JPWO2018179032A1

JPWO2018179032A1 - レーザー溶接方法

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Publication number: JPWO2018179032A1
Application number: JP2019508333A
Authority: JP
Inventors: 湯浅　英治; 英治湯浅; 勇士八木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2037-03-27
Also published as: JP6741358B2; CN110430965B; CN110430965A; WO2018179032A1

Abstract

本発明に係るレーザー溶接方法は、板材上の溶接開始位置を始点として、被溶接部材の一端部および他端部を経由し、板材上の溶接終了位置を終点とする溶接経路に沿ってレーザー溶接を実施する溶接工程を有し、溶接開始位置から被溶接部材の一端部までの溶接経路においては、レーザー出力をアップスロープ制御し、被溶接部材の一端部から他端部までの溶接経路においては、レーザー出力を本レーザー出力に維持し、被溶接部材の他端部から溶接終了位置までの溶接経路においては、レーザー出力をダウンスロープ制御し、レーザー溶接を実施する。

Description

本発明は、化粧材のような板材に被溶接部材をレーザー溶接する際に、意匠性を損なわずに確実な溶接を可能とするレーザー溶接方法に関する。

エレベーターあるいはエスカレーターにおいては、人の目に映る可能性のある箇所は、意匠性が重要である。このため、壁や操作盤に用いられる化粧材には、歪や凹みが発生することが許されない。その一方で、化粧材の裏側には、スタットボルトやブラケットを接合する必要があり、種々の接合技術が用いられている。

具体的な接合方法としては、抵抗溶接を用いる従来技術がある。しかしながら、抵抗溶接を用いると、溶接熱により意匠面に歪が発生する。すなわち、抵抗溶接を用いた接合においては、後述するレーザー溶接と比較してエネルギー密度が低い。このため、溶融量が過大になり、その結果、歪が大きくなり、意匠性を損ねてしまう。従って、抵抗溶接を用いた場合には、溶接後に意匠面を修正する必要があった。

そこで、歪を少なくするためには、エネルギー密度が高いレーザー溶接を採用することが考えられ、種々の従来技術がある（例えば、特許文献１〜３参照）。特許文献１には、レーザー溶接で千鳥状に溶接することによって、歪を目立たなくする手法が開示されている。

また、特許文献２には、突合せ溶接する際に、溶接開始時においてレーザー出力を徐々に上げ、溶接終了時においてレーザー出力を徐々に下げることにより、溶接品質を向上させるレーザー出力の制御方法が開示されている。

さらに、特許文献３には、重ね合わせ溶接の際に、溶接開始時においてレーザー出力を徐々に上げ、溶接終了時においてレーザー出力を徐々に下げることにより、溶接品質を向上させるレーザー出力の制御方法が開示されている。

特開２００７−２５３１７９号公報特開平８−２５７７７５号公報特開２０１５−１９７５４８号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１によるレーザー溶接を用いる際には、溶接できる面積が十分に広い場合には、溶接強度を維持するために、相当数溶接すればよい。しかしながら、スタットボルトのように溶接できる面積が狭い箇所では、溶接数を確保することができず、十分な溶接強度を維持することができない。

また、特許文献２によるレーザー溶接では、特に、溶接長が短い部材を溶接する場合には、本来の溶接出力に達する前に溶接が終了してしまうことが考えられる。従って、レーザー溶接が十分に溶け込まず、基準接合強度に達しないという課題がある。

さらに、特許文献３によるレーザー溶接は、あくまで上部材上で溶接を行う特許である。そして、特許文献３によるレーザー溶接では、特許文献２と同様に、特に、溶接長が短い部材を溶接する場合には、本来の溶接出力に達する前に溶接が終了してしまうことが考えられる。従って、レーザー溶接が十分に溶け込まず、基準接合強度に達しないという課題がある。

すなわち、従来のレーザー溶接は、エネルギー密度が高いため、歪を少なくすることは可能であり、溶接中央部では、歪を目視することが困難な状態とすることができる。しかしながら、溶接始端部・終端部は、周囲との差が激しいため、目視可能な歪が発生しやすい。

