JP7105912B2 - レーザ溶接方法及び積層体 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接方法及び積層体に関する。

複数の金属板をスポット状に溶接する場合、レーザ溶接装置を用いたレーザスポット溶接が行われている。レーザスポット溶接は、レーザ光により複数の金属板を溶融させた後、冷却することで、複数の金属板を溶接する（例えば、特許文献１）。

特許文献１では、金属板における外形がほぼ円形の溶接対象部の外周よりも内側の領域内に、溶接対象部の全域を予熱可能な第１溶接パターンとなるように金属板が融点以上となる高エネルギー密度のレーザ光を照射して溶接し、次に、溶接対象部の外周部に沿った環状の第２溶接パターンとなるようにレーザ光を照射して溶接することで、第１溶接パターン溶接時に低融点金属メッキを蒸発させ、第２溶接パターン加工時の溶融金属量を増加させている。

特開２００９－１４８７８１号公報（特願２００７－３２７２２０号）

特許文献１のように、溶接部により、その内部空間が密閉された場合、密閉された空間内の空気が、溶接時に熱せられて膨張して溶接部を加圧して、溶接部を破損させてしまうことがある。また、特許文献１では、溶接部の内側部分に、上方に突出したエッジが発生し、溶接後の積層体の外観性や塗装性が悪く、品質が低かった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、溶接部の破損を防止し、溶接後の積層体の品質を向上することができるレーザ溶接方法及び積層体を提供することを目的とする。

本発明のレーザ溶接方法は、複数の金属板を重ねて構成された積層体にレーザ光を照射して接合するレーザ溶接方法であって、前記レーザ光を、前記積層体を溶融可能に出力調整された状態で、前記積層体の所定部分を囲むように延び、且つ、少なくとも一部が開放された外周経路に沿って照射する第１工程と、前記第１工程の後に行われ、前記レーザ光を、前記積層体の最上層の前記金属板を貫通させずに溶融するように出力調整された状態で、前記外周経路の内周部分に沿って照射する第２工程と、を備えることを特徴とする。

本発明のレーザ溶接方法によれば、レーザ光を、積層体を溶融可能に出力調整された状態で、積層体の所定部分を囲むように延び、且つ、少なくとも一部が開放された外周経路に沿って照射する第１工程を有するので、積層体の各金属板の間（隙間）の空気を、上記開放された部分から排出することができる。これにより、積層体が溶接された部分の内側で、積層体の各金属板の隙間の空気が熱膨張して溶接部を破損することがない。

また、第１工程の後に、レーザ光を、積層体の最上層の金属板を貫通させずに溶融するように出力調整された状態で、外周経路の内周部分に沿って照射する第２工程を有するので、第１工程で溶接された溶接部の内周部に発生したエッジを、第２工程で照射されるレーザ光により溶融させることができる。これにより、エッジがあるものに比べて、溶接後の積層体の外観性や塗装性を向上し、品質を向上することができる。

また、前記第２工程では、前記外周経路の内周部分に沿って延びる第１経路、及び前記第１経路とは逆向きで前記外周経路の内周部分に沿って延びる第２経路で前記レーザ光を照射することが好ましい。

この構成によれば、より一層、溶接後の積層体の外観性や塗装性を向上し、品質を向上することができる。

本発明の積層体は、複数の金属板が重ねられて構成され、レーザ溶接された積層体であって、前記複数の金属板のうちの最下層の前記金属板の下面では、前記レーザ溶接された溶接部分は、前記最下層の金属板の所定部分を囲むように延び、且つ、少なくとも一部が開放された形状で形成され、前記複数の金属板のうちの最上層の前記金属板の上面では、前記溶接部分は、窪んだ形状で形成されていることを特徴とする。

本発明の積層体によれば、複数の金属板のうちの最上層の金属板の上面では、溶接部分は、窪んだ形状で形成されているので、溶接部分に上方に突出したエッジは形成されておらず、エッジがあるものに比べて、溶接後の積層体の外観性や塗装性を向上し、品質を向上することができる。

