JP2011056556A

JP2011056556A - レーザー溶接方法及びレーザー溶接装置

Info

Publication number: JP2011056556A
Application number: JP2009210214A
Authority: JP
Inventors: Mitsugi Fukahori; 貢深堀; Yoichiro Kitahara; 陽一郎北原
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2029-09-11
Also published as: JP5391953B2

Abstract

【課題】上下に重ね合された二枚の金属板をフィラーワイヤを用いたレーザー溶接によって連結する場合に、溶接開始時における溶接不良の発生を防止する。
【解決手段】定常溶接時、レーザー光Ａにより上側金属板Ｗ１に形成された上下に貫通した穴部に溶融金属が貯留されてなる溶融池に、レーザー光照射部位から溶接進行方向の後方に所定距離隔ててフィラーワイヤを供給する方法において、溶接開始時、レーザー光Ａにより上側金属板Ｗ１に上下に貫通する溶融穴部Ｗｃを形成し、次いで該穴部ＷｃにフィラーワイヤＢを突入させ、該ワイヤＢに定常溶接時よりもエネルギ密度が低いレーザー光Ａを照射して該ワイヤＢを半溶融状態とすると共に、該ワイヤＢに対する通電加熱を開始する。その後、該ワイヤＢが定常溶接時の供給位置に供給されるようにノズル２２を移動させ、かつレーザー光Ａのエネルギ密度を定常溶接時の強さまで上昇させ、定常溶接に移行する。
【選択図】図７

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し、金属溶接技術の分野に属する。

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、二枚の金属板における対向する面は一般に完全な平面ではないので、二枚の金属板間には隙間が生じることがあり、また、その隙間の大きさも溶接経路上において一様でなく、その結果、例えば隙間が大きい箇所において上側金属板の溶融金属が隙間を越えて下側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った。

この問題に対しては、レーザー光の被照射部位に、その移動に端部が追随するようにフィラーワイヤを供給し、金属板と共に該フィラーワイヤを溶融させて溶融金属を増加させることにより、該溶融金属が隙間を越えて下側金属板に接触する状態まで垂下しやすくし、これにより、上下の金属板が連結されない溶接不良を防止することが知られている。

その場合に、フィラーワイヤを確実に溶融させるため、特許文献１には、２つの金属部材の突合せ部をレーザー溶接する方法として、レーザー光の被照射部位にフィラーワイヤの端部を供給し、該ワイヤと被溶接金属部材とを同時に溶融させるようにしたものが開示されている。

また、レーザー光の被照射部位にフィラーワイヤを供給する場合、溶接開始時におけるワイヤの供給開始タイミングとレーザー光の照射開始タイミングとを適切に設定する必要があるため、前記特許文献１の方法では、予めフィラーワイヤに電圧を印加しておくことにより、該ワイヤの先端が被溶接金属部材に接触したときに通電が開始されるように構成し、その通電開始時点を基準としてレーザー光の照射開始タイミングを設定するようにしている。

特開２００５−８１４０３号公報

ところで、前記特許文献１に開示された方法のように、レーザー光によりフィラーワイヤと被溶接金属部材とを同時に溶融させると、溶融金属量が過剰となって、溶接部表面に溶融金属が盛り上がった状態で固化したいわゆる余盛部が生じ、見栄えが悪くなるという問題が発生する。

また、上下に重ね合わされた二枚の金属板を溶接する場合に特許文献１の方法を適用すると、両金属板に隙間がある場合に、金属板とフィラーワイヤの溶融金属が上側の金属板に形成される上下に貫通した穴部に表面張力によって滞留し、隙間を越えて下側の金属板まで垂下せず、上下の金属板が連結されないという問題が生じるおそれがある。

そこで、上下に重ね合わされた二枚の金属板をフィラーワイヤを用いて溶接する場合には、上側の金属板の溶接進行方向の後方に形成される溶融池、即ちレーザー光の照射により形成される上下に貫通した穴部に溶融金属が池状に貯留する部位に、予め通電によって加熱したフィラーワイヤの端部を突入させ、この通電による加熱と溶融池に貯留されている溶融金属の熱とによって該ワイヤを確実に溶融させると共に、フィラーワイヤの突入により、溶融池内の溶融金属を下方へ押し出す力を発生させ、これにより、溶融金属量を十分に確保すると共に、これを積極的に垂下させて、余盛部を生じることなく、上下の金属板を確実に連結させることが考えられている。

