JP5219959B2 - Ｔ字継手の溶接方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接とガスアーク溶接を複合して用いることで、Ｔ字継手となる２つの被溶接部材を１パスで接合するＴ字継手の溶接方法及び装置に関するものである。

板状をなす２枚の被溶接部材をＴ字形状に溶接することで、Ｔ字継手を形成する場合、その溶接方法として、例えば、レーザ溶接方法やガスアーク溶接方法が用いられる。即ち、一方の被溶接部材の平面に対して他方の被溶接部材の端面を接触させた状態で、各被溶接部材の隅部に対して、一方側及び他方側から２パスでレーザ溶接またはガスアーク溶接を行い、一方の被溶接部材と他方の被溶接部材とをＴ字形状に接合する。

しかし、このレーザ溶接方法及びガスアーク溶接方法には、種々の課題がある。例えば、ガスアーク溶接方法では、深い溶込み量が期待できないことから、接合部に未溶接部分が発生し、十分な強度を得ることができないおそれがある。強度を得ようと脚長を大きくすると、大入熱により溶接変形が大きくなる。一方、レーザ溶接方法では、ガスアーク溶接方法と比べて、接合部の未溶接部分を少なくすることができるが、完全になくすことはできない。また、通常、ワイヤを供給しないことから、ガスアーク溶接ほど脚長を大きく確保することが困難となり、十分な強度を得ることができないおそれがある。

そこで、レーザ溶接とガスアーク溶接を複合させた溶接方法として、下記特許文献１，２に記載されたものがある。特許文献１に記載された継手の溶接方法は、構造物のＴ継手にすみ肉溶接を行うに際し、ガスアーク溶接とレーザ溶接とを複合させて溶接を行うとき、この溶接の条件として、レーザ出力、アーク電流、溶接速度、継手部材表面上でのアーク／レーザ間距離を所定値に設定するものである。また、特許文献２に記載されたレーザ併用交流ミグパルスアーク溶接方法は、ガスシールドされたワイヤと被溶接物との間に交流電力を供給して溶接線上でアークを発生させ、レーザ発振装置から出力されたレーザ光を伝送経路を通してアークの発生部又はその周辺部に照射して重ねすみ肉溶接を行うとき、被溶接物の上板及び下板の厚さ、溶接線上のワイヤの先端位置とレーザ光のスポット位置との先端間距離を所定値に設定するものである。

特開２００１−２７６９６９号公報 特開２００３−２４５７８６号公報

ところが、上述した特許文献１の継手の溶接方法にあっては、構造物のＴ継手におけるすみ肉溶接部に対して、その両側から２パスで溶接を行っている。そのため、溶接時間が長くなり、作業効率を向上させることが困難となる。そして、無理に片側から１パスで溶接しようとすると、溶接速度を低下させて溶け込み量を確保する必要があり、溶接時間が長くなり、結局のところ、２パスでの溶接方法に対して溶接時間の向上は見込めない。また、この場合、溶接速度を低下させることなく溶け込み量を確保しようとすると、大出力のレーザ装置が必要となり、高コスト化を招いてしまう。更に、大出力ＣＯ_２レーザにおける溶接では、アーク溶接のアーク溶接用シールドガスの影響を大きく受け、溶接部に発生するプラズマにより溶け込みが阻害され、溶接品質も劣化してしまう。

また、上述した特許文献２のレーザ併用交流ミグパルスアーク溶接方法にあっては、ガスアーク溶接とレーザ溶接を複合して重ねすみ肉溶接を行うものが開示されているものの、Ｔ字継手における隅部に対してその片側から１パスで溶接を行う技術については何ら記載されていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、溶接時間を短縮して作業効率の向上を図ると共に、未接合部の発生を防止して溶接品質の向上を図るＴ字継手の溶接方法及び装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のＴ字継手の溶接方法は、第１被溶接部材の平面部に第２被溶接部材の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせ、前記各被溶接部材の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行うＴ字継手の溶接方法であって、レーザ溶接の溶接条件としてのレーザ出力を１〜６ｋＷに設定すると共に、レーザビーム角及び前記第２被溶接部材の板厚に基づいてレーザ狙い位置を設定する、ことを特徴とする。

