JP4848921B2 - 複合溶接方法と複合溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、被溶接物にレーザビームの照射とアーク溶接行う複合溶接方法と複合溶接装置に関するものである。

レーザ溶接は、高エネルギー密度熱源であるため、熱影響部の狭い高速溶接が可能である。しかし、被溶接物間にギャップがあると、レーザビームがそのギャップから抜けてしまい、被溶接物を加熱できなくなる恐れがある。この問題点を克服するために、溶接プロセスからのアプローチとしてはフィラーを採用する方法とアーク溶接と複合する方法とがある。前者では、ギャップ裕度を向上させることができるものの、フィラーを溶融するのに十分なエネルギーが必要なため、レーザ溶接単独より高い出力のレーザを要求する。その結果、装置全体のコストが増加してしまう。一方、後者では、消耗電極方式のアークを被溶接物の溶接位置に発生させるアーク溶接を採用すれば、広いギャップ裕度が得られる。この種の技術として、ＭＩＧアーク溶接とレーザ溶接との複合溶接方法がある（例えば特許文献１参照）。

このような複合溶接では、レーザ溶接とアーク溶接とをいかに設置するかは、非常に重要である。例えば、レーザ溶接とアーク溶接との配置によっては被溶接物の溶込みが異なってくる（例えば非特許文献１参照）。

したがってレーザ溶接とアーク溶接との設置方法については、従来から多数の提案があった。例えば、レーザ照射位置とアーク狙い位置とを０．５ｍｍ〜５ｍｍ離すよう設置したほうがよいというもの（例えば特許文献１参照）、溶接方向に対して前方にレーザ、後方にアークを配置し、レーザ照射とアーク放電との間隔をアークがレーザと干渉しないよう設置したほうがよいとしているもの（例えば特許文献２参照）があった。

前記従来の提案には、被溶接物の溶融または溶接速度に視点を置いてなされたものはほとんどであり、ワイヤの溶融の視点から提案されたものはなかった。

また、通常、レーザ溶接ではレーザ照射の面積が小さいので、この点からは小さな溶融池しか作らない。一方、アーク溶接ではアーク放電の面積が大きく、それによって形成する溶融池のサイズも大きくなる。

複合溶接の溶融池はどちらかというとアーク溶接の溶融池に近い（例えば非特許文献１、２参照）。溶融池が大きいことは被溶接への投入熱量が多いことを意味し、溶接継手に大きな熱変形がもたらす恐れがある。施工上許される限り、できるだけ溶融池の大きさを減少させることが望ましい。レーザ溶接と比較してアーク溶接の溶融池のサイズが大きいので、複合溶接では溶融池のサイズを小さくするには、アーク溶接の溶融池のサイズを小さくすることが有効である。アーク溶接の溶融池のサイズを小さくするためには、アーク電流を小さくする必要がある。しかし、消耗電極アーク溶接ではアーク電流を小さくすることは、ワイヤ供給速度をも同時に小さくすることを意味する。その結果、単位溶接線長さの溶着金属量が減少し、所定の継手強度が得られなくなる恐れがある（例えば非特許文献３参照）。

上述の通り、従来の複合溶接ではギャップ裕度を広げることはできるものの、溶融池の大きさを減少させることは困難であった。
特開２００２−１０３０６９号公報 特開２００２−３４６７７７号公報 片山聖二、内海怜、水谷正海、王静波、藤井孝治、アルミニウム合金のＹＡＧレーザ・ＭＩＧハイブリッド溶接における溶込み特性とポロシティの防止機構、軽金属溶接、４４、３（２００６） 江口法孝、松本剛、江間光弘、笹部誠二、レーザ・アークハイブリッド溶接のアルミニウム合金継手特性、溶接学会全国大会講演概要、第７１集、２００２−１０ 社団法人溶接学会、溶接アーク物理研究委員会編、溶接プロセスの物理、黒木出版社、１９９６

従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、アーク放電による溶融池の大きさを減少させる複合溶接方法と複合溶接装置を提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射し、前記溶接位置に溶接ワイヤを送給して被溶接物との間でアーク溶接する複合溶接方法において、前記レーザビームの光軸と被溶接物の交点と前記送給方向の中心軸と被溶接物の交点とが前記溶接位置に生じる溶融池内に重ならないように位置し、かつ、前記レーザビームの光軸と前記送給方向の中心軸が交わる位置に前記レーザビームの光軸と前記送給方向の中心軸を配置して被溶接物を溶接する複合溶接方法、または、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射する集光光学系と、前記溶接位置に溶接ワイヤを送給するトーチ及びワイヤ送給手段と、前記被溶接物と溶接ワイヤの間に溶接電力を供給するアーク発生手段を備え、前記レーザビームの光軸と被溶接物の交点と前記送給方向の中心軸と被溶接物の交点とが前記溶接位置に生じる溶融池内に重ならない位置で、かつ、前記レーザビームの光軸と前記送給方向の中心軸が交わる位置に前記レーザビームの光軸と前記送給方向の中心軸を配置した複合溶接装置である。

