JP2015229171A - Laser-arc hybrid welding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ溶接とアーク溶接とを用いて溶接接合するレーザアークハイブリッド溶接方法に関し、特に、大型構造物である二つの長尺状のワークの接合面同士を溶接接合して、その接合強度をワークの長手方向に沿ってほぼ均一にすることができるレーザアークハイブリッド溶接方法に関する。 The present invention relates to a laser arc hybrid welding method in which laser welding and arc welding are used for welding joining, and in particular, the joining surfaces of two long workpieces which are large structures are welded to each other, and the joining strength thereof. The present invention relates to a laser arc hybrid welding method capable of making the workpiece substantially uniform along the longitudinal direction of the workpiece.
近年、大型構造物の溶接方法として、レーザアークハイブリッド溶接方法が適用され始めていて、例えば下記特許文献1に記載されている。このレーザアークハイブリッド溶接方法は、レーザ溶接及びアーク溶接のメリットを活かしながら、それらのデメリットを補完しあう溶接方法として注目されている。
In recent years, a laser arc hybrid welding method has started to be applied as a welding method for large structures, and is described, for example, in
レーザ溶接では、低入熱、低歪み、高速溶接というメリットがある。また、深溶け込みを行うことができるため、厚板部材に適用できる。しかし、レーザ光の幅が狭いため、接合面の間に形成される隙間が大きいと、レーザ溶融部を的確に形成することができないというデメリットがある。つまり、隙間に対する余裕度が小さい。 Laser welding has the advantages of low heat input, low distortion, and high speed welding. Moreover, since deep penetration can be performed, it is applicable to a thick plate member. However, since the width of the laser beam is narrow, there is a demerit that if the gap formed between the joining surfaces is large, the laser melting portion cannot be formed accurately. That is, the margin for the gap is small.
一方、アーク溶接では、装置が比較的安価であり、技術的蓄積が大きくて信頼性が高いというメリットがある。また、アーク溶融部は幅が広いため、隙間に対する余裕度が大きい。しかし、レーザ溶接と比べて入熱が高いため、アーク溶融部の歪みが大きいというデメリットがある。更に、深溶け込みを行うことができないため、厚板部材に適用することが難しい。 On the other hand, arc welding has the advantage that the apparatus is relatively inexpensive, has a large technical accumulation, and is highly reliable. Moreover, since the arc melting part is wide, the margin with respect to the gap is large. However, since the heat input is higher than that of laser welding, there is a demerit that the distortion of the arc melting portion is large. Furthermore, since deep penetration cannot be performed, it is difficult to apply to thick plate members.
こうして、レーザアークハイブリッド溶接方法は、レーザ溶接とアーク溶接の両方を用いることで、低入熱、低歪み、高精度、高速溶接というメリットを得ることができる。更に、深溶け込みを行うことができると共に、隙間に対する余裕度を大きくすることができる。図12は、従来のレーザアークハイブリッド溶接によって、二つの突き合わされた板状部材101,102の接合面101a,102a同士が溶接接合されている状態を示した斜視図である。
Thus, the laser arc hybrid welding method can obtain the merits of low heat input, low distortion, high accuracy, and high speed welding by using both laser welding and arc welding. Further, deep penetration can be performed and the margin for the gap can be increased. FIG. 12 is a perspective view showing a state in which the joining
図12に示すように、レーザ照射ヘッド121が、レーザ光122を各接合面101a,102aに向けて照射して、略直線状のレーザ溶融部123を形成する。このとき、図13(A)に示すように、レーザ光122は、各接合面101a,102a全体を通過するように板状部材101,102と直交する方向に照射される。また、アークトーチ131の先端部は、板状部材101,102の上面との間にアークを生じさせて、下側が略半円形状であるアーク溶融部132を形成する。
As shown in FIG. 12, a
こうして、図13(B)に示すように、レーザ溶融部123とアーク溶融部132とが混在した形で溶接ビードになり、接合面101a,102a同士が溶接接合される。そして、レーザ照射ヘッド121とアークトーチ131は板状部材101,102の長手方向(図12の矢印で示した方向)に移動するため、接合面101a,102aは長手方向に連続して溶接接合される。
In this way, as shown in FIG. 13B, the laser melting
しかしながら、大型構造物である二つの長尺状のワークの接合面同士を溶接接合する場合、従来のレーザアークハイブリッド溶接方法では、以下の問題点がある。即ち、数十mにも及ぶ長尺状のワーク(板状部材101、102)には、製作誤差が必ず生じてしまう。また、大型構造物であるワークを載置する際に、ワークが自重で撓むことがある。これら製作誤差やワークの撓みにより、板状部材101,102の長手方向の位置に応じて、接合面101a,102aが規定位置から幅方向(図12の左右方向)にずれたり、接合面101a,102aの間にレーザ光122の幅より大きい隙間が生じる可能性がある。
However, when the joining surfaces of two long workpieces which are large structures are welded together, the conventional laser arc hybrid welding method has the following problems. That is, a manufacturing error always occurs in a long work (plate-
図14(A)に示すように、接合面101a,102aが規定位置P2から幅方向にずれていると、レーザ光122が各接合面101a,102aを通過しなくて、一方の板状部材102にのみレーザ溶融部123aが形成される。これにより、図14(B)に示すように、レーザ溶融部123a及びアーク溶融部132aによる溶接ビードが形成されて、接合面101a,102aの接合長さh1が短くなる。また、図15(A)に示すように、接合面101a,102aの間にレーザ光122の幅より大きい隙間103が生じていると、レーザ光122が隙間103を通過してしまい、レーザ溶融部が形成されない。これにより、図15(B)に示すように、アーク溶融部132bによる溶接ビードのみが形成されて、接合面101a,102aの接合長さh2が短くなる。
As shown in FIG. 14A, when the joining
この結果、板状部材101,102の長手方向の位置に応じて、接合長さが長い部分や短い部分が生じて、接合強度が均一にならないという問題点があった。言い換えると、長尺状のワークの接合面同士を長手方向に連続して的確に溶接接合するには、接合面の位置ずれや大きな隙間を吸収できるように、大きな余裕度(許容できる範囲)が必要であるが、従来のレーザアークハイブリッド溶接方法では、大きな余裕度を確保できないという問題点があった。
As a result, depending on the position of the plate-
上記した問題点に対して、レーザ光が各接合面の位置を的確に捉えることができるように、カメラや各種センサを備える高精度の倣い装置を用いて、レーザ光の照射位置を自動制御する方法がある。しかし、この方法では、構造が複雑になると共に、設備コストが大幅に増加してしまう。一方、大きい隙間に対応できるように、レーザ出力を増大させて溶接ビードを太くする方法がある。しかし、この方法では、レーザアークハイブリッド溶接の低入熱、低歪みというメリットが損なわれてしまう。 For the above problems, the laser light irradiation position is automatically controlled using a high-precision copying apparatus equipped with a camera and various sensors so that the laser light can accurately grasp the position of each joint surface. There is a way. However, this method complicates the structure and greatly increases the equipment cost. On the other hand, there is a method of increasing the laser output to thicken the weld bead so as to cope with a large gap. However, this method loses the advantages of low heat input and low distortion of laser arc hybrid welding.
