特開 2023-135282 レーザ・アークハイブリッド溶接装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023135282

(43)【公開日】2023-09-28

(54)【発明の名称】レーザ・アークハイブリッド溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/348 20140101AFI20230921BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20230921BHJP

   B23K 9/173 20060101ALI20230921BHJP

   B23K 9/23 20060101ALN20230921BHJP

【ＦＩ】

B23K26/348

B23K26/21 F

B23K9/173 A

B23K9/23 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022040417

(22)【出願日】2022-03-15

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤原 雅之

【テーマコード（参考）】

4E001

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E001AA03

4E001BB06

4E001CA01

4E001CB01

4E001CB04

4E001CC02

4E001DD02

4E001DD04

4E168BA83

4E168BA87

4E168BA88

4E168EA05

4E168FB03

4E168KA04

(57)【要約】

【課題】被接合部の表面被膜を除去しつつ、被接合部の溶け込み深さを確保する。
【解決手段】レーザ・アークハイブリッド溶接装置１は、少なくとも１つのレーザトーチ４０と、溶接トーチ１０とを備える。レーザトーチ４０は、被接合部３に向けて第１レーザ５１および第２レーザ５２を照射する。溶接トーチ１０は、被接合部３との間にアーク２５を発生させて被接合部３を溶接する。溶接の進行方向に直交する方向における第１レーザ５１の照射領域７１の幅Ｗ１は、第２レーザ５２の照射領域７２の幅Ｗ２より広い。第１レーザ５１を被接合部３に照射して表面被膜を除去した後に、第２レーザ５２を被接合部３に照射しつつ被接合部３との間にアーク２５を発生させることにより被接合部３を溶接する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被接合部に向けて第１レーザおよび第２レーザを照射する少なくとも１つのレーザトーチと、
前記被接合部との間にアークを発生させて前記被接合部を溶接する溶接トーチとを備え、
溶接の進行方向に直交する方向における前記第１レーザの照射領域の幅は、前記第２レーザの照射領域の幅より広く、
前記第１レーザを前記被接合部に照射して表面被膜を除去した後に、前記第２レーザを前記被接合部に照射しつつ前記被接合部との間に前記アークを発生させることにより前記被接合部を溶接する、レーザ・アークハイブリッド溶接装置。

【請求項2】

前記第１レーザの出力は、前記第２レーザの出力より低い、請求項１に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。

【請求項3】

前記溶接の進行方向に直交する方向における前記第１レーザの照射領域の幅は、前記被接合部の幅に対して０．５倍以上２倍以下である、請求項１または請求項２に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。

【請求項4】

前記被接合部を溶接する際に、前記第１レーザの照射位置、前記第２レーザの照射位置および前記アークの発生位置は、前記溶接の進行方向においてこの順に並んでいる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。

【請求項5】

前記第１レーザおよび前記第２レーザの各々は、１つのレーザトーチから前記被接合部に向けて照射される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレーザ・アークハイブリッド溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ・アークハイブリッド溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ照射アーク溶接方法を開示した先行技術文献として、特開２００４－２９８９０３号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載されたレーザ照射アーク溶接方法においては、被溶接物の溶接予定個所にレーザを照射して消耗電極ガスシールドアーク溶接が行なわれる。被溶接物は、亜鉛めっき鋼板とめっき処理を施していない鋼板とから形成された継手である。亜鉛めっき鋼板の亜鉛めっきを蒸発させるようにレーザが照射される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４－２９８９０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載されたレーザ照射アーク溶接方法においては、レーザの照射形状が点形状であり、デフォーカスすることにより照射範囲を確保している。よって、溶け込み深さが要求される場合には、高出力のレーザ発振器が必要になり、設備コストの増加に繋がる。

