JP6917409B2 - 複数ワークの溶接方法及びその方法の使用 - Google Patents

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Description

本発明はワーク(加工対象物)、特に自動車産業における車体の製造に使用されるテーラードブランクの突合せ溶接方法に関する。第1のサブ工程で、少なくとも2つの平らなワークは、互いに溶接されるべき2つの縁部の間に最小の間隙が形成されるように、互いに配置され、固定される。別のサブ工程では、間隙の位置及び幅は、互いに溶接する直前に連続的に測定される。これらの測定値は、次いで、少なくとも溶接ロッド送り及び加工光学系が測定値に基づいて制御されるレーザ溶接装置の制御に使用される。
その時点で利用可能な圧延技術を使用して製造可能なものよりも広い鋼板ブランクを製造するために、テーラードブランク(TB)又はテーラー溶接ブランク(TWB)も開発された。今日では、主に、ブランクを異なる材料グレード又はシート厚さで構成可能で、しかもスクラップを削減可能であるという利点が、活用されている。これにより、後続のワークの様々な部分を将来局所的に発生する負荷に適合させることが可能になり、そうでなければ追加の補強部分が必要となる。利点は、重量及び製造コストの削減である。TWBSは自動車ボディーの製造のために自動車産業で広く使用されていて、そこでは溶接された部品は単一の鋼材から、必要ならば板縁部の準備の後に、作られる。特にレーザ溶接のための2つの溶接方法が知られている。第1の方法では、鋼板は正確に配置され、適所に固定されそして可動溶接ヘッドにより一緒に溶接される。他の方法では、平行な経路から来る複数の鋼板が固定された溶接工具に供給されそして一緒に溶接される。両方法とも、現在0.3mmの領域にある最大ギャップ幅を加工するために高度の機械的精度を必要とする。
その工程を実行するための方法及び装置は、特許文献1に記載されているが、溶接工具がシームの現在の部分と比較してどのように正確な位置決めが行われるかについては開示していない。この際にシーム延在の不正確さ及び位置ずれは、欠陥のある溶接部につながり得る。
特許文献2は、追加の材料を追加することなく、レーザビームを用いて突き合わせられた帯材又はシート材を連続溶接するための方法に関し、溶接される材料は溶接焦点のすぐ後ろの溶接領域で冷却される。この場合、帯材の走行方向における縁部によって形成されるギャップの幅に依存して冷却される。特許文献2はまた、溶接される帯材の両側で対にされて帯材の走行方向に対して直角に配置された緊定ローラを持つ、固定されたレーザビームを用いて隣接するシート材又は帯材を連続溶接するための装置を提案している。この装置は、当接する縁部を溶接するときに帯材が当接し、静止レーザビームが当たる領域において、最小ギャップを形成する。
特許文献3には、金属板の連続突合せシーム溶接方法が記載されていて、ここでは金属板の相対位置と、それによるシーム接合の精度は特定の許容範囲内に維持される。この方法では、意図的に、溶接される金属板の機械的に正確な整合が放棄される。代替的に、レーザ工具はセンサ機器によって2つの隣接する金属板の経路をたどり、ギャップ幅と位置を連続的に決定する。さらに、制御回路を使用して、溶接ビームの性能と溶接工程に必要な冷却性能(ガス、水)を永続的に調整可能である。このようなシステムは、メンテナンスに手間がかかる。
工業生産技術では、多数の技術的な利点により、レーザはますます重要性を増している。これらの利点は、時間的かつ場所的に限定されたワークへのエネルギーを適用することと、その結果として生じる高い加工速度から得られる。軽量車体構造の分野では、レーザ溶接に製造技術の面でかなりの可能性が開かれる。
例えば、A字形、V字形、平行及びゼロギャップ、又はそれらの混合状態のような様々なギャップ状況が発生する場合、ギャップ状況がワークごとに異なり得る状況は、レーザ溶接においては課題である。大きなギャップ寸法はギャップを通して吸収されたレーザ−エネルギーの損失をもたらす。モノフォーカスの焦点をぼかすことによって、この損失をある程度まで減らすことは可能である。しかしながら、これは必然的にレーザビームの最大強度も低下させる。この際に、貫通溶接能力、すなわちレーザ溶接中の金属蒸気の毛細管現象によるワークの完全貫通は、技術的ゼロギャップによっても減少する。これは、より低い溶接速度又はより高いレーザ出力によってある程度補償可能である。要約すると、ギャップ架橋性と貫通溶接能力の間の適用では、引っ張られた領域が形成されるといえる。最適な生産性を保証するために、レーザ光源はレーザ出力の設計限界で操作される。溶接作業中の溶接速度の変化は、反応時間のために多くの設備構想では不可能である。これは一般に生産性の低下を招く。
