JP5391953B2 - Laser welding method and laser welding apparatus - Google Patents
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本発明は、上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置に関し、金属溶接技術の分野に属する。 The present invention relates to a laser welding method and a laser welding apparatus for two flat metal plates stacked one above the other, and belongs to the field of metal welding technology.
近年、上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板の溶接方法として、レーザー溶接が利用されつつある。このレーザー溶接は、二枚の金属板の上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して移動させることにより、上下の金属板のレーザー光被照射部位を溶融させて線状の溶接ビードを形成させるものである。 In recent years, laser welding is being used as a welding method for two flat metal plates stacked one above the other. This laser welding is performed by moving the laser light with respect to the two metal plates along a predetermined welding path while irradiating laser light toward the upper metal plate surface of the two metal plates. The laser beam irradiated portions of the upper and lower metal plates are melted to form a linear weld bead.
その場合に、二枚の金属板における対向する面は一般に完全な平面ではないので、二枚の金属板間には隙間が生じることがあり、また、その隙間の大きさも溶接経路上において一様でなく、その結果、例えば隙間が大きい箇所において上側金属板の溶融金属が隙間を越えて下側金属板に接触する状態まで垂下せず、上下の金属板が連結されない溶接不良を生じることがあった。 In that case, since the opposing surfaces of the two metal plates are generally not completely flat, a gap may be formed between the two metal plates, and the size of the gap is also uniform on the welding path. As a result, for example, in a place where the gap is large, the molten metal of the upper metal plate does not hang down until it contacts the lower metal plate beyond the gap, and a welding failure may occur in which the upper and lower metal plates are not connected. It was.
この問題に対しては、レーザー光の被照射部位に、その移動に端部が追随するようにフィラーワイヤを供給し、金属板と共に該フィラーワイヤを溶融させて溶融金属を増加させることにより、該溶融金属が隙間を越えて下側金属板に接触する状態まで垂下しやすくし、これにより、上下の金属板が連結されない溶接不良を防止することが知られている。 To solve this problem, the filler wire is supplied to the irradiated portion of the laser beam so that the end follows the movement, and the filler wire is melted together with the metal plate to increase the molten metal. It is known that the molten metal can easily hang down to contact with the lower metal plate across the gap, thereby preventing welding failure in which the upper and lower metal plates are not connected.
その場合に、フィラーワイヤを確実に溶融させるため、特許文献1には、2つの金属部材の突合せ部をレーザー溶接する方法として、レーザー光の被照射部位にフィラーワイヤの端部を供給し、該ワイヤと被溶接金属部材とを同時に溶融させるようにしたものが開示されている。 In that case, in order to melt the filler wire surely, in Patent Document 1, as a method of laser welding the butt portion of the two metal members, the end of the filler wire is supplied to the irradiated portion of the laser beam, The thing which melt | dissolved the wire and the to-be-welded metal member simultaneously is disclosed.
また、レーザー光の被照射部位にフィラーワイヤを供給する場合、溶接開始時におけるワイヤの供給開始タイミングとレーザー光の照射開始タイミングとを適切に設定する必要があるため、前記特許文献1の方法では、予めフィラーワイヤに電圧を印加しておくことにより、該ワイヤの先端が被溶接金属部材に接触したときに通電が開始されるように構成し、その通電開始時点を基準としてレーザー光の照射開始タイミングを設定するようにしている。 In addition, when supplying a filler wire to a laser beam irradiation site, it is necessary to appropriately set the supply start timing of the wire at the start of welding and the irradiation start timing of the laser beam. By applying a voltage to the filler wire in advance, it is configured so that energization is started when the tip of the wire comes into contact with the metal member to be welded, and irradiation of laser light is started with the energization start time as a reference The timing is set.
ところで、前記特許文献1に開示された方法のように、レーザー光によりフィラーワイヤと被溶接金属部材とを同時に溶融させると、溶融金属量が過剰となって、溶接部表面に溶融金属が盛り上がった状態で固化したいわゆる余盛部が生じ、見栄えが悪くなるという問題が発生する。 By the way, when the filler wire and the metal member to be welded are simultaneously melted by laser light as in the method disclosed in Patent Document 1, the amount of the molten metal becomes excessive, and the molten metal swells on the surface of the welded portion. There arises a problem that a so-called surplus portion solidified in a state is generated, and the appearance is deteriorated.
また、上下に重ね合わされた二枚の金属板を溶接する場合に特許文献1の方法を適用すると、両金属板に隙間がある場合に、金属板とフィラーワイヤの溶融金属が上側の金属板に形成される上下に貫通した穴部に表面張力によって滞留し、隙間を越えて下側の金属板まで垂下せず、上下の金属板が連結されないという問題が生じるおそれがある。 Moreover, when the method of patent document 1 is applied when welding the two metal plates piled up and down, when there exists a clearance gap between both metal plates, the molten metal of a metal plate and a filler wire will adhere to an upper metal plate. There is a possibility that a problem arises in that the upper and lower metal plates are not connected to each other because the surface tension stays in the hole that penetrates in the upper and lower portions, and does not hang down to the lower metal plate beyond the gap.
