告（音、ランプの点灯または点滅）を発する。
【００５８】
以上の動作によって、ビーム直径設定値φとレーザ出力設定値Ｐとの組合せでキーホール溶接ができた場合のみ溶接を行うことが可能となり、良好なビードを得ると共に、不良ビードの発生を未然に防止することができる。
【００５９】
出力判定手段１３の計算または判定方法について、図６を参照しつつ説明する。
【００６０】
図６は、鉄を主成分とする被溶接物６のレーザ溶接においてレーザ出力とビーム直径とによって決まる溶込み形状を示す関係図である。
【００６１】
図６中の「○」印は測定点であり、直線Ｃ１は前記測定点を近似的に示す直線で、前記直線１よりレーザ出力が大きく、またはビーム直径が小さくなる方向を矢印ＫＨと示しており、その領域は、キーホール領域である。また、前記直線１よりレーザ出力が小さく、またはビーム直径が大きくなる方向を矢印ＨＴと示しておち、その領域は、熱伝導領域である。前記直線Ｃ１は、次の（数１）に示す近似式によって表すことができる。
【００６２】
【数１】
但し、Ｐ０はキーホールを得るためのレーザ出力最小値（ｋＷ）であり、φは被溶接物表面におけるレーザビームのビーム直径（ｍｍ）である。α、βは被溶接物の材質と対応する定数であり、鉄を主成分とする被溶接物ではそれぞれα＝２．０〜３．０、β＝０．９〜１．１であるが、望ましいのはα＝２．５、β＝１．０である。
【００６３】
溶接時には、出力判定手段１３は出力設定手段１４からレーザ出力設定値Ｐを、ビーム直径設定手段１５からビーム直径設定値φを入力し、数式１から前記ビーム直径設定値φと対応するキーホールを得るためのレーザ出力最小値Ｐ０を算出する。
【００６４】
前記出力設定値Ｐが前記レーザ出力最小値Ｐ０と同等またはＰ０より大きければ、前記出力判定手段１３は前記レーザ出力設定値Ｐをそのまま制御手段１７に出力する。その後の動作は前述の通りである。
【００６５】
一方、前記出力設定値Ｐが前記レーザ出力最小値Ｐ０より小さければ、前記出力判定手段１３は前記制御手段１７に溶接不可信号を出力すると共に、警告手段１６に警告信号を出力する。
【００６６】
その後の動作は、前述の通りである。すなわち、良好なビードを得るためには、図６の矢印ＫＨで示すキーホール領域のレーザ出力とビーム直径との組合せの条件を使用すればよい。
【００６７】
本実施の形態では、図５に示すように、鉄を主成分とするワイヤを使用して鉄を主成分とする被溶接物の同一箇所を溶接線に沿って同時に複合溶接する場合、レーザ溶接にはキーホールを形成しながら溶接すると共に、アークを先行させ、前記レーザビームを後行させることによって良好なビードを得ると共に、不良なビード形成を未然に防止することができる。
【００６８】
（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２における複合溶接装置の構成を示す模式図である。
【００６９】
図７では、図１２に示す従来例または図５に示す実施の形態２と同様の構成及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。
【００７０】
図７では、図５における出力判定手段１３と制御手段１７との代わりに、レーザビーム５のレーザ出力を設定する出力設定手段１４で設定したレーザ出力設定値Ｐと、被溶接物６の表面におけるレーザビーム５のビーム直径φを設定するビーム直径設定手段１５で設定したビーム直径設定値φとを入力し、前記ビーム直径設定値φに対する適正なレーザ出力算出値ＰＬを自動的に算出する出力算出手段１８と、前記レーザ出力算出値ＰＬを入力してレーザ発生手段１とアーク発生手段７とを制御する制御手段１９とを使用する。
【００７１】
上記実施の形態の動作について説明する。
【００７２】
溶接開始する際に、前記出力算出手段１８では、レーザ出力設定手段１４で設定したレーザ出力設定値Ｐとビーム直径設定手段１５で設定したビーム直径設定値φとを入力し、前記ビーム直径設定値φと対応する前記レーザ出力設定値Ｐでキーホール溶接を実現できる場合は、前記レーザ出力設定値Ｐをそのまま前記制御手段１９に出力するが（この場合、レーザ出力算出値ＰＬ＝レーザ出力設定値Ｐ）、前記ビーム直径設定値φと対応する前記レーザ出力設定値Ｐでキーホール溶接を実現できない場合は、前記ビーム直径設定値φに基づき新たにレーザ出力算出値ＰＬを算出して、それを前記制御手段１９に出力する。前記制御手段１９は、前記出力算出手段１８からレーザ出力算出値ＰＬを入力し、前記レーザ発生手段１とアーク発生手段７とを制御して複合溶接を行う。
【００７３】
出力算出手段１８の計算方法まだは動作について、図８を参照して説明する。
【００７４】
図８は、鉄を主成分とする被溶接物６のレーザ溶接においてレーザ出力とビーム直径とによって決まる溶込み形状とレーザ出力算出方法とを示す模式図である。なお、図６と数式１と同様のものには同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７５】
図８では、レーザ出力設定値Ｐとビーム直径設定値φとが設定した場合の設定点をＷＥＬ０を示している。
【００７６】
図示の通り、キーホール溶接が実現できない。キーホール溶接を実現するためには、少なくともレーザ出力を設定点ＷＥＬ０のビーム直径設定値φと対応する、直線Ｃ１上にある対応点ＷＥＬ０’の値以上にする必要がある。前記対応点ＷＥＬ０’のレーザ出力は、前述の通り、（数１）に示すレーザ出力最小値Ｐ０から算出できる。ここで出力算出手段１８は、前記設定点ＷＥＬ０と対する算出点ＷＥＬ１のレーザ出力を算出し、出力する。算出は、（数２）に従う。
【００７７】
【数２】
但し、Ｐ１はキーホールを得るためのレーザ出力算出値（ｋＷ）であり、前記出力算出手段１８からのレーザ出力算出値ＰＬである（ＰＬ＝Ｐ１）。γは裕度係数である（γ≧１）。
【００７８】
裕度係数について説明する。図において、（数３）
【００７９】
【数３】
は、前記レーザ出力算出値Ｐ１と前記レーザ出力最小値Ｐ０との差を示すレーザ出力差を示しており、キーホール溶接を実現するためのレーザ出力の裕度である。
【００８０】
γ＞１であれば、前記算出点ＷＥＬ１と前記対応点ＷＥＬ０’との間にレーザ出力差ΔＰの差が発生するが、これは、キーホールを形成するための裕度である。
【００８１】
言うまでもなく、γ＝１ではΔＰ＝０となり、前記算出点ＷＥＬ１と前記対応点ＷＥＬ０’が一致する。この場合でも、前述の通りキーホール溶接が実現できる。前述した裕度係数γは、予め出力算出手段１８に記憶されたものをそのまま使用してよい。
【００８２】
本実施の形態では、図７に示すように、図５において出力判定手段１３と制御手段１７との代わりに出力算出手段１８と制御手段１９とを使用することによって前記レーザビームを後行させることによって良好なビードを得ると共に、不良なビード形成を未然に防止することができる。
【００８３】
実施の形態１と実施の形態２とでは、（数１）または（数２）においてレーザビーム５のビーム直径φは、被溶接物６の表面で測定した集光スポットの直径の測定値に相当する。
【００８４】
図示していないが、前記測定値はビーム直径φとしてビーム直径設定手段１５に設定される。前記集光スポットが概略的に円形の場合には前記ビーム直径φとしては前記集光スポットの概略的直径を使用してよく、前記集光スポットが概略的に楕円形の場合には前記ビーム直径φとしては前記集光スポットの概略的楕円形の長軸と短軸との値から、（数４）の通り算出してよい。
【００８５】
【数４】
但し、φＬとφＳとは、集光スポットが概略的楕円形の場合の楕円形の長軸と短軸である。また、前記集光スポットが円形または楕円形のいずれでもない場合には、（数５）を使用して算出してよい。
【００８６】
【数５】
但し、Ｓｓｐｏｔは集光スポットの面積であり、πは円周率である。
【００８７】
