JP2011050998A

JP2011050998A - レーザー溶接装置及びレーザー溶接方法

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Publication number: JP2011050998A
Application number: JP2009203719A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Tanaka; 力田中; Yoichiro Kitahara; 陽一郎北原
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-03-17
Anticipated expiration: 2029-09-03
Also published as: JP5499577B2

Abstract

【課題】フィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接する際に、フィラーワイヤの供給を停止させることなく、フィラーワイヤの供給の信頼性を向上させることができるレーザー溶接装置及びレーザー溶接方法を提供する。
【解決手段】上下に重ね合わせられた二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のうち上側の金属板表面に向けてレーザー光ＬＢを照射し、該レーザー光によって溶融池を形成するとともに、溶融池にフィラーワイヤを供給し、フィラーワイヤを供給しながら二枚の金属板をレーザー溶接する際に、レーザー光よりも溶接進行方向後方側から溶融池に第１のフィラーワイヤＸ１を供給する第１の状態と、該第１の状態において溶融池に供給される第１のフィラーワイヤよりも溶接進行方向後方側から溶融池に第２のフィラーワイヤＸ２を供給する第２の状態とが選択的に切り替えられるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、フィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接装置及びレーザー溶接方法に関する。

近年、上下に重ね合わされた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、二枚の金属板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。

また、レーザー光が照射される被照射部位にフィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接することにより、金属板だけでなくフィラーワイヤも溶融させて、すなわち溶融金属を増加させて、二枚の金属板を連結させることも知られている。

このレーザー溶接におけるフィラーワイヤの供給に関して、例えば特許文献１には、溶接ワイヤの線径に応じて内径が異なる複数のワイヤノズルの取付位置または姿勢を調整することにより溶接ワイヤを溶接部へ導く１つのワイヤノズルを選択し、溶接ワイヤをビームスポットに供給することが開示されている。また、例えば特許文献２には、フィラーワイヤを巻回したワイヤドラムと、フィラーワイヤを送り出す送給ロールと、送り出されたフィラーワイヤを挿通するレベラとを直列状に配設し、このレベラの下方位置に設けた溶接トーチにフィラーワイヤをワイヤドラムから略直線状に供給することが開示されている。

特開平４−８１２７９号公報特開平６−８７０７３号公報

ところで、フィラーワイヤを供給しながらレーザー溶接する場合には、フィラーワイヤを供給するためのワイヤ供給装置が用いられるが、このワイヤ供給装置において、フィラーワイヤを送り出すためのワイヤ供給モータが故障した場合などフィラーワイヤの供給異常が発生すると、フィラーワイヤを供給することができなくなり、このためにレーザー溶接を停止しなければならないという問題がある。