そこで、上下に重ね合わされた二枚の金属板をフィラーワイヤを用いて溶接する場合には、上側の金属板の溶接進行方向の後方に形成される溶融池、即ちレーザー光の照射により形成される上下に貫通した穴部に溶融金属が池状に貯留する部位に、予め通電によって加熱したフィラーワイヤの端部を突入させ、この通電による加熱と溶融池に貯留されている溶融金属の熱とによって該ワイヤを確実に溶融させると共に、フィラーワイヤの突入により、溶融池内の溶融金属を下方へ押し出す力を発生させ、これにより、溶融金属量を十分に確保すると共に、これを積極的に垂下させて、余盛部を生じることなく、上下の金属板を確実に連結させることが考えられている。 Therefore, when two metal plates stacked one above the other are welded using a filler wire, the molten metal is formed behind the upper metal plate in the welding progress direction, that is, formed by irradiation with laser light. The end of the filler wire heated in advance by energization is inserted into the portion where the molten metal is stored in a pond shape in the hole that penetrates up and down, and by the heating by this energization and the heat of the molten metal stored in the molten pool The wire is surely melted and the force of pushing the molten metal in the molten pool downward is generated by the entry of the filler wire, thereby ensuring a sufficient amount of molten metal and actively dripping it. It has been considered that the upper and lower metal plates are reliably connected without generating extra portions.
しかし、このように、溶接進行方向の後方に形成される溶融池に通電加熱されたフィラーワイヤを突入させる方法では、溶融池の形成及び通電によるフィラーワイヤの加熱が十分でない溶接開始時、該ワイヤが確実に溶融されず、上下の金属板間に隙間がある場合に両金属板が良好に連結されなかったり、或いは溶融不十分なフィラーワイヤの一部が金属板の表面に残って見栄えが悪化するなどの溶接不良が発生するおそれがある。 However, in this way, in the method in which the filler wire that is energized and heated enters the molten pool formed behind the welding progress direction, the wire is formed at the start of welding where the formation of the molten pool and heating of the filler wire by energization are not sufficient. Is not reliably melted and there is a gap between the upper and lower metal plates, the two metal plates are not connected well, or a part of the filler wire that is insufficiently melted remains on the surface of the metal plate and the appearance deteriorates There is a risk of poor welding such as welding.
そこで、本発明は、上下に重ね合わされた二枚の金属板を、フィラーワイヤを用いたレーザー溶接によって連結する場合に、溶接開始時における上記のような溶接不良を防止することを課題とする。 Then, this invention makes it a subject to prevent the above welding defects at the time of a welding start, when connecting the two metal plates piled up and down by laser welding using a filler wire.
前記課題を解決するために、本発明は、次のように構成したことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention is configured as follows.
まず、本願の請求項1に記載の発明は、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板に上方からレーザー光を照射しつつ、該レーザー光を所定の溶接経路に沿って相対的に移動させることにより、上側金属板のレーザー光被照射部位の溶接進行方向の後方に、上下に貫通した穴部に溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成し、かつ、該溶融池におけるレーザー光被照射部位より所定距離後方に離間した位置に、予め通電加熱されたフィラーワイヤを供給するレーザー溶接方法であって、溶接開始時に、上側金属板の溶接開始位置にレーザー光を照射してその被照射部位を溶融させることにより、該上側金属板に上下に貫通した溶融穴部を形成する第1ステップと、該第1ステップにより形成された溶融穴部にフィラーワイヤの端部が突入するように、ワイヤ供給手段の位置を、レーザー光被照射部位後方の前記位置にフィラーワイヤを供給するときの位置より溶接進行方向前方側に設定する第2ステップと、前記第1ステップよりエネルギ密度を低下させたレーザー光を前記溶融穴部に向けて照射すると共に、前記第2ステップで位置が設定されたワイヤ供給手段から電圧印加されたフィラーワイヤを供給して端部を前記溶融穴部に突入させ、その際の該ワイヤと上側金属板との接触によりフィラーワイヤに対する通電を開始する第3ステップと、前記ワイヤ供給手段をレーザー光被照射部位に対して相対的に移動させ、該ワイヤ供給手段の位置を、レーザー光被照射部位後方の前記位置にフィラーワイヤを供給するときの位置に設定する第4ステップと、その後、レーザー光のエネルギ密度を上昇させると共に、レーザー光被照射部位とワイヤ供給手段との位置関係を保持し、かつ、該ワイヤ供給手段からフィラーワイヤを供給しつつ、該レーザー光及びワイヤ供給手段を前記溶接経路に沿って移動開始する第5ステップとを備えることを特徴とする。 First, the invention according to claim 1 of the present application is directed to irradiating laser light from above on two flat metal plates in which a gap is formed between opposing surfaces in a state where they are vertically stacked. A molten pool in which molten metal is stored in a hole penetrating up and down behind the laser beam irradiation site of the upper metal plate by moving light relatively along a predetermined welding path. And a filler wire heated in advance and energized at a position spaced a predetermined distance behind the laser beam irradiated site in the molten pool, and at the start of welding, the upper metal plate A first step of forming a molten hole penetrating vertically in the upper metal plate by irradiating the welding start position with laser light to melt the irradiated portion, and a fusion hole formed by the first step A second step of setting the position of the wire supply means to the front side in the welding progress direction from the position when the filler wire is supplied to the position behind the laser beam irradiated part so that the end of the filler wire enters into Irradiating the melt hole with laser light whose energy density is lower than that in the first step, and supplying a filler wire to which voltage is applied from the wire supply means whose position is set in the second step. A third step of causing the end portion to enter the molten hole portion and starting energization of the filler wire by contact between the wire and the upper metal plate at that time; and the wire supply means relative to the irradiated portion of the laser beam And the position of the wire supply means is set to the position when the filler wire is supplied to the position behind the laser light irradiated portion. And then increasing the energy density of the laser light, maintaining the positional relationship between the laser light irradiated part and the wire supply means, and supplying the filler wire from the wire supply means, And a fifth step of starting movement of the wire supply means along the welding path.
