JP2008142731A - レーザ溶接方法、レーザ溶接装置およびレーザ重ね溶接継手 - Google Patents

Abstract

【課題】接合強度の向上を図るとともに、生産性の低下を最小限にしたレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】パネル部材Ｗ１，Ｗ２同士を重ね継手によりレーザ溶接する際に、溶接の始端部Ｓおよび終端部Ｅにおいて、レーザ光Ｌの焦点Ｐ２を溶接の始端部Ｓおよび終端部Ｅの間の一般部Ｉの溶接時よりもパネル部材Ｗ１の表面からずらし、パネル部材Ｗ１の表面におけるレーザ光Ｌの照射面積を拡大するとともに、溶接線の単位長さ当りにおけるレーザ光Ｌの照射時間を一般部Ｉよりも長くすることで、一般部Ｉよりもビード幅の広い接合強化部２ｂを形成する。
【選択図】図４

Description

本発明はレーザ溶接方法、レーザ溶接装置およびレーザ重ね溶接継手に関し、特にレーザ光の照射によって得られるビードの両端部における接合強度を向上させたレーザ溶接方法、レーザ溶接装置およびレーザ重ね溶接継手に関する。

レーザ溶接ではレーザ発振器により発振されたレーザ光を被溶接物の表面上における小さな点に集光して溶接を行うため、特に溶加材を用いない場合にはビード幅が極めて狭くなる。そのため、レーザ溶接継手に応力が作用した場合、その応力がビード端部の小さい面積に集中して作用することから、ビード端部を破断の起点として溶接部が連続破断する恐れがある。特に被溶接物として高張力鋼板に代表されるような高強度材を用いた場合には溶接部の接合強度が被溶接物の強度を下回る恐れがあり、上記の問題が特に顕著となる。

そこで、ビードの両端部がビードの中間部に対してほぼ直角となるようにビードを屈曲させ、レーザ溶接継手に応力が作用した場合にビードの両端部における応力集中を分散するようにした技術が特許文献１に記載されている。
特開２００３−２９０９５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ビードの両端部の分だけ溶接線が長くなるほか、ビードを屈曲させる際に溶接速度が低下することから、生産性の大幅な低下が不可避となる。その上、溶接継手の幅を広くする必要が生じるため、材料の使用量の増加によりコスト的に不利となるほか、製品の重量が増加することとなり、好ましくない。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、特に生産性の低下を最小限に抑えつつ、少なくとも溶接の始端部および終端部における接合強度を向上させるレーザ溶接方法とそのレーザ溶接方法に用いるレーザ溶接装置およびレーザ重ね溶接継手を提供することを目的としている。

本発明は、複数枚の金属板同士を重ね合わせた上で、その金属板の表面側からレーザ光を照射しつつ、上記レーザ光と金属板とを相対移動させることにより金属板同士を連続的に溶接するレーザ溶接方法であることを前提としていて、少なくとも溶接の始端部および終端部におけるビード幅が一般部におけるビード幅よりも広くなるように溶接することを特徴としている。

本発明によれば、少なくとも溶接の始端部および終端部におけるビード幅を局部的に広くすることによって、生産性の低下を最小限に留めつつも、レーザ重ね溶接継手に応力が作用した場合に、ビード両端部の破断が防止されて接合強度が向上する。

図１は本発明のより具体的な実施の形態を示していて、閉断面形状の車体部品１を構成する断面ハット形状の二枚のパネル部材Ｗ１，Ｗ２同士を重ね溶接したものである。

より詳細には、各パネル部材Ｗ１，Ｗ２は金属板たる高張力鋼板製であって、そのフランジ部Ｆ１，Ｆ２同士を重ね合わせた上で、後述するレーザ溶接により断続的に形成した各ビード２をもってフランジ部Ｆ１，Ｆ２同士を接合してある。

各ビード２の両端部には接合強化部２ｂがそれぞれ形成されていて、各接合強化部２ｂのビード幅は各接合強化部２ｂの間の一般部２ａのビード幅よりも広くなっている。そして、パネル部材Ｗ１，Ｗ２同士を溶接線方向に引き剥がすような引剥力または溶接線方向のせん断力が作用した場合に、その引剥力またはせん断力がビード２のうちビード幅の広い接合強化部２ｂに作用することでビード２の破断が防止されるようになっている。

