JP5413218B2 - 中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法に係り、特にＴＩＧ溶接やプラズマ溶接等の非消耗式電極溶接と、レーザ溶接とを併用する複合溶接に適用して好適な中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法に関する。

レーザ溶接とアーク溶接の複合溶接は、両者の欠点を補うことができるために各種レーザ溶接法とアーク溶接法とを組み合わせることにより開発が行われている。

レーザ溶接は、深い溶け込みが得られる上に、高速度の溶接が可能な高能率溶接方法であり、しかも溶接による熱変形も非常に少ないという利点を有している。逆に、非常に高い開先精度が要求されることと、フォトンコストと呼ばれる設備コストがおよそ出力１ｋＷ当り、１千万円と非常に高価であることに加え、溶接の信頼性に関して、ポロシティなどの溶接欠陥の発生が懸念されるという欠点がある。

一方、アーク溶接は、溶け込みが浅く溶接速度も遅いために能率が悪く、溶接変形も大きいという欠点を有する。逆に利点としては、開先にギャップ裕度があるために、開先精度が悪くても対応が可能である上に、溶接品質も安定している。さらに、装置コストが安く、１ｋＷ当りでおよそ２０万円である。

以上のように、レーザ溶接とアーク溶接は互いに相反する長所と短所を有することから、複合溶接化することにより両者の欠点を補完することができるとされ、消耗式電極を使用するＭＡＧ（Ｍetal Ａctive Ｇas）溶接や、非消耗式電極を使用するＴＩＧ（Ｔungsten Ｉnert Ｇas）溶接等のアーク溶接と、各種レーザ溶接とを組合せた複合溶接法が開発されている。

このような複合溶接法としては、例えば両者のトーチを前後に配置して溶接する方法が、例えば特許文献１や特許文献２に開示され、又、電極ホルダの基端側から先端側にガイド光学系を介して、レーザ光を入射させた後、電極先端より先に集光させて溶接する技術が特許文献３に開示されているが、これらの例のようにアークの安定性やレーザ出力、ビーム品質等の特性を落とし単に両者の欠点を補完する効果のみでは、高価なレーザ装置に対する設備投資の回収が難しいために、実際の適用や適用の拡大を阻んでいる。この問題を解決する方法としては、ＴＩＧ溶接に中空電極を使用すると共に、その軸中心をＹＡＧレーザの光軸と同軸に配置し、中空電極内部にレーザを通すことで相乗効果を生み、溶け込みの増大効果を得る方法が非特許文献１に提案されている。

また、特許文献４には、ポロシティなどの溶接欠陥を低減するなどの補完効果を得ると共に、フィラーワイヤ（溶加材）の送給スペースを確保するための、同様な中空電極ＴＩＧとレーザの同軸溶接方法が提案されている。

一般に、アーク溶接に中空電極を使用する場合では、使用する中空電極の内径を大きくするほど、プラズマ気流が弱くなり、溶融池には内向きの対流力の効果が出るため溶け込みを深くすることができる。

ところが、このように中空電極の内径を大きくする場合には、プラズマ気流が弱くなることによりアークの硬直性がなくなり、円筒形状の広い先端領域から熱電子が放出されることになるため、電極先端からの一様なアークの発生が困難になる。そのために、アースの取り方や鋼材の残留磁気による磁気吹きに起因するアークの偏向が起こったり、トーチや鋼材表面の傾きなどにより、電極先端の陰極点が特定箇所に集中したりすることから、アークが不安定になるという問題があった。

さらにレーザを併用する同軸溶接では、キーホール内部からのレーザプルームの吹き上げがあるため、アークが一段と不安定となり偏向が大きくなる。そこで、このプルームの吹き上げを、ガスを流して抑制しようとして中空電極の内側に流すインナーガスの流量を上げると逆にアークが不安定となるため、可能な限り少量のガスを流すことしかできない。従って中空電極の内径は小さくする必要があるが、レーザビームとの干渉を避けるためにその値は制限される。

