JP2003200283A - Ｙａｇレーザとアークの複合溶接方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶け込み幅が広くしかも溶け込みが深い溶接
を高能率で実施する。 【解決手段】 溶接対象母材32に対するＹＡＧレーザ9
のレーザ焦点8をアーク電極20で狙い、該アーク電極と溶
接対象母材との間にアーク電源23を接続した状態で、該
ＹＡＧレーザを溶接対象母材に照射してＹＡＧレーザに
よるプラズマ化したガスおよび金属蒸気すなわちプルー
ムによりアーク電極にアークを起動し、ＹＡＧレーザに
より発生するプルームをキーホール内外にとどめてＹＡ
Ｇレーザおよびアーク併用の溶接を行う。溶接面をフー
ド15で覆い、内部に整流金網16を入れて、溶接焦点8周り
を、シールドガス整流で包んで、酸化防止とともに、プル
ームの留め置きを図る。溶融プールにフィラーワイヤ25
を送給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気アークにより
溶接入熱を補助するＹＡＧレーザ溶接、すなわち、ＹＡＧ
レーザと電気アークを併用する溶接方法および装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ＹＡＧレーザ溶接は、下記のような特徴
があり自動車等の鋼素材の自動溶接に広く使われてい
る： １．集束したレーザ光を得られ、低歪み，高速溶接が可
能である， ２．金属材料でのレーザ光吸収率がＣＯ_２レーザの数倍
であるので、効率の良い溶接が可能。また波長がＣＯ_２
レーザの１／１０であるので、溶接時に発生するプラズ
マの影響を受けにくい， ３．レーザ光をフレキシブルな光ファイバで伝送できる
ので、ハンドリングが容易で多関節ロボットの利用も可
能である。また、１００ｍ程度までの離れた場所への光
伝送が可能である， ４．レーザ光は時間分割（タイムシアリング）、空間分
割（パワーシアリング）が可能であるので、複数の加工
ステーションで分割形態で共用使用することにより、高
い利用効率を得られる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方ＹＡＧレーザ単独
での溶接は下記のような問題点があった： １．ＹＡＧレーザは、光ビームを集光させエネルギー密
度を高め溶接を行うが、集光スポット径がφ０．３〜φ
１ｍｍと微少であるため、 ・突合せ溶接の場合、突合せギャップ（例えば図２の
（ｃ））があるとレーザ光が通り抜けてしまい、溶接欠
陥を生じる。このことから被溶接材の溶接部端面の切断
および溶接部拘束方法がシビアに要求される， ・重ね溶接では、上板から下板への貫通ビードの接合界
面幅（例えば図２の（ｄ））が狭く、接合強度を得られ
ない， ・スミ肉溶接においても、上記同様に溶け込み幅（例え
ば図２の（ｅ））が充分に得られず、接合強度を得られ
ない， ・余盛り、表面ビード改善等の目的でフィラーワイヤを
ＹＡＧレーザ溶接部に同時供給し溶接を行う場合、フィ
ラーワイヤの溶融にエネルギーを消費し、溶接性が低下
する； ２．ＹＡＧレーザ装置はイニシアルコストが高いので、
自動車生産ラインのように複数台の設備を導入する場合
には、設備費が膨大なものになる。

【０００４】実開昭６２−８２１９４号公報には、レー
ザ溶接ではレーザ照射によって溶接対象母材にできるキ
ーホール内ならびにその上方のプラズマ化した気体およ
び金属蒸気すなわちプルーム(Plume)がレーザビームを
吸収し、したがって溶け込みが深い溶接ができないと見
なして、キーホールにシールドガスを吹き込んでプルー
ムをレーザ光路の外側に形成した排気路に案内し、排気
路から吸引排気するノズル構造を提示している。これは
母材に対するレーザ入熱を効率良くしようというアプロ
ーチである。

