JP2023135275A - レーザ・アークハイブリッド溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被接合部の表面被膜を除去しつつ、溶接の施工裕度を向上させる。
【解決手段】レーザ・アークハイブリッド溶接装置１は、レーザトーチ４０と、溶接トーチ１０とを備える。レーザトーチ４０は、被接合部３に向けてレーザ５０を照射し、被接合部３の表面被膜を除去する。溶接トーチ１０は、被接合部３との間にアーク２５を発生させて被接合部３を溶接する。溶接トーチ１０は、電極プラス極性および電極マイナス極性の極性比率を変更可能に構成されている。レーザトーチ４０によってレーザ５０を被接合部３に照射後に、溶接トーチ１０における電極マイナス極性の極性比率が５０％以上で被接合部３が溶接される。
【選択図】図１

Description

本発明は、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を開示した先行技術文献として、特開２０２１－４９５６２号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載されたレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、レーザトーチと、溶接トーチとを備える。レーザトーチは、接合部に向けてレーザを照射するように構成されている。溶接トーチは、接合部との間にアークを発生させるように構成されている。レーザ照射およびアーク溶接による入熱によって接合部が溶接され、接合部の接合強度が確保される。

特開２０２１－４９５６２号公報

溶極式アーク溶接は、電極プラス極性および電極マイナス極性の極性比率を適宜変更して溶接を行なう。特許文献１に記載されたレーザ・アークハイブリッド溶接装置においては、アーク溶接の電極マイナス極性の極性比率を高くすると、溶接ワイヤの溶融量が増加するため、溶接の施工裕度を向上させることができる。一方、電極マイナス極性の極性比率を高くすると、電極プラス極性の極性比率が減少するため、被接合部の表面被膜の除去が不十分になる可能性がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、被接合部の表面被膜を除去しつつ、溶接の施工裕度を向上させることができる、レーザ・アークハイブリッド溶接装置を提供することを目的とする。

本発明に基づくレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、レーザトーチと、溶接トーチとを備える。レーザトーチは、被接合部に向けてレーザを照射し、被接合部の表面被膜を除去する。溶接トーチは、被接合部との間にアークを発生させて被接合部を溶接する。溶接トーチは、電極プラス極性および電極マイナス極性の極性比率を変更可能に構成されている。レーザトーチによってレーザを被接合部に照射後に、溶接トーチにおける電極マイナス極性の極性比率が５０％以上で被接合部が溶接される。

この場合、レーザの照射によって被接合部の表面被膜の除去作用を確保しつつ、アーク溶接における電極マイナス極性の極性比率を５０％以上にすることによって、溶接ワイヤの溶融量を増加させることができるため、溶接の施工裕度を向上させることができる。

本発明の一形態においては、レーザトーチのレーザの出力は、電極マイナス極性の極性比率が増加するにしたがって高い。

この場合、電極プラス極性の極性比率の減少に伴い低下する表面被膜の除去作用をレーザの出力を上げることにより確保することができる。

本発明の一形態においては、溶接の進行方向に直交する方向におけるレーザの照射領域の幅は、電極マイナス極性の極性比率が増加するにしたがって広い。

これにより、レーザの照射による表面被膜の除去する幅を広くして、アーク溶接のハンピングを抑制することができる。

本発明の一形態においては、溶接の進行方向に直交する方向におけるレーザの照射領域の幅は、被接合部の脚長に対して１倍以上２倍以下である。

この場合、レーザを適切な幅で照射することにより、レーザの照射による表面被膜の除去作用を確保することができる。

本発明の一形態においては、溶接トーチは、電極マイナス極性の極性比率が７０％以上で被接合部を溶接する。溶接トーチの溶接は、短絡溶接である。

この場合、表面被膜の除去および溶接の施工裕度を確保しつつ、短絡溶接によってスパッタの発生を抑制することができる。

本発明によれば、被接合部の表面被膜を除去しつつ、溶接の施工裕度を向上させることができる。

本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置の構成を示す概略図である。 本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置によって母材が溶接されている状態を示す上面図である。 本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置の母材に対するレーザの照射範囲およびアーク溶接範囲を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置によって溶接された母材の接合状態を示す断面図である。 本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置におけるアーク溶接の電極マイナス極性の極性比率とレーザの出力との関係を示すグラフである。

以下、本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置について図面を参照して説明する。以下の実施の形態の説明においては、図中の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。

