JP2007038267A - 溶接装置および溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ポロシティの発生を防止しつつ、深い溶け込み溶接を達成できる溶接装置を提供する。
【解決手段】 重ね合わされた金属材１００間の隙間量ｔを測定する電流供給装置３０、制御装置４０および力測定部５０と、測定した隙間量ｔが適正値になるように、隙間量ｔを増大または低減して、隙間量ｔを矯正する加圧部６０およびコイル６２と、隙間量ｔが矯正された金属材１００上にレーザ光を集光して照射するレーザ光照射部２０と、を有する溶接装置１０。
【選択図】 図２

Description

本発明は、溶接装置および溶接方法に関し、特に、ポロシティや未融着部分の発生を防止できる溶接装置および溶接方法に関する。

金属材の溶接方法として、レーザ溶接が知られている。レーザ溶接では、重ね合わされた金属材に対して、レーザ光を集光して照射する。レーザ光は高エネルギ密度を有する。したがって、金属材表面に激しい蒸発が起こり、蒸気反力としてキーホールと呼ばれる穴が形成される。キーホールに入ったレーザ光は反射損失が小さくなるので、キーホールは次第に深くなる。これにより、深い溶け込み溶接ができる。レーザ光の照射を止めると、金属材はすぐに融点以下になり、凝固するので、凝固速度が比較的速い（特許文献１参照）。

しかし、溶け込み深さが深いことや、凝固速度が速いため、溶接金属中に気泡（ポロシティ）が発生する問題がある。特に、亜鉛メッキ鋼板同士を溶接する場合にポロシティが多く発生する。その原因は、亜鉛の融点が約４２０度であり、約１５３５度の鉄の融点に比べて大幅に低いことにある。この融点の差により、溶融金属の凝固が始まっても、亜鉛蒸気が発生し、溶融金属内に残ってしまう。

上記ポロシティの問題は、溶接対象となる鋼板同士が密着していなければ、抑制できると考えられている。そこで、亜鉛メッキ鋼板同士を溶接する場合、鋼板同士の間に隙間を確保して、該隙間を亜鉛蒸気の外部排出用の誘導路として利用する技術が知られている（たとえば、特許文献２参照）。
特表平１０−５０５７９１号公報 特開２００４−３３０２９２号公報

しかし、上記の技術を採用しても、次のような問題がある。

亜鉛メッキ鋼板を溶接する場合、重ね合わせる鋼板の精度によっては、隙間量がレーザ溶接可能な隙間量０．３ｍｍを超えてしまい、レーザ溶接自体が達成できなくなる場合がある。

これに対し、加圧ローラや加圧ピンなどにより隙間量を矯正しながらレーザ溶接を実行することも考えられる。しかし、鋼板自体や部品精度のばらつきにより、隙間矯正力が一様でないため、隙間量が一定にならない。すなわち、部分的に隙間量がなくなってポロシティが発生したり、隙間量が大きすぎて未融着部分発生したりすることがある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ポロシティの発生を防止しつつ、深い溶け込み溶接を達成できる溶接装置および溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の溶接装置は、重ね合わされた金属材間の隙間量を測定する隙間量測定手段と、測定した前記隙間量が適正値になるように、前記隙間量を増大または低減して、前記隙間量を矯正する矯正手段と、前記隙間量が矯正された前記金属材上にレーザ光を集光して照射するレーザ光照射手段と、を有する。

本発明の溶接方法は、重ね合わされた金属材間の隙間量を測定する測定工程と、測定した前記隙間量が適正値になるように、前記隙間量を増大または低減して、前記隙間量を矯正する矯正工程と、前記隙間量が矯正された前記金属材上にレーザ光を集光して照射するレーザ照射工程と、を含む。

本発明の溶接装置によれば、矯正手段により金属材間の隙間量を適正値に矯正するので、隙間量が不適切なことによるポロシティや未融着部分の発生を防止しつつ、レーザ光による深い溶け込み溶接を達成できる。

本発明の溶接方法によれば、金属材間の隙間量を適正値に矯正するので、隙間量が不適切なことによるポロシティや未融着部分の発生を防止しつつ、レーザ光による深い溶け込み溶接を達成できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は重ね合わせた金属材を示す図である。

