JP2007196256A - レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】めっき処理された板材のレーザ溶接に必要な適正隙間を確保することができ、溶接欠陥を防止することができるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】隙間を隔てて対向する少なくとも２枚の板材２１、２２に、対向方向の一方からレーザビームＬを照射して溶接接合するレーザ溶接装置１であって、接合対象となる各板材２１、２２に形成された挿入穴部３１、３２が連通するよう板材２１、２２を対向配置した状態で、対向する一方の板材２１の挿入穴部３１から隙間規制部４１を挿入し、他方の板材２２の対向面にその一部を突き当てることにより、対向する板材２１、２２間の隙間Ｓを規制する隙間規制治具４０が備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関し、更に詳細には、隙間を隔てて対向する少なくとも２枚の板材に、対向方向の一方からレーザビームを照射して溶接接合するレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関する。

自動車の車体パネルには防錆性が要求されるので、通常、亜鉛めっき鋼板が用いられている。近年、車体の剛性向上や軽量化を目的として、スポット溶接に代わりレーザ溶接が採用されている。

亜鉛の沸点（約９００℃）は、鉄の融点（約１５００℃）よりも低い。したがって、車体パネルのように２枚以上の亜鉛めっき鋼板を重ねてレーザ溶接する場合、亜鉛めっき層が急激に蒸発しガス化して溶融池を吹き飛ばすので、ポロシティや溶着不良などの溶接欠陥が生じ易い。

溶接ビードを通して亜鉛ガスの吹き出しを抑制するには、鋼板間に適正な隙間を設けて、この隙間を通して発生ガスを逃がすことが有効である。鋼板間の隙間量としては０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度が好ましい。

従来、レーザ溶接する鋼板間に隙間を設定するには、例えば特許文献１のように、鋼板にエンボス加工により凹凸形状を付し、鋼板間に隙間を形成していた。この隙間を大きく設定し過ぎると鋼板が溶着しないため、ピンやローラなどの隙間矯正治具を用いて鋼板の突起と隙間を管理していた。

また、例えば特許文献２のように、鋼板にレーザ光を照射して溶融池を作り、そこにガスを吹き付けて溶融池の周りに溶融金属を押し出して環状凸部を形成することがなされていた。
特開２００１−１６２３８８号公報 特開平１１−４７９６７号公報

しかし、特許文献１のエンボス加工による凸部形成においては、プレス加工によるエンボス高さのばらつきや、パネル単体精度のばらつきなどにより、接合に適正な隙間を確保することが難しく、結果として溶接品質が低下していた。また、上下型の凹凸の位置合わせが困難であり、０．１〜０．５ｍｍ程度の適正な凸部を作り出すことが難しい。特に、車体パネル等の鋼板の剛性が高いときには、適正な隙間を制御できず、凸部の寸法管理が難しい。

また、ピンやローラなどの隙間矯正治具を採用しても適正な隙間を管理することは困難であった。特に、板組が３枚以上ある部位では、各鋼板間の隙間を確保するのが難しく、ポロシティや溶着不良などの溶接欠陥が発生し易い。

特許文献２のレーザスポットによる環状の凸部形成においては、凸部の形成もレーザ照射により行うため、加工費が増大する。また、１点ずつスポット照射して凸部を形成するので、加工時間が掛かってしまう。

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、その目的は、めっき処理された板材のレーザ溶接に必要な適正隙間を容易に確保することができ、溶接欠陥を防止することができるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るレーザ溶接装置は、隙間を隔てて対向する少なくとも２枚の板材に、対向方向の一方からレーザビームを照射して溶接接合するレーザ溶接装置において、接合対象となる各板材に形成された挿入穴部が連通するよう板材を対向配置した状態で、対向する一方の板材の挿入穴部から隙間規制部を挿入し、他方の板材の対向面にその一部を突き当てることにより、対向する板材間の隙間を規制する隙間規制治具が備えられていることを特徴とする。

本発明によれば、挿入穴部が連通するよう板材を対向配置した状態で、対向する一方の板材の挿入穴部から隙間規制治具の隙間規制部を挿入し、他方の板材の対向面に隙間規制部の一部を突き当てることにより、対向する板材間の隙間を規制している。したがって、めっき処理された板材などのレーザ溶接に必要な適正隙間を容易に確保することができ、溶接欠陥を防止することができる。

以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明するが、本発明は本実施形態に限るものではない。

〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態のレーザ溶接装置を示す外観図である。図示するように、本実施形態のレーザ溶接装置１は、隙間を隔てて対向する少なくとも２枚の板材に、対向方向の一方からレーザビームＬを照射して溶接接合する装置である。このレーザ溶接装置１には、屈曲及び回動可能な多間接のロボットアーム２が備えられており、このロボットアーム２の先端には集光装置１０が備えられている。この集光装置１０には、レーザ発振器（不図示）により励起、増幅されたレーザビームＬを該集光装置１０へと伝達するファイバケーブル３が接続されている。

