(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ光のスポット径を自動で調整することができるレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置を提供する。【解決手段】レーザ光５を集光して被溶接物１に照射する集光レンズ光学系２０を有するレーザトーチ６と消耗電極ガスシールドアーク溶接トーチ４とから成るレーザ照射アーク溶接ヘッド７と、前記レーザ光５の照射方向に電動又は空気圧で前記集光レンズ光学系２０を移動させる集光レンズ光学系駆動機構とを備えたレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置において、前記レーザ光５の所望のスポット径を設定するスポット径設定信号を入力として前記集光レンズ光学系駆動機構を駆動させて所望のスポット径に設定する。【選択図】図１
2005103591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を集光して被溶接物に照射する集光レンズ光学系を有するレーザトーチと消耗電極ガスシールドアーク溶接トーチとから成るレーザ照射アーク溶接ヘッドと、
前記レーザ光の照射方向に電動又は空気圧で前記集光レンズ光学系を移動させる集光レンズ光学系駆動機構とを備えたレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置において、
前記レーザ光の所望のスポット径を設定するスポット径設定信号を入力として前記集光レンズ光学系駆動機構を駆動させて所望のスポット径に設定することを特徴とするレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置。
【請求項２】
前記スポット径設定信号が、溶接条件に応じて最適なスポット径を設定するスポット径設定信号であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置。
【請求項３】
溶接中に前記スポット径設定信号を切換えて前記スポット径を変化させる請求項１又は請求項２に記載のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、消耗電極ガスシールドアーク溶接のアーク発生部の周辺の被溶接物表面にレーザ光を照射することによって溶接を行うレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等を利用したレーザ溶接は、高エネルギ密度の熱源であるので、２ｍ／/分を超える高速溶接を行うことが可能である。しかし、このレーザ溶接では、重ね継手、突合せ継手等への溶接において、その継手部分にギャップがある場合には、レーザ照射位置のビームスポットが小さいために溶融金属量が少なく、ギャップを埋めながら溶接することが難しい。従って、レーザ溶接においては、被溶接物の継手部分にギャップがない状態にする必要があるために、実用上の適用範囲が非常に限定されていた。
【０００３】
上述したレーザ溶接の問題点を解決する1つの方法として、レーザ照射と消耗電極ガスシールドアーク溶接を併用するレーザ照射アーク溶接方法が提案されている。この溶接方法は、前述したレーザ照射によって形成される高エネルギー密度の熱源による高速溶接性を確保した上で、アークによって形成される広がりのある熱源によって継手部分を幅広く溶融すると共に溶接ワイヤをギャップ部分に充填することによって、ギャップのある継手部分に対しても良好な高速溶接を行うことができる。（例えば、特許文献1参照。）。
【０００４】
上記の特許文献1には、対象とする板厚は０．２ｍｍ以上６．０ｍｍ以下、重ね板間の隙間が０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下としており、レーザ光がＹＡＧレーザ光、又はレーザダイオード（ＬＤ）でレーザ光を励起するタイプのＹＡＧレーザ光であることを特徴とする重ね隅肉溶接等が開示されている。
またレーザ光のねらい位置が溶接方向に対してアーク溶接トーチの狙い位置から０ｍｍ以上、８ｍｍ以下の位置に先行することを特徴としている。
【０００５】
図６は、レーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置の構成図である。ロボット本体８の先端部にはレーザ照射アーク溶接ヘッド７が取り付けられている。このレーザ照射アーク溶接ヘッド７は、アーク溶接用の溶接トーチ４及びレーザ照射用のレーザトーチ６から成る。溶接ワイヤ３は、上記の溶接トーチ４から送給されて、被溶接物１との間にアーク２が発生する。
このアーク発生部の前方に上記のレーザトーチ６からレーザ光５が照射される。このレーザトーチ６には、レーザ光５を集光して被溶接物１に照射する集光レンズ光学系が設けられている。また、レーザ光５の照射方向に電動又は空気圧で集光レンズ光学系を移動させる集光レンズ光学系駆動機構が設けられている。
【０００６】
