(57)【要約】【課題】ワーク（被溶接物）を片側から溶接するスポット溶接装置において、安定した溶接品質を維持できるスポット溶接装置を提供する。【解決手段】レーザ発信器より出力されたレーザビームを集束させ、金属板を重ねた被溶接物（ワークＷ１、Ｗ２）に照射するレーザスポット溶接装置に、下端部が開口している中空筒状に形成され、且つその上端部に、前記レーザ発信器から出力されたレーザビームを導く光ファイバーが取り付けられた本体部１２と、本体部１２の下端部側の開口を塞ぐ透光性を有する蓋体２０と、本体部１２の筒内に設けられ、光ファイバーケーブル４０からのレーザビームを集束し、蓋体２０を介して、集束したレーザビームを被溶接物（ワークＷ１、Ｗ２）に向けて照射する集束光学系手段２５と、本体部１２の下端部側の外周部に取り付けられた、所定の磁力を有する電磁石３０とを設ける。【選択図】図２
2010110767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発信器より出力されたレーザビームを集束させ、金属板を重ねた被溶接物に照射するスポット溶接装置であって、
下端部が開口している中空筒状に形成され、且つその上端部に、前記レーザ発信器から出力されたレーザビームを導く光ファイバーが取り付けられた本体部と、
前記本体部の下端部の前記開口を塞ぐ透光性を有する蓋体と、
前記本体部の筒内に設けられ、前記光ファイバーからのレーザビームを集束し、前記蓋体を介して、該集束したレーザビームを前記被溶接物に向けて照射する集束光学系手段と、
前記本体部の下端部側の外周部に取り付けられた、所定の磁力を有する電磁石とを備えることを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項２】
前記電磁石は、超伝導磁石であることを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スポット溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の製造ラインでは、スポット溶接が多く用いられている。このスポット溶接には、様々な手法があるが、上下の溶接電極で、金属板を重ねたワークを挟んで加圧しながら大電流を通すことにより、ワークの溶接接合を行うダイレクトスポット溶接が一般的に広く用いられている。
しかしながら、例えば、自動車のボディーの接合部においては、車両のデザインや機能上の理由から、上下の溶接電極によりワークを挟み込むことが困難な場合もあり、ダイレクトスポット溶接では溶接できないことがあった。
そのため、従来から片側からワークを溶接する片側溶接の技術が提案されている。
【０００３】
例えば、片側からワークを溶接する技術として、図４に示すような、片側抵抗スポット溶接システムが提案されている。
図示するように、片側抵抗スポット溶接システムＢは、ロボットアーム２ａを有する産業用ロボット２と、ロボットアーム２ａの先端に取り付けられた溶接電極１１０を有する溶接ガン１００と、溶接電極１１０と相対向する位置に配置される受け電極１５０と、溶接電極１１０および受け電極１５０に溶接電流を供給するトランス１６０とを備えている。
そして、片側抵抗スポット溶接システムＢは、産業用ロボット２により溶接ガン１００を移動させて、溶接ガン１１０の溶接電極１１０と、受け電極１５０とによりワークＷ１、Ｗ２を挟持・加圧して、電流を通電させることによりワークＷ１、Ｗ２の溶接を行っている。
【０００４】
また、片側からワークを溶接する技術として、ワークにレーザビームを照射して溶接するレーザ溶接装置の構成が知られている。
ここで、図５を参照しながら、従来技術によるレーザ溶接装置について説明する。
図５に示すように、従来技術によるレーザ溶接装置４００は、レーザビームを発生させるレーザ発信器（図示せず）と、レーザ発信器（図示しない）からのレーザビームを集束させて照射するレンズ４１５が搭載されたレーザヘッド４１０とを備えている。
そして、レーザヘッド４１０は、溶接対象であるメッキ鋼板等のワークＷ１、Ｗ２の上方に配置され、ワークＷ１、Ｗ２の上方からレーザビームを照射し、ワークＷ１、Ｗ２を溶接している。
【０００５】
また、従来技術のレーザ溶接では、ワークＷ１と、ワークＷ２との間に所定の隙間ｄを設けた上で、レーザヘッド４１０からレーザビームを照射している。
このように、ワークＷ１と、ワークＷ２との間に隙間ｄを設けているのは、ワークＷ１と、ワークＷ２との間に貯まるガスの逃げ路を確保することにより、当該ガスが爆発することを抑制するためである。