また、本発明のＴ字継手の溶接装置は、第１被溶接部材の平面部に第２被溶接部材の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせ、前記各被溶接部材の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行うＴ字継手の溶接装置であって、レーザを照射可能であると共にレーザ溶接用シールドガスを吹付け可能なレーザ加工ヘッドと、溶接ワイヤを供給可能であると共にアーク溶接用シールドガスを吹付け可能なアークトーチと、前記レーザ加工ヘッド及びアークトーチと前記各被溶接部材とを溶接方向に沿って相対移動させる移動装置と、前記レーザ加工ヘッドと前記アークトーチと前記移動装置を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記レーザ加工ヘッドによるレーザ出力を１〜６ｋＷに設定すると共に、レーザビーム角及び前記第２被溶接部材の板厚に基づいてレーザ狙い位置を設定する、ことを特徴とする。

本発明のＴ字継手の溶接方法及び装置によれば、各被溶接部材の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行うとき、レーザ溶接の溶接条件としてのレーザ出力を１〜６ｋＷに設定すると共に、レーザビーム角及び第２被溶接部材の板厚に基づいてレーザ狙い位置を設定する。従って、Ｔ字継手の片側から１パスで溶接を行うことで、溶接時間を短縮して作業効率の向上を図ることができると共に、未接合部の発生を防止して溶接品質の向上を図ることができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係るＴ字継手の溶接装置を表す概略構成図である。 図２は、実施の形態１のＴ字継手の溶接装置の正面図である。 図３は、実施の形態１のＴ字継手の溶接装置の平面図である。 図４は、従来のＴ字継手の溶接方法による接合部の概略図である。 図５は、実施の形態１のＴ字継手の溶接方法による接合部の概略図である。 図６は、実施の形態１の溶接方法による溶接速度に対するレーザ狙い位置尤度を表すグラフである。 図７は、Ｔ字継手の溶接方法を説明するための概略図である。 図８−１は、一般的なＴ字継手の溶接方法による接合部の概略図である。 図８−２は、一般的なＴ字継手の溶接方法による接合部の概略図である。 図８−３は、一般的なＴ字継手の溶接方法による接合部の概略図である。 図９は、本発明の実施の形態２に係るＴ字継手の溶接装置を表す概略構成図である。 図１０は、従来のＴ字継手の溶接方法による接合部の概略図である。 図１１は、実施の形態２のＴ字継手の溶接方法による接合部の概略図である。 図１２は、本発明の実施の形態３に係るＴ字継手の溶接装置を表す概略構成図である。

以下に、本発明に係るＴ字継手の溶接方法及び装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るＴ字継手の溶接装置を表す概略構成図、図２は、実施の形態１のＴ字継手の溶接装置の正面図、図３は、実施の形態１のＴ字継手の溶接装置の平面図、図４は、従来のＴ字継手の溶接方法による接合部の概略図、図５は、実施の形態１のＴ字継手の溶接方法による接合部の概略図、図６は、実施の形態１の溶接方法による溶接速度に対するレーザ狙い位置尤度を表すグラフ、図７は、Ｔ字継手の溶接方法を説明するための概略図、図８−１〜図８−３は、一般的なＴ字継手の溶接方法による接合部の概略図である。

実施の形態１のＴ字継手の溶接方法及び装置は、第１被溶接部材の平面部に第２被溶接部材の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせ、この各被溶接部材の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行うものであって、レーザ溶接の溶接条件としてのレーザ出力を１〜６ｋＷに設定すると共に、レーザビーム角及び第２被溶接部材の板厚に基づいてレーザ狙い位置を設定する。

以下、実施の形態１のＴ字継手の溶接方法及び装置について、具体的に説明する。

実施の形態１のＴ字継手の溶接方法は、図７に示すように、平板形状をなす第１被溶接部材１１の平面部に、同じく平板形状をなす第２被溶接部材１２の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせ、この各被溶接部材１１，１２の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行う。

このＴ字継手の溶接方法にて、第１被溶接部材１１の板厚ｔ_１、第２被溶接部材１２の板厚ｔ_２、レーザビーム角α、第１被溶接部材１１の平面部からのレーザ狙い位置までの距離Ｌとすると、隅部を片側１パスで溶接するためには各被溶接部材１１，１２の継手部分Ｓ_１が接合され、且つ、溶接を行う隅部とは反対の隅部側のルート部Ｓ_２から溶接裏ビードが出る必要がある。このときのレーザ狙い位置、つまり、適正なレーザ狙い位置（第１被溶接部材１１からの距離Ｌ）は、下記数式（１）により算出することができる。
Ｌ＝ｔ_２×ｔａｎα （１）

