JP2002321076A - 重ねられた2つ以上の金属シートをレーザ溶接する方法および装置、ならびに、この方法で使用されるシートクランプ装置 - Google Patents
重ねられた2つ以上の金属シートをレーザ溶接する方法および装置、ならびに、この方法で使用されるシートクランプ装置Info
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Abstract
形成した状態で2つの金属シートをレーザ溶接する方法
および装置を提供する。 【解決手段】 低蒸発温度の材料からなる保護層を有す
る2つのシート1,2は、溶接の際に生じる前記保護層
の蒸気が逃げられるようにシート間に隙間G1が形成さ
れた後にレーザ溶接される。前記隙間G1は、溶接の際
にシート1,2をクランプする装置5の押圧によってシ
ートに生じる弾性変形状態から始まる一方のシートの弾
性復元で得られる。第1段階で、前記クランプ装置5
は、上述した一方のシートを弾性変形させることによっ
てシート1,2を完全に接触した状態にするために閉じ
る。第2段階で、前記クランプ装置5は、シート1,2
間に所定寸法の隙間G1が形成されるように、所定位置
に到達するまで制限された範囲だけ再び開く。
Description
ートをレーザ溶接するための方法および装置に関する。
溶接は、特に自動車産業において自動車の車体やその部
品を生産するために、従来からの電気スポット溶接に代
わるものとして長い間提案されている。1990年頃か
ら始まったレーザ溶接技術の最初の普及の後(例えばコ
マウ(Comau)の欧州特許EP−B−0 440 001
参照)、この技術の適用は、亜鉛めっきシート、すなわ
ち、例えば亜鉛めっきによって付着させた亜鉛保護層で
コーティングされたシートからなる自動車の車体の使用
が増加したために、止められてきている。亜鉛は419
℃の溶融温度と906℃の蒸発温度を有するのに対し、
シートを構成する鋼は一般に約1530℃の溶融温度を
有する。シートを溶接するためには鋼が溶融した状態に
する必要があり、これは亜鉛蒸気が存在する中で溶接が
行われることを意味する。電気スポット溶接の場合に
は、このような蒸気はいかなる実質的欠陥も発生させな
い。なぜなら、シートの鋼はシート間の接触領域(この
領域は最大電気抵抗率を有する)で溶け始め、しかも、
溶接電極がシートに圧力をかけるために、溶融金属(mel
ting bath)の余分と亜鉛蒸気がシート接触領域から排出
されるからである。これに対し、レーザ溶接の場合、溶
融金属はレーザビームが向けられたシートの外面で形成
され始める。一般に鍵穴形状をなす溶融金属領域がシー
ト間の接触領域まで進むとすぐに、このときにこの領域
で発生した亜鉛蒸気が溶融金属によって構成されるより
低い抵抗のルートを通って外側に逃げる。これにより、
溶融した金属の飛び散りが発生し、溶接接合部の質およ
び強度が害されるとともに、製品の美的外観が損なわれ
る。
策が提案されてきている。最初の解決策は、亜鉛蒸気が
外側に逃げることができる隙間を重ねられたシート間に
形成するように、溶接領域における少なくとも一方のシ
ートの形状を変えることである(例えば、米国特許US
−A−4 682 002およびUS−A−4 916
284参照)。亜鉛蒸気の排出のための隙間を形成す
るためにシート間に間隔部材を設けるという同様の解決
策もある(WO−A−99/08829、JP−A−5
31855)。
の解決策はすべて、上述したような隙間部分を形成する
必要があるか、または、追加の間隔部材を適用しなけれ
ばならないので、従来の作業サイクルに対して追加の操
作を必要とするという欠点があり、これには時間がかか
るとともに生産コストを増加させることになる。
な方法で上述した技術的問題を解決することにある。
に本発明は、互いに重ねられた2つ以上の金属シートを
レーザ溶接する方法であって、前記シートの少なくとも
1つは他のシートと接触する表面に保護層を有し、前記
保護層は前記シートを形成する材料の溶融温度よりも低
い蒸発温度を有する材料からなり、前記溶接されるシー
トは、重ねられたシートを互いに対して押圧するため
に、非作動状態と作動状態との間で移動可能なクランプ
手段によって溶接操作の際にクランプされ、クランプさ
