(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接対象母材の溶接面を覆うフードの内部を、多数の通口があるガス整流体で該溶接面側の溶接空間とガス供給空間に区分し、溶接対象母材に対するＹＡＧレーザのレーザ照射点をフィラーワイヤで狙い、該フィラーワイヤと溶接対象母材との間にフィラーワイヤ電力印加電源を接続しておき、前記ガス供給空間にシールドガスを供給して前記ガス整流体を通ったシールドガスによりレーザ照射点および前記フィラーワイヤの先端部の周りをシールドガス雰囲気にして、前記フードおよびガス整流体の開口を通して前記ＹＡＧレーザを溶接対象母材に照射して、発生するプラズマ化したガスおよび金属蒸気の近傍に前記フィラーワイヤを供給して、プラズマ化したガスおよび金属蒸気の作用によって前記フィラーワイヤにアークを誘起させたのち、該フィラーワイヤを供給してＹＡＧレーザにより発生するプラズマ化したガスおよび金属蒸気を前記シールドガス雰囲気によりキーホール内外にとどめながらＹＡＧレーザおよび誘起アーク併用の溶接を行う、ＹＡＧレーザ誘起アークフィラーワイヤ複合溶接方法。
【請求項２】
前記フィラーワイヤの供給速度Ｖｆと溶接速度Ｖとの比Ｖｆ／Ｖが１未満である請求項１記載のＹＡＧレーザ誘起アークフィラーワイヤ複合溶接方法。
【請求項３】
ＹＡＧレーザ溶接ヘッド；
該ヘッドの先端に装着され、該ヘッドが照射するＹＡＧレーザが透過する開口を有し、溶接対象母材に対向する側が開いたフード；
前記フードの内部を、溶接対象母材側の溶接空間とレーザ溶接ヘッド側のガス供給空間に区分する、多数の通口があるガス整流体；
前記フードに固定されて前記ガス整流体を貫通し、前記ＹＡＧレーザ溶接ヘッドの、溶接対象母材に対するレーザ照射点を狙ってフィラーワイヤを案内するフィラーワイヤガイド；
該フィラーワイヤガイド外周面に沿わないように、フィラーワイヤから離れた位置から前記フードの前記ガス供給空間にシールドガスを供給するためのガス供給口；
溶接対象母材と前記フィラーワイヤとの間に、溶接対象母材へのＹＡＧレーザの照射により発生するプラズマ化したガスおよび金属蒸気により前記フィラーワイヤにアークを誘起し、アークが誘起した後は、アークが安定持続する程度の電力を給電する電源；および、
該アークが安定持続するようにフィラーワイヤを送給するワイヤ供給装置；
を備える、ＹＡＧレーザ誘起アークフィラーワイヤ複合溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＹＡＧレーザと電気アークとを併用したＹＡＧレーザ複合溶接方法およびＹＡＧレーザ複合溶接装置に関し、特にＹＡＧレーザとＹＡＧレーザによってフィラーワイヤ先端に誘起される誘起アークエネルギーを利用して溶接を行うＹＡＧレーザ誘起アークフィラーワイヤ複合溶接方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＹＡＧレーザ溶接は、下記のような特徴があり、自動車等の鋼素材の自動溶接に広く使われている：
１．集束したレーザ光を得られ、低歪み，高速溶接が可能である，
２．金属材料でのレーザ光吸収率がＣＯ２レーザの数倍であるので、効率の良い溶接が可能である。また波長はＣＯ２レーザの１／１０であるので、溶接時に発生するプラズマの影響を受けにくい，
３．レーザ光をフレキシブルな光ファイバで伝送できるので、ハンドリングが容易で多関節ロボットの利用も可能である。また、１００ｍ程度までの離れた場所への光伝送が可能である，
４．レーザ光は時間分割（タイムシェアリング）、空間分割（パワーシェアリング）が可能であるので、複数の加工ステーションで分割形態で共用使用することにより、高い利用効率を得られる。
【０００３】
しかしながら、レーザ溶接加工への適用は、継手精度が要求される場合が多いことにより、他のガス、電気、アークなどの溶接と比べて薄板層の加工に制約されている。この制約を改善する技術として、レーザ光とアークとを併用した溶接方法が考案され、開示されている。
【０００４】
