(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザによりアークを誘導するレーザ誘導アーク溶接方法であって、
アーク電流をベース電流が流れるベース期間と大電流が流れる大電流期間とを繰返す脈動電流とし、そのアーク電流の脈動に同期してアーク電流が大電流期間とされているときにアーク電極直下へレーザを照射し、そのレーザの照射幅がワーク表面の溶融領域幅の１／３以下に集中していることを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法。
【請求項２】
レーザによりアークを誘導するレーザ誘導アーク溶接方法であって、
アーク電流をベース電流が流れるベース期間と大電流が流れる大電流期間とを繰返す脈動電流とし、そのアーク電流の脈動に同期してアーク電流が大電流期間とされているときにアーク電極直下へレーザを照射し、そのレーザの入熱量がアークの入熱量の１／２以下に調整されている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】
本発明はアーク放電によって発生する熱を利用して溶接を行うアーク溶接に関し、詳しくは、レーザを用いてアークを誘導するレーザ誘導アーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ誘導アーク溶接方法として、例えば、特開２０００−３０１３３８号公報に記載の技術が知られている。
上記公報に記載の技術では、図７（ａ）に示すようにアーク放電に先だってまずレーザ３０を母材３４に照射し、母材３４から金属蒸気３６（電気導電性が高い）を発生させる。次いで、図７（ｂ）に示すようにアーク電極３２と母材３４の間にアーク３８を発生させ、発生したアーク３８を金属蒸気３６に誘導する。したがって、この技術では、アーク放電に先だってレーザを照射することでアークをレーザ照射位置に誘導し、アークの発生位置を所望の位置としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術では、レーザはアークの発生に先立って照射され、アークの発生位置を制御するために利用される。このため、アークが実際に発生してアーク電極と母材間に大電流が流れる時にはレーザが照射されておらず、アークの発生後は通常のアーク溶接と同様の溶接が行われる。したがって、上述した従来の技術ではアークが広範囲に広がり、深い溶け込みを得ようとすると母材への入熱量が必要以上に大きくなるため、溶接後の母材に大きな熱歪が生じるという問題が生じる。
【０００４】
本発明は、上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アーク電極と母材との間に大電流が流れるときにレーザを母材に照射することで、母材への入熱量を抑えつつ深い溶け込みを可能とする溶接技術を実現することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段と作用と効果】
上述した課題を解決するために創作された本願発明は、レーザによりアークを誘導するレーザ誘導アーク溶接方法であって、アーク電流をベース電流が流れるベース期間と大電流が流れる大電流期間とを繰返す脈動電流とし、そのアーク電流の脈動に同期してアーク電流が大電流期間とされているときにアーク電極直下へレーザを照射する。
上記の溶接方法では、アーク電流が大電流期間とされているとき（すなわち、母材とアーク電極との間に大電流が流れるとき）に、アーク電極直下にレーザが照射される。したがって、母材への入熱が大きい期間においてアークがレーザ照射位置に誘導されて集中し、アークの広がりが防止される。したがって、アーク電極直下に集中的に熱が与えられ、少ない入熱量で深い溶け込みを実現することができる。
なお、レーザが照射される期間は、溶接条件等に応じて種々に設定することができ、大電流期間の全期間としても良いし、大電流期間の一部の期間としても良い。例えば、アークの広がりをできる限り抑制したい場合には、大電流期間の全期間でレーザを照射することが好ましい。また、アークの広がりを抑えつつある程度の溶融幅が必要な場合には、大電流期間の一部の期間でレーザを照射することが好ましい。
【０００６】
なお、アーク電極に溶接ワイヤが用いられる場合には、アーク電流の脈動周期が溶接ワイヤが溶融して母材へ移行する周期と一致することが好ましい。
このような構成によると、ベース電流を比較的低い値としてもアークを安定して発生させることができる。したがって、母材への入熱量を一定とした場合、ベース電流を低くすることができれば、大電流期間にアーク電極と母材との間に流れる電流をより大きくすることができる。このため、レーザによりアークを誘導することにより入熱の集中をより効率的に図ることができる。
【０００７】
