JP2011062737A - 複合溶接装置および複合溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ギャップ尤度を向上できると共に、スパッタの発生を抑制できる複合溶接装置および複合溶接方法を提供すること。
【解決手段】レーザ溶接およびアーク溶接が組み合わされるので、溶接速度が速い場合でも均一なビードを形成できる。また、溶接進行方向の前後に並設されアーク溶接を行う第１電極４ａ及び第２電極４ｃと、それらのねらい位置を母材Ｗ同士の当接部に移動させるか、又は溶接進行方向からみて母材Ｗ間のギャップの中心線の右側および左側に移動させる移動手段７，８とを備えているので、ギャップがない場合は溶着金属の幅を狭くし、ギャップがある場合は溶着金属の幅を広げることができる。その結果、母材Ｗ間を溶着金属で満たすことができ、溶接欠陥の発生を防止できる。よって、ギャップ尤度を向上できる。さらに、アークを揺動させないので、アークの指向性を安定させることができ、スパッタの発生を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合溶接装置および複合溶接方法に関し、特に、ギャップ尤度を向上できると共に、スパッタの発生を抑制できる複合溶接装置および複合溶接方法に関するものである。

従来より、レーザ溶接とアーク溶接とを組み合わせた複合溶接装置が用いられている。この複合溶接装置によれば、レーザ溶接とほぼ同等の溶接速度が得られ、さらにアーク溶接の補完効果により、均一なビードの形成が期待される。

しかしながら、突合せ溶接や隅肉溶接がされる母材は、面が湾曲したり端部がうねったりしているので、溶接進行方向で母材間にギャップ（突合せ溶接におけるルート間隔や、隅肉溶接における母材間の隙間）が不規則に生じていた。このため、ギャップの大きな箇所（最大３ｍｍ程度）では、母材間が溶着金属で満たされずに溶接欠陥が生じることがあった。即ち、ギャップ尤度（ギャップの許容範囲）が低かった。

そこで、レーザ溶接とアーク溶接との複合溶接において、進行方向に交差する左右方向にアークを揺動させて溶接を行う技術が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示される技術では、アークを揺動させることによって溶着金属の幅を広げ、これによりギャップ尤度の向上を図っている。

特開２００６−２２４１３０号公報

しかしながら、上述した従来の技術のようにアークを揺動させると、アークが左または右に移動している間は、アークが引きずられて反進行方向に傾くため、アーク長が長くなる。一方、アークの移動が一時停止する止端（母材の面とビードの表面とが交わる点）ではアークの引きずりがなくなるため、アーク長が短くなる。このようにアークを揺動させることにより、アークの傾きやアーク長が短時間で変化するため、アークの指向性が乱れて液滴が飛散し、スパッタが生じ易いという問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、ギャップ尤度を向上できると共に、スパッタの発生を抑制できる複合溶接装置および複合溶接方法を提供することを目的としている。

この目的を達成するために、請求項１記載の複合溶接装置は、レーザ溶接およびアーク溶接が組み合わされるものであり、溶接進行方向の前後に並設され前記アーク溶接を行う第１電極および第２電極と、それら第１電極および第２電極のねらい位置を母材同士の当接部に移動させるか、又は前記第１電極および前記第２電極のねらい位置を溶接進行方向からみて母材間のギャップの中心線の右側および左側に移動させる移動手段とを備えている。

請求項２記載の複合溶接装置は、請求項１記載の複合溶接装置において、前記第１電極および前記第２電極のねらい位置の前記中心線からの離間量に応じて、前記アーク溶接の溶加材の送給速度を変化させる溶加材送給手段を備えている。

請求項３記載の複合溶接装置は、請求項１又は２に記載の複合溶接装置において、前記母材間のギャップを検出するギャップ検出装置を備え、前記移動手段は、前記ギャップ検出装置によって検出されるギャップに応じて前記第１電極および前記第２電極のねらい位置の前記中心線からの離間量を変化させる。

請求項４記載の複合溶接装置は、請求項３記載の複合溶接装置において、前記ギャップ検出装置により検出されるギャップの有無を判断するギャップ判断手段と、前記ギャップ判断手段によりギャップがないと判断される場合に、前記移動手段を作動させて前記第１電極および前記第２電極のねらい位置を母材同士の当接部に移動させる第１ねらい位置調整手段と、前記ギャップ判断手段によりギャップがあると判断される場合に、前記移動手段を作動させて前記第１電極および前記第２電極のねらい位置を溶接進行方向からみて前記中心線の右側および左側に移動させる第２ねらい位置調整手段とを備えている。

請求項５記載の複合溶接装置は、請求項１から４のいずれかに記載の複合溶接装置において、前記第１電極および前記第２電極を保持する電極保持部と、その電極保持部の前記第１電極と前記第２電極との間に溶接線と直交して配設される回動中心軸とを備え、前記移動手段は、前記回動中心軸の回りに前記電極保持部を溶接進行方向に対して所定の角度回動させる回動角調整装置を備えている。

請求項６記載の複合溶接方法は、レーザ溶接およびアーク溶接を組み合わせて母材同士を溶接する複合溶接方法において、溶接進行方向の前後に並設されて前記アーク溶接を行う第１電極および第２電極のねらい位置を、溶接進行方向からみて前記母材間のギャップの中心線の右側および左側に移動させる移動工程と、その移動工程によって移動された前記第１電極および前記第２電極により溶接を行う溶接工程とを備えている。

