(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを完全に重ね合わせて溶接する溶接方法であって、
高密度エネルギビームを照射して前記ワークに溶融部を形成させた直後に、前記溶融部にフィラーワイヤを供給しながらアーク放電を発生させてワークを溶接することを特徴とするワークの溶接方法。
【請求項２】
前記高密度エネルギビームの照射により形成される前記溶融部の中心位置と、前記アーク放電により形成される溶融プールの中心位置との距離が、溶接方向に対して０ｍｍよりも大きく、最大で４ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のワークの溶接方法。
【請求項３】
前記距離を、溶接の間、０ｍｍよりも大きく、最大で４ｍｍの間で変化させることを特徴とする請求項２に記載のワークの溶接方法。
【請求項４】
前記ワークが、アルミニウムからなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のワークの溶接方法。
【請求項５】
前記高密度エネルギビームを照射するレーザ光源を、前記ワークに対して所定の前進角を張るように配置することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のワークの溶接方法。
【請求項６】
前記アーク放電を発生させるアーク溶接機を、前記ワークに対して所定の後進角を張るように配置することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のワークの溶接方法。
【請求項７】
前記高密度エネルギビームを照射するレーザ光源および前記アーク放電を発生させるアーク溶接機のそれぞれを、溶接方向と異なる方向に傾斜させて配置することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のワークの溶接方法。
【請求項８】
前記高密度エネルギビームの照射位置を直線近似した軌跡と、前記アーク放電の発生位置を直線近似した軌跡とが並行となることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のワークの溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度エネルギビームとアーク放電を用いて行われる溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
板材等のワークを溶接する際には、レーザ光や電子ビームといった高密度エネルギビームを用いた溶接や、ＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接、ＴＩＧ(Tungsten Inert Gas)溶接といったアーク溶接が用いられている。
高密度エネルギビームを用いた溶接は、ワークに投入されるエネルギ密度が非常に高いため、高速度で溶接を行うことができ、溶接時にワークに形成されるビードの幅を狭くすることができるという利点を有している。
一方、アーク溶接は、溶接速度は遅いが、単位時間当たりにワークに投入するエネルギ量を大きくできるため、厚板の溶接に好適である。また、金属製のフィラーワイヤが溶融することで溶接部に余盛りが形成されるので溶接部の品質が改善されるという利点も有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高密度エネルギビームを用いた溶接では、溶け込み深さに対する溶け込み幅の比が小さいので、厚板を重ねて溶接した場合にワークどうしの溶着面積が小さくなり、所望の溶接強度を確保できないことがあった。
また、アーク溶接は、投入されるエネルギ量が大きいので溶接歪が発生することがあり、アーク放電が不安定になると溶接面の品質にバラツキが発生する点に留意する必要があった。さらに、アーク溶接は溶接速度が遅いという問題も有していた。
従って、本発明は、ワークの形状や材質によらずに、効率良く、かつ、確実にワークを溶接できる溶接方法を提供することを目的にする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、ワークを溶接する溶接方法であって、高密度エネルギビームを照射してワークに溶融部を形成させた後に、溶融部にフィラーワイヤを供給しながらアーク放電を発生させてワークを溶接するワークの溶接方法とした。
このワークの溶接方法は、先行する高密度エネルギビームによる溶接で、溶接速度を高める一方で、追従するアーク溶接によって、高密度エネルギビームにより形成された溶接部を拡張させて、より大きな溶接強度を得るものである。
【０００５】
また、本発明の請求項２に係る発明によれば、請求項１に記載のワークの溶接方法において、高密度エネルギビームの照射により形成される溶融部の中心位置と、アーク放電により形成される溶融プールの中心位置との距離が、溶接方向に対して０ｍｍよりも大きく、最大で１０ｍｍであることとした。
