WO2014030325A1 - 溶接システムおよび溶接方法 - Google Patents

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WO2014030325A1
WO2014030325A1 PCT/JP2013/004872 JP2013004872W WO2014030325A1 WO 2014030325 A1 WO2014030325 A1 WO 2014030325A1 JP 2013004872 W JP2013004872 W JP 2013004872W WO 2014030325 A1 WO2014030325 A1 WO 2014030325A1
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WO
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welding
groove
laser
arc
beam diameter
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PCT/JP2013/004872
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悠 後藤
吉延 牧野
敏幸 峯村
利雄 金原
翔太 荒木
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株式会社 東芝
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Publication date
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    • B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas
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    • B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas
    • B23K9/173—Arc welding or cutting making use of shielding gas and of a consumable electrode

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a welding system and a welding method.
  • a pair of thick plates may be butted against each other with a narrow groove (narrow groove welding).
  • a welding apparatus for laser welding a thick plate having a narrow groove is disclosed (see Patent Document 1).
  • An object of the present invention is to provide a welding system and a welding method that can easily achieve both welding quality and welding speed in narrow groove welding.
  • the welding system of the embodiment applies a voltage to a welding head and a laser head that emits a laser beam having a machining point beam diameter that is larger than the width of the groove of a pair of welding objects that are abutted at a narrow groove. Then, a welding torch for arc welding, an interval adjusting mechanism for adjusting an interval between the laser head and the welding torch, and moving the laser head and the welding torch with the interval adjusted along the groove, A moving portion that melts the inside of the groove with a laser beam emitted from a head and arc-welds the melted groove with the welding torch to form a weld bead.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a welding object 10. It is sectional drawing showing the welding target 10a. It is a figure showing the detail of the welding object 10, the laser head 110, and the welding torch 210.
  • FIG. It is the figure which looked at the welding object 10 from the Z-axis positive direction.
  • 3 is a longitudinal sectional view of a shield member 310.
  • FIG. 3 is a transverse sectional view of a shield member 310.
  • FIG. It is a figure showing profile PP of groove 13. It is a figure showing the method of calculating
  • FIG. It is a figure showing the positional relationship of the groove
  • the welding system 100 is a system (hybrid system) for welding the welding object 10 by laser and arc discharge.
  • the welding system 100 includes a laser head 110, a laser oscillator 120, a laser control unit 130, a robot device 140, a robot control unit 150, a welding torch 210, a welding power source 220, and a power control unit 230.
  • the welding object 10 is a pair of thick stainless steel plates that face each other at a narrow gap.
  • the narrow gap refers to a gap (groove) having a small angle that faces or contacts the ends of the thick plate at a small interval compared to the plate thickness.
  • FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views showing the welding objects 10 and 10a.
  • the end surfaces of the base materials 11 and 12 such as thick plates have a gap (a groove (gap)) 13 and are arranged so that their lower ends are in contact with each other.
  • the inside of the groove 13 is divided into a bottom portion 15 and a side portion 16.
  • the outside of the groove 13 is the upper portion 17 of the base materials 11 and 12.
  • Base materials 11 and 12 are thick plates of stainless steel (for example, austenitic stainless steel). As the base materials 11 and 12, carbon steel, low alloy steel, and non-ferrous alloy can also be used.
  • the welding object 10 has the groove 13 only in the upper part 17 and welding to only the upper part 17 is sufficient.
  • the welding object 10a has a groove 13 on both upper and lower surfaces, and is welded to both upper and lower surfaces.
  • the narrow groove is defined as a groove capable of one-pass one-layer welding. Specifically, when the following conditions are satisfied in the thickness H ⁇ b> 1 of the base materials 11 and 12 and the interval W ⁇ b> 1 of the base materials 11 and 12 at the bottom 15 of the groove 13, it can be a cleavage target.