ここで、レーザ溶接のみでのＴ字継手の溶接方法において、溶接速度０．７ｍ／ｍｉｎ、レーザ出力５．５ｋＷ、被溶接部材１２の板厚ｔ_２＝８ｍｍ、レーザビーム角α＝７．５°とした場合を考える。この場合、上記数式（１）より適正なレーザ狙い位置までの距離Ｌは、約１．１ｍｍとなる。

図８−１〜図８−３に、レーザ狙い位置までの距離Ｌを異ならせたときのＴ字継手の接合部を示している。この場合、図８−１の接合部２１は、レーザ狙い位置までの距離Ｌ＝０．４ｍｍ、図８−２の接合部２２は、レーザ狙い位置までの距離Ｌ＝０．６ｍｍ、図８−３の接合部２３は、レーザ狙い位置までの距離Ｌ＝１．１ｍｍとしたときのものである。

図７及び図８−１に示すように、レーザ狙い位置までの距離Ｌ＝０．４ｍｍの場合、継手部分Ｓ_１にて、レーザビーム入射側は接合されているが、反対側のルート部Ｓ_２では全く溶接裏ビードが出ていないことが確認できた。図７及び図８−２に示すように、レーザ狙い位置までの距離Ｌ＝０．６ｍｍの場合、継手部分Ｓ_１にて、ルート部Ｓ_２では十分に溶け込んで溶接裏ビードが出ているが、特にレーザビーム入射側では、十分に接合されていないことが確認できた。図７及び図８−３に示すように、レーザ狙い位置までの距離Ｌ＝１．１ｍｍと大きくなった場合、継手部分Ｓ_１にて、ルート部Ｓ_２では十分に溶け込んで溶接裏ビードが出ているが、レーザビーム入射側から中央部にかけて、十分に接合されていないことが確認できた。

上述した結果から、溶接速度０．７ｍ／ｍｉｎにおいては、レーザ狙い位置までの距離Ｌの位置ずれを考えると、隅部を片側１パスで溶接することは困難であり、継手部分Ｓ_１及びルート部Ｓ_２を両者共に溶け込ませるためには、入熱量を増加しなければならず、レーザ溶接のみでのＴ字継手の溶接方法では、溶接速度を減少する必要がある。

下記の表１には、レーザ溶接のみでのＴ字継手の溶接方法において、第２被溶接部材１２の板厚ｔ_２＝８ｍｍまたはｔ_２＝９ｍｍ、であるとき、溶接速度に対して、継手部分Ｓ_１とルート部Ｓ_２が両者共に溶け込んだＴ字継手が得られるレーザ狙い位置尤度を示している。この場合、十分なレーザ狙い位置尤度を確保しようとすると、溶接速度の減少が必要であることが確認できた。

以上のことより、Ｔ字継手のレーザ溶接にて、隅部を片側１パスで溶接するためには、レーザ狙い位置（第１被溶接部材１１からの距離Ｌ）を適正に設定して溶接裏ビードを確実に出すこと、溶接速度を低速にして入熱量を増加させ、レーザビーム入射側の継手部分を接合させることが必要である。しかし、溶接速度を減少させることにより生産性が低下するため、この溶接速度の低下は避けるべきである。そこで、本実施の形態では、速度低下を招くＴ字継手におけるレーザビーム入射側での溶け込み確保をアーク溶接で補う、レーザ溶接とアーク溶接を複合させた溶接方法及び装置としている。

実施の形態１のＴ字継手の溶接装置は、図１乃至図３に示すように、第１被溶接部材１１の平面部に第２被溶接部材１２の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせ、この各被溶接部材１１，１２の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行うものである。即ち、本実施の形態のＴ字継手の溶接装置は、レーザ加工ヘッド３１と、アークトーチ３２と、移動装置３３と、制御装置３４とを有している。レーザ加工ヘッド３１は、先端部からレーザビームＬＢを照射可能であると共に、レーザ溶接用シールドガスを吹付け可能である。アークトーチ３２は、先端部から溶接ワイヤＷを供給可能であると共に、アーク溶接用シールドガスを吹付け可能である。移動装置３３は、レーザ加工ヘッド３１とアークトーチ３２とを搭載する図示しない移動テーブルを有し、この移動テーブルを駆動装置により各被溶接部材１１，１２の溶接方向に沿って移動可能である。制御装置３４は、レーザ加工ヘッド３１とアークトーチ３２と移動装置３３を制御可能である。この場合、レーザ加工ヘッド３１及びアークトーチ３２を固定し、移動装置３３は、Ｔ字形状をなす各被溶接部材１１，１２を移動するようにしてもよい。

