JP5381221B2 - レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法、特にホットワイヤを補助熱源としたレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に関するものである。

レーザ溶接方法は、エネルギ密度が高く、小さい入熱量で深い溶込みが得られるものであり、溶接歪みが少なく、高精度の溶接を可能とする。

従来、レーザ溶接方法は、フィラーメタルを用いない突合わせ溶接に実施され、対象となるものは、通常小型精密部品の溶接、或は薄板の溶接等であった。

一方で、レーザ溶接を鋼構造物に適用することで、高精度の溶接、溶接作業効率の改善が期待でき、近年ではレーザ溶接とＴＩＧ溶接、或はＭＩＧ溶接を組合わせたハイブリッド溶接方法が実施されている。

ハイブリッド溶接方法では、ＴＩＧ溶接、或はＭＩＧ溶接のアークでフィラーメタルを溶融させ、レーザ溶接では得られない適正なビードを形成することができる。

ところが、ハイブリッド溶接方法では、レーザ溶接装置とＴＩＧ溶接装置、或はＭＩＧ溶接装置の２種類の溶接装置を備えなければならないので、装置が大掛りに、又高価な溶接装置となる。更に、ハイブリッド溶接方法では、アークによる入熱量が低く抑えられるが、低く抑えることでアークの発生が溶接材料の表面状態に影響され易くなり、溶接材料の表面に施されている下地処理が完全に除去されていない場合はアークが安定せず溶接が不安定になるという問題があった。

特表２００４−５１２９６５号公報 特開２００３−３２０４５４号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、安価な装置で実施可能であり、溶接状況に対応した適正なビードが得られ、而もビード幅及び溶込み深さの調整を可能としたレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供するものである。

本発明は、溶接部材にレーザを集光して照射する溶接トーチと、レーザの照射部位にフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給装置と、前記フィラーワイヤに加熱用電流を供給する電源部とを具備するレーザ溶接装置に係るものである。

又本発明は、前記レーザの集光位置を変更し、デフォーカス状態とする集光位置変更手段を具備するレーザ溶接装置に係るものである。

又本発明は、デフォーカス状態、前記フィラーワイヤに供給する電流の内、少なくともデフォーカス状態を制御し、形成されるビード、溶込み深さを制御する制御部を具備するレーザ溶接装置に係るものである。

又本発明は、溶接部材にレーザを照射する工程と、レーザの照射部位に加熱したフィラーワイヤを供給する工程と、前記レーザのデフォーカス状態を設定する工程を具備するレーザ溶接方法に係るものである。

更に又本発明は、前記フィラーワイヤに供給する加熱用電流を調整する工程を有するレーザ溶接方法に係るものである。

本発明によれば、溶接部材にレーザを集光して照射する溶接トーチと、レーザの照射部位にフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給装置と、前記フィラーワイヤに加熱用電流を供給する電源部とを具備するので、フィラーワイヤの供給により適正なビードが得られ、更にアークによるフィラーワイヤの溶融ではないので、溶接が安定し、溶接品質が向上する。

又本発明によれば、前記レーザの集光位置を変更し、デフォーカス状態とする集光位置変更手段を具備するので、溶接環境に適合したビードの成形、溶込み深さを得ることができる。

又本発明によれば、デフォーカス状態、前記フィラーワイヤに供給する電流の内、少なくともデフォーカス状態を制御し、形成されるビード、溶込み深さを制御する制御部を具備するので、ビードの形成、溶込み深さを溶接状況に適合する様に制御することができる。

又本発明によれば、溶接部材にレーザを照射する工程と、レーザの照射部位に加熱したフィラーワイヤを供給する工程と、前記レーザのデフォーカス状態を設定する工程を具備するので、溶接環境に適合したビードの成形、溶込み深さを得ることができる。