集光装置１０はレンズボックスであり、その外箱部１１は中空円柱状を呈しており、その長手方向基端部（上端部）には該外箱部１１内に臨ませてファイバケーブル３の先端が挿入されている。また、この外箱部内には、その長手方向に所定の間隔を隔てて一対のレンズホルダ（不図示）が配されている。例えば、一方のレンズホルダが固定ホルダとして構成され、該固定側レンズホルダにはコリメーションレンズ１２が保持される。このコリメーションレンズ１２は、上記レーザ発振器からファイバケーブル３を介して伝達されてきたレーザビームＬａを入射して平行ビームＬｂを出射する光学系である。また、他方のレンズホルダは可動ホルダとして構成され、該可動側レンズホルダにはフォーカスレンズ１３が保持される。このフォーカスレンズ１３は、上記コリメーションレンズ１２から出射された平行ビームＬｂを入射して出射側の光軸に集束ビームＬｃとして集束させる光学系であり、この集束ビームＬｃによって溶接接合を行う。なお、図１（Ｂ）において、Ｗは溶接部である。

なお、本実施形態では、他のレーザに比べて大きな出力が得られる固体レーザを用いることが好ましく、たとえば、ファイバケーブル３を介して伝達可能なＹＡＧレーザ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）などを用いるが、これに限定されない。

溶接対象となる板材としては、たとえば、自動車の車体パネルなどの鋼板が挙げられる。車体パネルはプレス成型品の２枚以上の鋼板により構成され、防錆性を確保するために亜鉛めっきが施されている。したがって、溶接熱によって蒸発する亜鉛ガスを逃がすために、対向する板材間に所定の隙間を隔てることが有効である。板材間の隙間量としては０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度が好ましい。この隙間Ｓが０．５ｍｍを超えると、溶接部が接合し難い。他方、隙間Ｓが０．１ｍｍ未満であると亜鉛ガスを逃がし難くなり、溶接ビードを通して亜鉛ガスが吹き出すため、隙間量を０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に管理することが好ましい。

第１の実施形態は、対向する２枚の板材２１、２２を溶接接合する態様であり、接合対象となる各板材２１、２２には挿入穴部３１、３２が形成されている。そして、本実施形態のレーザ溶接装置１には、対向する板材２１、２２間の隙間を規制する隙間規制治具４０が備えられている。この隙間規制治具４０は、上記挿入穴部３１、３２に挿入する隙間規制部４１を備えている。すなわち、隙間規制治具４０は、各板材２１、２２の挿入穴部３１、３２が連通するように板材２１、２２を対向させて配置した状態で、対向する一方の板材（下板）２１の挿入穴部３１から隙間規制部４１を挿入し、他方の板材（上板）２２の対向面２２ａにその一部を突き当てることにより、対向する板材２１、２２間の隙間を規制するようになっている。

第１の実施形態では、隙間規制治具４０はロケートピンを改造することにより形成されている。したがって、図１に示すように、対向する２枚の板材２１、２２を上下から挟み込む把持機構として直方体状のクランプ５１が別個に備えられている。これに限るものではなく、自体に把持機構が備えられていてもよく、この場合には、クランプ５１を改造して隙間規制治具４０を構成してもよい。

図２は、図１（Ａ）の一部を拡大して隙間規制治具４０の外観形状を示す模式図である。図示するように、隙間規制治具４０の挿入側には隙間規制部４１が形成され、この隙間規制部４１は、挿入方向へ向けて段階的に縮径した複数の段部６０を有する段付き規制部として形成されている。第１の実施形態における隙間規制治具４０では、段付き規制部４１として第１段部（基部）６１、第２段部６２および第３段部６３が形成されており、第１段部６１の平面部を基準とした第２段部６２の高さｈは、たとえば、０．１〜０．５ｍｍ＋ｔ（ｔ＝下板の板厚）に設定されている。

図１および図２に示すように、板材２１、２２を対向させて配置した状態で、各板材２１、２２の挿入穴部３１、３２を貫通するように、隙間規制治具４０の段付き規制部４１を挿入する。したがって、下板２１の挿入穴部３１は第２段部６２の径Ｄよりも若干大きく形成されており、上板２２の挿入穴部３２は第３段部６３の径ｄよりも若干大きく形成されている。すなわち、各板材２１、２２の挿入穴部３１、３２に隙間規制治具４０の段付き規制部４１を挿入すると、上板２２の挿入穴部３２に第３段部６３が挿入されるとともに、下板２１の挿入穴部３１に第２段部６２が挿入される。これと同時に、上板２２の対向面（下面）に第２段部６２の平面部が当接されるとともに、下板２１の非対向面（下面）に第１段部６１の平面部が当接されることになる。

