JP4721019B2 - 金属材料のレ−ザスポット溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は金属材料のレ−ザスポット溶接方法に係り、とくに、レ−ザ光といわれる特殊な光は放射エネルギの誘導放出による光の増幅によってつくられる光が熱源として他の溶接熱源のア−ク熱、抵抗熱源などに較べてきわめて高いエネルギ密度であって、所謂コヒ−レントといわれる性質をもつところを利用して金属材料を急速加熱で実施して高精度に溶接する方法であって、レ−ザ光が径が細く指向性がきわめて高いものであっても、高精度に安定して位置決めでき、出力によっては危険といわれるレ−ザ光を飛散させることなく安全で、しかも、溶接時における溶融部やその周辺を局所的に安定したガスシ−ルド状態に維持できる金属材料のレ−ザスポット溶接方法である。

レ−ザは、周知のとおり、“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”の頭文字をＬ、Ａ、Ｓ、Ｅ、Ｒ取ったものである。直訳すると「放射エネルギの誘導放出による光の増幅」であり、これにつくり出された特殊な光がレ−ザ光である。放射エネルギは、一時的にエネルギレベルを高くした原子は不安定な状態にあり、自然と低いエネルギ状態に戻る。このときにエネルギの差に比例する波長をもつレ−ザ光を放出する。しかし、高いエネルギレベルから自然に放出されるレ−ザ光は、安定したエネルギレベルに戻る間のエネルギの減り方がひと通りでない。放出するレ−ザ光の波長は一定でなく、波長、位相、周波数の一致したコヒ−レントな光が得られない。

医療、通信、産業の分野、なかでも、産業において材料加工の一つの分野として溶接に用いられるのは、レ−ザ光は波長、位相、周期がそろったコヒ−レントなものであるからであって、それ故に連続的にきれいな波であって、高いエネルギをもつ光である。

すなわち、レ−ザ光は、原子が高いエネルギから低いエネルギ状態に移行するときに、遷移振動数に等しい電磁波がやってきたときにこれに誘導されて共振し、同じ波長の電磁波を放出する誘導放出された特殊な光である。レ−ザ発振器では、二枚の鏡の間で光を往復させて、波長と位相のそろった高エネルギの光をつくり出す。波長と位相のそろったレ−ザ光はその高エネルギ性から軍事用途や医療などに、また位相や波長の均一性から、コンパクトディスクなどの信号読み出しや、光通信、各種測定や、材料加工の一つとして溶接に用いられている。

要するに、このようにレ−ザ光は、一言でいうと、波長と位相とが整えられたきわめて特殊な波である。一方、このように特殊な光であるから他の自然光などの光と相違して次のとおりの特長があって、その利用においてこれらの特長に沿って利用することが必要である。

このところを含めてレ−ザ光の利用技術が広く各分野に数多く提案され、材料加工の一つの分野として溶接においても金属材料の接合のほかに樹脂材料の接合の分野にも数多くの技術が提案されている。金属材料の接合の分野のみをとり上げると、レ−ザ溶接では高エネルギによる急速加熱が安定したガスシ−ルド状態で行なわれること、細径の連続した光線であるため、厳格に位置決めできること、出力によってはレ−ザ光はきわめて危険性が高いため、安全性が確保された利用技術であることなどの条件が要求されている。それにも拘らず、これらの条件に合ったレ−ザ溶接技術が提案されていない。

まず、レ−ザ溶接で広く利用されるＹＡＧレ−ザは波長が赤外線領域に近く、金属材料への吸収率が高く、波長も短かく高エネルギ密度である。これを溶接熱源として利用すると、急速加熱により溶融できる。

次に、ＹＡＧレ−ザを媒質としたレ−ザ光は色がなく可視領域外にある。それ故に、危険性は高く、外部にもれたり、直接目視するときわめて危険である。

次に、レ−ザ溶接は急速加熱である。エネルギ量はきわめて低い。このため、溶接される金属材料において溶接部周辺の熱変形はきわめて小さく、周辺の熱影響領域はきわめてせまいといわれている。

しかし、溶接部周辺の熱影響領域がきわめてせまいといっても高出力の瞬間加熱であり、それに伴う溶接部およびその周辺のガスの吸引排出が迅速に安定して行なわれないと、雰囲気ガスの巻き込みや溶接部における酸化膜などの生成によってブロ−ホ−ルや割れなどの溶接欠陥が発生する。さらに、薄い鋼板などではそり返りその間に、間隙、すき間が生成する。健全な接合が得られない。

