JP4170857B2

JP4170857B2 - レーザ溶接装置

Info

Publication number: JP4170857B2
Application number: JP2003308288A
Authority: JP
Inventors: 俊一海野; 純北川
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-01
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2023-09-01
Also published as: JP2005074473A

Description

本発明は、レーザ溶接装置に関し、特に被溶接部材としての円筒部材と該円筒部材の少なくとも一方の開口を封止する封止部材とを回転自在に支持してその軸回りに回転させながら、円筒部材と封止部材との溶接部に、レーザ光を照射すると共にシールドガスを噴射してレーザ溶接するレーザ溶接装置に関する。

レーザ溶接装置を用い、薄肉の円筒部材の開口部に封止部材を突き合わせて該円筒部材の軸回りに回転させながら両者の突き合わせ部をレーザ溶接する際において、円筒部材が熱膨張係数が大きい材質（例えば、アルミニウムやアルミニウム合金など）の場合、溶接される両者の突き合わせ部において、溶接による熱で円筒部材が熱膨張して熱歪が生じる。このため、特に溶接される両者の突き合わせ部の周方向後半において、無理な応力がかかって円筒部材の溶接部にクラックが発生する虞があった。

このため、レーザ溶接装置を用い、薄肉の円筒部材の開口部に封止部材を突き合わせて該円筒部材の軸回りに回転させながら両者の突き合わせ部を溶接する際において、従来より、円筒部材の回転方向に対してレーザ溶接ヘッドの下流側に、分流した溶接用のシールドガスの一部を噴射する冷却ノズルを設け、レーザ光の照射で溶融した溶融金属をレーザ溶接ヘッドの下流側で冷却するようにしたレーザ溶接装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−７１５７９号公報（図１）

ところで、上記特許文献１に開示されているレーザ溶接装置では、冷却用気体として溶接用のシールドガス（例えばHe）を使用しているので、高価なシールドガスの使用量が増加することにより、コストが高くなるという問題があった。

そこで本発明は、コスト高を招くことなく、円筒部材の熱膨張によって生じる熱歪を抑えて溶接部にクラックが発生することを防止することができるレーザ溶接装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、被溶接部材としての円筒部材と該円筒部材の少なくとも一方の開口を封止する封止部材とを回転自在に支持してその軸回りに回転させながら、前記円筒部材と前記封止部材との溶接部に、レーザ溶接ヘッドからレーザ光を照射すると共にシールドガスノズルからシールドガスを噴射してレーザ溶接するレーザ溶接装置であって、前記円筒部材の回転方向に対して前記溶接部のレーザ照射される溶接位置の下流側に、エア供給手段から供給されるエアを噴射するエアノズルを備え、前記エアノズルは、前記溶接部のレーザ照射される溶接位置周囲の前記シールドガス雰囲気に干渉しないようにして、前記溶接部の前記円筒部材の接線方向に向けてエアを噴射するように配置されていることを特徴としている。

また、前記エアノズルのエアが噴出される先端側を、前記円筒部材の軸方向に対して該円筒部材側に向けて傾斜させていることを特徴としている。

（作用）
請求項１に記載の発明によれば、円筒部材の回転方向に対して溶接部のレーザ照射される溶接位置の下流側に設けたエアノズルから、溶接部のレーザ照射される溶接位置周囲のシールドガス雰囲気に干渉しないようにして、円筒部材の軸を中心にレーザ光が照射される位置を０°とし回転方向に沿って９０°と１８０°の位置を定め、９０°から１８０°までの範囲のうちの任意の位置で、前記円筒部材の接線方向に向けて前記回転方向と同方向にエアを噴射することにより、レーザ溶接した直後の溶接部に吹付けられたエアによって空冷することができるので、コスト高を招くことなく、円筒部材の溶接部での熱膨張による熱歪を低減してクラックの発生を防止することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、エアノズルのエアが噴出される先端側を、円筒部材の軸方向に対して該円筒部材側に向けて傾斜させたことにより、エアノズルから噴出すエアを、レーザ溶接した直後の溶接部及びその円筒部材側付近に吹付けることができるので、溶接部の円筒部材側付近においても熱膨張による熱歪を低減することができる。

本発明によれば、円筒部材の回転方向に対して溶接部のレーザ照射される溶接位置の下流側に設けたエアノズルから、溶接部のレーザ照射される位置周囲のシールドガス雰囲気に干渉しないようにして、溶接部の円筒部材の接線方向に向けてエアを噴射することにより、コスト高を招くことなく、円筒部材の溶接部での熱膨張による熱歪を低減してクラックの発生を防止することができる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

〈実施の形態１〉
図１は、本発明の実施の形態１に係るレーザ溶接装置を示す概略構成図である。図１に示すように、本実施の形態に係るレーザ溶接装置１は、レーザ溶接ヘッド２、レーザ発信器３、シールドガスとしてのHe（ヘリウム）をレーザ溶接ヘッド２に供給すシールドガス供給部４、被溶接部材としての円筒ケース５及びその開口部を封止する封止蓋６との突き合わせ部（溶接部）近傍にエアを噴射するエアノズル７、エアノズル７にエアを供給するエア供給部８、及びレーザ発信器３、シールドガス供給部４、エア供給部８、円筒ケース５をその軸回りに回転駆動するモータ９等を制御する制御部１０を備えている。

