(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
短パルス状のレーザビームを発振するレーザ装置および前記レーザビームを溶接対象母材に集束して照射する伝送光学系を有するレーザ照射手段と、前記レーザビームの集束スポットに大電流を入射して前記溶接対象部材の溶融および溶接を行うアーク溶接手段と、このアーク溶接手段から出力される電流を、前記レーザ照射手段から出力されるレーザビームと同期した長パルス波として立上らせるパルス電流制御手段とを備え、前記パルス電流制御手段は、パルス電流の立上るタイミングを調整するタイミング調整器と、前記パルス電流を矩形波に成形するパルス成形回路ユニットとを備え、このパルス成形回路ユニットは、インピーダンス整合用抵抗として、可変抵抗を備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、パルス成形回路ユニットは、大容量のコンデンサを有する低インピーダンスパルス成形回路と、小容量のコンデンサを有する高インピーダンスパルス成形回路とを備え、アーク溶接手段のトーチと溶接対象母材との間にパルス電流の立上り補償用のコンデンサを接続したことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、パルス電流制御手段は、アーク溶接手段から出力されるパルス電流への注入エネルギを調整するエネルギ注入調整手段を備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置。
【請求項４】
請求項１記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、アーク溶接手段から出力されるアーク電流の波形を検出する電流検出器と、この電流検出器の検出値に基づいて、電流パルスの反射成分を減少させる方向に可変抵抗のフィードバック制御を行う抵抗値フィードバック制御器を備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、レーザ照射手段は、レーザビームの波長、エネルギ、パルス幅、繰返し周波数、ビーム径、集束度または集束距離を可変とするレーザビーム可変手段を備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、レーザ照射手段の光学系を構成する集束レンズは、アーク溶接手段の電極を囲むフードに配設したことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、レーザビームの集束度を監視する監視装置と、この監視装置からのレーザビーム集束度に基づいてレーザ駆動電源、アークエネルギ注入用電源およびトーチ駆動機構を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置。
【請求項８】
レーザ装置から溶接対象となる母材表面に短パルスのレーザビームを入射するとともに、そのレーザパルスに同期した矩形パルス電流をアーク溶接用のトーチと前記母材のレーザビーム照射スポットとの間に供給し、これによって前記母材の表面に生成されたレーザプラズマにアーク放電を誘導して集束させ、そのエネルギによって母材を溶融させて溶接を行い、この供給するパルス電流を数十ｎｓ〜数百ｎｓの高速立上りで数μｓ〜数十ｍｓの長い時間幅を持ち、かつ電流が０アンペアとなる点をよぎるリンギングの無い矩形パルス形状とすることを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法。
【請求項９】
請求項８記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、インピーダンスと充電電圧とが異なる複数のパルス成形回路を組合せたパルス成形回路ユニットを適用することを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法。
【請求項１０】
請求項８または９記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、トーチと母材との間に電流立上りを補償するコンデンサを使用することを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法。
【請求項１１】
請求項８から１０までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、インピーダンスと充電電圧とが異なる複数のパルス成形回路を組合せたパルス成形回路ユニットを適用し、そのうち１つ以上のパルス成形回路の段数変化、各パルス成形回路の充電電圧の変化および供給パルスの繰返し周波数の変化のいずれか、または複数を併用することによって、アーク電力の調整を行うことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法。
【請求項１２】
請求項８から１１までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、各パルス成形回路の充電を正負可逆とし、溶接対象母材を陽極または陰極のいずれかの極に設定することを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法。
【請求項１３】
