JP2023173547A - レーザアークハイブリッド溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接ワイヤを効率的に予熱することができ、装置の構成の複雑化を抑制することができるレーザアークハイブリッド溶接装置を提供する。【解決手段】レーザアークハイブリッド溶接装置１は、母材２と溶接ワイヤ２０との間にアーク２５を発生させて母材２を溶接する溶接トーチ１０と、母材２において溶接トーチ１０がアーク２５を発生させる領域よりも溶接の進行方向に離隔した領域に向けて第１レーザ５１を照射し、溶接ワイヤ２０に向けて第２レーザ５２を照射するレーザトーチ４０とを備え、レーザトーチ４０により第１レーザ５１が照射された領域を溶接トーチ１０により溶接する。【選択図】図１

Description

本開示は、レーザアークハイブリッド溶接装置に関する。

従来の溶接装置としては、溶接対象となる母材の溶接領域に対して、溶接速度に応じた供給速度で溶接ワイヤを供給し、その溶接ワイヤを溶融させることにより溶接を行なう溶接装置がある。

溶接ワイヤを供給するワイヤ供給装置を備えた従来の溶接装置としては、レーザ照射装置と非消耗電極による電気アーク溶接機とを用いて溶接を行なう場合に、レーザと電気アークとで得られた共通溶融池内に予熱された溶接ワイヤを供給するハイブリッド溶接システムがあった（特許文献１）。

このようなハイブリッド溶接システムでは、高速溶接に対応して高速で溶接ワイヤを溶融させることなどの目的で、溶接ワイヤを予熱して供給することが行なわれる。溶接ワイヤの予熱は、溶接ワイヤの金属の電気抵抗値を利用した抵抗加熱で加熱しているものと考えられる。

なお、レーザ照射を溶接に用いる従来の溶接装置としては、例えば、フィラー金属レーザビームおよび溶接レーザビームの２つのレーザビームを用いる溶接装置がある（特許文献２）。

特表２０１５－５２６２９５号公報 特表２０１８－５３７２８８号公報

しかし、特許文献１に記載されたような従来の溶接装置においては、溶接ワイヤが抵抗発熱により予熱される構成であるので、次のような問題があった。

特許文献１の溶接装置では、例えばアルミニウムなど電気抵抗値が低い金属を用いる溶接ワイヤについては十分に予熱することができないという問題があった。また、特許文献１の溶接装置では、電源装置として、溶接をするための溶接電源装置に加え、予熱をするための予熱電源装置を備える必要があり、溶接装置の構成が複雑化するという問題があった。

本開示は、溶接ワイヤを効率的に予熱することができ、装置の構成の複雑化を抑制することができるレーザアークハイブリッド溶接装置を提供することを目的とする。

本開示は、レーザアークハイブリッド溶接装置に関する。レーザアークハイブリッド溶接装置は、母材と溶接ワイヤとの間にアークを発生させて母材を溶接する溶接トーチと、母材において溶接トーチがアークを発生させる領域よりも溶接の進行方向に離隔した領域に向けて第１レーザを照射し、溶接ワイヤに向けて第２レーザを照射するレーザトーチとを備え、レーザトーチにより第１レーザが照射された領域を溶接トーチにより溶接する。

本開示のレーザアークハイブリッド溶接装置によれば、溶接トーチがアークを発生させる領域よりも溶接の進行方向に離隔した領域に向けて第１レーザを照射し、溶接ワイヤに向けて第２レーザを照射するので、溶接ワイヤに直接的に照射される第２レーザによって溶接ワイヤを効率的に予熱することができ、装置の構成の複雑化を抑制することができる。

実施の形態１に係るレーザアークハイブリッド溶接装置の構成を示す概略図である。 実施の形態１に係るレーザアークハイブリッド溶接装置におけるレーザの照射部分の構成を示す概略図である。 実施の形態１に係るレーザアークハイブリッド溶接装置によって母材が溶接されている状態を示す平面図である。 実施の形態２に係るレーザアークハイブリッド溶接装置におけるレーザの照射部分の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係るレーザアークハイブリッド溶接装置１の構成を示す概略図である。

図１に示すように、実施の形態１に係るレーザアークハイブリッド溶接装置１は、溶接トーチ１０と、溶接電源装置３０と、レーザトーチ４０と、レーザ発振装置６０とを備える。

