JP2002346777A

JP2002346777A - レーザ・アーク併用溶接方法

Info

Publication number: JP2002346777A
Application number: JP2001155679A
Authority: JP
Inventors: Toru Nakajima; 徹中嶋; Naoki Mitsuyanagi; 直毅三柳; Shigeyuki Sakurai; 茂行櫻井
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2001-05-24
Filing date: 2001-05-24
Publication date: 2002-12-04
Anticipated expiration: 2021-05-24
Also published as: JP4627384B2

Abstract

(57)【要約】【課題】深い溶け込みが得られるとともに、エネルギロ
スが抑制され、高品質・高能率のレーザアーク併用溶接
方法を実現する。【解決手段】レーザ４とアークとの距離を調整して、ア
ークプラズマ６がレーザ４に干渉しない値とする。これ
により、レーザ４がアークプラズマ６に吸収されること
が回避される。また、溶接時のレーザ４のフォーカス位
置をＹ開先のＶ字部底面より上方で被溶接材５の表面近
傍に調整することにより、レーザ４による深い溶け込み
エネルギを残しつつ、アーク溶接が実行される以前に被
溶接材の広い領域での加熱が行われ、開先内部までアー
ク溶接が可能となる。したがって、深い溶け込みが得ら
れるとともに、エネルギロスが抑制され、高品質・高能
率のレーザアーク併用溶接方法を実現することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザとアークと
を併用して溶接する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接は、概ね、出力１ｋＷ当たり
深さ約１ｍｍの溶け込みが得られ、高パワー密度の溶接
方法である。また、レーザ溶接は、レーザを照射した材
料表面で蒸発が起こり、その蒸発反力により、図１０に
示すように、レーザ１により形成された溶融池内に、キ
ーホールと呼ばれる幅が狭く溶込みの深い深溶込み１０
が得られる。さらに、レーザ溶接は、アーク溶接と比べ
て高速で低歪みといったことが特徴の溶接方法である。

【０００３】このレーザによる溶接は、数ｍｍ程度の厚
さの薄板材について普及しており、さらに１０ｍｍを超
えるような厚さの厚板材への適用が望まれている。

【０００４】しかしながら、世間で広く使用されている
１０ｋＷクラス以下のレーザ加工機では溶け込み深さは
１０ｍｍが限界である。

【０００５】また、大出力の２０ｋＷクラスのレーザ加
工機は非常に高価であり、仮に２０ｋＷのレーザを使用
したとしても、被溶接材の深さ２０ｍｍ程度までの溶融
が限界であり、レーザ単独で溶融を行う溶け込み深さに
は限界があった。

【０００６】このレーザ単独による限界以上の溶け込み
深さを得るために、例えば、特開昭５９−６６９９１号
公報には、レーザとアークとを併用し同時に溶接するこ
とにより、深い溶け込みを得る溶接方法が開示されてい
る。

【０００７】しかしながら、単に被溶接材の表面をレー
ザとアークとで併用し溶接すると、溶け込み深さは、図
１１に示すレーザ単独による溶接部８の溶け込み深さと
図１２に示すアーク単独による溶接部７の溶け込み深さ
とを加えた溶け込み深さより小となってしまい、図１３
に示すようなレーザ溶接とアーク溶接とを加算した場合
の溶接部１１のような溶け込み深さとはならない。

【０００８】このため、レーザとアークとを併用するこ
との目的であるレーザとアークエネルギの共有による深
溶け込みを得るという効果が得られていない。

【０００９】これは、レーザはプラズマに吸収されやす
いために被溶接材の表面で発生するアークプラスマによ
ってレーザエネルギが吸収されるためと考えられる。

【００１０】そこで、板厚方向への溶け込みの効率を良
くするための方法として、例えば、特開昭５９−６６９
９１号公報には、被溶接材に開先を形成することによ
り、プラズマを被溶接材の表面ではなく、被溶接材の深
い位置つまり開先内部で発生させることにより、深い溶
け込みを得る方法が開示されている。

