JP2016059936A - レーザアークハイブリッド溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブローホールなどの溶接欠陥の発生を抑制することが可能なレーザアークハイブリッド溶接方法の提供。【解決手段】アーク溶接１２０とレーザ溶接１１０を用いて、第１被溶接体である第１ワーク１１と第２被溶接体である第２ワーク１２との当接面１３を深溶込溶接するレーザアークハイブリッド溶接方法において、アーク溶接１２０とレーザ溶接１１０を同一線上にて行い、レーザ溶接１１０に用いるレーザ光１１１の焦点の位置が当接線Ｌの幅方向に周期性を持たせて変位させながら溶接を行う。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザアークハイブリッド溶接を用いて被溶接体である金属を溶接する際に、溶接部におけるブローホールなどの溶接欠陥の発生を抑制する技術に関する。

レーザ溶接は、レーザビームを被溶接物である金属板などの被溶接箇所に対して照射し、溶接する技術である。その特性上、溶接幅の狭い精密な溶接が可能であることや、深溶込溶接が可能であることから、利用分野が拡大している。そして近年、レーザ装置の高出力化や高効率化、高性能化が進展したことから、各産業界ではレーザ溶接・接合法の適用が急速に進んでいる。また、レーザアークハイブリッド溶接など溶接の手法については様々な研究がなされている。

特許文献１には、レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置に関する技術が開示されている。被溶接箇所に沿って溶接用レーザビームＡと溶接用レーザビームＢを相対的に移動させてなるレーザ溶接方法において、溶接用レーザビームＡと溶接用レーザビームＢの焦点の位置を溶接深度方向に振動させて溶接を行う。焦点の位置を変更するために、可変形ミラーを用いている。レーザの焦点の位置が変化することで、照射するエネルギー密度を変化させ、溶融深度を変化させることが可能となる。この結果、溶接中に安定したキーホールを生じるレーザ溶接方法を実現可能としている。

特許文献２には、レーザ溶接方法に関する技術が開示されている。出力変調を行うレーザ溶接において、溶融池の固有振動数と一致した周波数でレーザ出力を周期的にパルス変動させて溶接を行う。この結果、ポロシティ、ブローホール、割れなどの溶接欠陥の発生を効果的に防止することが可能となる。

特開２０００−１０７８７６号公報 特開２００２−２２４８６７号公報

しかしながら、レーザ溶接を用いて被溶接材を深溶込溶接しようとする場合、キーホールの深さが深くなるほどブローホールの発生の抑制を実現することは難しくなる。特許文献１に開示される技術は、可変形ミラーを用いて焦点の位置を変更させているが、ピエゾ素子を用いての正確な焦点距離の変更は技術的困難性が伴うものと考えられる。特許文献２に開示される技術は、レーザの出力を振幅させるのにパルス変調を行っているが、パルス変調を行うと出力低下が懸念される。又、レーザの出力の振幅を決める溶融池の固有振動数を測定するのには技術的困難性が伴うものと考えられる。

そこで本発明は、かかる課題を解決すべく、ブローホールなどの溶接欠陥の発生を抑制することが可能なレーザアークハイブリッド溶接方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の一態様によるレーザアークハイブリッド溶接方法は、以下のような特徴を有する。

（１）アーク溶接とレーザ溶接を用いて、第１被溶接体と第２被溶接体との当接面を深溶込溶接するレーザアークハイブリッド溶接方法において、前記アーク溶接と前記レーザ溶接を同一溶接線上にて行い、前記レーザ溶接に用いるレーザの焦点の位置を、前記当接面が形成する当接線上の幅方向に周期性を持たせて変化させること、を特徴とする。

上記（１）に記載の態様により、レーザアークハイブリッド溶接を行う際に発生する溶接欠陥の発生を低減することが可能となる。これは、第１被溶接体と第２被溶接体とが形成する当接線（溶接方向）に対して、例えばレーザ溶接の焦点の位置を所定の幅で振動させつつ溶接方向に移動させていくことで、レーザアークハイブリッド溶接の溶接幅を一定の幅とすることができる。つまり、当接線に対して所定の幅を持った溶接線が形成される。

