JP2023090821A - Laser-arc hybrid welding device - Google Patents

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Abstract

To provide a laser-arc hybrid welding device capable of securing joining strength, by forming a large welding bead width, while restraining a heat gain per unit area to a joining part.SOLUTION: A laser-arc hybrid welding device 1 has a laser torch 40 and a welding torch 10. The laser torch 40 includes a DOE 41. The DOE 41 is constituted so as to adjust the irradiation energy density distribution of a laser in a laser irradiation area 80. Actually, the DOE 41 is constituted so as to expand the area of an irradiation area as compared with a case of not arranging the DOE 41 in the laser torch 40. The DOE 41 is constituted so that the distribution of irradiation energy density in the irradiation area 80 becomes uniform in the irradiation area 80.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、レーザ及びアークを用いたレーザ・アークハイブリッド溶接装置に関する。 The present disclosure relates to a laser-arc hybrid welding apparatus using a laser and an arc.

特開２００５－４０８０６号公報（特許文献１）は、被溶接材の少なくとも一方が亜鉛メッキ鋼板でありかつ継手部にギャップを有する溶接継手を、アーク発生部にレーザを照射しながら溶接するレーザ照射アーク溶接方法を開示する。この溶接方法では、レーザの照射部がデフォーカスになるように設定される。これにより、亜鉛メッキを幅広く除去して溶融池に亜鉛ガスが混入するのを防止することによりブローホール及びピットの発生を抑制するとともに、溶融金属がギャップ全体に十分に充填される（特許文献１参照）。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-40806 (Patent Document 1) discloses a laser irradiation for welding a welded joint in which at least one of the materials to be welded is a galvanized steel sheet and has a gap in the joint portion while irradiating the arc generating portion with a laser. An arc welding method is disclosed. In this welding method, the laser irradiation portion is set to be defocused. As a result, the galvanization is widely removed to prevent zinc gas from entering the molten pool, thereby suppressing the occurrence of blowholes and pits, and the entire gap is sufficiently filled with molten metal (Patent Document 1). reference).

特開２００５－４０８０６号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-40806

接合部への単位面積あたりの入熱量（以下、単に「入熱量」と称する場合がある。）が多いと、溶接中に生成される溶融池の温度（溶融温度）が高くなり、溶融池の深さ（溶込深さ）も深くなる。このため、溶融池の凝固速度が遅くなり、その結果、溶接に伴ない生成される金属間化合物（たとえば、アルミニウム板と鋼板との溶接時に生成されるアルミニウムと鉄との合金等）の生成量が多くなる。金属間化合物は、母材自体に比べて脆いため、金属間化合物の生成量が多くなると、接合強度が低下する。 When the amount of heat input per unit area to the joint (hereinafter sometimes simply referred to as "heat input") is large, the temperature of the molten pool generated during welding (melting temperature) increases, and the temperature of the molten pool increases. The depth (penetration depth) also increases. For this reason, the solidification speed of the molten pool slows down, and as a result, the amount of intermetallic compounds generated during welding (for example, an alloy of aluminum and iron generated when welding an aluminum plate and a steel plate, etc.) will increase. Since the intermetallic compound is more brittle than the base material itself, the bonding strength decreases when the amount of the intermetallic compound produced increases.

レーザは、通常、照射領域におけるレーザの照射エネルギ密度を最大にするために、照射領域においてフォーカスが合うように調整される。しかしながら、この場合、接合部における入熱量が多くなることにより、上記の問題が発生する可能性がある。一方、入熱量が減少すると、溶接ビードと母材との接合面積が減少し、その結果、接合強度が低下する可能性がある。接合面積の減少による接合強度の低下は、溶接ビード幅を大きくすることで解消可能である。 The laser is typically adjusted to be focused in the illuminated area to maximize the illuminating energy density of the laser in the illuminated area. However, in this case, there is a possibility that the above problem will occur due to the increased amount of heat input at the joint. On the other hand, when the heat input decreases, the bonding area between the weld bead and the base material decreases, and as a result, the bonding strength may decrease. Decrease in joint strength due to reduction in joint area can be eliminated by increasing the weld bead width.

特許文献１に記載の溶接手法は、レーザの焦点をデフォーカスしているので、接合部における入熱量を抑制可能である。しかしながら、照射領域における照射エネルギ密度分布は、通常、照射領域の中央部においてエネルギ強度が最大であり、中央部から遠ざかるに従って強度が低下するので、上記の溶接手法では、中央部から離れた部位において入熱量が不足し、接合強度が不足する可能性がある。中央部から離れた部位において入熱量を確保しようとすれば、中央部における入熱量が増加するため、上述した金属間化合物の生成量増加を招く。 The welding method described in Patent Document 1 defocuses the focus of the laser, so it is possible to suppress the amount of heat input at the joint. However, in the irradiation energy density distribution in the irradiation area, the energy intensity is usually the highest in the central part of the irradiation area, and the intensity decreases as the distance from the central part increases. Insufficient heat input may result in insufficient bonding strength. If an attempt is made to ensure the amount of heat input at a portion distant from the central portion, the amount of heat input at the central portion will increase, leading to an increase in the amount of intermetallic compounds produced as described above.

本開示は、かかる問題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、接合部への単位面積あたりの入熱量を抑制しつつ広い溶接ビード幅を形成して接合強度を確保可能なレーザ・アークハイブリッド溶接装置を提供することである。 The present disclosure has been made to solve such problems, and the purpose of the present disclosure is to suppress the amount of heat input per unit area to the joint and form a wide weld bead width to ensure joint strength. It is to provide a laser-arc hybrid welding device that is more efficient.

