JP2005329430A - Laser arc complex welding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせたレーザ・アーク複合溶接方法に関し、特に、アルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接に好適なレーザ・アーク複合溶接方法に関する。 The present invention relates to a laser / arc composite welding method in which laser welding and arc welding are combined, and more particularly to a laser / arc composite welding method suitable for welding aluminum or an aluminum alloy material.
レーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせたレーザ・アーク複合溶接は、エネルギー密度が相互に異なる2つの熱源を使用しているため、アークの安定化、溶接速度の高速化、開先寸法精度の緩和、溶込み深さの向上、継手部の強度向上及び溶接欠陥の抑制等の効果が得られる(非特許文献1参照)。また、近年、軽量化及びリサイクルの推進等の理由から、自動車構造材料としてアルミニウム合金が採用されており、自動車製造工程におけるアルミニウム合金の接合方法として、レーザ・アーク複合溶接方法が適用されている(非特許文献2参照)。 Laser / arc combined welding, which combines laser welding and arc welding, uses two heat sources with different energy densities, so it stabilizes the arc, speeds up the welding speed, relaxes the groove dimensional accuracy, Effects such as improved penetration depth, improved joint strength, and suppression of welding defects can be obtained (see Non-Patent Document 1). In recent years, aluminum alloys have been adopted as automobile structural materials for reasons such as weight saving and promotion of recycling, and laser-arc combined welding methods have been applied as methods for joining aluminum alloys in automobile manufacturing processes ( Non-patent document 2).
図5は従来のレーザ・アーク複合溶接方法を示す斜視図である。従来のレーザ・アーク複合溶接方法においては、一般に、図5に示すように、溶接方向前方にレーザ光102を被溶接材101に照射するレーザヘッド103を、後方にアークトーチ104を夫々配置し、アーク溶接により被溶接材101の溶接部に溶着金属103を生成する前に、レーザ光102を開先105のルートギャップ106に照射して、そのルートフェイス面をレーザにより溶融させた後、アーク溶接により開先内に溶接ワイヤの溶滴を流入させている。
FIG. 5 is a perspective view showing a conventional laser-arc combined welding method. In the conventional laser / arc combined welding method, generally, as shown in FIG. 5, a
また、従来、レーザ光及びアークの照射位置を同じにしたYAGレーザ誘起アークフィラーワイヤ複合溶接方法も提案されている(特許文献1参照)。更に、レーザヘッドとアークトーチとを同軸状に配置したレーザ・アーク複合溶接装置も開発されている(非特許文献3参照)。非特許文献3に記載の同軸型のレーザ・アーク複合溶接装置においては、レーザ光をアーク照射点の前方2mm又は後方2mmの位置に照射することにより、溶込み深さを増加させている。
Conventionally, a YAG laser induced arc filler wire composite welding method in which the irradiation positions of the laser beam and the arc are the same has also been proposed (see Patent Document 1). Further, a laser / arc combined welding apparatus in which a laser head and an arc torch are coaxially arranged has been developed (see Non-Patent Document 3). In the coaxial laser / arc combined welding apparatus described in Non-Patent
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。即ち、図5に示す従来のレーザ・アーク複合溶接方法には、電極となる溶接ワイヤの先端のアーク極点からレーザ照射によって形成されたキーホール上のプラズマまでの距離が長くなり、電位の傾斜が低くなって、電子移動量の収束(エネルギー密度)が低下し、結果として溶込み深さが浅くなるという問題点がある。また、特許文献1に記載の溶接方法は、使用するレーザヘッドが大きく、このレーザヘッドと被溶接部材との物理的な干渉を避けるため、表面が平坦な部材にしか適用できないという問題点がある。
However, the conventional techniques described above have the following problems. That is, in the conventional laser-arc combined welding method shown in FIG. 5, the distance from the arc pole at the tip of the welding wire to be an electrode to the plasma on the keyhole formed by laser irradiation is increased, and the potential gradient is increased. As a result, the convergence (energy density) of the electron transfer amount decreases, resulting in a problem that the penetration depth becomes shallow. Further, the welding method described in
非特許文献3に記載のレーザ・アーク複合溶接装置は、ヘッドが大きくなると共に、機構が複雑になるという問題点がある。またこのレーザ・アーク複合溶接装置では、集光前にレーザ光を分割し、且つ集光点で分割したレーザ光を正確に合致させる必要があるが、レーザ光を分割する際に分割装置によりレーザ光のエネルギーが損失して、効率が低下するという問題点がある。更に、レーザ光を集光するための専用の集光レンズを設けなければならず、装置価格が高価になるという問題点もある。更にまた、レーザヘッドとアークトーチとを同軸状に配置すると、溶接部の真上からシールドガスを吹き付けることになるため、進行方向に十分なガス雰囲気を形成することができず、溶接速度が制限される。
The laser-arc combined welding apparatus described in Non-Patent
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、簡便で且つ効率よくアルミニウム又はアルミニウム合金材を溶接することができるレーザ・アーク複合溶接方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a laser-arc combined welding method capable of easily and efficiently welding aluminum or an aluminum alloy material.
