JP6092163B2 - 溶接装置及び溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接装置及び溶接方法に関する。

従来、ＣＯ_２レーザやＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザ等のレーザ発振器を溶接対象に照射するレーザ溶接装置が知られている。レーザ溶接装置は、レーザがビーム状に細く（例えば、φ０．１ｍｍ〜０．６ｍｍ程度）照射されるため、照射方向の溶け込みを深くすることができる利点がある。一方で、レーザ溶接装置は、レーザがビーム状に細く照射されるため、広範な範囲を溶接することができず、開先裕度が狭いという欠点がある。

また、他の溶接装置として、アーク溶接装置が知られている。アーク溶接装置は、電源から得られる電力によって、溶接対象と電極との間にアークを発生させ、そのアーク熱を利用して金属を接合する装置である。アーク溶接装置は、入熱幅が広い一方で溶け込みが浅いという特徴がある。

そして、近年、レーザ溶接装置の欠点である開先裕度の狭さを補うために、アーク溶接装置を組み合わせたレーザ・アークハイブリッド溶接装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１０１２７０号公報

特許文献１に開示されるようなレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、レーザ溶接による溶け込みの深さを実現しつつ、開先裕度を広くすることができる。
しかしながら、特許文献１には、レーザ・アークハイブリッド溶接装置を溶接方向に沿って移動させる際に、どのように溶接方向に交差する平面におけるレーザ照射方向を調整するかについての開示がされていない。
レーザ・アークハイブリッド溶接装置は、溶接方向に沿って移動させる際に、レーザ照射方向を適切に調整しなければ、十分な強度を持った溶接部を形成することができない。例えば、操作者が手動でレーザ照射方向を調整する場合、適切な調整がされない場合がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、溶接対象に対するレーザ溶接部およびアーク溶接部の相対位置を移動させながら溶接方向に沿って溶接する際に、溶接方向に交差する平面におけるレーザ照射方向を適切に調整することが可能な溶接装置及び溶接方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明の参考例に係る溶接装置は、レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器が発振するレーザを溶接対象に照射して溶接を行うレーザ溶接部と、電源に接続された溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部を有するとともに前記溶接ワイヤを前記溶接対象に供給して溶接を行うアーク溶接部と、溶接対象に対する前記レーザ溶接部および前記アーク溶接部の相対位置を溶接方向に沿って移動させる移動機構と、操作者からの指示を受け付け、前記溶接方向に交差する平面における前記レーザ溶接部のレーザ照射方向の設定値を設定する設定部と、駆動源を駆動することにより前記レーザ照射方向が前記設定値に対応する方向となるように調整する照射方向調整部とを備える。

本発明の参考例に係る溶接装置によれば、レーザ溶接部とアーク溶接部とが移動機構によって溶接方向に沿って移動する際に、溶接方向に交差する平面におけるレーザ溶接部のレーザ照射方向が、操作者等が設定した設定値に基づいて照射方向調整部より調整された状態となる。したがって、溶接装置の操作者は、溶接方向に沿ってレーザ溶接部およびアーク溶接部を移動させながら適切なレーザ照射方向を手動で調整する必要がない。

このようにすることで、溶接対象に対するレーザ溶接部およびアーク溶接部の相対位置を移動させながら溶接方向に沿って溶接する際に、溶接方向に交差する平面におけるレーザ照射方向を適切に調整することが可能な溶接装置を提供することができる。

本発明の第１態様の溶接装置は、前記溶接対象が、第１の板材に第２の板材の端面を突き合わせた部分に形成された隅肉溶接部であり、前記設定部は、前記レーザ照射方向が、前記隅肉溶接部に含まれるビード部に存在する亀裂の進展方向となるように前記設定値を設定する。
このようにすることで、隅肉溶接部に含まれるビード部に亀裂が存在する場合に、その進展方向にレーザが照射されるので、ビード部の亀裂の更なる進展を防止することができる。

本発明の第２態様の溶接装置は、前記溶接対象が、第１の板材に第２の板材の端面を突き合わせた部分に形成された隅肉溶接部であり、前記設定部は、前記レーザ照射方向が、前記隅肉溶接部に含まれるビード部に存在する亀裂の進展方向と交差し前記第１の板材と前記第２の板材の未溶着部分に近接した該ビード部に向かう方向となるように前記設定値を設定する。
このようにすることで、溶接部に含まれるビード部に亀裂が存在し、かつ第１の板材と第２の板材の未溶着部分が存在する場合に、ビード部の亀裂の更なる進展を防止しつつ未溶着部分の溶接強度を向上させることができる。

上記第２態様の溶接装置においては、前記設定部は、前記レーザ照射方向が、前記亀裂の進展方向における前記ビード部の両端部を結ぶ直線の中点と交差する方向となるように前記設定値を設定してもよい。
このようにすることで、ビード部の亀裂の中央部分を溶接し、ビード部の亀裂の更なる進展を防止することができる。

本発明の第３態様の溶接装置は、前記溶接対象が、第１の板材に第２の板材の端面を突き合わせた部分に形成された隅肉溶接部であり、前記設定部は、前記レーザ照射方向が、前記第１の板材の前記隅肉溶接部近傍に存在する亀裂の該第１の板材の表面上の位置に向かう方向となるように前記設定値を設定する。
このようにすることで、第１の板材の表面上から進展する亀裂が存在する場合、第１の板材の表面に溶接部を形成して、第１の板材の内部で亀裂が進展することを防止することができる。

上記第３態様の溶接装置において、前記設定部は、前記レーザ照射方向が、前記隅肉溶接部に含まれるビード部に存在する亀裂の進展方向における前記ビード部の両端部を結ぶ直線の中点と交差する方向となるように前記設定値を設定してもよい。
このようにすることで、溶接部に含まれるビード部に亀裂が存在する場合に、ビード部の亀裂の更なる進展を防止することができる。