このような挿入状態で隙間規制治具４０を下板２１に押し当て、クランプ５１で下板２１と上板２２とを挟持することにより、板材２１、２２の板厚方向の位置が規制され、下板２１と上板２２との間には、上記第２段部６２の高さｈから下板の板厚ｔを差し引いた値（０．１〜０．５ｍｍ）の所望の隙間Ｓが確保される。また、下板２１の面方向の位置は第２段部６２の挿通により規制され、上板２２の面方向の位置は第３段部６３の挿通により規制されことになる。そして、本実施形態のレーザ溶接装置１は、上記隙間規制治具４０によって隙間Ｓを規制した部位の近傍を溶接接合する。

このように第１の実施形態によれば、挿入穴部３１，３２が連通するよう板材２１、２２を対向配置した状態で、対向する一方の板材２１の挿入穴部３１から隙間規制治具４０の隙間規制部４１を挿入し、他方の板材２２の対向面に隙間規制部４１の一部（第２段部６２）を突き当てることにより、対向する板材２１、２２間の隙間Ｓを規制している。したがって、亜鉛めっき鋼板などのレーザ溶接に必要な適正な隙間Ｓを容易に確保することができ、溶接欠陥を防止することができる。また、板材２１、２２として車体パネルを想定した場合に、パネルの単体精度に関係なく、隙間規制治具４０によりパネル間の隙間Ｓを一定間隔に設定することができる。さらに、従来のように、プレス加工により凹凸形状を有するエンボス型を作成する必要がない。

〔第２の実施形態〕
図３は、第２の実施形態のレーザ溶接装置７１を示す模式図である。図３では、集光装置を省略図示している。図示するように、第２の実施形態のレーザ溶接装置７１は、基本的に第１の実施形態のレーザ溶接装置１と同様の構成を有するが、第２の実施形態のレーザ溶接装置７１では、特に隙間規制治具４０に板材吸着手段７２が備えられている。この板材吸着手段７２は、隙間規制治具４０に内蔵してもよく、あるいは隙間規制治具側に別個の手段として備えていてもよいが、隙間規制治具側の板材２１を該治具４０の周囲において吸着することが好ましい。板材吸着手段７２としては、たとえば、真空引き装置等のエアー吸引手段や、永久磁石や電磁石などが挙げられる。また、板材吸着手段７２は、板材２１、２２を挟持するクランプに代えて設けてもよく、あるいはクランプと併用してもよい。

本実施形態のレーザ溶接装置７１は、基本的に第１の実施形態のレーザ溶接装置１と同様の作用効果を奏するが、第２の実施形態では、隙間規制治具側からエアー吸引手段等の板材吸着手段７２で下板２２を吸着することにより、下板２１を第１段部（基部）６１の平面部に密着させて、下板所望の隙間Ｓを確保することができる。

〔第３の実施形態〕
図４は、第３の実施形態のレーザ溶接装置８１を示す模式図である。図４では、集光装置を省略図示している。図示するように、第３の実施形態のレーザ溶接装置８１は、第１の実施形態のレーザ溶接装置１と隙間規制治具４０の形状が異なっている。第３の実施形態における隙間規制治具４０は、その挿入側に挿入方向へ向けて段階的に縮径した２段の段部６０を有する段付き規制部４１が形成されている。すなわち、第３の実施形態における隙間規制治具４０では、段付き規制部４１として第１段部（基部）６１および第２段部６２が形成されており、第１段部６１の平面部を基準とした第２段部６２の高さｈは、たとえば、０．１〜０．５ｍｍ＋ｔ（ｔ＝下板の板厚）に設定されている。この隙間規制治具４０には上記第３段部６３が形成されていないので、上板２２を貫通することなく、第２段部６２の平面部が上板２２に当接する。したがって、上板２２には上記挿入穴部３２が形成されていない。

さらに、隙間規制治具４０の直上において対向するように片側のクランプ８３が設けられており、このクランプ８３は上記隙間規制治具４０とともに板材２１、２２を挟持するように昇降移動可能に装備されている。

本実施形態のレーザ溶接装置８１は、基本的に第１の実施形態のレーザ溶接装置１と同様の作用効果を奏するが、第３の実施形態では、隙間規制治具４０が上板２２を貫通しないので、外観を構成するパネルなどのように、上記挿入穴部３２開けることができない部位への適用が可能である。

