JP3857021B2 - レーザスポット溶接装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザスポット溶接装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、磁気ディスク装置に使用される板バネサスペンションは２枚の薄板を積層し、スポット溶接により接合して製造される。この場合、薄板材のスポット溶接には部品の損傷を極小にする目的でＹＡＧレーザが使用され、高スループットで溶接するために、ガルバノミラーにレーザを入射し、ガルバノミラーの揺動角を制御してレーザを溶接ポイントに案内する方法が採用される。
【０００３】
一方、溶接ポイントの正規位置に対するずれは溶接時のひずみを大きくするために、板バネサスペンションの製造歩留まりを大きく悪化させる。これを防止するためには、ガルバノミラーの繰り返し位置精度を高める必要があり、例えば、ガルバノミラーの温度ドリフトによる影響をなくすために、厳しく温度管理された環境にガルバノミラーを設置して板バネサスペンションの製造を行う必要がある。
【０００４】
しかし、このためには装置が大型化する上に、構造も複雑となり、製造原価の上昇をもたらす。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の欠点を解消すべくなされたものであって、構造が簡単で、かつ、信頼性の高いレーザスポット溶接装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
図１にレーザスポット溶接装置を示す。図中２は光路変更ミラーであり、加工レーザ３はこの光路変更ミラー２により光路変更され加工対象物（薄板材１、１）の溶接ポイントに案内される。
【０００７】
５は位置モニタ用レーザ光源であり、光路変更ミラー２への入射光軸が加工レーザ３の入射光軸に一致するようにモニタ用レーザビーム４を出力する。モニタ用レーザビーム４は光路変更ミラー２、および適宜の光路変更手段により光路変更されて所定の測定面上に配置される位置検出センサ６上に結像する。
【０００８】
温度ドリフト等の影響で光路変更ミラー２による光路変更角度がずれて溶接ポイントがずれると、同程度のずれが位置検出センサ６上の結像位置として検出されることとなり位置検出センサ６上の結像位置のずれδ６に相当する量を光路変更ミラー２に補正角として与えることにより、次回溶接作業においては、正規の溶接位置に加工レーザ３を集光させることができる。
【０００９】
この結果、溶接装置に対する内乱、外乱要因は位置検出センサ６における補正値として集約され、装置全体を厳格に管理された系として構成することなく、正確な位置への溶接作業が可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に磁気ヘッドの板バネサスペンション８の溶接装置として構成された本発明の実施の形態を示す。溶接装置は後述するフレキチャ（薄板材１ａ）とあて板（薄板材１ｂ）とを溶接する加工部９と、加工部９での溶接結果を検査する検査部１０とを有し、検査結果が演算部１１を介して加工部９にフィードバックされる。検査部１０はカメラ１０ａと照明装置１０ｂとを備えており、加工部９と検査部１０は別個のステージとして構成することも、同一ステージに構成することも可能である。
【００１１】
板バネサスペンション８は図２に示すように、磁気ディスクアクセスアームのアーム１２先端に固定される磁気ヘッド１３の保持体であり、２０μｍ程度の薄板材により形成されるフレキチャ１ａと、フレキチャ１ａの背面に固定されるあて板１ｂとをスポット溶接して構成される。なお、図２において８ａはアーム１２と板バネサスペンション８との間に介装されるスペーサを示す。また、フレキチャ１ａとあて板１ｂとのスポット溶接箇所は＋印で示される。これらフレキチャ１ａ、およびあて板１ｂは、図３に示すように、複数が連結ブリッジ１４により連結されて連状となった帯状体として後述する支持ステージ１５に供給され、溶接後に適宜手段で連結ブリッジ１４から切断されて個片とされる。フレキチャ１ａ、およびあて板１ｂの連結ブリッジ１４には後述する支持台１６、あるいはハンドラ１７の位置決めピン１６ａ、１７ａが嵌合する位置決め孔１８が穿孔される。
【００１２】
