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JP7473399B2 - Laser-arc hybrid welding equipment - Google Patents
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JP7473399B2 - Laser-arc hybrid welding equipment - Google Patents

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Description

本開示は、レーザとアークとを用いるレーザ・アークハイブリッド溶接装置に関する。 This disclosure relates to a laser-arc hybrid welding device that uses a laser and an arc.

特開2000-263225号公報(特許文献1)は、レーザ光によりアークを誘導するアーク誘導方法を開示する。このレーザ光によるアーク誘導方法では、被加工物の表面の加工予定位置にレーザ光を照射することにより、アーク電極と被加工物との間に発生するアークが、アーク電極とレーザ光の照射位置との間に発生するように誘導される。これにより、アークの放電位置をレーザ光により安定的に誘導して、アークを安定化することができる(特許文献1参照)。 JP 2000-263225 A (Patent Document 1) discloses an arc induction method for inducing an arc using laser light. In this method of inducing an arc using laser light, an arc generated between the arc electrode and the workpiece is induced to occur between the arc electrode and the laser light irradiation position by irradiating a laser light onto the intended processing position on the surface of the workpiece. This allows the arc discharge position to be stably induced by the laser light, stabilizing the arc (see Patent Document 1).

特開2000-263225号公報JP 2000-263225 A

特許文献1に記載のアーク誘導方法では、レーザ光は、集光レンズを通じて母材にスポット照射される。レーザスポットの照射幅は、たとえば0.2mm程度であってごく小さく、アークの傘の縁の幅と比較すると、1/10以下であったりする。そのため、レーザスポットの狙い位置に対するレーザ照射のズレの裕度が低く、狙い位置に対して実際の照射位置がたとえば1mmでもずれると、アークとレーザとが独立した溶接となってレーザ光によるアークの誘導効果が得られず、レーザ光によりアークを安定化させることができなくなる可能性がある。 In the arc induction method described in Patent Document 1, the base material is spot-irradiated with laser light through a condenser lens. The irradiation width of the laser spot is very small, for example, about 0.2 mm, which is less than 1/10 of the width of the edge of the arc umbrella. Therefore, there is a low tolerance for deviation of the laser irradiation from the target position of the laser spot. If the actual irradiation position deviates from the target position by even 1 mm, for example, the arc and the laser become independent welds, and the effect of guiding the arc by the laser light cannot be obtained, and it may become impossible to stabilize the arc by the laser light.

このような問題に対して、レーザヘッドを固定するブラケット等の機械部品の精度を高めて組立誤差や寸法誤差をできるだけ抑えることで、レーザスポットの位置ズレをできるだけ抑えることも考えられる。しかしながら、この手法は、ブラケット等の機械部品のコスト増や、製作にあたっての汎用性が失なわれる可能性がある。 One way to address this issue is to improve the precision of mechanical parts such as the bracket that secures the laser head, thereby minimizing assembly and dimensional errors, thereby minimizing the positional deviation of the laser spot. However, this approach could increase the cost of mechanical parts such as the bracket, and reduce versatility in manufacturing.

本開示は、上記の問題を解決するためになされたものであり、本開示の目的は、レーザ・アークハイブリッド溶接装置において、コスト増を抑えつつ、レーザ照射のズレの裕度を高めてアークを安定化させることである。 This disclosure has been made to solve the above problems, and the purpose of this disclosure is to increase the tolerance for laser irradiation misalignment and stabilize the arc in a laser-arc hybrid welding device while suppressing cost increases.

本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、アーク溶接装置と、レーザ照射装置とを備える。レーザ照射装置は、アーク溶接装置から出力されるアークよりも溶接進行方向の前方にレーザ光を照射するように構成される。そして、レーザ照射装置は、レーザ光が照射される照射領域の形状がアークの傘の縁に沿う円弧状となるようにレーザ光を照射するように構成される。 The laser-arc hybrid welding device disclosed herein includes an arc welding device and a laser irradiation device. The laser irradiation device is configured to irradiate laser light forward in the welding direction from the arc output from the arc welding device. The laser irradiation device is configured to irradiate the laser light so that the shape of the irradiation area irradiated with the laser light is an arc shape that follows the edge of the arc umbrella.

このレーザ・アークハイブリッド溶接装置では、アークよりも溶接進行方向の前方において、レーザ照射領域の形状がアークの傘の縁に沿う円弧状となるようにレーザ光が照射される。これにより、レーザ照射の狙い位置に対するズレの裕度が高まる。たとえば、レーザ照射領域が当初の狙い位置に対して光軸の回転方向にずれたとしても、レーザ光とアークとの距離が大きく変わることはなく、アークの安定性への影響は小さい。したがって、このレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、ブラケット等の機械部品の精度を高めることなく、レーザ照射のズレの裕度を高めてアークを安定化させることができる。 In this laser-arc hybrid welding device, the laser light is irradiated in front of the arc in the welding direction so that the shape of the laser irradiation area is an arc that follows the edge of the arc umbrella. This increases the tolerance for deviation from the target position of the laser irradiation. For example, even if the laser irradiation area is shifted in the rotation direction of the optical axis from the initial target position, the distance between the laser light and the arc does not change significantly, and the impact on the stability of the arc is small. Therefore, with this laser-arc hybrid welding device, the tolerance for deviation of the laser irradiation can be increased and the arc can be stabilized without increasing the accuracy of mechanical parts such as brackets.

