JP4627384B2 - レーザ・アーク併用溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザとアークとを併用して溶接する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ溶接は、概ね、出力１ｋＷ当たり深さ約１ｍｍの溶け込みが得られ、高パワー密度の溶接方法である。また、レーザ溶接は、レーザを照射した材料表面で蒸発が起こり、その蒸発反力により、図１０に示すように、レーザ１により形成された溶融池内に、キーホールと呼ばれる幅が狭く溶込みの深い深溶込み１０が得られる。さらに、レーザ溶接は、アーク溶接と比べて高速で低歪みといったことが特徴の溶接方法である。
【０００３】
このレーザによる溶接は、数ｍｍ程度の厚さの薄板材について普及しており、さらに１０ｍｍを超えるような厚さの厚板材への適用が望まれている。
【０００４】
しかしながら、世間で広く使用されている１０ｋＷクラス以下のレーザ加工機では溶け込み深さは１０ｍｍが限界である。
【０００５】
また、大出力の２０ｋＷクラスのレーザ加工機は非常に高価であり、仮に２０ｋＷのレーザを使用したとしても、被溶接材の深さ２０ｍｍ程度までの溶融が限界であり、レーザ単独で溶融を行う溶け込み深さには限界があった。
【０００６】
このレーザ単独による限界以上の溶け込み深さを得るために、例えば、特開昭５９−６６９９１号公報には、レーザとアークとを併用し同時に溶接することにより、深い溶け込みを得る溶接方法が開示されている。
【０００７】
しかしながら、単に被溶接材の表面をレーザとアークとで併用し溶接すると、溶け込み深さは、図１１に示すレーザ単独による溶接部８の溶け込み深さと図１２に示すアーク単独による溶接部７の溶け込み深さとを加えた溶け込み深さより小となってしまい、図１３に示すようなレーザ溶接とアーク溶接とを加算した場合の溶接部１１のような溶け込み深さとはならない。
【０００８】
このため、レーザとアークとを併用することの目的であるレーザとアークエネルギの共有による深溶け込みを得るという効果が得られていない。
【０００９】
これは、レーザはプラズマに吸収されやすいために被溶接材の表面で発生するアークプラスマによってレーザエネルギが吸収されるためと考えられる。
【００１０】
そこで、板厚方向への溶け込みの効率を良くするための方法として、例えば、特開昭５９−６６９９１号公報には、被溶接材に開先を形成することにより、プラズマを被溶接材の表面ではなく、被溶接材の深い位置つまり開先内部で発生させることにより、深い溶け込みを得る方法が開示されている。
【００１１】
また、深い溶け込みを確保しつつ、溶接速度を早める方法として、例えば、特開平１０−２２５７８２号公報には、レーザ導光用のギャップを設け、そのギャップの全長に亘ってレーザを照射し、被溶接材をレーザで溶融した後に、アークで溶融した溶融金属を開先の内部に流し込む方法が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１０−２２５７８２号公報に開示されているように、レーザの後から追従するアーク熱で溶融した溶湯を開先内部に流し込むことを目的とし、先行させるレーザをレーザ導光用ギャップ内部全域に照射し、開先内部をあらかじめ加熱・溶融させておく方法では、先行するレーザのエネルギは導光用ギャップ内部の表面加熱に大部分を費やされ、深さ方向への貫通エネルギが不足し、深い溶け込みを得ることが困難となっていた。
【００１３】
また、特開平１０−２２５７８２号公報の図２に示されるように、レーザとアークとの位置関係がレーザとアークプラズマが干渉するような距離で溶融する方法では、先に示したように、レーザがアークプラズマに接した時点でプラズマによりレーザが吸収され大幅なエネルギロスが生じるため、深い溶け込みが得られないばかりでなく、エネルギ効率が低かった。
【００１４】
本発明の目的は、レーザとアークの併用溶接を行う際にレーザとアークとの距離、および溶接時のレーザのフォーカス位置を調整することにより、深い溶け込みが得られるとともに、エネルギロスが抑制され、高品質・高能率のレーザアーク併用溶接方法を実現することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
（１）レーザ照射とアーク放電とを併用して、Ｖ字形の開口部とストレート部とを有するＹ形の開先形状部を溶融することにより被溶接材を溶接するレーザ・アーク併用溶接方法において、アーク放電によって発生するプラズマがレーザと干渉しないように、上記Ｙ形の開先形状部に対してレーザ照射をアーク放電に先行して行うとともに、レーザの焦点位置は上記Ｖ字形開口部の底部より開口側であって被溶接材の表面位置とほぼ同等な位置に設定し、レーザの照射範囲を上記Ｖ字形開口部の底部からストレート部に向けて、上記Ｙ形の開先形状部のうちのアークプラズマが入り込めない深さの範囲に設定する。