れて重なったシートの溶接領域にレーザビームを向ける
ことによって溶接が行われる方法において、前記クラン
プ手段が非作動状態から互いに対してシートを押圧する
作動状態になったとき、このシートがこのシートと隣接
するシートとの間に隙間が形成される無負荷状態から、
この隙間がなくなってシートが溶接領域において互いに
完全に接触した変形状態への弾性変形を受けるように前
記シートの少なくとも1つは形成または配置(arranged)
されており、溶接操作が行われる前に、前記クランプ手
段は、第1段階で、前記弾性変形のために、溶接される
シート間の完全な接触を可能にするように非作動状態か
ら作動状態に持って来られ、第2段階で、前記第1段階
で弾性変形したシートの弾性復元を利用することにより
溶接されるシート間に所定寸法の隙間を再度形成するよ
うに、所定の制限された長さだけ非作動状態側に戻って
移動するように制御され、前記クランプ手段は、溶接が
行われる間、前記第2段階で到達した状態に保持され、
これにより溶接の際に発生した保護材料の蒸気が前記隙
間から逃げることができるようにしたことを特徴とする
方法を提供するものである。
ねられた亜鉛めっきシートのレーザ溶接の際に発生する
亜鉛蒸気の排出の問題をうまく解決することができる。
上述した従来技術の場合と同様に、蒸気はシート間に形
成された隙間から逃がされ、これにより上記欠点の原因
を与えることになる蒸気の溶融金属内の通過を助長すす
ることがない。しかし、従来技術の場合には蒸気排出の
ための隙間は溶接前に少なくとも1つのシートに永久変
形を与えるか、または、シート間に間隔部材を挿入する
ことによって得られるのに対し、本発明の場合にはシー
トが永久変形を受けることがなく、かつ、間隔手段が設
けられることもない。実際、本発明の場合には、完全に
接触した状態から少なくとも1つのシートが弾性復元す
ることが利用される。ここでは、このシートは一時的
に、シートの弾性変形性能を利用してクランプ手段によ
って、所定位置が得られるまでクランプ手段を部分的に
再度開くことで達成される少しの変形状態にされる。こ
の方法により、シート間に所定寸法の隙間を得ることが
可能になり、この隙間は溶接溶融金属を通過することな
く亜鉛蒸気を外側に逃がすのに利用される。
ランプ手段には、前記第1段階の最後でシートが完全に
接触した状態になったことを検出するようにしたセンサ
手段が設けられている。このセンサ手段は、この状態が
達成されたことを直接または間接に検出するいかなるタ
イプのセンサで構成されてもよく、例えば、(閾値を超
えたことを検出する)力または圧力センサ、(可動部が
停止したことを検出する)クランプ手段の可動部の速度
センサ、(この装置が電気的に駆動される場合には)前
記クランプ手段を制御する電気モータの動作センサ、前
記モータで消耗される電流のセンサ、あるいは、他のい
かなるタイプのセンサであってもよい。
ランプ手段は、所定位置に制御される駆動手段によって
非作動位置と作動位置との間で移動可能な少なくとも1
つの可動部材を備えている。
用される溶接装置にも向けられる。本発明の溶接装置
は、互いに溶接されるシートを溶接操作の際にクランプ
するクランプ手段を備え、前記クランプ手段は互いに対
して前記シートを押圧するために非作動状態と作動状態
との間で移動可能であり、クランプされて重なったシー
トの溶接領域にレーザビームを向けるようにしたレーザ
溶接手段をさらに備えた装置において、前記クランプ手
段が非作動状態から互いに対してシートを押圧する作動
状態になったとき、前記シートがこのシートと隣接する
シートとの間に隙間が形成される状態から、この隙間が
なくなってシートが溶接領域において互いに完全に接触
した変形状態への弾性変形を受けるように前記シートの
少なくとも1つは形成または配置されており、前記装置
は前記クランプ手段を駆動する駆動手段をさらに備え、
前記クランプ手段は上述した第1および第2段階にした
がって制御されることを特徴とするものである。
したように、クランプ手段には、シートが完全に接触し
た状態になったことを検出するようにしたセンサ手段が
設けられており、前記駆動手段は前記第1段階の最後に
おいてシートが完全に接触した状態でクランプ手段を停
止させる制御手段によって制御される。