今日の自動車産業では、ドアリングはテーラードブランク(TWB)で作られている。そのようなドアリングは、典型的には最大8個までの個々の部品を含むが、より多数のものも考えられる。個々の部品の板厚もここで変更し得る。個々の部品の形状及び製造公差のために、リングが閉じられている結果として、完成部品の少なくとも1つの溶接部には通常好ましくないギャップ形成がある。その後、ドアリングごとにギャップ状況が異なり、そこでは異なる種類のギャップが生じ得るという事実は、効率的な製造をより複雑にする。V字型ギャップ溶接の習熟度は、ここで最大の課題である。溶接品質が悪いということは、ドアリングの衝突試験中に溶接シームに望ましくない亀裂が生じ得ることを意味する。安全上の理由から、このリスクはドアリングの製造には許容されない。現在、フラックス入りワイヤを追加することによって最大0.3mmまでの異なるギャップを閉じる3つの方法が、知られている。
広い溶接ギャップを処理する問題を解決するために、これまでいくつかのアプローチが追求されてきた。例えば、モノフォーカスを有するスキャントラッカーの考えは、小さい集束直径(0.2mmから0.3mmまで)及び高い強度を有するレーザビームが溶接割り当てを横切って直角に振動するという考えを追求する。振幅とレーザ出力はギャップ幅に応じて変化する。しかしながら、溶接ブランク用に市販されているシステム技術を用いた試験は、達成可能な周波数のために、振動運動の周期長が約10m/分の高速溶接速度で再溶融材料の全範囲を保証するものではないことを示す。許容可能な溶接継目を生成するためには、溶接速度を著しく低下させなければならず、これはギャップがあるかゼロギャップであるかにかかわらず生産性の損失を招くであろう。
少なくとも3つの単焦点を有する3焦点レーザの思想は、ビーム形成によってギャップ幅に従って3つのファイバ結合レーザビーム源を介して強度分布を適応させ、それによって生産性を全く損なうことなくより大きなギャップを埋めるアプローチを追求する。ここでは前面に小径のスポットが2つ、後面に大径のスポットが1つ使用されている。スポットの幾何学的配置は変更できず、1つの用途分野にしか適していない。変更は個々のレーザ光源の出力を介して行われる。しかしながら、実際の使用においては、小さなスポットの強度は、それらが溶接材料にいかなる望ましくないノッチも生成しないことを十分に低減することはできない。幾何学的な一貫性のために、この概念は製造工程中のさまざまなギャップ幅に基づいて適応するための遊びは、わずかしか許容されない。
特許文献4は、従来の溶接工程がレーザと組み合わされたレーザハイブリッド溶接方法を開示する。ここでは2つのレーザ焦点が生成される。特許文献4の発明によれば、二つの焦点間の間隔は、溶接工程の個々の変数、特に溶接速度と溶接品質の測定に基づいて絶えず変化する。
テーラードブランクを溶接する場合、現在利用可能な技術を使用して、最大0.3mmまでの異なる値のギャップを溶加材で溶接可能である。追加の材料(フィラーロッド)と高い溶接品質で動的に最大約1mmの異なる値のギャップを埋めることは困難である。
テーラードブランクの溶接工程における重要な基準は、一方では設備全体の処理能力、つまり許容可能な不良率で1時間に何個の部品を生産できるか、そして他方では全体的な加工工程及び溶接ブランクの望ましい品質の両方を保証するために必要な努力である。
前述の解決策及び方法における不利な点は、溶接シームを冷却するため、工程のためにプレートを安全な方法で締め付けるため、設備から溶接ヒューム及びスパッタを排出するための、容量と同様に、かなりの技術的努力、したがって設備全体の生産性にある。一般に、このような設備では、溶接レンズは移動可能に設計され、溶接されるブランクは、静止されている。あるいは、溶接工程中、溶接材料が連続供給され、溶接レンズは静止される。この結果の不利な点は、搬送ベルトの積み降ろしにかなりの手間が必要とされることである。
