JP2012228715A - レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大きい板隙間であっても接合強度が低下することなく溶接できるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】レーザ発振器１１からレーザを発振し、レーザを集光レンズ１４によって集束し、レーザを積層した上板１０１と下板１０２とに照射し、積層した上板１０１と下板１０２とを溶接するレーザ溶接装置１０であって、レーザ照射によって、積層した上板１０１と下板１０２とに溶融池Ｙを形成し、レーザ照射によって、溶融池Ｙを流動させ、上板１０１と下板１０２とを溶接する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法の技術に関する。

レーザ溶接は、レーザ発振器から発振したレーザを、集光レンズによって集束し、積層した鋼板に照射して溶接する溶接方法である。しかし、レーザ溶接では、積層する鋼板の板隙間が大きい場合には、接合強度が低下する。例えば、板隙間が０．３ｍｍ以上存在する場合には、溶接ビード表面が落ち込んで接合強度が低下することがある。また、板隙間が０．５ｍｍより大きい場合には、穴あきが発生して接合強度が低下することがある。

自動車車体等の３次元形状の溶接では、板隙間を例えば０．３ｍｍ以下に適正に管理することは困難である。一方、自動車車体等を製造する際には、運用上では１ｍｍ程度の板隙間まで許容されている。そのため、１ｍｍ程度の板隙間を、接合強度が低下することなく溶接することが課題となっている。現在、大きい板隙間のレーザ溶接の接合強度の低下対策として、いくつかの対策がなされている。

特許文献１は、シムローラを用いて、板隙間を管理して溶接する方法を開示している。しかし、自動車車体等を溶接する場合では、２枚または３枚の鋼板を溶接する場合もある。そのため、特許文献１が開示する溶接方法では、シム交換等を高頻度で実施する必要があり、生産性が低下する。

特許文献２では、クランプ装置を用いて、溶接部位と互い違いにレーザ仮付け溶接を実施する方法を開示している。しかし、特許文献２が開示する溶接方法では、自動車車体等を溶接する場合には、専用の大型クランプ装置が必要となる。また、特許文献２が開示する溶接方法では、亜鉛メッキ鋼板を溶接する場合には、レーザ仮付け溶接によってメッキ蒸気吹きによる溶接不良が発生する。

特許文献３では、１回目のレーザ照射をデフォーカス状態で実施し、上板を溶融させて下板側に突設させて隙間を低減し、２回目のレーザ照射によって貫通した溶接を実施している。しかし、特許文献３が開示する溶接方法では、１回目のレーザ照射が低エネルギーであるため、上板をキーホール溶融ではなく伝熱溶融させることになる。そのため、加工時間が長くなり、生産性が低下する。

特開２００４−０２５２１９号公報 特開２００５−１３１７０７号公報 特開２０１０−０２３０４７号公報

本発明の解決しようとする課題は、大きい板隙間であっても接合強度が低下することなく溶接できるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、レーザ発振器からレーザを発振し、前記レーザを集光レンズによって集束し、積層した複数枚の板に照射して、前記積層した複数枚の板を溶接するレーザ溶接装置であって、前記レーザを複数枚の板に照射して、前記積層した複数の板に溶融池を形成し、前記溶融池に前記レーザを照射して前記溶融池を流動させることで、前記積層した複数枚の板を溶接するものである。

請求項２においては、請求項１記載のレーザ溶接装置であって、前記溶融池に照射するレーザを、前記溶融池を貫通する所定軸周りの所定回転方向に走査することによって、前記溶融池を前記所定軸周りの所定回転方向に流動させるものである。

請求項３においては、請求項２記載のレーザ溶接装置であって、前記溶融池を前記所定軸周りの所定回転方向に流動させた後、前記溶融池の外縁部において前記所定回転方向にレーザを走査することによって、前記溶融池を拡大して流動させるものである。

請求項４においては、請求項２記載のレーザ溶接装置であって、前記溶融池を貫通する所定軸周りの所定回転方向における前記レーザの走査を、前記所定軸に集束するような前記所定回転方向への走査として、前記溶融池を前記所定軸周りの所定回転方向において該所定軸に収束するように流動させるものである。

