JP2015178130A

JP2015178130A - 溶接装置および溶接方法

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Publication number: JP2015178130A
Application number: JP2014057338A
Authority: JP
Inventors: 洋輔山▲崎▼; Yosuke Yamazaki; 阿部　洋平; Yohei Abe; 洋平阿部; 幸男日置; Yukio Hioki
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: JP6261406B2

Abstract

【課題】レーザ出力を最適化して融合不良と溶接変形を抑制すると共に、容易に一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくすることを目的とする。
【解決手段】複数種類のレーザ光を用い、一方のレーザ光１により溶加材３を溶融し、他方のレーザ光２により母材４，５に入熱することにより、各レーザ出力を個別に最適化しながら融合不良と溶接変形を抑制すると共に、容易に一度のレーザ照射で溶接部７の高さを大きくすることができる。
【選択図】図１

Description

２つの母材をレーザ溶接する溶接装置および溶接方法に関する。

厚鋼板を継ぎ合わせる突合せ溶接や隅肉溶接として、継ぎ合わせる厚鋼板をわずかな隙間を隔てて並べ、隙間に供給されるワイヤ等の溶加材にレーザを照射してワイヤを溶融し、溶融された溶加材が充填された領域を溶接部として、隙間の深さ方向に溶接部を積層することにより、厚鋼板を継ぎ合わせる狭開先レーザ溶接が行われる。

このような狭開先レーザ溶接の際には、溶接部と厚鋼板との界面における融合不良を抑制するために、レーザ光を分岐し、一方のレーザ光でワイヤを溶融し、他方のレーザ光で開先部最深部を溶融する狭開先レーザ溶接が行われる場合があった（例えば、特許文献２参照）。

また、単一のレーザ光をワイヤを含む溶接部で揺動させながら照射し、ワイヤの溶融と、厚鋼板の溶融部表面の溶融を行う狭開先レーザ溶接が行われる場合があった（例えば、特許文献４参照）。

特開平９−２０１６８７号公報特開平９−１５０２８８号公報特開２０１２−２０６１１４号公報特開２０１１−５５３３号公報特開２０１３−１８０３８号公報

しかしながら、レーザ光を分岐する狭開先レーザ溶接では、単に１つのレーザ光を分岐してワイヤと開先部最深部に照射するのみであるため、ワイヤの効率的な溶融と厚鋼板の溶接部表面の効率的な入熱とを行うことができず、ワイヤの溶融不足や厚鋼板への入熱不足により、レーザ出力の低出力化を図りながら、効率的に融合不良の十分な抑制を行うことが困難となるという問題点があった。

また、レーザ光を揺動する狭開先レーザ溶接では、同じくワイヤの溶融と厚鋼板への入熱を最適に調整することが困難であり、融合不良の十分な抑制が困難となるという問題点があった。また、レーザ光をワイヤに照射する時間が制限されるため、ワイヤの送り速度を早くすることができず、溶接時間が長期化すると共に、一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくできず、レーザ出力を抑制した状態で、溶接時間を短縮できないという問題点があった。

さらに、溶接時間を短縮するために、一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくすることの要求が大きくなってきているが、従来の狭開先レーザ溶接では、レーザ出力を抑制した状態で融合不良を抑制しながら、一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくすることが困難であった。

また、溶接では必ず溶接部及び母材の溶接変形が発生するが、その溶接変形はできるだけ小さくすることが求められる。そのため、母材への入熱量は、融合不良を防止しながら溶接変形を最低限に抑制できる範囲に調整する必要がある。しかし、ワイヤの溶融と母材への入熱を１つの光源で調整すると、融合不良の防止と溶接変形の抑制を両立して高効率で高精度な溶接を行うことが困難であった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するために、レーザ出力を最適化して融合不良と溶接変形を抑制すると共に、容易に一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の溶接装置は、２つの母材の隙間をレーザ溶接する溶接装置であって、溶加材の溶融に用いる溶加材溶融レーザを発振する溶加材溶融レーザ発振器と、前記溶加材溶融レーザを前記溶加材に照射する溶加材溶融レーザヘッドと、前記母材の溶接部分に入熱する母材入熱レーザを発振する母材入熱レーザ発振器と、前記母材入熱レーザを前記母材に照射する母材入熱レーザヘッドと、前記母材入熱レーザヘッドに内蔵されて前記母材入熱レーザを２分割する光学系とを有し、前記母材の隙間で前記溶加材溶融レーザにより前記溶加材を溶融させながら、２分割された前記母材入熱レーザを溶接領域における２つの前記母材の表面近傍に分けて照射することによりキーホール溶接を行うことを特徴とする。

