JP3591630B2

JP3591630B2 - Laser-arc combined welding method and welding apparatus

Info

Publication number: JP3591630B2
Application number: JP2000011830A
Authority: JP
Inventors: 瀬孝邦岩; 元宏規坂; 上雅之井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: JP2001205465A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼やアルミニウム合金などの溶接技術に係わり、さらに詳しくは、レーザとアークとを併用することにより、例えば突合わせ溶接や重ね溶接、隅肉溶接などを高能率に行うことができるレーザ−アーク複合溶接方法と、このようなレーザ−アーク複合溶接を行うための溶接装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アークとレーザとを併用して溶接する工法としては、従来、例えば特開平６−２３８４７４号工法に記載されたものが知られている。この公報によれば、予熱用のＴＩＧ溶接用トーチをレーザトーチの前方に配置し、ＴＩＧアークで予熱した部位にレーザを照射することにより、低出力のレーザ発振器でも厚い材料の加工が可能になると記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者による実験によれば、レーザ照射位置の前方にアーク電極を配した場合には、溶接速度が比較的低速のときには、さほど問題はないものの、溶接速度を高くするとアークが不安定となって、溶接ビードに乱れが生じる傾向があり、高速での溶接性に問題点があることが確認され、このような問題点を解消することが従来のレーザ−アーク複合溶接方法における課題となっていた。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、従来のレーザ−アーク複合溶接方法における上記課題に着目してなされたものであって、高速溶接においてもアークが不安定となることがなく、良好な形状の溶接ビードが得られ、溶接作業能率の大幅な向上が可能なレーザ−アーク複合溶接方法、さらにはこのようなレーザ−アーク複合溶接を行うための溶接装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わるレーザ−アーク複合溶接方法は、アーク電極に対する溶接進行方向の前方と後方とにレーザビームを照射する溶接方法であって、アーク電極前方に配される先導ビームの焦点がアーク電極の軸中心線が被溶接材表面に交わる電極中心点に対して溶接進行方向前方側５ｍｍ未満の範囲内に位置し、アーク電極後方に配される後続ビームの焦点が前記電極中心点に対して溶接進行方向後方側３〜１０ｍｍの範囲内に位置するように先導ビームおよび後続ビームを照射する構成としたことを特徴としており、レーザ−アーク複合溶接方法におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００６】
本発明の請求項２に係わるレーザ−アーク複合溶接方法においては、アーク電極がＴＩＧ電極である構成とし、請求項３に係わるレーザ−アーク複合溶接方法においては、アーク電極がＭＩＧ電極である構成としている。
【０００７】
また、本発明の請求項４に係わるレーザ−アーク複合溶接方法においては、ビーム焦点の高さが被溶接材表面から表面下１．０ｍｍまでの範囲内となるように後続ビームを照射する構成とし、請求項５に係わるレーザ−アーク複合溶接方法においては、被溶接材がアルミニウム合金材である構成とし、さらに本発明の請求項６に係わるレーザ−アーク複合溶接方法においては、先導ビームのパワー密度が１７ｋＷ／ｍｍ^２以上、後続ビームのパワー密度が２１．２ｋＷ／ｍｍ^２以上である構成としたことをそれぞれ特徴としている。
【０００８】
本発明の請求項７に係わるレーザ−アーク複合溶接装置は、アーク電極を保持するアークトーチと、アーク電極の軸中心線が被溶接材表面に交わる電極中心点に対して溶接進行方向前方側５ｍｍ未満の範囲内に焦点が位置するように先導ビームを照射する第１のレーザヘッドと、前記電極中心点に対して溶接進行方向後方側３〜１０ｍｍの範囲内に焦点が位置するように後続ビームを照射する第２のレーザヘッドと、上記アークトーチのアーク電極と同軸にアルゴン，ヘリウムなどの不活性ガスを供給するガスノズルを備えている構成とし、本発明の請求項８に係わるレーザ−アーク複合溶接装置は、アーク電極を保持するアークトーチと、２本の光ファイバを介して伝送されたＹＡＧレーザを２つのビームスポットにそれぞれ集光する光学系を有し、一方のビームをその焦点がアーク電極の軸中心線が被溶接材表面に交わる電極中心点に対して溶接進行方向前方側５ｍｍ未満の範囲内に位置するように照射し、他方のビームをその焦点が前記電極中心点に対して溶接進行方向後方側３〜１０ｍｍの範囲内に位置するように照射するレーザヘッドと、上記アークトーチのアーク電極と同軸にアルゴン，ヘリウムなどの不活性ガスを供給するガスノズルを備えている構成とし、さらに本発明の請求項９に係わるレーザ−アーク複合溶接装置は、アーク電極を保持するアークトーチと、１本の光ファイバを介して伝送されたＹＡＧレーザをビームスプリッタによって２つのビームスポットに集光する光学系を有し、一方のビームをその焦点がアーク電極の軸中心線が被溶接材表面に交わる電極中心点に対して溶接進行方向前方側５ｍｍ未満の範囲内に位置するように照射し、他方のビームをその焦点が前記電極中心点に対して溶接進行方向後方側３〜１０ｍｍの範囲内に位置するように照射するレーザヘッドと、上記アークトーチのアーク電極と同軸にアルゴン，ヘリウムなどの不活性ガスを供給するガスノズルを備えている構成とし、レーザ−アーク複合溶接装置におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としたことを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接方法は、溶接進行方向に対して、アーク電極の前方と後方とにレーザビームを照射するようにしたものであり、当該溶接方法においては、アーク電極の前方に位置する先導ビームの照射により誘起されるプラズマによってアーク電極から発生するアークが安定すると共に、先導ビームとアークによって形成された溶融池に後続のレーザビームが効率良く吸収されることから、高速溶接時にも深い溶け込みの溶接ビードが安定して得られることになる。
