JP3753656B2

JP3753656B2 - Ｙａｇレーザとアークの複合溶接方法および装置

Info

Publication number: JP3753656B2
Application number: JP2001397947A
Authority: JP
Inventors: 田弘文園; 山健二奥; 袋順一衣; 羽々隆憲矢; 川正人瀧; 山靖友一; 穴俊康浮
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2021-12-27
Also published as: JP2003200283A; US20030136768A1; US7009139B2; US7019256B2; US20040232130A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気アークにより溶接入熱を補助するＹＡＧレーザ溶接、すなわち、ＹＡＧレーザと電気アークを併用する溶接方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＹＡＧレーザ溶接は、下記のような特徴があり自動車等の鋼素材の自動溶接に広く使われている：
１．集束したレーザ光を得られ、低歪み，高速溶接が可能である，
２．金属材料でのレーザ光吸収率がＣＯ_２レーザの数倍であるので、効率の良い溶接が可能。また波長がＣＯ_２レーザの１／１０であるので、溶接時に発生するプラズマの影響を受けにくい，
３．レーザ光をフレキシブルな光ファイバで伝送できるので、ハンドリングが容易で多関節ロボットの利用も可能である。また、１００ｍ程度までの離れた場所への光伝送が可能である，
４．レーザ光は時間分割（タイムシアリング）、空間分割（パワーシアリング）が可能であるので、複数の加工ステーションで分割形態で共用使用することにより、高い利用効率を得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方ＹＡＧレーザ単独での溶接は下記のような問題点があった：
１．ＹＡＧレーザは、光ビームを集光させエネルギー密度を高め溶接を行うが、集光スポット径がφ０．３〜φ１ｍｍと微少であるため、
・突合せ溶接の場合、突合せギャップ（例えば図２の（ｃ））があるとレーザ光が通り抜けてしまい、溶接欠陥を生じる。このことから被溶接材の溶接部端面の切断および溶接部拘束方法がシビアに要求される，
・重ね溶接では、上板から下板への貫通ビードの接合界面幅（例えば図２の（ｄ））が狭く、接合強度を得られない，
・スミ肉溶接においても、上記同様に溶け込み幅（例えば図２の（ｅ））が充分に得られず、接合強度を得られない，
・余盛り、表面ビード改善等の目的でフィラーワイヤをＹＡＧレーザ溶接部に同時供給し溶接を行う場合、フィラーワイヤの溶融にエネルギーを消費し、溶接性が低下する；
２．ＹＡＧレーザ装置はイニシアルコストが高いので、自動車生産ラインのように複数台の設備を導入する場合には、設備費が膨大なものになる。
【０００４】
実開昭６２−８２１９４号公報には、レーザ溶接ではレーザ照射によって溶接対象母材にできるキーホール内ならびにその上方のプラズマ化した気体および金属蒸気すなわちプルーム(Plume)がレーザビームを吸収し、したがって溶け込みが深い溶接ができないと見なして、キーホールにシールドガスを吹き込んでプルームをレーザ光路の外側に形成した排気路に案内し、排気路から吸引排気するノズル構造を提示している。これは母材に対するレーザ入熱を効率良くしようというアプローチである。
【０００５】
特公昭５６−４９１９５号公報，特公平４−５１２７１号公報および特開昭５３−１３７０４４号公報には、ＴＩＧトーチにより母材を溶融し、その溶融プールにレーザを照射して溶け込みを深くするＴＩＧとレーザの併用溶接が開示されている。これらは、ＴＩＧによって浅いけれども広幅の溶融プールを形成し、レーザによって狭いけれども深い溶け込みを得るというアプローチである。ＴＩＧが広い溶融プールにより母材表面の溶融幅を広くしてたとえば図２の（ｃ）に示す突合せギャップをうめて、レーザが深い溶け込みを形成してたとえば図２の（ｅ）の溶け込み幅を広く（溶け込みを深く）するので、レーザ単独の場合よりも溶接能率が向上し、溶接品質が向上する。
