JP3946362B2

JP3946362B2 - Laser induction arc welding apparatus and welding method

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Publication number: JP3946362B2
Application number: JP27915798A
Authority: JP
Inventors: 延忠青木; 雄二佐野; 洋介馬場
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-09-30
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2018-09-30
Also published as: JP2000107880A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザビームとアーク放電とを併用する溶接技術に係り、特にレーザビームの集束スポットにアーク放電を誘導して深い溶け込みと低入熱の溶接を可能とし、これにより厚肉材料を対象とする場合や高い溶接精度が要求される場合、溶接点が複雑な形状を有する場合、熱的特性に劣る材料を対象とする場合、あるいは高融点の材料を対象とする場合等の特殊な溶接に好適に対応することができるレーザ誘導アーク溶接装置および同溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄鋼その他各種金属の溶接方法として、アーク溶接方法、電子ビーム溶接方法、レーザ溶接方法等が知られている。また、最近ではアークとレーザとを組合せたレーザ・アーク複合溶接方法が開発されつつある。
【０００３】
図１６は、難溶接金属等に適用されるＴＩＧ溶接装置の構成および溶接状態を示している。
【０００４】
このＴＩＧ溶接装置は、タングステン等の高融点金属からなる電極１をフード２で囲んだトーチ３と、電極１への直流または交流の電流供給およびその制御等を行うためのアーク電源４と、高周波電源５および電源制御器６と、溶接対象母材７にシールドガス８を吹付けるための図示しないシールドガス供給系とを備え、溶加棒９を添加しながら溶接対象母材７と電極１との間にアーク放電プラズマ１０を発生させ、そのエネルギによって溶接対象母材７を溶融して溶接を行うようになっている。
【０００５】
また、図１７は、従来の電子ビーム溶接装置の構成および溶接状態を示している。
【０００６】
この電子ビーム溶接装置は、電子の放出源となる陰極１１、グリッド１２および陽極１３を有する電子銃１４と、そこから加速して放出される電子ビーム１５を集束するための集束レンズ１６と、軌道変更用の偏向コイル１７と、溶接対象母材１８を母材移動装置１９とともに設置する真空チェンバ２０等を備え、入射する電子ビーム１５のエネルギによって溶接対象母材１８を溶湯して溶接を行うようになっている。
【０００７】
また、図１８および図１９は、従来のレーザ溶接装置の例として、固体レーザ装置２１および連続大出力用ガスレーザ装置（ＣＯ₂レーザ装置）２２の構成をそれぞれ示している。
【０００８】
固体レーザ装置２１は、レーザ駆動電源２３、トリガ電極２４、フラッシュランプ２５、楕円筒２６、レーザロッド２７および共振器ミラー２８，２９等からなる光源３０と、それより発振したレーザビーム３１を溶接対象母材３２まで伝送して集束および照射するための反射ミラー３３および集束レンズ３４等からなる光学系３５を備えた構成とされている。
【０００９】
また、ＣＯ₂レーザ装置２２は、トリガー電源３６、レーザ放電管３７、陽極３８、陰極３９、共振器ミラー４０ａ，４０ｂ、ガス送風管４１、熱交換器４２、循環ポンプ４３等からなる光源４４と、それより発振したレーザビーム４５を溶接対象母材４６まで伝送して集束および照射するための反射ミラー４７および集束レンズ４８等ならなる光学系４９を備えた構成とされている。
【００１０】
このように構成されたレーザ溶接装置２１，２２においては、それぞれ入射するレーザビーム３１，４５のエネルギによって溶接対象母材３２，４６を溶融して溶接を行うようになっている。
【００１１】
さらに、図２０および図２１は、最近開発され、報告例のあるアーク放電とレーザビームとを単純に組合せる方式のレーザ・アーク複合溶接装置の構成および作用を示している。
【００１２】
この図２０に示したレーザ・アーク複合溶接装置は、タングステンなどの高融点金属を電極５０としたフード５１付きのトーチ５２と、直流または交流の電流を供給するための電源５３と、溶接対象母材５４にシールドガス５５を吹付けるためのガスボンベ５６、減圧弁７５、流量調整弁５８等を有するシールドガス供給系５９と、レーザ装置６０およびそれを駆動するレーザ駆動電源６１と、レーザビーム６２を溶接対象母材５４まで伝送し、集束して照射するためのミラー６３，６４およびレンズ６５等の光学系６６とを備えた構成とされている。
【００１３】
このように構成されたレーザ・アーク複合溶接装置においては、アーク放電プラズマ６７のエネルギと、レーザプラズマ６８のエネルギとを合せて溶接対象母材５４に入力し、これを溶融して溶接を行うようになっている。そして、この場合には図２１に示すように、アーク電流をパルス的に供給しつつ、レーザ強度を一定として連続的にレーザプラズマを発生させるようになっている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図１６に示した従来のアーク溶接装置においては、アーク−電気変換効率が高く、非常に簡単な装置構成で溶接施工できるという長所を有しているが、アークの到達点の位置制御精度が悪いことから、隅肉溶接や開先溶接等の高位置精度を要求するような対象については溶接不良が生じ易く、また材料表面の広い範囲に入熱されるため、深い溶け込み溶接が困難であるという短所を有していた。
【００１５】
また、図１７に示した従来の電子ビーム溶接では、高い溶接位置制御精度と深い溶け込み深さを実現できるものの、溶接施工対象物を真空チャンバ内に置かなければならないことから、その大きさが制限されるとともに、施工時間および装置コストがアーク溶接の場合に比べて格段に大きくなる難点があった。
【００１６】
また、図１８および図１９に示した従来のレーザ溶接装置では、微小領域に集束できるレーザビームを熱源として溶接対象母材に入熱することから、上述したような従来のアーク溶接の溶接位置の制御精度が低いという短所をカバーすることが可能となるが、その反面で溶接用の高出力レーザ装置の構成が大掛りとなり、電気効率の低さからその駆動用電源も大容量のものが必要となり、併せて装置コストがアーク溶接装置に比べて格段に高くなる難点がある。さらには、高エネルギのレーザビームの反射および散逸を防止するための設備等が必要となり、総じて大型で非常に複雑なシステム構成となる難点もあり、そのため汎用性が低いものとなっている。
【００１７】
さらに、図２０に示した従来のレーザ・アーク複合溶接装置では、レーザ溶接に対してアークのエネルギを補充することにより、レーザ装置の規模を小さくすることが可能となるが、ある程度高い出力性能を有するレーザビームを扱わねばならないことから、溶接ヘッド周りの構造が複雑化するなどの弊害が大きくなり、実用面での改善は小さいものに止まっている。
【００１８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高い溶接性能、簡便な装置構成、良好な操作性、および低コスト化の推進等が図れる溶接装置および溶接方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１の発明では、短パルス状のレーザビームを発振するレーザ装置および前記レーザビームを溶接対象母材に集束して照射する伝送光学系を有するレーザ照射手段と、前記レーザビームの集束スポットに大電流を入射して前記溶接対象部材の溶融および溶接を行うアーク溶接手段と、このアーク溶接手段から出力される電流を、前記レーザ照射手段から出力されるレーザビームと同期した長パルス波として立上らせるパルス電流制御手段とを備え、前記パルス電流制御手段は、パルス電流の立上るタイミングを調整するタイミング調整器と、前記パルス電流を矩形波に成形するパルス成形回路ユニットとを備え、このパルス成形回路ユニットは、インピーダンス整合用抵抗として、可変抵抗を備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２０】
請求項２の発明では、請求項１記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、パルス成形回路ユニットは、大容量のコンデンサを有する低インピーダンスパルス成形回路と、小容量のコンデンサを有する高インピーダンスパルス成形回路とを備え、アーク溶接手段のトーチと溶接対象母材との間にパルス電流の立上り補償用のコンデンサを接続したことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２１】
請求項３の発明では、請求項１記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、パルス電流制御手段は、アーク溶接手段から出力されるパルス電流への注入エネルギを調整するエネルギ注入調整手段を備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２２】
請求項４の発明では、請求項１記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、アーク溶接手段から出力されるアーク電流の波形を検出する電流検出器と、この電流検出器の検出値に基づいて、電流パルスの反射成分を減少させる方向に可変抵抗のフィードバック制御を行う抵抗値フィードバック制御器を備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置。
請求項３記載のパルス成形回路に加え、アーク溶接手段のトーチと溶接対象母材との間にパルス電流の立上り補償用のコンデンサを接続したことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２３】
請求項５の発明では、請求項１記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、レーザ照射手段は、レーザビームの波長、エネルギ、パルス幅、繰返し周波数、ビーム径、集束度または集束距離を可変とするレーザビーム可変手段を備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２４】
請求項６の発明では、請求項１から５までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、レーザ照射手段の光学系を構成する集束レンズは、アーク溶接手段の電極を囲むフードに配設したことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２５】
請求項７の発明では、請求項１から６までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接装置において、レーザビームの集束度を監視する監視装置と、この監視装置からのレーザビーム集束度に基づいてレーザ駆動電源、アークエネルギ注入用電源およびトーチ駆動機構を制御する制御装置とを備えたことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接装置を提供する。
【００２６】
請求項８の発明では、レーザ装置から溶接対象となる母材表面に短パルスのレーザビームを入射するとともに、そのレーザパルスに同期した矩形パルス電流をアーク溶接用のトーチと前記母材のレーザビーム照射スポットとの間に供給し、これによって前記母材の表面に生成されたレーザプラズマにアーク放電を誘導して集束させ、そのエネルギによって母材を溶融させて溶接を行い、この供給するパルス電流を数十ｎｓ〜数百ｎｓの高速立上りで数μｓ〜数十ｍｓの長い時間幅を持ち、かつ電流が０アンペアとなる点をよぎるリンギングの無い矩形パルス形状とすることを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法を提供する。
【００２７】
請求項９の発明では、請求項８記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、インピーダンスと充電電圧とが異なる複数のパルス成形回路を組合せたパルス成形回路ユニットを適用することを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法を提供する。
【００２８】
請求項１０の発明では、請求項８または９記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、トーチと母材との間に電流立上りを補償するコンデンサを使用することを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法を提供する。
【００２９】
請求項１１の発明では、請求項８から１０までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、インピーダンスと充電電圧とが異なる複数のパルス成形回路を組合せたパルス成形回路ユニットを適用し、そのうち１つ以上のパルス成形回路の段数変化、各パルス成形回路の充電電圧の変化および供給パルスの繰返し周波数の変化のいずれか、または複数を併用することによって、アーク電力の調整を行うことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法を提供する。
【００３０】
請求項１２の発明では、請求項８から１１までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、各パルス成形回路の充電を正負可逆とし、溶接対象母材を陽極または陰極のいずれかの極に設定することを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法を提供する。
【００３１】
請求項１３の発明では、請求項８から１２までのいずれかに記載のレーザ誘導アーク溶接方法において、順次に供給するアーク電流のパルス間のアーク放電プラズマが消弧したタイミングで溶接状態のモニタ、次の溶接点までのトーチの移動、およびレーザ集束点の調整を行うことを特徴とするレーザ誘導アーク溶接方法を提供する。
【００４１】
上記構成のレーザ誘導アーク溶接方法および装置によれば、低エネルギのパルスレーザをビームを母材の溶接目標個所に集束して照射することで、そこにレーザプラズマを発生させ、レーザに同期して入力するパルス電流で高エネルギのアーク放電がこのレーザプラズマに正確に誘導・集束して注入され、このエネルギによって母材を溶融させ、溶接を施すことが可能となる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接方法および装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００４３】
第１実施形態（図１，図２）
図１は本発明の第１実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図であり、図２は作用説明図である。
【００４４】
図１に示すように、本実施形態のレーザ誘導アーク溶接装置は大別して、レーザ照射手段７０と、アーク溶接手段７１とを備えている。レーザ照射手段７０は、小出力の短パルスレーザビームを発振するためのレーザ装置７２およびそれを駆動するレーザ駆動電源７３と、レーザビーム７４を溶接対象母材７５まで伝送し、集束して照射するためのミラー７６，７７および集束レンズ７８等の光学系７９とを有している。
【００４５】
一方、アーク溶接手段７１は、タングステン等の高融点金属を電極８０としたフード８１付きのトーチ８２と、直流の大電流を供給するためのＤＣ電源８３と、溶接対象母材７５にシールドガス８４を吹付けるためのガスボンベ８５、減圧弁８６、流量調整弁８７等を融するシールドガス供給系８８とを備えている。
【００４６】
このものにおいて、本実施形態では、アーク溶接手段７１から出力される電流を、レーザ照射手段７０から出力されるレーザパルスと同期した長パルス波として立上らせるパルス電流制御手段８９が設けられている。
【００４７】
このパルス電流制御手段８９は、パルス電流の立上るタイミングを調整するタイミング調整器９０と、そのパルス電流を矩形波に成形するパルス成形回路ユニット９１とからなっている。
【００４８】
図２は、レーザ照射手段７０から出力されるレーザビームの短パルス波形と、タイミング調整器９０およびパルス成形回路ユニット９１によって制御されるアーク溶接手段７１の長パルス電流波形とを示している。この図２に示すように、レーザパルスは数十ｎｓ以下の極めて短いパルス幅に設定されるとともに、アーク電流は、レーザパルス消滅後に１μｓ以下の短時間で立上り、パルス幅が数μｓ〜数十μｓとなるように設定されている。
【００４９】
次に作用を説明する。
【００５０】
溶接時には、アルゴンガスなどのシールドガス８４が、ガスボンベ８５から減圧弁８６および流量調整弁８７を通してトーチ８２のフード８１に供給され、母材７５に吹付けられる。この状態で、レーザ駆動用電源７３によって駆動されるレーザ装置７２からパルスレーザビーム７４が出射され、パルスレーザビーム７４が光学系７９を通して、集束レンズ７８によって母材７５に集束されて照射され、レーザプラズマ９２が発生する。
【００５１】
一方、タイミング調整器９０によってレーザパルスと同期したタイミング調整が行われるとともに、パルス成型回路ユニット９１によってパルス成形が行われて、ＤＣ電源８３から電極８０と母材７５との間にパルス電流が供給され、アーク放電プラズマ９３が生成される。
【００５２】