また、２つの母材の隙間をレーザ溶接する溶接装置であって、溶加材の溶融に用いる溶加材溶融レーザを発振する溶加材溶融レーザ発振器と、前記溶加材溶融レーザを前記溶加材に照射する溶加材溶融レーザヘッドと、前記母材の溶接部分に入熱する母材入熱レーザを発振する母材入熱レーザ発振器と、前記母材入熱レーザを前記母材に照射する母材入熱レーザヘッドと、前記母材入熱レーザヘッドに内蔵されて前記母材入熱レーザを揺動させる揺動器とを有し、前記母材の隙間で前記溶加材溶融レーザにより前記溶加材を溶融させながら、揺動された前記母材入熱レーザを２つの前記母材の間の溶接領域に照射することによりキーホール溶接を行うことを特徴とする。

さらに、本発明の溶接方法は、２つの母材の隙間をレーザ溶接する溶接方法であって、前記母材の隙間で溶加材に溶加材溶融レーザを照射して前記溶加材を溶融させながら、前記溶加材溶融レーザのレーザ発振器と異なるレーザ発振器で発振された２つの母材入熱レーザを溶接領域における２つの前記母材の表面近傍に別々に照射することによりキーホール溶接を行うことを特徴とする。

また、２つの母材の隙間をレーザ溶接する溶接方法であって、前記母材の隙間で溶加材に溶加材溶融レーザを照射して前記溶加材を溶融させながら、前記溶加材溶融レーザのレーザ発振器と異なるレーザ発振器で発振された母材入熱レーザを揺動させながら２つの前記母材の間の溶接領域に照射することによりキーホール溶接を行うことを特徴とする。

このように、複数種類のレーザ光を用い、一方のレーザ光により溶加材を溶融し、他方のレーザ光により母材に入熱することにより、各レーザ出力を個別に最適化しながら融合不良と溶接変形を抑制すると共に、容易に一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくすることができる。

本発明の溶接装置および溶接方法を説明する要部拡大図狭開先レーザ溶接を説明する図実施の形態１における溶接装置および溶接方法を説明する図実施の形態２における溶接装置および溶接方法を説明する図溶接状態を示す断面図

まず、図１，図２を用いて、狭開先レーザ溶接における、本発明の溶接装置および溶接方法の概略を説明する。
図１は本発明の溶接装置および溶接方法を説明する要部拡大図であり、図１（ａ）は一方の母材側から他方の母材を見たときの隙間における溶接の様子を示す図、図１（ｂ）は図１（ａ）の断面図である。図２は狭開先レーザ溶接を説明する図であり、図２（ａ）は母材の構成を示す斜視図、図２（ｂ）は溶接状態を説明する図である。

図２に示すように、狭開先レーザ溶接では、２つの母材４，母材５をごく狭い隙間９を隔てて配置し、その隙間９内に、溶加材を溶融凝固した複数層の溶接部７を形成し、溶接部７により２つの母材４，母材５を溶接接合する。溶接の際には、隙間９の底部に当て金６を配置しても良い。

図１に示すように、本発明の溶接装置および溶接方法では、２つの母材４，母材５の隙間９の１層の溶接部７となる溶融領域に、溶加材として、母材の材質に対応したワイヤ３を供給する。そして、溶融領域において、ワイヤ３にレーザ１を照射してワイヤ３を溶融する。これと同時に、レーザ１を照射するレーザヘッド（図示せず）と異なるレーザヘッド（図示せず）からレーザ２を、溶融領域における母材４，母材５の表面１０の近傍に照射して、母材４，母材５に入熱する。なお、図１（ｂ）では、レーザ１およびワイヤ３を省略している。このように、ワイヤ３を供給しながら、レーザ１，レーザ２を照射した状態で、ワイヤ３の供給位置とレーザ１，レーザ２の照射領域を、その位置関係を保ちながら、隙間９の溶接方向１１（図２参照）に移動させて溶接を行う。隙間９の溶接方向１１全面に溶接部７を形成した後、続けて、溶接部７上にも同様の溶接を行い、溶接部７上に別の溶接部７を形成する。これを隙間９の深さ方向に繰り返して行い、溶接部７を積層することにより、隙間９全体に溶接部７を積み重ね、母材４と母材５とを接合する。なお、溶接方向１１としては、一方向に溶接を行い、その上方を溶接する際には、下層の溶接と同じ方向にワイヤ３等を移動させても良いが、折り返す形で、下層の溶接と反対方向にワイヤ３等を移動させても良い。