更に、溶接ビードを太くするために、レーザ光を進行方向に対して波状にウィービングさせる方法もある。しかし、この方法では、レーザアークハイブリッド溶接の高速溶接というメリットが損なわれると共に、レーザ光をウィービングさせる機構の追加によって、設備コストが増加してしまう。こうして、従来からの機構を大幅に変更せずに、設備コストの増加を抑えつつ、上記した問題点に対処できるレーザアークハイブリッド溶接方法が求められている。 Further, there is a method of weaving the laser beam in a wave shape with respect to the traveling direction in order to thicken the weld bead. However, this method impairs the merit of high-speed welding of laser arc hybrid welding, and increases the equipment cost due to the addition of a mechanism for weaving laser light. Thus, there is a need for a laser arc hybrid welding method that can cope with the above-mentioned problems while suppressing an increase in equipment cost without significantly changing the conventional mechanism.
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、設備コストの増加を抑えつつ、大型構造物である二つの長尺状のワークの接合面同士を溶接接合して、長手方向に沿って接合強度を均一にすることができるレーザアークハイブリッド溶接方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and while suppressing an increase in equipment cost, the joining surfaces of two long workpieces that are large structures are welded together, It is an object of the present invention to provide a laser arc hybrid welding method capable of making the joint strength uniform along the longitudinal direction.
本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法は、大型構造物である二つの長尺状のワークの接合面同士を対向させて、レーザ溶接とアーク溶接で前記接合面同士をその接合面の長手方向に連続して溶接接合する方法であって、前記アーク溶接では、前記接合面同士のうち、溶接深さ方向でアークが発生する側の部分のみをアーク溶融部によって接合し、前記レーザ溶接では、照射するレーザ光を前記溶接深さ方向に延びる基準軸から前記接合面の直交軸の方へ傾かせて、前記接合面同士のうち、前記溶接深さ方向の一部分のみをレーザ溶融部によって接合することを特徴とする。 In the laser arc hybrid welding method according to the present invention, the joining surfaces of two long workpieces which are large structures are made to face each other, and the joining surfaces are arranged in the longitudinal direction of the joining surfaces by laser welding and arc welding. In the arc welding, in the arc welding, only the portion on the side where the arc is generated in the welding depth direction is joined by the arc melting portion among the joining surfaces, and in the laser welding, irradiation is performed. The laser beam to be tilted from the reference axis extending in the welding depth direction toward the orthogonal axis of the joining surface, and only a part of the welding depth direction among the joining surfaces is joined by the laser melting portion. It is characterized by.
本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法によれば、レーザ光が、接合面に対して交差するように傾いて照射される。このため、仮に接合面が規定位置から接合面と直交する方向(幅方向)にずれていても、接合面同士のうち、溶接深さ方向の何れかの一部分にレーザ溶融部が形成される。また、仮に接合面の間に大きい隙間が生じていても、接合面同士のうち、溶接深さ方向の何れかの一部分にレーザ溶融部が形成される。こうして、接合面の位置ずれや大きな隙間が生じていても、レーザ溶融部の位置が多少上下するだけであり、接合面においてレーザ溶融部による接合長さがほぼ一定になる。一方、アーク溶接では、接合面同士のうち、溶接深さ方向でアークが発生する側にアーク溶融部を形成する。このアーク溶融部は幅が広いため、接合面の位置ずれや大きな隙間が生じていても、アーク溶融部による接合長さがほぼ一定になる。 According to the laser arc hybrid welding method according to the present invention, the laser beam is irradiated with being inclined so as to intersect the joint surface. For this reason, even if a joining surface has shifted | deviated to the direction (width direction) orthogonal to a joining surface from a prescription | regulation position, a laser melting part is formed in any one part of the welding depth direction among joining surfaces. Further, even if a large gap is generated between the joining surfaces, a laser melting portion is formed in any part of the joining surfaces in the welding depth direction. In this way, even if there is a positional deviation or a large gap between the joining surfaces, the position of the laser melting portion is only slightly moved up and down, and the joining length by the laser melting portion is substantially constant on the joining surface. On the other hand, in arc welding, an arc melting part is formed on the side where the arc is generated in the welding depth direction among the joint surfaces. Since the arc melting part is wide, the joining length by the arc melting part is almost constant even if the position of the joining surface is displaced or a large gap is generated.
これにより、レーザ溶融部による接合長さとアーク溶融部による接合長さとの合計長さが、接合面の長手方向に沿って、ほぼ均一になる。この結果、二つの長尺状のワークの接合面を溶接接合する際に、その接合強度を長手方向に沿って均一にすることができる。そして、上述したようにレーザ光を傾けるためには、例えばレーザ照射ヘッドを傾ける機構を設けるだけであり、従来からの装置を大幅に変更する必要がない。従って、設備コストの増加を抑えて実施することができる。 Thereby, the total length of the joining length by the laser melting part and the joining length by the arc melting part becomes substantially uniform along the longitudinal direction of the joining surface. As a result, when the joining surfaces of the two long workpieces are welded together, the joining strength can be made uniform along the longitudinal direction. In order to tilt the laser beam as described above, for example, only a mechanism for tilting the laser irradiation head is provided, and it is not necessary to significantly change the conventional apparatus. Therefore, it can be carried out while suppressing an increase in equipment cost.
