JPWO2010021094A1 - 複合溶接方法および複合溶接装置 - Google Patents

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Abstract

本発明の複合溶接方法は、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射しながら上記溶接位置に第１ワイヤを送給して上記被溶接物との間でアーク溶接を同時に行う複合溶接方法であって、上記レーザビームと上記アーク溶接とにより形成した溶融池に少なくとも１本の第２ワイヤを供給することによって、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。

Description

本発明は、被溶接物にレーザビームの照射とアーク溶接とを行う複合溶接方法および複合溶接装置に関する。
レーザ溶接はレーザビームのエネルギー密度が高いため、高速で熱影響部の狭い溶接を行うことが可能である。しかし、被溶接物にギャップがあると、レーザビームがそのギャップから抜けてしまいエネルギーロスが生じるので、溶接ができなくなる恐れがあった。
この問題を克服するために、フィラーワイヤを使用したレーザ溶接方法が従来からあり（例えば、非特許文献１参照）、また、非消耗電極方式または消耗電極方式のアーク溶接と併用する複合溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。非消耗電極方式のアーク溶接（ＴＩＧ溶接：Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）と併用する複合溶接方法では、フィラーワイヤを添加してＴＩＧ電極であるタングステン電極を振動しながら良好な溶接部を得る方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、ＴＩＧ溶接を使用する場合は、通常、その電極として融点の高いタングステン電極を使用するが、溶接中にそのタングステン電極が焼損または消耗し、アーク不安定をきたす場合がある。それと共に、消耗したタングステン電極が溶接金属に混入し、溶接継手部の性能劣化を招いてしまう恐れがあった。
一方、上記の非消耗電極方式のアーク溶接を使用する複合溶接方法に対して、消耗電極方式のアーク溶接を使用する複合溶接方法が提案されている（例えば、特許文献３、４参照）。この複合溶接方法ではタングステン電極を使用することなく、ワイヤを溶接部に添加することが可能であり、深溶け込みの溶接を行うことができる。さらに高速加工および溶融幅の改善の視点から、消耗電極方式のアーク溶接を使用する複合溶接方法では、更に、レーザビーム照射位置に対して溶接加工進行方向の前方と後方にアーク溶接の電極を配置する方法が提案されている（例えば、特許文献５参照）。この場合においてレーザビーム照射位置の前方と後方とに配置させるアーク溶接は、その電極がいずれもＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接の電極（ワイヤ）である。しかしながら、このワイヤの送給速度とＭＩＧ溶接のアーク電流とを独立に調整することができない（例えば、非特許文献２参照）。通常、ワイヤ送給速度を高くすると、アーク電流も同時に高くなってしまう。そのため、例えば、ギャップ付の薄板の溶接では高い溶着金属量を必要とする場合には、高いワイヤ送給速度をのみ要するが、アーク電流も同時に高くなってしまうので、溶落ちが発生してしまう恐れがあった。
図１６Ａおよび図１６Ｂは、従来のレーザ溶接および複合溶接による突合せ溶接のイメージを示す模式図である。図１６Ａは従来のレーザ溶接の場合の突合せ溶接のイメージを示している。
図１６Ａに示すようにレーザビーム１は被溶接物２の突合せ面間にあるギャップ３を溶接するために用いられている。ビード４は、レーザビーム１を用いて被溶接物２同士の溶接を行う際に得られるものである。ギャップ３が狭い時または溶接速度の遅い時には、ビード４は良好なものとなる。しかしながら、例えばギャップ３が広い、または溶接速度が速い場合には、レーザビーム１がギャップ３から抜けてしまい、ビード４に溶落ち部分５を形成してしまう恐れがあった。
図１６Ｂは、従来の消耗電極方式のアーク溶接を使用した複合溶接の場合の突合せ溶接のイメージを示している。図１６Ｂに示すようにワイヤ６と被溶接物２との間に形成したアーク７により、ワイヤ６の先端が溶融されて溶滴８が形成されている。レーザビーム１とアーク７によって被溶接物２の突合せ部に溶融池９が形成され、溶融池９の一部が凝固してビード１０が形成されている。図１６Ｂに示す複合溶接ではワイヤ６が添加できるため、図１６Ａに示すレーザ溶接の場合と比較して許容するギャップ３を広くすることができる。しかしながら、ギャップ３が許容範囲を超えて広すぎた場合、または溶接速度が速すぎた場合には、ビード１０が不連続に形成され、その中心部に溶落ち部分１１を形成してしまう恐れがあった。この場合には、ギャップ３を埋めるのに必要な量だけワイヤ６の送給量を増やしても、同様に溶落ち部分１１が発生してしまう恐れがあった。これは、通常のアーク溶接ではワイヤ６を単独で増やすことができなく、アーク電流も同時に増加してしまい、被溶接物２に対する入熱が増加する。それと共に、溶融池９のサイズが大きくなる。そうすると溶融池９の周辺部から発生した表面張力のみによってサイズが大きくなった溶融池９を保持できなくなるためである。その結果、溶落ち部分１１が発生するわけである。
特開昭５３−１３７０４４号公報 特開２００２−１７８１７７号公報 特公昭６０−８９１６号公報 特開昭５９−６６９９１号公報 特開２００１−２４６４８５号公報
池田正幸、藤岡知夫、堀池靖浩、丸尾大、吉川省吾編、レーザプロセス技術ハンドブック、１９９２年、朝倉書店、第１４９頁 黄地尚義著、溶接・接合プロセスの基礎、１９９６年、産報出版、第１２８頁
本発明は上記従来の課題を解決するもので、レーザ照射とアーク溶接で形成した溶融池に少なくとも１本のワイヤを供給することによってアーク電流を上げることなく、溶接の溶着量を上げることのできる複合溶接方法および複合溶接装置を提供する。
本発明の複合溶接方法は、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ溶接と、上記溶接位置に第１ワイヤを送給して上記被溶接物と前記第１ワイヤとの間のアーク溶接を同時に行う複合溶接方法である。そして、本発明の複合溶接方法は、上記レーザビームと上記アーク溶接とにより形成した溶融池に少なくとも１本の第２ワイヤを供給する方法からなる。
このような方法とすることにより、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
また、本発明の複合溶接装置は、レーザ発生部と第１ワイヤ供給部とアーク発生部と第２ワイヤ送給部とレーザ発生部、アーク発生部および第２ワイヤ送給部を制御する制御部とを備えている。そして、第１ワイヤと被溶接物との間の位置にアーク溶接とレーザビームとにより形成した溶融池に第２ワイヤを供給する構成からなる。ここで、レーザ発生部は被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するものである。第１ワイヤ送給部は第１トーチを介して溶接位置に第１ワイヤを送給するものである。アーク発生部は第１ワイヤと被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するものである。第２ワイヤ送給部は少なくとも１本の第２トーチを介して溶接位置に少なくとも１本の第２ワイヤを送給するものである。
このような構成とすることにより、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
また、本発明の複合溶接装置は、レーザ発生部と第１ワイヤ送給部と第２ワイヤ送給部とアーク発生部と制御部とを備えている。ここで、レーザ発生部は被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するものであり、第１ワイヤ送給部は第１トーチを介して溶接位置に第１ワイヤを送給するものである。第２ワイヤ送給部は第２トーチを介して溶接位置に第２ワイヤを送給するものであり、アーク発生部は第１ワイヤ送給部を制御し、かつ第１ワイヤと被溶接物にアーク溶接のための電力を送給するものである。また、制御部は、時間設定部からの所定の時間ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３と電流検出部からの電流検知信号とを入力し、レーザ発生部、アーク発生部および第２ワイヤ送給部を制御するものである。
そして、本発明の複合溶接装置の制御部は、溶接を開始する時にはアーク発生部を制御してアーク溶接を開始させ、電流検知信号を受けると直ちにレーザ発生部を制御してレーザビームの照射を始めさせる。そして、所定の時間ΔＴ１が経過した後に第２ワイヤ送給部を制御して第２ワイヤの送給を開始させるよう溶接を行わせる。
溶接を終了する時には前記第２ワイヤの送給を停止させてから所定の時間ΔＴ２が経過した後にレーザビームの照射を終了させる。更に所定の時間ΔＴ３が経過した後にアーク溶接を終了させるように制御して複合溶接装置を動作させる構成からなる。
このような構成とすることにより、良好なアークスタート性能と終了部ビード形状を得ることができる。
また、本発明の複合溶接装置は、レーザ発生部と第１ワイヤ送給部と第２ワイヤ送給部とアーク発生部と制御部とを備えている。ここで、レーザ発生部は被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するものであり、第１ワイヤ送給部は第１トーチを介して溶接位置に第１ワイヤを送給するものである。第２ワイヤ送給部は第２トーチを介して溶接位置に第２ワイヤを送給するものであり、アーク発生部は第１ワイヤ送給部を制御し、かつ第１ワイヤと被溶接物にアーク溶接のための電力を送給するものである。また、制御部は、時間設定部からの所定の時間ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３と電流検出部からの電流検知信号と電圧検出部からのアーク電圧検知信号とを入力し、レーザ発生部、アーク発生部および第２ワイヤ送給部を制御するものである。
そして、本発明の複合溶接装置の制御部は、溶接を開始する時にはレーザ発生部を制御してレーザビームの照射を開始させ、所定の時間ΔＴ１が経過した後にアーク発生部を制御してアーク溶接を開始させる。そして、電流検知信号とアーク電圧検知信号を受けると直ちに第２ワイヤ送給部を制御して第２ワイヤの送給を開始させるよう溶接を行わせる。
溶接を終了する時には第２ワイヤの送給を停止させてから所定の時間ΔＴ２が経過した後にレーザビームの照射を終了させる。更に所定の時間ΔＴ３が経過した後にアーク溶接を終了させるように制御して複合溶接装置を動作させる構成からなる。
このような構成とすることにより、良好なアークスタート性能と終了部ビード形状を得ることができる。
図１は本発明の実施の形態１における複合溶接方法の構成を示す模式図である。 図２Ａは従来の消耗電極式アーク溶接方法の溶着量とアーク電流の関係を示す模式図である。 図２Ｂは本発明の実施の形態１における複合溶接方法の溶着量とアーク電流の関係を示す模式図である。 図３Ａは本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤの供給位置を説明する模式図である。 図３Ｂは本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤの供給位置を説明する模式図である。 図４Ａは本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤの供給位置を説明する模式図である。 図４Ｂは本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤの供給位置を説明する模式図である。 図４Ｃは本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤの供給位置を説明する模式図である。 図５Ａは本発明の実施の形態１における複合溶接方法において第１ワイヤと第２ワイヤとの供給方法を説明する模式図である。 図５Ｂは本発明の実施の形態１における複合溶接方法において第１ワイヤと第２ワイヤとの供給方法を説明する模式図である。 図５Ｃは本発明の実施の形態１における複合溶接方法において第１ワイヤと第２ワイヤとの供給方法を説明する模式図である。 図５Ｄは本発明の実施の形態１における複合溶接方法において第１ワイヤと第２ワイヤとの供給方法を説明する模式図である。 図６は本発明の実施の形態２における複合溶接方法の構成を示す模式図である。 図７は本発明の実施の形態３における複合溶接方法の構成を示す模式図である。 図８は図７のセンシング部の配置を示す模式図である。 図９は本発明の実施の形態１において示した複合溶接方法の構成を示す模式図である。 図１０は本発明の本発明の実施の形態１において示した複合溶接方法の原理を示す模式図である。 図１１は本発明の実施の形態４における複合溶接方法の構成を示す模式図である。 図１２は本発明の実施の形態４における複合溶接装置の動作シーケンスを示す図である。 図１３は本発明の実施の形態４における複合溶接装置の別の動作シーケンスを示す図である。 図１４は本発明の実施の形態４における複合溶接装置のさらに別の動作シーケンスを示す図である。 図１５は電流検知信号とアーク電圧検知信号との出力タイミングを示す模式図である。 図１６Ａは従来のレーザ溶接による突合せ溶接のイメージを示す模式図である。 図１６Ｂは従来の複合溶接による突合せ溶接のイメージを示す模式図である。
以下、本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。以下の図面において同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における複合溶接方法の構成を示す模式図である。なお、図１６Ａおよび図１６Ｂに示した内容と同様の構成要素並びに動作、作用および効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
図１に示すように、被溶接物２の突合せ部の溶接位置２ａにレーザビーム１を照射するレーザ溶接と、溶接位置２ａに第１ワイヤ１２を送給して被溶接物２と第１ワイヤとの間でアーク７を発生させてアーク溶接を同時に行う。この際に、第２ワイヤ１３がレーザビーム１とアーク７とで形成した溶融池１４に供給されている。ビード１５は、溶融池１４が凝固して形成されている。図１において第２ワイヤ１３が１本示されているが、溶融さえ可能であれば、必ずしも１本である必要がなく２本以上の第２ワイヤ１３が溶融池１４に供給されてもよい。