レーザ２は、母材４，母材５の溶融領域における表面１０またはその近傍で溶融しているワイヤ３等の溶加材に同時に照射してもよいし、母材４側，母材５側に順次照射してもよい。このとき、レーザ１はワイヤ３を迅速に溶融するのに適したレーザ強度に調整する。このように、ワイヤ３を溶融するレーザ１を最適な照射状態に調整することにより、迅速にワイヤ３を溶融でき、溶融不良を抑制しながら溶融量を増大させ、ワイヤ３の供給速度を向上して溶融領域の移動速度を向上させるとともに、溶接部７の高さを高くすることができる。また、レーザ２は迅速かつ十分に母材４，母材５に入熱できるレーザ強度に調整する。このように、母材４，母材５に入熱するレーザ２を最適な照射状態に調整することにより、迅速に母材４，母材５への入熱を行うことにより、入熱不足による母材４，母材５の表面の溶け込み部８の溶融が不足して融合不良が発生することを抑制するとともに、入熱過多による母材の溶接変形を抑制することができ、なおかつ、溶融領域の移動速度を向上させることができる。

以上のように、レーザ光源を２系統用い、一方のレーザ１で溶加材を溶融させ、他方のレーザ２で母材４，５に入熱を行うことにより、最適な入熱を母材４，５に行って母材４，５の溶接変形を抑制しながら融合不良を防止すると共に、溶加材に最適な熱量を供給することにより溶加材の供給速度を上げて一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくすることを容易に行うことができ、短時間の溶接を行いながら、高効率で高精度な溶接を行うことができる。すなわち、独立して各レーザ１，２のレーザ出力を調整することができるので、融合不良の抑制と溶接変形の抑制を高精度に両立して溶接すると共に、溶加材の溶融を最適かつ迅速に行うことにより一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくして溶接速度を向上させることを容易に実現できる。

なお、母材４，母材５としては、例えば、低合金鋼やＳＵＳ等を用いることができる。また、接合できる隙間９の深さは、５０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることが一般的である。隙間９の開口角度Ａ（図２参照）は４°程度が一般的であり、隙間９の最小開口幅ｗは３ｍｍ程度が一般的である。

以下、実施の形態として、レーザヘッドの構造およびレーザの照射方法の具体例を説明する。
（実施の形態１）
まず、図３を用いて、実施の形態１の溶接装置および溶接方法における、レーザヘッドの構成とレーザの照射方法を説明する。

図３は実施の形態１における溶接装置および溶接方法を説明する図であり、図３（ａ）は一方の母材側から他方の母材を見たときの隙間におけるレーザヘッドの配置を示す図、図３（ｂ）は図３（ａ）の断面図である。

図３に示すように、レーザ１をワイヤ３に照射するレーザヘッド１２は、レーザ発振器２８で発振されたレーザ光を平行光にするレンズ１５と、平行光をワイヤ３の先端部分に集光するレンズ１６とからなる。

また、レーザ２を溶融領域の母材４，母材５の表面１０近傍に照射するレーザヘッド１３は、レーザ発振器２９で発振されたレーザ光を平行光にするレンズ１７と、平行光を２分割するミラー１８と、２分割された平行光をそれぞれ母材４の表面１０および母材５の表面１０に向けて反射させる一対のミラー１４と、反射されたそれぞれの平行光を母材４，母材５の表面１０に集光する一対のレンズ１９とからなる。また、レーザ２を２分割する機構として、ミラー１８を用いる例を示したが、レーザ２を分割することができれば、回折格子等のその他の構成を用いることもできる。

そして、供給されるワイヤ３，レーザ１の照射位置，一対のレーザ２の照射位置が一体となって、隙間９内をある溶接方向１１に移動して溶接部７を形成する。すなわち、レーザ１は移動するワイヤ３を照射し続け、レーザ２は２分割され、母材４，母材５の表面１０近傍を溶接方向に沿って移動しながら照射し続ける。そして、溶接部７上に同様に溶接部７を積み重ねていくことにより、隙間９内を溶接部７で満たし、母材４と母材５とを接合する。

