JP2008238209A - レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多方向からの溶接強度を確保できるスポット状の溶接部を形成する。
【解決手段】互いに重ねられたワーク１０Ａ，１０Ｂに対し、溶接予定領域に沿ってレーザヘッド２７を矢印Ｂ方向に相対移動させつつ、レンズ２９を角速度ωで揺り動かしながらビームを断続的に照射することにより、スポット状の溶接部を溶接予定領域に沿って形成する。ここで、ビームを照射する際、傾動手段によりレンズ２９が角速度ωで揺り動いていることから、レンズ２９の光軸Ｌが矢印Ｂ方向と反対の方向に傾動されるため、かかる傾動によりビーム照射位置が走査速度と略等速で矢印Ｂ方向と反対の方向に移動され、ビーム照射位置のワーク１０Ａ，１０Ｂに対する相対速度が略０になる。つまり、ビーム照射位置がワーク１０Ａ，１０Ｂ上に停止された状態となり、溶接部の平面形状が真円に近づくことになる。
【選択図】図７

Description

本発明は、レーザビームを照射することにより被加工物にスポット状の溶接部を形成するレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置に関する。

従来、レーザ溶接方法として、互いに重ね合わされた複数の被加工物に対し、レーザ光源を溶接予定領域に沿って相対移動させながらレーザ光源からレーザビームを断続的に照射することにより、スポット状の溶接部を被加工物に形成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−３２８２７７号公報

ところで、一般的に、レーザビームを照射してスポット状の溶接部を形成する場合、多方向からの溶接強度を確保するために、溶接部の平面形状は真円に近いことが望ましい。しかし、上述したようなレーザ溶接方法では、レーザ光源を被加工物に対して相対移動しながらレーザ光源からレーザビームを照射することから、場合によっては、かかる相対移動に伴って、溶接部の平面形状が相対移動の方向に長くなり、相対移動の方向を長軸とする楕円形状となるおそれがある。

そこで、本発明は、多方向からの溶接強度を確保できるスポット状の溶接部を形成することが可能なレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るレーザ溶接方法は、互いに重ね合わされた複数の被加工物に対し、レーザ光源を溶接予定領域に沿って相対移動させながらレーザ光源からレーザビームを断続的に照射することにより、スポット状の溶接部を被加工物に形成する工程を含み、溶接部を形成する工程では、レーザビームを照射する際に、被加工物におけるレーザビームの照射位置が停止されるように、レーザビームを相対移動の方向と反対の方向に傾動させることを特徴とする。

また、本発明に係るレーザ溶接装置は、互いに重ね合わされた複数の被加工物に対し、レーザ光源を溶接予定領域に沿って相対移動させながらレーザ光源からレーザビームを断続的に照射することにより、スポット状の溶接部を被加工物に形成するレーザ溶接装置であって、レーザ光源を被加工物に対して相対移動させる駆動手段と、レーザビームを相対移動の方向と反対の方向に傾動させる傾動手段と、レーザ光源及び傾動手段の動作を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、レーザ光源からレーザビームを照射させる際に、被加工物におけるレーザビームの照射位置が停止されるように、傾動手段を制御してレーザビームを相対移動の方向と反対の方向に傾動させることを特徴とする。

このような本発明では、レーザビームを照射する際に被加工物におけるレーザビームの照射位置が停止されるように、レーザビームを相対移動の方向と反対の方向に傾動させるため、レーザビーム照射中のレーザ光源の相対移動により溶接部の平面形状が相対移動の方向に長くなることを抑制することができる。従って、本発明によれば、溶接部の平面形状を円形に近づけることができ、多方向からの溶接強度を確保できるスポット状の溶接部を形成することが可能となる。

ここで、溶接部を形成する工程では、レーザビームを照射する際に、被加工物に向けて集光するレンズの光軸を相対移動の方向と反対の方向に傾動させることにより、被加工物におけるレーザビームの照射位置を停止させることが好ましい。また、傾動手段は、レーザビームを被加工物に向けて集光するレンズの光軸を傾動する手段を有し、制御手段は、レーザ光源からレーザビームを照射させる際に、レンズの光軸を相対移動の方向と反対の方向に傾動させることにより、被加工物におけるレーザビームの照射位置を停止させることが好ましい。これらの場合、被加工物におけるレーザビームの照射位置を停止するのを好適に実現できる。

