JP7503004B2 - Complex Welding Equipment - Google Patents
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Description
本発明は、消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して溶接する複合溶接装置に関するものである。 The present invention relates to a hybrid welding device that uses both consumable electrode arc welding and laser welding.
消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して溶接する複合溶接装置が慣用されている（例えば、特許文献１参照）。 Hybrid welding equipment that combines consumable electrode arc welding and laser welding is commonly used (see, for example, Patent Document 1).
上記の消耗電極アーク溶接としては、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接等が使用される。 The above-mentioned consumable electrode arc welding methods include carbon dioxide gas arc welding, MAG welding, and MIG welding.
上記のレーザとしては、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ等が使用される。 The lasers used in the above-mentioned cases include semiconductor lasers, YAG lasers, and carbon dioxide lasers.
消耗電極アーク溶接のアーク発生部にレーザを照射して行う複合溶接方法では、レーザからの熱の影響によってアーク長の変動が発生しやすい。消耗電極アーク溶接は定電圧制御のアーク溶接装置を使用するために、アーク長が変動すると溶接電流が変動することになる。この結果、母材への入熱量が変動してビード外観及び溶け込み深さ等が変動し、溶接品質が悪くなるという問題がある。 In hybrid welding methods in which a laser is irradiated onto the arc generating portion of consumable electrode arc welding, the heat from the laser can easily cause fluctuations in the arc length. Because consumable electrode arc welding uses an arc welding device with constant voltage control, fluctuations in the arc length result in fluctuations in the welding current. As a result, there is a problem that the amount of heat input to the base material fluctuates, causing fluctuations in the bead appearance and penetration depth, etc., resulting in poor welding quality.
そこで、本発明では、消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して行う複合溶接方法において、レーザからの熱の影響によってアーク長が変動しても、ビード外観、溶け込み深さ等の変動を抑制して良好な溶接品質を得ることができる複合溶接装置を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a hybrid welding device that can suppress variations in bead appearance, penetration depth, etc., and obtain good welding quality, even if the arc length varies due to the effect of heat from the laser, in a hybrid welding method that combines consumable electrode arc welding and laser welding.
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接ワイヤを送給して消耗電極アーク溶接を行うアーク溶接装置と、前記消耗電極アーク溶接のアーク発生部にレーザを照射してレーザ溶接を行うレーザ溶接装置と、を備えた複合溶接装置において、
前記アーク溶接装置は、前記溶接ワイヤをアーク期間中は正送し短絡期間中は逆送し、前記アーク期間及び前記短絡期間の全期間中は溶接電流を定電流制御によって通電する、
ことを特徴とする複合溶接装置である。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a hybrid welding apparatus including an arc welding apparatus that performs consumable electrode arc welding by feeding a welding wire, and a laser welding apparatus that performs laser welding by irradiating an arc generating portion of the consumable electrode arc welding,
The arc welding device feeds the welding wire in a forward direction during an arc period and in a reverse direction during a short circuit period, and applies a welding current by constant current control during the entire arc period and the entire short circuit period .
This is a hybrid welding device characterized by the above.
請求項２の発明は、
前記アーク溶接装置は、前記定電流制御によって前記アーク期間及び前記短絡期間に一定の溶接電流を通電する、
ことを特徴とする請求項１に記載の複合溶接装置である。
The invention of claim 2 is as follows:
The arc welding apparatus applies a constant welding current during the arc period and the short circuit period by the constant current control.
2. The hybrid welding apparatus according to
請求項３の発明は、
前記アーク溶接装置は、不活性ガスを含んだシールドガスを前記アーク発生部に流す、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合溶接装置である。
The invention of claim 3 is as follows:
The arc welding apparatus causes a shielding gas containing an inert gas to flow into the arc generating portion.
3. A hybrid welding apparatus according to
請求項４の発明は、
前記溶接ワイヤの材質が、アルミニウム又はその合金である、
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の複合溶接装置である。
The invention of
The material of the welding wire is aluminum or an alloy thereof.