このように、２系統のレーザ光源としてレーザヘッド１２，１３を用い、一方のレーザ１で溶加材を溶融させ、他方のレーザ２を分割して、同時に母材４，５に入熱を行うことにより、最適な入熱を母材４，５に行って母材４，５の溶接変形を抑制しながら融合不良を抑制すると共に、溶加材に最適な熱量を供給することにより溶加材の供給速度を上げて一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくすることを容易に行うことができ、短時間の溶接を行いながら、高効率で高精度な溶接を行うことができる。すなわち、独立して各レーザ１，２のレーザ出力を調整することができるので、融合不良の防止と溶接変形の抑制を高精度に両立して溶接を行うと共に、溶加材の溶融を最適かつ迅速に行うことにより一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくして溶接速度を向上させることを容易に実現できる。

また、レーザ１とレーザ２とが異なるレーザ発振器で発振される場合、レーザ１の波長とレーザ２の波長を異なる波長にすることができる。
溶接に利用するワイヤは、銅めっきがなされた鉄や炭素鋼やアルミ，ステンレス等が用いられ、一般的に表面に光沢がある滑らかな金属であるので、レーザの吸収率が悪い。また、レーザは波長が短くなるほど金属に吸収されやすくなるという特徴があることから、ワイヤを照射するレーザ１は短い波長のレーザ、例えば、５３２ｎｍのＹＡＧレーザ、１０００ｎｍ以下で波長が選択出来る半導体レーザ等を利用すると低出力のレーザを利用することができる。

これに対して、溶融した金属はレーザの波長に関係なく吸収率が良いため安価で大出力が得られるレーザ、例えば、ＹＡＧレーザ、ＤＩＳＫレーザ、ファイバレーザ等の波長１ミクロン帯の固体レーザ等を利用できる。

このように、異なるレーザ発振器で発振されたレーザ１とレーザ２とを用いる場合、溶加材や母材の材質や特性に合わせて最適な波長のレーザを溶接に用いることができるため、より容易に独立して各レーザ１，２の調整を行うことができると共に、効率的なレーザ溶接を行うことができる。
（実施の形態２）
次に、図４を用いて、実施の形態２の溶接装置および溶接方法における、レーザヘッドの構成とレーザの照射方法を説明する。

図４は実施の形態２における溶接装置および溶接方法を説明する図であり、図４（ａ）は一方の母材側から他方の母材を見たときの隙間におけるレーザヘッドの配置を示す図、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面図である。

図４に示すように、レーザ１をワイヤ３に照射するレーザヘッド１２は、レーザ発振器２８で発振されたレーザ光を平行光にするレンズ１５と、平行光をワイヤ３の先端部分に集光するレンズ１６とからなる。

また、レーザ２を溶融領域の母材４，母材５の表面１０近傍に照射するレーザヘッド２１は、レーザ発振器２９で発振されたレーザ光を平行光にするレンズ１７と、平行光を反射させるミラー２２と、反射された平行光を母材４の表面１０から母材５の表面１０に往復させながら集光させるように、揺動可能な揺動ミラー２０とからなる。また、揺動ミラー２０は、平行光を表面１０から母材５の表面１０近傍に集光するような凹レンズである。また、揺動ミラー２０は、集光位置を調整するために、ミラー２２の方向に対して前後するように移動することが可能としても良く、さらに、その方向と直行する方向に前後するように移動することが可能としても良い。また、レーザ２を揺動させる揺動器として、揺動レンズ２０を用いる例を示したが、レーザ２を揺動することができれば、その他の構成を用いることもできる。

そして、供給されるワイヤ３，レーザ１の照射位置，揺動するレーザ２の照射位置が一体となって、隙間９内を溶接方向１１に移動して溶接部７を形成する。すなわち、レーザ１は移動するワイヤ３を照射し続け、レーザ２は母材４，母材５の表面１０近傍間を往復運動しながら溶接方向に沿って移動して照射を続ける。さらに、溶接部７上に同様に溶接部７を積み重ねていくことにより、隙間９内を溶接部７で満たし、母材４と母材５とを接合する。

