JP2010064095A - 複合溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ照射と第１ワイヤによるアーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法において、前記第１ワイヤの直径と同等以上の直径の前記第２ワイヤを使用する複合溶接方法を提供する。
【解決手段】 溶接の進行方向から見た第１ワイヤ３と第２ワイヤ６とレーザビーム２の配置として前記第２ワイヤ３と前記レーザビーム２と前記第１ワイヤ３の順とすると共に、前記第２ワイヤを前記レーザビーム２の前記被溶接物１の表面における照射位置に送給し、前記第１ワイヤ３の直径と同等以上の直径の前記第２ワイヤ６を使用することによって前記第２ワイヤ６を安定に送給すると共に、前記第２ワイヤによる溶着速度を最大限に実現することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被溶接物にレーザビームの照射とアーク溶接を行う複合溶接方法に関するものである。

レーザはエネルギ密度が高く、熱ひずみの少ない溶接を高速で行うことが可能なため、様々な板厚または材質の材料の溶接に使用されている。被溶接物にギャップがあると、レーザビームがギャップから抜けてしまい溶接できなくなったり、溶融金属がギャップを埋めるために消費され溶融金属不足によって溶接欠陥が発生したりしてしまう恐れがある。

この問題を克服するために、フィラーを使用したレーザ溶接方法が従来からあったが、フィラーを溶融するのに余分のレーザエネルギが必要なため、溶接速度が低下してしまう。

一方、消耗電極方式のアーク溶接と併用する複合溶接方法が提案され（例えば、特許文献１）、ワイヤを溶融するのにアークエネルギが使用できると共に、溶融したワイヤがギャップを埋める役割を果す。
特開昭５９−６６９９１号公報

しかし、従来の複合溶接方法では、使用するアーク溶接のワイヤ送給速度とアーク電流を独立に調整することができず、溶着量のみを必要とする場合でも、アーク電流が同時に上がってしまう。その結果、薄板では溶落ちが発生しやすくなったり、厚板では入熱が過多となったりしてしまう。

以上の従来の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、レーザ照射と第１ワイヤによるアーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法において、前記第１ワイヤの直径と同等以上の直径の前記第２ワイヤを使用する複合溶接方法を提供することである。

上記目的を達成するため本発明は、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置に第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法であって、前記第１ワイヤの直径と同等以上の直径の前記第２ワイヤを使用する複合溶接方法、溶接の進行方向から見た前記第１ワイヤと第２ワイヤと前記レーザビームとの配置として前記第２ワイヤと前記レーザビームと前記第１ワイヤの順に配置すると共に、前記第２ワイヤを前記レーザビームの前記被溶接物表面における照射位置に送給し、前記第１ワイヤの直径と同等以上の直径の前記第２ワイヤを使用する複合溶接方法、前記アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を用いる複合溶接方法、前記レーザビームとしてＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザの何れかを用いる複合溶接方法、前記被溶接物と前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとして材質がアルミニウム合金のものを用いる複合溶接方法である。

以上のように本発明は、レーザ照射と第１ワイヤによるアーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法において、前記第１ワイヤの直径と同等以上の直径の前記第２ワイヤを使用することによって第２ワイヤを安定に送給すると共に、前記第２ワイヤによる溶着速度を最大限に実現することができる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における複合溶接方法の構成を示す模式図である。１は被溶接物、２はレーザビーム、３は第１ワイヤ、４は前記第１ワイヤ３と前記被溶接物１との間に形成したアーク、５は前記第１ワイヤ３が溶融して形成した溶滴、６は前記レーザビーム２の前記被溶接物１の表面における照射位置に送給される第２ワイヤ、７は前記第２ワイヤ６を送給するのに使用したチップである。

図１の複合溶接方法の原理について、図２を参照して説明する。図２は、消耗電極方式のアーク溶接方法と本発明の実施の形態における複合溶接方法の溶着速度とアーク電流との関係を示す模式図である。ＭＲ_Ａは消耗電極式のアーク溶接方法の溶着速度を示す溶融曲線である。良好なビードを得るためには、適正な溶着速度で溶接を行う必要がある。仮に目標溶着速度をＶ_Ｗ０とすると、アーク溶接でこの溶着速度を実現するためには、Ｉ_０のアーク電流を使用する。一方、本発明の実施の形態１における複合溶接方法を使用すると、第２ワイヤ６の送給速度が調整可能なので、低いアーク電流でも高い溶着速度を実現することができる。例えば、溶融曲線ＭＲ_Ｆで示した溶着速度Ｖ_ＷＦで前記第２ワイヤ６を送給すると、溶着速度が溶融曲線ＭＲ_Ｈに従う。目標溶着速度Ｖ_Ｗ０を得るために必要なアーク電流はアーク溶接の前記アーク電流Ｉ_０からアーク電流Ｉ_Ｈに下がる。すなわち、同一の溶着速度を実現しつつ、アーク溶接の入熱を下げることができる。