本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、レーザ及びアークを用いたレーザ・アークハイブリッド溶接装置であって、接合部に向けてレーザを照射するように構成されたレーザトーチと、接合部との間にアークを発生させるように構成された溶接トーチとを備える。レーザトーチは、レーザが照射される照射領域におけるレーザの照射エネルギ密度分布を調整するように構成された調整機構を含む。調整機構は、レーザトーチに調整機構が設けられない場合に比べて照射領域の面積を拡大するように構成される。調整機構によって調整される照射エネルギ密度の分布は、照射領域の中央部における照射エネルギ密度以上の照射エネルギ密度を有する部位が中央部以外に存在する分布プロフィールを有する。 The laser-arc hybrid welding apparatus of the present disclosure is a laser-arc hybrid welding apparatus using a laser and an arc, and is between a laser torch configured to irradiate a laser toward a joint and the joint. a welding torch configured to generate an arc. The laser torch includes an adjustment mechanism configured to adjust the irradiation energy density distribution of the laser in the irradiation area irradiated with the laser. The adjustment mechanism is configured to expand the area of the irradiation region compared to when the laser torch is not provided with the adjustment mechanism. The distribution of the irradiation energy density adjusted by the adjustment mechanism has a distribution profile in which portions having an irradiation energy density higher than or equal to the irradiation energy density in the central portion of the irradiation region exist outside the central portion.

この溶接装置によれば、上記の調整機構を設けることによって、レーザ照射領域の面積が拡大される。そして、その照射領域における照射エネルギ密度分布が上記のような分布プロフィールを有するので、照射領域の中央部における入熱量を抑制しつつ、中央部以外の部位における入熱量を高めることができる。したがって、接合部への単位面積あたりの入熱量を抑制しつつ広い溶接ビード幅を形成することが可能となる。その結果、接合強度を確保することができる。 According to this welding device, the area of the laser irradiation region is enlarged by providing the adjustment mechanism. Since the irradiation energy density distribution in the irradiation region has the distribution profile as described above, it is possible to suppress the heat input in the central portion of the irradiation region and increase the heat input in portions other than the central portion. Therefore, it is possible to form a wide weld bead width while suppressing the amount of heat input per unit area to the joint. As a result, joint strength can be ensured.

調整機構によって調整される照射エネルギ密度分布は、照射領域において均一であってもよい。 The irradiation energy density distribution adjusted by the adjustment mechanism may be uniform in the irradiation area.

この溶接装置によれば、生成される金属間化合物が一部に集中することのない、品質の高い溶接ビードを形成することができる。 According to this welding apparatus, it is possible to form a high-quality weld bead in which intermetallic compounds produced are not concentrated in one part.

調整機構によって調整される照射エネルギ密度分布は、照射領域の中央部における照射エネルギ密度以上の照射エネルギ密度を有する部位が中央部の周囲に環状に形成された分布プロフィールを有してもよい。 The irradiation energy density distribution adjusted by the adjustment mechanism may have a distribution profile in which a portion having an irradiation energy density higher than the irradiation energy density in the central portion of the irradiation region is formed annularly around the central portion.

この溶接装置によれば、照射領域の中央部における照射エネルギ密度を抑制しつつ、中央部の周囲における照射エネルギ密度を高めることができる。したがって、照射領域の中央部における入熱量を抑制しつつ広い溶接ビード幅を形成することが可能となる。その結果、接合強度を確保することができる。 According to this welding apparatus, it is possible to increase the irradiation energy density around the central portion while suppressing the irradiation energy density in the central portion of the irradiation region. Therefore, it is possible to form a wide weld bead width while suppressing the amount of heat input in the central portion of the irradiation region. As a result, joint strength can be ensured.

調整機構は、照射エネルギ密度分布が上記の分布プロフィールを有するように構成された回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）を含んでもよい。 The adjustment mechanism may include a diffractive optical element (DOE) configured such that the irradiation energy density distribution has the distribution profile described above.

この溶接装置によれば、上記のような回折光学素子を設けるだけで、上記の分布プロフィールを有する照射エネルギ密度分布を照射領域に容易に形成することができる。 According to this welding apparatus, an irradiation energy density distribution having the above-described distribution profile can be easily formed in the irradiation area simply by providing the diffractive optical element as described above.

調整機構は、照射エネルギ密度分布が上記の分布プロフィールを有するように、照射領域においてレーザを走査するように構成されたレーザスキャン装置を含んでもよい。 The adjustment mechanism may include a laser scanning device configured to scan the laser over the irradiation area such that the irradiation energy density distribution has the distribution profile described above.

この溶接装置によれば、レーザスキャン装置を用いて、上記の分布プロフィールを有する照射エネルギ密度分布を照射領域に形成するので、上記の照射エネルギ密度分布を形成する際の自由度が高い。 According to this welding apparatus, since the irradiation energy density distribution having the above distribution profile is formed in the irradiation region using the laser scanning device, the degree of freedom in forming the above irradiation energy density distribution is high.

本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、接合部への単位面積あたりの入熱量を抑制しつつ広い溶接ビード幅を形成して接合強度を確保することができる。 According to the laser-arc hybrid welding apparatus of the present disclosure, it is possible to secure joint strength by forming a wide weld bead width while suppressing the amount of heat input per unit area to the joint.

