JP2015030018A - レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】これまでのレーザ溶接方法では、１回目の溶接においてデフォーカスするためにレーザ出射部を被溶接材に対して焦点位置とは異なる位置に移動し、さらに、２回目の溶接においてはレーザ出射部を被溶接材に対して焦点位置になるように移動させる必要があり、生産タクトタイム短縮の妨げとなる。また、このようなレーザ出射部の急激な動作は、レーザ光学系部品およびファイバに衝撃を加えるため、動作を緩慢にする必要があり、生産タクトタイムをさらに増加させてしまう。【解決手段】上板と下板との間に間隙を有する状態で溶接を行うレーザ溶接方法であって、ウィービングを行いながら前記上板を溶融する第１のステップと、前記第１のステップの後に貫通溶接を行う第２のステップとを有する。これにより、被溶接材に間隙が介在する場合でも、溶落ちが無く、生産タクトタイムを短縮することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を熱源として金属板の重ね合わせ部をレーザ溶接するレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。

自動車等に関し、薄板の溶接方法として、スポット溶接が広く普及している。しかしながら、スポット溶接は、上下の電極で材料を加圧して溶接材料間の間隙を無くして溶接する必要がある。このため、片側溶接には適しておらず、上下方向から挟める等の製品形状に制約が発生する。また、加圧するためには、スポット用の上下のガンが、溶接材の上下に入り込むスペースが必要である。また、スポット用ガン自体の重量が重いため、スポット用ガンの移動速度が遅く、溶接位置に到着しても加圧時間が必要であり、溶接後も冷却時間を確保しなければならず、溶接以外にも多くの時間が必要である。

近年、自動車業界では、燃費向上のため、材料の低重量化が強く求められている。また、生産性向上のために、生産タクトタイムの短縮に対する要求が高まってきている。このような要望に対して、レーザ溶接の使用が増加してきている。レーザ溶接は、片側からの溶接であり、製品形状に対する制約を抑制し、材料の低重量化に貢献できるからである。また、レーザ溶接は、スポット溶接と比較して高速溶接が可能であり、スポット溶接に必要な加圧時間や冷却時間等が不要なため、生産タクトタイムの短縮が可能である。

しかしながら、自動車部品は、プレス成形品が多い。そのため、成形品を重ね合わせた場合、溶接を行う部分に間隙が介在する場合がある。この状態でレーザ溶接を行うと、溶落ちが発生する。こうなると、再度溶接を行う必要があり、生産タクトタイムを著しく増加させてしまう。

従来のレーザ溶接方法として、溶落ちを発生させないようにするため、２回溶接を行うものが知られている。１回目のレーザ溶接では、焦点を外したデフォーカス状態でレーザ照射を行い、間隙のある箇所ではレーザ照射側である上板を溶融させて下板側に凹ませて間隙を低減する。そして、２回目のレーザ溶接により裏側まで貫通して溶接を行っていた。これにより、間隙が介在する時の溶接による溶落ちを抑制していた（例えば、特許文献１参照）。

図３と図４を用いて、従来のレーザ溶接方法について説明する。図３は、間隙が介在する被溶接材を単にレーザ溶接した場合に発生する溶落ちの形態を示した図である。図４（ａ）は、焦点を外したデフォーカス状態で１回目の溶接を行った状態を示す図である。図４（ｂ）は、焦点を外したデフォーカス状態で間隙がない状態で重ね溶接を行った状態を示す図である。図４（ｃ）は、２回目の溶接として下板の裏側まで幅の狭いビード幅で貫通して溶融させて溶接を行った状態を示す図である。

図３に示すように、重ね合わせた２枚の被溶接材間の間隙が大きい場合、レーザ溶接を行うと、間隙に対して溶融金属が不足したため溶落ちが発生している。これに対して、図４に示すように、従来のレーザ溶接方法では、２回の溶接を行う。

