JP5951409B2 - 溶接システムおよび溶接方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は，溶接システムおよび溶接方法に関する。

大型構造物（例えば，原子力発電用の炉内構造物）の作成に関し，一対の厚板（ステンレス鋼）を狭開先で突き合わせて，溶接する場合がある（狭開先溶接）。
ここで，狭開先の厚板をレーザ溶接する溶接装置が開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１１−５５３３号公報

しかしながら，レーザ溶接では，溶込み量を大きくすることが困難であり，溶接速度が必ずしも充分ではない。
大型構造物での狭開先溶接においては，溶接品質等の関係で，ＴＩＧ溶接を用いる場合が多いが，溶接速度が必ずしも充分ではない。
ＭＩＧ溶接を用いると，溶接速度は上がるが，アークが不安定になり，溶接品質が低下し易くなる（開先側部や積層境界（積層した溶接ビード間）での融合不良）。
ここで，シールドガスに酸化性ガス（Ｏ_２等）を添加し，アークを安定化することができる（ＭＡＧ溶接）。しかし，酸化性ガスにより，溶接ビードが酸化され，酸化スケールの除去等が必要となったり，溶接強度が低下したりする可能性がある。

本発明は，狭開先溶接において，溶接品質と溶接速度の両立が容易な溶接システムおよび溶接方法を提供することを目的とする。

実施形態の溶接システムは，狭開先で突き合わされた1対の溶接対象の，開先の幅よりも大きい，加工点ビーム径を有するレーザ光を出射するレーザヘッドと，溶接ワイヤに電圧を印加してアーク溶接する溶接トーチと，前記レーザヘッドと，前記溶接トーチとの間隔を調節する間隔調節機構と，前記間隔が調節されたレーザヘッドおよび溶接トーチを前記開先に沿って移動させ，前記ヘッドから出射されるレーザ光で前記開先内を溶融し，前記溶融された前記開先内を前記溶接トーチでアーク溶接して，溶接ビードを形成させる，移動部と，を備える。

本発明によれば，狭開先溶接において，溶接品質と溶接速度の両立が容易な溶接システムおよび溶接方法を提供できる。

実施形態に係る溶接システム１００を表す図である。 溶接対象１０を表す断面図である。 溶接対象１０ａを表す断面図である。 溶接対象１０，レーザヘッド１１０，溶接トーチ２１０の詳細を表す図である。 溶接対象１０をＺ軸正方向から見た図である。 シールド部材３１０の縦断面図である。 シールド部材３１０の横断面図である。 開先１３のプロファイルＰＰを表す図である。 開先１３のプロファイルＰＰから開先幅Ｗ１を求める手法を表す図である。 開先１３と溶接ワイヤＷＷの位置関係を表す図である。 溶接処理時の溶接対象１０を表す断面図である。 溶接処理時の溶接対象１０を表す断面図である。 溶接処理時の溶接対象１０を表す断面図である。 溶接処理時の溶接対象１０を表す断面図である。 溶接処理時の溶接対象１０を表す断面図である。 溶接処理時の溶接対象１０を表す断面図である。 溶接処理時の溶接対象１０を表す断面図である。 溶接処理時の溶接対象１０を表す断面図である。 溶接処理時の溶接対象１０を表す断面写真である。 開先幅Ｗ１と入熱量Ｐの関係の一例を表すグラフである。 比較例による溶接処理時の溶接対象１０を表す断面図である。

以下，図面を参照して，実施形態を詳細に説明する。
実施形態に係る溶接システム１００は，溶接対象１０をレーザおよびアーク放電で溶接するシステム（ハイブリッドシステム）である。

図１に示すように，実施形態に係る溶接システム１００は，レーザヘッド１１０，レーザ発振器１２０，レーザ制御部１３０，ロボット装置１４０，ロボット制御部１５０，溶接トーチ２１０，溶接電源２２０，電源制御部２３０，トーチ移動機構２４０，トーチ位置制御部２５０，シールド部材３１０，シールドガス供給部３２１，３２２，距離計３３０，開先幅検出部３４０，撮像装置３５０，溶接位置検出部３６０，主制御装置４００を有する。

溶接対象１０は，狭開先（ナロウギャップ）で突き合わされた，一対のステンレス厚板である。
狭開先（ナロウギャップ）は，例えば，厚板の端部を板厚に比し小さな間隔で，対向または接触させた小さい角度を有する間隙（開先）をいう。

図２，図３は，溶接対象１０，１０ａを表す断面図である。厚板等の母材１１，１２の端面が間隙（開先（ギャップ））１３を有して，下端が接触するように配置される。開先１３内は，底部１５，側部１６に区分される。開先１３の外が，母材１１，１２の上部１７である。