これらにより、レーザ照射によって前方に溶融部を形成し、アーク２による溶融池の形成を先導し補充することができるので、２ｍ／分を超える高速溶接が可能となる。さらに、レーザ光５の照射部にプラズマ及び金属蒸気が生成されてアーク２が誘導される作用もあり、高速溶接時のアーク発生状態を安定化させることができる。
【０００７】
ロボット制御装置１１は、上記のロボット本体８の動作を制御するための動作制御信号Ｍｃを出力すると共に、アーク溶接及びレーザ照射の開始／停止タイミングを同期制御するための出力同期信号Ｐｃを出力する。溶接電源装置９は、アーク溶接を維持するための溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧を出力すると共に、上記の溶接ワイヤ３の送給を制御し、上記の出力同期信号Ｐｃを入力としてアーク溶接の開始及び停止を制御する。レーザ発振装置１０は、上記の出力同期信号Ｐｃを入力として、所定のレーザ出力値Ｐｗ［ｋｗ］でのレーザ光５の照射の開始及び停止を制御する。
【０００８】
上記のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置において、ロボット制御装置１１に溶接開始指令が入力されると、ロボット本体８が動作してレーザ照射アーク溶接ヘッド７が溶接開始位置に移動する。レーザ照射アーク溶接ヘッド７が溶接開始位置に達すると、出力同期信号Ｐｃが出力されて、溶接ワイヤ３が送給されてアーク溶接が開始すると共に、レーザ照射も開始する。溶接中は、レーザ照射アーク溶接ヘッド７は予め定めた教示動作データに従って移動し、アーク発生部前方にレーザ光５を照射しながら溶接が行われる。そして、レーザ照射アーク溶接ヘッド７が溶接終了位置に達すると、後述するように、アーク溶接及びレーザ照射が終了する。
【０００９】
上述した従来技術の溶接方法においては、図７に示すように、深い溶け込みを得るため、レーザ光５のパワー密度の高さを生かしてキーホールと呼ばれる蒸発孔を形成して、それに伴って発生するプラズマがアークの発生及び維持を安定化させている。図７は、レーザ照射アーク溶接方法の溶接開始時の溶接部の模式図である。
【００１０】
従来技術においては、溶接を開始して、レーザ照射アーク溶接ヘッドが一定速度で走行している期間は、レーザ光及びアークから被溶接物に対して適正な熱量が与えられており、安定した溶け込みが得られた溶接ビードが形成される。
しかし、溶接終端部においては、レーザ照射アーク溶接ヘッドの走行が停止するため、レーザ光５による被溶接物１に対する入熱量が増大し、図８に示すように、溶接ビード１２が溶け込み過多の溶接欠陥になってしまうといった問題があった。図８（Ａ）は、従来技術のレーザ照射アーク溶接方法の溶接終端部における溶接部の模式図であり、同図（Ｂ）は、その溶接結果を示す図である。
【特許文献１】特開２００２−１４４０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した問題を解決するために、溶接終端部で、レーザ光の出力及び溶接電流を低下させるという方法がある。しかし、レーザ光の出力を低下させ過ぎると、十分なプラズマが得られず、アークの発生及び維持を安定化させることが困難となり、溶接ビードの外観に不良が発生する。またアークの出力、すなわち溶接電流を低下させ過ぎると、十分な余盛が得られないだけでなく、レーザ光によるキーホールが余盛部をすり鉢状にして、図９に示すように、溶接終端部に孔１３をあけるという問題があった。図９（Ａ）は、従来技術のレーザ照射アーク溶接方法の溶接終端部における溶接結果の平面図であり、同図（Ｂ）は、その側面図である。
【００１２】
そこで、溶接終端部で溶接電流を低下させたときに、レーザ光の出力を低下させる代わりに、レーザ光のスポット径を本溶接期間のスポット径より大きな溶接終端部に適正なスポット径に変化させる方法が提案されている。レーザ光のスポット径は、上述した溶接終端部だけではなく、溶接開始時、本溶接期間、溶接速度、被溶接物、継手部分のギャップ等に応じた適正なスポット径が決められている。しかし、従来は、レーザ光のスポット径を手動で調整する必要があり、調整が困難であるだけでなく、溶接中にスポット径を自動で変更することができなかった。
【００１３】
本発明は、レーザ光のスポット径を自動で調整することができるレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、第１の発明は、レーザ光を集光して被溶接物に照射する集光レンズ光学系を有するレーザトーチと消耗電極ガスシールドアーク溶接トーチとから成るレーザ照射アーク溶接ヘッドと、前記レーザ光の照射方向に電動又は空気圧で前記集光レンズ光学系を移動させる集光レンズ光学系駆動機構とを備えたレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置において、前記レーザ光の所望のスポット径を設定するスポット径設定信号を入力として前記集光レンズ光学系駆動機構を駆動させて所望のスポット径に設定することを特徴とするレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置である。