図１に示すように加工部９は、加工レーザ３の光源３ａと、上記フレキチャ１ａと当て位置とを所定位置に位置決めして保持する支持ステージ１５と、位置モニタ用レーザ光源５と、位置検出センサ６とを有する。加工レーザ３の光源３ａにはＹＡＧレーザが使用され、光源３ａから照射された加工レーザ３は、ガルバノミラー（光路変更ミラー２）により所定角度（図示の状態においては９０°）振られて溶接位置に導かれる。
【００１３】
位置検出センサ６にはＰＳＤセンサ（Position sensitive detector）が使用され、該ＰＳＤセンサ６が連続発振レーザにのみ感度を有するために、位置モニタ用レーザ光源５には、ヘリウム-ネオンレーザが使用される。モニタ用レーザビーム４はガルバノミラー２への入射部において上記加工レーザ３の光軸に一致しており、ガルバノミラー２からの反射ビームはハーフミラー１９により９０°反射されて位置検出センサ６に入射される。位置検出センサ６への加工レーザ３の入射による位置検出センサ６の焼損を防ぐために、位置検出センサ６の前段にはモニタ用レーザビーム４のみが通過する波長フィルタ２０が介装される。なお、図１において２１はモニタ用レーザビーム４の光軸上に加工レーザ３を導くためのハーフミラーを示す。
【００１４】
支持ステージ１５は図４に示すように、支持台１６と、支持台１６にフレキチャ１ａ、およびあて板１ｂをセットするためのハンドラ１７と、溶接作業時にフレキチャ１ａとあて板１ｂとを密着させるためのプレッシャ１５ａとを有する。また、支持ステージ１５の熱による歪みを補償するために、支持ステージ１５には該支持ステージ１５の温度を測定するための熱電対１５ｂ、および熱電対１５ｂからの出力応じてＯＮ／ＯＦＦされ、支持ステージ１５の温度を一定に保つためのヒータ１５ｃが配置される。
【００１５】
ハンドラ１７は図示しない吸着ヘッドによりフレキチャ１ａ、あるいはあて板１ｂを吸着保持することが可能であり、位置決めピン１７ａを位置決め孔１８に挿通させた状態で支持台１６へのセット、取り出しが行われる。図４（ｂ）は溶接完了後の帯状体の支持台１６からの取り出しを例にとってハンドラ１７の動作を示すもので、まず、搬出用ハンドラ１７ａを位置決めピン１７ａが支持台１６側の位置決めピン１６ａとの間に微小間隙をもって正対する位置まで駆動する。この後、ハンドラ１７に吸引動作を行わせると、帯状体はハンドラ１７側に吸い付きながら、位置決め孔１８にハンドラ１７側の位置決めピン１７ａが挿通するために、帯状体にひずみ等が発生することなく受け渡しがなされる。
【００１６】
図５に示すように、支持台１６は、支持ベース１６ｂと、複数の可動支持ブロック１６ｃとを有する。可動支持ブロック１６ｃはフレキチャ１ａの幅方向寸法と同一幅に形成され、ガイドピン１６ｄに沿って鉛直方向に移動可能に保持される。各可動支持ブロック１６ｃは圧縮スプリング等により形成される加圧スプリング２２により表面側（加工レーザ３照射側）に付勢され、加圧スプリング２２が巻装されるストッパピン２３の頭部２３ａにより飛び出しが規制される。また、支持ベース１６ｂ、および可動支持ブロック１６ｃには、フレキチャ１ａ、およびあて板１ｂに穿孔した位置決め孔１８に嵌合する位置決めピン１６ａが貫通状に配置される。各位置決めピン１６ａ、１６ａ・・はピン用スプリング２４により表面側に付勢されており、位置決め孔１８が合致すると、スプリング復元力により該位置決め孔１８内に進入する。
【００１７】
溶接操作に当たって、セット用ハンドラ１７aによりフレキチャ１ａ、およびあて板１ｂを順次支持台１６上に位置決め孔１８に支持台１６側の位置決めピン１６ａが嵌合するようにセットし、次いで、プレッシャ１５ａを降下させる。フレキチャ１ａ、あるいはあて板１ｂは上述したように可動支持ブロック１６ｃに１対１対応して載せられ、連なったフレキチャ１ａ、あるいはあて板１ｂに歪んだものがあっても、対応する可動支持ブロック１６ｃのみが沈み込んで歪みを吸収し、プレッシャ１５ａにより押圧すると、加圧スプリング２２の反力によりフレキチャ１ａとあて板１ｂとは密着状態となる。この結果、フレキチャ１ａ、およびあて板１ｂは、正確な平面度を連状のプレート全体に要求されることはなく、各フレキチャ１ａ、あて板１ｂの単体状態で平面度が確保されていれば、双方の密着性が確保されるために、密着不良状態による溶接に帰因する不良を確実に防止することができる。また、一般にフレキチャ１ａ、あて板１ｂには圧延されたステンレス薄板材１が使用され、圧延ばらつきにより板厚にばらつきがあり、圧延工程を厳しく管理しても板厚が薄いためにミクロ的に見ると凹凸が多いが、分割された可動支持ブロック１６ｃにより単位フレキチャ１ａ等を支承することによって、板厚のばらつきに対して均一に加圧することができるために、不均一加圧による組立精度劣化を防止することができる。
