JP3753657B2 - ツインスポットパルスレーザ溶接方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ溶接に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＹＡＧレーザ溶接は、下記のような特徴があり自動車等の自動溶接に広く使われている：
１）集束したレーザ光を得られ、低歪み、高速溶接が可能である，
２）金属材料でのレーザ光吸収率がＣＯ２レーザの数倍であるので、効率の良い溶接が可能。また波長がＣＯ２レーザの1／10であるので、溶接時に発生するプラズマの影響を受けにくい，
３）レーザ光をフレキシブルな光ファイバで伝送できるので、ハンドリングが容易で多関節ロボットの利用も可能である。また、１００ｍ程度までの離れた場所への伝送が可能である，
４）レーザ光は時間分割（タイムシアリング），空間分割（パワーシアリング）が可能であるので、複数の加工ステーションで用いることにより、高い利用効率を得られる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方ＹＡＧレーザ単独での溶接は下記のような問題点があった：
(1)ＹＡＧレーザは、光ビームを集光させエネルギー密度を高め溶接を行うが、集光スポット径がφ０．３〜φ１ｍｍと微少であるため、次のような不都合がある；
・突合せ溶接の場合、突合せギャップ(図３の(a))があるとレーザ光が通り抜けてしまい、溶接欠陥を生じる。このことから被溶接材の溶接部端面の切断および溶接部拘束方法がシビアに要求される，
・重ね溶接では、上板から下板への貫通ビードの接合界面幅(図３の(b))が狭く、接合強度を得られない，
・スミ肉溶接においても、上記同様に溶込み幅(図３の(c))が充分に得られず、接合強度を得られない；
(2)ＹＡＧレーザ装置はイニシアルコストが高いので、自動車生産ラインのように複数台の設備を導入する場合には、設備費が膨大なものになる。
【０００４】
また、加工ヘッド光学系においてプリズム等を用い1つのレーザビームを複数に分割し、複数のスポット点を形成し、例えば２つのスポット（ツインスポット）を溶接線にまたがるように配置し、単一スポットの様なレーザ光の通り抜けを避け、結果として突合せギャップ裕度を向上させる技術がある。
【０００５】
しかしこの方法は、レーザビームを複数に分割するため、各スポット点における出力はｐ／Ｎとなり（ｐ＝レーザ出力、Ｎ＝分割数＜但し均等分割の場合＞）、投入エネルギーが減少し、より高出力のレーザを必要とする等の問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決し、突合せ溶接においては突合せギャップに高精度を要せずに欠陥の無いレーザ溶接をすること，重ね溶接，隅肉溶接においては接合界面幅，溶込み幅が広いレーザ溶接をすること、また何れにおいても、高い継手強度を得ること、を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ｘ方向に微小間隔を置いて分布する２焦点にレーザを収束するツインスポットレーザヘッドと溶接対象母材の少なくとも一方を他方に対して、ｙ方向に延びる溶接線を前記２焦点が跨ぐようにｘ方向に位置決めしてｙ方向に移動させ、前記ツインスポットレーザヘッドにレーザを与えるレーザ発振器のランプ電流を、各焦点のレーザエネルギのピーク値が所望の深い溶込みを与える高レベルとなり基底値は溶け込みを維持する低レベルとなる脈動、とする。
【０００８】
このツインスポット／パルスレーザ溶接法では、
(1)連続波レーザと同等の平均出力のレーザであっても、そのピーク出力により深い溶け込みを得ることが出来る。
(2)例えばアルミの場合、その表面の酸化膜および反射率のため、φ０．６mmのスポットでは２ＫＷ以上の投入レーザエネルギーを要するが、パルスを使用することにより、より小出力のレーザでも溶接が可能となる。例えば３ＫＷ出力のレーザでは１点１．５ＫＷとなり溶接できないが、例えば１周期の半分の期間は４ＫＷ出力残り半分の期間は２ＫＷ出力とするパルス出力により、平均出力は３ＫＷで、一点に一時的（１周期の半分の期間）に４／２＝２ＫＷを与えることができる。これが深い溶込みをもたらし、継手強度を高くする。
(3)重ね溶接の場合、通常溶接強度から接合界面幅が板厚同等程度要求されるが、単一スポットの場合この確保が困難である。一方ツインスポットでは、溶融上部の幅は広がるものの、溶け込みが浅くかつ接合界面の溶接部が分離しており、やはり溶接強度の確保が困難である。ツインスポットに上述のパルス出力を組み合わせることにより、周期的に溶込みが深くなって深部でも隣り合った２つのスポットによる溶融池が重なり合うことにより、接合界面幅が増大し、溶接強度の確保が可能となる。