〔第４の実施形態〕
図５は、第４の実施形態のレーザ溶接装置９１を示す模式図である。図５では、集光装置を省略図示している。図示するように、第４の実施形態では、隙間規制治具４０の挿入側に位置する板材（下板）２１の上記挿入穴部３１の周囲にバーリング加工９２が施されている。バーリング加工９２により、下板２１に形成された挿入穴部３１の周囲の部分が対向板（上板）２２へ向けて***している。

なお、第４の実施形態のレーザ溶接装置９１には、第１の実施形態と同形状の隙間規制治具４０が備えられている。すなわち、隙間規制治具４０の挿入側には、挿入方向へ向けて段階的に縮径した３段の段部６０を有する段付き規制部４１が形成され、この段付き規制部４１は第１段部（基部）６１、第２段部６２および第３段部６３を有している。第２段部６２の高さｈは、第１段部６１の平面部を基準として、たとえば、０．１〜０．５ｍｍ＋ｔ（ｔ＝下板の板厚）に設定されている。

さらに、隙間規制治具４０の直上において対向するように片側のクランプ９３が設けられている。このクランプ９３は、隙間規制治具４０の第３段部６３の周囲を囲むように上板２２を押圧する有頭円筒体状の部材であり、上記隙間規制治具４０とともに板材２１、２２を挟持するように昇降移動可能に装備されている。

本実施形態のレーザ溶接装置９１は、基本的に第１の実施形態のレーザ溶接装置１と同様の作用効果を奏するが、第４の実施形態では、上記クランプ９３等を用いて上板２２を下板側へ押圧することにより、バーリング加工９２した部分が塑性変形して下板２１を隙間規制治具４０の第１段部（基部）６１の平面部に押さえ付け、当該下板２１の位置を規制して、板材２１、２２間に所望の隙間Ｓを確保することができる。

〔第５の実施形態〕
図６は、第５の実施形態のレーザ溶接装置１０１を示す模式図である。図６では、集光装置を省略図示している。図示するように、第５の実施形態では、３枚の板材２１、２３、２２を溶接接合する態様であり、隙間規制治具４０の形状が第１の実施形態のレーザ溶接装置１と異なっている。すなわち、隙間規制治具４０の挿入側には、隙間規制部４１として、挿入方向へ向けて段階的に縮径した４段の段部６０を有する段付き規制部が形成されている。この段付き規制部４１は、第１段部（基部）６１、第２段部６２、第３段部６３および第４段部６４を有している。第２段部６２の高さｈ１は、第１段部６１の平面部を基準として、たとえば、０．１〜０．５ｍｍ＋ｔ（ｔ＝下板の板厚）に設定されている。また、第３段部６３の高さｈ２は、第２段部６２の平面部を基準として、たとえば、０．１〜０．５ｍｍ＋ｔ（ｔ＝下板の板厚）に設定されている。

図６に示すように、３枚の板材２１、２３、２２を対向させて配置した状態で、各板材２１、２３、２２の挿入穴部３１、３３、３２を貫通するように、隙間規制治具４０の段付き規制部４１を挿入する。したがって、下板２１の挿入穴部３１は第２段部６２の径よりも若干大きく形成され、中板２３の挿入穴部３３は第３段部６３の径よりも若干大きく形成されており、さらに上板２２の挿入穴部３２は第４段部６４の径よりも若干大きく形成されている。すなわち、各板材２１、２３、２２の挿入穴部３１、３３、３２に隙間規制治具４０の段付き規制部４１を挿入すると、上板２２の挿入穴部３２に第４段部６４が、中板２３の挿入穴部３３に第３段部６３が、および下板２１の挿入穴部３１に第２段部６２がそれぞれ挿入される。これと同時に、上板２２の対向面（下面）に第３段部６３の平面部が、中板２３の下面に第２段部６２の平面部が、および下板２１の非対向面（下面）に第１段部６１の平面部がそれぞれ当接されることになる。

なお、第５の実施形態では、隙間規制治具４０の段付き規制部４１を３段の段部６０に形成し、第４段部６４を設けずに第３段部６３の平面部を上板２２の対向面（下面）に当接させるように構成してもよい。また、第３および第４の実施形態のように、隙間規制治具４０の直上に上板２２を押圧するクランプを設けてもよい。さらに、第４の実施形態のように、下板２１の挿入穴部３１および中板２３の挿入穴部３３の周囲に、バーリング加工を施しても構わない。

