JP4202853B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、重ね合わせた樹脂などの被溶接物に対して相対的にレーザ照射手段を移動させながら、レーザ照射手段から被溶接物にレーザ光を照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接方法に関する。

レーザ光を透過する光透過性樹脂と、レーザ光を吸収して溶融する光吸収性樹脂とを重ね合わせてなるワークに、レーザ溶接を施す方法として特公昭６２−４９８５０号公報（特許文献１）に開示された接合方法がある。この接合方法は、レーザ光に対して非吸収性の樹脂と吸収性の樹脂とを重ね合わせ、非吸収性の樹脂側からレーザ光を照射して両方の樹脂を接合するというものである。

他方、特開平１０−１１１４７１号公報（特許文献２）においては、２本のレーザビームを用いたワークの溶接方法が開示されている。この溶接方法は、ミラーによってレーザ光を２分割し、この分割された２本のレーザ光によって金属などの被溶接部材を溶接するというものである。
特公昭６２−４９８５０号公報 特開平１０−１１１４７１号公報

ところで、上記特許文献１に開示されたレーザ溶接方法などにおいては、両方の樹脂を強固に接合することが望まれる。このような強固な接合を行うために、上記特許文献２に開示されるように、２本のレーザ光を用いてレーザ溶接することが考えられる。

ところが、単に２本のレーザビームを用いて複数回のレーザ照射を行ったとしても、高い溶接強度を得ることができるとは限らない。このため、樹脂材料に対して２本のレーザビームを用いた際の有効な溶接条件等については、検討する余地があるものであった。

そこで、本発明の課題は、複数回のレーザ照射を行うことにより、樹脂をレーザ溶接するにあたり、被溶接物を強固に溶接することができるレーザ溶接方法を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係るレーザ溶接方法は、レーザ光を透過する光透過性樹脂とレーザ光を吸収して溶融する光吸収性樹脂とを重ね合わせてなる被溶接物に対して相対的に移動するレーザ照射手段から被溶接物にレーザ光を照射し、光吸収性樹脂を溶融させて、光透過性樹脂と光吸収性樹脂とを溶接するレーザ溶接方法であって、レーザ照射手段から出射されたレーザ光を光透過性樹脂側から光吸収性樹脂に対して照射する第１照射を行い、光透過性樹脂および光吸収性樹脂を溶融させた後、光透過性樹脂および光吸収性樹脂が冷えて固化し、溶着される前に、レーザ光によって光吸収性樹脂が与えられる温度よりも低温となるレーザ光強度のレーザ光を、レーザ照射手段から再度照射する第２照射を行うことを特徴とする。

本発明に係るレーザ溶接方法においては、レーザ照射手段からレーザ光を照射して光吸収性樹脂および光透過性樹脂を溶融させた後、これらが冷えて固化し、溶着される前に再度レーザ光を照射している。このときのレーザ光のレーザ強度は、先のレーザ光によって光吸収性樹脂が与えられる温度よりも低温となるレーザ光強度とされている。このため、強固な溶接をするために作用時間（溶接時間）を長くしても、樹脂に過大な熱が加わることによって生じる樹脂の溶解による被溶接物の損傷や溶接後の美観を損なうなどの事態を防止することができる。さらに、焼鈍しと同様の作用により、光吸収性樹脂および光透過性樹脂の溶接時の熱的な、歪みよって生じる両者の内部応力を緩和し、溶着後の脆化を防止することができるので、両者を強固に溶接することができる。

ここで、レーザ照射手段による第１照射が済んだ後、第１照射を開始した位置と同一の位置にレーザ照射手段を移動させ、第１照射を行った溶接位置に対して、レーザ照射手段による第２照射を行う態様とすることができる。

このように、先のレーザ照射手段と独立に移動する次のレーザ照射手段によって次のレーザ光の出射を行うことにより、両レーザ照射手段によるレーザ照射の時間や照射間隔を容易に調整することができ、被溶接物の性状等に合わせた溶接を容易に行うことができる。特に、溶接する部位が円や直角などの場合であっても、容易にレーザ照射手段を移動させることができる。また、本発明にいう先のレーザ照射手段とは独立に移動する次のレーザ照射手段としては、先のレーザ照射手段とは別個となる次のレーザ照射手段を用いることもできるし、先のレーザ照射手段と同一であり、たとえば被溶接物の他の部位を移動した後のレーザ照射手段を次のレーザ照射手段とすることもできる。

このとき、レーザ照射手段として、レーザ照射部を１つ備えるシングルスポットレーザ照射手段を用いることができる。レーザ照射部を１つ備えるシングルスポットのレーザ照射手段により、簡素な構成によるレーザ照射手段とすることができる。