また、請求項2に記載の発明は、前記請求項1に記載の発明において、前記第3ステップでは、フィラーワイヤの端部がレーザー光の照射範囲に進入する前に、エネルギ密度を低下させたレーザー光の照射を開始することを特徴とする。 In the invention of claim 2, in the invention of claim 1, in the third step, the energy density is lowered before the end of the filler wire enters the laser light irradiation range. Laser irradiation is started.
また、請求項3に記載の発明は、前記請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記第2ステップでは、フィラーワイヤの端部が溶融穴部の溶接進行方向前方側の内面に当接するように、ワイヤ供給手段の位置を設定することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the invention according to the first or second aspect, the end portion of the filler wire is in contact with the inner surface of the molten hole portion on the front side in the welding progress direction. The position of a wire supply means is set so that it may contact.
さらに、請求項4に記載の発明は、前記請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の発明において、前記第5ステップでは、レーザー光及びフィラーワイヤ供給手段の移動開始の前に、レーザー光のエネルギ密度を上昇させることを特徴とする。 Furthermore, the invention according to claim 4 is the invention according to any one of claims 1 to 3, in the fifth step, before the start of movement of the laser light and filler wire supply means, It is characterized by increasing the energy density of laser light.
そして、請求項5に記載の発明は、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板に上方からレーザー光を照射しつつ、該レーザー光を所定の溶接経路に沿って相対的に移動させることにより、上側金属板のレーザー光被照射部位の溶接進行方向の後方に、上下に貫通した穴部に溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成するレーザー照射手段と、前記溶融池におけるレーザー光被照射部位から所定距離後方に離間した位置にフィラーワイヤを供給するワイヤ供給手段と、予めフィラーワイヤに通電して加熱する通電加熱手段とを有するレーザー溶接装置であって、溶接開始時、前記レーザー照射手段とワイヤ供給手段とを制御することにより、まず、上側金属板の溶接開始位置にレーザー光を照射してその被照射部位に上下に貫通した溶融穴部を形成すると共に、この溶融穴部にフィラーワイヤの端部が突入するように、ワイヤ供給手段の位置を、レーザー光被照射部位後方の前記位置にフィラーワイヤを供給するときの位置より溶接進行方向前方側に設定し、次いで、前記溶融穴部を形成するときよりもエネルギ密度を低下させたレーザー光を前記溶融穴部に向けて照射すると共に、ワイヤ供給手段から電圧印加されたフィラーワイヤを供給して端部を前記溶融穴部に突入させ、その際の該ワイヤと上側金属板との接触によりフィラーワイヤに対する通電を開始し、さらに、前記ワイヤ供給手段の位置を、レーザー光被照射部位後方の前記位置にフィラーワイヤを供給するときの位置に設定すると共に、レーザー光のエネルギ密度を上昇させ、その後、レーザー光被照射部位とワイヤ供給手段との位置関係を保持し、かつ該ワイヤ供給手段からフィラーワイヤを供給しつつ、該レーザー光及びワイヤ供給手段を前記溶接経路に沿って移動開始させる制御手段を有することを特徴とする。 The invention according to claim 5 irradiates the laser beam from above while irradiating the two flat metal plates having a gap between the surfaces facing each other in a state where they are stacked one above the other. By moving relatively along a predetermined welding path, a molten pool is formed in which the molten metal is stored in a hole penetrating up and down behind the laser beam irradiation site of the upper metal plate. A laser irradiation means for performing a laser irradiation, a wire supply means for supplying a filler wire to a position spaced a predetermined distance rearward from the laser beam irradiated site in the molten pool, and a current heating means for energizing and heating the filler wire in advance At the start of welding, by controlling the laser irradiating means and the wire supplying means, first, the welding start position of the upper metal plate is irradiated with laser light. A melt hole that vertically penetrates the irradiation site is formed, and the filler wire is placed at the position behind the laser beam irradiation site so that the end of the filler wire enters the melt hole. Is set on the front side in the welding progress direction from the position when supplying the molten metal, and then the laser beam having a lower energy density than that when forming the molten hole is irradiated toward the molten hole and the wire is supplied. A voltage-applied filler wire is supplied from the means to cause the end portion to enter the melting hole, and the filler wire is energized by contact between the wire and the upper metal plate at that time, and the wire supply means Is set to the position when supplying the filler wire to the position behind the laser light irradiated site, and the energy density of the laser light is increased, Thereafter, the laser light and the wire supply means are started to move along the welding path while maintaining the positional relationship between the laser light irradiated portion and the wire supply means and supplying the filler wire from the wire supply means. It has a control means.
次に、本発明の効果について説明する。 Next, the effect of the present invention will be described.
まず、請求項1に記載の発明によれば、溶接開始時、まず、第1ステップで、上側金属板の溶接開始位置にレーザー光が照射されて、その被照射部位に上下に貫通した溶融穴部が形成される。その場合、レーザー光は金属板に対して相対的に移動していない状態で照射されるので、エネルギ密度や照射時間等を適宜設定することにより、前記溶融穴部を確実に形成することができる。 First, according to the first aspect of the invention, at the start of welding, first, in the first step, a laser beam is irradiated to the welding start position of the upper metal plate, and the molten hole that penetrates the irradiated site vertically. Part is formed. In that case, since the laser beam is irradiated in a state where it does not move relative to the metal plate, the molten hole can be reliably formed by appropriately setting the energy density, irradiation time, and the like. .
