JP5104945B2 - 複合溶接方法と複合溶接装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の実施の形態1における複合溶接装置を示す模式図である。図1において、レーザ発生部100は、レーザ発振器101とレーザ伝送部102と集光光学系103とで構成される。レーザ発生部100は、第1のレーザビーム13および第2のレーザビーム14を被溶接物6の溶接位置に照射する。集光光学系103は第1のレーザビーム13および第2のレーザビーム14を被溶接物6の溶接位置に集光する。レーザ伝送部102は、光ファイバーやレンズの組み合わせ構造などが用いられる。集光光学系103は、一枚あるいは複数のレンズから構成される。ワイヤ7は、ワイヤ送給部8によってトーチ9を通して被溶接物6の溶接位置に送給される。アーク発生部10は、ワイヤ送給部8を制御する。さらに、アーク発生部10は、トーチ9を通してワイヤ7を被溶接物6の溶接位置に向かって送給し、ワイヤ7と被溶接物6の間に溶接アーク11を発生したり、停止したりするよう制御する。制御部17は、レーザ発生部100とアーク発生部10を制御する。制御部17は、コンピュータや演算機能を有する装置やロボットなどが用いられる。レーザ発振器2は、図示していないが、予め設定した所定の出力値を出力する。また、レーザ発振器2は、制御部17で設定した出力値の信号を受け、それを出力する。さらに、アーク発生部10は、レーザ発生部100と同様に、制御部17によってその出力を制御する。図1に示すように、本実施の形態の複合溶接装置と図13に示す従来の複合溶接装置との違いは、本実施の形態が、レーザ発振器101が、第1のレーザビーム13および第2のレーザビーム14を発生することと、集光光学系103が、第1のレーザビーム13および第2のレーザビーム14を被溶接物6の溶接位置に照射することと、制御部17がこれらを制御することである。
図4は、本発明の実施の形態2における複合溶接方法のレーザ照射位置とワイヤ狙い位置との相関関係を示す模式図である。図4も、図2と同様に側面からみた模式図と上面から見た模式図を上下に並べて示している。図4では、図2に示した実施の形態1と比較して、第2のレーザビーム14の照射方向と照射位置のみが異なり、それ以外は図2と同様である。すなわち、本実施の形態では、第2のレーザビーム14の第2の照射位置Bはワイヤ7の狙い位置Cから所定距離L2だけ離れている。なお、狙い位置Cと第1の照射位置Aと第2の照射位置Bとの順で、直線をなす。狙い位置Cと第1の照射位置Aと第2の照射位置Bがこの順で溶接方向の先から元に向かって溶接線M1M2上に並んでいる。本実施の形態においても、これら3つの位置は直線状に位置する方が実用的である。
図5は、本発明の実施の形態3における複合溶接装置を示す模式図である。本実施の形態の溶接装置は、基本的には図1に示す実施の形態1と同様の構成を有する。図5において、レーザ発生部100は、レーザ発振器101とレーザ伝送部102と集光光学系103から構成される。レーザ発生部100は、第1のレーザビーム13と第2のレーザビーム14とを被溶接物6の溶接位置に照射する。アーク発生部10と被溶接物6との間に接続された電流検出部16は、溶接アーク11が発生するときにワイヤ7と被溶接物6との間に流れる電流のタイミングを検出する。制御部17は、電流検出部16の出力信号を入力して、レーザ発生部100またはアーク発生部10を制御する。電流検出部16はアーク発生部10の中に組み込まれてもよい。また、電流検出部16としては、ホール素子などの検出部を使用してよいが、シャントを使用してもよい。
本実施の形態では、実施の形態1〜3における第1のレーザビーム13の出力値の制限について具体的に説明する。本実施の形態では、第1のレーザビーム13のワイヤ7の照射位置Dにおけるパワー密度をパワー密度許容値以下になるように制限することについて説明する。
但し、ここでは、γは、第1のレーザビーム13のビーム品質と集光光学系103とで決まる定数である。ΔZは、焦点F0と照射点F1との距離で、第1のレーザビーム13のデフォーカス量である。したがって、照射点F1におけるビーム径はφ(ΔZ)と書ける。但し、デフォーカス量ΔZの符号については、照射点F1の座標値ZがプラスのときにはΔZはプラスの値を、座標値ZがマイナスのときにはΔZはマイナスの値を取るものとする。例えば、図10の状態では、ΔZがプラスの値を取る。
但し、ここでは、F1F2=L1・tan(αW)/{cos(αL)・[tan(αL)+tan(αW)]}は、照射点F1と照射点F2との間の距離である。
次に、演算部116は、パワー密度許容値W0とパワー密度演算値WCとを比較する。その結果、パワー密度演算値WCがパワー密度許容値W0より小さいと、演算部116は、出力設定値PSをそのまま出力演算値PCとして、レーザ発振器14に出力すると共に表示部118に出力する。一方、パワー密度演算値WCがパワー密度許容値W0より大きいと、演算部116は、パワー密度許容値W0と照射点F2におけるビーム径φ(F2)から(数式4)を用いて出力演算値PCを算出できる。演算部116は、演算した出力演算値PCをレーザ発振器114に出力すると共に表示部118に出力する。
溶接の際には、レーザ発振器114は演算出力値PCを出力するが、表示部118は演算出力値PCを表示する。なお、実際の溶接では、表示部118を省略しても差し支えない。
7 ワイヤ
8 ワイヤ給送部
9 トーチ
9a 給電チップ
10 アーク発生部
11 溶接アーク
15 溶融池
17 制御部
13 第1のレーザビーム
