JP2004525766A - レーザー／アーク混成溶接方法およびパワーダイオードレーザーを使用する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、溶接される金属成分に少なくとも１つの溶接継手を製造することにより組み立てられる１つまたは数個の前記金属成分を溶接するための方法に関し、前記溶接継手は、レーザービームおよび少なくとも１つの電気アークを使用することにより得られ、これはパワーダイオードレーザー装置を使用する前記レーザービームを発生することにある。本発明はまた、溶接方法を実行するための設備に関する。本発明は、自動車体構成成分の少なくとも一部を構成するように設計されている隣接した側面を溶接するために有用である。

Description

【０００１】
本発明は、レーザービームを電気アーク、特に、プラズマアークと併用する混成溶接方法および混成溶接装置に関し、前記レーザービームは、ダイオードレーザーによって発生される。
【０００２】
数ある溶融接合法のうち溶接方法は優れたものであると言える。その溶接方法には以下のようなものが用いられる。
−ＭＩＧ（金属不活性ガス）、ＭＡＧ（金属活性ガス）およびＴＩＧ（タングステン不活性ガス）方法、プラズマ方法などのような電気アーク、
−電子ビーム溶接のような電子流束、
−Ｃｏ_２またはＹＡＧレーザービームを利用するレーザー溶接のような光子流束。
【０００３】
電気アークを利用する溶接方法は、高価ではないという利点を有するが、それらは生産性に制約を受ける。すなわち低い溶接速度、特に厚みが小さい場合に互いに接合される被加工品の無視できない変形などの制約がある。
【０００４】
これに対して「ガス」レーザー（ＣＯ_２レーザー）または「固体（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ）」レーザー（Ｎｄ：ＹＡＧレーザー）と称するものを利用する溶接のような光子流束を使用する方法は、それ自身が溶接速度および被溶接物の厚さに関してかなりの利点を有し、同時に変形が限定されている。
【０００５】
しかしながら、ＣＯ_２およびＹＡＧタイプのレーザー源にかかる出資額は、実質的にアーク溶接装置のためのものよりも大きい。
【０００６】
さらに、ガスまたは固体レーザーの操作コストは、光学部品、レーザー励起システムなどのような電気効率および種々の消耗品の点から高い。
【０００７】
前述した欠点にもかかわらず、レーザー溶接は本質的に、レーザー溶接において到達し得る生産性および被加工品の低い変形という点での性能のために、産業上かなり成長する傾向にある。
【０００８】
電気アーク溶接またはレーザー溶接方法をさらに改良するという目的のために、電気アークをレーザービーム、特にプラズマアークおよびレーザービームを併用する混成溶接技術を使用することにより、金属被加工品を互いに接合することが数年前に提案された。
【０００９】
このように、種々のレーザー／アーク混成溶接方法は、特にＥＰ−Ａ−７９３５５８、ＥＰ−Ａ−７８２４８９、ＥＰ−Ａ−８００４３４、ＵＳ−Ａ−５００６６８８、ＵＳ−Ａ−５７００９８９、ＥＰ−Ａ−８４４０４２、１９８４年のＴＰダイボルド（Ｄｉｅｂｏｌｄ）およびＣＥアルブライト（Ａｌｂｒｉｇｈｔ）による「アルミニウム合金５０５２のレーザーＧＴＡ溶接」の１８〜２４頁、ＳＵ−Ａ−１８１５０８５、ＵＳ−Ａ−４６８９４６６、１９９４年のＲＰワルダック（Ｗａｌｄｕｃｋ）およびＪ．ビッフィン（Ｂｉｆｆｉｎ）による「プラズマアーク増強レーザー溶接（Ｐｌａｓｍａ ａｒｃ ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ）」の１７２〜１７６頁、または１９８８年のＪマツダらによる「厚軟鋼板のＴＩＧまたはＭＩＧ増強レーザー溶接，接合および材料（ＴＩＧ ｏｒ ＭＩＧ ａｒｃ ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｉｃｋ ｍｉｌｄ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅ， Ｊｏｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）」の３１〜３４頁の文書に開示されてきた。
【００１０】
現在では、混成溶接方法は、特に、溶接速度の点からそれらが得ることができる実施性能によって、部品の大量生産を必要とする、すなわち高い生産量を有する例えば自動車産業といった産業分野でますます使用されて来ている。
【００１１】
一般に、レーザー／プラズマまたはより一般的にはレーザー／アーク、溶接方法は、電気アーク溶接をレーザービームと併用する混成溶接方法である。
【００１２】
レーザー／アーク方法は、消耗電極または非消耗電極と溶接される被加工品との間に、電気アークを発生させること、および、パワーレーザービームをアーク領域、すなわち、互いに溶接される複数の被加工品の突合せ（ｂｕｔｔｉｎｇ）または重ね合わせ（ｌａｐｐｉｎｇ）により形成される合せ面（ｍａｔｉｎｇ ｆａｃｅ）の近くまたはそこにピント合わせすることにある。