そして、第2〜第3ステップで、この溶融穴部に向けて予め電圧印加されたフィラーワイヤが供給され、レーザー光の照射範囲を通過することにより、該ワイヤにレーザー光が照射されて加熱されると共に、端部が上側金属板に接触することにより該ワイヤに対する通電加熱が開始される。 Then, in the second to third steps, a filler wire to which a voltage is applied in advance is supplied toward the molten hole, and the wire is irradiated with the laser beam and heated by passing through the irradiation range of the laser beam. At the same time, when the end portion comes into contact with the upper metal plate, energization heating for the wire is started.
その際、レーザー光のエネルギ密度は、溶接開始後の溶接が進行している定常溶接時よりも低くされているので、フィラーワイヤは完全に溶融せず、半溶融状態、即ち固体と液体の中間状態であって、流動化しない範囲で軟化された状態とされると共に、通電加熱が開始されることにより、溶融し始める。また、レーザー光のエネルギ密度が高くないから、溶融穴部が形成された上側金属板がさらに溶融することはない。 At that time, since the energy density of the laser beam is lower than that in the steady welding in which welding is in progress after the start of welding, the filler wire is not completely melted and is in a semi-molten state, that is, between solid and liquid. It is in a state of being softened in a range where it does not fluidize, and starts to melt when electric heating is started. Further, since the energy density of the laser beam is not high, the upper metal plate in which the melting hole is formed will not be further melted.
その後、第4ステップで、フィラーワイヤの供給位置が、レーザー光被照射部位から所定距離後方に離間した位置、即ち定常溶接時の位置に設定されると共に、第5ステップで、レーザー光のエネルギ密度も定常溶接時の密度まで上昇される。そして、レーザー光の被照射部位とフィラーワイヤの供給位置との位置関係を保って、これらを所定の溶接経路に沿って前方へ移動させることにより、定常の溶接が開始されることになる。 Thereafter, in the fourth step, the filler wire supply position is set to a position separated by a predetermined distance from the laser light irradiated portion, that is, a position at the time of steady welding, and in the fifth step, the energy density of the laser light is set. Is also increased to the density during steady welding. Then, steady welding is started by keeping the positional relationship between the irradiated portion of the laser beam and the supply position of the filler wire and moving them forward along a predetermined welding path.
その場合に、この発明によれば、フィラーワイヤは既に溶融が始まっているので、該ワイヤは定常溶接の開始直後から十分に溶融し、上側金属板の表面に余盛部が生じることなく、上下の金属板間の隙間が埋められ、両金属板が確実に連結される。 In this case, according to the present invention, since the filler wire has already started to melt, the wire is sufficiently melted immediately after the start of steady welding, so that the upper metal plate does not have a surging portion on the upper and lower surfaces. The gap between the metal plates is filled, and the two metal plates are securely connected.
また、請求項2に記載の発明によれば、前記第3ステップでエネルギ密度を低下させたレーザー光を照射する際、フィラーワイヤがレーザー光の照射範囲に進入する前に、その照射を開始するので、フィラーワイヤは端部が照射範囲に進入すると同時にレーザー光を照射されて、先端から確実に加熱される。したがって、フィラーワイヤへの照射が遅れて該ワイヤに半溶融化が不十分な箇所が発生することによる溶接不良が防止される。 According to the invention of claim 2, when irradiating the laser beam whose energy density has been reduced in the third step, the irradiation is started before the filler wire enters the irradiation range of the laser beam. Therefore, the filler wire is irradiated with laser light at the same time that the end portion enters the irradiation range, and is reliably heated from the tip. Therefore, poor welding due to the occurrence of a location where the irradiation to the filler wire is delayed and the wire is insufficiently semi-melted is prevented.
また、請求項3に記載の発明によれば、前記第2ステップでワイヤ供給手段の位置を設定するときに、フィラーワイヤの端部が溶融穴部の溶接進行方向前方側の内壁面に当接するように設定するので、フィラーワイヤの先端が確実に上側金属板と接触し、通電加熱が常に所定のタイミングで開始されることになる。 According to the invention described in claim 3, when the position of the wire supply means is set in the second step, the end portion of the filler wire comes into contact with the inner wall surface on the front side in the welding progress direction of the molten hole portion. Therefore, the tip of the filler wire is surely in contact with the upper metal plate, and energization heating is always started at a predetermined timing.
さらに、請求項4に記載の発明によれば、前記第5ステップでレーザー光及びフィラーワイヤ供給手段を溶接進行方向の前方へ移動開始する際、その移動開始に先立ってレーザー光のエネルギ密度を上昇させるので、定常溶接が開始直後から所定のエネルギ密度のレーザー光により行われ、定常溶接開始直後におけるレーザー光のエネルギ不足による溶接不良が防止される。 According to the fourth aspect of the present invention, when the laser beam and filler wire supply means are started to move forward in the welding progress direction in the fifth step, the energy density of the laser beam is increased prior to the start of the movement. Therefore, steady welding is performed with laser light having a predetermined energy density immediately after the start of welding, and poor welding due to lack of energy of laser light immediately after the start of steady welding is prevented.