また、本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法において、前記アーク溶融部と前記レーザ溶融部とを、前記接合面上で前記溶接深さ方向に離間させることが好ましい。
この場合には、仮に接合面が規定位置から接合面と直交する方向のうち一方側及び他方側にずれても、接合面上において、レーザ溶融部とアーク溶融部とが混在しなくて、レーザ溶融部による接合長さとアーク溶融部による接合長さの両方を確実に確保できる。即ち、接合面上において、その接合面が規定位置から接合面と直交する方向にずれても、レーザ溶融部とアーク溶融部とが混在することを防止でき、接合長さが短くなることを防止できる。
In the laser arc hybrid welding method according to the present invention, it is preferable that the arc melting portion and the laser melting portion are separated from each other in the welding depth direction on the joining surface.
In this case, even if the joint surface deviates from the specified position to one side and the other side in the direction orthogonal to the joint surface, the laser melting portion and the arc melting portion do not coexist on the joint surface, and the laser Both the joining length by the melting part and the joining length by the arc melting part can be reliably ensured. In other words, even if the joint surface deviates from the specified position in the direction perpendicular to the joint surface, it is possible to prevent the laser melted portion and the arc melted portion from being mixed and prevent the joint length from being shortened. it can.
また、本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法において、前記アーク溶融部と前記レーザ溶融部とを、前記接合面上で一体としても良い。
この場合には、接合面上において、レーザ溶融部とアーク溶融部とが混在するため、レーザ溶融部による接合長さとアーク溶融部による接合長さとの合計長さが短くなる。しかし、上記したようにアーク溶融部とレーザ溶融部とが接合面上で溶接深さ方向に離間する場合に比べて、接合面と直交する方向に接合面がずれる量を大きく許容できるようになり、より大きな余裕度を確保することができる。
In the laser arc hybrid welding method according to the present invention, the arc melting portion and the laser melting portion may be integrated on the joining surface.
In this case, since the laser melting part and the arc melting part coexist on the joining surface, the total length of the joining length by the laser melting part and the joining length by the arc melting part becomes short. However, as described above, compared to the case where the arc melting portion and the laser melting portion are separated from each other in the welding depth direction on the joint surface, the amount of displacement of the joint surface in the direction orthogonal to the joint surface can be greatly tolerated. A larger margin can be secured.
また、本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法において、前記二つのワークは、円筒部材と、前記円筒部材の外周面に溶接接合される棒部材であっても良い。
この場合には、大型構造物で長尺状の円筒部材には、例えば板状部材等に比べて製作誤差や撓みの影響が非常に大きく出てくる。このため、この円筒部材の外周面に棒部材を溶接接合する際には、接合面の位置ずれや大きな隙間が生じ易い。従って、このような厳しい条件であっても、本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法を用いることにより、接合強度を長手方向に沿って均一にすることができる。
In the laser arc hybrid welding method according to the present invention, the two workpieces may be a cylindrical member and a rod member welded to the outer peripheral surface of the cylindrical member.
In this case, a long cylindrical member having a large structure is greatly affected by manufacturing errors and bending as compared with, for example, a plate-like member. For this reason, when the rod member is welded to the outer peripheral surface of the cylindrical member, a misalignment of the joining surface and a large gap are likely to occur. Therefore, even under such severe conditions, the joining strength can be made uniform along the longitudinal direction by using the laser arc hybrid welding method according to the present invention.
本発明のレーザアークハイブリッド溶接方法によれば、設備コストの増加を抑えつつ、大型構造物である二つの長尺状のワークの接合面同士を溶接接合して、長手方向に沿って接合強度を均一にすることができる。即ち、接合面の位置ずれや大きな隙間が生じていても、それら接合面の位置ずれや大きな隙間を吸収できる。従って、大きな余裕度(許容できる範囲)を確保できる方法であり、大型構造物の溶接方法として有効に活用できる方法である。 According to the laser arc hybrid welding method of the present invention, while suppressing an increase in equipment cost, the joining surfaces of two long workpieces that are large structures are welded together to increase the joining strength along the longitudinal direction. It can be made uniform. That is, even if a positional deviation or a large gap occurs on the bonding surface, the positional deviation or a large gap on the bonding surface can be absorbed. Therefore, it is a method that can ensure a large margin (acceptable range), and can be effectively used as a welding method for large structures.
