(57)【要約】    【課題】  簡便で且つ効率よくアルミニウム又はアルミニウム合金材を溶接することができるレーザ・アーク複合溶接方法を提供する。    【解決手段】  被溶接材１にレーザ光２を照射するレーザヘッド３をレーザ光２の中心軸が被溶接材１の表面に対して垂直になるように配置し、被溶接材１に向かってシールドガス４を噴出すると共に、溶接ワイヤ５に通電してアークを発生させるアークトーチ６をレーザヘッド３よりも溶接方向後方に配置する。このとき、アークトーチ６を溶接方向に対して前進角をもつように傾け、更に被溶接材１の表面におけるアークねらい位置８がレーザ光照射点７よりも溶接方向前方になるようにして溶接する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接材をレーザ光及びアークにより複合溶接するレーザ・アーク複合溶接方法において、アークトーチをレーザヘッドよりも溶接方向後方に配置すると共に、前記アークトーチを溶接方向に対して前進角をもつように傾け、更に前記被溶接材表面におけるアークねらい位置がレーザ光照射点よりも溶接方向前方になるようにして溶接することを特徴とするレーザ・アーク複合溶接方法。
【請求項２】
溶接時のワイヤ突出長は、前記アークトーチから供給される溶接ワイヤの先端が、前記レーザヘッドから照射されたレーザ光よりも溶接方向後方になるように制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ・アーク複合溶接方法。
【請求項３】
アルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接に使用することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ・アーク複合溶接方法。
【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組み合わせたレーザ・アーク複合溶接方法に関し、特に、アルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接に好適なレーザ・アーク複合溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせたレーザ・アーク複合溶接は、エネルギー密度が相互に異なる２つの熱源を使用しているため、アークの安定化、溶接速度の高速化、開先寸法精度の緩和、溶込み深さの向上、継手部の強度向上及び溶接欠陥の抑制等の効果が得られる（非特許文献１参照）。また、近年、軽量化及びリサイクルの推進等の理由から、自動車構造材料としてアルミニウム合金が採用されており、自動車製造工程におけるアルミニウム合金の接合方法として、レーザ・アーク複合溶接方法が適用されている（非特許文献２参照）。
【０００３】
図５は従来のレーザ・アーク複合溶接方法を示す斜視図である。従来のレーザ・アーク複合溶接方法においては、一般に、図５に示すように、溶接方向前方にレーザ光１０２を被溶接材１０１に照射するレーザヘッド１０３を、後方にアークトーチ１０４を夫々配置し、アーク溶接により被溶接材１０１の溶接部に溶着金属１０３を生成する前に、レーザ光１０２を開先１０５のルートギャップ１０６に照射して、そのルートフェイス面をレーザにより溶融させた後、アーク溶接により開先内に溶接ワイヤの溶滴を流入させている。
【０００４】
また、従来、レーザ光及びアークの照射位置を同じにしたＹＡＧレーザ誘起アークフィラーワイヤ複合溶接方法も提案されている（特許文献１参照）。更に、レーザヘッドとアークトーチとを同軸状に配置したレーザ・アーク複合溶接装置も開発されている（非特許文献３参照）。非特許文献３に記載の同軸型のレーザ・アーク複合溶接装置においては、レーザ光をアーク照射点の前方２ｍｍ又は後方２ｍｍの位置に照射することにより、溶込み深さを増加させている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９０９４８号公報
【非特許文献１】阿部信行、外１名，「レーザ・アーク複合溶接方法とその将来」，溶接技術，２００３年７月号，ｐ．６２−６７
【非特許文献２】江口法孝，「レーザ・アークハイブリッド溶接のアルミニウム合金への適用」，溶接技術，２００３年７月号，ｐ．７９−８３
【非特許文献３】石出孝、外３名，「アークとＹＡＧレーザのハイブリッド化」，溶接学会誌，２００１年，第７０巻，第４号，ｐ．１２−１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。即ち、図５に示す従来のレーザ・アーク複合溶接方法には、電極となる溶接ワイヤの先端のアーク極点からレーザ照射によって形成されたキーホール上のプラズマまでの距離が長くなり、電位の傾斜が低くなって、電子移動量の収束（エネルギー密度）が低下し、結果として溶込み深さが浅くなるという問題点がある。また、特許文献１に記載の溶接方法は、使用するレーザヘッドが大きく、このレーザヘッドと被溶接部材との物理的な干渉を避けるため、表面が平坦な部材にしか適用できないという問題点がある。
【０００７】
非特許文献３に記載のレーザ・アーク複合溶接装置は、ヘッドが大きくなると共に、機構が複雑になるという問題点がある。またこのレーザ・アーク複合溶接装置では、集光前にレーザ光を分割し、且つ集光点で分割したレーザ光を正確に合致させる必要があるが、レーザ光を分割する際に分割装置によりレーザ光のエネルギーが損失して、効率が低下するという問題点がある。更に、レーザ光を集光するための専用の集光レンズを設けなければならず、装置価格が高価になるという問題点もある。更にまた、レーザヘッドとアークトーチとを同軸状に配置すると、溶接部の真上からシールドガスを吹き付けることになるため、進行方向に十分なガス雰囲気を形成することができず、溶接速度が制限される。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、簡便で且つ効率よくアルミニウム又はアルミニウム合金材を溶接することができるレーザ・アーク複合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】