このように被溶接物に供給する溶接ワイヤにレーザビームを照射するよう前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸を配置し、レーザビームで溶接ワイヤを直接溶融することによってワイヤ溶融に必要なアーク電流を減少させ、アークによる溶融池の大きさを減少させることができる。

以上のように本発明は、被溶接物に供給するワイヤにレーザビームが直接に照射するよう前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とを配置し、レーザビームでワイヤを直接溶融することによってワイヤ溶融に必要なアーク電流を減少させ、アークによる溶融池の大きさを減少させることができる。

（実施の形態１）
図８は複合溶接装置の構成を示すブロック図である。１はレーザ発生手段で、レーザ発振器２とレーザ伝送手段３と集光光学系４とからなり、レーザビーム５を被溶接物６の溶接位置に照射する。

前記レーザ発振器２は、制御手段１２によってそのレーザ出力値及びレーザ出力タイミングを自由に制御することができる。前記レーザ伝送手段３は、光ファイバーであってもよく、レンズによって組み合わせた伝送系であってもよい。前記集光光学系４は、一枚あるいは複数のレンズから構成されてもよい。７は溶接ワイヤで、ワイヤ送給手段８によってトーチ９を通して前記被溶接物６の溶接位置に送給される。１０はアーク発生手段で、溶接開始時には前記ワイヤ送給手段８を制御し、前記トーチ９を通して前記溶接ワイヤ７を前記被溶接物６の溶接位置に向かって送給し、前記溶接ワイヤ７と前記被溶接物６との間に溶接アーク１１を発生するよう制御するが、溶接終了時には前記溶接ワイヤ送給手段８による溶接ワイヤ７の送給を停止させると共に、前記溶接アーク１１を停止するよう制御する。前記アーク発生手段１０は、制御手段１２によってその出力値及び出力タイミングを自由に制御することができる。この制御手段１２は、図示していないが、外部から溶接開始または溶接終了命令を受け、前記レーザ発生手段１と前記アーク発生手段１０とを制御する。前記制御手段１２は、前記レーザ発生手段１から発生するレーザビーム５の照射タイミングとその出力とを制御すると共に、前記アーク発生手段１０から発生する溶接アーク１１の放電タイミングとその出力とを制御する。なお、前記制御手段１２として、コンピュータを使用してもよいが、コンピュータのような演算機能を有する部品、デバイス、装置あるいはそれらの組み合わせを使用してもよい。また、前記制御手段１２として、ロボットを使用してもよい。詳細の説明を省略するが、ロボットを使用する場合は、前記ロボットのマニピュレータ部に前記集光光学系４と前記トーチ１１とを固定して使用することができる。このように構成された従来の複合溶接装置の動作としては、溶接開始時には、溶接開始命令を受けた制御手段１２はレーザ発生手段１にレーザ溶接開始信号を送り、レーザビームの照射を開始すると共に、アーク発生手段１０にアーク溶接開始信号を送り、アーク放電を開始するが、溶接終了時には、溶接終了命令を受けた制御手段１２はレーザ発生手段１にレーザ溶接終了信号を送り、レーザビームの照射を終了すると共に、アーク発生手段１０にアーク溶接終了信号を送り、アーク放電を終了する。前記レーザ溶接と前記アーク溶接との溶接開始または溶接終了タイミングとレーザ溶接のレーザ出力またはアーク溶接のアーク出力とは、予め前記制御手段１２にセットされたシーケンスに応じて動作することができる。

図１は本発明の実施の形態１における複合溶接方法または複合溶接装置のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図である。

