(57)【要約】  【課題】  アーク溶接の溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖよりレーザ溶接のレーザ出力Ｐを自動的に算出する複合溶接装置とその方法と複合溶接装置に関する。  【解決手段】  アーク発生手段１０と、レーザ発生手段１と、アーク発生手段１０のアーク条件に基づきレーザ発生手段１のレーザ条件を算出するレーザ条件演算手段１２と、レーザ条件演算手段１２から算出したレーザ条件に基づき、レーザ発生手段１を制御する制御手段１３とを備えることによって、溶接条件の設定を簡易化すると共に、溶接条件の設定を一元化することができる。  【選択図】  図１
2005238282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物の溶接位置にレーザ光を照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接と、前記被溶接物の溶接位置に溶接ワイヤを供給して、溶接ワイヤと被溶接物との間のアーク放電から被溶接物を溶接するアーク溶接によって、被溶接物の溶接位置を同時に溶接する複合溶接装置において、前記溶接ワイヤを前記被溶接物の溶接位置に送給して、前記溶接ワイヤと前記溶接位置との間にアークを発生させるアーク発生手段と、レーザ光を発生して、被溶接物の溶接位置に照射するレーザ発生手段と、前記アーク発生手段のアーク条件に基づき前記レーザ発生手段のレーザ条件を算出するレーザ条件演算手段と、前記レーザ条件演算手段から算出したレーザ条件に基づき、前記レーザ発生手段を制御する制御手段とを備えた複合溶接装置。
【請求項２】
レーザ条件演算手段は、被溶接物へのレーザ実効投入熱量比率が予め設定された範囲内になるようレーザ出力を算出する請求項１記載の複合溶接装置。
【請求項３】
被溶接物へのレーザ実効投入熱量比率が４０〜７０％である請求項２記載の複合溶接装置。
【請求項４】
被溶接物へのレーザ実効投入熱量比率が被溶接物の材質、継ぎ手形状、溶接姿勢の少なくとも一つの関数である請求項２記載の複合溶接装置。
【請求項５】
レーザ条件演算手段は、被溶接物の材質と、継ぎ手形状と、溶接姿勢と、アーク発生手段のアーク条件とを入力として、レーザ発生手段のレーザ出力を出力とするファジィ推論器である請求項１記載の複合溶接装置。
【請求項６】
レーザ条件演算手段は、集光密度によるレーザ吸収率の変化を考慮して、レーザ出力を算出する請求項１から請求項５のいずれかに記載の複合溶接装置。
【請求項７】
レーザ発生手段は、半導体レーザ装置、ＹＡＧレーザ装置、ファイバレーザ装置またはＣＯ２レーザ装置である請求項１から請求項６のいずれかに記載の複合溶接装置。
【請求項８】
アーク発生手段は、ＭＡＧ溶接装置またはＭＩＧ溶接装置である請求項１から請求項７のいずれかに記載の複合溶接装置。
【請求項９】
アーク溶接の溶接電流と溶接電圧とを入力して、アーク実効投入熱量を算出するアーク実効投入熱量算出ステップと、正規化溶接速度とレーザ実効投入熱量比率との関係を予め入力し、正規化溶接速度が設定された場合に、それに基づいてレーザ実効投入熱量比率を算出するレーザ実効投入熱量比率算出ステップと、前記アーク実効投入熱量算出ステップと前記レーザ実効投入熱量比率算出ステップとの算出値を入力して、レーザ出力を算出するレーザ出力算出ステップとを有する複合溶接方法。
【請求項１０】
アーク溶接の溶接電流と溶接電圧とを入力して、アーク実効投入熱量を算出するアーク実効投入熱量算出ステップと、正規化溶接速度とレーザ実効投入熱量比率との関係を予め入力し、正規化溶接速度が設定された場合に、それに基づいてレーザ実効投入熱量比率を算出するレーザ実効投入熱量比率算出ステップと、前記アーク実効投入熱量と前記レーザ実効投入熱量比率と予め設定されたレーザ吸収率とを入力して、レーザ出力を算出するレーザ出力算出ステップと、前記レーザ出力と被溶接物表面における集光径とを入力して、集光密度を算出する集光密度算出ステップと、前記集光密度を使用して、予め設定されたレーザ吸収率と集光密度との関係に基づき、レーザ吸収率を算出するレーザ吸収率算出ステップと、前記算出したレーザ吸収率が所定の条件を満足するかどうかを判定する判定ステップとを備え、
前記算出したレーザ吸収率が所定の条件を満足しない時だけ、前記算出したレーザ吸収率を使用して、再度レーザ出力を算出する複合溶接方法。
【請求項１１】
被溶接物の溶接位置にレーザ光を照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接と、前記被溶接物の溶接位置に溶接ワイヤを供給して、溶接ワイヤと被溶接物との間のアーク放電から被溶接物を溶接するアーク溶接によって、被溶接物の溶接位置を同時に溶接する複合溶接装置において、アーク溶接のアーク条件に基づきレーザ溶接のレーザ条件を設定する複合溶接方法。
【請求項１２】
レーザ条件は、被溶接物へのレーザ実効投入熱量比率が予め設定された
所定範囲内になるよう設定される請求項１１記載の複合溶接方法。
【請求項１３】
被溶接物へのレーザ実効投入熱量比率が４０〜７０％である請求項１２記載の複合溶接方法。
【請求項１４】
被溶接物へのレーザ実効投入熱量比率が被溶接物の材質、継ぎ手形状、溶接姿勢の少なくとも一つの関数である請求項１２記載の複合溶接方法。
【請求項１５】