図２Ａは従来の消耗電極式アーク溶接方法の溶着量とアーク電流の関係を示す模式図、図２Ｂは本発明の実施の形態１における複合溶接方法の溶着量とアーク電流の関係を示す模式図である。
図１に示した複合溶接方法の原理について、図２Ａおよび図２Ｂを参照しつつ説明する。図２Ａに示す溶融曲線ＭＲＡは消耗電極式のアーク溶接方法におけるアーク電流とワイヤを溶融した時に得られる溶着量との関係を示す溶融曲線である。溶融曲線ＭＲＡによると、溶着量ＶＷ０と対応するアーク電流はＩ０である。したがって、図１における被溶接物２のギャップ３が広い時に、図２Ａに示す溶着量ＶＷ０を溶着量ＶＷ１に上げてギャップ３を埋めようする。そうすると、アーク電流Ｉ０がアーク電流Ｉ１までに上昇してしまう。その結果、溶融池１４の大きさが増加し、溶融池１４にかかるアーク力も増加してしまうので、溶落ちがかえって発生しやすくなる恐れがあった。
一方、図２Ｂに示す溶融曲線ＭＲＷは、溶融池１４に供給される第２ワイヤ１３から得られる溶着量を示す溶融曲線である。第２ワイヤ１３の溶融池１４への送給速度が一定であれば、アーク電流と無関係に一定の溶着量ＶＷＷを得ることが可能である。したがって、アーク溶接と同時に行う複合溶接の溶融曲線ＭＲＨとしては、溶融曲線ＭＲＡと溶融曲線ＭＲＷとを足すことによって得ることができる。なお、アーク電流を変えることなく、溶融量ＶＷＷと対応する第２ワイヤ１３の送給速度のみを変更することによって、全体の溶着量を変えることができる。例えば、図１における被溶接物２のギャップ３が広い時には、第２ワイヤ１３による溶着量がＶＷＷになるよう供給する。そうすると、第２ワイヤの送給がない場合の溶着量ＶＷ０を溶着量ＶＷ１にするために、アーク電流Ｉ０をかえって下げる必要がある。図２Ｂに示す通り、アーク電流Ｉ０をアーク電流Ｉ２に下げる必要がある。すなわち、図１に示す複合溶接を使用すると、アーク電流を上げることなく、溶着量のみを上げることができる。その結果、ギャップ３が広くても良好なビードを得ることができる。
以上のように本実施の形態１の複合溶接方法は、被溶接物２の溶接位置２ａにレーザビーム１を照射するレーザ溶接と、溶接位置２ａに第１ワイヤ１２を送給して被溶接物２と第１ワイヤとの間のアーク溶接を同時に行う複合溶接方法である。この複合溶接方法はレーザビーム１によるレーザ溶接とアーク溶接とにより形成した溶融池９に少なくとも１本の第２ワイヤ１３を供給する方法である。
このような方法とすることにより、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
以上の説明では、例えば第２ワイヤ１３として１本のワイヤを図示して説明したが、言うまでもなく第２ワイヤ１３は１本のみである必要がなく２本以上であってもよい。
また、以上の説明では、レーザビーム１を照射して溶接が進行する溶接方向に対し、レーザビーム１の照射を溶接方向の前方に配置し第１ワイヤ１２をレーザビーム１の後方に配置し、第２ワイヤ１３を第１ワイヤ１２の後方の方向から供給している（図１参照）。ここで、前方とは被溶接物２をレーザ溶接により溶接していく方向であり、後方とは被溶接物２を溶接した方向である。
このような方法とすることにより、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
図３Ａおよび図３Ｂは本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤ１３の供給位置を説明する模式図である。
図３Ａに示すようにレーザビーム１の照射を前方に配置し第１ワイヤ１２をレーザビーム１の後方に配置し、第２ワイヤ１３をレーザビーム１と第１ワイヤ１２との間から供給してもよい。また、図３Ｂに示すようにレーザビーム１の照射を前方に配置し第１ワイヤ１２をレーザビーム１の後方に配置し、第２ワイヤ１３をレーザビーム１の前方の方向から供給してもよい。
このような方法とすることにより、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃは本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤ１３の供給位置を説明する模式図である。
図４Ａに示すようにレーザビーム１を照射して溶接が進行する溶接方向に対し、第１ワイヤ１２を前方に配置しレーザビーム１の照射を第１ワイヤ１２の後方に配置し、第２ワイヤ１３をレーザビーム１の後方の方向から供給してもよい。また、図４Ｂに示すように第１ワイヤ１２を前方に配置しレーザビーム１の照射を第１ワイヤ１２の後方に配置し、第２ワイヤ１３を第１ワイヤ１２とレーザビーム１との間の位置から供給してもよい。更に、図４Ｃに示すように第１ワイヤ１２を前方に配置しレーザビーム１の照射を第１ワイヤ１２の後方に配置し、第２ワイヤ１３を第１ワイヤ１２の前方の方向から供給してもよい。
また、図１、図３および図４においてレーザビーム１の光軸と第１ワイヤ１２の中心軸および第２ワイヤ１３の中心軸がそれぞれ異なる軸芯である場合について説明した。図示していないが、第１ワイヤ１２および第２ワイヤ１３の内の少なくともどちらか一方の中心軸をレーザビーム１の光軸と同軸に配置してもよい。
このような方法とすることにより、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
また、以上の説明では、シールドガスの供給については言及しなかった。図示していないが、アーク溶接に用いるシールドガスは、第２ワイヤ１３を送給する第２トーチに取り付けた第２ノズルおよび第１ワイヤ１２を送給する第１トーチに取り付けた第１ノズルのうちの少なくとも何れかから供給してもよい。なお、第１ノズルと第２ノズルとから供給するシールドガスの組成を異なるものにしてもよい。
言うまでもなく、第１ノズルと第２ノズルとから供給するシールドガスを溶接部位に応じてシールドガスの供給と停止を独立に行ってもよい。シールドガスを停止、または再開する際にレーザビーム１の照射条件とアーク溶接の条件とのうちの少なくとも何れかを変えてもよい。または、シールドガスは、第２ワイヤ１３と第１ワイヤ１２とを同時に送給する複合トーチに取り付けた複合ノズルから供給してもよい。その内容については、図５を参照しつつ説明する。
図５（図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃおよび図５Ｄ）は本発明の実施の形態１における複合溶接方法において第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３との供給方法を説明する模式図である。
図３および図４においては図示していないが、図５において第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３とを同時に送給する複合トーチによって送給される際に、複合トーチの先端に取り付けた複合ノズル１６のイメージ図を示す。図５において、シールドガスは第１ワイヤ１２および第２ワイヤ１３を送給する複合ノズル１６によって供給される。言うまでもなく、複合トーチでは第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３とに対して同じ速度で送給してもよいが、異なった速度で送給してもよい。
また、以上の説明では、第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３との材質について言及しなかったが、第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３とを同一の材質としてよい。また、第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３とを同一の主成分を持つ、異なる材質のものとしてもよい。言うまでもなく、第１ワイヤ１２、第２ワイヤ１３および被溶接物２は、その主成分がアルミニウムであってもよく、鉄であってもよい。
また、以上の説明では、溶接部位について言及しなかったが、第２ワイヤ１３が複数本ある複合溶接方法の場合に、溶接部位により、その少なくとも１本を停止してもよい。なお、第２ワイヤ１３の少なくとも１本を停止、あるいはその後再開する際には、レーザビーム１の照射条件、アーク溶接の条件および第２ワイヤ１３の稼働している少なくとも１本の送給速度とのうちの少なくとも何れかを変えてもよい。
また、溶接部位により、レーザビーム１の照射とアーク溶接のどちらかを停止してもよい。なお、レーザビーム１の照射とアーク溶接のどちらかを停止、あるいは再開する際には、レーザビーム１の照射条件、第１ワイヤ１２の送給速度および第２ワイヤ１３の少なくとも１本の送給速度との少なくとも何れかを変えてもよい。更に、溶接部位により、第２ワイヤ１３の少なくとも１本の送給速度および溶接速度のうちの少なくとも何れかを変えてもよい。なお、第２ワイヤ１３の少なくとも１本の送給速度および溶接速度のうちの少なくとも何れかを変える際には、レーザビーム１の照射条件およびアーク溶接の条件のうちの少なくとも何れかを変えてもよい。
また、以上の複合溶接方法の説明では、レーザビーム１の照射をもって説明したが、レーザビーム１の代わりに、ここでその詳細な図示による説明を省略するが、プラズマアークを使用してもよい。
また、以上の説明では、アーク溶接はパルスアーク溶接であってもよい。
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２における複合溶接方法の構成を示す模式図である。なお、図１〜図５に示した内容と同様の構成要素並びに動作、作用および効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
図６に示すようにレーザ発生部１７は、レーザ発振器１８、レーザ伝送部１９および集光光学系２０からなり、レーザビーム１を被溶接物２の溶接位置２ａに照射する。レーザ伝送部１９は、光ファイバであってもよく、複数のレンズを組み合わせた光学的な伝送系であってもよい。集光光学系２０は、一枚あるいは複数のレンズから構成されてもよい。第１ワイヤ１２は、第１ワイヤ送給部２１によって第１トーチ２２を通して被溶接物２の溶接位置２ａに送給される。アーク発生部２５は、第１トーチ２２および被溶接物２にそれぞれ接続されたケーブル２６とケーブル２７により給電を行うものである。
アーク発生部２５は、溶接を開始する時には第１ワイヤ送給部２１を制御し、第１トーチ２２を通して第１ワイヤ１２を被溶接物２の溶接位置２ａに向かって送給する。アーク発生部２５は、この第１ワイヤ１２の送給とともに、第１ワイヤ１２と被溶接物２との間にアーク７を発生するように制御する。そして、アーク発生部２５は、溶接を終了する時には第１ワイヤ送給部２１による第１ワイヤ１２の送給を停止すると共に、アーク７を停止するように制御する。第２ワイヤ１３は、第２ワイヤ送給部２３によって第２トーチ２４を通して、レーザビーム１とアーク７とによって被溶接物２の溶接位置２ａに形成した溶融池に送給される。
制御部２８は、図示していないが、外部から溶接開始または溶接終了の命令を受けてから各構成要素の動作を制御する。すなわち、制御部２８は、レーザ発生部１７から発生するレーザビーム１の照射開始およびその終了と、アーク発生部２５から発生するアーク７の放電開始およびその終了と、第２ワイヤ送給部２３から送給される第２ワイヤ１３の送給開始およびその停止とを制御する。制御部２８は、コンピュータを使用して構成してもよいが、コンピュータのような演算機能を有する部品、デバイス、装置あるいはそれらの組み合わせを使用してもよい。
制御部２８としては、ロボットを使用してもよい。詳細の説明を省略するが、ロボットを使用する際には、ロボットのマニピュレータ部分に集光光学系２０、第１トーチ２２および第２トーチ２４を固定して使用してもよい。レーザ発振器１８は、予め設定した所定の出力値を出力するが、制御部２８で設定した出力値の信号を受け、それを出力してもよい。アーク発生部２５は、レーザ発生部１７と同様に制御部２８によってその出力を制御することができる。また、第２ワイヤ送給部２３は、制御部２８によってその送給速度および送給の開始と停止を制御することができる。
図６に示した構成の複合溶接装置の動作について説明する。溶接を開始する時には、溶接開始命令を受けた制御部２８は、レーザ発生部１７にレーザ溶接の開始信号を送りレーザビーム１の照射を開始する。それと共に、制御部はアーク発生部２５にアーク溶接の開始信号を送ってアーク放電を開始し、また第２ワイヤ送給部２３にワイヤ送給の開始信号を送るよう動作する。溶接を終了する時には、溶接終了命令を受けた制御部２８は、レーザ発生部１７にレーザ溶接終了信号を送りレーザビーム１の照射を終了する。それと共に、制御部２８はアーク発生部２５にアーク溶接終了信号を送ってアーク放電を終了し、また第２ワイヤ送給部２３にワイヤ送給の終了信号を送ることによって溶接を終了するよう動作する。
以上の説明では、レーザビーム１、第１ワイヤ１２および第２ワイヤ１３の配置については言及しなかったが、それは図１〜図５に示した配置が適用するものである。
以上のように本実施の形態２によれば、レーザビーム１を照射しながらアーク溶接を同時に行う複合溶接方法において、レーザビーム１とアーク溶接により形成した溶融池１４に第２ワイヤ１３を供給することによってアーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
以上の説明では、第２ワイヤ１３として１本のワイヤをもって図示したが、言うまでもなく、２本以上の第２ワイヤ１３を使用してもよい。その時、それぞれの第２ワイヤ１３を供給するために、それぞれのワイヤ送給部とトーチを設けるのは、言うまでもない。
（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３における複合溶接方法の構成を示す模式図、図８は図７のセンシング部の配置を示す模式図である。
図７の複合溶接方法の構成は、図６の構成において、制御部２８の代わりに溶接位置２ａの近傍Ａの溶接状況をセンシングするセンシング部２９からの信号を入力信号とする制御部３０を使用したものである。制御部３０は、センシング部２９の信号を受け、それに基づいてレーザ発生部１７、アーク発生部２５および第２ワイヤ送給部２３を制御する。なお、図６の構成に示した内容と同様の構成要素並びに動作、作用および効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
図７に示したセンシング部２９の動作について、図８を参照しつつ説明する。図８に示すようにセンシング部２９は、センサユニット３１と光ビーム３２とから構成される。センサユニット３１は、その発光部からは被溶接物２の突合せ部の任意の箇所に対して光ビーム３２を照射している。この光ビーム３２は、被溶接物２の突合せ部に対して垂直な方向を示す８Ａ−８Ａ線の方向に長く伸びた形をしている。センサユニット３１は光ビーム３２を照射すると共に、その受光部からは光ビーム３２が被溶接物２に当たった場合の照射位置の形状をキャッチし、それを測定する機能を備えている。なお、センサユニット３１は、照射位置の形状に基づき被溶接物２の突合せ面における隙間であるギャップを算出し、ギャップ信号を制御部３０に出力する。