なお、図面においては、溶接の進行方向をＤＲ１方向、溶接の進行方向に直交し、かつ母材表面に並行する方向をＤＲ２方向とする。

また、電極プラス極性とは、溶接電源から供給される電流経路における溶接トーチ側が陽極、かつ母材側が陰極の極性状態である。電極マイナス極性とは、溶接電源から供給される電流経路における母材側が陽極、かつ溶接トーチ側が陰極の極性状態である。上述の電極プラス極性をＥＰ極性と称し、電極マイナス極性をＥＮ極性と称する場合がある。さらに、電極プラス極性および電極マイナス極性の極性時間の合計に対して、電極プラス極性の極性比率をＥＰ比率と称し、電極マイナス極性の極性比率をＥＮ比率と称する場合がある。

図１は、本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置の構成を示す概略図である。

図１に示すように、本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１は、溶接トーチ１０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。

レーザ・アークハイブリッド溶接装置１は、金属同士の接合に使用される。レーザ・アーク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２の一方と他方とが、重ね隅肉溶接継手またはフレア溶接継手などにより被接合部３において接合される。

母材２は、たとえば、アルミニウムもしくはマグネシウム、またはこれらの合金により構成されている。母材２は、表面に形成される酸化被膜などの表面被膜の融点が母材２自体の融点よりも高く、さらに母材および表面被膜の融点の温度差が大きいものが好ましい。なお、母材２は、鉄もしくはチタン、またはこれらの合金によって構成されていてもよい。

溶接トーチ１０および溶接電源装置３０は、アーク溶接を行なうための機器である。溶接トーチ１０は、母材２に向けて、溶接ワイヤ２０および図示しないシールドガスを供給する。溶接トーチ１０は、被接合部３との間にアーク２５を発生させて被接合部３を溶接する。具体的には、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２との間にアーク２５を発生させるとともに、母材２に向けてアルゴンガスまたは炭酸ガスなどのシールドガスを供給することによって、被接合部３を溶接する。

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。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の送り速度を制御する。

溶接トーチ１０は、電極プラス極性(ＥＰ極性)および電極マイナス極性(ＥＮ極性)の溶接条件により母材２を溶接可能である。

ＥＰ極性のアーク溶接は、母材２側が溶接電流の陰極になることにより、母材２に電子放出の起点となる陰極点が集中することによって、母材２の表面被膜を除去する。このため、ＥＰ極性のアーク溶接は、母材２自体の融点に対して比較的融点が高い酸化被膜が形成される材料の溶接に適している。

ＥＮ極性のアーク溶接は、溶接トーチ１０側が溶接電流の陰極になることによって、溶接ワイヤ２０に陰極点が集中して、溶接ワイヤ２０の溶融量が増加する。このため、ＥＮ極性のアーク溶接は、母材が薄板の場合に、母材が過剰に溶融しないため、薄板の溶接に適している。また、ＥＮ極性のアーク溶接は、母材の一方および他方が隙間を有する場合に、溶接ワイヤ２０が当該隙間を埋めるため、溶接時の当該隙間を埋めるギャップ裕度を向上させる。すなわち、ＥＮ極性のアーク溶接は、溶接の施工裕度が高い。

溶接トーチ１０は、電極プラス極性および電極マイナス極性の極性比率(ＥＰ比率およびＥＮ比率)を変更可能に構成されている。ＥＰ比率およびＥＮ比率は、インバータ制御により任意に設定することができる。仮に、交流アーク溶接を行なう場合には、インバータ制御によって任意に設定された極性比率でＥＰ極性とＥＮ極性とが交互に入れ替わりながら溶接が行なわれる。

ＥＮ比率を上げた場合、ＥＰ比率は、ＥＮ比率が高くなるにつれて低くなるため、表面被膜の除去効果が低下して表面被膜が除去されないままアーク溶接が行なわれることがある。この場合、アーク溶接においてハンピングが生じやすくなるため、アーク溶接を行なうことが困難になる可能性がある。このため、アルミニウムまたはマグネシウムなどの母材におけるアーク溶接においては、母材の融点と比較して高融点になる表面被膜を除去するために、ＥＰ比率を一定比率以上に保つことが望ましい。アルミニウムまたはマグネシウムなどの母材におけるアーク溶接では、たとえば、ＥＮ比率を２０％～３０％として溶接が行なわれる。

レーザトーチ４０は、被接合部３に向けてレーザ５０を照射し、被接合部３の表面被膜を除去する。レーザトーチ４０およびレーザ発振装置６０は、レーザ５０による溶接を行なうための機器である。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２の被接合部３に向けてレーザ５０を照射することによって被接合部３の表面被膜を除去する。

