JPH08257773A

JPH08257773A - レーザ溶接方法

Info

Publication number: JPH08257773A
Application number: JP7087604A
Authority: JP
Inventors: Eiji Nishi; 栄次仁志
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 1996-10-08
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: JP3293401B2

Abstract

(57)【要約】【目的】厚さの異なる板材をレーザ光によって突き合
わせ溶接する際に、突き合わせ接合部に良好な溶接ビー
ドを形成し、溶接欠陥の発生を防止する。突き合わせギ
ャップがある場合においても、確実に両板材を突き合わ
せ溶接する。【構成】薄板鋼板１と厚板鋼板２とを突き合わせた状
態で配置し、レーザ光Ｌを照射する。このとき、レーザ
光Ｌは、振幅Ｗで突き合わせ接合部５を溶接方向に対し
て交差する方向に往復動され、ウィービングされてい
る。また、レーザ光Ｌの振幅中心における光軸Ｌ_C1は、
突き合わせ中心25から厚板鋼板２側に角度θで傾斜され
ている。薄板鋼板１と厚板鋼板２との突き合わせ接合部
５に突き合わせギャップが生じた場合でも、レーザ光Ｌ
は傾斜した状態でウィービングしながら照射されるた
め、突き合わせギャップを通過することなく、薄板鋼板
１と厚板鋼板２の端縁を溶融して、確実に滑らかな突き
合わせ溶接を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光の照射によっ
て被溶接物の溶接を行う溶接方法に関し、特に、被溶接
物としての厚さの異なる板材を突き合わせ溶接するため
のレーザ溶接方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接装置として、図７に示すよう
に、トーチ50内にパラボリックミラー51とスキャニング
ミラー52とを備えてなるものが従来から用いられてい
る。このレーザ溶接装置は、レーザ光の光源（図示を省
略した）から発振されたレーザ光Ｌがパラボリックミラ
ー51によって集光されながら反射され、スキャニングミ
ラー52に反射されて被溶接物53を照射して溶融すること
によって溶接するものである。被溶接物53として板材5
4,55 を突き合わせ溶接する場合には、スキャニングミ
ラー52を揺動させ、図８に示すように、レーザ光Ｌを振
幅Ｗで突き合わせ接合部56に対して往復動（ウィービン
グ）させる。この場合においては、レーザ光Ｌは、板材
54,55 に対して鉛直に照射されている。

【０００３】図８に示すように、被溶接物53として厚さ
の異なる板材54,55 をレーザ溶接によって突き合わせ溶
接する場合においては、薄板54側と厚板55側とでは溶融
させるための熱量が異なるため、薄板54側と厚板55側と
にレーザ光Ｌを同様に照射すると溶接欠陥が生じる。す
なわち、厚板55側の条件に合わせて板材54,55 の突き合
わせ接合部56にレーザ光Ｌを照射すると、薄板54側の溶
融熱量が過大となるため、図９に示すように、突き合わ
せ接合部56の薄板54側に溶け落ち57が発生し、良好な溶
接ビードを形成することができない。また、薄板54側の
条件に合わせて板材54,55 の突き合わせ接合部56にレー
ザ光Ｌを照射すると、厚板55側の溶融熱量が不足するた
め、厚板55側の溶融が不十分となる。

【０００４】そこで、従来の厚さの異なる板材を突き合
わせ溶接するためのレーザ溶接方法として、例えば、特
公平３−６２５１６号公報に開示されているように、レ
ーザ光の方向を薄板側から厚板の切断端に向けて板材の
表面に対して傾斜させ、厚板側の溶融領域の比率をより
大きくして溶接を行うものが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、突き合
わせ溶接する場合においては、図１０に示すように、被
溶接物53としての板材54,55 の突き合わせ接合される端
面の加工精度や、板材54,55 を互いに突き合わせて保持
させる治具の精度によって、突き合わせギャップ（すき
ま）Ｇが生じている。

