(57)【要約】【課題】外観が損なわれず、かつレーザの照射時間を短縮できる溶接方法および溶接装置を提供する。【解決手段】レーザ１００をワーク２０の被加工部２３に照射して当該ワークを溶接するようにした溶接方法であって、前記レーザを照射して形成されたワークの溶接部２１を、当該溶接部の周辺部２４よりも濡れ性を高く加工し、当該溶接部に溶融材料５０を供給して濡れ広げることにより溶接部を被覆する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザをワークの被加工部に照射して当該ワークを溶接するようにした溶接方法であって、
前記レーザを照射して形成されたワークの溶接部を、当該溶接部の周辺部よりも濡れ性を高く加工し、当該溶接部に溶融材料を供給して濡れ広げることにより溶接部を被覆したことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記被加工部は、表面の酸化を抑制しつつレーザ照射されることにより、溶接部の濡れ性を周辺部よりも高くすることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記被加工部に、酸化を抑制するためのシールドガスを吐出しつつレーザを照射することを特徴とする請求項２に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記被加工部に酸化還元剤を配し、レーザを照射することを特徴とする請求項２に記載の溶接方法。
【請求項５】
前記被加工部を、酸化を抑制する液状物質で覆い、レーザを照射することを特徴とする請求項２に記載の溶接方法。
【請求項６】
前記周辺部および被加工部のうち少なくとも周辺部が、前記溶接部の濡れ性よりも低い濡れ性を有する被覆材で覆られたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項７】
前記被覆材は、メッキ材であることを特徴とする請求項６に記載の溶接方法。
【請求項８】
前記溶接部を、前記周辺部の表面よりも窪ませることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項９】
前記ワークを構成して互いに重ねられる第１ワークおよび第２ワークの間に隙間を設けて、当該第１ワークまたは第２ワークに、レーザを照射することを特徴とする請求項８に記載の溶接方法。
【請求項１０】
前記溶融材料は、スズを含む合金であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項１１】
前記溶融材料は、加熱溶融しつつ前記溶接部に供給されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項１２】
前記加熱溶融した溶融材料の少なくとも一部を、前記ワークの溶接面に沿う１方向へ移動可能な部材により押し出して当該溶融材料に推進力を与えることを特徴とする請求項１１に記載の溶接方法。
【請求項１３】
前記溶融した溶融材料を押し出す部材は、前記溶接部を加熱する加熱供給部であることを特徴とする請求項１２に記載の溶接方法。
【請求項１４】
レーザ発振器と、
レーザ発振器からのレーザをワークの被加工部に照射する加工ヘッドと、
前記加工ヘッドから照射されたレーザにより形成されたワークの溶接部に溶融材料を加熱溶融して供給する加熱供給部と、を有し、
前記溶接部を、当該溶接部の周辺部よりも濡れ性を高く加工し、前記加熱供給部によって、溶融材料を前記溶接部に濡れ広げて供給することにより、前記溶接部を被覆することを特徴とする溶接装置。
【請求項１５】
前記加熱供給部は、前記ワークの溶接部に沿う１方向へ移動することにより前記溶融材料に推進力を与えて濡れ広げることを特徴とする請求項１４に記載の溶接装置。
【請求項１６】
レーザを前記被加工部に照射する際に、当該被加工部に、酸化を抑制するためのシールドガスを吐出するガスノズルを有することを特徴とする請求項１４または１５に記載の溶接装置。
【請求項１７】
前記溶融材料は、スズを含む合金であることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接方法および溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動装置を利用した溶接にもレーザ溶接が用いられるようになってきている。レーザ溶接は、ワーク表面に集光可能なレンズもしくはミラーを有する加工ヘッドを用いてレーザをワーク表面に照射しつつ、加工ヘッドを移動装置によって移動させることによりワークに一定の入熱量を与え、ワークを溶融することにより実施される。
【０００３】