このように、２系統のレーザ光源としてレーザヘッド１２，２１を用い、一方のレーザ１で溶加材を溶融させ、他方のレーザ２を母材４と母材５との間を揺動させながら、母材４，５に入熱を行うことにより、最適な入熱を母材４，５に行って母材４，５の溶接変形を抑制しながら溶け込み部８（図２参照）の不足を抑制すると共に、溶加材に最適な熱量を供給することにより溶加材の供給速度を上げて一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくすることを容易に行うことができ、短時間の溶接を行いながら、高効率で高精度な溶接を行うことができる。すなわち、独立して各レーザ１，２のレーザ出力を調整することができるので、融合不良の抑制と溶接変形の抑制を高精度に両立して溶接すると共に、溶加材の溶融を最適かつ迅速に行うことにより一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくして溶接速度を向上させることを容易に実現できる。

なお、揺動ミラー２０が揺動する揺動周期、すなわち、レーザ２が母材４と母材５との間を往復する周期は（溶接速度［ｍｍ／ｓ］）÷（レーザ２のスポット径［ｍｍ］）以上とすることが好ましい。これは、揺動１周期分の溶接が進んだとき、１周期前のスポットが通過した部分と、今回スポットが通過した部分が重ならない場合、溶け込み部８（図２参照）である溶接ビードの端部が不均一となり、溶け込み不足による溶接不良を誘発する恐れがあるからである。具体的には、レーザ２のスポットはおおよそ円形状であり、レーザ２は母材４，５間を一定周期で往復する。そのため、母材４，５の表面１０には、溶接方向に、断面が略部分円形状の溶け込み部８（図２参照）が並ぶことになる。そのため、揺動周期が小さすぎると、溶け込み部８（図２参照）が不連続になり、あるいは、重なりが少なくなり、溶け込み部８（図２参照）間に溶け込み部８（図２参照）が無い領域、あるいは、溶け込み部８（図２参照）の深さが不足する領域が形成される。そして、溶け込み部８（図２参照）の深さが不足する領域が形成されることにより、溶け込み不足による溶接不良が発生する場合がある。そのため、少なくとも隣り合う溶け込み部８（図２参照）が重なるように、揺動周期を大きくする必要がある。ここで、溶接速度は、レーザ１およびレーザ２が移動する速度であり、レーザ２のスポット径は、レーザ２が母材４，５の表面１０で集光するスポットの径である。この溶接不良を防止するために、１周期前と今回とのスポット通過域が少なくとも重なるように制限する。この場合、周波数ｆ［Ｈｚ（／ｓ）］と溶接速度ｖ［ｍｍ／ｓ］およびスポット径ｄ［ｍｍ］の関係は、以下のようになる。

１／ｆ×ｖ＜ｄ
すなわち
ｆ＞ｖ／ｄ
となる。したがって、揺動周波数は（溶接速度［ｍｍ／ｓ］÷スポット径［ｍｍ］）以上とすることが好ましい。

具体的には、溶接条件の一例である溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎ（５ｍｍ／ｓ），スポット径０．５ｍｍの場合、周波数は１０Ｈｚ以上とすることが好ましい。
さらに、上記実施の形態１および実施の形態２において、母材４，５の隙間９の長さをセンサ２３で測定し、母材４，５の隙間９の長さに応じてレーザ２の揺動幅を、溶接中においてインプロセス制御しても良い。センサ２３による計測項目は、開先底部（前パス表面）の幅および中心位置である。開先底部の幅を認識し、それに応じてレーザ２の照射位置または揺動幅を制御する。また、開先底部の中心位置を認識し、レーザ１，２の照射位置および溶加材送給位置を制御する。具体的には、センサ２３をレーザヘッド１２，１３，２１の溶接方向前方またはレーザヘッド１２，１３，２１内に設け、溶接領域における隙間９の長さおよび隙間９の中心位置を随時測定する。センサ２３は溶接装置内に少なくとも１つ設ければよい。測定結果を演算器（図示せず）に入力して、隙間９の長さに応じた最適な揺動幅を決定する。決定した揺動幅に応じてミラー２０の動作、あるいは、レーザ２の照射位置を決定するレーザヘッド１３のミラー１４が動作する。また、レーザヘッド１２，１３，２１およびワイヤ３の位置を変動させ、レーザ照射位置およびワイヤ送給位置が隙間９の中心位置と一致するように制御する。このように、溶接箇所における母材４，５の隙間９の長さを測定し、隙間９の長さに応じた揺動幅でレーザ２を揺動することにより、ワイヤ３を確実に開先底部に送給し、レーザ１でワイヤ３を確実に溶融させることができる。また、レーザ２により母材４，５の開先全体に入熱を与えることが可能となり、開先壁近傍への入熱不足を防止し、融合不良の発生を防止することができる。なお、開先形状をレーザ照射領域の近傍で認識できるセンサ２３を用いればよく、そのセンサ２３の方式は問わない。

