JP6852552B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

互いに突き合わせた一対の板状体同士に、レーザを照射して溶接する溶接方法がある。特許文献１に開示の溶接方法では、一方の板状体と他方の板状体とを行き来するよう、溶接方向に移動する回転中心を周回する螺旋形状を有する軌跡に沿って、レーザを照射して溶接する。

国際公開第２０１６／１９４３２２号

本発明者等は、以下の課題を見出した。
このような溶接方法を用いて溶接した場合、他方の板状体の溶接深さが、一方の板状体の溶接深さよりも浅くなることがある。そのため、溶接部の他方の板状体側の部位における機械的強度が、溶接部の一方の板状体側の部位における機械的強度と比較して小さくなることがあった。

一具体例を用いて説明する。図１１に示すように、箔Ｗ９３を板状体Ｗ９１、板状体Ｗ９２の間に挟み込ませたまま板状体Ｗ９１と板状体Ｗ９２とを突き合わせつつ、レーザ光Ｌ９１を箔Ｗ９３の上方から鉛直方向に照射する。引き続き、溶接方向である紙面奥行方向（ここで、Ｙ軸マイナス側）に移動する回転中心を周回する螺旋形状を有する軌跡に沿って、レーザ光Ｌ９１を照射する。この照射によって、箔Ｗ９３、板状体Ｗ９１、及び板状体Ｗ９２の一部が溶解し、溶接部Ｗ９４が形成する。溶接部Ｗ９４の板状体Ｗ９２側の溶接深さＤ９２は、溶接部Ｗ９４の板状体Ｗ９１側の溶接深さＤ９１よりも浅くなることがある。この一因として、板状体Ｗ９１におけるレーザ光Ｌ９１の軌跡は、板状体Ｗ９２におけるレーザ光Ｌ９１の軌跡と比較して長いことから、レーザ光Ｌ９１によって板状体Ｗ９１側に与えられる照射熱が、板状体Ｗ９２側に与えられるそれよりも大きいことが考えられる。

本発明は、溶接部の部位に応じた機械的強度の変化を抑制するものとする。

本発明に係るレーザ溶接方法は、
軌道に沿うようにレーザ光を連続して照射して溶接するレーザ溶接方法であって、
前記軌道は、突き合わせた板状体同士（例えば、板状体Ｗ１、Ｗ２）の境界部に沿って並んで配置させた複数のループ状線と、隣接するループ状線同士を結ぶ結線とを含み、
前記ループ状線は、一方の板状体（例えば、板状体Ｗ１）のループ開始点から他方の板状体（例えば、板状体Ｗ２）を通って前記一方の板状体の前記ループ開始点に戻るように延び、
前記結線は、前記一方の板状体のループ開始点同士を結ぶことによって、隣接するループ状線同士を結び、
前記一方の板状体の上方に配置したレーザ発振器から、前記突き合わせた板状体同士の境界部に向けて、前記レーザ光を照射する。
このような構成によれば、レーザ光を、一方の板状体側から他方の板状体側に向かって進行するよう照射することができる。これによって、レーザの軌道の単位長さ当たりの、レーザ照射による他方の板状体への入熱量を、一方の板状体への入熱量よりも高めることができる。そのため、他方の板状体の溶接深さが、一方の板状体の溶接深さよりも浅くなり難くなるため、他方の板状体の溶接強度が、一方の板状体の溶接強度と比較して小さくなることを抑制することができる。すなわち、溶接部の部位に応じた機械的強度の変化を抑制することができる。

