JP2003205379A - レーザ溶接方法及びレーザ溶接用出射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ光に対してそれぞれ透過性および吸収
性の被溶接材同士をむらなく安定確実に溶接接合するこ
と。 【解決手段】 エアシリンダ３８を往動させることによ
り、スライドブロック３６を下降させ、出射ユニット１
０の先端部を上部被溶接材Ｗ1の上面に当接させる。こ
うして出射ユニット１０が上部被溶接材Ｗ1に上から当
接して押し付けている状態の下でレーザ発振器を発振さ
せ、レーザ光を光ファイバ１４を通して出射ユニット１
０へ導き、出射ユニット１０の先端より出射して被溶接
材Ｗ1，Ｗ2に照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ溶接技術に
係わり、特にレーザ光に対してそれぞれ透過性および吸
収性の被溶接材同士を溶接するためのレーザ溶接方法お
よびレーザ溶接用出射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接は、従来より金属板の接合に
広く用いられているが、最近になって樹脂同士の接合に
も利用されてきている。レーザ溶接で樹脂同士を接合す
る場合、レーザ光に対して一方の樹脂は透過性で他方は
吸収性であることが条件となる。それらの樹脂を重ね合
わせて透過性の樹脂の上からレーザ光を照射すると、レ
ーザ光は透過性の樹脂を通って吸収性の樹脂に入射し、
吸収性の樹脂をレーザエネルギーで溶かす。そうする
と、その溶けた吸収性の樹脂を介して透過性の樹脂側に
もレーザエネルギーが及び、透過性の樹脂も溶ける。レ
ーザの照射を止めると、両樹脂の溶融部分が一体的に凝
固し、溶接接合が得られる。吸収性の樹脂の代わりに金
属等でも接合可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
この種のレーザ溶接法では、溶接結果が位置的にばらつ
いて溶接むらを起こしやすく、たとえば連続シーム溶接
において端から端まで全区間を通じて一定品質で溶接す
ることは非常に難しかった。

【０００４】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、レーザ光に対してそれぞれ透過性および吸収性
の被溶接材同士をむらなく安定確実に溶接接合できるよ
うにしたレーザ溶接方法およびレーザ溶接用出射装置を
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のレーザ溶接方法は、レーザ光に対してそ
れぞれ透過性および吸収性の第１および第２の被溶接材
を重ね合わせ、所望の被溶接箇所またはその付近にて局
所的に前記第１の被溶接材を前記第２の被溶接材に押し
付けながら前記レーザ光を前記第１の被溶接材の上から
前記被溶接箇所に照射して、前記被溶接箇所にて少なく
とも前記第２の被溶接材を溶融させて前記第１の被溶接
材と前記第２の被溶接材とを接合する。

【０００６】本発明のレーザ溶接方法では、レーザ光に
対してそれぞれ透過性および吸収性の第１および第２の
被溶接材を重ね合わせたワークに対して該レーザ光を照
射するに際して、被溶接箇所付近で第１の被溶接材を第
２の被溶接材に押し付けながら両者を密着させるように
したので、ばらつきやむらのない一定品質の溶接接合を
得ることができる。

【０００７】上記の目的を達成するために、本発明のレ
ーザ溶接用出射装置は、レーザ光に対してそれぞれ透過
性および吸収性の第１および第２の被溶接材を重ね合わ
せて、前記第１の被溶接材の上から前記レーザ光を所望
の被溶接箇所に照射して前記被溶接箇所にて前記第１お
よび第２の被溶接材を溶接するためのレーザ溶接用の出
射装置において、前記レーザ光を外に出射するための出
射口を有する出射ユニットと、前記レーザ光の照射時に
前記出射ユニットの出射口付近の先端部を前記第１の被
溶接材に押し当てて前記第１の被溶接材を前記第２の被
溶接材に密着させるための加圧手段とを具備する。

【０００８】上記の構成においては、レーザ光に対して
それぞれ透過性および吸収性の第１および第２の被溶接
材を重ね合わせたワークに対して該レーザ光を照射する
に際して、出射ユニットの出射口付近の先端部を押し当
てて第１の被溶接材を第２の被溶接材に押し付けながら
両者を密着させるようにしたので、ばらつきやむらのな
い一定品質の溶接接合を得ることができる。

【０００９】本発明のレーザ溶接用出射装置において、
シーム溶接をより安定確実に行うために、好ましくは、
出射ユニットの出射口付近に、第１の被溶接材に加圧接
触しながら任意の方向に円滑に移動可能な滑動部材を備
える構成としてよい。この場合、滑動部材が転動体を含
む構成が好ましい。