このように、溶接対象母材７５に入射されたパルスレーザビーム７４によって照射点にレーザプラズマ９２が生成し、これによってアーク放電プラズマ９３の到達点と到達領域（面積）とがコントロールされる。このとき、入射されるパルスレーザとアーク放電電流との関係は、図２に示したように、数十ｎｓ以下の極めて短いパルス幅のレーザパルスの入射と同時に、これによって数μ〜数十ｍｓの長いパルス幅のアーク電流が誘導される関係となる。
【００５３】
したがって、本実施形態によれば、パルスレーザの集束スポット径（概ね数１００μｍ）に相当する精度でアークの到達点を制御することができるので、従来のアーク溶接に比べて格段に溶接精度向上が図られ、かつアークの入熱領域もこのスポット径程度になるため、深い溶け込みが可能となる。しかも、アークの誘導および集束に必要なレーザエネルギは非常に小さく、通常アークエネルギの１／１０００以下でも充分である。したがって、材料を溶融させるための入熱エネルギの殆どがアークによって供給されることになるので、レーザ装置７２としては小出力（数Ｗ）の小型のものが適用でき、通常のアーク溶接装置と比較して装置規模は特に変わらず、コンパクトな構成とすることができる。
【００５４】
以上の第１実施形態の作用について、図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照してさらに詳しく説明する。
【００５５】
図３（Ａ）は本実施形態による好ましいアーク電流の立上りを示し、図３（Ｂ）は立上りの遅い比較例１を示し、図３（Ｃ）はリンギングがある比較例２を示す。
【００５６】
上述したように、本実施形態においては、供給するパルス電流を１μｓ以下の高速立上りで数μｓ〜数十ｍｓの長い時間幅を持つ設定としてある。これにより、図３（Ａ）に示すように、電流が０アンペアとなる点をよぎるリンギングの無い矩形パルス形状にすることをねらっている。これにより、アーク放電プラズマとして、良好な誘導性と集束性とが得られる。
【００５７】
これに対し、一般に、立上りの遅い電流パルス、概ね数１００ｎｓ以上のパルスを供給した場合には、図３（Ｂ）に示すように、アークの誘導性と集束性とが低下し、アーク放電プラズマは拡散した状態となる。また、電流０アンペアの点をよぎるリンギングのある電流波形で供給した場合には、図３（Ｃ）に示すように、アークの不安定性が発生する。このような図３（Ｂ），（Ｃ）の場合には、母材への入熱範囲が拡大することによって深い溶け込みができなくなるので、本実施形態では、図３（Ａ）に示すように、リンギングの無いパルス形状に設定して電流パルスを供給することで、拡散および不安定性を回避し、良好なパルス誘導アーク溶接を施すことが可能となるものである。このような作用は、以下の各実施形態の具体的な手段によって、さらに確実に実現することができる。
【００５８】
第２実施形態（図４，図５）
図４は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第２実施形態の全体構成を示し、図５はパルス成形回路ユニットの要部となる回路構成を示している。
【００５９】
上述した図３（Ａ）に示したような、高速立上りで長い時間幅を持つ矩形のパルス電流出力を、１つのパルス成形回路でつくり出すことは困難であるため、本実施形態では図４に示すように、パルス成形回路ユニット９１を、インピーダンスと充電電圧の異なる複数のパルス成形回路、即ち、高インピーダンスパルス成形回路９１ａと低インピーダンスパルス成形回路９１ｂとを備えた構成としている。このような組合せ構成を適用することにより、目的とする好ましい電流パルス形状を得るようにしている。
【００６０】
具体的には、図４に示ように、電力注入用として、低インピーダンスパルス成形回路９１ｂを備え、これは大容量のコンデンサで構成し、電圧１００〜２００Ｖの低電圧のＤＣ電源８３ｂで充電するようにしている。そして、レーザプラズマ（レーザ誘導アーク）９２が用じたときに、数μｓ〜数１０ｍｓの時間幅の電流パルスをアーク電流として供給し、コンデンサに充電されるエネルギの殆どをアーク放電プラズマ９３に注入する。但し、この低インピーダンスパルス成形回路９１ｂ単独では、その供給電流の立上りを速くすることはできないので、立上り補償用（あるいはレーザ誘導用）として、小さな容量のコンデンサで構成した高インピーダンスパルス成形回路９１ａを備え、これを電圧数ｋＶの高電圧のＤＣ電源８３ａで充電するようにしている。
【００６１】
なお、各パルス成形回路９１ａ，９１ｂは図５に示すように、コンデンサ９４、コイル９５、スイッチ９６および抵抗９７により構成される。
【００６２】
このような構成により、レーザ誘導アークの発生に合せて立上りが速く、数百ｎｓ〜数十μｓの電流パルス幅を出力し、上述した電力注入用パルスと重畳させ、目的とする速い立上りで長い時間幅を持つ矩形パルス電流をアークに供給することができ、前述した効果を十分に発揮することが可能となる。
【００６３】
第３実施形態（図６）
図６は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第３実施形態の構成を示している。
【００６４】
上述した第２実施形態においては、目的とする矩形パルス電流出力をつくり出すことは可能であるが、これに加えて本実施形態では図６に示すように、負荷（アーク）となる電極８０と溶接対象母材７５との間にも、立上り補償用のコンデンサ９８が並列に接続してある。
【００６５】
このような構成により、第２実施形態で示した立上り補償用の各パルス成形回路９１ａ，９１ｂだけを設けた場合よりも、さらに電流の立上りを高速にすることが可能となり、これによってレーザビームによるアークの誘導特性を一層良好にすることが可能となる。
【００６６】
第４実施形態（図７）
図７は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第４実施形態の構成を示している。
【００６７】
前述した各実施形態のパルス成形回路ユニット９１においては、アークへのエネルギ供給の殆どを、アーク放電プラズマのインピーダンスと最も整合性のよいパルス成形回路９１ｂの初期充電エネルギが負担することになる。
【００６８】
そこで、本実施形態では、図７に示すように、アークへのエネルギ注入調整手段として、パルス成形回路９１ｂの段数を切り替える段数切替え器９９を設けることにより、パルス当たりの充電エネルギを段階的に変更できるようにしている。
【００６９】
このような構成によれば、溶接条件または溶接状態に応じてアークへのエネルギ注入量を任意に設定および調整することが可能となり、種々の溶接条件に良好に対応することができるようになる。
【００７０】
なお、アークへのエネルギ注入調整手段としては、段階切替え器９９に代えて、図示しないが、レーザの繰返し周波数およびパルス成形回路の充電電圧を変更する構成としてもよい。このような構成によっても、前記同様の作用を得ることができる。
【００７１】
第５実施形態（図８）
図８は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第５実施形態の構成を示している。
【００７２】
本実施形態では、矩形パルス形状の電流パルスを出力するパルス回路構成において、アークと最も近いインピーダンスを持つアークエネルギ注入用のパルス成形回路９１ｂのインピーダンス整合用抵抗として、可変抵抗１００を適用している。
【００７３】
このような構成によれば、アークのインピーダンスが変動したとき、整合条件が最も良好になるようにエネルギ注入用パルス成形回路９１ｂの抵抗値を設定することができ、それによりアーク電流のリンギングの発生を抑制するようになる。したがって、図３（Ａ）に示した良好なアークの誘導性を確実に保持することが可能となる。
【００７４】
第６実施形態（図９，図１０）
図９は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第６実施形態の構成を示し、図１０は作用を示している。
【００７５】
請求項７の発明では、第５実施形態の構成に加え、アーク溶接手段から出力されるアーク電流の波形を検出する電流検出器１０１と、この電流検出器１０１の検出値に基づいて、電流パルスの反射成分を減少させる方向に可変抵抗１００のフィードバック制御を行う抵抗値フィードバック制御器１０２とを備えている。
【００７６】
そして、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、アーク電流波形信号に基づいて、その反射成分が最も少なくなるように、パルス成形回路のインピーダンス整合用抵抗をフィードバック制御するようにしている。
【００７７】
このような構成によれば、電流検出器１０１によって測定したアーク放電電流を波形から最もインピーダンス整合が良好になるように、可変抵抗１００の抵抗値を自動的にフィードバック制御するので（図１０の（ａ）、例えば図１０の（ｂ），（ｃ）に示すように、アーク放電のインピーダンスが電極間距離の変動、あるいは溶接対象母材７５の溶融等によって変化しても（図１０の（ｂ）ではインピーダンスがアーク抵抗よりも小さい場合、同図の（ｃ）ではインピーダンスがアーク抵抗よりも大きい場合をそれぞれ示している）、これを電流が０アンペアとなるまでに要する時間で判定し、抵抗値を制御することにより、リンギングの無い波形でアーク電流を供給することができる。これによって、図３（Ａ）に示した良好なアーク誘導を、自動的に保持することが可能となる。
【００７８】
第７実施形態（図１１）
図１１は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第７実施形態の構成を示している。
【００７９】
本実施形態では、パルス成形回路ユニット９１の各パルス成形回路９１ａ，９１ｂが、溶接対象母材７５を陽極または陰極に切替える極性反転器１０３を備えた構成としてある。
【００８０】
そして、矩形パルス形状の電流パルスを形成するときに、各パルス成形回路９１ａ，９１ｂの充電を正負可逆とし、溶接対象母材７５を陽極または陰極のいずれかの極に設定することができるようになっている。
【００８１】
このような構成によれば、溶接対象母材７５を必要に応じて陽極または陰極のいずれか任意に設定できるので、例えば大電流のアークを必要とする場合には、溶接対象母材７５を陽極にするとともに、トーチ８２を陰極に設定し、これにより、電極８０の熱負荷を小さくして、電極８０の寿命を拡大することができる。
【００８２】
また、溶接対象母材７５の溶融部にできる酸化膜をスパッタによって除去し、クリーンな溶接面仕上げを要求する場合には、上記と逆の極性に設定して熱負荷を大きくすればよい。
【００８３】
以上のように、極性を任意に設定することによって、対象とする溶接の形態に適した条件で、図３（Ａ）に示した良好なレーザ誘導アーク溶接の効果を発揮することができる。
【００８４】
第８実施形態（図１２）
図１２は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第８実施形態の構成を示している。
【００８５】
本実施形態では、レーザ照射手段７０が、レーザビーム７４の波長、エネルギ、パルス幅、繰返し周波数、ビーム径、集束度または集束距離を可変とするレーザビーム可変手段１０４を備えた構成としてある。
【００８６】
そして、入射するパルスレーザの波長、エネルギー、パルス幅、繰返し周波数、ビーム径、集束度、集束距離を、対象母材の材質、形状によって自由に設定できるようになっている。
【００８７】
図１２においては、レーザビーム可変手段１０４として、例えばレーザビーム装置７２の出射部に波長変換器１０４ａを備え、使用する波長を選定できるようにしている。さらに、レーザ装置７２は、出射レーザのエネルギ、パルス幅、および繰返し周波数が任意にできるものとしている。また、出射レーザビーム７４は溶接対象母材７５へ伝送して集束させる光学系７９において、集束レンズ７９の手前にビーム径および集束度を任意に設定できるビーム径・集束度調整器１０４ｂを備えている。
【００８８】
このような構成によれば、溶接対象母材７５の材質や形状によって種々のレーザビーム条件を選定することができ、これにより図３（Ａ）に示したレーザ誘導アーク溶接の効果を発揮するための範囲を拡大することが可能となる。
【００８９】
第９実施形態（図１３）
図１３は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第９実施形態の部分構成を示している。
【００９０】
本実施形態では、レーザ照射手段７０の伝送光学系７９を構成する集束レンズ７８を、アーク溶接手段７１の電極８０を囲むフード８１の上部に配設してある。
【００９１】
そして、この集束レンズ７８を使用して、レーザビーム７４をフード８１の内側から出射するようになっている。
【００９２】
このような構成によれば、レーザビーム７４とアーク放電パスとの開き角θが小さくなり、溶接対象母材７５の表面におけるレーザビーム７４をより小さなスポットに集束することができ、その結果、図３（Ａ）に示したレーザ誘導アーク溶接の効果を発揮する上で、必要となるレーザ出力を低減することができ、よりコンパクトな装置構成とすることが可能となる。
【００９３】
また、これと併せて、レーザビーム７４の集束のための集束レンズ７８等の光学系要素をシールドガス８４の流れの吹付け位置よりも上流部位に配置し、シールドガス８４によるガスカーテンの外側に配置することができるので、溶接対象母材７５の蒸気によってこれらが汚れることを防止することができる。
【００９４】
したがって、本実施形態によれば、レーザ誘導アーク溶接の効果を、より一層確実に得ることが可能となる。
【００９５】
第１０実施形態（図１４）
図１４は、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置の第１０実施形態の構成を示している。
【００９６】
本実施形態では、図１２に示した第８実施形態に加えて、レーザビーム７４の集束度を監視する監視装置１０５と、この監視装置１０５からのレーザビーム集束度に基づいてレーザ駆動電源７３、アークエネルギ注入用電源８３ａ，８３ｂおよびトーチ駆動機構１０６を制御する制御装置１０７とを備えている。
【００９７】
そして、レーザビーム７４が集束する溶接施工点を監視しながら、溶接制御を行うようになっている。
【００９８】
具体的には、監視装置１０５として、レーザビーム７４の集束点（溶接施工点）を視取するためのＣＣＤカメラ１０５ａと、このＣＣＤカメラ１０５ａに接続されたＣＲＴ等のモニタ１０５ｂとを備え、レーザビーム７４の集束度および母材溶融状態についての監視信号を制御装置（システム制御器）１０７に出力するようにしてある。このシステム制御器１０７からの制御信号をレーザ駆動電源７３、アークエネルギ注入用電源８３ａ，８３ｂ、およびトーチ駆動機構（モータ）１０６に出力し、これらを制御するようになっている。
【００９９】
このような構成によれば、簡便な操作によってレーザ誘導アーク溶接の効果を自動的に得ることが可能となる。
【０１００】
第１１実施形態（図１５）
本実施形態は、供給するアーク電流のパルス−パルス間のアーク放電プラズマが消弧したタイミングで、溶接状態のモニタ、次の溶接点までのトーチの移動、およびレーザ集束点の調整を行う自動溶接方法についてのものである。
【０１０１】
図１５（Ａ）は、この方法を示すタイムチャートであり、同図（Ｂ）はその手順を示すフローチャートである。同図（Ｃ），（Ｄ）は作用を具体的に示す模式図である。装置構成としては、図１４に示した第１０実施形態が適用できる。
【０１０２】
本実施形態では、図１５（Ａ）に示すように、供給するアーク電流のパルス（Ｐ₁）−パルス（Ｐ₂）間のアーク放電プラズマの消弧したタイミング（例えば１００ｍｓ以内）で溶接状態のモニタ、次の溶接点までのトーチの移動、およびレーザ集束点の調整を行う。即ち、第１のパルスＰ₁の点弧時間Ｔ₁が終了した後、次のパルスＰ₂が立上るまでの時間Ｔ₂に、図１５（Ｂ）に示したモニタ（ステップ１０１）および制御（ステップ１０２）を行う。
【０１０３】
点弧中は、図１５（Ｃ）に示すようにアーク放電プラズマが発生しており、消弧中は、図１５（Ｄ）に示すようにアーク放電プラズマ２が消滅しているので、この図（１５（Ｄ）に示す消弧期間中にＣＣＤカメラ１０５ａおよびモニタ１０５ｂによる監視を行う、これに基づいて上記の制御を行うようにする。
【０１０４】
これによって、レーザビームの反射、アーク放電プラズマからの発光などの外乱を避けて溶接点の画像を得ることができ、制御信号に対する放電ノイズによる影響を避けることができる。したがって、良好なレーザ誘導アーク溶接とともに、トーチ移動、集束点調整等を確実に行うことができる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明に係るレーザ誘導アーク溶接装置および同溶接方法によれば、低エネルギのパルスレーザによって高エネルギのアーク放電をレーザの照射点に正確に誘導して集束することができ、これにより、従来のアーク溶接装置の規模に比較して小型のレーザ装置を備えるだけで、大幅なサイズの増加を伴うことなく、極めて高い溶接位置制御を可能とし、同時に、レーザの集束スポット相当の狭い領域にアークエネルギを集束することができる。したがって、溶接部の深い溶け込みを可能とすると同時に、低コスト化が図れるようになる等の優れた効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図２】前記第１実施形態の作用説明図。
【図３】（Ａ）は前記第１実施形態の効果を示す説明図、（Ｂ），（Ｃ）は比較例を示す説明図。
【図４】本発明の第２実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図５】図４に示したパルス成形回路の回路構成を示す図。
【図６】本発明の第３実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図７】本発明の第２実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図８】本発明の第２実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図９】本発明の第２実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図１０】図９の作用説明図。