本発明に係るレーザ溶接方法は、溶接部の部位に応じた機械的強度の変化を抑制することができる。

実施の形態１に係る溶接装置の構成を示す概略図である。 実施の形態１に係る溶接方法を示す模式図である。 実施の形態１に係る溶接方法を示す模式図である。 実施の形態１に係る溶接方法を示す模式図である。 実施の形態１に係る溶接方法の一具体例を示すフローチャートである。 経過時間に対するプラズマ光強度を示すグラフである。 溶接部断面の一具体例を示す写真である。 照射角度に対する最大溶接深さを示すグラフである。 修正後の照射角度を求めるための溶接方法を示す概略図である。 修正後の照射角度でレーザ光を照射する溶接方法を示す概略図である。 レーザ光を照射する溶接方法を示す概略図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
図１〜図４を参照して実施の形態１に係る溶接方法について説明する。図１は、実施の形態１に係る溶接装置の構成を示す概略図である。図２〜図４は、実施の形態１に係る溶接方法を示す模式図である。図１〜４、７、９〜１１では、左手系ＸＹＺ三次元座標が規定されている。また、図４、９〜１１では、ハッチングを適宜省略した。図４は、図に示す被溶接物Ｗ１０の一部位の断面を示す。

（レーザ溶接装置の一具体例）
実施の形態１に係るレーザ溶接方法１は、図１に示すレーザ溶接装置１００を利用して実施することができる。図１に示すように、レーザ溶接装置１００は、制御系１０と、多関節ロボット２０と、ＮＣ機３０と、溶接ヘッド４０とを備える。

制御系１０は、レーザ・ヘッド制御部１１と、レーザ発振器１２と、プラズマ光・熱放射光記録演算部１３と、品質記録部１４と、多関節ロボットの制御部１５と、ＮＣ機の制御部１６とを含む。

レーザ・ヘッド制御部１１は、溶接ヘッド４０から信号を受信し、レーザ発振の開始又は停止や、発振させるレーザ光の強度について指令する信号をレーザ発振器１２に送る。レーザ発振器１２は、レーザ・ヘッド制御部１１からの信号を受けて、レーザ光を発振させて、光ファイバ１２ａを介して溶接ヘッド４０に供給する。プラズマ光・熱放射光記録演算部１３は、プラズマ光・熱放射光についての信号を溶接ヘッド４０から受け取って、所定のプログラムに基づいて演算する。品質記録部１４は、プラズマ光・熱放射光記録演算部１３が演算した結果を示す信号を受けて、その演算結果を記録する。この演算結果として、プラズマ光・熱放射光の光強度の波形や、溶接部の品質等が挙げられる。多関節ロボットの制御部１５、及びＮＣ機の制御部１６の少なくとも一方は、プラズマ光・熱放射光記録演算部１３の演算結果を示す信号を受けて、この受けた演算結果に基づいて、多関節ロボット２０、及びＮＣ機３０の少なくとも一方を制御する。

多関節ロボット２０は、本体２１と、アーム２２、２３とを備える。本体２１は、アーム２２をサーボモータ等の駆動部（図示略）を介して鉛直線（図１では、Ｚ軸）回りに回動可能に支持する。アーム２２は、サーボモータ等の駆動部（図示略）を介してアーム２３と回動可能に接続されており、アーム２３は、その先端に溶接ヘッド４０を支持する。多関節ロボット２０は、本体２１と、アーム２２、２３とを回転駆動させることによって、溶接ヘッド４０を所定の三次元空間内において移動させつつ、溶接ヘッド４０に所定の姿勢をとらせることができる。

ＮＣ機３０は、被溶接物Ｗ１０を支持する支持面３１を備え、支持面３１を軸Ｙ３０（図１では、Ｙ軸に相当）回りに回転して、所定の姿勢をとるように固定することができる。ＮＣ機３０は、支持面３１を軸Ｙ３０方向に移動させることができる。