なお、図５に示したように、ワークＷ１と、ワークＷ２との間に隙間ｄを設けた上で、レーザヘッド４１０からレーザビームを照射するレーザ溶接方法は、例えば、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平７−１５５９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来技術は、以下に示す技術的課題を有している。
具体的には、図４に示した従来技術の片側抵抗スポット溶接システムＢは、産業用ロボット２により、受け電極１５０の位置に、溶接ガン１００の溶接電極１１０を移動させているが、溶接電極１１０と受け電極１５０との位置合わせが面倒であると共に、当該位置合せを高精度に行うことが困難であった。その結果、上記の片側抵抗スポット溶接システムＢは、溶接品質が安定しないという技術的課題を有している。
また、上記の片側抵抗スポット溶接システムＢは、溶接電極１１０を押し当てる受け電極１５０をワークの裏面に配置しているが、ワークの形状によって、受け電極１５０の設置が難しい場合もあった。
【０００７】
また、図５に示す従来技術のレーザ溶接装置４００は、ワークＷ１とワークＷ２との間に隙間ｄを設けることにより、ガスの爆発をある程度抑制することはできるが、完全にガスの爆発を防止することまではできず、安定した溶接品質の維持が困難であった。また、従来技術のレーザ溶接装置４００は、前記の隙間ｄを設けたとしても、溶接表面の沸騰を防ぐことができず、これにより溶接品質を悪化させていた。
また、従来技術のレーザ溶接は、酸化防止のために、シールドガスを充満させた雰囲気中でレーザ溶接を行うため、レーザ溶接のための設備が高額なものとなっていた。
なお、片側からワークを溶接する方法には、ＣО２溶接やＴＩＧ溶接もあるが、これらの方法は、いずれも、被溶接対象のワークの間の隙間を詰めることが出来ないため溶接品質がバラツクという技術的課題を有している。
【０００８】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、ワーク（被溶接物）を片側から溶接するスポット溶接装置において、安定した溶接品質を維持できるスポット溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明は、レーザ発信器より出力されたレーザビームを集束させ、金属板を重ねた被溶接物に照射するスポット溶接装置に適用される。
そして、前記スポット溶接装置は、下端部が開口している中空筒状に形成され、且つその上端部に、前記レーザ発信器から出力されたレーザビームを導く光ファイバーが取り付けられた本体部と、前記本体部の下端部の前記開口を塞ぐ透光性を有する蓋体と、前記本体部の筒内に設けられ、前記光ファイバーからのレーザビームを集束し、前記蓋体を介して、該集束したレーザビームを前記被溶接物に向けて照射する集束光学系手段と、前記本体部の下端部側の外周部に取り付けられた、所定の磁力を有する電磁石とを備えることを特徴としている。
【００１０】
このように本発明のスポット溶接装置は、金属板を重ねた被溶接物にレーザビームを照射する本体部の下端部側の外周部に、所定の磁力を有する電磁石が取り付けられている。また、本体部の下端部の開口が透光性を有する蓋体により塞がれ、レーザビームが当該蓋体を介して被溶接物に照射されるようになされている。
この構成により、本発明のスポット溶接装置は、溶接する際に、電磁石の磁気吸着力により、金属板を重ねた被溶接物を密着させることができる（すなわち、被溶接物の溶接面を密着した状態にできる）。
そして、本発明のスポット溶接装置によれば、被溶接物の溶接面を密着させた状態にして、且つ蓋体が被溶接物の溶接部位に上方から直接圧力をかけた状態で、当該被溶接物にレーザビームを照射することができるため、溶接のときに、被溶接物の溶接面の沸騰および爆発を防止することができ、溶接品質を安定させることができる。
すなわち、本発明によれば、電磁石の磁気吸着力に加えて、本体部の下端部の開口を覆う蓋体が、レーザビームが照射される被溶接物の溶接部位を直接加圧することができるため、被溶接物の溶接面で起きる爆発を効果的に防止することができる。
【００１１】
また、金属板を重ねた被溶接物を密着させた状態でレーザビームを照射することにより、レーザビームの漏れを防止することができるため、上述した従来技術のレーザ溶接装置のように、シールドガスを用いる必要がない（設備コストが軽減される）。
