(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク溶接とレーザ溶接とを併用した溶接方法において、
母材の突き合わせ面における開先部に対して予め設定された所定の駆動電力によって所定のガス雰囲気下でアークを発生させ、該アークによる熱により母材内部を溶融してクレータ部を形成するとともに、該クレータ部の底部にレーザビームを照射し、前記母材を溶接し、前記レーザビームの集光角度に応じて、前記開先部の開先角度を設定することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接方法において、
前記所定のガスは、解離性ガスなどの電位傾度の高いガス、これらの混合ガス、あるいはこれらを含むガスであることを特徴とする溶接方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の溶接方法において、
前記レーザビームの集光角度をθＡ、開先角度をθＢとしたとき、
θＡ  ＜  θＢ  ≦  θＡ＋３０°
に設定することを特徴とする溶接方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接方法において、
前記アーク及びレーザビームのそれぞれの出力信号を所定の周期を有するパルス信号とするとともに、前記それぞれの信号を同期させつつ前記母材に対して作用させることを特徴とする溶接方法。
【請求項５】
請求項４に記載の溶接方法において、
前記それぞれの信号を所定時間の位相差で同期させることを特徴とする溶接方法。
【請求項６】
アーク溶接とレーザ溶接とを併用した溶接方法において、
アーク及びレーザビームのそれぞれの出力信号を所定の周期を有するパルス信号とするとともに、前記それぞれの信号を同期させつつ前記母材に対して作用させることを特徴とする溶接方法。
【請求項７】
母材の突き合わせ面における開先部内部でアークを発生させるアーク溶接装置と、
前記アークによる熱により前記母材に形成されたクレータ部の底部にレーザビームを照射するレーザ溶接装置と、
前記母材の突き合わせ面近傍に所定のガスを供給するガス供給装置と、
前記アークが母材内部で発生するよう駆動電力を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記アーク溶接装置及びレーザ溶接装置から出力されるアーク及びレーザビームのそれぞれの出力信号を所定の周期を有するパルス信号とするとともに、前記それぞれの信号を同期させつつ出力させることを特徴とする溶接装置。
【請求項８】
母材の突き合わせ面でアークを発生させるアーク溶接装置と、
母材におけるアーク発生点近傍にレーザビームを照射するレーザ溶接装置と、
前記アーク及びレーザビームのそれぞれの出力信号を所定の周期を有するパルス信号とするとともに、前記それぞれの信号を同期させつつ出力させる制御装置とを備えることを特徴とする溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク溶接とレーザ溶接とを併用した溶接方法及び溶接装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の溶接方法には、例えば、アーク溶接方法及びレーザ溶接方法がある。アーク溶接方法は、母材と電極との間、あるいは２つの電極の間にアークを発生させ、その熱によって母材の突き合わせ面を溶融して溶接するものである。一方、レーザ溶接方法は、母材の突き合わせ面にレーザを照射し、母材を溶融しながら溶け込みを深くして溶接するものである。
【０００３】
ところで、アーク溶接方法は、ギャップ許容度が大きく、様々な母材に対して広く用いられているが、入熱量が大きいので大きな熱歪を生じる場合があるとともに、使用する電力も大きい。したがって、溶接後の製品が低品質化するとともに製造効率も低下する場合がある。一方、レーザ溶接方法は、エネルギー密度が高いため、高速且つ低入熱（低歪）な溶接を行うことができるが、装置自体が高価であるとともに、ギャップ許容度が小さいため、溶接対象となる母材の形態が限られる。このため、近年において、安価な装置を用いるアーク溶接方法とレーザ溶接方法とを組み合わせて、深溶け込みや溶接速度の向上を図る試みがされている。このようなアーク溶接方法とレーザ溶接方法とを組み合わせた溶接方法として、例えば、特開平１０−２２５７８２号公報、特開昭５９−６６９９１号公報、特開平１０−２７２５７７号公報などに開示された技術がある。
【０００４】
このうち、特開平１０−２２５７８２号公報（以下、「従来例１」という）に開示された技術は、相対向する母材の突き合わせ面間に、開先の底部に続いてレーザ導光用ギャップを形成し、アーク溶接に先立ってレーザ導光用ギャップにレーザを照射し、レーザ導光用ギャップを形成する母材の表面を板厚方向の全長に亘ってレーザ熱により溶融し、続いてアーク熱で溶融した溶湯を開先およびレーザ導光用ギャップに導入して双方の母材を溶接するものである。
【０００５】
また、特開昭５９−６６９９１号公報（以下、「従来例２」という）に開示された技術は、ミグ溶接で母材を溶融させ、液滴の衝撃力およびプラズマ気流により深く掘込んだクレータの底部近くにレーザ光線の焦点位置を合わせ、深溶け込みの溶接を行うレーザとミグとを併用して溶接するものである。
【０００６】