溶接ヘッド４０は、レーザ出射口４１と、ハーフミラー４２と、反射ミラー４３と、透過板４４と、反射ミラー４５と、受光センサ４６とを含む。レーザ出射口４１と、ハーフミラー４２と、反射ミラー４３と、透過板４４と、反射ミラー４５と、受光センサ４６とは、例えば、溶接ヘッド４０等の内部の所定の位置に固定されている。受光センサ４６は、例えば、フォトダイオードセンサである。溶接ヘッド４０は、透過板４４を所定の姿勢をとりつつ所定の軸回りに回転させることができる。溶接ヘッド４０は、例えば、レーザ光Ｌ１を透過板４４から軸Ｙ３０に向けて照射する。レーザ光Ｌ１の光軸と、鉛直線Ｚ１（図４参照）との成す照射角度θ１は、例えば、０〜９０°の範囲内である。レーザ光Ｌ１は、そのまま延長すると、軸Ｙ３０と交差する。レーザ光Ｌ１の光軸と、Ｘ軸との成す照射角度θ２は、例えば、０〜９０°の範囲内である。ここでは、軸Ｙ３０は、溶接線に相当する。

ここで、レーザ光Ｌ１、及び、溶融部Ｗ４（図４参照。）又はその近傍から発する反射光Ｌ２の経路について説明する。

まず、レーザ発振器１２は、図示しない電源から電力を供給されて、レーザ光を発振し、光ファイバ１２ａを介してレーザ出射口４１からハーフミラー４２に出射する。ハーフミラー４２は、この出射されたレーザ光の少なくとも一部を反射して、反射ミラー４３に入射させる。反射ミラー４３が、この入射させられたレーザ光を反射し、透過板４４を通過させて、板状体Ｗ１の上方から、突き合わせた被溶接物Ｗ１０の板状体Ｗ１、Ｗ２同士の境界部、又は箔Ｗ３に入射させる。被溶接物Ｗ１０はレーザ光Ｌ１を受けて、反射光Ｌ２が溶融部Ｗ４又はその近傍から発する。反射光Ｌ２は、プラズマ光、及び熱放射光の少なくとも一方を含む。

反射光Ｌ２の少なくとも一部は、透過板４４を通過して、反射ミラー４３に入射する。反射ミラー４３は、入射した反射光Ｌ２の少なくとも一部を反射して、ハーフミラー４２を通過させて、さらに、反射ミラー４５に入射させる。反射ミラー４５は、入射した反射光Ｌ２の少なくとも一部を反射して、受光センサ４６に入射させる。受光センサ４６は、反射光Ｌ２を受光し、反射光Ｌ２の強度を電圧信号に変換する。プラズマ光・熱放射光記録演算部１３は、通信ケーブル等を介して、受光センサ４６が変換した信号を受信する。

（レーザ溶接方法１）
図２に示すように、実施の形態１に係るレーザ溶接方法１では、まず、被溶接物Ｗ１０を所定位置に固定する。被溶接物Ｗ１０は、板状体Ｗ１、Ｗ２と、箔Ｗ３とを備える。被溶接物Ｗ１０は、箔Ｗ３を板状体Ｗ１と板状体Ｗ２との間に挟み込ませたまま、板状体Ｗ１、Ｗ２同士を突き合わせることによって、形成される。図２に示す一例では、箔Ｗ３が、板状体Ｗ１、Ｗ２の境界部に位置する。板状体Ｗ１、Ｗ２の主面は、水平面（図２では、ＸＹ平面）に略平行である。板状体Ｗ１の上方に配置したレーザ発振器１２から、突き合わせた板状体Ｗ１、Ｗ２同士の境界部に向けて、レーザ光Ｌ１を照射する。レーザ光Ｌ１と鉛直線Ｚ１との成す照射角度θは、０°を超えて、９０°未満の範囲内である。

