(57)【要約】      （修正有）【課題】安価な装置で実施可能な溶接方法であり、溶接状況に対応した適正なビードが得られ、而もビード幅及びビード高さの調整を可能とした。【解決手段】溶接部材７にレーザ６を集光して照射する溶接トーチ２と、レーザの照射部位にフィラーワイヤ１２を供給するフィラーワイヤ供給装置３と、前記フィラーワイヤに加熱用電流を供給する電源部１３とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接部位にレーザを照射すると共に加熱したフィラーワイヤを供給するレーザ溶接方法に於いて、前記レーザをデフォーカス状態で照射すると共に、レーザ光束断面でのエネルギ密度平均値／エネルギ密度最大値が所定の値となる様にデフォーカス状態を設定することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記エネルギ密度平均値／エネルギ密度最大値は、求められるビードの幅又は高さに基づき設定される請求項１のレーザ溶接方法。
【請求項３】
溶接部材にレーザを集光して照射する溶接トーチと、レーザの照射部位に加熱したフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給装置と、デフォーカス状態を変更する集光位置変更手段と、エネルギ密度平均値／エネルギ密度最大値が所定の値となる様に該集光位置変更手段のデフォーカス状態を制御する制御部とを具備することを特徴とするレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置、特にホットワイヤを補助熱源としたレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接方法は、エネルギ密度が高く、小さい入熱量で深い溶込みが得られるものであり、溶接歪みが少なく、高精度の溶接を可能とする。
【０００３】
従来、レーザ溶接方法は、フィラーメタルを用いない突合わせ溶接に実施され、対象となるものは、通常小型精密部品の溶接、或は薄板の溶接等であった。
【０００４】
一方で、レーザ溶接を鋼構造物に適用することで、高精度の溶接、溶接作業効率の改善が期待でき、近年ではレーザ溶接とＴＩＧ溶接、或はＭＩＧ溶接を組合わせたハイブリッド溶接方法が実施されている。
【０００５】
ハイブリッド溶接方法では、ＴＩＧ溶接、或はＭＩＧ溶接のアークでフィラーメタルを溶融させ、レーザ溶接では得られない適正なビードを形成することができる。
【０００６】
ところが、ハイブリッド溶接方法では、レーザ溶接装置とＴＩＧ溶接装置、或はＭＩＧ溶接装置の２種類の溶接装置を備えなければならないので、装置が大掛りに、又高価な溶接装置となる。更に、ハイブリッド溶接方法では、アークによる入熱量が低く抑えられるが、低く抑えることでアークの発生が溶接材料の表面状態に影響され易くなり、溶接材料の表面に施されている下地処理が完全に除去されていない場合はアークが安定せず溶接が不安定になるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００４−５１２９６５号公報
【特許文献２】特開２００３−３２０４５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は斯かる実情に鑑み、安価な装置で実施可能であり、溶接状況に対応した適正なビードが得られ、而もビード幅及びビード高さの調整を可能としたレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、溶接部位にレーザを照射すると共に加熱したフィラーワイヤを供給するレーザ溶接方法に於いて、前記レーザをデフォーカス状態で照射すると共に、レーザ光束断面でのエネルギ密度平均値／エネルギ密度最大値が所定の値となる様にデフォーカス状態を設定するレーザ溶接方法に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記エネルギ密度平均値／エネルギ密度最大値は、求められるビードの幅又は高さに基づき設定されるレーザ溶接方法に係るものである。
【００１１】
更に又本発明は、溶接部材にレーザを集光して照射する溶接トーチと、レーザの照射部位に加熱したフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給装置と、デフォーカス状態を変更する集光位置変更手段と、エネルギ密度平均値／エネルギ密度最大値が所定の値となる様に該集光位置変更手段のデフォーカス状態を制御する制御部とを具備するレーザ溶接装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、溶接部位にレーザを照射すると共に加熱したフィラーワイヤを供給するレーザ溶接方法に於いて、前記レーザをデフォーカス状態で照射すると共に、レーザ光束断面でのエネルギ密度平均値／エネルギ密度最大値が所定の値となる様にデフォーカス状態を設定するので、簡単な調整によりビード形状の制御が可能となり、更にアークによるフィラーワイヤの溶融ではないので、溶接が安定し、溶接品質が向上する。
【００１３】
又本発明によれば、前記エネルギ密度平均値／エネルギ密度最大値は、求められるビードの幅又は高さに基づき設定されるので、求めるビード形状が簡単に得られる。
