(57)【要約】第１のレーザビーム（１３）をワイヤ（７）と交差させて被溶接物（６）の第１の照射位置に照射し、第２のレーザビーム（１４）をワイヤ（７）の狙い位置から所定の距離だけ離れた第２の照射位置に照射し、第１の照射位置と第２の照射位置と狙い位置とが被溶接物（６）の溶接線上に位置するように、第１のレーザビーム（１３）と第２のレーザビーム（１４）とを照射しながらワイヤ（７）と被溶接物（６）との間でアーク溶接を行うことにより、溶融池が大きくならず、スパッタ発生を防止し、高い速度で溶接を行うことができる。
2010061422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物の溶接位置に第１のレーザビームと第２のレーザビームとを照射しながら前記溶接位置にワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を行う複合溶接方法であって、
前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わるように前記第１のレーザビームを前記ワイヤを経由して前記被溶接物の第１の照射位置に照射し、
前記第２のレーザビームを前記ワイヤの中心軸が前記被溶接物と交わる狙い位置から所定の距離だけ離れた前記被溶接物の第２の照射位置に照射し、
前記第１の照射位置と前記第２の照射位置と前記狙い位置とが前記被溶接物の溶接線上に位置する複合溶接方法。
【請求項２】
前記第１のレーザビームの出力値が、所定の許容値以下に設定された請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項３】
前記第１のレーザビームの出力値が、前記被溶接物の前記第１の照射位置における前記第１のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定される請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項４】
前記第１のレーザビームの出力値が、前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わる前記ワイヤの照射位置における前記第１のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定される請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項５】
前記第２のレーザビームを照射して所定の時間を経過してから前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第１のレーザビームを照射する請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項６】
前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームを共に照射する請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項７】
前記狙い位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向に位置し、前記第２の照射位置が前記狙い位置よりも前記溶接位置の進行方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項８】
前記狙い位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向に位置し、前記第２の照射位置が前記狙い位置よりも前記溶接位置の進行方向とは反対方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項９】
前記第１のレーザビームの光軸のみ前記ワイヤの中心軸と交わる請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項１０】
前記アーク溶接が、パルスＭＩＧアーク溶接である請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項１１】
前記被溶接物および前記ワイヤは、共にアルミニウム合金である請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項１２】
前記所定値は、前記ワイヤの材質と前記ワイヤの送給速度とによって決められる請求項２記載の複合溶接方法。
【請求項１３】
前記所定値は、前記アルミニウム合金の前記ワイヤに含まれるマグネシウムの量により決められる請求項１１記載の複合溶接方法。
【請求項１４】
前記所定値は、前記ワイヤが５０００系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第１のレーザビームのパワー密度が０．５から３ｋＷ／ｍｍ２の範囲になるように設定される請求項４記載の複合溶接方法。
【請求項１５】
前記所定値は、前記ワイヤが４０００系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第１のレーザビームのパワー密度が０．５から５ｋＷ／ｍｍ２の範囲になるように設定される請求項４記載の複合溶接方法。
【請求項１６】
被溶接物の溶接位置に第１のレーザビームおよび第２とのレーザビームを照射するレーザ発生部と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給部と、前記ワイヤおよび前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するアーク発生部と、前記レーザ発生部および前記アーク発生部を制御する制御部とを備え、
前記レーザ発生部は、
前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わるように前記第１のレーザビームが前記ワイヤを経由して前記被溶接物の第１の照射位置を照射するように配置され、
前記第２のレーザビームが前記ワイヤの中心軸が前記被溶接物と交わる狙い位置から所定の距離だけ離れた前記被溶接物の第２の照射位置を照射するように配置され、
前記第１の照射位置と前記第２の照射位置と前記狙い位置とが前記被溶接物の溶接線上に位置するように配置された複合溶接装置。
【請求項１７】
前記制御部は、前記第１のレーザビームの出力値を、所定の許容値以下に設定する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項１８】
前記制御部は、前記第１のレーザビームの出力値を、前記被溶接物の前記第１の照射位置における前記第１のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項１９】
前記制御部は、前記第１のレーザビームの出力値を、前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わる前記ワイヤの照射位置における前記第１のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２０】
前記制御部は、前記第２のレーザビームを照射して所定の時間を経過してから前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第１のレーザビームを照射する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２１】
前記制御部は、前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームを共に照射する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２２】
前記狙い位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向に位置し、前記第２の照射位置が前記狙い位置よりも前記溶接位置の進行方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２３】
前記狙い位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向にあり、前記第２の照射位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向とは反対方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２４】
前記レーザ発生部は、前記第１のレーザビームの光軸のみ前記ワイヤの中心軸と交わるように配置された請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２５】
前記アーク溶接が、パルスＭＩＧアーク溶接である請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２６】
前記被溶接物および前記ワイヤは、共にアルミニウム合金である請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２７】
前記所定値は、前記ワイヤの材質と前記ワイヤの送給速度とによって決められる請求項１７記載の複合溶接装置。
【請求項２８】
前記所定値は、前記アルミニウム合金の前記ワイヤに含まれるマグネシウムの量により決められる請求項１９記載の複合溶接装置。
【請求項２９】
前記所定値は、前記ワイヤが５０００系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第１のレーザビームのパワー密度が０．５から３ｋＷ／ｍｍ２の範囲になるように設定される請求項１９記載の複合溶接装置。
【請求項３０】
前記所定値は、前記ワイヤが４０００系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第１のレーザビームのパワー密度が０．５から５ｋＷ／ｍｍ２の範囲になるように設定される請求項１９記載の複合溶接装置。
【請求項３１】
被溶接物の溶接位置に第１のレーザビームおよび第２のレーザビームを照射するレーザ発生部と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給部と、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供給するパルスアーク発生部と、前記レーザ発生部および前記パルスアーク発生部を制御する制御部と、前記レーザ発生部における前記第１のレーザビームの出力を設定するレーザ出力設定部と、前記第１のレーザビームの所定位置における最大パワー密度許容値を設定する最大パワー密度設定部と、前記第１のレーザビームのパワー密度演算値を演算する演算部とを備え、
前記レーザ発生部は、
前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わるように前記第１のレーザビームが前記ワイヤを経由して前記被溶接物の第１の照射位置を照射するように配置され、
前記第２のレーザビームが前記ワイヤの中心軸が前記被溶接物と交わる狙い位置から所定の距離だけ離れた前記被溶接物の第２の照射位置を照射するように配置され、
前記第１の照射位置と前記第２の照射位置と前記狙い位置とが前記被溶接物の溶接線上に位置するように配置され、
前記演算部は、
前記レーザ出力設定部が設定した出力設定値と、前記最大パワー密度設定部が設定したパワー密度許容値と、前記第１のレーザビームを集光する際の焦点における集光径と、前記第１のレーザビームの焦点を原点とし前記第１のレーザビームの伝搬方向の光軸を座標軸とした任意の座標値におけるビーム径と、前記第１のレーザビームが前記被溶接物の第１の照射点を照射するときのデフォーカス量と、前記被溶接物の表面における前記第１のレーザビームの第１の照射点から前記ワイヤの狙い点までのレーザ・ワイヤ間距離と、前記第１のレーザビームの光軸の前記被溶接物の表面に対するレーザ傾斜角度と、前記ワイヤの中心軸の前記被溶接物の表面に対するワイヤ傾斜角度とからなるパラメータを用いて演算を行い、前記パラメータから算出した前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わるレーザ照射点における前記パワー密度演算値が、前記パワー密度許容値を超えたときに、前記パワー密度許容値と前記パラメータとを用いて出力演算値を演算し前記レーザ発生部に出力することにより、
前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる点における前記第１のレーザビームのパワー密度を前記パワー密度許容値以下になるようにして溶接を行う複合溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被溶接物にレーザビームの照射とアーク溶接を行う複合溶接方法と複合溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接はエネルギー密度が高く、高速で熱影響部の狭い溶接を行うことができるが、被溶接物にギャップがあると、レーザビームがそのギャップから抜けてしまい溶接ができなくなる恐れがあった。この問題を克服するために、消耗電極方式のアーク溶接と併用する複合溶接方法が多数提案されている。【０００３】
一例として、図１３に従来の複合溶接装置のブロック構成図を示す。レーザ発生部１は、レーザ発振器２とレーザ伝送部３と集光光学系４とで構成される。集光光学系４はレーザビーム５を被溶接物６の溶接位置に照射する。レーザ伝送部３は、光ファイバーやレンズの組み合わせた構造などが用いられる。集光光学系４は、一枚あるいは複数のレンズから構成される。ワイヤ７は、ワイヤ送給部８によってトーチ９を通して被溶接物６の溶接位置に送給される。アーク発生部１０は、ワイヤ送給部８を制御する。さらに、アーク発生部１０は、トーチ９を通してワイヤ７を被溶接物６の溶接位置に向かって送給し、ワイヤ７と被溶接物６の間に溶接アーク１１を発生したり、停止したりするよう制御する。制御部１２は、レーザ発生部１とアーク発生部１０を制御する。レーザ発振器２は、図示していないが、予め設定した所定の出力値を出力する。また、レーザ発振器２は、制御部１２で設定した出力値の信号を受け、その大きさのレーザビームを出力する。さらに、アーク発生部１０は、レーザ発生部１と同様に、制御部１２によってその出力を制御する。【０００４】
以上のように構成された従来の複合溶接装置の動作を説明する。溶接開始時には、図示していないが、溶接開始命令を受けた制御部１２はレーザ発生部１にレーザ溶接の開始信号を送りレーザビーム５の照射を開始する。これと共に、アーク発生部１０にアーク溶接の開始信号を送りアーク放電を開始することによって溶接を開始する。溶接終了時には、溶接終了命令を受けた制御部１２は、レーザ発生部１にレーザ溶接終了信号を送りレーザビーム５の照射を終了する。これと共に、アーク発生部１０にアーク溶接終了信号を送り、アーク放電を終了することによって溶接を終了する。【０００５】
また、以上に示した複合溶接方法に対して、いろいろな改良が提案されている。例えば、特許文献１には、レーザ照射とアーク放電の間隔をアークがレーザと干渉しないよう所定の間隔を開けて配置することにより、被溶接物の溶融速度を向上する技術が開示されている。また、非特許文献１には、上記のような場合、レーザビームがワイヤと直接にかかわることがなく、溶接電流はほとんどアーク溶接の溶接電流となる。したがって、溶融池の大きさもアーク溶接の溶融池の大きさによってほぼ決められる技術が開示されている。【０００６】
