JP2021194664A - レーザ・アークハイブリッド溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度の高い異材接合を実現可能なレーザ・アークハイブリッド溶接装置を提供する。【解決手段】レーザ・アークハイブリッド溶接装置１は、レーザ発振装置６０及びレーザトーチ４０から成るレーザ照射装置と、溶接電源装置３０及び溶接トーチ１０から成るアーク溶接装置とを備える。このレーザ・アークハイブリッド溶接装置１は、異材接合に用いることができる。そのため、アーク溶接装置は、溶接電流の平均値を１０Ｈｚから３０Ｈｚの間の周波数で変化させるように構成される。【選択図】図１

Description

本開示は、異材接合に使用可能なレーザ・アークハイブリッド溶接装置に関する。

特開２００６−２２４１４６号公報（特許文献１）は、アルミニウム又はアルミニム合金材（アルミニウム系材）と鋼材とを接合可能な異材接合方法を開示する。この異材接合方法では、アルミニウム系材と、表面にアルミニウム系めっき層が形成された鋼材との重ね部に、アルミニウム系材側から、回転駆動された接合ツールのピン部を進入させて、摩擦撹拌接合が行なわれる（特許文献１参照）。

また、その他の異材接合方法として、特開２０１９−７６２３号公報（特許文献２）には、異材接合用リベットを用いた異材接合方法が記載されている。また、特開２００６−１６７７２５号公報（特許文献３）には、レーザブレージング加工を用いた異材接合方法が記載されている。

特開２００６−２２４１４６号公報 特開２０１９−７６２３号公報 特開２００６−１６７７２５号公報

異材接合（たとえば、ＧＩ鋼板やＧＡ鋼板等の溶融亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム合金板との接合）の溶接においては、溶接に伴ない接合界面に金属間化合物（ＩＭＣ（Intermetallic Compound））が生成される。金属間化合物は、母材自体に比べて脆いため、金属間化合物の生成部位において、接合部の剥離や接合強度の低下を生じる可能性がある。

上記の摩擦撹拌接合による手法は、金属間化合物を物理的に破壊するものであるが、溶接の終端部に加工痕が残るという問題がある。また、その他の異材接合方法も、十分な接合強度が得られなかったり、接合プロセスが複雑であったり、施工におけるランニングコストが高くなるといった問題がある。

本開示は、上記の問題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、レーザ・アークハイブリッド溶接装置を用いて接合強度の高い異材接合を実現することである。

本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、異材接合に用いられるレーザ・アークハイブリッド溶接装置であって、接合部に向けてレーザを照射するように構成されたレーザ照射装置と、接合部との間にアークを発生させるように構成されたアーク溶接装置とを備える。アーク溶接装置は、溶接電流の平均値を１０Ｈｚから３０Ｈｚの間の周波数で揺動させるように構成される。

このレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、異材接合に用いられる。異材接合では、接合界面に生成される金属間化合物の分布量が多い（金属間化合物の層が厚い）場合に、金属間化合物層において割れが発生しやすい。上記のレーザ・アークハイブリッド溶接装置では、アーク溶接装置において、溶接電流の平均値が１０Ｈｚから３０Ｈｚの間の周波数で揺動する。これにより、溶融池内において溶湯が効果的に攪拌され、溶湯の流動が激しくなる。溶湯の流動が激しくなると、結晶生成段階において発生するデンドライト組織（樹枝状組織）の枝や幹の分離が促進される。その結果、生成された金属間化合物の溶接金属中への移動が起こり、上記のような溶融池の攪拌が行なわれない場合に比べて、接合界面の金属間化合物の分布量（厚み）が低減する。したがって、このレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、金属間化合物における割れが抑制され、接合強度の高い異材接合を実現することができる。

レーザ照射装置は、レーザが照射される照射領域の形状を調整するように構成された調整機構を含んでもよい。この調整機構は、レーザ照射装置に調整機構が設けられない場合に比べて照射領域を溶接の幅方向に拡大するとともに、照射領域の形状を調整することによってレーザによる入熱量の幅方向の分布が所定のプロファイルを有するように構成されてもよい。所定のプロファイルは、幅方向の中央部における入熱量が幅方向の端部における入熱量以下となるプロファイルである。