しかし、このように、溶接進行方向の後方に形成される溶融池に通電加熱されたフィラーワイヤを突入させる方法では、溶融池の形成及び通電によるフィラーワイヤの加熱が十分でない溶接開始時、該ワイヤが確実に溶融されず、上下の金属板間に隙間がある場合に両金属板が良好に連結されなかったり、或いは溶融不十分なフィラーワイヤの一部が金属板の表面に残って見栄えが悪化するなどの溶接不良が発生するおそれがある。

そこで、本発明は、上下に重ね合わされた二枚の金属板を、フィラーワイヤを用いたレーザー溶接によって連結する場合に、溶接開始時における上記のような溶接不良を防止することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、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に上方から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相対的に移動させることにより、上側金属板のレーザー光被照射部位の溶接進行方向の後方に、上下に貫通した穴部に溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成し、かつ、該溶融池におけるレーザー光被照射部位より所定距離後方に離間した位置に、予め通電加熱されたフィラーワイヤを供給するレーザー溶接方法であって、溶接開始時に、上側金属板の溶接開始位置にレーザー光を照射してその被照射部位を溶融させることにより、該上側金属板に上下に貫通した溶融穴部を形成する第１ステップと、該第１ステップにより形成された溶融穴部にフィラーワイヤの端部が突入するように、ワイヤ供給手段の位置を、レーザー光被照射部位後方の前記位置にフィラーワイヤを供給するときの位置より溶接進行方向前方側に設定する第２ステップと、前記第１ステップよりエネルギ密度を低下させたレーザー光を前記溶融穴部に向けて照射すると共に、前記第２ステップで位置が設定されたワイヤ供給手段から電圧印加されたフィラーワイヤを供給して端部を前記溶融穴部に突入させ、その際の該ワイヤと上側金属板との接触によりフィラーワイヤに対する通電を開始する第３ステップと、前記ワイヤ供給手段をレーザー光被照射部位に対して相対的に移動させ、該ワイヤ供給手段の位置を、レーザー光被照射部位後方の前記位置にフィラーワイヤを供給するときの位置に設定する第４ステップと、その後、レーザー光のエネルギ密度を上昇させると共に、レーザー光被照射部位とワイヤ供給手段との位置関係を保持し、かつ、該ワイヤ供給手段からフィラーワイヤを供給しつつ、該レーザー光及びワイヤ供給手段を前記溶接経路に沿って移動開始する第５ステップとを備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の発明において、前記第３ステップでは、フィラーワイヤの端部がレーザー光の照射範囲に進入する前に、エネルギ密度を低下させたレーザー光の照射を開始することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記第２ステップでは、フィラーワイヤの端部が溶融穴部の溶接進行方向前方側の内面に当接するように、ワイヤ供給手段の位置を設定することを特徴とする。

さらに、請求項４に記載の発明は、前記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記第５ステップでは、レーザー光及びフィラーワイヤ供給手段の移動開始の前に、レーザー光のエネルギ密度を上昇させることを特徴とする。