このような溶接方法として、例えば特許文献１では、露出した導体部分を板状端子に重ねると共にその重畳部分のレーザ照射側に溶融材料を配し、この溶融材料に向けてレーザ照射を行い、レーザ照射により生じた窪み部または貫通孔に溶融材料の溶融したものを充填させて溶接部を形成する方法が開示されている。
【０００４】
しかし、この方法は、照射により窪みが生じる可能性がある全面にあらかじめ溶融材料を配置しておく必要がある上、溶接部位に生じうる全ての窪みを埋めきれない可能性があるという問題がある。
【０００５】
また、あまった溶融材料がレーザ照射により生じる窪みまたは貫通孔から溢れ、溶接部表面に凹凸が生じ、溶接部外観を損なうという問題がある。
【０００６】
また、溶融材料をレーザの照射で溶融しているため、溶接部位全面にレーザを照射する必要があり、照射・溶融時間がかかるという問題がある。
【０００７】
また、溶融材料を用いずに溶接をした場合、レーザ照射および金属溶融により生じた溶接部の孔や窪みを補填する材料が無いため、溶接部塗装後、孔や窪みが外観を悪化させ、修正作業が発生するという問題がある。
【特許文献１】特開２０００−１４１０２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、外観が損なわれず、かつレーザの照射時間を短縮できる溶接方法および溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する本発明に係る溶接方法は、レーザをワークの被加工部に照射して当該ワークを溶接するようにした溶接方法であって、前記レーザを照射して形成されたワークの溶接部を、当該溶接部の周辺部よりも濡れ性を高く加工し、当該溶接部に溶融材料を供給して濡れ広げることにより溶接部を被覆したことを特徴とする。
【００１０】
上記目的を達成する本発明に係る溶接装置は、レーザ発振器と、レーザ発振器からのレーザをワークの被加工部に照射する加工ヘッドと、記加工ヘッドから照射されたレーザにより形成されたワークの溶接部に溶融材料を加熱溶融して供給する加熱供給部と、を有し、前記溶接部を、当該溶接部の周辺部よりも濡れ性を高く加工し、前記加熱供給部によって、溶融材料を前記溶接部に濡れ広げて供給することにより、前記溶接部を被覆することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように構成した本発明に係る溶接方法は、溶接部を、周りの周辺部よりも濡れ性を高く加工し、溶接部の表面に溶融した溶融材料を濡れ広げるため、溶接部位に生じうる全ての窪みを埋めることができ、したがって溶融部表面に凹凸が生じて外観を損ねることがなく、また溶融材料をレーザ照射により溶融させるわけではないため、レーザの照射時間を短縮できる。
【００１２】
上記のように構成した本発明に係る溶接装置は、溶融材料に推進力を付与する加熱供給部が設けられるており、溶融した溶融材料を、周辺部よりも濡れ性の高い溶接部に沿って濡れ広げることができるため、溶接部位に生じうる全ての窪みを埋めることができ、したがって溶融部表面に凹凸が生じて外観を損ねることがない。また溶融材料を加熱供給部により溶融させることができるため、レーザ照射により溶融させる必要がなく、レーザの照射時間を短縮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施形態に係る溶接装置により溶接されるワークを説明するための部分斜視図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図、図３は、本発明の実施形態に係る溶接装置を説明するための概略模式図、図４は溶接装置の加工ヘッドを説明するための概略透視図である。
【００１５】
本実施形態に係る溶接装置１は、レーザ１００を金属製のワーク２０に対して照射してワーク２０を溶接した後に、溶接された溶接部２１の窪み等の凹凸に溶融した溶融材料５０を流し込み、溶接部２１の表面を改善する装置である。溶融材料５０は金属であり、本実施形態では、融点が２００〜２２０℃程度のスズを主とする合金を使用する。また、溶融材料５０に他のロウ材等の合金や他の金属を使用することもできる。
【００１６】
本実施形態におけるワーク２０は、図１，２に示すように、２枚の鋼板である第１板材２０Ａ（第１ワーク）および第２板材２０Ｂ（第１ワーク）を有し、第１板材２０Ａおよび第２板材２０Ｂを重ね、第１板材２０Ａの第２板材２０Ｂと接する側と反対側の面に、レーザ１００が照射される溶接面２２が形成される。
【００１７】
第１板材２０Ａの溶接面２２には、溶接によって溶接部２１となる被加工部２３と、被加工部２３の周りに、被覆材２５で覆われた周辺部２４とが形成される。被覆材２５は、例えば酸化防止のためのメッキ材であり、亜鉛メッキやアルミメッキ等が適用できる。