次に、レ−ザ光の伝送には光ファイバが利用できるため、溶接位置や溶接姿勢が自由に設定でき、精密さが求められる構造物や、機器の高精度組立などに適している。

しかし、レ−ザ光のスポット径が１ｍｍ以下と小さい。溶融ビ−ド幅が極めて狭い。このため、材料の継手隙間を高精度に管理する必要がある。また、被溶接材の寸法のばらつきや加工条件のわずかな違いでも溶接品質の変動を生じるおそれがあって、被溶接材としての金属材料や加工条件の管理が必要となる。

次に、レ−ザビ−ムのスポット径が小さいことは、溶接線に沿ってビ−ムの移動を高精度に行う必要があるほか、レ−ザ光の照射位置決め制御を高精度に行うことがどうしても求められる。

このため、これまでに、部品寸法の精度向上、ジグによる位置決めの精度向上、センサによる溶接位置のフィ−ドバック制御などが提案されている。しかし、これらの提案は、いずれもコスト高になり、多用途に適用できないのが欠点である。

次に、レ−ザ溶接法は大気中で溶接を行うことができる。このところは、電子ビ−ム溶接にはない利点である。しかし、大気中で溶接を行うと、溶接時に溶融金属が大気中の酸素と反応して酸化膜を形成する。高精度機器などの溶接には適用できない。

すなわち、溶接接合部における材料の偏析や酸化膜に起因して溶接部材から放出されるガスは、超高真空機器や電子機器などの構造物であると、その使用の際に悪影響を及ぼす。このため、溶接時には酸化膜等が極力生成されないように溶接時に安定したガスシ−ルド性が求められる。

以上のところからみると、先行技術として特開２００３−２０５３７９号に提案されている技術の一つとして、レ−ザ光の照射を利用して重ね合わせた２つの樹脂材料を溶接により接合する技術が提案されている。この技術は、レ−ザ光を透過する透過性樹脂材料とレ−ザ光を吸収する吸収性樹脂材料とを重ね合わせ、この透過性樹脂材料側からレ−ザ光を所望の被溶接箇所に照射して溶接するレ−ザ溶接方法である。この方法は、その図６にみられるように、レ−ザ光を出射する出射口の先端部を透過性樹脂材料に押し当てると共に、透過性樹脂材料を吸収性樹脂材料に密着させ、このために先端部を加圧手段により押し当てるものである。

この提案された技術はレ−ザ光の出射口を表面の透過性樹脂材料に押付けて当接着座させて位置決めするものであって、レ−ザ溶接で要求される一つの条件、すなわち、安定した位置決めなどの要望を簡単な手段で満足させられるものであって、すぐれているものである。しかしながら、この技術は、そのまま金属材料の加工に適用すると、溶接中のガスシ−ルド状態が安定して確保することができず、樹脂材料以外の材料には適用できない。
特開２００３−２０５３７９号公報

本発明は以上の従来技術の欠点を解決し、レ−ザ照射ノズル内に形成される封鎖ガス室の内圧を検出し、これによって安全性が高く安定したシ−ルド状態でレ−ザ光溶接を達成するものである。

すなわち、本発明は先端に当接封鎖部材を具えるレ−ザ光照射ノズルをこの当接封鎖部を重ね合わせた金属材の表面に押付けて内部に封鎖ガス室を形成する一方、この封鎖ガス室を経てレ−ザ光を金属材の表面上の溶接すべき溶接点に照射して溶接する際に、溶接に先立って当接封鎖部材を押付けて形成される封鎖ガス室に封鎖ガスを噴射充満させ、この封鎖ガスの圧力が所定値若しくはそれ以上に達したときにレ−ザ光出射ユニットから出射したレ−ザビ−ムを封鎖ガス室を経てレーザ光照射ノズルから照射し、加圧シリンダにより当接封鎖部材で金属材を押圧して溶接し、レーザ光照射ノズルのハウジングの先端近傍に設けた排出孔から、封鎖ガスとともに溶接時に発生するヒュームや溶融ガスを排出し、レーザ光照射ノズルの外部において、封鎖ガス室内の圧力を検出することを特徴とする。

本発明によると、溶接時にレ−ザ光が外部にもれることなく、むしろ、内部に供給される封鎖ガスの内圧を検出してシ−ルド状態の安定化をはかり、それにより溶接状態を検視しながら溶接するものであって、溶接圧痕跡のない溶接ができる。危険性もなく作業の安全性が確保できる。

以下、図面によって本発明の実施態様の一つについて説明すると、次のとおりである。

なお、図１は本発明方法を実施する装置の一例を一部を断面で示す説明図である。

図２は図１に示す装置の一部を拡大した説明図である。

まず、図１および図２において、符号（１）はレ−ザ光照射ノズル、（２）はこのノズルを保持し昇降するノズルホルダ、（３）はファイバーケ−ブルであって、これを通じてレ−ザ発振器から送られるレ−ザ光が送られて、レ−ザ光照射ノズル（１）による溶接姿勢および位置移動が自由にできるようにする。符号（４）は後記のとおり封鎖ガスの供給ユニットであり、（５）は板状基台であって、その上に重ね合わせた鋼板などの金属材料の被溶接材（６）であり、（７）は封鎖ガス室、（８）は加圧シリンダである。