【０００５】特公昭５６−４９１９５号公報，特公平４
−５１２７１号公報および特開昭５３−１３７０４４号
公報には、ＴＩＧトーチにより母材を溶融し、その溶融プ
ールにレーザを照射して溶け込みを深くするＴＩＧとレ
ーザの併用溶接が開示されている。これらは、ＴＩＧに
よって浅いけれども広幅の溶融プールを形成し、レーザ
によって狭いけれども深い溶け込みを得るというアプロ
ーチである。ＴＩＧが広い溶融プールにより母材表面の
溶融幅を広くしてたとえば図２の（ｃ）に示す突合せギ
ャップをうめて、レーザが深い溶け込みを形成してたと
えば図２の（ｅ）の溶け込み幅を広く（溶け込みを深
く）するので、レーザ単独の場合よりも溶接能率が向上
し、溶接品質が向上する。

【０００６】しかしながら、深い位置ではレーザによる
溶け込みのみであるので、溶け込み幅が狭く溶接強度が
低い。例えば図２の（ｄ）に示す重ね溶接の接合界面幅
が狭く、その増大が望まれる。

【０００７】本発明は、溶け込み幅が広くしかも溶け込
みが深い溶接を高能率で実施することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＹＡＧレーザ
の加工ヘッド（レーザ光集光光学系）の近傍に溶接対象
母材との間に電位を有するアーク電極を配置し、ＹＡＧ
レーザと電気アークの組み合わせで溶接を行う、複合Ｙ
ＡＧレーザ溶接法である。この複合ＹＡＧレーザ溶接法
では、ＹＡＧレーザ光により乖離したガスおよび溶接金
属蒸気によりアーク電極と母材間にアークを励起して維
持し、かつ、ＹＡＧレーザ光とアークによりプラズマ化し
たガスおよび溶接金属蒸気の雰囲気（プルーム）を可能
な限りレーザ照射部に維持する。

【０００９】すなわち本発明のＹＡＧレーザとアークの
複合溶接方法では、溶接対象母材(32)に対するＹＡＧレ
ーザ(9)のレーザ照射点(8)をアーク電極(20)で狙い、該
アーク電極と溶接対象母材との間にアーク電源(23)を接
続した状態で、該ＹＡＧレーザを溶接対象母材に照射し
てＹＡＧレーザによるプラズマ化したガスおよび金属蒸
気により前記アーク電極にアークを起動し、ＹＡＧレー
ザにより発生するプラズマ化したガスおよび金属蒸気を
キーホール内外にとどめてＹＡＧレーザおよびアーク併
用の溶接を行う(図１＆３)。

【００１０】なお、理解を容易にするためにカッコ内に
は、図面に示し後述する実施例の対応要素又は相当事項
に付した記号を、参考までに付記した。以下も同様であ
る。

【００１１】上記本発明によれば、通常のＴＩＧでは電
極−母材間に高周波スパークを飛ばし、これによりガス
を乖離させアークを発生させるが、この高周波スパーク
は必要ない。ＹＡＧレーザおよびアークによるプラズマ
化したガスおよび金属蒸気すなわちプルームが高温高圧
になって溶融金属を押し下げ、かつこの熱伝達により、
レーザ単独での溶接速度以上の速度とビード幅が広く、
溶け込みの深い溶接結果を得ることができる。

【００１２】これにより突き合わせ溶接ギャップ裕度の
拡大，重ね溶接での接合界面幅の増大，スミ肉溶接での
溶け込み幅増大等が得られ、接合強度が確保でき、溶接
欠焔のない安定した溶接結果が得られる。

【００１３】なお、フィラーワイヤ同時供給溶接におい
てもアークによる入熱がフィラーワイヤの溶融に寄与す
るため、溶接性を低下させることがない。また発生アー
クの入熱により小出力のＹＡＧレーザで高出力のＹＡＧ
レーザと同等の溶接性能を得ることが出来る。一台のＹ
ＡＧレーザ光源から複数台のレーザ照射ヘッドにレーザ
光を分割供給する形態を容易に実施でき、レーザ照射ヘ
ッド一台当たりの設備コストの低減が容易になる。