また、レーザ照射手段は、第１レーザ照射手段と、第１レーザ照射手段とは独立して移動する第２レーザ照射手段と、を備えており、第１レーザ照射手段によって第１照射を行い、続いて第２レーザ照射手段よって第２照射を行う態様とすることができる。このとき、第１レーザ照射手段および第２レーザ照射手段として、レーザ照射部を１つ備えるシングルスポットレーザ照射手段をそれぞれ用いる態様とすることができる。
さらに、第２照射を行うレーザ照射手段の速度を調整することにより、レーザ照射手段が照射するレーザ光による光吸収性樹脂の温度を調整する態様とすることができる。

このように、レーザ照射手段の溶接速度を調整することによって、レーザ光による光吸収性樹脂の温度を調整することもできる。

また、レーザ照射手段が、第１レーザ照射部および第１レーザ照射部に従属して移動する第２レーザ照射部を備えており、第１レーザ照射部からのレーザ光の出射が行われた後、第２レーザ照射部からの再度のレーザ光の出射が行われる態様とすることもできる。

このように、先のレーザ照射手段に従属して移動する次のレーザ照射手段を用いることにより、レーザ照射手段を移動手段によって移動させる際に、その移動手段の構成を簡素なものとすることができる。

レーザ照射手段として第１レーザ照射部および第２レーザ照射部を備えるダブルスポットレーザ照射手段を用い、第１レーザ照射部によって第１照射を行い、第２レーザ照射部によって第２照射を行う態様とすることができる。

また、第２照射におけるレーザ光の照射形状を調整することにより、第２照射におけるレーザ光による光吸収性樹脂の温度を調整する態様とすることができる。

さらに、第２照射におけるレーザ光の照射幅を調整することにより、第２照射におけるレーザ光による光吸収性樹脂の温度を調整する態様とすることもできる。

これらのように、レーザ照射手段から照射されるレーザ光の照射形状や照射幅を調整することによっても、レーザ光による光吸収性樹脂の温度を調整することもできる。

本発明によれば、複数回のレーザ照射を行うことにより、樹脂をレーザ溶接するにあたり、被溶接物を強固に溶接することができるレーザ溶接方法を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面は説明の理解を容易にするため、誇張ないし省略している部分があり、その寸法比率は必ずしも実際のそれとは一致しない。また、同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ溶接方法を行うレーザ溶接装置の側面図である。図１に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接方法に用いるレーザ溶接装置１は、本発明の移動手段である多軸ロボット２を備えている。多軸ロボット２は、複数の軸を有しており、この軸回りにアームが回転することにより、先端の取付部２Ａを多方向に移動させることができる。多軸ロボット２の取付部２Ａには、本発明のレーザ照射手段であるツインスポット照射ヘッド（以下、本実施形態において「照射ヘッド」という）３が取り付けられている。この照射ヘッド３には、半導体レーザ発振器４が接続されており、半導体レーザ発振器４から照射ヘッド３に対してレーザ光が供給される。照射ヘッド３の下方位置には、載置台５が配置されている。載置台５の上には、被溶接物であるワーク６を載置するステージ７が設けられており、ステージ７の上にワーク６が載置されている。

また、図２に示すように、照射ヘッド３には、第１照射部３Ａと第２照射部３Ｂとを備えており、それぞれの照射部３Ａ，３Ｂに対して、半導体レーザ発振器４から独立してレーザ光が供給される。第１照射部３Ａは、第２照射部３Ｂよりも、図１に矢印Ｆで示す溶接方向前方位置に配置されている。以後、「前方」、「後方」の表現については、特に示さない限り、この溶接方向を基準とする。これらの照射部３Ａ，３Ｂからは、それぞれ独立して第１レーザビームＬ１，Ｌ２が出射される。このため、第１レーザビームＬ１，Ｌ２は、それぞれ独立したレーザ光強度を調整することができる。

ワーク６は、レーザ光を透光する光透過性樹脂（レーザ透過性樹脂）からなる光透過性樹脂層６Ａと、レーザ光を吸収して溶融する光吸収性樹脂（レーザ吸収性樹脂）からなる光吸収性樹脂層６Ｂとを備えている。光透過性樹脂層６Ａは，光吸収性樹脂層６Ｂの上層とされており、載置台５には、光吸収性樹脂層６Ｂが接しており、その上層に光透過性樹脂層６Ａが配置されている。

