JP2020163411A - レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1.レーザ溶接装置1の概略構成
本発明の第1実施形態に係るレーザ溶接装置1の概略構成について、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係るレーザ溶接装置1の概略構成を示す模式図である。
板材積層体500の概略構成について、図2を用い説明する。図2は、板材積層体500を構成する板材501,502の溶接前における配置状態を示す模式側面図である。
本実施形態に係るレーザ溶接装置1を用いた溶接形態について、図3および図4を用いて説明する。図3は、レーザ溶接装置1を用いた溶接形態を示す模式平面図であり、図4は、図3におけるIV−IV線断面を示す模式断面図である。
本実施形態に係るレーザ溶接装置1およびこれを用いたレーザ溶接方法は、板材積層体500を構成する2枚の板材(金属部材)501,502をレーザ溶接により接合するので、抵抗溶接などを用いる場合に比べて、溶接速度が速く、熱影響が少なく、また、板材501,502に対して非接触で溶接を行うことができ、加工効率が高く、連続溶接による剛性アップを図ることが可能である。
図5(a)は、本発明の第2実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。
図5(b)は、本発明の第3実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。
図5(c)は、本発明の第4実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。
図5(d)は、本発明の第5実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。なお、本実施形態に係るレーザ溶接に用いるレーザ溶接装置の基本的な構成は、上記第1実施形態と基本的に同じである。
図6(a)は、本発明の第6実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。
図6(b)は、本発明の第7実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。
図6(c)は、本発明の第8実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。
図6(d)は、本発明の第9実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。
図7(a)は、本発明の第10実施形態に係る溶接方法を説明するための模式斜視図である。
図7(b)は、本発明の第11実施形態に係る溶接方法を説明するための模式斜視図である。
図7(c)は、本発明の第12実施形態に係る溶接方法を説明するための模式斜視図である。
図8(a)は、本発明の第13実施形態に係る溶接方法を説明するための模式斜視図である。
図8(b)は、本発明の第14実施形態に係る溶接方法を説明するための模式斜視図である。
図11は、本発明の第15実施形態に係る溶接方法を説明するための模式斜視図である。
図12(a)は、本発明の第16実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。第16実施形態は、スクリュ部に連続して形成する線状部の態様が上記第1実施形態などと異なる。
本発明の第17実施形態に係るレーザ溶接方法について、図12(b)を用いて説明する。第17実施形態は、第16実施形態と同様に、スクリュ部に連続して形成する線状部の態様が上記第1実施形態などと異なる。
図13(a)は、本発明の第18実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。
図13(b)は、本発明の第19実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。
図13(c)は、本発明の第20実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。
図13(d)は、本発明の第21実施形態に係る溶接形態を示す模式図である。
1.溶接方法と溶接部の状態
(1)溶接方法と溶接断面
図14(a)は、本確認試験に用いたサンプル1の溶接形態を示す模式図である。
図14(a)に示すように、サンプル1の溶接部220は、スクリュ部221とこれに連続する線状部222とからなる。サンプル1は、40mm×100mmで板厚1.0mmの鋼板(SPFC590)を用い、互いの間の隙間を0.5mmとして配置してレーザ溶接を実施して得られたサンプルである。サンプル1の溶接部220の形成においては、スクリュ部221の金属の溶融状態が維持されている間(溶融金属が凝固する前)に、線状部222へのレーザ光の照射を開始する。