本実施形態のレーザ溶接装置１０１は、基本的に第１の実施形態のレーザ溶接装置１と同様の作用効果を奏するが、第５の実施形態では、下板２１の面方向の位置は第２段部６２の挿通により規制され、中板２２の面方向の位置は第３段部６３の挿通により規制され、さらに上板２２の面方向の位置は第４段部６４の挿通により規制されことになる。また上記隙間規制治具４０の挿入して下板２１に押し当てることにより、また、必要に応じてクランプ等により上板２２を押圧することにより、板材２１、２３、２２の板厚方向の位置が規制され、下板２１と中板２３との間、中板２３と上板２２との間には所望の隙間Ｓを確保することができる。

〔第６の実施形態〕
図７は、第６の実施形態のレーザ溶接装置１１１を示す模式図である。図７では、集光装置を省略図示している。図示するように、第６の実施形態では、隙間規制治具４０を上側クランプにより形成し、板材２１、２２の上方に昇降可能に設けられている。したがって、隙間規制治具４０の隙間規制部４１は下向きに設けられ、上板２２にのみ挿入穴部３２が形成されている。そして、降下する隙間規制治具４０の挿入側に位置する板材（上板）２２の挿入穴部３２の周囲には、バーリング加工９２が施されている。このバーリング加工９２により、上板２２に形成された挿入穴部３２の周囲の部分が対向板（下板）２１へ向けて突設している。

この隙間規制治具４０の挿入側（下部）には、隙間規制部４１として、挿入方向へ向けて段階的に縮径した２段の段部６０を有する段付き規制部が形成されている。この段付き規制部４１は、第１段部（基部）６１およびピン状の第２段部６２を有している。第２段部６２の高さｈは、第１段部６１の平面部を基準として、たとえば、０．１〜０．５ｍｍ＋ｔ（ｔ＝下板の板厚）に設定されている。なお、バーリング加工９２が施された状態で、上板２２の挿入穴部３２は、第２段部６２の径よりも若干大きく形成されている。

また、上記隙間規制治具４０には、下方へ向けて突設したバーリング加工部を加熱する加熱手段１０２が備えられている。この加熱手段１０２は、たとえば、加熱コイルにより形成されており、本実施形態では、隙間規制治具４０の本体の挿入側部分に内蔵されている。

さらに、隙間規制治具４０の直下において対向するように下側クランプ１０３が設けられており、このクランプ１０３は上記隙間規制治具４０とともに板材２１、２２を挟持するように昇降移動可能に装備されている。

次に、第６の実施形態における隙間制御の作用を説明する。

図８は、挿入穴部３２に挿入を開始した状態の隙間規制治具４０を示す模式図である。図９は、挿入穴部３２に挿入途中の状態の隙間規制治具４０を示す模式図である。図１０は、挿入穴部３２に挿入を完了した状態の隙間規制治具４０を示す模式図である。図８から図１０では、集光装置を省略図示している。

まず、挿入穴部３２は上板２２の溶接部Ｗの近傍に形成され、該挿入穴部３２の周囲にバーリング加工９２が施される。図７に示した初期状態において、上記挿入穴部３２を形成した上板２２の上方に、上側クランプである隙間規制治具４０を設定するとともに、該隙間規制治具４０の直下に対向し、下板２１を支持するように下側クランプ１０３を設定する。

図８に示すように、上板２２の挿入穴部３２に隙間規制治具４０のピン状の第２段部６２の挿入が開始される。図９に示すように、隙間規制治具４０の第１段部（基部）の平面部が上板２１の上面に当接して、バイリング加工部の基部が押されることにより、バーリング加工部が図８中破線で示すように塑性変形し始める。そのまま、隙間規制治具４０を降下させると、バーリング加工部の塑性変形が進み、ついには図１０に示すように、塑性変形したバーリング加工部が下板２１の対向面（上面）に突き当たることにより、隙間Ｓが確保されることになる。すなわち、隙間量の制御は、隙間規制治具４０の第２段部６２の高さｈにより制御される。

上板２２の材料強度が高く、図９に示したような塑性変形が起こり難い場合には、隙間規制治具４０に加熱手段１０２を内蔵しているので、上板２２の挿入穴部３２の周囲に形成したバーリング加工部を瞬間的に加熱することにより、上板２２を構成する材料を軟化させて塑性変形を促進させることができる。したがって、加熱手段１０２による加熱によってバーリング加工部を下板２１の対向面（上面）に容易に突き当てることができ、所望の隙間Ｓを確保することができる。

このように、上板２２の挿入穴部３２の周囲に形成したバーリング加工部が隙間規制治具４０を挿入操作するだけで容易に塑性変形し、該バーリング加工部が下板２１の上面に突き当たることにより隙間Ｓを制御するので、従来のエンボス加工のように上下の凹凸形状の位置合わせが不要である。

