JP2010005632A - レーザ溶接用隙間制御装置及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度とシール性とを同時に確保し、溶接不良の発生確率を低減させること。
【解決手段】 レーザビームBを集光位置Sに案内するレーザ機構１０と、対象部材を集光位置Sに向けて送り出し方向Uに送り出すと共に前記集光位置Sの一部又は全部で前記対象部材間に予め定められた溶接隙間tを形成させる隙間保持部１２と、前記集光位置Sから集光荷重点距離x分離れ溶接線と平行な荷重点Pで前記対象部材を重ね合わせて加圧する加圧部１４とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接の技術分野に関連し、特に、レーザ重ね合わせ溶接に関する。

レーザ加工は、レーザビームを高エネルギー密度の微少スポットに集光し、対象物を加工する技術である。このレーザ加工として、切断、穴空け、溶接、熱処理などがある。レーザ溶接では、２つの対象部材を突き合わせて突き合わせ面と平行に溶接する突き合わせ溶接や、ヘリ継手のヘリ面に平行に溶接するヘリ溶接や、対象物を重ね合わせて重ね合わせ面に垂直に溶接する重ね合わせ溶接などがある。

特許文献１には、溶接品質の向上を目的として、重ね合わせた対象部材を押圧ローラーにより押圧することで対象部材間の隙間をなくし、この押圧位置にレーザビームを集光する手法が開示されている。
特許文献２には、溶接品質の確保を目的として、重ね合わせたヘリにバリを形成し、このバリにより隙間を形成しつつヘリ溶接する手法が開示されている。
特許文献３には、車両用消音器を簡易に形成することを目的として、中間組立品の外周にプレートを巻き付け、その後、全周をレーザ溶接する手法が開示されている。

特開2004-90054号公報 特開2005-52868号公報 特開2003-138935号公報

溶接品質は、対象部材に形成されるキーホールと関係する。特に、対象部材の表面から裏面までキーホールが貫通する貫通溶接の溶接品質は、表面ビード幅、溶け込み深さ、裏面ビード幅、表面ビード幅と溶け込み深さとの比（アスペクト比）、不活性ガスの効果、対象部材のメッキや表面の不純物の振る舞いなどに影響される。
上記特許文献１では、重ね合わせ溶接にて、隙間を矯正し、押圧位置にて溶接するため、隙間をなくすことで、貫通溶接の安定を図っている。しかしながら、隙間をなくし完全に密着すると、金属表面の付着物（油、金属粉等）が気化・膨張してピンホール等の溶接欠陥の起因となってしまう。すなわち、隙間を完全になくしてしまうと、不純物の影響によるピンホール（ブローホール、ポロシティ、ピット）やスパッタ（ひけ）が発生し、結果、疲労強度不足やシール性の悪化や外観不具合等の溶接不良となってしまう。例えば、亜鉛メッキ鋼板の溶接では、溶け込み不足やアンダーフィルなどの溶接不良が発生しない程度に隙間を保持することが求められる。
特許文献２では、バリによる隙間を形成しつつ、重ね溶接ではなくヘリ溶接することで、ブローホールやひけ等の溶接不良の低減を図っている。しかし、バリを形成するための機構が複雑で、重ね合わせ溶接へ応用することができない。また、ヘリ溶接では、重ね合わせの貫通溶接と同様な強度を確保することが難しい。
特許文献３では、断面が円又は楕円の円筒形状物の製造に際して、中間組立品の外周にプレートを巻き付けた後に全周をレーザ溶接することで簡易な製造を図っている。しかし、外周のプレート間に隙間が残ると貫通溶接を安定させることができず、一方、隙間がないとピンホール等の不具合が生じてしまう。
例えば、ステンレス・シート間に過大（板厚 0.7 [mm] の50%以上）な隙間が生じていると、上側のシートだけが溶け落ちて貫通溶接とならず、穴が開いてしまう。すると、溶接後の目視検査とシール性を検査するリーク試験が不可欠で、密閉性に問題があれば後工程にてアーク溶接等をしなければならなくなる。

［技術的課題１］このように、上記従来例では、重ね合わせ溶接にて貫通溶接を安定させつつ、ピンホールの発生を抑止することができない、という不都合があった。
［技術的課題２］すなわち、上記従来例では、強度とシール性とを同時に確保し、かつ、良好な歩留まりを確保することが難しい、という不都合があった。
［技術的課題３］また、上記従来例では、重ね合わせ溶接の対象物について、強度を保ち、高いシール性を確保しつつ、簡易に製造することができない、という不都合があった。

［発明の目的］本発明の目的は、強度とシール性とを同時に確保し、溶接不良の発生確率を低減させる重ねレーザ溶接用の隙間制御装置又は重ねレーザ溶接方法を提供することにある。

［着眼点］本発明の発明者は、強度とシール性とを両立するには、対象部材間の隙間の役割が重要である、という点に着目した。そして、レーザビームの集光位置と、加圧位置とを最適化することで、上記課題を解決できるのではないか、との着想に至った。

本発明によるレーザ溶接用隙間制御装置は、レーザビームBを集光位置Sに案内するレーザ機構１０と、対象部材を集光位置Sに向けて送り出すと共に前記集光位置Sで前記対象部材間に予め定められた溶接隙間tを形成させる隙間保持部１２と、前記集光位置Sから集光荷重点距離ｘ分離れ溶接線と平行な荷重点Pで前記対象部材を重ね合わせて加圧する加圧部１４とを備えた、という構成を採っている。
これにより、上記技術的課題１，２及び３を解決した。

本発明は、本明細書の記載及び図面を考慮して各請求項記載の用語の意義を解釈し、各請求項に係る発明を認定すると、各請求項に係る発明は、上記背景技術等との関連において次の有利な効果を奏する。
本発明によるレーザ溶接用隙間制御装置は、集光位置（レーザスポット）の一部又は全部に、溶接隙間tを形成しつつレーザビームBを照射し、集光荷重点距離xの荷重点Pで加圧する。このように、溶接隙間tを荷重点Pに向けて狭くするように隙間制御するため、対象部材のメッキや表面の不純物やシールドガスを外部に放出しつつ溶融することができ、これにより、溶接不良の発生を抑止することができる。そして、集光荷重点距離xの荷重点Pで加圧することで、シーム溶接と同様のシール性を実現し、さらに点加圧とすることで対象部材の形成品の外観を良好に保ち、強度を高めることができる。また、溶接隙間tと集光荷重点距離xの荷重点Pでの加圧とにより、シール性が高い製品を安定して歩留まり良く製造することができる。

