JP2018176196A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラーワイヤの供給量や供給位置等の精緻な設定・監視を要せずに、簡単な方法でもって、溶接品質を確保することのできるレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】レーザ光１１ａの照射により鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部同士の突き合わせ部位で各端部の一部を溶融させるとともに、突き合わせ部位における複数の端部のうちの少なくとも一つの端部の溶融物が接合対象となる他の端部側へ接近するように、供給装置１３の供給ノズル１４ａ、１４ｂからその突き合わせ部位にガスを供給する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

従来より、被溶接部材の端部同士を突き合わせた突き合わせ部位にレーザ光を照射して当該端部同士を溶接することが行われている。

このレーザ溶接では、溶接部分である突き合わせ部位にレーザ光を照射することによって、各端部を構成する素材である金属が溶融して溶融池（溶融物）が形成されるとともに、各端部の溶融池が互いに重なり合って溶け合い、その後、レーザ光の照射を終えた後の溶融池で溶融した素材が凝固（固化）して、端部同士が接合される。このとき、被溶接部材の端部同士の間に、部材精度のばらつきや冶具による部材セット時のばらつき等により隙間が発生することがあるが、このような端部間の隙間は、レーザ照射により形成された各端部の溶融池が互いに接近して溶け合うことによって埋められる。このような、溶融、溶け合い、及び凝固による接合が端部間の溶接線に沿って連続的に行われることで、被溶接部材の端部同士の突き合わせ部位に溶接ビードが形成されることになる。

このようなレーザ溶接は、溶接速度を高く設定できるために生産性に優れる等の利点がある反面、非常に小さいスポット径の範囲にレーザエネルギーを集中して照射し、その周辺のみを溶融して接合を行うため、溶接物（レーザ照射により溶融状態とされた被溶接部材）の量が少なく、部材精度のばらつきや冶具による部材セット時のばらつき等により発生する突き合わせ部位の隙間に対して隙間余裕度が小さいという問題がある。すなわち、図４に示されるように、前述の突き合わせ部位における端部間の隙間が大きくなると、レーザ照射により形成された各端部の溶融池（溶融物）が溶け合って凝固する前に重力等により溶け落ちてしまい、溶接品質（強度）が低下する恐れがある。

そこで、レーザ溶接中にフィラーワイヤを加えてレーザ照射にてそのフィラーワイヤを溶融させ、溶接物を増加させることにより隙間余裕度を拡大させ、もって、溶接品質を確保する技術が提案されている（例えば、下記特許文献１、２参照）。

特開２００６−１５９２３４号公報 特許第４９４４７０１号公報

しかしながら、フィラーワイヤの併用によって隙間余裕度の拡大化を図ろうとする場合、例えば上記特許文献１、２に所載のように、隙間の大きさに応じてフィラーワイヤの供給量や供給位置等を精緻に設定・管理する必要があり、装置構成や製造工程が煩雑化するという問題があった。

本発明は上記する課題に鑑みてなされたものであり、フィラーワイヤの供給量や供給位置等の精緻な設定・管理を要せずに、簡単な方法でもって、溶接品質を確保することのできるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるレーザ溶接方法は、複数の被溶接部材の端部同士もしくは１つの被溶接部材に設けられた複数の端部同士の突き合わせ部位にレーザ光を照射して前記端部同士を溶接するレーザ溶接方法であって、前記レーザ光の照射により前記突き合わせ部位で各端部の一部を溶融させるとともに、前記突き合わせ部位における複数の端部のうちの少なくとも一つの端部の溶融物が接合対象となる他の端部側へ接近するように、前記突き合わせ部位にガスを供給する方法である。

本発明によれば、被溶接部材の端部同士を突き合せたときに生じる端部間の隙間が比較的大きい場合でも、レーザ光によって溶融した被溶接部材の端部の溶融物（言い換えれば、溶融状態の被溶接部材）が接合対象となる他の端部に近寄るようにガスが当てられるので、溶融物が重力等で落ちにくくなって、突き合わせ部位の溶接（接合）状態が良好となる。また、溶融物を補充するためのフィラーワイヤを送る機構等も不要となるので、レーザ溶接装置自体の構成を簡素化できるとともに、製造コスト（ランニングコスト）を抑えられるという効果も得られる。

本発明に係るレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置の概略構成を示した斜視図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 本発明に係るレーザ溶接方法の参考例を示した断面図である。 従来のレーザ溶接方法による問題点を説明した断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明に係るレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置の概略構成を示した斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ矢視断面図である。

