JP7219195B2 - Laser-arc hybrid welding equipment - Google Patents

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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、接合される母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 that a welded joint in which at least one of the base materials to be joined is a galvanized steel plate and has a gap in the joint portion is welded while irradiating the arc generating portion with a laser. A laser irradiation 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

接合部への入熱量が多いと、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 to the joint increases, the temperature of the molten pool generated during welding (melting temperature) increases, and the depth of the molten pool (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.

なお、本開示において「入熱量」とは、ある点或いは領域において、溶接が終了するまでのトータルの入熱量（Ｊ）を示す。すなわち、本開示において「入熱量」とは、ある時点の入熱の大きさ（Ｗ）ではなく、入熱時間も考慮されるものである。 In the present disclosure, "heat input" indicates the total heat input (J) until welding is completed at a certain point or region. That is, in the present disclosure, the "heat input amount" is not the magnitude of heat input (W) at a certain point in time, but the heat input time is also taken into consideration.

レーザは、通常、照射領域における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、接合部への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、入熱量が少ないと、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 in the illuminated area. However, in this case, there is a possibility that the above problem will occur due to an increase in the amount of heat input to the joint. On the other hand, when the amount of heat input is small, 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、接合部への入熱量を抑制可能である。しかしながら、レーザの焦点をデフォーカスしただけでは、レーザ照射領域の平面形状は通常円形であるから、入熱量の溶接幅方向の分布は、幅方向の中央において最大であり、幅方向の端部へ向かうに従って減少する。したがって、溶接ラインの幅方向中央から離れた部位（たとえば幅方向端部）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。 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 to the joint. However, if the focus of the laser is simply defocused, the planar shape of the laser irradiation area is usually circular. Decrease as you go. Therefore, there is a possibility that the amount of heat input is insufficient at a portion (for example, widthwise end) away from the widthwise center of the weld line, and the bonding strength is insufficient.

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、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 an object of the present disclosure is to provide a laser-arc hybrid welding apparatus capable of forming a wide weld bead width and ensuring joint strength.

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、レーザトーチと、溶接トーチとを備える。レーザトーチは、接合部に向けてレーザを照射するように構成される。溶接トーチは、接合部との間にアークを発生させるように構成される。レーザトーチは、レーザが照射される照射領域の形状を調整するように構成された回折光学素子（以下「ＤＯＥ（Diffractive Optical Element）」と称する。）を含む。ＤＯＥは、照射領域が、照射領域の中央部において交差する複数の矩形状領域を有するように構成される。ＤＯＥは、さらに、複数の矩形状領域の各々において、長辺方向の端部におけるレーザの照射エネルギ密度が中央部における照射エネルギ密度以上となるように構成される。 A laser-arc hybrid welding apparatus of the present disclosure is a laser-arc hybrid welding apparatus using a laser and an arc, and includes a laser torch and a welding torch. The laser torch is configured to direct a laser toward the joint. A welding torch is configured to generate an arc with the joint. The laser torch includes a diffractive optical element (hereinafter referred to as "DOE (Diffractive Optical Element)") configured to adjust the shape of an irradiation area irradiated with laser. The DOE is configured such that the illuminated area has a plurality of rectangular shaped areas that intersect at the center of the illuminated area. The DOE is further configured such that the laser irradiation energy density at the ends in the long side direction is higher than the irradiation energy density at the central portion in each of the plurality of rectangular regions.

ＤＯＥによりレーザを加工して、レーザの照射領域を溶接幅方向に拡大した矩形状領域とし、さらに当該矩形状領域の長辺方向端部における照射エネルギ密度が中央部における照射エネルギ密度以上となるようにすることで、溶接ラインの中央から離れた部位における入熱量を確保し、広い溶接ビード幅を形成することができる。 The laser is processed by DOE to make the laser irradiation area a rectangular area expanded in the welding width direction, and the irradiation energy density at the ends in the long side direction of the rectangular area is more than the irradiation energy density at the central part. By doing so, it is possible to secure the amount of heat input at a portion away from the center of the weld line and form a wide weld bead width.

ここで、レーザトーチへのＤＯＥのセッティングによっては、上記の矩形状領域と溶接方向とのなす角が小さくなる可能性がある。極端な例としては、矩形状領域が溶接方向に沿うようにＤＯＥがレーザトーチにセッティングされる場合もあり得る。このような場合に、仮にレーザの照射領域がこの矩形状領域のみで形成されているとすると、広い溶接ビード幅を形成することができない。 Here, depending on the setting of the DOE to the laser torch, there is a possibility that the angle formed by the rectangular area and the welding direction may become small. As an extreme example, the DOE may be set on the laser torch such that the rectangular area is along the welding direction. In such a case, if the laser irradiation area is formed only by this rectangular area, a wide weld bead width cannot be formed.

