JP2011218395A - Hybrid plasma welding method, hybrid plasma torch, and hybrid welding apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、プラズマ溶接とレーザ溶接の組合せであるハイブリッドプラズマ溶接方法,それに用いるハイブリッドプラズマ溶接トーチおよびハイブリッドプラズマ溶接装置に関する。 The present invention relates to a hybrid plasma welding method that is a combination of plasma welding and laser welding, a hybrid plasma welding torch and a hybrid plasma welding apparatus used therefor.
レーザを用いる、2.0mm厚以下の薄板突合せ溶接では、溶接に伴って図8に示すように、溶接の前方で溶接対象材12に、突合せを引き離す方向の力が発生する。突合せギャップが0.2〜0.3mm以上であると突合せ溶接部に融合不良が発生する。したがって油圧クランプで溶接対象材12を強力に抑える必要があり、設備および作業量が増える。突合せ端部をレーザ溶接に先立って仮付けすることも行われるが、この場合はタクトタイムが長くなる。
In thin plate butt welding using a laser and having a thickness of 2.0 mm or less, as shown in FIG. 8, a force in the direction of separating the butt is generated on the
図9の(a)に示すように、レーザ溶接のレーザ照射点に溶接ワイヤを送給する態様では、ワイヤの溶滴により突合せギャップが埋められるが、レーザのビーム径に対しワイヤが太く、僅かなワイヤずれでワイヤが溶けなくなるので融合不良が発生する。また、図9の(b)に示すように、重ね溶接で上下溶接対象材間のギャップが大きいと、図9の(c)に示すように、溶接が進行するが、ワイヤを溶かすのに多くのレーザエネルギーが消費されて溶込みが浅くなり、上下ギャップに溶融プールが沈むので、図9の(d)に示すように、凹ビードになって咽厚が薄くなり、強度が低下する。これを防ぐためにワイヤ供給量を多くすると、レーザの貫通力が低下するので、溶接不良となる。逆に、上下ギャップがゼロになると、図9の(e)に示すような凸ビードとなる。 As shown in FIG. 9 (a), in the aspect in which the welding wire is fed to the laser irradiation point of laser welding, the butt gap is filled with the droplet of the wire, but the wire is thicker than the laser beam diameter. Since the wire is not melted by a slight wire shift, poor fusion occurs. Further, as shown in FIG. 9B, when the gap between the upper and lower welding target materials is large in the lap welding, the welding proceeds as shown in FIG. 9C, but much to melt the wire. Since the laser energy is consumed and the penetration becomes shallow and the molten pool sinks in the upper and lower gaps, as shown in FIG. 9 (d), it becomes a concave bead, the throat thickness becomes thin, and the strength decreases. If the wire supply amount is increased in order to prevent this, the laser penetrating force decreases, resulting in poor welding. Conversely, when the vertical gap becomes zero, a convex bead as shown in FIG.
特許文献1には、溶接トーチにより突合せ部を溶融するとともに溶融プールにレーザを照射するハイブリッド溶接、ならびに、レーザ光路の汚染を防ぐエアーカーテンの形成が記載されている。しかしハイブリッド溶接では、溶接トーチにより図7の(b)に示すように突合せ表面部を溶接しその溶融プールの中央にレーザを照射するので、高速溶接の溶接ビードは、図7の(c)に示すように、中央部で突出し縁部にはアンダーカットを生ずるものとなる。溶接速度を低くすると、あるいは、レーザパワーを高くすると、中央部の突出が低くアンダーカットのない滑らかな溶接ビードが得られるが、溶接作業能率が低下する。あるいは、高価な高パワーレーザ装置を用いなければならなくなる。
本発明は、比較的に低パワーのレーザ投射によっても、表面が滑らかな溶接ビードが得られる高速溶接を可能にすることを目的とする。 An object of the present invention is to enable high-speed welding in which a weld bead with a smooth surface can be obtained even by relatively low power laser projection.
