JP2009518189A - レーザー回転アークハイブリッド溶接装置およびその方法 - Google Patents

レーザー回転アークハイブリッド溶接装置およびその方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、レーザー回転アークハイブリッド溶接装置およびこれを用いた溶接方法に関する。本発明のレーザー回転アークハイブリッド溶接装置は、溶接部位に対してアークを放電するアーク放電部（２）と、溶接部位に対してレーザーを照射するレーザー発生部（４）と、前記アーク放電部（２）を回転させる回転装置（２４）とを含んでなる。このレーザー回転アークハイブリッド溶接装置を用いた溶接方法では、複数の母材を溶接位置に整列させ、溶接部位に対してレーザーアークハイブリッド溶接装置を位置させた後、アーク放電部を所定の回転半径で回転させながらアーク放電を行い、これに連続してレーザー発生部によってレーザーを照射する。

Description

本発明は、レーザー回転アークハイブリッド溶接に係り、さらに詳しくは、亜鉛メッキ鋼板の溶接の際に１．５〜２ｍｍ以下の間隙に対してトーチの高さ制御なしで溶接を行うことができるとともに、アーク回転によって溶融池の流動を向上させてアンダーカットなどの溶接不良を減少させることができる、レーザー回転アークハイブリッド溶接装置およびこれを用いた溶接方法に関する。
一般に、レーザーＭＩＧ(Metal Inert Gas)ハイブリッド溶接は、突き合せ溶接部位に対する間隙許容値が１．５ｍｍ以内であり、１．２ｍｍの溶接ワイヤーが主に用いられる。
通常、突き合せ溶接部位に間隙が存在する場合、レーザーアークハイブリッド溶接における１ｍｍ以内の間隙は溶接電流と電圧を調節して溶接性を確保することができるが、１〜１．５ｍｍの間隙が存在する場合にはトーチ高さを調節しなければならず、１．５〜２ｍｍの間隙が存在する場合には１．２ｍｍの溶接ワイヤーを使用すると残りの間隙があまり大きくて溶接がなされないので、１．４ｍｍの溶接ワイヤーで取り替えて溶接を行った。
したがって、溶接部位の間隙に応じて１．２ｍｍと１．４ｍｍの溶接ワイヤーを選択的に適用しなければならないので、溶接ワイヤーの取替え作業を伴うという不便さがあった。
また、前述したトーチ高さを調節するためには別途の軸がさらに必要とされるので、システムが複雑になり、制御が容易でないという問題点が発生した。
そこで、本発明は、前述した従来の技術の問題点を解決するためのもので、その目的は、レーザーとアークを並行するハイブリッド溶接を行うが、アーク放電部を所定の半径で回転させることにより、１．５〜２ｍｍ以内の間隙を持つ溶接部位に対して１．２ｍｍの溶接ワイヤーを使用しても溶接部位に熱源を十分供給することができるため、トーチの制御なしでも溶接を可能にするとともに、アーク放電部の回転に伴って溶融池の流動性を向上させてアンダーカットなどの溶接不良の減少を可能にした、レーザーアークハイブリッド溶接装置およびこれを用いた溶接方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、溶接部位に対してアークを放電するアーク放電部と、溶接部位に対してレーザーを照射するレーザー発生部と、前記アーク放電部を回転させる回転装置とを含んでなることを特徴とする、溶接装置を提供する。
また、本発明は、母材を溶接位置に整列させる第１段階と、溶接部位に対してレーザー回転アークハイブリッド溶接装置を位置させた後、アーク放電部を所定の回転半径で回転させながらアーク放電を行い、これに連続してレーザー発生部によってレーザーを照射する第２段階とを含んでなることを特徴とする、溶接装置を用いた溶接方法を提供する。
また、本発明は、母材を溶接位置に整列させる第１段階と、溶接部位に対してレーザー回転アークハイブリッド溶接装置を位置させた後、レーザー発生部によってレーザーを照射し、これに連続してアーク放電部によってアーク放電を行う第２段階とを含んでなることを特徴とする、溶接装置を用いた溶接方法を提供する。
上述したように、本発明のレーザー回転アークハイブリッド溶接装置およびこれを用いた溶接方法によれば、アーク放電部を所定の回転半径で回転させることにより溶接の範囲を拡大させることができるため、１．５〜２ｍｍ以内の間隙を持つ突き合せ溶接部位に対する溶接が可能であり、また、アーク放電部が回転するにつれて溶融池の流動が向上してアンダーカットなどの溶接不良の減少が可能であって、高品質の溶接を提供することができるという効果がある。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について詳しく説明する。
図１は本発明に係るレーザー回転アークハイブリッド溶接装置を示す図である。
図１を参照すると、本発明の溶接装置は、溶接部位に対してアークを放電するアーク放電部２と、前記アーク放電部２の後方に設置され、溶接部位に対してレーザーを照射するレーザー発生部４と、前記アーク放電部２を回転させる回転装置２４とを含んでなる。
前記アーク放電部２は、後述の回転装置２４に設置されてアーク溶接を行うためのものである。本発明の実施例では、前記アーク放電部２としてＭＩＧトーチが使用される。前記ＭＩＧトーチは、後述するレーザー照射器４４の前方、すなわち溶接進行方向に向かって前方に設置されるが、斜めに傾いて設置される。
ここで、前記ＭＩＧは、metal inert gasの略字であって、不活性ガスであるアルゴンまたはヘリウムを用いて溶接するガス金属アーク溶接法(gas metal arc welding)の一種であり、不活性ガスを用いて溶融金属の酸化、窒化を防止し、溶接棒（溶接ワイヤー）を連続的に供給しながら溶接させる。
一方、前記アーク放電部２は、その上部に設置された回転装置２４によって所定の回転半径ｒで回転しながらアーク放電が行われるので、溶接部位の間隙１．５ｍｍ〜２ｍ以内まで十分熱源を供給することができる。
