(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ溶接とＭＩＧ溶接を組み合わせて行う複合溶接装置において、溶接時に被溶接物に形成された溶融池を撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像した画像に基づいてレーザ光の照射点から溶融池の輪郭までの距離を求める距離算出手段と、距離算出手段で求めた距離に基づいて、レーザ光の照射点と溶加材ワイヤの供給ノズルの相対的な位置を変化させる移動手段を備えたことを特徴とする複合溶接装置。
【請求項２】
レーザ光を導く光学系が、レーザ発振器側からのレーザ光を被溶接物に向けて反射させる半透過ミラーを備えると共に、撮像手段が、半透過ミラーの背面側において同半透過ミラーから被溶接物に至るレーザ光の光軸上に配置してあることを特徴とする請求項１に記載の複合溶接装置。
【請求項３】
レーザ溶接とＭＩＧ溶接を組み合わせた複合溶接を行うに際し、溶接時に被溶接物に形成された溶融池を撮像し、撮像した画像に基づいてレーザ光の照射点から溶融池の輪郭までの距離を求め、求めた距離に基づいてレーザ光の照射点と溶加材ワイヤの供給ノズルの相対的な位置を変化させることを特徴とする複合溶接方法。
【請求項４】
レーザ光の照射点が溶融池の輪郭内になるようにレーザ光の照射点と供給ノズルの相対的な位置を変化させることを特徴とする請求項３に記載の複合溶接方法。
【請求項５】
溶接進行方向に対してレーザ光の照射点が前方に且つ供給ノズルが後方に配してあり、溶融池の前縁がレーザ光の照射点よりも溶接進行方向に対して前方になるようにレーザ光の照射点と供給ノズルの相対的な位置を変化させることを特徴とする請求項４に記載の複合溶接方法。
【請求項６】
レーザがＮｄ：ＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の複合溶接方法。
【請求項７】
被溶接物およびＭＩＧワイヤがアルミニウム合金であることを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の複合溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接とＭＩＧ溶接を組み合わせて行う複合溶接装置および複合溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の複合溶接装置あるいは複合溶接装置としては、例えば特開平１０−２７２５７８号公報、特開平１０−２４４３６９号公報、特開平１０−２１６９７２号公報、および特開平１１−１５６５７２号公報などに開示されている。これらの技術では、レーザ光をアークに対して先行させたりレーザ光とアークを全く同一点に照射するようにしており、いずれにしてもレーザ光の照射位置とアークの照射位置の相対的な位置関係を不変の状態に規定したものとなっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の技術では、レーザ光の照射位置とアークの照射位置の関係を単に規定しているだけであるため、限られた条件範囲でしか良好な溶接を行うことができなかった。
【０００４】
すなわち、被溶接物の板厚が厚い場合には溶接速度を遅く、薄い場合には溶接速度を速くした条件で溶接を行うのが一般的であるが、レーザ光の照射位置とアークの照射位置を固定したままでは、広い範囲の溶接条件に対応することが困難であって、例えば、高速域の溶接においては溶接ビードが不安定になり易いという問題点があり、従来ではこのような問題点を解決することが課題であった。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、レーザ溶接とＭＩＧ溶接を組み合わせた複合溶接において、幅広い溶接条件において高品質な溶接を行うことができる複合溶接装置および複合溶接方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、本技術に関する実験的研究から、レーザ光の照射位置とＭＩＧ溶接によるアークの照射位置との単純な関係ではなく、これらの熱源により形成される溶融池とレーザ光の照射位置の相対的な位置関係が溶接ビードの安定化ならびに溶接部の高品質化のための重要な因子であることを見出し、本発明に至ったものである。