ここで、ｔ_１，ｔ_２は、各被溶接部材１１，１２の板厚、Ｌは、第１被溶接部材１１の平面部（第２被溶接部材１２の端面）からのレーザ狙い位置までの距離、Ｄは、レーザ狙い位置と溶接ワイヤＷの先端との距離である。また、αは、第１被溶接部材１１の平面部に対するレーザ加工ヘッド３１によるレーザビーム角、βは、第１被溶接部材１１の平面部に対するアークトーチ３２の傾斜角度、γは、第２被溶接部材１２に対するアークトーチ３２の傾斜角度である。

そして、制御装置３４は、レーザ加工ヘッド３１によるレーザ出力を１〜６ｋＷに設定すると共に、レーザビーム角α及び第２被溶接部材１２の板厚ｔ_２に基づいてレーザ狙い位置までの距離Ｌを設定している。

また、その他の溶接条件は、次のものに設定されている。各被溶接部材１１，１２は、板厚ｔ_１＝４〜６ｍｍ、ｔ_２＝５〜１０ｍｍの軟鋼を用いる。レーザ加工ヘッド３１によるレーザ溶接において、レーザビームＬＢは、出力５．５ｋＷのＣＯ_２レーザとする。レーザ加工ヘッド３１によるレーザビーム角αは、７．５（７．５〜２０．０）°とする。加工時に、レーザ加工ヘッド３１のノズル３１ａから供給するレーザ溶接用シールドガスは、ヘリウムガスとし、１０〜４０ｌ／ｍｉｎの速度で吹き付けるものとする。

また、アークトーチ３２によるアーク溶接において、電流値は、１５０（５０〜２００）Ａ、電圧値は、２５Ｖとする。このアークトーチ３２よりアーク溶接用シールドガスとして８０％Ａｒ−２０％ＣＯ_２を５〜２５ｌ／ｍｉｎの速度で吹きつけるものとする。アークトーチ３２による溶接ワイヤＷの狙い位置は、レーザ狙い位置と同様であり、レーザ狙い位置と溶接ワイヤＷの先端部の距離Ｄは、０〜１０ｍｍとする。アークトーチ３２の傾斜角度βは、３０〜９０°に設定し、アークトーチ３２の傾斜角度γは、４０〜７５°に設定する。この場合、レーザ加工ヘッド３１とアークトーチ３２は、一体に取付けられており、レーザ狙い位置とワイヤ狙い位置とを結んだ直線は、溶接進行方向に対して平行に設定されている。

また、溶接方向へのレーザ溶接及びガスアーク溶接の先行基準は、アーク溶接におけるレーザビーム入射側での溶け込み増加を考えているため、レーザ溶接を先行させるものとしている。アーク溶接を先行させる場合に比べて、すでにレーザ溶接によりできた溶融池にアーク溶接を行うことで、各被溶接部材１１，１２に対する熱効率が良く、深溶け込みが期待でき、さらにアークの発生も安定になる。この場合の溶接速度は、０．５〜２．０m／ｍｉｎに設定している。

従って、第１被溶接部材１１の平面部に第２被溶接部材１２の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせた状態で、制御装置３４は、移動装置３３によりレーザ加工ヘッド３１とアークトーチ３２を図１の矢印方向に移動し、各被溶接部材１１，１２の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接とアーク溶接を連続して行う。

図４は、溶接速度０．７ｍ／ｍｉｎでレーザ溶接のみによるＴ字継手の溶け込み断面である。この図４からわかるように、レーザ溶接のみでは、接合部４１にレーザビーム入射側に未接合部が発生している。一方、図５は、溶接速度０．７ｍ／ｍｉｎでレーザ溶接とアーク溶接を複合させた溶接によるＴ字継手の溶け込み断面である。この図５からわかるように、レーザ溶接とアーク溶接の複合溶接では、接合部４１については十分に溶け込んでいることが確認できた。