【００１８】
被加工部２３は、本実施形態では環形状で形成されるが、形状は特に限定されず、例えばＣ字形状や線形状等の他の形状でもよい。
【００１９】
溶接装置１は、図３に示すように、レーザ光源であるレーザ発振器２と、レーザ１００をワーク２０に対して射出する加工ヘッド３と、加工ヘッド３を支持して多軸方向へ移動させることが可能な移動装置４と、レーザ発振器２の出力、移動装置４の移動および加工ヘッド３を制御可能な制御装置５と、レーザ１００が照射されるワーク２０に対して、ワーク２０の酸化を防止するためのシールドガスを吐出するガスノズル１５と、溶融材料５０を加熱して溶融させる材料溶融器１６と、を有している。
【００２０】
移動装置４は、加工ヘッド３を多軸方向へ移動できるように複数のアクチュエータ６と、移動軸７とを有している。移動装置４は、教示作業によって与えられた動作経路のデータに従い、加工ヘッド３を移動させる。なお、移動装置４は一般的な多軸移動機構からなるが、例えばアーム機構に置換することもできる。
【００２１】
加工ヘッド３は、図４に示すように、光ファイバーケーブル８によって導かれたレーザ１００が通過するレンズ９と、レンズ９を通過したレーザ１００を反射させるミラー１０と、ミラー１０により反射されたレーザ１００の焦点距離を変更するレーザ集光手段としてのレンズ郡１１と、レンズ郡１１を通過したレーザ１００を目的物方向へ射出する、回動可能な２つの回動ミラー１２Ａ，１２Ｂと、を有している。
【００２２】
回動ミラー１２Ａ，１２Ｂは、それぞれ異なる軸を中心に独立して回動自在であり、回動することでレーザ１００の射出方向を自在に振り分けることができる。このため、加工ヘッド３内には、回動ミラー１２を回動させるためのモータ１３Ａ，１３Ｂが設けられる。モータ１３Ａ，１３Ｂは制御装置５からの信号によってその動きが制御される。同様に、レンズ郡１１による焦点位置変更のためのモータ１４を有し、本実施形態においては、例えばレンズ郡１１のうちの１つの移動レンズ１１Ａの移動が、制御装置５によって制御される。
【００２３】
レーザ発振器５は、ＹＡＧレーザ発振器である。ここでは、レーザ１００を光ファイバーケーブル８によって導くためにＹＡＧレーザを用いている。なお、リモート溶接には、このほか炭酸ガスレーザも使用可能であるが、その場合には、光ファイバーケーブル８ではなく、反射鏡やプリズムを利用してレーザ発振器５から加工ヘッド３までレーザを導くことになる。なお、その他のレーザであってもレーザ溶接に使用できるものであれば本発明においても使用可能であるため、レーザを導くための経路はレーザ種に合わせて光ファイバーケーブルか反射鏡かを適宜選択すればよい。
【００２４】
レーザ１００の照射方向は、回動ミラー１２Ａ，１２Ｂ、および移動装置４の少なくとも１つを制御装置５により制御して変更することができ、これにより、任意の形状の溶接部２１を形成できる。
【００２５】
ガスノズル１５は、ワークの被加工部２３に向けてシールドガスを吐出することができる。シールドガスは、本実施形態では不活性ガスが用いられるが、二酸化炭素ガスや窒素ガス等のように酸化を防止できるものであれば、使用できる。なお、溶接品質を考慮すれば、不活性ガスを使用することが好ましい。また、ガスノズル１５は、レーザ１００の照射位置に合わせて吐出方向を可変としてもよい。
【００２６】
材料溶融器１６は、溶融材料５０を融点以上まで加熱して溶融させることが可能な機器である。材料溶融器１６には、溶融材料５０と接する加熱供給部１７が形成され、この加熱供給部１７が、例えばアクチュエータやモータ等によって駆動されて、溶接面２２に沿う一方向へ移動可能である。なお、この加熱供給部１７は、必ずしも一方向にのみ移動可能な構造に限定されず、当然に、他方向へも移動可能であってもよい。
【００２７】
次に、本実施形態に係る溶接方法について説明する。
【００２８】
図５は、本実施形態のワークにレーザ照射する際を説明するためのワークの部分斜視図、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図、図７は、本実施形態のワークの溶接部に溶融材料を供給する際を説明するためのワークの部分斜視図、図８は、本実施形態のワークの溶接部を溶融材料で覆った際を説明するためのワークの部分斜視図、図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。
【００２９】