特開昭１０−２７２５７７号公報（以下、「従来例３」という）に開示された技術は、鋼材の開先をミグ溶接する際、レーザをミグアークに先行して照射して、鋼材表面を加熱あるいはレーザ誘起プラズマを発生させ、この照射部にアークの陰極点を誘導することにより溶接するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来例１においては、開先の底部に続いてレーザ導光用ギャップを形成する構成であり、複数の工程を必要とするため、作業性が低下する。また、従来例２、従来例３においては、アークによる溶け込み深さが不十分で、融合不良を引き起こす場合がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、アーク溶接とレーザ溶接とを併用した溶接において、低出力で効率良い溶接が行えるとともに、所定の品質を有する製品を生成可能な溶接方法及び溶接装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の溶接方法は、アーク溶接とレーザ溶接とを併用した溶接方法において、母材の突き合わせ面における開先部に対して予め設定された所定の駆動電力によって所定のガス雰囲気下でアークを発生させ、該アークによる熱により母材内部を溶融してクレータ部を形成するとともに、該クレータ部の底部にレーザビームを照射し、前記母材を溶接し、前記レーザビームの集光角度に応じて、前記開先部の開先角度を設定することを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、所定のガス雰囲気下において所定の駆動電力で母材内部にアークを発生させることにより、溶融範囲を過剰に拡大させることなく所定の深さを有する深溶け込みなクレータ部を形成することができる。この深く形成されたクレータ部に対してレーザを照射するすることにより、レーザは効率良く母材に吸収される。そして、レーザを照射した部分からは金属蒸気が発生するため、この部分にはアークの極点が安定して形成されるので、アークのエネルギーもクレータ部の底部に集中する。したがって、母材の突き合わせ面は深く溶け込むので、安定した溶接を行うことができる。このように、アークとレーザとの相乗効果によって深溶け込みなクレータ部を形成することができるので、予め深い開先部を形成する必要がないなど、作業性を向上させることができる。また、２種類の溶接方法で深溶け込みを行う構成であり、使用するエネルギー（電力）を抑えることができるとともに、低入熱を実現することができるので、所望の品質を有する溶接を行うことができる。また、レーザビームの集光角度に応じて、開先部の開先角度を設定することにより、開先部に照射されたレーザビームは開先部の外部で反射されることなく安定して開先部の内部に照射される。
【００１１】
このような溶接方法は、母材の突き合わせ面における開先部内部でアークを発生させるアーク溶接装置と、アークによる熱により母材に形成されたクレータ部の底部にレーザビームを照射するレーザ溶接装置と、母材の突き合わせ面近傍に所定のガスを供給するガス供給装置と、アークが母材内部で発生するよう駆動電力を制御する制御装置とを備え、制御装置は、アーク溶接装置及びレーザ溶接装置から出力されるアーク及びレーザビームのそれぞれの出力信号を所定の周期を有するパルス信号とするとともに、それぞれの信号を同期させつつ出力させることを特徴とする溶接装置によって行うことができる。それぞれの信号を所定時間の位相差で同期させることにより、さらに効率良く溶接を行うことができる。
【００１２】
なお、このときの所定のガスは、解離性ガスなどの電位傾度の高いガス、これらの混合ガス、あるいはこれらを含むガスであり、これらのガスを用いて予め設定しておいた駆動電力によってアークを発生させることにより、このアークによって母材を深く溶け込ますことができる。
【００１４】
この場合、レーザビームの集光角度をθＡ、開先角度をθＢとしたとき、
θＡ  ＜  θＢ  ≦  θＡ＋３０°
に設定することにより、母材の開先部におけるレーザビームの吸収率は所定値以上となる。したがって、レーザビームによる溶接を効率良く行うことができる。
【００１５】
また、アークとレーザビームとのそれぞれの出力信号を所定の周期を有するパルス信号とするとともに、それぞれの信号を同期させつつ母材に対して作用させることによっても、アーク及びレーザビームのエネルギーを効率良く母材に吸収させることができる。
このとき、それぞれの信号を所定時間の位相差で同期させることにより、さらに効率良く溶接を行うことができる。
【００１７】
本発明のもう一つの溶接方法は、アーク溶接とレーザ溶接とを併用した溶接方法において、アーク及びレーザビームのそれぞれの出力信号を所定の周期を有するパルス信号とするとともに、前記それぞれの信号を同期させつつ前記母材に対して作用させることを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、レーザビームによって照射された位置からは金属蒸気が発生し、この金属蒸気発生位置にアークが導かれる。そして、このレーザビーム及びアークのそれぞれの出力信号を、所定の周期を有するパルス信号とするとともに、それぞれの信号を同期させつつ母材に対して作用させることにより、レーザビーム及びアークのエネルギーを効率良く母材に吸収させることができる。すなわち、母材に開先部を設けない構成であっても、アークとレーザビームとのパルスを同期させつつ出力することにより、母材は効率良く溶接される。
【００１９】
このような溶接方法は、母材の突き合わせ面でアークを発生させるアーク溶接装置と、母材におけるアーク発生点近傍にレーザビームを照射するレーザ溶接装置と、アーク及びレーザビームのそれぞれの出力信号を所定の周期を有するパルス信号とするとともに、それぞれの信号を同期させつつ出力させる制御装置とを備えることを特徴とする溶接装置によって行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る溶接方法及び溶接装置の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の溶接方法及び溶接装置の一実施形態を説明するための概略構成図である。
【００２１】
図１において、溶接装置１は、支持台Ｔに保持された母材Ｂの突き合わせ面Ｍにおける開先部Ｋに対してアークＡｂを作用させるアーク溶接装置２と、レーザビームＬｂを照射するレーザ溶接装置３と、溶接部分（突き合わせ面Ｍ）近傍に所定ガスＧを供給し、この溶接部分近傍を所定ガス雰囲気下にするガス供給装置４とを備えている。そして、溶接装置１は制御装置ＣＯＮＴの指示に基づいて動作されるようになっている。
