JP4784091B2

JP4784091B2 - 複合溶接装置およびその方法

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Publication number: JP4784091B2
Application number: JP2004375620A
Authority: JP
Inventors: 大樹藤原
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-27
Filing date: 2004-12-27
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2024-12-27
Also published as: JP2006181585A

Description

本発明は、レーザ光照射とアーク放電とを複合した複合溶接装置およびその方法に関する。

レーザ溶接装置は、自動車製造分野をはじめ種々の分野で用いられている。レーザ溶接装置は、重ね合わされた金属材などの被溶接材に対して、レーザ光を集光して照射する。集光されたレーザ光は高エネルギ密度を有するので、金属材表面に激しい蒸発が起こり、この蒸発時の蒸気反力によりキーホールと呼ばれる穴が形成される。キーホールでは、レーザ光の反射損失が小さくなるのでエネルギーの吸収が高まって溶融が進行する結果、キーホールは次第に深くなる。これにより、深い溶け込み溶接を実現できる。また、レーザ光の照射を止めると、金属材はすぐに融点以下になり、凝固するので、凝固速度が比較的速い。

しかしながら、溶け込み深さが深く、凝固速度が速いため、溶接金属中にガスが取りこまれやすく、気孔状のポロシティと呼ばれる欠陥が発生しやすいといった問題がある。このようなポロシティは、亜鉛メッキ鋼板同士を溶接する場合に発生しやすい。その原因は、亜鉛の融点が約４２０度であり、約１５３５度の鉄の融点に比べて大幅に低いことにある。この融点の差により、溶融金属の凝固が始まってからも亜鉛蒸気が発生し、溶融金属内に残ってしまい、ポロシティが多く発生する。

このようなポロシティの問題は、亜鉛メッキ鋼板同士を溶接するときのみならず、互いに異なる融点の材料を含む被溶接材を溶接する際に生じやすい。

そこで、ポロシティの問題を解決するために、種々の技術が採用されている。第１の対応策として、重ね合わされた被溶接材にエンボスなどの加工を施すことによって、被溶接材間に物理的に０．２〜０．３ｍｍの隙間を設けて、亜鉛蒸気を逃がす道を作る手法が使用されている。この場合、加圧ローラや加圧ピンにより、被溶接材を加圧し、溶接材間の隙間を矯正しながらレーザ溶接が実行される。すなわち、溶接材間の隙間量が大きくなりすぎると、レーザ光源に近い側の被溶接材（上板）のみが溶け落ちてしまい、未溶着となってしまうので、溶接材間の隙間量を所定の隙間許容量以下に制御する必要がある。

一方、第２の対策として、レーザ溶接とアーク溶接とを併用する複合溶接装置（レーザ・アークハイブリッド溶接装置）が採用されている（特許文献１）。複合溶接装置によれば、供給される溶接ワイヤと被溶接材との間にアークを発生させて溶接材料をキーホール側に誘導することができる。この結果、複合溶接装置によれば、レーザ溶接単体を用いる場合に比べて、ポロシティの発生が低減され、隙間許容量を高めることができる。
特表平２００４−５１２９６５号公報

しかしながら、レーザ・アーク複合溶接装置を採用する場合においても、重ね合わされた被溶接材間の隙間量によっては、ポロシティおよび未溶着が発生する。被溶接材として用いられる鋼鈑などの部材の精度にも限界があり、すべての溶接箇所において隙間量を一定とすることが難しい。特に、車両のように曲面部分が多い溶接材にいては、隙間量を一定とすることが難しい。また、上述したように加圧ローラを用いて加圧しながら溶接をする場合においても、溶接箇所付近の被溶接材の剛性が高い場合には、隙間矯正ができず、隙間量を一定とすることが難しい場合がある。したがって、隙間量が変化する場合であっても、ポロシティの発生および未溶着の発生を低減または防止できる溶接装置および溶接方法が望まれている。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、被溶接材間の隙間量が変化する場合であっても、ポロシティの発生および未溶着の発生を低減および防止することができる複合溶接装置およびその方法を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。

本発明の複合溶接装置は、重ね合わされた被溶接材上にレーザ光を集光して照射する照射部と、供給された溶接ワイヤと前記被溶接材との間にアークを発生させるトーチ部と、溶接の実行中に、前記レーザ光の照射位置と前記溶接ワイヤの端部位置とを近接離間させる駆動部と、溶接部分でのポロシティの発生と未溶着の発生の双方を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に応じて、前記レーザ光の照射位置と前記溶接ワイヤの端部位置との間の離間距離を変化させるように前記駆動部を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記離間距離が第１距離となっている状態で前記検出部が前記ポロシティの発生を検出したときに、前記離間距離が前記第１距離よりも短い第２距離となるように前記駆動部を制御する一方、前記離間距離が前記第２距離となっている状態で前記検出部が前記未溶着の発生を検出したときに、前記離間距離が前記第１距離となるように前記駆動部を制御することを特徴とする。

