JP2022110699A - 複合溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して行う複合溶接方法において、レーザからの熱の影響によってアーク長が変動しても、ビード外観、溶け込み深さ等の変動を抑制して良好な溶接品質を得ること。【解決手段】溶接ワイヤ１を送給して消耗電極アーク溶接を行うアーク溶接装置と、消耗電極アーク溶接のアーク発生部３にレーザ４を照射してレーザ溶接を行うレーザ溶接装置と、を備えた複合溶接装置において、アーク溶接装置は、溶接ワイヤ１をアーク期間中は正送し短絡期間中は逆送し、溶接電流Ｉｗを定電流制御によって通電する。アーク溶接装置は、不活性ガスを含んだシールドガス５をアーク発生部３に流す。溶接ワイヤ１の材質は、アルミニウム又はその合金である。【選択図】 図１

Description

本発明は、消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して溶接する複合溶接装置に関するものである。

消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して溶接する複合溶接装置が慣用されている（例えば、特許文献１参照）。

上記の消耗電極アーク溶接としては、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接等が使用される。

上記のレーザとしては、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ等が使用される。

特開２００４－９０６１号公報

消耗電極アーク溶接のアーク発生部にレーザを照射して行う複合溶接方法では、レーザからの熱の影響によってアーク長の変動が発生しやすい。消耗電極アーク溶接は定電圧制御のアーク溶接装置を使用するために、アーク長が変動すると溶接電流が変動することになる。この結果、母材への入熱量が変動してビード外観及び溶け込み深さ等が変動し、溶接品質が悪くなるという問題がある。

そこで、本発明では、消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して行う複合溶接方法において、レーザからの熱の影響によってアーク長が変動しても、ビード外観、溶け込み深さ等の変動を抑制して良好な溶接品質を得ることができる複合溶接装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
溶接ワイヤを送給して消耗電極アーク溶接を行うアーク溶接装置と、前記消耗電極アーク溶接のアーク発生部にレーザを照射してレーザ溶接を行うレーザ溶接装置と、を備えた複合溶接装置において、
前記アーク溶接装置は、前記溶接ワイヤをアーク期間中は正送し短絡期間中は逆送し、溶接電流を定電流制御によって通電する、
ことを特徴とする複合溶接装置である。

請求項２の発明は、
前記アーク溶接装置は、前記定電流制御によって前記アーク期間及び前記短絡期間に一定の溶接電流を通電する、
ことを特徴とする請求項１に記載の複合溶接装置である。

請求項３の発明は、
前記アーク溶接装置は、不活性ガスを含んだシールドガスを前記アーク発生部に流す、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合溶接装置である。

請求項４の発明は、
前記溶接ワイヤの材質が、アルミニウム又はその合金である、
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の複合溶接装置である。

本発明の複合溶接装置によれば、消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して行う複合溶接方法において、レーザからの熱の影響によってアーク長が変動しても、ビード外観、溶け込み深さ等の変動を抑制して良好な溶接品質を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る複合溶接装置の構成図である。 本発明の実施の形態に係る複合溶接方法を示す図１の複合溶接装置における各信号のタイミングチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る複合溶接装置の構成図である。複合溶接装置は、消耗電極アーク溶接を行うためのアーク溶接装置と、レーザ溶接を行うためのレーザ溶接装置と、を備えている。以下、同図を参照して各構成物について説明する。

アーク溶接装置は、溶接電源ＰＳ、送給機ＷＦ、溶接トーチＷＴ、短絡判別回路ＳＤ、送給速度設定回路ＦＲ及び溶接電流設定回路ＩＲを備えている。

短絡判別回路ＳＤは、溶接電源ＰＳの出力端子間の電圧を入力として、この電圧値が短絡判別値（１０Ｖ程度）未満のときは溶接ワイヤ１と母材２との間が短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間にあると判別してＬｏｗレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）のときは予め定めた正の値の正送送給速度Ｆwsの設定値となり、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）のときは予め定めた負の値の逆送送給速度Ｆwrの設定値となる送給速度設定信号Ｆｒを出力する。正送とは溶接ワイヤ１を母材２に近づく方向に送給することであり、逆送とは溶接ワイヤ１を母材２から離れる方向に送給することである。