The hybrid welding device according to any one of
本発明の複合溶接装置によれば、消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して行う複合溶接方法において、レーザからの熱の影響によってアーク長が変動しても、ビード外観、溶け込み深さ等の変動を抑制して良好な溶接品質を得ることができる。 According to the hybrid welding device of the present invention, in a hybrid welding method that combines consumable electrode arc welding and laser welding, even if the arc length fluctuates due to the effect of heat from the laser, fluctuations in the bead appearance, penetration depth, etc. can be suppressed, and good welding quality can be obtained.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
図１は、本発明の実施の形態に係る複合溶接装置の構成図である。複合溶接装置は、消耗電極アーク溶接を行うためのアーク溶接装置と、レーザ溶接を行うためのレーザ溶接装置と、を備えている。以下、同図を参照して各構成物について説明する。 Figure 1 is a diagram showing the configuration of a hybrid welding device according to an embodiment of the present invention. The hybrid welding device includes an arc welding device for performing consumable electrode arc welding, and a laser welding device for performing laser welding. Each component will be described below with reference to the diagram.
アーク溶接装置は、溶接電源ＰＳ、送給機ＷＦ、溶接トーチＷＴ、短絡判別回路ＳＤ、送給速度設定回路ＦＲ及び溶接電流設定回路ＩＲを備えている。 The arc welding device is equipped with a welding power source PS, a wire feeder WF, a welding torch WT, a short circuit determination circuit SD, a wire feed speed setting circuit FR, and a welding current setting circuit IR.
短絡判別回路ＳＤは、溶接電源ＰＳの出力端子間の電圧を入力として、この電圧値が短絡判別値（１０Ｖ程度）未満のときは溶接ワイヤ１と母材２との間が短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間にあると判別してＬｏｗレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。
The short circuit determination circuit SD receives the voltage between the output terminals of the welding power source PS as input, and when this voltage value is less than the short circuit determination value (approximately 10 V), it determines that a short circuit is occurring between the
送給速度設定回路ＦＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）のときは予め定めた正の値の正送送給速度Ｆwsの設定値となり、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）のときは予め定めた負の値の逆送送給速度Ｆwrの設定値となる送給速度設定信号Ｆｒを出力する。正送とは溶接ワイヤ１を母材２に近づく方向に送給することであり、逆送とは溶接ワイヤ１を母材２から離れる方向に送給することである。
The feed speed setting circuit FR receives the above-mentioned short circuit detection signal Sd as an input, and outputs a feed speed setting signal Fr that is set to a predetermined positive value for the forward feed speed Fws when the short circuit detection signal Sd is at a low level (arcing period), and is set to a predetermined negative value for the reverse feed speed Fwr when the short circuit detection signal Sd is at a high level (short circuit period). Forward feed means feeding the
溶接電流設定回路ＩＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）のときは予め定めたアーク電流Ｉwaの設定値となり、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）のときは予め定めた短絡電流Ｉwsの設定値となる溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。例えば、送給速度Ｆｗの平均値が大きいときは、Ｉwa＞Ｉwsとすることで短絡期間からアーク期間への移行を円滑にすることができる。送給速度Ｆｗの平均値が小さいときは、Ｉwa＜Ｉwsとすることでスパッタの発生量を少なくすることができる。また、Ｉwa＝Ｉwsとすることによって、短絡期間及びアーク期間の時間長さが変動しても、溶接電流Ｉｗの平均値を一定にすることができる。 The welding current setting circuit IR receives the short circuit detection signal Sd and outputs a welding current setting signal Ir that is a preset arc current Iwa when the short circuit detection signal Sd is at a low level (arc period) and a preset short circuit current Iws when the short circuit detection signal Sd is at a high level (short circuit period). For example, when the average value of the feed speed Fw is large, the transition from the short circuit period to the arc period can be made smooth by setting Iwa > Iws. When the average value of the feed speed Fw is small, the amount of spatter can be reduced by setting Iwa < Iws. Furthermore, by setting Iwa = Iws, the average value of the welding current Iw can be kept constant even if the length of the short circuit period and the arc period varies.
溶接電源ＰＳは、３相２００Ｖ等の交流商用電源（図示は省略）を入力として、定電流制御によって上記の溶接電流設定信号Ｉｒによって設定された溶接電流Ｉｗを通電する。 The welding power source PS receives an AC commercial power source (not shown) such as a three-phase 200V power source as input, and applies the welding current Iw set by the above-mentioned welding current setting signal Ir using constant current control.
