JP2023108703A - レーザ・アークハイブリッド溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＯＥを用いることなく適切な溶接金属の接合幅を確保し、接合強度の高い溶接を行なう。
【解決手段】レーザ・アークハイブリッド溶接装置１は、母材７０の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３と、アーク溶接装置３による溶接部よりも溶接進行方向の前方にレーザ光を照射しながら照射位置を走査するように構成されたレーザ照射装置４と、レーザ照射装置４の走査速度Ｓを制御する制御装置２と、を備える。制御装置２は、ユーザが設定する第１設定値と、予め設定される第２設定値とに基づいて走査速度Ｓを決定する。
【選択図】図５

Description

本開示は、レーザおよびアークを用いたレーザ・アークハイブリッド溶接装置に関する。

特開２０２１－４９５６２号公報（特許文献１）では、レーザをパルス状に照射するパルスレーザが用いられる。特許文献１では、レーザをパルス照射することにより、連続照射に比べて、パルス照射時の出力を高めることで溶け込み深さを確保しつつ、平均出力を抑えることで母材（被溶接材）への入熱量を低減することができる。母材への入熱量を抑えることで、例えば、異材接合（ＧＩ鋼板やＧＡ鋼板等の亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム合金板との接合等）の溶接において、溶接に伴ない接合界面に生成される金属間化合物（ＩＭＣ（Intermetallic Compound））の生成量を抑制することができる。

特開２０２１－４９５６２号公報

特許文献１では、レーザが照射される照射領域の形状およびエネルギー密度分布は、回折光学素子（以下「ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）」と称する。）により調整されている。特許文献１では、ＤＯＥを用いたレーザ照射により、入熱量を抑制しつつ溶接金属の接合幅を確保し、接合強度の高い溶接を行なっている。

ここで、板厚または継手形状の変更により必要な接合幅が変化した場合、新たにレーザ照射領域の形状の異なるＤＯＥを作成して、作成したＤＯＥを既存のＤＯＥと交換する必要がある。

しかしながら、新たなＤＯＥの作成および交換には、作成費用および工数が増加する等の問題がある。ＤＯＥの代わりにガルバノスキャナ等のスキャナを用いることも考えられるが、スキャナに用いる各数値の設定にはノウハウが必要であった。

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、ＤＯＥを用いることなく適切な溶接金属の接合幅を確保し、接合強度の高い溶接を行なうことが可能なレーザ・アークハイブリッド溶接装置を提供することである。

本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、レーザおよびアークを用いたレーザ・アークハイブリッド溶接装置に関する。レーザ・アークハイブリッド溶接装置は、被溶接材の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、アーク溶接装置による溶接部よりも溶接進行方向の前方にレーザ光を照射しながら照射位置を走査するように構成されたレーザ照射装置と、レーザ照射装置の走査速度を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、ユーザが設定する第１設定値と、予め設定される第２設定値とに基づいて走査速度を決定する。

好ましくは、第１設定値は、アーク溶接装置の溶接速度と、被溶接材の接合幅と、を含む。第２設定値は、レーザ光のビーム径と、レーザ光のオーバーラップ率と、を含む。

好ましくは、走査速度をＳ（ｍｍ／ｓ）、溶接速度をＶ（ｍｍ／ｓ）、接合幅をＷ（ｍｍ）、ビーム径をＤ（ｍｍ）、オーバーラップ率をＬとした場合、走査速度はＳ＝２ＷＶ／｛Ｄ（１－Ｌ）｝で表される。

好ましくは、ビーム径は、０．１≦Ｄ≦０．５の範囲であり、オーバーラップ率は、０＜Ｌ≦０．９５の範囲である。

本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、板厚または継手形状の変更などの溶接条件が変更になった場合でも、新たなＤＯＥを作成することなく適切な溶接金属の接合幅を確保し、接合強度の高い溶接を行なうことができる。

実施の形態におけるレーザ・アークハイブリッド溶接装置のブロック図である。 実施の形態におけるレーザ・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。 レーザトーチの構成を概略的に示す図である。 レーザトーチから出力されるレーザ光のオーバーラップ率の一例を説明する図である。 走査速度処理を示すフローチャートである。

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、図中同一また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。

図１は、実施の形態におけるレーザ・アークハイブリッド溶接装置のブロック図である。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。）は、制御装置２と、アーク溶接装置３と、レーザ照射装置４と、表示装置５と、入力装置６とを備える。

制御装置２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリ（ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory））と、各種信号を入出力するための入出力ポートとを含んで構成される（いずれも図示せず）。