図１では、図８における構成のうち、被溶接物６近傍、すなわちトーチ９先端部分およびレーザビーム５の焦点近傍を示すもので、９ａは、トーチ９の先端に取り付けられ、ワイヤ７に電力を供給する給電チップである。ａａ’はレーザビーム５の光軸であり、ｂｂ’は前記溶接ワイヤ７の中心軸である。ｃｃ’は、被溶接物６の表面にあり、溶接しようとする溶接線である。１３は、前記溶接線ｃｃ’に形成されうる溶融池である。Ａは、前記溶接線ｃｃ’の上にあり、前記光軸ａａ’と被溶接物６との交点を示すレーザ照射位置である。Ｂは、前記溶接線ｃｃ’の上にあり、前記溶接ワイヤ７の中心軸ｂｂ’と前記被溶接物６との交点を示すワイヤ狙い位置である。Ｃは前記溶接ワイヤ７の表面にあり、直接に前記レーザビーム５の照射を受ける照射領域の中で、前記給電チップ９ａの先端から最も近い位置を示すレーザ照射先端位置である。Ｌ１は、前記レーザ照射位置Ａと前記ワイヤ狙い位置Ｂとの前記被溶接物６の表面における距離を示すレーザ・アーク間距離である。Ｌ２は、前記給電チップ９ａの先端から前記ワイヤ狙い位置Ｂまでの距離を示す電極・母材間距離である。Ｌ３は、前記ワイヤ狙い位置Ｂと前記レーザ照射先端位置Ｃとの間の距離、すなわち前記溶接ワイヤ７が前記給電チップ９ａの先端から前記ワイヤ狙い位置Ｂに供給されるまでの間に、前記レーザビーム５の直接照射を受ける長さを示すレーザ照射長さである。Ｌ４は、前記給電チップ９ａの先端から供給された溶接ワイヤの中で、前記レーザビーム５の直接照射を受けない部分の長さを示すレーザ非照射長さである。

上記実施の形態の動作について説明する。溶接開始時と溶接終了時との動作について、図２を参照しつつ説明する。図２は、実施の形態１における複合溶接方法または複合溶接装置のアーク出力とレーザ出力との動作タイミングを示す模式図である。

溶接開始時には、制御手段１２は、アーク発生手段１０にアーク溶接開始信号を送り、ｔ１時点においてアーク溶接を開始させるが、その後Δｔ１期間だけ経過後にレーザ発生手段１にレーザ溶接開始信号を送り、ｔ２時点においてレーザ溶接を開始させることによって溶接を開始する。前述の通り、レーザ溶接より先にアーク溶接を開始させていることは、特徴である。これは、仮にレーザ溶接を開始してからアーク溶接を開始させると、被溶接物６に向かって供給される溶接ワイヤ７は前記被溶接物６に接触してアーク１１を発生する前に前記レーザビーム５の直接照射を受けて溶融してしまい、正常にアーク溶接を開始させることができなくなる恐れがあるためである。

一方、溶接終了時には、制御手段１２は、レーザ発生手段１にレーザ溶接終了信号を送り、ｔ３時点においてレーザ溶接を終了させるが、その後Δｔ２期間だけ経過後にアーク発生手段１０にアーク溶接終了信号を送り、ｔ４時点においてアーク溶接を終了させることによって溶接を終了する。これは、通常、溶接を終了させる時にはトーチ９を止める操作が必要であるが、前記トーチ９が止まった状態でアーク１１よりレーザビーム５を長く照射すると、被溶接物６における溶込み深さが増加しすぎ、そのため溶落ちが発生してしまう恐れがあるためである。前記Δｔ１期間及びΔｔ２期間は、被溶接物６の材質及び板厚と、アーク溶接の溶接条件と、レーザ溶接の溶接条件とによって調整することができる。

溶接が開始してから終了するまでの本溶接期間の動作について、図３を参照して説明する。図３は、実施の形態１における複合溶接方法または複合溶接装置の溶接開始後のワイヤ溶融及びアーク形態を示す模式図である。なお、図１に示す内容と同様の構成及び動作と作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。Ｄは、アーク１１が発生してからの溶接ワイヤ７の先端の位置を示すワイヤ先端である。Ｌ５は、前記アーク１１の長さを示すアーク長である。Ｌ６は、チップ９ａの先端から前記ワイヤ先端Ｄまでの距離であり、すなわちワイヤ突出し長さである。図の例では、前記アーク長Ｌ５がレーザ照射長さＬ３より短く描いている。実際の複合溶接では、図３に示すアーク長Ｌ５は、アーク溶接方法と前記溶接ワイヤ７の材質とが決まると、前記溶接ワイヤ７の供給速度と、レーザビーム５の出力と、複合溶接のアーク電流と、複合溶接のアーク電圧とによって決まる。良好な複合溶接を得るためには、前記アーク長Ｌ５を所定の範囲に制御することが重要である。

