(57)【要約】【課題】被溶接物の溶接位置にレーザを照射しながらワイヤを送給してアーク溶接を同時に行う際、前記溶接位置にフィラーを送給し、前記フィラーを加熱しながら溶接を行うレーザ溶接方法とレーザ溶接装置に関する。【解決手段】レーザ発生手段９と、アーク発生手段１３と、加熱手段２０と、ワイヤ送給手段１７と、フィラー送給手段１８と、制御手段２３とを備え、前記制御手段２３は、被溶接物１の溶接位置にレーザビーム２を照射しながらワイヤ３を送給してアーク溶接を同時に行う際、前記溶接位置にフィラー７を供給して前記フィラー７と前記被溶接物１または溶融池６とを接触させ、前記フィラー７に電流を流すことによって前記フィラー７を加熱しながら溶接を行うことにより溶着速度を上げることができる。【選択図】図１
2012030262.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溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行いながら、前記溶接位置にフィラーを供給するレーザ溶接方法において、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに電流を流すことによって前記フィラーを加熱しながら溶接を行うレーザ溶接方法。
【請求項２】
溶接の進行方向から、ワイヤ、レーザビーム、フィラーの順、または、フィラー、レーザビーム、ワイヤの順に配置し溶接を行う請求項１記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
ワイヤの被溶接物の表面における狙い位置とレーザビームの照射位置との間隔をワイヤ径の１から５倍とする請求項１と請求項２記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
被溶接物とワイヤとフィラーは、鉄鋼材料である請求項１から請求項３記載のレーザ溶接方法。
【請求項５】
被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ発生手段と、前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給手段と、前記ワイヤ送給手段を制御しながら前記ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を送給するアーク発生手段と、前記溶接位置にフィラーを送給するフィラー送給手段と、前記フィラーに電流を流す加熱手段と、前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段と前記加熱手段とを制御する制御手段とを備え、被溶接物の溶接位置にレーザ溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行うと共に、前記溶接位置にフィラーを供給して前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに電流を流すことによって前記フィラーを加熱しながら溶接を行うレーザ溶接装置。
【請求項６】
溶接の進行方向から、ワイヤ、レーザビーム、フィラーの順、または、フィラー、レーザビーム、ワイヤの順に配置し溶接を行う請求項５記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
ワイヤの被溶接物の表面における狙い位置とレーザビームの照射位置との間隔をワイヤ径の１から５倍とする請求項５と請求項６記載のレーザ溶接装置。
【請求項８】
被溶接物とワイヤとフィラーは、鉄鋼材料である請求項５から請求項７記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被溶接物にレーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うレーザ溶接方法とレーザ溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は高速に行える方法であるが、被溶接物にギャップがあると、レーザビームがギャップから抜けてしまい溶接ができなくなってしまう欠点がある。この欠点を補うために、フィラーを供給する方法や、レーザ溶接と消耗電極式アーク溶接を複合するレーザ溶接方法が提案されている。前者では、フィラーを溶融するのにレーザエネルギーを余分に消費するため、コスト面での改善が求められている。一方、後者では、アーク溶接に使用するワイヤの溶着速度は溶接電流と独立に調整できず、その適用範囲は限定されている。
【０００３】
以上のこの問題を解決するために、本発明の発明者は、アーク溶接のワイヤと別に設けたフィラーを溶接位置に供給する方法を提案し、溶着速度と溶接電流の独立調整を図っている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