そこで、この溶接装置においては、レーザの照射領域が、照射領域の中央部において交差する複数の矩形状領域を有するように、ＤＯＥが構成される。これにより、ある矩形状領域と溶接方向とのなす角が小さくなるようにＤＯＥがセッティングされたとしても、その矩形状領域と交差した他の矩形状領域が存在することにより、溶接ラインの中央から離れた部位における入熱量を確保することが可能となる。したがって、この溶接装置によれば、レーザトーチへのＤＯＥのセッティング状態に拘わらず、広い溶接ビード幅を形成することができる。その結果、接合強度を確保することができる。 Therefore, in this welding apparatus, the DOE is configured such that the laser irradiation area has a plurality of rectangular areas that intersect at the central portion of the irradiation area. As a result, even if the DOE is set so that the angle formed by a certain rectangular area and the welding direction is small, the presence of another rectangular area intersecting with the rectangular area causes It becomes possible to ensure the amount of heat input at a distant site. Therefore, according to this welding apparatus, a wide weld bead width can be formed regardless of the setting state of the DOE to the laser torch. As a result, joint strength can be ensured.

複数の矩形状領域の数は、４つ以下であることが好ましい。 The number of rectangular regions is preferably four or less.

照射領域を形成する上記の矩形状領域の数が４つを超えると、レーザの照射エネルギの分散度合いが大きくなり、溶接ラインの中央から離れた部位における入熱量が確保できなくなる。矩形状領域の数が４つ以下であれば、溶接ラインの中央から離れた部位における入熱量が確保され、広い溶接ビード幅を形成することができる。 If the number of rectangular regions forming the irradiation region exceeds four, the degree of dispersion of the irradiation energy of the laser becomes large, making it impossible to ensure the amount of heat input at a portion away from the center of the weld line. If the number of rectangular regions is four or less, the amount of heat input is ensured at a portion distant from the center of the weld line, and a wide weld bead width can be formed.

ＤＯＥは、複数の矩形状領域が照射領域の中央部を中心とする点対称となるように構成されてもよい。 The DOE may be configured such that the plurality of rectangular regions are point symmetrical about the center of the irradiation region.

或いは、ＤＯＥは、複数の矩形状領域が照射領域の中央部の回りに等角度で形成されるように構成されてもよい。 Alternatively, the DOE may be configured such that a plurality of rectangular shaped areas are formed equiangularly around the center of the illuminated area.

上記のような構成により、レーザトーチへのＤＯＥのセッティング状態に拘わらず、溶接ラインの左右でレーザの入熱量がアンバランスになるのを防止することができる。その結果、溶接品質が低下するのを防止することができる。 With the configuration as described above, it is possible to prevent the amount of heat input from the laser from becoming unbalanced on the left and right sides of the welding line, regardless of how the DOE is set to the laser torch. As a result, deterioration of welding quality can be prevented.

本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、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 form a wide weld bead width and ensure joint strength.

本開示の実施の形態に従うレーザ・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 an embodiment of the present disclosure; FIG. レーザトーチの構成を概略的に示す図である。It is a figure which shows the structure of a laser torch roughly. 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. レーザ照射領域の平面形状の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the planar shape of a laser irradiation area|region. 溶接時に形成される溶融部の一例を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a melted portion formed during welding; ＤＯＥにより加工されるビームパターンの他の例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing another example of beam patterns processed by a DOE;

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.

図１は、本開示の実施の形態に従うレーザ・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。 FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a laser-arc hybrid welding apparatus according to an embodiment 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、アルミニウム合金板と、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。アルミニウム合金板には、軟質アルミニウムだけでなく、ＪＩＳ規格の５０００番台（たとえば５０５２）、６０００番台（たとえば６０６３）、７０００番台（たとえば７０７５）等の硬質アルミニウムも採用可能である。レーザ・アークハイブリッド溶接装置１によって、互いに接合される母材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, this laser-arc hybrid welding apparatus 1 can be used for welding an aluminum alloy plate and a hot-dip galvanized steel plate such as a GI material or a GA material. Not only soft aluminum but also hard aluminum such as JIS standard 5000 series (eg 5052), 6000 series (eg 6063), 7000 series (eg 7075) can be used for the aluminum alloy plate. One and the other of the base materials 70 to be joined to each other are joined by the laser-arc hybrid welding apparatus 1, for example, by a lap fillet welded joint, a flare welded joint, or the like.

