(57)【要約】【課題】大きい板隙間であっても接合強度が低下することなく溶接できるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】レーザ発振器１１からレーザを発振し、レーザを集光レンズ１４によって集束し、積層した上板１０１と下板１０２とに照射して、積層した上板１０１と下板１０２とを溶接するレーザ溶接装置１０であって、レーザを上板１０１に照射し、上板１０１に照射したレーザを走査しながら、上板１０１に溶融池Ｙを形成し、溶融池Ｙにレーザを照射して、積層した上板１０１と下板１０２とにおいて溶融池Ｙを形成することによって、積層した上板１０１と下板１０２とを溶接する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器からレーザを発振し、
前記レーザを集光レンズによって集束し、積層した上板と下板とに照射して、
前記積層した上板と下板とを溶接するレーザ溶接装置であって、
前記レーザを前記上板に照射し、前記上板に照射したレーザを走査しながら、前記上板に溶融池を形成し、
前記溶融池に前記レーザを照射して、前記積層した上板と下板とにおいて溶融池を形成することによって、前記積層した上板と下板とを溶接する、
レーザ溶接装置。
【請求項２】
レーザ発振器からレーザを発振し、
前記レーザを集光レンズによって集束し、積層した上板と下板とに照射して、
前記積層した上板と下板とを溶接するレーザ溶接方法であって、
前記レーザを前記上板に照射し、前記上板に照射したレーザを走査しながら、前記上板に溶融池を形成し、
前記溶融池に前記レーザを照射して、前記積層した上板と下板とにおいて溶融池を形成することによって、前記積層した上板と下板とを溶接する、
レーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、レーザ発振器から発振したレーザを、集光レンズによって集束し、積層した鋼板に照射して溶接する溶接方法である。しかし、レーザ溶接では、積層する鋼板の板隙間が大きい場合には、接合強度が低下する。例えば、板隙間が０．３ｍｍ以上存在する場合には、溶接ビード表面が落ち込んで接合強度が低下することがある。また、板隙間が０．５ｍｍより大きい場合には、穴あきが発生して接合強度が低下することがある。
【０００３】
自動車車体などの３次元形状の溶接では、板隙間を例えば０．３ｍｍ以下に適正に管理することは困難である。一方、自動車車体等を製造する際には、運用上では１ｍｍ程度の板隙間まで許容されている。そのため、１ｍｍ程度の板隙間を、接合強度が低下することなく溶接することが課題となっている。現在、大きい板隙間のレーザ溶接の接合強度の低下対策として、いくつかの対策がなされている。
【０００４】
特許文献１は、シムローラを用いて、板隙間を管理して溶接する方法を開示している。しかし、自動車車体等を溶接する場合では、２枚または３枚の鋼板を溶接する場合もある。そのため、特許文献１が開示する溶接方法では、シム交換等を高頻度で実施する必要があり、生産性が低下する。
【０００５】
特許文献２では、クランプ装置を用いて、溶接部位と互い違いにレーザ仮付け溶接を実施する方法を開示している。しかし、特許文献２が開示する溶接方法では、自動車車体等を溶接する場合には、専用の大型クランプ装置が必要となる。また、特許文献２が開示する溶接方法では、亜鉛メッキ鋼板を溶接する場合には、レーザ仮付け溶接によってメッキ蒸気吹きによる溶接不良が発生する。
【０００６】
特許文献３では、１回目のレーザ照射をデフォーカス状態で実施し、上板を溶融させて下板側に突設させて隙間を低減し、２回目のレーザ照射によって貫通した溶接を実施している。しかし、特許文献３が開示する溶接方法では、１回目のレーザ照射が低エネルギーであるため、上板をキーホール溶融ではなく伝熱溶融させることになる。そのため、加工時間が長くなり、生産性が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−０２５２１９号公報
【特許文献２】特開２００５−１３１７０７号公報
【特許文献３】特開２０１０−０２３０４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は、大きい板隙間であっても接合強度が低下することなく溶接できるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１０】
