JP4264883B2 - ハイブリッド溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、アーク溶接とレーザ溶接を組合せたハイブリッド溶接装置に関する。

アーク溶接はレーザ溶接に比べてエネルギー密度が小さいので、溶接速度が遅いという問題がある。一方、レーザ溶接はエネルギー密度が比較的大きいので溶接速度は速いが溶接対象物のエッジを精度よく合わせること要求される（特許文献１）。そこで、アーク溶接とレーザ溶接を組合せて、１つの溶接対象物にアークによる入熱とレーザによる入熱を同時に施すハイプリッド溶接装置が多数提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。
また、特許文献２に拠れば、ハイブリッド溶接装置のレーザ光のビーム直径は０．６５ｍｍから０．９ｍｍの間に設定するのが好ましいとされている。

しかしながら、従来のハイブリッド溶接装置は、アーク溶接電流とレーザ照射の同期が完全に取られていないため、アーク溶接をおこなっていない状態でレーザを照射する可能性があった。
また、本発明者の実験によると、多関節ロボットにハイブリッド溶接機を取り付けて溶接を行う場合、継ぎ手に対するロボットの軌跡のずれをカバーするために、レーザのピントをわざとぼかして、レーザビームの直径を１ｍｍ以上にするとよいことがわかっているが、アークが発生していない状態で、ビーム直径が１ｍｍ以上のレーザ光を照射しても、レーザ光だけでは金属を溶かすことができないため、ほとんどのレーザ光が金属表面から反射され、この反射されたレーザ光がレーザ装置のレンズを傷めたり、レーザ装置の光ファイバーを傷めたりする問題があった。
特に、溶接の対象材料がアルミの場合、アルミの表面はレーザ光を反射しやすいため、わざとピントをぼかしたレーザ光をハイブリッド溶接に適用すると、レーザのレンズや光ファイバーが容易に損傷してしまうという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、レーザ装置のレンズや光ファイバーの損傷を防止できるハイブリッド溶接装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、請求項１の発明は、レーザとアークを複合して被溶接材の溶接を行うハイブリッド溶接装置において、溶接開始時には、アーク溶接電流が流れたことを確認してから、レーザ照射を開始し、溶接終了時には、レーザ照射が停止したことを確認してから、アーク溶接を停止し、溶接実施中にアーク溶接電流が一定値以下になると、レーザ照射を停止した後、アーク溶接を停止するものである。

請求項１の発明によれば、溶接開始時、溶接途中、溶接終了時にアーク溶接状態を監視し、必ずアークが発生している時に、レーザ発振することにより、溶接対象物からのレーザ光反射による、レーザ装置用レンズやレーザ装置用光ファイバーの損傷を防止することができるという効果がある。

図１は、本発明の実施に用いるハイブリッド溶接装置の構成図である。図１において、１は産業用ロボットである。産業用ロボット１は、ロボットコントローラ２により制御されている。ロボットコントローラ２の状態は、常に、プログラミングペンダント３によりモニターされている。
４はアーク溶接機であり、ロボットコントローラ２に接続されている。アーク溶接機４には、電圧検出器５と電流検出器６が内蔵されるとともに、トーチケーブル７でアーク溶接トーチ８と接続されている。図示は省略しているが、トーチケーブル７の中には、溶接ワイヤとシールドガスと溶接用パワーケーブルが内蔵されており、アーク溶接トーチ８には、溶接ワイヤとシールドガスと溶接用パワーが供給されている。また、アーク溶接機４は、アーク溶接用アースケーブル９を介して溶接対象物１０に接続されている。
１１はレーザ発振機であり、１２はレーザ発振機１１の信号受け部である。レーザ発振機１１は、光ファイバー１３によりレーザヘッド１４と接続されている。レーザヘッド１４には、複数枚のレーザ用レンズが内蔵されている。レーザヘッド１４には、光センサが内蔵されており、レーザ光が照射されると信号を信号受け部１２に送信する。