また、図１１において、（Ａ）は上板２２にバーリング加工９２を施した挿入穴部３２を周期的に配した場合の斜視図であり、（Ｂ）はその断面図である。図示するように、上板２１にバーリング加工９２を施した挿入穴部３２を周期的に、あるいは散点的に配置することにより、バーリング加工部がリブの働きをし、その近傍で行ったレーザ溶接部Ｗと相まって、更なる剛性の向上に繋がる。従来のエンボス加工により同じ効果を狙うと、エンボス加工部の先端において点溶接となる。これに対し第６の実施形態では、バーリング加工部が円環状に下板２１に接触するので、点溶接よりも接触面積が大きく、更なる剛性の向上が期待できる。

なお、第６の実施形態では、上板２２にバーリング加工９２を施した挿入穴部３２を形成し、上側クランプとしての隙間規制治具４０を挿入穴部３２に挿入して降下させているが、これに限るものではなく、第４の実施形態のように、下板２１にバーリング加工９２を施した挿入穴部を形成し、下側クランプとしての隙間規制治具４０を挿入穴部に挿入して上昇させるように構成してもよい。

〔第７の実施形態〕
図１２は、第７の実施形態のレーザ溶接装置１２１を示す模式図である。図１３において、（Ａ）は隙間規制治具４０の平面図、（Ｂ）は隙間規制治具４０の正面図である。図示するように、第７の実施形態では、隙間規制治具４０の挿入側には、隙間規制部４１として、挿入方向へ向けて段階的に縮径した３段の段部６０を有する段付き規制部が形成されている。この段付き規制部４１は、円形状の第１段部（基部）６１、非真円形状の第２段部６２および非真円形状の第３段部６３を有している。第２段部６２の高さｈ１は、第１段部６１の平面部を基準として、たとえば、０．１〜０．５ｍｍ＋ｔ（ｔ＝下板の板厚）に設定されている（図１４参照）。また、第３段部６３の高さｈ２は、第２段部６２の平面部を基準として、たとえば、０．１〜０．５ｍｍ＋ｔ（ｔ＝下板の板厚）に設定されている。すなわち、段付き規制部４１の挿入段部である第２段部６２および第３段部６３は、楕円形状や長円形状等の非真円形状を有している。また、非真円形状の段部６２、６３の周縁部には、その縁部へ向けて順次拡径する逆テーパ部１２２が形成されている。

第７の実施形態は、３枚の板材２１、２３、２２を溶接接合する態様である。下板２１には非真円形状の第２段部６２が挿入される該段部６２に対応する形状の挿入穴部３１が形成され、この挿入穴部３１は第２段部６２の逆テーパ部１２２よりも若干大きく形成されている。また、中板２３には非真円形状の第３段部６３が挿入される該段部６３に対応する形状の挿入穴部３３が形成され、この挿入穴部３３は第３段部６３の逆テーパ部１２２よりも若干大きく形成されている。すなわち、下板２１および中板２３の挿入穴部３１、３３に隙間規制治具４０の段付き規制部４１を挿入すると、中板２３の挿入穴部３３に第３段部６３が挿入されるとともに、下板２１の挿入穴部３１に第２段部６２が挿入される。これと同時に、上板２２の対向面（下面）に第３段部６３の平面部が、中板２３の下面に第２段部６２の平面部が、および下板２１の非対向面（下面）に第１段部６１の平面部がそれぞれ当接されることになる。

図１４は、段付き規制部４１の挿入段部の径と板材２１、２３の挿入穴部３１、３３の径の寸法記号を示す模式図である。図１４に基づいて、段付き規制部４１の挿入段部（第２段部および第３段部）の径と板材２１、２３の挿入穴部３１、３３の径との関係は以下のように設定する。

すなわち、段付き規制部４１の挿入段部の径と板材２１、２３の挿入穴部３１、３３の径との関係は、ｄ０＜Ｄ１、Ｄ１＜ｄ１＜Ｄ２、Ｄ２＜ｄ２である。

また、段付き規制部４１の挿入段部の高さと板材２１、２３の板厚との関係は、ｔ１＋０．３＜ｈ１＜ｔ１＋０．５、ｔ２＋０．３＜ｈ２＜ｔ２＋０．５である。

さらに、隙間規制治具４０の直上において対向するように上側クランプ１２３が設けられており、このクランプ１２３は上記隙間規制治具４０とともに板材２１、２３、２２を挟持するように昇降移動可能に装備されている。