本開示の実施の形態１に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置の全体構成を示す図である。1 is a diagram showing the overall configuration of a laser-arc hybrid welding apparatus according to Embodiment 1 of the present disclosure; FIG. 実施の形態１におけるレーザトーチの構成を概略的に示す図である。1 is a diagram schematically showing the configuration of a laser torch in Embodiment 1; FIG. ＤＯＥにより加工されるビームパターンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the beam pattern processed by DOE. レーザの照射領域におけるレーザの照射エネルギ密度分布を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a laser irradiation energy density distribution in a laser irradiation region; 重ね継手のすみ肉溶接における接合部の断面の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a cross section of a joint in fillet welding of a lap joint; 実施の形態２におけるレーザトーチの構成を概略的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing the configuration of a laser torch in Embodiment 2; レーザの照射エネルギ密度分布の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of irradiation energy density distribution of a laser.

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.

［実施の形態１］
図１は、本開示の実施の形態１に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置の全体構成を示す図である。図１を参照して、レーザ・アークハイブリッド溶接装置１は、溶接トーチ１０と、溶接ワイヤ２０と、溶接電源装置３０と、レーザトーチ４０と、レーザ発振装置６０とを備える。 [Embodiment 1]
FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a laser-arc hybrid welding apparatus according to Embodiment 1 of the present disclosure. Referring to FIG. 1 , laser-arc hybrid welding apparatus 1 includes welding torch 10 , welding wire 20 , welding power supply 30 , laser torch 40 , and laser oscillator 60 .

このレーザ・アークハイブリッド溶接装置１は、金属同士の接合に用いられ、特に、異材接合の溶接に用いることができる。たとえば、Ａ１０５０等のアルミニウム板と、ＧＩ材やＧＡ材等の溶融亜鉛メッキ鋼板との溶接に、このレーザ・アークハイブリッド溶接装置１を用いることができる。レーザ・アークハイブリッド溶接装置１によって、非溶接材７０の一方と他方とが、たとえば、重ね隅肉溶接継手やフレア溶接継手等によって接合される。 This laser-arc hybrid welding apparatus 1 is used for joining metals, and in particular, can be used for welding dissimilar metals. For example, the laser-arc hybrid welding apparatus 1 can be used for welding an aluminum plate such as A1050 and a hot-dip galvanized steel plate such as GI material or GA material. One side and the other side of the non-weldable material 70 are joined by the laser-arc hybrid welding apparatus 1 by, for example, a lap fillet welded joint or a flare welded joint.

溶接トーチ１０及び溶接電源装置３０は、アーク溶接を行なうための機器である。溶接トーチ１０は、非溶接材７０の接合部に向けて、溶接ワイヤ２０及び図示しないシールドガスを供給する。溶接トーチ１０は、溶接電源装置３０から溶接電流の供給を受け、溶接ワイヤ２０の先端と非溶接材７０の接合部との間にアーク２５を発生させるとともに、溶接部に向けてシールドガス（アルゴンガスや炭酸ガス等）を供給する。 Welding torch 10 and welding power supply 30 are devices for performing arc welding. The welding torch 10 supplies the welding wire 20 and shielding gas (not shown) toward the joint of the non-welding material 70 . Welding torch 10 receives a welding current supplied from welding power supply 30, generates arc 25 between the tip of welding wire 20 and the joint of non-welding material 70, and directs shielding gas (argon gas, carbon dioxide, etc.).

溶接電源装置３０は、アーク溶接を行なうための溶接電圧及び溶接電流を生成し、生成された溶接電圧及び溶接電流を溶接トーチ１０へ出力する。また、溶接電源装置３０は、溶接トーチ１０における溶接ワイヤ２０の送り速度も制御する。 Welding power supply 30 generates a welding voltage and a welding current for performing arc welding, and outputs the generated welding voltage and welding current to welding torch 10 . Welding power supply 30 also controls the feed speed of welding wire 20 in welding torch 10 .

レーザトーチ４０及びレーザ発振装置６０は、レーザによる溶接を行なうための機器である。レーザトーチ４０は、レーザ発振装置６０からレーザ光の供給を受け、非溶接材７０の接合部に向けてレーザを照射する。 The laser torch 40 and the laser oscillation device 60 are devices for performing laser welding. The laser torch 40 is supplied with a laser beam from the laser oscillation device 60 and irradiates the joint portion of the non-welding material 70 with the laser beam.

本開示に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置では、レーザトーチは、非溶接材７０においてレーザが照射される照射領域におけるレーザの照射エネルギ密度の分布を調整する調整機構を含む。本実施の形態１では、調整機構は、レーザトーチ４０に調整機構が設けられない場合に比べてレーザの照射領域の面積を拡大し、かつ、照射領域における照射エネルギ密度分布が略均一となるように、照射領域における照射エネルギ密度分布を調整する。そして、本実施の形態１では、そのような調整機構として、レーザトーチ４０にＤＯＥが設けられる。レーザトーチ４０の構成については、後ほど説明する。 In the laser-arc hybrid welding apparatus according to the present disclosure, the laser torch includes an adjustment mechanism that adjusts the distribution of the irradiation energy density of the laser in the irradiation region of the non-welding material 70 irradiated with the laser. In the first embodiment, the adjustment mechanism enlarges the area of the laser irradiation region compared to the case where the laser torch 40 is not provided with the adjustment mechanism, and makes the irradiation energy density distribution in the irradiation region substantially uniform. , to adjust the irradiation energy density distribution in the irradiation area. In Embodiment 1, a DOE is provided in the laser torch 40 as such an adjustment mechanism. The configuration of the laser torch 40 will be described later.