【０００６】
しかしながら、深い位置ではレーザによる溶け込みのみであるので、溶け込み幅が狭く溶接強度が低い。例えば図２の（ｄ）に示す重ね溶接の接合界面幅が狭く、その増大が望まれる。
【０００７】
本発明は、溶け込み幅が広くしかも溶け込みが深い溶接を高能率で実施することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（１）ＹＡＧレーザ溶接へッド (10) ；
該へッド (10) の先端に装着され、該ヘッドが照射するＹＡＧレーザ (9) が透過する第１の開口 (17) を有し、溶接対象母材 (32) に対向する側が開いたフード (15) ；
前記フード (15) の内部を、溶接対象母材側の溶接空間とレーザ溶接へッド側のガス供給空間に区分する、多数の通口ならびに前記第１の開口 (17) を透過したＹＡＧレーザ (9) が透過する第２の開口 (18) があるガス整流体 (16) ；
前記ＹＡＧレーザ溶接へッド (10) と前記第１の開口 (17) の間のレーザ光路の空間に、該空間から第１の開口 (18) を通って前記フード (15) の前記ガス供給空間に流入するシールドガスを送給するガス供給口 (14) ；および、
前記フード (15) に固定され、前記ＹＡＧレーザ溶接へッド (10) の、前記溶接対象母材 (32) に対するレーザ照射点 (8) を狙うアーク電極 (20) ；
を備えるＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置。
【０００９】
（２）前記ＹＡＧレーザ溶接へッド (10) と前記フード (15) との間に、それらに連結された、前記ＹＡＧレーザ溶接へッド (10) が照射するＹＡＧレーザ (9) が通るスリーブ (12,13) があり、該スリーブ (12,13) に前記ガス供給口 (14) がある、上記（１）に記載のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置。
【００１０】
（３）前記溶接対象母材 (32) と前記アーク電極 (20) の間に、溶接対象母材 (32) へのＹＡＧレーザ (9) の照射により発生するプラズマ化したガスおよび金属蒸気により前記アーク電極 (20) にアークを起動し、アークが起動した後はアークを持続する電力を給電する電源 (22,23) ；を更に備える上記（１）又は（２）に記載のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置。
【００１１】
（４）前記フード (15) を貫通して、前記レーザ照射点 (8) の近傍の溶融プールにフィラーワイヤ (25) を案内するフィラーワイヤガイド (24) ；を更に備える上記（１）乃至（３）のいずれか１つに記載のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置。
【００１２】
なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素又は相当事項に付した記号を、参考までに付記した。以下も同様である。
【００１３】
上記（１）に記載の装置を用いて、本発明方法は、ＹＡＧレーザの加工ヘッド（レーザ光集光光学系）の近傍に溶接対象母材との間に電位を有するアーク電極を配置し、ＹＡＧレーザと電気アークの組み合わせで溶接を行う、複合ＹＡＧレーザ溶接法である。この複合ＹＡＧレーザ溶接法では、ＹＡＧレーザ光により乖離したガスおよび溶接金属蒸気によりアーク電極と母材間にアークを励起して維持し、かつ、ＹＡＧレーザ光とアークによりプラズマ化したガスおよび溶接金属蒸気の雰囲気（プルーム）を可能な限りレーザ照射部に維持する。
【００１４】
