(57)【要約】【課題】きわめて簡単な構造で、あらゆる溶接方向でのパネル間隙間を矯正できる構造を提供する。【解決手段】パネルＷ１に対してレーザ光Ｌを照射するレーザ加工ヘッド４の先端に、テーパ部１２ａを有する円環状の加圧ノズル１２を装着する。テーパ部１２ａの先端面１２ｂを円筒面形状の矯正部とする。溶接方向をＡ１方向としたとき、同方向に加工ヘッド４を角度αだけ傾斜させることにより先端面１２ｂをパネルＷ１に接触させて、その先端面１２ｂにてパネルＷ１を加圧矯正しながら溶接を行う。これらの関係は先端面１２ｂの円周方向のどの方向のおいても成立し、溶接方向の変更に際して加工ヘッド４を大きく姿勢変更する必要がなくなる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物とその被溶接物に対してレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドとを相対移動させることによりレーザ溶接を施すレーザ溶接装置において、
レーザ加工ヘッドと被溶接物とが所定の離間距離を保ちつつレーザ溶接が可能な基準姿勢位置にそのレーザ加工ヘッドがあるときには被溶接物に接触することなく且つレーザ加工ヘッドを基準姿勢位置から倒れ方向に所定角度傾斜させたときに被溶接物に接触してその被溶接物の溶接点近傍を加圧拘束することになる矯正部を、レーザ加工ヘッドのうち溶接点を中心とする円周上の複数箇所に備えていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
被溶接物に対して照射したレーザ光を囲繞する円環状の加圧ノズルをレーザ加工ヘッドに設けてあり、この加圧ノズルにおける円形の先端面の各部位が上記矯正部として機能するように設定してあることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
上記加圧ノズルにおける円形の先端面が円筒面となっていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
上記加圧ノズルをその先端面側に向かって漸次縮径するテーパパイプ状のものとして形成してあることを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
上記矯正部が被溶接物に対して及ぼす加圧矯正力を調整可能としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
上記加圧矯正力は流体圧アクチュエータによって付与されるようになっていることを特徴とする請求項５に記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
産業用ロボットを溶接母機としてその産業用ロボットのアーム先端にレーザ加工ヘッドを装着してあることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに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、被溶接物とその被溶接物に対してレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドとを相対移動させることによりレーザ溶接を施すレーザ溶接装置に関し、さらに詳しくは、例えば二枚の鋼板パネルを重ね溶接継手の形態で溶接するにあたり、そのパネル同士の隙間を矯正する機能を備えたレーザ溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように自動車の車体パネルの溶接にレーザ溶接が多用されているが、レーザ溶接は接合するパネル同士の間の隙間の影響を受けやすく、隙間が大きくなると溶接品質上の不具合が発生することになる。そのため、図１０に記載のように、例えば光ファイバー１０１にて伝達されたレーザ光Ｌを集光するべくレーザ光学系として機能するレーザ加工ヘッド１０２にパネル間隙間を矯正するためのピン１０３やローラ等を取り付けて、溶接点の近傍を加圧矯正しながら溶接することが行われている。