溶接ワイヤ７の供給速度が一定の場合において、アーク長Ｌ５とレーザビーム５のレーザ出力Ｐ_{ＬＡＳＥＲ}とアーク電流Ｉ_ＡＲＣとの関係について、図４を参照して説明する。図４は、同実施の形態１におけるレーザ出力とアーク長とアーク電流との相関関係を示す模式図である。Ｌ５はアーク長であり、Ｌ_ＡＲＣ１とＬ_ＡＲＣ２とはアーク溶接単独時のアーク単独時アーク長である。Ｉ_ＡＲＣはアーク電流であり、Ｉ_ＡＲＣ１はアーク溶接単独時のアーク単独時アーク電流である。アーク溶接単独では、前記アーク単独時アーク長Ｌ_ＡＲＣ１またはＬ_ＡＲＣ２とは、前記アーク単独時アーク電流Ｉ_ＡＲＣ１と、後述するが、アーク単独溶接時のアーク単独時アーク電圧によって決まる。例えば、アーク単独溶接時のアーク長Ｌ５がアーク単独時アーク長Ｌ_ＡＲＣ２になるようにアーク単独時アーク電圧を選択すると、前記アーク単独時アーク長Ｌ_ＡＲＣ２は、レーザ照射長さＬ３より長い。これは、溶接開始してからレーザビーム５を照射しても前記レーザビーム５が直接に溶接ワイヤ７に照射することがないことを意味する。この場合、アーク１１の長さは、図４に示す曲線Ｃ１の通りとなるので、レーザ出力Ｐ_{ＬＡＳＥＲ}の影響を受けない。一方、アーク単独溶接時のアーク長Ｌ５が前記レーザ照射長さＬ３より小さくなるようアーク単独時アーク電圧を選択した場合、例えば、アーク単独時アーク長Ｌ_ＡＲＣ１になるよう前記アーク単独時アーク電圧を選択し、なお、レーザ出力Ｐ_Ａのレーザビーム５を照射した場合の複合溶接について考える。説明のため、この時、アーク長Ｌ５はアーク単独時アーク長動作点Ｅにあり、アーク電流Ｉ_ＡＲＣはアーク単独時アーク電流動作点Ｅ’にあるとする。アーク単独時アーク長Ｌ_ＡＲＣ１がレーザ照射長さＬ３より短いため、レーザビーム５の照射が開始してから、溶接ワイヤ７はレーザビーム５の直生照射を受け、アーク溶接単独時より速い速度で溶融する。その結果、アーク長Ｌ５は、アーク単独時アーク長動作点Ｅから矢印Ｇの方向に曲線Ｃ２に沿って複合溶接時アーク長動作点Ｆに移動し、複合溶接時アーク長Ｌ_ＡＲＣＡとなる。言うまでもなく、複合溶接時アーク長Ｌ_ＡＲＣＡはアーク単独時アーク長Ｌ_ＡＲＣ１より長い。同様に、アーク電流Ｉ_ＡＲＣは、アーク単独時アーク電流動作点Ｅ’から矢印Ｈの方向に曲線Ｃ３に沿って複合溶接時アーク電流動作点Ｆ’に移動し、複合溶接時アーク電流Ｉ_ＡＲＣＡとなる。

以上に示すように、レーザ出力Ｐ_Ａを照射することによって、実際のアーク電流Ｉ_ＡＲＣを差電流ΔＩ_Ａ分だけ下げることができる。その結果、アーク１１による入熱を下げることができ、アーク１１による溶融池の大きさを減少させることができる。

前記図４のアーク長Ｌ５とアーク電流Ｉ_ＡＲＣとレーザビーム５のレーザ出力Ｐ_{ＬＡＳＥＲ}との相関関係と同様に、アーク電流Ｉ_ＡＲＣとアーク電圧Ｖ_ＡＲＣとワイヤ供給速度Ｖ_Ｍとの間に相関関係がある。その内容について、図５を参照して説明する。