円弧状のレーザ照射領域の中心角は、180度よりも小さくてもよい。 The central angle of the arc-shaped laser irradiation area may be less than 180 degrees.

レーザ照射領域がアークの後方側に回り込むと、アークの安定性が変化し、溶接性に影響を及ぼす可能性がある。そこで、レーザ照射領域の中心角を180度よりも小さくすることにより、レーザ照射領域が狙い位置に対して光軸の回転方向にずれたとしても、レーザ照射領域がアークの後方側に回り込む可能性を低減することができる。したがって、このレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、レーザ照射のズレによりアークの安定性が変化するのを抑制することができる。 If the laser irradiation area wraps around to the rear of the arc, the stability of the arc may change, which may affect weldability. Therefore, by making the central angle of the laser irradiation area smaller than 180 degrees, the possibility of the laser irradiation area wrapping around to the rear of the arc can be reduced, even if the laser irradiation area is shifted in the rotation direction of the optical axis from the target position. Therefore, with this laser-arc hybrid welding device, it is possible to suppress changes in arc stability due to deviations in laser irradiation.

円弧状のレーザ照射領域は、アークの傘の縁よりも外側に形成されてもよい。 The arc-shaped laser irradiation area may be formed outside the edge of the arc umbrella.

レーザ照射領域がアークの傘と干渉すると、アークが不安定になり得る。このレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、レーザ照射領域がアークの傘の縁よりも外側に形成されることにより、アークの安定性を確保することができる。 If the laser irradiation area interferes with the arc umbrella, the arc can become unstable. With this laser-arc hybrid welding device, the laser irradiation area is formed outside the edge of the arc umbrella, ensuring arc stability.

円弧状のレーザ照射領域は、アークの中心から1~3mmの位置に形成されてもよい。 The arc-shaped laser irradiation area may be formed at a position 1 to 3 mm from the center of the arc.

レーザ照射領域がアークの中心から1mmよりも近い位置に形成されると、レーザ照射領域がアークの傘と干渉する可能性が高い。一方、レーザ照射領域がアークの中心から3mmよりも遠い位置に形成されると、レーザ光によるアークの誘導効果が十分に得られない可能性がある。このレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、レーザ照射領域がアークの中心から1~3mmの位置に形成されることによって、レーザ光によりアークを安定化させることができる。 If the laser irradiation area is formed closer than 1 mm from the center of the arc, there is a high possibility that the laser irradiation area will interfere with the arc umbrella. On the other hand, if the laser irradiation area is formed farther than 3 mm from the center of the arc, there is a possibility that the arc induction effect of the laser light will not be sufficient. With this laser-arc hybrid welding device, the laser irradiation area is formed 1 to 3 mm from the center of the arc, making it possible to stabilize the arc with the laser light.

円弧状のレーザ照射領域は、アークによって形成される溶融池の縁よりも外側に形成されてもよい。 The arc-shaped laser irradiation area may be formed outside the edge of the molten pool formed by the arc.

レーザ照射領域がアークによって形成される溶融池と干渉すると、エネルギの過集中による溶け落ちやエネルギ効率の低下といった問題が生じ得る。このレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、レーザ照射領域がアークによって形成される溶融池の縁よりも外側に形成されることにより、上記のような問題を回避することができる。 If the laser irradiation area interferes with the molten pool formed by the arc, problems such as burn-through due to excessive energy concentration and reduced energy efficiency can occur. With this laser-arc hybrid welding device, the laser irradiation area is formed outside the edge of the molten pool formed by the arc, making it possible to avoid the above problems.

本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、コスト増を抑えつつ、レーザ照射のズレの裕度を高めてアークを安定化させることができる。 The laser-arc hybrid welding device disclosed herein can increase the tolerance for laser irradiation misalignment and stabilize the arc while minimizing cost increases.

