JP4753048B2 - 重ね合わせワークのレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、板状のワークを複数枚重ね合わせて、一端に位置するワーク表面へ略円形状のレーザを照射することにより各ワークを溶接する、重ね合わせワークのレーザ溶接方法に関するものである。

一般に、図５に示すように、重ね合わせワークのレーザ溶接では、例えば、２枚重ね合わされた板状のワーク１、２の内、一方のワーク１表面の上方にレーザヘッド３が配置されており、レーザヘッド３から一方のワーク１表面に向かって略円形状のレーザ４を照射しながら、該レーザヘッド３を各ワーク１、２に対して直線的に移動させて各ワーク１、２を溶接している。符号４は、レーザの軌跡を示している。
また、一方のワーク１表面のレーザ照射径Ａは、溶接開始端部、溶接開始端部から溶接終端部に至る途中及び溶接終端部を通じて略同じであり、レーザエネルギーの効率を良くするために、レーザ４のエネルギー密度が最大となる最も小さい集光径（フォーカス状態）に設定されており、レーザ４による貫通能力を最大としている。

しかしながら、上述した従来のレーザ溶接方法では、図６（ｂ）に示すように、溶接完了後の溶接終端部において、一方のワーク１表面に凹部５が形成されたり、一方のワーク１を貫通する貫通孔が形成される等の不具合が発生し、各ワーク１、２の接合強度やシール性が低下して、ワーク１、２の溶接品質を保証することができなかった。なお、符号６で示す部分は、レーザにより溶融した後凝固した部分を示している。

そこで、ワーク１、２の溶接終端部において、一方のワーク１表面に凹部５または貫通孔が形成される理由としては、このようなレーザ照射による溶接では、レーザ照射によりキーホール２０が形成されると同時に溶融した材料を進行方向後側のキーホール２０内に追いやりながら溶接し、キールホール２０内に追いやられた溶融した材料が順次冷えて凝固される。
しかしながら、溶接終端部では、前方からキーホール２０内に十分に材料が供給されないために、キーホール２０内を完全に埋めるだけの材料が不足し、溶融した材料が周囲よりも冷えて凝固しつつ収縮していくと、その中央部分に凹部５が形成されたり、貫通孔が形成されることになる。

なお、特許文献１には、照射位置でのビーム形状が溶接線に平行な長径とそれに垂直な短径を有する楕円形状である亜鉛メッキ鋼板の重ねレーザ溶接方法が開示されている。
特開２００２−２１９５９０号公報

しかしながら、上述した特許文献１の発明では、ビーム形状を楕円形状にすることで、従来に比べて大幅に溶融金属のスパッタおよびブローホールを低減しているが、溶接終端部において、ワーク表面に形成される凹部や貫通孔等の不具合を解消することはできない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、複数枚重ね合わされた板状のワークを、一端に位置するワーク表面へレーザ照射して溶接する際、溶接終端部においてワーク表面に形成される凹部や貫通孔等の不具合を改善できる重ね合わせワークのレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の重ね合わせワークのレーザ溶接方法は、ワーク表面に照射するレーザ照射径を、溶接終端部のレーザ照射径が溶接開始端部のレーザ照射径よりも大きくなるように設定することを特徴としている。
これにより、溶接終端部においてワーク表面に形成される凹部の深さを従来よりも大幅に浅くすることができる。
なお、本発明の重ね合わせワークのレーザ溶接方法の各種態様およびそれらの作用については、以下の（発明の態様）の項において詳しく説明する。

（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。なお、各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付して、必要に応じて他の項を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載、実施の形態等に参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要件を付加した態様も、また、各項の態様から構成要件を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）項が請求項１に相当する。

（１）重ね合わせワークのレーザ溶接方法であって、前記ワークは板状であり、該ワーク表面に照射するレーザ照射径を、溶接終端部のレーザ照射径が溶接開始端部のレーザ照射径よりも大きくなるように設定すると共に、溶接終端部におけるワーク表面の溶融範囲を溶接開始端部よりも広範囲として、溶接開始端部から溶接終端部に至る途中のレーザ照射径を、溶接開始端部におけるレーザ照射径と略同じに設定して、さらに、溶接終端部のレーザ照射径を、溶接開始端部のレーザ照射径の１．５倍以上に設定することを特徴とする重ね合わせワークのレーザ溶接方法。
従って、（１）項の重ね合わせワークのレーザ溶接方法では、ワーク表面のレーザ照射径を、溶接終端部のレーザ照射径が溶接開始端部のレーザ照射径より大きくなるように溶接終端部でのレーザ照射をデフォーカス状態にしているので、該溶接終端部では従来よりも広い範囲の材料が溶融され、その溶融した材料が、溶接終端部が凝固する際に溶接終端部の中央部に供給されるために、溶接終端部においてワーク表面に形成される凹部の深さを従来よりも浅くすることができる。
また、溶接開始端部から溶接終端部に至る途中のレーザ照射径を、溶接開始端部のレーザ照射径と略同じに設定することにより、溶接開始端部から溶接終端部に至る途中でのレーザエネルギーを低下させずに、その貫通能力を高く維持して、各ワークの接合強度を低下させないようにしている。
さらに、溶接終端部のレーザ照射径を溶接開始端部のレーザ照射径の１．５倍以上に設定するので、溶接終端部においてワーク表面に形成される凹部の深さを、各ワークの溶接品質を保証できるレベルまで浅くすることができる。