被溶接物の溶接位置にレーザ光を照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接装置と、前記被溶接物の溶接位置に溶接ワイヤを供給して、溶接ワイヤと被溶接物との間のアーク放電から被溶接物を溶接するアーク溶接装置と、複合溶接制御装置によって、被溶接物の溶接位置を同時に溶接する複合溶接システムにおいて、被溶接物の材質と、被溶接物の板厚と、被溶接物の表面状態と、溶接ワイヤの材質と、溶接ワイヤの直径と、溶接姿勢と、溶接速度と、アーク条件とを複合溶接制御装置に入力すると、前記複合溶接制御装置は、前記諸入力に基づきレーザ条件を算出すると共に、前記アーク溶接装置と前記レーザ溶接装置とを制御する複合溶接システム。
【請求項１６】
複合溶接制御装置は、被溶接物の材質と、被溶接物の板厚と、被溶接物の表面状態と、溶接ワイヤの材質と、溶接ワイヤの直径と、溶接姿勢と、溶接速度と、アーク条件とを入力とし、レーザ条件を出力とするファジィ推論手段を備えた請求項１５記載の複合溶接システム。
【請求項１７】
複合溶接制御装置は、被溶接物の材質と、被溶接物の板厚と、被溶接物の表面状態と、溶接ワイヤの材質と、溶接ワイヤの直径と、溶接姿勢と、溶接速度と、アーク条件と、レーザ光の被溶接物の溶接位置における集光径とを入力とし、レーザ条件を出力とするファジィ推論手段を備えた請求項１５記載の複合溶接システム。
【請求項１８】
複合溶接制御装置は、溶接ロボットである請求項１５から請求項１７のいずれかに記載の複合溶接システム。
【請求項１９】
レーザ溶接装置は、半導体レーザ装置、ＹＡＧレーザ装置、ファイバレーザ装置またはＣＯ２レーザ装置である請求項１５から請求項１８のいずれかに記載の複合溶接システム。
【請求項２０】
アーク溶接装置は、ＭＡＧ溶接装置あるいは、ＭＩＧ溶接装置である請求項１５から請求項１９のいずれかに記載の複合溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク溶接のアーク条件に基づきレーザ溶接のレーザ条件を算出する複合溶接装置とその方法と複合溶接システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、高エネルギー密度熱源であるため、熱影響部の狭い、高品質・高能率の溶接ができる反面、被溶接物間にギャップがあると、レーザ光がそのギャップから抜けてしまい、直接に被溶接物を加熱できなくなることがある。ギャップ裕度を広げるための溶接プロセスからのアプローチとしては、フィラーを採用する方法がある。
【０００３】
この方法では、ギャップ裕度を向上することができるが、フィラーを溶融するのに余分のエネルギーが必要なため、より高出力のレーザを要求する。結果的に、装置コストが向上してしまう。溶接周辺機器からのアプローチとしては、被溶接物の加工精度を高める方法や、被溶接物を固定するジグの精度を高める方法、などがある。いずれの方法においても、加工コストが増加してしまう恐れがあった。
【０００４】
一方、アーク溶接は、消耗電極方式のアーク溶接を採用すれば、広いギャップ裕度を得ることができる。レーザ溶接の高速性とアーク溶接のギャップ裕度とを同時に得ることのできる方法として、被溶接物の溶接位置にアークを発生させて溶接を行うアーク溶接と、アーク溶接から発生した溶融池にレーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接とを複合する方法、すなわち、レーザ溶接とアーク溶接との複合溶接が提案されている。
【０００５】
複合溶接は、ミグ溶接で母材を溶融させ、溶滴の衝撃力及びプラズマ気流により深く掘込んだクレータの底面近くにレーザ光線の焦点位置を合わせ得るよう、ミグ溶接のワイヤ先端とレーザ光線の位置を調整し、深溶け込みの溶接を行うレーザとミグを併用した溶接法がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、レーザビームと他の熱源とを併用し、溶接または加工位置におけるレーザビーム照射位置の設定を、レーザビームと共に併用する熱源に対して熱伝導方程式に基づく熱伝導モデルを適用して、レーザビームと併用する他の熱源単独時の熱影響範囲を把握し、溶接または加工の目的に応じて最も効率の良い位置にレーザビームを照射するレーザビーム照射位置設定方法がある（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特公昭６０−８９１６号公報
【特許文献２】特開２００３−１０３３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の複合溶接において、例えば特許文献１によれば、レーザ出力を大きくし、装置価格の高騰を招くことなく、安価な溶接装置で出力の大きいレーザ溶接と同様の溶接を行うことができるものの、実際の溶接では、高品質の溶接を行うために、アーク溶接のアーク条件とレーザ溶接のレーザ条件をうまく設定する必要があった。
【０００８】
また、特許文献２によれば、複合するアーク溶接あるいはレーザ溶接の条件設定の具体的方法が開示されていなかった。
【０００９】
本発明は、上記従来の技術の問題点に鑑み、アーク溶接のアーク条件に基づきレーザ溶接のレーザ条件を自動的に算出する複合溶接装置とその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明の複合溶接装置に係る発明は、被溶接物の溶接位置にレーザ光を照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接と、前記被溶接物の溶接位置に溶接ワイヤを供給して、溶接ワイヤと被溶接物との間のアーク放電から被溶接物を溶接するアーク溶接によって、被溶接物の溶接位置を同時に溶接する複合溶接装置において、前記溶接ワイヤを前記被溶接物の溶接位置に送給して、前記溶接ワイヤと前記溶接位置との間にアークを発生させるアーク発生手段と、レーザ光を発生して、被溶接物の溶接位置に照射するレーザ発生手段と、前記アーク発生手段のアーク条件に基づき前記レーザ発生手段のレーザ条件を算出するレーザ条件演算手段と、前記レーザ条件演算手段から算出したレーザ条件に基づき、前記レーザ発生手段を制御する制御手段とを備えた複合溶接装置である。