サンプル1の比較例としてのサンプル2の形成においては、用いる材料や使用機器はサンプル1と同じである。また、溶接後における溶接形態も、サンプル1と同様に、図14(a)に示す形態である。サンプル2がサンプル1と異なるのは、溶接時において、スクリュ部へのレーザ光の照射を終了してから、0.5秒あけて線状部へのレーザ光の照射を開始した点である。
図14(b)は、サンプル3の溶接形態を示す模式図であり、図14(c)は、サンプル4の溶接形態を示す模式図である。
図14(b)に示すように、参考例としてのサンプル3の形成においては、用いる材料などはサンプル1と同じである。サンプル3は、溶接部225がスクリュ部だけからなる。溶接部225の形成方法については、サンプル1のスクリュ部221の形成方法と同じである。
図14(c)に示すように、サンプル4における溶接部230は、スクリュ部231と、そのX方向の一方側に延びる線状部232と、X方向の他方側に延びる線状部233とが一体に形成されてなる。そして、溶接部230の形成においては、スクリュ部231へのレーザ光の照射を行った後、当該スクリュ部231の金属の溶融状態が維持されている間に、線状部232および線状部233へのレーザ光の照射を開始した。
次に、レーザ溶接によりスクリュ部と線状部とが連続してなる溶接部を形成する際の、金属の溶融およびその流動についての検証結果について説明する。
先ず、強度特性調査に用いたサンプルについて、図17を用いて説明する。
サンプル11の作成においては、上記サンプル1と同様の鋼材を用いた。ただし、鋼材間の隙間をなくして(0mm)レーザ溶接を行った。
サンプル12も参考例として作成したサンプルであって、溶接部がスクリュ部だけからなる。用いる鋼材および溶接機器、溶接条件は上記サンプル11と同様である。ただし、サンプル12の作成に際しては、鋼材間の隙間を0.5mmとした。
図17(b)に示すように、サンプ13における溶接部240は、スクリュ部241と、そのX方向の一方側に延びる線状部242と、X方向の他方側に延びる線状部243とが一体に形成されてなる。なお、図17におけるX方向は、鋼材の幅方向である。また、本サンプルの作成においては、鋼材間の隙間をなくして(0mm)レーザ溶接を行った。
サンプル14も、上記サンプル13と同様の形態を有する溶接部を形成してなるサンプルであり、用いる鋼材および溶接機器、溶接条件は上記サンプル13と同様である。ただし、サンプル14の作成に際しては、鋼材間の隙間を0.5mmとした。
サンプル15は、上記サンプル13と同様にスクリュ部と2つの線状部とからなる溶接部が形成されてなるサンプルであり、用いる鋼材および溶接機器、溶接条件は上記サンプル13と同様である。ただし、本サンプルでは、線状部が延びる方向を鋼材の長手方向(Y方向)とした点で、図17(b)に示すサンプル13と異なる。
サンプル16も、上記サンプル15と同様の形態を有する溶接部を形成してなるサンプルであり、用いる鋼材および溶接機器、溶接条件は上記サンプル14と同様である。ただし、サンプル16の作成に際しては、鋼材間の隙間を0.5mmとした。
図17(c)に示すように、サンプ17における溶接部245は、スクリュ部246と、その外縁部分からX方向の一方側に延びる線状部247と、X方向の他方側に延びる線状部248とが一体に形成されてなる。本サンプルにおいても、線状部247,248は、鋼材の幅方向であるX方向に延びている。また、本サンプルの作成においては、鋼材間の隙間をなくして(0mm)レーザ溶接を行った。
サンプル18も、上記サンプル17と同様の形態を有する溶接部を形成してなるサンプルであり、用いる鋼材などは上記サンプル17と同様である。ただし、サンプル18の作成に際しては、鋼材間の隙間を0.5mmとした。
サンプル19は、上記サンプル17と同様にスクリュ部と2つの線状部とからなる溶接部が形成されてなるサンプルであり、用いる鋼材などは上記サンプル17と同様である。ただし、本サンプルでは、線状部が延びる方向を鋼材の長手方向(Y方向)とした点で、図17(c)に示すサンプル17と異なる。
サンプル20も、上記サンプル19と同様の形態を有する溶接部を形成してなるサンプルであり、用いる鋼材などは上記サンプル19と同様である。ただし、サンプル20の作成に際しては、鋼材間の隙間を0.5mmとした。