図示実施形態のレーザ溶接装置１は、被溶接部材としての２つの鋼板（薄板状の鋼材）Ｗ１、Ｗ２の端部同士を突き合わせ、突き合わせられた鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部同士をレーザ光１１ａにより溶接するためのもので、基本的に、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位にレーザ光１１ａを照射するための溶接ヘッド１１と、鋼板Ｗ１、Ｗ２と溶接ヘッド１１により照射されるレーザ光１１ａとを相対移動させるための移動装置（不図示）とを備え、それら溶接ヘッド１１と移動装置が制御装置１０と電気的に通信可能に接続されている。

溶接ヘッド１１には、レーザ発振器、光学系ユニット等が内蔵されており、レーザ発振器によりレーザ光１１ａを生成するとともに、生成されたレーザ光１１ａを、光学系ユニットで集光及び反射して、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位の表面に局部的に照射するようになっている。

移動装置（不図示）は、溶接ヘッド１１から照射されるレーザ光１１ａが鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位に沿って（言い換えれば、鋼板Ｗ１、Ｗ２の溶接方向に沿って）移動するように、鋼板Ｗ１、Ｗ２とレーザ光１１ａとを相対移動させるためのものである。

この移動装置としては、従来知られた適宜の構造を採用し得るが、その一例としては、溶接対象となる鋼板Ｗ１、Ｗ２を（溶接方向に沿って）搬送する構造、例えば溶接ヘッド１１が装着された多関節型のロボットアームを利用して鋼板Ｗ１、Ｗ２に対する溶接ヘッド１１の位置・角度（傾き）等を調整して鋼板Ｗ１、Ｗ２の表面上でレーザ光１１ａを移動させる構造等を利用することができる。

制御装置１０は、中央演算処理器としてのCPU（Central Processing Unit）、読み書き自在のRAM（Random Access Memory）、読み出し専用のROM（Read Only Memory）等を備えたマイクロコンピュータで構成されており、CPUがROMに予め記憶されているレーザ溶接プログラムを読み出して実行することで、前述の溶接ヘッド１１や移動装置を制御して、突き合わせられた鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部同士をレーザ光１１ａにより溶接接合する。ここでは、前記制御装置１０には、溶接ヘッド１１（のレーザ発振器）によるレーザ光１１ａの出力を制御する機能（出力制御機能）や、鋼板Ｗ１、Ｗ２とレーザ光１１ａとの相対位置・相対速度（溶接速度）を制御する機能（相対移動制御機能）等が備えられている。

前記レーザ溶接装置１では、前記制御装置１０によって、レーザ光１１ａの出力や、鋼板Ｗ１、Ｗ２とレーザ光１１ａとの相対位置・相対速度（溶接速度）等を制御しながら、溶接ヘッド１１から鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位にレーザ光１１ａを照射することで、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位に溶融池（各鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部の一部が溶融して形成された溶融物）が形成され、当該鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部同士が（突き合わせ部位に沿って）溶接接合される。

ここで、前記のように、突き合わせられた鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部同士の間には、部材精度のばらつきや冶具による部材セット時のばらつき等により隙間が発生することがあり、この端部間の隙間が大きくなると、レーザ光１１ａの照射により形成された各端部の溶融物（鋼板Ｗ１、Ｗ２の溶融物）が溶け合って凝固する前に重力等により溶け落ちてしまう（図４参照）。

そこで、本実施形態のレーザ溶接装置１では、以下のような対策が講じられている。

すなわち、本実施形態のレーザ溶接装置１には、上記構成に加えて、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位における端部同士の隙間（量）を検出するためのトラッキングセンサ１２と、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位（特に、レーザ光１１ａの照射位置ないしその近傍であって、レーザ光１１ａの照射により溶融物が形成される位置）にガスを供給（噴射）するための供給装置１３と、供給装置１３から供給されたガスを吸引・回収するための吸引装置１６とが付設されており、それらが前記制御装置１０と電気的に通信可能に接続されている。