【０００７】
本発明に係わる複合溶接装置は、請求項１に記載しているように、レーザ溶接とＭＩＧ溶接を組み合わせて行う複合溶接装置において、溶接時に被溶接物に形成された溶融池を撮像する撮像手段と、撮像手段で撮像した画像に基づいてレーザ光の照射点から溶融池の輪郭までの距離を求める距離算出手段と、距離算出手段で求めた距離に基づいて、レーザ光の照射点と溶加材ワイヤの供給ノズルの相対的な位置を変化させる移動手段を備えたことを特徴とし、請求項２に記載しているように、レーザ光を導く光学系が、レーザ発振器側からのレーザ光を被溶接物に向けて反射させる半透過ミラーを備えると共に、撮像手段が、半透過ミラーの背面側において同半透過ミラーから被溶接物に至るレーザ光の光軸上に配置してあることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明に係わる複合溶接方法は、請求項３に記載しているように、レーザ溶接とＭＩＧ溶接を組み合わせた複合溶接を行うに際し、溶接時に被溶接物に形成された溶融池を撮像し、撮像した画像に基づいてレーザ光の照射点から溶融池の輪郭までの距離を求め、求めた距離に基づいてレーザ光の照射点と溶加材ワイヤの供給ノズルの相対的な位置を変化させることを特徴とし、請求項４に記載しているように、レーザ光の照射点が溶融池の輪郭内になるようにレーザ光の照射点と供給ノズルの相対的な位置を変化させることを特徴とし、請求項５に記載しているように、溶接進行方向に対してレーザ光の照射点が前方に且つ供給ノズルが後方に配してあり、溶融池の前縁がレーザ光の照射点よりも溶接進行方向に対して前方になるようにレーザ光の照射点と供給ノズルの相対的な位置を変化させることを特徴とし、請求項６に記載しているように、レーザがＮｄ：ＹＡＧレーザであることを特徴とし、請求項７に記載しているように、被溶接物およびＭＩＧワイヤがアルミニウム合金であることを特徴としている。
【０００９】
【発明の作用】
本発明に係わる複合溶接装置および複合溶接方法では、レーザ溶接とＭＩＧ溶接を組み合わせて行うものとなっている。この際、レーザ光の照射点と溶加材ワイヤの供給ノズルは、溶接進行方向に沿って前後の位置関係にある。なお、レーザとしては、とくに限定されることはないが、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられる。また、被溶接物および溶加材ワイヤの材質にあっても、とくに限定されることはないが、例えばアルミニウム合金が用いられる。さらに、溶接速度は、被溶接物の板厚により設定され、先にも述べたように、板厚が厚い場合には溶接速度を遅くし、薄い場合には溶接速度を速くする。
【００１０】
当該複合溶接装置および複合溶接方法では、溶接時において、撮像手段により、被溶接物に形成された溶融池を撮像し、距離算出手段により、その画像を画像処理して溶融池の輪郭とレーザ光の照射点を検出し、さらに、レーザ光の照射点から溶融池の輪郭までの距離を求める。なお、被溶接物の表面である固相と溶融池である液相ではレーザ光の反射率が異なるので、画像に基づいて溶融池の輪郭を容易に検出することができる。また、距離としては、少なくとも溶接進行方向における距離を求めれば良く、より具体的には、レーザ光の照射点から溶接進行方向における溶融池の前縁までの距離を求めれば良い。
【００１１】
そして、移動手段により、距離算出手段で求めた距離に基づいて、レーザ光の照射点と溶加材ワイヤの供給ノズルの相対的な位置を変化させる。この場合、移動手段は、例えば供給ノズルを溶接進行方向に移動させる手段であり、被溶接物の板厚が厚くて溶接速度が遅い場合は、レーザ光の照射点と供給ノズルの間隔を大きく設定して、レーザ光の照射点が溶融池内に位置するように制御する。つまり、溶接速度が遅い場合は、レーザ光の照射点と供給ノズルの間隔を小さくすると、溶接部の熱量が過大となって溶融池が不必要に大きくなるからである。
