JP2017127891A - レーザー溶接装置及びレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー溶接を施す薄板どうしの隙間をより確実に小さくできる溶接技術を提供する。【解決手段】レーザー光は、照射側押圧部２３が積層体１６に当接する照射側縁部２３ａと、他方側押圧部２５が積層体１６に当接する他方側縁部２５ａとを任意の直線４０で結んだ際のその直線４０上を含む部位に照射され、レーザー溶接する。【効果】直線上を含む部位は、確実に隙間が小さくなる部位であり、この部位にレーザー溶接を施すため、溶接品質を高めることができる。【選択図】図７

Description

本発明は、複数の薄板どうしを接合するレーザー溶接技術に関する。

複数の薄板どうしを当接し、当接部位を溶接することで、２つ（又はそれ以上）の部材を接合し一体化することが、従来から広く行われており、特に、エネルギー密度が高いレーザー溶接が近年使用される。

母材と母材を接合するレーザー溶接の場合、他の溶接法に比較して、薄板どうしの隙間を小さくする必要がある。
そこで、薄板どうしの隙間を小さくする技術が種々提案されてきた（例えば、特許文献１（図１）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１０は従来の技術の基本原理を説明する図であり、下の薄板１０１に上の薄板１０２を重ね、得られた積層体１０３を下押圧部材１０４と上押圧部材１０５で強く挟む。そして、レーザー照射手段１０６で薄板１０１、１０２どうしを接合する。

照射部位１０７は、下押圧部材１０４及び上押圧部材１０５に干渉しないように、下押圧部材１０４及び上押圧部材１０５から距離Ｌだけ離れた位置とされる。
下押圧部材１０４及び上押圧部材１０５で直接的に挟まれている部位１０８では薄板１０１と薄板１０２の隙間は小さくなるが、距離Ｌだけ離れた照射部位１０７では、薄板１０１と薄板１０２との間の隙間が大きくなる虞がある。この隙間により、接合不良が発生する。

そこで、レーザー溶接を施す薄板どうしの隙間をより確実に小さくできる溶接装置及び方法が求められる。

特開２００５−１１１５４２号公報

本発明は、レーザー溶接を施す薄板どうしの隙間を小さくすることができる溶接装置及び方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、複数の薄板を重ねてなる積層体に溶接を施し前記複数の薄板どうしを接合するレーザー溶接装置であって、
前記積層体の一方の面からレーザー光を照射するレーザー照射部と、
前記積層体の他方の面を押圧する他方側押圧部と、
前記積層体の一方の面を押圧すると共に前記他方側押圧部とは前記積層体の面方向にオフセットして配置される照射側押圧部と、
前記照射側押圧部に形成され前記積層体に当接する照射側縁部と、前記他方側押圧部に形成され前記積層体に当接する他方側縁部とを任意の直線で結んだ際のその直線上を含む部位に、前記レーザー光を照射するように前記レーザー照射部を制御する制御部とからなることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、他方側押圧部は、積層体を略点状の部材により狭い範囲を押圧するものであり、レーザー光は、狭い範囲を囲うように円弧状に照射されることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、照射側押圧部を複数個備える照射側押圧部材を備え、照射側押圧部材は、複数の照射側押圧部間に設けられ板厚方向に貫通する開口部を備え、レーザー光は、開口部を通して照射されることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、複数の薄板を重ねてなる積層体に溶接を施すレーザー溶接方法であって、
前記積層体の面方向に互いにオフセットさせた照射側押圧部と他方側押圧部で、前記積層体が蛇行するように前記積層体を挟む工程と、
前記照射側押圧部側に配置したレーザー照射部で、前記照射側押圧部に形成され前記積層体に当接する照射側縁部と、前記他方側押圧部に形成され前記積層体に当接する他方側縁部とを任意の直線で結んだ際のその直線上を含む部位にレーザー光を照射して、前記複数の薄板どうしを接合する工程とからなることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、レーザー光は、他方側押圧部を囲うように且つ円弧状に照射することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、照射側押圧部に形成され積層体に当接する照射側縁部と、他方側押圧部に形成され積層体に当接する他方側縁部とを任意の直線で結んだ際のその直線上を含む部位に、レーザー光を照射する。
直線上を含む部位は、確実に隙間が小さくなる部位であり、この部位にレーザー溶接を施すため、溶接品質を高めることができる。

請求項２に係る発明では、点状の範囲を中心に円周方向にレーザー光を照射するため、点状範囲を中心に分布する隙間が比較的一致する部位にわたってビードを形成することができ、溶接条件が揃いやすい。