レーザ溶接ヘッド２は、レーザ光が出射される先端側が鉛直下方に向くように設置されており、その下方には支持部材（不図示）により水平状態で回転自在に支持された円筒ケース５と封止蓋６との突き合わせ部（溶接部）１１（図２参照）が位置している。円筒ケース５と封止蓋６は、駆動力伝達系（不図示）を介して連結されているモータ９の駆動によって時計回り（右回り）に所定の回転速度で回転される。

円筒ケース５は、本実施の形態では電気自動車やハイブリッドカーなどで使用される蓄電手段としてのキャパシタのアルミニウム合金からなる薄肉状のケースであり、一端側が開口して他端側が閉じられている。この円筒ケース５内には、不図示の正極板、負極板、複数のセルなどが配置されている。円筒ケース５の開口を封止する封止蓋６はアルミニウム合金からなり、円筒ケース５の開口に突き合わされる封止面は、円筒状ケース５の開口の外径と同じ径に形成されている。

レーザ発信器３は、本実施の形態ではＹＡＣレーザ光を出力し、光ファイバー１２を介して伝送され、レーザ溶接ヘッド２内の集光光学系（不図示）で集光されて、円筒状ケース５と封止蓋６との突き合わせ部１１の溶接位置に照射される。

シールドガス供給部４は、シールドガス（本実施の形態ではHe）を、供給管１３を通してレーザ溶接ヘッド２の外周に設けたシールドガスノズル１４の先端から突き合わせ部１１の溶接位置周囲に吹付ける。

エア供給部８から供給されるエアを噴射するエアノズル７は、円筒ケース５の回転方向に対して、レーザ溶接ヘッド２からレーザ光Ｌが照射される突き合わせ部１１の溶接位置の下流側で、かつシールドガスノズル１４から突き合わせ部１１の溶接位置に噴射されるシールドガス雰囲気の外側近傍に位置するようにして設置されている。

エアノズル７の位置について更に詳細に説明すると、図３に示すように、エアノズル７のエアが噴出す先端部は円筒ケース５の表面に近接し、かつエアの噴出し方向が円筒ケース５の接線方向となるように設置されている。本実施の形態では、エアノズル７の先端側は、水平状態に設置された円筒ケース５の中心を通る鉛直軸に対して所定の角度θ₁（本実施の形態では約１４°）に傾けて設置されており、円筒ケース５の接線方向に向けてエアを噴射するようにしている。

更に、図２に示すように、エアノズル７の先端側が、水平に設置された円筒ケース５の軸方向に対して円筒ケース５側に所定の角度θ₂（本実施の形態では約６０°）に傾けて設置されており、円筒ケース５と封止蓋６との突き合わせ部１１付近から円筒ケース５側に向けてエアを噴射するようにしている。

次に、上記した本実施の形態に係るレーザ溶接装置１によるレーザ溶接動作について説明する。

図１に示すように、水平に設置された被溶接部材としてのキャパシタの円筒ケース５の開口部とこの開口部を封止する封止蓋６との突き合わせ部１１をレーザ溶接する際において、円筒ケース５と封止蓋６とを突き合わせた状態で、制御部１０の制御によってモータ９を駆動し、駆動力伝達系（不図示）を介して回転自在に支持された円筒ケース５と封止蓋６を時計回り（右回り）に所定の回転速度で回転させる。

そして、レーザ発信器３から出力されるレーザ光（本実施の形態ではＹＡＣレーザ光）を光ファイバー１２を介してレーザ溶接ヘッド２に伝送し、レーザ溶接ヘッド２内の集光光学系（不図示）で集光して、所定の回転速度で回転している円筒ケース５と封止蓋６との突き合わせ部１１の溶接位置にレーザ光Ｌを照射し、突き合わせ部１１の全周にわたってレーザ溶接を行う。

この際、シールドガス供給部４から供給管１３を通してシールドガスノズル１４内にシールドガス（本実施の形態ではHe）を供給して、シールドガスノズル１４の先端からシールドガスを突き合わせ部１１の溶接位置周囲に噴射し、溶接部分の酸化等を防止する。

そして、上述した溶接時において、エア供給部８から供給されるエアをエアノズル７の先端から円筒ケース５の接線方向に向けて噴射し、円筒ケース５の回転方向に対してレーザ溶接ヘッド２から突き合わせ部１１にレーザ光Ｌを照射する溶接位置の下流側を冷却する。また、図２に示すように、エアノズル７の先端側を、円筒ケース５の軸方向に対して円筒ケース５側に所定の角度θ₂（本実施の形態では約６０°）に傾けているので、エアノズル７から噴出すエアは、円筒ケース５の接線方向で突き合わせ部１１及びその円筒ケース５側付近に吹付けられる。

このように、エアノズル７から噴射されるエアによってレーザ溶接された直後の高温になっている突き合わせ部１１及びその円筒ケース５側付近の温度上昇を大幅に抑えることができる。