実施の形態に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置の全体構成を示す図である。1 is a diagram showing an overall configuration of a laser-arc hybrid welding apparatus according to an embodiment. FIG. 図1に示すハイブリッド溶接装置によるレーザ照射のイメージを説明する斜視図である。FIG. 2 is a perspective view illustrating an image of laser irradiation by the hybrid welding apparatus shown in FIG. 1 . 図1に示すハイブリッド溶接装置によるレーザ照射のイメージを説明する平面図である。FIG. 2 is a plan view illustrating an image of laser irradiation by the hybrid welding apparatus shown in FIG. 1 . レーザ光の照射領域とアークの傘の縁との関係の一例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of the relationship between a laser light irradiation area and an edge of an arc umbrella. 参考例として、レーザ光の照射領域がスポット状である場合のイメージ図である。FIG. 13 is an image diagram of a reference example in which the irradiation area of the laser light is spot-shaped. アークの中心とレーザ光の照射領域との距離を説明する図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the distance between the center of the arc and the irradiation area of the laser light. レーザ光の照射領域とアークによって形成される溶融池の縁との関係の一例を示す図である。1 is a diagram showing an example of the relationship between a laser beam irradiation area and an edge of a molten pool formed by an arc;

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又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。 The following describes in detail the embodiments of the present disclosure with reference to the drawings. Note that the same or corresponding parts in the drawings are given the same reference numerals and their description will not be repeated.

図1は、本開示の実施の形態に従うレーザ・アークハイブリッド溶接装置の全体構成を示す図である。図1を参照して、レーザ・アークハイブリッド溶接装置1(以下、単に「ハイブリッド溶接装置1」と称する場合がある。)は、溶接トーチ10と、溶接ワイヤ20と、溶接電源装置30と、レーザヘッド40と、レーザ発振装置60とを備える。 Figure 1 is a diagram showing the overall configuration of a laser-arc hybrid welding device according to an embodiment of the present disclosure. With reference to Figure 1, the laser-arc hybrid welding device 1 (hereinafter sometimes simply referred to as "hybrid welding device 1") includes a welding torch 10, a welding wire 20, a welding power supply device 30, a laser head 40, and a laser oscillator device 60.

このハイブリッド溶接装置1は、各種部材の溶接に用いることができ、異材接合の溶接にも用いることができる。異材接合とは、互いに主成分が異なる異種材料の接合であり、ハイブリッド溶接装置1は、たとえば、GI鋼板やGA鋼板等の溶融亜鉛メッキ鋼板と、アルミニウム合金板との溶接に用いることができる。アルミニウム合金板には、軟質アルミニウムだけでなく、JIS規格の5000番台(たとえば5052)、6000番台(たとえば6063)、7000番台(たとえば7075)等の硬質アルミニウムも適用可能である。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70の一方と他方とが、たとえば、重ね隅肉溶接継手やフレア溶接継手等によって接合される。 This hybrid welding device 1 can be used to weld various members and can also be used to weld dissimilar materials. Dissimilar materials are joined together by joining different materials whose main components are different. The hybrid welding device 1 can be used to weld, for example, hot-dip galvanized steel sheets, such as GI steel sheets and GA steel sheets, to aluminum alloy sheets. Not only soft aluminum, but also hard aluminum sheets such as JIS 5000 series (e.g., 5052), 6000 series (e.g., 6063), and 7000 series (e.g., 7075) can be used for the aluminum alloy sheets. The hybrid welding device 1 joins one and the other of the base materials 70 to be joined together, for example, by a lap fillet weld joint or a flare weld joint.

溶接トーチ10、溶接ワイヤ20、及び溶接電源装置30は、母材70の接合部との間にアークを発生させることで溶接を行なうアーク溶接装置を構成する。溶接トーチ10は、母材70の接合部に向けて、溶接ワイヤ20及び図示しないシールドガスを供給する。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70の接合部との間にアーク25を発生させるとともに、溶接部に向けてシールドガス(アルゴンガスや炭酸ガス等)を供給する。溶接ワイヤ20に代えて、非消耗材の電極(タングステン等)を用いてもよい。すなわち、溶接トーチ10を用いるアーク溶接は、溶極式(マグ溶接やミグ溶接等)であってもよいし、非溶極式(ティグ溶接等)であってもよい。 The welding torch 10, the welding wire 20, and the welding power supply 30 constitute an arc welding device that performs welding by generating an arc between the joint of the base material 70. The welding torch 10 supplies the welding wire 20 and a shielding gas (not shown) toward the joint of the base material 70. The welding torch 10 receives a supply of welding current from the welding power supply 30, generates an arc 25 between the tip of the welding wire 20 and the joint of the base material 70, and supplies a shielding gas (argon gas, carbon dioxide gas, etc.) toward the welded portion. A non-consumable electrode (tungsten, etc.) may be used instead of the welding wire 20. In other words, the arc welding using the welding torch 10 may be of a consumable electrode type (MAG welding, MIG welding, etc.) or a non-consumable electrode type (TIG welding, etc.).

