JP6722625B2 - ハイブリッド溶接方法及びハイブリッド溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド溶接方法及びハイブリッド溶接装置に関し、特に、母材間に隙間を有する突合せ溶接に適したハイブリッド溶接方法及びハイブリッド溶接装置に関する。

例えば、クレーン車、高所作業車、橋梁点検車等の構成部品であるブームは、中空の筒形状を有する長尺の鋼構造物である。かかるブームは、近年、断面略Ｕ字形状を有する鋼材の開放側の両端部同士を突合せ溶接することによって長尺の筒形状に形成されている。

例えば、特許文献１には、断面Ｕ字状に曲げ加工した長尺の高張力鋼板である上鋼板と、当該上鋼板よりも大きな曲げ半径で断面Ｕ字状に曲げ加工し前記上鋼板よりも板厚が厚い長尺の高張力鋼板である下鋼板を、それぞれ端面で溶接して断面筒型のブームを製作する溶接方法であって、前記上鋼板と前記下鋼板の端縁同士の突合せ接合部分が、裏当て金を用いることなく、アーク溶接が先行しレーザ溶接が後行するハイブリッド溶接で溶接され、先行する前記アーク溶接では、前記上鋼板と前記下鋼板の突合せ表面部を溶融して、母材の溶融金属に溶加材の溶融金属を加え、後行する前記レーザ溶接で前記溶融金属と突合せ接合部分の両方の母材を接合部の深さ方向に溶け込ませることを特徴とするブームの溶接方法が開示されている。

特許第６０８５０１０号公報

しかしながら、溶接線の鉛直上方から溶接を行う下向き溶接において、アーク溶接を先行させ、レーザ溶接を後行させた場合には、アーク溶接時に生成した溶着金属にレーザ光が照射されることから、溶着金属がレーザ光によって押されて落下してしまうという問題が生じる。特に、母材間に隙間を有する突合せ溶接の場合に、溶着金属が落下しやすい。また、このような溶着金属の落下現象を抑制するには、結局、裏当て材が必要になってしまう。

本発明はかかる問題点に鑑み創案されたものであり、母材間に隙間を有する突合せ溶接の場合であっても、溶着金属を落下させずに溶接することができる、ハイブリッド溶接方法及びハイブリッド溶接装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して第一継手と第二継手とを突合せ溶接するハイブリッド溶接方法において、前記第一継手及び前記第二継手のうち板厚の大きい方を下側に配置し、前記第一継手及び前記第二継手を上下に配置した状態で、前記レーザ溶接を先行させ、前記アーク溶接を後行させながら横向きに溶接する、ことを特徴とするハイブリッド溶接方法が提供される。

前記第一継手及び前記第二継手は、溶接線に沿って少なくとも一部に隙間を有していてもよい。

前記ハイブリッド溶接方法は、前記レーザ溶接によって溶融した母材で前記隙間を埋め込みながら前記アーク溶接を行うようにしてもよい。

また、前記レーザ溶接に使用されるレーザ光の光径は、前記隙間の最大値より大きく設定され、前記アーク溶接に使用される溶加材の直径は、前記隙間の最大値より小さく設定されていてもよい。

また、前記レーザ溶接時におけるレーザ光の入射角度は、例えば、略９０°である。

また、前記第一継手は、略Ｕ字形状又は略半円形状の断面を有する鋼材の断面における両端部によって構成され、前記第二継手は、前記第一継手の前記両端部と対峙する両端部を備えた断面を有する鋼材によって構成されていてもよい。このとき、前記鋼材の左右に位置する二つの溶接線を同一方向に向かって同時に溶接してもよいし、前記鋼材の左右に位置する二つの溶接線を反対方向に向かって同時に溶接するようにしてもよい。

また、本発明によれば、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して第一継手と第二継手とを突合せ溶接するハイブリッド溶接装置において、溶接部にレーザ光を照射するレーザヘッドと、溶接部に溶加材を供給する溶接トーチと、を含み、前記レーザヘッドは、横向き溶接可能かつ溶接方向の上流側に配置され、前記溶接トーチは、横向き溶接可能かつ溶接方向の下流側に配置されており、前記第一継手及び前記第二継手は、板厚の大きい方が下側になるように上下に配置されており、前記第一継手及び前記第二継手を横向きに溶接する、ことを特徴とするハイブリッド溶接装置が提供される。