は、非作動位置と作動位置との間で移動可能な少なくと
も1つの可動部材を備えており、前記制御手段は、所定
位置が達成されたことをセンサ手段が検出した第2段階
の最後で前記可動部材を停止させる。
ュエータ、圧電アクチュエータ、形状記憶合金アクチュ
エータ、または、他の手段からなってもよい。
本発明の方法に使用されるクランプ装置自体にも向けら
れる。本発明のクランプ装置は、前記重ねられたシート
を互いに対して押圧するために、非作動状態と作動状態
との間で移動可能な少なくとも1つのクランプ可動部材
と、前記クランプ可動部材を駆動する駆動手段と、前記
クランプ装置が前記シートを互いに完全に接触させて保
持した状態を検出するようにしたセンサ手段と、前記セ
ンサ手段から信号を受信する制御手段とを備え、前記制
御手段は、第1段階で、前記クランプ部材が非作動状態
から作動状態に持って来られて、前記シートが互いに完
全に接触した状態になったことが検出されたときに停止
され、第2段階で、前記クランプ部材が前記センサ手段
で検出される所定位置に到達するまで制限された長さだ
け非作動状態側へ戻って移動するように、前記駆動手段
を制御することを特徴とする。
限的な例として与えられた添付図面を参照して後述する
説明からより明らかになるであろう。
最初の概略的表現を提供する。これらの図において、符
号1a,2aでそれぞれ示される亜鉛保護層をそれぞれ
設けた2つの鋼シート1,2を示す。各図は、シートが
互いに溶接されるべき領域の近傍のシートの部分だけを
示す。このため、シート1,2は、レーザビームによっ
て重ねられた位置で互いに溶接される2つのフランジ
3,4を有する。図1ないし4は、溶接されるシート
1,2の他に、溶接を行うために互いに対してシート
1,2のフランジ3,4をクランプするクランプ装置5
を示す。これらの図は、溶接領域で2つのフランジ3,
4に向けられるレーザビームを集束させる装置からなる
溶接用手段を示していない。
ジ3,4は、一般に、レーザ溶接部Wを提供するよう
に、レーザビームがクランプ装置5間の領域でシートに
対して向けられる際に複数のクランプ装置5によってク
ランプされる。図1には、シートに対する溶接レーザビ
ームの方向を示す矢印Lが概略的に示されている。レー
ザ溶接装置の構成の詳細および溶接される構造物に対し
てレーザビームを移動させる手段の構成の詳細は、ここ
では図示されない。なぜなら、それらはいかなる公知の
方法で構成されることができるとともに、それらの詳細
自体は本発明の範囲には入らないからである。また、図
面からそれらの詳細を削除することは、後の理解をより
簡単かつ容易にする。同様のことがクランプ装置5につ
いても当てはまる。このタイプのクランプ装置は、通
常、従来からの電気スポット溶接が行われる際に車体を
構成する金属シートをクランプするために自動車産業に
おいて使用されている。クランプ装置の具体的構成は、
クランプされるシートの形状や適用手段(application m
eans)に応じて大きく変わってもよい。クランプ装置5
は、通常、1つのシートのための基準支持面(reference
and supporting plane)7を形成する構造物6(図面で
はシート2のフランジ4を支持するものとして図示され
ている)と、開放非作動位置(図1)と閉鎖作動位置
(図2)との間で構造物6に対して軸9を中心に回転可
能に取り付けられたクランプ可動部材9とを有する。ク
ランプ装置の例は、コマウ(Comau)の欧州特許EP−B
−0 909607において見いだすことができる。こ
の構造物6は、固定されてもよいし、または、溶接され
る構造の領域でクランプ装置を自己センタリング(self
centering)するための制限された移動が可能であっても
よい。さらに、クランプ装置は、支持部7を形成するた
めに非作動位置と作動位置との間で移動可能な第2の可
動部材を備えていてもよい。
材8を移動させる駆動手段を示していない。駆動手段
は、図5のブロック図において符号10で示される。ク
ランプ装置を駆動するために使用される最も有用な技術
は、流体シリンダの使用である。しかし、電気的駆動を
有するクランプ装置もまた開発されてきている。これら
の装置は、一般に、出力軸が減速ギヤユニットを介して
