JP4537287B2

JP4537287B2 - レーザ溶接方法および装置

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Publication number: JP4537287B2
Application number: JP2005228346A
Authority: JP
Inventors: 幸治小田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2025-08-05
Also published as: DE102006036599B4; US20070029293A1; CN100522454C; DE102006036599A1; GB0615578D0; GB2428615B; CN1907632A; GB2428615A; US7319205B2; JP2007044696A

Description

本発明は、表面に被膜を備えた複数の平板状ワークを重ね合わせてレーザ溶接するレーザ溶接方法および装置に関する。

一般に、亜鉛めっき鋼板等の表面に被膜を備えた平板状ワークを重ね合わせてレーザにより溶接する場合には、鋼板表面の亜鉛の沸点が鋼板材料の融点に比べて低いため、溶接中に蒸発して亜鉛蒸気を発生し、該蒸気が溶接部に残留したり、溶融した鋼板材料を吹き飛ばしたりすることによりブローホール又はピットなどの溶接欠陥を生じることがある。そのため、レーザ溶接を行う鋼板表面の亜鉛被膜の蒸気を適切に排出する必要がある。

そこで、従来、前記ワークに1つのレーザビームを照射して加熱し、ワーク同士を離間させ、該離間部に他のレーザビームを照射してレーザ溶接する方法が知られている（例えば特許文献１参照。）。しかし、かかる２つのレーザを用いるレーザ溶接方法では、１つのレーザをワーク加熱用の熱源として用いるために製造コストが高くなる問題がある。前記問題を解決するために、図７に示すように、亜鉛めっき鋼板１０１，１０２を重ねてレーザ溶接するレーザ溶接方法において、プラズマ熱源１０７により亜鉛めっき鋼板１０１，１０２の重ね合わせ部を予熱した後、レーザビーム１０８により本溶接を行うものが知られている（例えば特許文献２参照。）。

かかるレーザ溶接方法によれば、溶接方向１２１に沿って先行する予熱用のプラズマ熱源１０７により、上側亜鉛めっき鋼板１０１の上側の一部を溶融させ、残りの重ね合わせ面までの未溶融領域を伝熱させることにより重ね合わせ面の亜鉛めっき１０４，１０５を加熱、蒸発させる。この際、上側亜鉛めっき鋼板１０１が、プラズマ熱源１０７からの加熱により変形し、亜鉛めっき鋼板１０１，１０２の間に間隙が形成される。次いで、プラズマ熱源１０７による加熱位置から所定距離Ｌをおいて溶接用のレーザビーム１０８を用いて上側亜鉛めっき鋼板１０１および下側亜鉛めっき鋼板１０２を加熱することにより、間隙から亜鉛めっき蒸気を排出しながら、亜鉛めっき鋼板１０１，１０２を溶融、貫通する溶接を行うことができる。

しかしながら、かかるレーザ溶接方法では、プラズマ熱源１０７を用いているので、亜鉛めっき鋼板１０１，１０２の間に間隙を形成し、重ね合わせ面の亜鉛めっき１０４，１０５を加熱、蒸発させるためには、上側亜鉛めっき鋼板１０１の上面をレーザビーム１０８の照射ビーム幅以上に広範に溶融する必要があり、亜鉛めっき鋼板１０１の表面に施された防錆性、外観性等も損なわれ、鋼板１０１の表面損傷を生じる。また、プラズマ熱源１０７を用いているので、入熱を安定させるために出力を上げざるを得ず、亜鉛めっき鋼板１０１に過剰な熱が入り、亜鉛めっき鋼板１０１の熱歪みが大きくなる。
特開２００２−２６３８７１号公報特開２００３−２５０８２号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、加熱量を容易に調節することができ、ワークの熱歪みおよびワーク表面に与える損傷を実質的に無くすことができるレーザ溶接方法および装置を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は、表面に被膜を備えた複数の平板状ワークを重ね合わせてレーザ溶接するレーザ溶接方法において、先行する一方の電極であって最表層のワークに一定の力で当接する可動電極と、他方の電極であって前記最表層のワークを圧接し隣接ワークに密着させる固定電極とからなる一対の電極間に通電し、前記可動電極及び前記固定電極が当接する前記最表層のワークの電極当接部、又は、該ワークの電極当接部と該電極当接部から伝熱される前記隣接ワークの伝熱部とを熱膨張させ、次いで収縮させることにより変形部を形成し、該変形部を互いに隣接するワークから離反させて、重ね合わせたワーク間に間隙を形成し、該間隙の間隔が、加熱された被膜の気化により生成する蒸気の揮散可能な広さとなる位置に、レーザビームを照射させることを特徴とする。