【００２２】
アーク溶接装置２は、母材（被溶接物）Ｂに近接して設けられた溶接トーチ５と、この溶接トーチ５から突出する溶接電極（ワイヤ）６と、溶接トーチ５及びワイヤ６に電力を供給する駆動電源７と、溶接トーチ５にワイヤ６を連続的に供給可能なワイヤ供給装置８と、駆動電源７と母材Ｂとを連結する給電ケーブル９と、この給電ケーブル９に設けられた電流計１０及び電圧計１１とを備えている。このとき、ワイヤ６は駆動電源７の陽極（＋極）側に接続されて通電可能となっている。一方、母材Ｂに接続された給電ケーブル９は駆動電源７の陰極（−極）側に接続されて通電可能となっている。この場合、ワイヤ６を陰極側に、給電ケーブル９を陽極側に接続することも可能である。なお、本実施形態においては、アーク溶接装置２は、ミグ溶接装置によって構成されているが、ＴＩＧ、プラズマなどを用いた種々のアーク溶接装置によって構成することができる。
【００２３】
レーザ溶接装置３は、母材Ｂに近接して設けられたレーザヘッド１２と、レーザ発振器１３と、レーザ発振器１３から出射したレーザビームＬｂをレーザヘッド１２に伝送するためのファイバケーブル１４とを備えている。レーザ発振器１３は、ロッド１３ａ、出力鏡１３ｂ、パワーメータ１３ｃを備えており、所定の出力でレーザビームＬｂを出射するようになっている。また、レーザヘッド１２は、レーザ発振器１３からファイバケーブル１４によって伝送されたレーザビームＬｂを集光するための集光光学系１５を備えており、母材Ｂの所定の位置に、集光したレーザビームＬｂを照射するようになっている。なお、本実施形態においては、レーザ溶接装置３は、ＹＡＧレーザ溶接装置によって構成されているが、ＣＯ２レーザなど、種々のレーザ溶接装置によって構成することができる。また、レーザ光学部品の汚染を低減するために、レーザビームＬｂの光軸に対して垂直方向に高速のガス流が供給されるようになっている。
【００２４】
母材（被溶接物）Ｂを保持する支持台Ｔは、不図示の駆動機構によって図１中、＋Ｘ方向に移動するように設けられている。すなわち、母材Ｂに対する溶接方向は＋Ｘとなっている。このとき、図１に示すように、アーク溶接装置２の溶接トーチ５及びワイヤ６は、レーザ溶接装置３のレーザヘッド１２に対して−Ｘ側に配置されている。すなわち、母材Ｂに対する溶接方向の上流側にレーザ溶接装置３が配置され、下流側にアーク溶接装置２が配置された構成となっている。このため、母材Ｂに対する溶接は、レーザビームＬｂによるものが先行される構成となっている。また、溶接トーチ５とレーザヘッド１２とは、Ｚ軸（垂線）に対して所定角度ずつ、同じ角度で傾斜して配置されている。すなわち、溶接トーチ５は溶接方向に対して上流側に、レーザヘッド１２は下流側に向けて傾斜して配置されている。なお、本実施形態においては、支持台Ｔに保持された母材Ｂ側を移動する構成であるが、溶接トーチ５及びレーザヘッド１２側を移動させることももちろん可能である。すなわち、母材Ｂは、アーク溶接装置２及びレーザ溶接装置３に対して相対的に移動可能となっている。
【００２５】
ガス供給装置４は、溶接部分（突き合わせ面Ｍ）近傍に所定ガス（シールドガス）Ｇを供給し、この溶接部分近傍を所定ガスＧ雰囲気下にするものである。ガス供給装置４は、シールドガスＧを収容したガス収容部（シールドガスボンベ）４ａと、このシールドガスボンベ４ａと溶接トーチ５とを接続する配管４ｂとを備えている。そして、シールドガスＧは、溶接トーチ５から溶接部分に供給されるようになっており、溶接部分近傍はこのシールドガスＧによってシールドされる。なお、溶接部分近傍をシールドボックスで囲み、このシールドボックス内にシールドガスＧを供給する構成とすることも可能である。
【００２６】
所定ガス（シールドガス）Ｇは、電位傾度の高いガス（解離性ガス等）、これらの混合ガス、あるいはこれらを含む混合ガスによって構成されている。例えば、電位傾度の高いガスはＮ２、Ｈｅ、Ｈ２、ＣＯ２、混合ガスはＡｒ＋Ｎ２、Ａｒ＋Ｈｅ、空気である。
【００２７】
ところで、上記シールドガスＧ雰囲気下でアーク溶接を行った場合、アークＡｂは母材Ｂの内部（深部）で発生可能となる。すなわち、通常のアーク溶接では、アークＡｂは母材Ｂ表面よりも出た状態となるが、シールドガスＧとして上記所定ガスを用いるとともに所定の条件下（所定の駆動電力）で溶接を行うことにより、母材Ｂ内部でアークＡｂを発生させることができる。このことについて、以下、図２、図３、図４を参照しながら説明する。なお、母材Ｂ内部にアークＡｂが発生する状態を、以降「埋もれアーク状態」と称する。
【００２８】
例えば、アーク溶接近傍のシールドガスが上記所定ガスでない場合、母材Ｂを溶融させるためには、図２（ａ）に示すように、アーク長を所定の長さ確保しなければ、溶接を行うのに十分なエネルギーを得ることができない。このアーク長が長い状態で、母材Ｂの内部（深部）まで溶融させようとすると、溶融範囲（溶融池）１６が広がるとともに、入熱量や熱歪が大きくなる。アーク長を短く設定することができれば狭い範囲を集中的に溶融させることができるが、アーク長を短くするためにはアーク電圧を低く設定する必要があり、アーク電圧を低くするとアークが維持できなくなり短絡してしまう。
【００２９】
一方、上記所定ガスＧの雰囲気下でアーク溶接を行う場合、図２（ｂ）に示すように、溶接するのに十分な熱量を確保しつつアーク長を短くし、母材Ｂに対して集中的にアークＡｂを作用させることができる。すなわち、高温度のアークＡｂが作用したとき、所定ガスである解離性ガスは解離するが、解離に際しエネルギーを奪われる。すると、アークＡｂを維持するためにアークＡｂは縮まろうとし、エネルギー密度があがる。したがって、母材Ｂを溶融するのに十分なエネルギーを維持しつつアーク長を短くすることができる。したがって、溶融池１６の範囲を拡大させずに、つまり、熱歪（入熱量）を抑えつつ、母材Ｂを内部（深部）まで溶融させることができる。