【図１１】本発明の第７実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図１２】本発明の第８実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図１３】本発明の第９実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図１４】本発明の第１０実施形態によるレーザ誘導アーク溶接装置を示す構成図。
【図１５】本発明の第１１実施形態を示すもので、（Ａ）はレーザ誘導アーク溶接方法を説明するためのタイムチャート、（Ｂ）は同じくフローチャート、（Ｃ），（Ｄ）は作用を説明するための模式図。
【図１６】従来のアーク溶接装置を示す説明図。
【図１７】従来の電子ビーム溶接装置を示す説明図。
【図１８】従来のレーザ溶接装置の一例を示す説明図。
【図１９】従来のレーザ溶接装置の他の例を示す説明図。
【図２０】従来のレーザ・アーク複合溶接装置を示す説明図。
【図２１】図２０の作用説明図。
【符号の説明】
７０レーザ照射手段
７１アーク溶接手段
７２レーザ装置
７３レーザ駆動電源
７４レーザビーム
７５溶接対象母材
７６，７７ミラー
７８集束レンズ
７９光学系
８０電極
８１フード８１
８２トーチ
８３ＤＣ電源
８３ｂＤＣ電源
８４シールドガス
８５ガスボンベ
８６減圧弁
８７流量調整弁
８８シールドガス供給系
８９パルス電流制御手段
９０タイミング調整器
９１パルス成形回路ユニット
９１ａ，９１ｂパルス成形回路
９２レーザプラズマ
９３アーク放電プラズマ
９４コンデンサ
９５コイル
９６スイッチ
９７抵抗
９８コンデンサ
９９段数切替え器
１００可変抵抗
１０１電流検出器
１０２抵抗値フィードバック制御器
１０３極性反転器
１０４レーザビーム可変手段
１０４ａ波長変換器
１０４ｂビーム径・集束度調整器
１０５監視装置
１０５ａＣＣＤカメラ
１０５ｂモニタ
１０６トーチ駆動機構
１０７制御装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a welding technique using both a laser beam and an arc discharge, and in particular, induces an arc discharge at a focused spot of the laser beam to enable deep penetration and low heat input welding, thereby targeting thick materials. Special welding, when high welding accuracy is required, when the welding point has a complicated shape, when targeting materials with poor thermal characteristics, or when targeting high melting point materials The present invention relates to a laser induction arc welding apparatus and a welding method that can suitably cope with the above.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, arc welding methods, electron beam welding methods, laser welding methods, and the like are known as welding methods for steel and other various metals. Recently, a laser-arc combined welding method in which an arc and a laser are combined is being developed.
[0003]
FIG. 16 shows the configuration and welding state of a TIG welding apparatus applied to difficult-to-weld metals and the like.
[0004]
This TIG welding apparatus includes a torch 3 in which an electrode 1 made of a refractory metal such as tungsten is surrounded by a hood 2, an arc power supply 4 for supplying and controlling direct current or alternating current to the electrode 1, and a high frequency A power source 5 and a power source controller 6, and a shield gas supply system (not shown) for spraying a shield gas 8 onto the base material 7 to be welded, a base material 7 to be welded and the electrode 1 while adding a filler rod 9 During this time, arc discharge plasma 10 is generated, and the base material 7 to be welded is melted by the energy to perform welding.
[0005]
FIG. 17 shows the configuration and welding state of a conventional electron beam welding apparatus.
[0006]
This electron beam welding apparatus includes an electron gun 14 having a cathode 11, a grid 12 and an anode 13 serving as an electron emission source, a focusing lens 16 for focusing an electron beam 15 accelerated and emitted therefrom, and an orbit. A deflection coil 17 for change and a vacuum chamber 20 for installing the base material 18 to be welded together with the base material moving device 19 are provided, and the base material 18 is melted by the energy of the incident electron beam 15 to perform welding. It has become.
[0007]
18 and 19 show a solid laser device 21 and a continuous high-power gas laser device (CO) as an example of a conventional laser welding device.₂The structure of each of the laser devices 22 is shown.
[0008]
The solid-state laser device 21 includes a light source 30 including a laser driving power source 23, a trigger electrode 24, a flash lamp 25, an elliptic cylinder 26, a laser rod 27, resonator mirrors 28 and 29, and a laser beam 31 oscillated therefrom. The optical system 35 includes a reflection mirror 33 and a focusing lens 34 for transmitting to the base material 32 for focusing and irradiation.
[0009]
CO₂The laser device 22 includes a trigger power source 36, a laser discharge tube 37, an anode 38, a cathode 39, resonator mirrors 40a and 40b, a gas blower tube 41, a heat exchanger 42, a circulation pump 43, and the like, and a light source 44. An optical system 49 including a reflection mirror 47 and a focusing lens 48 for transmitting and focusing the irradiated laser beam 45 to the base material 46 to be welded is provided.
[0010]
In the laser welding apparatuses 21 and 22 configured as described above, welding is performed by melting the base materials 32 and 46 to be welded by the energy of the incident laser beams 31 and 45, respectively.
[0011]
Further, FIGS. 20 and 21 show the configuration and operation of a laser-arc combined welding apparatus of a system that has been recently developed and simply combines a reported arc discharge and a laser beam.
[0012]
The laser / arc combined welding apparatus shown in FIG. 20 includes a torch 52 with a hood 51 having a high melting point metal such as tungsten as an electrode 50, a power source 53 for supplying a DC or AC current, and a mother to be welded. A shield gas supply system 59 having a gas cylinder 56 for blowing the shield gas 55 onto the material 54, a pressure reducing valve 75, a flow rate adjusting valve 58, etc., a laser device 60, a laser driving power source 61 for driving the laser device 60, and a laser beam 62 It is configured to include mirrors 63 and 64 and an optical system 66 such as a lens 65 for transmitting to the welding target base material 54 and focusing and irradiating.
[0013]
In the laser-arc combined welding apparatus configured as described above, the energy of the arc discharge plasma 67 and the energy of the laser plasma 68 are combined and input to the base material 54 to be welded, and this is melted for welding. It has become. In this case, as shown in FIG. 21, laser plasma is continuously generated with a constant laser intensity while supplying an arc current in pulses.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional arc welding apparatus shown in FIG. 16 has the advantage that arc-electric conversion efficiency is high and welding can be performed with a very simple apparatus configuration, but the position control accuracy of the arrival point of the arc is poor. Because of this, for objects that require high position accuracy such as fillet welding and groove welding, welding defects are likely to occur, and heat is input to a wide area of the material surface, making it difficult to perform deep penetration welding. Had.
[0015]
Further, in the conventional electron beam welding shown in FIG. 17, although high welding position control accuracy and deep penetration depth can be realized, the size of the welding work object must be placed in the vacuum chamber, so the size is limited. In addition, the construction time and the equipment cost are significantly increased compared to the case of arc welding.
[0016]
Further, in the conventional laser welding apparatus shown in FIGS. 18 and 19, since a laser beam that can be focused on a minute region is input to the base material to be welded as a heat source, the welding position of the conventional arc welding as described above is used. It is possible to cover the disadvantages of low control accuracy, but on the other hand, the construction of a high-power laser device for welding becomes large, and because of its low electrical efficiency, its drive power supply requires a large capacity In addition, there is a difficulty that the apparatus cost is significantly higher than that of the arc welding apparatus. Furthermore, equipment for preventing reflection and dissipation of a high-energy laser beam is required, and there is a problem that the system configuration is generally large and very complicated. Therefore, the versatility is low.
[0017]
Furthermore, in the conventional laser / arc combined welding apparatus shown in FIG. 20, it is possible to reduce the scale of the laser apparatus by supplementing the energy of the arc with respect to laser welding. Since the laser beam must be handled, the adverse effect of increasing the complexity of the structure around the welding head has been increased, and the practical improvement has been small.