本発明のレーザ溶接方法では、先行する一方の電極であって最表層のワークに一定の力で当接する可動電極と、他方の電極であって前記最表層のワークを圧接し隣接ワークに密着させる固定電極とからなる一対の電極間に通電することで、前記可動電極及び前記固定電極が当接する前記最表層のワークの電極当接部、又は、該ワークの電極当接部と該電極当接部から伝熱される隣接ワークの伝熱部とを熱膨張させ、次いで収縮させることにより変形部を形成し、該変形部を互いに隣接するワークから離反させてワーク間に間隙を形成する。そして、該間隙の間隔が、加熱された被膜の気化により生成する蒸気の揮散可能な広さとなる位置にレーザビームを照射させることにより、該間隙を通して被膜が加熱されて生成する蒸気を揮散させることができ、ワークを欠陥のないように溶接することができる。従って、本発明のレーザ溶接方法によれば、通電による加熱によって前記間隙を形成すればよく、ワーク表面の被膜を溶融させる必要がなく過剰な熱を加えることがないため、ワーク表面に与える損傷および熱歪みを実質的に無くすことができる。

また、本発明のレーザ溶接方法では、電極をワーク表面に当接させているため、溶接速度を上げても確実に加熱を行うことができる。すなわち、電流値の設定だけで容易に加熱量を制御することができるため、溶接速度に応じて電流値を制御することで確実に間隙を形成して、安定したレーザ溶接を行うことができる。

さらに、本発明のレーザ溶接方法において、前記電極は、ワーク表面に当接する１つの当接電極と接地されたアース固定電極とによっても構成してもよく、前記電極が一対の電極であって、一方の電極を前記最表層のワークに当接するとともに他方の電極を該ワークに圧接し、両電極間に通電するようにしてもよい。また、前記電極が一対の電極の場合、いずれか一方の電極を隣接するワークに圧接又は当接するように構成してもよい。

また、本発明のレーザ溶接装置は、表面に被膜を備えた複数の平板状ワークを重ね合わせた状態でレーザ溶接するレーザ溶接装置であって、最表層のワークに通電させて該ワークの電極当接部、又は、該ワークの電極当接部と該電極当接部から伝熱される隣接ワークの伝熱部とを熱膨張および熱収縮により変形させ、ワークの変形部を互いに隣接するワークから離反させて、重ね合わせたワーク間に間隙を形成する一対の電極と、前記間隙の間隔が、加熱された被膜の気化により生成する蒸気の揮散可能な広さとなる位置にレーザビームを照射して溶接を行うレーザヘッドとを備え、前記一対の電極は、先行する一方の電極であって最表層のワークに一定の力で当接する可動電極と、他方の電極であって前記レーザヘッドから所定間隔を隔てた位置に前記最表層のワークを圧接し前記隣接ワークに密着させる固定電極とからなることを特徴とする。

本発明のレーザ溶接装置によれば、一方の電極の先端位置が前記最表層のワークに当接しているだけでレーザヘッドに対して可動であるため、ワークの表面形状にバラツキがある場合には、該バラツキに追随して該電極を該ワークに確実に接触させることができ、前記間隙を形成することができる。そして、他方の電極が前記最表層のワークに圧接しているため、前記表面形状のバラツキによりワーク同士が離間している場合には、該バラツキを矯正してワーク同士を密着させることができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態のレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置を示す説明図であり、図２は本実施形態の鋼板Ｗ１上の位置関係を示す模式図であり、図３（ａ）〜（ｃ）は図２における鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２との間の断面図であり、図４は本実施形態の他の態様における鋼板Ｗ１上の位置関係を示す模式図であり、図５（ａ）〜（ｃ）は図４における鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２との間の断面図であり、図６は本実施形態のさらに他の態様を示す模式図である。