そして、この対策として、アップスロープ制御／ダウンスロープ制御を用いて、徐々にエネルギーを増やすことで、徐々に歪を増やすことによって歪を見えなくすることは可能である。しかしながら、スタットボルトのような溶接可能な面積が小さい部材を溶接する場合には、アップスロープの途中で溶接可能な場所がなくなってしまい、強度が維持できないという課題があった。

また、意匠を修正できない制約のある化粧材を使用する場合には、接着材もしくは両面テープを用いて被溶接材料を化粧材に接合していた。具体的には、化粧材に接着材を塗布し、被溶接材料をこの接着剤により加圧／保持し、接合する技術、あるいは、化粧材と被溶接材料を両面テープで貼り合わせる技術が、従来から採用されている。

しかしながら、接着剤を用いる場合には、接着材の副資材費が高価であるという課題があり、さらに、接着材の硬化に時間がかかるという課題もあった。

また、両面テープを用いる場合にも、両面テープの副資材費が高価であるという課題があり、さらに、接着強度が弱いという課題もあった。

なお、接着剤あるいは両面テープを使用する代わりに、歪が発生しない程度まで意匠材の板厚を増やし、抵抗溶接等で接合する方法も採用されている。しかしながら、この場合には、強度上は必要がないにもかかわらず板厚を増やしているため、材料費が上がるという問題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、スタットボルトのような溶接可能な面積が狭い被溶接材料と化粧材のような板材とを接合する際に、意匠性を損なわずにレーザー溶接を可能とするレーザー溶接方法を得ることを目的とする。

本発明に係るレーザー溶接方法は、板材に被溶接部材をレーザー溶接にて固定するレーザー溶接方法であって、板材上に被溶接部材を仮置きする部材仮置き工程と、被溶接部材を板材にレーザー溶接する際に、板材上の溶接開始位置を始点として、被溶接部材の一端部および被溶接部材の他端部を経由し、板材上の溶接終了位置を終点とする溶接経路に沿ってレーザー溶接を実施する溶接工程とを有し、溶接工程は、溶接開始位置から被溶接部材の一端部までの溶接経路においては、レーザー出力を、溶接開始位置における初期レーザー出力から徐々に高くしていき、被溶接部材の一端部であらかじめ設定された本レーザー出力まで上げるアップスロープ制御により溶接を実施する溶接開始工程と、被溶接部材の一端部から被溶接部材の他端部までの溶接経路においては、レーザー出力を本レーザー出力に維持して溶接を実施する本溶接工程と、被溶接部材の他端部から溶接終了位置までの溶接経路においては、レーザー出力を、被溶接部材の他端部における本レーザー出力から徐々に低くしていき、溶接終了位置で初期レーザー出力まで下げるダウンスロープ制御により溶接を実施する溶接終了工程とを有するものである。

本発明によれば、被溶接部材の一端部および他端部を経由する溶接経路において、板材上の溶接開始位置から被溶接部材の一端部までの溶接経路においてはレーザー出力をアップスロープ制御し、被溶接部材の一端部から他端部までの溶接経路においてはレーザー出力を本レーザー出力に維持し、被溶接部材の他端部から板材上の溶接終了位置までの溶接経路においてはレーザー出力をダウンスロープ制御する溶接方法を採用している。この結果、スタットボルトのような溶接可能な面積が狭い被溶接材料と化粧材のような板材とを接合する際に、意匠性を損なわずにレーザー溶接を可能とするレーザー溶接方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る化粧材のレーザー溶接方法を説明するための斜視図である。本発明の実施の形態１に係る化粧材のレーザー溶接方法を適用した際の、溶接位置とレーザー出力との関係を示した図である。本発明の実施の形態２に係る化粧材のレーザー溶接方法による１回目の溶接を説明するための斜視図である。本発明の実施の形態２に係る化粧材のレーザー溶接方法による２回目の溶接を説明するための斜視図である。本発明の実施の形態２に係る化粧材のレーザー溶接方法を適用した際の、溶接位置とレーザー出力との関係を示した図である。

以下、本発明のレーザー溶接方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、以下の実施の形態１、２では、溶接を行う板材が化粧材であり、被溶接部材がスタットボルトである場合を具体例として説明するが、本発明の適用対象は、これに限定されるものではない。