請求項５においては、レーザ発振器からレーザを発振し、前記レーザを集光レンズによって集束し、積層した複数枚の板に照射して、前記積層した複数枚の板を溶接するレーザ溶接方法であって、前記レーザを複数枚の板に照射して、前記積層した複数の板に溶融池を形成し、前記溶融池に前記レーザを照射して前記溶融池を流動させることで、前記積層した複数枚の板を溶接するものである。

請求項６においては、請求項５記載のレーザ溶接方法であって、前記溶融池に照射するレーザを、前記溶融池を貫通する所定軸周りの所定回転方向に走査することによって、前記溶融池を前記所定軸周りの所定回転方向に流動させるものである。

請求項７においては、請求項６記載のレーザ溶接方法であって、前記溶融池を前記所定軸周りの所定回転方向に流動させた後、前記溶融池の外縁部において前記所定回転方向にレーザを走査することによって、前記溶融池を拡大して流動させるものである。

請求項８においては、請求項６記載のレーザ溶接方法であって、前記溶融池を貫通する所定軸周りの所定回転方向における前記レーザの走査を、前記所定軸に集束するような前記所定回転方向への走査として、前記溶融池を前記所定軸周りの所定回転方向において該所定軸に収束するように流動させるものである。

本発明のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法によれば、大きい板隙間であっても接合強度が低下することなく溶接できる。

本発明の実施形態に係るレーザ溶接装置の構成を示した構成図。 第一実施形態の溶接方法の流れを示すフロー図。 第一実施形態の溶接方法の作用を示す模式図。 第二実施形態の溶接方法の流れを示すフロー図。 第二実施形態の溶接方法の作用を示す模式図。 第三実施形態の溶接方法の流れを示すフロー図。 第三実施形態の溶接方法の作用を示す模式図。 第四実施形態の溶接方法の流れを示すフロー図。 第四実施形態の溶接方法の作用を示す模式図。

図１を用いて、レーザ溶接装置１０について説明する。
レーザ溶接装置１０は、本発明のレーザ溶接装置の実施形態である。レーザ溶接装置１０は、レーザ溶接を行う装置である。レーザ溶接とは、レーザ光を熱源として金属に集光した状態で照射し、金属を局部的に溶融・凝固させることによって接合する溶接方法である。

以下の実施形態では、レーザ溶接装置１０を用いるレーザ溶接によって、自動車車体を構成するため、積層した２枚の鋼板である上板１０１と下板１０２とを溶接するものとする。また、積層した上板１０１と下板１０２とは、板隙間が１ｍｍであるものとする。

レーザ溶接装置１０の構成について説明する。
レーザ溶接装置１０は、レーザ発振器１１と、光路１２と、レーザ照射ヘッド１３と、集光レンズ１４と、を具備している。レーザ発振器１１は、溶接用熱源としてＣＯ２レーザまたはＹＡＧレーザを発振するものである。光路１２は、発振器で発振されたレーザをレーザ照射ヘッド１３へ導くものである。光路１２は、ミラーによってレーザを折り返して伝送する、あるいは、光ファイバーによってレーザを自在に湾曲して伝送するものである。

レーザ照射ヘッド１３は、光路１２によって伝送されたレーザを上板１０１の上方から上板１０１および下板１０２に照射するものである。レーザ照射ヘッド１３は、図示せぬロボットによって、上板１０１の上方まで移動される。集光レンズ１４は、光路１２によって伝送されたレーザを適切なサイズへ集光して照射し、被溶接物上で走査させるものである。集光レンズ１４は、レーザ照射ヘッド１３の内部に収納されている。

レーザ溶接装置１０の作用について説明する。
レーザ溶接装置１０は、レーザ発振器１１からレーザを発振し、レーザ発振器１１から発振されたレーザを集光レンズ１４によって集束し、集光レンズ１４によって集束されたレーザを積層した上板１０１と下板１０２とに照射し、上板１０１と下板１０２とを溶接する。

図２および図３を用いて、レーザ溶接方法Ｓ１００について説明する。
レーザ溶接方法Ｓ１００は、本発明のレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法の第一実施形態である。なお、図２の各ステップは、図３の各ステップに対応している。また、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡＡ断面図を示している。