図１５は、第７の実施形態のレーザ溶接装置１２１を車体パネルの溶接に応用する場合の溶接治具例を示す模式図である。図示例の車体パネルは下板２１と上板２２との２枚接合の態様であり、プレス加工された車体パネルが基台１２４上に起立させて設けられた複数のパネルセット治具１２５、１２６、１２７上に載置されている。これらパネルセット治具１２５、１２６、１２７は、車体パネルの形状に合わせて設計されている。車体パネルの下板２１と上板２２とが対向する部分には、下部に隙間規制治具４０が昇降可能に配置され、その直上を押圧するように上側クランプ１２３が回動可能に配置されている。これら隙間規制治具４０と上側クランプ１２３とで板材２１、２２を挟持する近傍にレーザビームＬを集束させて溶接するようになっている。

次に、図１６を用いて、第６の実施形態のレーザ溶接装置における作用を説明する。図１６において、（Ａ）は隙間規制治具４０の挿入前の状態を示す模式図、（Ａ）は隙間規制治具４０の挿入後の状態を示す模式図、（Ｃ）は隙間規制治具４０を回動させた状態を示す模式図である。

まず、図１５に示したパネルセット治具１２５、１２６、１２７などの上に各板材２１、２３、２２が対向するように重ねて配置する。その際、下板２１に形成した非真円形状の挿入穴部３１と、中板２３に形成した非真円形状の挿入穴部３３とが連通するように、各板材２１、２３、２２を対向させて配置する。そして、図１６（Ａ）に示すように、これら挿入穴部３１、３３の下部に隙間規制治具４０を芯出し配置するとともに、その直上に対向するように上板２２を押圧する上側クランプ１２３を配置する。

次に、図１６（Ｂ）に示すように、隙間を隔てて重ね合わせた各板材２１、２３、２２の挿入穴部３１、３３に隙間規制治具４０の段付き規制部４１を挿入する。挿入穴部３１、３３に挿入段部である第２段部６２および第３段部６３を挿入すると、中板２３の挿入穴部３３に第３段部６３が挿入されるとともに、下板２１の挿入穴部３１に第２段部６２が挿入される。これと同時に、上板２２の対向面（下面）に第３段部６３の平面部が、中板２３の下面に第２段部６２の平面部が、および下板２１の非対向面（下面）に第１段部６１の平面部がそれぞれ当接されることになる。なお、この状態において、上側クランプ１２３は、上板２２の上面を押圧している。

その後、図１６（Ｃ）に示すように、たとえば、隙間規制治具４０を右回りに回動させて、その第２段部６２および第３段部６３の上縁部の逆テーパ部１２２を板材２１、２３、２２の間に食い込ませ、下板２１と中板２３との間、および中板２３と上板２２との間に所望の隙間Ｓを確保する。

このように第７の実施形態のレーザ溶接装置１２１によれば、挿入穴部３１、３３に隙間規制治具４０の第２段部６２および第３段部６３を挿入しただけでは、板材２１、２３、２２の隙間Ｓを確実に確保できない場合に、非真円形状の第２段部６２および第３段部６３を回動させることで、逆テーパ部１２２が下板２１と中板２３との間、および中板２３と上板２２との間に食い込ませ、板材２１、２３、２２を各段の段部６１、６２、６３の平面部まで押し下げることで、所望の隙間Ｓを確実に発生させることができる。このように、３枚接合の板材２１、２３、２２であっても、下板２１と中板２３との間、および中板２３と上板２２との間に確実に適正な隙間Ｓを確保することができるので、ポロシティの発生を抑えることができ、板材間の隙間が大きくなって未溶着が発生するのも防止することができる。

また、段部の段数を増加させれば、２枚や３枚に限らず４枚以上の板組みにも対応させることができる。

本発明に係るレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法は、亜鉛鋼板を採用する自動車の車体パネルの溶接接合に適するが、自動車の分野のみならず、めっき等の表面処理を施した板材の接合に広く適用することができる。

第１の実施形態のレーザ溶接装置を示す外観図である。 図１（Ａ）の一部を拡大して隙間規制治具の外観形状を示す模式図である。 第２の実施形態のレーザ溶接装置を示す模式図である。 第３の実施形態のレーザ溶接装置を示す模式図である。 第４の実施形態のレーザ溶接装置を示す模式図である。 第５の実施形態のレーザ溶接装置を示す模式図である。 第６の実施形態のレーザ溶接装置を示す模式図である。 挿入穴部に挿入を開始した状態の隙間規制治具を示す模式図である。 挿入穴部に挿入途中の状態の隙間規制治具を示す模式図である。 挿入穴部に挿入を完了した状態の隙間規制治具を示す模式図である。 （Ａ）は上板にバーリング加工を施した挿入穴部を周期的に配した場合の斜視図であり、（Ｂ）はその断面図である。 第７の実施形態のレーザ溶接装置を示す模式図である。 （Ａ）は隙間規制治具の平面図、（Ｂ）は隙間規制治具の正面図である。 段付き規制部の挿入段部の径と板材の挿入穴部の径における寸法記号を示す模式図である。 第７の実施形態のレーザ溶接装置を車体パネルの溶接に応用する場合の溶接治具例を示す模式図である。 （Ａ）は隙間規制治具の挿入前の状態を示す模式図、（Ａ）は隙間規制治具の挿入後の状態を示す模式図、（Ｃ）は隙間規制治具を回動させた状態を示す模式図である。