【００１８】
次いで、直交２軸周りに自由度をもつガルバノミラー２により加工レーザ３を積層された溶接ポイントに導いて溶接を行う。溶接操作時には、ガルバノミラー２への入射面にはモニタ用レーザビーム４が同軸に入射されて位置検出センサ６により該位置検出センサ６が配置される面上の位置が同時に記録される。
【００１９】
以上のようにして溶接操作が終了すると、図６（ａ）に示すように、検査部１０において溶接位置に斜め上方から照明光を照射して溶接部に現れる影を撮像する。検査部１０における撮像データは演算部１１に送られた後、画像処理手段により溶接痕（溶接ナゲット）の平面形状情報（図６（ｂ））と、図６（ｃ）に示す溶接ナゲットの深さ分布情報（断面情報）が生成される。また、演算部１１には正規溶接位置情報と、実験により求められた理想溶接ナゲット断面情報、および励起電圧とレーザ照射時間の関係が予め記憶されており、平面形状情報が真円形状からずれている場合には、まず、平面形状情報から例えば図心等の中心点ｃ６が演算され、求めた中心点ｃ６と正規溶接位置情報とのずれδ６をもとにミラー修正角情報が生成されてガルバノミラー２の駆動モータに出力される。なお、図６において理想平面形状（真円）を鎖線で、実際の測定結果を実線で示す。
【００２０】
次いで、演算部１１において断面情報と理想溶接ナゲット断面情報とが比較されてそのずれが演算され、出力修正情報として加工レーザ３光源に出力されて加工レーザ３光源の励起電圧と照射時間が調整される。演算部１１は実験的に求めた平面形状と励起電圧、およびレーザ照射時間との関係をもとに構築された遺伝的アルゴリズムの人工知能エンジンを使用することもできる。
【００２１】
これら検査、および演算工程は、溶接工程の終了ごと、あるいは所定ロット終了ごとに行われ、これに続く溶接工程に反映される。このため、溶接工程は、理想値からのずれを自動的に修正しながら行われるために、長期に渡って正確な溶接品質を確保することができる。
【００２２】
なお、以上において溶接位置の調整は、検査部１０における検査結果をもとにガルバノミラー２に修正信号を送る場合を示したが、溶接ナゲット平面形状の真円からの隔離が大きくない場合、あるいは、図心等の位置がほぼ一定である場合には、位置センサからの出力のみをもとにガルバノミラー２に修正信号を送るように構成することもできる。
【００２３】
一般にガルバノミラー２ユニットは、レーザ入射部、レーザ位置制御部（ＸＹ軸ガルバノミラー揺動部）、およびレーザ出射部としてのテレセントリックレンズから構成される。レーザ出射部のレンズは高精度に加工されていても単一レンズとして使用する場合、コマ収差、歪曲収差等の収差を排除することは無理なために、座標軸方向を含む計算補正を行う必要がある。このようにすることで一定の精度内でレーザを照射することは可能であるが、ＸＹ軸ガルバノミラー揺動部のレーザ位置制御部はモータを使用するために、温度ドリフトに起因する位置制御の劣化をさけることはできない。また、モータの揺動角検出にロータリーエンコーダ等の検出器使用するだけでは制御方式がセミクローズドループとなり、数μｍのレベルで溶接位置を高精度に維持し続けるのは不可能である。
【００２４】
しかし、精度モニタレーザビームを加工レーザ３の光路に同軸に配置し、精度モニタレーザビームの位置を位置センサで検出するクローズドループ制御系を構築し、位置精度を上記モニタして差分をキャンセルするこの実施の形態においては、厳しい温度管理下でなくても、絶対位置精度と繰り返し位置精度の維持を確保することができる。
【００２５】
なお、以上においては、フレキチャ１ａ、およびあて板１ｂの双方を連状の帯状体として形成する場合を示したが、いずれか一方、または双方を個片として溶接装置に供給することができる。すなわち、フレキチャ１ａ、およびあて板１ｂの双方を連状の帯状体として処理する際には、支持台１６上の位置決めピン１６ａ全てが支持ベース１６ｂと可動支持ブロック１６ｃに対して高い精度で位置決めされる必要がある。このため、支持ベース１６ｂ、および可動支持ブロック１６ｃの製作には信頼性を要求せざるを得ない。これに対し、一方を個片化して供給する場合には、少なくとも隣接する可動支持ブロック１６ｃ間のピッチについては高い寸法が精度が要求されないために、装置の製造が容易になる上に、ひいては板バネサスペンションの製造歩留まりも向上する。