図２は、本発明の第１の実施例を示すフローチャートである。以下、このフローを図に付した符号を引用して説明する。
（ＳＴＥＰ１１）産業用ロボット１が溶接開始部までレーザヘッド１４とアーク溶接トーチ８を移動させる。
（ＳＴＥＰ１２）ロボットコントローラ２は、アーク溶接機４に溶接開始を指令する。
（ＳＴＥＰ１３）アーク溶接機４は、シールドガスを出し、溶接ワイヤ送給し、溶接電圧をかけることでアーク溶接を開始する。溶接ワイヤが溶接対象１０に到達すると溶接電流が流れる。
（ＳＴＥＰ１４）溶接電流は電流検出器６で検出される。
（ＳＴＥＰ１５）アーク溶接機４は、アーク電流が検出されたことをロボットコントローラ２に通知する。
（ＳＴＥＰ１６）ロボットコントローラ２は、レーザ発振機１１にレーザの照射を指令する。またアークスタート時は、アークが不安定なため、電圧検出器５で電圧を検出し、単なるワイヤの短絡では無く、アークの電圧、つまり、１２Ｖ〜４０Ｖの電圧に数ミリ秒間なっていることを検出して、アークとなったことを判定する場合もある。

次に本発明の第２の実施例を説明する。産業用ロボット１はレーザヘッド１４とアーク溶接トーチ８を把持しながら溶接を行うが、溶接途中、溶接ワイヤのつまりやシールドガス切れにより、アーク溶接が突然停止することがある。アーク溶接が停止するとレーザ光の反射により、レンズや光ファイバーが損傷する可能性があるため、アーク溶接が停止する前にレーザ光を停止させる必要がある。
図３は、本発明の第２の実施例を示すフローチャートである。以下、このフローを図に付した符号を引用して説明する。
（ＳＴＥＰ２１）前述の第１の実施例のフローにしたがって、溶接を開始する。
（ＳＴＥＰ２２）アーク溶接機４は、溶接中、常に溶接電流を電流検出器６で監視している。溶接電流が一定値以下の状態が数十ミリ秒続いた場合は、溶接電流が異常であると判定して、状態をロボットコントローラ２に送信する。
（ＳＴＥＰ２３）溶接電流が正常と判定された場合は、溶接を継続する。
（ＳＴＥＰ２４）溶接電流が異常と判定された場合は、ロボットコントローラ２は、レーザ発振機１１にレーザ発振を直ちに停止するよう指令する。
（ＳＴＥＰ２５）溶接電流が異常と判定された場合は、ロボットコントローラ２は、アーク溶接機４に溶接を停止するよう指令する。

次に本発明の第３の実施例を説明する。溶接終了時、アーク溶接機４とレーザ発振機１１に同時に停止指令を出すと、アーク溶接機４が先に停止する可能性があり、危険であるので、本実施例はこの危険を回避することを目的とする。
図４は本発明の第３の実施例を示すフローチャートである。以下、このフローを図に付した符号を引用して説明する。
（ＳＴＥＰ３１）溶接終了時、ロボットコントローラ２は、レーザ発振機１１に停止指令を出す。
（ＳＴＥＰ３２）レーザ発振機１１がレーザ発振を停止すると、信号受け部１２がレーザ光が停止したことを確認する。
（ＳＴＥＰ３３）ロボットコントローラ２は、レーザ光が停止した後に、アーク溶接機４に停止指令を出す。