（２）前記レーザ照射径は、レーザヘッドのワーク表面からの距離を変化させることで適宜設定されることを特徴とする（１）項に記載の重ね合わせワークのレーザ溶接方法。
（３）前記レーザ照射径は、レーザヘッド内のレーザ集光ユニットのワーク表面からの距離を変化させることで適宜設定されることを特徴とする（１）項または（２）項に記載の重ね合わせワークのレーザ溶接方法。
従って、（２）項及び（３）項の重ね合わせワークのレーザ溶接方法では、溶接終端部のレーザ照射径を溶接開始端部のレーザ照射径よりも大きくして、溶接終端部でのレーザ照射をデフォーカス状態にする手段としては、レーザヘッドとワーク表面との距離を変化させる第１の手段、またはレーザヘッド内のレーザ集光ユニットとワーク表面との距離を変化させる第２の手段のいずれかの手段が適宜選択されて採用される。

（４）前記ワークは、２枚または３枚重ね合わされて溶接されることを特徴とする（１）項〜（３）項のいずれかに記載の重ね合わせワークのレーザ溶接方法。
従って、（４）項の重ね合わせワークのレーザ溶接方法では、板状のワークが２枚または３枚重ね合わされてレーザ溶接される際、一端に位置するワーク表面の溶接終端部における凹部の深さを浅くすることができる。

本発明によれば、複数枚重ね合わされた板状のワークを、一端に位置するワーク表面へレーザ照射して溶接する際、溶接終端部においてワーク表面に形成される凹部や貫通孔等の不具合を改善できる重ね合わせワークのレーザ溶接方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図１〜図４に基いて詳細に説明する。なお、従来例と同一部材は、同一符号を使用して説明する。
本発明の実施の形態に係る重ね合わせワークのレーザ溶接方法は、図１に示すように、板状のワーク１、２を２枚重ね合わせて、一方のワーク１表面へ略円形状のレーザ４を照射することにより各ワーク１、２を溶接するもので、ワーク１表面に照射されるレーザ照射径を、溶接終端部のレーザ照射径Ｂが溶接開始端部のレーザ照射径Ａよりも大きくなるように設定している。
なお、本重ね合わせワークのレーザ溶接方法は、板状のワーク１、２が２枚重ね合わされて溶接される形態に採用されているが、板状のワークが３枚重ね合わされて溶接される形態にも採用することができる。

以下に、本重ね合わせワークのレーザ溶接方法を図１〜図４に基いて詳しく説明する。
図１に示すように、２枚重ね合わされた板状のワーク１、２の内、一方のワーク１の上方にレーザヘッド３が配置されており、該レーザヘッド３は図示しない多関節ロボットのアーム部に把持され、各ワーク１、２に対して相対的に直線状に移動できる構成になっている。
なお、本実施の形態では、溶接される２枚の板状のワーク１、２は、その材料が自動車のボディ等に使用される鋼板であり、それぞれの板厚が０．６ｍｍ〜３ｍｍの範囲内のものである。また、レーザ出力は、２ｋＷ〜６ｋＷの範囲内で設定され、そのレーザヘッド３の移動速度（溶接速度）は、各ワーク１、２の板厚等に依存されるが、レーザ出力が２ｋＷ、溶接開始端部におけるワーク１表面のレーザ照射径Ａが０．６ｍｍ及び各ワーク１、２の板厚がそれぞれ０．７ｍｍの場合には、２ｍ／ｍｉｎに設定される。

図３に示すように、レーザヘッド３内には、発光源１１からのレーザ４を集光する、凸レンズ８、８を対向して構成したレーザ集光ユニット９が配置されている。
そして、発光源１１からのレーザ４がレーザ集光ユニット９を通過することで、レーザヘッド３からのレーザ４は略円形状でその照射径が一方のワーク１表面に向かって次第に絞られるように照射される。このように、レーザヘッド３からワーク１表面に向かってレーザ４を照射しながら、レーザヘッド３が溶接開始端部から溶接終端部まで直線的に移動して各ワーク１、２を溶接する。

そこで、溶接開始端部でのワーク１表面のレーザ照射径Ａは、レーザエネルギーの効率を良くするために、レーザ４のエネルギー密度が最大となるように最も小さい集光径（フォーカス状態）となる。なお、本実施の形態では、溶接開始端部でのレーザ照射径Ａは、０．６ｍｍに設定される。
また、溶接開始端部から溶接終端部に至る途中のワーク１表面のレーザ照射径は、溶接開始端部のレーザ照射径Ａと略同じに設定される。
さらに、溶接終端部では、レーザヘッド３からのワーク１表面のレーザ照射をデフォーカス状態にする。すなわち、本実施の形態では、レーザヘッド３をワーク１表面から遠ざけることでワーク１表面のレーザ照射をデフォーカス状態にして、溶接終端部のレーザ照射径Ｂを０．９ｍｍに設定している。本実施の形態では、溶接終端部のレーザ照射径Ｂを溶接開始端部のレーザ照射径Ａの１．５倍以上に設定するようにしている。