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、母材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の先端と母材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。溶接ワイヤ２０に代えて、非消耗材の電極（タングステン等）を用いてもよい。すなわち、溶接トーチ１０を用いるアーク溶接は、溶極式（マグ溶接やミグ溶接等）であってもよいし、非溶極式（ティグ溶接等）であってもよい。 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 portion of the base material 70 . Welding torch 10 is supplied with a welding current from welding power supply 30, generates arc 25 between the tip of welding wire 20 and the joint of base material 70, and directs a shielding gas (argon gas) toward the weld. gas, carbon dioxide, etc.). Instead of the welding wire 20, a non-consumable electrode (such as tungsten) may be used. That is, the arc welding using the welding torch 10 may be a welding electrode type (MAG welding, MIG welding, etc.) or a non-melting electrode type (TIG welding, 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、母材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 laser light from the laser oscillation device 60 and irradiates the laser toward the joint portion of the base material 70 .

本開示に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置１では、レーザトーチ４０は、レーザが照射される照射領域の形状、及び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ＤＯＥを含む。このＤＯＥは、ＤＯＥが設けられない場合に比べて、レーザの照射領域を溶接ラインの幅方向に拡大し、さらにその幅方向の端部におけるレーザの照射エネルギ密度が幅方向中央における照射エネルギ密度以上となるように、レーザトーチ４０により照射されるレーザを加工する。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 1 according to the present disclosure, the laser torch 40 includes a DOE that adjusts the shape of the irradiation area irradiated with the laser and the distribution of the irradiation energy density of the laser in the irradiation area. This DOE expands the laser irradiation area in the width direction of the welding line compared to the case where the DOE is not provided, and furthermore, the irradiation energy density of the laser at the end in the width direction is greater than or equal to the irradiation energy density at the center in the width direction. The laser irradiated by the laser torch 40 is processed so that . The configuration of the laser torch 40 will be described later.

レーザトーチ４０にこのようなＤＯＥが設けられることにより、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。以下、この点について詳しく説明する。 By providing the laser torch 40 with such a DOE, it is possible to form a wide weld bead width and secure the joint strength. This point will be described in detail below.

上述のように、接合部への入熱量（Ｊ）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、アルミニウム合金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 (J) to the joint is large, the solidification speed of the molten pool slows down, which increases the amount of intermetallic compounds produced during welding. For example, when an aluminum alloy 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 amount of heat generated increases as the amount of heat input to the joint increases. 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、接合部へ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 to increase the irradiation energy density in the irradiated area and effectively melt the component. However, in this case, the amount of heat input to the joint increases, and as described above, the amount of intermetallic compounds produced increases, which may reduce the joint strength.

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抑制することが考えられるが、入熱量を抑制すると、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 suppress 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.

接合部へ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、レーザの焦点をデフォーカスしただけでは、レーザ照射領域の平面形状は通常円形であるから、入熱量の溶接幅方向の分布は、幅方向の中央において最大であり、幅方向の端部へ向かうに従って減少する。したがって、溶接ラインの幅方向中央から離れた部位（たとえば幅方向の端部）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。 In order to suppress the amount of heat input to the joint, it is conceivable to defocus the focus of the laser. However, if the focus of the laser is simply defocused, the planar shape of the laser irradiation area is usually circular. Decrease as you go. Therefore, there is a possibility that the amount of heat input is insufficient at a portion (for example, the end portion in the width direction) away from the center in the width direction of the weld line, and the bonding strength is insufficient.

そこで、本実施の形態に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置１では、接合部に向けて照射されるレーザを加工する上記ＤＯＥがレーザトーチ４０に設けられる。このＤＯＥが設けられることにより、レーザトーチ４０へのＤＯＥのセッティング状態に拘わらず、広い溶接ビード幅を形成することが可能となる。以下、ＤＯＥの構成について詳しく説明する。 Therefore, in the laser-arc hybrid welding apparatus 1 according to the present embodiment, the laser torch 40 is provided with the DOE for processing the laser beam irradiated toward the joint. By providing this DOE, it is possible to form a wide weld bead width regardless of the setting state of the DOE to the laser torch 40 . The configuration of the DOE will be described in detail below.

図２は、図１に示したレーザトーチ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、ＤＯＥ４１と、レンズ４２とを含む。ＤＯＥ４１及びレンズ４２は、レーザ発振装置６０から出力されたレーザ光がこの順に通過するようにレーザトーチ４０に設置される。そして、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を通過して母材７０に照射され、母材７０において照射領域８０が形成される。 FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of the laser torch 40 shown in FIG. Referring to FIG. 2, laser torch 40 includes DOE 41 and lens 42 . The DOE 41 and the lens 42 are installed on the laser torch 40 so that the laser light output from the laser oscillator 60 passes through them in this order. The laser light output from the laser oscillation device 60 passes through the DOE 41 and the lens 42 and is irradiated onto the base material 70 to form an irradiation region 80 on the base material 70 .