請求項８から１２までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、順次に供給するアーク電流のパルス間のアーク放電プラズマが消弧したタイミングで溶接状態のモニタ、次の溶接点までのトーチの移動、およびレーザ集束点の調整を行うことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームとアーク放電とを併用する溶接技術に係り、特にレーザビームの集束スポットにアーク放電を誘導して深い溶け込みと低入熱の溶接を可能とし、これにより厚肉材料を対象とする場合や高い溶接精度が要求される場合、溶接点が複雑な形状を有する場合、熱的特性に劣る材料を対象とする場合、あるいは高融点の材料を対象とする場合等の特殊な溶接に好適に対応することができるレーザ誘導アーク溶接装置および同溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄鋼その他各種金属の溶接方法として、アーク溶接方法、電子ビーム溶接方法、レーザ溶接方法等が知られている。また、最近ではアークとレーザとを組合せたレーザ・アーク複合溶接方法が開発されつつある。
【０００３】
図１６は、難溶接金属等に適用されるＴＩＧ溶接装置の構成および溶接状態を示している。
【０００４】
このＴＩＧ溶接装置は、タングステン等の高融点金属からなる電極１をフード２で囲んだトーチ３と、電極１への直流または交流の電流供給およびその制御等を行うためのアーク電源４と、高周波電源５および電源制御器６と、溶接対象母材７にシールドガス８を吹付けるための図示しないシールドガス供給系とを備え、溶加棒９を添加しながら溶接対象母材７と電極１との間にアーク放電プラズマ１０を発生させ、そのエネルギによって溶接対象母材７を溶融して溶接を行うようになっている。
【０００５】
また、図１７は、従来の電子ビーム溶接装置の構成および溶接状態を示している。
【０００６】
この電子ビーム溶接装置は、電子の放出源となる陰極１１、グリッド１２および陽極１３を有する電子銃１４と、そこから加速して放出される電子ビーム１５を集束するための集束レンズ１６と、軌道変更用の偏向コイル１７と、溶接対象母材１８を母材移動装置１９とともに設置する真空チェンバ２０等を備え、入射する電子ビーム１５のエネルギによって溶接対象母材１８を溶湯して溶接を行うようになっている。
【０００７】
また、図１８および図１９は、従来のレーザ溶接装置の例として、固体レーザ装置２１および連続大出力用ガスレーザ装置（ＣＯ2 レーザ装置）２２の構成をそれぞれ示している。
【０００８】
固体レーザ装置２１は、レーザ駆動電源２３、トリガ電極２４、フラッシュランプ２５、楕円筒２６、レーザロッド２７および共振器ミラー２８，２９等からなる光源３０と、それより発振したレーザビーム３１を溶接対象母材３２まで伝送して集束および照射するための反射ミラー３３および集束レンズ３４等からなる光学系３５を備えた構成とされている。
【０００９】
また、ＣＯ2 レーザ装置２２は、トリガー電源３６、レーザ放電管３７、陽極３８、陰極３９、共振器ミラー４０ａ，４０ｂ、ガス送風管４１、熱交換器４２、循環ポンプ４３等からなる光源４４と、それより発振したレーザビーム４５を溶接対象母材４６まで伝送して集束および照射するための反射ミラー４７および集束レンズ４８等ならなる光学系４９を備えた構成とされている。
【００１０】
このように構成されたレーザ溶接装置２１，２２においては、それぞれ入射するレーザビーム３１，４５のエネルギによって溶接対象母材３２，４６を溶融して溶接を行うようになっている。
【００１１】
さらに、図２０および図２１は、最近開発され、報告例のあるアーク放電とレーザビームとを単純に組合せる方式のレーザ・アーク複合溶接装置の構成および作用を示している。
【００１２】
この図２０に示したレーザ・アーク複合溶接装置は、タングステンなどの高融点金属を電極５０としたフード５１付きのトーチ５２と、直流または交流の電流を供給するための電源５３と、溶接対象母材５４にシールドガス５５を吹付けるためのガスボンベ５６、減圧弁７５、流量調整弁５８等を有するシールドガス供給系５９と、レーザ装置６０およびそれを駆動するレーザ駆動電源６１と、レーザビーム６２を溶接対象母材５４まで伝送し、集束して照射するためのミラー６３，６４およびレンズ６５等の光学系６６とを備えた構成とされている。
【００１３】
このように構成されたレーザ・アーク複合溶接装置においては、アーク放電プラズマ６７のエネルギと、レーザプラズマ６８のエネルギとを合せて溶接対象母材５４に入力し、これを溶融して溶接を行うようになっている。そして、この場合には図２１に示すように、アーク電流をパルス的に供給しつつ、レーザ強度を一定として連続的にレーザプラズマを発生させるようになっている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図１６に示した従来のアーク溶接装置においては、アーク−電気変換効率が高く、非常に簡単な装置構成で溶接施工できるという長所を有しているが、アークの到達点の位置制御精度が悪いことから、隅肉溶接や開先溶接等の高位置精度を要求するような対象については溶接不良が生じ易く、また材料表面の広い範囲に入熱されるため、深い溶け込み溶接が困難であるという短所を有していた。
【００１５】
また、図１７に示した従来の電子ビーム溶接では、高い溶接位置制御精度と深い溶け込み深さを実現できるものの、溶接施工対象物を真空チャンバ内に置かなければならないことから、その大きさが制限されるとともに、施工時間および装置コストがアーク溶接の場合に比べて格段に大きくなる難点があった。
【００１６】