溶接電流設定回路ＩＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）のときは予め定めたアーク電流Ｉwaの設定値となり、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）のときは予め定めた短絡電流Ｉwsの設定値となる溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。例えば、送給速度Ｆｗの平均値が大きいときは、Ｉwa＞Ｉwsとすることで短絡期間からアーク期間への移行を円滑にすることができる。送給速度Ｆｗの平均値が小さいときは、Ｉwa＜Ｉwsとすることでスパッタの発生量を少なくすることができる。また、Ｉwa＝Ｉwsとすることによって、短絡期間及びアーク期間の時間長さが変動しても、溶接電流Ｉｗの平均値を一定にすることができる。

溶接電源ＰＳは、３相２００Ｖ等の交流商用電源（図示は省略）を入力として、定電流制御によって上記の溶接電流設定信号Ｉｒによって設定された溶接電流Ｉｗを通電する。

送給機ＷＦは、上記の送給速度設定信号Ｆｒによって定まる送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給する。したがって、溶接ワイヤ１は、アーク期間中は正送送給速度Ｆwsで正送され、短絡期間中は逆送送給速度Ｆwrで逆送される。

溶接トーチＷＴは、装着された給電チップ（図示は省略）を介して溶接ワイヤ１に給電し、溶接ワイヤ１を母材２の被溶接部に送出する。溶接ワイヤ１と母材２との間にアーク３が発生する。給電チップと母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。溶接トーチＷＴのノズル（図示は省略）からはシールドガス５が噴出されて、アーク３を大気から遮蔽する。溶接ワイヤ１の材質は、鉄鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等である。シールドガス５としては、炭酸ガス、不活性ガス（アルゴンガス、ヘリウムガス等）、炭酸ガスと不活性ガスとの混合ガスである。

レーザ溶接装置は、主に、レーザ発振器ＬＳ、光ファイバーＬＦ及び加工ヘッドＬＨを備えている。

レーザ発振器ＬＳは、レーザ溶接を行うためのレーザ光４を出力する。

光ファイバーＬＦは、レーザ光４を加工ヘッドＬＨに導く。

加工ヘッドＬＨは、内蔵された種々の光学系（図示は省略）によって集光し、アーク３の発生部に照射する。同図では、アーク３よりも前方からレーザ光４を照射しているが、後方から照射する場合もある。アーク溶接の狙い位置とレーザの照射位置との距離は２～４mm程度である。

図２は、本発明の実施の形態に係る複合溶接方法を示す図１の複合溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）はレーザ出力Ｌｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｅ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

同図（Ａ）に示すように、レーザ出力Ｌｗは溶接中は常に出力されており、レーザ光４がアーク発生部に照射される。

同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、図１の溶接電流設定信号Ｉｒによって設定され、アーク期間中は予め定めたアーク電流Ｉwaとなり、短絡期間中は予め定めた短絡電流Ｉwsとなる。

同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、短絡期間中は数Ｖの短絡電圧値となり、アーク期間中は数十Ｖのアーク電圧値となる。短絡期間とアーク期間は、２０～２００Ｈｚ程度で周期的に繰り返される。したがって、本実施の形態における消耗電極アーク溶接は、短絡移行アーク溶接となる。

同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号Ｓｄは、短絡期間中はＨｉｇｈレベルとなり、アーク期間中はＬｏｗレベルとなる。

同図（Ｅ）に示すように、送給速度Ｆｗは、図１の送給速度設定信号Ｆｒによって設定され、アーク期間中は正の値の正送送給速度Ｆwsで正送され、短絡期間中は負の値の逆送送給速度Ｆwrで逆送される。

上記の各パラメータの数値例を以下に示す。
レーザ出力Ｌｗ＝２ｋＷ、溶接ワイヤ＝アルミニウムワイヤφ１．２、溶接電流Ｉｗ＝Ｉwa＝Ｉws＝１００Ａ、正送送給速度Ｆws＝１５m／min、逆送送給速度Ｆwr＝－１０m/min

