JP2005219082A - パルスレーザ照射パルスアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスアーク溶接とパルスレーザとを同時に使用するパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法において、パルスアーク溶接の溶接電流とパルスレーザの出力値Ｐｗとの同期を取りながら、かつ、パルスレーザの平均出力値Ｐｄを一定に維持する。
【解決手段】本発明は、ピーク電流及びベース電流を交互に通電する消耗電極式パルスアーク溶接と、前記ピーク電流に同期して開始する高出力期間中は高出力値ＨＰｓのレーザを照射しそれ以外の期間中は低出力値ＬＰｓのレーザを照射するパルスレーザとを使用し、アーク溶接部にレーザを照射しながら溶接するパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法において、前記パルスレーザの平均出力値Ｐｄを検出し、この平均出力値Ｐｄが予め定めた平均出力設定値Ｐasと略等しくなるように前記高出力値ＨＰｓを変化させるパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、消耗電極式パルスアーク溶接の溶接電流とパルスレーザとを同期させることによって溶接性能を向上させるためのパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法に関するものである。

レーザ照射アーク溶接方法は、アーク発生部にレーザを照射しながら溶接を行う溶接法である。この溶接法では、アーク及びレーザの２つの熱源を有するので３m/minを超える高速溶接を行うことができる。さらにこの溶接法では、レーザ照射部にアークを誘導することができアーク安定性を向上させることができる。

特許文献１に記載する従来技術は、アーク溶接に消耗電極式パルスアーク溶接を使用しレーザにパルスレーザを使用したパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法の溶接性能改善に関する発明である。この従来技術は、パルスアーク溶接の溶接電流とパルスレーザの出力値との同期を取ることによって、母材への入熱効率の向上、溶滴移行の安定化、アーク安定性の向上等を図るものである。以下、この従来技術について説明する。

図４は、従来技術のパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。溶接電源６は、パルスアーク溶接用の溶接電源であり、アーク３を発生させるための溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗを出力する。さらにこの溶接電源６は、溶接ワイヤ１の送給を制御する送給制御信号Ｗｃを出力すると共に、上記の溶接電流Ｉｗとパルスレーザ７の出力値との同期を取るための電流検出信号Ｉｄを出力する。ワイヤ送給機５は、上記の送給制御信号Ｗｃを入力として溶接ワイヤ１を溶接トーチ４を通して送給する。この結果、溶接ワイヤ１と母材２との間にアーク３が発生しパルスアーク溶接が行われる。

同期回路１０は、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として後述する同期信号Ｓｃを出力する。レーザ発振器９は、この同期信号Ｓｃを入力として高出力値及び低出力値からなる出力値Ｐｗ［Ｗ］のパルスレーザ７をレーザトーチ８を介して母材２へ照射する。

図５は、上述した溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの波形図の一例である。時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴移行させるために大電流値のピーク電流Ｉｐを通電し、同図（Ｂ）に示すように、この期間中のアーク長に略比例したピーク電圧Ｖｐが印加する。時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴を成長させないために小電流値のベース電流Ｉｂを通電し、同図（Ｂ）に示すように、この期間中のアーク長に略比例したベース電圧Ｖｂが印加する。

アーク溶接では、アーク長を適正値に維持するためのアーク長制御が良好な溶接品質を得るために重要である。アーク長は溶接電圧Ｖｗの平均値に略比例するので、アーク長制御は溶接電圧Ｖｗの平均値が予め定めた電圧設定値Ｖｓと等しくなるように溶接電源の出力を制御することによって行われる。この溶接電源の出力を制御する方法としては下記の２つの方法が代表的である。まず第１の方法は、上記のピーク期間Ｔｐを固定し上記のベース期間Ｔｂを可変することによって出力制御する方法（以下、ベース期間変調という）である。第２の方法は、上記のピーク期間Ｔｐと上記のベース期間Ｔｂとの合算値であるパルス周期Ｔｆを固定しピーク期間Ｔｐを可変することによって出力制御する方法（以下、ピーク期間変調という）である。どちらの方法であってもベース期間Ｔｂ又はピーク期間Ｔｐが溶接中にアーク負荷の変動に応じて刻々と変化する。

