JP2011045897A - レーザー溶接方法及びレーザー溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】二枚の金属板を重ね合わせてレーザー溶接を行う場合に、金属板間に隙間が生じた場合においても、上下の金属板を良好に連結させることができるレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提供する。
【解決手段】上側の金属板Ｗ１表面に向けてレーザー光ＬＢを照射しつつ該レーザー光ＬＢを所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２に対して相対的に移動させ、上側の金属板Ｗ１のレーザー光被照射部位Ｌを溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を上側の金属板Ｗ１の上面から下面にわたって形成するとともに、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のうち少なくとも上側の金属板Ｗ１を上下方向に加振することにより、前記溶融池の溶融金属を下側の金属板Ｗ２側に変位させて垂下させ、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を連結する。
【選択図】図１

Description

本発明は、上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置に関する。

近年、上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板の溶接方法として、レーザー溶接が利用されつつある。このレーザー溶接は、二枚の金属板の上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して移動させることにより、上下の金属板のレーザー光被照射部位を溶融させて線状の溶接ビードを形成させるものである。

その場合に、二枚の金属板間に隙間があると、上側の金属板の溶融金属が隙間を越えて下側の金属板に接触する状態まで垂下せず、上下の金属板が連結されない溶接不良を生じることがある。これに対して、金属板を押圧して金属板間の隙間を低減した状態でレーザー溶接する技術が知られている。また、例えば特許文献１には、レーザー光照射側の金属板を押圧することに加えてレーザー光照射側とは反対側に位置する金属板を磁力によって吸引することにより、金属板間の隙間を低減してレーザー溶接する技術が開示されている。

特開２００４−６６２６８号公報

しかしながら、二枚の金属板を重ね合わせてレーザー溶接を行う場合、二枚の金属板における対向する面は一般に完全な平面ではないので、金属板を押圧したり吸引したりして金属板間の隙間を低減したとしても、二枚の金属板間には少なからず隙間が生じることとなり、その結果、上側の金属板の溶融金属が金属板間の隙間を越えて下側の金属板に接触する状態まで垂下せず、上下の金属板が連結されない溶接不良を生じることがある。

そこで、本発明は、二枚の金属板を重ね合わせてレーザー溶接を行う場合に、金属板間に隙間が生じた場合においても、上下の金属板を良好に連結させることができるレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提供することを目的とする。

このため、本願の請求項１に係る発明は、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接方法であって、上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動させ、上側の金属板のレーザー光被照射部位を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を上側の金属板の上面から下面にわたって形成する溶融工程と、二枚の金属板のうち少なくとも上側の金属板を上下方向に加振する加振工程と、を有し、前記加振工程によって上側の金属板を加振させることにより、前記溶融工程によって形成された前記溶融池の溶融金属を下側の金属板側に変位させて垂下させ、上下の金属板を連結する、ことを特徴としたものである。

また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレーザー溶接方法において、フィラーワイヤを、その端部が前記レーザー光被照射部位の移動に伴って移動するように供給することにより、該フィラーワイヤの端部が溶融されてなる溶融金属を前記溶融池に追加するフィラーワイヤ供給工程をさらに有している、ことを特徴としたものである。

更に、本願の請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のレーザー溶接方法において、前記溶融工程の前に、二枚の金属板を仮止めする仮止め工程をさらに有している、ことを特徴としたものである。

また更に、本願の請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３の何れか一項に記載のレーザー溶接方法において、前記加振工程では、上側の金属板表面に接触して該金属板を上下方向に加振する加振部を、前記レーザー光の移動に付随させて二枚の金属板に対して相対的に移動させる、ことを特徴としたものである。

また更に、本願の請求項５に係る発明は、請求項３に記載のレーザー溶接方法において、前記加振工程は、二枚の金属板のうち下側の金属板を上下方向に加振させることにより、該下側の金属板と前記仮止め工程において仮止めされた上側の金属板を上下方向に加振させる、ことを特徴としたものである。

また更に、本願の請求項６に係る発明は、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接装置であって、上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動させ、上側の金属板のレーザー光被照射部位を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を該上側の金属板の上面から下面にわたって形成する溶融手段と、二枚の金属板のうち少なくとも上側の金属板を上下方向に加振する加振手段と、を有し、前記加振手段によって上側の金属板を加振させることにより、前記溶融手段によって形成された前記溶融池の溶融金属を下側の金属板側に変位させて垂下させ、上下の金属板を連結する、ことを特徴としたものである。

本願の請求項１に係る発明によれば、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のうち上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動する。これにより、上側の金属板のレーザー光被照射部位が溶融されて溶融金属が貯留されてなる溶融池が上側の金属板の上面から下面にわたって形成される。