【００１０】
このとき、アーク電極としては、請求項２および請求項３に記載しているように、ＴＩＧ電極およびＭＩＧ電極のいずれをも使用することができる。すなわち非消耗式のタングステン電極と被溶接材との間にアークを発生させるようにしても、連続的に供給されるフィラーワイヤの先端と被溶接材との間にアークを発生させるようにしても実質的に同様の効果が得られる。
【００１１】
なお、先導ビームおよび後続ビームの照射位置については、先導ビームを電極中心点（アーク電極の軸中心線が被溶接材表面に交わる点）に対して溶接進行方向前方側５ｍｍ未満の範囲内に先導ビームの焦点が位置するように照射し、後続ビームを前記電極中心点に対して溶接進行方向後方側３〜１０ｍｍの範囲内に後続ビームの焦点が位置するように照射することによって高速溶接時においてもアークがより安定すると共に、より深い溶け込みが得られることになる。このとき、後続ビームについては、さらに深い溶け込みが得られることから、請求項４に記載しているように、その焦点高さ位置が被溶接材の表面下１．０ｍｍまでの範囲となるように照射することが望ましい。
【００１２】
本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接方法は、金属材料全般の溶接に適用することができるが、アーク熱を併用していると共に、レーザビームを先導ビームと後続ビームとに分割することにより溶接部に供給されるエネルギー密度の合計を高くすることができるので、請求項５に記載しているように、特にレーザの反射率が高いアルミニウム合金に適用した場合にその効果が大きい。
【００１３】
そして、本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接方法をこのようなアルミニウム合金に適用した場合、高速溶接において十分な溶け込み深さを得るためには、請求項６に記載しているように、先導ビームのパワー密度を１７ｋＷ／ｍｍ^２以上、後続ビームのパワー密度を２１．２ｋＷ／ｍｍ^２以上とすることが望ましい。すなわち、先導レーザのパワー密度が１７ｋＷ／ｍｍ^２未満の場合にはレーザ照射によるプラズマが十分に形成されず、高速溶接時のアーク安定化の効果が得られなくなる傾向があり、後追レーザのパワー密度が２１．２ｋＷ／ｍｍ^２に満たない場合には、最も使用頻度の高い板厚１．０〜３．０ｍｍのアルミニウム合金の重ね溶接において、高速で十分な溶け込み深さが得られなくなることがあることによる。
【００１４】
このようなレーザ−アーク複合溶接を行うための装置としては、請求項７に記載しているように、先導ビームを所定の位置、すなわちその焦点が電極中心点に対して溶接進行方向前方側５ｍｍ未満の範囲内に位置するように照射するためのレーザヘッドと、後続ビームを所定の位置、すなわちその焦点が電極中心点に対して溶接進行方向後方側３〜１０ｍｍの範囲内に位置するように照射するためのレーザヘッドとをそれぞれアークトーチの前後に設けたものや、請求項８に記載しているように、２本の光ファイバから伝送されたレーザビームをレーザヘッド部で平行に束ね、２つのビームスポットに集光させ、一方のビームをアーク電極の上記前方位置へ、他方のビームをアーク電極の上記後方位置へそれぞれ照射するようにしたもの、さらには請求項９に記載しているように、１本の光ファイバから伝送されたレーザビームをレーザヘッド部でビームスプリッタによって２つのビームスポットに集光させ、一方のビームをアーク電極の上記前方位置へ、他方のビームをアーク電極の上記後方位置へそれぞれ照射するようにしたものを用いることができる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わるレーザ−アーク複合溶接方法は、上記構成、すなわち溶接進行方向に対して、アーク電極の前方と後方、すなわち先導ビームの焦点が電極中心点に対して溶接進行方向前方側５ｍｍ未満の範囲内に位置し、後続ビームの焦点が同じく電極中心点に対して溶接進行方向後方側３〜１０ｍｍの範囲内に位置するように、レーザビームをそれぞれ照射するようにしたものであるから、アーク電極に先行する先導ビームの照射によって発生するプラズマがアークを安定化すると共に、後続するレーザビームが先導ビームとアークによって形成された溶融池に効率良く吸収されるので、高速溶接時においても深い溶け込みの溶接ビードが極めて安定して得られるようになるという極めて優れた効果をもたらすものである。
【００１６】
本発明の請求項２および請求項３に係わるレーザ−アーク複合溶接方法においては、アーク電極としてＴＩＧ電極あるいはＭＩＧ電極を用いるようにしているので、安定なアークを得ることができ、欠陥のない良好な溶接部を得ることができ、請求項４に係わるレーザ−アーク複合溶接方法においては、後続ビームをその焦点高さが被溶接材表面から表面下１．０ｍｍまでの範囲内となるように照射するようにしているので、さらに深い溶け込みを得ることができる。
【００１７】
また、本発明の請求項５に係わるレーザ−アーク複合溶接方法においては、当該溶接方法をアルミニウム合金材に適用するようにしているので、レーザビームの反射率が高いアルミニウム合金材の溶接にも、通常のレーザ溶接法に較べてより広く対応することができ、本発明の請求項６に係わるレーザ−アーク複合溶接方法においては、このようなアルミニウム合金材の溶接に際して、先導ビームのパワー密度を１７ｋＷ／ｍｍ^２以上、後続ビームのパワー密度を２１．２ｋＷ／ｍｍ^２以上として溶接するようにしているので、最も使用頻度の高い板厚のアルミニウム合金の高速重ね溶接においても、プラズマによるアークの安定化作用を十分なものとして溶け込みの深い健全な溶接部を確実に得ることができるという優れた効果がもたらされる。
【００１８】