図１に示すように、本実施形態のレーザ溶接方法は、亜鉛めっき鋼板Ｗ１，Ｗ２の溶接を行うものであって、該溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置１は、鋼板Ｗ１に当接する可動電極２と鋼板Ｗ１に圧接する固定電極３と、固定電極３の圧接位置Ｐ３から一定距離だけ隔てた鋼板Ｗ１上の位置Ｐ４にレーザビームＬを照射して鋼板Ｗ１，Ｗ２同士を溶接するレーザ照射機構４と、可動電極２と固定電極３との相対位置及び印加される電流値を制御する制御手段５とを備えている。

可動電極２は、制御手段５と接続されるとともに、レーザヘッド１０と一体に形成されたアーム６上に、垂直方向から溶接方向Ｄに所定角度傾斜した位置に回転機構７を介して回転自在に設けられている。回転機構７は、制御手段５と接続され、制御手段５の制御信号に応じて、図示しないモータと駆動機構とにより可動電極２を回転させる。一方、固定電極３は、制御手段５と接続されるとともに、アーム６上において垂直方向から溶接方向Ｄに所定角度傾斜した位置に、圧接位置Ｐ３とレーザビームＬの照射位置Ｐ４とが一定間隔となるように固定されている。そして、レーザヘッド１０とアーム６を介して一体に設けられた可動電極２と固定電極３とは、図示しないモータと送り機構により、溶接方向Ｄに向かって移動可能に設けられている。ここで、可動電極２と固定電極３とは、垂直方向から溶接方向Ｄに所定角度傾斜して設けられていることから、可動電極２と固定電極３とが鋼板Ｗ１と圧接又は当接して移動する際に、鋼板Ｗ１との間の摩擦を小さくすることができる。

レーザ照射機構４は、外部に設けられたレーザ発振器８と光ファイバ９とレーザヘッド１０と集光レンズ１１とを備えている。レーザ発振器８とレーザヘッド１０とは、光ファイバ９を介して接続され、レーザ発振器８から導出されるレーザビームＬが、光ファイバ９を介してレーザヘッド１０に送られ、集光レンズ１１により鋼板Ｗ１上に所望の径で集光するようにレーザヘッド１０から照射される。

制御手段５は、可動位置制御部１２と電流制御部１３とを備えている。可動位置制御部１２は、回転機構７と接続され可動電極２のアーム６上での回転を指示する。電流制御部１３は、可動電極２と固定電極３とに接続されている。

次に、このように構成されるレーザ溶接装置１の動作について、以下に説明する。まず、図１に示すように、亜鉛メッキされた平板状の鋼板Ｗ１，Ｗ２が互いに重ね合わせた状態で位置決めされる。なお、重ね合わされた鋼板Ｗ１，Ｗ２は、概ね密着しているが、表面形状のバラツキにより相互に離間している部分もある。

レーザ溶接装置１において、可動電極２と固定電極３とは溶接方向Ｄに平行な直線上に、可動電極２が先行するように配置され、レーザヘッド１０は可動電極２と固定電極３とを結ぶ直線から一定間隔離れた位置に固定電極３の後方となるように配置される。さらに、レーザヘッド１０は、固定電極３が圧接位置Ｐ３にて鋼板Ｗ１に圧接した際に、レーザヘッド１０から照射されるレーザビームＬが鋼板Ｗ１上で所望の集光径となるように上下位置が固定電極３に対して固定されている。

このときの鋼板Ｗ１上での位置関係を、図２を用いて具体的に説明する。まず、可動電極２が鋼板Ｗ１と当接する位置である当接位置Ｐ２と、固定電極３が鋼板Ｗ１と圧接する位置である圧接位置Ｐ３とは、当接位置Ｐ２と圧接位置Ｐ３とを結ぶ電極ラインαが、溶接方向Ｄに平行な直線となるように配置されている。一方、レーザビームＬが鋼板Ｗ１上に照射される位置である照射位置Ｐ４は、照射位置Ｐ４の軌道である溶接ラインβが、溶接方向Ｄに平行で電極ラインαから一定間隔を隔てた直線となるようにされている。

