JP2016043391A

JP2016043391A - レーザアークハイブリッド溶接方法

Info

Publication number: JP2016043391A
Application number: JP2014170434A
Authority: JP
Inventors: 阿部　大輔; Daisuke Abe; 大輔阿部; 幸太郎猪瀬; Kotaro Inose; 直幸松本; Naoyuki Matsumoto; 賢造水嶋; Kenzo Mizushima
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2016-04-04

Abstract

【課題】不要な余盛を増したり、アンダーフィルや裏波不足といった施工不良を生じさせたりすることなく、良好な形状のビードを得ることが可能なレーザアークハイブリッド溶接方法を提供する。【解決手段】アーク溶接とレーザ溶接とを合わせて金属板Ｓ，Ｓ同士の溶接接合を行うレーザアークハイブリッド溶接方法であって、金属板Ｓの板厚ｔに基づいてレーザ溶接のレーザ出力を決定すると共に、金属板Ｓ，Ｓ間のルート間隔ｇに基づいてアーク溶接のワイヤ送給量及びアーク電流を決定し、続いて、金属板Ｓの板厚ｔに基づいて決定したレーザ溶接のレーザ出力及びルート間隔ｇに基づいて決定したアーク溶接のアーク電流に基づいてアーク溶接のアーク電圧を決定し、レーザ出力，ワイヤ送給量及びアーク電流を各々決定された値に保ったままアーク電圧を決定した値に調整して、アーク入熱量を増加させてレーザ入熱比を小さくする。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ及びアークを組み合わせたレーザアークハイブリッド溶接方法に係り、特に、金属板の突合わせ溶接に用いるのに好適なレーザアークハイブリッド溶接方法に関するものである。

近年、エネルギ密度の異なるレーザ及びアークを効果的に組み合わせることで、効率的に溶接を行い得るレーザアークハイブリッド溶接が注目されている。このレーザアークハイブリッド溶接は、深い溶け込み形状が得られるうえ、溶接速度の速さや、アークの安定性や、ビード外観の良さに定評があり、特に、金属板の突合わせ溶接に用いるのに好適なものとして注目されている。

従来におけるレーザアークハイブリッド溶接に関するものとしては、例えば、特許文献１に記載されたレーザアークハイブリッド溶接システムがある。
このレーザアークハイブリッド溶接システムは、レーザ発振機と、レーザヘッドと、溶接トーチと、施工状態検出器と、レーザ出力制御部と、アーク出力制御部と、アーク電源を備えており、施工状態検出器によってアーク電流やアーク電圧や金属板の溶融状態等の施工状態を監視して、施工状況に応じたレーザ出力及びアーク出力に制御するようになっている。このレーザアークハイブリッド溶接システムにおいて、一般的に、レーザ出力は金属板の板厚に基づいて決定され、アーク出力はレーザ出力及び金属板の突合わせ部位におけるルート間隔に基づいて決定される。

特許第４４８３３６２号公報

ところで、上記したレーザアークハイブリッド溶接において、レーザ溶接及びアーク溶接の各入熱条件によっては、施工不良が生じる可能性がある。
例えば、レーザ入熱量が過多の場合、すなわち、レーザ及びアークの総入熱量に対するレーザ入熱量の比率であるレーザ入熱比が大きい場合には、溶接部表面が凹んで母材よりも溶接部が薄くなる、いわゆるアンダーフィルが生じる。

また、施工裕度を拡大するべくアーク電流を増加させた場合、すなわち、アーク入熱比を大きくしてレーザ入熱比を小さくした場合には、溶接ワイヤの送給量が多くなって不要な余盛が増加することとなり、その結果、疲労強度の低下や美観の劣化を招いてしまい、研削仕上げが必要になる事態も起こり得る。

さらに、レーザ出力を下げてレーザ入熱比を小さくした場合には、溶け込み深さの減少及び総入熱量の不足により、裏波不足といった施工不良が生じる虞があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっている。