クランプ装置の可動部材に連結されている電気モータを
備えている。この構成は、上述したように流体シリンダ
を含む流体アクチュエータ、圧電アクチュエータ、形状
記憶合金アクチュエータまたは他のいかなるタイプのア
クチュエータにより構成される駆動手段を使用する可能
性が排除されないのであれば、ここに示される本発明の
実施形態の場合において特に有利である。
具体的にはクランプ装置の可動部材8には、具体的に図
示される例においては、力または圧力センサ11と位置
センサ12の両方が接続されている。これらのセンサは
いかなる公知の方法で構成されてもよいので、センサ1
1,12の構成および配置の詳細はここでは示されな
い。位置センサは、可動部材8と、駆動手段を可動部材
に接続する運動学的連鎖の部材との両方に直接つながっ
ていてもよい。センサ11,12は、電気制御ユニット
13に出力信号を送信することができる。電気制御ユニ
ット13は、センサ11,12から受信する信号および
後述する所定のロジックにしたがって駆動手段10を制
御する。
徴は、溶接されるシートの少なくとも1つ(ここで図示
される例ではシート1)が、クランプ部材8が係合する
ことによって、シート1,2の重ねられたフランジ3,
4間に隙間Gが形成されている無負荷状態から、前記隙
間Gが無くなってフランジ3,4が完全に接触した状態
(図2,3)へと弾性変形するように形成または構成(a
rranged)されていることにある。
は、非制限的な例として与えられている。この形状は、
クランプ装置が閉じることによって少なくとも1つのシ
ートが弾性変形を受けるとともに、既述した弾性変形が
生じていないときには重ねられたシート間に隙間が形成
されていれば、完全に異なっていてもよい。
つのシート1,2が配置された後、制御手段13は、ク
ランプ装置5を閉じてフランジ3,4間を完全に接触さ
せるように(図2,3)、駆動手段10を制御する。こ
の状態は、所定レベルの圧力に達したことを圧力センサ
11が制御手段13に通知したときに検出される。上述
したように、この状態はシート1の弾性変形によって達
成される。実際に、図示する例の場合、シート1のフラ
ンジ3は、フランジ4に接触する縁部3aを有するとと
もに、この縁部から始まって上方に向いた傾斜部を有す
る。シート1はシート4上の接触領域を中心に回転する
ことができないより複雑な構造(例えば図6参照)の一
部を形成するものであるから、クランプ部材8によって
適用される圧力は弾性変形を生じさせる。
2)になると、制御手段13は、2つのフランジが所定
寸法の隙間G1を形成する所定位置(図4)に達するま
で、クランプ部材8を非作動位置側へ制限された長さだ
け戻して移動させるように、駆動手段10を制御する。
制御手段13によって特定される。図示する例の場合、
この結果は、クランプ部材8に主要部8Aとこの主要部
8Aに対してスライド移動可能な活動部8Bとを設ける
ことにより達成される。しかし、クランプ部材8全体を
後方に回転させることによって要求される結果が得られ
ると考えることもできる。
される。当然に、隙間G1の存在は、溶接を阻害しな
い。なぜなら、レーザビームが作用する領域では溶接溶
融金属(welding melted bath)がこの隙間を部分的に満
たすからである。
成する外側および内側の金属シートの溶接に本発明の方
法を適用した例を示す図6を参照すると、溶接装置は部
分Wに沿ってレーザ溶接を行うように駆動される。図7
ないし9は、本発明の方法の開始段階、溶接されるフラ
ンジが完全に接触している中間段階(図8)、および、
溶接が実行されるときにフランジが部分的に隙間をあけ
ている段階(図9)の各段階における溶接されるシート
の形状を具体的に示す。
方法で構成されてもよいので、溶接装置およびレーザビ
ーム移動手段の構造は示されていない。当然に、レーザ
ビームに対して溶接部品が移動する場合においても本発
明の適用は排除されない。
溶接前にシートを永久変形させるのに必要な操作がな
く、しかも、フランジ間に間隔部材を追加する必要もな
く、簡単で効率的な方法でもって、レーザビームにより
溶接される2つの亜鉛めっき鋼シート間に隙間G1を設
けるものである。レーザ溶接が行われる間、隙間G1の
存在は亜鉛蒸気が逃げるのを可能にし、これにより蒸気
