(57)【要約】【課題】設備コストの増加を抑えつつ、大型構造物である二つの長尺状のワークの接合面同士を溶接接合して、長手方向に沿って接合強度を均一にすることができるレーザアークハイブリッド溶接方法を提供すること。【解決手段】レーザアークハイブリッド溶接方法は、大型構造物である二つの長尺状の鋼部材１，２の接合面１ａ，２ａ同士を対向させて、レーザ溶接とアーク溶接とを用いて、接合面１ａ，２ａ同士を長手方向に連続して溶接接合する。このとき、アーク溶接では、接合面１ａ，２ａ同士のうち、溶接深さ方向でアークが発生する側の部分のみをアーク溶融部３２によって接合する。レーザ溶接では、照射するレーザ光２２を、溶接深さ方向に延びる基準軸Ｋ１から接合面１ａ，２ａの直交軸Ｔ１の方へ傾かせて、接合面１ａ，２ａ同士のうち、溶接深さ方向の一部分のみをレーザ溶融部２３によって接合する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
大型構造物である二つの長尺状のワークの接合面同士を対向させて、レーザ溶接とアーク溶接で前記接合面同士をその接合面の長手方向に連続して溶接接合するレーザアークハイブリッド溶接方法において、
前記アーク溶接では、前記接合面同士のうち、溶接深さ方向でアークが発生する側の部分のみをアーク溶融部によって接合し、
前記レーザ溶接では、照射するレーザ光を前記溶接深さ方向に延びる基準軸から前記接合面の直交軸の方へ傾かせて、前記接合面同士のうち、前記溶接深さ方向の一部分のみをレーザ溶融部によって接合することを特徴とするレーザアークハイブリッド溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載されたレーザアークハイブリッド溶接方法において、
前記アーク溶融部と前記レーザ溶融部とを、前記接合面上で前記溶接深さ方向に離間することを特徴とするレーザアークハイブリッド溶接方法。
【請求項３】
請求項１に記載されたレーザアークハイブリッド溶接方法において、
前記アーク溶融部と前記レーザ溶融部とを、前記接合面上で一体となることを特徴とするレーザアークハイブリッド溶接方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載されたレーザアークハイブリッド溶接方法において、
前記二つのワークは、円筒部材と、前記円筒部材の外周面に溶接接合される棒部材であることを特徴とするレーザアークハイブリッド溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接とアーク溶接とを用いて溶接接合するレーザアークハイブリッド溶接方法に関し、特に、大型構造物である二つの長尺状のワークの接合面同士を溶接接合して、その接合強度をワークの長手方向に沿ってほぼ均一にすることができるレーザアークハイブリッド溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、大型構造物の溶接方法として、レーザアークハイブリッド溶接方法が適用され始めていて、例えば下記特許文献１に記載されている。このレーザアークハイブリッド溶接方法は、レーザ溶接及びアーク溶接のメリットを活かしながら、それらのデメリットを補完しあう溶接方法として注目されている。
【０００３】
レーザ溶接では、低入熱、低歪み、高速溶接というメリットがある。また、深溶け込みを行うことができるため、厚板部材に適用できる。しかし、レーザ光の幅が狭いため、接合面の間に形成される隙間が大きいと、レーザ溶融部を的確に形成することができないというデメリットがある。つまり、隙間に対する余裕度が小さい。
【０００４】
一方、アーク溶接では、装置が比較的安価であり、技術的蓄積が大きくて信頼性が高いというメリットがある。また、アーク溶融部は幅が広いため、隙間に対する余裕度が大きい。しかし、レーザ溶接と比べて入熱が高いため、アーク溶融部の歪みが大きいというデメリットがある。更に、深溶け込みを行うことができないため、厚板部材に適用することが難しい。
【０００５】
こうして、レーザアークハイブリッド溶接方法は、レーザ溶接とアーク溶接の両方を用いることで、低入熱、低歪み、高精度、高速溶接というメリットを得ることができる。更に、深溶け込みを行うことができると共に、隙間に対する余裕度を大きくすることができる。図１２は、従来のレーザアークハイブリッド溶接によって、二つの突き合わされた板状部材１０１，１０２の接合面１０１ａ，１０２ａ同士が溶接接合されている状態を示した斜視図である。
【０００６】
図１２に示すように、レーザ照射ヘッド１２１が、レーザ光１２２を各接合面１０１ａ，１０２ａに向けて照射して、略直線状のレーザ溶融部１２３を形成する。このとき、図１３（Ａ）に示すように、レーザ光１２２は、各接合面１０１ａ，１０２ａ全体を通過するように板状部材１０１，１０２と直交する方向に照射される。また、アークトーチ１３１の先端部は、板状部材１０１，１０２の上面との間にアークを生じさせて、下側が略半円形状であるアーク溶融部１３２を形成する。
【０００７】