【００１０】また、加圧手段の好適な一形態として、出
射ユニットを支持するための支持部材と、支持部材を所
定の方向で直線的に案内するための案内部材と、支持部
材にバネ部材を介して結合され、支持部材を前記案内部
材に案内させながら所定の方向で駆動するためのアクチ
エータとを含むものであってよい。

【００１１】また、出射ユニットの出射口が第１の被溶
接材に当接した後のバネ部材の変位量が所定値に達した
時にレーザ光の照射を開始させるためのタイミング信号
を発生する変位量検出手段を具備する構成も好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図を参照して本発明の
好適な実施形態を説明する。

【００１３】図１に、本発明の一実施形態によるレーザ
溶接用出射装置の構成を示す。このレーザ溶接用出射装
置は、溶接用のレーザ光を出射する出射ユニット１０
と、レーザ溶接時にこの出射ユニット１０を被溶接材に
弾性的に押圧するための加圧部１２とを有する。

【００１４】出射ユニット１０は、下端（先端）に開口
部または出射口１０ａ（図２）を有する円筒状のケーシ
ングを有し、上端部に光ファイバ１４の一端部と接続す
るコネクタ１６を取り付け、内部にはコリメータレンズ
１８および集光レンズ２０（図６）を配置している。光
ファイバ１４の他端はレーザ発振器側の入射ユニット
（図示せず）に接続されている。レーザ発振器より発振
出力されたレーザ光ＬＢが、入射ユニットおよび光ファ
イバ１４を通って出射ユニット１０に入り、出射ユニッ
ト１０内の光学レンズ１８，２０を通って出射口１０ａ
より外へ出射されるようになっている。

【００１５】出射ユニット１０の下端部には、図２に示
すように、出射口１０ａを形成する円形の中心開口を有
する円盤状のキャップ部材２２が設けられ、出射口１０
ａを取り囲むように複数個たとえば９０゜間隔で４個の
ボール状転動体２４がキャップ部材２２に取り付けられ
ている。より詳細には、図３に示すように、鋼球２４を
回転可能つまり転動可能に保持する砲金２６がボルト２
８によってキャップ部材２２に取り付けられている。ま
た、キャップ部材２２はリング状のロック部材３０を介
して出射ユニット１０のケーシング下端部に螺着されて
おり、出射ユニット１０のケーシングに対するキャップ
部材２４の突出量を調整できるようになっている。

【００１６】加圧部１２は、出射ユニット１０を支持す
るユニット支持部３２と、このユニット支持部３２に加
圧用のコイルバネ３４を介して結合されたスライドブロ
ック３６と、このスライドブロック３６にピストンロッ
ド３８ａが結合されているエアシリンダ３８と、このエ
アシリンダ３８を固定保持する本体４０とを有する。

【００１７】ユニット支持部３２は、出射ユニット１０
の上端部を把持するようにして支持するユニット支持部
材４２と、このユニット支持部材４２のフランジ部４２
ａ上に並んで垂直に立設された加圧用スライドシャフト
４４および回り止用スライドシャフト４６とで構成され
ている。両スライドシャフト４４，４６は、スライドブ
ロック３６に固定された円筒状のリニアベアリング４
８，５０にそれぞれ摺動可能に支持されている。

【００１８】加圧用スライドシャフト４４の上端には下
部バネ受け部材５２が固着されており、この下部バネ受
け部材５２にコイルバネ３４の下端部が固定されてい
る。コイルバネ３４は、垂直上方に延在して、直上に形
成されたスライドブロック３６のざぐり孔３６ａ内で上
部バネ受け部材５４によりバネ上端部を固定保持されて
いる。上部バネ受け部材５４はボルトからなり、そのネ
ジ軸部はざぐり孔３６ａの天井部に設けられた雌ネジ部
に螺合しながら貫通してキャップ状のバネ圧調整用回転
ツマミ５６に結合されている。

【００１９】スライドブロック３６は、その背面部が本
体４０側のガイド部材５８に摺動可能に支持されてい
る。エアシリンダ３８が作動し、ピストンロッド３８ａ
が前進するとスライドブロック３６がガイド部材５８に
沿って下降し、ピストンロッド３８ａが後退するとスラ
イドブロック３６がガイド部材５８に沿って上昇するよ
うになっている。エアシリンダ３８はたとえば複動形で
あり、その一対のポートが配管６０，６２を介してエア
シリンダ駆動用の空気圧回路（図示せず）に接続されて
いる。本体４０は、一定の場所に固定設置される定置型
であってもよく、あるいはロボットアーム（図示せず）
に取り付けられて、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向およびθ方
向で移動可能な可搬性のものでもよい。