そして、請求項5に記載の発明に係るレーザー溶接装置によれば、前記請求項1のレーザー溶接方法と同様の効果が得られる。 And according to the laser welding apparatus which concerns on invention of Claim 5, the effect similar to the laser welding method of the said Claim 1 is acquired.
以下、本発明に係るレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of a laser welding method and a laser welding apparatus according to the present invention will be described.
図1は、本実施の形態に係るレーザー溶接装置1の要部を示し、このレーザー溶接装置1は、レーザー光Aを発生するレーザーヘッド10と、フィラーワイヤBを供給するワイヤ供給装置20と、フィラーワイヤBの加熱装置30とを有し、上下に重ね合わされた金属板W1、W2に対し、上方からレーザー光Aを照射すると共に、上側金属板W1におけるレーザー光被照射部位xの近傍に、加熱されたフィラーワイヤBを供給するようになっている。
FIG. 1 shows a main part of a laser welding apparatus 1 according to the present embodiment. This laser welding apparatus 1 includes a
ここで、前記金属板W1、W2はクランプ装置2により重ね合わされた状態で固定されているが、両金属板W1、W2の間には、誇張して示すように、面精度に起因する隙間wが生じている。 Here, the metal plates W1 and W2 are fixed in a state of being overlapped by the clamp device 2, but a gap w due to surface accuracy is shown between the metal plates W1 and W2 as exaggeratedly shown. Has occurred.
前記レーザーヘッド10及びワイヤ供給装置20は、溶接ロボット3のアーム3aに固着されたベース板4に取り付けられ、該アーム3aの移動により、金属板W1、W2に対して矢印aで示す溶接進行方向に移動し、上側金属板W1の上面に対するレーザー光Aの被照射部位x及びフィラーワイヤBの供給位置yを同方向aに移動させることにより、上下の金属板W1、W2を所定の経路に沿って溶接するようになっている。
The
また、前記レーザーヘッド10は、例えばYAGレーザー、炭酸ガスレーザー等の高出力レーザーを利用して構成され、レーザー出力の制御、及び内蔵された光学部材11(図5等参照)の移動によるレーザー光Aの焦点位置の制御が可能とされている。
The
また、前記ワイヤ供給装置20は、ワイヤ供給ユニット21と、フィラーワイヤBの供給位置や供給方向を設定するためのワイヤ供給ノズル22とを有し、ワイヤ供給ユニット21におけるモータ23(図2参照)によってワイヤロール24からフィラーワイヤBを繰り出し、前記ノズル22を通過させて、上側金属板W1の上面の所定位置に所定角度で供給するようになっている。
The
ここで、前記ワイヤ供給ノズル22は、レーザー光Aに対して溶接進行方向aの後方からフィラーワイヤBを供給するようになっていると共に、該ノズル22を同方向aに沿って前後に移動させる水平移動機構25を介して前記ベース板4に取り付けられ、上側金属板W1の上面におけるレーザー光被照射部位xに対するワイヤ供給位置yの位置関係の制御が可能とされている。
Here, the
さらに、前記ワイヤ加熱装置30は、フィラーワイヤBに通電することにより生じるジュール熱で該ワイヤBを加熱するもので、加熱電源装置31と、該電源装置31と前記ワイヤ供給ノズル22とを接続するノズル側ケーブル32と、該電源装置31と前記クランプ装置2とを接続するクランプ側ケーブル33とを有する。
Further, the
そして、予めノズル側ケーブル32及びワイヤ供給ノズル22を介して該ノズル22内に保持されたフィラーワイヤBに電圧を印加しておけば、該ワイヤBの先端が上側金属板W1に接触したときに、クランプ側ケーブル33、クランプ装置2及び上側金属板W1を介して加熱電源装置31とフィラーワイヤBとが電気的に接続されることにより、該ワイヤBが前記ノズル22内の電圧印加位置から先端までの範囲で通電され、その範囲が前記ジュール熱によって加熱されるようになっている。
If a voltage is previously applied to the filler wire B held in the
また、このレーザー溶接装置1はコントロールユニット40を有し、図2に示すように、該ユニット40からの制御信号により、前記レーザーヘッド10のレーザー出力やレーザー光Aの焦点位置の制御、ワイヤ供給装置20におけるワイヤ供給モータ23の作動やワイヤ送り速度の制御、ワイヤ供給ノズル22を水平移動させる水平移動機構25の制御、ワイヤ加熱装置30によるフィラーワイヤBへの電圧の印加制御、及び溶接ロボット3の制御等を行うようになっている。
The laser welding apparatus 1 also has a
そして、溶接が開始された後の定常溶接時には、前記コントロールユニット40により、前記レーザー光Aの焦点は、上側金属板W1に最も効率よくエネルギが伝達される位置に制御され、また、水平移動機構25によって設定されるワイヤ供給ノズル22の位置は、図1に示すように、上側金属板W1の上面におけるワイヤ供給位置yがレーザー光被照射部位xから溶接進行方向aの後方に所定距離zだけ隔てた位置となるように制御される。なお、レーザー光Aの出力、フィラーワイヤBの送り速度や加熱のための電流値、ロボットアーム3aの移動速度(溶接速度)等は、適切に設定される。
At the time of steady welding after the start of welding, the focus of the laser beam A is controlled by the
これにより、定常溶接時、ロボットアーム3aの移動に伴って、両金属板W1、W2が所定の経路に沿って溶接されることになる。 Thereby, at the time of steady welding, with the movement of the robot arm 3a, both the metal plates W1 and W2 are welded along a predetermined path.
