JP7213441B2 - レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置 - Google Patents
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Description
[レーザ溶接装置及びレーザ光スキャナの構成]
図1は、本実施形態に係るレーザ溶接装置の構成の模式図を示し、図2は、レーザ光スキャナの概略構成図を示す。図3は、ワークの断面模式図を示す。
図4は、レーザ光の走査パターンを示し、レーザ光LBは、XY平面内、この場合はワーク200の表面でリサージュパターン(以下、リサージュ図形ともいう)を描くように走査される。
Y=b1×sin(mt+φ) ・・・(2)
X=a2×sin(nt) ・・・(3)
Y=b2×sin(mt+φ) ・・・(4)
ここで、
a1:リサージュパターンSP1のX方向の振幅
b1:リサージュパターンSP1のY方向の振幅
a2:リサージュパターンSP2のX方向の振幅
b2:リサージュパターンSP2のY方向の振幅
n:第1ミラー41aの周波数
m:第2ミラー42aの周波数
t:時間
φ:第1ミラー41aまたは第2ミラー42a駆動時の位相差であり、具体的には、第1ミラー41aと第2ミラー42aの回転運動時に設ける角度ずれ量である。
ΔY= b1×m×cos(mt+φ)×Δt ・・・(6)
ΔL= Δt×{(ΔX)2+(ΔY)2}1/2 ・・・(7)
よって、リサージュパターンの描画速度Vは、以下に示す式(8)で表される。
式(5)~(8)は、式(1)~(2)をもとにして作成した第1描画パターンSP1に関する数式であるが、同様に、式(3)~(4)をもとにして第2描画パターンSP2に関する数式を作成することができる。ここでは、その詳細を省略する。
図5は、レーザ光の走査軌跡を示し、図6は、レーザ光の描画期間と出力との関係を示す。図7は、レーザ光照射時のワークの状態変化を模式的に示す。
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ溶接方法は、レーザ光LBを二次元的に走査してワーク200の表面に照射することで、ワーク200をスポット溶接する溶接ステップを備えている。
図8は、レーザ光の出力とキーホールの深さとの関係を示し、図9は、本変形例に係るレーザ光照射時のワークの状態変化を模式的に示す。なお、説明の便宜上、図8、図9及び以降に示す各図面において、実施形態1と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図10は、本変形例に係るレーザ光の基本走査パターンを示し、図11は、レーザ光の走査軌跡を示す。
図12A~図12Oは、本変形例に係る第2描画パターンの第1~第15の例をそれぞれ示す。
図13は、本実施形態に係るレーザ光の基本走査パターンを示し、図14は、レーザ光の走査軌跡を示す。
図15A~15Fは、本変形例に係るレーザ光の第1~第6走査パターンをそれぞれ示す。なお、図15A~15Fにおいて、矢印AR1,AR3はレーザ光LBの走査方向(描画方向)を示す。また、図15A~15Fに示す第1~第6の走査パターンは、前述の第1描画パターンにあたる。第2描画パターンは、図示を省略するが、本変形例に示す第1~第6の走査パターンとは類似形または相似形であり、所定のサイズのみ小さいものとする。
実施形態1,2及び変形例1~3に示した各構成要素を適宜組み合わせて、新たな実施形態とすることもできる。例えば、実施形態2に示す走査パターンを描画するにあたって、変形例2に示すように原点Oに関する非対称な形状のリサージュパターンとすることも可能である。
20 光ファイバ
30 レーザヘッド
31 筐体
32 コリメーションレンズ
33 反射ミラー
34 集光レンズ
40 レーザ光スキャナ
41 第1ガルバノミラー
41a 第1ミラー
41b 第1回転軸
41c 第1駆動部
42 第2ガルバノミラー
42a 第2ミラー
42b 第2回転軸
42c 第2駆動部
50 コントローラ
60 マニピュレータ
200 ワーク
210 第1板材(母材)
211 亜鉛めっき層(被覆層)
220 第2板材(母材)
221 亜鉛めっき層(被覆層)
301,302 キーホール
311,312 溶融池
Claims (27)
- レーザ光を二次元的に走査してワークの表面に照射することで、前記ワークをスポット溶接する溶接ステップを備え、
前記溶接ステップは、
前記レーザ光を前記ワークの表面で第1描画パターンを描くように、かつ前記第1描画パターンの原点を中心にして前記第1描画パターンを回転させることで、前記レーザ光が第1半径の円内全体に照射されるように前記レーザ光を走査する第1照射ステップを少なくとも有し、
前記第1描画パターンは、2つの環状のパターンが前記原点で接して連続したパターンであり、
前記第1半径は、前記第1描画パターンの長さの半分であることを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項1に記載のレーザ溶接方法において、