図３は本発明の発明者が提案した従来のレーザ溶接方法の構成を示す模式図である。１は被溶接物、２はレーザビーム、３はワイヤ、４は前記ワイヤ３と前記被溶接物１との間に発生したアーク、５は前記ワイヤ３が溶融して形成した溶滴、６は前記レーザビーム２と前記アーク４とが前記被溶接物１に形成した溶融池、７は前記被溶接物１の溶接位置に送給するフィラー、８は前記溶融池６が凝固して形成したビードである。
【０００５】
図４は、本発明の発明者の提案したレーザ溶接方法の溶着速度と溶接電流の独立調整の原理を説明する模式図である。ＭＲＡは、レーザ溶接と消耗電極式アーク溶接を複合するレーザ溶接法の溶着速度を示す溶融曲線であるが、アーク溶接単独時の溶着速度に等しい。
【０００６】
ＭＲＨは、本発明の発明者が提案した図３のレーザ溶接法において、フィラー７の溶着速度を示す溶融曲線ＭＲＦと溶融曲線ＭＲＡの和を示す溶融曲線である。目標の溶着速度をＶＷ０とすると、レーザ溶接と消耗電極式アーク溶接を複合するレーザ溶接法でＶＷ０を実現するには、Ｉ０の溶接電流が必要であるが、本発明の発明者が提案したレーザ溶接方法では、溶着速度は溶融曲線ＭＲＨに従うので、必要な溶接電流はＩ０より低いＩＨになる。なお、前記フィラー７の溶融曲線ＭＲＦを調整すれば、溶接電流ＩＨはＩ０と無関係に、広い範囲で調整することができる。
【０００７】
本発明者の従来から提案したレーザ溶接方法では、フィラーを使用することによって溶着速度の調整を行っているが、前記フィラーを溶融するのはレーザのエネルギー若しくはアークの一部のエネルギーを使用すればよい。特に、前記レーザのエネルギーは密度が高いので、より効率よくフィラーを溶融することができる。但し、通常に使用するフィラーは室温状態にあるので、それを融点まで加熱して溶融させる必要がある。つまり、フィラーを室温から融点まで昇温させるためのエネルギーをレーザのみで提供すると、装置全体のコストが高くなってしまう欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０２１０９４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、被溶接物の溶接位置にレーザ溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行いながら、前記溶接位置にフィラーを供給するレーザ溶接方法において、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに電流を流すことによって前記フィラーを加熱しながら溶接を行うレーザ溶接方法とレーザ溶接装置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は、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ発生手段と、前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給手段と、前記ワイヤ送給手段を制御しながら前記ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を送給するアーク発生手段と、前記溶接位置にフィラーを送給するフィラー送給手段と、前記フィラーに電流を流す加熱手段と、前記レーザ発生手段と前記アーク発生手段と前記加熱手段とを制御する制御手段とを備え、被溶接物の溶接位置にレーザ溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行うと共に、前記溶接位置にフィラーを供給して前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに電流を流すことによって前記フィラーを加熱しながら溶接を行うレーザ溶接装置である。
【００１１】
また、本発明は、溶接の進行方向から、ワイヤ、レーザビーム、フィラーの順、または、フィラー、レーザビーム、ワイヤの順に配置し溶接を行うレーザ溶接方法とレーザ溶接装置である。
【００１２】
また、本発明は、ワイヤの被溶接物の表面における狙い位置とレーザビームの照射位置との間隔をワイヤ径の１から５倍とするレーザ溶接方法とレーザ溶接装置である。
【００１３】
また、本発明は、被溶接物とワイヤとフィラーは鉄鋼材料であるレーザ溶接方法とレーザ溶接装置である。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明は、被溶接物の溶接位置にレーザ溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行いながら、前記溶接位置にフィラーを供給するレーザ溶接方法において、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに電流を流すことによって前記フィラーを加熱しながら溶接を行うことによって溶着速度を更に上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置の構成を示す模式図
【図２】レーザビームをフィラーに照射する際の模式図およびフィラー電流と本発明のレーザ装置で得られる溶着速度の模式図
【図３】従来のレーザ溶接方法の構成を示す模式図