一方、本発明の請求項７に係わるレーザ−アーク複合溶接装置は、アーク電極を有するアークトーチと、不活性ガスを供給するガスノズルと、第１のレーザヘッドと、第２のレーザヘッドを備え、第１および第２のレーザヘッドによって先導ビームおよび後続ビームをアークトーチの前方および後方側の所定位置にそれぞれ照射するようにしたものであり、本発明の請求項８に係わるレーザ−アーク複合溶接装置は、同じくアークトーチと、ガスノズルと、レーザヘッドを備え、レーザヘッドが２本の光ファイバを介して伝送されたＹＡＧレーザを２つのビームスポットに集光する光学系を有し、集光された両ビームをアーク電極の前方および後方側の所定位置にそれぞれ照射するようにしたものであり、本発明の請求項９に係わるレーザ−アーク複合溶接装置は、同じくアークトーチと、ガスノズルと、レーザヘッドを備え、レーザヘッドが１本の光ファイバを介して伝送されたＹＡＧレーザをビームスプリッタによって２つのビームスポットに集光する光学系を有し、集光された両ビームをアーク電極の前方および後方側の所定位置にそれぞれ照射するようにしたものであるから、いずれも本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接方法を実施するのに好適な構造を備え、当該装置を使用することにより、本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接方法を容易に実施することができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
【００２０】
図１は、本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接を行うための装置の一実施例を示すものであって、図に示すレーザ−アーク複合溶接装置１は、アークトーチとしてのＭＩＧトーチ２と、図中に矢印で示す溶接進行方向に対して、ＭＩＧトーチ２の前方側に位置する第１のレーザヘッド３ａと、ＭＩＧトーチ２の後方側に位置する第２のレーザヘッド３ｂを備えている。
【００２１】
ＭＩＧトーチ２は、コンジットケーブル４を介して図示しないＭＩＧ溶接装置に連結されており、消耗電極（アーク電極）となるフィラーワイヤ５が送給されると共に、ＭＩＧトーチ２はフィラーワイヤ５の周囲に開口するガスノズル２ａを備え、アルゴンなどの不活性ガスからなるシールドガスをフィラーワイヤＷと同軸に供給するようになっている。一方、第１および第２のレーザヘッド３ａおよび３ｂは、光ファイバー６ａおよび６ｂを介して図示しないＹＡＧレーザ発振器に接続され、前記フィラーワイヤ５が被溶接材Ｗに交わる点（以後、電極中心点と称する）の前後位置にレーザビームＢ１（先導ビーム）およびＢ２（後続ビーム）をそれぞれ照射するようになっている。
【００２２】
このようなレーザ−アーク複合溶接装置１を用いて、ＭＩＧトーチ２によるアーク電圧を２２Ｖ、電流を１８０Ａとすると共に、先導レーザビームＢ１の出力を１．２ｋＷ、後続レーザビームＢ２の出力を２．８ｋＷとし、図２（ａ）に拡大して示すように、フィラーワイヤ５が被溶接材Ｗに交わる電極中心点と先導ビームＢ１の焦点との距離ｄ１を２ｍｍ、電極中心点と後続ビームＢ２の焦点との距離ｄ２を５ｍｍとして、板厚２ｍｍのアルミニウム合金材Ｗ１，Ｗ２を２枚重ねて、上方の合金材Ｗ１の側から重ね溶接を行った。
【００２３】
図３は、このようにして得た重ね溶接継手の引張り強さと溶接速度との関係を、図２（ｂ）および（ｃ）に示すように、先導ビームＢ１のみの場合、および後続ビームＢ２のみの場合と比較して示す図である。なお、先導ビームＢ１、あるいは後続ビームＢ２のみの場合には、上記した本発明方法の場合のトータルレーザ出力に合わせて、これらレーザビームの出力を４ｋＷとした。
【００２４】
この結果、図２（ｂ）に示ように、後続ビームＢ２を照射することなく先導ビームＢ１のみを照射した場合には、溶接速度が４ｍ／ｍｉｎを超えると、十分な溶け込みが得られなくなって引張り強さが低下し始めた。また、先導ビームＢ１を照射することなく後続ビームＢ２のみを照射した場合には、溶接速度が５ｍ／ｍｉｎを超えるまで引張り強さが確保されるが、５ｍ／ｍｉｎを超えると急激に低下する傾向が認められた。これに対し、アークの前後に先導ビームＢ１および後続ビームＢ２を照射するようにした本発明に係わる溶接方法の場合には、溶接速度７ｍ／ｍｉｎまで強度低下なく溶接ができることが確認された。
【００２５】
また、溶接ビードを観察すると、後続ビームＢ２のみの場合には溶接速度が６ｍ／ｍｉｎとなると、十分にアークが形成されず、極めて不安定なビード外観となっていた。一方、先導ビームＢ１のみの場合には外観上は高速域まで問題のない溶接ビードが得られるものの、溶け込み深さが浅いために十分な溶接強度が得られない結果となった。これに対し、本発明に係わる溶接方法の場合には、先導ビームＢ１によって安定なアークが得られ、先導ビームＢ１とアークによって形成された溶融池に後続ビームＢ２が照射されて効率良くエネルギーが吸収されたため、高速での溶接が可能になったものと考えられる。
【００２６】
図４は、後続ビームＢ２の焦点をフィラーワイヤ５の先端部、すなわち電極中心点から５ｍｍ後方の位置（ｄ２＝５ｍｍ）に固定し、先導ビームＢ１の位置を変えて、溶接速度７ｍ／ｍｉｎで同様に溶接したときの溶け込み深さの変化を示すものであって、これによれば、先導ビームＢ１の焦点位置が電極中心点から５ｍｍを超えて離れると、溶け込み深さが浅くなる傾向が認められた。これは先導ビームＢ１がアークから離れ過ぎると、プラズマによる高速溶接時のアークを安定させる効果が小さくなったことによると考えられる。
【００２７】
また、図５は、先導ビームＢ１の焦点位置を電極中心点から２ｍｍ前方（ｄ１＝２ｍｍ）に固定し、後続ビームＢ２の位置を変えて、溶接速度７ｍ／ｍｉｎで同様に溶接したときの溶け込み深さの変化を示すものであって、この結果によれば、後続ビームＢ２の焦点位置が電極中心点から３〜１０ｍｍの範囲にある場合に深い溶け込みが得られることが確認された。
【００２８】