そして、請求項５に記載の発明は、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に上方から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相対的に移動させることにより、上側金属板のレーザー光被照射部位の溶接進行方向の後方に、上下に貫通した穴部に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、前記溶融池におけるレーザー光被照射部位から所定距離後方に離間した位置にフィラーワイヤを供給するワイヤ供給手段と、予めフィラーワイヤに通電して加熱する通電加熱手段とを有するレーザー溶接装置であって、溶接開始時、前記レーザー照射手段とワイヤ供給手段とを制御することにより、まず、上側金属板の溶接開始位置にレーザー光を照射してその被照射部位に上下に貫通した溶融穴部を形成すると共に、この溶融穴部にフィラーワイヤの端部が突入するように、ワイヤ供給手段の位置を、レーザー光被照射部位後方の前記位置にフィラーワイヤを供給するときの位置より溶接進行方向前方側に設定し、次いで、前記溶融穴部を形成するときよりもエネルギ密度を低下させたレーザー光を前記溶融穴部に向けて照射すると共に、ワイヤ供給手段から電圧印加されたフィラーワイヤを供給して端部を前記溶融穴部に突入させ、その際の該ワイヤと上側金属板との接触によりフィラーワイヤに対する通電を開始し、さらに、前記ワイヤ供給手段の位置を、レーザー光被照射部位後方の前記位置にフィラーワイヤを供給するときの位置に設定すると共に、レーザー光のエネルギ密度を上昇させ、その後、レーザー光被照射部位とワイヤ供給手段との位置関係を保持し、かつ該ワイヤ供給手段からフィラーワイヤを供給しつつ、該レーザー光及びワイヤ供給手段を前記溶接経路に沿って移動開始させる制御手段を有することを特徴とする。

次に、本発明の効果について説明する。

まず、請求項１に記載の発明によれば、溶接開始時、まず、第１ステップで、上側金属板の溶接開始位置にレーザー光が照射されて、その被照射部位に上下に貫通した溶融穴部が形成される。その場合、レーザー光は金属板に対して相対的に移動していない状態で照射されるので、エネルギ密度や照射時間等を適宜設定することにより、前記溶融穴部を確実に形成することができる。

そして、第２〜第３ステップで、この溶融穴部に向けて予め電圧印加されたフィラーワイヤが供給され、レーザー光の照射範囲を通過することにより、該ワイヤにレーザー光が照射されて加熱されると共に、端部が上側金属板に接触することにより該ワイヤに対する通電加熱が開始される。

その際、レーザー光のエネルギ密度は、溶接開始後の溶接が進行している定常溶接時よりも低くされているので、フィラーワイヤは完全に溶融せず、半溶融状態、即ち固体と液体の中間状態であって、流動化しない範囲で軟化された状態とされると共に、通電加熱が開始されることにより、溶融し始める。また、レーザー光のエネルギ密度が高くないから、溶融穴部が形成された上側金属板がさらに溶融することはない。

その後、第４ステップで、フィラーワイヤの供給位置が、レーザー光被照射部位から所定距離後方に離間した位置、即ち定常溶接時の位置に設定されると共に、第５ステップで、レーザー光のエネルギ密度も定常溶接時の密度まで上昇される。そして、レーザー光の被照射部位とフィラーワイヤの供給位置との位置関係を保って、これらを所定の溶接経路に沿って前方へ移動させることにより、定常の溶接が開始されることになる。

その場合に、この発明によれば、フィラーワイヤは既に溶融が始まっているので、該ワイヤは定常溶接の開始直後から十分に溶融し、上側金属板の表面に余盛部が生じることなく、上下の金属板間の隙間が埋められ、両金属板が確実に連結される。

また、請求項２に記載の発明によれば、前記第３ステップでエネルギ密度を低下させたレーザー光を照射する際、フィラーワイヤがレーザー光の照射範囲に進入する前に、その照射を開始するので、フィラーワイヤは端部が照射範囲に進入すると同時にレーザー光を照射されて、先端から確実に加熱される。したがって、フィラーワイヤへの照射が遅れて該ワイヤに半溶融化が不十分な箇所が発生することによる溶接不良が防止される。

また、請求項３に記載の発明によれば、前記第２ステップでワイヤ供給手段の位置を設定するときに、フィラーワイヤの端部が溶融穴部の溶接進行方向前方側の内壁面に当接するように設定するので、フィラーワイヤの先端が確実に上側金属板と接触し、通電加熱が常に所定のタイミングで開始されることになる。

さらに、請求項４に記載の発明によれば、前記第５ステップでレーザー光及びフィラーワイヤ供給手段を溶接進行方向の前方へ移動開始する際、その移動開始に先立ってレーザー光のエネルギ密度を上昇させるので、定常溶接が開始直後から所定のエネルギ密度のレーザー光により行われ、定常溶接開始直後におけるレーザー光のエネルギ不足による溶接不良が防止される。