図５は、同実施の形態１におけるアーク電流とアーク電圧とワイヤ供給速度との相関関係を示す模式図である。なお、図４に示す内容と同様の構成及び動作と作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。図５において、Ｖ_ＡＲＣはアーク長であり、Ｖ_Ｍはワイヤ供給速度である。Ｖ_ＡＲＣ１はアーク溶接単独時のアーク単独時アーク電圧であり、Ｖ_ＡＲＣＡは複合溶接時の複合溶接時アーク電圧である。溶接時の動作は、以下の通りである。Ｊは曲線Ｃ４におけるアーク単独時ワイヤ供給速度動作点であり、Ｊ’は前記動作点Ｊと対応する、曲線Ｃ５におけるアーク単独時アーク電圧動作点である。図４に示す通り、溶接ワイヤ７にレーザ出力Ｐ_Ａのレーザビーム５を照射すると、同一のワイヤ供給速度Ｖ_Ｍでは、差電流ΔＩ_Ａだけアーク電流が低下する。その結果、ワイヤ供給速度Ｖ_Ｍは、アーク単独時ワイヤ供給速度動作点Ｊから矢印Ｌの方向に曲線６における複合溶接時ワイヤ供給速度動作点Ｋに移動する。この時、アーク電圧Ｖ_ＡＲＣは、曲線Ｃ５おけるアーク溶接単独時アーク電圧動作点Ｋ’’ではなく、矢印Ｍの方向に曲線７における複合溶接時アーク電圧動作点Ｋ’に移動する。この時のアーク電圧Ｖ_ＡＲＣは、複合溶接時アーク電圧Ｖ _ＡＲＣＡ となる。これは、前述の通り、ワイヤ７がレーザビーム５の直接照射を受け、アーク溶接単独時より速く溶融するためである。また、使用するレーザ溶接またはアーク溶接の条件によっては、前記アーク電圧Ｖ_ＡＲＣは、曲線Ｃ８おける複合溶接時アーク電圧動作点Ｋ’’’に移動することも可能である。

図４における曲線２と曲線３との相関関係について説明する。通常のアーク溶接または複合溶接では、良好な溶接を得るためには、ワイヤ供給速度Ｖ_Ｍと前記ワイヤ７の溶融速度とを等しくなるよう制御する必要がある。非特許文献３に示すアーク溶接単独時のワイヤ７の溶融速度の数式に基づき、（数１）に示すワイヤ供給速度Ｖ_Ｍとアーク電流Ｉ_Ａとの関係を得ることができる。

但し、Ｉ_Ａはアーク単独時アーク電流である。Ｅ_Ｘはワイヤ突出し長さであり、図３に示すＬ６と同等である。αとβとは比例定数であり、非特許文献３によると、ワイヤの材質や径、シールドガスなどによって変化する。前記（数１）において概略的には、右側の第１項はアーク１１によるワイヤ７の溶融への寄与、第２項はワイヤ７の突出し長さＬ６の部分の抵抗発熱による前記ワイヤ７の溶融への寄与を表す。

一方、レーザビーム５を直接ワイヤ７に照射した場合の前記ワイヤ７の溶融挙動を考えると、前記数式１の右側にレーザビーム５の照射による前記ワイヤ７の溶融への寄与を考慮すればよい。すなわち、発明の実施の形態１における複合溶接のワイヤ供給速度Ｖ_Ｍと複合溶接のアーク電流Ｉ_ＡＨとの関係を、（数２）の通り表すことができる。

但し、Ｉ_ＡＨは複合溶接時アーク電流であり、Ｅ_ＸＨはワイヤ突出し長さであり、Ｐ_{ＬＡＳＥＲ}はレーザ出力である。γは比例定数であり、ワイヤの材質や径、直接レーザビーム７の照射を受ける前記ワイヤ７の長さ、ワイヤ７の供給速度と関連するレーザ照射時間、レーザビーム７の広がり角度とその強度分布、図１に示す設置方法、などによって変化する。（数１）と（数２）との一元二次方程式を解き、なお、両者を比較することによって、図４に示す差電流ΔＩ_Ａを求める（数３）を得ることができる。

実際の溶接では、アーク単独溶接と複合溶接との両方ともアーク電圧またはアーク長を一定の範囲に維持することが望ましい。なお、図３に示すように、ワイヤ突出し長さＬ６と比較してアーク長Ｌ５が非常に短い。したがって、前記（数３）においてアーク溶接単独時の突出し長さＥ_Ｘと複合溶接時の突出し長さＥ_ＸＨとを近似的に等しく仮定しても差し支えない。したがって、Ｅ_Ｘ＝Ｅ_ＸＨとすることによって、より簡略化した（数４）を得ることができる。