アーク溶接装置３は、アーク溶接を行なうための装置である。レーザ照射装置４は、連続的またはパルス状にレーザを発振して照射するための装置である。表示装置５は、制御装置２から出力される信号に基づいて各種情報を表示する液晶モニタ等の装置である。入力装置６は、ユーザによる各種パラメータ値の入力を受け付け、制御装置２へ信号を入力する。入力装置６は、例えば、キーボード等のユーザの操作を受付ける装置である。なお、表示装置５がユーザによる各種パラメータ値の入力を受け付けるタッチパネルの機能を有してもよい。

制御装置２のＣＰＵは、ＲＯＭに格納されているプログラムをＲＡＭ等に展開して実行する。ＲＯＭに格納されるプログラムは、制御装置２の処理手順が記されたプログラムである。制御装置２は、これらのプログラムに従って、各機器の制御を実行する。この制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

図２は、実施の形態におけるレーザ・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２を参照して、ハイブリッド溶接装置１は、アーク溶接装置３と、レーザ照射装置４とを備える。アーク溶接装置３は、溶接トーチ１０と、溶接ワイヤ２０と、溶接電源装置３０とを含む。レーザ照射装置４は、レーザトーチ４０と、レーザ発振装置６０とを含む。

このハイブリッド溶接装置１は、各種部材の溶接に用いることができ、異材接合の溶接にも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、このハイブリッド溶接装置１は、例えば、ＧＩ鋼板やＧＡ鋼板等の亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム合金板との異材接合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（例えば５０５２）、６０００番台（例えば６０６３）、７０００番台（例えば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、例えば、重ね隅肉溶接継手や突合せ溶接継手等によって接合される。

溶接トーチ１０、溶接ワイヤ２０、および溶接電源装置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３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および図示しないシールドガス（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。また、図示しないワイヤ送給装置は、溶接ワイヤ２０の送給制御を行なう。

なお、溶接ワイヤ２０に代えて、溶接金属を形成するためのフィラー（溶加材）を添加しつつ非消耗材の電極（タングステン等）を用いてもよい。すなわち、溶接トーチ１０によるアーク溶接は、溶接ワイヤを用いる溶極式（マグ溶接やミグ溶接等）であってもよいし、フィラーの添加を伴なう非溶極式（ティグ溶接等）であってもよい。

溶接電源装置３０は、アーク溶接を行なうための溶接電圧および溶接電流を生成し、生成された溶接電圧および溶接電流を溶接トーチ１０へ出力する。

レーザトーチ４０およびレーザ発振装置６０は、母材７０の接合部に向けてレーザ光５０を照射するレーザ照射装置４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光５０を照射する。レーザトーチ４０からのレーザ光５０は、溶接トーチ１０から発生するアーク２５の近傍、かつアーク２５よりも溶接進行方向の前方に照射される。アーク２５の前方にレーザを照射することで、レーザが照射される場所にアーク２５を誘導することができ、アーク２５を安定させることができる。

本実施の形態のハイブリッド溶接装置１では、レーザトーチ４０およびレーザ発振装置６０は、レーザ光５０をパルス状に照射する。なお、ハイブリッド溶接装置１において連続照射が行なわれるようにしてもよい。

図３は、図２に示したレーザトーチ４０の構成を概略的に示す図である。図３を参照して、レーザトーチ４０は、Ｘスキャンミラー４４Ａと、Ｙスキャンミラー４４Ｂと、光軸制御装置４５と、レンズ４２とを含む。

Ｘスキャンミラー４４Ａ、Ｙスキャンミラー４４Ｂ、および光軸制御装置４５は、被溶接材７０上でレーザ光５０を走査可能なレーザスキャン装置を構成する。Ｘスキャンミラー４４ＡおよびＹスキャンミラー４４Ｂは、レーザ発振装置６０から受けるレーザ光５０を反射してレンズ４２へ出力する。Ｘスキャンミラー４４Ａは、レンズ４２を通じて照射されるレーザ光５０の照射位置８１をＸ方向に変更可能である。Ｙスキャンミラー４４Ｂは、レンズ４２を通じて照射されるレーザ光５０の照射位置８１をＹ方向に変更可能である。