そして、請求項５に記載の発明に係るレーザー溶接装置によれば、前記請求項１のレーザー溶接方法と同様の効果が得られる。

本発明の実施の形態に係るレーザー溶接装置の要部外観図である。同溶接装置の制御システム図である。（ａ）：定常溶接中における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である。（ｂ）：（ａ）図のＸ−Ｘ断面図である。溶接開始時の制御を示すタイムチャートである。溶接開始時の制御の第１ステップの説明図である。同、第２ステップの説明図である。同、第３ステップの説明図である。同、第４ステップの説明図である。同、第５ステップの説明図である。

以下、本発明に係るレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置の実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態に係るレーザー溶接装置１の要部を示し、このレーザー溶接装置１は、レーザー光Ａを発生するレーザーヘッド１０と、フィラーワイヤＢを供給するワイヤ供給装置２０と、フィラーワイヤＢの加熱装置３０とを有し、上下に重ね合わされた金属板Ｗ１、Ｗ２に対し、上方からレーザー光Ａを照射すると共に、上側金属板Ｗ１におけるレーザー光被照射部位ｘの近傍に、加熱されたフィラーワイヤＢを供給するようになっている。

ここで、前記金属板Ｗ１、Ｗ２はクランプ装置２により重ね合わされた状態で固定されているが、両金属板Ｗ１、Ｗ２の間には、誇張して示すように、面精度に起因する隙間ｗが生じている。

前記レーザーヘッド１０及びワイヤ供給装置２０は、溶接ロボット３のアーム３ａに固着されたベース板４に取り付けられ、該アーム３ａの移動により、金属板Ｗ１、Ｗ２に対して矢印ａで示す溶接進行方向に移動し、上側金属板Ｗ１の上面に対するレーザー光Ａの被照射部位ｘ及びフィラーワイヤＢの供給位置ｙを同方向ａに移動させることにより、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を所定の経路に沿って溶接するようになっている。

また、前記レーザーヘッド１０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、レーザー出力の制御、及び内蔵された光学部材１１（図５等参照）の移動によるレーザー光Ａの焦点位置の制御が可能とされている。

また、前記ワイヤ供給装置２０は、ワイヤ供給ユニット２１と、フィラーワイヤＢの供給位置や供給方向を設定するためのワイヤ供給ノズル２２とを有し、ワイヤ供給ユニット２１におけるモータ２３（図２参照）によってワイヤロール２４からフィラーワイヤＢを繰り出し、前記ノズル２２を通過させて、上側金属板Ｗ１の上面の所定位置に所定角度で供給するようになっている。

ここで、前記ワイヤ供給ノズル２２は、レーザー光Ａに対して溶接進行方向ａの後方からフィラーワイヤＢを供給するようになっていると共に、該ノズル２２を同方向ａに沿って前後に移動させる水平移動機構２５を介して前記ベース板４に取り付けられ、上側金属板Ｗ１の上面におけるレーザー光被照射部位ｘに対するワイヤ供給位置ｙの位置関係の制御が可能とされている。

さらに、前記ワイヤ加熱装置３０は、フィラーワイヤＢに通電することにより生じるジュール熱で該ワイヤＢを加熱するもので、加熱電源装置３１と、該電源装置３１と前記ワイヤ供給ノズル２２とを接続するノズル側ケーブル３２と、該電源装置３１と前記クランプ装置２とを接続するクランプ側ケーブル３３とを有する。

そして、予めノズル側ケーブル３２及びワイヤ供給ノズル２２を介して該ノズル２２内に保持されたフィラーワイヤＢに電圧を印加しておけば、該ワイヤＢの先端が上側金属板Ｗ１に接触したときに、クランプ側ケーブル３３、クランプ装置２及び上側金属板Ｗ１を介して加熱電源装置３１とフィラーワイヤＢとが電気的に接続されることにより、該ワイヤＢが前記ノズル２２内の電圧印加位置から先端までの範囲で通電され、その範囲が前記ジュール熱によって加熱されるようになっている。