【００２０】スライドブロック３６の前面にはフォトセ
ンサ６４が取り付けられている。下部バネ受け部材５２
には、定常時にフォトセンサ６４をオフ状態にしておく
ための遮光板６６が取り付けられている。フォトセンサ
６４は信号線７０を介して制御回路（図示せず）に接続
されている。これらフォトセンサ６４および遮光板６６
の作用は、後述する装置全体の作用の中で説明する。

【００２１】次に、図１、図４〜図６につき本実施形態
の作用を説明する。

【００２２】先ず、図１に示すように、出射ユニット１
０の出射口の正面たとえば直下に被溶接材Ｗ1，Ｗ2を重
ね合わせてセットする。被溶接材Ｗ1，Ｗ2を固定するた
めにたとえば作業台６８が用いられてよい。被溶接材Ｗ
1，Ｗ2の材質としては、上部被溶接材Ｗ1はレーザ光Ｌ
Ｂを透過するもの（たとえばレーザ光透過性の樹脂）が
選ばれ、下部被溶接材Ｗ2はレーザ光ＬＢを吸収するも
の（たとえばレーザ光吸収性の樹脂）が選ばれる。

【００２３】そのような被溶接材Ｗ1，Ｗ2に対してレー
ザ溶接を行うには、上記のようなセッティング状態の下
で先ずエアシリンダ３８を作動つまり往動させる。そう
すると、ピストンロッド３８ａが前進してスライドブロ
ック３６が下降し、スライドブロック３６に搭載されて
いる加圧用コイルバネ３４、ユニット支持部３２および
出射ユニット１０も一緒に下降する。これによって、出
射ユニット１０の先端部が被溶接材Ｗ1，Ｗ2に近づき、
終いには図４に示すように出射ユニット１０の先端部に
取り付けられている転動体２４が上部被溶接材Ｗ1の上
面に当接する。ここで、出射ユニット１０の出射口１０
ａは、被溶接材Ｗ1，Ｗ2に設定された被溶接箇所Ｐw
（図６）と対向する。

【００２４】上記のようにして出射ユニット１０先端部
の転動体２４が上部被溶接材Ｗ1の上面に当接した後も
エアシリンダ３８は応動または前進を継続する。これに
より、スライドブロック３６がさらに下降し、加圧用コ
イルバネ３４は上部バネ受け部材５４を介してエアシリ
ンダ３８からの加圧を受けて圧縮変形する。こうして、
出射ユニット１０の先端部が上部被溶接材Ｗ1の上面に
当接している状態の下でスライドブロック３６が沈降
し、その沈降距離つまり加圧用コイルバネ３４の変位量
が所定値に達したところで、図５に示すように、下部バ
ネ受け部材５２側の遮光板６６がスライドブロック３６
側のフォトセンサ６６に対して相対的に上方へ退避し、
フォトセンサ６４よりオン信号またはタイミング信号Ｔ
Ｓが発生される。

【００２５】上記のようにしてフォトセンサ６４よりタ
イミング信号ＴＳが発生されると、その信号に応答して
レーザ電源部（図示せず）がレーザ発振器を駆動し、レ
ーザ発振器よりレーザ光ＬＢが発振出力される。レーザ
発振器より発振出力されたレーザ光ＬＢは、光ファイバ
１４を通って出射ユニット１０へ送られる。出射ユニッ
ト１０内では、図６に示すように、光ファイバ１４の先
端面より放射状に出たレーザ光ＬＢがコリメータレンズ
１８で平行光にされてから、集光レンズ２０で集光され
る。

【００２６】出射ユニット１０の出射口１０ａより出射
されたレーザ光ＬＢは、すぐさま上部被溶接材Ｗ1に入
射し、上部被溶接材Ｗ1を透過して下部被溶接材Ｗ2に入
射する。下部被溶接材Ｗ2のレーザ光照射部分はレーザ
光ＬＢのエネルギーによって溶ける。ここで、レーザ光
ＬＢの照射位置つまり被溶接箇所Ｐw付近では、出射ユ
ニット１０側からの加圧力により上部被溶接材Ｗ1が下
部被溶接材Ｗ2に押し付けられ、両被溶接材Ｗ1，Ｗ2は
隙間なく密着している。これにより、下部被溶接材Ｗ2
がレーザエネルギーを吸収して溶融すると、その溶融部
分を介してレーザ光ＬＢのエネルギーが上部被溶接材Ｗ
1にも効率良く伝わり、上部被溶接材Ｗ1側も溶融する。
レーザ光ＬＢの照射が止まると、あるいは照射位置がシ
フトすると、両被溶接材Ｗ1，Ｗ2の溶融部分が一体的凝
固して強固な接合が得られる。