<第1実施形態>
本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下に示す第1実施形態では、長尺状の鋼部材1,2を幅方向に突き合わせて、各鋼部材1,2の接合面1a,2a同士がレーザアークハイブリッド溶接されるようになっている。
<First Embodiment>
Embodiments of the laser arc hybrid welding method according to the present invention will be described with reference to the drawings. In 1st Embodiment shown below, the
図1は、各鋼部材1,2の接合面1a,2a同士がレーザアークハイブリッド溶接されている状態を示した斜視図であり、特に接合面1a,2aの間で隙間3が生じている箇所(ギャップ部分)を示している。図1に示すように、接合面1a,2aは、レーザアークハイブリッド溶接装置10によって溶接接合される。
FIG. 1 is a perspective view showing a state in which the joining
レーザアークハイブリッド溶接装置10は、レーザ溶接装置20とアーク溶接装置30とから構成される。そして、レーザアークハイブリッド溶接装置10は、レーザ溶接装置20のレーザ照射ヘッド21とアーク溶接装置30のアークトーチ31を、図1の矢印で示した溶接方向に移動させて、接合面1a,2aを長手方向に連続して溶接接合している。このとき、レーザ溶接の直後に、アーク溶接が行われていて、レーザ溶接によるレー
ザ溶融部23とアーク溶接によるアーク溶融部32とが混在した形で、溶接ビードが順次
形成されている。なお、アーク溶接の直後に、レーザ溶接を行っても良い。
The laser arc
レーザ溶接装置20は、周知の構成とほぼ同様であり、不図示のレーザ発信器で作られたレーザ光がレーザ照射ヘッド21にまで送られる。そして、レーザ照射ヘッド21が、内部の集光レンズによって集光したレーザ光22を接合面1a,2aに向けて直線状に照射している。これにより、レーザ溶接で発生するレーザ光22は、接合面1a,2aに対して溶接深さ方向(図1の上下方向)に進入することとなる。また、レーザ照射ヘッド21は、レーザ光22と同軸方向にシールドガスを噴出している。レーザ溶接装置20によるレーザ溶接は、例えばYAG溶接、ファイバーレーザ、CO2レーザ等である。
The
アーク溶接装置30は、周知の構成と同様であり、接合面1a,2aの上方にアークトーチ31を配置して、アークトーチ31の先端から不図示の溶接ワイヤを接合面1a,2aに向けて送り出している。そして、不図示の電源が、アークトーチ31と鋼部材1,2の上面との間に所定の電力を供給して、アークを発生させている。これにより、アーク溶接で発生するアークは、接合面1a,2aに対して溶接深さ方向に進入することとなる。アーク溶接装置30によるアーク溶接は、例えばMIG溶接、MAG溶接等である。
The
ここで、図1に示すように、接合対象物である鋼部材1,2は、板厚が10mmを超える厚肉状の板状部材であり、長手方向の寸法が10mを超える長尺状の大型構造物である。対向する鋼部材1,2の端部には、それぞれ平面状の接合面1a,2aが形成されている。これら接合面1a,2aは、溶接される際に幅方向に互いに押し当てられるため、幅方向に定められた規定位置で、長手方向に連続して接触することになる。
Here, as shown in FIG. 1, the
しかし、鋼部材1,2は、大型構造物で長尺状であるため、製作誤差や自重による撓みが生じる。このため、鋼部材1,2の長手方向の位置に応じて、接合面1a,2aの位置が規定位置から幅方向にずれたり、接合面1a,2aの間に大きな隙間3が生じることになる。特に、この隙間3は、レーザ光22の幅より大きくなる場合がある。この隙間を無くすために、接合面1a,2aを精度良く加工する方法があるが、余分な工程が追加されるため、コストが増加してしまう。
However, since the
従来のレーザアークハイブリッド溶接方法では、図14(A)に示すように、接合面101a,102aが規定位置P2からずれていると、レーザ光122が各接合面101a,102aを通過しなくて、一方の板状部材102にのみレーザ溶融部123aが形成される。これにより、図14(B)に示すように、接合面101a,102aの接合長さh1が短くなる。また、図15(A)に示すように、接合面101a,102aの間にレーザ光122の幅より大きい隙間103が生じていると、レーザ光122が隙間103を通過してしまい、レーザ溶融部が形成されない。これにより、図15(B)に示すように、接合面101a,102aの接合長さh2が短くなる。この結果、長手方向の位置に応じて、接合長さが長い部分や短い部分が生じて、接合強度が均一にならないという問題点があった。
In the conventional laser arc hybrid welding method, as shown in FIG. 14A, when the
そこで、本実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法では、上記した問題点に対処すべく、図1に示すように、レーザ光22を各接合面1a,2aに対して傾けて照射するようになっている。具体的には、図2に示すように、レーザ光22は、接合面1a,2aの溶接深さ方向(図2の上下方向)に延びる基準軸K1から、接合面1a,2aの直交軸T1の方へ角度αだけ傾いている。なお、図2に示す距離Dは、鋼部材1,2の上面1b,2bにおいて、レーザ光22が照射される位置とアークが生じる位置との間の距離(基準軸K1と、レーザ光22が照射される位置から溶接深さ方向に延びる基準軸Kxとの間の距離)である。
Therefore, in the laser arc hybrid welding method of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
これにより、レーザ光22は、鋼部材2の上面2bから入射し、接合面1a,2aの溶接深さ方向の一部分を通過して、鋼部材1の下面1cの方へ向かう。これにより、鋼部材1,2のうち、照射されたレーザ光22の周辺に、幅が狭くて直線状のレーザ溶融部23が形成される。この結果、接合面1a,2aが規定位置から幅方向にずれたり、隙間3が大きくても、接合面1a,2aのうち溶接深さ方向の何れかの一部分には、確実にレーザ溶融部23が形成されることになる。このレーザ溶融部23の幅は最大で約2〜3mmである。
Thereby, the
このようにレーザ光22を傾けるために、レーザ照射ヘッド21を傾ける機構が設けられている。レーザ光22を傾ける別の方法として、レーザ溶接装置20が内蔵する反射ミラーの角度を可変させるアクチュエータを設けても良く、適宜変更可能である。こうして、従来からのレーザ溶接装置20を大幅に変更する必要がなくて、設備コストの増加を抑えて実施することができる。
In order to tilt the
一方、アーク溶接では、レーザ溶接と異なり深溶け込みを行うことができないため、図1に示すように、接合面1a,2aのうち、溶接深さ方向でアークが発生する側(図1の上側部分)のみに、略台形状又は略半円状のアーク溶融部32を形成する。つまり、鋼部材1,2が約10mm以上の厚肉状であるため、接合面1a,2aの下端部にまでアーク溶融部が形成されない。このアーク溶融部32の幅は約10mmであって十分広い。従って、接合面1a,2aが規定位置から幅方向にずれたり、隙間3が非常に大きくても、接合面1a,2aの上端部には、アーク溶融部32が確実に形成されることになる。このアーク溶接では、レーザ照射によってアークが安定化する。つまり、レーザ光22がアークを誘導して、アークをレーザ照射点近傍に拘束して、安定した熱源を得ることができる。これにより、良好な溶接ビードを得ることができる。
On the other hand, in arc welding, unlike laser welding, deep penetration cannot be performed. Therefore, as shown in FIG. 1, the side where the arc is generated in the welding depth direction of the joining