【０００６】レーザ光の方向を薄板側から厚板の切断端
に向けて板材の表面に対して傾斜させる上記従来の技術
によって、突き合わせギャップＧが生じた板材54,55 に
レーザ溶接を行う場合、図１１に示すように、突き合わ
せ溶接部分に肉厚の薄い部分58が発生したり、図１２に
示すように、溶け落ち61が発生する等の溶接欠陥を発生
させる原因となるという問題があった。また、突き合わ
せギャップＧが大きい場合には、図１３に示すように、
レーザ光が突き合わせギャップＧを通り抜け、突き合わ
せ溶接を行うことができないという問題があった。

【０００７】さらに、上記従来の技術にあっては、厚板
側の上部コーナ（図１１参照）がレーザ光の影響を受
けないため、鋭角な段差が生じて滑らかな突き合わせ接
合部を形成することができないという問題もあった。

【０００８】厚板側に鋭角な段差が生じた板材は、後工
程においてプレス成形する場合に、この鋭角的段差部が
プレス成形型にくい込むことによってプレス型にかじり
が生じ、プレス型が損傷するという問題がある。また、
プレス成形によって得た製品に力が加わった場合、上述
したように相対的エネルギ不足に起因して応力集中が著
しく、その結果強度が低下するという問題もある。

【０００９】鋭角な段差部によるプレス型の損傷を解消
するためには、厚板側の端縁を薄板側の板厚に合わせて
面取り加工しなければならず、新たに加工工程が増加す
るという問題がある。また、軽量化が要求される、例え
ば自動車の外板等には薄板鋼板が用いられるので、グラ
インダ等によって鋭角的段差部を面取り加工する場合に
薄板側まで削り取るおそれがあり、板厚が低下すること
によってレーザ溶接部分の強度の低下を招く。このよう
に、鋭角的段差部を切除することは手間がかかると共に
技術的な困難が伴うこととなる。

【００１０】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
で、厚さの異なる板材を突き合わせギャップに影響され
ることなくレーザ光によって確実に突き合わせ溶接する
ことができ、しかも、突き合わせ接合部に良好な溶接ビ
ードを形成し、滑らかで品質の高い突き合わせ溶接を行
うことができるレーザ溶接方法を提供することを目的と
するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係るレーザ溶接方法は、厚さの異なる被溶
接物を突き合わせて配置し、該被溶接物の突き合わせ接
合部に、レーザ光を照射して突き合わせ溶接するレーザ
溶接方法において、前記レーザ光の光軸を被溶接物の突
き合わせ中心から厚板側に傾斜させて照射することを特
徴とするものである。

【００１２】また、上記本発明に係るレーザ溶接方法に
おいては、レーザ光を溶接方向に対して交差する方向に
往復動させながら照射することが望ましい。

【００１３】さらに、上記本発明に係るレーザ溶接方法
においては、レーザ光の光軸の傾斜角度を、薄板と厚板
との厚さの比に定数を乗じて算出された角度に設定する
ことが望ましい。

【００１４】

【作用】本発明のレーザ溶接方法は、上述のように構成
したことにより、レーザ光の光軸を薄板側と厚板側との
突き合わせ接合部より厚板側から傾斜させた状態でレー
ザ光を照射すると、薄板側と厚板側との突き合わせ接合
部に突き合わせギャップが生じている場合であっても、
レーザ光は突き合わせギャップを通過することなく薄板
と厚板の端縁を溶融する。そして、特にレーザ光を溶接
方向に対して交差する方向に往復動させた場合には、レ
ーザ光の焦点の位置が薄板と厚板との両者に適切なエネ
ルギで照射するように調整される。したがって、厚板側
と薄板側は適度に溶融され、突き合わせギャップにおい
ても溶け落ちることなく両者の間で溶融した金属が流動
し、突き合わせ接合部に滑らかで良好な溶接ビードが形
成される。