母材１１，１２は，ステンレス鋼（例えば，オーステナイトステンレス鋼）の厚板である。なお，母材１１，１２として，炭素鋼，低合金鋼，非鉄合金も利用可能である。

溶接対象１０では，上部１７のみに開先１３を有し，上部１７のみへの溶接で足りる。溶接対象１０ａでは，上下両面に開先１３を有し，上下両面への溶接がなされる

ここで，狭開先は，１パス１層溶接が可能な開先と定義する。
具体的には，母材１１，１２の厚さＨ１と開先１３の底部１５での母材１１，１２の間隔Ｗ１において次の条件を満たす場合，狹開先とすることができる。
Ｈ１≦１００ｍｍの場合，Ｗ１≦２０ｍｍ
Ｈ１＞１００ｍｍの場合，Ｗ１≦３０ｍｍ
このとき，開先１３の側部１６（母材１１，１２）のなす角度θ１は小さく，例えば，２０°以下とする。

図４は，ファイバーレーザでのレーザヘッド１１０，溶接トーチ２１０の詳細を表す。また，図５は， 溶接対象１０をＺ軸正方向から見た図である。

レーザヘッド１１０は，レーザ光のビームを溶接対象１０に集光する。レーザヘッド１１０は，ケース１１１，コリメータレンズ１１２，集光レンズ１１３を有し，光ファイバ１１５を介して，レーザ発振器１２０からのレーザ光を溶接対象１０に照射する。

ケース１１１は，コリメータレンズ１１２，集光レンズ１１３を収容する。
コリメータレンズ１１２は，焦点距離ｆ１を有し，光ファイバ１１５の端部から放射されるレーザ光を平行光に変換する。

集光レンズ１１３は，焦点距離ｆ２を有し，コリメータレンズ１１２からの平行光を収束光に変換し，溶接対象１０に集光する。集光レンズ１１３から距離ｆ２の焦点Ｐｆにレーザ光が集光され，その後，広がって溶接対象１０の加工点Ｐ１に加工点ビーム径Ｗのレーザスポットとして照射される。

なお，後述のように，溶接対象１０の加工点Ｐ１は，シールドガスＧ１が充満するシールド部材３１０内に配置され，酸化等が防止される。

溶接対象１０の加工点Ｐ１でのビーム径（加工点ビーム径）Ｗは，溶接対象１０の開先幅Ｗ１より大きくなるように設定される。焦点Ｐｆから加工点Ｐ１までの距離Ｌをある程度取ることで（焦点Ｐｆを加工点Ｐ１から距離Ｌずらす），加工点ビーム径Ｗを開先幅Ｗ１より大きくすることが可能となる。開先幅Ｗ１が８ｍｍのとき，加工点ビーム径Ｗを，例えば，１０ｍｍとする。

焦点外しの距離Ｌと加工点ビーム径Ｗ間に次の式（１）が成り立つ。
Ｌ＝ｆ２×（Ｗ−Ｗｂ）／（Ｗａ−Ｗｂ）
Ｗｂ＝λ／（２πＮＡ）×ｆ２／ｆ１ ……式（１）
Ｌ：焦点外しの距離（ｍｍ）
Ｗ：加工点ビーム径（ｍｍ），
Ｗａ：集光レンズ１１３への入射時のビーム径（ｍｍ）
Ｗｂ：焦点Ｐｆでのビーム径（ｍｍ）（スポット径）
λ：レーザ光の波長(ｍｍ)
ＮＡ：光ファイバ１１５のＮＡ値
ｆ１：コリメータレンズ１１２の焦点距離（ｍｍ）
ｆ２：集光レンズ１１３の焦点距離（ｍｍ）

加工点ビーム径Ｗを開先幅Ｗ１より大きくすることで，開先１３の底部１５のみならず側部１６もがレーザ光で照射され，溶接対象１０の一部が溶融してプールＰＬ１が形成される。開先１３の底部１５，側部１６が溶融することで，後続するアーク溶接時での融け込みが向上し，側部１６の融合不良の発生を防止することができる。

尚，プールＰＬ１の大きさに影響する因子は，加工点ビーム径Ｗ，レーザ出力，溶接速度であるが，この内，加工点ビーム径Ｗの影響がもっとも大きい。なお，レーザ出力と溶接速度を調整することで，加工点ビーム径Ｗが開先幅Ｗ１よりも小さい場合であっても，側部１６を溶かすことは可能となる。

なお，本実施形態では，加工点ビーム径Ｗを広げていることから，溶接対象１０の単位面積当たりのレーザ光の強度は低くなり，いわゆるキーホール溶接と異なり，プールＰＬ１は広く，浅いものとなる。キーホール溶接では，レーザ光の焦点付近に溶接対象１０が配置され，溶接対象に狭く，深い穴（キーホール）が形成される。

ここでは，レーザヘッド１１０と溶接対象１０の間に，焦点Ｐｆを配置することで（距離Ｌを正とする），加工点ビーム径Ｗを大きくしている。これに対して，レーザヘッド１１０と焦点Ｐｆの間に，溶接対象１０を配置することで（距離Ｌを負とする），加工点ビーム径Ｗを大きくしても良い。

距離Ｌを調節することで，加工点ビーム径Ｗを変更できる。後述のように，ロボット装置１４０によって，レーザヘッド１１０のＺ軸方向の高さを変更することで，距離Ｌを調節できる。