また、このレーザー溶接装置１はコントロールユニット４０を有し、図２に示すように、該ユニット４０からの制御信号により、前記レーザーヘッド１０のレーザー出力やレーザー光Ａの焦点位置の制御、ワイヤ供給装置２０におけるワイヤ供給モータ２３の作動やワイヤ送り速度の制御、ワイヤ供給ノズル２２を水平移動させる水平移動機構２５の制御、ワイヤ加熱装置３０によるフィラーワイヤＢへの電圧の印加制御、及び溶接ロボット３の制御等を行うようになっている。

そして、溶接が開始された後の定常溶接時には、前記コントロールユニット４０により、前記レーザー光Ａの焦点は、上側金属板Ｗ１に最も効率よくエネルギが伝達される位置に制御され、また、水平移動機構２５によって設定されるワイヤ供給ノズル２２の位置は、図1に示すように、上側金属板Ｗ１の上面におけるワイヤ供給位置ｙがレーザー光被照射部位ｘから溶接進行方向ａの後方に所定距離ｚだけ隔てた位置となるように制御される。なお、レーザー光Ａの出力、フィラーワイヤＢの送り速度や加熱のための電流値、ロボットアーム３ａの移動速度（溶接速度）等は、適切に設定される。

これにより、定常溶接時、ロボットアーム３ａの移動に伴って、両金属板Ｗ１、Ｗ２が所定の経路に沿って溶接されることになる。

ここで、定常溶接時における溶接部の状態を説明すると、図３に示すように、隙間ｗが生じた状態で上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のうちの上側の金属板Ｗ１の上面にレーザー光Ａを照射し、この状態で該レーザー光Ａを溶接進行方向ａに移動させると、少なくとも上側金属板Ｗ１のレーザー光被照射部位ｘが溶融し、該金属板Ｗ１に上下に貫通する穴部Ｗａが形成される。そして、溶融した金属がこの穴部Ｗａに流入し、レーザー光Ａの移動により、レーザー光被照射部位ｘの溶接進行方向ａの後方に前記穴部Ｗａに溶融金属が貯留されてなる溶融池Ｗｂが形成される。

また、これと並行して、予め通電により加熱されたフィラーワイヤＢを、端部がレーザー光照射部位ｘから溶接進行方向後方に前記所定距離ｚを隔てて溶融池Ｗｂに突入するように供給し、通電による加熱と溶融池Ｗｂに貯留されている溶融金属の熱とにより該フィラーワイヤＢの端部を溶融させ、上側金属板Ｗ１における溶融池Ｗｂ内の溶融金属の量を増量する。

これにより、増量された溶融金属の自重や、フィラーワイヤＢの端部を溶融池Ｗｂに突入させる際の押圧力ｆ等により、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２の間の隙間ｗへの溶融金属の進入が促進されることになり、この隙間ｗに進入した溶融金属が硬化することにより、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２が連結されることになる。

ところで、定常溶接時、フィラーワイヤＢは、ワイヤ供給ノズル２２内における電圧印加位置から上側金属板Ｗ１と接触する先端部までの範囲が通電されるから、溶融池Ｗｂに突入する該ワイヤＢの端部は、前記電圧印加位置から金属板Ｗ１への接触位置まで移動するまでの比較的長い時間、加熱されることになり、溶融池Ｗｂ内の溶融金属の熱によって十分溶融可能な温度まで昇温されている。

しかし、溶接開始時は、フィラーワイヤＢは、供給が開始された後、端部が上側金属板Ｗ１に接触するまで通電されず、非加熱状態で上側金属板Ｗ１に接触することになる。また、レーザー光被照射部位ｘの溶接進行方向ａの後方に溶融池Ｗｂが十分に形成されていない。そのため、上側金属板Ｗ１の上面の溶接開始位置にレーザー光Ａを照射している状態で、その照射部位ｘの後方の所定位置にフィラーワイヤＢを供給しても、該ワイヤＢは十分溶融しない。

その結果、溶接開始位置では、溶融金属が不足して上下の金属板Ｗ１、Ｗ２間の隙間ｗに溶融金属が進入せず、両金属板Ｗ１、Ｗ２の非連結部が生じ、また、フィラーワイヤＢの端部が十分溶融しない状態で上側金属板Ｗ１の上面に残されて余盛部が発生する等、溶接不良が生じるおそれがある。