従来のランプ励起や半導体レーザ励起による４〜１０ｋＷの高出力ＹＡＧレーザは、ビーム品質が悪いので、焦点でのエネルギー密度を上げるためには、短い焦点距離で集光角度を全角で９度以上にする必要がある。そのため中空電極の内径は４ｍｍ以下に小さくすることができない上に、もともとのアークの不安定性に加えプルームの影響が加わることにより安定性に大きな問題があった。

上記のようなアークの不安定性の問題を改善するために、先端を斜めにカットしてテーパ部を形成した中空電極を用いることが、例えば前記特許文献４に開示されている。

特許第２９１３０１８号公報 特許第３７５３６５６号公報 特許第３２４５０２７号公報 特開平５−６９１６５号公報

溶接学会論文集第２６巻第４号ｐ２７６〜ｐ２８３ 「ホローカソードＴＩＧ-ＹＡＧレーザ同軸ハイブリッド溶接プロセスの検討」

しかしながら、前記特許文献４のように先端にテーパ部が形成された中空電極を使用する溶接方法では、テーパ部先端に陰極点を拘束し、そこにアークを集中させることになるため、アークとレーザの軸にずれが生じ、通常用いられる中実のペンシル型タングステン電極と殆んど同じ放電状態となることから、強いプラズマ気流を発生することになり、溶け込みの相乗効果を発揮することはできないという問題がある。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、中空電極におけるアークの安定性を向上し、レーザ溶接と中空ＴＩＧ溶接等との相乗効果により溶融池の溶け込みを大幅に深くすることができ、良好な溶接ビードを形成することができる中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法を提供することを課題とする。

本発明は、中空電極を用い、該電極の内外に不活性ガスを主成分とするガスを流しながら、電極先端からアーク放電を行い、且つ、前記中空電極の内側にレーザを軸方向に照射して母材を溶接する中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法において、前記電極は、先端部周囲に中心軸に対して傾斜したテーパ部が形成されていると共に、該テーパ部の先端に径方向に連続する溝部が、該先端部周囲の１箇所又は対向する２箇所に形成されているようにしたことにより、前記課題を解決したものである。

本発明においては、レーザのビーム品質が、０．０７９ｍｍ・ｍｒａｄ以上、７ｍｍ・ｍｒａｄ以下であるようにすることが好ましい。

ここで、ビーム品質はＢＰＰ（Ｂeam Ｐarameter Ｐroduct）であり、前記非特許文献１に説明されているように、ビームの集光角度（半角）と焦点でのビーム幅（半幅）の積で定義される装置固有の保存量である。溶接に必要な焦点でのエネルギー密度値に対し、焦点でのスポット径が定まるため、ＢＰＰが大きいと焦点距離を短くしなければならないため、焦点以降はビームが大きく発散することになり、深い溶け込みを得ることができない。

次いで、前記ビーム品質の好ましい範囲について説明する。

本発明では、レーザのビーム品質にかかわらず深い溶け込み効果が得られるが、後述するＷ（タングステン）電極内径φinの制約（１．０ｍｍ〜４．０ｍｍ）からビーム品質の上限値は２５ｍｍ・ｍｒａｄあるいは集光角度（全角）で約９度が上限値となる。レーザ単独溶接における最適なビーム品質の指標としてレーザ出力３．５ｋＷと１．８ｋＷの場合のＢＰＰと溶け込み深さの関係を、実験結果と計算から求めたグラフを図８に示す。

このグラフに示されるようにビーム品質が良いほど（ＢＰＰが小さいほど）溶け込みは深くなり、レーザの出力も小さくできることがわかる。ＢＰＰは７ｍｍ・ｍｒａｄ以下になると深さが１０ｍｍを超えると共に溶け込みが急激に深くなり、中空ＴＩＧ溶接との同軸複合溶接においては、後述する実施例１のように２倍の溶け込み増大効果が得られるとすると、板厚２０ｍｍの突合せ１パス溶接が可能となる。

