JP2005066693A - レーザ照射アーク溶接装置及びメッキ鋼板のレーザ照射アーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ発振装置１１と、溶接電源装置１０と、溶接トーチ６及びレーザトーチ７を一体化した加工ヘッド８等からなるレーザ照射アーク溶接装置において、溶接継手に応じて最適な溶接方法を選択することができるようにする。
【解決手段】 本発明は、単独レーザ照射モード、単独アーク溶接モード又はレーザ照射アーク溶接モードの中から１つのモードを選択してモード選択信号Ｍｓを出力するモード選択器ＭＳと、溶接開始に際して、モード選択信号Ｍｓが単独レーザ照射モードであるときにはレーザ照射のみを行わせ、モード選択信号Ｍｓが単独アーク溶接モードであるときにはアーク溶接のみを行わせ、モード選択信号Ｍｓがレーザ照射アーク溶接モードであるときにはレーザ照射アーク溶接を行わせるモード制御装置ＭＣとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、消耗電極ガスシールドアーク溶接の溶接部にレーザを照射しながら溶接することによって高効率の溶接を行うためのレーザ照射アーク溶接装置及びその装置を用いたメッキ鋼板のレーザ照射アーク溶接方法に関するものである。

消耗電極ガスシールドアーク溶接とレーザ照射とを併用して溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法が提案されている。この溶接方法では、消耗電極ガスシールドアーク溶接によって形成される溶融池又はその周辺部にレーザを照射しながら溶接を行う。レーザの種類としては、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等が使用される。このレーザ照射アーク溶接方法の特徴は、レーザとアークの２つの熱源によって母材への入熱が行われるために、３m/minを超える高速溶接を行うことができ、生産性の向上を図ることができることである。さらに、レーザ照射アーク溶接方法は、溶接継手部のギャップ裕度が単独のレーザ溶接に比べて大きいので、ワークの加工精度がレーザ溶接ほど厳格でないために、適用範囲が広いという特徴も有する。以下、従来技術のレーザ照射アーク溶接装置について説明する。

図４は、レーザ照射アーク溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して説明する。溶接電源装置１０は、アーク３を発生させるための電力を溶接トーチ６へ供給すると共に、溶接ワイヤ１の送給制御を行う。レーザ発振装置１１は、レーザトーチ７へレーザ４を出力する。加工ヘッド８は、上記の溶接トーチ６及び上記のレーザトーチ７が一体化されて形成される。ガス開閉器１２が開路されると、シールドガス５がガスボンベから上記の加工ヘッド８を通って噴出される。溶接ワイヤ１は、上記の溶接トーチ６から送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。上記のレーザトーチ７からレーザ４がアーク発生部へ照射される。

上記の加工ヘッド８は、移動装置に取り付けられて、溶接線に沿うって移動する。同図は、この移動装置としてロボット９を使用する場合である。ロボット本体９の手首部に上記の加工ヘッド８は取り付けられて、溶接線に沿って移動される。ロボット制御装置１３は、上記のロボット本体９の動作を制御する。

溶接の手順は以下のようになる。
（１）ロボット本体９が移動して加工ヘッド８を予め定めた溶接開始位置へ移動させる。
（２）ガス開閉器１２が開路されてシールドガス５が加工ヘッド８から噴出される。
（３）同時に、溶接電源装置１０からの電力供給及び送給制御が開始されて、溶接ワイヤ１が送給されアーク３が発生する。
（４）同時に、レーザトーチ７からのレーザ４の照射が開始される。
（５）アーク溶接及びレーザ照射を行いながら加工ヘッド８は溶接線に沿って移動する。
（６）加工ヘッド８が予め定めた溶接終了位置に到達すると、アーク溶接及びレーザ照射を終了する。

特開平１０−２２５７７０号公報 特開２００２−１９２３６３号公報

上述したように、レーザ照射アーク溶接方法は、単独のアーク溶接よりも高速溶接を行うことができるので、生産性を向上させることができる。また、単独のレーザ溶接よりも溶接継手部のギャップ裕度が大きいので、ワークの加工精度がレーザ溶接ほど厳格でなく、適用範囲が広い。

