JP2010207874A - 溶接装置と溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】活性フラックスを使用することによって深い溶込みを得る溶接装置または溶接方法において、被溶接物の溶融池に活性フラックスをフラックス供給手段より供給しながら溶接を行う溶接装置と溶接方法に関する。
【解決手段】活性フラックス１１と、前記活性フラックス１１を供給するフラックス供給手段７と、レーザ光５を発生し、被溶接物６の溶接位置に照射するレーザ装置１と、前記フラックス供給手段７と前記レーザ装置１とを制御する制御手段１２とを備え、前記フラックス供給手段７は、前記活性フラックス１１を前記被溶接物６の溶融池に供給しながら溶接を行う溶接装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、活性フラックスを使用することによって深い溶込みを得る溶接装置または溶接方法に関するものである。

非消耗電極アーク溶接は、熱効率がよく、品質の高い溶接方法として薄板から厚板まで広い範囲の構造物の溶接に使用されている。典型的なものとして、タングステン電極と被溶接物との間にアークを発生させ溶接を行うＴＩＧアーク溶接方法がある。

しかし、通常のＴＩＧアーク溶接方法での熱源は、その加熱範囲が広く、溶込み深さが比較的浅いため、厚板鋼板を溶接する場合には接合部に開先加工を行い、多層盛溶接を行う必要があった。この問題を改善するために、特殊なノズルを使用し、前記ＴＩＧアークを緊縮させて溶接を行うプラズマアーク溶接方法がある。

これら前記ＴＩＧアーク溶接あるいはプラズマアーク溶接において、溶接部の溶込みを増加させ溶接能率を更に向上させる方法として、溶融池内の対流を利用する溶接方法が提案されている。これは、非特許文献１及び非特許文献２に示されるように、ロシアのＰａｔｏｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅに提案され、英国のＴＷＩに普及されたＡ−ＴＩＧと呼ばれるアーク溶接方法である。この方法は、プラズマアーク溶接にも有効である。

具体的には、酸化物を主体とする粉末状の活性フラックスを刷毛で被溶接物に塗布・乾燥してからその上を溶接することによって、深い溶け込みを得る方法である。使用される活性フラックスには、非特許文献１に示されるもの以外に、市販の活性フラックスもいくつか入手できる。

この時の溶融池内の対流を利用して溶接部の溶込みを増加させる原理は、図２３に示す通りである。

図２３（ａ）は、活性フラックスを使用しない時に被溶接物６に形成される溶融池２０１とその時の溶融金属の流れ方向２０２を示したものである。

図２３（ｂ）は、活性フラックスを使用した時に被溶接物６に形成される溶融池２０３とその時の溶融金属の流れ方向２０４を示したものである。

図示した通り、活性フラックスを使用しない場合は、溶融金属の流れ方向２０２は溶融池２０１の中心からその周辺方向へ向かっているのに対し、活性フラックスを使用した場合では、溶融金属の流れ方向２０４は溶融池２０３の周辺からその中心方向へ向かっている。

後者のほうでは、溶融池２０３の中心における、アーク直下の、温度の高い溶融金属が前記溶融池２０３の底の部分に流れるため、溶融池２０３の底の部分の金属が効率よく溶融でき、深い溶込みが得られ、高能率の溶接ができる。

前述のように、活性フラックスとして重要なのは、溶融金属の対流方向を変えることである。この原理を利用すれば、非特許文献１に紹介されるＴＩＧアーク溶接あるいはプラズマアーク溶接以外に、レーザ溶接にも適用できる。

レーザ溶接では、非特許文献３に示すように、被溶接物の溶接位置におけるレーザ光（後述する）のパワー密度に応じ形成される溶接ビードの溶込み形状が異なる。その模式図を図２４に示す。

図２４（ａ）は、パワー密度の低い時に形成される熱伝導型溶け込み形状である。

図２４（ｂ）は、パワー密度の高い時に形成されるキーホール型溶け込みである。

被溶接物６の溶接位置における集光径が一定である場合、図２４（ａ）はレーザ出力が低い時、図２４（ｂ）はレーザ出力が高い時に相当する。

図２４（ａ）に示す熱伝導型溶け込みでは、溶融池２０１の形成は主に熱伝導２０５によって支配されるため、溶接ビードの溶込み深さは、その幅の１／２以上にしかならない。

一方、図２４（ｂ）に示すキーホール型溶け込みでは、被溶接物６の表面がレーザ光５を受け、激しい蒸発２０６を発生することによってキーホール２０８を形成するため、溶融池２０７が次第に深くなり、安定状態では溶融池２０９のような形態となり、溶接ビード幅をはるかに超える溶込み深さを得ることが可能である。

図２３に示す原理によれば、レーザ溶接にて活性フラックスを使用することによって溶込みを増加させる効果が生じるのは、図２４（ａ）に示す熱伝導型溶込みの場合であり、被溶接物６の溶接位置における集光径が同じであれば、レーザ出力の低い場合に相当する。

言い換えれば、活性フラックスを使用することによって低いレーザ出力でも、高いレーザ出力の場合と同様の溶込み深さを得ることができ、溶接装置のコストを下げることが期待できる。

実際の溶接作業では、活性フラックスを効率よく被溶接物６の溶接位置に供給する必要がある。

このような活性フラックスを被溶接物６の溶接位置に供給する方法としては、非特許文献１と非特許文献２に紹介された、刷毛で活性フラックス１１を塗布する方法、あるいはスプレーで活性フラックス１１を塗布する方法以外に、特許文献１から特許文献５によって提案された様々な方法がある。

特許文献１では被溶接物６の溶接位置に直接に活性フラックスを塗布する方法を、特許文献２では被溶接物６の全体に表面処理を施すことによって活性フラックスの効果に相当する酸化物などを添加する方法を、特許文献３では溶接用フィラーの全体に表面処理を施すことによって活性フラックスの効果に相当する酸化物などを添加する方法を、特許文献４ではフラックスコアードワイヤにより活性かフラックスを添加する方法を、特許文献５では溶接用シールドガスに活性ガスを含ませることによって酸化物を形成させ、活性フラックスの効果に相当する酸化物などを添加する方法を、詳しく開示している。

しかし、これらのいずれの方法にも欠点がある。特許文献１の方法では、溶接の前処理工程が必要である。特許文献２の方法では、前処理工程が必要のみでなく、溶接しない部分まで処理してしまう、無駄な工数が発生してしまう。特許文献３と特許文献４との方法では、溶接用フィラーを必要としない場合への適用が困難である。特許文献５の方法では、シールドガス中の活性ガスがＴＩＧアーク溶接の電極寿命を低下させてしまう恐れがある。

また、レーザを熱源とする溶接方法では、合金粉末を被溶接物上に置く方法（特許文献６）と、サブマージアーク溶接方法（非特許文献４）では、溶接に先行して置かれた粒状フラックス中にソリッドワイヤを送給し、フラックスに覆われた状態でアークを発生させて溶接を行う方法があるが、何れのものも、予め溶接箇所に粉末を配置するため、本発明のような活性フラックスを追加投入するものに転用すると、溶融池に投入する前に少なからぬ量が吹き飛び、また、溶融池の横方向へ移動して十分な量を投入できないなど、不具合があった。また、金属粉末を直接供給する方法（特許文献７）もあるが、この方法でも溶融池上方からの投入であり、溶融池に投入する前に少なからぬ量が吹き飛び、十分な量を投入できないなどの問題があった。すなわち、これも同様に後述する本発明の課題を何ら解決し得る方法ではなかった。
特開２００１−２５８６５号公報 特開２００４−２８３８５８号公報 特開平３−２５８４８６号公報 特開２００４−２８５３９５号公報 特開２００３−１９５６１号公報 特開昭６２−３８７８９号公報 特開平３−２３４３９３号公報 Ｗ． Ｌｕｃａｓ ａｎｄ Ｄ． Ｈｏｗｓｅ， Ａｃｔｉｖａｔｉｎｇ ｆｌｕｘ−ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＴＩＧ ａｎｄ ｐｌａｓｍａ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ， Ｗｅｌｄｉｎｇ ＆ Ｍｅｔａｌ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ， Ｊａｎｕａｒｙ， １９９６， ｐ１１−１７． ＴＩＧ溶接における活性フラックスによる溶込み促進機構、溶接学会誌、第７１巻、第２号、２００２年、ｐ９５−９９． レーザプロセス技術ハンドブック、朝倉書店、１９９２． 現代溶接技術大系、溶接法の基礎、産報出版社、１９８０．

上記従来の技術の問題点に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、被溶接物の溶融池に活性フラックスをフラックス供給手段より供給しながら溶接を行い、深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現することのできる溶接装置と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、活性フラックスを被溶接物の溶接位置に供給するフラックス供給手段と、レーザ光を発生し、前記被溶接物の溶接位置に照射するレーザ装置と、前記フラックス供給手段と前記レーザ装置とを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記被レーザ光により生成した溶接物の溶融池に前記活性フラックスを供給しながら溶接を行うものである。