例えば、特開昭５３−１３７０４４号公報、特公昭５６−４９１９５号公報、特開昭６１−２３２０７９号公報、特公平４−５１２７１号公報、特開平５−６９１６５号公報では、ＴＩＧアークとレーザ光とを併用して行う溶接方法であって、ＴＩＧアークを用いて母材を溶融し、その溶融プールにレーザを照射して溶込みを深くする溶接方法が開示されている。
【０００５】
特開昭５３−１３７０４４号公報、特開昭６１−２３２０７９号公報、特開平７−２４６４８４号公報では、プラズマアークとレーザ光とを併用して行う溶接方法であって、プラズマアークで母材を溶融し、その溶融プールにレーザを照射して溶込みを深くする溶接方法が開示されている。
【０００６】
特開平１０−２１６９７２号公報では、レーザと消耗電極式アークとの複合による突合せ溶接方法において、先行をレーザ、後行を消耗電極式アークとしたレーザと消耗電極式アークの複合溶接方法が開示されている。
【０００７】
特開２０００−２３３２８７号公報では、レーザ光系の光軸と略同軸位置関係で、ワークに対向する位置に配設され、アーク放電のための高電圧が供給されるノズル電極とを備え、前記レーザ光の照射により前記ワークを溶融させた状態で前記アーク放電による溶融、加工を行うレーザ光とアークを用いた溶融加工装置が開示されている。
【０００８】
一方、レーザ光とフィラーワイヤを併用した溶接加工の技術は、開先ギャップの変動等に対する裕度拡大や、高速溶接におけるビード幅減少の抑制、また、突合せ部のアンダーカット改善に適用されている。用いるフィラーワイヤは、通電加熱されていないフィラーワイヤ、いわゆるコールドワイヤもしくは通電加熱されているフィラーワイヤ、いわゆるホットワイヤが開示されている。
【０００９】
例えば、特開平４−３４４８７３号公報には、直径０．４ｍｍのワイヤに直流電源から給電し、ワイヤ送給を開始してワイヤ先端が母材に接触したことを検知してからＴＩＧアークをスタートし（第４頁第５欄第９，１０行）、コンタクトチップから先のワイヤの通電加熱によりワイヤを半溶融状態にして、ＴＩＧアーク溶接で形成される溶融池に送り込むホットワイヤＴＩＧ溶接が提示されている。この特開平４−３４４８７３号公報には、直径０．６ｍｍ以下の添加ワイヤを通電加熱して溶着金属を形成すること、また、弾性体を介してワイヤ接触用部材で添加ワイヤをコンタクトチップ先端部に押圧してワイヤ通電加熱すること、母材溶融は、ＴＩＧアークの他に、プラズマアーク、電子ビームあるいはレーザで行ってもよいこと、等の提案もある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＹＡＧレーザ単独での溶接は、下記のような問題点があった。
【００１１】
１．ＹＡＧレーザは、光ビームを集光させエネルギー密度を高め溶接を行うが、集光スポット径がφ０．３〜φ１ｍｍと微小であるため、
・突合せ溶接の場合、突合せギャップ（例えば図３の（ｃ））があると、レー
ザ光が通り抜けてしまい、溶接欠陥を生じる。このことから被溶接材の溶接
部端面の切断および溶接部拘束方法がシビアに要求される。
【００１２】
・重ね溶接では、上板から下板への貫通ビードの接合界面幅（例えば図３の
（ｄ））が狭く、接合強度を得られない。
【００１３】
・隅肉溶接においても、上記同様に溶込み幅（例えば図３の（ｅ））が充分に
得られず、接合強度を得られない。
【００１４】
・余盛り、表面ビード改善等の目的でフィラーワイヤをＹＡＧレーザ溶接部に
同時供給し溶接を行う場合、フィラーワイヤの溶融にエネルギーを消費し、
溶接性が低下する。
【００１５】
２．ＹＡＧレーザ装置は、イニシアルコストが高いので、自動車生産ラインのように複数台の設備を導入する場合には、設備費が膨大なものになる。
【００１６】
実開昭６２−８２１９４号公報には、レーザ溶接ではレーザ照射によって溶接対象母材にできるキーホール内ならびにその上方のプラズマ化した気体および金属蒸気すなわちプルーム（Ｐｌｕｍｅ）がレーザビームを吸収し、したがって溶込みが深い溶接ができないと見なして、キーホールにシールドガスを吹き込んでプルームをレーザ光路の外側に形成した排気路に案内し、排気路から吸引排気するノズル構造を提示している。これは母材に対するレーザ入熱を効率良くしようとするアプローチであるが、ＹＡＧレーザの波長において、ＹＡＧレーザ光が、キーホール内ならびにその上方のプラズマ化した気体および金属蒸気すなわちプルームに吸収される度合は少なく、プラズマ化した気体および金属蒸気を吸引して排気するとキーホールを押し下げる力がなくなり、溶込み深さが浅くなる。
