JP4044772B2 - 重ねられた金属シートをクランプする装置。 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重ねられた金属シートをレーザ溶接するための方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームによる重ねられたシートの溶接は、特に自動車産業において自動車の車体やその部品を生産するために、従来からの電気スポット溶接技術に代わるものとして長い間提案されている。１９９０年頃から始まったレーザ溶接技術の最初の普及の後（例えばコマウ(Comau)の欧州特許ＥＰ−Ｂ−０ ４４０ ００１参照）、この技術の適用は、亜鉛めっきシート、すなわち、例えば亜鉛めっきによって付着させた亜鉛保護層でコーティングされたシートからなる自動車の車体の使用が増加したために、止められてきている。亜鉛は４１９℃の溶融温度と９０６℃の蒸発温度を有するのに対し、シートを構成する鋼は一般に約１５３０℃の溶融温度を有する。シートを溶接するためには鋼が溶融した状態にする必要があり、これは亜鉛蒸気が存在する中で溶接が行われることを意味する。電気スポット溶接の場合には、このような蒸気はいかなる実質的欠陥も発生させない。なぜなら、シートの鋼はシート間の接触領域（この領域は最大電気抵抗率を有する）で溶け始め、しかも、溶接電極がシートに圧力をかけるために、溶融金属(melting bath)の余分と亜鉛蒸気がシート接触領域から排出されるからである。これに対し、レーザ溶接の場合、溶融金属はレーザビームが向けられたシートの外面で形成され始める。一般に鍵穴形状をなす溶融金属領域がシート間の接触領域まで進むとすぐに、このときにこの領域で発生した亜鉛蒸気がより低い抵抗のルート、すなわち、溶融金属それ自体を通って外側に逃げる。これにより、溶融した金属の飛び散りが発生し、溶接接合部の質および安定性が害されるとともに、製品の美的外観が損なわれる。
【０００３】
上述した欠点を解消するために種々の解決策が提案されてきている。最初の解決策は、亜鉛蒸気が外側に逃げることができる隙間を重ねられたシート間に形成するように、溶接領域における少なくとも一方のシートの形状を変えることである（例えば、米国特許ＵＳ−Ａ−４ ６８２ ００２およびＵＳ−Ａ−４ ９１６ ２８４参照）。亜鉛蒸気の排出のための隙間を形成するためにシート間に間隔部材を設けるという同様の解決策もある（ＷＯ−Ａ−９９／０８８２９、ＪＰ−Ａ−５３１８５５）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した公知の解決策はすべて、上述したような隙間部分を形成する必要があるか、または、追加の間隔部材を適用しなければならないので、従来の作業サイクルに対して追加の操作を必要とするという欠点があり、これには時間がかかるとともに生産コストを増加させることになる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、簡単かつ効率的な方法で上述した技術的問題を解決することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、重ねられた２つの金属シートをレーザ溶接する方法であって、前記シートの少なくとも１つはもう一方のシートと接触する表面に保護層を有し、前記保護層は前記シートを形成する材料の溶融温度よりも低い蒸発温度を有する材料からなり、溶接される前記シートはクランプ手段によって溶接操作の際に互いにクランプされ、クランプされて重なったシートの溶接領域にレーザビームを向けることによって溶接が行われる方法において、
溶接の際に生じる保護材料の蒸気がシート間の隙間から逃げることができるように、クランプ手段によって前記溶接領域において互いに少し離れた状態で前記シートを保持することにより溶接を行うことを特徴とする方法を提供する。
【０００７】
換言すれば、本発明の基本的アイデアは、公知技術において見出される技術的な先入観(prejudice)に対するものである。上述したタイプの公知の溶接装置のすべてにおいて、溶接操作の際に所定位置でシートをクランプするためのクランプ手段が設けられている。上述した先入観は、クランプ手段が溶接を可能にするためにシートを互いに接触させた状態に押圧すべきであると常に考えられているところにある。これに対し、本発明の場合には、作動状態においてシートをクランプするクランプ手段は、互いに対してシートを押圧するのではなく、互いに少し間隔をおいた位置にシートを保持するものである。溶接領域においてシート間の隙間はレーザビームによって溶かされた金属で満たされるので、少しの間隔は高品質の溶接接合部を得る可能性を阻害しないということが本願出願人が行った研究およびテストで判明した。同時に、溶接領域のすぐ近くのシート間の隙間は、溶接の際に生じる亜鉛蒸気が溶融金属を通ることなく外側に逃げるのを可能にし、これにより上述したようないかなる溶接欠陥も生じることがない。
【０００８】