即ち、請求項１においては、レーザ発振器からレーザを発振し、前記レーザを集光レンズによって集束し、積層した上板と下板とに照射して、前記積層した上板と下板とを溶接するレーザ溶接装置であって、前記レーザを前記上板に照射し、前記上板に照射したレーザを走査しながら、前記上板に溶融池を形成し、前記溶融池に前記レーザを照射して、前記積層した上板と下板とにおいて溶融池を形成することによって、前記積層した上板と下板とを溶接するものである。
【００１１】
請求項２においては、レーザ発振器からレーザを発振し、前記レーザを集光レンズによって集束し、積層した上板と下板とに照射して、前記積層した上板と下板とを溶接するレーザ溶接方法であって、前記レーザを前記上板に照射し、前記上板に照射したレーザを走査しながら、前記上板に溶融池を形成し、前記溶融池に前記レーザを照射して、前記積層した上板と下板とにおいて溶融池を形成することによって、前記積層した上板と下板とを溶接するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法によれば、大きい板隙間であっても接合強度が低下することなく溶接できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ溶接装置の構成を示した構成図。
【図２】本発明の実施形態の溶接方法の流れを示すフロー図。
【図３】本発明の実施形態の溶接方法の作用を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１を用いて、レーザ溶接装置１０について説明する。
レーザ溶接装置１０は、本発明のレーザ溶接装置の実施形態である。レーザ溶接装置１０は、レーザ溶接を行う装置である。レーザ溶接とは、レーザ光を熱源として金属に集光した状態で照射し、金属を局部的に溶融・凝固させることによって接合する溶接方法である。
【００１５】
以下の実施形態では、レーザ溶接装置１０を用いるレーザ溶接によって、自動車車体を構成するため、積層した２枚の鋼板である上板１０１と下板１０２とを溶接するものとする。また、積層した上板１０１と下板１０２とは、板隙間が１ｍｍであるものとする。
【００１６】
レーザ溶接装置１０の構成について説明する。
レーザ溶接装置１０は、レーザ発振器１１と、光路１２と、レーザ照射ヘッド１３と、集光レンズ１４と、を具備している。レーザ発振器１１は、溶接用熱源としてＣＯ２レーザまたはＹＡＧレーザを発振するものである。光路１２は、発振器で発振されたレーザをレーザ照射ヘッド１３へ導くものである。光路１２は、ミラーによってレーザを折り返して伝送する、あるいは、光ファイバーによってレーザを自在に湾曲して伝送するものである。
【００１７】
レーザ照射ヘッド１３は、光路１２によって伝送されたレーザを上板１０１の上方から上板１０１および下板１０２に照射するものである。レーザ照射ヘッド１３は、図示せぬロボットによって、上板１０１の上方まで移動される。集光レンズ１４は、光路１２によって伝送されたレーザを適切なサイズへ集光して照射し、被溶接物上で走査させるものである。集光レンズ１４は、レーザ照射ヘッド１３の内部に収納されている。
【００１８】
レーザ溶接装置１０の作用について説明する。
レーザ溶接装置１０は、レーザ発振器１１からレーザを発振し、レーザ発振器１１から発振されたレーザを集光レンズ１４によって集束し、集光レンズ１４によって集束されたレーザを積層した上板１０１と下板１０２とに照射し、上板１０１と下板１０２とを溶接する。
【００１９】
図２および図３を用いて、レーザ溶接方法Ｓ１００について説明する。
レーザ溶接方法Ｓ１００は、本発明のレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法の実施形態である。なお、図２の各ステップは、図３の各ステップに対応している。また、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡＡ断面図を示している。
【００２０】
図２を用いて、レーザ溶接方法Ｓ１００の流れについて説明する。
ステップＳ１１０において、レーザ溶接装置１０は、積層した上板１０１および下板１０２の上方からレーザを照射する。このとき、レーザ溶接装置１０は、レーザの照射軌跡によって平面視にて円形状が形成されるように、照射したレーザを走査する。なお、本実施形態では、レーザの照射軌跡は円形状に形成される構成としたが、四角形状、楕円形状等、他の形状であっても良い。
【００２１】