上記のような調整機構が設けられることにより、レーザの照射領域が溶接の幅方向に拡大されるとともに、幅方向の中央部における入熱量が抑制される。これにより、金属間化合物の生成量を抑制しつつ広い溶接ビード幅を形成することが可能となる（詳細は後述）。その結果、接合強度を確保することができる。

上記周波数（１０Ｈｚから３０Ｈｚの間の周波数）での溶接電流平均値の変化幅は、１０Ａから１００Ａであってもよい。

これにより、溶融池内において溶湯がより効果的に攪拌され、結晶生成段階において発生するデンドライト組織（樹枝状組織）の枝や幹の分離がさらに促進される。その結果、接合界面の金属間化合物の分布量（厚み）が低減し、接合強度の高い異材接合を実現することができる。

本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、接合界面に生成される金属間化合物の厚みを抑制して接合強度の高い異材接合を実現することができる。

本開示の実施の形態１に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置の全体構成を示す図である。 重ね継手のすみ肉溶接における接合部の断面の一例を示す図である。 アーク出力を変化させる周波数と、生成される金属間化合物の結晶粒サイズとの関係の一例を示す図である。 参考例として、アーク出力を一定とした場合における溶接部の断面を模式的に示す図である。 アーク出力を数十Ｈｚの周波数で変化させた場合における溶接部の断面の一例を模式的に示す図である。 アーク溶接装置の出力波形の一例を示す図である。 実施の形態２におけるレーザトーチの構成を概略的に示す図である。 照射領域の平面形状の一例を示す図である。 溶接幅方向の入熱量の分布を示す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、本開示の実施の形態１に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置の全体構成を示す図である。図１を参照して、レーザ・アークハイブリッド溶接装置１（以下、単に「ハイブリッド溶接装置１」と称する場合がある。）は、溶接トーチ１０と、溶接ワイヤ２０と、溶接電源装置３０と、レーザトーチ４０と、レーザ発振装置６０とを備える。

このハイブリッド溶接装置１は、異材接合の溶接に用いることができる。異材接合とは、互いに主成分が異なる異種材料の接合であり、ハイブリッド溶接装置１は、たとえば、ＧＩ鋼板やＧＡ鋼板等の溶融亜鉛メッキ鋼板と、アルミニウム合金板との溶接に用いることができる。アルミニウム合金板には、軟質アルミニウムだけでなく、ＪＩＳ規格の５０００番台（たとえば５０５２）、６０００番台（たとえば６０６３）、７０００番台（たとえば７０７５）等の硬質アルミニウムも適用可能である。ハイブリッド溶接装置１によって、互いに接合される母材７０の一方と他方とが、たとえば、重ね隅肉溶接継手やフレア溶接継手等によって接合される。

溶接トーチ１０及び溶接電源装置３０は、母材７０の接合部との間にアークを発生させることで溶接を行なうアーク溶接装置を構成する。溶接トーチ１０は、母材７０の接合部に向けて、溶接ワイヤ２０及び図示しないシールドガスを供給する。溶接トーチ１０は、溶接電源装置３０から溶接電流の供給を受け、溶接ワイヤ２０の先端と母材７０の接合部との間にアーク２５を発生させるとともに、溶接部に向けてシールドガス（アルゴンガスや炭酸ガス等）を供給する。

溶接電源装置３０は、アーク溶接を行なうための溶接電圧及び溶接電流を生成し、生成された溶接電圧及び溶接電流を溶接トーチ１０へ出力する。また、溶接電源装置３０は、溶接トーチ１０における溶接ワイヤ２０の送給速度も制御する。

