JP2008043972A - レーザ溶接方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】重ね合わせた複数の板材の間に適正な隙間を形成して、良好に溶接するレーザ溶接方法および装置を提供する。
【解決手段】表面に皮膜を有する鋼板を含む複数の板材３，４を溶接するレーザ溶接方法において、一方の板材３を他方の板材４に対して局部的に接触させ、この接触箇所６から離れた部位において一方の板材３と他方の板材４の少なくともいずれかを押圧し弾性変形させることにより、一方と他方の板材３，４間に接触箇所７の一部から次第に大きくなる隙間７を形成し、この隙間７の領域にてレーザビームを照射して二枚の板材３、４をレーザ溶接する。
【選択図】図３

Description

本発明は、重ね合わせた複数の板材を、その間に積極的に隙間を形成して、良好に溶接するレーザ溶接方法および装置に関し、特にリモートレーザ溶接法で溶接するのに適した技術に関するものである。

量産工程で使用されるレーザ溶接設備は、例えば溶接母機として多自由度の溶接ロボットを用い、その溶接ロボットの先端にレーザ加工ヘッド（溶接トーチ）を持たせる一方、ファイバーケーブルで伝達可能なＹＡＧレーザ等を用いて加工ヘッドから溶接部位に対しレーザ光を照射するようにしたものが主流を占めている。しかし、例えば溶接ポイントが広範囲に点在する場合には加工ヘッドの移動に時間がかかるほか、狭い溝等のように加工ヘッドが干渉するような部位の溶接には対応できないことになる。

そこで、近年に至り、比較的長焦点のレーザ光（レーザビーム）を複数のミラーから成る光偏向光学系により反射させ、その光偏向光学系のミラーの角度を可変制御することにより、レーザ光を瞬時に次の溶接点まで移動させて次なる溶接を施すとともに、溶接点ごとに焦点距離の調整をも可能にしたリモートレーザ（スキャナーレーザ）溶接法と称される技術が注目されている（下記特許文献１、２参照）。

また、一般に、自動車車体（ボディ）のワークとしての亜鉛めっき鋼板に対してレーザ溶接を行う際には、ワーク間の亜鉛層がレーザビームの熱によって蒸発・飛散して溶接欠陥が生じることから、これを防ぐために、鋼板間に適正な隙間を設けて蒸発ガスを排出する手法が用いられる。

この隙間は、エンボスの形で設置することが一般的であり、例えば、一方のめっき鋼板の片側にエンボスを付けて他方のめっき鋼板に重ね、このエンボスの高さにより必要な隙間が作られる（下記特許文献３参照）。

しかし、エンボスの高さを常に一定に加工して、必要な隙間（例えば０．２ｍｍ）を求めることは、非常に困難である。加工の仕方によっては、エンボスにより間隙を作り出せないことがある。また、エンボスの高さと隙間とが１対１の関係で作り出されているため、エンボスの高さのバラツキがそのまま隙間のバラツキになって安定せず、溶接部の強度低下を招くという問題がある。
特開平１０−２１６９８０号公報 特開２００３−１４５２８５号公報（図１） 特開２００１−１６２３８８号公報

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、重ね合わせた複数の板材の間に適正な隙間を形成して、良好に溶接するレーザ溶接方法および装置を提供することにある。

かかる目的を達成するために、本発明のレーザ溶接方法は、表面に皮膜を有した鋼板を含む複数の板材を溶接するレーザ溶接方法において、一方の板材を他方の板材に対して局部的に接触させ、この接触箇所から離れた部位において前記一方の板材と前記他方の板材の少なくともいずれかを押圧し弾性変形させることにより、前記一方と他方の板材間に前記接触箇所の一部から次第に大きくなる隙間を形成し、この隙間の領域にレーザビームを照射して前記複数の板材を溶接する、ことを特徴とする。