このワークの溶接方法は、前記した距離を制御することで、高密度エネルギビームの有する熱エネルギを有効に活用しつつ、アーク溶接機に投入されるエネルギ量を低減させ、全体としてのエネルギ効率を高めるものである。
また、本発明の請求項３に係る発明によれば、請求項２に記載のワーク溶接方法において、前記した距離を、溶接の間、０ｍｍよりも大きく、最大で４ｍｍの間で変化させることとした。
また、本発明の請求項４に係る発明によれば、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のワークの溶接方法において、ワークが、アルミニウムからなることとした。
また、本発明の請求項５に係る発明によれば、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のワークの溶接方法において、高密度エネルギビームを照射するレーザ光源を、ワークに対して所定の前進角を張るように配置することとした。
また、本発明の請求項６に係る発明によれば、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のワークの溶接方法において、アーク放電を発生させるアーク溶接機を、ワークに対して所定の後進角を張るように配置することとした。
また、本発明の請求項７に係る発明によれば、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のワークの溶接方法において、高密度エネルギビームを照射するレーザ光源およびアーク放電を発生させるアーク溶接機のそれぞれを、溶接方向と異なる方向に傾斜させて配置することとした。
また、本発明の請求項８に係る発明によれば、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のワークの溶接方法において、高密度エネルギビームの照射位置を直線近似した軌跡と、アーク放電の発生位置を直線近似した軌跡とが並行となることとした。
この請求項３から請求項８のワークの溶接方法は、大きな溶接強度を得ると共に、全体としてのエネルギ効率を高めるものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本実施形態の溶接方法を用いた板材の溶接を示す斜視図であり、図２は図１の側面図、図３は図１の正面の断面図である。
図１に示すように、本実施形態の溶接方法は、高密度エネルギビームであるレーザ光Ｌの照射による溶接と、アーク放電による溶接を併用して、ワークである板材１，２を溶接するものである。ここで、溶接は矢印Ｈで示す溶接方向に向かって行われており、重ね合わされた板材１，２には、最初にレーザ光Ｌが照射されることにより溶融部３（以下、レーザ溶融プールとする）が形成され、その後にアーク放電による溶融部４（以下、アーク溶融プールとする）が形成されており、アーク溶融プール４及びフィラーワイヤの溶融金属が凝固したビード５が、溶接方向Ｈに対して後方に形成されている。
【０００７】
溶接される板材１，２は、鉄、アルミニウム、その他の金属材料、又は、ステンレス等の合金からなり、板材１と板材２が異なる材質であっても良い。また、図１に示すように板材１，２を完全に重ね合わせて溶接する他にも、突合せ継手溶接や、すみ肉  溶接等、あらゆる形態をとりうる。
【０００８】
図１においてレーザ光Ｌは、レーザ光源６に備えられている光学レンズ等により板材の表面近傍において集光するように整形され、照射されている。また、レーザ光Ｌの光軸は、常に板材１，２に対して垂直、又は、ある一定の角度になるように制御されている。
レーザ光源３としては、イットリウム・アルミニウムのガーネット構造結晶を用いたＹＡＧレーザ装置や、炭酸ガスを用いたＣＯ2レーザ装置があげられる。ＹＡＧレーザ装置は、１．０６μｍの基本波長において、連続波（ＣＷ）で数百Ｗ以上の出力のレーザ光を得ることができる。また、ＣＯ2レーザ装置であれば、１０．６μｍの波長の連続波で数十ｋＷのレーザ光を発振させることができる。なお、本発明における高密度エネルギビームは、前記のレーザ光Ｌに限定されずに、その他の波長のレーザ光や、電子ビームであっても良い。また、パルス発振させたレーザ光を用いることも可能である。
【０００９】
アーク放電による溶接は、アーク溶接機７から板材１，２に向けて伸長する電極ワイヤ８と板材１の間でアーク放電を発生させ、板材１，２を溶融させることにより行われる。このときに溶融した金属の酸化による溶接不良を防止するために、電極ワイヤ８の外周を覆うように形成されたアーク溶接機７の開口部９から板材１に対して不活性ガスＧが噴き付けられる。なお、アーク溶接機７としては、ＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接機や、ＭＡＧ（Metal Active Gas）溶接機、ＴＩＧ(Tungsten Inert Gas)溶接機があげられる。ＭＩＧ溶接の場合には、電極ワイヤ８が溶けてフィラーワイヤの役割を果たし、ＴＩＧ溶接の場合には、図示しない供給機構によりフィラーワイヤがアーク放電のプラズマ中に供給される。
