JP6625886B2

JP6625886B2 - レーザ・アークハイブリッド溶接用ヘッド及びレーザ・アークハイブリッド溶接方法

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Publication number: JP6625886B2
Application number: JP2016009762A
Authority: JP
Inventors: 俊成岡垣内
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2036-01-21
Also published as: JP2017127893A

Description

本発明は、レーザ溶接とアーク溶接とを併用したハイブリッド溶接に使用されるレーザ・アークハイブリッド溶接用ヘッドに係り、特に、比較的厚肉の耐熱鋼材等の狭開先を溶接する際に好適な溶接用ヘッド、及び溶接方法に関する。

近年、厚肉材の突合わせ面に設けた狭開先の溶接において、レーザ溶接とアーク溶接とを併用したレーザ・アークハイブリッド溶接が検討されている。このレーザ・アークハイブリッド溶接は、レーザ照射による深い溶込みと、アークの広がりのある熱源によって開先内で溶融金属を幅広く積層させ、レーザとアークの両熱源の複合効果によって溶接速度を高める効果が期待できる。

特許文献１には、溶接方向の前方に向かって、アークトーチと、レーザヘッドと、アシストガスノズルを順次配置した溶接装置が開示されている。アークトーチは、ワイヤ供給装置からワイヤが送給されるとともに、ワイヤの外周側から溶接部位にシールドガスを噴出する。アークトーチの中心軸、レーザ光の光軸及びアシストガスノズルの中心軸は、それぞれ溶接面の鉛直方向に対して傾斜しており、アークトーチの傾斜方向とレーザ光の光軸及びアシストガスノズルの傾斜方向は、互いに相対するように配置されている。これによれば、レーザ光の照射によって形成される溶融池に対して溶接方向の前後からシールドガスを供給できるので、溶接速度の増加に伴う溶融池のシールド性の低下を防ぐことができる。

ＷＯ２００７／０２６４９３

ところで、被溶接部材の溶接部位がレーザ光の照射やアークによって加熱されると、通常、金属蒸気等からなるヒュームが発生する。このヒュームは、レーザ光の照射を受けて励起されると、プルーム（プラズマ）となり、このプルームをレーザ光が通過すると、レーザ光がプルームによって吸収、散乱され、溶接部位に到達するレーザ光のエネルギーの低下を招く。このため、プルームは、レーザ溶接の溶接効率の低下や、溶接ビート幅の不足による溶接不良等を引き起こす要因となっている。

ここで、特許文献１の技術では、レーザ光の光軸に対して、溶接方向の前後からシールドガスとアシストガスを互いに対向する方向に傾斜させて供給している。このため、例えば、開先内の溶接時においては、ヒュームがシールドガスとアシストガスの混合ガスの上昇流によって開先内を上昇し、その大部分がレーザ光の照射を受けることになる。そのため、開先内では、レーザ光のエネルギーの低下に伴って、溶接ビート幅が狭くなり、開先内の壁面の溶着が得られない等の溶接不良を招くおそれがある。また、レーザ光の照射によってプルームが成長すると、体積膨張に伴う強い上昇流が発生し、外気の巻き込みによる溶接ビートの酸化が懸念される。

本発明は、レーザ・アークハイブリッド溶接の溶接時におけるプルームの発生を抑制することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明のレーザ・アークハイブリッド溶接用ヘッドは、溶接部位にレーザ光を照射するレーザヘッドと、消耗電極と溶接部位との間でアーク放電させるアーク溶接トーチと、アーク放電部位をシールドする１次シールドガスを噴出する１次シールドガスノズルと、レーザ照射位置とアーク放電位置と１次シールドガス噴出位置とを直線上に位置させて前記レーザヘッドと前記アーク溶接トーチと前記１次シールドガスノズルとを保持する保持具とを備え、保持具は、消耗電極がレーザ照射位置に向けて傾けて延在するようにアーク溶接トーチをレーザヘッドよりも溶接方向の後方に保持し、レーザ照射経路が消耗電極の延在方向に対向するように傾けてレーザヘッドを溶接方向の前方に保持し、１次シールドガスノズルの中心軸をレーザ照射経路に平行にして１次シールドガスノズルを保持してなり、１次シールドガスノズルは、１次シールドガスをアーク放電部位に対して溶接方向の前方から後方に向かって一方向に供給するように形成されてなることを特徴とする。

