JP2000301338A

JP2000301338A - レーザ光によるアーク誘導溶接方法及び装置

Info

Publication number: JP2000301338A
Application number: JP11115643A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Sakurai; 茂行桜井; Hisataka Takano; 悠敬高野; Naoki Mitsuyanagi; 直毅三柳; Hikari Yamamoto; 光山本; Toru Takatani; 透高谷
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2000-10-31
Anticipated expiration: 2019-04-23
Also published as: JP3392072B2

Abstract

(57)【要約】【課題】安定したアーク溶接を狭開先内の底部及び角部
の位置に正確に行え、アーク放電を安定化する事ができ
るレーザ光によるアーク誘導溶接方法を実現する。【解決手段】アーク放電電圧をパルス状又は交流にして
アーク放電の誘導幅を正確に広げ、かつ、安定して誘導
できるようになる。初期状態においてはアーク放電によ
るプラズマ５は発生しておらず、アーク放電はレーザ光
１６の照射位置に誘導される。その後、アーク放電によ
りプラズマ５が発生し溶接が始まり、パルス状に放電電
圧が印加され放電電圧が下がりプラズマ５の発生が弱め
られる。次に、アーク電圧を上げて、レーザ光１６の照
射位置に放電４を誘導することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、狭開先内をアーク
溶接するレーザ光によるアーク誘導溶接方法及び装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ＴＩＧ（ｔｕｎｇｕｓｔｅｎｉｎｅｒ
ｔｇａｓ）溶接、ＭＩＧ（ｍｅｔａｌｉｎｅｒｔ
ｇａｓ）溶接、Ｃ０₂溶接、ＭＡＧ（ｍｅｔａｌａｃ
ｔｉｖｅｇａｓ）溶接等を用いる溶接の場合は、図１
５に示すように、トーチ１を移動することによりウィー
ビングを行い、フィラー電極３と被加工物である母材２
との間に発生するアーク放電４により溶接を行う。さら
に、狭開先溶接を行う場合、トーチ１を開先内に挿入し
溶接するが、トーチ１をウィービングすることが出来な
いために、例えば、特開平５−１４６８７７号公報に記
載されているような方法により溶接が行われる。

【０００３】つまり、図１６に示すように、フィラー屈
曲ギア６により送給されるワイヤーを屈曲させて、開先
内の母材２間に溶接ビードを形成して溶接を行う。な
お、８は裏あて用治具である。また、図１７に示すよう
に、偏心したチップをモータ９及びベルト１０により回
転させ、フィラー供給ホース１１から供給されるフィラ
ーを回転させながら行う事により放電４の方向を制御す
る方法等がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術にあっては、狭開先溶接の場合にアーク放電電極
（フィラー電極）３が母材２の側壁に接近すると、図１
８及び図１９に示すように、電極３と母材２の側壁との
間にアーク放電が発生し、溶接が安定して出来ない等の
問題が発生する。なお、５はアーク放電によるプラズマ
である。

【０００５】また、他のアーク溶接の場合でも、屈曲ワ
イヤ方式、偏心トーチ回転方式等いずれも溶接位置に正
確に誘導するものでないため、アーク放電の位置がワー
ク形状や電界の影響で溶接予定位置とは違う場所に放電
し安定した溶接が出来ない等の問題がある。

【０００６】また、アーク放電を狭開先内で正確に移動
できないため、図１８に示すＡ部が未溶着部となり、溶
接欠陥となってしまう等の問題がある。

【０００７】つまり、図２０に示すように、電極３と母
材２の側壁との距離αが、電極３と母材２の開先底部と
の距離βより小の関係の場合は、アーク溶接時に、アー
ク放電プラズマ５が側壁に発生してしまう。そのため、
図２１に示すように、開先側壁は溶着金属３０により溶
着されるが、開先底部が未溶着部３１となってしまう。

【０００８】開先底部に未溶着部を発生させないように
するためには、開先角を４５度から９０度程度まで拡張
することが考えられるが、このようにすると、溶着すべ
き部分が膨大となり、溶接時間が長くなってしまう。さ
らに、溶融するフィラー材も大量に消費しなければなら
ず、溶接コストが増加してしまう。

【０００９】他の方法としては、溶着作業後、裏面から
未溶着部をガウジングし、再度、裏面から溶接すること
が考えられる。しかしながら、この方法では、ガウジン
グや再度の溶接に時間が必要であり、コストも増加して
しまう。さらに、裏面からのガウジング自体が困難であ
る場合も考えられる。

