JP5454916B2

JP5454916B2 - ハイブリッドプラズマ溶接方法，ハイブリッドプラズマトーチおよびハイブリッド溶接装置

Info

Publication number: JP5454916B2
Application number: JP2010089308A
Authority: JP
Inventors: 野忠星; 山健二奥; 藤茂佐
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2030-04-08
Also published as: JP2011218395A

Description

本発明は、プラズマ溶接とレーザ溶接の組合せであるハイブリッドプラズマ溶接方法，それに用いるハイブリッドプラズマ溶接トーチおよびハイブリッドプラズマ溶接装置に関する。

レーザを用いる、２．０ｍｍ厚以下の薄板突合せ溶接では、溶接に伴って図８に示すように、溶接の前方で溶接対象材１２に、突合せを引き離す方向の力が発生する。突合せギャップが０．２〜０．３ｍｍ以上であると突合せ溶接部に融合不良が発生する。したがって油圧クランプで溶接対象材１２を強力に抑える必要があり、設備および作業量が増える。突合せ端部をレーザ溶接に先立って仮付けすることも行われるが、この場合はタクトタイムが長くなる。

図９の（ａ）に示すように、レーザ溶接のレーザ照射点に溶接ワイヤを送給する態様では、ワイヤの溶滴により突合せギャップが埋められるが、レーザのビーム径に対しワイヤが太く、僅かなワイヤずれでワイヤが溶けなくなるので融合不良が発生する。また、図９の（ｂ）に示すように、重ね溶接で上下溶接対象材間のギャップが大きいと、図９の（ｃ）に示すように、溶接が進行するが、ワイヤを溶かすのに多くのレーザエネルギーが消費されて溶込みが浅くなり、上下ギャップに溶融プールが沈むので、図９の（ｄ）に示すように、凹ビードになって咽厚が薄くなり、強度が低下する。これを防ぐためにワイヤ供給量を多くすると、レーザの貫通力が低下するので、溶接不良となる。逆に、上下ギャップがゼロになると、図９の（ｅ）に示すような凸ビードとなる。

特許文献１には、溶接トーチにより突合せ部を溶融するとともに溶融プールにレーザを照射するハイブリッド溶接、ならびに、レーザ光路の汚染を防ぐエアーカーテンの形成が記載されている。しかしハイブリッド溶接では、溶接トーチにより図７の（ｂ）に示すように突合せ表面部を溶接しその溶融プールの中央にレーザを照射するので、高速溶接の溶接ビードは、図７の（ｃ）に示すように、中央部で突出し縁部にはアンダーカットを生ずるものとなる。溶接速度を低くすると、あるいは、レーザパワーを高くすると、中央部の突出が低くアンダーカットのない滑らかな溶接ビードが得られるが、溶接作業能率が低下する。あるいは、高価な高パワーレーザ装置を用いなければならなくなる。

特表２００４−５１２９６５号公報

本発明は、比較的に低パワーのレーザ投射によっても、表面が滑らかな溶接ビードが得られる高速溶接を可能にすることを目的とする。

（１）溶接方向(y)に離れた複数のプラズマアークノズルと該複数のプラズマアークノズルの間に開いたレーザ投射口が備わったインサートチップ(7)があるトーチ先端側でトーチ中心軸(CL)に近づくように傾斜して該トーチ中心軸に関して溶接方向(y)の上流側と下流側に配置した複数のプラズマ放電電極(8a,8b)のそれぞれと溶接対象材(12)との間の前記プラズマアークノズルのそれぞれを通ったプラズマアークで溶接対象材(12)を同時に溶接する複数点同時のプラズマアーク溶接と、前記トーチ中心軸(CL)を中心としトーチ先端に向けて収束し前記レーザ投射口を通過するレーザビーム(13)を溶接方向(y)で上流側のプラズマ放電電極(8b)のプラズマアークによる溶融プールに投射して裏方向への溶込みを深くするレーザビーム投射とを、同時に行って、該レーザビーム投射による溶接部の表方向の盛上りを、下流側のプラズマ放電電極(8a)によるプラズマアーク溶接で平滑化する、ハイブリッドプラズマ溶接方法。

なお、理解を容易にするために括弧内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の符号を、参考までに付記した。以下も同様である。

例えば図６に示すように、１対のプラズマ放電電極８ａ，８ｂのそれぞれと溶接対象材１２の間にプラズマアークを形成し、電極８ａ，８ｂの中間にプラズマビーム１３を投射し、溶接方向を図に示すｙ方向とすると、すなわち電極８ｂを先行電極、電極８ａを後行電極とすると、従来は先行電極（１個のみ）のプラズマアークであるところ、本発明では、先行電極８ｂおよび後行電極８ａのプラズマアークが溶接対象材１２に入熱するので熱量が多く、高速溶接が可能である。高速溶接では、先行電極８ｂによるプラズマアーク溶接により、図６上に矢印で示す方向の、開先合せ面を密着させる力が溶接対象材１２に作用する。これは、先行電極８ｂによるアーク熱源（プラズマアーク）が溶接対象材１２の熱伝導速度よりも速く（先行して）移動すると、アーク熱源より後方の鋼材の伸びが前方の伸びよりも大きくなるからである。これによって突合せ面のギャップが狭くなる。