図４（ａ）に示すように、１回目の溶接は、焦点を外したデフォーカス状態で行う。このときのデフォーカスする入熱条件は、図４（ｂ）に示すように、間隙がない状態で重ね溶接を行った場合、上板と下板が接合され、かつ、下板の裏側まで溶融しない範囲の入熱条件が良い。焦点を外した状態でレーザ溶接を行うことにより、レーザスポット径が大きくなり、溶接部の溶込み形態は熱伝導型へと移行する。これにより、レーザ照射側の上板が板の幅方向に広く加熱される。そのため、通常のキーホール溶接型よりも溶融金属量が増加する。その結果、溶融金属量が増加した分間隙を充填することが可能となり、溶落ちが発生し難くなる。

その後、図４（ｃ）に示すように、２回目のレーザ溶接を行う。２回目のレーザ溶接では、下板の裏側まで幅の狭いビード幅で貫通して溶融させて溶接する。

特開２０１０−２３０４７号公報

従来のレーザ溶接方法は、１回目の溶接において、デフォーカス状態にするため、焦点距離よりも長くあるいは短くするためにレーザ出射部の位置を変更する必要がある。さらに、２回目の溶接において、溶接時に焦点位置に被溶接材が設定されるようにレーザ出射部を再度移動させる必要がある。このように、レーザ出射部を移動させるための余分な時間がかかり、生産タクトタイムを増加させる。

さらに、レーザ出射部の急激な動作は、レーザ光学系部品およびファイバに衝撃を加える。そのため、レーザ出射部の急激な動作を抑制する必要があり、この場合においても生産タクトタイムを増加させるといった課題が残っている。

本発明は、間隙が介在する場合にも溶落ちが無く生産タクトタイム短縮を可能とするレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ溶接方法は、上板と下板との間に間隙が有する状態で溶接を行うレーザ溶接方法であって、ウィービングを行いながら前記上板を溶融する第１のステップと、前記第１のステップの後に前記上板と前記下板とを貫通する貫通溶接を行う第２のステップとを有するものである。

また、本発明のレーザ溶接方法は、上記に加えて、第１のステップと第２のステップとでは、焦点位置は同じであり、レーザパワーは異なるように制御するものである。

また、本発明のレーザ溶接方法は、上記に加えて、第１のステップの方が第２のステップよりもレーザパワーが低いものである。

また、本発明のレーザ溶接方法は、上記に加えて、上板の板厚および下板の板厚および上板と下板との間隙の寸法、に対応付けられた溶接条件である、溶接速度またはレーザパワーまたはウィービング幅またはウィービングパターンまたは第１のステップの回数および第２のステップの回数である溶接回数の少なくとも１つを記憶する記憶ステップと、
上板の板厚および下板の板厚および上板と下板との間隙の寸法を設定する設定ステップと、
前記記憶ステップで記憶した情報と前記設定ステップで設定した情報に基づいて、溶接条件である、溶接速度またはレーザパワーまたはウィービング幅またはウィービングパターンまたは溶接回数の少なくとも１つを決定する決定ステップとを有するものである。

また、本発明のレーザ溶接装置は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器から導かれたレーザを被溶接材に出射するレーザ用ヘッドと、前記レーザ用ヘッドが取り付けられたロボットと、前記レーザ発振器や前記ロボットの動作を制御する制御装置と、前記制御装置に情報を入力するための条件設定器とを有するレーザ溶接装置であって、上板と下板との間に間隙を有している前記被溶接材に対して、ウィービングを行いながら前記上板を溶融する第１のステップと、前記第１のステップの後に前記上板と前記下板とを貫通する貫通溶接を行う第２のステップを行い、前記第１のステップと前記第２のステップとでは前記レーザの焦点位置を同じとし、前記第１のステップの方が前記第２のステップよりも低いレーザパワーを出射するものである。