【００１１】
また、本発明の複合溶接方法に係る発明は、アーク溶接の溶接電流と溶接電圧とを入力して、アーク実効投入熱量を算出するアーク実効投入熱量算出ステップと、正規化溶接速度とレーザ実効投入熱量比率との関係を予め入力し、正規化溶接速度が設定された場合に、それに基づいてレーザ実効投入熱量比率を算出するレーザ実効投入熱量比率算出ステップと、前記アーク実効投入熱量算出ステップと前記レーザ実効投入熱量比率算出ステップとの算出値を入力して、レーザ出力を算出するレーザ出力算出ステップとを有する複合溶接方法である。
【００１２】
また、本発明の複合溶接システムに係る発明は、被溶接物の溶接位置にレーザ光を照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接装置と、前記被溶接物の溶接位置に溶接ワイヤを供給して、溶接ワイヤと被溶接物との間のアーク放電から被溶接物を溶接するアーク溶接装置と、複合溶接制御装置によって、被溶接物の溶接位置を同時に溶接する複合溶接システムにおいて、被溶接物の材質と、被溶接物の板厚と、被溶接物の表面状態と、溶接ワイヤの材質と、溶接ワイヤの直径と、溶接姿勢と、溶接速度と、アーク条件とを複合溶接制御装置に入力すると、前記複合溶接制御装置は、前記諸入力に基づきレーザ条件を算出すると共に、前記アーク溶接装置と前記レーザ溶接装置とを制御する複合溶接システムである。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように本発明は、アーク条件に基づきレーザ条件を算出することにより、溶接条件の設定を簡易化すると共に、溶接条件の設定を一元化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明における複合溶接装置とその溶接方法と複合溶接システムについて、図面を用いて説明する。
【００１５】
（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ブロック図である。１は、レーザ発振器２とレーザ伝送手段３と集光光学系４とからなり、レーザ光５を被溶接物６の溶接位置に照射するレーザ発生手段である。
【００１６】
レーザ発振器２は、外部の制御装置によってそのレーザ出力値及びレーザ出力タイミングを自由に制御することができる。レーザ伝送手段３は、光ファイバーであってもよく、レンズによって組み合わせた伝送系であってもよい。集光光学系４は、複数のレンズより構成されてもよい。
【００１７】
７は、ワイヤ送給手段８によって溶接トーチ９を通して被溶接物６の溶接位置に送給さ
れる溶接ワイヤである。１０は、図示していないが、溶接開始時にはワイヤ送給手段８を制御して、溶接トーチ９を通して溶接ワイヤ７を被溶接物６の溶接位置に向かって送給し、溶接ワイヤ７と被溶接物６との間に溶接アーク１１を発生するよう制御するが、溶接終了時にはワイヤ送給手段８による溶接ワイヤ７の送給を停止させると共に、溶接アーク１１を消弧するよう制御するアーク発生手段である。
【００１８】
アーク発生手段１０は、外部の制御装置によってその出力値及び出力タイミングを自由に制御することができると共に、その出力値及び出力タイミングを外部の制御機器に出力することができる。１２は、アーク発生手段１０のアーク条件を受け、それに基づきレーザ発生手段１のレーザ条件を算出するレーザ条件演算手段である。
【００１９】
レーザ条件演算手段１２としては、コンピュータを使用してもよいが、コンピュータのような演算機能を有する部品、デバイス、装置あるいはそれらの組み合わせを使用してもよい。制御手段１３は、レーザ条件演算手段１２から算出したレーザ条件を受け、レーザ発生手段１を制御する制御手段である。
【００２０】
次に、上記実施の形態の動作について説明する。レーザ条件演算手段１２は、アーク発生手段１０の設定したアーク条件としての溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとを入力して、その設定値に基づきレーザ発生手段１のレーザ条件としてのレーザ出力Ｐを算出し、制御手段１３に出力する。
【００２１】
アーク発生手段１０のアーク条件（溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｖ）よりレーザ条件を算出する原理については図２と図３、レーザ条件（レーザ出力Ｐ）を算出する方法については図４〜図７を参照しつつ説明する。
【００２２】
図２は、厚さ１．５ｍｍｔのアルミニウム合金の複合溶接において、溶接電流Ｉが６０アンペア，１２０アンペア，１８０アンペアの時の裏波溶接の最大速度Ｖmaxと正規化溶接速度Ｖnorとの結果である。
【００２３】
図２（ａ）は、裏波溶接の最大速度Ｖmaxとレーザ出力Ｐとの関係である。いずれの溶接電流Ｉにおいても、裏波溶接の最大速度Ｖmaxは、レーザ出力Ｐの増加と共に増加する。
【００２４】
また、図２（ｂ）は、溶接電流Ｉが６０アンペア，１２０アンペア，１８０アンペアの時の正規化溶接速度Ｖnorとレーザ実効投入熱量比率ηとの関係である。ここで、正規化溶接速度Ｖnorは、図２（ａ）の結果に基づきアーク溶接の速度を１とした時の、複合溶接の溶接速度の倍率である。
【００２５】