金属材は、たとえば、鉄板に亜鉛がコーティングされてなる亜鉛メッキ鋼板である。

２枚の金属材１００を重ね合わせた場合、図１に示すように、金属材１００の精度により、一部で隙間がなかったり（隙間量ｔ＝０）、隙間量ｔが適正値でなかったりする。本実施形態の溶接装置は、重ね合わせたときの隙間量ｔが適正値でなくても、隙間量ｔを矯正して適切に重ね溶接できる。

図２は溶接装置の概略構成図、図３は力測定部を示す図、図４は加圧部を示す図である。

溶接装置１０は、レーザ光照射部２０、電流供給装置３０、制御装置４０、力測定部５０、加圧部６０、観察部（観察手段）７０、溶接トーチ８０を有する。

電流供給装置３０（電流供給手段）、制御装置（演算手段）４０および力測定部（力測定手段）５０は、隙間量測定手段として機能する。

レーザ光照射部２０、電流供給装置３０、制御装置４０、力測定部５０、加圧部６０、観察部７０、溶接トーチ８０は、フレーム９０により保持されている。溶接装置１０は、溶接方向、たとえば、図１に矢印で示す方向に進行する。

レーザ光照射部２０は、図示しないレーザ発振装置により発生されたレーザ光を、集光レンズで細く絞って、重ね合わされた金属材１００上に照射する。

電流供給部は、各金属材１００に電流を供給する装置である。電流供給部は、金属材１００の枚数分端子が設けられている。各端子は、それぞれ金属材１００に接続されている。電流供給部は、異なる大きさの電流を各金属材１００に供給する。電流供給部は、制御装置４０に接続されている。

制御装置４０は、力測定部５０、加圧部６０、観察部７０および溶接トーチ８０に接続されており、各構成を制御する。

力測定部５０は、レーザ光が集光される金属材１００上の溶接部位よりも、溶接方向前方にフレーム９０に取り付けられている。力測定部５０は、図３に示すように、先端にピン５２が設けられている。ピン５２は、常に先端が金属材１００に接触するように、揺動自在に保持されている。ピン５２は、金属材１００から加えられる力により揺動する。したがって、ピン５２の位置を測定することによって、金属材１００に作用している力を測定できる。測定結果は、制御装置４０に送信される。

加圧部６０は、力測定部５０の側方に取り付けられている。加圧部６０は、先端が半球状に形成されており、コイル６２（磁石）が内蔵されている。コイル６２を内蔵した加圧部６０は、金属材１００間の隙間量を矯正する矯正手段として機能する。加圧部６０は、必要に応じて、金属材１００を加圧して金属材１００間の隙間量を低減し、または、コイル６２に発生した磁力により金属材１００をひきつけ、金属材１００間の隙間量を増大する。

観察部７０は、レーザ光が照射されている溶接部位が溶接良好か溶接不良かを観察するセンサである。溶接良好か溶接不良かは、観察部７０により撮影された画像に基づいて制御部により判断される。観察部７０は、たとえば、特開２００３−１０３３８７号公報に開示されているように、レーザ溶接の際に金属材１００表面に発生するプラズマプルームの発光を観察する。制御部は、プラズマプルームの信号強度に基づいて、溶接の良否を判定できる。

溶接トーチ８０は、レーザ光が集光されている溶接部位よりも、溶接方向後方にフレーム９０に取り付けられている。溶接トーチ８０は、電極からアークを発生するミグ溶接用の消耗式トーチである。溶接トーチ８０は、ワイヤ（溶融用金属材料）を電極として、一定速度でトーチのコンタクトチップから供給して、金属材１００との間でアークを発生する。そして、溶接トーチ８０は、アークの熱で金属材１００を溶融しつつ、ワイヤ自身も溶融して、溶融箇所に溶融金属を供給しつつ金属材１００を溶接する。ここで、アークおよび溶融金属は不活性ガスによって空気より保護される。なお不活性ガスとしてはアルゴンガス、ヘリウムガスなどを用いる。

（作用）
次に、溶接装置１０の作用を説明する。

図５は、溶接装置の動作の流れを示すフローチャートである。

溶接装置１０は、図２に示す矢印方向に進みながら、亜鉛メッキ鋼板を溶接する。以下では、金属材１００上に渉る溶接部位のうち、一箇所の溶接部位に注目し、該溶接部位上を進行する溶接装置１０の作用を説明する。

まず、電流供給装置３０により、各金属材１００に電流が流される（ステップＳ１）。電流が流された金属材１００には、磁界ｍ１、ｍ２が発生する。したがって、クーロンの法則により、金属材１００間に隙間ｔがあると、次式のように、力Ｆが発生する。ｋは定数である。