以上の説明では、光ビーム３２を８Ａ−８Ａ線の方向に長く伸びた形のものとして説明したが、言うまでもなく、それはセンサユニット３１から発生して８Ａ−８Ａ線の方向に沿って高速にスキャンするスポット状のビームであってもよい。その際、センサユニット３１は、スポット状のビームが被溶接物２に当たった場合の照射位置の軌跡によって被溶接物２の突合せ部のギャップを計測してもよい。
次に制御部３０の動作について説明する。実際の溶接では、被溶接物２の突合せ面においてギャップが存在し、さらにこのギャップの大きさなどが場所によって変動する場合がある。したがって、良好な溶接ビードを得るためには、ギャップの大きさなどに応じて溶接条件を変える必要がある。図７に示す制御部３０は、図６において説明した制御部２８の持つ機能以外に、センシング部２９から入力したギャップ信号に基づき、一定の溶接ビードが得られるよう動作する。この一定の溶接ビードは、第２ワイヤ１３の送給、レーザビーム１の照射およびアーク溶接の停止、再開、またはその条件変更を行うことによって得られる。但し、図８に示したように、光ビーム３２の照射位置を示す８Ａ-８Ａ線の方向は厳密には溶融池１４が形成される位置と一致しない。実際に溶接を行ったときの条件などを参考にして８Ａ−８Ａ線と溶融池１４との距離は予め制御部３０に入力されていてもよい。
以上のように本実施の形態３によれば、レーザビーム１を照射しながらアーク溶接を同時に行う複合溶接方法において、レーザビーム１とアーク溶接により形成した溶融池１４に第２ワイヤ１３を供給している。このことによってアーク電流を上げることなく、溶着量を上げると共に、被溶接物２にギャップ３があっても良好な溶接ビードを得ることができる。
以上の本実施の形態１から３の説明では、図１〜図８に示した通り、ギャップ３を持った被溶接物２の突合せ溶接を例にして説明した。しかしながら、このような突合せ溶接以外の継手においても同様に、本実施の形態１から３における複合溶接方法を使用すればアーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。また、被溶接物２にギャップ３があっても良好な溶接ビードを得ることができる。
また、以上の説明では、溶接方向に対し、レーザビーム１の照射の位置、第１ワイヤ１２の送給の位置および第２ワイヤ１３の送給の位置のうちのそれぞれの位置の前後の順を変えて配置した構成について説明した。レーザビーム１の照射の位置、第１ワイヤ１２の送給の位置および第２ワイヤ１３の送給の位置のうちのそれぞれの位置の配置については、溶接方向に沿った方向ではなく垂直する方向において行ってもよい。また、以上の説明では、第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３とのワイヤ径については言及しなかったが、言うまでもなく、両者は同じでもよく、異なってもよい。
（実施の形態４）
実施の形態１から３においてレーザ溶接とアーク溶接とを同時に行う複合溶接方法および複合溶接装置において、溶接を行う時の溶融池に第２ワイヤを供給することによって被溶接物に溶着する金属量の自由調整を行っている。
図９は本発明の実施の形態１において示した複合溶接方法の構成を示す模式図、図１０は本発明の本発明の実施の形態１において示した複合溶接方法の原理を示す模式図である。
図９に示すように被溶接物１０１に対してレーザビーム１０２が照射され、送給された第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にアーク１０４が形成されている。溶滴１０５は第１ワイヤ１０３が溶融して形成され、溶融池１０６はレーザビーム１０２とアーク１０４とにより形成されている。この溶融池１０６に第２ワイヤ１０７が送給され、溶融池１０６が凝固してビード１０８が形成されている。
図１０は複合溶接方法の原理を示す模式図で、複合溶接方法の溶着量とアーク電流の関係を示している。図１０において溶融曲線ＭＲＡは従来の消耗電極式のアーク溶接方法の溶着量を示す溶融曲線である。目標の溶着量をＶＷ０とすると、アーク溶接でこの溶着速度を実現するには、溶融曲線ＭＲＡよりＩ０のアーク電流で溶接を行う必要がある。
一方、本実施の形態１の複合溶接方法では、例えば、溶融曲線ＭＲＦで示す溶着量ＶＷＦで第２ワイヤ１３を送給すると、溶着量は溶融曲線ＭＲＨに従う。したがって、同じ目標の溶着量ＶＷ０では、溶融曲線ＭＲＨによりアーク電流Ｉ０からＩＨに低下する。すなわち、同一の溶着量を実現した場合、この複合溶接方法ではアーク溶接の入熱をＩＨ／Ｉ０倍に下げることができる。しかし、この複合溶接方法では、レーザビーム１０２と第１ワイヤ１０３のみではなく第２ワイヤ１０７も必要である。したがって、溶接を開始する時または溶接を終了する時にはレーザビーム１０２、第１ワイヤ１０３および第２ワイヤ１０７の三者のシーケンスを、良好なアークスタート性能または終了部ビード形状が得られるよう、決定しなければならない。
図１１は本発明の実施の形態４における複合溶接装置の構成を示す模式図である。なお、図９および図１０に示した内容と同様の構成要素並びに動作、作用および効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
図１１に示すように本実施の形態４の複合溶接装置は、レーザ発生部１０９とアーク発生部１１３と第１ワイヤ送給部１１９と第２ワイヤ送給部１２０と制御部１２２とを備えている。ここで、レーザ発生部１０９はレーザ発振器１１０、レーザ伝送部１１１および集光光学系１１２を含んで構成されている。アーク発生部１１３はケーブル１１４、１１５、１１６によって電流検出部１１７と第１ワイヤ１０３を送給する第１トーチ１１８および被溶接物１０１とに接続されている。そして、アーク発生部１１３は第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にアーク１０４を発生するための電力を送給している。第１ワイヤ送給部１１９は第１トーチ１１８を通って第１ワイヤ１０３を被溶接物１０１に送給し、第２ワイヤ送給部１２０は第２トーチ１２１を通って第２ワイヤ１０７を被溶接物１０１に形成した溶融池１０６に送給している。制御部１２２はケーブル１１４およびケーブル１１６に接続される電圧検出部１２４からのアーク電圧検知信号と電流検出部１１７からの電流検知信号と時間設定部１２３で設定した所定の時間ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３とを入力している。そして、制御部１２２はレーザ発生部１０９、アーク発生部１１３および第２ワイヤ送給部１２０を制御している。
ところで、図１１に示すようにレーザ発生部１０９は、その集光光学系１１２によってレーザビーム１０２を集光して被溶接物１０１に照射している。集光光学系１１２は一枚あるいは複数のレンズから構成されてもよい。レーザ伝送部１１１は光ファイバであってもよく、レンズによって組み合わせた伝送系であってもよい。レーザ発振器１１０は、図示していないが、外部の制御装置によってその出力値および出力タイミングを自由に制御することができる。アーク発生部１１３は、溶接を開始する時には第１ワイヤ送給部１１９を制御し、第１ワイヤ１０３を被溶接物１０１に向かって送給する。それと共にアーク発生部１１３は、第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にアーク１０４を発生するように制御する。そして、溶接を終了する時には第１ワイヤ送給部１１９による第１ワイヤ１０３の送給を停止すると共に、アーク発生部１１３はアーク１０４を停止するよう制御する。
ここで、電流検出部１１７はケーブル１１５とケーブル１１６に接続されるシャントであってもよく、ホール素子などのような半導体素子を使用してもよい。第２ワイヤ送給部１２０は、その送給速度および送給の開始と停止は外部の制御装置によって自由に制御することができる。制御部１２２は、コンピュータを使用してもよいが、コンピュータのような演算機能を有する部品、デバイス、装置あるいはそれらの組み合わせを使用してもよい。また、制御部１２２としてロボットを使用してもよい。詳細の説明を省略するが、ロボットを使用する場合は、ロボットのマニピュレータ部に集光光学系１１２と第１トーチ１１８と第２トーチ１２１とを固定して使用してもよい。電圧検出部１２４は、ケーブル１１４とケーブル１１６に接続されると説明したが、できるだけ第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１とにおける、アーク１０４に近い位置に接続することが望ましい。
次に本実施の形態４における複合溶接装置の動作について、図１２を参照しつつ説明する。
図１２は本発明の実施の形態４における複合溶接装置の動作シーケンスを示す図である。溶接を開始する時には、制御部１２２は溶接開始命令を受けると、アーク発生部１１３を制御して第１ワイヤ送給部１１９より第１ワイヤ１０３を溶接位置１０２ａに送給する。それと共に、アーク溶接の電力を供給して第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にアーク１０４を発生するよう動作する。第１ワイヤ１０３が被溶接物１０１と接触して溶接電流が流れると、電流検出部１１７では溶接電流が流れたタイミングを検知して電流検知信号を制御部１２２に出力する（後述の図１５を参照）。図１２では電流検知信号としてＯＮ（以下、「オン」とする）／ＯＦＦ（以下、「オフ」とする）と表示している。オンは電流検知信号が出力された時間を示し、オフは電流検知信号が出力されなくなった時間を示す。
図１２に示すように、時間ｔ１は電流検知信号が制御部１２２に出力された時間に該当する。制御部１２２では、電流検知信号を受けると、直ちにレーザ発生部１０９を制御してレーザビーム１０２の照射を開始する。その後、時間設定部１２３で設定した所定の時間ΔＴ１が経過した時間ｔ２では、制御部１２２は第２ワイヤ送給部１２０を制御して第２ワイヤ１０７の送給を開始する。その後、通常の複合溶接が行われる。以上に示した溶接開始シーケンスでは、電流検知信号を受けてから直ちにレーザビーム１０２の照射を開始することによって良好なアークスタート性能を得ることができる。また、所定の時間ΔＴ１を設けるのは、この期間中においてレーザビーム１０２とアーク１０４とによって形成した溶融池１０６の形状がある程度整えられるためのものである。
一方、溶接を終了する時には、制御部１２２は、溶接停止命令を受けると直ちに第２ワイヤ送給部１２０を制御して第２ワイヤ１０７の送給を停止する。これは、図１２の時間ｔ３に該当する。その後、所定の時間ΔＴ２が経過した時間ｔ４では、制御部１２２は、レーザ発生部１０９を制御してレーザビーム１０２の照射を停止する。更に、所定の時間ΔＴ３が経過した時間ｔ５では、制御部１２２は、アーク発生部１１３を制御して第１ワイヤ１０３の送給を停止する。それと共に、制御部１２２はアーク１０４によるアーク溶接を終了するよう動作する。以上に示した溶接終了シーケンスでは、第２ワイヤ１０７の送給を停止してからレーザビーム１０２の照射またはアーク溶接を終了するように動作する。したがって、第２ワイヤ１０７が溶融池１０６に突っ込むことなく良好な終了部ビード形状を得ることができる。
以上のように本実施の形態４における複合溶接装置によれば、被溶接物１０１の溶接位置１０２ａにレーザビーム１０２を照射しながら溶接位置１０２ａに第１ワイヤ１０３を送給して被溶接物１０１との間でアーク溶接を同時に行う複合溶接方法を用いる。この複合溶接装置において、レーザビーム１０２とアーク溶接とにより形成した溶融池１０６に第２ワイヤ１０７を送給する。それと共に、溶接を開始する時には第２ワイヤ１０７の送給はレーザビーム１０２の照射とアーク溶接のうちの少なくとも何れかが開始してから所定の時間が経過した後に開始する。溶接を終了する時には第２ワイヤ１０７の送給を停止してから所定の時間が経過した後にレーザビーム１０２の照射を停止し、更に所定の時間が経過した後にアーク溶接を停止する。このような構成とすることによって良好なアークスタート性能と終了部ビード形状を得ることができる。
以上に示した本実施の形態４における複合溶接装置の動作において、図１２の動作シーケンスと溶接走行とを併せて実施することによっても上述の内容と同様の効果を得ることができる。その動作について、図１３を参照しつつ説明する。
図１３は本発明の実施の形態４における複合溶接装置の別の動作シーケンスを示す図である。溶接走行装置は図１１には図示していないが、溶接走行は、ロボットを使用してそのマニピュレータ部に集光光学系１１２、第１トーチ１１８および第２トーチ１２１を固定して行ってもよい。言うまでもなく、ロボット以外の可動装置に集光光学系１１２、第１トーチ１１８および第２トーチ１２１とを固定して溶接を行ってもよい。溶接を開始する時には、時間ｔ１から所定の時間ΔＴ１が経過した後の時間ｔ２では、溶接走行装置の溶接走行を開始するようにしている。溶接を終了する時には、図１３に示すように第２ワイヤ１０７の送給が停止した時間ｔ３では、溶接走行装置の溶接走行を終了するようにしている。
以上の動作シーケンスを使用する理由は、以下の通りである。溶接を開始する時には、被溶接物１０１の溶接位置１０２ａはまだ冷たい。したがって、この溶接位置１０２ａの部分のビードの広がりおよび溶込みを確保するために、通常、溶接を開始してからトーチまたはレーザヘッドをしばらくその位置で停止するよう溶接シーケンスが組まれる。その後の通常の溶接の部分と比較すると、この部分では第１ワイヤ１０３による溶着金属が送給されるので、その堆積が発生する。この位置で更に第２ワイヤ１０７を送給すると、溶着金属の体積が過多となり、ビード外観が損なわれてしまう。したがって、溶接走行が開始してからの第２ワイヤ１０７の送給が望ましいのである。
一方、溶接を終了する時には、従来のアーク溶接では、所定の溶接位置に達した時点で溶接走行を停止し、その位置でクレータ処理を行う。本実施の形態４における複合溶接装置でも従来のアーク溶接と同様な考え方で、クレータ処理を行う必要がある。なお、クレータ処理については、第１ワイヤ１０３の溶着金属量だけで十分な場合が多く、良好なビード外観を得るためには、通常は図１３に示すように第２ワイヤ１０７を送給しなくてもよい。
また、以上に示した本実施の形態４における複合溶接装置において、図１４に示す動作を行うことによって上述の内容と同様の効果を得ることができる。その内容を説明する。
図１４は本発明の実施の形態４における複合溶接装置のさらに別の動作シーケンスを示す図である。溶接を開始する時には、制御部１２２は溶接開始命令を受けると、図１４に示すようにレーザ発生部１０９を制御して直ちにレーザビーム１０２の照射を開始する。これは、図１４の時間ｔ１に該当する。その後、所定の時間ΔＴ１が経過した時間ｔ２では、制御部１２２は、アーク発生部１１３を制御して第１ワイヤ送給部１１９より第１ワイヤ１０３を溶接位置に送給する。それと共に、アーク溶接の電力を送給して第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にアーク１０４を発生するよう動作する。第１ワイヤ１０３が被溶接物１０１と接触して溶接電流が流れると、電流検出部１１７では溶接電流が流れた時間を検知して電流検知信号を制御部１２２に出力する（後述の図１５を参照）。