また、上述した発明においてレーザ装置をアークを発生する溶接電源装置に置き換えたものである。

さらに、熱源からの熱エネルギーにより被溶接部の溶接位置を溶融する溶接方法において、前記熱エネルギーにより生成した被溶接部の溶融池に前記活性フラックスをフラックス供給手段により供給しながら溶接を行うものである。

この場合、前記熱源に、レーザまたはＴＩＧアークまたはプラズマアークを使用するものである。

以上のように本発明は、活性フラックスを使用することによって深い溶込みを得る溶接装置または溶接方法において、被溶接部の溶接位置に活性フラックスをフラックス供給手段により供給しながら溶接を行い、深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現することができる。

以下、本発明における溶接装置と溶接方法につき、図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における溶接装置を示すブロック図である。

図において、レーザ装置１は、レーザ発振器２とレーザ伝送手段３と集光光学系４とからなり、レーザ光５を被溶接物６の溶接位置に照射するように構成している。前記レーザ伝送手段３は、光ファイバーであってもよく、レンズより組み合わせた伝送系であってもよい。前記集光光学系４は、単数あるいは複数のレンズより構成されてもよい。

また、フラックス供給手段７は、フラックス送給部８とフラックス搬送部９とノズル１０とからなり、活性フラックス１１を前記被溶接物６の溶接位置に供給するように構成している。前記活性フラックス１１は、前記フラックス供給部８からフラックスキャリアガス５０（後述する）により前記フラックス搬送部９へ導入され、前記ノズル１０へ送給される。その後、前記ノズル１０から被溶接物６の溶接位置に供給される。前記フラックス搬送部９は、図示していないが、前記活性フラックス１１を保持するためのコンテナーを設けたフラックス送給部８に接続された可とう性のチューブであってもよい。前記ノズル１０は、前記フラックス搬送部９に接続され、レーザ光５によって形成された溶融池に向かって活性フラックス１１を送給できるパイプであってもよく、また、一つ以上の穴を設けられ、活性フラックス１１をこれらの穴から噴出せる構造をしたものであってもよい。

さらに、制御手段１２は、溶接開始あるいは溶接終了を選択して溶接起動信号Ｗｓを出力する溶接起動手段１３の前記溶接起動信号Ｗｓを入力して、前記レーザ装置１にレーザ出力信号Ｐｗを、前記フラックス供給手段７にフラックス供給手段Ｗｆを出力すると共に、前記レーザ装置１と前記フラックス供給手段７とを制御する構成にしている。

上記実施の形態１の動作について、図２を参照して説明する。

図２は、溶接起動信号Ｗｓとレーザ出力信号Ｐｗとフラックス供給信号ＷｆとのＯＮ信号とＯＦＦ信号とを示すタイミング図である。ｔ１時点で、溶接起動手段１３が操作され、溶接開始が選択されると、溶接起動信号ＷｓのＯＮ信号は、溶接起動手段１３から制御手段１２に出力される。

前記制御手段１２は、前記溶接起動信号ＷｓのＯＮタイミングをもってレーザ装置１にレーザ出力信号ＰｗのＯＮ信号を、フラックス供給手段７にフラックス供給信号ＷｆのＯＮ信号を送り、被溶接物６の溶接位置にレーザ光５を出力すると共に、活性フラックス１１を供給するよう制御する。

その結果、被溶接物６の溶接位置に活性フラックス１１が供給されながら溶接が行われる。ｔ２時点で、溶接起動手段１３が操作され、溶接終了が選択されると、前記制御手段１２は、前記溶接起動信号ＷｓのＯＦＦタイミングをもってレーザ装置１にレーザ出力信号ＰｗのＯＦＦ信号を、フラックス供給手段７にフラックス供給信号ＷｆのＯＦＦ信号を送り、レーザ光５の出力と活性フラックス１１の供給を停止させ、溶接を終了させる。

本実施の形態では、図１、図２に示すように、被溶接物６の溶融池に活性フラックス１１を供給しながら溶接を行い、図２３（ｂ）のような深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現することができる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における溶接装置を示すブロック図である。

本実施の形態は、図１に示す実施の形態１において、レーザ装置１の代わりに、トーチ１４とアーク制御装置１５とからなり前記アーク制御装置１５が前記トーチ１４と被溶接物６との間に電力を供給し、アーク１６を発生することのできる溶接電源装置１７を使用したものである。

なお、図１に示す実施の形態と同様の構成、図２に示すタイミング図と同様の動作タイミングおよび、図１と図２と同様の作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略する。

上記実施の形態の動作について、図４を参照して説明する。

図４は、溶接起動信号Ｗｓとアーク出力信号Ａｗとフラックス供給信号ＷｆとのＯＮ信号とＯＦＦ信号とを示すタイミング図である。ｔ１時点で、制御手段１２は、溶接起動信号ＷｓのＯＮタイミングをもって溶接電源装置１７にアーク出力信号ＡｗのＯＮ信号を送ると共に、フラックス供給手段７にフラックス供給信号ＷｆのＯＮ信号を送る。前記溶接電源装置１７では、アーク制御装置１５が前記アーク出力信号ＡｗのＯＮタイミングをもってトーチ１４と被溶接物６との間に電力を供給し、アーク１６を発生させる。

その結果、ｔ２時点まで、被溶接物６の溶接位置に活性フラックス１１が送給されながら溶接が行われる。

ｔ２時点で、前記制御手段１２は、溶接起動信号ＷｓのＯＦＦタイミングをもって溶接電源装置１７にアーク出力信号ＡｗのＯＦＦ信号を、フラックス供給手段７にフラックス供給信号ＷｆのＯＦＦ信号を送り、アーク１６への電力供給と活性フラックス１１の供給を停止し、溶接を終了させる。

本実施の形態では、図３、図４に示す通り、被溶接物６の溶接位置との間にアーク１６を発生させる溶接電源装置１７を使用して被溶接物６の溶融池に活性フラックス１１を供給しながら溶接を行い、図２３（ｂ）に示すような深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現することができる。

（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における溶接装置を示すブロック図である。

本実施の形態は、図１に示す実施の形態１において、制御手段１２の代わりに溶接起動手段１３の溶接起動信号Ｗｓと時間設定手段１８で設定した所定時間の所定時間信号Ｔｍとを入力とする制御手段１９を使用したものである。

なお、図１に示す実施の形態と同様の構成、図２に示すタイミング図と同様の動作タイミング及び、図１と図２と同様の作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略する。

上記実施の形態の動作について、図６を参照して説明する。

図６は、溶接起動信号Ｗｓとレーザ出力信号Ｐｗとフラックス供給信号ＷｆとのＯＮ信号とＯＦＦ信号とを示すタイミング図である。ｔ１時点で、制御手段１９は、前記溶接起動信号ＷｓのＯＮタイミングをもってレーザ装置１にレーザ出力信号ＰｗのＯＮ信号を出力し、被溶接物６にレーザ光５を照射し始めるよう制御する。その後、ｔ１時点から時間設定手段１８で設定した所定時間Ｔｍが経過したｔ１’時点まで、被溶接物６の溶接位置がレーザ光５に照射され続け、溶融池が形成される。

ｔ１’時点では、前記被溶接物９の溶接位置に溶融池が形成されるので、前記制御手段１９は、フラックス供給手段７にフラックス供給信号ＷｆのＯＮ信号を送り、被溶接物６に形成された溶融池に活性フラックス１１を供給するよう制御する。

以上の動作によると、被溶接部６の溶接位置が溶融してから活性フラックス１１を供給しながら溶接を行うことができる。この動作は、溶接起動手段１３が操作され、溶接終了が選択されたｔ２時点まで続く。

なお、所定時間Ｔｍを設けるのは、以下の理由による。図２３に示すように、活性フラックス１１を使用した図２３（ｂ）では、溶融池内の対流方向２０４は溶融池の中心へ向かうことによって、深い溶込みが得られる。

すなわち、被溶接物６が溶融されるまでに送給される活性フラックス１１は、溶込み深さの増加にほとんど寄与しない。

したがって、深い溶込みを得るために、溶融池が形成されてから活性フラックス１１を供給する。実際の溶接では、レーザ光５の照射が開始したｔ１時点から被溶接物６の溶接位置に溶融池が形成されるｔ１’までの時間は、レーザ光５のレーザパワー、集光径および被溶接物６の材質、表面状態、板厚などのパラメータによって変わるので、これらのパラメータに応じて前記所定時間Ｔｍを設定してよい。

なお、活性フラックス１１の供給が開始するまでに被溶接物６に溶融池を確実に形成させるために、前記所定時間Ｔｍは、被溶接物６に実際に溶融池を形成できるまでの時間よりやや長めに設定することが望ましい。

上記実施の形態３では、レーザ装置１を使用したレーザ溶接の構成例について説明した。言うまでもなく、図３に示すように、溶接電源装置１７を使用し、被溶接物６とトーチ１４との間にアーク１６を発生させるアーク溶接の構成例でも前記制御手段１９の制御方法を適用させることができる。