【００１４】
更に又本発明によれば、溶接部材にレーザを集光して照射する溶接トーチと、レーザの照射部位に加熱したフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給装置と、デフォーカス状態を変更する集光位置変更手段と、エネルギ密度平均値／エネルギ密度最大値が所定の値となる様に該集光位置変更手段のデフォーカス状態を制御する制御部とを具備するので、ビード形状の制御が容易であり、更にアークによるフィラーワイヤの溶融ではないので、溶接が安定し、溶接品質が向上するという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明が実施されるレーザ溶接装置を示す概略図である。
【図２】該レーザ溶接装置に於いて、デフォーカス比を変更した場合の溶接金属断面積の変化を示す線図である。
【図３】溶接金属の状態を示す説明図である。
【図４】溶接部材に対するデフォーカスの状態を示す説明図である。
【図５】ビードの形状とビードのエネルギ密度との関係を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００１７】
先ず、図１に於いて、本発明が実施されるレーザ溶接装置１の一例を説明する。図中、２は溶接トーチであり、３はフィラーワイヤ供給装置を示している。本実施例で用いられるレーザはファイバレーザであり、深い溶込み深さが得られる。
【００１８】
レーザ光源（図示せず）から発せられたレーザは光ファイバ４により前記溶接トーチ２迄導かれる。該溶接トーチ２には、集光光学系５が内蔵されており、該集光光学系５によって前記光ファイバ４から射出したレーザ６を溶接部材７の所要の位置に集光させている。尚、図１中、ｆは前記集光光学系５の焦点距離である。
【００１９】
前記フィラーワイヤ供給装置３は、ワイヤドラム８、ワイヤ矯正機９、ワイヤホルダ１１等を有し、前記ワイヤドラム８から送出されたフィラーワイヤ１２は前記ワイヤ矯正機９で巻癖が矯正されて前記ワイヤホルダ１１に送出される。
【００２０】
該ワイヤホルダ１１は前記フィラーワイヤ１２に対する給電部となっており、前記ワイヤホルダ１１と前記溶接部材７との間に電源部１３によって前記フィラーワイヤ１２に加熱用の電流が供給されている。前記フィラーワイヤ１２に電流が供給されることで、ジュール熱により、前記フィラーワイヤ１２が加熱される様になっている。前記ワイヤホルダ１１から送出された前記フィラーワイヤ１２は、前記レーザ６の照射部に供給される。
【００２１】
尚、前記フィラーワイヤ１２の加熱温度は、該フィラーワイヤ１２の先端が溶融池に接触した時点で溶融する程度に加熱されることが好ましい。
【００２２】
又、前記フィラーワイヤ供給装置３のワイヤ供給速度、前記レーザ６の出力、前記溶接トーチ２の移動速度（溶接速度）、前記フィラーワイヤ１２への給電状態（加熱状態）及び焦点位置の調整は制御部１０によって制御される様になっている。
【００２３】
本発明者は、上記レーザ溶接装置１に於いて、溶接を実施した場合に、前記溶接部材７の表面からの焦点の位置（デフォーカス量）と成形されるビード幅、又溶込み深さとの関係について検証した。
【００２４】
尚、溶接条件は、レーザパワーが３ＫＷ、前記フィラーワイヤ１２に供給する電流値が５０Ａ、溶接速度が１ｍ／ｓである。又、図２に示されるグラフの縦軸は、溶接金属の断面積ｍｍ2 であり、曲線Ａは溶着金属、曲線Ｂは溶融金属（図３参照）のそれぞれ断面積を示し、横軸はデフォーカス比（デフォーカス量／焦点：Ｄｆ／ｆ）を示している。又、（Ｄｆ／ｆ）の−は前記溶接部材７の表面から離反する方向、（Ｄｆ／ｆ）の＋は前記溶接部材７の内部に向って移動する方向である（図４参照）。
【００２５】
先ず、母材側の溶融状態、即ち溶融金属Ｂの断面積とデフォーカス比の関係は、曲線Ｂに見られる様に、デフォーカス比＝０の時、即ち前記レーザ６の焦点が前記溶接部材７の表面に一致した時に、最大且つ極大であり、＋側、−側でデフォーカス比が大きくなるに従って、減少する。即ち、溶込み量はデフォーカス比が大きくなるに従って、減少する。これは、デフォーカス比が大きくなることによって、光束断面が増大し、エネルギ密度が低下することによる。
【００２６】
次に、溶着金属の状態、即ち溶着金属Ａの断面積とデフォーカス比の関係は、曲線Ａに示される。溶着金属Ａの断面積が最小、極小となるのはデフォーカス比＋０．２の時であり、デフォーカス比＝０から＋側にずれている。
【００２７】
又、前記曲線Ａに見られる様に溶着金属Ａはデフォーカス比が極小値の時のデフォーカス比から離れるに従って、増大し、デフォーカス比が−０．２及び＋０．４で極大となり、更に離反すると、減少に転ずると共に−０．３及び＋０．４を越えると溶接ができなくなる。
【００２８】
尚、図示していないが、前記フィラーワイヤ１２に供給する電流を増減することで、溶接金属の状態が変化する。
【００２９】
前記フィラーワイヤ１２への供給電流を増減した場合、図２の傾向を保ちつつ、主に溶着金属Ａに影響が大きく現れ、電流を増大すると、前記曲線Ａは断面積が増大する方向に移動する。又、電流を減少すると、前記曲線Ａは断面積が減少する方向に移動する。
【００３０】