図17(d)に示すように、サンプ21における溶接部250は、スクリュ部251と、そのX方向の一方側に延びる線状部252と、X方向の他方側に延びる線状部253と、Y方向の一方側に延びる線状部254と、Y方向の他方側に延びる線状部255と、が一体に形成されてなる。本サンプルの作成においては、鋼材間の隙間をなくして(0mm)レーザ溶接を行った。
サンプル22も、上記サンプル21と同様の形態を有する溶接部を形成してなるサンプルであり、用いる鋼材および溶接機器、溶接条件は上記サンプル21と同様である。ただし、サンプル22の作成に際しては、鋼材間の隙間を0.5mmとした。
図18(a)に示すように、ともに長手方向をY方向に揃えて配置し、ラップ代40mmで2枚の鋼材を重ね合わせる。そして、ラップ部分に上記のサンプル11〜22の各形態で溶接部を形成した。せん断引張試験では、矢印のように引張力を作用させて引張強度を測定した。
図18(b)に示すように、互いに交差する状態で2枚の鋼材を重ね合わせる。そして、鋼材同士の重ね合わされた部分に上記のサンプル11〜14,17,18,21,22の各形態で溶接部を形成した。十字剥離試験では、各鋼材の長手方向の端部に設けられた孔を用いて鋼材同士を剥離して剥離強度を測定した。
上記の2つの試験のうち特に十字剥離試験の結果より、スクリュ部と線状部とを連続的に形成してなる溶接部を形成するレーザ溶接方法においては、スクリュ部だけからなる溶接部を有するサンプル11,12に比べて高い剥離強度を実現することが分かった。ここで、スクリュ部だけからなる溶接部の場合には、溶融した脆い金属と熱影響部の境界部分に応力が作用して破断に至ることからサンプル11,12の剥離強度が低いと考えられる。これに対して、スクリュ部と線状部とを連続的に形成してなる溶接部を有するサンプル13,14,17,18,21,22では、破断箇所が上記境界部分から母材へと変位することで強度向上が図られたものと考えられる。
上記第1実施形態から上記第21実施形態では、レーザ光のスポットを走査するために集光部12を制御することとしたが、本発明は、これに限定を受けるものではない。例えば、溶接ロボット13の先端部分を駆動制御することでレーザ光のスポットを走査してもよいし、X−Yテーブルなどを用いてレーザ光のスポットを走査させることとしてもよい。また、上記第1実施形態から上記第20実施形態では、集光部12を制御することによりレーザ光のスポットを移動させることとしたが、本発明は、これに限定を受けるものではない。例えば、溶接に供される金属部材を移動させてレーザ光のスポットを走査することとしてもよい。
10 レーザ発振器
12 集光部(走査部)
13 溶接ロボット
15 コントローラ(制御部)
100,105,110,115,120,125,130,140,145,150,155,165,170,175,180,185,200,205,210,215,220,230,240,245.250 溶接部
101,106,111,116,121,126,131,141,146,151,156,168,173,176,181,186,201,206,211,216,221,225,231,235,241,246,251 スクリュ部
123,127,133,143,149,158,166,171,178,188 スクリュ部(第2スクリュ部)
102,107,112,117,118,127,132,134,136,142,147,148,152,157,159,167,172,177,182,187,190,195,202,207,212,217,222,232,233,242,243,247,248,252,253,254,255 線状部
501,502,506,507,511,512,516,522,527,532 板材(金属部材)
517 棒材(金属部材)
521,526,531 ハット状部材(金属部材)
G 隙間
LN101,LN102,LN190,LN195 レーザ光走査軌跡
Claims (12)
- 複数の金属部材をレーザ溶接により接合するレーザ溶接装置であって、
レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記レーザ光を溶接箇所に集光する集光部と、
前記レーザ光のスポットを走査する走査部と、
前記レーザ発振器および前記走査部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記レーザ発振器に対して前記レーザ光を発振させた状態で、
前記レーザ光のスポットを所定箇所の周りを周回するように走査して金属部材を溶融させた平面視ドット状のスクリュ部を形成し、
前記スクリュ部における金属部材が溶融状態の間に、前記レーザ光のスポットを前記スクリュ部から離間するように走査して金属部材を溶融させた、前記スクリュ部に連続する平面視線状の線状部を形成する、