さらに、載置台５には、圧力掛け治具８が設けられている。圧力掛け治具８は、ワーク６の前後位置に配置され、上下方向に延在するシリンダ９を４本備えている。シリンダ９は、載置台５に固定されたシリンダ筒９Ａと、シリンダ筒９Ａに出入りすることによって、シリンダ筒９Ａとその先端との距離を伸縮させるシリンダロッド９Ｂとを備えている。シリンダロッド９Ｂがシリンダ筒９Ａに出入りすることにより、シリンダロッド９Ｂの先端部が上下動する。シリンダロッド９Ｂの先端部には、押圧板１０が取り付けられており、シリンダロッド９Ｂの先端部を上下動させることにより、押圧板１０はシリンダ９の伸縮方向（上下方向）に移動させられる。また、押圧板１０は、アルミニウムによって形成されており、ワーク６におけるレーザビームが照射される溶接部分を除いたほぼ全面に当接している。そして、シリンダ９を収縮させ、シリンダロッド９Ｂとともに押圧板１０を下降させることにより、押圧板１０の下面をワーク６に当接させ、光透過性樹脂層６Ａと光吸収性樹脂層６Ｂとの溶接面同士を向かい合わせた状態で、両樹脂層６Ａ，６Ｂを押圧する。このとき、押圧板１０を用いていることにより、ワーク６に均等にステージ７に押圧してワーク６における両樹脂層６Ａ，６Ｂ同士を確実に当接させることができる。なお、押圧板１０としては、剛性を有するものが好適に用いられる。

さらに、圧力掛け治具８には、圧力印加装置１１が接続されている。この圧力印加装置１１を作動させることにより圧力掛け治具８のシリンダ９が作動し、ワーク６を押圧し、またはワーク６を押圧状態から解放する。他方、載置台５には、ワーク６におけるレーザビームの照射部の温度を計測する図示しない温度センサが設けられており、この温度センサによってワーク６におけるレーザビームが照射された部位の温度を監視している。また、半導体レーザ発振器４には、レーザコントローラ１２が接続されている。レーザコントローラ１２は、半導体レーザ発振器４から出力されるレーザ光のレーザ光強度を調整している。

以上の構成を有する本実施形態に係るレーザ溶接装置１によるレーザ溶接方法について説明する。レーザ溶接を行う際には、レーザ溶接装置１における載置台５の上にワーク６を載置する。ワーク６を載置したら、圧力掛け治具８によってワーク６を押圧する。このとき、ワーク６には、圧力掛け治具８によって圧力が均等に加えられる。圧力掛け治具８でワーク６を押圧したら、多軸ロボット２を駆動させて、照射ヘッド３を矢印Ｆで示す方向へ移動させる。そして、照射ヘッド３の第１照射部３Ａから出射される第１レーザビームＬ１によってワーク６を照射する。第１照射部３Ａから出射される第１レーザビームＬ１は、光吸収性樹脂層６Ｂの溶融温度以上になるレーザ光強度に調節されている。このように、第１レーザビームＬ１を出射すると、第１レーザビームＬ１が照射された部分では、上層の光透過性樹脂層６Ａを透過し、光吸収性樹脂層６Ｂに到達し、第１レーザビームＬ１によって光吸収性樹脂層６Ｂが照射される。

光吸収性樹脂層６Ｂにおける第１レーザビームＬ１が照射された部位は、第１レーザビームＬ１によって溶融温度、たとえば融点以上にまで加熱されて溶融する。また、第１レーザビームＬ１によって光吸収性樹脂層６Ｂが加熱されることにより、光吸収性樹脂層６Ｂに生じた熱が光透過性樹脂層６Ａに伝えられて、光透過性樹脂層６Ａが溶融する。こうして、光吸収性樹脂層６Ｂおよび光透過性樹脂層６Ａが溶融したとき、両樹脂層６Ａ，６Ｂは圧力掛け治具８によって当接させられている。

続いて、多軸ロボット２によって、照射ヘッド３を溶接方向に移動させると、第１レーザビームＬ１が照射された位置に、第２照射部３Ｂから出射される第２レーザビームＬ２が照射される。第２照射部３Ｂから出射される第２レーザビームＬ２にレーザ光強度は、光吸収性樹脂層６Ｂの温度が、第１照射部３Ａから第１レーザビームＬ１が照射されたときの温度よりも低くなるように調節される。具体的には、ワーク６の溶接部分が、図３に示すような温度変化をなすように、第１レーザビームＬ１，Ｌ２の強度を調整する。図３に示す温度変化では、初期の段階では時間経過とともに温度が上昇し、最初のピークである第１ピークＰ１が現れる。それから、一旦温度が低下した後、最下点Ｍ１で折り返して再び上昇を開始し、２つ目のである第２ピークＰ２が現れ、その後は徐々に温度が低下する。第１ピークＰ１は、溶着最適温度とするのが好適である。

また、最下点Ｍ１と第２ピークＰ２との間に光吸収性樹脂層６Ｂの融点温度が存在する。第１ピークＰ１は、前方の第１レーザビームＬ１が照射されているときに現れるものであり、第２ピークＰ２は、後方の第２レーザビームＬ２が照射されているときに現れるものである。そして、第１ピークＰ１を中心とする山型をなす部分が前方の第１レーザビームＬ１が照射されている時間Ｔ１であり、第２ピークＰ２を中心とする山型をなす部分が後方の第２レーザビームＬ２が照射されている時間Ｔ２である。時間Ｔ１では、主に光吸収性樹脂層６Ｂが溶融して光透過性樹脂層６Ａとの溶着が行われ、時間Ｔ２では、一旦溶着させたワーク６を再加熱する。