そこで、本発明は、前記技術的課題に鑑みてなされたものであり、フィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接する際に、フィラーワイヤの供給を停止させることなく、フィラーワイヤの供給の信頼性を向上させることができるレーザー溶接装置及びレーザー溶接方法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、フィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接装置であって、前記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前記二枚の金属板に対して相対的に移動し、該レーザー光によって前記金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成するレーザー照射手段と、該レーザー照射手段によって形成される前記溶融池に前記レーザー光よりも溶接進行方向後方側から第１のフィラーワイヤを供給する第１のワイヤ供給手段と、該第１のワイヤ供給手段によって前記溶融池に供給される前記第１のフィラーワイヤよりも溶接進行方向後方側から前記溶融池に第２のフィラーワイヤを供給する第２のワイヤ供給手段と、前記第１のワイヤ供給手段によって前記溶融池に前記第１のフィラーワイヤを供給する第１の状態と前記第２のワイヤ供給手段によって前記溶融池に前記第２のフィラーワイヤを供給する第２の状態とを選択的に切り替えるワイヤ供給切替手段と、を備えている、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装置において、前記第２のワイヤ供給手段は、前記第１のワイヤ供給手段によって前記溶融池に供給される前記第１のフィラーワイヤの前記溶融池への進入角度よりも小さい進入角度で前記溶融池へ前記第２のフィラーワイヤが進入するように前記溶融池に前記第２のフィラーワイヤを供給する、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装置において、前記第１のワイヤ供給手段及び前記第２のワイヤ供給手段の異常を検出するワイヤ供給異常検出手段をさらに備え、前記ワイヤ供給切替手段は、前記第１の状態において前記ワイヤ供給異常検出手段によって前記第１のワイヤ供給手段の異常を検出すると前記第１の状態から前記第２の状態に切り替え、前記第２の状態において前記ワイヤ供給異常検出手段によって前記第２のワイヤ供給手段の異常を検出すると前記第２の状態から前記第１の状態に切り替える、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に記載のレーザー溶接装置を用いてレーザー溶接を行うレーザー溶接方法であって、所定の条件において前記第１のフィラーワイヤを供給する前記第１の状態と前記第２のフィラーワイヤを供給する前記第２の状態とを選択的に切り替えるようにした、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、レーザー光によって金属板を溶融させて形成した溶融池に、第１のワイヤ供給手段によってレーザー光よりも溶接進行方向後方側から第１のフィラーワイヤを供給する第１の状態と、第２のワイヤ供給手段によって第１のフィラーワイヤよりも溶接進行方向後方側から第２のフィラーワイヤを供給する第２の状態とが選択的に切り替えられるので、第１のワイヤ供給手段及び第２のワイヤ供給手段の何れか一方のワイヤ供給手段が故障した場合においても、他方のワイヤ供給手段によってフィラーワイヤを供給することができ、フィラーワイヤの供給を停止させることなく、フィラーワイヤの供給の信頼性を向上させることができる。したがって、一方のワイヤ供給手段が故障した場合にも、溶接作業を中断する必要がない。また、第１のワイヤ供給手段及び第２のワイヤ供給手段の何れか一方のワイヤ供給手段によってフィラーワイヤを供給している際に、他方のワイヤ供給手段をメンテナンスすることが可能であるので、前記効果を有効に奏することができる。さらに、本願発明によれば、溶融池にレーザー光よりも後方側からフィラーワイヤが供給されるので、レーザー光が照射される被照射部位にフィラーワイヤが供給される場合や溶融池にレーザー光よりも前方側からフィラーワイヤが供給される場合に比してフィラーワイヤを供給する領域が広く、比較的容易にフィラーワイヤを安定して供給することができる。

また、本願の請求項２に係る発明によれば、第１のフィラーワイヤよりも溶融池の溶接進行方向後方側に供給される第２のフィラーワイヤが、前方側に供給される第１のフィラーワイヤの溶融池への進入角度よりも小さい進入角度で溶融池へ進入するように供給されるので、該第２のフィラーワイヤが、溶融池の溶接進行方向後端側の形状を形成する非溶融状態の被溶接部と接触し、フィラーワイヤが引っかかったり折れ曲がったりしてワイヤ供給状態が一定せず、溶接が不安定になることを防止することができる。

更に、本願の請求項３に係る発明によれば、第１のワイヤ供給手段の異常を検出すると、第１のフィラーワイヤを供給する第１の状態から第２のフィラーワイヤを供給する第２の状態に切り替えられ、第２のワイヤ供給手段の異常を検出すると、前記第２の状態から前記第１の状態に切り替えられるので、前記効果をより具体的に実現することができる。

また更に、本願の請求項４に係る方法発明によれば、請求項１に記載の装置発明と同様の作用効果を得ることができる。

本発明の実施形態に係るレーザー溶接装置の要部を概略的に示す側面図である。前記レーザー溶接装置の制御構成図である。第１のフィラーワイヤを供給しながら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。第２のフィラーワイヤを供給しながら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。

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

図１は、本発明の実施形態に係るレーザー溶接装置の要部を概略的に示す側面図であり、図２は、前記レーザー溶接装置の制御構成図である。このレーザー溶接装置１０は、レーザー光ＬＢを発生するレーザー照射手段としてのレーザーヘッド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の後方にフィラーワイヤ（第１のフィラーワイヤ）Ｘ１を供給する第１のワイヤ供給手段としての第１のワイヤ供給装置３と、レーザー光被照射部位Ｌの後方においてフィラーワイヤＸ１よりも後方側からフィラーワイヤ（第２のフィラーワイヤ）Ｘ２を供給する第２のワイヤ供給手段としての第２のワイヤ供給装置４と、フィラーワイヤＸ１及びＸ２を所定温度に加熱するワイヤ加熱装置５と、レーザーヘッド２、第１のワイヤ供給装置３及び第２のワイヤ供給装置４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６とを有している。なお、図１では、溶接ロボット６のロボットアーム６１の先端のみが示されている。