ＤＯＥ４１は、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、母材７０上の照射領域８０が、ＤＯＥ４１が設けられない場合よりも全体として拡幅され、かつ、照射領域８０の中央部において交差する２本の矩形状領域を有するように、照射レーザを成形する。なお、ＤＯＥ４１は、ユーザによりレーザトーチ４０にセッティングされる。 The DOE 41 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 so that the irradiated area 80 on the base material 70 is broadened as a whole and is irradiated more than when the DOE 41 is not provided. The illuminating laser is shaped to have two rectangular regions that intersect at the center of region 80 . The DOE 41 is set on the laser torch 40 by the user.

レンズ４２は、ＤＯＥ４１によって加工されたレーザ光を集光して、母材７０に向けて出力する。 The lens 42 condenses the laser beam processed by the DOE 41 and outputs it toward the base material 70 .

図３は、ＤＯＥ４１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。図３を参照して、ＤＯＥ４１は、レーザ照射方向に沿ってＤＯＥ４１を視たときに、円形の外縁を有する。そして、ＤＯＥ４１は、レーザ発振装置６０から受ける入射光を、ＤＯＥ４１の中央部において平面的に直角に交差する２本の矩形状ビーム４３－１，４３－２に分散して出力する。また、ＤＯＥ４１は、矩形状ビーム４３－１，４３－２の各々において、長辺方向端部の照射エネルギ密度が中央部の照射エネルギ密度以上となるようにビーム光を加工する。 FIG. 3 is a diagram showing an example of a beam pattern processed by the DOE 41. As shown in FIG. Referring to FIG. 3, DOE 41 has a circular outer edge when DOE 41 is viewed along the laser irradiation direction. The DOE 41 disperses the incident light received from the laser oscillation device 60 into two rectangular beams 43-1 and 43-2 that intersect perpendicularly in a plane at the central portion of the DOE 41, and outputs the beams. The DOE 41 also processes the rectangular beams 43-1 and 43-2 so that the irradiation energy density at the ends in the long side direction is higher than the irradiation energy density at the central portion.

図４は、照射領域８０の平面形状の一例を示す図である。図４において、Ｘ軸方向は、溶接時のレーザトーチ４０の進行方向（溶接方向）を示し、Ｙ軸方向は、溶接の幅方向を示す。図４を参照して、レーザトーチ４０によるレーザの照射領域８０は、図３に示したＤＯＥ４１によりレーザ光が加工されることによって、照射領域８０の中央部Ｃにおいて交差する２本の矩形状領域８０Ａ，８０Ｂを有する。 FIG. 4 is a diagram showing an example of a planar shape of the irradiation area 80. As shown in FIG. In FIG. 4, the X-axis direction indicates the advancing direction (welding direction) of the laser torch 40 during welding, and the Y-axis direction indicates the width direction of welding. Referring to FIG. 4, laser irradiation region 80 by laser torch 40 is formed by processing laser light by DOE 41 shown in FIG. , 80B.

図示の例では、矩形状領域８０Ａは、Ｘ軸方向（溶接方向）に対して時計回りに４５度回転した方向に沿って形成され、矩形状領域８０Ｂは、Ｘ軸方向に対して反時計回りに４５度回転した方向、すなわち矩形状領域８０Ａに直交する方向に沿って形成されている。 In the illustrated example, the rectangular region 80A is formed along a direction rotated 45 degrees clockwise with respect to the X-axis direction (welding direction), and the rectangular region 80B is formed counterclockwise with respect to the X-axis direction. 45 degrees, that is, along the direction orthogonal to the rectangular area 80A.

点線群は、レーザの照射エネルギ密度の分布を示している。この例では、各矩形状領域８０Ａ，８０Ｂにおいて、中央部Ｃから長辺方向端部へ向かうに従って照射エネルギ密度が高くなるように、ＤＯＥ４１によってレーザ光が加工される。 A dotted line group indicates the distribution of the irradiation energy density of the laser. In this example, the laser light is processed by the DOE 41 so that the irradiation energy density increases from the central portion C toward the ends in the long side direction in each of the rectangular regions 80A and 80B.

ＤＯＥ４１によってこのような矩形状領域８０Ａ，８０Ｂが形成されることにより、照射領域８０は、ＤＯＥ４１が設けられない場合よりも拡幅され、広いビード幅を形成することができる。 By forming such rectangular regions 80A and 80B by the DOE 41, the irradiation region 80 is wider than when the DOE 41 is not provided, and a wide bead width can be formed.