また、特許文献２には、ワイヤにレーザビームを直接照射することにより、アーク電流を低減させると共に、アーク溶接による溶融池の大きさを減少させる技術が開示されている。さらに、特許文献３には、アーク溶接にはパルスアーク溶接を使用し、被溶接物の照射点におけるレーザ・ワイヤ間距離に応じてパルスアーク溶接のパルス周波数を制御することにより、上記したギャップ裕度の向上を図る技術が開示されている。【０００７】
しかしながら、従来の技術では、上記したそれぞれ利点を備えた複合溶接方法および複合溶接装置は提案されていない。すなわち、従来の技術では、ワイヤの溶融に必要なアークエネルギーまたはアーク電流を減少させ、溶接アークによって形成されうる溶融池の大きさを減少させることができない。さらに、ワイヤ端溶滴の激しい蒸発を伴うスパッタ発生を防止することができない。さらに、高いレーザ出力を溶接位置に投入して高い溶接速度を得ることができない。
【特許文献１】特開２００２−３４６７７７号公報
【特許文献２】特開２００８−９３７１８号公報
【特許文献３】特開２００８−２２９６３１号公報
【非特許文献１】片山聖二、内海怜、水谷正海、王静波、藤井孝治、アルミニウム合金のＹＡＧレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接における溶込み特性とポロシティの防止機構、軽金属溶接、４４、３（２００６）
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、ワイヤの溶融に必要なアークエネルギーまたはアーク電流を減少させ、溶接アークによって形成されうる溶融池の大きさを減少させると共に、ワイヤ端溶滴の激しい蒸発を伴うスパッタ発生を防止することができ、なおかつ高いレーザ出力を溶接位置に投入することにより高い溶接速度を得ることのできる複合溶接方法と複合溶接装置を提供するものである。
【０００９】
本発明は、被溶接物の溶接位置に第１のレーザビームと第２のレーザビームとを照射しながら溶接位置にワイヤを送給して被溶接物との間でアーク溶接を行う複合溶接方法であって、第１のレーザビームの光軸とワイヤの中心軸が交わるように第１のレーザビームをワイヤを経由して被溶接物の第１の照射点に照射し、第２のレーザビームをワイヤの中心軸が被溶接物と交わる狙い点から所定の距離だけ離れた被溶接物の第２の照射点に照射し、第１の照射点と狙い点と第２の照射点とが被溶接物の溶接線上に位置する構成を有する。
【００１０】
このような構成により、ワイヤの溶融に必要なアークエネルギーまたはアーク電流を減少させ、溶接アークによって形成されうる溶融池の大きさを減少させることができる。さらにワイヤ端溶滴の激しい蒸発を伴うスパッタ発生を防止することができる。さらに高いレーザ出力を第２のレーザビームによって溶接位置に投入することにより高い溶接速度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における複合溶接装置を示す模式図である。
【図２】図２は、同実施の形態１における複合溶接方法のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図である。
【図３】図３は、同実施の形態における溶接アークと第１のレーザビームと第２のレーザビームの動作タイミングを示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２における複合溶接方法のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態３における複合溶接装置を示す模式図である。
【図６】図６は、同実施の形態における溶接アークと第１のレーザビームと第２のレーザビームの他の動作タイミングを示す図である。
【図７】図７は、本発明のレーザ伝送部と集光光学系の構成を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態４における複合溶接装置の構成を示す模式図である。
【図９Ａ】図９Ａは、同複合溶接装置における第１のレーザビームとワイヤの配置を示す模式図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、同複合溶接装置におけるワイヤ端溶滴を示す模式図である。
【図１０】図１０は、同複合溶接装置における第１のレーザビームの伝搬状態を示す模式図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、同複合溶接装置におけるスパッタ発生の状態の変化を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、同複合溶接装置におけるスパッタ発生の状態の変化を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、同複合溶接装置におけるスパッタ発生の状態の変化を示す図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、同複合溶接装置におけるスパッタ発生の状態の変化を示す図である。
【図１１Ｅ】図１１Ｅは、同複合溶接装置におけるスパッタ発生の状態の変化を示す図である。
【図１１Ｆ】図１１Ｆは、同複合溶接装置におけるスパッタ発生の状態の変化を示す図である。
【図１２】図１２は、同複合溶接装置におけるレーザ出力を変えた時のビード外観を示す図である。
【図１３】図１３は、従来の複合溶接装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００１２】
６    被溶接物
７    ワイヤ
８    ワイヤ給送部
９    トーチ
９ａ    給電チップ
１０    アーク発生部
１１    溶接アーク
１５    溶融池
１７    制御部
１３    第１のレーザビーム
１４    第２のレーザビーム
１６    電流検出部
２０    ワイヤ端溶滴
１００    レーザ発生部
１０１，１１４    レーザ発振器
１１５    レーザ出力設定部
１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ    レーザ伝送部
１０３    集光光学系
１０３Ａ，１０３Ｂ    集光光学部品
１１３    パルスアーク発生部
１１５    レーザ出力設定部
１１６    演算部
１１７    最大パワー密度設定部
１１８    表示部
１１９    パルスアーク
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における複合溶接装置を示す模式図である。図１において、レーザ発生部１００は、レーザ発振器１０１とレーザ伝送部１０２と集光光学系１０３とで構成される。レーザ発生部１００は、第１のレーザビーム１３および第２のレーザビーム１４を被溶接物６の溶接位置に照射する。集光光学系１０３は第１のレーザビーム１３および第２のレーザビーム１４を被溶接物６の溶接位置に集光する。レーザ伝送部１０２は、光ファイバーやレンズの組み合わせ構造などが用いられる。集光光学系１０３は、一枚あるいは複数のレンズから構成される。ワイヤ７は、ワイヤ送給部８によってトーチ９を通して被溶接物６の溶接位置に送給される。アーク発生部１０は、ワイヤ送給部８を制御する。さらに、アーク発生部１０は、トーチ９を通してワイヤ７を被溶接物６の溶接位置に向かって送給し、ワイヤ７と被溶接物６の間に溶接アーク１１を発生したり、停止したりするよう制御する。制御部１７は、レーザ発生部１００とアーク発生部１０を制御する。制御部１７は、コンピュータや演算機能を有する装置やロボットなどが用いられる。レーザ発振器２は、図示していないが、予め設定した所定の出力値を出力する。また、レーザ発振器２は、制御部１７で設定した出力値の信号を受け、それを出力する。さらに、アーク発生部１０は、レーザ発生部１００と同様に、制御部１７によってその出力を制御する。図１に示すように、本実施の形態の複合溶接装置と図１３に示す従来の複合溶接装置との違いは、本実施の形態が、レーザ発振器１０１が、第１のレーザビーム１３および第２のレーザビーム１４を発生することと、集光光学系１０３が、第１のレーザビーム１３および第２のレーザビーム１４を被溶接物６の溶接位置に照射することと、制御部１７がこれらを制御することである。【００１４】
図２は本実施の形態における複合溶接方法のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図である。図２では側面からみた模式図と上面から見た模式図を上下に並べて示している。給電チップ９ａは、トーチ９の先端に取り付けられ、ワイヤ７に電力を供給する。第１のレーザビーム１３は被溶接物６の表面の第１の照射位置Ａを照射する。すなわち、第１のレーザビーム１３の光軸ａａ’上に被溶接物６の表面の第１の照射位置Ａが位置する。第２のレーザビーム１４は被溶接物６の表面の第２の照射位置Ｂを照射する。すなわち、第２のレーザビーム１４の光軸ｂｂ’上に被溶接物６の表面の第２の照射位置Ｂが位置する。ワイヤ７は被溶接物６の狙い位置Ｃに向かって送給される。すなわち、ワイヤ７の中心ｃｃ’上に被溶接物６の表面の狙い位置Ｃが位置する。第１のレーザビーム１３は、ワイヤ７と交差して第１の照射位置Ａを照射する。すなわち、第１のレーザビーム１３の光軸ａａ’上にワイヤ７のレーザ照射位置Ｄと被溶接物６の表面の第１の照射位置Ａとが位置する。また、ワイヤ７の中心軸ｃｃ’上に被溶接物６の表面の狙い位置Ｃとワイヤ７のレーザ照射位置Ｄとが位置する。本実施の形態では、このような位置関係になるようにレーザ発振器１０１、集光光学系１０３、あるいはトーチ９が配置される。溶接は太い矢印方向に、被溶接物６の表面の溶接線Ｍ１Ｍ２に沿って行われる。なお、図２では溶接線Ｍ１Ｍ２は直線であるが、溶接箇所に応じて曲線であってもよい。すなわち、第１の照射位置Ａ、第２の照射位置Ｂ、狙い位置Ｃが溶接線Ｍ１Ｍ２上にこの順で位置する。ただし、第１の照射位置Ａと狙い位置Ｃと第２の照射位置Ｂは直線をなす方が実用的である。第１のレーザビーム１３、第２のレーザビーム１４、およびワイヤ７による溶接により、被溶接物６の表面の溶接位置には溶融池１５が形成される。したがって、溶融池１５は溶接線Ｍ１Ｍ２上に形成される。Ｌ１は、第１の照射位置Ａと狙い位置Ｃとの被溶接物６の表面における距離を示すレーザ・アーク間距離である。Ｌ２は、第２の照射位置Ｂと狙い位置Ｃとの被溶接物６の表面における距離を示すレーザ・アーク間距離である。すなわち、第２のレーザビーム１４は、ワイヤ７の狙い位置Ｃから所定距離Ｌ２だけ離れた第２の照射位置Ｂを照射している。【００１５】
本実施の形態において、溶接開始時と溶接終了時の動作について図３を参照して説明する。図３は、本実施の形態における複合溶接方法の溶接アーク１１と第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４の動作タイミングを示す図である。溶接開始時には、信号Ｐ２に示すように、ｔ１時点では第２のレーザビーム１４の出力をＯＮにする。その後、Δｔ１期間経過後のｔ２時点では、信号ＰＡに示すように、溶接アーク１１の出力をＯＮにする。その後、Δｔ２期間経過後のｔ３時点では、信号Ｐ１に示すように、第１のレーザビーム１３の出力をＯＮにする。すなわち、第２のレーザビーム１４の照射を開始してから所定の期間Δｔ１が経過してから溶接アーク１１を発生させる。その後、所定の期間Δｔ２が経過してから第１のレーザビーム１３を照射する。その理由は以下の通りである。【００１６】
第２のレーザビーム１４の照射が開始してから溶接アーク１１が発生するまでのΔｔ１期間では、被溶接物６の溶接位置が第２のレーザビーム１４によって加熱されて、レーザ誘起プラズマまたはプルームが発生する。レーザ誘起プラズマまたはプルームはその後の溶接アーク１１の開始を容易にすることができる。一方、溶接アーク１１が発生してから第１のレーザビーム１３が照射するまでのΔｔ２期間は、第１のレーザビーム１３がワイヤ７に当たることなく、溶接アーク１１を発生させるための期間である。これは、仮に第１のレーザビーム１３の照射を開始してから溶接アーク１１を発生させるとした場合、被溶接物６に向かって供給されるワイヤ７が被溶接物６に接触して溶接アーク１１を発生する前に第１のレーザビーム１３の直接照射を受けて溶融してしまい、正常にアーク溶接を開始させることができなくなる恐れがあるためである。【００１７】
溶接終了時の動作について説明する。ｔ４時点では、信号Ｐ１、Ｐ２に示すように、第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４の照射を同時に終了する。その後、期間Δｔ３が経過したｔ５では、信号ＰＡに示すように、溶接アーク１１を終了する。これは、通常、溶接を終了させるときには、トーチ９を止めてクレータ処理を行う操作が必要である。しかし、トーチ９が止まった状態で溶接アーク１１より第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４を長く照射すると、被溶接物６における溶込み深さが増加しすぎ、そのため溶落ちが発生してしまう恐れがあるためである。したがって、Δｔ３の期間を設けることにより、溶落ちを発生することなく、溶接アーク１１によるクレータ処理を行うことができる。【００１８】
ところで、上記説明では、ワイヤ７に照射する第１のレーザビーム１３について特に規定していない。しかし、ワイヤ７が第１のレーザビーム１３のエネルギーを過大に吸収し蒸発してしまうことを防止するためには、第１のレーザビーム１３の出力値を所定の許容値以下、すなわちワイヤ７の先端に形成した溶滴が第１のレーザビーム１３のエネルギーを吸収しても激しく蒸発しないよう設定することが望ましい。実際、ワイヤ７が第１のレーザビーム１３を吸収して蒸発するのを決定するのは、ワイヤ７の表面におけるレーザ照射位置Ｄでの第１のレーザビームのパワー密度である。このことを考慮して、第１のレーザビーム１３の出力値は、ワイヤ７のレーザ照射位置Ｄにおける第１のレーザビーム１３のパワー密度を所定の許容値以下に設定することにより、ワイヤ７の先端の溶滴の激しい蒸発を防止できる。また、実際の溶接作業では、直接に管理可能なのは被溶接物６の表面に照射される第１のレーザビーム１３のパワー密度である。このことを考慮して、第１のレーザビーム１３とワイヤ７との配置関係が決まれば、第１のレーザビーム１３の出力値は、被溶接物６における第１の照射位置Ａにおける第１のレーザビーム１３のパワー密度を所定の許容値以下に設定して、ワイヤ７の先端の溶滴の激しい蒸発を防止できる。【００１９】
以上に説明した通り、第１のレーザビーム１３の光軸ａａ’とワイヤ７の中心軸ｃｃ’が交わるようにレーザ発振器１０１およびトーチ９を配置することによって、ワイヤ７に第１のレーザビーム１３を直接に照射することができる。これにより、ワイヤ７の溶融に必要なアークエネルギーまたはアーク電流を減少させ、溶接アーク１１によって形成される溶融池１３の大きさを減少させることができる。このように第１のレーザビーム１３の出力値を制限することについては後述する。【００２０】
第２のレーザビーム１４は直接にワイヤ７に照射していないので、その出力値はワイヤ７からの制限を受けることがない。したがって、溶接する被溶接物６の材質や板厚、必要な溶接速度、または必要なビード形状に応じて第２のレーザビーム１４の出力を設定することが可能である。例えば、第２のレーザビーム１４の出力値を高く設定することによって高い速度、または深い溶込みで溶接を行うことができる。【００２１】