また、図６は、第２被溶接部材１２の板厚が９ｍｍに対する、レーザ溶接のみ、レーザ溶接とアーク溶接の複合溶接における溶接速度とレーザ狙い位置尤度を示したグラフである。この図６からわかるように、レーザ溶接のみの溶接Ｂに比べ、レーザ溶接とアーク溶接の複合溶接Ａは、レーザ狙い位置尤度拡大の効果が得られている。特に、レーザ狙い位置が大きい場合、つまり、第１被溶接部材１１から遠ざけた場合においての尤度拡大が見られ、アーク溶接におけるレーザビーム入射側の溶け込みが十分であることが確認できる。設備仕様面から、例えば、レーザ狙い位置のズレが±０．２ｍｍに抑える必要がある場合、レーザ溶接では、溶接速度を０．５ｍ／ｍｉｎまで低下させる必要があるが、レーザ溶接とアーク溶接の複合溶接では、０．７ｍ／ｍｉｎでの溶接が可能である。

即ち、Ｔ字継手の片側１パスに対して、レーザ溶接のみで十分なレーザ狙い位置尤度を得られる溶接速度よりも速い場合においても、レーザ溶接とアーク溶接を複合させた溶接方法では、レーザ狙い位置を適正に設定することで、レーザビーム入射の反対側のルート部で溶接裏ビードを出し、レーザ溶接とアーク溶接の併用により、レーザビーム入射側の継手部分を接合させることが可能となる。

このように実施の形態１のＴ字継手の溶接方法及び装置にあっては、第１被溶接部材１１の平面部に第２被溶接部材１２の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせ、各被溶接部材１１，１２の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行うものであって、レーザビームＬＢを照射可能であると共にレーザ溶接用シールドガスを吹付け可能なレーザ加工ヘッド３１と、溶接ワイヤＷを供給可能であると共にアーク溶接用シールドガスを吹付け可能なアークトーチ３２と、レーザ加工ヘッド３１及びアークトーチ３２と各被溶接部材１１，１２とを溶接方向に沿って相対移動させる移動装置３３と、レーザ加工ヘッド３１とアークトーチ３２と移動装置３３を制御する制御装置３４とを設け、制御装置３４は、レーザ加工ヘッド３１によるレーザ出力を１〜６ｋＷに設定すると共に、レーザビーム角α及び第２被溶接部材１２の板厚に基づいてレーザ狙い位置、つまり、第１被溶接部材１１からのレーザ狙い位置までの距離Ｌを数式（１）により設定している。

従って、各被溶接部材１１，１２からなるＴ字継手の片側から１パスで溶接を行うことで、溶接時間を短縮して作業効率の向上を図ることができると共に、未接合部の発生を防止して溶接品質の向上を図ることができる。

通常、１パスで未接合部がないような溶接を実現するためには、溶け込み深さの大きいレーザ溶接が適用されるが、Ｔ字継手の場合にはレーザビームを直接、溶接箇所の真上から照射させることが不可能であり、レーザビームを傾けて溶接する。このとき、レーザ出力が小さい、または、溶接速度が速い場合には、溶け込み形状が細長くなり、レーザビーム入射の反対側に未溶接部が発生したり、レーザビーム入射側で未溶接部が発生したりする。この未接合部をなくそうとすれば、溶け込みが太く長い形状が適しているが、これを実現させるためには、溶接速度の低下、あるいは、大出力のレーザ装置が必要となり、生産性低下やコストアップに繋がってしまう。

そこで、本実施の形態では、レーザ溶接とアーク溶接を複合させた溶接方法及び装置にて、溶接速度が速くなった場合についても、レーザ溶接は第２被溶接部材１２の板厚によりレーザ狙い位置、つまり、第１被溶接部材１１からレーザ狙い位置までの距離Ｌを適正に設定している。そのため、レーザビーム入射と反対側における溶け込みを、アーク溶接はレーザビーム入射側における溶け込みを確保できる。また、レーザ溶接のみでは、１パスで溶接が可能なレーザ狙い位置範囲は小さいが、本実施の形態では、レーザ狙い位置がずれても、レーザビーム入射側での未溶接部をアーク溶接による接合が可能となり、レーザ狙い位置尤度を拡大させることができる。

実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２に係るＴ字継手の溶接装置を表す概略構成図、図１０は、従来のＴ字継手の溶接方法による接合部の概略図、図１１は、実施の形態２のＴ字継手の溶接方法による接合部の概略図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施の形態２のＴ字継手の溶接方法及び装置は、第１被溶接部材１１の平面部に第２被溶接部材１２の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせ、この各被溶接部材１１，１２の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行うものであって、レーザ溶接の溶接条件としてのレーザ出力を１〜６ｋＷに設定すると共に、レーザビーム角及び第２被溶接部材１２の板厚に基づいてレーザ狙い位置を設定する。そして、アーク溶接よりレーザ溶接を先行して行い、レーザ溶接部より溶接方向の前方側からレーザ溶接部に巻き込み防止用サイドガスを吹付けるようにする。