本実施の形態では、図５、図６に示す通り、被溶接物６の溶接位置が溶融してから活性フラックス１１を供給しながら溶接を行い、図２３（ｂ）に示すような深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現することができる。

（実施の形態４）
図７は本発明の実施の形態４における溶接装置を示すブロック図である。

本実施の形態は、図１に示す実施の形態１において、制御手段１２の代わりに、溶融検出手段２０の溶融検出信号Ｓｍｄと溶接起動手段１３の溶接起動信号Ｗｓとを入力信号とする制御手段２１を使用したものである。

なお、図１に示す実施の形態と同様の構成、図２に示すタイミング図と同様の動作タイミング及び、図１と図２と同様の作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略する。

上記実施の形態の動作について、図８を参照して説明する。

図８は、溶接起動信号Ｗｓとレーザ出力信号Ｐｗと溶融検出信号Ｓｍｄとフラックス供給信号ＷｆとのＯＮ信号とＯＦＦ信号とを示すタイミング図である。ｔ１時点では、制御手段２１は、溶接起動信号ＷｓのＯＮタイミングをもってレーザ装置１にレーザ出力信号ＰｗのＯＮ信号を出力し、被溶接物６にレーザ光５を照射し始めるよう制御する。ｔ１時点からは、被溶接物６の溶接位置がレーザ光５によって加熱し続けられる。

ｔ１’時点では、溶融検出手段５は、前記被溶接物６の溶接位置が溶融されたタイミングを検知すると、直ちに、溶融検出信号ＳｍｄのＯＮ信号を制御手段２１に出力する。制御手段２１は、前記溶融検出信号ＳｍｄのＯＮタイミングをもってフラックス供給手段７にフラックス供給信号ＷｆのＯＮ信号を送り、被溶接物６に形成された溶融池に活性フラックス１１を供給するよう制御する。その結果、被溶接物６の溶接位置が溶融してから活性フラックス１１が供給されながら溶接が行われることとなる。ｔ１時点から被溶接物６の溶融が検出されたｔ１’時点までの被溶接物溶融時間Ｔｍｄは、レーザ光５のレーザパワー、集光径および被溶接物６の材質、表面状態、板厚などのパラメータによって変わるのは、前述の通りである。

上記実施の形態では、レーザ装置１を使用したレーザ溶接の構成例について説明した。言うまでもなく、図７においてレーザ装置１の代わりに、図３に示す溶接電源装置１７を使用し、被溶接物６とトーチ１４との間にアーク１６を発生させるアーク溶接の構成にも適用できる。

上記実施の形態の溶融検出手段２０の構成及び動作について、図９を参照して説明する。

図９（ａ）は溶融検出手段２０の構成例である。

図において、光検出手段３０１は、レーザ光５が被溶接物６に照射され、前記被溶接物６によって反射された反射光３００を検出するためのものである。

比較手段３０２は、前記光検出手段３０１から検出した反射光信号Ｓｒと基準値設定手段３０３から設定した基準値信号Ｓｒ０とを入力してその大小関係を比較し、前記反射光信号Ｓｒが前記基準値信号Ｓｒ０を下回った時に被溶接物６が溶融されたとみなし、溶融検出信号Ｓｍｄを出力するためのものである。

前記構成の動作タイミング図を図９（ｂ）に示す。ｔ１時点では、被溶接物６がレーザ光５によって加熱され始め、ｔ１’’時点まで溶接位置は固体状態である。この間の光検出手段３０１の反射光信号Ｓｒは、被溶接物６が固体状態での反射光信号Ｓｒｓのままである。通常、被溶接物６の表面温度が上昇すると、レーザ光５の反射がやや低下するが、図ではこの温度上昇による反射の低下分を省略して描いている。

ｔ１’’時点では、レーザ光５の照射位置の中心部が溶け始め、ｔ１’時点まで溶融領域の大きさが成長していく。この溶融領域の大きさはｔ１’’’時点まで成長していくが、ｔ１’’’時点からの光検出手段３０１の反射光信号Ｓｒは、被溶接物６が溶融した状態の反射光信号ＳｒＬとなる。

実際の溶接では、被溶接物６の溶接位置に一定の大きさの溶融領域が形成した時点ｔ１’をもって被溶接物６が溶融したとみなしても支障がない。したがって、反射光信号Ｓｒｓと反射光信号ＳｒＬとの中間にある基準値信号Ｓｒ０を設け、光検出手段３０１の反射光信号Ｓｒと前記基準値信号Ｓ０とを比較することによって、溶融池の形成を検知することができる。その動作は、比較手段３０２によって実現される。

溶融検出手段２０は、図９に示すように、反射光３００を検出することによって構成されるが、被溶接物６の溶接位置からの熱放射を検出することによって構成してもよい。

その構成と動作について、図１０を参照して説明する。図１０が図９と異なるのは、光検出手段３０５を用い被溶接物６からの放射光３０４を検出する部分である。

図において、比較手段３０６は、前記光検出手段３０５からの放射光信号Ｓｅｍと基準値設定手段３０７から設定した基準値信号Ｓｅｍ０とを入力してその大小関係を比較し、前記放射光信号Ｓｅｍが前記基準値信号Ｓｅｍ０を上回った時に被溶接物６が溶融されたとみなし、溶融検出信号Ｓｍｄを出力するためのものである。

前記構成の動作タイミングを図１０（ｂ）に示す。ｔ１時点では、被溶接物６がレーザ光５によって加熱され始めるが、被溶接物６からの放射光３０４と放射光信号Ｓｅｍは、前記被溶接物６の温度上昇と共に強くなる。図示の通り、ｔ１’時点では、光検出手段３０５の放射光信号Ｓｅｍが基準値信号Ｓｅｍ０を超えるが、これをもって被溶接物６が溶融したと見なしてよい。

以上の通り、図９と同様、被溶接物６からの熱放射を検出することによって溶融池の形成を検知することができる。

以上の説明では、被溶接物６からの反射光３００と放射光３０４とを検出し、被溶接物６の溶融池形成を検知する方法について説明したが、この二つの光を同時に検出し、その両方を利用して被溶接物６の溶融を精度よく検出できることは言うまでもない。また、基準値信号Ｓｒ０と基準値信号Ｓｅｍ０としては、予め実験によって測定した値を使用してもよい。

次に、光検出手段３０１と光検出手段３０５との設置位置について説明する。

光検出手段３０１は、被溶接物６に照射するレーザ光５の反射光３００を検出するものであるため、その設置は、被溶接物６に照射された後の光が入射されやすいようにすることが望ましい。例えば、レーザ光５が被溶接物６に入射され、その反射方向に設置すればよい。一方、光検出手段３０５の設置は、被溶接物６の溶融池からの熱放射光３０４を効率よく受ける方向、例えば、被溶接物６の法線方向に近い方向に設置すればよい。また、光検出手段３０１と光検出手段３０５との設置は、被溶接物６の溶接位置に照射するレーザ光５と同一の光経路の一部を共有してもよい。

その構成の一例を図１１（ａ）に示す。

図において、レンズ４０１とレンズ４０２は、集光光学系４を構成するためのものである。前記レンズ４０１はレーザ伝送手段３からのレーザ光５を平行状にするためのものであり、前記レンズ４０２は前記レンズ４０１からのレーザ光５を受け、それを被溶接物６の溶接位置に集光するためのものである。

反射板４０３は、前記レンズ４０１と前記レンズ４０２との間に設置され、前記レンズ４０１を通過した後のレーザ光５のほとんどを透過するが、前記レンズ４０２を通過した後のレーザ光５が被溶接物６に照射され、それが被溶接物６に反射された後の光を反射するためのものである。また、前記反射板４０３は、被溶接物６が加熱された時に放出される光、すなわち放射光をも反射するものである。

図では、被溶接物６からの反射光と被溶接物６からの放射光とをまとめて、反射＆放射光３０８と示している。４０４は、前記反射板４０３からの前記反射＆放射光３０８を受け、その一部を反射して光検出手段３０９に入射し、その残りの分を透過して光検出手段３１０に入射する反射板である。

以上の構成によると、光検出手段３０９と光検出手段３１０との設置は、被溶接物６の溶接位置に照射するレーザ光５と同一の光経路の一部を共有することができる。前記構成では、反射＆放射光３０８を光検出手段３０９と光検出手段３１０とに入力しているが、実際の溶接では、前記反射＆放射光３０８を反射光３００と放射光３０５とに分離する必要がある。その動作は、前記光検出手段３０９と前記光検出手段３１０とによって実現することができる。

その構成について、図１１（ｂ）と図１１（ｃ）とを参照して説明する。

図１１（ｂ）は、反射＆放射光３０８を入力し、反射光信号Ｓｒを取り出すための、光検出手段３０１を使用した構成である。

図において、フィルター４０５は、前記反射＆放射光３０８を入力し、レーザ光５の反射光と対応する、極狭い波長領域のみを通過させるためのものである。前記反射＆放射光３０８を前記フィルター４０５に通過させることによって、反射光３００を得ることができる。反射光３００を得てからの動作は、図９（ａ）と同様となるので、その説明を省略する。

