JP6720604B2 - レーザ溶接加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、二枚の金属板を重ね溶接するためのレーザ溶接加工装置及びレーザ溶接継手の製造方法に関する。

従来から自動車や自販機筐体などに対し、防錆鋼板として薄肉の亜鉛めっき鋼板が広く使用されている。亜鉛めっき鋼板の接合においては、スポット溶接法が一般的に適用されている。しかし、スポット溶接法は、断続的な溶接のため、強度面やシール性を要求される部位には適用できないなどの問題があった。一方、レーザ溶接はファイバーレーザを中心とした近年のレーザ発振器の進歩により、高エネルギー密度による連続的な低入熱局所加熱接合が可能になり、従来アーク溶接の置き換えとして適用展開が加速している。

しかしながら、レーザにより、亜鉛めっき鋼板を重ね溶接する場合、鋼板母材よりも融点が低い亜鉛の気化による発生ガスが外部放出されずに、溶接金属中に取り込まれ、ポロシティなどの空孔欠陥として残留してしまう問題がある。この亜鉛めっき鋼板のポロシティ欠陥発生を抑制する方法として、様々な方法が提案されている。

めっき鋼板に予めプレス加工で突起状のギャップを形成することで、溶接時に発生する亜鉛ガスを外部放出させる、重ねレーザ溶接方法が知られている（例えば、特許文献１）。また、めっき鋼板表面をブラスト処理し、表面に凹凸を設けることで亜鉛ガスの放出経路を確保する、メッキ鋼板のレーザ溶接構造が知られている（例えば、特許文献２）。これらの方法では、鋼板に対して事前処理が必要であり、コスト面が課題となる。

また、リンやジルコニア、フッ素などの固体粉末状の添加物を油に分散させて鋼板の重ね部に介在させ、溶接時に亜鉛と添加物の反応による亜鉛化合物を生成させることで、ガス発生を防止する亜鉛めっき鋼板のレーザ溶接方法が提案されている（例えば、特許文献３）。しかしながら、この提案についても、表面への塗布作業や添加剤によるコスト上昇となる。

さらに、重ね密着させた状態で上側鋼板のみ、レーザ照射で加熱することにより、上側鋼板を熱変形させ、ギャップを設ける金属製板材のレーザ溶接方法が提案されている（例えば、特許文献４）。この方法は、前処理なしに溶接冶具で拘束した状態で実施可能である。しかし、加熱工程と溶接工程が別々であるため、施工に時間を要する。また、熱変形を付与する際に、安定したレーザ入熱が必須であるが、鋼板の密着状態や冶具への熱拡散などにより、ギャップのバラツキが大きくなることが懸念され、実行性に疑問がある。

特許第3614062号公報 特開平11-226765号公報 特開2010-89138号公報 特開2012-35303号公報

本発明は亜鉛めっき鋼板に代表されるような、母材よりも融点が低く、溶接時に気化してガス化する皮膜を有する金属板をレーザにより重ね溶接するための、簡便でかつ実用的な装置及び方法を提供する。

本発明者らは、事前加工や化学薬品による処理を要することなく、より簡単な装置及び方法により、溶接中に発生したガスを溶接部から逃すために、溶接部位に対し、溶接時にその場で加工を施し、かつ、レーザ重ね溶接を実施する方法及びそのための装置構成に想到し、本発明を完成するに至った。

［１］本発明は、一実施形態によれば、母材よりも融点の低い金属皮膜を備える二枚の金属板を重ね溶接するためのレーザ溶接加工装置であって、レーザヘッドと、前記レーザヘッドに対向して設けられる保持機構とを備え、前記保持機構が、前記二枚の金属板を密着させる加圧機構と、前記金属板の一方を、レーザ照射部位にて部分的に変形し、前記金属板間に重ねギャップを形成する吸引機構とを備える、レーザ溶接加工装置に関する。

［２］前記［１］のレーザ溶接加工装置において、前記加圧機構が、前記二枚の金属板を前記レーザヘッド側から押圧する可動加圧ローラを備え、前記吸引機構が、前記レーザ照射部位を挟んで設けられた、対の可動吸引ローラであって、電磁石により磁化されて前記金属板の一方をレーザヘッド側に吸引する可動吸引ローラを備え、前記可動加圧ローラと前記対の可動吸引ローラとが同軸に設けられ、前記可動加圧ローラの半径が前記対の可動吸引ローラの半径よりも大きく、前記可動加圧ローラと前記可動吸引ローラの半径差に相当する重ねギャップが形成されることが好ましい。

［３］前記［２］のレーザ溶接加工装置において、前記加圧機構が、前記二枚の金属板を前記レーザヘッドと反対側から押圧する固定加圧ローラを備え、前記吸引機構が、前記二枚の金属板の他方を前記レーザヘッドと反対側に吸引する固定吸引ローラとを備えることが好ましい。