また本発明のレーザ溶接装置は、表面に皮膜を有した鋼板を含む複数の板材に向けてレーザビームを照射し、溶接を行うレーザ溶接装置において、頂部が平坦面から成る膨出部が２以上形成された一方の板材を平坦な他方の板材に重ね合わせた状態に保持する保持手段と、前記一方と他方の板材の重ね合わせにより前記膨出部と前記膨出部との間に形成される空洞部において、前記二枚一方の板材と他方の板材の少なくともいずれかの板材を外方から押圧し、これにより前記他方の板材を前記一方の板材に向けて凸に弾性変形させ、前記一方と他方の板材間に、前記膨出部が前記他方の板材に接触する接触箇所の一部から次第に大きくなる隙間を形成する押圧手段と、前記押圧手段が押圧動作する際の移動量を制限し、前記隙間の下限値を規定するストッパー機構と、前記隙間の領域にレーザビームを照射するレーザ装置と、を有する、ことを特徴とする。

本発明のレーザ溶接方法および装置では、隙間を形成したい部位から離れた部位において、接触させた複数の板材の少なくともいずれか一方の板材を押圧し円弧状に弾性変形させて、他の板材から浮かせることにより、弾性変形された板材とこれに隣接する板材との間に、接触箇所の一部から次第に大きくなる隙間を形成する。上記弾性変形された板材がこれに隣接する板材から離れる度合は、板材を押圧する力を加減することにより、容易に調整することができる。従って、溶接部位における複数の板材間に、例えばガス化した亜鉛を外部に放出するための所望の隙間を、安定して且つ容易に形成することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態に係るレーザ溶接装置を図１に示す。２は表面に皮膜を有した鋼板を含む複数の板材から成るワークである。このレーザ溶接装置では、ワーク２は亜鉛めっき鋼板からなる二枚の板材３，４から成り、この二枚の板材３，４が上下に重ね合わされて保持され、レーザ装置からのレーザビーム１により照射されて溶接が行われる。

レーザ装置は、図示してないが、ＹＡＧレーザのレーザ発振器と、６軸のモータにより駆動されるロボットハンドと、その先端に装着された光学ヘッドと、を備えており、光学ヘッドが光ファイバーケーブルにてレーザ発振器と接続され、光学ヘッドから長焦点のレーザビーム１を出射させる構造となっている。また、光学ヘッドの内部には、レーザビーム１の出射方向を偏向する光偏向光学系（スキャナ）が設けられており、これによりレーザビーム１が所定の溶接軌跡に沿って走査されて溶接パターンが描かれる構成になっている。

上記ワーク２としての上下二枚の板材３、４のうち、一方の板材（上側板材）３は、頂部が平坦面から成る膨出部３ａ（図２参照）が２以上形成された亜鉛めっき鋼板であり、他方の板材（下側板材）４は平坦な亜鉛めっき鋼板である。この二枚の板材３、４は、膨出部３ａが内側となるように重ね合わされ、図示してない保持手段により、上側板材３の膨出部３ａが下側板材４に接触した状態に保持される。このとき、上側板材３の膨出部３ａと膨出部３ａとの間と、平坦な下側板材４との間に、台形状の空洞部５が形成される。

レーザ溶接装置は、上記空洞部５において、相対的に下側板材４を上側板材３に向けて押圧して弾性変形させ、二枚の板材３、４間に、膨出部３ａが下側板材４に接触する接触箇所６の一部から次第に大きくなる隙間７を形成する押圧手段とし、板材３，４を外方からクランプするクランプ手段８を備えている。

上記クランプ手段８は、図１から分かるように、下側のゲージ部材９と、揺動可能な上側のクランプ部材１０と、このクランプ部材１０を駆動するエアシリンダ１１とで構成される。上側のクランプ部材１０と下側のゲージ部材９は上下方向から互い向き合うように内側に彎曲し、それぞれの角部で互いに交差し、軸１２で揺動自在に連結されている。すなわち、上側のクランプ部材１０には下端近傍に耳部１３を有し、この耳部１３がゲージ部材９の上段角部に軸１２により枢着されている。またエアシリンダ１１は、ゲージ部材９の中腹に軸１４により枢着され、そのエアシリンダ１１のピストンロッド１５の後端が、上側のクランプ部材１０の後端に軸１６により枢着されている。