[0018]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a welding apparatus and a welding method capable of promoting high welding performance, a simple apparatus configuration, good operability, and cost reduction. And
[0019]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a laser device that oscillates a short pulse laser beam, and a laser irradiation means that has a transmission optical system that focuses and irradiates the laser beam on a base material to be welded. An arc welding means for injecting a large current into the focused spot of the laser beam to melt and weld the member to be welded, and a laser beam outputted from the laser irradiation means for a current outputted from the arc welding means Pulse current control means that rises as a long pulse wave synchronized with theThe pulse current control means includes a timing adjuster that adjusts the rising timing of the pulse current, and a pulse shaping circuit unit that shapes the pulse current into a rectangular wave, and the pulse shaping circuit unit includes an impedance matching resistor. As a variable resistanceThere is provided a laser induction arc welding apparatus characterized by the above.
[0020]
  In invention of Claim 2, in the laser induction arc welding apparatus of Claim 1,The pulse shaping circuit unit includes a low impedance pulse shaping circuit having a large capacity capacitor and a high impedance pulse shaping circuit having a small capacity capacitor, and a pulse current between the torch of the arc welding means and the base material to be welded. Connected a capacitor for rising compensation ofA laser induction arc welding apparatus is provided.
[0021]
  In the invention of claim 3,2. The laser induction arc welding apparatus according to claim 1, wherein the pulse current control means includes energy injection adjusting means for adjusting injection energy to the pulse current output from the arc welding means. apparatusI will provide a.
[0022]
  In the invention of claim 4,2. The laser induction arc welding apparatus according to claim 1, wherein a current detector for detecting a waveform of an arc current output from the arc welding means, and a reflection component of a current pulse is reduced based on a detection value of the current detector. A laser induction arc welding apparatus comprising a resistance value feedback controller that performs feedback control of a variable resistance in a direction.
In addition to the pulse forming circuit according to claim 3, a capacitor for compensating the rise of the pulse current is connected between the torch of the arc welding means and the base material to be welded.A laser induction arc welding apparatus is provided.
[0023]
  In the invention of claim 5,2. The laser induction arc welding apparatus according to claim 1, wherein the laser irradiation means includes laser beam variable means for changing the wavelength, energy, pulse width, repetition frequency, beam diameter, focusing degree or focusing distance of the laser beam.A laser induction arc welding apparatus is provided.
[0024]
  In the invention of claim 6,6. The laser induction arc welding apparatus according to claim 1, wherein the focusing lens constituting the optical system of the laser irradiation means is disposed in a hood surrounding the electrode of the arc welding means.A laser induction arc welding apparatus is provided.
[0025]
  In the invention of claim 7,7. The laser induction arc welding apparatus according to claim 1, wherein a monitoring device for monitoring a focusing degree of the laser beam, and a laser driving power source and an arc energy injection based on the focusing degree of the laser beam from the monitoring apparatus. And a control device for controlling the torch drive mechanismA laser induction arc welding apparatus is provided.
[0026]
  In the invention of claim 8,A short pulse laser beam is incident on the surface of the base material to be welded from the laser device, and a rectangular pulse current synchronized with the laser pulse is supplied between the arc welding torch and the laser beam irradiation spot of the base material. Thus, arc discharge is induced and focused on the laser plasma generated on the surface of the base material, and the base material is melted and welded by the energy, and the supplied pulse current is set to several tens to several hundreds. A laser induction arc welding method characterized by having a rectangular pulse shape having a long time width of several μs to several tens of ms at a high-speed rising of ns and having no ringing that crosses a point where the current becomes 0 amperesI will provide a.
[0027]
  In the invention of claim 9,9. The laser induction arc welding method according to claim 8, wherein when a rectangular pulse-shaped current pulse is formed, a pulse shaping circuit unit in which a plurality of pulse shaping circuits having different impedances and charging voltages are combined is applied. Laser induction arc welding methodI will provide a.
[0028]
  In the invention of claim 10,10. The laser induction arc welding method according to claim 8 or 9, wherein a capacitor for compensating a current rising is used between the torch and the base material when forming a rectangular pulse-shaped current pulse. Arc welding methodI will provide a.
[0029]
  In the invention of claim 11,11. The laser induction arc welding method according to claim 8, wherein a pulse shaping circuit unit is formed by combining a plurality of pulse shaping circuits having different impedances and charging voltages when forming a rectangular pulse-shaped current pulse. And adjusting arc power by using one or more of the change in the number of stages of one or more pulse shaping circuits, the change in the charging voltage of each pulse shaping circuit and the change in the repetition frequency of the supply pulse, or a combination thereof. Laser induction arc welding method characterized by performingI will provide a.
[0030]
  In the invention of claim 12,The laser induction arc welding method according to any one of claims 8 to 11, wherein when forming a rectangular pulse-shaped current pulse, charging of each pulse forming circuit is made positive and negative and reversible, and the base material to be welded is an anode or a cathode. Set to one of the polesA laser induction arc welding method is provided.
[0031]
  In invention of Claim 13,13. The laser induction arc welding method according to claim 8, wherein the welding state is monitored at the timing when the arc discharge plasma between the pulses of the arc current to be sequentially supplied is extinguished, and the torch to the next welding point. Move the laser and adjust the laser focusing pointA laser induction arc welding method is provided.
[0041]
According to the laser induction arc welding method and apparatus having the above-described configuration, a laser beam is generated by focusing a low energy pulse laser beam on a welding target portion of the base material, and in synchronization with the laser. A high-energy arc discharge is accurately induced and focused on the laser plasma by the input pulse current, and the energy can be used to melt the base material and perform welding.
[0042]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a laser induction arc welding method and apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0043]
First embodiment (FIGS. 1 and 2)
FIG. 1 is a block diagram showing a laser induction arc welding apparatus according to a first embodiment of the present invention, and FIG.
[0044]
As shown in FIG. 1, the laser induction arc welding apparatus according to this embodiment is roughly divided into a laser irradiation unit 70 and an arc welding unit 71. Laser irradiation means 70 transmits laser beam 72 to laser beam 72 for oscillating a short pulse laser beam with a small output, a laser driving power source 73 for driving the laser device 72, and base material 75 to be welded, and focuses and irradiates the laser beam. Mirrors 76 and 77 and an optical system 79 such as a focusing lens 78.