発明を実施するための最良の形態として、２つの実施例を開示する。実施例１はレーザ溶接用隙間制御装置１００であり、実施例２は図１３等に示すレーザ溶接方法である。実施例１から２までを含めて実施形態という。

＜1重ね加圧溶接＞
＜1.1溶接隙間tと集光荷重点距離x＞
まず、本実施形態の実施例１を開示する。
図１（A）を参照すると、実施例１のレーザ溶接隙間制御装置１００は、レーザビームBを集光位置Sに案内するレーザ機構１０と、対象部材を集光位置Sに向けて送り出し方向Uに送り出すと共に前記集光位置Sの一部又は全部で前記対象部材間に予め定められた溶接隙間tを形成させる隙間保持部１２と、前記集光位置Sから集光荷重点距離x分離れ溶接線と平行な荷重点Pで前記対象部材を重ね合わせて加圧する加圧部１４とを備えている。

レーザ機構１０は、レーザ発振機によって作られたコヒーレントな光を光学系で集光し、そのレーザビームBを集光位置Sに照射する。レーザは、固体レーザであるYAGレーザや、ガスレーザであるCO₂レーザを使用することができる。光学系は、CO₂レーザの場合にはミラーによる反射を用い、YAGレーザの場合には光ファイバーを用いると良い。レーザ機構１０は、ロボットを有し、レーザ発振機又は光学系を平面又は立体に位置制御すると良い。

レーザビームBは、集光位置Sに集光することで、対象部材に高エネルギーを与え、対象部材にレーザビームBを吸収させて、その一部を溶融させる。集光位置Sは、対象部材の重ね合わせ面やレーザ機構１０側の面にて、点ではなく、一定面積を有するレーザスポットである。溶融後、集光位置Sを相対的に移動させることで、溶融部分は大気により温度が下がり凝固する。溶接は、２個以上の部材を接合される部材間に連続性があるように熱、圧力又はその両方によって一体にする操作である。レーザ溶接では、レーザビームBの集光による熱を用いて、対象部材に連続性があるように溶融し、凝固させることで、固定する。

対象部材は、接合する２以上の金属である。金属としては、例えばステンレスが用いられる。ここでは、重ね合わせ溶接のために変形しない方の対象部材を母材２０といい、重ね合わせのために変形する対象部材をシート材２６や折平面２７という。図１（A）に示す例では、母材２０は円筒状の金属であり、シート材２６はこの母材２０に巻き付ける金属である。図１（B）に示す例では、母材２０は、水平に設置された金属であり、シート材２６はこの母材２０に重ね合わせる金属である。シート支持体２８が、送り出し方向Uの方向にシート材２６を送り出す。

隙間保持部１２は、母材２０とシート材２６とを支えることで、集光位置Sの一部又は全部に溶接隙間tを形成する。すなわち、レーザスポットの全体に隙間tを形成するか、または、レーザスポットの一部に隙間tを形成しレーザスポットの他の部分は密着させる。この隙間保持部１２は、前記対象部材の一方である母材２０の母材回転軸２２にて当該母材２０を前記送り出し方向Uに回転させる母材支持体２４と、前記対象部材の他方であるシート材２６を前記母材２０の外周に重ねるシート支持体２８とを備えている。
隙間保持部１２は、図１（A）及び（B）に示す例では、母材２０又はシート材２６の回転軸を中心とした円周により溶接隙間tを形成し、図１（C）に示す例では、隙間ゲージを使用することで溶接隙間tを形成し、図１０及び図１１に示す例では、シート材２６を予め折り曲げることで溶接隙間tを形成する。
図１（A）を参照すると、好適な実施例では、母材支持体２４が、母材回転軸２２を中心として、図中時計回り（送り出し方向U）に回転可能に母材２０を支持し、シート支持体２８がシートを支持すると共に送り出し、テンションローラー４０により母材２０とシート材２６との間に溶接隙間tを形成している。図１（B）に示す例では、図示しない母材支持体２４が母材２０を支持し、テンションローラー４０が、上部よりシート材２６を母材２０に向けて送り出すことで、溶接隙間tを形成する。図１（C）に示す例では、テンションローラー４０ではなく、隙間ゲージ４１を使用することで、溶接隙間tを形成する。すなわち、隙間保持部１２は、母材２０と、シート材２６との間で、前記集光位置Sよりも前記送り出す方向Uにて手前（図中左側）に、当該母材２０とシート材２６との間に隙間を形成する隙間ゲート４１を配置する。送り出す方向Uからみた順序では、隙間ゲート４１、集光位置S、荷重点Pの順に配置する。
溶接隙間tは、シート材２６が母材２０と接する面上でレーザビームBの照射方向と交わる点と、レーザビームBと母材表面との交わる母材集光点T₁（図１（A）），T₂（図１（B）），T₃（図１（C））までの長さである。

集光位置Sは、シート材２６の平面における位置であり、レーザビームBの照射方向での焦点位置は対象部材の厚み等に応じて定めると良い。レーザビームBによるエネルギーは、溶接隙間tを貫通し、さらに母材２０を貫通する。レーザ溶接では、一般的に、集光位置Sに不活性ガス（シールドガス，アルゴンガスやヘリウムガス）や、サイドガスを噴射する。図１（A）に示す例では、ガスノズル４４がシールドガスを噴射し、レーザビームBの照射位置を大気と遮断する。シールドガスは、シールドガス角度θで噴射される。このシールドガス角度θは、レーザビームBと直交する直線と噴射方向との成す角で、一般に15度から30度の範囲が望ましい。集光位置Sに発生するプラズマを吹き飛ばすサイドガスを噴射するようにしても良いし、図１に示すシールドガスは、その噴射角度によると、サイドガスの機能も果たす。

本実施例では、この溶接隙間tがある位置にレーザビームBを照射することで、対象部材間に挟まれるシールドガスを外部に抜くことができ、シールドガスが母材２０とシート材２６との間に位置し溶接品質を悪化させることを防止できる。また、母材２０及び／又はシート材２６が亜鉛メッキ等されている際に、このメッキが蒸発することで溶接品質の不良をもたらすが、溶接隙間tの位置にてレーザ溶接することで、メッキの粒子等の不純物の影響による溶接品質の不良の発生を抑止することができる。