請求項３に係る発明では、照射側押圧部材は、複数の照射側押圧部と、これらの照射側押圧部間に設けられ板厚方向に貫通する開口部とを備えており、簡単な構成でレーザー溶接を実施することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１と同様に、照射側押圧部に形成され積層体に当接する照射側縁部と、他方側押圧部に形成され積層体に当接する他方側縁部とを任意の直線で結んだ際のその直線上を含む部位に、レーザー光を照射する。
直線上を含む部位は、確実に隙間が小さくなる部位であり、この部位にレーザー溶接を施すため、溶接品質を高めることができる。

請求項５に係る発明では、レーザー光は、他方側押圧部を囲うように且つ円弧状に照射するため、略点状の他方側押圧部の外を巡るようにレーザー光を照射することができ、他方側押圧部に干渉することなく且つ他方側押圧部に接近した部位にビードを形成することができる。

本発明の溶接方法で製造した積層体の斜視図である。 本発明に係るレーザー溶接装置の斜視図である。 本発明に係るレーザー溶接装置の要部平面図である。 本発明に係るレーザー溶接装置の側面図である。 本発明に係るレーザー溶接方法を説明する図である。 本発明に係るレーザー溶接方法を説明する図である。 図６の７−７矢視図であり、本発明に係るレーザー溶接方法を説明する図である。 照射側押圧部と他方側押圧部の形状を補足説明する図である。 他方側押圧部の形状を更に説明する図である。 従来の技術の基本原理を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１に示すように、車体フレーム１０は、プレス品である下半体１１とプレス品である上半体１２とからなる。
詳細には、下半体１１から張り出したフランジ状の薄板１３と上半体１２から張り出したフランジ状の薄板１４とを重ねて、レーザー溶接によるビード１５を所定ピッチで形成することにより、接合したものである。

薄板１３と薄板１４とを重ねてなる積層体１６の製造に好適なレーザー溶接装置２０の具体例を、以下に説明する。
図２に示すように、レーザー溶接装置２０は、レーザー照射部２１と、このレーザー照射部２１を制御する制御部２２と、積層体（図１、符号１０）を支持する支持治具３０とを備えている。支持治具３０は、複数（実施例では３個）の照射側押圧部２３を有する照射側押圧部材２４と、複数（実施例では２個）の他方側押圧部２５と、その他の構成要素（図３、図４で詳しく説明する。）を備える。他方側押圧部２５は略点状を呈している。

図３に示すように、照射側押圧部材２４は、３個の照射側押圧部２３と、これらを繋ぐ連結部２６とからなり、平面視でＥ形状を呈する部材である。
他方側押圧部２５は、隣り合う照射側押圧部２３、２３の間に配置される。すなわち、照射側押圧部材２４の照射側押圧部２３は、他方側押圧部２５と積層体の面方向にオフセットして配置される。

図４に示すように、レーザー溶接装置２０は、複数の薄板１３、１４を重ねてなる積層体１６に溶接を施し前記複数の薄板どうしを接合する装置であって、積層体１６の一方の面からレーザー光を照射するレーザー照射部２１と、このレーザー照射部２１を制御する制御部２２と、積層体１６の他方の面を押圧する他方側押圧部２５と、積層体１６の一方の面を押圧する照射側押圧部２３とを備えている。

照射側押圧部材２４は、例えば、ベース２８に立てた油圧シリンダ２９のピストンロッド３１で昇降可能に支持される。
また、他方側押圧部２５は、例えば、ベース２８に立てた油圧シリンダ３２のピストンロッド３３に形成される。

すなわち、支持治具３０は、一例として、照射押圧部２３を備える照射側押圧部材２４と、照射側押圧部材２４を昇降する油圧シリンダ２９と、他側押圧部２５を昇降する油圧シリンダ３２と、油圧シリンダ２９、３２を支えるベース２８とで構成される。

レーザー照射部２１は、例えば、ロボットアーム３４で支持され、三次元的に移動する。ロボットアーム３４は、フランジ状の薄板１３、１４の長手方向（図１、符号１７。図４の表裏方向）へ延びるレールと、このレールに沿って移動しレーザー照射部２１を支えるスライダー等のロボット以外の移動手段に代えてもよい。