符号の説明

１ 第１の実施形態のレーザ溶接装置、
２ ロボットアーム、
３ ファイバケーブル、
１０ 集光装置、
１１ 外箱部、
１２ コリメーションレンズ、
１３ フォーカスレンズ、
Ｌ（Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ） レーザビーム、
Ｗ 溶接部、
Ｓ 隙間、
２１ 板材（下板）、
２２ 板材（上板）、
２３ 板材（中板）、
３１、３２、３３ 挿入穴部、
４０ 隙間規制治具、
４１ 隙間規制部（段付き規制部）、
５１ クランプ、
６０ 段部、
６１ 第１段部（基部）
６２ 第２段部、
６３ 第３段部、
６４ 第４段部、
ｈ（ｈ１、ｈ２） 段部の高さ、
ｔ（ｔ１、ｔ２） 板厚、
Ｄ 第２段部の径、
ｄ 第３段部の径、
７１ 第２の実施形態のレーザ溶接装置、
７２ 板材吸着手段、
８１ 第３の実施形態のレーザ溶接装置、
８３ クランプ、
９１ 第４の実施形態のレーザ溶接装置、
９２ バーリング加工部、
１０１ 第５の実施形態のレーザ溶接装置、
１０２ 加熱手段、
１０３ 下側クランプ、
１１１ 第６の実施形態のレーザ溶接装置、
１２１ 第７の実施形態のレーザ溶接装置、
１２２ 逆テーパ部、
１２３ クランプ、
１２４ 基台、
１２５、１２６、１２７ パネルセット治具。

Claims (13)

1. 隙間を隔てて対向する少なくとも２枚の板材に、対向方向の一方からレーザビームを照射して溶接接合するレーザ溶接装置において、
   接合対象となる各板材に形成された挿入穴部が連通するよう板材を対向配置した状態で、対向する一方の板材の挿入穴部から隙間規制部を挿入し、他方の板材の対向面にその一部を突き当てることにより、対向する板材間の隙間を規制する隙間規制治具が備えられていることを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 前記隙間規制治具はロケートピンにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記隙間規制治具には把持機構が備えられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記隙間規制治具には板材吸着手段が備えられていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
5. 前記隙間規制治具の挿入側の隙間規制部は、段階的に縮径した複数の段部を有する段付き規制部であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
6. 前記段付き規制部の挿入段部は非真円形状を有し、非真円形状の段部の周縁部には縁部へ向けて順次拡径する逆テーパ部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載のレーザ溶接装置。
7. 前記隙間規制治具の挿入側に位置する板材には、前記挿入穴部の周囲にバーリング加工が施されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置。
8. 前記隙間規制治具には、前記バーリング加工部を加熱する加熱手段が備えられていることを特徴とする請求項７に記載のレーザ溶接装置。
9. 少なくとも２枚の板材を隙間を隔てて対向させ、対向方向の一方からレーザビームを照射して溶接接合するレーザ溶接方法において、
   接合する少なくとも２枚の板材に貫通する挿入穴部を形成し、該挿入穴部が連通するように板材を対向させ、対向する一方の板材の挿入穴部から隙間規制治具の隙間規制部を挿入して、他方の板材の対向面にその一部を突き当てることにより、対向する板間の隙間を規制することを特徴とするレーザ溶接方法。
10. 前記隙間規制部として、段階的に縮径した複数の段部を有する段付き規制部を有する隙間規制治具を用いることを特徴とする請求項９に記載のレーザ溶接方法。
11. 前記段付き規制部の挿入段部を非真円形状に形成するとともに、非真円形状の段部の周縁部に逆テーパ部を形成し、
    前記非真円形状の段部を回転させて逆テーパ部を板材間に挿入することにより、板材間の隙間を設定することを特徴とする請求項１０に記載のレーザ溶接方法。
12. 前記隙間規制治具の挿入側に位置する板材の前記挿入穴部の周囲にバーリング加工を施し、対向する板材をバーリング加工部に押圧することを特徴とする請求項９〜請求項１１のいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。
13. 前記バーリング加工部を加熱手段により加熱することを特徴とする請求項１２に記載のレーザ溶接方法。

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