一方、電圧検出部１２４では、溶接電流が流れ、被溶接物１０１に接触していた第１ワイヤ１０３の先端からアーク１０４が発生する。そうすると、それを検知してアーク電圧検知信号（後述の図１５を参照）が制御部１２２に出力される。制御部１２２では、溶接電流検知信号を受け、更にアーク電圧信号を受けると直ちに第２ワイヤ送給部１２０を制御して第２ワイヤ１０７の送給を開始する。その後の動作は、図１２および図１３の動作シーケンスで説明した内容と同様であるので、その説明は省略する。
図１２〜図１４の動作シーケンスの電流検知信号またはアーク電圧検知信号の概略について、図１５を参照しつつ説明する。
図１５は電流検知信号とアーク電圧検知信号の出力タイミングを示す模式図である。時間ｔａ、時間ｔｂおよび時間ｔｃは，図１２と図１３の時間ｔ１、または図１４の時間ｔ２の部分の時間軸を拡大したものに該当する。時間tａまでは，アーク発生部１１３から電力が出力される期間である。それと共に、第１ワイヤ１０３が被溶接物１０１の溶接位置１０２ａに向かって送給され、第１ワイヤ１０３が被溶接物１０１に接触するまでの期間が時間ｔａである。この間、第１ワイヤ１０３を流れる電流が０アンペアであるが、第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間に無負荷電圧ＶＮＬがかかる。時間ｔａでは、第１ワイヤ１０３が被溶接物１０１に接触するが、両者の間の電圧がほとんど０ボルトとなる。時間ｔａと時間ｔｃとの間では、第１ワイヤ１０３を流れる電流が増加し、その先端が加熱されるが、まだアーク１０４が発生していない。この期間は、短絡期間である。図１５に示すように、電流検出部１１７は、第１ワイヤ１０３を流れる電流が予め設定されていた電流検知レベルＩＤＣに達した時間ｔｂでは電流検知信号を制御部１２２に出力する。時間ｔｃでは、第１ワイヤ１０３の先端からアーク１０４が発生すると共に、アーク電流ＩＡＲＣが流れ、第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にアーク電圧ＶＡＲＣがかかる。電圧検出部１２４は、図示していないが、第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にかかる電圧が予め設定されていた電圧検知レベルＶＤＣに達した時点でアーク電圧検出信号を制御部１２２に出力する。通常のアーク溶接では、時間ｔａから時間ｔｃまでの時間が非常に短いので、図１４では、電流検知信号とアーク電圧検知信号とは同じ時間ｔ２で表記している。
図１２〜図１４では、第２ワイヤ１０７での送給を停止してから所定の時間ΔＴ２だけレーザビーム１０２の照射を続けているが、所定の時間ΔＴ２を０秒としてもよい。なお、何れの場合においても、クレータ処理は所定の時間ΔＴ３で行うことが望ましい。
以上の説明では、溶接を開始する時には、第２ワイヤ１０７の送給はレーザビーム１０２の照射とアーク溶接との少なくとも何れかが開始してから所定の時間が経過した後に開始してもよい。または、レーザビーム１０２の照射とアーク溶接との両方が開始してから開始してもよい。または、アーク溶接が開始しアーク電流が流れたことを検知してから直ちにレーザビーム１０２の照射を開始し、所定の時間が経過した後に第２ワイヤ１０７の送給を開始してもよい。または、レーザビーム１０２の照射が開始し所定の時間が経過した後にアーク溶接を開始し、更に所定の時間が経過した後に第２ワイヤ１０７の送給を開始してもよい。または、レーザビーム１０２の照射が開始して所定の時間が経過した後にアーク溶接を開始し、アーク溶接のアーク放電が開始してから直ちに第２ワイヤ１０７の送給を開始してもよい。
また、溶接を終了する時には、第２ワイヤ１０７の送給を停止してから所定時間が経過した後にレーザビーム１０２の照射とアーク溶接とを停止してもよい。または、第２ワイヤ１０７の送給を停止してから所定の時間が経過した後にレーザビーム１０２の照射を停止し、更に所定の時間が経過した後にアーク溶接を停止してもよい。または、レーザビーム１０２の照射を停止してから所定の時間が経過した後に第２ワイヤ１０７の送給を停止し、更に所定の時間が経過した後にアーク溶接を停止してもよい。または、アーク溶接を停止してから所定の時間が経過した後に第２ワイヤ１０７の送給を停止し、更に所定の時間が経過した後にレーザビーム１０２の照射を停止してもよい。なお、アーク溶接が停止してからのレーザビーム１０２の出力と第２ワイヤ１０７の送給速度との両方とも、それまでの溶接に使用した値以下にしてもよい。
また、アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を使用してもよく、レーザビーム発生部としてＹＡＧレーザ、半導体レーザおよびファイバレーザのうちの少なくとも何れかを使用してもよい。
また、被溶接物、第１ワイヤおよび第２ワイヤは材質がアルミニウム合金、または鉄鋼のものを使用してもよい。
以上のように本発明によれば、レーザビームとアーク溶接とにより形成した溶融池に少なくとも１本の第２ワイヤを供給することによって、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることのできる複合溶接方法および複合溶接装置を実現できる。この複合溶接方法および複合溶接装置を使用すると、各種の金属などを溶接し良好なビード形状を得ることができ有用である。
１，１０２ レーザビーム
２，１０１ 被溶接物
２ａ，１０２ａ 溶接位置
３ ギャップ
４，１０，１５，１０８ ビード
５，１１ 溶落ち部分
６ ワイヤ
７，１０４ アーク
８，１０５ 溶滴
９，１４，１０６ 溶融池
１２，１０３ 第１ワイヤ
１３，１０７ 第２ワイヤ
１６ 複合ノズル
１７，１０９ レーザ発生部
１８，１１０ レーザ発振器
１９，１１１ レーザ伝送部
２０，１１２ 集光光学系
２１，１１９ 第１ワイヤ送給部
２２，１１８ 第１トーチ
２３，１２０ 第２ワイヤ送給部
２４，１２１ 第２トーチ
２５，１１３ アーク発生部
２６，２７，１１４，１１５，１１６ ケーブル
２８，３０，１２２ 制御部
２９ センシング部
３１ センサユニット
３２ 光ビーム
１１７ 電流検出部
１２３ 時間設定部
１２４ 電圧検出部
本発明は、被溶接物にレーザビームの照射とアーク溶接とを行う複合溶接方法および複合溶接装置に関する。
レーザ溶接はレーザビームのエネルギー密度が高いため、高速で熱影響部の狭い溶接を行うことが可能である。しかし、被溶接物にギャップがあると、レーザビームがそのギャップから抜けてしまいエネルギーロスが生じるので、溶接ができなくなる恐れがあった。
この問題を克服するために、フィラーワイヤを使用したレーザ溶接方法が従来からあり（例えば、非特許文献１参照）、また、非消耗電極方式または消耗電極方式のアーク溶接と併用する複合溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。非消耗電極方式のアーク溶接（ＴＩＧ溶接：Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）と併用する複合溶接方法では、フィラーワイヤを添加してＴＩＧ電極であるタングステン電極を振動しながら良好な溶接部を得る方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、ＴＩＧ溶接を使用する場合は、通常、その電極として融点の高いタングステン電極を使用するが、溶接中にそのタングステン電極が焼損または消耗し、アーク不安定をきたす場合がある。それと共に、消耗したタングステン電極が溶接金属に混入し、溶接継手部の性能劣化を招いてしまう恐れがあった。
一方、上記の非消耗電極方式のアーク溶接を使用する複合溶接方法に対して、消耗電極方式のアーク溶接を使用する複合溶接方法が提案されている（例えば、特許文献３、４参照）。この複合溶接方法ではタングステン電極を使用することなく、ワイヤを溶接部に添加することが可能であり、深溶け込みの溶接を行うことができる。さらに高速加工および溶融幅の改善の視点から、消耗電極方式のアーク溶接を使用する複合溶接方法では、更に、レーザビーム照射位置に対して溶接加工進行方向の前方と後方にアーク溶接の電極を配置する方法が提案されている（例えば、特許文献５参照）。この場合においてレーザビーム照射位置の前方と後方とに配置させるアーク溶接は、その電極がいずれもＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接の電極（ワイヤ）である。しかしながら、このワイヤの送給速度とＭＩＧ溶接のアーク電流とを独立に調整することができない（例えば、非特許文献２参照）。通常、ワイヤ送給速度を高くすると、アーク電流も同時に高くなってしまう。そのため、例えば、ギャップ付の薄板の溶接では高い溶着金属量を必要とする場合には、高いワイヤ送給速度をのみ要するが、アーク電流も同時に高くなってしまうので、溶落ちが発生してしまう恐れがあった。
図１６Ａおよび図１６Ｂは、従来のレーザ溶接および複合溶接による突合せ溶接のイメージを示す模式図である。図１６Ａは従来のレーザ溶接の場合の突合せ溶接のイメージを示している。
図１６Ａに示すようにレーザビーム１は被溶接物２の突合せ面間にあるギャップ３を溶接するために用いられている。ビード４は、レーザビーム１を用いて被溶接物２同士の溶接を行う際に得られるものである。ギャップ３が狭い時または溶接速度の遅い時には、ビード４は良好なものとなる。しかしながら、例えばギャップ３が広い、または溶接速度が速い場合には、レーザビーム１がギャップ３から抜けてしまい、ビード４に溶落ち部分５を形成してしまう恐れがあった。
図１６Ｂは、従来の消耗電極方式のアーク溶接を使用した複合溶接の場合の突合せ溶接のイメージを示している。図１６Ｂに示すようにワイヤ６と被溶接物２との間に形成したアーク７により、ワイヤ６の先端が溶融されて溶滴８が形成されている。レーザビーム１とアーク７によって被溶接物２の突合せ部に溶融池９が形成され、溶融池９の一部が凝固してビード１０が形成されている。図１６Ｂに示す複合溶接ではワイヤ６が添加できるため、図１６Ａに示すレーザ溶接の場合と比較して許容するギャップ３を広くすることができる。しかしながら、ギャップ３が許容範囲を超えて広すぎた場合、または溶接速度が速すぎた場合には、ビード１０が不連続に形成され、その中心部に溶落ち部分１１を形成してしまう恐れがあった。この場合には、ギャップ３を埋めるのに必要な量だけワイヤ６の送給量を増やしても、同様に溶落ち部分１１が発生してしまう恐れがあった。これは、通常のアーク溶接ではワイヤ６を単独で増やすことができなく、アーク電流も同時に増加してしまい、被溶接物２に対する入熱が増加する。それと共に、溶融池９のサイズが大きくなる。そうすると溶融池９の周辺部から発生した表面張力のみによってサイズが大きくなった溶融池９を保持できなくなるためである。その結果、溶落ち部分１１が発生するわけである。
特開昭５３−１３７０４４号公報 特開２００２−１７８１７７号公報 特公昭６０−８９１６号公報 特開昭５９−６６９９１号公報 特開２００１−２４６４８５号公報
池田正幸、藤岡知夫、堀池靖浩、丸尾大、吉川省吾編、レーザプロセス技術ハンドブック、１９９２年、朝倉書店、第１４９頁 黄地尚義著、溶接・接合プロセスの基礎、１９９６年、産報出版、第１２８頁
本発明は上記従来の課題を解決するもので、レーザ照射とアーク溶接で形成した溶融池に少なくとも１本のワイヤを供給することによってアーク電流を上げることなく、溶接の溶着量を上げることのできる複合溶接方法および複合溶接装置を提供する。
本発明の複合溶接方法は、被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ溶接と、上記溶接位置に第１ワイヤを送給して上記被溶接物と前記第１ワイヤとの間のアーク溶接を同時に行う複合溶接方法である。そして、本発明の複合溶接方法は、上記レーザビームと上記アーク溶接とにより形成した溶融池に少なくとも１本の第２ワイヤを供給する方法からなる。
このような方法とすることにより、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
また、本発明の複合溶接装置は、レーザ発生部と第１ワイヤ供給部とアーク発生部と第２ワイヤ送給部とレーザ発生部、アーク発生部および第２ワイヤ送給部を制御する制御部とを備えている。そして、第１ワイヤと被溶接物との間の位置にアーク溶接とレーザビームとにより形成した溶融池に第２ワイヤを供給する構成からなる。ここで、レーザ発生部は被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するものである。第１ワイヤ送給部は第１トーチを介して溶接位置に第１ワイヤを送給するものである。アーク発生部は第１ワイヤと被溶接物にアーク溶接のための電力を供給するものである。第２ワイヤ送給部は少なくとも１本の第２トーチを介して溶接位置に少なくとも１本の第２ワイヤを送給するものである。
このような構成とすることにより、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
また、本発明の複合溶接装置は、レーザ発生部と第１ワイヤ送給部と第２ワイヤ送給部とアーク発生部と制御部とを備えている。ここで、レーザ発生部は被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するものであり、第１ワイヤ送給部は第１トーチを介して溶接位置に第１ワイヤを送給するものである。第２ワイヤ送給部は第２トーチを介して溶接位置に第２ワイヤを送給するものであり、アーク発生部は第１ワイヤ送給部を制御し、かつ第１ワイヤと被溶接物にアーク溶接のための電力を送給するものである。また、制御部は、時間設定部からの所定の時間ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３と電流検出部からの電流検知信号とを入力し、レーザ発生部、アーク発生部および第２ワイヤ送給部を制御するものである。
そして、本発明の複合溶接装置の制御部は、溶接を開始する時にはアーク発生部を制御してアーク溶接を開始させ、電流検知信号を受けると直ちにレーザ発生部を制御してレーザビームの照射を始めさせる。そして、所定の時間ΔＴ１が経過した後に第２ワイヤ送給部を制御して第２ワイヤの送給を開始させるよう溶接を行わせる。
溶接を終了する時には前記第２ワイヤの送給を停止させてから所定の時間ΔＴ２が経過した後にレーザビームの照射を終了させる。更に所定の時間ΔＴ３が経過した後にアーク溶接を終了させるように制御して複合溶接装置を動作させる構成からなる。