溶接電源装置30は、アーク溶接を行なうための溶接電圧及び溶接電流を生成し、生成された溶接電圧及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の送り速度も制御する。 The welding power supply 30 generates a welding voltage and a welding current for performing arc welding, and outputs the generated welding voltage and welding current to the welding torch 10. The welding power supply 30 also controls the feed speed of the welding wire 20 in the welding torch 10.

レーザヘッド40及びレーザ発振装置60は、母材70の接合部に向けてレーザ光50を照射することで溶接を行なうレーザ照射装置を構成する。レーザヘッド40は、レーザ発振装置60からレーザ光の供給を受け、母材70の接合部に向けてレーザ光50を照射する。レーザヘッド40からのレーザ光50は、溶接トーチ10から発生するアーク25の近傍に照射され、このハイブリッド溶接装置1では、溶接ワイヤ20の先端から発生するアーク25よりも溶接進行方向の前方にレーザ光50が照射される。 The laser head 40 and the laser oscillator 60 constitute a laser irradiation device that performs welding by irradiating a laser beam 50 toward the joint of the base material 70. The laser head 40 receives a supply of laser beam from the laser oscillator 60 and irradiates the laser beam 50 toward the joint of the base material 70. The laser beam 50 from the laser head 40 is irradiated near the arc 25 generated from the welding torch 10, and in this hybrid welding device 1, the laser beam 50 is irradiated forward in the welding direction of the arc 25 generated from the tip of the welding wire 20.

そして、本実施の形態に従うハイブリッド溶接装置1では、レーザヘッド40から照射されるレーザ光50の照射領域(以下「レーザ照射領域」とも称する。)の形状がアーク25の傘の縁に沿う円弧状となるように、レーザヘッド40から母材70の接合部に向けてレーザ光50が照射される。これにより、レーザ照射領域の狙い位置に対するレーザ照射のズレの裕度(許容範囲)を高めてアーク25を安定化させることができる。以下、この点について詳しく説明する。 In the hybrid welding device 1 according to this embodiment, the laser head 40 irradiates the laser light 50 toward the joint of the base material 70 so that the shape of the irradiation area of the laser light 50 irradiated from the laser head 40 (hereinafter also referred to as the "laser irradiation area") is an arc shape that follows the umbrella edge of the arc 25. This increases the tolerance (tolerance) of the deviation of the laser irradiation from the target position of the laser irradiation area, thereby stabilizing the arc 25. This point will be explained in detail below.

レーザを用いた溶接では、通常、レーザ光は、集光レンズにより集光されて母材にスポット照射されることが多い。レーザスポット(レーザ照射領域)の照射幅は小さく(たとえば直径0.2mm程度)、アークの傘の幅と比較すると、かなり小さいことが多い(たとえば1/10以下)。なお、アークの傘とは、溶接ワイヤと母材との間に発生するアーク放電領域の形状を示す。アーク放電領域は強い光を発するため、アークの傘は視認することができる。 In laser welding, the laser light is usually focused by a focusing lens and is often spot-irradiated onto the base material. The irradiation width of the laser spot (laser irradiation area) is small (e.g., about 0.2 mm in diameter), and is often quite small compared to the width of the arc umbrella (e.g., 1/10 or less). The arc umbrella refers to the shape of the arc discharge area that occurs between the welding wire and the base material. The arc umbrella can be seen because the arc discharge area emits a strong light.

そして、上記のようにレーザスポットの照射幅は小さいため、レーザスポットの狙い位置に対するレーザ照射のズレの裕度が低く、狙い位置に対して実際のレーザ照射位置がたとえば1mmでもずれると、レーザ光とアークの相互作用が小さくなる可能性がある。その結果、レーザ光によるアークの誘導効果が低減し、レーザ光によりアークを安定化させることができなくなる可能性がある。 As described above, because the irradiation width of the laser spot is small, there is little tolerance for deviation of the laser irradiation from the target position of the laser spot, and if the actual laser irradiation position deviates from the target position by even 1 mm, the interaction between the laser light and the arc may become small. As a result, the arc induction effect of the laser light is reduced, and it may become impossible to stabilize the arc by the laser light.

このような問題に対して、レーザヘッド40を固定するブラケット等の機械部品の精度を高めて組立誤差や寸法誤差をできるだけ抑えることで、レーザスポットの位置ズレをできるだけ抑えることも考えられる。しかしながら、この手法は、ブラケット等の機械部品のコスト増や、製作にあたっての汎用性が失なわれる可能性がある。 To address this issue, it is possible to minimize misalignment of the laser spot by improving the precision of mechanical parts such as the bracket that secures the laser head 40, thereby minimizing assembly errors and dimensional errors. However, this approach may increase the cost of mechanical parts such as the bracket, and may result in a loss of versatility in manufacturing.