［４］前記［２］のレーザ溶接加工装置において、前記加圧機構が、前記二枚の金属板を前記レーザヘッドと反対側から支持する定盤を備えることが好ましい。

［５］前記［１］のレーザ溶接加工装置において、前記加圧機構が、前記二枚の金属板を前記レーザヘッド側から押圧する可動加圧ローラを備え、
前記吸引機構が、前記レーザ照射部位を挟んで設けられた対の可動保持ローラと、前記金属板の一方をレーザヘッド側に吸引する電磁石とを備え、
前記可動加圧ローラと前記対の可動保持ローラとが同軸に設けられ、前記可動加圧ローラの半径が前記対の可動保持ローラの半径よりも大きく、前記可動加圧ローラと前記可動保持ローラの半径差に相当する重ねギャップが形成されることが好ましい。

［６］前記［５］のレーザ溶接加工装置において、前記加圧機構が、前記二枚の金属板を前記レーザヘッドと反対側から押圧する固定加圧ローラを備え、前記吸引機構が、前記二枚の金属板の他方を保持する固定保持ローラと、前記二枚の金属板の他方を前記レーザヘッドと反対側に吸引する電磁石とを備えることが好ましい。

［７］前記［５］のレーザ溶接加工装置において、前記加圧機構が、前記二枚の金属板を前記レーザヘッドと反対側から支持する定盤を備えることが好ましい。

［８］前記［１］〜［７］のいずれかのレーザ溶接加工装置において、可動加圧ローラの押圧力が、前記可動加圧ローラを支持する可動ホルダと、前記レーザヘッドとの間に設けられるエアシリンダもしくは加圧ばねにより調節されることが好ましい。

［９］本発明は、別の局面によれば、母材よりも融点の低い金属皮膜を備える二枚の金属板を重ね合わせ溶接してなるレーザ溶接継手の製造方法であって、溶接部位において、前記金属板の少なくとも一方を部分的に変形させて、前記金属板間に重ねギャップを形成する工程と、前記重ねギャップを形成した状態で、前記部分的に変形させた部位にレーザを照射する工程とを含む方法に関する。

［１０］前記方法において、前記重ねギャップを形成する工程が、レーザが照射される部位を、レーザ光源側に磁力により吸引する工程を含み、前記重ねギャップの幅を、前記金属板に対しレーザ光源側に設けられる複数のローラの半径差により調節することが好ましい。

［１１］本発明は、また別の局面によれば、母材よりも融点の低い金属皮膜を備える二枚の金属板を重ね合わせ溶接してなるレーザ溶接継手であって、前記［９］または［１０］に記載の方法により製造されたレーザ溶接継手に関する。

［１２］本発明は、また母材よりも融点の低い金属皮膜を備える二枚の金属板を重ね合わせ溶接してなるレーザ溶接継手であって、溶接線の側方に重ねギャップに由来する空隙が存在するレーザ溶接継手に関する。

本発明のレーザ溶接方法及びレーザ溶接加工装置によれば、亜鉛めっき鋼板に代表されるような、母材よりも融点が低く、溶接時に気化してガス化する皮膜を有する磁性体をレーザにより重ね溶接する際に、発生したガスが外部放出されずに、溶接金属中に取り込まれ、ポロシティなどの空孔欠陥として残留してしまう問題に対し、溶接前処理などの経済的な負荷を伴う施策なしに、溶け落ち等の溶接不具合を生じさせない適正な重ねギャップを、簡便かつ安定的に確保し、適正な重ねギャップにより、発生したガスを溶接部より逃がすことで、ポロシティ欠陥の発生を抑制することが可能となる。また、本発明のレーザ溶接方法及びレーザ溶接加工装置によれば、ポロシティ欠陥や溶け落ち欠陥のない、信頼性の高いレーザ溶接継手を製造することができる。

図１は、本発明の第１実施形態によるレーザ溶接加工装置を概念的に示す図である。 図２は、図１のレーザ溶接加工装置の保持機構を可動ホルダ方向から見た平面図である。 図３は、本発明に係る重ね溶接における、２枚の金属板の溶接前の重ねギャップ保持状態を示す概念図である。 図４は、可動加圧ローラと可動吸引ローラの外径寸法の関係を示す概念図である。 図５は、本発明に係る重ね溶接中の、２枚の金属板の溶接の溶け込み状態と亜鉛ガスの流れを示す概念図である。 図６は、重ねギャップ量と、溶け込み品質との関係を示す概念図である。 図７は、本発明の第２実施形態によるレーザ溶接加工装置を概念的に示す図である。 図８は、図７のレーザ溶接加工装置の保持機構を、可動ホルダ方向から見た平面図である。 図９は、本発明の第３実施形態によるレーザ溶接加工装置を概念的に示す図である。 図１０は、本発明の第４実施形態によるレーザ溶接加工装置を概念的に示す図である。 図１１は、本発明の実施例に係るレーザ溶接継手の断面写真である。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。また、図面は本発明を説明するための例示的な概略図であって、装置を構成する各部材の寸法や相対的な関係は、本発明を限定するものではない。