また、本発明のレーザ溶接装置は、上記に加えて、制御装置は、上板の板厚および下板の板厚および上板と下板との間隙の寸法、に対応付けられた溶接条件である、溶接速度またはレーザパワーまたはウィービング幅またはウィービングパターンまたは第１のステップの回数および第２のステップの回数である溶接回数の少なくとも１つを記憶する記憶部と、条件設定器で入力された前記上板の板厚および前記下板の板厚および前記上板と前記下板との間隙の寸法と、前記記憶部に記憶している情報とに基づいて、溶接条件である溶接速度またはレーザパワーまたはウィービング幅またはウィービングパターンまたは溶接回数の少なくとも１つを決定する制御部を備えたものである。

本発明によれば、被溶接材に間隙が介在する場合でも、溶落ちが無く溶接を行うことが可能であり、従来の方法に比べて生産タクトタイムを短縮することができる。また、作業者の条件調整時間を大幅に短縮することができる。

本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態１におけるビード断面の形態を示す図 従来のレーザ溶接におけるビード断面の溶落ちの形態を示す図 （ａ）従来のレーザ溶接における焦点を外したデフォーカス状態で１回目の溶接を行った状態を示す図（ｂ）従来のレーザ溶接における焦点を外したデフォーカス状態で間隙がない状態で重ね溶接を行った状態を示す図（ｃ）従来のレーザ溶接における２回目の溶接として下板の裏側まで幅の狭いビード幅で貫通して溶融させて溶接を行った状態を示す図

（実施の形態１）
本実施の形態について、図１と図２を用いて説明する。図１は、レーザ溶接装置の概略構成を示す図である。図２（ａ）は、ウィービングしならがレーザ溶接を行っている状態の断面を示す図である。図２（ｂ）は、貫通するようにレーザ溶接を行っている状態の断面を示す図である。

図１において、レーザ溶接装置は、ロボット１と、コントローラ２と、条件設定器３と、レーザ発振器４と、レーザ用ヘッド５を備えており、レーザ７を被溶接材８に出射して溶接する。

ロボット１は、ロボットアーム６を有しており、ロボットアーム６の先端部分にレーザ用ヘッド５が取り付けられている。コントローラ２は、ロボット１やレーザ発振器４の動作を制御する。条件設定器３は、作業者が種々の情報等を入力したり表示したりするための機器であり、条件設定器３で入力された情報は、コントローラ２に送信される。レーザ発振器４は、コントローラ２により制御され、レーザ７を出力する。レーザ用ヘッド５は、レーザ発振器４から出力されたレーザ７を被溶接材８に照射する。なお、本実施の形態において、被溶接材８は、図２に示すように、上板１１と下板１２とを重ねたものであり、上板１１と下板１２との間には、部分的に間隙が生じている。

また、コントローラ２は、制御部９と記憶部１０を有している。記憶部１０は、上板１１の板厚および下板１２の板厚および上板１１と下板１２との間隙１３の寸法と、に対応付けられた溶接条件である、溶接速度またはレーザパワーまたはウィービング幅またはウィービングパターンまたは後述する第１のステップの回数および後述する第２のステップの回数である溶接回数の少なくとも１つを記憶している。なお、記憶部１０は、これらの溶接条件の組を、例えば表や数式として複数記憶している。また、制御部９は、ロボット１やレーザ発振器４の制御等を行う。そして、制御部９は、後述するように、条件設定器３で入力された情報に基づいて溶接条件を設定する。

次に、溶接条件の設定について説明する。

作業者が、条件設定器３を用いて、上板１１の板厚と、下板１２の板厚と、上板１１と下板１２間の間隙１３の寸法とを入力する。これらの値は、条件設定器３からコントローラ２に送信される。コントローラ２において、制御部９は、条件設定器３から受信した情報と記憶部１０に記憶されている情報に基づいて、溶接条件である溶接速度またはレーザパワーまたはウィービング幅またはウィービングパターンまたは溶接回数の少なくとも１つを決定する。

その後、コントローラ２は、ロボットアーム６の動作およびウィービング１４等のレーザ用ヘッド５の動作に関連する信号をロボット１に送信する。コントローラ２から信号を受信したロボット１やレーザ用ヘッド５は、この信号に基づいて動作を行う。