本発明の複合装置方法は、重ね合わされた被溶接材上にレーザ光を集光して照射しつつ、供給された溶接ワイヤと前記被溶接材との間にアークを発生させて溶接する段階と、前記溶接する段階中に、前記レーザ光の照射位置と前記溶接ワイヤの端部位置とを近接離間させる段階と、溶接部分でのポロシティの発生と未溶着の発生の双方を検出する段階を有し、前記近接離間させる段階は、前記レーザ光の照射位置と前記溶接ワイヤの端部位置との間の離間距離が第１距離となっている状態で前記検出部が前記ポロシティの発生を検出したときに、前記離間距離が前記第１距離よりも短い第２距離となるように前記駆動部を制御する一方、前記離間距離が前記第２距離となっている状態で前記検出部が前記未溶着の発生を検出したときに、前記離間距離が前記第１距離となるように、前記離間距離を変化させることを特徴とする。

本発明によれば、溶接の実行中に、前記レーザ光の照射位置と前記溶接ワイヤの端部位置とを近接離間させるので、重ね合わされた被溶接材間の隙間量が変化した場合に対処でき、ポロシティの発生および未溶着の発生を低減および防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施の形態における複合溶接装置の概略構成を示す図である。

複合溶接装置１００は、レーザ・アークハイブリッド溶接装置である。複合溶接装置１００は、互いに重ね合わされた複数の被溶接材２０１，２０２を溶接する。なお、被溶接材２０１，２０２として、亜鉛メッキ鋼鈑のように異なる融点を持つ複数の材料を含有する金属材を使用する場合に、本実施の形態の複合溶接装置１００が好適に適用される。以下では、被溶接材２０１，２０２として、亜鉛メッキ鋼鈑を用いる場合を例にとって説明する。

複合溶接装置１００は、レーザ光照射部（照射部）１１０と、アーク溶接のためのトーチ部１２０と、溶接の実行中に、レーザ光照射部１１０とトーチ部１２０とを離間移動させる駆動部１３０とを備える。また、複合溶接装置１００は、溶接部分でのポロシティおよび未溶着のうち少なくとも１つの溶接状態の発生を検出する検出部１４０として、センサ１４１および計測装置１４２を有する。さらに、複合溶接装置１００は、検出部１４０による検出結果をに応じて、駆動部１３０を制御する制御装置（制御部）１５０を有する。

以下、本実施の形態の複合溶接装置１００における各部の構成について説明する。

まず、レーザ光照射部１１０について説明する。レーザ光照射部１１０は、ＹＡＧレーザ発振器１１５によって発生したレーザ光を被溶接材上に集光して照射するものである。たとえば、レーザ光照射部１１０は、レーザ光を集光するための複数のレンズ１１１，１１２を備えるレーザ加工ヘッドである。レーザ光の照射位置１１３は、被溶接材が溶融し加工される加工点となる。レーザ光照射部１１０自体の構成は、従来と同様であるので詳しい説明を省略する。

次に、トーチ部１２０について説明する。トーチ部１２０は、供給された溶接ワイヤ１２１と被溶接材との間にアークを発生させるものである。トーチ部１２０は、シールドガスを噴出し、このシールドガスによりアークを大気から保護しつつ、溶接ワイヤ１２１を電極として消耗しながら溶接を進めるガスシールドアーク用トーチであることが望ましい。たとえば、トーチ部１２０は、アルゴンガスなど不活性ガスの雰囲気中で、溶接ワイヤ１２１（消耗電極）と被溶接材（母材）間にアークを発生させ、溶接が進行するミグ溶接（ＭＩＧ溶接：ｍｅｔａｌｉｎｅｒｔｇａｓｗｅｌｄｉｎｇ）用トーチである。なお、トーチ部１２０は、タングステンなどの非消耗性の高い電極を用いたティグ溶接（ＴＩＧ溶接：ｔｕｎｇｓｔｅｎｉｎｅｒｔｇａｓｗｅｌｄｉｎｇ）用トーチであってもよい。

トーチ部１２０は、図示していないワイヤ供給装置によって供給される溶接ワイヤ１２１を案内しつつ通電するための通電チップ１２２と、通電チップ１２２の外側を取り囲む管状のガスノゾル１２３とを有している。通電チップ１２２とガスノズル１２３との間の通路を通って不活性ガスが噴出される。

本実施の形態では、トーチ部１２０は、たとえば、図１に示されるとおり、レーザ光照射部１１０に対して、溶接方向後方に配置されることが望ましい。ここで、溶接方向とは、溶接の走査方向を意味する。