レーザアークハイブリッド溶接装置１は、金属同士の接合に使用される。レーザアークハイブリッド溶接装置１によって、接合される母材２の一方と他方とが、突き合わせ溶接継手または重ね隅肉溶接継手などにより被接合部３において接合される。

母材２は、例えば、亜鉛めっき鋼板により構成されている。なお、母材２は、亜鉛めっき鋼板に限定されず、アルミニウム、マグネシウムもしくはチタン、またはこれらの合金などの金属によって構成されてもよい。

溶接トーチ１０および溶接電源装置３０は、アーク溶接を行なうための機器である。溶接トーチ１０は、母材２に向けて、消耗電極である溶接ワイヤ２０、および、図示しないシールドガスを供給する。溶接トーチ１０は、溶接時に消耗する溶接ワイヤ２０を補うために、溶接速度に応じた速度で溶接ワイヤ２０を送り出すワイヤ供給部と、シールドガスを供給するガス供給部とを含む。

溶接電源装置３０は、アーク溶接を行なうための溶接電圧および溶接電流を生成し、生成された溶接電圧および溶接電流を溶接トーチ１０へ出力する。また、溶接電源装置３０は、溶接トーチ１０における溶接ワイヤ２０の送り速度を制御する。

溶接トーチ１０は、溶接電源装置３０から溶接電圧および溶接電流の供給を受け、溶接ワイヤ２０の先端部と母材２における被接合部３との間にアーク２５を発生させて被接合部３を溶接する。

溶接トーチ１０による溶接中においては、溶接ワイヤ２０が消耗するので、ワイヤ供給部から溶接ワイヤ２０が送り出され、送り出された溶接ワイヤ２０の先端と母材２との間にアーク２５が発生する。さらに、溶接トーチ１０による溶接中においては、ガス供給部から供給されるアルゴンガスまたは炭酸ガスなどのシールドガスが母材２に向けて供給される。このように、溶接トーチ１０による溶接では、シールドガスがアーク２５の周辺に供給されることにより、母材２の溶融金属が空気と反応することが防がれる。

レーザトーチ４０は、レーザアークハイブリッド溶接装置１に少なくとも１つ設けられている。実施の形態１において、レーザトーチ４０は、レーザアークハイブリッド溶接装置１に１つ設けられている。

レーザトーチ４０およびレーザ発振装置６０は、第１レーザ５１および第２レーザ５２を照射するための機器である。レーザトーチ４０は、レーザ発振装置６０からレーザ光の供給を受け、母材２の被接合部３に向けて第１レーザ５１を照射し、溶接トーチ１０の溶接ワイヤ２０に向けて第２レーザ５２を照射する。

このように、レーザトーチ４０は、母材２において溶接トーチ１０がアーク２５を発生させる領域よりも溶接の進行方向（ＤＲ１）に離隔した領域に向けて第１レーザ５１を照射し、溶接ワイヤ２０に向けて第２レーザ５２を照射する。

レーザトーチ４０は、母材２の被接合部３に向けて第１レーザ５１を照射することにより、被接合部３を加熱して溶融させる。レーザトーチ４０は、溶接ワイヤ２０に向けて第２レーザ５２を照射することに応じて溶接ワイヤ２０を加熱することにより溶接ワイヤ２０を予熱する。

レーザアークハイブリッド溶接装置１では、第１レーザ５１を第１母材４と第２母材５との被接合部３に照射して第１母材４および第２母材５を溶融させつつ、第２レーザ５２の照射により予熱された溶接ワイヤ２０と、被接合部３との間にアーク２５を発生させることにより、第１母材４と第２母材５とを接合する溶接が行なわれる。このように、レーザアークハイブリッド溶接装置１では、レーザトーチ４０により第１レーザ５１が照射されて溶融した領域を溶接トーチ１０により溶接する。

図２は、実施の形態１に係るレーザアークハイブリッド溶接装置１におけるレーザの照射部分の構成を示す概略図である。図２においては、発明の理解を容易にするために、アーク溶接に係る構成については図示していない。

図２に示すように、実施の形態１に係るレーザトーチ４０は、レーザを所望のビームパターンに加工する回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）４１を含む。回折光学素子４１は、レーザの分岐、レーザが照射される照射領域の形状の調整、および、レーザの照射範囲の広さの調整などをする機能を有する。レーザトーチ４０には、レーザの照射範囲の広さの調整などをするレンズが設けられてもよい。