【００１５】
第２の発明は、前記スポット径設定信号が、溶接条件に応じて最適なスポット径を設定するスポット径設定信号であることを特徴とする第１の発明に記載のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置である。
【００１６】
第３の発明は、溶接中に前記スポット径設定信号を切換えて前記スポット径を変化させる第１の発明又は第２の発明に記載のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置である。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明により、レーザ光の所望のスポット径を設定するスポット径設定信号を入力して、集光レンズ光学系駆動機構を駆動させて所望のスポット径に自動で設定することができる。
【００１８】
第２の発明により、溶接条件に応じて最適なスポット径を設定するスポット径設定信号が予め設定されているので、溶接条件を選択すれば、適正なスポット径を自動で設定することができる。
【００１９】
第３の発明により、溶接開始時、本溶接期間又は溶接終端部において、レーザ光のスポット径を適正なスポット径に変化させることができるので、良好な溶接ビードを得ることができる。
例えば、溶接終端部において、レーザ光のスポット径を本溶接期間のスポット径より大きな溶接終端部に適正なスポット径に変化させることにより、アークの発生及び維持の安定化を図るための十分なプラズマが得られ、かつ、溶接終端部の余盛部をすり鉢状にすることのない良好な溶接ビードを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
まず、図１及び図２を参照して、本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置のレーザ照射アーク溶接ヘッドの構成及び動作を説明する。
図１（Ａ）は、本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置のレーザ照射アーク溶接ヘッド７の実施例１の正面図であり、同図（Ｂ）は、その側面図である。同図において、ベースプレート１４には溶接トーチ４が取付けられている。また、ベースプレート１４には以下に説明する集光レンズ光学系駆動機構が取付けられ、この集光レンズ光学系駆動機構にレーザトーチ６が取付けられている。
【００２１】
集光レンズ光学系スライド機構を説明する。シリンダ１５とロッド１６とを有するシリンダアセンブリ１７がベースプレート１４に取付けられ、また、このベースプレート１４にガイドレール１８が取付けられている。スライド部材１９がこのガイドレール１８に沿って移動するように取付けられ、このスライド部材１９に集光レンズ光学系２０が取付けられている。そして、連結部材２１によってシリンダアセンブリ１７のロッド１６とスライド部材１９とが連結されている。連結部材２１が位置決めブロック２２、２３に接触して、ロッド１６の伸び縮みが停止される。
【００２２】
これらのシリンダアセンブリ１７、ガイドレール１８、スライド部材１９、連結部材２１、位置決めブロック２２、２３によりレーザ照射アーク溶接ヘッドの実施例１の集光レンズ光学系スライド機構が構成されている。
【００２３】
以下、図１に示した集光レンズ光学系スライド機構の動作を説明する。シリンダアセンブリ１７は、図６に示したロボット制御装置１１から出力された溶接条件に対応したスポット径設定信号が、図示を省略した電磁弁に入力されて、図示を省略したエアコンプレッサから圧縮空気がシリンダ１５に供給される。そして、ロッド１６が位置決めブロック２２、２３を制限として伸び縮みし、ロッド１６に連結されたスライド部材１９がガイドレール１８に沿って移動する。これにより、集光レンズ光学系２０をレーザ光５の照射方向に移動することができる。この結果、レーザ光のスポット径を図６に示したロボット制御装置１１からのスポット径設定信号によって設定された径に変化させることができる。
【００２４】
図２（Ａ）は、本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置のレーザ照射アーク溶接ヘッドの実施例２の正面図であり、同図（Ｂ）は、その側面図である。同図において、ベースプレート１４には溶接トーチ４が取付けられている。また、ベースプレート１４には以下に説明する集光レンズ光学系駆動機構が取付けられ、この集光レンズ光学系駆動機構にレーザトーチ６が取付けられている。
【００２５】
