JP2006175493A - 溶接装置および溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ポロシティの発生を防止しつつ、深い溶け込み溶接を達成できる溶接装置を提供する。
【解決手段】 重ね合わされた金属材６０上にレーザ光１２、１４を集光して照射するレーザ光照射部２０と、負極から金属材６０との間にアークを発生させて、レーザ光１２と共に、金属材６０を溶融する負極溶接トーチ３０と、正極から金属材６０との間にアークを発生させて、レーザ光１４と共に、金属材６０を溶融する正極溶接トーチ４０と、正極溶接トーチ３０による金属材６０の溶融時に供給されるワイヤ４２と、を有し、負極溶接トーチ３０により金属材６０を溶融する際に、金属材６０が蒸発してできた金属蒸気が溶融金属６８外部に誘導される溶接装置１０。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶接装置および溶接方法に関し、特に、ポロシティの発生を防止できる溶接装置および溶接方法に関する。

金属材の溶接方法として、レーザ溶接が知られている。レーザ溶接では、重ね合わされた金属材に対して、レーザ光を集光して照射する。レーザ光は高エネルギ密度を有する。したがって、金属材表面に激しい蒸発が起こり、蒸気反力としてキーホールと呼ばれる穴が形成される。キーホールに入ったレーザ光は反射損失が小さくなるので、キーホールは次第に深くなる。これにより、深い溶け込み溶接ができる。レーザ光の照射を止めると、金属材はすぐに融点以下になり、凝固するので、凝固速度が比較的速い（特許文献１参照）。

しかし、溶け込み深さが深いことや、凝固速度が速いため、溶接金属中に気泡（ポロシティ）が発生する問題がある。特に、亜鉛メッキ鋼板同士を溶接する場合にポロシティが多く発生する。その原因は、亜鉛の融点が約４２０度であり、約１５３５度の鉄の融点に比べて大幅に低いことにある。この融点の差により、溶融金属の凝固が始まっても、亜鉛蒸気が発生し、溶融金属内に残ってしまう。

また、剛性向上や水密性確保の目的で、鋼板同士の合わせ面に接着剤やシール材を塗布する場合にもポロシティが発生する。シール材を含んだ鋼板をレーザ溶接すると、亜鉛メッキの場合と同様に、低融点のシール材の樹脂分が蒸発し、凝固時に溶融金属中に残ってしまうからである。

上記ポロシティの問題を解決するために、亜鉛メッキ鋼板同士を溶接する場合、エンボス等を設けて、鋼板間に物理的に０．２〜０．３ｍｍの隙間を設けたり、継ぎ手を工夫することによって、亜鉛蒸気を逃がす道を作ったりする。

または、シール材を塗布する場合、レーザ溶接に影響のない位置までシール材の塗布位置を離し、シール材をレーザ溶接しないようにする。
特表平１０−５０５７９１号公報

しかし、上記のようにポロシティが発生しないように工夫しても、次のような問題がある。

亜鉛メッキ鋼板を溶接する場合、重ね合わせる鋼板の精度により、隙間量がレーザ溶接可能な隙間量０．３ｍｍを超えてしまい、レーザ溶接自体が達成できなくなる場合がある。

加圧ローラーや加圧ピンにより隙間量を矯正しながらレーザ溶接を実行することも考えられる。しかし、溶接箇所付近の鋼板に剛性がある場合、隙間矯正ができない可能性がある。

シール材を併用する場合、シール材がレーザ溶接部の隙間に入り込む場合があり、結局ポロシティが発生してしまう。また、レーザ溶接後からシール材を施工できれば水密性の問題はなくなるが、実際には、シール材を後から施工できない。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ポロシティの発生を防止しつつ、深い溶け込み溶接を達成できる溶接装置および溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の溶接装置は、重ね合わされた金属材上にレーザ光を集光して照射するレーザ光照射部と、負極から前記金属材との間にアークを発生させて、前記レーザ光と共に、該金属材を溶融する負極溶接トーチと、正極から前記金属材との間にアークを発生させて、前記レーザ光と共に、該金属材を溶融する正極溶接トーチと、前記正極溶接トーチによる前記金属材の溶融時に供給される溶接用金属材料と、を有し、前記負極溶接トーチにより金属材を溶融する際に、前記金属材が蒸発してできた金属蒸気が溶融金属外部に誘導される。

本発明の溶接方法は、重ね合わされた金属材上に、レーザ光を集光しつつ負極からアークを発生させて、該金属材を溶融する溶融工程と、溶融箇所に、レーザ光を集光しつつ正極からアークを発生させ、溶接用金属材料を供給して、前記金属材を溶接する溶接工程と、を有し、前記溶融工程では、前記金属材が蒸発してできた金属蒸気が溶融金属外部に誘導される。