本発明のレーザ溶接装置とロボットとを示す正面図。 積層体と第１状態のレーザ光の外周経路とを示す上面図。 第１状態のレーザ光で溶接した積層体を示すＩＩＩ－ＩＩＩ断面図。 積層体と第１状態のレーザ光の外周経路と第２状態のレーザ光の第１，第２経路とを示す上面図。 第１状態のレーザ光で溶接した後に第２状態のレーザ光を照射した積層体を示すＶ－Ｖ断面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施形態のレーザ溶接方法を実行するレーザ溶接装置１０は、レーザ光Ｌを照射するレーザ照射部１１と、このレーザ照射部１１の駆動を制御するレーザ制御部１２とを備える。レーザ溶接装置１０は、車両に用いられる第１金属板Ｗ１及び第２金属板Ｗ２からなる積層体１５を接合する。積層体１５は、支持治具（図示せず）に載せられ、支持治具とクランパ（図示せず）とにより挟持された状態でレーザ溶接装置１０により接合される。なお、図１では、レーザ溶接装置１０と、積層体１５とを概略的に図示している。

レーザ照射部１１は、レーザ発振器１１ａを備える。また、レーザ照射部１１は、例えば、レーザ発振器１１ａからのレーザ光をＸ軸方向に走査するＸ軸ガルバノミラーと、Ｘ軸ガルバノミラーで走査されたレーザ光をＹ軸方向に走査するＹ軸ガルバノミラーと、集光レンズとを備える。また、レーザ照射部１１は、Ｘ軸ガルバノミラーを回転させるＸ軸モータと、Ｙ軸ガルバノミラーを回転させるＹ軸モータと、制御用ドライバ（いずれも図示せず）とを有する周知のガルバノスキャナ１１ｂとを備える。なお、ガルバノスキャナ１１ｂの構造は適宜変更可能である。

ガルバノスキャナ１１ｂは、制御用ドライバにより回転角度制御されたＸ軸モータ及びＹ軸モータにより、Ｘ軸ガルバノミラー及びＹ軸ガルバノミラーを適切な角度に回転させることでレーザ光を狙った位置に照射させる。

レーザ照射部１１は、ロボット１７の第１アーム１７ａに取り付けられている。ロボット１７は、例えば、多軸多関節型のロボットであり、先端から順に第１～第４アーム１７ａ～１７ｄが設けられている。ロボット１７は、各アーム１７ａ～１７ｄを駆動する複数のモータ（図示せず）が設けられ、ロボット制御装置１８により駆動が制御される。なお、ロボット１７の根元部は、地面もしくは、地面に固定された台座（図示せず）等に支持される。

ロボット制御装置１８は、ロボット１７の複数のモータを駆動することで、各アーム１７ａ～１７ｄを駆動して、アーム１７ａに取り付けられたレーザ照射部１１の位置及び向きを制御し、レーザ照射部１１を、積層体１５の接合部の部分に移動させる。

［金属板溶接］
次に、レーザ溶接装置１０による第１，第２金属板Ｗ１，Ｗ２のレーザ溶接方法について説明する。

まず、図１に示すように、ロボット制御装置１８は、ロボット１７の複数のモータを駆動することで、各アーム１７ａ～１７ｄを駆動して、レーザ照射部１１を、支持治具とクランパとにより挟持された積層体１５の上面（第１金属板Ｗ１の上面）から略同一距離を保つように制御する（以下、同一距離制御と称する）。

そして、ロボット制御装置１８は、上記した同一距離制御を行いながら、各アーム１７ａ～１７ｄを駆動して、レーザ照射部１１を、例えば図１～図５における右方向に一定速度で移動させる。

図２及び図３に示すように、レーザ制御部１２は、図２及び図３における右方向に一定速度で移動されるレーザ照射部１１のレーザ発振器１１ａ及びガルバノスキャナ１１ｂを作動させて、積層体１５の第１金属板Ｗ１及び第２金属板Ｗ２を溶融可能に出力（エネルギー）調整された第１状態のレーザ光Ｌを、照射させる（第１工程）。この第１工程では、レーザ制御部１２は第１状態のレーザ光Ｌを、積層体１５の所定部分１５ａを囲むように延び、且つ、少なくとも一部が開放された略円弧状の外周経路ＯＲに沿って照射させる（第１工程）。なお、外周経路ＯＲの矢印は、経路の移動方向を示す。