米国特許第5328083号明細書 欧州特許出願公開第0450349号明細書 欧州特許第0817698号明細書 独国特許発明第10113471号明細書 欧州特許出願公開第3038789号明細書
本発明は、したがって、上記欠点をなくす方法を記載するという課題に基づく。
この課題は、請求項1に記載された特徴によって達成される。
本発明によれば、レーザ溶接装置は、1つの主スポットと1つの副スポットとを備える回転可能なツインスポットレンズを備えたレーザとして設計されている。主スポットと副スポットとの互いの相対的な整列(整合)は、レーザ溶接装置の加工光学系をレーザビームの軸の周りに回転角度アルファで回転させることによって、ギャップの絶対位置及び絶対ギャップ幅に依存して溶接工程中に制御される。
この構造では、レーザスポットの位置は、溶接ギャップに対して変化させてもよく、単に加工光学系を回転させることによって異なるギャップ幅に適応させてもよい。驚くべきことに、このシステムは0.2mmより大きいギャップ幅から特に効果的であり、0.2mmより小さいギャップ幅で加工光学系を回転させることは絶対に必要ではないことが注目された。したがって、主スポットと副スポットの相対的な位置合わせが、0.2mmを超える測定ギャップ幅から制御されるならば有利である。
0.2mm未満のギャップ幅では、溶接方向から見たときに、主スポットは前方、副スポットは後方にあり、2つのスポットの中心間の接続線は溶接方向と平行に延びる。これは0度の回転角アルファに等しい。
ギャップ幅及びギャップ位置だけでなく、ギャップ縁部の形状も決定又は測定され、また、縁部の形状に応じて、溶接中に主スポットと副スポットとの相対的な位置合わせが制御されると有利である。例えば、図4には、異なる縁部の形状又はギャップの形状が示される。ギャップ縁部の決定された形状がレーザ出力を制御するために使用されるならばそれはまた有利である。
ワークの搬送方向に対して垂直な方向におけるレーザスポットの追加のオフセット(Yオフセット)は、縁部の形状(丸みを帯びた、鋭い、バリを伴う)に応じて、溶接結果に好ましい影響を及ぼし得ることが注目されてきた。これは、最適な溶接結果を達成するために、主スポットと副スポットとの間の中心点が常にギャップの中心にある必要がないことも確立されたことを意味する。この中心点がギャップの中心に対して一定量のオフセットを有する場合も考えられる。したがって、2つのスポット間の中心点がギャップの中心に対してずれているように、加工光学系もワークの搬送方向に垂直な方向に移動させると有利である。
2つのスポット間の間隔は、好ましくは一定のままである。
例えば、溶接方向で見たときに、副スポットを後方で主スポットの周りに回転させてもよい。
しかしながら、2つのレーザスポットが単一のユニットとして回転する回転軸線が、それぞれ主スポットと副スポットとの間及び後部スポット上にあることも考えられる。
好ましくは、ワークの搬送方向に対して(ワークの平面上で)垂直な方向に、加工光学系が移動可能であると有利である。互いに接合されるべきワークと加工光学系との間の相対速度は、ここでは溶接速度(VMatFlow)に等しい。
溶接速度(VMatFlow)は溶接工程中一定であってよいが、ギャップ幅、板厚又は板の縁部品質に応じて制御されてもよい。
溶接工程中のレーザ出力にも同じことが当てはまる。
また、ツインスポット光学系の状態に依存してレーザ出力を制御してもよい。
本発明によるこの方法は、テーラードブランク(TWB)部品、特に自動車産業用のドアリングの効率的で信頼できる工業的製造を可能にする。ここでは、ブランクは磁力を使用して下から搬送ベルトに固定されているので、機械は上からアクセス可能であることが保証される。本発明は、生産性を損なうことなくTWB配置でワークを確実に接合することを可能にし、そして最先端技術と比較して入力材料のギャップ幅及び縁部品質に関して最適範囲(プロセスウィンドウ)を拡大する。特に、提案された解決策はまた、V字型ギャップの状況を確実に閉じることにおける大きな課題の克服を可能にする。最適範囲の拡大により、全体の不良率が低下し、全体として生産性が大幅に向上する。また、溶接品質を向上可能である