回折光学素子４１は、レーザ発振装置６０から出力されたレーザ光が通過するようにレーザトーチ４０に配置される。回折光学素子４１を通過したレーザ光は、第１レーザ５１および第２レーザ５２の２つのレーザ光に分岐される。

第１レーザ５１は、レーザトーチ４０から、母材２を構成する第１母材４と第２母材５との被接合部３に向けて照射され、被接合部３の表面において円形状の第１照射領域７１を形成する。第１レーザ５１は、円形状の第１照射領域７１が縮小されるように母材２に向かってフォーカスされる。第１レーザ５１のフォーカスは、回折光学素子４１により行なってもよく、レンズを用いて行なってもよい。

なお、第１レーザ５１は、母材２に向かってフォーカスされるものであればよく、第１照射領域７１は、円形状に限らず、状楕円形状または矩形状などのその他の形状であってもよい。

第２レーザ５２は、レーザトーチ４０から、母材２の上方に位置する溶接ワイヤ２０に向けて照射され、矩形状の第２照射領域７２を形成する。第２レーザ５２は、図１に示す溶接トーチ１０を平面視した場合に少なくとも溶接ワイヤ２０の延在方向に照射範囲が拡大されるように溶接ワイヤ２０に向かってデフォーカスされる。第２レーザ５２のデフォーカスは、回折光学素子４１により行なってもよく、レンズを用いて行なってもよい。

第１レーザ５１はフォーカスされ、第２レーザ５２はデフォーカスされるので、第２レーザ５２の方が、第２レーザ５２の方が、第１レーザ５１よりも照射範囲が拡大される。

なお、第２レーザ５２は、溶接ワイヤ２０を照射できるものであり、溶接ワイヤ２０に向かってデフォーカスされるものであればよく、第１照射領域７１は、矩形状に限らず、円形状または楕円形状などのその他の形状であってもよい。また、第２レーザ５２の照射範囲の拡大方向は、溶接ワイヤ２０の延在方向と溶接ワイヤ２０の幅方向との両方向であってもよい。つまり、第２レーザ５２の照射範囲の拡大方向は、少なくとも溶接ワイヤ２０の延在方向であればよい。

第１レーザ５１および第２レーザ５２の出力は、回折光学素子４１によって任意に設定することができる。例えば、第１レーザ５１の出力と、第２レーザ５２の出力とは、同じであってもよく、異なってもよい。第２レーザ５２の出力は、溶接ワイヤ２０の材質により異なるようにしてもよい。

図３は、実施の形態１に係るレーザアークハイブリッド溶接装置１によって母材２が溶接されている状態を示す平面図である。

図３に示すように、アーク２５が発生させられる溶接ワイヤ２０は、第２レーザ５２が照射されることにより予熱される。第２レーザ５２は、図１に示す溶接トーチ１０を平面視した場合に溶接ワイヤ２０の延在方向に照射範囲が拡大されるようにデフォーカスされる。これにより、溶接ワイヤ２０は、第２レーザ５２が直接的に照射されるとともに、溶接ワイヤ２０の長さ方向の広範囲にわたって第２レーザ５２が照射されるので、効率良く加熱されて予熱される。このように予熱された溶接ワイヤ２０からアーク２５が発生することにより、溶接ワイヤ２０が溶融しやすくなる。

図３に示すように、第１母材４および第２母材５では、被接合部３に対して、溶接進行方向(ＤＲ１方向)に沿って第２レーザ５２の照射による溶融、および、アーク２５による溶接が行なわれる。これにより、被接合部３では、溶接進行方向（ＤＲ１方向）に沿って溶融池９０が形成されつつ、第１母材４と第２母材５とが接合される。溶融池９０は、溶接の進行方向に直交する方向（ＤＲ２方向）に略一定の幅で形成される。

母材２を溶接する際に、第１レーザ５１の照射位置である第１照射領域７１、アーク２５の発生位置、および、第２レーザ５２の照射位置である第２照射領域７２は、溶接進行方向（ＤＲ１方向）においてこの順に並んでいる。アーク溶接に先行して第１レーザ５１で第１母材４および第２母材５を溶融させることによって、アーク溶接を安定化させることができる。なお、溶接進行方向（ＤＲ１方向）における第１レーザ５１の第１照射領域７１とアーク２５との距離は、例えば、２ｍｍ以上３ｍｍ以下である。

レーザアークハイブリッド溶接装置１では、レーザトーチ４０が、第１レーザ５１を第１母材４および第２母材５の被接合部３に照射して第１母材４および第２母材５を溶融させることに加えて、第２レーザ５２を溶接ワイヤ２０に照射して溶接ワイヤ２０を予熱するので、溶接ワイヤ２０を予熱するための予熱電源装置を備える必要がない。