そこで、本実施の形態に従うハイブリッド溶接装置1では、レーザヘッド40から照射されるレーザ光50の照射領域の形状がアーク25の傘の縁に沿う円弧状となるように、レーザヘッド40から母材70の接合部に向けてレーザ光50が照射される。これにより、レーザヘッド40を固定するブラケット等の機械部品の精度を高めることなく、レーザ照射のズレの裕度を高めることができる。 Therefore, in the hybrid welding device 1 according to this embodiment, the laser head 40 irradiates the laser light 50 toward the joint of the base material 70 so that the shape of the irradiation area of the laser light 50 irradiated from the laser head 40 is an arc shape that follows the edge of the umbrella of the arc 25. This makes it possible to increase the tolerance for misalignment of the laser irradiation without increasing the accuracy of mechanical parts such as the bracket that fixes the laser head 40.

図2及び図3は、図1に示したハイブリッド溶接装置1によるレーザ照射のイメージ図である。図2は、アーク25及びレーザ光50による溶接部位の斜視図であり、図3は、溶接部位をz方向(図1)から視た平面図である。なお、図1では、溶接トーチ10から延びる溶接ワイヤ20の軸は、溶接進行方向の後方に傾いているが、図2及び図3では、説明を容易にするため、溶接ワイヤ20の軸がz方向に沿っているものとして説明する。また、図2では、溶接ワイヤ20及びレーザ光50のz方向上方について、図示を省略している。 Figures 2 and 3 are conceptual diagrams of laser irradiation by the hybrid welding device 1 shown in Figure 1. Figure 2 is a perspective view of the welded area by the arc 25 and the laser light 50, and Figure 3 is a plan view of the welded area viewed from the z direction (Figure 1). Note that in Figure 1, the axis of the welding wire 20 extending from the welding torch 10 is inclined backward in the welding advance direction, but for ease of explanation, in Figures 2 and 3, the axis of the welding wire 20 is described as being along the z direction. Also, in Figure 2, the welding wire 20 and the laser light 50 above in the z direction are not shown.

図2及び図3を参照して、この例では、重ね継手のすみ肉溶接における接合部が示されている。母材(被溶接材)70は、下板71と、下板71上に重ねられた上板72とから成る。下板71上における上板72の端部に、溶接ビード73が形成されている。 Referring to Figures 2 and 3, this example shows a joint in a fillet weld of a lap joint. The base material (material to be welded) 70 consists of a lower plate 71 and an upper plate 72 overlapped on the lower plate 71. A weld bead 73 is formed at the end of the upper plate 72 on the lower plate 71.

溶接ワイヤ20の先端から発生するアーク25は、放射状に広がりながら母材70へ到達する。アーク25の形状は傘状であり、母材70(71,72)上におけるアーク25の傘の縁は円形状となっている(図3)。 The arc 25 generated from the tip of the welding wire 20 spreads out radially as it reaches the base material 70. The shape of the arc 25 is umbrella-shaped, and the edge of the umbrella of the arc 25 on the base material 70 (71, 72) is circular (Figure 3).

母材70におけるレーザ光50の照射領域52は、アーク25のよりも溶接進行方向の前方において、アーク25の傘の縁に沿う円弧状に形成される。このようなレーザ照射領域52は、たとえば、レーザヘッド40内に回折光学素子(以下「DOE(Diffractive Optical Element)」と称する。)を設けることによって形成可能である。すなわち、レーザヘッド40から照射されるレーザ光50の照射領域52が、想定されるアーク25の傘の縁に沿って円弧状となるように、DOEが構成される。 The irradiation area 52 of the laser light 50 on the base material 70 is formed in an arc shape along the umbrella edge of the arc 25, ahead of the arc 25 in the welding advance direction. Such a laser irradiation area 52 can be formed, for example, by providing a diffractive optical element (hereinafter referred to as a "DOE (Diffractive Optical Element)") in the laser head 40. In other words, the DOE is configured so that the irradiation area 52 of the laser light 50 irradiated from the laser head 40 is in an arc shape along the expected umbrella edge of the arc 25.

アーク25の傘の縁の形状は、溶接トーチ10の出力(溶接電源装置30の出力)と、溶接ワイヤ20及び母材70間の距離とから推定することができる。したがって、想定されるアーク25の傘の縁に沿ってレーザ照射領域52が円弧状となるようにDOEを事前に準備しておくことは可能である。 The shape of the edge of the arc 25 can be estimated from the output of the welding torch 10 (output of the welding power supply 30) and the distance between the welding wire 20 and the base material 70. Therefore, it is possible to prepare the DOE in advance so that the laser irradiation area 52 is arc-shaped along the expected edge of the arc 25.

