JP6205064B2 - レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接装置及びレーザ溶接法に関する。

第１の部材に第２の部材を突き合わせる。突き合わせた部位を溶接する。この溶接により、２つの部材を一体化することが、従来から広く行われている。
溶接には、エネルギー密度が高いレーザビームが近年使用される。
このレーザビームで、曲面同士を溶接する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の技術を、図９に基づいて説明する。
図９に示されるように、２個の鋼管１０１、１０１を図面表裏方向にて、突き合わせる。鋼管１０１を円環状のガイドレール１０２で囲う。このガイドレール１０２に加工ヘッド１０３を移動可能に取付ける。加工ヘッド１０３には、レーザガン１０４が、鋼管１０１の中心１０５を向くように取付けられている。加工ヘッド１０３をガイドレール１０２に沿って移動しながら、レーザガン１０４からレーザビームを照射し、レーザ溶接が実行される。

このレーザビームは、曲面に直角に照射されるため、溶け込みが良好で、良質な溶接が実施できる。

加工ヘッド１０３は移動する。一方、レーザ発振器１０６は移動しない。そのため、レーザ発振器１０６と加工ヘッド１０３とは、第１〜第３継ぎ手１０７、１０８、１０９を含むレーザ伝送装置１１０を介して繋がれる。
第１〜第３継ぎ手１０７、１０８、１０９が必要となり、特許文献１によるレーザ溶接装置は複雑になり、且つ大型になる。結果、溶接設備の設置費用が嵩む。

構造が複雑であるため、構成部品の数が増え、部品交換に伴って発生する維持費が高騰する。
加工費の低減が求められる中、曲面を溶接する装置であっても、簡単な構造で小型であるレーザ溶接装置が望まれる。

特開平１１−７７６号公報

本発明は、曲面を溶接する装置であっても、簡単な構造で小型であるレーザ溶接装置を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、第１ワークの曲面に第２ワークの曲面を接触させる要領で複数のワークを重ね、この状態で前記ワークを拘束するワーク固定部と、
曲面同士を当接させた状態の複数のワークを抑えるワーク固定部と、前記ワークの溶接部位へレーザビームを照射するレーザ照射機構と、前記レーザ照射機構を直線的に移動する移動機構と、前記レーザ照射機構及び前記移動機構を制御する制御部を備えているレーザ溶接装置において、
前記レーザ照射機構は、前記レーザビームの集光点が円を描くような機能を有する機構であり、
前記制御部は、前記移動機構の移動と前記レーザ照射機構による集光点の円運動とを合成することで前記集光点が螺旋を描くように制御し、且つ、この螺旋の中心軸が前記曲面に沿うように制御することにより、前記集光点が描く螺旋は中央が粗で両端に近づくほど密になり且つ多数個が重なる。

請求項２に係る発明は、請求項１記載のレーザ溶接装置を用いて実施するレーザ溶接方法であって、
前記制御部は、好ましくは、前記レーザビームが少なくとも前記曲面の頂点を通るときには前記レーザビームを前記頂点を通る接線に直交させ、前記曲面の頂点から離れた溶接部位においては前記レーザビームを前記曲面の曲率中心へ傾斜させる。

請求項１に係る発明では、レーザビームの集光点が螺旋を描くようにし、且つこの螺旋の中心軸が曲面に沿うようにした。ワークにおける曲面の頂点から離れた部位では螺旋同士が重なる。すると、半凝固部が再溶融され、この再溶融部が半凝固部になり、この半凝固部が再々溶融されることを繰り返すことで、溶融深さが大きくなる。よって、曲面の端部であっても十分な溶融深さが得られる。

本発明によれば、溶接部位が曲面にあるにも拘わらず、レーザ照射機構を直線的に移動させることができる。直線移動であるから、移動機構が簡単になり、小型になる。よって、本発明により、曲面を溶接する装置であっても簡単な構造で小型であるレーザ溶接装置が提供される。

請求項２に係る発明では、制御部は、レーザビームが曲面の頂点を通るときには頂点を通る接線に直交させ、曲面の頂点から離れた溶接部位においては曲面の曲率中心へ傾斜させる。レーザ照射機構は、一定の範囲であれば、レーザビームを傾斜させる機能を有する。この機能を巧みに利用して、曲面の頂点から離れた溶接部位においては曲面の曲率中心へ傾斜させる。この傾斜により、螺旋同士の重なりを軽減することができ、生産性を高めることができる。