トラッキングセンサ１２は、例えば、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位の周辺を撮像してその画像データを生成するカメラ装置や、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位に対して赤外線レーダや超音波等を送受信する送受信装置等で構成されており、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位において前記レーザ光１１ａの照射位置（すなわち、溶接部分）から溶接方向で所定距離だけ前方の部位に向けて指向するように、前記溶接ヘッド１１に取り付けられている。このトラッキングセンサ１２により、溶接ヘッド１１から照射されるレーザ光１１ａと鋼板Ｗ１、Ｗ２とを相対移動させて鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部同士を（突き合わせ部位に沿って）溶接しながら、その溶接部分の前方の部位における隙間（量）を逐次（連続的に）検出することができる。なお、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位の隙間を監視できれば、前記トラッキングセンサ１２を、前記溶接ヘッド１１と別体に設けても良いことは勿論である。

また、本例では、前記トラッキングセンサ１２は、溶接ヘッド１１に取り付けられ、溶接ヘッド１１等によって鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部同士を（突き合わせ部位に沿って）溶接しながら、その溶接部分の前方の部位における隙間を逐次（連続的に）検出するようにしているが、例えば、鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部同士を溶接する前に鋼材Ｗ１、Ｗ２の端部同士を突き合せた状態で、その溶接部分（突き合わせ部位）全体の前記隙間を予め検出するようにしても良いことは勿論である。

前記トラッキングセンサ１２による検出結果は制御装置１０に送信され、制御装置１０にて、その突き合わせ部位における鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部同士の隙間の大きさ（幅）が演算されるようになっている。

供給装置１３は、各鋼板Ｗ１、Ｗ２の下方に斜めに（言い換えれば、鉛直方向に対して傾斜した姿勢で）配置された一対の供給ノズル１４ａ、１４ｂを有しており、ガスボンベ１５に所定圧で貯蔵されたガスが、配管１５ａを介して各供給ノズル１４ａ、１４ｂに導入され、各供給ノズル１４ａ、１４ｂ（の開口）から鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位に向けて（斜め下方から）供給されるようになっている（特に、図２参照）。なお、前記ガスは、各供給ノズル１４ａ、１４ｂの双方から鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位に同時に噴射しても良いし、各供給ノズル１４ａ、１４ｂのいずれか一方のみから噴射するようにしても良いことは勿論である。また、供給装置１３（の各供給ノズル１４ａ、１４ｂ）から供給されるガスとしては、適宜のものを利用し得るが、例えば、Ar（アルゴンガス）、He（ヘリウムガス）等の不活性ガスや、CO₂（炭酸ガス）、O₂（酸素ガス）、H₂（水素ガス）等の活性ガス等を採用できる。

一方、吸引装置１６は、各鋼板Ｗ１、Ｗ２の上方に斜めに（言い換えれば、鉛直方向に対して傾斜した姿勢で）配置された一対の吸引ノズル１７ａ、１７ｂを有しており、供給装置１３の各供給ノズル１４ａ、１４ｂから鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位に供給されたガスが、当該吸引ノズル１７ａ、１７ｂにより吸引されて回収されるようになっている（特に、図２参照）。

なお、前記供給ノズルの位置や数、前記吸引ノズルの位置や数等は、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位にガスを供給するとともにそのガスを回収できれば、図示例に限定されないことは言うまでも無い。

ここで、本実施形態では、前記供給装置１３において、供給ノズル１４ａ、１４ｂから供給されるガスの圧力（ガス圧）、流量、流速、温度、供給範囲、供給ノズル１４ａ、１４ｂの位置、角度（つまり、突き合わせ部位に対するガスの供給方向）等といったガス供給条件や、吸引装置１６において、吸引ノズル１７ａ、１７ｂの吸引力（量）、位置、角度（つまり、突き合わせ部位に対するガスの吸引方向）等といったガス吸引条件が、可変制御可能とされている。例えば、上記ガス供給条件のうち、ガスの圧力（ガス圧）、流量、流速、供給範囲等は、例えばソレノイドバルブを用いた調整機構により各供給ノズル１４ａ、１４ｂの開口面積や開口形状を変更するなどして可変制御可能となっている。

また、前記制御装置１０には、上記の出力制御機能や相対移動制御機能等に加えて、前記のようにトラッキングセンサ１２の検出結果から鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位における隙間の大きさ（幅）を算出する機能（隙間量演算機能）、前述のガス供給条件を制御する機能（供給条件制御機能）、前述のガス吸引条件を制御する機能（吸引条件制御機能）が備えられている。