次に、駆動部１３０について説明する。駆動部１３０は、レーザ光の照射位置１１３と溶接ワイヤ１２１の端部位置１２４とを近接離間させる駆動機構である。駆動部１３０としては、モータとボール螺子を用いたリニアアクチュエータ、およびシリンダなど各種の駆動機構を採用することができる。本実施の形態では、駆動部１３０は、トーチ部１２０が取り付けられている第１ベース部１３１を、レーザ光照射部１１０が取り付けられている第２ベース部１３２に対して移動する。この結果、トーチ部１２０は、溶接方向に沿って並進移動し、トーチ部１２０とレーザ光照射部とが近接離間する。しかしながら、本実施の形態に限られず、レーザ光の照射位置１１３と溶接ワイヤ１２１の端部位置１２４とを近接離間させるものであれば、駆動部１３０として採用できる。たとえば、本実施の形態と異なり、トーチ部１２０の位置を固定し、レーザ光照射部１１０を移動する構成を採用することもできる。また、レーザ光の焦点距離を変更しつつ照射方向を変更することによっても、レーザ光の照射位置と前記溶接ワイヤの端部位置とを近接離間させることができる。

次に、検出部１４０について説明する。検出部１４０は、センサ１４１と、計測装置１４２とを備える。センサ１４１は、たとえば、フォトダイオードおよび光学フィルタを有している。、センサ１４１は、主として、レーザ光の反射光を検出し、電気信号へ変換する。レーザ光の反射光は、キーホールの側壁の状態によって変化すると考えられる。亜鉛金属蒸気２７の噴出によってキーホールの側壁の状態が変動すると、レーザ光の反射光も変化することとなる。この現象は、キーホール内部で起こるので、センサ１４１は、キーホール内部からの反射光をとらえられる迎角４５度〜７０度程度の範囲となるように設置されることが望ましい。

計測装置１４２は、センサ１４１と信号線１４３を介して接続されており、センサ１４１によって得られた電気信号をＦＥＴ（高速フーリエ変換）して周波数強度分布を算出し、この周波数強度分布に基づいて、溶接部分でのポロシティの発生および未溶着の発生の双方を検出する。

図２に、良品、ポロシティ品、および未溶着品のそれぞれについてＦＥＴにより算出した周波数強度分布の一例を示す。図２に示されるとおり、ポロシティが発生すると、たとえば、良品および未溶着品に比べて、０〜１０００Ｈｚの範囲である第１周波数帯が高い値を示す。一方、未溶着が発生すると、たとえば、良品およびポロシティ品に比べて、３０００Ｈｚ〜６０００Ｈｚの範囲である第２周波数帯が高い値を示す。なお、レーザ強度および溶接速度に応じて、第１周波数帯および第２周波数帯は変化しうるが、周波数強度分布において、良品、ポロシティ発生品、および未溶着品のそれぞれについて同様の傾向を示すことに変わりはない。したがって、これらの周波数帯での値により、ポロシティの発生および未溶着の発生を検出することができる。

次に、制御装置（制御部）１５０の構成について説明する。制御装置１５０は、配線１５１により検出部１４０の計測装置１４２と接続される一方、配線１５２により駆動部１３０とも接続されている。また、配線１５３によりＹＡＧレーザ発振器１１５に接続されて、ＹＡＧレーザ発振器１１５の制御部として機能してもよい。

制御装置１５０は、検出部１４０の計測装置１４２からの検出結果を順次に受信する。具体的には、制御装置１５０は、ポロシティの発生、未溶着の発生、およびポロシティおよび未溶着の発生がないない良品のいずれの溶接状態であるかを順次に受信する。一方、制御装置１５０は、検出部による検出結果に応じて、レーザ光の照射位置１１３と溶接ワイヤ１２１の端部位置１２４との間の距離（以下、「離間距離」と称する）Ｄを変化させるように駆動部１３０を制御する。

次に、制御装置１５０による具体的な制御の内容について説明する。制御装置１５０による制御の前提として、上記した離間距離Ｄ、および被溶接材２０１，２０２間の隙間量Ｇを変化させたときの溶接状態を調べた特性図について説明する。

図３は、隙間量Ｇと離間距離Ｄの値を変化させたときの溶接状態を調べた特性図の一例を示している。図３に示される特性図は、本発明者が誠意調査の結果、得られたものである。

なお、図３は、溶接速度として、レーザ溶接のみを使用したときの貫通限界速度の８０％の溶接速度とした場合の結果を示している。ここで、貫通限界速度とは、上下に重ね合わされた被溶接材（ここでは亜鉛メッキ鋼鈑）において、レーザ光照射部１１０から遠い側（下側）に置かれた被溶接材の下面まで貫通したビードを得ることができる限界の溶接速度である。一般に、溶接速度を高めると、溶接部分に与えられるエネルギー密度が小さくなる。貫通限界速度を超える溶接速度では、エネルギー密度が小さいため、下側に置かれた被溶接材の下面まで貫通したビードが得られない。