以上のように本実施の形態によれば、ワイヤ７の溶融に必要なアークエネルギーまたはアーク電流を減少させ、溶接アークによって形成される溶融池１５の大きさを減少させることができる。これと共に、ワイヤ７端部の溶滴の激しい蒸発を伴うスパッタ発生を防止することができる。さらに、高いレーザ出力を第２のレーザビーム１４によって溶接位置に投入することにより高い溶接速度を得ることができる。【００２２】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における複合溶接方法のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図である。図４も、図２と同様に側面からみた模式図と上面から見た模式図を上下に並べて示している。図４では、図２に示した実施の形態１と比較して、第２のレーザビーム１４の照射方向と照射位置のみが異なり、それ以外は図２と同様である。すなわち、本実施の形態では、第２のレーザビーム１４の第２の照射位置Ｂはワイヤ７の狙い位置Ｃから所定距離Ｌ２だけ離れている。なお、狙い位置Ｃと第１の照射位置Ａと第２の照射位置Ｂとの順で、直線をなす。狙い位置Ｃと第１の照射位置Ａと第２の照射位置Ｂがこの順で溶接方向の先から元に向かって溶接線Ｍ１Ｍ２上に並んでいる。本実施の形態においても、これら３つの位置は直線状に位置する方が実用的である。【００２３】
なお、本実施の形態では、第１のレーザビーム１３の第１の照射点Ａと第２のレーザビーム１４の第２の照射点Ｂを異なった位置としている。しかし、第１のレーザビーム１３の第１の照射位置Ａと第２のレーザビーム１４の第２の照射位置Ｂとを同一照射位置としてもよい。その場合、第２のレーザビーム１４の第２の照射位置Ｂとワイヤ７の狙い位置Ｃとの間は所定距離Ｌ１だけ離れることになる。すなわち、レーザ・アーク間距離Ｌ１がＬ２と等しくなる。【００２４】
以上のように本実施の形態においても、ワイヤ７の溶融に必要なアークエネルギーまたはアーク電流を減少させ、溶接アークによって形成される溶融池１５の大きさを減少させることができる。これと共に、ワイヤ７端部の溶滴の激しい蒸発を伴うスパッタ発生を防止することができる。さらに、高いレーザ出力を第２のレーザビーム１４によって溶接位置に投入することにより高い溶接速度を得ることができる。【００２５】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における複合溶接装置を示す模式図である。本実施の形態の溶接装置は、基本的には図１に示す実施の形態１と同様の構成を有する。図５において、レーザ発生部１００は、レーザ発振器１０１とレーザ伝送部１０２と集光光学系１０３から構成される。レーザ発生部１００は、第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４とを被溶接物６の溶接位置に照射する。アーク発生部１０と被溶接物６との間に接続された電流検出部１６は、溶接アーク１１が発生するときにワイヤ７と被溶接物６との間に流れる電流のタイミングを検出する。制御部１７は、電流検出部１６の出力信号を入力して、レーザ発生部１００またはアーク発生部１０を制御する。電流検出部１６はアーク発生部１０の中に組み込まれてもよい。また、電流検出部１６としては、ホール素子などの検出部を使用してよいが、シャントを使用してもよい。【００２６】
本実施の形態の動作について説明する。まず、電流検出部１６を使用しない場合の動作について説明する。この場合は、実施の形態１と同様の動作であるので、図３を参照して説明する。溶接開始時には、図示していないが、溶接起動信号を受けてから制御部１７は、ｔ１時点ではレーザ発生部１００を制御し、信号Ｐ２に示すように、第２のレーザビーム１４のみを出力する。その後、所定の期間Δｔ１が経過してからのｔ２時点では、アーク発生部１０を制御し、信号ＰＡに示すように、ワイヤ送給部８よりワイヤ７を被溶接物６に向かって送給して、ワイヤ７と被溶接物６との間に溶接アーク１１を発生させる。その後、所定の期間Δｔ２が経過してからのｔ３時点では、再びレーザ発生部１００を制御して、信号Ｐ１に示すように、第１のレーザビーム１３を照射する。溶接終了時には、図示していないが、溶接終了信号を受けてから制御部１７は、ｔ４時点では、レーザ発生部１００を制御して、信号Ｐ１、Ｐ２に示すように、第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４の照射の両方を終了する。その後、期間Δｔ３が経過したｔ５時点では、信号ＰＡに示すように、アーク発生部１０を制御して溶接アークを終了する。【００２７】
次に、電流検出部１６を使用した場合の動作について、図６を参照して説明する。図６は、同実施の形態における溶接アークと第１のレーザビームと第２のレーザビームの他の動作タイミングを示す図である。溶接開始時には、図示していないが、溶接開始信号を受けてから制御部１７は、ｔ２時点ではアーク発生部１０を制御して、ワイヤ送給部８よりワイヤ７を被溶接物６に向かって送給し、信号ＰＡに示すように、ワイヤ７と被溶接物６との間に溶接アーク１１を発生させる。このとき、電流検出部１６ではワイヤ７と被溶接物６との間に電流が流れたことを検知してから、直ちに電流検出信号を制御部１７に出力する。制御部１７は、電流検出信号を受けてからレーザ発生部１００を制御して、信号Ｐ２に示すように、直ちに第２のレーザビーム１４を出力する。その後、期間Δｔ２が経過したｔ３時点では、制御部１７はレーザ発生部１００を制御して、信号Ｐ１に示すように、第１のレーザビーム１３を照射する。溶接終了時の動作は、図３で説明した内容と同様である。このように、図６に示すようなタイミングで溶接を行っても、図３と同様の効果が得られる。【００２８】
ここで、実施の形態１〜３で説明したように、２本のレーザビームを出力するレーザ発生部１００について説明する。図１、図５において、レーザ発生部１００の最も簡単な構成としては、レーザ発振器１０１から２本のレーザビームを出力し、２本のレーザビームを伝送することのできるレーザ伝送部１０２によって集光光学系１０３に伝送することである。集光光学系１０３では、２本のレーザビームを集光してそれぞれ第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４として被溶接物６に照射する。なお、第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４との被溶接物６における第１および第２の照射位置ＡとＢとの間隔は、伝送部１０２から集光光学系１０３に導入される２本のレーザビームの間隔によって調整できる。【００２９】
このことを図７を参照して説明する。図７は、本発明のレーザ伝送部と集光光学系の構成を示す模式図である。レーザ伝送部１０２は、レーザ発振器１０１から発生した第１および第２の２本のレーザビーム１３、１４をそれぞれ伝送する第１および第２のレーザ伝送部１０２Ａと１０２Ｂから構成される。第１および第２のレーザ伝送部１０２Ａ、１０２Ｂは、レーザ伝送部間隔Ｌ０を隔てて配置される。集光光学系１０３は、レーザ伝送部１０２側に配置される集光光学部品１０３Ａと被溶接物６側に配置される集光光学部品１０３Ｂとで構成される。集光光学部品１０３Ａは、レーザ伝送部１０２Ａ、１０２Ｂから伝送してきた第１および第２の２本のレーザビーム１３、１４を平行にする。集光光学部品１０３Ｂは平行にされた第１および第２の２本のレーザビーム１３、１４を、それぞれ第１および第２の照射位置Ａ、Ｂに集光する。レーザ伝送部１０２Ａ、１０２Ｂは、例えば光ファイバーである。集光光学部品１０３Ａ、１０３Ｂは、例えば、焦点距離の同じまたは異なった凸レンズである。図７に示した通り、レーザ伝送部間隔Ｌ０を調整することによって、第１および第２の２本のレーザビーム１３、１４との被溶接物６の表面における第１および第２の照射位置Ａ、Ｂの間隔Ｌ１＋Ｌ２を調整することが可能である。例えば、第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４とが被溶接物６の表面に対して垂直な場合は、Ｌ０＝Ｌ１＋Ｌ２である。ここで、既に説明したように、Ｌ１は、第１のレーザビーム１３の被溶接物６の表面における第１の照射位置Ａと、ワイヤ７の被溶接物６の表面における狙い位置Ｃとの間隔である。Ｌ２は、第２のレーザビーム１４の被溶接物６の表面における第２の照射位置Ｂと、ワイヤ７の被溶接物６の表面における狙い位置Ｃとの間隔である。第１および第２のレーザビーム１３、１４が被溶接物６の表面と垂直でない場合は、Ｌ１＋Ｌ２がわかれば、レーザ伝送部間隔Ｌ０を算出することが可能である。【００３０】
ところで、レーザ発生部１００の別の構成としては、図１３に示した従来の複合溶接装置において使用したレーザ発生部１を２つ使用して、２つのレーザ発生部から発生する２本のレーザビームをそれぞれ第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４として使用することも可能である。【００３１】
以上に示した実施の形態１〜３では、アーク溶接およびアーク発生部１０を使用して説明したが、アーク溶接の代わりにパルスアーク溶接またはパルスＭＩＧアーク溶接を使用し、アーク発生部１０の代わりにパルスアーク発生部を使用することも可能である。これによって、各実施の形態と同様の効果を得ると共に、溶接時に発生するスパッタを低減することができる。【００３２】
また、実施の形態１〜３では、被溶接物６およびワイヤ７の材質に関しては特に指定しなかったが、被溶接物とワイヤは共にアルミニウム合金を用いることが可能である。【００３３】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１〜３における第１のレーザビーム１３の出力値の制限について具体的に説明する。本実施の形態では、第１のレーザビーム１３のワイヤ７の照射位置Ｄにおけるパワー密度をパワー密度許容値以下になるように制限することについて説明する。【００３４】
図８は本発明の実施の形態４における複合溶接装置の構成を示す模式図である。実施の形態１〜３に示した内容と同様の構成および動作について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。【００３５】
図８において、本実施の形態では、図１のアーク発生部１０の代わりにパルスアーク発生部１１３を、レーザ発振器１０１の代わりにレーザ発振器１１４を使用している。また、レーザ出力設定部１１５と最大パワー密度設定部１１７と演算部１１６と表示部１１８とからなる出力演算部１３０を追加している。レーザ出力設定部１１５は、レーザ発振器１１４のレーザ出力値を設定する。最大パワー密度設定部１１７は、第１のレーザビームの所定位置におけるパワー密度許容値を設定する。演算部１１６は、レーザ発振器１１４のレーザ出力値を後述するパラメータを用いて演算する。表示部１１８は、演算部１１６で演算されたレーザ出力値を表示する。【００３６】
パルスアーク発生部１１３は、図示していないが、パルス電流とベース電流とパルス幅とベース幅とから構成されるパルス状の溶接電力を出力し、ワイヤ７と被溶接物６との間にパルスアーク１１９を発生しながら、パルスアーク溶接を行うものである。パルスアーク発生部１１３を使用したのは、パルスアークによって一つのパルスで一つの溶滴を溶融池と接触することなくそれを確実に被溶接物６の溶接位置に移行させることができ、スパッタの発生をより有効に防止することができるためである。【００３７】
レーザ発振器１１４は、図示していないが、演算部１１６からの信号が接続されていない場合は、レーザ出力設定部１１５が設定した出力設定値ＰＳをそのまま出力する。また、演算部１１６からの信号が接続されている場合は、演算部１１６から入力された出力演算値ＰＣを優先して出力する。【００３８】
以上の構成では、制御部１７が、レーザ出力設定部１１５を兼ねても良い。この場合、制御部１７の信号を演算部１１６に入力するように構成する。【００３９】
レーザ発振器１１４からは、実施の形態１〜３で説明したように第1のレーザビーム１３および第２のレーザビーム１４が被溶接物６に向かって照射される。しかし、実施の形態１〜３で説明したように第２のレーザビーム１４は直接にワイヤ７に照射していないので、その出力値はワイヤ７からの制限を受けることがない。したがって、本実施の形態では、第１のレーザビーム１３の出力値の演算制御について説明する。【００４０】
演算部１１６の演算方法と動作原理ついて説明する前に、演算に際して必要なパラメータなどの説明のため、第１のレーザビーム１３とワイヤ７の配置について図９Ａ、図９Ｂを参照して説明する。また、第１のレーザビーム１３の照射方向の伝搬について図１０を参照して説明する。図９Ａは第１のレーザビーム１３とワイヤ７の配置を示す模式図である。図９Ｂは、ワイヤ端溶滴を示す模式図である。図１０は、第１のレーザビーム１３の被溶接物６表面への照射方向の伝搬状態を側面から見て示す模式図である。図１０では左側が光軸ａａ’の照射元を示し、右側が照射先を示す。以下、実施の形態１〜３と同じ符号は実施の形態１〜３と同じ意味を有する。図９Ａ、図１０において、Ｆ１は第１のレーザビーム１３の光軸ａａ’の被溶接物６との交点である第１の照射点（照射位置Ａ）である。図９Ａにおいて、Ｆ２は第１のレーザビーム１３の光軸ａａ’とワイヤ７の中心軸ｃｃ’との交点である照射点（レーザ照射位置Ｄ）である。Ｆ３はワイヤ７の中心軸ｃｃ’の被溶接物６との交点である狙い点（狙い位置Ｃ）である。Ｌ１は、照射位置Ｆ１と狙い位置Ｆ３の距離を示すレーザ・ワイヤ間距離である。αＬは光軸ａａ’の被溶接物６に対する傾斜を示すレーザ傾斜角度である。αＷは中心軸ｃｃ’の被溶接物６に対する傾斜を示すワイヤ傾斜角度である。図９Ｂに示すように、ワイヤ７は第1のレーザビーム１３の照射またはパルスアーク１１９の加熱を受け、その先端にワイヤ端溶滴２０が形成される。図１０において、Ｆ０は第１のレーザビーム１３を集光光学系１０３によって集光した際に得られる焦点である。Ｚは光軸ａａ’と一致し、焦点Ｆ０を原点に、第１のレーザビーム１３の伝搬方向（照射先方向）をプラス方向に取った座標軸またはその座標値である。φ０は焦点Ｆ０（または座標軸Ｚの原点）における第1のレーザビーム１３の直径を示す集光径である。φ（Ｚ）は任意の座標値Ｚにおける第1のレーザビーム１３の直径である。ビーム径φ（Ｚ）は、集光径φ０と座標値Ｚとの間に（数式１）に示す関係があることが知られている。【００４１】
φ（Ｚ）＝φ０・（１＋γ・Ｚ２）１／２      （数式１）
但し、ここでは、γは、第１のレーザビーム１３のビーム品質と集光光学系１０３とで決まる定数である。ΔＺは、焦点Ｆ０と照射点Ｆ１との距離で、第１のレーザビーム１３のデフォーカス量である。したがって、照射点Ｆ１におけるビーム径はφ（ΔＺ）と書ける。但し、デフォーカス量ΔＺの符号については、照射点Ｆ１の座標値ＺがプラスのときにはΔＺはプラスの値を、座標値ＺがマイナスのときにはΔＺはマイナスの値を取るものとする。例えば、図１０の状態では、ΔＺがプラスの値を取る。【００４２】
演算部１１６の演算方法と動作原理について、図８〜図１０を参照して説明する。演算部１１６は、次のパラメータを入力して演算を行い、その演算結果を出力演算値ＰＣとしてレーザ発振器１１４と表示部１１８とに出力する。パラメータは２種類あり、１つの種類は、レーザ出力設定部１１５が設定した出力設定値ＰＳと、最大パワー密度設定部１１７が設定したパワー密度許容値Ｗ０とである。出力設定値ＰＳは、本実施の形態では、被溶接物６や溶接速度などに応じてユーザーが設定したレーザ発振器１０１の出力するパワーである。パワー密度許容値Ｗ０は、ユーザーが決める、照射位置Ｄにおけるパワー密度の許容値である。本実施の形態では、ワイヤ７の材質とワイヤ７の送給速度とによって決まった関数である。【００４３】