【００１３】
先に指摘したように混成方法は、レーザー溶接単独、または、アークまたはプラズマ溶接単独と比べて溶接速度をかなり改善し、さらに、溶接前にエッジ上の位置決め交差をかなり増加させることができ、特に、レーザービーム溶接単独と比較して、レーザービームの焦点サイズが小さいために溶接される部分の位置決めに高い精度を必要とする溶接されるエッジ間に許容される隙間もかなり増加させることができる。
【００１４】
プラズマ／レーザー方法、より一般的にはレーザー／アーク方法の使用は、小さな空間に、レーザービームとその焦点装置を、適した溶接電極とともに組み合わせることを可能にする溶接ヘッドの使用を必要とする。
【００１５】
いくつかのヘッド配置が前述の文献に記載されており、それは要約すると、レーザービームおよび電気アークまたはプラズマジェットは、すなわちそれらが同じオリフィスを経由して放射する１つおよび同一の溶接ヘッドにより射出（ｄｅｌｉｖｅｒ）されてもよいし、あるいはその他に、一方はレーザービームを射出し、もう一方は電気アークまたはプラズマジェットを射出し、それらは溶接領域で一緒になる２つの分かれた溶接ヘッドにより射出されてもよいということを示している。
【００１６】
ＥＰ−Ａ−７８２４８９または１９９９年２月の「レーザー足すアークはパワー，工業レーザーソリューション（Ｌａｓｅｒ ｐｌｕｓ ａｒｃ ｅｑｕａｌｓ ｐｏｗｅｒ， Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ）」の２８〜３０頁の文書で思い起こされるように、レーザー／アーク混成方法は、自動車産業のための裁断素材（ｔａｉｌｏｒｅｄ ｂｌａｎｋｓ）の溶接に非常に適していると評価されており、また、それらはアンダーカットのないよくぬれた溶接ビードを得ることを可能にする。
【００１７】
一般に、溶接継手を製造するときに、アシストガスを使用すること、言い換えれば、レーザービームを補助し、溶接領域を絶え間のない腐食から守ることが必要であり、電気アークのためのガス、特に、プラズマアーク方法の場合にアークプラズマジェットを創造するために使用されるプラズマガスを使用することが必要である。
【００１８】
しかしながら先に説明したように、レーザー溶接装置がすでにとても高価である場合、レーザー源を電気アーク溶接手段と併用する混成装置はよりいっそう高価である。したがって、続く実施性能を考慮して最終的なコストはしばしば使用者にとって思いとどまらせるものとなる。
【００１９】
言い換えれば、混成装置の高いコストは、それらの産業上の発展における少なからぬ不利益となり、これは従来のレーザー溶接装置またはアーク溶接装置と比較して結果として起こりうる改良された実施性能にもかかわらずそうなる。
【００２０】
それゆえ、これらの知見から本発明の目的は、そのコストが、電気アークをＣＯ_２タイプまたはＮｄ：ＹＡＧタイプのレーザー源により射出されるレーザービームと併用する従来の混成方法と比較して実施性能を過剰に制限しないという産業的な観点から受け入れることができる混成溶接装置および方法を提供することにある。
【００２１】
したがって本発明は、溶接される金属被加工品または複数の被加工品に少なくとも１つの溶接継手を製造することにより互いに接合されるべき１つまたはそれ以上の前記金属被加工品の混成溶接のための方法に関し、前記溶接継手は、少なくとも１つのレーザービームおよび少なくとも１つの電気アークを使用することにより得られ、この工程において前記レーザービームは、パワーダイオードレーザー装置により発生される。
【００２２】
この場合に従えば、本発明の方法は、以下の特徴を１つまたはそれ以上含み得る。すなわち、
−被加工品の２つの長手エッジは、溶接チューブまたは溶接パイプを得るために互いに溶接される、
−２つの異なる金属被加工品は、エッジからエッジまで溶接される、
−被加工品のエッジまたは端部は、他のもう１つの被加工品の表面に溶接される、すなわち、重ね溶接の操作が行われる、
−レーザービームは０．８０８μｍから０．９４０μｍまでの間の波長を有する、
−レーザービームは、少なくとも１つの光ファイバを経て溶接ヘッドに正確に伝達される、
−継手を溶接するときに、製造される前記溶接継手の少なくとも一部を含む溶接領域の少なくとも一部が、体積で７０％と等しいかそれよりも多くの量のアルゴンおよび／またはヘリウム、および体積で０％から３０％までの量のＨ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２およびＮ_２のうちから選択される少なくとも１つの添加物からなるガス混合物により形成される少なくとも１つの保護雰囲気で保護される、
−溶接される被加工品または複数の被加工品は、被覆鋼板または非被覆鋼板、特に構造用鋼、炭素鋼、表面上に亜鉛合金コーティングを有する鋼、ステンレス鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金、および高降伏強度鋼から選択される金属または金属合金からできている、