上記（３）に記載の装置を用いる溶接方法では、溶接対象母材(32)に対するＹＡＧレーザ(9)のレーザ照射点(8)をアーク電極(20)で狙い、該アーク電極と溶接対象母材との間にアーク電源(23)を接続した状態で、該ＹＡＧレーザを溶接対象母材に照射してＹＡＧレーザによるプラズマ化したガスおよび金属蒸気により前記アーク電極にアークを起動し、ＹＡＧレーザにより発生するプラズマ化したガスおよび金属蒸気をキーホール内外にとどめてＹＡＧレーザおよびアーク併用の溶接を行う(図１＆３)。これによれば、通常のＴＩＧでは電極−母材間に高周波スパークを飛ばし、これによりガスを乖離させアークを発生させるが、この高周波スパークは必要ない。ＹＡＧレーザおよびアークによるプラズマ化したガスおよび金属蒸気すなわちプルームが高温高圧になって溶融金属を押し下げ、かつこの熱伝達により、レーザ単独での溶接速度以上の速度とビード幅が広く、溶け込みの深い溶接結果を得ることができる。
【００１５】
上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置を用いる溶接により、突き合わせ溶接ギャップ裕度の拡大，重ね溶接での接合界面幅の増大，スミ肉溶接での溶け込み幅増大等が得られ、接合強度が確保でき、溶接欠焔のない安定した溶接結果が得られる。
【００１６】
なお、フィラーワイヤ同時供給溶接においてもアークによる入熱がフィラーワイヤの溶融に寄与するため、溶接性を低下させることがない。また発生アークの入熱により小出力のＹＡＧレーザで高出力のＹＡＧレーザと同等の溶接性能を得ることが出来る。一台のＹＡＧレーザ光源から複数台のレーザ照射ヘッドにレーザ光を分割供給する形態を容易に実施でき、レーザ照射ヘッド一台当たりの設備コストの低減が容易になる。
【００１７】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【００１８】
【実施例】
−第１実施例−
図１に、本発明の１実施例のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置を示す。図示しないＹＡＧレーザ光源から図示しない光ファイバケーブルを通してＹＡＧレーザ光束９がＹＡＧ照射ヘッド１０に導かれ、ヘッド１０内のレンズ１１を通って収束して、対物スリーブ１２および中継スリーブ１３を通って焦点８（照射点）に向かう。
【００１９】
中継スリーブ１３の下端には、対物フード１５が固着されている。フード１５内には、その内部空間を上空間であるガス供給空間と下空間である溶接空間に２分するガス整流金網１６がある。フード１５および金網１６には、焦点８に向かうレーザ光束９を通す開口１７および１８がある。
【００２０】
フード１５には、セラミック製の電極台１９が固着されており、この電極台１９に、タングステン電極２０が、焦点８を狙って装着されている。タングステン電極２０を押えて電極台１９に固定するボルト２１には、電源スイッチ２２を介してアーク溶接電源２３が接続される。電源２３の陽極は溶接対象母材３２に接続されている。
【００２１】
ワイヤガイド２４がフード１５および金網１６を貫通し、フード１５に固着されている。フィラーワイヤ２５が、図示しないワイヤ送給装置から送り出されてワイヤガイド２４に送りこまれ、ワイヤガイド２４の下端のワイヤ送給チップから、レーザ焦点８の近傍に送り込まれる。
【００２２】
フード１５の下部には、溶接対象母材３２とフード１５の下端の間に微小ギャップを開けるために車輪２６，２７がある。
【００２３】
図１に示す薄板３１と３２を重ね溶接するときには、中継スリーブ１３に装着した口金１４を通して中継スリーブ１３にシールドガスを吹き込み、電源スイッチ２２を閉じて電極２０／薄板３１間に、アーク起動ができる無負荷電圧を印加しておいて、ＹＡＧレーザ光束９の照射を開始する。この照射により発生するプルームによって電極２０と母材３２の間にアークが発生する。このアークが発生すると、ＹＡＧ照射ヘッド１０のｙ方向の駆動を開始し、フィラーワイヤ２５の送給を開始する。これにより安定した溶接状態となる。すなわちレーザ照射溶接とアーク溶接が並行して継続する。
【００２４】