レーザトーチ４０及びレーザ発振装置６０は、母材７０の接合部に向けてレーザを照射することで溶接を行なうレーザ照射装置を構成する。レーザトーチ４０は、レーザ発振装置６０からレーザ光の供給を受け、母材７０の接合部に向けてレーザを照射する。レーザトーチ４０からのレーザは、溶接トーチ１０から発生するアーク２５の近傍に照射され、このハイブリッド溶接装置１では、アーク２５の溶接進行方向前方にレーザが照射される。アーク２５の前方にレーザを照射することで、アーク２５を安定させることができる。

本実施の形態１に従うハイブリッド溶接装置１では、溶接トーチ１０及び溶接電源装置３０から成るアーク溶接装置の出力を数十Ｈｚの周波数で揺動させる。詳しくは、溶接電流は、瞬時的には溶滴移行毎に高周波（たとえば１００Ｈｚレベル）で変動するところ、このハイブリッド溶接装置１では、溶接電流の平均値を数十Ｈｚの周波数で揺動させる。数十Ｈｚは、１０Ｈｚよりも低い数Ｈｚとの比較において高い周波数レベルであることを示し、本実施の形態１では、溶接電流の平均値を１０Ｈｚから３０Ｈｚの間の周波数で変化させる。なお、以下では、「溶接電流」とは、特に断りのない限り、溶接電流の平均値を意味するものとする。

溶接電流の変化幅は、本実施の形態１では、１０Ａから１００Ａの間の値に適宜設定される。なお、レーザトーチ４０及びレーザ発振装置６０から成るレーザ照射装置の出力は一定とする。以下、ハイブリッド溶接装置１において、アーク溶接装置の出力（溶接電流）を上記のように変化させる理由について説明する。なお、以下では、アーク溶接装置の出力を単に「アーク出力」と称する場合がある。

図２は、重ね継手のすみ肉溶接における接合部の断面の一例を示す図である。この図２では、溶接進行方向（図１のｘ方向）に垂直なｙｚ平面に沿った断面が示されている。

図２を参照して、この例では、母材（被溶接材）７０は、ＧＩ材７１と、ＧＩ材７１上に重ねられたアルミニウム合金板７２とを含む。そして、ＧＩ材７１上におけるアルミニウム合金板７２の端部に、接触部位７４においてＧＩ材７１と接合する溶接ビード７３が形成されている。

異材接合の溶接においては、溶接に伴ない接合界面（接触部位７４）に金属間化合物が生成される。ＧＩ材７１とアルミニウム合金板７２との異材接合の場合、生成される金属間化合物は、アルミニウムと鉄との合金（たとえば、ＦｅＡｌ、Ｆｅ₃Ａｌ、Ｆｅ₂Ａｌ₅等）である。金属間化合物は、母材７０（ＧＩ材７１及びアルミニウム合金板７２）に比べて脆いため、接触部位７４において金属間化合物における割れや接合強度の低下が生じる可能性がある。

このような異材接合では、接合界面に生成される金属間化合物の分布量が多い（金属間化合物の層が厚い）場合に、金属間化合物層において割れが発生しやすい。本発明者らは、接合強度の高い異材接合を実現するために種々の実験を試みた結果、アーク出力を１０Ｈｚから３０Ｈｚの間の周波数で揺動させると、溶接金属の結晶粒が微細化されるとともに、接合界面の金属間化合物の分布量（厚み）が減少することを見い出した。金属間化合物の分布量（厚み）が減少することで、金属間化合物における割れが抑制され、接合強度の高い異材接合を実現することができる。

図３は、アーク出力を変化させる周波数と、生成される金属間化合物の結晶粒サイズとの関係の一例を示す図である。図３を参照して、溶接電流を数十Ｈｚの周波数で揺動させた場合に、生成される結晶粒のサイズが小さくなる。これは、以下の理由によるものと考えられる。

溶接電流を数十Ｈｚの周波数で揺動させると、溶融池の表面の揺れが大きくなる現象がみられた。これは、溶接電流の周波数と溶融池の固有振動数とが近いために共振が生じたものと考えられる。溶融池の内部においては、溶湯の攪拌が生じ、溶湯の流動が激しくなる。これにより、結晶生成段階において発生するデンドライト組織（樹枝状組織）の枝や幹の分離が促進される。その結果、各々のデンドライト組織が小さくなり、その後形成される結晶粒も小さくなったものと考えられる。