また、コントローラ２は、レーザ７のオン／オフやレーザパワーを調整する信号をレーザ発振器４に出力する。コントローラ２から信号を受信したレーザ発振器４は、この信号に基づいて動作を行う。

なお、いずれの信号も同期がとられており、ロボットアーム６の動作や、レーザ用ヘッド５の動作や、レーザ７のパワーや、レーザ７のオン／オフのタイミングは、適切に制御されている。

ここで、溶接条件の一例について説明する。

例えば、上板１１の板厚と下板１２の板厚とがいずれも０．８ｍｍであり、上板１１と下板１２との間隙が０．２ｍｍとする。この場合、その値をコントローラ２に設定入力すると、自動的に、溶接速度は３ｍ／ｍｉｎ、後述する第１のステップのレーザパワーは１．５ｋＷ、後述する第２のステップのレーザパワーは２．５ｋＷ、ウィービング幅は１．０ｍｍ、ウィービングパターンは円弧、溶接回数は２回（後述する第１ステップが１回で後述する第２ステップが１回）とった溶接条件が決定され、設定される。なお、これらの自動的に設定される値は、調整可能であり、溶接状態に応じて作業者が自由に変更することも可能である。

次に、上記レーザ溶接装置によるレーザ溶接方法について説明する。

本実施の形態のレーザ溶接方法は、被溶接材８の溶落ちを発生させないようにするため、２つのステップでレーザ溶接を行う。第１のステップは、ウィービング１４を行いながら上板１１を溶融するステップである。第１のステップの後に行う第２のステップは、上板１１と下板１２とを貫通する貫通溶接を行うステップである。

第１のステップである１回目の溶接は、図２（ａ）に示すように、上板１１および下板１２に対して、レーザ７をウィービング１４しながら行う。この場合、レーザパワーは、上板１１のみを溶融するような低い値に設定する。このようにすることで、上板１１が溶融して上板の溶融部下部が下板１２に接触するような状態にすることができる。これにより、上板１１と下板１２との間隙１３を無くすことが可能となる。

なお、レーザ７のウィービング１４に関し、レーザ用ヘッド５の内部には図示していない反射鏡が配備されている場合が多く、出射角度を調整して容易にウィービング１４を行うことができる。また、プリズムやレンズの屈折等を利用して調整するようにしても良い。いずれの場合においても、レーザ用ヘッド５の位置は、溶接する面に対して鉛直方向には移動せず、後述する第１のステップと後述する第２のステップとでは焦点位置は変わらない。従って、従来のレーザ溶接方法で実施していた焦点を外したデフォーカス状態にするためのロボット１によるレーザ用ヘッド５の移動動作は不要となる。このため、大幅な動作時間の短縮となる。一例であるが、５０ｍｍから１００ｍｍ程度のロボット１の動作であれば、往復で約０．７秒から１．０秒程度の時間短縮となる。これは、従来の１回当たりの溶接に要する時間を約３０％から５０％低減している。また、レーザ用ヘッド５の急激な移動動作が無くなるので、レーザ光学系部品およびファイバへの衝撃力を格段に低減でき、レーザ光学系部品およびファイバの保護にも有効である。

第１のステップの後、第２のステップである２回目の溶接を行う。２回目の溶接では、第１のステップの場合よりもレーザパワーを高め、図２（ｂ）に示すように上板１１および下板１２を貫通溶接する。

このように、第１のステップで上板１１と下板１２とを接触した状態とし、この状態で第２のステップの溶接を行うことで、溶落ち１５の無い溶接が可能となる。

なお、上記では、第１のステップおよび第２のステップとも、溶接回数が各々１回である例を示した。しかし、各々のステップは、複数回行うようにしても良い。例えば、上板１１と下板１２との間の間隙が大きい場合は、第１のステップであるウィービング溶接を複数回実施して間隙を無くし、その後、第２のステップの溶接を行うようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置によれば、被溶接材８に間隙が介在する場合でも、溶落ちが無く、従来に比べて生産タクトタイムを短縮することができる。さらに、作業者の条件調整時間を大幅に短縮することができる。