図２を用いて、レーザ溶接方法Ｓ１００の流れについて説明する。
ステップＳ１１０において、レーザ溶接装置１０は、積層した上板１０１および下板１０２の上方からレーザを照射する。このとき、レーザ溶接装置１０は、レーザの照射軌跡が占める領域によって平面視にて長方形が形成されるように、照射したレーザを走査し、積層した上板１０１と下板１０２とにおいて溶融池Ｙを形成する。なお、本実施形態では、レーザの照射軌跡によって長方形が形成される構成としたが、円形状、楕円形状等、他の形状であっても良い。

ステップＳ１２０において、レーザ溶接装置１０は、形成された溶融池Ｙにレーザを照射し、レーザの照射軌跡が線ビードとなるようにレーザ照射を走査させて、上板１０１と下板１０２との間で形成された溶融池Ｙの内部を流動させる。このとき、レーザの照射軌跡を線ビードとする構成としたが、溶融池Ｙを流動させるレーザの照射軌跡であれば、その他のレーザの照射軌跡であっても良い。

図３を用いて、レーザ溶接方法Ｓ１００の作用について説明する。
ステップＳ１１０においては、レーザ溶接装置１０によって、積層した上板１０１および下板１０２に上方からレーザが照射され、積層した上板１０１と下板１０２とにおいて溶融池Ｙが形成される。このとき、形成された溶融池Ｙでは、穴あけまたは分離ビードが生じていてもかまわないものとする。

ステップＳ１２０においては、レーザ溶接装置１０のレーザ照射の走査によって、形成された溶融池Ｙが流動する。このとき、流動している溶融池Ｙではうねりが生じる。うねりを生じる溶融池Ｙは、表面張力によってまとまり、穴あけまたは分離ビードのない接合部が形成される。

レーザ溶接方法Ｓ１００の効果について説明する。
従来、自動車車体等の３次元形状の溶接では、板隙間を例えば０．３ｍｍ以下に適正に管理することは困難であった。一方、自動車車体等を製造する際には、運用上では１ｍｍ程度の板隙間まで許容されていた。そのため、１ｍｍ程度の板隙間を、接合強度が低下することなく溶接することが課題となっていた。レーザ溶接方法Ｓ１００によれば、板隙間が１ｍｍである上板１０１と下板１０２とを接合強度が低下することなく溶接できる。

図４および図５を用いて、レーザ溶接方法Ｓ２００について説明する。
レーザ溶接方法Ｓ２００は、本発明のレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法の第二実施形態である。なお、図４の各ステップは、図５の各ステップに対応している。また、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＡＡ断面図を示している。

図４を用いて、レーザ溶接方法Ｓ２００の流れについて説明する。
ステップＳ２１０において、レーザ溶接装置１０はレーザ照射ヘッド１３により、積層した上板１０１および下板１０２の上方からレーザを照射する。このとき、レーザ溶接装置１０は、レーザの照射軌跡が占める領域によって平面視にて円形状が形成されるように、照射したレーザを走査し、積層した上板１０１と下板１０２とにおいて溶融池Ｙを形成する。なお、本実施形態では、レーザの照射軌跡によって円形状が形成される構成としたが、楕円形状等の同心を有する形状であれば良い。

ステップＳ２２０において、レーザ溶接装置１０は、レーザ照射の走査によって、上板１０１と下板１０２において形成された溶融池Ｙを流動させる。ここで、溶融池Ｙの平面視の中心を鉛直方向に貫通する軸を、軸Ｐと定義する。ステップＳ２２０では、軸Ｐ周りを所定方向（図５における矢印Ｒの向き）に向けて回転するように、レーザ照射を走査する。

図５を用いて、レーザ溶接方法Ｓ２００の作用について説明する。
ステップＳ２１０においては、レーザ溶接装置１０によって、積層した上板１０１および下板１０２に上方からレーザが照射され、積層した上板１０１と下板１０２との間に平面視では円形状となる溶融池Ｙが形成される。このとき、形成された溶融池Ｙでは、穴あけまたは分離ビードが生じていてもかまわないものとする。