本発明は、上記したような従来の課題を解決するためになされたもので、不要な余盛を増したり、アンダーフィルや裏波不足といった施工不良を生じさせたりすることなく、良好な形状のビードを得ることが可能なレーザアークハイブリッド溶接方法を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するために成された本発明の請求項１に係る発明は、アーク溶接とレーザ溶接とを合わせて金属板同士の溶接接合を行うレーザアークハイブリッド溶接方法であって、前記金属板の板厚に基づいてレーザ溶接のレーザ出力を決定すると共に、前記金属板間のルート間隔に基づいてアーク溶接のワイヤ送給量及びアーク電流を決定し、続いて、前記金属板の板厚に基づいて決定したレーザ溶接のレーザ出力及び前記ルート間隔に基づいて決定したアーク溶接のアーク電流に基づいてアーク溶接のアーク電圧を決定し、前記レーザ出力，ワイヤ送給量及びアーク電流を各々決定された値に保ったまま前記アーク電圧を決定した値に調整して、アーク入熱量を増加させてレーザ入熱比を小さくする構成としたことを特徴としており、この構成のレーザアークハイブリッド溶接方法を前述の課題を解決するための手段としている。

レーザ溶接及びアーク溶接を同時に行う本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接において、レーザ溶接には、ＹＡＧレーザや半導体レーザの各発振機を用い、一方、アーク溶接には、ＭＩＧ溶接機やＭＡＧ溶接機を用いるのが一般的であるが、いずれもこれらのものに限定されない。

本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接において、レーザ出力及びアーク電流からアーク溶接のアーク電圧を決定することで、必要なレーザ出力，ワイヤ送給量及びアーク電流を保持しつつ、レーザ入熱比及びアーク入熱比を適切な値にすることができると共に、総入熱量を適切に制御し得るので、不要な余盛の増加や、アンダーフィル，裏波不足等の施工不良の発生を回避して、良好な溶け込み状態及びビード形状が得られることとなり、加えて、レーザアークハイブリッド溶接による施工裕度が拡大することとなる。

本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法によれば、施工不良を生じさせることなく、良好な形状のビードを得ることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法に適用されるレーザアークハイブリッド溶接装置を示す斜視説明図である。本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法におけるアーク電流とアーク電圧とアーク入熱との関係を示すグラフ（ａ），アーク電流とアーク入熱比率と余盛の大きさとの関係を示すグラフ（ｂ）及びアーク電流とアーク入熱比率と裏波の大きさとの関係を示すグラフ（ｃ）である。本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法においてアーク電圧を調整して溶接を行った場合の溶接継手性状を溶接部の断面図として示す図である。従来のアークハイブリッド溶接方法を用いて溶接を行った場合の溶接継手性状を溶接部の断面図として示す図（ａ）〜（ｃ）である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザアークハイブリッド溶接方法に適用されるレーザアークハイブリッド溶接装置を示している。

図１に部分的に示すように、このレーザアークハイブリッド溶接装置１は、アーク溶接機１０とレーザ溶接機２０とから構成されており、アーク溶接機１０は、被溶接部材である金属板Ｓ，Ｓ（例えば、ＳＭ４９０鋼）の溶接部Ｗに対して溶接トーチ１２の先端から溶接ワイヤ１４を斜めに送り出すようにして構成されている。一方、レーザ溶接機２０は、レーザ発振機（図示せず）から供給されるレーザビームＬＢをレーザ照射ヘッド２２で集光して金属板Ｓ，Ｓの溶接部Ｗに照射するように構成されている。

このように構成されたレーザアークハイブリッド溶接装置１において、金属板Ｓ，Ｓは、互いの間に位置する溶接部Ｗの連続する溶接線が溶接ワイヤ１４の先端とレーザビームＬＢの集光点とを結ぶ線と一致するようにセットされ、図中の矢印方向に送られてアーク溶接及びレーザ溶接の順に溶接が施工される。つまり、このレーザアークハイブリッド溶接装置１は、一対の金属板Ｓ，Ｓの突合わせ溶接を行うことが可能に構成されている。

このレーザアークハイブリッド溶接装置１を用いてレーザアークハイブリッド溶接を行うに際しては、アーク溶接の溶接条件とレーザ溶接の溶接条件とが適宜設定される。

この際、レーザ入熱量を多く設定すると、すなわち、レーザ及びアークの総入熱量に対するレーザ入熱量の比率であるレーザ入熱比を大きくすると、アンダーフィルが生じ易くなる。また、アーク電流を増加させて施工裕度を拡大しようとすると、溶接ワイヤの送給量が多くなって不要な余盛が増加することとなり、さらに、レーザ出力を下げてレーザ入熱比を小さくすると、溶け込み深さが減少すると共に総入熱量が不足して、裏波不足といった施工不良が生じる。

