(57)【要約】【課題】溶接後の被加工物の歪みを抑制すると共に、十分な溶接強度及び密閉性を確保する。【解決手段】ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に重ねて載置し、レーザヘッド２７からレーザビームをワーク１０Ａ，１０Ｂに対して照射するのに併せて、可動ステージ２５によりワーク１０Ａ，１０Ｂを矢印Ａ方向に走査する。このとき、ワーク１０Ａ，１０Ｂの重ね合わせ面１５を含んで溶け込む第１溶接部Ｗ１を形成し、その後、溶け込み深さが第１溶接部Ｗ１よりも深い第２溶接部Ｗ２を第１溶接部Ｗ１に連続して形成する。そして、このような溶接部Ｗ１，Ｗ２の形成を繰り返すことで、溶接部Ｗ１，Ｗ２が交互に連続して成る溶接部Ｗを形成する。【選択図】図１
2008213004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに重ね合わせた複数の被加工物に対し、レーザビームを照射しながら相対移動することにより、溶接部を形成するレーザ溶接方法であって、
前記被加工物の重ね合わせ面を含んで溶け込む第１溶接部と、前記第１溶接部よりも溶け込み深さが深い第２溶接部と、を交互に連続するように形成することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記レーザビームの出力を第１出力域と当該第１出力域よりも大きい第２出力域との間で変動しながら、前記レーザビームを照射することにより、
前記出力が前記第１出力域にあるときに前記第１溶接部を形成し、前記出力が前記第２出力域にあるときに前記第２溶接部を形成することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記レーザビームの前記被加工物に対する相対移動速度を第１速度域と当該第１速度域よりも遅い第２速度域との間で変動しながら、前記レーザビームを相対移動することにより、
前記相対移動速度が前記第１相対速度域にあるときに前記第１溶接部を形成し、前記相対移動速度が前記第２相対速度域にあるときに前記第２溶接部を形成することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
互いに重ね合わせた複数の被加工物に対し、レーザビームを照射しながら相対移動することにより、溶接部を形成するレーザ溶接装置であって、
前記レーザビームを前記被加工物に対して照射するレーザ光源と、
前記レーザビームを前記被加工物に対して相対移動する駆動手段と、
前記レーザ光源又は前記駆動手段の動作を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、
前記被加工物の重ね合わせ面を含んで溶け込む第１溶接部と、前記第１溶接部よりも溶け込み深さが深い第２溶接部と、が交互に連続して形成されるように、前記レーザ光源又は前記駆動手段を制御することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記レーザビームの出力を第１出力域と当該第１出力域よりも大きい第２出力域との間で変動させながら前記レーザビームを照射させることにより、
前記出力が第１出力域にあるときに前記第１溶接部を形成させ、前記出力が前記第２出力域にあるときに前記第２溶接部を形成させることを特徴とする請求項５記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記レーザビームの前記被加工物に対する相対移動速度を第１速度域と当該第１速度域よりも遅い第２速度域との間で変動させながら、前記レーザビームを相対移動させることにより、
前記相対移動速度が前記第１相対速度域にあるときに前記第１溶接部を形成させ、前記相対移動速度が前記第２相対速度域にあるときに前記第２溶接部を形成させることを特徴とする請求項５記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームの照射によって複数の被加工物を互いに溶接するための溶接部を形成するレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ溶接方法として、複数の被加工物を重ね合せ、レーザビームを移動しながら連続的に照射することにより、これらの被加工物を溶接するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３２９４１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述したようなレーザ溶接方法では、レーザビームを連続的に照射することにより被加工物への入熱が比較的大きくなり易く、溶接後において被加工物が歪むおそれがある。