JP2021194665A - 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】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。アーク溶接装置は、周波数ｆ１〜ｆ２の間の周波数でアーク出力（溶接電流）を変化させる。周波数ｆ１は、所定の溶接速度で溶接が行なわれる場合に、溶接進行方向の出力変動の周期が１２ｍｍとなる周波数であり、周波数ｆ２は、出力変動の周期が２ｍｍとなる周波数である。溶接速度は、０．８ｍ／分から２．０ｍ／分である。【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。レーザ照射装置及びアーク溶接装置の少なくとも一方は、自装置からの出力を第１周波数から第２周波数の間の周波数で変化させるように構成される。第１周波数は、所定の溶接速度で溶接が行なわれる場合に、溶接進行方向の出力変動の周期が１２ｍｍとなる周波数である。第２周波数は、所定の溶接速度で溶接が行なわれる場合に、溶接進行方向の出力変動の周期が２ｍｍとなる周波数である。溶接速度は、０．８ｍ／分から２．０ｍ／分である。

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において、接合界面に沿って割れが伝播し、接合部の剥離が生じる可能性がある。このレーザ・アークハイブリッド溶接装置では、上記のような条件で溶接を行なうことにより、母材の溶け込み形状及び金属間化合物の生成位置について、溶接進行方向に２ｍｍ〜１２ｍｍ程度のピッチで、溶接深さ方向の凹凸が形成される。これにより、凹凸が形成されない場合に比べて、金属間化合物において割れが伝播するのを抑制することができる。

なお、周波数が低すぎると、十分な凹凸が形成されず、割れの伝播抑制効果が低減する。一方、周波数が高すぎても、入熱が平均化されるために十分な凹凸が形成されず、割れの伝播抑制効果が低減する。このレーザ・アークハイブリッド溶接装置では、上記の条件で溶接を行なうことにより、適度な凹凸を形成することができる。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、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。

レーザ照射装置は、レーザ出力を上記周波数で変化させるように構成され、アーク溶接装置は、溶接電流の平均値が一定となるアークを発生させるように構成されてもよい。

レーザのエネルギ密度は、アークのエネルギ密度よりも高いので、レーザ出力を変化させることにより、アークの出力を変化させる場合に比べて、溶け込み形状及び金属間化合物の生成位置の凹凸を粗くする（滑らかでない）ことができる。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、溶け込み形状及び金属間化合物の生成位置の凹凸を効果的に形成することができる。

また、アーク溶接装置は、溶接電流の平均値を上記周波数で変化させるように構成され、レーザ照射装置は、一定出力のレーザを接合部に照射するように構成されてもよい。

アーク溶接装置は、レーザ照射装置よりも一般的に出力の調整が容易である。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、溶け込み形状及び金属間化合物の生成位置の凹凸を容易に形成することができる。

上記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、溶け込み形状及び金属間化合物の生成位置の凹凸を容易かつ効果的に形成することができる。

本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、金属間化合物において割れが伝播するの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。

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。 図２に示す接触部位の溶接進行方向に沿った断面を模式的に示す図である。 アーク出力の揺動によるＩＭＣ層での割れの伝播抑制効果を示す実験結果を示す図である。 比較例として、アーク出力及びレーザ出力を一定とした場合の接触部位の断面を模式的に示す図である。 アーク出力を変化させる周波数と溶接速度との関係を説明する図である。 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に従うレーザ・ハイブリッド溶接装置で溶接した場合に、接触部位の溶接進行方向に沿った断面を模式的に示す図である。 実施の形態３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。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている。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周波数ｆ１から周波数ｆ２（ｆ２＞ｆ１）の間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周波数ｆ１から周波数ｆ２の間の周波数で揺動させる。

ここで、周波数ｆ１は、所定の溶接速度で溶接が行なわれる場合に、溶接進行方向の出力変動の周期が１２ｍｍとなる周波数である。周波数ｆ２は、所定の溶接速度で溶接が行なわれる場合に、溶接進行方向の出力変動の周期が２ｍｍとなる周波数である。所定の溶接速度は、０．８ｍ／分〜２．０ｍ／分である。

溶接電流の平均値の変化幅は、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、本実施の形態１では、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、「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。また、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において溶接ビード７３の剥離や接合強度の低下が生じる可能性がある。具体的には、金属間化合物の生成層に沿って割れが伝播し、金属間化合物の生成層を境に溶接ビード７３が剥離してしまう可能性がある。