上記実施の形態では、レーザ溶接とアーク溶接との配置間隔については特に規定していないが、言うまでもなく、前記レーザビーム５の照射位置とワイヤ８の狙い位置との間隔を被溶接物６の表面における前記レーザビーム５のビーム直径φと前記ワイヤ８の直径との和の値以上、６ｍｍ以下とすることによって同様の効果を得ることができる。
【００８８】
これは、前記間隔を設けることによって、前記レーザビーム５によって形成したキーホール２０２の中心位置とアーク１１の溶融池１０８における作用位置の中心位置は近くなり、最も深い溶込みを得ることができるためである。
【００８９】
また、上記実施の形態では、アーク溶接としてパルスアーク溶接を使用することによって同様の効果を得ると共に、溶接中に発生するスパッタ量を低減する効果も期待できる。これは、パルスアーク溶接では、短絡移行のアーク溶接と比較してワイヤ８と溶融池１０８の表面との接触がほとんどないままで溶融ワイヤの移行が行われるためである。アーク溶接に使用するシールドガスとしては、５〜４０％炭酸ガスを含有する、アルゴンと炭酸ガスとの混合ガスを使用することによって最も大きいスパッタ低減の効果を得ることができる。これは、前記組成のシールドガスの中でパルスアーク溶接が最も安定に行えるためである。
【００９０】
また、上記実施の形態では、レーザ溶接に使用するレーザビーム５として波長７００〜１１００ｎｍのものを使用することによって同様の効果を得ることができる。これは、この波長領域のレーザビーム５は鉄を主成分とする被溶接物によって最も吸収されやすいだけでなく、溶接中に前記レーザビーム５によって誘起されるプラズマの前記レーザビーム５に対する吸収が少ないためである。
【００９１】
（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３におけるレーザ照射とワイヤ狙いとの相関関係を示す模式図である。なお、図１に示す内容と同様の構成及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。
【００９２】
図９では、被溶接物６の表面上における溶接線をｂｂ’と、レーザビーム５の光軸ｃｃ’と前記溶接線ｂｂ’との溶接方向Ａの方向になす角度を示すレーザビーム傾斜角をθＬと、ワイヤ８の中心軸ａａ’と前記溶接線ｂｂ’との前記溶接方向Ａの方向になす角度を示すワイヤ傾斜角をθＡと示している。
【００９３】
このように図に示す通り、レーザビーム傾斜角θＬとワイヤ傾斜角θＬとは共に鋭角または鈍角であるので、前記光軸ｃｃ’と前記中心軸ａａ’とのなす角度を小さくすることが可能であり、狭い場所での溶接施工が容易である。
【００９４】
また、図において、レーザビーム傾斜角θＬとワイヤ傾斜角θＬとを鋭角に描いたが、言うまでもなく、鈍角であってもよい。
【００９５】
本実施の形態では、図９に示すように、レーザビームの光軸と溶接線との溶接方向になす角度と、ワイヤの中心軸と溶接線との溶接方向になす角度とを共に鋭角または鈍角とすることによって同様の効果を得ることができるのみでなく、狭い場所での溶接施工を容易にすることができる。
【００９６】
（実施の形態４）
図１０は本発明の実施の形態４に使用するワイヤ８のＳｉとＭｎとの成分範囲を示す模式図である。
【００９７】
前記Ｓｉと前記Ｍｎと製造上極微量の不可避不純物とを除き、残部はＦｅである。前記ワイヤ８としては、Ｃｕめっきをしてもよいが、図１０に示す組成は、Ｃｕめっきの部分を除いた部分の組成を指す。
【００９８】
図１０では、Ｓｉ＝０．４０質量％とＳｉ＝０．７５質量％を示す直線をそれぞれＣ２とＣ３と、それぞれＭｎ＝０．９０質量％とＭｎ＝１．３０質量％を示す直線をそれぞれＣ４とＣ５と、Ｓｉ＋Ｍｎ＝１．４質量％とＳｉ＋Ｍｎ＝２．０質量％を示す直線をそれぞれＣ６とＣ７と、前記直線Ｃ２〜Ｃ７で囲んだ成分領域をＭＳと示している。
【００９９】
次に、前記ワイヤ８に含まれるＳｉとＭｎとの量と、溶接施工の容易さと、溶接継手強度との関係について説明する。
【０１００】
図示の通り、ＳｉまたはＭｎの量として、Ｓｉ量が直線Ｃ３で示すＳｉ量より多い、またはＭｎ量が直線Ｃ５で示すＭｎ量より多い、またはＳｉ＋Ｍｎ量が直線Ｃ７で示すＳｉ＋Ｍｎ量より多い場合、すなわち、矢印ＭＳ１で示す方向では、溶融金属の湯流れが悪化する。極端な場合には、溶融不良またはアンダーカットなどの溶接欠陥が形成してしまう。
【０１０１】
一方、Ｓｉ量が直線Ｃ２で示すＳｉ量より少ない、またはＭｎ量が直線Ｃ４で示すＭｎ量より少ない、またはＳｉ＋Ｍｎ量が直線Ｃ６で示すＳｉ＋Ｍｎ量より少ない場合、すなわち、矢印ＭＳ２で示す方向では、溶融金属の湯流れの悪化がないが、溶接継手の強度が不足してしまう。
【０１０２】
したがって、前記成分領域ＭＳ内にある組成を有するワイヤ８を使用することによって、溶接欠陥のない良好な溶接ビードを得ると共に、十分な溶接継手強度を確保することができる。
【０１０３】
本実施の形態では、図１０に示すように、ワイヤとしてＣｕめっきをしてもよいが、Ｃｕめっきの部分を除いた芯線の組成は製造上極微量の不可避不純物を除き、Ｃ：０．０２〜０．１２質量％、Ｓｉ：０．４０〜０．７５質量％、Ｍｎ：０．９０〜１．３０質量％、Ｓｉ＋Ｍｎ：１．４〜２．０質量％、Ｆｅ：残部、の組成を有するものを使用することによって良好なビードを得ると共に、十分な溶接継手性能を確保することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
以上のように、本発明に係る複合溶接装置は、鉄を主成分とするワイヤを使用して鉄を主成分とする被溶接物の同一箇所をレーザ溶接とアーク溶接で溶接線に沿って同時に溶接する際に良好なビードを得ることができる複合溶接装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるアーク形態、溶融池形状及び溶融池内流れを示す模式図
【図２】アーク溶接単独時のアーク形態、溶融池形状及び溶融池内流れを示す模式図
【図３】レーザが溶融池前方に照射した場合のアーク形態、溶融池形状及び溶融池内流れを示す模式図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１の方法で形成した良好なビードの止端部の模式図、（ｂ）図２と図３とに示す方法で形成した不良なビードの止端部の模式図
【図５】本発明の実施の形態１における複合溶接装置の構成を示す模式図
【図６】鉄を主成分とする被溶接物のレーザ溶接においてレーザ出力とビーム直径とによって決まる溶込み形状を示す関係図
【図７】本発明の実施の形態２における複合溶接装置の構成を示す模式図
【図８】鉄を主成分とする被溶接物のレーザ溶接においてレーザ出力とビーム直径とによって決まる溶込み形状とレーザ出力算出方法とを示す模式図
【図９】本発明の実施の形態３における複合溶接方法または複合溶接装置のレーザ照射とワイヤ狙いとの相関関係を示す模式図
【図１０】本発明の実施の形態４に使用するワイヤのＳｉとＭｎとの成分範囲を示す模式図
【図１１】レーザのパワー密度が異なった場合に形成する溶込み断面形状を示す模式図
【図１２】従来技術の複合溶接装置のブロック図
【符号の説明】
【０１０６】
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 アーク発生手段
８ ワイヤ
８ａ ワイヤ
８ｂ ワイヤ
９ ワイヤ送給手段
１０ トーチ
１１ アーク
１２ 制御手段
１３ 出力判定手段
１４ 出力設定手段
１５ ビーム直径設定手段
１６ 警告手段
１７ 制御手段
１８ 出力算出手段
１９ 制御手段
１０１ 溶融池
１０２ 熱伝導
１０３ 蒸発
１０４ キーホール
１０５ 溶融池
１０６ 熱伝導
１０７ 溶融池
１０８ 溶融池
１０９ ビード
１１０ａ 流れ
１１０ｂ 流れ
１１１ａ 流れ
１１１ｂ 流れ
１１１ｃ 流れ
１１２ 溶融池
１１３ ビード
１１４ａ 流れ
１１４ｂ 流れ
１１４ｃ 流れ
１１５ 溶融池
１１６ ビード
１１７ａ 流れ
１１７ｂ 流れ