上記の現象の過程において、金属間化合物の結晶生成段階において発生するデンドライト組織の枝や幹が分離して溶接金属中に移動することにより、金属間化合物の分布量（厚み）は減少する。

図３に示されるように、特に、アーク出力を１０Ｈｚから３０Ｈｚの間の周波数で変化させる場合に、結晶粒サイズの低減効果が大きい。そして、結晶粒サイズの低減効果が大きい同周波数帯において、金属間化合物の厚み低減効果も大きいものと考えられる。そこで、本実施の形態１に従うハイブリッド溶接装置１では、アーク出力を上記範囲内の周波数で変化させることとしたものである。

図４は、参考例として、アーク出力を一定とした場合における溶接部の断面を模式的に示す図である。この図４も、溶接進行方向（図１のｘ方向）に垂直な断面が示されている。図４を参照して、ＧＩ材７１（Ｆｅ層）と、溶接ビード７３（Ａｌ層）との間に、金属間化合物のＩＭＣ層７５が形成されている。

この参考例では、アーク出力が一定であり、アーク出力の揺動による溶融池の攪拌作用はない。そのため、アーク出力を揺動させて溶融池を攪拌した場合（後述）と比べて、金属間化合物の分布量が多くなる（ＩＭＣ層７５が相対的に厚くなる）。

図５は、アーク出力を数十Ｈｚの周波数で変化させた場合における溶接部の断面の一例を模式的に示す図である。すなわち、この図５は、本実施の形態１に従うハイブリッド溶接装置１により溶接を行なった場合における溶接部の断面の一例を模式的に示している。なお、この図５は、上記の図４に対応するものである。

図５を参照して、この場合も、ＧＩ材７１（Ｆｅ層）と、溶接ビード７３（Ａｌ層）との間に、金属間化合物のＩＭＣ層７５が形成されている。

この例では、アーク出力を数十Ｈｚの周波数で揺動させて溶融池を攪拌することにより、生成される金属間化合物の一部が溶接金属（溶融金属）側に移動して混ざり込んだ形で溶接ビード７３が形成される。そのため、アーク出力を一定とした場合（図４）と比べて、金属間化合物の分布量が少なくなる（ＩＭＣ層７５が相対的に薄くなる）。したがって、ＩＭＣ層７５における割れの発生が抑制され、接合強度の高い異材接合を実現することができる。

なお、アーク出力を変化させる周波数が低すぎると、金属間化合物の一部を溶接金属側に移動させるほどに溶融池が攪拌されず、金属間化合物の分布量の低減効果が得られない（ＩＭＣ層７５が薄くならない）。一方、アーク出力を変化させる周波数が高すぎても、アークのエネルギが平均化されるために溶融池の攪拌が十分に起こらず、金属間化合物の分布量の低減効果が得られない。このハイブリッド溶接装置１では、数十Ｈｚの周波数（具体的には、１０Ｈｚから３０Ｈｚの間の周波数）でアーク出力を変化させることにより、溶融池を効果的に攪拌することができる。

また、アーク出力を変化させる場合に、出力の変化幅が小さすぎると、溶融池を効果的に攪拌することができない。このハイブリッド溶接装置１では、１０Ａから１００Ａ程度の間の変化幅で溶接電流の平均値を周期的に変化させるので、溶融池を効果的に攪拌することができる。

図６は、本実施の形態１におけるアーク溶接装置の出力波形の一例を示す図である。この図６では、一例として、短絡移行型の溶接が行なわれる場合の溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの波形が示されている。なお、この図６では、「溶接電流」の文言は、平均値ではない真の電流値を示す。

図６を参照して、溶接電源装置３０（図１）は、溶接電圧Ｖｗが設定電圧Ｖｓｅｔとなるように溶接電流Ｉｗを調整する定電圧制御を行なう。なお、ワイヤ供給速度Ｗｆは、設定電流Ｉｓｅｔにより決定される。

溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗは、瞬時的には溶滴移行毎に変動する。具体的には、たとえば、時刻ｔ２において、溶接ワイヤ２０が母材７０に接触し、溶接ワイヤ２０と母材７０とは短絡状態となる。これにより、溶接電圧Ｖｗは約０Ｖに低下する。

溶接電源装置３０は定電圧制御を行なっているため、溶接電圧Ｖｗの低下に応じて溶接電流Ｉｗが急激に上昇する。なお、溶接電流Ｉｗが上昇するに従って、溶接ワイヤ２０において抵抗発熱が生じるため、溶接電圧Ｖｗは徐々に上昇する。

溶接ワイヤ２０の抵抗発熱により溶接ワイヤ２０が溶融し始めると、溶接電流Ｉｗによるピンチ効果により、溶融し始めた溶接ワイヤ２０が細くなる。そうすると、溶接ワイヤ２０の抵抗値が上昇し、抵抗発熱がさらに促進される。その結果、溶接ワイヤ２０が溶断し、溶接ワイヤ２０と母材７０との間にアークが発生する。

アークが発生すると、時刻ｔ２〜ｔ３の短絡期間に溶接ワイヤ２０が温められているため、溶接ワイヤ２０が急激に燃え上がる。その結果、アーク長が長くなり、時刻ｔ３において、溶接電圧Ｖｗは急上昇する。

溶接電源装置３０は定電圧制御を行なっているため、溶接電圧Ｖｗの上昇に応じて溶接電流Ｉｗが低下する。そして、溶接電流Ｉｗの低下と溶接ワイヤ２０の送給とにより、時刻ｔ４において、溶接ワイヤ２０が母材７０に接触し、溶接ワイヤ２０と母材７０とは再び短絡状態となる。

このように、溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗは、瞬時的には溶滴移行毎に変動する（たとえば１００Ｈｚレベル）。そして、本実施の形態１に従うハイブリッド溶接装置１では、溶接電流Ｉｗの平均値を示す平均電流Ｉａｖｅが周波数ｆで揺動するように、アーク溶接装置が作動する。

具体的には、周波数ｆで交互に切り替わるロー（Ｌ）出力期間及びハイ（Ｈ）出力期間に応じて、平均電流Ｉａｖｅが所定の変化幅で変化するように設定電流Ｉｓｅｔが設定され、平均電流Ｉａｖｅが設定電流Ｉｓｅｔとなるように設定電圧Ｖｓｅｔが設定される。そして、溶接電圧Ｖｗが設定電圧Ｖｓｅｔとなるように溶接電流Ｉｗが調整される。平均電流Ｉａｖｅの上記所定の変化幅は、たとえば１０Ａ〜１００Ａである。

なお、ロー出力期間及びハイ出力期間の各々において、ワイヤ送給速度Ｗｆが一定（すなわち設定電流Ｉｓｅｔが一定）の下で定電圧制御（設定電圧Ｖｓｅｔが一定）が行なわれる場合、アーク長の自己制御作用によって、アーク長と平均電流Ｉａｖｅとが一定に維持される。したがって、ロー出力期間及びハイ出力期間の各々において、設定電圧Ｖｓｅｔ及び設定電流Ｉｓｅｔを適宜設定することにより、平均電流Ｉａｖｅを所望の値に一定に制御することができる。

なお、アーク溶接の形態は、短絡及びアークを繰り返す短絡移行型に限定されるものではなく、ピーク期間及びベース期間を繰り返すパルス溶接であってもよい。パルス溶接の場合、平均電流Ｉａｖｅが周波数ｆで変化し、かつ、その変化幅が１０Ａから１００Ａの値となるように、設定電圧Ｖｓｅｔが周期的に変更される。そして、溶接電圧Ｖｗの平均値Ｖａｖｅが設定電圧Ｖｓｅｔとなるようにピーク電流及びベース電流の変調が行なわれ、結果として平均電流Ｉａｖｅが目標に制御される。