  • W1 ⁇ 30mm At this time, the angle ⁇ 1 formed by the side portions 16 (base materials 11 and 12) of the groove 13 is small, for example, 20 ° or less.
  • FIG. 4 shows details of the laser head 110 and the welding torch 210 with a fiber laser.
  • FIG. 5 is the figure which looked at the welding target 10 from the Z-axis positive direction.
  • the laser head 110 focuses the laser beam on the welding object 10.
  • the laser head 110 includes a case 111, a collimator lens 112, and a condenser lens 113, and irradiates the welding target 10 with laser light from the laser oscillator 120 via the optical fiber 115.
  • Case 111 houses collimator lens 112 and condenser lens 113.
  • the collimator lens 112 has a focal length f1 and converts laser light emitted from the end of the optical fiber 115 into parallel light.
  • the condensing lens 113 has a focal length f2, converts the parallel light from the collimator lens 112 into convergent light, and condenses it on the welding target 10.
  • the laser beam is condensed from the condenser lens 113 to the focal point Pf at the distance f2, and then spread and irradiated to the processing point P1 of the welding target 10 as a laser spot having a processing point beam diameter W.
  • the processing point P1 of the welding object 10 is disposed in the shield member 310 filled with the shield gas G1, and oxidation or the like is prevented.
  • the beam diameter (processing point beam diameter) W at the processing point P1 of the welding target 10 is set to be larger than the groove width W1 of the welding target 10.
  • the machining point beam diameter W can be made larger than the groove width W1.
  • the machining point beam diameter W is set to 10 mm, for example.
  • the machining point beam diameter W By making the machining point beam diameter W larger than the groove width W1, not only the bottom part 15 but also the side part 16 of the groove 13 is irradiated with laser light, and a part of the welding object 10 is melted to form the pool PL1. Is done. By melting the bottom portion 15 and the side portion 16 of the groove 13, fusion at the time of subsequent arc welding is improved, and occurrence of poor fusion of the side portion 16 can be prevented.
  • the factors affecting the size of the pool PL1 are the machining point beam diameter W, the laser output, and the welding speed. Among these, the influence of the machining point beam diameter W is the largest. By adjusting the laser output and the welding speed, the side portion 16 can be melted even when the processing point beam diameter W is smaller than the groove width W1.
  • the processing point beam diameter W is widened, the intensity of the laser beam per unit area of the welding object 10 is low, and unlike so-called keyhole welding, the pool PL1 is wide and shallow. Become.
  • the welding object 10 is disposed near the focal point of the laser beam, and a narrow and deep hole (keyhole) is formed in the welding object.
  • the processing point beam diameter W is increased by disposing the focal point Pf between the laser head 110 and the welding object 10 (the distance L is positive).
  • the processing point beam diameter W may be increased by disposing the welding object 10 between the laser head 110 and the focal point Pf (the distance L is negative).
  • the machining point beam diameter W can be changed.
  • the distance L can be adjusted by changing the height of the laser head 110 in the Z-axis direction by the robot apparatus 140.
  • the groove width W1 increases as welding progresses. That is, since the groove 13 spreads at an angle ⁇ 1, as the number of layers increases from the first layer to the second layer, the groove width W1 also increases. It is preferable to increase the diameter W. For example, according to the number of layers to be welded, the height of the laser head 110 in the Z-axis direction can be increased, and the processing point beam diameter W can be increased.
  • the laser light does not enter the welding target 10 perpendicularly but enters at an angle.
  • the reason for providing such an angle is to prevent laser light reflected by the welding object 10 from re-entering the laser head 110 and damaging the laser head 110.
  • the laser beam reflected by the welding target 10 is received by the shield member 310 as described later, and leakage of the laser beam around the welding target 10 is prevented.
  • the laser oscillator 120 is a laser light source, and sends laser light into the laser head 110 via the optical fiber 115.
  • a fiber laser is used as the laser oscillator 120.
  • a YAG laser, a Disk laser, or a CO 2 laser may be used as the laser oscillator 120.