先行電極８ｂのプラズマアークが溶接対象材１２の表面を溶かすので、図７の（ａ）に示すような突合せギャップを、図７の（ｂ）に示すように橋渡しする溶融プールができる。この溶融プールをレーザビームが垂直に貫通し効率よく入熱する。この入熱は高密度であるが領域は狭くピンポイントであるので、これによる溶接ビードは図７の（ｃ）に示すように、レーザ入射部が突出しアンダーカットを生じやすい。レーザビームを強力にしてビーム径を広げることにより突出を平坦化しアンダーカットをなくすことは可能であるが、そのようなレーザ装置はかなり高価になる。

しかし本発明によれば、レーザ投射した溶接部に更に後行電極８ａのプラズマアークが入熱するので、ビード表面が平滑化しアンダーカットを生じない。すなわち、溶接ビードは図７の（ｄ）に示すように平滑化したものとなる。このように本発明によれば、比較的に低パワーのレーザ投射によっても、表面が滑らかな溶接ビードが得られる高速溶接が可能になる。

本発明のハイブリッドプラズマ溶接装置の一実施例を示し、レーザヘッド１およびプラズマトーチ３は、縦断面を示す。図１に示すプラズマトーチ３の、II−II線で見下ろした横断面図である。図１に示すプラズマトーチ３の、図２に示すIII−III線での縦断面図である。図１に示すプラズマトーチ３の、図２に示すIV−IV線での縦断面図である。図１に示すプラズマトーチ３の下端部分の拡大図である。図１示すプラズマトーチ３を用いるハイブリッドプラズマ溶接時の、溶接対象材１２の平面図である。図６に示すハイブリッドプラズマ溶接時の、溶接方向の各位置での、溶接対象材の横断面拡大図である。従来の、レーザ投射による突合せ溶接時の溶接対象材の突合せギャップの拡大を示す平面図である。（ａ）は、従来の、溶接ワイヤを送給する重合せレーザ溶接時の溶接対象材の平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）溶接ビードの縦断面図、（ｄ）および（ｅ）は溶接ビードの横断面図である。

（２）溶接対象材(12)と各プラズマ放電電極(8a,8b)との間に、溶接対象材側が正で電極側が負の電流を通電して、前記複数のプラズマ放電電極(8a,8b)のそれぞれと溶接対象材との間に前記プラズマアークノズルのそれぞれを通るプラズマアークを生成する、上記（１）に記載のハイブリッドプラズマ溶接方法。

（３）溶接方向(y)で上流となるプラズマ放電電極(8b)が前記溶接対象材との間に発生するプラズマアークが通るプラズマアークノズルが前記溶接対象材に対向する開口直下に溶接ワイヤ(18)を送給する、上記（１）又は（２）に記載のハイブリッドプラズマ溶接方法。

（４）溶接対象材(12)と前記溶接ワイヤ(18)との間に、溶接対象材側が正で溶接ワイヤ側が負の電流を通電して前記溶接ワイヤ(18)を加熱する、上記（３）に記載のハイブリッドプラズマ溶接方法。

（５）溶接方向に離れた複数のプラズマアークノズルと該複数のプラズマアークノズルの間に開いたレーザ投射口が備わったインサートチップ(7)；
トーチ先端側でトーチ中心軸(CL)に近づくように傾斜して該トーチ中心軸に関して溶接方向の上流側と下流側に配置された複数のプラズマ放電電極(8a,8b)；および、
前記トーチ中心軸(CL)を軸心としてトーチ後端から前記インサートチップの前記レーザ投射口に貫通したレーザ透過孔(24)：を備えるハイブリッドプラズマトーチ(3)。

（６）前記複数のプラズマ放電電極(8a,8b)は、前記トーチ中心軸(CL)に関して対称な姿勢である、上記（５）に記載のハイブリッドプラズマトーチ(3)。

（７）上記（５）又は（６）に記載のハイブリッドプラズマトーチ(3)；および、前記レーザ透過孔(24)にトーチ先端に向けて収束するレーザビームを投射するレーザヘッド(1)；を備えるハイブリッドプラズマ溶接装置。

（８）溶接対象材(12)と各プラズマ放電電極(8a,8b)との間に、溶接対象材側が正で電極側が負の電流を通電するプラズマ溶接電源(22a,22b)；を備える上記（６）に記載のハイブリッドプラズマ溶接装置。