本実施形態では、ワークＷとしては、上下に重ね合わ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。二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２は、複数のクランプ治具８によって把持されているが、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２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Ｗ１、Ｗ２の精度上、対向する面の間には少なからず隙間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Ｌの焦点位置は可変であるが、本実施形態においては下側の金属板Ｗ２の下面に設定されている。レーザーヘッド２は、ロボットアーム６１の先端に取付ブラケット６２を介して取り付けられている。この取付ブラケット６２は、平面状に形成され、ロボットアーム６１に沿って延び略矩形状に形成される矩形部６２ａと該矩形部６２ａから溶接進行方向後方側に湾曲して延びる湾曲部６２ｂとを備え、矩形部６２ａにレーザーヘッド２が取り付けられている。

第１のワイヤ供給装置３は、レーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側においてレーザー光ＬＢの被照射部位Ｌの近傍に配置されたワイヤ供給ノズル３１と、フィラーワイヤＸ１が巻回されたワイヤロール３２と、図示しないワイヤ供給モータにより駆動され、該ワイヤロール３２からフィラーワイヤＸ１を繰り出す一対の繰り出しローラ３３と、該繰り出しローラ３３とワイヤ供給ノズル３１との間に設けられ、該繰り出しローラ３３により繰り出されたフィラーワイヤＸ１をワイヤ供給ノズル３１まで誘導するチューブ３４とを有している。この第１のワイヤ供給装置３は、後述する溶融池にレーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側からフィラーワイヤＸ１を供給することができるようになっている。なお、第１のワイヤ供給装置３のワイヤ供給モータは、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Ｘ１の供給量が調整可能になっている。

第２のワイヤ供給装置４もまた、第１のワイヤ供給装置３と同様の構成を備えており、第２のワイヤ供給装置４は、ワイヤ供給ノズル３１よりも溶接進行方向後方側に配置されたワイヤ供給ノズル４１と、フィラーワイヤＸ２が巻回されたワイヤロール４２と、図示しないワイヤ供給モータにより駆動され、該ワイヤロール４２からフィラーワイヤＸ２を繰り出す一対の繰り出しローラ４３と、該繰り出しローラ４３とワイヤ供給ノズル４１との間に設けられ、該繰り出しローラ４３により繰り出されたフィラーワイヤＸ２をワイヤ供給ノズル４１まで誘導するチューブ４２とを有している。この第２のワイヤ供給装置４は、溶融池にフィラーワイヤＸ１よりも溶接進行方向後方側からフィラーワイヤＸ２を供給することができるようになっている。なお、第２のワイヤ供給装置４のワイヤ供給モータもまた、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Ｘ２の供給量が調整可能になっている。

第１のワイヤ供給装置３のワイヤ供給ノズル３１と第２のワイヤ供給装置４のワイヤ供給ノズル４１とはともに、ロボットアーム６１の先端に取付ブラケット６２を介して取り付けられ、取付ブラケット６２の湾曲部６２ｂに、レーザーヘッド２の溶接進行方向後方側にワイヤ供給ノズル３１が取り付けられ、ワイヤ供給ノズル３１の溶接進行方向後方側にワイヤ供給ノズル４１が取り付けられている。

本実施形態では、後述するように、ワイヤ供給ノズル３１は、フィラーワイヤＸ１の溶融池への進入角度がθ１となるように取り付けられ、ワイヤ供給ノズル４１は、フィラーワイヤＸ２の溶融池への進入角度がθ２となるように取り付けられ、ワイヤ供給ノズル３１と４１とは、フィラーワイヤＸ２の進入角度θ２がフィラーワイヤＸ１の進入角度θ１よりも小さくなるように取り付けられている。

このようにして、レーザーヘッド２及びワイヤ供給ノズル３１、４１がロボットアーム６１の先端に取り付けられ、ワイヤ供給ノズル３１、４１は、レーザーヘッド２の溶接進行方向後方側に配置され、レーザーヘッド２とともに移動されるようになっている。また、レーザーヘッド２及びワイヤ供給ノズル３１、４１は、レーザーヘッド２から照射されるレーザー光ＬＢの中心ＬＢｃとワイヤ供給ノズル３１、４１から供給されるフィラーワイヤＸ１、Ｘ２が溶接経路Ｒに沿って移動するように位置調整されている。