この溶接状態では、口金１４から中継スリーブ１３内に吹き込まれたシールドガスは、中継スリーブ１３から開口１７を通って、フード１５内の整流金網１６の上側のガス供給室に入り、そこでｘ，ｙ方向に拡散して、整流金網１６のメッシュを通って略垂直方向の整流となって溶接対象母材３２の表面に降下し、そして該表面に沿ってフード１５下端のギャップを通ってフード外に出る。このようなシールドガスの流れにより、フード１５の内部がシールドガスで満たされ、金網１６の下方の溶接空間では、シールドガスが緩やかな垂直方向の整流となり、これが焦点８周りすなわちレーザ照射によるキーホール，その内外のプルーム，アークおよびタングステン電極を包む。
【００２５】
この包囲ガスが、焦点８の溶融プールおよびタングステン電極２０を空気（酸素）から遮断してそれらの酸化を防止するとともに、キーホール内外のプルームの飛散を抑えてキーホール内外にプルームを留める。
【００２６】
図２の（ａ）に、キーホールを模式的に示す。ＹＡＧレーザの照射により、すなわち高密度エネルギの注入により、キーホール内のプルームが爆発的な高熱高圧になりこれがキーホール内の溶融金属を加圧し、キーホールの底を溶かし、深い溶け込みを生ずる。なお、プルームを強力に排除する（吹き飛ばす）強いシールドガス流を焦点８に当てると、溶込みが極端に浅くなるので、溶け込みを深くするためには、プルームを極力キーホールに留めるのが、肝要である。これを本発明者は実験により確認した。
【００２７】
上述の溶接作業により、図２の（ｂ）に示すような重ね溶接ビードを得ることができた。該図面において、３３が母材の、溶融しそして凝固した部位であり、その上の３４はフィラーワイヤ２５によって形成されたビードである。接合界面幅が広く、溶け込みが深い。高速の、品質が安定した溶接が可能である。このときの溶接条件は、次の通りである：
溶接母材３１：材質Ａ５０５２厚み２ｍｍ
溶接母材３２：材質Ａ５０５２厚み２ｍｍ
ＹＡＧレーザ：出力４ＫＷ，アシストガス（センターガス）無し
アーク
電流：２００Ａ
タングステン電極：直径２．４ｍｍ
シールドガス：Ａｒ２５リットル／min
フィラーワイヤ：規格Ａ５３５６，φ１．２ｍｍ送給量２ｍ／min
溶接速度：４ｍ／min。
【００２８】
−第２実施例−
図３の（ａ）に、第２実施例のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置を示す。この第２実施例は、フィラーワイヤ送給を行わないものであり、第１実施例の複合溶接装置のワイヤガイド２４を省略したものである。この実施例では、フィラーワイヤの溶融にエネルギを消費しないので、アーク電流を下げた。その結果図３の（ｂ）に示すような重ね溶接ビードを得ることができた。この場合でも、接合界面幅が広く、溶け込みが深い。高速の、品質が安定した溶接が可能である。このときの溶接条件は、次の通りである：
溶接母材３１：材質Ａ５０５２厚み２ｍｍ
溶接母材３２：材質Ａ５０５２厚み２ｍｍ
ＹＡＧレーザ：出力４ＫＷ，アシストガス（センターガス）無し
アーク
電流：１５０Ａ
タングステン電極：直径２．４ｍｍ
シールドガス：Ａｒ２５リットル／min
溶接速度：４ｍ／min
【００２９】
【発明の効果】
以上に説明したように、レーザ照射によって発生するプルームによって電気アークを起動するので、高周波高電圧印加によるアーク起動が不要になる。ＹＡＧレーザ溶接にアーク溶接を加えるので、母材表層に対する入熱が大きく、突合せギャップが少々あっても、安定確実な溶接が可能であり、高速の溶接が可能である。また、ＹＡＧレーザ照射によるキーホール内およびその周りにプルームを留めるので、溶け込みが深く、接合界面幅が広い溶接が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置の、溶接ヘッド部の縦断面図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す焦点８周りの、模式的な拡大断面図、（ｂ）は図１に示す溶接装置を用いたＹＡＧレーザとアークの複合溶接の結果である溶接ビードを模式的に示す拡大断面図である。