JP3772395B2

JP3772395B2 - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JP3772395B2
Application number: JP14353796A
Authority: JP
Inventors: 義博山▲華▼
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2016-05-14
Also published as: JPH09300087A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接方法に係り、特に溶接ラインに沿った方向のレーザ出力のパワー分布を適当に変化させることによってレーザ溶接箇所の凝固割れ防止を図ったレーザ溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ溶接は、レーザビームを金属板等の被溶接箇所に対し照射して溶接するものであり、溶接幅の狭い精密な溶接が可能であることから、従来よりその開発が進められている。
また、レーザビームは微小スポットを形成し、その照射ポイントは、例えば溶融幅が０．１〜０．２〔ｍｍ〕、溶け込み深さも０．０〜１．０〔ｍｍ〕等となってアスペクト比が大きい。
【０００３】
一方、レーザ溶接は、上述したように溶融幅が小さいことから、精密溶接には適している反面、レーザビームの照射直後の溶接箇所の熱放散が速い（急冷状態）。このため、レーザ溶接では、溶接箇所の凝固割れもしくは内部ひずみが生じ、耐久性が悪いという不都合が生じる。
【０００４】
かかる不都合を改善するため、近時にあっては、図８（Ａ）に示す従来のノーマル波とは異なり、パルス波の波形制御によって立ち上がりが急で立ち下がりを緩やかに設定したパルス波（図８（Ｂ）参照）が使用されている。
これにより、溶接箇所の熱放散の速度が幾分緩和され、従来生じていた凝固割れの発生が有効に抑制されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例におけるパルス波の波形制御は、時間軸に沿ったレーザ波の波形制御であり、スポット溶接においては凝固割れもなく好適なものとなっている。
しかしながら、この手法を用いて連続した箇所に適用すると、スポット溶接を隣接して順次繰り返すこととなり、その都度、レーザ照射をオン（ＯＮ）／オフ（ＯＦＦ）しなければならないため作業能率が著しく悪い。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、特に連続移動溶接時に被溶接箇所に生じる凝固割れを有効に排除すると共に、これによって溶接強度の向上を図り且つレーザ溶接の信頼性向上を図ったレーザ溶接方法を提供することを、その目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明では、被溶接箇所に沿って溶接用レーザビームを相対的に移動させて成るレーザ溶接方法において、前述した溶接用レーザビームとして、出力の異なる複数の溶接用レーザビームを使用する。そして、出力の高い溶接用レーザビームを被溶接部材上において被溶接部材の移送方向上流側に，又出力の低い溶接用レーザビームを被溶接部材上において被溶接部材の移送方向下流側にそれぞれ各ビームが被溶接部材上において一部重なるようにして配設する、という構成を採っている。
【０００８】
このため、この請求項１記載の発明では、例えば図１において、被溶接部材１００上の被溶接箇所には、レーザ溶接の開始と同時に合成パワー分布Ｐ₀₁の立ち上がりの大きい部分（図５の左側）が、まず印加され、続いて最大値に達した後、パワー出力が徐々に抑制された状態のレーザパワーが印加され、これによって、溶接済の箇所が（室温で急冷されることなく）低いパワー出力部分で連続的に徐冷工程に付される。被溶接箇所が連続している場合、この状態が継続する。