本発明によれば、多方向からの溶接強度を確保できるスポット状の溶接部を形成することが可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接装置を示す概略図であり、図２は溶接後のワークの溶接予定領域に沿った側断面図である。図１に示すように、レーザ溶接装置１は、例えば鉄道車両構体に用いる板状部材である外板パネル及び骨部材（以下、これらを「ワーク（被加工部材）１０Ａ，１０Ｂ」と称す）を重ね溶接するためのものである。ここでは、レーザ溶接装置１は、互いに重ねられたワーク１０Ａ，１０Ｂに対し、溶接予定領域Ｒに沿ってレーザビームを断続的に照射することにより、平面形状が略円形（スポット状）の溶接部Ｗ１〜Ｗ７（図２参照）を溶接予定領域Ｒに沿って所定間隔だけ互いに離間して形成する。なお、以下の説明においては、溶接予定領域Ｒがワーク１０Ａ，１０Ｂの略中央部分に直線状に延在する場合について例示する。

このレーザ溶接装置１は、送り装置２１と、ワーク固定装置２２と、レーザ照射装置２３と、ガス供給装置２４とを備えている。これらの各装置２１〜２４は、上位の制御部（図示しない）に接続され、この制御部から出力される動作指示情報に従って、各動作を自動で実行する。

送り装置２１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂへのレーザビームの照射位置を走査させる装置であり、ワーク１０Ａ，１０Ｂを載置可能な可動ステージ（駆動手段）２５を有している。この送り装置２１は、制御部から走査開始を指示する旨の動作指示情報を受け取ると、可動ステージ２５を矢印Ａ方向に一定の速度で走査させる。これにより、レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂに対して矢印Ｂ方向に相対移動する。ここでの可動ステージ２５の走査する速度（以下、単に「走査速度」という）は、約１０ｍ／ｍｉｎとしている。

ワーク固定装置２２は、ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する装置であり、長尺の押さえ板２６ａを有する加圧治具２６を複数（ここでは２つ）有している。このワーク固定装置２２は、制御部から動作開始を指示する動作指示情報を受け取ると、可動ステージ２５に載置されたワーク１０Ａ，１０Ｂの上方から長尺の加圧治具２６を下降させる。そして、長尺の押さえ板２６ａによって、溶接予定領域Ｒを挟んだワーク１０Ａ，１０Ｂの両端部分を可動ステージ２５に押し付けることにより、溶接予定領域Ｒ近傍のワーク１０Ａ，１０Ｂの密着性を向上させる。

レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに対して断続的にレーザビームを照射する装置であり、ワーク１０Ａ，１０Ｂの上方に配置されるレーザヘッド（レーザ光源）２７を有している。

図３及び図４に示すように、レーザヘッド２７は、レンズ２９を有しており、ここでは、レンズ２９として、外形が平面視において円形を呈する凸レンズを用いている。レーザヘッド２７は、制御部からの照射開始を指示する動作指示情報を受け取ると、レーザビームをレンズ２９によりワーク１０Ａ，１０Ｂに向けて集光しつつ、このレーザビームを先端（図中の下端）から出射する。レーザヘッド２７には、制御装置（制御手段）１４が接続されており、この制御装置１４により、レーザビームの照射のＯＮ／ＯＦＦが制御される。

また、レンズ２９は、その外周部がハウジング３１により覆われ保護されている。ハウジング３１の外周面には、水平方向及び溶接予定領域Ｒに沿う方向と交差（ここでは垂直）する方向に延在する軸３２，３２が互いに同軸にして固定されている。これにより、レンズ２９にあっては、その焦点が溶接予定領域Ｒに沿う方向に往復運動（振動）するように、溶接予定領域Ｒに沿って揺動可能に軸支されている。つまり、レンズ２９の光軸が矢印Ｂ方向（レーザヘッド２７のワーク１０Ａ，１０Ｂに対する相対移動と反対の方向）に傾動可能になっている。この軸３２は、図示しないベアリングによりレーザヘッド２７に回転可能に支持されている。

