JP2009262182A - レーザ・アーク複合溶接ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】溶接欠陥を抑制して、良好なビードを形成することができるレーザ・アーク複合溶接ヘッドを提供する。
【解決手段】レーザ光照射とアーク放電とを行って、レーザ溶接とアーク溶接とを併用し、亜鉛めっき鋼板５１を重ね溶接するレーザ・アーク複合溶接ヘッドであって、入力されたレーザ光Ｌを亜鉛めっき鋼板５１に対して集光、照射するレーザトーチ１１と、レーザトーチ１１よりも溶接方向上流側に設けられ、亜鉛めっき鋼板５１との間でアークＡを発生させるアーク電極２３と、アーク電極２３の溶滴移行形態を短絡移行となるように制御するアーク制御装置２４とを備え、レーザトーチ１１とアーク電極２３とを、レーザ光照射位置とアーク照射位置との間の距離が１．０ｍｍ〜５．０ｍｍとなるように配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光照射とアーク放電とを行って、レーザ溶接とアーク溶接とを併用し、亜鉛めっき鋼板を重ね溶接するレーザ・アーク複合溶接ヘッドに関する。

亜鉛めっき鋼板は、耐食性に優れているため、自動車用部材等に広く使用されている。このような亜鉛めっき鋼板を重ね溶接する場合には、従来工法であるアーク溶接方法や電気シーム溶接方法と比べて、溶接速度が速く、生産性が向上するという点から、レーザ溶接方法が採用されている。

しかしながら、レーザ溶接方法では、鋼板表面の亜鉛めっき層が、母材である鋼と比較して、融点及び沸点が低いために、レーザ光の熱によって、亜鉛めっき鋼板の重ね部にある亜鉛めっき層から亜鉛が激しく蒸発してしまう。これにより、その亜鉛蒸気によって、溶融池の溶融金属が吹き飛ばされたり、溶融金属中に亜鉛蒸気が侵入して、ビードに多数のブローホール等の溶接欠陥が発生したりしてしまう。従って、レーザ溶接方法を用いた亜鉛めっき鋼板の重ね溶接においては、溶接欠陥が多くなるため、実用化に向けて課題が残されているのが現状である。

そこで、近年、上述したレーザ溶接方法を用いた亜鉛めっき鋼板の重ね溶接における問題を解決するために、レーザ溶接とアーク溶接とを併用したレーザ・アーク複合溶接方法が提案されている。このような、レーザ・アーク複合溶接方法は、例えば、特許文献１，２に開示されている。

特開２００２−１９２３６３号公報 特開２００６−２１２２４号公報

ここで、レーザ・アーク複合溶接方法においては、レーザ光照射位置とアーク照射位置との位置関係や、アーク溶接時の溶滴移行形態等により、ビードの品質が変化してしまう。しかしながら、上記従来のレーザ・アーク複合溶接方法では、このようなことについては何ら講じておらず、実用的ではなく、良好な品質のビードを形成することは困難である。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、溶接欠陥を抑制して、良好なビードを形成することができるレーザ・アーク複合溶接ヘッドを提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドは、
レーザ光照射とアーク放電とを行って、レーザ溶接とアーク溶接とを併用し、亜鉛めっき鋼板を重ね溶接するレーザ・アーク複合溶接ヘッドであって、
入力されたレーザ光を亜鉛めっき鋼板に対して集光、照射するレーザトーチと、
前記レーザトーチよりも溶接方向上流側に設けられ、亜鉛めっき鋼板との間でアークを発生させるアーク電極と、
前記アーク電極の溶滴移行形態を短絡移行となるように制御するアーク制御手段とを備え、
前記レーザトーチと前記アーク電極とを、レーザ光照射位置とアーク照射位置との間の距離が１．０ｍｍ〜５．０ｍｍとなるように配置する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドは、
第１の発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドにおいて、
前記レーザトーチと前記アーク電極とを、前記レーザトーチから出力されるレーザ光の光軸と前記アーク電極の軸心とが１５°〜４０°の間の角度で交差するように配置する
ことを特徴とする。

従って、本発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドによれば、レーザ溶接後にアーク溶接を行うようにしたことにより、アーク電極からの溶融金属を、レーザ溶接による溶融池に供給することができるので、この溶融池内に滞留する金属蒸気を除去することができる。この結果、溶接欠陥を抑制することができるので、良好なビードを形成することができる。また、アーク電極の溶滴移行形態を短絡移行に設定することにより、アークの集中性及び安定性を向上させることができるので、高速で溶接を行うことができる。

以下、本発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドについて図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドの概略構成図、図２は図１の要部拡大図、図３はレーザ・アーク照射位置間距離及びレーザ・アーク照射軸交差角度に基いて設定された溶接設定領域を示した図である。