【００１５】上述したレーザ光の光軸の最適な傾斜角度
は、薄板と厚板との厚さを測定することによって、その
比に定数を乗じて設定する角度を容易に算出することが
できる。

【００１６】

【実施例】以下に、本発明の望ましい一実施例を、図を
参照しながら説明する。なお、図において同一符号は同
一部分または相当部分とする。

【００１７】まず最初に、本発明を実施するための最適
なレーザ溶接装置について、図１ないし図２に基づいて
説明する。レーザ溶接装置は、概略、光源（図示を省略
した）と、光源からのレーザ光Ｌを被溶接物の突き合わ
せ接合部５に対して焦点が合うように集光して照射する
光学系を内部に備えたトーチヘッド６とから構成され、
レーザ光Ｌが、その光軸Ｌ_C を薄板１と厚板２からなる
被溶接物３の突き合わせ接合部５から厚板２側に傾斜さ
せ、光学系を変位させることによってレーザ光Ｌを溶接
方向に対して直行する方向（図１の左右方向）に往復動
させて照射するものである。

【００１８】トーチヘッド６は、図１に要部縦断正面図
で示すように、光源を備えた固定ヘッド７と、所定の角
度に揺動可能なトーチノズル８とから構成され、固定ヘ
ッド７とトーチノズル８とはベローズ状の可撓性を有す
る接合部９によって接合されている。固定ヘッド７には
トーチノズル８に向かって延在するブラケット10が設け
られ、ブラケットの10先端には、図２に側面図で示すよ
うに、モータ11が取付けられている。モータ10は、その
回転軸（図示を省略した）をトーチノズル８の側壁に接
合され、トーチノズル８を溶接線、すなわち、被溶接物
３の突き合わせ接合部５に対して直行する方向（図１の
左右方向）に揺動するように駆動し、任意の角度で傾斜
させて固定する。

【００１９】光学系は、光源から発振されたレーザ光Ｌ
を反射し、かつ、集光するためのパラボリックミラー14
と、このパラボリックミラー14によって反射集光された
レーザ光Ｌをウィービングするために、所定の角度とサ
イクルで反射するように回動変位されるスキャニングミ
ラー15とから構成されている。なお、本発明に係るレー
ザ溶接方法に用いられるレーザ溶接装置は、この実施例
に限定されることなく、例えば、特開昭６２−１４４８
８８号公報に開示されているように、集光レンズを傾け
ることによって照射されるレーザ光Ｌのエネルギ密度を
板厚によって変化させたり、また、特開平５−５０２７
７号公報や特開平５−５７４６６号公報に開示されてい
るように、集光レンズを往復動させることによってレー
ザ光の焦点を溶接方向に対して交差する方向に往復動さ
せるものとすることもできる。

【００２０】パラボリックミラー14は、光源から発振さ
れたレーザ光Ｌをスキャニングミラー15に向かって集光
するように反射するため、凹状の放物面鏡からなるもの
で、固定ヘッド７内の下端に固定して設けられている。

【００２１】スキャニングミラー15は、パラボリックミ
ラー14によって反射集光されたレーザ光Ｌを溶接方向に
対してウィービングしながら照射するように反射するた
め、平面状の鏡からなるもので、トーチノズル８内の上
部にガルバノメータ16によって支持され（図２参照）、
このガルバノメータ16の駆動によって回動変位される。

【００２２】スキャニングミラー15は、光源から発振さ
れてパラボリックミラー14によって反射集光されたレー
ザ光Ｌの光軸Ｌ_C が照射されるスキャニングミラー14の
表面上の点20（図１参照）を中心として回動変位され
る、すなわち、ガルバノメータ16のスキャニングミラー
15を支持している回動軸、およびトーチノズル８を揺動
させるモータの回転軸は、点20の延長線上に設定されて
いる。