【００３０】
なお、Ｈｅガスは解離性ガスではないが、密度が小さいため拡散速度が速い。したがって、解離性ガスと同様、アークＡｂを維持するために多くのエネルギーを必要とする。その結果、所定のエネルギーを維持したままアーク長を短くすることができる。
【００３１】
このように、狭い範囲に対して集中的にアークＡｂを作用させることができるので、図２に示すように溶融池１６の範囲を広げることなく（つまり、入熱量や熱歪を大きくすることなく）、母材Ｂに対して内部（深部）まで溶融させることができる。
【００３２】
さらに、図２（ｃ）に示すように、この埋もれアークによって形成されたクレータ部Ｃの底部ＣｂにレーザビームＬｂが焦点を結ぶように照射することにより、クレータ部Ｃをさらに狭い範囲で集中的に深く形成することができる。すなわち、図３（ａ）に示すように、母材Ｂに対してアークＡｂのみを作用させた場合、アーク発生点は安定しない場合がある。しかしながら、図３（ｂ）に示すように、母材Ｂであるクレータ部Ｃの所定位置ＣｂにレーザビームＬｂを照射することにより、このレーザビーム照射位置Ｃｂにアーク発生点が導かれる現象がおこる。これは、レーザビームＬｂが照射された位置Ｃｂは高温となり、電子の移動が容易になるとともにプラズマ状態である金属蒸気が発生し、アークの極点（この場合、陰極）が生成されやすくなる。すると、ワイヤ６からのアークＡｂは、図３（ｂ）に示すように、この金属蒸気が生じるレーザビームＬｂの照射位置Ｃｂに導かれる。したがって、レーザビームＬｂの照射位置ＣｂにアークＡｂを作用させることができるので、アークＡｂを所定の位置に集中させつつ安定して作用させることができる。
【００３３】
さらに、クレータ部Ｃ（開先部Ｋ）によって、照射されるレーザビームＬｂは母材Ｂに対して効率良く吸収される。すなわち、母材Ｂに開先部Ｋがない状態（すなわち、母材Ｂが平板状である状態）では、図４（ａ）に示すように、レーザビームＬｂは母材Ｂの表面で反射して、母材Ｂに十分に吸収されない場合がある。一方、開先部Ｋがある状態では、図４（ｂ）に示すように、照射されたレーザビームＬｂは開先部Ｋの内部で反射を繰り返す（多重反射）ので、レーザビームＬｂの吸収効率を向上させることができる。
【００３４】
以上説明したような構成を備える溶接装置を用いて、母材Ｂに対して溶接する方法について説明する。
ここで、本発明の溶接方法は、予め、母材Ｂに対して所定の開先角度θＢを設定する工程（工程１）と、埋もれアーク状態が生成される条件を求める工程（工程２）と、前記設定された開先角度θＢを有する開先部Ｋに対して、埋もれアーク溶接を施すとともにレーザを照射する工程（工程３）とを備えている。
【００３５】
＜工程１＞
まず、図１に示すように、支持台Ｔに被溶接物である母材Ｂを保持させる。このとき、母材Ｂの開先部Ｋの開先角度θＢを、集光光学系１５によるレーザビームＬｂの集光角度θＡに応じて予め設定しておく。
【００３６】
このとき、開先部Ｋの開先角度を２θ（＝θＢ）、レーザビームＬｂの集光角度を２γ（＝θＡ）とした場合、
２γ  ＜  ２θ  ≦  ２γ＋３０°      （１）
に設定することにより、開先部ＫにおけるレーザビームＬｂの多重反射の回数が多くなり、レーザビームＬｂのエネルギーの吸収効率が向上するので好ましい。この最適な開先角度２θを求める手順について、以下に説明する。
【００３７】
＜開先角度の設定＞
ここで、最適な開先角度２θの設定の仕方について説明する。
図５に示すように、開先角度２θの開先部に対して、集光角度２γでレーザビームＬｂが照射された場合、図中、θ１、θ２は、
θ１＝θ−γ      （２）
θ２＝θ１＋２θ＝３θ−γ      （３）
となる。したがって、ｎ回目の反射時における角度θｎは、
θｎ＝（２ｎ−１）θ−γ      （４）
となる。
【００３８】
θｎ＜９０°のときは、レーザビームＬｂは、図６（ａ）に示すように開先部Ｋの内部へ反射するが、θｎ＞９０°のときは、図６（ｂ）に示すように開先部Ｋの外部へ反射していく。そして、図６（ｃ）に示すように、
θｎ＞１８０°−２θ      （５）
になると、レーザビームＬｂは開先部Ｋの外部に出ていく。
【００３９】
具体例を図７、図８を用いて説明する。まず、図７に示すように、
開先角度：２θ＝３０°（θ＝１５°）
レーザビーム集光角度：２γ＝２０°（γ＝１０°）  （図７（ａ）参照）である場合、（４）式より、θ１＝５°、θ２＝３５°、θ３＝６５°、θ４＝９５°、θ５＝１２５°、θ６＝１５５°・・・となる（図７（ｂ）参照）。この場合、（５）式より、レーザビームＬｂは６回目の反射で開先部Ｋより外部に出る。
【００４０】
同様に、図８に示すように、
開先角度：２θ＝７０°（θ＝３５°）
レーザビーム集光角度：２γ＝２０°（γ＝１０°）  （図８（ａ）参照）である場合、（４）式より、θ１＝２５°、θ２＝９５°、θ３＝１６５°・・・となる（図８（ｂ）参照）。この場合、（５）式より、レーザビームＬｂは３回目の反射で開先部Ｋより外部に出る。
【００４１】
これらをまとめると、レーザビーム集光角度２γ＝２０°（レンズ径：５０ｍｍ、焦点距離：１００ｍｍ）である場合、（４）式より、
0003631936.tif 000002
となる。したがって、（５）式より、レーザビームＬｂが開先部Ｋより外部に出るまでの反射回数は、
（２ｎ−１）θ−γ  ＞  １８０°−２θ      （７）
となり、これをｎについてまとめると、
ｎ  ＞  （１８０°＋γ）／２θ  −  １／２      （８）
となる。
レーザビームＬｂが開先部Ｋより外部に出るまでの反射回数ｎは、（８）式を満たす最も小さい整数となる。つまり、
0003631936.tif 000003
となる。これをグラフ化したものを、図９の線Ｒ１に示す。
【００４２】
ところで、強度Ｗ０のレーザビームＬｂが開先部Ｋに入射した場合、開先部Ｋの壁面におけるビームの吸収率をＡとすると、１回目の反射時における開先部の壁面での吸収量Ｗ１は、