一方、かかる被加工物の歪みを抑制するためにレーザビームの出力を低くすることが考えられるが、この場合には、被加工物の溶け込みが不十分になり、溶接強度及び密閉性が不十分になるおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は、溶接後の被加工物の歪みを抑制すると共に、十分な溶接強度及び密閉性を確保することができるレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明に係るレーザ溶接方法は、互いに重ね合わせた複数の被加工物に対し、レーザビームを照射しながら相対移動することにより、溶接部を形成するレーザ溶接方法であって、被加工物の重ね合わせ面を含んで溶け込む第１溶接部と、第１溶接部よりも溶け込み深さが深い第２溶接部と、を交互に連続するように形成することを特徴とする。
【０００６】
また、本発明に係るレーザ溶接装置は、互いに重ね合わせた複数の被加工物に対し、レーザビームを照射しながら相対移動することにより、溶接部を形成するレーザ溶接装置であって、レーザビームを被加工物に対して照射するレーザ光源と、レーザビームを被加工物に対して相対移動させる駆動手段と、レーザ光源又は駆動手段の動作を制御する制御手段を備え、制御手段は、被加工物の重ね合わせ面を含んで溶け込む第１溶接部と、第１溶接部よりも溶け込み深さが深い第２溶接部と、が交互に連続して形成されるように、レーザ光源又は駆動手段を制御することを特徴とする。
【０００７】
このような本発明によれば、被加工物の重ね合わせ面を含んで溶け込む第１溶接部と、この第１溶接部よりも溶け込み深さが深い第２溶接部とを交互に連続するように形成されるため、第１溶接部にて被加工物への入熱を低減しつつ被加工物の密閉性を確保できる共に、第２溶接部にて被加工物を十分に溶け込ませ被加工物の溶接強度を十分に確保できる。従って、本発明によれば、溶接後の被加工物の歪みを抑制することができると共に、十分な溶接強度及び密閉性を確保することが可能となる。
【０００８】
また、レーザビームの出力を第１出力域と当該第１出力域よりも大きい第２出力域との間で変動しながら、レーザビームを照射することにより、出力が第１出力域にあるときに第１溶接部を形成し、出力が第２出力域にあるときに第２溶接部を形成することが好ましい。また、制御手段は、制御手段は、レーザビームの出力を第１出力域と当該第１出力域よりも大きい第２出力域との間で変動させながらレーザビームを照射させることにより、出力が第１出力域にあるときに第１溶接部を形成させ、出力が第２出力域にあるときに第２溶接部を形成させることが好ましい。これらの場合、レーザビームの出力が第１出力域にあるときには溶け込み深さを比較的浅くでき、レーザビームの出力が第２出力域にあるときには溶け込み深さを十分に深くすることができ、よって、レーザビームの出力変動に応じて第１溶接部及び第２溶接部を好適に形成することが可能となる。
【０００９】
また、レーザビームの被加工物に対する相対移動速度を第１速度域と当該第１速度域よりも遅い第２速度域との間で変動しながら、レーザビームを相対移動することにより、相対移動速度が第１相対速度域にあるときに第１溶接部を形成し、相対移動速度が第２相対速度域にあるときに第２溶接部を形成することが好ましい。また、制御手段は、レーザビームの被加工物に対する相対移動速度を第１速度域と当該第１速度域よりも遅い第２速度域との間で変動させながら、レーザビームを相対移動させることにより、相対移動速度が第１相対速度域にあるときに第１溶接部を形成させ、相対移動速度が第２相対速度域にあるときに第２溶接部を形成させることが好ましい。これらの場合、レーザビームの相対移動速度が第１相対速度域にあるときには溶け込み深さを比較的浅くでき、レーザビームの相対移動速度が第２相対速度域にあるときには溶け込み深さを十分に深くすることができ、よって、レーザビームの相対移動速度の変動に応じて第１溶接部及び第２溶接部を好適に形成することが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、溶接後の被加工物の歪みを抑制すると共に、十分な溶接強度及び密閉性を確保することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接装置を示す概略図である。図１に示すように、レーザ溶接装置１は、例えば鉄道車両構体に用いる板状部材である外板パネル及び骨部材（以下、これらを「ワーク（被加工部材）１０Ａ，１０Ｂ」と称す）を重ね溶接するためのものであり、ここでは、互いに重ねられたワーク１０Ａ，１０Ｂにワーク１０Ａ側からレーザビームを照射して、ワーク１０Ａ，１０Ｂを互いに溶接するための溶接部Ｗを形成する。なお、以下の説明においては、ワーク１０Ａ，１０Ｂにおいて照射方向から見て略中央部分に直線状の溶接部Ｗを形成する場合について例示する。