本実施の形態において、被接合部３へレーザ５０を照射する方法は限定されない。被接合部３へレーザ５０を照射する方法は、たとえば、回折光学素子でレーザ５０を回折させて集光することによって照射してもよいし、レーザトーチ４０の内部でモータによりミラーを駆動させてレーザ５０を走査することによって照射してもよいし、レーザ５０をデフォーカスすることによって照射してもよい。

なお、レーザ５０の照射は、母材２の表面被膜を除去するだけでなく、アーク溶接とともに母材２を溶融してもよい。特に、レーザ・アークハイブリッド溶接装置１におけるアーク溶接のＥＮ比率を高くした場合、母材２と比較して溶接ワイヤ２０が溶融しやすいため、レーザ５０の照射によって母材２を溶融させて、母材２の溶融量を確保することができる。

図２は、本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置によって母材が溶接されている状態を示す上面図である。図３は、本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置の母材に対するレーザの照射範囲およびアーク溶接範囲を示す断面図である。図４は、本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置によって溶接された母材の接合状態を示す断面図である。なお、図２においては、理解を容易にするため、溶接ワイヤ２０、アーク２５およびレーザ５０を図示していない。

図２～図４に示すように、母材２は、第１母材４および第２母材５によって構成されている。第１母材４と第２母材５との間には、隙間Ｇがあいている。第１母材４および第２母材５の各々に、溶接進行方向(ＤＲ１方向)に沿ってアーク２５による溶接およびレーザ５０の照射が行なわれることによって、被接合部３において第１母材４と第２母材５とが互いに接合される。

レーザ５０は、照射領域７０の範囲に照射される。レーザ５０の照射領域７０は、溶接の進行方向に直交する方向(ＤＲ２方向)において幅Ｗを有している。溶接の進行方向に直交する方向(ＤＲ２方向)におけるレーザ５０の照射領域７０の幅Ｗは、被接合部３の脚長Ｌに対して１倍以上２倍以下である。レーザ５０が照射領域７０の範囲に照射されＤＲ１方向に進行することによって、レーザ痕７１が照射領域７０の後方に形成される。

レーザトーチ４０によってレーザ５０を被接合部３に照射後に、溶接トーチ１０における電極マイナス極性の極性比率(ＥＮ比率)が５０％以上で被接合部３を溶接する。アーク２５は、第１母材４および第２母材５を溶融させる。これによって、ＤＲ１方向に沿って溶融池９０を形成しつつ被接合部３が接合される。

溶接の進行方向に直交する方向(ＤＲ２方向)におけるレーザ５０の照射領域７０の幅Ｗは、電極マイナス極性の極性比率(ＥＮ比率)が増加するにしたがって広い。これにより、レーザ５０の照射領域７０の幅ＷをＥＮ比率と連動させて次第に増加させることによって、レーザ５０の照射による表面被膜の除去範囲を広くして、ＥＰ比率が減少することによりアーク溶接の表面被膜の除去作用が低下しても、表面被膜の影響を抑制してアーク溶接を行なうことができる。

図５は、本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置におけるアーク溶接の電極マイナス極性の極性比率とレーザの出力との関係を示すグラフである。

図５に示すように、レーザトーチ４０のレーザ５０の出力は、電極マイナス極性の極性比率(ＥＮ比率)が増加するにしたがって高い。本実施の形態におけるレーザ５０の出力は、ＥＮ比率が５０％である場合、たとえば、０．５ｋＷである。レーザ５０の出力は、ＥＮ比率に比例して増加し、ＥＮ比率が１００％である場合、たとえば、２．０ｋＷである。これにより、ＥＮ比率が増加するにしたがって、レーザ５０による母材２の表面被膜の除去作用は強くなる。なお、必要とするレーザ５０の出力は、レーザ５０のレーザプロファイル、溶接速度、母材の板厚および接手形状によって異なるため、図５において示すレーザ５０の出力に限定されない。

ここで、本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１を用いて母材に対してレーザ・アークハイブリッド溶接を行なった試験結果について説明する。

第１母材および第２母材の各々は、２ｍｍの板厚を有するアルミニウム合金の重ね隅肉継手である。第１母材および第２母材の各々の間には、隙間が１ｍｍあいている。溶接速度を１ｍ／ｍｉｎ、溶接電流を１００Ａおよびワイヤ送給速度を６ｍ／ｍｉｎの条件下において、ＥＮ極性のアーク溶接を行った。その結果、母材が溶融せず、ハンピングが生じた。