このように、第１レーザビームＬ１が照射されているときのワーク６の温度よりも、第２レーザビームＬ２が照射されているときのワーク６の温度を低くすることにより、溶接強度を高めることができる。この点について説明すると、従来のように、１つのレーザビームのみで加工を行う場合、十分な熱量を与えるためのレーザ光強度を上げるか、熱量を稼ぐためにレーザ光のスキャン速度を遅くすることが考えられる。しかし、単にレーザ光強度を上げるのみでは、樹脂に過大な熱が加わってしまい、樹脂が溶けすぎて被溶接物を損傷したり、溶接後の美観を損ねたりすることが懸念される。また、熱量を稼ぐためにレーザ光のスキャン速度を遅くすると、作業時間が長くなり効率的ではない。

さらには、次のような問題も生じる。ワーク６における溶着界面ではレーザビームによる急加熱のための急激な体積膨張が起こる。この体積膨張が起こる際に、固体と液体の界面には大きな圧力が掛かり、その結果として歪みが生じる。１つのレーザビームでの溶接を行っている際に、その加工速度が速いと、熱源となるレーザビームはその場所からすぐに去ってしまうので、体積膨張を起こした部分に急冷却が起こる。このような急冷却が起こると、ワーク６が溶融したときに発生した歪みが緩和されることなく固化してしまう。そのため、固化した後においても歪みが残存してしまうことから、溶接強度が低いものとなってしまう。

これに対して、本実施形態に係るレーザ溶接装置１においては、２つの照射部３Ａ，３Ｂを備える照射ヘッド３を有しており、これらの照射部３Ａ，３Ｂからそれぞれレーザビームを出射している。このうち、前方の照射部３Ａからは溶融最適温度となるレーザ光強度でワーク６を照射して、一旦ワーク６の溶着を行う。次に、後方の第２照射部３Ｂから、ガラス転移点温度以上の温度となるレーザ光強度の第２レーザビームＬ２が出射される。この後方の第２レーザビームＬ２をワーク６に照射してワーク６を再加熱することにより、適切な熱量で溶接時間（作用時間）を長くすることができる。それとともに、ワーク６に残った歪みによる内部応力を緩和することができるので、溶着後の脆化を防止することができる。

しかも、後方の第２レーザビームＬ２を照射していることから、溶融したワーク６の部分が固化されるまでに時間がかかることになる。したがって、ワーク６の溶融部分が、ワーク６における界面にある隙間に流動する時間があるため、界面における隙間が埋められるので、その分ワーク６を強固に溶接することができるといった効果も期待できる。

このように、ワーク６の溶融温度以上の温度、たとえば溶着最適温度となるように先の第１レーザビームＬ１を照射部３Ａに照射して、後の第２レーザビームＬ２では、ワークがガラス転移点以上の温度となる第２レーザビームＬ２を出射している。後の第２レーザビームＬ２でレーザ光強度が強すぎると、後の第２レーザビームＬ２が照射された後、過大な熱による被溶接物の損傷や美観を損ねることが懸念されるが、そのような事態は防止される。また、第２レーザビームＬ２の照射が終了した後、急激な冷却によって歪みが残ることも懸念されるが、体積膨張を最小限に抑えることによりワーク６の歪みを緩和することができる。このようにして、ワーク６における適切な熱量での溶接時間を長くして、しかも体積膨張に起因する歪みを緩和することができるので、被溶接物であるワーク６を強固に溶接することができる。

第１レーザビームＬ１が照射されているときのワーク６の温度よりも、第２レーザビームＬ２が照射されているときのワーク６の温度を低くするために、レーザ光強度を直接調整することができるが、その他の手段によることもできる。たとえば、第１レーザビームＬ１の照射形状と、第２レーザビームＬ２の照射形状とを適宜設定することができる。具体的には、図４（ａ）〜（ｆ）に示す形状とすることができる。図４（ａ）に示す形状では、第１レーザビームＬ１の照射形状および第２レーザビームＬ２の照射形状がともに矩形であり、両者は重なり合っている。また、図４（ｂ）に示す例では、第１レーザビームＬ１の照射形状および第２レーザビームＬ２の照射形状がともに矩形であり、両者は離間している。図４（ｃ）に示す例では、第１レーザビームＬ１の照射形状は矩形、第２レーザビームＬ２の照射形状はだ円形であり、両者は重なり合っている。図４（ｄ）に示す例では、第１レーザビームＬ１の照射形状は矩形、第２レーザビームＬ２の照射形状はだ円形であり、両者は離間している。図４（ｅ）に示す例では、第１レーザビームＬ１の照射形状および第２レーザビームＬ２の照射形状がともにだ円形であり、両者は重なり合っている。図４（ｆ）に示す例では、第１レーザビームＬ１の照射形状および第２レーザビームＬ２の照射形状がともに矩形であり、両者は離間している。また、図示はしないが、第１レーザビームＬ１の照射形状がだ円形であり、第２レーザビームＬ２の照射形状が矩形であり、両者は重なり合っており、または離間している態様とすることもできる。さらには、上記各例のだ円形に代えて、円形とするなどの態様とすることもできる。また、照射形状の大きさは、デフォーカスを行うことなどによって、容易に調整することができる。