また、レーザの照射幅がワーク表面の溶融領域幅の１／３以下に集中していることが好ましい。このような構成によると、溶融領域幅より狭い範囲にアークの集中を図ることができ、少ない入熱量で深い溶け込みを得ることができる。
【０００８】
また、レーザの入熱量がアークの入熱量の１／２以下に調整されていることが好ましい。このような構成によると、レーザの照射によって溶融池表面に形成される凹みが小さくなり、アークをレーザ照射位置に集中させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態に係るアーク溶接方法を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態に係るアーク溶接方法を実施すための溶接装置の概略の構成を示している。
図１に示すように本実施形態に係る溶接装置は、アーク溶接トーチ１６とレーザヘッド１４を備える。アーク溶接トーチ１６は、その先端から溶接ワイヤ１８（アーク電極）が突出する。溶接ワイヤ１８は、母材１０を溶接する際に溶融して母材１０に移行する。このため、溶接時には溶接ワイヤスプール１９に巻き取られている溶接ワイヤ１８がワイヤ送給ローラ１５により所定の速度で送り出される。これにより、アーク溶接トーチ１６の先端から溶接ワイヤ１８が所定の長さだけ突出するようになっている。溶接ワイヤ１８は、トーチケーブル１７によってアーク溶接電源２７の陽極側（＋）に接続され、また、母材１０はアースケーブル２９によってアーク溶接電源２７の陰極側（−）に接続される。これにより、溶接ワイヤ１８と母材１０との間にアーク電圧が印可されるようになっている。
なお、溶接ワイヤ１８をアーク溶接電源の陰極側に接続し、母材１０をアーク溶接電源の陽極側に接続することもできる。また、アーク電極として非消耗型のタングステン電極（すなわち、溶接装置にＴＩＧ溶接装置）を用いることもできる。
【００１０】
レーザヘッド１４は、導光ケーブル１１を介してレーザ発振器１３に接続される。レーザヘッド１４は、レーザ発振器１３から導光ケーブル１１を介して伝送されたレーザ光を集光するための集光光学系を備えており、母材１０の所定の位置に集光したレーザ１２を照射する。
レーザ発振器１３としてはＹＡＧレーザやＣＯ２レーザ等の種々のレーザ発振器を用いることができる。レーザ発振器１３は、パルス同期信号ケーブル２８によってアーク溶接電源２７に接続されている。
【００１１】
アーク溶接電源２７は、溶接ワイヤ１８と母材１０との間にアーク電圧を印可する装置である。本実施形態では、アーク溶接電源２７は溶接ワイヤ１８と母材１０との間にパルス状にアーク電圧を印可する。このため、溶接ワイヤ１８と母材１０との間に流れるアーク電流がパルス状に脈動するようになっている。また、アーク溶接電源２７は、アーク電流の脈動に同期して同期信号をレーザ発振器１３に出力する。このため、レーザ発振器１３はアーク電流の脈動に同期してレーザ光を出力し、同時にレーザヘッド１４から母材１０に照射されるレーザ１２もアーク電流の脈動に同期することとなる。
【００１２】
ここで、溶接ワイヤ１８と母材１０との間に流れるアーク電流と、レーザヘッド１４から照射されるレーザ１２の出力との関係について図２を参照して説明する。図２では、アーク電流の時間的変化と、レーザ出力の時間的変化と、溶接ワイヤ１８の溶融から母材１０への移行のタイミングを合せて示している。
図２に示すようにアーク電流は、ベース電流が流れる期間と、ピーク電流が流れる期間とが交互に繰返される脈動電流とされる。アーク電流を脈動電流とするのは、母材への入熱量を大きくすること無くピーク電流を大きくするためである。すなわち、アークから母材１０へ入力される熱量はアーク電流の平均値に比例する。このため、アーク電流を脈動電流とすることで、アーク電流の平均値（すなわち、母材への入熱量）を高くすることなくピーク電流を大きくすることができる。
また、アーク電流の脈動周期は、溶接ワイヤ１８が溶融して母材１０へ移行する周期と一致するようになっている。すなわち、アーク電流が１周期（１パルス）だけ流れる間に、ワイヤ溶滴が１個形成されて母材１０に移行するようになっている。例えば、溶接ワイヤの径が１．２ｍｍの場合は、ピーク電流を４６０Ａ、ベース電流を５０Ａとし、アーク電流の脈動周期を１００〜５００Ｈｚの間で調整することで、アーク電流の脈動周期と溶接ワイヤの溶融・移行の周期とを一致させることができる。アーク電流の脈動周期と溶接ワイヤの溶融・移行の周期を一致させると、ベース電流を小さくしてもアークを安定して発生させることができる。これにより、本実施形態ではベース電流をできる限り小さくし、アーク電流の平均値を高くすることなくピーク電流を大きくしている。