【００１０】従来の技術において、レーザ光によりアー
クを誘導する例が、特開昭６２−２６３８６９号公報に
記載されているが、必ずしも確実に正確な位置にアーク
を誘導するに十分なものではない。つまり、レーザ光に
より、アークが所望の部分に発生した後、発生したアー
クによるプラズマが作用し、図２０に示した現象が起こ
るからである。

【００１１】また、溶接学会全国大会講演概要、第６０
集（’９７−４）の「ＣＯ₂レーザによるアークの揺
動」に記載されているように、ＴＩＧアークのレーザ誘
導により高速の表面処理を行ったものがある。しかし、
この場合、ＴＩＧの電極とワークとのギャップが広く、
移動速度が高速であり、ＴＩＧアーク単体で溶接できる
領域ではなく、ＴＩＧアークの指向性が母材付近で失わ
れる領域である。そのため、ＴＩＧアークの正確な誘導
は困難である。

【００１２】本発明の目的は、上記問題点を鑑み、安定
したアーク溶接を狭開先内の底部及び角部の位置に正確
に行う事が可能であり、かつ、アーク放電を安定化する
事ができるレーザによるアーク誘導溶接方法及び装置を
実現することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次のように構成される。（１）レーザ光によるアーク誘導溶接方法において、ア
ーク電極と被溶接物との間に、パルス状又は交流の電圧
を印加し、アーク溶接を行う際に、レーザ光を上記被溶
接物の溶接予定位置に照射してプラズマ及び金属蒸気を
発生させ、アーク放電を上記レーザ光を照射した溶接予
定位置に誘導しアーク溶接を行う。

【００１４】（２）好ましくは、上記（１）において、
上記被溶接物は狭開先内の溶接予定部である。

【００１５】（３）また、好ましくは、上記（１）にお
いて、上記レーザ光は、上記溶接予定位置に対して揺動
すること。

【００１６】（４）レーザ光によるアーク誘導溶接装置
において、アーク電極と被溶接物との間に、パルス状又
は交流の電圧を印加する電圧印加手段と、アーク溶接を
行う際に、レーザ光を上記被溶接物の狭開先内の溶接予
定部に照射するレーザ照射手段と、上記電圧印加手段及
びレーザ照射手段の動作を制御する制御手段とを備え、
レーザ光を上記被溶接物の溶接予定部に照射してプラズ
マ及び金属蒸気を発生させ、アーク放電を上記レーザ光
を照射した上記溶接予定部に誘導しアーク溶接を行う。

【００１７】（５）レーザ光によるアーク誘導溶接装置
において、アーク電極と被溶接物との間に、パルス状又
は交流の電圧を印加する電圧印加手段と、アーク溶接を
行う際に、レーザ光を上記被溶接物の溶接予定位置に照
射するレーザ照射手段と、上記レーザ光を上記被溶接物
の溶接予定位置に対して揺動する揺動手段と、上記電圧
印加手段、レーザ照射手段及び揺動手段の動作を制御す
る制御手段とを備え、レーザ光を上記被溶接物の溶接予
定位置に照射してプラズマ及び金属蒸気を発生させ、ア
ーク放電を上記レーザ光を照射した上記溶接予定位置部
に誘導しアーク溶接を行う。

【００１８】アーク電圧を、パルス状又は交流とするた
め、レーザ光に誘導されて、このレーザ光の照射位置に
アーク放電の発生が開始された後、アーク放電によるプ
ラズマでアークがレーザ光の照射位置とは異なる位置に
誘導される前に、アーク放電電圧が低下され、アーク放
電によるプラズマが消失又は弱められる。そして、アー
ク放電によるプラズマが消失した後、アーク電圧が上昇
され、レーザ光の照射位置でのアーク溶接が継続され
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】まず、本発明の原理について説明
する。図１は、ＴＩＧ溶接の場合におけるレーザ光によ
るアーク放電の誘導を説明する図である。図１におい
て、溶接用トーチ１はＴＩＧ溶接用のトーチであり、放
電電極１２には、母材２に接続された母材電極１４によ
り、母材２との間に交流もしくはパルス状の電圧が印加
されている。

【００２０】また、トーチ１からはアルゴンガスが噴射
されている。このとき、母材２の溶接予定位置にレーザ
１６集光レンズ１５を介して照射すると、照射されたレ
ーザ１６によりプラズマ１３が溶接母材２の上記予定位
置に発生させられる。