また、以上の説明では、レーザ１を発振するレーザ発振器２８と、レーザ２を発振するレーザ発振器２９とを別のレーザ発振器としたが、１つのレーザ発振器からレーザをレーザ１とレーザ２に分岐させる構成としても良い。この場合、分岐後のレーザ１とレーザ２のそれぞれに対して、レーザ出力を調整できる機構を別々に設ける。さらに、分岐されたレーザ１とレーザ２とのレーザ出力比を任意に決定できる構成の分岐手段を用いて分岐させても良い。１つのレーザ発振器でレーザ１およびレーザ２を生成する場合、レーザ１およびレーザ２のレーザ出力を個別に調整する自由度は、レーザ発振器をレーザ１，レーザ２毎に設ける場合に比べて低減するが、母材とワイヤが決まればレーザ１とレーザ２との出力比が一定となるため、レーザ１およびレーザ２のレーザ出力を調整する範囲は大きくない場合が多く、このような構成でも、融合不良の抑制と溶接変形の抑制を高精度に両立して溶接すると共に、溶加材の溶融を最適かつ迅速に行うことにより一度のレーザ照射で溶接される層高さを大きくして溶接速度を向上させることを比較的容易に実現できる。

また、レーザ１の照射角を溶接方向１１に対して後退角とすることが好ましい。レーザ１がワイヤ３に照射されるとワイヤ３が溶融して盛り上がる。そのため、ワイヤ３を溶接方向１１に対して後退角を持たせて供給し、レーザ１を溶接方向１１の進行方向側から照射することにより、盛り上がったワイヤ３の溶接物に邪魔されること無く、レーザ１をワイヤ３の先端部分に照射することができる。

また、溶接方向１１の進行方向から順に、ワイヤ３の供給，レーザ１の照射，レーザ２の照射が行われるように位置関係を調整することが好ましい。これにより、ワイヤ３の溶融と、母材４，５への入熱が、互いに干渉されること無く、容易に行われる構成となる。

また、例えば、母材４，５が４９０ＭＰａ級鋼の炭素鋼で、ワイヤ３が炭素鋼用銅めっきワイヤである場合、ワイヤ３の供給速度Ｆｗ［ｍ／ｍｉｎ］は、実験の結果から、
Ｆｗ＜０．１２５×Ｐ×Ｐ＋０．７５×Ｐ＋１．５
とすることが好ましい。

つまり、レーザ１の出力は、開先形状とワイヤ３の材料に応じた溶接速度とから必要なワイヤ総供給速度が求められ、ワイヤ総供給速度を確保できる出力に決定される。これにより、レーザ１により確実にワイヤ３を溶融させることができるとともに、過剰なレーザ１の出力を避けることができるため、効率的な溶接を行うことができる。ここで、Ｐはレーザ１のレーザ出力［ｋＷ］である。

また、融合不良を防止しつつ、かつ母材４，５を余剰に溶融させることを避けるために、レーザ１のレーザ出力を、レーザ２のレーザ出力の０．６倍以上１．５倍以下の一定の値とすることが好ましいことが実験の結果わかっている。つまり、レーザ１とレーザ２の出力の比は、母材材質とワイヤ材質により最適値が決まるので、レーザ１の出力が確定すると最適なレーザ２の出力が確定し、常にこの割合で制御することができる。そのため、母材４，５およびワイヤ３の材質毎の最適条件を容易に決定することができる。これにより、例えばレーザ１の出力が最適出力より大きくなり、溶融しすぎてしまうことを容易に防止できる。

また、融合不良を抑制して狭開先溶接を実施するためには、開先底部の端部付近に、開先底部の端部が溶融するだけの入熱を確実に与えるために、キーホール溶接である必要がある。そのため、レーザ２のレーザスポットにおけるエネルギー密度は１×１０^６Ｗ／ｃｍ^２以上とすることが好ましい。その場合、レーザ１，レーザ２のスポット径は、直径が、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることが好ましい。さらに、レーザ１，レーザ２のレーザ出力は、いずれも１ｋＷ以上とすることが好ましい。