こうして、図１３（Ｂ）に示すように、レーザ溶融部１２３とアーク溶融部１３２とが混在した形で溶接ビードになり、接合面１０１ａ，１０２ａ同士が溶接接合される。そして、レーザ照射ヘッド１２１とアークトーチ１３１は板状部材１０１，１０２の長手方向（図１２の矢印で示した方向）に移動するため、接合面１０１ａ，１０２ａは長手方向に連続して溶接接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１３−７１１４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、大型構造物である二つの長尺状のワークの接合面同士を溶接接合する場合、従来のレーザアークハイブリッド溶接方法では、以下の問題点がある。即ち、数十ｍにも及ぶ長尺状のワーク（板状部材１０１、１０２）には、製作誤差が必ず生じてしまう。また、大型構造物であるワークを載置する際に、ワークが自重で撓むことがある。これら製作誤差やワークの撓みにより、板状部材１０１，１０２の長手方向の位置に応じて、接合面１０１ａ，１０２ａが規定位置から幅方向（図１２の左右方向）にずれたり、接合面１０１ａ，１０２ａの間にレーザ光１２２の幅より大きい隙間が生じる可能性がある。
【００１０】
図１４（Ａ）に示すように、接合面１０１ａ，１０２ａが規定位置Ｐ２から幅方向にずれていると、レーザ光１２２が各接合面１０１ａ，１０２ａを通過しなくて、一方の板状部材１０２にのみレーザ溶融部１２３ａが形成される。これにより、図１４（Ｂ）に示すように、レーザ溶融部１２３ａ及びアーク溶融部１３２ａによる溶接ビードが形成されて、接合面１０１ａ，１０２ａの接合長さｈ１が短くなる。また、図１５（Ａ）に示すように、接合面１０１ａ，１０２ａの間にレーザ光１２２の幅より大きい隙間１０３が生じていると、レーザ光１２２が隙間１０３を通過してしまい、レーザ溶融部が形成されない。これにより、図１５（Ｂ）に示すように、アーク溶融部１３２ｂによる溶接ビードのみが形成されて、接合面１０１ａ，１０２ａの接合長さｈ２が短くなる。
【００１１】
この結果、板状部材１０１，１０２の長手方向の位置に応じて、接合長さが長い部分や短い部分が生じて、接合強度が均一にならないという問題点があった。言い換えると、長尺状のワークの接合面同士を長手方向に連続して的確に溶接接合するには、接合面の位置ずれや大きな隙間を吸収できるように、大きな余裕度（許容できる範囲）が必要であるが、従来のレーザアークハイブリッド溶接方法では、大きな余裕度を確保できないという問題点があった。
【００１２】
上記した問題点に対して、レーザ光が各接合面の位置を的確に捉えることができるように、カメラや各種センサを備える高精度の倣い装置を用いて、レーザ光の照射位置を自動制御する方法がある。しかし、この方法では、構造が複雑になると共に、設備コストが大幅に増加してしまう。一方、大きい隙間に対応できるように、レーザ出力を増大させて溶接ビードを太くする方法がある。しかし、この方法では、レーザアークハイブリッド溶接の低入熱、低歪みというメリットが損なわれてしまう。
【００１３】
更に、溶接ビードを太くするために、レーザ光を進行方向に対して波状にウィービングさせる方法もある。しかし、この方法では、レーザアークハイブリッド溶接の高速溶接というメリットが損なわれると共に、レーザ光をウィービングさせる機構の追加によって、設備コストが増加してしまう。こうして、従来からの機構を大幅に変更せずに、設備コストの増加を抑えつつ、上記した問題点に対処できるレーザアークハイブリッド溶接方法が求められている。
【００１４】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、設備コストの増加を抑えつつ、大型構造物である二つの長尺状のワークの接合面同士を溶接接合して、長手方向に沿って接合強度を均一にすることができるレーザアークハイブリッド溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法は、大型構造物である二つの長尺状のワークの接合面同士を対向させて、レーザ溶接とアーク溶接で前記接合面同士をその接合面の長手方向に連続して溶接接合する方法であって、前記アーク溶接では、前記接合面同士のうち、溶接深さ方向でアークが発生する側の部分のみをアーク溶融部によって接合し、前記レーザ溶接では、照射するレーザ光を前記溶接深さ方向に延びる基準軸から前記接合面の直交軸の方へ傾かせて、前記接合面同士のうち、前記溶接深さ方向の一部分のみをレーザ溶融部によって接合することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法によれば、レーザ光が、接合面に対して交差するように傾いて照射される。このため、仮に接合面が規定位置から接合面と直交する方向（幅方向）にずれていても、接合面同士のうち、溶接深さ方向の何れかの一部分にレーザ溶融部が形成される。また、仮に接合面の間に大きい隙間が生じていても、接合面同士のうち、溶接深さ方向の何れかの一部分にレーザ溶融部が形成される。こうして、接合面の位置ずれや大きな隙間が生じていても、レーザ溶融部の位置が多少上下するだけであり、接合面においてレーザ溶融部による接合長さがほぼ一定になる。一方、アーク溶接では、接合面同士のうち、溶接深さ方向でアークが発生する側にアーク溶融部を形成する。このアーク溶融部は幅が広いため、接合面の位置ずれや大きな隙間が生じていても、アーク溶融部による接合長さがほぼ一定になる。
【００１７】
これにより、レーザ溶融部による接合長さとアーク溶融部による接合長さとの合計長さが、接合面の長手方向に沿って、ほぼ均一になる。この結果、二つの長尺状のワークの接合面を溶接接合する際に、その接合強度を長手方向に沿って均一にすることができる。そして、上述したようにレーザ光を傾けるためには、例えばレーザ照射ヘッドを傾ける機構を設けるだけであり、従来からの装置を大幅に変更する必要がない。従って、設備コストの増加を抑えて実施することができる。