図１１（ｃ）は、反射＆放射光３０８を入力し、放射光信号Ｓｅｍを取り出すための、光検出手段３０５を使用した構成である。

図において、４０６は、前記反射＆放射光３０８を入力し、被溶接物６の溶接位置の温度を反映する赤外領域の波長のもののみを取り出すためのフィルターである。例えば、７００ｎｍ以上の波長を通過するフィルターであってもよく、または、８００ｎｍ以上の波長を通過するフィルターであってもよく、または、１０００ｎｍ以上の波長を通過するフィルターであってもよい。前記反射＆放射光３０８を前記フィルター４０６に通過させることによって、放射光３０４を得ることができる。放射光３０４を得てからの動作は、図９（１０）と同様となるので、その説明を省略する。

本実施の形態では、図７から図１１に示す通り、レーザ照射開始から被溶接物６の溶接位置に溶融池が形成されるまでの実際の時間と時間設定手段１８で設定した所定時間Ｔｍとの誤差をなくすことによって被溶接物６の溶融池に活性フラックス１１を供給しながら溶接を行い、図２３（ｂ）に示すような深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現することができる。

（実施の形態５）
図１２は本発明の実施の形態５におけるレーザ光５の照射位置またはアーク１６の発生位置と活性フラックス１１の供給位置との相対関係を示す模式図である。（ａ）はレーザ光５の場合、（ｂ）はアーク１６の場合を示す。

なお、本発明の実施の形態１から実施の形態４と同様の構成、同様の動作と同様の作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図において、溶接方向２２は、レーザ光５またはアーク１６と、活性フラックス１１を供給するノズル１０との走行方向を示すものである。溶融池２１０ａは前記レーザ光５が、溶融池２１０ｂは前記アーク１６が被溶接物６に形成したものである。溶接ビード２３ａは前記レーザ光５で形成した溶融池２１０ａが、溶接ビード２３ｂは前記アーク１６で形成した溶融池２１０ｂが凝固して形成したものである。

図において、レーザ光５またはアーク１６を被溶接物６に対し一定の傾斜角度をもって配置するように描いているが、言うまでもなく、前記レーザ光５またはアーク１６を被溶接物６に対し垂直に配置してもよい。

上記実施の形態の構成において、活性フラックス１１は、レーザ光５で形成した溶融池２１０ａの、またはアーク１６で形成した溶融池２１０ｂの溶接方向２２の前方から供給されることが特徴である。

その理由は、以下の通りである。仮に、活性フラックス１１がレーザ光５あるいはアーク１６によって形成される溶融池２１０ａ、溶融地２１０ｂの、溶接方向２２の前方ではなく、その後方から供給されると、前記活性フラックス１１は、溶融池２１０ａと溶接ビード２３ａとの境界付近、または溶融池２１０ｂと溶接ビード２３ｂとの境界付近の凝固境界ＢＳＬａ、または凝固境界ＢＳＬｂ近辺に近い溶融金属側に集中しやすく、溶融池２１０ａまたは溶融池２１０ｂの全体に行きにくくなってしまう。また、活性フラックス１１が前記凝固境界ＢＳＬａまたは前記凝固境界ＢＳＬｂ付近の溶融金属に集中しやすくなるため、未溶融のまま溶接ビード２３ａまたは溶接ビード２３ｂの表面に残ってしまうと、ビード外観を損なわせる恐れがある。

したがって、活性フラックス１１をレーザ光５またはアーク１６によって形成される溶融池２１０ａまたは溶融池２１０ｂの、溶接方向の前方から供給することが望ましい。

本実施の形態では、図１２に示す通り、活性フラックス１１をレーザ光５またはアーク１６によって形成される溶融池２１０ａまたは溶融池２１０ｂの、溶接方向の前方から供給することにより活性フラックス１１の分散をよくし、図２３（ｂ）に示すような深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現することができる。

（実施の形態６）
図１３は本発明の実施の形態６における溶接装置を示すブロック図である。

本実施の形態は、図１に示す実施の形態１において、複合ノズル２４を設けると共に、レーザ装置１の代わりにレーザ装置２５を使用して前記複合ノズル２４にレーザを供給し、また、フラックス供給手段７の代わりにフラックス供給手段２６を使用して前記複合ノズル２４に活性フラックスを供給するものである。

なお、図１に示す実施の形態と同様の構成と同様の動作と同様の作用効果を奏するところには同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

図示の通り、レーザ装置２５にはレーザ発振器２とレーザ伝送手段３とが含まれ、フラックス供給手段２６にはフラックス送給部８とフラックス搬送部９が含まれる。複合ノズル２４は、前記レーザ装置２５からレーザ光５を受け、それを被溶接物６の溶接位置に照射する機能を備えると共に、前記フラックス供給手段２６から活性フラックス１１を受け、それをレーザ光５の照射位置に向かって、前記レーザ光５の光軸とほぼ軸対称に、少なくとも２方向から、前記レーザ光５と同じ点で交わるように送給する機能を備える。

上記実施の形態の複合ノズル２４の構成について、図１４を参照して説明する。

図１４は本発明の実施の形態６における複合ノズル２４の構成の一例を示す模式図である。（ａ）は前記複合ノズル２４の概略図、（ｂ）は前記概略図（ａ）のＡ−Ａ断面、（ｃ）は前記概略図（ａ）のＢ−Ｂ断面、（ｄ）は前記概略図（ａ）のＣ−Ｃ断面、（ｅ）は前記概略図（ａ）のＤ−Ｄ断面、である。

図示の通り、複合ノズル２４は、集光光学系４とフラックスチップ２７との二つの部分からなる。集光光学系４は、図１１（ａ）に示すものと同様なので、同一の構成および同一の機能のものには同一の記号を付し、その詳細説明を省略する。

フラックスチップ２７について説明する。

フラックスチップ２７のチップ本体１００は（図示していないが）、集光光学系４のレンズ４０１とレンズ４０２とを保持する支持部に取り付けることができる。

レーザ通路１０１は、前記チップ本体１００の中心部に設けられている。

フラックス導入口１０２は、フラックス搬送部９に接続され、前記チップ本体１００に活性フラックス１１を導入する構成にしている。

フラックス分散室１０３は、前記フラックス導入口１０２の直後に設けられている。前記フラックス分散室１０３は、図（ｂ）のＡ−Ａ断面で示すように、前記レーザ通路１０１を囲み、前記レーザ通路１０１と同軸に配置される円筒状を呈してよい。

フラックス分散器１０４は、前記フラックス分散室１０３とフラックス導出通路１０５との間に設けられ、活性フラックス１１を前記フラックス導入通路１０５に均一に分散するためのものである。前記フラックス分散器１０４は、図（ｃ）のＢ−Ｂ断面図で示すように、活性フラックス１１の直径よりやや大きい貫通穴を多数開けた板でもよく、また、針金で作った網を数枚重ねて作ってもよい。前記フラックス送給通路１０５は、図（ｄ）のＣ−Ｃ断面図で示すように、前記レーザ通路１０１を囲み、前記レーザ光５と同軸に配置される円筒状を呈してよい。

フラックス送給孔１０６は、前記フラックス送給通路１０５を通過した活性フラックス１１を被溶接物６の溶接位置に送り出すためのものである。前記フラックス送給孔１０６は、図（ｅ）のＤ−Ｄ断面図で示すように、前記レーザ通路１０１を囲み、前記レーザ光５の光軸とほぼ同軸に、前記ノズル本体１００に設けられた穴であり、これを出た活性フラックス１１が被溶接物６の溶接位置の一点に向かって収束するように配置される。図中、穴の数を８つとしているが、この限りではなく、基本的に２つ以上であればよい。

前記構成の動作について説明する。溶接開始時に、活性フラックス１１は、フラックスキャリアガス５０によってノズル搬送部９からフラックス導入口１０２に送られ、フラックス分散室１０３にてその中をほぼ均一に分散される。その後、前記活性フラックス１１は、フラックス分散器１０４によって更に均一に分散され、フラックス送給通路１０５に送られる。前記フラックス送給通路１０５を通過した活性フラックス１１は、フラックス送給孔１０６を通過し、被溶接物６の溶接位置の一点に向かって収束するように送給される。被溶接物６は、前記フラックス１１が供給されながら溶接される。溶接終了まで前記動作が続けられる。

上記の説明では、図１４（ｄ）に示すように、フラックス送給通路１０５を円筒状とした。フラックス分散器１０４によって均一に分散された活性フラックス１１を均一にフラックス送給孔１０６に送るために、図１５に示すように、前記フラックス送給通路１０５の内壁に活性フラックス１１をガイドするガイド突起１０７を設けてもよい。そうすることによって、前記フラックス送給通路１０５を通過した活性フラックス１１は、フラックス送給孔１０６に均一に送給することができる。図１５（ａ）はフラックス送給通路１０５の内壁の内側の壁面に突起を、図１５（ｂ）はフラックス送給通路１０５の内壁の外側の壁面に突起を、図１５（ｃ）はフラックス送給通路１０５の内壁の内側と外側との両側の壁面に突起を、設けた例である。いずれの場合においても、活性フラックス１１を均一にガイドすることができる。