本発明に係るレーザ・アーク複合溶接方法は、被溶接材をレーザ光及びアークにより複合溶接するレーザ・アーク複合溶接方法において、アークトーチをレーザヘッドよりも溶接方向後方に配置すると共に、前記アークトーチを溶接方向に対して前進角をもつように傾け、更に前記被溶接材表面におけるアークねらい位置がレーザ光照射点よりも溶接方向前方になるようにして溶接することを特徴とする。 The laser-arc composite welding method according to the present invention is a laser-arc composite welding method in which a workpiece is composite-welded with laser light and an arc, wherein an arc torch is disposed behind the laser head in the welding direction, and the arc torch The welding is characterized in that welding is carried out so that the welding target surface has an advancing angle, and further the arc aiming position on the surface of the material to be welded is in front of the laser beam irradiation point in the welding direction.
本発明においては、溶接ワイヤ先端を被溶接材表面にまで延長したときに、溶接ワイヤ先端と被溶接材表面とが接する点であるアークねらい位置が、レーザ光照射点よりも溶接方向前方になるようにして溶接するため、アークの陽極と陰極との距離であるアーク長が短くなり、エネルギー効率を高めることができる。また、アークトーチを溶接方向に対して前進角を持つように溶接方向後方に傾けて配置しているため、溶接方向前方から溶接部に向かってシールドガスを吹き付けなくても、アークトーチから供給されるシールドガスにより、溶融池の溶接方向前方にも十分なシールドガス雰囲気を形成することができる。更に、既存のレーザ装置及び既存アーク溶接装置を使用することができるため、特別な装置を準備しなくても、簡便にレーザ・アーク複合溶接を行うことができる。 In the present invention, when the tip of the welding wire is extended to the surface of the material to be welded, the arc aiming position, which is the point where the tip of the welding wire and the surface of the material to be welded contact, is ahead of the laser beam irradiation point in the welding direction. Since welding is performed in this manner, the arc length, which is the distance between the anode and cathode of the arc, is shortened, and energy efficiency can be increased. In addition, since the arc torch is arranged to be inclined rearward in the welding direction so as to have a forward angle with respect to the welding direction, the arc torch is supplied from the arc torch without blowing shield gas from the front in the welding direction toward the weld. With this shielding gas, a sufficient shielding gas atmosphere can be formed in front of the weld pool in the welding direction. Furthermore, since the existing laser apparatus and the existing arc welding apparatus can be used, laser / arc combined welding can be easily performed without preparing a special apparatus.
溶接時のワイヤ突出長は、前記アークトーチから供給される溶接ワイヤの先端が、前記レーザヘッドから照射されたレーザ光よりも溶接方向後方になるように制御してもよい。これにより、溶接部の溶込み深さを増加させることができる。また、このレーザ・アーク複合溶接方法は、アルミニウム又はアルミニウム合金材の溶接に使用することができる。 The protruding length of the wire during welding may be controlled so that the tip of the welding wire supplied from the arc torch is behind the laser beam irradiated from the laser head. Thereby, the penetration depth of a welding part can be increased. This laser-arc combined welding method can be used for welding aluminum or aluminum alloy materials.