(1)トーチ先端側でトーチ中心軸(CL)に近づくように傾斜して該トーチ中心軸に関して溶接方向(y)の上流側と下流側に配置した複数のプラズマ放電電極(8a,8b)のそれぞれと溶接対象材(12)との間のプラズマアークで溶接対象材(12)をプラズマアーク溶接するとともに、前記トーチ中心軸(CL)を中心としトーチ先端に向けて収束するレーザビーム(13)を、溶接方向(y)で上流側のプラズマ放電電極(8b)のプラズマアークによる溶融プールに投射して裏方向への溶込みを深くし、該レーザビーム投射による溶接部の表方向の盛上りを、下流側のプラズマ放電電極(8a)によるプラズマアーク溶接で平滑化する、ハイブリッドプラズマ溶接方法。 (1) A plurality of plasma discharge electrodes (8a, 8b) which are inclined to approach the torch center axis (CL) on the torch tip side and are arranged upstream and downstream in the welding direction (y) with respect to the torch center axis. Laser beam (13) that converges toward the tip of the torch with the plasma arc welding of the material to be welded (12) by plasma arc between each and the material to be welded (12), and centering on the torch center axis (CL) In the welding direction (y) to the molten pool by the plasma arc of the upstream plasma discharge electrode (8b) to deepen the penetration in the back direction, and the rise in the front direction of the weld by the laser beam projection Which is smoothed by plasma arc welding with a plasma discharge electrode (8a) on the downstream side.
なお、理解を容易にするために括弧内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の符号を、参考までに付記した。以下も同様である。 For ease of understanding, reference numerals of corresponding elements in the examples shown in the drawings and described later are added in parentheses for reference. The same applies to the following.
例えば図6に示すように、1対のプラズマ放電電極8a,8bのそれぞれと溶接対象材12の間にプラズマアークを形成し、電極8a,8bの中間にプラズマビーム13を投射し、溶接方向を図に示すy方向とすると、すなわち電極8bを先行電極、電極8aを後行電極とすると、従来は先行電極(1個のみ)のプラズマアークであるところ、本発明では、先行電極8bおよび後行電極8aのプラズマアークが溶接対象材12に入熱するので熱量が多く、高速溶接が可能である。高速溶接では、先行電極8bによるプラズマアーク溶接により、図6上に矢印で示す方向の、開先合せ面を密着させる力が溶接対象材12に作用する。これは、先行電極8bによるアーク熱源(プラズマアーク)が溶接対象材12の熱伝導速度よりも速く(先行して)移動すると、アーク熱源より後方の鋼材の伸びが前方の伸びよりも大きくなるからである。これによって突合せ面のギャップが狭くなる。
For example, as shown in FIG. 6, a plasma arc is formed between each of the pair of
先行電極8bのプラズマアークが溶接対象材12の表面を溶かすので、図7の(a)に示すような突合せギャップを、図7の(b)に示すように橋渡しする溶融プールができる。この溶融プールをレーザビームが垂直に貫通し効率よく入熱する。この入熱は高密度であるが領域は狭くピンポイントであるので、これによる溶接ビードは図7の(c)に示すように、レーザ入射部が突出しアンダーカットを生じやすい。レーザビームを強力にしてビーム径を広げることにより突出を平坦化しアンダーカットをなくすことは可能であるが、そのようなレーザ装置はかなり高価になる。
Since the plasma arc of the leading
しかし本発明によれば、レーザ投射した溶接部に更に後行電極8aのプラズマアークが入熱するので、ビード表面が平滑化しアンダーカットを生じない。すなわち、溶接ビードは図7の(d)に示すように平滑化したものとなる。このように本発明によれば、比較的に低パワーのレーザ投射によっても、表面が滑らかな溶接ビードが得られる高速溶接が可能になる。
However, according to the present invention, since the plasma arc of the succeeding
(2)溶接対象材(12)と各プラズマ放電電極(8a,8b)との間に、溶接対象材側が正で電極側が負の電流を通電して、前記複数のプラズマ放電電極(8a,8b)のそれぞれと溶接対象材との間にプラズマアークを生成する、上記(1)に記載のハイブリッドプラズマ溶接方法。 (2) Between the welding object material (12) and each plasma discharge electrode (8a, 8b), a current that is positive on the welding object material side and negative on the electrode side is energized, and the plurality of plasma discharge electrodes (8a, 8b ) And a welding target material, a plasma arc is generated. The hybrid plasma welding method according to (1) above.
(3)溶接方向(y)で上流となるプラズマ放電電極(8b)の先端直下に溶接ワイヤ(18)を送給する、上記(1)又は(2)に記載のハイブリッドプラズマ溶接方法。 (3) The hybrid plasma welding method according to the above (1) or (2), wherein the welding wire (18) is fed directly under the tip of the plasma discharge electrode (8b) upstream in the welding direction (y).
(4)溶接対象材(12)と前記溶接ワイヤ(18)との間に、溶接対象材側が正で溶接ワイヤ側が負の電流を通電して前記溶接ワイヤ(18)を加熱する、上記(3)に記載のハイブリッドプラズマ溶接方法。 (4) Heating the welding wire (18) by passing a current between the welding target material (12) and the welding wire (18) with a positive current on the welding target material side and a negative welding wire side. ) Hybrid plasma welding method.