ＢＰＰは、理論上レーザ波長が短いほど小さくなるが、波長によって定まる下限値が存在する。発振波長１０７０ｎｍ〜１０８０ｎｍのファイバーレーザにおいては、理論下限値は約０．３４ｍｍ・ｍｒａｄとなる。高出力が得られる最も短波長のエキシマレーザ（発振波長２４８ｎｍ）においては、その下限値は０．０７９ｍｍ・ｍｒａｄとなる。

また、本発明においては、溶接時には前記溝部を溶接線上に位置させることが好ましい。また、前記溝部が、軸方向に所定深さに形成されているようにしてもよい。また、前記溝部が、軸方向全長に形成されているようにしてもよい。その際、前記先端部周囲の１箇所に溝部が形成されている中空電極が、中実体を径方向に所定の奥行に溝加工して作成されているようにしてもよく、前記先端部周囲の対向する２箇所に溝部が形成されている中空電極が、中実体を径方向に貫通した溝部が形成された形状の２つの半月断面電極により、少なくとも先端部が構成されているようにしてもよい。更に、前記テーパ部の傾斜角度は、１５度〜３５度が好ましい。

ここに、本発明者が鋭意検討した結果得られた知見について説明する。

本発明においては、後に図２等を参照して具体的に説明するが、中空電極を、先端部周囲に中心軸に対して傾斜したテーパ部を形成し、その傾斜角度（テーパ角度）が１５度〜３５度のテーパ形状（テーパ部）とし、通常のペンシル型電極と同じように先端を鋭角形状とする。そして、電極先端（テーパ部先端）に１箇所あるいは対向する２箇所に溝加工を施して溝部を形成することにより、放電時のアークを安定させることができることを見出した。

その放電の際に電極先端に形成されるアークは、複数箇所に分離したり、逆に一箇所に集中したりすることなく、電極のほぼ直下中央部に円弧状に発生するようになり、更にその溝加工した箇所（溝部）を、溶接方向に向け、実質的に溶接線上に一致するように位置させることにより、溝加工しない同形状の中空電極よりも溶け込みを更に深くすることができることが明らかになった。

これは、電極先端（テーパ部先端）の一部に溝加工を施したことにより、電極先端と放電時のアークの電流経路とに基づいて決まるプラズマ気流の強さを、溝加工しない場合に比べて余り変化させることなく、電子放出領域をテーパ部の鋭角先端に制限すると共に、プラズマ気流が逃げる領域（溝部）を作ってやったために、高温のタングステン電極で更に加熱されて溝部から流出する高温ガス気流とのバランスでアークを安定化できるためと考えられる。

さらに、本発明においては、従来のＹＡＧレーザのビーム品質が２５ｍｍ・ｍｒａｄであったのに対し、０．３４〜７ｍｍ・ｍｒａｄの高いビーム品質のレーザを用いて集光角度を小さくし、内径が小さな中空電極の適用を可能とすることができる。

本発明によれば、従来のレーザ溶接とアーク溶接との複合溶接に対し、例えば１／２〜１／５のレーザ出力で同じ溶込み深さを得ることができるため、低い設備コストで高能率の溶接が実現可能となる。

本発明に係る一実施形態に適用される溶接トーチの全体構造を示す概略断面図 本実施形態に適用される中空電極の特徴を示す模式図 本実施形態に適用される先端部周囲の対向する２箇所に溝部が形成されている中空電極の特徴と作用効果を説明する模式図 本実施形態に適用される先端部周囲の１箇所に溝部が形成されている中空電極の特徴を説明する模式図 本発明の実施例１の電極形状と構成を示す模式図 実施例１における溶け込み増大効果を示した溶接部のマクロ断面写真 実施例１における溶け込み増大効果を示すグラフと溶接部のマクロ断面写真 レーザ単独溶接におけるビーム品質と溶け込み深さの関係を示すグラフ