このような構成とすることにより、良好なアークスタート性能と終了部ビード形状を得ることができる。
また、本発明の複合溶接装置は、レーザ発生部と第１ワイヤ送給部と第２ワイヤ送給部とアーク発生部と制御部とを備えている。ここで、レーザ発生部は被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するものであり、第１ワイヤ送給部は第１トーチを介して溶接位置に第１ワイヤを送給するものである。第２ワイヤ送給部は第２トーチを介して溶接位置に第２ワイヤを送給するものであり、アーク発生部は第１ワイヤ送給部を制御し、かつ第１ワイヤと被溶接物にアーク溶接のための電力を送給するものである。また、制御部は、時間設定部からの所定の時間ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３と電流検出部からの電流検知信号と電圧検出部からのアーク電圧検知信号とを入力し、レーザ発生部、アーク発生部および第２ワイヤ送給部を制御するものである。
そして、本発明の複合溶接装置の制御部は、溶接を開始する時にはレーザ発生部を制御してレーザビームの照射を開始させ、所定の時間ΔＴ１が経過した後にアーク発生部を制御してアーク溶接を開始させる。そして、電流検知信号とアーク電圧検知信号を受けると直ちに第２ワイヤ送給部を制御して第２ワイヤの送給を開始させるよう溶接を行わせる。
溶接を終了する時には第２ワイヤの送給を停止させてから所定の時間ΔＴ２が経過した後にレーザビームの照射を終了させる。更に所定の時間ΔＴ３が経過した後にアーク溶接を終了させるように制御して複合溶接装置を動作させる構成からなる。
このような構成とすることにより、良好なアークスタート性能と終了部ビード形状を得ることができる。
本発明の実施の形態１における複合溶接方法の構成を示す模式図 従来の消耗電極式アーク溶接方法の溶着量とアーク電流の関係を示す模式図 本発明の実施の形態１における複合溶接方法の溶着量とアーク電流の関係を示す模式図 本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤの供給位置を説明する模式図 本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤの供給位置を説明する模式図 本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤの供給位置を説明する模式図 本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤの供給位置を説明する模式図 本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤの供給位置を説明する模式図 本発明の実施の形態１における複合溶接方法において第１ワイヤと第２ワイヤとの供給方法を説明する模式図 本発明の実施の形態１における複合溶接方法において第１ワイヤと第２ワイヤとの供給方法を説明する模式図 本発明の実施の形態１における複合溶接方法において第１ワイヤと第２ワイヤとの供給方法を説明する模式図 本発明の実施の形態１における複合溶接方法において第１ワイヤと第２ワイヤとの供給方法を説明する模式図 本発明の実施の形態２における複合溶接方法の構成を示す模式図 本発明の実施の形態３における複合溶接方法の構成を示す模式図 図７のセンシング部の配置を示す模式図 本発明の実施の形態１において示した複合溶接方法の構成を示す模式図 本発明の本発明の実施の形態１において示した複合溶接方法の原理を示す模式図 本発明の実施の形態４における複合溶接方法の構成を示す模式図 本発明の実施の形態４における複合溶接装置の動作シーケンスを示す図 本発明の実施の形態４における複合溶接装置の別の動作シーケンスを示す図 本発明の実施の形態４における複合溶接装置のさらに別の動作シーケンスを示す図 電流検知信号とアーク電圧検知信号との出力タイミングを示す模式図 従来のレーザ溶接による突合せ溶接のイメージを示す模式図 従来の複合溶接による突合せ溶接のイメージを示す模式図
以下、本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。以下の図面において同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における複合溶接方法の構成を示す模式図である。なお、図１６Ａおよび図１６Ｂに示した内容と同様の構成要素並びに動作、作用および効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
図１に示すように、被溶接物２の突合せ部の溶接位置２ａにレーザビーム１を照射するレーザ溶接と、溶接位置２ａに第１ワイヤ１２を送給して被溶接物２と第１ワイヤとの間でアーク７を発生させてアーク溶接を同時に行う。この際に、第２ワイヤ１３がレーザビーム１とアーク７とで形成した溶融池１４に供給されている。ビード１５は、溶融池１４が凝固して形成されている。図１において第２ワイヤ１３が１本示されているが、溶融さえ可能であれば、必ずしも１本である必要がなく２本以上の第２ワイヤ１３が溶融池１４に供給されてもよい。
図２Ａは従来の消耗電極式アーク溶接方法の溶着量とアーク電流の関係を示す模式図、図２Ｂは本発明の実施の形態１における複合溶接方法の溶着量とアーク電流の関係を示す模式図である。
図１に示した複合溶接方法の原理について、図２Ａおよび図２Ｂを参照しつつ説明する。図２Ａに示す溶融曲線ＭＲＡは消耗電極式のアーク溶接方法におけるアーク電流とワイヤを溶融した時に得られる溶着量との関係を示す溶融曲線である。溶融曲線ＭＲＡによると、溶着量ＶＷ０と対応するアーク電流はＩ０である。したがって、図１における被溶接物２のギャップ３が広い時に、図２Ａに示す溶着量ＶＷ０を溶着量ＶＷ１に上げてギャップ３を埋めようする。そうすると、アーク電流Ｉ０がアーク電流Ｉ１までに上昇してしまう。その結果、溶融池１４の大きさが増加し、溶融池１４にかかるアーク力も増加してしまうので、溶落ちがかえって発生しやすくなる恐れがあった。
一方、図２Ｂに示す溶融曲線ＭＲＷは、溶融池１４に供給される第２ワイヤ１３から得られる溶着量を示す溶融曲線である。第２ワイヤ１３の溶融池１４への送給速度が一定であれば、アーク電流と無関係に一定の溶着量ＶＷＷを得ることが可能である。したがって、アーク溶接と同時に行う複合溶接の溶融曲線ＭＲＨとしては、溶融曲線ＭＲＡと溶融曲線ＭＲＷとを足すことによって得ることができる。なお、アーク電流を変えることなく、溶融量ＶＷＷと対応する第２ワイヤ１３の送給速度のみを変更することによって、全体の溶着量を変えることができる。例えば、図１における被溶接物２のギャップ３が広い時には、第２ワイヤ１３による溶着量がＶＷＷになるよう供給する。そうすると、第２ワイヤの送給がない場合の溶着量ＶＷ０を溶着量ＶＷ１にするために、アーク電流Ｉ０をかえって下げる必要がある。図２Ｂに示す通り、アーク電流Ｉ０をアーク電流Ｉ２に下げる必要がある。すなわち、図１に示す複合溶接を使用すると、アーク電流を上げることなく、溶着量のみを上げることができる。その結果、ギャップ３が広くても良好なビードを得ることができる。
以上のように本実施の形態１の複合溶接方法は、被溶接物２の溶接位置２ａにレーザビーム１を照射するレーザ溶接と、溶接位置２ａに第１ワイヤ１２を送給して被溶接物２と第１ワイヤとの間のアーク溶接を同時に行う複合溶接方法である。この複合溶接方法はレーザビーム１によるレーザ溶接とアーク溶接とにより形成した溶融池９に少なくとも１本の第２ワイヤ１３を供給する方法である。
このような方法とすることにより、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
以上の説明では、例えば第２ワイヤ１３として１本のワイヤを図示して説明したが、言うまでもなく第２ワイヤ１３は１本のみである必要がなく２本以上であってもよい。
また、以上の説明では、レーザビーム１を照射して溶接が進行する溶接方向に対し、レーザビーム１の照射を溶接方向の前方に配置し第１ワイヤ１２をレーザビーム１の後方に配置し、第２ワイヤ１３を第１ワイヤ１２の後方の方向から供給している（図１参照）。ここで、前方とは被溶接物２をレーザ溶接により溶接していく方向であり、後方とは被溶接物２を溶接した方向である。
このような方法とすることにより、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
図３Ａおよび図３Ｂは本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤ１３の供給位置を説明する模式図である。
図３Ａに示すようにレーザビーム１の照射を前方に配置し第１ワイヤ１２をレーザビーム１の後方に配置し、第２ワイヤ１３をレーザビーム１と第１ワイヤ１２との間から供給してもよい。また、図３Ｂに示すようにレーザビーム１の照射を前方に配置し第１ワイヤ１２をレーザビーム１の後方に配置し、第２ワイヤ１３をレーザビーム１の前方の方向から供給してもよい。
このような方法とすることにより、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃは本発明の実施の形態１における複合溶接方法の第２ワイヤ１３の供給位置を説明する模式図である。
図４Ａに示すようにレーザビーム１を照射して溶接が進行する溶接方向に対し、第１ワイヤ１２を前方に配置しレーザビーム１の照射を第１ワイヤ１２の後方に配置し、第２ワイヤ１３をレーザビーム１の後方の方向から供給してもよい。また、図４Ｂに示すように第１ワイヤ１２を前方に配置しレーザビーム１の照射を第１ワイヤ１２の後方に配置し、第２ワイヤ１３を第１ワイヤ１２とレーザビーム１との間の位置から供給してもよい。更に、図４Ｃに示すように第１ワイヤ１２を前方に配置しレーザビーム１の照射を第１ワイヤ１２の後方に配置し、第２ワイヤ１３を第１ワイヤ１２の前方の方向から供給してもよい。
また、図１、図３および図４においてレーザビーム１の光軸と第１ワイヤ１２の中心軸および第２ワイヤ１３の中心軸がそれぞれ異なる軸芯である場合について説明した。図示していないが、第１ワイヤ１２および第２ワイヤ１３の内の少なくともどちらか一方の中心軸をレーザビーム１の光軸と同軸に配置してもよい。
このような方法とすることにより、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
また、以上の説明では、シールドガスの供給については言及しなかった。図示していないが、アーク溶接に用いるシールドガスは、第２ワイヤ１３を送給する第２トーチに取り付けた第２ノズルおよび第１ワイヤ１２を送給する第１トーチに取り付けた第１ノズルのうちの少なくとも何れかから供給してもよい。なお、第１ノズルと第２ノズルとから供給するシールドガスの組成を異なるものにしてもよい。
言うまでもなく、第１ノズルと第２ノズルとから供給するシールドガスを溶接部位に応じてシールドガスの供給と停止を独立に行ってもよい。シールドガスを停止、または再開する際にレーザビーム１の照射条件とアーク溶接の条件とのうちの少なくとも何れかを変えてもよい。または、シールドガスは、第２ワイヤ１３と第１ワイヤ１２とを同時に送給する複合トーチに取り付けた複合ノズルから供給してもよい。その内容については、図５を参照しつつ説明する。
図５（図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃおよび図５Ｄ）は本発明の実施の形態１における複合溶接方法において第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３との供給方法を説明する模式図である。
図３および図４においては図示していないが、図５において第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３とを同時に送給する複合トーチによって送給される際に、複合トーチの先端に取り付けた複合ノズル１６のイメージ図を示す。図５において、シールドガスは第１ワイヤ１２および第２ワイヤ１３を送給する複合ノズル１６によって供給される。言うまでもなく、複合トーチでは第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３とに対して同じ速度で送給してもよいが、異なった速度で送給してもよい。
また、以上の説明では、第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３との材質について言及しなかったが、第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３とを同一の材質としてよい。また、第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３とを同一の主成分を持つ、異なる材質のものとしてもよい。言うまでもなく、第１ワイヤ１２、第２ワイヤ１３および被溶接物２は、その主成分がアルミニウムであってもよく、鉄であってもよい。
また、以上の説明では、溶接部位について言及しなかったが、第２ワイヤ１３が複数本ある複合溶接方法の場合に、溶接部位により、その少なくとも１本を停止してもよい。なお、第２ワイヤ１３の少なくとも１本を停止、あるいはその後再開する際には、レーザビーム１の照射条件、アーク溶接の条件および第２ワイヤ１３の稼働している少なくとも１本の送給速度とのうちの少なくとも何れかを変えてもよい。
また、溶接部位により、レーザビーム１の照射とアーク溶接のどちらかを停止してもよい。なお、レーザビーム１の照射とアーク溶接のどちらかを停止、あるいは再開する際には、レーザビーム１の照射条件、第１ワイヤ１２の送給速度および第２ワイヤ１３の少なくとも１本の送給速度との少なくとも何れかを変えてもよい。更に、溶接部位により、第２ワイヤ１３の少なくとも１本の送給速度および溶接速度のうちの少なくとも何れかを変えてもよい。なお、第２ワイヤ１３の少なくとも１本の送給速度および溶接速度のうちの少なくとも何れかを変える際には、レーザビーム１の照射条件およびアーク溶接の条件のうちの少なくとも何れかを変えてもよい。
また、以上の複合溶接方法の説明では、レーザビーム１の照射をもって説明したが、レーザビーム１の代わりに、ここでその詳細な図示による説明を省略するが、プラズマアークを使用してもよい。
また、以上の説明では、アーク溶接はパルスアーク溶接であってもよい。
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２における複合溶接方法の構成を示す模式図である。なお、図１〜図５に示した内容と同様の構成要素並びに動作、作用および効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