レーザアークハイブリッド溶接を行う場合、課題に示したような溶融池（金属溶融部分）の脈動（溶融池の幅方向の周期的な変動）が観測される。これは所定の周期性を有しており、固有振動数があるものと考えられる。出願人は、被溶接体に形成される溶融池の幅が増減することで、溶接部分にブローホールが形成されると考え、こうした溶融池の幅が増減しないよう、レーザアークハイブリッド溶接に用いるレーザ溶接の焦点の位置を当接線に対して幅方向に振動させて溶接を行うことを想定した。これにより、溶融池の幅の振幅（変動）を抑えて溶け込み幅を一定にすることができる為、結果的にブローホールの形成を抑制することが可能となる。ブローホールなどの溶接欠陥の発生を抑制する事で、凝固割れなどの抑制を実現出来る。

（２）（１）に記載のレーザアークハイブリッド溶接方法において、前記レーザ溶接の出力を周期的に変調させること、が好ましい。レーザ溶接の位置の変化に加えてレーザ溶接の出力を周期的に変調させることで、より効果的に溶接欠陥の発生の抑制に貢献することができる。

（３）（１）又は（２）に記載のレーザアークハイブリッド溶接において、前記レーザ溶接の光軸の軌跡が、波形を描いていること、が好ましい。溶接線の軌跡が波形を描くことで、より効果的に溶接欠陥の発生の抑制に貢献することができる。

第１実施形態の、レーザアークハイブリッド溶接の側面からの模式図である。 第１実施形態の、被溶接体の斜視断面図である。 第１実施形態の、溶接部分の斜視断面図である。 第１実施形態の、レーザ光の軌跡を示す模式図である。 比較のために用意した、レーザアークハイブリット溶接の実施形態の模式図である。 比較のために用意した、被溶接体の模式斜視断面図である。 比較のために用意した、被溶接体の断面図である。 第２実施形態のレーザ光の軌跡を示す模式図である。

まず、本発明の第１の実施形態について図面を用いて説明を行う。図１に、第１実施形態のレーザアークハイブリッド溶接１００の側面模式図を示す。図２に、被溶接体を当接させた様子を斜視断面図に示す。図３に、溶接部分の斜視断面図を示す。被溶接物１０となる第１ワーク１１と第２ワーク１２は、図２に示される様に突き合わされ保持される。この状態で、第１ワーク１１と第２ワーク１２との間には当接線Ｌができる。この状態で、当接線Ｌに沿ってレーザアークハイブリット溶接を行い、図３に示すような溶接部分１５を形成する。

レーザアークハイブリッド溶接１００は、図１に示される様に、アーク溶接１２０に用いるノズル１２３にワイヤ１２２が供給され、ワイヤ１２２の先端からアーク１２１が飛ぶ。ノズル１２３の先端からは、図示しないシールドガスが噴出されている。一方、アーク溶接１２０に追従して動くレーザヘッド１１２からはレーザ光１１１が照射される。なお、第１実施形態で用いられるレーザは連続発振タイプのファイバーレーザを用いている。以下、単にレーザ溶接１１０とする。図１に示される溶接方向は、図２に示される当接線Ｌに沿っている。

溶接部分１５は、側面から見た場合に図１に示される様に形成され、先端部分は溶融金属からなる溶融池１６が形成される。また、レーザ光１１１の延長線上には図示しないキーホールが形成される。図４に、レーザ光の軌跡を模式図に示す。レーザ光１１１の光軸は、図４に示される様に当接線Ｌに対して等しく振幅するような波形を描くように制御される。具体的にはレーザ光１１１の光軸を移動させるために、図示しない集光レンズを操作したり、伝達系にガルバノミラーを用いたりする。この結果、当接線Ｌに対して光軸軌跡ＷＬが揺動するような形でレーザ光１１１の光軸を移動させ、ウィービングさせて溶接を行う。なお、レーザ光１１１の振幅は１〜５ｍｍ程度としている。また、必要に応じてアーク溶接１２０をウィービングさせても良い。