【００２３】スキャニングミラー15を回動変位させるガ
ルバノメータ16と、トーチヘッド６を任意の角度に傾斜
させるモータ11は、図２に示すように、制御装置22に接
続されている。この制御装置22から発信される信号に従
って、ガルバノメータ16が駆動されてスキャニングミラ
ー15を所定の角度とサイクルで回動変位させ、光源から
発振されてパラボリックミラー14によって反射集光され
たレーザ光Ｌを所定の振幅と周波数でウィービングしな
がらトーチノズル８の先端から照射する。また、制御装
置22は、薄板１と厚板２の板厚を計測する板厚計測装置
（図示を省略した）にも接続されており、この板厚計測
装置からの板厚情報を受け取って後述する方法によって
最適な角度θ₀ を算出し、トーチノズル８を算出された
最適な角度に傾斜させるための信号をモータ11に発信す
る。

【００２４】このように構成されたレーザ溶接装置は、
溶接ロボットのアーム先端の手首部等に取付けられ（図
示を省略した）、トーチノズル８の先端の下方には、被
溶接物３として、例えば、自動車のボデー外板として用
いられるパネル材を構成するための板厚０．８ｍｍの薄
板鋼板１と板厚１．４ｍｍの厚板鋼板２とが、その端縁
を突き合わせ接合した状態で治具（図示を省略した）等
によって配置される。そして、溶接ロボットは、そのア
ームを薄板鋼板１と厚板鋼板２との突き合わせ接合部
５、すなわち、溶接線に沿って、トーチノズル８の先端
が移動するように駆動される。なお、溶接線５に沿って
レーザ溶接装置を移動させる際に、溶接ロボットのアー
ムの傾斜の変化等によってトーチノズル８の溶接線５に
対する傾斜角度が変化するような場合には、制御装置22
によって溶接線５に対するトーチノズル８の絶対傾斜角
度が一定となるように、溶接ロボットのアームに対する
レーザ溶接装置の相対傾斜角度が補正される。

【００２５】次に、上述のレーザ溶接装置を用いて厚さ
の異なる被溶接物を突き合わせ溶接するため、本発明に
係るレーザ溶接方法の具体例について、図３乃至図６に
基づいて説明する。

【００２６】薄板鋼板１と厚板鋼板２とを治具等によっ
て所定の位置に突き合わせた状態で配置し、レーザ光Ｌ
を光源から発振してトーチノズル８の先端から照射す
る。このとき、例えば、周波数６０Ｈ_Z 、振幅巾Ｗ０．
５ｍｍの設定でレーザ光Ｌを薄板鋼板１と厚板鋼板２と
の突き合わせ接合部５を往復動させてウィービングさせ
るべく（図３参照）、スキャニングミラー15が回動変位
するように、ガルバノメータ16を駆動する信号が制御装
置22から発信される。また、両鋼板１，２の板厚が板厚
計測装置によって計測され、制御装置22は、板厚に応じ
た最適な角度を算出決定し、トーチノズル８が被溶接物
３の突き合わせ接合部５に対して直行する方向（図１の
場合、左方向）に揺動させるべく、モータ11を駆動する
よう信号を発信する。これによって、レーザ光Ｌの振幅
中心における光軸Ｌ_C1は、薄板鋼板１の厚板鋼板２との
突き合わせ接合部５の下面を中心として、突き合わせ中
心25から厚板鋼板２側（図３において右側）に角度θで
傾斜している。