【図４】従来のレーザ溶接方法の溶着速度と溶接電流の独立調整の原理を説明するグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置の構成を示す模式図である。なお、図３と図４に示した内容と同様の構成およ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。９はレーザ発振器１０とレーザ伝送手段１１と集光光学系１２から構成されるレーザ発生手段である。１３はケーブル１４によって、ワイヤ３を通すトーチ１６に接続され、また、ケーブル１５によって被溶接物１に接続され、前記ワイヤ３と前記被溶接物１との間にアーク４を発生するための電力を送給するアーク発生手段である。１７は、前記トーチ１６を通して前記ワイヤ３を前記被溶接物１に送給するワイヤ送給手段、１８はトーチ１９を通してフィラー７を前記被溶接物１の溶接位置に送給するフィラー送給手段である。２０は、ケーブル２１とケーブル２２によってトーチ１９と前記被溶接物１に接続され、前記フィラー７に電流を供給することによって前記フィラー７を加熱する加熱手段である。２３は、前記レーザ発生手段９と前記アーク発生手段１３と前記フィラー送給手段１８と前記加熱手段２０とを制御する制御手段である。
【００１７】
前記レーザ発生手段９は、その集光光学系１２によってレーザビーム２を集光して前記被溶接物１に照射する。前記集光光学系１２は、一枚あるいは複数のレンズから構成されてもよい。前記レーザ伝送手段１１は光ファイバであってもよく、レンズによって組み合わせた伝送系であってもよい。前記レーザ発振器１０は、図示していないが、外部の制御装置によってその出力値および出力タイミングを自由に制御することができる。
【００１８】
前記アーク発生手段１３は、溶接開始時には前記ワイヤ送給手段１７を制御し、前記ワイヤ３を前記被溶接物１に向かって送給しつつ、前記ワイヤ３と前記被溶接物１の間に前記アーク４を発生するよう制御するが、溶接終了時には前記ワイヤ送給手段１７による前記ワイヤ３の送給を停止すると共に、前記アーク４を停止するよう制御する。
【００１９】
前記フィラー送給装置１８または前記ワイヤ送給装置１７は、その送給速度と送給の開始と停止とは外部の制御装置によって自由に制御することができる。前記加熱手段２０は、所定の電流を供給することができ、なお、その電流値および供給タイミングは外部の制御装置より制御できる。前記加熱手段２０としては、例えば、一定値の直流電流を供給する電源であってよく、パルス状の電流を供給する電源であってもよい。ＴＩＧ電源のようなものを使用してもよい。
【００２０】
前記制御手段２３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。前記制御手段２３としては、ロボットを使用してもよい。その際、詳細の説明を省略するが、前記ロボットのマニピュレータ部に前記集光光学系１２と前記トーチ１６と前記トーチ１９とを固定して使用してよい。前記制御手段２３は、図示していないが、溶接開始（アークスタート、レーザ照射開始）のタイミング、ワイヤ３またはフィラー７の送給速度またはそれを変えるタイミング、フィラー７の加熱電流またはそれを変えるタイミングを制御することができる。
【００２１】
本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置の動作について説明する。図１に示した通り、制御手段２３は、レーザ発生手段９とアーク発生手段１３とを制御して被溶接物１の溶接位置を照射したりアーク４を発生したりして溶接を行うと同時に、前記溶接位置にフィラー７を供給するよう動作する。
【００２２】
また、前記制御手段２３は、加熱手段２０を制御して前記フィラー７を加熱するための電流を供給する。前記加熱手段２０で前記フィラー７を加熱することによって、前記フィラー７の溶着速度を上げる原理について、図２を参照しつつ説明する。
【００２３】
なお、図１、図３と図４に示した内容と同様の構成およ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。図２（ａ）は、レーザビーム２がフィラー７に照射する際の模式図を示すものであり、基本構成は図３と同様であるが、アーク部分を省略している。７ａは、トーチ１９にあって、これを介して前記フィラー７に通電を行うチップである。説明を簡単にするために、前記フィラー７への給電は、前記チップ７ａの先端から通電することで説明する。
【００２４】
したがって、前記フィラー７の加熱は、前記フィラー７の送給速度が一定であれば、前記フィラー７への加熱電流、すなわちフィラー電流および前記フィラー７の突出し長さＬ０の抵抗によって決まる。フィラー電流が高いほど、または突出し長さＬ０の長さが長いほど加熱効果が大きい。
【００２５】
図２（ｂ）は、フィラー電流と本発明のレーザ溶接装置で得られる溶着速度の模式図を示す。これは、図４においてアーク電流ＩＨと対応している。図４では、フィラー電流がないので、全体の溶着速度ＶＷ０は、フィラー７による溶着速度ＶＷＦとワイヤ３による溶着速度（図４には示していないが、図２（ｂ）ではＶＷＡに相当する。）の和である。