また、図１８および図１９に示した従来のレーザ溶接装置では、微小領域に集束できるレーザビームを熱源として溶接対象母材に入熱することから、上述したような従来のアーク溶接の溶接位置の制御精度が低いという短所をカバーすることが可能となるが、その反面で溶接用の高出力レーザ装置の構成が大掛りとなり、電気効率の低さからその駆動用電源も大容量のものが必要となり、併せて装置コストがアーク溶接装置に比べて格段に高くなる難点がある。さらには、高エネルギのレーザビームの反射および散逸を防止するための設備等が必要となり、総じて大型で非常に複雑なシステム構成となる難点もあり、そのため汎用性が低いものとなっている。
【００１７】
さらに、図２０に示した従来のレーザ・アーク複合溶接装置では、レーザ溶接に対してアークのエネルギを補充することにより、レーザ装置の規模を小さくすることが可能となるが、ある程度高い出力性能を有するレーザビームを扱わねばならないことから、溶接ヘッド周りの構造が複雑化するなどの弊害が大きくなり、実用面での改善は小さいものに止まっている。
【００１８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高い溶接性能、簡便な装置構成、良好な操作性、および低コスト化の推進等が図れる溶接装置および溶接方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１の発明では、短パルス状のレーザビームを発振するレーザ装置および前記レーザビームを溶接対象母材に集束して照射する伝送光学系を有するレーザ照射手段と、前記レーザビームの集束スポットに大電流を入射して前記溶接対象部材の溶融および溶接を行うアーク溶接手段と、このアーク溶接手段から出力される電流を、前記レーザ照射手段から出力されるレーザビームと同期した長パルス波として立上らせるパルス電流制御手段とを備え、前記パルス電流制御手段は、パルス電流の立上るタイミングを調整するタイミング調整器と、前記パルス電流を矩形波に成形するパルス成形回路ユニットとを備え、このパルス成形回路ユニットは、インピーダンス整合用抵抗として、可変抵抗を備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２０】
請求項２の発明では、請求項１記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、パルス成形回路ユニットは、大容量のコンデンサを有する低インピーダンスパルス成形回路と、小容量のコンデンサを有する高インピーダンスパルス成形回路とを備え、アーク溶接手段のトーチと溶接対象母材との間にパルス電流の立上り補償用のコンデンサを接続したことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２１】
請求項３の発明では、請求項１記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、パルス電流制御手段は、アーク溶接手段から出力されるパルス電流への注入エネルギを調整するエネルギ注入調整手段を備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２２】
請求項４の発明では、請求項１記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、アーク溶接手段から出力されるアーク電流の波形を検出する電流検出器と、この電流検出器の検出値に基づいて、電流パルスの反射成分を減少させる方向に可変抵抗のフィードバック制御を行う抵抗値フィードバック制御器を備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置。
請求項３記載のパルス成形回路に加え、アーク溶接手段のトーチと溶接対象母材との間にパルス電流の立上り補償用のコンデンサを接続したことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２３】
請求項５の発明では、請求項１記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、レーザ照射手段は、レーザビームの波長、エネルギ、パルス幅、繰返し周波数、ビーム径、集束度または集束距離を可変とするレーザビーム可変手段を備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２４】
請求項６の発明では、請求項１から５までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、レーザ照射手段の光学系を構成する集束レンズは、アーク溶接手段の電極を囲むフードに配設したことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２５】
請求項７の発明では、請求項１から６までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、レーザビームの集束度を監視する監視装置と、この監視装置からのレーザビーム集束度に基づいてレーザ駆動電源、アークエネルギ注入用電源およびトーチ駆動機構を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２６】
請求項８の発明では、レーザ装置から溶接対象となる母材表面に短パルスのレーザビームを入射するとともに、そのレーザパルスに同期した矩形パルス電流をアーク溶接用のトーチと前記母材のレーザビーム照射スポットとの間に供給し、これによって前記母材の表面に生成されたレーザプラズマにアーク放電を誘導して集束させ、そのエネルギによって母材を溶融させて溶接を行い、この供給するパルス電流を数十ｎｓ〜数百ｎｓの高速立上りで数μｓ〜数十ｍｓの長い時間幅を持ち、かつ電流が０アンペアとなる点をよぎるリンギングの無い矩形パルス形状とすることを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法を提供する。