上記の説明では、図１４（ａ）に示すように、フラックス分散器１０４を複合ノズル２４の構成に使用したが、フラックス分散室１０３の長さが十分長ければ、前記フラックス分散器１０４を省略してもよい。また、フラックス送給通路１０５の長さが十分長ければ、フラックス分散室１０３とフラックス分散器１０４との両方を省略してもよい。

本実施の形態では、図１３〜図１５に示す通り、レーザ光５の光軸とほぼ軸対称状に、少なくとも２方向から、前記レーザ光５と同じ点で交わるように活性フラックス１１を被溶接物６の溶接位置に供給しながら溶接を行い、図２３（ｂ）に示すような深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現することができる。

（実施の形態７）
図１６は本発明の実施の形態７における溶接装置を示すブロック図である。

本実施の形態は、図１３に示す実施の形態６において、複合ノズル２４の代わりに複合ノズル２９を、レーザ装置２５の代わりに溶接電源装置２８を使用することによって、前記複合ノズル２９に電力を供給しアークを発生させると共に、フラックス供給手段２６を使用して前記複合ノズル２９に活性フラックス１１を供給し、前記複合ノズル２９より被溶接物６の溶接位置に前記活性フラックス１１を供給するものである。

なお、図１３に示す実施の形態と同様の構成と同様の動作と同様の作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の通り、溶接電源装置２８にはアーク制御装置１５が含まれ、フラックス供給手段２６にはフラックス送給部８とフラックス搬送部９が含まれる。複合ノズル２９は、前記溶接電源装置２８により被溶接物６の溶接位置との間にアークを発生させると共に、前記フラックス供給手段２６から活性フラックス１１を受け、被溶接物６のアーク位置に向かって、前記アーク１６を発生する溶接電極１０９（後述する）または溶接電極１１２（後述する）の軸とほぼ軸対称に、少なくとも２方向から、前記溶接電極１０９または前記溶接電極１１２の延長線と同じ点で交わるよう送給する機能を備える。前項構成では、アーク１６を発生させるために溶接電源装置２８の構成であるアーク制御装置１５として、図示を省略するが、ＴＩＧアーク制御装置１５−１またはプラズマアーク制御装置１５−２のいずれを使用してもよい。

ＴＩＧアーク制御装置１５−１を使用した場合の複合ノズル２９（以下の説明では、複合ノズル２９ａと称する。）の構成例を図１７に示す。

図１７は本発明の実施の形態７における複合ノズル２９ａの構成を示す模式図である。（ａ）は前記複合ノズル２９ａの概略図、（ｂ）は前記概略図（ａ）のＥ−Ｅ断面である。図１７（ａ）では、図１４に示すチップ本体１００とフラックス分散器１０４との代わりにチップ本体１０８とフラックス分散器１１０とを使用すると共に、溶接電極１０９を使用して被溶接物６との間にＴＩＧアーク１６ａを発生させるものである。

なお、図１４に示す実施の形態と同様の構成と同様の作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略する。

溶接開始時に、図示していないが、ＴＩＧアーク溶接電源装置より溶接電極１０９と被溶接物６の溶接位置との間にアーク１６ａを発生させるが、フラックス供給手段２６よりフラックスキャリアガス５０によって活性フラックス１１を前記溶接位置に供給しながら、溶接を行う。溶接終了時まで、前記動作が続けられる。

プラズマアーク制御装置１５−２を使用した場合の複合ノズル２９（以下の説明では、複合ノズル２９ｂと称する。）の構成例を図１８に示す。図１８は本発明の実施の形態７における複合ノズル２９ｂの構成を示す模式図である。（ａ）は前記複合ノズル２９ｂの概略図、（ｂ）は前記概略図（ａ）のＦ−Ｆ断面である。図１８（ａ）では、図１４に示す実施の形態において、チップ本体１００とフラックス分散器１０４との代わりにチップ本体１１１とフラックス分散器１１３とを使用すると共に、溶接電極１１２を使用して被溶接物６との間にプラズマアーク１６ｂを発生させるものである。

溶接開始時、溶接電源装置２８よりプラズマガス通路１１４にプラズマガス５１を流し、溶接電極１１２と被溶接物６の溶接位置との間にプラズマアーク１６ｂを発生させるが、フラックス供給手段２６よりフラックスキャリアガス５０によって活性フラックス１１を前記溶接位置に供給しながら、溶接を行う。溶接終了時点まで、前記動作が続けられる。

上記の説明では、図１７（ａ）と図１８（ａ）とに示すように、フラックス分散器１１０またはフラックス分散器１１３を複合ノズル２９の構成に使用したが、フラックス分散室１０３の長さが十分長ければ、前記フラックス分散器１１０またはフラックス分散器１１３を省略してもよい。また、フラックス送給通路１０５の長さが十分長ければ、フラックス分散室１０３とフラックス分散器１０４との両方を省略してもよい。

本実施の形態では、図１６から図１８に示す通り、ＴＩＧアーク１６ａまたはプラズマアーク１６ｂの溶接電極１０９または溶接電極１１２とほぼ軸対称状に、少なくとも２方向から、前記溶接電極１０９または前記溶接電極１１２の延長線と同じ点で交わるように活性フラックス１１を被溶接物６の溶融池に供給しながら溶接を行い、図２３（ｂ）に示すような深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現することができる。

（実施の形態８）
図１９は本発明の実施の形態８における複合ノズル２４の一部を示す概略図である。

図において、１００ａは、レーザ通路１０１とフラックス送給通路とを設けられたチップ本体１００の一部を示すチップ本体である。１００ｂは、フラックス送給孔１０６を設けられた、前記チップ本体１００ａに取り付けられた、チップ本体１００の一部を示す先端チップである。前記先端チップ１００ｂの前記チップ本体１００ａへの取り付けは、ねじ込み方式であってよく、その他の機械方式であってもよい。実際の溶接では、前記先端チップ１００ｂに磨耗が生じると、それを取り替えてもよい。

図において、活性フラックス１１が被溶接物６の溶融池２１１ａまたは溶融池２１１ｂに向かって送給される様子が描かれているが、図１４に示す構成と同様の構成、および同様の作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略する。

溶接時に、活性フラックス１１は、図示していないが、フラックスキャリアガス５０によりフラックス送給通路１０５を経由してフラックス送給孔１０６に送給される。前記フラックス送給孔１０６から出た活性フラックス１１は、レーザ光５の光軸とほぼ軸対称状に、少なくとも２方向から、前記レーザ光５と交わるように被溶接物６に形成される溶融池２１１ａに送給される。図１９（ａ）と図１９（ｂ）とにおいて、前記レーザ光５と交わるように少なくとも２方向から送給される活性フラックス１１がレーザ光５と交わる位置から先端チップ１００ｂまでの距離をフラックス収束点距離ｄｆと、前記先端チップ１００ｂから被溶接物６の表面までの距離をスタンドオフ距離ｄｓとする。

なお、前記活性フラックス１１の交わる位置をフラックス収束点とする。図１９（ａ）ではフラックス収束点距離ｄｆがスタンドオフ距離ｄｓより短い場合を、図１９（ｂ）ではフラックス収束点距離ｄｆがスタンドオフ距離ｄｓ長い短い場合を示す。

上記実施の形態において、少なくとも２方向から送給された活性フラックス１１がレーザ光５と交わる位置は、被溶接物６のほぼ表面またはその表面より前記被溶接物６の中に入った位置にあることが望ましい。図１９（ａ）は、その一例を示す。すなわち、フラックス収束点距離ｄｆは、スタンドオフ距離ｄｓとほぼ同等か、前記スタンドオフ距離ｄｓより長いほうが望ましい。

その理由について、図１９（ｂ）を参照して説明する。

図１９（ｂ）に示すように、フラックス収束点距離ｄｆがスタンドオフ距離ｄｓより短いため、レーザ光５が被溶接物６に当たる前に、フラックス収束点ｆｐｐにて活性フラックス１１に当たってしまう。そのため、前記活性フラックス１１は前記レーザ光５の一部を吸収して高温になり、更にレーザ光５を吸収すると、溶融・蒸発してしまう。溶融した活性フラックス１１が微細な溶滴になり、その微細な溶滴の表面がレーザ光５の作用を受けると、弾き飛ばされ、溶融池２１１ｂに入らなくなる恐れがある。

以上に示すように、レーザ光５によって弾き飛ばされる活性フラックス１１、または蒸発される活性フラックス１１の量が多いと、先端チップ１００ｂを出た活性フラックス１１の溶融池２１１ａまたは溶融池２１１ｂに入る比率が低下してしまい、被溶接物６に形成される溶け込み深さが十分取れなくなる恐れがあるのみでなく、溶融した活性フラックス１１が被溶接物６の表面に付着してしまうと、その表面を汚してしまう恐れがあり、溶接後の除去処理が必要になってしまう。フラックス収束点距離ｄｆがスタンドオフ距離ｄｓとほぼ同等か、前記スタンドオフ距離ｄｓより長いほうが望ましいのは、以上の理由による。