本発明の第１態様から第３態様の溶接装置において、前記溶接方向に交差する平面における前記レーザ溶接部のレーザ照射方向と、前記溶接方向と交差する平面における前記アーク溶接部のワイヤ供給方向とがなす相対角度を調整可能な角度調整部を備える構成としてもよい。
このようにすることで、レーザ照射方向に対して適切な方向からアーク溶接部のワイヤを供給できるように、レーザ照射方向に対するワイヤ供給方向を適切に調整することができる。

上記構成の溶接装置において、前記角度調整部は、前記ワイヤ供給方向と前記第１の板材の延在方向がなす角度および前記ワイヤ供給方向と前記第２の板材の延在方向がなす角度を、それぞれ３°以上とするように前記相対角度を調整するようにしてもよい。
このようにすることで、ワイヤ供給方向と第１の板材の延在方向がなす角度が３°より小さくなり、アーク放電が第１の板材側に引き寄せられることによる不具合を防止することができる。同様に、ワイヤ供給方向と第２の板材の延在方向がなす角度が３°より小さくなり、アーク放電が第２の板材側に引き寄せられることによる不具合を防止することができる。

上記構成の溶接装置においては、前記第１の板材が水平方向に延在しており、前記隅肉溶接部が、前記第２の板材の端面を前記第１の板材の下面から突き合わせた部分に形成されており、前記角度調整部は、前記ワイヤ供給方向と前記第１の板材の延在方向がなす角度が８３°以上かつ９７°以下とならないように前記相対角度を調整するようにしてもよい。
このようにすることで、ワイヤ供給方向が鉛直方向上向きとなって溶接時に飛散するスパッタ等が鉛直方向下方のレーザ溶接部およびアーク溶接部に落下しやすくなる不具合を防止することができる。

本発明の第１態様から第３態様の溶接装置において、前記溶接対象が鋼床版であり、前記第１の板材が該鋼床版を構成する平板上のデッキプレートであり、前記第２の板材が該鋼床版を構成する横断面が略Ｕ型のリブ部材であってもよい。
このようにすることで、デッキプレートに略Ｕ型のリブ部材を隅肉溶接により溶接した鋼床版の溶接による補修を行うことが可能な溶接装置を提供することができる。

本発明の溶接方法は、レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器が発振するレーザを溶接対象に照射して溶接を行うレーザ溶接部と、電源に接続された溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部を有するとともに前記溶接ワイヤを前記溶接対象に供給して溶接を行うアーク溶接部とを備える溶接装置を用いた溶接方法であって、前記溶接対象に対する前記レーザ溶接部および前記アーク溶接部の相対位置を溶接方向に沿って移動させる移動工程と、操作者からの指示を受け付け、前記溶接方向に交差する平面における前記レーザ溶接部のレーザ照射方向の設定値を設定する設定工程と、駆動源を駆動することにより前記レーザ照射方向が前記設定値に対応する方向となるように調整する照射方向調整工程とを備え、前記溶接対象が、第１の板材に第２の板材の端面を突き合わせた部分に形成された隅肉溶接部であり、前記設定工程は、前記レーザ照射方向が、前記隅肉溶接部に含まれるビード部に存在する亀裂の進展方向となるように前記設定値を設定する。

本発明に係る溶接方法によれば、レーザ溶接部とアーク溶接部とが移動機構によって溶接方向に沿って移動する際に、溶接方向に交差する平面におけるレーザ溶接部のレーザ照射方向が、操作者等が設定した設定値に基づいて調整工程より調整された状態となる。したがって、溶接装置の操作者は、溶接方向に沿ってレーザ溶接部およびアーク溶接部を移動させながら適切なレーザ照射方向を手動で調整する必要がない。

このようにすることで、溶接対象に対するレーザ溶接部およびアーク溶接部装置の相対位置を移動させながら溶接方向に沿って溶接する際に、溶接方向に交差する平面におけるレーザ照射方向を適切に調整することが可能な溶接方法を提供することができる。

本発明によれば、溶接対象に対するレーザ溶接部およびアーク溶接部の相対位置を移動させながら溶接方向に沿って溶接する際に、溶接方向に交差する平面におけるレーザ照射方向を適切に調整することが可能な溶接装置及び溶接方法を提供することができる。

一実施形態のハイブリッド溶接装置を示す概略構成図である。 図１に示すレーザヘッドおよびアークトーチを示す正面図である。 図１に示すレーザヘッド及びアークトーチを示す右側面図である。 図１に示すレーザヘッド及びアークトーチを示す平面図である。 一実施形態のハイブリット溶接装置の溶接対象の鋼床版を示す横断面図である。 図５に示す鋼床版のＡ−Ａ矢視断面図である。 図５に示す鋼床版の隅肉溶接部の部分拡大図であり、レーザ照射方向の一例を示す図である。 図５に示す鋼床版の隅肉溶接部の部分拡大図であり、レーザ照射方向の一例を示す図である。 図５に示す鋼床版の隅肉溶接部の部分拡大図であり、レーザ照射方向の一例を示す図である。 図５に示す鋼床版の隅肉溶接部の部分拡大図であり、ワイヤ供給方向の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態のハイブリッド溶接装置について、図１を参照しながら説明する。
図１は本実施形態のハイブリッド溶接装置１００を示す概略構成図である。

ハイブリッド溶接装置１００は、溶接対象２００に対する相対位置を溶接方向に沿って移動させて溶接を行う溶接装置である。ハイブリッド溶接装置１００は、溶接対象２００が固定された状態でハイブリッド溶接装置１００を移動させることにより相対位置を一定方向（この方向を溶接方向という。）に沿って移動させる方式の装置である。

また、ハイブリッド溶接装置１００は、例えば、橋梁等に用いられる鋼床版の溶接に用いることが可能である。橋梁等に既設の鋼床版の溶接部を補修する場合、鉛直方向の下方から上方に向けて溶接を行う必要があるが、本実施形態のハイブリッド溶接装置１００は、上方に向けた溶接、下方に向けた溶接を含め、任意の方向の溶接に適用可能である。