軸３２の長手方向における一端部には、ギア３３が設けられている。ギア３３には、モータ３４の駆動軸３５におけるギア３６が連結されている。モータ３４は、駆動軸３５をその軸線方向を軸として回動（周期的な正逆回転）し、レンズ２９を軸３２回りに揺り動かす。これにより、レンズ２９の光軸が矢印Ｂ方向に沿う方向に傾動され、レーザビームが矢印Ｂ方向に沿う方向に傾動されることになる。このモータ３４には、制御装置１４が接続されている。なお、軸３２とギア３３，３６と駆動軸３５とモータ３４とが傾動手段を構成する。

図１に戻り、制御装置１４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等により構成され、ＲＯＭに保持されるソフトウエアをＣＰＵで実行することにより、レーザヘッド２７の動作を制御する。また、この制御装置１４は、モータ３４の駆動を制御してレンズ２９の揺動を制御することにより、レンズ２９の光軸の傾動を制御してレーザビームの傾動を制御する。ここでは、制御装置１４は、レンズ２９を角速度ω且つ約±５°の範囲で揺動させ、ワーク１０Ａ，１０Ｂにおけるレーザビームの照射位置（以下、単に「レーザ照射位置」という）の速度を走査速度と略等速で矢印Ｂ方向に沿う方向に移動させる。

ガス供給装置２４は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに対してアシストガスを供給する装置であり、ワーク１０Ａ，１０Ｂに対して約４５度傾斜するように配置された供給ノズル２８を有している。ガス供給装置２４は、レーザ照射装置２３の動作中に制御部から供給開始を指示する動作指示情報を受け取ると、所定の供給量でレーザビームの照射位置にアシストガスを供給する。アシストガスとしては、ワーク１０Ａ，１０Ｂの酸化防止及びスパッタ防止等を目的として、ヘリウムガス又はアルゴンガス等が用いられる。

次に、説明したレーザ溶接装置１の動作について説明する。まず、ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に重ねて載置し、上方から加圧治具２６を下降させてワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する。

続いて、レーザ照射位置を溶接予定領域Ｒの始点に合わせ、制御部からワーク固定装置２２、レーザ照射装置２３、送り装置２１、及びガス供給装置２４の各装置に動作指示情報を出力し、レーザ照射、ワーク送り、及びアシストガスの供給を開始する。ワーク１０Ａ，１０Ｂを溶接予定領域Ｒに沿って走査してレーザヘッド２７を矢印Ｂ方向に相対移動させつつ、制御装置１４により傾動手段を制御してレンズ２９を角速度ωで揺り動かしながらレーザビームの照射と非照射とを所定間隔で繰り返す（つまり、レーザビームを断続的に照射する）。これにより、溶接部Ｗ１〜Ｗ７が溶接予定領域Ｒに沿って所定間隔で形成され、溶接予定領域Ｒに沿って溶接部Ｗが形成されることとなる。

次に、レーザビームを照射する際の動作について、溶接部Ｗ１を形成する場合を例示して詳細に説明する。図７（ａ）に示すように、レーザヘッド２７をワーク１０Ａ，１０Ｂに対し矢印Ｂ方向に相対移動しつつ、制御装置１４によりレーザビーム照射をＯＮとしてレーザヘッド２７からレーザビームの照射を開始し、レーザ照射位置にてワーク１０Ａ，１０Ｂを溶融・蒸発させる。

続いて、図７（ｂ）に示すように、引き続きレーザヘッド２７を矢印Ｂ方向に相対移動しつつ、レーザビームの照射を続ける。この際、傾動手段によりレンズ２９が角速度ωで揺り動いていることにより、レンズ２９の光軸Ｌが矢印Ｂ方向と反対の方向に傾動されながらレーザビームが引き続き照射される（つまり、レーザビームを照射する際にレーザビームを矢印Ｂ方向と反対の方向に傾動させる）。よって、かかる傾動により、レーザ照射位置が走査速度と略等速で矢印Ｂ方向と反対の方向に移動され、ワーク１０Ａ，１０Ｂに対するレーザ照射位置の相対速度が略０になり、レーザビームの照射を開始したときのレーザ照射位置（図７（ａ）でのレーザ照射位置）にてレーザ照射位置が停止された状態となる。これにより、レーザビームの照射を開始したときのレーザ照射位置にて、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶融・蒸発を進行させる。