【００１７】
特開昭５３−１３７０４４号公報、特公昭５６−４９１９５号公報、特開昭６１−２３２０７９号公報、特公平４−５１２７１号公報および特開平５−６９１６５号公報には、ＴＩＧアークを用いて母材を溶融し、その溶融プールにレーザを照射して溶込みを深くするＴＩＧとレーザの併用溶接が開示されている。これらは、ＴＩＧによって浅いけれども広幅の溶融プールを形成し、レーザによって狭いけれども深い溶込みを得るというアプローチである。ＴＩＧが幅広い溶融プールにより母材表面の溶融幅を広くして、例えば図３の（ｃ）に示す突合せギャップを埋めて、レーザが深い溶込みを形成して、例えば図３の（ｅ）の溶込み幅を広く（溶込みを深く）するので、レーザ単独の場合よりも溶接能率が向上し、溶接品質が向上する。
【００１８】
しかしながら、深い位置ではレーザによる溶込みのみであるので、溶込み幅が狭く溶接強度が低い。例えば図３の（ｄ）に示す重ね溶接の接合界面幅が狭く、その増大が望まれる。これは特開平７−２４６４８４号公報、特開平１０−２１６９７２号公報のプラズマアークや特開２０００−２３３２８７号公報においても同様である。
【００１９】
レーザ光とフィラーワイヤとを併用した溶接方法として、従来は、通電加熱されていないフィラーワイヤ、いわゆるコールドワイヤが一般的であり、母材を溶融するためのレーザ光エネルギーの一部がフィラーワイヤ溶融のために消費され、溶接性が低下するという問題があった。これに対して、前記特開平４−３４４８７３号公報には、薄板の高速溶接における細幅の安定した溶接ビードの形成を目的として、直径０．６ｍｍ以下のフィラーワイヤを用いるホットワイヤＴＩＧが開示され、ＴＩＧアークをレーザ照射に変える提案がある。
【００２０】
しかしながら、充分な溶込み深さが得られないので、溶接強度が低い。特に、深い溶込み深さが要求される重ね溶接や隅肉溶接には不向きである。
【００２１】
本発明は、薄板突合せ溶接でのギャップ裕度拡大、薄板重ね溶接や隅肉溶接での溶込み溶接を高能率で実施することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明では、溶接対象母材(32)の溶接面を覆うフード(15)の内部を、多数の通口があるガス整流体(16)で該溶接面側の溶接空間とガス供給空間に区分し、溶接対象母材(32)に対するＹＡＧレーザ(9)のレーザ照射点または照射点近傍(8)をフィラーワイヤ(20)で狙い、該フィラーワイヤを溶接対象母材には接触させない状態で該フィラーワイヤと溶接対象母材との間にフィラーワイヤ電力印加電源(22)を接続しておき、前記ガス供給空間にシールドガスを供給して前記ガス整流体(16)を通ったシールドガスによりレーザ照射点および前記フィラーワイヤ(20)の先端部の周りをシールドガス雰囲気にして、前記フード(15)およびガス整流体(16)の開口(17,18)を通して前記ＹＡＧレーザを溶接対象母材に照射してＹＡＧレーザによるプラズマ化したガスおよび金属蒸気により前記フィラーワイヤにアークを誘起して維持させてから、該フィラーワイヤをＹＡＧレーザの照射点近傍へ溶融池に接触しないように供給して、誘起アーク安定持続に寄与するプラズマ化したガスおよび金属蒸気を前記シールドガス雰囲気によりキーホール内外にとどめてＹＡＧレーザおよび誘起アーク併用の溶接を行う(図１)。
【００２３】
このとき、ワイヤ送給制御装置によって電圧・抵抗値を検出し、ワイヤの供給速度Ｖｆと溶接速度Ｖとの比Ｖｆ／Ｖが１未満、すなわちフィラーワイヤ供給速度を溶接速度よりも遅くして溶融池にフィラーワイヤが接触しない供給速度となるよう制御して溶接を行う（図２）。
【００２４】
なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素又は相当事項に付した記号を、参考までに付記した。以下も同様である。
【００２５】