上記のような調整機構が設けられることにより、接合部への入熱量を抑制しつつ広いビード幅を形成することが可能となる。その結果、接合部の接合強度を確保することができる。以下、この点について詳しく説明する。 By providing the adjustment mechanism as described above, it is possible to form a wide bead width while suppressing the amount of heat input to the joint. As a result, the joint strength of the joint can be ensured. This point will be described in detail below.

上述のように、接合部への入熱量（単位面積あたりの入熱量）が多いと、溶融池の凝固速度が遅くなることにより、溶接に伴なって生成される金属間化合物の生成量が多くなる。たとえば、アルミニウム板と亜鉛メッキ鋼板との溶接を行なう場合、溶接によりアルミニウムと鉄との合金（ＦｅＡｌ、Ｆｅ3Ａｌ、Ｆｅ2Ａｌ5、ＦｅＡｌ3等）である金属間化合物が接合部に生成され、接合部への入熱量が多いほどその生成量が多くなる。このような金属間化合物は、母材に比べて脆いため、金属間化合物の生成量が多くなると、接合強度が低下する。 As described above, when the amount of heat input to the joint (the amount of heat input per unit area) is large, the rate of solidification of the molten pool slows down, resulting in a large amount of intermetallic compounds generated during welding. Become. For example, when an aluminum plate and a galvanized steel plate are welded together, intermetallic compounds, which are alloys of aluminum and iron (FeAl, Fe3Al , Fe2Al5 , FeAl3 , etc.), are produced at the joint. , the larger the amount of heat input to the joint, the larger the amount of generation. Since such an intermetallic compound is more fragile than the base material, the bonding strength decreases when the amount of the intermetallic compound produced increases.

レーザは、通常、照射領域における照射エネルギ密度（単位面積あたりの照射エネルギ量）を高めて効果的に部材を溶融するために、照射領域においてフォーカスが合うように焦点が調整される。しかしながら、この場合、照射領域において照射エネルギ密度が最高となる照射領域中央部の入熱量が多くなり、上述のように、金属間化合物の生成量が増加することにより接合強度が低下する可能性がある。 The laser is typically focused in the irradiated area in order to increase the irradiation energy density (amount of irradiation energy per unit area) in the irradiated area and effectively melt the member. However, in this case, the amount of heat input increases in the central portion of the irradiation region where the irradiation energy density is the highest in the irradiation region, and as described above, the amount of intermetallic compounds produced increases, which may reduce the bonding strength. be.

そこで、金属間化合物の生成量を抑制するために入熱量を減少させることが考えられるが、入熱量が減少すると、溶接ビードと母材との接合面積が減少し、その結果、接合強度が低下する可能性がある。接合面積の減少による接合強度の低下は、溶接ビード幅を大きくすることで解消可能である。 Therefore, it is conceivable to reduce the amount of heat input in order to suppress the amount of intermetallic compounds produced. there's a possibility that. Decrease in joint strength due to reduction in joint area can be eliminated by increasing the weld bead width.

照射領域中央部の入熱量を抑制するために、レーザの焦点をデフォーカスすることが考えられる。しかしながら、レーザの照射領域における照射エネルギ密度分布は、通常、照射領域中央部においてエネルギ強度が最大であり、中央部から遠ざかるに従って強度が低下するため、レーザをデフォーカスすると、中央部から離れた部位（照射領域周辺部）における入熱量も抑制される。このため、溶接ビード幅を十分に拡大することができない。このように、レーザをデフォーカスしても、照射領域中央部の入熱量を抑制しつつ溶接ビード幅を拡大することはできない。 In order to suppress the amount of heat input in the central portion of the irradiation region, defocusing of the focus of the laser can be considered. However, the irradiation energy density distribution in the laser irradiation area usually has the highest energy intensity in the center of the irradiation area, and the intensity decreases as the distance from the center increases. The amount of heat input in (periphery of irradiation area) is also suppressed. Therefore, the weld bead width cannot be sufficiently increased. Thus, even if the laser is defocused, the weld bead width cannot be expanded while suppressing the amount of heat input at the central portion of the irradiation region.

そこで、本実施の形態１に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置１では、レーザの照射領域におけるレーザの照射エネルギ密度分布を調整する調整機構がレーザトーチ４０に設けられる。そして、この調整機構によって、調整機構が設けられない場合に比べて照射領域の面積を拡大するとともに、照射領域における照射エネルギ密度分布が均一となるように照射エネルギ密度分布が調整される。なお、均一とは、厳密に一様である必要はなく、たとえば、任意の２点における照射エネルギ密度の差が、照射領域における照射エネルギ密度の平均値の数％以内である場合も、照射エネルギ密度分布が均一であるとする。 Therefore, in the laser-arc hybrid welding apparatus 1 according to the first embodiment, the laser torch 40 is provided with an adjustment mechanism for adjusting the irradiation energy density distribution of the laser in the laser irradiation region. This adjustment mechanism expands the area of the irradiation region compared to the case where no adjustment mechanism is provided, and adjusts the irradiation energy density distribution so that the irradiation energy density distribution in the irradiation region becomes uniform. Note that uniformity does not have to be strictly uniform. Assume that the density distribution is uniform.

このような調整機構が設けられることにより、照射領域の中央部における入熱量を抑制しつつ、広いビード幅を形成することができる。その結果、接合部の接合強度を確保することができる。 By providing such an adjustment mechanism, it is possible to form a wide bead width while suppressing the amount of heat input in the central portion of the irradiation region. As a result, the joint strength of the joint can be ensured.