図３において、横軸は、レーザ光の照射位置１１３と溶接ワイヤ１２１の端部位置１２４との間の離間距離Ｄを示しており、縦軸は、重ね合わされた複数の亜鉛メッキ鋼鈑である被溶接材２０１，２０２間の隙間量Ｇを示している。

図３に示されるように、離間距離Ｄおよび隙間量Ｇによって、特性図は、溶接可能領域、ポロシティ発生領域、溶け落ちによる未溶着領域、および溶接金属の誘導不足による未溶着領域の４つの領域に大別される。

ここで、溶接可能領域は、未溶着およびポロシティが発生せずに良好な溶接が可能な領域である。ポロシティ発生領域は、ポロシティが発生する領域である。溶け落ちによる未溶着領域は、上側の被溶接材である亜鉛メッキ鋼鈑が溶け落ちるのみで下側の亜鉛メッキ鋼鈑が十分に溶融されないことに起因して未溶接となる状態が発生する領域である。溶け落ちによる未溶着は、隙間量Ｇが大きすぎるために下側の亜鉛メッキ鋼鈑まで十分に熱が到達しないために生じると考えられる。一方、溶接金属の誘導不足による未溶着領域は、溶接ワイヤ１２１からの溶接金属がキーホールまで十分に誘導されずに、未溶接となる状態が発生する領域である。

図３の特性図によれば、ポロシティは、隙間量Ｇ（縦軸）がポロシティ上限隙間量Ｇ_Ｐ以下であるときに発生する。ここで、ポロシティ上限隙間量Ｇ_Ｐとは、検出部１４０によってポロシティの発生が検出される上限の隙間量Ｇであり、図３に示される場合には、０．２ｍｍ程度の値である。ただし、隙間量Ｇがポロシティ上限隙間量Ｇ_Ｐ以下であっても、離間距離Ｄ（横軸）がポロシティ下限距離Ｄ_Ｐ未満であれば、ポロシティの発生は検出されず、溶接可能領域となる。ここで、ポロシティ下限距離Ｄ_Ｐとは、検出部１４０によってポロシティの発生が検出される下限の離間距離Ｄであり、たとえば、２．３ｍｍ程度である。

一方、溶け落ちによる未溶着は、隙間量Ｇ（縦軸）が、溶け落ち未溶着下限隙間量Ｇ_Ｓ以上であるときに発生する。ここで、溶け落ち未溶着下限隙間量Ｇ_Ｓとは、溶け落ちによる未溶着の発生が検出部１４０によって検出される下限の隙間量Ｇであり、図３に示される場合では、０．３ｍｍ程度である。したがって、ポロシティ上限隙間量Ｇ_Ｐよりも溶け落ち未溶着下限隙間量Ｇ_Ｓが値が大きい。

図３の特性図中において、未溶着領域（溶け落ちによる未溶着領域、および溶接金属の誘導不足による未溶着領域）と溶接可能領域との境界線は、各離間距離Ｄにおける、溶接が可能な隙間量の限界（以下、隙間許容量と称する）を示している。換言すれば、境界線は、被溶接材間の隙間許容量と離間距離Ｄとの関係を示す特性曲線３００である。

この特性曲線３００は、離間距離Ｄが短い領域では、上記の溶け落ち未溶着下限隙間量Ｇ_Ｓの値を示し平坦に推移する。一方、さらに離間距離Ｄが長くなると、特性曲線３００は、離間距離Ｄの増加にともなって立ち上がり、隙間許容量が大きくなる。この特性曲線３００が立ち上がる位置に対応する離間距離Ｄは、本明細書において立上り距離Ｄ_Ｓと称され、図３に示される場合では、約３ｍｍである。さらに、特性曲線３００は、ピーク位置をもち、最大の隙間許容量Ｇ_ＭＡＸを示す。なお、隙間許容量が最大となる離間距離Ｄは、本明細書においてピーク距離Ｄ_ＭＡＸと称され、図３に示される場合では、約４ｍｍである。さらに、離間距離Ｄが増加すると、隙間許容量が下がり始め、溶接金属の誘導不足による未溶着領域の影響によって、特性曲線３００が離間距離Ｄの増加にともなって立ち下がる。この特性曲線３００が立ち上がる位置に対応する離間距離Ｄは、本明細書において立下り距離Ｄ_Ｌと称され、図３に示される場合では、約６ｍｍである。換言すれば、立下り距離Ｄ_Ｌは、溶接金属の誘導不足による未溶着領域と溶接可能領域との境界を与える。