【００１８】
また、本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法において、前記アーク溶融部と前記レーザ溶融部とを、前記接合面上で前記溶接深さ方向に離間させることが好ましい。
この場合には、仮に接合面が規定位置から接合面と直交する方向のうち一方側及び他方側にずれても、接合面上において、レーザ溶融部とアーク溶融部とが混在しなくて、レーザ溶融部による接合長さとアーク溶融部による接合長さの両方を確実に確保できる。即ち、接合面上において、その接合面が規定位置から接合面と直交する方向にずれても、レーザ溶融部とアーク溶融部とが混在することを防止でき、接合長さが短くなることを防止できる。
【００１９】
また、本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法において、前記アーク溶融部と前記レーザ溶融部とを、前記接合面上で一体としても良い。
この場合には、接合面上において、レーザ溶融部とアーク溶融部とが混在するため、レーザ溶融部による接合長さとアーク溶融部による接合長さとの合計長さが短くなる。しかし、上記したようにアーク溶融部とレーザ溶融部とが接合面上で溶接深さ方向に離間する場合に比べて、接合面と直交する方向に接合面がずれる量を大きく許容できるようになり、より大きな余裕度を確保することができる。
【００２０】
また、本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法において、前記二つのワークは、円筒部材と、前記円筒部材の外周面に溶接接合される棒部材であっても良い。
この場合には、大型構造物で長尺状の円筒部材には、例えば板状部材等に比べて製作誤差や撓みの影響が非常に大きく出てくる。このため、この円筒部材の外周面に棒部材を溶接接合する際には、接合面の位置ずれや大きな隙間が生じ易い。従って、このような厳しい条件であっても、本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法を用いることにより、接合強度を長手方向に沿って均一にすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のレーザアークハイブリッド溶接方法によれば、設備コストの増加を抑えつつ、大型構造物である二つの長尺状のワークの接合面同士を溶接接合して、長手方向に沿って接合強度を均一にすることができる。即ち、接合面の位置ずれや大きな隙間が生じていても、それら接合面の位置ずれや大きな隙間を吸収できる。従って、大きな余裕度（許容できる範囲）を確保できる方法であり、大型構造物の溶接方法として有効に活用できる方法である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態において各鋼部材の接合面がレーザアークハイブリッド溶接されている状態を示した斜視図である。
【図２】レーザ光の傾きを説明するための図である。
【図３】第１実施形態の溶接条件を説明するための図である。
【図４】接合面が規定位置から幅方向の一方側にずれている状況で、レーザアークハイブリッド溶接される状態を示した図である。
【図５】接合面が規定位置から幅方向の他方側にずれている状況で、レーザアークハイブリッド溶接される状態を示した図である。
【図６】接合面の間にレーザ光の幅より大きい隙間が形成されている状況で、レーザアークハイブリッド溶接される状態を示した図である。
【図７】レーザ光を傾ける角度に対して接合長さと余裕度との関係を説明するための図である。
【図８】第２実施形態の溶接条件を説明するための図である。
【図９】第２実施形態の作用効果を説明するための図である。
【図１０】アウターケリーバとドライブシャフトとの関係を示した断面図である。
【図１１】図１０のＺ部分を拡大した図である。
【図１２】従来のレーザアークハイブリッド溶接方法を説明するための斜視図である。
【図１３】従来のレーザアークハイブリッド溶接方法によって、接合面が溶接接合される理想的な状態を示した図である。
【図１４】接合面が規定位置から幅方向にずれている状況で、従来のレーザアークハイブリッド溶接方法によって溶接接合される状態を示した図である。
【図１５】接合面の間にレーザ光の幅より大きい隙間が形成されている状況で、従来のレーザアークハイブリッド溶接方法によって溶接接合される状態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
＜第１実施形態＞
本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下に示す第１実施形態では、長尺状の鋼部材１，２を幅方向に突き合わせて、各鋼部材１，２の接合面１ａ，２ａ同士がレーザアークハイブリッド溶接されるようになっている。
【００２４】
図１は、各鋼部材１，２の接合面１ａ，２ａ同士がレーザアークハイブリッド溶接されている状態を示した斜視図であり、特に接合面１ａ，２ａの間で隙間３が生じている箇所（ギャップ部分）を示している。図１に示すように、接合面１ａ，２ａは、レーザアークハイブリッド溶接装置１０によって溶接接合される。
【００２５】
レーザアークハイブリッド溶接装置１０は、レーザ溶接装置２０とアーク溶接装置３０とから構成される。そして、レーザアークハイブリッド溶接装置１０は、レーザ溶接装置２０のレーザ照射ヘッド２１とアーク溶接装置３０のアークトーチ３１を、図１の矢印で示した溶接方向に移動させて、接合面１ａ，２ａを長手方向に連続して溶接接合している。このとき、レーザ溶接の直後に、アーク溶接が行われていて、レーザ溶接によるレー
