JP2012240063A - レーザ溶接方法とレーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被溶接物の溶接位置にレーザ溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行いながら溶接位置にフィラーを供給するレーザ溶接方法において、溶接中に外乱があっても良好な溶接ビードを得るレーザ溶接方法とレーザ溶接装置を提供する。
【解決手段】レーザ発生手段９と、アーク発生手段１３と、加熱手段２０と、ワイヤ送給手段１７と、フィラー送給手段１８と、電圧検出手段２４と、調整手段２５と制御手段２６とを備え、前記制御手段２６は、フィラー７に加熱電流を流してそれを加熱する際、前記フィラー７と溶融池６との接触不良の前兆が検出されると、前記フィラー７と前記溶融池６とが接触するよう前記フィラー７の送給速度または前記フィラー７の先端位置を調整しながら溶接を行うことによって溶接中に外乱があっても前記フィラー７と前記溶融池６との接触を確保することができ良好な溶接ビードを得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被溶接物にレーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うレーザ溶接方法とレーザ溶接装置に関し、特には、ワイヤを送給してアーク溶接を行うと同時に溶接位置に加熱しながらフィラーを送給して溶接を行うレーザ溶接方法とレーザ溶接装置に関する。

レーザ溶接は高速溶接に適する方法であるが、レーザビームが被溶接物にあるギャップから抜けてしまい、溶接欠陥が生じる欠点がある。この欠点を補うために、フィラーを供給する方法や、消耗電極式アーク溶接と併用する方法が提案されている。

前者では、フィラーの溶融効率の向上に問題があり、後者では、ワイヤの溶着速度と溶接電流との独立調整に問題があった。これらの問題を解決するために、本発明の発明者は、アーク溶接のワイヤと別に設けたフィラーを溶接位置に供給し、溶着速度と溶接電流の独立調整を図ると共に、フィラーを加熱することによって更に溶着速度を向上させる方法を提案している。

図３は本発明の発明者が提案した従来のレーザ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はワイヤ、４は前記ワイヤ３と前記被溶接物１との間に発生したアーク、５は前記ワイヤ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とが前記被溶接物１に形成した溶融池、７は前記被溶接物１の溶接位置に送給するフィラー、８は前記溶融池６が凝固して形成したビードである。

前記フィラー７は、前記ワイヤ３に供給する溶接電流と無関係に調整することが可能なので、前記被溶接物１への投入熱量を上げることなく、前記フィラー７の送給速度のみを調整することによって前記溶融池６への溶融金属量を上げることが可能である（例えば、特許文献１を参照）。

国際公開第２０１０／０２１０９４号

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、被溶接物の溶接位置にレーザ溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行いながら、前記溶接位置にフィラーを供給するレーザ溶接方法において、前記フィラーと前記被溶接物とを接触させ、前記フィラーと前記被溶接物との間に電流を流すことによって前記フィラーを加熱しながら溶接を行う際に、溶接中に外乱があっても良好な溶接ビードを得るレーザ溶接方法とレーザ溶接装置を提供することにある。

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するレーザ発生手段と、前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給手段と、前記ワイヤ送給手段を制御しながら前記ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を送給するアーク発生手段と、前記溶接位置にフィラーを送給するフィラー送給手段と、前記フィラーに電流を流す加熱手段と、前記フィラーと前記被溶接物との間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の検出信号を入力して前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段と前記加熱手段とを制御する制御手段とを備え、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに加熱電流を流すことによって前記フィラーを加熱する際、前記フィラーと前記被溶接物また前記溶融池との接触不良の前兆が検出されると、前記制御手段は、前記フィラーと前記被溶接物または前記溶融池とが接触するよう前記フィラーの送給速度または前記フィラーの先端位置を調整しながら溶接を行うレーザ溶接装置である。