さらに、図６は、先導ビームＢ１の焦点を電極中心点から２ｍｍ前方（ｄ１＝２ｍｍ）に、後続ビームＢ２の焦点を電極中心点から５ｍｍ後方（ｄ２＝５ｍｍ）の位置にそれぞれ固定し、後続ビームＢ２の焦点高さ位置を変えて、溶接速度７ｍ／ｍｉｎで同様に溶接したときの溶け込み深さの変化を示すものであって、これによると、後続ビームＢ２の焦点高さが被溶接材Ｗの表面から被溶接材Ｗの内部方向に１．０ｍｍまでの範囲内の位置にある場合に深い溶け込みが得られることが判明した。
【００２９】
加えて、先導ビームＢ１の出力については、ビーム径０．３ｍｍにおいて、出力が１．２ｋＷよりも低い場合、すなわちパワー密度が１７ｋＷ／ｍｍ^２に満たない場合には、アークが不安定な傾向となる現象が観察された。これは、先導ビームＢ１のパワー密度が低すぎると被溶接材Ｗの表面におけるビームの反射が大きくなるためと考えられる。後続ビームＢ２の出力については、低くても溶接は可能であるが、例えば自動車などに一般的に使用される板厚０．６〜３．０ｍｍ程度の鋼板やアルミニウム合金を高速で溶接するには、パワー密度が２１．２ｋＷ／ｍｍ^２に満たない場合には、不十分な溶け込みによる強度不足が生じ易くなる傾向が認められた。
【００３０】
図７は、本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接を行うための装置の他の実施例を示すものであって、図に示すレーザ−アーク複合溶接装置１１は、アークトーチとしてのＭＩＧトーチ２と、レーザヘッド１３から主に構成されており、当該レーザヘッド１３は、その内部にコリメーションレンズ１３ａおよびフォーカシングレンズ１３ｂからなる光学系を備えており、図外のＹＡＧレーザ発振器から２本の光ファイバー６ａおよび６ｂを介して伝送されたレーザを２つのビームスポットにそれぞれ集光し、先導ビームＢ１および後続ビームＢ２としてＭＩＧトーチ２から供給されるフィラーワイヤ５の前方および後方側にそれぞれ照射するようになっている。
【００３１】
図８は、本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接を行うための装置のさらに他の実施例を示すものであって、図に示すレーザ−アーク複合溶接装置２１は、上記実施例に係わるレーザ−アーク複合溶接装置１１と同様に、アークトーチとしてのＭＩＧトーチ２と、レーザヘッド２３から主に構成され、当該レーザヘッド２３は、その内部にコリメーションレンズ２３ａ，フォーカシングレンズ２３ｂおよびビームスプリッタ２３ｃからなる光学系を備えており、光ファイバー６を介して図外のＹＡＧレーザ発振器から伝送されたレーザビームをビームスプリッタ２３ｃによって分割して２つのビームスポットに集光し、先導ビームＢ１および後続ビームＢ２としてＭＩＧトーチ２から供給されるフィラーワイヤ５の前方および後方側にそれぞれ照射するようになっており、上記各実施例に係わるレーザ−アーク複合溶接装置１および１１と同様の機能を有している。
【００３２】
なお、上記実施例においては、いずれもアーク電極としてＭＩＧ電極を用いた例を示したが、ＴＩＧ電極によっても基本的に同様の作用効果が得られることが確認されている。また、このとき、必要に応じてフィラーワイヤのような溶加材を溶融池に供給することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接装置の一実施例を示す説明図である。
【図２】（ａ）図１に示したレーザ−アーク複合溶接装置におけるアーク電極、先導ビームおよび後続ビームの配置を示す概略説明図である。
（ｂ）先導ビームのみを用いた比較例におけるアーク電極とビームの配置を示す概略説明図である。
（ｃ）後続ビームのみを用いた比較例におけるアーク電極とビームの配置を示す概略説明図である。
【図３】本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接における溶接速度を先導ビームあるいは後続ビームのみを用いた比較例に係わるレーザ−アーク複合溶接の場合と比較して示すグラフである。
【図４】本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接における溶け込み深さと先導ビームの焦点位置の関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接における溶け込み深さと後続ビームの焦点位置の関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接における溶け込み深さと後続ビームの焦点高さ位置の関係を示すグラフである。
【図７】（ａ）本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接装置の他の実施例を示す説明図である。
（ｂ）図７（ａ）に示したレーザ−アーク複合溶接装置の上方からの矢視図である。
【図８】本発明に係わるレーザ−アーク複合溶接装置のさらに別の実施例を示す説明図である。
【符号の説明】
１，１１，２１レーザ−アーク複合溶接装置
２ＭＩＧトーチ（アークトーチ）
２ａガスノズル
３ａ第１のレーザヘッド
３ｂ第２のレーザヘッド
５フィラーワイヤ（アーク電極）
６，６ａ，６ｂ光ファイバー
１３，２３レーザヘッド
１３ａ，２３ａコリメーションレンズ（光学系）
１３ｂ，２３ｂフォーカシングレンズ（光学系）
２３ｃビームスプリッタ（光学系）
Ｂ１先導ビーム（レーザビーム）
Ｂ２後続ビーム（レーザビーム）
Ｗ，Ｗ１，Ｗ２被溶接材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a welding technique such as steel or aluminum alloy, and more specifically, a laser capable of performing, for example, butt welding, lap welding, fillet welding, etc. with high efficiency by using a laser and an arc in combination. The present invention relates to an arc composite welding method and a welding apparatus for performing such laser-arc composite welding.