図２（ｂ）のレーザ実効投入熱量比率ηについて、以下に説明する。
【００２６】
母材に入った熱量がアーク全熱量を占める割合であるアーク効率をβ、母材に入った熱量がレーザ全発熱量を占める割合であるレーザ吸収率をα、溶接電流をＩとすると、レーザ実効投入熱量比率ηは（１）式より算出されるものである。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
αＰはレーザ実効投入熱量で、βＩＶはアーク実効投入熱量である。消耗電極式アーク溶接では、アーク効率βは溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとによって異なるが、通常９０％以上
ある。計算上、近似的に１００％としてもよい。レーザ吸収率αについては、レーザ波長、被溶接物６の材質、表面状態及びレーザ照射部の温度、などの諸条件によって変わるが、計算を簡単にするために、溶融温度における被溶接物６のレーザ吸収率αを一定値、α0として使用してよい。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、複合溶接の正規化溶接速度Ｖnorは、溶接電流Ｉの大小に関係なく、ほぼ被溶接物６へのレーザ実効投入熱量比率ηで決まる。
【００３０】
図２の結果と合わせて、厚さ０．８ｍｍｔと２ｍｍｔと３．２ｍｍｔとのアルミニウム合金で得られた正規化溶接速度Ｖnorとレーザ実効投入熱量比率ηとの関係を図３に示す。溶接電流Ｉは、６０アンペア，１２０アンペア，１８０アンペアである。また、レーザ単独（２ｋＷ、４ｋＷ）溶接時の結果も図示している。
【００３１】
図３の結果によると、複合溶接の正規化溶接速度Ｖnorは、板厚ｔ、溶接電流Ｉとレーザ出力Ｐとほとんど関係なく、ほぼ被溶接物６へのレーザ実効投入熱量比率ηによって決まる。以下の説明では、正規化溶接速度Ｖnorとレーザ実効投入熱量比率ηとの関係を（２）式に示す関数関係により表し、説明を進める。
【００３２】
【数２】
2005238282.tif 000004
【００３３】
図３において、レーザ実効投入熱量比率が約７０％を超えた領域Ａ、すなわち正規化溶接速度Ｖnorがある限界値を超えた領域は、溶接アーク１１が追いつかなくなったり、溶接ワイヤ７からの溶融金属が被溶接物６の溶接位置において不連続な形をなしたりすることが発生する領域である。
【００３４】
なお、レーザ実効投入熱量比率が約４０％以下になると、正規化溶接速度は４以下になり、複合溶接のアーク溶接に対する溶接速度増加の度合いが低くなる。したがって、複合溶接では、レーザ実効投入熱量比率が約４０〜７０％の範囲において速い溶接速度を得ることが可能である。
【００３５】
図において、レーザ単独２ｋＷ及びレーザ単独４ｋＷの溶接結果については、アーク溶接によるアーク投入熱量の働きがないため、いずれのレーザ出力においても正規化溶接速度Vnorは、同一レーザ出力の複合溶接よりも小さい。
【００３６】
図３にアルミニウム合金の例を示したが、（２）式に示す正規化溶接速度Vnorとレーザ実効投入熱量比率ηとの関係は、被溶接物の材質と、被溶接物の板厚と、被溶接物の表面状態と、溶接ワイヤの材質と、溶接ワイヤの直径と、溶接姿勢とによっても変わることがある。
【００３７】
被溶接物の材質、表面状態が変わるとレーザ吸収率が変わるので、被溶接物へのレーザによる投入熱量が変わることがある。溶接ワイヤの材質及びその直径、あるいは溶接姿勢が変わると、同一の溶接電流においても適正な溶接電圧が変わるので、被溶接物へのアークによる投入熱量が変わることがある。
【００３８】
以上に示すように、図３の結果に基づきレーザ条件演算手段１２は、アーク溶接のアーク条件が設定された場合にはレーザ出力Ｐを算出することができる。
【００３９】
レーザ条件演算手段１２がレーザ出力Ｐを算出する方法について、図４〜図７を参照し
つつ説明する。図４は、レーザ出力Ｐを算出するレーザ条件演算手段１２の構成を示す一例である。１４は、アーク発生手段１０のアーク条件としての溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｖと、係数入力部１５から設定したアーク効率βとを入力して、アーク実効投入熱量βＩＶを算出するアーク出力算出部である。
【００４０】
１６は、アーク実効投入熱量βＩＶと、係数入力部１７から設定したレーザ吸収率α（＝溶融温度における被溶接物６のレーザ吸収率、α0）と、速度入力部１８から設定した正規化溶接速度Ｖnorとを入力し、（２）式と（１）式とに基づきレーザ出力Ｐを算出するレーザ出力算出部である。
【００４１】
なお、正規化溶接速度Ｖnorとレーザ実効投入熱量ηとの関係は、予めレーザ出力算出部１６に入力されたものを使用する。以上の構成によれば、レーザ出力算出部１６は、アーク発生手段１０のアーク条件としての溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとを入力し、レーザ出力Ｐを算出することができる。
【００４２】
図４に示す構成例では、レーザ吸収率αを溶融温度における被溶接物６のレーザ吸収率、α0と一定としているが、実際の溶接ではレーザ吸収率αは、被溶接物６の溶融金属部（以下、溶融池と称する。）の表面形状によっても変わる。
【００４３】
すなわち、溶融金属部におけるキーホールの有無によって変わる。キーホールが形成されない場合は、溶融池表面はやや窪むことがあっても、レーザの多重反射による吸収の増加が少ない。キーホールが形成された場合は、レーザはキーホール内での多重反射によってその大部分が被溶接物によって吸収される。キーホールの深さによっても多重反射の回数が変わり、被溶接物に吸収されるレーザ出力が変わる。