ワイヤ加熱装置５は、フィラーワイヤＸ１、Ｘ２に通電することにより、該ワイヤＸ１、Ｘ２に生じるジュール熱で該ワイヤＸ１、Ｘ２を加熱するものであり、加熱電源装置５１と、該加熱電源装置５１とワイヤ供給ノズル３１及び４１とをそれぞれ接続するノズル接続ケーブル５２及び５４と、該加熱電源装置５１とクランプ治具８とを接続する、すなわち加熱電源装置５１と金属板Ｗ１、Ｗ２とを接続する金属板接続ケーブル５３とを有している。

このワイヤ加熱装置５は、フィラーワイヤＸ１及びＸ２の何れか一方を加熱することができるようになっており、フィラーワイヤＸ１を加熱する際には、加熱電源装置５１から流れる電流が、ノズル接続ケーブル５２、ワイヤ供給ノズル３１、フィラーワイヤＸ１、金属板Ｗ１、Ｗ２、クランプ治具８、金属板接続ケーブル５３を介して加熱電源装置５１に戻るようになっており、フィラーワイヤＸ２を加熱する際には、加熱電源装置５１から流れる電流が、ノズル接続ケーブル５４、ワイヤ供給ノズル４１、フィラーワイヤＸ２、金属板Ｗ１、Ｗ２、クランプ治具８、金属板接続ケーブル５３を介して加熱電源装置５１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Ｘ１、Ｘ２の端部が、後述する図３及び図４に示す溶融池ＷＹに供給されたときに、ワイヤ加熱装置５による熱と溶融池ＷＹの熱とで溶融する温度に設定されている。フィラーワイヤＸ１、Ｘ２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。

本実施形態に係るレーザー溶接装置１０にはさらに、第１のワイヤ供給装置３及び第２のワイヤ供給装置４の異常を検出するワイヤ供給異常検出手段としてのワイヤ供給異常検出装置７が備えられている。このワイヤ供給異常検出装置７は、第１のワイヤ供給装置３のワイヤ供給モータが故障した場合など第１のワイヤ供給装置３によるフィラーワイヤＸ１の供給異常を検出することができるとともに、第２のワイヤ供給装置４のワイヤ供給モータが故障した場合など第２のワイヤ供給装置４によるフィラーワイヤＸ２の供給異常を検出することができるようになっている。

また、レーザー溶接装置１０には、図２に示すように、レーザーヘッド２、第１のワイヤ供給装置３、具体的には第１のワイヤ供給装置３のワイヤ供給モータ、第２のワイヤ供給装置４、具体的には第２のワイヤ供給装置４のワイヤ供給モータ、ワイヤ加熱装置５及び溶接ロボット６の作動など、レーザー溶接装置１０に関係する構成を総合的に制御するコントロールユニット７０が備えられている。

コントロールユニット７０は、フィラーワイヤを供給する第１のワイヤ供給装置３及び第２のワイヤ供給装置４の何れか一方のワイヤ供給装置を選択し、第１のワイヤ供給装置３によって溶融池にフィラーワイヤＸ１を供給する第１の状態と第２のワイヤ供給装置４によって溶融池にフィラーワイヤＸ２を供給する第２の状態とを選択的に切り替えるワイヤ供給切替手段としてのワイヤ供給切替部７１を備えており、ワイヤ供給切替部７１において、フィラーワイヤを供給するために用いるワイヤ供給装置のワイヤ供給モータが選択される、すなわちワイヤ供給装置３のワイヤ供給モータ又はワイヤ供給装置４のワイヤ供給モータが選択される。

また、ワイヤ供給切替部７１は、所定の条件において前記第１の状態と前記第２の状態とを切り替えることができるようになっており、前記第１の状態においてワイヤ供給異常検出装置７によって第１のワイヤ供給装置３の異常を検出すると、前記第１の状態から前記第２の状態に切り替え、前記第２の状態においてワイヤ供給異常検出装置７によって第２のワイヤ供給装置４の異常を検出すると、前記第２の状態から前記第１の状態に切り替えることができるようになっている。なお、コントロールユニット７０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８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。

次に、コントロールユニット７０のワイヤ供給切替部７１において、フィラーワイヤを供給するワイヤ供給装置３又は４、具体的にはワイヤ供給装置３のワイヤ供給モータ又はワイヤ供給装置４のワイヤ供給モータが選択される。すなわち、第１のワイヤ供給装置３によって第１のフィラーワイヤＸ１を供給する第１の状態又は第２のワイヤ供給装置４によって第２のフィラーワイヤＸ２を供給する第２の状態が選択される。