Ｗ１＝ＡＷ０      （９）
となる。同様に、２回目及び３回目の反射時における開先部の壁面での吸収量Ｗ２及びＷ３は、
Ｗ２＝Ａ（１−Ａ）Ｗ０      （１０）
Ｗ３＝Ａ［１−｛Ａ＋Ａ（１−Ａ）｝］Ｗ０      （１１）
となる。
すると、（９）、（１０）、（１１）式より、計３回の反射による開先部Ｋに対するレーザビームＬｂの吸収量Ｗは、
Ｗ＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３      （１２）
となる。以上のようにして得られる開先部Ｋ（母材Ｂ）に対するレーザビームＬｂの反射回数と吸収率Ｗ／Ｗ０  との関係を図１０に示す。なお、この場合、母材Ｂをアルミニウム合金とし、レーザをＹＡＧレーザとして、母材Ｂのレーザビーム吸収率Ａ＝０．２とした。
さらに、開先角度２θと吸収率Ｗ／Ｗ０  との関係を図９に線Ｒ２として示す。
【００４３】
以上のように、開先角度２θは、レーザビーム集光角度２γに等しいほうがビーム吸収率Ａは向上することが分かる。したがって、所望のレーザビーム吸収率に応じて、集光角度２γに基づいて開先角度２θを設定することができる。例えば、所望のビーム吸収率として６０％の吸収率を確保したい場合には、２γ＝２０°の場合、開先角度２θ＝５０°、つまり、ビーム集光角度２γ＋３０°以下の開先角度２θが効果的である。
【００４４】
一方、開先角度２θの下限値について、図１１を参照しながら説明する。
図１１に示すように、集光光学系１５によって集光されるレーザビームＬｂは、以下の式を満たすガウス分布を示す。
ｆ（ρ）＝ｅ−（ρ／ω）２      （１３）
ここで、  ρ：レーザビームＬｂの光軸と垂直方向の座標
ω：レーザビーム径
ｆ：集光光学系１５の焦点距離
図１１に示すように、ガウス曲線の振幅が中心の１／ｅに減少する位置がレーザビーム径ωとなる。しかしながら、レーザビーム径ωの範囲中には、レーザビーム全体のエネルギーの８６．５％しか含まれていないことになる。そこで、ガウス曲線の振幅が中心の１／ｅ２まで減少するまでの距離をとると、レーザビーム全体のエネルギーをほぼ１００％使用することができる。すなわち、ｆ（ρ）＝１／ｅ２となる位置ρは、
ρ＝２（１／２）ω＝ω’      （１４）
γ＝ｔａｎ（−１）（ω／ｆ）      （１５）
γ’＝ｔａｎ（−１）（２（１／２）ω／ｆ）      （１６）
となる。ω＝２０ｍｍ、ｆ＝１００ｍｍとすると、γ＝１０°、γ’＝１５°となり、２γ’＝３０°≦開先角度（２θ）となる。
【００４５】
以上説明したように、開先角度２θがレーザビーム集光角度２γに近すぎると開先部の外部で反射されて開先部の内部へ導入できないビームが生じレーザビームＬｂの母材Ｂに対する吸収率が低下する。一方、開先角度２θが大きくなると開先部Ｋ内部でのレーザビームＬｂの反射回数が減少し吸収率が低下する。したがって、（１）式で示した関係を満たすように、集光角度２γに応じて開先角度２θを設定することにより、レーザビームＬｂの母材Ｂに対する吸収率を所定値以上にすることができる。
さらに、一例として、レーザビーム集光角度２γ＝２０°の場合、
２γ＋１０°＝３０°≦  ２θ  ≦  ５０°＝  ２γ＋３０°
とすることにより、さらに所望の効果を得ることができる。
【００４６】
＜工程２＞
次に、埋もれアーク状態が生成される条件を求める。
前述したように、アーク溶接を埋もれアーク状態とする。埋もれアーク状態は、所定ガスＧ雰囲気下において所定条件下でアーク溶接を施すことにより生成される。この所定条件とは、使用するシールドガスＧの種類やアークの駆動電源の出力に応じて変化するものであって、予め実験によって設定することが可能である。この所定条件を設定するための実験結果の一例を図１２に示す。
【００４７】
図１２は、所定ガスＧの組成とアーク電圧との関係を示すグラフであって、横軸は所定ガスＧの組成のうちＡｒとＮ２との混合比を、縦軸はアーク電圧を示している。そして、アーク電圧と所定ガスＧの組成との組み合わせに応じて、図１２中、斜線部の範囲に示すように埋もれアーク状態が生成される。このように、所定ガスＧの組成やアーク駆動電力をはじめとする溶接時における様々な条件によって、埋もれアーク状態が生成されるか否かが決定される。埋もれアーク状態が生成されるか否かの条件は、予め実験によって求めることができる。
なお、図１２に示す埋もれアーク状態は一例であって、使用するシールドガスＧやアーク溶接装置２の種類、アーク電圧によって異なり、予め実験によって最適な条件を求めることができる。
【００４８】
＜工程３＞
工程１で設定したような開先角度２θを備える開先部Ｋに対してアーク溶接及びレーザ溶接を施す。
すなわち、支持台Ｔに保持された母材Ｂに対して、シールドガスＧをガス供給装置４から供給しつつ、所定の出力で埋もれアーク溶接を行うとともに、形成されるクレータ部Ｃの底部Ｃｂに向かってレーザビームＬｂを照射する。レーザビームＬｂが照射された位置からは、図３で説明したように、金属蒸気が発生しこのビーム照射位置に向かってアークＡｂが導かれるようになる。すなわち、照射位置を制御しやすいレーザビームＬｂを、所定の位置に焦点を結ぶように照射することによって、アークＡｂの発生点を制御することができる。このようにして、溶接部分の所望の位置に対してアークエネルギー及びレーザエネルギーを集中させることができる。
【００４９】
さらに、所定の開先角度２θを有する開先部ＫにレーザビームＬｂを照射することにより、このレーザビームＬｂは開先部Ｋの壁面において反射を繰り返すので、レーザビームＬｂのエネルギーは効率良く母材Ｂに吸収される。このようにして、アーク溶接とレーザ溶接とを併用した溶接方法によって母材Ｂに対する溶接が行われる。
【００５０】