図１に示すように、レーザ・アーク複合溶接ヘッド１は、レーザ溶接とアーク溶接とを併用し、両面に亜鉛めっき層５２が施された２枚の亜鉛めっき鋼板５１を重ね溶接するものである。これにより、レーザ・アーク複合溶接ヘッド１は、レーザ溶接を行うレーザトーチ１１と、アーク溶接を行うアークトーチ２１とを有している。

レーザトーチ１１には、ＹＡＧ（Yttrium Aluminium Garnet）レーザ発振器１２が光ファイバ１３を介して接続されている。このＹＡＧレーザ発振器１２は、レーザ光Ｌを発振するものである。従って、ＹＡＧレーザ発振器１２により発振されたレーザ光Ｌは、光ファイバ１３により伝送されて、レーザトーチ１１内に入力される。そして、レーザトーチ１１内に入力されたレーザ光Ｌは、図示しないコリメートレンズ群により平行光とされた後、集光レンズ群により亜鉛めっき鋼板５１の被溶接部に集光、照射される。

一方、アークトーチ２１には、電極供給装置２２及びアーク制御装置（アーク制御手段）２４が接続されている。電極供給装置２２は、棒状のアーク電極２３をアークトーチ２１内を通してその先端側に供給するものである。アーク制御装置２４は、電極供給装置２２を制御してアーク電極２３の供給量を制御すると共に、アーク電極２３と亜鉛めっき鋼板５１の被溶接部との間にアークＡを発生させるための溶接電流及び溶接電圧の設定や、アークＡの安定及び酸化防止を図るための不活性ガス（シールドガス）の供給を行うものである。

また、図２に示すように、レーザトーチ１１は、亜鉛めっき鋼板５１の表面に対して、その軸心が直交するように配置されている。即ち、レーザトーチ１１から出力されたレーザ光Ｌは、その光軸が亜鉛めっき鋼板５１の表面に対して直交するように集光、照射されることになる。

一方、アークトーチ２１は、レーザトーチ１１の溶接方向上流側において、傾斜して配置されている。このアークトーチ２１内を通過するアーク電極２３は、その軸方向に供給されると共に、その軸心がレーザトーチ１１から出力されるレーザ光Ｌの光軸に対して角度αで交差するように支持されている。

更に、レーザトーチ１１とアークトーチ２１とは、溶接方向において、レーザ光Ｌの光軸が亜鉛めっき鋼板５１の表面と交差する位置（レーザ光照射位置）と、アーク電極２３の軸心が亜鉛めっき鋼板５１の表面と交差する位置（アーク照射位置）との間の距離が、距離Ｘとなるように配置されている。

ここで、亜鉛めっき鋼板を重ね溶接する場合、鋼板表面の亜鉛めっき層が、母材である鋼と比較して、融点及び沸点が低いために、溶接により亜鉛めっき鋼板の重ね部にある亜鉛めっき層から亜鉛が激しく蒸発してしまう。これにより、その亜鉛蒸気によって、アークが乱されるだけでなく、溶融池の溶融金属が吹き飛ばされたり、溶融金属中に亜鉛蒸気が侵入して、ビードに多数のブローホール等の溶接欠陥が発生したりしてしまう。

そこで、本願発明者は、亜鉛めっき鋼板の重ね溶接の実験を重ねると共に検証を行い、良好な品質のビードを得ることができる距離Ｘ及び角度αを見出すことにした。その実験は、距離Ｘを０ｍｍ〜６．０ｍｍの範囲で変化させると共に、角度αを０°〜５０°の範囲で変化させて、各設定値におけるビードの品質評価を行うものである。

図３は、その実験結果を示すものであって、「○」と「△」と「×」とによりその評価を表している。「○」は、溶接欠陥がなく、ビードの波が一様に連続的に形成されたものを示し、「△」は、溶接欠陥がないものの、ビードの波が乱れて形成されたものを示し、「×」は、溶接欠陥が多く発生し、ビードの波が乱れて形成されたものを示している。なお、「○」及び「△」で評価されたビードは、使用上問題がないと判断した。

よって、図３に示すように、距離Ｘが１．０ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲で、且つ、角度αが１５°〜４０°の範囲における溶接設定領域Ｔ１が得られた。ここで、距離Ｘ及び角度αを設定する場合、溶接設定領域Ｔ１から選択しても良いが、その領域形状が歪であることから、設定の簡素化を図るために、距離Ｘが１．５ｍｍ〜４．０ｍｍの範囲で、且つ、角度αが２０°〜３５°の範囲となる溶接設定領域Ｔ２から選択するようにしても構わない。

従って、亜鉛めっき鋼板５１を重ね溶接する場合には、レーザ・アーク複合溶接ヘッド１を溶接方向に移動させながら、レーザトーチ１１から亜鉛めっき鋼板５１の被溶接部に向けて、レーザ光Ｌを照射する。これと同時に、不活性ガス雰囲気中において、レーザ光照射位置よりも溶接方向上流側に距離Ｘだけ離間したアーク照射位置に向けて、アーク電極２３を、その軸心がレーザ光Ｌの光軸に対して角度αで交差するように連続的に供給し、この供給したアーク電極２３と亜鉛めっき鋼板５１の被溶接部との間にアークＡを発生させる。これにより、レーザ溶接がアーク溶接に先立って行われることになる。