更に又本発明によれば、前記フィラーワイヤに供給する加熱用電流を調整する工程を有するので、ビードの成形、溶込み深さを溶接環境に適合する様に制御でき、制御範囲が拡大するという優れた効果を発揮する。

本発明が実施されるレーザ溶接装置を示す概略図である。 該レーザ溶接装置に於いて、デフォーカス比を変更した場合の溶接金属断面積の変化を示す線図である。 溶接金属の状態を示す説明図である。 溶接部材に対するデフォーカスの状態を示す説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明が実施されるレーザ溶接装置１の一例を説明する。図中、２は溶接トーチであり、３はフィラーワイヤ供給装置を示している。本実施例で用いられるレーザはファイバレーザであり、深い溶込み深さが得られる。

レーザ光源（図示せず）から発せられたレーザは光ファイバ４により前記溶接トーチ２迄導かれる。該溶接トーチ２には、集光光学系５が内蔵されており、該集光光学系５によって前記光ファイバ４から射出したレーザ６を溶接部材７の所要の位置に集光させている。尚、図１中、ｆは前記集光光学系５の焦点距離である。

前記フィラーワイヤ供給装置３は、ワイヤドラム８、ワイヤ矯正機９、ワイヤホルダ１１等を有し、前記ワイヤドラム８から送出されたフィラーワイヤ１２は前記ワイヤ矯正機９で巻癖が矯正されて前記ワイヤホルダ１１に送出される。

該ワイヤホルダ１１は前記フィラーワイヤ１２に対する給電部となっており、前記ワイヤホルダ１１と前記溶接部材７との間に電源部１３によって前記フィラーワイヤ１２に加熱用の電流が供給されている。前記フィラーワイヤ１２に電流が供給されることで、ジュール熱により、前記フィラーワイヤ１２が加熱される様になっている。前記ワイヤホルダ１１から送出された前記フィラーワイヤ１２は、前記レーザ６の照射部に供給される。

尚、前記フィラーワイヤ１２の加熱温度は、該フィラーワイヤ１２の先端が溶融池に接触した時点で溶融する程度に加熱されることが好ましい。

又、前記フィラーワイヤ供給装置３のワイヤ供給速度、前記レーザ６の出力、前記溶接トーチ２の移動速度（溶接速度）、前記フィラーワイヤ１２への給電状態（加熱状態）及び焦点位置の調整は制御部１０によって制御される様になっている。

本発明者は、上記レーザ溶接装置１に於いて、溶接を実施した場合に、前記溶接部材７の表面からの焦点の位置（デフォーカス量）と成形されるビード幅、又溶込み深さとの関係について検証した。

尚、溶接条件は、レーザパワーが３ＫＷ、前記フィラーワイヤ１２に供給する電流値が５０Ａ、溶接速度が１ｍ／ｓである。又、図２に示されるグラフの縦軸は、溶接金属の断面積ｍｍ² であり、曲線Ａは溶着金属、曲線Ｂは溶融金属（図３参照）のそれぞれ断面積を示し、横軸はデフォーカス比（デフォーカス量／焦点：Ｄｆ／ｆ）を示している。又、（Ｄｆ／ｆ）の−は前記溶接部材７の表面から離反する方向、（Ｄｆ／ｆ）の＋は前記溶接部材７の内部に向って移動する方向である（図４参照）。

先ず、母材側の溶融状態、即ち溶融金属Ｂの断面積とデフォーカス比の関係は、曲線Ｂに見られる様に、デフォーカス比＝０の時、即ち前記レーザ６の焦点が前記溶接部材７の表面に一致した時に、最大且つ極大であり、＋側、−側でデフォーカス比が大きくなるに従って、減少する。即ち、溶込み量はデフォーカス比が大きくなるに従って、減少する。これは、デフォーカス比が大きくなることによって、光束断面が増大し、エネルギ密度が低下することによる。