ところで、溶接ラインにおいては、種々のワークの溶接を行う必要がある。また、１つのワークに複数個の溶接個所が存在する場合も多い。このように、溶接ラインでは、種々の溶接継手に対して高品質・高効率な溶接を行う必要がある。レーザ照射アーク溶接は上述したように優れた特性を有する溶接方法であるが、溶接継手によってはさらに高速で低歪みの溶接を要求される場合もある。このような場合には、溶接継手部のギャップを小さくするように管理した上で、レーザ溶接を行う必要がある。レーザ照射アーク溶接の溶接速度は５m/min程度が限界であるが、単独のレーザ溶接では７m/min程度まで可能となる。

また、溶接継手のギャップが大きい場合には、レーザ照射アーク溶接の優位点が小さくなるので、溶接条件及び施行の管理が容易な単独のアーク溶接のメリットが上回ることになる。また、溶接長の短い溶接個所の場合も、単独のアーク溶接の方が有利である。このように、種々の溶接継手に応じて最適な溶接方法が異なる場合がある。このような場合には、従来技術では、レーザ照射アーク溶接装置、レーザ溶接装置及びアーク溶接装置の３台の溶接装置を溶接ラインに設置する必要があった。このために、設備コストが高額になり、設置スペースも大きな空間が必要であった。

そこで、本発明では、種々の溶接継手に応じてレーザ照射アーク溶接、レーザ溶接又はアーク溶接の中から最適な溶接方法を任意に選択することが可能なレーザ照射アーク溶接装置を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、レーザを出力するレーザ発振装置と、消耗電極ガスシールドアーク溶接のための電力供給及び溶接ワイヤの送給制御を行う溶接電源装置と、前記溶接電源装置によるアーク溶接のための溶接トーチ及び前記レーザ発振装置からのレーザを溶接部に照射するレーザトーチを一体化した加工ヘッドと、前記加工ヘッドからのシールドガスの噴出を制御するガス開閉器と、前記加工ヘッドを溶接線に沿って移動させる移動装置とからなるレーザ照射アーク溶接装置において、
単独レーザ照射モード又は単独アーク溶接モードの内の少なくとも１つのモード又はレーザ照射アーク溶接モードの中から１つのモードを選択してモード選択信号を出力するモード選択器と、
溶接開始に際して、前記モード選択信号が前記単独レーザ照射モードであるときには、前記溶接電源装置へ出力停止信号を送出して前記溶接トーチへの電力供給及び溶接ワイヤの送給を停止し、かつ前記ガス開閉器へ開路信号を送出して前記加工ヘッドからシールドガスの噴出を開始し、かつ前記レーザ発振装置へ出力開始信号を送出して前記レーザトーチからのレーザ照射を開始してレーザ照射のみを行わせ、前記モード選択信号が前記単独アーク溶接モードであるときには、前記溶接電源装置へ出力開始信号を送出して前記溶接トーチへの電力供給及び溶接ワイヤの送給を開始し、かつ前記ガス開閉器へ開路信号を送出して前記加工ヘッドからシールドガスの噴出を開始し、かつ前記レーザ発振装置へ出力停止信号を送出して前記レーザトーチからのレーザ照射を停止してアーク溶接のみを行わせ、前記モード選択信号が前記レーザ照射アーク溶接モードであるときには、前記溶接電源装置へ出力開始信号を送出して前記溶接トーチへの電力供給及び溶接ワイヤの送給を開始し、かつ前記ガス開閉器へ開路信号を送出して前記加工ヘッドからシールドガスの噴出を開始し、かつ前記レーザ発振装置へ出力開始信号を送出して前記レーザトーチからのレーザ照射を開始してレーザ照射アーク溶接を行わせるモード制御装置と、を備えたことを特徴とするレーザ照射アーク溶接装置である。