上述した本発明に係るハイブリッド溶接方法及びハイブリッド溶接装置によれば、先行するレーザ溶接によって溶融した母材（溶融金属）を自重により落とし込むことによって、第一継手と第二継手との間に隙間を有する場合であっても、その隙間を溶融した母材（溶融金属）で埋め込むことができ、溶着金属を落下させずに効果的にアーク溶接することができる。

本発明の一実施形態に係るハイブリッド溶接装置の全体構成を示す平面図である。 本発明の第一実施形態に係るハイブリッド溶接方法の原理を示す断面図であり、（Ａ）は初期状態、（Ｂ）はアーク溶接前の状態、（Ｃ）は溶接完了後の状態、を示している。 試験片の断面マクロを示す図であり、（Ａ）は第一比較例、（Ｂ）は第二比較例、（Ｃ）は第一試験片、（Ｄ）は第二試験片、を示している。 溶接対象物であるワークの一例を示す断面図であり、（Ａ）は第一例、（Ｂ）は第二例、（Ｃ）は第三例、（Ｄ）は第四例、を示している。 本発明の他の実施形態に係るハイブリッド溶接方法を示す図であり、（Ａ）は第二実施形態、（Ｂ）は第三実施形態、を示している。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図５（Ｂ）を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド溶接装置の全体構成を示す平面図である。図２は、本発明の第一実施形態に係るハイブリッド溶接方法の原理を示す断面図であり、（Ａ）は初期状態、（Ｂ）はアーク溶接前の状態、（Ｃ）は溶接完了後の状態、を示している。

本発明の一実施形態に係るハイブリッド溶接装置１は、例えば、図１に示したように、レーザ溶接とアーク溶接とを併用して第一継手Ｊ１と第二継手Ｊ２とを突合せ溶接するハイブリッド溶接装置であって、溶接部にレーザ光Ｌを照射するレーザヘッド２１を備えたレーザ溶接装置２と、溶接部に溶加材Ｗを供給する溶接トーチ３１を備えたアーク溶接装置３と、を備え、レーザヘッド２１は、横向き溶接可能かつ溶接方向の上流側に配置され、溶接トーチ３１は、横向き溶接可能かつ溶接方向の下流側に配置されており、第一継手Ｊ１及び第二継手Ｊ２を上下に配置した状態で横向きに溶接するように構成されている。

ここで、説明の便宜上、図１及び図２（Ａ）に示したように、溶接線に沿った方向にＸ軸を設定し、Ｘ軸に垂直な水平方向にＹ軸を設定し、鉛直方向にＺ軸を設定する。

レーザ溶接装置２は、例えば、レーザヘッド２１と、レーザ光を生成するレーザ発振器２２と、レーザ光をレーザ発振器２２からレーザヘッド２１に搬送する光ファイバ２３と、を備えている。なお、図示しないが、レーザ溶接装置２は、レーザヘッド２１を所定の位置に固定する固定手段やレーザヘッド２１を移動可能に支持するロボットアームを備えていてもよい。

レーザヘッド２１は、例えば、レーザ光Ｌが溶接部に垂直に照射されるように位置決めされる。すなわち、ＸＹ平面におけるレーザ光Ｌの入射角αは約９０°に設定される。このように、レーザ光Ｌを垂直に照射した場合であっても、溶接部に隙間が形成されている場合にはレーザ光Ｌの反射量が少なく、レーザ光Ｌによって溶融した母材（溶融金属）によってレーザ光Ｌが吸収されることから、レーザ光Ｌの反射光によるレーザヘッド２１の損傷は少ない。なお、レーザ光Ｌの入射角αは９０°より小さい角度に設定してもよい。

アーク溶接装置３は、例えば、溶接トーチ３１と、溶加材Ｗ（溶接ワイヤ）をコイル状に巻いた溶接ワイヤドラム３２と、溶接ワイヤドラム３２から溶接トーチ３１に溶加材Ｗを送り出す溶接ワイヤ送給装置３３と、を備えている。なお、図示しないが、アーク溶接装置３は、溶接トーチ３１を所定の位置に固定する固定手段や溶接部にシールドガスを供給するシールドガス供給手段を備えていてもよい。

溶接トーチ３１は、例えば、ＸＹ平面における溶加材Ｗの入射角βが４５°程度となるように位置決めされる。また、溶接トーチ３１は、ＹＺ平面に対して平行な状態に位置決めされていてもよいし、ＹＺ平面に対して傾斜した状態に位置決めされていてもよい。