実施の形態２のＴ字継手の溶接装置は、図９に示すように、第１被溶接部材１１の平面部に第２被溶接部材１２の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせ、この各被溶接部材１１，１２の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行うものである。即ち、本実施の形態のＴ字継手の溶接装置は、ノズル３１ａを有するレーザ加工ヘッド３１と、アークトーチ３２と、移動装置３３と、制御装置３４とを有している。この場合、移動装置３３は、レーザ加工ヘッド３１及びアークトーチ３２、または、Ｔ字形状をなす各被溶接部材１１，１２を移動可能としている。

また、実施の形態２のＴ字継手の溶接装置は、レーザ加工ヘッド３１より溶接方向の前方側に位置して、レーザ溶接部に対してアーク溶接用シールドガスの巻き込みを防止する巻き込み防止用サイドガスを吹き付けるガス供給装置５１を設けている。更に、レーザ溶接部を撮影する高速度カメラ５２と、この高速度カメラ５２が撮影した画像を処理する画像処理装置５３とを設けている。そして、制御装置３４は、画像処理装置５３が処理した画像に基づいて溶接開始点と溶接終了点を決定している。

この場合、レーザ加工ヘッド３１のノズル３１ａからは、レーザ溶接用シールドガスとしてＨｅを２５ｌ／ｍｉｎで供給可能し、アークトーチ３２からは、アーク溶接用シールドガスとして８０％Ａｒ−２０％ＣＯ_２を１５ｌ／ｍｉｎで供給可能とする。従って、実施の形態２のＴ字継手の溶接装置により溶接方法では、溶接時には、レーザ溶接先行として、レーザ加工ヘッド３１及びアークトーチ３２または、被溶接部材１１，１２を移動させ、ガス供給装置５１よりレーザ溶接部に向けてＨｅガス（巻き込み防止用サイドガス）を噴きつけながら溶接を行う。更に、このとき、高速度カメラ５２により溶接現象を撮影する。

この高速度カメラ５２が撮影した溶接現象によると、ガス供給装置５１よりＨｅガス（巻き込み防止用サイドガス）を噴きつけなかった場合、レーザ加工ヘッド３１のノズル３１ａの先端のレーザ照射部からプラズマが発生していることが確認できた。これは、アークトーチ３２から噴きつけられるアーク溶接用シールドガスがノズル３１ａからのＨｅシールドガスの効果を小さくしているからである。レーザ照射部のＨｅシールド中にアークトーチ３２から噴きつけられるアーク溶接用シールドガスの巻き込まれる量が多い場合には、レーザ照射部上では熱伝導率の高いＨｅの割合が少なくなり、温度が上昇する。それに伴い、金属蒸気が電離しプラズマ化する。その結果、プラズマによりＣＯ_２レーザの吸収や屈折が起こり、母材に入るレーザパワーが減少し溶け込みが浅くなる。図１０に、このときの溶け込み断面を示しており、貫通溶接６１ができていないことが確認できた。

一方、本実施の形態のように、ガス供給装置５１よりＨｅガス（巻き込み防止用サイドガス）を噴きつけた場合、ノズル３１ａからのＨｅシールドガス（レーザ溶接用シールドガス）中にアークトーチ３２からのアーク溶接用シールドガスの巻き込み量を少なくさせることとなり、レーザ照射部からのプラズマ発生を抑えることができた。図１１に、このときの溶け込み断面を示しており、貫通溶接６２が可能であることが確認できた。

即ち、溶接前方のガス供給装置５１よりＨｅガスを噴きつけることで、レーザ照射部へ混入するアーク溶接用シールドガスを低減でき、片側１パス溶接が可能となる。また、ノズル３１ａからのＨｅシールドがなく、ガス供給装置５１からのＨｅガス供給のみで溶接しても、同様の抑制効果が期待できる。

このように実施の形態２のＴ字継手の溶接方法及び装置にあっては、レーザ加工ヘッド３１と、アークトーチ３２と、移動装置３３と、制御装置３４とを設けると共に、レーザ加工ヘッド３１より溶接方向の前方側にレーザ溶接部に巻き込み防止用サイドガスを吹き付けるガス供給装置５１を設けている。