【００１１】また、深い溶け込みを確保しつつ、溶接速
度を早める方法として、例えば、特開平１０−２２５７
８２号公報には、レーザ導光用のギャップを設け、その
ギャップの全長に亘ってレーザを照射し、被溶接材をレ
ーザで溶融した後に、アークで溶融した溶融金属を開先
の内部に流し込む方法が開示されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
１０−２２５７８２号公報に開示されているように、レ
ーザの後から追従するアーク熱で溶融した溶湯を開先内
部に流し込むことを目的とし、先行させるレーザをレー
ザ導光用ギャップ内部全域に照射し、開先内部をあらか
じめ加熱・溶融させておく方法では、先行するレーザの
エネルギは導光用ギャップ内部の表面加熱に大部分を費
やされ、深さ方向への貫通エネルギが不足し、深い溶け
込みを得ることが困難となっていた。

【００１３】また、特開平１０−２２５７８２号公報の
図２に示されるように、レーザとアークとの位置関係が
レーザとアークプラズマが干渉するような距離で溶融す
る方法では、先に示したように、レーザがアークプラズ
マに接した時点でプラズマによりレーザが吸収され大幅
なエネルギロスが生じるため、深い溶け込みが得られな
いばかりでなく、エネルギ効率が低かった。

【００１４】本発明の目的は、レーザとアークの併用溶
接を行う際にレーザとアークとの距離、および溶接時の
レーザのフォーカス位置を調整することにより、深い溶
け込みが得られるとともに、エネルギロスが抑制され、
高品質・高能率のレーザアーク併用溶接方法を実現する
ことである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次のように構成される。（１）レーザ照射とアーク放電とを併用して、Ｖ字形の
開口部とストレート部とを有するＹ形の開先形状部を溶
融することにより被溶接材を溶接するレーザ・アーク併
用溶接方法において、アーク放電によって発生するプラ
ズマがレーザと干渉しないように、上記Ｙ形の開先形状
部に対してレーザ照射をアーク放電に先行して行うとと
もに、レーザの焦点位置は上記Ｖ字形開口部の底部より
開口側に設定し、レーザの照射範囲を上記Ｖ字形開口部
の底部からストレート部に向けて、上記Ｙ形の開先形状
部のうちのアークプラズマが入り込めない深さの範囲に
設定する。

【００１６】（２）好ましくは、上記（１）において、
溶接方向に対して前方にレーザ照射、後方にアーク放電
を行い、レーザ照射とアーク放電との間隔を、アーク放
電によって発生するプラズマがレーザと干渉しない値と
する。

【００１７】（３）また、好ましくは、上記（１）又は
（２）において、Ｖ字形開口部の開先の表面開口幅は、
レーザが入り込むことが可能な幅以上であり、Ｖ字型開
口部のＶ字の角度は、アークが入り込むことが困難な角
度である。

【００１８】（４）また、好ましくは、上記（１）又は
（２）において、上記Ｖ字型開口部のＶ字の角度は、レ
ーザの拡がり角度以上であり、２０°以下である。

【００１９】（５）また、好ましくは、上記（１）又は
（２）において、上記レーザの焦点位置は、被溶接材の
表面位置とほぼ同等な位置に設定される。

【００２０】レーザをアークに先行して行い、レーザが
アークプラズマに干渉されないようにすることにより、
レーザによる深い溶け込みを確保することができる。

【００２１】また、溶接時のレーザのフォーカス位置を
調整することにより、被溶接材の加熱領域を拡げ、アー
クプラズマを開先の内部に引き込むことができる。

【００２２】これにより、溶接のエネルギロスが抑制さ
れ、高品質・高能率のレーザアーク併用溶接方法を実現
することができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面を参照して説明する。まず、本発明の原理について述
べる。本発明は、レーザ照射手段とアーク放電手段とを
併用して、Ｖ字状の開口部とストレート部を併せ持つＹ
型の開先形状を溶融し、被溶接材を溶接する方法におい
て、溶接方向に対し前方つまり先行する位置にレーザ照
射、後方つまり後行する位置にアーク放電を配置し、レ
ーザ照射とアーク放電との間隔をアーク放電によって発
生するプラズマがレーザと干渉しない近傍とする。

【００２４】さらに、レーザ照射範囲をＶ字状の開先の
底からアークプラズマが入り込めない深さの範囲に設定
することにより高品質で高能率のレーザ・アーク併用溶
接を行うものである。