【００１２】
逆に、被溶接物の板厚が薄くて溶接速度が速い場合は、レーザ光の照射点と供給ノズルの間隔を小さく設定して、レーザ光の照射点が溶融池内に位置するように制御する。つまり、溶接速度が速い場合は、レーザ光の照射点と供給ノズルの間隔を大きくすると、溶接部の熱量が不足して溶融池が不必要に小さくなり、レーザ光の照射点が溶融池から外れて先行することがあるからである。
【００１３】
上記のように、被溶接物の板厚により決定される溶接速度に対して、レーザ光の照射点と供給ノズル（溶加材ワイヤ）の間隔を制御してレーザ光の照射点を溶融池内に位置させることにより、溶接速度の大小に左右されることなく安定した溶接ビードが形成されることとなる。
【００１４】
また、当該複合溶接装置では、レーザ光を導く光学系として、レーザ発振器側からのレーザ光を被溶接物に向けて反射させる半透過ミラーを用いると共に、半透過ミラーの背面側において同半透過ミラーから被溶接物に至るレーザ光の光軸上にＣＣＤカメラ等の撮像手段を配置することにより、撮像手段による画像中心とレーザ光の照射位置とが一致したものとなり、距離算出手段における距離の算出すなわちレーザ光の照射点から溶融池の輪郭までの距離の算出がより容易なものとなる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わる複合溶接装置によれば、レーザ溶接とＭＩＧ溶接を組み合わせた複合溶接において、溶融池の撮像手段、レーザ光の照射点から溶融池の輪郭までの処理を求める距離算出手段、およびレーザ光の照射点と溶加材ワイヤの供給ノズルの相対的な位置を変化させる移動手段を採用したことにより、溶接速度の大小に左右されることなく、レーザ光の照射点と供給ノズルによる溶加材ワイヤの供給位置との位置関係を最適に制御することができ、幅広い溶接条件において常に安定した溶接ビードを形成する高品質の溶接を行うことができる。
【００１６】
本発明の請求項２に係わる複合溶接装置によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、撮像手段による画像中心とレーザ光の照射位置とが一致したものとなるので、距離算出手段における距離の算出すなわちレーザ光の照射点から溶融池の輪郭までの距離の算出をより容易に行うことができ、算出の高速化や高精度化などを実現することができる。
【００１７】
本発明の請求項３に係わる複合溶接方法によれば、レーザ溶接とＭＩＧ溶接を組み合わせた複合溶接において、溶接速度の大小に左右されることなく、レーザ光の照射点と供給ノズルによる溶加材ワイヤの供給位置との位置関係を最適に制御することができ、高品質の溶接部を得ることができる。
【００１８】
本発明の請求項４に係わる複合溶接方法によれば、請求項３と同様の効果を得ることができるうえに、より安定した高品質な溶接ビードを形成して溶接部の品質のさらなる向上を実現することができる。
【００１９】
本発明の請求項５に係わる複合溶接方法によれば、請求項４と同様の効果を得ることができるうえに、幅広い溶接条件において高品質の溶接部を得ることができる。
【００２０】
本発明の請求項６に係わる複合溶接方法によれば、請求項３〜５と同様の効果を得ることができるうえに、より一層高品質の溶接部を得ることができる。
【００２１】
本発明の請求項７に係わる複合溶接方法によれば、請求項３〜６と同様の効果を得ることができるうえに、アルミニウム合金製の被溶接物において、より一層高品質の溶接部を得ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１に示す複合溶接装置は、レーザ溶接とＭＩＧ溶接を組み合わせて行うものであって、図示しない治具に位置決めした被溶接物Ｗに対して、レーザヘッド１と、溶加材ワイヤ２やイナートガスを供給する供給ノズル３を備えている。
【００２３】