（９）さらに、溶接方向(y)で上流となるプラズマ放電電極(8b)が前記溶接対象材との間に発生するプラズマアークが通るプラズマアークノズルが前記溶接対象材に対向する開口直下に溶接ワイヤ(18)を案内するワイヤガイド(21)；を備える上記（７）又は（８）に記載のハイブリッドプラズマ溶接装置；
（１０）さらに、溶接対象材(12)と前記溶接ワイヤ(18)との間に、溶接対象材側が正で溶接ワイヤ側が負の電流を通電するホットワイヤ用電源(23)；を備える上記（９）に記載のハイブリッドプラズマ溶接装置。

本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。

図１に、本発明の１実施例のハイブリッドプラズマ溶接装置の概要を示す。ハイブリッドプラズマトーチ３には、中心軸を軸心とするレーザ透過孔２４があり、トーチ後端（レーザヘッド１側）からトーチ先端のインサートチップ７まで延びている。レーザ透過孔２４は、トーチ後端の電極台４ａ，４ｂの間の絶縁空間であるが、絶縁台５では段付き筒状、そして絶縁台６およびインサートチップでは裁頭円錐形である。トーチ３の中心軸ＣＬに関して対称に、プラズマ放電電極８ａ，８ｂが配置されており、電極８ａ，８ｂはトーチ後端側からインサートチップ７に向かうに連れて中心軸ＣＬに近づくように、中心軸に対して傾斜している。電極８ａ，８ｂが通る空間に、プラズマガス供給口１１ａ，１１ｂから送り込まれるプラズマガスが流入し、インサートチップ７の先端のノズルから溶接対象材１２に向けて噴出する。シールドガスは、図２および図３に示すシールドガス流路１４に供給されて、シールドキャップ１０の内部に流れて、シールドキャップ１０の下開口から溶接対象材１２に向けて噴出する。レーザシールドガスは、図２および図３に示すレーザシールドガス流路１５に供給されて、絶縁台５の流路を経てレーザ透過孔２４に出てインサートチップ７のレーザ投射口から流出する。トーチ後端側へのレーザシールドガスの流失は保護ガラス９で遮断される。レーザビーム１３は保護ガラス９を透過する。冷却水は、図２および図４に示す各給水路１６に流入して電極台４ａ，４ｂおよび絶縁台５，６を経てインサートチップ７に至り、そこで別流路に折り返して絶縁台５，６および電極台４ａ，４ｂを経て各排水路１７から流出する。

図１を再度参照する。ハイブリッドプラズマトーチ３は、連結部材２でレーザヘッドに連結されており、レーザヘッドがレーザ透過孔２４にレーザビーム１３を収束投射し、このレーザビーム１３が溶接対象材１２上に収束する。電極４ａ，４ｂには、プラズマ電源２２ａ，２２ｂが、溶接対象材１２側が正で電極４ａ，４ｂ側が負の電流を通電する。なお、これらの電源２２ａ，２２ｂによるプラズマアークを起動するパイロット電源もあるが、これらの図示は省略した。図１に示す実施例では、先行電極８ｂによる先行溶接の溶融金属を多くするために、先行電極８ｂ直下にワイヤガイド２１を通して溶接ワイヤ２１を送給し、しかも、溶接入熱を大きくして溶接速度を高速にするために、溶接ワイヤ１８には、ホットワイヤ用電源２３が、溶接対象材１２側が正で溶接ワイヤ１８側が負の電流を通電する。

図５に、図１に示すハイブリッドプラズマ溶接装置の、重ね溶接時のトーチ先端部を拡大して示す。各電極８ａ，８ｂと溶接対象材１２の間に、電極側が負で溶接対象材側が正のプラズマアークが発生すると、プラズマアーク電流が各電極と溶接対象材５の間に流れて、１プール２アーク溶接が実現する。のインサートチップ７の中の各電極８ａ，８ｂと溶接対象材１２との間を流れる各アーク電流には、それぞれが誘起する磁束の合成磁束との間に、フレミングの左手の法則で表されるピンチ力が作用し、各電極のプラズマアークがトーチの並び方向ｙに絞られて溶接対象材５に対する熱収束効果（エネルギー密度）が高く、しかも作用位置がふらつくことが無いプラズマの安定性が高い。

先行電極８ｂ，溶接ワイヤ１８および後行電極８ａのプラズマアークが溶接対象材１２に入熱するので熱量が多く、高速溶接が可能である。先行電極８ｂのプラズマアークが溶接ワイヤ１８および溶接対象材１２の表面を溶かすので、溶融金属が多くこれを、図５に示すように、レーザビーム１３が垂直に貫通し効率よく入熱する。この入熱は高密度であるが領域は狭くピンポイントであるので、これによる溶接ビードは、レーザ入射部が突出しアンダーカットを生じやすい。しかし、レーザ投射した溶接部に更に後行電極８ａのプラズマアークが入熱するので、ビード表面が平滑化しアンダーカットを生じない。すなわち、溶接ビードは表面が平滑化したものとなる。このように本実施例によれば、比較的に低パワーのレーザ投射によっても、表面が滑らかな溶接ビードが得られる高速溶接が可能になる。