溶接対象１０を多層盛り溶接する場合，溶接が進むにつれ，開先幅Ｗ１は増大する。即ち，開先１３が角度θ１を有して広がっていることから，１層目より２層目と，層数が増大するにつれ，開先幅Ｗ１も増大し，これに合わせて，加工点ビーム径Ｗを増加させるのが好ましい。例えば，溶接する層数に応じて，レーザヘッド１１０のＺ軸方向の高さを大きくし，加工点ビーム径Ｗを増加できる。

レーザ光は，溶接対象１０に垂直入射せず，角度を持って入射する。このように角度を持たせるのは，溶接対象１０で反射されたレーザ光がレーザヘッド１１０に再入射し，レーザヘッド１１０が損傷することを防止するためである。

なお，溶接対象１０で反射されたレーザ光は，後述のようにシールド部材３１０で受け止められ，溶接対象１０の周囲へのレーザ光の漏れが防止される。

レーザ発振器１２０は，レーザの光源であり，光ファイバ１１５を介して，レーザヘッド１１０にレーザ光を送り込む。ここでは，レーザ発振器１２０として，ファイバーレーザを用いている。レーザ発振器１２０に，ＹＡＧレーザ，Ｄｉｓｋレーザ，ＣＯ_２レーザを用いても良い。

レーザ制御部１３０は，レーザ発振器１２０の出力を制御する制御装置である。加工点ビーム径Ｗに対する適正なレーザ出力を設定することで，溶接対象１０を適切な溶込み深さとすることが可能となる。

ロボット装置１４０は，レーザヘッド１１０をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動する移動装置であり，溶接対象１０に対してレーザヘッド１１０を適切な高さとし，溶接対象１０の開先に沿って移動（走査）できる。開先に沿って，レーザヘッド１１０（および溶接トーチ２１０）を複数回走査することで，溶接対象１０を多層盛り溶接が可能となる。

ロボット装置１４０は，間隔が調節されたレーザヘッドおよび溶接トーチを前記開先に沿って移動させ，前記ヘッドから出射されるレーザ光で前記開先内を溶融し，前記溶融された前記開先内を前記溶接トーチでアーク溶接して，溶接ビードを形成させる，移動部として機能する。

ロボット装置１４０は，ベース１４１，アーム１４２〜１４５，関節１４６，１４７を有する。ベース１４１は，床に配置され，ロボット装置１４０を保持する。アーム１４２は，ベース１４１に回転（Ｚ軸を回転軸とする回転）可能に接続される。アーム１４３は，アーム１４２にＸ，Ｚ方向に移動可能に接続される。アーム１４４は，アーム１４３に関節１４６で接続され，回転可能である。アーム１４５は，アーム１４４に関節１４７で接続され，回転可能である。

アーム１４５にレーザヘッド１１０が固定される。この結果，レーザヘッド１１０は，アーム１４２〜１４５によって，Ｘ，Ｙ，Ｚ方向での移動および回転が可能となる。ベース１４１，アーム１４２〜１４５，関節１４６，１４７は，このような移動，回転を可能とするモータ（図示せず）および位置，向きを検出する検出器（図示せず）を備える。

ロボット制御部１５０は，ロボット装置１４０を制御し，レーザヘッド１１０の位置（座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）），向きを変更し，溶接対象１０に対する焦点Ｐｆの位置等を調節する。ロボット制御部１５０は，レーザヘッド１１０の座標および向きを連続的に制御するための教示データを備える。この教示データでレーザヘッド１１０の座標および向きを制御することで，自動的な，溶接対象１０の多層盛り溶接が可能となる。

溶接トーチ２１０は，トーチ移動機構２４０によって，レーザヘッド１１０に移動可能に接続され，溶接対象１０をアーク溶接する（ＭＩＧ溶接またはＭＡＧ溶接）。

溶接トーチ２１０は，先端部２１１，本体部２１２を有する。先端部２１１は，略円筒形状を有し，端面から溶接ワイヤＷＷを繰り出すと共に，シールドガスＧ２を噴出する。本体部２１２は，溶接ワイヤＷＷを繰り出す繰り出し機構（図示せず）およびシールドガスＧ２の流路を有する。

溶接ワイヤＷＷには，溶接電源２２０から高電圧が印加される。この結果，溶接ワイヤＷＷの先端と溶接対象１０との間でアーク放電が発生し，溶接ワイヤＷＷが溶融することで，溶接対象１０の加工点がアーク溶接される。融けた溶接ワイヤＷＷのプールＰＬ２が形成され，溶接対象１０の材料（レーザ光で溶融されてなるプールＰＬ１）と混じり合い，ビードが形成される。

ここで，溶接対象１０がレーザ光で溶融され，その後にアーク溶接することから，作成されたビードと溶接対象１０の融け込みが良好となる。即ち，開先１３の側部１６や積層されたビード間での融合不良が低減される。

シールドガスＧ２を不活性ガス（Ａｒ等）のみ（不活性ガス１００％）とすることで，ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）アーク溶接がなされ，無酸化の状態のビードを形成できる。このようにすることで，多層盛り溶接の際に，パス間での酸化皮膜の除去が不要となる。この結果，溶接時間が短縮され，作業効率が改善される。さらに，ビードが無酸化であることより，酸化による継ぎ手強度の低下が防止できる。