ここで、図３に示されるような特性自体は、レーザ強度および溶接速度によらず生じるが、上記したポロシティ上限隙間量Ｇ_Ｐ、ポロシティ下限距離Ｄ_Ｐ、溶け落ち未溶着下限隙間量Ｇ_Ｓ、立上り距離Ｄ_Ｓ、ピーク距離Ｄ_ＭＡＸ、および立下り距離Ｄ_Ｌの各値は、レーザ強度および溶接速度によって変化しうる。特に、立上り距離Ｄ_Ｓおよびピーク距離Ｄ_ＭＡＸは、レーザ強度および溶接速度にともなって比較的変化しやすい。具体的には、溶接速度が速くなると（あるいは、レーザ強度が弱くなると）、立上り距離Ｄ_Ｓおよびピーク距離Ｄ_ＭＡＸは、長くなる傾向（図３において右側に移動する傾向）を示す。たとえば、ピーク距離Ｄ_ＭＡＸは、図３において溶接速度が貫通溶接速度まで高くなると、５ｍｍまで長くなる。

なお、図３のような特性図を示す理由、特に、離間距離Ｄを短くするとポロシティの発生が検出されなくなり良好な溶接が得られる理由はいまだ明らかではない。離間距離Ｄをピーク距離Ｄ_ＭＡＸに近づけると隙間許容量が高まる理由は、溶接ワイヤ１２１による溶接材料のキーホールへの誘導が最適化されるためであると推測される。

本実施の形態の制御装置１５０は、以上のような特性図に示される特性を考慮して、制御を実行する。

図４は、本実施の形態の複合溶接装置における処理内容を示すフローチャートである。また、図５および図６は、複合溶接装置における具体的な動作を示すための模式図である。

まず、初期設定がされる（ステップＳ１０１）。通常の溶接装置と同様に、レーザ強度および溶接速度を含む設定値がオペレータによって入力されることによって設定される。
さらに、本実施の形態では、離間距離Ｄの制御目標として、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２が設定される。図３に第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２の一例を示す。

第１距離Ｄ１は、立上り距離Ｄ_Ｓよりも長く、かつ立下り距離Ｄ_Ｌよりも短い範囲に含まれる距離である。特に、最大の隙間許容量Ｇ_ＭＡＸを実現する見地からは、第１距離Ｄ１は、ピーク距離Ｄ_ＭＡＸ、すなわち、隙間許容量が最大となる距離に設定されることが望ましい。一方、第２距離Ｄ２は、第１距離Ｄ１よりも短い。また、第２距離は、ポロシティ下限距離Ｄ_Ｐよりも短く設定される。

なお、上述したとおり、立上り距離Ｄ_Ｓ、ピーク距離Ｄ_ＭＡＸ、立下り距離Ｄ_Ｌ、およびポロシティ下限距離Ｄ_Ｐなどの種々の値が、レーザ強度および溶接速度に応じて変動しうること起因して、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２も、レーザ強度および溶接速度に応じて設定されることが望ましい。このとき、複数パターンのレーザ強度および溶接速度において図３に示される各値を予め実験によって取得して、第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２を決定しておき、複数パターンのレーザ強度および溶接速度における第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２の値を、たとえばルックアップテーブルとして制御装置１００内の記憶部に記憶しておくことが望ましい。この場合、ユーザが、レーザ強度、および溶接速度などの設定をすると、自動的にルックアップテーブルが読み出され、設定されたレーザ強度や溶接速度に応じて第１距離Ｄ１および第２距離Ｄ２についても自動的に設定されるように構成することができる。

初期設置が終了した後、溶接処理が開始される（ステップＳ１０２）。この結果、重ね合わされた被溶接材２０１，２０２（ここでは、亜鉛メッキ鋼鈑）上にレーザ光を集光して照射しつつ、供給された溶接ワイヤ１２１と被溶接材２０１，２０２との間にアークを発生させて溶接する処理が開始される。なお、溶接処理の開始時には、離間距離Ｄが第１距離となるように初期化をしてもよい。溶接処理を実行しつつ、検出部１４０は、常に溶接部分でのポロシティ発生および未溶着の発生を監視する。

ポロシティの発生が検出部１４０によって検出されたか否かが判断され（ステップＳ１４０）、検出部１４０によってポロシティの発生が検出されない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、ステップＳ１０５に進む。一方、検出部１４０によってポロシティの発生が検出された場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、制御装置１５０は、離間距離Ｄが第２距離Ｄ２となるように駆動部１３０を制御する（ステップＳ１０４）。すなわち、制御装置１５０は、離間距離Ｄが、検出部１４０によってポロシティの発生が検出される下限であるポロシティ下限距離Ｄ_Ｐよりも短くなるように駆動部１３０を制御する。図３に示される場合であれば、制御装置１５０は、たとえば、離間距離Ｄが１ｍｍ乃至２ｍｍの範囲となるように駆動部１３０を制御する。