ここで、図２に示すように、レーザ溶接では、レーザ光照射位置のエネルギー密度が極めて高くなるため、亜鉛めっき鋼板５１が瞬時に蒸発し、レーザ光Ｌにより溶融金属が押しのけられてキーホール５３が形成される。そして、これと同時に、亜鉛めっき鋼板５１の重ね部にある亜鉛めっき層５２から低融点・低沸点の亜鉛が激しく蒸発するが、この亜鉛蒸気の大部分はキーホール５３を通って外部に放出される。一方、放出されなかった亜鉛蒸気の一部は、溶融池５４（溶融金属）中に気泡５５となって侵入することになる。

しかしながら、レーザ溶接に引き続いてアーク溶接が行われ、距離Ｘ及び角度αが溶接設定領域Ｔ１または溶接設定領域Ｔ２に設定されているので、アークＡがレーザ溶接による溶融池５４を照射する。これにより、レーザ溶接を単独で行う場合に比べて、溶融池５４が凝固するまでの時間が長くなるため、当該溶融池５４に侵入した気泡５５は、それが凝固するまでの間に浮上して放出される。

一方、亜鉛蒸気により吹き飛ばされた溶融金属の分は、アーク電極２３からの溶滴５６により補われることになり、更に、溶融池５４に気泡５５が残留しても、その気泡５５は溶滴５６により埋められる。これにより、溶接欠陥のない良好なビード５７が形成されることになる。

また同時に、アーク制御装置２４によって、（パルス）電流値、電圧値、及び、その波形が調整されることにより、アーク電極２３の先端部の溶融が進行されることになるが、その溶滴５６の移行形態は、短絡移行となるように制御されている。このように溶滴５６の移行形態を短絡移行とすることにより、溶滴５６が浮遊している時間が短くなり、発生した溶滴５６は直ちに溶融池５４に繋がることになる。更に、溶滴５６が溶融池５４に繋がるときには、大電流が流れることになるので、アークＡの集中性及び安定性が向上される。この結果、高速で溶接することが可能となる。

従って、本発明に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドによれば、レーザ溶接後にアーク溶接を行うようにしたことにより、アーク電極２３からの溶滴５６を、レーザ溶接による溶融池５４に供給することができるので、この溶融池５４内に滞留する亜鉛蒸気を除去することができる。この結果、溶接欠陥を抑制することができるので、良好なビード５７を形成することができる。また、アーク電極２３の溶滴５６の移行形態を短絡移行に設定することにより、アークＡの集中性及び安定性を向上させることができるので、高速で溶接を行うことができる。

本発明は、鋼板間に隙間が設けられた母材に対して重ね溶接を行うレーザ・アーク複合溶接ヘッドに適用可能である。

本発明の一実施例に係るレーザ・アーク複合溶接ヘッドの概略構成図である。 図１の要部拡大図である。 レーザ・アーク照射位置間距離及びレーザ・アーク照射軸交差角度に基いて設定された溶接設定領域を示した図である。

符号の説明

１ レーザ・アーク複合溶接ヘッド
１１ レーザトーチ
１２ ＹＡＧレーザ発振器
１３ 光ファイバ
２１ アークトーチ
２２ 電極供給装置
２３ アーク電極
２４ アーク制御装置
５１ 亜鉛めっき鋼板
５２ 亜鉛めっき層
５３ キーホール
５４ 溶融池
５５ 気泡
５６ 溶滴
５７ ビード
Ｌ レーザ光
Ａ アーク
Ｘ レーザ・アーク照射位置間距離
α レーザ・アーク照射軸交差角度
Ｔ１，Ｔ２ 溶接設定領域

Claims (2)

1. レーザ光照射とアーク放電とを行って、レーザ溶接とアーク溶接とを併用し、亜鉛めっき鋼板を重ね溶接するレーザ・アーク複合溶接ヘッドであって、
   入力されたレーザ光を亜鉛めっき鋼板に対して集光、照射するレーザトーチと、
   前記レーザトーチよりも溶接方向上流側に設けられ、亜鉛めっき鋼板との間でアークを発生させるアーク電極と、
   前記アーク電極の溶滴移行形態を短絡移行となるように制御するアーク制御手段とを備え、
   前記レーザトーチと前記アーク電極とを、レーザ光照射位置とアーク照射位置との間の距離が１．０ｍｍ〜５．０ｍｍとなるように配置する
   ことを特徴とするレーザ・アーク複合溶接ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザ・アーク複合溶接ヘッドにおいて、
   前記レーザトーチと前記アーク電極とを、前記レーザトーチから出力されるレーザ光の光軸と前記アーク電極の軸心とが１５°〜４０°の間の角度で交差するように配置する
   ことを特徴とするレーザ・アーク複合溶接ヘッド。

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