JPS60234786A - 溶接方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属加工体溶接方法および装置に関する。

従来技術 電気抵抗溶接 本出願に開示される形式の溶接は、一般に電気抵抗溶接
技術により遂行された。これらの方法にあっては、溶接
帯域において金属のオーバーラツプ層を圧縮するために
、電極は圧力をかけて溶接帯域に供給される。電極に電
力を加えることにより、オーバーラツプする金属層を介
して接合部を横切って軍法が流れる。層の界面における
抵抗は高いから、溶接温度を得ることができ、接合部に
溶接ナゲツトが形成される。

それゆえ、溶接は層の内部にあり、可視的に検査できな
い。品質制御のため抵抗溶接接合部の一体性を検査する
のに使用される試験の１例は、「剥離」試験である。こ
の試験においては、最終部品に対する製造作業において
利用されるのと同じ手法を使って加工体サンプルがシン
グルスポットにより接合される。溶接後、接合サンプル
の一側がクランプされ、他側が剥離される。ついで、溶
融帯域のパラメータを決定するためボタン状溶接部が試
験されよう。この情報はついで製造サイクルに利用され
得るが、正確な相関関係は、動作を正確に制御、監視す
ることができる能力に依存していることは明らかである
。この溶接方法は、１つの機械が数千もの同様な接合部
を作るように設定できる大量の反復的製造加工に使用さ
れるから、溶接帯域の状態の綿密な制御・監視は必ずし
も可能でない。それゆえ、操作者は、しばしばサンプル
を取り、破壊的「剥離」試験を必要とする。

抵抗溶接の不利な点は、検査およびプロセス制御の困蛭
性に加えて、加工体に熱的ひずみを生ずる程の高熱入力
を必要とすることである。

レーザ溶接 エネルギ源としてレーザビームを利用する溶接作業が製
造分野においてますます優勢になりつ＼ある。レーザビ
ームは、多数倍増幅された単色光の強力な非常にコヒレ
ントなビームである。ビームは非常に強力で、極度に狭
くかつ高度にコヒレントであるから、原エネルギ源より
も輝いた像に収れんできる。このようにして、勢やその
他の金属を溶融して溶接を形成することができる程強い
光源を得ることができる。゛ビームはまた、溶接帯域の
正確な位置決めのため光学的に偏向できる。

作業帯域における不活性ガス遮蔽を使用すると、溶接の
品質は改善される。

電子ビーム技術と同様に、レーザ溶接は深い溶込みを生
じ、繊細な加工に非常に適当である。レーザ溶接はまた
、迅速で、精確でしかも高度に制御可能なプロセスであ
り、高品質の溶接を生じさせる。また、レーザ溶接法は
、一般に、抵抗溶接よりも低い熱入力しか必要とせず、
歪が減ぜられる。

発明の目的 本発明の目的は、レーザを利用し、抵抗溶接法と同様簡
単かつ反復可能であり、しかも容易に検査し得る渇強度
の溶接を生じさせる溶接法を提供することである。

発明の概要 本発明にしたがうと、多重の金属層より成る加下体が、
一体の組立体を形成するようにレーザにより溶接される
。多重層は、上部および下部クランピング部材間におけ
る加工体の係合により溶接帯域において圧縮される。ク
ランピング部材は、管状形状であり軸線方向通路を有し
ている。各クランピング部材の軸線方向通路は、空気を
排除しかつ酸素のない溶接帯域を形成するため不活性ガ
スで充たされる。レーザビームを偏向するが加工体を予
定されたパターンを通って移動させることにより、実質
的にら旋形状の溶接パターンが発生される。この動きは
、溶接パターンが溶融および非溶融の複合体より成り加
工体の金属層を完全に貫通するようにコンピュータで制
御される。

具体例の説明 以下図面を参照して本発明を好ましい具体例について説
明する。

本発明の溶接装置は、レーザビーム発生器１．１対のク
ランピング部材２および３、およびら旋パターンを発生
するための手段４より成る。

第１図に示される好ましい具体例において、レーザビー
ム発生器は、商業的に入手し得る装置例えばＣ０２レー
ザとし得る。これは、６００Ｗ〜２００［］Ｗ間で連続
的にまたは３０　Ｄ　ＯＷまでパルス的にレーザを発生
するものである。

第１図において、パターン発生装置は、コンピュータ６
により制御される光学的偏向手段５より成る。コンピュ
ータ６は、ビームを実質的にら旋パターンで移動させる
ようにプログラム設定される。これは、移動の線速度、
パターンの全寸法およびパターンの半径の変化の考慮を
必要とする。