【００１３】
このレーザ溶接装置１は、送り装置２１と、ワーク固定装置２２と、レーザ照射装置２３と、ガス供給装置２４とを備えている。これらの各装置２１〜２４は、上位の制御部（図示しない）に接続され、この制御部から出力される動作指示情報に従って、各動作を自動で実行する。
【００１４】
送り装置２１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂへのレーザビームの照射位置を走査させる装置であり、ワーク１０Ａ，１０Ｂを載置可能な可動ステージ（駆動手段）２５を有している。この送り装置２１は、制御部から走査開始を指示する旨の動作指示情報を受け取ると、可動ステージ２５を矢印Ａ方向に一定の速度で走査（移動）させる。これにより、可動ステージ２５に載置されたワーク１０Ａ，１０Ｂは、溶接予定領域Ｒに沿って、レーザ照射装置２３によるレーザビームの照射位置に対して相対的に移動する。つまり、送り装置２１は、レーザビームをワーク１０Ａ，１０Ｂに対して相対移動する。
【００１５】
ワーク固定装置２２は、ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する装置であり、長尺の押さえ板２６ａを有する加圧治具２６を複数（ここでは２つ）有している。このワーク固定装置２２は、制御部から動作開始を指示する動作指示情報を受け取ると、可動ステージ２５に載置されたワーク１０Ａ，１０Ｂの上方から長尺の加圧治具２６を下降させる。そして、長尺の押さえ板２６ａによって、溶接予定領域Ｒを挟んだワーク１０Ａ，１０Ｂの両端部分を可動ステージ２５に押し付けることにより、溶接予定領域Ｒ近傍のワーク１０Ａ，１０Ｂの密着性を向上させる。
【００１６】
レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに対して連続的にレーザビームを照射する装置であり、ワーク１０Ａ，１０Ｂの上方に配置されるレーザヘッド（レーザ光源）２７を有している。レーザ照射装置２３は、制御部から照射開始を指示する動作指示情報を受け取ると、レーザヘッド２７の先端から、ＹＡＧレーザを出射する。このレーザ照射装置２３には制御装置（制御手段）１４が接続されている。
【００１７】
制御装置１４は、可動ステージ２５及びレーザヘッド２７の動作を制御するものであり、具体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等により構成され、ＲＯＭに保持されるソフトウエアをＣＰＵで実行することにより、レーザビームのレーザ出力を変動させる。レーザ出力は、最大ピークと最小ピークとの差が比較的大きなものとされており、図２に示すようなサイン波とされている。ここでのレーザ出力は、最小ピークを含む第１出力域と、当該第１出力域よりも大きく最大ピークを含む第２出力域とが交互に連続するように変動している。なお、図中の横軸に示すワーク上のレーザビーム位置は、溶接予定領域Ｒにおいてレーザビームの照射の始点側を基準としている。
【００１８】
図１に戻り、ガス供給装置２４は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに対してアシストガスを供給する装置であり、ワーク１０Ａ，１０Ｂに対して約４５度傾斜するように配置された供給ノズル２８を有している。ガス供給装置２４は、レーザ照射装置２３の動作中に制御部から供給開始を指示する動作指示情報を受け取ると、所定の供給量でレーザビームの照射位置にアシストガスを供給する。アシストガスとしては、ワーク１０Ａ，１０Ｂの酸化防止及びスパッタ防止等を目的として、ヘリウムガス又はアルゴンガス等が用いられる。
【００１９】
次に、説明したレーザ溶接装置１の動作について説明する。まず、ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に重ねて載置し、上方から加圧治具２６を下降させてワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する。
【００２０】
続いて、制御部からワーク固定装置２２、レーザ照射装置２３、送り装置２１、及びガス供給装置２４の各装置に動作指示情報を出力し、レーザ照射、ワーク送り、及びアシストガスの供給を開始する。レーザヘッド２７からは、レーザビームをワーク１０Ａ，１０Ｂに照射し、これに併せて、可動ステージ２５により速度約１０ｍ／ｓでワーク１０Ａ，１０Ｂを矢印Ａ方向に走査する。
【００２１】
このとき、まず、制御装置１４によりレーザビームのレーザ出力を第１出力域とし、当該レーザビームをレーザヘッド２７から照射しながら、ワーク１０Ａ，１０Ｂを矢印Ａ方向に走査する。これにより、レーザビームのエネルギ量が比較的小さいためにワーク１０Ａ，１０Ｂが比較的浅く溶け込み、ワーク１０Ａ，１０Ｂの重ね合わせ面１５を含んで溶け込む第１溶接部Ｗ１が形成される。