かかる構造により、エアシリンダ１１を作動させると、ピストンロッド１５が押し出されて、上側のクランプ部材１０が軸１２の周りに回動し、そのクランプ部材１０の先端が下がって、下側のゲージ部材９との間でワーク２を挟持する。このとき下側のゲージ部材９は、クランプ部材１０からの押圧力の反力として、下側板材４に押圧力を付与し弾性変形させる。なお、ゲージ部材９の作用部１７（ゲージ本体部）は、その高さを調整可能な調整式ゲージとして構成されている。

またゲージ部材９の頂面における軸１２の近傍の部位には、上記押圧手段としてのクランプ部材１０が押圧動作する際の移動量を制限し、隙間７の下限値を規定するストッパー部材１８が所定の高さで設けられ、ストッパー機構を構成している。

図３に、レーザ溶接方法を示す。図３（ａ）は、上側板材３が下側板材４に重ね合わせられ、上側板材３の膨出部３ａ、正確にはその頂部の平坦面が、下側板材４と面的に接触し、且つ膨出部３ａと膨出部３ａとの間に空洞部５が形成された状態を示している。

上記クランプ手段８において、上側のクランプ部材１０は下方への押圧力を上側板材３に付与し、また下側のゲージ部材９はその反力として押し上げ力を下側板材４に付与する。この結果として、上記クランプ手段８は、図３（ｂ）に示すように、上記空洞部５に対応する上側板材３および下側板材４の部位を、上下から互いに干渉する方向に押圧する。すると、単なる平坦板からなる下側板材４は、空洞部５に対応する箇所においては上側板材３よりも腰が弱いため、下側板材４が上側板材３に向けて弾性変形して凸状に湾曲し、上下の板材３、４間に上記接触箇所６の一部から次第に大きくなる隙間７が形成される。

「接触箇所の一部」とは、この実施形態の場合、上側板材３の膨出部３ａの頂部を形成する平坦面の周縁部６ａを意味しており、この周縁部６ａと下側板材４の平坦面との角部を支点として、下側板材４が上側板材３から離れて垂れ下がるように湾曲され、周縁部６ａから次第に大きくなる上記隙間７が形成される。

上記下側板材４を押し上げて弾性変形させる量、つまりゲージ部材９による突き上げ量は、弾性変形させる下側板材４の厚さの５０％〜１５０％とすることが好ましい。その理由として、下側板材４の板厚の１５０％を越えた範囲まで押し上げると、板材間の隙間７が大きくなりすぎ、未溶接状態が発生するからである。また板厚の５０％を下回る押し上げ量では、実質的に隙間７が形成されなくなり、ガス化した亜鉛が外部に放出されず、溶融池を吹き飛ばしてブローホールが発生し、溶接部の強度低下を招くからである。

上述した隙間７の形成法の長所は、二枚の板材３、４の接触箇所６から離れた空洞部５に対応した部位、つまり隙間７を形成したい箇所から離れた部位において、下側板材４を押圧し弾性変形させるので、隙間７を形成したい箇所を直接に押圧する形式に比べ、押圧調整が容易であり、所望の隙間７を安定して形成できる点にある。