光軸制御装置４５は、Ｘスキャンミラー４４ＡおよびＹスキャンミラー４４Ｂの角度を変更する駆動装置（図示せず）と、駆動装置を制御することによってレーザ光の照射位置８１を調整する図１に示す制御装置２とを含む。駆動装置は、例えば、Ｘスキャンミラー４４Ａを回転駆動するＸ軸モータと、Ｙスキャンミラー４４Ｂを回転駆動するＹ軸モータとによって構成される。このような構成により、被溶接材７０上でレーザ光５０を溶接速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）に対し走査速度Ｓ（ｍｍ／ｓ）で走査することによって、被溶接材７０上に、所定の幅を有する照射領域８２を形成することができる。

レーザトーチ４０およびレーザ発振装置６０から成るレーザ照射装置４においては、アーク溶接装置３による溶接部よりも溶接進行方向の前方にレーザ光５０をパルス状に照射しながら照射位置を走査する。制御装置２は、レーザ照射装置４の走査速度Ｓを制御する。

走査速度Ｓの設定は、アーク溶接装置３の溶接速度、母材７０の接合部における接合幅、レーザ光５０のビーム径、レーザ光５０のオーバーラップ率を考慮して設定する必要がある。オーバーラップ率とは、パルス照射されるｎ番目のレーザ光５０の照射領域（以下「レーザ照射領域」と称する場合がある。）とｎ＋１番目のレーザ照射領域とが重なり合う被り幅をレーザ光の溶接進行方向の照射幅で割った値である。このように、走査速度Ｓの設定は、複数のパラメータの設定の必要がある。複数のパラメータの設定は、パラメータ設定時の作業者の負担を増加させてしまう。

複数のパラメータの設定の代わりにＤＯＥを用いることも考えられる。しかしながら、ＤＯＥにより所望のレーザ光５０が得られない場合に、新たにＤＯＥを作成して、作成したＤＯＥを既存のＤＯＥと交換しなければならない。新たなＤＯＥの作成および交換には、作成費用および工数が増加する等の問題がある。そこで、ＤＯＥを用いることなく、パラメータ設定時の作業者の負担を軽減することが望ましい。以下に、本実施の形態における走査速度の設定について具体的に説明する。

図４は、レーザトーチ４０から出力されるレーザ光５０のオーバーラップ率の一例を説明する図である。本実施の形態において、レーザ光５０は、図４に示すように端部が点ａから点ｂに向けてパルス状に照射される期間と、端部が点ｂから点ｃに位置を戻して照射されない期間と、端部が点ｃから点ｄに向けてパルス状に照射される期間とがある。制御装置２は、レーザ照射装置４を制御して、パルス状の照射を繰り返す。

レーザ光の走査速度をＳ（ｍｍ／ｓ）、溶接速度をＶ（ｍｍ／ｓ）、接合幅をＷ（ｍｍ）、ビーム径をＤ（ｍｍ）、オーバーラップ率をＬ、レーザ光の周波数をｆ（Ｈｚ）とする。走査速度Ｓは、レーザ光の照射期間と非照射期間とを合計した期間の平均速度である。なお、走査速度は、レーザ光の照射期間と非照射期間とで異なるようにしてもよいし、同じであってもよい。また、走査速度Ｓ、溶接速度Ｖの単位は、（ｍｍ／ｓ）ではなく（ｍ／ｍｉｎ）であってもよい。

１周期は、１／ｆ＝２Ｗ／Ｓで表わされる。１周期で溶接進行方向に進む距離は、Ｖ／ｆ＝２ＷＶ／Ｓで表わされる。オーバーラップ率Ｌは、ｎ番目とｎ＋１番目のレーザ照射領域の被り幅／レーザの進行方向の照射幅で表わされるため、以下の式（１）となる。

Ｌ＝｛Ｄ－（ｖ／ｆ）｝／Ｄ＝｛Ｄ－（２ＷＶ／Ｓ）｝／Ｄ＝１－｛（２ＷＶ／ＳＤ）｝ …（１）
式（１）を整理すると、以下の式（２）となる。

Ｓ＝２ＷＶ／｛Ｄ（１－Ｌ）｝ …（２）
ここで、ユーザが設定するアーク溶接装置３の溶接速度Ｖと、母材７０の接合幅Ｗとは、ユーザが設定する第１設定値である。それに対し、レーザ光５０のビーム径Ｄと、レーザ光５０のオーバーラップ率Ｌとは、予め設定される第２設定値である。ビーム径Ｄは、レーザ照射装置４の機器の種類により予め一定値を設定する。オーバーラップ率Ｌは、材質、継手、板厚等により予め一定値を設定する。例えば、ビーム径Ｄは、０．１≦Ｄ≦０．５の範囲が好ましい。オーバーラップ率Ｌは、０＜Ｌ≦０．９５の範囲が好ましい。