図６は、溶接電流Ｉｗとパルスレーザの出力値Ｐｗとの同期波形図の一例である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は同期信号Ｓｃの、同図（Ｃ）はパルスレーザの出力値Ｐｗの時間変化を示す。同図（Ｂ）に示すように、同期信号Ｓｃは同図（Ａ）に示すピーク電流の立上りに同期してＨｉｇｈレベルとなり、立下りでＬｏｗレベルとなる（以下、ピーク期間同期という）。同図（Ｃ）に示すように、パルスレーザの出力値Ｐｗは、上記の同期信号ＳｃがＨｉｇｈレベルのときは高出力値ＨＰｗとなり、Ｌｏｗレベルのときは低出力値ＬＰｗとなる。同図において低出力値ＬＰｗ＝０の場合も含んでいる。

図７は、溶接電流Ｉｗとパルスレーザの出力値Ｐｗとの別の同期波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は同期信号Ｓｃの、同図（Ｃ）はパルスレーザの出力値Ｐｗの時間変化を示す。同図（Ｂ）に示すように、同期信号Ｓｃは同図（Ａ）に示すピーク電流の立上りから所定時間Ｔｄ経過した時点に同期してＨｉｇｈレベルとなり、それから予め定めた高出力期間Ｔｈが経過した時点でＬｏｗレベルとなる（以下、ピーク立上り同期という）。同図（Ｃ）に示すように、パルスレーザの出力値Ｐｗは、上記の同期信号ＳｃがＨｉｇｈレベルのときは高出力値ＨＰｗとなり、Ｌｏｗレベルのときは低出力値ＬＰｗとなる。同図において上記の所定時間Ｔｄ＝０としても良い。

図８は、溶接電流Ｉｗとパルスレーザの出力値Ｐｗとのさらに別の同期波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は同期信号Ｓｃの、同図（Ｃ）はパルスレーザの出力値Ｐｗの時間変化を示す。同図（Ｂ）に示すように、同期信号Ｓｃは同図（Ａ）に示すピーク電流の立下りから所定時間Ｔｄ経過した時点に同期してＨｉｇｈレベルとなり、それから予め定めた高出力期間Ｔｈが経過した時点でＬｏｗレベルとなる（以下、ピーク立下り同期という）。同図（Ｃ）に示すように、パルスレーザの出力値Ｐｗは、上記の同期信号ＳｃがＨｉｇｈレベルのときは高出力値ＨＰｗとなり、Ｌｏｗレベルのときは低出力値ＬＰｗとなる。同図においても上記の所定時間Ｔｄ＝０としても良い。

上述したように、溶接電流Ｉｗとパルスレーザの出力値Ｐｗとをピーク期間同期、ピーク立上り同期又はピーク立下り同期させることによって、母材への入熱効率の向上、溶滴移行の安定化、アーク安定性の向上等を図ることができる。

特開２００３−２５０８１号公報

図９は、アーク長制御によってベース期間Ｔｂが変化したときの溶接電流Ｉｗとパルスレーザの出力値Ｐｗとの同期波形図である。同図（Ａ）はベース期間がＴb1の場合であり、同図（Ｂ）はベース期間がＴb2（＜Ｔb1）の場合であり、同図（Ｃ）はベース期間がＴb3（＞Ｔb1）の場合である。同図は、上述した溶接電源の出力制御方法がベース期間変調の場合であり、上述した同期方法がピーク期間同期の場合である。これ以外の出力制御方法の場合及び同期方法の場合も下記については同様である。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）において、ベース期間がＴb1の場合のパルスレーザ出力値Ｐｗの平均値をＰa1［Ｗ］とする。同図（Ｂ）において、ベース期間Ｔb2＜Ｔb1であり、高出力値ＨＰw及び低出力値ＬＰｗは変化しないので、パルスレーザ出力値Ｐｗの平均値Ｐa2＞Ｐa1となる。また同図（Ｃ）において、ベース期間Ｔb3＞Ｔb1であり、高出力津ＨＰw及び低出力値ＬＰｗは変化しないので、パルスレーザ出力値Ｐｗの平均値Ｐa3＜Ｐa1となる。このようにパルスレーザの出力値Ｐｗを溶接電流Ｉｗに同期させた場合、アーク長制御によってベース期間が変化するとパルスレーザの平均出力値も変化することになる。レーザ照射アーク溶接方法においては、高速溶接時の溶け込みはレーザからの入熱による寄与が大きい。このために、溶接中にパルスレーザの平均出力値が変化すると溶け込み深さが変動することになる。この平均出力値の変化が大きくなり溶け込み深さの変動が大きくなると溶接品質が悪くなる。溶接電源の出力制御方法がパルス期間変調の場合でもパルスレーザの平均出力値が変化するのは同様である。また同期方法がピーク立上り同期又はピーク立下り同期であってもパルスレーザの平均出力値が変化するのは同様である。