次に、本実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法によって、接合面1a,2aを溶接接合する状態を、長手方向の位置で状況を分けて説明する。つまり、以下に示す図3と図4と図5と図6では、接合面1a,2aの長手方向の位置がそれぞれ異なっている状況である。先ず、図3に示した状況では、接合面1a,2aが規定位置P1から幅方向にずれておらず、接合面1a,2aの間に隙間3が形成されていない。レーザ溶接は、このような理想的な状況において図2に示す溶接条件が設定されている。即ち、レーザ溶接では、図3(A)に示すように、レーザ光22を接合面1a,2aに対して角度αだけ傾けて照射するため、接合面1a,2aの溶接深さ方向の下側にレーザ溶融部23aを形成する。一方、アーク溶接では、図3(B)に示すように、接合面1a,2aの上端部にアーク溶融部32aを形成する。
Next, the state in which the joining
このとき、アーク溶融部32aとレーザ溶融部23aとが、接合面1a,2a上で溶接深さ方向に離間するように、溶接条件が設定されている。具体的には、接合面1a,2aで形成されるレーザ溶融部23aの位置が、接合面1a,2aで形成されるアーク溶融部32aの下端より下側になるように、図2に示す距離D及び角度αが設定されている。これにより、図3(B)に示すように、接合面1a,2a上では、アーク溶融部32aとレーザ溶融部23aとが溶接深さ方向に離間して、溶接ビード40aが分離して形成され、接合面1a,2aで溶接接合している長さが、レーザ溶融部23aによる接合長さx1とアーク溶融部32aによる接合長さy1との合計長さになる。
At this time, the welding conditions are set so that the
一方、図4に示した状況では、図3に示す理想的な状況とは異なり、接合面1a,2aの間に僅かな隙間3bが生じていて、接合面1a,2aが規定位置P1から幅方向の一方側(図4の左側)にずれている。この状況において、レーザ溶接では、図4(A)に示すように、レーザ光22が角度αだけ傾いて照射されるため、接合面1a,2aの下端部にレーザ溶融部23bが形成される。そして、アーク溶接では、図4(B)に示すように、接合面1a,2aの上端部にアーク溶融部32bが形成される。これにより、接合面1a,2a上では、アーク溶融部32bとレーザ溶融部23bとが溶接深さ方向に大きく離間して、溶接ビード40bが分離して形成され、接合面1a,2aで溶接接合している長さが、レーザ溶融部23bによる接合長さx2とアーク溶融部32bによる接合長さy2との合計長さになる。
On the other hand, in the situation shown in FIG. 4, unlike the ideal situation shown in FIG. 3, there is a
また、図5に示した状況では、図3に示す理想的な状況とは異なり、接合面1a,2aの間に僅かな隙間3cが生じていて、接合面1a,2aが規定位置P1から幅方向の他方側(図5の右側)にずれている。この状況において、レーザ溶接では、図5(A)に示すように、レーザ光22が角度αだけ傾いて照射されるため、接合面1a,2aの溶接深さ方向中央から僅かに下方にレーザ溶融部23cが形成される。そして、アーク溶接では、図5(B)に示すように、接合面1a,2aの上端部にアーク溶融部32cが形成される。これにより、接合面1a,2a上では、アーク溶融部32cとレーザ溶融部23cとが溶接深さ方向に僅かに離間して、溶接ビード40cが分離して形成され、接合面1a,2aで溶接接合している長さが、レーザ溶融部23cによる接合長さx3とアーク溶融部32cによる接合長さy3との合計長さになる。
Further, in the situation shown in FIG. 5, unlike the ideal situation shown in FIG. 3, there is a
図3(B)と図4(B)と図5(B)との比較から分かるように、図3(B)に示した接合長さx1と接合長さy1との合計長さと、図4(B)に示した接合長さx2と接合長さy2との合計長さと、図5(B)に示した接合長さx3と接合長さy3との合計長さとは、ほぼ同一になる。従って、本実施形態のようにレーザ光22を傾けることで、接合面1a,2aが規定位置P1から幅方向の一方側又は他方側にずれても、接合面1a,2aの接合強度をほぼ同一にすることができる。
As can be seen from the comparison between FIG. 3B, FIG. 4B, and FIG. 5B, the total length of the joining length x1 and the joining length y1 shown in FIG. The total length of the junction length x2 and the junction length y2 shown in FIG. 5B and the total length of the junction length x3 and the junction length y3 shown in FIG. Therefore, by tilting the
また、図6に示した状況では、図3に示す理想的な状況と異なり、接合面1a,2aが規定位置P1から幅方向にずれていないが、接合面1a,2aの間にレーザ光22の幅より大きい隙間3dが生じている。この状況において、レーザ溶接では、図6(A)に示すように、レーザ光22が角度αだけ傾いて照射されるため、接合面1a,2aの中間部にレーザ溶融部23dが形成される。そして、アーク溶接では、図6(B)に示すように、接合面1a,2aの上端部にアーク溶融部32dが形成される。これにより、接合面1a,2a上では、アーク溶融部32dとレーザ溶融部23dとが溶接深さ方向に僅かに離間して、溶接ビード40dが分離して形成され、接合面1a,2aで溶接接合している長さが、レーザ溶融部23dによる接合長さx4とアーク溶融部32dによる接合長さy4との合計長さになる。
Further, in the situation shown in FIG. 6, unlike the ideal situation shown in FIG. 3, the bonding surfaces 1a and 2a are not shifted in the width direction from the specified position P1, but the
図3(B)と図6(B)との比較から分かるように、図3(B)に示した接合長さx1と接合長さy1との合計長さと、図6(B)に示した接合長さx4と接合長さy4との合計長さとは、ほぼ同一になる。従って、本実施形態のようにレーザ光22を傾けることで、大きい隙間3dが形成されても、接合面1a,2aの接合強度をほぼ同一にすることができる。
As can be seen from the comparison between FIG. 3B and FIG. 6B, the total length of the joining length x1 and the joining length y1 shown in FIG. The total length of the junction length x4 and the junction length y4 is substantially the same. Therefore, by tilting the
ここで、レーザ光22を傾ける角度αについて、図7を参照しながら説明する。図7(A)に示すように、角度α1が比較的小さい場合には、接合面1a,2aにおいてレーザ溶融部23によって形成される接合長さR1が大きくなる。しかし、幅方向の位置ずれ及び隙間を吸収できる余裕度S1が小さくなる。一方、図7(B)に示すように、角度α2が比較的大きい場合には、接合面1a,2aにおいてレーザ溶融部23によって形成される接合長さR2が小さくなる。しかし、幅方向の位置ずれ及び隙間を吸収できる余裕度S2が大きくなる。
Here, the angle α at which the