本発明は、一実施形態によれば、二枚の金属板を重ね合わせ溶接してなるレーザ溶接継手の製造方法に関する。本明細書においては、レーザ溶接継手の製造方法という用語を、レーザ溶接方法と互換的に使用する場合がある。当該方法は、溶接部位において、前記金属板の少なくとも一方を部分的に変形させて、前記金属板間に重ねギャップを形成する工程と、前記ギャップを形成した状態で、前記部分的に変形させた溶接部位にレーザを照射する工程とを含む。

本実施形態において重ね合わせ溶接される金属板は、母材の表面に、当該母材よりも融点の低い金属皮膜を備える金属板である。また、母材となる金属板としては、磁性体の金属からなるものが好ましく、典型的には鉄もしくは鉄合金からなる鋼板であるが、これらには限定されない。典型的には、亜鉛めっき鋼板や、すずめっき鋼板が挙げられるが、これらには限定されない。また、二枚の金属板の材質は、典型的には同一であるが、上記条件を満たす限り、母材及び／または金属皮膜の異なる二枚の金属板であってよい。

金属板の厚みは特には限定されず、レーザ溶接により接合可能な一般的な厚みであればよい。例えば、０．５ｍｍ以上、０．８ｍｍ以上、１．０ｍｍ以上であって、２ｍｍ程度のものが挙げられる。重ね合わせ溶接される二枚の金属板は、同一の厚みであってもよく、異なる厚みであってもよい。

本発明に係る方法は、レーザヘッド１と、保持機構とを備えてなるレーザ溶接加工装置により実施することができる。以下に、具体的なレーザ溶接加工装置の例を挙げて、本発明に係る方法を説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態によるレーザ溶接加工装置と、これを用いた溶接方法を概念的に示す図である。レーザ溶接加工装置は、レーザヘッド１と、可動ホルダ２及び固定ホルダ３から構成される保持機構とを備える。以下、図１、及び図１の矢印の向きの平面図である図２を参照して、本実施形態によるレーザ溶接加工装置について説明する。

レーザヘッド１は、通常のレーザ溶接において用いるレーザヘッド１であってよい。レーザヘッド１に使用可能なレーザ装置としては、ファイバーレーザ、ディスクレーザ、ＹＡＧレーザなど、波長が赤外波長域（λ＝約１〜１０μｍ）にあるレーザ装置が挙げられるが、これらには限定されない。また、レーザの出力等の条件は特には限定されず、溶接対象となる金属板の仕様等により、通常の重ね合わせ溶接が実施可能な範囲に、当業者が適宜決定することができる。

保持機構は、接合対象となる二枚の金属板１０ａ、１０ｂを保持し、かつ、レーザ照射部位において、金属板の一方１０ａを部分的に変形させて、金属板間に重ねギャップを形成する機構である。図１において、保持機構は、可動ホルダ２と固定ホルダ３を備えている。可動ホルダ２は、可動加圧ローラ２１と、２つの可動吸引ローラ２２、２２’を保持し、かつレーザ光Ｌの照射経路を確保するために、図２に示されるように、コの字形状（Ｕ字形状）に形成される。可動ホルダ２は、エアシリンダ４により、レーザヘッド１に対し、移動可能に構成される。可動ホルダ２の移動方向は、図１において矢印で示す上下方向であり、エアシリンダ４は、可動ホルダ２が、金属板１０ａ、１０ｂを固定ホルダ３側へ押圧する圧力を調製する圧力調節機構として機能する。固定ホルダ３は、固定加圧ローラ３１と、固定吸引ローラ３２とを備え、レーザヘッド１に対して固定されている。そして、可動加圧ローラ２１と、固定加圧ローラ３１が加圧機構を構成し、対の可動吸引ローラ２２、２２’と、固定吸引ローラ３２とが吸引機構を構成する。