図１に示すように、ハイブリッド溶接装置１００は、レーザ発振器６０と、レーザ発振器６０が発振するレーザを伝達する光ファイバ７０と、光ファイバ７０に接続されたレーザヘッド１０とを備える。レーザ発振器６０は、例えば、数ｋＷ程度の発振出力が得られるＣＯ_２レーザやＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザ等を用いることができる。レーザヘッド１０（レーザ溶接部）は、光ファイバ７０を介して伝達されるレーザ発振器６０が発振するレーザを集光レンズ（不図示）により集光して溶接対象２００の表面に照射し、溶接対象２００の一部を溶かすことで溶接を行う。溶接対象２００の表面に照射されるレーザのビーム径は、例えばφ０．１ｍｍ〜０．６ｍｍ程度となる。

ハイブリッド溶接装置１００は、また、電源４０と、ワイヤフィーダ３０（ワイヤ供給部）と、アークトーチ２０（アーク溶接部）とを備える。ワイヤフィーダ３０は、電源４０に接続された溶接ワイヤ２１をアークトーチ２０に供給するものである。アークトーチ２０は、例えば、ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）溶接を行うものである。ＭＩＧ溶接は、溶接ワイヤ２１が電極線として用いられ、溶接ワイヤ２１の先端と溶接対象２００との間にアークを発生させることにより、溶接ワイヤ２１と溶接対象２００を同時に溶融させて溶接する方式である。

アークトーチ２０は、溶接により形成される溶接部の大気元素との反応による特性劣化を防ぐために、不活性ガス供給部（不図示）からアルゴンやヘリウム等の不活性ガスの供給を受ける。したがって、溶接ワイヤ２１と溶接対象２００とが溶融して形成される溶接部は、不活性ガス雰囲気において形成される。

ハイブリッド溶接装置１００は、また、コントローラ５０を備える。コントローラ５０は、レーザ発振器６０によるレーザ発振、電源４０が出力する電流、及びワイヤフィーダ３０によるワイヤ供給量を制御する装置である。図１には１つのコントローラ５０がレーザ発振器６０、ワイヤフィーダ３０、電源４０にそれぞれ接続されている例を示したが、他の態様であってもよい。例えば、レーザ発振器６０、ワイヤフィーダ３０、電源４０にそれぞれ別個のコントローラが接続されている態様であってもよい。また、レーザ発振器６０、ワイヤフィーダ３０、電源４０自体に、それらを制御するためのコントローラが組み込まれている態様であってもよい。

ハイブリッド溶接装置１００は、更に、照射方向調整機構９０（照射方向調整部）と、移動機構９１と、設定部９２とを備えている。
照射方向調整機構９０は、溶接方向に交差する平面におけるレーザヘッド１０のレーザ照射方向を調整する機構である。照射方向調整機構９０は、後述する図２に示すレーザ照射角度βを、コントローラ５０からの指示に応じて、モータ等により構成される駆動源（不図示）を駆動することにより調整する機構である。また、照射方向調整機構９０は、駆動源によってレーザヘッド１０の位置も調整することができる。

移動機構９１は、溶接対象２００に対するレーザヘッド１０およびアークトーチ２０の相対位置を溶接方向に沿って移動させる機構である。移動機構９１によりハイブリッド溶接装置１００は、鋼床版等の既設の溶接対象２００に対し、自装置を相対的に移動させながら溶接を行うことができる。

設定部９２は、ハイブリッド溶接装置１００の操作者からの指示を受け付け、レーザ照射角度βの設定値を設定するものである。ハイブリッド溶接装置１００の操作者がレーザ照射角度βとして設定したい所望の値を入力することにより、レーザ照射角度βの設定値が設定される。設定部９２が設定値を設定するとその設定値はコントローラ５０に伝達される。コントローラ５０は、伝達された設定値に基づいて、レーザ照射角度βが設定値に対応する角度となるように照射方向調整機構９０を制御する。

設定部９２は、移動機構９１を動作させるための指示をハイブリッド溶接装置１００の操作者から受け付ける機能も備えている。ハイブリッド溶接装置１００の操作者が移動機構９１の動作として設定したい所望の値を入力することにより、移動機構９１の動作（移動開始,移動停止,移動速度等の各種の動作）の設定値が設定される。設定部９２が設定値を設定するとその設定値はコントローラ５０に伝達される。コントローラ５０は、伝達された設定値に基づいて、移動機構９１を制御する。

次に、図２〜図４を用いて、ハイブリッド溶接装置１００が更に備える角度調整機構（角度調整部）８０について説明する。図２は、本実施形態のレーザヘッド１０及びアークトーチ２０を示す正面図である。図３は、本実施形態のレーザヘッド１０及びアークトーチ２０を示す右側面図である。図４は、本実施形態のレーザヘッド１０及びアークトーチ２０を示す上面図である。図３に示す溶接方向の矢印は、ハイブリッド溶接装置１００が溶接対象２００に対して相対的に移動する方向を示す。図２および図３は、板状の溶接対象２００の表面に、板状の溶接対象２０１の端面を突き合わせた状態で隅肉溶接を行う状態を示している。

図２〜図４に示すように、角度調整機構８０は、スライドプレート８１と、スライド部材８２と、スライドプレート８３と、スライドプレート８４と、ボルト８５とを備えている。図２に示すように、スライドプレート８１には、スライド部材８２が挿入される挿入穴８６が設けられている。スライド部材８２は、挿入穴８６に挿入された状態でスライド部材８２に設けられた締結穴（不図示）にボルト８７が締結されることにより、スライドプレート８１に固定される。

図２に示す挿入穴８６は、レーザヘッド１０の中心軸Ｘ１とアークトーチ２０の中心軸Ｘ２との交点Ｐを中心とした円の円周上に沿って延在する穴である。挿入穴８６に挿入されるスライド部材８２の位置を調整することにより、交点Ｐの位置を固定したままレーザヘッド１０の中心軸Ｘ１とアークトーチ２０の中心軸Ｘ２とがなす相対角度αを調整することができる。