実施の形態１．
本実施の形態１では、化粧材に対して、スタットボルト等の小物部品をレーザー接合する実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る化粧材のレーザー溶接方法を説明するための斜視図である。より具体的には、この図１は、化粧材１の上に治具で固定されたスタットボルト２を、レーザー溶接ヘッドを移動させながら溶接する状態を示した斜視図である。

また、図２は、本発明の実施の形態１に係る化粧材のレーザー溶接方法を適用した際の、溶接位置とレーザー出力との関係を示した図である。これら図１、図２を用いて、本実施の形態１に係る化粧材のレーザー溶接方法を詳細に説明する。

最初に、レーザー溶接ヘッド３は、溶接線４上の溶接開始位置Ｐ１に移動する。溶接開始位置Ｐ１とスタットボルト２との間の距離Ｌ１は、１０ｍｍ以上とすることが望ましい。もし、距離Ｌ１が１０ｍｍ未満の場合には、溶接開始位置Ｐ１から移動を開始したレーザー溶接ヘッド３がスタットボルト２に達した時点で、本レーザー出力ＬＯ１に達しない可能性があり、溶接強度を十分に確保できない場合がある。

次に、レーザーの照射を開始するが、最初は、本溶接より低く抑えた出力である初期レーザー出力ＬＯ２で溶接を開始する。この初期レーザー出力ＬＯ２は、あまり大きすぎると、意匠面に歪が発生する原因となる。このため、ＬＯ２としては、５０Ｗ以下を適用する必要がある。

次に、レーザー溶接ヘッド３は、レーザー溶接ヘッド移動方向ＤＩＲに沿って、溶接開始位置Ｐ１から移動を開始する。その際、レーザー溶接ヘッド３のレーザー出力は、図２に示すように、本溶接開始位置Ｐ２に到達するまで、比例的に上げられ、最終的に、本溶接開始位置Ｐ２で本レーザー出力ＬＯ１に到達するように、アップスロープ制御が実行される。

このときのレーザー出力の上昇度１０１は、１５Ｗ／ｍｍ以下が好ましい。もし、１５Ｗ／ｍｍ以上でレーザー出力を上昇させると、急激な溶接熱量の上昇が発生してしまう。これにより、裏面に溶接紺が急激に発生し、目視可能な歪となり、品質不良が発生するおそれがある。

なお、化粧材１の板厚が変化しても、レーザー出力の上昇度１０１が１５Ｗ／ｍｍ以下であることは変わらない。ただし、本レーザー出力ＬＯ１は、板厚が厚い場合にはより大きくし、薄い場合にはより小さくする必要がある。

レーザー溶接ヘッド３は、本溶接開始位置Ｐ２に到達した後は、本溶接終了位置Ｐ３まで、本レーザー出力ＬＯ１で溶接を実施する。

次に、本溶接終了位置Ｐ３到達後、レーザー溶接ヘッド３のレーザー出力は、溶接開始時とは逆に、徐々に下げられ、最終的に、溶接終了位置Ｐ４で初期レーザー出力ＬＯ２に到達するように、ダウンスロープ制御が実行され、溶接を終了する。

この際、レーザー出力下降度１０２は、レーザー出力上昇度１０１と同様に、１５Ｗ／ｍｍ以下にする必要がある。また、溶接終了位置Ｐ４とスタットボルト２との間の距離Ｌ２も、距離Ｌ１と同様に、１０ｍｍ以上にする必要がある。

また、スタットボルトのフランジ２１の板厚は、１．０ｍｍ以下が望ましい。もし、フランジ２１の板厚が１．０ｍｍを超える場合には、レーザーがスタットボルト２のフランジ２１に入射した点で、熱容量が大きく変化し、目視可能な歪が発生するためである。

本実施の形態１によると、レーザーの溶接熱で発生した歪は、徐々に変化することとなる。このため、発生した歪は、目視不可となり、意匠性を損なうことなく、化粧材１にスタットボルト２を溶接することが可能となる。

また、スタットボルト２のフランジ２１内で溶接を開始する場合には、フランジ２１の径バラツキを考慮し、フランジ２１の外周よりも１ｍｍ程度内側で溶接を開始／終了させる必要がある。このため、溶接長が必然的に減少してしまう。