これらの照射形状となる第１レーザビームＬ１および第２レーザビームＬ２によってワーク６を溶接する際に、ワーク６に与えられるレーザ光強度と距離との関係について説明する。図５には、第１レーザビームＬ１の照射部分および第２レーザビームＬ２の照射部分が重なり合っている場合の関係を示している。ここでいう距離とは、照射ヘッド３に対してワーク６が相対的に移動した距離を表している。図５に示す例のうち、図５（ａ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分および第２レーザビームＬ２の照射部分のいずれもがだ円形の例を示し、そのときのグラフはガウシアン型となっている。図５（ｂ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分および第２レーザビームＬ２の照射部分のいずれもが矩形の例を示しており、そのグラフはトップハット型となっている。また、図５（ｃ）では、第１レーザビームＬ１の照射部がだ円形、第２レーザビームＬ２の照射部分が矩形の例を示し、図５（ｄ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分が矩形、第２レーザビームＬ２の照射部分のいずれもがだ円形の例を示している。

また、図６においても同様に、第１レーザビームＬ１の照射部分と第２レーザビームＬ２の照射部分とが重なり合う例を示しているが、図６では、第１レーザビームＬ１の照射部分が、第２レーザビームＬ２の照射部分に完全に包含されている場合を示している。図６（ａ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分および第２レーザビームＬ２の照射部分がともにだ円形の例を示し、図６（ｂ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分および第２レーザビームＬ２の照射部分のいずれもが矩形の例を示している。また、図６（ｃ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分がだ円形であり、第２レーザビームＬ２の照射部分が矩形の例を示し、図６（ｄ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分が矩形第２レーザビームＬ２の照射部分がだ円形の例を示している。

さらに、図７においては、第１レーザビームＬ１の照射部分と第２レーザビームＬ２とが離間している場合の例を示している。図７（ａ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分および第２レーザビームＬ２の照射部分のいずれもがだ円形の例を示し、図７（ｂ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分および第２レーザビームＬ２の照射部分のいずれもが矩形の例を示している。また、図７（ｃ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分がだ円形、第２レーザビームＬ２の照射部分が矩形の例を示し、図７（ｄ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分が矩形、第２レーザビームＬ２の照射部分がだ円形の例を示している。

また、図８においては、第１レーザビームＬ１の照射部分と第２レーザビームＬ２の照射部分を同一のレーザ光強度とするとともに、両者の形状を同一とし、さらに第１レーザビームＬ１の中に他のレーザビームを照射してビーム光強度を高めた例を示している。図８（ａ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分および第２レーザビームＬ２の照射形状がだ円形であり、第１レーザビームＬ１の中に照射されるレーザビームの照射形状がだ円形の例を示す。また、図８（ｂ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分および第２レーザビームＬ２の照射形状が矩形であり、第１レーザビームＬ１の中に照射されるレーザビームの照射形状が矩形の例を示す。さらに、図８（ｃ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分および第２レーザビームＬ２の照射形状がだ円形であり、第１レーザビームＬ１の中に照射されるレーザビームの照射形状が矩形の例を示す。そして、図８（ｄ）では、第１レーザビームＬ１の照射部分および第２レーザビームＬ２の照射形状が矩形であり、第１レーザビームＬ１の中に照射されるレーザビームの照射形状がだ円形の例を示す。

このように、第１レーザビームＬ１の照射部分および第２レーザビームＬ２の照射部分の形状を変えることにより、ワーク６に照射されるレーザ光強度を調整することができる。

また、上記の例では、図３に示すように、２つの山が形成されるような温度変化をなすようにしたが、図９に示すように、１つの山が形成された後は、ある程度の時間、一定の温度を保ち、その後に温度を下降させる温度変化とすることもできる。このような一定の温度を保つ時間を持たせるためには、ワーク６を構成する材料の温度低下から逆算されたレーザビームのレーザ光強度分布を連続的に生成すればよい。具体的には、図１０に示すように、ある程度光強度を上昇させた後、徐々に低下させていくようにする態様とすることができる。