【０００９】
本発明に係るレーザ・アーク複合溶接方法は、被溶接材をレーザ光及びアークにより複合溶接するレーザ・アーク複合溶接方法において、アークトーチをレーザヘッドよりも溶接方向後方に配置すると共に、前記アークトーチを溶接方向に対して前進角をもつように傾け、更に前記被溶接材表面におけるアークねらい位置がレーザ光照射点よりも溶接方向前方になるようにして溶接することを特徴とする。
【００１０】
本発明においては、溶接ワイヤ先端を被溶接材表面にまで延長したときに、溶接ワイヤ先端と被溶接材表面とが接する点であるアークねらい位置が、レーザ光照射点よりも溶接方向前方になるようにして溶接するため、アークの陽極と陰極との距離であるアーク長が短くなり、エネルギー効率を高めることができる。また、アークトーチを溶接方向に対して前進角を持つように溶接方向後方に傾けて配置しているため、溶接方向前方から溶接部に向かってシールドガスを吹き付けなくても、アークトーチから供給されるシールドガスにより、溶融池の溶接方向前方にも十分なシールドガス雰囲気を形成することができる。更に、既存のレーザ装置及び既存アーク溶接装置を使用することができるため、特別な装置を準備しなくても、簡便にレーザ・アーク複合溶接を行うことができる。
【００１１】
溶接時のワイヤ突出長は、前記アークトーチから供給される溶接ワイヤの先端が、前記レーザヘッドから照射されたレーザ光よりも溶接方向後方になるように制御してもよい。これにより、溶接部の溶込み深さを増加させることができる。また、このレーザ・アーク複合溶接方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接に使用することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、アークねらい位置がレーザ光照射点よりも溶接方向前方になるようにして溶接するため、アーク長が短くなり、エネルギー効率を高めることができると共に、既存のレーザ装置及びアーク溶接装置を使用できるため、簡便にレーザ・アーク複合溶接を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係るレーザ・アーク複合溶接方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１（ａ）は本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の溶接部を示す拡大断面図である。本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法は、図１（ａ）に示すように、レーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせて溶接する方法であり、被溶接材１にレーザ光２を照射するレーザヘッド３を備えたレーザ溶接装置と、被溶接材１に向かってシールドガス４を噴出すると共に、ワイヤ送給装置（図示せず）から送られた溶接ワイヤ５に通電してアークを発生させるアークトーチ６を備えたアーク溶接装置とを使用する。
【００１４】
本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法においては、レーザヘッド３をレーザ光２の中心軸が被溶接材１の表面に対して垂直になるように配置し、アークトーチ６をレーザヘッド３よりも溶接方向後方に配置する。このとき、アークトーチ６を、被溶接材１の表面とアークトーチ６の中心軸とがなす角度θが、例えば６０乃至７５°になるように、溶接方向後方側に前進角で傾ける。
【００１５】
溶接速度が速いレーザ・アーク複合溶接方法においては、溶融池１１の溶接方向前方にシールドガス４雰囲気を形成しなければならない。そこで、従来のレーザ・アーク複合溶接方法においては、レーザヘッドよりも溶接方向前方から溶接部に向かってシールドガスを吹き付けていた。一方、本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法においては、アークトーチ６を溶接方向後方側に傾けて配置しているため、アークトーチ６から供給されるシールドガス４により、溶融池１１の溶接方向前方にも十分なシールドガス４雰囲気を形成することができる。なお、本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法によりアルミニウム合を溶接する場合は、シールドガス４としては、例えば、アルゴン等の不活性ガスを使用することができる。
【００１６】
また、本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法においては、図１（ｂ）に示すように、アークねらい位置８がレーザ光照射点７よりも溶接方向前方になるようにする。レーザ・アーク複合溶接は、レーザ光２によって溶融された溶融池１１に形成されるキーホール内及びその開口部周辺に発生するプラズマ１２によって、被溶接材１の表面におけるアーク極点（陰極点又は陽極点）がレーザ溶接部に移動するため、熱源同士が相乗してエネルギー密度が高い熱を得る溶接方法である。このため、被溶接材１の表面における溶接ワイヤ５の先端から落ちた溶滴５ｂが付着する位置、即ち、溶接時の溶接ワイヤ先端５ａを通り被溶接材１の表面に対して垂直な線分と被溶接材１の表面との交点９（以下、溶滴付着点９という）と、アークねらい位置８との距離を短くすることにより、エネルギー効率を向上させることができる。そこで、本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法においては、溶接開始前（アーク発生前）の溶接ワイヤ５の先端を、溶接時にレーザ光２が照射される位置（レーザ光照射点）７よりも溶接方向前方になるように配置し、アークねらい位置８がレーザ照射点７よりも溶接方向前方になるようにして、溶接を開始する。そして、溶接中もアークねらい位置８がレーザ照射点７よりも溶接方向前方になるようにする。これにより、アーク長が短くなり、効率が良い熱源を得ることができる。