すなわち、本発明によれば、電磁石の磁気吸着力に加えて、本体部の下端部の開口を覆う蓋体が、レーザビームが照射される被溶接物の溶接部位を直接加圧することができるため、被溶接物の溶接部位を強く密着させることができ、これにより、レーザビームの漏れが防止される。
さらに、本発明は、上述した図４に示す片側スポット溶接装置のように、溶接電極１１０と、受け電極１５０との位置合わせを行う必要がないため、溶接作業の手間が軽減される。また、本発明のレーザスポット溶接装置を産業用ロボットに装着する場合においても、ロボットティーチングが簡略化される。
【００１２】
また、前記電磁石は、超伝導磁石であることが望ましい。
このように超伝導磁石を用いることにより、強い磁力により金属板を重ねた被溶接物を密着させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
このように、本発明によれば、被溶接物を溶接するスポット溶接装置において、軽量化を図り作業性を改善させると共に、安定した溶接品質を維持できるスポット溶接装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
先ず、本実施形態のレーザスポット溶接装置を搭載したレーザ溶接システムの構成について、図１に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態のレーザスポット溶接装置を搭載したレーザ溶接システムの構成図である。
ここで、図示するレーザ溶接システムＡは、産業用ロボット２のロボットアーム２ａに取り付けられたレーザスポット溶接装置１０が、レーザスポット装置１０の下端部に設けられた電磁石３０により、金属板（メッキ鋼板などの金属板）を重ねた被溶接対象であるワークＷ１、Ｗ２を密着させて保持すると共に、密着させて保持された状態のワークＷ１、Ｗ２にレーザビームを照射することにより、ワークＷ１、Ｗ２の溶接を行うものである。
【００１５】
具体的には、レーザ溶接システムＡは、レーザビームを発生させるレーザ発信器１と、ロボットアーム２ａを備えた産業用ロボット２と、ロボットアーム２ａの先端部に装着されたレーザスポット溶接装置１０と、レーザ発信器１からレーザスポット溶接装置１０までレーザビームを導く光ファイバーケーブル４０と、レーザ発信器１および産業用ロボット２の駆動を制御する制御装置５０とを備えている。
また、レーザ発信機１と制御装置５０とは、信号線Ｓ１を介して接続され、相互間でデータの授受が行えるように構成されている。また、産業用ロボット２と制御装置５０とは、信号線Ｓ２を介して接続され、相互間でデータの授受が行えるように構成されている。
なお、本実施形態のレーザ溶接システムＡのうち、レーザ発信器１および産業用ロボット２は、周知の技術により実現されるものであるため、以下での説明は簡略化する。
【００１６】
具体的には、レーザ発信器１は、制御装置５０からの信号（レーザ出力制御信号）にしたがい、レーザ出力制御信号により指定されたタイミングで、当該レーザ出力制御信号により指定された出力のレーザビームを発生させる。レーザ発信器１で発生されたレーザビームは、光ファイバーケーブル４０によって、ロボットアーム２ａの先端に装着されたレーザスポット溶接装置１０に導かれる。
【００１７】
また、産業用ロボット２は、一般的な多軸ロボットであり、制御装置５０により設定された教示データにしたがい、ロボットアーム２ａが駆動され、レーザスポット溶接装置１０を３次元の様々な位置および方向に移動させる。
また、産業用ロボット２は、ロボットアーム２ａの先端部に装着されたレーザスポット溶接装置１０の駆動を制御できるように構成され、制御装置５０から送信される信号（溶接装置制御信号）を受け付け、その溶接装置制御信号にしたがい、レーザスポット溶接装置１０を動作させる。
【００１８】
また、制御装置５０は、例えば、ＣＰＵおよびメモリを備えるコンピュータにより構成されており、前記メモリに、レーザ発信器１および産業用ロボット２の駆動を制御するためのプログラムが格納されている。そして、レーザ発信器１および産業用ロボット２の駆動制御は、前記ＣＰＵが前記メモリに格納されたプログラムを実行することにより実現される。
【００１９】
また、レーザスポット溶接装置１０は、一端がロボットアーム２ａの先端部に取り付けられたレーザヘッド１１と、レーザヘッド１１の下端部の外周面に取り付けられた電磁石３０とを備えている。
また、レーザヘッド１１は、その上端に、レーザ発信器１に接続された光ファイバーケーブル４０が接続されている。これにより、レーザ発信器１で発生されたレーザビームは、光ファイバーケーブル４０によって、レーザヘッド１１に導かれる。