加圧部１４は、集光位置Sから予め定められた距離分、溶接方向の反対方向（送り出し方向U）に離れた荷重点Pで、母材２０とシート材２６とを加圧する。荷重点Pは、シート材２６と母材２０とが溶着時に略重なり合う平面にあり、溶接線と平行な直線上で、溶接線又は溶接ビード１６上ではない位置とすると良い。すなわち、荷重点Pは、溶接ビード１８に重ならない位置で、溶接ビード１８に沿った位置とする。また、この加圧は、ローラー等を用いて点での加圧とすると良い。この集光位置Sから荷重点Pまでの距離を、集光荷重点距離xという。集光荷重点距離xは、厳密には、溶接方向に直交し荷重点Pを通過する直線が溶接ビード１８上で溶接線と平行な直線と交わる交点と、集光位置Sとの間の距離である。集光位置Sでの溶接隙間tは、溶接ビード１８及びキーホール１６が溶接方向の反対方向（図１（A）及び（B）では送り出し方向U）に進行するにつれて狭くなり、荷重点Pではゼロとなる。キーホール１６を形成させながら溶接隙間tを順次ゼロに案内することで、シールドガスやメッキ不純物等を大気に送り出し、品質の高い溶接を実現する。
本実施例のレーザ溶接隙間制御装置を設置する空間にて、荷重点P及び加圧ローラー３０の位置を固定として、レーザビームBを発射するレーザ機構１０の位置を可変とすると良い。この場合、荷重点Pを固定しておき、レーザ機構１０の位置を可変とすることで、集光荷重点距離xの長さを可変とすることができる。例えば、図１に示す例では、レーザ機構１０を駆動して、レーザビームBの位置を図中左右に変化させることで、集光荷重点距離xを調整し、さらに、隙間保持部１２の配置を調整することで、溶接隙間tの長さを調整することができる。

この前記集光荷重点距離xは、前記対象部材（図１ではシート材２６、図１０に示す例では集光位置Sと対象部材との相対）の送り出しの速度に応じて予め定めると良い。
例えば、板厚1.5 [mm] の母材２０に板厚0.7 [mm] の２枚のシート材をCO₂レーザ出力 3 [kW] で溶接する例では、送り出し速度は、1 [m/min] から 6 [m/min]、集光荷重点距離xは、3 [mm] から7 [mm] 、溶接隙間tは 0.05 [mm] から 0.3 [mm] とする。望ましくは、速度を 2 [m/min] から3 [m/min]程度、集光荷重点距離xは、 5 [mm] 以内、 溶接隙間tは 0.3 [mm]以内とすると良い。溶接速度を高める際には、レーザの波長や特性にもよるが、一般的に、レーザ出力を高めることが必要となる。
さらに、図１（C）に示すように、母材２０とシート材２６との間に、ゲージ隙間zを例えば0.5 [mm] とする隙間ゲージ４１を挿入し、溶接速度を3 [m/min] として、図面の法線方向に送り出す例では、集光位置Sの他部の溶接隙間をほぼ 0 [mm] とし、一部に微少隙間を与えて、集光荷重点距離xを3 [mm] とすると、良好に貫通溶接できた（図２（A））。また、溶接隙間を0.2 [mm] として、集光荷重点距離xを5 [mm] とすると、良好に貫通溶接できた（図２（B））。
一方、溶接隙間を0.4 [mm] として、集光荷重点距離xを7 [mm] とすると、貫通溶接はされたが、アンダーフィルが生じた。さらに、溶接隙間を0.4 [mm] として、集光荷重点距離xを10 [mm] とすると、貫通しなかった（図２（C））。
各種の実験結果によると、集光位置Sへのレーザビームの照射から、約0.1 [s] 後に荷重点Pにて加圧すると、凝固前に加圧することができることから、望ましい。

また、前記集光荷重点距離x及び溶接隙間tを、前記対象部材の断面外周の曲率に応じた溶接半径R又は前記加圧ローラー３０の溶接半径Rに応じて予め定めるようにしても良い。すなわち、溶接隙間tを荷重点Pまでの間に順次略ゼロにしていくには、溶接隙間tから荷重点Pに向けて直線と円周とで挟み込み重ね合わせると良い。すなわち、対象部材の隙間を、溶接隙間tの端部となる対象部材の一方の点(母材集光位置T）と、加圧方向で対象部材が重ね合わされる点と重なり、溶接線を含む平面と平行な円の溶接半径Rに沿わせると良い。この溶接半径Rは、図１（A）に示す例では回転する円筒状の溶接半径R₁であり、図１（B）に示す例ではシート材２６の送り出し経路と重なる円の溶接半径R₂である。送り出しの経路を加圧ローラー３０と合わせる場合には、加圧ローラー３０の溶接半径Rとしても良い。図１０及び図１１に示す例では、後述するが、折平面２７の面と接する球の溶接半径Rとしても良い。
また、完全な円又は球ではなく、楕円としても良いし、曲率半径で定義しても良い。

このRを用い、対象部材の円側のレーザビームBとの交点を母材集光位置T(x, y)とし、x, yの絶対値にて表すと、集光荷重点距離x及び溶接隙間tを次式で定義できる。
x²+y²=R²
y = R-t
t = R - (R²-x²)^-2

図１（A）に示す例では、母材集光位置T₁ (x₁, y₁)が円筒状の母材２０の円周上にあり、次式となる。
x₁ ²+y₁ ²=R₁ ²
y₁ = R₁-t
t = R₁ - (R₁ ²-x₁ ²)^-2

図１（B）に示す例では、母材集光位置T₂ (x₂, y₂)が円筒状のシート材２６の重ね合わさる側の面上にあり、次式となる。
x₂ ²+y₂ ²=R₂ ²
y₂ = R₂-t
t = R₂ - (R₂ ²-x₂ ²)^-2