本発明によれば、アークねらい位置がレーザ光照射点よりも溶接方向前方になるようにして溶接するため、アーク長が短くなり、エネルギー効率を高めることができると共に、既存のレーザ装置及びアーク溶接装置を使用できるため、簡便にレーザ・アーク複合溶接を行うことができる。 According to the present invention, welding is performed such that the arc target position is ahead of the laser beam irradiation point in the welding direction, so that the arc length can be shortened and energy efficiency can be improved, and the existing laser apparatus and arc welding can be performed. Since the apparatus can be used, laser-arc combined welding can be easily performed.
以下、本発明の実施形態に係るレーザ・アーク複合溶接方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1(a)は本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法を示す断面図であり、図1(b)は図1(a)の溶接部を示す拡大断面図である。本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法は、図1(a)に示すように、レーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせて溶接する方法であり、被溶接材1にレーザ光2を照射するレーザヘッド3を備えたレーザ溶接装置と、被溶接材1に向かってシールドガス4を噴出すると共に、ワイヤ送給装置(図示せず)から送られた溶接ワイヤ5に通電してアークを発生させるアークトーチ6を備えたアーク溶接装置とを使用する。
Hereinafter, a laser / arc combined welding method according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1A is a cross-sectional view showing the laser-arc combined welding method of the present embodiment, and FIG. 1B is an enlarged cross-sectional view showing the welded portion of FIG. The laser / arc combined welding method of the present embodiment is a method of welding by combining laser welding and arc welding as shown in FIG. 1A, and a laser head that irradiates a
本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法においては、レーザヘッド3をレーザ光2の中心軸が被溶接材1の表面に対して垂直になるように配置し、アークトーチ6をレーザヘッド3よりも溶接方向後方に配置する。このとき、アークトーチ6を、被溶接材1の表面とアークトーチ6の中心軸とがなす角度θが、例えば60乃至75°になるように、溶接方向後方側に前進角で傾ける。
In the laser / arc combined welding method of the present embodiment, the
溶接速度が速いレーザ・アーク複合溶接方法においては、溶融池11の溶接方向前方にシールドガス4雰囲気を形成しなければならない。そこで、従来のレーザ・アーク複合溶接方法においては、レーザヘッドよりも溶接方向前方から溶接部に向かってシールドガスを吹き付けていた。一方、本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法においては、アークトーチ6を溶接方向後方側に傾けて配置しているため、アークトーチ6から供給されるシールドガス4により、溶融池11の溶接方向前方にも十分なシールドガス4雰囲気を形成することができる。なお、本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法によりアルミニウム合を溶接する場合は、シールドガス4としては、例えば、アルゴン等の不活性ガスを使用することができる。
In the laser / arc combined welding method with a high welding speed, an atmosphere of
また、本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法においては、図1(b)に示すように、アークねらい位置8がレーザ光照射点7よりも溶接方向前方になるようにする。レーザ・アーク複合溶接は、レーザ光2によって溶融された溶融池11に形成されるキーホール内及びその開口部周辺に発生するプラズマ12によって、被溶接材1の表面におけるアーク極点(陰極点又は陽極点)がレーザ溶接部に移動するため、熱源同士が相乗してエネルギー密度が高い熱を得る溶接方法である。このため、被溶接材1の表面における溶接ワイヤ5の先端から落ちた溶滴5bが付着する位置、即ち、溶接時の溶接ワイヤ先端5aを通り被溶接材1の表面に対して垂直な線分と被溶接材1の表面との交点9(以下、溶滴付着点9という)と、アークねらい位置8との距離を短くすることにより、エネルギー効率を向上させることができる。そこで、本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法においては、溶接開始前(アーク発生前)の溶接ワイヤ5の先端を、溶接時にレーザ光2が照射される位置(レーザ光照射点)7よりも溶接方向前方になるように配置し、アークねらい位置8がレーザ照射点7よりも溶接方向前方になるようにして、溶接を開始する。そして、溶接中もアークねらい位置8がレーザ照射点7よりも溶接方向前方になるようにする。これにより、アーク長が短くなり、効率が良い熱源を得ることができる。