また、もう１つの種類は、溶接位置近傍１３１から得られる、集光径φ０と、ビーム径φ（Ｚ）と、デフォーカス量ΔＺと、レーザ・ワイヤ間距離Ｌ１と、レーザ傾斜角度αＬと、ワイヤ傾斜角度αＷとである。なお、図示していないが、溶接位置近傍１３１から得られるパラメータは、使用する溶接装置に応じて予め測定したものを使用すればよい。【００４４】
図９Ｂに示したようなワイヤ端溶滴２０を激しく蒸発させないためには、ワイヤ７の照射点Ｆ２におけるパワー密度演算値ＷＣ（後述するように、（数式３）から算出する。）をパワー密度許容値Ｗ０以下にすればよい。そこで、まず、（数式１）を用いて照射点Ｆ２におけるビーム径φ（Ｆ２）を算出すると、（数式２）が得られる。【００４５】
φ（Ｆ２）＝φ０・［１＋γ・（Ｆ１Ｆ２＋ΔZ）２］１／２    （数式２）
但し、ここでは、Ｆ１Ｆ２＝Ｌ１・tan（αＷ）／｛cos（αＬ）・［tan（αＬ）＋tan（αＷ）］｝は、照射点Ｆ１と照射点Ｆ２との間の距離である。【００４６】
ビーム径φ（Ｆ２）が求まると、照射点Ｆ２におけるパワー密度演算値ＷＣは（数式３）を用いて求めることができる。【００４７】
ＷＣ＝４・ＰＳ／｛π・［φ（Ｆ２）］２／sin（αＬ＋αＷ）｝    （数式３）
次に、演算部１１６は、パワー密度許容値Ｗ０とパワー密度演算値ＷＣとを比較する。その結果、パワー密度演算値ＷＣがパワー密度許容値Ｗ０より小さいと、演算部１１６は、出力設定値ＰＳをそのまま出力演算値ＰＣとして、レーザ発振器１４に出力すると共に表示部１１８に出力する。一方、パワー密度演算値ＷＣがパワー密度許容値Ｗ０より大きいと、演算部１１６は、パワー密度許容値Ｗ０と照射点Ｆ２におけるビーム径φ（Ｆ２）から（数式４）を用いて出力演算値ＰＣを算出できる。演算部１１６は、演算した出力演算値ＰＣをレーザ発振器１１４に出力すると共に表示部１１８に出力する。【００４８】
ＰＣ＝Ｗ０・｛π・［φ（Ｆ２）］２／sin（αＬ+αＷ）｝／４    （数式４）
溶接の際には、レーザ発振器１１４は演算出力値ＰＣを出力するが、表示部１１８は演算出力値ＰＣを表示する。なお、実際の溶接では、表示部１１８を省略しても差し支えない。【００４９】
以上の説明では、ワイヤ７の照射点Ｆ２におけるパワー密度演算値ＷＣをパワー密度許容値Ｗ０以下にすればよいとしていたが、その理由は、以下の通りである。図９Ｂに示すようにワイヤ７の先端にワイヤ端溶滴２０が形成された状態になった以降でも、ワイヤ７は第１のレーザビーム１３の照射またはパルスアーク１１９の加熱を受け続ける。そのため、ワイヤ端溶滴２０の大きさが増加していく。後続のパルス期間が始まると、ワイヤ端溶滴２０とワイヤ７の固体部との境界付近にくびれが発生する。パルス期間中にはくびれが成長し、パルス期間終了の直前またはその直後付近では、ワイヤ端溶滴２０がワイヤ７の先端から離脱して被溶接物６の溶接位置へ移行していく。ワイヤ端溶滴２０は、ワイヤ７の先端から離脱して第１のレーザビーム１３の照射範囲を通過するまで、第１のレーザビーム１３の照射を受け続ける。そのため、ワイヤ端溶滴２０の表面における第１のレーザビーム１３のパワー密度が高すぎると、ワイヤ端溶滴２０の温度上昇が大きくなりすぎ、沸点に達してしまう。そうなると、ワイヤ端溶滴２０から激しい蒸発が発生してしまい、スパッタを伴う。したがって、ワイヤ端溶滴２０が激しく蒸発し、スパッタになることを防止するためには、ワイヤ７の照射点Ｆ２におけるパワー密度を制限する必要がある。図１０では、照射点Ｆ１と焦点Ｆ０は別の位置として説明したが、両者は同じ位置でもよい。このときはΔＺ＝０となる。【００５０】
図１１Ａ〜図１１Ｆは、アルミニウム合金のパルスＭＩＧアーク溶接を行う際の、パワー密度が過大になったときに、ワイヤ端溶滴が激しく蒸発し、スパッタが発生している状態の変化を示す図である。すなわち、図１１Ａを開始点とし、１ｍｓずつ時間が経過したタイミングにおけるスパッタの状態変化を示している。図１１Ａには、溶接中の任意のタイミングにおける、実際のワイヤ端溶滴２０とレーザビーム５との相対位置関係が示されている。この状態では、ワイヤ端溶滴２０が第１のレーザビーム１３の照射を受けているものの、ワイヤ端溶滴２０はまだ激しく蒸発していない。図１１Ｂ〜図１１Ｆになると、ワイヤ端溶滴２０が第１のレーザビーム１３の照射を受けて徐々に激しく蒸発し、その周辺にスパッタＳとして飛び散っていることが認められた。【００５１】
なお、図１１Ａ〜図１１Ｆの実験は、次の条件で行った。被溶接物６は、厚さ２ｍｍのＡ５０５２アルミニウム合金、ワイヤ７は、直径１．２ｍｍのＡ５３５６アルミニウム合金である。第１のレーザビーム１３は、集光径０．２ｍｍのファイバーレーザで、出力が４．０ｋＷ、ファイバー径が０．１ｍｍ、コリメートレンズ焦点距離が１２５ｍｍ、集光レンズ焦点距離が２５０ｍｍ、デフォーカスのビーム径が０．９ｍｍである。レーザ・ワイヤ間距離Ｌ１は２ｍｍ、溶接速度は４ｍ／分である。【００５２】
また、本発明の実施の形態の効果を確認するために、板厚２ｍｍのＡ５０５２アルミニウム合金に対してＡ５３５６のワイヤ（直径１．２ｍｍ）を使用し、被溶接物表面におけるビーム径を固定してレーザ出力のみを変えて複合溶接を行った。図１２は、レーザ出力を変えた時のビード外観を示す図である。図１２の列ａ〜列ｄからもわかるように、レーザ出力が３．０ｋＷ（ワイヤ７の照射点Ｆ２におけるパワー密度の算出値が２．３３ｋＷ／ｍｍ２）以下では、溶接位置周辺（図では上下周辺）のクリーニング領域を含めビード表面が良好であった。一方、図１２の列ｅからわかるように、レーザ出力が４．０ｋＷ（ワイヤ７の照射点Ｆ２におけるパワー密度の算出値が３．１１ｋＷ／ｍｍ２）では、クリーニング領域が狭くなると共にビード表面が黒く汚れてしまっている。しかも、ビード付近に多数の小粒のスパッタが付着していた。ビード表面における黒い汚れまたはその付近における多数の小粒のスパッタは、溶接中のワイヤ端溶滴がレーザビームの照射を受け、激しく蒸発した結果である。その様子は、図１１Ｂ〜図１１Ｆに示した通りであった。なお、図１２の実験の条件は、図１１Ａ〜図１１Ｆと同様である。【００５３】
以上のように、本実施の形態によれば、被溶接物６に供給するワイヤ７に第１のレーザビーム１３を直接照射するように、すなわち第１のレーザビーム１３の光軸ａａ’とワイヤ７の中心軸ｃｃ’とが交わるように第１のレーザビーム１３とワイヤ７とを配置している。また、ワイヤ７のレーザ照射点Ｆ２における第１のレーザビーム１３のパワー密度を所定値以下にするよう溶接を行っている。これによりワイヤ端溶滴２０の激しい蒸発を伴うスパッタ発生が防止できる。【００５４】
以上の説明では、パルスアーク溶接の例としてパルスＭＩＧアーク溶接をすでに説明に使用していたが、本発明はこれに限ることない。【００５５】
また、本実施の形態では、被溶接物とワイヤは共にアルミニウム合金を使用したが、本発明はこれに限ることない。【００５６】
また、以上の説明では、ワイヤ７のレーザ照射点Ｆ２における第１のレーザビーム１３のパワー密度を所定値以下になるよう溶接を行った。本実施の形態では、この所定値は、ワイヤ７の材質とワイヤ７の送給速度とによって決まった関数で演算して設定した。その理由は、以下の通りである。ワイヤ７の材質に関しては、材質が異なると、ワイヤ７の先端に形成した溶滴２１の沸点が変わり、また、第１のレーザビーム１３に対する吸収率も変わるためである。一方、ワイヤ７の送給速度に関しては、ワイヤ７の送給速度が変わると、第１のレーザビーム１３とワイヤ７とのインターラクション時間が変わる。したがって、ワイヤ７が溶融して沸点に達するまでの加熱時間も異なってくるためである。【００５７】
特に、アルミニウム合金のワイヤ７を使用する際には、ワイヤ７に含まれるＭｇ（マグネシウム）の量によってはその沸点が大きく変わることがある。したがって、上記所定値は、ワイヤ７に含まれるＭｇの量の関数であってもよい。【００５８】
具体的には、５０００系のアルミニウム合金のワイヤを使用する際には、所定値を０．５から３ｋＷ／ｍｍ２の範囲に設定して良好であった。また、４０００系のアルミニウム合金のワイヤを使用する際には、所定値を０．５から５ｋＷ／ｍｍ２の範囲に設定するのが良好であった。【００５９】
また、本実施の形態では、ワイヤ７のレーザ照射点Ｆ２における第１のレーザビーム１３のパワー密度を所定値以下になるよう溶接を行った。しかし、被溶接物６表面の第１のレーザビーム１３の照射点Ｆ１（第１の照射位置Ａ）における第１のレーザビーム１３のパワー密度が所定の許容値以下になるように、第１のレーザビーム１３の出力値を制限してもよい。この場合も、実施の形態４と同様に、数式１〜数式４を用いて第１のレーザビーム１３のパワー密度を演算することができる。【００６０】
すなわち、本発明では、レーザ照射点Ｆ２や照射点Ｆ１以外の任意の照射点における第１のレーザビーム１３のパワー密度が所定値以下になるように第１のレーザビーム１３の出力値を制限することも可能である。したがって、本発明は、第１のレーザビーム１３の出力値を所定の許容値以下に設定することによって、ワイヤ端溶滴２０の激しい蒸発を伴うスパッタ発生が防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上のように本発明は、ワイヤ端溶滴の激しい蒸発を伴うスパッタ発生を防止できるので、２本のレーザビームの照射とアーク溶接とによる複合溶接方法などに有用である。
【図１】
2010061422.tif 000003
【図２】
2010061422.tif 000004
【図３】
2010061422.tif 000005
【図４】
2010061422.tif 000006
【図５】
2010061422.tif 000007
【図６】
2010061422.tif 000008
【図７】
2010061422.tif 000009
【図８】
2010061422.tif 000010
【図９Ａ】
2010061422.tif 000011
【図９Ｂ】
2010061422.tif 000012
【図１０】
2010061422.tif 000013
【図１１Ａ】
2010061422.tif 000014
【図１１Ｂ】
2010061422.tif 000015
【図１１Ｃ】
2010061422.tif 000016
【図１１Ｄ】
2010061422.tif 000017
【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
2010061422.tif 000019
【図１２】
2010061422.tif 000020
【図１３】
2010061422.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月24日(2010.3.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物の溶接位置に第１のレーザビームと第２のレーザビームとを照射しながら前記溶接位置にワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を行う複合溶接方法であって、
前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わるように前記第１のレーザビームを前記ワイヤを経由して前記被溶接物の第１の照射位置に照射し、
前記第２のレーザビームを前記ワイヤの中心軸が前記被溶接物と交わる狙い位置から所定の距離だけ離れた前記被溶接物の第２の照射位置に照射し、
前記第１の照射位置と前記第２の照射位置と前記狙い位置とが前記被溶接物の溶接線上に位置し、前記第２のレーザビームを照射して所定の時間を経過してから前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第１のレーザビームを照射する複合溶接方法。
【請求項２】
前記第１のレーザビームの出力値が、所定の許容値以下に設定された請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項３】
前記第１のレーザビームの出力値が、前記被溶接物の前記第１の照射位置における前記第１のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定される請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項４】
前記第１のレーザビームの出力値が、前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わる前記ワイヤの照射位置における前記第１のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定される請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項５】
（削除）
【請求項６】
前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームを共に照射する請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項７】
前記狙い位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向に位置し、前記第２の照射位置が前記狙い位置よりも前記溶接位置の進行方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項８】
前記狙い位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向に位置し、前記第２の照射位置が前記狙い位置よりも前記溶接位置の進行方向とは反対方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項９】
前記第１のレーザビームの光軸のみ前記ワイヤの中心軸と交わる請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項１０】
前記アーク溶接が、パルスＭＩＧアーク溶接である請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項１１】
前記被溶接物および前記ワイヤは、共にアルミニウム合金である請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項１２】
前記所定値は、前記ワイヤの材質と前記ワイヤの送給速度とによって決められる請求項２記載の複合溶接方法。
【請求項１３】
前記所定値は、前記アルミニウム合金の前記ワイヤに含まれるマグネシウムの量により決められる請求項１１記載の複合溶接方法。
【請求項１４】
前記所定値は、前記ワイヤが５０００系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第１のレーザビームのパワー密度が０．５から３ｋＷ／ｍｍ２の範囲になるように設定される請求項４記載の複合溶接方法。
【請求項１５】
前記所定値は、前記ワイヤが４０００系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第１のレーザビームのパワー密度が０．５から５ｋＷ／ｍｍ２の範囲になるように設定される請求項４記載の複合溶接方法。
【請求項１６】
被溶接物の溶接位置に第１のレーザビームおよび第２とのレーザビームを照射するレーザ発生部と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給部と、前記ワイヤおよび前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するアーク発生部と、前記レーザ発生部および前記アーク発生部を制御する制御部とを備え、
前記レーザ発生部は、