請求項１記載の複合溶接装置によれば、レーザ溶接およびアーク溶接が組み合わされるので、溶接速度が速い場合でも均一なビードを形成できる。さらに、溶接進行方向の前後に並設されアーク溶接を行う第１電極および第２電極と、それら第１電極および第２電極のねらい位置を母材同士の当接部に移動させるか、又は第１電極および第２電極のねらい位置を溶接進行方向からみて母材間のギャップの中心線の右側および左側に移動させる移動手段とを備えているので、第１電極および第２電極のねらい位置をギャップに応じて変えることができる。これにより、母材間にギャップがない場合は溶着金属の幅を狭くし、母材間にギャップがある場合は溶着金属の幅を広げることができる。その結果、ギャップがある場合でも母材間を溶着金属で満たすことができ、溶接欠陥の発生を防止できる。よって、ギャップ尤度を向上できる効果がある。

さらに、アークを揺動させないので、アークの傾きやアーク長の変化がほとんどなく、アークの指向性を安定させることができる。よって、スパッタの発生を抑制できる効果がある。

請求項２記載の複合溶接装置によれば、請求項１記載の複合溶接装置の奏する効果に加え、第１電極および第２電極のねらい位置の中心線からの離間量に応じて、アーク溶接の溶加材の送給速度を変化させる溶加材送給手段を備えているので、ギャップが大きな場合は溶加材の送給速度を上げることにより、溶接速度を低下させることなく溶着金属の体積を増加させて、溶着不良が生じることを防止できる。よって、溶接速度を低下させることなくギャップ尤度を向上できる効果がある。

請求項３記載の複合溶接装置によれば、請求項１又は２に記載の複合溶接装置の奏する効果に加え、母材間のギャップを検出するギャップ検出装置を備え、移動手段は、ギャップ検出装置によって検出されるギャップに応じて第１電極および第２電極のねらい位置の中心線からの離間量を変化させるので、ギャップに応じて第１電極および第２電極を自動で誘導して母材を溶接できる効果がある。

請求項４記載の複合溶接装置によれば、請求項３記載の複合溶接装置の奏する効果に加え、ギャップ検出装置により検出されるギャップの有無を判断するギャップ判断手段と、ギャップ判断手段によりギャップがないと判断される場合に、移動手段を作動させて第１電極および第２電極のねらい位置を母材同士の当接部に移動させる第１ねらい位置調整手段とを備えているので、ギャップがないと判断される場合は溶着金属の幅を狭くすることができる。さらに、ギャップ判断手段によりギャップがあると判断される場合に、移動手段を作動させて第１電極および第２電極のねらい位置を溶接進行方向からみて中心線の右側および左側に移動させる第２ねらい位置調整手段を備えているので、ギャップがあると判断される場合は溶着金属の幅を広げることができる。これにより、簡単な制御でギャップ尤度を向上できるという効果がある。

請求項５記載の複合溶接装置によれば、請求項１から４のいずれかに記載の複合溶接装置の奏する効果に加え、第１電極および第２電極を保持する電極保持部と、その電極保持部の第１電極と第２電極との間に溶接線と直交して配設される回動中心軸とを備え、移動手段は、回動中心軸の回りに電極保持部を溶接進行方向に対して所定の角度回動させる回動角調整装置を備えているので、回動角調整装置によって電極保持部を所定の角度回動させることで、第１電極および第２電極のねらい位置を溶接進行方向からみて母材間のギャップの中心線の右側および左側に移動させることができる。このように、電極保持部を回動する角度を変えるだけで、第１電極および第２電極を溶接進行方向からみて左右に同時に移動させることができる。これにより、第１電極および第２電極を別々に移動させる場合と比較して、装置構成や制御を簡素化できる効果がある。

請求項６記載の複合溶接方法によれば、レーザ溶接およびアーク溶接が組み合わされるので、溶接速度が速い場合でも均一なビードを形成できる。さらに、溶接進行方向の前後に並設されてアーク溶接を行う第１電極および第２電極のねらい位置を、母材間のギャップの中心線の右側および左側に移動させる移動工程と、移動された第１電極および第２電極により溶接を行う溶接工程とを備えているので、母材間にギャップがある場合でも母材間を溶着金属で満たすことができ、溶接欠陥の発生を防止できる。よって、ギャップ尤度を向上できる効果がある。さらに、アークを揺動させないので、アークの傾きやアーク長の変化がほとんどなく、アークの指向性を安定させることができる。よって、スパッタの発生を抑制できる効果がある。

第１実施の形態における複合溶接装置を模式的に示した模式図である。 （ａ）は第１電極および第２電極のねらい位置を母材同士の当接部とした平面視による模式図であり、（ｂ）は第１電極および第２電極のねらい位置を溶接進行方向からみて母材間のギャップの中心線の右側および左側とした平面視による模式図であり、（ｃ）は第１電極および第２電極のねらい位置を溶接進行方向からみて母材間のギャップの中心線の右側および左側とした側面視による模式図である。 離間量制御装置の電気的構成を示したブロック図である。 離間量制御処理を示すフローチャートである。 第２実施の形態における複合溶接装置を模式的に示した模式図である。 （ａ）は第１電極および第２電極のねらい位置を母材同士の当接部とした平面視による模式図であり、（ｂ）は第１電極および第２電極のねらい位置を溶接進行方向からみて母材間のギャップの中心線の右側および左側とした平面視による模式図である。 離間量制御装置の電気的構成を示したブロック図である。 離間量制御処理を示すフローチャートである。 第３実施の形態における複合溶接装置において第１電極および第２電極のねらい位置を溶接進行方向からみて母材間のギャップの中心線の右側および左側とした平面視による模式図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、添付図面を参照して説明する。まず、複合溶接装置１について説明する。図１は第１実施の形態における複合溶接装置１を模式的に示した模式図である。まず、複合溶接装置１の概略構成について説明する。図１に示すように複合溶接装置１は、図示しないレールに案内され母材Ｗと所定間隔を保ちつつ母材Ｗに沿って移動可能に構成された装置本体２と、装置本体２に保持されたレーザ照射部３と、装置本体２に保持されたアーク発生部４とを主に備えて構成されている。なお、本実施の形態においては、装置本体２の移動方向は図１左右方向であり、溶接進行方向を矢印で示している。