そして、溶接部位上に力測定部５０が位置するように、フレーム９０が移動される（ステップＳ２）。フレーム９０の移動は、制御装置４０により制御される。制御部には、加工プログラムが予め入力されている。

力測定部５０は、溶接部位へのレーザ照射に先行して、上記式（１）により発生する力Ｆを測定する（ステップＳ３）。制御部は、測定した力Ｆを式（１）に代入して、金属材１００間の隙間ｔを算出する（ステップＳ４）。なお、磁界ｍ１、ｍ２は、各金属材１００に供給する電流値に基づいて、予め算出されており、定数ｋは予め制御部に記憶されている。

制御部は、求めた隙間量ｔが適正値、たとえば、３ｍｍであるかを判断する（ステップＳ５）。

隙間量ｔが３ｍｍでない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、制御部は、さらに、隙間量ｔが３ｍｍ未満かが否かを判断する（ステップＳ６）。

隙間量が３ｍｍ未満である場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、溶接部位上に加圧部６０が位置するように、フレーム９０が移動される（ステップＳ７）。そして、制御部は、加圧部６０に内蔵されたコイル６２に電流を流し、発生した磁力により手前の金属材１００を引き付け、金属材１００間の隙間量ｔを増大させ、適正値３ｍｍに矯正する。

隙間量が３ｍｍ未満ではない場合（ステップＳ６：ＮＯ）、すなわち、隙間量が３ｍｍより大きい場合、溶接部位上に加圧部６０が位置するように、フレーム９０が移動される（ステップＳ９）。そして、制御部は、加圧部６０により金属材１００を加圧し、金属材１００間の隙間量ｔを適正値３ｍｍに矯正する（ステップＳ１０）。

一方、隙間量が３ｍｍの場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、加圧部６０は、金属材１００に作用せずに、溶接部位上を通り過ぎる。隙間量ｔを矯正する必要がないからである。ステップＳ１１の処理に進む。

続けて、溶接部位上にレーザ光照射部２０が位置するように、フレーム９０が移動される（ステップＳ１１）。レーザ光照射部２０は、溶接部位にレーザ光を照射する（ステップＳ１２）。レーザ照射により、金属材１００の表面に蒸発が起き、キーホールが形成される。キーホール内においてレーザ光が反射し、深く金属材１００が溶融される。

このとき、観察部７０は、レーザ溶接の様子を観察する（ステップＳ１３）。制御装置４０は、観察部７０により検出した溶接の様子に基づいて、レーザ溶接が良好であるか否かを判断する（ステップＳ１４）。

レーザ溶接が不良である場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、溶接部位上に溶接トーチ８０が位置するように、フレーム９０が移動される（ステップＳ１５）。そして、溶接トーチ８０は、レーザ照射が終わった溶接部位に対して、ミグ溶接を実行する（ステップＳ１６）。ここで、溶接トーチ８０は、ワイヤを電極としてアークを発生させ、溶接部位を再度溶融し、同時に溶融したワイヤを補充する。

溶接が良好である場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、溶接トーチ８０は、溶接部位に対して作用せずに、溶接部位上を通り過ぎる。

以上の作用の説明では、広い範囲の溶接部位における特定の溶接箇所に対して、溶接装置１０がどのように作用するかを説明している。したがって、たとえば、ステップＳ３の溶接部位の力の測定と、ステップＳ１２のレーザ溶接とは、該特定の溶接箇所には、同時に実行されていない。しかし、実際は、溶接装置１０は、同時に異なる位置の溶接箇所を処理しているので、特定の溶接箇所に働く力を測定して最中にも、他の溶接箇所にレーザ溶接などの他の処理を実行している。

（効果）
以上のように、本実施形態の溶接装置１０によれば、加圧部６０や該加圧部６０に内蔵されたコイル６２などの矯正手段により金属材１００間の隙間量ｔを適正値に矯正できる。したがって、隙間量ｔが不適切なことによるポロシティや未融着部分の発生を防止しつつ、レーザ光による深い溶け込み溶接を達成できる。

また、溶接装置１０は、電流供給装置３０により各金属材１００に異なる大きさの電流を流している。したがって、金属材１００に異なる磁界を発生させて、クーロンの法則により、金属材１００間の隙間量ｔを容易に算出できる。