これは、図１９（ａ）に対応するものである。実際の溶接では、活性フラックス１１は、交わる前に溶融池２１１ａに当たるので、図示では仮想フラックス収束点ｆｐｐｉにて交わるように描いている。

上記の説明では、図１４に示す複合ノズル２４のチップ本体１００を例にして説明したが、前記先端チップ１００ｂのフラックス送給孔を１０６部の構造を図１７に示すチップ本体１０８に、または図１８に示すチップ本体１１１に適用させてもよい。言うまでもなく、この場合、先端チップ１００ｂに設けられたレーザ通路１０１が必要でなくなるので、その代わりに、溶接電極１０９または溶接電極１１２を通す構造を設けることが必要となる。

本実施の形態では、図１９に示す通り、少なくとも２方向から送給された活性フラックス１１がレーザ光５と交わる位置は、被溶接物６のほぼ表面またはその表面より前記被溶接物６の中に入った位置にすることにより活性フラックス１１を被溶接物６の溶融池に供給しながら溶接を行い、図２３（ｂ）のような深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現することができる。

（実施の形態９）
図２０は本発明の実施の形態９における、レーザ出力と集光径との組合せによって被溶接物６に形成される溶込み形状の形態を示す概略図（ステンレス鋼の場合の一例）である。

前記レーザ出力と前記集光径は、実施の形態１から実施の形態８に使用されるレーザ装置１またはレーザ装置２５から発生したレーザ光５の、被溶接物６の溶接位置における出力と集光径と同様のものであり、前記実施の形態１から前記実施の形態８と同様の構成と同様の作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図２０において、領域ＨＣＡはレーザ出力と集光径との組合せでは熱伝導型溶込みが形成される領域であり、領域ＫＨＡはレーザ出力と集光径との組合せではキーホール型溶込みが形成される領域である。これは、それぞれ図２４（ａ）と図２４（ｂ）と対応するものである。曲線Ｃ１は、前記領域ＨＣＡと前記領域ＫＨＡとの境界線である。前記領域ＫＨＡでは、レーザ光５によるキーホール効果があり（図２４（ｂ）を参照）、深い溶込みが得られるため、この領域のレーザ光５は本発明の課題の対象ではない。

以下、本発明の課題の対象領域である領域ＨＣＡ（図２４（ａ）を参照）について説明する。

領域ＨＣＡのレーザ出力と集光径との組合せでは、活性フラックス１１を使用しない場合は、図２４（ａ）に示す浅い溶込みしか得られなく、図２３（ａ）に示すものと類似している。この場合、活性フラックス１１を使用すると、同一のレーザ出力でも、図２３（ｂ）に示すような深い溶込みが得られる。図２０に示す曲線Ｃ１は、Ｐ０・ａ＝ＣＯＮＳＴの式によって表すことができる。

但し、ここでは、Ｐ０は被溶接物６の表面におけるレーザ光５のパワー密度、ａは被溶接物表面におけるレーザの集光径、ＣＯＮＳＴは常数である。なお、前記常数ＣＯＮＳＴは、被溶接物６の材質および表面状態によって異なる。代表的な材料の代表的な値として、前記常数ＣＯＮＳＴは、ステンレス鋼では２２〜２７、鉄鋼では２５〜３０、を使用してよい。但し、この時のパワー密度Ｐ０と集光径ａとの単位は、それぞれＫＷ／ｃｍ^２とｍｍである。

したがって、レーザ装置の被溶接物におけるレーザ集光点のパワー密度として、被溶接物の材質と対応する常数を被溶接物表面におけるレーザの集光径で除算して求める場合、被溶接物が溶融する熱伝導型溶込みが形成される値から、被溶接物の材質がステンレス鋼でレーザの集光径が０．１ｍｍでは２２０〜２７０ＫＷ／ｃｍ^２、レーザの集光径が１．０ｍｍなら２２〜２７ＫＷ／ｃｍ^２までとなる。また、被溶接物の材質が鋼鉄の場合には、被溶接物が溶融する熱伝導型溶込みが形成される値から、レーザの集光径が０．１ｍｍでは２５０〜３００ＫＷ／ｃｍ^２、レーザの集光径が１．０ｍｍなら２５〜３０ＫＷ／ｃｍ^２までとなる。

本実施の形態では、図２０に示す通り、被溶接物６に照射されるレーザ光６のパワー密度を被溶接物が溶融する熱伝導型溶込みが形成される値から、上述したように求めた値以下の領域にすることによって被溶接物６の溶融池に活性フラックス１１を供給しながら溶接を行い、レーザだけでは図２３（ａ）のような浅い溶け込みしか得られないレーザパワーでも、図２３（ｂ）に示すような深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現することができる。

（実施の形態１０）
図２１は本発明の実施の形態１０における溶接装置を示すブロック図である。

本実施の形態は、図５に示す実施の形態３において、制御手段１９の代わりに溶接起動手段１３の溶接起動信号Ｗｓと時間設定手段１８の所定時間信号Ｔｍと時間設定手段３０の所定時間信号Ｔｃとを入力とする制御手段３１を使用したものである。

なお、図５に示す実施の形態と同様の構成及び同様の作用効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略する。

上記実施の形態の動作について、図２２を参照して説明する。図２２は、溶接起動信号Ｗｓとレーザ出力信号Ｐｗとフラックス供給信号ＷｆとのＯＮ信号とＯＦＦ信号とを示すタイミング図である。なお、図６に示すタイミング図と同様の動作タイミングには同一符号を付して詳細な説明を省略する。

ｔ２時点では、溶接起動手段が１３動作され、溶接終了が選択されると、前記制御手段３１は、溶接起動信号ＷｓのＯＦＦタイミングをもってフラックス供給手段７にフラックス供給信号ＷｆのＯＦＦ信号を出力し、活性フラックス１１の供給を停止する。しかし、実際の溶接では、フラックス供給手段７がＯＦＦになっても、しばらくの間フラックス搬送部９やノズル１０に残留された活性フラックス１１が被溶接物６の溶接位置に送給される。この分の活性フラックス１１を十分に溶融させないと、溶接終了部に未溶融の活性フラックス１１が残り、ビード外観が損なわれてしまう恐れがある。本実施の形態では、制御手段３１は、フラックス供給信号ＷｆのＯＦＦ信号を出力してから時間設定手段３０から設定した所定時間信号Ｔｃの期間だけ、レーザ光５を出力し続ける。そうすることによって、フラックス搬送部９またはノズル１０に残留された活性フラックス１１が完全に溶融される。

以上の実施の形態では、図５に示す実施の形態３において制御手段１９の代わりに制御手段３１を使用した構成で説明したが、図１に示す実施の形態１において制御手段１２の代わりに前記制御手段３１の溶接終了時の前記制御方法を、または図７に示す実施の形態４において制御手段２１に前記制御手段３１の溶接終了時の前記制御方法を、または図１３に示す実施の形態６において制御手段１２に前記制御手段３１の溶接終了時の前記制御方法を、適用させて同様の構成および動作をレーザ溶接に関する他の実施の形態において実現してもよい。また、図３に示す実施の形態２において制御手段１２の代わりに前記制御手段３１の溶接終了時の前記制御方法を、または図１６に示す実施の形態７において制御手段１２に前記制御手段３１の溶接終了時の前記制御方法を、適用して同様の構成および動作をアーク溶接に関する実施の形態において実現してもよい。

以上の実施の形態では、所定時間信号Ｔｃは、ｔ１時点からｔ２時点までの期間中の活性フラックス１１の送給量、または同期間のレーザ出力あるいはアーク出力に応じて設定してよい。また、ｔ２時点からｔ３時点までの期間中のレーザ出力あるいはアーク出力は、徐々に低下させていく、または所定のレベルまで徐々に低下させていってよい。

本実施の形態では、図２１から図２２に示すように、被溶接物６の溶融池に活性フラックス１１を供給しながら溶接を行い、図２３（ｂ）に示すような深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現するのみでなく、溶接終了時には良好な溶接終了部を作ることができる。

本発明の実施の形態１から実施の形態１０までの実施形態では、本発明の溶接装置の基本的な実施の形態の構成および動作について説明した。前記本発明の実施の形態は、被溶接物６としては、ステンレス鋼または鉄鋼材料に適用できることは言うまでもない。活性フラックス１１としては、ＴｉＳ_２、ＳｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３を主成分とするパウダー状の活性フラックス１１を使用することが望ましい。

なお、前記活性フラックス１１の平均粒径としては、３０μｍから２００μｍのものを使用することが望ましい。これは、以下の理由に起因するものである。活性フラックス１１の平均粒径が３０μｍより小さいと、それはレーザ光５またはアーク１６（１６ａと１６ｂを含む）の影響を受けやすく、飛び散りやすくなる恐れがある。一方、前記活性フラックス１１の平均粒径が２００μｍより大きいと、前記活性フラックス１１の送給性が損なわれる恐れがある。