図２は、実施の形態１におけるレーザトーチ４０の構成を概略的に示す図である。図２を参照して、レーザトーチ４０は、回折光学素子（以下「ＤＯＥ」と称する。）４１と、レンズ４２とを含む。レーザ発振装置６０から出力されたレーザ光は、ＤＯＥ４１及びレンズ４２を通過し、非溶接材７０の照射領域８０に照射される。 FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the laser torch 40 according to Embodiment 1. As shown in FIG. Referring to FIG. 2 , laser torch 40 includes a diffractive optical element (hereinafter referred to as “DOE”) 41 and lens 42 . The laser light output from the laser oscillation device 60 passes through the DOE 41 and the lens 42 and is irradiated onto the irradiation area 80 of the non-welding material 70 .

ＤＯＥ４１は、上記の調整機構に相当するものであり、レーザ発振装置６０から受けるレーザ光を、回折現象を利用して所望のビームパターンに加工する。具体的には、ＤＯＥ４１は、レーザ発振装置６０から受ける入射光を幾何学的に分散し、入射光よりも広幅のビームパターンに加工する。たとえば、図３に示されるように、ＤＯＥ４１は、レーザ発振装置６０から受ける入射光を複数のビーム４３に分散して出力する。なお、この例では、ＤＯＥ４１は、放射状（円形状）にレーザ光を分散させているが、たとえば行列状（長方形或いは正方形）にレーザ光を分散させてもよい。 The DOE 41 corresponds to the adjustment mechanism described above, and processes the laser light received from the laser oscillation device 60 into a desired beam pattern using a diffraction phenomenon. Specifically, the DOE 41 geometrically disperses the incident light received from the laser oscillation device 60 and processes it into a beam pattern wider than the incident light. For example, as shown in FIG. 3, the DOE 41 disperses the incident light received from the laser oscillation device 60 into a plurality of beams 43 and outputs them. In this example, the DOE 41 radially (circularly) disperses the laser light, but may disperse the laser light in a matrix (rectangular or square), for example.

レンズ４２は、ＤＯＥ４１によって加工されたレーザ光を集光して、非溶接材７０に向けて出力する。このようなＤＯＥ４１が設けられることによって、非溶接材７０上の照射領域８０におけるレーザの照射エネルギ密度分布は、照射領域８０において均一となる。 The lens 42 converges the laser beam processed by the DOE 41 and outputs it toward the non-welding material 70 . By providing such a DOE 41 , the laser irradiation energy density distribution in the irradiation region 80 on the non-welding material 70 becomes uniform in the irradiation region 80 .

図４は、照射領域８０におけるレーザの照射エネルギ密度分布を示す図である。図４を参照して、線ｋ１は、レーザトーチ４０にＤＯＥ４１が設けられた本実施の形態１における、照射エネルギ密度分布を示す。線ｋ２は、比較例として、ＤＯＥ４１が設けられない場合の照射エネルギ密度分布を示す。また、線ｋ３は、比較例として、ＤＯＥ４１が設けられない場合であって、かつ、レンズ４２によりレーザの焦点をデフォーカスした場合の照射エネルギ密度分布を示す。 FIG. 4 is a diagram showing the irradiation energy density distribution of the laser in the irradiation region 80. As shown in FIG. Referring to FIG. 4, line k1 indicates the irradiation energy density distribution in Embodiment 1 in which laser torch 40 is provided with DOE 41 . A line k2 indicates an irradiation energy density distribution when the DOE 41 is not provided as a comparative example. A line k3 shows the irradiation energy density distribution when the DOE 41 is not provided and the laser is defocused by the lens 42 as a comparative example.

ＤＯＥ４１が設けられない場合の照射エネルギ密度の分布プロフィール（線ｋ２）については、レンズ４２によりレーザのフォーカスが合わされているので、照射領域の中央部Ｃにおいて鋭いピークを有する。なお、この場合の中央部Ｃにおけるエネルギ密度をＥ１とする。 The irradiation energy density distribution profile (line k2) in the case where the DOE 41 is not provided has a sharp peak in the central portion C of the irradiation area because the laser is focused by the lens 42 . Note that the energy density at the central portion C in this case is E1.

レーザをデフォーカスした場合の照射エネルギ密度の分布プロフィール（線ｋ３）については、デフォーカスされていることにより、照射領域の中央部Ｃにおけるピーク高さはＥ２（Ｅ２＜Ｅ１）に抑えられている。しかしながら、照射領域において、中央部Ｃから遠ざかるに従って照射エネルギ密度が低下する。このため、中央部Ｃから離れた部位の入熱量が不足し、溶接ビード幅を十分に拡大できないために接合強度が不足する可能性がある。 Regarding the distribution profile (line k3) of the irradiation energy density when the laser is defocused, the peak height in the central portion C of the irradiation region is suppressed to E2 (E2<E1) due to the defocusing. . However, in the irradiation area, the irradiation energy density decreases as the distance from the central portion C increases. Therefore, there is a possibility that the joint strength will be insufficient because the amount of heat input to the portion distant from the central portion C will be insufficient and the weld bead width will not be sufficiently widened.