而して、デフォーカス比、前記フィラーワイヤ１２への供給電流を制御することで、溶接状態、即ち溶込み深さ、ビード幅、ビード脚長を制御できる。特に、入熱量を一定にした状態でも、デフォーカスの状態を制御することで、肉盛り金属を多くしたり、或は溶込み深さを深くしたりできる等溶接状態、ビードの成形状態を制御することができる。
【００３１】
例えば、隅肉溶接を行う場合は、多くの溶着金属を必要とするので、デフォーカス比を大きくし、必要ならば前記フィラーワイヤ１２への供給電力を増大させて溶接を行う。又、Ｉ型開先による突合わせ溶接を行う場合は、溶込み深さが必要とされるので、デフォーカス比（Ｄｆ／ｆ）＝０又はデフォーカス比＝０の近傍で溶接を行う等である。
【００３２】
次に、前記レーザ６をデフォーカスした場合、光束中心部のエネルギ密度は高く、周辺部ではエネルギ密度が低くなる。従って、デフォーカスすると、光束径が拡大すると共にエネルギ密度分布の不均一化が進む。
【００３３】
本発明者は斯かる現象に着目し、エネルギ密度とビード形状の相関を求めエネルギ密度をファクタとして溶接状態、或はビードの成形状態を制御することを発案した。
【００３４】
図５は横軸にエネルギ密度、縦軸にビードの形状（ビードの幅、ビードの高さ）を示している。尚、エネルギ密度を評価する指標として、レーザ光束断面でのエネルギ密度平均値（Ｅave ）／エネルギ密度最大値（Ｅpeak）とした。例えば、（Ｅave ）／（Ｅpeak）＝１は、最大値が無く完全なハット状となったものである。
【００３５】
又、図５を得る溶接条件としては、入熱量が一定、及びレーザパワー、フィラーワイヤ１２への通電量、該フィラーワイヤ１２の供給量、溶接速度を一定とした。
【００３６】
図５中、プロット▽で示される直線Ｃは、形成されるビードの幅を示し、プロット△で示される直線Ｄは、形成されるビードの高さを示している。
【００３７】
直線Ｃは、（Ｅave ）／（Ｅpeak）の値の増加に対して比例的に増加し、直線Ｄは（Ｅave ）／（Ｅpeak）の値の増加に対して反比例的に減少している。
【００３８】
尚、デフォーカスした場合の、（Ｅave ）／（Ｅpeak）の値、及びビードの幅、ビードの高さについては図２に示されるデータに基づき算出している。
【００３９】
図５に示される様に、（Ｅave ）／（Ｅpeak）の値と、形成されるビードの幅、ビードの高さとはリニアの関係にあり、（Ｅave ）／（Ｅpeak）の値がビード形成を制御する為に適したファクターであることが分る。
【００４０】
図５の（Ｅave ）／（Ｅpeak）と、ビードの幅、ビードの高さとの関係を利用すると、例えば、ビードの高さを１ｍｍとした場合、ビードの幅は略５ｍｍとなる等ビード形状の設定が簡単に行える。
【００４１】
次に、上記レーザ溶接方法を上記したレーザ溶接装置１に適用する場合は、レーザパワー、溶接速度、前記フィラーワイヤ１２への給電量等を所定の条件に固定した場合の図５で示す（Ｅave ）／（Ｅpeak）−ビード形状を求めておき、前記制御部１０に設定入力する。
【００４２】
溶接を実行する場合は、前記制御部１０に溶接条件、例えば、隅肉溶接、突合わせ溶接、板厚等の条件を考慮し、図５に基づき（Ｅave ）／（Ｅpeak）を設定する。
【００４３】
前記制御部１０は設定された（Ｅave ）／（Ｅpeak）に対応する最適なデフォーカス比を演算又は選択し、演算又は選択されたデフォーカス比となる様に前記溶接トーチ２を上下に変位させデフォーカス比を設定し、溶接を実行する。
【００４４】
又、図５に示される直線Ｃ、直線Ｄはレーザパワー、溶接速度、前記フィラーワイヤ１２の供給速度を変更することで、勾配が変更される。従って、例えばレーザパワーをパラメータとしてレーザパワーを変更した際の直線Ｃn 、直線Ｄn を複数取得しておけば、（Ｅave ）／（Ｅpeak）に対応する多様なビード形状が得られ、最適な溶接条件が得られる。
【００４５】
溶接が実行されるに於いて、前記フィラーワイヤ１２はアークによって溶融されていないので、溶接状態は安定で高品質の溶接が可能である。
【００４６】
尚、上記実施例では、集光位置変更手段として前記溶接トーチ２を上下させて焦点位置の変更を行ったが、集光位置変更手段は焦点長さを変更して焦点位置の変更を行う、光学的な集光位置変更手段であってもよい。
【００４７】
又、上記実施例ではファイバレーザについて説明したが、ＬＤレーザ、ＹＡＧレーザ、ＣＯ2 レーザ等を使用した場合にも実施可能であることは言う迄もない。
【符号の説明】
【００４８】
１              レーザ溶接装置
２              溶接トーチ
３              フィラーワイヤ供給装置
４              光ファイバ
５              集光光学系
６              レーザ
７              溶接部材
８              ワイヤドラム
９              ワイヤ矯正機
１０            制御部
１１            ワイヤホルダ
１２            フィラーワイヤ
１３            電源部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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