可動加圧ローラ２１と、固定加圧ローラ３１からなる加圧機構は、レーザ照射部位から離間して、二枚の金属板１０ａ、１０ｂを固定、保持するものである。固定加圧ローラ３１は固定ホルダ３に収容され、可動加圧ローラ２１は可動ホルダ２に収容されている。固定加圧ローラ３１と可動加圧ローラ２１の回転方向は、溶接線１００すなわち溶接方向ｄと平行に設けられる。可動加圧ローラ２１は、可動ホルダ２から、固定ホルダ３に向けて突出しており、同様に、固定加圧ローラ３１は、固定ホルダ３から可動ホルダ２に向けて突出している。そして、固定加圧ローラ３１と可動加圧ローラ２１は、ローラの回転面が同一になるように、対向して設けられている。対向した固定加圧ローラ３１と可動加圧ローラ２１は、エアシリンダ４の空気圧力を利用して加工対象となる２枚の金属板１０ａ、１０ｂを挟み込むことにより、金属板１０ａ、１０ｂを押圧し、密着状態を確保する。加圧機構は、レーザ照射部位に対して、一方の側方のみに設けられることが好ましい。両側から挟み込むように設けると、金属板１０ａの吸引が難しくなるためである。したがって、一方の側方のみであれば、複数の加圧機構を設けてもよい。

本発明において、「レーザ照射部位」とはレーザ光Ｌが照射される金属板１０ａの部位をいうものとし、「レーザ照射部位」を「溶接部位」と指称する場合もある。本発明によるレーザ溶接加工装置においては、レーザヘッド１は実質的に固定され、レーザ光は、固定ホルダ３の固定吸引ローラ３２に向けて照射されるように構成される。溶接時には、固定吸引ローラ３２とレーザヘッド１の間に金属板１０ａ、１０ｂが配置され、金属板１０ａにレーザ光Ｌが照射される。金属板１０ａ、１０ｂを、レーザヘッド１及び固定ホルダ３に対し、相対的に移動することで、金属板１０ａ上のレーザ照射部位（溶接部位）が移動し、溶接線１００が帯状となる連続溶接が可能になる。

固定加圧ローラ３１、可動加圧ローラ２１のローラの半径は略同一であってよいが、これらの径の関係は、同一であっても異なっていてもよい。また、固定加圧ローラ３１、可動加圧ローラ２１の材質は、非磁性体の金属部材やセラミックであることが好ましい。後述する電磁石の影響を受けないためである。非磁性体の金属部材としては、例えば、アルミニウム材やオーステナイト系ステンレス鋼が挙げられるが、これらには限定されない。

吸引機構は、レーザ照射部位において、レーザが直接照射される金属板１０ａを選択的にレーザヘッド１の向きに吸引し、かつレーザが直接照射されない金属板１０ｂを固定、保持する。これにより、レーザ照射部位において２枚の金属板１０ａ、１０ｂに重ねギャップを形成する機構である。固定吸引ローラ３２は、レーザ照射部位の直下にて、固定ホルダ３に収容されている。２つの可動吸引ローラ２２、２２’は、レーザ照射部位を挟んで対向しており、可動ホルダ２に収容されている。可動吸引ローラ２２、２２’の回転方向は、溶接線１００、すなわち溶接進行方向ｄに平行であり、溶接線１００に対し、２つの可動吸引ローラ２２、２２’が略対称の位置に設けられていることが好ましい。そして、２つの可動吸引ローラ２２、２２’間の距離は、レーザ光Ｌを阻害しない範囲でなるべく狭く設けることが好ましい。固定吸引ローラ３２の回転方向も、同様に、溶接線１００、すなわち溶接進行方向ｄに平行に設けられる。

固定吸引ローラ３２、可動吸引ローラ２２、２２’の近傍にはそれぞれ電磁石３３、２３、２３’が配設される。これにより、電磁石３３、２３、２３’に通電した際に、磁性体からなる固定吸引ローラ３２、可動吸引ローラ２２、２２’を磁化することが可能に構成されている。吸引ローラの材料となりうる磁性体としては、炭素鋼やフェライト系ステンレス鋼などが挙げられるが、これらには限定されない。

吸引機構は、レーザ照射部位（溶接部位）を挟んで対に設けられれば、１対である必要はなく、複数対設けることもできる。

固定ホルダ３において、固定加圧ローラ３１と、固定吸引ローラ３２とは、それぞれのローラの回転方向（回転面）が平行であり、かつ、固定加圧ローラ３１と固定吸引ローラ３２との回転軸Ｌ_３が同軸となる態様で配設される。また、固定加圧ローラ３１及び固定吸引ローラ３２の半径は同一である。一方、可動ホルダ２において、可動加圧ローラ２１と、２つの可動吸引ローラ２２、２２’とは、それぞれのローラの回転方向（回転面）が平行であり、かつ、可動加圧ローラ２１と、２つの可動吸引ローラ２２、２２’の回転軸Ｌ_２が同軸となる態様で配設される。ローラの回転方向（回転面）を平行とするのは、金属板１０ａ、１０ｂの溶接方向ｄへのスムーズな移動を確保するためである。なお、図示する可動加圧ローラ２１と、２つの可動吸引ローラ２２、２２’は駆動機構を備えていないが、駆動機構を備えるものであってもよい。可動加圧ローラ２１の半径Ｒ_１は、可動吸引ローラ２２、２２’の半径Ｒ_２よりも大きく設計される。そして、回転軸Ｌ_３、Ｌ_２が平行になるように、固定ホルダ３及び可動ホルダ２を配設することで、回転軸Ｌ_３、Ｌ_２、金属板１０ａ、１０ｂの接合面を、すべて平行に保持することができる。