１１７ｃ 流れ
１１８ 溶込み領域
１１９ 溶込み領域
２０１ 溶滴
２０２ キーホール
２０３ キーホール
ａａ’ 中心軸
ｂｂ’ 溶接線
ｃｃ’ 光軸
Ａ 溶接方向
Ｂ 溶融池振動
Ｃ 溶融池振動
Ｃ１ 直線
Ｃ２ 直線
Ｃ３ 直線
Ｃ４ 直線
Ｃ５ 直線
Ｃ６ 直線
Ｃ７ 直線
Ｄ 溶融池振動
ＨＴ 矢印
Ｋ 溶融池サイド点
ＫＨ 矢印
Ｌ 溶融池サイド点
Ｍ 溶融池前方点
ＭＳ 成分領域
ＭＳ１ 矢印
ＭＳ２ 矢印
Ｎ 溶融池前方点
Ｐ レーザ出力設定値（ｋＷ）
Ｐ０ レーザ出力最小値（ｋＷ）
Ｐ１ レーザ出力算出値（ｋＷ）
ＰＬ レーザ出力算出値（ｋＷ）
Ｑ 止端部
Ｒ 止端部
Ｓ 止端部
Ｔ 止端部
ＷＥＬ０ 設定点
ＷＥＬ０’ 対応点
ＷＥＬ１ 算出点
Ｘ 溶接方向
Ｙ 溶接方向
φ ビーム直径設定値
α 被溶接物の材質と対応する定数
β 被溶接物の材質と対応する定数
γ 裕度係数
θＬ レーザビーム傾斜角
θＡ ワイヤ傾斜角
ΔＰ レーザ出力差
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄を主成分とする被溶接物の同一箇所をレーザ溶接とアーク溶接を用いて溶接線に沿って同時に溶接する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、高エネルギー密度のため熱影響部の狭い高速溶接ができる。しかし、被溶接物にギャップがあると、レーザビームがそのギャップから抜けてしまい溶接ができなくなる欠点があった。一方、消耗電極式アーク溶接はギャップ裕度が広がるが、前記レーザ溶接と比較して溶接速度が遅い欠点があった。
【０００３】
そこで、前記レーザ溶接とアーク溶接との利点を活かしつつその欠点を補完するために、レーザ溶接と消耗電極式アーク溶接とを複合する方法が提案されていた。図１２にこのような従来の複合溶接装置のブロック図を示す。
【０００４】
図において、レーザ発生手段１は、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ものである。前記レーザ発振器２は、外部の制御装置、例えば後述する制御装置１２でそのレーザ出力と出力タイミングを制御してよい。前記レーザ伝送手段３は、光ファイバーであってもよく、レンズで組み合わせた伝送系であってもよい。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よい。
【０００５】
また、アーク発生手段７は、溶接開始時にワイヤ８をワイヤ送給手段９によってトーチ１０を通して前記被溶接物６の溶接位置に供給し、前記ワイヤ８と前記被溶接物６との間にアーク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９による前記ワイヤ８の供給を停止すると共に、前記アーク１１を停止するよう制御するものである。前記アーク発生手段７は、外部の制御装置、例えば後述する制御手段１２でその出力と出力タイミングを制御してよい。
【０００６】
また、制御手段１２は、溶接開始または終了命令を受け、前記レーザ発生手段１と前記アーク発生手段７とを制御するものである。前述の通り、前記制御手段１２は、前記レーザ発生手段１から発生するレーザビーム５の照射タイミングとその出力とを制御すると共に、前記アーク発生手段７から発生するアーク１１のタイミングとその出力とを制御してよい。前記制御手段１２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１２として、ロボットを使用してもよい。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１０とを固定して使用してよい。
【０００７】
このような従来の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前記制御手段１２は前記レーザ発生手段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、前記アーク発生手段７にアーク溶接開始信号を送り、アーク１１を開始するが、溶接終了時には、溶接終了命令を受けた前記制御手段１２は前記レーザ発生手段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、前記アーク発生手段７にアーク溶接終了信号を送り、前記アーク１１を終了する。
【０００８】
複合溶接では、レーザ溶接とアーク溶接とをいかに設置するかは重要であるが、前記レーザ溶接と前記アーク溶接との配置が決まると、どのくらいのレーザ出力とビーム直径を使用すればよいかが重要になってくる。
【０００９】
複合溶接に使用するレーザ溶接のレーザ出力についての提案は、従来から多数開示されている（例えば、特許文献１または２参照）。しかし、いずれの提案もレーザ出力のみの提案であり、ビーム直径を考慮したものではなかった。
【００１０】
実際の複合溶接では、ビーム直径も重要なパラメータである（非特許文献１参照）。この非特許文献１によると、レーザビーム５のパワー密度に応じて形成される溶接ビードの溶込み形状が異なる。その内容について、図１１を参照して説明する。図１１はレーザビーム５のパワー密度が異なった場合に形成する溶込み断面形状を示す模式図である。図１１（ａ）はパワー密度の低い時に相当し、溶融池１０１の形成はレーザビーム５からのレーザ吸収と熱伝導１０２とによって支配されるが、溶込みは熱伝導型であり、その深さはその幅の１／２を超えることがない。一方、図１１（ｂ）はパワー密度の高い時に相当し、被溶接物６の表面がレーザビーム５の照射を受け激しい蒸発１０３を発生し、レーザから得た熱と激しい蒸発の蒸発反力によって加工点にキーホール１０４と呼ばれる深い穴が形成されながら溶接が進行するため、溶融池１０５が次第に深くなり、安定状態では前記キーホール１０４と熱伝導１０６とのバランスで溶融池１０７を形成し、ビード幅をはるかに超えた溶込み深さが得られる。上述の通り、レーザ出力のみではなく、ビーム直径も溶接結果を左右する重要なパラメータである。
【００１１】
一方、複合溶接では、レーザ溶接とアーク溶接との配置が一旦決まると、レーザ溶接を先行させるかまたはアーク溶接を先行させるかが重要になってくる。これは、両者では溶込みとビードの形成現象が異なるためである。溶込みとビードの形成現象は、特に鉄を主成分とする被溶接物６を溶接する際に考えるべき重要な要素である。複合溶接では、溶接速度が従来のアーク溶接と比較して飛躍的に増加するので、ハンピングを含めアンダーカットなどの溶接欠陥の形成を防止する必要があった。レーザ溶接を先行にするかまたはアーク溶接を先行にするかについての提案は、従来から多数開示されている（例えば、特許文献３から特許文献５参照）。特許文献３では、アーク同士の複合溶接におけるアークの相互干渉を避けるために先行熱源としてＴＩＧまたはＭＩＧアークを使用するが、後行熱源としてエネルギービームを使用することを提案している。特許文献４では、開先内にアークを誘導するためにレーザをＭＡＧアークに先行して照射する方法を提案している。特許文献５では、アーク溶接の前方を余熱すべく先行熱源としてＣＯ２ガスレーザビームまたはＹＡＧレーザビームを使用することを提案している。
【００１２】
上述の通り、溶込みとビードの形成現象はレーザ溶接を先行させるかまたはアーク溶接を先行させるかを決定する上で非常に重要要素であるものの、従来技術ではそれを考慮していなかった。
【特許文献１】特開平１０−２７２５７７号公報
【特許文献２】特開２００２−３３６９８２号公報
【特許文献３】特開昭５３−１３７０４４号公報
【特許文献４】特開平１０−２７２５７７号公報
【特許文献５】特開昭６１−３６８２号公報