次に、上記のアーク溶接に先行して平均出力１．０ｋＷのレーザを照射するレーザ・アークハイブリッド溶接を行なった。その結果、溶接時にハンピングは発生せず、第１母材および第２母材は被接合部において良好に接合した。なお、ＥＰ極性のアーク溶接では、第１母材および第２母材の各々は、被接合部によって互いに接合することができず、良好な溶接結果を得ることができなかった。これにより、本実施の形態における条件下のレーザ・アークハイブリッド溶接を行なうことによって、隙間を有するアルミニウム合金の第１母材および第２母材を良好に接合することが可能であることを確認することができた。

本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１においては、レーザトーチ４０によってレーザ５０を被接合部３に照射後に、溶接トーチ１０における電極マイナス極性の極性比率(ＥＮ比率)が５０％以上で被接合部３を溶接することによって、溶接ワイヤ２０の溶融量を増加させることができるため、レーザ５０の照射によって被接合部３の表面被膜の除去作用を確保しつつ、溶接の施工裕度を向上させることができる。

本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１においては、電極マイナス極性の極性比率(ＥＮ比率)が増加するにしたがってレーザトーチ４０のレーザ５０の出力を高くすることにより、電極プラス極性の極性比率(ＥＰ比率)の減少に伴い低下する表面被膜の除去作用を確保することができる。

本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１においては、溶接の進行方向に直交する方向(ＤＲ２方向)におけるレーザ５０の照射領域の幅Ｗを電極マイナス極性の極性比率(ＥＮ比率)が増加するにしたがって広くすることによって、レーザ５０の照射による表面被膜を十分な範囲で除去して、アーク溶接のハンピングを抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１においては、溶接の進行方向に直交する方向(ＤＲ２方向)におけるレーザ５０の照射領域７０の幅Ｗが、被接合部３の脚長Ｌに対して１倍以上２倍以下であることによって、レーザ５０を適切な幅Ｗで照射することにより、レーザ５０の照射による表面被膜の除去作用を確保することができる。

以下、本発明の一実施の形態の変形例に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置について説明する。本変形例に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、溶接トーチの溶接条件が本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１と異なるため、本発明の一実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１と同様である構成については説明を繰り返さない。

本発明の一実施の形態の変形例に係る溶接トーチは、電極マイナス極性の極性比率(ＥＮ比率)が７０％以上で被接合部を溶接する。ＥＮ比率が７０％を超える場合、アーク溶接の陰極点が溶接ワイヤの先端および側面に生成されるため、溶接ワイヤの溶融時の溶滴の形成が不安定になる。アーク溶接がパルス溶接である場合には、パルス電流の周期が不安定になるため、溶接が不安定になってスパッタを生ずる可能性がある。

本変形例における溶接トーチの溶接は、短絡溶接である。短絡溶接によって、溶接ワイヤの溶滴を溶接ワイヤおよび母材に接触させつつ溶接することによって、パルス溶接と比較して、溶接中のスパッタの発生を防ぐことができる。

本発明の一実施の形態の変形例に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置においては、溶接トーチの電極マイナス極性の極性比率(ＥＮ比率)が７０％以上で被接合部を溶接し、かつ、溶接トーチの溶接が短絡溶接であることによって、表面被膜の除去および溶接の施工裕度を確保しつつ、短絡溶接によってスパッタの発生を抑制することができる。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本開示の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではない。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。上述した実施の形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

１ レーザ・アークハイブリッド溶接装置、３ 被接合部、１０ 溶接トーチ、２５ アーク、４０ レーザトーチ、５０ レーザ、７０ 照射領域、Ｌ 脚長、Ｗ 幅。

Claims (5)

1. 被接合部に向けてレーザを照射し、前記被接合部の表面被膜を除去するレーザトーチと、
   前記被接合部との間にアークを発生させて前記被接合部を溶接する溶接トーチとを備え、
   前記溶接トーチは、電極プラス極性および電極マイナス極性の極性比率を変更可能に構成されており、
   前記レーザトーチによって前記レーザを前記被接合部に照射後に、前記溶接トーチにおける前記電極マイナス極性の前記極性比率が５０％以上で前記被接合部を溶接する、レーザ・アークハイブリッド溶接装置。
2. 前記レーザトーチの前記レーザの出力は、前記電極マイナス極性の前記極性比率が増加するにしたがって高い、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. 溶接の進行方向に直交する方向における前記レーザの照射領域の幅は、前記電極マイナス極性の前記極性比率が増加するにしたがって広い、請求項１または請求項２に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。
4. 前記溶接の進行方向に直交する方向における前記レーザの照射領域の幅は、前記被接合部の脚長に対して１倍以上２倍以下である、請求項３に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。
5. 前記溶接トーチは、前記電極マイナス極性の前記極性比率が７０％以上で前記被接合部を溶接し、
   前記溶接トーチの溶接は、短絡溶接である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。
   

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