また、本発明の実施の形態１から実施の形態１０までの実施形態では、活性フラックス１１の代わりに被溶接物６の成分と同じ成分を主成分とするパウダー状の金属と活性フラックス１１との混合物を使用することができる。そうすることによって、被溶接物６にて所定の溶け込み深さを得ることができると共に、所定大きさの余盛形状のビードを得ることが可能となり、継手溶接のギャップ裕度も広くなる。

この時の、活性フラックス１１のパウダー状の金属との混合比率を０．３〜５ｗｔ％とすることが望ましい。これは、いかの理由に起因するものである。活性フラックス１１のパウダー状の金属との混合比率が０．３ｗｔ％より低い場合、被溶接物６の溶融池に送給される、実質の活性フラックス１１の量が少なく、溶け込み深さを増加させるための、十分な効果が得られにくくなる。一方、活性フラックス１１のパウダー状の金属との混合比率が５ｗｔ％より多いと、溶接時にはビード表面に多量のスラグを発生する恐れがあり、ビード外観を損なわせるのみでなく、溶接後の後処理が必要となってしまう。

言うまでもなく、前記本発明の実施の形態では、活性フラックス１１として、被溶接物の成分と同じ成分を主成分とするパウダー状の金属を１００％使用してもよい。この場合であっても、十分な余盛形状が得られる。

本発明に係る溶接装置と溶接方法は、被溶接物の溶融池に活性フラックスをフラックス供給手段より供給しながら溶接を行い、深い溶込みを得ることによって高能率の溶接を実現することができるので、溶接装置と溶接方法として有用である。

本発明の実施の形態１における複合溶接装置を示すブロック図 同実施の形態１における動作を示すタイミング図 本発明の実施の形態２における複合溶接装置を示すブロック図 同実施の形態２における動作を示すタイミング図 本発明の実施の形態３における複合溶接装置を示すブロック図 同実施の形態３おける動作を示すタイミング図 本発明の実施の形態４における複合溶接装置を示すブロック図 同実施の形態４おける動作を示すタイミング図 同実施の形態４おける溶融検出手段２０の一例を示すブロック図 同実施の形態４おける溶融検出手段２０の一例を示すブロック図 同実施の形態４おける溶融検出手段２０の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態５における活性フラックス１１の供給位置を示す模式図 本発明の実施の形態６における複合溶接装置を示すブロック図 同実施の形態６おける複合ノズル２４の一例を示すブロック図 同実施の形態６おける複合ノズル２４の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態７における複合溶接装置を示すブロック図 同実施の形態７おける複合ノズル２９の一例を示すブロック図 同実施の形態７おける複合ノズル２９の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態８おける複合ノズル２４の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態９おける、レーザ出力と集光径との組合せによって形成される溶込み形状の形態を示す概略図（ステンレス鋼の場合の一例） 本発明の実施の形態１０における複合溶接装置を示すブロック図 同実施の形態１０おける動作を示すタイミング図 溶融池内の対流と溶接部の溶込み形状を示す模式図 レーザ溶接のレーザ光のパワー密度と溶接部の溶込み形状を示す模式図

１ レーザ装置
２ レーザ発振器
３ レーザ伝送手段
４ 集光光学系
５ レーザ光
６ 被溶接物
７ フラックス供給手段
８ フラックス送給部
９ フラックス搬送部
１０ ノズル
１１ 活性フラックス
１２ 制御手段
１３ 溶接起動手段
１４ トーチ
１５ アーク制御装置
１５−１ ＴＩＧアーク制御装置
１５−２ プラズマアーク制御装置
１６ アーク
１６ａ ＴＩＧアーク
１６ｂ プラズマアーク
１７ 溶接電源装置
１８ 時間設定手段
１９ 制御手段
２０ 溶融検出手段
２１ 制御手段
２２ 溶接方向
２３ａ 溶接ビード
２３ｂ 溶接ビード
２４ 複合ノズル
２５ レーザ装置
２６ フラックス供給手段
２７ フラックスチップ
２８ 溶接電源装置
２９ 複合ノズル
２９ａ 複合ノズル
２９ｂ 複合ノズル
３０ 時間設定手段
３１ 制御手段
５０ フラックスキャリアガス
５１ プラズマガス
１００ チップ本体
１００ａ チップ本体
１００ｂ 先端チップ
１０１ レーザ通路
１０２ フラックス導入孔
１０３ フラックス分散室
１０４ フラックス分散器
１０５ フラックス送給通路
１０６ フラックス送給孔
１０７ ガイド突起
１０８ チップ本体
１０９ 溶接電極
１１０ フラックス分散器
１１１ チップ本体
１１２ 溶接電極
１１３ フラックス分散器
１１４ プラズマガス通路
２０１ 溶融池
２０２ 流れ方向
２０３ 溶融池
２０４ 流れ方向
２０５ 熱伝導
２０６ 蒸発
２０７ 溶融池
２０８ キーホール
２０９ 溶融池
２１０ａ 溶融池
２１０ｂ 溶融池
２１１ａ 溶融池
２１１ｂ 溶融池
３００ 反射光
３０１ 光検出手段
３０２ 比較手段
３０３ 基準値設定手段
３０４ 放射光
３０５ 光検出手段
３０６ 比較手段
３０７ 基準値設定手段
３０８ 反射＆放射光
３０９ 光検出手段
３１０ 光検出手段
４０１ レンズ
４０２ レンズ
４０３ 反射板
４０４ 反射板
４０５ フィルター
４０６ フィルター
ｄｆ フラックス収束点距離
ｄｓ スタンドオフ距離
ｆｐｐ フラックス収束点
ｆｐｐｉ 仮想フラックス収束点
ＢＳＬａ 凝固境界
ＢＳＬｂ 凝固境界
Ｃ１ 曲線
ＨＣＡ 熱伝導型溶け込み領域
ＫＨＡ キーホール型溶け込み領域
Ａｗ アーク出力信号
Ｐｗ レーザ出力信号
Ｓｅｍ 放射光信号
Ｓｅｍ０ 基準値信号
Ｓｍｄ 溶融検出信号
Ｓｒ 反射光信号
Ｓｒ０ 基準値信号
ＳｒＬ 反射光信号
Ｓｒｓ 反射光信号
Ｔｃ 所定時間信号
Ｔｍ 所定時間信号
Ｔｍｄ 被溶接物溶融時間
Ｗｆ フラックス送給信号
Ｗｓ 溶接起動信号

Claims (56)