前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わるように前記第１のレーザビームが前記ワイヤを経由して前記被溶接物の第１の照射位置を照射するように配置され、
前記第２のレーザビームが前記ワイヤの中心軸が前記被溶接物と交わる狙い位置から所定の距離だけ離れた前記被溶接物の第２の照射位置を照射するように配置され、
前記第１の照射位置と前記第２の照射位置と前記狙い位置とが前記被溶接物の溶接線上に位置するように配置され、前記制御部は、前記第２のレーザビームを照射して所定の時間を経過してから前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第１のレーザビームを照射する複合溶接装置。
【請求項１７】
前記制御部は、前記第１のレーザビームの出力値を、所定の許容値以下に設定する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項１８】
前記制御部は、前記第１のレーザビームの出力値を、前記被溶接物の前記第１の照射位置における前記第１のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項１９】
前記制御部は、前記第１のレーザビームの出力値を、前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わる前記ワイヤの照射位置における前記第１のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２０】
（削除）
【請求項２１】
前記制御部は、前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームを共に照射する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２２】
前記狙い位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向に位置し、前記第２の照射位置が前記狙い位置よりも前記溶接位置の進行方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２３】
前記狙い位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向にあり、前記第２の照射位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向とは反対方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２４】
前記レーザ発生部は、前記第１のレーザビームの光軸のみ前記ワイヤの中心軸と交わるように配置された請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２５】
前記アーク溶接が、パルスＭＩＧアーク溶接である請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２６】
前記被溶接物および前記ワイヤは、共にアルミニウム合金である請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２７】
前記所定値は、前記ワイヤの材質と前記ワイヤの送給速度とによって決められる請求項１７記載の複合溶接装置。
【請求項２８】
前記所定値は、前記アルミニウム合金の前記ワイヤに含まれるマグネシウムの量により決められる請求項１９記載の複合溶接装置。
【請求項２９】
前記所定値は、前記ワイヤが５０００系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第１のレーザビームのパワー密度が０．５から３ｋＷ／ｍｍ２の範囲になるように設定される請求項１９記載の複合溶接装置。
【請求項３０】
前記所定値は、前記ワイヤが４０００系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第１のレーザビームのパワー密度が０．５から５ｋＷ／ｍｍ２の範囲になるように設定される請求項１９記載の複合溶接装置。
【請求項３１】
被溶接物の溶接位置に第１のレーザビームおよび第２のレーザビームを照射するレーザ発生部と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給部と、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供給するパルスアーク発生部と、前記レーザ発生部および前記パルスアーク発生部を制御する制御部と、前記レーザ発生部における前記第１のレーザビームの出力を設定するレーザ出力設定部と、前記第１のレーザビームの所定位置における最大パワー密度許容値を設定する最大パワー密度設定部と、前記第１のレーザビームのパワー密度演算値を演算する演算部とを備え、
前記レーザ発生部は、
前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わるように前記第１のレーザビームが前記ワイヤを経由して前記被溶接物の第１の照射位置を照射するように配置され、
前記第２のレーザビームが前記ワイヤの中心軸が前記被溶接物と交わる狙い位置から所定の距離だけ離れた前記被溶接物の第２の照射位置を照射するように配置され、
前記第１の照射位置と前記第２の照射位置と前記狙い位置とが前記被溶接物の溶接線上に位置するように配置され、
前記演算部は、
前記レーザ出力設定部が設定した出力設定値と、前記最大パワー密度設定部が設定したパワー密度許容値と、前記第１のレーザビームを集光する際の焦点における集光径と、前記第１のレーザビームの焦点を原点とし前記第１のレーザビームの伝搬方向の光軸を座標軸とした任意の座標値におけるビーム径と、前記第１のレーザビームが前記被溶接物の第１の照射点を照射するときのデフォーカス量と、前記被溶接物の表面における前記第１のレーザビームの第１の照射点から前記ワイヤの狙い点までのレーザ・ワイヤ間距離と、前記第１のレーザビームの光軸の前記被溶接物の表面に対するレーザ傾斜角度と、前記ワイヤの中心軸の前記被溶接物の表面に対するワイヤ傾斜角度とからなるパラメータを用いて演算を行い、前記パラメータから算出した前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わるレーザ照射点における前記パワー密度演算値が、前記パワー密度許容値を超えたときに、前記パワー密度許容値と前記パラメータとを用いて出力演算値を演算し前記レーザ発生部に出力することにより、
前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる点における前記第１のレーザビームのパワー密度を前記パワー密度許容値以下になるようにして溶接を行う複合溶接装置。
【手続補正書】
【提出日】平成22年4月15日(2010.4.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被溶接物にレーザビームの照射とアーク溶接を行う複合溶接方法と複合溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接はエネルギー密度が高く、高速で熱影響部の狭い溶接を行うことができるが、被溶接物にギャップがあると、レーザビームがそのギャップから抜けてしまい溶接ができなくなる恐れがあった。この問題を克服するために、消耗電極方式のアーク溶接と併用する複合溶接方法が多数提案されている。
【０００３】
一例として、図１３に従来の複合溶接装置のブロック構成図を示す。レーザ発生部１は、レーザ発振器２とレーザ伝送部３と集光光学系４とで構成される。集光光学系４はレーザビーム５を被溶接物６の溶接位置に照射する。レーザ伝送部３は、光ファイバーやレンズの組み合わせた構造などが用いられる。集光光学系４は、一枚あるいは複数のレンズから構成される。ワイヤ７は、ワイヤ送給部８によってトーチ９を通して被溶接物６の溶接位置に送給される。アーク発生部１０は、ワイヤ送給部８を制御する。さらに、アーク発生部１０は、トーチ９を通してワイヤ７を被溶接物６の溶接位置に向かって送給し、ワイヤ７と被溶接物６の間に溶接アーク１１を発生したり、停止したりするよう制御する。制御部１２は、レーザ発生部１とアーク発生部１０を制御する。レーザ発振器２は、図示していないが、予め設定した所定の出力値を出力する。また、レーザ発振器２は、制御部１２で設定した出力値の信号を受け、その大きさのレーザビームを出力する。さらに、アーク発生部１０は、レーザ発生部１と同様に、制御部１２によってその出力を制御する。
【０００４】
以上のように構成された従来の複合溶接装置の動作を説明する。溶接開始時には、図示していないが、溶接開始命令を受けた制御部１２はレーザ発生部１にレーザ溶接の開始信号を送りレーザビーム５の照射を開始する。これと共に、アーク発生部１０にアーク溶接の開始信号を送りアーク放電を開始することによって溶接を開始する。溶接終了時には、溶接終了命令を受けた制御部１２は、レーザ発生部１にレーザ溶接終了信号を送りレーザビーム５の照射を終了する。これと共に、アーク発生部１０にアーク溶接終了信号を送り、アーク放電を終了することによって溶接を終了する。
【０００５】
また、以上に示した複合溶接方法に対して、いろいろな改良が提案されている。例えば、特許文献１には、レーザ照射とアーク放電の間隔をアークがレーザと干渉しないよう所定の間隔を開けて配置することにより、被溶接物の溶融速度を向上する技術が開示されている。また、非特許文献１には、上記のような場合、レーザビームがワイヤと直接にかかわることがなく、溶接電流はほとんどアーク溶接の溶接電流となる。したがって、溶融池の大きさもアーク溶接の溶融池の大きさによってほぼ決められる技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、ワイヤにレーザビームを直接照射することにより、アーク電流を低減させると共に、アーク溶接による溶融池の大きさを減少させる技術が開示されている。さらに、特許文献３には、アーク溶接にはパルスアーク溶接を使用し、被溶接物の照射点におけるレーザ・ワイヤ間距離に応じてパルスアーク溶接のパルス周波数を制御することにより、上記したギャップ裕度の向上を図る技術が開示されている。
【０００７】
しかしながら、従来の技術では、上記したそれぞれ利点を備えた複合溶接方法および複合溶接装置は提案されていない。すなわち、従来の技術では、ワイヤの溶融に必要なアークエネルギーまたはアーク電流を減少させ、溶接アークによって形成されうる溶融池の大きさを減少させることができない。さらに、ワイヤ端溶滴の激しい蒸発を伴うスパッタ発生を防止することができない。さらに、高いレーザ出力を溶接位置に投入して高い溶接速度を得ることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３４６７７７号公報
【特許文献２】特開２００８−９３７１８号公報
【特許文献３】特開２００８−２２９６３１号公報
【非特許文献１】片山聖二、内海怜、水谷正海、王静波、藤井孝治、アルミニウム合金のＹＡＧレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接における溶込み特性とポロシティの防止機構、軽金属溶接、４４、３（２００６）
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、ワイヤの溶融に必要なアークエネルギーまたはアーク電流を減少させ、溶接アークによって形成されうる溶融池の大きさを減少させると共に、ワイヤ端溶滴の激しい蒸発を伴うスパッタ発生を防止することができ、なおかつ高いレーザ出力を溶接位置に投入することにより高い溶接速度を得ることのできる複合溶接方法と複合溶接装置を提供するものである。
【００１０】
本発明は、被溶接物の溶接位置に第１のレーザビームと第２のレーザビームとを照射しながら溶接位置にワイヤを送給して被溶接物との間でアーク溶接を行う複合溶接方法であって、第１のレーザビームの光軸とワイヤの中心軸が交わるように第１のレーザビームをワイヤを経由して被溶接物の第１の照射点に照射し、第２のレーザビームをワイヤの中心軸が被溶接物と交わる狙い点から所定の距離だけ離れた被溶接物の第２の照射点に照射し、第１の照射点と狙い点と第２の照射点とが被溶接物の溶接線上に位置する構成を有する。
【００１１】
このような構成により、ワイヤの溶融に必要なアークエネルギーまたはアーク電流を減少させ、溶接アークによって形成されうる溶融池の大きさを減少させることができる。さらにワイヤ端溶滴の激しい蒸発を伴うスパッタ発生を防止することができる。さらに高いレーザ出力を第２のレーザビームによって溶接位置に投入することにより高い溶接速度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における複合溶接装置を示す模式図
【図２】同実施の形態１における複合溶接方法のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図
【図３】同実施の形態における溶接アークと第１のレーザビームと第２のレーザビームの動作タイミングを示す図
【図４】本発明の実施の形態２における複合溶接方法のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図
【図５】本発明の実施の形態３における複合溶接装置を示す模式図
【図６】同実施の形態における溶接アークと第１のレーザビームと第２のレーザビームの他の動作タイミングを示す図
【図７】本発明のレーザ伝送部と集光光学系の構成を示す模式図
【図８】本発明の実施の形態４における複合溶接装置の構成を示す模式図
【図９Ａ】同複合溶接装置における第１のレーザビームとワイヤの配置を示す模式図
【図９Ｂ】同複合溶接装置におけるワイヤ端溶滴を示す模式図
【図１０】同複合溶接装置における第１のレーザビームの伝搬状態を示す模式図
【図１１Ａ】同複合溶接装置におけるスパッタ発生の状態の変化を示す図
【図１１Ｂ】同複合溶接装置におけるスパッタ発生の状態の変化を示す図
【図１１Ｃ】同複合溶接装置におけるスパッタ発生の状態の変化を示す図
【図１１Ｄ】同複合溶接装置におけるスパッタ発生の状態の変化を示す図
【図１１Ｅ】同複合溶接装置におけるスパッタ発生の状態の変化を示す図
【図１１Ｆ】同複合溶接装置におけるスパッタ発生の状態の変化を示す図
【図１２】同複合溶接装置におけるレーザ出力を変えた時のビード外観を示す図
【図１３】従来の複合溶接装置の構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における複合溶接装置を示す模式図である。図１において、レーザ発生部１００は、レーザ発振器１０１とレーザ伝送部１０２と集光光学系１０３とで構成される。レーザ発生部１００は、第１のレーザビーム１３および第２のレーザビーム１４を被溶接物６の溶接位置に照射する。集光光学系１０３は第１のレーザビーム１３および第２のレーザビーム１４を被溶接物６の溶接位置に集光する。レーザ伝送部１０２は、光ファイバーやレンズの組み合わせ構造などが用いられる。集光光学系１０３は、一枚あるいは複数のレンズから構成される。ワイヤ７は、ワイヤ送給部８によってトーチ９を通して被溶接物６の溶接位置に送給される。アーク発生部１０は、ワイヤ送給部８を制御する。さらに、アーク発生部１０は、トーチ９を通してワイヤ７を被溶接物６の溶接位置に向かって送給し、ワイヤ７と被溶接物６の間に溶接アーク１１を発生したり、停止したりするよう制御する。制御部１７は、レーザ発生部１００とアーク発生部１０を制御する。制御部１７は、コンピュータや演算機能を有する装置やロボットなどが用いられる。レーザ発振器２は、図示していないが、予め設定した所定の出力値を出力する。また、レーザ発振器２は、制御部１７で設定した出力値の信号を受け、それを出力する。さらに、アーク発生部１０は、レーザ発生部１００と同様に、制御部１７によってその出力を制御する。図１に示すように、本実施の形態の複合溶接装置と図１３に示す従来の複合溶接装置との違いは、本実施の形態が、レーザ発振器１０１が、第１のレーザビーム１３および第２のレーザビーム１４を発生することと、集光光学系１０３が、第１のレーザビーム１３および第２のレーザビーム１４を被溶接物６の溶接位置に照射することと、制御部１７がこれらを制御することである。