【0005】

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、被接合部の表面被膜を除去しつつ、被接合部の溶け込み深さを確保することができる、レーザ・アークハイブリッド溶接装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に基づくレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、少なくとも１つのレーザトーチと、溶接トーチとを備える。レーザトーチは、被接合部に向けて第１レーザおよび第２レーザを照射する。溶接トーチは、被接合部との間にアークを発生させて被接合部を溶接する。溶接の進行方向に直交する方向における第１レーザの照射領域の幅は、第２レーザの照射領域の幅より広い。第１レーザを被接合部に照射して表面被膜を除去した後に、第２レーザを被接合部に照射しつつ被接合部との間にアークを発生させることにより被接合部を溶接する。

【0007】

この場合、第１レーザにより被接合部の表面被膜を除去しつつ、アーク溶接とともに第２レーザにより被接合部をレーザ溶接することによって、被接合部の溶け込み深さを確保することができる。

【0008】

本発明の一形態においては、第１レーザの出力は、第２レーザの出力より低い。

【0009】

これにより、第１レーザの出力を被接合部の表面被膜の除去に適した出力にして表面被膜を除去しつつ、第２レーザの出力を第１レーザより高くして被接合部の溶け込み深さを確保しやすくすることができる。

【0010】

本発明の一形態においては、溶接の進行方向に直交する方向における第１レーザの照射領域の幅は、被接合部の幅に対して０．５倍以上２倍以下である。

【0011】

これにより、第１レーザを適切な幅にして被接合部の表面被膜を除去することができる。

【0012】

本発明の一形態においては、被接合部を溶接する際に、第１レーザの照射位置、第２レーザの照射位置およびアークの発生位置は、溶接の進行方向においてこの順に並んでいる。

【0013】

この場合、アーク溶接に先行して第２レーザを照射することにより、被接合部を溶融させて溶け込み深さを確保しつつ、アーク溶接を安定化させることができる。

【0014】

本発明の一形態においては、第１レーザおよび第２レーザの各々は、１つのレーザトーチから被接合部に向けて照射される。

【0015】

これにより、１つのレーザトーチにより第１レーザおよび第２レーザを構成することができるため、設備コストを抑制することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、被接合部の表面被膜を除去しつつ、被接合部の溶け込み深さを確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置の構成を示す概略図である。

【図2】本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置に係るレーザの照射部分の構成を示す概略図である。

【図3】本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置によって母材が溶接されている状態を示す上面図である。

【図4】本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置によって溶接された母材の接合状態を示す断面図である。

【図5】本発明の実施の形態２に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置によって母材が溶接されている状態を示す上面図である。

【図6】本発明の実施の形態３に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置に係るレーザトーチの構成を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の各実施の形態に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置について図面を参照して説明する。以下の実施の形態の説明においては、図中の同一また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。

【0019】

なお、図面においては、溶接の進行方向をＤＲ１方向、溶接の進行方向に直交し、かつ母材表面に並行する方向をＤＲ２方向とする。

【0020】

(実施の形態１)
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置の構成を示す概略図である。

【0021】

図１に示すように、本発明の実施の形態１に係るレーザ・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。

【0022】

レーザ・アークハイブリッド溶接装置１は、金属同士の接合に使用される。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２の一方と他方とが、突き合わせ溶接継手または重ね隅肉溶接継手などにより被接合部３において接合される。

【0023】

母材２は、たとえば、亜鉛めっき鋼板により構成されている。なお、母材２は、亜鉛めっき鋼板に限定されず、アルミニウム、マグネシウムもしくはチタン、またはこれらの合金などによって構成されていてもよい。

【0024】

溶接トーチ１０および溶接電源装置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２に向けて、溶接ワイヤ２０および図示しないシールドガスを供給する。溶接トーチ１０は、被接合部３との間にアーク２５を発生させて被接合部３を溶接する。具体的には、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２との間にアーク２５を発生させるとともに、母材２に向けてアルゴンガスまたは炭酸ガスなどのシールドガスを供給することによって、被接合部３を溶接する。

【0025】

溶接電源装置３０は、アーク溶接を行なうための溶接電圧および溶接電流を生成し、生成された溶接電圧およ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の送り速度を制御する。

【0026】

レーザトーチ４０は、レーザ・アークハイブリッド溶接装置１に少なくとも１つ設けられている。本実施の形態におけるレーザトーチ４０は、レーザ・アークハイブリッド溶接装置１に１つ設けられている。