【００２７】
請求項９の発明では、請求項８記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、インピーダンスと充電電圧とが異なる複数のパルス成形回路を組合せたパルス成形回路ユニットを適用することを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法を提供する。
【００２８】
請求項１０の発明では、請求項８または９記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、トーチと母材との間に電流立上りを補償するコンデンサを使用することを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法を提供する。
【００２９】
請求項１１の発明では、請求項８から１０までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、インピーダンスと充電電圧とが異なる複数のパルス成形回路を組合せたパルス成形回路ユニットを適用し、そのうち１つ以上のパルス成形回路の段数変化、各パルス成形回路の充電電圧の変化および供給パルスの繰返し周波数の変化のいずれか、または複数を併用することによって、アーク電力の調整を行うことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法を提供する。
【００３０】
請求項１２の発明では、請求項８から１１までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、各パルス成形回路の充電を正負可逆とし、溶接対象母材を陽極または陰極のいずれかの極に設定することを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法を提供する。
【００３１】
請求項１３の発明では、請求項８から１２までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、順次に供給するアーク電流のパルス間のアーク放電プラズマが消弧したタイミングで溶接状態のモニタ、次の溶接点までのトーチの移動、およびレーザ集束点の調整を行うことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法を提供する。
【００４１】
上記構成のレーザ誘導アーク溶接方法および装置によれば、低エネルギのパルスレーザをビームを母材の溶接目標個所に集束して照射することで、そこにレーザプラズマを発生させ、レーザに同期して入力するパルス電流で高エネルギのアーク放電がこのレーザプラズマに正確に誘導・集束して注入され、このエネルギによって母材を溶融させ、溶接を施すことが可能となる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接方法および装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００４３】
第１実施形態（図１，図２）
図１は本発明の第１実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図であり、図２は作用説明図である。
【００４４】
図１に示すように、本実施形態のレーザ誘導アーク溶接装置は大別して、レーザ照射手段７０と、アーク溶接手段７１とを備えている。レーザ照射手段７０は、小出力の短パルスレーザビームを発振するためのレーザ装置７２およびそれを駆動するレーザ駆動電源７３と、レーザビーム７４を溶接対象母材７５まで伝送し、集束して照射するためのミラー７６，７７および集束レンズ７８等の光学系７９とを有している。
【００４５】
一方、アーク溶接手段７１は、タングステン等の高融点金属を電極８０としたフード８１付きのトーチ８２と、直流の大電流を供給するためのＤＣ電源８３と、溶接対象母材７５にシールドガス８４を吹付けるためのガスボンベ８５、減圧弁８６、流量調整弁８７等を融するシールドガス供給系８８とを備えている。
【００４６】
このものにおいて、本実施形態では、アーク溶接手段７１から出力される電流を、レーザ照射手段７０から出力されるレーザパルスと同期した長パルス波として立上らせるパルス電流制御手段８９が設けられている。
【００４７】
このパルス電流制御手段８９は、パルス電流の立上るタイミングを調整するタイミング調整器９０と、そのパルス電流を矩形波に成形するパルス成形回路ユニット９１とからなっている。
【００４８】
図２は、レーザ照射手段７０から出力されるレーザビームの短パルス波形と、タイミング調整器９０およびパルス成形回路ユニット９１によって制御されるアーク溶接手段７１の長パルス電流波形とを示している。この図２に示すように、レーザパルスは数十ｎｓ以下の極めて短いパルス幅に設定されるとともに、アーク電流は、レーザパルス消滅後に１μｓ以下の短時間で立上り、パルス幅が数μｓ〜数十μｓとなるように設定されている。
【００４９】
次に作用を説明する。
【００５０】
溶接時には、アルゴンガスなどのシールドガス８４が、ガスボンベ８５から減圧弁８６および流量調整弁８７を通してトーチ８２のフード８１に供給され、母材７５に吹付けられる。この状態で、レーザ駆動用電源７３によって駆動されるレーザ装置７２からパルスレーザビーム７４が出射され、パルスレーザビーム７４が光学系７９を通して、集束レンズ７８によって母材７５に集束されて照射され、レーザプラズマ９２が発生する。