送給機ＷＦは、上記の送給速度設定信号Ｆｒによって定まる送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給する。したがって、溶接ワイヤ１は、アーク期間中は正送送給速度Ｆwsで正送され、短絡期間中は逆送送給速度Ｆwrで逆送される。
The feeder WF feeds the
溶接トーチＷＴは、装着された給電チップ（図示は省略）を介して溶接ワイヤ１に給電し、溶接ワイヤ１を母材２の被溶接部に送出する。溶接ワイヤ１と母材２との間にアーク３が発生する。給電チップと母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。溶接トーチＷＴのノズル（図示は省略）からはシールドガス５が噴出されて、アーク３を大気から遮蔽する。溶接ワイヤ１の材質は、鉄鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等である。シールドガス５としては、炭酸ガス、不活性ガス（アルゴンガス、ヘリウムガス等）、炭酸ガスと不活性ガスとの混合ガスである。
The welding torch WT supplies power to the
レーザ溶接装置は、主に、レーザ発振器ＬＳ、光ファイバーＬＦ及び加工ヘッドＬＨを備えている。 The laser welding device mainly comprises a laser oscillator LS, an optical fiber LF, and a processing head LH.
レーザ発振器ＬＳは、レーザ溶接を行うためのレーザ光４を出力する。
The laser oscillator LS outputs
光ファイバーＬＦは、レーザ光４を加工ヘッドＬＨに導く。
The optical fiber LF guides the
加工ヘッドＬＨは、内蔵された種々の光学系（図示は省略）によって集光し、アーク３の発生部に照射する。同図では、アーク３よりも前方からレーザ光４を照射しているが、後方から照射する場合もある。アーク溶接の狙い位置とレーザの照射位置との距離は２～４mm程度である。
The processing head LH focuses the light using various built-in optical systems (not shown) and irradiates it on the area where the arc 3 is generated. In the figure, the
図２は、本発明の実施の形態に係る複合溶接方法を示す図１の複合溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）はレーザ出力Ｌｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｅ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。 Figure 2 is a timing chart of each signal in the hybrid welding device of Figure 1, which illustrates the hybrid welding method according to an embodiment of the present invention. Figure (A) shows the change over time in the laser output Lw, Figure (B) shows the change over time in the welding current Iw, Figure (C) shows the change over time in the welding voltage Vw, Figure (D) shows the change over time in the short circuit determination signal Sd, and Figure (E) shows the change over time in the feed speed Fw. The operation of each signal will be explained below with reference to the figure.
同図（Ａ）に示すように、レーザ出力Ｌｗは溶接中は常に出力されており、レーザ光４がアーク発生部に照射される。
As shown in FIG. 1A, the laser output Lw is always output during welding, and the
同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、図１の溶接電流設定信号Ｉｒによって設定され、アーク期間中は予め定めたアーク電流Ｉwaとなり、短絡期間中は予め定めた短絡電流Ｉwsとなる。 As shown in FIG. 1B, the welding current Iw is set by the welding current setting signal Ir in FIG. 1, and is a predetermined arc current Iwa during the arc period, and is a predetermined short-circuit current Iws during the short-circuit period.
同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、短絡期間中は数Ｖの短絡電圧値となり、アーク期間中は数十Ｖのアーク電圧値となる。短絡期間とアーク期間は、２０～２００Ｈｚ程度で周期的に繰り返される。したがって、本実施の形態における消耗電極アーク溶接は、短絡移行アーク溶接となる。 As shown in FIG. 1C, the welding voltage Vw has a short circuit voltage value of several volts during the short circuit period, and an arc voltage value of several tens of volts during the arc period. The short circuit period and the arc period are repeated periodically at about 20 to 200 Hz. Therefore, the consumable electrode arc welding in this embodiment is short circuit transfer arc welding.
同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号Ｓｄは、短絡期間中はＨｉｇｈレベルとなり、アーク期間中はＬｏｗレベルとなる。 As shown in FIG. 3D, the short circuit detection signal Sd is at a high level during the short circuit period and at a low level during the arc period.