  • the laser control unit 130 is a control device that controls the output of the laser oscillator 120. By setting an appropriate laser output for the processing point beam diameter W, the welding object 10 can be set to an appropriate penetration depth.
  • the robot device 140 is a moving device that moves the laser head 110 in the X, Y, and Z directions.
  • the laser head 110 is set to an appropriate height with respect to the welding target 10 and moves (scans) along the groove of the welding target 10. )it can. By scanning the laser head 110 (and the welding torch 210) a plurality of times along the groove, multilayer welding can be performed on the welding target 10.
  • the robot apparatus 140 moves the laser head and the welding torch whose interval are adjusted along the groove, melts the inside of the groove with the laser light emitted from the head, and melts the inside of the groove Are welded to form a weld bead by arc welding with the welding torch.
  • the robot apparatus 140 includes a base 141, arms 142 to 145, and joints 146 and 147.
  • the base 141 is disposed on the floor and holds the robot apparatus 140.
  • the arm 142 is connected to the base 141 so as to be rotatable (rotation with the Z axis as a rotation axis).
  • the arm 143 is connected to the arm 142 so as to be movable in the X and Z directions.
  • the arm 144 is connected to the arm 143 by a joint 146 and is rotatable.
  • the arm 145 is connected to the arm 144 by a joint 147 and is rotatable.
  • the laser head 110 is fixed to the arm 145. As a result, the laser head 110 can be moved and rotated in the X, Y, and Z directions by the arms 142 to 145.
  • the base 141, the arms 142 to 145, and the joints 146 and 147 include a motor (not shown) that enables such movement and rotation and a detector (not shown) that detects the position and orientation.
  • the robot control unit 150 controls the robot device 140, changes the position (coordinates (X, Y, Z)) and orientation of the laser head 110, and adjusts the position of the focal point Pf with respect to the welding target 10.
  • the robot control unit 150 includes teaching data for continuously controlling the coordinates and orientation of the laser head 110. By controlling the coordinates and orientation of the laser head 110 with this teaching data, automatic multi-layer welding of the welding object 10 becomes possible.
  • the welding torch 210 is movably connected to the laser head 110 by a torch moving mechanism 240 and arc-welds the object 10 to be welded (MIG welding or MAG welding).
  • the welding torch 210 has a tip portion 211 and a main body portion 212.
  • the distal end portion 211 has a substantially cylindrical shape, and draws out the welding wire WW from the end face and ejects the shielding gas G2.
  • the main body 212 has a feed mechanism (not shown) for feeding the welding wire WW and a flow path for the shield gas G2.
  • a high voltage is applied to the welding wire WW from the welding power source 220.
  • arc discharge is generated between the tip of the welding wire WW and the welding object 10, and the welding wire WW is melted, whereby the processing point of the welding object 10 is arc-welded.
  • a melted pool PL2 of the welding wire WW is formed and mixed with the material to be welded 10 (pool PL1 melted by laser light) to form a bead.
  • the welding object 10 is melted with a laser beam and then arc-welded, the created bead and the welding object 10 can be melted well. That is, poor fusion between the side portion 16 of the groove 13 and the stacked beads is reduced.
  • MIG Metal Inert Gas
  • the shielding gas G2 is only an inert gas (Ar or the like) (MIG arc welding) (MIG arc welding)
  • arc discharge may become unstable as compared with MAG welding or the like.
  • the reason for this is as follows. That is, in MAG welding or the like, a continuous oxide film is formed on the surface of the base material due to oxygen or the like in the shield gas G2, and this oxide film stabilizes the cathode spot.
  • MIG welding many small cathode spots are formed, and these cathode spots move around the electrode surface at high speed and are difficult to stabilize.
  • the cathode spot becomes difficult to move and the cathode spot of the MIG arc is stabilized by the pool PL1 created in the groove 13 by the laser beam preceding the MIG arc.