さらに、加圧部６０には、通電により磁石となるコイル６２が内蔵されている。したがって、隙間量ｔが大きい場合には、加圧部６０により押圧することにより隙間量ｔを低減し、適正値に矯正できる。一方、隙間量ｔが小さい場合には、コイル６２に通電して一方の金属材１００を引き付けることにより隙間量ｔを増大し、適正値に矯正できる。

溶接装置１０は、レーザ光照射部２０に加えて、溶接良否を観察する観察部７０と、レーザ光照射部２０よりも溶接方向後方に配置された溶接トーチ８０を有する。したがって、観察部７０によりポロシティの発生や未融着などの溶接不良が観察された場合、溶接トーチ８０により再度ミグ溶接できる。したがって、溶接不良を確実に防止できる。

重ね合わせた金属材を示す図である。 溶接装置の概略構成図である。 力測定部を示す図である。 加圧部を示す図である。 溶接装置の動作の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０…溶接装置、
２０…レーザ光照射部、
３０…電流供給装置、
４０…制御装置、
５０…力測定部、
５２…ピン、
６０…加圧部、
６２…コイル、
７０…観察部、
８０…溶接トーチ、
９０…フレーム、
１００…金属材。

Claims (8)

1. 重ね合わされた金属材間の隙間量を測定する隙間量測定手段と、
   測定した前記隙間量が適正値になるように、前記隙間量を増大または低減して、前記隙間量を矯正する矯正手段と、
   前記隙間量が矯正された前記金属材上にレーザ光を集光して照射するレーザ光照射手段と、
   を有する溶接装置。
2. 前記隙間測定手段は、
   前記金属材のそれぞれに、異なる大きさの電流を供給する電流供給手段と、
   前記電流の供給により、前記金属材間に発生する力を測定する力測定手段と、
   測定した前記力に基づいて、前記隙間量を演算する演算手段と、
   を含む請求項１に記載の溶接装置。
3. 前記矯正手段は、
   一方の前記金属材を他方の前記金属材に向かって加圧する加圧部と、
   前記加圧部に設けられた磁石と、
   を含み、
   前記隙間量が適正値より大きいときは、前記加圧部により前記金属材を加圧して該隙間量を前記適正値まで低減し、
   前記隙間量が適正値より小さいときは、前記磁石を作動させて、一方の前記金属材を引き付け、前記隙間量を前記適正値まで増大する請求項１または請求項２に記載の溶接装置。
4. 前記レーザ光照射手段により照射されている溶接部位を観察する観察手段と、
   前記溶接部位よりも溶接方向後方に配置され、前記溶接部位における溶接不良が観察された場合、レーザ照射が終わった前記溶接部位に対してアークを発生させて、前記溶接部位を再度溶融する溶接トーチと、
   前記溶接トーチにより前記溶接部位を溶融する際に、該溶接部位に補充するための溶接用金属材料と、
   をさらに有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接装置。
5. 重ね合わされた金属材間の隙間量を測定する測定工程と、
   測定した前記隙間量が適正値になるように、前記隙間量を増大または低減して、前記隙間量を矯正する矯正工程と、
   前記隙間量が矯正された前記金属材上にレーザ光を集光して照射するレーザ照射工程と、
   を含む溶接方法。
6. 前記測定工程は、
   前記金属材のそれぞれに、異なる大きさの電流を供給する工程と、
   前記電流の供給により、前記金属材間に発生する力を測定する工程と、
   測定した前記力に基づいて、前記隙間量を演算する工程と、
   を含む請求項５に記載の溶接方法。
7. 前記矯正工程では、
   前記隙間量が適正値より大きいときは、加圧部により前記金属材を加圧して該隙間量を前記適正値まで低減し、
   前記隙間量が適正値より小さいときは、磁石により一方の前記金属材を引き付け、前記隙間量を前記適正値まで増大する請求項５または請求項６に記載の溶接方法。
8. 前記レーザ光照射手段により照射されている溶接部位を観察する工程と、
   前記溶接部位における溶接不良が観察された場合、レーザ照射が終わった前記溶接部位に対してアークを発生させて、前記溶接部位を再度溶融する工程と、
   前記溶接トーチにより前記溶接部位を溶融する際に、該溶接部位に溶接用金属材料を補充する工程と、
   をさらに含む請求項５〜７のいずれか一項に記載の溶接方法。

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