続いて、図７（ｃ）に示すように、引き続きレーザヘッド２７を矢印Ｂ方向に相対移動しつつ、傾動手段によりレンズ２９の光軸Ｌを矢印Ｂ方向と反対の方向に傾動させながらレーザビームを引き続き照射する。これにより、レーザビーム照射位置を走査速度と略等速で矢印Ｂ方向と反対の方向に引き続き移動させて、レーザ照射位置を図７（ａ）でのレーザ照射位置に引き続き停止させ、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶融・蒸発をさらに進行させる。その後、制御装置１４によりレーザビームの照射をＯＦＦとしてレーザヘッド２７からレーザビームの照射を停止し、溶接部Ｗ１の形成が完了する。

以上、本実施形態では、レーザビームを照射する際、ワーク１０Ａ，１０Ｂにおけるレーザビームの照射位置が停止されるように、レーザビームを矢印Ｂ方向（相対移動の方向）と反対の方向に傾動させるため、レーザビーム照射中のレーザヘッド２７の相対移動により溶接部Ｗ１〜Ｗ７の平面形状が矢印Ｂ方向に長くなってしまうのを抑制することができる。従って、本実施形態によれば、溶接部Ｗ１〜Ｗ７の平面形状を円形に近づけることができ、多方向からの溶接強度を確保できるスポット状の溶接部Ｗ１〜Ｗ７を形成することができる。

また、本実施形態では、上述したように、レーザビームを照射する際、ワーク１０Ａ，１０Ｂにおけるレーザビームの照射位置を停止させるように、制御手段１４により傾動手段を制御してレンズ２９の光軸Ｌを相対移動の方向（矢印Ｂ方向）と反対の方向に傾動させるため、ワーク１０Ａ，１０Ｂにおけるレーザビームの照射位置を停止するという上記作用を好適に実現することができる。

また、本実施形態では、溶接部Ｗ１〜７がワーク１０Ｂの一面側に露出しない非貫通の溶接部であるため、ワーク１０Ｂでの溶接痕が目立たないようにすることができると共に、溶接部が一面側に露出する貫通の溶接部である場合に比して、ワーク１０Ａ，１０Ｂへの入熱を低減することできる。

また、本実施形態では、レンズ２９を揺動する際の角度の範囲、揺動の角速度、又は走査速度を適宜に調整することで、溶接部Ｗ１〜Ｗ７の間の間隔を所望に設定することができる。

ところで、溶接部Ｗ１〜Ｗ７の平面形状が楕円状となるのを抑制するため、レーザビームの照射時間を短くする場合が考えられるが、この場合、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶け込みが不十分となってしまうおそれがある。そこで、本実施形態では、上述したように、レーザ照射位置が停止されるように、レーザビームを相対移動の方向と反対の方向に傾動させながら照射するため、照射位置にてワーク１０Ａ，１０Ｂに対する実質的なレーザビームの照射時間が長くなり、よって、十分な溶け込み量を確保できる。

なお、レーザ照射位置が停止されるようにレーザビームを照射するため、可動ステージ２５の走査を一旦停止させる場合もあるが、この場合、可動ステージ２５の質量が重いこと、及び溶接部Ｗ１〜Ｗ７の間隔が比較的狭いこと等から、イナーシャが大きくなり可動ステージ２５を精度よく停止させることが困難である。これに対し、本実施形態では、上述したように、傾動手段によりレーザビームを傾動してレーザ照射位置を停止させるため、レーザビーム照射中において照射位置が精度よく且つ好適に停止されることになる。

ちなみに、本実施形態ではレンズ２９を傾動することから、収差の影響が懸念されるが、本実施形態では、上述した構成及び動作（例えば、レンズ２９を約±５°の範囲で揺動する等）とすることで、収差の影響が無く溶接部Ｗの溶接品質も良好である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、軸３２とギア３３，３６と駆動軸３５とモータ３４とにより傾動手段を構成したが、ピエゾ素子を用いたピエゾ機構により傾動手段を構成してもよい。この場合、具体的には、図４及び図５に示すように、傾動手段は、レンズ２９のハウジング３１に設けられた一対の凸部４１，４１と、バネ４２と、ピエゾ４３と、を含んで構成されている。