【0027】

レーザトーチ４０およびレーザ発振装置６０は、レーザ５０を照射するための機器である。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２の被接合部３に向けてレーザ５０を照射することによって被接合部３の表面被膜の除去および溶接を行なう。

【0028】

図２は、本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置に係るレーザの照射部分の構成を示す概略図である。なお、図２においては、発明の理解を容易にするため、アーク溶接に係る構成については図示していない。

【0029】

図２に示すように、本実施の形態に係るレーザトーチ４０は、レーザを所望のビームパターンに加工する光学系４１を含む。

【0030】

光学系４１は、レーザ発振装置６０から出力されたレーザ光が通過するようにレーザトーチ４０に配置される。光学系４１を通過したレーザ光は、母材２に照射され、母材２において照射領域７０が形成される。

【0031】

レーザトーチ４０は、被接合部３に向けて第１レーザ５１および第２レーザ５２を照射する。本実施の形態においては、第１レーザ５１および第２レーザ５２の各々は、１つのレーザトーチ４０から被接合部３に向けて照射される。具体的には、第１レーザ５１は、母材２の表面に矩形状の照射領域７１を形成して照射される。また、第２レーザ５２は、母材２の表面に円形状の照射領域７２を形成して照射される。

【0032】

第１レーザ５１の出力は、第２レーザ５２の出力より低い。なお、第１レーザ５１および第２レーザ５２の出力は、光学系４１の設計によって任意に設定することができる。

【0033】

図３は、本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置によって母材が溶接されている状態を示す上面図である。図４は、本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置によって溶接された母材の接合状態を示す断面図である。

【0034】

図３および図４に示すように、母材２は、第１母材４および第２母材５によって構成されている。第１母材４および第２母材５の各々に、溶接進行方向(ＤＲ１方向)に沿ってアーク２５による溶接およびレーザ５０の照射が行なわれることによって、被接合部３において第１母材４と第２母材５とが互いに接合される。ＤＲ１方向に沿って溶融池９０を形成しつつ被接合部３が接合される。

【0035】

第１レーザ５１は、被接合部３の表面被膜を除去する。第２レーザ５２は、被接合部３を溶融する。第１レーザ５１を被接合部３に照射して表面被膜を除去した後に、第２レーザ５２を被接合部３に照射しつつ被接合部３との間にアーク２５を発生させることにより被接合部３を溶接する。

【0036】

溶接の進行方向に直交する方向(ＤＲ２方向)における第１レーザ５１の照射領域７１の幅Ｗ１は、第２レーザ５２の照射領域７２の幅Ｗ２より広い。第１レーザ５１が照射領域７１の範囲に照射されＤＲ１方向に進行することによって、母材２の表面被膜を除去しつつ、レーザ痕７３が照射領域７１の後方に形成される。

【0037】

溶接の進行方向に直交する方向(ＤＲ２方向)における第１レーザ５１の照射領域７１の幅Ｗ１は、被接合部３の幅Ｗ３に対して０．５倍以上２倍以下である。これにより、第１レーザ５１によって、アーク溶接および第２レーザ５２による溶接に対して、被接合部３の表面被膜を除去するために十分な幅を確保することができる。

【0038】

被接合部３を溶接する際に、第１レーザ５１の照射位置である照射領域７１、第２レーザ５２の照射位置である照射領域７２およびアーク２５の発生位置は、溶接の進行方向(ＤＲ１方向)においてこの順に並んでいる。アーク溶接に先行して第２レーザ５２で被接合部３を溶融させることによって、アーク溶接を安定化させることができる。なお、ＤＲ１方向における第２レーザ５２の照射領域７２とアーク２５との距離は、たとえば、２ｍｍ以上３ｍｍ以下である。