その場合に、本発明においては、少なくとも上側の金属板が上下方向に加振されることにより、溶融池の溶融金属が下側の金属板側に変位させられて垂下させられ、上下の金属板が連結される。上側の金属板が上下方向に加振されることにより、上側の金属板よりも柔らかい溶融池の溶融金属がその周囲の金属板よりも上下方向に大きく変位することとなり、二枚の金属板間に隙間が生じている場合にも、上側の金属板の溶融金属が下側の金属板側へ垂下することを促進させることができ、上下の金属板を良好に連結させることができる。

また、本願の請求項２に係る発明によれば、フィラーワイヤを、その端部がレーザー光被照射部位の移動に伴って移動するように供給することにより、該フィラーワイヤの端部が溶融されてなる溶融金属が溶融池に追加されるので、上側の金属板の溶融金属にフィラーワイヤの溶融金属を加えることができ、溶融金属量を増大させることができる。したがって、二枚の金属板間に比較的大きい隙間が生じている場合においても、上下の金属板を良好に連結させることができ、前記効果をより有効に奏することができる。

更に、本願の請求項３に係る発明によれば、上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射する前に、二枚の金属板を仮止めすることにより、二枚の金属板をクランプするためのクランプ治具を用いることなく、比較的容易に二枚の金属板の相対位置を確保することができ、溶接品質を安定化させることができる。

また更に、本願の請求項４に係る発明によれば、上側の金属板表面に接触して該金属板を上下方向に加振する加振部が、レーザー光の移動に付随させられて二枚の金属板に対して相対的に移動させられることにより、上側の金属板に形成された溶融池近傍において該金属板の上下方向振動を略一定にすることができ、上下の金属板をより良好に連結させることができる。

また更に、本願の請求項５に係る発明によれば、仮止めされた二枚の金属板のうち下側の金属板を上下方向に加振させて上側の金属板を上下方向に加振させることにより、金属板を加振するための加振手段を下側の金属板側に配置することが可能であり、レーザー光の移動が該加振手段によって阻害されることなく、上下の金属板を連結させることができる。

また更に、本願の請求項６に係る発明によれば、レーザー溶接装置において、本願の請求項１に記載の発明と同様の作用、効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザー溶接装置の外観斜視図である。 前記レーザー溶接装置によってレーザー溶接中にある二枚の金属板のレーザー光被照射部位及びその近傍の状態を示す図である。 前記レーザー溶接装置によって二枚の金属板がレーザー溶接される状態を模式的に示す模式図である。 加振条件と溶落ちの長さとの関係を調べるために行った実験を説明するための説明図である。 加振条件としての周波数と電圧とに対する溶落ちの長さの測定結果を示すグラフである。 加速度に対する溶落ちの長さの測定結果を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るレーザー溶接装置の外観斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係るレーザー溶接装置の外観斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係るレーザー溶接装置の要部を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態に係るレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザー溶接装置の外観斜視図である。このレーザー溶接装置１０は、レーザー光（レーザービーム）ＬＢを発生するレーザーヘッド２と、該レーザーヘッド２からのレーザー光被照射部位Ｌの近傍においてワークＷを上下方向に加振する加振装置３と、レーザーヘッド２を支持すると共にレーザーヘッド２をワークＷに対して相対的に移動させる移動装置４とを有している。なお、ワークＷとしては、互いに逆方向に膨らんでフランジ同士が上下に重ね合わされた断面ハット状に形成された平板状の二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２を一例として示している。金属板Ｗ１、Ｗ２のフランジは複数のクランプ治具５により把持されているが、金属板Ｗ１、Ｗ２の精度上、対向する面の間に隙間Ｚが生じている。

レーザーヘッド２は、例えばＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー等の高出力レーザーを利用して構成されていると共に、レーザー出力が可変とされている。また、レーザー光の焦点位置は可変であるが、本実施形態においては上側の金属板Ｗ１の上面に設定されている。

加振装置３は、加振信号を発生させる信号発生装置６と、信号発生装置６により発生された加振信号を増幅させるアンプ７と、アンプ７により増幅された信号に応じて加振部８を上下方向に移動させる振動発生部９とを有している。この加振装置３は、レーザー光ＬＢが移動される所定の溶接経路近傍において、加振部８が上側の金属板Ｗ１表面に接触して金属板Ｗ１の板厚方向である上下方向に金属板Ｗ１を加振させることができるようになっている。なお、本実施形態では、加振部８は、振動発生部９内から延びる棒状部材の先端に円柱部材が取り付けられて構成されている。