ザ溶融部２３とアーク溶接によるアーク溶融部３２とが混在した形で、溶接ビードが順次
形成されている。なお、アーク溶接の直後に、レーザ溶接を行っても良い。
【００２６】
レーザ溶接装置２０は、周知の構成とほぼ同様であり、不図示のレーザ発信器で作られたレーザ光がレーザ照射ヘッド２１にまで送られる。そして、レーザ照射ヘッド２１が、内部の集光レンズによって集光したレーザ光２２を接合面１ａ，２ａに向けて直線状に照射している。これにより、レーザ溶接で発生するレーザ光２２は、接合面１ａ，２ａに対して溶接深さ方向（図１の上下方向）に進入することとなる。また、レーザ照射ヘッド２１は、レーザ光２２と同軸方向にシールドガスを噴出している。レーザ溶接装置２０によるレーザ溶接は、例えばＹＡＧ溶接、ファイバーレーザ、ＣＯ２レーザ等である。
【００２７】
アーク溶接装置３０は、周知の構成と同様であり、接合面１ａ，２ａの上方にアークトーチ３１を配置して、アークトーチ３１の先端から不図示の溶接ワイヤを接合面１ａ，２ａに向けて送り出している。そして、不図示の電源が、アークトーチ３１と鋼部材１，２の上面との間に所定の電力を供給して、アークを発生させている。これにより、アーク溶接で発生するアークは、接合面１ａ，２ａに対して溶接深さ方向に進入することとなる。アーク溶接装置３０によるアーク溶接は、例えばＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接等である。
【００２８】
ここで、図１に示すように、接合対象物である鋼部材１，２は、板厚が１０ｍｍを超える厚肉状の板状部材であり、長手方向の寸法が１０ｍを超える長尺状の大型構造物である。対向する鋼部材１，２の端部には、それぞれ平面状の接合面１ａ，２ａが形成されている。これら接合面１ａ，２ａは、溶接される際に幅方向に互いに押し当てられるため、幅方向に定められた規定位置で、長手方向に連続して接触することになる。
【００２９】
しかし、鋼部材１，２は、大型構造物で長尺状であるため、製作誤差や自重による撓みが生じる。このため、鋼部材１，２の長手方向の位置に応じて、接合面１ａ，２ａの位置が規定位置から幅方向にずれたり、接合面１ａ，２ａの間に大きな隙間３が生じることになる。特に、この隙間３は、レーザ光２２の幅より大きくなる場合がある。この隙間を無くすために、接合面１ａ，２ａを精度良く加工する方法があるが、余分な工程が追加されるため、コストが増加してしまう。
【００３０】
従来のレーザアークハイブリッド溶接方法では、図１４（Ａ）に示すように、接合面１０１ａ，１０２ａが規定位置Ｐ２からずれていると、レーザ光１２２が各接合面１０１ａ，１０２ａを通過しなくて、一方の板状部材１０２にのみレーザ溶融部１２３ａが形成される。これにより、図１４（Ｂ）に示すように、接合面１０１ａ，１０２ａの接合長さｈ１が短くなる。また、図１５（Ａ）に示すように、接合面１０１ａ，１０２ａの間にレーザ光１２２の幅より大きい隙間１０３が生じていると、レーザ光１２２が隙間１０３を通過してしまい、レーザ溶融部が形成されない。これにより、図１５（Ｂ）に示すように、接合面１０１ａ，１０２ａの接合長さｈ２が短くなる。この結果、長手方向の位置に応じて、接合長さが長い部分や短い部分が生じて、接合強度が均一にならないという問題点があった。
【００３１】
そこで、本実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法では、上記した問題点に対処すべく、図１に示すように、レーザ光２２を各接合面１ａ，２ａに対して傾けて照射するようになっている。具体的には、図２に示すように、レーザ光２２は、接合面１ａ，２ａの溶接深さ方向（図２の上下方向）に延びる基準軸Ｋ１から、接合面１ａ，２ａの直交軸Ｔ１の方へ角度αだけ傾いている。なお、図２に示す距離Ｄは、鋼部材１，２の上面１ｂ，２ｂにおいて、レーザ光２２が照射される位置とアークが生じる位置との間の距離（基準軸Ｋ１と、レーザ光２２が照射される位置から溶接深さ方向に延びる基準軸Ｋｘとの間の距離）である。
【００３２】
これにより、レーザ光２２は、鋼部材２の上面２ｂから入射し、接合面１ａ，２ａの溶接深さ方向の一部分を通過して、鋼部材１の下面１ｃの方へ向かう。これにより、鋼部材１，２のうち、照射されたレーザ光２２の周辺に、幅が狭くて直線状のレーザ溶融部２３が形成される。この結果、接合面１ａ，２ａが規定位置から幅方向にずれたり、隙間３が大きくても、接合面１ａ，２ａのうち溶接深さ方向の何れかの一部分には、確実にレーザ溶融部２３が形成されることになる。このレーザ溶融部２３の幅は最大で約２〜３ｍｍである。
【００３３】
このようにレーザ光２２を傾けるために、レーザ照射ヘッド２１を傾ける機構が設けられている。レーザ光２２を傾ける別の方法として、レーザ溶接装置２０が内蔵する反射ミラーの角度を可変させるアクチュエータを設けても良く、適宜変更可能である。こうして、従来からのレーザ溶接装置２０を大幅に変更する必要がなくて、設備コストの増加を抑えて実施することができる。
【００３４】