【００２６】
（付記１）重ね合わされた複数枚の薄板材を加工レーザによりスポット溶接するレーザスポット溶接装置であって、
加工レーザを溶接ポイントに案内する光路変更ミラーへの入射光軸を加工レーザの入射光軸に一致させてモニタ用レーザビームを照射する位置モニタ用レーザ光源と、
モニタ用レーザビームの所定の測定面上でのビーム位置を検出する位置検出センサとを有し、
溶接作業終了後の位置検出センサ上における正規位置からのずれ量をもとに光路変更ミラーを駆動して該ずれ量をキャンセルするレーザスポット溶接装置。
（付記２）溶接痕の観察手段により得られた画像情報から照射位置中心を求める画像処理手段を有し、
該画像処理手段からの出力値と前記位置検出センサ上における正規位置からのずれ量をもとに光路変更ミラーを駆動する請求項１記載のレーザスポット溶接装置。
（付記３）前記積層して溶接される薄板材の少なくとも一方は複数の個片が連結ブリッジで連結された帯状体として供給される請求項１または２記載のレーザスポット溶接装置。
（付記４）複数の個片が連結ブリッジで連結された帯状体の個片同士を積層してスポット溶接する溶接装置であって、
前記帯状体を支持する支持台が、個片に対応して相互に独立に可動な複数の可動支持ブロックに分割される溶接装置。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、全体の構造が簡単な上に、長期に渡って安定した溶接品質を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を示す図である。
【図２】板バネサスペンションを示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図３】帯状体を示す図で、（ａ）はフレキチャの帯状体、（ｂ）はあて板の帯状体の平面図である。
【図４】支持ステージを示す図で、（ａ）は全体図、（ｂ）はハンドラの動作を示す図である。
【図５】支持台を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の５Ｂ-５Ｂ線断面図、（ｃ）は（ａ）の５Ｃ方向矢視図である。
【図６】検査部を示す図で、（ａ）は溶接ナゲットへの照明方法を示す図、（ｂ）は平面形状情報を示す図、（ｃ）は断面形状情報を示す図である。
【符号の説明】
１ 薄板材
２ 光路変更ミラー
３ 加工レーザ
４ モニタ用レーザビーム
５ 位置モニタ用レーザ光源
６ 位置検出センサ
７ 画像処理手段
δ６ ずれ量

Claims (2)

1. 重ね合わされた複数枚の薄板材を加工レーザ光源から照射されて光路変更ミラーにより溶接ポイントに案内される加工レーザによってスポット溶接するレーザスポット溶接装置であって、
   溶接作業時の前記加工レーザ照射時において位置モニタ用レーザ光源から光路変更ミラーに対して前記加工レーザの入射光軸に一致させて照射されるモニタ用レーザビームの所定の測定面上でのビーム位置を検出する位置検出センサと、
   溶接作業終了後に溶接痕の観察手段により得られた画像情報から照射位置中心を求めるとともに、前記画像情報から予め記憶された理想溶接ナゲット断面情報とのずれを求める画像処理手段とを有し、
   中断を経て繰り返される溶接作業における前の溶接作業終了後で、かつ後の溶接作業開始前である溶接作業中断時において、前記前の溶接作業時の加工レーザ照射時に検出した位置検出センサ上における正規位置からのずれ量をもとに光路変更ミラーを駆動して前記前の溶接作業に続く以後の溶接作業の溶接位置を修正し、
   かつ、予め記憶された正規溶接位置情報と前記照射位置中心とのずれをもとに光路変更ミラーを駆動して前記前の溶接作業に続く以後の溶接作業の溶接位置を修正可能であるとともに、予め記憶された励起電圧およびレーザ照射時間の関係から加工レーザ光源の励起電圧と照射時間を調整して理想溶接ナゲット断面情報とのずれを修正可能であるレーザスポット溶接装置。
2. 前記加工レーザによるスポット溶接の対象は積層された２枚の薄板材からなり、該薄板材の少なくとも一方は複数の個片が連結ブリッジで連結された帯状体として供給される請求項１記載のレーザスポット溶接装置。

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