【００１６】
（２）好ましくは、上記（１）において、溶接方向に対して前方にレーザ照射、後方にアーク放電を行い、レーザ照射とアーク放電との間隔を、アーク放電によって発生するプラズマがレーザと干渉しない値とする。
【００１７】
（３）また、好ましくは、上記（１）又は（２）において、Ｖ字形開口部の開先の表面開口幅は、レーザが入り込むことが可能な幅以上であり、Ｖ字型開口部のＶ字の角度は、アークが入り込むことが困難な角度である。
【００１８】
（４）また、好ましくは、上記（１）又は（２）において、上記Ｖ字型開口部のＶ字の角度は、レーザの拡がり角度以上であり、２０°以下である。
【００２０】
レーザをアークに先行して行い、レーザがアークプラズマに干渉されないようにすることにより、レーザによる深い溶け込みを確保することができる。
【００２１】
また、溶接時のレーザのフォーカス位置を調整することにより、被溶接材の加熱領域を拡げ、アークプラズマを開先の内部に引き込むことができる。
【００２２】
これにより、溶接のエネルギロスが抑制され、高品質・高能率のレーザアーク併用溶接方法を実現することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
まず、本発明の原理について述べる。
本発明は、レーザ照射手段とアーク放電手段とを併用して、Ｖ字状の開口部とストレート部を併せ持つＹ型の開先形状を溶融し、被溶接材を溶接する方法において、溶接方向に対し前方つまり先行する位置にレーザ照射、後方つまり後行する位置にアーク放電を配置し、レーザ照射とアーク放電との間隔をアーク放電によって発生するプラズマがレーザと干渉しない近傍とする。
【００２４】
さらに、レーザ照射範囲をＶ字状の開先の底からアークプラズマが入り込めない深さの範囲に設定することにより高品質で高能率のレーザ・アーク併用溶接を行うものである。
【００２５】
本発明の一実施形態においては、図１に示すように、レーザノズル１からのレーザビーム４とアークトーチ２からのアークとの位置関係は、レーザビーム４を先行させ、アークを追従させて被溶接材５を溶接する。被溶接材５にはレーザビーム４とともにアシストガス３が供給される。
【００２６】
ここで、レーザとアークとの距離は、アークによって発生するプラスマにレーザーエネルギが吸収されることによるエネルギロスを防ぐために、図２に示すように、レーザ４の照射位置をアークによって生成されるプラズマ６にレーザ４が触れない程度の距離とする。
【００２７】
この距離は、アークトーチ２の角度及び溶接速度、アーク電流によって変わるものである。
【００２８】
しかしながら、単にレーザ４をアークプラズマ６に触れない程度、前方に照射するだけでは、図３に示すように、レーザによる溶融部８とアークによる溶融部７とが互いに分離する可能性がある。
【００２９】
これは、先行するレーザのフォーカス位置を開先の底部に設定したため生じたと考えられる。つまり、レーザのフォーカス位置９を開先の底部に設定すると、図４に示すように、アークに先行するレーザは開先底部の被溶接材５の突き合わせ面にのみ照射され、この突き合わせ面のみを加熱・溶融する。
【００３０】
レーザの後を追従するアークは、開先角が３０°以下と小さい場合には開先の内部に入り込むことができず開口部付近でアークプラズマが発生する。その結果、図３に示すように、下方にレーザによる溶融部８、上方にアークによる溶融部７と分離した溶融断面になったと考えられる。
【００３１】
このため、高能率・高品質なレーザ・アーク併用溶接を行うためには、エネルギロスを少なくし、かつレーザ溶融部とアーク溶融部とを分離させない工夫が必要である。
【００３２】
レーザ溶融部とアーク溶融部とを分離させないためには、深い溶け込みを得ることを目的とし、レーザによる溶融部は、そのままの状態で（図３に示す溶融部８の状態）開口部付近にあるアークによる溶融部を開先の内部に引き込む方法を見つけることが必要である。
【００３３】
そこで、被溶接材５のＹ開先の開口部付近のアークによる溶融金属を開先の深い位置へ引き込む手段として、アーク溶接によって被溶接材５が溶融される前にあらかじめ溶接する開先の内面を加熱しておくことが有効である。
【００３４】
これは、アーク溶接の前にあらかじめ開先内面を加熱・溶融しておくことにより溶融した金属から金属イオンが生じ、開先内面の導電性が高まるり、その結果、アークによって発生するプラズマをアーク単独時のように開口部付近で発生させるのではなく、開先の内部に引き込むことが可能となるからである。