【０００９】
従って、この図３の合成パワー分布Ｐ₀₁に基づいたレーザ溶接にあっては、被溶接箇所が有効に徐冷され、その結果、従来例で度々生じていた被溶接箇所部分の凝固割れの発生を有効に阻止するができる。
【００１０】
請求項２記載の発明では、前述した複数の溶接用レーザビームを、一のレーザ出力源から光学系をもって分岐してなる分岐レーザ光とする、という構成を採っている。
【００１１】
このため、この請求項２記載の発明でも、前述した請求項１記載の発明と同等に機能するほか、レーザ出力部を一つとすることができるため装置を安価に得ることができ、同時にその小型軽量化が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って順次説明する。
【００１３】
図１において、符号１，２は、それぞれ一方と他方の溶接用レーザ出力部を示す。又、記号Ａは一方のレーザ出力部１から出力される第１の溶接用レーザビームを示し、記号Ｂは他方のレーザ出力部２から出力される第２の溶接用レーザビームを示す。符号１００は被溶接部材を示す。この被溶接部材１００は、図示しない移送手段によって図１の矢印ｅ方向に移送されるように構成されている。
【００１４】
溶接用レーザ出力部１，２は所定位置に固定して装備されている。この溶接用レーザ出力部１，２の出力ビームは、移動中の被溶接部材１００上の被溶接箇所に集光レンズ１Ａ，２Ａを介して照射される。この場合、被溶接部材１００を固定して溶接用レーザ出力部１，２側を移動させるようにしてもよい。
【００１５】
又、符号４は集光ビーム用光学系を示す。この集光ビーム用光学系４は、前述した溶接用レーザ出力部１，２と被溶接部材１００との間に配設され、ビーム集光ケース５内に装備されている。このビーム集光ケース５は、溶接用レーザ出力部１，２から出力されるレーザビームに向けて開口された第１の開口部５ａと、集光された溶接用レーザビームを被溶接部材１００に送り出す第２の開口部５ｂとを備えている。
【００１６】
ビーム集光ケース５内には、レーザ出力部１から出力される第１の溶接用レーザビームＡを集光する一方の集光レンズ１Ａと、レーザ出力部２から出力される第２の溶接用レーザビームＢを集光する他方の集光レンズ２Ａとを備えている。また、この他方の集光レンズ２Ａの前述した第１の開口部５ａ側には、第１乃至第２のレーザ反射鏡２Ｅ，２Ｆが装備されている。
【００１７】
そして、レーザ出力部２から出力された第２の溶接用レーザビームＢは、第１の反射ミラー２Ｅ，第２の反射ミラー２Ｆ，及び集光レンズ２Ａを介して幾分外側（図１の右側）にずらした位置から被溶接部材１００上の被溶接箇所に照射される。
【００１８】
ここで、図２（Ａ）に、被溶接部材１００上の被溶接箇所に照射される第１の溶接用レーザビームＡのパワー分布Ｐ₁を示し、図２（Ｂ）に被溶接部材１００上の被溶接箇所に照射される第２の溶接用レーザビームＢのパワー分布Ｐ₂を示す。この第２の溶接用レーザビームＢは、被溶接箇所においては、前述した第１の溶接用レーザビームＡよりそのパワー分布が図２（Ｂ）に示すように全体的に小さく設定されている。
【００１９】
前述したビーム集光ケース５内には、一方と他方の各集光レンズ１Ａ，２Ａの各焦点位置を光軸に沿った方向に移送して調整する焦点位置調整機構１Ｂ，２Ｂが装備されている。そして、この一方と他方の各集光レンズ１Ａ，２Ａは、焦点位置調整機構１Ｂ，２Ｂによって、その焦点位置を光軸に沿った方向（図１のａ方向，ｂ方向）に調整し得るようになっている。
【００２０】
この内、他方の集光レンズ２Ａに併設された焦点位置調整機構２Ｂは、更に、当該他方の集光レンズ２Ａの照射ポイントを、前述した被溶接部材１００上の被溶接箇所に沿った方向の下流側（図１の矢印ｅ方向）に可変距離０〜Ｓ₂の範囲で任意にずらして固定し得る機能を備えている。