１：レーザ照射ヘッド
２：連結部材
３：ハイブリッドプラズマトーチ
４ａ，４ｂ：電極台
５，６：絶縁台
７：インサートチップ
８ａ，８ｂ：電極
９：保護ガラス
１０：シールドキャップ
１１ａ，１１ｂ：プラズマガス供給口
１２：溶接対象材
１３：レーザ
１４：シールドガス流路
１５：レーザシールドガス流路
１６：給水路
１７：排水路
１８：溶接ワイヤ
１９：先行プラズマアークによる溶融金属
２０：後行プラズマアークによる溶融金属
２１：ワイヤガイド
２２ａ，２２ｂ：プラズマ電源
２３：ホットワイヤ電源
２４：レーザ透過孔
ＣＬ：中心軸

Claims

溶接方向に離れた複数のプラズマアークノズルと該複数のプラズマアークノズルの間に開いたレーザ投射口が備わったインサートチップがあるトーチ先端側でトーチ中心軸に近づくように傾斜して該トーチ中心軸に関して溶接方向の上流側と下流側に配置した複数のプラズマ放電電極のそれぞれと溶接対象材との間の前記プラズマアークノズルのそれぞれを通ったプラズマアークで溶接対象材を同時に溶接する複数点同時のプラズマアーク溶接と、前記トーチ中心軸を中心としトーチ先端に向けて収束し前記レーザ投射口を通過するレーザビームを溶接方向で上流側のプラズマ放電電極のプラズマアークによる溶融プールに投射して裏方向への溶込みを深くするレーザビーム投射とを、同時に行って、該レーザビーム投射による溶接部の表方向の盛上りを、下流側のプラズマ放電電極によるプラズマアーク溶接で平滑化する、ハイブリッドプラズマ溶接方法。
溶接対象材と各プラズマ放電電極との間に、溶接対象材側が正で電極側が負の電流を通電して、前記複数のプラズマ放電電極のそれぞれと溶接対象材との間に前記プラズマアークノズルのそれぞれを通るプラズマアークを生成する、請求項１に記載のハイブリッドプラズマ溶接方法。
溶接方向で上流となるプラズマ放電電極が前記溶接対象材との間に発生するプラズマアークが通るプラズマアークノズルが前記溶接対象材に対向する開口直下に溶接ワイヤを送給する、請求項１又は２に記載のハイブリッドプラズマ溶接方法。
溶接対象材と前記溶接ワイヤとの間に、溶接対象材側が正で溶接ワイヤ側が負の電流を通電して前記溶接ワイヤを加熱する、請求項３に記載のハイブリッドプラズマ溶接方法。
溶接方向に離れた複数のプラズマアークノズルと該複数のプラズマアークノズルの間に開いたレーザ投射口が備わったインサートチップ；
トーチ先端側でトーチ中心軸に近づくように傾斜して該トーチ中心軸に関して溶接方向の上流側と下流側に配置され前記インサートチップに進入した各先端が前記プラズマアークノズルのそれぞれに対向する複数のプラズマ放電電極；および、
前記トーチ中心軸を軸心としてトーチ後端から前記インサートチップの前記レーザ投射口に貫通したレーザ透過孔：を備えるハイブリッドプラズマトーチ。
前記複数のプラズマ放電電極は、前記トーチ中心軸に関して対称な姿勢である、請求項５に記載のハイブリッドプラズマトーチ。
請求項５又は６に記載のハイブリッドプラズマトーチ；および、前記レーザ透過孔にトーチ先端に向けて収束するレーザビームを投射するレーザヘッド；を備えるハイブリッドプラズマ溶接装置。
溶接対象材と各プラズマ放電電極との間に、溶接対象材側が正で電極側が負の電流を通電するプラズマ溶接電源；を備える請求項６に記載のハイブリッドプラズマ溶接装置。
さらに、溶接方向で上流となるプラズマ放電電極が前記溶接対象材との間に発生するプラズマアークが通るプラズマアークノズルが前記溶接対象材に対向する開口直下に溶接ワイヤを案内するワイヤガイド；を備える請求項７又は８に記載のハイブリッドプラズマ溶接装置。
さらに、溶接対象材と前記溶接ワイヤとの間に、溶接対象材側が正で溶接ワイヤ側が負の電流を通電するホットワイヤ用電源；を備える請求項９に記載のハイブリッドプラズマ溶接装置。