その後、レーザーヘッド２から二枚の金属板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、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２のレーザー光被照射部位Ｌを溶融させて上下の金属板Ｗ１、Ｗ２の溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成する。そして、溶融池の熱とで溶融するように加熱されたフィラーワイヤＸ１又はＸ２をレーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側から溶融池に供給し、これにより、フィラーワイヤＸ１又はＸ２を溶融させて溶融池に溶融金属を追加供給する。

図３は、第１のフィラーワイヤを供給しながら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３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３の（ｂ）は、図３（ａ）のＹ３ｂ−Ｙ３ｂ線に沿った断面図である。

図３では、コントロールユニット７０のワイヤ供給切替部７１において第１のワイヤ供給装置３が選択され、第１のフィラーワイヤＸ１が供給される第１の状態が示されている。この第１の状態では、ワイヤ加熱装置５は、第１のフィラーワイヤＸ１を加熱するようになっている。

図３を参照しつつ詳しく説明すると、先ず、溶接経路Ｒにおけるレーザー光ＬＢの中心ＬＢｃの前方近傍では、上側の金属板Ｗ１におけるレーザー光ＬＢの中心ＬＢｃ近傍の金属が溶融され、溶融金属Ｗｙが生成されている。レーザー光ＬＢ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Ｗｙを周囲に押しやってキーホールＷＫが形成されている。

溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃ位置では、キーホール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溶融金属Ｗｙが生成されている。また、上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙは、重力により下側の金属板Ｗ２側に垂下し始めている。

溶接経路Ｒにおけるレーザー光ＬＢの中心ＬＢｃの後方近傍では、上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙが重力により下方へ垂下し、溶融経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃよりも後方位置においては、溶融金属Ｗｙが、先に形成されていたキーホールＷＫに運ばれ、溶融金属Ｗｙが貯留されてなる溶融池ＷＹが上側の金属板Ｗ１の上面から下側の金属板Ｗ２の下面にわたって形成されている。

レーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側では、ワイヤ供給切替部７１において第１のワイヤ供給装置３によって第１のフィラーワイヤＸ１を供給する第１の状態が選択されているので、溶融池ＷＹの熱とで溶融するように加熱されたフィラーワイヤＸ１が、レーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側から溶融池ＷＹに供給され、フィラーワイヤＸ１が溶融して溶融金属Ｗｙ’が生成される。そして、この新たに生成された溶融金属Ｗｙ’が溶融池ＷＹ内に供給されることにより、もとから存在していた溶融池ＷＹ内の溶融金属Ｗｙが点線の矢印で示すように下方へ押しやられて、該溶融金属Ｗｙの隙間Ｚを超えた下方への垂下が促進され、上側の金属板Ｗ１と下側の金属板Ｗ２とが溶融金属Ｗｙにより連結されることとなる。

溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃよりもさらに後方位置においては、溶融池ＷＹの溶融金属Ｗｙ、Ｗｙ’が下側から固化し始め、さらに後方においては、溶融池ＷＹの溶融金属Ｗｙ、Ｗｙ’が上から下まで全て固化し、非溶融状態の被溶接部ＷＢが形成されることとなる。なお、図３及び図４では、溶融池ＷＹの溶接進行方向後端側の形状をＳ１として表している。

ここで、溶融池ＷＹへのフィラーワイヤＸ１の供給についてさらに説明すると、フィラーワイヤＸ１は、溶接経路Ｒに沿って溶融池ＷＹに供給されるとともに、矢印β１で示すように前下がりに傾斜した状態で溶融池ＷＹ内に進入するように供給される。より詳しくは、フィラーワイヤＸ１は、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸ１の進入位置、すなわちフィラーワイヤＸ１が溶融池ＷＹの上面と交差する溶接進行方向前端位置Ｘ_Ｐ１が、レーザー光中心ＬＢｃから溶接経路Ｒ後方の距離Ｄ１となるように供給され、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸ１の進入角度、すなわちフィラーワイヤＸ１と溶融池ＷＹの上面とのなす角度がθ１となるように供給される。

一方、後述する図４に示すように、ワイヤ供給切替部７１において第２のワイヤ供給装置４が選択され、第２のワイヤ供給装置４によって第２のフィラーワイヤＸ２を供給する第２の状態に切り替えられた場合には、フィラーワイヤＸ２が、溶接経路Ｒに沿って溶融池ＷＹに供給されるとともに、矢印β２で示すように前下がりに傾斜した状態で溶融池ＷＹ内に進入するように供給され、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸ２の進入位置Ｘ_Ｐ２が、レーザー光中心ＬＢｃから溶接経路Ｒ後方の距離Ｄ２となるように供給され、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸ２の進入角度がθ２となるように供給される。