上記本発明によれば、レーザとＴＩＧ溶接の通常の併用においては、電極−母材間に高周波スパッタを飛ばし、これによりガスを乖離させアークを発生させるが、高周波スパークは必要ない。ＹＡＧレーザおよびアークによるプラズマ化したガスおよび金属蒸気すなわちプルームが高温高圧になって溶融金属を押し下げ、かつ、この熱伝導により、レーザ単独での溶接速度以上の速度とビード幅が広く、溶込みの深い溶接結果を得ることができる。
【００２６】
また、フィラーワイヤ供給速度Ｖｆと溶接速度Ｖとの比Ｖｆ／Ｖを１未満すなわちフィラーワイヤ供給速度を溶接速度よりも遅くすることにより、特に突合せ継手における溶接ギャップ裕度拡大、余盛高さ不足解消、余盛形状適性化（凸形状防止）の効果が得られる。一方、上述のＶｆ／Ｖが１以上であると余盛形状が凸形状となり、溶込み深さが減少する。
【００２７】
他の効果としては、薄板重ね溶接での接合界面幅の増大、隅肉溶接での溶込み幅増大等が得られ、接合強度が確保でき、溶接欠陥のない安定した溶接結果が得られる。
【００２８】
なお、誘起アークによるワイヤ入熱がフィラーワイヤの溶融に寄与するため、フィラーワイヤの併用が溶接性を低下することがない。のみならず、誘起アークの母材への入熱により、小出力のＹＡＧレーザで高出力のＹＡＧレーザと同等の溶接性能を得ることができる。一台のＹＡＧレーザ光源から複数台のレーザ照射ヘッドにレーザ光を分割供給する形態を容易に実施でき、レーザ照射ヘッド一台当たりの設備コストの低減が容易になる。
【００２９】
【実施例】
図１に、本発明の実施例１のＹＡＧレーザ誘起アークフィラーワイヤ複合溶接装置を示す。
【００３０】
図示しないＹＡＧレーザ光源から図示しない光ファイバケーブルを通してＹＡＧレーザ光束９がＹＡＧ照射ヘッド１０に導かれ、ヘッド１０内のレンズ１１を通って収束して、対物スリーブ１２および中継スリーブ１３を通って焦点８（照射点）に向かう。
【００３１】
中継スリーブ１３の下端には、対物フード１５が固着されている。フード１５内には、その内部空間を上空間であるガス供給空間と下空間である溶接空間に二分するガス整流金網１６がある。フード１５および金網１６には、焦点８に向かうレーザ光束９を通す開口１７および１８がある。
【００３２】
ワイヤガイド１９がフード１５および金網１６を貫通し、フード１５に固着されている。フィラーワイヤ２０が、図示しないワイヤ送給装置から送り出されてワイヤガイド１９に送りこまれ、ワイヤガイド１９の下端のワイヤ送給チップから、レーザ焦点８の近傍に送りこまれる。
【００３３】
フード１５の下部には、溶接対象母材３２とフード１５の下端の間に微小ギャップを開けるために車輪２３、２４がある。
【００３４】
図１に示す薄板３１と３２を重ね溶接するときには、中継スリーブ１３に装着した口金１４を通して中継スリーブ１３にシールドガスを吹き込み、ワイヤ電力印加電源２２の電源スイッチ２１を閉じて、薄板３１と３２に、接触していないフィラーワイヤ２０と該薄板間で無負荷電圧をフィラーワイヤに印加しておいて、ＹＡＧレーザ光束９の照射を開始する。この照射によって発生するプルームの作用によってフィラーワイヤ２０と薄板３１、３２との間にアークが誘起する。
もし、フィラーワイヤ狙い位置がレーザ照射によって発生するプルームの外部であると、このアークは誘起されないので、フィラーワイヤ先端がレーザ照射によって発生するプルーム内部にあるようにワイヤ狙い位置を定める。フィラーワイヤにアークが誘起した後、ＹＡＧ照射ヘッド１０のｙ方向の駆動を開始し、フィラーワイヤ２０を溶融池に接触しないように送給を開始する。これにより薄板における安定した溶接状態となる。すなわちレーザ照射溶接とアーク溶接が並行して継続する。
【００３５】
この溶接状態では、口金１４から中継スリーブ１３内に吹き込まれたシールドガスは、中継スリーブ１３から開口１７を通って、フード１５内の整流金網１６の上側のガス供給室に入り、そこで、ｘ、ｙ方向に拡散して、整流金網１６のメッシュを通って略垂直方向の整流となって溶接対象母材３２の表面に降下し、そして該表面に沿ってフード１５下端のギャップを通ってフード外に出る。このようなシールドガスの流れにより、フード１５の内部がシールドガスで満たされ、金網１６の下方の溶接空間では、シールドガスがゆるやかな垂直方向の整流となり、これが焦点８周りすなわちレーザ照射によるキーホール、その内外のプルームを包む。