【００２５】本発明の一実施形態においては、図１に示
すように、レーザノズル１からのレーザビーム４とアー
クトーチ２からのアークとの位置関係は、レーザビーム
４を先行させ、アークを追従させて被溶接材５を溶接す
る。被溶接材５にはレーザビーム４とともにアシストガ
ス３が供給される。

【００２６】ここで、レーザとアークとの距離は、アー
クによって発生するプラスマにレーザーエネルギが吸収
されることによるエネルギロスを防ぐために、図２に示
すように、レーザ４の照射位置をアークによって生成さ
れるプラズマ６にレーザ４が触れない程度の距離とす
る。

【００２７】この距離は、アークトーチ２の角度及び溶
接速度、アーク電流によって変わるものである。

【００２８】しかしながら、単にレーザ４をアークプラ
ズマ６に触れない程度、前方に照射するだけでは、図３
に示すように、レーザによる溶融部８とアークによる溶
融部７とが互いに分離する可能性がある。

【００２９】これは、先行するレーザのフォーカス位置
を開先の底部に設定したため生じたと考えられる。つま
り、レーザのフォーカス位置９を開先の底部に設定する
と、図４に示すように、アークに先行するレーザは開先
底部の被溶接材５の突き合わせ面にのみ照射され、この
突き合わせ面のみを加熱・溶融する。

【００３０】レーザの後を追従するアークは、開先角が
３０°以下と小さい場合には開先の内部に入り込むこと
ができず開口部付近でアークプラズマが発生する。その
結果、図３に示すように、下方にレーザによる溶融部
８、上方にアークによる溶融部７と分離した溶融断面に
なったと考えられる。

【００３１】このため、高能率・高品質なレーザ・アー
ク併用溶接を行うためには、エネルギロスを少なくし、
かつレーザ溶融部とアーク溶融部とを分離させない工夫
が必要である。

【００３２】レーザ溶融部とアーク溶融部とを分離させ
ないためには、深い溶け込みを得ることを目的とし、レ
ーザによる溶融部は、そのままの状態で（図３に示す溶
融部８の状態）開口部付近にあるアークによる溶融部を
開先の内部に引き込む方法を見つけることが必要であ
る。

【００３３】そこで、被溶接材５のＹ開先の開口部付近
のアークによる溶融金属を開先の深い位置へ引き込む手
段として、アーク溶接によって被溶接材５が溶融される
前にあらかじめ溶接する開先の内面を加熱しておくこと
が有効である。

【００３４】これは、アーク溶接の前にあらかじめ開先
内面を加熱・溶融しておくことにより溶融した金属から
金属イオンが生じ、開先内面の導電性が高まるり、その
結果、アークによって発生するプラズマをアーク単独時
のように開口部付近で発生させるのではなく、開先の内
部に引き込むことが可能となるからである。

【００３５】そこで、アーク溶接に先だって、開先内部
をあらかじめ加熱することを目的として、先行するレー
ザ４のフォーカス位置９を図５に示すように、開先の底
よりも若干上方にまたアーク単独で入り込む位置よりも
若干下方に設定する。

【００３６】そうすることにより、図５に示すように、
深さ方向への溶け込みを得るためのエネルギを残しつ
つ、Ｙ開先のＶ字形部内面の加熱・溶融もおこなう。

【００３７】その結果、先行するレーザにより深さ方向
まで溶融した溶融金属とレーザにより開先内部の加熱・
溶融効果によって、アークによる溶融金属が開先の深く
まで引き込まれ、レーザによる溶融金属とアークによる
溶融金属とが分離することなく、図６に示すように見事
につながり、溶接欠陥も無く良好な深溶け込みが可能と
なる。

【００３８】本発明の一実施形態における溶融現象を、
被溶接材５の縦断面から見ると、図７のようになってい
ると考える。この図７に示すように、先行するレーザは
追従するアークプラズマ７に触れていないためレーザエ
ネルギのロスはなく、レーザ単独での深溶込みが得られ
ている。

【００３９】さらに、レーザによる開先内部が加熱され
ために、アークプラズマが開先の内部に引込まれ、レー
ザによる溶融部とアークによる溶融部とが分離すること
なく繋がる。