なお、本実施形態では、フィラーワイヤＸ１の進入位置Ｘ_Ｐ１は、例えば距離Ｄ１が２ｍｍに設定され、フィラーワイヤＸ２の進入位置Ｘ_Ｐ２は、例えば距離Ｄ２が６ｍｍとなるように設定され、フィラーワイヤＸ２の進入位置Ｘ_Ｐ２が、フィラーワイヤＸ１の進入位置Ｘ_Ｐ１よりも溶接進行方向後方側に設定される。また、フィラーワイヤＸ１の進入角度θ１が、例えば７０°に設定され、フィラーワイヤＸ２の進入角度θ２が、例えば４０°に設定され、フィラーワイヤＸ２の進入角度θ２が、フィラーワイヤＸ１の進入角度θ１よりも小さい進入角度に設定される。

このようにして、フィラーワイヤＸ１を供給しながら二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２をレーザー溶接することにより、金属板Ｗ１、Ｗ２の溶融金属ＷｙにフィラーワイヤＸ１の溶融金属Ｗｙ’を加えて溶融金属量を増大させることができるとともに、溶融池ＷＹ内へのフィラーワイヤＸ１の進入によって上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙの下方への垂下を促進させることができ、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。

また、本実施形態に係るレーザー溶接装置１０では、フィラーワイヤＸ１を供給しながら二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２をレーザー溶接する際に、第１のワイヤ供給装置３の第１のワイヤ供給モータが故障した場合など第１のワイヤ供給装置３によるフィラーワイヤＸ１の供給異常が発生すると、第１のワイヤ供給装置３の異常がワイヤ供給異常検出装置７によって検出される。

そして、ワイヤ供給異常検出装置７によって第１のワイヤ供給装置３の異常を検出すると、コントロールユニット７０のワイヤ供給切替部７１において、フィラーワイヤを供給するワイヤ供給装置として第２のワイヤ供給装置４が選択され、第１のワイヤ供給装置３から第２のワイヤ供給装置４に切り替えられ、第１のワイヤ供給装置３によって溶融池ＷＹにフィラーワイヤＸ１を供給する第１の状態から第２のワイヤ供給装置４によって溶融池ＷＹにフィラーワイヤＸ２を供給する第２の状態に切り替えられる。また、これに伴って、ワイヤ供給装置５では、フィラーワイヤＸ１を加熱する状態から、フィラーワイヤＸ２を加熱する状態に切り替えられる。

第２のワイヤ供給装置４によって第２のフィラーワイヤＸ２が供給される第２の状態においても、第１のワイヤ供給装置３によって第１のフィラーワイヤＸ１が供給される場合と同様に、レーザーヘッド２から二枚の金属板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、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２のレーザー光被照射部位Ｌを溶融させて上下の金属板Ｗ１、Ｗ２の溶融金属が貯留されてなる溶融池ＷＹを形成する。そして、溶融池ＷＹの熱とで溶融するように加熱されたフィラーワイヤＸ２をレーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側から溶融池に供給し、これにより、フィラーワイヤＸ２を溶融させて溶融池ＷＹに溶融金属を追加供給する。

図４は、第２のフィラーワイヤを供給しながら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４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４の（ｂ）は、図４（ａ）のＹ４ｂ−Ｙ４ｂ線に沿った断面図である。

図４では、コントロールユニット７０のワイヤ供給切替部７１において第２のワイヤ供給装置４が選択され、第２のフィラーワイヤＸ２が供給される第２の状態が示されている。この第２の状態では、前述したように、ワイヤ加熱装置５は、第２のフィラーワイヤＸ２を加熱するようになっている。

図４に示すように、ワイヤ供給切替部７１において第２のワイヤ供給装置４によって第２のフィラーワイヤＸ２を供給する第２の状態が選択されている場合には、溶融池ＷＹの熱とで溶融するように加熱されたフィラーワイヤＸ２が、レーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側から溶融池ＷＹに供給され、フィラーワイヤＸ２が溶融して溶融金属Ｗｙ’’が生成され、この新たに生成された溶融金属Ｗｙ’’が溶融池ＷＹ内に供給されることにより、もとから存在していた溶融池ＷＹ内の溶融金属Ｗｙが点線の矢印で示すように下方へ押しやられて、該溶融金属Ｗｙの隙間Ｚを超えた下方への垂下が促進され、上側の金属板Ｗ１と下側の金属板Ｗ２とが溶融金属Ｗｙにより連結されることとなる。