これによれば、１次シールドガスノズルは、１次シールドガスがアーク放電部位に対して溶接方向の前方から後方に向かって一方向に供給される。特に、レーザ照射位置を挟んでアーク放電位置の反対側に１次シールドガスの噴出流の少なくとも一部が供給される。しかも、１次シールドガス噴出方向をアーク溶接トーチの消耗電極の延在方向と対向する方向に傾けて保持されるから、１次シールドガスノズルから噴出された１次シールドガスは、溶接部位に沿ってレーザ照射経路を通過し、アーク放電位置へ向かって流れる。これにより、溶融地で発生したヒュームは、レーザ光の照射を受けてプルームになる前に、１次シールドガスに同伴して、アーク放電位置に対してレーザ照射経路と反対側へ押し出される。また、アーク放電位置で発生したヒュームは、１次シールドガスの流れに同伴して、レーザ照射経路と反対側へ押し出される。したがって、ヒュームがレーザ光に照射されることによるプルームの発生が抑制され、レーザ溶接の溶接効率の低下を防ぐことができるので、所望の溶接ビート幅が確保され、溶接不良の発生を防ぐことができる。また、プルームの成長による体積膨張に伴ってシールドガスに乱れが生じることがないので、外気の巻き込みによる溶融金属の酸化やスラグ巻き込みが防止され、厚肉材を連続的に溶接することができる。

また、シールドガス中の不活性ガスがレーザ光の照射を受けて励起されると、プルームを発生することがあるが、レーザヘッドは、レーザ照射経路がアーク溶接トーチの消耗電極の延在方向と対向する方向に傾けて保持されるから、レーザ光と１次シールドガスとの干渉を抑制することができる。このため、不活性ガスにレーザ光が照射されることによるプルームの発生を抑制することができる。

ところで、例えば、厚肉板の突合わせ面に形成された狭開先の内部に１次シールドガスを高速で噴出した場合、狭開先の内部で１次シールドガスの流れに乱れが生じ、外気の巻き込みやアークの乱れが発生し、その結果、溶融金属の酸化や、溶接ビートの内部欠陥（ブローホールやピット等）が発生するおそれがある。しかし、本発明では、１次シールドガスノズルを溶接面と直交する方向から傾けて配置し、溶接部位に向けて１次シールドガスを所定の方向のみから噴出している。このため、１次シールドガスを互いに対向する斜めの方向から噴出する場合と比べて、１次シールドガスの乱れを抑制できるので、１次シールドガスの流速を遅くしても溶融池のシールド性を確保することができ、かつ、溶融金属の酸化と溶接ビットの内部欠陥の発生を防ぐことができる。

また、１次シールドガスノズルは、レーザ照射経路に対してアーク溶接トーチと反対側、及び、アーク溶接トーチ側とに、それぞれ配置されていることが好ましい。このように、レーザ照射経路を挟んで２本の１次シールドガスノズルを設けることにより、溶融金属のシールド性を高めることができるので、溶融金属の酸化を効果的に抑制することができる。また、各ノズルから噴出された１次シールドガスは、いずれも、溶接部位に沿ってアーク放電位置へ向かって流れるので、１次シールドガスの流れが安定し、レーザ照射経路にヒュームが入るのを確実に防ぐことができる。さらに、レーザヘッドの角度（レーザの入射角度）は、母材（溶接部位）に対して垂直方向を０°としたときに、垂直方向に対して２０±１０°とすることが望ましい。

この場合において、レーザ照射経路に対してアーク溶接トーチと反対側に位置する１次シールドガスノズルは、レーザ照射経路に対してアーク溶接トーチ側に位置する１次シールドガスノズルよりも、１次シールドガスを噴出するガス噴出口が溶接部位の近くに位置していることが好ましい。これによれば、各１次シールドガスノズルからそれぞれ噴出した１次シールドガス同士の干渉が抑制され、１次シールドガスの乱れを抑制することができるので、ヒュームの排出効果を高めるとともに、外気の巻き込みによる溶融金属の酸化を効果的に防ぐことができる。