初めに、第１板材２０Ａと第２板材２０Ｂを重ね、図５，６に示すようにレーザ発振器２からレーザ１００を出力して第１板材の被加工部２３に照射し、第１板材２０Ａと第２板材２０Ｂを溶接する。この際には、制御装置５によりレーザ１００の照射位置を制御しつつ、溶接面２２に所定の形状の溶接部２１が形成される。溶接の際には、ガスノズル１５からシールドガスが吐出される。したがって、溶接はシールドガス環境下で行われ、溶接部２１の表面には、シールドガスを用いない場合と異なり鋼の素地が析出し、酸化被膜が形成されない。また、溶接部２１の表面には、空孔２６等の欠陥が複数形成されて、凹凸形状となる。
【００３０】
このレーザ１００の照射により、溶接面２２には、酸化被膜の形成されていない溶接部２１の周りに、被覆材２５で覆われた周辺部２４が位置することとなる。したがって、溶接部２１と周辺部２４の間で、溶融した溶融材料５０に対する濡れ性が異なる。酸化被膜の形成されていない鋼材である溶接部２１は、亜鉛メッキやアルミメッキ等からなる被覆材２５と比較して、溶融した溶融材料５０に対する濡れ性が高い。
【００３１】
次に、図７に示すように、材料溶融器１６の加熱された加熱供給部１７を溶接面２２の溶接部近傍に接触させ、溶接部２１を加熱する。この後、溶接部２１の加熱供給部１７に必要な量の溶融材料５０が供給され、溶融した溶融材料５０が溶接部２１の上に流れ込む（図７中の矢印参照）。次に、加熱供給部１７を、溶融材料５０の少なくとも一部を押し出すように、溶接面２２の一方向に沿って移動させる（図７中の白抜き矢印参照）。これにより、溶融材料５０が、加熱供給部１７により推進力を得て移動する。このとき、溶接部２１の濡れ性が周辺部２４の濡れ性よりも高いため、濡れ性の差のある部位を界面として、溶融材料５０が周辺部２４に溢れることなく濡れ性の高い溶接部２１の上に拡がり、図８，９に示すように、溶接部２１の窪みや空孔２６等の欠陥を覆って表面が均一になるまで濡れ広がる。ここで、溶接部２１が加熱供給部１７により加熱されているため、材料の溶接部２１への濡れ拡がり性が促進される。
【００３２】
また、本実施形態のように、溶融材料５０としてスズなどの低融点の材料を使用することにより、低入熱で溶融材料５０を溶融加能である。また、スズを含む合金は、他のロウ材よりも濡れ性が高いため、拡がった溶融材料５０の表面の均一性および平滑性が高く確保され、結果として、塗膜の密着性を高め、塗膜の剥離を防ぐ効果がある。
【００３３】
また、溶融材料５０が濡れ性の高い部分のみを移動するため、加熱供給部１７により溶接部２１全体をなぞる必要がなく、前述のように推進力を与えるだけでよい。したがって、製造時間を短縮できるとともに、設備が複雑とならず、設備コストを低く抑えることができる。
【００３４】
ここで、本実施形態と異なり、例えば溶接部を溶融材料で覆うために、溶融材料を予め第１板材２０Ａに配置してレーザによって溶融材料を溶融させる方法があるが、この方法では、レーザ照射により窪みが生じる可能性のある全面に予め溶融材料を配置する必要がある上、溶接部に生じうる全ての窪みを埋めきれない可能性がある。また、この方法では、余った溶融材料が窪みまたは貫通穴から溢れ、溶接部の表面に凹凸が生じ、溶接部の外観を損なう可能性がある。また、溶融材料の充填をレーザの照射で誘導しているため、溶接部の全面にレーザを照射する必要があり、レーザ照射時間および溶接時間がかかる。
【００３５】
しかし本実施形態では、レーザ溶接の後に、溶融材料５０を加熱供給部１７によって押し出すことにより濡れ性の高い部位に濡れ広げるため、溶接により生じる窪みを全て覆うことができる。
【００３６】
また、本実施形態では、溶融材料５０を必要な分だけ供給して、濡れ性の高い部位に濡れ広げるため、溶融材料５０の表面の均一性および平滑性が高くなり、外観を損なわない。
【００３７】
また、本実施形態では、レーザ１００により溶融材料５０を溶融する必要がないため、レーザ照射時間・溶融時間を短縮することができる。
【００３８】
図１０は、本実施形態の他の例のワークの断面図である。なお、前述の実施形態と同様の機能を有する部位については同一の符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。
【００３９】
本実施形態の他の例として、図１０に示すように、ワーク３０の第１板材３０Ａの溶接面３２の被覆材３５を、レーザが照射される被加工部および被加工部の周りの周辺部を含む溶接面３２の全体に形成することができる。この被覆材３５には、濡れ性が低いとともに融点の低い材料が使用され、例えば亜鉛メッキやアルミメッキ等である。溶接の際にレーザ１００が照射されると、被加工部を覆う被覆材３５がレーザ１００により蒸発するため、結果として、溶接部２１と周辺部２４の間に濡れ性の差が生じる。
【００４０】