ステップＳ２２０においては、レーザ溶接装置１０のレーザ照射の走査によって、形成された溶融池Ｙが回転する。言い換えれば、レーザ溶接装置１０のレーザ照射の走査によって、形成された溶融池Ｙが周方向へ流動してかき混ぜられる。このとき、回転している溶融池Ｙは、周方向へ流動することによって、すり鉢形状に形成される。同時に、流動している溶融池Ｙではうねりが生じる。うねりを生じる溶融池Ｙは、表面張力によってまとまり、穴あけまたは分離ビードのない接合部が形成される。

レーザ溶接方法Ｓ２００の効果について説明する。
レーザ溶接方法Ｓ２００によれば、板隙間が１ｍｍである上板１０１と下板１０２とを接合強度が低下することなく溶接できる。

図６および図７を用いて、レーザ溶接方法Ｓ３００について説明する。
レーザ溶接方法Ｓ３００は、本発明のレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法の第三実施形態である。なお、図６の各ステップは、図７の各ステップに対応している。また、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＡＡ断面図を示している。

図６を用いて、レーザ溶接方法Ｓ３００の流れについて説明する。
ステップＳ３１０からステップＳ３２０までは、第二実施形態のステップＳ２１０からステップＳ２２０までと同様の流れであるため、説明を省略する。

ステップＳ３３０において、レーザ溶接装置１０は、レーザ照射を、ステップＳ３２０においてすり鉢形状に形成された溶融池Ｙの外縁部に走査する。このとき、ステップＳ３２０と同様に、軸Ｐ周りを所定方向（図７における矢印Ｒ１の向き）に向けて回転するように、レーザ照射を走査する。

図７を用いて、レーザ溶接方法Ｓ３００の作用について説明する。
ステップＳ３１０からステップＳ３２０までは、第二実施形態のステップＳ２１０からステップＳ２２０までと同様の作用であるため、説明を省略する。

ステップＳ３３０においては、レーザ溶接装置１０のレーザ照射の走査によって、形成された溶融池Ｙの径が拡径される。このとき、ステップＳ３２０において、まとまって流動している溶融池Ｙをベースにして拡径するため、溶融池Ｙでは穴あきが生じることはない。ここで、拡径された溶融池Ｙを当初から形成しようとする場合には、径の大きい溶融池Ｙを形成することになり、穴あきが発生する確率が高い。しかし、ステップＳ３３０では、まとまって流動している溶融池Ｙをベースにして拡径するため、穴あきが生じる確率が低い。

レーザ溶接方法Ｓ３００の効果について説明する。
レーザ溶接方法Ｓ３００によれば、板隙間が１ｍｍである上板１０１と下板１０２とを接合強度が低下することなく溶接できる。

図８を用いて、レーザ溶接方法Ｓ４００について説明する。
レーザ溶接方法Ｓ４００は、本発明のレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法の第四実施形態である。なお、図８の各ステップは、図９の各ステップに対応している。また、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＡＡ断面図を示している。

図８を用いて、レーザ溶接方法Ｓ４００の流れについて説明する。
ステップＳ４１０からステップＳ４２０までは、第二実施形態のステップＳ２１０からステップＳ２２０までと同様の流れであるため、説明を省略する。

ステップＳ４３０において、レーザ溶接装置１０は、レーザ照射を、ステップＳ３２０においてすり鉢形状に形成された溶融池Ｙの中心に向かって収束するように走査する。すなわち、レーザ照射を、軸Ｐに向けて収束するように走査する。このとき、ステップＳ３２０と同様に、軸Ｐ周りを所定方向（図９における矢印Ｒ２の向き）に向けて回転するように、レーザ照射を走査する。言い換えれば、レーザ照射を、軸Ｐ周りにスパイラル形状に走査する。

図９を用いて、レーザ溶接方法Ｓ４００の作用について説明する。
ステップＳ４１０からステップＳ４２０までは、第二実施形態のステップＳ２１０からステップＳ２２０までと同様の作用であるため、説明を省略する。