そして、溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃよりもさらに後方位置では、溶融池ＷＹの溶融金属Ｗｙ、Ｗｙ’’が下側から固化し始め、さらに後方においては、溶融池ＷＹの溶融金属Ｗｙ、Ｗｙ’’が上から下まで全て固化し、非溶融状態の被溶接部ＷＢが形成されることとなる。

前述したように、フィラーワイヤＸ２は、矢印β２で示すように前下がりに傾斜した状態で溶融池ＷＹ内に進入するように供給され、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸ２の進入位置Ｘ_Ｐ２が、フィラーワイヤＸ１の進入位置Ｘ_Ｐ１よりも溶接進行方向後方側でレーザー光中心ＬＢｃから溶接経路Ｒ後方の距離Ｄ２となるように供給され、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸ２の進入角度θ２が、フィラーワイヤＸ１の進入角度θ１よりも小さい進入角度で供給される。

これにより、フィラーワイヤＸ１よりも溶融池ＷＹの溶接進行方向後方側に供給されるフィラーワイヤＸ２が、溶融池ＷＹの溶接進行方向後端側の形状Ｓ１を形成する非溶融状態の被溶接部ＷＢと接触し、フィラーワイヤＸ２が引っかかったり折れ曲がったりしてワイヤ供給状態が一定せず、溶接が不安定になることを防止することができる。

本実施形態では、第１のワイヤ供給装置３によってフィラーワイヤＸ１が供給される第１の状態においてレーザー溶接が行われ、レーザー溶接中に第１のワイヤ供給装置３によるフィラーワイヤＸ１の供給異常を検出すると、第１の状態から第２のワイヤ供給装置４によってフィラーワイヤＸ２が供給される第２の状態に切り替えられ、第２の状態においてレーザー溶接が行われているが、第２のワイヤ供給装置４によってフィラーワイヤＸ２を供給する第２の状態においてレーザー溶接を行い、レーザー溶接中に第２のワイヤ供給装置４によるフィラーワイヤＸ２の供給異常を検出すると、第２の状態から第１の状態に切り替え、第１の状態においてレーザー溶接を行うようにしてもよい。

このように、本実施形態においては、レーザー光ＬＢによって金属板Ｗ１、Ｗ２を溶融させて形成した溶融池ＷＹに、第１のワイヤ供給装置３によってレーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側から第１のフィラーワイヤＸ１を供給する第１の状態と、第２のワイヤ供給装置４によって第１のフィラーワイヤＸ１よりも溶接進行方向後方側から第２のフィラーワイヤＸ２を供給する第２の状態とが選択的に切り替えられるので、第１のワイヤ供給装置３及び第２のワイヤ供給装置４の何れか一方のワイヤ供給装置が故障した場合においても、他方のワイヤ供給装置によってフィラーワイヤを供給することができ、フィラーワイヤの供給を停止させることなく、フィラーワイヤの供給の信頼性を向上させることができる。したがって、一方のワイヤ供給装置が故障した場合にも、溶接作業を中断する必要がない。また、第１のワイヤ供給装置３及び第２のワイヤ供給装置４の何れか一方のワイヤ供給装置によってフィラーワイヤを供給している際に、他方のワイヤ供給装置をメンテナンスすることが可能であるので、前記効果を有効に奏することができる。さらに、溶融池ＷＹにレーザー光ＬＢよりも後方側からフィラーワイヤが供給されるので、レーザー光ＬＢが照射される被照射部位Ｌにフィラーワイヤが供給される場合や溶融池ＷＹにレーザー光ＬＢよりも前方側からフィラーワイヤが供給される場合に比してフィラーワイヤを供給する領域が広く、比較的容易にフィラーワイヤを安定して供給することができる。

本実施形態では、フィラーワイヤＸ２の溶融池ＷＹへの進入角度θ２が、フィラーワイヤＸ１の溶融池ＷＹへの進入角度θ１よりも小さく設定されているが、フィラーワイヤＸ１の進入角度θ１とフィラーワイヤＸ２の進入角度θ２とを等しく設定するようにしてもよい。