【００３５】
そこで、アーク溶接に先だって、開先内部をあらかじめ加熱することを目的として、先行するレーザ４のフォーカス位置９を図５に示すように、開先の底よりも若干上方にまたアーク単独で入り込む位置よりも若干下方に設定する。
【００３６】
そうすることにより、図５に示すように、深さ方向への溶け込みを得るためのエネルギを残しつつ、Ｙ開先のＶ字形部内面の加熱・溶融もおこなう。
【００３７】
その結果、先行するレーザにより深さ方向まで溶融した溶融金属とレーザにより開先内部の加熱・溶融効果によって、アークによる溶融金属が開先の深くまで引き込まれ、レーザによる溶融金属とアークによる溶融金属とが分離することなく、図６に示すように見事につながり、溶接欠陥も無く良好な深溶け込みが可能となる。
【００３８】
本発明の一実施形態における溶融現象を、被溶接材５の縦断面から見ると、図７のようになっていると考える。この図７に示すように、先行するレーザは追従するアークプラズマ７に触れていないためレーザエネルギのロスはなく、レーザ単独での深溶込みが得られている。
【００３９】
さらに、レーザによる開先内部が加熱されために、アークプラズマが開先の内部に引込まれ、レーザによる溶融部とアークによる溶融部とが分離することなく繋がる。
【００４０】
図８は、レーザとアークとの互いの距離と、被溶接材５の溶融断面積との関係を示すグラフである。
図８に示すように、レーザとアークとの距離を０から大としていくと、距離が２０ｍｍで約５５ｍｍ^２となる。そして、距離が２０ｍｍより大とすると、溶融断面積は減少して行く。
【００４１】
したがって、レーザとアークとの距離は、２０ｍｍが最適値である。ただし、図８に示したデータは、レーザ出力を約５ｋＷ、開先角度を約１５°、溶接速度を約０．８ｍ／ｍｉｎ、開先深さを約１０ｍｍ、レーザの拡がり角度を約１０°、トーチの傾斜角度を約３０°、アークトーチのワイヤ径を約１．２ｍｍ、アーク電流を２０Ａ、レーザの焦点位置を被溶接材の表面に設定した場合の値である。
【００４２】
図９は、本発明の一実施形態におけるレーザアーク併用溶接を用いて得られる溶融断面積と、レーザ溶接単独＋アーク溶接単独で得られる溶接断面積とを比較するグラフであり、ルートギャップを変化して得られるデータを示すグラフである。なお、図９に示したデータは、ルートギャップを除き、図８に示したデータを得た条件と同様の条件で得たものである。
【００４３】
図９に示すように、溶融断面積はレーザ溶接単独＋アーク溶接単独＜レーザ・アーク併用溶接となり、レーザとアークとを併用した際の溶融断面積が単独同士の和よりも大きくなる。換言すれば、レーザとアークとの併用溶接は、それだけ高能率な溶融が可能であるといえる。
【００４４】
また、レーザ溶接単独の場合、レーザのスポット径が０．６ｍｍ程度とアーク照射径と比べて極めて小さいために、被溶接材の突き合わせ面のギャップに敏感であり、突合せ面のギャップが０．６ｍｍ程度以上の場合には、レーザが抜けてしまっていたが、本発明の一実施形態のように、レーザのフォーカス位置を開先の底より上方に設定することにより、図９に示すように、突き合わせ面のギャップが０．６ｍｍを超えても、レーザがギャップを通過してしまうという事態を抑制することができ、ギャップ裕度の向上も期待できる。
【００４５】
その結果、通常のレーザ溶接単独では、ギャップの裕度が小さいために突合せ面に機械加工を施す必要があったが、本発明の一実施形態により、突合せ面が、レーザ切断、プラズマ切断あるいはガス切断であっても、溶接が可能となる。
【００４６】
以上のように、本発明の一実施形態によれば、レーザとアークとの距離を調整して、アークプラズマがレーザに干渉しない値とするとともに、溶接時のレーザのフォーカス位置をＹ開先のＶ字部底面より上方で被溶接材の表面近傍に調整することにより、深い溶け込みが得られるとともに、エネルギロスが抑制され、高品質・高能率のレーザアーク併用溶接方法を実現することができる。
【００４７】
なお、被溶接材の開先形状については、Ｖ字型の表面開口幅をレーザが入り込むことが可能な幅以上とし、アークが入り込むことが困難な角度であればよい。
【００４８】
つまり、開先角度は、レーザ拡がり角以上あればよいが、レーザ拡がり角が約１０°の場合は、好ましくは、１５°以上あればよく、開先深さ１０ｍｍ程度でアークプラズマが入り込めない２０°以下であればよい。
【００４９】
また、レーザとアークプラズマとが干渉しないための、レーザノズルとアークトーチとの最小間隔及びアークトーチの傾斜角度は、個々の装置毎に実験的に算出することが可能である。