これらに対して、本実施の形態１における照射エネルギ密度の分布プロフィール（線ｋ１）は、レーザトーチ４０にＤＯＥ４１が設けられることによって、照射領域８０において略均一に調整されている。これにより、照射領域８０において、中央部Ｃにおける照射エネルギ密度を抑制しつつ、中央部Ｃから離れた部位（たとえば中央部ＣからＡ１よりも遠い部位）においても、中央部Ｃと略同等の照射エネルギ密度Ｅｃ１を有する。このような照射エネルギ密度の分布プロフィールにより、照射領域８０の中央部Ｃにおける入熱量を抑制しつつ広い溶接ビード幅を形成することができる。その結果、接合部の接合強度を確保することができる。 On the other hand, the irradiation energy density distribution profile (line k1) in Embodiment 1 is adjusted substantially uniformly in the irradiation region 80 by providing the laser torch 40 with the DOE 41 . As a result, in the irradiation region 80, while suppressing the irradiation energy density in the central portion C, even a portion distant from the central portion C (for example, a portion farther than A1 from the central portion C) is irradiated substantially the same as the central portion C. It has an energy density Ec1. With such a distribution profile of the irradiation energy density, it is possible to form a wide weld bead width while suppressing the amount of heat input in the central portion C of the irradiation region 80 . As a result, the joint strength of the joint can be ensured.

図５は、重ね継手のすみ肉溶接における接合部の断面の一例を示す図である。図５を参照して、この例では、非溶接材７０は、ＧＩ材７１と、ＧＩ材７１上に重ねられたアルミニウム板７２とを含む。実線で示される溶接ビード７３は、本実施の形態１に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置１（以下、単に「溶接装置１」と称する場合がある。）を用いてすみ肉溶接を行なった場合の溶接ビードである。一方、比較例として点線で示される溶接ビード７５は、ＤＯＥ４１が設けられていないレーザ・アークハイブリッド溶接装置（以下、「従来タイプの溶接装置」と称する。）を用いてすみ肉溶接を行なった場合の溶接ビードである。 FIG. 5 is a view showing an example of a cross section of a joint in fillet welding of a lap joint. Referring to FIG. 5 , in this example, non-welding material 70 includes GI material 71 and aluminum plate 72 overlaid on GI material 71 . A weld bead 73 indicated by a solid line is welded when fillet welding is performed using the laser-arc hybrid welding apparatus 1 (hereinafter, sometimes simply referred to as "welding apparatus 1") according to the first embodiment. Bead. On the other hand, a weld bead 75 indicated by a dotted line as a comparative example is a case where fillet welding is performed using a laser-arc hybrid welding device (hereinafter referred to as "conventional type welding device") in which the DOE 41 is not provided. is a weld bead.

従来タイプの溶接装置によって溶接が行なわれる場合は、レーザの照射領域が狭く（なお、レーザの照射領域が狭いとアークの幅も狭くなる）、かつ、照射領域中央部の照射エネルギ密度が高いために（図４の線ｋ２）、母材への溶込深さが深く、かつ、母材（ＧＩ材７１）との接触部位７６が狭い溶接ビード７５が形成される。 When welding is performed by conventional welding equipment, the laser irradiation area is narrow (the arc width is also narrow if the laser irradiation area is narrow), and the irradiation energy density is high in the center of the irradiation area. At (line k2 in FIG. 4), a weld bead 75 having a deep penetration depth into the base material and a narrow contact portion 76 with the base material (GI material 71) is formed.

これに対して、溶接装置１によって溶接が行なわれる場合は、レーザ照射領域が広く（レーザの照射領域が広いとアークの幅も広くなる）、かつ、照射領域中央部の照射エネルギ密度を抑えつつ照射領域において照射エネルギ密度が均一化されているために（図４の線ｋ１）、母材への溶込深さが抑制され、かつ、母材との接触部位７４が上記の接触部位７６に対して広い溶接ビード７３が形成される。 On the other hand, when welding is performed by the welding device 1, the laser irradiation area is wide (the wider the laser irradiation area, the wider the arc width), and the irradiation energy density in the central portion of the irradiation area is suppressed. Since the irradiation energy density is uniform in the irradiation region (line k1 in FIG. 4), the depth of penetration into the base material is suppressed, and the contact portion 74 with the base material becomes the contact portion 76 described above. A wide weld bead 73 is formed.

このように、溶接ビード７５に対して、母材への溶込深さが浅く、かつ、母材との接触部位が大きい溶接ビード７３が生成される際の凝固速度は、溶接ビード７５が生成される際の凝固速度よりも速い。したがって、溶接ビード７５における金属間化合物の生成量は、溶接ビード７３における金属間化合物の生成量よりも少ない。また、溶接ビード７３と母材（ＧＩ材７１）との接触部位７４は、溶接ビード７５と母材との接触部位７６よりも大きい。以上により、溶接ビード７５による接合強度は、溶接ビード７３による接合強度よりも高いものとなる。 In this way, the solidification speed when the weld bead 73 having a shallow penetration depth into the base material and a large contact portion with the base material is generated with respect to the weld bead 75 is faster than the solidification rate when Therefore, the amount of intermetallic compounds produced at weld bead 75 is less than the amount of intermetallic compounds produced at weld bead 73 . A contact portion 74 between the weld bead 73 and the base material (GI material 71) is larger than a contact portion 76 between the weld bead 75 and the base material. As described above, the joint strength of the weld bead 75 is higher than the joint strength of the weld bead 73 .

以上のように、この実施の形態１によれば、ＤＯＥ４１が設けられることにより、照射領域８０の中央部における入熱量を抑制しつつ、広い溶接ビード幅を形成することができる。その結果、接合部の接合強度を確保することができる。 As described above, according to the first embodiment, by providing the DOE 41 , it is possible to form a wide weld bead width while suppressing the amount of heat input in the central portion of the irradiation region 80 . As a result, the joint strength of the joint can be ensured.