は溶接溶融金属を通過しなければならないということが
なく、いかなる溶接欠陥も生じさせない。
ているとき、および、一方のシートだけが保護層を有し
ているときの両方に適用可能であることは明らかであ
る。
用されてもよい。
成の詳細および実施形態は、本発明の範囲から外れるこ
となく、例示の方法で説明および図示されてきたものに
関して広く変えられてもよい。
鋼シート、および、この方法で使用される非作動状態に
あるクランプ装置の概略側面図。
動状態にある図。
略部分側面図。
VII-VII線で切った拡大断面図。
造を示す図。
造を示す図。
置、6…構造物または支持部、7…基準支持面、8…ク
ランプ可動部材、8A…主要部、8B…活動部、9…
軸、10…駆動手段、11…圧力センサ、12…位置セ
ンサ、13…電気制御ユニット、G,G1…隙間、L…
レーザビーム。
Claims (14)
- 【請求項1】 互いに重ねられた2つ以上の金属シート
(1,2)をレーザ溶接する方法であって、前記シート
(1,2)の少なくとも1つは他のシートと接触する表
面に保護層を有し、前記保護層は前記シートを形成する
金属の溶融温度よりも低い蒸発温度を有する材料からな
り、前記溶接されるシート(1,2)は、重ねられたシ
ート(1,2)を互いに対して押圧するために、非作動
状態と作動状態との間で移動可能なクランプ手段(5)
によって溶接操作の際にクランプされ、クランプされて
重なったシート(1,2)の溶接領域(W)にレーザビ
ーム(L)を向けることによって溶接が行われる方法に
おいて、 前記クランプ手段(5)が非作動状態から互いに対して
シート(1,2)を押圧する作動状態になったとき、こ
のシート(1)がこのシートと隣接するシート(2)と
の間に隙間(G)が形成される無負荷状態から、この隙
間がなくなってシート(1,2)が溶接領域において互
いに完全に接触した変形状態への弾性変形を受けるよう
に前記シート(1,2)の少なくとも1つは形成または
配置されており、 溶接が行われる前に、前記クランプ手段(5)は、第1
段階で、前記弾性変形のために、溶接されるシート
(1,2)の完全な接触を可能にするように非作動状態
から作動状態に持って来られ、第2段階で、前記第1段
階で弾性変形したシート(1)の弾性復元を利用するこ
とにより溶接されるシート(1,2)間に所定寸法の隙
間(G1)を再度形成するように、所定の制限された長
さだけ非作動状態側に戻って移動するように制御され、 前記クランプ手段(5)は、溶接の間、前記第2段階で
到達した状態に保持され、これにより溶接の際に発生し
た保護層の蒸気が前記隙間(G1)から逃げることがで
きるようにしたことを特徴とする方法。 - 【請求項2】 前記クランプ手段(5)には、前記第1
段階の最後で前記シート(1,2)が完全に接触した状
態になったことを検出できるセンサ手段が設けられてい
ることを特徴とする請求項1に記載の溶接方法。 - 【請求項3】 前記クランプ手段(5)は、所定位置に
制御される駆動手段によって非作動位置と作動位置との
間で移動可能な少なくとも1つの可動部材(8)を有す
ることを特徴とする請求項2に記載の溶接方法。 - 【請求項4】 互いに重ねられた2つ以上の金属シート
をレーザ溶接する装置であって、少なくとも1つのシー
トは他のシートと接触する表面に保護層を有し、前記保
護層の材料は前記シートを形成する材料の溶融温度より
も低い蒸発温度を有し、前記装置は、 互いに溶接されるシート(1,2)を溶接操作の際にク
ランプするクランプ手段(5)を備え、前記クランプ手
段(5)は互いに対して前記シート(1,2)を押圧す
るために非作動状態と作動状態との間で移動可能であ
り、 クランプされて重なったシート(1,2)の溶接領域
(W)にレーザビーム(L)を向けることができるレー
ザ溶接手段をさらに備えた装置において、 前記クランプ手段(5)が非作動状態から互いに対して
シート(1,2)を押圧する作動状態になったとき、前
記シート(1)がこのシートと隣接するシート(2)と
の間に隙間(G)が形成される無負荷状態から、この隙
間がなくなってシート(1,2)が溶接領域において互
いに完全に接触した変形状態への弾性変形を受けるよう
に前記シート(1,2)の少なくとも1つは形成または