被溶接物Ｗと、レーザヘッド１および供給ノズル３は、少なくとも一方が図上において水平方向に移動可能であり、この実施例では図中矢印Ａで示す左方向を溶接進行方向としている。なお、レーザ溶接には例えばＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられ、被溶接物Ｗおよび溶加材ワイヤ２には例えばアルミニウム合金が用いられる。
【００２４】
レーザヘッド１には、レーザ光Ａを導く光学系として、図示しないレーザ発振器から水平方向に出力したレーザ光Ａを被溶接物Ｗが位置する下方向に反射させる半透過ミラー４と、その反射光を通過させるコリメーションレンズ５と、レーザ光Ａを被加工物Ｗ上に集光する集光レンズ６が収容してある。
【００２５】
そして、複合溶接装置は、溶接時に被溶接物Ｗに形成された溶融池を撮像する撮像手段としての撮像手段７と、撮像手段７で撮像した画像に基づいてレーザ光Ａの照射点から溶融池の輪郭までの距離を求める距離算出手段８と、距離算出手段８で求めた距離に基づいてレーザ光Ａの照射点と供給ノズル３の相対的な位置（レーザ光Ａの照射点と溶加材ワイヤ２の供給位置）の相対的な位置を変化させる移動手段９を備えている。このとき、溶接進行方向に対して、レーザ光Ａの照射点を前方に且つ供給ノズル３を後方に配している。
【００２６】
撮像手段７は、例えばＣＣＤカメラであると共に、レーザヘッド１に装着してあり、このとき、半透過ミラー４の背面側において同半透過ミラー４から被溶接物Ｗに至るレーザ光Ａの光軸上に配置してある。
【００２７】
距離算出手段８は、例えばコンピュータであって、撮像手段７により得た画像を画像処理する機能を備えており、当然のことながら、被溶接物Ｗの板厚と溶接速度との関係や、レーザ光Ａの照射点から溶融池の輪郭までの距離と溶接速度との関係などの予め実験的に求めたデータを入力し得るものであり、さらに、移動手段９に対する指令機能を備えている。
【００２８】
移動手段９は、この実施例の場合、レーザヘッド１に対して供給ノズル３を溶接進行方向に往復動させるリニアステージ９Ａと、このリニアステージ９Ａを駆動するドライバ９Ｂを備えている。この移動手段９は、距離算出手段８からの指令をドライバ９Ｂに入力してリニアステージ９Ａを駆動する。
【００２９】
上記構成を備えた複合溶接装置は、レーザヘッド１から被溶接物Ｗにレーザ光Ａを照射すると共に、供給ノズル３から溶加材ワイヤ２およびイナートガスを供給して被溶接物Ｗに溶接を行う。また、溶接進行方向への溶接速度は、被溶接物Ｗの板厚により設定され、板厚が厚い場合には溶接速度を遅くし、薄い場合には溶接速度を速くする。
【００３０】
そして、溶接時において、撮像手段７により、図２に示す如く被溶接物Ｗに形成された溶融池Ｐを撮像し、距離算出手段８により、その画像を画像処理して溶融池Ｐの輪郭Ｒとレーザ光Ａの照射点Ｓを検出し、さらに、照射点Ｓから輪郭Ｒまでの距離を求める。
【００３１】
この際、被溶接物Ｗの表面である固相と溶融池Ｐである液相ではレーザ光Ａの反射率が異なるので、画像に基づいて溶融池Ｐの輪郭Ｒを容易に検出することができる。また、検出する距離としては、少なくとも溶接進行方向における距離を求めれば良く、より具体的には、照射点Ｓから溶接進行方向における溶融池Ｐの前縁Ｒ１までの距離Ｌを求めれば良い。
【００３２】
また、当該複合溶接装置では、半透過ミラー４の背面側において同半透過ミラー４から被溶接物Ｗに至るレーザ光Ａの光軸上に撮像手段７を配置しているので、図２に示す画像中心とレーザ光Ａの照射位置Ｓとが一致したものとなり、距離算出手段８における距離の算出すなわち照射点Ｓから溶融池前縁Ｒ１までの距離Ｌの算出がより容易なものとなる。
【００３３】
次いで、複合溶接装置は、移動手段９により、距離算出手段８で求めた距離Ｌに基づいて、供給ノズル３をいずれかの方向に移動させ、レーザ光Ａの照射点Ｓと溶加材ワイヤ２の供給ノズル３の溶接進行方向における相対的な位置を変化させる。
【００３４】
このとき、被溶接物Ｗの板厚が厚くて溶接速度が遅い場合は、レーザ光Ａの照射点Ｓと供給ノズル３の間隔を大きく設定して、照射点Ｓが溶融池Ｐ内に位置するように制御する。つまり、溶接速度が遅い場合に照射点Ｓと供給ノズル３の間隔を小さくすると、溶接部の熱量が過大となって溶融池Ｐが不必要に大きくなるからである。