【００５１】
一方、タイミング調整器９０によってレーザパルスと同期したタイミング調整が行われるとともに、パルス成型回路ユニット９１によってパルス成形が行われて、ＤＣ電源８３から電極８０と母材７５との間にパルス電流が供給され、アーク放電プラズマ９３が生成される。
【００５２】
このように、溶接対象母材７５に入射されたパルスレーザビーム７４によって照射点にレーザプラズマ９２が生成し、これによってアーク放電プラズマ９３の到達点と到達領域（面積）とがコントロールされる。このとき、入射されるパルスレーザとアーク放電電流との関係は、図２に示したように、数十ｎｓ以下の極めて短いパルス幅のレーザパルスの入射と同時に、これによって数μ〜数十ｍｓの長いパルス幅のアーク電流が誘導される関係となる。
【００５３】
したがって、本実施形態によれば、パルスレーザの集束スポット径（概ね数１００μｍ）に相当する精度でアークの到達点を制御することができるので、従来のアーク溶接に比べて格段に溶接精度向上が図られ、かつアークの入熱領域もこのスポット径程度になるため、深い溶け込みが可能となる。しかも、アークの誘導および集束に必要なレーザエネルギは非常に小さく、通常アークエネルギの１／１０００以下でも充分である。したがって、材料を溶融させるための入熱エネルギの殆どがアークによって供給されることになるので、レーザ装置７２としては小出力（数Ｗ）の小型のものが適用でき、通常のアーク溶接装置と比較して装置規模は特に変わらず、コンパクトな構成とすることができる。
【００５４】
以上の第１実施形態の作用について、図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照してさらに詳しく説明する。
【００５５】
図３（Ａ）は本実施形態による好ましいアーク電流の立上りを示し、図３（Ｂ）は立上りの遅い比較例１を示し、図３（Ｃ）はリンギングがある比較例２を示す。
【００５６】
上述したように、本実施形態においては、供給するパルス電流を１μｓ以下の高速立上りで数μｓ〜数十ｍｓの長い時間幅を持つ設定としてある。これにより、図３（Ａ）に示すように、電流が０アンペアとなる点をよぎるリンギングの無い矩形パルス形状にすることをねらっている。これにより、アーク放電プラズマとして、良好な誘導性と集束性とが得られる。
【００５７】
これに対し、一般に、立上りの遅い電流パルス、概ね数１００ｎｓ以上のパルスを供給した場合には、図３（Ｂ）に示すように、アークの誘導性と集束性とが低下し、アーク放電プラズマは拡散した状態となる。また、電流０アンペアの点をよぎるリンギングのある電流波形で供給した場合には、図３（Ｃ）に示すように、アークの不安定性が発生する。このような図３（Ｂ），（Ｃ）の場合には、母材への入熱範囲が拡大することによって深い溶け込みができなくなるので、本実施形態では、図３（Ａ）に示すように、リンギングの無いパルス形状に設定して電流パルスを供給することで、拡散および不安定性を回避し、良好なパルス誘導アーク溶接を施すことが可能となるものである。このような作用は、以下の各実施形態の具体的な手段によって、さらに確実に実現することができる。
【００５８】
第２実施形態（図４，図５）
図４は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第２実施形態の全体構成を示し、図５はパルス成形回路ユニットの要部となる回路構成を示している。
【００５９】
上述した図３（Ａ）に示したような、高速立上りで長い時間幅を持つ矩形のパルス電流出力を、１つのパルス成形回路でつくり出すことは困難であるため、本実施形態では図４に示すように、パルス成形回路ユニット９１を、インピーダンスと充電電圧の異なる複数のパルス成形回路、即ち、高インピーダンスパルス成形回路９１ａと低インピーダンスパルス成形回路９１ｂとを備えた構成としている。このような組合せ構成を適用することにより、目的とする好ましい電流パルス形状を得るようにしている。
【００６０】
具体的には、図４に示ように、電力注入用として、低インピーダンスパルス成形回路９１ｂを備え、これは大容量のコンデンサで構成し、電圧１００〜２００Ｖの低電圧のＤＣ電源８３ｂで充電するようにしている。そして、レーザプラズマ（レーザ誘導アーク）９２が用じたときに、数μｓ〜数１０ｍｓの時間幅の電流パルスをアーク電流として供給し、コンデンサに充電されるエネルギの殆どをアーク放電プラズマ９３に注入する。但し、この低インピーダンスパルス成形回路９１ｂ単独では、その供給電流の立上りを速くすることはできないので、立上り補償用（あるいはレーザ誘導用）として、小さな容量のコンデンサで構成した高インピーダンスパルス成形回路９１ａを備え、これを電圧数ｋＶの高電圧のＤＣ電源８３ａで充電するようにしている。
【００６１】
なお、各パルス成形回路９１ａ，９１ｂは図５に示すように、コンデンサ９４、コイル９５、スイッチ９６および抵抗９７により構成される。
【００６２】
このような構成により、レーザ誘導アークの発生に合せて立上りが速く、数百ｎｓ〜数十μｓの電流パルス幅を出力し、上述した電力注入用パルスと重畳させ、目的とする速い立上りで長い時間幅を持つ矩形パルス電流をアークに供給することができ、前述した効果を十分に発揮することが可能となる。
【００６３】
第３実施形態（図６）
図６は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第３実施形態の構成を示している。
【００６４】