ここで、図３に示したように、ＤＯＥ４１の外縁は円形であり、レーザトーチ４０へのＤＯＥ４１のセッティングによっては、矩形状領域８０Ａ，８０Ｂが図４に示される状態から傾いてしまう可能性がある。極端な例としては、矩形状領域８０Ａが溶接方向（Ｘ軸方向）に沿うようにＤＯＥ４１がレーザトーチ４０にセッティングされる場合もあり得る。この場合、仮に照射領域８０が矩形状領域８０Ａのみによって形成されているとすると、広い溶接ビード幅を形成することができない。 Here, as shown in FIG. 3, the outer edge of the DOE 41 is circular, and depending on the setting of the DOE 41 on the laser torch 40, the rectangular regions 80A and 80B may be tilted from the state shown in FIG. . As an extreme example, the DOE 41 may be set on the laser torch 40 so that the rectangular region 80A is along the welding direction (X-axis direction). In this case, if the irradiation area 80 were formed only by the rectangular area 80A, a wide weld bead width could not be formed.

本実施の形態に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置１では、照射領域８０が、矩形状領域８０Ａに交差する矩形状領域８０Ｂをさらに有するように、ＤＯＥ４１によりレーザ光が加工される。これにより、たとえば、図４に示される状態から矩形状領域８０Ａと溶接方向（Ｘ軸方向）とのなす角が小さくなる方向に（すなわち反時計回りの方向に）ＤＯＥ４１がレーザトーチ４０にセッティングされたとしても、矩形状領域８０Ｂが存在することにより、中央部Ｃから幅方向に離れた部位における入熱量を確保することが可能となる。 In laser-arc hybrid welding apparatus 1 according to the present embodiment, laser light is processed by DOE 41 such that irradiation region 80 further has rectangular region 80B that intersects rectangular region 80A. As a result, for example, the DOE 41 is set to the laser torch 40 in a direction (that is, counterclockwise direction) in which the angle formed by the rectangular region 80A and the welding direction (X-axis direction) becomes smaller from the state shown in FIG. Even so, the presence of the rectangular region 80B makes it possible to ensure the amount of heat input at a portion distant from the central portion C in the width direction.

図５は、溶接時に形成される溶融部の一例を示した図である。図５を参照して、この例では、図４に示したように、レーザの照射領域８０における矩形状領域８０Ａ，８０Ｂが溶接方向に対して４５度傾くように、ＤＯＥ４１がレーザトーチ４０にセッティングされている。なお、領域８２は、溶接トーチ１０によるアーク２５（図１）が発生するアーク溶接領域であり、領域８４は、母材７０において部材が溶融する溶融プールを示す。 FIG. 5 is a diagram showing an example of a melted portion formed during welding. Referring to FIG. 5, in this example, as shown in FIG. 4, DOE 41 is set on laser torch 40 so that rectangular regions 80A and 80B in laser irradiation region 80 are inclined 45 degrees with respect to the welding direction. ing. Area 82 is an arc welding area where arc 25 ( FIG. 1 ) is generated by welding torch 10 , and area 84 represents a molten pool in base material 70 where members are melted.

この例では、照射領域８０における矩形状領域８０Ａ，８０Ｂが溶接の幅方向に放射状に延びているので、溶接ラインの中央から幅方向に離れた部位における入熱量を確保することができる。したがって、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。 In this example, since the rectangular regions 80A and 80B in the irradiation region 80 radially extend in the width direction of the weld, it is possible to ensure the amount of heat input at a portion away from the center of the weld line in the width direction. Therefore, a wide weld bead width can be formed to secure the joint strength.

そして、本実施の形態に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置１では、照射領域８０は、矩形状領域８０Ａとともに、矩形状領域８０Ａに交差する矩形状領域８０Ｂを有する。このため、図５に示される状態から矩形状領域８０Ａと溶接方向とのなす角が小さくなる方向に（すなわち反時計回りの方向に）ＤＯＥ４１がセッティングされたとしても、矩形状領域８０Ｂが存在することにより、溶接ラインの中央から幅方向に離れた部位における入熱量を確保することができる。同様に、図５に示される状態から矩形状領域８０Ｂと溶接方向とのなす角が小さくなる方向に（すなわち時計回りの方向に）ＤＯＥ４１がセッティングされたとしても、矩形状領域８０Ａが存在することにより、溶接ラインの中央から幅方向に離れた部位における入熱量を確保することができる。このように、このレーザ・アークハイブリッド溶接装置１によれば、ＤＯＥ４１のセッティング状態に拘わらず、広い溶接ビード幅を形成することができる。その結果、接合強度を確保することができる。 In laser-arc hybrid welding apparatus 1 according to the present embodiment, irradiation region 80 has rectangular region 80A and rectangular region 80B intersecting rectangular region 80A. Therefore, even if the DOE 41 is set in the direction in which the angle formed by the rectangular region 80A and the welding direction is smaller than the state shown in FIG. 5 (that is, in the counterclockwise direction), the rectangular region 80B exists. Thereby, it is possible to secure the heat input amount at a portion distant from the center of the weld line in the width direction. Similarly, even if the DOE 41 is set in the direction in which the angle formed by the rectangular region 80B and the welding direction is smaller than the state shown in FIG. 5 (that is, clockwise), the rectangular region 80A still exists. Therefore, it is possible to ensure the amount of heat input at a portion away from the center of the weld line in the width direction. Thus, according to this laser-arc hybrid welding apparatus 1, a wide weld bead width can be formed regardless of the setting state of the DOE 41. FIG. As a result, joint strength can be ensured.