【００２１】
図３に、被溶接箇所に対する他方の集光レンズ２Ａの照射ポイントを前述した被溶接箇所に沿った方向の下流側に距離Ｓ₁（但し、Ｓ₁＜Ｓ₂）だけずらした場合を示す。即ち、この図３では、一方の集光レンズ１Ａの照射ポイントから距離Ｓ₁だけずらされて図２（Ａ）におけるｙ−ｚ座標軸上に図２（Ｂ）に示す溶接用レーザビームＢが照射され、これにより、被溶接部材１００上の被溶接箇所には、図３に示す合成パワー分布（照射レーザの合成パターン）Ｐ₀₁が形成されるようになっている。
【００２２】
ここで、他方の集光レンズ２Ａに併設された焦点位置調整機構２Ｂが備えている溶接用レーザビームＢの照射ポイントの可変範囲０〜Ｓ₂と合成パワー分布との関係を、好ましい場合の図４（Ｂ）と，その両端部の可変範囲０および可変範囲Ｓ₂の場合（図４（Ａ）（Ｃ）の場合）について説明する。
【００２３】
図４（Ａ）は、第１および第２の溶接用レーザビームＡ，Ｂを同一ポイントに重ねて照射する場合（即ち、照射ポイントの中心点のずれ「０」の場合）を示す。記号Ｐ₀₀は、この図４（Ａ）の場合の合成パワー分布（照射レーザの合成パターン）を示す。また、図４（Ｂ）は、前述した図３の場合である。
【００２４】
更に、図４（Ｃ）は、溶接用レーザビームＢの照射ポイントのずれ範囲を最大値Ｓ₂に設定し照射する場合を示す。記号Ｐ₀₂は、この図４（Ｃ）の場合の合成パワー分布（照射レーザの合成パターン）を示す。
【００２５】
即ち、この図４（Ｃ）に示す合成パワー分布Ｐ₀₂は、この第２の溶接用レーザビームＢを第１の溶接用レーザビームＡから距離Ｓ₂だけ，ずらした場合に得られる合成パワー分布である。これら図４（Ａ），図４（Ｂ），図４（Ｃ）のいずれも、被溶接部材１００の相対的移動方向に沿ったｙ−ｚ座標軸について開示したものである。
【００２６】
この内、図４（Ａ）に示す合成パワー分布（照射レーザの合成パターン）Ｐ₀₀は、レーザビームＡ，Ｂが一箇所に重ねられているため、一方のレーザビームのみを使用してその強度を高めたのと同等となり徐冷工程を設定することができない。また、図４（Ｃ）に示す合成パワー分布（照射レーザの合成パターン）Ｐ₀₂の場合は、徐冷予定箇所（レーザビームの移動方向下流側に立ち下がり部）で再び加熱する事態が生じることから、このパターンも、本実施形態には不適当なものとなっている。
このため、溶接後の徐冷工程に際して都合よく機能する図４（Ｂ）の場合が、この三つの例では最適なものとなっている。
【００２７】
ここで、前述した合成パワー分布Ｐ_０１と溶接箇所側で受けるレーザパワーとの関係を図５に基づいて説明する。
この図５（Ａ）に示す合成パワー分布Ｐ_０１は、図４（Ｂ）又は図３において既に開示した合成パワー分布Ｐ_０１と同一のもので、ｙ−ｚ座標軸について取り出したものである。また、図５（Ｂ）はパルス波形制御によって上述した図５（Ａ）に似せて形成されたレーザビームの出力波形を示す。
【００２８】
この図５（Ａ）において、横軸のｙ軸上に図の左方から右方に時間ｔで移動する点Ｈを想定する。この点Ｈが移動中に合成パワー分布Ｐ₀₁により照射されるレーザパワーは、定点（スポット溶接の位置）が図５（Ｂ）のパルス波形制御によって受けるレーザパワーと同一となる。
【００２９】
即ち、この図５（Ａ）の合成パワー分布Ｐ₀₁のものを使用すると、合成パワー分布Ｐ₀₁と被溶接箇所との相対的な移動に際して、その移動箇所全体にわたって順次連続して、図５（Ａ）に示す合成パワー分布Ｐ₀₁の溶接用レーザビームを受けることができる。
【００３０】
即ち、図１において、被溶接部材１００上の被溶接箇所には、レーザ溶接の開始と同時に合成パワー分布Ｐ₀₁の立ち上がりの大きい部分（図５の左側）が、まず印加され、続いて最大値に達した後、パワー出力が徐々に抑制された状態のレーザパワーが印加され、これによって、溶接済の箇所が（室温で急冷されることなく）低いパワー出力部分で連続的に徐冷工程に付されることとなる。被溶接箇所が連続している限りこの状態が継続する。