【非特許文献１】レーザプロセス技術ハンドブック、朝倉書店、１９９２．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、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、良好な溶込みとビードを形成することができる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】
【００１４】
上記目的を達成するため本発明は、鉄を主成分とする被溶接物に照射するレーザビームを発生するレーザ発生手段と、鉄を主成分とするワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生するアーク発生手段と、前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段とを制御する制御手段と、前記被溶接物の表面における前記レーザビームのビーム直径を設定するビーム直径設定手段と、前記レーザビームのレーザ出力を設定する出力設定手段と、前記ビーム直径設定手段からのビーム直径設定値と前記出力設定手段からのレーザ出力設定値を入力して前記ビーム直径設定値に対する前記レーザ出力設定値の適否を判定してその判定結果を前記制御手段に出力する出力判定手段と、前記出力判定手段からの出力を入力する警告手段を設け、前記レーザビームで前記被溶接物にキーホールを形成しながら溶接すると共に、前記アークを溶接線に沿って先行させ、前記レーザビームを前記アークよりも後行させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように本発明は、鉄を主成分とするワイヤを使用し鉄を主成分とする被溶接物の同一箇所を溶接線に沿って同時に溶接する複合溶接において、レーザ溶接でキーホールを形成しながら溶接すると共に、アークを先行させ、前記レーザビームを後行させることによって良好なビードを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における複合溶接の現象を説明するもので、具体的にはアーク形態、溶融池形状及び溶融池内流れを示す模式図で、図（ａ）は横から見た断面、図（ｂ）は上方から見た図である。
【００１７】
本実施の形態１に用いる複合溶接装置は、後述する図５に示す複合溶接装置を用いるが、実施の形態２に示す複合溶接装置を用いてもよい。
【００１８】
なお、図１２に示す従来例と同様の構成及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。
【００１９】
図１では、溶接方向を矢印Ａと、ワイヤ８の中心軸をａａ’と、被溶接物６の表面における溶接線をｂｂ’と、レーザビーム５の光軸をｃｃ’と、溶融池を１０８と、ビードを１０９と、前記溶融池１０８の振動を示す溶融池振動を矢印Ｂと、前記ワイヤ８の先端から離脱して前記溶融池１０８に移行する溶滴を２０１と、前記レーザビーム５の照射によって前記溶融池１０８に形成するキーホールを２０２と、前記溶滴２０１が移行して前記溶融池１０８と接触する部分のほぼ両サイドを示す溶融池サイド点をＫとＬと、それぞれ前記溶融池１０８の前方と後方とを示す溶融池前方点と溶融池後方点をＭとＮと、前記溶融池１０８の前方（前記キーホール２０２の前方）において、溶融金属が前記溶融池サイド点Ｋと前記溶融池サイド点Ｌとに向かって流れる方向を１１０ａと１１０ｂと、前記溶融池１０８の後方（前記キーホール２０２の後方）において、溶融金属が前記溶融池１０８の両サイドを流れる方向を１１１ａと１１１ｂと、前記溶融池１０８の後方（前記キーホール２０２の後方）において、溶融金属が前記溶融池１０８の中央部を流れる方向を１１１ｃと示している。
【００２０】
なお、前記ワイヤ８は、図示の通り被溶接物６に対して垂直方向に描いたが、ワイヤ８ａまたはワイヤ８ｂの位置にしてもよい。前記ワイヤ８とレーザビーム５との干渉を考慮すると、ワイヤ８ｂの位置がよいが、前記ワイヤ８ａと前記レーザビーム５との干渉さえなければワイヤ８ａの位置でもよい。
【００２１】
上記実施の形態における溶接中の挙動について説明する。
【００２２】
溶接中、溶接池１０８の溶融金属は、溶滴２０１の衝撃とアーク１１のアーク力とを受け、絶えず溶融池振動Ｂで示すように振動する。
【００２３】
図示の通り、レーザビーム５が前記溶融池１０８に照射して前記溶滴２０１が前記溶融池１０８と接触する位置の溶融池後方にキーホール２０２を形成するので、前記キーホール２０２は、前記溶滴２０１を含む前記溶融池１０８の前方の溶融金属と前記溶融池１０８の後方の溶融金属とを分断する。
【００２４】
その結果、溶接の進行と共に前記溶融池１０８に移行した後の溶滴２０１または前記溶融池１０８の前方の溶融金属が前記溶融池１０８の後方に流れる前に、図示の通り、一旦溶融池サイド点Ｋと溶融池サイド点Ｌとに向かった流れである流れ１１０ａと流れ１１０とを形成する。
【００２５】
その後、前記キーホール２０２の両サイドを迂回しながら、前記溶融池１０８の後方に向かう流れである流れ１１１ａと流れ１１１ｂとを形成する。この時、言うまでもなく、前記キーホール２０２の後ろには前記溶融池１０８の中心部を流れる流れ１１１ｃを形成する。溶接時には前記溶融池１０８は、前記溶融池振動Ｂに示すように絶えず振動しているが、それを分断する前記キーホール２０２の存在は、前記キーホール２０２の両サイドを迂回する流れ１１１ａと流れ１１１とを形成することによって溶融池サイド点Ｋと溶融池サイド点Ｌへの溶融金属の供給をスムーズにすると共に、前記溶融池１０８の溶融池振動Ｂを抑える役割を果たす。
【００２６】
その結果、ハンピングビードの形成を防ぐのみでなく、高速溶接時にビード止端部に形成しやすいアンダーカットの形成をも防ぐことができる。
【００２７】
上記実施の形態でハンピングビードまたはアンダーカットの溶接欠陥を防止できるかについて、図２と図３とに示す方法を参照しつつ説明する。
【００２８】
図２は、アーク溶接単独時のアーク形態、溶融池形状及び溶融池内流れを示す模式図で、図（ａ）は横から見た断面、図（ｂ）は上方から見た図である。
【００２９】
図３は、レーザが溶融池前方に照射した場合のアーク形態、溶融池形状及び溶融池内流れを示す模式図で、図（ａ）は横から見た断面、図（ｂ）は上方から見た図である。
【００３０】
なお、図１に示す図面と同様の構成及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、異なるところの動作及び作用について中心に説明する。
【００３１】
図２では、溶接方向を矢印Ｘと、アーク溶接単独時の溶融池を１１２と、ビードを１１３と、前記溶融池１１２の振動を示す溶融池振動を矢印Ｃと、前記溶融池１１２内の両サイドの溶融金属の流れ方向を１１４ａと１１４ｂと、前記溶融池１１２内の中心部の溶融金属の流れ方向を１１４ｃと示している。
【００３２】
溶接中、前記溶接池１１２の溶融金属は溶滴２０１の衝撃とアーク１１のアーク力とを受け、前記流れ１１４ａと流れ１１４ｂと流れ１１４ｃとに示す方向に流れながら、絶えず溶融池振動Ｃで示すように振動する。
【００３３】
また、溶接速度が速い場合は、前記溶融池１１２に対して前記アーク１１は先行気味になるので、ワイヤ８の先端から移行してきた溶滴２０１は溶融池前方点Ｍの固体部分付近に落ちやすくなり、前記溶融池前方点Ｍの固体部分とのなじみが悪くなる場合がある。
【００３４】
その結果、高速溶接時には、前記溶融池振動Ｃに対するキーホールの抑制効果が少ないのみでなく、前記溶融池前方点Ｍの固体部分付近のなじみが悪化することが原因で、ハンピングビードを形成しやすくなる。前記ハンピングビードが形成しなくても、溶接速度が速い場合には前記流れ１１４ｃが強くなり溶融池サイド点Ｋまたは溶融池サイド点Ｌへの溶融金属の供給が不足になり、アンダーカットを形成しやすくなる。
【００３５】
図２に示すアーク溶接単独時と比較して、図３に示す方法をもっても、ハンピングビードの形成をある程度防止できるが、アンダーカットの形成を防止することが難しい。その内容について、図３を参照しつつ説明する。