【００４４】
この時のレーザ吸収の比率をカプリングレートと称することもあるが、ここでは、レーザ吸収率αと称することとする。通常、キーホール形成の有無は、被溶接物６に照射するレーザの出力Pと集光径φ、すなわち集光密度によって決まる。
【００４５】
レーザ吸収率α（あるいはカップリングレート）と集光密度との関係を示す一例を図５に示す。集光密度が小さい時は、レーザ吸収率αは溶融温度における被溶接物６のレーザ吸収率α0とほぼ等しい。集光密度の増加と共に、レーザ吸収率αは増加する。キーホールの形成を境に、レーザ吸収率αは急に増加する。
【００４６】
したがって、（２）式と（１）式とを使用してレーザ出力Ｐを算出するには、レーザ吸収率αを集光径φに応じて補正することが望ましい。
【００４７】
図６は、集光密度とレーザ吸収率αとの関係を考慮したレーザ条件演算手段１２の構成を示す一例である。
【００４８】
この構成例では、図４に示すレーザ出力算出部１６の代りに、速度入力部１８の出力と、後述する出力部２１からの集光密度信号ＰDと許容誤差設定部１９の設定値Δαthとを入力とする係数算出部２０の出力とを入力とするレーザ出力算出部２２を使用すると共に、レーザ出力算出部２２の出力と、係数算出部２０からの出力許可信号Poutと、係数入力部２３から設定した集光径φとを入力とする出力部２１を設けたものである。
【００４９】
なお、図４に示す構成例と同様の構成及び動作と作用効果を奏するところに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。まず、電源投入直後からレーザ出力算出部２２が初めてレーザ出力Ｐを算出するまでの動作について説明する。
【００５０】
電源投入直後は、係数算出部２０は、後述する出力部２１からの集光密度信号ＰDをまだ受けていないので、キーホールが形成されない時の被溶接物６のレーザ吸収率α0（図５参照）をそのままレーザ出力算出部２２に出力する。レーザ出力算出部２２は、係数算出部２０とアーク出力算出部１４と速度入力部１８との出力を受けて、（１）式と（２）式にしたがってレーザ出力Ｐを随時算出するが、電源投入直後は、係数算出部２０から入力したレーザ吸収率α0を使用してレーザ出力Ｐを算出し、出力部２１に出力する。
【００５１】
出力部２１は、電源投入直後から係数算出部２０からの出力許可信号Ｐoutを受けるまでは、レーザ出力算出部２２からのレーザ出力Ｐと係数入力部２３からの集光径φとを入力して集光密度を算出し、集光密度信号ＰDとして係数算出部２０に出力する。係数算出部２０は、集光密度信号ＰDを使用して図５に基づき、レーザ吸収率α1を算出する。
【００５２】
算出したレーザ吸収率α1とレーザ吸収率α0との差が許容誤差設定部１９から設定した許容誤差Δαthより小さい時だけ、出力許可信号Ｐoutを出力部２１に出力する。許容誤差Δαthより大きい時は、算出したレーザ吸収率α1をレーザ出力算出部２２に出力すると共に、算出したレーザ吸収率α1をα0として保存し、次回に算出したレーザ吸収率α1とを使用して、出力許可信号Ｐoutを出力するかどうかの判定に使用する。出力部２１は、出力許可信号Ｐoutを受けると、直ちにレーザ出力算出部２２から算出したレーザ出力Ｐを制御手段１３に出力する。
【００５３】
以上のような動作は、図７に示す模式図により理解される。図中の（１ａ），（２ａ）は計算時に使用したレーザ吸収率αの順序を示し、点線の矢印はその流れを示す。実際の計算では、出力部２１から算出した集光密度信号ＰDと対応するレーザ吸収率αiと前回の計算値であるレーザ吸収率αi-1との差Δαが許容誤差設定部１９から設定した許容誤差Δαthより小さければ、係数算出部２０から出力許可信号Ｐoutを出力部２１に出力する。以上のように算出されたレーザ出力Ｐは、アーク発生手段１０のアーク条件が変わらない限り、そのまま使用されるが、アーク発生手段１０のアーク条件が変わるたびに再度算出されるものである。
【００５４】
本実施の形態では、図１〜図７に示すように、アーク溶接のアーク条件に基づきレーザ溶接のレーザ条件を自動的に算出することができ、溶接条件の設定を簡易化すると共に、溶接条件の設定を一元化することができる。
【００５５】
上記実施の形態では、レーザ出力算出部１６あるいはレーザ出力算出部２１によってレーザ出力Ｐを算出するのに、（２）式に示す、正規化溶接速度Ｖnorとレーザ実効投入熱量比率ηとの関係Ｖnor＝ｆ（η）を使用したが、正規化溶接速度Ｖnorとレーザ実効投入熱量比率ηとの関係をデータテーブル、図３に示すようなグラフあるいはデータベースにして使用してもよい。
【００５６】
（２）式の代りに、被溶接物の板厚と、アーク溶接の溶接電流Ｉと、溶接電圧Ｖと、アーク効率βと、アーク溶接の溶接速度と、必要な複合溶接の溶接速度と入力として、レーザ実効投入熱量比率ηとを出力とするファジィ推論手段を使用してもよい。
【００５７】
前記の関係Ｖnor＝ｆ（η）は、裏波溶接の最大速度Ｖmaxより導出したが、溶接ビードの外観から判断した最大速度Ｖmaxを使用し、別の新しい関数関係を作って使用してもよい。
【００５８】
また、上記実施の形態では、レーザ条件演算手段１２は、被溶接物６へのレーザ実効投入熱量比率ηが予め設定された範囲内になるよう、レーザ発生手段１のレーザ出力Pを算出してもよい。このようにすれば、図３に示すように、最も速い溶接速度が得られる。
【００５９】
また、図３に示すように、最も高い正規化溶接速度Ｖnorが得られる、被溶接物６へのレーザ実効投入熱量比率ηが４０〜７０％である範囲と設定してもよい。
【００６０】