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１には、本発明の一実施形態の中空電極ＴＩＧレーザ同軸複合溶接方法に適用される溶接トーチの断面形状を模式的に示す。

この図１に示される溶接トーチ１０は、円筒状のトーチ本体１２の下端部にホルダー１４が取付けられ、このホルダー１４の下部にタングステン中空電極（以下、単に中空電極とも言う）１６が連結されている。

この中空電極１６の内側の中空部には、トーチ本体１２に設けられているガス供給部１８から供給されるインナーガスが導入され、該電極先端から溶接対象の母材８側へ流出されるようになっている。また、このトーチ本体１２は冷却水により過熱が防止されている。

また、この中空電極１６の外側周囲には、トーチ本体１２に連結された円筒状のノズル１９が配設され、その先端（下端）から、ガス導入部２０を介して供給されるシールドガスを同じく母材８方向に導出し、溶接時に母材上に形成される溶融池をシールするようになっている。

以上のように、本実施形態においては、ガス導入部２０から中空電極１６の外側に供給される通常のシールドガスからは隔離された該中空電極１６の内側にインナーガスを流す経路が設けられている。

また、トーチ本体１２の上部には、レーザ透過窓３０が設けられており、該窓３０を通してレーザが集光角θｌ（全角）で、中空電極１６と同軸に導入されるようになっている。

使用されるガス種としては、シールドガス及びインナーガスの両者とも、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス及びその混合ガスや不活性ガスを主成分とする水素、酸素、二酸化炭素等の混合ガスが用いられる。両者のガスは、同種であっても異種であってもよく、溶け込みの形状やアークの安定性などと共に、適用される母材の鋼種や板厚等によって最適な条件を選定する。

本実施形態では、溶接時に使用する電流範囲は、最大で５００Ａ程度であり、中空電極１６のサイズは、図２に模式的な断面形状と共に示すように、外径φoutが３ｍｍ〜６．４ｍｍ、内径φinが１ｍｍ〜４ｍｍ、テーパ角度θｔが１５度〜３５度の範囲で選定する。

傾斜角度が１５度より小さいと電極先端の電流集中が大きく高温となりすぎるため、先端の消耗が激しくなり、逆に３５度より大きい場合には、電流領域が拡大しアークが不安定となるため、１５〜３５度が実用領域である。また、内外径比は小さいとプラズマ気流が大きくなり、逆に大きいとアークが不安定となるため０．３〜０．６程度が最適範囲となる。外径寸法は使用電流域によりＷ（タングステン）電極の許容電流密度内で選択される。

上記図２に示されるテーパ部１６Ａが形成された中空電極は、先端角度（２θｔ）が３０度〜７０度の通常のペンシル型中実電極の中心部を円筒形状にくり貫いたものに相当するが、このような形状の中空電極では、アークが必ずしも十分に安定しない。

そこで、レーザプルームや磁気吹きなど外乱からも、上記形状の中空電極によるアークを安定させるために、本実施形態では、図３（Ａ）、（Ｂ）に、溶接方向から見た状態、溶接方向に直交する（垂直な）方向から見た状態をそれぞれ示すような溝加工を電極先端に施し、テーパ部１６Ａの中空電極径方向に連続した（貫通した）溝部１６Ｂを形成すると共に、溶接する際には溝部１６Ｂの位置を溶接方向へ向け、実質上溶接線上に一致させるようにする。このようにすることにより、アークを十分に安定させて溶接することができた。

電極先端に形成する溝部１６Ｂは１箇所あるいは対向する２箇所が適切であり、図３には後者が、図４には図３（Ｂ）と同じ方向から見た前者が、それぞれ図示してある。この溝部１６Ｂのサイズについては、いずれの場合も幅１ｍｍ、深さ（軸方向長さ）１ｍｍ程度以上から効果が認められるが、幅２ｍｍ、深さ２ｍｍ程度が適切である。また、２ｍｍ以上の深さについては効果に大きな変化が認められなかった。