【００３６】
図３では、溶接方向を矢印Ｙと、レーザビーム５が前記溶融池１１５の前方に照射した際の溶融池を１１５と、ビードを１１６と、前記溶融池１１５の振動を示す溶融池振動を矢印Ｄと、レーザビーム５の照射によって前記溶融池１１５の前方に形成するキーホールを２０３と、前記溶融池１１５内の両サイドの溶融金属の流れ方向を１１７ａと１１７ｂと、前記溶融池１１５内の中心部の溶融金属の流れ方向を１１７ｃと示しており、レーザビーム５とワイヤ８との配置位置に関しては、図１とちょうど正反対としている。
【００３７】
溶接中、前記溶接池１１５の溶融金属は、溶滴２０１の衝撃とアーク１１のアーク力とを受け、前記流れ１１７ａと流れ１１７ｂと流れ１１７ｃとに示す方向に流れながら、絶えず溶融池振動Ｄで示すように振動をする。
【００３８】
図示の通り、前記レーザビーム５は前記溶融池１１５の溶融池前方点Ｍの付近に照射し、前記キーホール２０３を形成するので、前記溶融池１１５の溶融金属の流れ１１７ａと流れ１１７ｂと流れ１１７ｃとは、前記キーホール２０３の影響を受けることが少ない。
【００３９】
また、図１と比較すると、前記キーホール２０３の前記溶融池振動Ｄに対する抑制効果も少ない。但し、前記溶融池１１５に移行する溶滴２０１の前方に前記レーザビーム５が照射してキーホール２０３を形成するので、図２に示すような、溶融池前方点Ｍの固体付近における溶融金属のなじみ悪化が発生しにくい。
【００４０】
その結果、高速溶接を行ってもハンピングビードが形成しにくい。しかし、前記の通り、前記流れ１１７ａと前記流れ１１７ｂとに比較して前記流れ１１７ｂは、前記キーホール２０３の影響を受けずに発達しやすいため、溶融池サイド点Ｋまたは溶融池サイド点Ｌへの溶融金属の補給が不十分になりがちであり、ハンピングが形成しなくてもアンダーカットが形成することがある。
【００４１】
本発明の実施の形態で形成した良好なビードの止端部の模式図を図４（ａ）に、図２と図３に示す方法で形成した不良なビードの止端部の模式図を図４（ｂ）に示す。
【００４２】
図４では、溶込み領域を１１８と１１９と、止端部をＳとＴとＱとＲと示している。
【００４３】
図示の通り、図（ｂ）におけるアンダーカットが発生した止端部Ｑと止端部Ｒとに対して、図（ａ）では、良好な止端部Ｓと止端部Ｔが得られる。
【００４４】
図（ｂ）では、図２または図３の方法で得られる溶込み領域１１８の形状を同様に描いたが、実際の溶接では、図２の方法で得られた溶込み領域１１８の深さは、図３の方法より深い。
【００４５】
本実施の形態では、図１に示すように、鉄を主成分とするワイヤを使用して鉄を主成分とする被溶接物の同一箇所を溶接線に沿って同時に複合溶接する場合、レーザ溶接にはキーホールを形成しながら溶接すると共に、アークを先行させ、前記レーザビームを後行させることによって良好なビードを得ることができる。
【００４６】
図１において、溶接線ｂｂ’を直線として描いたが、前記溶接線ｂｂ’が曲線であってもよい。この場合、被溶接物６の表面におけるレーザビーム５の照射点とワイヤ８の狙い点とを通す直線を前記曲線状の溶接線ｂｂ’の切線と一致するように配置すればよい。
【００４７】
こ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を図５に示す。
【００４８】
図５では、図１２に示す従来例または図１に示す実施の形態１と同様の構成及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。
【００４９】
図５では、レーザビーム５のレーザ出力を設定する出力設定手段１４で設定したレーザ出力設定値Ｐと、被溶接物６の表面におけるレーザビーム５のビーム直径φを設定するビーム直径設定手段１５で設定したビーム直径設定値φとを入力し、前記ビーム直径設定値φに対する前記レーザ出力設定値Ｐの適否を判定してその判定結果を制御手段１２と警告手段１６とに出力する出力判定手段を１３で示している。
【００５０】
また、前記出力判定手段１３からの入力を受け、レーザ発生手段１とアーク発生手段７とを御する制御手段を１７で示している。
【００５１】
前記出力判定手段１３と前記制御手段１７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。前記警告手段１６として、音を発する部品または装置を使用してよく、ランプを使用してそれを点灯または点滅させてもよい。
【００５２】
上記実施の形態の動作について説明する。
【００５３】
溶接開始する際に、前記出力判定手段１３では、レーザ出力設定手段１４で設定したレーザ出力設定値Ｐとビーム直径設定手段１５で設定したビーム直径設定値φとを入力して、前記ビーム直径設定値φと前記レーザ出力Ｐとの組合せで溶融池１０８においてキーホール２０２が形成できるかどうかを計算する。
【００５４】
計算の結果、前記レーザ出力設定値Ｐと前記ビーム直径設定値φとの組合せで前記キーホール２０２が形成できる場合は、前記出力判定手段１３は、前記レーザ出力設定値Ｐをそのまま制御手段１７に出力する。
【００５５】
前記制御手段１７は、溶接開始信号を受けてから一定期間以内に前記出力判定手段１３から前記レーザ出力設定値Ｐを受けると、レーザ発生手段１とアーク発生手段７とを制御して複合溶接を行う。
【００５６】
一方、前記出力判定手段１３の計算結果で前記レーザ出力設定値Ｐと前記ビーム直径設定値φとの組合せで前記キーホール２０２が形成できない場合は、前記出力判定手段１３は、前記制御手段１７に溶接不可信号を出力すると共に、警告信号を警告手段１６に出力する。
【００５７】
前記制御手段１７は、溶接開始信号を受けてから一定期間以内に前記出力判定手段１３から溶接不可信号を受けると、レーザ発生手段１とアーク発生手段７とを制御して、複合溶接を行わないよう動作する。それと同時に、前記警告手段１６は、出力判定手段１３から警告信号を受けると、直ちに溶接不可状態を示すよう警告（音、ランプの点灯または点滅）を発する。
【００５８】
以上の動作によって、ビーム直径設定値φとレーザ出力設定値Ｐとの組合せでキーホール溶接ができた場合のみ溶接を行うことが可能となり、良好なビードを得ると共に、不良ビードの発生を未然に防止することができる。
【００５９】
出力判定手段１３の計算または判定方法について、図６を参照しつつ説明する。
【００６０】
図６は、鉄を主成分とする被溶接物６のレーザ溶接においてレーザ出力とビーム直径とによって決まる溶込み形状を示す関係図である。
【００６１】
図６中の「○」印は測定点であり、直線Ｃ１は前記測定点を近似的に示す直線で、前記直線１よりレーザ出力が大きく、またはビーム直径が小さくなる方向を矢印ＫＨと示しており、その領域は、キーホール領域である。また、前記直線１よりレーザ出力が小さく、またはビーム直径が大きくなる方向を矢印ＨＴと示しておち、その領域は、熱伝導領域である。前記直線Ｃ１は、次の（数１）に示す近似式によって表すことができる。
【００６２】
【数１】
但し、Ｐ０はキーホールを得るためのレーザ出力最小値（ｋＷ）であり、φは被溶接物表面におけるレーザビームのビーム直径（ｍｍ）である。α、βは被溶接物の材質と対応する定数であり、鉄を主成分とする被溶接物ではそれぞれα＝２．０〜３．０、β＝０．９〜１．１であるが、望ましいのはα＝２．５、β＝１．０である。
【００６３】
溶接時には、出力判定手段１３は出力設定手段１４からレーザ出力設定値Ｐを、ビーム直径設定手段１５からビーム直径設定値φを入力し、数式１から前記ビーム直径設定値φと対応するキーホールを得るためのレーザ出力最小値Ｐ０を算出する。
【００６４】
前記出力設定値Ｐが前記レーザ出力最小値Ｐ０と同等またはＰ０より大きければ、前記出力判定手段１３は前記レーザ出力設定値Ｐをそのまま制御手段１７に出力する。その後の動作は前述の通りである。
【００６５】