すなわち、前記ＭＩＧ溶接は、自溶性ワイヤーを電極として用いるので、溶接部位の間隙の許容度が良いという利点があるが、前記アーク放電部２を回転させることにより溶接範囲が拡大できるので、溶接部位の間隙の許容度をさらに拡大できる。
ここで、前記回転装置２４は、所定のケース２４２と、前記ケース２４２内に設置されたモーター２４４と、前記モーター２４４の軸２４６に結合したベアリング板２４８とからなり、前記ベアリング板２４８の中心から偏心して前記アーク放電部２が設置される。
よって、前記アーク放電部２は、前記モーター２４４の回転によって所定の回転半径ｒで偏心して回転できる。
前記レーザー発生部４は、レーザーを照射して溶接する装置であって、所定のブラケット４２に対してレーザー照射器４４が垂直に設置されて構成される。
一般に、レーザー溶接は、相対的に高速の溶接が可能であり、キーホール型溶接法なので、厚い鉄板の溶接も１パス（１pass）で可能である。また、局部的な入熱のため、熱変形が少ないという利点がある。
前述した前記レーザー発生部４と前記アーク放電部２は、ロボットアーム（図示せず）などの移動装置に設置されて同時に移動できるようにし、前記レーザー発生部４の照射点と前記回転装置２４の回転中心点との間隔は約５ｍｍであり、溶接進行方向に向かってアーク放電部２の照射点はレーザー発生部４の照射点よりも前方に形成されるようにした。
したがって、アーク放電がまず行われた後、レーザー照射が行われるが、実質的に前記アーク放電とレーザー照射間の間隔（５ｍｍ）および時差（約０．１秒）は非常に微細なので、前述したアーク放電とレーザー照射によって略一つの溶融池を形成すると見なすことができる。
次に、このような構成を持つ本発明のレーザー回転アークハイブリッド溶接装置を用いた溶接方法について、図３に基づいて説明する。
図３は本発明に係るレーザー回転アークハイブリッド溶接方法を段階別に示すフローチャートである。
図３を参照すると、本発明の溶接方法は、母材１００を溶接位置に整列させる第１段階（Ｓ１）と、溶接部位に対してレーザー回転アークハイブリッド溶接装置を位置させた後、アーク放電部２を所定の回転半径で回転させながらアーク放電を行い、これに連続してレーザー発生部４によってレーザーを照射する第２段階（Ｓ２）を順次行う。
ここで、前記第１段階（Ｓ１）では、突き合せ溶接のために複数の母材１００を所定の間隙ｍを置いて整列するが、この際、前記母材間の間隔ｍはアーク放電部の回転半径ｒを考慮してできる限り２．０ｍｍ以内にすることが好ましい。
勿論、回転半径ｒが増加すると、母材間の間隙の許容範囲も増加する。
また、上記では突き合せ溶接を例として挙げたが、その他に、Ｖ溝溶接(V-groove welding)または隅肉溶接(fillet welding)も可能である。
その後、第２段階（Ｓ２）では、前記母材１００の溶接部位に対してアーク放電部４を回転させながらアーク放電を行い、これに連続して微細な時差（約０．１秒）を置いて前記レーザー発生部４によってレーザーを照射することにより溶接を行う。
一方、本発明の溶接方法の他の実施例では、レーザー発生部４によってレーザー照射を行った後、アーク放電部２によってアーク放電を行うこともできる。
前述したアーク放電とレーザー照射が微細な時差（約０．１秒）を置いて行われるので、ほぼ同時にアーク放電とレーザー照射が行われると見なすことができ、これらの２つの熱源は大抵一つの溶融池を形成する。
図４は本発明に係るレーザー回転アークハイブリッド溶接装置のアーク回転方向を概念的に示す図である。
図４を参照すると、溶接進行方向(welding direction)は左であり、前記アーク放電部２の回転方向はＣｆ→Ｒ→Ｃｒ→Ｌの順に循環して回転する。
図５は本発明における溶接電流の信号特性を示すグラフである。
図５を参照すると、溶接線(weld line)と回転中心とが一致する場合には破線のような溶接電流波形を有し、溶接線と回転中心とが一致しない場合には実線のような溶接電流波形を有する。
図６は本発明におけるオフセットによる左右面積差を示すグラフである。実験結果を追跡すると、溶接部位が略直線形に回帰することが分かり、信頼区間Iも十分小さくて溶接性能にも優れることが分かる。
図７および図８は本発明に係るレーザー回転アークハイブリッド溶接装置による溶接状態を示す写真である。図７は回転アークを適用する前の間隙が２ｍｍの母材に対する写真、図８は回転アークを適用して前述の間隙を溶接させた写真である。
本発明のレーザー回転アークハイブリッド溶接装置およびこれを用いた溶接方法によれば、アーク放電部を所定の回転半径で回転させることにより、溶接範囲を拡大させることができるため、１．５〜２ｍｍ以内の間隙を持つ突き合せ溶接部位に対する溶接が可能であり、また、アーク放電部が回転するにつれて溶融池の流動が向上してアンダーカットなどの溶接不良の減少が可能であって、高品質の溶接を提供することができるという効果がある。
図１は本発明に係るレーザー回転アークハイブリッド溶接装置を示す図である。 図２は本発明に係るレーザー回転アークハイブリッド溶接装置を用いた溶接方法を概略的に示す図である。 図３は本発明に係るレーザー回転アークハイブリッド溶接装置を用いた溶接方法を段階別に示すフローチャートである。 図４は本発明に係るレーザー回転アークハイブリッド溶接装置のアーク回転方向を概念的に示す図である。 図５は本発明における溶接電流の信号特性を示すグラフである。 図６は本発明におけるオフセットによる左右面積差を示すグラフである。 図７は本発明に係るレーザー回転アークハイブリッド溶接装置による溶接状態を示す写真である。 図８は本発明に係るレーザー回転アークハイブリッド溶接装置による溶接状態を示す写真である。
符号の説明
２ アーク放電部
４ レーザー発生部
２２ ＭＩＧトーチ
２４ 回転装置
２６ 接続装置
４４ レーザー照射器