【００３１】
従って、この図３の合成パワー分布Ｐ₀₁に基づいたレーザ溶接にあっては、被溶接箇所が有効に徐冷され、その結果、従来例で度々生じていた被溶接箇所部分の凝固割れの発生を有効に阻止するができ、これにより溶接強度の向上を図ることができ、且つレーザ溶接の作業能率の向上および信頼性向上を図ることができる。
【００３２】
ここで、上記実施形態にあっては、レベルの異なる二つの連続照射に係るレーザビームを合成した場合を例示したが、これとは別に、図１において第１の溶接用レーザビームＡをＹＡＧレーザ・Ｑスイッチパルスとし、第２の溶接用レーザビームＢをＣＯ₂レーザ（炭酸ガスレーザ）とし、これら二つの異種のレーザビームを合成したものであってもよい。
【００３３】
また、三つ以上のレーザビームを組み合わせてより溶接に適したパワー分布のレーザビームを形成し使用してもよい。また、複数のレーザビームを組み合わせて所定のレーザパワー分布を得るのに、いずれかのレーザビームを照射面に対して傾けてもよい。
【００３４】
〔実験例〕
次に、図３で開示した合成パワー分布（照射レーザの合成パターン）Ｐ₀₁によって成されるレーザ溶接の良否（特に表面に生じるビード面）を、合成パワー分布Ｐ₀₀，Ｐ₀₂の場合と比較して説明する。
【００３５】
図６に、上述した図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示す各レーザビームＡ，Ｂの合成パワー分布Ｐ₀₀，Ｐ₀₁又はＰ₀₂によって形成される実際の溶接ビード（写真撮影したもの）を示す。ここで、第１の溶接用レーザビームＡ（出力パワーＰ₁）としてはＹＡＧレーザ・Ｑスイッチパルスを使用し、又第２の溶接用レーザビームＢ（出力パワーＰ₂）としてはＣＯ₂レーザ（炭酸ガスレーザ）をそれぞれ使用した。
【００３６】
この図６に示す結果から明らかのように、図６▲１▼，図６▲３▼の場合についてもレーザ溶接は可能であるが、溶接の良否判定に際して重要視される溶接ビードの形状は、明らかに本実施形態で採用した図６▲２▼のもの（即ち、図３の合成パワー分布Ｐ₀₁に依存した場合）が、実際上最も良好な結果を得ることができた。即ち、この図６▲２▼には、溶接ビードが繰り返し順序よく形成されており、また、その溶接面の切断観察に際しても凝固割れの形跡は全く見られなかった。
【００３７】
〔変形例〕
次に、図１に示す実施形態の変形例を図７に示す。
この図７に示す変形例は、二つのレーザービームＡ，Ｂを単一のレーザ出力部１１と、ハーフミラー１２と反射ミラー１３によって構成した点に特徴を備えている。
【００３８】
即ち、レーザ出力部１１から出力されるレーザービームＡに光軸上にハーフミラー１２が配置され、このハーフミラー１２からの反射ビームをレーザビームＢとして、これが反射ミラー１３によって被溶接箇所に照射されるように構成されている。この場合、レーザービームＡに対するレーザビームＢの合成方法は、前述した実施形態（図１〜図３）の場合と同一となっている。
【００３９】
このようにしても、前述した実施形態（図１〜図３）の場合とほぼ同等の作用効果を得ることができるほか、単一のレーザ出力部１１で良好なレーザ溶接を実行し得ることから、溶接装置を安価に得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、溶接用レーザビームとして出力の異なる複数の溶接用レーザビームを使用すると共に、出力の高い溶接用レーザビームを被溶接部材上において被溶接部材の移送方向上流側に，又出力の低い溶接用レーザビームを被溶接部材上において被溶接部材の移送方向下流側に，それぞれ各ビームが被溶接部材上において一部重なるようにして配設したので、これによると、当該空間合成された溶接用レーザビームを被溶接部材上に相対的に移動することにより、被溶接部材上の被溶接箇所には、レーザ溶接の開始と同時に合成パワー分布の立ち上がりの大きい部分が、続いてレーザビームの移動と共に最大値が、更にパワー出力が徐々に抑制された状態のレーザパワーが順次連続して印加され、これによって、レーザビームの移動と共に溶接終了側が（室温で急冷されることなく）低いパワー出力部分で連続的に徐冷工程に付される。