−電気アークはプラズマアークである、
−電極は消耗式（ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅ）または非消耗式（ｎｏｎ−ｃｏｎｓｕｍａｂｌｅ）である、
−電気アークはレーザービームおよび前記アークの両者が、単一の溶接ヘッドから射出されるプラズマ−アークトーチにより射出される、
−金属被加工品は異なる厚みを有し、特に金属被加工品は裁断素材である、
−特に、裁断素材の作製が意図されている場合、互いに接合される金属被加工品は、同一または異なる厚みおよび／または同一または異なる化学組成および／または同一または異なる冶金学的等級（ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ ｇｒａｄｅ）を有する、
−溶接される被加工品は、車体エレメントの少なくとも一部を構成することが意図された裁断素材である、
−溶接される２つのエッジは、チューブまたはパイプの２つの長手方向のエッジであり、その溶接は、軸状またはらせん状の溶接である。
【００２３】
本発明はまた、金属被加工品または複数の被加工品に少なくとも１つの溶接継手、この溶接継手は少なくとも１つのレーザービームと少なくとも１つの電気アークとを使用することにより得られるものであることを製造することにより互いに接合される１つまたはそれ以上の前記金属被加工品を溶接するための溶接装置であって、電気アークを発生するための少なくとも１つの電極と、レーザービームを発生するための少なくとも１つのレーザー装置とを具備し、このレーザー装置はパワーダイオードタイプであることを特徴とする。
【００２４】
好ましくは、電極およびレーザーヘッドは、同じオリフィスを経由して電気アークとレーザービームを射出する単一の溶接ヘッドに組み込まれる。
【００２５】
固体ダイオードレーザー源は、通常パワーダイオードレーザーと呼ばれ、半導体電子工業からもたらされるダイオードのスタックからなる素子である。
【００２６】
各構成成分またはダイオードは、２０ワットから５０ワットの最大出力を有するビームを放射する。ダイオードスタックからの種々のビーム出力は、数ミリメートルの角形の焦点を与えるために光学的に処理され、また組み合わされる。
【００２７】
到達されるエネルギー密度は、ＣＯ_２レーザーやＮｄ：ＹＡＧレーザーに比較してなお低いが、伝導溶接（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｗｅｌｄｉｎｇ）、すなわち溶接における材料の表面からの熱拡散のためには十分である。
【００２８】
加えて、基本の構成成分、すなわちダイオード出力の増加と焦点サイズの減少は、熱伝導と、キャピラリータイプの伝達様式、すなわち、高温における金属蒸気および保護ガスを含むキャピラリーの生成との間に溶融レジーム媒体（ｍｅｌｔｉｎｇ ｒｅｇｉｍｅ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ）を得ることを可能にし、このようにしてエネルギーを材料の厚さへと伝達する。
【００２９】
したがって一般に同じ電力に対しては、ダイオードレーザーは、溶接速度と被加工品の変形に関してアーク溶接方法とＣＯ_２レーザーやＹＡＧレーザー溶接方法との間にある特徴を有する。
【００３０】
その上、ダイオードレーザーは非常に小型で、限られた質量であるという事実は、それらをロボットまたはその他の何らかの自動化された溶接システムに直ちに利用されるようにする。
【００３１】
一般的には０．８０８μｍから０．９４０μｍまでの間の波長を与えることより、光ファイバーにレーザービームを伝達することが可能となる。
【００３２】
ＣＯ_２レーザーやＮｄ：ＹＡＧレーザーと比較して、パワーダイオードレーザーは４０％の電気効率を有し、すなわち、それらは約４倍だけより効率的である。
【００３３】
約２ｋＷの同じ電力では、ダイオードへの設備投資は、アーク溶接源とほぼ等価であり、したがってＣＯ_２レーザーやＹＡＧレーザー源の設備投資コストよりもずっと低い。
【００３４】
したがって、高出力ダイオードレーザーをＴＩＧ、ＭＩＧ、ＭＡＧまたはプラズマ、好ましくはプラズマ、アーク溶接源と併用することにより、アーク溶接またはレーザー溶接方法だけと比較して、いかなる変形をも制限しながら、生産性、特に溶接速度および溶接され得る厚みの範囲を増加させることができる。
【００３５】
しかしながら、そのような組み合わせは、装置の全体的なコストの障害とはならない、というのは、ダイオードレーザーの利用は、より高い電気効率を保証しながら、ＣＯ_２レーザーやＮｄ：ＹＡＧレーザーを利用する混成装置と比較して設備投資コストおよび操業コストを減らすことができるからである。
【００３６】
その上、全体の設備投資および運転コストに関して、本発明の混成方法は、アーク溶接方法とレーザー溶接方法とのほぼ中間にある。