ステップＳ４３０においては、レーザ溶接装置１０のレーザ照射の走査によって、形成された溶融池Ｙの中心部が下方に延長して形成される。このとき、ステップＳ３２０においてまとまって流動している溶融池Ｙが下方に延長して形成されるため、下板１０２は、より強度に溶接される。

レーザ溶接方法Ｓ４００の効果について説明する。
レーザ溶接方法Ｓ４００によれば、板隙間が１ｍｍである上板１０１と下板１０２とを接合強度が低下することなく溶接できる。

以上の第一実施形態から第四実施形態では、積層した上板１０１および下板１０２（２枚の鋼板）の上方からレーザを照射する構成としたが、本発明はこれに限定されない。積層した３枚以上の鋼板の上方からレーザを照射する構成としても、同様の効果が得られる。

以上の第一実施形態から第四実施形態では、鋼板を被溶接物とする構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えばアルミ板を被溶接物とする構成としても、同様の効果が得られる。

以上の第一実施形態から第四実施形態では、積層した上板１０１および下板１０２の上方からレーザを照射する構成としたが、本発明はこれに限定されない。積層した上板１０１および下板１０２の側面（端面）からレーザを照射する構成としても、同様の効果が得られる。

１０ レーザ溶接装置
１１ レーザ発振器
１２ 光路
１３ レーザ照射ヘッド
１４ 集光レンズ
１０１ 上板
１０２ 下板
Ｙ 溶融池

Claims (8)

1. レーザ発振器からレーザを発振し、
   前記レーザを集光レンズによって集束し、積層した複数枚の板に照射して、
   前記積層した複数枚の板を溶接するレーザ溶接装置であって、
   前記レーザを複数枚の板に照射して、前記積層した複数の板に溶融池を形成し、
   前記溶融池に前記レーザを照射して前記溶融池を流動させることで、
   前記積層した複数枚の板を溶接する、
   レーザ溶接装置。
2. 請求項１記載のレーザ溶接装置であって、
   前記溶融池に照射するレーザを、前記溶融池を貫通する所定軸周りの所定回転方向に走査することによって、
   前記溶融池を前記所定軸周りの所定回転方向に流動させる、
   レーザ溶接装置。
3. 請求項２記載のレーザ溶接装置であって、
   前記溶融池を前記所定軸周りの所定回転方向に流動させた後、
   前記溶融池の外縁部において前記所定回転方向にレーザを走査することによって、前記溶融池を拡大して流動させる、
   レーザ溶接装置。
4. 請求項２記載のレーザ溶接装置であって、
   前記溶融池を貫通する所定軸周りの所定回転方向における前記レーザの走査を、前記所定軸に集束するような前記所定回転方向への走査として、
   前記溶融池を前記所定軸周りの所定回転方向において該所定軸に収束するように流動させる、
   レーザ溶接装置。
5. レーザ発振器からレーザを発振し、
   前記レーザを集光レンズによって集束し、積層した複数枚の板に照射して、
   前記積層した複数枚の板を溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記レーザを複数枚の板に照射して、前記積層した複数の板に溶融池を形成し、
   前記溶融池に前記レーザを照射して前記溶融池を流動させることで、
   前記積層した複数枚の板を溶接する、
   レーザ溶接方法。
6. 請求項５記載のレーザ溶接方法であって、
   前記溶融池に照射するレーザを、前記溶融池を貫通する所定軸周りの所定回転方向に走査することによって、
   前記溶融池を前記所定軸周りの所定回転方向に流動させる、
   レーザ溶接方法。
7. 請求項６記載のレーザ溶接方法であって、
   前記溶融池を前記所定軸周りの所定回転方向に流動させた後、
   前記溶融池の外縁部において前記所定回転方向にレーザを走査することによって、前記溶融池を拡大して流動させる、
   レーザ溶接方法。
8. 請求項６記載のレーザ溶接方法であって、
   前記溶融池を貫通する所定軸周りの所定回転方向における前記レーザの走査を、前記所定軸に集束するような前記所定回転方向への走査として、
   前記溶融池を前記所定軸周りの所定回転方向において該所定軸に収束するように流動させる、
   レーザ溶接方法。

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