一方、アーク溶接では、レーザ溶接と異なり深溶け込みを行うことができないため、図１に示すように、接合面１ａ，２ａのうち、溶接深さ方向でアークが発生する側（図１の上側部分）のみに、略台形状又は略半円状のアーク溶融部３２を形成する。つまり、鋼部材１，２が約１０ｍｍ以上の厚肉状であるため、接合面１ａ，２ａの下端部にまでアーク溶融部が形成されない。このアーク溶融部３２の幅は約１０ｍｍであって十分広い。従って、接合面１ａ，２ａが規定位置から幅方向にずれたり、隙間３が非常に大きくても、接合面１ａ，２ａの上端部には、アーク溶融部３２が確実に形成されることになる。このアーク溶接では、レーザ照射によってアークが安定化する。つまり、レーザ光２２がアークを誘導して、アークをレーザ照射点近傍に拘束して、安定した熱源を得ることができる。これにより、良好な溶接ビードを得ることができる。
【００３５】
次に、本実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法によって、接合面１ａ，２ａを溶接接合する状態を、長手方向の位置で状況を分けて説明する。つまり、以下に示す図３と図４と図５と図６では、接合面１ａ，２ａの長手方向の位置がそれぞれ異なっている状況である。先ず、図３に示した状況では、接合面１ａ，２ａが規定位置Ｐ１から幅方向にずれておらず、接合面１ａ，２ａの間に隙間３が形成されていない。レーザ溶接は、このような理想的な状況において図２に示す溶接条件が設定されている。即ち、レーザ溶接では、図３（Ａ）に示すように、レーザ光２２を接合面１ａ，２ａに対して角度αだけ傾けて照射するため、接合面１ａ，２ａの溶接深さ方向の下側にレーザ溶融部２３ａを形成する。一方、アーク溶接では、図３（Ｂ）に示すように、接合面１ａ，２ａの上端部にアーク溶融部３２ａを形成する。
【００３６】
このとき、アーク溶融部３２ａとレーザ溶融部２３ａとが、接合面１ａ，２ａ上で溶接深さ方向に離間するように、溶接条件が設定されている。具体的には、接合面１ａ，２ａで形成されるレーザ溶融部２３ａの位置が、接合面１ａ，２ａで形成されるアーク溶融部３２ａの下端より下側になるように、図２に示す距離Ｄ及び角度αが設定されている。これにより、図３（Ｂ）に示すように、接合面１ａ，２ａ上では、アーク溶融部３２ａとレーザ溶融部２３ａとが溶接深さ方向に離間して、溶接ビード４０ａが分離して形成され、接合面１ａ，２ａで溶接接合している長さが、レーザ溶融部２３ａによる接合長さｘ１とアーク溶融部３２ａによる接合長さｙ１との合計長さになる。
【００３７】
一方、図４に示した状況では、図３に示す理想的な状況とは異なり、接合面１ａ，２ａの間に僅かな隙間３ｂが生じていて、接合面１ａ，２ａが規定位置Ｐ１から幅方向の一方側（図４の左側）にずれている。この状況において、レーザ溶接では、図４（Ａ）に示すように、レーザ光２２が角度αだけ傾いて照射されるため、接合面１ａ，２ａの下端部にレーザ溶融部２３ｂが形成される。そして、アーク溶接では、図４（Ｂ）に示すように、接合面１ａ，２ａの上端部にアーク溶融部３２ｂが形成される。これにより、接合面１ａ，２ａ上では、アーク溶融部３２ｂとレーザ溶融部２３ｂとが溶接深さ方向に大きく離間して、溶接ビード４０ｂが分離して形成され、接合面１ａ，２ａで溶接接合している長さが、レーザ溶融部２３ｂによる接合長さｘ２とアーク溶融部３２ｂによる接合長さｙ２との合計長さになる。
【００３８】
また、図５に示した状況では、図３に示す理想的な状況とは異なり、接合面１ａ，２ａの間に僅かな隙間３ｃが生じていて、接合面１ａ，２ａが規定位置Ｐ１から幅方向の他方側（図５の右側）にずれている。この状況において、レーザ溶接では、図５（Ａ）に示すように、レーザ光２２が角度αだけ傾いて照射されるため、接合面１ａ，２ａの溶接深さ方向中央から僅かに下方にレーザ溶融部２３ｃが形成される。そして、アーク溶接では、図５（Ｂ）に示すように、接合面１ａ，２ａの上端部にアーク溶融部３２ｃが形成される。これにより、接合面１ａ，２ａ上では、アーク溶融部３２ｃとレーザ溶融部２３ｃとが溶接深さ方向に僅かに離間して、溶接ビード４０ｃが分離して形成され、接合面１ａ，２ａで溶接接合している長さが、レーザ溶融部２３ｃによる接合長さｘ３とアーク溶融部３２ｃによる接合長さｙ３との合計長さになる。
【００３９】
図３（Ｂ）と図４（Ｂ）と図５（Ｂ）との比較から分かるように、図３（Ｂ）に示した接合長さｘ１と接合長さｙ１との合計長さと、図４（Ｂ）に示した接合長さｘ２と接合長さｙ２との合計長さと、図５（Ｂ）に示した接合長さｘ３と接合長さｙ３との合計長さとは、ほぼ同一になる。従って、本実施形態のようにレーザ光２２を傾けることで、接合面１ａ，２ａが規定位置Ｐ１から幅方向の一方側又は他方側にずれても、接合面１ａ，２ａの接合強度をほぼ同一にすることができる。
【００４０】
また、図６に示した状況では、図３に示す理想的な状況と異なり、接合面１ａ，２ａが規定位置Ｐ１から幅方向にずれていないが、接合面１ａ，２ａの間にレーザ光２２の幅より大きい隙間３ｄが生じている。この状況において、レーザ溶接では、図６（Ａ）に示すように、レーザ光２２が角度αだけ傾いて照射されるため、接合面１ａ，２ａの中間部にレーザ溶融部２３ｄが形成される。そして、アーク溶接では、図６（Ｂ）に示すように、接合面１ａ，２ａの上端部にアーク溶融部３２ｄが形成される。これにより、接合面１ａ，２ａ上では、アーク溶融部３２ｄとレーザ溶融部２３ｄとが溶接深さ方向に僅かに離間して、溶接ビード４０ｄが分離して形成され、接合面１ａ，２ａで溶接接合している長さが、レーザ溶融部２３ｄによる接合長さｘ４とアーク溶融部３２ｄによる接合長さｙ４との合計長さになる。
【００４１】
図３（Ｂ）と図６（Ｂ）との比較から分かるように、図３（Ｂ）に示した接合長さｘ１と接合長さｙ１との合計長さと、図６（Ｂ）に示した接合長さｘ４と接合長さｙ４との合計長さとは、ほぼ同一になる。従って、本実施形態のようにレーザ光２２を傾けることで、大きい隙間３ｄが形成されても、接合面１ａ，２ａの接合強度をほぼ同一にすることができる。