【００１４】本発明の他の目的および特徴は、図面を参
照した以下の実施例の説明より明らかになろう。

【００１５】

【実施例】−第１実施例− 図１に、本発明の１実施例のＹＡＧレーザとアークの複
合溶接装置を示す。図示しないＹＡＧレーザ光源から図
示しない光ファイバケーブルを通してＹＡＧレーザ光束
９がＹＡＧ照射ヘッド１０に導かれ、ヘッド１０内のレ
ンズ１１を通って収束して、対物スリーブ１２および中
継スリーブ１３を通って焦点８（照射点）に向かう。

【００１６】中継スリーブ１３の下端には、対物フード
１５が固着されている。フード１５内には、その内部空
間を上空間であるガス供給空間と下空間である溶接空間
に２分するガス整流金網１６がある。フード１５および
金網１６には、焦点８に向かうレーザ光束９を通す開口
１７および１８がある。

【００１７】フード１５には、セラミック製の電極台１
９が固着されており、この電極台１９に、タングステン電
極２０が、焦点８を狙って装着されている。タングステ
ン電極２０を押えて電極台１９に固定するボルト２１に
は、電源スイッチ２２を介してアーク溶接電源２３が接
続される。電源２３の陽極は溶接対象母材３２に接続さ
れている。

【００１８】ワイヤガイド２４がフード１５および金網
１６を貫通し、フード１５に固着されている。フィラー
ワイヤ２５が、図示しないワイヤ送給装置から送り出さ
れてワイヤガイド２４に送りこまれ、ワイヤガイド２４
の下端のワイヤ送給チップから、レーザ焦点８の近傍に
送り込まれる。

【００１９】フード１５の下部には、溶接対象母材３２
とフード１５の下端の間に微小ギャップを開けるために
車輪２６，２７がある。

【００２０】図１に示す薄板３１と３２を重ね溶接する
ときには、中継スリーブ１３に装着した口金１４を通し
て中継スリーブ１３にシールドガスを吹き込み、電源ス
イッチ２２を閉じて電極２０／薄板３１間に、アーク起
動ができる無負荷電圧を印加しておいて、ＹＡＧレーザ
光束９の照射を開始する。この照射により発生するプル
ームによって電極２０と母材３２の間にアークが発生す
る。このアークが発生すると、ＹＡＧ照射ヘッド１０の
ｙ方向の駆動を開始し、フィラーワイヤ２５の送給を開
始する。これにより安定した溶接状態となる。すなわち
レーザ照射溶接とアーク溶接が並行して継続する。

【００２１】この溶接状態では、口金１４から中継スリ
ーブ１３内に吹き込まれたシールドガスは、中継スリー
ブ１３から開口１７を通って、フード１５内の整流金網
１６の上側のガス供給室に入り、そこでｘ，ｙ方向に拡
散して、整流金網１６のメッシュを通って略垂直方向の
整流となって溶接対象母材３２の表面に降下し、そして
該表面に沿ってフード１５下端のギャップを通ってフー
ド外に出る。このようなシールドガスの流れにより、フ
ード１５の内部がシールドガスで満たされ、金網１６の
下方の溶接空間では、シールドガスが緩やかな垂直方向
の整流となり、これが焦点８周りすなわちレーザ照射に
よるキーホール，その内外のプルーム，アークおよびタ
ングステン電極を包む。

【００２２】この包囲ガスが、焦点８の溶融プールおよ
びタングステン電極２０を空気（酸素）から遮断してそ
れらの酸化を防止するとともに、キーホール内外のプル
ームの飛散を抑えてキーホール内外にプルームを留め
る。

【００２３】図２の（ａ）に、キーホールを模式的に示
す。ＹＡＧレーザの照射により、すなわち高密度エネル
ギの注入により、キーホール内のプルームが爆発的な高
熱高圧になりこれがキーホール内の溶融金属を加圧し、
キーホールの底を溶かし、深い溶け込みを生ずる。なお、
プルームを強力に排除する（吹き飛ばす）強いシールド
ガス流を焦点８に当てると、溶込みが極端に浅くなるの
で、溶け込みを深くするためには、プルームを極力キーホ
ールに留めるのが、肝要である。これを本発明者は実験
により確認した。