なお、ウィービングについては、らせん状の動作を連続して溶接するパターンもあれば、のこぎり波状のパターン等もある。らせん状のパターンの場合は、常に溶接点は動作しており、停止点が存在しないので、入熱が安定しやすい利点がある。また、のこぎり波状の場合は、常に前方を溶接できるので、入熱を特に抑制したい場合に有効である。また、溶接線上のコーナ部や溶接直後の溶接部近傍を溶接する場合等の被溶接材８が加熱された状態では、ウィービング周期を高めたりウィービング振幅を小さくして入熱を低下させることで、熱の影響を安定化させることができる。このように、ウィービングは溶接現場における様々な溶接箇所や溶接線において、適用範囲を拡大することができる。

本発明は、被溶接材に間隙が介在するレーザ溶接時の溶落ちを防止し、かつ生産タクトタイムを従来に比べて短縮することができるので、間隙が介在する被溶接材を溶接するレーザ溶接制御方法およびレーザ溶接装置として産業上有用である。

１ ロボット
２ コントローラ
３ 条件設定器
４ レーザ発振器
５ レーザ用ヘッド
６ ロボットアーム
７ レーザ
８ 被溶接材
９ 制御部
１０ 記憶部
１１ 上板
１２ 下板
１３ 間隙
１４ ウィービング
１５ 溶落ち

Claims (6)

1. 上板と下板との間に間隙が有する状態で溶接を行うレーザ溶接方法であって、
   ウィービングを行いながら前記上板を溶融する第１のステップと、
   前記第１のステップの後に前記上板と前記下板とを貫通する貫通溶接を行う第２のステップとを有するレーザ溶接方法。
2. 第１のステップと第２のステップとでは、焦点位置は同じであり、レーザパワーは異なるように制御する請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 第１のステップの方が第２のステップよりもレーザパワーが低い請求項２記載のレーザ溶接方法。
4. 上板の板厚および下板の板厚および上板と下板との間隙の寸法、に対応付けられた溶接条件である、溶接速度またはレーザパワーまたはウィービング幅またはウィービングパターンまたは第１のステップの回数および第２のステップの回数である溶接回数の少なくとも１つを記憶する記憶ステップと、
   上板の板厚および下板の板厚および上板と下板との間隙の寸法を設定する設定ステップと、
   前記記憶ステップで記憶した情報と前記設定ステップで設定した情報に基づいて、溶接条件である、溶接速度またはレーザパワーまたはウィービング幅またはウィービングパターンまたは溶接回数の少なくとも１つを決定する決定ステップとを有する請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。
5. レーザ発振器と、前記レーザ発振器から導かれたレーザを被溶接材に出射するレーザ用ヘッドと、前記レーザ用ヘッドが取り付けられたロボットと、前記レーザ発振器や前記ロボットの動作を制御する制御装置と、前記制御装置に情報を入力するための条件設定器とを有するレーザ溶接装置であって、
   上板と下板との間に間隙を有している前記被溶接材に対して、
   ウィービングを行いながら前記上板を溶融する第１のステップと、前記第１のステップの後に前記上板と前記下板とを貫通する貫通溶接を行う第２のステップを行い、
   前記第１のステップと前記第２のステップとでは前記レーザの焦点位置を同じとし、
   前記第１のステップの方が前記第２のステップよりも低いレーザパワーを出射するレーザ溶接装置。
6. 制御装置は、上板の板厚および下板の板厚および上板と下板との間隙の寸法、に対応付けられた溶接条件である、溶接速度またはレーザパワーまたはウィービング幅またはウィービングパターンまたは第１のステップの回数および第２のステップの回数である溶接回数の少なくとも１つを記憶する記憶部と、条件設定器で入力された前記上板の板厚および前記下板の板厚および前記上板と前記下板との間隙の寸法と、前記記憶部に記憶している情報とに基づいて、溶接条件である溶接速度またはレーザパワーまたはウィービング幅またはウィービングパターンまたは溶接回数の少なくとも１つを決定する制御部を備えた請求項５記載のレーザ溶接装置。

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