【００４２】
ここで、レーザ光２２を傾ける角度αについて、図７を参照しながら説明する。図７（Ａ）に示すように、角度α１が比較的小さい場合には、接合面１ａ，２ａにおいてレーザ溶融部２３によって形成される接合長さＲ１が大きくなる。しかし、幅方向の位置ずれ及び隙間を吸収できる余裕度Ｓ１が小さくなる。一方、図７（Ｂ）に示すように、角度α２が比較的大きい場合には、接合面１ａ，２ａにおいてレーザ溶融部２３によって形成される接合長さＲ２が小さくなる。しかし、幅方向の位置ずれ及び隙間を吸収できる余裕度Ｓ２が大きくなる。
【００４３】
このため、接合長さＲ１，Ｒ２と余裕度Ｓ１，Ｓ２とは、レーザ光２２を傾ける角度αに対してトレードオフの関係にある。従って、接合対象である鋼部材１，２の接合面１ａ，２ａにおいて、幅方向の位置ずれ及び隙間の大きさに応じて、角度αが最適に設定される。つまり、接合面１ａ，２ａに生じる幅方向の位置ずれ及び隙間が大きい場合には、角度αを大きく設定して余裕度を確保する。一方、接合面１ａ，２ａに生じる幅方向の位置ずれ及び隙間が小さい場合には、角度αを小さく設定してできるだけ接合強度を確保する。こうして、本実施形態では、角度αを任意に設定して、接合面１ａ，２ａに生じる幅方向の位置ずれ及び隙間を吸収しつつ、接合強度を選択できることに特徴がある。
【００４４】
第１実施形態の作用効果について説明する。
第１実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法によれば、図３（Ａ）に示すように、レーザ光２２が、接合面１ａ，２ａに対して交差するように傾いて照射される。このため、図４（Ａ）に示すように、仮に接合面１ａ，２ａが規定位置Ｐ１から幅方向の一方側（図４の左側）にずれても、接合面１ａ，２ａの下端部にレーザ溶融部２３ｂが形成される。一方、図５（Ａ）に示すように、仮に接合面１ａ，２ａが規定位置Ｐ１から幅方向の他方側（図５の右側）にずれても、接合面１ａ，２ａの中間部にレーザ溶融部２３ｃが形成される。また、図６（Ａ）に示すように、仮に接合面１ａ，２ａの間に大きい隙間３ｄが生じていても、接合面１ａ，２ａの中間部の下側にレーザ溶融部２３ｄが形成される。こうして、接合面１ａ，２ａの位置ずれや大きな隙間３ｄが生じていても、レーザ溶融部２３の位置が多少上下するだけであり、接合面１ａ，２ａにおいてレーザ溶融部２３による接合長さがほぼ一定になる。
【００４５】
一方、アーク溶接では、接合面１ａ，２ａのうち、溶接深さ方向の上端部のみにアーク溶融部３２を形成する。このとき、アーク溶融部３２の幅が約１０ｍｍであって広いため、接合面１ａ，２ａの位置ずれや大きな隙間３ｄが生じていても、アーク溶融部３２による接合長さがほぼ一定になる。これにより、レーザ溶融部２３による接合長さとアーク溶融部３２による接合長さとの合計長さが、長手方向に沿って、ほぼ均一になる。この結果、長尺状の鋼部材１，２の接合面１ａ，２ａを溶接接合する際に、その接合強度を長手方向に沿って均一にすることができる。つまり、接合面１ａ，２ａの位置ずれや大きな隙間３ｄが生じていても、それら接合面１ａ，２ａの位置ずれや大きな隙間３ｄを吸収できる。従って、大きな余裕度（許容できる範囲）を確保できる方法であり、大型構造物の溶接方法として有効に活用できる方法である。
【００４６】
そして、本実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法では、従来のレーザアークハイブリッド溶接装置に対してレーザ光２２を傾ける機構を設けるだけであるため、従来の装置を大幅に変更する必要がない。即ち、接合面１ａ，２ａの位置ずれや大きな隙間３ｄに対応するために、カメラや各種センサを備える高精度の倣い装置を設けなくても良く、設備コストの増加を抑えて実施することができる。また、レーザ出力を増大させることがなく、レーザ光をウィービングさせる機構を追加する必要もない。従って、レーザアークハイブリッド溶接の低入熱、低歪み、高速溶接というメリットを維持しつつ実施できる。
【００４７】
ここで、本実施形態の技術的思想について説明する。本実施形態では、先ず、接合対象物が、二つの長尺状で且つ厚肉状の鋼部材１，２である点に特徴がある。この鋼部材１，２は、長手方向の長さが約１０ｍ以上であって、板厚が約１０ｍｍあるものであり、自動車分野に用いられるようなものではなく、建設機械分野や鉄道車両分野等で用いられる大型構造物である。このような大型構造物である鋼部材１，２の接合面１ａ，２ａを長手方向に沿ってレーザアークハイブリッド溶接する際、理想的には、図１３（Ｂ）に示すように、接合面１０１ａ，１０２ａの溶接深さ方向全体に溶融部１２３，１３２を形成することが望ましい。しかし、実際には長手方向の位置に応じて、図１４（Ｂ）及び図１５（Ｂ）に示すように接合長さｈ１，ｈ２が短くなるおそれがあった。
【００４８】
そこで、本実施形態では、接合面１ａ，２ａの溶接深さ方向全体に溶融部を形成することを目的としないで、図４〜図６に示すように、接合面１ａ，２ａの位置ずれや大きな隙間３ｄが生じても、レーザ光２２を傾けて照射することによって、接合面１ａ，２ａの溶接深さ方向の何れか一部分にレーザ溶融部２３を確実に形成することを目的としている。こうして、本実施形態の技術的思想は、長尺状で且つ厚板状の鋼部材１，２の接合強度を長手方向全体にできるだけ大きくすることではなく、接合面１ａ，２ａの位置ずれや大きな隙間３ｄに対応できるように、その接合強度を長手方向に沿ってできるだけ均一にすることである。