シールドガスＧ２を不活性ガス（Ａｒ等）のみとすること（ＭＩＧアーク溶接）は，ＭＡＧ溶接等と比べて，アーク放電が不安定になる可能性がある。この理由は次のようなものである。即ち，ＭＡＧ溶接等では，シールドガスＧ２中の酸素等により，母材表面に連続的な酸化膜が形成され，この酸化膜が陰極点を安定化させる。これに対して，ＭＩＧ溶接では，多くの小さな陰極点が形成され，これらの陰極点が電極表面を高速で動き回り，安定し難くなる。

しかしながら，本実施形態では，ＭＩＧアークより先行するレーザ光が開先１３内につくるプールＰＬ１により，陰極点が動きにくくなり，ＭＩＧアークの陰極点が安定する。この結果，シールドガスＧ２が不活性ガスのみであっても，ＭＩＧアークの安定化が可能となる。

レーザの有無の影響を比較したビードオン試験において，レーザがある場合の ＭＩＧビードは，レーザがない場合のＭＩＧビードと比較し，ビードのよれが小さいことが確認できる。

なお，溶接トーチ２１０に揺動機構を設け，開先１３の幅方向（Ｙ軸方向）にアークを揺動しても良い。ＭＩＧアークが多少ふらついても，開先１３の側部１６を溶融できる。

なお，不活性ガス（Ａｒ等）に加え，シールドガスＧ２に酸化性ガス（ＣＯ_２又はＯ_２）を含めることで，ＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ）アーク溶接がなされ，アーク放電の安定化が図れる。ＣＯ_２又はＯ_２から電離したＯイオンにより，アークの陰極点が安定する。

溶接電源２２０は，溶接ワイヤＷＷに高電圧を印加し，溶接対象１０との間でアーク放電を発生するための高電圧電源である。
電源制御部２３０は，溶接電源２２０を制御し，溶接ワイヤＷＷに印加される電圧等を調節する。

トーチ移動機構２４０は，レーザヘッド１１０に対して溶接トーチ２１０を移動可能に接続する。トーチ移動機構２４０は，アーム２４１，２４３，２４５，テーブル２４２，２４４，２４６を有する。トーチ移動機構２４０は，「レーザヘッドと，溶接トーチとの間隔を調節する間隔調節機構」として機能する。

アーム２４１は，レーザヘッド１１０に固定される一端を有する。テーブル２４２は，アーム２４１の他端にＹ軸方向に移動可能に接続される。アーム２４３は，テーブル２４２に接続される一端を有し，テーブル２４２によって，アーム２４１に対して移動可能である。テーブル２４４は，アーム２４３にＸ軸方向に移動可能に接続される。アーム２４５は，テーブル２４４に接続され，テーブル２４４によって，アーム２４３に対して移動可能である。テーブル２４６は，アーム２４５にＺ軸方向に移動可能に接続される。

溶接トーチ２１０は，テーブル２４６に接続される。この結果，溶接トーチ２１０は，トーチ移動機構２４０によって，レーザヘッド１１０に対して，相対移動可能である。トーチ移動機構２４０は，このような移動を可能とするモータ（図示せず）および位置を検出する検出器（図示せず）を備える。

トーチ位置制御部２５０は，トーチ移動機構２４０を制御し，レーザヘッド１１０に対する溶接トーチ２１０（溶接ワイヤＷＷ）の位置を変更できる。即ち，レーザによる加工点Ｐ１とアーク溶接による加工点Ｐ２の距離ＬＬを調節できる。例えば，加工点ビーム径Ｗに応じて，距離ＬＬを調節する。

図５，図６は，シールド部材３１０の縦断面図および横断面図である。
シールド部材３１０は，加工点Ｐ１，Ｐ２の周囲を覆い，シールドガスＧ１で満たすことで，溶接対象１０の酸化等を防止する。また，溶接対象１０から反射されるレーザ光を受け止め，周囲に漏れることを防止する。

シールド部材３１０は，必要に応じて，レーザヘッド１１０，または溶接トーチ２１０に取り付けて用いることができる。また，移動機構により，レーザヘッド１１０に対して移動可能に取り付けることも可能である。例えば，溶接対象１０に対して，レーザヘッド１１０をＺ軸方向に移動させる場合，その移動量によっては，レーザヘッド１１０とシールド部材３１０とを別個に移動可能とする方が好ましい。

シールド部材３１０は，上板３１１，４つの側板３１２，遮光部材３１３を有する。上板３１１には，レーザヘッド１１０からのレーザ光の入射および溶接トーチ２１０の挿入が可能なように，開口３１４を有する。

４つの側板３１２は，流路３１５，複数の噴出口３１６を有する。流路３１５は，側板３１２の内部に設けられ，シールドガスＧ１の流入，流出が可能である。噴出口３１６は，側板３１２の内側面に設けられ，流路３１５内のシールドガスＧ１をシールド部材３１０内に噴出する。即ち，シールド部材３１０に流入したシールドガスＧ１により，シールド部材３１０内が満たされ，溶接対象１０の酸化が防止される。