以上に説明した構成のレーザアークハイブリッド溶接装置１では、レーザトーチ４０から第２レーザ５２を溶接ワイヤ２０に照射して溶接ワイヤ２０を予熱するので、溶接ワイヤ２０に直接的に照射される第２レーザによって溶接ワイヤ２０を効率的に予熱することができ、さらに、予熱電源装置を新たに備える場合と比べて、装置の構成の複雑化を抑制することができる。また、レーザアークハイブリッド溶接装置１では、第２レーザによって溶接ワイヤを効率的に予熱することができるので、例えば高速溶接をする場合に、溶接速度に対応して溶接ワイヤ２０を容易に溶融させることができ、溶接速度に対応した速度で溶接ワイヤ２０を供給することができる。そして、このように溶接速度に対応した速度で溶接ワイヤ２０を供給することができるので、溶接トーチ１０を用いたアーク溶接を安定して実行することができる。また、このように安定した溶接が実行できることにより、高速溶接におけるロバスト性を向上させることができる。

実施の形態１のレーザアークハイブリッド溶接装置１では、以下のような溶接条件で母材２を溶接した場合に、以下のような溶接結果が得られた。

レーザトーチ４０による第１レーザ５１の照射形状を直径０．２ｍｍのスポット径として第１レーザ５１を母材２の表面に照射可能とした。また、レーザトーチ４０による第２レーザ５２の照射形状を直径２ｍｍのスポット径として第２レーザ５２を溶接ワイヤ２０に照射可能とした。溶接トーチ１０による溶接は、溶接ワイヤ２０として直径１．６ｍｍのＡ４０４３ワイヤを送り出す制御をする短絡移行溶接法で行なった。このような溶接条件において、第２レーザ５２を溶接ワイヤ２０に照射しないことにより溶接ワイヤ２０を予熱せずに溶接をした場合は、１５０Ａの溶接電流に対して５ｍ／ｍｉｎのワイヤ送給速度で溶接を行なうことができた。これに対し、第２レーザ５２を２ＫＷのレーザ出力で溶接ワイヤ２０に照射して溶接ワイヤ２０を予熱しながら溶接をした場合は、１５０Ａの溶接電流に対して１３ｍ／ｍｉｎのワイヤ送給速度で溶接を行なうことができた。これにより、第２レーザ５２で溶接ワイヤ２０を予熱した場合には、第２レーザ５２で溶接ワイヤ２０を予熱しない場合と比べて、ワイヤ送給速度を８ｍ／ｍｉｎ向上させることができた。

［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１で説明したレーザトーチ４０の代わりに、第１レーザ５１を照射する第１レーザトーチ４２１と、第２レーザ５２を照射する第２レーザトーチ４２２とを含むレーザトーチ４２を備えるレーザアークハイブリッド溶接装置１Ａについて説明する。

図４は、実施の形態２に係るレーザアークハイブリッド溶接装置１Ａにおけるレーザの照射部分の構成を示す概略図である。なお、図４においては、発明の理解を容易にするため、アーク溶接に係る構成については図示していない。

図４に示すように、レーザアークハイブリッド溶接装置１Ａは、第１レーザ発振装置６１と、第２レーザ発振装置６２と、レーザトーチ４２とを備える。レーザトーチ４２は、第１レーザトーチ４２１と、第２レーザトーチ４２２との２つのレーザトーチを含む。

第１レーザ発振装置６１からレーザ光が出力され、第１レーザトーチ４２１を通過することにより、第１レーザ５１が母材２に照射される。また、第２レーザ発振装置６２からレーザ光が出力され、第２レーザトーチ４２２を通過することにより、第２レーザ５２が溶接ワイヤ２０に照射される。

第１レーザトーチ４２１は、第１回折光学素子４３を含む。第１回折光学素子４３は、第１レーザ発振装置６１から出力されたレーザ光が通過して、第１レーザ５１として出力されるように第１レーザトーチ４２１に配置される。第１レーザ５１は、第１回折光学素子４３から母材２に向かって、実施の形態１と同様にフォーカスされる態様で照射される。なお、第１レーザトーチ４２１は、第１回折光学素子４３の代わりに、第１レーザ５１をフォーカスすることが可能なレンズを備えてもよい。