また、１次シールドガスノズルのガス噴出方向の後方から２次シールドガスを噴出する２次シールドガスノズルを備え、保持具は、２次シールドガスのガス噴出方向に対して２次シールドガスノズルを進退可能に保持することが好ましい。これによれば、狭開先の溶接において、積層が進行すると、開先深さは次第に浅くなるが、レーザヘッド、アーク溶接トーチ及び１次シールドガスノズルをロボットアーム等で一体的に開先上方へ移動させつつ、２次シールドガスノズルを下方へ移動させることができるので、２次シールドガスノズルを狭開先の開口周縁の表面に接触させた状態を保持することができる。

また、上記課題を解決するため、本発明のレーザ・アークハイブリッド溶接方法は、レーザ光とアークを併用して溶接するレーザ・アークハイブリッド溶接方法において、レーザ照射位置に対してアーク放電位置と反対側の溶接線上に１次シールドガスの噴出流が位置するように１次シールドガスを噴出し、レーザ光のレーザ照射経路と１次シールドガスの噴出方向をそれぞれ溶接方向の後方へ向けて傾けて溶接することを特徴とする。

これによれば、１次シールドガスの噴出流によって、溶融地及びアーク放電位置で発生したヒュームを溶接方向の後方へ押し出すことができるから、プルームの発生を効果的に抑制することができる。したがって、溶接不良の発生を防ぐことができる。

本発明によれば、レーザ・アークハイブリッド溶接の溶接時において、プルームの発生を抑制することができるので、溶接不良の発生を防ぐことができる。

本発明が適用されるレーザ・アークハイブリッド溶接用ヘッドの側面概略図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明が適用されるレーザ・アークハイブリッド溶接用ヘッド１（以下、溶接用ヘッド１と略す。）を用いて、被溶接部材を溶接する状態を示す。被溶接部材は、発電用ボイラの一部を構成する１対の主配管２，２（片方の主配管２を省略）から構成され、各々の表面と突合わせ面を繋ぐように狭開先３が形成される。図１は、狭開先３を突合わせ面（狭開先３の底面４）の断面方向からみた模式図である。この形態では、底面４に沿って、溶接用ヘッド１を図の右側（矢印）へ移動しながら、狭開先３の溶接（多層溶接）を行っている。なお、被溶接部材の主配管２とは、例えば、主蒸気管、高温再熱蒸気管、低温再熱蒸気管等、高温又は高圧に耐えられる大径の厚肉管に用いられるものである。

この溶接用ヘッド１を用いる溶接は、レーザ光とアークの２つの熱源を用いて単一の溶融池を形成するレーザ・ＧＭＡハイブリッド溶接であり、レーザ溶接によって狭開先３の底面４にレーザ光を照射して、開先幅とほぼ等しい幅の先行溶融池を形成し、続いて、ＧＭＡ溶接（電極消耗式であるマグ溶接）によってアークを放電して溶融池に溶融金属を供給し、これを繰り返して多層溶接を行うものである。

溶接用ヘッド１は、図１に示すように、レーザ光を照射するレーザヘッド５と、アークを放電させるアーク溶接トーチ６と、１次シールドガスを噴出する１次シールドガスノズル７と、２次シールドガスを噴出する２次シールドガスノズル８と、レーザヘッド５とアーク溶接トーチ６と１次シールドガスノズル７と２次シールドガスノズル８とを保持する保持具９とを備える。

レーザヘッド５は、集光レンズ（不図示）が内蔵されるとともに、レーザヘッド５の先端部には、レーザノズル１０が設けられる。図示しないレーザ発振器から発振されたレーザ光は、集光レンズで集光され、レーザノズル１０から狭開先３の底面４（溶接部位）へ照射される。図中の符号１１は、レーザ照射経路であり、レーザヘッド５（レーザノズル１０）の中心軸に沿って直線状に延びるレーザ光が通過する光路である。

アーク溶接トーチ６は、レーザノズル１０及びレーザ照射経路１１と干渉しないように溶接前後方向の一方に位置をずらして設けられる。アーク溶接トーチ６には、図示しないワイヤ供給装置からワイヤ１２（消耗電極）が送給される。ワイヤ１２は、アーク溶接トーチ６で給電されるとともに、アーク溶接トーチ６に接続された絶縁パイプ１３を通り、狭開先３の底面４の近傍まで案内され、底面４（溶接部位）との間でアーク放電する。