次に、溶着金属の状態、即ち溶着金属Ａの断面積とデフォーカス比の関係は、曲線Ａに示される。溶着金属Ａの断面積が最小、極小となるのはデフォーカス比＋０．２の時であり、デフォーカス比＝０から＋側にずれている。

又、前記曲線Ａに見られる様に溶着金属Ａはデフォーカス比が極小値の時のデフォーカス比から離れるに従って、増大し、デフォーカス比が−０．２及び＋０．４で極大となり、更に離反すると、減少に転ずると共に−０．３及び＋０．４を越えると溶接ができなくなる。

尚、図示していないが、前記フィラーワイヤ１２に供給する電流を増減することで、溶接金属の状態が変化する。

前記フィラーワイヤ１２への供給電流を増減した場合、図２の傾向を保ちつつ、主に溶着金属Ａに影響が大きく現れ、電流を増大すると、前記曲線Ａは断面積が増大する方向に移動する。又、電流を減少すると、前記曲線Ａは断面積が減少する方向に移動する。

而して、デフォーカス比、前記フィラーワイヤ１２への供給電流を制御することで、溶接状態、即ち溶込み深さ、ビード幅、ビード脚長を制御できる。

例えば、隅肉溶接を行う場合は、多くの溶着金属を必要とするので、デフォーカス比を大きくし、必要ならば前記フィラーワイヤ１２への供給電力を増大させて溶接を行う。又、Ｉ型開先による突合わせ溶接を行う場合は、溶込み深さが必要とされるので、デフォーカス比（Ｄｆ／ｆ）＝０又はデフォーカス比＝０の近傍で溶接を行う等である。

次に、上記レーザ溶接方法を上記したレーザ溶接装置１に適用する場合は、レーザパワー、溶接速度、前記フィラーワイヤ１２への給電量等をファクターとして、該ファクターを適宜変化させて図２に示される様な代表的データを予め複数取得し、前記制御部１０に入力する。

溶接を実行する場合は、前記制御部１０に溶接条件、例えば、隅肉溶接、突合わせ溶接、板厚等の条件を設定する。前記制御部１０は前記溶接条件から、最適なデフォーカス比を演算又は選択し、前記溶接トーチ２を上下に変位させ、デフォーカス比を設定し、溶接を実行する。

溶接が実行されるに於いて、前記フィラーワイヤ１２はアークによって溶融されていないので、溶接状態は安定で高品質の溶接が可能である。

尚、上記実施例では、集光位置変更手段として前記溶接トーチ２を上下させて焦点位置の変更を行ったが、集光位置変更手段は焦点長さを変更して焦点位置の変更を行う、光学的な集光位置変更手段であってもよい。

１ レーザ溶接装置
２ 溶接トーチ
３ フィラーワイヤ供給装置
４ 光ファイバ
５ 集光光学系
６ レーザ
７ 溶接部材
８ ワイヤドラム
９ ワイヤ矯正機
１０ 制御部
１１ ワイヤホルダ
１２ フィラーワイヤ
１３ 電源部

Claims (2)

1. 溶接部材にレーザを集光して照射する溶接トーチと、レーザの照射部位にフィラーワイヤを供給するフィラーワイヤ供給装置と、前記フィラーワイヤに加熱用電流を供給する電源部と、前記レーザの集光位置を変更し、デフォーカス状態とする集光位置変更手段と、前記フィラーワイヤに供給する加熱用電流を所定の値に制御すると共に、デフォーカス状態を制御し、形成されるビード、溶込み深さを制御する制御部とを具備したことを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 溶接部材にレーザを照射する工程と、レーザの照射部位に加熱したフィラーワイヤを供給する工程と、該フィラーワイヤに加熱用電流を供給する工程と、前記レーザの集光位置を変更し、デフォーカス状態とする工程と、前記フィラーワイヤに供給する加熱用電流を所定の値に制御すると共に、デフォーカス状態を制御し、形成されるビード、溶込み深さを制御する工程とを具備することを特徴とするレーザ溶接方法。

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