本発明の溶接装置によれば、負極溶接トーチにより金属材を溶融する際に、金属蒸気が溶融金属外部に誘導され、溶融金属内に金属蒸気がほとんどなくなった状態とされる。そして、正極溶接トーチのアークおよびレーザ光により金属を溶融しつつ、溶接用金属材料を供給することによって、金属を補充し、溶接できる。これにより、レーザ光による深い溶け込み溶接を達成できるだけでなく、金属蒸気が溶融金属内に残ることを防止できる。すなわち、ポロシティの発生を防止できる
本発明の溶接方法によれば、負極からアークを発生させて金属材を溶融する際に、金属蒸気が溶融金属外部に誘導され、溶融金属内に金属蒸気がほとんどなくなった状態とされる。そして正極からのアークにより金属材を溶融しつつ溶接用金属材料を供給するので、溶接用金属材料により金属材を補充し、溶接できる。結果として、レーザ光による深い溶け込み溶接を達成できるだけでなく、金属蒸気が溶融金属内に残ることを防止できる。すなわち、ポロシティの発生を防止できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、溶接装置の概略構成図である。

溶接装置１０は、少なくとも二つの金属材を溶接する装置である。溶接装置１０は、特に重ね溶接に適している。

溶接装置１０は、レーザ光照射部２０、負極溶接トーチ３０、正極溶接トーチ４０を有する。レーザ光照射部２０、負極溶接トーチ３０、正極溶接トーチ４０は、フレーム５０により一体に保持され、姿勢が固定されている。この状態において、溶接装置１０は、溶接方向、たとえば、図１に矢印で示す方向に進行する。

レーザ光照射部２０は、図示しないレーザ発振装置により発生されたレーザ光を、集光レンズで細く絞って、重ね合わされた金属材６０上に照射する。本実施形態では、レーザ光照射部２０は、加工点を二つにできるように、ツインスポット用の集光レンズを用いている。

負極溶接トーチ３０は、負極からアークを発生するティグ溶接用の非消耗式トーチである。負極溶接トーチ３０は、タングステンを電極としてアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中でアークを発生し、アークの熱で金属材６０を溶融する。負極溶接トーチ３０は、レーザ光１２と共に、金属材６０を溶融する。

負極溶接トーチ３０は、レーザ光１２と作用するようにレーザ光１２側を向いている。負極溶接トーチ３０と、レーザ光１２の焦点箇所との距離ｄ１は、レーザ溶接時に発生する金属プラズマの影響が少なく、かつ、負極溶接トーチ３０がレーザ光１２の光路を遮らないように、２〜６ｍｍである。好ましくは３ｍｍ程度である。

正極溶接トーチ４０は、正極からアークを発生するミグ溶接用の消耗式トーチである。正極溶接トーチ４０は、ワイヤ４２（溶融金属材料）を正極とし、一定速度でトーチのコンタクトチップから供給して、金属材６０との間でアークを発生する。そして、正極溶接トーチ４０は、アークの熱で金属材６０を溶融しつつ、ワイヤ４２自身も溶融して、溶融箇所に溶融金属を供給しつつ金属材６０を溶接する。ここで、アークおよび溶融金属は不活性ガスによって空気より保護される。なお不活性ガスとしてはアルゴンガス、ヘリウムガスなどを用いる。正極溶接トーチ４０は、レーザ光１４と共に、金属材６０を溶接する。

正極溶接トーチ４０は、レーザ光１４と作用するようにレーザ光１４側に向いている。正極溶接トーチ４０と、レーザ光１４の焦点箇所との距離ｄ２は、レーザ溶接時に発生する金属プラズマの影響が少なく、かつ、正極溶接トーチ４０がレーザ光１４の光路を遮らないように、２〜６ｍｍである。好ましくは３ｍｍ程度である。

負極溶接トーチ３０は、正極溶接トーチ４０よりも溶接方向前方に配置されている。

（作用）
次に、溶接装置１０の作用を説明する。

図２は負極溶接トーチおよびレーザ光による溶融を示す図、図３は正極溶接トーチおよびレーザ光による溶接を示す図である。なお、図２、図３に示す作用では、金属材６０として、亜鉛メッキ鋼板６０を溶接する場合について説明する。

亜鉛メッキ鋼板６０は、鉄６２に亜鉛６４がコーティングされてなる。また、溶接する亜鉛メッキ鋼板６０同士の間には、剛性向上のために、シール材６６が挟まれている。

溶接装置１０は、図２に示す矢印方向に進みながら、亜鉛メッキ鋼板６０を溶接する。

まず、負極溶接トーチ３０のアークおよびレーザ光１２により亜鉛メッキ鋼板６０が加熱されて、溶融される。すると、亜鉛メッキ鋼板６０の表面に蒸発が起き、キーホールが形成される。キーホール内においてレーザ光１２が反射し、深く亜鉛メッキ鋼板６０が溶融される。