同図（Ｅ）に示すように、送給速度Ｆｗは、図１の送給速度設定信号Ｆｒによって設定され、アーク期間中は正の値の正送送給速度Ｆwsで正送され、短絡期間中は負の値の逆送送給速度Ｆwrで逆送される。 As shown in FIG. 1(E), the feed speed Fw is set by the feed speed setting signal Fr in FIG. 1, and during the arc period, the wire is fed forward at a positive value of the forward feed speed Fws, and during the short circuit period, the wire is fed backward at a negative value of the reverse feed speed Fwr.
上記の各パラメータの数値例を以下に示す。
レーザ出力Ｌｗ＝２ｋＷ、溶接ワイヤ＝アルミニウムワイヤφ１．２、溶接電流Ｉｗ＝Ｉwa＝Ｉws＝１００Ａ、正送送給速度Ｆws＝１５m／min、逆送送給速度Ｆwr＝－１０m/min
Numerical examples of the above parameters are shown below.
Laser output Lw = 2 kW, welding wire = aluminum wire φ1.2, welding current Iw = Iwa = Iws = 100 A, forward feed speed Fws = 15 m/min, reverse feed speed Fwr = -10 m/min
消耗電極アーク溶接では、溶接状態を安定化するためにアーク長が適正値になるようにアーク長制御をおこなっている。このアーク長制御は、アーク長が溶接電圧と比例関係にあることを利用して、溶接電圧が所望値になるように溶接電源を定電圧制御することによって行っている。しかし、消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して行う複合溶接方法では、消耗電極アーク溶接を通常とおりに定電圧制御して行うと、レーザからの熱の影響によってアーク長が変動し、その結果溶接電流の平均値が変動することになり、溶接品質が悪くなるという問題が発生する。 In consumable electrode arc welding, arc length control is performed to keep the arc length at an appropriate value in order to stabilize the welding condition. This arc length control utilizes the fact that the arc length is proportional to the welding voltage, and is performed by constant voltage control of the welding power source so that the welding voltage is at the desired value. However, in a hybrid welding method that combines consumable electrode arc welding and laser welding, if consumable electrode arc welding is performed using constant voltage control as usual, the arc length will fluctuate due to the influence of heat from the laser, and as a result, the average value of the welding current will fluctuate, causing problems such as poor welding quality.
本実施の形態によれば、複合溶接方法において、アーク溶接装置は、溶接ワイヤをアーク期間中は正送し短絡期間中は逆送し、溶接電流を定電流制御によって通電する。消耗電極アーク溶接において、溶接電源を定電流制御して溶接電流を通電すると、アーク長が大きく変動して溶接状態が不安定になり、不良な溶接品質となる。しかし、消耗電極アーク溶接とレーザ溶接とを併用して行う複合溶接方法において、溶接ワイヤをアーク期間中は正送し短絡期間中は逆送し、溶接電流を定電流制御によって通電することによって、安定した溶接を行うことができ、良好な溶接品質を得ることができる。発明者は、レーザ照射と溶接ワイヤの正逆送給によって、定電流制御して溶接電流を通電しても消耗電極アーク溶接が安定化することを見いだした。このようにすると、レーザからの熱の影響によってアーク長が変動しても、正逆送給制御によって短絡期間とアーク期間との繰り返し周期が安定化する。このために、短絡電流及びアーク電流を異なる値に定電流制御しても、周期が安定化しているので、溶接電流の平均値を略一定値に維持することができる。この結果、母材への入熱量が略一定値となり、ビード外観、溶け込み深さ等の溶接品質が良好になる。 According to this embodiment, in the hybrid welding method, the arc welding device feeds the welding wire forward during the arc period and feeds it backward during the short circuit period, and the welding current is applied by constant current control. In consumable electrode arc welding, if the welding current is applied by constant current control of the welding power source, the arc length fluctuates greatly, making the welding state unstable and resulting in poor welding quality. However, in a hybrid welding method that uses consumable electrode arc welding and laser welding in combination, the welding wire is fed forward during the arc period and fed backward during the short circuit period, and the welding current is applied by constant current control, so that stable welding can be performed and good welding quality can be obtained. The inventor has found that consumable electrode arc welding can be stabilized even when the welding current is applied by constant current control through laser irradiation and forward and reverse feeding of the welding wire. In this way, even if the arc length fluctuates due to the influence of heat from the laser, the repeating cycle of the short circuit period and the arc period is stabilized by forward and reverse feed control. For this reason, even if the short circuit current and the arc current are constant current controlled to different values, the cycle is stabilized, so that the average value of the welding current can be maintained at an approximately constant value. As a result, the amount of heat input to the base material remains approximately constant, improving the weld quality, including bead appearance and penetration depth.