[0045]
On the other hand, the arc welding means 71 includes a torch 82 with a hood 81 having a refractory metal such as tungsten as an electrode 80, a DC power supply 83 for supplying a large direct current, and a shield gas 84 to a base material 75 to be welded. And a shield gas supply system 88 that melts the gas cylinder 85, the pressure reducing valve 86, the flow rate adjusting valve 87, and the like.
[0046]
In this embodiment, the present embodiment is provided with a pulse current control means 89 that causes the current output from the arc welding means 71 to rise as a long pulse wave synchronized with the laser pulse output from the laser irradiation means 70. Yes.
[0047]
The pulse current control means 89 includes a timing adjuster 90 that adjusts the rising timing of the pulse current, and a pulse shaping circuit unit 91 that shapes the pulse current into a rectangular wave.
[0048]
FIG. 2 shows a short pulse waveform of the laser beam output from the laser irradiation means 70 and a long pulse current waveform of the arc welding means 71 controlled by the timing adjuster 90 and the pulse shaping circuit unit 91. As shown in FIG. 2, the laser pulse is set to an extremely short pulse width of several tens of ns or less, and the arc current rises in a short time of 1 μs or less after the laser pulse disappears, and the pulse width ranges from several μs to several tens of tens. It is set to be μs.
[0049]
Next, the operation will be described.
[0050]
At the time of welding, a shielding gas 84 such as argon gas is supplied from the gas cylinder 85 through the pressure reducing valve 86 and the flow rate adjusting valve 87 to the hood 81 of the torch 82 and sprayed onto the base material 75. In this state, a pulse laser beam 74 is emitted from a laser device 72 driven by a laser driving power source 73, and the pulse laser beam 74 is focused and irradiated on a base material 75 by a focusing lens 78 through an optical system 79. Plasma 92 is generated.
[0051]
On the other hand, timing adjustment in synchronization with the laser pulse is performed by the timing adjuster 90, and pulse shaping is performed by the pulse shaping circuit unit 91, and a pulse current is supplied from the DC power source 83 between the electrode 80 and the base material 75. The arc discharge plasma 93 is generated.
[0052]
As described above, the laser plasma 92 is generated at the irradiation point by the pulse laser beam 74 incident on the base material 75 to be welded, and thereby the arrival point and the arrival area (area) of the arc discharge plasma 93 are controlled. At this time, as shown in FIG. 2, the relationship between the incident pulse laser and the arc discharge current is the same as the incidence of a laser pulse with an extremely short pulse width of several tens of ns or less, and several μ to several tens of ms. A long pulse width arc current is induced.
[0053]
Therefore, according to the present embodiment, the arrival point of the arc can be controlled with an accuracy corresponding to the focused spot diameter (approximately several hundred μm) of the pulse laser, so that the welding accuracy is remarkably improved as compared with the conventional arc welding. In addition, since the arc heat input region is about this spot diameter, deep penetration is possible. Moreover, the laser energy required for induction and focusing of the arc is very small, and usually 1/1000 or less of the arc energy is sufficient. Accordingly, since most of the heat input energy for melting the material is supplied by the arc, the laser device 72 can be a small one with a small output (several W), and is compared with a normal arc welding device. Thus, the apparatus scale is not particularly changed, and a compact configuration can be obtained.
[0054]
The effect | action of the above 1st Embodiment is demonstrated still in detail with reference to FIG. 3 (A)-(C).
[0055]
FIG. 3A shows a preferred arc current rising according to the present embodiment, FIG. 3B shows comparative example 1 with a slow rising, and FIG. 3C shows comparative example 2 with ringing.
[0056]
As described above, in the present embodiment, the pulse current to be supplied is set to have a long time width of several μs to several tens of ms at a fast rise of 1 μs or less. As a result, as shown in FIG. 3A, a rectangular pulse shape without ringing crossing the point where the current becomes 0 amperes is aimed. Thereby, favorable inductivity and convergence are obtained as arc discharge plasma.
[0057]
On the other hand, generally, when a current pulse having a slow rise, that is, a pulse of about several hundred ns or more is supplied, the inductivity and convergence of the arc decrease as shown in FIG. Becomes diffuse. When a current waveform with ringing that crosses a point of 0 amperes is supplied, arc instability occurs as shown in FIG. In the case of FIGS. 3B and 3C, since the heat input range to the base material is expanded and deep penetration cannot be performed, in this embodiment, as shown in FIG. By supplying a current pulse with a pulse shape having no ringing, diffusion and instability can be avoided and good pulse induction arc welding can be performed. Such an operation can be more reliably realized by the specific means of the following embodiments.
[0058]
Second Embodiment (FIGS. 4 and 5)
FIG. 4 shows the overall configuration of the second embodiment of the laser induction arc welding apparatus according to the present invention, and FIG. 5 shows the circuit configuration that is the main part of the pulse shaping circuit unit.
[0059]
Since it is difficult to produce a rectangular pulse current output having a high rise time and a long time width as shown in FIG. 3A described above with a single pulse shaping circuit, this embodiment is shown in FIG. As described above, the pulse shaping circuit unit 91 is configured to include a plurality of pulse shaping circuits having different impedances and charging voltages, that is, a high impedance pulse shaping circuit 91a and a low impedance pulse shaping circuit 91b. By applying such a combination configuration, a desired current pulse shape is obtained.
[0060]
Specifically, as shown in FIG. 4, a low-impedance pulse shaping circuit 91b is provided for power injection, which is composed of a large-capacitance capacitor and is charged by a low-voltage DC power supply 83b having a voltage of 100 to 200V. I am doing so. When a laser plasma (laser induction arc) 92 is used, a current pulse with a time width of several μs to several tens of ms is supplied as an arc current, and most of the energy charged in the capacitor is injected into the arc discharge plasma 93. To do. However, since the low impedance pulse shaping circuit 91b alone cannot increase the rise of the supply current, the high impedance pulse shaping circuit 91a constituted by a capacitor having a small capacity is used for the rise compensation (or for laser induction). This is charged by a high voltage DC power supply 83a having a voltage of several kV.
[0061]
Each pulse shaping circuit 91a, 91b includes a capacitor 94, a coil 95, a switch 96 and a resistor 97 as shown in FIG.
[0062]
With such a configuration, the rise is fast in accordance with the generation of the laser induction arc, and a current pulse width of several hundred ns to several tens of μs is output and superimposed on the above-described power injection pulse, and is long at the intended fast rise. A rectangular pulse current having a time width can be supplied to the arc, and the above-described effects can be sufficiently exhibited.
[0063]
Third Embodiment (FIG. 6)
FIG. 6 shows the configuration of a third embodiment of the laser induction arc welding apparatus according to the present invention.
[0064]