【００１４】
図２は本実施の形態における複合溶接方法のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図である。図２では側面からみた模式図と上面から見た模式図を上下に並べて示している。給電チップ９ａは、トーチ９の先端に取り付けられ、ワイヤ７に電力を供給する。第１のレーザビーム１３は被溶接物６の表面の第１の照射位置Ａを照射する。すなわち、第１のレーザビーム１３の光軸ａａ’上に被溶接物６の表面の第１の照射位置Ａが位置する。第２のレーザビーム１４は被溶接物６の表面の第２の照射位置Ｂを照射する。すなわち、第２のレーザビーム１４の光軸ｂｂ’上に被溶接物６の表面の第２の照射位置Ｂが位置する。ワイヤ７は被溶接物６の狙い位置Ｃに向かって送給される。すなわち、ワイヤ７の中心ｃｃ’上に被溶接物６の表面の狙い位置Ｃが位置する。第１のレーザビーム１３は、ワイヤ７と交差して第１の照射位置Ａを照射する。すなわち、第１のレーザビーム１３の光軸ａａ’上にワイヤ７のレーザ照射位置Ｄと被溶接物６の表面の第１の照射位置Ａとが位置する。また、ワイヤ７の中心軸ｃｃ’上に被溶接物６の表面の狙い位置Ｃとワイヤ７のレーザ照射位置Ｄとが位置する。本実施の形態では、このような位置関係になるようにレーザ発振器１０１、集光光学系１０３、あるいはトーチ９が配置される。溶接は太い矢印方向に、被溶接物６の表面の溶接線Ｍ１Ｍ２に沿って行われる。なお、図２では溶接線Ｍ１Ｍ２は直線であるが、溶接箇所に応じて曲線であってもよい。すなわち、第１の照射位置Ａ、第２の照射位置Ｂ、狙い位置Ｃが溶接線Ｍ１Ｍ２上にこの順で位置する。ただし、第１の照射位置Ａと狙い位置Ｃと第２の照射位置Ｂは直線をなす方が実用的である。第１のレーザビーム１３、第２のレーザビーム１４、およびワイヤ７による溶接により、被溶接物６の表面の溶接位置には溶融池１５が形成される。したがって、溶融池１５は溶接線Ｍ１Ｍ２上に形成される。Ｌ１は、第１の照射位置Ａと狙い位置Ｃとの被溶接物６の表面における距離を示すレーザ・アーク間距離である。Ｌ２は、第２の照射位置Ｂと狙い位置Ｃとの被溶接物６の表面における距離を示すレーザ・アーク間距離である。すなわち、第２のレーザビーム１４は、ワイヤ７の狙い位置Ｃから所定距離Ｌ２だけ離れた第２の照射位置Ｂを照射している。
【００１５】
本実施の形態において、溶接開始時と溶接終了時の動作について図３を参照して説明する。図３は、本実施の形態における複合溶接方法の溶接アーク１１と第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４の動作タイミングを示す図である。溶接開始時には、信号Ｐ２に示すように、ｔ１時点では第２のレーザビーム１４の出力をＯＮにする。その後、Δｔ１期間経過後のｔ２時点では、信号ＰＡに示すように、溶接アーク１１の出力をＯＮにする。その後、Δｔ２期間経過後のｔ３時点では、信号Ｐ１に示すように、第１のレーザビーム１３の出力をＯＮにする。すなわち、第２のレーザビーム１４の照射を開始してから所定の期間Δｔ１が経過してから溶接アーク１１を発生させる。その後、所定の期間Δｔ２が経過してから第１のレーザビーム１３を照射する。その理由は以下の通りである。
【００１６】
第２のレーザビーム１４の照射が開始してから溶接アーク１１が発生するまでのΔｔ１期間では、被溶接物６の溶接位置が第２のレーザビーム１４によって加熱されて、レーザ誘起プラズマまたはプルームが発生する。レーザ誘起プラズマまたはプルームはその後の溶接アーク１１の開始を容易にすることができる。一方、溶接アーク１１が発生してから第１のレーザビーム１３が照射するまでのΔｔ２期間は、第１のレーザビーム１３がワイヤ７に当たることなく、溶接アーク１１を発生させるための期間である。これは、仮に第１のレーザビーム１３の照射を開始してから溶接アーク１１を発生させるとした場合、被溶接物６に向かって供給されるワイヤ７が被溶接物６に接触して溶接アーク１１を発生する前に第１のレーザビーム１３の直接照射を受けて溶融してしまい、正常にアーク溶接を開始させることができなくなる恐れがあるためである。
【００１７】
溶接終了時の動作について説明する。ｔ４時点では、信号Ｐ１、Ｐ２に示すように、第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４の照射を同時に終了する。その後、期間Δｔ３が経過したｔ５では、信号ＰＡに示すように、溶接アーク１１を終了する。これは、通常、溶接を終了させるときには、トーチ９を止めてクレータ処理を行う操作が必要である。しかし、トーチ９が止まった状態で溶接アーク１１より第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４を長く照射すると、被溶接物６における溶込み深さが増加しすぎ、そのため溶落ちが発生してしまう恐れがあるためである。したがって、Δｔ３の期間を設けることにより、溶落ちを発生することなく、溶接アーク１１によるクレータ処理を行うことができる。
【００１８】
ところで、上記説明では、ワイヤ７に照射する第１のレーザビーム１３について特に規定していない。しかし、ワイヤ７が第１のレーザビーム１３のエネルギーを過大に吸収し蒸発してしまうことを防止するためには、第１のレーザビーム１３の出力値を所定の許容値以下、すなわちワイヤ７の先端に形成した溶滴が第１のレーザビーム１３のエネルギーを吸収しても激しく蒸発しないよう設定することが望ましい。実際、ワイヤ７が第１のレーザビーム１３を吸収して蒸発するのを決定するのは、ワイヤ７の表面におけるレーザ照射位置Ｄでの第１のレーザビームのパワー密度である。このことを考慮して、第１のレーザビーム１３の出力値は、ワイヤ７のレーザ照射位置Ｄにおける第１のレーザビーム１３のパワー密度を所定の許容値以下に設定することにより、ワイヤ７の先端の溶滴の激しい蒸発を防止できる。また、実際の溶接作業では、直接に管理可能なのは被溶接物６の表面に照射される第１のレーザビーム１３のパワー密度である。このことを考慮して、第１のレーザビーム１３とワイヤ７との配置関係が決まれば、第１のレーザビーム１３の出力値は、被溶接物６における第１の照射位置Ａにおける第１のレーザビーム１３のパワー密度を所定の許容値以下に設定して、ワイヤ７の先端の溶滴の激しい蒸発を防止できる。
【００１９】
以上に説明した通り、第１のレーザビーム１３の光軸ａａ’とワイヤ７の中心軸ｃｃ’が交わるようにレーザ発振器１０１およびトーチ９を配置することによって、ワイヤ７に第１のレーザビーム１３を直接に照射することができる。これにより、ワイヤ７の溶融に必要なアークエネルギーまたはアーク電流を減少させ、溶接アーク１１によって形成される溶融池１３の大きさを減少させることができる。このように第１のレーザビーム１３の出力値を制限することについては後述する。
【００２０】
第２のレーザビーム１４は直接にワイヤ７に照射していないので、その出力値はワイヤ７からの制限を受けることがない。したがって、溶接する被溶接物６の材質や板厚、必要な溶接速度、または必要なビード形状に応じて第２のレーザビーム１４の出力を設定することが可能である。例えば、第２のレーザビーム１４の出力値を高く設定することによって高い速度、または深い溶込みで溶接を行うことができる。
【００２１】
以上のように本実施の形態によれば、ワイヤ７の溶融に必要なアークエネルギーまたはアーク電流を減少させ、溶接アークによって形成される溶融池１５の大きさを減少させることができる。これと共に、ワイヤ７端部の溶滴の激しい蒸発を伴うスパッタ発生を防止することができる。さらに、高いレーザ出力を第２のレーザビーム１４によって溶接位置に投入することにより高い溶接速度を得ることができる。
【００２２】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における複合溶接方法のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図である。図４も、図２と同様に側面からみた模式図と上面から見た模式図を上下に並べて示している。図４では、図２に示した実施の形態１と比較して、第２のレーザビーム１４の照射方向と照射位置のみが異なり、それ以外は図２と同様である。すなわち、本実施の形態では、第２のレーザビーム１４の第２の照射位置Ｂはワイヤ７の狙い位置Ｃから所定距離Ｌ２だけ離れている。なお、狙い位置Ｃと第１の照射位置Ａと第２の照射位置Ｂとの順で、直線をなす。狙い位置Ｃと第１の照射位置Ａと第２の照射位置Ｂがこの順で溶接方向の先から元に向かって溶接線Ｍ１Ｍ２上に並んでいる。本実施の形態においても、これら３つの位置は直線状に位置する方が実用的である。
【００２３】
なお、本実施の形態では、第１のレーザビーム１３の第１の照射点Ａと第２のレーザビーム１４の第２の照射点Ｂを異なった位置としている。しかし、第１のレーザビーム１３の第１の照射位置Ａと第２のレーザビーム１４の第２の照射位置Ｂとを同一照射位置としてもよい。その場合、第２のレーザビーム１４の第２の照射位置Ｂとワイヤ７の狙い位置Ｃとの間は所定距離Ｌ１だけ離れることになる。すなわち、レーザ・アーク間距離Ｌ１がＬ２と等しくなる。
【００２４】
以上のように本実施の形態においても、ワイヤ７の溶融に必要なアークエネルギーまたはアーク電流を減少させ、溶接アークによって形成される溶融池１５の大きさを減少させることができる。これと共に、ワイヤ７端部の溶滴の激しい蒸発を伴うスパッタ発生を防止することができる。さらに、高いレーザ出力を第２のレーザビーム１４によって溶接位置に投入することにより高い溶接速度を得ることができる。
【００２５】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における複合溶接装置を示す模式図である。本実施の形態の溶接装置は、基本的には図１に示す実施の形態１と同様の構成を有する。図５において、レーザ発生部１００は、レーザ発振器１０１とレーザ伝送部１０２と集光光学系１０３から構成される。レーザ発生部１００は、第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４とを被溶接物６の溶接位置に照射する。アーク発生部１０と被溶接物６との間に接続された電流検出部１６は、溶接アーク１１が発生するときにワイヤ７と被溶接物６との間に流れる電流のタイミングを検出する。制御部１７は、電流検出部１６の出力信号を入力して、レーザ発生部１００またはアーク発生部１０を制御する。電流検出部１６はアーク発生部１０の中に組み込まれてもよい。また、電流検出部１６としては、ホール素子などの検出部を使用してよいが、シャントを使用してもよい。
【００２６】
本実施の形態の動作について説明する。まず、電流検出部１６を使用しない場合の動作について説明する。この場合は、実施の形態１と同様の動作であるので、図３を参照して説明する。溶接開始時には、図示していないが、溶接起動信号を受けてから制御部１７は、ｔ１時点ではレーザ発生部１００を制御し、信号Ｐ２に示すように、第２のレーザビーム１４のみを出力する。その後、所定の期間Δｔ１が経過してからのｔ２時点では、アーク発生部１０を制御し、信号ＰＡに示すように、ワイヤ送給部８よりワイヤ７を被溶接物６に向かって送給して、ワイヤ７と被溶接物６との間に溶接アーク１１を発生させる。その後、所定の期間Δｔ２が経過してからのｔ３時点では、再びレーザ発生部１００を制御して、信号Ｐ１に示すように、第１のレーザビーム１３を照射する。溶接終了時には、図示していないが、溶接終了信号を受けてから制御部１７は、ｔ４時点では、レーザ発生部１００を制御して、信号Ｐ１、Ｐ２に示すように、第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４の照射の両方を終了する。その後、期間Δｔ３が経過したｔ５時点では、信号ＰＡに示すように、アーク発生部１０を制御して溶接アークを終了する。
【００２７】
次に、電流検出部１６を使用した場合の動作について、図６を参照して説明する。図６は、同実施の形態における溶接アークと第１のレーザビームと第２のレーザビームの他の動作タイミングを示す図である。溶接開始時には、図示していないが、溶接開始信号を受けてから制御部１７は、ｔ２時点ではアーク発生部１０を制御して、ワイヤ送給部８よりワイヤ７を被溶接物６に向かって送給し、信号ＰＡに示すように、ワイヤ７と被溶接物６との間に溶接アーク１１を発生させる。このとき、電流検出部１６ではワイヤ７と被溶接物６との間に電流が流れたことを検知してから、直ちに電流検出信号を制御部１７に出力する。制御部１７は、電流検出信号を受けてからレーザ発生部１００を制御して、信号Ｐ２に示すように、直ちに第２のレーザビーム１４を出力する。その後、期間Δｔ２が経過したｔ３時点では、制御部１７はレーザ発生部１００を制御して、信号Ｐ１に示すように、第１のレーザビーム１３を照射する。溶接終了時の動作は、図３で説明した内容と同様である。このように、図６に示すようなタイミングで溶接を行っても、図３と同様の効果が得られる。
【００２８】
ここで、実施の形態１〜３で説明したように、２本のレーザビームを出力するレーザ発生部１００について説明する。図１、図５において、レーザ発生部１００の最も簡単な構成としては、レーザ発振器１０１から２本のレーザビームを出力し、２本のレーザビームを伝送することのできるレーザ伝送部１０２によって集光光学系１０３に伝送することである。集光光学系１０３では、２本のレーザビームを集光してそれぞれ第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４として被溶接物６に照射する。なお、第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４との被溶接物６における第１および第２の照射位置ＡとＢとの間隔は、伝送部１０２から集光光学系１０３に導入される２本のレーザビームの間隔によって調整できる。
【００２９】
このことを図７を参照して説明する。図７は、本発明のレーザ伝送部と集光光学系の構成を示す模式図である。レーザ伝送部１０２は、レーザ発振器１０１から発生した第１および第２の２本のレーザビーム１３、１４をそれぞれ伝送する第１および第２のレーザ伝送部１０２Ａと１０２Ｂから構成される。第１および第２のレーザ伝送部１０２Ａ、１０２Ｂは、レーザ伝送部間隔Ｌ０を隔てて配置される。集光光学系１０３は、レーザ伝送部１０２側に配置される集光光学部品１０３Ａと被溶接物６側に配置される集光光学部品１０３Ｂとで構成される。集光光学部品１０３Ａは、レーザ伝送部１０２Ａ、１０２Ｂから伝送してきた第１および第２の２本のレーザビーム１３、１４を平行にする。集光光学部品１０３Ｂは平行にされた第１および第２の２本のレーザビーム１３、１４を、それぞれ第１および第２の照射位置Ａ、Ｂに集光する。レーザ伝送部１０２Ａ、１０２Ｂは、例えば光ファイバーである。集光光学部品１０３Ａ、１０３Ｂは、例えば、焦点距離の同じまたは異なった凸レンズである。図７に示した通り、レーザ伝送部間隔Ｌ０を調整することによって、第１および第２の２本のレーザビーム１３、１４との被溶接物６の表面における第１および第２の照射位置Ａ、Ｂの間隔Ｌ１＋Ｌ２を調整することが可能である。例えば、第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４とが被溶接物６の表面に対して垂直な場合は、Ｌ０＝Ｌ１＋Ｌ２である。ここで、既に説明したように、Ｌ１は、第１のレーザビーム１３の被溶接物６の表面における第１の照射位置Ａと、ワイヤ７の被溶接物６の表面における狙い位置Ｃとの間隔である。Ｌ２は、第２のレーザビーム１４の被溶接物６の表面における第２の照射位置Ｂと、ワイヤ７の被溶接物６の表面における狙い位置Ｃとの間隔である。第１および第２のレーザビーム１３、１４が被溶接物６の表面と垂直でない場合は、Ｌ１＋Ｌ２がわかれば、レーザ伝送部間隔Ｌ０を算出することが可能である。