そこで、上記したレーザアークハイブリッド溶接装置１を用いて行うレーザアークハイブリッド溶接では、まず、金属板Ｓ，Ｓの板厚ｔに基づいてレーザ溶接のレーザ出力を決定すると共に、金属板Ｓ，Ｓ間のルート間隔ｇに基づいてアーク溶接のワイヤ送給量及びアーク電流を決定する。

続いて、金属板Ｓ，Ｓの板厚ｔに基づいて決定したレーザ溶接のレーザ出力及びルート間隔ｇに基づいて決定したアーク溶接のアーク電流に基づいてアーク溶接のアーク電圧を決定する。

そして、レーザ出力，ワイヤ送給量及びアーク電流を各々決定された値に保ったままアーク電圧を決定した値に調整して、アーク入熱量を増加させてレーザ入熱比を小さく設定するようにしている。

図２（ａ）のグラフでは、アーク電流（Ａ）とアーク電圧（Ｖ）とアーク入熱との関係を示しているが、このグラフにおいて、○印，×印及び△印は、アーク電圧（Ｖ）を設定値に対して増減させた割合を表している。○印はアーク電圧（Ｖ）を設定値に対して１５〜３０％増した場合を表し、×印はアーク電圧（Ｖ）を変化させない場合を表し、△印はアーク電圧（Ｖ）を設定値に対して２５〜３０％減らした場合を表しており、○印，×印及び△印の各大きさの大小は、アーク入熱量（電流×電圧）の違いを表している。

また、図２（ｂ）のグラフでは、アーク電流とアーク入熱比率と余盛の大きさとの関係を示し、図２（ｃ）のグラフでは、アーク電流とアーク入熱比率と裏波の大きさとの関係を示しており、これらのグラフにおいて、○印，×印及び△印の各大きさの大小は、それぞれ余盛及び裏波の大きさの違いを表している。

したがって、図２（ａ）〜（ｃ）から、レーザ出力を例えば５ｋＷに保つと共に、ワイヤ送給量及びアーク電流を各々決定された値に保ったままアーク電圧を決定した値に調整すれば、余盛及び裏波の各大きさをコントロールし得ることが判る。

そこで、上記レーザアークハイブリッド溶接装置１を用いて、表１に示す４通りの溶接条件でレーザアークハイブリッド溶接を行った場合の溶接継手性状を溶接部の断面図として図３及び図４に示す。

従来から基準とされるレーザ入熱量が過多気味の溶接条件でレーザアークハイブリッド溶接を行った場合には、図４（ａ）に示すように、アンダーフィルが生じ、また、アーク電流を大きくした溶接条件でレーザアークハイブリッド溶接を行った場合には、図４（ｂ）に示すように、余盛が過多となり、さらに、レーザ出力を絞った溶接条件でレーザアークハイブリッド溶接を行った場合には、図４（ｃ）に示すように、裏波不足が発生した。

これに対して、この実施形態に係るレーザアークハイブリッド溶接方法で溶接を行った場合には、すなわち、レーザ出力，ワイヤ送給量及びアーク電流を各々決定された値に保ったまま、アーク電圧を決定した値に調整して（大きくして）、アーク入熱量を増加させた溶接条件でレーザアークハイブリッド溶接を行った場合には、図３に示すように、良好な溶け込み状態及びビード形状が得られることが確認された。

したがって、この実施形態に係るレーザアークハイブリッド溶接方法では、施工不良を生じさせることなく、良好な形状のビードが得られることが実証できた。

本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法の構成は、上記した実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

１レーザアークハイブリッド溶接装置
１０アーク溶接機
２０レーザ溶接機
ｇルート間隔
ｔ金属板の板厚
ＬＢレーザビーム
Ｓ金属板

Claims

アーク溶接とレーザ溶接とを合わせて金属板同士の溶接接合を行うレーザアークハイブリッド溶接方法であって、
前記金属板の板厚に基づいてレーザ溶接のレーザ出力を決定すると共に、前記金属板間のルート間隔に基づいてアーク溶接のワイヤ送給量及びアーク電流を決定し、
続いて、前記金属板の板厚に基づいて決定したレーザ溶接のレーザ出力及び前記ルート間隔に基づいて決定したアーク溶接のアーク電流に基づいてアーク溶接のアーク電圧を決定し、
前記レーザ出力，ワイヤ送給量及びアーク電流を各々決定された値に保ったまま前記アーク電圧を決定した値に調整して、アーク入熱量を増加させてレーザ入熱比を小さくする
ことを特徴とするレーザアークハイブリッド溶接方法。