【００２１】プラズマ１３は、導電性が外部雰囲気より
高く、電極１２と母材２との電位差により、電極１２が
マイナスの場合はプラズマ１３の方向にアーク放電し、
レーザ照射位置に誘導される。電極１２がプラスの場合
はレーザ照射点からアーク放電し、プラズマ１３の領域
を通って電極１２に放電する。

【００２２】電極１２と母材２との間に印加されるので
電圧が交流の場合は、電極１２と母材２の極性が交互に
変化するため、上記の現象が交互に発生し、放電され
る。このとき、母材２がマイナスの場合に、レーザスポ
ットを起点にアーク放電が発生するが、これはレーザ照
射により母材２が局所的に加熱され、熱電子が放出され
やすい状態になっているためである。また、このアーク
放電は、レーザ１６によりプラズマ１３が発生させられ
ているため、母材２の状態や電極１２の状態に関わらず
安定したアーク放電を可能にする。

【００２３】図２及び図３は、従来の技術におけるレー
ザ誘導溶接の原理を説明する図であり、図４及び図５
は、本発明の原理を説明する図である。図２の（ａ）、
図３の（ａ）において、アークの出力が一定電圧である
場合、レーザ１６によりプラズマ１３が発生した後、ア
ーク電極３と母材２との間の電圧によりアーク放電の発
生が開始される。

【００２４】その後、図２の（ｂ）、図３の（ｂ）に示
すように、アーク放電により周囲にプラズマ５が発生す
る。これにより、レーザ１６によるプラズマ１３のアー
ク誘導効果が薄れる。このため、図２の（ｃ）、図３の
（ｃ）に示すように、アーク放電が、電極３と母材２と
の間の近い位置に移動してしまい、所望の部分への溶接
が困難となる。

【００２５】これに対して、本発明においては、図４及
び図５に示すように、アーク放電電圧をパルス状もしく
は、交流にすることにより、アーク放電の誘導幅を正確
に広げることができ、かつ、安定して誘導できるように
なる。

【００２６】これは、図４の（ａ）、図５の（ａ）に示
すように、初期状態において、アーク放電によるプラズ
マ５は発生しておらず、この状態では、アーク放電はレ
ーザ１６によりプラズマ１３が発生しているレーザ１６
照射位置に誘導されている。

【００２７】その後、図４の（ｂ）、図５の（ｂ）に示
すように、アーク放電によりプラズマ５が発生し溶接が
始まる。そして、パルス状に放電電圧が印加されるた
め、放電電圧が下がり、プラズマ５の発生が弱められ
る。その後、図４の（ｃ）、図５の（ｃ）に示すよう
に、アーク電圧を上げることにより、レーザ１６の照射
位置に放電４を誘導することが可能となる。この現象は
アーク電圧が交流の場合も同様である。

【００２８】このように、本発明においては、アーク放
電電圧を、パルス状又は交流とするため、レーザ光に誘
導されて、このレーザ光の照射位置にアーク放電の発生
が開始された後、アーク放電によるプラズマでアークが
レーザ光の照射位置とは異なる位置に誘導される前に、
アーク放電電圧が低下され、アーク放電によるプラズマ
が消失又は弱められる。そして、アーク放電によるプラ
ズマが消失又は弱められた後、アーク電圧が上昇され、
レーザ光の照射位置でのアーク溶接が継続される。

【００２９】したがって、図６及び図７に示すように、
狭開先の底部を溶接する場合には、この底部にレーザ光
１６を照射して、アーク放電を誘導し、その後、アーク
によるプラズマが電極３と側壁との間に発生し、アーク
が電極３と側壁との間に発生する前に、アーク放電電圧
を低下するように構成すれば、狭開先底部を溶着金属１
９により確実に溶接することができる。

【００３０】本発明によるレーザ光によるアーク誘導溶
接方法を実施する場合には、図８、図９、図１０に示す
ように、レーザ１６の照射位置にアーク放電を誘導し、
電極３とワーク（母材）２との間にアーク放電を発生さ
せ、狭開先溶接を行う。さらに、開先内でレーザ１６の
スポットを揺動（ウェービング）させる事により、アー
クを開先内で誘導する事ができ、安定して狭開先内の底
部に向けアーク放電を発生させることができる。

【００３１】ここで、レーザスポットの移動方法は、レ
ーザ光１６自体を移動させる方法の他に、図１１に示す
ように、レンズ１５を移動する方法がある。また、図１
２に示すように、レーザ光１６をミラー１７に反射させ
て、反射させたレーザ光１６を集光レンズ１５を介して
母材２に照射させ、ミラー１７を回動させ、レーザ光１
６を移動させる方法がある。