１次シールドガスノズル７は、レーザ照射経路１１に対してアーク溶接トーチ６と反対側に位置する１次シールドガスノズル７ａと、レーザ照射経路１１に対してアーク溶接トーチ６側（レーザ照射経路１１とアーク溶接トーチ６との間）に位置する１次シールドガスノズル７ｂとの２本で構成される。１次シールドガスノズル７ａ，７ｂは、それぞれ、１次シールドガスの噴出方向の前後に延び、狭開先３の幅方向の両側面とそれぞれ対向する面が扁平の筒状に形成され、後端部に供給された１次シールドガスを狭開先３の底面４へ向けて、前端部のガス噴出口１４ａ，１４ｂから噴出するようになっている。

２次シールドガスノズル８は、溶接方向に延在する筒状に形成され、狭開先３の底面４と対向する面に２次シールドガスを噴出する複数のガス噴出口１６を有する。２次シールドガスノズル８は、狭開先３の開口周縁の表面１５と当接しながら溶接方向に沿って移動し、１次シールドガスノズル７ａ，７ｂのガス噴出口１４ａ，１４ｂに対してガス噴出方向の後方から２次シールドガスを底面４へ向けて噴出するようになっている。

保持具９は、レーザヘッド５と１次シールドガスノズル７ａ，７ｂとを保持する第１取付板部１７と、アーク溶接トーチ６を保持する第２取付板部１８と、２次シールドガスノズル８を保持する第３取付板部１９とを有する。第１取付板部１７と第２取付板部１８と第３取付板部１９は、それぞれ金属製の板材等が用いられる。

第１取付板部１７は、長手方向の後端部にレーザヘッド５を保持し、前端部に１次シールドガスノズル７ａ，７ｂを保持する。レーザヘッド５は、狭開先３の底面４に対してレーザ照射経路１１が所定の角度で交わるように傾けて保持される。１次シールドガスノズル７ａ，７ｂは、レーザ照射経路１１に対して溶接方向の前後に位置し、それぞれ１次シールドガスの噴出方向の中心軸がレーザ照射経路１１とほぼ平行になるように傾けて保持される。第２取付板部１８は、レーザ照射経路１１とほぼ直交する方向に延び、第１取付板部１７に固定される。アーク溶接トーチ６は、絶縁パイプ１３及びワイヤ１２がレーザ照射経路１１と干渉しない位置に保持される

第３取付板部１９は、第１取付板部１７に対してアーク溶接トーチ６と反対側に位置するとともに、保持具９によって第１取付板部１７に沿って移動可能に支持される。第３取付板部１９は、第１取付板部１７に施設されたラック２０と、第３取付板部１９に回動可能に支持された２個のピニオン２１との噛み合いによって、自重あるいは電動モータ等で、第１取付板部１７に沿ってレーザ照射経路１１とほぼ平行に移動する。第２シールドガスノズル８は、溶接方向の前後に延在して第３取付板部１９の端部に固定され、第３取付板部１９の移動に伴って、第２シールドガスの噴出方向（下向きの矢印方向）に対して進退可能に保持される。なお、第２シールドガスノズル８は、アーク溶接トーチ６の絶縁パイプ１３、レーザ照射経路１１及び１次シールドガスノズル７ａ，７ｂと干渉しないように、狭開先３の幅方向に位置をずらして配置される。

次に、このように構成される溶接用ヘッド１において、レーザヘッド５、アーク溶接トーチ６、１次シールドガスノズル７ａ，７ｂの相対的な位置及び角度について詳細に説明する。

溶接用ヘッド１は、狭開先３の底面４を狭開先３の開口側からみると、レーザ照射位置とアーク放電位置と１次シールドガス噴出位置とが、互いに直線上に位置するように、レーザヘッド５、アーク溶接トーチ６及び１次シールドガスノズル７ａ，７ｂが、それぞれ保持具９に保持される。保持具９は、レーザヘッド５、アーク溶接トーチ６及び１次シールドガスノズル７ａ，７ｂをそれぞれ狭開先３の底面４との垂直方向に対して傾けた状態で保持している。ここで、レーザ照射位置とは、レーザ照射経路１１が底面４と交わる位置（レーザスポット）であり、アーク放電位置とは、ワイヤ１２の先端部から底面４に向けてアークを飛ばしたときにアークが底面４を照射する位置である。また、１次シールドガス噴出位置とは、１次シールドガスノズル７ａ，７ｂの中心軸が底面４と交わる位置を中心に、１次シールドガスが最初に底面４と接触する位置である。