この状態で、制御手段５の可動位置制御部１２は回転機構７に回転の指示信号を発し、回転機構７は図示しないモータに微弱な当接起電力を印加して、可動電極２の先端が鋼板Ｗ１に向かう方向に回転させる。当接起電力は、溶接を行う間、モータに印加され、可動電極２の先端は鋼板Ｗ１に、鋼板Ｗ１の形状に追従するため及び安定した発熱のために必要十分な微弱な一定の力で当接する状態を継続する。

可動電極２が鋼板Ｗ１と当接すると、電流制御部１３は、可動電極２と固定電極３との間隔、鋼板Ｗ１の材質及び板厚に基づいて、溶接ラインβでの間隙Ｈが所定間隔となる電流を算出して可動電極２と固定電極３との間に印加する。間隙Ｈの所定間隔としては、鋼板Ｗ１，Ｗ２の表面に形成された被膜である金属成分（亜鉛）が気化し、ガスとなって間隙Ｈから大気に放出されるために必要な約０．０５〜０．５ｍｍの間隔の範囲が望ましい。また、そのために可動電極２と固定電極３とに負荷される電流値は、例えば、約５００〜１０００アンペアである。

可動電極２と固定電極３との間に電流が印加されると、まず、鋼板Ｗ１と可動電極２との当接位置Ｐ２と、鋼板Ｗ１と固定電極３との圧接位置Ｐ３とが加熱されて熱膨張する。ここで、レーザヘッド１０とアーム６を介して一体に設けられた可動電極２と固定電極３とは、図示しないモータと送り機構により溶接方向Ｄに向かって進行するため、鋼板Ｗ１は電極ラインαから左右方向に熱膨張し一定幅を有する変形部Ｑを形成する。次いで、加熱された鋼板Ｗ１が大気と接触する表面から冷却されて収縮する結果、鋼板Ｗ１の変形部Ｑの一部は、電極ラインαに対して鋼板Ｗ１，Ｗ２の端部側の部分が塑性変形して反り上がり、鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２との間には、図３に示す所定の間隙Ｈが形成される。すなわち、可動電極２の通過前である図３（ａ）に対して、図３（ｂ）に示すように、可動電極２が通過することにより電極ラインα上で第１の反り上がりが起こる。そして、図３（ｃ）に示すように、固定電極３の通過により電極ラインα上では、第１の反り上がりに加えて第２の反り上がりが起こる。ここで、先行する可動電極２は、前述のように、鋼板Ｗ１に対して一定の力で当接されているため、鋼板Ｗ１の表面形状にバラツキがある場合であっても、該表面形状に追随して該鋼板Ｗ１に確実に接触を維持することができる。一方、固定電極３は、可動電極２の通過位置で鋼板Ｗ１をＷ２に圧接するため、鋼板Ｗ１，Ｗ２の表面形状のバラツキによって生じる鋼板Ｗ１，Ｗ２間の離間を矯正して、鋼板Ｗ１，Ｗ２を密着させることができる。また、固定電極３の圧接により圧接位置Ｐ３の鋼板Ｗ１，Ｗ２との離間を無くして密着させ、電流値を調整することにより当接位置Ｐ２及び圧接位置Ｐ３における反り上がりの度合をコントロールすることで、照射位置Ｐ４における間隙Ｈを管理することもできる。

そして可動電極２と固定電極３との間に電流が印加されると同時に、図示しないモータと送り機構により、レーザヘッド１０にアーム６を介して一体に設けられた可動電極２と固定電極３とが溶接方向Ｄに向かって一定の速さで進行する。

このようにすると、レーザ照射機構４では、レーザ発振器８が駆動され、レーザ発振器８から導出されたレーザビームＬがレーザヘッド１０に送られる。そして、レーザビームＬが集光レンズ１１を介して、最表層の鋼板Ｗ１の照射位置Ｐ４に照射され、鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２とが溶接される。