ブランクは、より長い搬送距離にわたる工程のために確実に固定可能であるので、特許文献5に記載されているように、可動又は「フライング」光学系も使用してもよい。従来の概念を使用している機械と比較して機械の能力(キャパシティ)は、最大20%まで増加し得る。これ以降、磁気保持の原理は、互いに溶接されるブランク間の最小の間隙を維持することにプラスの効果をもたらし、これはより良い品質の溶接シームを達成可能であることを意味する。
以下、本発明を実施例に基づき図面を参照しながら説明する。図面における内容は以下のとおりである。
本発明による設備の概略断面図を示す。 レーザ溶接ヘッドの概略図を示す。 用途の1つにおけるギャップ問題を有するワークの概略図を示す。 2つのワーク間に生じ得るギャップ形状の概略断面図を示す。 概略図として、本発明による設備内の2つのワークを装填した搬送ベルトの第1の上面図を示す。 本発明による設備内の2つのワークを装填した搬送ベルトの第2の上面図をやはり概略図として示す。 ツインスポットの図がx−y平面からy−z平面へと移った、図5による2つのワークの第1の断面図A−Aを示す。 ツインスポットの図がx−y平面からy−z平面へと移った、図6による2つのワークの第2の断面図A′−A′を示す。 ツインスポットの図がx−y平面からy−z平面へと移った、図6による2つのワークの第3の断面図A′−A′を示す。
断面図において、図1は、駆動ピニオン1を介して材料の流れ方向MFに移動可能であり、かつ供給装置によって磁化可能なワーク(部品)30、31が装填されている無端搬送ベルト19を有する磁気チェーン搬送部5を示す。これらのワークは、磁気保持手段6によって搬送ベルト19上に非常にしっかりと保持されている。縁部検出システム13は、ワーク30、31間の間隔(ギャップ)とワーク30、31の縁部形状を正確に決定可能である。ワーク30、31は、断面図に垂直な方向x及びyに移動可能であり、搬送ベルト19上を材料の流れ方向MFに移動する図5による溶接ヘッド14によって互いに溶接される。32は品質管理システム15によって検査され、さらなる処理手段20がそれらに適用される。溶接は、ワークを準備するためのコーティング除去工程によって先行されてもよく、この工程は先行する工程ステップにおいて、又は事前に別のコーティング除去設備21(アブレーション設備)においても行われ得る。
図2は、加工光学系7を持つレーザ溶接ヘッド14の概略図を示し、加工光学系7はツインスポット(二点照射)を持つレーザ部として設計され、z軸に対して平行又は鋭角で軸を中心に回転するための光学系回転駆動部17を備える。焦点は、焦点軸駆動部10によってZ方向に溶接面に対して垂直に移動される。レーザ軸線は、レーザ軸線補正駆動部18によって補正される。溶接工程に必要な溶加棒の添加量は、追加溶加棒供給部11を介して、追加溶加棒駆動部12により追加溶加棒速度で供給される。さらに、溶接品質を向上させるために、適切なプロセスガスと共にプロセスゾーンをガス化してもよい。最後に、吸引システム16は、溶接工程中に収集した汚染物質及び溶接粒子を除去する。
図3は、ドアリング36の個々のワーク29を配置する際のギャップの問題を概略図で示す。個々のワーク29は、製造工程による最小の角度誤差を有する。そのような小さな角度誤差の結果として、他の欠陥、例えば線状の位置ずれ38、閉ギャップ内の角度誤差37、又は2つの個々のワーク29間のギャップ39がドアリング36の至る所に生じる。
図4は、板厚T1とT2を有する2つのワーク30、31の間に生じ得るギャップ39、特にゼロギャップ40、開口ギャップ41、閉ギャップ42、平行ギャップ43、腹状ギャップ44及び腰状ギャップ45を概略図で示す。他のギャップ形状及びいくつかの形状の混合形状もまたあり得る。この縁部形状を測定してもよく、主スポットと副スポットとを、互いに又は溶接方向について、相対的に整列するための測定信号が使用されてもよい。
図5は、概略図として、本発明による設備内の溶接平面x−y上に2つのワーク30、31が装填された搬送ベルトの平面図を示す。溶接縁部33、34の間のギャップ幅Dを有するギャップ39は、溶接工程によって閉じられる。この工程は、溶接方向SRの前面に主スポット8、後方に副スポット9のツインスポットレーザで、そして溶接速度VMatFlow、で加工する。ここでは、2つのスポット8の整列はギャップ形状に応じて制御される。図5では、主スポット8と副スポット9との間の(スポットの中心から見た)中心点はギャップ中心線上にはなく、y方向にずれていることが示されている。たとえば、2つの溶接縁部の形状が異なる場合、この横方向のオフセットは有用である(yオフセット)。