移動装置４は、レーザーヘッド２が取り付けられた支持部材２１と、該支持部材２１の下端部に取り付けられた台状部材２２と、工場床等に配設され台状部材２２を摺動可能に支持するレール部材２３と、台状部材２２をレール部材２３に沿って移動させる移動機構（図示せず）とを有している。このように移動させる移動機構は公知のものにより種々構成可能であり説明は省略するが、駆動源は回転速度の制御が可能なサーボモータ（図示せず）により構成され、これによりレーザーヘッド２のワークＷに対する移動速度が調整可能になっている。

また、レーザー溶接装置１０には、該レーザー溶接装置１０によるレーザー溶接を総合的に制御するコントロールユニット（図示せず）が備えられ、該コントロールユニットは、レーザーヘッド２から照射するレーザー光ＬＢを制御するとともに加振装置３や移動装置４などの各種作動を制御する。なお、前記コントロールユニットは、例えばマイクロコンピュータを主要部として構成されている。

このようにして構成されるレーザー溶接装置１０を用いてレーザー溶接する際には、図１に示すように、先ず、平板状の二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２を上下に重ね合わせた状態で二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２を所定位置においてクランプ治具５によって把持する。この二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２の対向する面の間には、前述したように隙間Ｚが生じている。そして、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のうち上側の金属板Ｗ１表面に向けてレーザー光ＬＢを照射しつつ該レーザー光ＬＢを溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２に対して相対的に移動させ、これにより、上側の金属板Ｗ１のレーザー光被照射部位Ｌを溶融させて上側の金属板Ｗ１の溶融金属が貯留されてなる溶融池を上側の金属板Ｗ１の上面から下面にわたって形成する。

本実施形態ではまた、レーザー光ＬＢを照射して上側の金属板Ｗ１のレーザー光被照射部位Ｌを溶融させて上側の金属板Ｗ１の溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成する際に、加振装置３によって二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のうち上側の金属板Ｗ１を上下方向に加振する。これにより、上側の金属板Ｗ１が溶融されてなる溶融池の溶融金属が下側の金属板Ｗ２側へ垂下することを促進させて、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を連結する。

図２は、前記レーザー溶接装置によってレーザー溶接中にある二枚の金属板のレーザー光被照射部位及びその近傍の状態を示す図であり、図２の（ａ）は、金属板のレーザー光被照射部位及びその近傍の状態を示す平面図、図２の（ｂ）は、図２（ａ）のＹ２ｂ−Ｙ２ｂ線に沿った断面図である。

図２を参照しつつ詳しく説明すると、先ず、図２（ａ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光ＬＢの中心ＬＢｃ近傍では、上側の金属板Ｗ１におけるレーザー光中心ＬＢｃ近傍の金属が溶融され、上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａが生成されている。レーザー光が照射されるレーザー光被照射部位Ｌは、レーザー光ＬＢにより金属がプラズマ状態となり、その圧力により溶融金属Ｗ１ａを周囲に押しやって溶融穴部（キーホール）ＷＫが形成されており、溶融穴部ＷＫの周囲には溶融金属Ｗ１ａが貯留されてなる溶融池Ｗ１ｂが上側の金属板Ｗ１の上面から下面にわたって形成されている。

図２（ｂ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃ位置においては、溶融穴部ＷＫは上側の金属板Ｗ１を貫通して下側の金属板Ｗ２に達している。そして、下側の金属板Ｗ２においても、レーザー光中心ＬＢｃ近傍の金属が溶融されて下側の金属板Ｗ２の溶融金属Ｗ２ａが生成され、溶融穴部ＷＫの周囲に溶融金属Ｗ２ａが貯留されてなる溶融池Ｗ２ｂが形成されている。

前述したように、二枚の金属板間に隙間が生じた場合には、上側の金属板の溶融金属が金属板間の隙間を越えて下側の金属板に接触する状態まで垂下せず、上下の金属板が連結されない溶接不良を生じることがあるが、本実施形態では、上側の金属板Ｗ１を上下方向に加振することにより、上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａを金属板Ｗ１、Ｗ２間の隙間Ｚを越えて下側の金属板Ｗ２側へ変位させて垂下させ、上側の金属板Ｗ１と下側の金属板Ｗ２とを連結する。

図２（ｂ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃの後方近傍では、上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａが、上側の金属板Ｗ１の上下方向の振動に伴って下側の金属板Ｗ２側へ変位させられて垂下させられ、上側の金属板Ｗ１と下側の金属板Ｗ２とを連結している。そして、溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃの後方位置において、溶融金属Ｗ２ａ、Ｗ１ａが下側から固化し始め、さらに後方においては、溶融金属Ｗ２ａ、Ｗ１ａが上から下まで全て固化し、被溶接部ＷＢが形成されることとなる。