一方、前記出力設定値Ｐが前記レーザ出力最小値Ｐ０より小さければ、前記出力判定手段１３は前記制御手段１７に溶接不可信号を出力すると共に、警告手段１６に警告信号を出力する。
【００６６】
その後の動作は、前述の通りである。すなわち、良好なビードを得るためには、図６の矢印ＫＨで示すキーホール領域のレーザ出力とビーム直径との組合せの条件を使用すればよい。
【００６７】
本実施の形態では、図５に示すように、鉄を主成分とするワイヤを使用して鉄を主成分とする被溶接物の同一箇所を溶接線に沿って同時に複合溶接する場合、レーザ溶接にはキーホールを形成しながら溶接すると共に、アークを先行させ、前記レーザビームを後行させることによって良好なビードを得ると共に、不良なビード形成を未然に防止することができる。
【００６８】
（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２における複合溶接装置の構成を示す模式図である。
【００６９】
図７では、図１２に示す従来例または図５に示す実施の形態２と同様の構成及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。
【００７０】
図７では、図５における出力判定手段１３と制御手段１７との代わりに、レーザビーム５のレーザ出力を設定する出力設定手段１４で設定したレーザ出力設定値Ｐと、被溶接物６の表面におけるレーザビーム５のビーム直径φを設定するビーム直径設定手段１５で設定したビーム直径設定値φとを入力し、前記ビーム直径設定値φに対する適正なレーザ出力算出値ＰＬを自動的に算出する出力算出手段１８と、前記レーザ出力算出値ＰＬを入力してレーザ発生手段１とアーク発生手段７とを制御する制御手段１９とを使用する。
【００７１】
上記実施の形態の動作について説明する。
【００７２】
溶接開始する際に、前記出力算出手段１８では、レーザ出力設定手段１４で設定したレーザ出力設定値Ｐとビーム直径設定手段１５で設定したビーム直径設定値φとを入力し、前記ビーム直径設定値φと対応する前記レーザ出力設定値Ｐでキーホール溶接を実現できる場合は、前記レーザ出力設定値Ｐをそのまま前記制御手段１９に出力するが（この場合、レーザ出力算出値ＰＬ＝レーザ出力設定値Ｐ）、前記ビーム直径設定値φと対応する前記レーザ出力設定値Ｐでキーホール溶接を実現できない場合は、前記ビーム直径設定値φに基づき新たにレーザ出力算出値ＰＬを算出して、それを前記制御手段１９に出力する。前記制御手段１９は、前記出力算出手段１８からレーザ出力算出値ＰＬを入力し、前記レーザ発生手段１とアーク発生手段７とを制御して複合溶接を行う。
【００７３】
出力算出手段１８の計算方法まだは動作について、図８を参照して説明する。
【００７４】
図８は、鉄を主成分とする被溶接物６のレーザ溶接においてレーザ出力とビーム直径とによって決まる溶込み形状とレーザ出力算出方法とを示す模式図である。なお、図６と数式１と同様のものには同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７５】
図８では、レーザ出力設定値Ｐとビーム直径設定値φとが設定した場合の設定点をＷＥＬ０を示している。
【００７６】
図示の通り、キーホール溶接が実現できない。キーホール溶接を実現するためには、少なくともレーザ出力を設定点ＷＥＬ０のビーム直径設定値φと対応する、直線Ｃ１上にある対応点ＷＥＬ０’の値以上にする必要がある。前記対応点ＷＥＬ０’のレーザ出力は、前述の通り、（数１）に示すレーザ出力最小値Ｐ０から算出できる。ここで出力算出手段１８は、前記設定点ＷＥＬ０と対する算出点ＷＥＬ１のレーザ出力を算出し、出力する。算出は、（数２）に従う。
【００７７】
【数２】
但し、Ｐ１はキーホールを得るためのレーザ出力算出値（ｋＷ）であり、前記出力算出手段１８からのレーザ出力算出値ＰＬである（ＰＬ＝Ｐ１）。γは裕度係数である（γ≧１）。
【００７８】
裕度係数について説明する。図において、（数３）
【００７９】
【数３】
は、前記レーザ出力算出値Ｐ１と前記レーザ出力最小値Ｐ０との差を示すレーザ出力差を示しており、キーホール溶接を実現するためのレーザ出力の裕度である。
【００８０】
γ＞１であれば、前記算出点ＷＥＬ１と前記対応点ＷＥＬ０’との間にレーザ出力差ΔＰの差が発生するが、これは、キーホールを形成するための裕度である。
【００８１】
言うまでもなく、γ＝１ではΔＰ＝０となり、前記算出点ＷＥＬ１と前記対応点ＷＥＬ０’が一致する。この場合でも、前述の通りキーホール溶接が実現できる。前述した裕度係数γは、予め出力算出手段１８に記憶されたものをそのまま使用してよい。
【００８２】
本実施の形態では、図７に示すように、図５において出力判定手段１３と制御手段１７との代わりに出力算出手段１８と制御手段１９とを使用することによって前記レーザビームを後行させることによって良好なビードを得ると共に、不良なビード形成を未然に防止することができる。
【００８３】
実施の形態１と実施の形態２とでは、（数１）または（数２）においてレーザビーム５のビーム直径φは、被溶接物６の表面で測定した集光スポットの直径の測定値に相当する。
【００８４】
図示していないが、前記測定値はビーム直径φとしてビーム直径設定手段１５に設定される。前記集光スポットが概略的に円形の場合には前記ビーム直径φとしては前記集光スポットの概略的直径を使用してよく、前記集光スポットが概略的に楕円形の場合には前記ビーム直径φとしては前記集光スポットの概略的楕円形の長軸と短軸との値から、（数４）の通り算出してよい。
【００８５】
【数４】
但し、φＬとφＳとは、集光スポットが概略的楕円形の場合の楕円形の長軸と短軸である。また、前記集光スポットが円形または楕円形のいずれでもない場合には、（数５）を使用して算出してよい。
【００８６】
【数５】
但し、Ｓｓｐｏｔは集光スポットの面積であり、πは円周率である。
【００８７】
上記実施の形態では、レーザ溶接とアーク溶接との配置間隔については特に規定していないが、言うまでもなく、前記レーザビーム５の照射位置とワイヤ８の狙い位置との間隔を被溶接物６の表面における前記レーザビーム５のビーム直径φと前記ワイヤ８の直径との和の値以上、６ｍｍ以下とすることによって同様の効果を得ることができる。
【００８８】
これは、前記間隔を設けることによって、前記レーザビーム５によって形成したキーホール２０２の中心位置とアーク１１の溶融池１０８における作用位置の中心位置は近くなり、最も深い溶込みを得ることができるためである。
【００８９】
また、上記実施の形態では、アーク溶接としてパルスアーク溶接を使用することによって同様の効果を得ると共に、溶接中に発生するスパッタ量を低減する効果も期待できる。これは、パルスアーク溶接では、短絡移行のアーク溶接と比較してワイヤ８と溶融池１０８の表面との接触がほとんどないままで溶融ワイヤの移行が行われるためである。アーク溶接に使用するシールドガスとしては、５〜４０％炭酸ガスを含有する、アルゴンと炭酸ガスとの混合ガスを使用することによって最も大きいスパッタ低減の効果を得ることができる。これは、前記組成のシールドガスの中でパルスアーク溶接が最も安定に行えるためである。
【００９０】
また、上記実施の形態では、レーザ溶接に使用するレーザビーム５として波長７００〜１１００ｎｍのものを使用することによって同様の効果を得ることができる。これは、この波長領域のレーザビーム５は鉄を主成分とする被溶接物によって最も吸収されやすいだけでなく、溶接中に前記レーザビーム５によって誘起されるプラズマの前記レーザビーム５に対する吸収が少ないためである。
【００９１】
（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３におけるレーザ照射とワイヤ狙いとの相関関係を示す模式図である。なお、図１に示す内容と同様の構成及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。