レーザ照射部３は、母材Ｗに向かってレーザ光Ｂを照射する部位であり、レーザ光を発生させるレーザ発振器３ａと、レーザ発振器３ａが光ファイバ３ｂによって接続されたレーザヘッド３ｃとを主に備えて構成されている。レーザヘッド３ｃは、レーザヘッド３ｃに内蔵された図示しないレンズによってレーザ光を集光し、集光された高エネルギのレーザ光Ｂを母材に向かって照射する。

アーク発生部４は、母材Ｗとの間でアークを発生させる部位であり、第１電極４ａを保持する第１トーチ４ｂと、第２電極４ｃを保持する第２トーチ４ｄとを主に備えて構成されている。第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄは、溶加材Ｍ１，Ｍ２、溶接電流およびシールドガスの供給を行う部材であり、溶接進行方向の前後に並設されている。これにより、第１電極４ａ及び第２電極４ｃは溶接進行方向の前後に並設される。

なお、本実施の形態においては、第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄは９０°未満のトーチ角度で装置本体２に配設されている。また、第１電極４ａ及び第２電極４ｃは消耗電極であり、第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄに送給された溶加材Ｍ１，Ｍ２が第１電極４ａ及び第２電極４ｃとしてはたらく。溶加材Ｍ１，Ｍ２は、第１溶加材送給装置５及び第２溶加材送給装置６によって第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄにそれぞれ送給される。

第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄは、装置本体２に保持された第１電極移動装置７及び第２電極移動装置８に固定されている。第１電極移動装置７及び第２電極移動装置８は溶接進行方向と略直交する方向（図１紙面垂直方向）に水平に伸縮可能に構成されている。これにより、第１電極移動装置７及び第２電極移動装置８を伸縮させて第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄを移動させ、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を変えることができる。また、第１電極４ａ及び第２電極４ｃを水平に移動させるので、第１電極４ａ及び第２電極４ｃと母材Ｗとの距離が変わることがなく、アーク長を一定に保つことができる。

また、本実施の形態においては、第１電極４ａ及び第２電極４ｃが保持される第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄは、溶接進行方向に対してレーザヘッド３ｃの後方に配設されている。第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄが溶接進行方向に対してレーザヘッド３ｃの前方に配設されると、アークによって母材Ｗに形成される溶融池にレーザ光が照射されることとなり、溶融池の溶着金属が飛散し、ビードに穴があいたりブローホールが生じたりする不具合が生じ易くなる。しかし、複合溶接装置１は、第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄがレーザヘッド３ｃの後方に配設されているので、これら不具合の発生が抑制され、均一なビードを形成できる。

次に、図２を参照して、第１電極移動装置７及び第２電極移動装置８によって移動される第１電極４ａ及び第２電極４ｃについて説明する。図２（ａ）は第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を母材Ｗ同士の当接部Ｔとした平面視による模式図であり、図２（ｂ）は第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を溶接進行方向からみて母材Ｗ間のギャップＧの中心線ｃの右側および左側とした平面視による模式図であり、図２（ｃ）は第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を溶接進行方向からみて母材Ｗ間のギャップＧの中心線ｃの右側および左側とした側面視による模式図である。なお、図２では、第１トーチ４ｂ、第２トーチ４ｄ及びレーザヘッド３ｃの軸方向の長さの図示が省略されている。また、本実施の形態では突合せ溶接の場合について説明する。

上述したように、第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄは第１電極移動装置７及び第２電極移動装置８により溶接進行方向と略直交する方向にそれぞれ移動される。これにより、第１電極移動装置７及び第２電極移動装置８を作動させて、図２（ａ）に示すように、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を母材Ｗ同士の当接部Ｔに移動させることができる。なお、レーザヘッド３ｃによるレーザ光Ｂの照射位置も、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置と同様に母材Ｗ同士の当接部Ｔである。

なお、図２（ａ）に示す状態は、母材Ｗ同士が当接されて母材Ｗ間にギャップＧ（ルート間隔）が存在しない状態である。この場合、母材Ｗ同士の当接部Ｔは母材Ｗ間のギャップＧの中心線ｃ（図２（ｂ）、図２（ｃ）参照）と一致する。従って、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置のギャップＧの中心線ｃからの離間量は０である。このように、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を母材Ｗ同士の当接部Ｔに移動させることにより（ギャップＧの中心線ｃからの離間量を０とすることにより）、溶着金属の幅を狭くすることができる。これにより、母材Ｗの厚さ方向に溶着金属を深く溶け込ませることができると共に、余盛の小さな均一なビードを得ることができる。

また、第１電極移動装置７及び第２電極移動装置８を作動させて、図２（ｂ）に示すように、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を溶接進行方向からみて、母材Ｗ間のギャップＧの中心線ｃの右側および左側に移動させることができる。なお、レーザヘッド３ｃによるレーザ光Ｂの照射位置は、母材Ｗ間のギャップＧの中心線ｃ上である。

ここで、図２（ｃ）を参照して、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置について説明する。図２（ｃ）に示すように、母材Ｗ間のギャップ（ルート間隔）をＡ（単位はｍｍ）、ギャップの中心線ｃから第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置までの離間量をｓ（単位はｍｍ）として、離間量ｓをＡ／４とすることができる。離間量ｓをＡ／４とすることにより、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置をギャップＧの中心線ｃから母材Ｗの端面までの中間位置とすることができ、母材Ｗ間に溶着金属をムラなく満たすことができる。但し、この離間量（Ａ／４）に限定するものではなく、適宜設定できる。

以上のように、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置をギャップＧの中心線ｃの右側および左側に移動させることにより、溶着金属の幅を広くすることができる。これにより、母材Ｗ間のギャップＧに溶着金属を満たすことができ、溶接欠陥の発生を防止できる。よって、ギャップ尤度を向上できる。