図6は、一方、本発明による設備における溶接xy平面上の、二つのワーク30、31を搭載した搬送ベルトの平面図を示す。模式図として、ツインスポット、すなわち主スポット8及び副スポット9の整列は、ギャップ幅Dに応じて溶接面x−yに直交するz軸の周りに回転角アルファ23で回転する。
図5による第1の断面図A−Aにおいて、図7は、x−y溶接面内で移動可能なツインスポットすなわち主スポット8と副スポット9を伴う2つのワーク30、31を示す。ツインスポット8、9の見える状態はxy平面からyz平面へと移る。2つのワーク30と31との間の閉ギャップ42が例として示されていて、ここでは2つの溶接縁部33、34がワーク30、31の上端で接触している。回転角アルファ23は0度であり、yオフセット22は0.0mmである。
図6による第2の断面図A′−A′において、図8は、x−y溶接面内で移動可能なツインスポットすなわち主スポット8と副スポット9を伴う2つのワーク30、31を示す。ツインスポット8、9の見える状態はxy平面からyz平面へと移る。ワーク30、31間の閉ギャップ42が一例として示されていて、ワーク30、31の上端における2つの溶接縁部33、34間の間隔はDである。回転角アルファ23は約20度であり、yオフセット22は再び0.0mmである。したがって、ギャップ縁部の形状はここで決定され、ツインスポットレンズの制御に使用される。
図6による第3の断面図A′−A′において、図9は、x−y溶接面内で移動可能なツインスポットすなわち主スポット8と副スポット9を伴う2つのワーク30、31を示す。ツインスポット8、9の見える状態はxy平面からyz平面へと移る。ワーク30、31間の閉ギャップ42が一例として示されている。ワーク30、31の上端における2つの溶接縁部33、34間の間隔DはDである。回転角アルファ23は約40度であり、yオフセット22はおおまかに0.1mmである。
1 駆動ピニオン
2 送り装置
5 磁気チェーン搬送部
6 保持手段
7 加工光学系
8 主スポット
9 副スポット
10 焦点軸駆動部
11 追加溶加棒供給部
12 追加溶加棒駆動部
13 縁部検出システム
14 レーザ溶接ヘッド
15 品質保証システム
16 吸引システム
17 光学系回転駆動部
18 レーザ軸補正駆動部
19 搬送ベルト
20 さらなる加工手段
21 コーティング除去設備
22 Yオフセット
23 回転角アルファ
29 個々のワーク
30 ワークA
31 ワークB
32 溶接ワーク
33、34 溶接縁部
36 ドアリング
37 角度誤差
38 縁部の位置ずれ
39 ギャップ
40 ゼロギャップ
41 開ギャップ
42 閉ギャップ
43 平行ギャップ
44 腹状ギャップ
45 腰状ギャップ
D ギャップ幅
T1、T2 板厚
MF 材料の流れ方向
XY 溶接面
X 溶接方向SR
Y 溶接方向に垂直な方向
Z 溶接平面XYに垂直な方向
MatFlow 材料の流れ方向における溶接速度

Claims (16)

  1. 任意の所望の輪郭を持つ少なくとも2つの平らなワーク(29、30、31)が加工工程に供給され、
    第1のサブ工程において、共に溶接されるべき少なくとも2つの溶接縁部(33、34)の間にギャップ(39)を形成しつつ、ワーク(29、30、31)が、xy平面上に互いに相対的に配置され、保持手段(6)により固定され、
    別のサブ工程において、
    溶接直前に、ギャップ(39)の溶接縁部(33、34)の位置及びその位置における溶接縁部(33、34)の間の幅(D)が、xy平面上とxy平面に直交するz軸に沿い連続して測定され、その測定値がレーザ溶接ヘッド(14)の制御に利用され、
    少なくとも溶接棒供給部(11)が制御され、ギャップ(39)の測定された溶接縁部(33、34)の複数の位置及びそれら位置における溶接縁部(33、34)の間の幅(D)によって加工光学系(7)が制御される、鋼板を突合せ溶接する方法であって、
    レーザ溶接ヘッド(14)は、主スポット(8)及び副スポット(9)を持つ回転可能なツインスポット光学系を装備され、