第１実施形態は上記構成のレーザアークハイブリッド溶接１００による溶接方法であるため、以下に示す作用及び効果を奏する。

まず、効果として、ブローホールなどの溶接欠陥の発生を抑制することが可能である点が挙げられる。これは、アーク溶接１２０を先行させレーザ溶接１１０を後行させて、第１被溶接体である第１ワーク１１と第２被溶接体である第２ワーク１２との当接面１３を深溶込溶接するレーザアークハイブリッド溶接方法において、当接面１３が形成する当接線Ｌの上を、アーク溶接１２０とレーザ溶接１１０を同一線上にて行い、レーザ溶接１１０に用いるレーザ光１１１の焦点の位置が当接線Ｌの幅方向に周期性を持たせて変位させながら溶接を行う構成となっているためである。

図５に、比較のために用意した、レーザアークハイブリット溶接の実施形態の模式図を示す。図５では、レーザの焦点の位置を幅方向に変化させずに溶接を行っている。図６に、図５のレーザアークハイブリッド溶接方法で溶接された被溶接体の模式斜視断面図を示す。図７に、被溶接体の断面図を示す。図７は図６のＡＡ断面図である。比較例では、レーザ溶接１１０とアーク溶接１２０とを当接線Ｌに沿って移動させ、溶接している。溶接速度は０．６ｍ／ｍｉｎ程度とした。この結果、図６に示される様な、ブローホール２０が形成される。図６のＡＡ断面を示す図７では、ブローホール２０が周期的に形成されていることが確認できる。特許文献１や特許文献２ではこの周期性に着目してそれを打ち消すような周期での出力変動や焦点距離の変更を行っているが、課題で示したように実現は困難である上に、材料特性によっても変化が認められる。

そこで、第１実施形態では、レーザ溶接１１０及びアーク溶接１２０の光軸軌跡ＷＬを、当接線Ｌを軸として等しく振幅するような波形が描かれるように移動させている。この光軸軌跡ＷＬは例えば正弦波や余弦波形状であっても良い。こうすることで、溶接部分１５に生じる脈動を抑え、安定して連続した湯流れを得ることができる。図１と図５では、溶融池１６の周囲に形成される熱影響層１６ａ（線で表されているが、実際には所定の厚みが形成される）の間隔が異なっている。これは、即ち図７に示すような周期ｘの脈動が発生して湯流れが不安定になっている状況を、第１実施形態の構成によって、即ちレーザ溶接１１０の光軸軌跡ＷＬを図４に示すような軌跡を描いて移動させることで、改善している為である。

具体的には、図７に示すように溶融池の幅３Ｈｚの周期（１秒間に３回の脈動が発生）で脈動しているとすると、溶接部分に凝固ムラができ、これが結果的に図６に示すようなブローホール２０を形成する。そこで、図４に示すような光軸軌跡ＷＬを描く、即ちレーザ溶接１１０及びアーク溶接１２０の位置変動を行うことで５〜１０Ｈｚの振動を与える。変動幅は前述した通り１〜５ｍｍ程度。図３に示す溶接部分１５の幅、つまり溶接線の幅は約１５ｍｍ程度になるため、その３割程度の幅でレーザ光１１１を振幅させている。

溶接時の溶け込み幅変化は、被溶接物１０の素材によっても異なった発現の仕方をすることが確認されており、材料特有の周期を持っていると推察される。しかし、その周期とは無関係に所定の幅でレーザ光１１１の焦点の位置を変位させることで、溶接時の溶け込み幅を均一化させ、溶接部分１５にブローホール２０が形成されることを防ぐことが可能となる。

つまり、溶融池１６に安定した大きな脈動が発生するのを抑制する事で、連続した湯流れを安定的に得ることが可能となり、ブローホール２０の形成を防ぐことが可能である。よって、レーザアークハイブリッド溶接１００による第１ワーク１１及び第２ワーク１２の溶接において、ブローホール２０の様な溶接欠陥の発生を抑制する事ができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態の構成とほぼ同じであるが、光軸軌跡ＷＬが図４に示した形態とは異なる。以下に説明を行う。