集光レンズ光学系スライド機構を説明する。サーボモータ２４がベースプレート１４に取付けられ、このサーボモータ２４に棒ねじ２５が連結されて、サーボモータ２４の回転運動が棒ねじ２５に伝達される。また、ベースプレート１４にガイドレール１８が取付けられている。スライド部材１９がこのガイドレール１８に沿って移動するように取付けられ、このスライド部材１９に集光レンズ光学系２０が取付けられている。連結部材２６の一端には、棒ねじ２５と噛み合って棒ねじの回転運動を直線運動に変換するためのナットが設けられていて、連結部材２６の他端は、スライド部材１９に取付けられている。
【００２６】
これらのサーボモータ２４、棒ねじ２５、ガイドレール１８、スライド部材１９、連結部材２６によりレーザ照射アーク溶接ヘッドの実施例２の集光レンズ光学系スライド機構が構成されている。
【００２７】
以下、図２に示す集光レンズ光学系スライド機構の動作を説明する。サーボモータ２４に図６に示したロボット制御装置１１からのスポット径設定信号が入力されて、サーボモータ２４が動作することによって棒ねじ２５が回転して、棒ねじ２５に連結されたスライド部材１９がガイドレール１８に沿って移動する。これによって、レーザトーチ６が移動する。この結果、レーザ光のスポット径を図６に示したロボット制御装置１１からのスポット径設定信号によって設定された径に変化させることができる。
【００２８】
次に、図３及び図４を参照して、本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置のレーザ照射アーク溶接ヘッドの溶接中の状態を説明する。
図３は、本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置のレーザ照射アーク溶接ヘッドの溶接中の状態を示す図である。同図において、レーザトーチ６によるレーザ光５の照射狙い位置は、溶接トーチ４による溶接狙い位置から溶接方向に対して０ｍｍ以上、８ｍｍ以下の位置である。このときのレーザ光５はキーホールを最も得やすい焦点径に調整されている。
【００２９】
そして、このレーザ照射アーク溶接ヘッド７が溶接終端部に達したときの状態を図４を参照して説明する。同図は、本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置のレーザ照射アーク溶接ヘッドの溶接終端部に達したときの状態を示す図である。同図において、図３に示したレーザ照射アーク溶接ヘッドの溶接中の状態を点線で示している。
【００３０】
レーザ照射アーク溶接ヘッド７が溶接終端部に達すると、クレータ処理を行うために、溶接トーチ４の出力を低減して被溶接物１への入熱を抑える。そのために、図６に示した溶接電源装置９からの溶接電流Ｉｗを低電流に切替える。
そして、上記と同じタイミングで、図６に示したロボット制御装置１１からスポット径設定信号がレーザ照射アーク溶接ヘッド７に入力されて集光レンズ光学系２０がレーザ照射方向で被溶接物１から遠ざかる方向へ高速にスライドし、溶接終端部での最適なスポット径となる位置で集光レンズ光学系２０が停止する。この最適なスポット径は、溶接走行中のスポット径より大きくなり、溶接終端部へのパワー密度を低下させることになる。
【００３１】
このとき、レーザ光のパワー密度が低下しても、溶接終端部で溶融金属が付着し易いスポット径となるように集光レンズ光学系のスライド機構の位置決めブロック２２、２３の位置が予め調整されている。溶融金属が付着し易いスポット径であるということは、アークを安定させ維持させることができるプラズマが発生しており、この部分に対しては低電流のアークでもレーザ照射アーク溶接ヘッド７が停止していれば、十分な溶け込みと安定したビード外観を得ることができる。またレーザ光５のパワーコントロールを行う必要もなく、アーク２の照射時間と溶接電流Ｉｗの調整だけで、良好な溶接終端部の溶接ビード１２が得られる。
【００３２】
次に、図５を参照して、本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置を用いたレーザ照射アーク溶接方法の終端部処理を説明する。同図は、本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置を用いたレーザ照射アーク溶接方法によるアーク溶接及びレーザ照射のタイミングチャートである。同図（Ａ）はレーザ照射アーク溶接ヘッドの移動速度すなわち溶接速度Ｗｓの時間変化を示し、同図（Ｂ）はワイヤ送給速度Ｆｓの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）はスポット径設定信号Ｓｄの時間変化を示す。
【００３３】
同図に示す時刻ｔ１において、アーク溶接とレーザ照射とがほぼ同時に開始されて溶接が始まり、レーザ照射アーク溶接ヘッド７を移動させながら溶接が行われる。
【００３４】
時刻ｔ２において、レーザ照射アーク溶接ヘッド７が溶接終端部に達すると、溶接終了処理として、予め定めた期間Ｔｃ、アーク溶接のクレータ処理が行われる。
この場合、同図（Ａ）に示すように、ヘッド７は停止するので溶接速度Ｗｓは零となる。同図（Ｂ）に示すように、ワイヤ送給速度Ｆｓはクレータ送給速度に減速し、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗはクレータ電流に減少する。