以上のように、この実施の形態１においては、溶接電流の平均値を数十Ｈｚ（１０Ｈｚから３０Ｈｚ）の周波数で揺動させることにより、溶融池内において溶湯が効果的に攪拌され、生成された金属間化合物の溶接金属中への移動が起こる。その結果、溶融池の攪拌が行なわれない場合に比べて、接合界面に生成される金属間化合物の分布量（厚み）が低減する。したがって、この実施の形態１によれば、金属間化合物における割れが抑制され、接合強度の高い異材接合を実現することができる。

また、本実施の形態１によれば、アーク出力（溶接電流）を１０Ａから１００Ａの間の変化幅で変化させるので、溶融池内において溶湯がより効果的に攪拌され、結晶生成段階において発生するデンドライト組織（樹枝状組織）の枝や幹の分離がさらに促進される。その結果、接合界面の金属間化合物の分布量（厚み）が低減し、接合強度の高い異材接合を実現することができる。

［実施の形態２］
接合部への入熱量（Ｊ）が多いと、溶融池の凝固速度が遅くなることにより、溶接に伴なって生成される金属間化合物の生成量が多くなる。レーザは、通常、照射領域における照射エネルギ密度を高めて効果的に部材を溶融するために、照射領域においてフォーカスが合うように焦点が調整される。しかしながら、この場合、接合部への入熱量が多くなり、上述のように、金属間化合物の生成量が増加することにより接合強度が低下する可能性がある。

そこで、金属間化合物の生成量を抑制するために入熱量を抑制することが考えられる。しかしながら、入熱量を抑制すると、溶接ビードと母材との接合面積が減少し、その結果、接合強度が低下する可能性がある。接合面積の減少による接合強度の低下は、溶接ビード幅を大きくすることで解消可能である。

入熱量を抑制するために、レーザの焦点をデフォーカスすることが考えられる。しかしながら、レーザの焦点をデフォーカスしただけでは、レーザ照射領域の平面形状は通常円形であるから、溶接幅方向の入熱量の分布は、中央部において最大であり、端部へ向かうに従って減少する。したがって、中央部から離れた部位（たとえば幅方向端部）において入熱量が不足し、接合強度が不足する可能性がある。

そこで、この実施の形態２では、レーザトーチ４０は、レーザが照射される照射領域の形状、及び照射領域におけるレーザの照射エネルギ密度の分布を調整する調整機構を含む。この調整機構は、当該調整機構が設けられない場合に比べて、照射領域を溶接の幅方向に拡大する。そして、調整機構は、レーザによる入熱量（Ｊ）の溶接幅方向の分布が、その幅方向の中央部における入熱量が幅方向の端部における入熱量よりも少なくなるプロファイルとなるように、照射領域の形状及び照射エネルギ密度の分布を調整する。本実施の形態２では、そのような調整機構として、レーザトーチ４０に回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）が設けられる。このような調整機構（ＤＯＥ）が設けられることにより、接合部への入熱量を抑制して金属間化合物の生成量を抑制しつつ、広い溶接ビード幅を形成することができる。その結果、接合部の接合強度を確保することができる。

図７は、実施の形態２におけるレーザトーチ４０の構成を概略的に示す図である。図７を参照して、レーザトーチ４０は、ＤＯＥ４１と、レンズ４２とを含む。レーザ発振装置６０から出力されたレーザ光は、ＤＯＥ４１及びレンズ４２を通過して母材７０に照射され、母材７０において照射領域８０が形成される。

ＤＯＥ４１は、レーザ発振装置６０から受けるレーザ光を、回折現象を利用して所望のビームパターンに加工する。具体的には、ＤＯＥ４１は、レーザ発振装置６０から受ける入射光を幾何学的に分散し、母材７０上の照射領域８０が、ＤＯＥ４１が設けられない場合よりも拡幅され、かつ、略矩形となるように、照射レーザを成形する。