また、図１に示したように、レーザ溶接装置２は、アーク溶接装置３よりも溶接方向（Ｘ軸方向）の上流側に配置されている。すなわち、レーザヘッド２１は、溶接トーチ３１よりも溶接方向（Ｘ軸方向）の上流側に配置されている。したがって、本実施形態に係るハイブリッド溶接装置１は、レーザ溶接とアーク溶接とを併用したハイブリッド溶接において、レーザ溶接を先行させ、アーク溶接を後行させるように構成されている。

第一継手Ｊ１及び第二継手Ｊ２は、例えば、所定の形状を有する鋼板である。図２（Ａ）に示したように、第一継手Ｊ１及び第二継手Ｊ２は、第二継手Ｊ２を下方に配置し、第一継手Ｊ１を上方に配置した状態で突合せ溶接される。また、第二継手Ｊ２の板厚Ｄ２は、第一継手Ｊ１の板厚Ｄ１よりも大きいものとする。すなわち、本実施形態では、第一継手Ｊ１及び第二継手Ｊ２のうち板厚の大きい方を下側に配置している。

また、第一継手Ｊ１及び第二継手Ｊ２は、鋼板によって形成されていることから、少なからず加工誤差や変形等を有しており、図２（Ａ）に示したように、溶接部のＺ軸方向に隙間Δｇが形成されることがある。この隙間Δｇを有する溶接部に横向き（Ｙ軸方向）にレーザ光Ｌが照射されると、図２（Ｂ）に示したように、第一継手Ｊ１の母材が溶融し、自重により下方に垂れ落ちることとなる。したがって、第一継手Ｊ１と第二継手Ｊ２との間に形成された隙間Δｇは、レーザ光Ｌによって溶融した母材（溶融金属）により埋め込まれる。

本実施形態では、第一継手Ｊ１の溶融した母材（溶融金属）を第二継手Ｊ２の端部の上に垂れ落としていることから、その受け皿を構成する観点において、第二継手Ｊ２の板厚Ｄ２は第一継手Ｊ１の板厚Ｄ１よりも大きいことが好ましい。なお、必要に応じて、第二継手Ｊ２の板厚Ｄ２は第一継手Ｊ１の板厚Ｄ１と同じ大きさであってもよいし、第二継手Ｊ２の板厚Ｄ２は第一継手Ｊ１の板厚Ｄ１よりも小さくてもよいことは勿論である。

このように、レーザ溶接を先行させることにより、隙間Δｇを溶融した母材（溶融金属）で埋め込みながらアーク溶接することができ、図２（Ｃ）に示したように、溶接欠陥の少ないきれいなビードを形成することができる。

また、レーザ光Ｌは、溶接部に照射されたときに少なくとも第一継手Ｊ１の下端を加熱する必要があることから、レーザ光Ｌの光径は溶接線上における隙間Δｇの最大値より大きく設定される。一方、アーク溶接時には隙間Δｇは狭まっていることから、溶加材Ｗの直径は隙間Δｇの最大値より小さく設定されていてもよい。

ここで、図３は、試験片の断面マクロを示す図であり、（Ａ）は第一比較例、（Ｂ）は第二比較例、（Ｃ）は第一試験片、（Ｄ）は第二試験片、を示している。なお、各図に示したスケールの目盛は１ｍｍである。

第一比較例は従来の下向き溶接で隙間０ｍｍの場合、第二比較例は従来の下向き溶接で隙間１ｍｍの場合、第一試験片は横向き溶接で隙間０ｍｍの場合、第二試験片は横向き溶接で隙間１ｍｍの場合、を示している。いずれもレーザ溶接を先行させアーク溶接を後行させながら同じ条件でハイブリッド溶接したものである。

上述した特許文献１に記載された発明のように、下向き溶接でアーク溶接を先行させレーザ溶接を後行させた場合には、溶着金属がレーザ光によって落下し、溶接不良を生じる。また、第一比較例及び第二比較例のように、下向き溶接でレーザ溶接を先行させた場合であっても、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示したように、裏側にビードが大きく突出したり、表側にアンダーカットやアンダーフィル等の溶接欠陥を生じたりすることとなる。

ビードが大きく突出した場合には、その部分を機械加工する必要があり、作業工程及び作業時間が増加してしまう。また、溶接欠陥を生じた場合には、手作業で溶接欠陥を修正しなければならない。