また、本発明は、フィラーと被溶接物または溶融池との接触不良の前兆の検出には前記フィラーと前記被溶接物または溶融池との間の電圧値を使用するレーザ溶接装置である。

また、本発明は、フィラーと被溶接物または溶融池との接触不良の前兆の検出には前記フィラーと前記被溶接物または溶融池との間の抵抗値を使用するレーザ溶接装置である。

以上のように本発明は、被溶接物の溶接位置にレーザ溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行いながら、前記溶接位置にフィラーを供給するレーザ溶接方法において、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに加熱電流を流す際に、前記フィラーと前記被溶接物また前記溶融池との接触不良の前兆が検出されると、前記フィラーと前記被溶接物または前記溶融池とが接触するよう前記フィラーの送給速度または前記フィラーの先端位置を調整しながら溶接を行うことによって溶接中に外乱があっても前記フィラーと被溶接物または溶融池との接触を確保することができ、良好な溶接ビードを得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置の構成を示す模式図 フィラーと溶融池との接触状態を示す模式図 従来のレーザ溶接方法の構成を示す模式図 参考例に係るレーザ溶接装置の構成を示す模式図

（参考例）
本願発明を詳細に説明する前に、本発明の発明者が提案した、フィラーを加熱することによって溶着速度の更なる向上を図る別のレーザ溶接方法の構成を説明する。

図４は係る構成を示す模式図である。なお、図３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。

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である。１３はケーブル１４によって、ワイヤ３を通すトーチ１６に接続され、また、ケーブル１５によって被溶接物１に接続され、前記ワイヤ３と前記被溶接物１との間にアーク４を発生するための電力を送給するアーク発生手段である。１７は、前記トーチ１６を通して前記ワイヤ３を前記被溶接物１に送給するワイヤ送給手段、１８はトーチ１９を通してフィラー７を前記被溶接物１の溶接位置に送給するフィラー送給手段である。２０は、ケーブル２１とケーブル２２によってトーチ１９と前記被溶接物１に接続され、前記フィラー７に電流を供給することによって前記フィラー７を加熱する加熱手段である。２３は、前記レーザ発生手段９と前記アーク発生手段１３と前記フィラー送給手段１８と前記加熱手段２０とを制御する制御手段である。

前記レーザ発生手段９は、その集光光学系１２によってレーザビーム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。

前記アーク発生手段１３は、溶接開始時には前記ワイヤ送給手段１７を制御し、前記ワイヤ３を前記被溶接物１に向かって送給しつつ、前記ワイヤ３と前記被溶接物１の間に前記アーク４を発生するよう制御するが、溶接終了時には前記ワイヤ送給手段１７による前記ワイヤ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。

前記フィラー送給手段１８または前記ワイヤ送給手段１７は、その送給速度と送給の開始と停止と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。前記加熱手段２０は、所定の電流を供給することができ、なお、その電流値および供給タイミングは外部の制御装置より制御できる。前記加熱手段２０としては、例えば、一定値の直流電流を供給する電源であってよく、パルス状の電流を供給する電源であってもよい。ＴＩＧ電源のようなものを使用してもよい。

溶接中、前記制御手段２３は、加熱手段２０を制御して前記フィラー７を加熱するための電流を供給する。図示していないが、前記フィラー７と前記被溶接物１または溶融池６とを接触させ、前記フィラー７に電流を流すことによって前記フィラー７を加熱しながら溶接を行う。その結果、溶着速度を上げることができ、継手溶接では広い許容ギャップを得ることができた。

（実施の形態１）
上述の参考例に示す通り、本発明者の従来から提案したレーザ溶接方法では、フィラーを加熱しながら溶接を行い、溶着速度を上げることによって継手溶接の許容ギャップを広げることができた。

しかしながら、溶接中に外乱などがあると、フィラー先端が被溶接物または溶融池から離れるので、その加熱効果がなくなって、所定の溶着速度を得ることができなくなったり、場合によっては良好な継手を作ることができなくなってしまったりする可能性が残る。その点を改善した更に好ましい構成を実施の形態１で詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置の構成を示す模式図である。なお、図３と図４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。

２４は、トーチ１９と被溶接物１とに接続され、フィラー７が加熱される時に発生する電圧を検出するための電圧検出手段である。２５は、前記トーチ１９が取り付けられ、前記トーチ１９を調整することによって前記フィラー７の先端位置を調整するための調整手段である。前記調整手段２５は、紙面の横方向、縦方向または紙面の垂直方向に前記トーチ１９を調整することが可能である。