以上説明したように、母材Ｂ内部の開先部ＫにおいてアークＡｂを発生させることにより、溶融範囲（溶融池）１６を過剰に拡大させることなく所定の深さを有する深溶け込みなクレータ部Ｃを形成することができる。そして、このクレータ部Ｃに対してレーザビームＬｂを照射するすることにより、レーザビームＬｂは母材Ｂに効率良く吸収される。さらに、レーザビームＬｂを照射した位置（底部）Ｃｂからは金属蒸気が発生しこの位置ＣｂにアークＡｂの極点が安定して形成されるので、アークエネルギーもクレータ部Ｃの底部Ｃｂに安定して集中させることができる。したがって、少ない駆動電力で深溶け込みな溶接を高速且つ安定して行うことができる。
【００５１】
そして、アークＡｂとレーザビームＬｂとの相乗効果によって深溶け込みなクレータ部Ｃを形成することができるので、予め、深い開先部Ｋを形成する必要がないなど、作業性を向上させることができる。また、２種類の溶接方法で深溶け込みを行う構成であり、使用するエネルギー（電力）を抑えることができるとともに高速な溶接が可能となるので、低入熱を実現することができる。したがって、熱歪の少ない所望の品質を有する溶接を行うことができる。
【００５２】
すなわち、溶接速度の向上や、低出力且つ低歪化による歪取工数低減を実現することができるので、高効率な溶接作業を行うことができる。さらに、銅合金やアルミニウム合金など、レーザ反射率の高い材料における溶接割れやブローホール生成などの溶接欠陥を低減することができるので、高品質な製品を生成することができる。
【００５３】
また、レーザビームＬｂの集光角度２γ（θＡ）に応じて、開先部Ｋの開先角度２θ（θＢ）を設定することにより、レーザビームＬｂは開先部の外部で反射されることなく安定して開先部Ｋの内部に照射される。そして、レーザビームＬｂの集光角度を２γ、開先角度を２θとしたとき、
２γ  ＜  ２θ  ≦  ２γ＋３０°
に設定することにより、母材Ｂの開先部ＫにおけるレーザビームＬｂの吸収率を所望の値以上とすることができる。したがって、レーザビームＬｂによる溶接を効率良く行うことができる。
【００５４】
ところで、アーク電流及びレーザビーム出力をそれぞれ所定の周期でパルス化することにより、母材Ｂに対して効率良くエネルギーを吸収させることができ、母材Ｂの溶融を大きくすることができる。さらに、パルス化されたアークＡｂ及びレーザビームＬｂの出力を、所定の位相差で同期させつつ、母材Ｂに対して作用させることにより、母材Ｂの溶融を更に効率良く行うことができる。
【００５５】
この場合、図１３に示すパルス同期装置において、パルス化されたアークＡｂを出力するアーク溶接駆動電源７のアーク電流波形を検出し、この検出結果をレーザ溶接駆動電源３０のパルス制御回路３１に入力する。このように制御することにより、図１４に示すように、所定の周期ｔ１でパルス幅ｔ２を有するパルス化されたアークＡｂ及びレーザビームＬｂを、位相差ｔ３で同期させつつ母材Ｂに対して作用させることができる。ここで、図１４（ａ）はレーザ出力波形を、図１４（ｂ）はアーク電流を示す。
【００５６】
この場合、位相差ｔ３は任意に設定可能である。しかしながら、母材Ｂに対してレーザビームＬｂを照射し金属蒸気が発生するまで（あるいは、キーホールが形成されるまで）に所定時間（例えば１ｍｓ以上）かかるとともに、レーザビームＬｂの照射を止めた時点で金属蒸気の発生（キーホールの形成）が止まることを考慮すると、位相差ｔ３を、周期ｔ１やパルス時間ｔ２に基づいて、予め最適な時間に設定することが好ましい。
【００５７】
すなわち、母材Ｂに対してレーザビームＬｂを照射し金属蒸気が発生した位置がアーク発生点となるので、レーザビームＬｂを照射して十分に金属蒸気が発生した後、アークＡｂを出力することにより、より安定した溶接が可能となる。つまり、金属蒸気の発生時間（あるいは、キーホールの形成時間）に応じて位相差ｔ３を設定することが可能である。例えば、パルス波形の１／４周期に相当する時間に設定することができる。
【００５８】
このように、アークＡｂ及びレーザビームＬｂのそれぞれの出力を所定の周期でパルス化するとともに、それぞれの出力を同期させつつ母材Ｂに対して作用させることにより、アークＡｂ及びレーザビームＬｂのそれぞれのエネルギーを効率良く母材Ｂに吸収させることができる。
【００５９】
なお、上述した実施形態においては、開先部ＫにレーザビームＬｂを照射し、この開先部Ｋの内部でレーザビームＬｂを反射させるように説明したが、例えば、鉄など、レーザビームＬｂを吸収する特性を有する材料に対しては、開先部Ｋを設けなくても所望の効果を得ることができる。すなわち、レーザビームＬｂによってキーホールを形成し、このキーホールに対して埋もれアーク溶接を施すようにしてもよい。
【００６０】
一方、銅合金やアルミニウム合金、あるいはステンレスなどは、レーザビームＬｂを反射する特性を有するので、レーザビームＬｂを照射しただけではキーホールは形成されにくい。したがって、この場合においては、開先部Ｋを形成し、この開先部Ｋに対してレーザビームＬｂを照射することにより、レーザビームＬｂはこの開先部Ｋ内部で多重反射するので有効である。
【００６１】
＜実験例１＞
次に、本発明の溶接装置１によって母材Ｂに対して行った溶接方法の第１実験例について、図１５、図１６、図１７を参照しながら説明する。
図１５に示すような２種類の母材Ｂに対して、それぞれ溶接を施した。すなわち、図１５（ａ）に示すように、開先部Ｋが形成された母材Ｂと、図１５（ｂ）に示すように、開先部がない母材Ｂとに対して、それぞれ所定の条件で溶接を施した。なお、それぞれの母材Ｂとして板厚が２．８ｍｍのアルミニウム合金を用いた。
【００６２】
そして、上述したような母材Ｂに対して、レーザ溶接法のみによる溶接、アーク溶接法のみによる溶接、レーザ溶接法とアーク溶接法とを併用した溶接の３つの方法による溶接を施した。
用いた溶接装置は図１において説明したものであり、アーク溶接装置２としてミグ溶接装置を用いた。一方、レーザ溶接装置３としてＹＡＧレーザ装置を用いた。ワイヤはワイヤ径１．２ｍｍとした。レーザビーム出力は２ｋＷ、溶接速度は３ｍ／ｍｉｎ．とした。ミグ電源はパルスミグに設定し、平均溶接電流及び電圧はそれぞれ２１０Ａ、１９Ｖ（パルス電流３４０Ａ、パルス幅１．２ｍｓ、周波数２４０Ｈｚ）とした。シールドガスはＡｒを用い、流量は２５Ｌ／ｍｉｎ．とした。