また、第２の発明は、モード選択器が溶接継手の種類ごとに予め設定されたモード選択信号を出力することを特徴とする第１の発明記載のレーザ照射アーク溶接装置である。

また、第３の発明は、第１の発明記載のレーザ照射アーク溶接装置を用いたメッキ鋼板のレーザ照射アーク溶接方法であって、
加工ヘッドを溶接開始位置に移動させ、モード選択器によってモード選択信号を単独レーザ照射モードに設定し、前記加工ヘッドを溶接線に沿って移動させながらレーザ照射のみを行い前記溶接線近傍のメッキを蒸発させて除去し、
続いて前記加工ヘッドを前記溶接開始位置へ戻し、前記モード選択器によって前記モード選択信号をレーザ照射アーク溶接モードに切り換え、前記加工ヘッドを前記溶接線に沿って移動させながらレーザ照射アーク溶接を行うことを特徴とするメッキ鋼板のレーザ照射アーク溶接方法である。

上記第１の発明によれば、溶接継手の種類に応じてモード選択信号を所望値に設定することによって、１台の溶接装置をレーザ照射アーク溶接装置、単独レーザ照射装置、単独アーク溶接装置に切り換えることができるので、設備コスト及び設置スペースを小さくすることができる。

上記第２の発明によれば、溶接継手の種類に応じてモード選択信号が適正値に自動設定されるので、常に溶接継手に最適な溶接方法で溶接を行うことができる。

上記第３の発明によれば、上記第１の発明のレーザ照射アーク溶接装置を用いて、まず単独レーザ照射によってメッキ鋼板のメッキを除去し、続いてメッキ除去部をレーザ照射アーク溶接によって高速・高品質に溶接することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ照射アーク溶接装置の構成図である。同図において、上述した図４と同一の構成物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図４とは異なる点線で示す構成物について同図を参照して説明する。

モード選択器ＭＳは、単独レーザ照射モード又は単独アーク溶接モードの内の少なくとも１つのモード又はレーザ照射アーク溶接モードの中から１つのモードを選択してモード選択信号Ｍｓを出力する。モード制御装置ＭＣは、このモード選択信号Ｍｓを入力して、溶接電源装置１０へ電源出力開始／停止信号Ｐｃを送出し、レーザ発振装置１１へレーザ出力開始／停止信号Ｌｃを送出し、ガス開閉器１２へ開閉信号Ｇｃを送出する。動作は以下のとおりである。

（１）溶接開始に際して、上記のモード選択信号Ｍｓが上記の単独レーザ照射モードであるときには、溶接電源装置１０へ電源出力停止信号Ｐｃ（Ｌｏｗレベル）を送出して溶接トーチ６への電力供給及び溶接ワイヤ１の送給を停止する。かつ、ガス開閉器１２へ開路信号Ｇｃ（Ｈｉｇｈレベル）を送出して加工ヘッド８からシールドガス５の噴出を開始する。かつ、レーザ発振装置１１へレーザ出力開始信号Ｌｃ（Ｈｉｇｈレベル）を送出してレーザトーチ７からのレーザ４の照射を開始して、レーザ照射のみを行わせる。

（２）上記のモード選択信号Ｍｓが上記の単独アーク溶接モードであるときには、溶接電源装置１０へ電源出力開始信号Ｐｃ（Ｈｉｇｈレベル）を送出して溶接トーチ６への電力供給及び溶接ワイヤ１の送給を開始する。かつ、ガス開閉器１２へ開路信号Ｇｃ（Ｈｉｇｈレベル）を送出して加工ヘッド８からシールドガス５の噴出を開始する。かつ、レーザ発振装置１１へレーザ出力停止信号Ｌｃ（Ｌｏｗレベル）を送出してレーザトーチ７からのレーザ４の照射を停止して、アーク溶接のみを行わせる。