14 第2のレーザビーム
16 電流検出部
20 ワイヤ端溶滴
100 レーザ発生部
101,114 レーザ発振器
115 レーザ出力設定部
102,102A,102B レーザ伝送部
103 集光光学系
103A,103B 集光光学部品
113 パルスアーク発生部
115 レーザ出力設定部
116 演算部
117 最大パワー密度設定部
118 表示部
119 パルスアーク
Claims (29)
- 被溶接物の溶接位置に第1のレーザビームと第2のレーザビームとを照射しながら前記溶接位置にワイヤを送給して前記被溶接物との間でアーク溶接を行う複合溶接方法であって、
前記第1のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わるように前記第1のレーザビームを前記ワイヤを経由して前記被溶接物の第1の照射位置に照射し、
前記第2のレーザビームを前記ワイヤの中心軸が前記被溶接物と交わる狙い位置から所定の距離だけ離れた前記被溶接物の第2の照射位置に照射し、
前記第1の照射位置と前記第2の照射位置と前記狙い位置とが前記被溶接物の溶接線上に位置し、前記第2のレーザビームを照射して所定の時間を経過してから前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第1のレーザビームを照射する複合溶接方法。 - 前記第1のレーザビームの出力値が、所定の許容値以下に設定された請求項1記載の複合溶接方法。
- 前記第1のレーザビームの出力値が、前記被溶接物の前記第1の照射位置における前記第1のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定される請求項1記載の複合溶接方法。
- 前記第1のレーザビームの出力値が、前記第1のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わる前記ワイヤの照射位置における前記第1のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定される請求項1記載の複合溶接方法。
- 前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第1のレーザビームと前記第2のレーザビームを共に照射する請求項1記載の複合溶接方法。
- 前記狙い位置が前記第1の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向に位置し、前記第2の照射位置が前記狙い位置よりも前記溶接位置の進行方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項1記載の複合溶接方法。
- 前記狙い位置が前記第1の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向に位置し、前記第2の照射位置が前記狙い位置よりも前記溶接位置の進行方向とは反対方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項1記載の複合溶接方法。
- 前記第1のレーザビームの光軸のみ前記ワイヤの中心軸と交わる請求項1記載の複合溶接方法。
- 前記アーク溶接が、パルスMIGアーク溶接である請求項1記載の複合溶接方法。
- 前記被溶接物および前記ワイヤは、共にアルミニウム合金である請求項1記載の複合溶接方法。
- 前記所定値は、前記ワイヤの材質と前記ワイヤの送給速度とによって決められる請求項2記載の複合溶接方法。
- 前記所定値は、前記アルミニウム合金の前記ワイヤに含まれるマグネシウムの量により決められる請求項10記載の複合溶接方法。
- 前記所定値は、前記ワイヤが5000系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第1のレーザビームのパワー密度が0.5から3kW/mm2の範囲になるように設定される請求項4記載の複合溶接方法。
- 前記所定値は、前記ワイヤが4000系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第1のレーザビームのパワー密度が0.5から5kW/mm2の範囲になるように設定される請求項4記載の複合溶接方法。
- 被溶接物の溶接位置に第1のレーザビームおよび第2とのレーザビームを照射するレーザ発生部と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給部と、前記ワイヤおよび前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するアーク発生部と、前記レーザ発生部および前記アーク発生部を制御する制御部とを備え、
前記レーザ発生部は、
前記第1のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わるように前記第1のレーザビームが前記ワイヤを経由して前記被溶接物の第1の照射位置を照射するように配置され、
前記第2のレーザビームが前記ワイヤの中心軸が前記被溶接物と交わる狙い位置から所定の距離だけ離れた前記被溶接物の第2の照射位置を照射するように配置され、
前記第1の照射位置と前記第2の照射位置と前記狙い位置とが前記被溶接物の溶接線上に位置するように配置され、前記制御部は、前記第2のレーザビームを照射して所定の時間を経過してから前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第1のレーザビームを照射する複合溶接装置。 - 前記制御部は、前記第1のレーザビームの出力値を、所定の許容値以下に設定する請求項15記載の複合溶接装置。