上述した第２実施形態においては、目的とする矩形パルス電流出力をつくり出すことは可能であるが、これに加えて本実施形態では図６に示すように、負荷（アーク）となる電極８０と溶接対象母材７５との間にも、立上り補償用のコンデンサ９８が並列に接続してある。
【００６５】
このような構成により、第２実施形態で示した立上り補償用の各パルス成形回路９１ａ，９１ｂだけを設けた場合よりも、さらに電流の立上りを高速にすることが可能となり、これによってレーザビームによるアークの誘導特性を一層良好にすることが可能となる。
【００６６】
第４実施形態（図７）
図７は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第４実施形態の構成を示している。
【００６７】
前述した各実施形態のパルス成形回路ユニット９１においては、アークへのエネルギ供給の殆どを、アーク放電プラズマのインピーダンスと最も整合性のよいパルス成形回路９１ｂの初期充電エネルギが負担することになる。
【００６８】
そこで、本実施形態では、図７に示すように、アークへのエネルギ注入調整手段として、パルス成形回路９１ｂの段数を切り替える段数切替え器９９を設けることにより、パルス当たりの充電エネルギを段階的に変更できるようにしている。
【００６９】
このような構成によれば、溶接条件または溶接状態に応じてアークへのエネルギ注入量を任意に設定および調整することが可能となり、種々の溶接条件に良好に対応することができるようになる。
【００７０】
なお、アークへのエネルギ注入調整手段としては、段階切替え器９９に代えて、図示しないが、レーザの繰返し周波数およびパルス成形回路の充電電圧を変更する構成としてもよい。このような構成によっても、前記同様の作用を得ることができる。
【００７１】
第５実施形態（図８）
図８は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第５実施形態の構成を示している。
【００７２】
本実施形態では、矩形パルス形状の電流パルスを出力するパルス回路構成において、アークと最も近いインピーダンスを持つアークエネルギ注入用のパルス成形回路９１ｂのインピーダンス整合用抵抗として、可変抵抗１００を適用している。
【００７３】
このような構成によれば、アークのインピーダンスが変動したとき、整合条件が最も良好になるようにエネルギ注入用パルス成形回路９１ｂの抵抗値を設定することができ、それによりアーク電流のリンギングの発生を抑制するようになる。したがって、図３（Ａ）に示した良好なアークの誘導性を確実に保持することが可能となる。
【００７４】
第６実施形態（図９，図１０）
図９は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第６実施形態の構成を示し、図１０は作用を示している。
【００７５】
請求項７の発明では、第５実施形態の構成に加え、アーク溶接手段から出力されるアーク電流の波形を検出する電流検出器１０１と、この電流検出器１０１の検出値に基づいて、電流パルスの反射成分を減少させる方向に可変抵抗１００のフィードバック制御を行う抵抗値フィードバック制御器１０２とを備えている。
【００７６】
そして、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、アーク電流波形信号に基づいて、その反射成分が最も少なくなるように、パルス成形回路のインピーダンス整合用抵抗をフィードバック制御するようにしている。
【００７７】
このような構成によれば、電流検出器１０１によって測定したアーク放電電流を波形から最もインピーダンス整合が良好になるように、可変抵抗１００の抵抗値を自動的にフィードバック制御するので（図１０の（ａ）、例えば図１０の（ｂ），（ｃ）に示すように、アーク放電のインピーダンスが電極間距離の変動、あるいは溶接対象母材７５の溶融等によって変化しても（図１０の（ｂ）ではインピーダンスがアーク抵抗よりも小さい場合、同図の（ｃ）ではインピーダンスがアーク抵抗よりも大きい場合をそれぞれ示している）、これを電流が０アンペアとなるまでに要する時間で判定し、抵抗値を制御することにより、リンギングの無い波形でアーク電流を供給することができる。これによって、図３（Ａ）に示した良好なアーク誘導を、自動的に保持することが可能となる。
【００７８】
第７実施形態（図１１）
図１１は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第７実施形態の構成を示している。
【００７９】
本実施形態では、パルス成形回路ユニット９１の各パルス成形回路９１ａ，９１ｂが、溶接対象母材７５を陽極または陰極に切替える極性反転器１０３を備えた構成としてある。
【００８０】
そして、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、各パルス成形回路９１ａ，９１ｂの充電を正負可逆とし、溶接対象母材７５を陽極または陰極のいずれかの極に設定することができるようになっている。
【００８１】
このような構成によれば、溶接対象母材７５を必要に応じて陽極または陰極のいずれか任意に設定できるので、例えば大電流のアークを必要とする場合には、溶接対象母材７５を陽極にするとともに、トーチ８２を陰極に設定し、これにより、電極８０の熱負荷を小さくして、電極８０の寿命を拡大することができる。
【００８２】
また、溶接対象母材７５の溶融部にできる酸化膜をスパッタによって除去し、クリーンな溶接面仕上げを要求する場合には、上記と逆の極性に設定して熱負荷を大きくすればよい。
【００８３】
以上のように、極性を任意に設定することによって、対象とする溶接の形態に適した条件で、図３（Ａ）に示した良好なレーザ誘導アーク溶接の効果を発揮することができる。