そこで、溶接時には、板状基台（５）上におかれた金属材料から成る被溶接材（６）に対してレ−ザ光照射ノズル（１）を用いてレ−ザ光を照射し、溶接すべき溶接部を溶融して融接する。この溶接に当ってのレ−ザ光照射ノズル（１）は先端に向って絞り、軸方向に沿って逆円錐状のレ−ザ光通路を形成する一方、絞られた先端には被溶接材（６）の表面に当接着座する封鎖部材（１１）を設けてこの通路を封鎖し、封鎖ガス室（７）を形成する。ここではレーザ光発振器（図示せず）およびレーザ光出射ユニットについての詳細な説明に関して本発明では不要なので割愛する。

すなわち、溶接すべき金属材料から成る被溶接材（６）が重ね合わされて載せられる板状基台（５）上においてレ−ザ光照射ノズル（１）は平面方向に移動自在に構成されると共に、上下に昇降自在に構成される。このレ−ザ光照射ノズル（１）はレ−ザ光発振器（図示せず）からレ−ザケ−ブル（図示せず）を経て送られるレ−ザ光をレンズなどの光学系（図示せず）により絞って被溶接材（６）に出射照光するものであって、この構造のものは一般に市販され、通常は、例えば、溶接に供せられるＹＡＧレ−ザといわれて市販されているものと同等のものである。

このレーザ光出射ユニットで絞られて下向きに絞られて指向するレ−ザ光を囲んで逆円錐状のハウジング（１２）を設け、その内部に軸方向に沿って絞られるレ−ザ光をその周囲から包囲するハウジング（１２）の下端に封鎖部材（１１）を設け、溶接に当ってこの封鎖部材（１１）を被溶接材（６）の表面に押付けられてその内部に封鎖ガス室（７）を形成する。すなわち、封鎖部材（１１）は被溶接材（６）の表面に押付けて当接着座させることによって先端に向って絞られるレ−ザ光の通路を外気から遮断し密封するものであって、形成される封鎖ガス室（７）内の封鎖ガス中にレ−ザ光を照射するほかに、ハウジング（１２）の一部に設けた噴出孔（１２１）から封鎖ガスとしての不活性ガスを噴射する一方、ハウジング（１２）の先端部近傍に設けた排出孔（１２２）からこの不活性ガスとともに溶接ヒュ−ムや溶融ガスを吸引する。したがって、不活性ガスは溶接中に外気などの侵入を防ぐ一方、溶接中のヒュ−ムなどをキャリ−して排出孔（１２２）から排気される。要するに、不活性ガスは一定の圧力のもとで流動し、これに伴って溶接時発生するヒュ−ムや溶融ガスとともに排出され、溶接部の周辺を冷却してレ−ザ光による瞬間加熱により生じる欠陥、例えば、そり、変形などを防止する。不活性ガスなどは具体的には図２の矢印の方向へ排出孔（１２２）から排出される。

レーザ光照射ノズル（１）を重ね合わせた被溶接材（６）に照射してレーザスポット溶接するときに、先端の封鎖部材（１１）を被溶接材（６）の表面における溶接点に押付けて当接着座させる一方、これに併せて図１に示すノズルホルダ（２）の上部に配設した加圧シリンダ（８）により下向きに押圧してレーザ光照射ノズル（１）を位置決めする。これにより、被溶接物の反りが矯正され、溶接点に安定して位置決めできる。このときに、加圧手段として例えばエアシリンダによりレーザ光照射ノズル（１）を下向きに加圧することで、被溶接材（６）は重ね合わされた状態で封鎖部材（１１）と板状基台（５）との間に挟まれてその挟持力により安定して保持される。