【００２７】レーザ光Ｌの焦点Ｐ₁ は、図３に示すよう
に、厚板鋼板２側の最大振幅位置26において厚板鋼板２
の上面に位置するように調整されている。上述したよう
に光軸Ｌ_C が厚板鋼板２側に角度θで傾斜しているた
め、薄板鋼板１側の最大振幅位置27におけるレーザ光Ｌ
の焦点Ｐ₂ は、薄板鋼板１上に高くずれて位置し、薄板
側と厚板側との両者に必要な位置に調整され、レーザ光
のエネルギを突き合わせ接合部に有効に作用させること
ができる。すなわち、厚板鋼板２はレーザ光Ｌの最大エ
ネルギによって充分に溶融され、薄板鋼板１はレーザ光
Ｌの焦点がずれて弱められたエネルギによって溶け落ち
ることなく適度に溶融され、薄板鋼板１と厚板鋼板２と
の間で溶融した金属が流動し、図４に示すように、突き
合わせ接合部５に良好な溶接ビード30が形成される。ま
た、薄板鋼板１と厚板鋼板２との突き合わせ接合部５に
突き合わせギャップＧ（図１０参照）が生じた場合であ
っても、図３に示すように、レーザ光Ｌは傾斜した状態
で照射されるため、突き合わせギャップＧを通過するこ
となく、薄板鋼板１と厚板鋼板２の端縁を溶融して、確
実に溶接することができる。

【００２８】図５は、溶接ビード30とレーザ光Ｌの傾斜
角度θとの関係の一例を示したもので、溶接ビード30に
おける表ビード幅30a （図４参照）の変移31と、裏ビー
ド幅30b の変移32を示している。図５から明らかなよう
に、レーザ光Ｌの光軸Ｌ_C を厚板鋼板２側に傾斜させる
と、傾斜角度θ₀ において裏ビード幅30b が最大とな
り、表ビード幅30a も従来のレーザ光Ｌを突き合わせ接
合部５に鉛直に照射していた傾斜角度θ＝０よりも多く
なる。すなわち、厚板鋼板２から薄板鋼板１にかけて良
好な溶接ビード30を形成し、厚さの異なる板材を滑らか
で品質の高い突き合わせ溶接を行うことができる。また
これとは逆に、レーザ光Ｌの光軸Ｌ_C を傾斜角度θ₀ よ
りも薄板鋼板１側に傾斜させた場合には、薄板鋼板１側
のレーザ光Ｌの照射が過大となって薄板鋼板１の溶け落
ちが発生する。

【００２９】図６は、薄板鋼板１と厚板鋼板２との突き
合わせ接合部５に突き合わせギャップＧが生じた場合の
突き合わせギャップ限界とレーザ光Ｌの傾斜角度θとの
関係の一例を示したものである。ここで、突き合わせギ
ャップ限界とは、突き合わせギャップによって溶け落ち
等の溶接欠陥が発生する突き合わせギャップ量をいう。
図６から明らかなように、レーザ光Ｌの光軸Ｌ_C を厚板
鋼板１側に傾斜させると、突き合わせ接合部５が広く溶
融されて溶融金属が厚板鋼板２側と薄板鋼板１側とにか
けて滑らかに流動するので、従来のレーザ光Ｌを突き合
わせ接合部５に鉛直に照射していた傾斜角度θ＝０の場
合と比較して、突き合わせギャップ限界は大きい値とな
り、傾斜角度θ₀ において最大となる。すなわち、突き
合わせギャップＧがある場合においても確実に突き合わ
せ溶接することができる。レーザ光Ｌの光軸を傾斜角度
θ₀ よりもさらに厚板鋼板側に傾斜させると、突き合わ
せギャップ限界は減少し、溶接芯ズレが発生する。また
これとは逆に、レーザ光Ｌの光軸Ｌ_C を傾斜角度θ₀ よ
りも薄板鋼板１側に傾斜させた場合には、薄板鋼板１側
のレーザ光Ｌの照射が過大となると共に、突き合わせギ
ャップを補うだけの厚板鋼板２と薄板鋼板１とを溶融す
ることができないため、薄板鋼板１の溶け落ちが発生す
る。