【００２４】上述の溶接作業により、図２の（ｂ）に示
すような重ね溶接ビードを得ることができた。該図面に
おいて、３３が母材の、溶融しそして凝固した部位であ
り、その上の３４はフィラーワイヤ２５によって形成さ
れたビードである。接合界面幅が広く、溶け込みが深
い。高速の、品質が安定した溶接が可能である。このと
きの溶接条件は、次の通りである： 溶接母材３１：材質 Ａ５０５２ 厚み ２ｍｍ 溶接母材３２：材質 Ａ５０５２ 厚み ２ｍｍ ＹＡＧレーザ：出力４ＫＷ，アシストガス（センターガ
ス）無し アーク 電流： ２００Ａ タングステン電極：直径２．４ｍｍ シールドガス：Ａｒ ２５リットル／min フィラーワイヤ：規格 Ａ５３５６，φ１．２ｍｍ 送
給量 ２ｍ／min 溶接速度：４ｍ／min。

【００２５】−第２実施例− 図３の（ａ）に、第２実施例のＹＡＧレーザとアークの
複合溶接装置を示す。この第２実施例は、フィラーワイ
ヤ送給を行わないものであり、第１実施例の複合溶接装
置のワイヤガイド２４を省略したものである。この実施
例では、フィラーワイヤの溶融にエネルギを消費しない
ので、アーク電流を下げた。その結果図３の（ｂ）に示
すような重ね溶接ビードを得ることができた。この場合
でも、接合界面幅が広く、溶け込みが深い。高速の、品質
が安定した溶接が可能である。このときの溶接条件は、
次の通りである： 溶接母材３１：材質 Ａ５０５２ 厚み ２ｍｍ 溶接母材３２：材質 Ａ５０５２ 厚み ２ｍｍ ＹＡＧレーザ：出力４ＫＷ，アシストガス（センターガ
ス）無し アーク 電流： １５０Ａ タングステン電極：直径２．４ｍｍ シールドガス：Ａｒ ２５リットル／min 溶接速度：４ｍ／min

【００２６】

【発明の効果】以上に説明したように、レーザ照射によ
って発生するプルームによって電気アークを起動するの
で、高周波高電圧印加によるアーク起動が不要になる。
ＹＡＧレーザ溶接にアーク溶接を加えるので、母材表層
に対する入熱が大きく、突合せギャップが少々あっても、
安定確実な溶接が可能であり、高速の溶接が可能であ
る。また、ＹＡＧレーザ照射によるキーホール内および
その周りにプルームを留めるので、溶け込みが深く、接合
界面幅が広い溶接が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例のＹＡＧレーザとアーク
の複合溶接装置の、溶接ヘッド部の縦断面図である。

【図２】 （ａ）は、図１に示す焦点８周りの、模式的な
拡大断面図、（ｂ）は図１に示す溶接装置を用いたＹＡ
Ｇレーザとアークの複合溶接の結果である溶接ビードを
模式的に示す拡大断面図である。（ｃ）は、一般の突合
せ溶接の場合の、突合せギャップを示す拡大断面図、
（ｄ）は重ね溶接の場合の接合界面幅を示す拡大断面
図、（ｅ）は隅肉溶接の場合の溶込み幅を示す拡大断面
図である。

【図３】 （ａ）は本発明の第２実施例のＹＡＧレーザ
とアークの複合溶接装置の、溶接ヘッド部の縦断面図、
（ｂ）は（ａ）に示す溶接装置を用いたＹＡＧレーザと
アークの複合溶接の結果である溶接ビードを模式的に示
す拡大断面図である。