[0002]
[Prior art]
As a method of welding using both an arc and a laser, a method described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-238474 has been known. According to this publication, a TIG welding torch for preheating is arranged in front of a laser torch, and a laser is irradiated to a portion preheated with a TIG arc, so that a thick material can be processed even with a low-power laser oscillator. Has been.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to experiments by the present inventor, when the arc electrode is arranged in front of the laser irradiation position, there is no problem when the welding speed is relatively low, but the arc becomes unstable when the welding speed is increased. Therefore, it is confirmed that there is a tendency for the weld bead to be disturbed and there is a problem in the weldability at a high speed, and solving such a problem is a problem in the conventional laser-arc composite welding method. It was.
[0004]
OBJECT OF THE INVENTION
The present invention has been made paying attention to the above problems in the conventional laser-arc combined welding method, the arc does not become unstable even in high-speed welding, and a well-shaped weld bead is obtained, It is an object of the present invention to provide a laser-arc composite welding method capable of significantly improving the welding work efficiency, and a welding apparatus for performing such laser-arc composite welding.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
A laser-arc combined welding method according to claim 1 of the present invention is a welding method in which a laser beam is irradiated forward and backward in the welding progress direction with respect to an arc electrode, and a focal point of a leading beam disposed in front of the arc electrode. Is positioned within a range of less than 5 mm on the front side in the welding direction with respect to the electrode center point where the axis center line of the arc electrode intersects the surface of the workpiece, and the focal point of the subsequent beam arranged behind the arc electrode is the electrode center point With respect to the welding progress direction, the configuration is such that the leading beam and the subsequent beam are irradiated so as to be within a range of 3 to 10 mm on the rear side in the welding progress direction. Such a configuration in the laser-arc combined welding method has been described above. It is a means for solving the conventional problems.
[0006]
In the laser-arc combined welding method according to claim 2 of the present invention, the arc electrode is a TIG electrode, and in the laser-arc combined welding method according to claim 3, the arc electrode is a MIG electrode. Yes.
[0007]
In the laser-arc combined welding method according to claim 4 of the present invention, the subsequent beam is irradiated so that the height of the beam focus is within the range from the surface of the workpiece to be welded to 1.0 mm below the surface. In the laser-arc composite welding method according to claim 5 , the material to be welded is an aluminum alloy material. Further, in the laser-arc composite welding method according to claim 6 , the power density of the leading beam is used. There 17 kW / mm ² or more, the power density of the subsequent beam is respectively characterized in that a configuration is 21.2kW / mm ² or more.
[0008]
A laser-arc combined welding apparatus according to claim 7 of the present invention includes an arc torch for holding an arc electrode, and an electrode center point at which the axial center line of the arc electrode intersects the surface of the material to be welded, 5 mm forward in the welding direction. A first laser head that irradiates the leading beam so that the focal point is located within the range below, and the subsequent beam so that the focal point is located within the range of 3 to 10 mm behind the electrode center point in the welding progress direction a second laser head for irradiating, the arc electrode coaxial with the arc torch and argon, a configuration provided with a gas nozzle for supplying an inert gas such as helium, a laser according to claim 8 of the present invention - arc hybrid The welding apparatus is an optical system that focuses an arc torch holding an arc electrode and a YAG laser transmitted via two optical fibers into two beam spots. The a, a one beam whose focal axis center line of the arc electrode is irradiated to lie within a range of less than welding direction front side 5mm relative to the electrode center point intersecting the workpieces surface, the other a laser head for irradiating to the beam its focus located within the welding direction rear side 3~10mm respect to the electrode center point, argon arc electrode coaxially of said arc torch, inert, such as helium A laser-arc combined welding apparatus according to claim 9 of the present invention is provided with a gas nozzle for supplying a gas, and further includes an arc torch for holding an arc electrode and a YAG transmitted through one optical fiber. an optical system which collects the two beam spots of the laser by the beam splitter, one beam that focus shaft axis of the arc electrode Majiwa the workpieces surface Irradiated to lie within a range of less than welding direction front side 5mm relative to the electrode center point, to the other beam whose focal point within the welding direction rear side 3~10mm respect to the electrode center point a laser head for irradiating so as to be positioned, the arc electrode coaxially of said arc torch argon, an inert gas such as helium and a configuration provided with a gas nozzle for supplying a laser - such a configuration in the arc hybrid welding apparatus It is characterized by being a means for solving the above-described conventional problems.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The laser-arc combined welding method according to the present invention is such that a laser beam is irradiated to the front and rear of the arc electrode with respect to the welding progress direction. The arc generated from the arc electrode is stabilized by the plasma induced by the irradiation of the leading beam, and the subsequent laser beam is efficiently absorbed by the molten pool formed by the leading beam and the arc. However, a deep penetration weld bead can be obtained stably.
[0010]
At this time, as the arc electrode, as described in claim 2 and claim 3, any of a TIG electrode and an MIG electrode can be used. In other words, an arc may be generated between the non-consumable tungsten electrode and the material to be welded, or an arc may be generated between the tip of the filler wire continuously supplied and the material to be welded. A substantially similar effect can be obtained.
[0011]
As for the irradiation position of the leading beam and the succeeding beam, the leading beam is guided within a range of less than 5 mm forward of the welding progress direction with respect to the electrode center point (the point where the axial center line of the arc electrode intersects the surface of the workpiece). During high-speed welding, irradiation is performed so that the focal point of the beam is positioned, and the subsequent beam is irradiated so that the focal point of the subsequent beam is positioned within the range of 3 to 10 mm on the rear side in the welding progress direction with respect to the electrode center point. As a result, the arc becomes more stable and deeper penetration is obtained. At this time , since the deeper penetration is obtained with respect to the subsequent beam, as described in claim 4 , the focal height position is in a range up to 1.0 mm below the surface of the workpiece. Irradiation is desirable.