従って、ガス供給装置５１は、アークトーチ３２からアーク溶接用シールドガスが、レーザ加工ヘッド３１からのレーザ溶接用シールドガスと混合し、十分にシールドされずにレーザプラズマが発生して溶け込みが浅くなることを防ぐためのものである。そのため、溶接進行方向の前方から巻き込み防止用サイドガスを供給することで、アークトーチ３２からのアーク溶接用シールドガスがレーザ加工ヘッド３１から噴出されるレーザ溶接用シールドガスに混合する量を抑えることができ、溶け込みが深い溶接が可能となり、溶接品質を向上することができる。

実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３に係るＴ字継手の溶接装置を表す概略構成図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施の形態３のＴ字継手の溶接方法及び装置は、第１被溶接部材１１の平面部に第２被溶接部材１２の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせ、この各被溶接部材１１，１２の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行うものであって、レーザ溶接の溶接条件としてのレーザ出力を１〜６ｋＷに設定すると共に、レーザビーム角及び第２被溶接部材１２の板厚に基づいてレーザ狙い位置を設定する。そして、各被溶接部材１１，１２の隅部における溶接開始点より所定距離だけ溶接方向後方から、レーザ加工ヘッド３１を移動させると共にレーザ溶接用シールドガスを吹付け、溶接開始点でレーザビームＬＢを照射している。

実施の形態３のＴ字継手の溶接装置は、図１２に示すように、第１被溶接部材１１の平面部に第２被溶接部材１２の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせ、この各被溶接部材１１，１２の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行うものである。即ち、本実施の形態のＴ字継手の溶接装置は、ノズル３１ａを有するレーザ加工ヘッド３１と、アークトーチ３２と、移動装置３３と、制御装置３４とを有している。この場合、移動装置３３は、レーザ加工ヘッド３１及びアークトーチ３２、または、Ｔ字形状をなす被溶接部材１１，１２を移動可能としている。

また、実施の形態３のＴ字継手の溶接装置は、レーザ溶接部を撮影する高速度カメラ５２と、この高速度カメラ５２が撮影した画像を処理する画像処理装置５３とを設けている。そして、制御装置３４は、画像処理装置５３が処理した画像に基づいて各被溶接部材１１，１２の隅部における溶接開始点と溶接終了点を決定し、この溶接開始点より所定距離Ａだけ溶接方向後方から、レーザ加工ヘッド３１を移動させると共にレーザ溶接用シールドガスを吹付け、溶接開始点でレーザビームＬＢを照射している。

従って、被溶接部材１１，１２を固定し、レーザ加工ヘッド３１及びアークトーチ３２を移動装置３３により移動可能とする。高速度カメラ５２及び画像処理装置５３は、レーザ加工ヘッド３１に取付けられており、高速度カメラ５２により撮影可能な位置までレーザ加工ヘッド３１を下降させる。そして、溶接開始点と溶接終了点、被溶接部材１１，１２の板厚に応じた適正なレーザ狙い位置を決定し、レーザ溶接先行により溶接開始点から溶接を行う。

このとき、レーザ加工ヘッド３１は、溶接開始点と溶接終了点を結ぶ延長上で溶接開始点より溶接進行方向とは反対側に所定の距離（加速距離）Ａとして２０ｍｍを確保し、その位置からノズル３１ａよりＨｅシールド（レーザ溶接用シールドガス）とアークトーチ３２よりアーク溶接用シールドガス８０％Ａｒ−２０％ＣＯ_２を流しながら移動し、溶接開始点からレーザビームＬＢを照射する。レーザ加工ヘッド３１を移動させながら溶接することで、レーザ照射部には見かけ上、アーク溶接用シールドガスが溶接進行方向とは逆方向に流れていることになる。溶接中の現象を高速度カメラで撮影し観察した結果、レーザ照射部でのプラズマ発生が抑えられており、貫通溶接が可能なことが確認できた。即ち、レーザ加工ヘッド３１を移動させることで、レーザ照射部にはアーク溶接用シールドガスの混入量を低減でき、片側１パス溶接が可能となる。

このように実施の形態３のＴ字継手の溶接方法及び装置にあっては、レーザ加工ヘッド３１と、アークトーチ３２と、移動装置３３と、制御装置３４とを設けると共に、レーザ溶接部を撮影する高速度カメラ５２と、この高速度カメラ５２が撮影した画像を処理する画像処理装置５３とを設け、制御装置３４は、画像処理装置５３が処理した画像に基づいて各被溶接部材１１，１２の隅部における溶接開始点と溶接終了点を決定し、溶接開始点より所定距離Ａだけ溶接方向後方から、レーザ加工ヘッド３１を移動させると共に、レーザ溶接用シールドガスを吹き付け、溶接開始点でレーザビームＬＢを照射している。