【００３２】また、図１３に示すように、集光レンズ１
５の上部にヴェッジ基板１８を配置し、このヴェッジ基
板１８を回転させることでレーザ光１６を移動する方法
がある。

【００３３】上述のような方法により、レーザ光１６の
照射位置を開先内で移動することで、側壁に放電するこ
となしに安定して開先底部のアーク溶接が可能となる。
また、これにより、図１５、図１６及び図１７に示した
ように、ワイヤーを屈曲させたり、電極３を移動させた
りする必要無しに、かつ、ワーク２の形状に影響を受け
ること無く、安定して正確にアーク溶接を行うことが可
能となる。

【００３４】つまり、本発明によれば、安定したアーク
溶接を狭開先内の底部及び角部の位置に正確に行う事が
可能であり、かつ、アーク放電を安定化する事ができる
レーザ光によるアーク誘導溶接方法を実現することがで
きる。

【００３５】図１４は、本発明のレーザ光によるアーク
誘導溶接方法を実施するためのアーク誘導溶接装置の概
略構成図である。図１４において、アーク電源２９から
のアーク電圧は、電極ケーブル２３を介して溶接用トー
チ１に供給されるとともに、電極ケーブル２４を介して
テーブル２２上に配置されたワーク２に供給される。ま
た、レーザ電源２７に接続されたレーザ発振器２６から
発生されるレーザ光１６は、光ファイバー２１及び集光
ユニット１９を介してワーク２に照射される。

【００３６】集光ユニット１９は、必要に応じてオシレ
ートユニット２０により移動され、レーザ光１６がワー
ク２上で移動される。

【００３７】これらトーチ１、集光ユニット１９、オシ
レートユニット２０は、溶接用ロボット２５に取り付け
られている。そして、コントロールユニット２８によ
り、オシレートユニット２０、テーブル２２、ロボット
２５、レーザ電源２７、アーク電源２９の動作が制御さ
れる。

【００３８】つまり、コントロールユニット２８によ
り、上述した本発明のレーザ光によるアーク誘導溶接方
法が実行される。まず、コントロールユニット２８は、
ロボット２５を動作せるとともに、テーブル２２を移動
させてレーザ光１６がワーク２の所望の位置に照射され
る位置にワーク２を移動させる。続いて、コントロール
ユニット２８は、アーク電源２９を制御してトーチ１の
電極とワーク２との間に、パルス状又は交流電圧のアー
ク放電電圧の印加を開始させる。

【００３９】次に、コントロールユニット２８は、レー
ザ電源２７を制御して、レーザ発振器２６からのレーザ
光１６をワーク２に照射させる。この場合、コントロー
ルユニット２８は、オシレートユニット２０を動作さ
せ、レーザ光１６のウェービングを行う。そして、コン
トロールユニット２０は、ロボット２５、テーブル２２
の動作を制御して、ワーク２を所望の溶接線に沿って溶
接させる。

【００４０】上述した本発明によれば、安定したアーク
溶接を狭開先内の底部及び角部の位置に正確に行う事が
可能であり、かつ、アーク放電を安定化する事ができる
レーザ光によるアーク誘導溶接装置を実現することがで
きる。

【００４１】なお、パルス状のアーク放電電圧のパルス
間隔は、アーク放電プラズマが消失若しくは弱くなるの
に必要な時間、例えば、約コンマ数ｍｓ以上であればよ
い。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、安定したアーク溶接を
狭開先内の底部及び角部の位置に正確に行う事が可能で
あり、かつ、アーク放電を安定化する事ができるレーザ
によるアーク誘導溶接方法及び装置を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＴＩＧ溶接の場合におけるレーザ光によるアー
ク放電の誘導を説明する図である。