本発明者らは、金属間化合物の生成層に沿った割れを抑制するために種々の実験を試みた結果、溶接進行方向の出力変動の周期が２ｍｍ〜１２ｍｍとなるようにアーク出力（溶接電流）を周波数ｆ１〜ｆ２の間の周波数で揺動させると、金属間化合物の生成層に沿った割れの進展を抑制できることを見い出した。以下、この点について詳しく説明する。

図３は、図２に示した接触部位７４の溶接進行方向に沿った断面を模式的に示す図である。この図３では、図２のｙ方向に垂直なｘｚ平面に沿った断面が示されている。

図３を参照して、ＧＩ材７１のＦｅ層８０と、溶接ビード７３のＡｌ層８１との間に、金属間化合物のＩＭＣ層８２が形成されている。上記のように、本実施の形態１では、アーク出力（溶接電流）を周波数ｆ１〜ｆ２の間の周波数で揺動させるところ、領域９１は、領域９２に比べて相対的に大きいアーク出力で溶接された領域であり、領域９２は、領域９１に比べて相対的に小さいアーク出力で溶接された領域である。

図示のように、アーク出力が大きい領域９１では、Ｆｅ層８０の溶け込みが深く、アーク出力が小さい領域９２では、Ｆｅ層８０の溶け込みが浅い。このため、アーク出力の揺動に応じてＦｅ層８０の溶け込み形状が凹凸となり、Ｆｅ層８０とＡｌ層８１との間に生成されるＩＭＣ層８２の生成位置も、アーク出力の揺動に応じて凹凸となる。これにより、Ｆｅ層８０及びＡｌ層８１よりも相対的に脆いＩＭＣ層８２においてｘ方向に割れが伝播するのを抑制することができる。

なお、アーク出力を変化させる周波数が低すぎると、ＩＭＣ層８２の凹凸の間隔Ｌが長くなるため、ＩＭＣ層８２での割れの伝播抑制効果が低減する。一方、アーク出力を変化させる周波数が高すぎると、アークの入熱が平均化されるために十分な凹凸が形成されず、割れの伝播抑制効果が低減する。

図４は、アーク出力の揺動によるＩＭＣ層８２での割れの伝播抑制効果を示す実験結果を示す図である。実験は、上板が板厚２．０ｍｍの硬質アルミニウム合金板（Ａ６０６３）であり、下板が板厚１．６ｍｍの溶融亜鉛メッキ鋼板（ＳＧＣＣ）の重ねすみ肉溶接において、レーザ出力２ｋＷ、アーク溶接設定１００Ａ−１８Ｖ、溶接速度１．５ｍｍ／分の条件下で行なった。そして、レーザ出力を一定とし、アーク出力（溶接電流）を揺動させて溶接を行ない、溶融部の底部のマクロ観察を行なった。

図４には、アーク出力の揺動周波数毎に、ＩＭＣ層８２が接合界面に沿って凹凸状或いは波状に生成され、金属間化合物に由来する割れの進展の抑制が確認されたか否かの結果と、溶接進行方向の出力変動の周期（凹凸の間隔）とが示されている。

図４を参照して、結果「○」は、ＩＭＣ層８２が接合界面に沿って凹凸状或いは波状に生成され、金属間化合物に由来する割れの進展の抑制が確認されたことを示す。結果「△」は、ＩＭＣ層８２が接合界面に沿って凹凸状或いは波状に生成されたが、金属間化合物に由来する割れの進展の抑制が確認されなかったことを示す。結果「×」は、接合界面において十分な凹凸が形成されず、金属間化合物に由来する割れの進展の抑制が確認されなかったことを示す。

図４の結果から、溶接進行方向の出力変動の周期（凹凸の間隔）が２ｍｍ〜１２ｍｍ程度の範囲において、ＩＭＣ層８２での割れの伝播抑制効果が生じるものと考えられる。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、溶接進行方向の出力変動の周期が２ｍｍ〜１２ｍｍとなるようにアーク出力を揺動させることとしたものである。

なお、再び図３を参照して、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、領域９１の溶け込み深さと領域９２の溶け込み深さとの差が小さくなり、ＩＭＣ層８２の生成位置について効果的な凹凸が生成されない。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アーク出力（溶接電流）を周期的に変化させるので、溶け込み形状及びＩＭＣ層８２の生成位置について凹凸を効果的に形成することができる。