本発明では、少なくとも１つのシートは、前記クランプ手段の一部を形成する保持手段によって他のシートから間隔をおいた状態で溶接される。保持手段は、例えば、真空カップまたは磁石型の保持手段のうちから選択される。
【０００９】
本発明の好適な実施形態では、前記クランプ手段は、第1のシートのための基準支持面(reference and supporting surface)を形成する支持部と、非作動位置と所定の作動位置との間で前記支持部に対して移動可能なクランプ部材とを有する。前記可動部材は、第２のシートのための基準支持面を形成する。前記可動部材の支持面は、これの作動状態において、前記支持部の支持面に対向するとともに、溶接されるシートの厚み寸法の合計よりも大きい長さをもって前記支持部の支持面から離れている。
【００１０】
また、本発明では、両方のシートはまず、互いに重ねられた状態で支持部の基準支持面上に配置され、このときクランプ可動部材は非作動位置にある。そして、クランプ可動部材は、その支持面を支持部の支持面の正面にもっていくように作動位置に移動し、このとき第２のシートは第１のシート上にまだ載っているとともに可動部材の支持面から離れている。最後に、第２のシートを第１のシートから離れて移動させるように、第２のシートは前記保持手段によってつかまれて前記可動部材の支持面に接する位置まで持って来られる。保持手段は溶接操作の際に２つのシートを間隔をおいた状態で保持することができ、これにより上述したような利点が得られる。
【００１１】
また、本発明は、本発明による方法を使用する溶接装置にも向けられる。前記装置は、溶接操作の際に溶接されるシートを所定位置でクランプするクランプ手段と、クランプされて重なったシートの溶接領域にレーザビームを向ける手段とを備えている。上述したように、クランプ手段は、溶接操作の際に溶接領域において互いに少し間隔があくようにしてシートを保持するように構成されている。このために、上述したように、クランプ手段は、少なくとも１つのシートを隣接するシートから離れた状態に保持するために、真空カップまたは磁石型などの手段から選択される保持手段を有する。また、既述したように好適な実施形態では、クランプ手段は、支持部と、これに対して相対的に移動可能なクランプ部材とを備えている。この実施形態では、上述した保持手段は、例えば前記クランプ手段の可動部材と連結されており、クランプ可動部材が作動位置にあるときに前進把持位置と後退保持位置との間で移動可能である。
【００１２】
最後に、本発明はまた、溶接される２つの重ねられたシートを所定位置でクランプするために使用可能であって、かつ、上述したような特徴と有するクランプ装置自体にも向けられる。クランプ可動部材に連結された保持手段は、クランプ可動部材が作動位置にあるときに前進把持位置と後退保持位置との間で移動可能であり、これにより保持手段は第２のシートを第１のシートから離れた状態で保持することができる。上述したように、保持手段は、１つ以上の真空カップからなってもよいし、または、磁石型の保持手段などであってもよい。前者の場合、前進位置と後退位置との間で吸着カップ手段を移動させるために駆動手段が設けられてもよい。あるいは、吸着カップ手段は、吸着カップを真空源に連通させるための蛇腹状管状棒の端部に支持された吸着カップ部を有するように設けられてもよい。これにより、第２のシートをつかめるように真空を吸着カップにつなげると、蛇腹状棒が縮んで吸着カップの後退位置への移動が生じ、これにより吸着カップでつかまれているシートが他方のシートから離れた状態で保持される。
【００１３】
当然に、第１および第２のシートの両方をつかむことができる把持手段(grasping means)を設けた装置のように、全く異なるタイプのクランプ装置を設ける可能性を排除するものではない。また、支持部および可動部材に代えて、両方とも可動であってそれぞれが保持手段を備えている２つの部材が設けられたクランプ装置を設けることもできる。
【００１４】
さらに、原理が本発明の基礎とするところのものであって、溶接操作の際に所定位置でクランプされる２つのシートを互いに少し離れた状態で保持するものであれば、前記把持手段は、上述したものとは異なるタイプのものからなっていてもよい。
【００１５】
本発明のさらなる特徴および利点は、非制限的な例として与えられる添付図面を参照して後述する説明からより明らかになるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１において、参照符号１，２は、自動車の車体の一部を形成する亜鉛めっき鋼の２つのシート部材をそれぞれ示す。部材１，２は、面平行状態で重ねられるフランジ１ａ，２ａを有する。各フランジ１ａ，２ａは、（図示しない装置で集束させられる）レーザビームＬによって溶接部Ｗにおいて互いに溶接される。レーザビームＬは、シート１，２に対して相対的に移動する。本発明では、溶接の際に、フランジ１ａ，２ａが１つ以上のクランプ装置３によって所定位置でクランプされる。