【００２７】なお、出射ユニット１０の先端部に取り付
けられているキャップ部材２２の突出量を変えることに
より、出射ユニット１０内の集光レンズ２０から被溶接
材Ｗ1，Ｗ2までの距離を調整し、被溶接箇所Ｐw付近に
おけるレーザ光ＬＢのビーム径を調整することができ
る。

【００２８】レーザ光ＬＢは、連続発振レーザ光または
パルスレーザ光のいずれでもよく、所定時間の経過後に
被溶接材Ｗ1，Ｗ2への照射を止められる。スポット溶接
の場合は、１つの被溶接箇所Ｐwに対するレーザ光ＬＢ
の照射を終えると、加圧部１２において加圧動作を解除
する。すなわち、エアシリンダ３８を復動させる。エア
シリンダ３８の復動によって、出射ユニット１０が上部
被溶接材Ｗ1から離され、上方の待機位置または原点位
置へ戻される。

【００２９】シーム溶接の場合は、連続発振のレーザ光
ＬＢを出射ユニット１０を通して被溶接材Ｗ1，Ｗ2に照
射しながら、出射ユニット１０を被溶接材Ｗ1，Ｗ2に押
し付けたまま設定ルート（被溶接箇所ルート）に沿って
移動させる。この平面移動は、本体４０を支持するロボ
ット側で行ってよい。出射ユニット１０の先端部に取り
付けられている転動体２４が上部被溶接材Ｗ1上で転動
するので、被溶接材Ｗ1，Ｗ2側に横方向の応力をそれほ
ど与えずに、出射ユニット１０を任意の方向へ円滑に移
動させることができる。しかも、移動中の全ての被溶接
箇所において、出射ユニット１０の先端部が上部被溶接
材Ｗ1に加圧接触して下部被溶接材Ｗ2に密着させるの
で、被溶接材Ｗ1，Ｗ2の間に一定品質の安定強固なシー
ム溶接を施すことができる。

【００３０】本体４０が定置型の場合は、作業台６８を
ＸＹテーブルで構成することで、上記と同様のシーム溶
接を行うことができる。また、被溶接材Ｗ1，Ｗ2は平板
に限るものではなく、たとえば図７に示すように曲面体
であっても上記と同様のシーム溶接を行うことができ
る。スポット溶接においても、出射ユニット１０を垂直
方向で上下移動させる形態に限定されるものではなく、
斜め方向または水平方向の移動で被溶接材に当てる形態
も可能である。

【００３１】上記したように、本実施形態では、溶接用
のレーザ光ＬＢに対してそれぞれ透過性および吸収性の
被溶接材Ｗ1，Ｗ2に該レーザ光ＬＢを照射するに際し
て、出射ユニット１０の先端部を上部被溶接材Ｗ1の上
面に押し当てて上部被溶接材Ｗ1を下部被溶接材Ｗ2に密
着させるようにしたので、ばらつきやむらのない一定品
質の溶接接合を得ることができる。

【００３２】また、本実施形態では、圧縮コイルバネ３
４のバネ力を用いて出射ユニット１０を被溶接材Ｗ1，
Ｗ2に当接ないし押圧させるため、被溶接材Ｗ1，Ｗ2
（特に上部被溶接材Ｗ1）に損傷を与えることなく良好
な密着接触を実現することができる。さらに、出射ユニ
ット１０の先端部に転動体２４を取り付けているため、
シーム溶接においては出射ユニット１０を被溶接材Ｗ
1，Ｗ2に対して適正な押圧力を維持しつつ設定ルートに
沿って円滑移動させることができ、端から端まで全区間
を通して一定品質の良好なシーム接合を得ることができ
る。

【００３３】上記した実施形態における各部の構成また
は要素技術は一例であり、本発明の範囲内で種々の変形
が可能である。

【００３４】たとえば、出射ユニット１０の先端部に取
り付ける転動体２４として、硬球の代わりにキャスタ構
造のホイールや、図８および図９に示すような平行ペア
構造のホイールを用いることも可能である。図８およひ
図９において、７２はピン、７２ａはピン軸（回転
軸）、７４はコロ、７６はＯリングである。スポット溶
接用としては、転動体に代えてゴム等を先端（当接）部
材に用いてもよい。