【００９２】
図９では、被溶接物６の表面上における溶接線をｂｂ’と、レーザビーム５の光軸ｃｃ’と前記溶接線ｂｂ’との溶接方向Ａの方向になす角度を示すレーザビーム傾斜角をθＬと、ワイヤ８の中心軸ａａ’と前記溶接線ｂｂ’との前記溶接方向Ａの方向になす角度を示すワイヤ傾斜角をθＡと示している。
【００９３】
このように図に示す通り、レーザビーム傾斜角θＬとワイヤ傾斜角θＬとは共に鋭角または鈍角であるので、前記光軸ｃｃ’と前記中心軸ａａ’とのなす角度を小さくすることが可能であり、狭い場所での溶接施工が容易である。
【００９４】
また、図において、レーザビーム傾斜角θＬとワイヤ傾斜角θＬとを鋭角に描いたが、言うまでもなく、鈍角であってもよい。
【００９５】
本実施の形態では、図９に示すように、レーザビームの光軸と溶接線との溶接方向になす角度と、ワイヤの中心軸と溶接線との溶接方向になす角度とを共に鋭角または鈍角とすることによって同様の効果を得ることができるのみでなく、狭い場所での溶接施工を容易にすることができる。
【００９６】
（実施の形態４）
図１０は本発明の実施の形態４に使用するワイヤ８のＳｉとＭｎとの成分範囲を示す模式図である。
【００９７】
前記Ｓｉと前記Ｍｎと製造上極微量の不可避不純物とを除き、残部はＦｅである。前記ワイヤ８としては、Ｃｕめっきをしてもよいが、図１０に示す組成は、Ｃｕめっきの部分を除いた部分の組成を指す。
【００９８】
図１０では、Ｓｉ＝０．４０質量％とＳｉ＝０．７５質量％を示す直線をそれぞれＣ２とＣ３と、それぞれＭｎ＝０．９０質量％とＭｎ＝１．３０質量％を示す直線をそれぞれＣ４とＣ５と、Ｓｉ＋Ｍｎ＝１．４質量％とＳｉ＋Ｍｎ＝２．０質量％を示す直線をそれぞれＣ６とＣ７と、前記直線Ｃ２〜Ｃ７で囲んだ成分領域をＭＳと示している。
【００９９】
次に、前記ワイヤ８に含まれるＳｉとＭｎとの量と、溶接施工の容易さと、溶接継手強度との関係について説明する。
【０１００】
図示の通り、ＳｉまたはＭｎの量として、Ｓｉ量が直線Ｃ３で示すＳｉ量より多い、またはＭｎ量が直線Ｃ５で示すＭｎ量より多い、またはＳｉ＋Ｍｎ量が直線Ｃ７で示すＳｉ＋Ｍｎ量より多い場合、すなわち、矢印ＭＳ１で示す方向では、溶融金属の湯流れが悪化する。極端な場合には、溶融不良またはアンダーカットなどの溶接欠陥が形成してしまう。
【０１０１】
一方、Ｓｉ量が直線Ｃ２で示すＳｉ量より少ない、またはＭｎ量が直線Ｃ４で示すＭｎ量より少ない、またはＳｉ＋Ｍｎ量が直線Ｃ６で示すＳｉ＋Ｍｎ量より少ない場合、すなわち、矢印ＭＳ２で示す方向では、溶融金属の湯流れの悪化がないが、溶接継手の強度が不足してしまう。
【０１０２】
したがって、前記成分領域ＭＳ内にある組成を有するワイヤ８を使用することによって、溶接欠陥のない良好な溶接ビードを得ると共に、十分な溶接継手強度を確保することができる。
【０１０３】
本実施の形態では、図１０に示すように、ワイヤとしてＣｕめっきをしてもよいが、Ｃｕめっきの部分を除いた芯線の組成は製造上極微量の不可避不純物を除き、Ｃ：０．０２〜０．１２質量％、Ｓｉ：０．４０〜０．７５質量％、Ｍｎ：０．９０〜１．３０質量％、Ｓｉ＋Ｍｎ：１．４〜２．０質量％、Ｆｅ：残部、の組成を有するものを使用することによって良好なビードを得ると共に、十分な溶接継手性能を確保することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
以上のように、本発明に係る複合溶接装置は、鉄を主成分とするワイヤを使用して鉄を主成分とする被溶接物の同一箇所をレーザ溶接とアーク溶接で溶接線に沿って同時に溶接する際に良好なビードを得ることができる複合溶接装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるアーク形態、溶融池形状及び溶融池内流れを示す模式図
【図２】アーク溶接単独時のアーク形態、溶融池形状及び溶融池内流れを示す模式図
【図３】レーザが溶融池前方に照射した場合のアーク形態、溶融池形状及び溶融池内流れを示す模式図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１の方法で形成した良好なビードの止端部の模式図、（ｂ）図２と図３とに示す方法で形成した不良なビードの止端部の模式図
【図５】本発明の実施の形態１における複合溶接装置の構成を示す模式図
【図６】鉄を主成分とする被溶接物のレーザ溶接においてレーザ出力とビーム直径とによって決まる溶込み形状を示す関係図
【図７】本発明の実施の形態２における複合溶接装置の構成を示す模式図
【図８】鉄を主成分とする被溶接物のレーザ溶接においてレーザ出力とビーム直径とによって決まる溶込み形状とレーザ出力算出方法とを示す模式図
【図９】本発明の実施の形態３における複合溶接方法または複合溶接装置のレーザ照射とワイヤ狙いとの相関関係を示す模式図
【図１０】本発明の実施の形態４に使用するワイヤのＳｉとＭｎとの成分範囲を示す模式図
【図１１】レーザのパワー密度が異なった場合に形成する溶込み断面形状を示す模式図
【図１２】従来技術の複合溶接装置のブロック図
【符号の説明】
【０１０６】
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 アーク発生手段
８ ワイヤ
８ａ ワイヤ
８ｂ ワイヤ
９ ワイヤ送給手段
１０ トーチ
１１ アーク
１２ 制御手段
１３ 出力判定手段
１４ 出力設定手段
１５ ビーム直径設定手段
１６ 警告手段
１７ 制御手段
１８ 出力算出手段
１９ 制御手段
１０１ 溶融池
１０２ 熱伝導
１０３ 蒸発
１０４ キーホール
１０５ 溶融池
１０６ 熱伝導
１０７ 溶融池
１０８ 溶融池
１０９ ビード
１１０ａ 流れ
１１０ｂ 流れ
１１１ａ 流れ
１１１ｂ 流れ
１１１ｃ 流れ
１１２ 溶融池
１１３ ビード
１１４ａ 流れ
１１４ｂ 流れ
１１４ｃ 流れ
１１５ 溶融池
１１６ ビード
１１７ａ 流れ
１１７ｂ 流れ
１１７ｃ 流れ
１１８ 溶込み領域
１１９ 溶込み領域
２０１ 溶滴
２０２ キーホール
２０３ キーホール
ａａ’ 中心軸
ｂｂ’ 溶接線
ｃｃ’ 光軸
Ａ 溶接方向
Ｂ 溶融池振動
Ｃ 溶融池振動
Ｃ１ 直線
Ｃ２ 直線
Ｃ３ 直線
Ｃ４ 直線
Ｃ５ 直線
Ｃ６ 直線
Ｃ７ 直線
Ｄ 溶融池振動
ＨＴ 矢印
Ｋ 溶融池サイド点
ＫＨ 矢印
Ｌ 溶融池サイド点
Ｍ 溶融池前方点
ＭＳ 成分領域
ＭＳ１ 矢印
ＭＳ２ 矢印
Ｎ 溶融池前方点
Ｐ レーザ出力設定値（ｋＷ）
Ｐ０ レーザ出力最小値（ｋＷ）
Ｐ１ レーザ出力算出値（ｋＷ）
ＰＬ レーザ出力算出値（ｋＷ）
Ｑ 止端部
Ｒ 止端部
Ｓ 止端部
Ｔ 止端部
ＷＥＬ０ 設定点
ＷＥＬ０’ 対応点
ＷＥＬ１ 算出点
Ｘ 溶接方向
Ｙ 溶接方向
φ ビーム直径設定値
α 被溶接物の材質と対応する定数
β 被溶接物の材質と対応する定数
γ 裕度係数
θＬ レーザビーム傾斜角
θＡ ワイヤ傾斜角
ΔＰ レーザ出力差
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄を主成分とする被溶接物に照射するレーザビームを発生するレーザ発生手段と、鉄を主成分とするワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生するアーク発生手段と、前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段とを制御する制御手段と、前記被溶接物の表面における前記レーザビームのビーム直径を設定するビーム直径設定手段と、前記レーザビームのレーザ出力を設定する出力設定手段と、前記ビーム直径設定手段からのビーム直径設定値と前記出力設定手段からのレーザ出力設定値を入力して前記ビーム直径設定値に対する前記レーザ出力設定値の適否を判定してその判定結果を前記制御手段に出力する出力判定手段と、前記出力判定手段からの出力を入力する警告手段を設け、前記レーザビームで前記被溶接物にキーホールを形成しながら溶接すると共に、前記アークを溶接線に沿って先行させ、前記レーザビームを前記アークよりも後行させることを特徴とする複合溶接装置。
