JP7305502B2 - レーザ・アークハイブリッド溶接装置 - Google Patents

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Description

本開示は、異材接合に用いられるレーザ・アークハイブリッド溶接装置に関する。
特開2003-205377号公報(特許文献1)は、レーザ及びアークを用いる複合溶接方法を開示する。この複合溶接方法では、熱源の平均出力を増加させることなく溶け込み深さと溶接界面幅とを同時に確保するために、レーザのビーム径を広げることによって溶接界面幅の拡大を図るとともに、パルス発振モードでレーザを出力することによってパワー密度の低下が図られる。なお、レーザのパルス周波数については、溶け込み深さが溶接方向にリップル状になるのを抑制するために、溶接速度に対して適正な値に設定される(特許文献1参照)。
特開2003-205377号公報
異材接合(たとえば、GI鋼板やGA鋼板等の溶融亜鉛メッキ鋼板と、アルミニウム合金板との接合)の溶接においては、溶接に伴ない金属間化合物(IMC(Intermetallic Compound))が生成される。金属間化合物は、母材自体に比べて脆いため、金属間化合物の生成量が多くなると、接合強度が低下する。
金属間化合物は、溶接金属と母材との界面付近に多く生成される。そのため、異材接合の溶接においては、溶接金属と母材との接合強度を十分に確保する必要がある。
また、接合部への入熱量(J)が多いと、金属間化合物の生成量が多くなる。そのため、異材接合の溶接においては、接合部への入熱量(J)が多いと、接合強度が低下するので、接合部への入熱量(J)を適切に抑制する必要がある。
本開示は、上記の課題を達成するためになされたものであり、本開示の目的は、接合強度の高い異材接合を実現可能なレーザ・アークハイブリッド溶接装置を提供することである。
本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、異材接合に用いられるレーザ・アークハイブリッド溶接装置であって、接合部に向けてレーザを照射するように構成されたレーザトーチと、接合部との間にアークを発生させるように構成された溶接トーチとを備える。レーザトーチは、接合部に向けてパルス状のレーザを照射するように構成される。
このレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、異材接合に用いられる。そして、この溶接装置では、接合部に向けてパルス状のレーザが照射されるので、接合部における溶け込み形状に凹凸を設けることができる。溶け込み形状に凹凸を設けることで、溶接金属と母材との接触面積が大きくなり、溶接金属と母材との接合強度を高めることができる。また、この溶接装置では、パルス状のレーザが照射されるため、接合部への入熱量(J)が抑制される。これにより、金属間化合物の生成量が抑制され、接合強度の低下を抑制することができる。したがって、このレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、接合強度の高い異材接合を実現することができる。
レーザトーチは、接合部における溶け込み形状がパルス状のレーザによって複数の凸部を有するように、接合部に向けてレーザを照射してもよい。
このようなレーザ照射により、接合部への入熱量(J)を抑制しつつ、複数の凸部によるアンカー効果により溶接金属と母材との接合強度を高めることができる。したがって、このレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、接合強度の高い異材接合を実現することができる。
レーザトーチは、照射されるレーザの形状を加工するように構成された回折光学素子(以下「DOE(Diffractive Optical Element)」と称する。)を含んでもよい。そして、DOEは、溶接の幅方向に複数のレーザ照射点が形成されるようにレーザを加工するものであってもよい。
このレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、DOEによりレーザの照射領域が溶接の幅方向に拡げられるので、広い溶接ビード幅を容易に形成することができる。その結果、接合強度を高めることができる。
レーザトーチがDOEを含む場合において、レーザトーチは、1Hzから250Hzのパルス状のレーザを照射するように構成されてもよい。
溶接速度にもよるが、レーザのパルス周波数が1Hzを下回ると、溶接方向のレーザの照射間隔が広くなりすぎ、パルス状のレーザ照射による上記のアンカー効果が十分に得られなくなる可能性がある。一方、レーザのパルス周波数が250Hzを超えると、接合部への入熱量(J)が多くなり、金属間化合物の生成量が増加することにより接合強度が低下する可能性がある。このレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、1Hzから250Hzのパルス状のレーザを照射するので、上記のようなアンカー効果により溶接金属と母材との接合強度を高めることができるとともに、接合部への入熱量(J)が抑制されることにより金属間化合物の生成量を抑制することができる。
レーザトーチは、レーザの照射領域においてレーザを走査するように構成されたレーザスキャン装置を含んでもよい。そして、レーザスキャン装置は、溶接の幅方向に複数のレーザ照射点が形成されるようにレーザを走査してもよい。
この溶接装置によれば、レーザスキャン装置を用いてレーザの照射領域を溶接の幅方向に拡大するので、広い溶接ビード幅を形成する際の自由度が高い。
レーザスキャン装置は、1Hzから250×n(nは2以上の整数)Hzのパルス状のレーザを照射するように構成され、溶接の幅方向にn点のレーザ照射点が形成されるようにレーザを走査してもよい。
この溶接装置によれば、レーザトーチがレーザスキャン装置を含む場合においても、アンカー効果により溶接金属と母材との接合強度を高めることができるとともに、接合部への入熱量(J)が抑制されることにより金属間化合物の生成量を抑制することができる。
本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、接合強度の高い異材接合を実現することができる。
本開示におけるレーザ・アークハイブリッド溶接装置の全体構成を示す図である。 実施の形態1におけるレーザトーチの構成を概略的に示す図である。 溶接時に形成される溶融部の一例を示した図である。 レーザの照射パターンの一例を示す図である。 母材に形成されるレーザ照射点の配置例を示す図である。 重ね継手の隅肉溶接における接合部の断面の一例を示す図である。 実施の形態2におけるレーザトーチの構成を概略的に示す図である。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
[実施の形態1]
図1は、本開示におけるレーザ・アークハイブリッド溶接装置の全体構成を示す図である。図1を参照して、レーザ・アークハイブリッド溶接装置1(以下、単に「溶接装置1」と称する場合がある。)は、溶接トーチ10と、溶接ワイヤ20と、溶接電源装置30と、レーザトーチ40と、レーザ発振装置60とを備える。
この溶接装置1は、異材接合の溶接に用いられる。異材接合とは、異種の材料の接合であり、溶接装置1は、たとえば、GI鋼板やGA鋼板等の溶融亜鉛メッキ鋼板と、アルミニウム合金板との溶接に用いられる。アルミニウム合金板には、軟質アルミニウムだけでなく、JIS規格の5000番台(たとえば5052)、6000番台(たとえば6063)、7000番台(たとえば7075)等の硬質アルミニウムも適用可能である。溶接装置1によって、互いに接合される母材70の一方と他方とが、たとえば、重ね隅肉溶接継手やフレア溶接継手等によって接合される。
なお、上記のように、溶接装置1は、異材接合の溶接に用いられるものであるが、これに限定されるものではなく、同種の材料の接合にも用いることは可能である。
