(57)【要約】  【課題】レーザ光学系へのスパッタの付着防止効果を高める。  【解決手段】  レーザ光９の照射によるレーザ溶接とＭＩＧトーチ２によるＭＩＧ溶接とを併用したハイブリッド溶接装置において、一端をＮ極、他端をＳ極とする棒状の磁石１３を連続回転させる磁界発生機構１１と、エアシャッター１２とを上下に設ける。磁界の影響とエアシャッター１２のエア流れとをもってスパッタの飛散方向を変更し、レーザ光学系を保護している保護ガラス８へのスパッタ付着を防止する。  【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接を行うハイブリッド溶接方法であって、
溶接動作と並行して、レーザ溶接ヘッドのレーザ光照射口と溶接部とのなす空間に磁界が反転する場を発生させることを特徴とするハイブリッド溶接方法。
【請求項２】
近接配置したレーザ溶接ヘッドとアーク溶接用の溶接トーチとを被溶接物に対し相対移動させながらレーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接を行うハイブリッド溶接装置であって、
レーザ溶接ヘッドのレーザ光照射口と溶接部とのなす空間に磁界が反転する場を発生させる磁界発生手段を設けたことを特徴とするハイブリッド溶接装置。
【請求項３】
上記磁界発生手段は、一端をＮ極、他端をＳ極とする磁石を回転運動させるものであることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド溶接装置。
【請求項４】
上記磁界発生手段は、磁石を溶接部とほぼ平行な平面内で回転運動させるものであることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド溶接装置。
【請求項５】
レーザ溶接ヘッドにおけるレーザ光照射口の前面に、レーザ光の照射のための光学系を保護する保護ガラスを配置するとともに、
保護ガラスよりも溶接部側に磁界発生手段を配置したことを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド溶接装置。
【請求項６】
レーザ溶接ヘッドのレーザ光照射口と溶接部とのなす空間に向けて溶接部とほば平行なエアの流れを生成し、このエア流れをもって溶接副次物の除去のためのエアシャッターを形成したことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のハイブリッド溶接装置。
【請求項７】
レーザ溶接ヘッドにおけるレーザ光照射口の前面に、レーザ光の照射のための光学系を保護する保護ガラスを配置するとともに、
保護ガラスよりも反溶接部側に、一端をＮ極、他端をＳ極とする磁石を回転運動させる磁界発生手段を配置したことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接とイナートガスアーク溶接の一つであるＭＩＧ溶接もしくはＴＩＧ溶接等とを併用して溶接を行ういわゆるハイブリッド溶接方法と溶接装置に関し、特にアルミニウム系材料の溶接に際して副次物であるスパッタの付着の防止を目的としたハイブリッド溶接方法と溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、アルミニウム系材料の溶接にはレーザ溶接やＭＩＧ溶接が用いられているが、各溶接法ともに一長一短があり、最近では例えば特許文献１，２に記載のように、レーザ溶接とＭＩＧ溶接等とを併用したいわゆるハイブリッド溶接法が採用される傾向にある。
【０００３】
すなわち、ＭＩＧ溶接は設備的に簡便であり、被溶接部材同士の間に１ｍｍ程度の隙間があっても溶接が可能である反面、入熱量が大きく、被溶接物が熱変形し易いという欠点がある。また、レーザ溶接は入熱量が小さくて被溶接物の熱変形が少ない反面、被溶接物同士の間に隙間があると溶接できないという欠点がある。これに対して、特許文献１，２のようにレーザ溶接と例えばＭＩＧ溶接とを併用するハイブリッド溶接法では、実質的に双方の溶接法の長所を兼ね備えており、特にアルミニウム系材料の溶接には有力な方法として一部で実用化されている。
【特許文献１】特開２００３−１６４９８３号公報（図１）