（ｃ）は、一般の突合せ溶接の場合の、突合せギャップを示す拡大断面図、（ｄ）は重ね溶接の場合の接合界面幅を示す拡大断面図、（ｅ）は隅肉溶接の場合の溶込み幅を示す拡大断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の第２実施例のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置の、溶接ヘッド部の縦断面図、（ｂ）は（ａ）に示す溶接装置を用いたＹＡＧレーザとアークの複合溶接の結果である溶接ビードを模式的に示す拡大断面図である。
【符号の説明】
８：ＹＡＧレーザ光束の焦点９：ＹＡＧレーザ光束
１０：ＹＡＧ照射ヘッド１１：レンズ
１２：対物スリーブ１３：中継スリーブ
１４：口金１５：対物フード
１６：ガス整流金網１７，１８：開口
１９：電極台２０：タングステン電極
２１：ボルト２２：電源スイッチ
２３：アーク溶接電源２４：ワイヤガイド
２５：フィラーワイヤ２６，２７：車輪
３１，３２：溶接対象母材３３：母材の溶融し凝固した部位
３４：フィラーワイヤによって形成されたビード
４１〜４６：溶接対象母材

Claims

ＹＡＧレーザ溶接へッド；
該へッドの先端に装着され、該ヘッドが照射するＹＡＧレーザが透過する第１の開口を有し、溶接対象母材に対向する側が開いたフード；
前記フードの内部を、溶接対象母材側の溶接空間とレーザ溶接へッド側のガス供給空間に区分する、多数の通口ならびに前記第１の開口を透過したＹＡＧレーザが透過する第２の開口があるガス整流体；
前記ＹＡＧレーザ溶接へッドと前記第１の開口の間のレーザ光路の空間に、該空間から第１の開口を通って前記フードの前記ガス供給空間に流入するシールドガスを送給するガス供給口；および、
前記フードに固定され、前記ＹＡＧレーザ溶接へッドの、前記溶接対象母材に対するレーザ照射点を狙うアーク電極；
を備えるＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置。
前記ＹＡＧレーザ溶接へッドと前記フードとの間に、それらに連結された、前記ＹＡＧレーザ溶接へッドが照射するＹＡＧレーザが通るスリーブがあり、該スリーブに前記ガス供給口がある、請求項１に記載のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置。
前記溶接対象母材と前記アーク電極の間に、溶接対象母材へのＹＡＧレーザの照射により発生するプラズマ化したガスおよび金属蒸気により前記アーク電極にアークを起動し、アークが起動した後はアークを持続する電力を給電する電源；を更に備える請求項１又は２に記載のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置。
前記フードを貫通して、前記レーザ照射点の近傍の溶融プールにフィラーワイヤを案内するフィラーワイヤガイド；を更に備える請求項１乃至３のいずれか１つに記載のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置。
請求項１又は２に記載のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置を用いて、前記フードの、前記ガス整流体によって区分された前記ガス供給空間から前記溶接空間に流入したシールドガスによって、レーザ照射点およびアーク電極の先端部の周りをシールドガス雰囲気にするとともにシールドガスによる前記キーホール内のプラズマ化したガスおよび金属蒸気の擾乱を抑える、ＹＡＧレーザとアークの複合溶接方法。
請求項３に記載のＹＡＧレーザとアークの複合溶接装置を用いて、前記アーク電極と溶接対象母材との間にアーク電源を接続した状態で、該ＹＡＧレーザを溶接対象母材に照射してＹＡＧレーザによるプラズマ化したガスおよび金属蒸気により前記アーク電極にアークを起動し、ＹＡＧレーザにより発生するプラズマ化したガスおよび金属蒸気をキーホール内外にとどめてＹＡＧレーザおよびアーク併用の溶接を行う、ＹＡＧレーザとアークの複合溶接方法。