従って、レーザ加工ヘッド３１を、溶接開始点より所定距離Ａだけ溶接方向後方から移動させることで、レーザ溶接部において見かけ上、溶接方向前方よりガスが供給されたようなシールド状態となり、レーザ溶接部にアークトーチ３２からのガス混入量を低減し、レーザプラズマの発生を抑制し、溶け込みの深い溶接が可能となり、溶接品質を向上することができる。

以上のように、本発明にかかるＴ字継手の溶接方法及び装置は、被溶接部材の板厚に基づいてレーザ狙い位置を設定することで、溶接時間を短縮して作業効率の向上を図ると共に、未接合部の発生を防止して溶接品質の向上を図るものであり、Ｔ字継手のすみ肉溶接に適用して有用である。

１１ 第１被溶接部材
１２ 第２被溶接部材
３１ レーザ加工ヘッド
３２ アークトーチ
３３ 移動装置
３４ 制御装置
５１ ガス供給装置
５２ 高速度カメラ
５３ 画像処理装置

Claims (7)

1. 第１被溶接部材の平面部に第２被溶接部材の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせ、前記各被溶接部材の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行うＴ字継手の溶接方法であって、
   レーザ溶接の溶接条件としてのレーザ出力を１〜６ｋＷに設定すると共に、
   レーザビーム角をα、前記第２被溶接部材の板厚をｔ _２ 、前記第１被溶接部材の前記平面部からレーザ狙い位置までの距離をＬ、として、
   Ｌ＝ｔ _２ ×ｔａｎα
   を満足することを特徴とするＴ字継手の溶接方法。
2. アーク溶接よりレーザ溶接を先行して行い、レーザ溶接部より溶接方向の前方側からレーザ溶接部にアーク溶接用シールドガスの混入を防止する巻き込み防止用サイドガスを吹付けることを特徴とする請求項１に記載のＴ字継手の溶接方法。
3. 前記各被溶接部材の隅部における溶接開始点より所定距離だけ溶接方向後方から、レーザ加工ヘッドを移動させると共にレーザ溶接用シールドガス及びアーク溶接用シールドガスを吹付け、溶接開始点でレーザを照射することを特徴とする請求項１または２に記載のＴ字継手の溶接方法。
4. 第１被溶接部材の平面部に第２被溶接部材の端面部を接触させてＴ字形状に組み合わせ、前記各被溶接部材の隅部に対して片側から１パスでレーザ溶接及びアーク溶接を行うＴ字継手の溶接装置であって、
   レーザを照射可能であると共にレーザ溶接用シールドガスを吹付け可能なレーザ加工ヘッドと、
   溶接ワイヤを供給可能であると共にアーク溶接用シールドガスを吹付け可能なアークトーチと、
   前記レーザ加工ヘッド及びアークトーチと前記各被溶接部材とを溶接方向に沿って相対移動させる移動装置と、
   前記レーザ加工ヘッドと前記アークトーチと前記移動装置を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記レーザ加工ヘッドによるレーザ出力を１〜６ｋＷに設定すると共に、
   レーザビーム角をα、前記第２被溶接部材の板厚をｔ _２ 、前記第１被溶接部材の前記平面部からレーザ狙い位置までの距離をＬ、として、
   Ｌ＝ｔ _２ ×ｔａｎα
   を満足する前記レーザ狙い位置を設定する、
   ことを特徴とするＴ字継手の溶接装置。
5. 前記レーザ加工ヘッドより溶接方向の前方側にレーザ溶接部に巻き込み防止用サイドガスを吹き付けるガス供給装置を設けることを特徴とする請求項４に記載のＴ字継手の溶接装置。
6. 前記制御装置は、前記各被溶接部材の隅部における溶接開始点より所定距離だけ溶接方向後方から、前記レーザ加工ヘッドを移動させると共にレーザ溶接用シールドガス及びアーク溶接用シールドガスを吹き付け、溶接開始点でレーザを照射することを特徴とする請求項４または５に記載のＴ字継手の溶接装置。
7. レーザ溶接部を撮影するカメラと、該カメラが撮影した画像を処理する画像処理装置とを設け、前記制御装置は、前記画像処理装置が処理した画像に基づいて溶接開始点と溶接終了点を決定することを特徴とする請求項６に記載のＴ字継手の溶接装置。

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