本実施形態では、レーザ照射部１１を、図１～図５における右方向に一定速度で移動させながら、第１状態のレーザ光Ｌを外周経路ＯＲに沿って照射させる。外周経路ＯＲは、経路の方向が図２及び図３における左向きの部分があり、この部分では、右方向に移動するレーザ照射部１１から外周経路ＯＲまでの距離が遠くなり、第１状態のレーザ光Ｌの照射方向も変化させる必要がある。これに対応するように、レーザ制御部１２は、ガルバノスキャナ１１ｂを作動させて、Ｘ軸ガルバノミラー及びＹ軸ガルバノミラーの走査方向を変えて、第１状態のレーザ光Ｌの照射方向を変化させることで、第１状態のレーザ光Ｌを外周経路ＯＲに沿って照射させるように制御する。

これにより、第１状態のレーザ光Ｌが外周経路ＯＲに沿って照射され、所定部分１５ａを囲うような外周経路ＯＲの形状のビード２５（図２及び図４におけるハッチングされた部分）が形成され、積層体１５が接合される。

次に、図４及び図５に示すように、レーザ制御部１２は、図４及び図５における右方向に一定速度で移動されるレーザ照射部１１のレーザ発振器１１ａ及びガルバノスキャナ１１ｂを作動させて、積層体１５の最上層の第１金属板Ｗ１を貫通させずに溶融するように出力調整された第２状態のレーザ光Ｌを、照射させる（第２工程）。この第２工程では、レーザ制御部１２は第２状態のレーザ光Ｌを、外周経路ＯＲの内周部分に沿って延びる第１経路Ｒ１、及び第１経路Ｒ１とは逆向きで外周経路ＯＲの内周部分に沿って延びる第２経路Ｒ２で照射させる。

第１状態のレーザ光Ｌの照射方向の制御と同様に、右方向に移動するレーザ照射部１１から第１経路Ｒ１及び第２経路Ｒ２までの距離が変化した場合にも、レーザ制御部１２は、ガルバノスキャナ１１ｂを作動させて、Ｘ軸ガルバノミラー及びＹ軸ガルバノミラーの走査方向を変えて、第２状態のレーザ光Ｌの照射方向を変化させることで、第２状態のレーザ光Ｌを第１経路Ｒ１及び第２経路Ｒ２に沿って照射させるように制御する。

これにより、第１金属板Ｗ１の表面であって第２状態のレーザ光Ｌが照射された部分（図４において薄墨が施された部分）は、溶融されて窪んだ窪み形状Ｄとなる。なお、第２状態のレーザ光の照射範囲は、少なくも第１経路Ｒ１を含めばよく、さらに、外周経路ＯＲと第１経路Ｒ１とは、連続させてもよく、隙間を空けてもよい。

本実施形態では、ビード２５が形成された部分（第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２とが溶接された部分）は、一部が開放された略円弧状（外周経路ＯＲ）であるので、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との隙間の空気を、上記開放された部分から排出することができる。これにより、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２とが溶接された部分の内側で、第１金属板Ｗ１と第２金属板Ｗ２との隙間の空気が熱膨張してビード２５を破損することがない。

第１状態のレーザ光Ｌを、外周経路ＯＲに沿って照射させると、ビード２５の内周部に上方に突出したエッジＥが発生する。なお、図３では、エッジＥを誇張して描いている。

本実施形態では、外周経路ＯＲ（ビード２５）の内周部分に沿って延びる第１経路Ｒ１で第２状態のレーザ光Ｌを照射させる（第２工程）。第２状態のレーザ光Ｌは、積層体１５の最上層の第１金属板Ｗ１を貫通させずに溶融するように出力調整されている。