・1.1溶接隙間tと集光荷重点距離xの効果
上述のように、荷重点PとレーザビームBの集光位置Sの位置関係を設定することにより、対象部材間の隙間を制御でき、付着物の気化や噴射によるピンホールの発生を低減することができる。
すなわち、溶接隙間tを形成しつつレーザビームBを照射することで、対象部材のメッキや表面の不純物やシールドガスを外部に放出しつつ溶融することができ、これにより、溶接不良の発生を抑止することができる。そして、集光荷重点距離xの荷重点Pで加圧することで、シーム溶接と同様のシール性を実現し、さらに点加圧とすることで対象部材の形成品の外観を良好に保ち、強度を高めることができる。また、溶接隙間tと集光荷重点距離xの荷重点Pでの加圧とにより、シール性が高い製品を安定して歩留まり良く製造することができる。
このように、本実施例では、溶接隙間tを荷重点Pに向けて狭くするように制御することで、強度と溶接品質の確保との両立を図ることができる。

＜1.2巻き込み加圧溶接＞
図３を参照すると、加圧部１４が、前記母材２０の回転に追従して回転軸体３１を中心に回転する加圧ローラー３０と、当該加圧ローラー３０を回転可能に支持すると共に、当該加圧ローラー３０の外周を前記荷重点Pに向けて加圧する加圧フレーム３２とを備えている。
加圧ローラー３０は、当該加圧ローラー３０の外周上の点でシート材２６に接することで、荷重点Pにてシート材２６及び母材２０を加圧する。また、加圧ローラー３０は、母材支持体２４による母材２０の支持と送り方向への回転に追従して回転する。加圧ローラー３０は、ホイールとの名称でも良い。

加圧フレーム３２は、加圧ローラー３０を回転可能に保持する加圧ローラー保持部３４と、この加圧ローラー保持部３４と加圧ローラー３０とを一体的に回転させることで加圧ローラー３０の外周を荷重点Pに向けて移動させる加圧ローラー回転部３６とを備えている。
また、図３に示す例では、溶接したシート材２６の緩みを防止するために、緩み防止ローラー４２を備えている。

図４は図３のAA断面図であり、荷重点Pでの断面である。図４を参照すると、円筒形状物の両端を一対のレーザビームB₁, B₂で同時にレーザ溶接する。この例では、母材２０の両端部を溶接するために加圧ローラー３０を左右一対に配置する。すなわち、加圧部１４は、回転軸体３１Aを中心として回転する左側の加圧ローラー３０Aと、回転軸体３１Bを中心として回転する右側の加圧ローラー３０Bとを備える。図４に示すように、レーザビームBの照射とシールドガスの噴射との空間を確保するために、加圧ローラー３０A，３０Bを溶接対象物の内側に傾斜させるようにしても良い。

図４に示すように、母材２０は、左右端部にシート材２６と平行な肉厚部２０Aと、母材２０の側面にて円となる円板部２０Bとを有する。シート材２６は、母材２０に複数回巻き付けられる。図４に示す例では、断面部分にて２回巻き付けられている。

レーザ機構１０から照射されるレーザビームB₁，B₂は、集光位置Sにて対象部材に高いエネルギー密度を与える。すると、高圧の金属蒸気が照射された金属面から発生する。さらに、溶融金属中にキーホール１６が形成される。このキーホール１６は、レーザビームB₁，B₂のエネルギーを吸収して、周囲に熱を伝達する。この熱により、２枚に重ねられたシート材２６と、母材２０の肉厚部２０A，２０Bとが溶融し、キーホール１６は裏面まで貫通する。その後、一対の加圧ローラー３０A，３０Bは、荷重点Pにて溶融した対象部材を加圧する。溶融部であるキーホール１６は、この荷重点Pでの加圧後に凝固する。このように、本実施例では、加熱時には溶接隙間tにより不純物等をキーホール１６の外部に案内しつつ、冷却過程にて加圧することで隙間を修正し、凝固する際には隙間のない状態となる。レーザビームBによる急速な加熱、隙間修正及び急速な冷却の工程により溶接するため、高融点材料や熱伝導率等の異なる異種金属間であっても良好な溶接を行うことができる。

本実施例は重ね合わせの貫通溶接であり、図４に示す例では、溶け込み深さLはシート材２６の厚さと母材２０の肉厚部２０Aの厚さとを加算した長さである。表面ビード幅W₁と溶け込み深さLとの比（アスペクト比L/W₁）や、裏面ビード幅W₂が溶接品質に関連し、レーザ溶接の能力を定める。キーホール１６と溶融による表面ビード幅W₁は、溶接ビード１８となる。また、シート材２６の表面には、加圧ローラー３０による加圧痕１９が残る。

図５に、円筒形状の形成品をレーザ溶接により製造する工程を示す。図５（A）から（D）に示すように、母材２０にシート材２６を複数回巻き付けることで、円筒形状物を製造する。なお、母材２０の中空部分の図示は省略されている。図５（A）に示すように、シート長辺５０方向に母材２０の円周の複数倍の長さのシート材２６を、母材２０の肉厚部２０Aにセットする。続いて、シート短辺５２の両端部を母材２０の両端部に合わせることで、シート材２６と母材２０の肉厚部２０Aとを重ね合わせる。そして、レーザビームB1,B2を照射し、加圧ローラー３０等の加圧部１４にて加圧する。シート材２６を送り出し方向U（溶接方向の反対方向）に送り出しつつ、母材２０を回転させることで、レーザ溶接する。レーザビームB₁，B₂の照射により溶接ビード１８が生じ、加圧により加圧痕１９が付される。

図５（B）に示すように、母材２０を回転させながらシート材２６を送り出すことで、シート材２６を母材２０に巻き付けつつ、レーザ溶接する。図５（C）に示す状態では、シート材２６が母材２０に１周巻き付けられ、巻き付けられたシート材２６の上にさらにシート材２６を巻き付ける。２周目以後のレーザ溶接では、一度溶接された箇所をさらに溶融、加圧及び凝固させている。

図５（D）に示すように、複数回の巻き付けが完了すると、シート材２６のシート短辺５２方向の終端部５２Aの溶接スポット５４にてスポット溶接する。本実施例では、加圧ローラー３０により溶接隙間tを修正し荷重点Pでの加圧を継続するため、シール性が極めて高く、複数回の巻き付けにより、シート材２６の終端部５２Aをシール溶接しなくとも、円筒形状物の気密性を良好に安定して確保することができる。円筒形状物の装着等に際してシート材２６の終端部５２Aが他の部材と干渉することを防止するために、簡易にスポット溶接し、溶接スポット５４にて固定すれば足りる。例えば、この溶接スポット５４でのスポット溶接をしなくとも、本実施例により製造する円筒形状物は、気密性を確保でき水没検査等をしても円筒形状物内の気体は外部に漏れない。