上板３１１，４つの側板３１２は，「レーザ光の加工点と前記アーク溶接の加工点を覆う覆い」として機能する。

シールド部材３１０内を満たしたシールドガスＧ１は，シールド部材３１０の底（シールド部材３１０と溶接対象１０の間の隙間）および開口３１４から排出される。シールドガスＧ１連続的に供給され，シールド部材３１０に噴出され，外部に排出される。

遮光部材３１３は，銅等の金属から構成される略直方体形状の部材である。遮光部材３１３は，溶接対象１０から反射されたレーザ光を受け止め，シールド部材３１０の外部に漏れるのを防止する。

遮光部材３１３は，その内部に冷却水の流路３１６を有する。この流路３１６に冷却水を流入，流出させることで，レーザ光の吸収による熱の流入による温度上昇を制限する。遮光部材３１３を冷却しないと，レーザ光により遮光部材３１３が溶融する可能性がある。

シールドガス供給部３２１，３２２はそれぞれ，シールドガスＧ１，Ｇ２をシールド部材３１０，溶接トーチ２１０に供給する。これらのシールドガスＧ１，Ｇ２は同種とすることができる。既述のように，ＭＩＧ溶接の場合，シールドガスＧ２に不活性ガスのみを用いることが可能となり，シールドガスＧ１，Ｇ１の双方を不活性ガスのみとすることができる。この場合，シールドガス供給部３２１，３２２を共通化し，単一のシールドガス供給部を用いることができる。

距離計３３０は，例えば，レーザ距離計であり，シールド部材３１０に取り付けられて，溶接対象１０の開先１３の形状（プロファイル）を測定できる。開先１３の方向と垂直な面（開先の方向がＸ軸方向ならＹＺ平面）での開先１３の形状（プロファイル）を測定する。例えば，レーザ光をＹ軸方向に走査して，距離の変化を測定することで，開先の形状を測定できる。図８は，距離計３３０で測定された開先１３のプロファイルＰＰを表す図である。

開先幅検出部３４０は，距離計３３０での測定結果に基づき，開先幅Ｗ１を検出する。開先のプロファイルの折れ曲がりの大きい箇所（屈曲点）を複数抽出し，複数の箇所の間隔を算出することで，開先幅Ｗ１を検出できる。開先幅検出部３４０は，開先の幅を検出する幅検出部として機能する。

図９は，開先１３のプロファイルＰＰから抽出された屈曲点ＰＢ１〜ＰＢ４を表す。Ｚ軸下方に配置される一対の屈曲点ＰＢ２，ＰＢ３が開先１３の底部１５と側部１６の境界に対応する。即ち，の屈曲点ＰＢ２，ＰＢ３間の距離が開先幅Ｗ１に対応する。

既述のように，例えば，多層盛り溶接の進行等により開先幅Ｗ１は変動することから，開先幅Ｗ１を検出することが好ましい。検出された開先幅Ｗ１に対応して，加工点ビーム径Ｗを変化させることで，融け込み等の良好な溶接が可能となる。

撮像装置３５０は，例えば，ＣＣＤ（charge-coupled device）カメラであり，溶接対象１０と溶接ワイヤＷＷとを撮影し，画像データを溶接位置検出部３６０に送る。図１０は，撮像装置３５０の画像データの一例を表わす。開先１３と溶接ワイヤＷＷの位置関係が表される。

溶接位置検出部３６０は，撮像装置３５０から送られた画像データに基づき，開先１３と溶接ワイヤＷＷの位置関係，具体的には，開先１３の中心Ｃと溶接ワイヤＷＷの先端との距離Ｄが求められる。溶接位置検出部３６０は，「開先の中心と前記溶接ワイヤとの位置関係を検出する位置関係検出部」として機能する。

例えば，画像データでの明暗の境界を抽出することで，開先１３の底部１５と側部１６の境界線および溶接ワイヤＷＷの輪郭を求める。この境界線から等間隔の箇所が開先１３の中心線Ｃとなる。開先１３の中心線Ｃと溶接ワイヤＷＷの輪郭との距離Ｄを画像上算出できる。

底部１５と側部１６の境界線を用いて，開先幅Ｗ１を求めることができる。即ち，距離計３３０でのプロファイルのデータに替え，撮像装置３５０の画像データを用いて，開先幅Ｗ１を求められる。この場合，距離計３３０を不要とすることができる。

主制御装置４００は，溶接システム１００全体，特に，レーザのビーム径（加工点ビーム径Ｗ），および溶接位置を制御する。主制御装置４００は，ビーム径決定部４１０，ビーム径調節部４２０，溶接位置調節部４３０を有する。

ビーム径決定部４１０は，開先幅検出部３４０で検出された開先幅Ｗ１に基づき，加工点ビーム径Ｗを決定する。ビーム径決定部４１０は，開先幅Ｗ１と加工点ビーム径Ｗとの対応関係を表すテーブル（対応関係データ）を記憶し，開先幅Ｗ１およびこのテーブルから加工点ビーム径Ｗを決定できる。

ビーム径調節部４２０は，ビーム径決定部４１０で決定された加工点ビーム径Ｗに基づいて，ロボット制御部１５０に指示する。即ち，ビーム径調節部４２０は，レーザヘッド１１０のＺ軸方向の高さを決定し，ロボット制御部１５０に指示する。この結果，焦点外しの距離Ｌが変更され，レーザの加工点ビーム径Ｗが調節される。