ここで、図３を参照して、レーザー溶接装置１０によって二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２がレーザー溶接される状態についてさらに説明する。
図３は、前記レーザー溶接装置によって二枚の金属板がレーザー溶接される状態を模式的に示す模式図である。図３（ａ）に示すように、上下に重ね合わせられた二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２がレーザー光ＬＢにより照射されると、上側の金属板Ｗ１の一部が溶融されて上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａが貯留されてなる溶融池Ｗ１ｂが上側の金属板Ｗ１の上面から下面まで板厚方向にわたって形成されるとともに、下側の金属板Ｗ２についてもその一部が溶融されて下側の金属板Ｗ２の溶融金属Ｗ２ａが貯留されてなる溶融池Ｗ２ｂが形成される。

本実施形態では、上側の金属板Ｗ１表面にレーザー光ＬＢを照射するとともに、上側の金属板Ｗ１を上下方向に加振することにより、図３（ｂ）に示すように、上側の金属板Ｗ１が下方へ変位される際には上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａは溶融していない上側の金属板Ｗ１よりも下方へ変位することとなり、図３（ｃ）に示すように、上側の金属板Ｗ１が上方へ変位される際には上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａは溶融していない上側の金属板Ｗ１よりも上方へ変位することとなる。

このようにして上側の金属板Ｗ１を上下方向に加振することにより、上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａが該上側の金属板Ｗ１よりも大きく変位することとなり、上側の金属板Ｗ１よりも柔らかい溶融金属Ｗ１ａの下方への垂下が促進されて、図３（ｄ）に示すように、上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａが下側の金属板Ｗ２の溶融金属Ｗ２ａと接触し、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２が連結される。

上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａが下側の金属板Ｗ２の溶融金属Ｗ２ａと接触すると、その接触した部分では、レーザー光ＬＢが照射される上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａは下側の金属板Ｗ２の溶融金属Ｗ２ａよりも温度が高いので、上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａの温度が低下して上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａの表面張力が増大し、上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａの下方への垂下が促進され、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を良好に連結することができる。

なお、本実施形態では、上側の金属板Ｗ１のみを上下方向に加振させているが、上側の金属板Ｗ１を上下方向に加振させるとともに下側の金属板Ｗ２も上下方向に加振させるようにしてもよく、かかる場合には、上側の金属板Ｗ１と下側の金属板Ｗ２とを同位相で加振させることが好ましい。

このように、本実施形態によれば、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２をレーザー溶接する際に、少なくとも上側の金属板Ｗ１を上下方向に加振させることにより、上側の金属板Ｗ１が溶融されてなる溶融池Ｗ１ｂの溶融金属Ｗ１ａが下側の金属板Ｗ２側に変位させられて垂下させられ、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２が連結される。上側の金属板Ｗ１を上下方向に加振させることにより、上側の金属板Ｗ１よりも柔らかい溶融池Ｗ１ｂの溶融金属Ｗ１ａがその周囲の金属板Ｗ１よりも上下方向に大きく変位することとなり、金属板Ｗ１、Ｗ２間に隙間Ｚが生じている場合にも、上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗ１ａが下側の金属板Ｗ２側へ垂下することを促進させて下側の金属板Ｗ２と接触させることができ、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を良好に連結させることができる。

本実施形態ではまた、レーザー溶接装置１０を用いて二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２を重ね合わせてレーザー溶接する際における加振装置３の加振条件と溶落ちの長さとの関係を調べるための実験を行った。

図４は、加振条件と溶落ちの長さとの関係を調べるために行った実験を説明するための説明図である。図４に示すように、略矩形状に形成された平板状の二枚の金属板Ｗ１１、Ｗ１２を隙間調整部材１５によって所定の隙間Ｚ１を有するように上下に重ね合わせ、この状態で上側の金属板Ｗ１１にレーザー光ＬＢを照射するとともに加振装置３によって所定の溶接経路近傍において上側の金属板Ｗ１１を上下方向に加振させてレーザー溶接し、そのときに上側の金属板Ｗ１１の溶融金属が下側の金属板Ｗ１２に溶け落ちた溶接経路方向における長さを測定して加振装置３の加振条件と溶落ちの長さとの関係を調べた。

加振装置３の加振条件と溶落ちの長さとの関係を調べるための実験は、溶接経路の長さが１００ｍｍとなるようにレーザー溶接を行い、金属板Ｗ１１、Ｗ１２として、長手方向長さが２２０ｍｍ、短手方向長さが１００ｍｍ、板厚が１．６ｍｍのものを用い、金属板Ｗ１１、Ｗ１２間の隙間Ｚ１を０．８ｍｍ〜０．９ｍｍに設定し、加振装置３の加振条件として電圧と周波数とをそれぞれ変化させて行った。加振装置３の電圧として１Ｖ、２Ｖ、４Ｖを用い、周波数として５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚを用いた。