なお、第１溶加材送給装置５及び第２溶加材送給装置６は、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置の中心線ｃからの離間量ｓに応じて、溶加材Ｍ１，Ｍ２の送給速度を変化させることができる。離間量ｓが大きくなるにつれ（即ちギャップＡが大きくなるにつれ）、第１溶加材送給装置５及び第２溶加材送給装置６による溶加材Ｍ１，Ｍ２の送給速度を速くすることにより、溶接速度を低下させることなく溶着金属の体積を増加させて、溶着不良が生じることを防止できる。これにより、溶接速度を低下させることなく（３ｍ／分以上の溶接速度を維持したまま）ギャップ尤度を向上できる。

図１に戻って説明する。複合溶接装置１は、溶接進行方向に対してレーザ照射部３及びアーク発生部４の前方に位置するように装置本体２に配設されたギャップ検出センサ９ａを備えている。ギャップ検出センサ９ａはギャップＡを検出するデバイスである。本実施の形態では、ギャップ検出センサ９ａは光学式センサで構成され、母材Ｗに向かってレーザ光Ｂ１を発生するレーザ発振器９ａ１と、母材Ｗで反射したレーザ光（反射光Ｂ２）を透過する一方、アーク光等による波長の一部を遮断するフィルタ９ａ２と、フィルタ９ａ２を透過した反射光Ｂ２を集光するレンズ９ａ３と、レンズ９ａ３により集光された反射光Ｂ２を受光する受光器９ａ４とを主に備えて構成されており、図示しない揺動装置によって、母材Ｗ同士の当接部Ｔ（図２（ａ）参照）や母材Ｗ間のギャップＧ（図２（ｂ）参照）に直交する方向に揺動される。これにより、レーザ光Ｂ１の照射位置は当接部ＴやギャップＧを横断して変位し、受光器９ａ４はその照射位置における反射光Ｂ２を検出する。母材Ｗの表面と、当接部ＴやギャップＧとは、照射されたレーザ光Ｂ１の反射面が異なるので、受光器９ａ４による反射光Ｂ２の検出位置が異なる。その結果、ギャップ検出センサ９ａは、レーザ光Ｂ１の照射位置と、それに対応する反射光Ｂ２とを検出することにより、当接部ＴやギャップＧの位置やギャップＡ（大きさ）を検出することができる。

離間量制御装置１０は、上述したように構成される複合溶接装置１の各部を制御するための装置であり、例えば、ギャップ検出センサ９ａが検出するギャップＡに応じて第１電極移動装置７や第２電極移動装置８、第１溶加材送給装置５や第２溶加材送給装置６を作動制御する。また、ギャップ検出センサ９ａが検出するギャップＡや当接部Ｔの位置に応じて図示しない移動装置を作動制御し、図示しないレールに対して装置本体２自体を上下左右に移動させ、装置本体２の上下左右の位置を変化させる。これにより母材Ｗ間の適正箇所を溶接できる。

次いで、図３を参照して、離間量制御装置１０の詳細構成について説明する。図３は、離間量制御装置１０の電気的構成を示したブロック図である。離間量制御装置１０は、図３に示すように、ＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２及びＲＡＭ１３を備え、それらがバスライン１４を介して入出力ポート１５に接続されている。また、入出力ポート１５には、第１溶加材供給装置５等の装置が接続されている。

ＣＰＵ１１は、バスライン１４により接続された各部を制御する演算装置であり、ＲＯＭ１２は、ＣＰＵ１１により実行される制御プログラム（例えば、図４に図示されるフローチャートのプログラム）や固定値データ等を格納した書き換え不能な不揮発性のメモリである。ＲＡＭ１３は、制御プログラムの実行時に各種のデータを書き換え可能に記憶するためのメモリである。

ギャップ検出装置９は、溶接される母材Ｗ間のギャップＡを検出すると共に、その検出結果をＣＰＵ１１に出力するための装置であり、ギャップＡを検出する上述したギャップ検出センサ９ａと、そのギャップ検出センサ９ａの検出結果を処理してＣＰＵ１１に出力する出力回路（図示せず）とを主に備えている。なお、図３に示す他の入出力装置１７としては、例えば、作業者が入力することにより第１電極移動装置７や第２電極移動装置８を作動させるペンダント（携帯ユニット）などが例示される。

次いで、図４を参照して離間量制御処理について説明する。図４は離間量制御処理を示すフローチャートである。この処理は、離間量制御装置１０の電源が投入されている間、ＣＰＵ１１によって繰り返し（例えば、１ｍｓ間隔で）実行される処理であり、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を調整することで、ギャップ尤度を向上させると共にスパッタの発生を抑制する。

ＣＰＵ１１は離間量制御処理に関し、まず、母材Ｗ間のギャップＡ（図２（ｃ）参照）を取得する（Ｓ１）。なお、この処理は、上述したようにギャップ検出センサ９ａ（図１参照）及びギャップ検出装置９（図３参照）を用いて行われる。ＣＰＵ１１は取得したギャップＡを、装置本体２の位置データと関連付けてＲＡＭ１３に記憶させる。ギャップＡを装置本体２の位置データと関連付けてＲＡＭ１３に記憶させるのは、ギャップ検出センサ９は溶接進行方向に対し第１電極４ａ及び第２電極４ｃに先行して配置されているので、ギャップＡを検出した位置に第１電極４ａ及び第２電極４ｃが達するまでのタイムラグを考慮するためである。