このように、レーザビームの照射形状を調整することにより、第１レーザビームＬ１が照射されているときのワーク６の温度よりも、第２レーザビームＬ２が照射されているときのワーク６の温度を低くすることができる。また、照射形状を変えることなく、溶接方向に対する照射幅を調整したり、ワーク６に対する照射ヘッド３の相対的な速度を調整したりすることにより、温度調整を行うこともできる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図１１は、本実施形態に係るレーザ溶接方法を行うレーザ溶接装置の側面図である。本実施形態に係るレーザ溶接装置１５は、図１に示す上記第１の実施形態に係るレーザ溶接装置１ではツインスポットの照射ヘッドを有しているのに対して、本実施形態では、照射部が１つのみからなるシングルスポットの照射ヘッド１６を有している。その他の構成については、上記第１の実施形態に係るレーザ溶接装置１とほぼ同一である。

次に、本実施形態に係るレーザ溶接装置によるレーザ溶接方法を説明する。本実施形態に係るレーザ溶接装置１５においては、多軸ロボット２を作動させることにより、多軸ロボット２の取付部２Ａに取り付けられた照射ヘッド１６をワーク６の溶接部に沿って移動させる。このとき、照射ヘッド１６には、半導体レーザ発振器４からレーザ光が供給され照射ヘッド１６からワーク６に対してレーザビームが照射される。このレーザビームによって、ワーク６における光吸収性樹脂層６Ｂが溶融しワーク６の溶着が開始される。それから、多軸ロボット２を駆動することにより、ワーク６の溶融部分が固化して溶着される前に、照射ヘッド１６を再度同一の溶接部分に移動させ、その溶接部分にレーザ光を再度照射する。このレーザ光の再度の照射の際には、先のレーザ光によって光吸収性樹脂層６Ｂが与えられる温度よりも低温となるレーザ光強度のレーザ光を、照射ヘッド１６から照射する。このような温度となるレーザ光強度のレーザ光を照射することにより、強固な溶接をするために作用時間（溶接時間）を長くしても、樹脂に過大な熱が加わることによって生じる樹脂の溶解による被溶接物の損傷や溶接後の美観を損なうなどの事態を防止することができる。さらに、光吸収性樹脂層６Ｂおよび光透過性樹脂層６Ａの溶接時の熱的な歪みにより生じる両者の内部応力を緩和することができる。したがって、溶着後の脆化を防止することができるので、強固な溶接を実現することができる。

このようなシングルスポットの照射ヘッド１６を用いて再度の照射を行う際には、レーザ光の照射形状はたとえば正方形や円形とすることができるが、その他の形状とすることができる。たとえば、図１２（ａ）に示すように、照射形状Ｌ３を長方形状とし、その長辺を溶接方向に配置した態様とすることができる。また、図１２（ｂ）に示すように、照射形状Ｌ３をだ円形とし、その長辺を溶接方向に配置した態様とすることもできる。このように、レーザ光の照射形状を溶接方向に長くすることにより、光吸収性樹脂層６Ｂに対する入熱時間を長くすることができる。

また、シングルスポットの照射ヘッド１６を用いた場合であっても、照射形状を大きくし、その照射形状の一部を削除したり、その照射形状を分割したりした態様とすることができる。たとえば、図１２（ｃ）に示すように、長方形の照射形状を前後２つの照射形状Ｌ３１，Ｌ３２としたり、図１２（ｄ）に示すように、だ円形の照射形状を前後２つの照射形状Ｌ３１，Ｌ３２としたりすることができる。このとき、前方の照射形状Ｌ３１を後方の照射形状Ｌ３２よりも大きくすることにより、前方の照射形状Ｌ３１のレーザ光によって光吸収性樹脂層６Ｂが与えられる温度よりも低温となるレーザ光強度のレーザ光を後方の照射形状Ｌ３２のレーザ光によって与えることができる。したがって、上記第１の実施形態で示したような、ダブルスポットの照射ヘッドを用いた場合と同様に、１回の照射のみによって、強固にワーク６を溶接するレーザ溶接を行うことができる。

を図１３に示す。図１３（ａ）には、だ円形の照射形状の一部をだ円形に削除した場合の例を示し、図１３（ｂ）には、矩形の照射形状の一部を矩形に削除した場合の例を示す。また、図１３（ｃ）には、図１２（ｄ）に示すように、だ円形の照射形状を分割した場合の例を示し、図１３（ｄ）には、図１２（ｃ）に示すように、長方形の照射形状を分割した場合の例を示す。このように、照射形状の一部を削除し、または照射形状を分割することにより、前方の照射形状のレーザ光によって光吸収性樹脂層６Ｂが与えられる温度よりも低温となるレーザ光強度のレーザ光を後方の照射形状のレーザ光によって与えることができる。