２６は、前記電圧検出手段２４からの信号を入力して演算し、レーザ発生手段９とアーク発生手段１３とフィラー送給手段１８と加熱手段２０と調整手段２５とを制御する制御手段である。前記制御手段２６は、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。前記制御手段２６としては、ロボットを使用してもよい。その際、詳細の説明を省略するが、前記調整手段２５の代わりに前記ロボットのマニピュレータ部を使用してもよい。前記制御手段２６は、図示していないが、溶接開始（アークスタート、レーザ照射開始）のタイミング、前記ワイヤ３または前記フィラー７の送給速度またはそれを変えるタイミング、フィラー７の加熱電流またはそれを変えるタイミングを制御することができる。

本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置の動作について説明する。図１に示した通り、制御手段２６は、レーザ発生手段９とアーク発生手段１３とを制御して被溶接物１の溶接位置にレーザビーム２を照射したりアーク４を発生したりして溶接を行うと同時に、前記溶接位置にフィラー７を供給するよう動作する。また、前記制御手段２６は、加熱手段２０を制御して前記フィラー７を加熱するための加熱電流を供給し、前記フィラー７の送給速度を上げられるよう動作する。更に、前記制御手段２６は、前記電圧検出手段２４からの電圧信号を入力してそれを演算し、その演算結果に応じて前記調整手段２５を調整し、前記フィラー７の先端位置を調整するよう動作する。その原理については、図２を参照しつつ説明する。

図２はフィラー７と溶融池６との接触状態を示す模式図である。図２（ａ）は正常状態の接触状態を示し、図２（ｂ）は外乱の影響によって前記フィラー７が前記溶融池６から離れようとする外乱状態を示す。

正常状態では、前記フィラー７と前記溶融池６との間に十分な接触長さＬ１があり、接触部Ａにおける熱の集中が少ない。一方、外乱状態では、前記フィラー７が前記溶融池６から離れようとするので、両者の間の接触長さＬ２が正常状態の前記接触長さＬ１より短くなる。そのため、接触部Ｂにおける断面積が減少し、電気抵抗が増加するので、前記接触部Ｂにおいて熱の集中が発生してしまう恐れがある。前記接触部Ｂにおける熱の集中が大きすぎると、この領域における溶融金属の温度上昇が高くなりすぎ、場合によっては沸騰に伴う飛散が発生してしまう可能性がある。実際の溶接では、これを防ぐ必要がある。その役割は、前記制御手段２６によって果たすのである。

具体的には、図２（ｂ）のような外乱状態では、接触部Ｂにおける通電面積が減少し、溶融金属の温度が上昇するので、この間の電圧降下が増加する。この電圧降下信号は常に前記電圧検出手段２４によって検出され、制御手段２６に入力される。前記制御手段２６では、前記電圧降下信号を入力してから、図示していないが、予め設定された電圧降下基準値と比較し、前記電圧降下信号が前記電圧降下基準値を超えた時には、外乱状態と判断する。その後、前記制御手段２６は、次のいずれかの動作で前記外乱状態を正常状態になるよう動作する。

１）調整手段２５を制御し、前記フィラー７の先端が前記溶融池６に所定値だけ近づけ、前記接触長さＬ２がＬ１に近づくよう動作する。

２）フィラー送給手段１８を制御し、前記フィラー７の先端が前記溶融池６に近づくよう前記フィラー７の送給速度を所定値だけ上げるよう動作する。

３）前記１）と前記２）の動作の両方の動作をする。

溶接中に、以上の動作は所定のサンプリング周期および制御周期で行われ、前記フィラー７と前記溶融池６との接触が正常状態に保たれるのである。

以上のように本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置よれば、被溶接物の溶接位置にレーザ溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行いながら、前記溶接位置にフィラーを供給するレーザ溶接方法において、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに加熱電流を流す際に、前記フィラーと前記被溶接物また前記溶融池との接触不良の前兆が検出されると、前記フィラーと前記被溶接物または前記溶融池とが接触するよう前記フィラーの送給速度または前記フィラーの先端位置を調整しながら溶接を行うことによって溶接中に外乱があっても前記フィラーと被溶接物または溶融池との接触を確保することができ、良好な溶接ビードを得ることができる。