図５は、加振条件としての周波数と電圧とに対する溶落ちの長さの測定結果を示すグラフであり、図６は、加速度に対する溶落ちの長さの測定結果を示すグラフである。図５及び図６では、同一サンプルについて同一符号（Ｓ１〜Ｓ８）を用いて表し、周波数が５０Ｈｚ、１００Ｈｚ、２００Ｈｚであるサンプルをそれぞれ○印、△印、□印として表しており、上側の金属板Ｗ１１の溶融金属が下側の金属板Ｗ１２に溶落ちなかった溶落ちの長さが０ｍｍであるサンプルについては黒色でその内部を塗りつぶして表している。なお、図６に示す加速度は、電圧と周波数とに依存するものであり、電圧と周波数とを変化させることにより変化するものである。

図５及び図６に示すように、加振条件としての周波数が５０Ｈｚである場合、加振条件としての電圧が１Ｖ、２Ｖ、４ＶであるサンプルＳ１、Ｓ４、Ｓ７では、電圧が大きくなるにつれて溶落ちの長さが長くなっていることが分かる。また、加振条件としての周波数が１００Ｈｚ、２００Ｈｚである場合においても、電圧が大きくなるにつれて溶落ちの長さが長くなっていることが分かる。これらの結果より、加振装置３の周波数が一定である場合には、加振装置３の電圧を大きくすることにより溶落ちの長さを長くすることができ、上側の金属板Ｗ１１の溶融金属の下方への垂下をより促進させることができることが分かる。

また、図６に示すように、加振条件としての周波数が５０Ｈｚである場合、加速度が大きくなるにつれて溶落ちの長さが長くなっていることが分かる。加振条件としての周波数が１００Ｈｚ、２００Ｈｚである場合においても、加速度が大きくなるにつれて溶落ちの長さが長くなっていることが分かる。これらの結果より、加速度を大きくすることにより、溶落ちの長さを長くすることができ、上側の金属板Ｗ１の溶融金属の下方への垂下をより促進させることができることが分かる。加振力は加速度に比例することから加速度を大きくすることにより加振力が大きくなり、上側の金属板Ｗ１１の溶融金属の下方への垂下をより促進させることができることが分かる。

以下に、本発明の別の実施形態について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態に係るレーザー溶接装置の外観斜視図である。第２の実施形態に係るレーザー溶接装置３０は、第１の実施形態に係るレーザー溶接装置１０に、フィラーワイヤ供給装置とフィラーワイヤ加熱装置をさらに備えたものであり、レーザー溶接装置１０と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。

図７に示すように、レーザー溶接装置３０は、レーザー光ＬＢを発生するレーザーヘッド２と、該レーザーヘッド２からのレーザー光被照射部位Ｌの近傍においてワークＷを上下方向に加振する加振装置３と、レーザーヘッド２を支持すると共にレーザーヘッド２をワークＷに対して相対的に移動させる移動装置４とを有している。また、レーザー溶接装置３０は、レーザーヘッド２からのレーザー光照射部位ＬにフィラーワイヤＸを供給するフィラーワイヤ供給装置３１と、フィラーワイヤＸを所定温度に加熱するフィラーワイヤ加熱装置４１とを備えている。

フィラーワイヤ供給装置３１は、レーザー光ＬＢの被照射部位Ｌの前方近傍に先端が位置するように前傾姿勢で配置されたワイヤ供給ノズル３２と、フィラーワイヤＸが巻回されたワイヤロール３３と、モータ（図示せず）により駆動され、該ワイヤロール３３からフィラーワイヤＸを繰り出す繰り出しローラ３４と、該繰り出しローラ３４とワイヤ供給ノズル３２との間に設けられ、繰り出しローラ３４により繰り出されたフィラーワイヤＸをワイヤ供給ノズル３２まで誘導するチューブ３５とを有している。前記モータは、回転速度の制御が可能なサーボモータにより構成され、これにより、被溶接部位へのフィラーワイヤＸの供給量が調整可能になっている。

フィラーワイヤ加熱装置４１は、フィラーワイヤＸに通電することにより、該ワイヤＸに生じるジュール熱で該ワイヤＸを加熱するものであり、フィラー加熱電源装置４２と、該加熱電源装置４２とワイヤ供給ノズル３２とを接続するノズル接続ケーブル４３と、該加熱電源装置４２と複数のクランプ治具５の一つとを接続するクランプ接続ケーブル４４とを有し、フィラー加熱電源装置４２から流れる電流が、ノズル接続ケーブル４３、ワイヤ供給ノズル３２、フィラーワイヤＸ、金属板Ｗ１、Ｗ２、クランプ治具５、クランプ接続ケーブル４４を介してフィラー加熱電源装置４２に戻るようになっている。なお、逆回りに電流が流れるように構成してももちろんよい。