ここで、定常溶接時における溶接部の状態を説明すると、図3に示すように、隙間wが生じた状態で上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板W1、W2のうちの上側の金属板W1の上面にレーザー光Aを照射し、この状態で該レーザー光Aを溶接進行方向aに移動させると、少なくとも上側金属板W1のレーザー光被照射部位xが溶融し、該金属板W1に上下に貫通する穴部Waが形成される。そして、溶融した金属がこの穴部Waに流入し、レーザー光Aの移動により、レーザー光被照射部位xの溶接進行方向aの後方に前記穴部Waに溶融金属が貯留されてなる溶融池Wbが形成される。 Here, the state of the welded part at the time of steady welding will be described. As shown in FIG. 3, the upper side of the two flat plate-like metal plates W1 and W2 with the gap w formed therebetween is formed. When the upper surface of the metal plate W1 is irradiated with the laser beam A and the laser beam A is moved in the welding progress direction a in this state, at least the laser beam irradiated portion x of the upper metal plate W1 is melted, and the metal plate W1 A hole Wa that penetrates up and down is formed. Then, the molten metal flows into the hole Wa, and a molten pool Wb in which the molten metal is stored in the hole Wa behind the laser beam irradiation site x in the welding progress direction a by the movement of the laser light A. Is formed.
また、これと並行して、予め通電により加熱されたフィラーワイヤBを、端部がレーザー光照射部位xから溶接進行方向後方に前記所定距離zを隔てて溶融池Wbに突入するように供給し、通電による加熱と溶融池Wbに貯留されている溶融金属の熱とにより該フィラーワイヤBの端部を溶融させ、上側金属板W1における溶融池Wb内の溶融金属の量を増量する。 In parallel with this, the filler wire B heated by energization in advance is supplied so that the end portion enters the weld pool Wb at a predetermined distance z behind the laser beam irradiation site x in the welding progress direction. The end of the filler wire B is melted by heating by energization and the heat of the molten metal stored in the molten pool Wb, and the amount of molten metal in the molten pool Wb in the upper metal plate W1 is increased.
これにより、増量された溶融金属の自重や、フィラーワイヤBの端部を溶融池Wbに突入させる際の押圧力f等により、上下の金属板W1、W2の間の隙間wへの溶融金属の進入が促進されることになり、この隙間wに進入した溶融金属が硬化することにより、上下の金属板W1、W2が連結されることになる。 As a result, the increased weight of the molten metal, the pressing force f when the end portion of the filler wire B enters the molten pool Wb, etc. cause the molten metal to enter the gap w between the upper and lower metal plates W1, W2. The entry is promoted, and the upper and lower metal plates W1 and W2 are connected when the molten metal entering the gap w is cured.
ところで、定常溶接時、フィラーワイヤBは、ワイヤ供給ノズル22内における電圧印加位置から上側金属板W1と接触する先端部までの範囲が通電されるから、溶融池Wbに突入する該ワイヤBの端部は、前記電圧印加位置から金属板W1への接触位置まで移動するまでの比較的長い時間、加熱されることになり、溶融池Wb内の溶融金属の熱によって十分溶融可能な温度まで昇温されている。
By the way, at the time of steady welding, the filler wire B is energized in the range from the voltage application position in the
しかし、溶接開始時は、フィラーワイヤBは、供給が開始された後、端部が上側金属板W1に接触するまで通電されず、非加熱状態で上側金属板W1に接触することになる。また、レーザー光被照射部位xの溶接進行方向aの後方に溶融池Wbが十分に形成されていない。そのため、上側金属板W1の上面の溶接開始位置にレーザー光Aを照射している状態で、その照射部位xの後方の所定位置にフィラーワイヤBを供給しても、該ワイヤBは十分溶融しない。 However, at the start of welding, the filler wire B is not energized until the end portion comes into contact with the upper metal plate W1 after the supply is started, and comes into contact with the upper metal plate W1 in an unheated state. Further, the molten pool Wb is not sufficiently formed behind the welding progress direction a of the laser beam irradiated portion x. Therefore, even when the filler wire B is supplied to a predetermined position behind the irradiated portion x in a state where the laser beam A is irradiated to the welding start position on the upper surface of the upper metal plate W1, the wire B is not sufficiently melted. .
その結果、溶接開始位置では、溶融金属が不足して上下の金属板W1、W2間の隙間wに溶融金属が進入せず、両金属板W1、W2の非連結部が生じ、また、フィラーワイヤBの端部が十分溶融しない状態で上側金属板W1の上面に残されて余盛部が発生する等、溶接不良が生じるおそれがある。 As a result, at the welding start position, the molten metal is insufficient, and the molten metal does not enter the gap w between the upper and lower metal plates W1, W2, resulting in a disconnected portion between the two metal plates W1, W2, and the filler wire. There is a possibility that poor welding may occur, for example, a surplus portion is left on the upper surface of the upper metal plate W1 in a state where the end portion of B is not sufficiently melted.