レーザ照射領域52をアーク25の傘の縁に沿う円弧状とすることにより、レーザ照射の狙い位置に対するズレの裕度が高まる。たとえば、図4に示されるように、レーザ照射領域52が狙い位置(実線)に対して光軸の回転方向にずれたとしても(点線)、レーザ照射領域52とアーク25との距離が大きく変わることはなく、アーク25の安定性への影響は小さい。すなわち、レーザ照射領域52を図示のような円弧状とすることにより、レーザ照射の狙い位置に対するズレの裕度を高くすることができる。その結果、レーザヘッド40を固定するブラケット等の機械部品の精度を高めることなく、すなわち機械部品のコスト増を抑えつつ、レーザ照射のズレの裕度を高めてアーク25を安定化させることができる。 By making the laser irradiation area 52 arc-shaped along the edge of the umbrella of the arc 25, the tolerance for deviation from the target position of the laser irradiation is increased. For example, as shown in FIG. 4, even if the laser irradiation area 52 is shifted in the rotation direction of the optical axis (dotted line) from the target position (solid line), the distance between the laser irradiation area 52 and the arc 25 does not change significantly, and the impact on the stability of the arc 25 is small. In other words, by making the laser irradiation area 52 arc-shaped as shown, the tolerance for deviation from the target position of the laser irradiation can be increased. As a result, the arc 25 can be stabilized by increasing the tolerance for deviation of the laser irradiation without increasing the accuracy of mechanical parts such as the bracket that fixes the laser head 40, i.e., while suppressing the increase in the cost of mechanical parts.

図5は、参考例として、レーザ照射領域が小径のスポット状である場合のイメージ図である。図5を参照して、一般的に、レーザスポット54の照射幅は、たとえば0.2mm程度であって小さく、アーク25の傘の幅と比較すると、1/10以下であったりする。 Figure 5 is an image diagram of a reference example in which the laser irradiation area is in the form of a small spot. Referring to Figure 5, the irradiation width of the laser spot 54 is generally small, for example, about 0.2 mm, which is less than 1/10 of the width of the umbrella of the arc 25.

そのため、レーザスポット54の狙い位置に対するズレの裕度が低く、狙い位置(点線)に対して実際のレーザスポット54がたとえば1mmでもずれると、レーザ光とアークの相互作用が小さくなったり、レーザ光によるアーク25の誘導効果が大きく変化したりする可能性がある。その結果、レーザ光によりアーク25を安定化させることができなくなる可能性がある。 Therefore, there is a low tolerance for deviation of the laser spot 54 from the target position, and if the actual laser spot 54 deviates from the target position (dotted line) by even 1 mm, the interaction between the laser light and the arc may be reduced, or the induction effect of the arc 25 by the laser light may change significantly. As a result, it may not be possible to stabilize the arc 25 by the laser light.

これに対して、このハイブリッド溶接装置1では、図4に示したように、レーザ照射領域52を円弧状とすることにより、レーザ照射の狙い位置に対するズレの裕度を高くすることができる。 In contrast, in this hybrid welding device 1, as shown in FIG. 4, the laser irradiation area 52 is made arc-shaped, which increases the tolerance for deviation from the target position of the laser irradiation.

再び図4を参照して、この実施の形態に従うハイブリッド溶接装置1では、円弧状のレーザ照射領域52の中心角θは、180度よりも小さい。レーザ照射領域がアーク25の後方側(溶接進行方向の後方側)に回り込むと、レーザ光によるアーク25の安定性が変化し、溶接性に影響を及ぼす可能性がある。そこで、アーク25に対して先行するレーザ照射領域52の中心角θを180度よりも小さくすることにより、レーザ照射領域52が狙い位置に対して光軸の回転方向にずれたとしても、レーザ照射領域52がアーク25の後方側に回り込む可能性を低減することができる。 Referring again to FIG. 4, in the hybrid welding device 1 according to this embodiment, the central angle θ of the arc-shaped laser irradiation area 52 is smaller than 180 degrees. If the laser irradiation area wraps around to the rear side of the arc 25 (rear side in the welding advance direction), the stability of the arc 25 caused by the laser light may change, which may affect the weldability. Therefore, by making the central angle θ of the laser irradiation area 52 preceding the arc 25 smaller than 180 degrees, the possibility of the laser irradiation area 52 wrapping around to the rear side of the arc 25 can be reduced even if the laser irradiation area 52 is shifted in the rotation direction of the optical axis relative to the target position.

また、この実施の形態に従うハイブリッド溶接装置1では、円弧状のレーザ照射領域52は、アーク25の傘の縁よりも外側に形成されている。レーザ照射領域がアーク25の傘と直接干渉すると、アーク25が不安定になる可能性がある。このハイブリッド溶接装置1では、照射領域52がアーク25の傘の縁よりも外側に形成されるため、アーク25の安定性を確保することができる。 In addition, in the hybrid welding device 1 according to this embodiment, the arc-shaped laser irradiation area 52 is formed outside the edge of the umbrella of the arc 25. If the laser irradiation area directly interferes with the umbrella of the arc 25, the arc 25 may become unstable. In this hybrid welding device 1, the irradiation area 52 is formed outside the edge of the umbrella of the arc 25, so the stability of the arc 25 can be ensured.