（３）上記のモード選択信号Ｍｓが上記のレーザ照射アーク溶接モードであるときには、溶接電源装置１０へ電源出力開始信号Ｐｃ（Ｈｉｇｈレベル）を送出して溶接トーチ６への電力供給及び溶接ワイヤ１の送給を開始する。かつ、ガス開閉器１２へ開路信号Ｇｃ（Ｈｉｇｈレベル）を送出して加工ヘッド８からシールドガス５の噴出を開始する。かつ、レーザ発振装置１１へレーザ出力開始信号Ｌｃ（Ｈｉｇｈレベル）を送出してレーザトーチ７からのレーザ４の照射を開始して、レーザ照射アーク溶接を行わせる。

図２は、上述した図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）はモード選択信号Ｍｓの、同図（Ｂ）はガス開閉信号Ｇｃの、同図（Ｃ）はレーザ出力開始／停止信号Ｌｃの、同図（Ｄ）は電源出力開始／停止信号Ｐｃの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図において、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中は、溶接継手１をレーザ照射のみによって溶接し、時刻ｔ３〜ｔ４の期間中は、溶接継手２をアーク溶接のみによって溶接し、時刻ｔ５〜ｔ６の期間中は、溶接継手３をレーザ照射アーク溶接する場合である。

（１）時刻ｔ１〜ｔ２の単独レーザ照射期間
時刻ｔ１において、加工ヘッドが溶接継手１の溶接開始位置に移動すると、同図（Ａ）に示すように、モード選択信号Ｍｓ＝１（単独レーザ照射モード）に設定される。これに応じて、同図（Ｂ）に示すように、ガス開閉信号ＧｃがＨｉｇｈレベル（開路信号）となり加工ヘッドからのシールドガスの噴出が開始する。同時に、同図（Ｃ）に示すように、レーザ出力開始／停止信号ＬｃがＨｉｇｈレベル（レーザ出力開始信号）となりレーザトーチからのレーザの照射が開始する。同時に、同図（Ｄ）に示すように、電源出力開始／停止信号ＰｃはＬｏｗレベル（電源出力停止信号）であるので溶接電源装置からの電力供給及び送給制御は停止したままである。この結果、この期間中は、溶接継手１に対して単独レーザ照射が行われる。

（２）時刻ｔ３〜ｔ４の単独アーク溶接期間
時刻ｔ３において、加工ヘッドが溶接継手２の溶接開始位置に移動すると、同図（Ａ）に示すように、モード選択信号Ｍｓ＝２（単独アーク溶接モード）に設定される。これに応じて、同図（Ｂ）に示すように、ガス開閉信号ＧｃがＨｉｇｈレベル（開路信号）となり加工ヘッドからのシールドガスの噴出が開始する。同時に、同図（Ｃ）に示すように、レーザ出力開始／停止信号ＬｃはＬｏｗレベル（レーザ出力停止信号）であるのでレーザトーチからのレーザの照射が停止したままである。同時に、同図（Ｄ）に示すように、電源出力開始／停止信号ＰｃがＨｉｇｈレベル（電源出力開始信号）となり溶接電源装置からの電力供給及び送給制御が開始される。この結果、この期間中は、溶接継手２に対して単独アーク溶接が行われる。

（３）時刻ｔ５〜ｔ６のレーザ照射アーク溶接期間
時刻ｔ５において、加工ヘッドが溶接継手３の溶接開始位置に移動すると、同図（Ａ）に示すように、モード選択信号Ｍｓ＝３（レーザ照射アーク溶接モード）に設定される。これに応じて、同図（Ｂ）に示すように、ガス開閉信号ＧｃがＨｉｇｈレベル（開路信号）となり加工ヘッドからのシールドガスの噴出が開始する。同時に、同図（Ｃ）に示すように、レーザ出力開始／停止信号ＬｃがＨｉｇｈレベル（レーザ出力開始信号）となりレーザトーチからのレーザの照射が開始する。同時に、同図（Ｄ）に示すように、電源出力開始／停止信号ＰｃがＨｉｇｈレベル（電源出力開始信号）となり溶接電源装置からの電力供給及び送給制御が開始される。この結果、この期間中は、溶接継手３に対してレーザ照射アーク溶接が行われる。