レーザ１２は、アーク電流の脈動に同期して出力される。すなわち、アーク電流がベース電流からピーク電流になると同時にレーザの出力が開始され、アーク電流がピーク電流からベース電流に戻る少し前にレーザの出力が停止される。したがって、アーク電流がピーク電流とされているときにレーザ１２が母材１０に照射される。レーザ１２が照射される期間は、アーク電流がピーク電流とされている期間内で適宜設定することができる。ただし、後述するように溶融池２４内の湯流れの促進のためには、アーク電流がピーク電流とされている期間の前半においてレーザ１２が照射されることが好ましい。
なお、アーク電流はベース電流に半周期分の正弦波状の電流を加えたように変化する脈動電流としても良い。即ち正弦波状の電流が正の値をとっている半周期分の正弦波状の電流をベース電流に加える。この場合は、半周期分の正弦波状の電流が加えられている期間内でレーザを出力する。
【００１３】
なお、図１に示されている母材１０は、図示省略した支持台により保持される。この支持台は、同じく図示省略した駆動機構によって図１の右側方向（矢印Ｘの反対方向）に移動するようになっている。このため、アーク溶接トーチ１６とレーザヘッド１４は、母材１０に対して矢印Ｘで示される方向に相対的に移動する。したがって、母材１０に対する溶接は矢印Ｘ方向に進行し、溶接後の母材１０には溶接金属２６（溶接ワイヤ１８と母材１０が溶融して混合したもの）が形成されることとなる。
【００１４】
また、図１から明らかなように、レーザヘッド１４は溶接方向の上流側（矢印Ｘの方向）に配置され、アーク溶接トーチ１６は溶接方向の下流側（矢印Ｘの反対方向）に配置されている。さらに、アーク溶接トーチ１６とレーザヘッド１４とは、母材１０の垂直方向に対して傾斜して配置される。すなわち、アーク溶接トーチ１６は溶接方向に対して上流側に、レーザヘッド１４は下流側に向けて傾斜して配置されている。このため、溶接時には、アーク溶接トーチ１６の溶接方向前方に形成される溶融池２４内にレーザヘッド１４からのレーザ１２が照射されることとなる。
なお、本実施形態においては、支持台に保持された母材１０側を移動する構成としたが、アーク溶接トーチ１６及びレーザヘッド１４側を移動させることももちろん可能である。
【００１５】
次に、上述した溶接装置を用いて溶接を行う時の作用について説明する。
既に説明したことから明らかなように、上述した溶接装置ではアーク電流がピーク電流とされている期間にレーザヘッド１４からレーザ１２を出力する（図２参照）。レーザヘッド１４から出力されたレーザ１２は、図１に示すようにアーク溶接トーチ１６の溶接方向前方に形成される溶融池２４表面に照射される。このため、溶融池２４の表面からは金属蒸気２２が発生し、この金属蒸気２２にアーク２０が誘導され集中する。したがって、アーク電流がピーク電流となるときのアーク２０の広がりが抑制され、溶融池２４表面のレーザ１２照射点近傍に集中的に熱が与えられる。このため、溶融幅を広げずに深い溶け込みを実現することができる。
【００１６】
また、本実施形態では、アーク電流がピーク電流となるときにアーク２０をレーザ１２の照射位置近傍に集中させることで、溶融池２４内に溶融池表面から溶融池底部に向かう溶融金属の流れを形成し、これによっても溶融幅を広げずに深い溶け込みが実現されるものと考えられる。本実施形態において溶融池２４内に形成されると考えられる溶融金属の流れとアーク電流の流れを図３及び図４を参照して説明する。図３は溶融幅を広げずに深い溶け込みを実現するために必要となる溶融池内の溶融金属の流れを示し、図４は図３に示す溶融金属の流れを実現するためのアーク電流の流れを示している。
溶融幅を広げずに深い溶け込みを実現するためには、溶融池表面に与えられた熱を効率的に溶融池底部に伝達する必要が生じる。このためには、図３に示すような、溶融池２４の表面Ａの中心部から溶融池２４の底部に向かう溶融金属の流れＦを実現することが好ましい。このような溶融金属の流れＦが実現されれば、溶融池２４の底部に到達した溶融金属により溶融池２４の底部にある母材１０に熱が与えられ、その溶融が促進される。また、溶融池２４の底部に到達した溶融金属は、その後方向転換して溶融池２４の側壁に沿って上向きに流れるが、このときには溶融金属の温度が低下しているため溶融池２４の側壁は溶融され難くなる。このため、溶融幅が狭く、かつ、深い溶け込みを実現することができる。
【００１７】
かかる溶融金属の流れＦを実現するためには、本実施形態のようにアーク電流がピーク電流とされているときにレーザ１２を溶融池２４の表面に照射し、レーザ１２が照射された部分にアーク２０を集中させることが有効であると考えられる。すなわち、アーク２０が集中して溶融池２４の表面に衝突すると、アーク２０が衝突する部分には溶融池２４の表面Ａから底部Ｂに向かう方向に力が作用する。この溶融池２４の表面Ａに作用するアーク２０からの力と、溶融池２４内の電流密度の高低差によって生じるローレンツ力（電磁圧）の差により、図３に示すような溶融金属の流れＦが促進される。