溶接位置調節部４３０は，ビーム径決定部４１０で決定された加工点ビーム径Ｗに基づいて，加工点Ｐ１，Ｐ２の距離ＬＬを決定し，トーチ位置制御部２５０に指示する。溶接位置調節部４３０は，加工点ビーム径Ｗと距離ＬＬとの対応関係を表すテーブル（対応関係データ）を記憶し，加工点ビーム径Ｗおよびこのテーブルから距離ＬＬを決定できる。

溶接位置調節部４３０は，トーチ位置制御部２５０に指示し，加工点Ｐ１，Ｐ２の距離ＬＬが決定された値になるようにする。

また，溶接位置調節部４３０は，トーチ位置制御部２５０に指示し，溶接位置検出部３６０によって検出された開先１３と溶接ワイヤＷＷの位置関係が適正になるようにする。即ち，開先１３の中心Ｃと溶接ワイヤＷＷの先端との距離Ｄが０に近くなるように，トーチ位置制御部２５０に指示する。溶接位置調節部４３０は，検出された位置関係に基づいて，前記溶接トーチの位置を調節する位置調節部として機能する。

（溶接の手順）
溶接システム１００による溶接の手順を説明する。図１１〜図１８は，溶接処理時の溶接対象１０を表す断面図である。図１１は，溶接前の溶接対象１０を表し，図１２〜図１８は，溶接の進行に伴い変化した溶接対象１０を表す。また，図１９は，溶接後の溶接対象１０溶接対象１０を表す断面写真である。

（１）第１層の溶接
１）レーザによる溶解（図１１，図１２）
レーザ光を照射するレーザヘッド１１０をロボット装置１４０により移動させる。
溶接対象１０の開先１３に沿って，開先幅Ｗ１よりも大きい加工点ビーム径Ｗのレーザ光が移動する。この結果，開先１３の底部１５および側部１６の一部が溶融され，プールＰＬ１１が形成される。

２）アーク溶接（図１３，図１４）
溶接トーチ２１０は，トーチ移動機構２４０により，レーザヘッド１１０に固定される。このとき，レーザの加工点Ｐ１とアーク溶接の加工点Ｐ２の距離ＬＬが例えば，３ｍｍ〜１０ｍｍとなるように設定される。

シールドガスＧ２を噴出し，高電圧が印加された溶接トーチ２１０は，レーザヘッド１１０と共に，ロボット装置１４０により移動させる。即ち，レーザ光の照射に続いて，アーク溶接がなされ，プールＰＬ１１上にプールＰＬ２１が形成される。プールＰＬ１１とプールＰＬ２１は一体となり，冷却され，ビードＢ１が形成される。

ここで，溶接対象１０がレーザ光で溶融され，その後にアーク溶接することから，ビードＢ１と溶接対象１０の融け込みが良好となる。特に，開先幅Ｗ１よりも大きい加工点ビーム径Ｗのレーザ光を用いることから，開先１３の側部１６での融け込みが良好となる。

また，プールＰＬ１１により，アークの陰極点が安定し，シールドガスＧ２が不活性ガスのみであっても，アークの安定化が可能となる。

（３）第２層以降の溶接（図１５〜図１８）
１）開先幅Ｗ１，開先中心Ｃと溶接ワイヤＷＷの距離Ｄの検出
開先幅Ｗ１，および開先中心Ｃと溶接ワイヤＷＷの距離Ｄを検出する。既述のように，溶接の進行に伴い，開先幅Ｗ１等が変化する可能性がある。

これらの検出は，溶接と並行あるいは別個のいずれでも良い。
溶接と並行に検出する場合，溶接のためのレーザヘッド１１０の移動（走査）時に加工点Ｐ１より前での開先幅Ｗ１等を検出する。また，溶接と別個に検出するときには，レーザヘッド１１０，溶接トーチ２１０での溶接動作を停止した状態で，距離計３３０および撮像装置３５０を開先に沿って動作させ，開先に沿う開先幅Ｗ１および距離の変化を検出する。

２）レーザによる溶解（図１５）
開先幅Ｗ１に応じた加工点ビーム径Ｗとなるよう，Ｚ軸方向でのレーザヘッド１１０と溶接対象１０の距離（距離ＬＬ）を調節する。また，加工点ビーム径Ｗに応じたレーザ出力になるよう調節する。
レーザ光を照射させたレーザヘッド１１０をロボット装置１４０により移動させる。
溶接対象１０の溶接線に沿って，開先幅よりも大きい加工点ビーム径のレーザ光が移動する。この結果，開先１３の底部１５および側部１６の一部が溶融され，プールＰＬ１２が形成される。

２）アーク溶接（図１６，図１７）
レーザ光の照射に続いて，アーク溶接がなされ，プールＰＬ１２上にプールＰＬ２２が形成される。プールＰＬ１２とプールＰＬ２２は一体となり，冷却され，ビードＢ２が形成される。