Further, in the laser / arc combined welding method of the present embodiment, as shown in FIG. 1 (b), the
但し、アークねらい位置8をレーザ光照射点7よりもかなり前方に設定すると、溶接時の溶接ワイヤ先端5aがレーザ光照射点7よりも溶接方向前方に配置されて、レーザ光2が被溶接材1に到達する前に、溶接ワイヤ5及び溶加材を溶融するエネルギーとして消耗され、結果的に溶接部の溶込みが浅くなることがある。このため、本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法においては、アークねらい位置8をレーザ照射点7よりも溶接方向前方になるようにすると共に、溶接時の溶接ワイヤ先端5aがレーザ光2よりも溶接方向後方になるようにすることが好ましい。なお、レーザ光照射点7とアークねらい位置8との距離dを3mm未満にすることがより好ましい。これにより、十分な溶込みが得られる。
However, if the
上述のように、本実施形態のレーザ・アーク複合溶接方法は、前述の非特許文献3に記載のレーザ・アーク複合溶接装置のように、レーザヘッド3及びアークトーチ6を同軸状に配置する必要がなく、また特別な光学部品を準備する必要もないため、既存のレーザ装置と既存のアーク溶接装置とを組み合わせることにより、容易に且つ安価にレーザ・アーク複合溶接を行うことができる。また、前述の非特許文献3に記載のレーザ・アーク複合溶接装置のように、レーザ光のエネルギーを損失することもないため、高効率で溶接することができる。
As described above, in the laser / arc combined welding method of this embodiment, the
以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。図2は本発明の実施例の溶接方法を示す斜視図であり、図3(a)はその溶接部を示す断面図であり、図3(b)は平面図である。先ず、本発明の実施例として、YAGレーザ22を使用したレーザ溶接とMIG溶接とを併用した複合溶接により、板厚が4mmのJIS規格5182アルミニウム合金板21a及び21bを重ね合わせて、その端面を重ね合わせ面に沿って、MIGトーチ23の傾斜角度θ及びアークねらい位置8とレーザ照射点7との距離Dを変えてへり継手溶接した。その際の溶接条件は、レーザ出力を4.0kW、焦点距離を200mmとし、焦点位置はアルミニウム合金板21a及び21bの表面とした。また、MIG溶接電流は140A、電圧は21Vとし、JIS規格A−5356−WYで規定されている直径1.2mmの溶接ワイヤを使用した。更に、シールドガスはアルゴンを使用し、シールドガス流量は25リットル/分、溶接速度は2.0m/分とし、溶接長は200mmとした。
Hereinafter, the effect of the Example of this invention is demonstrated compared with the comparative example which remove | deviates from the scope of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing a welding method according to an embodiment of the present invention, FIG. 3A is a sectional view showing the welded portion, and FIG. 3B is a plan view. First, as an example of the present invention, JIS standard 5182
次に、上述の条件で溶接した各継手について、溶接金属24ののど厚tを測定した。図4は横軸にレーザ光照射点とアークねらい位置との距離Dをとり、縦軸にのど厚tをとって、距離Dと継手ののど厚tとの関係を示すグラフ図である。なお、図4においては、アークねらい位置8がレーザ光照射点7よりも溶接方向前方の場合をマイナスとし、アークねらい位置8がレーザ光照射点7よりも溶接方向後方の場合をプラスとしている。図4に示すように、MIGトーチ23の傾斜角度θが60°、70°及び78°のいずれの場合においても、レーザ光照射点7がアークねらい位置8よりも溶接方向前方になるように、即ち、レーザ光照射点7とアークねらい位置8との距離Dが0よりも小さい実施例の継手は、アークねらい位置8がレーザ光照射点7よりも溶接方向後方、即ち、レーザ光照射点7とアークねらい位置8との距離Dが0よりも大きい比較例の継手よりも、のど厚tが厚く、溶込み深さが深かった。
Next, the throat thickness t of the
1、101;被溶接材
2、102;レーザ光
3、103;レーザヘッド
4;シールドガス
5;溶接ワイヤ
5a;溶接ワイヤ先端
5b;溶滴
6、104;アークトーチ
7;レーザ光照射点
8;アークねらい位置
9;溶滴付着部
11;溶融池
12;プラズマ
21a、21b;アルミニウム合金板
22;YAGレーザ
23;MIGトーチ
24;溶接金属
105;開先
106;ルートギャップ
d、D;レーザ光照射点7とアークねらい位置8との距離
t;のど厚
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101; To-be-welded material 2,102; Laser beam 3,103;
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