・1.2巻き込み溶接の効果
上述のように、溶接隙間tを形成した点にレーザビームBを集光することで、シールドガスや対象部材表面のメッキや不純物等を逃がしつつ貫通溶接することができ、ピンホールの発生等を抑止することができる。さらに、レーザビームBの集光後、凝固する前に、加圧ローラー３０で荷重点Pを点で加圧することで、溶接隙間tを無くすため、極めて高いシール性を歩留まり良く安定して確保することができる。
例えば、指状の金属プレートで溶接点近傍を押して隙間を矯正する機構があるが、押さえ込む面積が広いため、板を部分的に変形させて隙間が矯正できるほど十分な圧力を加えるためには大きな力が必要となり、加工品の変形や回転中心の偏心による巻き取り不具合が発生していた。この点、本実施例では、加圧ローラー３０（ホイール）により溶接隙間tを矯正するため、隙間矯正の力（例えば、約100 [kgf]）を同一としても、金属プレートによる加圧と比較して、加圧ローラー３０の場合には約4.5倍とすることができる。そして、加圧ローラー３０の場合、母材２０の回転に追従して回転しながら加圧するため、形状精度を高め、外観を良好に保つことができる。
また、巻き込みをして複数箇所をスポット溶接しておき、その後全周をレーザ溶接する手法と比較して、シール性での不具合がほぼなくなり、例えば水没検査等を不要として、波（光や音等）を用いた非接触の検査を採用することができる。さらに、従前の手法では、シール性での不具合が発生すると、後工程にて漏れのある箇所を特定し、アーク溶接をし、さらにシール性の検査をする必要があったが、本実施例によると、一定水準以上のシール性を有する形成品を極めて歩留まり良く製造することができ、製造工程を低コストに改善することができる。
さらに、巻き込みをした後に全周をレーザ溶接する手法と比較して、溶接品質が向上することにより、巻き込みの回数を低減することもできる。すると、形成品の軽量化及び低コスト化を図ることができる。

＜1.3レーザ溶接隙間制御装置詳細＞
次に、図６から図９を参照して、マフラーの消音器をレーザ溶接により製造するためのレーザ溶接隙間制御装置の一例を説明する。
図６を参照すると、レーザ溶接隙間制御装置は、消音器の両端に応じた２つのレーザ機構１０と、当該両端のレーザ溶接に際してそれぞれの荷重点Pで加圧するシーム溶接加圧ユニット６０（図７（A）参照）と、シート材２６の終端部５２Aでスポット溶接する際に加圧するスポット溶接加圧ユニット７０（図７（B）参照）とを備えている。

それぞれのレーザ機構１０は、レーザビームB₁，B₁を照射する溶接トーチ８０と、溶接に際してのスパッタの付着を防止するエアカーテン８２と、溶接トーチ８０をレーザビームBの照射方向を垂線とする平面でXY軸に駆動することで、集光位置Sを制御するトーチ駆動部８４とを備えている。一対のレーザ機構１０は、消音器の両端部のシーム溶接に際しては、同時に、レーザビームB₁及びB₂を照射する。これにより、溶接ビード１８が生じる。シート材２６の巻き込み溶接が完了すると、シート材２６の終端部５２Aにて、溶接スポット５４の位置に駆動し、図６（及び図５）に示す例では３カ所をスポット溶接する。

シーム溶接加圧ユニット６０は、図６及び図７（A）に示すように、シーム加圧回転体６２と、シーム加圧フレーム６４と、シーム加圧ローラー保持部６６と、シーム加圧ローラー支持部６８とを備えている。シーム溶接加圧ユニット６０は、シーム加圧回転体６２を回転させることで、加圧ローラー３０A，３０Bを集光位置Sから集光荷重点距離x離れた荷重点Pにてシート材２６に押し付ける。これにより、加圧痕１９が生ずる。

スポット溶接加圧ユニット７０も、同様に、図６及び図７（B）に示すように、スポット加圧回転体７２と、スポット加圧フレーム７４と、スポット加圧ローラー保持部７６と、スポット加圧ローラー支持部７８とを備えている。スポット溶接加圧ユニット７０は、スポット加圧ローラー保持部７６を回転させることで、加圧ローラー３０C，３０D及び３０Eをシート材２６に押し付ける。この加圧によりシート材２６の終端部５２Aの隙間を調整する。

図７（A）を参照すると、シーム加圧ローラー支持部６８は、加圧ローラー３０Bの回転軸を保持すると共に加圧ローラーを支える回転軸部材６８Aと、この回転軸部材６８Aを加圧ローラー３０Bの傾斜角度に応じた角度で支える傾斜部材６８Bと、この傾斜部材６８Bをシーム加圧ローラー保持部６６に接続する接続部材６８Cとを備えている。

シーム加圧フレーム６４は、シーム加圧回転体６２の外周側面に端部が接続され、他端部の下面でシーム加圧ローラー保持部６６の上面と接合されている。シーム加圧ローラー支持部６８は、長手方向に母材２０の両端部とほぼ同様の長さを持ち、荷重点Pに応じた位置で加圧ローラー３０A，３０B及びシーム加圧ローラー支持部６８を側面にて支えている。各部材は、ねじ止めとすると良い。また、シーム加圧ローラー保持部６６と、シーム加圧ローラー支持部６８とを取り外し可能に設けると、荷重点Pの位置に応じた調整をすることができる。

シーム加圧ローラー保持部６６は、加圧ローラー３０Bを支える接続部材６８Cと、加圧ローラー３０Aを支える接続部材６８Cとを保持することで、シーム溶接に必要な２つの加圧ローラー３０A，３０Bを保持する。シーム加圧フレーム６４は、シーム加圧回転体６２の回転に応じて、シーム加圧ローラー保持部６６と一体に上下動する。このため、図示しないモーター等を用いて、シーム加圧回転体６２を図中時計回りに回転させると、シーム加圧フレーム６４及びシーム加圧ローラー保持部６６を下降させ、傾斜部材６８Aの傾斜に応じた傾斜角度の回転軸で回転する加圧ローラー３０A，３０Bをシート材２６に押し付ける。