図３に示すように、引き続き、軌道ＬＰ１０に沿うようにレーザ光Ｌ１を連続して照射して溶接する。このような軌道ＬＰ１０に沿って行われる溶接は、ウォブリング溶接とも呼ばれる。軌道ＬＰ１０は、溶接方向に移動する回転中心を周回する螺旋形状を有する。具体的には、軌道ＬＰ１０は、突き合わせた板状体Ｗ１、Ｗ２同士の境界部に沿って並んで配置させた複数のループ状線ＬＰ１と、隣接するループ状線ＬＰ１同士を結ぶ結線ＬＰ２とを含む。言い換えると、軌道ＬＰ１０は、溶接方向に移動する回転中心を周回する螺旋形状を有する一本の線である。なお、図３では、分かり易くするため結線ＬＰ２は、破線として示した。ループ状線ＬＰ１は、板状体Ｗ１のループ開始点ＬＰ０から板状体Ｗ２を通って板状体Ｗ１のループ開始点ＬＰ０に戻るように延びる。結線ＬＰ２は、板状体Ｗ１のループ開始点ＬＰ０同士を結ぶことによって、隣接するループ状線ＬＰ１同士を結ぶ。図３に示す一例において、レーザ光Ｌ１が照射する板状体Ｗ１、Ｗ２の部位は、少なくとも、Ｙ軸マイナス側からＹ軸プラス側に向かって、互いに隣接する４つのループ状線ＬＰ１と、この４つのループ状線ＬＰ１を結ぶ結線ＬＰ２とに倣って移動する。

このようなレーザ溶接方法によれば、レーザ光Ｌ１を、一方の板状体Ｗ１側から他方の板状体Ｗ２側に向かって進行するよう照射することができる。これによって、レーザ光Ｌ１の軌道ＬＰ１０の単位長さ当たりの、レーザ照射による他方の板状体Ｗ２への入熱量を、一方の板状体Ｗ１への入熱量よりも高めることができる。そのため、溶融部Ｗ４が凝固して形成される溶接部における他方の板状体Ｗ２の溶接深さが、一方の板状体Ｗ１の溶接深さよりも浅くなり難くなる。よって、溶接部における他方の板状体Ｗ２側の溶接強度が、溶接部における一方の板状体Ｗ１の溶接強度と比較して小さくなることを抑制することができる。すなわち、溶接部の部位に応じた機械的強度の変化を抑制することができる。

（レーザ溶接方法２）
溶接中にレーザ光Ｌ１を照射した部位から反射する反射光Ｌ２をモニタリングすることによって、溶融部Ｗ４の状態を検知し、フィードバックして照射角度を制御するところを除いて、上記したレーザ溶接方法１と同じ構成を備えるレーザ溶接方法２がある。このようなレーザ溶接方法２について、図５〜図７を用いて説明する。図５は、実施の形態１に係る溶接方法の一具体例を示すフローチャートである。図６は、経過時間に対するプラズマ光強度を示すグラフである。図７は、溶接部断面の一具体例を示す写真である。

レーザ溶接方法１と同様に、レーザ溶接を行う。溶接中において、溶接予定の溶接ビードをその長手方向にｍ区間に区切って、第１区間から第ｍ区間の溶接品質を区間ごとに判定する。ここで、ｍ、ｎは自然数である。具体的には、第ｎ区間について判定を行うことを決定する（判定区間決定ステップＳＴ１）。本ステップＳＴ１では、開始時には第１区間について判定を行うことを決定する。

続いて、溶接ビード全体を検査したか否かを判定する（溶接ビード全体検査完了確認ステップＳＴ２）。具体的には、判定区間決定ステップＳＴ１において決定した判定を行う予定のｎ区間が、ｍ区間未満か否かを確認する。この確認したｎ区間が、ｍ区間未満であれば、溶接ビード全体を検査していないと判定し、ｍ区間以上であれば、溶接ビード全体を検査したと判定する。

続いて、第ｎ区間目の反射光の光強度を計算する（ｎ区間光強度計算ステップＳＴ３）。第ｎ区間における時間に対する反射光のプラズマ光強度の一例を、図６に示す。ここで、反射光は、プラズマ光の他、熱放射光も含んでもよい。

続いて、反射光の光強度の振幅Ａ１が定数Ａ０より小さいか否かを判定する（振幅判定ステップＳＴ４）。経過時間におけるプラズマ光強度の波形の一例を、図６に示す。この経過時間は、第ｎ区間目に相当する。