なお、上記のレーザ加工ヘッド１０２は例えば溶接母機として機能する多関節型の産業用ロボットのロボットアーム１０４に装着される。また、１０５はピン１０３に加圧力を付与するための加圧シリンダである。このような構造のものは、例えば特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００２−２８３０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に代表さるような従来の隙間矯正技術において、溶接品質の安定化の上では溶接点の前方側をピン１０３等にて加圧してパネル間隙間を矯正することが最も有効である。その反面、溶接の方向、すなわち被溶接物であるパネルとレーザ加工ヘッド１０２の相対移動方向が多方向に及ぶような場合には、図１１の（Ａ），（Ｂ）に平面図として示すように、常にピン１０３を溶接方向であるａ１方向またはｂ１方向において溶接点の前方側に位置させるためにレーザ加工ヘッド１０２を大きく回転させて姿勢変更しなければならず、それに伴い図１１の（Ｂ）に符号Ｑで示すようにレーザ光伝達のために付帯している光ファイバー１０１の曲がりの曲率が必要以上に大きくなり、その光ファイバー１０１の損傷を招きやすい。
【０００４】
また、特に溶接組立中の車体の内部空間でレーザ加工ヘッド１０２を大きく姿勢変更しようにも車体との干渉の上から自ずと制約があり、実質的に車体内部での大きな姿勢変更は不可能であった。
【０００５】
さらに、一台のレーザ加工ヘッド１０２を大きく姿勢変更させない変わりに、溶接母機として機能する産業用ロボットを二台として、それぞれにレーザ加工ヘッド１０２を装着して溶接を行うことも可能ではあるが、ロボット数の増加により設備コストが飛躍的に増大するほか、ロボット同士の干渉を回避するためにはサイクルタイムが長くなるという二次的問題が発生することになる。
【０００６】
本発明はこのような課題に着目してなされたもので、とりわけきわめて簡単な構成のもとで所期の目的を達成できるようにしたレーザ溶接装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、被溶接物とその被溶接物に対してレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドとを相対移動させることによりレーザ溶接を施すレーザ溶接装置において、レーザ加工ヘッドと被溶接物とが所定の離間距離を保ちつつレーザ溶接が可能な基準姿勢位置にそのレーザ加工ヘッドがあるときには被溶接物に接触することなく且つレーザ加工ヘッドを基準姿勢位置から倒れ方向に所定角度傾斜させたときに被溶接物に接触してその被溶接物の溶接点近傍を加圧拘束することになる矯正部を、レーザ加工ヘッドのうち溶接点を中心とする円周上の複数箇所に備えていることを特徴とする。
【０００８】
この場合において、溶接方向、すなわちレーザ加工ヘッドを移動させるべき方向が多方向となる場合には、それぞれの方向に対応する位置に矯正部を設定するものとし、また、レーザ加工ヘッドの基準姿勢位置とは、例えばレーザ加工ヘッドから被溶接物に対して照射すべきレーザ光の光軸がその被溶接物に対して面直角となる姿勢とする。
【０００９】
さらに、レーザ加工ヘッド側の矯正部が被溶接物に接触するタイミング、すなわちレーザ加工ヘッドをどの程度倒したときに矯正部が被溶接物に接触するようになるかの設定に際しては、例えば溶接品質を維持する上で許容されるレーザ加工ヘッドの倒れ角や、被溶接物に必要とされる矯正の度合い等を考慮して決定するものとする。
【００１０】
より具体的には、例えば請求項２に記載のように、被溶接物に対して照射したレーザ光を囲繞する円環状の加圧ノズルをレーザ加工ヘッドに設けてあり、この加圧ノズルにおける円形の先端面の各部位が上記矯正部として機能するように設定してあるものとする。
【００１１】
したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、レーザ加工ヘッドが基準姿勢位置にある状態では矯正部は被溶接物には接触しないものの、溶接方向に応じた特定の方向にレーザ加工ヘッドを所定角度だけ倒すと、レーザ加工ヘッド側に予め設定してある矯正部が被溶接物に接触して、それらの被溶接物同士の間の隙間を矯正することになる。その状態のままでレーザ加工ヘッドと被溶接物とを相対移動させると、溶接点の近傍であって且つその溶接方向前方側を矯正部にて被溶接物を加圧矯正することから、その矯正部にて加圧矯正された部位を追いかけるようにしてレーザ光の照射による連続溶接が施されることになる。
【００１２】
この場合において、溶接方向が変わったとしても当該溶接方向に応じた別の矯正部を予め設定してあることから、矯正部による被溶接物の矯正効果は上記の場合と全く同様にして発揮されることになる。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、レーザ加工ヘッドに矯正部を付加することによって、レーザ加工ヘッドを大きく姿勢変更させることなく溶接点の前方側を加圧矯正しながら多方向の溶接を行うことができるため、レーザ加工ヘッドの大型化やコストアップを招くことなくきわめて簡単な構成で済むほか、従来のような姿勢変化による光ファイバーの損傷のおそれがないばかりでなく、他部品との干渉を未然に回避でき、特に自動車車体の内部空間等のように狭隘なスペースで溶接を行う場合に有利となる。その上、一台のレーザ加工ヘッドで溶接可能な範囲の拡大化が図れるほか、併せてサイクルタイムの短縮化も可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１，２は本発明のより具体的な実施の形態を示す図であり、特に図１はその全体構成を、図２は図１の要部拡大図をそれぞれ示している。
【００１５】
図１において、１は溶接母機として機能する多関節型の産業用ロボット（以下、単に「ロボット」という）、４はロボットアーム２の先端のリスト部３に装着されたレーザ加工ヘッド（以下、単に「加工ヘッド」という）、５は例えばＹＡＧレーザタイプのレーザ発振器である。また、６は加工ヘッド４にレーザ光を伝達するための光ファイバーである。さらに図２のＷ１，Ｗ２は被溶接物としての亜鉛めっき鋼板等のパネルである。
【００１６】
加工ヘッド４は、図２に示すように、リスト部３に固定された略逆Ｌ字状のフレーム７に対し、流体圧アクチュエータである加圧シリンダ（ここではエアシリンダが使用される）８とスライダ９および取付ブラケット１０の三者を介して支持されている。加圧シリンダ８はそのシリンダチューブ８ａがフレーム７に固定されているのに対して、ピストンロッド８ｂが下方のスライダ９に連結されており、スライダ９はリニアガイド１１を介してフレーム７に上下動可能に案内支持されている。さらに、加工ヘッド４は取付ブラケット１０にてスライダ９に固定されていることから、加圧シリンダ８が伸縮作動すればそれに応じて加工ヘッド４が上下動する構造となっている。なお、加工ヘッド４は、後述するように導入されるレーザ光Ｌの集光光学系として機能するものであることから、周知のように図示外の集光レンズ等が内蔵されている。
【００１７】
したがって、図１，２に示すように、レーザ発振器５で励起・増幅されたレーザ光Ｌは光ファイバー６を伝達経路として加工ヘッド４に導入された上で、集光レンズ等を経てパネルＷ１に照射される。この状態で、パネルＷ１，Ｗ２を固定側として加工ヘッド４を所定速度で連続移動させることにより、レーザ光照射による連続溶接が施されることになる。
【００１８】
本実施の形態では、図２に示すように、加工ヘッド４を下方に延長するような形態でその加工ヘッド４の下端にレーザ光Ｌを囲繞する円環状の加圧ノズル１２を装着し、この加圧ノズル１２にてパネルＷ１，Ｗ２を加圧矯正しながらレーザ溶接を行うように構成してある。この加圧ノズル１２は加工ヘッド４から照射されるレーザ光Ｌの光軸と同心状に配置してあり、図２のほか図３の（Ａ），（Ｂ）に示すように、その加圧ノズル１２のうち少なくとも下半部のテーパ部１２ａでは下方に至るほどその内外径が共に漸次小さくなるテーパパイプ状のものとして形成してある。その上で、図３の（Ａ）から明らかなように、そのテーパ部１２ａの先端面（下端面）１２ｂを直接パネルＷ１に接触させて、当該部位をパネルＷ１のうち溶接点Ｐの近傍を加圧矯正するための矯正部として機能させるべく、上記テーパ部１２ａの先端面１２ｂに丸みを持たせるために円周方向に沿って先端面１２ｂ自体を円筒面としてある。