  • the MIG arc can be stabilized even if the shield gas G2 is only an inert gas.
  • a swing mechanism may be provided in the welding torch 210 to swing the arc in the width direction (Y-axis direction) of the groove 13. Even if the MIG arc fluctuates somewhat, the side portion 16 of the groove 13 can be melted.
  • MAG Metal Active Gas
  • arc welding in addition to the inert gas (Ar, etc.), by including an oxidizing gas to the shielding gas G2 (CO 2 or O 2), MAG (Metal Active Gas) arc welding is performed, it can be stabilized arc discharge.
  • the cathode spot of the arc is stabilized by O ions ionized from CO 2 or O 2 .
  • the welding power source 220 is a high voltage power source for applying a high voltage to the welding wire WW and generating an arc discharge with the welding object 10.
  • the power supply control unit 230 controls the welding power supply 220 and adjusts the voltage applied to the welding wire WW.
  • the torch moving mechanism 240 connects the welding torch 210 to the laser head 110 so as to be movable.
  • the torch moving mechanism 240 includes arms 241, 243 and 245 and tables 242, 244 and 246.
  • the torch moving mechanism 240 functions as “a distance adjusting mechanism for adjusting a distance between the laser head and the welding torch”.
  • the arm 241 has one end fixed to the laser head 110.
  • the table 242 is connected to the other end of the arm 241 so as to be movable in the Y-axis direction.
  • the arm 243 has one end connected to the table 242 and is movable with respect to the arm 241 by the table 242.
  • the table 244 is connected to the arm 243 so as to be movable in the X-axis direction.
  • the arm 245 is connected to the table 244 and is movable with respect to the arm 243 by the table 244.
  • the table 246 is connected to the arm 245 so as to be movable in the Z-axis direction.
  • the welding torch 210 is connected to the table 246. As a result, the welding torch 210 can be moved relative to the laser head 110 by the torch moving mechanism 240.
  • the torch moving mechanism 240 includes a motor (not shown) that enables such movement and a detector (not shown) that detects a position.
  • the torch position control unit 250 can control the torch moving mechanism 240 to change the position of the welding torch 210 (welding wire WW) with respect to the laser head 110. That is, the distance LL between the processing point P1 by laser and the processing point P2 by arc welding can be adjusted. For example, the distance LL is adjusted according to the processing point beam diameter W.
  • the shield member 310 covers the periphery of the processing points P1 and P2 and is filled with the shield gas G1, thereby preventing the welding object 10 from being oxidized. Moreover, the laser beam reflected from the welding object 10 is received and it prevents that it leaks to the circumference
  • the shield member 310 can be used by being attached to the laser head 110 or the welding torch 210 as necessary. Further, it can be attached to the laser head 110 so as to be movable by a moving mechanism. For example, when the laser head 110 is moved in the Z-axis direction with respect to the welding target 10, it is preferable that the laser head 110 and the shield member 310 can be moved separately depending on the amount of movement.
  • the shield member 310 includes an upper plate 311, four side plates 312, and a light shielding member 313.
  • the upper plate 311 has an opening 314 so that the laser beam from the laser head 110 can be incident and the welding torch 210 can be inserted.
  • the four side plates 312 have a flow path 315 and a plurality of outlets 316.
  • the flow path 315 is provided inside the side plate 312 and allows the shield gas G1 to flow in and out.
  • the ejection port 316 is provided on the inner side surface of the side plate 312 and ejects the shield gas G1 in the flow path 315 into the shield member 310. That is, the shield gas 310 that has flowed into the shield member 310 fills the shield member 310 and prevents the welding object 10 from being oxidized.
  • the upper plate 311 and the four side plates 312 function as “a cover that covers the laser beam processing point and the arc welding processing point”.
  • the shielding gas G1 filling the shielding member 310 is discharged from the bottom of the shielding member 310 (the gap between the shielding member 310 and the welding object 10) and the opening 314.