    主スポット(8)の副スポット(9)に対する相対的整列は、
    レーザ溶接ヘッド(14)の加工光学系(7)が
    各幅(D)において、主スポット(8)の中心を通りZ軸に平行なレーザ光線軸線の周りに回転角度アルファ(23)の角度で回転されて、主スポット(8)の中心から溶接縁部(34)までのオフセット(22)がされて、溶接工程中、ギャップ(39)の複数の位置及びそれら位置における幅(D)に依存して制御され、
    主スポット(8)及び副スポット(9)の当該相対的整列が、測定されたギャップ(39)の幅(D)が0.2mmを超えてはじめて制御される、
    ことを特徴とする、鋼板を突合せ溶接する方法。
  2. ギャップ縁部の形状が決定され、溶接工程の間、ギャップ縁部の形状に依存しても、主スポット及び副スポットの互いの相対的整列が制御されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 溶接方向(SR)の後方で、副スポット(9)は主スポット(8)の周りに回転されることを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  4. 2つのレーザスポット(8、9)が1ユニットとして周りを回転する回転軸線が、主スポット(8)と副スポット(9)との間に位置することを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  5. 2つのレーザスポット(8、9)が1ユニットとして周りを回転する回転軸線が、後から来る副スポット(9)の上に位置することを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
  6. 加工光学系(7)は、ワーク(29、30、31)に関して、相対移動可能であって、共に結合されるべきワーク(29、30、31)と加工光学系(7)との間の相対速度は、溶接速度(VMatFlow)に等しいことを特徴とする請求項1又は5に記載の方法。
  7. 溶接速度(VMatFlow)は、溶接工程中、一定であることを特徴とする請求項1又は6に記載の方法。
  8. 溶接速度(VMatFlow)は、溶接工程中、可変であり、ギャップ幅(D)に依存して制御されることを特徴とする請求項1又は6に記載の方法。
  9. 溶接速度(VMatFlow)は、板厚(T1、T2)に依存して制御されることを特徴とする請求項8に記載の方法。
  10. 溶接速度(VMatFlow)は、板縁部の質に依存して制御されることを特徴とする請求項8又は9に記載の方法。
  11. レーザ出力は、溶接工程中、一定であることを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
  12. レーザ出力は、溶接工程中、可変であり、ギャップ幅(D)と、板厚(T1、T2)と、板縁部の質と、ツインスポット光学系の位置とのいずれかに依存して制御されることを特徴とする請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
  13. 加工光学系(7)は、ワーク平面で見ると、ワーク(29、30、31)の搬送方向に直交する一方向に移動されることを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 加工光学系は、2つのスポット(8、9)の間の中央点がギャップの中央線上に存在しないように、溶接縁部の形状に依存して配置されることを特徴とする請求項13に記載の方法。
  15. 加工光学系(7)は、ワーク(29、30、31)が搬送される方向に平行な一方向で移動されることを特徴とする請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
  16. ドアリング(36)をテーラードブランク(29、30、31)から製造するための、自動車産業での車体の生産における、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法を組み合わせた方法の使用。
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