【００１９】
そして、図３の（Ａ）に示すように、加工ヘッド４から照射されるレーザ光ＬがパネルＷ１上にて焦点を結び且つその焦点位置が溶接点Ｐとなるような高さ位置に加工ヘッド４を位置決めした上で、レーザ光Ｌの光軸ＣがパネルＷ１に対して面直角となるような姿勢を加工ヘッド４の基準姿勢位置とした場合に、加工ヘッド４が基準姿勢位置にあるかぎりは加圧ノズル１２の先端面１２ｂがパネルＷ１に接触することなく両者の間に所定の隙間ａが確保されるように設定してある。言い換えるならば、図３の（Ａ）のほか同図の（Ｂ）に示すように、加圧ノズル１２の先端面１２ｂにおける円周方向のどの位置においても、焦点位置が変動しないように考慮しながらレーザ光Ｌの光軸Ｃが所定角度αだけ傾くように加工ヘッド４を同角度だけ倒した場合に初めて加圧ノズル１２の先端面１２ｂの一部がパネルＷ１に接触して、パネルＷ１に接触したその先端面１２ｂの一部を矯正部としてパネル間隙間を加圧矯正するように設定してある。
【００２０】
ここで、レーザ溶接を施すに際し、その溶接の進行と併せて溶接点Ｐの直近位置であって且つ溶接方向前方側のパネル間隙間を加圧矯正することが溶接品質確保の上できわめて有効であることは先に述べた。そして、図２，３のように構成されたレーザ溶接装置を用いてレーザ溶接を行う本実施の形態にあっても、上記と同様にパネル間隙間を加圧矯正することで必要十分な溶接品質を確保することが可能となる。
【００２１】
例えば図４に示すように、加工ヘッド４を矢印Ａ１方向、すなわちロボットアーム２の長手方向に移動させてレーザ溶接を施す場合には、図３にも示すように加工ヘッド４が基準姿勢位置にある状態でレーザ光Ｌの光軸Ｃが溶接進行方向であるＡ１方向に所定角度αだけ傾くように、同方向に同角度だけ加工ヘッド４を傾けるべく倒し気味にすると、加圧ノズル１２の先端面１２ｂのうち溶接進行方向Ａ１に相当する部分がパネルＷ１に接触するかたちとなる。この状態で加工ヘッド４を所定量だけ真下に下降させれば、加圧ノズル１２は予め設定されている加圧シリンダ８の圧力にてパネルＷ１，Ｗ２そのもの、すなわちパネルＷ１，Ｗ２のうち溶接点Ｐの直近位置であって且つ溶接方向前方側の部位を加圧し、それによって同部位のパネル間隙間Ｇを矯正することになる。
【００２２】
なお、図３の（Ｂ）の状態から加工ヘッド４全体を所定量だけ下降させたとしても、溶接点Ｐと加圧ノズル１２の先端面１２ｂによる加圧部位との高さ方向での相対位置関係は不変である。また、加圧ノズル１２がパネルＷ１，Ｗ２に及ぼす加圧力は加圧シリンダ８側での圧力調整によって調整可能である。
【００２３】
ここで、図３に示すように加工ヘッド４が基準姿勢位置にあるときのパネルＷ１と加圧ノズル１２とのなす隙間をａ、溶接点Ｐと加圧ノズル１２による加圧部位とのなす距離をｂ、レーザ光Ｌおよび加工ヘッド４の傾斜角をα、傾斜後の溶接点Ｐと加圧ノズル１２による加圧部位とのなす距離をｃとし、例えばｃ＝７．０ｍｍ、α＝１０°とする場合には、ａおよびｂの値を下記のように設定すれば良いことになる。なお、傾斜角αは溶接品質に影響を与えない程度の大きさに設定することは言うまでもない。
【００２４】
ａ＝ｃ×ｓｉｎ５°＝１．２１ｍｍ
ｂ＝ｃ×ｃｏｓ５°＝６．９７ｍｍ
このような関係は、例えば図５の（Ａ），（Ｂ）に正面視として示すように加工ヘッド４を矢印Ｂ１またＢ２方向に移動させてレーザ溶接を施す場合、すなわちロボットアーム２の長手方向とほぼ直交する方向に加工ヘッド４を移動させてレーザ溶接を施す場合にも全く同様にして成立することから、先の場合と同様に、溶接点Ｐの直近位置であって且つ溶接方向前方側のパネル間隙間Ｇを加圧矯正することできわめて良好な溶接品質を確保することが可能となる。
【００２５】