[0012]
The laser-arc combined welding method according to the present invention can be applied to welding of metal materials in general, and uses arc heat together and divides the laser beam into a leading beam and a succeeding beam to weld a welded portion. Since the total energy density supplied to can be increased, the effect is great particularly when applied to an aluminum alloy having a high laser reflectivity, as described in claim 5 .
[0013]
When the laser-arc combined welding method according to the present invention is applied to such an aluminum alloy, in order to obtain a sufficient penetration depth in high-speed welding, a leading beam is used as described in claim 6. power density 17 kW / mm ² or more, it is desirable that the power density of the subsequent beam 21.2kW / mm ² or more. That is, when the power density of the leading laser is less than 17 kW / mm ^2, plasma due to laser irradiation is not sufficiently formed, and there is a tendency that the effect of arc stabilization during high-speed welding cannot be obtained. When the density is less than 21.2 kW / mm ² , a sufficient penetration depth may not be obtained at a high speed in the lap welding of the most frequently used aluminum alloy having a thickness of 1.0 to 3.0 mm. It depends.
[0014]
As an apparatus for performing such laser-arc combined welding, as described in claim 7, the leading beam is placed at a predetermined position, that is, its focal point is 5 mm forward in the welding traveling direction with respect to the electrode center point. A laser head for irradiating the laser beam so as to be positioned within a range of less than that, and a subsequent beam at a predetermined position, that is, so that its focal point is positioned within a range of 3 to 10 mm on the rear side in the welding progress direction with respect to the electrode center point. A laser head for irradiation and a laser head respectively provided before and after the arc torch, or as described in claim 8, the laser beams transmitted from two optical fibers are bundled in parallel at the laser head unit, It is converged on the two beam spots, one of the beams to the forward position of the arc electrode, those to irradiate respective other beam into the rearward position of the arc electrode, and As described in claim 9, the laser beam transmitted from one optical fiber is focused into two beam spots by a beam splitter in the laser head unit, the front of the arc electrodes one beam to the position, it is possible to use those to irradiate respective other beam into the rearward position of the arc electrode.
[0015]
【The invention's effect】
The laser-arc combined welding method according to claim 1 of the present invention has the above configuration, that is, the front and rear of the arc electrode with respect to the welding progress direction, that is, the focal point of the leading beam is forward with respect to the electrode center point in the welding progress direction. The laser beam is respectively irradiated so that the focal point of the subsequent beam is located within the range of 3 to 10 mm on the rear side in the welding progress direction with respect to the electrode center point. Therefore, the plasma generated by the irradiation of the leading beam preceding the arc electrode stabilizes the arc, and the subsequent laser beam is efficiently absorbed by the molten pool formed by the leading beam and the arc. In this case, a deep penetration weld bead can be obtained very stably.
[0016]
In the laser-arc combined welding method according to claim 2 and claim 3 of the present invention, since the TIG electrode or the MIG electrode is used as the arc electrode, a stable arc can be obtained, and there is no defect. In the laser-arc combined welding method according to claim 4 , the subsequent beam is irradiated so that the focal height is within the range from the surface of the workpiece to be welded to 1.0 mm below the surface. As a result, deeper penetration can be obtained.
[0017]
Further, in the laser-arc combined welding method according to claim 5 of the present invention, since the welding method is applied to the aluminum alloy material, the welding of the aluminum alloy material having a high laser beam reflectivity, The laser-arc combined welding method according to the sixth aspect of the present invention can be applied more widely than the ordinary laser welding method, and when welding such an aluminum alloy material, the power density of the leading beam is set to 17 kW. / Mm ² or more, and the power density of the subsequent beam is 21.2 kW / mm ² or more, so that even in the high-speed lap welding of the most frequently used aluminum alloy, stabilization of the arc by plasma It has an excellent effect that it can obtain a sound weld with deep penetration with sufficient action. It is.
[0018]
On the other hand, a laser-arc combined welding apparatus according to claim 7 of the present invention includes an arc torch having an arc electrode, a gas nozzle for supplying an inert gas, a first laser head, and a second laser head, The laser-arc combined welding apparatus according to claim 8 of the present invention, wherein the first and second laser heads irradiate the front beam and the subsequent beam to predetermined positions on the front and rear sides of the arc torch, respectively. Is also equipped with an arc torch, a gas nozzle, and a laser head, and the laser head has an optical system for condensing the YAG laser transmitted through two optical fibers into two beam spots. both beams is obtained by so as to irradiate the respective predetermined positions of the front and rear side of the arc electrode, laser according to claim 9 of the present invention - An optical system that similarly includes an arc torch, a gas nozzle, and a laser head, and the laser head condenses the YAG laser transmitted through one optical fiber into two beam spots by a beam splitter. Since both the focused beams are irradiated to the predetermined positions on the front side and the rear side of the arc electrode, respectively, the laser-arc combined welding method according to the present invention is carried out. The laser-arc combined welding method according to the present invention can be easily implemented by providing a suitable structure and using the apparatus.
[0019]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically based on examples.
[0020]
FIG. 1 shows an embodiment of an apparatus for performing laser-arc combined welding according to the present invention. A laser-arc combined welding apparatus 1 shown in the figure includes an MIG torch 2 as an arc torch, A first laser head 3 a located on the front side of the MIG torch 2 and a second laser head 3 b located on the rear side of the MIG torch 2 are provided with respect to the welding progress direction indicated by the arrows in the drawing.
[0021]
The MIG torch 2 is connected to a MIG welding apparatus (not shown) via a conduit cable 4 and a filler wire 5 serving as a consumable electrode (arc electrode) is fed, and the MIG torch 2 is placed around the filler wire 5. A gas nozzle 2 a that is opened is provided, and a shield gas made of an inert gas such as argon is supplied coaxially with the filler wire W. On the other hand, the first and second laser heads 3a and 3b are connected to a YAG laser oscillator (not shown) via optical fibers 6a and 6b, and the filler wire 5 intersects the workpiece W (hereinafter referred to as the electrode center point). The laser beam B1 (lead beam) and B2 (subsequent beam) are respectively irradiated to the front and rear positions of the laser beam.