【００４９】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。第２実施形態では、第１実施形態と溶接条件が異なっていて、図８（Ａ）に示すように、接合面１ａ，２ａが規定位置Ｐ１から幅方向にずれておらず、接合面１ａ，２ａの間に隙間が形成されていない理想的な状況で、レーザ光２２を傾ける角度βが設定されている。この角度βは、図８（Ｂ）に示すように、接合面１ａ，２ａのうち溶接深さ方向の中間部の上側にレーザ溶融部２３ｅが形成されるように設定されている。即ち、溶接条件として、アーク溶融部３２ｅとレーザ溶融部２３ｅとが、接合面１ａ，２ａ上で溶接深さ方向に一体となるように、角度βが設定されている。
【００５０】
ここで、第２実施形態の作用効果を図９を参照しながら説明する。図９では、接合面１ａ，２ａの幅方向の位置Ｘが位置Ｊ１から位置Ｊ２までずれる状態が示されている。上記した第１実施形態では、接合面１ａ，２ａにおいて、レーザ溶融部２３とアーク溶融部３２とが溶接深さ方向（図９の上下方向）に離れるため、接合面１ａ，２ａの位置Ｘの範囲は、Ｊ１≦Ｘ＜Ｊ２になる。これに対して、第２実施形態では、接合面１ａ，２ａの位置Ｘが位置Ｊ２である場合が含まれて、第１実施形態に比べてレーザ溶融部２３による接合長さとアーク溶融部３２による接合長さとの合計長さが短くなるが、接合面１ａ，２ａの位置Ｘの範囲はＪ１≦Ｘ≦Ｊ２になる。このため、第１実施形態に比べて、接合面１ａ，２ａが幅方向にずれる量が大きく許容されるようになり、より大きな余裕度を確保することができる。
【００５１】
＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態では、建設機械分野で用いられるケリーバの構成部品に対してレーザアークハイブリッド溶接を適用している。ケリーバは、例えばアースドリルに吊り下げられていて、下端に取付けた掘削具と共に回転して掘削を行うものである。ケリーバは、多段に重なる円筒部材によって伸縮可能な構造になっていて、内側から順番にインナーケリーバ、セカンドケリーバ、サードケリーバ、アウターケリーバを有している。アウターケリーバは、外周側のドライブシャフトから回転トルクを伝達されるようになっていて、各ケリーバ同士も回転トルクを伝達可能になっている。
【００５２】
図１０は、アウターケリーバ４とドライブシャフト５との関係を示した断面図である。図１０に示すように、アウターケリーバ４は、長手方向（図１０の紙面に直交する方向）に延びる円筒部材であって、長手方向の長さが約２０ｍであり、直径が約４００ｍｍであり、厚さが約１０ｍｍになっている長尺状の大型構造物である。アウターケリーバ４の外周面４ａには、周方向に１２０度の間隔で各キー部材６が配置されている。そして、アウターケリーバ４の外周面４ａと各キー部材６の側面６ａとが、長手方向に連続して溶接接合されている。
【００５３】
各キー部材６は、ドライブシャフト５の内周側に形成された各キー溝５ａに嵌り込んでいる。これにより、アウターケリーバ４は、各キー部材６を介してドライブシャフト５から回転トルクを伝達される。各キー部材６は、断面が略矩形状で長手方向に延びる棒部材であり、矩形の長辺長さが約４０ｍｍであり、矩形の短辺長さが約２０ｍｍになっている。ここで、図１１は、図１０のＺ部分の拡大図である。
【００５４】
図１１に示すように、アウターケリーバ４の外周面４ａとキー部材６の側面６ａとが長手方向に沿って対向していて、キー部材６の図１１左上の角部分が隅肉溶接されている。なお、キー部材６の図１１左下の角部分も隅肉溶接されているが、図１１では図示が省略されている。この隅肉溶接において、第１実施形態と同様のレーザアークハイブリッド溶接方法が用いられている。即ち、レーザ溶接では、レーザ光２２を、アウターケリーバ４の外周面４ａとキー部材６の側面６ａに対して傾けて照射するようになっている。
【００５５】
具体的には、レーザ光２２は、外周面４ａ及び側面６ａの溶接深さ方向（図１１の上下方向）に延びる基準軸Ｋ２から、外周面４ａ及び側面６ａの直交軸Ｔ２の方へ約２０度〜２５度だけ傾いている。これにより、レーザ光２２は、キー部材６の上面６ｂから入射し、外周面４ａ及び側面６ａの溶接深さ方向の一部分を通過することになる。この結果、照射されたレーザ光２２の周辺に、幅が狭くて直線状のレーザ溶融部２４が形成される。一方、アーク溶接では、アークトーチ３１（図１参照）の先端を外周面４ａと側面６ａとの間に形成される僅かな隙間７に向けて配置している。これにより、外周面４ａ及び側面６ａのうち、溶接深さ方向でアークが発生する側（図１１の上側部分）のみに、アーク溶融部３３が形成される。
【００５６】
こうして、第３実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法においても、レーザ光２２が、外周面４ａ及び側面６ａに対して交差するように傾いて照射される。このため、外周面４ａ及び側面６ａの位置ずれや大きな隙間７が生じていても、レーザ溶融部２４の位置が溶接深さ方向に多少上下するだけであり、外周面４ａ及び側面６ａにおいてレーザ溶融部２４による接合長さがほぼ一定になる。一方、アーク溶接では、アーク溶融部３３の幅が約１０ｍｍであって広いため、外周面４ａ及び側面６ａの位置ずれや大きな隙間７が生じていても、アーク溶融部３３による接合長さがほぼ一定になる。これにより、レーザ溶融部２４による接合長さとアーク溶融部３３による接合長さとの合計長さが、長手方向に沿って、ほぼ均一になる。この結果、外周面４ａ及び側面６ａを溶接接合する際に、その接合強度を長手方向に沿って均一にすることができる。