レーザヘッド１０の中心軸Ｘ１の軸方向はレーザヘッド１０のレーザ照射方向と一致しており、この方向がレーザ溶接による溶け込み方向となる。また、アークトーチ２０の中心軸Ｘ２の軸方向はアークトーチ２０が溶接ワイヤ２１を供給する方向（ワイヤ供給方向）と一致しており、この方向がアーク溶接における肉盛りの進展方向となる。

したがって、相対角度αは、ハイブリッド溶接装置１００の溶接方向（図３に示す方向）に交差する平面（直交する平面）におけるレーザヘッド１０のレーザ照射方向と、溶接方向と交差する平面（直交する平面）におけるアークトーチ２０のワイヤ供給方向とがなす相対角度である。角度調整機構８０のうち、スライドプレート８１と、スライド部材８２と、ボルト８７とが、第１相対角度αを調整する機構（第１角度調整部）となっている。

図３に示すように、スライドプレート８３及びスライドプレート８４には、それぞれ、２カ所に平行して延在する一対のボルト挿入穴が設けられている。ボルト８５は、一対のボルト挿入穴に挿入された状態でレーザヘッド１０の所定箇所に設けられているボルト締結穴（不図示）に締結される。スライドプレート８４の端部はスライドプレート８１に固定されている。ボルト８５の締結を緩めた状態でスライドプレート８３を移動させることにより、レーザヘッド１０に対するアークトーチ２０の鉛直方向（図３中のＺで示す方向）の位置を調整することができる。また、ボルト８４の締結を緩めた状態でスライドプレート８４を移動させることにより、レーザヘッド１０に対するアークトーチ２０の水平方向（図３中のＸで示す方向）の位置を調整することができる。アークトーチ２０の鉛直方向及び水平方向の位置は、ボルト８５を締結することにより固定される。

図２及び図３に示すように、アークトーチ２０はスライド部材８２に固定されているが、スライド部材８２に対する取り付け角度を任意に調整できる取り付け角度調整機構が備わっている。レーザヘッド１０に対するアークトーチ２０の鉛直方向及び水平方向を調整した上で、アークトーチ２０のスライド部材８２に対する取り付け角度を調整することにより、溶接方向におけるレーザヘッド１０の中心軸Ｘ１とアークトーチ２０の中心軸Ｘ２とがなす相対角度θ１（第２相対角度）を調整することができる。

前述したように、レーザヘッド１０の中心軸Ｘ１の軸方向はレーザヘッド１０のレーザ照射方向と一致しており、アークトーチ２０の中心軸Ｘ２の軸方向はアークトーチ２０が溶接ワイヤ２１を供給するワイヤ供給方向と一致している。
したがって、第２相対角度θ１は、ハイブリッド溶接装置１００の溶接方向（図３に示す方向）におけるレーザヘッド１０のレーザ照射方向と、溶接方向におけるアークトーチ２０のワイヤ供給方向とがなす相対角度である。角度調整機構８０のうち、スライドプレート８３と、スライドプレート８４と、取り付け角度調整機構とが、第２相対角度θ１を調整する機構（第２角度調整部）となっている。第２相対角度θ１は、ハイブリッド溶接装置１００が溶接対象２００に対して移動する速度（溶接速度）やレーザヘッド１０のレーザ照射強度等の種々の条件に応じて、十分な強度の溶接部を形成可能となるように角度調整機構８０を用いて適宜調整される。

図３において、角度θ２は、溶接方向に沿った平面における、溶接方向に対するレーザヘッド１０のレーザ照射方向の角度を示すものである。また、角度θ３は、溶接方向に沿った平面における、溶接方向に対するアークトーチ２０のワイヤ供給方向の角度を示すものである。
前述した角度θ１と角度θ２,θ３とは、以下の式（１）の関係となっている。
θ２＝θ１＋θ３ （１）
ここで、角度θ２は、予め固定された角度であり、角度θ１は前述した角度調整機構８０により調整される角度である。したがって、角度θ２を角度調整機構８０によって調整することにより、角度θ３も調整される。

角度θ２としては、例えば、５°以上で１７５°未満となるように設定するのが望ましい。ただし、アークトーチ２０やレーザヘッド１０自体が、溶接対象２００,２０１に接触しない範囲で角度θ２を設定する。角度θ２を５°以上で１７５°未満となるように設定しているのは、角度θ２を５°未満あるいは１７５°以上とすると、溶接対象２００の表面に対して略平行に近くレーザ光が照射されるためレーザ光の照射位置が安定せず、また十分な溶け込みを得ることができないからである。

角度θ３としては、例えば、３°以上で２０°未満となるか、１６０°より大きく１７７°以下となるように設定するのが望ましい。ただし、アークトーチ２０やレーザヘッド１０自体が、溶接対象２００,２０１に接触しない範囲で角度θ３を設定する。

図３において、仮想溶接線１１は、レーザヘッド１０が目標とする溶接位置の集合を示し、板状の溶接対象２００が延在する延在方向に沿って延びる線である。仮想溶接線１１の延在する方向は、溶接方向と一致している。仮想溶接線１１は、レーザヘッド１０が照射目標位置として各種のパラメータを設定する位置を示すが、「仮想」としているのは、現実の溶接は溶接対象２００の表面において行われるからである。

図３において、点１２は仮想溶接線１１とアークトーチ２０の中心軸Ｘ２の交点を示し、点１３は仮想溶接線１１とレーザヘッド１０の中心軸Ｘ１の交点を示す。点１２と点１３の仮想溶接線１１に沿った距離は、例えば、０〜１０ｍｍの範囲に設定するのが望ましい。この距離が離れすぎると、レーザヘッド１０によるレーザ照射により溶融した溶接対象２００に対してアークトーチ２０による溶接を行うまでに時間差が生じてしまうからである。

次に、図５から図９を用いて本実施形態におけるレーザ照射方向の調整について説明する。
図５は、本実施形態のハイブリット溶接装置１００の溶接対象の鋼床版５００を示す横断面図である。また、図６は、図５に示す鋼床版５００のＡ−Ａ矢視断面図である。