Claims (7)

  1. 溶接部位に対してアークを放電するアーク放電部と、
    溶接部位に対してレーザーを照射するレーザー発生部と、
    前記アーク放電部を回転させる回転装置とを含んでなる
    ことを特徴とする、レーザー回転アークハイブリッド溶接装置。
  2. 前記回転装置は、所定のケース内に設置されたモーターと、前記モーターの軸に結合したベアリング板とからなり、
    前記ベアリング板の中心から偏心して前記アーク放電部が設置された
    ことを特徴とする、請求項１に記載のレーザー回転アークハイブリッド溶接装置。
  3. 前記アーク放電部は、アーク溶接を行うＭＩＧ(Metal Inert Gas)トーチである
    ことを特徴とする、請求項２に記載のレーザー回転アークハイブリッド溶接装置。
  4. 前記レーザー発生部は、所定のブラケットに対してレーザー照射器が垂直に設置されて構成された
    ことを特徴とする、請求項２に記載のレーザー回転アークハイブリッド溶接装置。
  5. 前記回転装置は、回転半径の中心点が溶接進行方向に向かってレーザー発生部よりも前方に形成されるように設置された
    ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザー回転アークハイブリッド溶接装置。
  6. 母材を溶接位置に整列させる第１段階と、
    溶接部位に対してレーザー回転アークハイブリッド溶接装置を位置させた後、アーク放電部を所定の回転半径で回転させながらアーク放電を行い、これに連続してレーザー発生部によってレーザーを照射する第２段階とを含んでなる
    ことを特徴とする、レーザー回転アークハイブリッド溶接方法。
  7. 母材を溶接位置に整列させる第１段階と、
    溶接部位に対してレーザー回転アークハイブリッド溶接装置を位置させた後、レーザー発生部によってレーザーを照射し、これに連続してアーク放電部によってアーク放電を行う第２段階とを含んでなる
    ことを特徴とする、レーザー回転アークハイブリッド溶接方法。
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