以上のように本発明の実施の形態１の加熱手段２０に使用される電流は特に指定しなかったが、パルス状の電流を使用してより有効にフィラー７を加熱することができる。

また、以上のように本発明の実施の形態１の制御手段２６の動作については、電圧検出手段２４によって検出された電圧降下信号によって外乱状態の判定を行った。図示していないが、加熱手段２０の加熱電流信号と前記電圧降下信号とから抵抗信号を算出し、前記抵抗信号または抵抗信号の微分値のいずれかを使用して外乱状態の判定を行ってもよい。そうすることによって、パルス状の電流が使用された時にも、外乱状態の検出が可能である。いうまでも無く、電圧信号の微分値を使用してもよい。

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溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行いながら、前記溶接位置にフィラーを供給するレーザ溶接方法において、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに加熱電流を流す際に、前記フィラーと前記被溶接物また前記溶融池との接触不良の前兆が検出されると、前記フィラーと前記被溶接物または前記溶融池とが接触するよう前記フィラーの送給速度または前記フィラーの先端位置を調整しながら溶接を行うことによって溶接中に外乱があっても前記フィラーと被溶接物または溶融池との接触を確保することができ、良好な溶接ビードを得ることのできるレーザ溶接方法とレーザ溶接装置を提供できる。

１ 被溶接物
２ レーザビーム
３ ワイヤ
４ アーク
５ 溶滴
６ 溶融池
７ フィラー
８ ビード
９ レーザ発生手段
１０ レーザ発振器
１１ レーザ伝送手段
１２ 集光光学系
１３ アーク発生手段
１４ ケーブル
１５ ケーブル
１６ トーチ
１７ ワイヤ送給手段
１８ フィラー送給手段
１９ トーチ
２０ 加熱手段
２１ ケーブル
２２ ケーブル
２３ 制御手段
２４ 電圧検出手段
２５ 調整手段
２６ 制御手段
Ａ 接触部
Ｂ 接触部
Ｌ１ 接触長さ
Ｌ２ 接触長さ

Claims (6)

1. 被溶接物の溶接位置にレーザ溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行いながら、前記溶接位置にフィラーを供給するレーザ溶接方法であって、
   前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに加熱電流を流す際に、前記フィラーと前記被溶接物また前記溶融池との接触不良の前兆が検出されると、前記フィラーと前記被溶接物または前記溶融池とが接触するよう前記フィラーの送給速度または前記フィラーの先端位置を調整しながら溶接を行うレーザ溶接方法。
2. 前記フィラーと被溶接物または溶融池との接触不良の前兆は、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池との間の電圧値で検出する請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記フィラーと被溶接物または溶融池との接触不良の前兆は、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池との間の抵抗値で検出する請求項１に記載のレーザ溶接方法。
4. 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、前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給手段と、前記ワイヤ送給手段を制御しながら前記ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を送給するアーク発生手段と、前記溶接位置にフィラーを送給するフィラー送給手段と、前記フィラーに電流を流す加熱手段と、前記フィラーと前記被溶接物との間の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段の検出信号を入力して前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段と前記加熱手段とを制御する制御手段とを備え、
   前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに加熱電流を流すことによって前記フィラーを加熱する際、前記フィラーと前記被溶接物また前記溶融池との接触不良の前兆が検出されると、前記制御手段は、前記フィラーと前記被溶接物または前記溶融池とが接触するよう前記フィラーの送給速度または前記フィラーの先端位置を調整しながら溶接を行うレーザ溶接装置。
5. 前記フィラーと被溶接物または溶融池との接触不良の前兆は、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池との間の電圧値で検出する請求項４に記載のレーザ溶接装置。
6. 前記フィラーと被溶接物または溶融池との接触不良の前兆は、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池との間の抵抗値で検出する請求項４に記載のレーザ溶接装置。

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