図１に示すように、狭開先３を底面４の断面方向からみると、アーク溶接トーチ６は、ワイヤ１２の延在方向を溶接線に対して所定方向に傾けて保持され、レーザヘッド５及び１次シールドガスノズル７ａ，７ｂは、それぞれ、レーザ照射経路１１と１次シールドガス噴出方向（底面４へ向かう１次シールドガスの噴出方向）を溶接線に対してワイヤ１２の延在方向と反対方向に傾けて保持される。すなわち、レーザヘッド５と１次シールドガスノズル７ａ，７ｂは、レーザ照射経路１１と１次シールドガス噴出方向をそれぞれワイヤ１２の延在方向と対向する方向に傾けて保持される。なお、ワイヤ１２の先端部は、レーザ照射位置に向かって延びているが、アーク放電位置がレーザ照射位置と重ならないように配置される。

また、１次シールドガスノズル７ａは、レーザ照射位置を挟んでアーク放電位置の反対側に１次シールドガス噴出位置、つまり、１次シールドガスの噴出流が位置するように配置され、１次シールドガスノズル７ｂは、レーザ照射位置を挟んでアーク放電位置側に１次シールドガス噴出位置、つまり、１次シールドガス噴出流が位置するように配置される。

更に、１次シールドガスノズル７ａのガス噴出口１４ａとガス噴出口１４ａと対向する底面４との距離は、１次シールドガスノズル７ｂのガス噴出口１４ｂとガス噴出口１４ｂと対向する底面４との距離よりも短く設定され、ガス噴出口１４ａがガス噴出口１４ｂよりも底面４の近くに配置される。

次に、このような溶接用ヘッド１を用いて、狭開先３を溶接する方法について説明する。この方法では、図１に示すように、アーク溶接トーチ６から延びるワイヤ１２と１次シールドガスノズル７ａ，７ｂをそれぞれ狭開先３の内部に挿入し、溶接部位である底面３に沿って、レーザヘッド５、１次シールドガスノズル７ａ，７ｂ及びアーク溶接トーチ６の姿勢を保持したまま、溶接用ヘッド１を溶接方向（右側）に移動させながら溶接を行う。具体的には、１次シールドガスノズル７ａ，７ｂから噴出する１次シールドガスによって狭開先３の底面４の外気遮断（ガスシールド）を行うとともに、先行するレーザヘッド５から底面４にレーザ光を照射して溶融池を形成し、後行するアーク溶接トーチ６によってワイヤ１２の先端部をアークで溶融させながら溶接金属を供給して積層する。また、狭開先３の表面１５に沿って移動する２次シールドガスノズル１８から狭開先３の内部へ２次シールドガスを噴出することで、底面４のガスシールド効果を高める。

１次シールドガスノズル７ａ，７ｂは、１次シールドガスとしてアルゴンや窒素、二酸化炭素あるいはこれらの混合気体を噴出する。１次シールドガスの噴出流量（ガス流量）は、それぞれ、１０〜１５Ｌ／分である。２次シールドガスノズル８は、１次シールドガスと同種のガスを噴出する。２次シールドガスの噴出流量（ガス流量）は、１０〜２０Ｌ／分である。

レーザヘッド５から照射されるレーザ光の断面形状は、特に制限されないが、レーザ光によって狭開先３の底面４を溶融させるため、レーザ照射位置のエネルギー密度は、１００Ｗ／ｍｍ^２以上であることが好ましく、狭開先３の底面４の幅方向全体を照射する。

ここで、溶融地やアーク放電位置から発生するヒュームは、レーザ光の照射を受けると、励起されてプルーム（プラズマ）になる。このプルームをレーザ光が通過すると、プルームによってレーザ光が吸収、散乱され、底面４に到達するレーザ光のエネルギーが低下する。したがって、レーザ溶接を行う際は、レーザ光がプルームを照射しないようにすることが求められる。