1. 活性フラックスを被溶接物の溶接位置に供給するフラックス供給手段と、レーザ光を発生し、前記被溶接物の溶接位置に照射するレーザ装置と、前記フラックス供給手段と前記レーザ装置とを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記レーザ光により生成した前記被溶接物の溶融池に前記活性フラックスを供給しながら溶接を行う溶接装置。
2. 前記制御手段は、前記被溶接物の溶接位置が溶融してから前記活性フラックスの供給を開始する請求項１記載の溶接装置。
3. 所定時間を設定する時間設定手段を設け、前記制御装置は、前記時間設定手段の設定した所定時間を示す信号を入力して、前記所定時間だけ前記レーザ光を前記被溶接物に照射してから、前記活性フラックスの供給を開始するよう前記フラックス供給手段を制御し、前記被溶接物の溶融池に前記活性フラックスを供給しながら溶接を行う請求項１記載の溶接装置。
4. 前記溶接位置の溶融を検出する溶融検出手段を設け、前記制御装置は、前記溶融検出手段からの溶融検出信号を入力信号とすると共に、前記被溶接物が溶融してから前記活性フラックスを供給しながら溶接を行う請求項１記載の溶接装置。
5. 前記溶融検出手段は、前記被溶接物の溶融検出に前記被溶接物の溶接位置からの反射光あるいは熱放射のいずれか、またはその両方を使用することを特徴とする請求項４記載の溶接装置。
6. 前記溶融検出手段に入射される反射光または熱放射の入射経路は、前記被溶接物の溶接位置に照射するレーザ光の光経路の一部と同様の光経路を使用することを特徴とする請求項５記載の溶接装置。
7. 前記活性フラックスは、レーザ光あるいはアークによって形成される溶融池の、溶接方向の前方から供給される請求項１から６の何れかに記載の溶接装置。
8. 前記レーザ光を被溶接物の溶接位置に照射すると共に、前記溶接位置に前記活性フラックスを供給する複合ノズルを設け、前記複合ノズルは、前記レーザ光の光軸と軸対称またはほぼ軸対称状に、少なくとも２方向から、前記レーザ光と同じ点で交わるように前記活性フラックスを前記被溶接物の溶接位置に供給しながら溶接を行う請求項１記載の溶接装置。
9. 少なくとも２方向から送給された前記活性フラックスがレーザ光と交わる位置は、前記被溶接物のほぼ表面またはその表面より前記被溶接物の中に入った位置であることを特徴とする請求項８記載の溶接装置。
10. 前記レーザ装置の前記被溶接物におけるレーザ集光点のパワー密度として、前記被溶接物を溶融する値以上、かつ前記被溶接物の材質と対応する常数を前記被溶接物表面におけるレーザの集光径で除算して求めた値以下にすることを特徴とする請求項１から９の何れかに記載の溶接装置。
11. 前記常数は、前記被溶接物の材質と対応させるものであり、ステンレス鋼では２２〜２７、鉄鋼では２５〜３０であることを特徴とする請求項１０記載の溶接装置。
12. 前記制御手段は、溶接終了時には前記活性フラックスの供給を停止させてから所定時間経過後にレーザを停止させる請求項１から１１の何れかに記載の溶接装置。
13. 前記所定時間は、溶接中の前記活性フラックスの供給量と対応させることを特徴とする請求項１２記載の溶接装置。
14. 前記所定時間は、溶接中のレーザ出力と対応させることを特徴とする請求項１２または１３記載の溶接装置。
15. 前記所定時間におけるレーザ出力は、徐々に低下させていくことを特徴とする請求項１２から１４の何れかに記載の溶接装置。
16. 前記所定時間におけるレーザ出力は、一定のレベルまで徐々に低下させていくことを特徴とする請求項１２から１４の何れかに記載の溶接装置。
17. 前記レーザ装置として、半導体レーザ装置またはＹＡＧレーザ装置またはファイバレーザ装置などの固体レーザ装置またはＣＯ_２レーザ装置などのガスレーザ装置を使用する請求項１から１６の何れかに記載の溶接装置。
18. 前記被溶接物には、ステンレス鋼または鉄鋼を使用する請求項１から１７の何れかに記載の溶接装置。
19. 前記活性フラックスには、ＴｉＳ_２、ＳｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３を主成分とするパウダー状の活性フラックスを使用する請求項１から１８の何れかに記載の溶接装置。
20. 前記パウダー状の活性フラックスには、平均粒径３０〜２００μｍのものを使用する請求項１９記載の溶接装置または溶接方法。
21. 前記活性フラックスとして、前記被溶接物の成分と同じ成分を主成分とするパウダー状の金属とパウダー状の活性フラックスの混合物を使用する請求項１から２０の何れかに記載の溶接装置。
22. 前記活性フラックスの前記パウダー状の金属との混合比率を０．３〜５ｗｔ％とする請求項２１記載の溶接装置。
23. 前記活性フラックスとして、前記被溶接物の成分と同じ成分を主成分とするパウダー状の金属を使用する請求項１から１８の何れかに記載の溶接装置。
24. 活性フラックスを被溶接物の溶接位置に供給するフラックス供給手段と、溶接電極と前記被溶接物の溶接位置との間にアークを発生させる溶接電源装置と、前記フラックス供給手段と前記溶接電源装置とを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記アークにより生成した前記被溶接物の溶融池に前記活性フラックスを供給しながら溶接を行う溶接装置。
25. 前記制御手段は、前記被溶接物の溶接位置が溶融してから前記活性フラックスの供給を開始する請求項２４記載の溶接装置。
26. 所定時間を設定する時間設定手段を設け、前記制御装置は、前記時間設定手段の設定した所定時間を示す信号を入力して、前記所定時間だけ前記アークを発生させてから、前記フラックスの供給を開始するよう前記フラックス供給手段を制御し、前記被溶接物の溶融池に前記活性フラックスを供給しながら溶接を行う請求項２４記載の溶接装置。
27. 前記溶接位置の溶融を検出する溶融検出手段を設け、前記制御手段は、前記溶融検出手段からの溶融検出信号を入力信号とすると共に、前記被溶接物が溶融してから前記活性フラックスを供給しながら溶接を行う請求項２４記載の溶接装置。
28. 前記溶融検出手段は、前記被溶接物の溶融検出に前記被溶接物の溶接位置からの熱放射を使用することを特徴とする請求項２７記載の溶接装置。
29. 前記活性フラックスは、レーザ光あるいはアークによって形成される溶融池の、溶接方向の前方から供給される請求項２４から２８の何れかに記載の溶接装置。
30. 前記溶接電極と前記溶接位置との間にアークを発生させると共に、前記溶接位置に活性フラックスを供給する複合ノズルを設け、前記複合ノズルは、前記溶接電極の中心軸と軸対称またはほぼ軸対称状に、少なくとも２方向から、前記溶接電極から発生したアークと同じ点で交わるように前記活性フラックスを前記被溶接物の溶接位置に供給しながら溶接を行う請求項２４記載の溶接装置。
31. 少なくとも２方向から送給された前記活性フラックスがアークと交わる位置は、前記被溶接物のほぼ表面またはその表面より前記被溶接物の中に入った位置であることを特徴とする請求項３０記載の溶接装置。
32. 前記制御手段は、溶接終了時には前記活性フラックスの供給を停止させてから所定時間経過後にアークを停止させる請求項２４から３１の何れかに記載の溶接装置。
33. 前記所定時間は、溶接中の前記活性フラックスの供給量と対応させることを特徴とする請求項３２記載の溶接装置。
34. 前記所定時間は、溶接中のアーク出力と対応させることを特徴とする請求項３２または３３記載の溶接装置。
35. 前記所定時間におけるアーク出力は、徐々に低下させていくことを特徴とする請求項３２から３４の何れかに記載の溶接装置。
36. 前記所定時間におけるアーク出力は、一定のレベルまで徐々に低下させていくことを特徴とする請求項３２から３４の何れかに記載の溶接装置。
37. 前記溶接熱源装置として、ＴＩＧアーク溶接電源装置またはプラズマアーク溶接電源装置を使用する請求項２４から３６の何れかに記載の溶接装置。
38. 前記被溶接物には、ステンレス鋼または鉄鋼を使用する請求項２４から３７の何れかに記載の溶接装置。
39. 前記活性フラックスには、ＴｉＳ_２、ＳｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３を主成分とするパウダー状の活性フラックスを使用する請求項２４から３８の何れかに記載の溶接装置。
40. 前記パウダー状の活性フラックスには、平均粒径３０〜２００μｍのものを使用する請求項３９記載の溶接装置。
41. 前記活性フラックスとして、前記被溶接物の成分と同じ成分を主成分とするパウダー状の金属とパウダー状の活性フラックス混合物を使用する請求項２４から４０の何れかに記載の溶接装置。
42. 前記活性フラックスの前記パウダー状の金属との混合比率を０．３〜５ｗｔ％とする請求項４１記載の溶接装置。
43. 前記活性フラックスとして、前記被溶接物の成分と同じ成分を主成分とするパウダー状の金属を使用する請求項２４から３８の何れかに記載の溶接装置。
44. 熱源からの熱エネルギーにより被溶接部の溶接位置を溶融する溶接方法において、前記熱エネルギーにより生成した前記被溶接部の溶融池に前記活性フラックスをフラックス供給手段により供給しながら溶接を行う溶接方法。
45. 前記熱源に、レーザまたはＴＩＧアークまたはプラズマアークを使用する請求項４４記載の溶接方法。
46. 前記活性フラックスの供給は、前記被溶接物の溶接位置が溶融してから開始する請求項４５記載の溶接方法。
47. 溶接終了時には、前記活性フラックスの供給を停止させてから所定時間経過後に熱源を停止させる請求項４５またはから４６記載の溶接方法。
48. 前記所定時間は、溶接中の前記活性フラックスの供給量と対応させることを特徴とする請求項４７記載の溶接方法。
49. 前記所定時間は、溶接中のレーザ出力あるいはアーク出力と対応させることを特徴とする請求項４７または４８記載の溶接方法。
50. 前記所定時間におけるレーザ出力あるいはアーク出力は徐々に低下させていく、あるいは一定のレベルまで徐々に低下させていくことを特徴とする請求項４７から４９の何れかに記載の溶接方法。
51. 前記被溶接物には、ステンレス鋼または鉄鋼を使用する請求項４４から５０の何れかに記載の溶接方法。
52. 前記活性フラックスには、ＴｉＳ_２、ＳｉＯ_２、Ｃｒ_２Ｏ_３を主成分とするパウダー状の活性フラックスを使用する請求項４４から５１の何れかに記載の溶接方法。
53. 前記パウダー状の活性フラックスには、平均粒径３０〜２００μｍのものを使用する請求項５２記載の溶接方法。
54. 前記活性フラックスとして、前記被溶接物の成分と同じ成分を主成分とするパウダー状の金属とパウダー状の活性フラックスの混合物を使用する請求項４４から５３の何れかに記載の溶接方法。
55. 前記活性フラックスの前記パウダー状の金属との混合比率を０．３〜５ｗｔ％とする請求項５４記載の溶接方法。
56. 前記活性フラックスとして、前記被溶接物の成分と同じ成分を主成分とするパウダー状の金属を使用する請求項４４から５１の何れかに記載の溶接方法。

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