【００４０】図８は、レーザとアークとの互いの距離
と、被溶接材５の溶融断面積との関係を示すグラフであ
る。図８に示すように、レーザとアークとの距離を０か
ら大としていくと、距離が２０ｍｍで約５５ｍｍ^２とな
る。そして、距離が２０ｍｍより大とすると、溶融断面
積は減少して行く。

【００４１】したがって、レーザとアークとの距離は、
２０ｍｍが最適値である。ただし、図８に示したデータ
は、レーザ出力を約５ｋＷ、開先角度を約１５°、溶接
速度を約０．８ｍ／ｍｉｎ、開先深さを約１０ｍｍ、レ
ーザの拡がり角度を約１０°、トーチの傾斜角度を約３
０°、アークトーチのワイヤ径を約１．２ｍｍ、アーク
電流を２０Ａ、レーザの焦点位置を被溶接材の表面に設
定した場合の値である。

【００４２】図９は、本発明の一実施形態におけるレー
ザアーク併用溶接を用いて得られる溶融断面積と、レー
ザ溶接単独＋アーク溶接単独で得られる溶接断面積とを
比較するグラフであり、ルートギャップを変化して得ら
れるデータを示すグラフである。なお、図９に示したデ
ータは、ルートギャップを除き、図８に示したデータを
得た条件と同様の条件で得たものである。

【００４３】図９に示すように、溶融断面積はレーザ溶
接単独＋アーク溶接単独＜レーザ・アーク併用溶接とな
り、レーザとアークとを併用した際の溶融断面積が単独
同士の和よりも大きくなる。換言すれば、レーザとアー
クとの併用溶接は、それだけ高能率な溶融が可能である
といえる。

【００４４】また、レーザ溶接単独の場合、レーザのス
ポット径が０．６ｍｍ程度とアーク照射径と比べて極め
て小さいために、被溶接材の突き合わせ面のギャップに
敏感であり、突合せ面のギャップが０．６ｍｍ程度以上
の場合には、レーザが抜けてしまっていたが、本発明の
一実施形態のように、レーザのフォーカス位置を開先の
底より上方に設定することにより、図９に示すように、
突き合わせ面のギャップが０．６ｍｍを超えても、レー
ザがギャップを通過してしまうという事態を抑制するこ
とができ、ギャップ裕度の向上も期待できる。

【００４５】その結果、通常のレーザ溶接単独では、ギ
ャップの裕度が小さいために突合せ面に機械加工を施す
必要があったが、本発明の一実施形態により、突合せ面
が、レーザ切断、プラズマ切断あるいはガス切断であっ
ても、溶接が可能となる。

【００４６】以上のように、本発明の一実施形態によれ
ば、レーザとアークとの距離を調整して、アークプラズ
マがレーザに干渉しない値とするとともに、溶接時のレ
ーザのフォーカス位置をＹ開先のＶ字部底面より上方で
被溶接材の表面近傍に調整することにより、深い溶け込
みが得られるとともに、エネルギロスが抑制され、高品
質・高能率のレーザアーク併用溶接方法を実現すること
ができる。

【００４７】なお、被溶接材の開先形状については、Ｖ
字型の表面開口幅をレーザが入り込むことが可能な幅以
上とし、アークが入り込むことが困難な角度であればよ
い。

【００４８】つまり、開先角度は、レーザ拡がり角以上
あればよいが、レーザ拡がり角が約１０°の場合は、好
ましくは、１５°以上あればよく、開先深さ１０ｍｍ程
度でアークプラズマが入り込めない２０°以下であれば
よい。

【００４９】また、レーザとアークプラズマとが干渉し
ないための、レーザノズルとアークトーチとの最小間隔
及びアークトーチの傾斜角度は、個々の装置毎に実験的
に算出することが可能である。

【００５０】また、上述した例は、溶接方向に対してレ
ーザ照射手段をアークトーチの前方に配置し、アークト
ーチによるプラズマがレーザに干渉しない位置にアーク
トーチを配置する例を示したが、アークトーチによるプ
ラズマがレーザに干渉する位置にアークトーチを配置す
る場合であっても、被溶接材を間欠的に移動して、レー
ザ照射とアーク放電とを交互に行い、レーザ照射を行っ
た後に、その部分についてアーク放電を行うようにして
も、本発明の効果を得ることができる。