【００５０】
また、上述した例は、溶接方向に対してレーザ照射手段をアークトーチの前方に配置し、アークトーチによるプラズマがレーザに干渉しない位置にアークトーチを配置する例を示したが、アークトーチによるプラズマがレーザに干渉する位置にアークトーチを配置する場合であっても、被溶接材を間欠的に移動して、レーザ照射とアーク放電とを交互に行い、レーザ照射を行った後に、その部分についてアーク放電を行うようにしても、本発明の効果を得ることができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明により、レーザをアークに先行して行い、レーザがアークプラズマに干渉されないようにするとともに、溶接時のレーザのフォーカス位置を調整することにより、深い溶け込みが得られ、アークプラズマを開先の内部に引き込むことができるため、溶接のエネルギロスが抑制され、高品質・高能率のレーザアーク併用溶接方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるレーザ・アーク併用溶接時の配置関係を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるレーザアーク併用溶接時のレーザとアークプラズマとの位置関係を示す図である。
【図３】レーザ溶接とアーク溶接とを併用した場合に得られる溶融断面形状の一例をし、アーク溶接部とレーザ溶接部とが分離してしまった状態を示す図である。
【図４】レーザのフォーカス位置を開先の底とした場合の加熱方向を示す図である。
【図５】レーザのフォーカス位置を開先の底より上方の位置とした場合の加熱方向を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態によるレーザアーク併用溶接を用いて得られる溶融断面形状を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態における溶接時のレーザとアークとの溶融現象の説明図である。
【図８】レーザとアークとの距離と溶融断面積との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態であるレーザ・アーク併用溶接の溶融断面積と、レーザ溶接単独にアーク溶接単独を加えた場合の溶融断面積とを、ルートギャップを変化させて比較したグラフである。
【図１０】レーザ溶接の説明図である。
【図１１】レーザ溶接を単独で用いた場合の溶融断面形状を示す図である。
【図１２】アーク溶接を単独で用いた場合の溶融断面形状を示す図である。
【図１３】レーザ溶接による溶け込み深さとアーク溶接による溶け込み深さとを加えた溶け込み深さを有する溶融断面形状を示す図である。
【符号の説明】
１ レーザノズル
２ アークトーチ
３ アシストガス
４ レーザビーム
５ 被溶接材
６ アークによって発生するプラズマ
７ アーク溶融部
８ レーザ溶融部
９ レーザの焦点位置

Claims (4)

1. レーザ照射とアーク放電とを併用して、Ｖ字形の開口部とストレート部とを有するＹ形の開先形状部を溶融することにより被溶接材を溶接するレーザ・アーク併用溶接方法において、
   アーク放電によって発生するプラズマがレーザと干渉しないように、上記Ｙ形の開先形状部に対してレーザ照射をアーク放電に先行して行うとともに、レーザの焦点位置は上記Ｖ字形開口部の底部より開口側であって被溶接材の表面位置とほぼ同等な位置に設定し、レーザの照射範囲を上記Ｖ字形開口部の底部からストレート部に向けて、上記Ｙ形の開先形状部のうちのアークプラズマが入り込めない深さの範囲に設定することを特徴とするレーザ・アーク併用溶接方法。
2. 請求項１記載のレーザ・アーク併用溶接方法において、溶接方向に対して前方にレーザ照射、後方にアーク放電を行い、レーザ照射とアーク放電との間隔を、アーク放電によって発生するプラズマがレーザと干渉しない値とすることを特徴とするレーザ・アーク併用溶接方法。
3. 請求項１又は２記載のレーザ・アーク溶接方法において、Ｖ字形開口部の開先の表面開口幅は、レーザが入り込むことが可能な幅以上であり、Ｖ字型開口部のＶ字の角度は、アークが入り込むことが困難な角度であることを特徴とするレーザ・アーク併用溶接方法。
4. 請求項１又は２記載のレーザ・アーク溶接方法において、上記Ｖ字型開口部のＶ字の角度は、レーザの拡がり角度以上であり、２０°以下であることを特徴とするレーザ・アーク併用溶接方法。

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