図６に示すようにレーザ発生部１７は、レーザ発振器１８、レーザ伝送部１９および集光光学系２０からなり、レーザビーム１を被溶接物２の溶接位置２ａに照射する。レーザ伝送部１９は、光ファイバであってもよく、複数のレンズを組み合わせた光学的な伝送系であってもよい。集光光学系２０は、一枚あるいは複数のレンズから構成されてもよい。第１ワイヤ１２は、第１ワイヤ送給部２１によって第１トーチ２２を通して被溶接物２の溶接位置２ａに送給される。アーク発生部２５は、第１トーチ２２および被溶接物２にそれぞれ接続されたケーブル２６とケーブル２７により給電を行うものである。
アーク発生部２５は、溶接を開始する時には第１ワイヤ送給部２１を制御し、第１トーチ２２を通して第１ワイヤ１２を被溶接物２の溶接位置２ａに向かって送給する。アーク発生部２５は、この第１ワイヤ１２の送給とともに、第１ワイヤ１２と被溶接物２との間にアーク７を発生するように制御する。そして、アーク発生部２５は、溶接を終了する時には第１ワイヤ送給部２１による第１ワイヤ１２の送給を停止すると共に、アーク７を停止するように制御する。第２ワイヤ１３は、第２ワイヤ送給部２３によって第２トーチ２４を通して、レーザビーム１とアーク７とによって被溶接物２の溶接位置２ａに形成した溶融池に送給される。
制御部２８は、図示していないが、外部から溶接開始または溶接終了の命令を受けてから各構成要素の動作を制御する。すなわち、制御部２８は、レーザ発生部１７から発生するレーザビーム１の照射開始およびその終了と、アーク発生部２５から発生するアーク７の放電開始およびその終了と、第２ワイヤ送給部２３から送給される第２ワイヤ１３の送給開始およびその停止とを制御する。制御部２８は、コンピュータを使用して構成してもよいが、コンピュータのような演算機能を有する部品、デバイス、装置あるいはそれらの組み合わせを使用してもよい。
制御部２８としては、ロボットを使用してもよい。詳細の説明を省略するが、ロボットを使用する際には、ロボットのマニピュレータ部分に集光光学系２０、第１トーチ２２および第２トーチ２４を固定して使用してもよい。レーザ発振器１８は、予め設定した所定の出力値を出力するが、制御部２８で設定した出力値の信号を受け、それを出力してもよい。アーク発生部２５は、レーザ発生部１７と同様に制御部２８によってその出力を制御することができる。また、第２ワイヤ送給部２３は、制御部２８によってその送給速度および送給の開始と停止を制御することができる。
図６に示した構成の複合溶接装置の動作について説明する。溶接を開始する時には、溶接開始命令を受けた制御部２８は、レーザ発生部１７にレーザ溶接の開始信号を送りレーザビーム１の照射を開始する。それと共に、制御部はアーク発生部２５にアーク溶接の開始信号を送ってアーク放電を開始し、また第２ワイヤ送給部２３にワイヤ送給の開始信号を送るよう動作する。溶接を終了する時には、溶接終了命令を受けた制御部２８は、レーザ発生部１７にレーザ溶接終了信号を送りレーザビーム１の照射を終了する。それと共に、制御部２８はアーク発生部２５にアーク溶接終了信号を送ってアーク放電を終了し、また第２ワイヤ送給部２３にワイヤ送給の終了信号を送ることによって溶接を終了するよう動作する。
以上の説明では、レーザビーム１、第１ワイヤ１２および第２ワイヤ１３の配置については言及しなかったが、それは図１〜図５に示した配置が適用するものである。
以上のように本実施の形態２によれば、レーザビーム１を照射しながらアーク溶接を同時に行う複合溶接方法において、レーザビーム１とアーク溶接により形成した溶融池１４に第２ワイヤ１３を供給することによってアーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。
以上の説明では、第２ワイヤ１３として１本のワイヤをもって図示したが、言うまでもなく、２本以上の第２ワイヤ１３を使用してもよい。その時、それぞれの第２ワイヤ１３を供給するために、それぞれのワイヤ送給部とトーチを設けるのは、言うまでもない。
（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３における複合溶接方法の構成を示す模式図、図８は図７のセンシング部の配置を示す模式図である。
図７の複合溶接方法の構成は、図６の構成において、制御部２８の代わりに溶接位置２ａの近傍Ａの溶接状況をセンシングするセンシング部２９からの信号を入力信号とする制御部３０を使用したものである。制御部３０は、センシング部２９の信号を受け、それに基づいてレーザ発生部１７、アーク発生部２５および第２ワイヤ送給部２３を制御する。なお、図６の構成に示した内容と同様の構成要素並びに動作、作用および効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
図７に示したセンシング部２９の動作について、図８を参照しつつ説明する。図８に示すようにセンシング部２９は、センサユニット３１と光ビーム３２とから構成される。センサユニット３１は、その発光部からは被溶接物２の突合せ部の任意の箇所に対して光ビーム３２を照射している。この光ビーム３２は、被溶接物２の突合せ部に対して垂直な方向を示す８Ａ−８Ａ線の方向に長く伸びた形をしている。センサユニット３１は光ビーム３２を照射すると共に、その受光部からは光ビーム３２が被溶接物２に当たった場合の照射位置の形状をキャッチし、それを測定する機能を備えている。なお、センサユニット３１は、照射位置の形状に基づき被溶接物２の突合せ面における隙間であるギャップを算出し、ギャップ信号を制御部３０に出力する。
以上の説明では、光ビーム３２を８Ａ−８Ａ線の方向に長く伸びた形のものとして説明したが、言うまでもなく、それはセンサユニット３１から発生して８Ａ−８Ａ線の方向に沿って高速にスキャンするスポット状のビームであってもよい。その際、センサユニット３１は、スポット状のビームが被溶接物２に当たった場合の照射位置の軌跡によって被溶接物２の突合せ部のギャップを計測してもよい。
次に制御部３０の動作について説明する。実際の溶接では、被溶接物２の突合せ面においてギャップが存在し、さらにこのギャップの大きさなどが場所によって変動する場合がある。したがって、良好な溶接ビードを得るためには、ギャップの大きさなどに応じて溶接条件を変える必要がある。図７に示す制御部３０は、図６において説明した制御部２８の持つ機能以外に、センシング部２９から入力したギャップ信号に基づき、一定の溶接ビードが得られるよう動作する。この一定の溶接ビードは、第２ワイヤ１３の送給、レーザビーム１の照射およびアーク溶接の停止、再開、またはその条件変更を行うことによって得られる。但し、図８に示したように、光ビーム３２の照射位置を示す８Ａ-８Ａ線の方向は厳密には溶融池１４が形成される位置と一致しない。実際に溶接を行ったときの条件などを参考にして８Ａ−８Ａ線と溶融池１４との距離は予め制御部３０に入力されていてもよい。
以上のように本実施の形態３によれば、レーザビーム１を照射しながらアーク溶接を同時に行う複合溶接方法において、レーザビーム１とアーク溶接により形成した溶融池１４に第２ワイヤ１３を供給している。このことによってアーク電流を上げることなく、溶着量を上げると共に、被溶接物２にギャップ３があっても良好な溶接ビードを得ることができる。
以上の本実施の形態１から３の説明では、図１〜図８に示した通り、ギャップ３を持った被溶接物２の突合せ溶接を例にして説明した。しかしながら、このような突合せ溶接以外の継手においても同様に、本実施の形態１から３における複合溶接方法を使用すればアーク電流を上げることなく、溶着量を上げることができる。また、被溶接物２にギャップ３があっても良好な溶接ビードを得ることができる。
また、以上の説明では、溶接方向に対し、レーザビーム１の照射の位置、第１ワイヤ１２の送給の位置および第２ワイヤ１３の送給の位置のうちのそれぞれの位置の前後の順を変えて配置した構成について説明した。レーザビーム１の照射の位置、第１ワイヤ１２の送給の位置および第２ワイヤ１３の送給の位置のうちのそれぞれの位置の配置については、溶接方向に沿った方向ではなく垂直する方向において行ってもよい。また、以上の説明では、第１ワイヤ１２と第２ワイヤ１３とのワイヤ径については言及しなかったが、言うまでもなく、両者は同じでもよく、異なってもよい。
（実施の形態４）
実施の形態１から３においてレーザ溶接とアーク溶接とを同時に行う複合溶接方法および複合溶接装置において、溶接を行う時の溶融池に第２ワイヤを供給することによって被溶接物に溶着する金属量の自由調整を行っている。
図９は本発明の実施の形態１において示した複合溶接方法の構成を示す模式図、図１０は本発明の本発明の実施の形態１において示した複合溶接方法の原理を示す模式図である。
図９に示すように被溶接物１０１に対してレーザビーム１０２が照射され、送給された第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にアーク１０４が形成されている。溶滴１０５は第１ワイヤ１０３が溶融して形成され、溶融池１０６はレーザビーム１０２とアーク１０４とにより形成されている。この溶融池１０６に第２ワイヤ１０７が送給され、溶融池１０６が凝固してビード１０８が形成されている。
図１０は複合溶接方法の原理を示す模式図で、複合溶接方法の溶着量とアーク電流の関係を示している。図１０において溶融曲線ＭＲＡは従来の消耗電極式のアーク溶接方法の溶着量を示す溶融曲線である。目標の溶着量をＶＷ０とすると、アーク溶接でこの溶着速度を実現するには、溶融曲線ＭＲＡよりＩ０のアーク電流で溶接を行う必要がある。
一方、本実施の形態１の複合溶接方法では、例えば、溶融曲線ＭＲＦで示す溶着量ＶＷＦで第２ワイヤ１３を送給すると、溶着量は溶融曲線ＭＲＨに従う。したがって、同じ目標の溶着量ＶＷ０では、溶融曲線ＭＲＨによりアーク電流Ｉ０からＩＨに低下する。すなわち、同一の溶着量を実現した場合、この複合溶接方法ではアーク溶接の入熱をＩＨ／Ｉ０倍に下げることができる。しかし、この複合溶接方法では、レーザビーム１０２と第１ワイヤ１０３のみではなく第２ワイヤ１０７も必要である。したがって、溶接を開始する時または溶接を終了する時にはレーザビーム１０２、第１ワイヤ１０３および第２ワイヤ１０７の三者のシーケンスを、良好なアークスタート性能または終了部ビード形状が得られるよう、決定しなければならない。
図１１は本発明の実施の形態４における複合溶接装置の構成を示す模式図である。なお、図９および図１０に示した内容と同様の構成要素並びに動作、作用および効果を奏するところには同一符号を付して詳細な説明を省略し、異なるところを中心に説明する。
図１１に示すように本実施の形態４の複合溶接装置は、レーザ発生部１０９とアーク発生部１１３と第１ワイヤ送給部１１９と第２ワイヤ送給部１２０と制御部１２２とを備えている。ここで、レーザ発生部１０９はレーザ発振器１１０、レーザ伝送部１１１および集光光学系１１２を含んで構成されている。アーク発生部１１３はケーブル１１４、１１５、１１６によって電流検出部１１７と第１ワイヤ１０３を送給する第１トーチ１１８および被溶接物１０１とに接続されている。そして、アーク発生部１１３は第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にアーク１０４を発生するための電力を送給している。第１ワイヤ送給部１１９は第１トーチ１１８を通って第１ワイヤ１０３を被溶接物１０１に送給し、第２ワイヤ送給部１２０は第２トーチ１２１を通って第２ワイヤ１０７を被溶接物１０１に形成した溶融池１０６に送給している。制御部１２２はケーブル１１４およびケーブル１１６に接続される電圧検出部１２４からのアーク電圧検知信号と電流検出部１１７からの電流検知信号と時間設定部１２３で設定した所定の時間ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３とを入力している。そして、制御部１２２はレーザ発生部１０９、アーク発生部１１３および第２ワイヤ送給部１２０を制御している。
ところで、図１１に示すようにレーザ発生部１０９は、その集光光学系１１２によってレーザビーム１０２を集光して被溶接物１０１に照射している。集光光学系１１２は一枚あるいは複数のレンズから構成されてもよい。レーザ伝送部１１１は光ファイバであってもよく、レンズによって組み合わせた伝送系であってもよい。レーザ発振器１１０は、図示していないが、外部の制御装置によってその出力値および出力タイミングを自由に制御することができる。アーク発生部１１３は、溶接を開始する時には第１ワイヤ送給部１１９を制御し、第１ワイヤ１０３を被溶接物１０１に向かって送給する。それと共にアーク発生部１１３は、第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にアーク１０４を発生するように制御する。そして、溶接を終了する時には第１ワイヤ送給部１１９による第１ワイヤ１０３の送給を停止すると共に、アーク発生部１１３はアーク１０４を停止するよう制御する。
ここで、電流検出部１１７はケーブル１１５とケーブル１１６に接続されるシャントであってもよく、ホール素子などのような半導体素子を使用してもよい。第２ワイヤ送給部１２０は、その送給速度および送給の開始と停止は外部の制御装置によって自由に制御することができる。制御部１２２は、コンピュータを使用してもよいが、コンピュータのような演算機能を有する部品、デバイス、装置あるいはそれらの組み合わせを使用してもよい。また、制御部１２２としてロボットを使用してもよい。詳細の説明を省略するが、ロボットを使用する場合は、ロボットのマニピュレータ部に集光光学系１１２と第１トーチ１１８と第２トーチ１２１とを固定して使用してもよい。電圧検出部１２４は、ケーブル１１４とケーブル１１６に接続されると説明したが、できるだけ第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１とにおける、アーク１０４に近い位置に接続することが望ましい。
次に本実施の形態４における複合溶接装置の動作について、図１２を参照しつつ説明する。
図１２は本発明の実施の形態４における複合溶接装置の動作シーケンスを示す図である。溶接を開始する時には、制御部１２２は溶接開始命令を受けると、アーク発生部１１３を制御して第１ワイヤ送給部１１９より第１ワイヤ１０３を溶接位置１０２ａに送給する。それと共に、アーク溶接の電力を供給して第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にアーク１０４を発生するよう動作する。第１ワイヤ１０３が被溶接物１０１と接触して溶接電流が流れると、電流検出部１１７では溶接電流が流れたタイミングを検知して電流検知信号を制御部１２２に出力する（後述の図１５を参照）。図１２では電流検知信号としてＯＮ（以下、「オン」とする）／ＯＦＦ（以下、「オフ」とする）と表示している。オンは電流検知信号が出力された時間を示し、オフは電流検知信号が出力されなくなった時間を示す。