このように、ワーク１表面に照射されるレーザ照射径を、溶接終端部のレーザ照射径Ｂが溶接開始端部のレーザ照射径Ａの１．５倍以上になるように設定すると、図２に示すように、溶接終端部では、従来よりも広い範囲の材料が溶融されることで、その溶融した材料が、溶接終端部が凝固する際に溶接終端部の中央部分に供給されるために、溶接終端部においてワーク１表面に形成される凹部５の深さを従来よりも大幅に浅くすることが可能となる。

ところで、ワーク１、２の溶接終端部において、溶接終端部のレーザ照射径Ｂを溶接開始端部のレーザ照射径Ａよりも大きくして、溶接終端部でのレーザ照射をデフォーカス状態にする手段として、以下に説明する第１または第２の手段が採用される。
第１の手段は、本実施の形態で採用された図３に示すように、レーザヘッド３を上下動させて、レーザヘッド３と一方のワーク１表面との距離を変化させる手段である。

第２の手段は、図４に示すように、レーザヘッド３内の上下動自在に配置されたレーザ集光ユニット９と一方のワーク１表面との距離を変化させる手段である。当然ながら、この第２の手段ではレーザヘッド３を上下動させる必要はない。
すなわち、この第２の手段は、レーザヘッド３内のレーザ集光ユニット９として構成される凸レンズ対８、８が枠体１４により一体化され、該枠体１４の一端部が上下方向に延びるリニアガイド１２によりガイドされると共に、枠体１４の他端部がサーボモータ１３の軸部に連結されたボールネジ１５に螺合されている。そして、サーボモータ１３を駆動させることにより、凸レンズ対８、８を一体化した枠体１４を、レーザヘッド３内で上下動させることで、一方のワーク１表面との距離を変化させている。

なお、本発明の実施の形態に係る重ね合わせワークのレーザ溶接方法では、溶接開始端部から溶接終端部に至る途中のワーク１表面のレーザ照射径は、溶接品質の観点から、溶接開始端部のレーザ照射径Ａと略同じに設定されているが、溶接開始端部から溶接終端部に向かって徐々に拡径させるようにしても良い。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る重ね合わせワークのレーザ溶接方法に
よれば、２枚重ね合わされたワーク１、２の内、一方のワーク１表面に照射されるレーザ照射径を、溶接終端部のレーザ照射径Ｂが溶接開始端部のレーザ照射径Ａの１．５倍以上になるように設定しているので、ワーク１表面における溶接終端部では、従来よりも広い範囲の材料が溶融されることにより、その溶融した材料が、溶接終端部が凝固する際に溶接終端部の中央部分に供給されるために、溶接終端部の凹部５の深さを各ワーク１、２の溶接品質を保証できるレベルまで浅くすることができる。

また、本発明の実施の形態に係る重ね合わせワークのレーザ溶接方法では、ワーク１表面に照射されるレーザ照射径において、溶接開始端部から溶接終端部に至る途中のレーザ照射径は、溶接開始端部におけるレーザ照射径Ａと同じに設定されているので、その範囲でのレーザエネルギーが低下せず、その貫通能力が高く維持され、溶接品質が低下しないようにしている。
しかも、本重ね合わせワークのレーザ溶接方法は、新規の設備を必要とせずに既存の設備を使用して具現化できるために設備投資に係る費用を必要としない。

図１は、本発明の実施の形態に係る重ね合わせワークのレーザ溶接方法を説明するための模式図である。 図２（ａ）は、一方のワーク表面の平面図であり、（ｂ）は、各ワークの溶接完了後の縦断面図である。 図３は、レーザ照射径を設定する第１の手段を示した模式図である。 図４は、レーザ照射径を設定する第２の手段を示した模式図である。 図５は、従来の重ね合わせワークのレーザ溶接方法を説明するための模式図である。 図６（ａ）は、従来の重ね合わせワークのレーザ溶接方法で各ワークが溶接される様子を示した縦断面図であり、（ｂ）は、各ワークの溶接完了後の縦断面図である。

符号の説明

１、２ ワーク，３ レーザヘッド，４ レーザ，９ レーザ集光ユニット，Ａ、Ｂ レーザ照射径

Claims (1)

1. 重ね合わせワークのレーザ溶接方法であって、
   前記ワークは板状であり、該ワーク表面に照射するレーザ照射径を、溶接終端部のレーザ照射径が溶接開始端部のレーザ照射径よりも大きくなるように設定すると共に、溶接終端部におけるワーク表面の溶融範囲を溶接開始端部よりも広範囲として、
   溶接開始端部から溶接終端部に至る途中のレーザ照射径を、溶接開始端部におけるレーザ照射径と略同じに設定して、
   さらに、溶接終端部のレーザ照射径を、溶接開始端部のレーザ照射径の１．５倍以上に設定することを特徴とする重ね合わせワークのレーザ溶接方法。