レンズ４２は、ＤＯＥ４１によって加工されたレーザ光を集光して、母材７０に向けて出力する。

図８は、照射領域８０の平面形状の一例を示す図である。図８において、Ｘ軸方向は、レーザトーチ４０の進行方向を示し、Ｙ軸方向は、溶接の幅方向を示す。図８を参照して、照射領域８０が略矩形となるように、ＤＯＥ４１によってレーザ光が加工される。

点線群は、レーザの照射エネルギ密度の分布を示している。図示のように、照射領域８０において、幅方向（Ｙ軸方向）の中央Ｃから幅方向の端部へ向かうに従って照射エネルギ密度が高くなるように、ＤＯＥ４１によってレーザが成形される。

なお、この例では、照射領域８０は、レーザトーチ４０の進行方向（Ｘ軸方向）に平行な対辺が短辺であり、幅方向（Ｙ軸方向）に平行な対辺が長辺であるものとしたが、照射領域８０は、略正方形であってもよいし、レーザトーチ４０の進行方向（Ｘ軸方向）に平行な対辺を長辺としてもよい。

図９は、溶接幅方向の入熱量の分布を示す図である。図９において、（ａ）は、レーザによる入熱量の分布を示し、（ｂ）は、アークによる入熱量の分布を示す。（ｃ）は、レーザによる入熱量とアークによる入熱量との和の分布を示す。すなわち、（ｃ）は、レーザ及びアークによるトータルの入熱量の分布を示している。各図において、縦軸は、入熱量Ｑを示し、Ｙ軸方向は、溶接の幅方向を示す。入熱量Ｑは、幅方向の各点において、溶接開始から終了までのトータルの入熱量（Ｊ）である。

図９を参照して、図８に示した照射領域８０を有するレーザ照射によって、レーザによる入熱量の分布は、（ａ）に示されるように、幅方向の中央Ｃにおける入熱量が少なく、端部へ向かうにつれて入熱量が多くなるプロファイルとなる。なお、参考までに、レーザ照射領域の平面形状が仮に円形である場合には、照射領域において、中央の照射エネルギ密度を低くし、周辺部の照射エネルギ密度が高くしたとしても、入熱量としては、幅方向の中央において多くなり、幅方向の端部へ向かうにつれて少なくなる可能性が高い。

アークによる入熱量の分布は、（ｂ）に示されるように、幅方向の中央Ｃにおける入熱量が多く、端部へ向かうにつれて入熱量が少なくなるプロファイルとなる。したがって、レーザによる入熱量とアークによる入熱量との和の熱分布は、（ｃ）に示されるように、幅方向において略均一となっている。

言い換えると、アークによる入熱量のプロファイルを考慮して、レーザによる入熱量とアークによる入熱量との和の熱分布のプロファイルが幅方向において略均一となるように、レーザによる入熱量のプロファイルが決定される。そして、そのレーザによる入熱量のプロファイルに基づいて、レーザの照射領域８０の形状及び照射エネルギ密度分布（図８に示した形状及び照射エネルギ密度分布）が決定され、そのような照射領域８０を実現するＤＯＥ４１の構成が決定される。

或いは、（ａ）に示されるようなレーザによる入熱量のプロファイルが得られるようにＤＯＥ４１を構成し、レーザによる入熱量とアークによる入熱量との和の熱分布のプロファイルが幅方向において略均一となるように、溶接トーチ１０の出力を溶接電源装置３０によって調整してもよい。

溶接部への入熱量及び各溶接プロセスの熱分布によって溶接部の機械的特性が決まることから、上記のようにレーザによる入熱量とアークによる入熱量との和を調整することにより、溶接部において所望の機械的特性を得ることができる。そして、レーザによる入熱量とアークによる入熱量との和を幅方向において均一化することにより、生成される金属間化合物が一部に集中することのない、品質の高い溶接ビードを形成することができる。