また、この実施の形態１によれば、ＤＯＥ４１により、照射領域８０における照射エネルギ密度の分布が均一に調整されるので、生成される金属間化合物が一部に集中することのない、品質の高い溶接ビードを形成することができる。 In addition, according to the first embodiment, the DOE 41 uniformly adjusts the distribution of the irradiation energy density in the irradiation region 80, so that the intermetallic compound produced is not concentrated in one part, and the high quality is obtained. A weld bead can be formed.

また、この実施の形態１によれば、調整機構としてＤＯＥ４１を設けるだけで、均一に調整された分布プロフィールを有する照射エネルギ密度分布を照射領域８０に容易に形成することができる。 Moreover, according to the first embodiment, an irradiation energy density distribution having a uniformly adjusted distribution profile can be easily formed in the irradiation region 80 simply by providing the DOE 41 as an adjustment mechanism.

［実施の形態２］
実施の形態１では、ＤＯＥ４１によって、非溶接材７０上の照射領域８０の面積を拡大し、かつ、照射領域８０におけるレーザの照射エネルギ密度分布が均一となるようにした。この実施の形態２では、ＤＯＥに代えて、非溶接材７０に照射されるレーザを非溶接材７０上で走査可能なレーザスキャン装置がレーザトーチに設けられ、レーザスキャン装置によりレーザを走査することによって、実施の形態１と同様の照射領域が形成される。 [Embodiment 2]
In Embodiment 1, the area of the irradiation region 80 on the non-welding material 70 is enlarged by the DOE 41, and the irradiation energy density distribution of the laser in the irradiation region 80 is made uniform. In this Embodiment 2, instead of the DOE, a laser scanning device capable of scanning the non-weldable material 70 with a laser irradiated onto the non-weldable material 70 is provided in the laser torch, and the laser is scanned by the laser scanning device. , an irradiation region similar to that of the first embodiment is formed.

実施の形態２におけるレーザ・アークハイブリッド溶接装置の全体構成は、図１に示したレーザ・アークハイブリッド溶接装置１と同じである。 The overall configuration of the laser-arc hybrid welding apparatus according to the second embodiment is the same as the laser-arc hybrid welding apparatus 1 shown in FIG.

図６は、実施の形態２におけるレーザトーチの構成を概略的に示す図である。図６を参照して、このレーザトーチ４０Ａは、図２に示したレーザトーチ４０において、ＤＯＥ４１に代えて、スキャンミラー４４と、光軸制御装置４５とを含む。 FIG. 6 is a diagram schematically showing the configuration of a laser torch according to Embodiment 2. FIG. 6, this laser torch 40A includes a scan mirror 44 and an optical axis controller 45 instead of the DOE 41 in the laser torch 40 shown in FIG.

スキャンミラー４４及び光軸制御装置４５は、本開示における調整機構に相当するものであり、非溶接材７０上でレーザを走査可能なレーザスキャン装置を構成する。スキャンミラー４４は、レーザ発振装置６０から受けるレーザ光を反射してレンズ４２へ出力する。スキャンミラー４４は、光軸制御装置４５によって向きを変更可能に構成されており、レンズ４２を通じて照射されるレーザ光の照射位置８１を変更することができる。スキャンミラー４４は、たとえば、照射位置８１をＸ方向に変更可能なＸスキャンミラーと、照射位置８１をＹ方向に変更可能なＹスキャンミラーとを含む。 The scan mirror 44 and the optical axis control device 45 correspond to the adjustment mechanism in the present disclosure, and constitute a laser scanning device capable of scanning the non-welding material 70 with a laser. Scan mirror 44 reflects the laser light received from laser oscillation device 60 and outputs it to lens 42 . The scan mirror 44 is configured such that its orientation can be changed by the optical axis control device 45 , and can change the irradiation position 81 of the laser light irradiated through the lens 42 . The scan mirror 44 includes, for example, an X scan mirror that can change the irradiation position 81 in the X direction and a Y scan mirror that can change the irradiation position 81 in the Y direction.

光軸制御装置４５は、スキャンミラー４４の角度を変更する駆動装置と、駆動装置を制御することによってレーザ光の照射位置８１を調整する制御装置とを含む（いずれも図示せず）。駆動装置は、たとえば、Ｘスキャンミラーを回転駆動するＸ軸モータと、Ｙスキャンミラーを回転駆動するＹ軸モータとによって構成される。 The optical axis control device 45 includes a driving device that changes the angle of the scan mirror 44 and a control device that adjusts the irradiation position 81 of the laser light by controlling the driving device (both not shown). The driving device is composed of, for example, an X-axis motor that rotates the X-scan mirror and a Y-axis motor that rotates the Y-scan mirror.

このような構成により、非溶接材７０上でレーザを走査することによって、非溶接材７０上に、図２に示した照射領域８０と同等の照射領域８２を形成することができる。なお、レーザの走査位置とともに、レーザの出力及び走査速度を適宜調整することによって、照射領域８２における照射エネルギ密度の分布プロフィールを図４の線ｋ１のように調整することが可能である。 With such a configuration, by scanning the non-welding material 70 with the laser, an irradiation area 82 equivalent to the irradiation area 80 shown in FIG. 2 can be formed on the non-welding material 70 . By appropriately adjusting the laser output and scanning speed as well as the laser scanning position, it is possible to adjust the distribution profile of the irradiation energy density in the irradiation region 82 as shown by line k1 in FIG.