ここで、亜鉛メッキ鋼板６０の鉄６２が溶融する程度の温度になると、亜鉛６４のいくらかは気化して、亜鉛蒸気となる。シール材６６は、より融点の低い有機溶剤により形成されているので、シール材６６も気化して、有機ガスとなる。

気化した亜鉛蒸気および有機ガスは、溶融金属６８から外部に誘導される。誘導される仕組みは明らかではない。しかし、亜鉛は、Ｚｎ^２＋イオンとして正の電荷を有するので、負極を帯びた負極溶接トーチ３０に引き寄せられて、溶融金属６８外部に誘導されると考えられる。また、シール材６６は、負極溶接トーチ３０の作用により正極に印加された亜鉛メッキ鋼板６０の影響により、気化する際に正電荷を帯びる結果、負極溶接トーチ３０に引き寄せられて、溶融金属６８外部に誘導されると考えられる。

このようにして、ポロシティの原因となりうる亜鉛蒸気および有機ガスが、溶融金属６８外に排出される。なお、上記工程では、多少の鉄蒸気も発生して、外部に誘導される。

次に、溶接装置１０が進行して、図３に示すように、溶融金属６８上に、レーザ光１４および正極溶接トーチ４０が到達する。

レーザ光１４は、溶融金属６８を照射して、深くまで溶融させる。そして、正極溶接トーチ４０は、ワイヤ４２を供給しつつ、金属溶融を行う。ワイヤ４２は、アークを発生しつつ、自身も溶融され、溶融金属６８に供給される。これにより、上記工程において、金属蒸気の排出により材料が不足している溶融金属６８に金属材料が補充される。

このまま、溶接装置１０が移動することによって、溶融金属６８が冷却されて、亜鉛メッキ鋼板６０同士が溶接される。

（効果）
以上のように、本実施形態の溶接装置１０によれば、まず、負極溶接トーチ３０およびレーザ光１２により、亜鉛メッキ鋼板６０を溶融することによって、ポロシティの原因となりうる亜鉛蒸気および有機ガスを溶融金属の外部に誘導し、亜鉛蒸気および有機ガスがほとんどなくなった状態とする。その後、正極溶接トーチ４０およびレーザ光１４により、亜鉛メッキ鋼板６０を溶融しつつ、ワイヤ４２を供給することによって、金属を補充し溶接できる。したがって、レーザ光１２、１４による深い溶け込み溶接を達成できるだけでなく、亜鉛蒸気および有機ガスが溶融金属６８内に残ることを防止できる。すなわち、ポロシティの発生を防止できる
また、負極溶接トーチ３０は、正極溶接トーチ４０よりも溶接方向前方に配置されている。したがって、溶接方向に溶接装置１０が移動することによって、負極溶接トーチ３０のアークおよびレーザ光１２による金属蒸気の誘導、正極溶接トーチ４０のアークおよびレーザ光１４による亜鉛メッキ鋼板の溶接を順次実施できる。

負極溶接トーチ３０は、ティグ溶接用トーチである。負極溶接トーチ３０は、溶融金属内の亜鉛蒸気等を排除するために用いられるので、無駄に金属材料を供給することがない。

正極溶接トーチ４０は、ミグ溶接用トーチである。溶接中にワイヤ４２を供給して、負極溶接トーチ３０による溶融時に減った分の金属材料を溶接箇所に補充できる。したがって、より堅固な溶接が実現できる。

レーザ光照射部２０は、亜鉛メッキ鋼板６０上の二箇所にレーザ光を集光する。したがって、亜鉛メッキ鋼板６０上の一箇所において負極溶接トーチ３０と共に亜鉛メッキ鋼板６０の溶融を行い、同時に、他の一箇所において正極溶接トーチ４０と共に亜鉛メッキ鋼板６０の溶接を行える。亜鉛メッキ鋼板６０の広範な範囲を溶接する場合、溶接時間を短縮できる。

なお、上記実施形態では、正極溶接トーチ４０には、ミグ溶接用トーチを用いる場合を説明した。しかし、これに限定されない。正極溶接トーチ４０に、ティグ溶接用トーチを適用することもできる。この場合、ティグ溶接用トーチによるアークの発生とは別に、溶加棒を供給する。溶加棒をアークにより溶融して、溶融金属に加えることによって、不足した金属材料を補充できる。