前記第1照射ステップでは、前記第1描画パターンの原点を中心にして、前記第1描画パターンを所定の角度毎に回転させて繰り返し描画するように前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項1に記載のレーザ溶接方法において、
前記第1照射ステップでは、前記第1描画パターンの原点を中心にして、前記第1描画パターンを連続的に回転させるように前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項1ないし3のいずれか1項に記載のレーザ溶接方法において、
前記第1描画パターンは、8の字状または∞字形状のリサージュパターンであり、
前記第1照射ステップでは、前記レーザ光を第1方向に沿って第1周波数を有する正弦波状に振動させるとともに、前記第1方向と交差する第2方向に沿って第2周波数を有する正弦波状に振動させることで、前記ワークの表面で前記第1描画パターンを描くように前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項1ないし4のいずれか1項に記載のレーザ溶接方法において、
前記溶接ステップは、前記第1照射ステップに続けて、前記第1描画パターンの原点を中心とした所定の長さの第2描画パターンを描くように前記レーザ光を走査する第2照射ステップをさらに有し、
前記第2描画パターンの前記所定の長さは、前記第1半径の2倍よりも短いことを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項5に記載のレーザ溶接方法において、
前記第2照射ステップでは、前記第1描画パターンの原点を中心にして前記第2描画パターンを回転させることで、前記レーザ光が第2半径の円内全体に照射されるように前記レーザ光を走査し、
前記第2半径は、前記第2描画パターンの長さの半分であり、前記第1半径よりも短いことを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項6に記載のレーザ溶接方法において、
前記第2照射ステップでは、前記第1描画パターンの原点を中心にして、前記第2描画パターンを所定の角度毎に回転させて繰り返し描画するように前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項6に記載のレーザ溶接方法において、
前記第2照射ステップでは、前記第1描画パターンの原点を中心にして、前記第2描画パターンを連続的に回転させるように前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項6ないし8のいずれか1項に記載のレーザ溶接方法において、
前記第2描画パターンは、2つの環状のパターンが前記第1描画パターンの原点で接して連続したパターンであることを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項9に記載のレーザ溶接方法において、
前記第2描画パターンは、8の字状または∞字形状のリサージュパターンであり、
前記第2照射ステップでは、前記レーザ光を第1方向に沿って第1周波数を有する正弦波状に振動させるとともに、前記第1方向と交差する第2方向に沿って第2周波数を有する正弦波状に振動させることで、前記ワークの表面で前記第2描画パターンを描くように前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項5ないし10のいずれか1項に記載のレーザ溶接方法において、
前記ワークは、それぞれ板状の部分を含む2つの母材において、前記板状の部分同士が重ね合わされるか、または突き合わされ、少なくとも前記板状の部分の表面に被覆層が形成された構造であり、かつ前記被覆層の沸点は、前記母材の融点よりも低く、
前記第1照射ステップにおける前記レーザ光の出力が、前記第2照射ステップにおける前記レーザ光の出力よりも低くなるように前記レーザ光の出力を制御することを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項11に記載のレーザ溶接方法において、
前記第1照射ステップで、前記板状の部分の間にある前記被覆層が除去され、
前記第2照射ステップで、前記被覆層が除去された2つの前記板状の部分同士が溶接されることを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項11または12に記載のレーザ溶接方法において、
前記被覆層は、亜鉛を主成分とするめっき層であることを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項5ないし13のいずれか1項に記載のレーザ溶接方法において、
前記第2照射ステップでは、前記ワークにキーホールが形成されることを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項5ないし14のいずれか1項に記載のレーザ溶接方法において、