上述したように、溶接継手の種類に応じて予め定めたモード選択信号Ｍｓが設定されｔｗ、このモード選択信号Ｍｓに対応した溶接方法が実施されるようにレーザ照射アーク溶接装置が制御される。

［実施の形態２］
図３は、上述した実施の形態１に係るレーザ照射アーク溶接装置を用いて、メッキ鋼板の溶接を行う場合のタイミングチャートである。同図（Ａ）はモード選択信号Ｍｓの、同図（Ｂ）はガス開閉信号Ｇｃの、同図（Ｃ）はレーザ出力開始／停止信号Ｌｃの、同図（Ｄ）は電源出力開始／停止信号Ｐｃの、同図（Ｅ）及び（Ｆ）は溶接部の模式図を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図は、メッキ鋼板からなる溶接継手４を溶接する場合であり、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中は溶接継手４の溶接線近傍のメッキを単独レーザ照射によって除去し、続いて時刻ｔ３〜ｔ４の期間中は溶接継手４のメッキが除去された溶接線上をレーザ照射アーク溶接する。溶接予定個所にメッキが存在するままで溶接を行うと、溶接中にメッキの蒸発によってアーク状態が不安定になり、溶接ビードが不良になる場合がある。さらに、メッキの蒸発ガスが溶融池に混入してブローホールが発生する場合もある。このために、メッキ鋼板を溶接する際には、溶接予定個所のメッキを除去することが望ましい。本発明の溶接装置を用いれば、メッキ鋼板の溶接を効率よく高品質に行うことができる。メッキ鋼板としては、亜鉛メッキ鋼板、アルミメッキ鋼板、鉛−錫合金メッキ鋼板等がある。

（１）時刻ｔ１〜ｔ２の単独レーザ照射期間
時刻ｔ１において、加工ヘッドが溶接継手４の溶接開始位置に移動すると、同図（Ａ）に示すように、モード選択信号Ｍｓ＝１（単独レーザ照射モード）に設定される。これに応じて、同図（Ｂ）に示すように、ガス開閉信号ＧｃがＨｉｇｈレベル（開路信号）となり加工ヘッドからのシールドガスの噴出が開始する。同時に、同図（Ｃ）に示すように、レーザ出力開始／停止信号ＬｃがＨｉｇｈレベル（レーザ出力開始信号）となりレーザトーチからのレーザの照射が開始する。同時に、同図（Ｄ）に示すように、電源出力開始／停止信号ＰｃはＬｏｗレベル（電源出力停止信号）であるので溶接電源装置からの電力供給及び送給制御は停止したままである。したがって、この期間中は、同図（Ｅ）に示すように、溶接継手４に対して単独レーザ照射が行われて、溶接線近傍のメッキが蒸発によって除去される。

（２）時刻ｔ３〜ｔ４のレーザ照射アーク溶接期間
時刻ｔ３において、加工ヘッドが再び溶接継手４の溶接開始位置に移動すると、同図（Ａ）に示すように、モード選択信号Ｍｓ＝３（レーザ照射アーク溶接モード）に設定される。これに応じて、同図（Ｂ）に示すように、ガス開閉信号ＧｃがＨｉｇｈレベル（開路信号）となり加工ヘッドからのシールドガスの噴出が開始する。同時に、同図（Ｃ）に示すように、レーザ出力開始／停止信号ＬｃがＨｉｇｈレベル（レーザ出力開始信号）となりレーザトーチからのレーザの照射が開始する。同時に、同図（Ｄ）に示すように、電源出力開始／停止信号ＰｃがＨｉｇｈレベル（電源出力開始信号）となり溶接電源装置からの電力供給及び送給制御が開始される。したがって、この期間中は、同図（Ｆ）に示すように、溶接継手４のメッキが除去された溶接線上を高速度でレーザ照射アーク溶接が行われる。

従来、メッキ鋼板を高速・高品質に溶接するためには、メッキを除去するためのレーザ発振装置と、溶接を行うためのレーザ照射アーク溶接装置又はもう１台のレーザ発振装置が必要であった。しかし、本発明では、１台のレーザ照射アーク溶接装置によって実現することができる。