【0039】

ここで、本実施の形態におけるレーザ・アークハイブリッド溶接装置１を用いて母材に対してレーザ・アークハイブリッド溶接を行なった試験結果について説明する。

【0040】

第１母材および第２母材の各々は、２．３ｍｍの板厚を有する合金化溶融亜鉛めっき鋼板(ＧＡ鋼板)である。第１母材および第２母材の各々を突き合わせた後、１つのレーザを５．０ｋＷの出力でデフォーカスしながら表面被膜を除去しつつ、溶接速度を４．０ｍ／ｍｉｎおよび溶接電流を２５０Ａの条件下において、アーク溶接を行なった。その結果、レーザによる被接合部の溶融が不足して、突き合わせ継手の完全溶け込み溶接はできなかった。

【0041】

一方、レーザをＤＯＥにより回折して第１レーザと第２レーザとに分岐させ、第１レーザを溶接進行方向に直交する方向の照射幅を５．０ｍｍ、１．０ｋＷの出力で照射し、第２レーザを４．０ｋＷの出力で溶接を行なった。その結果、突き合わせ継手の完全溶け込み溶接として裏波溶接を行なうことができた。これにより、本実施の形態における条件下のレーザ・アークハイブリッド溶接を行なうことによって、亜鉛めっきされたＧＡ鋼板の第１母材および第２母材を、亜鉛めっきを除去しつつ、溶け込み深さを確保して溶接することが可能であることを確認することができた。

【0042】

本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１においては、レーザトーチ４０により被接合部３に向けて第１レーザ５１および第２レーザ５２を照射し、溶接の進行方向に直交する方向(ＤＲ２方向)における第１レーザ５１の照射領域７１の幅Ｗ１を第２レーザ５２の照射領域７２の幅Ｗ２より広くすることによって、第１レーザ５１で被接合部３の表面被膜を除去しつつ、アーク２５による溶接とともに第２レーザ５２で被接合部３を溶融させることによって、被接合部３の溶け込み深さを確保することができる。

【0043】

本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１においては、第１レーザ５１の出力が第２レーザ５２の出力より低いことにより、レーザ光の使用目的に応じた出力にすることによって、第１レーザ５１の出力を第２レーザ５２より低くして被接合部３の表面被膜の除去に適した出力とし、第２レーザ５２の出力を第１レーザ５１より高くして被接合部３の溶け込み深さを確保しやすくすることができる。

【0044】

本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１においては、溶接の進行方向に直交する方向(ＤＲ２方向)における第１レーザ５１の照射領域７１の幅Ｗ１が、被接合部３の幅Ｗ３に対して０．５倍以上２倍以下であることにより、第１レーザ５１を適切な幅Ｗ１にして被接合部３の表面被膜の除去作用を確保することができる。

【0045】

本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１においては、被接合部３を溶接する際に、第１レーザ５１の照射位置、第２レーザ５２の照射位置およびアーク２５の発生位置が溶接の進行方向(ＤＲ１方向)においてこの順に並んでいることにより、第１レーザ５１により被接合部３の表面被膜を除去した後に、アーク溶接に先行して第２レーザ５２で被接合部３を溶融させることによって、アーク溶接を安定化させることができる。

【0046】

本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１においては、第１レーザ５１および第２レーザ５２の各々は、１つのレーザトーチ４０から被接合部３に向けて照射されることにより、１つのレーザトーチ４０により第１レーザ５１および第２レーザ５２を構成することができるため、設備コストを抑制することができる。また、１つのＤＯＥ４１を変更するのみで第１レーザ５１および第２レーザ５２の出力を変更することができるため、溶接条件を容易に変更することができる。

【0047】

(実施の形態２)
以下、本発明の実施の形態２に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置について説明する。本発明の実施の形態２に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、レーザトーチの構成が本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１と異なるため、本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１と同様である構成については説明を繰り返さない。

【0048】

図５は、本発明の実施の形態２に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置によって母材が溶接されている状態を示す上面図である。図５に示すように、本発明の実施の形態２に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置においては、第１レーザおよび第２レーザの各々が、１つのレーザトーチから被接合部３に向けて照射される。