【００８４】
第８実施形態（図１２）
図１２は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第８実施形態の構成を示している。
【００８５】
本実施形態では、レーザ照射手段７０が、レーザビーム７４の波長、エネルギ、パルス幅、繰返し周波数、ビーム径、集束度または集束距離を可変とするレーザビーム可変手段１０４を備えた構成としてある。
【００８６】
そして、入射するパルスレーザの波長、エネルギー、パルス幅、繰返し周波数、ビーム径、集束度、集束距離を、対象母材の材質、形状によって自由に設定できるようになっている。
【００８７】
図１２においては、レーザビーム可変手段１０４として、例えばレーザビーム装置７２の出射部に波長変換器１０４ａを備え、使用する波長を選定できるようにしている。さらに、レーザ装置７２は、出射レーザのエネルギ、パルス幅、および繰返し周波数が任意にできるものとしている。また、出射レーザビーム７４は溶接対象母材７５へ伝送して集束させる光学系７９において、集束レンズ７９の手前にビーム径および集束度を任意に設定できるビーム径・集束度調整器１０４ｂを備えている。
【００８８】
このような構成によれば、溶接対象母材７５の材質や形状によって種々のレーザビーム条件を選定することができ、これにより図３（Ａ）に示したレーザ誘導アーク溶接の効果を発揮するための範囲を拡大することが可能となる。
【００８９】
第９実施形態（図１３）
図１３は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第９実施形態の部分構成を示している。
【００９０】
本実施形態では、レーザ照射手段７０の伝送光学系７９を構成する集束レンズ７８を、アーク溶接手段７１の電極８０を囲むフード８１の上部に配設してある。
【００９１】
そして、この集束レンズ７８を使用して、レーザビーム７４をフード８１の内側から出射するようになっている。
【００９２】
このような構成によれば、レーザビーム７４とアーク放電パスとの開き角θが小さくなり、溶接対象母材７５の表面におけるレーザビーム７４をより小さなスポットに集束することができ、その結果、図３（Ａ）に示したレーザ誘導アーク溶接の効果を発揮する上で、必要となるレーザ出力を低減することができ、よりコンパクトな装置構成とすることが可能となる。
【００９３】
また、これと併せて、レーザビーム７４の集束のための集束レンズ７８等の光学系要素をシールドガス８４の流れの吹付け位置よりも上流部位に配置し、シールドガス８４によるガスカーテンの外側に配置することができるので、溶接対象母材７５の蒸気によってこれらが汚れることを防止することができる。
【００９４】
したがって、本実施形態によれば、レーザ誘導アーク溶接の効果を、より一層確実に得ることが可能となる。
【００９５】
第１０実施形態（図１４）
図１４は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第１０実施形態の構成を示している。
【００９６】
本実施形態では、図１２に示した第８実施形態に加えて、レーザビーム７４の集束度を監視する監視装置１０５と、この監視装置１０５からのレーザビーム集束度に基づいてレーザ駆動電源７３、アークエネルギ注入用電源８３ａ，８３ｂおよびトーチ駆動機構１０６を制御する制御装置１０７とを備えている。
【００９７】
そして、レーザビーム７４が集束する溶接施工点を監視しながら、溶接制御を行うようになっている。
【００９８】
具体的には、監視装置１０５として、レーザビーム７４の集束点（溶接施工点）を視取するためのＣＣＤカメラ１０５ａと、このＣＣＤカメラ１０５ａに接続されたＣＲＴ等のモニタ１０５ｂとを備え、レーザビーム７４の集束度および母材溶融状態についての監視信号を制御装置（システム制御器）１０７に出力するようにしてある。このシステム制御器１０７からの制御信号をレーザ駆動電源７３、アークエネルギ注入用電源８３ａ，８３ｂ、およびトーチ駆動機構（モータ）１０６に出力し、これらを制御するようになっている。
【００９９】
このような構成によれば、簡便な操作によってレーザ誘導アーク溶接の効果を自動的に得ることが可能となる。
【０１００】
第１１実施形態（図１５）
本実施形態は、供給するアーク電流のパルス−パルス間のアーク放電プラズマが消弧したタイミングで、溶接状態のモニタ、次の溶接点までのトーチの移動、およびレーザ集束点の調整を行う自動溶接方法についてのものである。
【０１０１】
図１５（Ａ）は、この方法を示すタイムチャートであり、同図（Ｂ）はその手順を示すフローチャートである。同図（Ｃ），（Ｄ）は作用を具体的に示す模式図である。装置構成としては、図１４に示した第１０実施形態が適用できる。
【０１０２】
本実施形態では、図１５（Ａ）に示すように、供給するアーク電流のパルス（Ｐ1 ）−パルス（Ｐ2 ）間のアーク放電プラズマの消弧したタイミング（例えば１００ｍｓ以内）で溶接状態のモニタ、次の溶接点までのトーチの移動、およびレーザ集束点の調整を行う。即ち、第１のパルスＰ1 の点弧時間Ｔ1 が終了した後、次のパルスＰ2 が立上るまでの時間Ｔ2 に、図１５（Ｂ）に示したモニタ（ステップ１０１）および制御（ステップ１０２）を行う。
【０１０３】
点弧中は、図１５（Ｃ）に示すようにアーク放電プラズマが発生しており、消弧中は、図１５（Ｄ）に示すようにアーク放電プラズマ２が消滅しているので、この図（１５（Ｄ）に示す消弧期間中にＣＣＤカメラ１０５ａおよびモニタ１０５ｂによる監視を行う、これに基づいて上記の制御を行うようにする。