ここで、前記所定温度は、フィラーワイヤ加熱装置４１によってフィラーワイヤＸが加熱されるとともにフィラーワイヤＸの端部がレーザー光ＬＢによって照射されることで溶融する温度に設定されている。フィラーワイヤＸを所定温度に加熱するための電流値については実験等を行って導けばよい。

レーザー溶接装置３０では、移動装置４は、レーザーヘッド２を支持すると共にフィラーワイヤ供給装置３１を支持するようになっており、レーザーヘッド２とともにフィラーワイヤ供給装置３１をワークＷに対して移動させることができるようになっている。また、前記コントロールユニットは、レーザーヘッド２から照射するレーザー光ＬＢを制御するとともに加振装置３、移動装置４、フィラーワイヤ供給装置３１及びフィラーワイヤ加熱装置４１などの各種作動を制御する。

レーザー溶接装置３０を用いてレーザー溶接する際においても、レーザー光ＬＢを照射して上側の金属板Ｗ１のレーザー光被照射部位Ｌを溶融させて上側の金属板Ｗ１の溶融金属が貯留されてなる溶融池を上側の金属板Ｗ１の上面から下面にわたって形成し、このときに加振装置３によって上側の金属板Ｗ１を上下方向に加振することにより、上側の金属板Ｗ１が溶融されてなる溶融池の溶融金属が下側の金属板Ｗ２側へ垂下することを促進させ、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を連結する。

また、レーザー溶接装置３０を用いてレーザー溶接する際には、レーザー光ＬＢを溶接経路に沿って二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２に対して相対的に移動させながら、レーザー光ＬＢによって照射されることで溶融するように加熱されたフィラーワイヤＸを、その端部がレーザー光ＬＢの被照射部位Ｌの移動に伴って移動するようにレーザー光被照射部位Ｌに供給し、該フィラーワイヤＸの端部が溶融されてなる溶融金属を上側の金属板Ｗ１が溶融されてなる溶融池に追加する。

これにより、上側の金属板Ｗ１の溶融金属にフィラーワイヤＸの溶融金属を加えることができ、溶融金属量を増大させることができる。したがって、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２間に比較的大きい隙間Ｚが生じている場合においても、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を良好に連結させることができる。

なお、ワイヤ供給ノズルをレーザー光の被照射部位Ｌの後方近傍に先端が位置するように後傾姿勢で配置し、フィラーワイヤＸをレーザー光ＬＢの被照射部位Ｌの後方側から供給するようにすることも可能である。フィラーワイヤＸをレーザー光ＬＢの被照射部位Ｌの後方側から供給する場合には、その端部がレーザー光被照射部位Ｌの移動に伴って移動するようにレーザー光ＬＢの被照射部位Ｌに供給することに代えて、その端部を上側の金属板Ｗ１が溶融されてなる溶融池Ｗ１ｂにおける溶融穴部ＷＫの後方近傍部位に接触するように供給するようにしてもよく、かかる場合には、フィラーワイヤ加熱装置４１によって、フィラーワイヤＸの端部が上側の金属板Ｗ１が溶融されてなる溶融池Ｗ１ｂに接触したときに該溶融池Ｗ１ｂの溶融金属の熱とで溶融するように加熱される。

図８は、本発明の第３の実施形態に係るレーザー溶接装置の外観斜視図である。第３の実施形態に係るレーザー溶接装置５０は、第１の実施形態に係るレーザー溶接装置１０と同様の構成を備えているが、第３の実施形態では、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のフランジが予め仮止めされる。なお、レーザー溶接装置１０と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。

第３の実施の形態に係るレーザー溶接装置５０を用いてレーザー溶接する際には、平板状の二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２を上下に重ね合わせた状態で二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２が予め仮止めされる。具体的には、図８に示すように、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２が、スポット溶接などによって予め接合され、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２を接合する接合部ＳＷが所定位置に形成される。

そして、仮止めされた二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のうち上側の金属板Ｗ１表面に向けてレーザー光ＬＢを照射して上側の金属板Ｗ１のレーザー光被照射部位Ｌを溶融させて上側の金属板Ｗ１の溶融金属が貯留されてなる溶融池を上側の金属板Ｗ１の上面から下面にわたって形成し、このときに加振装置３によって上側の金属板Ｗ１を上下方向に加振することにより、上側の金属板Ｗ１が溶融されてなる溶融池の溶融金属が下側の金属板Ｗ２側へ垂下することを促進させて、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を連結する。