【００３５】上記の実施例では遠隔のレーザ発振器で発
振出力されたレーザ光を光ファイバ１４を通して出射ユ
ニット１０へ導いた。しかし、光ファイバ１４を省いて
レーザ発振器と出射ユニットを直結する形態も可能であ
る。

【００３６】圧縮コイルバネ３４に代えて他のバネ部材
たとえば引っ張りコイルバや板バネ等も使用可能であ
る。また、バネ部材のバネ変位量を検出するために、マ
イクロスイッチや各種位置センサあるいは圧力センサ等
も使用可能である。エアシリンダ３８に代えて油圧シリ
ンダ、電気モータ等の他のアクチエータを用いることが
できる。

【００３７】上記した実施形態では出射ユニット１０の
先端部を被溶接材に押し付けるようにしたが、出射ユニ
ット１０と隣接する別個の部材を出射ユニット１０に代
わる押圧手段とする構成も可能である。また、出射ユニ
ット１０の出射口またはその付近から高圧のガスを噴射
して、そのガスの圧力を被溶接材に対する押圧手段とす
ることも可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ光に対してそれぞれ透過性および吸収性の被溶接
材同士をむらなく安定確実に溶接接合することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態によるレーザ溶接用出射装
置の構成を示す一部断面側面図である。

【図２】実施形態における出射ユニットの先端部の構成
を示す図である。

【図３】実施形態における転動体の取付構造を示す図で
ある。

【図４】実施形態のレーザ溶接動作における一段階の各
部の状態を示す図である。

【図５】実施形態のレーザ溶接動作における一段階の各
部の状態を示す図である。

【図６】実施形態のレーザ溶接動作における出射ユニッ
トの作用を示す図である。

【図７】実施形態によるシーム溶接の一変形例を示す図
である。

【図８】実施形態における転動体の一変形例を示す平面
図である。

【図９】実施形態における転動体の一変形例を示す部分
断面図である。

【符号の説明】

１０ 出射ユニット １２ 加圧部 １４ 光ファイバ １８ コリメータレンズ ２０ 集光レンズ ２２ キャップ部材 ２４ 転動体 ３２ ユニット支持部 ３４ 加圧用コイルバネ ３６ スライドブロック ３８ エアシリンダ ４０ 本体 ６４ フォトセンサ ６６ 遮光板

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光に対してそれぞれ透過性および
   吸収性の第１および第２の被溶接材を重ね合わせ、所望
   の被溶接箇所付近で局所的に前記第１の被溶接材を前記
   第２の被溶接材に押し付けながら前記レーザ光を前記第
   １の被溶接材の上から前記被溶接箇所に照射して、前記
   被溶接箇所にて少なくとも前記第２の被溶接材を溶融さ
   せて前記第１の被溶接材と前記第２の被溶接材とを接合
   するレーザ溶接方法。
2. 【請求項２】 レーザ光に対してそれぞれ透過性および
   吸収性の第１および第２の被溶接材を重ね合わせて、前
   記第１の被溶接材の上から前記レーザ光を所望の被溶接
   箇所に照射して前記被溶接箇所にて前記第１および第２
   の被溶接材を溶接するためのレーザ溶接用の出射装置に
   おいて、 前記レーザ光を外に出射するための出射口を有する出射
   ユニットと、 前記レーザ光の照射時に前記出射ユニットの出射口付近
   の先端部を前記第１の被溶接材に押し当てて前記第１の
   被溶接材を前記第２の被溶接材に密着させるための加圧
   手段とを具備するレーザ溶接用出射装置。
3. 【請求項３】 前記出射ユニットの出射口付近に、前記
   第１の被溶接材に加圧接触しながら任意の方向に円滑に
   移動可能な滑動部材を備える請求項２に記載の溶接用レ
   ーザ出射装置。
4. 【請求項４】 前記滑動部材が転動体を含む請求項３に
   記載のレーザ溶接用出射装置。
5. 【請求項５】 前記加圧手段が、 前記出射ユニットを支持するための支持部材と、 前記支持部材を所定の方向で直線的に案内するための案
   内部材と、 前記支持部材にバネ部材を介して結合され、前記支持部
   材を前記案内部材に案内させながら前記所定の方向で駆
   動するためのアクチエータとを含む請求項２〜４のいず
   れかに記載のレーザ溶接用出射装置。
6. 【請求項６】 前記出射ユニットの出射口が前記第１の
   被溶接材に当接した後の前記バネ部材の変位量が所定値
   に達した時に前記レーザ光の照射を開始させるためのタ
   イミング信号を発生する変位量検出手段を具備する請求
   項５に記載のレーザ溶接用出射装置。