本実施形態の溶接用ヘッド１を用いた溶接方法では、狭開先３の底面４において、レーザ照射位置に対してアーク放電位置と反対側の溶接線上に１次シールドガスの噴出流が位置するように１次シールドガスノズル７ａから１次シールドガスを噴出し、更に、底面４に対するアークの照射方向（ワイヤ１２の延在方向）と対向する方向に、１次シールドガスの噴出方向を傾けて溶接する。図１の例では、アークを溶接方向の前方に対して所定の前進角で傾けて照射し、レーザ光を溶接方向の後方に対して所定の後進角で傾けて照射し、かつ、１次シールドガスを溶接方向の後方に対して所定の後進角（レーザ光の後進角と略同じ角度）で傾けて噴出する。

この形態によれば、１次シールドガスノズル７ａから噴出した１次シールドガス２２は、底面４に沿ってレーザ照射経路１１を通過し、アーク放電位置へ向かって流れる。また、１次シールドガスノズル７ｂから噴出した１次シールドガス２３は、１次シールドガス２２と合流し、底面４に沿ってアーク放電位置へ向かって流れる。そのため、溶融地で発生したヒュームは、レーザ光の照射を受けてプルームになる前に、１次シールドガス２２，２３に同伴して、アーク放電位置に対してレーザ照射経路１１と反対側（溶接方向の後方）へ押し出される。また、アーク放電位置で発生したヒュームは、１次シールドガスの流れに同伴して、レーザ照射経路１１と反対側の後方へ押し出される。符号２４は、溶接方向の後方へ押し出されたヒュームを表したものである。これによれば、ヒュームにレーザ光が照射されることによるプルームの発生が抑制され、レーザ溶接の溶接効率の低下を防ぐことができるので、所望の溶接ビート幅が確保され、狭開先３の壁面との融合が促進され、溶接不良の発生を防ぐことができる。また、プルームの成長による体積膨張に伴ってシールドガスに乱れが生じることがないので、外気の巻き込みによる溶融金属の酸化やスラグ巻き込みが防止され、厚肉材を連続的に溶接することができる。

また、シールドガス中の不活性ガスがレーザ光の照射を受けて励起されると、プルームが発生することがあるが、レーザ光は、１次シールドガスと同様に、底面４に対するアークの照射方向（ワイヤ１２の延在方向）と対向する方向に傾けて、１次シールドガスの噴出方向と略平行に照射されるから、レーザ光と１次シールドガスとの干渉を抑制することができる。このため、不活性ガスにレーザ光が照射されることによるプルームの発生を抑制することができる。

ところで、例えば、厚肉板の突合わせ面に形成された狭開先３の内部に１次シールドガスを高速で噴出すると、狭開先３の内部で１次シールドガスの流れに乱れが生じ、外気の巻き込みやアークの乱れが発生し、その結果、溶融金属の酸化や溶接ビットの内部欠陥（ブローホールやピット等）が発生するおそれがある。しかし、この実施形態では、１次シールドガスの噴出方向が底面４に対して所定の後進角となるように１次シールドガスノズル７ａ，７ｂをそれぞれ傾けて配置している。このため、１次シールドガスを互いに対向する斜めの方向からそれぞれ噴出する場合と比べて、１次シールドガスの乱れを抑制することができるので、１次シールドガスの流速を遅くしても溶融池のシールド性を確保することができ、かつ、溶融金属の酸化と溶接ビットの内部欠陥の発生を防ぐことができる。

また、本実施形態では、レーザ照射経路１１を挟んで２本の１次シールドガスノズル７ａ，７ｂを設けているので、溶融金属のシールド性が高められ、溶融金属の酸化を効果的に抑制することができる。また、各ノズル７ａ，７ｂから噴出された１次シールドガス２２，２３は、互いに底面４に対する噴出角度が同一に設定されているので、ガス同士の干渉が抑制されるとともに、底面４に沿って溶接方向の後方へ流れるガス流が安定し、レーザ照射経路１１にヒュームが入るのを確実に防ぐことができる。

また、１次シールドガスノズル７ａのガス噴出口１４ａは、１次シールドガスノズル７ｂのガス噴出口１４ｂよりも底面４の近くに位置しているので、各１次シールドガスノズル７ａ，７ｂから噴出した１次シールドガス２２，２３の干渉をより効果的に抑制することができ、１次シールドガスの乱れを抑制することができる。これにより、ヒュームの排出効果を高めることができるとともに、外気の巻き込みによる溶融金属の酸化を効果的に防ぐことができる