【請求項２】
前記出力判定手段は、前記被溶接物表面におけるレーザビームのビーム直径に対応する前記被溶接物に固有のキーホールを得るためのレーザ出力最小値以上に前記レーザ出力設定値が設定されているか判定する複合溶接装置。
【請求項３】
鉄を主成分とする被溶接物に照射するレーザビームを発生するレーザ発生手段と、鉄を主成分とするワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生するアーク発生手段と、前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段とを制御する制御手段と、前記被溶接物の表面における前記レーザビームのビーム直径を設定するビーム直径設定手段と、前記レーザビームのレーザ出力を設定する出力設定手段と、前記ビーム直径設定手段からのビーム直径設定値と前記出力設定手段からのレーザ出力設定値を入力して前記ビーム直径設定値に対応するレーザ出力算出値を算出して前記制御手段に出力する出力算出手段とを設け、前記レーザビームで前記被溶接物にキーホールを形成しながら溶接すると共に、前記アークを溶接線に沿って先行させ、前記レーザビームを前記アークよりも後行させることを特徴とする複合溶接装置。
【請求項４】
前記出力算出手段は、前記被溶接物表面におけるレーザビームのビーム直径に対応する前記被溶接物に固有のキーホールを得るためのレーザ出力算出値を算出する請求項３記載の複合溶接装置。
【請求項５】
前記レーザビームの照射位置と前記ワイヤの狙い位置との間隔は、前記被溶接物表面におけるレーザビームのビーム直径とワイヤの直径との和の値以上、６ｍｍ以下とする請求項１から４の何れかに記載の複合溶接装置。
【請求項６】
前記アーク溶接として、パルスアーク溶接を使用する請求項１から５の何れかに記載の複合溶接装置。
【請求項７】
前記アーク溶接に使用するシールドガスとして、５〜４０％炭酸ガスを含有する、アルゴンと炭酸ガスとの混合ガスを使用する請求項６記載の複合溶接装置。
【請求項８】
前記レーザ溶接に使用するレーザとして、波長７００〜１１００ｎｍのレーザを使用する請求項１から７の何れかに記載の複合溶接装置。
【請求項９】
前記レーザビームの光軸と前記溶接線との溶接方向になす角度と、前記ワイヤの中心軸と前記溶接線との溶接方向になす角度を、共に９０度未満とするか、または共に９０度以上とする請求項１から請求項８の何れかに記載の複合溶接装置。
【請求項１０】
ワイヤとして、芯線の組成は製造上極微量の不可避不純物を除き、Ｃ：０．０２〜０．１２質量％、Ｓｉ：０．４０〜０．７５質量％、Ｍｎ：０．９０〜１．３０質量％、Ｓｉ＋Ｍｎ：１．４〜２．０質量％、Ｆｅ：残部の組成を有するものを使用する請求項１から９の何れかに記載の複合溶接装置。
【請求項１】
鉄を主成分とする被溶接物に照射するレーザビームを発生するレーザ発生手段と、鉄を主成分とするワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生するアーク発生手段と、前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段とを制御する制御手段と、前記被溶接物の表面における前記レーザビームのビーム直径を設定するビーム直径設定手段と、前記レーザビームのレーザ出力を設定する出力設定手段と、前記ビーム直径設定手段からのビーム直径設定値と前記出力設定手段からのレーザ出力設定値を入力して前記ビーム直径設定値に対する前記レーザ出力設定値の適否を判定してその判定結果を前記制御手段に出力する出力判定手段と、前記出力判定手段からの出力を入力する警告手段を設け、前記レーザビームで前記被溶接物にキーホールを形成しながら溶接すると共に、前記アークを溶接線に沿って先行させ、前記レーザビームを前記アークよりも後行させることを特徴とする複合溶接装置。
【請求項２】
前記出力判定手段は、前記被溶接物表面におけるレーザビームのビーム直径に対応する前記被溶接物に固有のキーホールを得るためのレーザ出力最小値以上に前記レーザ出力設定値が設定されているか判定する複合溶接装置。
【請求項３】
鉄を主成分とする被溶接物に照射するレーザビームを発生するレーザ発生手段と、鉄を主成分とするワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生するアーク発生手段と、前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段とを制御する制御手段と、前記被溶接物の表面における前記レーザビームのビーム直径を設定するビーム直径設定手段と、前記レーザビームのレーザ出力を設定する出力設定手段と、前記ビーム直径設定手段からのビーム直径設定値と前記出力設定手段からのレーザ出力設定値を入力して前記ビーム直径設定値に対応するレーザ出力算出値を算出して前記制御手段に出力する出力算出手段とを設け、前記レーザビームで前記被溶接物にキーホールを形成しながら溶接すると共に、前記アークを溶接線に沿って先行させ、前記レーザビームを前記アークよりも後行させることを特徴とする複合溶接装置。
【請求項４】
前記出力算出手段は、前記被溶接物表面におけるレーザビームのビーム直径に対応する前記被溶接物に固有のキーホールを得るためのレーザ出力算出値を算出する請求項３記載の複合溶接装置。
【請求項５】
前記レーザビームの照射位置と前記ワイヤの狙い位置との間隔は、前記被溶接物表面におけるレーザビームのビーム直径とワイヤの直径との和の値以上、６ｍｍ以下とする請求項１から４の何れかに記載の複合溶接装置。
【請求項６】
前記アーク溶接として、パルスアーク溶接を使用する請求項１から５の何れかに記載の複合溶接装置。
【請求項７】
前記アーク溶接に使用するシールドガスとして、５〜４０％炭酸ガスを含有する、アルゴンと炭酸ガスとの混合ガスを使用する請求項６記載の複合溶接装置。
【請求項８】
前記レーザ溶接に使用するレーザとして、波長７００〜１１００ｎｍのレーザを使用する請求項１から７の何れかに記載の複合溶接装置。
【請求項９】
前記レーザビームの光軸と前記溶接線との溶接方向になす角度と、前記ワイヤの中心軸と前記溶接線との溶接方向になす角度を、共に９０度未満とするか、または共に９０度以上とする請求項１から請求項８の何れかに記載の複合溶接装置。
【請求項１０】
ワイヤとして、芯線の組成は製造上極微量の不可避不純物を除き、Ｃ：０．０２〜０．１２質量％、Ｓｉ：０．４０〜０．７５質量％、Ｍｎ：０．９０〜１．３０質量％、Ｓｉ＋Ｍｎ：１．４〜２．０質量％、Ｆｅ：残部の組成を有するものを使用する請求項１から９の何れかに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９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−２０７８７５（Ｐ２０１０−２０７８７５Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５７７０４（Ｐ２００９−５７７０４）
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【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２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【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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