(5)トーチ先端側でトーチ中心軸(CL)に近づくように傾斜して該トーチ中心軸に関して溶接方向の上流側と下流側に配置された複数のプラズマ放電電極(8a,8b);および、
前記トーチ中心軸(CL)を軸心としてトーチ後端から先端に貫通したレーザ透過孔(24):を備えるハイブリッドプラズマトーチ(3)。
(5) a plurality of plasma discharge electrodes (8a, 8b) that are inclined so as to approach the torch center axis (CL) on the torch tip side and are arranged upstream and downstream in the welding direction with respect to the torch center axis;
A hybrid plasma torch (3) comprising: a laser transmission hole (24) penetrating from the rear end of the torch to the tip with the torch center axis (CL) as an axis.
(6)前記複数のプラズマ放電電極(8a,8b)は、前記トーチ中心軸(CL)に関して対称な姿勢である、上記(5)に記載のハイブリッドプラズマトーチ(3)。 (6) The hybrid plasma torch (3) according to (5), wherein the plurality of plasma discharge electrodes (8a, 8b) are symmetrical with respect to the torch center axis (CL).
(7)上記(5)又は(6)に記載のハイブリッドプラズマトーチ(3);および、前記レーザ透過孔(24)にトーチ先端に向けて収束するレーザビームを投射するレーザヘッド(1);を備えるハイブリッドプラズマ溶接装置。 (7) The hybrid plasma torch (3) according to (5) or (6) above; and a laser head (1) that projects a laser beam that converges toward the tip of the torch at the laser transmission hole (24). A hybrid plasma welding apparatus provided.
(8)溶接対象材(12)と各プラズマ放電電極(8a,8b)との間に、溶接対象材側が正で電極側が負の電流を通電するプラズマ溶接電源(22a,22b);を備える上記(6)に記載のハイブリッドプラズマ溶接装置。 (8) A plasma welding power source (22a, 22b) for passing a current that is positive on the welding target material side and negative on the electrode side between the welding target material (12) and each plasma discharge electrode (8a, 8b). The hybrid plasma welding apparatus according to (6).
(9)さらに、溶接方向(y)で上流となるプラズマ放電電極(8b)の先端直下に溶接ワイヤ(18)を案内するワイヤガイド(21);を備える上記(7)又は(8)に記載のハイブリッドプラズマ溶接装置;
(10)さらに、溶接対象材(12)と前記溶接ワイヤ(18)との間に、溶接対象材側が正で溶接ワイヤ側が負の電流を通電するホットワイヤ用電源(23);を備える上記(9)に記載のハイブリッドプラズマ溶接装置。
(9) The above (7) or (8), further comprising a wire guide (21) for guiding the welding wire (18) immediately below the tip of the plasma discharge electrode (8b) upstream in the welding direction (y). Hybrid plasma welding equipment;
(10) The above further includes a hot wire power source (23) between the material to be welded (12) and the welding wire (18) for supplying a current that is positive on the material to be welded side and negative on the side of the welding wire. The hybrid plasma welding apparatus according to 9).
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。 Other objects and features of the present invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the drawings.