また、集光光学系１５によるレーザビームＬｂの集光角度２γは２２°であり、この集光角度２γに基づいて、レーザビームＬｂのエネルギーの吸収率を向上させ、溶着量を小さくし入熱を低く抑えるために開催角度２θを３０°とした。
【００６３】
実験結果を図１６、図１７に示す。このうち、図１６は、開先部Ｋが形成された母材Ｂ（図１５（ａ）参照）に対して溶接を施した場合の結果であり、図１７は、開先部Ｋが形成されていない平板状の母材Ｂ（図１５（ｂ）参照）に対して溶接を施した場合の結果である。そして、それぞれ図１６、図１７のうち、（ａ）はレーザ溶接とアーク溶接とを複合した溶接（以下、「ハイブリッド溶接」と称する）、（ｂ）はアーク溶接のみ、（ｃ）はレーザ溶接のみ、を施した場合の溶接部分近傍の拡大図である。なお、図２１、図２２には、図１６、図１７の各写真に対応する模式図及び埋もれアークハイブリッド溶接（開先部あり）を施した場合の模式図が示されている。
【００６４】
図１６（ａ）に示すように、開先部Ｋが形成された母材Ｂに対してハイブリッド溶接を施した場合、母材Ｂは裏面側まで溶融されており、大幅に溶融部分が増大している。ところが、図１６（ｂ）に示すように、アーク溶接のみの場合においては、開先部Ｋの底部に融合不良が生じている。また、図１６（ｃ）に示すように、レーザ溶接のみの場合においては、開先部Ｋの内部でのレーザビームＬｂの多重反射によって、突き合わせ面は溶融するが、十分に接合するに至っていない。
さらにＡｒ＋４０％Ｎ２を使用して埋もれアークにすると、図２３に示すように埋もれアークのみの場合でも溶込み深さが大幅に大きくなっていることからレーザとの併用によりさらに深溶込み溶接が可能になる。
【００６５】
図１７（ａ）に示すように、平板溶接の母材Ｂに対してハイブリッド溶接を施した場合、母材Ｂの溶融部分は大きい。また、図１７（ｂ）に示すように、アーク溶接によって平板溶接を行った場合、母材Ｂの溶融部分は小さくなっている。図１７（ｃ）に示すように、レーザ溶接を施した場合には、レーザビームはアルミニウム合金からなる母材Ｂに対して反射し、十分に溶融させることができない。また、図１６（ａ）と図１７（ａ）とから分かるように、平板溶接のほうが、開先部Ｋを設けた場合に比べて溶融部分が小さい。これは、開先部Ｋを設けたことによるレーザビームＬｂの母材Ｂに対する吸収性が向上されたとともに、開先部Ｋ底部にアークエネルギーが集中されたためである。
【００６６】
このように、母材Ｂの突き合わせ面Ｍに所定の角度を有する開先部Ｋを形成し、この開先部Ｋに対してハイブリッド溶接を施すことにより、突き合わせ面Ｍの溶融部分を増大させることができ、安定した溶接を行うことが確認できる。
【００６７】
すなわち、レーザビームＬｂを照射することによってアークＡｂを所定位置へ誘導することができるとともに、アークＡｂの発生を安定化させることができる。そして、従来のミグ溶接方法では、開先部Ｋにおいて図１６（ｂ）に示したように融合不良など溶接欠陥が発生する場合が生じるが、アークＡｂと同時にレーザビームＬｂを照射することにより、深溶け込み溶接が可能であることが確認できる。
【００６８】
さらに、ハイブリッド法により、溶接速度が３ｍ／ｍｉｎ．（従来のミグ溶接法の約３倍）といった高速溶接を実現することができるとともに、この場合、溶接入熱１．２ｋＪ（従来のミグ溶接法の約１／２）といった低入熱溶接を実現することができる。このため、作業性は向上するとともに、熱歪を抑えることができるので、高精度な溶接が可能であることが確認できる。
【００６９】
＜実験例２＞
次に、本発明の溶接装置１によって母材Ｂに対して行った溶接方法の第２実験例について、図１８、図１９、図２０を参照しながら説明する。第２実験例は、溶融特性に及ぼすレーザビーム波形の影響を調べるためのものであり、レーザビームＬｂを連続発振した場合と、パルス発振した場合とにおける溶融特性を調べた。この場合、レーザビーム平均出力は、第１実験例と同様、２ｋＷに設定し、レーザビームを連続発振した場合と、ピーク出力３．５ｋＷ、周波数５００Ｈｚでパルス発振した場合と、ピーク出力５ｋＷ、周波数１００Ｈｚでパルス発振した場合との３つの条件において実験を行った。また、第１実験例と同様、溶接速度を３ｍ／ｍｉｎ．に設定し、ミグ溶接の駆動電流は２００Ａ、駆動電圧は２０Ｖに設定した。
【００７０】
図１８、図１９、図２０に実験結果を示す。このとき、各図の（ａ）は、溶接部分近傍の拡大図であり、各図の（ｂ）は、そのときのレーザビーム波形であって、縦軸はレーザビーム出力を、横軸は時間を示している。そして、図１８はレーザビームを連続発振した場合、図１９はレーザビームをピーク出力３．５ｋＷ、周波数５００Ｈｚでパルス発振した場合、図２０はレーザビームをピーク出力５ｋＷ、周波数１００Ｈｚでパルス発振した場合をそれぞれ示している。
【００７１】
これらの図に示したように、レーザビームを連続発振した場合では溶融量はほとんど増大していないが、パルス発振で３．５ｋＷ程度のピークがあれば深く安定した溶融が得られることがわかる。
さらにパルス化されたアークとレーザビームとを同期させることによって、アークとレーザとのエネルギーを効率良く母材に吸収させることができ、深溶込み溶接が可能になる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明の溶接方法及び溶接装置は以下のような効果を有するものである。