なお、特に異材接合の溶接（たとえば、アルミニウム合金板と溶融亜鉛メッキ鋼板との溶接等）においては、金属間化合物の生成量及びその分布を制御する上で、溶融金属の量及びその分布を制御する必要がある。本実施の形態では、上記のような調整機構によってレーザによる入熱量のプロファイルを調整することにより、主に母材の溶融を調整することができ、溶接のビード幅と、溶融池の深さ（溶込深さ）及びその分布とを調整することができる。また、溶接トーチ１０の出力を溶接電源装置３０によって調整することにより、主に溶接ワイヤの溶融を調整することができ、溶融金属の量を調整することができる。

以上のように、この実施の形態２によれば、図８に示したレーザ照射領域を形成可能なＤＯＥ４１が設けられることにより、入熱量の幅方向の分布は、図９に示したようなプロファイルとなる。したがって、接合部への入熱量を抑制して金属間化合物の生成量を抑制しつつ、広い溶接ビード幅を形成することができる。その結果、接合部の接合強度を確保することができる。

また、この実施の形態２によれば、レーザによる入熱量とアークによる入熱量との和の幅方向の分布（プロファイル）を調整することにより、溶接部において所望の機械的特性を得ることができる。さらに、レーザによる入熱量とアークによる入熱量との和の幅方向の分布を幅方向において均一化することにより、生成される金属間化合物が一部に集中することのない、品質の高い溶接ビードを形成することができる。

また、上記のような調整機構（ＤＯＥ４１）によってレーザによる入熱量のプロファイルを調整することにより、母材の溶融を調整することができ、溶接のビード幅と、溶融池の深さ（溶込深さ）及びその分布とを調整することができる。また、溶接電源装置３０によって溶接トーチ１０の出力を調整することにより、溶接ワイヤの溶融を調整することができ、溶融金属の量を調整することができる。

なお、上記の実施の形態２では、ＤＯＥ４１によって、図８に示したようなレーザの照射領域８０を形成するものとしたが、ＤＯＥに代えて、母材７０に照射されるレーザを母材７０上で走査可能なレーザスキャン装置をレーザトーチに設けてもよい。そして、レーザスキャン装置によりレーザを走査することによって、実施の形態２と同様の照射領域を形成するようにしてもよい。

なお、上記の各実施の形態では、アーク溶接は、溶接ワイヤ２０を用いる溶極式（マグ溶接やミグ溶接等）のものとしたが、溶接ワイヤ２０に代えて非消耗材の電極（タングステン等）を用いる非溶極式（ティグ溶接等）のものであってもよい。

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ レーザ・アークハイブリッド溶接装置、１０ 溶接トーチ、２０ 溶接ワイヤ、３０ 溶接電源装置、４０ レーザトーチ、４１ ＤＯＥ、４２ レンズ、６０ レーザ発振装置、７０ 母材、７１ ＧＩ材、７２ アルミニウム合金板、７３ 溶接ビード、７４ 接触部位、７５〜７７ ＩＭＣ層、８０ 照射領域。

Claims (3)

1. 異材接合に用いられるレーザ・アークハイブリッド溶接装置であって、
   接合部に向けてレーザを照射するように構成されたレーザ照射装置と、
   前記接合部との間にアークを発生させるように構成されたアーク溶接装置とを備え、
   前記アーク溶接装置は、溶接電流の平均値を１０Ｈｚから３０Ｈｚの間の周波数で揺動させるように構成される、レーザ・アークハイブリッド溶接装置。
2. 前記レーザ照射装置は、レーザが照射される照射領域の形状を調整するように構成された調整機構を含み、
   前記調整機構は、前記レーザ照射装置に前記調整機構が設けられない場合に比べて前記照射領域を溶接の幅方向に拡大するとともに、前記照射領域の形状を調整することによってレーザによる入熱量の前記幅方向の分布が所定のプロファイルを有するように構成され、
   前記所定のプロファイルは、前記幅方向の中央部における前記入熱量が前記幅方向の端部における前記入熱量以下となるプロファイルである、請求項１に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。
3. 前記周波数での前記溶接電流平均値の変化幅は、１０Ａから１００Ａである、請求項１又は請求項２に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。
   

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