ところで、狭開先の溶接では、積層が進行すると、開先深さが次第に浅くなるので、溶接用ヘッド１を段階的に上方へ移動させなければならないが、２次シールドガスノズル８が上方へ移動すると、狭開先３の開口周縁の表面４と２次シールドガスノズル８との間に隙間が発生し、２次シールドガスが隙間から漏れてシールド効果の低下を招くことになる。これに対し、本実施形態では、２次シールドガスノズル８がラック２０とピニオン２１を介して溶接用ヘッド１に進退可能に保持されているので、レーザヘッド、アーク溶接トーチ及び１次シールドガスノズルをロボットアーム等で図１の上方へ一体的に移動させる一方、２次シールドガスノズル８を自重あるいは電動モータ等で下方へ移動させることができる。これにより、狭開先３の開先深さに因らず、２次シールドガスノズル８を常時狭開先３の開口周縁の表面４に接触させた状態で移動させることができるので、底面４のシールド効果の低下を防ぐことができる。

上述したように、本実施形態の溶接用ヘッド１を用いて溶接を行うことにより、溶融金属の酸化や、溶接ビートの内部欠陥（ブローホールやピット等）ならびに溶融不良のない溶接ビートを狭開先３の内部に形成できるようになり、信頼性の高い溶接継手の形成が可能になる。また、レーザ溶接の溶接効率が向上することで、溶接に必要なレーザ出力を低減できるので、より出力の小さいレーザ発振器を使用して良好な溶接が可能になり、信頼性の高い溶接装置を低コストで構築することが可能になる。

以上、本発明が適用される実施形態について説明したが、これは代表的な例に過ぎず、本発明は、その趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。

例えば、本実施形態では、図１の右側を溶接方向とし、１次シールドガス２２，２３の流れによって、ヒュームを溶接方向の後方へ押し出しながら溶接する例を説明したが、これに代えて、図１の左側を溶接方向とし、１次シールドガス２２，２３の流れによって、ヒュームを溶接方向の前方へ押し出しながら溶接することも可能である。ただし、ヒュームを溶接方向の前方へ押し出す場合、溶接速度が速くなると、押し出されたヒュームがレーザ照射経路１１に戻されるおそれがあるので、ヒュームは、溶接方向の後方へ押し出すことが好ましい。

また、本実施形態では、溶接方法として、レーザ溶接とＧＭＡ溶接を併用する例を説明したが、ＧＭＡ溶接に代えて、他のアーク溶接を用いることも可能である。

（実施例）
以下、本実施形態の溶接用ヘッド１を用いて溶接する際の溶接条件の一例を示す。
（１）開先寸法
開先幅：９ｍｍ（底部）、１５ｍｍ（上部）
（２）レーザ
レーザ出力：４ｋＷ
レーザ照射位置のエネルギー密度：１００Ｗ／ｍｍ^２以上
レーザ照射位置の寸法：９ｍｍ×３ｍｍの矩形状
（３）アーク
アーク溶接条件：２００Ａ−２５Ｖ
ワイヤの送り速度：約８ｍ／分
（４）溶接速度
７００ｍｍ／分
（５）溶接ヘッド傾斜角度（レーザ入射角度）：２０°

上記の溶接条件でレーザ・ＧＭＡハイブリッド溶接を行った結果、溶融金属の酸化や溶接ビートの内部欠陥（ブローホールやピット等）が品質的に問題のないレベルまで低減できることが確認された。また、開先壁面の融合が可能な溶接ビート幅を確保することができた。

（比較例）
比較例では、図１において、レーザ照射経路１１の入射角度が底面４に対して垂直になるようにレーザヘッド５からレーザ光を照射し、かつ、レーザ照射経路１１の前後において、１次シールドガスノズル７ａ，７ｂから１次シールドガスを底面４に対して垂直方向に噴出させ、その他の条件は、実施例と同じ条件で溶接を行った。