配置されており、 前記装置は前記クランプ手段(5)を駆動する駆動手段
(10)をさらに備えており、 前記クランプ手段(5)は、第1段階で、前記弾性変形
のために、溶接されるシート(1,2)の完全な接触を
可能にするように非作動状態から作動状態に持って来ら
れ、第2段階で、前記第1段階で弾性変形したシート
(1)の弾性復元を利用することにより溶接されるシー
ト(1,2)間に所定寸法の隙間(G1)を再度形成す
るように、所定の制限された長さだけ非作動状態側に戻
って移動するように制御され、 前記クランプ手段(5)は、溶接の間、前記第2段階で
到達した状態に保持され、これにより溶接の際に発生し
た保護層の蒸気が前記隙間(G1)から逃げることがで
きるようにしたことを特徴とする装置。 - 【請求項5】 前記クランプ手段(5)には前記シート
が完全に接触した状態を検出するようにしたセンサ手段
(11)が設けられており、前記駆動手段(10)は、
前記センサ手段(11)から出力信号を受信して前記第
1段階の最後において前記シートが完全に接触した状態
で前記クランプ手段(5)を停止させる制御手段(1
3)によって制御されることを特徴とする請求項4に記
載の溶接装置。 - 【請求項6】 前記クランプ装置(5)は、非作動位置
と作動位置との間で移動可能な少なくとも1つの可動部
材(8)を備え、前記制御手段(13)は所定位置に到
達したことを検出したときに前記第1段階の最後で前記
クランプ手段(5)を停止させることを特徴とする請求
項5に記載の溶接装置。 - 【請求項7】 前記駆動手段(10)は、電気モータ、
流体アクチュエータ、圧電アクチュエータ、形状記憶合
金アクチュエータなどから選択されることを特徴とする
請求項6に記載の溶接装置。 - 【請求項8】 溶接されることになる重ねられた2つ以
上の金属シート(1,2)をクランプする装置におい
て、 前記重ねられたシート(1,2)を互いに対して押圧す
るために、非作動状態と作動状態との間で移動可能な少
なくとも1つのクランプ可動部材(8)と、 前記クランプ可動部材(8)を駆動する駆動手段(1
0)と、 前記クランプ装置が前記シート(1,2)を互いに完全
に接触させて保持した状態を検出できる圧力センサ手段
(11)と、 前記センサ手段(11)から信号を受信する制御手段
(13)とを備え、 前記制御手段(13)は、 第1段階で、前記クランプ部材(8)が非作動状態から
作動状態に持って来られて、前記圧力センサ手段(1
1)で検出される圧力が所定値になったことを検出した
とき停止され、 第2段階で、前記クランプ部材(8)が所定位置に到達
するまで制限された長さだけ非作動状態側へ戻って移動
するように、前記駆動手段(10)を制御することを特
徴とする装置。 - 【請求項9】 前記クランプ可動部材(8)は、支持部
(6)に回転可能に連結された主要部(8A)と、前記
主要部(8A)にスライド移動可能に取り付けられた活
動部(8B)とを備え、前記第1段階において前記2つ
の部分(8A,8B)が前記支持部(6)に対して一緒
に回転した後、前記第2段階において前記活動部(8
B)が前記主要部(8A)に対して移動可能であること
を特徴とする請求項8に記載のクランプ装置。 - 【請求項10】 前記クランプ可動部材(8)は、支持
部(6)に回転可能に連結された主要部(8A)と、前
記主要部(8A)に固定連結された活動部(8B)とを
備え、前記第2段階において前記可動部材(8)の全体
構造が非作動状態側へ戻って移動することを特徴とする
請求項8に記載のクランプ装置。 - 【請求項11】 前記支持部(6)もまた、非作動位置
と作動位置との間で移動可能であることを特徴とする請
求項9に記載のクランプ装置。 - 【請求項12】 前記装置の全体構造は、溶接される構
造の自己センタリングのために、制限された調節移動の
可能性をもって取り付けられていることを特徴とする請
求項9に記載のクランプ装置。 - 【請求項13】 請求項1に記載の方法によって重ねら
れて溶接される少なくとも2つの金属シートからなるシ
ート金属構造。 - 【請求項14】 請求項13に記載の構造を有すること
を特徴とする自動車の車体。
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