（数４）によると、複合溶接ではレーザ出力Ｐ_{ＬＡＳＥＲ}を増加することによって差電流ΔＩ_Ａを増加させることができる。但し、図４に示すように、差電流ΔＩ_Ａは無限に増加できるものではなく、限界差電流ΔＩ_ＡＴＨがある。前記限界差電流ΔＩ_ＡＴＨについて説明する。レーザ出力Ｐ_{ＬＡＳＥＲ}を増加させると、アーク長Ｌ５が増加するが、チップ・母材間距離Ｌ２が一定なので、ワイヤ突出し長さＬ６が短くなる。溶接ワイヤ７の先端部分において直接にレーザビーム５の照射を受ける長さは（Ｌ６−Ｌ５）なので、アーク長Ｌ５が増加すると、レーザビーム５の直接照射を受けるワイヤ７の長さが短くなる。これは、（数３）ではγ値が小さくなることに相当する。その結果、レーザ出力Ｐ_{ＬＡＳＥＲ}の増加と共にγ値が低下する。ワイヤ突出し長さＬ６がレーザ非照射長さＬ４とほぼ等しくなった場合、γ値もほとんど０まで低下する。
したがって、これ以上レーザ出力Ｐ_{ＬＡＳＥＲ}を増加しても、アーク電流Ｉ_ＡＲＣの低下がなくなる。この時の差電流は、限界差電流ΔＩ_ＡＴＨとなる。但し、厳密には、ワイヤ突出し長さＬ６がレーザ非照射長さＬ４と完全に等しくなることはない。これは、溶接ワイヤ７がレーザビーム５の照射を受けてから溶融するまでに時間が必要なためである。
すなわち、図４に示すように、どんなにレーザ出力Ｐ_{ＬＡＳＥＲ}を増やしても複合溶接のアーク長Ｌ５は、レーザ照射長さＬ３より常にレーザ加熱過渡長さＬ７分だけ短い。

図６に、アルミ合金のＭＩＧアーク溶接と半導体レーザ溶接との複合溶接において、レーザ出力を１．８ｋＷに固定した場合に測定したワイヤ溶融速度Ｖ_Ｍとアーク電流Ｉ_ＡＲＣとの実測値を示す。同一のワイヤ溶融速度Ｖ_Ｍであると、Ｌ１＝４ｍｍの場合は、Ｌ１＝０ｍｍあるいはＭＩＧアーク溶接単独のアーク電流Ｉ_ＡＲＣより低いことがわかる。これは、前述の通り、ワイヤ７に対するレーザビーム５の直接照射によるアーク電流の低下の結果である。

本実施の形態では、図１から図６に示すように、被溶接物に供給する溶接ワイヤにレーザビームが直接に照射するよう前記レーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とを配置し、レーザビームでワイヤを直接溶融することによってワイヤ溶融に必要なアーク電流を減少させ、アークによる溶融池の大きさを減少させることができる。

また、上記実施の形態では、溶接開始時には前記アーク溶接のアーク放電が開始してからレーザ溶接のレーザ照射を開始するが、溶接終了時には前記レーザ溶接のレーザ照射を終了してからアーク溶接のアーク放電を終了することによって同様の効果を得ることができる。

また、上記の実施の形態では、アーク溶接に使用するワイヤが鉄を主成分とするワイヤでは銅めっきのないワイヤを使用することによって同様の効果を得ることができる。これは、通常、鉄を主成分とする溶接ワイヤのめっき材に使用する材料は銅が多いが、銅めっきのない溶接ワイヤを使用することによってレーザビーム５に対する吸収をめっきワイヤ表面の銅より高めることが可能であり、溶接ワイヤ７の溶融をよりしやすくすることができるためである。

また、上記の実施の形態では、アーク溶接に使用する溶接ワイヤがＡｌ−Ｍｇ合金系アルミニウムワイヤではＭｇの量を通常のアーク溶接用ワイヤの添加元素量の１．０５から１．２倍含有させることによって同様の効果を得ることができる。これは、以下の原因による。図１に示すように、溶接中に溶接ワイヤ７の先端がアーク１１による加熱のみではなく、レーザビーム５による加熱をも受ける。レーザ出力Ｐ_{ＬＡＳＥＲ}が高く、または同一のレーザ出力Ｐ_{ＬＡＳＥＲ}であってもレーザビーム５の径が細い場合は、レーザビーム５のパワー密度（溶接ワイヤ７の表面における、単位面積当りのレーザ出力Ｐ_{ＬＡＳＥＲ}）が高い。前記溶接ワイヤ７の先端に形成される溶融金属に含まれるＭｇは、パワー密度の高いレーザビーム５による加熱を受けるので、その蒸発は通常のアーク溶接単独時と比較し激しくなる。その結果、複合溶接の溶着金属部におけるＭｇ含有量は、通常のアーク単独溶接と比較して低下してしまい、所定の継手性能が得られることになってしまうためである。

（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２における複合溶接方法または複合溶接装置のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図である。