また、レーザ溶接装置１０は、上板１０１のみにおいて溶融池Ｙが形成されるように、照射したレーザを上板１０１の広い範囲で走査する。ここで、溶融池Ｙとは、溶接の際にアーク熱、その他の熱等によって上板１０１または下板１０２が溶融してできた溶融金属のたまりのことをいう。このとき、下板１０２までの溶け落ちを抑制しつつ照射したレーザを上板１０１の広い範囲で走査する。ここで、溶け落ちとは、上板１０１の溶融金属が下板１０２まで溶け落ちてしまうことをいう。
【００２２】
言い換えれば、ステップＳ１１０では、レーザ照射の溶接条件を、上板１０１の狭い範囲で照射していれば、下板１０２まで溶け落ちが発生する程度としている。ここで、溶接条件とは、レーザ出力、レーザ操作速度およびレーザ集光径のことをいう。しかし、ステップＳ１１０では、照射したレーザを上板１０１の広い範囲で走査するため、下板１０２への溶け落ちを抑制している。
【００２３】
ステップＳ１２０において、レーザ溶接装置１０は、積層した上板１０１および下板１０２の上方からレーザを照射する。このとき、レーザ溶接装置１０は、上板１０１のみに形成された溶融池Ｙにレーザを照射する。より詳しくは、レーザ溶接装置１０は、平面視にて円形状に形成される溶融池Ｙの中心部にレーザを照射する。さらに、ステップＳ１２０では、ステップＳ１１０での溶接条件よりも強いエネルギーの溶接条件によってレーザを照射する。
【００２４】
図３を用いて、レーザ溶接方法Ｓ１００の作用について説明する。
ステップＳ１１０においては、レーザ溶接装置１０によって、積層した上板１０１および下板１０２に上方からレーザが照射される。このとき、照射したレーザが上板１０１の広い範囲で走査されるため、側面断面視にて上板１０１の全体と下板１０２の一部とが溶融する。そして、側面断面視にて全体が溶融する上板１０１では、溶融池Ｙが形成される。このとき、上板１０１では、キーホール溶融によって溶融されている。ここで、キーホール溶融とは、溶融池Ｙの先端の部分で熱源が母材の裏側へ貫通して溶融することをいう。
【００２５】
ステップＳ１２０においては、レーザ溶接装置１０によって、積層した上板１０１および下板１０２に上方からレーザが照射される。このとき、溶融池Ｙの狭い範囲にレーザが照射されるため、側面断面視にて上板１０１の溶融池Ｙの全体と下板１０２の溶融池Ｙの全体とが溶融する。そして、側面断面視にて上板１０１の全体と下板１０２の全体とでは、溶融池Ｙが形成される。一体となってまとまった溶融池Ｙは、穴あけまたは分離ビードのない接合部となる。
【００２６】
レーザ溶接方法Ｓ１００の効果について説明する。
従来、自動車車体などの３次元形状の溶接では、板隙間を例えば０．３ｍｍ以下に適正に管理することは困難であった。一方、自動車車体等を製造する際には、運用上では１ｍｍ程度の板隙間まで許容されていた。そのため、１ｍｍ程度の板隙間を、接合強度が低下することなく溶接することが課題となっていた。レーザ溶接方法Ｓ１００によれば、板隙間が１ｍｍである上板１０１と下板１０２とを接合強度が低下することなく溶接できる。
【００２７】
また、従来、１回目のレーザ照射をデフォーカス状態で実施し、上板を溶融させて下板側に突設させて隙間を低減し、２回目のレーザ照射によって貫通した溶接が実施されていた。しかし、この溶接方法では、１回目のレーザ照射が低エネルギーであるため、上板をキーホール溶融ではなく伝熱溶融させていた。そのため、加工時間が長くなり、生産性が低下していた。レーザ溶接方法Ｓ１００によれば、１回目のレーザ照射（ステップＳ１１０）から上板１０１をキーホール溶融させるため、加工時間が短くなり、生産性が向上する。
【００２８】
本実施形態では、積層した上板１０１および下板１０２（２枚の鋼板）の上方からレーザを照射する構成としたが、本発明はこれに限定されない。積層した３枚以上の鋼板の上方からレーザを照射する構成としても、同様の効果が得られる。ただし、最下部の鋼板まで溶融させる強いエネルギーの溶接条件によってレーザを照射する必要がある。
【００２９】
本実施形態では、鋼板を被溶接物とする構成としたが、本発明はこれに限定されない。例えばアルミ板を被溶接物とする構成としても、同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００３０】
１０    レーザ溶接装置
１１    レーザ発振器
１２    光路
１３    レーザ照射ヘッド
１４    集光レンズ
１０１  上板
１０２  下板
Ｙ      溶融池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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