図１１は、本実施形態の更に他の例のワークを溶接した際のワークの部分断面図、図１２は、同ワークの溶接部を溶融材料で覆った際のワークの部分断面図である。なお、前述の実施形態と同様の機能を有する部位については同一の符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。
【００４１】
本実施形態の更に他の例として、図１１に示すように、ワーク４０の第１板材２０Ａと第２板材２０Ｂの間に隙間４２を設けてもよい。この場合には、レーザ照射の際に溶融した第１板材２０Ａおよび第２板材２０Ｂの材料が、隙間４２に流入する。これにより、隙間がない場合と比較して溶接部４１の表面が、溶接部４１の周りの周辺部４４よりも低く形成される。この窪み４３に、図１２に示すように溶融した溶融材料５０を流入させることにより、濡れ性の差に関わらず、窪み４３の段差により溶融材料５０の周辺部４３への流出を防止でき、溶融材料５０を確実に窪み４４の中で濡れ広げることができる。この方法は、例えば溶接部４１の濡れ性と周辺部４４の濡れ性の差があまり大きくない場合等に有効である。
【００４２】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、溶接部に酸化被膜を形成させない方法として、本実施形態ではシールドガスを吐出しつつ溶接しているが、例えば酸化還元剤（酸素吸着材）により酸素を吸着することもできる。具体的には、アルミナや炭素粉末を被加工部２３に撒いておくと効果が得られる。また、防錆油など、酸化を進展させない液状物質で被加工部２３の表面を覆いながら溶接することで、酸化被膜の形成を抑制することもできる。また、周辺部２３または、周辺部２３および被加工部２４を覆う被覆材２５を酸化被膜とし、レーザ照射後の溶接部２１に酸化被膜を形成させないことにより、溶接部２１の濡れ性を周辺部２４の濡れ性よりも高くすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る溶接装置により溶接されるワークを説明するための部分斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る溶接装置を説明するための概略模式図である。
【図４】溶接装置の加工ヘッドを説明するための概略透視図である。
【図５】本実施形態のワークにレーザ照射する際を説明するためのワークの部分斜視図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面図である。
【図７】本実施形態のワークの溶接部に溶融材料を供給する際を説明するためのワークの部分斜視図である。
【図８】本実施形態のワークの溶接部を溶融材料で覆った際を説明するためのワークの部分斜視図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線に沿う断面図である。
【図１０】本実施形態の他の例のワークの断面図である。
【図１１】本実施形態の更に他の例のワークを溶接した際のワークの部分断面図である。
【図１２】本実施形態の更に他の例のワークの溶接部を溶融材料で覆った際のワークの部分断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１    溶接装置、
２    レーザ発振器、
３    加工ヘッド、
４    移動装置、
５    制御装置、
１５    ガスノズル、
１６    材料溶融器、
１７    加熱供給部、
２０，３０，４０    ワーク、
２０Ａ、３０Ａ    第１板材（第１ワーク）、
２０Ｂ、３０Ｂ    第２板材（第２ワーク）、
２１、４１    溶接部、
２２，３２    溶接面、
２３    被加工部、
２４，４４    周辺部、
２５，３５    被覆材、
４２    隙間、
４３    窪み、
５０    溶融材料、
１００    レーザ。
【図１】
2008183579.tif 000003
【図２】
2008183579.tif 000004
【図３】
2008183579.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008183579.tif 000007
【図６】
2008183579.tif 000008
【図７】
2008183579.tif 000009
【図８】
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【図９】
2008183579.tif 000011
【図１０】
2008183579.tif 000012
【図１１】
2008183579.tif 000013
【図１２】
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