なお、図１に示す内容と同様の構成及び動作と作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。ａａ’はレーザビーム５の光軸であり、ｂｂ’は溶接ワイヤ７の中心軸である。ｃｃ’は、被溶接物６の表面にあり、溶接しようとする溶接線である。太い矢印で示したのは、溶接方向である。θ_Ｌは、前記光軸ａａ’と前記溶接線ｃｃ’との前記溶接方向になす角度、レーザビーム傾斜角である。θ_Ａは、前記中心軸ｂｂ’と前記溶接線ｃｃ’との前記溶接方向になす角度、ワイヤ傾斜角である。図１に示す模式図と比較して図７に示す模式図では、レーザビーム５の傾斜方向が異なる以外に、その他の構成は同様である。そうすることによっても、前記実施の形態１における複合溶接方法または溶接装置と同様の効果を実現することができる。なお、図７に示すように、レーザビーム傾斜角θ_Ｌとワイヤ傾斜角θ_Ｌとは共に鋭角または鈍角であるので、前記光軸ａａ’と中心軸ｂｂ’とのなす角度が小さく、狭い場所での溶接施工が容易である。

図７において、レーザビーム傾斜角θ_Ｌとワイヤ傾斜角θ_Ｌとを鋭角に書いたが、言うまでもなく、鈍角であってもよい。なお、溶接方向としては太い矢印の方向と書いたが、その反対方向であてもよく、この時でも前記レーザビーム傾斜角θ_Ｌとワイヤ傾斜角θ_Ｌとは鈍角であってもよい。

本実施の形態では、図７に示すように、被溶接物に供給する溶接ワイヤにレーザビームが直接に照射するよう前記レーザビームの光軸と前記溶接ワイヤの中心軸とを配置し、レーザビームで溶接ワイヤを直接溶融すると共に、レーザビームの光軸と溶接線との溶接方向になす角度と、溶接ワイヤの中心軸と溶接線との溶接方向になす角度とを共に鋭角または鈍角とすることによってワイヤ溶融に必要なアーク電流を減少させ、アークによる溶融池の大きさを減少させることができるのみではなく、狭い場所での溶接施工を容易にすることができる。

また、上記の実施の形態１または実施の形態２では、溶接方向としては被溶接物表面におけるレーザビームの照射位置またはワイヤ狙い位置のいずれかが先行してもよい。

以上のように本発明によれば、ワイヤ溶融に必要なアーク電流を減少させ、アークによる溶融池の大きさを減少させることができる複合溶接方法と複合溶接装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における複合溶接方法または複合溶接装置のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図 同実施の形態１における複合溶接方法または複合溶接装置のアーク出力とレーザ出力との動作タイミングを示す模式図 同実施の形態１における複合溶接方法または複合溶接装置の溶接開始後のワイヤ溶融及びアーク形態を示す模式図 同実施の形態１におけるレーザ出力とアーク長とアーク電流との相関関係を示す模式図 同実施の形態１におけるアーク電流とアーク電圧とワイヤ供給速度との相関関係を示す模式図 アルミ合金のＭＩＧアーク溶接と半導体レーザ溶接との複合溶接において、レーザ出力を１．８ｋＷに固定した場合に測定したワイヤ溶融速度とアーク電流の実測値を示すグラフ 本発明の実施の形態２における複合溶接方法または複合溶接装置のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図 複合溶接装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１ レーザ発生手段
２ レーザ発振器
３ レーザ伝送手段
４ 集光光学系
５ レーザビーム
６ 被溶接物
７ ワイヤ
８ ワイヤ送給手段
９ トーチ
９ａ 給電チップ
１０ アーク発生手段
１１ アーク
１２ 制御手段
１３ 溶融池輪郭
ｔ１ 時間
ｔ２ 時間
ｔ３ 時間
ｔ４ 時間
ａａ’ 光軸
ｂｂ’ ワイヤ中心軸
ｃｃ’ 溶接線
Ａ レーザ照射位置
Ｂ ワイヤ狙い位置
Ｃ レーザ照射先端位置
Ｃ１ 曲線
Ｃ２ 曲線
Ｃ３ 曲線
Ｃ４ 曲線
Ｃ５ 曲線
Ｃ６ 曲線
Ｃ７ 曲線
Ｃ８ 曲線
Ｄ ワイヤ先端
Ｅ アーク単独時アーク長動作点
Ｅ’ アーク単独時アーク電流動作点
Ｆ 複合溶接時アーク長動作点
Ｅ’ 複合溶接時アーク電流動作点
Ｇ 矢印
Ｈ 矢印
Ｊ アーク単独時ワイヤ供給速度動作点
Ｉ_ＡＲＣ アーク電流
Ｉ_ＡＲＣ１ アーク単独時アーク電流
Ｉ_ＡＲＣＡ 複合溶接時アーク電流
Ｉ_{ＡＲＣＴＨ} 限界アーク電流
Ｊ アーク単独時ワイヤ供給速度動作点
Ｊ’ アーク単独時アーク電圧動作点
Ｋ 複合溶接時ワイヤ供給速度動作点
Ｋ’ 複合溶接時アーク電圧動作点
Ｋ’’ 動作点
Ｋ’’’ 動作点
Ｌ 矢印
Ｌ１ レーザ・アーク間距離
Ｌ２ チップ・母材間距離
Ｌ３ レーザ照射長さ
Ｌ４ レーザ非照射長さ
Ｌ５ アーク長
Ｌ６ ワイヤ突出し長さ
Ｌ７ レーザ加熱過渡長さ
Ｌ_ＡＲＣ１ アーク単独時アーク長
Ｌ_ＡＲＣ２ アーク単独時アーク長
Ｌ_ＡＲＣＡ 複合溶接時アーク長
Ｍ 矢印
Ｐ_Ａ レーザ出力
Ｐ_{ＬＡＳＥＲ} レーザ出力
Ｖ_ＡＲＣ アーク電圧
Ｖ_ＡＲＣ１ アーク単独時アーク電圧
Ｖ_ＡＲＣＡ 複合溶接時アーク電圧
θ_Ｌ レーザビーム傾斜角
θ_Ａ ワイヤ傾斜角
ΔＩ_ＡＴＨ 限界差電流
ΔＩ_Ａ 差電流
ΔＩ_ＡＴＨ 限界差電流
Δｔ１ 期間
Δｔ２ 期間