なお、上記では、レーザの照射領域８０における矩形状領域８０Ａ，８０Ｂの各々において、長辺方向端部の照射エネルギ密度が中央部の照射エネルギ密度以上となるように、ＤＯＥ４１によりビーム光を加工するものとした。すなわち、矩形状領域８０Ａ，８０Ｂの各々において、レーザの照射エネルギ密度は、長辺方向に均一であってもよい。 In the above description, in each of the rectangular regions 80A and 80B in the laser irradiation region 80, the beam light is processed by the DOE 41 so that the irradiation energy density at the ends in the long side direction is greater than or equal to the irradiation energy density at the central portion. I assumed. That is, in each of the rectangular regions 80A and 80B, the laser irradiation energy density may be uniform in the long side direction.

なお、長辺方向端部の照射エネルギ密度は、中央部の照射エネルギ密度よりも高い方が好ましい。言い換えると、矩形状領域８０Ａ，８０Ｂの各々において、中央部の照射エネルギ密度は、長辺方向端部の照射エネルギ密度よりも低い方が好ましい。アークによる溶接幅方向の入熱量の分布は、溶接幅方向の中央部における入熱量が多く、幅方向の端部へ向かうにつれて入熱量が少なくなるため、アークによる入熱量の分布を考慮して、溶接幅方向の中央部における入熱量を抑制し、かつ、中央部から幅方向に離れた部位における入熱量を確保するためである。 The irradiation energy density at the ends in the long side direction is preferably higher than the irradiation energy density at the central portion. In other words, in each of the rectangular regions 80A and 80B, the irradiation energy density in the central portion is preferably lower than the irradiation energy density in the ends in the long side direction. The distribution of the heat input in the welding width direction due to the arc has a large amount of heat input in the center of the welding width direction, and the heat input decreases toward the ends in the width direction, so considering the distribution of the heat input due to the arc, This is for suppressing the amount of heat input at the central portion in the welding width direction and securing the amount of heat input at a portion away from the central portion in the width direction.

以上のように、この実施の形態においては、ＤＯＥ４１が設けられ、ＤＯＥ４１は、レーザの照射領域８０が、照射領域８０の中央部において交差する矩形状領域８０Ａ，８０Ｂを有するように照射レーザを加工する。これにより、たとえば、矩形状領域８０Ａと溶接方向とのなす角が小さくなるようにＤＯＥ４１がセッティングされたとしても、矩形状領域８０Ａと交差した矩形状領域８０Ｂが存在することにより、溶接ラインの中央から離れた部位における入熱量を確保することが可能となる。したがって、この実施の形態によれば、レーザトーチ４０へのＤＯＥ４１のセッティング状態に拘わらず、広い溶接ビード幅を形成することができる。その結果、接合強度を確保することができる。 As described above, in this embodiment, the DOE 41 is provided, and the DOE 41 processes the irradiation laser so that the laser irradiation region 80 has rectangular regions 80A and 80B that intersect at the center of the irradiation region 80. do. As a result, for example, even if the DOE 41 is set so that the angle formed by the rectangular region 80A and the welding direction is small, the presence of the rectangular region 80B that intersects the rectangular region 80A causes the center of the welding line to be It becomes possible to secure the amount of heat input at a site away from. Therefore, according to this embodiment, a wide weld bead width can be formed regardless of the setting state of the DOE 41 to the laser torch 40 . As a result, joint strength can be ensured.

また、この実施の形態によれば、レーザによる入熱量とアークによる入熱量との和の溶接幅方向の分布（プロファイル）を適宜調整することにより、溶接部において所望の機械的特性を得ることができる。さらに、レーザによる入熱量とアークによる入熱量との和の幅方向の分布を幅方向において均一化すれば、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。 Further, according to this embodiment, by appropriately adjusting the distribution (profile) in the width direction of the weld of the sum of the heat input from the laser and the heat input from the arc, desired mechanical properties can be obtained at the weld. can. Furthermore, if the widthwise distribution of the sum of the heat input from the laser and the heat input from the arc is made uniform in the widthwise direction, a high-quality weld bead is produced without the intermetallic compounds being concentrated in one area. can be formed.