【００５７】
特に、第３実施形態において、大型構造物で長尺状の円筒部材であるアウターケリーバ４は、第１実施形態の板状部材である鋼部材１，２に比べて製作誤差や撓みの影響が非常に大きく出てくる。このため、このアウターケリーバ４の外周面４ａにキー部材６の側面６ａを溶接接合する際には、外周面４ａ及び側面６ａの位置ずれや大きな隙間７が生じ易い。従って、このような厳しい条件であっても、本実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法を用いることにより、接合強度を長手方向に沿って均一にすることができる。
【００５８】
以上、本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法の各実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、第１実施形態において、レーザ光２２を、鋼部材２の上面２ｂから入射して鋼部材１の下面１ｃの方へ向かうように傾斜させたが、鋼部材１の上面１ｂから入射して鋼部材２の下面２ｃの方へ向かうように傾斜させても良い。
【００５９】
また、第２実施形態において、接合面１ａ，２ａでアーク溶融部３２ｅとレーザ溶融部２３ｅとを接触させるために、レーザ光２２を傾ける角度を第１実施形態の角度αから角度βに変更したが、レーザ光２２が照射される位置とアークが生じる位置との間の距離を第１実施形態の距離Ｄから変更しても良く、角度α及び距離Ｄの両方とも変更しても良い。
また、第３実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法は、アウターケリーバ４の外周面４ａとキー部材６の側面６ａとの溶接接合に適用したが、その他のケリーバとキー部材との溶接接合に適用しても良い。また、ケリーバ以外の大型構造物で長尺状の円筒部材と棒部材との溶接接合に適用しても良い。
【００６０】
また、各実施形態において、アーク溶接では、アークトーチ３１が接合面の溶接深さ方向に延びるように配置したが、アークトーチ３１が延びる向きは適宜変更可能である。つまり、形成されるアーク溶融部の幅は約１０ｍｍであるのに対して、接合面の位置ずれや隙間の大きさは約２〜３ｍｍである。更にレーザ光２２がアークを誘導して、アークをレーザ照射点近傍に拘束して、アークが安定化する。このため、本実施形態のレーザアークハイブリッド溶接において、アークトーチ３１が延びる向きを変化させても、その影響はほとんどない。
【００６１】
なお、各実施形態において、レーザ光２２が照射される位置とアークが生じる位置とを、ワーク（鋼部材１，２、アウターケリーバ４とドライブシャフト５）の長手方向に０〜３ｍｍ離して、レーザアークハイブリッド溶接を行っている。但し、上記した長手方向に離す距離（０〜３ｍｍ）は、ワークの種類、溶接条件等に応じて３ｍｍより大きくても良く、適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１，２                          鋼部材
１ａ，２ａ                      接合面
３，３ｂ〜３ｅ，７              隙間
４                              アウターケリーバ
４ａ                            外周面
６                              キー部材
６ａ                            側面
１０                            レーザアークハイブリッド溶接装置
２０                            レーザ溶接装置
２１                            レーザ照射ヘッド
２２                            レーザ光
２３，２３ａ〜２３ｅ，２４      レーザ溶融部
３０                            アーク溶接装置
３１                            アークトーチ
３２，３２ａ〜３２ｅ，３３      アーク溶融部
Ｋ１，Ｋ２，Ｋｘ                基準軸
Ｔ１，Ｔ２                      直交軸
Ｐ１，Ｐ２                      規定位置
【図１】
2015229171.tif 000003
【図２】
2015229171.tif 000004
【図３】
2015229171.tif 000005
【図４】
2015229171.tif 000006
【図５】
2015229171.tif 000007
【図６】
2015229171.tif 000008
【図７】
2015229171.tif 000009
【図８】
2015229171.tif 000010
【図９】
2015229171.tif 000011
【図１０】
2015229171.tif 000012
【図１１】
2015229171.tif 000013
【図１２】
2015229171.tif 000014
【図１３】
2015229171.tif 000015
【図１４】
2015229171.tif 000016
【図１５】
2015229171.tif 000017