In the second embodiment described above, it is possible to produce a desired rectangular pulse current output. In addition to this, in this embodiment, as shown in FIG. A rise compensation capacitor 98 is also connected in parallel with the target base material 75.
[0065]
With such a configuration, it is possible to make the current rise faster than in the case where only the pulse shaping circuits 91a and 91b for rising compensation shown in the second embodiment are provided. It is possible to further improve the arc induction characteristics.
[0066]
Fourth embodiment (FIG. 7)
FIG. 7 shows the configuration of a fourth embodiment of the laser induction arc welding apparatus according to the present invention.
[0067]
In the pulse shaping circuit unit 91 of each embodiment described above, most of the energy supply to the arc is borne by the initial charging energy of the pulse shaping circuit 91b having the best matching with the impedance of the arc discharge plasma.
[0068]
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 7, by providing a stage number switch 99 that switches the number of stages of the pulse shaping circuit 91b as means for adjusting the energy injection to the arc, the charging energy per pulse is changed stepwise. I can do it.
[0069]
According to such a configuration, it becomes possible to arbitrarily set and adjust the energy injection amount to the arc according to the welding conditions or the welding state, and it is possible to cope with various welding conditions satisfactorily.
[0070]
The energy injection adjusting means for the arc may be configured to change the laser repetition frequency and the charging voltage of the pulse shaping circuit, although not shown, instead of the stage changer 99. Even with such a configuration, the same operation as described above can be obtained.
[0071]
Fifth embodiment (FIG. 8)
FIG. 8 shows the configuration of the fifth embodiment of the laser induction arc welding apparatus according to the present invention.
[0072]
In the present embodiment, the variable resistor 100 is applied as an impedance matching resistor of the pulse shaping circuit 91b for injecting arc energy having an impedance closest to the arc in a pulse circuit configuration that outputs a current pulse having a rectangular pulse shape. .
[0073]
According to such a configuration, when the arc impedance fluctuates, the resistance value of the energy injection pulse shaping circuit 91b can be set so that the matching condition becomes the best, thereby generating arc current ringing. Will be suppressed. Therefore, it is possible to reliably maintain the good arc inductivity shown in FIG.
[0074]
Sixth Embodiment (FIGS. 9 and 10)
FIG. 9 shows the configuration of a sixth embodiment of the laser induction arc welding apparatus according to the present invention, and FIG. 10 shows the operation.
[0075]
In the invention of claim 7, in addition to the configuration of the fifth embodiment, the current detector 101 for detecting the waveform of the arc current output from the arc welding means, and the current pulse based on the detected value of the current detector 101 And a resistance value feedback controller 102 that performs feedback control of the variable resistor 100 in a direction that reduces the reflection component of the variable resistance 100.
[0076]
Then, when a rectangular pulse-shaped current pulse is formed, the impedance matching resistance of the pulse shaping circuit is feedback-controlled based on the arc current waveform signal so that the reflection component is minimized.
[0077]
According to such a configuration, the resistance value of the variable resistor 100 is automatically feedback-controlled so that the impedance matching is best from the waveform of the arc discharge current measured by the current detector 101 ((( a) For example, as shown in FIGS. 10B and 10C, even if the impedance of the arc discharge changes due to a change in the distance between the electrodes or the melting of the base material 75 to be welded (FIG. 10B). ) Shows the case where the impedance is smaller than the arc resistance, and FIG. 9C shows the case where the impedance is larger than the arc resistance. By controlling the value, it is possible to supply the arc current with a waveform without ringing, thereby achieving a good arc induction as shown in FIG. And it is possible to automatically hold.
[0078]
Seventh embodiment (FIG. 11)
FIG. 11 shows a configuration of a seventh embodiment of the laser induction arc welding apparatus according to the present invention.
[0079]
In the present embodiment, each of the pulse shaping circuits 91a and 91b of the pulse shaping circuit unit 91 includes a polarity inverter 103 that switches the base material 75 to be welded to an anode or a cathode.
[0080]
And when forming the current pulse of the rectangular pulse shape, charging of each pulse shaping circuit 91a, 91b is made positive and negative reversible, so that the base material 75 to be welded can be set to either the anode or the cathode. It has become.
[0081]
According to such a configuration, the base material 75 to be welded can be arbitrarily set to either an anode or a cathode as necessary. For example, when a large current arc is required, the base material 75 to be welded is an anode. In addition, the torch 82 is set as a cathode, whereby the thermal load on the electrode 80 can be reduced and the life of the electrode 80 can be extended.
[0082]
Further, when the oxide film formed in the melted portion of the base material 75 to be welded is removed by sputtering and a clean weld surface finish is required, the heat load may be increased by setting the polarity opposite to the above.
[0083]
As described above, by setting the polarity arbitrarily, the favorable laser induction arc welding effect shown in FIG. 3 (A) can be exhibited under conditions suitable for the target welding mode.
[0084]
Eighth embodiment (FIG. 12)
FIG. 12 shows the configuration of the eighth embodiment of the laser induction arc welding apparatus according to the present invention.
[0085]
In this embodiment, the laser irradiation means 70 is configured to include a laser beam variable means 104 that makes the wavelength, energy, pulse width, repetition frequency, beam diameter, focusing degree, or focusing distance of the laser beam 74 variable.
[0086]
The wavelength, energy, pulse width, repetition frequency, beam diameter, focusing degree, and focusing distance of the incident pulse laser can be freely set according to the material and shape of the target base material.
[0087]
In FIG. 12, as the laser beam variable means 104, for example, a wavelength converter 104a is provided in the emission part of the laser beam device 72 so that the wavelength to be used can be selected. Further, the laser device 72 can arbitrarily set the energy, pulse width, and repetition frequency of the emitted laser. Further, in the optical system 79 for transmitting and converging the emitted laser beam 74 to the base material 75 to be welded, a beam diameter / focusing degree adjuster 104b capable of arbitrarily setting the beam diameter and the focusing degree is provided in front of the focusing lens 79. Yes.
[0088]
According to such a configuration, various laser beam conditions can be selected depending on the material and shape of the base material 75 to be welded, thereby exhibiting the effect of laser induction arc welding shown in FIG. It is possible to expand the range.
[0089]
Ninth embodiment (FIG. 13)
FIG. 13 shows a partial configuration of the ninth embodiment of the laser induction arc welding apparatus according to the present invention.
[0090]
In the present embodiment, the focusing lens 78 constituting the transmission optical system 79 of the laser irradiation means 70 is disposed on the upper portion of the hood 81 surrounding the electrode 80 of the arc welding means 71.
[0091]
The focusing lens 78 is used to emit a laser beam 74 from the inside of the hood 81.
[0092]