アーク溶接の第１ワイヤ３と第２ワイヤ６とのワイヤ直径と溶着速度の関係について、図３を参照しつつ説明する。図３は、第１ワイヤ３と第２ワイヤとの溶着速度とワイヤ直径の関係を示す模式図である。ＭＲ_Ａ１とＭＲ_Ａ２とＭＲ_Ａ３は、図示していないが、アーク電流がそれぞれＩ_Ａ１とＩ_Ａ２とＩ_Ａ３の場合の第１ワイヤ３の溶着速度を示す溶融曲線である。Ｉ_Ａ１＞Ｉ_Ａ２＞Ｉ_Ａ３である。横軸のワイヤ直径の領域Ｉ〜IIIについて、ワイヤ送給の視点から説明する。領域Ｉはワイヤ径が細すぎて安定に送給できない領域で、領域IIIはワイヤ径が太すぎて安定に送給できない領域である。領域IIはワイヤが安定に送給できる領域であるが、通常の溶接ではこの領域のワイヤを使用する。良好な溶接を実現するためには、通常、目標入熱（図示していない。以下同様である。）と目標溶着速度の組合せで溶接するのが望ましい。但し、従来のアーク溶接では両者が自由に調整できず、場合によっては両者の組合せはワイヤ径からの制限を受けることがある。例えば、電流Ｉ_Ａ２と対応する目標入熱と目標溶着速度Ｖ_Ｗ０とで溶接しようとするとΦ_１のワイヤ径を使用すればよいが、電流Ｉ_Ａ３と対応する目標入熱で溶接をしようとするΦ_２のワイヤ径を使用する必要がある。前述の通り、前記ワイヤ径Φ_２は領域Ｉに入りワイヤ送給不安定が発生するので、実際の溶接には使用できない。一方、本発明の実施の形態１における複合溶接方法では、前記目標入熱と目標溶着速度の組合せを容易に実現することができる。これは、Φ_３のワイヤ径を使用することによって実現できる。この場合、第１ワイヤ３からはＶ_ＷＡ１相当の溶着速度を実現し、残りの不足分Ｖ_ＷＦ１は第２ワイヤ６によって補う。言うまでもなく、前記第２ワイヤ６の溶着速度Ｖ_ＷＦ１を増やせば、前記第１ワイヤ３の溶着速度Ｖ_ＷＡ１を下げることができるので、Ｉ_Ａ３より更に低い電流または入熱で溶接することができる。

次に、第２ワイヤ６のワイヤ径の選定について、図３を参照しつつ説明する。図示していないが、レーザ出力が一定の場合、アーク電流がＩ_Ａ１とＩ_Ａ２とＩ_Ａ３の対応する第２ワイヤ６の溶融曲線はそれぞれＭＲ_Ｆ１とＭＲ_Ｆ２とＭＲ_Ｆ３である。横軸のワイヤ直径の領域IV〜Ｖについては、領域IVは良好な第２ワイヤ６の送給と溶融が行える領域である。領域Ｖは、前記第２ワイヤ６のワイヤ径が前記レーザビーム２のビーム直径よりも大きくなり、良好な溶融ができなくなった領域である。図示の通り、第２ワイヤ６を使用して溶着速度Ｖ_ＷＦ１を実現しようとすると、前記第２ワイヤ６の溶融曲線ＭＲ_Ｆ３によれば、Φ_４のワイヤ径を使用すればよいことがわかる。前記溶着速度Ｖ_ＷＦ１の大きさにもよるが、通常、前記第２ワイヤ６のワイヤ径Φ_４が第１ワイヤ径３のワイヤ径Φ_３より大きいものを使用することができる。そうすることによって、同一のアーク電流でも高い溶着速度を得ることが可能であり、前記第２ワイヤ６による溶着速度を最大限に実現することができる。一例として、第１ワイヤ３に市販で多用されている直径Φ１．２ｍｍのＡ５３５６ワイヤを使用して板厚２ｍｍのＡ５０５２アルミニウム合金のビード・オン・プレート溶接を行う際に、使用した第２ワイヤ６のワイヤ径と最大溶着速度との関係について検討を行った。得られた結果を図４に示す。図４は、良好なビード外観が得られた第２ワイヤ６のワイヤ径と最大溶着速度の関係を示す実験結果である。第２ワイヤ６のワイヤ径が１．２ｍｍの場合には、ワイヤ径が１ｍｍのものよりも高い最大溶着速度が得られることがわかった。