ここで，ビードＢ１がレーザ光で溶融され，その後にアーク溶接することから，ビードＢ１，Ｂ２間での融け込みが良好となる。特に，開先幅Ｗ１よりも大きい加工点ビーム径Ｗのレーザ光を用いることから，開先１３の側部１６でのビードＢ１，Ｂ２の融け込みが良好となる。

レーザ光の照射およびアーク溶接を複数回繰り返すことで（複数パスの溶接），図１８に示すように，１パス１層での溶接を繰り返して，複数のビードＢ１〜Ｂ５を形成することが可能となる（１パス１層の多層盛り溶接）。溶接対象１０，ビードＢ１〜Ｂ５間での（特に，開先１３の側部１６），融け込みが良好な溶接が可能となる。

図１９に示すように，実際の溶接において，開先１３の側部１６においても，融け込みが良好であることを確認できた。

以上のように，本実施形態では，加工点ビーム径Ｗを開先幅Ｗ１よりも大きくしたレーザ光をＭＩＧアークより先行させて，開先１３の側部１６と前パスのビードを溶融させる。この結果，融け込みの良好な溶接が可能となる。

また，シールドガスに１００％Ａｒを使用すると，ビードが酸化されず，パス間での酸化皮膜除去処理が不要となる。溶接時間が短縮され，かつ作業効率も改善できる。また，ビードが無酸化であることより，酸化による継ぎ手強度の低下を防止できる。

（実施例）
開先幅Ｗ１＝８ｍｍ，開先角度θ１＝２〜６°，開先深さＨ１＝３０ｍｍのステンレス鋼を狭開先多層盛り突合せ溶接した。加工点ビーム径Ｗを開先幅Ｗ１よりも＋２〜６ｍｍ大きくした６０００〜４００００Ｗ／ｃｍ^２のエネルギ密度を有するレーザ光を先行させた。このレーザ光で，開先１３の側部１６と前パスのビードを溶融させる。その後，レーザ光よりも距離ＬＬ＝３ｍｍ〜１０ｍｍ程度離した位置にＭＩＧアークを後続させる。この結果，融合不良がなく，安定したアーク溶接を行い，多層盛りの積層が可能となる。

ここで，開先幅Ｗ１と総入熱量Ｐ（レーザ光およびアーク溶接双方の入熱量の和）の関係を説明する。
図２０は，開先幅Ｗ１に対して，好ましい総入熱量Ｐの範囲の一例を示す。この例では，開先幅Ｗ１＝８ｍｍの場合，４．５〜３２［ｋＪ／ｃｍ］の総入熱量Ｐが好ましいことが分かる。この範囲の総入熱量Ｐで，融合不良がなく，安定したアーク溶接が可能であった。

本溶接方法では，主プロセスが ＭＩＧ溶接，副プロセスがレーザ溶接となるが，主プロセスの ＭＩＧ溶接にとって，副プロセスのレーザ溶接を加えることは，ビード幅と溶込み深さの増加に寄与することができる。
例えば，溶接速度６０ｃｍ／ｍｉｎ，ＭＩＧ電流２５０Ａ，ＭＩＧ電圧２１Ｖの条件で ＭＩＧ単独で溶接した場合，ビード幅９ｍｍ，溶込み深さ１ｍｍである。これに副プロセスのレーザ溶接を加えた場合，ビード幅１２ｍｍ，溶込み深さ３ｍｍまで増加することが確認できた。

本溶接方法により，例えば，１パスの積層厚さが約３〜５ｍｍ程度，溶着量が７０〜１４０ｇ／ｍｉｎと，大きな溶接速度を確保できた。

（比較例１）
比較例１として，ビームを絞った（例えば，加工点ビーム径＝φ０．２〜φ０．６ｍｍ）レーザ光の照射後に，ＭＩＧ溶接することを考える。この場合，加工点ビーム径Ｗが絞られることで，レーザ光はいわゆるキーホール溶接の状態になり，キーホール型のプール（狭く，深いプール）が形成される。このプールが固まらない内に，ＭＩＧアーク溶接する。

図２１は，この比較例による溶接処理時の溶接対象１０を表す断面図である。レーザによるプールＰＬ１ｘ上にＭＩＧアークによるプールＰＬ２ｘが形成される。開先１３の側部１６にレーザが照射されず，側部１６において融け込みが不十分となり易いことが判る。
さらにキーホール型のプールＰＬ１ｘは，細く，深いため，Ａｒガスが抜け難く，ブローホールが発生し易くなる。このため，比較例１の手法により多層盛り溶接を行う場合，母材に溶ける種類のシールドガスを選択する必要がある。

ここでは，レーザ，ＭＩＧアークの順序での処理を考えたが，この順序を逆にしても，側部１６にレーザが照射されず，側部１６において融け込みが不十分となり易いことは変わらない。

（比較例２）
比較例２として，ＴＩＧ溶接を考える。ＴＩＧ溶接では，充分大きな溶接速度を得るのが困難である。例えば，溶接速度が８ｃｍ／ｍｉｎ，１層あたり積層厚さ３ｍｍ程度と溶接効率が十分とは言い難い。また，入熱が ＭＩＧアークと比較し大きい為（ＴＩＧ溶接：約１５，０００Ｊ／ｃｍ，ＭＩＧ溶接：約７０００Ｊ／ｃｍ），溶接による変形量が大きくなり易い。