【００３６】
この包囲ガスが、焦点８の溶融プールおよびフィラーワイヤ２０を空気（酸素）から遮断してそれらの酸化を防止するとともに、キーホール内外のプルームの飛散を抑えてキーホール内外にプルームを留める。
【００３７】
図２に、ワイヤ送給系のブロック図を示す。溶接対象母材とフィラーワイヤ間の電圧または抵抗値を検出して検出値が所定の誘起アーク長になるようにフィラーワイヤ供給速度Ｖｆと溶接速度Ｖとの比Ｖｆ／Ｖが１未満となるように制御する。
【００３８】
図３の（ａ）に、キーホールを模式的に示す。ＹＡＧレーザの照射により、すなわち高密度エネルギの注入により、キーホール内のプルームが爆発的な高熱高圧になり、これがキーホール内の溶融金属を加圧し、キーホールの底を溶かし、深い溶込みを生ずる。なお、プルームを強力に排除する（吹き飛ばす）強いシールドガス流を焦点８に当てると、誘起アークが安定持続しなくなり溶込みが極端に浅くなるので、溶込みを深くするためには、プルームを極力キーホールに留めるのが肝要である。これを実験により確認した。
【００３９】
上述の溶接作業により、図３の（ｂ）に示すような重ね溶接ビードを得ることができた。該図面において、３３は、母材が溶融し、そして凝固した部位であり、その上の３４はフィラーワイヤ２０によって形成されたビードである。余盛不足が無く、余盛形状および溶込み深さが適性である。
高速の、品質が安定した溶接が可能である。このときの溶接条件は、次の通りである：
（実施例１）
溶接母材３１：材質  Ａ５０５２  板厚  ２ｍｍ
溶接母材３２：材質  Ａ５０５２  板厚  ２ｍｍ  突合せ継手
ＹＡＧレーザ：出力４ｋＷ，アシストガス（センターガス）無し
無負荷電圧：２０Ｖ
シールドガス：Ａｒ２５リットル／ｍｉｎ
溶接速度：４ｍ／ｍｉｎ  突合せ継手
フィラーワイヤ：規格  Ａ５３５６ＷＹ    送給速度：２ｍ／ｍｉｎ
（実施例２）
溶接母材３１：材質  Ａ５０５２  板厚  １ｍｍ
溶接母材３２：材質  Ａ５０５２  板厚  １ｍｍ  突合せ継手
ＹＡＧレーザ：出力３．５ｋＷ，アシストガス（センターガス）無し
無負荷電圧：２０Ｖ
シールドガス：Ａｒ２５リットル／ｍｉｎ
溶接速度：６／ｍｉｎ  突合せ継手
フィラーワイヤ：規格  Ａ５３５６ＷＹ    送給速度：２ｍ／ｍｉｎ
【００４０】
【発明の効果】
以上に示したように、レーザ照射によって発生するプルームによりアークが誘起されるので、高周波高電圧印可によるアーク起動が不要になる。ＹＡＧレーザ溶接にアーク溶接を加えるので、母材表層に対する入熱が大きく、突合せギャップが少々あっても、余盛高さ、余盛形状の適正なビードが得られる安定確実な溶接が可能であり、高速の溶接が可能である。また、ＹＡＧレーザ照射によるキーホール内およびその周りにプルームを留めるので、溶込みが深く、接合界面幅が広い溶接への適用が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例のＹＡＧレーザ誘起アークフィラーワイヤ複合溶接装置の、溶接ヘッド部の縦断面図である。
【図２】  本発明に使用するワイヤ送給系のブロック図である。
【符号の説明】
８：ＹＡＧレーザ光束の焦点        ９：ＹＡＧレーザ光束
１０：ＹＡＧ照射ヘッド            １１：レンズ
１２：対物スリーブ                １３：中継スリーブ
１４：口金                        １５：対物フード
１６：ガス整流金網                １７、１８：開口
１９：フィラーワイヤガイド        ２０：フィラーワイヤ
２１：電源スイッチ                ２２：ワイヤ電力印加電源
２３、２４：車輪                  ３１、３２：溶接対象母材
３３：母材の溶融し凝固した部位
３４：フィラーワイヤによって形成されたビード
４１、４２：溶接対象母材
４３、４４：溶接対象母材
４５、４６：溶接対象母材
【図１】
0003966457.tif 000002
【図２】
0003966457.tif 000003