溶接トーチ10及び溶接電源装置30は、アーク溶接を行なうための機器である。溶接トーチ10は、母材70の接合部に向けて、溶接ワイヤ20及び図示しないシールドガスを供給する。溶接トーチ10は、溶接電源装置30から溶接電流の供給を受け、溶接ワイヤ20の先端と母材70の接合部との間にアーク25を発生させるとともに、溶接部に向けてシールドガス(アルゴンガスや炭酸ガス等)を供給する。溶接ワイヤ20に代えて、非消耗材の電極(タングステン等)を用いてもよい。すなわち、溶接トーチ10を用いるアーク溶接は、溶極式(マグ溶接やミグ溶接等)であってもよいし、非溶極式(ティグ溶接等)であってもよい。
溶接電源装置30は、アーク溶接を行なうための溶接電圧及び溶接電流を生成し、生成された溶接電圧及び溶接電流を溶接トーチ10へ出力する。また、溶接電源装置30は、溶接トーチ10における溶接ワイヤ20の送り速度も制御する。
レーザトーチ40及びレーザ発振装置60は、レーザによる溶接を行なうための機器である。レーザトーチ40は、レーザ発振装置60からレーザ光の供給を受け、母材70の接合部に向けてレーザを照射する。
本開示における溶接装置1では、レーザトーチ40は、母材70に向けてパルス状のレーザを照射する。そのため、レーザ発振装置60は、所定の周波数を有するパルス状のレーザを生成し、光ファイバ等の伝送媒体を通じてレーザトーチ40へ出力する。パルス状のレーザの周波数については、後ほど説明する。
上述のように、この溶接装置1は、異材接合の溶接に用いられる。異材接合の溶接においては、溶接に伴ない金属間化合物(IMC)が生成される。金属間化合物は、母材自体に比べて脆いため、金属間化合物の生成量が多くなると、接合強度が低下する。
金属間化合物は、溶接金属(溶接の際の溶融池が凝固した部分)と母材との界面付近に多く生成される。そのため、異材接合の溶接においては、溶接金属と母材との接合強度を十分に確保する必要がある。
また、接合部への入熱量(J)が多いと、溶接中に生成される溶融池の温度(溶融温度)が高くなり、溶融池の深さ(溶け込み深さ)も深くなる。このため、溶融池の凝固に時間がかかり、その結果、金属間化合物の生成量が多くなる。たとえば、溶融亜鉛メッキ鋼板とアルミニウム合金板とを溶接する場合、溶接によって鉄とアルミニウムとの合金(FeAl、Fe3Al、Fe2Al5、FeAl3等)である金属間化合物が接合部に生成され、接合部への入熱量が多いほどその生成量が多くなる。そのため、異材接合の溶接においては、接合部への入熱量(J)を適切に抑制する必要がある。
そこで、本開示に従う溶接装置1では、上記のように、異材接合の溶接において、接合部に向けてパルス状のレーザを照射することとしたものである。これにより、溶け込み形状が複数の凸部を有するように溶接金属を形成することができる。そして、この複数の凸部によるアンカー効果により、溶接金属と母材との接合強度が高められる。また、レーザがパルス状であることにより、接合部への入熱量(J)が抑制される。これにより、金属間化合物の生成量が抑制され、接合強度の低下を抑制することができる。
本実施の形態1に従う溶接装置1では、レーザトーチ40は、母材70に照射されるレーザを加工するDOEを含む。本実施の形態1では、DOEは、母材70において溶接の幅方向に複数のレーザ照射点が形成されるように、レーザ発振装置60から受けるレーザ光を加工する。
図2は、図1に示したレーザトーチ40の構成を概略的に示す図である。図2を参照して、レーザトーチ40は、DOE41と、レンズ42とを含む。DOE41及びレンズ42は、レーザ発振装置60から出力されたレーザ光がこの順に通過するようにレーザトーチ40に設置される。そして、レーザ発振装置60から出力されたレーザ光は、DOE41及びレンズ42を通過して母材70に照射され、母材70において照射領域80が形成される。
DOE41は、レーザ発振装置60から受けるレーザ光を、回折現象を利用して所望のビームパターンに加工する。この実施の形態1では、DOE41は、レーザ発振装置60から受ける入射光を溶接の幅方向(図中のY軸方向)に複数本に分光するように、レーザ光を加工する(詳細は後述)。母材70上の照射領域80は、DOE41が設けられない場合よりも溶接の幅方向(図中のY軸方向)に拡げられる。これにより、広い溶接ビード幅が形成され、溶接強度を高めることができる。
レンズ42は、DOE41によって加工されたレーザ光を集光して、母材70に向けて出力する。