また、特に異材接合の溶接（たとえば、アルミニウム合金板と溶融亜鉛メッキ鋼板との溶接等）においては、金属間化合物の生成量及びその分布を制御する上で、溶融金属の量及びその分布を制御する必要がある。本実施の形態では、ＤＯＥ４１によってレーザによる溶接幅方向の入熱量の分布を調整することにより、主に母材の溶融を調整することができ、溶接のビード幅と、溶融池の深さ（溶込深さ）及びその分布とを調整することができる。また、溶接トーチ１０の出力を溶接電源装置３０によって調整することにより、主に溶接ワイヤの溶融を調整することができ、溶融金属の量を調整することができる。 In particular, in the welding of dissimilar metals (for example, welding of aluminum alloy plate and hot-dip galvanized steel plate), the amount and distribution of molten metal are controlled in order to control the amount and distribution of intermetallic compounds. There is a need to. In this embodiment, by adjusting the distribution of the heat input in the welding width direction by the laser with the DOE 41, it is possible to mainly adjust the melting of the base material, and the welding bead width and the depth of the molten pool (melt pool) can be adjusted. depth) and its distribution can be adjusted. Further, by adjusting the output of the welding torch 10 by the welding power source device 30, mainly the melting of the welding wire can be adjusted, and the amount of molten metal can be adjusted.

［変形例］
上記の実施の形態では、ＤＯＥ４１は、レーザの照射領域８０が２つの矩形状領域８０Ａ，８０Ｂを有するようにレーザ光を加工するものとした。しかしながら、ＤＯＥにより加工されるレーザの照射領域の形状は、これに限定されるものではない。具体的には、照射領域８０を形成する矩形状領域の数は、２つに限定されず、３つ以上であってもよい。 [Modification]
In the above embodiment, the DOE 41 processes the laser beam so that the laser irradiation area 80 has two rectangular areas 80A and 80B. However, the shape of the laser irradiation region processed by the DOE is not limited to this. Specifically, the number of rectangular regions forming the irradiation region 80 is not limited to two, and may be three or more.

図６は、ＤＯＥ４１により加工されるビームパターンの他の例を示す図である。図６を参照して、この変形例でも、ＤＯＥ４１は、レーザ照射方向に沿ってＤＯＥ４１を視たときに、円形の外縁を有する。そして、ＤＯＥ４１は、レーザ発振装置６０（図１）から受ける入射光を、ＤＯＥ４１の中央部において平面的に直角に交差する４本の矩形状ビーム４４－１～４４－４に分散して出力する。 FIG. 6 is a diagram showing another example of a beam pattern processed by the DOE 41. In FIG. Referring to FIG. 6, also in this modification, DOE 41 has a circular outer edge when DOE 41 is viewed along the laser irradiation direction. The DOE 41 disperses the incident light received from the laser oscillator 60 (FIG. 1) into four rectangular beams 44-1 to 44-4 that intersect perpendicularly in a plane at the center of the DOE 41, and outputs the beams. .

ＤＯＥ４１は、矩形状ビーム４４－１～４４－４がＤＯＥ４１の中央部の回りに等角度で形成されるようにビーム光を加工する。また、ＤＯＥ４１は、矩形状ビーム４４－１～４４－４の各々において、長辺方向端部の照射エネルギ密度が中央部の照射エネルギ密度以上となるようにビーム光を加工する。 The DOE 41 processes the beam light so that rectangular beams 44-1 to 44-4 are formed around the center of the DOE 41 at equal angles. The DOE 41 also processes the rectangular beams 44-1 to 44-4 so that the irradiation energy density at the ends in the long side direction is higher than the irradiation energy density at the central portion.

このようなＤＯＥ４１により、レーザの照射領域８０は、４つの矩形状領域を有する。そして、図６から理解できるように、その４つの矩形状領域は、照射領域８０の中央部の回りに等角度で形成され、照射領域８０の中央部を中心とする点対称となるように形成される。 With such a DOE 41, the laser irradiation area 80 has four rectangular areas. As can be understood from FIG. 6, the four rectangular regions are formed at equal angles around the central portion of the irradiation region 80, and formed point-symmetrically about the central portion of the irradiation region 80. be done.