【特許文献２】特開２００３−２４５７８６号公報（図１）
【特許文献３】特開２００２−１９２３７４号公報（図１）
【特許文献４】特開２００２−６６７８１号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、アルミニウム系材料を被溶接物とするハイブリッド溶接では、アルミニウム系材料は溶接副次物であるスパッタの発生量が多いために、レーザ溶接ヘッドの光学系であるレンズ等にスパッタが付着してしまい、溶接不良が発生しやすいほか、スパッタの付着度合いによっては溶接そのものができなくなるおそれがある。
【０００５】
その対策として、レンズ等の光学系の前面に保護ガラスを設置することが行われているが、結局その保護ガラスにもスパッタが付着してしまい、上記と同様の不具合が発生することとなって好ましくない。
【０００６】
そこで、例えば特許文献３，４に記載のように、レーザ溶接ヘッドのレーザ光学系であるレンズもしくはそれを覆っている保護ガラスと溶接部位との間に、溶接部平面とほぼ平行な空気の流れを積極的に生成していわゆるエアシャッターの機能を具備させたものも一部で提案されているが、エアシャッターの特殊性として、構造が簡便である反面、スパッタの付着防止効果が必ずしも十分ではなく、なおも改善の余地を残している。
【０００７】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、いわゆるハイブリッド溶接において、保護ガラスを含むレーザ光学系への溶接副次物であるスパッタの付着防止効果を飛躍的に向上させることができるようにした溶接方法と溶接装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接を行うハイブリッド溶接方法として、溶接動作と並行して、レーザ溶接ヘッドのレーザ光照射口と溶接部とのなす空間に磁界が反転する場を発生させることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の技術を溶接装置として捉えたものであって、近接配置したレーザ溶接ヘッドとアーク溶接用の溶接トーチとを被溶接物に対し相対移動させながらレーザ溶接とアーク溶接とを併用して溶接を行うハイブリッド溶接装置を前提として、レーザ溶接ヘッドのレーザ光照射口と溶接部とのなす空間に磁界が反転する場を発生させる磁界発生手段を設けたことを特徴とする。
【００１０】
なお、磁界を発生させる手段としては、例えば請求項３に記載のように、一端をＮ極、他端をＳ極とする磁石を回転運動させるものとする。
【００１１】
したがって、請求項１，２に記載の発明では、溶接の進行に伴って副次物であるスパッタがレーザ溶接ヘッドのレーザ光照射口側に向かって飛散した場合に、そのスパッタがレーザ光照射口に到達する前に、磁界で生ずる渦電流の影響でスパッタ自体に反発力が生じ、この反発力をもってスパッタ自体の飛散する方向が変化する。そのため、スパッタがレーザ光照射口方向を指向しなくなり、レーザ光学系や保護ガラスにスパッタが付着しなくなる。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１，２に記載の発明によれば、レーザ光学系やそれらを保護している保護ガラスへのスパッタの付着防止効果が従来よりも大幅に向上し、溶接不良や溶接不可能となるような事態の発生を未然に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１〜４は本発明の第１の実施の形態を示す図であり、レーザ溶接とイナートガスアーク溶接の一つであるＭＩＧ溶接とを併用してアルミニウム系材料の被溶接物を溶接するハイブリッド溶接装置の例を示している。そして、特に図１はその全体構成を、図２は図１の要部拡大図を、図３は図２の平面図をそれぞれ示している。
【００１４】