本実施形態のレーザ溶接装置１では、前記制御装置１０によって、レーザ光１１ａの出力や、鋼板Ｗ１、Ｗ２とレーザ光１１ａとの相対位置・相対速度（溶接速度）等を制御するとともに、算出された鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位における隙間の大きさ（具体的には、レーザ光１１ａが照射されて溶融物が形成される部分の隙間の大きさ）に応じてガス供給条件やガス吸引条件を制御する。これにより、溶接ヘッド１１から鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位に沿って（溶接方向に沿って）レーザ光１１ａを照射するとともに、供給装置１３の各供給ノズル１４ａ、１４ｂからその突き合わせ部位（具体的には、レーザ光１１ａの照射位置ないしその近傍）にガスを適正に供給（噴射）しつつ、突き合わせ部位に供給されたガスを吸引装置１６の各吸引ノズル１７ａ、１７ｂで適正に吸引・回収することができる。

なお、前記制御装置１０にて隙間の大きさ（幅）に応じて特定されるガス供給条件やガス吸引条件は、事前のトライ等によって規定することができる。

上記構成により、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位における端部間の隙間が大きい場合でも、レーザ溶接中にその隙間の大きさ（幅）に応じてガス供給条件やガス吸引条件等が適正に制御されるので、レーザ光１１ａの照射により形成された各端部の溶融物（鋼板Ｗ１、Ｗ２の溶融物）が、重力等により溶け落ちる前に、下方に配置された供給装置１３の各供給ノズル１４ａ、１４ｂから吹き上げられるガス（の圧力）によって接合対象となる他の鋼板Ｗ１、Ｗ２側（図２の白抜き矢印方向）に押されて接近されて溶け合い、その後、レーザ光１１ａの照射を終えた後に凝固（固化）して（突き合わせ部位に沿った）溶接ビードが形成されることになる。

なお、この段階で、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位における溶け込み深さが基準値未満である場合には、前述の各種条件（レーザ光１１ａの出力、ガス供給条件、ガス吸引条件等）を変更して、鋼板Ｗ１、Ｗ２の突き合わせ部位における端部同士を再度溶接すれば良い。

このように、本実施形態では、鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部同士を突き合せたときに生じる端部間の隙間が比較的大きい場合でも、溶接ヘッド１１から照射されるレーザ光１１ａによって溶融した鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部の溶融物（言い換えれば、溶融状態の鋼板Ｗ１、Ｗ２）が接合対象となる他の端部に近寄るように供給装置１３の各供給ノズル１４ａ、１４ｂからガスが当てられるので、溶融物が重力等で落ちにくくなって、突き合わせ部位の溶接（接合）状態が良好となる。また、溶融物を補充するためのフィラーワイヤを送る機構等も不要となるので、レーザ溶接装置自体の構成を簡素化できるとともに、製造コスト（ランニングコスト）を抑えられるという効果も得られる。

なお、上記実施形態では、被溶接部材としての２つの鋼板Ｗ１、Ｗ２の端部同士を突き合せてレーザ溶接する場合を説明したが、被溶接部材は３つ以上であっても良いことは勿論である。また、本発明は、１つの被溶接部材に設けられた複数の端部同士を突き合せてレーザ溶接する場合にも適用し得ることは詳述するまでも無い。

また、上記実施形態と同様の構成として、例えば図３に示すように、突き合わせ部位の下面に水等の液体Ｌを配置し、被溶接部材としての鋼板Ｗ１、Ｗ２の溶融物が溶け落ちる前に凝固させることも考えられるが、液体Ｌの温度管理が難しいなどの理由から、上記図１、２に基づき説明した実施形態（供給されるガス圧（の制御）によって、溶融物の流れ（方向）を変更する形態）の方が望ましい。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの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ける設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…レーザ溶接装置、１０…制御装置、１１…溶接ヘッド、１１ａ…レーザ光、１２…トラッキングセンサ、１３…供給装置、１４ａ、１４ｂ…供給ノズル、１５…ガスボンベ、１５ａ…配管、１６…吸引装置、１７ａ、１７ｂ…吸引ノズル、Ｗ１、Ｗ２…鋼板（被溶接部材）

Claims (1)

1. 複数の被溶接部材の端部同士もしくは１つの被溶接部材に設けられた複数の端部同士の突き合わせ部位にレーザ光を照射して前記端部同士を溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記レーザ光の照射により前記突き合わせ部位で各端部の一部を溶融させるとともに、前記突き合わせ部位における複数の端部のうちの少なくとも一つの端部の溶融物が接合対象となる他の端部側へ接近するように、前記突き合わせ部位にガスを供給する、レーザ溶接方法。

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