【００３７】
溶接ヘッドの可能な配置、本発明にしたがう混成溶接、およびガスまたはガス混合物を伝達するための種々の手段により、ガス混合物は、溶接される金属シート（複数のシート）とレーザーおよびアークとの間の相互作用の領域で、それらを創造することができる手段とは無関係に得られるものである。

Claims (14)

1. 溶接される金属被加工品または複数の被加工品に少なくとも１つの溶接継手を製造することにより互いに接合されるべき１つまたはそれ以上の前記金属被加工品の溶接方法であって、前記溶接継手は少なくとも１つのレーザービームおよび少なくとも１つの電気アークを使用することにより得られ、この溶接継手製造工程において前記レーザービームはパワーダイオードレーザー装置により発生されることを特徴とするレーザー／アーク混成溶接方法。
2. 前記レーザービームは、０．８０８μｍから０．９４０μｍまでの間の波長を有することを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記レーザービームは、少なくとも１つの光ファイバを経て溶接ヘッドに正確に伝達されることを特徴とする請求項１または２のいずれか一方に記載の溶接方法。
4. 前記継手を溶接するときに、製造される前記溶接継手の少なくとも一部を含む溶接領域の少なくとも一部が、体積で７０％と等しいかそれよりも多くの量のアルゴンおよび／またはヘリウム、および体積で０％から３０％までの量のＨ_２、Ｏ_２、ＣＯ_２およびＮ_２のうちから選択される少なくとも１つの添加物からなるガス混合物により形成される少なくとも１つの保護雰囲気で保護されることを特徴とする請求項１ないし３のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
5. 前記溶接される被加工品または複数の被加工品は、被覆鋼板または非被覆鋼板、特に構造用鋼、炭素鋼、表面上に亜鉛合金コーティングを有する鋼、ステンレス鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金、および高降伏強度鋼から選択される金属または金属合金からできていることを特徴とする請求項１または２のいずれか一方に記載の溶接方法。
6. 前記電気アークは、プラズマアークであることを特徴とする請求項１、２および５のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
7. 電極は、消耗式または非消耗式であることを特徴とする請求項１ないし６のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
8. 前記電気アークは、前記レーザービームおよび前記アークの両者が単一の溶接ヘッドから射出されるプラズマ−アークトーチにより射出されることを特徴とする請求項１ないし７のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
9. 前記金属被加工品は異なる厚みを有し、特に該金属被加工品は裁断素材であることを特徴とする請求項１ないし８のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
10. 前記互いに接合される金属被加工品は、前記裁断素材の作製が特に意図されている場合、同一または異なる厚みおよび／または同一または異なる化学組成および／または同一または異なる冶金学的等級を有することを特徴とする請求項１ないし９のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
11. 前記溶接される被加工品は、車体エレメントの少なくとも一部を構成することが意図された裁断素材であることを特徴とする請求項１ないし１０のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
12. 溶接される２つのエッジは、チューブまたはパイプの２つの長手方向の該エッジであり、前記溶接は軸状またはらせん状の溶接であることを特徴とする請求項１ないし７のうちのいずれか１項に記載の溶接方法。
13. 金属被加工品または複数の被加工品に少なくとも１つの溶接継手、該溶接継手は少なくとも１つのレーザービームおよび少なくとも１つの電気アークを使用することにより得られるものであることを製造することにより互いに接合される１つまたはそれ以上の前記金属被加工品を溶接するための溶接装置であって、
    電気アークを発生するための少なくとも１つの電極と、
    レーザービームを発生するための少なくとも１つのレーザー装置とを具備し、前記レーザー装置はパワーダイオードタイプであることを特徴とする溶接装置。
14. 前記電極およびレーザーヘッドは、同じオリフィスを経由して電気アークおよびレーザービームを射出する単一の溶接ヘッドに組み込まれていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。