これに対して、本実施の形態１で説明した溶接方法を適用する場合には、スタットボルト２のフランジ２１の径バラツキを考慮する必要がない。このため、フランジ２１の全長にわたり溶接可能となり、溶接強度を向上させることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、フランジ２１内で１回目の溶接を行って歪の大きさを計測し、その計測結果から本レーザー出力の値を適切な値に設定した後に、２回目の溶接として、先の実施の形態１で説明した溶接手順を実行する場合について説明する。

図３は、本発明の実施の形態２に係る化粧材のレーザー溶接方法による１回目の溶接を説明するための斜視図である。また、図４は、本発明の実施の形態２に係る化粧材のレーザー溶接方法による２回目の溶接を説明するための斜視図である。

さらに、図５は、本発明の実施の形態２に係る化粧材のレーザー溶接方法を適用した際の、溶接位置とレーザー出力との関係を示した図である。これら図３〜図５を用いて、本実施の形態２に係る化粧材のレーザー溶接方法を詳細に説明する。

最初に、レーザー溶接ヘッド３は、図３に示すように、スタットボルト２のフランジ２１内に設定された１回目の溶接開始位置Ｐ１１から１回目の溶接終了位置Ｐ１２の間において、１回目のレーザー溶接を実行する。

この１回目のレーザー溶接は、接合強度を維持するための溶接であり、十分なレーザー出力を確保する必要がある。従って、図５に示したように、１回目の溶接において、レーザー溶接ヘッド３は、後述する２回目の溶接よりも大きな本レーザー出力ＬＯ３により、１回目の溶接開始位置Ｐ１１から１回目の溶接終了位置Ｐ１２の間のレーザー溶接を実行する。

次に、溶接作業者は、１回目の溶接を実行した後、化粧材１の意匠面を観察し、歪の大きさを計測する。そして、この歪の計測結果に基づいて、図４に示すように、先の実施の形態１と同様の手順で、２回目のレーザー溶接が実行される。

すなわち、２回目の溶接では、先の実施の形態１と同様に、アップスロープ制御およびダウンスロープ制御が施されることで、溶接開始位置Ｐ２１、本溶接開始位置Ｐ２２、本溶接終了位置Ｐ２３、溶接終了位置Ｐ２４で規定される溶接線４上の溶接が実行される。ここで、２回目の溶接開始位置Ｐ２１、および２回目の溶接終了位置Ｐ２４は、先の実施の形態１と同様に、スタットボルト２のフランジ２１との間に十分な距離を取る必要がある。

また、２回目の溶接における本レーザー出力ＬＯ４は、１回目の溶接後に計測した歪の発生の仕方に応じて、適切な値に変化させることで、より歪を目立たなくすることが可能となる。

つまり、１回目の溶接後の計測結果により、歪が、レーザー出力ＬＯ３から予測される値よりも大きかった場合には、本レーザー出力ＬＯ４として、先の実施の形態１で用いた値よりも大きな出力値を採用する。逆に、歪が、レーザー出力ＬＯ３から予測される値よりも小さかった場合には、本レーザー出力ＬＯ４として、先の実施の形態１で用いた値よりも小さな出力を採用する。

さらに、歪が徐々に変化するように２回目の溶接条件を選択することにより、１回目の溶接痕を修正することができる。このため、２回目の溶接を経た後は、１回目の溶接痕も目視不可の歪となり、意匠性を損なうことのない溶接が可能となる。

また、本実施の形態２によれば、スタットボルト２のフランジ２１の板厚のバラツキおよびレーザー出力のバラツキにより、１回目の溶接で始終端に発生する歪が変化した場合にも、その測定結果に応じて２回目の本レーザー出力を変化させることで、対応可能となる。

また、本実施の形態２では、１回目に本溶接を実施し、その測定結果に基づいて２回目修正溶接を行う場合について説明した。しかしながら、この手順とは逆に、１回目に修正溶接を実施し、２回目に本溶接を実施することによっても、同様の効果が得られる。

以上のように、本発明によれば、スタットボルトのような溶接可能な面積が狭い被溶接部材と化粧材とを接合する際に、以下の手順を採用している。
・スタットボルトのフランジ外側からアップスロープ制御を入れ、溶接を開始する。
・スタットボルトの溶接したい箇所は、本溶接条件で通過させる。
・スタットボルトのフランジ外側では、ダウンスロープ制御しながら、溶接を終了する。