このようにしてクランプされたワーク２の板材３，４の溶接部１９にレーザビーム１が照射されてレーザ溶接がなされる。このレーザ溶接の一つ一つは、溶接開始点から溶接終了点に至るループ状でかつ溶接開始点と溶接終了点とが重ならない溶接軌跡に沿ってなされる。ループ状でかつ溶接開始点と溶接終了点とが重ならない溶接軌跡の例は、Ｃ字状、Ｓ字状、丸型などの溶接軌跡であり、これによりＣ型、Ｓ型、丸型などの溶接ビードが形成される。溶接開始点と溶接終了点とを重ねないのは、重ねると溶融して孔が開く場合があるからである。そして、このような溶接ビードを形成するに際し、溶接軌跡のＣ字状などのパターンの溶接面内での向きを、当該溶接軌跡の溶接開始点が板材３，４間の隙間７の小さい方から始まるように設定する。このように設定すると、溶接軌跡の溶接開始点を板材３，４間の隙間７の大きい方から始まるように設定した場合に比べ、より隙間７の広い板材３，４間の溶接ができるようになる。

ここで板材３，４間の隙間７の小さい方から大きい方へ向かってレーザビーム１を移動させるとの条件は、レーザ溶接を開始する時点での溶接方向（溶接開始点での方向性）において大きな意味を持ち、レーザ溶接が開始された後については、全体的に大まかに見て隙間７が小から大の方向に向けて溶接がなされて行けばよい。レーザ溶接は、その溶接開始点においてはまだ溶融部が存在しないためにクラックが入り易く、また溶接終了点においても溶融部が存在しなくなるので窪みや欠陥が生じ易い。しかし、溶接開始点から溶接終了点に至るまでの経過途中においては、レーザ照射位置の周囲に溶融部が存在し、これが流れ出しながら隣接部が溶融するのを助長するので、良品質の溶接が行われる。従って、レーザ溶接が開始された後については、レーザビーム１が、溶接軌跡の途中で、例えば局部的に隙間７の大小関係が逆なるような路程（隙間７が大から小）を経由したとしても、良品質の溶接が確保される。

そこで、レーザ溶接すべき部位における鋼板間の隙間７に大小関係がある場合には、板材間の隙間７の小さい方に溶接開始点を定め、全体的に大まかに見て、隙間７が小から大の方に向けてレーザビーム１を走査して溶接を行う。

なおレーザの種類は、ここではＹＡＧレーザを用いているが、炭酸ガスレーザであってもよい。また、アシストガスとして、ＡｒあるいはＨｅなどの不活性ガスを用いることもできる。また、基本となる溶接法として、ここではレーザビーム１を瞬時に移動することができるリモートレーザ溶接法を前提に以下説明しているが、必ずしもリモートレーザ溶接法に限定されない。

上記実施形態において、ゲージ部材９の作用面、すなわちゲージ本体部１７の頂面の形状には特に制限は無く、任意の断面形状とすることができる。しかし、このゲージ部材９は、下側板材４を下方から上方に突き上げて、下側板材４を上側に凸に湾曲させる働きをする部材である。そこで、この湾曲作用が容易に達成できるように、ゲージ本体部１７の頂面は、図４に示すように、その頂面の断面形状を上側に凸に湾曲させた湾曲面２０に形成することが好ましい。このようすると、湾曲面２０の領域内においても下側板材４の湾曲が開始され、より大きく湾曲させることができるからである。

また、同様の下側板材４の弾性変形を促進させる効果は、図５に示すように、押圧して弾性変形させる下側板材４の板厚を、弾性変形させない上側板材３の板厚よりも薄く構成することでも、達成することができる。

＜第２の実施形態＞
図６に、本発明のレーザ溶接装置の第２の実施形態を示す。このレーザ溶接装置では、二枚の板材３、４を重ね合わせた状態にて第１箇所で保持する第１のクランプ手段８Ａと、上記第１箇所で保持された二枚の板材３、４のうち、一方の上側板材３をフリー状態とし、他方の下側板材４のみを第２箇所で保持する第２のクランプ手段８Ｂと、上記第１箇所と第２箇所の間における上記第１箇所の近傍において、下側板材４を上側板材３に向けて押圧して弾性変形させ、二枚の板材３、４間に、第１箇所から次第に大きくなる隙間７を形成する押圧手段としての突き上げ部材２１を有する。