実際の溶接では、被溶接物６の板厚、継ぎ手形状及び溶接姿勢によって、必要なレーザ実効投入熱量比率ηが異なることもあるので、レーザ条件演算手段１２は、被溶接物６へのレーザ実効投入熱量比率ηを被溶接物６の板厚、継ぎ手形状、溶接姿勢の少なくとも一つの関数として計算し、それを予め設定された範囲にするよう、レーザ発生手段１のレーザ出力Pを算出してもよい。
【００６１】
また、被溶接物６へのレーザ実効投入熱量比率ηと被溶接物６の板厚、継ぎ手形状及び溶接姿勢との関係をデータベース化し、そのデータベースに基づきレーザ出力Pを算出してもよい。
【００６２】
また、上記実施の形態では、レーザ発生手段１としては、半導体レーザ装置、ＹＡＧレーザ装置、ファイバレーザ装置またはＣＯ２レーザ装置を使用することができる。半導体レーザ装置、ＹＡＧレーザ装置、ファイバレーザ装置またはＣＯ２レーザ装置の出力は、パルス状の出力であってもよい。
【００６３】
また、上記実施の形態では、アーク発生手段１０としては、ＭＡＧ溶接装置あるいはＭＩＧ溶接装置を使用することができる。ＭＡＧ溶接装置のシールドガスとしては、ＣＯ２あるいはＣＯ２とアルゴンの混合ガスを使用してもよい。ＭＩＧ溶接装置のシールドガスとしては、アルゴンガスあるいは少量のＣＯ２、Ｏ２を添加したアルゴンガスを使用してもよい。ＭＡＧ溶接装置あるいはＭＩＧ溶接装置の出力は、パルス状の出力であってもよい。
【００６４】
また、上記実施の形態では、レーザ条件演算手段として、被溶接物の材質と、継ぎ手形状と、溶接姿勢と、アーク発生手段のアーク条件とを入力として、レーザ発生手段のレーザ出力Ｐを出力とするファジィ推論器を使用してもよい。
【００６５】
また、上記実施の形態では、アーク溶接のアーク条件としての溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとに基づきレーザ溶接のレーザ条件としてのレーザ出力Ｐをレーザ条件演算手段１２より随時算出して制御手段１３に出力し、レーザ発生手段１の制御を行ってきたが、一定のアーク溶接電流Ｉの範囲において、ある固定したレーザ出力Ｐを使用して、この溶接電流範囲におけるアーク溶接の溶接条件とを組み合わせて使用してもよい。この時、使用するレーザ出力Ｐとアーク溶接のアーク条件とを使用して、得られる複合溶接の溶接速度を推測することができる。
【００６６】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における複合溶接方法を示すフローチャートである。本実施の形態は、アーク実効投入熱量算出ステップ２４と、レーザ実効投入熱量比率算出ステップ２５と、レーザ出力算出ステップ２６とから構成したものである。
【００６７】
上記実施の形態の動作について説明する。アーク実効投入熱量算出ステップ２４では、アーク溶接の溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとを入力し、更にアーク効率βを考慮してアーク実効投入熱量βＩＶを算出する。レーザ実効投入熱量比率算出ステップ２５では、図３に示すような、正規化溶接速度Ｖnorとレーザ実効投入熱量比率ηとの関係に基づき、正規化溶接速度Ｖnorが設定された場合に、レーザ実効投入熱量比率ηを算出する。
【００６８】
レーザ出力算出ステップ２６では、アーク実効投入熱量算出ステップ２４とレーザ実効
投入熱量比率算出ステップ２５との算出値を入力し、更に被溶接物６のレーザ吸収率α0を考慮してレーザ出力Ｐを算出する。
【００６９】
以上のように算出したレーザ出力Ｐと前記アーク溶接の溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとの組み合わせで所定の溶接速度を得ることができる。
【００７０】
本実施の形態では、図８に示すように、アーク溶接のアーク条件に基づきレーザ溶接のレーザ条件を自動的に算出することができ、溶接条件の設定を簡易化すると共に、溶接条件の設定を一元化することができる。
【００７１】
（実施の形態３）
図９は本発明の実施の形態３における複合溶接方法を示すフローチャートである。本実施の形態は、アーク実効投入熱量算出ステップ２４と、レーザ実効投入熱量比率算出ステップ２５と、レーザ出力算出ステップ２６と、集光密度算出ステップ２７と、レーザ吸収率算出ステップ２８と、判定ステップ２９とから構成したものである。
【００７２】
なお、図８に示す実施の形態と同様の構成及び動作と作用効果を奏するところに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。
【００７３】
上記実施の形態の動作について説明する。アーク実効投入熱量算出ステップ２４では、アーク溶接の溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとを入力し、更にアーク効率βを考慮してアーク実効投入熱量βＩＶを算出する。レーザ実効投入熱量比率算出ステップ２５では、図３に示すような、正規化溶接速度Ｖnorとレーザ実効投入熱量比率ηとの関係に基づき、正規化溶接速度Ｖnorが設定された場合に、レーザ実効投入熱量比率ηを算出する。
【００７４】
レーザ出力算出ステップ２６は、アーク実効投入熱量算出ステップ２４とレーザ実効投入熱量比率算出ステップ２５との算出値を入力して、最初の計算では予め設定されたレーザ吸収率α0を使用してレーザ出力Pを算出するが、その後の計算では更新されたレーザ吸収率α0を使用してレーザ出力Pを算出する。
【００７５】
集光密度算出ステップ２７では、レーザ出力算出ステップ２６のレーザ出力Ｐの算出値と被溶接物６での集光径φとを入力して、集光密度を算出する。