図２はパネル部材Ｗ１，Ｗ２同士を溶接して車体部品１を組み立てるためのレーザ溶接装置を示している。また、図３は図２におけるＡ部の拡大図である。

図２に示すように溶接母機として機能する溶接ロボット３のロボットアーム４の先端には焦点位置変更装置５を介してレーザ溶接用の加工ヘッド６が装着されていて、レーザ発振器７から発振されたレーザ光が光ファイバ８を通じて加工ヘッド６へ伝送される。加工ヘッド６は図３に示すように集光光学系によりレーザ光Ｌを適切なサイズに集光してパネル部材Ｗ１の表面上の加工点Ｐ１に照射するとともに、ロボットアーム４が加工ヘッド６を図２の矢印Ｃ方向へ変位させることで連続的に溶接を行うこととなる。

焦点位置変更装置５はロボットアーム４の先端にブラケット９およびリニアスライド機構１０を介して取り付けられているとともに、加圧シリンダ１１のピストンロッド１１ａに連結されている。また、焦点位置変更装置５の外周面には加圧ピン１２が取り付けられていて、加圧シリンダ１１により加圧ピン１２を上側のパネル部材Ｗ１のうち加工点Ｐ１の溶接方向前方側に押し付けるように付勢し、パネル部材Ｗ１，Ｗ２同士が接触するようにパネル部材Ｗ１，Ｗ２を矯正しつつ溶接を行うようになっている。なお、パネル部材Ｗ１，Ｗ２を加圧・矯正する手段としては、上記の加圧ピン１２に代えて回転体である加圧ローラを用いることももちろん可能である。

加工ヘッド６は加工ヘッドマウント１３を介して焦点位置変更装置５に取り付けられている。より詳細には、焦点位置変更装置５はボールねじ１４ａ付きのサーボモータ１４を有しているとともに、ボールねじ１４ａに加工ヘッドマウント１３が螺合されていて、サーボモータ１４によりボールねじ１４ａを回転させることにより加工ヘッドマウント１３が加工ヘッド６とともにレーザ光Ｌの光軸方向、すなわちパネル部材Ｗ１，Ｗ２の板厚方向に変位する。その結果、レーザ光Ｌの焦点Ｐ２の位置がパネル部材Ｗ１，Ｗ２の板厚方向で変化する。なお、ここではレーザ光Ｌの焦点Ｐ２が、加工点Ｐ１に位置する状態をＪＦ、レーザ光Ｌの光軸方向で加工点Ｐ１の加工ヘッド４側に位置する状態をＪＦ＋、レーザ光Ｌの光軸方向で加工点Ｐ１の反加工ヘッド４側に位置する状態をＪＦ−と称する（図４の（ａ）参照）。

図４の（ａ）は溶接の始端部Ｓおよび終端部Ｅを溶接中のレーザ溶接装置を示す図であって、図４の（ｂ）は溶接によって得られたビード２を示す図である。

以上のように構成したレーザ溶接装置では、まずロボットアーム４により加工ヘッド６を溶接の始端部Ｓに位置決めするとともに、加圧ピン１２を上側のパネル部材Ｗ１の表面に押し付け、加圧シリンダ１１により加圧ピン１２を下方に付勢する。その上で、図４の（ａ）に示すようにサーボモータ１４によって加工ヘッド６と焦点位置変更装置５とを相対移動させてＪＦ−となるように加工ヘッド６の位置を調整し、その状態でレーザ光Ｌを所定照射時間だけ照射する。

ここで、焦点Ｐ２の位置をＪＦとなる位置からレーザ光Ｌの光軸方向にずらしてＪＦ−となる位置に設定しているため、パネル部材Ｗ１の表面におけるレーザ光Ｌの照射面積はＪＦの状態でレーザ光Ｌを照射した場合よりも広くなる。

その後、サーボモータ１４によってレーザ光Ｌの焦点Ｐ２の位置をＪＦとなるように変更することで、パネル部材Ｗ１の表面におけるレーザ光Ｌの照射面積を縮小する。同時に、ロボットアーム４によって加工ヘッド６を溶接線に沿って所定の溶接速度で送り移動させることで、レーザ光Ｌとパネル部材Ｗ１，Ｗ２とを相対移動させて溶接の始端部Ｓおよび終端部Ｅの間の一般部Ｉの溶接を連続的に行う。