【００２６】
図２において、フィラー電流ＩＦの条件で説明すると、このフィラー電流ＩＦと対応する本発明の実施の形態１における溶着速度ＶＷＨは三つの部分から構成される。一つはＶＷＡで、もう一つはＶＷＦである。この二つは、図４に示した従来のレーザ溶接装置でも得られるものである。三つ目はＶＷＦＨで、これは、フィラー電流ＩＦを供給することによって増加する分である。図示の通り、前記ＶＷＡもしくはＶＷＦとは無関係に、フィラー電流ＩＦのみを増加させることができるので、本発明の実施の形態１における全体の溶着速度を更にＶＷＦＨ増加させることが可能である。
【００２７】
本発明のレーザ装置の構成および動作によれば、アーク電流（図４のＩＨと対応する。）を増加させることなく、フィラー電流ＩＦを上げることによって、本発明の全体の溶着速度を更に増加させることが可能となる。低いアーク電流で溶着速度が増加すると、継手溶接を行う際には、ギャップがあってもそれをブリッジする能力が高まり、広い許容ギャップを実現することができる。
【００２８】
以上のように本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置よれば、被溶接物の溶接位置にレーザ溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行いながら、前記溶接位置にフィラーを供給するレーザ溶接方法において、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに電流を流すことによって前記フィラーを加熱しながら溶接を行うことによって、溶着速度を上げることができ、継手溶接では広い許容ギャップを得ることができる。
【００２９】
以上に示した本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置において、溶接の進行方向から、ワイヤ、レーザビーム、フィラーの順、または、フィラー、レーザビーム、ワイヤの順に配置し溶接を行うことによって同様の効果を得ることができる。
【００３０】
また、以上に示した本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置において、ワイヤ３の被溶接物１の表面における狙い位置とレーザビーム２の照射位置との間隔をワイヤ径の１から５倍とすることによって同様の効果を得ることができる。
【００３１】
これは、以下の理由である。前記レーザビーム２の照射位置と前記ワイヤ３の狙い位置との間隔が短すぎると、溶融池６に移行する溶滴５が前記レーザビーム２の直接照射を受け、激しく蒸発したりスパッタになったりすることがある。一方、両者の間隔が長すぎると、前記レーザビーム２で形成した溶融池がアーク４で形成した溶融池が離れ、若しくは分離するので、被溶接物１を溶融する能力が低下してしまう。実際の溶接では、両者の間隔はワイヤ径の１から５倍が望ましい。
【００３２】
また、以上に示した本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置において、被溶接物とワイヤとフィラーは、鉄鋼材料で同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
以上のように本発明によれば、被溶接物の溶接位置にレーザ溶接とワイヤを送給して行うアーク溶接とを同時に行いながら、前記溶接位置にフィラーを供給するレーザ溶接方法において、前記フィラーと前記被溶接物または溶融池とを接触させ、前記フィラーに電流を流すことによって前記フィラーを加熱しながら溶接を行うことによって溶着速度を上げることのできるレーザ溶接方法とレーザ溶接装置を提供できる。
【符号の説明】
【００３４】
１    被溶接物
２    レーザビーム
３    ワイヤ
４    アーク
５    溶滴
６    溶融池
７    フィラー
８    ビード
９    レーザ発生手段
１０    レーザ発振器
１１    レーザ伝送手段
１２    集光光学系
１３    アーク発生手段
１４    ケーブル
１５    ケーブル
１６    トーチ
１７    ワイヤ送給手段
１８    フィラー送給手段
１９    トーチ
１９ａ    チップ
２０    加熱手段
２１    ケーブル
２２    ケーブル
２３    制御手段
Ｉ０    溶接電流
ＩＦ    フィラー電流
ＩＨ    溶接電流
Ｌ０    突出し長さ
ＭＲＡ    溶融曲線
ＭＲＡ１    溶融曲線
ＭＲＦ    溶融曲線
ＭＲＦ１    溶融曲線
ＭＲＨ    溶融曲線
ＭＲＨ１    溶融曲線
ＶＷ０    溶着速度
ＶＷＡ    溶着速度
ＶＷＦ    溶着速度
ＶＷＦＨ    溶着速度
ＶＷＨ    溶着速度
【図１】
2012030262.tif 000003
【図２】
2012030262.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012030262.tif 000006