図１２に示すように、時間ｔ１は電流検知信号が制御部１２２に出力された時間に該当する。制御部１２２では、電流検知信号を受けると、直ちにレーザ発生部１０９を制御してレーザビーム１０２の照射を開始する。その後、時間設定部１２３で設定した所定の時間ΔＴ１が経過した時間ｔ２では、制御部１２２は第２ワイヤ送給部１２０を制御して第２ワイヤ１０７の送給を開始する。その後、通常の複合溶接が行われる。以上に示した溶接開始シーケンスでは、電流検知信号を受けてから直ちにレーザビーム１０２の照射を開始することによって良好なアークスタート性能を得ることができる。また、所定の時間ΔＴ１を設けるのは、この期間中においてレーザビーム１０２とアーク１０４とによって形成した溶融池１０６の形状がある程度整えられるためのものである。
一方、溶接を終了する時には、制御部１２２は、溶接停止命令を受けると直ちに第２ワイヤ送給部１２０を制御して第２ワイヤ１０７の送給を停止する。これは、図１２の時間ｔ３に該当する。その後、所定の時間ΔＴ２が経過した時間ｔ４では、制御部１２２は、レーザ発生部１０９を制御してレーザビーム１０２の照射を停止する。更に、所定の時間ΔＴ３が経過した時間ｔ５では、制御部１２２は、アーク発生部１１３を制御して第１ワイヤ１０３の送給を停止する。それと共に、制御部１２２はアーク１０４によるアーク溶接を終了するよう動作する。以上に示した溶接終了シーケンスでは、第２ワイヤ１０７の送給を停止してからレーザビーム１０２の照射またはアーク溶接を終了するように動作する。したがって、第２ワイヤ１０７が溶融池１０６に突っ込むことなく良好な終了部ビード形状を得ることができる。
以上のように本実施の形態４における複合溶接装置によれば、被溶接物１０１の溶接位置１０２ａにレーザビーム１０２を照射しながら溶接位置１０２ａに第１ワイヤ１０３を送給して被溶接物１０１との間でアーク溶接を同時に行う複合溶接方法を用いる。この複合溶接装置において、レーザビーム１０２とアーク溶接とにより形成した溶融池１０６に第２ワイヤ１０７を送給する。それと共に、溶接を開始する時には第２ワイヤ１０７の送給はレーザビーム１０２の照射とアーク溶接のうちの少なくとも何れかが開始してから所定の時間が経過した後に開始する。溶接を終了する時には第２ワイヤ１０７の送給を停止してから所定の時間が経過した後にレーザビーム１０２の照射を停止し、更に所定の時間が経過した後にアーク溶接を停止する。このような構成とすることによって良好なアークスタート性能と終了部ビード形状を得ることができる。
以上に示した本実施の形態４における複合溶接装置の動作において、図１２の動作シーケンスと溶接走行とを併せて実施することによっても上述の内容と同様の効果を得ることができる。その動作について、図１３を参照しつつ説明する。
図１３は本発明の実施の形態４における複合溶接装置の別の動作シーケンスを示す図である。溶接走行装置は図１１には図示していないが、溶接走行は、ロボットを使用してそのマニピュレータ部に集光光学系１１２、第１トーチ１１８および第２トーチ１２１を固定して行ってもよい。言うまでもなく、ロボット以外の可動装置に集光光学系１１２、第１トーチ１１８および第２トーチ１２１とを固定して溶接を行ってもよい。溶接を開始する時には、時間ｔ１から所定の時間ΔＴ１が経過した後の時間ｔ２では、溶接走行装置の溶接走行を開始するようにしている。溶接を終了する時には、図１３に示すように第２ワイヤ１０７の送給が停止した時間ｔ３では、溶接走行装置の溶接走行を終了するようにしている。
以上の動作シーケンスを使用する理由は、以下の通りである。溶接を開始する時には、被溶接物１０１の溶接位置１０２ａはまだ冷たい。したがって、この溶接位置１０２ａの部分のビードの広がりおよび溶込みを確保するために、通常、溶接を開始してからトーチまたはレーザヘッドをしばらくその位置で停止するよう溶接シーケンスが組まれる。その後の通常の溶接の部分と比較すると、この部分では第１ワイヤ１０３による溶着金属が送給されるので、その堆積が発生する。この位置で更に第２ワイヤ１０７を送給すると、溶着金属の体積が過多となり、ビード外観が損なわれてしまう。したがって、溶接走行が開始してからの第２ワイヤ１０７の送給が望ましいのである。
一方、溶接を終了する時には、従来のアーク溶接では、所定の溶接位置に達した時点で溶接走行を停止し、その位置でクレータ処理を行う。本実施の形態４における複合溶接装置でも従来のアーク溶接と同様な考え方で、クレータ処理を行う必要がある。なお、クレータ処理については、第１ワイヤ１０３の溶着金属量だけで十分な場合が多く、良好なビード外観を得るためには、通常は図１３に示すように第２ワイヤ１０７を送給しなくてもよい。
また、以上に示した本実施の形態４における複合溶接装置において、図１４に示す動作を行うことによって上述の内容と同様の効果を得ることができる。その内容を説明する。
図１４は本発明の実施の形態４における複合溶接装置のさらに別の動作シーケンスを示す図である。溶接を開始する時には、制御部１２２は溶接開始命令を受けると、図１４に示すようにレーザ発生部１０９を制御して直ちにレーザビーム１０２の照射を開始する。これは、図１４の時間ｔ１に該当する。その後、所定の時間ΔＴ１が経過した時間ｔ２では、制御部１２２は、アーク発生部１１３を制御して第１ワイヤ送給部１１９より第１ワイヤ１０３を溶接位置に送給する。それと共に、アーク溶接の電力を送給して第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にアーク１０４を発生するよう動作する。第１ワイヤ１０３が被溶接物１０１と接触して溶接電流が流れると、電流検出部１１７では溶接電流が流れた時間を検知して電流検知信号を制御部１２２に出力する（後述の図１５を参照）。
一方、電圧検出部１２４では、溶接電流が流れ、被溶接物１０１に接触していた第１ワイヤ１０３の先端からアーク１０４が発生する。そうすると、それを検知してアーク電圧検知信号（後述の図１５を参照）が制御部１２２に出力される。制御部１２２では、溶接電流検知信号を受け、更にアーク電圧信号を受けると直ちに第２ワイヤ送給部１２０を制御して第２ワイヤ１０７の送給を開始する。その後の動作は、図１２および図１３の動作シーケンスで説明した内容と同様であるので、その説明は省略する。
図１２〜図１４の動作シーケンスの電流検知信号またはアーク電圧検知信号の概略について、図１５を参照しつつ説明する。
図１５は電流検知信号とアーク電圧検知信号の出力タイミングを示す模式図である。時間ｔａ、時間ｔｂおよび時間ｔｃは，図１２と図１３の時間ｔ１、または図１４の時間ｔ２の部分の時間軸を拡大したものに該当する。時間tａまでは，アーク発生部１１３から電力が出力される期間である。それと共に、第１ワイヤ１０３が被溶接物１０１の溶接位置１０２ａに向かって送給され、第１ワイヤ１０３が被溶接物１０１に接触するまでの期間が時間ｔａである。この間、第１ワイヤ１０３を流れる電流が０アンペアであるが、第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間に無負荷電圧ＶＮＬがかかる。時間ｔａでは、第１ワイヤ１０３が被溶接物１０１に接触するが、両者の間の電圧がほとんど０ボルトとなる。時間ｔａと時間ｔｃとの間では、第１ワイヤ１０３を流れる電流が増加し、その先端が加熱されるが、まだアーク１０４が発生していない。この期間は、短絡期間である。図１５に示すように、電流検出部１１７は、第１ワイヤ１０３を流れる電流が予め設定されていた電流検知レベルＩＤＣに達した時間ｔｂでは電流検知信号を制御部１２２に出力する。時間ｔｃでは、第１ワイヤ１０３の先端からアーク１０４が発生すると共に、アーク電流ＩＡＲＣが流れ、第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にアーク電圧ＶＡＲＣがかかる。電圧検出部１２４は、図示していないが、第１ワイヤ１０３と被溶接物１０１との間にかかる電圧が予め設定されていた電圧検知レベルＶＤＣに達した時点でアーク電圧検出信号を制御部１２２に出力する。通常のアーク溶接では、時間ｔａから時間ｔｃまでの時間が非常に短いので、図１４では、電流検知信号とアーク電圧検知信号とは同じ時間ｔ２で表記している。
図１２〜図１４では、第２ワイヤ１０７での送給を停止してから所定の時間ΔＴ２だけレーザビーム１０２の照射を続けているが、所定の時間ΔＴ２を０秒としてもよい。なお、何れの場合においても、クレータ処理は所定の時間ΔＴ３で行うことが望ましい。
以上の説明では、溶接を開始する時には、第２ワイヤ１０７の送給はレーザビーム１０２の照射とアーク溶接との少なくとも何れかが開始してから所定の時間が経過した後に開始してもよい。または、レーザビーム１０２の照射とアーク溶接との両方が開始してから開始してもよい。または、アーク溶接が開始しアーク電流が流れたことを検知してから直ちにレーザビーム１０２の照射を開始し、所定の時間が経過した後に第２ワイヤ１０７の送給を開始してもよい。または、レーザビーム１０２の照射が開始し所定の時間が経過した後にアーク溶接を開始し、更に所定の時間が経過した後に第２ワイヤ１０７の送給を開始してもよい。または、レーザビーム１０２の照射が開始して所定の時間が経過した後にアーク溶接を開始し、アーク溶接のアーク放電が開始してから直ちに第２ワイヤ１０７の送給を開始してもよい。
また、溶接を終了する時には、第２ワイヤ１０７の送給を停止してから所定時間が経過した後にレーザビーム１０２の照射とアーク溶接とを停止してもよい。または、第２ワイヤ１０７の送給を停止してから所定の時間が経過した後にレーザビーム１０２の照射を停止し、更に所定の時間が経過した後にアーク溶接を停止してもよい。または、レーザビーム１０２の照射を停止してから所定の時間が経過した後に第２ワイヤ１０７の送給を停止し、更に所定の時間が経過した後にアーク溶接を停止してもよい。または、アーク溶接を停止してから所定の時間が経過した後に第２ワイヤ１０７の送給を停止し、更に所定の時間が経過した後にレーザビーム１０２の照射を停止してもよい。なお、アーク溶接が停止してからのレーザビーム１０２の出力と第２ワイヤ１０７の送給速度との両方とも、それまでの溶接に使用した値以下にしてもよい。
また、アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を使用してもよく、レーザビーム発生部としてＹＡＧレーザ、半導体レーザおよびファイバレーザのうちの少なくとも何れかを使用してもよい。
また、被溶接物、第１ワイヤおよび第２ワイヤは材質がアルミニウム合金、または鉄鋼のものを使用してもよい。
以上のように本発明によれば、レーザビームとアーク溶接とにより形成した溶融池に少なくとも１本の第２ワイヤを供給することによって、アーク電流を上げることなく、溶着量を上げることのできる複合溶接方法および複合溶接装置を実現できる。この複合溶接方法および複合溶接装置を使用すると、各種の金属などを溶接し良好なビード形状を得ることができ有用である。
１，１０２ レーザビーム
２，１０１ 被溶接物
２ａ，１０２ａ 溶接位置
３ ギャップ
４，１０，１５，１０８ ビード
５，１１ 溶落ち部分
６ ワイヤ
７，１０４ アーク
８，１０５ 溶滴
９，１４，１０６ 溶融池
１２，１０３ 第１ワイヤ
１３，１０７ 第２ワイヤ
１６ 複合ノズル
１７，１０９ レーザ発生部
１８，１１０ レーザ発振器
１９，１１１ レーザ伝送部
２０，１１２ 集光光学系
２１，１１９ 第１ワイヤ送給部
２２，１１８ 第１トーチ
２３，１２０ 第２ワイヤ送給部
２４，１２１ 第２トーチ
２５，１１３ アーク発生部
２６，２７，１１４，１１５，１１６ ケーブル
２８，３０，１２２ 制御部
２９ センシング部
３１ センサユニット
３２ 光ビーム
１１７ 電流検出部
１２３ 時間設定部
１２４ 電圧検出部

Claims (77)

  1. 被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ溶接と、前記溶接位置に第１ワイヤを送給して前記被溶接物と前記第１ワイヤとの間のアーク溶接を同時に行う複合溶接方法であって、
    前記レーザ溶接と前記アーク溶接とにより形成した溶融池に少なくとも１本の第２ワイヤを供給することを特徴とする複合溶接方法。
  2. 溶接が進行する溶接方向に対し、前記レーザビームの照射を溶接方向の前方に配置し前記第１ワイヤを前記レーザビームの後方に配置し、前記第２ワイヤを前記レーザビームの前方の方向から供給する請求項１に記載の複合溶接方法。
  3. 溶接が進行する溶接方向に対し、前記レーザビームの照射を溶接方向の前方に配置し前記第１ワイヤを前記レーザビームの後方に配置し、前記第２ワイヤを前記レーザビームと前記第１ワイヤとの間の位置から供給する請求項１に記載の複合溶接方法。
  4. 溶接が進行する溶接方向に対し、前記レーザビームの照射を溶接方向の前方に配置し前記第１ワイヤを前記レーザビームの後方に配置し、前記第２ワイヤを前記第１ワイヤの後方の方向から供給する請求項１に記載の複合溶接方法。
  5. 溶接が進行する溶接方向に対し、前記第１ワイヤを溶接方向の前方に配置し前記レーザビームの照射を前記第１ワイヤの後方に配置し、前記第２ワイヤを前記第１ワイヤの前方の方向から供給する請求項１に記載の複合溶接方法。
  6. 溶接が進行する溶接方向に対し、前記第１ワイヤを溶接方向の前方に配置し前記レーザビームの照射を前記第１ワイヤの後方に配置し、前記第２ワイヤを前記第１ワイヤと前記レーザビームとの間の位置から供給する請求項１に記載の複合溶接方法。
  7. 溶接が進行する溶接方向に対し、前記第１ワイヤを溶接方向の前方に配置し前記レーザビームの照射を前記第１ワイヤの後方に配置し、前記第２ワイヤをレーザ照射の後方の方向から供給する請求項１に記載の複合溶接方法。
  8. 前記レーザビームの光軸、前記第１ワイヤの中心軸および前記第２ワイヤの中心軸がそれぞれ異なる軸芯である請求項１から７の何れか１項に記載の複合溶接方法。
  9. 前記第１ワイヤおよび前記第２ワイヤの内、いずれか一方の中心軸を前記レーザビームの光軸と同軸に配置する請求項１から７の何れか１項に記載の複合溶接方法。
  10. 前記アーク溶接に用いるシールドガスは、前記第２ワイヤを送給する第２トーチに取り付けた第２ノズルおよび前記第１ワイヤを送給する第１トーチに取り付けた第１ノズルのうちの少なくとも何れかから供給する請求項１に記載の複合溶接方法。
  11. 前記第１ノズルと前記第２ノズルとから供給するシールドガスの組成を異なるものにする請求項１０に記載の複合溶接方法。
  12. 前記シールドガスは、前記第２ワイヤと前記第１ワイヤとを同時に送給する複合トーチに取り付けた複合ノズルから供給する請求項１０に記載の複合溶接方法。
  13. 前記第１ノズルと前記第２ノズルとから供給する前記シールドガスを溶接部位に応じて前記シールドガスの供給と停止を独立に行う請求項１０に記載の複合溶接方法。
  14. 前記シールドガスを停止、または再開する際に前記レーザビームの照射条件および前記アーク溶接の条件のうちの少なくとも何れかを変化する請求項１３に記載の複合溶接方法。
  15. 前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとを同一の材質とする請求項１に記載の複合溶接方法。