第２レーザトーチ４２２は、第２回折光学素子４４を含む。第２回折光学素子４４は、第２レーザ発振装置６２から出力されたレーザ光が通過して、第２レーザ５２として出力されるように第２レーザトーチ４２２に配置される。第２レーザ５２は、第２回折光学素子４４から溶接ワイヤ２０に向かって、実施の形態１と同様にデフォーカスされる態様で照射される。なお、第２レーザトーチ４２２は、第２回折光学素子４４の代わりに、第１レーザ５１をデフォーカスすることが可能なレンズを備えてもよい。

このような実施の形態２のレーザアークハイブリッド溶接装置１Ａにおいては、実施の形態１のレーザアークハイブリッド溶接装置１で得られる効果と同様の効果を得ることができる。

次に、以上に説明した実施の形態１，２のレーザアークハイブリッド溶接装置１，１Ａにより得られる主な効果をまとめて説明する。

以上に説明した実施の形態１，２のレーザアークハイブリッド溶接装置１，１Ａによれば、図１および図４に示すように、レーザトーチ４０，４２から第２レーザ５２を溶接ワイヤ２０に照射して溶接ワイヤ２０を予熱することにより、溶接ワイヤに直接的に照射される第２レーザによって溶接ワイヤ２０を効率的に予熱することができ、さらに、装置の構成の複雑化を抑制することができる。

さらに、実施の形態１，２のレーザアークハイブリッド溶接装置１，１Ａによれば、レーザトーチ４０，４２において、図３に示すように、第１レーザ５１の照射範囲よりも第２レーザ５２の照射範囲を拡大したことにより、溶接ワイヤ２０をより効率的に予熱することができる。

さらに、実施の形態１，２のレーザアークハイブリッド溶接装置１，１Ａによれば、図３に示すように、レーザトーチ４０，４２は、溶接トーチ１０を平面視した場合において、第２レーザ５２の照射範囲を少なくとも溶接ワイヤの延在方向に拡大するので、溶接ワイヤ２０をより一層効率的に予熱することができる。

さらに、実施の形態１のレーザアークハイブリッド溶接装置１によれば、図２に示すように、レーザトーチ４０は、レーザ光を第１レーザ５１と第２レーザ５２とに分岐し、第１レーザと第２レーザとを照射する光学回折素子を含むので、１つのレーザ発振装置６０から出力されるレーザに基づき、第１レーザ５１と第２レーザ５２という２種類のレーザを照射することができる。

さらに、実施の形態２のレーザアークハイブリッド溶接装置１Ａによれば、図４に示すように、レーザトーチ４２は、第１レーザ５１を照射する第１レーザトーチ４２１と、第２レーザ５２を照射する第２レーザトーチ４２２とを含むので、第１レーザトーチ４２１と第２レーザトーチ４２２という２つのレーザ発振装置から２種類のレーザを照射することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 溶接トーチ、４０，４２ レーザトーチ、２０ 溶接ワイヤ、４１ 回折光学素子、１，１Ａ レーザアークハイブリッド溶接装置、４２１ 第１レーザトーチ、４２２ 第２レーザトーチ。

Claims (5)

1. 母材と溶接ワイヤとの間にアークを発生させて前記母材を溶接する溶接トーチと、
   前記母材において前記溶接トーチがアークを発生させる領域よりも溶接の進行方向に離隔した領域に向けて第１レーザを照射し、前記溶接ワイヤに向けて第２レーザを照射するレーザトーチとを備え、
   前記レーザトーチにより第１レーザが照射された領域を前記溶接トーチにより溶接する、レーザアークハイブリッド溶接装置。
2. 前記レーザトーチは、前記第１レーザの照射範囲よりも前記第２レーザの照射範囲を拡大する、請求項１に記載のレーザアークハイブリッド溶接装置。
3. 前記レーザトーチは、前記溶接トーチを平面視した場合において、前記第２レーザの照射範囲を少なくとも前記溶接ワイヤの延在方向に拡大する、請求項２に記載のレーザアークハイブリッド溶接装置。
4. 前記レーザトーチは、レーザ光を前記第１レーザと前記第２レーザとに分岐し、前記第１レーザと前記第２レーザとを照射する光学回折素子を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザアークハイブリッド溶接装置。
5. 前記レーザトーチは、前記第１レーザを照射する第１レーザトーチと前記第２レーザを照射する第２レーザトーチとを含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザアークハイブリッド溶接装置。
   

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