プログラムを容易にするため、例えば増大する半径の相
互に接続された円弧を使用することによりら旋パターン
を近似することが必要とされよう。

第４図に図示されるパターンにより近似される理想的パ
ターンはアルキメデスのら旋に基づき、その特性は下式
によって与えられる。

ｒ＝ら旋の半径＝ａＯ こ＼でθ＝ら旋回転の角度 こ＼でｒ（２□）＝θ二２におけるら旋の半径Ｓ二線移
動速度で、これは一定に維持され、概ねそして角回転速
度は これは、角回転速度および半径の増大の割合がら旋が伸
びるにつれて減少することを示している。

例えば、溶接パターンの最終寸法が直径０．２５インチ
であり、ら旋腕間の距離が０．０４０インチの場合、参
考図１に示されるように、３回転より若干多いら旋回転
を使用し得る。５０〜２００インチ／分の線移動速度（
Ｓ）が望ましかろう。

十分の溶接特性を維持し可視検査により容易に検査でき
る溶接を提供するためには、参考図２に示されるように
全加工体中への完全な溶込みが望ましい。加工帯域にお
いて加工体を圧縮するために、クランピング部材２およ
び３が設けられている。第１図に示されるように、゛下
部クランピング部材６は、加工体と係合してそれをクラ
ンピング部材２に向って移動させる。移動は、抵抗溶接
の分野において周知のように空気および液圧ラム７によ
り遂行できる。ラム７は、支持枠体１２に固定され、固
定帯域において５０〜４００　ｌｂ＠の力を供給するこ
とができるものとすべきである。

クランピング組立体は、１対の上部管状部材８および９
および１対の下部管状部材１０および１１より成り、各
管は軸方向通路１７および１８を有する。各対の外部部
材８および１０は、剛性の支持枠体１２および液圧ラム
７にそれぞれ固定されており、内部ねじ１３を備えてい
る。各対の内部管状部材９および１１は、外部部材８お
よび１０の内部ねじ１３と係合する外部ねじ１４を有し
ている。このようにして、管状部材９および１１は、組
立位置に除去できるように固定される。　′第１ａ図に
示されるように、−流体用取付具１−５が内部部材９お
よび１１に取り付けられており、アルゴンのような不活
性ガスの溶接帯域への供給を可能ならしめる。

第１図に示されるように、レーザビーム発生器１は上部
クランピング部材８および９と一緒に動作し、レーザビ
ームを軸線方向通路１８中に投入させる。この通路１８
は、ビームをら族パターン中に沿って偏向させることが
できるに十分大きくしなければならない。下部管状部材
と加工体の界面は、溶接帯域を実質的に画定する。

第２図に示される他の具体例においては、レーザビーム
発生器１は固定的に支持され、加工体はクランピング部
材２および３によりＸ−Ｙテーブル１６上に整合して取
り付けられる。ｘ−Ｙテーブルは、数値制御されており
、実質的にらせんパターンでレーザビーム下で加工体を
移動させるようにコンピュータによりプログラム動作せ
しめられる。゛ノズル１７が不活性ガス供給源に取り付
けられており、溶接帯域に実質的に酸素のない雰囲気を
提供する。

機械を従来の抵抗溶接装置を真似て設計し、クランピン
グ機構の空気的作動を利用し、そしてコンピュータ制御
レーザパターン発生装置で統合動作させれば、装置の操
作者の修得期間は相当減ぜられる。このプロセスは、ど
のような抵抗溶接作業にも適応し得る。

第１図の装置を動作させるに当っては、加工体をまずク
ランピング部材２および３内において整合させて、溶接
帯域が管状クランピング部材９の下に来るようにし、ク
ランピング部材２および３に溶接帯域において約５０〜
４００　ｌｂｍのクランピングカを加えるようにラム７
を作動する。ついで、特定の線移動速度で加工体を完全
に溶は込ませるに十分のパワで、レーザ１を管状組立体
通路１８に投入する。次に、光学的偏向装置５を作動し
て、レーザビームをら旋パターンに沿って一定線速度で
移動させる。ホットスポットやクレータやクランクを避
けるために、線速度は参考図２に示されるようにパター
ンの終りのところで加速されるべきである。加工体材料
の溶融中、不活性ガスを上部管状部材および下部管状部
材９および１１を介して溶接帯域に供給する。クランピ
ング部材２および５の解放後、加工体を次の溶接帯域へ
と移動させる。