図１および図２，３において、Ｗはアルミニウム系材料からなる平板状の被溶接物、１はレーザ溶接ヘッド、２はアーク溶接用の溶接トーチとしてのＭＩＧトーチで、レーザ溶接ヘッド１とＭＩＧトーチ２とは互いに近接して配置される。レーザ溶接ヘッド１のハウジング３内にはレーザ光学系を形成することになる集光レンズ５，６がレーザ発振器４とともに収容配置されている。そして、集光レンズ６が臨んでいるレーザ光照射口７の前面すなわちレーザ光照射口７よりも被溶接物Ｗ側には集光レンズ６を保護するための固定式の保護ガラス８が配置されていて、レーザ発振器４から出力されたレーザ光９が集光レンズ５，６にて集光された上で保護ガラス８を透過して被溶接物Ｗの溶接部位Ｐに所定のスポット径で照射されることになる。一方、ＭＩＧトーチ２はそのトーチ２自体から繰り出される溶接ワイヤ１０が溶接部位Ｐの直近位置を指向するように斜めに配置されている。
【００１５】
そして、被溶接物Ｗを固定側、レーザ溶接ヘッド１およびＭＩＧトーチ２を可動側とした場合に、それらのレーザ溶接ヘッド１およびＭＩＧトーチ２を一体的に溶接方向に移動させることで、実質的にレーザ光９の照射によるレーザ溶接部位を追いかけるようにして、そのレーザ溶接とＭＩＧトーチ２によるＭＩＧ溶接（アーク溶接）とが施されることになる。
【００１６】
また、被溶接物Ｗと保護ガラス８とのなす空間には、レーザ光９およびＭＩＧトーチ２と干渉することがないように、磁界発生手段としての磁界発生機構１１とエアシャッター１２とが磁界発生機構１１を下側にして互いに近接配置されている。
【００１７】
磁界発生機構１１は、例えば図４に示すように永久磁石、例えばネオジム製の磁石１３を円筒状のステンレスの棒材１４のなかに埋め込んで、一端がＮ極、他端がＳ極となるように形成するとともに、その棒材１４を電動モータ１５の回転軸１６に対して直角に連結したものであり、棒材１４は電動モータ１５の起動により連続的に回転駆動されるようになっている。そして、その棒材１４の回転運動に伴ってできる回転平面が被溶接物Ｗとほぼ平行となるように設定されている。
【００１８】
一方、エアシャッター１２は、エアノズル１７からレーザ光９に対してその直交方向から層状にエアを吹き出してエアの層状流れ１８を生成するもので、この層状流れ１８をもってエアシャッター１２としての機能が発揮される。
【００１９】
なお、磁界発生機構１１およびエアシャッター１２のエアノズル１７はレーザ溶接ヘッド１と予め一体化されていても別体であってもよく、要はレーザ溶接ヘッド１とともに溶接方向に同期して移動できる構造となっていればよい。
【００２０】
このように構成された溶接装置によれば、被溶接物Ｗに対してレーザ溶接ヘッド１とＭＩＧトーチ２とを一体的に移動させ、レーザ溶接ヘッド１から溶接部位Ｐに向けてレーザ光９を照射する一方で、溶極として機能することになる溶接ワイヤ１０と被溶接物Ｗとの間にアークを発生させて、レーザ光照射部位を追いかけるようにしてそのレーザ溶接とＭＩＧ溶接とを併用して溶接を行う点で従来のハイブリッド溶接と同様である。
【００２１】
この場合、アルミニウム系材料を被溶接物Ｗとしているが故に、溶接の進行とともに副次物であるアルミニウム系のスパッタの発生が不可避であり、そのスパッタの一部が保護ガラス８に向かって飛散することになる。
【００２２】
そこで、保護ガラス８へのスパッタの付着防止対策として、上記のような溶接動作と並行して、磁界発生機構１１における磁石１３を電動モータ１５にて連続的に高速回転させる一方、エアシャッター１２のエアノズル１７からエアを吹き出していわゆるエアシャッター機能を発揮させる。
【００２３】
すると、上記のように保護ガラス８に向かってスパッタが飛散したとしても、スパッタがレーザ光照射口７に到達する以前に、磁石１３の回転運動に伴って磁界が発生し、その磁界で生ずる渦電流の影響でスパッタ自体に反発力が生じ、この反発力をもってスパッタ自体の飛散する方向が変化する。この時のスパッタの飛散方向の変化を図２に符号Ｒ１で示す。
【００２４】
続いて、一旦は磁界発生機構１１の磁界の影響で飛散方向を変えたスパッタは、徐々に飛散エネルギーを消失しながらも、磁界発生機構１１よりも上方位置においてエアシャッター１２の影響、すなわちエアの層流流れ１８の影響でさらに大きく方向を変えることになる。この時のスパッタの飛散方向の変化を図２に符号Ｒ２で示す。
【００２５】
その結果として、最初は保護ガラス８に向かって飛散したスパッタであっても、保護ガラス８に近付くにしたがって徐々に向きを変え、最終的にはそのスパッタが保護ガラス８の方向を指向しなくなり、保護ガラス８や集光レンズ６にスパッタが付着するのを未然に防止することができる。
【００２６】