そこで、本発明は、溶接電流とパルスレーザとの同期を取りながらパルスレーザの平均出力値も所望値に維持することができるパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、ピーク電流及びベース電流を交互に通電する消耗電極式パルスアーク溶接と、前記ピーク電流の立上り又は立上りから所定時間経過した時点又は前記ピーク電流の立下り又は立下りから所定時間経過した時点のいずれか１つの時点に同期して開始する高出力期間中は高出力値のレーザを照射しそれ以外の期間中は低出力値のレーザを照射するパルスレーザとを使用し、アーク溶接部にレーザを照射しながら溶接するパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法において、
前記パルスレーザの平均出力値を検出し、この平均出力値が予め定めた平均出力設定値と略等しくなるように前記高出力値を変化させることを特徴とするパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法である。

また、第２の発明は、第１の発明記載の高出力値を所定範囲内で変化させることを特徴とするパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法である。

上記第１の発明によれば、パルスアーク溶接の溶接電流とパルスレーザの出力値との同期を取りながら、かつ、溶接電源のアーク長制御によってベース期間又はパルス期間が変化してもパルスレーザの平均出力値を一定値に維持することができる。このために、母材への入熱効率の向上、溶滴移行の安定化及びアーク安定性の向上に加えて、パルスレーザからの平均入熱を一定にすることができるので溶け込みを均一に保つことができる。

さらに上記第２の発明によれば、上記の効果に加えて、パルスレーザの高出力値の変化を所定範囲内に制限することによって、高出力値が適正範囲外になることによるパルスレーザの出力状態の不安定及び溶接状態の不安定の発生を防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
本発明も実施の形態１に係るパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法を実施するための溶接装置は、図４で上述した溶接装置においてレーザ発振器９を図１に示す平均出力制御レーザ発振器９１に置換した構成となる。以下、図１について説明する。

低出力設定回路ＬＰＳは、予め定めた低出力設定信号ＬＰｓを出力する。出力切換回路ＳＷは、溶接電源からの同期信号ＳｃがＨｉｇｈレベルのときはａ側に切り換わり後述する高出力設定信号ＨＰｓを出力設定信号Ｐｓとして出力し、Ｌｏｗレベルのときはｂ側に切り換わり上記の低出力設定信号ＬＰｓを出力設定信号Ｐｓとして出力する。レーザ発振主回路ＭＣは、この出力設定信号Ｐｓに相当する出力値Ｐｗのパルスレーザを出力する。すなわち、同期信号ＳｃがＨｉｇｈレベルのときは高出力値のレーザが照射され、Ｌｏｗレベルのときは低出力値のレーザが照射される。

平均出力検出回路ＰＤは、パルスレーザの出力値Ｐｗの平均値を検出して、平均出力検出信号Ｐｄを出力する。平均出力設定回路ＰＡＳは、予め定めた平均出力設定信号Ｐasを出力する。誤差増幅回路ＥＡは、上記の平均出力設定信号Ｐasと上記の平均出力検出信号Ｐｄとの誤差を増幅して、誤差増幅信号ΔＰ＝Ｇ×（Ｐas−Ｐｄ）を出力する。ここでＧは増幅率である。誤差積分回路ＩＰは、高出力設定信号ＨＰｓ＝Ｈps0＋∫ΔＰ・ｄｔを積分して出力する。ここでＨＰs0は適当な初期値であり、積分はレーザ照射開始と共に開始しレーザ照射中は継続する。これによって、溶接電流とパルスレーザとの同期を取りながら、かつ、パルスレーザの平均出力値が平均出力設定信号Ｐasと等しくなるように高出力値がフィードバック制御により変化する。

図２は、上述した図９に対応する本発明に係る溶接電流Ｉｗとパルスレーザの出力値Ｐｗとの同期波形図である。同図（Ａ）はベース期間がＴb1の場合であり、同図（Ｂ）はベース期間がＴb2（＜Ｔb1）の場合であり、同図（Ｃ）はベース期間がＴb3（＞Ｔb1）の場合である。同図は、溶接電源の出力制御方法がベース期間変調の場合であり。同期方法がピーク期間同期の場合である。以下、同図を参照して説明する。

ベース期間がＴb1である同図（Ａ）において、パルスレーザの平均出力値が平均出力設定信号Ｐasの値に等しくなるように高出力値はＨＰ1になる。ベース期間がＴb2である同図（Ｂ）において、パルスレーザの平均出力値が平均出力設定信号Ｐasの値に等しくなるように高出力値はＨＰ2にフィードバック制御される。ベース期間がＴb3である同図（Ｃ）において、パルスレーザの平均出力値が平均出力設定信号Ｐasの値に等しくなるように高出力値はＨＰ3にフィードバック制御される。このように、アーク長制御によってベース期間が変化しても本発明ではパルスレーザの平均出力値は所望値に維持される。