加工ヘッド６が溶接の終端部Ｅに到達すると、加工ヘッド６の送り移動を停止するとともに、サーボモータ１４によってＪＦ＋となるように加工ヘッド６を上方に変位させる。そして、レーザ光Ｌとパネル部材Ｗ１，Ｗ２との相対移動を停止した状態でレーザ光Ｌを所定照射時間だけ照射した後、レーザ光Ｌの照射を停止して溶接を終了する。なお、溶接の終端部Ｅにおけるレーザ光Ｌの照射面積は始端部Ｓにおけるレーザ光Ｌの照射面積と等しくなるように設定している。

その結果として、図４の（ｂ）に示すようにレーザ光Ｌの照射により得られたビード２の両端部に、一般部２ａのビード幅Ｂ１よりもビード幅Ｂ２が広い接合強化部２ｂが形成される。すなわち、焦点位置変更装置５がビード幅を変化させるビード幅変更手段として機能することとなる。

なお、溶接の始端部Ｓおよび終端部Ｅにおいて、レーザ光Ｌの照射面積を一般部Ｉにおける溶接時よりも拡大することでレーザ光Ｌのエネルギー密度は低下するが、レーザ光Ｌとパネル部材Ｗ１，Ｗ２との相対移動を停止した状態でレーザ光Ｌを所定照射時間だけ照射することで、単位面積当りにおけるレーザ光Ｌの照射時間を一般部Ｉよりも長くして適切な溶込み深さを確保している。

したがって本実施の形態によれば、溶接の始端部Ｓおよび終端部Ｅにおけるビード幅を局部的に広くすることによって、生産性の低下を最小限に留めつつも、レーザ重ね溶接継手に応力が作用した場合に、接合強化部２ｂによりビード２両端部の破断が防止されることから接合強度が向上する。また、溶接線を直線とした場合にあっても十分な接合強度が確保できるため、車体部品１のフランジ幅Ｆを狭くすることができ、材料の使用量が減少してコスト的に有利となるほか、車体の軽量化を図ることができるメリットがある。

さらに、溶接の始端部Ｓおよび終端部Ｅにおいて、焦点をずらした状態でレーザ光Ｌを所定照射時間だけ照射するため、キーホールにその周囲の溶融金属が流入することからクレータの発生を防止できる。

図５は本実施の形態により得られたレーザ重ね溶接継手にせん断試験を行った結果を示すグラフであって、その試験片１５を図６に示している。

図６に示す試験片１５は本実施の形態における溶接方法により高張力鋼板製で平板状の母材Ｗ３，Ｗ４同士を重ね溶接したものであって、加工ヘッド６の送り移動開始前および送り移動停止後のレーザ光Ｌの所定照射時間を０．５ｓに設定して溶接したものと、１．５ｓに設定して溶接したものとを用いている。図５に示す試験結果は試験片１５に図６に示す矢印Ｄ方向の荷重を加えてせん断試験を行った結果であって、従来のように接合強化点２ｂを形成せずに溶接を行ったものと比較している。なお、図５において縦軸は試験片１５のせん断強度を、横軸は溶接速度をそれぞれ示している。

せん断試験の結果、図５に示すように溶接速度が同一の場合には従来の溶接方法によるレーザ重ね溶接継手よりも本実施の形態におけるレーザ重ね溶接継手の方がせん断強度が高くなることが確認された。また、溶接部の強度が母材の強度より高い場合には溶接部が破断する前に母材Ｗ３，Ｗ４が破断することとなるが、その母材破断を得るために従来の溶接方法では溶接速度を０．３ｍ／ｍｉｎまで低下させる必要があるのに対し、本実施の形態における溶接方法で所定照射時間を１．５ｓとした場合には溶接速度が２．４３ｍ／ｍｉｎでも母材破断が得られることが確認された。すなわち、従来の溶接方法で溶接速度を０．３ｍ／ｍｉｎとして溶接をしたレーザ重ね溶接継手と、本実施の形態における溶接方法において所定照射時間が１．５ｓで溶接速度を２．４３ｍ／ｍｉｎとして溶接をしたレーザ重ね溶接継手とが同等の強度を有していることとなる。