よって、コスト高を招くことなく、円筒ケース５の突き合わせ部１１近傍での熱膨張による熱歪を低減してクラックの発生を防止することができるので、突き合わせ部１１の全周にわたって良好なレーザ溶接を行うことができる。

また、エアノズル７を、円筒ケース５の回転方向に対して、レーザ溶接ヘッド２からレーザ光Ｌが照射される突き合わせ部１１の溶接位置の下流側で、かつシールドガスノズル１４から突き合わせ部１１の溶接位置に噴射されるシールドガス雰囲気の外側近傍に位置するようにして設置したことにより、噴射されるエアが、溶接位置近傍に噴射されるシールドガス雰囲気を乱すことはなく、高品質な溶接を行うことができる。

〈実施の形態２〉
実施の形態１では、エアノズル７の先端側を円筒ケース５の中心を通る鉛直軸に対して所定の角度θ₁に傾けて、円筒ケース５の接線方向に向けてエアを噴射するようにしていたが、図４に示すように、エアノズル７の先端側を円筒ケース５に対して鉛直方向上方から水平方向までの範囲の任意の位置において、円筒ケース５の接線方向に向けてエアを噴射するようにしてもよい。なお、本実施の形態においても、図２に示したように、エアノズル７の先端側が、水平に設置された円筒ケース５の軸方向に対して円筒ケース５側に所定の角度θ₂に傾けて設置されている。他の構成は実施の形態１と同様であり、重複する説明は省略する。

本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、エアノズル７から噴射されるエアにより、コスト高を招くことなく、円筒ケース５の突き合わせ部１１近傍での熱膨張による熱歪を低減してクラックの発生を防止することができるので、突き合わせ部１１の全周にわたって良好なレーザ溶接を行うことができる。

また、実施の形態１と同様に、エアノズル７から噴射されるエアが、溶接位置近傍に噴射されるシールドガス雰囲気を乱すことはなく、高品質な溶接を行うことができる。

〈実施の形態３〉
本実施の形態では、図５に示すように、先端近傍を折り曲げたエアノズル７の先端側を、レーザ溶接ヘッド２から突き合わせ部１１にレーザ光Ｌを照射する溶接位置の下流側で、シールドガスノズル１４から突き合わせ部１１に噴射されるシールドガス雰囲気の周囲近傍に位置するようにして設置して、レーザ溶接ヘッド２からレーザ照射される突き合わせ部１１の溶接位置周囲に形成されるシールドガス雰囲気の周囲近傍から、円筒ケース５の接線方向に向けてエアを噴射するようにした。

なお、本実施の形態においても、図３に示したように、エアノズル７の先端側が、水平に設置された円筒ケース５の軸方向に対して円筒ケース５側に所定の角度θ₂に傾けて設置されている。他の構成は実施の形態１と同様であり、重複する説明は省略する。

なお、上述した各実施の形態では、被溶接部材としてキャパシタの円筒ケース５の開口部とこの開口部を封止する封止蓋６との突き合わせ部１１をレーザ溶接する場合であったが、これに限定されることはなく、各種の円筒部材の開口とこの開口を封止する封止部材との溶接においても同様に本発明を適用することができる。

本発明の実施の形態１に係るレーザ溶接装置を示す概略構成図。本発明の実施の形態１に係るレーザ溶接装置のエアノズルの設置位置を示す図。本発明の実施の形態１に係るレーザ溶接装置のエアノズルの設置位置を示す図。本発明の実施の形態２に係るレーザ溶接装置のエアノズルの設置位置を示す図。本発明の実施の形態３に係るレーザ溶接装置のエアノズルの設置位置を示す図。

符号の説明

１レーザ溶接装置
２レーザ溶接ヘッド
３レーザ発信器
４シールドガス供給部
５円筒ケース（円筒部材）
６封止蓋（封止部材）
７エアノズル
８エア供給部（エア供給手段）
９モータ
１０制御部
１１突き合わせ部（溶接部）
１４シールドガスノズル

Claims

被溶接部材としての円筒部材と該円筒部材の少なくとも一方の開口を封止する封止部材とを回転自在に支持して前記円筒部材の軸回りに回転させながら、前記円筒部材と前記封止部材との溶接部に、レーザ溶接ヘッドからレーザ光を照射すると共にシールドガスノズルからシールドガスを噴射してレーザ溶接するレーザ溶接装置であって、
前記円筒部材の回転方向に対して前記溶接部のレーザ照射される溶接位置の下流側に、エア供給手段から供給されるエアを噴射するエアノズルを備え、
前記エアノズルは、前記溶接部のレーザ照射される溶接位置周囲の前記シールドガス雰囲気に干渉しないようにして、且つ前記円筒部材の前記軸を中心に前記レーザ光が照射される位置を０°とし回転方向に沿って９０°と１８０°の位置を定め、前記９０°から１８０°までの範囲のうちの任意の位置で、前記円筒部材の接線方向に向けて前記回転方向と同方向にエアを噴射するように配置されている、
ことを特徴とするレーザ溶接装置。
前記エアノズルのエアが噴出される先端側を、前記円筒部材の軸方向に対して該円筒部材側に向けて傾斜させている、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。