そして、レーザヘッド１１は、光ファイバーケーブル４０により導かれたレーザビームをワークＷ１、Ｗ２に向けて照射する。
また、レーザヘッド１１には、ロボット２との間で相互に信号の授受を行う制御回路（図示しない）が搭載され、この制御回路（図示しない）によりレーザスポット溶接装置１０全体の動作が制御される。
【００２０】
また、レーザスポット溶接装置１０は、ロボット２を介して、前記制御回路が制御装置５０からの指示（溶接装置制御信号）を受け付け、その受け付けた溶接装置制御信号にしたがい、電磁石３０に電流を供給し、電磁石３０によりワークＷ１、Ｗ２を密着させた状態で保持する。そして、前記の密着・保持したワークＷ１、Ｗ２に対して、レーザヘッド１１の下端からレーザビームが照射され、ワークＷ１、Ｗ２が溶接される。
【００２１】
このように、本実施形態では、電磁石３０の磁気吸着力により密着保持したワークＷ１、Ｗ２に対して（すなわち、ワークＷ１、ワークＷ２の溶接面が密着された状態で）、レーザヘッド１１の下端からレーザビームが照射されるようになされている。
すなわち、本実施形態によれば、レーザ溶接を行う際には、電磁石３０の磁気吸着力によりワークＷ１、Ｗ２の溶接面が密着した状態になっているため、溶接のときに、ワークＷ１、Ｗ２の溶接面で起きる沸騰および爆発を抑制することができ、その結果、溶接品質を安定させることができる。
【００２２】
つぎに、本実施形態のレーザスポット溶接装置１０の構成について、図２および図３を用いて説明する。
図２は、本発明の実施形態のレーザスポット溶接装置の構成を示した模式図である。また、図３は、本発明の実施形態のレーザスポット溶接装置の底面を示した模式図である。
【００２３】
図２および図３に示すように、レーザスポット溶接装置１０は、レーザヘッド１１と、レーザヘッド１１の下端の外周面に取り付けられた電磁石３０とを備えている。
ここで、図２に示すように、レーザヘッド１１は、下端部が開口している中空円筒状に形成された本体部１２と、前記下端部の開口を塞ぐ透光性を有する蓋体２０とを備えている。
また、本体部１２は、その上端部に、レーザ発信器１（図１参照）から出力されたレーザビームを導く光ファイバーケーブル４０の端部が取り付けられている。また、本体部１２の筒内には、光ファイバーケーブル４０からのレーザビームＬＡ１を集束し、蓋体２０を介して、該集束したレーザビームＬＡ２をワークＷ１、Ｗ２に向けて照射する集束光学系手段２５（例えば、レンズ）が設けられている。
なお、本体部１２には、図示しないが、上述した制御回路が搭載されている。
また、本体部１２は、例えば、軽量な強化素材（アルミ・チタン合金等）により形成されている。
【００２４】
また、図２および図３に示すように、電磁石３０は、略円柱状に形成され、その軸芯部に、レーザヘッド１１の本体部１２の外周面が嵌合する形状になされた貫通孔（上下両面を貫通する貫通孔）が設けられている。そして、本体部１２の下端部が前記貫通孔に挿入され嵌合されることにより、本体部１２に電磁石３０が取り付けられる。
なお、電磁石３０には、例えば、超伝導磁石を用いることができる。
また、上述した電磁石３０の形状は、あくまでも例示である。電磁石３０は、レーザヘッド１１の本体部１２の下端部に取り付けられるものであれば、どのような形状であってもよい（例えば、角柱形状であってもよい）。
【００２５】
また、本実施形態の集束光学系手段２５には、周知技術により実現されるものを用いることができ、その具体的な構成について特に限定されるものではない。
集束光学系手段２５は、光ファイバーケーブル４０からのレーザビームを集束し、その集束したレーザビームをワークＷ１、Ｗ２に照射できるものであれば、どのような構成でもかまわない（例えば、複数のレンズや反射ミラー等により構成されていてもよい）。
また、例えば、レーザヘッド１１の本体部１２の筒内に、レーザビームの光路を開閉するシャッターが設けられ、前記制御回路（図示しない）からの指示にしたがい前記シャッターの開閉動作が制御されるようになされていてもよい。
【００２６】
また、上述した透光性を有する蓋体２０は、所定の耐熱性および所定の耐圧性を有している（例えば、強化ガラス等により作られている）。また、蓋体２０は、その先端部２０ａが円弧凸状に形成されている（Ｒ面状に形成されている）ことが好ましい。
このように構成することにより、蓋体２０が、レーザビームが照射されるワークＷ１、Ｗ２の溶接部位を直接押さえることができるため、ワークＷ１、Ｗ２の溶接面で起きる爆発を効果的に防止することができる。
【００２７】
次に、本実施形態のレーザ溶接システムＡの動作を説明する。