図５に示す鋼床版５００は、主に車両が走行する橋梁に用いられるものであり、平板上のデッキプレート５０１と、横断面が略Ｕ型のリブ部材５０２,５０３,５０４を備えている。図５に示す鋼床版５００は、３つのリブ部材５０２,５０３,５０４を備えるが、より多数のリブ部材を備える鋼床版５００としてもよい。

溶接対象である鋼床版５００は、水平方向に延在する板状のデッキプレート５０１（第１の板材）に板状のリブ部材５０２,５０３,５０４（第２の板材）の端面をデッキプレート５０１の下面から突き合わせたものである。鋼床版５００は、デッキプレート５０１とリブ部材５０２,５０３,５０４が突き合わされた部分に隅肉溶接部５０５,５０６,５０７,５０８,５０９,５１０を有している。これらの隅肉溶接部５０５,５０６,５０７,５０８,５０９,５１０は、予め溶接により形成されたものである。本実施形態のハイブリッド溶接装置１００は、予め鋼床版５００に形成された隅肉溶接部およびその周辺に発生した損傷を補修するために再度の溶接を行うものである。

図５に示すように、リブ部材５０２,５０３,５０４は、横断面が略Ｕ型となっており、横断面における２箇所の端面がデッキプレート５０１に連結されている。デッキプレート５０１にリブ部材５０２,５０３,５０４の端面が突き合わされた状態では、閉じられた空間が形成される。したがって、閉じられた空間側からはデッキプレート５０１とリブ部材の溶接することができない。
したがって、本実施形態の鋼床版５００の隅肉溶接部は、リブ部材の端面の片側のみが溶接されたものとなっている。

図５および図６に示すように、ハイブリッド溶接装置１００は、接地面５２０上に配置された移動機構９１を備えており、移動機構９１によって溶接方向に沿って移動可能となっている。また、ハイブリッド溶接装置１００は、レーザヘッド１０およびアークトーチ２０が隅肉溶接部５０７に近接した状態で配置されている。
したがって、本実施形態のハイブリッド溶接装置１００は、レーザヘッド１０およびアークトーチ２０による溶接を行いつつ、移動機構９１によって溶接方向に沿って移動することで、溶接方向に連続的に溶接を行うことが可能となっている。

図７から図９は、設定部９２および照射方向調整機構９０を用いて、溶接方向に交差する平面におけるレーザ照射方向を調整する調整方法を説明する図である。図７から図９は、図５に示す鋼床版５００の隅肉溶接部５０７の部分拡大図であり、レーザ照射方向の一例を示す図である。

以下で説明するように、隅肉溶接部５０７には、使用環境や使用状況に応じて、各箇所で異なるタイプの亀裂等の損傷が発生するのが通常である。そして、異なるタイプの損傷に対しては、それぞれの損傷に適した補修を行うのが望ましい。以下では、図７,図８,図９に示す３パターンの損傷について説明し、各パターンに対して望ましい補修を行うことについて説明する。

図７に示す隅肉溶接部５０７は、溶着金属が帯状に盛り上がった部分であるビード７３を有しており、ビード７３によってデッキプレート５０１とリブ部材５０２が溶着されている。
基準軸７１は、仮想溶接線１１を通過するとともにデッキプレート５０１が延在する方向に延びる直線である。また、基準軸７２は、仮想溶接線１１を通過するとともにリブ部材５０２が延在する方向に延びる直線である。基準軸７１と基準軸７２とがなす角は角度Ａ１となっている。

端面７６は、ビード７３において、デッキプレート５０１の表面とリブ部材５０２の端面が対向する部分において、デッキプレート５０１とリブ部材５０２によって閉じた空間に接する面である。図７に示す例では、ビード７３がリブ部材５０２の板厚に渡って存在しており、デッキプレート５０１とリブ部材５０２との間に未溶着部分が存在していない。

図７に示す隅肉溶接部５０７のビード７３には外面から仮想溶接線１１に至るクラック７４（亀裂）が存在している。一方、図７に示す隅肉溶接部５０７では、未溶着部が存在せず、デッキプレート５０１にクラックが存在しない。

そこで、図７に示す状態の隅肉溶接部５０７を補修するために、操作者は、溶接方向に交差する平面におけるレーザ照射角度βにより定まるレーザ照射方向が、基準軸７１とクラック７４の進展方向（図７中の角度Ａ２）となるように設定部９２の設定値の入力をする。操作者の入力を受け付けた設定部９２は、操作者の操作に応じた設定値を設定し、設定値をコントローラ５０に伝達する。

設定値が伝達されたコントローラ５０は、レーザ照射角度βが設定値に応じた角度Ａ２となるように照射方向調整機構９０を制御する。照射方向調整機構９０は、コントローラ５０により制御されることにより、溶接方向に交差する平面におけるレーザヘッド１０のレーザ照射角度βが角度Ａ２となるように調整する。図７は、レーザ照射角度βが角度Ａ２となるように調整された状態を示している。

図８に示す隅肉溶接部５０７は、ビード７３にクラック７４が存在している点は図７に示す例と同様である。図８に示す隅肉溶接部５０７では、リブ部材５０２の板厚に渡るビード７３が存在しておらず、デッキプレート５０１とリブ部材５０２との間に未溶着部分が存在する。図８に示すビード７３は、図７に示すビード７３に比べ、端面７６が後退している。この端面７６に近接する領域が未溶着部分となっている。

図８に示す状態の隅肉溶接部５０７を補修するために、操作者は、レーザ照射方向の延長線上に端面７６の中央部分が配置されるように設定部９２の設定値の入力をする。この際、操作者は、レーザ照射方向の延長線がクラック７４の端部Ｂ１,Ｂ２の中点Ｂ３と交差する角度（図８中の角度Ａ３）となるように設定部９２の設定値の入力をする。操作者の入力を受け付けた設定部９２は、操作者の操作に応じた設定値を設定し、設定値をコントローラ５０に伝達する。