本発明によれば、所定のガス雰囲気下において所定の駆動電力で母材内部にアークを発生させることにより、溶融範囲を過剰に拡大させることなく所定の深さを有する深溶け込みなクレータ部を形成することができる。この深く形成されたクレータ部に対してレーザを照射するすることにより、レーザは効率良く母材に吸収される。そして、レーザを照射した部分からは金属蒸気が発生するため、この部分にはアークの極点が安定して形成されるので、アークのエネルギーもクレータ部の底部に集中する。したがって、母材の突き合わせ面は深く溶け込むので、安定した溶接を行うことができる。このように、アークとレーザとの相乗効果によって深溶け込みなクレータ部を形成することができるので、予め深い開先部を形成する必要がないなど、作業性を向上させることができる。また、２種類の溶接方法で深溶け込みを行う構成であり、使用するエネルギー（電力）を抑えることができるとともに、低入熱を実現することができるので、所望の品質を有する溶接を行うことができる。
【００７３】
所定のガスは、電位傾度の高いガス、これらの混合ガス、あるいはこれらを含むガスであり、これらのガスを用いて予め設定しておいた駆動電力によってアークを発生させることにより、このアークによって母材を深く溶け込ますことができる。
【００７４】
レーザビームの集光角度に応じて、開先部の開先角度を設定することにより、開先部に照射されたレーザビームは反射されることなく安定して開先部の内部に照射される。
この場合、レーザビームの集光角度をθＡ、開先角度をθＢとしたとき、
θＡ  ＜  θＢ  ≦  θＡ＋３０°
に設定することにより、母材の開先部におけるレーザビームの吸収率は所定値以上となる。したがって、レーザビームによる溶接を効率良く行うことができる。
【００７５】
アークとレーザビームとのそれぞれの出力信号を所定の周期を有するパルス信号とするとともに、それぞれの信号を同期させつつ母材に対して作用させることによっても、アーク及びレーザビームのエネルギーを効率良く母材に吸収させることができる。
このとき、それぞれの信号を所定時間位相させることにより、さらに効率良く溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接装置の一実施形態を示す全体構成図である。
【図２】埋もれアーク状態を説明するための模式図である。
【図３】アークがレーザビーム照射位置に導かれる様子を説明するための模式図である。
【図４】開先部内部においてレーザビームが母材に吸収・反射される様子を説明するための模式図である。
【図５】レーザビーム集光角度と開先部の開先角度との関係を説明するための図である。
【図６】レーザビームが反射する様子を説明するための図である。
【図７】レーザビーム集光角度と開先部の開先角度との関係を説明するための図である。
【図８】レーザビーム集光角度と開先部の開先角度との関係を説明するための図である。
【図９】母材のレーザビーム吸収率と開先部の開先角度との関係を示す図である。
【図１０】母材のレーザビーム吸収率と開先部における反射回数との関係を示す図である。
【図１１】レーザビーム集光角度と開先部の開先角度との関係を説明するための図である。
【図１２】埋もれアーク状態が生成される条件を説明するための図である。
【図１３】レーザビームとアークとを同期させる同期装置を説明するための図である。
【図１４】レーザビームとアークとの出力波形を説明するための図である。
【図１５】第１実験例を説明するための図であって実験に使用した母材を説明するための図である。
【図１６】第１実験例を説明するための図であって開先部を備えた母材に対して溶接を行ったときの実験結果を示す図である。
【図１７】第１実験例を説明するための図であって平板状の母材に対して溶接を行ったときの実験結果を示す図である。
【図１８】第２実験例を説明するための図であってレーザビームを連続発振したときの溶接の状態を説明するための図である。
【図１９】第２実験例を説明するための図であってレーザビームをパルス発振したときの溶接の状態を説明するための図である。
【図２０】第２実験例を説明するための図であってレーザビームをパルス振したときの溶接の状態を説明するための図である。
【図２１】図１６に対応する模式図及び埋もれアークハイブリッド溶接の状態の模式図である。
【図２２】図１７に対応する模式図である。
【図２３】開先部を備えた母材に対して埋もれアーク溶接を行ったときの実験結果を示す図である。
【符号の説明】
１    溶接装置
２    アーク溶接装置
３    レーザ溶接装置
４    ガス供給装置
１５    集光光学系
Ｂ    母材
Ｃ    クレータ部
Ｇ    所定ガス
Ｍ    突き合わせ面
Ｋ    開先部
Ａｂ    アーク
Ｌｂ    レーザビーム
θＡ（２γ）    レーザビーム集光角度
θＢ（２θ）    開先角度
【図１】
0003631936.tif 000004
【図２】
0003631936.tif 000005
【図３】
0003631936.tif 000006
【図４】
0003631936.tif 000007
【図５】
0003631936.tif 000008
【図６】
0003631936.tif 000009
【図７】
0003631936.tif 000010
【図８】
0003631936.tif 000011
【図９】
0003631936.tif 000012
【図１０】
0003631936.tif 000013
【図１１】
0003631936.tif 000014
【図１２】
0003631936.tif 000015
【図１３】
0003631936.tif 000016
【図１４】
0003631936.tif 000017
【図１５】
0003631936.tif 000018
【図１６】
0003631936.tif 000019
【図１７】
0003631936.tif 000020
【図１８】
0003631936.tif 000021
【図１９】
0003631936.tif 000022
【図２０】
0003631936.tif 000023
【図２１】
0003631936.tif 000024
【図２２】
0003631936.tif 000025
【図２３】
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