本発明に係るレーザ溶接装置の基本構成図である。 レーザ照射機構の原理図である。 レーザビームの集光点の軌跡を示される図である。 レーザビームの集光点の軌跡を示される図である。 レーザビームが曲面の頂点を通るときの作用説明図である。 レーザビームが曲面の頂点から離れたときの作用説明図である。 好ましいレーザビームの照射方法を説明する図である。 比較例と実施例を対比して説明する図である。 従来のレーザ溶接装置の原理を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示されるように、レーザ溶接装置１０は、ワーク１１、１２を抑えて固定するワーク固定部２０と、ワーク１１、１２へレーザビーム３１を照射するレーザ照射機構３０と、このレーザ照射機構３０を直線的に移動する移動機構４０と、レーザ照射機構３０及び移動機構４０を制御する制御部５０を備えている。以下、各構成要素の構造の一例を説明する。

ワーク１１、１２は、例えば、筒状の第１ワーク１１と、この第１ワーク１１に挿入する筒状の第２ワーク１２とからなる。第１ワーク１１の曲面に第２ワーク１２の曲面が重ねられる。
本発明は、曲面同士を接合するものであり、溶接部位１３は円弧状を呈する。このような溶接部位１３を通過する平面１４は、この例では図面の面と合致する。

この平面１４を通り且つ曲面の頂点１５を通る接線１６（接線１６に平行な線を含む。）をｘ軸と定める。このｘ軸に直交し、図面奥へ延びる軸をｙ軸と定める。このｙ軸は、後述する溶接線の幅方向に延びる軸である。

ワーク固定部２０は、例えば、ワーク１１、１２を支える受け台２１と、ワーク１１、１２を受け台２１へ押し付けて固定するクランパ２２とからなる。クランパ２２はクランプシリンダ２３で駆動される。

移動機構４０は、レーザ照射機構３０をｘ軸に沿って直線的に移動させる機構である。 移動機構４０は、例えば、ｘ軸に沿って延びるレール４１と、このレール４１で支持されレーザ照射機構３０を支えるスライダ４２と、このスライダ４２をｘ軸に沿って移動する移動シリンダ４３とからなる。
移動機構４０は、ワーク固定部２０にワーク１１、１２を載せる又は外すときには、ワーク１１、１２と干渉しないように待機位置へ移動される。移動機構４０は、ロボットアームが好適である。

図２に示されるように、レーザ照射機構３０は、レーザ発振器３２と、このレーザ発振器３２から発射されたレーザビーム３１を反射するミラー３３と、このミラー３３をｘ軸廻りに回転するモータ３４と、ミラー３３で反射されたレーザビーム３１を収束させるレンズ３７と、このレンズ３７をレンズ３７の軸に沿って移動させるレンズドライバー３６と、これらの構成要素を収納する筐体３８とからなる。レンズ３７により、レーザビーム３１の集光点（焦点）３９が定まる。

ミラー３３でレーザブーム３１をｙ軸に沿って移動する。また、レンズ３７をミラー３３に対して移動することで、レーザビーム３１の集光点３９をｚ軸に沿って移動する。集光点３９が円を描くように、ｙ軸移動とｚ軸移動を合成する。
円を描くことに、レーザ照射機構３０のｘ軸に沿った移動を加える。集光点３９の円運動は、図３に示されるように、螺旋運動になる。この例では、分かり易くするために、螺旋の中心軸３９Ｂは直線とした。レーザ照射機構３０のｘ軸方向への移動速度、照射角度、ミラー３３及びレンズ３７の作動を細かく制御することで、螺旋運動は円弧を描く。

そこで、本発明では、螺旋の中心軸３９Ｂを、図４（ａ）に示されるように、第１ワーク１１の外周面に合わせる、又はほぼ合わせる。図４（ｂ）は平面図であり、集光点３９が描く螺旋は、中央が粗で、両端（９０°、−９０°）に近づくほど密になり且つ多数個が重なっている。

以上の構成からなるレーザ溶接装置１０の作用を次に述べる。
図５（ａ）に示されるように、ｘ軸に沿って移動中のレーザ照射機構３０から照射されたレーザビーム３１が曲面の頂点１５に到達した。
図５（ａ）のｂ−ｂ矢視図である図５（ｂ）に示されるように、レーザビームの集光点３９は、Ｕを連続させたような軌跡（平面視軌跡）を描く。
結果、図５（ａ）のｃ部拡大図である図５（ｃ）に示されるように、第１ワーク１１を貫通し且つ第２ワーク１２の板厚途中まで達する、深さｄ１の溶着金属（ビード）５２が形成される。

レーザ照射機構３０が、曲面の頂点１５から離れた位置までｘ軸に沿って移動すると、図６（ａ）に示されるように、曲率中心５３から４５°開いた点にレーザビーム３１が到達する。図６（ｂ）に示されるように、レーザビームの集光点３９は、螺旋軌跡を描く。