【００３５】
逆に、被溶接物Ｗの板厚が薄くて溶接速度が速い場合は、レーザ光Ａの照射点Ｓと供給ノズル３の間隔を小さく設定して、照射点Ｓが溶融池Ｐ内に位置するように制御する。つまり、溶接速度が速い場合に照射点Ｓと供給ノズル３の間隔を大きくすると、溶接部の熱量が不足して溶融池Ｐが不必要に小さくなり、照射点Ｓが溶融池Ｐから外れて先行することがあるからである。
【００３６】
上記のように、複合溶接装置およびこの装置を用いた複合溶接方法では、被溶接物の板厚により決定される溶接速度Ｗに対して、レーザ光Ａの照射点Ｓと供給ノズル（溶加材ワイヤ２）３の間隔を最適に制御して照射点Ｓを溶融池Ｐ内に位置させることにより、溶接速度の大小に左右されることなく常に安定した溶接ビードが形成され、高品質の溶接部が得られることとなる。
【００３７】
【実施例】
被溶接物Ｗとして、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ軽合金（Ａ６Ｎ０１−Ｔ５）を用い、ＭＩＧ溶接の溶加材ワイヤ２として、直径１．２ｍｍのＡｌ−Ｍｇ軽合金（Ａ５３５６）を用いた。また、レーザとして、出力５ｋＷのＮｄ：ＹＡＧレーザを用い、焦点距離２００ｍｍのコリメーションレンズ５と、焦点距離１００ｍｍの集光レンズ６によって溶接部にレーザ光Ａを集光した。ＭＩＧ溶接の電流は２５０Ａとし、電圧は２２Ｖとした。
【００３８】
そして、溶接を行いながら半透過ミラー４を通して溶接部を撮像手段（ＣＣＤカメラ）７で撮像し、その画像を距離算出手段（コンピュータ）８に取り込んで溶融池Ｐの輪郭Ｒを画像処理により求めた。さらに、溶融池Ｐの輪郭Ｒ内にレーザ光Ａの照射点Ｓすなわち画像中心が入るように、移動手段９で供給ノズル３による溶加材ワイヤ２の供給位置を移動させた。
【００３９】
本発明に係わる複合溶接装置および複合溶接方法で溶接を行った結果と、従来の装置および方法で溶接を行った結果を図３（ａ）に示す。なお、従来１は、レーザ光の照射点と溶加材ワイヤの供給位置の間隔を０ｍｍに固定したものであり、従来２は、レーザ光の照射点と溶加材ワイヤの供給位置の間隔を８ｍｍに固定したものである。また、図３（ａ）に示すレーザ・ＭＩＧ間距離において、正の値は、図３（ｂ）の（イ）に示すように照射点Ｓが供給位置よりも先行している状態を表し、０の値は、図３（ｂ）の（ロ）に示すように照射点Ｓと供給位置が一致している状態を表し、負の値は、図３（ｂ）の（ハ）に示すように供給位置が照射点Ｓよりも先行している状態を表している。
【００４０】
図３（ａ）から明らかなように、従来１では、溶接速度が１２ｍ／ｍｉｎを超えると安定した溶接ビードが得られなくなり、従来２では、溶接速度が８ｍ／ｍｉｎ以下になると安定した溶接ビードが得られなくなった。これらに対して、本発明では、とくに溶接速度が速い領域においてレーザ光Ａの照射点Ｓと溶加材ワイヤ２の供給位置との間隔を小さくすることにより、照射点Ｓを溶融池Ｐの輪郭Ｒ内に保つことができ、従来よりも広い速度領域において安定した溶接ビードを形成して高品質の溶接が行われることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる複合溶接装置の一実施例を説明する概略断面図である。
【図２】撮像手段により撮像した画像を説明する平面図である。
【図３】本発明に係わる装置および方法による溶接結果と従来の装置および方法による溶接結果を示すグラフ（ａ）、ならびに照射点と溶加材ワイヤの供給位置を示す説明図（ｂ）である。
【符号の説明】
２    溶加材ワイヤ
３    供給ノズル
４    半透過ミラー
７    撮像手段
８    距離算出手段
９    移動手段
Ａ    レーザ光
Ｐ    溶融池
Ｒ    輪郭
Ｓ    照射点
Ｗ    被溶接物
【図１】
0003682870.tif 000002
【図２】
0003682870.tif 000003
【図３】
0003682870.tif 000004