According to such a configuration, the opening angle θ between the laser beam 74 and the arc discharge path is reduced, and the laser beam 74 on the surface of the base material 75 to be welded can be focused on a smaller spot. When the effect of laser induction arc welding shown in 3 (A) is exhibited, the laser output required can be reduced, and a more compact device configuration can be achieved.
[0093]
In addition to this, an optical system element such as a focusing lens 78 for focusing the laser beam 74 is disposed upstream of the position where the flow of the shield gas 84 is blown, and outside the gas curtain by the shield gas 84. Since it can arrange | position, these can prevent that these become dirty with the vapor | steam of the preform | base_material 75 to be welded.
[0094]
Therefore, according to the present embodiment, the effect of laser induction arc welding can be obtained more reliably.
[0095]
Tenth embodiment (FIG. 14)
FIG. 14 shows the configuration of a tenth embodiment of the laser induction arc welding apparatus according to the present invention.
[0096]
In the present embodiment, in addition to the eighth embodiment shown in FIG. 12, a monitoring device 105 that monitors the focusing degree of the laser beam 74, and a laser drive power source 73 based on the focusing degree of the laser beam from the monitoring device 105, A power supply 83a, 83b for arc energy injection and a control device 107 for controlling the torch drive mechanism 106 are provided.
[0097]
The welding control is performed while monitoring the welding point where the laser beam 74 is focused.
[0098]
Specifically, the monitoring device 105 includes a CCD camera 105a for observing a focusing point (welding point) of the laser beam 74 and a monitor 105b such as a CRT connected to the CCD camera 105a, and a laser. Monitoring signals regarding the degree of convergence of the beam 74 and the base material melting state are output to the control device (system controller) 107. The control signal from the system controller 107 is output to the laser drive power source 73, the arc energy injection power sources 83a and 83b, and the torch drive mechanism (motor) 106 to control them.
[0099]
According to such a configuration, it is possible to automatically obtain the effect of laser induction arc welding by a simple operation.
[0100]
Eleventh embodiment (FIG. 15)
In the present embodiment, automatic welding is performed to monitor the welding state, move the torch to the next welding point, and adjust the laser focusing point at the timing when the arc discharge plasma between the pulses of the arc current to be supplied is extinguished. Is about the method.
[0101]
FIG. 15A is a time chart showing this method, and FIG. 15B is a flowchart showing the procedure. FIGS. 3C and 3D are schematic diagrams specifically showing the operation. As a device configuration, the tenth embodiment shown in FIG. 14 can be applied.
[0102]
In this embodiment, as shown in FIG. 15A, the pulse of arc current to be supplied (P₁)-Pulse (P₂) During the arc discharge plasma extinction timing (for example, within 100 ms), the welding state is monitored, the torch is moved to the next welding point, and the laser focusing point is adjusted. That is, the first pulse P₁Ignition time T₁Is finished, the next pulse P₂Time T until the rise₂Then, the monitor (step 101) and control (step 102) shown in FIG.
[0103]
During ignition, arc discharge plasma is generated as shown in FIG. 15C, and during arc extinction, arc discharge plasma 2 is extinguished as shown in FIG. (Monitoring by the CCD camera 105a and the monitor 105b is performed during the arc extinguishing period shown in (D), and the above control is performed based on this.
[0104]
Thereby, it is possible to obtain an image of the welding point while avoiding disturbances such as reflection of the laser beam and light emission from the arc discharge plasma, and the influence of the discharge noise on the control signal can be avoided. Therefore, it is possible to reliably perform torch movement, focusing point adjustment and the like together with good laser induction arc welding.
[0105]
【The invention's effect】
As described above, according to the laser induction arc welding apparatus and the welding method according to the present invention, a high energy arc discharge can be accurately guided and focused on a laser irradiation point by a low energy pulse laser. This makes it possible to control the welding position without increasing the size of the conventional arc welding apparatus by using only a small laser device compared to the scale of the conventional arc welding apparatus. Arc energy can be focused in a fairly narrow area. Therefore, excellent effects such as enabling deep penetration of the weld and reducing the cost can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a laser induction arc welding apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an operation explanatory diagram of the first embodiment.
FIGS. 3A and 3B are explanatory views showing effects of the first embodiment, and FIGS. 3B and 3C are explanatory views showing comparative examples. FIGS.
FIG. 4 is a configuration diagram showing a laser induction arc welding apparatus according to a second embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a circuit configuration of the pulse shaping circuit shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a configuration diagram showing a laser induction arc welding apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram showing a laser induction arc welding apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram showing a laser induction arc welding apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram showing a laser induction arc welding apparatus according to a second embodiment of the present invention.
10 is a diagram for explaining the operation of FIG. 9;
FIG. 11 is a block diagram showing a laser induction arc welding apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a block diagram showing a laser induction arc welding apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a block diagram showing a laser induction arc welding apparatus according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a block diagram showing a laser induction arc welding apparatus according to a tenth embodiment of the present invention.
15A and 15B show an eleventh embodiment of the present invention, in which FIG. 15A is a time chart for explaining a laser induction arc welding method, FIG. 15B is a flowchart, and FIGS. The schematic diagram for demonstrating.
FIG. 16 is an explanatory view showing a conventional arc welding apparatus.
FIG. 17 is an explanatory view showing a conventional electron beam welding apparatus.
FIG. 18 is an explanatory view showing an example of a conventional laser welding apparatus.
FIG. 19 is an explanatory view showing another example of a conventional laser welding apparatus.
FIG. 20 is an explanatory view showing a conventional laser-arc combined welding apparatus.
FIG. 21 is an operation explanatory view of FIG. 20;
[Explanation of symbols]
70 Laser irradiation means
71 Arc welding means
72 Laser equipment
73 Laser drive power supply
74 Laser beam
75 Base material to be welded
76,77 mirror
78 Focusing lens
79 Optical system
80 electrodes
81 Food 81
82 Torch
83 DC power supply
83b DC power supply
84 Shielding gas
85 Gas cylinder
86 Pressure reducing valve
87 Flow control valve
88 Shield gas supply system
89 Pulse current control means
90 Timing adjuster
91 Pulse shaping circuit unit
91a, 91b Pulse shaping circuit
92 Laser plasma
93 Arc discharge plasma
94 capacitors
95 coils
96 switches
97 resistance
98 capacitors
99 stage number changer
100 variable resistance
101 Current detector
102 Resistance value feedback controller
103 polarity inverter
104 Laser beam variable means
104a Wavelength converter
104b Beam diameter / focusing degree adjuster
105 Monitoring device
105a CCD camera
105b monitor
106 Torch drive mechanism
107 Control device