そこで、溶接開始時の溶接不良を防止するため、前記コントロールユニット４０は、レーザーヘッド１０や、ワイヤ供給装置２０に対し、定常溶接時とは異なる制御を行うようになっており、次に、この溶接開始時の制御を、図４のタイムチャートと図５〜図９の各段階の状態説明図とを用いて説明する。

まず、第1ステップとして、レーザーヘッド１０から上側金属板Ｗ１の溶接開始位置にレーザー光Ａを照射し、その被照射部位ｘを溶融させることにより、図５に示すように、上側金属板Ｗ１に上下に貫通した溶融穴部Ｗｃを形成する。

このとき、レーザー光Ａはフォーカス状態、即ち上側金属板Ｗ１に最も効率よくエネルギが伝達されるように、焦点を該金属板Ｗ１の上面ないし該金属板内部の所定位置に設定した状態とされており、また、レーザー出力やレーザー光Ａの照射時間は、上記溶融穴部Ｗｃが形成されるのに必要な値に設定される。これにより、上側金属板Ｗ１に上下に貫通した溶融穴部Ｗｃが確実に形成されると共に、この溶融穴部Ｗｃの形成に際して生じた溶融金属Ｗｄは、もっぱら下側金属板Ｗ２の上面や該金属板Ｗ２に形成された凹部に溜められる。

このとき、ワイヤ供給装置２０におけるワイヤ供給ノズル２２は、図１及び図３に示す定常溶接時の位置にフィラーワイヤＢが供給される位置に設定されている。また、この時点では、フィラーワイヤＢはノズル２２に保持されている部位で電圧が印加されているが、先端が上側金属板Ｗ１に接触していないので、通電されていない。

次に、第２ステップとして、ワイヤ供給装置２０における水平移動機構２５を作動させて、前記ワイヤ供給ノズル２２を溶接進行方向ａに所定距離移動させ、図６に示すように、該ノズル２２からフィラーワイヤＢを供給すれば、該ワイヤＢの端部が上側金属板Ｗ１に形成された前記溶融穴部Ｗｃの溶接進行方向前方側の内面に当接する位置に設定する。

また、これと並行して、レーザー光Ａの照射を停止した上で、レーザーヘッド１０の光学部材１１を光軸に沿って移動させ、レーザー光Ａを照射したきに、上側金属板Ｗ１やフィラーワイヤＢに照射される位置でデフォーカス状態となるように焦点を移動させる。

次に、第３ステップとして、図７に示すように、レーザーヘッド１０からレーザー光Ａを照射すると共に、ワイヤ供給装置２０のモータ２３を作動させて、フィラーワイヤＢの供給を開始する。

その場合に、前記のように、ワイヤ供給ノズル２２は、フィラーワイヤＢを供給したときに、その端部が上側金属板Ｗ１に形成された前記溶融穴部Ｗｃの溶接進行方向前方側の内面に当接する位置に設定されており、また、レーザー光Ａの焦点は、ワイヤＢに照射される位置でデフォーカス状態となるように設定されているので、図７に示すように、フィラー供給ノズル２２から繰り出されたフィラーワイヤＢは、デフォーカス状態でレーザー光Ａの照射を受けた上で、上側金属板Ｗ１に形成された前記溶融穴部Ｗｃの溶接進行方向前方側の内面に当接する。

これにより、図４に符号ｂで示すようにフィラーワイヤＢに対する通電が開始されるが、該ワイヤＢは、デフォーカス状態でエネルギ密度が低くされたレーザー光Ａの照射を受けることにより、形状を保持した半溶融状態とされると共に、通電による加熱が開始されることにより、溶融し始めることになる。また、このとき、レーザー光Ａのエネルギ密度は低いので、このレーザー光Ａによって上側金属板Ｗ１がさらに溶融されることはなく、前記溶融穴部Ｗｃはそのまま保持される。