装置本体２が母材Ｗに沿って移動し、Ｓ１の処理でギャップＡを取得した位置に第１電極４ａが達すると、ＣＰＵ１１は、ギャップＡが所定範囲内（本実施の形態においては０〜１ｍｍ）かを判断する（Ｓ２）。その結果、ギャップＡが所定範囲内である（ギャップが存在しない又は小さい）と判断される場合には（Ｓ２：Ｙｅｓ）、ＣＰＵ１１は第１電極移動装置７及び第２電極移動装置８を作動して、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置のギャップＧの中心線ｃ（又は母材Ｗ同士の当接部Ｔ）（図２参照）からの離間量ｓを０に設定する（Ｓ３）。次いで、第１溶加材送給装置５及び第２溶加材送給装置６による溶加材Ｍ１，Ｍ２の送給速度を初期値ａ（但し、ａは溶接速度や溶接電流などによって決まる正の定数である。）に設定して（Ｓ４）、この離間量制御処理を終了する。

即ち、ギャップが存在しないか小さい場合（本実施の形態では１ｍｍ未満）は、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置のギャップＧの中心線ｃ（又は母材Ｗ同士の当接部Ｔ）からの離間量を０に設定しつつ、母材Ｗに沿って装置本体２を移動させてレーザ溶接およびアーク溶接を行うことにより、溶着金属の幅を狭くすることができる。これにより、母材Ｗの厚さ方向に溶着金属を深く溶け込ませることができると共に、余盛の小さな均一なビードを得ることができる。また、ギャップが存在しないか小さい場合（本実施の形態では１ｍｍ未満）は、微小な移動制御を行うことなく離間量を０に設定することにより、制御の簡素化を図ることができる。

一方、Ｓ２の処理の結果、ギャップＡが所定範囲内にない（ギャップＡが大きい）と判断される場合には（Ｓ２：Ｎｏ）、ＣＰＵ１１は第１電極移動装置７及び第２電極移動装置８を作動して、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を溶接進行方向からみて、ギャップの中心線ｃの右側および左側に移動させると共に、中心線ｃからの離間量ｓをＡ／４に設定する（Ｓ５）。次いで、第１溶加材送給装置５及び第２溶加材送給装置６による溶加材Ｍ１，Ｍ２の送給速度を、離間量ｓに応じた値（本実施の形態ではａ＋ｂ・ｓ。但し、ｂは溶接速度や溶接電流などにより決まる正の定数である。）に設定して（Ｓ４）、この離間量制御処理を終了する。

即ち、ギャップＡが所定範囲内にない場合（本実施の形態では１ｍｍ以上）は、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置のギャップＧの中心線ｃからの離間量ｓをＡ／４に設定し、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を溶接進行方向からみてギャップＧの中心線ｃの右側および左側に移動させた後（以上、移動工程）、この状態で母材Ｗに沿って装置本体２を移動させてレーザ溶接およびアーク溶接を行うことにより（以上、溶接工程）、溶着金属の幅を広くすることができる。これにより、母材Ｗ間のギャップＧに溶着金属を満たすことができ、溶接欠陥の発生を防止できる。よって、ギャップ尤度を向上できる。

また、第１トーチ４ｂや第２トーチ４ｄ（図１参照）を揺動させないので、アークの傾きやアーク長の変化がほとんどなく、アークの指向性を安定させることができる。よって、スパッタの発生を抑制できる。

さらに溶加材Ｍ１，Ｍ２の送給速度を、離間量ｓに応じて初期値ａよりも大きな値（ａ＋ｂ・ｓ）とすることにより、溶接速度を低下させることなく溶着金属の体積を増加させて、溶着不良が生じることを防止できる。これにより、溶接速度を低下させることなくギャップ尤度を向上できる。

次に、図５から図８を参照して第２実施の形態について説明する。図５は第２実施の形態における複合溶接装置１００を模式的に示した模式図である。第１実施の形態では、第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄが第１電極移動装置７及び第２電極移動装置８によってそれぞれ移動される場合を説明したが、第２実施の形態では、電極保持部１０１に保持された第１電極４ａ及び第２電極４ｃが一体的に移動される場合について説明する。なお、第１実施の形態と同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略し、後述第３実施の形態についても同様とする。

複合溶接装置１００は、図５に示すように、第１電極４ａを備える第１トーチ４ｂと、第２電極４ｃを備える第２トーチ４ｄとを保持する電極保持部１０１を備えている。電極保持部１０１は母材Ｗと略垂直（図５上下方向）に配設された回動中心軸１０２（図６参照）を備え、複合溶接装置１００は、回動中心軸１０２の回りに電極保持部１０１を溶接進行方向に対して所定の角度回動させる回動角調整装置１０３（図７参照）を備えている。

次に、図６を参照して、回動角調整装置１０３によって移動される第１電極４ａ及び第２電極４ｃについて説明する。図６（ａ）は第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を母材Ｗ同士の当接部Ｔとした平面視による模式図であり、図６（ｂ）は第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を溶接進行方向からみて母材Ｗ間のギャップＧの中心線ｃの右側および左側とした平面視による模式図である。なお、図６では、第１トーチ４ｂ、第２トーチ４ｄ及びレーザヘッド３ｃの軸方向の長さの図示、第１電極４ａ、第２電極４ｃ、第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄが傾斜している図示が省略されている。また、本実施の形態では突合せ溶接の場合について説明する。

上述したように、第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄは電極保持部１０１に保持されており、回動中心軸１０２の回りに電極保持部１０１を溶接進行方向に対して所定の角度回動させることにより一体的に移動される。図６（ａ）に示すように、回動中心軸１０２は第１電極４ａの軸と第２電極４ｃの軸とを結ぶ直線の中点に、溶接線（溶接される箇所であり、当接部ＴやギャップＧの中心線ｃと一致する。）と直交して配設されている。これにより、回動角調整装置１０３（図７参照）を作動させて、図６（ａ）に示すように、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を母材Ｗ同士の当接部Ｔに移動させることができる。なお、レーザヘッド３ｃによるレーザ光Ｂの照射位置も、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置と同様に母材Ｗ同士の当接部Ｔである。