ここで、磁界発生機構１１で発生する磁界の影響でスパッタ自体に反発力が生じて、飛散方向を大きく変えることになる理由は、次のように説明できる。
【００２７】
すなわち、図５の（Ａ）に示すように、磁石１３の回転に伴いそのＮ極とＳ極が高速で反転を繰り返している強い磁界（地場）内にスパッタＳがあると、例えば一方の極であるＮ極の接近とともに強くなる磁束Ｊ１の変化をうち消すようにスパッタＳに渦電流Ｅが発生し、さらに渦電流Ｅにより別の磁界Ｊ２が発生する。この渦電流Ｅによる磁界Ｊ２には同図（Ｂ）に示すように磁石１３側と同じ極が発生し、磁石１３に対して反発力Ｆが生じることになる。この反発力Ｆのために、浮遊状態（固定されていない）にあるスパッタＳは反発する方向に動くことになる。
【００２８】
一方、反対の極であるＳ極が近付いてくる場合には、図６の（Ａ），（Ｂ）に示すように磁界Ｊ１１の向きが逆のため、渦電流Ｅは先の場合と逆方向に流れ、それに伴って発生する磁界Ｊ１２も逆となる。その結果として、接近してくる磁石１３のＳ極と同じ極Ｓが発生することで、先の場合と同様にスパッタＳには反発力Ｆが生じることになる。
【００２９】
このように本実施の形態によれば、レーザ光学系を保護している保護ガラス８に向かって飛散してくるスパッタＳの飛散方向を強制的に大きく変更することができるから、それによって保護ガラス８へのスパッタＳの付着防止効果が飛躍的に向上するようになる。
【００３０】
特に図２に示したように、スパッタ発生源である溶接部位Ｐに近い位置に磁界発生機構１１が配置されていると、より効率的にスパッタＳの飛散方向を変更できる利点がある。
【００３１】
ここで、図４に示した磁界発生機構１１に代えて、図７の構成の磁界発生機構１１としても同様の機能が発揮できる。すなわち、ステンレス製の棒材を長手方向で二分割した上で、それぞれの棒材１４Ａ，１４Ｂのなかに永久磁石であるネオジム製の磁石１３を埋設しても同様の機能が発揮される。
【００３２】
また、図４，７に示した磁界発生機構１１に代えて、棒状の電磁石に逆の電流を交互に流して、磁界を反転させるようにしたものを採用しても同様の機能が発揮される。
【００３３】
図８は本発明の第２の実施の形態を示す図で、図２に示した第１の実施の形態のものと共通する部分には同一符号を付してある。
【００３４】
この第２の実施の形態では、第１の実施の形態のものと比較した場合に、磁界発生機構１１とエアシャッター１２の相対位置関係を入れ換えて、磁界発生機構１１をエアシャッター１２よりも上方側に配置したものである。この場合、磁界発生機構１１およびエアシャッター１２ともにスパッタＳの飛散方向を変更する機能を有するものであることは明らかであるから、その結果として第１の実施の形態と同様の機能が発揮されることになる。
【００３５】
図９〜１２は本発明の第３〜５の実施の形態を示し、図２に示した第１の実施の形態と共通する部分には同一符号を付してある。
【００３６】
図９に示す第３の実施の形態では、図２のエアシャッター１２を廃止して磁界発生機構１１のみを付帯させたものであり、また、図１０，１１に示す第４の実施の形態では、同様に図２のエアシャッター１２を廃止した上で磁界発生機構１１の位置を変更したものである。さらに、図１２に示す第５の実施の形態では、同様に図２のエアシャッター１２を廃止するとともに、磁界発生機構１１Ａの位置を変更した上で、磁界発生機構１１Ａの磁石１３入りの棒材１４の回転平面が被溶接物Ｗに対してほぼ垂直となるように設定したものである。
【００３７】
これらの第３〜５の実施の形態においても、磁界発生機構１１または１１ＡがスパッタＳの飛散方向を変更する機能を有するものであることは明らかであるから、同様に保護ガラス８へのスパッタＳの付着防止効果が発揮される。
【００３８】
また、エアシャッター１２を併用しない場合には、シールドガスの飛散等への影響がなく、良好なな溶接状態を維持できる利点がある。
【００３９】
ここで、磁石１３入りの棒材１４の回転平面の向きには制約はないが、例えば図１２のように被溶接物Ｗに対して垂直になるように棒材１４の回転平面を設定した場合であって、しかも被溶接物Ｗまで磁界の影響が及ぶような場合には、スパッタＳと同様に被溶接物Ｗにも反発力が生じ、溶接部で隙間が許容量を超えて開いてしまう可能性がある。したがって、磁石１３入りの棒材１４の回転平面は被溶接物Ｗに対して平行である方が溶接部への悪影響を抑制できることになる。ただし、被溶接物Ｗが治具等で拘束されていたり、あるいは被溶接物同士が仮付け溶接されていて、その被溶接物間の隙間が開かないようになっている場合にはこの限りでない。