以上のように、この実施の形態２によっても、実施の形態１と同様の効果が得られる。また、この実施の形態２によれば、スキャンミラー４４及び光軸制御装置４５（レーザスキャン装置）を用いて、所望の分布プロフィールを有する照射エネルギ密度分布を照射領域に形成するので、照射エネルギ密度分布を形成する際の自由度が高い。 As described above, according to the second embodiment as well, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. Further, according to the second embodiment, the scanning mirror 44 and the optical axis control device 45 (laser scanning device) are used to form an irradiation energy density distribution having a desired distribution profile in the irradiation area. High degree of freedom in forming the distribution.

なお、上記の各実施の形態では、ＤＯＥ４１、或いはスキャンミラー４４及び光軸制御装置４５（レーザスキャン装置）によって、照射領域における照射エネルギ密度分布が均一に調整されるものとしたが、照射エネルギ密度は、照射領域において必ずしも均一でなくてもよい。 In each of the above embodiments, the DOE 41 or the scan mirror 44 and the optical axis control device 45 (laser scanning device) are used to uniformly adjust the irradiation energy density distribution in the irradiation area. is not necessarily uniform in the illuminated area.

たとえば、図７に示されるように、レーザの照射領域におけるレーザの照射エネルギ密度の分布は、照射領域の中央部Ｃを中心とする環状であってもよい。或いは、特に図示しないが、中央部Ｃから遠ざかるに従って照射エネルギ密度が高くなるような、すり鉢形状の分布プロフィールであってもよい。照射エネルギ密度の分布は、中央部Ｃにおける照射エネルギ密度以上の照射エネルギ密度を有する部位が中央部Ｃ以外に存在する分布プロフィールを有するものであればよい。このような分布プロフィールにより、中央部Ｃにおける照射エネルギ密度を抑制しつつ、中央部Ｃ以外の部位のエネルギ密度を高めることができる。したがって、照射領域中央部の入熱量を抑制しつつ広い溶接ビード幅を形成することが可能となる。 For example, as shown in FIG. 7, the distribution of the laser irradiation energy density in the laser irradiation area may be annular with the central portion C of the irradiation area as the center. Alternatively, although not particularly shown, it may have a mortar-shaped distribution profile in which the irradiation energy density increases as the distance from the central portion C increases. The distribution of irradiation energy densities may have a distribution profile in which portions having irradiation energy densities higher than or equal to the irradiation energy density in the central portion C exist outside the central portion C. FIG. With such a distribution profile, it is possible to suppress the irradiation energy density in the central portion C and increase the energy density in portions other than the central portion C. FIG. Therefore, it is possible to form a wide weld bead width while suppressing the amount of heat input in the central portion of the irradiation region.

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered to be illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims rather than the description of the above-described embodiments, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims.

１ レーザ・アークハイブリッド溶接装置、１０ 溶接トーチ、２０ 溶接ワイヤ、３０ 溶接電源装置、４０，４０Ａ レーザトーチ、４１ ＤＯＥ、４２ レンズ、４４ スキャンミラー、４５ 光軸制御装置、６０ レーザ発振装置、７０ 非溶接材、７３，７５ 溶接ビード、８０，８２ 照射領域。 1 laser arc hybrid welding device, 10 welding torch, 20 welding wire, 30 welding power supply device, 40, 40A laser torch, 41 DOE, 42 lens, 44 scan mirror, 45 optical axis control device, 60 laser oscillation device, 70 non-welding material, 73, 75 weld bead, 80, 82 irradiated area.

Claims (2)

レーザ及びアークを用いたレーザ・アークハイブリッド溶接装置であって、
接合部に向けてレーザを照射するように構成されたレーザトーチと、
前記接合部との間にアークを発生させるように構成された溶接トーチとを備え、
前記レーザトーチは、レーザが照射される照射領域におけるレーザの照射エネルギ密度の分布を調整するように構成された調整機構を含み、
前記調整機構は、前記レーザトーチに前記調整機構が設けられない場合に比べて前記照射領域の面積を拡大するように構成されており、
前記調整機構によって調整される前記照射エネルギ密度の分布は、前記照射領域の中央部における照射エネルギ密度以上の照射エネルギ密度を有する部位が前記中央部以外に存在する分布プロフィールを有し、
前記調整機構によって調整される前記照射エネルギ密度分布は、前記照射領域において均一である、レーザ・アークハイブリッド溶接装置。 A laser-arc hybrid welding device using a laser and an arc,
a laser torch configured to irradiate a laser toward the joint;
a welding torch configured to generate an arc with the joint;
The laser torch includes an adjustment mechanism configured to adjust the distribution of the irradiation energy density of the laser in the irradiation area irradiated with the laser,
The adjusting mechanism is configured to expand the area of the irradiation region compared to a case where the laser torch is not provided with the adjusting mechanism,
The distribution of the irradiation energy density adjusted by the adjustment mechanism has a distribution profile in which a portion having an irradiation energy density higher than or equal to the irradiation energy density in the central portion of the irradiation region exists outside the central portion;
The laser-arc hybrid welding device, wherein the irradiation energy density distribution adjusted by the adjustment mechanism is uniform in the irradiation area. 前記調整機構は、前記照射エネルギ密度分布が前記分布プロフィールを有するように、前記照射領域において前記レーザを走査するように構成されたレーザスキャン装置を含む、請求項１に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。
2. The laser-arc hybrid welding of claim 1, wherein the adjustment mechanism includes a laser scanning device configured to scan the laser in the irradiation area such that the irradiation energy density distribution has the distribution profile. Device.
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