このとき、レーザビームＬの照射位置Ｐ４に沿って鋼板Ｗ１，Ｗ２の重ね合わせ面の被膜が加熱され、該被膜の金属成分（亜鉛）が気化するが、気化した亜鉛蒸気が間隙Ｈから大気に放出されることにより、鋼板Ｗ１，Ｗ２を確実かつ強固に溶接することできる。そして、電流値を調整し、当接位置Ｐ２と圧接位置Ｐ３とにおける入熱量を間隙形成に十分かつ鋼板Ｗ１の表面が溶融しない値にすることで、鋼板Ｗ１の表面の損傷を実質的に無くすことができる。

尚、本発明の実施形態において、可動電極２の代わりに鋼板Ｗ１又は隣接する鋼板Ｗ２に接地されたアース電極を設けて、固定電極３のみを圧接させる構成としてもよく、この場合、鋼板Ｗ１を通過する電極が固定電極３のみとなるため、装置構成が簡易になる。また、可動電極２又は固定電極３のいずれか一方を他の鋼板Ｗ２に、鋼板Ｗ１への当接方向とは逆向きから当接又は圧接させるように構成してもよい。この場合、鋼板Ｗ１，Ｗ２が、電極の当接および圧接位置において加熱されて熱膨張した後、該加熱部が鋼板Ｗ１，Ｗ２の表面から冷却されて収縮し、鋼板Ｗ１，Ｗ２の端部が互いに反対方向に離反するように塑性変形する。このため、可動電極２と固定電極３との間に印加される電流値を小さくすることができる。

また、本実施形態の他の態様として、鋼板Ｗ１上での可動電極２の当接位置Ｐ２と固定電極３の圧接位置Ｐ３とレーザビームの照射位置Ｐ４との位置関係を、図４のようにしてもよい。すなわち、先行する圧接位置Ｐ３の軌道である固定電極ラインα´が、溶接方向Ｄに平行な直線となり、後続の当接位置Ｐ２の軌道である可動電極ラインβ´が、溶接方向Ｄに平行で固定電極ラインα´から一定間隔を隔てた直線となり、最後続の照射位置Ｐ４の軌道である溶接ラインγ´が、溶接方向Ｄに平行で可動電極ラインβ´から一定間隔を隔てた直線となるようにしてもよい。

この場合、固定電極３の通過前である図５（ａ）に対して、図５（ｂ）に示すように、まず、固定電極３が通過することにより固定電極ラインα´上で第１の反り上がりが起こる。なお、この際、鋼板Ｗ１は固定電極３により圧接されるため、鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２とは圧接位置Ｐ３において密着している。そして、図５（ｃ）に示すように、可動電極２の通過により可動電極ラインβ´上で第２の反り上がりが起こる。このため、前述の可動電極２と固定電極３とをいずれも溶接方向に平行な直線α上に設けた場合に比べて、固定電極ラインα´と可動電極ラインβ´とにおける入熱量を小さくできるので、鋼板Ｗ１の損傷をさらに抑えることができる。

またさらに、本実施形態のさらに他の態様として、図６に示すように３枚の鋼板Ｗ１〜Ｗ３をレーザ溶接することもできる。この場合、最表層の鋼板Ｗ１に可動電極２を当接させるとともに固定電極３を圧接し、鋼板Ｗ１の当接位置Ｐ２と圧接位置Ｐ３とを加熱して、発生する熱を鋼板Ｗ１から鋼板Ｗ２に伝熱させる。このとき、鋼板Ｗ１は、鋼板Ｗ１の当接位置Ｐ２と圧接位置Ｐ３とに発生する熱により、大きく反り上がるのに対して、鋼板Ｗ２は、鋼板Ｗ１の当接位置Ｐ２と圧接位置Ｐ３とに発生する熱の一部のみが伝熱されるため小さく反り上がる。このため、鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２との間及び鋼板Ｗ２と鋼板Ｗ３との間には、それぞれ前記間隙Ｈが形成され、該間隙Ｈが所定間隔となる位置にレーザビームＬが照射される。このとき、鋼板Ｗ１〜Ｗ３がレーザビームＬの照射位置Ｐ４に沿って加熱され、被膜の金属成分（亜鉛）が気化するが、気化した亜鉛蒸気が間隙Ｈから大気に放出されることにより、鋼板Ｗ１〜Ｗ３を確実かつ強固に溶接することできる。そして、電流値を調整し、当接位置Ｐ２と圧接位置Ｐ３とにおける入熱量を間隙形成に十分かつ鋼板Ｗ１の表面が溶融しない値にすることで、鋼板Ｗ１の表面の損傷を実質的に無くすことができる。