凸部４１，４１は、ハウジング３１の外周面の対向する位置にそれぞれ設けられ、径方向外側に突出している。また、凸部４１，４１は、水平面の高さが互いに違う端違いに配置されている。これらの凸部４１，４１のうち、図５に示すように、低い位置に配置された凸部４１ａにおける上面には、ハウジング３１に設置されたバネ４２が上下方向に付勢するように取り付けられている。一方、高い位置に配置された凸部４１ｂにおける下面には、ハウジング３１に設置され制御装置１４が接続されたピエゾ４３が上下方向に伸縮するように当接している。これにより、ピエゾ４３をその圧電効果により伸縮することで、レンズ２９の光軸を矢印Ｂ方向と反対の方向に傾動させ、レーザビームを矢印Ｂ方向と反対の方向に傾動させることとなる。なお、傾動手段として、カムを用いたカム機構及び電磁石を用いた電磁石機構等の種々の傾動機構を採用してもよい。

また、上記実施形態では、可動ステージ２５を走査してレーザヘッド２７をワーク１０Ａ，１０Ｂに対して相対移動させたが、レーザヘッドを移動してレーザビームをワークに対して相対移動してもよい。また、上記実施形態では、レンズ２９を傾動したが、レーザヘッド自体を傾動してもよい。

また、上記実施形態では、照射方向視において溶接予定領域Ｒを直線状としたが、曲線状の溶接予定領域であってもよく、矩形や円形であっても勿論よい。

本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接装置を示す概略図である。 溶接後のワークの溶接予定領域に沿った側断面図である。 図１のレーザ溶接装置の傾動手段を示す概略斜視図である。 図１のレーザ溶接装置の傾動手段を示す概略上面図である。 図１のレーザ溶接装置の傾動手段における他の例を示す概略斜視図である。 図１のレーザ溶接装置の傾動手段における他の例を示す概略側面図である。 図１のレーザ溶接装置のレーザビームを照射する間の動作について説明するための図である。

符号の説明

１…レーザ溶接装置、１０Ａ，１０Ｂ…ワーク（被加工物）、１４…制御装置（制御手段）、２５…可動ステージ（駆動手段）、２７…レーザヘッド（レーザ光源）、２９…レンズ、３２…軸（傾動手段）、３３，３６…ギア（傾動手段）、３４…モータ（傾動手段）、３５…駆動軸（傾動手段）、４１…凸部（傾動手段）、４２…バネ（傾動手段）、４３…ピエゾ（傾動手段）、Ｌ…レンズの光軸、Ｒ…溶接予定領域、Ｗ，Ｗ１〜Ｗ７…溶接部。

Claims (4)

1. 互いに重ね合わされた複数の被加工物に対し、レーザ光源を溶接予定領域に沿って相対移動させながら前記レーザ光源からレーザビームを断続的に照射することにより、スポット状の溶接部を前記被加工物に形成する工程を含み、
   前記溶接部を形成する工程では、
   前記レーザビームを照射する際に、前記被加工物における前記レーザビームの照射位置が停止されるように、前記レーザビームを前記相対移動の方向と反対の方向に傾動させることを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記溶接部を形成する工程では、
   前記レーザビームを照射する際に、前記被加工物に向けて集光するレンズの光軸を前記相対移動の方向と反対の方向に傾動させることにより、前記被加工物における前記レーザビームの照射位置を停止させることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 互いに重ね合わされた複数の被加工物に対し、レーザ光源を溶接予定領域に沿って相対移動させながら前記レーザ光源からレーザビームを断続的に照射することにより、スポット状の溶接部を前記被加工物に形成するレーザ溶接装置であって、
   前記レーザ光源を前記被加工物に対して相対移動させる駆動手段と、
   前記レーザビームを前記相対移動の方向と反対の方向に傾動させる傾動手段と、
   前記レーザ光源及び前記傾動手段の動作を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記レーザ光源から前記レーザビームを照射させる際に、前記被加工物における前記レーザビームの照射位置が停止されるように、前記傾動手段を制御して前記レーザビームを前記相対移動の方向と反対の方向に傾動させることを特徴とするレーザ溶接装置。
4. 前記傾動手段は、レーザビームを前記被加工物に向けて集光するレンズの光軸を傾動する手段を有し、
   前記制御手段は、前記レーザ光源から前記レーザビームを照射させる際に、前記レンズの光軸を前記相対移動の方向と反対の方向に傾動させることにより、前記被加工物における前記レーザビームの照射位置を停止させることを特徴とする請求項３記載のレーザ溶接装置。

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