このように、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を母材Ｗ同士の当接部Ｔに移動させつつ（ギャップＧの中心線ｃからの離間量を０としつつ）、母材Ｗに沿って装置本体２を移動させてレーザ溶接およびアーク溶接を行うことにより、第１実施の形態で説明したように、溶着金属の幅を狭くすることができる。これにより、母材Ｗの厚さ方向に溶着金属を深く溶け込ませることができると共に、余盛の小さな均一なビードを得ることができる。

また、回動角調整装置１０３（図７参照）を作動させて、図６（ｂ）に示すように、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を溶接進行方向からみて、母材Ｗ間のギャップＧの中心線ｃの右側および左側に移動させることができる。なお、レーザヘッド３ｃによるレーザ光Ｂの照射位置は、母材Ｗ間のギャップＧの中心線ｃ上である。

ここで、図６（ｂ）を参照して、電極保持部１０１の回動角θについて説明する。図６（ｂ）に示すように、母材Ｗ間のギャップ（ルート間隔）をＡ（単位はｍｍ）、ギャップＧの中心線ｃから第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置までの離間量ｓ（単位はｍｍ）をＡ／４とする。また、回動中心軸１０２から第１電極４ａ及び第２電極４ｃの軸までの距離をそれぞれＬとする（図６（ａ）参照）。この場合、ｓｉｎ^−１｛ｓ／Ｌ｝＝θ（以下「式（１）」と称す）の関係となるので、式（１）から回動角θを求めることができる。

以上のように、溶接進行方向に対して電極保持部１０１を回動中心軸１０２の回りに回動角θだけ回動させて、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置をギャップＧの中心線ｃの右側および左側に移動させ（以上、移動工程）、この状態で母材Ｗに沿って装置本体２を移動させてレーザ溶接およびアーク溶接を行うことにより（以上、溶接工程）、溶着金属の幅を広くすることができる。これにより、母材Ｗ間のギャップＧに溶着金属を満たすことができ、溶接欠陥の発生を防止できる。よって、ギャップ尤度を向上できる。

また、電極保持部１０１の回動角θを変えるだけで、第１電極４ａ及び第２電極４ｃを溶接進行方向からみてギャップＧの中心線ｃの左右に同時に移動させることができ、その離間量ｓも回動角θによって一義的に定めることができる。これにより、第１電極４ａ及び第２電極４ｃを別々に移動させる場合と比較して、装置構成や制御を簡素化できる。さらに、母材Ｗの表面と平行な水平面を電極保持部１０１が回動できるので、第１電極４ａ及び第２電極４ｃと母材Ｗとの距離が変わることがなく、アーク長を一定に保つことができる。

次いで、図７を参照して、離間量制御装置１０の詳細構成について説明する。図７は、離間量制御装置１０の電気的構成を示したブロック図である。離間量制御装置１０は、図７に示すように、ＣＰＵ１１、ＲＯＭ１２及びＲＡＭ１３を備え、それらがバスライン１４を介して入出力ポート１５に接続されている。また、入出力ポート１５には、回動角調整装置１０３等の装置が接続されている。

次いで、図８を参照して離間量制御処理について説明する。図８は離間量制御処理を示すフローチャートである。ＣＰＵ１１は離間量制御処理に関し、まず、母材Ｗ間のギャップＡ（図６（ｂ）参照）を取得する（Ｓ１）。次いで、ＣＰＵ１１は取得したギャップＡに基づき回動角θを算出する（Ｓ１１）。なお、回動角θは、上述したように式（１）から算出される。ＣＰＵ１１は算出した回動角θを、装置本体２の位置データと関連付けてＲＡＭ１３に記憶させる。回動角θを装置本体２の位置データと関連付けてＲＡＭ１３に記憶させるのは、第１実施の形態と同様に、ギャップ検出センサ９ａがギャップＡを検出した位置に第１電極４ａ及び第２電極４ｃが達するまでのタイムラグを考慮するためである。

装置本体２が母材Ｗに沿って移動し、Ｓ１の処理でギャップＡを取得した位置に第１電極４ａが達すると、ＣＰＵ１１は回動角調整装置１０３（図７参照）を作動して電極保持部１０１（図６（ｂ）参照）を回動角θだけ回動させる（Ｓ１２）。これにより、ギャップＡに応じて、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置のギャップＧの中心線ｃからの離間量ｓをＡ／４に設定できる。

次いで、ＣＰＵ１１は第１溶加材送給装置５及び第２溶加材送給装置６による溶加材Ｍ１，Ｍ２の送給速度をａ＋ｍ・θ（但し、ｍは溶接速度や溶接電流などによって決まる正の定数である。）に設定して（Ｓ１３）、この離間量制御処理を終了する。

即ち、ギャップＡが大きくなるにつれ電極保持部１０１の回動角θを大きくすることにより、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置のギャップＧの中心線ｃ（又は母材Ｗ同士の当接部Ｔ）からの離間量ｓを大きくできる。これにより、母材Ｗ間にギャップＧがない場合やギャップＡが小さい場合は溶着金属の幅を狭くし、ギャップＡが大きい場合は溶着金属の幅を広げることができる。その結果、ギャップＡに関わらず母材Ｗ間を溶着金属で満たすことができ、溶接欠陥の発生を防止できる。よって、ギャップ尤度を向上できる。

さらに、ＣＰＵ１１は第１溶加材送給装置５及び第２溶加材送給装置６による溶加材Ｍ１，Ｍ２の送給速度をａ＋ｍ・θに設定し、回動角θに応じて溶加材Ｍ１，Ｍ２の送給速度を上げるので、溶接速度を低下させることなく溶着金属の体積を増加させて、溶着不良が生じることを防止できる。よって、溶接速度を低下させることなくギャップ尤度を向上できる。