クランプ装置３は、互いに少し間隔をおいた位置でフランジ１ａ，２ａを保持する。このために、各クランプ装置３は、フランジ２ａのための基準支持面４ａを形成する支持部４、および、（図１に示されない）非作動位置と（図１に示す）作動位置との間で軸６を中心に支持部４に対して回転可能に取り付けられている可動部材５とを備えている。可動部材５は、前記作動位置においてフランジ１ａのための基準支持面５ａを形成する。図示する可動部材５の作動位置では、支持部４および可動部材５によってそれぞれ形成される基準支持面４ａ，５ａは、シート１，２のフランジ１ａ，２ａの各厚み寸法の合計より大きい長さの間隔をもって互いに離れている。図示する例の場合、各可動部材５には保持部材７がそれぞれ設けられており、保持部材７は、詳細に後述されるが、例えば吸着カップ型または磁石型のものであってもよい。保持部材７は、可動部材５が図示される作動位置にあるとき、フランジ１ａがフランジ２ａに接触して予備的に重ねられた後にフランジ１ａをつかむ前進位置と、保持部材がフランジを各可動部材５の基準支持面に接触した状態に保つ（図１に関して上方に表される）後退位置との間で、可動部材５に対して移動可能である。この状態では、２つのフランジ１ａ，２ａは、溶接の際に形成される亜鉛蒸気が逃げることができる隙間Ｇを形成するように、互いに少し離れている。
【００１７】
図２，３は、吸着カップ保持部材を使用した実施形態を参照して、クランプ装置３をより詳細に示す。これらの図は、クランプ装置の非作動位置に関する。図示されるように、支持部４は、フランジ１ａ，２ａのための基準支持面４ａを形成する支持部であり、空間内においてその位置が決定される。可動部材５は、フォーク状端部の支持部４に対して軸６を中心に回動可能に連結される。図示されない駆動手段が支持部４に対する可動部材５の回転を制御するために使用される。この手段は、いかなる公知の方法であってもよく、例えば流体シリンダまたは電気アクチュエータであってもよい。この構造についての詳細は、本発明の説明には含まれていない。なぜなら、それは、既述したようにいかなる公知の方法で与えられてもよく、しかも、その詳細は本発明の範囲に属しないからである。また、図面からその構造の詳細を削除することは、可動部材についての理解をより簡単かつ容易にする。
【００１８】
図２，３に戻って、図示される例の各可動部材５には、管状棒７ｂを介して（図示しない）真空源に接続されることになる吸着カップによってそれぞれ構成される２つの保持部材７が設けられている。棒７ｂは可動部材５に対してその軸に沿って移動可能である。これにより、可動部材５が図１に示す作動位置にあるとき、吸着カップ７ａは、フランジ１ａをつかむ前進把持位置と、フランジ２ａから離れた位置にあるフランジ１ａを保持するための（図１に関して上方に表される）後退位置との間で移動可能である。
【００１９】
図４は、前進状態にある保持部材７を有する可動部材５の作動状態における図２の構造を示す。
【００２０】
図５は、図４のＶ−Ｖ線で切った断面図である。クランプ装置は、可動部材５の作動位置が支持部４と可動部材５との間に設けられる（図示しない）いかなる公知のタイプの止め手段によって正確に予め決定され、かつ、形成されるように構成されている。換言すれば、公知の装置において起きることとは異なり、可動部材５は２つのフランジ１ａ，２ａを互いに押しつける位置まで回転することはない。図５に明示されるように、可動部材５が作動位置にあるとき、可動部材５の基準支持面５ａは支持部４の基準支持面４ａに対して平行に対向している。しかし、これらの面の間の距離Ｄは２つのフランジ１ａ，２ａの厚み寸法Ｓ１，Ｓ２の合計よりも大きい。
【００２１】
図２に示すように、クランプ装置３が非作動状態にあるとき、２つのフランジ１ａ，２ａは支持部４の基準面４ａの上で互いに接触して重ねられる。図５を参照すると、可動部材５が作動状態になったとき、吸着カップ７ａは前進把持状態になってフランジ１ａの上面に接触する。この状態で、吸着カップ７ａはフランジ１ａに対して押し付けられ、管状棒７ｂを介して真空につなげられることができる。それから、これらの棒は後方（図５では上方）に移動するように駆動され、これにより吸着カップによってつかまれたフランジ１ａが可動部材５の基準支持面５ａに接触させられる。この状態は、図６，７において見られる。
【００２２】
添付図面は、前進把持位置と後退位置との間で吸着カップ装置７を移動させるために使用される手段を詳細には示していない。例として、および概略的に、図８は、管状棒７ｂが中空体８に連結され、その中空体８の内部室９が真空源に連通している場合を示す。この棒７ａは中空体８にしっかりと連結されており、これに対して中空体８は（図示しない）いかなる制御装置によって可動部材５に対して移動可能になっている。図９，１０は、管状棒７ｂが蛇腹形状をなしており、吸着カップの内部室が真空源に連通されると、蛇腹状棒７ｂが縮んで吸着カップ７ａの後退移動を生じさせるという変形例を示す。
【００２３】