【００２２】
続いて、制御装置１４によりレーザビームのレーザ出力を第１出力域より大きい第２出力域とし、当該レーザビームをレーザヘッド２７から照射しながら、ワーク１０Ａ，１０Ｂを矢印Ａ方向に走査する。これにより、レーザビームのエネルギ量が大きいためにワーク１０Ａ，１０Ｂが十分に深く溶け込み、第１溶接部Ｗ１よりも溶け込み深さが深い第２溶接部Ｗ２が当該第１溶接部Ｗ１に連続して形成される。
【００２３】
続いて、再び、制御装置１４によりレーザビームのレーザ出力を第１出力域とし、当該レーザビームをレーザヘッド２７から照射しながら、ワーク１０Ａ，１０Ｂを矢印Ａ方向に走査し、これにより、第１溶接部Ｗ１が第２溶接部Ｗ２に連続して形成される。そして、このような溶接部Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１の形成を繰り返すことで、溶接部Ｗ１，Ｗ２が交互に連続して形成されて成る溶接部Ｗが形成されることとなる。
【００２４】
図３は、溶接後のワークの加工予定領域に沿った側断面図である。図３に示すように、溶接部Ｗは、ワーク１０Ａ，１０Ｂが比較的浅く溶け込んでいる第１溶接部Ｗ１と、ワーク１０Ａ，１０Ｂが十分に深く溶け込んでいる第２溶接部Ｗ２と、が交互に所定間隔（例えば約５ｍｍ）で連続するようになっている。この溶接部Ｗは、ワーク１０Ｂの上面１１から見て、図４に示すように、所定間隔で形成された略円形状の第２溶接部Ｗ２が、第１溶接部Ｗ１により連結され連続している。
【００２５】
従って、本実施形態によれば、第１溶接部Ｗ１にてワーク１０Ａ，１０Ｂへの入熱を低減しつつワーク１０Ａ，１０Ｂの水密性や気密性等の密閉性を確保できる共に、第２溶接部Ｗ２にてワーク１０Ａ，１０Ｂを十分に溶け込ませワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接強度を十分に確保できる。よって、溶接後のワーク１０Ａ，１０Ｂの歪みを抑制することができると共に、十分な溶接強度及び密閉性を確保することができる。
【００２６】
また、本実施形態では、上述したように、レーザ出力を第１出力域と当該第１出力域よりも大きい第２出力域との間で変動させながらレーザビームを照射し、レーザ出力が第１出力域にあるときに第１溶接部Ｗ１を形成し、レーザ出力が第２出力域にあるときに第２溶接部Ｗ２を形成するため、レーザビームの出力変動に応じて溶接部Ｗ１，Ｗ２を好適に形成することができ、よって、レーザ出力を調整することにより、上記効果、すなわち溶接後のワーク１０Ａ，１０Ｂの歪みを抑制すると共に十分な溶接強度及び密閉性を確保するという効果を所望に得ることができる。
【００２７】
なお、本実施形態では、溶接部Ｗは、ワーク１０Ｂの下面１２に露出しない非貫通のものとなっており、ワーク１０Ｂでの溶接痕が目立たなくされている。
【００２８】
次に、本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接装置について説明する。図５に示すように、第２実施形態のレーザ溶接装置３０が上記第１実施形態のレーザ溶接装置１と異なる点は、レーザヘッド２７を有するレーザ照射装置２３（図１参照）に代えて、一定のレーザ出力でレーザビームを出射するレーザヘッド３７を有するレーザ照射装置３３を備え、制御装置１４（図１）に代えて、制御装置３４を備えた点である。
【００２９】
制御装置３４は、揺動装置（揺動手段）３１を有している。この揺動装置３１は、レーザビームをワーク１０Ａ，１０Ｂに向けて集光するレンズ２９を揺動するものである。具体的には、揺動装置３１は、レンズ２９に設けられ紙面垂直方向に延在する軸Ｚを中心にして、例えば約±５°の範囲で当該レンズ２９を角速度ωで揺動し（図中の破線参照）、レーザビームのワーク１０Ａ上の照射位置を矢印Ａ方向に沿って振動させる。よって、制御装置３４は、揺動装置３１を制御し、レンズ２９を角速度ωで揺動させ、レーザビームの相対移動速度ｖを変動させる。この相対移動速度ｖは、その速度が比較的速い第１相対速度域と、第１相対速度域よりも遅く且つ略０の第２相対速度域とが交互に連続するように変動している。揺動装置３１としては、ピエゾ素子を用いたピエゾ機構、カムを用いたカム機構若しくは電磁石を用いた電磁石機構等が挙げられる。
【００３０】
この本実施形態によれば、レーザヘッド２７からレーザビームを照射しながら可動ステージ２５でワーク１０Ａ，１０Ｂを矢印Ａ方向に走査するのに併せて、制御装置３４で以下の制御を実施する。
【００３１】