次に、図９を参照して第３実施の形態について説明する。図９は第３実施の形態における複合溶接装置２００において、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置を溶接進行方向からみて母材Ｗ１，Ｗ２間のギャップＧの中心線ｃの右側および左側とした平面視による模式図である。第２実施の形態では、電極保持部１０１に保持された第１電極４ａ及び第２電極４ｃの軸と回動中心軸１０２との距離がいずれもＬであり、第１電極４ａの軸と第２電極４ｃの軸とを結ぶ中点に回動中心軸１０２が配設された場合について説明したが、第３実施の形態では、第１電極４ａの軸寄りに回動中心軸２０２が配設された場合について説明する。なお、第２実施の形態と同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。

複合溶接装置２００の電極保持部２０１に配設された回動中心軸２０２は、図９に示すように、第１電極４ａの軸と第２電極４ｃの軸とを結ぶ直線上であって、第１電極４ａの軸寄りに配置されている。具体的には、溶接進行方向に先行する第１電極４ａの軸と回動中心軸２０２との距離がＬ１に設定され、第１電極４ａより遅れて進行する第２電極４ｃの軸と回動中心軸２０２との距離がＬ２（但しＬ１＜Ｌ２）に設定されている。

ここで、図９に示すように母材Ｗ１，Ｗ２の端部が湾曲し、さらに母材Ｗ１，Ｗ２間にギャップＧがある場合、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置をギャップＧの中心線ｃの左右に移動させると、ギャップＧに沿って進行する第１電極４ａの軌跡が示す回転半径と第２電極４ｃの軌跡が示す回転半径とに差が生じ、図９では、第２電極４ｃの軌跡が示す回転半径が第１電極４ａの軌跡が示す回転半径より大きくなる。このような場合に第２実施の形態における複合溶接装置１００では、第１電極４ａの軸と第２電極４ｃの軸とを結ぶ中点に電極保持部１０１の回動中心軸１０２が配設されているので、第１電極４ａ又は第２電極４ｃのねらい位置をギャップＧ内とするには、母材Ｗ１，Ｗ２の端部の曲率にもよるが、電極保持部１０１の回動角θを頻繁に調整する必要がある。

これに対し、第３実施の形態における複合溶接装置２００は、先行する第１電極４ａの軸寄りに電極保持部２０１の回動中心軸２０２が配設されているので、第１電極４ａの軌跡が示す回転半径と第２電極４ｃの軌跡が示す回転半径とに差があっても、電極保持部２０１の回動角θを頻繁に調整することなく、第１電極４ａ又は第２電極４ｃのねらい位置をギャップＧ内とすることができる。これにより、電極保持部２０１の回動角θの制御を容易化できる。

なお、図４に示すフローチャート（離間量制御処理）において、請求項２記載の溶加材送給手段としてはＳ４、Ｓ６の処理がそれぞれ相当する。また、請求項４記載のギャップ判断手段としてはＳ２の処理が、請求項４記載の第１ねらい位置調整手段としてはＳ３の処理が、請求項４記載の第２ねらい位置調整手段としてはＳ５の処理がそれぞれ相当する。また、図８に示すフローチャート（離間量制御処理）において、請求項２記載の溶加材送給手段としてはＳ１３の処理が相当する。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、上記実施の形態で挙げた数値（例えば、各構成の数量や寸法等）は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。

上記実施の形態では、装置本体２は図示しないレールに案内されて溶接進行方向に移動する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、マニプレータやロボットによって装置本体２を移動させることも可能である。この場合は、溶接前にマニプレータやロボットにティーチングを行うことにより、多様な形状の母材を溶接できる。

上記実施の形態では、第１電極４ａ及び第２電極４ｃは、ＭＩＧ溶接やＭＡＧ溶接のような消耗電極の場合（溶加材Ｍ１，Ｍ２が第１電極４ａ及び第２電極４ｃとして機能する）について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、ＴＩＧ溶接のような非消耗電極とすることも可能である。この場合は母材と非消耗電極との間に発生したアーク内に溶加材Ｍ１，Ｍ２を送給することで、上記実施の形態と同様の作用が得られる。

上記実施の形態では、溶接進行方向に対してレーザ照射部３がアーク発生部４に先行して配置される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他の配置とすることも可能である。他の配置としては、アーク発生部４をレーザ照射部３に先行して配置、アーク発生部４の第１電極４ａと第２電極４ｃとの間にアーク発生部３を配置することが挙げられる。

移動手段として、上記第１実施の形態では第１電極移動装置７及び第２電極移動装置８を用い、第１電極４ａ及び第２電極４ｃをそれぞれ水平方向に移動させる場合について説明し、上記第２実施の形態では回動角調整装置１０３を用い、第１電極４ａ及び第２電極４ｃを保持した電極保持部１０１を母材Ｗの表面と平行な水平面で回動させる場合について説明したが、必ずしもこれらに限られるものではなく、他の移動手段を用いることも可能である。他の移動手段としては、第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄの上部を回動中心として、第１電極４ａ及び第２電極４ｃをギャップＧの幅方向に揺れ動かすことが挙げられる。この場合は、第１電極４ａ及び第２電極４ｃと母材Ｗの表面との距離が変わるためアーク長が変化するが、垂下特性の溶接電源を用いることにより、アーク長が変化しても溶加材Ｍ１，Ｍ２の溶融量が変わらないようにすることができる。

なお、複数の溶接線を同時に溶接する場合には、上記実施の形態で説明した複合溶接装置1，１００，２００を母材Ｗ間の溶接されるべき箇所（溶接線）に１台ずつ配置すると共に、それら複数の複合溶接装置１，１００，２００の装置本体２同士を連結し、溶接線に沿って同じ速度で進行させることにより、複数の溶接線を一斉に接合することができる。複数の接合線の一斉接合は、例えば、鉄道車両の側構体や屋根構体のパネルを接合する場合に適用できる。

ここで、ギャップの広狭に応じて溶接速度を変化させることによりギャップ尤度を向上させる溶接装置を用いた場合は、ギャップの大きなところが溶接の律速となって溶接速度が低下する。そのため、複数の溶接装置の各々の溶接速度を変化させながら移動させる手段が必要となる。溶接装置を移動させる手段は、溶接装置ごとに必要となる。