図3は、溶接時に形成される溶融部の一例を示した図である。図3において、X軸方向は、溶接の進行方向(溶接方向)を示し、Y軸方向は、溶接の幅方向を示す。図3を参照して、レーザの照射領域80は、溶接トーチ10によるアーク25(図1)が発生するアーク領域82の溶接方向前方に形成される。すなわち、この溶接装置1では、溶接トーチ10によるアーク放電に先行してレーザトーチ40によりレーザが照射される。なお、領域84は、母材70において部材が溶融する溶融プールを示す。
レーザの照射領域80には、複数の照射点(この例では4点)が溶接の幅方向(Y軸方向)に沿って形成されている。すなわち、DOE41(図2)は、レーザ発振装置60から受ける入射光を溶接の幅方向(図中のY軸方向)に複数本(この例では4本)に分光するように、レーザ光を加工する。照射されるレーザはパルス状であるため、照射領域80には、溶接の幅方向に沿った複数のレーザ照射点が形成される。
レーザ照射による照射領域80の溶け込み深さは、アークによるアーク領域82の溶け込み深さよりも深い。すなわち、レーザの照射領域80の溶け込み深さが、アーク領域82の溶け込み深さよりも深くなるように、レーザ発振装置60からのレーザ出力が調整される。
なお、隣接するレーザ照射点の間隔は、1mm~2mm程度が好ましい。間隔が1mmを下回ると、レーザが集中することにより、レーザ照射部における入熱量(J)が多くなり、金属間化合物の生成量が増加し、接合強度が低下する可能性がある。一方、間隔が2mmを超えると、レーザの照射間隔が広くなりすぎ、パルス状のレーザ照射によるアンカー効果が十分に得られなくなる可能性がある。但し、上記の間隔は、1mm~2mmに必ずしも限定されるものではない。
なお、図示の例では、溶接の幅方向に4点のレーザ照射点が形成されているが、レーザ照射点の数はこれに限定されるものではなく、4点より少なくても多くてもよい。
図4は、レーザの照射パターンの一例を示す図である。図4において、縦軸は、レーザの出力を示し、横軸は時間を示す。図4を参照して、レーザトーチ40からは、周期1/f(fは周波数)のパルス状のレーザが出力される。
この実施の形態1に従う溶接装置1では、レーザのパルス周波数fは、1Hz~250Hzの範囲内の所定周波数に設定される。溶接速度にもよるが、周波数fが1Hzを下回ると、溶接方向のレーザの照射間隔が広くなりすぎ、パルス状のレーザ照射によるアンカー効果が十分に得られなくなる可能性がある。一方、たとえば、溶接速度が6000mm/分の高速溶接下で、レーザ照射によるアンカー効果を十分に得るために溶接方向に1mm間隔でレーザ照射を行なうには、周波数fを100Hzにする必要がある。将来のさらなる高速化を考慮すると、周波数fはより高い方が望ましいが、周波数fが250Hzを超えると、接合部への入熱量(J)が多くなり、金属間化合物の生成量が増加することにより接合強度が低下する可能性がある。そこで、本実施の形態1では、上記のように1Hz~250Hzの範囲内でレーザの周波数fが設定される。
なお、レーザの周波数fは、5Hz~20Hz程度が好適である。たとえば、溶接速度が1200mm/分である場合に、周波数fが20Hzのとき、溶接方向のレーザ照射間隔は1mmとなる。また、たとえば、溶接速度が900mm/分である場合に、周波数fが5Hzのとき、溶接方向のレーザ照射間隔は3mmとなる。
なお、図示の例では、レーザのパルス形状は、断続的な矩形であるが、パルスの形状はこれに限定されるものではない。レーザのパルス形状は、台形状であってもよいし、滑らかなカーブ状であってもよい。また、非ピーク時のレーザ出力は0でなくてもよい。すなわち、連続的なレーザ出力の中でレーザ出力を高低変化させたものであってもよい。また、ピーク時のレーザ出力は、必ずしも一定である必要もなく、溶接条件等に応じて適宜変化させてもよい。
図5は、母材70に形成されるレーザ照射点の配置例を示す図である。図5を参照して、DOE41によって、溶接の幅方向(Y軸方向)に沿って複数のレーザ照射点(この例では4つ)が形成されている。隣接する照射点の溶接幅方向の間隔Wは、上述のように、たとえば1mm~2mm程度である。