  • the shield gas G1 is continuously supplied, ejected to the shield member 310, and discharged to the outside.
  • the light shielding member 313 is a substantially rectangular parallelepiped member made of a metal such as copper.
  • the light shielding member 313 receives the laser light reflected from the welding object 10 and prevents it from leaking outside the shield member 310.
  • the light shielding member 313 has a cooling water flow path 316 therein. By flowing cooling water into and out of this flow path 316, temperature rise due to heat inflow due to absorption of laser light is limited. If the light shielding member 313 is not cooled, the light shielding member 313 may be melted by the laser beam.
  • the shield gas supply units 321 and 322 supply the shield gases G1 and G2 to the shield member 310 and the welding torch 210, respectively.
  • These shield gases G1 and G2 can be of the same type.
  • the shield gas supply units 321 and 322 can be shared, and a single shield gas supply unit can be used.
  • the distance meter 330 is, for example, a laser distance meter, and is attached to the shield member 310 and can measure the shape (profile) of the groove 13 of the welding target 10.
  • the shape (profile) of the groove 13 on a plane perpendicular to the direction of the groove 13 (or YZ plane if the groove direction is the X-axis direction) is measured.
  • the shape of the groove can be measured by scanning a laser beam in the Y-axis direction and measuring a change in distance.
  • FIG. 8 is a diagram showing the profile PP of the groove 13 measured by the distance meter 330.
  • the groove width detector 340 detects the groove width W ⁇ b> 1 based on the measurement result of the distance meter 330.
  • the groove width W1 can be detected by extracting a plurality of portions (bending points) having a large bending of the groove profile and calculating an interval between the plurality of portions.
  • the groove width detection unit 340 functions as a width detection unit that detects the width of the groove.
  • FIG. 9 shows the bending points PB1 to PB4 extracted from the profile PP of the groove 13.
  • a pair of bending points PB2 and PB3 disposed below the Z-axis correspond to the boundary between the bottom 15 and the side 16 of the groove 13. That is, the distance between the bending points PB2 and PB3 corresponds to the groove width W1.
  • the groove width W1 varies depending on the progress of multi-layer welding, and therefore it is preferable to detect the groove width W1.
  • good welding such as fusion can be performed.
  • the imaging device 350 is, for example, a CCD (charge-coupled device) camera, photographs the welding object 10 and the welding wire WW, and sends the image data to the welding position detection unit 360.
  • FIG. 10 shows an example of image data of the imaging device 350. The positional relationship between the groove 13 and the welding wire WW is represented.
  • the welding position detection unit 360 is based on the image data sent from the imaging device 350, and the positional relationship between the groove 13 and the welding wire WW, specifically, the distance between the center C of the groove 13 and the tip of the welding wire WW. D is required.
  • the welding position detection unit 360 functions as a “positional relationship detection unit that detects the positional relationship between the center of the groove and the welding wire”.
  • the boundary between the bottom 15 and the side 16 of the groove 13 and the outline of the welding wire WW are obtained by extracting a light / dark boundary in the image data.
  • the center line C of the groove 13 is a portion equidistant from the boundary line.
  • a distance D between the center line C of the groove 13 and the contour of the welding wire WW can be calculated on the image.
  • the groove width W1 can be obtained using the boundary line between the bottom 15 and the side 16. That is, the groove width W ⁇ b> 1 is obtained using the image data of the imaging device 350 instead of the profile data in the distance meter 330. In this case, the distance meter 330 can be dispensed with.
  • the main controller 400 controls the entire welding system 100, particularly the laser beam diameter (processing point beam diameter W) and the welding position.
  • the main controller 400 includes a beam diameter determining unit 410, a beam diameter adjusting unit 420, and a welding position adjusting unit 430.
  • the beam diameter determining unit 410 determines the processing point beam diameter W based on the groove width W1 detected by the groove width detecting unit 340.