設定値が伝達されたコントローラ５０は、レーザ照射角度βが設定値に応じた角度Ａ３となるように照射方向調整機構９０を制御する。照射方向調整機構９０は、コントローラ５０により制御されることにより、溶接方向に交差する平面におけるレーザヘッド１０のレーザ照射角度βが角度Ａ３となるように調整する。

図９に示す隅肉溶接部５０７は、ビード７３にクラック７４が存在している点、未溶着部が存在する点は図８に示す例と同様である。図９に示す隅肉溶接部５０７では、デッキプレート５０１に板厚方向に延びるクラック７７（亀裂）が存在している。

図９に示す状態の隅肉溶接部５０７を補修するために、操作者は、レーザ照射方向の延長線上に、クラック７７のデッキプレート５０１の表面上の位置が存在するように、設定部９２の設定値の入力をする。この際、操作者は、レーザ照射方向の延長線がクラック７４の端部Ｂ４,Ｂ５の中点Ｂ６と交差する角度（図９中の角度Ａ４）となるように設定部９２の設定値の入力をする。操作者の入力を受け付けた設定部９２は、操作者の操作に応じた設定値を設定し、設定値をコントローラ５０に伝達する。

設定値が伝達されたコントローラ５０は、レーザ照射角度βが設定値に応じた角度Ａ４となるように照射方向調整機構９０を制御する。照射方向調整機構９０は、コントローラ５０により制御されることにより、溶接方向に交差する平面におけるレーザヘッド１０のレーザ照射角度βが角度Ａ４となるように調整する。

以上の図７から図９で説明したように、ハイブリッド溶接装置１００の操作者は、隅肉溶接部５０７に存在するクラック等の損傷状態に応じて適切な設定値を設定部９２に入力する。適切な設定値を入力することにより、ハイブリッド溶接装置１００は、溶接方向に交差する平面におけるレーザ照射方向を、隅肉溶接部５０７の損傷状態に応じた適切な角度に調整することができる。

次に、図１０を用いて、溶接方向に交差する平面におけるワイヤ供給方向とデッキプレート５０１の延在方向がなす角度の調整について説明する。図１０は、図５に示す鋼床版５００の隅肉溶接部５０７の部分拡大図であり、ワイヤ供給方向の一例を示す図である。
前述したように、レーザヘッド１０のレーザ照射方向は、操作者の設定値の入力により適宜調整することができる。一方、レーザヘッド１０の中心軸Ｘ１とアークトーチ２０の中心軸Ｘ２とがなす相対角度αは、角度調整機構８０により調整可能となっている。

角度調整機構８０により相対角度αは任意に設定可能であるが、アークトーチ２０の中心軸Ｘ２とデッキプレート５０１の延在方向がなす角度Ａ７については、以下の式（２）と式（３）のいずれかを満たす範囲とするのが望ましい。
３°≦Ａ７＜８３° （２）
９７°＜Ａ７≦Ａ１−３° （３）
なお、式（２）,（３）において３°としている角度は図１０における角度Ａ６に対応している。また、式（２）,（３）において８３°および９７°としている角度は図１０における角度Ａ５に対応している。

式（２）および（３）が示す条件は、アークトーチ２０をデッキプレート５０１およびリブ部材５０２に近づけ過ぎないようにすることである。
このようにしているのは、ワイヤ供給方向とデッキプレート５０１の延在方向がなす角度が３°より小さくなり、アーク放電がデッキプレート５０１側に引き寄せられることによる不具合を防止するためである。同様に、ワイヤ供給方向とリブ部材５０２の延在方向がなす角度が３°より小さくなり、アーク放電がリブ部材５０２側に引き寄せられることによる不具合を防止するためである。

式（２）および（３）が示す他の条件は、アークトーチ２０を垂直方向に近づけ過ぎないようにすることである。
このようにしているのは、ワイヤ供給方向が鉛直方向上向きとなって溶接時に飛散するスパッタ等が鉛直方向下方のレーザヘッド１０およびアークトーチ２０に落下しやすくなる不具合を防止するためである。

以上説明したように、本実施形態によれば、レーザヘッド１０とアークトーチ２０とが移動機構９１によって溶接方向に沿って移動する際に、溶接方向に交差する平面におけるレーザヘッド１０のレーザ照射方向が、操作者等が設定した設定値に基づいて照射方向調整機構９０より調整された状態となる。したがって、ハイブリッド溶接装置１００の操作者は、溶接方向に沿ってレーザヘッド１０およびアークトーチ２０を移動させながら適切なレーザ照射方向を手動で調整する必要がない。

このようにすることで、溶接対象に対するレーザヘッド１０およびアークトーチ２０の相対位置を移動させながら溶接方向に沿って溶接する際に、溶接方向に交差する平面におけるレーザ照射方向を適切に調整することが可能なハイブリッド溶接装置１００を提供することができる。

また、本実施形態によれば、溶接対象が、デッキプレート５０１にリブ部材５０２の端面を突き合わせた部分に形成された隅肉溶接部５０７であり、設定部９２は、レーザ照射方向が、隅肉溶接部５０７に含まれるビード７３に存在するクラック７４の進展方向となるように設定値を設定する。
このようにすることで、隅肉溶接部５０７に含まれるビード７３に亀裂が存在する場合に、その進展方向にレーザが照射されるので、ビード７３の亀裂の更なる進展を防止することができる。

また、本実施形態によれば、溶接対象が、デッキプレート５０１にリブ部材５０２の端面を突き合わせた部分に形成された隅肉溶接部５０７であり、設定部９０は、レーザ照射方向が、隅肉溶接部５０７に含まれるビード７３に存在するクラック７４の進展方向と交差しデッキプレート５０１とリブ部材５０７の未溶着部分に近接したビード７３に向かう方向となるように設定値を設定する。
このようにすることで、隅肉溶接部５０７に含まれるビード７３にクラック７４が存在し、かつデッキプレート５０１とリブ部材５０２の未溶着部分が存在する場合に、ビード７３のクラック７４の更なる進展を防止しつつ未溶着部分の溶接強度を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、設定部９２は、レーザ照射方向が、クラック７４の進展方向におけるビード７３の両端部Ｂ１、Ｂ２を結ぶ直線の中点Ｂ３と交差する方向となるように設定値を設定する。
このようにすることで、ビード７３のクラック７４の中央部分を溶接し、ビード７３のクラック７４の更なる進展を防止することができる。