図５は、比較例として、アーク出力及びレーザ出力を一定とした場合における接触部位７４の断面を模式的に示す図である。この図５は、上記の図３に対応するものである。

図５を参照して、アーク出力及びレーザ出力が一定である場合、Ｆｅ層８０の溶け込み形状（溶け込み深さ）は一定であり、Ｆｅ層８０とＡｌ層８１との間に生成されるＩＭＣ層８２も平坦な平面形状となる。この場合、Ｆｅ層８０及びＡｌ層８１よりも相対的に脆いＩＭＣ層８２において、一旦生じた割れが平面状のＩＭＣ層８２に沿って伝播し進展する可能性がある。これに対して、本実施の形態１では、図３に示したように、ＩＭＣ層８２の生成位置が凹凸であるので、ＩＭＣ層８２に沿って割れが伝播するのを抑制することができる。

図６は、アーク出力を揺動させる周波数の範囲を示す図である。図６において、縦軸は、アーク出力を揺動させる周波数（Ｈｚ）を示し、横軸は、ハイブリッド溶接装置１の溶接速度（ｍ／分）を示す。この例では、溶接速度は、０．８ｍ／分〜２．０ｍ／分の範囲で設定可能であり、この溶接速度の範囲内において、アーク出力の効果的な揺動周波数が示されている。

図６を参照して、線Ｌ１は、溶接進行方向の出力変動の周期（ＩＭＣ層８２の凹凸間隔Ｌ）が１２ｍｍとなるときの周波数ｆ１を示す。溶接速度が０．８ｍ／分のとき、周波数ｆ１は１．１Ｈｚであり、溶接速度が２．０ｍ／分のとき、周波数ｆ１は２．８Ｈｚである。

線Ｌ２は、溶接進行方向の出力変動の周期（ＩＭＣ層８２の凹凸間隔Ｌ）が２ｍｍとなるときの周波数ｆ２を示す。溶接速度が０．８ｍ／分のとき、周波数ｆ２は６．７Ｈｚであり、溶接速度が２．０ｍ／分のとき、周波数ｆ２は１６．７Ｈｚである。線で囲まれた領域Ｓ内の条件で溶接を行なうことにより、アーク出力を揺動させて溶接進行方向に２ｍｍ〜１２ｍｍの間隔の凹凸をＩＭＣ層８２に設けることができる。

なお、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、十分な凹凸が形成されない可能性がある。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、接合界面において十分な凹凸を有するＩＭＣ層８２を形成することができる。

図７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７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７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７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、溶接進行方向の出力変動の周期が２ｍｍ〜１２ｍｍとなるようにアーク出力を揺動させることにより、母材の溶け込み形状及びＩＭＣ層８２に凹凸を形成する。これにより、凹凸が形成されない場合に比べて、金属間化合物の生成層において割れが伝播するのを抑制することができる。

また、本実施の形態１においては、溶け込み形状及び金属間化合物の生成位置の凹凸を形成するのに、アーク溶接装置の出力を変化させる。アーク溶接装置は、レーザ照射装置よりも一般的に出力の調整が容易であるため、本実施の形態１によれば、上記の凹凸を容易に形成することができる。

［実施の形態２］
上記の実施の形態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周期的に変化させるものとしたが、この実施の形態２では、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を周期的に変化させる。

レーザのエネルギ密度は、アークのエネルギ密度よりも高いので、レーザ出力を変化させることにより、アーク出力を変化させる場合に比べて溶け込み形状及び金属間化合物の生成位置についての凹凸を粗くする（滑らかでない）ことができる。

再び図１を参照して、実施の形態２に従うハイブリッド溶接装置１では、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を周波数ｆ１から周波数ｆ２（ｆ２＞ｆ１）の間の周波数で変化させる。そのため、レーザ発振装置６０は、上記周波数でレーザ出力を変化させる。たとえば、レーザ発振装置６０は、デューティ比５０％の上記周波数のパルス状レーザを発振するようにしてもよい。なお、本実施の形態２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は一定とする。

図８は、実施の形態２に従うレーザ・ハイブリッド溶接装置１で溶接した場合に、接触部位７４の溶接進行方向に沿った断面を模式的に示す図である。この図８は、上記の図３に対応するものである。すなわち、この図８でも、図２のｙ方向に垂直なｘｚ平面に沿った断面が示されている。

図８を参照して、本実施の形態２では、レーザ出力を周期的に変化させて溶接が行なわれるところ、領域９３は、領域９４に比べて相対的に大きいレーザ出力で溶接された領域であり、領域９４は、領域９３に比べて相対的に小さいレーザ出力で溶接された領域である。