以上の比較例１，２に対して，実施形態の手法により，多層盛り溶接に適した融け込み，および溶接効率等を確保できる。既述のように，加工点ビーム径Ｗを開先幅Ｗ１よりも大きくしたレーザ光をＭＩＧアークより先行させることで，開先１３の側部１６においても融け込みの良好な溶接が可能となる。また，十分な溶接速度の確保が容易である。

さらに，板厚４０ｍｍ，開先深さ３０ｍｍのビードオン型狭開先試験での溶接変形に於いて，ＴＩＧ溶接の横収縮量４ｍｍに対し，本溶接条件による横収縮量が２ｍｍ前後と本溶接方法，条件の使用により，横収縮量を抑えることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが，これらの実施形態は，例として提示したものであり，発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は，その他の様々な形態で実施されることが可能であり，発明の要旨を逸脱しない範囲で，種々の省略，置き換え，変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は，発明の範囲や要旨に含まれるとともに，特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，１０ａ…溶接対象，１１，１２…母材，１３…開先，１５…底部，１６…側部，１７…上部，１００…溶接システム，１１０…レーザヘッド，１１１…ケース，１１２…コリメータレンズ，１１３…集光レンズ，１１５…光ファイバ，１２０…レーザ発振器，１３０…レーザ制御部，１４０…ロボット装置，１４１〜１４５…ベース，１４６，１４７…関節，１５０…ロボット制御部，２１０…溶接トーチ，２１１…先端部，２１２…本体部，２２０…溶接電源，２３０…電源制御部，２４０…トーチ移動機構，２４１，２４３，２４５…アーム，２４２，２４４，２４６…テーブル，２５０…トーチ位置制御部，３１０…シールド部材，３１１…上板，３１２…側板，３１３…遮光部材，３１４…開口，３１５…流路，３１６…噴出口，３１７…流路，３２１，３２２…シールドガス供給部，３３０…距離計，３４０…開先幅検出部，３５０…撮像装置，３６０…溶接位置検出部，４００…主制御装置，４１０…ビーム径決定部，４２０…ビーム径調節部，４３０…溶接位置調節部

Claims (11)

1. 狭開先で突き合わされた１対の溶接対象の，開先の幅よりも大きい加工点ビーム径を有するレーザ光を出射するレーザヘッドと，
   溶接ワイヤに電圧を印加してアーク溶接する溶接トーチと，
   前記レーザヘッドと，前記溶接トーチとの間隔を調節する間隔調節機構と，
   前記間隔が調節されたレーザヘッドおよび溶接トーチを前記開先に沿って移動させ，前記ヘッドから出射されるレーザ光で前記開先内を溶融し，前記溶融された前記開先内を前記溶接トーチでアーク溶接して，溶接ビードを形成させる，移動部と，
   を具備する溶接システム。
2. 前記開先の幅を検出する幅検出部と，
   前記検出された開先の幅に基づいて，前記レーザ光の加工点ビーム径を調節するビーム径調節部と，
   をさらに具備する請求項１記載の溶接システム。
3. 前記開先の中心と前記溶接ワイヤとの位置関係を検出する位置関係検出部と，
   前記検出された位置関係に基づいて，前記溶接トーチの位置を調節する位置調節部と，
   をさらに具備する請求項１または２に記載の溶接システム。
4. 前記レーザ光の加工点と前記アーク溶接の加工点を覆う覆いと，
   前記覆い内にシールドガスを供給するガス供給部と，
   前記溶接対象から反射されたレーザ光を受ける遮光部材と，
   前記遮光部材を冷却する冷却機構と，
   をさらに具備する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の溶接システム。
5. 前記アーク溶接が，ＭＩＧアーク溶接である
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の溶接システム。
6. 前記レーザ光の加工点と前記アーク溶接の加工点の距離が３ｍｍ以上１０ｍｍ以下である
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の溶接システム。
7. 前記溶接対象が，ステンレス鋼，炭素鋼，低合金鋼，非鉄合金のいずれかである
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の溶接システム。
8. 狭開先で突き合わされた１対の溶接対象の，開先の幅よりも大きい加工点ビーム径を有する，レーザ光の加工点を前記開先に沿って移動させ，前記開先内を溶融させる工程と，
   電圧を印加された溶接ワイヤからのアーク放電による加工点を前記開先に沿って移動させ，前記レーザ光で溶融された開先内をアーク溶接して，溶接ビードを形成する工程と，
   を具備する溶接方法。
9. 前記開先の幅よりも大きい，加工点ビーム径を有するレーザ光で，前記溶接ビードを有する前記開先内を溶融させる工程と，
   前記溶融された開先内をアーク溶接し，前記溶接ビード上に，第２の溶接ビードを形成する工程と，
   をさらに具備する請求項８記載の溶接方法。
10. 前記レーザ光の加工点と前記アーク溶接の加工点の距離が３ｍｍ以上１０ｍｍ以下である
    請求項８または９に記載の溶接方法。
11. 前記アーク溶接が，ＭＩＧアーク溶接である
    請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の溶接方法。

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