そこで、中空電極の製造コストや、経時的に磨耗した中空電極を再研磨等により再生する際の利便性を考慮して、中実体全体（軸方向全長）にわたって、円周方向の１箇所に径方向に所定の奥行きに溝加工して溝部１６Ｂを形成した、後述する図５（Ａ）に示す中空形状のものや、対向する２箇所に同様に溝加工し、径方向に貫通した溝部が形成された形状の同図（Ｂ）に示す半割り形状のもの（半月断面電極）についても検討したところ、同等の効果が得られることが明らかになった。また、この図５（Ａ）、（Ｂ）の形状にした方が、溝方向の一方（図５（Ａ）の場合）又は両方（図５（Ｂ）の場合）の壁が無いので、同図に併せて示したように、レーザの光軸角度や焦点位置とアークとの相対位置の調整範囲が広いという利点もある。但し、溝部が全長に形成された半月断面電極を使用する場合は、２つの電極を対向する状態に保持するためのセパレート手段（図示せず）が必要となる。

従って、本実施形態に適用される中空電極には、全長にわたってこの図５（Ａ）、（Ｂ）に示される形状のものや、途中までが同図（Ａ）の形状で、そこから先端までが同図（Ｂ）の形状にしたものも含まれるものとする。

中空電極をこのような形状にすることにより、タングステン電極の熱電子放出領域を先端部の狭い範囲に制限すると共に、前記図３（Ｂ）に矢印で示した方向に気流の流れを起こすことにより、アークを中央に安定させることができる。しかも、この流れによって溝加工（溝部）のない方向では、図３（Ａ）に示す如く、外向きのプラズマ気流が小さくなることから、アークが中央部へ集中することになるため、溝部１６Ｂがない形状の中空電極に比べてビード幅を狭くすることができ、溶け込みを増大させることができるという効果が得られる。

さらに、従来の低ビーム品質の１０ｋＷ級ＹＡＧレーザに対し、０．３４〜７ｍｍ・ｍｒａｄの高いビーム品質が得られる１〜４ｋＷクラスのファイバーレーザを用いて集光角度θｌを全角で１〜５度以下にすることにより、中空電極１６の内径を１〜４ｍｍの小さい範囲にすることができ、アークの安定性を向上させる。また、この高ビーム品質化により焦点深度を深くすることができるため、レーザ単独使用の溶接においても低出力化あるいは溶け込み増大の効果を得ることができる。

以下、具体例を挙げてさらに詳述する。

本実施例においては、レーザビーム品質６．７ｍｍ・ｍｒａｄ、最大出力５ｋＷのＣＷ（Ｃontinuous Ｗave）ファイバーレーザ用いて、前記図１に示した中空ＴＩＧ溶接トーチによる同軸複合実験を行った。レーザの焦点距離は２５０〜５００ｍｍで集光角度（全角）が２．３〜４．６度の条件で、光軸は中空電極の中心軸に一致させている。

また、中空電極として、外径φ４ｍｍ〜φ６．４ｍｍ、内径φ２ｍｍ〜φ４ｍｍ、テーパ角度３０度の前記図３に示した形状で、幅２ｍｍ、深さ２ｍｍの溝加工を施した２％トリア入りのタングステン中空電極を用い、シールドガス及びインナーガスとしてＨｅを使用し、溶接速度０．１ｍ／ｍｉｎ一定でレーザ出力１〜５ｋＷの範囲において、ＴＩＧ溶接電流３５０〜５００Ａの条件でビードオン溶接試験を行った。

約５０回の各種条件の溶接実験において、本発明の溝加工電極では一度もアークが偏向したり不安定になることはなく、深い溶け込み形状が得られた。これに対して、溝加工なしの中空電極ではアークが前後左右に偏向し非常に浅い溶込みで、複合による溶け込み増大効果はなかった。それぞれの代表的なマクロ断面写真を、中空電極ＴＩＧ溶接単独の場合と共に、図６に示す。