制御装置１５０からの制御指令を受けて、駆動部１３０は、図５に示されるとおり、レーザ光の照射位置１１３と溶接ワイヤ１２１の端部位置１２４との間の離間距離Ｄを第２距離Ｄ２となるように近接させる。この結果、ポロシティの発生が検出されない状態となる。なお、図３の特性図によれば、ポロシティの発生が検出される状態において、隙間量Ｇは、ポロシティ上限隙間量Ｇ_Ｐ以下であり、未溶着下限隙間量Ｇ_Ｓ以下であるので、この状態で離間距離Ｄを狭めても、溶け落ちによる未溶着は発生せず、溶接可能状態となる。

一方、ステップＳ１０５では、未溶着の発生が検出部１４０によって検出されたか否かが判断される。検出部１４０によって未溶着の発生が検出された場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、制御装置１５０は、離間距離Ｄが第１距離Ｄ１となるように駆動部１３０を制御する（ステップＳ１０６）。すなわち、制御装置１５０は、離間距離Ｄが立上り距離Ｄ_Ｓよりも長く、かつ立下り距離Ｄ_Ｌよりも短い範囲（図３に示される場合では、たとえば、離間距離が３ｍｍ乃至６ｍｍの範囲）となるように駆動部１３０を制御し、より好ましくは、隙間許容量が最大となる距離でるピーク距離Ｄ_ＭＡＸとなるように駆動部１３０を制御する。

この結果、駆動部１３０は、図６に示されるとおり、レーザ光の照射位置１１３と溶接ワイヤ１２１の端部位置１２４との間の離間距離Ｄを第１距離Ｄ１となるように離間させる。この結果、隙間許容量が高まり、未溶着の発生が抑制される。なお、図３の特性図によれば、溶け落ちによる未溶着の発生が検出される状態において、隙間量Ｇは、溶け落ち未溶着下限隙間量Ｇ_Ｓ以上であり、ポロシティ上限隙間量Ｇ_Ｐよりも大きい。したがって、この状態で離間距離Ｄを広げても、ポロシティは発生せず、溶接可能状態となる。

以上のステップＳ１０３〜ステップＳ１０６の処理は、溶接が完了するまで（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、繰り返される。すなわち、溶接段階中に、溶接部分でのポロシティおよび未溶着の発生を検出する段階（ステップＳ１０３およびステップＳ１０５）と、レーザ光の照射位置１１３と溶接ワイヤ１２１の端部位置１２３とを近接離間させる段階（ステップＳ１０４およびステップＳ１０６）が順次に実施される。

したがって、制御装置１５０は、離間距離Ｄが第１距離Ｄ１となっている状態で検出部１４０がポロシティの発生を検出したときに、離間距離Ｄが第１距離Ｄ１よりも短い第２距離Ｄ２となるように駆動部１３０を制御する一方、離間距離が第２距離となっている状態で前記検出部が前記未溶着の発生を検出したときに、前記離間距離が前記第１距離となるように前記駆動部を制御する。

すなわち、検出部１４０がポロシティの発生を検出すると、離間距離Ｄが第２距離（たとえば、１〜２ｍｍ）に制御されて、ポロシティの発生が抑制される。離間距離Ｄが第２距離（たとえば、１〜２ｍｍ）のままであると、隙間量Ｇが０．３ｍｍ程度に拡大した時点で未溶着が発生するが、検出部１４０が未溶着の発生を検出すると、離間距離Ｄが第１距離、好適にはピーク距離Ｄ_ＭＡＸ（溶接速度が貫通限界速度の８０％の場合には、たとえば、約４ｍｍ）となるように制御されて、隙間量Ｇの増加に対応する。そして、離間距離Ｄが、第１距離（たとえば、４ｍｍ）のままであると、隙間量Ｇが０．２ｍｍ以下に小さくなった時点で再びポロシティが発生するが、検出部１４０がポロシティの発生を検出すると、離間距離Ｄを再び第２距離となるように制御されて、ポロシティの発生が抑制される。以後、溶接処理が終了するまで、同様の処理を繰り返すことによって、車体のように場所によって隙間量が変化する場合であっても、ポロシティの発生および未溶着の発生が低減または防止され、高品位な溶接が得られる。特に、亜鉛メッキ鋼鈑を使用した場合であっても、ポロシティの発生が抑制される。

（実施例）
最後に、本実施の形態の複合溶接装置を用いて実際に亜鉛メッキ鋼鈑を溶接した場合の実施例について示す。なお、比較例として、レーザ単体を用いた溶接装置の場合（第１比較例）と、離間距離Ｄを４ｍｍに固定した複合溶接装置の場合（第２比較例）とについても示す。