このため、接合長さR1,R2と余裕度S1,S2とは、レーザ光22を傾ける角度αに対してトレードオフの関係にある。従って、接合対象である鋼部材1,2の接合面1a,2aにおいて、幅方向の位置ずれ及び隙間の大きさに応じて、角度αが最適に設定される。つまり、接合面1a,2aに生じる幅方向の位置ずれ及び隙間が大きい場合には、角度αを大きく設定して余裕度を確保する。一方、接合面1a,2aに生じる幅方向の位置ずれ及び隙間が小さい場合には、角度αを小さく設定してできるだけ接合強度を確保する。こうして、本実施形態では、角度αを任意に設定して、接合面1a,2aに生じる幅方向の位置ずれ及び隙間を吸収しつつ、接合強度を選択できることに特徴がある。
For this reason, the joint lengths R1 and R2 and the margins S1 and S2 are in a trade-off relationship with the angle α at which the
第1実施形態の作用効果について説明する。
第1実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法によれば、図3(A)に示すように、レーザ光22が、接合面1a,2aに対して交差するように傾いて照射される。このため、図4(A)に示すように、仮に接合面1a,2aが規定位置P1から幅方向の一方側(図4の左側)にずれても、接合面1a,2aの下端部にレーザ溶融部23bが形成される。一方、図5(A)に示すように、仮に接合面1a,2aが規定位置P1から幅方向の他方側(図5の右側)にずれても、接合面1a,2aの中間部にレーザ溶融部23cが形成される。また、図6(A)に示すように、仮に接合面1a,2aの間に大きい隙間3dが生じていても、接合面1a,2aの中間部の下側にレーザ溶融部23dが形成される。こうして、接合面1a,2aの位置ずれや大きな隙間3dが生じていても、レーザ溶融部23の位置が多少上下するだけであり、接合面1a,2aにおいてレーザ溶融部23による接合長さがほぼ一定になる。
The effect of 1st Embodiment is demonstrated.
According to the laser arc hybrid welding method of the first embodiment, as shown in FIG. 3 (A), the
一方、アーク溶接では、接合面1a,2aのうち、溶接深さ方向の上端部のみにアーク溶融部32を形成する。このとき、アーク溶融部32の幅が約10mmであって広いため、接合面1a,2aの位置ずれや大きな隙間3dが生じていても、アーク溶融部32による接合長さがほぼ一定になる。これにより、レーザ溶融部23による接合長さとアーク溶融部32による接合長さとの合計長さが、長手方向に沿って、ほぼ均一になる。この結果、長尺状の鋼部材1,2の接合面1a,2aを溶接接合する際に、その接合強度を長手方向に沿って均一にすることができる。つまり、接合面1a,2aの位置ずれや大きな隙間3dが生じていても、それら接合面1a,2aの位置ずれや大きな隙間3dを吸収できる。従って、大きな余裕度(許容できる範囲)を確保できる方法であり、大型構造物の溶接方法として有効に活用できる方法である。
On the other hand, in arc welding, the
そして、本実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法では、従来のレーザアークハイブリッド溶接装置に対してレーザ光22を傾ける機構を設けるだけであるため、従来の装置を大幅に変更する必要がない。即ち、接合面1a,2aの位置ずれや大きな隙間3dに対応するために、カメラや各種センサを備える高精度の倣い装置を設けなくても良く、設備コストの増加を抑えて実施することができる。また、レーザ出力を増大させることがなく、レーザ光をウィービングさせる機構を追加する必要もない。従って、レーザアークハイブリッド溶接の低入熱、低歪み、高速溶接というメリットを維持しつつ実施できる。
And in the laser arc hybrid welding method of this embodiment, since only the mechanism which inclines the
ここで、本実施形態の技術的思想について説明する。本実施形態では、先ず、接合対象物が、二つの長尺状で且つ厚肉状の鋼部材1,2である点に特徴がある。この鋼部材1,2は、長手方向の長さが約10m以上であって、板厚が約10mmあるものであり、自動車分野に用いられるようなものではなく、建設機械分野や鉄道車両分野等で用いられる大型構造物である。このような大型構造物である鋼部材1,2の接合面1a,2aを長手方向に沿ってレーザアークハイブリッド溶接する際、理想的には、図13(B)に示すように、接合面101a,102aの溶接深さ方向全体に溶融部123,132を形成することが望ましい。しかし、実際には長手方向の位置に応じて、図14(B)及び図15(B)に示すように接合長さh1,h2が短くなるおそれがあった。
Here, the technical idea of this embodiment will be described. The present embodiment is characterized in that the objects to be joined are two long and
そこで、本実施形態では、接合面1a,2aの溶接深さ方向全体に溶融部を形成することを目的としないで、図4〜図6に示すように、接合面1a,2aの位置ずれや大きな隙間3dが生じても、レーザ光22を傾けて照射することによって、接合面1a,2aの溶接深さ方向の何れか一部分にレーザ溶融部23を確実に形成することを目的としている。こうして、本実施形態の技術的思想は、長尺状で且つ厚板状の鋼部材1,2の接合強度を長手方向全体にできるだけ大きくすることではなく、接合面1a,2aの位置ずれや大きな隙間3dに対応できるように、その接合強度を長手方向に沿ってできるだけ均一にすることである。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 4 to FIG. 6, the positional shift of the joining
<第2実施形態>
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態では、第1実施形態と異なる部分を中心に説明し、同様の部分については説明を省略する。第2実施形態では、第1実施形態と溶接条件が異なっていて、図8(A)に示すように、接合面1a,2aが規定位置P1から幅方向にずれておらず、接合面1a,2aの間に隙間が形成されていない理想的な状況で、レーザ光22を傾ける角度βが設定されている。この角度βは、図8(B)に示すように、接合面1a,2aのうち溶接深さ方向の中間部の上側にレーザ溶融部23eが形成されるように設定されている。即ち、溶接条件として、アーク溶融部32eとレーザ溶融部23eとが、接合面1a,2a上で溶接深さ方向に一体となるように、角度βが設定されている。
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described. In the second embodiment, the description will focus on the parts different from the first embodiment, and the description of the same parts will be omitted. In the second embodiment, the welding conditions are different from those of the first embodiment, and as shown in FIG. 8 (A), the joining
ここで、第2実施形態の作用効果を図9を参照しながら説明する。図9では、接合面1a,2aの幅方向の位置Xが位置J1から位置J2までずれる状態が示されている。上記した第1実施形態では、接合面1a,2aにおいて、レーザ溶融部23とアーク溶融部32とが溶接深さ方向(図9の上下方向)に離れるため、接合面1a,2aの位置Xの範囲は、J1≦X<J2になる。これに対して、第2実施形態では、接合面1a,2aの位置Xが位置J2である場合が含まれて、第1実施形態に比べてレーザ溶融部23による接合長さとアーク溶融部32による接合長さとの合計長さが短くなるが、接合面1a,2aの位置Xの範囲はJ1≦X≦J2になる。このため、第1実施形態に比べて、接合面1a,2aが幅方向にずれる量が大きく許容されるようになり、より大きな余裕度を確保することができる。