このように本実施の形態によれば、加工ヘッド４に加圧ノズル１２を付加するだけで、しかもその加圧ノズル１２を付加した加工ヘッド４の姿勢を所定角度αだけ傾けるだけで、図４，５の矢印Ａ１方向およびＢ１，Ｂ２方向を溶接方向とする溶接を行うことができることはもちろんこと、溶接点Ｐを中心とした半径ｃの円周上のどの位置においても加圧矯正可能であることから、矢印Ａ１，Ｂ１，Ｂ２方向のほかそれ以外の全ての方向での溶接が可能となる。そして、図１１に示した従来の場合と異なり、いずれの方向の溶接に際しても加工ヘッド４に付帯している光ファイバー６を曲げる必要がないため、その破損や他部品等との干渉も未然に防止できるほか、加工ヘッド４を大きく姿勢変更する必要がないため、サイクルタイムの短縮化も併せて可能となる。
【００２６】
このような溶接形態は、例えば図６に示す車体Ｂｏの内部空間において加工ヘッド４を車幅方向および前後方向に移動させてフロアパネルＦを溶接する場合のほか、同図に示すように軌跡Ｒに沿って加工ヘッド４を移動させてシートバックパネルＳｂやパーセルシェルフＰｓを溶接する場合に特に有利となる。
【００２７】
図７〜９には本発明の第２の実施の形態を示し、先の第１の実施の形態と共通する部分には同一符号を付してある。なお、図７は加工ヘッド４の側面図を、図８は図７の正面図を、図９は図７のＤ部拡大図をそれぞれ示している。
【００２８】
この第２の実施の形態では、先の第１の実施の形態における加圧ノズル１２に代えて、従来と同等の加圧ピン１４の採用を前提とした上で、この加圧ピン１４を複数箇所に設定し、さらに加工ヘッド４を傾斜させることなく基準姿勢位置のままで溶接を行うようにしたものである。
【００２９】
すなわち、加圧ピン１４はスライダ９の外周面の二箇所に取り付けてあるとともに、それらの加圧ピン１４の配置として、平面視においてレーザ光Ｌの光軸Ｃまたは溶接点Ｐを中心とする円周上に双方の加圧ピン１４が共に位置し、且つロボットアーム２の長手方向延長線上の溶接方向前方側に一方の加圧ピン１４が、その位置から９０°位相をずらした位置に他方の加圧ピン１４が位置するようにそれぞれ設定してある。その結果として、各加圧ピン１４における球面状の先端面１４ａが被溶接物たるパネルＷ１，Ｗ２を加圧矯正するための矯正部として機能することになり、図９のａおよびｂの大きさは図３の場合と同様にして決定される。
【００３０】
この第２の実施の形態によれば、溶接方向が特定の２方向に限定されている場合に有効であり、第１の実施の形態と同様の効果が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るレーザ溶接装置の第１の実施の形態を示す全体の概略説明図。
【図２】図１の加工ヘッドを中心とする要部の拡大説明図。
【図３】（Ａ）は加工ヘッドが基準姿勢位置にあるときの図２の要部拡大説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）の状態から角度αだけ傾斜させたときの説明図。
【図４】加工ヘッドをＡ１方向に移動させてレーザ溶接を施す場合に作動説明図。
【図５】（Ａ）は加工ヘッドをＢ１方向に移動させてレーザ溶接を施す場合の作動説明図、（Ｂ）は加工ヘッドをＢ２方向に移動させてレーザ溶接を施す場合の作動説明図。
【図６】自動車の車体の内部空間でレーザ溶接を施す場合の加工ヘッドの移動軌跡の一例を示す斜視図。
【図７】本発明の第２の実施の形態を示す加工ヘッドの側面説明図。
【図８】図７の右側面図。
【図９】図７のＤ部拡大図。
【図１０】従来のレーザ溶接装置の一例を示す要部の構成説明図。
【図１１】（Ａ），（Ｂ）共に図１０のレーザ溶接装置を用いて溶接を行う場合の平面説明図。
【符号の説明】
【００３２】
１…産業用ロボット
２…ロボットアーム
４…レーザ加工ヘッド
８…加圧シリンダ（流体圧アクチュエータ）
１２…加圧ノズル
１２ａ…テーパ部
１２ｂ…先端面（矯正部）
１４…加圧ピン
１４ａ…先端面（矯正部）
Ｌ…レーザ光
Ｗ１…パネル（被溶接物）
Ｗ２…パネル（被溶接物）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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