本実施形態によるレーザ溶接加工装置は、図示しない多軸ロボットに固定して使用することができる。当該装置は、装置内にレーザヘッド１と保持機構とを備えているため、自販機の外箱など大型構造物の組立工程等においても、大掛かりな鋼板固定冶具を使用せず、フレキシブルに対応可能であるという利点を備える。

次に、本実施形態によるレーザ溶接加工装置の作用について説明する。本発明に係る方法において、レーザヘッド１から、レーザ光Ｌを所定の出力及びパワー密度で、固定吸引ローラ３２の直上にあたる金属板１０ａの溶接部位に連続照射する。この際、レーザヘッド１をロボット等の駆動装置に装着して、２枚の金属板１０ａ、１０ｂに対し、一定の速度で溶接方向ｄに移動させる。あるいはレーザヘッド１を固定して、金属板１０ａ、１０ｂを移動させることもできる。移動速度は特には限定されず、金属板１０ａ、１０ｂの種類や、レーザの出力、パワー密度等により、当業者が適宜決定することができる。保持機構においては、加圧機構と吸引機構の作用により、レーザ照射部位において、レーザ照射側にある金属板１０ａのみを選択的にレーザ光源１の方向に吸引し、かつレーザ光が直接照射されない金属板１０ｂを固定、保持する。これにより、レーザ照射部位において金属板１０ａ、１０ｂ間に重ねギャップを形成する。

図３を参照すると、母材１０１の表面に、亜鉛めっき皮膜１０２を備える２枚の金属板１０ａ、１０ｂが、一方向から、可動加圧ローラ２１、可動吸引ローラ２２、２２’で、それらとは反対の方向から固定加圧ローラ３１、固定吸引ローラ３２で挟み込まれている。電磁石２３、２３’、３３に電流を印加することで、可動吸引ローラ２２、２２’により、金属板１０ａには接合面からレーザヘッド１へ向かう力Ｍが、金属板１０ｂには、固定吸引ローラ３２により接合面からレーザヘッド１と逆に向かう力Ｍが作用する。これにより、金属板１０ａがレーザヘッド１側に吸引される。一方、可動加圧ローラ２１、固定加圧ローラ３１は、エアシリンダ４により、金属板１０ａ、１０ｂに互いに押圧する力Ｐを与えて、密着させる。

図４に示すように、可動加圧ローラ２１と、可動吸引ローラ２２、２２’は、同軸に、かつそれぞれの半径が、Ｒ_１＞Ｒ_２の関係で設けられる。固定加圧ローラ３１、固定吸引ローラ３２も、同軸に、かつそれぞれの半径（外径）が同一であるように設けられる。さらに、可動加圧ローラ２１、可動吸引ローラ２２、２２’の軸Ｌ_２と、固定加圧ローラ３１、固定吸引ローラ３２の軸Ｌ_３とが平行に設けられる。これにより、金属板１０ａ、１０ｂの接合面と、軸Ｌ_２、Ｌ_３がすべて実質的に平行になる。したがって、金属板１０ａには、半径差にあたる、およそＲ_１−Ｒ_２の可動域が与えられ、金属板１０ｂはそれぞれの軸Ｌ_２、Ｌ_３と平行に保持される。そして、可動吸引ローラ２２、２２’に吸引力が生じた際に、金属板１０ａが選択的に、かつその場で部分的に変形され、およそＲ_１−Ｒ_２の重ねギャップｇが、部分的に形成される（図３）。適正な重ねギャップは、対象となる金属板１０ａ、１０ｂの特性によって異なるが、本発明の装置においては、所望の重ねギャップに合せて、可動加圧ローラ２１と、可動吸引ローラ２２、２２’の半径差Ｒ_１−Ｒ_２を設定するように設計することができる。

そして、これにより、レーザ照射部位の鋼板間に適正な重ねギャップｇを形成することができる。そして、適正な重ねギャップｇを確保した上で、レーザ光を照射することで欠陥のない良好な溶接を実現する。