溶接電源の出力制御方法がパルス期間変調であっても同図と同様である。また、同期方法がピーク立上り同期又はピーク立下り同期であっても同図と同様である。したがって、本発明によれば、溶接電流とパルスレーザとの同期を取りながら、かつ、パルスレーザの平均出力値を一定に保つことができる。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、上述した実施の形態１においてパルスレーザの高出力設定信号ＨＰｓの変化範囲を制限するものである。図３は、実施の形態２に係る平均出力制御レーザ発振器９２のブロック図である。同図において、上述した図１と同一の回路ブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。図１とは異なる点線で示す制限回路ＬＭは、高出力設定信号ＨＰｓの変化範囲を制限して、高出力制限設定信号ＨＰsmを出力する。これによりパルスレーザの高出力値は所定範囲内に制限される。このように制限する理由は、制限しないと高出力値が大きくなり過ぎたり逆に小さくなり過ぎたりしてレーザ出力状態が不安定になる場合があるためである。さらにまた、パルスレーザの高出力値が大きくなり過ぎても小さくなり過ぎても溶接品質が却って悪くなるケースもあるためである。制限範囲は溶接条件に応じて適正範囲に設定する。

本発明の実施の形態１に係る平均出力制御レーザ発振器９１のブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るベース期間が変化したときの溶接電流Ｉｗとパルスレーザ出力値Ｐｗとの同期波形図である。 本発明の実施の形態２に係る平均出力制御レーザ発振器９２のブロック図である。 従来技術のパルスレーザ照射パルスアーク溶接装置の構成図である。 従来技術のパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。 従来技術における溶接電流Ｉｗとパルスレーザ出力値Ｐｗとの同期波形図の一例である。 従来技術における溶接電流Ｉｗとパルスレーザ出力値Ｐｗとの図６とは別の同期波形図である。 従来技術における溶接電流Ｉｗとパルスレーザ出力値Ｐｗとの図６とはさらに別の同期波形図である。 従来技術の課題を説明するためのベース期間が変化したときの溶接電流Ｉｗとパルスレーザ出力値Ｐｗとの同期波形図である。

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ ワイヤ送給機
６ 溶接電源
７ レーザ
８ レーザトーチ
９ レーザ発振器
１０ 同期回路
９１、９２ 平均出力制御レーザ発振器
ＥＡ 誤差増幅回路
ＨＰｓ 高出力設定信号
ＨＰsm 高出力制限設定信号
ＨＰｗ 高出力値
Ｉｂ ベース電流
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰ 誤差積分回路
Ｉｗ 溶接電流
ＬＭ 制限回路
ＬＰＳ 低出力設定回路
ＬＰｓ 低出力設定信号
ＬＰｗ 低出力値
ＭＣ レーザ発振主回路
Ｐa1〜Ｐa3 パルスレーザの平均出力値
ＰＡＳ 平均出力設定回路
Ｐas 平均出力設定信号
ＰＤ 平均出力検出回路
Ｐｄ 平均出力検出信号
Ｐｓ 出力設定信号
Ｐｗ パルスレーザの出力値
Ｓｃ 同期信号
ＳＷ 出力切換回路
Ｔｂ ベース期間
Ｔｄ 所定時間
Ｔｆ パルス周期
Ｔｈ 高出力期間
Ｔｐ ピーク期間
Ｖｂ ベース電圧
Ｖｐ ピーク電圧
Ｖｓ 電圧設定値
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗｃ 送給制御信号
ΔＰ 誤差増幅信号

Claims (2)

1. ピーク電流及びベース電流を交互に通電する消耗電極式パルスアーク溶接と、前記ピーク電流の立上り又は立上りから所定時間経過した時点又は前記ピーク電流の立下り又は立下りから所定時間経過した時点のいずれか１つの時点に同期して開始する高出力期間中は高出力値のレーザを照射しそれ以外の期間中は低出力値のレーザを照射するパルスレーザとを使用し、アーク溶接部にレーザを照射しながら溶接するパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法において、
   前記パルスレーザの平均出力値を検出し、この平均出力値が予め定めた平均出力設定値と略等しくなるように前記高出力値を変化させることを特徴とするパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法。
2. 請求項１記載の高出力値を所定範囲内で変化させることを特徴とするパルスレーザ照射パルスアーク溶接方法。
   
   

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