このような溶接方法を採用することにより、溶接開始部／終了部も含め、意匠性を損なわずに、化粧材に対してスタットボルトのような溶接可能な面積が狭い被溶接部材をレーザー溶接することが可能となる。

さらに、本溶接と修正溶接の２段階による溶接を行うことにより、板厚のバラツキおよびレーザー出力のバラツキを補償し、意匠性を損なうことのないレーザー溶接が可能となる。

そして、本発明に係るレーザー溶接方法を採用することで、溶接作業後に意匠面の修正を行うといった後工程作業がなくなり、加工費の削減が可能となる。さらに、接着剤、両面テープを使用する必要がなく、材料費を増加させることなく、適切なレーザー溶接を実現することができる。

なお、上述した実施の形態１、２では、板材である化粧材１上に、前記被溶接部材であるスタットボルト２を仮置きした後、レーザー溶接ヘッド３を溶接経路に沿って移動させる場合について説明した。しかしながら、本発明は、このような構成には限定されず、レーザー溶接ヘッド３を移動させる代わりに、スタットボルト２が仮置きされた化粧材を移動させることで溶接経路に沿ったレーザー溶接を実施することも可能である。また、いずれか一方を固定する代わりに、両者を相対的に移動させることによっても、同様の効果を実現できる。

１化粧材（板材）、２スタットボルト（被溶接部材）、３レーザー溶接ヘッド、４溶接線、５１回目の溶接線、２１スタットボルトのフランジ、１０１レーザー出力上昇度、１０２レーザー出力下降度、Ｐ１溶接開始位置、Ｐ２本溶接開始位置、Ｐ３本溶接終了位置、Ｐ４溶接終了位置、Ｐ１１１回目の溶接開始位置、Ｐ１２１回目の溶接終了位置、Ｐ２１２回目の溶接開始位置、Ｐ２２２回目の本溶接開始位置、Ｐ２３２回目の本溶接終了位置、Ｐ２４２回目の溶接終了位置、ＬＯ１本レーザー出力、ＬＯ２初期レーザー出力、ＬＯ３１回目本レーザー出力、ＬＯ４２回目本レーザー出力。

Claims

板材に被溶接部材をレーザー溶接にて固定するレーザー溶接方法であって、
前記板材上に前記被溶接部材を仮置きする部材仮置き工程と、
前記被溶接部材を前記板材にレーザー溶接する際に、前記板材上の溶接開始位置を始点として、前記被溶接部材の一端部および前記被溶接部材の他端部を経由し、前記板材上の溶接終了位置を終点とする溶接経路に沿ってレーザー溶接を実施する溶接工程と
を有し、
前記溶接工程は、
前記溶接開始位置から前記被溶接部材の一端部までの溶接経路においては、レーザー出力を、前記溶接開始位置における初期レーザー出力から徐々に高くしていき、前記被溶接部材の一端部であらかじめ設定された本レーザー出力まで上げるアップスロープ制御により溶接を実施する溶接開始工程と、
前記被溶接部材の一端部から前記被溶接部材の他端部までの溶接経路においては、レーザー出力を前記本レーザー出力に維持して溶接を実施する本溶接工程と、
前記被溶接部材の他端部から前記溶接終了位置までの溶接経路においては、レーザー出力を、前記被溶接部材の他端部における前記本レーザー出力から徐々に低くしていき、前記溶接終了位置で前記初期レーザー出力まで下げるダウンスロープ制御により溶接を実施する溶接終了工程と
を有するレーザー溶接方法。
前記溶接工程は、
前記被溶接部材の前記溶接経路上に規定された１回目の溶接開始位置と１回目の溶接終了位置との間の本溶接経路において、前記本レーザー出力よりも高いレーザー出力を用いて１回目の溶接を実施する第１回溶接工程と、
前記溶接経路にわたって、前記溶接開始工程、前記本溶接工程、前記溶接終了工程による２回目の溶接を実施する第２回溶接工程と
を有する請求項１に記載のレーザー溶接方法。
前記第２回溶接工程は、前記第１回溶接工程により発生した善意板材の歪み量に応じて前記本溶接工程で用いる本レーザー出力を再設定し、前記溶接開始工程、前記本溶接工程、前記溶接終了工程による２回目の溶接を実施する
請求項２に記載のレーザー溶接方法。