【００３０】以上のことから、レーザ光Ｌの光軸Ｌ_C の
傾斜角度θは、θ₀ のときが最適であるということがで
きる。そして、このレーザ光Ｌの光軸Ｌ_C の最適な傾斜
角度θ₀ は、薄板鋼板１の板厚Ｔ₁ と厚板鋼板２の板厚
Ｔ₂ との板厚比に相関するため、溶接実験によって求め
られる定数Ｋに、薄板鋼板１と厚板鋼板２との板厚の比
を乗じた次式、 θ₀ ＝Ｋ×Ｔ₂ ／Ｔ₁ に基づいて制御装置22よって算出される。そして、制御
装置22は、モータ11を駆動するよう信号を発信し、レー
ザ光Ｌの振幅中心において、薄板鋼板１の厚板鋼板２と
の突き合わせ接合部５の下面を中心とする光軸Ｌ_C1の傾
斜角度θ（図３参照）が算出された最適な傾斜角度θ₀
となるように、トーチノズル８を揺動させる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、厚さの異なる板材をレ
ーザ光によって突き合わせ溶接する際に、レーザ光の光
軸を被溶接物の突き合わせ接合部から厚さの大きい被溶
接物側に傾斜させたことによって、突き合わせギャップ
がある場合においても厚さの異なる板材を、鋭角な段差
部や溶け落ち等の溶接欠陥を発生させることなく、確実
に突き合わせ溶接することができ、しかも、突き合わせ
接合部に良好な溶接ビードを形成して滑らかで品質の高
い突き合わせ溶接を行うことができる等の効果を奏す
る。さらに、本発明によれば、レーザ光の焦点の位置を
薄板側と厚板側との両者に有効に作用させることができ
るように調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ溶接方法を実施するために
用いられるレーザ溶接装置の要部縦断正面図である。

【図２】図１の側面図である。

【図３】本発明に係るレーザ溶接方法を示す概念図であ
る。

【図４】本発明に係るレーザ溶接方法によって良好な溶
接ビードが形成された状態の板材の突き合わせ溶接部分
を示す断面図である。

【図５】溶接ビードとレーザ光の傾斜角度θとの関係の
一例を示した図である。

【図６】突き合わせ接合部に突き合わせギャップが生じ
た場合の突き合わせギャップ限界とレーザ光の傾斜角度
θとの関係の一例を示した図である。

【図７】従来から一般的に用いられているレーザ溶接装
置の要部縦断正面図である。

【図８】レーザ光を突き合わせ接合部に対してウィービ
ングさせる状態を示す概念図である。

【図９】薄板側の溶融熱量が過大となって、薄板側に溶
け落ちが発生した状態の板材の突き合わせ溶接部分を示
す断面図である。

【図１０】突き合わせギャップが生じた状態の板材の突
き合わせ溶接部分を示す断面図である。

【図１１】肉厚の薄い部分が発生した状態の板材の突き
合わせ溶接部分を示す断面図である。

【図１２】突き合わせギャップを超えたことによって、
突き合わせ溶接部分に溶け落ちが発生した状態の板材を
示す断面図である。

【図１３】突き合わせギャップが大きいために、レーザ
光が通り抜けて突き合わせ溶接を行うことができない状
態の板材を示す断面図である。

【符合の説明】

Ｌレーザ光Ｌ_C 光軸１薄板鋼板２厚板鋼板３被溶接物５突き合わせ接合部 25 突き合わせ中心

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】厚さの異なる被溶接物を突き合わせて配
置し、該被溶接物の突き合わせ接合部に、レーザ光を照
射して突き合わせ溶接するレーザ溶接方法において、前記レーザ光の光軸を被溶接物の突き合わせ中心から厚
板側に傾斜させて照射することを特徴とするレーザ溶接
方法。
【請求項２】レーザ光を溶接方向に対して交差する方
向に往復動させながら照射することを特徴とする請求項
１に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】レーザ光の光軸の傾斜角度を、薄板と厚
板との厚さの比に定数を乗じて算出された角度に設定す
ることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶
接方法。