平面視で、前記第1描画パターン及び前記第2描画パターンは、前記第1描画パターンの原点に関して非対称な形状であることを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項1ないし15のいずれか1項に記載のレーザ溶接方法において、
前記第1照射ステップでは、前記ワークにキーホールが形成されることを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項4または10に記載のレーザ溶接方法において、
前記第1周波数と前記第2周波数との比は、1:2であることを特徴とするレーザ溶接方法。 - 請求項1ないし17のいずれか1項に記載のレーザ溶接方法において、
少なくとも前記第1描画パターンの描画速度が一定になるように前記レーザ光を走査することを特徴とするレーザ溶接方法。 - レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
前記レーザ光を受け取ってワークに向けて照射するレーザヘッドと、
前記レーザヘッドの動作及び前記レーザ光の出力を制御するコントローラと、を少なくとも備え、
前記レーザヘッドは、前記レーザ光を第1方向と前記第1方向と交差する第2方向のそれぞれに走査するレーザ光スキャナを有し、
前記コントローラは、前記レーザ光を前記ワークの表面で第1描画パターンを描くように、かつ前記第1描画パターンの原点を中心にして前記第1描画パターンを回転させることで、前記レーザ光が第1半径の円内全体に照射されるように前記レーザ光スキャナを駆動制御し、
前記第1描画パターンは、2つの環状のパターンが前記原点で接して連続したパターンであり、
前記第1半径は、前記第1描画パターンの長さの半分であることを特徴とするレーザ溶接装置。 - 請求項19に記載のレーザ溶接装置において、
前記コントローラは、前記レーザ光が前記ワークの表面に前記第1描画パターンを描画した後に、前記レーザ光が前記第1描画パターンの原点を中心とした所定の長さの第2描画パターンを描くように前記レーザ光スキャナを駆動制御し、
前記第2描画パターンの前記所定の長さは、前記第1半径の長さの2倍よりも短いことを特徴とするレーザ溶接装置。 - 請求項20に記載のレーザ溶接装置において、
前記コントローラは、前記第1描画パターンの原点を中心にして前記第2描画パターンを回転させることで、前記レーザ光が第2半径の円内全体に照射されるように前記レーザ光スキャナを駆動制御し、
前記第2半径は、前記第2描画パターンの長さの半分であり、前記第1半径よりも短いことを特徴とするレーザ溶接装置。 - 請求項20または21に記載のレーザ溶接装置において、
前記ワークは、それぞれ板状の部分を含む2つの母材において、前記板状の部分同士が重ね合わされるか、または突き合わされ、少なくとも前記板状の部分の表面に被覆層が形成された構造であり、かつ前記被覆層の沸点は、前記母材の融点よりも低く、
前記コントローラは、前記第1描画パターンを描画中の前記レーザ光の出力が、前記第2描画パターンを描画中の前記レーザ光の出力よりも低くなるように前記レーザ光の出力を制御することを特徴とするレーザ溶接装置。 - 請求項19ないし22のいずれか1項に記載のレーザ溶接装置において、
前記コントローラは、少なくとも前記第1描画パターンの描画速度が一定になるように前記レーザ光スキャナを駆動制御することを特徴とするレーザ溶接装置。 - 請求項19ないし23のいずれか1項に記載のレーザ溶接装置において、
前記レーザヘッドが取り付けられたマニピュレータをさらに備え、
前記コントローラは、前記マニピュレータの動作を制御し、
前記マニピュレータは、前記ワークの表面に対して、所定の方向に前記レーザヘッドを移動させることを特徴とするレーザ溶接装置。 - 請求項19ないし24のいずれか1項に記載のレーザ溶接装置において、
前記レーザ発振器と前記レーザヘッドとは光ファイバで接続されており、
前記レーザ光は、前記光ファイバを通って、前記レーザ発振器から前記レーザヘッドに伝送されることを特徴とするレーザ溶接装置。 - 請求項19ないし25のいずれか1項に記載のレーザ溶接装置において、
前記レーザ光スキャナは、前記レーザ光を第1方向に走査する第1ガルバノミラーと、前記レーザ光を前記第1方向と交差する第2方向に走査する第2ガルバノミラーと、で構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。 - 請求項19ないし26のいずれか1項に記載のレーザ溶接装置において、
前記レーザヘッドは、焦点位置調整機構をさらに有し、
前記焦点位置調整機構は、前記ワークの表面に交差する方向に沿って、前記レーザ光の焦点位置を変化させるように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
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