本発明の実施の形態１に係るレーザ照射アーク溶接装置の構成図である。 図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係るメッキ鋼板のレーザ照射アーク溶接方法を示すタイミングチャートである。 従来技術のレーザ照射アーク溶接装置の構成図である。

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ レーザ
５ シールドガス
６ 溶接トーチ
７ レーザトーチ
８ 加工ヘッド
９ ロボット本体
１０ 溶接電源装置
１１ レーザ発振装置
１２ ガス開閉器
１３ ロボット制御装置
Ｇｃ ガス開閉信号
Ｌｃ レーザ出力開始／停止信号
ＭＣ モード制御装置
ＭＳ モード選択器
Ｍｓ モード選択信号
Ｐｃ 電源出力開始／停止信号

Claims (3)

1. レーザを出力するレーザ発振装置と、消耗電極ガスシールドアーク溶接のための電力供給及び溶接ワイヤの送給制御を行う溶接電源装置と、前記溶接電源装置によるアーク溶接のための溶接トーチ及び前記レーザ発振装置からのレーザを溶接部に照射するレーザトーチを一体化した加工ヘッドと、前記加工ヘッドからのシールドガスの噴出を制御するガス開閉器と、前記加工ヘッドを溶接線に沿って移動させる移動装置とからなるレーザ照射アーク溶接装置において、
   単独レーザ照射モード又は単独アーク溶接モードの内の少なくとも１つのモード又はレーザ照射アーク溶接モードの中から１つのモードを選択してモード選択信号を出力するモード選択器と、
   溶接開始に際して、前記モード選択信号が前記単独レーザ照射モードであるときには、前記溶接電源装置へ出力停止信号を送出して前記溶接トーチへの電力供給及び溶接ワイヤの送給を停止し、かつ前記ガス開閉器へ開路信号を送出して前記加工ヘッドからシールドガスの噴出を開始し、かつ前記レーザ発振装置へ出力開始信号を送出して前記レーザトーチからのレーザ照射を開始してレーザ照射のみを行わせ、前記モード選択信号が前記単独アーク溶接モードであるときには、前記溶接電源装置へ出力開始信号を送出して前記溶接トーチへの電力供給及び溶接ワイヤの送給を開始し、かつ前記ガス開閉器へ開路信号を送出して前記加工ヘッドからシールドガスの噴出を開始し、かつ前記レーザ発振装置へ出力停止信号を送出して前記レーザトーチからのレーザ照射を停止してアーク溶接のみを行わせ、前記モード選択信号が前記レーザ照射アーク溶接モードであるときには、前記溶接電源装置へ出力開始信号を送出して前記溶接トーチへの電力供給及び溶接ワイヤの送給を開始し、かつ前記ガス開閉器へ開路信号を送出して前記加工ヘッドからシールドガスの噴出を開始し、かつ前記レーザ発振装置へ出力開始信号を送出して前記レーザトーチからのレーザ照射を開始してレーザ照射アーク溶接を行わせるモード制御装置と、を備えたことを特徴とするレーザ照射アーク溶接装置。
2. モード選択器が溶接継手の種類ごとに予め設定されたモード選択信号を出力することを特徴とする請求項１記載のレーザ照射アーク溶接装置。
3. 請求項１記載のレーザ照射アーク溶接装置を用いたメッキ鋼板のレーザ照射アーク溶接方法であって、
   加工ヘッドを溶接開始位置に移動させ、モード選択器によってモード選択信号を単独レーザ照射モードに設定し、前記加工ヘッドを溶接線に沿って移動させながらレーザ照射のみを行い前記溶接線近傍のメッキを蒸発させて除去し、
   続いて前記加工ヘッドを前記溶接開始位置へ戻し、前記モード選択器によって前記モード選択信号をレーザ照射アーク溶接モードに切り換え、前記加工ヘッドを前記溶接線に沿って移動させながらレーザ照射アーク溶接を行うことを特徴とするメッキ鋼板のレーザ照射アーク溶接方法。
   
   

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