これにより、溶接箇所完了後に生じる凝固割れを有効に排除することができ、同時に、これによって溶接強度の向上を図り且つレーザ溶接の信頼性および作業性向上を図ることができるという従来にない優れたレーザ溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるレーザ溶接方法の一実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】図１に開示した一方と他方の溶接用レーザ出力部から出力される溶接用レーザビームのレーザパワーを示す図で、図２（Ａ）は第１の溶接用レーザビームのレーザパワーを示す線図、図２（Ｂ）は第２の溶接用レーザビームのレーザパワーを示す線図である。
【図３】図２に開示した二つの溶接用レーザビームをその焦点位置を所定距離ずらして同時照射した場合に生じる合成パワー分布を示す線図である。
【図４】図２に開示した二つの溶接用レーザビームを重合した場合および焦点位置を所定距離ずらして同時照射した場合に生じる合成パワー分布を示す線図で、図４（Ａ）は二つの溶接用レーザビームを重合した場合を示す線図、図４（Ｂ）は二つの溶接用レーザビームの焦点位置を所定距離ずらして同時照射した場合（図３と同じ）を示す線図、また、図４（Ｃ）は二つの溶接用レーザビームの焦点位置を更に大きくずらして同時照射した場合を示す線図である。
【図５】図３に開示した二つの溶接用レーザビームの合成パワー分布とパルス波形制御によって形成されたレーザビームの出力波形との比較を示す図で、図５（Ａ）は図３に開示した二つの溶接用レーザビームの合成パワー分布を示し、図５（Ｂ）はパルス波形制御によって図５（Ａ）に合わせて形成された場合のレーザビームの出力波形を示す。
【図６】図４（Ａ）〜（Ｃ）に開示した二つの溶接用レーザビームの合成パワー分布によってレーザ溶接した場合の溶接面のビードを示す図表である。
【図７】図１の変形例を示す説明図である。
【図８】従来例よりレーザ溶接に使用されているパルス波を示す図で、図８（Ａ）はノーマルパルス波を示す線図、図８（Ｂ）はパルス波の波形制御によって立ち下がりを緩やかに設定したパルス波を示す線図である。
【符号の説明】
１，２溶接用レーザ出力部
１Ａ一方の集光レンズ
１Ｂ，２Ｂ焦点位置調整機構
２Ａ他方の集光レンズ
１００被溶接部材
Ａ第１の溶接用レーザビーム
Ｂ第２の溶接用レーザビーム

Claims

被溶接箇所に沿って溶接用レーザビームを相対的に移動させて成るレーザ溶接方法において、
前記溶接用レーザビームとして出力の異なる複数の溶接用レーザビームを使用し、出力の高い溶接用レーザビームを被溶接部材上において被溶接部材の移送方向上流側に、又出力の低い溶接用レーザビームを被溶接部材上において被溶接部材の移送方向下流側に、それぞれ各ビームが被溶接部材上において一部重なるようにして配設し、
一方の集光レンズで出力の高い溶接用レーザビームを集光すると共に他方の集光レンズで出力の低い溶接用レーザビームを集光し、他方の集光レンズに併設された焦点位置調整機構により当該他方の集光レンズの照射ポイントを被溶接部材の移送方向にずらして固定し得ることを特徴とするレーザ溶接方法。
請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
前記複数の溶接用レーザビームを、一のレーザ出力源から光学系をもって分岐してなる分岐レーザ光としたことを特徴とするレーザ溶接方法。