図７（B）を参照すると、スポット溶接加圧ユニット７０は、回転可能に設けられたスポット加圧回転体７２と、このスポット加圧回転体７２の外周上に取り付けられ当該回転に応じて上下動すると共にスポット溶接加圧ユニット７０の他の部分を支えるスポット加圧フレーム７４と、このスポット加圧フレーム７４の上面と接合されたスポット加圧ローラー保持部７６と、このスポット加圧ローラー保持部７６と一体に上下動し加圧ローラー３０C，３０D及び３０Eを上下動させるスポット加圧ローラー支持部７８とを備えている。

スポット加圧ローラー支持部７８は、シーム加圧ローラー支持部６８と同様に、回転軸部材７８Aと、傾斜部材７８Bと、接続部材７８Cとを備えている。また、スポット加圧ローラー保持部７６は、スポット加圧フレーム７４の上面に設置された平部材７６Aと、平部材７６Aの上面から架設され保持部材７６Cを支える架設部材７６Bと、架設部材７６Bと一体に上下動しスポット加圧ローラー支持部７８を保持する保持部材７６Cとを備えている。

シーム加圧ローラー保持部６６はスポット加圧ローラー保持部７６の保持部材７６Cよりも送り出し方向Uにて手前側にあるため、スポット加圧ローラー支持部７８の接続部材７８Cは、シーム加圧ローラー支持部６８の接続部材６８Cよりも送り出し方向Uにて短くなっている。

図６及び図７に示すように、シーム溶接加圧ユニット６０と、スポット溶接加圧ユニット７０とは独立して干渉せずに動作し、また、レーザ機構の駆動を妨げない配置となっている。

図８を参照すると、レーザ溶接隙間制御装置は、シーム溶接する二カ所と、スポット溶接する３カ所とに独立したガスノズル４４A，４４B，４４C，４４D及び４４Eを有している。

図９（A）は良品の断面であり、隙間に多少のゴミが巻き込まれていても、貫通溶接されており、かつ、高いシール性が確保されている。図９（B）は従来例による不良品の断面で、アンダーフィル（ビードの凹み）があり、未貫通溶接となっており、

・1.3レーザ溶接隙間制御装置詳細の効果
図６から図８に示すレーザ溶接隙間制御装置は、シーム溶接加圧ユニット６０とスポット溶接加圧ユニット７０とを独立させ、シーム加圧フレーム６４やスポット加圧フレーム７４を介して加圧する機構としたことで、２つのレーザ機構１０の移動空間を確保しつつ、２つの溶接トーチ８０によりマフラー消音器等の円筒型形状物を高速で高品質に製造することができる。また、加圧ホイール３０A，３０Bで溶接隙間tを矯正しながら溶接する際に、荷重点Pと集光位置S（レーザ照射点）の位置関係を制御することによって、幾何学的に、シート材２６（上板）と母材２０又は巻き付けたシート材２６（下板）に所要の溶接隙間tを与え、溶接する手段を提供することができる。
二次的効果として、加圧ローラー３０の円と、母材２０の円とが回転しながら接することにより、真円度（形状精度）の高いマフラー消音器を得ることができる。
そして、隙間を制御する基本的なロジックを、溶接トーチ８０のコントローラに実現することで、ワークの形状（直径の違いなど）に応じて、最適な照射点に溶接トーチ８０を移動させることが可能となる。

＜1.4折り曲げ加圧溶接＞
次に、シート材２６の巻き付けではなく、ヘリ（フランジ）を対象とした重ね合わせ溶接に本実施例を適用する例を説明する。この例（折り曲げ加圧溶接）では、ヘリの一方を折り曲げておき、レーザビームBの照射に際して溶接隙間tを確保しつつ、加圧ローラー３０で折り曲げを平面に戻しつつ加圧する。対象部材につき、折り曲げない側（下部部品）を母材２０といい、母材２０のヘリを母材平面２１という。そして、重ね合わせる上部部品２５のヘリを折平面２７という。折平面２７は、前記母材平面２１と重ね合わせる上部部品２５のヘリで、溶接方向と略直交する方向に折り曲げられている。

図１０及び図１１に示す例では、隙間保持部１２が、母材支持体２４と、調整ローラー４５を有する折平面案内体２９とを備えている。
母材支持体２４は、前記対象部材の一方で母材平面２１を有する母材２０（下部部品）を支持する。折平面案内体２９は、上部部品２５の折平面２７を前記母材平面２１に向けて案内すると共に前記溶接隙間tを形成する。
そして、加圧部１４が、加圧ローラー３０と、押圧ローラー４６とを備えている。
押圧ローラー４６は、前記母材平面２１を前記レーザ機構１０の反対側から押圧することで、ヘリ部分である母材平面２１と折平面２７を下部方向にて支える。加圧ローラー３０は、前記折平面案内体２９で案内され前記レーザビームBが照射された後で、前記集光荷重点距離x分離れた前記荷重点Pにて、前記折平面２７を前記押圧ローラー４６との挟み込みにより加圧する。

上部部品２５のヘリは、予め図１０に示すように折り曲げられ、下部部品である母材２０の母材平面２１との間で隙間を有している。この折り曲げによる隙間を、調整ローラー４５で予め定められた溶接隙間tとなるように案内する。また、図１１に示すように、折平面２７が折り曲げられた部分にてテンションローラー４０等を折平面案内体２９の一部２９Aとして、折平面２７を案内するようにしても良い。

図１１に示すように、荷重点Pでの加圧は、押圧ローラー４６と加圧ローラー３０との挟み込みとする。集光荷重点距離xは、図中x₁とx₂とを加算した値となる。図１等に示す例では、荷重点Pから溶接隙間tへと開く方向は、溶接方向と同一方向であるが、図１０及び図１１に示す折り曲げ加圧溶接では、折平面２７の折り曲げにより開く方向は溶接方向と直交する方向となる。この点、図１０及び図１１に示す例では、調整ローラー４５を上部部品２５の側面側に近く配置し、加圧ローラー３０を上部部品の外側で、かつx₂ずらして配置している。これにより、図３（B）が溶接半径R₂の円周に沿って隙間調整することとの比較では、折り曲げ加圧溶接では、溶接半径Rの球の外周に沿って、二次元で溶接隙間tを制御している。すなわち、亜鉛メッキやシールドガスは、溶接方向にも逃がされ、かつ、溶接方向に直交する方向にも逃がされる。そして、この配置により、上部部品の側面側から折平面２７を母材平面２１に向けて重ね合わせ、加圧ローラー３０の荷重点Pにて完全に隙間なく重ね合わせることができる。