図１１は、図７に対応する図面であり、シート１ａ，２ａが上述したように互いに離れた状態に保持されながら溶接がどのように行われるかを示す。レーザビームＬが向けられているところの断面に示されるように、隙間Ｇは溶接領域Ｗの溶けた金属によって満たされ、その後溶接領域Ｗは冷却によって固まる。残りの断面においては、シート間に隙間Ｇが残っており、この隙間Ｇは、溶接の際に生じる亜鉛蒸気がいかなる溶接欠陥をもたらすことなく逃げるのを可能にする。
【００２４】
当然に、既に何度か述べたように、吸着カップ保持手段に代えて、磁石型手段を使用することもできるし、または、他のいかなる保持手段を使用してもよい。また、すべてのシートを保持するために、クランプ装置の両方の部材として保持手段を設けることもできる。さらに、クランプ装置は、開放状態と閉鎖状態との間で移動可能な部材を両方に有することもできる。そして、クランプ装置には、溶接される構造の領域についての自己センタリング(self centering)のために、制限された調節移動の可能性を与えてもよい。
【００２５】
最後に、本発明の原理は同じであっても、構造の詳細および実施形態は、本発明の範囲から外れることなく、例示の方法で上述したものに関して広く変化させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の溶接方法を概略的に示す斜視図。
【図２】 非作動位置にある本発明のクランプ装置の実施形態の概略側面図。
【図３】 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線で切った断面図。
【図４】 前進把持位置にある吸着カップ部材を有する作動状態にある図２のクランプ装置を示す図。
【図５】 図４のＶ−Ｖ線で切った断面図。
【図６】 作動状態にある図１のクランプ装置であって、吸着カップ保持手段が後退位置にあり、溶接される２つのシートが互いに離れた状態に保持された状態を示す図。
【図７】 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線で切った断面図。
【図８】 吸着カップ保持手段の第１実施形態に関する図７の詳細の拡大図。
【図９】 非作動状態にある図８の変形例を示す図。
【図１０】 作動状態にある図９の解決策を示す図。
【図１１】 本発明の溶接方法を示す、図７に対応する別の図。
【符号の説明】
１，２…シート、１ａ，２ａ…フランジ、３…クランプ装置、４…支持部、５…可動部材、６…軸、７…保持部材、７ａ…吸着カップ、７ｂ…管状棒、

Claims (7)

1. 溶接される２つの重ねられた金属シートを所定位置でクランプする装置であって、
   第１のシート（２ａ）のための基準支持面（４ａ）を形成する支持部（４）と、
   非作動位置と所定の作動位置との間で前記支持部（４）に対して移動可能なクランプ部材（５）とを備え、前記クランプ部材（５）は第２のシート（１ａ）のための基準支持面（５ａ）を形成し、前記クランプ部材（５）の支持面（５ａ）はこれの作動状態において前記支持部（４）の支持面（４ａ）に対向するとともに、溶接されるシート（１，２）の厚み寸法（Ｓ１，Ｓ２）の合計よりも大きい長さ（Ｄ）をもって互いに離れており、
   前記クランプ部材（５）に連結され、かつ、前記クランプ部材（５）が作動位置にあるときに前進把持位置と後退保持位置との間で移動可能な保持手段（７）をさらに備え、前記保持手段（７）は、前記第１のシート（２ａ）から離れるとともに前記クランプ部材（５）の基準支持面（５ａ）に接触した状態に第２のシート（１ａ）を保持できることを特徴とする装置。
2. 前記保持手段は、前記前進把持位置と前記後退保持位置との間で前記クランプ部材（５）に対して移動可能な吸着カップ手段（７）からなることを特徴とする請求項１に記載のクランプ装置。
3. 前記前進把持位置と前記後退保持位置との間での前記吸着カップ手段（７）の移動を制御する駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のクランプ装置。
4. 前記吸着カップ手段は真空源に連通する蛇腹状管状棒（７ｂ）の端部に支持された吸着カップ部（７ａ）を有し、これにより吸着カップ部（７ａ）が前記第２のシート（１ａ）をつかむために前記真空源に接続されると、前記蛇腹状棒（７ｂ）が縮んでその後退保持位置へ向けての吸着カップ（７ａ）の移動が生じることを特徴とする請求項１に記載のクランプ装置。
5. 前記支持部（４）にも保持手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のクランプ装置。
6. 前記保持手段（７）が磁石型のものであることを特徴とする請求項１に記載のクランプ装置。
7. 前記支持部（４）もまた、非作動位置と作動位置との間で移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のクランプ装置。

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