図示のように、レーザ出力が大きい領域９３では、Ｆｅ層８０の溶け込みが深く、レーザ出力が小さい領域９４では、Ｆｅ層８０の溶け込みが浅い。このため、レーザ出力の周期的変化に応じてＦｅ層８０の溶け込み形状が凹凸となり、Ｆｅ層８０とＡｌ層８１との間に生成されるＩＭＣ層８２の生成位置も、レーザ出力の周期的変化に応じて凹凸となる。これにより、Ｆｅ層８０及びＡｌ層８１よりも相対的に脆いＩＭＣ層８２においてｘ方向に割れが伝播するのを抑制することができる。

また、この実施の形態２では、アーク出力よりもエネルギ密度の高いレーザ出力を変化させるので、実施の形態１のようにアーク出力を揺動させる場合よりも、生成される凹凸の変化が急峻となる（凹凸が粗い）。したがって、溶け込み形状及びＩＭＣ層８２の凹凸を効果的に形成することができる。

なお、この実施の形態２でも、レーザ出力を変化させる周波数が低すぎると、ＩＭＣ層８２の凹凸の間隔Ｌが長くなるため、ＩＭＣ層８２での割れの伝播抑制効果が低減する。一方、レーザ出力を変化させる周波数が高すぎると、レーザの入熱が平均化されるために十分な凹凸が形成されず、割れの伝播抑制効果が低減する。この実施の形態２に従うハイブリッド溶接装置１では、溶接進行方向の出力変動の周期が２ｍｍ〜１２ｍｍとなるようにレーザ出力を変化させることにより、溶け込み形状及びＩＭＣ層８２の生成位置に適度な凹凸を形成することができる。

以上のように、この実施の形態２によれば、母材の溶け込み形状及びＩＭＣ層８２に凹凸を形成するのに、エネルギ密度の高いレーザの出力を変化させるので、溶け込み形状及びＩＭＣ層８２の凹凸を効果的に形成することができる。

［実施の形態３］
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３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３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。

なお、この実施の形態３では、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し、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において、溶接電流の平均値を周波数ｆ１から周波数ｆ２の間の周波数で揺動させる。

図９は、実施の形態３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９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１００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１００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１０は、照射領域１００の平面形状の一例を示す図である。図１０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１０を参照して、照射領域１００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１００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１００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１００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１１は、溶接幅方向の入熱量の分布を示す図である。図１１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１１を参照して、図１０に示した照射領域１００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１００の形状及び照射エネルギ密度分布（図１０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１００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３によれば、図１０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１１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３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３では、アーク出力（溶接電流）を周期的に変化させるものとしたが、実施の形態２で説明したように、レーザ出力を周期的に変化させてもよい。

また、上記の実施の形態３では、ＤＯＥ４１によって、図１０に示したようなレーザの照射領域１００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３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。

また、上記の各実施の形態では、アーク出力（溶接電流）とレーザ出力とのいずれかを周期的に変化させるものとしたが、これらを組み合わせて、アーク出力及びレーザ出力の双方を同期させて周期的に変化させてもよい。これにより、溶け込み形状及びＩＭＣ層８２の凹凸をより効果的に形成することができる。

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、８０ Ｆｅ層、８１ Ａｌ層、８２ ＩＭＣ層、９１〜９４，Ｓ 領域、１００ 照射領域。

Claims (5)

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、
   前記レーザ照射装置及び前記アーク溶接装置の少なくとも一方は、自装置からの出力を第１周波数から第２周波数の間の周波数で変化させるように構成され、
   前記第１周波数は、所定の溶接速度で溶接が行なわれる場合に、溶接進行方向の出力変動の周期が１２ｍｍとなる周波数であり、
   前記第２周波数は、前記溶接速度で溶接が行なわれる場合に、前記出力変動の周期が２ｍｍとなる周波数であり、
   前記溶接速度は、０．８ｍ／分から２．０ｍ／分である、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. 前記レーザ照射装置は、レーザ出力を前記周波数で変化させるように構成され、
   前記アーク溶接装置は、溶接電流の平均値が一定となるアークを発生させるように構成される、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。
4. 前記アーク溶接装置は、溶接電流の平均値を前記周波数で揺動させるように構成され、
   前記レーザ照射装置は、一定出力のレーザを前記接合部に照射するように構成される、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。
5. 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４に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。
   

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