一般に、レーザビーム３１が連続して前進する場合、先頭にキーホールと呼ばれる溶融部（溶融池）が生成される。この溶融部の直後に半凝固部が形成され、この半凝固部の後に凝固部（溶着金属に相当）が生成される。

図６（ｂ）のように、レーザビームの集光点３９が螺旋軌跡を描きつつ重なると、半凝固部がレーザビーム３１で再溶融される。
すなわち、図６（ｃ）に示されるように、初めの溶融で深さｄ２が形成され、再溶融で深さｄ３が追加され、結果として（ｄ２＋ｄ３）の深さの溶着金属５２が形成される。この溶着金属５２は、第１ワーク１１を貫通し、第２ワーク１２の途中まで達する。

図４（ｂ）に示されるように、レーザビームが曲面の端部に近づくほど、螺旋の重なりが増加する。結果、曲面の端部であっても十分な深さの溶着金属が形成される。
ただし、従来の溶接法がレーザビームをワークの曲率中心に向けることを考慮すると、次に述べる溶接法も推奨される。

すなわち、図７に示されるように、レーザビーム３１が曲面の頂点１５を通るときにはレーザビーム３１を、頂点１５を通る接線１６に直交させる。レーザビーム３１が曲面の頂点１５から離れた溶接部位を通るときにはレーザビーム３１を、曲面の曲率中心５３へ５°〜１５°の傾斜角で傾斜させる。これにより、曲面の端部での溶接品質を、より高めることができる。

本発明方法は、各種の用途に適用することができる。その一例を次に説明する。
図８（ａ）に示されるように、平板の一部が円弧状に曲げられた第１プレス品５６と、平板の一部が円弧状に曲げられた第２プレス品５７と、パイプ５８とを準備する。第１プレス品５６の円弧と第２プレス品５７の円弧で、パイプ５８を挟む。第１プレス品５６と第２プレス品５７とを溶接する。パイプ５８を第１プレス品５６に溶接する。

従来であれば、図８（ｂ）の比較例に示されるように、第１プレス品５６と第２プレス品５７とを溶接するときには、レーザ照射機構２０１を直線的に移動する。一方、第１プレス品５６にパイプ５８を溶接するときには、レーザビーム２０２がパイプ５８の中心２０３を指向するように、レーザ照射機構２０１は円弧を描くように移動する。
レーザ照射機構２０１の位置制御が面倒である。

対して、図８（ｃ）に示される実施例では、レーザ照射機構３０は直線的に移動させることで、直線部も円弧部も一括して溶接することができる。結果、レーザ照射機構３０の位置制御が格段に楽になる。

尚、ワークは実施例では二枚重ねとしたが、三枚以上を重ねてもよい。また、本発明は突き合わせ溶接にも適用できる。
また、ワークの材質は、炭素鋼を原則とするが、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金、その他の何れであってもよい。

さらには、ワークは、真円の筒や管に限定するものではなく、プレス品などに局部的に形成される円弧部であってもよい。

本発明は、曲面を溶接するレーザ溶接に好適である。

１０…レーザ溶接装置、１１…ワーク（第１ワーク）、１２…ワーク（第２ワーク）、１３…溶接部位、１４…平面、１５…頂点、１６…接線、２０…ワーク固定部、３０…レーザ照射機構、３１…レーザビーム、３９…レーザビームの集光点、３９Ｂ…螺旋の中心軸、４０…移動機構、５０…制御部、５２…溶着金属、５３…曲率中心。

Claims (2)

1. 第１ワークの曲面に第２ワークの曲面を接触させる要領で複数のワークを重ね、この状態で前記ワークを拘束するワーク固定部と、
   前記ワークの溶接部位へレーザビームを照射するレーザ照射機構と、
   前記レーザ照射機構を直線的に移動する移動機構と、
   前記レーザ照射機構及び前記移動機構を制御する制御部を備えているレーザ溶接装置において、
   前記レーザ照射機構は、前記レーザビームの集光点が円を描くような機能を有し、
   前記制御部は、前記移動機構の移動と前記レーザ照射機構による集光点の円運動とを合成することで前記集光点が螺旋を描くように制御し、且つ、この螺旋の中心軸が前記曲面に沿うように制御することにより、前記集光点が描く螺旋は中央が粗で両端に近づくほど密になり且つ多数個が重なることを特徴とするレーザ溶接装置。
   
2. 請求項１記載のレーザ溶接装置を用いて実施するレーザ溶接方法であって、
   前記制御部は、前記レーザビームが前記曲面の頂点を通るときには前記レーザビームを前記頂点を通る接線に直交させ、前記曲面の頂点から離れた溶接部位においては前記レーザビームを前記曲面の曲率中心へ傾斜させるレーザ溶接方法。

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