【図２】従来の技術におけるレーザ誘導溶接の原理を説
明する図である。

【図３】従来の技術におけるレーザ誘導溶接の原理を説
明する図である。

【図４】本発明の原理を説明する図である。

【図５】本発明の原理を説明する図である。

【図６】本発明により狭開先の底部の溶接を行っている
状態の説明図である。

【図７】本発明により狭開先の底部の溶接を行った状態
を示す図である。

【図８】狭開先の場合において、本発明におけるレーザ
の誘導作用によりウェービングをする様子を示す図であ
る。

【図９】狭開先の場合において、本発明におけるレーザ
の誘導作用によりウェービングをする様子を示す図であ
る。

【図１０】狭開先の場合において、本発明におけるレー
ザの誘導作用によりウェービングをする様子を示す図で
ある。

【図１１】レーザスポットを移動する場合の一例を示す
図である。

【図１２】レーザスポットを移動する場合の他の例を示
す図である。

【図１３】レーザスポットを移動する場合のさらに他の
例を示す図である。

【図１４】本発明の一実施形態であるレーザアーク誘導
溶接装置の概略構成図である。

【図１５】従来において、ＭＡＧ溶接を行う場合のウェ
ービングのようすを示す図である。

【図１６】従来において、狭開先溶接を行う場合の屈曲
ワイヤーを用いたウェービングのようすを示す図であ
る。

【図１７】従来において、狭開先溶接を行う場合のトー
チ回転方式を用いたウェービングのようすを示す図であ
る。

【図１８】従来技術において、図１６に示した狭開先の
溶接を行う場合において、アーク放電が側壁に発生する
状態を示す図である。

【図１９】従来技術において、図１７に示した狭開先の
溶接を行う場合において、アーク放電が側壁に発生する
状態を示す図である。

【図２０】従来技術において、狭開先の溶接を行う場合
において、アーク放電が側壁に発生する状態を示す図で
ある。

【図２１】従来技術において、狭開先の溶接を行う場合
において、狭開先底部が溶接されていない状態の説明図
である。

【符号の説明】

１溶接用トーチ２母材（ワーク）３フィラー電極４アーク放電５アーク放電によるプラズマ６フィラー屈曲用ギア７溶接ビード８裏あて用治具９モータ１０ベルト１１フィラー送給ホース１２放電電極１３レーザによるプラズマ１４母材電極１５集光レンズ１６レーザ光１７ミラー１８ヴェッジ基板１９溶着金属２０オシレートユニット２１光ファイバー２２テーブル２３、２４電極ケーブル２５ロボット２６レーザ発振器２７レーザ電源２８コントロールユニット２９アーク電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三柳直毅茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者山本光茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (72)発明者高谷透茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB07 BB08 BB09 DD01 DD04 DF06 DG03 4E068 AH00 CA09 CD01 CD14 CE03 4E082 AA03 AA04 AA08 BA02 BA04 EA02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光によるアーク誘導溶接方法におい
て、アーク電極と被溶接物との間に、パルス状又は交流の電
圧を印加し、アーク溶接を行う際に、レーザ光を上記被
溶接物の溶接予定位置に照射してプラズマ及び金属蒸気
を発生させ、アーク放電を上記レーザ光を照射した溶接
予定位置に誘導しアーク溶接を行うことを特徴とするレ
ーザ光によるアーク誘導溶接方法。
【請求項２】請求項１記載のレーザ光によるアーク誘導
溶接方法において、上記被溶接物は狭開先内の溶接予定
部であることを特徴とするレーザ光によるアーク誘導溶
接方法。
【請求項３】請求項１記載のレーザ光によるアーク誘導
溶接方法において、上記レーザ光は、上記溶接予定位置
に対して揺動することを特徴とするレーザ光によるアー
ク誘導溶接方法。
【請求項４】レーザ光によるアーク誘導溶接装置におい
て、アーク電極と被溶接物との間に、パルス状又は交流の電
圧を印加する電圧印加手段と、アーク溶接を行う際に、レーザ光を上記被溶接物の狭開
先内の溶接予定部に照射するレーザ照射手段と、上記電圧印加手段及びレーザ照射手段の動作を制御する
制御手段と、を備え、レーザ光を上記被溶接物の溶接予定部に照射し
てプラズマ及び金属蒸気を発生させ、アーク放電を上記
レーザ光を照射した上記溶接予定部に誘導しアーク溶接
を行うことを特徴とするレーザ光によるアーク誘導溶接
装置。
【請求項５】レーザ光によるアーク誘導溶接装置におい
て、アーク電極と被溶接物との間に、パルス状又は交流の電
圧を印加する電圧印加手段と、アーク溶接を行う際に、レーザ光を上記被溶接物の溶接
予定位置に照射するレーザ照射手段と、上記レーザ光を上記被溶接物の溶接予定位置に対して揺
動する揺動手段と、上記電圧印加手段、レーザ照射手段及び揺動手段の動作
を制御する制御手段と、を備え、レーザ光を上記被溶接物の溶接予定位置に照射
してプラズマ及び金属蒸気を発生させ、アーク放電を上
記レーザ光を照射した上記溶接予定位置部に誘導しアー
ク溶接を行うことを特徴とするレーザ光によるアーク誘
導溶接装置。