Here, the effect of the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows a state in which the position X in the width direction of the
<第3実施形態>
次に、第3実施形態について説明する。第3実施形態では、建設機械分野で用いられるケリーバの構成部品に対してレーザアークハイブリッド溶接を適用している。ケリーバは、例えばアースドリルに吊り下げられていて、下端に取付けた掘削具と共に回転して掘削を行うものである。ケリーバは、多段に重なる円筒部材によって伸縮可能な構造になっていて、内側から順番にインナーケリーバ、セカンドケリーバ、サードケリーバ、アウターケリーバを有している。アウターケリーバは、外周側のドライブシャフトから回転トルクを伝達されるようになっていて、各ケリーバ同士も回転トルクを伝達可能になっている。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment will be described. In the third embodiment, laser arc hybrid welding is applied to the components of the Keriba used in the construction machine field. The kelly bar is suspended from an earth drill, for example, and rotates together with an excavating tool attached to the lower end to perform excavation. The kellyba has a structure that can be expanded and contracted by a multi-stage cylindrical member, and has an inner kelly bar, a second kelly bar, a third kelly bar, and an outer kelly bar in order from the inside. The outer kelly bar is configured such that rotational torque is transmitted from the drive shaft on the outer peripheral side, and each kelly bar can also transmit rotational torque.
図10は、アウターケリーバ4とドライブシャフト5との関係を示した断面図である。図10に示すように、アウターケリーバ4は、長手方向(図10の紙面に直交する方向)に延びる円筒部材であって、長手方向の長さが約20mであり、直径が約400mmであり、厚さが約10mmになっている長尺状の大型構造物である。アウターケリーバ4の外周面4aには、周方向に120度の間隔で各キー部材6が配置されている。そして、アウターケリーバ4の外周面4aと各キー部材6の側面6aとが、長手方向に連続して溶接接合されている。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the relationship between the
各キー部材6は、ドライブシャフト5の内周側に形成された各キー溝5aに嵌り込んでいる。これにより、アウターケリーバ4は、各キー部材6を介してドライブシャフト5から回転トルクを伝達される。各キー部材6は、断面が略矩形状で長手方向に延びる棒部材であり、矩形の長辺長さが約40mmであり、矩形の短辺長さが約20mmになっている。ここで、図11は、図10のZ部分の拡大図である。
Each
図11に示すように、アウターケリーバ4の外周面4aとキー部材6の側面6aとが長手方向に沿って対向していて、キー部材6の図11左上の角部分が隅肉溶接されている。なお、キー部材6の図11左下の角部分も隅肉溶接されているが、図11では図示が省略されている。この隅肉溶接において、第1実施形態と同様のレーザアークハイブリッド溶接方法が用いられている。即ち、レーザ溶接では、レーザ光22を、アウターケリーバ4の外周面4aとキー部材6の側面6aに対して傾けて照射するようになっている。
As shown in FIG. 11, the outer
具体的には、レーザ光22は、外周面4a及び側面6aの溶接深さ方向(図11の上下方向)に延びる基準軸K2から、外周面4a及び側面6aの直交軸T2の方へ約20度〜25度だけ傾いている。これにより、レーザ光22は、キー部材6の上面6bから入射し、外周面4a及び側面6aの溶接深さ方向の一部分を通過することになる。この結果、照射されたレーザ光22の周辺に、幅が狭くて直線状のレーザ溶融部24が形成される。一方、アーク溶接では、アークトーチ31(図1参照)の先端を外周面4aと側面6aとの間に形成される僅かな隙間7に向けて配置している。これにより、外周面4a及び側面6aのうち、溶接深さ方向でアークが発生する側(図11の上側部分)のみに、アーク溶融部33が形成される。
Specifically, the
こうして、第3実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法においても、レーザ光22が、外周面4a及び側面6aに対して交差するように傾いて照射される。このため、外周面4a及び側面6aの位置ずれや大きな隙間7が生じていても、レーザ溶融部24の位置が溶接深さ方向に多少上下するだけであり、外周面4a及び側面6aにおいてレーザ溶融部24による接合長さがほぼ一定になる。一方、アーク溶接では、アーク溶融部33の幅が約10mmであって広いため、外周面4a及び側面6aの位置ずれや大きな隙間7が生じていても、アーク溶融部33による接合長さがほぼ一定になる。これにより、レーザ溶融部24による接合長さとアーク溶融部33による接合長さとの合計長さが、長手方向に沿って、ほぼ均一になる。この結果、外周面4a及び側面6aを溶接接合する際に、その接合強度を長手方向に沿って均一にすることができる。
Thus, also in the laser arc hybrid welding method of the third embodiment, the
特に、第3実施形態において、大型構造物で長尺状の円筒部材であるアウターケリーバ4は、第1実施形態の板状部材である鋼部材1,2に比べて製作誤差や撓みの影響が非常に大きく出てくる。このため、このアウターケリーバ4の外周面4aにキー部材6の側面6aを溶接接合する際には、外周面4a及び側面6aの位置ずれや大きな隙間7が生じ易い。従って、このような厳しい条件であっても、本実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法を用いることにより、接合強度を長手方向に沿って均一にすることができる。
In particular, in the third embodiment, the
以上、本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接方法の各実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、第1実施形態において、レーザ光22を、鋼部材2の上面2bから入射して鋼部材1の下面1cの方へ向かうように傾斜させたが、鋼部材1の上面1bから入射して鋼部材2の下面2cの方へ向かうように傾斜させても良い。
As mentioned above, although each embodiment of the laser arc hybrid welding method which concerns on this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the meaning.