【００５１】

【発明の効果】本発明により、レーザをアークに先行し
て行い、レーザがアークプラズマに干渉されないように
するとともに、溶接時のレーザのフォーカス位置を調整
することにより、深い溶け込みが得られ、アークプラズ
マを開先の内部に引き込むことができるため、溶接のエ
ネルギロスが抑制され、高品質・高能率のレーザアーク
併用溶接方法を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態におけるレーザ・アーク併
用溶接時の配置関係を示す図である。

【図２】本発明の一実施形態におけるレーザアーク併用
溶接時のレーザとアークプラズマとの位置関係を示す図
である。

【図３】レーザ溶接とアーク溶接とを併用した場合に得
られる溶融断面形状の一例をし、アーク溶接部とレーザ
溶接部とが分離してしまった状態を示す図である。

【図４】レーザのフォーカス位置を開先の底とした場合
の加熱方向を示す図である。

【図５】レーザのフォーカス位置を開先の底より上方の
位置とした場合の加熱方向を示す図である。

【図６】本発明の一実施形態によるレーザアーク併用溶
接を用いて得られる溶融断面形状を示す図である。

【図７】本発明の一実施形態における溶接時のレーザと
アークとの溶融現象の説明図である。

【図８】レーザとアークとの距離と溶融断面積との関係
を示すグラフである。

【図９】本発明の一実施形態であるレーザ・アーク併用
溶接の溶融断面積と、レーザ溶接単独にアーク溶接単独
を加えた場合の溶融断面積とを、ルートギャップを変化
させて比較したグラフである。

【図１０】レーザ溶接の説明図である。

【図１１】レーザ溶接を単独で用いた場合の溶融断面形
状を示す図である。

【図１２】アーク溶接を単独で用いた場合の溶融断面形
状を示す図である。

【図１３】レーザ溶接による溶け込み深さとアーク溶接
による溶け込み深さとを加えた溶け込み深さを有する溶
融断面形状を示す図である。

【符号の説明】

１レーザノズル２アークトーチ３アシストガス４レーザビーム５被溶接材６アークによって発生するプラズマ７アーク溶融部８レーザ溶融部９レーザの焦点位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者櫻井茂行茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB12 EA03 EA06 4E068 BC01 BE03 CA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ照射とアーク放電とを併用して、Ｖ
字形の開口部とストレート部とを有するＹ形の開先形状
部を溶融することにより被溶接材を溶接するレーザ・ア
ーク併用溶接方法において、アーク放電によって発生するプラズマがレーザと干渉し
ないように、上記Ｙ形の開先形状部に対してレーザ照射
をアーク放電に先行して行うとともに、レーザの焦点位
置は上記Ｖ字形開口部の底部より開口側に設定し、レー
ザの照射範囲を上記Ｖ字形開口部の底部からストレート
部に向けて、上記Ｙ形の開先形状部のうちのアークプラ
ズマが入り込めない深さの範囲に設定することを特徴と
するレーザ・アーク併用溶接方法。
【請求項２】請求項１記載のレーザ・アーク併用溶接方
法において、溶接方向に対して前方にレーザ照射、後方
にアーク放電を行い、レーザ照射とアーク放電との間隔
を、アーク放電によって発生するプラズマがレーザと干
渉しない値とすることを特徴とするレーザ・アーク併用
溶接方法。
【請求項３】請求項１又は２記載のレーザ・アーク溶接
方法において、Ｖ字形開口部の開先の表面開口幅は、レ
ーザが入り込むことが可能な幅以上であり、Ｖ字型開口
部のＶ字の角度は、アークが入り込むことが困難な角度
であることを特徴とするレーザ・アーク併用溶接方法。
【請求項４】請求項１又は２記載のレーザ・アーク溶接
方法において、上記Ｖ字型開口部のＶ字の角度は、レー
ザの拡がり角度以上であり、２０°以下であることを特
徴とするレーザ・アーク併用溶接方法。
【請求項５】請求項１又は２記載のレーザ・アーク溶接
方法において、上記レーザの焦点位置は、被溶接材の表
面位置とほぼ同等な位置に設定されることを特徴とする
レーザ・アーク併用溶接方法。