また、レーザ１とレーザ２の照射位置の間隔は、溶融部７の高さの多寡によって決定される。ワイヤ送給速度が大きい場合や溶接速度が遅い場合，開先幅が狭い場合は溶融金属高さが高く、溶融された領域の前方に迫り出すように溶融されたワイヤ３が存在するため、レーザ２をレーザ１に近い位置に照射することが好ましい。一方、ワイヤ送給速度が小さい場合や溶接速度が速い場合、開先幅が広い場合は溶融部７の高さが低く、溶融されたワイヤ３は後方に流れ、レーザ１の照射領域付近では開先全幅に渡って溶融金属で満たされていない。そのため、溶融されたワイヤ３が形成されている母材４，５の表面１０にレーザ２を照射するために、レーザ２はレーザ１より若干後方に離すことが好ましい。

具体的な実験結果から、以下の条件が適切である。
レーザ１が６ｋＷ，レーザ２が６ｋＷ，速度が０．３ｍ／ｍｉｎ，ワイヤ３の供給速度が１０ｍ／ｍｉｎ，開先幅が３ｍｍのときは、レーザ１とレーザ２の間隔は０ｍｍとする。

レーザ１が６ｋＷ，レーザ２が６ｋＷ，速度０．６ｍ／ｍｉｎ，ワイヤ３の供給速度が１０ｍ／ｍｉｎ，開先幅が３ｍｍのときは、レーザ１とレーザ２の間隔は１ｍｍ以上２ｍｍ以下、好ましくは１．５ｍｍとする。

レーザ１が６ｋＷ，レーザ２が６ｋＷ，速度０．３ｍ／ｍｉｎ，ワイヤ３の供給速度が１０ｍ／ｍｉｎ，開先幅１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下のときは、レーザ１とレーザ２の間隔は１ｍｍ以上２ｍｍ以下、好ましくは１．５ｍｍとする。

次に、本発明の溶接装置および溶接方法を用いた場合の接合状態について、図５を用いて説明する。
図５は溶接状態を示す断面図であり、図５（ａ）は本発明による溶接状態、図５（ｂ）は従来の融合不良の様子を示す図、図５（ｃ）は従来の入熱過多の状態を示す図である。

なお、図５は、簡易的に母材２４に隙間に相当する溝２５を形成し、溝２５内に溶融部７を形成した様子を示している。
図５（ａ）に示すように、本発明の溶接装置および溶接方法を用いた場合は、ワイヤの溶融が十分行われるため、溶接部７には融合不良は生じず、溶接される層高さである溶融部７の高さＨも十分高く、母材２４への入熱が適切であるので、十分な深さまで溶け込み部８が形成され、母材２４の溶接変形もほとんど生じない。そのため、迅速に精度良く溶接を行うことができる。

これに対して、従来の溶接では、ワイヤの溶融や母材２４への入熱が不足した場合は、図５（ｂ）に示すように、溶け込み部８の形成が不足し、融合不良２６が生じ、溶融部７の高さｈ１も高くできない。そのため、迅速に精度良く溶接を行うことができない。

また、母材２４への入熱が過多になると、図５（ｃ）に示すように、溶け込み部８が過剰に形成され、母材２４が熱により変形２７し、溶融部７の高さｈ２も高くできない。そのため、迅速に精度良く溶接を行うことができない。

１レーザ
２レーザ
３ワイヤ
４母材
５母材
６当て金
７溶接部
８溶け込み部
９隙間
１０表面
１１溶接方向
１２レーザヘッド
１３レーザヘッド
１４ミラー
１５レンズ
１６レンズ
１７レンズ
１８ミラー
１９レンズ
２０揺動ミラー
２１レーザヘッド
２２ミラー
２３センサ
２４母材
２５溝
２６融合不良
２７変形
２８レーザ発振器
２９レーザ発振器