また、溶接速度０．１ｍ／ｍｉｎ一定において、レーザ出力１〜５ｋＷ、焦点距離３５０ｍｍ、集光角度（全角）３．３度の条件で、溶接電流４００〜５００Ａの条件でビードオン溶接試験を行った。

中空電極としては、外径φout６．４ｍｍ、内径φin３ｍｍでテーパ角度θｔ３０度の２％トリア入りタングステンを、前記図３に示した形状で幅２ｍｍ深さ２ｍｍの溝加工を施したものを用い、母材からタングステン電極先端までの距離を２〜３．５ｍｍとし、シールドガス及びインナーガスとしてＨｅを使用した場合の結果を、横軸にレーザ出力を、縦軸に溶け込み深さをとった図７にプロットして示す。なお、比較のために、レーザ単独で溶接した結果を載せてある。

この図より、レーザ出力２ｋＷの条件において、レーザ単独では約７．９ｍｍの溶け込み深さであったのに対し、複合では最大１６．１ｍｍの溶込みが得られている。なお、ペンシル型電極を使用する通常の複合溶接ではレーザ単独の溶け込みとほとんど変わらないが、本実施例の結果では約２倍の溶け込み増大効果が得られていることが分かる。

図７には、最大の溶け込みが得られた溶接部のマクロ断面を併せて示した。このマクロ断面より、単にレーザ溶接による細く深い溶け込みと、ＴＩＧ溶接による広く浅い溶け込みとが重畳されただけの溶け込み形状とは異なり、溶融池に強い内向きの対流が生じた時の溶け込み形状と同じ、ビード幅が狭い逆三角形型の深い溶け込み形状であることが分かる。これは複合により強い内向きの対流が誘起された結果ではないかと考えられる。

以上、詳述した本実施形態によれば、レーザのフォトンコストを大幅に低減することができ、各種溶接へのレーザアーク複合溶接の導入、適用が大幅に拡大することができる。

なお、前記実施形態ではＴＩＧアーク溶接に適用した場合について説明したが、これに限定されず、プラズマ溶接に適用してもよい。

１０…溶接トーチ
１２…トーチ本体
１４…ホルダー
１６…タングステン中空電極
１６Ａ…テーパ部
１６Ｂ…溝部
１８…ガス供給部
１９…ノズル
２０…ガス導入部
２２…保持治具
３０…レーザ透過窓

Claims (8)

1. 中空電極を用い、該電極の内外に不活性ガスを主成分とするガスを流しながら、電極先端からアーク放電を行い、且つ、前記中空電極の内側にレーザを軸方向に照射して母材を溶接する中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法において、
   前記電極は、先端部周囲に中心軸に対して傾斜したテーパ部が形成されていると共に、該テーパ部の先端に径方向に連続する溝部が、該先端部周囲の１箇所又は対向する２箇所に形成されていることを特徴とする中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法。
2. レーザのビーム品質が、０．０７９ｍｍ・ｍｒａｄ以上、７ｍｍ・ｍｒａｄ以下であることを特徴とする請求項１に記載の中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法。
3. 溶接時には前記溝部を溶接線上に位置させることを特徴とする請求項１又は２に記載の中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法。
4. 前記溝部が、軸方向に所定深さに形成されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法。
5. 前記溝部が、軸方向全長に形成されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法。
6. 前記先端部周囲の１箇所に溝部が形成されている中空電極が、中実体を径方向に所定の奥行に溝加工して作成されていることを特徴とする請求項５に記載の中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法。
7. 前記先端部周囲の対向する２箇所に溝部が形成されている中空電極が、中実体を径方向に貫通した溝部が形成された形状の２つの半月断面電極により、少なくとも先端部が構成されていることを特徴とする請求項５に記載の中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法。
8. 前記テーパ部の傾斜角度が、１５度〜３５度であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の中空電極アーク・レーザ同軸複合溶接方法。