この実施形態では、二枚の板材３、４を面的に接触させた接触箇所６の一側において、第１のクランプ手段８Ａにより二枚の板材３、４をクランプする。また、上記接触箇所６の他側からクランプ位置より遠ざかる方向に離れた位置においては、第２のクランプ手段８Ｂにより下側板材４のみをクランプし、上側板材３は自由とする。この状態下で、上記接触箇所６における上記一側と上記他側との間の領域において、突き上げ部材２１により下側板材４を上側板材３に向けて押圧する。このようにすると、下側板材４だけが上に凸の円弧状に弾性変形し、二枚の板材３、４間に隙間７が形成される。

従って、この隙間７の存在する部位において二枚の板材３、４に対してレーザビーム１を照射することで、隙間７から亜鉛蒸気を逃がし、溶接部１９の強度低下を招かずに、二枚の板材３、４をレーザ溶接することができる。

上記実施形態では、相対的に下側板材４が押し上げられて弾性変形される場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。表面に被服を有した鋼板を含む複数の板材のうち、相隣る板材の少なくともいずれかを、弾性変形させる形態であれば本発明を適用することができる。すなわち、本発明には、上側板材３と下側板材４のいずれか一方を弾性変形させる形態や、上側板材３と下側板材４の双方を弾性変形させ且つその変形量を異ならせる形態などが含まれる。

本発明はレーザ溶接に利用することができる。

本発明のレーザ溶接装置の概略図である。 本発明のレーザ溶接方法を示す斜視図である。 本発明のレーザ溶接方法の手順を示したもので、（ａ）は二枚の板材を重ねた状態を示す図、（ｂ）は下側板材を突き上げて弾性変形させた状態を示す図である。 本発明のレーザ溶接方法の変形例を示した図である。 本発明のレーザ溶接方法の他の変形例を示した図である。 本発明の他のレーザ溶接方法を示した図である。

符号の説明

レーザビーム１
２ ワーク、
３ 一方の板材（上側板材）、
３ａ 膨出部、
４ 他方の板材（下側板材）、
５ 空洞部、
６ 接触箇所、
７ 隙間、
８ クランプ手段、
８Ａ 第１のクランプ手段、
８Ｂ 第２のクランプ手段、
９ ゲージ部材、
１０ クランプ部材、
１８ ストッパー部材、
２０ 湾曲面、
２１ 突き上げ部材。

Claims (12)