すなわち、まず、制御装置１４により揺動装置３１を制御してレンズ２９を角速度ωで揺動させ、レーザビームのワーク１０Ａ上の照射位置を振動させ、レーザビームの相対移動速度ｖを比較的速い第１相対速度域とする。そして、レーザビームを照射しながら当該第１相対速度域の相対速度でレーザビームを相対移動することにより、照射位置において実質的な照射時間が短いためにワーク１０Ａ，１０Ｂが比較的浅く溶け込み、ワーク１０Ａ，１０Ｂの重ね合わせ面１５を含んで溶け込む第１溶接部Ｗ１が形成される。
【００３２】
続いて、制御装置１４により揺動装置３１を制御してレンズ２９を揺動させ、レーザビームのワーク１０Ａ上の照射位置を振動させ、レーザビームの照射位置の速度を走査速度Ｖの絶対値と略等しい絶対値で且つ速度の向きが逆とし、相対移動速度ｖを第１相対速度よりも遅く且つ略０の第２相対速度域の速度とする。そして、レーザビームを照射しながら当該第２相対速度域の相対速度でレーザビームを相対移動することより、照射位置において実質的な照射時間が長いためにワーク１０Ａ，１０Ｂが比較的深く溶け込み、第１溶接部Ｗ１よりも溶け込み深さが深い第２溶接部Ｗ２が当該第１溶接部Ｗ１に連続して形成される。
【００３３】
続いて、再び、揺動装置３１を制御してレンズ２９を角速度ωで揺動させ、レーザビームのワーク１０Ａ上の照射位置を振動させ、レーザビームの相対移動速度ｖを比較的速い第１相対速度域とし、そして、レーザビームを照射しながら当該第１相対速度域の相対速度でレーザビームを相対移動することにより、第２溶接部Ｗ１に連続して第１溶接部Ｗ１が形成される。そして、このような溶接部Ｗ１，Ｗ２，Ｗ１の形成を繰り返すことで、溶接部Ｗ１，Ｗ２が交互に連続して形成されて成る溶接部Ｗが形成されることとなる。
【００３４】
従って、本実施形態では、上記実施形態と同様な効果、すなわち、溶接後のワーク１０Ａ，１０Ｂの歪みを抑制することができると共に、十分な溶接強度及び密閉性を確保することができるという効果を奏する。
【００３５】
また、本実施形態では、上述したように、レーザビームのワーク１０Ａ，１０Ｂに対する相対移動速度ｖを第１速度域と当該第１速度域よりも遅い第２速度域との間で変動しながら、レーザビームを相対移動するため、相対移動速度ｖの変動に応じて溶接部Ｗ１，Ｗ２を好適に形成することができる。よって、相対移動速度ｖを調整することにより、上記効果、すなわち溶接後のワーク１０Ａ，１０Ｂの歪みを抑制すると共に十分な溶接強度及び密閉性を確保するという効果を所望に得ることができる。
【００３６】
なお、レーザビームのワーク１０Ａ，１０Ｂに対する相対移動速度ｖを第２速度域（略０）にするため、可動ステージ２５の走査を停止させる場合もあるが、この場合、可動ステージ２５の質量が重いこと、及び第１溶接部Ｗ１と第２溶接部Ｗ２との間隔が比較的小さいこと等から、イナーシャが大きくなり可動ステージ２５を精度よく停止させることが困難である。これに対し、本実施形態では、上述したように、制御装置３４が有する揺動装置３１によりレンズ２９を揺動することでレーザビームのワーク１０Ａ，１０Ｂに対する相対移動速度ｖを制御するため、相対移動速度ｖを精度よく且つ好適に０に近づけることができる。
【００３７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００３８】
例えば、上記実施形態では、可動ステージ２５を走査してレーザビームをワーク１０Ａ，１０Ｂに対して相対移動させたが、レーザ照射装置を移動してレーザビームをワークに対して相対移動してもよい。また、上記実施形態では、揺動装置３１によりレンズ２９を揺動したが、レーザ照射装置自体を揺動してもよい。
【００３９】
また、上記実施形態では、照射方向視において直線状の溶接部Ｗを形成したが、曲線状の溶接部であってもよく、矩形や円形のものであっても勿論よい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザ溶接装置を示す概略図である。
【図２】図１のレーザ溶接装置におけるレーザヘッドが出射するレーザビームのレーザ出力を示す線図である。
【図３】溶接後のワークの加工予定領域に沿った側断面図である。
【図４】図３のIV−IV線に沿う断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るレーザ溶接装置を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…レーザ溶接装置、１０Ａ，１０Ｂ…ワーク（被加工物）、１４，３４…制御装置（制御手段）、１５…重ね合わせ面、２５…可動ステージ（駆動手段）、２７，３７…レーザヘッド（レーザ光源）、ｖ…相対移動速度、Ｗ…溶接部、Ｗ１…第１溶接部、Ｗ２…第２溶接部。
【図１】
2008213004.tif 000003
【図２】
2008213004.tif 000004
【図３】
2008213004.tif 000005
【図４】
2008213004.tif 000006
【図５】
2008213004.tif 000007