レーザー溶接装置５０を用いてレーザー溶接する場合においても、上側の金属板Ｗ１を上下方向に加振させることにより、金属板Ｗ１、Ｗ２間に隙間Ｚが生じている場合にも、上側の金属板Ｗ１の溶融金属が下側の金属板Ｗ２側へ垂下することを促進させて下側の金属板Ｗ２と接触させることができ、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を良好に連結させることができる。

また、第３の実施形態においては、上側の金属板Ｗ１表面に向けてレーザー光ＬＢを照射する前に、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２を仮止めすることにより、二枚の金属板をクランプするためのクランプ治具を用いることなく、比較的容易に二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２の相対位置を確保することができ、溶接品質を安定化させることができる。

第３の実施形態では、加振装置３によって二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のうちレーザー光ＬＢが照射される上側の金属板Ｗ１表面を上下方向に加振しているが、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２を仮止めしている場合には、下側の金属板Ｗ２のみを加振することにより該下側の金属板Ｗ２と仮止めされた上側の金属板Ｗ１を加振させるようにしてもよい。かかる場合には、金属板Ｗ１を加振するための加振手段を下側の金属板Ｗ２側に配置することが可能であり、レーザー光ＬＢの移動が該加振手段によって阻害されることなく、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を連結させることができる。

前述した第１から第３の実施形態では、上側の金属板Ｗ１表面に接触して該金属板Ｗ１を上下方向に加振する加振部８がワークＷを所定位置で上下方向に加振しているが、金属板を上下方向に加振する加振部をレーザー光ＬＢの移動に付随させて二枚の金属板に対して相対的に移動させるようにしてもよい。

図９は、本発明の第４の実施形態に係るレーザー溶接装置の要部を示す斜視図である。本発明の第４の実施形態に係るレーザー溶接装置７０は、レーザー光ＬＢを発生するレーザーヘッド７１と、該レーザーヘッド７１からのレーザー光被照射部位Ｌの近傍においてワークＷを上下方向に加振する加振装置７２と、レーザーヘッド７１からのレーザー光照射部位ＬにフィラーワイヤＸを供給するフィラーワイヤ供給装置７３と、フィラーワイヤＸを所定温度に加熱するフィラーワイヤ加熱装置（図示せず）と、レーザーヘッド７１及びフィラーワイヤ供給装置７３を支持すると共にワークＷに対して相対的に移動させるアーム型の溶接ロボット７４とを有している。

なお、ワークＷとしては、平面状に形成される上側の金属板Ｗ２１が、断面ハット状に形成された下側の金属板Ｗ２２のフランジに重ね合わせられた二枚の金属板Ｗ２１、Ｗ２２を一例として示している。二枚の金属板Ｗ２１、Ｗ２２は、図示しないクランプ治具によって把持されているが、対向する面の間に隙間Ｚが生じている。

レーザー溶接装置７０において、レーザーヘッド７１、加振装置７２、フィラーワイヤ供給装置７３及び前記フィラーワイヤ加熱装置はそれぞれ、フィラーワイヤＸがレーザー光被照射部位Ｌの後方側から供給されることを除いて、前述したレーザーヘッド２、加振装置３、フィラーワイヤ供給装置３１及びフィラーワイヤ加熱装置４１と同様の構成であるので説明を省略するが、レーザー溶接装置７０では、溶接ロボット７４のロボットアーム７５に、レーザーヘッド７１、加振装置７２及びフィラーワイヤ供給装置７３が取り付けられている。

図９に示すように、溶接ロボット７４のロボットアーム７５には、加振装置７２の振動発生部７６が固定バンド７７を用いて取り付けられるとともに、その先端に取付ブラケット７８を介してレーザーヘッド７１とフィラーワイヤ供給装置７３のワイヤ供給ノズル７９が取り付けられている。取付ブラケット７８は、ロボットアーム７５に沿って延び略矩形状に形成される平面部７８ａと該平面部７８ａから突出するとともに斜め後方側に向かって湾曲して延びる湾曲部７８ｂとを備え、該平面部７８ａにレーザーヘッド７１が取り付けられ、湾曲部７８ｂにワイヤ供給ノズル７９が取り付けられている。

このようにして構成されるレーザー溶接装置７０では、レーザーヘッド７１からのレーザー光ＬＢの移動に付随して加振装置７２の加振部８０を移動させ、レーザー光ＬＢが移動される所定の溶接経路近傍において、加振部８０が上側の金属板Ｗ２１表面に接触して上下方向に金属板Ｗ２１を加振させることができるようになっている。また、レーザー光ＬＢを溶接経路に沿って二枚の金属板Ｗ２１、Ｗ２２に対して相対的に移動させながら、フィラーワイヤＸを、その端部がレーザー光ＬＢの被照射部位Ｌの移動に伴って移動するように供給されるようになっている。