そこで、溶接開始時の溶接不良を防止するため、前記コントロールユニット40は、レーザーヘッド10や、ワイヤ供給装置20に対し、定常溶接時とは異なる制御を行うようになっており、次に、この溶接開始時の制御を、図4のタイムチャートと図5〜図9の各段階の状態説明図とを用いて説明する。
Therefore, in order to prevent poor welding at the start of welding, the
まず、第1ステップとして、レーザーヘッド10から上側金属板W1の溶接開始位置にレーザー光Aを照射し、その被照射部位xを溶融させることにより、図5に示すように、上側金属板W1に上下に貫通した溶融穴部Wcを形成する。
First, as a first step, the laser beam A is irradiated from the
このとき、レーザー光Aはフォーカス状態、即ち上側金属板W1に最も効率よくエネルギが伝達されるように、焦点を該金属板W1の上面ないし該金属板内部の所定位置に設定した状態とされており、また、レーザー出力やレーザー光Aの照射時間は、上記溶融穴部Wcが形成されるのに必要な値に設定される。これにより、上側金属板W1に上下に貫通した溶融穴部Wcが確実に形成されると共に、この溶融穴部Wcの形成に際して生じた溶融金属Wdは、もっぱら下側金属板W2の上面や該金属板W2に形成された凹部に溜められる。 At this time, the laser beam A is in a focused state, that is, in a state where the focal point is set at a predetermined position in the upper surface of the metal plate W1 or inside the metal plate so that energy is most efficiently transmitted to the upper metal plate W1. In addition, the laser output and the irradiation time of the laser beam A are set to values necessary for forming the molten hole portion Wc. As a result, a molten hole portion Wc penetrating vertically is formed in the upper metal plate W1 and the molten metal Wd generated during the formation of the molten hole portion Wc is exclusively formed on the upper surface of the lower metal plate W2 and the metal. It is stored in a recess formed in the plate W2.
このとき、ワイヤ供給装置20におけるワイヤ供給ノズル22は、図1及び図3に示す定常溶接時の位置にフィラーワイヤBが供給される位置に設定されている。また、この時点では、フィラーワイヤBはノズル22に保持されている部位で電圧が印加されているが、先端が上側金属板W1に接触していないので、通電されていない。
At this time, the
次に、第2ステップとして、ワイヤ供給装置20における水平移動機構25を作動させて、前記ワイヤ供給ノズル22を溶接進行方向aに所定距離移動させ、図6に示すように、該ノズル22からフィラーワイヤBを供給すれば、該ワイヤBの端部が上側金属板W1に形成された前記溶融穴部Wcの溶接進行方向前方側の内面に当接する位置に設定する。
Next, as a second step, the
また、これと並行して、レーザー光Aの照射を停止した上で、レーザーヘッド10の光学部材11を光軸に沿って移動させ、レーザー光Aを照射したきに、上側金属板W1やフィラーワイヤBに照射される位置でデフォーカス状態となるように焦点を移動させる。
In parallel with this, after stopping the irradiation of the laser beam A, the
次に、第3ステップとして、図7に示すように、レーザーヘッド10からレーザー光Aを照射すると共に、ワイヤ供給装置20のモータ23を作動させて、フィラーワイヤBの供給を開始する。
Next, as a third step, as shown in FIG. 7, the laser beam A is irradiated from the
その場合に、前記のように、ワイヤ供給ノズル22は、フィラーワイヤBを供給したときに、その端部が上側金属板W1に形成された前記溶融穴部Wcの溶接進行方向前方側の内面に当接する位置に設定されており、また、レーザー光Aの焦点は、ワイヤBに照射される位置でデフォーカス状態となるように設定されているので、図7に示すように、フィラー供給ノズル22から繰り出されたフィラーワイヤBは、デフォーカス状態でレーザー光Aの照射を受けた上で、上側金属板W1に形成された前記溶融穴部Wcの溶接進行方向前方側の内面に当接する。
In that case, as described above, when the filler wire B is supplied, the
これにより、図4に符号bで示すようにフィラーワイヤBに対する通電が開始されるが、該ワイヤBは、デフォーカス状態でエネルギ密度が低くされたレーザー光Aの照射を受けることにより、形状を保持した半溶融状態とされると共に、通電による加熱が開始されることにより、溶融し始めることになる。また、このとき、レーザー光Aのエネルギ密度は低いので、このレーザー光Aによって上側金属板W1がさらに溶融されることはなく、前記溶融穴部Wcはそのまま保持される。 As a result, energization to the filler wire B is started as indicated by reference numeral b in FIG. 4. The wire B is shaped by receiving irradiation of the laser light A having a reduced energy density in the defocused state. While being held in a semi-molten state, heating by energization is started to start melting. At this time, since the energy density of the laser beam A is low, the upper metal plate W1 is not further melted by the laser beam A, and the molten hole portion Wc is held as it is.
なお、この第3ステップで、レーザー光Aを照射すると共に、フィラーワイヤBの供給を開始するときに、該ワイヤBがレーザー光Aの照射範囲に進入する前に、その照射を開始するように制御すれば、フィラーワイヤBは端部が照射範囲に進入すると同時にレーザー光を照射されて、先端から確実に加熱されることになる。 In this third step, when the laser beam A is irradiated and the supply of the filler wire B is started, the irradiation is started before the wire B enters the irradiation range of the laser beam A. If controlled, the filler wire B is irradiated with laser light at the same time as its end enters the irradiation range, and is reliably heated from the tip.