なお、この第３ステップで、レーザー光Ａを照射すると共に、フィラーワイヤＢの供給を開始するときに、該ワイヤＢがレーザー光Ａの照射範囲に進入する前に、その照射を開始するように制御すれば、フィラーワイヤＢは端部が照射範囲に進入すると同時にレーザー光を照射されて、先端から確実に加熱されることになる。

次に、第４ステップとして、図８に示すように、レーザー光Ａの照射を停止した上で、レーザー光Ａの焦点を前記第1ステップと同様のフォーカス状態となるように、第２ステップでの移動と反対方向に、レーザーヘッド１０の光学部材１１を光軸に沿って移動させる。

また、これと並行してワイヤ供給装置２０における水平移動機構２５により前記ワイヤ供給ノズル２２を溶接進行方向ａの反対方向に所定距離移動させ、該ノズル２２からフィラーワイヤＢを供給したときの該ワイヤＢの端部の供給位置が、上側金属板Ｗ１の上面におけるレーザー光被照射部位ｘより所定距離ｚだけ後方側の位置、即ち前述の定常溶接時の位置となるように、該ノズル２２の位置を設定する。

その場合、フィラーワイヤＢの先端が前記溶融穴部Ｗｃの溶接進行方向前方側の内面から離反するが、前記第３ステップで該ワイヤＢの溶融が開始され、溶融穴部Ｗｃには、第１ステップで下側金属板Ｗ２上に溜まった溶融金属と合体した状態で、溶融金属Ｗｄが貯留されつつあるので、該ワイヤＢの先端がこの溶融金属Ｗｄに接触することにより、図４に符号ｃで示すように、通電が維持される。

そして、第５ステップとして、レーザーヘッド１０からレーザー光Ａを照射すれば、前記溶融穴部Ｗｃにエネルギ密度の高いフォーカス状態のレーザー光Ａが照射されることになるが、このとき、該溶融穴部Ｗｃには既に溶融金属Ｗｄが貯留され、フィラーワイヤＢの端部が該溶融金属Ｗｄによって加熱されると共に、通電加熱が続行されているから、該ワイヤＢはさらに溶融し、図９に示すように、レーザー光被照射部位ｘを中心とする溶融池Ｗｅが形成される。

そして、この状態でロボットアーム３ａの移動を開始し、レーザー光被照射部位ｘとワイヤ供給位置ｙとの位置関係を維持して、これらを溶接進行方向ａに移動開始すれば、前記溶融池Ｗｅが図３に示す溶融池Ｗｂとなって定常溶接状態に移行し、以後、所定の経路に沿って定常溶接が実行されることになる。

以上のようにして溶接が開始されることになるが、フィラーワイヤは定常溶接時の開始時には予め半溶融状態とされているので、定常溶接の開始直後から十分に溶融されることになり、これにより、上側金属板の表面に余盛部が生じることなく、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２間の隙間ｗが埋められて、両金属板Ｗ１、Ｗ２が確実に連結される。

なお、以上の実施形態では、第２ステップで、ワイヤ供給ノズル２２を定常溶接時の位置から溶接進行方向前方側の位置へ移動させたが、当初から、この前方側の位置に配置されている場合には、第２ステップにおけるワイヤ供給ノズル２２の移動を省略することができる。

また、第４ステップで、ワイヤ供給ノズル２２を前方側の位置から後方側の定常溶接時の位置へ移動させたが、この移動を省略し、レーザーヘッド１０を溶接進行方向へ所定量移動させることにより、該ノズル２２とレーザー光被照射部位との位置関係を定常溶接時の位置関係に設定し、そのまま、定常溶接に移行することも可能である。

以上のように、本発明は、フィラーワイヤを用いて上下に重ね合わされた二枚の金属板をレーザー溶接する場合に、溶接開始時の溶接を良好に行うことができ、もって、この種の溶接を行う例えば自動車産業等において広く利用される可能性がある。