次に本発明の第４の実施例を説明する。ハイブリッド溶接は、高速溶接を行う溶接方法であるため、アーク溶接も大電流での溶接となる。ところが溶接開始時から大電流にすると、レーザと同期を取るために産業用ロボット１が停止している間、過入熱となる可能性がある。また、溶接開始時、レーザの熱が入らないと溶け込みが浅くなり、溶接ビードが凸形状になる可能性がある。本実施例はこの問題を回避することを目的とする。
図５は本発明の第４の実施例を示すフローチャートである。以下、このフローを図に付した符号を引用して説明する。
（ＳＴＥＰ４１）産業用ロボット１が溶接開始部までレーザヘッド１４とアーク溶接トーチ８を移動させる。
（ＳＴＥＰ４２）ロボットコントローラ２は、アーク溶接機４に低電流での溶接開始を指令する。
（ＳＴＥＰ４３）アーク溶接機４は、シールドガスを出し、溶接ワイヤ送給し、溶接電圧をかけることでアーク溶接を開始する。
（ＳＴＥＰ４４）溶接電流は電流検出器６で検出される。
（ＳＴＥＰ４５）アーク溶接機４は、アーク電流が検出されたことをロボットコントローラ２に通知する。
（ＳＴＥＰ４６）ロボットコントローラ２は、レーザ発振機１１にレーザの照射を指令する。
（ＳＴＥＰ４７）ロボットコントローラ２は、アーク溶接機４に本来の電流での溶接開始を指令する。
以上のようにして、レーザと同期を取るまでは、低い溶接電流で溶接を行い、レーザが照射されてから本アーク溶接に移行することができる。

次に本発明の第５の実施例を説明する。ハイブリッド溶接の場合、溶接速度は、１０ｍ／分と言う高速での溶接になることがある。停止から１０ｍ／分の高速に産業用ロボット１の動作速度が変動する時に、同一レーザパワー、同一溶接電流では、溶接が異常になる場合がある。このため、特にスタート時は、産業用ロボット１の動作速度に合わせてレーザパワーとアーク溶接電流値を変化させる必要がある。本実施例はこの問題を回避することを目的とする。
図６は本発明の第５の実施例を示すフローチャートである。以下、このフローを図に付した符号を引用して説明する。
（ＳＴＥＰ５１）産業用ロボット１が、溶接開始部までレーザヘッド１４とアーク溶接トーチ８を移動させる。
（ＳＴＥＰ５２）ロボットコントローラ２より、アーク溶接機４に対し、本来の溶接電流より低い電流値で溶接開始を指令する。
（ＳＴＥＰ５３）アーク溶接機４は、本来の溶接電流より低い電流値で溶接を開始する。（ＳＴＥＰ５４）電流検出器６がアーク溶接電流を検出するまで待つ。
（ＳＴＥＰ５５）電流検出器６がアーク溶接電流を検出すると、アーク溶接機４は、アーク電流が検出されたことをロボットコントローラ２に通知する。
（ＳＴＥＰ５６）ロボットコントローラ２は、レーザ発振機１１に本来より低いレーザパワーでのレーザ照射開始を指令する。
（ＳＴＥＰ５７）レーザ照射が開始された後に、ロボットコントローラ２は、アーク溶接機４に対し、産業用ロボット１の動作速度に見合ったアーク溶接電流での溶接開始を指令する。
（ＳＴＥＰ５８）ロボットコントローラ２より、レーザ発振機１１に対し、産業用ロボット１の動作速度に見合ったレーザパワーでのレーザ照射を指令する。

本発明は、レーザとアークを複合して被溶接材の溶接を行うハイブリッド溶接装置として有用である。

本発明の実施に使用するハイブリッド溶接装置の構成図である。 本発明の第１の実施例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施例を示すフローチャートである。 本発明の第３の実施例を示すフローチャートである。 本発明の第４の実施例を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 産業用ロボット、２ ロボットコントローラ、３ プログラミングペンダント、４ アーク溶接機、５ 電圧検出器、６ 電流検出器、７ トーチケーブル、８ アーク溶接トーチ、９ 溶接用アースケーブル、１０ 溶接対象、１１ レーザ発振機、１２ 信号受け部、１３ 光ファイバー、１４ レーザヘッド

Claims (1)

1. レーザとアークを複合して被溶接材の溶接を行うハイブリッド溶接装置において、
   溶接開始時には、アーク溶接電流が流れたことを確認してから、レーザ照射を開始し、
   溶接終了時には、レーザ照射が停止したことを確認してから、アーク溶接を停止し、
   溶接実施中にアーク溶接電流が一定値以下になると、レーザ照射を停止した後、アーク溶接を停止することを特徴とするハイブリッド溶接装置。

Images