【符号の説明】

８：ＹＡＧレーザ光束の焦点 ９：ＹＡＧレーザ光束 １０：ＹＡＧ照射ヘッド １１：レンズ １２：対物スリーブ １３：中継スリーブ １４：口金 １５：対物フード １６：ガス整流金網 １７，１８：開口 １９：電極台 ２０：タングステン電極 ２１：ボルト ２２：電源スイッチ ２３：アーク溶接電源 ２４：ワイヤガイド ２５：フィラーワイヤ ２６，２７：車輪 ３１，３２：溶接対象母材 ３３：母材の溶融し凝固
した部位 ３４：フィラーワイヤによって形成されたビード ４１〜４６：溶接対象母材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 園 田 弘 文 千葉県習志野市東習志野７丁目６番１号 日鐵溶接工業株式会社機器・オプト事業部 内 (72)発明者 奥 山 健 二 千葉県習志野市東習志野７丁目６番１号 日鐵溶接工業株式会社機器・オプト事業部 内 (72)発明者 衣 袋 順 一 千葉県習志野市東習志野７丁目６番１号 日鐵溶接工業株式会社機器・オプト事業部 内 (72)発明者 矢 羽 々 隆 憲 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 瀧 川 正 人 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 一 山 靖 友 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 浮 穴 俊 康 東京都千代田区大手町２−６−３ 新日本 製鐵株式会社内 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB07 DC01 DD02 4E068 BA06 BC01 CJ00 CJ01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接対象母材に対するＹＡＧレーザのレー
   ザ照射点をアーク電極で狙い、該アーク電極と溶接対象
   母材との間にアーク電源を接続した状態で、該ＹＡＧレ
   ーザを溶接対象母材に照射してＹＡＧレーザによるプラ
   ズマ化したガスおよび金属蒸気により前記アーク電極に
   アークを起動し、ＹＡＧレーザにより発生するプラズマ
   化したガスおよび金属蒸気をキーホール内外にとどめて
   ＹＡＧレーザおよびアーク併用の溶接を行う、ＹＡＧレ
   ーザとアークの複合溶接方法。
2. 【請求項２】前記溶接対象母材の溶接面を覆うフードの
   内部を、多数の通口があるガス整流体で該溶接面側の溶
   接空間とガス供給空間に区分し、該フードおよびガス整
   流体の開口を通して母材にＹＡＧレーザを照射し、前記
   ガス供給空間にシールドガスを供給することにより、ガ
   ス整流体を通してレーザ照射点およびアーク電極の先端
   部の周りをシールドガス雰囲気にするとともにシールド
   ガスによる前記キーホール内のプラズマ化したガスおよ
   び金属蒸気の擾乱を抑える、請求項１記載のＹＡＧレー
   ザとアークの複合溶接方法。
3. 【請求項３】前記ＹＡＧレーザの照射点の近傍の溶融プ
   ールにフィラーワイヤを送給する、請求項１又は２に記
   載のＹＡＧレーザとアークの複合溶接方法。
4. 【請求項４】ＹＡＧレーザ溶接へッド；該へッドの先端
   に装着され、該ヘッドが照射するＹＡＧレーザが透過す
   る開口を有し、溶接対象母材に対向する側が開いたフー
   ド；前記フードに固定され、前記ＹＡＧレーザ溶接へッ
   ドの、溶接対象母材に対するレーザ照射点を狙うアーク
   電極；該アーク電極の外周面に沿わないように、アーク
   電極から離れた位置から前記フードにシールドガスを供
   給するためのガス供給口；および、溶接対象母材と前記
   アーク電極の間に、溶接対象母材へのＹＡＧレーザの照
   射により発生するプラズマ化したガスおよび金属蒸気に
   より前記アーク電極にアークを起動し、アークが起動し
   た後はアークを持続する電力を給電する電源；を備える
   ＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置。
5. 【請求項５】前記フードの内部を、溶接対象母材側の溶
   接空間とレーザ溶接へッド側のガス供給空間に区分す
   る、多数の通口があるガス整流体；を更に備え、前記アー
   ク電極は、該ガス整流体を貫通して前記ＹＡＧレーザ溶
   接へッドの、溶接対象母材に対するレーザ照射点を狙
   う；請求項４に記載のＹＡＧレーザとアークの複合溶接
   装置。
6. 【請求項６】前記フードを貫通して、前記ＹＡＧレーザ
   の照射点の近傍の溶融プールにフィラーワイヤを案内す
   るフィラーワイヤガイド；を更に備える請求項４又は５
   に記載のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置。