これに対し複合溶接装置1，１００，２００は、上記実施の形態で説明したように、ギャップの広狭によらず溶接速度を一定にできるため、各々の溶接線の突合せ部のギャップの状況が異なっていても、複数の装置本体２ごとに移動速度を変える必要がない。そのため、連結した複数の装置本体２を溶接線に沿って移動させる手段を、１台の装置によって構成できる。従って、装置全体を安価に構成できる。さらに、各々の複合溶接装置１，１００，２００は高速溶接が可能であるから、複数の溶接線を一斉に高速溶接でき、溶接作業効率を飛躍的に向上できる。

上記実施の形態では、ギャップ検出センサ９ａが光学式センサの場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、他のセンサとすることも可能である。他のセンサとしては、接触式センサ、非接触式のアークセンサ等が挙げられる。

上記実施の形態では、ギャップ検出装置９を備える場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、ギャップ検出装置９の代わりに作業者が目視でギャップＡを認識し、認識したギャップＡに基づいてペンダント等の携帯用の入力装置を操作して、第１電極移動装置７及び第２電極移動装置８や回動角調整装置１０３を作動させることも可能である。

上記実施の形態では、レーザヘッド３ｃから照射されるレーザ光Ｂの照射位置を、母材Ｗの当接部ＴやギャップＧの中心線ｃ上とする場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、母材Ｗの材質やギャップＡ等によって、レーザヘッド３ｃを回転若しくは揺動させることにより、レーザ光Ｂの照射位置を母材Ｗの当接部ＴやギャップＧの中心線ｃ上からずらすことも可能である。レーザ光Ｂの照射位置を変えることにより、レーザ溶接される領域を広げることができる。

また、レーザヘッド３ｃを溶接進行方向からみて右または左に傾けることにより、レーザ光Ｂの照射角度を傾けることも可能である。これにより、ギャップが広い場合でも、レーザ光がギャップを通り抜けることなく、母材Ｗのギャップ側面に照射されるため、溶接が可能となる。

上記実施の形態では、第１トーチ４ｂ及び第２トーチ４ｄのトーチ角度を９０°未満に設定して、第１電極４ａ及び第２電極４ｃのねらい位置をレーザヘッド３ｃによるレーザ光Ｂの照射位置に近付ける場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、レーザヘッド３ｃを傾けてレーザ光Ｂの照射位置を第１電極４ａや第２電極４ｃのねらい位置に近付けることも可能である。

上記実施の形態では、複合溶接装置１，１００，２００を突合せ溶接に適用した場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、隅肉溶接に適用することも可能である。また、母材Ｗに開先を設けることも可能であるが、本発明の複合溶接装置１，１００，２００は、母材Ｗに開先を設けない場合や狭開先の場合の高速溶接を行う際に特に有効である。開先を設けない場合や狭開先の場合は、ギャップＡの変化によって、母材Ｗの接合に必要な溶着金属量が大きく変化するからである。

１，１００，２００ 複合溶接装置
４ａ 第１電極
４ｃ 第２電極
７ 第１電極移動装置（移動手段）
８ 第２電極移動装置（移動手段）
９ ギャップ検出装置
１０１，２０１ 電極保持部
１０２，２０２ 回動中心軸
１０３ 回動角調整装置（移動手段）
ｃ ギャップの中心線
Ｍ１，Ｍ２ 溶加材
Ｔ 当接部

Claims (6)

1. レーザ溶接およびアーク溶接が組み合わされる複合溶接装置において、
   溶接進行方向の前後に並設され前記アーク溶接を行う第１電極および第２電極と、
   それら第１電極および第２電極のねらい位置を母材同士の当接部に移動させるか、又は前記第１電極および前記第２電極のねらい位置を溶接進行方向からみて母材間のギャップの中心線の右側および左側に移動させる移動手段とを備えていることを特徴とする複合溶接装置。
2. 前記第１電極および前記第２電極のねらい位置の前記中心線からの離間量に応じて、前記アーク溶接の溶加材の送給速度を変化させる溶加材送給手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の複合溶接装置。
3. 前記母材間のギャップを検出するギャップ検出装置を備え、
   前記移動手段は、前記ギャップ検出装置によって検出されるギャップに応じて前記第１電極および前記第２電極のねらい位置の前記中心線からの離間量を変化させる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。
4. 前記ギャップ検出装置により検出されるギャップの有無を判断するギャップ判断手段と、
   前記ギャップ判断手段によりギャップがないと判断される場合に、前記移動手段を作動させて前記第１電極および前記第２電極のねらい位置を母材同士の当接部に移動させる第１ねらい位置調整手段と、
   前記ギャップ判断手段によりギャップがあると判断される場合に、前記移動手段を作動させて前記第１電極および前記第２電極のねらい位置を溶接進行方向からみて前記中心線の右側および左側に移動させる第２ねらい位置調整手段とを備えていることを特徴とする請求項３記載の複合溶接装置。
5. 前記第１電極および前記第２電極を保持する電極保持部と、
   その電極保持部の前記第１電極と前記第２電極との間に溶接線と直交して配設される回動中心軸とを備え、
   前記移動手段は、前記回動中心軸の回りに前記電極保持部を溶接進行方向に対して所定の角度回動させる回動角調整装置を備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の複合溶接装置。
6. レーザ溶接およびアーク溶接を組み合わせて母材同士を溶接する複合溶接方法において、
   溶接進行方向の前後に並設されて前記アーク溶接を行う第１電極および第２電極のねらい位置を、溶接進行方向からみて前記母材間のギャップの中心線の右側および左側に移動させる移動工程と、
   その移動工程によって移動された前記第１電極および前記第２電極により溶接を行う溶接工程とを備えていることを特徴とする複合溶接方法。

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