JP2003088968A - ワークの溶接方法 - Google Patents
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Abstract
かつ、確実にワークを溶接できる溶接方法を提供するこ
とことを目的とする。 【解決手段】 レーザ光源6からレーザ光Lをワーク
1,2に照射して、レーザ溶融プール3を形成させた直
後に、アーク溶接機7によりアーク溶融プール4を形成
させることにより板材1,2を溶接する。なお、アーク
溶接機7はフィラーワイヤを備え、ビード5を板材1に
形成させる。
Description
ームとアーク放電を用いて行われる溶接方法に関する。
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(Tu
ngstenInert 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。
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。
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。
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であることにした。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。
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。
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。
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。YA
G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、10.6
μm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。
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(T
ungsten 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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ワーク溶
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。
説明する斜視図である。
接機の配置の実施形態を説明する側面図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 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。
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