また、本実施形態では、レーザー溶接装置１０を用いてレーザー溶接を行っている際に、ワイヤ供給装置３、４の異常を検出すると、第１のワイヤ供給装置３によって第１のフィラーワイヤＸ１を供給する第１の状態と第２のワイヤ供給装置４によって第２のフィラーワイヤＸ２を供給する第２の状態とが選択的に切り替えられるが、例えば一定のサイクル毎など所定の条件において前記第１の状態と前記第２の状態とを切り替えるようにすることも可能である。

さらに、前述した実施形態では、ワイヤ供給切替部７１においてフィラーワイヤを供給するために用いるワイヤ供給装置３、４のワイヤ供給モータを選択し切り替えているが、一対の繰り出しローラ３３、４３にそれぞれ、該繰り出しローラ３３、４３をフィラーワイヤＸ１、Ｘ２に対して接触及び離間させる、すなわちフィラーワイヤＸ１、Ｘ２に接触する接触位置とフィラーワイヤＸ１、Ｘ２から離間する離間位置との間で移動させることができるフィラーワイヤ接触・離間手段（不図示）を連結し、第１のワイヤ供給装置３のワイヤ供給モータ及び第２のワイヤ供給装置４のワイヤ供給モータをともに作動させた状態で、繰り出しローラ３３及び３４の一方を接触位置に移動させ他方を離間位置に移動させるように前記フィラーワイヤ接触・離間手段の作動を制御し、フィラーワイヤを供給する第１のワイヤ供給装置３又は第２のワイヤ供給装置４を選択して切り替えるようにすることも可能である。

以上のように、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、フィラーワイヤの供給を停止させることなく、フィラーワイヤの供給の信頼性を向上させることができるレーザー溶接装置及びレーザー溶接方法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。

２レーザーヘッド
３第１のワイヤ供給装置
４第２のワイヤ供給装置
７ワイヤ供給異常検出装置
１０レーザー溶接装置
７１ワイヤ供給切替部
ＬＢレーザー光
Ｗ１、Ｗ２金属板
Ｗｙ、Ｗｙ’、Ｗｙ’’ 溶融金属
ＷＹ溶融池
Ｘ１第１のフィラーワイヤ
Ｘ２第２のフィラーワイヤ
θ１、θ２フィラーワイヤの進入角度

Claims

フィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接装置であって、
前記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前記二枚の金属板に対して相対的に移動し、該レーザー光によって前記金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成するレーザー照射手段と、
該レーザー照射手段によって形成される前記溶融池に前記レーザー光よりも溶接進行方向後方側から第１のフィラーワイヤを供給する第１のワイヤ供給手段と、
該第１のワイヤ供給手段によって前記溶融池に供給される前記第１のフィラーワイヤよりも溶接進行方向後方側から前記溶融池に第２のフィラーワイヤを供給する第２のワイヤ供給手段と、
前記第１のワイヤ供給手段によって前記溶融池に前記第１のフィラーワイヤを供給する第１の状態と前記第２のワイヤ供給手段によって前記溶融池に前記第２のフィラーワイヤを供給する第２の状態とを選択的に切り替えるワイヤ供給切替手段と、
を備えている、ことを特徴とするレーザー溶接装置。
前記請求項１に記載のレーザー溶接装置において、
前記第２のワイヤ供給手段は、前記第１のワイヤ供給手段によって前記溶融池に供給される前記第１のフィラーワイヤの前記溶融池への進入角度よりも小さい進入角度で前記溶融池へ前記第２のフィラーワイヤが進入するように前記溶融池に前記第２のフィラーワイヤを供給する、
ことを特徴とするレーザー溶接装置。
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装置において、
前記第１のワイヤ供給手段及び前記第２のワイヤ供給手段の異常を検出するワイヤ供給異常検出手段をさらに備え、
前記ワイヤ供給切替手段は、前記第１の状態において前記ワイヤ供給異常検出手段によって前記第１のワイヤ供給手段の異常を検出すると前記第１の状態から前記第２の状態に切り替え、前記第２の状態において前記ワイヤ供給異常検出手段によって前記第２のワイヤ供給手段の異常を検出すると前記第２の状態から前記第１の状態に切り替える、
ことを特徴とするレーザー溶接装置。
前記請求項１に記載のレーザー溶接装置を用いてレーザー溶接を行うレーザー溶接方法であって、
所定の条件において前記第１のフィラーワイヤを供給する前記第１の状態と前記第２のフィラーワイヤを供給する前記第２の状態とを選択的に切り替えるようにした、
ことを特徴とするレーザー溶接方法。