【００７６】
レーザ吸収率算出ステップ２８では、前記集光密度の算出値を使用して、図５に示す関係に従いレーザ吸収率α1を算出する。
【００７７】
判定ステップ２９では、レーザ吸収率算出ステップ２８から算出したレーザ吸収率α1が所定の条件を満足するかどうかを判定し、満足しない時だけ、レーザ吸収率算出ステップ２８から算出したレーザ吸収率α1をレーザ吸収率α0として保存し、レーザ出力算出ステップ２６から繰り返す。
【００７８】
以上のように算出したレーザ出力Ｐと前記アーク溶接の溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとを組み合わせることによって、所定の正規化溶接速度を得ることができる。
【００７９】
判定ステップ２８で使用した所定の条件とは、新しく算出したレーザ吸収率α1と前回算出したレーザ吸収率α0との差は、予め設定した所定値より低いことである。
【００８０】
本実施の形態では、図９に示すように、アーク溶接のアーク条件に基づきレーザ溶接のレーザ条件を自動的に算出することができ、溶接条件の設定を簡易化すると共に、溶接条件の設定を一元化することができる。
【００８１】
（実施の形態４）
図１０は本発明の実施の形態４における複合溶接システムの構成を示すブロック図である。３１は、被溶接物の材質ＭBを入力する被溶接物材質入力部３２と、被溶接物の板厚ｔを入力する被溶接物板厚入力部３３と、被溶接物の表面状態Ｓを入力する被溶接物表面状態入力部３４と、溶接ワイヤの材質ＭWを入力するワイヤ材質入力部３５と、溶接ワイヤの直径φWを入力するワイヤ径入力部３６と、溶接姿勢ＷＰを入力する溶接姿勢入力部３７と、溶接速度ＶWを入力する溶接速度入力部３８と、アーク条件としての溶接電流Ｉと電流Ｖとを入力するアーク条件入力部３９との出力値を入力して、レーザ出力Ｐを算出し、レーザ溶接装置４０とアーク溶接装置４１とを制御する複合溶接制御装置３１である。
【００８２】
上記実施の形態の動作について説明する。なお、実施の形態１と同様の動作と作用効果を奏するところの詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。複合溶接制御装置３１では、被溶接物の材質ＭBと、被溶接物の板厚ｔと、被溶接物の表面状態Ｓと、溶接ワイヤの材質ＭWと、溶接ワイヤの直径φWと、溶接姿勢ＷＰと、溶接速度ＶWと、アーク条件としての溶接電流Ｉと溶接電流Ｖとが入力されると、アーク条件としての溶接電流Ｉと溶接電流Ｖと溶接速度ＶWとを使用して、（１）式と（２）式とに基づき、実施の形態１に示す方法よりレーザ出力Ｐを算出する。
【００８３】
前述の通り、（２）式は、被溶接物の材質ＭBと、被溶接物の板厚ｔと、被溶接物の表面状態Ｓと、溶接ワイヤの材質ＭWと、溶接ワイヤの直径φWと、溶接姿勢ＷＰとによっても変わるので、それと対応するものを使用して、レーザ出力Ｐが算出される。具体的算出方法は図４と同様なので、その詳細な説明を省略する。但し、（２）式を使用する場合の正規化溶接速度Ｖnorは、（３）式に示す通り、溶接速度入力部３８から設定した複合溶接の溶接速度ＶHybridと、予め複合溶接制御装置３１に記憶されたアーク溶接の溶接速度Varcとによって（３）式によって算出されるものである。
【００８４】
【数３】
2005238282.tif 000005
【００８５】
レーザ出力Ｐが算出されると、複合溶接制御装置３１は、算出したレーザ出力Ｐをレーザ溶接装置４０に出力すると共に、アーク諸条件をアーク溶接装置４１に出力して、レーザ溶接装置４０とアーク溶接装置４１とを制御し、溶接作業を行う。
【００８６】
本実施の形態では、図１０に示すように、アーク溶接のアーク諸条件に基づきレーザ溶接のレーザ条件を自動的に算出することができ、溶接条件の設定を簡易化すると共に、溶接条件の設定を一元化することができる。
【００８７】
上記実施の形態では、複合溶接制御装置３１として、被溶接物の材質ＭBと、被溶接物の板厚ｔと、被溶接物の表面状態Ｓと、溶接ワイヤの材質ＭWと、溶接ワイヤの直径φWと、溶接姿勢ＷＰと、溶接速度ＶWと、アーク条件としての溶接電流Ｉと溶接電流Ｖとを入力とし、レーザ出力Ｐを出力とするファジィ推論手段を備えたものを使用してもよい。
【００８８】
また、上記実施の形態では、複合溶接制御装置３１としては、溶接ロボットを使用してもよい。その時の溶接ロボットは、複合制御装置３１の持っている、レーザ出力Ｐを算出する機能があればよい。
【００８９】
また、上記実施の形態では、レーザ溶接装置４０としては、半導体レーザ装置、ＹＡＧ
レーザ装置、ファイバレーザ装置またはＣＯ２レーザ装置を使用してもよい。
【００９０】
また、上記実施の形態では、アーク溶接装置４１としては、ＭＡＧ溶接装置あるいは、ＭＩＧ溶接装置を使用してもよい。
【００９１】
（実施の形態５）
図１１は本発明の実施の形態５における複合溶接システムの構成を示すブロック図である。この実施の形態では、実施の形態４における複合溶接制御装置３１の代わりに、複合溶接制御装置４３を使用したものである。複合溶接制御装置４３は、複合溶接制御装置３１に集光径入力部４２を追加したものである。
【００９２】
なお、図１０に示す実施の形態と同様の構成及び動作と作用効果を奏するところに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。
【００９３】