また、本実施形態によれば、溶接対象が、デッキプレート５０１にリブ部材５０２の端面を突き合わせた部分に形成された隅肉溶接部５０７であり、設定部９２は、レーザ照射方向が、デッキプレート５０１の隅肉溶接部５０７近傍に存在するクラック７７のデッキプレート５０１の表面上の位置に向かう方向となるように設定値を設定する。
このようにすることで、デッキプレート５０１の表面上から進展するクラック７７が存在する場合、デッキプレート５０１の表面に溶接部を形成して、デッキプレート５０１の内部でクラック７７が進展することを防止することができる。

また、設定部９２は、レーザ照射方向が、隅肉溶接部５０７に含まれるビード７３に存在するクラック７４の進展方向となるように設定値を設定してもよい。
このようにすることで、溶接部に含まれるビード７３にクラック７４が存在する場合に、ビード７３のクラック７４の更なる進展を防止することができる。

また、本実施形態によれば、溶接方向に交差する平面におけるレーザヘッド１０のレーザ照射方向と、溶接方向と交差する平面におけるアークトーチ２０のワイヤ供給方向とがなす相対角度を調整可能な角度調整機構８０を備える。
このようにすることで、レーザ照射方向に対して適切な方向からアークトーチ２０のワイヤを供給できるように、レーザ照射方向に対するワイヤ供給方向を適切に調整することができる。

また、角度調整機構８０は、ワイヤ供給方向とデッキプレート５０１の延在方向がなす角度Ａ６およびワイヤ供給方向とリブ部材５０２の延在方向がなす角度Ａ６を、それぞれ３°以上とするように相対角度αを調整する。
このようにすることで、ワイヤ供給方向とデッキプレート５０１の延在方向がなす角度が３°より小さくなり、アーク放電がデッキプレート５０１側に引き寄せられることによる不具合を防止することができる。同様に、ワイヤ供給方向とリブ部材５０２の延在方向がなす角度が３°より小さくなり、アーク放電がリブ部材５０２側に引き寄せられることによる不具合を防止することができる。

また、本実施形態によれば、デッキプレート５０１が水平方向に延在しており、隅肉溶接部５０７が、リブ部材５０２の端面をデッキプレート５０１の下面から突き合わせた部分に形成されている。角度調整機構８０は、ワイヤ供給方向とデッキプレート５０１の延在方向がなす角度が８３°以上かつ９７°以下とならないように相対角度αを調整する。
このようにすることで、ワイヤ供給方向が鉛直方向上向きとなって溶接時に飛散するスパッタ等が鉛直方向下方のレーザヘッド１０およびアークトーチ２０に落下しやすくなる不具合を防止することができる。

〔他の実施形態〕
前述した実施形態のハイブリッド溶接装置１００は、溶接対象２００が固定された状態でハイブリッド溶接装置１００を移動させることにより相対位置を溶接方向に沿って移動させる方式の装置であったが他の方式の装置であってもよい。
例えば、ハイブリッド溶接装置１００自体は移動せず、レーザヘッド１０およびアークトーチ２０を含む溶接機構を、アーム機構（不図示）等によって溶接方向に沿って移動させる方式の装置であってもよい。

前述した実施形態のハイブリッド溶接装置１００は、図３に示すように溶接方向に移動する際に、レーザヘッド１０による溶接が行われた後にアークトーチ２０による溶接が行われるものであったが、他の態様であってもよい。
例えば、溶接方向に移動する際に、アークトーチ２０による溶接が行われた後にレーザヘッド１０による溶接が行われるようにしてもよい。

前述した実施形態のハイブリッド溶接装置１００は、予め鋼床版５００に形成された隅肉溶接部およびその周辺に発生した損傷を補修するものであったが、他の態様であってもよい。例えば、デッキプレート５０１に新規にリブ部材５０２,５０３,５０４を溶接により接合し、新規の鋼床版５００を製造する態様であってもよい。
この場合、接地面５２０にデッキプレート５０１を設置し、その上にリブ部材５０２,５０３,５０４を載置した状態で、鉛直方向の上方から下方に向けたレーザ照射方向にしてハイブリッド溶接装置１００を動作させるのが望ましい。

前述した実施形態では、操作者が隅肉溶接部５０７の損傷状態に応じた適切な設定値を入力するものであったが、他の態様であってもよい。
例えば、隅肉溶接部５０７の損傷状態を予め損傷検出装置（不図示）等により検出して適切な設定値を記憶部（不図示）に記憶させておき、設定部９２が記憶部に記憶された設定値を読み出して設定値を設定するようにしてもよい。
さらに、溶接方向に沿った複数箇所の隅肉溶接部５０７の損傷状態を記憶部に記憶しておくようにしてもよい。この場合、移動機構９１がハイブリッド溶接装置１００を溶接方向に沿って移動させるのに伴って、設定部９２が溶接方向の各位置に応じたレーザ照射方向の設定値を記憶部から読み出して設定値を設定するのが望ましい。このようにすることで、溶接方向に沿って移動しながら各位置に応じた適切なレーザ照射方向を調整可能なハイブリッド溶接装置１００を提供することができる。

１０ レーザヘッド（レーザ溶接部）
１１ 仮想溶接線
２０ アークトーチ（アーク溶接部）
３０ ワイヤフィーダ（ワイヤ供給部）
４０ 電源
５０ コントローラ
７４ クラック（亀裂）
８０ 角度調整機構（第１角度調整部,第２角度調整部）
９０ 照射方向調整機構（照射方向調整部）
９１ 移動機構
９２ 設定部
１００ ハイブリッド溶接装置
２００，２０１ 溶接対象
５００ 鋼床版
５０１ デッキプレート
５０２，５０３，５０４ リブ部材
Ｘ１ レーザヘッドの中心軸
Ｘ２ アークトーチの中心軸
α 相対角度
β レーザ照射角度（レーザ照射方向）