以上のように、この実施の形態によれば、レーザ照射領域52の形状がアーク25の傘の縁に沿う円弧状となるようにレーザ光50が照射されるので、レーザ照射の狙い位置に対するズレの裕度が高い。したがって、この実施の形態によれば、ブラケット等の機械部品の精度を高めることなく、すなわちコスト増を抑えつつ、レーザ照射のズレの裕度を高めてアークを安定化させることができる。 As described above, according to this embodiment, the laser light 50 is irradiated so that the shape of the laser irradiation area 52 is an arc shape that follows the edge of the umbrella of the arc 25, so there is a high tolerance for deviation from the target position of the laser irradiation. Therefore, according to this embodiment, it is possible to stabilize the arc by increasing the tolerance for deviation of the laser irradiation without increasing the precision of mechanical parts such as brackets, i.e., while suppressing increases in costs.

なお、上記の実施の形態では、溶接トーチ10の出力(溶接電源装置30の出力)と、溶接ワイヤ20及び母材70間の距離とから、アーク25の傘の縁の形状を推定し、想定されるアーク25の傘の縁に沿ってレーザ照射領域52が円弧状となるようにDOEを構成するものとしたが、図6に示されるように、アーク25の略中心Oから所定の距離Dに円弧状のレーザ照射領域52を予め形成するようにしてもよい。 In the above embodiment, the shape of the edge of the arc 25 is estimated from the output of the welding torch 10 (output of the welding power supply 30) and the distance between the welding wire 20 and the base material 70, and the DOE is configured so that the laser irradiation area 52 is arc-shaped along the estimated edge of the arc 25. However, as shown in FIG. 6, the arc-shaped laser irradiation area 52 may be formed in advance at a predetermined distance D from the approximate center O of the arc 25.

所定の距離Dは、たとえば1~3mm程度が好ましい。レーザ照射領域52がアーク25の中心Oから1mmよりも近い位置に形成されると、レーザ照射領域52がアーク25の傘と干渉する可能性が高い。一方、レーザ照射領域52がアーク25の中心Oから3mmよりも遠い位置に形成されると、レーザ光50によるアーク25の誘導効果が十分に得られない可能性がある。 The specified distance D is preferably, for example, about 1 to 3 mm. If the laser irradiation area 52 is formed at a position closer than 1 mm from the center O of the arc 25, there is a high possibility that the laser irradiation area 52 will interfere with the umbrella of the arc 25. On the other hand, if the laser irradiation area 52 is formed at a position farther than 3 mm from the center O of the arc 25, there is a possibility that the induction effect of the arc 25 by the laser light 50 will not be sufficient.

なお、溶接条件の範囲内であれば、アーク25の傘の縁がレーザ照射領域52に沿うように、溶接トーチ10の出力を溶接電源装置30によって調整してもよい。 If within the range of welding conditions, the output of the welding torch 10 may be adjusted by the welding power supply 30 so that the edge of the arc 25 is aligned with the laser irradiation area 52.

また、上記の実施の形態では、レーザヘッド40内にDOEを設けることによって円弧状のレーザ照射領域52を形成するものとしたが、レーザ照射領域52の形成方法は、DOEを用いた方法に限定されるものではない。たとえば、母材70上でレーザ光50を走査可能なレーザスキャン装置をレーザヘッド40に設け、レーザスキャン装置によりレーザ光50を走査することによって、円弧状のレーザ照射領域52を形成してもよい。或いは、レーザ照射領域52のプロファイルを変更可能なレーザヘッドを用いて、円弧状のレーザ照射領域52を形成してもよい。 In the above embodiment, the arc-shaped laser irradiation area 52 is formed by providing a DOE in the laser head 40, but the method of forming the laser irradiation area 52 is not limited to the method using a DOE. For example, the laser head 40 may be provided with a laser scanning device capable of scanning the laser light 50 on the base material 70, and the arc-shaped laser irradiation area 52 may be formed by scanning the laser light 50 with the laser scanning device. Alternatively, the arc-shaped laser irradiation area 52 may be formed using a laser head capable of changing the profile of the laser irradiation area 52.

また、上記の実施の形態では、レーザ照射領域52の形状がアーク25の傘の縁に沿う円弧状となるようにレーザ光50が照射されるものとしたが、溶接速度が遅いために、アーク25によって形成される溶融池がアーク25の傘の縁よりも溶接進行方向の前方に広がっている場合には、レーザ照射領域52が、アーク25によって形成される溶融池の縁よりも外側に形成されるようにしてもよい。 In the above embodiment, the laser beam 50 is irradiated so that the shape of the laser irradiation area 52 is an arc shape that follows the edge of the umbrella of the arc 25. However, if the welding speed is slow and the molten pool formed by the arc 25 extends further forward in the welding advance direction than the edge of the umbrella of the arc 25, the laser irradiation area 52 may be formed outside the edge of the molten pool formed by the arc 25.