上記実施の形態の動作について説明する。複合溶接制御装置４３では、被溶接物の材質ＭBと、被溶接物の板厚ｔと、被溶接物の表面状態Ｓと、溶接ワイヤの材質ＭWと、溶接ワイヤの直径φWと、溶接姿勢ＷＰと、溶接速度ＶWと、アーク条件としての溶接電流Ｉと溶接電流Ｖと、集光径φとが入力されると、アーク条件としての溶接電流Ｉと溶接電流Ｖと溶接速度ＶWと集光径φとを使用して、（１）式、（２）式と（３）式とに基づき、実施の形態１に示す方法によりレーザ出力Ｐを算出する。
【００９４】
具体的算出方法は、図６を用いて説明したのと同様なので、その詳細説明を省略する。但し、（２）式を使用する場合の正規化溶接速度Ｖnorは、（３）式に示す通り、溶接速度入力部３８から設定した複合溶接の溶接速度ＶHybridと、予め複合溶接制御装置４３に記憶されたアーク溶接の溶接速度Varcとによって算出されるものである。ここでは、複合溶接の溶接速度を記号ＶHybridとしたが、図１０に示す溶接速度入力部３８の出力Ｖｗと同様のものである。
【００９５】
レーザ出力Ｐが算出されると、複合溶接制御装置４３は、算出したレーザ出力Ｐをレーザ溶接装置４０に出力すると共に、アーク諸条件をアーク溶接装置４１に出力して、レーザ溶接装置４０とアーク溶接装置４１とを制御して、溶接作業を行う。
【００９６】
本実施の形態では、図１１に示すように、アーク溶接のアーク諸条件に基づきレーザ溶接のレーザ条件を自動的に算出することができ、溶接条件の設定を簡易化すると共に、溶接条件の設定を一元化することができる。
【００９７】
また、上記実施の形態では、複合溶接制御装置４３として、被溶接物の材質ＭBと、被溶接物の板厚ｔと、被溶接物の表面状態Ｓと、溶接ワイヤの材質ＭWと、溶接ワイヤの直径φWと、溶接姿勢ＷＰと、溶接速度ＶWと、アーク条件としての溶接電流Ｉと溶接電流Ｖと、集光径φとを入力とし、レーザ出力Ｐを出力とするファジィ推論手段を備えたものを使用してもよい。
【００９８】
上記本発明の実施の形態１〜実施の形態５では、いずれの場合でもアーク溶接のアーク条件（電流Ｉ、電圧Ｖ、など）に基づきレーザ溶接のレーザ条件（出力Ｐ）を算出するよう構成した。同様の方法で、レーザ溶接のレーザ条件（出力Ｐ、集光径φ）に基づきアーク溶接のアーク条件（電流Ｉ、電圧Ｖ、など）を算出するよう構成してもよい。この時の溶接条件としての溶接電圧Ｖは、同溶接電流Ｉにおいて安定な溶接が得られるものを使用するのは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
以上のように、本発明に係る複合溶接装置とその溶接方法と複合溶接システムは、アーク条件よりレーザ条件を算出することができ、溶接条件の設定を簡易化すると共に、溶接条件の設定を一元化することができ、複合溶接装置の制御に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【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ブロック図
【図２】（ａ）同実施の形態１における裏波溶接の最大速度Ｖmaxとレーザ出力Ｐとの関係図  （ｂ）同実施の形態１における正規化溶接速度Ｖnorとレーザ実効投入熱量比率ηとの関係図
【図３】同実施の形態１における正規化溶接速度Ｖnorとレーザ実効投入熱量比率ηとの関係図
【図４】同実施の形態１におけるレーザ条件演算手段１２の具体例を示す説明図
【図５】レーザ吸収率α（カップリングレート）と集光密度との関係図
【図６】同実施の形態１におけるレーザ条件演算手段１２の具体例を示す説明図
【図７】レーザ吸収率α（カップリングレート）と集光密度との関係、およびレーザ吸収率αを算出する手順図
【図８】同実施の形態２における複合溶接方法を示すフローチャート
【図９】同実施の形態３における複合溶接方法を示すフローチャート
【図１０】同実施の形態４における複合溶接装置を示すブロック図
【図１１】同実施の形態５における複合溶接装置を示すブロック図
【符号の説明】
【０１０１】
１  レーザ発生手段
２  レーザ発振器
３  レーザ伝送手段
４  集光光学系
５  レーザ光
６  被溶接物
７  溶接ワイヤ
８  ワイヤ送給手段
９  トーチ
１０  アーク発生手段
１１  溶接アーク
１２  レーザ条件演算手段
１３  制御手段
１４  アーク出力算出部
１５  係数入力部
１６  レーザ出力算出部
１７  係数入力部
１８  速度入力部
１９  許容誤差設定部
２０  係数算出部
２１  出力部
２２  レーザ出力算出部
２３  係数入力部
２４  アーク実効投入熱量算出ステップ
２５  レーザ実効投入熱量比率算出ステップ
２６  レーザ出力算出ステップ
２７  集光密度算出ステップ
２８  レーザ吸収率算出ステップ
２９  判定ステップ
３０  終了ステップ
３１  複合溶接制御装置
３２  被溶接物材質入力部
３３  被溶接物板厚
３４  被溶接物表面状態入力部
３５  ワイヤ材質入力部
３６  ワイヤ径入力部
３７  溶接姿勢入力部
３８  溶接速度入力部
３９  アーク条件入力部
４０  レーザ溶接装置
４１  アーク溶接装置
４２  集光径入力部
４３  複合溶接制御装置
【図１】
2005238282.tif 000006
【図２】
2005238282.tif 000007
【図３】
2005238282.tif 000008
【図４】
2005238282.tif 000009
【図５】
2005238282.tif 000010
【図６】
2005238282.tif 000011
【図７】
2005238282.tif 000012
【図８】
2005238282.tif 000013
【図９】
2005238282.tif 000014
【図１０】
2005238282.tif 000015
【図１１】
2005238282.tif 000016