【００１０】
図１の側面図である図２に示すように、アーク溶接機７は、長手軸７Ａ、つまり、電極ワイヤ８の伸長方向が板材１に対して所定の前進角θ１を張るように配置されている。この前進角θ１は板材１の鉛直軸Ｖとアーク溶接機７の長手軸７Ａが０度から４０度の角度範囲に設定されている。これは、アーク溶接機７が板材１に対して前進した場合であっても、板材１のアーク放電が行われる部位に不活性ガスＧを充分に噴き付けて、溶融金属の酸化を確実に防止するためである。
【００１１】
このようなレーザ光源６とアーク溶接機７により行われる溶接において、レーザ光Ｌにより形成されるレーザ溶融プール３は、比較的に狭い範囲で、図１の正面断面図である図３に示すように板材２に至るまで縦長に形成され、板材１と板材２の界面に溶着面１０を形成する。なお、このとき形成される溶着面１０の面積は小さいため、溶接強度は小さい。また、板材１の表面は凹形状となるために、応力集中が発生し易いという問題点も有している。
【００１２】
そこで、本実施形態においては、前記のようにしてレーザ光Ｌにより形成されたレーザ溶融プール３と、アーク溶接機７の電極ワイヤ８との間でアーク放電を発生させている。板材１，２は、レーザ溶融プール３が再凝固する前（つまり、レーザ溶融プール３の形成の直後）にアーク放電に伴う発熱によって、さらに広範囲に溶融し、アーク溶融プール４が形成される。アーク溶融プール４は、レーザ溶融プール３を利用して形成されるために少ない発熱量でも広範囲に渡って形成される。このようなアーク溶融プール４によって板材１と板材２の溶着面積が増大されるので、溶接強度が大きくなる。
また、アーク溶接機７としてＭＩＧ溶接機を用いた場合には、電極ワイヤ８が溶滴としてアーク溶融プール４に溶け落ちて板材１に余盛り、つまり、ビード５を形成させることができる。従って、板材１の溶接表面が凸形状になるので、この部分への応力の集中を防止できる。
【００１３】
本実施形態の溶接方法によれば、レーザ溶接を単独で行った場合に比べて、溶接強度を大きくすることができる。また、アーク溶接を単独で行った場合に比べて、溶接に要するエネルギ量を低減できるので、適度な溶接強度を保ちつつ板材１，２の溶接歪を低減させたり、溶接割れの発生を防止したり、溶接速度を高めたりすることができる。
【００１４】
前記のような効果は、図２に示す、レーザ光Ｌの照射位置とアーク放電により形成されるアーク溶融プール４の中心位置との溶接方向Ｈにおける距離ｄを適切な値に設定することにより、顕著に得ることができる。この距離ｄは、レーザ光源６、アーク溶接機７の出力、板材１，２の材質、厚さ等により異なるが、０ｍｍより大きく、最大で４ｍｍであることが望ましい。
【００１５】
これは、例えば、レーザ光Ｌの照射位置と、アーク放電により形成されるアーク溶融プール４の中心位置との距離ｄが０ｍｍ以下、つまり、レーザ光の照射位置よりも溶接方向Ｈに対して前側でアーク放電を行わせると、最初にアーク放電による溶接が、行われることになるために、アーク放電による溶接に要するエネルギ量を低減することができないからである。また、距離ｄが０ｍｍ以下である場合は、アーク放電により溶融したアーク溶融プール４にレーザ光Ｌの熱エネルギが拡散、吸収されてしまうので、レーザ光Ｌによる熱エネルギを有効に活用できないという問題も有する。一方、距離ｄが４ｍｍよりも離れると、レーザ光Ｌにより一度溶融した板材１，２が、再び凝固してしまうので好ましくない。
【００１６】
また、この距離ｄを溶接速度の観点から見ると、レーザ光Ｌの出力が一定で、かつ、アーク放電に供される電力量が一定であれば、距離ｄは溶接速度によらないと言える。例えば、溶接速度が大きいと、板材１，２の単位面積に、単位時間当たりに投入されるエネルギ量は減るので溶融した板材１，２は再凝固し易くなるが、レーザ光Ｌによる溶融からアーク放電が行われるまでの時間が短くなるので両者の効果は相殺されるからである。一方、溶接速度が小さい場合は、板材１，２の単位面積に、単位時間当たりに投入されるエネルギ量は増えるが、レーザ光Ｌによる溶融からアーク放電が行われるまでの時間が長くなるので両者の効果は相殺されるからである。
【００１７】
なお、本実施形態の一例として、レーザ光源６としてＹＡＧレーザ装置を、アーク溶接機７としてＭＩＧ溶接機を用いて、距離ｄを２ｍｍに取ってアルミニウムの５０００系材料の厚板（板厚２ｍｍ）の重ね継手溶接を行ったところ、溶接速度が３ｍ／分で溶接強度として２００ＭＰａ以上が得られ、溶接歪の低減と、溶接割れの発生防止が確認されている。この溶接速度は、アーク溶接を単独で行う場合に比べて充分大きく、溶接強度は、厚板のレーザ溶接における溶接強度に比べて充分大きい。なお、レーザ光Ｌは、連続波で４ｋＷの出力で、スポット径はφ０．６〜０．８ｍｍとした。また、ＭＩＧ溶接は、電流値１００〜２５０Ａ、電圧値１０〜２５Ｖとし、不活性ガスＧにはアルゴンガスを用いた。
【００１８】
さらに、本発明は前記の実施形態に限定されずに広く応用することが可能である。