【0049】

レーザトーチは、図示しないミラーおよび駆動モータを含む。ミラーにレーザを当てて駆動モータによりミラーを駆動させることによって、レーザを走査することができる。これにより、第１レーザの照射領域７１Ａおよび第２レーザの照射領域７２Ａの形状になるように図５中の矢印方向にレーザを走査する。

【0050】

第１レーザおよび第２レーザの走査は、レーザ発振装置の制御プログラムによって制御される。第１レーザおよび第２レーザを走査する制御プログラムにより、照射領域の変更などの溶接条件を容易に変更することができる。なお、レーザの走査方向は、図５中の方向に限定されない。

【0051】

本発明の実施の形態２に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置においては、レーザトーチ内のミラーおよび駆動モータにより被接合部３に向けて第１レーザおよび第２レーザを走査して照射することによって、第１レーザで被接合部３の表面被膜を除去しつつ、アークによる溶接とともに第２レーザで被接合部３を溶融させることによって、被接合部３の溶け込み深さを確保することができる。

【0052】

(実施の形態３)
以下、本発明の実施の形態３に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置について説明する。本発明の実施の形態３に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、レーザトーチの構成が本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１と異なるため、本発明の実施の形態１に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置１と同様である構成については説明を繰り返さない。

【0053】

図６は、本発明の実施の形態３に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置に係るレーザトーチの構成を示す概略図である。なお、図６においては、発明の理解を容易にするため、溶接トーチは図示していない。

【0054】

図６に示すように、本発明の実施の形態３に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、第１レーザ発振装置６１と、第２レーザ発振装置６２と、第１レーザトーチ４５と、第２レーザトーチ４６とを備える。第１レーザ発振装置６１からレーザ光が出力され、第１レーザトーチ４５を通過することにより、第１レーザ５１Ｂが母材２に照射される。また、第２レーザ発振装置６２からレーザ光が出力され、第２レーザトーチ４６を通過することにより、第２レーザ５２Ｂが母材２に照射される。

【0055】

第１レーザトーチ４５は、光学系４１Ｂを含む。光学系４１Ｂは、レーザ光が通過するように第１レーザトーチ４５に配置される。第１レーザ５１Ｂは、光学系４１Ｂを通過して母材２に照射され、母材２において照射領域７１Ｂが形成される。

【0056】

第２レーザトーチ４６は、レンズ４８を含む。レンズ４８をレーザが通過することにより、第２レーザ５２Ｂが集光されて、母材２に照射され、照射領域７２Ｂが形成される。なお、第２レーザトーチ４６にレーザを加工する光学系が設けられていてもよい。

【0057】

第１レーザ５１Ｂの照射位置、第２レーザ５２Ｂの照射位置および図示しないアークの発生位置は、この順で溶接の進行方向(ＤＲ１方向)に並んでいることが望ましい。なお、本実施の形態においては、第１レーザ５１Ｂの照射位置、アークの発生位置、第２レーザ５２Ｂの照射位置が、この順で溶接の進行方向に並んでいてもよい。この場合、ＤＲ１方向において、第２レーザ５２Ｂに対してアーク溶接を先行させることによって、溶け込み深さを確保した後に第２レーザ５２Ｂにより被接合部の内部を撹拌することができる。

【0058】

本発明の実施の形態３に係るレーザ・アークハイブリッド溶接装置においては、第１レーザ５１Ｂおよび第２レーザ５２Ｂを別々のレーザトーチから出力することによって、母材２の表面被膜を除去する第１レーザ５１Ｂを出力する第１レーザ発振装置６１を低出力仕様にすることができるため、レーザ・アークハイブリッド溶接装置のレーザ照射におけるランニングコストを抑制することができる。

【0059】

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本開示の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるものではない。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。上述した実施の形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0060】

１ レーザ・アークハイブリッド溶接装置、３ 被接合部、１０ 溶接トーチ、２５ アーク、４０ レーザトーチ、５１，５１Ｂ 第１レーザ、５２，５２Ｂ 第２レーザ、７０，７１，７１Ａ，７１Ｂ，７２，７２Ａ，７２Ｂ 照射領域、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 幅。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】