一方、スポット径設定信号Ｓｄは、同図（Ｄ）に示すように、本溶接期間のスポット径設定信号Sdwから、この本溶接期間スポット径設定信号Sdwより大きなスポット径である終端処理期間のスポット径設定信号Sdcに切換わり、レーザ照射を継続する。
【００３５】
そして、時刻ｔ３において終端処理期間Ｔｃが終了すると、同図（Ｂ）に示すように、ワイヤ送給速度Ｆｓは零となり、溶接ワイヤの送給が停止し、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗが零となりアーク溶接は終了し、同時に、同図（Ｄ）に示すように、スポット径設定信号Ｓｄが停止し、レーザ光５の照射も終了する。
【００３６】
本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置を用いたレーザ照射アーク溶接方法は、溶接終端部に達するときだけでなく、溶接開始時や本溶接期間にスポット径設定信号Ｓｄを切換えて、スポット径を変化させることによって、さらに適切な溶接ビードを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置のレーザ照射アーク溶接ヘッド７の実施例１の正面図及びその側面図である。
【図２】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置のレーザ照射アーク溶接ヘッドの実施例２の正面図及びその側面図である。
【図３】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置のレーザ照射アーク溶接ヘッドの溶接中の状態を示す図である。
【図４】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置のレーザ照射アーク溶接ヘッドの溶接終端部に達したときの状態を示す図である。
【図５】本発明のレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置を用いたレーザ照射アーク溶接方法によるアーク溶接及びレーザ照射のタイミングチャートである。
【図６】レーザ照射アーク溶接装置の構成図である。
【図７】レーザ照射アーク溶接方法の溶接開始時の溶接部の模式図である。
【図８】従来技術のレーザ照射アーク溶接方法の溶接終端部における溶接部の模式図及びその溶接結果を示す図である。
【図９】従来技術のレーザ照射アーク溶接方法の溶接終端部における溶接結果の平面図及びその側面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１            被溶接物
２            アーク
３            溶接ワイヤ
４            溶接トーチ
５            レーザ光
６            レーザトーチ
７            レーザ照射アーク溶接ヘッド
８            ロボット本体
９            溶接電源装置
１０            レーザ発振装置
１１            ロボット制御装置
１２            溶接ビード
１３            孔
１４            ベースプレート
１５            シリンダ
１６            ロッド
１７            シリンダアセンブリ
１８            ガイドレール
１９            スライド部材
２０            集光レンズ光学系
２１            連結部材
２２、２３        位置決めブロック
２４            サーボモータ
２５            棒ねじ
２６            連結部材
Ｆｓ            ワイヤ送給速度
Ｉｗ            溶接電流
Ｍｃ            動作制御信号
Ｐｃ            出力同期信号
Ｐｗ            レーザ出力値
Ｓｄ            スポット径設定信号
Sdw            本溶接期間スポット径設定信号
Swc            終端処理期間スポット径設定信号
ｔ１            時刻
ｔ２            時刻
ｔ３            時刻
Ｔｃ            終端処理期間
Ｗｓ            溶接速度
【図１】
2005103591.tif 000003
【図２】
2005103591.tif 000004
【図３】
2005103591.tif 000005
【図４】
2005103591.tif 000006
【図５】
2005103591.tif 000007
【図６】
2005103591.tif 000008
【図７】
2005103591.tif 000009
【図８】
2005103591.tif 000010
【図９】
2005103591.tif 000011