ら旋パターンの使用により、溶接強度が殆んど５０％増
加されることが分った。しかも、これが実際の溶接領域
の約８０％の減少および総熱エネルギ入力の相当の減少
で遂行できる。レーザの使用が予定されるが、第４図に
示されるように電子ビーム溶接機を用いて同様な結果を
得ることができる。抵抗溶接において遭遇する溶融金属
の放出は排除され、加工体の部品は抵抗溶接において必
要とされるほど重畳される必要がなく、ら旋パターンを
受け入れるに十分の重畳のみ存在すればよい。加えて、
加工体の部品の厚さの最大比を抵抗−溶接における現存
の３：１の限界から約２０：１に増大させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はコンピュータ制御光学偏向装置を有する本発明
のレーザ溶接システムの概路線図、第１ａ図は不活性ガ
ス噴射を示す管状部材の端面図、第２図はコンピュータ
制御Ｘ−Ｙテーブル上に加工体が取り付けられたレーザ
溶接装置の概路線図、第３図は従来の電気抵抗溶接技術
を示す概路線図、第４図は従来技術の抵抗溶接技術によ
り遂行される溶接と本発明により遂行されるら旋パター
ン溶接の相対強度を示すチャートである。 １：レーザビームジェネレータ ２．３：クランピング部材 ４：ら族パターン形成装置 ６：コンピュータ ７：空気または液圧ラム ８．９．１０．１１：管状部材 １２：支持枠体 １５．１４：ねじ １５：流体用取付具 １６　：Ｘ−Ｙテーブル １７：ノズル １８＝軸方向通路 「１１′刊ｙ、　；′ｔ、と（内容に変更ない第　ｚ７ η　づ　図 鴻　４−ｍ 手続補正書（方式） ％式％［１ 事件の表示　昭和５９年特　願第２　ｉ５０９８３　弓
発明の名称　溶接方法および装置 補正をする者 事件との関係　特許出願人 名称　アプコウ・コーポレイション 代理人 補正の対象 願書の出願人の欄 図面　１通 委任状及びその訳文　各　１　逆 補正の内容　別紙の通り 図面の浄書（内容に変更なし）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）溶接帯域内において加工体に圧縮力を加え、加工
   体を溶融し溶接部を形成するに十分のパワを有する高エ
   ネルギビームを発生し、溶接帯域内において加工体に高
   エネルギビームを投射し、溶接帯域において実質的にら
   旋形状パターンに沿って高エネルギビームを移動させる
   ことを特徴とする予定された溶接帯域内において金属加
   工体を溶接する方法。 （２）高エネルギビームが実質的にら旋形状溶接パター
   ンに沿って移動され、その移動速度が、全ら旋形状パタ
   ーンを通じて加工体の全深さに浸透する一様な溶融を生
   ずるような速度で行なわれる特許請求の範囲第１項記載
   の溶接方法。 （３）高エネルギビームが、実質的にら旋状の溶接パタ
   ーンに沿って一定線速度で移動される特許請求の範囲第
   １項記載の溶接方法。 （４）前記圧縮力が、輪状の断面を有する１対の部材に
   より加工体に加えられ、それにより溶接帯域を画定する
   輪状の圧縮領域を形成する特許請求の範囲第１項記載の
   溶接方法。 （５）高エネルギビームが輪状の溶接帯域内において輪
   状断面の部材を介して加えられる特ｉ１′！ｆ請求の範
   囲第４項記載の溶接方法。 （６）溶接帯域内において加工体を不活性ガスで洗浄す
   ることを含む特許請求の範囲第１項記載の溶接方法。 （７）　溶接作業中溶接が遂行されるべき帯域において
   加工体に圧縮力を加えるクランピング手段と、高エネル
   ギビームを発生して、該ビームを、加工体を溶融し溶接
   部を形成するに十分のパワで加工体の溶接帯域に投射す
   る手段と、実質的にら旋状の溶接パターンを形成するた
   め加工体へのビームの投射を制御する手段とを備える金
   属加工体溶接装置。 （８）前記の高エネルギビーム発生手段がレーザより成
   る特許請求の範囲第７項記載の溶接装置。 （９）前記の高エネルギビーム発生手段が電子ビーム発
   生器より成る特許請求の範囲第７項記載の溶接装置。 ００）前記の加工体へのビーム投射を制御する手段が、
   レーザビームを受光して該ビームを可動的に溶接帯域に
   差し向ける光学へ偏向装置と、該光学偏向装置に接続さ
   れて実質的にら旋形状の溶接パターンに沿ってビームを
   移動させるコンピュータ制御装置より成る特許請求の範
   囲第８項記載の溶接装置。 （Ｉｌｌ　前記コンピュータ制御装置が、全ら旋溶接パ
   ターン中において一定線速度を維持するようにビームの