図５は、金属板１０ａを選択的に変形しながら、レーザ光Ｌを照射して、重ね溶接を実施する際の、溶接線１００に垂直な断面を模式的に示す図である。レーザ光Ｌの照射により、金属板１０ａ、１０ｂは部分的に溶融し、溶融金属１０３の状態になる。溶融金属１０３からは、亜鉛めっき皮膜１０２に由来する亜鉛ガス１０４が発生する。そして、吸引ローラ２２、２２’、３２により確保された重ねギャップにより、亜鉛ガス１０４は、溶融金属１０３内に残留することなく、外部に放出される。この時、溶融金属１０３部は磁気変態点温度(鉄鋼の場合７７０℃)以上となり、磁性を持たないため、磁場の直接的な影響を受けることはない。

図６は、重ねギャップ量と各種欠陥の発生状態を示した一例である。図６（ａ）は適正な重ねギャップのもと、金属板１０の溶接を行った場合の品質イメージを示した概念図である。溶融金属１０３部には欠陥の発生がなく、良好な接合品質が確保できている。なお、適正な重ねギャップ量の範囲は磁性体（金属板）の板厚やレーザ出力、送り速度、アシストガス条件などによって変動するため、特定の数値範囲に限定されるものではない。

図６（ｂ）は、重ねギャップゼロで金属板１０の溶接を行った場合の溶け込み品質イメージを示した概念図である。溶融金属１０３には金属板のめっき皮膜の気化により発生したガスの逃げ道がなく、ポロシティ欠陥１０５を生じてしまう。図６（ｃ）は重ねギャップが適正範囲を超えて金属板１０の溶接を行った場合の溶け込み品質イメージを示した概念図である。ビード表面が大きく窪み、アンダーフィルや溶け落ち１０６などの溶接欠陥が生じる。

［第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態によるレーザ溶接加工装置を示す概念図である。図７に示す装置においても、レーザヘッド１、可動ホルダ２、固定ホルダ３を備える点、及びこれらの位置関係は第１実施形態と同様である。また、加圧機構を構成する可動加圧ローラ２１と、固定加圧ローラ３１の構成も、第１実施形態と同様である。本実施形態においては、レーザ照射部位において金属板１０ａを部分的に変形させるために、電磁石２６を吸引手段として用い、また、金属板１０ｂを保持するために、電磁石３６を吸引手段として用いる点で、第１実施形態とは異なっている。そして、可動ホルダ２には、可動保持ローラ２５、２５’を、固定ホルダ３には固定保持ローラ３５を備える。これらの保持ローラには、吸引作用はない。図８に示されるように、可動ホルダ２における電磁石２６の装着位置はレーザ光Ｌの照射位置に対して、溶接の進行方向前方とすることが好ましい。金属板１０ａと可動保持ローラ２５、２５’を、確実に隙間なく吸引させるためには、各ローラと電磁石の距離を一定にする必要があるためである。固定ホルダ３における電磁石３６の装着位置は、固定保持ローラ３５の近傍であればよく、レーザ光の照射位置の真下が好ましいが、固定保持ローラ３５と金属板１０ｂが隙間なく吸引できれば、特に装着位置を限定するものではない。

可動加圧ローラ２１と、可動保持ローラ２５、２５’との半径の関係が、可動加圧ローラ２１の半径＞可動保持ローラ２５、２５’の半径であること、固定加圧ローラ３１と、固定保持ローラ３５との半径が同一であること、及び軸Ｌ２、軸Ｌ３、金属板１０ａ、１０ｂが平行であることは、先の実施形態と同様である。したがって、電磁石２６、３６が、金属板１０ａ、１０ｂを直接吸引する点は異なるものの、磁力により、金属板１０ａが選択的に、かつその場で部分的に変形され、可動加圧ローラ２１と、可動保持ローラ２５、２５’の半径差に相当する重ねギャップが、部分的に形成される作用機序は、図３と同様である。すなわち、可動保持ローラ２５、２５’および固定保持ローラ３５には、吸引の作用はないものの、それぞれ、金属板１０ａ、１０ｂの可動域を制限し、重ねギャップを一定範囲に保持する。そして、その状態においてレーザ光Ｌを照射することで、図５と同様の態様で、好適な溶接を可能にする。

［第３実施形態］
図９は、本発明の第３実施形態によるレーザ溶接加工装置を示す概念図である。図９に示すレーザ溶接加工装置においても、レーザヘッド１、可動ホルダ２を備える点は、第１実施形態と同様である。また、レーザヘッド１と可動ホルダ２の位置関係が、紙面上下方向には可動であり、紙面前後、すなわち溶接進行方向には固定されている点も図１に示す実施形態と同様である。しかし、図９に示す実施形態においては、定盤６を備えており、定盤６に対し、金属板１０ａ、１０ｂが相対的に移動不可能に固定される。そして、レーザヘッド１及び可動ホルダ２は、定盤６及び金属板１０ａ、１０ｂに対して、溶接進行方向に相対的に移動可能に構成される。