図８に、第２実施形態の、レーザ光の軌跡を模式図に示す。第２実施形態では、レーザヘッド１１２及びノズル１２３の位置を、図８に示すような略コイル状の軌跡を描くように移動させている。振幅は１〜５ｍｍ程度としている。この結果、光軸軌跡ＷＬが図８に示すような軌跡を描いて形成される。この結果、第１実施形態と同様の効果が得られる。ただし、第２実施形態の光軸軌跡ＷＬはクロスする部分がある分、溶接速度が低下するが、代わりにより品質を安定させることができる。

この理由として、溶融池１６の深部の溶け込み幅（ビード幅）が広くなり、溶け込み不良が発生しにくくなることが影響していると考えられる。また、溶融金属の流れの周期をコントロールすることができ、ブローホール２０の発生を抑制できることや、溶融金属の流れの周期をコントロールすることができ、均一な深部の溶け込み幅（ビード幅）を得ることができる為、凝固割れを抑制出来ることも理由として考えられる。無論、第１実施形態と第２実施形態の何れの手法を選ぶかは、被溶接物１０の材質等に応じて適宜判断されるべきである。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。第３実施形態は、第１実施形態の構成とほぼ同じであるが、レーザヘッド１１２より照射するレーザ光１１１の出力を変動させる点で異なる。レーザ光１１１の出力変動は、レーザ発信器の外部変調入力を用いて行っている。出力変調は７５％〜１２５％程度の範囲で行っている。

図４又は図８に示したような光軸軌跡ＷＬの軌跡を描く他に、レーザヘッド１１２より照射するレーザ光１１１の出力を変調させることで、より溶接部分１５の形成に大きな刺激を与えることが可能となる。第１実施形態や第２実施形態のようなレーザ光１１１の位置を変位させるだけでなく、レーザ光１１１の出力を変調させることで、よりきめ細かい湯流れの制御が可能となる。

以上、本発明に係るレーザアークハイブリッド溶接の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。説明の都合上、第１実施形態乃至第３実施形態では被溶接物１０を第１ワーク１１と第２ワーク１２との突き合わせ溶接としているが、被溶接物１０の形態はこれに捕われる必要は無い。つまり、第１ワーク１１と第２ワーク１２との形状が異なり、例えば鋼管にキー材を溶接するような形態であっても本発明の適用が可能である。

また、レーザ光１１１の振幅や出力変動幅に関しても、例示される数字に関わらず適宜変更することを妨げない。また、第１実施形態乃至第３実施形態では、アーク溶接１２０を先行させ、レーザ溶接１１０を後行させて溶接を行っているが、この順番を入れ替えても本発明の適用は可能である。

１０ 被溶接物
１１、１２ 第１ワーク、第２ワーク
１３ 当接面
１５ 溶接部分
１６ 溶融池
１６ａ 熱影響層
２０ ブローホール
１００ レーザアークハイブリッド溶接
１１０ レーザ溶接
１１１ レーザ光
１１２ レーザヘッド
１２０ アーク溶接
１２１ アーク
１２２ ワイヤ
１２３ ノズル
Ｌ 当接線
ＷＬ 光軸軌跡
ｘ 脈動幅

Claims (3)

1. アーク溶接とレーザ溶接を用いて、第１被溶接体と第２被溶接体との当接面を深溶込溶接するレーザアークハイブリッド溶接方法において、
   前記アーク溶接と前記レーザ溶接を同一溶接線上にて行い、
   前記レーザ溶接に用いるレーザの焦点の位置を、前記当接面が形成する当接線上の幅方向に周期性を持たせて変化させること、
   を特徴とするレーザアークハイブリッド溶接方法。
2. 請求項１に記載のレーザアークハイブリッド溶接方法において、
   前記レーザ溶接の出力を周期的に変調させること、
   を特徴とするレーザアークハイブリッド溶接方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載のレーザアークハイブリッド溶接において、
   前記レーザ溶接の光軸の軌跡が、波形を描いていること、
   を特徴とするレーザアークハイブリッド溶接方法。

Images