さらに、本実施の形態によれば、アーク溶接装置は、定電流制御によってアーク期間及び短絡期間に一定の溶接電流を通電するようにすることが好ましい。このようにすると、短絡期間及びアーク期間の時間長さが変動しても、常に溶接電流の平均値を一定値に維持することができる。この結果、母材への入熱量が一定値となり、ビード外観、溶け込み深さ等の溶接品質がさらに良好になる。 Furthermore, according to this embodiment, it is preferable that the arc welding device applies a constant welding current during the arc period and short circuit period by constant current control. In this way, even if the length of the short circuit period and the arc period varies, the average value of the welding current can always be maintained at a constant value. As a result, the amount of heat input to the base material becomes a constant value, and the welding quality, such as the bead appearance and penetration depth, is further improved.
さらに、本実施の形態によれば、アーク溶接装置は、不活性ガスを含んだシールドガスをアーク発生部に流すことが好ましい。不活性ガスを含むシールドガスを使用して複合溶接方法を行うと、定電流制御によって溶接電流を通電したときの溶接状態がより安定になる。不活性ガスを含むシールドガスは、例えば、炭酸ガス２０％＋アルゴンガス８０％の混合ガス、アルゴンガス１００％等である。 Furthermore, according to this embodiment, it is preferable that the arc welding device flows a shielding gas containing an inert gas into the arc generating portion. When a composite welding method is performed using a shielding gas containing an inert gas, the welding state becomes more stable when the welding current is passed through by constant current control. The shielding gas containing an inert gas is, for example, a mixed gas of 20% carbon dioxide gas + 80% argon gas, 100% argon gas, etc.
さらに、本実施の形態によれば、溶接ワイヤの材質が、アルミニウム又はその合金であることが好ましい。アルミニウム又はその合金の溶接ワイヤを使用して複合溶接方法を行うと、定電流制御によって溶接電流を通電したときの溶接状態が、鉄鋼ワイヤを使用したときよりも安定になる。 Furthermore, according to this embodiment, it is preferable that the material of the welding wire is aluminum or an alloy thereof. When performing a hybrid welding method using a welding wire made of aluminum or an alloy thereof, the welding state when the welding current is passed through by constant current control becomes more stable than when a steel wire is used.
1 溶接ワイヤ
2 母材
3 アーク
4 レーザ光
５ シールドガス
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｆwr 逆送送給速度
Ｆws 正送送給速度
ＩＲ 溶接電流設定回路
Ｉｒ 溶接電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｉwa アーク電流
Ｉws 短絡電流
ＬＦ 光ファイバー
ＬＨ 加工ヘッド
ＬＳ レーザ発振器
ＰＳ 溶接電源
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＦ 送給機
ＷＴ 溶接トーチ
1 Welding wire
2. Base material
3. Arc
4
Claims (4)
前記アーク溶接装置は、前記溶接ワイヤをアーク期間中は正送し短絡期間中は逆送し、前記アーク期間及び前記短絡期間の全期間中は溶接電流を定電流制御によって通電する、
ことを特徴とする複合溶接装置。 A hybrid welding apparatus including an arc welding apparatus for performing consumable electrode arc welding by feeding a welding wire, and a laser welding apparatus for performing laser welding by irradiating a laser onto an arc generating portion of the consumable electrode arc welding,
The arc welding device feeds the welding wire in a forward direction during an arc period and in a reverse direction during a short circuit period, and applies a welding current by constant current control during the entire arc period and the entire short circuit period .
A composite welding device characterized by:
ことを特徴とする請求項１に記載の複合溶接装置。 The arc welding apparatus applies a constant welding current during the arc period and the short circuit period by the constant current control.
2. The hybrid welding apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合溶接装置。 The arc welding apparatus causes a shielding gas containing an inert gas to flow into the arc generating portion.
3. The hybrid welding apparatus according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の複合溶接装置。 The material of the welding wire is aluminum or an alloy thereof.
4. The hybrid welding apparatus according to claim 1, wherein the welding is performed by applying a pressure to the welding member.
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