以上のように本発明の実施の形態によれば、レーザ照射と第１ワイヤによるアーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法において、前記第１ワイヤの直径と同等以上の直径の前記第２ワイヤを使用することによって第２ワイヤを安定に送給すると共に、良好なビード形状を得ることができる。

以上の説明では、溶接方向すなわち溶接の進行方向から見た第１ワイヤと第２ワイヤとレーザビームとの配置として前記第２ワイヤと前記レーザビームと前記第１ワイヤの順とすると共に、前記第２ワイヤを前記レーザビームの被溶接物表面における照射位置に送給することができる。そうすることによって、前記第２ワイヤが溶融池と前記レーザビームの両方によってスムーズに溶融することができる。

また、以上の説明では、アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を使用してよい。そうすることによって、溶接時のスパッタ発生量を減少させることができる。

また、以上の説明では、レーザビームとしてＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザを使用してもよい。そうすることによって、前記レーザビームを光ファイバで伝送できるため、溶接のフレキシビリティを高めることができる。

また、以上の説明では、被溶接物１と第１ワイヤ３と第２ワイヤ７の材質をアルミニウム合金にしてもよい。そうすることによって、第２ワイヤ７の送給安定性の効果がより得られやすくなる。

以上のように本発明によれば、レーザ照射と第１ワイヤによるアーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法において、前記第１ワイヤの直径と同等以上の直径の前記第２ワイヤを使用することによって第２ワイヤを安定に送給すると共に、前記第２ワイヤによる溶着速度を最大限に実現することのできる複合溶接方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１における複合溶接方法の構成を示す模式図 消耗電極方式のアーク溶接方法と本発明の実施の形態における複合溶接方法の溶着速度とアーク電流の関係を示す模式図 第１ワイヤ３と第２ワイヤとの溶着速度とワイヤ直径の関係を示す模式図 良好なビード外観が得られた第２ワイヤの直径と最大溶着速度の関係を示す実験結果の説明図

符号の説明

１ 被溶接物
２ レーザビーム
３ 第１ワイヤ
４ アーク
５ 溶滴
６ 第２ワイヤ
７ チップ
ＭＲ_Ａ 溶融曲線
ＭＲ_Ａ１ 溶融曲線
ＭＲ_Ａ２ 溶融曲線
ＭＲ_Ａ３ 溶融曲線
ＭＲ_Ｆ 溶融曲線
ＭＲ_Ｆ１ 溶融曲線
ＭＲ_Ｆ２ 溶融曲線
ＭＲ_Ｆ３ 溶融曲線
ＭＲ_Ｈ 溶融曲線
Ｖ_Ｗ０ 目標溶着速度
Ｖ_ＷＡ１ 目標溶着速度
Ｖ_ＷＦ 溶着速度
Ｖ_ＷＦ１ 溶着速度
Ｉ_０ アーク電流
Ｉ_Ｈ アーク電流
Ｉ 領域
II 領域
III 領域
IV 領域
Ｖ 領域
Φ_１ 溶着速度
Φ_２ 溶着速度
Φ_３ 溶着速度
Φ_４ 溶着速度

Claims (5)

1. 被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら前記溶接位置に第１ワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行うと共に、前記レーザビームと前記アーク溶接で形成した溶融池に第２ワイヤを供給する複合溶接方法であって、前記第１ワイヤの直径以上の直径の前記第２ワイヤを使用する複合溶接方法。
2. 溶接の進行方向から見た第１ワイヤと第２ワイヤとレーザビームとの配置として、前記第２ワイヤと前記レーザビームと前記第１ワイヤの順に配置すると共に、前記第２ワイヤを前記レーザビームの前記被溶接物表面における照射位置に送給する請求項１記載の複合溶接方法。
3. 前記アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を用いる請求項１または請求項２に記載の複合溶接方法。
4. 前記レーザビームとしてＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザの何れかを用いる請求項１から請求項３の何れかに記載の複合溶接方法。
5. 前記被溶接物と前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとして材質がアルミニウム合金のものを用いる請求項１から請求項４の何れかに記載の複合溶接方法。