【００４０】
図１３，１４は本発明の第６，７の実施の形態を示し、図２に示した第１の実施の形態と共通する部分には同一符号を付してある。
【００４１】
図１３に示す第６の実施の形態では、保護ガラス８Ａを斜めに配置するとともに、その保護ガラス８Ａよりも上方側に磁界発生機構１１Ｂを配置し、その磁界発生機構１１Ｂにおける磁石１３入りの棒材１４の回転平面が保護ガラス８Ａに対してほぼ垂直となるように斜めに設定したものである。
【００４２】
また、図１４に示した第７の実施の形態では、図１３におけるエアシャッター１２を廃止したものである。
【００４３】
なお、これらの第６，７の実施の形態において、磁界発生機構１１ＢによるスパッタＳの飛散の方向変化を符号Ｒ１１で、エアシャッター１２によるスパッタＳの飛散方向を符号Ｒ２で示す。
【００４４】
これらの図１３，１４に示した第６，７の実施の形態では、装置全体のレイアウトの関係でレーザ光９の照射軸に対して保護ガラス８Ａを傾けて配置しなければならない場合があり、それに対応するために保護ガラス８Ａの上方側、すなわち保護ガラス８ＡのうちスパッタＳが付着しやすい面と反対側に磁界発生機構１１Ｂを配置したものである。
【００４５】
これらの第６，７の実施の形態では、保護ガラス８Ａのみならずレーザ溶接ヘッド１のハウジング３へのスパッタＳの付着をも抑制できる利点がある。
【００４６】
図１５，１６は本発明の第８，９の実施の形態を示し、図１３，１４に示した第６，７の実施の形態と共通する部分には同一符号を付してある。
【００４７】
図１５に示す第８の実施の形態では、図１３に示した第６の実施の形態のものを前提とした上で、エアシャッター１２の下方にも磁気発生機構１１を配置したものである。すなわち、エアシャッター１２を併用しつつ、斜め配置の保護ガラス８Ａをはさんでその上下二箇所に磁界発生機構１１Ｂ，１１を配置してある。
【００４８】
また、図１６に示す第９の実施の形態では、図１５に示す第８の実施の形態のものからエアシャッター１２を廃止したものである。
【００４９】
これらの第８，９の実施の形態では、二つの磁界発生機構１１Ｂ，１１を使用することを前提としているが故に、スパッタＳの飛散方向を大きく変更して、保護ガラス８ＡへのスパッタＳの付着防止効果を一段と高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す図で、ハイブリッド溶接装置全体の構成説明図。
【図２】図１の要部拡大図。
【図３】図２の平面説明図。
【図４】図１〜３に示す磁界発生機構の拡大説明図。
【図５】図４に示した磁界発生機構の作用説明図。
【図６】同じく図４に示した磁界発生機構の作用説明図。
【図７】図４に示した磁界発生機構の変形例を示す説明図。
【図８】本発明の第２の実施の形態を示す説明図。
【図９】本発明の第３の実施の形態を示す説明図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態を示す説明図。
【図１１】図１０の平面説明図。
【図１２】本発明の第５の実施の形態を示す説明図。
【図１３】本発明の第６の実施の形態を示す説明図。
【図１４】本発明の第７の実施の形態を示す説明図。
【図１５】本発明の第８の実施の形態を示す説明図。
【図１６】本発明の第９の実施の形態を示す説明図。
【符号の説明】
【００５１】
１…レーザ溶接ヘッド
２…ＭＩＧトーチ（アーク溶接用の溶接トーチ）
５，６…集光レンズ
７…レーザ光照射口
８，８Ａ…保護レンズ
９…レーザ光
１１，１１Ａ，１１Ｂ…磁界発生機構（磁界発生手段）
１２…エアシャッター
１３…磁石
１５…電動モータ
Ｐ…溶接部位
Ｓ…スパッタ
Ｗ…被溶接物
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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