本実施形態においては、固定ホルダ及び固定ローラが存在しない点で、第１実施形態と異なっている。金属板１０ａ、１０ｂを、定盤６に冶具や吸引装置などでしっかりと固定することが可能な場合は、固定ホルダ及び固定ローラを設けて挟み込む必要はないためである。この場合、圧力調整機構であるエアシリンダ４により金属板１０ａ、１０ｂを、定盤６にの向きに加圧しながら、非磁性体の金属部材やセラミックからなる可動加圧ローラ２１及び磁化可能な可動加圧ローラ２２、２２’により金属板１０ａを選択的にかつその場で部分的に変形し、可動加圧ローラ２１と可動吸引ローラ２２、２２’との半径差に相当する重ねギャップを形成することができる。そして、同時に、金属板１０ａ、１０ｂに対してレーザヘッド１を走査してレーザ光Ｌを照射し、重ね合せ溶接を行うことができる。

なお、図示はしないが、本実施形態における可動ホルダ２に設けられる可動加圧ローラ２２、２２’に代えて、図７の可動ホルダにおける電磁石と可動保持ローラを用いてもよい。このような実施形態も、本発明に包含される。

［第４実施形態］
図１０は、本発明の第４実施形態によるレーザ溶接加工装置を示す概念図である。図１０に示すレーザ溶接加工装置においては、レーザヘッド１、可動ホルダ２、及び定盤６を備える点は第３実施形態と同様である。第４実施形態においては、コイルバネ５を、可動ホルダ２の圧力調整機構として用いる点で、エアシリンダを用いる第３実施形態と異なる。コイルバネ５は、機構的に簡便な構成とすることができる点が特徴である。そして、対象に応じてコイルバネの種類を変えることで、可動ホルダ２の金属板１０ａ、１０ｂへの押付け圧力の調整を行うことができる。

可動ホルダ２の可動加圧ローラ２１及び可動加圧ローラ２２、２２’により、重ねギャップを形成する作用機序については、先の第１、第３実施形態と同様である。また、可動加圧ローラ２２、２２’に代えて、図７に示す可動ホルダにおける電磁石と可動保持ローラを用いても同様の作用効果を達成することができる。

［実施例］
本発明に係る方法により、図１、２に示す装置を用いて、２枚の金属板を重ね溶接した。重ね合わせる２枚の金属板は、厚みが０．６５ｍｍの鋼材の表面全体に５μｍの亜鉛めっき膜を施したものとした。２枚の金属板を重ね合わせ、図１に示す装置に、５ｍ／分の送り速度で供給した。レーザヘッド１のレーザ光源としては、出力が２ｋＷのファイバーレーザ（ＩＰＧ社製）を用い、レーザ光をレーザ照射面に対して垂直に入射し、連続照射した。可動加圧ローラと、可動吸引ローラとの半径差は、０．１ｍｍとした。得られた重ね溶接継ぎ手の、溶接方向に垂直な断面写真を、図１１に示す。図１１中、矢印はレーザ照射の向きである。写真から、ポロシティ欠陥や、溶け落ち欠陥のない、良好な接合状態が視認できる。また、断面写真から、本発明の重ね溶接継ぎ手の製造方法に起因する特徴として、溶接時に形成された重ねギャップに起因する、２枚の金属板１０ａ、１０ｂの間に空隙が確認される。

［実験例］
実施例において、可動加圧ローラと、可動吸引ローラとの半径差を、０〜０．２５ｍｍの範囲内で変更し、その他の条件は全て実施例と同様として、接合性を確認した。結果を表１に示す。評価基準について、溶け落ち欠陥は、溶接線に明らかな凹みが視認できたものを×とし、それ以外のものを○とした。ポロシティ欠陥については、断面観察によりポロシティの存在が視認できたものを×とし、それ以外のものを○とした。スパッタについては、溶接後に溶融飛来物が金属板上に目視で確認できるものを×とし、それ以外のものを○とした。実施例で用いた金属板及び接合条件においては、重ねギャップ量０．０６〜０．１５ｍｍの範囲において、欠陥がなく、良好な接合が可能であった。ただし、適切なギャップ量は、接合対象や接合条件により異なるため、本発明は、特定のギャップ量に限定されるものではない。

本発明に方法及び装置は、自動販売機の外箱などの製造において特に有用である。

１ レーザヘッド
２ 可動ホルダ
２１ 可動加圧ローラ
２２、２２’ 可動吸引ローラ
２３、２３’ 電磁石
２５、２５’ 可動保持ローラ
２６ 電磁石
３ 固定ホルダ
３１ 固定加圧ローラ
３２ 固定吸引ローラ
３３ 電磁石
３５ 固定保持ローラ
３６ 電磁石
４ エアシリンダ
５ 加圧ばね
６ 定盤
１０ 金属板
１０ａ 金属板（レーザ照射側）
１０ｂ 金属板
１００ 溶接線
１０１ 母材金属
１０２ 亜鉛めっき皮膜
１０３ 溶融金属
１０４ 亜鉛ガス
１０５ ポロシティ
Ｌ レーザ光
ｄ 溶接進行方向
ｇ 重ねギャップ