消耗電極アーク溶接では、溶接状態を安定化するためにアーク長が適正値になるようにアーク長制御をおこなっている。このアーク長制御は、アーク長が溶接電圧と比例関係にあることを利用して、溶接電圧が所望値になるように溶接電源を定電圧制御することによって行っている。しかし、消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して行う複合溶接方法では、消耗電極アーク溶接を通常とおりに定電圧制御して行うと、レーザからの熱の影響によってアーク長が変動し、その結果溶接電流の平均値が変動することになり、溶接品質が悪くなるという問題が発生する。

本実施の形態によれば、複合溶接方法において、アーク溶接装置は、溶接ワイヤをアーク期間中は正送し短絡期間中は逆送し、溶接電流を定電流制御によって通電する。消耗電極アーク溶接において、溶接電源を定電流制御して溶接電流を通電すると、アーク長が大きく変動して溶接状態が不安定になり、不良な溶接品質となる。しかし、消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して行う複合溶接方法において、溶接ワイヤをアーク期間中は正送し短絡期間中は逆送し、溶接電流を定電流制御によって通電することによって、安定した溶接を行うことができ、良好な溶接品質を得ることができる。発明者は、レーザ照射と溶接ワイヤの正逆送給によって、定電流制御して溶接電流を通電しても消耗電極アーク溶接が安定化することを見いだした。このようにすると、レーザからの熱の影響によってアーク長が変動しても、正逆送給制御によって短絡期間とアーク期間との繰り返し周期が安定化する。このために、短絡電流及びアーク電流を異なる値に定電流制御しても、周期が安定化しているので、溶接電流の平均値を略一定値に維持することができる。この結果、母材への入熱量が略一定値となり、ビード外観、溶け込み深さ等の溶接品質が良好になる。

さらに、本実施の形態によれば、アーク溶接装置は、定電流制御によってアーク期間及び短絡期間に一定の溶接電流を通電するようにすることが好ましい。このようにすると、短絡期間及びアーク期間の時間長さが変動しても、常に溶接電流の平均値を一定値に維持することができる。この結果、母材への入熱量が一定値となり、ビード外観、溶け込み深さ等の溶接品質がさらに良好になる。

さらに、本実施の形態によれば、アーク溶接装置は、不活性ガスを含んだシールドガスをアーク発生部に流すことが好ましい。不活性ガスを含むシールドガスを使用して複合溶接方法を行うと、定電流制御によって溶接電流を通電したときの溶接状態がより安定になる。不活性ガスを含むシールドガスは、例えば、炭酸ガス２０％＋アルゴンガス８０％の混合ガス、アルゴンガス１００％等である。

さらに、本実施の形態によれば、溶接ワイヤの材質が、アルミニウム又はその合金であることが好ましい。アルミニウム又はその合金の溶接ワイヤを使用して複合溶接方法を行うと、定電流制御によって溶接電流を通電したときの溶接状態が、鉄鋼ワイヤを使用したときよりも安定になる。

1 溶接ワイヤ
2 母材
3 アーク
4 レーザ光
５ シールドガス
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｆwr 逆送送給速度
Ｆws 正送送給速度
ＩＲ 溶接電流設定回路
Ｉｒ 溶接電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｉwa アーク電流
Ｉws 短絡電流
ＬＦ 光ファイバー
ＬＨ 加工ヘッド
ＬＳ レーザ発振器
ＰＳ 溶接電源
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＦ 送給機
ＷＴ 溶接トーチ

Claims (4)

1. 溶接ワイヤを送給して消耗電極アーク溶接を行うアーク溶接装置と、前記消耗電極アーク溶接のアーク発生部にレーザを照射してレーザ溶接を行うレーザ溶接装置と、を備えた複合溶接装置において、
   前記アーク溶接装置は、前記溶接ワイヤをアーク期間中は正送し短絡期間中は逆送し、溶接電流を定電流制御によって通電する、
   ことを特徴とする複合溶接装置。
2. 前記アーク溶接装置は、前記定電流制御によって前記アーク期間及び前記短絡期間に一定の溶接電流を通電する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の複合溶接装置。
3. 前記アーク溶接装置は、不活性ガスを含んだシールドガスを前記アーク発生部に流す、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合溶接装置。
4. 前記溶接ワイヤの材質が、アルミニウム又はその合金である、
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の複合溶接装置。

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