１レーザー溶接装置
１０レーザーヘッド（レーザー照射手段）
２０ワイヤ供給装置
２２ワイヤ供給ノズル（ワイヤ供給手段）
３０ワイヤ加熱装置（ワイヤ加熱手段）
Ａレーザー光
Ｂフィラーワイヤ
Ｗ１上側の金属板
Ｗ２下側の金属板
Ｗｂ、Ｗｅ溶融池
Ｗｃ溶融穴部
ｗ隙間
ｘレーザー光被照射部位
ｙワイヤ供給位置

Claims

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に上方から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相対的に移動させることにより、上側金属板のレーザー光被照射部位の溶接進行方向の後方に、上下に貫通した穴部に溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成し、かつ、該溶融池におけるレーザー光被照射部位より所定距離後方に離間した位置に、予め通電加熱されたフィラーワイヤを供給するレーザー溶接方法であって、溶接開始時に、上側金属板の溶接開始位置にレーザー光を照射してその被照射部位を溶融させることにより、該上側金属板に上下に貫通した溶融穴部を形成する第１ステップと、該第１ステップにより形成された溶融穴部にフィラーワイヤの端部が突入するように、ワイヤ供給手段の位置を、レーザー光被照射部位後方の前記位置にフィラーワイヤを供給するときの位置より溶接進行方向前方側に設定する第２ステップと、前記第１ステップよりエネルギ密度を低下させたレーザー光を前記溶融穴部に向けて照射すると共に、前記第２ステップで位置が設定されたワイヤ供給手段から電圧印加されたフィラーワイヤを供給して端部を前記溶融穴部に突入させ、その際の該ワイヤと上側金属板との接触によりフィラーワイヤに対する通電を開始する第３ステップと、前記ワイヤ供給手段をレーザー光被照射部位に対して相対的に移動させ、該ワイヤ供給手段の位置を、レーザー光被照射部位後方の前記位置にフィラーワイヤを供給するときの位置に設定する第４ステップと、その後、レーザー光のエネルギ密度を上昇させると共に、レーザー光被照射部位とワイヤ供給手段との位置関係を保持し、かつ、該ワイヤ供給手段からフィラーワイヤを供給しつつ、該レーザー光及びワイヤ供給手段を前記溶接経路に沿って移動開始する第５ステップとを備えることを特徴とするレーザー溶接方法。
前記第３ステップでは、フィラーワイヤの端部がレーザー光の照射範囲に進入する前に、エネルギ密度を低下させたレーザー光の照射を開始することを特徴とする請求項１に記載のレーザー溶接方法。
前記第２ステップでは、フィラーワイヤの端部が溶融穴部の溶接進行方向前方側の内面に当接するように、ワイヤ供給手段の位置を設定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザー溶接方法。
前記第５ステップでは、レーザー光及びフィラーワイヤ供給手段の移動開始の前に、該レーザー光のエネルギ密度を上昇させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザー溶接方法。
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の上側金属板の表面に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相対的に移動させることにより、上側金属板のレーザー光被照射部位及びその溶接進行方向の後方に上下に貫通した穴部に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、前記溶融池におけるレーザー光被照射部位から所定距離後方の離間位置にフィラーワイヤを供給するワイヤ供給手段と、予めフィラーワイヤに通電して加熱する通電加熱手段とを有するレーザー溶接装置であって、溶接開始時、上側金属板の溶接開始位置に上下に貫通した溶融穴部が形成されるように前記レーザー光照射手段を制御すると共に、この溶融穴部にフィラーワイヤの端部が供給されるように前記ワイヤ供給手段の位置を制御し、次いで、前記レーザー光照射手段によりエネルギ密度を低下させたレーザー光を照射すると共に、前記ワイヤ供給手段によりワイヤを供給して端部を前記溶融穴部に突入させることにより、該ワイヤを上側金属板と接触させて前記通電加熱手段による通電加熱を開始させ、その後、前記離間位置にフィラーワイヤを供給するときの位置となるように、ワイヤ供給手段のレーザー光被照射部位に対する位置を相対的に移動させ、この状態で、レーザー光照射手段によって照射されるレーザー光のエネルギ密度を上昇させると共に、レーザー光照射手段とワイヤ供給手段とを前記溶接経路に沿って移動開始させる制御手段を有することを特徴とするレーザー溶接装置。