Claims

A laser device that oscillates a short pulse laser beam, a laser irradiation means having a transmission optical system that focuses and irradiates the laser beam on a base material to be welded, and a large current is incident on a focused spot of the laser beam Arc welding means for melting and welding a member to be welded, and pulse current control means for causing the current output from the arc welding means to rise as a long pulse wave synchronized with the laser beam output from the laser irradiation means The pulse current control means includes a timing adjuster that adjusts the rising timing of the pulse current, and a pulse shaping circuit unit that shapes the pulse current into a rectangular wave. A laser induction arc welding apparatus comprising a variable resistor as a matching resistor.

2. The laser induction arc welding apparatus according to claim 1, wherein the pulse shaping circuit unit includes a low impedance pulse shaping circuit having a large capacity capacitor and a high impedance pulse shaping circuit having a small capacity capacitor . A laser induction arc welding apparatus, wherein a capacitor for compensating for the rise of pulse current is connected between a torch and a base material to be welded.

3. The laser induction arc welding apparatus according to claim 1, wherein the pulse current control means includes energy injection adjusting means for adjusting injection energy to the pulse current output from the arc welding means. Arc welding equipment.

2. The laser induction arc welding apparatus according to claim 1, wherein a current detector for detecting a waveform of an arc current output from the arc welding means, and a reflection component of a current pulse is reduced based on a detection value of the current detector. A laser induction arc welding apparatus comprising a resistance value feedback controller that performs feedback control of a variable resistance in a direction.

5. The laser induction arc welding apparatus according to claim 1, wherein the laser irradiation means is a laser whose wavelength, energy, pulse width, repetition frequency, beam diameter, focusing degree or focusing distance of the laser beam is variable. A laser induction arc welding apparatus comprising a beam variable means.

6. The laser induction arc welding apparatus according to claim 1, wherein the focusing lens constituting the optical system of the laser irradiation means is disposed in a hood surrounding an electrode of the arc welding means. Induction arc welding equipment.

7. The laser induction arc welding apparatus according to claim 1, wherein a monitoring device for monitoring a focusing degree of the laser beam, and a laser driving power source and an arc energy injection based on the focusing degree of the laser beam from the monitoring apparatus. And a control device for controlling the torch drive mechanism. A laser induction arc welding apparatus comprising:

A short pulse laser beam is incident on the surface of the base material to be welded from the laser device, and a rectangular pulse current synchronized with the laser pulse is supplied between the arc welding torch and the laser beam irradiation spot of the base material. Thus, arc discharge is induced and focused on the laser plasma generated on the surface of the base material, and the base material is melted and welded by the energy, and the supplied pulse current is set to several tens to several hundreds. A laser induction arc welding method characterized by having a rectangular pulse shape having a long time width of several μs to several tens of ms at a high-speed rising of ns and having no ringing that crosses a point where the current becomes 0 amperes.

9. The laser induction arc welding method according to claim 8, wherein when a rectangular pulse-shaped current pulse is formed, a pulse shaping circuit unit in which a plurality of pulse shaping circuits having different impedances and charging voltages are combined is applied. Laser induction arc welding method.

10. The laser induction arc welding method according to claim 8 or 9, wherein a capacitor for compensating a current rising is used between the torch and the base material when forming a rectangular pulse-shaped current pulse. Arc welding method.

11. The laser induction arc welding method according to claim 8, wherein a pulse shaping circuit unit is formed by combining a plurality of pulse shaping circuits having different impedances and charging voltages when forming a rectangular pulse-shaped current pulse. And adjusting arc power by using one or more of the change in the number of stages of one or more pulse shaping circuits, the change in the charging voltage of each pulse shaping circuit and the change in the repetition frequency of the supply pulse, or a combination thereof. A laser induction arc welding method characterized by performing.

The laser induction arc welding method according to any one of claims 8 to 11 , wherein when forming a rectangular pulse-shaped current pulse, charging of each pulse forming circuit is made positive and negative and reversible, and the base material to be welded is an anode or a cathode. A laser induction arc welding method characterized by being set to any one of the poles.

13. The laser induction arc welding method according to claim 8 , wherein the welding state is monitored at the timing when the arc discharge plasma between the pulses of the arc current to be sequentially supplied is extinguished, and the torch to the next welding point. And a laser focusing point are adjusted, and a laser induction arc welding method.