Claims (10)

1. レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器が発振するレーザを溶接対象に照射して溶接を行うレーザ溶接部と、
   電源に接続された溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部を有するとともに前記溶接ワイヤを前記溶接対象に供給して溶接を行うアーク溶接部と、
   前記溶接対象に対する前記レーザ溶接部および前記アーク溶接部の相対位置を溶接方向に沿って移動させる移動機構と、
   前記溶接方向に交差する平面における前記レーザ溶接部のレーザ照射方向の設定値を設定する設定部と、
   前記設定部により設定された前記設定値に基づいて、前記レーザ照射方向を調整する照射方向調整部とを備え、
   前記溶接対象が、第１の板材に第２の板材の端面を突き合わせた部分に形成された隅肉溶接部であり、
   前記設定部は、前記レーザ照射方向が、前記隅肉溶接部に含まれるビード部に存在する亀裂の進展方向となるように前記設定値を設定する溶接装置。
2. レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器が発振するレーザを溶接対象に照射して溶接を行うレーザ溶接部と、
   電源に接続された溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部を有するとともに前記溶接ワイヤを前記溶接対象に供給して溶接を行うアーク溶接部と、
   前記溶接対象に対する前記レーザ溶接部および前記アーク溶接部の相対位置を溶接方向に沿って移動させる移動機構と、
   前記溶接方向に交差する平面における前記レーザ溶接部のレーザ照射方向の設定値を設定する設定部と、
   前記設定部により設定された前記設定値に基づいて、前記レーザ照射方向を調整する照射方向調整部とを備え、
   前記溶接対象が、第１の板材に第２の板材の端面を突き合わせた部分に形成された隅肉溶接部であり、
   前記設定部は、前記レーザ照射方向が、前記隅肉溶接部に含まれるビード部に存在する亀裂の進展方向と交差し前記第１の板材と前記第２の板材の未溶着部分に近接した該ビード部に向かう方向となるように前記設定値を設定する溶接装置。
3. 前記設定部は、前記レーザ照射方向が、前記亀裂の進展方向における前記ビード部の両端部を結ぶ直線の中点と交差する方向となるように前記設定値を設定する請求項２に記載の溶接装置。
4. レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器が発振するレーザを溶接対象に照射して溶接を行うレーザ溶接部と、
   電源に接続された溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部を有するとともに前記溶接ワイヤを前記溶接対象に供給して溶接を行うアーク溶接部と、
   前記溶接対象に対する前記レーザ溶接部および前記アーク溶接部の相対位置を溶接方向に沿って移動させる移動機構と、
   前記溶接方向に交差する平面における前記レーザ溶接部のレーザ照射方向の設定値を設定する設定部と、
   前記設定部により設定された前記設定値に基づいて、前記レーザ照射方向を調整する照射方向調整部とを備え、
   前記溶接対象が、第１の板材に第２の板材の端面を突き合わせた部分に形成された隅肉溶接部であり、
   前記設定部は、前記レーザ照射方向が、前記第１の板材の前記隅肉溶接部近傍に存在する亀裂の該第１の板材の表面上の位置に向かう方向となるように前記設定値を設定する溶接装置。
5. 前記設定部は、前記レーザ照射方向が、前記隅肉溶接部に含まれるビード部に存在する亀裂の進展方向における前記ビード部の両端部を結ぶ直線の中点と交差する方向となるように前記設定値を設定する請求項４に記載の溶接装置。
6. 前記溶接方向に交差する平面における前記レーザ溶接部の前記レーザ照射方向と、前記溶接方向と交差する平面における前記アーク溶接部のワイヤ供給方向とがなす相対角度を調整可能な角度調整部を備える請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の溶接装置。
7. 前記角度調整部は、前記ワイヤ供給方向と前記第１の板材の延在方向がなす角度および前記ワイヤ供給方向と前記第２の板材の延在方向がなす角度を、それぞれ３°以上とするように前記相対角度を調整する請求項６に記載の溶接装置。
8. 前記第１の板材が水平方向に延在しており、
   前記隅肉溶接部が、前記第２の板材の端面を前記第１の板材の下面から突き合わせた部分に形成されており、
   前記角度調整部は、前記ワイヤ供給方向と前記第１の板材の延在方向がなす角度が８３°以上かつ９７°以下とならないように前記相対角度を調整する請求項６または請求項７に記載の溶接装置。
9. 前記溶接対象が鋼床版であり、
   前記第１の板材が該鋼床版を構成する平板上のデッキプレートであり、
   前記第２の板材が該鋼床版を構成する横断面が略Ｕ型のリブ部材である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の溶接装置。
10. レーザ発振器に接続され、前記レーザ発振器が発振するレーザを溶接対象に照射して溶接を行うレーザ溶接部と、電源に接続された溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部を有するとともに前記溶接ワイヤを前記溶接対象に供給して溶接を行うアーク溶接部とを備える溶接装置を用いた溶接方法であって、
    前記溶接対象に対する前記レーザ溶接部および前記アーク溶接部の相対位置を溶接方向に沿って移動させる移動工程と、
    操作者からの指示を受け付け、前記溶接方向に交差する平面における前記レーザ溶接部のレーザ照射方向の設定値を設定する設定工程と、
    駆動源を駆動することにより前記レーザ照射方向が前記設定値に対応する方向となるように調整する照射方向調整工程とを備え、
    前記溶接対象が、第１の板材に第２の板材の端面を突き合わせた部分に形成された隅肉溶接部であり、
    前記設定工程は、前記レーザ照射方向が、前記隅肉溶接部に含まれるビード部に存在する亀裂の進展方向となるように前記設定値を設定する溶接方法。

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