したがって、ユーザは、上記式（２）において、溶接速度Ｖと接合幅Ｗとを入力するのみで走査速度Ｓを導き出すことができる。なお、必要な接合幅Ｗ（ｍｍ）は、３≦Ｗ≦１０の範囲が好ましい。

次に、制御装置２が実行するレーザ照射装置４の走査速度Ｓを制御する走査速度処理について説明する。図５は、走査速度処理を示すフローチャートである。図５のフローチャートの処理は、溶接制御のメインルーチンから、サブルーチンとして繰返し呼び出されて実行される。走査速度処理は、各種処理を実行する制御装置２のＣＰＵが実行する処理である。以下では、ＣＰＵが実行するフローチャート中の各ステップを、単に「Ｓ」と表記する。

ＣＰＵは、Ｓ１においてレーザ光５０のビーム径Ｄおよびオーバーラップ率Ｌを設定する。ビーム径Ｄおよびオーバーラップ率Ｌは、予め一定値に設定されているデータである。次いで、ＣＰＵは、Ｓ２においてアーク溶接装置３の溶接速度Ｖおよび被溶接部材である母材７０の接合幅Ｗのデータを取得したか否かを判定する。溶接速度Ｖおよび接合幅Ｗのデータは、ユーザが入力装置６を介して数値を入力することにより、制御装置２に送信される。

ＣＰＵは、溶接速度Ｖおよび接合幅Ｗのデータを取得していないと判定した場合（Ｓ２でＮＯ）、ユーザから溶接速度Ｖおよび接合幅Ｗのデータが送信されるまでＳ２の処理を繰り返す。ＣＰＵは、溶接速度Ｖおよび接合幅Ｗのデータを取得していないと判定した場合（Ｓ２でＮＯ）、ユーザから溶接速度Ｖおよび接合幅Ｗのデータが送信されるまでＳ２の処理を繰り返す。ＣＰＵは、溶接速度Ｖおよび接合幅Ｗのデータを取得していると判定した場合（Ｓ２でＹＥＳ）、Ｓ３の処理へ移行する。

ＣＰＵは、Ｓ３の処理において走査速度を求める関係式であるＳ＝２ＷＶ／｛Ｄ（１－Ｌ）｝に、各設定値を入力する。これにより、ＣＰＵは、レーザ照射装置４の走査速度Ｓを決定する。次いで、ＣＰＵは、決定された走査速度Ｓによりレーザ照射装置４を制御し（Ｓ４）、メインルーチンに処理を戻す。なお、予め式で算出された結果をマップとして記憶しておいて、マップを参照して溶接速度Ｖと接合幅Ｗから走査速度Ｓを求めてもよい。

このように、制御装置２は、ユーザから入力される溶接速度Ｖと接合幅Ｗとのデータのみに基づいて走査速度Ｓを導き出すことができる。したがって、ハイブリッド溶接装置１は、設定される走査速度Ｓにより板厚または継手形状の変更などの溶接条件が変更になった場合でも、新たなＤＯＥを用いることなく適切な溶接金属の接合幅を確保し、接合強度の高い溶接を行なうことができる。

＜各種溶接の結果＞
次に実際の各種溶接の結果について説明する。なお、以下で示すｔは、板厚（thickness）の略記号である。下板鋼ｔ１．６（ｍｍ）、上板アルミｔ３．０（ｍｍ）の重ね隅肉継手の溶接において、ビーム径Ｄが０．４（ｍｍ）のレーザ溶接装置を用い、溶接速度Ｖを１．５（ｍ／ｍｉｎ）、接合幅Ｗを７（ｍｍ）、オーバーラップ率Ｌを０．７とした結果、式（２）より走査速度Ｓは、１７５（ｍ／ｍｉｎ）となった。この条件で溶接を行なったところ、接合幅Ｗが約７（ｍｍ）でかつビード全域で接合する良好な溶接結果が得られた。また、溶接速度Ｖを０．６（ｍ／ｍｉｎ）とした結果、式（２）より走査速度Ｓは、７０（ｍ／ｍｉｎ）となった。この条件で溶接を行なったところ、溶接速度１．５（ｍ／ｍｉｎ）と同様、接合幅Ｗが約７（ｍｍ）でかつビード全域で接合する、良好な溶接結果が得られた。