図６に示す波形ＯＫ１のように、プラズマ光強度の波形の振幅が定数Ａ０より小さいと判定された場合（振幅判定ステップＳＴ４：ＹＥＳ）、当該区間である第ｎ区間は、溶接の品質が良好であり、合格と判定される（品質合格確認ステップＳＴ５１）。判定区間決定ステップＳＴ１に戻り（ステップＳＴ６１）、第ｎ区間の次の第ｎ＋１区間を判定する。

一方、図６に示す波形ＮＧ１のように、プラズマ光強度の波形が定数Ａ０より小さくないと判定された場合（振幅判定ステップＳＴ４：ＮＯ）、当該区間である第ｎ区間は、溶接の品質が不良であり、不合格と判定される（品質不合格確認ステップＳＴ５２）。続いて、判定した第１区間から第ｎ区間までの不合格率を計算して、計算した不合格率がＢ１％よりも小さいか否かを判定する（品質合格率確認ステップＳＴ６２）。Ｂ１は、予め決められた０以上１００以下の数値である。

不合格率がＢ１％よりも小さい場合（品質合格率確認ステップＳＴ６２：ＹＥＳ）、照射角度を調整する（照射角度調整ステップＳＴ７１）。なお、照射角度調整ステップＳＴ７１の一具体例は、後述する。第ｎ区間の次の第ｎ＋１区間を判定するため、判定区間決定ステップＳＴ１に戻る（ステップＳＴ６１）。

一方、不合格率がＢ１％よりも小さくなり、つまり、Ｂ１％以上である場合（品質合格率確認ステップＳＴ６２：ＮＯ）、溶接ビード全体が、不合格と判定し（溶接ビード全体不合格確認ステップＳＴ７２）、溶接を終了する。

さて、ステップＳＴ６１から、判定区間決定ステップＳＴ１に戻った後、上記した第ｎ区間の判定と同様に、第ｎ＋１区間を判定する。上記したように、溶接ビード全体検査完了確認ステップＳＴ２、ｎ区間光強度計算ステップＳＴ３、振幅判定ステップＳＴ４、ステップＳＴ６１等の各ステップを繰り返す。これを繰り返すと、判定区間決定ステップＳＴ１において決定した判定を行う予定のｎ区間が、ｍ区間に到達するため、溶接ビード全体を検査したと判定する（溶接ビード全体検査完了確認ステップＳＴ２：ＮＯ）。そして、溶接ビード全体が合格と判定し（溶接ビード全体合格確認ステップＳＴ３１）、溶接を終了する。

（照射角度調整ステップＳＴ７１の一具体例）
次に、図６〜図９を用いて、上記した照射角度調整ステップＳＴ７１（図５参照）の一具体例について説明する。

照射角度調整ステップＳＴ７１の一具体例では、図６に示す波形ＮＧ１のように、波形のプラズマ光強度の振幅Ａ１が定数Ａ０以上である。図７に示すように、予め、所定の範囲の振幅Ａ１と、板状体Ｗ１、Ｗ２の最大溶接深さＤ１、Ｄ２の差分ΔＤ１２との関係を、板状体Ｗ１、Ｗ２の溶接部断面を観察した写真に基づいて求めておく。レーザ出力、操作速度、周波数等の溶接条件を一定にして、所定の範囲の振幅Ａ１と、板状体Ｗ１、Ｗ２の最大溶接深さＤ１、Ｄ２の差分ΔＤ１２との関係を求めるとよい。振幅Ａ１が大きくなると、板状体Ｗ１、Ｗ２の最大溶接深さＤ１、Ｄ２が大きくなる傾向にある。図７に示す一例では、振幅Ａ１であれば、板状体Ｗ１の一具体例である板１の最大溶接深さＤ１は0.296mm、板状体Ｗ２の一具体例である板２の最大溶接深さＤ２は0.240mm、その差分ΔＤ１は0.056mmである。なお、この図７に示す一例では、溶接条件は、レーザ出力750Ｗ、操作速度40mm／sec、周波数500Hzとした。