尚、本実施形態において、可動電極２は回転機構７によって回転自在に設けられているが、可動電極２の先端の位置が、レーザヘッド１０に対して可変となり、可動電極２が鋼板Ｗ１の表面形状に追従できる機構であればよく、アーム６上にレールを設け、レール上をスライドさせることにより移動自在に設けてもよい。また、回転機構７の代わりに、ゴムブッシュやスプリングを用いてもよい。

また、本実施形態において、レーザビームＬを最表層鋼板Ｗ１上に照射しているが、鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２との間に形成された間隙Ｈに向かって鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２の端部方向からレーザビームＬを照射する隅肉溶接であっても本発明と同様の効果を得ることができる。

本実施形態において、鋼板Ｗ１〜Ｗ３は亜鉛めっき鋼板であるが、他の鉄合金、アルミニウム合金等の金属製材料を母材としてもよく、鋼板Ｗ１〜Ｗ３の表面被膜は亜鉛めっきのみならず、鋼板材料より沸点の低いニッケルやクロムのめっきであってもよい。

本実施形態のレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置を示す説明図。本実施形態の鋼板Ｗ１上の位置関係を示す模式図。図２における鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２との間の断面図。本実施形態の他の態様における鋼板Ｗ１上の位置関係を示す模式図。図４における鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２との間の断面図。本実施形態のさらに他の態様を示す模式図。従来のレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置を示す説明図。

符号の説明

１…レーザ溶接装置、２…可動電極、３…固定電極、１０…レーザヘッド、Ｈ…間隙、Ｌ…レーザビーム、Ｑ…変形部、Ｗ１…最表層の鋼板、Ｗ２，Ｗ３…鋼板。

Claims

表面に被膜を備えた複数の平板状ワークを重ね合わせてレーザ溶接するレーザ溶接方法において、
先行する一方の電極であって最表層のワークに一定の力で当接する可動電極と、他方の電極であって前記最表層のワークを圧接し隣接ワークに密着させる固定電極とからなる一対の電極間に通電し、
前記可動電極及び前記固定電極が当接する前記最表層のワークの電極当接部、又は、該ワークの電極当接部と電極当接部から伝熱される前記隣接ワークの伝熱部とを熱膨張させ、次いで収縮させることにより変形部を形成し、該変形部を互いに隣接するワークから離反させて、重ね合わせたワーク間に間隙を形成し、
該間隙の間隔が、加熱された被膜の気化により生成する蒸気の揮散可能な広さとなる位置に、レーザビームを照射させることを特徴とするレーザ溶接方法。
表面に被膜を備えた複数の平板状ワークを重ね合わせた状態でレーザ溶接するレーザ溶接装置であって、
最表層のワークに通電させて該ワークの電極当接部、又は、該ワークの電極当接部と該電極当接部から伝熱される隣接ワークの伝熱部とを熱膨張させ、次いで収縮させることにより変形部を形成し、該変形部を互いに隣接するワークから離反させて、重ね合わせたワーク間に間隙を形成する一対の電極と、
前記間隙の間隔が、加熱された被膜の気化により生成する蒸気の揮散可能な広さとなる位置にレーザビームを照射して溶接を行うレーザヘッドとを備え、
前記一対の電極は、先行する一方の電極であって最表層のワークに一定の力で当接する可動電極と、他方の電極であって前記レーザヘッドから所定間隔を隔てた位置に前記最表層のワークと圧接し前記隣接ワークに密着させる固定電極とからなることを特徴とするレーザ溶接装置。