   角速度を調節するようにプログラム設定される’Ｉ’Ｊ
   ’　ｒｉｊ・請求の範囲第９項記載の溶接装置。 （＋２１　前記の高エネルギ発生手段のパワが加工体の
   全深さを溶は込ませるに十分のパワである特許請求のｆ
   ｌｑｊ囲第７項第７項記載装置。 （１３）前記クランピング手段が、加工体の第１および
   第２の面に延びる支持構造体と、加工体の第２の面に隣
   接して支持構造体上に取り付けられ、加工体ニ力ヲ加え
   るように作動されるラムと、前記支持構造体上に取り付
   けられ、前記加工体の第１の面と係合する第１のクラン
   ピング部材と、前記ラム上に取り付けられて前記加工体
   の第２の面と係合し、前記第１クランピング部材ととも
   に加工体に圧縮力を加える第２のクランピング部材より
   成る特許請求の範囲第１項記載の溶接装置。 （１４）前記第１および第２クランピング部材が管状形
   状である特許請求の範囲第１３項記載の溶接装置。 ０９　前記第１および第２クランピング部材が、支持構
   造体およびラムにそれぞれ取り付けられた外部管と、該
   外部管に除去できるように取り付けられ実加工体と係合
   するように構成された内部管より成る特許請求の範囲第
   １４項記′載の溶接装置。 （１６）前記第１クランピング部材が、その内部および
   外部管中を５通する軸方向通路を有しており、高エネル
   ギビームを該通路を通って加工体に伝達するため該高エ
   ネルギビームを受け入れるように取り付けられた特許請
   求の範囲第１３項記載の溶ｔ＞乏装置。 （１γ’　Ｉ’Ｎ７　’：ｌ、！　２Ｐ’、　２クジン
   ビング部材が少なくとも内部管を１３通する軸方向通路
   を有し、両内部管が不活性ガス源に接続されている特許
   請求の範囲第１６７？’ｉ記載の溶接装置。 （りｊｌ　ｊ＋ｒｌ工体の第１および第２の面に延びる
   支持構造体と、加工体の第２の面に隣接して該支持構造
   体上に取り付けし才１、加工体にカを加えるラムと、前
   記支持構造体上に取り付けられて加工体の第１の面と係
   合し、軸線方向の貫通通路を有する第１クランピング部
   材と、前記ラム上に取り付けられて前記加工体の第２の
   面と係合し、前記第１クジンビング部材と一緒に加工体
   上に圧縮力を加える第２のクランピング部材と、前記支
   持構造体上に取り付けられて、高エネルギビームを発生
   し、該ビームを、加工体を溶融しかつ溶接部を形成する
   に十分のパワで、第１クランピング部材の軸線方向通路
   を介して加工体の溶接帯域に投射する手段と、予定され
   た溶液パターンを生ずるように加工体に対するビームの
   投射を制御する手段とを備えることを特徴とする金現加
   工体溶接装置。 ａ湧　前記第１および第２クランピング部材が管状であ
   る特許請求の範囲第１８項記載の溶接装置。 （２０）前記第１および第２クランピング部材が、前記
   支持構造体および前記ラムにそれぞれ取り付けられた外
   部管と、該外部管に除去できるように固定されかつ加工
   体と係合するように構成された内部管を備える特許請求
   の範囲第１９項記載の溶接装置。 （２Ｉ）前記第２クランピング部材が少なくとも内部管
   を貫通する軸線方向通路を有し、前記両内部管が不活性
   ガス源に接続されている特許請求の範囲第１８項記載の
   溶接装置。 （２々　前記の高エネルギビーム発生手段がレーザより
   成る特許請求の範囲第１８項記載の溶接装置。 ｃ！３）前記の高エネルギビーム発生手段が電子ビーム
   発生器である特許請求の範囲第１８項記載の溶接装置。 ｃ２４）前記の加工体へのビームの投射を制御する手段
   が、レーザビームを受け入れて、該ビームを可動的に溶
   接帯域に差し向けるように構成された光学偏向装置と、
   鵠光学偏向装置に接続されて、実質的にら旋状に賦形さ
   れた溶接パターンに沿ってビームを移動させるコンピュ
   ータ制御装置より成る特許請求の範囲第２２項記載の溶
   接装置。 （２９予定された溶接パターンが実質的にら旋状に賦形
   された特許請求の範囲第１８項記載の溶接装置。 Ｃ７１ｉ１　コンピュータ制御装置が、全ら旋溶接パタ
   ーン中一定の線速度を維持するためビームの角速度をπ
   １１節するようにプログラム設定された特許請求の範囲
   第２５項記載の溶接装置。 （２７１＋ｒ４エネルギビーム発生手段のパワが、ビー
   ムが加工体の全深さに浸透するようなパワである特許請
   求の範囲第１８項記載の溶接装置。