Claims (11)

1. 被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射し、前記溶接位置に溶接ワイヤを送給して被溶接物との間でアーク溶接する複合溶接方法において、前記レーザビームの光軸と被溶接物の交点と前記送給方向の中心軸と被溶接物の交点とが前記溶接位置に生じる溶融池内に重ならないように位置し、かつ、前記レーザビームの光軸と前記送給方向の中心軸が交わる位置に前記レーザビームの光軸と前記送給方向の中心軸を配置して被溶接物を溶接する複合溶接方法。
2. 溶接開始時は前記アーク溶接のアーク放電が開始してからレーザビームを照射し、溶接終了時は前記レーザビームの照射を終了してからアーク溶接のアーク放電を終了する請求項１記載の複合溶接方法。
3. 前記溶接ワイヤとして鉄を主成分とするワイヤを用いる時に、銅めっきのないものを使用する請求項１または２のいずれかに記載の複合溶接方法。
4. 前記溶接ワイヤとしてＡｌ−Ｍｇ合金系アルミニウムワイヤを用いる時に、Ｍｇの量を通常のアーク溶接用ワイヤの添加元素量の１．０５から１．２倍含有させる請求項１または２に記載の複合溶接方法。
5. 前記レーザビームの光軸と溶接線との溶接方向になす角度と、前記送給方向の中心軸と溶接線との溶接方向になす角度とを共に鋭角または鈍角とする請求項１から４のいずれかに記載の複合溶接方法。
6. 溶接方向として、前記被溶接物表面におけるレーザビームの照射位置または前記溶接ワイヤ狙い位置のいずれかが先行する請求項１から５のいずれかに記載の複合溶接方法。
7. 被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射する集光光学系と、前記溶接位置に溶接ワイヤを送給するトーチ及びワイヤ送給手段と、前記被溶接物と溶接ワイヤの間に溶接電力を供給するアーク発生手段を備え、前記レーザビームの光軸と被溶接物の交点と前記送給方向の中心軸と被溶接物の交点とが前記溶接位置に生じる溶融池内に重ならない位置で、かつ、前記レーザビームの光軸と前記送給方向の中心軸が交わる位置に前記レーザビームの光軸と前記送給方向の中心軸を配置した複合溶接装置。
8. 前記溶接ワイヤとして鉄を主成分とするワイヤを用いる時に、銅めっきのないものを使用する請求項７に記載の複合溶接装置。
9. 前記溶接ワイヤとしてＡｌ−Ｍｇ合金系アルミニウムワイヤを用いる時に、Ｍｇの量を通常のアーク溶接用ワイヤの添加元素量の１．０５から１．２倍含有させる請求項７に記載の複合溶接装置。
10. 前記レーザビームの光軸と溶接線との溶接方向になす角度と、前記送給方向の中心軸と溶接線との溶接方向になす角度とを共に鋭角または鈍角とする請求項７から９のいずれかに記載の複合溶接装置。
11. 溶接方向として、前記被溶接物表面におけるレーザビームの照射位置または前記溶接ワイヤ狙い位置のいずれかが先行する請求項７から１０のいずれかに記載の複合溶接装置。