図１２は、自動車等の移動体に使用する燃料タンクにこの折り曲げ加圧溶接を適用する例を示す斜視図である。燃料タンクは、下側部品である母材２０と、上側部品２５とを重ね合わせ、ヘリとなる母材平面２１と折平面２７とを重ね合わせ溶接することで製造する。燃料タンクであるため、レーザ溶接のシール性が重要となる。図１２に示す例では、図中右手奥側から溶接し、図中レーザビームBの箇所までレーザビームBの照射と荷重点Pでの加圧とが終了しており、溶接ビード１８及び加圧痕１９が生じている。さらに、図中左手に向けて溶接している。

レーザ機構１０及び加圧ローラー３０等の位置を固定して、燃料タンクを移動することで、溶接方向へ相対移動させても良いし、レーザ機構１０等をユニットとして移動させても、両者を同時に移動させても良い。同時に移動させるのは、例えば、直線部分をレーザ機構１０の駆動で溶接し、非直線部分について燃料タンクを回転させるなどの手法である。また、調整ローラー４５と押圧ローラー４６に、対象部材の側面に押し当てて相対移動に応じて回転する球体を装備し、相対位置の位置決め等に利用しても良い。

・1.4折り曲げ加圧溶接の効果
上述のように、重ね合わせるヘリの一方を予め折り曲げておき、隙間保持部１２が、この折り曲げによる隙間を集光位置Sにて溶接隙間tとなるように案内し、加圧ローラー３０が、溶接隙間tを順次狭くして荷重点Pでは隙間を無くすように折平面２７を加圧する。このため、シール性を高め、されに、剛性、ひずみのない強度確保をすることができる。また、設計上の強度や振る舞いの想定（例えば、有限要素法等によるシミュレーション結果）との乖離のない製品を安定して歩留まり良く製造することができる。

＜2.1重ねレーザ溶接方法＞
次に、実施例２を開示する。実施例２は、実施例１のレーザ溶接隙間制御装置を使用して、重ねレーザ溶接を行うことで、種々の形成品を製造する方法である。
図１３に示すように、重ねレーザ溶接方法は、まず、レーザビームBの集光位置Sの一部又は全部にて予め定められた溶接隙間tを当該レーザビームBの照射方向に形成しつつ対象部材を重ね合わせる（ステップS１）。図１に示す例ではシート材２６と母材２０とを重ね合わせ、図１０に示す例では折平面２７と母材平面２１とを重ね合わせる。
次に、前記集光位置Sに向けてシールドガスを噴射すると共に前記レーザビームBの照射を開始する（ステップS２）。レーザビームBの照射により、対象部材にキーホール１６が形成され溶融が貫通する。

続いて、前記レーザビームBが溶接方向に進行するように前記対象部材と前記集光位置Sとの相対位置を移動させる（ステップS３）。例えば、図１（A）に示す例では、母材２０を図中時計方向に回転させることで、静止しているレーザビームBを相対的に溶接方向に進行させる。そして、この相対位置の移動に際して、前記集光位置Sから溶接方向に集光荷重点距離ｘ分離れた荷重点Pで前記シート材と前記母材との重ね合わせ面を加圧する（ステップS４）。さらに、前記相対位置を溶接線の終端まで進行させることで前記シート材及び母材をシーム溶接する（ステップS５）。

・2.1重ねレーザ溶接の効果
この重ねレーザ溶接により、円筒形状物（図１（A），図５）や、板材（図１（B））や、マフラー消音器（図６等）や、容器（図１０等）や、燃料タンク（図１２）を製造することができる。各製品は、溶接不良の抑止によりシール性を安定して格段に向上させることができる。そして、加圧ローラーによる加圧後の凝固により、設計上の要求を満たす外観と強度とを安定して確保することができる。さらに、貫通溶接と相対変位する荷重点での連続した加圧とにより、事前のシミュレーション等の予測との合致度の高い製造物を得ることができる。

＜2.2 巻き込み溶接方法＞
この重ね溶接は、シート材の巻き込み溶接にて極めて高い効果を奏する。
再度図５及び図１３を参照すると、図５（A）に示すように、前記シート材２６を円筒状の前記母材２０の外周に重ねる（ステップS１）。次に、図５（B）に示すように、前記相対位置を移動させるに際して、円筒状の前記母材２０の回転軸２２にて当該母材２０を回転させる（ステップS２）。さらに、図５（C）に示すように、前記シート材２６の重ねと前記母材２０の回転とにより当該シート材を予め定められた巻き回数分、前記母材に巻き付ける（ステップS３からS５）。そして、図５（D）に示すように、前記溶接線の終端にて、前記回転軸と平行で前記シート材２６の終端部５２Aにて、当該母材及び母材に巻き付けられたシート材の溶接スポット５４にスポット溶接する（ステップS６）。

・2.1巻き込みレーザ溶接の効果
図５及び図１３に示す巻き込みレーザ溶接では、上述した各種の効果を顕著に奏することができる。特に、溶接品質を確保しつつ、母材２０の回転と加圧ローラー３０の回転とによる加圧が、製品の良好な外観をもたらすことができる。