また、レーザトーチ40から照射されるレーザはパルス状であるため、DOE41によって溶接幅方向に形成されるレーザ照射点の列が、溶接方向(X軸方向)に間隔L毎に形成されている。溶接方向のレーザ照射点の間隔Lは、溶接速度及びレーザのパルス周波数fによるが、たとえば1mm~3mm程度である。各レーザ照射点においては、溶け込み形状が凸部を有しているので、これらの各レーザ照射点における凸部によるアンカー効果により、溶接金属と母材の接合強度は高いものとなっている。
図6は、重ね継手の隅肉溶接における接合部の断面の一例を示す図である。図6を参照して、この例では、母材70は、GI鋼板71と、GI鋼板71上に重ねられたアルミニウム合金板72とを含む。溶接装置1によってGI鋼板71とアルミニウム合金板72との隅肉溶接が行なわれることにより、溶接ビード73が形成される。
溶接ビード73と母材のGI鋼板71との接触部位74には、レーザトーチ40によるレーザ照射により母材のGI鋼板71側に凸状の溶融穴75が形成されている。溶融穴75の位置は、レーザトーチ40によるレーザ照射点に対応する。そして、溶接トーチ10によるアーク溶接により溶融穴75が溶融金属で埋められている。この溶融穴75によるアンカー効果により、溶接ビード73とGI鋼板71との接触部位74における接合強度が高められている。
また、パルス状のレーザ照射により、レーザが連続照射される場合に比べて溶接部への入熱が抑制されているため、接触部位74における金属間化合物の生成量も抑制されている。したがって、この点でも、溶接ビード73とGI鋼板71との接触部位74における接合強度が高められている。
以上のように、この実施の形態1においては、溶接装置1は、異材接合の溶接に用いられ、レーザトーチ40から接合部に向けてパルス状のレーザが照射される。これにより、接合部における溶け込み形状に複数の凸部を形成し、それらのアンカー効果により溶接金属と母材との接合強度を高めることができる。また、母材70に照射されるレーザがパルス状であるため、接合部への入熱量(J)が抑制される。これにより、金属間化合物の生成量が抑制され、接合強度の低下を抑制することができる。したがって、この実施の形態1によれば、接合強度の高い異材接合を実現することができる。
この実施の形態1では、レーザトーチ40にDOE41が設けられ、DOE41により、溶接の幅方向に複数のレーザ照射点が形成される。したがって、この実施の形態1によれば、上記のようなレーザ照射点を容易に形成することができる。また、DOE41によりレーザの照射領域が溶接の幅方向に拡げられるので、広い溶接ビード幅を形成することができる。その結果、接合強度を高めることができる。
[実施の形態2]
実施の形態1では、DOE41によって、図2に示したような照射領域80が形成されるものとした。この実施の形態2では、DOEに代えて、母材70に照射されるレーザを母材70上で走査可能なレーザスキャン装置がレーザトーチに設けられる。そして、レーザスキャン装置により母材70上でレーザを走査することによって、母材70に多数のレーザ照射点が形成される。
この実施の形態2に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置の全体構成は、図1に示した溶接装置1と同じである。
図7は、実施の形態2におけるレーザトーチの構成を概略的に示す図である。図7を参照して、このレーザトーチ40Aは、図2に示したレーザトーチ40において、DOE41に代えて、スキャンミラー44と、光軸制御装置45とを含む。
スキャンミラー44及び光軸制御装置45は、母材70上でレーザを走査可能なレーザスキャン装置を構成する。スキャンミラー44は、レーザ発振装置60から受けるレーザ光を反射してレンズ42へ出力する。スキャンミラー44は、光軸制御装置45によって向きを変更可能に構成されており、レンズ42を通じて照射されるレーザ光の照射位置81を変更することができる。スキャンミラー44は、たとえば、照射位置81をX方向に変更可能なXスキャンミラーと、照射位置81をY方向に変更可能なYスキャンミラーとを含む。