図４に示すようにアーク２０が溶融池２４の表面Ａ（レーザ光１２が照射された部分）に集中すると、アーク電流Ｅは、矢印に示すように表面Ａから溶融池２４内に流入し、溶融池２４内で広がる。このため、溶融池２４の表面Ａでは電流密度が高く、溶融池２４の底部Ｂでは電流密度が低くなる。したがって、溶融池２４の表面Ａでは電流密度が高いためその電磁圧が高くなり、溶融池２４の底部Ｂでは電流密度が低いためその電磁圧が低くなる。この溶融池２４の表面Ａと底部Ｂとの電磁圧の差によって、溶融池２４の表面Ａから底部Ｂに向かう溶融金属の流れが促進されることとなる。
【００１８】
また、溶融池２４の表面Ａにおける電流密度が高いほど表面Ａと底部Ｂの電磁圧の差は大きくなり、上述した溶融金属の流れは促進される。このため、溶融池２４の表面におけるアーク電流の通電通路は狭いことが好ましい。したがって、図５に示すようにレーザ１２の照射幅ＷＬは狭いほど好ましく、母材溶融幅ＷＭの１／３程度とすることが好ましい。
さらに、電磁圧は電流密度の２乗に比例する。このため、ピーク電流が大きいほど溶融池２４の表面Ａにおける電磁圧と底部Ｂにおける電磁圧の差は大きくなる。本実施形態では、アーク電流を脈動させ、さらに、アーク電流の脈動周期を溶接ワイヤ１８の溶融・母材への移行周期と一致させることによってベース電流を低くし、これらによって平均電流（母材１０への入熱量）を大きくすることなくピーク電流を大きくしている。したがって、溶融池２４の表面Ａと底部Ｂとの間に大きな電磁圧を発生し、上述した溶融池２４内の溶融金属の流れが促進されるものと考えられる。
【００１９】
なお、アーク電流がベース電流とされている時はレーザ１２を溶融池１２の表面に照射してアーク２０の集中を図っても、溶融池２４の表面Ａと低部Ｂの電磁圧の差は小さく、上述した溶融金属の流れを促進する効果は小さい。また、溶融池２４内の溶融金属の流れにはある程度の慣性がある。このため、一旦図３に示す溶融金属の流れＦが形成された後は、レーザ１２が照射されなくても溶融金属の流れは暫らくは維持されると考えられる。したがって、アーク電流がピーク電流とされている期間の前半にレーザ１２を照射することで、効率的に溶融池２４内の溶融金属の流れを促進することができる。なお、レーザ１２の照射は連続的に行われても良いし、高密度にパルス的に行われても良い。
また、レーザ１２による母材１０への入熱が大きすぎると、溶融池２４の表面から発生する金属蒸気の蒸発反力で、図６に示すように溶融池２４に形成される凹部Ｃが大きくなる。凹部Ｃが大きくなると凹部Ｃの周りの溶融池２４表面が盛り上がり、アーク２０がレーザ１２の照射位置に集中し難くなる。このような事態を避けるためには、レーザ１２による入熱をアークの平均入熱の半分以下程度に抑えることが好ましい。
【００２０】
以上詳述したように本実施形態に係る溶接装置では、アーク電流がピーク電流とされる期間にレーザが照射されてアークの集中が図られる。したがって、入熱量を抑えつつ深い溶け込みを実現することができる。
なお、入熱量を抑えつつ深い溶け込みを実現することができることから、本実施形態の溶接技術は薄板の付け合せ溶接や自動車部品の溶接等に好適に実施することができる。例えば、自動車の足回り部品であるサスペンションメンバー、プロペラシャフト、リヤアクスルハウジング等の溶接に用いることができる。
【００２１】
以上、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明したが、これは例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
なお、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態に係るアーク溶接方法を実施すための溶接装置の概略の構成を示す図面である。
【図２】  アーク電流の時間的変化と、レーザ出力の時間的変化と、溶接ワイヤの溶融から母材への移行の時間的変化とをあわせて示す図面である。
【図３】  溶融幅を広げずに深い溶け込みを実現するために必要となる溶融池内の溶融金属の流れを模式的に示す図面である。
【図４】  図３に示す溶融金属の流れを実現するためのアーク電流の流れを模式的に示す図面である。
【図５】  好ましいレーザの照射幅ＷＬと母材溶融幅ＷＭの関係を模式的に示す図面である。
【図６】  レーザによる母材への入熱が大きすぎるときの溶融池の形状を模式的に示す図面である。
【図７】  従来のレーザ誘導アーク溶接方法を説明するための図面である。
【符号の説明】
１０・・母材
１２・・レーザ
１３・・レーザ発振器
１４・・レーザヘッド
１６・・アーク溶接トーチ
１８・・溶接ワイヤ
２０・・アーク
２４・・溶融池
２７・・アーク溶接電源
【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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