具体的には、先ず、制御装置５０が産業用ロボット２を駆動させ、ロボットアーム２ａの先端部に装着されたレーザスポット溶接装置１０をワークＷ１、２の溶接位置まで移動させる。
次に、制御装置５０は、産業用ロボット２を介して、レーザスポット溶接装置１０を制御し、レーザスポット溶接装置１０の電磁石３０に電流を流し、電磁石３０の磁気吸着力により、ワークＷ１、Ｗ２の溶接面を密着させた状態で保時する。
これにより、レーザスポット溶接装置１０の下端部と相対向する側に、ワークＷ１、Ｗ２を受けるための構成を設けることなく、ワークＷ１、Ｗ２の片側からワークＷ１、Ｗ２の溶接面を密着させた状態で保持することができる。
【００２８】
次に、制御装置５０は、ワークＷ１、Ｗ２の溶接面を密着させて保持した状態において、レーザ発信器１を制御して、レーザ発信器１からレーザビームを出力させる。
これにより、レーザ発信器１からのレーザビームは、光ファイバーケーブル４０によりレーザヘッド１１に導かれて、レーザヘッド１１の本体部１２の先端部の蓋体２０からワークＷ１、Ｗ２にレーザビームが照射される。すなわち、ワークＷ１、Ｗ２の溶接部位が密着された状態でレーザビームが溶接部位に照射され、これにより、ワークＷ１、Ｗ２が溶接される。
【００２９】
以上、説明したように、本実施形態によれば、金属板を重ねたワークＷ１、Ｗ２を溶接する場合に、電磁石３０の磁気吸着力により、ワークＷ１、Ｗ２の溶接面を密着させ、ワークＷ１、Ｗ２の溶接面を密着させた状態で、ワークＷ１、Ｗ２にレーザビームを照射することができる。
そのため、本実施形態によれば、溶接のときに、ワークＷ１、Ｗ２の溶接面の沸騰および爆発を防止することができ、溶接品質を安定させることができる。
【００３０】
また、ワークＷ１、Ｗ２を密着させた状態でレーザビームを照射することにより、レーザビームの漏れを防止することができるため、上述した従来技術のレーザ溶接装置のように、シールドガスを用いる必要がなく、設備コストが軽減される。
さらに、本実施形態では、上述した図４に示す片側スポット溶接装置のように、溶接電極１１０と、受け電極１５０との位置合わせを行う必要がないため、溶接作業の手間が軽減される。また、本実施形態のレーザスポット溶接装置１０は、産業用ロボット２に装着した場合、ワークＷ１、Ｗ２の溶接位置に、片側からアクセスすることができるため、ロボットティーチングが簡略化される。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可能である。
【００３１】
上記実施形態では、レーザスポット溶接装置１０により、片側からワークＷ１、Ｗ２を密着・保持させた状態で溶接を行っているが、特にこれに限定されるものではない。
本発明は、レーザスポット溶接装置１０以外の溶接にも適用することができる。
例えば、電磁石により、片側からワークＷ１、Ｗ２を密着・保持させた上で、ＴＩＧ溶接（或いは、ＣО２溶接）を行うようにしても本実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
また、例えば、上述した実施形態では、レーザスポット溶接装置１０が、産業用ロボット２に装着されていたが、特にこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態のレーザスポット溶接装置を搭載したレーザ溶接システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態のレーザスポット溶接装置の構成を示した模式図である。
【図３】本発明の実施形態のレーザスポット溶接装置の底面を示した模式図である。
【図４】従来技術による片側抵抗スポット溶接システムの概略構成図である。
【図５】従来技術によるレーザ溶接装置を示した模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
Ａ      レーザ溶接システム
Ｓ１、Ｓ２    信号線
Ｗ１、Ｗ２    ワーク
１      レーザ発信器
２      産業用ロボット
２ａ    ロボットアーム
１０    レーザスポット溶接装置
１１    レーザヘッド
１２    本体部
２０    蓋体
２５    集束光学系手段
３０    電磁石
４０    光ファイバーケーブル
５０    制御装置
【図１】
2010110767.tif 000003
【図２】
2010110767.tif 000004
【図３】
2010110767.tif 000005
【図４】
2010110767.tif 000006
【図５】
2010110767.tif 000007