【００３０】
ところで、レーザ発生部１００の別の構成としては、図１３に示した従来の複合溶接装置において使用したレーザ発生部１を２つ使用して、２つのレーザ発生部から発生する２本のレーザビームをそれぞれ第１のレーザビーム１３と第２のレーザビーム１４として使用することも可能である。
【００３１】
以上に示した実施の形態１〜３では、アーク溶接およびアーク発生部１０を使用して説明したが、アーク溶接の代わりにパルスアーク溶接またはパルスＭＩＧアーク溶接を使用し、アーク発生部１０の代わりにパルスアーク発生部を使用することも可能である。これによって、各実施の形態と同様の効果を得ると共に、溶接時に発生するスパッタを低減することができる。
【００３２】
また、実施の形態１〜３では、被溶接物６およびワイヤ７の材質に関しては特に指定しなかったが、被溶接物とワイヤは共にアルミニウム合金を用いることが可能である。
【００３３】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１〜３における第１のレーザビーム１３の出力値の制限について具体的に説明する。本実施の形態では、第１のレーザビーム１３のワイヤ７の照射位置Ｄにおけるパワー密度をパワー密度許容値以下になるように制限することについて説明する。
【００３４】
図８は本発明の実施の形態４における複合溶接装置の構成を示す模式図である。実施の形態１〜３に示した内容と同様の構成および動作について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。
【００３５】
図８において、本実施の形態では、図１のアーク発生部１０の代わりにパルスアーク発生部１１３を、レーザ発振器１０１の代わりにレーザ発振器１１４を使用している。また、レーザ出力設定部１１５と最大パワー密度設定部１１７と演算部１１６と表示部１１８とからなる出力演算部１３０を追加している。レーザ出力設定部１１５は、レーザ発振器１１４のレーザ出力値を設定する。最大パワー密度設定部１１７は、第１のレーザビームの所定位置におけるパワー密度許容値を設定する。演算部１１６は、レーザ発振器１１４のレーザ出力値を後述するパラメータを用いて演算する。表示部１１８は、演算部１１６で演算されたレーザ出力値を表示する。
【００３６】
パルスアーク発生部１１３は、図示していないが、パルス電流とベース電流とパルス幅とベース幅とから構成されるパルス状の溶接電力を出力し、ワイヤ７と被溶接物６との間にパルスアーク１１９を発生しながら、パルスアーク溶接を行うものである。パルスアーク発生部１１３を使用したのは、パルスアークによって一つのパルスで一つの溶滴を溶融池と接触することなくそれを確実に被溶接物６の溶接位置に移行させることができ、スパッタの発生をより有効に防止することができるためである。
【００３７】
レーザ発振器１１４は、図示していないが、演算部１１６からの信号が接続されていない場合は、レーザ出力設定部１１５が設定した出力設定値ＰＳをそのまま出力する。また、演算部１１６からの信号が接続されている場合は、演算部１１６から入力された出力演算値ＰＣを優先して出力する。
【００３８】
以上の構成では、制御部１７が、レーザ出力設定部１１５を兼ねても良い。この場合、制御部１７の信号を演算部１１６に入力するように構成する。
【００３９】
レーザ発振器１１４からは、実施の形態１〜３で説明したように第1のレーザビーム１３および第２のレーザビーム１４が被溶接物６に向かって照射される。しかし、実施の形態１〜３で説明したように第２のレーザビーム１４は直接にワイヤ７に照射していないので、その出力値はワイヤ７からの制限を受けることがない。したがって、本実施の形態では、第１のレーザビーム１３の出力値の演算制御について説明する。
【００４０】
演算部１１６の演算方法と動作原理ついて説明する前に、演算に際して必要なパラメータなどの説明のため、第１のレーザビーム１３とワイヤ７の配置について図９Ａ、図９Ｂを参照して説明する。また、第１のレーザビーム１３の照射方向の伝搬について図１０を参照して説明する。図９Ａは第１のレーザビーム１３とワイヤ７の配置を示す模式図である。図９Ｂは、ワイヤ端溶滴を示す模式図である。図１０は、第１のレーザビーム１３の被溶接物６表面への照射方向の伝搬状態を側面から見て示す模式図である。図１０では左側が光軸ａａ’の照射元を示し、右側が照射先を示す。以下、実施の形態１〜３と同じ符号は実施の形態１〜３と同じ意味を有する。図９Ａ、図１０において、Ｆ１は第１のレーザビーム１３の光軸ａａ’の被溶接物６との交点である第１の照射点（照射位置Ａ）である。図９Ａにおいて、Ｆ２は第１のレーザビーム１３の光軸ａａ’とワイヤ７の中心軸ｃｃ’との交点である照射点（レーザ照射位置Ｄ）である。Ｆ３はワイヤ７の中心軸ｃｃ’の被溶接物６との交点である狙い点（狙い位置Ｃ）である。Ｌ１は、照射位置Ｆ１と狙い位置Ｆ３の距離を示すレーザ・ワイヤ間距離である。αＬは光軸ａａ’の被溶接物６に対する傾斜を示すレーザ傾斜角度である。αＷは中心軸ｃｃ’の被溶接物６に対する傾斜を示すワイヤ傾斜角度である。図９Ｂに示すように、ワイヤ７は第1のレーザビーム１３の照射またはパルスアーク１１９の加熱を受け、その先端にワイヤ端溶滴２０が形成される。図１０において、Ｆ０は第１のレーザビーム１３を集光光学系１０３によって集光した際に得られる焦点である。Ｚは光軸ａａ’と一致し、焦点Ｆ０を原点に、第１のレーザビーム１３の伝搬方向（照射先方向）をプラス方向に取った座標軸またはその座標値である。φ０は焦点Ｆ０（または座標軸Ｚの原点）における第1のレーザビーム１３の直径を示す集光径である。φ（Ｚ）は任意の座標値Ｚにおける第1のレーザビーム１３の直径である。ビーム径φ（Ｚ）は、集光径φ０と座標値Ｚとの間に（数式１）に示す関係があることが知られている。
【００４１】
φ（Ｚ）＝φ０・（１＋γ・Ｚ２）１／２      （数式１）
但し、ここでは、γは、第１のレーザビーム１３のビーム品質と集光光学系１０３とで決まる定数である。ΔＺは、焦点Ｆ０と照射点Ｆ１との距離で、第１のレーザビーム１３のデフォーカス量である。したがって、照射点Ｆ１におけるビーム径はφ（ΔＺ）と書ける。但し、デフォーカス量ΔＺの符号については、照射点Ｆ１の座標値ＺがプラスのときにはΔＺはプラスの値を、座標値ＺがマイナスのときにはΔＺはマイナスの値を取るものとする。例えば、図１０の状態では、ΔＺがプラスの値を取る。
【００４２】
演算部１１６の演算方法と動作原理について、図８〜図１０を参照して説明する。演算部１１６は、次のパラメータを入力して演算を行い、その演算結果を出力演算値ＰＣとしてレーザ発振器１１４と表示部１１８とに出力する。パラメータは２種類あり、１つの種類は、レーザ出力設定部１１５が設定した出力設定値ＰＳと、最大パワー密度設定部１１７が設定したパワー密度許容値Ｗ０とである。出力設定値ＰＳは、本実施の形態では、被溶接物６や溶接速度などに応じてユーザーが設定したレーザ発振器１０１の出力するパワーである。パワー密度許容値Ｗ０は、ユーザーが決める、照射位置Ｄにおけるパワー密度の許容値である。本実施の形態では、ワイヤ７の材質とワイヤ７の送給速度とによって決まった関数である。
【００４３】
また、もう１つの種類は、溶接位置近傍１３１から得られる、集光径φ０と、ビーム径φ（Ｚ）と、デフォーカス量ΔＺと、レーザ・ワイヤ間距離Ｌ１と、レーザ傾斜角度αＬと、ワイヤ傾斜角度αＷとである。なお、図示していないが、溶接位置近傍１３１から得られるパラメータは、使用する溶接装置に応じて予め測定したものを使用すればよい。
【００４４】
図９Ｂに示したようなワイヤ端溶滴２０を激しく蒸発させないためには、ワイヤ７の照射点Ｆ２におけるパワー密度演算値ＷＣ（後述するように、（数式３）から算出する。）をパワー密度許容値Ｗ０以下にすればよい。そこで、まず、（数式１）を用いて照射点Ｆ２におけるビーム径φ（Ｆ２）を算出すると、（数式２）が得られる。
【００４５】
φ（Ｆ２）＝φ０・［１＋γ・（Ｆ１Ｆ２＋ΔZ）２］１／２    （数式２）
但し、ここでは、Ｆ１Ｆ２＝Ｌ１・tan（αＷ）／｛cos（αＬ）・［tan（αＬ）＋tan（αＷ）］｝は、照射点Ｆ１と照射点Ｆ２との間の距離である。
【００４６】
ビーム径φ（Ｆ２）が求まると、照射点Ｆ２におけるパワー密度演算値ＷＣは（数式３）を用いて求めることができる。
【００４７】
ＷＣ＝４・ＰＳ／｛π・［φ（Ｆ２）］２／sin（αＬ＋αＷ）｝    （数式３）
次に、演算部１１６は、パワー密度許容値Ｗ０とパワー密度演算値ＷＣとを比較する。その結果、パワー密度演算値ＷＣがパワー密度許容値Ｗ０より小さいと、演算部１１６は、出力設定値ＰＳをそのまま出力演算値ＰＣとして、レーザ発振器１４に出力すると共に表示部１１８に出力する。一方、パワー密度演算値ＷＣがパワー密度許容値Ｗ０より大きいと、演算部１１６は、パワー密度許容値Ｗ０と照射点Ｆ２におけるビーム径φ（Ｆ２）から（数式４）を用いて出力演算値ＰＣを算出できる。演算部１１６は、演算した出力演算値ＰＣをレーザ発振器１１４に出力すると共に表示部１１８に出力する。
【００４８】
ＰＣ＝Ｗ０・｛π・［φ（Ｆ２）］２／sin（αＬ+αＷ）｝／４    （数式４）
溶接の際には、レーザ発振器１１４は演算出力値ＰＣを出力するが、表示部１１８は演算出力値ＰＣを表示する。なお、実際の溶接では、表示部１１８を省略しても差し支えない。
【００４９】
以上の説明では、ワイヤ７の照射点Ｆ２におけるパワー密度演算値ＷＣをパワー密度許容値Ｗ０以下にすればよいとしていたが、その理由は、以下の通りである。図９Ｂに示すようにワイヤ７の先端にワイヤ端溶滴２０が形成された状態になった以降でも、ワイヤ７は第１のレーザビーム１３の照射またはパルスアーク１１９の加熱を受け続ける。そのため、ワイヤ端溶滴２０の大きさが増加していく。後続のパルス期間が始まると、ワイヤ端溶滴２０とワイヤ７の固体部との境界付近にくびれが発生する。パルス期間中にはくびれが成長し、パルス期間終了の直前またはその直後付近では、ワイヤ端溶滴２０がワイヤ７の先端から離脱して被溶接物６の溶接位置へ移行していく。ワイヤ端溶滴２０は、ワイヤ７の先端から離脱して第１のレーザビーム１３の照射範囲を通過するまで、第１のレーザビーム１３の照射を受け続ける。そのため、ワイヤ端溶滴２０の表面における第１のレーザビーム１３のパワー密度が高すぎると、ワイヤ端溶滴２０の温度上昇が大きくなりすぎ、沸点に達してしまう。そうなると、ワイヤ端溶滴２０から激しい蒸発が発生してしまい、スパッタを伴う。したがって、ワイヤ端溶滴２０が激しく蒸発し、スパッタになることを防止するためには、ワイヤ７の照射点Ｆ２におけるパワー密度を制限する必要がある。図１０では、照射点Ｆ１と焦点Ｆ０は別の位置として説明したが、両者は同じ位置でもよい。このときはΔＺ＝０となる。
【００５０】
図１１Ａ〜図１１Ｆは、アルミニウム合金のパルスＭＩＧアーク溶接を行う際の、パワー密度が過大になったときに、ワイヤ端溶滴が激しく蒸発し、スパッタが発生している状態の変化を示す図である。すなわち、図１１Ａを開始点とし、１ｍｓずつ時間が経過したタイミングにおけるスパッタの状態変化を示している。図１１Ａには、溶接中の任意のタイミングにおける、実際のワイヤ端溶滴２０とレーザビーム５との相対位置関係が示されている。この状態では、ワイヤ端溶滴２０が第１のレーザビーム１３の照射を受けているものの、ワイヤ端溶滴２０はまだ激しく蒸発していない。図１１Ｂ〜図１１Ｆになると、ワイヤ端溶滴２０が第１のレーザビーム１３の照射を受けて徐々に激しく蒸発し、その周辺にスパッタＳとして飛び散っていることが認められた。
【００５１】
なお、図１１Ａ〜図１１Ｆの実験は、次の条件で行った。被溶接物６は、厚さ２ｍｍのＡ５０５２アルミニウム合金、ワイヤ７は、直径１．２ｍｍのＡ５３５６アルミニウム合金である。第１のレーザビーム１３は、集光径０．２ｍｍのファイバーレーザで、出力が４．０ｋＷ、ファイバー径が０．１ｍｍ、コリメートレンズ焦点距離が１２５ｍｍ、集光レンズ焦点距離が２５０ｍｍ、デフォーカスのビーム径が０．９ｍｍである。レーザ・ワイヤ間距離Ｌ１は２ｍｍ、溶接速度は４ｍ／分である。
【００５２】
また、本発明の実施の形態の効果を確認するために、板厚２ｍｍのＡ５０５２アルミニウム合金に対してＡ５３５６のワイヤ（直径１．２ｍｍ）を使用し、被溶接物表面におけるビーム径を固定してレーザ出力のみを変えて複合溶接を行った。図１２は、レーザ出力を変えた時のビード外観を示す図である。図１２の列ａ〜列ｄからもわかるように、レーザ出力が３．０ｋＷ（ワイヤ７の照射点Ｆ２におけるパワー密度の算出値が２．３３ｋＷ／ｍｍ２）以下では、溶接位置周辺（図では上下周辺）のクリーニング領域を含めビード表面が良好であった。一方、図１２の列ｅからわかるように、レーザ出力が４．０ｋＷ（ワイヤ７の照射点Ｆ２におけるパワー密度の算出値が３．１１ｋＷ／ｍｍ２）では、クリーニング領域が狭くなると共にビード表面が黒く汚れてしまっている。しかも、ビード付近に多数の小粒のスパッタが付着していた。ビード表面における黒い汚れまたはその付近における多数の小粒のスパッタは、溶接中のワイヤ端溶滴がレーザビームの照射を受け、激しく蒸発した結果である。その様子は、図１１Ｂ〜図１１Ｆに示した通りであった。なお、図１２の実験の条件は、図１１Ａ〜図１１Ｆと同様である。
【００５３】
以上のように、本実施の形態によれば、被溶接物６に供給するワイヤ７に第１のレーザビーム１３を直接照射するように、すなわち第１のレーザビーム１３の光軸ａａ’とワイヤ７の中心軸ｃｃ’とが交わるように第１のレーザビーム１３とワイヤ７とを配置している。また、ワイヤ７のレーザ照射点Ｆ２における第１のレーザビーム１３のパワー密度を所定値以下にするよう溶接を行っている。これによりワイヤ端溶滴２０の激しい蒸発を伴うスパッタ発生が防止できる。
【００５４】
以上の説明では、パルスアーク溶接の例としてパルスＭＩＧアーク溶接をすでに説明に使用していたが、本発明はこれに限ることない。
【００５５】
また、本実施の形態では、被溶接物とワイヤは共にアルミニウム合金を使用したが、本発明はこれに限ることない。
【００５６】
また、以上の説明では、ワイヤ７のレーザ照射点Ｆ２における第１のレーザビーム１３のパワー密度を所定値以下になるよう溶接を行った。本実施の形態では、この所定値は、ワイヤ７の材質とワイヤ７の送給速度とによって決まった関数で演算して設定した。その理由は、以下の通りである。ワイヤ７の材質に関しては、材質が異なると、ワイヤ７の先端に形成した溶滴２１の沸点が変わり、また、第１のレーザビーム１３に対する吸収率も変わるためである。一方、ワイヤ７の送給速度に関しては、ワイヤ７の送給速度が変わると、第１のレーザビーム１３とワイヤ７とのインターラクション時間が変わる。したがって、ワイヤ７が溶融して沸点に達するまでの加熱時間も異なってくるためである。
【００５７】