それに対して、本実施形態のように、横向き溶接でレーザ溶接を先行させた場合には、図３（Ｃ）及び図３（Ｄ）に示したように、裏側に突出するビードの膨らみを小さくすることができ、表側のビードにおいてもアンダーカットやアンダーフィル等の溶接欠陥のない高品質な溶接を行うことができる。

上述した本実施形態に係るハイブリッド溶接装置及びハイブリッド溶接方法によれば、第一継手Ｊ１及び第二継手Ｊ２を上下に配置した状態で、レーザ溶接を先行させアーク溶接を後行させながら横向きに溶接していることから、先行するレーザ溶接によって溶融した母材（溶融金属）を自重により落とし込むことができる。したがって、第一継手Ｊ１と第二継手Ｊ２との間に隙間Δｇを有する場合であっても、その隙間Δｇを溶融した母材（溶融金属）で埋め込むことができ、溶着金属を落下させずに効果的にアーク溶接することができる。

次に、本実施形態に係るハイブリッド溶接方法によって溶接されるワーク４の形状について説明する。ここで、図４は、溶接対象物であるワークの一例を示す断面図であり、（Ａ）は第一例、（Ｂ）は第二例、（Ｃ）は第三例、（Ｄ）は第四例、を示している。

図４（Ａ）に示したワーク４は、例えば、クレーン車や高所作業車等に使用されるブームやジブ等の筒型の鋼材を示したものである。ワーク４は、使用時の姿勢に対して上下に二分割されており、上側ワーク４１は角張ったＵ字形状の断面を有し、下側ワーク４２は丸いＵ字形状の断面を有している。一般に、下側ワーク４２の板厚は、上側ワーク４１の板厚よりも大きく形成されている。第一継手Ｊ１は、上側ワーク４１の両端部によって構成され、第二継手Ｊ２は、下側ワーク４２の両端部によって構成される。

図４（Ｂ）に示したワーク４は、例えば、鋼構造物の柱等に使用される中空の略四角柱形状の鋼材を示したものである。ワーク４は、長手方向に沿って二分割されており、溶接時には、一方を上側に配置して上側ワーク４１とし、他方を下側に配置して下側ワーク４２とする。上側ワーク４１及び下側ワーク４２は、同じ形状を有しており、それぞれ角張ったＵ字形状の断面を有している。第一継手Ｊ１は、上側ワーク４１の両端部によって構成され、第二継手Ｊ２は、下側ワーク４２の両端部によって構成される。

図４（Ｃ）に示したワーク４は、例えば、配管等に使用される中空の円筒形状の鋼材を示したものである。ワーク４は、長手方向に沿って二分割されており、溶接時には、一方を上側に配置して上側ワーク４１とし、他方を下側に配置して下側ワーク４２とする。上側ワーク４１及び下側ワーク４２は、同じ形状を有しており、それぞれ半円形状の断面を有している。第一継手Ｊ１は、上側ワーク４１の両端部によって構成され、第二継手Ｊ２は、下側ワーク４２の両端部によって構成される。

なお、上述したワーク４は単なる一例であり、これらの形状に限定されるものではない。すなわち、第一継手Ｊ１は、略Ｕ字形状又は略半円形状の断面を有する鋼材の断面における両端部によって構成され、第二継手Ｊ２は、第一継手Ｊ１の両端部と対峙する両端部を備えた断面を有する鋼材によって構成されていればよい。

また、図４（Ｄ）に示したワーク４は、例えば、配管等に使用される中空の円筒形状の鋼材を示したものである。ワーク４は、長尺の鋼板を円形状に折り曲げて形成されており、溶接時には、両端の継ぎ目を横向きに配置する。第一継手Ｊ１は、上側に配置される鋼板の端部によって構成され、第二継手Ｊ２は、下側に配置される鋼板の端部によって構成される。このように、ワーク４は、長手方向の片側にのみ溶接部を有するものであってもよい。

次に、図４（Ａ）に示したワーク４のように、鋼材の左右両側に溶接部を有する場合における溶接方法について説明する。ここで、図５は、本発明の他の実施形態に係るハイブリッド溶接方法を示す図であり、（Ａ）は第二実施形態、（Ｂ）は第三実施形態、を示している。なお、各図において、レーザ溶接装置２及びアーク溶接装置３の図は簡略化してある。