比較例によれば、１次シールドガスノズル７ａ，７ｂから噴出した１次シールドガス２２，２３は、底面４に接触した後、１次シールドガスノズル７ａ，７ｂの間を上昇する上昇流を形成する。溶融池から発生したヒュームは、この１次シールドガス２２，２３の上昇流に同伴して上昇し、レーザ照射経路１１の大部分と干渉する。このため、レーザ光の吸収によるプルームの成長と、さらなるレーザ光の吸収が繰り返され、大きなプルームが形成され、体積膨張に伴う強い上昇流が生じる。その結果、外気の巻き込みによる溶融金属の酸化が進行し、実施例に対して溶接ビートの品質の低下が確認された。

また、実施例の条件において、レーザ照射経路１１の入射角度が底面４に対する垂直方向に対して４０°になるように、溶接用ヘッド１を傾けたところ、溶接部位と対向する溶接用ヘッド１の所定部位に焼損が生じた。すなわち、レーザ入射角度を大きくとると、溶融地表面でのレーザの反射が生じやすくなるため、レーザのエネルギーの一部が母材の溶融に使用されなくなり、レーザとアークの複合効果が小さくなる。この点、レーザ照射経路１１の入射角度は、例えば２０±１０°の範囲に設定することで、溶接用ヘッド１の焼損がなく、溶接部の品質が実施例のレベルに維持されることがわかった。

１溶接用ヘッド
３狭開先
４底面
５レーザヘッド
６アーク溶接トーチ
７ａ，７ｂ１次シールドガスノズル
８２次シールドガスノズル
９保持具
１１レーザ照射経路
１２ワイヤ
１４ａ，１４ｂガス噴出口
２２，２３１次シールドガス
２４ヒューム

Claims

溶接部位にレーザ光を照射するレーザヘッドと、消耗電極と溶接部位との間でアーク放電させるアーク溶接トーチと、アーク放電部位をシールドする１次シールドガスを噴出する１次シールドガスノズルと、レーザ照射位置とアーク放電位置と１次シールドガス噴出位置とを直線上に位置させて前記レーザヘッドと前記アーク溶接トーチと前記１次シールドガスノズルとを保持する保持具とを備え、
前記保持具は、前記消耗電極が前記レーザ照射位置に向けて傾けて延在するように前記アーク溶接トーチを前記レーザヘッドよりも溶接方向の後方に保持し、レーザ照射経路が前記消耗電極の延在方向に対向するように傾けて前記溶接方向の前方に前記レーザヘッドを保持し、前記１次シールドガスノズルの中心軸を前記レーザ照射経路に平行にして前記１次シールドガスノズルを保持してなり、
前記１次シールドガスノズルは、前記１次シールドガスを前記アーク放電部位に対して前記溶接方向の前方から後方に向かって一方向に供給するように形成されてなるレーザ・アークハイブリッド溶接用ヘッド。
前記１次シールドガスノズルは、前記レーザ照射経路に対して前記アーク溶接トーチの反対側に配置された第１の１次シールドガスノズルと、前記アーク溶接トーチ側に配置された第２の１次シールドガスノズルとを有してなる請求項１に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接用ヘッド。
前記第１の１次シールドガスノズルは、前記第２の１次シールドガスノズルよりも、ガス噴出口が前記溶接部位の近くに位置されてなる請求項２に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接用ヘッド。
前記１次シールドガスノズルのガス噴出方向の後方から２次シールドガスを噴出する２次シールドガスノズルを備え、
前記保持具は、前記２次シールドガスのガス噴出方向に対して前記２次シールドガスノズルを進退可能に保持してなる請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ・アークハイブリッド溶接用ヘッド。
溶接部位にレーザ光を照射して溶融させるレーザ照射と、前記溶接部位と消耗電極との間でアーク放電させるアーク溶接とを併用して溶接するレーザ・アークハイブリッド溶接方法において、
前記消耗電極をレーザ照射位置に向けて傾けて延在させ、該延在方向に対向するようにレーザ照射経路を傾けて配置し、前記レーザ照射位置とアーク放電位置とを溶接方向の前方から後方に向けて直線上に順次配置し、前記アーク放電をシールドする１次シールドガスを噴出する１次シールドガスノズルを前記レーザ照射位置の前記溶接方向の前方に配置するとともに、ノズル中心軸を前記レーザ照射経路に平行に配置し、前記１次シールドガスを前記アーク放電部位に対して前記溶接方向の前方から後方に向かって一方向に供給することを特徴とするレーザ・アークハイブリッド溶接方法。