【０００９】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【００１０】
【実施例】
図１に、本発明の１実施例のツインスポットパルスレーザ溶接装置の概要を示す。３相交流電源１がブレーカ２を通して整流平滑回路３に３相交流を給電する。整流平滑回路３は、３相交流を整流し平滑化して定電圧直流電圧をチョッパ回路４に印加する。チョツパ回路４は、該直流電圧を高周波チョッピングしてその内部の昇圧トランスにより昇圧して整流平滑化出力回路５に出力する。このとき、制御回路１２が与える高周波ＰＷＭパルスに同期して入力直流電圧をチョッピングする。これにより高周波交流電圧が整流平滑化出力回路５に与えられる。整流平滑化出力回路５は、この高周波交流電圧を整流し、平滑化する。しかし、この平滑化は、高周波直流を平滑化するものであり、次に説明する低周波ＰＷＭパルスの周波数は平滑化しない。
【００１１】
ＹＡＧレーザの照射を開始するときには、制御盤１０からの起動指令に応答して起動回路１３が、整流平滑化出力回路５からＹＡＧレーザ発振器６のクリプトンアークランプ７への給電ラインに、高周波高電圧を印加し、これによりアークランプ７が起動する。すなわちアーク放電を開始する。
【００１２】
制御盤１０からＰＷＭパルス発生器１１には、オペレータが設定したＰＷＭパルス周期Ｔ（たとえば低周波数５０Ｈｚの周期２０ｍｓｅｃ）およびピーク期間ｔ（例えば７ｍｓｅｃ；デューティＤ＝（ｔ／Ｔ）×１００％）が与えられ、ＰＷＭパルス発生器１１が該周期Ｔおよびピーク期間ｔの低周波ＰＷＭパルスを発生して制御回路１２に与える。また、制御盤１０から制御回路１２には、オペレータが設定した基底レベル指示値Ｗｂおよびピークレベル指示値Ｗｐが与えられる。制御回路１２は、低周波ＰＷＭパルスのピーク期間ｔには、ピークレベル指示値Ｗｐ相当のランプ電流を、ＹＡＧレーザ発振器６のクリプトンアークランプ７に給電するに必要なデューティの高周波ＰＷＭパルスを発生し、低周波ＰＷＭパルスの基底レベル期間（Ｔ−ｔ）には基底レベル指示値Ｗｂ相当のランプ電流をアークランプ７に給電するに必要なデューティの高周波ＰＷＭパルスを発生して、該高周波ＰＷＭパルスをチョッパ回路４に印加する。
【００１３】
チョッパ回路４が該高周波ＰＷＭパルスに同期して入力直流電圧をチョッピングして回路４内の昇圧トランスの１次巻線に印加する。これにより、整流平滑化出力回路５が、実質上低周波ＰＷＭパルスに相似のランプ電流をアークランプに通電し、これによりＹＡＧレーザ発振器６のＹＡＧレーザ棒８が、基底レベルがＷｂＫＷ、ピークレベルがＷｐＫＷ、デューティＤ＝（ｔ／Ｔ）×１００％のパルスレーザを発生する。このパルスレーザが、光ファイバケーブル９を通してＹＡＧレーザ照射ヘッド１４に送出される。
【００１４】
ＹＡＧレーザ照射ヘッド１４においては、レンズ１５でＹＡＧレーザが１つの焦点に向けて収束されるが、プリズム１６が、この実施例では丁度半分づつの右側レーザ光束１７Ｒと左側レーザ光束１７Ｌに分割して、それぞれを、ノズルボディ１８および銅チップ１９を通して、右焦点２０Ｒと左焦点２０Ｌに収束させる。右焦点２０Ｒと左焦点２０Ｌのレーザエネルギは実質上同一である。
【００１５】
右焦点２０Ｒと左焦点２０Ｌの距離すなわちｘ方向の間隔は、この実施例では０．８mmであり、その中間点すなわちヘッド１４の中心軸を、突合せ溶接対象母材２１，２２の、ｙ方向に延びる突合せ線すなわち溶接線（母材間ギャップ）の中央に合わせて、本実施例では、ＹＡＧレーザ照射ヘッド１４をｙ方向に移動させる。
【００１６】
図２に、定格出力Ｗａが４ＫＷのＹＡＧレーザ発振器６から、ピークが８ＫＷ、基底レベルが２ＫＷのＹＡＧレーザパルスを出力するときの、レーザパルスを模式的に示す。この場合のデューティは、（１／３）×１００％であり、パルス周波数は５０Ｈｚで、ピーク期間ｔ＝２０／３ｍｓｅｃである。右焦点２０Ｒと左焦点２０Ｌのレーザパワーはともに、ピーク期間で４ＫＷ、基底レベル期間で１ＫＷとなる。少なくとも一方の焦点が母材に当りピーク期間では深い溶込みの溶融プールを生じるので、これによって母材２１，２２間のギャップが埋まるので、常時２焦点が母材又はその溶融金属に当り、レーザエネルギが無駄なく母材に投入される。したがって、基底レベル期間では溶け込みはやや浅いが、ピーク期間で深い溶け込みがあるので、高い強度の、欠陥のない継手が得られる。
【００１７】