図５（Ａ）に示した第二実施形態に係る溶接方法は、ワーク４の左右に位置する二つの溶接線を同一方向に向かって同時に溶接するようにしたものである。また、図５（Ｂ）に示した第三実施形態に係る溶接方法は、ワーク４の左右に位置する二つの溶接線を反対方向に向かって同時に溶接するようにしたものである。これらの溶接方法を行うハイブリッド溶接装置１は、レーザヘッド２１及び溶接トーチ３１をワーク４に沿って水平方向に移動させる移動手段５を備えている。

移動手段５は、ワーク４の両側に平行に配置されたレール５１と、レール５１上を走行する台車５２と、を備えている。台車５２は、レーザヘッド２１及び溶接トーチ３１を支持する支持部材５３と、台車５２を自走させる駆動モータ５４と、を備えている。なお、台車５２の駆動手段は図示した構成に限定されるものではない。

図５（Ａ）に示した第二実施形態では、ワーク４の左右両側に配置された台車５２は、レール５１上の同じ側（図の左側）にセットされており、同期させながら同じ方向に移動される。図５（Ｂ）に示した第三実施形態では、ワーク４の左右両側に配置された台車５２は、レール５１上の反対側（図の左側と右側）にセットされており、同期させながら反対方向に移動される。

このように、ワーク４の左右両側に配置された溶接部を横向き溶接で同時に溶接することにより、溶接時間を短縮することができるとともに、ワーク４の溶接時の入熱における変形を低減することができる。なお、片側にのみ溶接部を有するワーク４の場合には、レール５１及び台車５２を有する移動手段５をワーク４の片側にのみ配置すればよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

１ ハイブリッド溶接装置
２ レーザ溶接装置
３ アーク溶接装置
４ ワーク
５ 移動手段
２１ レーザヘッド
２２ レーザ発振器
２３ 光ファイバ
３１ 溶接トーチ
３２ 溶接ワイヤドラム
３３ 溶接ワイヤ送給装置
４１ 上側ワーク
４２ 下側ワーク
５１ レール
５２ 台車
５３ 支持部材
５４ 駆動モータ
Ｊ１ 第一継手
Ｊ２ 第二継手

Claims (9)

1. レーザ溶接とアーク溶接とを併用して第一継手と第二継手とを突合せ溶接するハイブリッド溶接方法において、
   前記第一継手及び前記第二継手のうち板厚の大きい方を下側に配置し、前記第一継手及び前記第二継手を上下に配置した状態で、前記レーザ溶接を先行させ、前記アーク溶接を後行させながら横向きに溶接する、
   ことを特徴とするハイブリッド溶接方法。
2. 前記第一継手及び前記第二継手は、溶接線に沿って少なくとも一部に隙間を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド溶接方法。
3. 前記レーザ溶接によって溶融した母材で前記隙間を埋め込みながら前記アーク溶接を行う、ことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド溶接方法。
4. 前記レーザ溶接に使用されるレーザ光の光径は、前記隙間の最大値より大きく設定され、前記アーク溶接に使用される溶加材の直径は、前記隙間の最大値より小さく設定されている、ことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド溶接方法。
5. 前記レーザ溶接時におけるレーザ光の入射角度は略９０°である、ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド溶接方法。
6. 前記第一継手は、略Ｕ字形状又は略半円形状の断面を有する鋼材の断面における両端部によって構成され、前記第二継手は、前記第一継手の前記両端部と対峙する両端部を備えた断面を有する鋼材によって構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド溶接方法。
7. 前記鋼材の左右に位置する二つの溶接線を同一方向に向かって同時に溶接する、ことを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド溶接方法。
8. 前記鋼材の左右に位置する二つの溶接線を反対方向に向かって同時に溶接する、ことを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド溶接方法。
9. レーザ溶接とアーク溶接とを併用して第一継手と第二継手とを突合せ溶接するハイブリッド溶接装置において、
   溶接部にレーザ光を照射するレーザヘッドと、
   溶接部に溶加材を供給する溶接トーチと、を含み、
   前記レーザヘッドは、横向き溶接可能かつ溶接方向の上流側に配置され、
   前記溶接トーチは、横向き溶接可能かつ溶接方向の下流側に配置されており、
   前記第一継手及び前記第二継手は、板厚の大きい方が下側になるように上下に配置されており、
   前記第一継手及び前記第二継手を横向きに溶接する、
   ことを特徴とするハイブリッド溶接装置。