Claims

２つの母材の隙間をレーザ溶接する溶接装置であって、
溶加材の溶融に用いる溶加材溶融レーザを発振する溶加材溶融レーザ発振器と、
前記溶加材溶融レーザを前記溶加材に照射する溶加材溶融レーザヘッドと、
前記母材の溶接部分に入熱する母材入熱レーザを発振する母材入熱レーザ発振器と、
前記母材入熱レーザを前記母材に照射する母材入熱レーザヘッドと、
前記母材入熱レーザヘッドに内蔵されて前記母材入熱レーザを２分割する光学系と
を有し、前記母材の隙間で前記溶加材溶融レーザにより前記溶加材を溶融させながら、２分割された前記母材入熱レーザを溶接領域における２つの前記母材の表面近傍に分けて照射することによりキーホール溶接を行うことを特徴とする溶接装置。
２つの母材の隙間をレーザ溶接する溶接装置であって、
溶加材の溶融に用いる溶加材溶融レーザを発振する溶加材溶融レーザ発振器と、
前記溶加材溶融レーザを前記溶加材に照射する溶加材溶融レーザヘッドと、
前記母材の溶接部分に入熱する母材入熱レーザを発振する母材入熱レーザ発振器と、
前記母材入熱レーザを前記母材に照射する母材入熱レーザヘッドと、
前記母材入熱レーザヘッドに内蔵されて前記母材入熱レーザを揺動させる揺動器と
を有し、前記母材の隙間で前記溶加材溶融レーザにより前記溶加材を溶融させながら、揺動された前記母材入熱レーザを２つの前記母材の間の溶接領域に照射することによりキーホール溶接を行うことを特徴とする溶接装置。
前記母材入熱レーザの揺動周波数が、溶接速度／前記母材入熱レーザのスポット径以上であることを特徴とする請求項２記載の溶接装置。
前記溶接領域における前記母材の隙間の間隔を測定するセンサと、
前記母材の隙間の間隔に応じて前記母材入熱レーザの揺動幅をインプロセス制御する制御器と
をさらに有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の溶接装置。
前記溶加材の供給位置に対して、溶接方向後方に前記溶加材溶融レーザヘッドを配置し、さらに後方に前記母材入熱レーザヘッドを配置することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の溶接装置。
前記溶加材溶融レーザヘッドからのレーザ照射角度が溶接方向に対して後退角であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の溶接装置。
前記溶加材溶融レーザのレーザ出力と前記母材入熱レーザのレーザ出力との比が一定
であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の溶接装置。
２つの母材の隙間をレーザ溶接する溶接装置であって、
レーザを発振するレーザ発振器と、
レーザを溶加材溶融レーザと母材入熱レーザとに分岐する分岐器と、
を有し、前記母材の隙間で前記溶加材溶融レーザにより前記溶加材を溶融させながら、前記母材入熱レーザを溶接領域における２つの前記母材の表面近傍に、前記母材入熱レーザを２分割あるいは揺動させて照射することによりキーホール溶接を行うことを特徴とする溶接装置。
２つの母材の隙間をレーザ溶接する溶接方法であって、
前記母材の隙間で溶加材に溶加材溶融レーザを照射して前記溶加材を溶融させながら、
前記溶加材溶融レーザのレーザ発振器と異なるレーザ発振器で発振された２つの母材入熱レーザを溶接領域における２つの前記母材の表面近傍に別々に照射することによりキーホール溶接を行うことを特徴とする溶接方法。
２つの母材の隙間をレーザ溶接する溶接方法であって、
前記母材の隙間で溶加材に溶加材溶融レーザを照射して前記溶加材を溶融させながら、
前記溶加材溶融レーザのレーザ発振器と異なるレーザ発振器で発振された母材入熱レーザを揺動させながら２つの前記母材の間の溶接領域に照射することによりキーホール溶接を行うことを特徴とする溶接方法。
前記溶接領域における前記母材の隙間の間隔を継続的に測定し、
前記母材の隙間の間隔に応じて前記母材入熱レーザの揺動幅を随時制御する
ことを特徴とする請求項１０記載の溶接方法。
前記母材入熱レーザの揺動周波数が、１０Ｈｚ以上であることを特徴とする請求項１０または請求項１１のいずれかに記載の溶接方法。
前記溶加材の供給位置に対して、溶接方向後方から前記溶加材溶融レーザを照射し、さらに後方から前記母材入熱レーザを照射することを特徴とする請求項９〜請求項１２のいずれか１項に記載の溶接方法。
前記溶加材溶融レーザのレーザ照射角度が溶接方向に対して後退角であることを特徴とする請求項９〜請求項１３のいずれか１項に記載の溶接方法。
前記溶加材溶融レーザのレーザ出力と前記母材入熱レーザのレーザ出力との比が一定
であることを特徴とする請求項９〜請求項１４のいずれか１項に記載の溶接方法。