実施条件は、以下のとおりとした。被溶接材である鋼鈑として、合金化亜鉛メッキ鋼鈑（ＳＰ７８３）、板厚１．０ｍｍとした。継手は、「重ね」とした。レーザはＹＡＧレーザを用い、出力は３ｋＷとした。ミグ溶接条件としては、直流パルス（電流値１１０Ａ，電圧値１８Ｖ）を印加し、シールドガスとして、ＣＯ_２１０％とＡｒ９０％の混合ガスを用い、流量は、２０リットル／分とした。溶接速度は、４ｍ／分とし、隙間量Ｇは、０〜０．８ｍｍとした。

実験結果を表１に示す。表１に示されるとおり、レーザ単体を用いた溶接装置（第１比較例）の場合、隙間量Ｇが０ｍｍのときにポロシティが発生し、隙間量が０．４ｍｍ以上となると未溶着が発生した。また、離間距離Ｄを４ｍｍに固定した複合溶接装置（第２比較例）の場合、隙間量Ｇが０．２ｍｍ〜０．８ｍｍの範囲では、良好な溶接が得られるものの、隙間量が０ｍｍ〜０．１ｍｍの範囲では、ポロシティが発生した。一方、本実施例の場合には、隙間量が０ｍｍ〜０．８ｍｍの全範囲において、良好な溶接が得られた。

以上のように、本実施の形態の複合溶接装置および複合溶接方法によれば、以下のような効果が得られる。

溶接の実行中に、レーザ光の照射位置１１３と溶接ワイヤ１２１の端部位置１２４とを近接離間させる駆動部１３０を有するので、溶接状態に応じて、適宜に離間距離Ｄを変えることができ、ポロシティの発生および未溶着の発生を低減または防止し、高品位な溶接ビードを形成することができる。

特に、溶接部分でのポロシティおよび未溶着の発生を検出する検出部１３０と、検出部による検出結果に応じて、レーザ光の照射位置１１３と溶接ワイヤ１２１の端部位置１２４との間の離間距離Ｄを変化させるように駆動部１３０を制御する制御装置（制御部）１５０とを有する場合には、車体のように隙間量Ｇが変化する被溶接材を溶接する場合であっても、ポロシティおよび未溶着の発生を低減または防止し、高品位な溶接が可能となる。したがって、亜鉛メッキ鋼鈑のように融点が異なる複数の材料を含む被溶接材を使用した場合でも、ポロシティの発生を抑制または防止することができる。

また、制御装置１５０は、離間距離Ｄが第１距離Ｄ１となっている状態で検出部１４０がポロシティの発生を検出したときに、離間距離Ｄが第１距離Ｄ１よりも短い第２距離Ｄ２となるように駆動部１３０を制御する一方、離間距離Ｄが第２距離Ｄ２となっている状態で検出部１４０が未溶着の発生を検出したときに、離間距離Ｄが第１距離Ｄ１となるように駆動部１３０を制御するので、離間距離Ｄを第１距離Ｄ１または第２距離Ｄ２のどちらかの状態に切り替える２極性の制御を実行すればよく、制御装置１５０および駆動部１３０の構成が簡略化され、実用性が高まる。

また、第２距離Ｄ２は、ポロシティ下限距離よりも短ければよく、たとえば１ｍｍ乃至２ｍｍの範囲に含まれていればよいので、離間距離Ｄをポロシティ下限距離よりも短くできる限り、制御装置１５０および駆動部１３０として、ある程度の制御誤差が生じた場合であっても、ポロシティの発生を抑制または防止することが可能となる。

第１距離Ｄ１は、立上り距離Ｄ_Ｓより長く、かつ立下がり距離Ｄ_Ｌよりも短ければよく、たとえば、３ｍｍ乃至６ｍｍの範囲に含まれていれば、隙間許容量を大きくすることができるので、制御装置１５０および駆動部１３０として、ある程度の制御誤差が生じた場合であっても、未溶着の発生を抑制することができる。また、ピーク距離Ｄ_ＭＡＸ、すなわち、隙間許容量が最大となる距離であるピーク距離Ｄ_ＭＡＸとなるように第１距離Ｄ１を設定する場合には、未溶着の発生を最大限に抑制することができる。

以上のように、本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明は、この場合に限られず、いわゆる当業者によって種々の省略、追加、および変更が可能である。

たとえば、制御装置１５０による制御は、図４のフローチャートに示される場合に限られない。ポロシティおよび未溶着のうち少なくとも１つの溶接状態の発生の検出結果に応じて、レーザ光の照射位置１１３と溶接ワイヤ１２１の端部位置１２４との間の離間距離Ｄを変化させるように駆動部１３０を制御するものである限り、種々の制御方法を採用することができる。たとえば、未溶着の発生を検出せずに、ポロシティの発生の有無のみを検出し、ポロシティの発生が検出されている間は、離間距離Ｄが第２距離となるように制御し、ポロシティの発生が検出されていない間は、離間距離Ｄが第１距離となるように制御してもよい。また、逆に、ポロシティの発生を検出せずに、未溶着の発生の有無のみを検出する制御を採用することもできる。