特に、アルミニウム合金のワイヤ７を使用する際には、ワイヤ７に含まれるＭｇ（マグネシウム）の量によってはその沸点が大きく変わることがある。したがって、上記所定値は、ワイヤ７に含まれるＭｇの量の関数であってもよい。
【００５８】
具体的には、５０００系のアルミニウム合金のワイヤを使用する際には、所定値を０．５から３ｋＷ／ｍｍ２の範囲に設定して良好であった。また、４０００系のアルミニウム合金のワイヤを使用する際には、所定値を０．５から５ｋＷ／ｍｍ２の範囲に設定するのが良好であった。
【００５９】
また、本実施の形態では、ワイヤ７のレーザ照射点Ｆ２における第１のレーザビーム１３のパワー密度を所定値以下になるよう溶接を行った。しかし、被溶接物６表面の第１のレーザビーム１３の照射点Ｆ１（第１の照射位置Ａ）における第１のレーザビーム１３のパワー密度が所定の許容値以下になるように、第１のレーザビーム１３の出力値を制限してもよい。この場合も、実施の形態４と同様に、数式１〜数式４を用いて第１のレーザビーム１３のパワー密度を演算することができる。
【００６０】
すなわち、本発明では、レーザ照射点Ｆ２や照射点Ｆ１以外の任意の照射点における第１のレーザビーム１３のパワー密度が所定値以下になるように第１のレーザビーム１３の出力値を制限することも可能である。したがって、本発明は、第１のレーザビーム１３の出力値を所定の許容値以下に設定することによって、ワイヤ端溶滴２０の激しい蒸発を伴うスパッタ発生が防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上のように本発明は、ワイヤ端溶滴の激しい蒸発を伴うスパッタ発生を防止できるので、２本のレーザビームの照射とアーク溶接とによる複合溶接方法などに有用である。
【符号の説明】
【００６２】
６    被溶接物
７    ワイヤ
８    ワイヤ給送部
９    トーチ
９ａ    給電チップ
１０    アーク発生部
１１    溶接アーク
１５    溶融池
１７    制御部
１３    第１のレーザビーム
１４    第２のレーザビーム
１６    電流検出部
２０    ワイヤ端溶滴
１００    レーザ発生部
１０１，１１４    レーザ発振器
１１５    レーザ出力設定部
１０２，１０２Ａ，１０２Ｂ    レーザ伝送部
１０３    集光光学系
１０３Ａ，１０３Ｂ    集光光学部品
１１３    パルスアーク発生部
１１５    レーザ出力設定部
１１６    演算部
１１７    最大パワー密度設定部
１１８    表示部
１１９    パルスアーク
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物の溶接位置に第１のレーザビームと第２のレーザビームとを照射しながら前記溶接位置にワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を行う複合溶接方法であって、
前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わるように前記第１のレーザビームを前記ワイヤを経由して前記被溶接物の第１の照射位置に照射し、
前記第２のレーザビームを前記ワイヤの中心軸が前記被溶接物と交わる狙い位置から所定の距離だけ離れた前記被溶接物の第２の照射位置に照射し、
前記第１の照射位置と前記第２の照射位置と前記狙い位置とが前記被溶接物の溶接線上に位置し、前記第２のレーザビームを照射して所定の時間を経過してから前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第１のレーザビームを照射する複合溶接方法。
【請求項２】
前記第１のレーザビームの出力値が、所定の許容値以下に設定された請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項３】
前記第１のレーザビームの出力値が、前記被溶接物の前記第１の照射位置における前記第１のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定される請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項４】
前記第１のレーザビームの出力値が、前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わる前記ワイヤの照射位置における前記第１のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定される請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項５】
前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームを共に照射する請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項６】
前記狙い位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向に位置し、前記第２の照射位置が前記狙い位置よりも前記溶接位置の進行方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項７】
前記狙い位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向に位置し、前記第２の照射位置が前記狙い位置よりも前記溶接位置の進行方向とは反対方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項８】
前記第１のレーザビームの光軸のみ前記ワイヤの中心軸と交わる請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項９】
前記アーク溶接が、パルスＭＩＧアーク溶接である請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項１０】
前記被溶接物および前記ワイヤは、共にアルミニウム合金である請求項１記載の複合溶接方法。
【請求項１１】
前記所定値は、前記ワイヤの材質と前記ワイヤの送給速度とによって決められる請求項２記載の複合溶接方法。
【請求項１２】
前記所定値は、前記アルミニウム合金の前記ワイヤに含まれるマグネシウムの量により決められる請求項１０記載の複合溶接方法。
【請求項１３】
前記所定値は、前記ワイヤが５０００系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第１のレーザビームのパワー密度が０．５から３ｋＷ／ｍｍ２の範囲になるように設定される請求項４記載の複合溶接方法。
【請求項１４】
前記所定値は、前記ワイヤが４０００系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第１のレーザビームのパワー密度が０．５から５ｋＷ／ｍｍ２の範囲になるように設定される請求項４記載の複合溶接方法。
【請求項１５】
被溶接物の溶接位置に第１のレーザビームおよび第２とのレーザビームを照射するレーザ発生部と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給部と、前記ワイヤおよび前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するアーク発生部と、前記レーザ発生部および前記アーク発生部を制御する制御部とを備え、
前記レーザ発生部は、
前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わるように前記第１のレーザビームが前記ワイヤを経由して前記被溶接物の第１の照射位置を照射するように配置され、
前記第２のレーザビームが前記ワイヤの中心軸が前記被溶接物と交わる狙い位置から所定の距離だけ離れた前記被溶接物の第２の照射位置を照射するように配置され、
前記第１の照射位置と前記第２の照射位置と前記狙い位置とが前記被溶接物の溶接線上に位置するように配置され、前記制御部は、前記第２のレーザビームを照射して所定の時間を経過してから前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第１のレーザビームを照射する複合溶接装置。
【請求項１６】
前記制御部は、前記第１のレーザビームの出力値を、所定の許容値以下に設定する請求項１５記載の複合溶接装置。
【請求項１７】
前記制御部は、前記第１のレーザビームの出力値を、前記被溶接物の前記第１の照射位置における前記第１のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定する請求項１５記載の複合溶接装置。
【請求項１８】
前記制御部は、前記第１のレーザビームの出力値を、前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わる前記ワイヤの照射位置における前記第１のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定する請求項１５記載の複合溶接装置。
【請求項１９】
前記制御部は、前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第１のレーザビームと前記第２のレーザビームを共に照射する請求項１５記載の複合溶接装置。
【請求項２０】
前記狙い位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向に位置し、前記第２の照射位置が前記狙い位置よりも前記溶接位置の進行方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項１５記載の複合溶接装置。
【請求項２１】
前記狙い位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向にあり、前記第２の照射位置が前記第１の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向とは反対方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項１５記載の複合溶接装置。
【請求項２２】
前記レーザ発生部は、前記第１のレーザビームの光軸のみ前記ワイヤの中心軸と交わるように配置された請求項１５記載の複合溶接装置。
【請求項２３】
前記アーク溶接が、パルスＭＩＧアーク溶接である請求項１５記載の複合溶接装置。
【請求項２４】
前記被溶接物および前記ワイヤは、共にアルミニウム合金である請求項１５記載の複合溶接装置。
【請求項２５】
前記所定値は、前記ワイヤの材質と前記ワイヤの送給速度とによって決められる請求項１６記載の複合溶接装置。
【請求項２６】
前記所定値は、前記アルミニウム合金の前記ワイヤに含まれるマグネシウムの量により決められる請求項１８記載の複合溶接装置。
【請求項２７】
前記所定値は、前記ワイヤが５０００系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第１のレーザビームのパワー密度が０．５から３ｋＷ／ｍｍ２の範囲になるように設定される請求項１８記載の複合溶接装置。
【請求項２８】
前記所定値は、前記ワイヤが４０００系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第１のレーザビームのパワー密度が０．５から５ｋＷ／ｍｍ２の範囲になるように設定される請求項１８記載の複合溶接装置。
【請求項２９】
被溶接物の溶接位置に第１のレーザビームおよび第２のレーザビームを照射するレーザ発生部と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給部と、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供給するパルスアーク発生部と、前記レーザ発生部および前記パルスアーク発生部を制御する制御部と、前記レーザ発生部における前記第１のレーザビームの出力を設定するレーザ出力設定部と、前記第１のレーザビームの所定位置における最大パワー密度許容値を設定する最大パワー密度設定部と、前記第１のレーザビームのパワー密度演算値を演算する演算部とを備え、
前記レーザ発生部は、
前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わるように前記第１のレーザビームが前記ワイヤを経由して前記被溶接物の第１の照射位置を照射するように配置され、
前記第２のレーザビームが前記ワイヤの中心軸が前記被溶接物と交わる狙い位置から所定の距離だけ離れた前記被溶接物の第２の照射位置を照射するように配置され、
前記第１の照射位置と前記第２の照射位置と前記狙い位置とが前記被溶接物の溶接線上に位置するように配置され、
前記演算部は、
前記レーザ出力設定部が設定した出力設定値と、前記最大パワー密度設定部が設定したパワー密度許容値と、前記第１のレーザビームを集光する際の焦点における集光径と、前記第１のレーザビームの焦点を原点とし前記第１のレーザビームの伝搬方向の光軸を座標軸とした任意の座標値におけるビーム径と、前記第１のレーザビームが前記被溶接物の第１の照射点を照射するときのデフォーカス量と、前記被溶接物の表面における前記第１のレーザビームの第１の照射点から前記ワイヤの狙い点までのレーザ・ワイヤ間距離と、前記第１のレーザビームの光軸の前記被溶接物の表面に対するレーザ傾斜角度と、前記ワイヤの中心軸の前記被溶接物の表面に対するワイヤ傾斜角度とからなるパラメータを用いて演算を行い、前記パラメータから算出した前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わるレーザ照射点における前記パワー密度演算値が、前記パワー密度許容値を超えたときに、前記パワー密度許容値と前記パラメータとを用いて出力演算値を演算し前記レーザ発生部に出力することにより、
前記第１のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる点における前記第１のレーザビームのパワー密度を前記パワー密度許容値以下になるようにして溶接を行う複合溶接装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010061422.tif 000022
【図２】
2010061422.tif 000023
【図３】
2010061422.tif 000024
【図４】
2010061422.tif 000025
【図５】
2010061422.tif 000026
【図６】
2010061422.tif 000027
【図７】
2010061422.tif 000028
【図８】
2010061422.tif 000029
【図９Ａ】
2010061422.tif 000030
【図９Ｂ】
2010061422.tif 000031
【図１０】
2010061422.tif 000032
【図１１Ａ】
2010061422.tif 000033
【図１１Ｂ】
2010061422.tif 000034
【図１１Ｃ】
2010061422.tif 000035
【図１１Ｄ】
2010061422.tif 000036
【図１１Ｅ】
2010061422.tif 000037
【図１１Ｆ】
2010061422.tif 000038
【図１２】
2010061422.tif 000039
【図１３】
2010061422.tif 000040
【国際調査報告】
2010061422.tif 000041
2010061422.tif 000042
2010061422.tif 000043