【０１０４】
これによって、レーザビームの反射、アーク放電プラズマからの発光などの外乱を避けて溶接点の画像を得ることができ、制御信号に対する放電ノイズによる影響を避けることができる。したがって、良好なレーザ誘導アーク溶接とともに、トーチ移動、集束点調整等を確実に行うことができる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置および同溶接方法によれば、低エネルギのパルスレーザによって高エネルギのアーク放電をレーザの照射点に正確に誘導して集束することができ、これにより、従来のアーク溶接装置の規模に比較して小型のレーザ装置を備えるだけで、大幅なサイズの増加を伴うことなく、極めて高い溶接位置制御を可能とし、同時に、レーザの集束スポット相当の狭い領域にアークエネルギを集束することができる。したがって、溶接部の深い溶け込みを可能とすると同時に、低コスト化が図れるようになる等の優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図２】前記第１実施形態の作用説明図。
【図３】（Ａ）は前記第１実施形態の効果を示す説明図、（Ｂ），（Ｃ）は比較例を示す説明図。
【図４】本発明の第２実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図５】図４に示したパルス成形回路の回路構成を示す図。
【図６】本発明の第３実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図７】本発明の第２実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図８】本発明の第２実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図９】本発明の第２実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図１０】図９の作用説明図。
【図１１】本発明の第７実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図１２】本発明の第８実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図１３】本発明の第９実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図１４】本発明の第１０実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図１５】本発明の第１１実施形態を示すもので、（Ａ）はレーザ誘導アーク溶接方法を説明するためのタイムチャート、（Ｂ）は同じくフローチャート、（Ｃ），（Ｄ）は作用を説明するための模式図。
【図１６】従来のアーク溶接装置を示す説明図。
【図１７】従来の電子ビーム溶接装置を示す説明図。
【図１８】従来のレーザ溶接装置の一例を示す説明図。
【図１９】従来のレーザ溶接装置の他の例を示す説明図。
【図２０】従来のレーザ・アーク複合溶接装置を示す説明図。
【図２１】図２０の作用説明図。
【符号の説明】
７０  レーザ照射手段
７１  アーク溶接手段
７２  レーザ装置
７３  レーザ駆動電源
７４  レーザビーム
７５  溶接対象母材
７６，７７  ミラー
７８  集束レンズ
７９  光学系
８０  電極
８１  フード８１
８２  トーチ
８３  ＤＣ電源
８３ｂ  ＤＣ電源
８４  シールドガス
８５  ガスボンベ
８６  減圧弁
８７  流量調整弁
８８  シールドガス供給系
８９  パルス電流制御手段
９０  タイミング調整器
９１  パルス成形回路ユニット
９１ａ，９１ｂ  パルス成形回路
９２  レーザプラズマ
９３  アーク放電プラズマ
９４  コンデンサ
９５  コイル
９６  スイッチ
９７  抵抗
９８  コンデンサ
９９  段数切替え器
１００  可変抵抗
１０１  電流検出器
１０２  抵抗値フィードバック制御器
１０３  極性反転器
１０４  レーザビーム可変手段
１０４ａ  波長変換器
１０４ｂ  ビーム径・集束度調整器
１０５  監視装置
１０５ａ  ＣＣＤカメラ
１０５ｂ  モニタ
１０６  トーチ駆動機構
１０７  制御装置
【図１】
0003946362.tif 000002
【図２】
0003946362.tif 000003
【図３】
0003946362.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003946362.tif 000006
【図６】
0003946362.tif 000007
【図７】
0003946362.tif 000008
【図８】
0003946362.tif 000009
【図９】
0003946362.tif 000010
【図１０】
0003946362.tif 000011
【図１１】
0003946362.tif 000012
【図１２】
0003946362.tif 000013
【図１３】
0003946362.tif 000014
【図１４】
0003946362.tif 000015
【図１５】
0003946362.tif 000016
【図１６】
0003946362.tif 000017
【図１７】
0003946362.tif 000018
【図１８】
0003946362.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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