このような構成によっても、ある矩形状領域と溶接方向とのなす角が小さくなるようにＤＯＥ４１がレーザトーチ４０にセッティングされたとしても、その矩形状領域と交差した他の矩形状領域が存在することにより、溶接ラインの中央から離れた部位における入熱量を確保することが可能となる。したがって、この変形例によっても、レーザトーチ４０へのＤＯＥ４１のセッティング状態に拘わらず、広い溶接ビード幅を形成することができる。その結果、接合強度を確保することができる。 Even with such a configuration, even if the DOE 41 is set on the laser torch 40 so that the angle formed by a certain rectangular area and the welding direction is small, another rectangular area that intersects with the rectangular area exists. Therefore, it is possible to ensure the heat input at a portion away from the center of the welding line. Therefore, even with this modified example, a wide weld bead width can be formed regardless of the setting state of the DOE 41 to the laser torch 40 . As a result, joint strength can be ensured.

なお、照射領域８０における矩形状領域の数は、４つ以下であることが望ましい。矩形状領域の数をさらに増やすと、ＤＯＥ４１によって加工されたレーザの照射エネルギの分散度合いが大きくなり、照射領域８０の中央部から離れた部位における入熱量が確保できなくなる。矩形状領域の数が４つ以下であれば、中央部から離れた部位における入熱量が確保され、広い溶接ビード幅を形成することができる。 Note that the number of rectangular regions in the irradiation region 80 is preferably four or less. If the number of rectangular regions is further increased, the degree of dispersion of the irradiation energy of the laser processed by the DOE 41 becomes large, and the amount of heat input cannot be ensured in portions distant from the central portion of the irradiation region 80 . If the number of rectangular regions is four or less, the amount of heat input can be ensured in a portion distant from the central portion, and a wide weld bead width can be formed.

また、上記のように、ＤＯＥ４１により加工されたレーザが照射される照射領域８０は、複数の矩形状領域が照射領域８０の中央部を中心とする点対称となるように構成されるのが好ましい。或いは、照射領域８０は、複数の矩形状領域が照射領域８０の中央部の回りに等角度で形成されるのが好ましい。これにより、レーザトーチ４０へのＤＯＥ４１のセッティング状態に拘わらず、溶接ラインの左右でレーザの入熱量がアンバランスになるのを防止することができる。その結果、溶接品質が低下するのを防止することができる。 Further, as described above, the irradiation region 80 irradiated with the laser processed by the DOE 41 is preferably configured such that a plurality of rectangular regions are point-symmetrical about the central portion of the irradiation region 80. . Alternatively, the irradiation area 80 is preferably formed with a plurality of rectangular areas around the central portion of the irradiation area 80 at equal angles. Thereby, regardless of the setting state of the DOE 41 to the laser torch 40, it is possible to prevent the amount of heat input from the laser from becoming unbalanced on the left and right sides of the welding line. As a result, deterioration of welding quality can be prevented.

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 レーザトーチ、４１ ＤＯＥ、４２ レンズ、６０ レーザ発振装置、７０ 母材、８０ 照射領域、８２ アーク溶接領域、８４ 溶融プール。 1 laser arc hybrid welding device, 10 welding torch, 20 welding wire, 30 welding power supply device, 40 laser torch, 41 DOE, 42 lens, 60 laser oscillation device, 70 base material, 80 irradiation area, 82 arc welding area, 84 melting pool.

Claims (4)

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の形状を調整するように構成された回折光学素子を含み、
前記回折光学素子は、
前記照射領域が、前記照射領域の中央部において交差する複数の矩形状領域を有するように構成され、さらに、
前記複数の矩形状領域の各々において、長辺方向の端部におけるレーザの照射エネルギ密度が前記中央部における照射エネルギ密度以上となるように構成される、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 a diffractive optical element configured to adjust the shape of the irradiation area irradiated with the laser,
The diffractive optical element is
The irradiation area is configured to have a plurality of rectangular areas that intersect at the center of the irradiation area, and
A laser-arc hybrid welding apparatus configured such that, in each of the plurality of rectangular regions, the irradiation energy density of the laser at the ends in the long side direction is greater than or equal to the irradiation energy density at the central portion. 前記複数の矩形状領域の数は、４つ以下である、請求項１に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。 The laser-arc hybrid welding device according to claim 1, wherein the number of said plurality of rectangular regions is four or less. 前記回折光学素子は、前記複数の矩形状領域が前記中央部を中心とする点対称となるように構成される、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装置。 3. The laser-arc hybrid welding apparatus according to claim 1, wherein said diffractive optical element is configured such that said plurality of rectangular regions are point symmetrical about said central portion. 前記回折光学素子は、前記複数の矩形状領域が前記中央部の回りに等角度で形成されるように構成される、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装置。
3. The laser-arc hybrid welding apparatus according to claim 1, wherein the diffractive optical element is configured such that the plurality of rectangular regions are formed equiangularly around the central portion.
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