下板鋼ｔ１．２（ｍｍ）、上板アルミｔ２．０（ｍｍ）の重ね隅肉継手の溶接において、ビーム径Ｄが０．２（ｍｍ）のレーザ溶接装置を用い、溶接速度Ｖを１．２（ｍ／ｍｉｎ）、接合幅Ｗを５（ｍｍ）、オーバーラップ率Ｌを０．６とした結果、式（２）より走査速度Ｓは、１５０（ｍ／ｍｉｎ）となった。この条件で溶接を行なったところ、接合幅Ｗが約５（ｍｍ）でかつビード全域で接合する良好な溶接結果が得られた。また、溶接速度Ｖを１．０（ｍ／ｍｉｎ）とした結果、式（２）より走査速度Ｓは、１２５（ｍ／ｍｉｎ）となった。この条件で溶接を行なったところ、溶接速度１．２（ｍ／ｍｉｎ）と同様、接合幅Ｗが約５（ｍｍ）でかつビード全域で接合する、良好な溶接結果が得られた。

＜まとめ＞
本開示は、レーザおよびアークを用いたレーザ・アークハイブリッド溶接装置１に関する。レーザ・アークハイブリッド溶接装置１は、母材７０の接合部との間にアーク２５を発生させるように構成されたアーク溶接装置３と、アーク溶接装置３による溶接部よりも溶接進行方向の前方にレーザ光５０を照射しながら照射位置を走査するように構成されたレーザ照射装置４と、レーザ照射装置４の走査速度Ｓを制御する制御装置２と、を備える。制御装置２は、ユーザが設定する第１設定値と、予め設定される第２設定値とに基づいて走査速度Ｓを決定する。

好ましくは、第１設定値は、アーク溶接装置３の溶接速度Ｖと、母材７０の接合幅Ｗと、を含む。第２設定値は、レーザ光５０のビーム径Ｄと、レーザ光Ｄのオーバーラップ率Ｌと、を含む。

好ましくは、走査速度をＳ（ｍｍ／ｓ）、溶接速度をＶ（ｍｍ／ｓ）、接合幅をＷ（ｍｍ）、ビーム径をＤ（ｍｍ）、オーバーラップ率をＬとした場合、走査速度はＳ＝２ＷＶ／｛Ｄ（１－Ｌ）｝で表される。

好ましくは、ビーム径Ｄは、０．１≦Ｄ≦０．５の範囲であり、オーバーラップ率Ｌは、０＜Ｌ≦０．９５の範囲である。

本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置１は、上記構成を備えることにより、板厚または継手形状の変更などの溶接条件が変更になった場合でも、ＤＯＥを用いることなく適切な溶接金属の接合幅を確保し、接合強度の高い溶接を行なうことができる。

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。本開示の範囲は、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およ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、２ 制御装置、３ アーク溶接装置、４ レーザ照射装置、５ 表示装置、６ 入力装置、１０ 溶接トーチ、２０ 溶接ワイヤ、２５ アーク、３０ 溶接電源装置、４０ レーザトーチ、４１ ＤＯＥ、４２ レンズ、５０ レーザ光、６０ レーザ発振装置、７０ 母材、８０ 照射領域、Ｄ ビーム径、Ｌ オーバーラップ率、Ｓ 走査速度、Ｖ 溶接速度、Ｗ 接合幅。

Claims (4)

1. レーザおよびアークを用いたレーザ・アークハイブリッド溶接装置であって、
   被溶接材の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、
   前記アーク溶接装置による溶接部よりも溶接進行方向の前方にレーザ光を照射しながら照射位置を走査するように構成されたレーザ照射装置と、
   前記レーザ照射装置の走査速度を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、ユーザが設定する第１設定値と、予め設定される第２設定値とに基づいて前記走査速度を決定する、レーザ・アークハイブリッド溶接装置。
2. 前記第１設定値は、前記アーク溶接装置の溶接速度と、前記被溶接材の接合幅と、を含み、
   前記第２設定値は、前記レーザ光のビーム径と、前記レーザ光のオーバーラップ率と、を含む、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. 前記走査速度をＳ（ｍｍ／ｓ）、前記溶接速度をＶ（ｍｍ／ｓ）、前記接合幅をＷ（ｍｍ）、前記ビーム径をＤ（ｍｍ）、前記オーバーラップ率をＬとした場合、前記走査速度はＳ＝２ＷＶ／｛Ｄ（１－Ｌ）｝で表される、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. 前記ビーム径は、０．１≦Ｄ≦０．５の範囲であり、前記オーバーラップ率は、０＜Ｌ≦０．９５の範囲である、請求項３に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。

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