【００１７】
但し、アークねらい位置８をレーザ光照射点７よりもかなり前方に設定すると、溶接時の溶接ワイヤ先端５ａがレーザ光照射点７よりも溶接方向前方に配置されて、レーザ光２が被溶接材１に到達する前に、溶接ワイヤ５及び溶加材を溶融するエネルギーとして消耗され、結果的に溶接部の溶込みが浅くなることがある。このため、本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法においては、アークねらい位置８をレーザ照射点７よりも溶接方向前方になるようにすると共に、溶接時の溶接ワイヤ先端５ａがレーザ光２よりも溶接方向後方になるようにすることが好ましい。なお、レーザ光照射点７とアークねらい位置８との距離ｄを３ｍｍ未満にすることがより好ましい。これにより、十分な溶込みが得られる。
【００１８】
上述のように、本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法は、前述の非特許文献３に記載のレーザ・アーク複合溶接装置のように、レーザヘッド３及びアークトーチ６を同軸状に配置する必要がなく、また特別な光学部品を準備する必要もないため、既存のレーザ装置と既存のアーク溶接装置とを組み合わせることにより、容易に且つ安価にレーザ・アーク複合溶接を行うことができる。また、前述の非特許文献３に記載のレーザ・アーク複合溶接装置のように、レーザ光のエネルギーを損失することもないため、高効率で溶接することができる。
【実施例１】
【００１９】
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。図２は本発明の実施例の溶接方法を示す斜視図であり、図３（ａ）はその溶接部を示す断面図であり、図３（ｂ）は平面図である。先ず、本発明の実施例として、ＹＡＧレーザ２２を使用したレーザ溶接とＭＩＧ溶接とを併用した複合溶接により、板厚が４ｍｍのＪＩＳ規格５１８２アルミニウム合金板２１ａ及び２１ｂを重ね合わせて、その端面を重ね合わせ面に沿って、ＭＩＧトーチ２３の傾斜角度θ及びアークねらい位置８とレーザ照射点７との距離Ｄを変えてへり継手溶接した。その際の溶接条件は、レーザ出力を４．０ｋＷ、焦点距離を２００ｍｍとし、焦点位置はアルミニウム合金板２１ａ及び２１ｂの表面とした。また、ＭＩＧ溶接電流は１４０Ａ、電圧は２１Ｖとし、ＪＩＳ規格Ａ−５３５６−ＷＹで規定されている直径１．２ｍｍの溶接ワイヤを使用した。更に、シールドガスはアルゴンを使用し、シールドガス流量は２５リットル／分、溶接速度は２．０ｍ／分とし、溶接長は２００ｍｍとした。
【００２０】
次に、上述の条件で溶接した各継手について、溶接金属２４ののど厚ｔを測定した。図４は横軸にレーザ光照射点とアークねらい位置との距離Ｄをとり、縦軸にのど厚ｔをとって、距離Ｄと継手ののど厚ｔとの関係を示すグラフ図である。なお、図４においては、アークねらい位置８がレーザ光照射点７よりも溶接方向前方の場合をマイナスとし、アークねらい位置８がレーザ光照射点７よりも溶接方向後方の場合をプラスとしている。図４に示すように、ＭＩＧトーチ２３の傾斜角度θが６０°、７０°及び７８°のいずれの場合においても、レーザ光照射点７がアークねらい位置８よりも溶接方向前方になるように、即ち、レーザ光照射点７とアークねらい位置８との距離Ｄが０よりも小さい実施例の継手は、アークねらい位置８がレーザ光照射点７よりも溶接方向後方、即ち、レーザ光照射点７とアークねらい位置８との距離Ｄが０よりも大きい比較例の継手よりも、のど厚ｔが厚く、溶込み深さが深かった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係るレーザ・アーク複合溶接方法を示す断面図であり、（ｂ）は溶接部を示す拡大断面図である。
【図２】本発明の実施例の溶接方法を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施例における溶接部を示す断面図であり、（ｂ）はその平面図である。
【図４】横軸にレーザ光照射点とアークねらい位置との距離Ｄをとり、縦軸にのど厚をとって、距離Ｄとのど厚との関係を示すグラフ図である。
【図５】従来のレーザ・アーク複合溶接方法を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２２】
１、１０１；被溶接材
２、１０２；レーザ光
３、１０３；レーザヘッド
４；シールドガス
５；溶接ワイヤ
５ａ；溶接ワイヤ先端
５ｂ；溶滴
６、１０４；アークトーチ
７；レーザ光照射点
８；アークねらい位置
９；溶滴付着部
１１；溶融池
１２；プラズマ
２１ａ、２１ｂ；アルミニウム合金板
２２；ＹＡＧレーザ
２３；ＭＩＧトーチ
２４；溶接金属
１０５；開先
１０６；ルートギャップ
ｄ、Ｄ；レーザ光照射点７とアークねらい位置８との距離
ｔ；のど厚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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