次に、第4ステップとして、図8に示すように、レーザー光Aの照射を停止した上で、レーザー光Aの焦点を前記第1ステップと同様のフォーカス状態となるように、第2ステップでの移動と反対方向に、レーザーヘッド10の光学部材11を光軸に沿って移動させる。
Next, as a fourth step, as shown in FIG. 8, after the irradiation of the laser beam A is stopped, the focal point of the laser beam A is set to the same focus state as the first step in the second step. The
また、これと並行してワイヤ供給装置20における水平移動機構25により前記ワイヤ供給ノズル22を溶接進行方向aの反対方向に所定距離移動させ、該ノズル22からフィラーワイヤBを供給したときの該ワイヤBの端部の供給位置が、上側金属板W1の上面におけるレーザー光被照射部位xより所定距離zだけ後方側の位置、即ち前述の定常溶接時の位置となるように、該ノズル22の位置を設定する。
In parallel with this, the
その場合、フィラーワイヤBの先端が前記溶融穴部Wcの溶接進行方向前方側の内面から離反するが、前記第3ステップで該ワイヤBの溶融が開始され、溶融穴部Wcには、第1ステップで下側金属板W2上に溜まった溶融金属と合体した状態で、溶融金属Wdが貯留されつつあるので、該ワイヤBの先端がこの溶融金属Wdに接触することにより、図4に符号cで示すように、通電が維持される。 In that case, the tip of the filler wire B is separated from the inner surface of the molten hole portion Wc on the front side in the welding progress direction, but the melting of the wire B is started in the third step, and the molten hole portion Wc Since the molten metal Wd is being stored in the state of being combined with the molten metal accumulated on the lower metal plate W2 in the step, the tip of the wire B comes into contact with the molten metal Wd, so that reference numeral c in FIG. As shown by, energization is maintained.
そして、第5ステップとして、レーザーヘッド10からレーザー光Aを照射すれば、前記溶融穴部Wcにエネルギ密度の高いフォーカス状態のレーザー光Aが照射されることになるが、このとき、該溶融穴部Wcには既に溶融金属Wdが貯留され、フィラーワイヤBの端部が該溶融金属Wdによって加熱されると共に、通電加熱が続行されているから、該ワイヤBはさらに溶融し、図9に示すように、レーザー光被照射部位xを中心とする溶融池Weが形成される。
Then, as a fifth step, if the laser beam A is irradiated from the
そして、この状態でロボットアーム3aの移動を開始し、レーザー光被照射部位xとワイヤ供給位置yとの位置関係を維持して、これらを溶接進行方向aに移動開始すれば、前記溶融池Weが図3に示す溶融池Wbとなって定常溶接状態に移行し、以後、所定の経路に沿って定常溶接が実行されることになる。 In this state, the movement of the robot arm 3a is started, the positional relationship between the laser beam irradiated portion x and the wire supply position y is maintained, and when these are started to move in the welding progress direction a, the molten pool We 3 becomes a molten pool Wb shown in FIG. 3 and shifts to a steady welding state. Thereafter, steady welding is performed along a predetermined path.
以上のようにして溶接が開始されることになるが、フィラーワイヤは定常溶接時の開始時には予め半溶融状態とされているので、定常溶接の開始直後から十分に溶融されることになり、これにより、上側金属板の表面に余盛部が生じることなく、上下の金属板W1、W2間の隙間wが埋められて、両金属板W1、W2が確実に連結される。 Welding is started as described above. However, since the filler wire is in a semi-molten state at the start of steady welding, it is sufficiently melted immediately after the start of steady welding. Thus, without forming a surplus portion on the surface of the upper metal plate, the gap w between the upper and lower metal plates W1, W2 is filled, and the two metal plates W1, W2 are reliably connected.
なお、以上の実施形態では、第2ステップで、ワイヤ供給ノズル22を定常溶接時の位置から溶接進行方向前方側の位置へ移動させたが、当初から、この前方側の位置に配置されている場合には、第2ステップにおけるワイヤ供給ノズル22の移動を省略することができる。
In the above embodiment, in the second step, the
また、第4ステップで、ワイヤ供給ノズル22を前方側の位置から後方側の定常溶接時の位置へ移動させたが、この移動を省略し、レーザーヘッド10を溶接進行方向へ所定量移動させることにより、該ノズル22とレーザー光被照射部位との位置関係を定常溶接時の位置関係に設定し、そのまま、定常溶接に移行することも可能である。
Further, in the fourth step, the
以上のように、本発明は、フィラーワイヤを用いて上下に重ね合わされた二枚の金属板をレーザー溶接する場合に、溶接開始時の溶接を良好に行うことができ、もって、この種の溶接を行う例えば自動車産業等において広く利用される可能性がある。 As described above, the present invention can satisfactorily perform welding at the start of welding when laser welding two metal plates stacked one above the other using a filler wire. For example, in the automobile industry.
1 レーザー溶接装置
10 レーザーヘッド(レーザー照射手段)
20 ワイヤ供給装置
22 ワイヤ供給ノズル(ワイヤ供給手段)
30 ワイヤ加熱装置(ワイヤ加熱手段)
A レーザー光
B フィラーワイヤ
W1 上側の金属板
W2 下側の金属板
Wb、We 溶融池
Wc 溶融穴部
w 隙間
x レーザー光被照射部位
y ワイヤ供給位置
1
20
30 Wire heating device (wire heating means)
A Laser beam B Filler wire W1 Upper metal plate W2 Lower metal plate Wb, We Molten pool Wc Molten hole w Gap x Laser beam irradiated portion y Wire supply position
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