レーザ溶接装置。 - 請求項1に記載のレーザ溶接装置において、
前記線状部は、前記スクリュ部の溶融金属の一部を、線状部における複数の金属部材同士の間の隙間に充填しながら形成される、
レーザ溶接装置。 - 請求項1または請求項2に記載のレーザ溶接装置において、
前記制御部は、前記スクリュ部の金属部材の溶融に際して、前記レーザ光のスポットを平面視略円形状に周回させる、
レーザ溶接装置。 - 請求項1から請求項3の何れかに記載のレーザ溶接装置において、
前記所定箇所を第1所定箇所と定義するとともに、前記スクリュ部を第1スクリュ部と定義し、前記第1所定箇所から所定距離離間した箇所を第2所定箇所と定義したときに、
前記制御部は、前記レーザ発振器に対して前記レーザ光を発振させた状態で、
前記第1スクリュ部および当該第1スクリュ部に連続する第1線状部を形成した後、前記レーザ光のスポットを前記第2所定箇所の周りを周回するように走査して金属部材を溶融させて第2スクリュ部を形成し、
前記第2スクリュ部における金属部材が溶融状態の間に、前記レーザ光のスポットを前記第2スクリュ部から離間するように走査して、前記第2スクリュ部に連続する平面視線状の第2線状部を形成し、
前記第1線状部と前記第2線状部とが接続される、
レーザ溶接装置。 - 請求項1から請求項4の何れかに記載のレーザ溶接装置において、
前記制御部は、前記線状部の形成に際して、前記レーザ光のスポットを前記線状部内で螺旋状またはジグザグ状に走査する、
レーザ溶接装置。 - 請求項1から請求項5の何れかに記載のレーザ溶接装置において、
前記複数の金属部材は、それぞれが板状の部材であって、
前記複数の金属部材が重ね合わされた箇所から互いに離間する方向に延びる形状をなし、
前記制御部は、前記複数の金属部材が離間する起点箇所に、少なくとも前記線状部の一部が位置するように、前記重ね合わされた箇所に対して前記レーザ光のスポットを走査させる、
レーザ溶接装置。 - 複数の金属部材をレーザ溶接により接合するレーザ溶接方法であって、
レーザ光を発振し、当該発振されたレーザ光を溶接箇所に集光するレーザ光照射ステップと、
前記レーザ光のスポットを走査する走査ステップと、
を備え、
前記レーザ光を発振させた状態で、
前記レーザ光のスポットを所定箇所の周りを周回するように走査して金属部材を溶融させた平面視ドット状のスクリュ部を形成し、
前記スクリュ部における金属部材が溶融状態の間に、前記レーザ光のスポットを前記スクリュ部から離間するように走査して金属部材を溶融させた、前記スクリュ部に連続する平面視線状の線状部を形成する、
レーザ溶接方法。 - 請求項7に記載のレーザ溶接方法において、
前記線状部の形成においては、前記スクリュ部の溶融金属の一部を、線状部における複数の金属部材同士の間の隙間に充填される、
レーザ溶接方法。 - 請求項7または請求項8に記載のレーザ溶接方法において、
前記走査ステップにおいて、前記スクリュ部の金属部材の溶融に際して、前記レーザ光のスポットを平面視略円形状に周回させる、
レーザ溶接方法。 - 請求項7から請求項9の何れかに記載のレーザ溶接方法において、
前記所定箇所を第1所定箇所と定義するとともに、前記スクリュ部を第1スクリュ部と定義し、前記第1所定箇所から所定距離離間した箇所を第2所定箇所と定義したときに、
前記走査ステップにおいて、前記レーザ発振器に対して前記レーザ光を発振させた状態で、
前記第1スクリュ部および当該第1スクリュ部に連続する第1線状部を形成した後、前記レーザ光のスポットを前記第2所定箇所の周りを周回するように走査して金属部材を溶融させて第2スクリュ部を形成し、
前記第2スクリュ部における金属部材が溶融状態の間に、前記レーザ光のスポットを前記第2スクリュ部から離間するように走査して、前記第2スクリュ部に連続する平面視線状の第2線状部を形成し、
前記第1線状部と前記第2線状部とを接続する、
レーザ溶接方法。 - 請求項7から請求項10の何れかに記載のレーザ溶接方法において、
前記走査ステップでは、前記線状部の形成に際して、前記レーザ光のスポットを前記線状部内で螺旋状またはジグザグ状に走査する、
レーザ溶接方法。 - 請求項7から請求項11の何れかに記載のレーザ溶接方法において、
前記複数の金属部材は、それぞれが板状の部材であって、
前記複数の金属部材が重ね合わされた箇所から互いに離間する方向に延びる形状をなし、
前記走査ステップでは、前記複数の金属部材が離間する起点箇所に、少なくとも前記線状部の一部が位置するように、前記重ね合わされた箇所に対して前記レーザ光のスポットを走査する、
レーザ溶接方法。
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