また、上記実施形態では、亜鉛メッキ鋼板６０の間にシール材６６を挟んで溶接する場合を説明した。しかし、これに限定されない。シール材６６なしで、亜鉛メッキ鋼板６０同士を溶接することもできる。

さらに、上記実施形態では、溶接状態を検出するためのセンサを特に設けていないが、該センサを設けることができる。センサは、溶融部において生じる反射光やプラズマを検出することにより、溶接状態を検出できる。センサの検出に基づいて、溶接速度の調節などができる。

（変形例）
図４は、溶接装置の変形例を示す概略構成図である。

上記実施形態では、レーザ光照射部２０は、亜鉛メッキ鋼板６０上の二箇所にレーザ光を集光している。しかし、図４に示すように、レーザ光照射部２０’によるレーザ光を一箇所に集光してもよい。

この場合、溶接装置１０’は、負極溶接トーチ３０および正極溶接トーチ４０により同時にアークを発生させられない。したがって、負極溶接トーチ３０および正極溶接トーチ４０によるアークの発生を時分割に実行する。

たとえば、負極溶接トーチ３０により連続して数十回アークを発生させた後、正極溶接トーチ４０により連続して数十回アークを発生させる。これにより、上記実施形態と同様に、最初の負極溶接トーチ３０によるアークの発生時に亜鉛蒸気などを排除でき、その後の正極溶接トーチ４０によるアークの発生時に金属材料の補充および溶接を実行できる。

溶接装置の概略構成図である。 負極溶接トーチおよびレーザ光による溶融を示す図である。 正極溶接トーチおよびレーザ光による溶接を示す図である。 溶接装置の変形例を示す概略構成図である。

符号の説明

１０、１０’…溶接装置、
１２、１４…レーザ光、
２０、２０’…レーザ光照射部、
３０…負極溶接トーチ、
４０…正極溶接トーチ、
４２…ワイヤ、
５０…フレーム、
６０…亜鉛メッキ鋼板、
６２…鉄、
６４…亜鉛、
６６…シール材、
６８…溶融金属。

Claims (10)

1. 重ね合わされた金属材上にレーザ光を集光して照射するレーザ光照射部と、
   負極から前記金属材との間にアークを発生させて、前記レーザ光と共に、該金属材を溶融する負極溶接トーチと、
   正極から前記金属材との間にアークを発生させて、前記レーザ光と共に、該金属材を溶融する正極溶接トーチと、
   前記正極溶接トーチによる前記金属材の溶融時に供給される溶接用金属材料と、
   を有し、
   前記負極溶接トーチにより金属材を溶融する際に、前記金属材が蒸発してできた金属蒸気が溶融金属外部に誘導される溶接装置。
2. 前記負極溶接トーチは、前記正極溶接トーチよりも溶接方向前方に配置される請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記負極溶接トーチは、ティグ溶接用トーチである請求項１または２に記載の溶接装置。
4. 前記正極溶接トーチは、
   ミグ溶接用トーチまたはティグ溶接用トーチであり、
   ミグ溶接用トーチの場合、前記溶接用金属材料を正極として溶接箇所に供給しつつ溶接を行い、
   ティグ溶接用トーチの場合、アークの発生とは別に前記溶接用金属材料を溶接箇所に供給しつつ溶接を行う請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接装置。
5. 前記レーザ光照射部は、前記金属材上の二箇所にレーザ光を集光し、一箇所において前記負極溶接トーチと共に前記金属材の溶融を行い、他の一箇所において前記正極溶接トーチと共に前記金属材の溶接を行う請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶接装置。
6. 前記負極溶接トーチによる溶融と、前記正極溶接トーチによる溶接とは、時分割に実行される請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶接装置。
7. 前記金属板は、亜鉛メッキ鋼板である請求項１〜６のいずれか一項に記載の溶接装置。
8. 重ね合わされた金属材上に、レーザ光を集光しつつ負極からアークを発生させて、該金属材を溶融する溶融工程と、
   溶融箇所に、レーザ光を集光しつつ正極からアークを発生させ、溶接用金属材料を供給して、前記金属材を溶接する溶接工程と、
   を有し、
   前記溶融工程では、前記金属材が蒸発してできた金属蒸気が溶融金属外部に誘導される溶接方法。
9. 前記溶融工程では、前記負極によりティグ溶接が実行される請求項８に記載の溶接方法。
10. 前記溶接工程では、前記正極によりミグ溶接またはティグ溶接が実行され、
    ミグ溶接を実行する場合、前記溶接用金属材料が前記正極としてアークを放出しつつ溶接箇所に供給され、
    ティグ溶接を実行する場合、アークの発生とは別に前記溶接用金属材料が溶接箇所に供給される請求項８または９に記載の溶接方法。

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