例えば、図２に示すように、レーザ光源６は板材１に対して垂直に配置され、アーク溶接機７は前進角θ１を有しているが、図４（ａ）に示すように、レーザ光源６、アーク溶接機７を共に、板材１に対して垂直に配置しても良い。このような配置は、不活性ガスＧをアーク放電の発生する部分の近傍に充分に噴き付けることができる場合、例えば溶接速度が比較的に小さい場合等に用いられる。また、図４（ｂ）に示すように、アーク溶接機７だけでなく、レーザ光源６も、その長手軸６Ａが所定の前進角α１を張るように配置にすることも可能である。アーク溶接機７の前進角θ２は、前記の実施形態と同様に０度から４０度の間であることが望ましいが、レーザ光源６の前進角α１は任意の角度をとりうる。そして、図４（ｃ）に示すようにレーザ光源６を溶接方向Ｈの前側に傾斜させて後退角α２となるような配置とすることも可能である。なお、図４（ｃ）においてアーク溶接機７は板材１に対して垂直に配置されているが、後進角θ２をなす配置であっても良い。また、前記の実施形態を含めた全ての場合において、レーザ光源６とアーク溶接機７は、溶接方向Ｈに対して同一直線上に配置されているが、それぞれを溶接方向Ｈと異なる方向に傾斜させることも可能である。
【００１９】
また、レーザ光Ｌの照射位置とアーク放電の発生位置は、必ずしも溶接方向Ｈに対して同一直線上に配置する必要はなく、照射位置の軌跡と、アーク放電の軌跡を直線近似した場合に、両者が並行になっても良い。この場合は、レーザ光Ｌの照射位置と、アーク放電により形成されるアーク溶融プール４の中心位置の溶接方向成分が、前記の距離ｄに相当する。
さらに、距離ｄは、溶接の間、常に一定の値に保持される必要はなく、前記した範囲内であれば変化させることも可能である。
そして、図１に示すように板材１，２を連続して溶接する替わりに、所定間隔を置いて点付け溶接を行うことも可能である。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載の発明によれば、先行する高密度エネルギビームと、それに追従させたアーク溶接によりワークを溶接する溶接方法としたので、溶接速度を高める一方で、より大きな溶接強度を得ることができる。
また、本発明の請求項２に係る発明によれば、高密度エネルギビームの照射により形成される溶融部の中心位置と、アーク放電を発生させるアーク溶接機の電極ワイヤの先端位置との距離を溶接方向に対して所定値に設定する溶接方法としたので、エネルギの有効利用が図れ、全体としてのエネルギ効率を高めることができる。
また、本発明の請求項３に係る発明によれば、前記した距離を、溶接の間、０ｍｍよりも大きく、最大で４ｍｍの間で変化させる溶接方法としたので、大きな溶接強度を得ることができると共に、全体としてのエネルギ効率を高めることができる。
また、本発明の請求項４に係る発明によれば、ワークが、アルミニウムからなる溶接方法としたので、大きな溶接強度を得ることができると共に、全体としてのエネルギ効率を高めることができる。
また、本発明の請求項５に係る発明によれば、高密度エネルギビームを照射するレーザ光源を、ワークに対して所定の前進角を張るように配置する溶接方法としたので、大きな溶接強度を得ることができると共に、全体としてのエネルギ効率を高めることができる。
また、本発明の請求項６に係る発明によれば、アーク放電を発生させるアーク溶接機を、ワークに対して所定の後進角を張るように配置する溶接方法としたので、大きな溶接強度を得ることができると共に、全体としてのエネルギ効率を高めることができる。
また、本発明の請求項７に係る発明によれば、高密度エネルギビームを照射するレーザ光源およびアーク放電を発生させるアーク溶接機のそれぞれを、溶接方向と異なる方向に傾斜させて配置する溶接方法としたので、大きな溶接強度を得ることができると共に、全体としてのエネルギ効率を高めることができる。
また、本発明の請求項８に係る発明によれば、高密度エネルギビームの照射位置を直線近似した軌跡と、アーク放電の発生位置を直線近似した軌跡とが並行となる溶接方法としたので、大きな溶接強度を得ることができると共に、全体としてのエネルギ効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるワークの溶接方法を説明する斜視図である。
【図２】図１の側部断面図である。
【図３】図１の正面断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）レーザ光源とアーク溶接機の配置の実施形態を説明する側面図である。
【符号の説明】
１，２  板材  （ワーク）
３      レーザ溶融プール  （溶融部）
４      アーク溶融プール
５      ビード
６      レーザ光源
７      アーク溶接機
８      電極ワイヤ
θ１，θ２  前進角
【図１】
0003762676.tif 000002
【図２】
0003762676.tif 000003
【図３】
0003762676.tif 000004
【図４】
0003762676.tif 000005