For example, in the first embodiment, the
また、第2実施形態において、接合面1a,2aでアーク溶融部32eとレーザ溶融部23eとを接触させるために、レーザ光22を傾ける角度を第1実施形態の角度αから角度βに変更したが、レーザ光22が照射される位置とアークが生じる位置との間の距離を第1実施形態の距離Dから変更しても良く、角度α及び距離Dの両方とも変更しても良い。
また、第3実施形態のレーザアークハイブリッド溶接方法は、アウターケリーバ4の外周面4aとキー部材6の側面6aとの溶接接合に適用したが、その他のケリーバとキー部材との溶接接合に適用しても良い。また、ケリーバ以外の大型構造物で長尺状の円筒部材と棒部材との溶接接合に適用しても良い。
Further, in the second embodiment, the angle at which the
Further, the laser arc hybrid welding method of the third embodiment is applied to the welding joint between the outer
また、各実施形態において、アーク溶接では、アークトーチ31が接合面の溶接深さ方向に延びるように配置したが、アークトーチ31が延びる向きは適宜変更可能である。つまり、形成されるアーク溶融部の幅は約10mmであるのに対して、接合面の位置ずれや隙間の大きさは約2〜3mmである。更にレーザ光22がアークを誘導して、アークをレーザ照射点近傍に拘束して、アークが安定化する。このため、本実施形態のレーザアークハイブリッド溶接において、アークトーチ31が延びる向きを変化させても、その影響はほとんどない。
Further, in each embodiment, in arc welding, the
なお、各実施形態において、レーザ光22が照射される位置とアークが生じる位置とを、ワーク(鋼部材1,2、アウターケリーバ4とドライブシャフト5)の長手方向に0〜3mm離して、レーザアークハイブリッド溶接を行っている。但し、上記した長手方向に離す距離(0〜3mm)は、ワークの種類、溶接条件等に応じて3mmより大きくても良く、適宜変更可能である。
In each embodiment, the position where the
1,2 鋼部材
1a,2a 接合面
3,3b〜3e,7 隙間
4 アウターケリーバ
4a 外周面
6 キー部材
6a 側面
10 レーザアークハイブリッド溶接装置
20 レーザ溶接装置
21 レーザ照射ヘッド
22 レーザ光
23,23a〜23e,24 レーザ溶融部
30 アーク溶接装置
31 アークトーチ
32,32a〜32e,33 アーク溶融部
K1,K2,Kx 基準軸
T1,T2 直交軸
P1,P2 規定位置
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記アーク溶接では、前記接合面同士のうち、溶接深さ方向でアークが発生する側の部分のみをアーク溶融部によって接合し、
前記レーザ溶接では、照射するレーザ光を前記溶接深さ方向に延びる基準軸から前記接合面の直交軸の方へ傾かせて、前記接合面同士のうち、前記溶接深さ方向の一部分のみをレーザ溶融部によって接合することを特徴とするレーザアークハイブリッド溶接方法。 A laser arc hybrid welding method in which joining surfaces of two long workpieces which are large structures are opposed to each other, and the joining surfaces are continuously welded in the longitudinal direction of the joining surfaces by laser welding and arc welding. In
In the arc welding, only the portion where the arc is generated in the welding depth direction among the joining surfaces is joined by the arc melting part,
In the laser welding, a laser beam to be irradiated is tilted from a reference axis extending in the welding depth direction toward an orthogonal axis of the joining surface, and only a part of the joining surfaces in the welding depth direction is lasered. A laser arc hybrid welding method characterized by joining by a fusion zone.
前記アーク溶融部と前記レーザ溶融部とを、前記接合面上で前記溶接深さ方向に離間することを特徴とするレーザアークハイブリッド溶接方法。 In the laser arc hybrid welding method according to claim 1,
The laser arc hybrid welding method, wherein the arc melting portion and the laser melting portion are separated from each other in the welding depth direction on the joint surface.
前記アーク溶融部と前記レーザ溶融部とを、前記接合面上で一体となることを特徴とするレーザアークハイブリッド溶接方法。 In the laser arc hybrid welding method according to claim 1,
The laser arc hybrid welding method, wherein the arc melting portion and the laser melting portion are integrated on the joining surface.
前記二つのワークは、円筒部材と、前記円筒部材の外周面に溶接接合される棒部材であることを特徴とするレーザアークハイブリッド溶接方法。 In the laser arc hybrid welding method according to any one of claims 1 to 3,
The laser arc hybrid welding method, wherein the two workpieces are a cylindrical member and a rod member welded to the outer peripheral surface of the cylindrical member.
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