レーザ照射領域52がアーク25によって形成される溶融池と干渉すると、エネルギの過集中による溶け落ちやエネルギ効率の低下といった問題が生じ得る。そこで、アーク25によって形成される溶融池がアーク25の傘の縁よりも溶接進行方向の前方に広がるような溶接条件の場合には、図7に示されるように、レーザ照射領域52がアーク25によって形成される溶融池75の縁よりも外側に形成されることにより、上記のような問題を回避することができる。 If the laser irradiation area 52 interferes with the molten pool formed by the arc 25, problems such as burn-through due to excessive energy concentration and reduced energy efficiency can occur. Therefore, in the case of welding conditions in which the molten pool formed by the arc 25 spreads forward in the welding direction beyond the edge of the umbrella of the arc 25, the above problems can be avoided by forming the laser irradiation area 52 outside the edge of the molten pool 75 formed by the arc 25, as shown in Figure 7.

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed herein should be considered to be illustrative and not restrictive in all respects. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the description of the embodiments above, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.

1 レーザ・アークハイブリッド溶接装置、10 溶接トーチ、20 溶接ワイヤ、25 アーク、30 溶接電源装置、40 レーザヘッド、50 レーザ光、52,54 レーザ照射領域、60 レーザ発振装置、70 母材、71 上板、72 下板、73 溶接ビード、75 溶融池。 1 Laser-arc hybrid welding device, 10 Welding torch, 20 Welding wire, 25 Arc, 30 Welding power supply device, 40 Laser head, 50 Laser light, 52, 54 Laser irradiation area, 60 Laser oscillation device, 70 Base material, 71 Upper plate, 72 Lower plate, 73 Weld bead, 75 Molten pool.

Claims (4)

アーク溶接装置と、
前記アーク溶接装置から出力されるアークよりも溶接進行方向の前方にレーザ光を照射するように構成されたレーザ照射装置とを備え、
前記レーザ照射装置は、レーザ光が照射される照射領域の形状がアークの傘の縁に沿う円弧状となるようにレーザ光を照射するように構成され、
円弧状の前記照射領域は、アークの傘の縁よりも外側に形成される、レーザ・アークハイブリッド溶接装置。
An arc welding device;
a laser irradiation device configured to irradiate a laser beam forward in a welding direction from the arc output from the arc welding device,
the laser irradiation device is configured to irradiate the laser beam so that the shape of an irradiation area irradiated with the laser beam is an arc shape along an edge of an arc umbrella;
A laser-arc hybrid welding apparatus, wherein the arc-shaped irradiation area is formed outside the edge of the arc umbrella.
アーク溶接装置と、
前記アーク溶接装置から出力されるアークよりも溶接進行方向の前方にレーザ光を照射するように構成されたレーザ照射装置とを備え、
前記レーザ照射装置は、レーザ光が照射される照射領域の形状がアークの傘の縁に沿う円弧状となるようにレーザ光を照射するように構成され、
円弧状の前記照射領域は、アークの中心から1~3mmの位置に形成される、レーザ・アークハイブリッド溶接装置。
An arc welding device;
a laser irradiation device configured to irradiate a laser beam forward in a welding direction from the arc output from the arc welding device,
the laser irradiation device is configured to irradiate the laser beam so that the shape of an irradiation area irradiated with the laser beam is an arc shape along an edge of an arc umbrella;
A laser-arc hybrid welding device, wherein the arc-shaped irradiation area is formed at a position 1 to 3 mm from the center of the arc.
アーク溶接装置と、
前記アーク溶接装置から出力されるアークよりも溶接進行方向の前方にレーザ光を照射するように構成されたレーザ照射装置とを備え、
前記レーザ照射装置は、レーザ光が照射される照射領域の形状がアークの傘の縁に沿う円弧状となるようにレーザ光を照射するように構成され、
円弧状の前記照射領域は、アークによって形成される溶融池の縁よりも外側に形成される、レーザ・アークハイブリッド溶接装置。
An arc welding device;
a laser irradiation device configured to irradiate a laser beam forward in a welding direction from the arc output from the arc welding device,
the laser irradiation device is configured to irradiate the laser beam so that the shape of an irradiation area irradiated with the laser beam is an arc shape along an edge of an arc umbrella;
A laser-arc hybrid welding device, in which the arc-shaped irradiation area is formed outside the edge of the molten pool formed by the arc.
円弧状の前記照射領域の中心角は、180度よりも小さい、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。 4. The laser-arc hybrid welding device according to claim 1 , wherein a central angle of the arc-shaped irradiation area is smaller than 180 degrees.
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