図７は従来の溶接方法で溶接速度を０．３ｍ／ｍｉｎとして溶接をした場合における溶接時間と、本実施の形態における溶接方法において所定照射時間が１．５ｓで溶接速度を２．４３ｍ／ｍｉｎとして溶接をした場合における溶接時間とを比較したグラフであって、縦軸は溶接時間を、横軸は溶接長をそれぞれ示している。

本実施の形態における溶接方法では、従来の溶接方法と同等の強度を確保しつつも、図７に示すように従来の溶接方法に対して溶接時間を大幅に短縮することが可能となり、溶接長が長いほど溶接時間の短縮効果がより顕著となることが確認された。

図８は本発明の第２の実施の形態を示す図であって、図８の（ａ）は各接合強化部１６ｂを溶接中のレーザ溶接装置を示す図、図８の（ｂ）は溶接によって形成されたビード１６を示している。

図８の（ａ），（ｂ）に示す第２の実施の形態は、溶接の始端部Ｓおよび終端部Ｅの間の所定位置に接合強化点Ｇを設定し、溶接の始端部Ｓおよび終端部Ｅのほか接合強化点Ｇにも第１の実施の形態と同様にビード１６の一般部１６ａよりもビード幅の広い接合強化部１６ｂを形成したものである。したがって、例えば応力集中が予想される部位に接合強化点Ｇを設定して接合強化部１６ｂを形成することにより、接合強化部１６ｂをより有効に機能させて、レーザ溶接継手の強度をより向上させることができるメリットがある。

本発明の第１の実施の形態としてレーザ溶接により組み立てられた車体部品を示す図。 図１に示す車体部品を組み立てるレーザ溶接装置を示す図。 図２におけるＡ部の拡大図。 車体部品の溶接の過程を示す図であって、同図（ａ）は溶接の始端部および終端部を溶接中のレーザ溶接装置を示す図、同図（ｂ）はレーザ溶接により形成されたビードを示す図。 本実施の形態により溶接したレーザ重ね溶接継手のせん断試験結果を示すグラフ。 図５における試験に用いた試験片を示す図。 本実施の形態における溶接方法と従来の溶接方法との溶接時間を比較するグラフ。 本発明の第２の実施の形態を示す図。

符号の説明

２…ビード
２ａ…一般部
５…焦点位置変更装置（ビード幅変更手段）
１６…ビード
１６ａ…一般部
Ｗ１，Ｗ２…パネル部材（金属板）
Ｗ３，Ｗ４…母材（金属板）
Ｌ…レーザ光
Ｐ２…焦点
Ｓ…始端部
Ｅ…終端部
Ｉ…一般部

Claims (6)

1. 複数枚の金属板同士を重ね合わせた上で、その金属板の表面側からレーザ光を照射しつつ、上記レーザ光と金属板とを相対移動させることにより金属板同士を連続的に溶接するレーザ溶接方法であって、
   少なくとも溶接の始端部および終端部におけるビード幅が一般部におけるビード幅よりも広くなるように溶接することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 少なくとも溶接の始端部および終端部において、上記レーザ光の焦点を一般部の溶接時よりも上記金属板の表面からずらし、上記金属板の表面におけるレーザ光照射面積を拡大してビード幅を広くすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 少なくとも溶接の始端部および終端部において、単位面積当りにおけるレーザ光照射時間を一般部よりも長くすることでビード幅を広くすることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接方法。
4. 少なくとも溶接の始端部および終端部において、上記レーザ光と金属板との相対移動を停止または一般部の溶接時よりも低速とすることにより単位面積当りにおけるレーザ光照射時間を長くすることを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接方法。
5. 請求項２に記載のレーザ溶接方法に用いるレーザ溶接装置であって、
   少なくとも溶接の始端部および終端部でレーザ光のレーザ照射方向における焦点位置を変化させることで、上記金属板の表面におけるレーザ光照射面積を変化させてビード幅を変更するビード幅変更手段を備えていることを特徴とするレーザ溶接装置。
6. レーザ光の照射によって形成したビードをもって金属板同士を接合したレーザ重ね溶接継手において、
   上記ビードのうち少なくとも両端部におけるビード幅が一般部におけるビード幅よりも広くなっていることを特徴とするレーザ重ね溶接継手。

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