図1に、本発明の1実施例のハイブリッドプラズマ溶接装置の概要を示す。ハイブリッドプラズマトーチ3には、中心軸を軸心とするレーザ透過孔24があり、トーチ後端(レーザヘッド1側)からトーチ先端のインサートチップ7まで延びている。レーザ透過孔24は、トーチ後端の電極台4a,4bの間の絶縁空間であるが、絶縁台5では段付き筒状、そして絶縁台6およびインサートチップでは裁頭円錐形である。トーチ3の中心軸CLに関して対称に、プラズマ放電電極8a,8bが配置されており、電極8a,8bはトーチ後端側からインサートチップ7に向かうに連れて中心軸CLに近づくように、中心軸に対して傾斜している。電極8a,8bが通る空間に、プラズマガス供給口11a,11bから送り込まれるプラズマガスが流入し、インサートチップ7の先端のノズルから溶接対象材12に向けて噴出する。シールドガスは、図2および図3に示すシールドガス流路14に供給されて、シールドキャップ10の内部に流れて、シールドキャップ10の下開口から溶接対象材12に向けて噴出する。レーザシールドガスは、図2および図3に示すレーザシールドガス流路15に供給されて、絶縁台5の流路を経てレーザ透過孔24に出てインサートチップ7のレーザ投射口から流出する。トーチ後端側へのレーザシールドガスの流失は保護ガラス9で遮断される。レーザビーム13は保護ガラス9を透過する。冷却水は、図2および図4に示す各給水路16に流入して電極台4a,4bおよび絶縁台5,6を経てインサートチップ7に至り、そこで別流路に折り返して絶縁台5,6および電極台4a,4bを経て各排水路17から流出する。
FIG. 1 shows an outline of a hybrid plasma welding apparatus according to one embodiment of the present invention. The
図1を再度参照する。ハイブリッドプラズマトーチ3は、連結部材2でレーザヘッドに連結されており、レーザヘッドがレーザ透過孔24にレーザビーム13を収束投射し、このレーザビーム13が溶接対象材12上に収束する。電極4a,4bには、プラズマ電源22a,22bが、溶接対象材12側が正で電極4a,4b側が負の電流を通電する。なお、これらの電源22a,22bによるプラズマアークを起動するパイロット電源もあるが、これらの図示は省略した。図1に示す実施例では、先行電極8bによる先行溶接の溶融金属を多くするために、先行電極8b直下にワイヤガイド21を通して溶接ワイヤ21を送給し、しかも、溶接入熱を大きくして溶接速度を高速にするために、溶接ワイヤ18には、ホットワイヤ用電源23が、溶接対象材12側が正で溶接ワイヤ18側が負の電流を通電する。
Please refer to FIG. 1 again. The
図5に、図1に示すハイブリッドプラズマ溶接装置の、重ね溶接時のトーチ先端部を拡大して示す。各電極8a,8bと溶接対象材12の間に、電極側が負で溶接対象材側が正のプラズマアークが発生すると、プラズマアーク電流が各電極と溶接対象材5の間に流れて、1プール2アーク溶接が実現する。のインサートチップ7の中の各電極8a,8bと溶接対象材12との間を流れる各アーク電流には、それぞれが誘起する磁束の合成磁束との間に、フレミングの左手の法則で表されるピンチ力が作用し、各電極のプラズマアークがトーチの並び方向yに絞られて溶接対象材5に対する熱収束効果(エネルギー密度)が高く、しかも作用位置がふらつくことが無いプラズマの安定性が高い。
FIG. 5 shows an enlarged view of the tip of the torch during lap welding of the hybrid plasma welding apparatus shown in FIG. When a plasma arc is generated between each
先行電極8b,溶接ワイヤ18および後行電極8aのプラズマアークが溶接対象材12に入熱するので熱量が多く、高速溶接が可能である。先行電極8bのプラズマアークが溶接ワイヤ18および溶接対象材12の表面を溶かすので、溶融金属が多くこれを、図5に示すように、レーザビーム13が垂直に貫通し効率よく入熱する。この入熱は高密度であるが領域は狭くピンポイントであるので、これによる溶接ビードは、レーザ入射部が突出しアンダーカットを生じやすい。しかし、レーザ投射した溶接部に更に後行電極8aのプラズマアークが入熱するので、ビード表面が平滑化しアンダーカットを生じない。すなわち、溶接ビードは表面が平滑化したものとなる。このように本実施例によれば、比較的に低パワーのレーザ投射によっても、表面が滑らかな溶接ビードが得られる高速溶接が可能になる。
Since the plasma arc of the leading
1:レーザ照射ヘッド
2:連結部材
3:ハイブリッドプラズマトーチ
4a,4b:電極台
5,6:絶縁台
7:インサートチップ
8a,8b:電極
9:保護ガラス
10:シールドキャップ
11a,11b:プラズマガス供給口
12:溶接対象材
13:レーザ
14:シールドガス流路
15:レーザシールドガス流路
16:給水路
17:排水路
18:溶接ワイヤ
19:先行プラズマアークによる溶融金属
20:後行プラズマアークによる溶融金属
21:ワイヤガイド
22a,22b:プラズマ電源
23:ホットワイヤ電源
24:レーザ透過孔
CL:中心軸
1: Laser irradiation head 2: Connecting member 3:
Claims (10)
前記トーチ中心軸を軸心としてトーチ後端から先端に貫通したレーザ透過孔:を備えるハイブリッドプラズマトーチ。 A plurality of plasma discharge electrodes disposed on the upstream side and the downstream side in the welding direction with respect to the torch center axis, inclined to approach the torch center axis on the torch tip side; and
A hybrid plasma torch comprising: a laser transmission hole penetrating from the rear end of the torch to the front end with the torch central axis as an axis.
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