図１（A），（B）及び(C)は本発明の一実施形態の構成例を示す説明図である。（実施例１及び２） 図２（A）から（C）は、本実施形態での溶接の一例を示す断面図である。 レーザ溶接用隙間制御装置の一例を示す側面図である。（実施例１及び２） 図３のAA線の断面図である。（実施例１及び２） 図５（A）から（D）は重ね溶接の一例を示す説明図である（実施例１及び２） レーザ溶接用隙間制御装置の一例を示す斜視図である。（実施例１及び２） 図７（A）はシーム溶接加圧ユニットの一例を示す斜視図で、図７（B）はスポット溶接加圧ユニットの一例を示す斜視図である。（実施例１及び２） レーザ溶接用隙間制御装置の一部正面図である。（実施例１及び２） 図９（A）は隙間のある溶接不良の一例を示す図で、図９（B）は良品の一例を示す断面図である。（実施例１及び２） 容器を対象とするレーザ溶接隙間制御装置の一例を示す説明図である。（実施例１及び２） 容器を対象とする重ね溶接の一例を示す説明図である。（実施例１及び２） 燃料タンクのフランジの重ね溶接の一例を示す説明図である。（実施例１及び２） レーザ溶接方法の工程の一例を示すフローチャートである。（実施例２）

符号の説明

B レーザビーム
P 荷重点
S 集光位置
T， T1，T2，T3 母材集光位置
U 送り出し方向
x 集光荷重点距離
t 溶接隙間
z ゲージ隙間
R，R1，R2 溶接半径
W1 表面ビード幅
W2 裏面ビード幅
θ シールドガス角度
１０ レーザ機構
１２ 隙間保持部
１４ 加圧部
１６ キーホール
１８ 溶接ビード
１９ 加圧痕
２０ 母材
２１ 母材平面
２２ 母材回転軸
２４ 母材支持体
２６ シート材
２７ 折平面
２８ シート支持体
２９ 折平面案内体
３０，３０A，３０B，３０C，３０D，３０E 加圧ローラー
３１ 回転軸体
３２ 加圧フレーム
３４ 加圧ローラー保持部
３６ 加圧ローラー回転部
４０ テンションローラー
４１ 隙間ゲージ
４２ 緩み防止ローラー
４４，４４A，４４B，４４C，４４D，４４E ガスノズル
４５ 調整ローラー
４６ 押圧ローラー
５０ シート長辺
５２ シート短辺
５２A 終端部
５４ 溶接スポット
６０ シーム溶接加圧ユニット
６２ シーム加圧回転体
６４ シーム加圧フレーム
６６ シーム加圧ローラー保持部
６８ シーム加圧ローラー支持部
７０ スポット溶接加圧ユニット
７２ スポット加圧回転体
７４ スポット加圧フレーム
７６ スポット加圧ローラー保持部
７８ スポット加圧ローラー支持部
８０ 溶接トーチ
８２ エアカーテン

Claims (8)

1. レーザビームを集光位置に案内するレーザ機構と、
   対象部材を集光位置に向けて送り出すと共に前記集光位置の一部又は全部で前記対象部材間に予め定められた溶接隙間tを形成させる隙間保持部と、
   前記集光位置から集光荷重点距離ｘ分離れ溶接線と平行な荷重点で前記対象部材を重ね合わせて加圧する加圧部と、
   を備えたことを特徴とするレーザ溶接用隙間制御装置。
2. 前記隙間保持部が、前記対象部材の一方である母材の母材回転軸にて当該母材を前記送り出す方向に回転させる母材支持体と、前記対象部材の他方であるシート材を前記母材の外周に重ねるシート支持体とを備え、
   前記加圧部が、前記母材の回転に追従して回転する加圧ローラーと、当該加圧ローラーを回転可能に支持すると共に、当該加圧ローラーの外周を前記荷重点に向けて加圧する加圧フレームとを備えた、
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接用隙間制御装置。
3. 前記隙間保持部が、前記対象部材の一方である母材と、前記対象部材の他方であるシート材との間で、前記集光位置よりも前記送り出す方向にて手前に、当該母材とシート材との間に隙間を形成する隙間ゲートを配置し、
   前記加圧部が、前記シート材の前記送り出しに追従して回転する加圧ローラーと、当該加圧ローラーを回転可能に支持すると共に、当該加圧ローラーの外周を前記荷重点に向けて加圧する加圧フレームとを備えた、
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接用隙間制御装置。
4. 前記隙間保持部が、前記対象部材の一方で母材平面を有する母材を支持する母材支持体と、前記対象部材の他方で前記母材平面と重ね合わせる折平面が溶接方向と略直交する方向に折り曲げられた折平面を前記母材平面に向けて案内すると共に前記溶接隙間tを形成する折平面案内体とを備え、
   前記加圧部が、前記母材平面を前記レーザ機構の反対側から押圧する押圧ローラーと、前記折平面案内体で案内され前記レーザビームが照射された後で前記集光荷重点距離x分離れた前記荷重点Pで前記折平面を前記押圧ローラーとの挟み込みにより加圧する加圧ローラーとを備えた、
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接用隙間制御装置。
5. 前記集光荷重点距離ｘを、前記対象部材の前記送り出しの速度に応じて予め定めた、
   ことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載のレーザ溶接用隙間制御装置。
6. 前記集光荷重点距離ｘ及び溶接隙間ｔを、前記対象部材の断面外周の曲率に応じた溶接半径R又は前記加圧ローラーの溶接半径Rに応じて予め定めた、
   ことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載のレーザ溶接用隙間制御装置。
7. レーザビームの集光位置の一部又は全部にて予め定められた溶接隙間tを当該レーザビームの照射方向に形成しつつ対象部材を重ね合わせる工程と、
   前記集光位置Sに向けてシールドガスを噴射すると共に前記レーザビームの照射を開始する工程と、
   前記レーザビームが溶接方向に進行するように前記シート材及び母材と前記集光位置との相対位置を移動させる工程と、
   当該相対位置の移動に際して、前記集光位置から前記溶接方向に集光荷重点距離ｘ分離れた荷重点で前記シート材と前記母材との重ね合わせ面を加圧する工程と、
   前記相対位置を溶接線の終端まで進行させることで前記シート材及び母材をシーム溶接する工程と、
   を備えたことを特徴とする重ねレーザ溶接方法
8. 前記シート材を円筒状の前記母材の外周に重ねる工程と、
   前記相対位置を移動させるに際して、円筒状の前記母材の回転軸にて当該母材を回転させる工程と、
   前記シート材の重ねと前記母材の回転とにより当該シート材を予め定められた巻き回数分前記母材に巻き付ける工程と、
   前記溶接線の終端にて、前記回転軸と平行で前記シート材の端部にて、当該母材及び母材に巻き付けられたシート材にスポット溶接する工程と、
   を備えたことを特徴とする請求項７記載の重ねレーザ溶接方法。