光軸制御装置45は、スキャンミラー44の角度を変更する駆動装置と、駆動装置を制御することによってレーザ光の照射位置81を調整する制御装置とを含む(いずれも図示せず)。駆動装置は、たとえば、Xスキャンミラーを回転駆動するX軸モータと、Yスキャンミラーを回転駆動するY軸モータとによって構成される。
レーザトーチ40Aは、パルス状のレーザを出力しつつ母材70上でレーザを走査することにより、母材70に多数のレーザ照射点を形成することができる。なお、この実施の形態2に従う溶接装置において、実施の形態1で説明した溶接装置1と同じ溶接速度で、かつ、同等のレーザ照射点を形成するには、レーザトーチ40Aから照射されるパルス状のレーザの周波数fをn(nは2以上の整数)倍(実施の形態の溶接装置1が溶接幅方向にn点のレーザ照射点を形成する場合)にする必要がある。なお、この実施の形態2では、母材70に形成されるレーザ照射点は、図5に示すような格子状ではなく、図7に示されるようにジグザグ状になる。
以上のように、この実施の形態2によっても、実施の形態1と同等の効果を得ることができる。また、この実施の形態2によれば、レーザスキャン装置(スキャンミラー44及び光軸制御装置45)を用いてレーザの照射領域を溶接の幅方向に拡大するので、広い溶接ビード幅を形成する際の自由度が高い。
今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
1 レーザ・アークハイブリッド溶接装置、10 溶接トーチ、20 溶接ワイヤ、30 溶接電源装置、40,40A レーザトーチ、41 DOE、42 レンズ、44 スキャンミラー、45 光軸制御装置、60 レーザ発振装置、70 母材、73 溶接ビード、75 溶融穴、80 照射領域、82 アーク領域、84 溶融プール。

Claims (5)

  1. 異材接合に用いられるレーザ・アークハイブリッド溶接装置であって、
    接合部に向けてレーザを照射するように構成されたレーザトーチと、
    前記接合部との間にアークを発生させるように構成された溶接トーチとを備え、
    前記レーザトーチは、前記接合部に向けてパルス状のレーザを照射するように構成され、
    前記レーザトーチは、照射されるレーザの形状を加工するように構成された回折光学素子を含み、
    前記回折光学素子は、溶接の幅方向に複数のレーザ照射点が形成されるようにレーザを加工する、レーザ・アークハイブリッド溶接装置。
  2. 前記レーザトーチは、1Hzから250Hzのパルス状のレーザを照射するように構成される、請求項1に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。
  3. 異材接合に用いられるレーザ・アークハイブリッド溶接装置であって、
    接合部に向けてレーザを照射するように構成されたレーザトーチと、
    前記接合部との間にアークを発生させるように構成された溶接トーチとを備え、
    前記レーザトーチは、前記接合部に向けてパルス状のレーザを照射するように構成され、
    前記レーザトーチは、レーザの照射領域においてレーザを走査するように構成されたレーザスキャン装置を含み、
    前記レーザスキャン装置は、溶接の幅方向に複数のレーザ照射点が形成されるようにレーザを走査する、レーザ・アークハイブリッド溶接装置。
  4. 前記レーザスキャン装置は、
    1Hzから250×n(nは2以上の整数)Hzのパルス状のレーザを照射するように構成され、
    溶接の幅方向にn点のレーザ照射点が形成されるようにレーザを走査する、請求項3に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。
  5. 前記レーザトーチは、前記接合部における溶け込み形状が前記パルス状のレーザによって複数の凸部を有するように、前記接合部に向けてレーザを照射する、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。
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