図４に示すように、ビード２５（ハッチングされた部分）の内周部は、第２状態のレーザ光Ｌが照射された部分（図４において薄墨が施された部分）に重なっている。したがって、図５に示すように、第２状態のレーザ光Ｌにより、ビード２５の内周部に形成された上記エッジＥを溶融させることができ、さらに、新たなエッジを発生させることがない。これにより、溶接後の積層体１５の外観性や塗装性を向上し、品質を向上することができる。

また、本出願人の鋭意検討の結果、第１状態のレーザ光Ｌを、外周経路ＯＲに沿って照射させると、外周経路ＯＲ（ビード２５）の最終部分に凹みＣ（図３参照）が発生することが分かった。本実施形態では、第２状態のレーザ光Ｌにより、第１金属板Ｗ１の表面（外周経路ＯＲの内周部分表面）が溶融されて、上記凹みＣに流れるので、凹みＣの一部を埋めることができる（図５参照）。これにより、積層体１５の外観性及び塗装性を向上し、品質を向上することができる。

ロボット制御装置１８により駆動された各アーム１７ａ～１７ｄにより、レーザ照射部１１を、図１～図５における右方向に一定速度で移動させながら、レーザ制御部１２は、積層体１５における所定間隔で上記第１工程及び第２工程を行うように制御を行う。これにより、図１に示すように、積層体１５は、所定間隔でスポット溶接され、強固に接合される。

なお、上記実施形態では、外周経路ＯＲを略円弧状に形成しているが、一部が開放された外周経路であればよく、多角形や楕円形状でもよい。

上記実施形態では、第２状態のレーザ光を、第１経路Ｒ１及び第２経路Ｒ２で照射させているが、少なくも第１経路Ｒ１で照射させればよい。さらに、外周経路ＯＲと第１経路Ｒ１とは、連続させてもよく、隙間を空けてもよい。

また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１０…レーザ溶接装置、１５…積層体、Ｌ…レーザ光、ＯＲ…外周経路、Ｒ１…第１経路、Ｒ２…第２経路、Ｗ１…第１金属板、Ｗ２…第２金属板

Claims (3)

1. 複数の金属板を重ねて構成された積層体にレーザ光を照射して接合するレーザ溶接方法であって、
   前記レーザ光を、前記積層体を溶融可能に出力調整された状態で、前記積層体の所定部分を囲むように延び、且つ、少なくとも一部が開放された外周経路に沿って前記レーザ光の照射位置が前記外周経路の一端から他端に連続移動するように照射する第１工程と、
   前記第１工程の後に行われ、前記レーザ光を、前記積層体の最上層の前記金属板を貫通させずに溶融するように出力調整された状態で、前記レーザ光の照射位置が、ターン方向内側に隙間を空けることなく前記外周経路の前記他端から前記外周経路の内周側にＵターンするＵターン経路と、当該Ｕターン経路に連続するとともに、前記外周経路の内周部分と部分的に重なりつつ前記外周経路の内周側に形成されている内周経路とを、前記外周経路とは逆回りで連続照射する第２工程と、
   を備えることを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 請求項１に記載のレーザ溶接方法において、
   前記第２工程では、前記内周経路としての第１経路、及び前記第１経路を照射した後の照射経路であって前記第１経路とは逆向きで前記第１経路の内周部分に沿って延びる第２経路で前記レーザ光を照射することを特徴とするレーザ溶接方法。
3. 複数の金属板が重ねられて構成され、レーザ溶接された積層体であって、
   前記レーザ溶接された溶接部分は、前記積層体を貫通しているとともに、前記積層体の上面視で前記積層体の上面の所定部分を囲むように延び、且つ、少なくとも一部が開放された形状で形成され、
   前記積層体の上面では、前記溶接部分に沿って窪みが形成され、
   前記積層体の上面視で、前記窪みは、前記溶接部分の一方の端部において前記溶接部分の全体と重なりつつ、前記溶接部分の内周側に張り出しており、また、前記溶接部分において前記一方の端部以外の部位では前記溶接部分の内周縁と部分的に重なりつつ前記溶接部分の内周に沿って延在していることを特徴とする積層体。

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