なお、上記実施例では、ピークレベル、基底レベルおよびデューティ（総パワー）の設定および調整が容易なため、レーザ出力を低周波数のＰＷＭ矩形パルスにするようにしたが、サイン波，三角波など、他の公知のパルスにしても、同様な効果を得ることができる。また、Ｑスイッチを用いるパルス化を採用してもよい。
【００１８】
また、上記説明では突合せ溶接を示したが、重ね溶接および隅肉溶接にも本発明を同様に適用して、同様な効果を得ることができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば、ツインスポット（２焦点）を採用するので、突合せ溶接でもいずれか一方のスポットが必ず母材に当って、ツインにレーザエネルギが分散しても、パルスレーザのピーク期間の高パワーにより深い溶け込みが実現し溶融プールが突合せギャップを埋めるので、結果としてツインスポットが常に母材又はその溶融金属に当り、レーザエネルギが無駄なく母材に投入される。基底レベル期間では溶け込みはやや浅いが、ピーク期間で深い溶込みがあるので、高い強度の、欠陥のない継手が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のツインスポットパルスレーザ溶接装置の１実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】 図１に示すＹＡＧレーザ発振器６が出射するＹＡＧレーザのパワー変化を模式的に示すタイムチャートである。
【図３】 （ａ）は突合せ溶接の突合せギャップを示す横断面図、（ｂ）は重ね溶接の接合界面幅を示す横断面図、（ｃ）は隅肉溶接の溶込み幅を示す横断面図である。
【符号の説明】
１：３相交流電源 ７：クリプトンアークランプ
８：ＹＡＧレーザ棒 ９：光ファイバケーブル
１４：ＹＡＧレーザ照射ヘッド
１５：レンズ １６：プリズム
１７Ｒ：右側レーザ光束 １７Ｌ：左側レーザ光束
１８：ノズルボディ １９：銅チップ
２０Ｒ：右側焦点 ２０Ｌ：左側焦点
Ｇｄ：焦点間間隔 ２１〜２６：母材

Claims (5)

1. ｘ方向に微小間隔を置いて分布する２焦点にレーザを収束するツインスポットレーザヘッドと溶接対象母材の少なくとも一方を他方に対して、ｙ方向に延びる溶接線を前記２焦点が跨ぐようにｘ方向に位置決めしてｙ方向に移動させ、前記ツインスポットレーザヘッドにレーザを与えるレーザ発振器のランプ電流を、各焦点のレーザエネルギのピーク値が所望の深い溶込みを与える高レベルとなり基底値は溶け込みを維持する低レベルとなる脈動、とするツインスポットパルスレーザ溶接方法。
2. 前記ランプ電流の脈動は、 Ｗｐ・ｔ／Ｔ＋Ｗｂ・（Ｔ−ｔ）／Ｔ＝Ｗａ，
   Ｗｐ：ピーク出力， ｔ：脈動１周期内のピーク出力期間，
   Ｔ：脈動周期， Ｗｂ：基底出力，
   Ｗａ：定格出力
   なるレーザ出力の脈動をもたらす実質上矩形のパルスである、請求項１に記載のツインスポットパルスレーザ溶接方法。
3. レーザ発振器；
   前記レーザ発振器が出力するレーザを、ｘ方向に微小間隔を置いて分布する２焦点に収束するツインスポットレーザヘッド；
   前記レーザ発振器のランプ電流を、各焦点のレーザエネルギのピーク値が所望の深い溶込みを与える高レベルとなり基底値は溶け込みを維持する低レベルとなる脈動、とする為の、ランプ電流基底値Ｗｂおよびピーク値Ｗｐならびに脈動周期ＴおよびデューティＤの情報を設定するランプ電流指示手段；および、
   設定された基底値Ｗｂ，ピーク値Ｗｐならびに周期ＴおよびデューティＤに、前記レーザ発振器のランプ電流値を制御する電流制御手段；
   を備えるツインスポットパルスレーザ溶接装置。
4. 前記電流制御手段は、設定された周期ＴおよびデューティＤの低周波ＰＷＭパルスを発生するパルス発生器；設定された基底値Ｗｂおよびピークレベル指示値Ｗｐに対応して、前記低周波ＰＷＭパルスのピーク期間には該ピーク値Ｗｐ相当の、また、基底レベル期間には該基底値Ｗｂ相当のデューテイの、高周波ＰＷＭパルスを発生する制御回路；前記高周波ＰＷＭパルスに同期して直流電圧をチョッピングして昇圧するチョッパ回路；および、該チョッパ回路の昇圧高周波出力を整流し平滑化して前記レーザ発振器に印加する整流平滑化出力回路；を含む、請求項３に記載のツインスポットパルスレーザ溶接装置。
5. 前記レーザ発振器はＹＡＧレーザ発振器であり；装置は更に、該ＹＡＧレーザ発振器が出力するＹＡＧレーザを前記レーザヘッドに案内する光ファイバケーブルを含む、請求項３又は４に記載のツインスポットパルスレーザ溶接装置。

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