  • the beam diameter determination unit 410 stores a table (correspondence data) indicating the correspondence between the groove width W1 and the machining point beam diameter W, and can determine the machining point beam diameter W from the groove width W1 and this table.
  • the beam diameter adjusting unit 420 instructs the robot control unit 150 based on the machining point beam diameter W determined by the beam diameter determining unit 410. In other words, the beam diameter adjusting unit 420 determines the height of the laser head 110 in the Z-axis direction and instructs the robot control unit 150. As a result, the defocus distance L is changed, and the laser processing point beam diameter W is adjusted.
  • the welding position adjustment unit 430 determines the distance LL between the processing points P1 and P2 based on the processing point beam diameter W determined by the beam diameter determination unit 410, and instructs the torch position control unit 250.
  • the welding position adjusting unit 430 stores a table (correspondence data) indicating the correspondence between the machining point beam diameter W and the distance LL, and can determine the machining point beam diameter W and the distance LL from this table.
  • the welding position adjustment unit 430 instructs the torch position control unit 250 so that the distance LL between the processing points P1 and P2 becomes the determined value.
  • the welding position adjustment unit 430 instructs the torch position control unit 250 so that the positional relationship between the groove 13 and the welding wire WW detected by the welding position detection unit 360 is appropriate. That is, the torch position controller 250 is instructed so that the distance D between the center C of the groove 13 and the tip of the welding wire WW is close to zero.
  • the welding position adjusting unit 430 functions as a position adjusting unit that adjusts the position of the welding torch based on the detected positional relationship.
  • FIG. 11 to 18 are cross-sectional views showing the welding object 10 during the welding process.
  • FIG. 11 shows the welding object 10 before welding
  • FIGS. 12 to 18 show the welding object 10 changed as the welding progresses.
  • FIG. 19 is a cross-sectional photograph showing the welding object 10 after welding.
  • First layer welding (1) Laser melting (FIGS. 11 and 12)
  • the robot head 140 moves the laser head 110 that irradiates the laser light.
  • a laser beam having a machining point beam diameter W larger than the groove width W ⁇ b> 1 moves along the groove 13 of the welding object 10.
  • a part of bottom 15 and side 16 of groove 13 is melted to form pool PL11.
  • the welding torch 210 is fixed to the laser head 110 by a torch moving mechanism 240. At this time, the distance LL between the laser processing point P1 and the arc welding processing point P2 is set to 3 mm to 10 mm, for example.
  • the welding torch 210 to which the shielding gas G2 is jetted and a high voltage is applied is moved by the robot device 140 together with the laser head 110. That is, following the laser light irradiation, arc welding is performed, and a pool PL21 is formed on the pool PL11. Pool PL11 and pool PL21 are united and cooled to form a bead B1.
  • the welding object 10 is melted by laser light and then arc-welded, the fusion between the bead B1 and the welding object 10 becomes good.
  • the fusion at the side portion 16 of the groove 13 is improved.
  • the pool PL11 stabilizes the arc cathode spot, and the arc can be stabilized even when the shield gas G2 is only an inert gas.
  • these detections may be performed in parallel with or separately from the welding.
  • the groove width W1 and the like before the processing point P1 are detected when the laser head 110 for welding is moved (scanned). Further, when detecting separately from welding, the distance meter 330 and the imaging device 350 are operated along the groove while the welding operation of the laser head 110 and the welding torch 210 is stopped, and the groove width along the groove is detected. Changes in W1 and distance are detected.
  • the bead B1 is melted by laser light and then arc-welded, the fusion between the beads B1 and B2 becomes good.
  • the beads B1 and B2 can be fused well at the side portion 16 of the groove 13.
  • the laser beam having the processing point beam diameter W larger than the groove width W1 is preceded by the MIG arc, and the side portion 16 of the groove 13 and the bead of the previous pass are melted. As a result, welding with good fusion becomes possible.
  • the bead is not oxidized, and the oxide film removal treatment between passes becomes unnecessary.