1. 表面に皮膜を有した鋼板を含む複数の板材を溶接するレーザ溶接方法において、
   一方の板材を他方の板材に対して局部的に接触させ、
   この接触箇所から離れた部位において前記一方の板材と前記他方の板材の少なくともいずれかを押圧し弾性変形させることにより、前記一方と他方の板材間に前記接触箇所の一部から次第に大きくなる隙間を形成し、
   この隙間の領域にレーザビームを照射して前記複数の板材を溶接する、
   ことを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 表面に皮膜を有した鋼板を含む複数の板材を溶接するレーザ溶接方法において、
   前記複数の板材の一方に頂部が平坦面から成る膨出部を形成し、
   この膨出部が他方の板材と接触するように前記一方の板材を前記他方の板材に重ね合わせ、
   この両板材の接触箇所から離れた部位において前記一方の板材と前記他方の板材の少なくともいずれかを押圧し弾性変形させることにより、前記一方と他方の板材間に前記接触箇所の一部から次第に大きくなる隙間を形成し、
   この隙間の領域にレーザビームを照射して前記複数の板材を溶接する、
   ことを特徴とするレーザ溶接方法。
3. 表面に皮膜を有した鋼板を含む複数の板材を溶接するレーザ溶接方法において、
   前記複数の板材の一方に、頂部が平坦面から成る膨出部を２以上形成し、
   この膨出部が他方の板材と接触し、且つ前記膨出部間に空洞部が形成されるように、前記一方の板材を前記他方の板材に重ね合わせ、
   この空洞部において前記一方の板材と前記他方の板材の少なくともいずれかを押圧し弾性変形させることにより、前記一方と他方の板材間に前記接触箇所の一部から次第に大きくなる隙間を形成し、
   この隙間の領域にレーザビームを照射して前記複数の板材を溶接する、
   ことを特徴とするレーザ溶接方法。
4. 前記一方の板材を前記他方の板材の少なくともいずれかを押圧し弾性変形させる量を、前記押圧する板材の厚さの５０％〜１５０％とすることを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接方法。
5. 前記局部的に接触させた接触箇所の一側においては、前記一方と他方の板材の重合部をクランプし、
   また、前記接触箇所の一側から遠ざかる方向に離れた位置においては、前記他方の板材のみをクランプすると共に前記一方の板材を自由とし、
   前記接触箇所における前記一側と前記他側との間の領域において前記他方の板材を前記一方の板材に向けて押圧し弾性変形させることにより、前記一方と他方の板材間に前記隙間を形成する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
6. 前記他方の板材の板厚を、前記一方の板材の板厚よりも薄くして、前記他方の板材の弾性変形を促進する、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
7. 前記隙間の小さい方から大きい方に前記レーザビームを移動させてレーザ溶接する、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
8. 前記レーザ溶接は、長焦点のレーザビームを光偏向光学系により偏向して前記溶接軌跡に沿って誘導するリモートレーザ溶接であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
9. 表面に皮膜を有した鋼板を含む複数の板材に向けてレーザビームを照射し、溶接を行うレーザ溶接装置において、
   頂部が平坦面から成る膨出部が２以上形成された一方の板材を平坦な他方の板材に重ね合わせた状態に保持する保持手段と、
   前記一方と他方の板材の重ね合わせにより前記膨出部と前記膨出部との間に形成される空洞部において、前記一方の板材と他方の板材の少なくともいずれかの板材を外方から押圧し、これにより前記他方の板材を前記一方の板材に向けて凸に弾性変形させ、前記一方と他方の板材間に、前記膨出部が前記他方の板材に接触する接触箇所の一部から次第に大きくなる隙間を形成する押圧手段と、
   前記押圧手段が押圧動作する際の移動量を制限し、前記隙間の下限値を規定するストッパー機構と、
   前記隙間の領域にレーザビームを照射するレーザ装置と、を有する、
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
10. 前記押圧手段が、上方から前記一方の板材に向けて移動するクランプ部材と、下方から前記他方の板材を支え、前記クランプ部材からの押圧力を前記他方の板材に反力として押圧し弾性変形させる位置決め用のゲージ部材とを有するクランプ手段から成り、前記ゲージ部材の頂部が前記板材側に凸の湾曲面として形成されている、ことを特徴とする請求項９記載のレーザ溶接装置。
11. 表面に皮膜を有する鋼板を含む複数の板材に向けてレーザビームを照射し、溶接を行うレーザ溶接装置において、
    一方の板材と他方の板材を重ね合わせた状態で第１箇所で保持する第１のクランプ手段と、
    前記第１箇所で保持された板材のうち、一方の板材をフリー状態とし、他方の板材のみを第２箇所で保持する第２のクランプ手段と、
    前記第１箇所と前記第２箇所の間における前記第１箇所近傍において、前記他方の板材を前記一方の板材に向けて押圧して弾性変形させ、前記一方の板材と他方の板材間に、前記第１箇所から次第に大きくなる隙間を形成する押圧手段と、
    前記隙間が形成された領域にレーザビームを照射するレーザ装置と、を有する、
    ことを特徴とするレーザ溶接装置。
12. 前記他方の板材の板厚を、前記一方の板材の板厚よりも薄くして、前記他方の板材の弾性変形を促進する、ことを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載のレーザ溶接装置。

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