さらに、実用性と、制御の安定性および容易性によれば、図４のフローチャートに示されるように、第１距離Ｄ１と第２距離Ｄ２の２点で２極性の制御をすることが望ましいが、たとえば、図２に示される周波数強度分布において、第１周波数帯および第２周波数帯での強度が順次に変化するのにともなって、離間距離Ｄを連続的に変化させるように駆動部１３０を制御することもできる。

本発明の一実施の形態における複合溶接装置の概略構成を示す図である。図１の検出部において、良品、ポロシティ品、および未溶着品のそれぞれについて、レーザの反射光の信号をＦＥＴにより算出した周波数強度分布の一例である。隙間量Ｇと離間距離Ｄの値を変化させたときの溶接状態を調べた特性図の一例を示している。図１の複合溶接装置における処理内容を示すフローチャートである。ポロシティの発生が検出された場合の複合溶接装置の動作を示す図である。未溶着の発生が検出された場合の複合溶接装置の動作を示す図である。

符号の説明

１００複合溶接装置、
１１０レーザ光照射部（照射部）、
１１１，１１２レンズ、
１１３レーザ光の照射位置、
１２０トーチ部、
１２１溶接ワイヤ、
１２２通電チップ、
１２３ガスノズル、
１２４溶接ワイヤの端部位置
１３０駆動部、
１４０検出部、
１４１センサ、
１４２計測装置、
１５０制御装置（制御装置）、
２０１，２０２被溶接材、
３００特性曲線。

Claims

重ね合わされた被溶接材上にレーザ光を集光して照射する照射部と、
供給された溶接ワイヤと前記被溶接材との間にアークを発生させるトーチ部と、
溶接の実行中に、前記レーザ光の照射位置と前記溶接ワイヤの端部位置とを近接離間させる駆動部と、
溶接部分でのポロシティの発生と未溶着の発生の双方を検出する検出部と、
前記検出部による検出結果に応じて、前記レーザ光の照射位置と前記溶接ワイヤの端部位置との間の離間距離を変化させるように前記駆動部を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記離間距離が第１距離となっている状態で前記検出部が前記ポロシティの発生を検出したときに、前記離間距離が前記第１距離よりも短い第２距離となるように前記駆動部を制御する一方、前記離間距離が前記第２距離となっている状態で前記検出部が前記未溶着の発生を検出したときに、前記離間距離が前記第１距離となるように前記駆動部を制御することを特徴とする複合溶接装置。
前記第２距離は、前記検出部によってポロシティの発生が検出される下限であるポロシティ下限距離よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の複合溶接装置。
前記第２距離は、１ｍｍ乃至２ｍｍの範囲に含まれることを特徴とする請求項１に記載の複合溶接装置。
前記第１距離は、３ｍｍ乃至６ｍｍの範囲に含まれることを特徴とする請求項１に記載の複合溶接装置。
前記第１距離は、前記隙間許容量が最大となる距離であることを特徴とする請求項１に記載の複合溶接装置。
前記トーチ部は、シールドガスを噴出し、当該シールドガスによりアークを大気から保護しつつ、前記溶接ワイヤを電極として消耗しながら溶接を進めるガスシールドアーク用トーチであることを特徴とする請求項１に記載の複合溶接装置。
前記ガスシールドアーク用トーチは、ミグ溶接用トーチまたはティグ溶接用トーチであることを特徴とする請求項６に記載の複合溶接装置。
前記被溶接材は、亜鉛メッキ鋼板であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の複合溶接装置。
重ね合わされた被溶接材上にレーザ光を集光して照射しつつ、供給された溶接ワイヤと前記被溶接材との間にアークを発生させて溶接する段階と、
前記溶接する段階中に、前記レーザ光の照射位置と前記溶接ワイヤの端部位置とを近接離間させる段階と、
溶接部分でのポロシティの発生と未溶着の発生の双方を検出する段階を有し、
前記近接離間させる段階は、前記レーザ光の照射位置と前記溶接ワイヤの端部位置との間の離間距離が第１距離となっている状態で前記検出部が前記ポロシティの発生を検出したときに、前記離間距離が前記第１距離よりも短い第２距離となるように前記駆動部を制御する一方、前記離間距離が前記第２距離となっている状態で前記検出部が前記未溶着の発生を検出したときに、前記離間距離が前記第１距離となるように、前記離間距離を変化させることを特徴とする複合溶接方法。
前記被溶接材は、亜鉛メッキ鋼板である請求項９に記載の複合溶接方法。