レーザー溶接装置７０を用いてレーザー溶接する際においても、レーザー光ＬＢを照射して上側の金属板Ｗ２１のレーザー光被照射部位Ｌを溶融させて上側の金属板Ｗ２１の溶融金属が貯留されてなる溶融池を上側の金属板Ｗ２１の上面から下面にわたって形成し、このときにレーザー光ＬＢによって照射されることで溶融するように加熱されたフィラーワイヤＸを、その端部がレーザー光ＬＢの被照射部位Ｌの移動に伴って移動するように供給しながら、加振装置３によって上側の金属板Ｗ１を上下方向に加振する。これにより、上側の金属板Ｗ１が溶融されてなる溶融池の溶融金属が下側の金属板Ｗ２側へ垂下することを促進させて、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を連結する。

このように、上側の金属板Ｗ２１表面に接触して該金属板Ｗ２１を上下方向に加振する加振部８０を、レーザー光ＬＢの移動に付随させて二枚の金属板Ｗ２１、Ｗ２２に対して相対的に移動させるようにしてもよく、かかる場合には、上側の金属板Ｗ２１に形成された溶融池近傍において該金属板Ｗ２１の上下方向振動を略一定にすることができるので、上下の金属板をより良好に連結させることができる。

なお、本発明は、例示された実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明は、二枚の金属板を重ね合わせてレーザー溶接を行う場合に、金属板間に隙間が生じた場合においても、上下の金属板を良好に連結させることができるレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提供することができ、自動車産業の他、二枚の金属板の溶接が必要となる産業において広く利用される可能性がある。

３、７２ 加振装置
８、８０ 加振部
１０、３０、５０、７０ レーザー溶接装置
３１、７３ フィラーワイヤ供給装置
Ｌ レーザー光被照射部位
ＬＢ レーザー光
Ｒ 溶接経路
Ｘ フィラーワイヤ
Ｗ１、Ｗ２１ 上側の金属板
Ｗ１ａ 上側の金属板の溶融金属
Ｗ１ｂ 上側の金属板の溶融池
Ｗ２、Ｗ２２ 下側の金属板
Ｗ２ａ 下側の金属板の溶融金属
Ｗ２ｂ 下側の金属板の溶融池
Ｚ 隙間

Claims (6)

1. 上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接方法であって、
   上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動させ、上側の金属板のレーザー光被照射部位を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を上側の金属板の上面から下面にわたって形成する溶融工程と、
   二枚の金属板のうち少なくとも上側の金属板を上下方向に加振する加振工程と、
   を有し、
   前記加振工程によって上側の金属板を加振させることにより、前記溶融工程によって形成された前記溶融池の溶融金属を下側の金属板側に変位させて垂下させ、上下の金属板を連結する、
   ことを特徴とするレーザー溶接方法。
2. 前記請求項１に記載のレーザー溶接方法において、
   フィラーワイヤを、その端部が前記レーザー光被照射部位の移動に伴って移動するように供給することにより、該フィラーワイヤの端部が溶融されてなる溶融金属を前記溶融池に追加するフィラーワイヤ供給工程をさらに有している、
   ことを特徴とするレーザー溶接方法。
3. 前記請求項１または前記請求項２に記載のレーザー溶接方法において、
   前記溶融工程の前に、二枚の金属板を仮止めする仮止め工程をさらに有している、
   ことを特徴とするレーザー溶接方法。
4. 前記請求項１から前記請求項３の何れか一項に記載のレーザー溶接方法において、
   前記加振工程では、上側の金属板表面に接触して該金属板を上下方向に加振する加振部を、前記レーザー光の移動に付随させて二枚の金属板に対して相対的に移動させる、
   ことを特徴とするレーザー溶接方法。
5. 前記請求項３に記載のレーザー溶接方法において、
   前記加振工程は、二枚の金属板のうち下側の金属板を上下方向に加振させることにより、該下側の金属板と前記仮止め工程において仮止めされた上側の金属板を上下方向に加振させる、
   ことを特徴とするレーザー溶接方法。
6. 上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接装置であって、
   上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動させ、上側の金属板のレーザー光被照射部位を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を該上側の金属板の上面から下面にわたって形成する溶融手段と、
   二枚の金属板のうち少なくとも上側の金属板を上下方向に加振する加振手段と、
   を有し、
   前記加振手段によって上側の金属板を加振させることにより、前記溶融手段によって形成された前記溶融池の溶融金属を下側の金属板側に変位させて垂下させ、上下の金属板を連結する、
   ことを特徴とするレーザー溶接装置。

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