  • the welding time can be shortened and work efficiency can be improved.
  • the bead is non-oxidized, it is possible to prevent a decrease in joint strength due to oxidation.
  • a laser beam having an energy density of 6000 to 40,000 W / cm 2 in which the processing point beam diameter W was increased by +2 to 6 mm larger than the groove width W1 was preceded. With this laser light, the side portion 16 of the groove 13 and the beads of the previous pass are melted. Thereafter, the MIG arc is made to follow the position where the distance LL is about 3 mm to 10 mm away from the laser beam. As a result, there is no poor fusion, stable arc welding is performed, and multilayer stacking becomes possible.
  • FIG. 20 shows an example of a preferable range of the total heat input P with respect to the groove width W1.
  • a total heat input amount P 4.5 to 32 [kJ / cm] is preferable. With a total heat input P in this range, there was no poor fusion and stable arc welding was possible.
  • the main process is MIG welding and the sub process is laser welding.
  • adding the sub process laser welding contributes to the increase of the bead width and penetration depth.
  • Can do For example, when welding with MIG alone under the conditions of a welding speed of 60 cm / min, a MIG current of 250 A, and a MIG voltage of 21 V, the bead width is 9 mm and the penetration depth is 1 mm. It was confirmed that when laser welding of the sub process was added to this, the bead width increased to 12 mm and the penetration depth increased to 3 mm.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing the welding object 10 during the welding process according to this comparative example.
  • a pool PL2x formed by the MIG arc is formed on the pool PL1x formed by the laser. It can be seen that the side portion 16 of the groove 13 is not irradiated with laser, and the side portion 16 is likely to be insufficiently melted. Furthermore, since the keyhole pool PL1x is thin and deep, it is difficult for Ar gas to escape and blow holes are likely to occur. For this reason, when performing multi-layer welding by the method of Comparative Example 1, it is necessary to select a type of shielding gas that is soluble in the base material.
  • Comparative Example 2 As Comparative Example 2, consider TIG welding. In TIG welding, it is difficult to obtain a sufficiently high welding speed. For example, it is difficult to say that welding efficiency is sufficient, with a welding speed of 8 cm / min and a lamination thickness of about 3 mm per layer. Further, since the heat input is larger than that of the MIG arc (TIG welding: about 15,000 J / cm, MIG welding: about 7000 J / cm), the deformation amount due to welding tends to be large.
  • the fusion suitable for multi-layer welding and the welding efficiency can be ensured by the method of the embodiment.
  • the laser beam having the processing point beam diameter W larger than the groove width W1 is preceded by the MIG arc, so that welding with good fusion can be performed on the side portion 16 of the groove 13 as well. . It is also easy to ensure a sufficient welding speed.
  • the transverse shrinkage amount under the main welding conditions is about 2 mm with respect to the lateral shrinkage amount of 4 mm in TIG welding.
  • the lateral shrinkage can be suppressed.
  • torch moving mechanism 241, 243, 245 ... arm, 242, 244, 246 ... table, 250 ... torch position control part , 310 Shield member, 311, upper plate, 312, side plate, 313, light shielding member, 314, opening, 315, flow path, 316, jet. 317 ... Flow path, 321, 322 ... Shield gas supply unit, 330 ... Distance meter, 340 ... Bevel width detection unit, 350 ... Imaging device, 360 ... Welding position detection unit, 400 ... Main control device, 410 ... Beam diameter Determining unit, 420 ... beam diameter adjusting unit, 430 ... welding position adjusting unit.

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Abstract

　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し、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、を備える構成とした。

Description

溶接システムおよび溶接方法
　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２０１１－００５５３３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（Ｏ２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、ＣＯ２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（ＣＯ２又はＯ２）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。ＣＯ２又はＯ２から電離したＯイオンにより、アークの陰極点が安定化する。
　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。
２．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。
（３）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／ｃｍ２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記載の溶接方法。
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