[0022]
Using such a laser-arc combined welding apparatus 1, the arc voltage by the MIG torch 2 is 22V, the current is 180A, the output of the leading laser beam B1 is 1.2 kW, and the output of the subsequent laser beam B2 is 2. 2 kW, as shown in an enlarged view in FIG. 2A, the distance d1 between the electrode center point where the filler wire 5 intersects the workpiece W and the focal point of the leading beam B1 is 2 mm, the electrode center point and the subsequent beam B2 Two aluminum alloy materials W1 and W2 having a plate thickness of 2 mm were stacked with a distance d2 from the focal point being 5 mm, and lap welding was performed from the upper alloy material W1 side.
[0023]
FIG. 3 shows the relationship between the tensile strength of the lap weld joint obtained in this way and the welding speed in the case of only the leading beam B1 and the subsequent beam B2, as shown in FIGS. It is a figure shown in comparison with the case of. In the case of only the leading beam B1 or the succeeding beam B2, the output of these laser beams was set to 4 kW in accordance with the total laser output in the above-described method of the present invention.
[0024]
As a result, as shown in FIG. 2B, when only the leading beam B1 is irradiated without irradiating the subsequent beam B2, if the welding speed exceeds 4 m / min, sufficient penetration cannot be obtained. Tensile strength began to decline. In addition, when only the subsequent beam B2 is irradiated without irradiating the leading beam B1, the tensile strength is secured until the welding speed exceeds 5 m / min. However, when the beam exceeds 5 m / min, the tensile strength tends to decrease rapidly. Was recognized. On the other hand, in the case of the welding method according to the present invention in which the leading beam B1 and the succeeding beam B2 are irradiated before and after the arc, it has been confirmed that welding can be performed without a decrease in strength up to a welding speed of 7 m / min.
[0025]
Further, when the welding bead was observed, in the case of only the subsequent beam B2, when the welding speed was 6 m / min, the arc was not sufficiently formed, and the bead appearance was extremely unstable. On the other hand, in the case of only the leading beam B1, a weld bead having no problem in appearance up to a high speed range can be obtained, but sufficient welding strength cannot be obtained because the penetration depth is shallow. In contrast, in the case of the welding method according to the present invention, a stable arc is obtained by the leading beam B1, and the subsequent beam B2 is irradiated to the molten pool formed by the leading beam B1 and the arc so that energy is efficiently absorbed. Therefore, it is considered that high-speed welding is possible.
[0026]
FIG. 4 shows that the focus of the subsequent beam B2 is fixed at the tip of the filler wire 5, that is, a position 5 mm behind the electrode center point (d2 = 5 mm), the position of the leading beam B1 is changed, and the welding speed is 7 m / min. Similarly, it shows the change of the penetration depth when welding, and according to this, when the focal position of the leading beam B1 is more than 5 mm away from the electrode center point, the penetration depth tends to become shallower. It was. This is considered to be because if the leading beam B1 is too far from the arc, the effect of stabilizing the arc during high-speed welding by plasma is reduced.
[0027]
Further, FIG. 5 shows the penetration when the focal position of the leading beam B1 is fixed 2 mm forward (d1 = 2 mm) from the electrode center point, the position of the subsequent beam B2 is changed, and welding is similarly performed at a welding speed of 7 m / min. This indicates a change in depth, and according to this result, it was confirmed that deep penetration can be obtained when the focal position of the subsequent beam B2 is in the range of 3 to 10 mm from the electrode center point.
[0028]
Further, FIG. 6 shows that the focal point of the leading beam B1 is fixed 2mm forward (d1 = 2mm) from the electrode center point, and the focal point of the subsequent beam B2 is fixed 5mm behind (d2 = 5mm) from the electrode center point. This shows the change in penetration depth when the focus height position of the beam B2 is changed and welding is similarly performed at a welding speed of 7 m / min. According to this, the focus height of the subsequent beam B2 is determined as the material to be welded. It has been found that deep penetration can be obtained when the position is within the range of 1.0 mm from the surface of W to the inside of the workpiece W.
[0029]
In addition, regarding the output of the leading beam B1, when the output is lower than 1.2 kW at a beam diameter of 0.3 mm, that is, when the power density is less than 17 kW / mm ² , the arc tends to be unstable. A phenomenon was observed. This is considered because the reflection of the beam on the surface of the workpiece W is increased if the power density of the leading beam B1 is too low. Although it is possible to weld the output of the subsequent beam B2 even if it is low, for example, in order to weld a steel plate or an aluminum alloy having a thickness of about 0.6 to 3.0 mm, which is generally used in automobiles, at a high speed. When the power density was less than 21.2 kW / mm ² , it was recognized that insufficient strength due to insufficient penetration tends to occur.
[0030]
FIG. 7 shows another embodiment of the apparatus for performing laser-arc combined welding according to the present invention. The laser-arc combined welding apparatus 11 shown in the figure includes an MIG torch 2 as an arc torch. The laser head 13 is mainly composed of an optical system including a collimation lens 13a and a focusing lens 13b, and two optical fibers 6a and 6A from a YAG laser oscillator (not shown). The laser beam transmitted through 6b is focused on two beam spots, and irradiated to the front and rear sides of the filler wire 5 supplied from the MIG torch 2 as a leading beam B1 and a subsequent beam B2, respectively. Yes.