Claims (9)

1. レーザヘッドと、前記レーザヘッドに対向して設けられる保持機構とを備える、母材よりも融点の低い金属皮膜を備える二枚の金属板を重ね溶接するためのレーザ溶接加工装置であって、
   前記保持機構が、
   前記二枚の金属板を密着させる加圧機構と、
   前記金属板の一方を、レーザ照射部位にて部分的に変形し、前記金属板間に重ねギャップを形成する吸引機構と
   を備え、
   前記加圧機構が、前記二枚の金属板を前記レーザヘッド側から押圧する可動加圧ローラを備え、
   前記吸引機構が、前記レーザ照射部位を挟んで設けられた、対の可動吸引ローラであって、電磁石により磁化されて前記金属板の一方をレーザヘッド側に吸引する可動吸引ローラを備え、
   前記可動加圧ローラと前記対の可動吸引ローラとが同軸に設けられ、前記可動加圧ローラの半径が前記対の可動吸引ローラの半径よりも大きく、前記可動加圧ローラと前記可動吸引ローラの半径差に相当する重ねギャップが形成される、レーザ溶接加工装置。
2. 前記加圧機構が、前記二枚の金属板を前記レーザヘッドと反対側から押圧する固定加圧ローラを備え、
   前記吸引機構が、前記二枚の金属板の他方を前記レーザヘッドと反対側に吸引する固定吸引ローラとを備える、請求項１に記載のレーザ溶接加工装置。
3. 前記加圧機構が、前記二枚の金属板を前記レーザヘッドと反対側から支持する定盤を備える、請求項１に記載のレーザ溶接加工装置。
4. レーザヘッドと、前記レーザヘッドに対向して設けられる保持機構とを備える、母材よりも融点の低い金属皮膜を備える二枚の金属板を重ね溶接するためのレーザ溶接加工装置であって、
   前記保持機構が、
   前記二枚の金属板を密着させる加圧機構と、
   前記金属板の一方を、レーザ照射部位にて部分的に変形し、前記金属板間に重ねギャップを形成する吸引機構と
   を備え、
   前記加圧機構が、前記二枚の金属板を前記レーザヘッド側から押圧する可動加圧ローラを備え、
   前記吸引機構が、前記レーザ照射部位を挟んで設けられた対の可動保持ローラと、前記金属板の一方をレーザヘッド側に吸引する電磁石とを備え、
   前記可動加圧ローラと前記対の可動保持ローラとが同軸に設けられ、前記可動加圧ローラの半径が前記対の可動保持ローラの半径よりも大きく、前記可動加圧ローラと前記可動保持ローラの半径差に相当する重ねギャップが形成される、レーザ溶接加工装置。
5. 前記加圧機構が、前記二枚の金属板を前記レーザヘッドと反対側から押圧する固定加圧ローラを備え、
   前記吸引機構が、前記二枚の金属板の他方を保持する固定保持ローラと、前記二枚の金属板の他方を前記レーザヘッドと反対側に吸引する電磁石とを備える、請求項４に記載のレーザ溶接加工装置。
6. 前記加圧機構が、前記二枚の金属板を前記レーザヘッドと反対側から支持する定盤を備える、請求項４に記載のレーザ溶接加工装置。
7. 前記可動加圧ローラの押圧力が、前記可動加圧ローラを支持する可動ホルダと、前記レーザヘッドとの間に設けられるエアシリンダもしくは加圧ばねにより調節される、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ溶接加工装置。
8. 母材よりも融点の低い金属皮膜を備える二枚の金属板を重ね合わせ溶接してなるレーザ溶接継手の製造方法であって、
   溶接部位において、前記金属板の少なくとも一方を部分的に変形させて、前記金属板間に重ねギャップを形成する工程と、
   前記重ねギャップを形成した状態で、前記部分的に変形させた部位にレーザを照射する工程とを含み、
   前記重ねギャップを形成する工程が、レーザが照射される部位を、レーザ光源側に磁力により吸引する工程を含み、前記重ねギャップの幅を、前記金属板に対しレーザ光源側に設けられる複数のローラの半径差により調節する、方法。
9. 母材よりも融点の低い金属皮膜を備える二枚の金属板を重ね合わせ溶接してなるレーザ溶接継手であって、請求項８に記載の方法により製造されたレーザ溶接継手。