ところで、ワーク６における光透過性樹脂層６Ａと光吸収性樹脂層６Ｂとの間の平面で、溶接方向をｘ方向、溶接方向に直交する方向をｙ方向とする。この場合の熱分布としては、ｙ方向には均一であることが望ましい。また、ｘ方向には、後方の方が低温となるレーザ光強度とする必要がある。これらの点を加味すると、ｘ−ｙ平面におけるレーザ光の強度分布は、図１４に示すように、レーザ光強度の分布Ｄのようにすることが望ましい。

次に、本実施形態に係るレーザ溶接方法の効果について説明する。

本発明者らは、従来のレーザ溶接方法によるワークの溶接強度と本発明に係るレーザ溶接方法によるワークの溶接強度を比較する実験を行った。従来のレーザ溶接方法として、いわゆるシングルスポットによる１回の溶接により、ワークを溶接した。また、本実施形態に係るレーザ溶接方法として、上記第１の実施形態で説明したダブルスポットのレーザ溶接方法によるレーザ溶接により、ワークを溶接した。そのときのレーザ光強度と引っ張り強さとの関係を測定した。なお、溶接速度は、従来のレーザ溶接では、３０ｍｍ／ｓと５０ｍｍ／ｓ、本発明のレーザ溶接では５０ｍｍ／ｓとした。その結果を図１５に示す。

図１５に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接方法では、溶接速度を遅くした従来と比較した場合には、その引っ張り強度の向上は見られないものの、溶接速度が同一である場合には、ほとんどの温度で高い引っ張り強度を示した。この結果から判るように、本実施形態に係るレーザ溶接によれば、加工速度を上げても強固な溶着を行うことができる。

他方、上記第１の実施形態では、照射ヘッド３に設けられた２つの照射部３Ａ，３Ｂにそれぞれ独立にレーザ光を供給する態様としているが、照射ヘッドに対して供給されたレーザ光を分割する態様とすることもできる。図１６は、供給されたレーザ光を分割して２つのレーザビームを出射する照射ヘッドの側断面図である。図１６に示すように、この照射ヘッド２０は、供給されたレーザ光をコリメートするコリメートレンズ２１を備えており、また、コリメートされたレーザ光を集光する第１集光レンズ２２および第２集光レンズ２３を備えている。コリメートレンズ２１と、各集光レンズ２２，２３の間には、レーザ光を分岐させる分岐ミラー２４が配設されており、第２集光レンズ２３の先には、全反射ミラー２５が配設されている。

かかる照射ヘッド２０において、半導体レーザ発振器４から供給されたレーザ光は、コリメートレンズ２１によってコリメートされる。コリメートされたレーザ光は、分岐ミラー２４によって鉛直方向と水平方向の２つの方向分岐させられ、それぞれ第１集光レンズ２２および第２集光レンズ２３へと向かう。第１集光レンズ２２では、コリメートされ鉛直方向下方に進むレーザ光を集光し、この第１集光レンズ２２が設けられた位置に相当する第１出射部から出射する。一方、第２集光レンズ２３では、コリメートされ水平方向に進むレーザ光を集光し、その側方に位置する全反射ミラー２５へと誘導する。全反射ミラー２５では、集光されたレーザ光の進行方向を９０度変換させ、その鉛直方向下方に位置する第２出射部からレーザ光を出射する。このようにして、１つのレーザ光を分割して、２つのレーザ光を出射する照射ヘッドを用いることもできる。このとき、全反射ミラー２５を水平軸回りに揺動可能としておくことにより、第２出射部から出射されるレーザビームの位置を調整することができる。また、分岐ミラー２４を、分岐比率の異なる他の分岐ミラーに交換することにより、分岐ミラーによって分岐比率を容易に調整することができる。

さらに、上記第１の実施形態における照射ヘッド３の照射部３Ａ，３Ｂ間の距離を調整する距離調整機構を設けることにより、両者の距離を調整できる態様とすることもできる。

第１の実施形態に係るレーザ溶接方法を行うレーザ溶接装置の側面図である。 照射装置の側断面である。 ワーク温度調整を行う際の時間−温度曲線の一例を示すグラフである。 （ａ）〜（ｆ）は、レーザビームの照射形状の例を示す図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第１レーザビームの照射部分および第２レーザビームの照射部分が重なり合っている場合のレーザ光強度と距離との関係の例を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、第１レーザビームＬ１の照射部分が、第２レーザビームＬ２の照射部分に完全に包含されている場合のレーザ光強度と距離との関係の例を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、第１レーザビームの照射部分と第２レーザビームとが離間している場合のレーザ光強度と距離との関係の例を示すグラフである。 （ａ）〜（ｄ）は、第１レーザビームの照射部分と第２レーザビームの照射部分を同一のレーザ光強度とするとともに、両者の形状を同一とし、さらに第１レーザビームの中に他のレーザビームを照射してビーム光強度を高めた場合のレーザ光強度と距離との関係の例を示すグラフである。 ワーク温度調整を行う際の時間−温度曲線の他の一例を示すグラフである。 ワーク温度調整を行う際のレーザ光強度と距離との関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係るレーザ溶接方法を行うレーザ溶接装置の側面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、レーザ光の照射形状の例を示す図である。 照射形状の一部を削除し、または照射形状を分割した場合のレーザ光強度と距離の関係を示すグラフである。 レーザ溶接を行う際のワークにおける光透過性樹脂層と光吸収性樹脂層との間の平面におけるｘ方向およびｙ方向の好適な温度分布の例を示す図である。 従来のレーザ溶接と本発明に係るレーザ溶接について行ったレーザ光強度と引っ張り強さとを計測する実験の結果を示すグラフである。 照射ヘッドの他の例を示す側断面図である。