ここで、以下の関係式１に基づいて、差分ΔＤ１をＤｙ［mm］に代入し、修正後の照射角度θｘ［°］を求める。
Ｄｙ＝0.0252×θｘ （…関係式１）
Ｃ１＝0.0252［mm／°］
関係式１の係数Ｃ１は、0.0252としたが、溶接条件に応じて変更してもよい。
差分ΔＤ１は0.056mmである場合、関係式１を用いると、修正後の照射角度θｘは、2.22°と求めることができる。

上記した関係式１を求める方法について説明する。
図９に示すように、略直線状に延びる軌道（図９では、Ｙ軸マイナス側、言い換えると、紙面奥側）に沿ってレーザ光を連続照射して溶接するところを除いて、レーザ溶接方法１と同じ溶接方法を用いて、溶接条件の照射角度θを所定の範囲、０°以上５°以下の４つの水準として、板状体Ｗ１、Ｗ２の一具体例にそれぞれ相当する板１、２（図示略）を溶接する。溶接後に、溶接部の断面組織写真を観察して、板１の最大溶接深さＤ２１と、板２の最大溶接深さＤ２２とを測定した。さらに、最大溶接深さＤ２１、Ｄ２２との差分ΔＤ２を算出し、得られた最大溶接深さＤ２１、Ｄ２２と、差分ΔＤ２とを図８に示した。最小二乗法等を用いて、上記した関係式１を求めることができる。

図８に示すように、差分ΔＤ１は0.056mmであるため、関係式１に基づいて照射角度θが2.22°であることを求めることができる。

ここで、溶接条件の照射角度θを2.22°とし、上記したレーザ溶接方法２を用いて溶接を行った。すると、図１０に示すように、板状体Ｗ１の最大溶接深さＤ３１、板状体Ｗ２の最大溶接深さＤ３２が殆ど同じになった。

以上、上記したレーザ溶接方法２の一具体例において、溶融部Ｗ３４が凝固し、溶接部（図示略）が形成する。当該溶接部における板状体Ｗ１側の溶接強度が、当該溶接部における板状体Ｗ２側の溶接強度と比較して小さくなることを抑制することができる。すなわち、溶接部の部位に応じた機械的強度の変化を抑制することができる。

さらに、溶接中に、溶融部Ｗ３４から反射される反射光Ｌ２に基づいて、照射角度θを制御するため、区間ごとに適切な照射角度θでレーザ光Ｌ１を溶融部Ｗ３４に照射することができ、区間ごとに板状体Ｗ１、Ｗ２同士の最大溶接深さＤ３１、Ｄ３２の変化を抑制することができる。

上記したレーザ溶接方法１、２を用いて、ケースの蓋と箱とを接合することができる。この接合したケースは、車両用電池を保持したまま、車両に搭載することができる。このケースの蓋と箱との接合部近傍における部位は、具体的には、金属材料からなり、より具体的には、純Ａｌ又はＡｌ合金からなる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上記したレーザ溶接方法１では、板状体Ｗ１、Ｗ２に間に箔３を挟みこませたが、箔３を挟みこませることなく、板状体Ｗ１、Ｗ２同士を直接突き合わせた状態で、溶接を行なってもよい。

Ｌ１ レーザ光
ＬＰ１０ 軌道
ＬＰ０ ループ開始点 ＬＰ１ ループ状線
ＬＰ２ 結線
Ｗ１０ 被溶接物
Ｗ１ 板状体 Ｗ２ 板状体
Ｗ３ 箔

Claims (1)

1. 軌道に沿うようにレーザ光を連続して照射して溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記軌道は、突き合わせた板状体同士の境界部に沿って並んで配置させた複数のループ状線と、隣接するループ状線同士を結ぶ結線とを含み、
   前記ループ状線は、一方の板状体のループ開始点から他方の板状体を通って前記一方の板状体の前記ループ開始点に戻るように延び、
   前記結線は、前記一方の板状体のループ開始点同士を結ぶことによって、隣接するループ状線同士を結び、
   前記一方の板状体の上方から、前記突き合わせた板状体同士の境界部に向けて、前記レーザ光を照射する、
   レーザ溶接方法。

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