- 前記制御部は、前記第1のレーザビームの出力値を、前記被溶接物の前記第1の照射位置における前記第1のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定する請求項15記載の複合溶接装置。
- 前記制御部は、前記第1のレーザビームの出力値を、前記第1のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わる前記ワイヤの照射位置における前記第1のレーザビームのパワー密度が所定の許容値以下になるように設定する請求項15記載の複合溶接装置。
- 前記制御部は、前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークを発生させ、前記アークが発生したことを検知してから前記第1のレーザビームと前記第2のレーザビームを共に照射する請求項15記載の複合溶接装置。
- 前記狙い位置が前記第1の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向に位置し、前記第2の照射位置が前記狙い位置よりも前記溶接位置の進行方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項15記載の複合溶接装置。
- 前記狙い位置が前記第1の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向にあり、前記第2の照射位置が前記第1の照射位置よりも前記溶接位置の進行方向とは反対方向に前記所定の距離だけ離れて位置する請求項15記載の複合溶接装置。
- 前記レーザ発生部は、前記第1のレーザビームの光軸のみ前記ワイヤの中心軸と交わるように配置された請求項15記載の複合溶接装置。
- 前記アーク溶接が、パルスMIGアーク溶接である請求項15記載の複合溶接装置。
- 前記被溶接物および前記ワイヤは、共にアルミニウム合金である請求項15記載の複合溶接装置。
- 前記所定値は、前記ワイヤの材質と前記ワイヤの送給速度とによって決められる請求項16記載の複合溶接装置。
- 前記所定値は、前記アルミニウム合金の前記ワイヤに含まれるマグネシウムの量により決められる請求項18記載の複合溶接装置。
- 前記所定値は、前記ワイヤが5000系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第1のレーザビームのパワー密度が0.5から3kW/mm2の範囲になるように設定される請求項18記載の複合溶接装置。
- 前記所定値は、前記ワイヤが4000系のアルミニウム合金からなる場合に、前記第1のレーザビームのパワー密度が0.5から5kW/mm2の範囲になるように設定される請求項18記載の複合溶接装置。
- 被溶接物の溶接位置に第1のレーザビームおよび第2のレーザビームを照射するレーザ発生部と、トーチを介して前記溶接位置にワイヤを送給するワイヤ送給部と、前記ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するパルスアーク発生部と、前記レーザ発生部および前記パルスアーク発生部を制御する制御部と、前記レーザ発生部における前記第1のレーザビームの出力を設定するレーザ出力設定部と、前記第1のレーザビームの所定位置における最大パワー密度許容値を設定する最大パワー密度設定部と、前記第1のレーザビームのパワー密度演算値を演算する演算部とを備え、
前記レーザ発生部は、
前記第1のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸が交わるように前記第1のレーザビームが前記ワイヤを経由して前記被溶接物の第1の照射位置を照射するように配置され、
前記第2のレーザビームが前記ワイヤの中心軸が前記被溶接物と交わる狙い位置から所定の距離だけ離れた前記被溶接物の第2の照射位置を照射するように配置され、
前記第1の照射位置と前記第2の照射位置と前記狙い位置とが前記被溶接物の溶接線上に位置するように配置され、
前記演算部は、
前記レーザ出力設定部が設定した出力設定値と、前記最大パワー密度設定部が設定したパワー密度許容値と、前記第1のレーザビームを集光する際の焦点における集光径と、前記第1のレーザビームの焦点を原点とし前記第1のレーザビームの伝搬方向の光軸を座標軸とした任意の座標値におけるビーム径と、前記第1のレーザビームが前記被溶接物の第1の照射点を照射するときのデフォーカス量と、前記被溶接物の表面における前記第1のレーザビームの第1の照射点から前記ワイヤの狙い点までのレーザ・ワイヤ間距離と、前記第1のレーザビームの光軸の前記被溶接物の表面に対するレーザ傾斜角度と、前記ワイヤの中心軸の前記被溶接物の表面に対するワイヤ傾斜角度とからなるパラメータを用いて演算を行い、前記パラメータから算出した前記第1のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わるレーザ照射点における前記パワー密度演算値が、前記パワー密度許容値を超えたときに、前記パワー密度許容値と前記パラメータとを用いて出力演算値を演算し前記レーザ発生部に出力することにより、
前記第1のレーザビームの光軸と前記ワイヤの中心軸とが交わる点における前記第1のレーザビームのパワー密度を前記パワー密度許容値以下になるようにして溶接を行う複合溶接装置。
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