符号の説明

１，１５…レーザ溶接装置、２…多軸ロボット、２Ａ…取付部、３，１６，２０…照射ヘッド、３Ａ…第１照射部、３Ｂ…第２照射部、４…半導体レーザ発振器、５…載置台、６…ワーク、６Ａ…光透過性樹脂層、６Ｂ…光吸収性樹脂層、７…ステージ、８…圧力掛け治具、９…シリンダ、９Ａ…シリンダ筒、９Ｂ…シリンダロッド、１０…押圧板、１１…圧力印加装置、１２…レーザコントローラ、２１…コリメートレンズ、２２…第１集光レンズ、２３…第２集光レンズ、２４…分岐ミラー、２５…全反射ミラー、Ｌ１，Ｌ２…レーザビーム、Ｌ３，Ｌ３１，Ｌ３２…（レーザビームの）照射形状。

Claims (10)

1. レーザ光を透過する光透過性樹脂とレーザ光を吸収して溶融する光吸収性樹脂とを重ね合わせてなる被溶接物に対して相対的に移動するレーザ照射手段から前記被溶接物にレーザ光を照射し、前記光吸収性樹脂を溶融させて、前記光透過性樹脂と前記光吸収性樹脂とを溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記レーザ照射手段から出射されたレーザ光を前記光透過性樹脂側から前記光吸収性樹脂に対して照射する第１照射を行い、前記光透過性樹脂および前記光吸収性樹脂を溶融させた後、
   前記光透過性樹脂および前記光吸収性樹脂が冷えて固化し、溶着される前に、前記レーザ光によって前記光吸収性樹脂が与えられる温度よりも低温となるレーザ光強度のレーザ光を、前記レーザ照射手段から再度照射する第２照射を行うことを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記レーザ照射手段による前記第１照射が済んだ後、
   前記第１照射を開始した位置と同一の位置に前記レーザ照射手段を移動させ、前記第１照射を行った溶接位置に対して、前記レーザ照射手段による前記第２照射を行う請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 前記レーザ照射手段として、レーザ照射部を１つ備えるシングルスポットレーザ照射手段を用いる請求項２に記載のレーザ溶接方法。
4. 前記レーザ照射手段は、第１レーザ照射手段と、前記第１レーザ照射手段とは独立して移動する第２レーザ照射手段と、を備えており、
   前記第１レーザ照射手段によって前記第１照射を行い、
   続いて前記第２レーザ照射手段よって前記第２照射を行う請求項１に記載のレーザ溶接方法。
5. 前記第１レーザ照射手段および前記第２レーザ照射手段として、レーザ照射部を１つ備えるシングルスポットレーザ照射手段をそれぞれ用いる請求項４に記載のレーザ溶接方法。
6. 前記第２照射を行う前記レーザ照射手段の速度を調整することにより、前記レーザ照射手段が照射するレーザ光による前記光吸収性樹脂の温度を調整する請求項２〜請求項５のうちのいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。
7. 前記レーザ照射手段が、第１レーザ照射部および前記第１レーザ照射部に従属して移動する第２レーザ照射部を備えており、
   前記第１レーザ照射部からのレーザ光の出射が行われた後、前記第２レーザ照射部からの再度のレーザ光の出射が行われる請求項１に記載のレーザ溶接方法。
8. 前記レーザ照射手段として第１レーザ照射部および第２レーザ照射部を備えるダブルスポットレーザ照射手段を用い、前記第１レーザ照射部によって前記第１照射を行い、前記第２レーザ照射部によって前記第２照射を行う請求項７に記載のレーザ溶接方法。
9. 前記第２照射におけるレーザ光の照射形状を調整することにより、前記第２照射におけるレーザ光による前記光吸収性樹脂の温度を調整する請求項２〜請求項８のうちのいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。
10. 前記第２照射におけるレーザ光の照射幅を調整することにより、前記第２照射におけるレーザ光による前記光吸収性樹脂の温度を調整する請求項２〜請求項８のうちのいずれか１項に記載のレーザ溶接方法。

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