  16. 前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとは、同一の主成分を持つが異なる材質のものとする請求項１に記載の複合溶接方法。
  17. 前記被溶接物、前記第１ワイヤおよび前記第２ワイヤは、その主成分をアルミニウムとする請求項１に記載した複合溶接方法。
  18. 前記被溶接物、前記第１ワイヤおよび前記第２ワイヤは、その主成分を鉄とする請求項１に記載の複合溶接方法。
  19. 溶接部位により、前記第２ワイヤの少なくとも１本の供給を停止する請求項１に記載の複合溶接方法。
  20. 前記第２ワイヤの少なくとも１本の供給を停止、あるいは再開する際には、前記レーザビームの照射条件、前記アーク溶接の条件および前記第２ワイヤの稼働している少なくとも１本の送給速度とのうちの少なくとも何れかを変える請求項１に記載の複合溶接方法。
  21. 溶接部位により、前記レーザビームの照射または前記アーク溶接を停止する請求項１に記載の複合溶接方法。
  22. 前記レーザビームの照射または前記アーク溶接を停止する、あるいは再開する際には、前記レーザビームの照射条件、前記第１ワイヤの送給速度および前記第２ワイヤの少なくとも１本の送給速度のうちの少なくともいずれかを変える請求項１に記載の複合溶接方法。
  23. 溶接部位により、前記第２ワイヤの少なくとも１本の送給速度および溶接速度のうちの少なくとも何れかを変える請求項１に記載の複合溶接方法。
  24. 前記第２ワイヤの少なくとも１本の送給速度および溶接速度のうちの少なくとも何れかを変える際には、前記レーザビームの照射条件および前記アーク溶接の条件のうちの少なくとも何れかを変える請求項１に記載の複合溶接方法。
  25. 前記第２ワイヤの供給、前記レーザビームの照射および前記アーク溶接の停止、再開、またはそれらの条件変更は、センサからの入力信号に応じて行う請求項１９に記載の複合溶接方法。
  26. 前記レーザビームの照射の代わりに、プラズマアークを使用する請求項１に記載の複合溶接方法。
  27. 前記アーク溶接として、パルスアーク溶接を用いる請求項１に記載の複合溶接方法。
  28. 溶接を開始する時には前記第２ワイヤの送給を前記レーザビームの照射および前記アーク溶接のうちの少なくとも何れかが開始してから所定の時間が経過した後に開始する請求項１に記載の複合溶接方法。
  29. 溶接を開始する時には前記第２ワイヤの送給を前記レーザビームの照射および前記アーク溶接の両方を開始してから所定の時間が経過した後に開始する請求項１に記載の複合溶接方法。
  30. 溶接を開始する時には前記アーク溶接を開始しアーク電流が流れたことを検知してから直ちに前記レーザビームの照射を開始し、所定の時間が経過した後に前記第２ワイヤの供給を開始する請求項１に記載の複合溶接方法。
  31. 前記所定の時間を０秒とする請求項２８に記載の複合溶接方法。
  32. 溶接を開始する時には前記レーザビームの照射を開始して所定の時間が経過した後に前記アーク溶接を開始し、更に所定の時間が経過した後に前記第２ワイヤの送給を開始する請求項１に記載の複合溶接方法。
  33. 溶接を開始する時には前記レーザビームの照射を開始して所定の時間が経過した後に前記アーク溶接を開始し、前記アーク溶接のアーク放電を開始してから直ちに前記第２ワイヤの送給を開始する請求項１に記載の複合溶接方法。
  34. 溶接を終了する時には前記第２ワイヤの送給を停止してから所定の時間が経過した後に前記レーザビームの照射および前記アーク溶接を停止する請求項１に記載の複合溶接方法。
  35. 溶接を終了する時には前記第２ワイヤの送給を停止してから所定の時間が経過した後に前記レーザビームの照射を停止し、更に所定の時間が経過した後に前記アーク溶接を停止する請求項１に記載の複合溶接方法。
  36. 溶接を終了する時には前記レーザビームの照射を停止してから所定の時間が経過した後に前記第２ワイヤの送給を停止し、更に所定の時間が経過した後に前記アーク溶接を停止する請求項１に記載の複合溶接方法。
  37. 溶接を終了する時には前記アーク溶接を停止してから所定の時間が経過した後に前記第２ワイヤの送給を停止し、更に所定の時間が経過した後に前記レーザビームの照射を停止する請求項１に記載の複合溶接方法。
  38. 前記アーク溶接が停止してからの前記レーザビームの出力および前記第２ワイヤの送給速度の両方の値を、それまでの前記アーク溶接において使用した値以下にする請求項３７に記載の複合溶接方法。
  39. 前記アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を用いる請求項２８に記載の複合溶接方法。
  40. 前記レーザビームとしてＹＡＧレーザ、半導体レーザ、またはファイバレーザの何れかを用いる請求項１に記載の複合溶接方法。
  41. 前記被溶接物と前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとして材質がアルミニウム合金のものを用いる請求項１に記載の複合溶接方法。
  42. 被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ発生部と、
    第１トーチを介して前記溶接位置に第１ワイヤを送給する第１ワイヤ送給部と、
    前記第１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アーク発生部と、
    少なくとも１本の第２トーチを介して前記溶接位置に少なくとも１本の第２ワイヤを送給する第２ワイヤ送給部と、
    前記レーザ発生部、前記アーク発生部および前記第２ワイヤ送給部を制御する制御部とを備え、
    前記第１ワイヤと前記被溶接物との間の位置に前記アーク溶接と前記レーザビームとにより形成した溶融池に前記第２ワイヤを供給することを特徴とする複合溶接装置。
  43. 溶接が進行する溶接方向に対し、前記レーザビームの照射を溶接方向の前方に配置し前記第１ワイヤを前記レーザビームの後方に配置し、前記第２ワイヤを前記レーザビームの前方の方向から供給する請求項４２に記載の複合溶接装置。
  44. 溶接が進行する溶接方向に対し、前記レーザビームの照射を溶接方向の前方に配置し前記第１ワイヤを前記レーザビームの後方に配置し、前記第２ワイヤを前記レーザビームと前記第１ワイヤとの間の位置から供給する請求項４２に記載の複合溶接装置。
  45. 溶接が進行する溶接方向に対し、前記レーザビームの照射を溶接方向の前方に配置し前記第１ワイヤを前記レーザビームの後方に配置し、前記第２ワイヤを前記第１ワイヤの後方の方向から供給する請求項４２に記載の複合溶接装置。
  46. 溶接が進行する溶接方向に対し、前記第１ワイヤを溶接方向の前方に配置し前記レーザビームの照射を前記第１ワイヤの後方に配置し、前記第２ワイヤを前記第１ワイヤの前方の方向から供給する請求項４２に記載の複合溶接装置。
  47. 溶接が進行する溶接方向に対し、前記第１ワイヤを溶接方向の前方に配置し前記レーザビームの照射を前記第１ワイヤの後方に配置し、前記第２ワイヤを前記第１ワイヤと前記レーザビームとの間の位置から供給する請求項４２に記載の複合溶接装置。
  48. 溶接が進行する溶接方向に対し、前記第１ワイヤを溶接方向の前方に配置し前記レーザビームの照射を前記第１ワイヤの後方に配置し、前記第２ワイヤが前記レーザ照射の後方の方向から供給する請求項４２に記載の複合溶接装置。
  49. 前記レーザビームの光軸、前記第１ワイヤの中心軸および前記第２ワイヤの中心軸がそれぞれ異なる軸芯である請求項４２に記載の複合溶接装置。
  50. 前記第１ワイヤおよび前記第２ワイヤの内、いずれか一方の中心軸を前記レーザビームの光軸と同軸に配置する請求項４２に記載の複合溶接装置。
  51. シールドガスは、前記第２ワイヤを送給する第２トーチに取り付けた第２ノズルおよび前記第１ワイヤを送給する第１トーチに取り付けた第１ノズルのうちの少なくとも何れかから供給する請求項４２に記載の複合溶接装置。
  52. 前記第１ノズルと前記第２ノズルとから供給するシールドガスの組成を異なるものにする請求項５１に記載の複合溶接装置。
  53. シールドガスは、前記第２ワイヤと前記第１ワイヤとを同時に送給する複合トーチに取り付けた複合ノズルから供給する請求項４２に記載の複合溶接装置。
  54. 前記第１ノズルと前記第２ノズルとから供給する前記シールドガスを溶接部位に応じて前記シールドガスの供給と停止を独立に行う請求項５１に記載の複合溶接装置。
  55. 前記シールドガスを停止、または再開する際に前記レーザビームの照射条件および前記アーク溶接の条件のうちの少なくとも何れかを変化する請求項５４に記載の複合溶接装置。
  56. 前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとを同一の材質とする請求項４２に記載の複合溶接装置。
  57. 前記第１ワイヤと前記第２ワイヤとは、同一の主成分を持つが異なる材質のものとする請求項４２に記載の複合溶接装置。
  58. 前記被溶接物、前記第１ワイヤおよび前記第２ワイヤは、その主成分をアルミニウムとした請求項４２に記載の複合溶接装置。
  59. 前記被溶接物、前記第１ワイヤおよび前記第２ワイヤとして、その主成分を鉄とした請求項４２に記載の複合溶接装置。
  60. 溶接部位により、前記第２ワイヤの少なくとも１本の供給を停止する請求項４２に記載の複合溶接装置。
  61. 前記第２ワイヤの少なくとも１本の供給を停止、あるいは再開する際には、前記レーザビームの照射条件、前記アーク溶接の条件および前記第２ワイヤの稼働している少なくとも１本の送給速度とのうちの少なくとも何れかを変える請求項４２に記載の複合溶接装置。
  62. 溶接部位により、前記レーザビームの照射または前記アーク溶接を停止する請求項４２に記載の複合溶接装置。
  63. 前記レーザビームの照射または前記アーク溶接を停止する、あるいは再開する際には、前記レーザビームの照射条件、前記第１ワイヤの送給速度および前記第２ワイヤの少なくとも１本の送給速度のうちの少なくともいずれかを変える請求項４２に記載の複合溶接装置。
  64. 溶接部位により、前記第２ワイヤの少なくとも１本の送給速度および溶接速度のうちの少なくとも何れかを変える請求項４２に記載の複合溶接装置。
  65. 前記第２ワイヤの少なくとも１本の送給速度および溶接速度のうちの少なくとも何れかを変える際には、前記レーザビームの照射条件および前記アーク溶接の条件のうちの少なくとも何れかを変える請求項４２に記載の複合溶接装置。
  66. 前記第２ワイヤの供給、前記レーザビームの照射および前記アーク溶接の停止、再開、またはそれらの条件変更は、センサからの入力信号に応じて行う請求項６０に記載の複合溶接装置。
  67. 前記レーザビームの照射の代わりに、プラズマアークを使用する請求項４２に記載の複合溶接装置。
  68. 前記アーク溶接としてパルスアーク溶接を用いる請求項４２に記載の複合溶接装置。
  69. 被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ発生部と、
    第１トーチを介して前記溶接位置に第１ワイヤを送給する第１ワイヤ送給部と、
    第２トーチを介して前記溶接位置に第２ワイヤを送給する第２ワイヤ送給部と、
    前記第１ワイヤ送給部を制御し、かつ前記第１ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を送給するアーク発生部と、
    時間設定部からの所定の時間ΔＴ１、ΔＴ２、ΔＴ３と電流検出部からの電流検知信号とを入力し、前記レーザ発生部、前記アーク発生部および前記第２ワイヤ送給部を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、溶接を開始する時には前記アーク発生部を制御してアーク溶接を開始させ、前記電流検知信号を受けると直ちに前記レーザ発生部を制御して前記レーザビームの照射を始めさせ、前記所定の時間ΔＴ１が経過した後に前記第２ワイヤ送給部を制御して前記第２ワイヤの送給を開始させるよう溶接を行わせるが、
    溶接を終了する時には前記第２ワイヤの送給を停止させてから前記所定の時間ΔＴ２が経過した後に前記レーザビームの照射を終了させ、更に前記所定の時間ΔＴ３が経過した後にアーク溶接を終了させるように制御して複合溶接装置を動作させることを特徴とする複合溶接装置。
  70. 被溶接物の溶接位置にレーザビームを照射するレーザ発生部と、
    第１トーチを介して前記溶接位置に第１ワイヤを送給する第１ワイヤ送給部と、
    第２トーチを介して前記溶接位置に第２ワイヤを送給する第２ワイヤ送給部と、
    前記第１ワイヤ送給部を制御し、かつ前記第１ワイヤと前記被溶接物にアーク溶接のための電力を送給するアーク発生部と、
    時間設定部からの所定の時間ΔＴ１、ΔＴ１、ΔＴ３と電流検出部からの電流検知信号と電圧検出部からのアーク電圧検知信号とを入力し、前記レーザ発生部、前記アーク発生部および前記第２ワイヤ送給部を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、溶接を開始する時には前記レーザ発生部を制御して前記レーザビームの照射を開始させ、前記所定の時間ΔＴ１が経過した後に前記アーク発生部を制御してアーク溶接を開始させ、前記電流検知信号と前記アーク電圧検知信号を受けると直ちに前記第２ワイヤ送給部を制御して前記第２ワイヤの送給を開始させるよう溶接を行わせるが、
    溶接を終了する時には前記第２ワイヤの送給を停止させてから前記所定の時間ΔＴ２が経過した後に前記レーザビームの照射を終了させ、更に前記所定の時間ΔＴ３が経過した後に前記アーク溶接を終了させるように制御して複合溶接装置を動作させることを特徴とする複合溶接装置。
  71. 溶接走行の開始を前記所定の時間ΔＴ１の終了と一致させる請求項６９または７０に記載の複合溶接装置。
  72. 溶接走行の停止を前記第２ワイヤの停止と一致させる請求項６９または７０に記載の複合溶接装置。
  73. 前記所定の時間ΔＴ３中にクレータ処理を行う請求項６９または７０に記載の複合溶接装置。
  74. 前記所定の時間ΔＴ２を０秒とする請求項６９または７０に記載の複合溶接装置。
  75. 前記アーク溶接としてパルスＭＩＧアーク溶接を用いる請求項６９または７０に記載の複合溶接装置。
  76. 前記レーザビーム発生部としてＹＡＧレーザ、半導体レーザおよびファイバレーザのうちの少なくとも何れかを用いる請求項６９または７０に記載の複合溶接装置。
  77. 前記被溶接物、前記第１ワイヤおよび前記第２ワイヤは材質がアルミニウム合金のものを用いる請求項６９または７０に記載の複合溶接装置。
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