[0031]
FIG. 8 shows still another embodiment of the apparatus for performing laser-arc combined welding according to the present invention. The laser-arc combined welding apparatus 21 shown in FIG. As with the arc composite welding apparatus 11, the MIG torch 2 as an arc torch and a laser head 23 are mainly configured, and the laser head 23 includes an optical system including a collimation lens 23a, a focusing lens 23b, and a beam splitter 23c. A laser beam transmitted from a YAG laser oscillator (not shown) via an optical fiber 6 is split by a beam splitter 23c and condensed into two beam spots, and a MIG torch as a leading beam B1 and a subsequent beam B2 2 on the front and rear sides of the filler wire 5 fed from It is adapted to irradiate a laser according to the above embodiments - have the same function as the arc hybrid welding apparatus 1 and 11.
[0032]
In each of the above embodiments, an example in which the MIG electrode is used as the arc electrode has been shown. However, it has been confirmed that basically the same function and effect can be obtained by the TIG electrode. At this time, it is also possible to supply a filler material such as a filler wire to the molten pool as necessary.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing an embodiment of a laser-arc combined welding apparatus according to the present invention.
2A is a schematic explanatory view showing an arrangement of an arc electrode, a leading beam, and a subsequent beam in the laser-arc combined welding apparatus shown in FIG. 1; FIG.
(B) It is a schematic explanatory drawing which shows arrangement | positioning of the arc electrode and beam in the comparative example using only a leading beam.
(C) It is a schematic explanatory drawing which shows the arrangement | positioning of the arc electrode and beam in the comparative example using only the subsequent beam.
FIG. 3 is a graph showing the welding speed in laser-arc composite welding according to the present invention compared with that in laser-arc composite welding according to a comparative example using only a leading beam or a subsequent beam.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the penetration depth and the focal position of the leading beam in laser-arc combined welding according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the penetration depth and the focal position of the subsequent beam in the laser-arc combined welding according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the penetration depth and the focal height position of the subsequent beam in the laser-arc combined welding according to the present invention.
FIG. 7A is an explanatory view showing another embodiment of the laser-arc combined welding apparatus according to the present invention.
(B) It is an arrow view from the upper direction of the laser-arc composite welding apparatus shown to Fig.7 (a).
FIG. 8 is an explanatory view showing still another embodiment of the laser-arc combined welding apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1,11,21 Laser-arc combined welding equipment 2 MIG torch (arc torch)
2a Gas nozzle 3a First laser head 3b Second laser head 5 Filler wire (arc electrode)
6, 6a, 6b Optical fiber 13, 23 Laser head 13a, 23a Collimation lens (optical system)
13b, 23b Focusing lens (optical system)
23c Beam splitter (optical system)
B1 Leading beam (laser beam)
B2 Subsequent beam (laser beam)
W, W1, W2 Welding material

Claims

A welding method in which a laser beam is irradiated forward and backward in the welding progress direction with respect to the arc electrode, and the focal point of the lead beam arranged in front of the arc electrode is such that the center axis of the arc electrode intersects the surface of the workpiece It is located within a range of less than 5 mm on the front side in the welding progress direction with respect to the point, and the focal point of the subsequent beam disposed behind the arc electrode is located within a range of 3 to 10 mm on the rear side in the welding progress direction with respect to the electrode center point. A laser-arc combined welding method characterized by irradiating a leading beam and a subsequent beam as described above.

2. The laser-arc combined welding method according to claim 1, wherein the arc electrode is a TIG electrode.

2. The laser-arc combined welding method according to claim 1, wherein the arc electrode is a MIG electrode.

The laser beam according to any one of claims 1 to 3 , wherein the subsequent beam is irradiated so that the height of the beam focal point is within a range from the surface of the workpiece to be welded to 1.0 mm below the surface. Arc composite welding method.

The laser-arc combined welding method according to any one of claims 1 to 4, wherein the material to be welded is an aluminum alloy material.

6. The laser-arc combined welding method according to claim 5 , wherein the power density of the leading beam is 17 kW / mm ² or more and the power density of the subsequent beam is 21.2 kW / mm ² or more.

A welding apparatus that irradiates a laser beam forward and backward in the welding direction with respect to an arc electrode, the arc torch holding the arc electrode, and the electrode center point where the axis center line of the arc electrode intersects the surface of the workpiece A first laser head that irradiates the leading beam so that the focal point is located within a range of less than 5 mm on the front side in the welding direction, and a focal point within a range of 3 to 10 mm on the rear side in the welding direction with respect to the electrode center point. arc - laser but characterized in that it comprises a second laser head for irradiating a subsequent beam so as to be positioned, the arc electrode coaxially of said arc torch argon, a gas nozzle for supplying an inert gas such as helium Composite welding equipment.

A welding apparatus for irradiating a laser beam forward and backward in the welding direction with respect to an arc electrode, wherein an arc torch holding the arc electrode and a YAG laser transmitted via two optical fibers are divided into two beam spots Each of which has an optical system for focusing, and the focal point of one beam is located within a range of less than 5 mm on the front side in the welding direction with respect to the electrode center point where the axial center line of the arc electrode intersects the surface of the workpiece. irradiated to the other beam and the laser head whose focus is irradiated so as to be located within the welding direction rear side 3~10mm respect to the electrode center point, the arc electrode coaxially of said arc torch A laser-arc combined welding apparatus comprising a gas nozzle for supplying an inert gas such as argon or helium.

A welding apparatus that irradiates a laser beam forward and backward in the welding direction with respect to an arc electrode, wherein an arc torch for holding the arc electrode and a YAG laser transmitted through one optical fiber are separated by a beam splitter. It has an optical system for condensing into one beam spot, and the focus of one beam is within a range of less than 5 mm forward of the welding direction with respect to the electrode center point where the axis center line of the arc electrode intersects the surface of the workpiece. irradiated so as to be positioned, a laser head for irradiating to the other beam whose focal located within the welding direction rear side 3~10mm respect to the electrode center point, and the arc electrode of the arc torch A laser-arc combined welding apparatus comprising a gas nozzle for supplying an inert gas such as argon or helium coaxially.