このところについて、従来から挾持して保持する手段としてロッカ−ア−ムによるクランプ方式をはじめて種々の装置や治具が提案されている。しかし、この種の治具や装置はいずれも大型な制御系と関連させるものが多く、経済的にも高コストになることから、改善が求められている。このところについて、本発明方法であると、図２に示すとおり、レ−ザ光照射ノズル（１）の内部に封鎖ガス室（７）を構成し、この封鎖ガス室（７）の形成に関与する封鎖部材（１１）を当接着座させることから、これを所定の加圧力で押付けるだけで位置決め手段としても利用でき、このようにレ−ザ光照射ノズル（１）と一体化、小型化できコンパクト化できる。さらに、封鎖部材（１１）は円環状に構成でき、封鎖部材（１１）を軸方向に摺動自在に構成することもできる。このように構成すると、焦点位置が調整でき、さらに、リング状の封鎖部材（１１）を天然ゴム、人造ゴムや樹脂材料などから構成すると、被溶接材（６）の表面に間隙なく密着でき、逆円錐状のレ−ザ光通路の周囲は密閉された状態となる。また、このように密閉された封鎖ガス室（７）はその内圧を連続的に測定し、この内圧の制御によって安定したシ−ル状態が溶接中維持できるほか、溶接中の溶接点へのレ−ザ光の位置ずれなども内圧の変化としてあらわれ、安定したレ−ザ溶接が達成できる。なお、内圧の測定は、レーザ光照射ノズル（１）の外部において排出孔（１２２）から排出された不活性ガス、および溶接時発生するヒュ−ムとともに排出される溶融ガスとについて圧力、速度などを測定して検出し、その測定値から内圧はノズルの寸法などに影響されることなく容易に求められる。

以上のとおり、封鎖ガス室の内圧を制御するときに、その目安となる所定値は大気圧とし、封鎖ガス室内の圧力を大気圧若しくはそれ以上に保つ。

レ−ザ光照射ノズル（１）から金属の被溶接材の表面に照射されるレ−ザビ−ムは金属材の表面に直交させるのが好ましい。

封鎖ガス室内の圧力変化を連続的に測定し、この圧力変化により溶接中におけるレ−ザ照射ノズルからのヒュ−ム、溶融ガス、レ−ザビ−ムのもれを検出する。

封鎖ガスを不活性ガスとし、経済性の上から窒素ガスとするのが好ましい。

先端の封鎖部材を自然又は合成ゴムのほかに、合成樹脂の弾力性、可撓性のある材料から構成することができる。

レ−ザ光照射ノズルから照射されるレ−ザビ−ムは絞り、その焦点は金属材の表面若しくは表面より僅かに内部に入った深度１．０ｍｍ以内に位置させ、表面における反射をおさえ、吸収効率を高めて溶接する。すなわち、これ以上深いところに焦点を合わせると、溶接部としてのナゲットの径が拡大し、溶け抜けなどが起り易い。

封鎖部材を上下に移動させて照射されるレ−ザビ−ムの焦点を調整してスポット溶接部の直径を制御することもできる。

以上のところは、被溶接材として鉄鋼を中心とする金属材料への適用を中心に説明したが、鉄鋼のほかに非鉄金属、合金鉄などの溶接に適用できる。

本発明方法を実施する装置の一例を一部を断面で示す説明図である。 図１に示す装置の一部を拡大した説明図である。

符号の説明

１ レ−ザ光照射ノズル
２ ノズルホルダ
３ ファイバーケ−ブル
４ 封鎖ガスの供給ユニット
５ 板状基台
６ 金属材料の被溶接材
７ 封鎖ガス室
８ 加圧シリンダ
１１ 封鎖部材
１２ ハウジング
１２１ 噴出孔
１２２ 排出孔

Claims (3)

1. 先端に当接封鎖部材を具えるレ−ザ光照射ノズルをこの当接封鎖部材を重ね合わせた金属材の表面に押付けて内部に封鎖ガス室を形成する一方、この封鎖ガス室を経てレ−ザ光を前記金属材の表面上の溶接すべき溶接点に照射して溶接する際に、
   溶接に先立って前記当接封鎖部材を押付けて形成される前記封鎖ガス室に封鎖ガスを噴射充満させ、この封鎖ガスの圧力が所定値若しくはそれ以上に達したときにレ−ザ光出射ユニットから出射したレ−ザビ−ムを前記封鎖ガス室を経て前記レーザ光照射ノズルから照射し、
   加圧シリンダにより前記当接封鎖部材で前記金属材を押圧して溶接し、
   前記レーザ光照射ノズルのハウジングの先端近傍に設けた排出孔から、前記封鎖ガスとともに溶接時に発生するヒュームや溶融ガスを排出し、
   前記レーザ光照射ノズルの外部において、前記封鎖ガス室内の圧力を検出することを特徴とする金属材料のレ−ザスポット溶接方法。
2. 前記所定値を大気圧とし、前記封鎖ガス室内の圧力を大気圧若しくはそれ以上に保つことを特徴とする請求項１記載の金属材料のレ−ザスポット溶接方法。
3. 前記レ−ザビ−ム通路内の圧力変化を連続的に測定し、この圧力変化により溶接中における前記レ−ザ照射ノズルからのヒュ−ム、溶融ガス、レ−ザビ−ムのもれを検出することを特徴とする請求項１記載の金属材料のレ−ザスポット溶接方法。