以上の構成からなるレーザー溶接装置２０の作用を次に述べる。
図５に示すように、複数の薄板１３、１４を重ねてなる積層体１６を、上下方向に十分に離した照射側押圧部２３と他方側押圧部２５との間に積層体１６を置く。積層体１６は、別のロボットで保持することで、照射側押圧部２３と他方側押圧部２５との間に置くことができる。積層体１６は、他方側押圧部２５、２５に載せてもよい。

次に、照射側押圧部２３を下げる。又は、他方側押圧部２５を上げる。又は、照射側押圧部２３を下げると共に他方側押圧部２５を上げる。

結果、図６に示すように、積層体１６を緩く蛇行させる。すると、薄板１３と薄板１４の隙間が小さくなる。この状態を維持しつつ、照射側押圧部２３と他方側押圧部２５との何れにも干渉しない部位へレーザー照射部２１からレーザー光３５を照射する。
積層体１６は、照射側押圧部１３の縁に形成される照射側縁部１３ａ、１３ａに良好に当接すると共に他方側押圧部１５の縁に形成される他方側縁部１５ａ、１５ａに良好に当接している。

図７にて、他方側押圧部２５を囲うように、円弧状のビード１５を形成する。図２において、制御部２２は、レーザー照射部２１をフランジ状の薄板の長手方向（図１、符号１７）に移動させた状態で、光軸を旋回させる。なお、制御部２２は、ロボットアーム３４の作動によってレーザー照射部２１を円弧状に移動させてもよい。何れによっても、図７に示す円弧状のビード１５を形成することができる。

照射側押圧部２３の縁に形成され積層体１６に当接する照射側縁部２３ａと他方側押圧部２５の縁に形成され積層体１６に当接する他方側縁部２５ａにおいて、照射側縁部２３ａと他方側縁部２５ａを最短距離で結ぶ最短線３７や、連結部２６に最も近い照射側縁部２３ａの一端と他方側縁部２５ａの一端との接線である第１直線３８や、照射側縁部２３ａの他端と他方側縁部２５ａの一端との接線である第２直線３９を定義することができる。

第１直線３８と第２直線３９との間において、照射側縁部２３ａと他方側縁部２５ａを任意の直線４０で結ぶ。無数に引かれる任意の直線４０の一つが最短線３７であり、最も外側に引かれるものが第１直線３８と第２直線３９である。

レーザー光は、照射側押圧部２３が積層体１６に当接する照射側縁部２３ａと、他方側押圧部２５が積層体１６に当接する他方側縁部２５ａとを任意の直線４０で結んだ際のその直線４０上を含む部位に照射され、レーザー溶接する。

すなわち、照射側押圧部２３と他方側押圧部２５を結ぶ任意の直線４０を横断する部位を含む部位で且つ照射側押圧部２３と他方側押圧部２５の何れにも干渉しない部位を含むようにレーザー光を照射する。言い換えれば、第１直線３８と第２直線３９と他方側縁部２５ａ照射側縁部２３ａとによって囲まれる領域Ｒであって他方側押圧部２５に干渉しない部位にビード１５の少なくとも一部が形成されればよい。
一対の照射側押圧部２３、２３の間が、レーザー光を通過させる開口部４１となる。

ビード１５は、他方側押圧部２５を囲む円弧状が望ましく、Ｃ字状、円形、楕円、長円、螺旋状等、形状は任意である。

なお、他方側押圧部２５は、便宜上、略点状と表現しているが、厳密な点である必要はなく、ビードで囲まれる程度に小さければ多少の大きさをもっていても良いし、形状を有していても良い。

また、照射側押圧部２３は、他方側押圧部２５よりも大きい方が良い。他方側押圧部２５は、それを囲うビードの自由度を広げる意味で小さい方が良く、一方で、照射側押圧部２３は大きくすることで、結果として、第１直線３８と第２直線３９等で囲まれる領域Ｒを広くすることができ、これもビードの自由度の向上に寄与する。

図５にて、照射側縁部２３ａは照射側押圧部２３の角部として形成し、他方側縁部２５ａは他方側押圧部２５の角部として形成したが、これらはこの例に限定されるものではない。
図８に示すように、照射側押圧部２３及び他方側押圧部２５を積層体１６に当接させたときの実際の当接面の縁部に対応する位置を、それぞれ照射側縁部２３ａ、他方側縁部２５ａとみなすことができる。

図９に、略点状の他方側押圧部２５の形態を示す。
図９（ａ）に示すように、他方側押圧部２５は、円柱部４２の先端に形成した長方形断面部である。長方形断面部であれば、楕円ビードや長円ビードの形成に適している。

図９（ｂ）に示すように、他方側押圧部２５は、円柱部４２の先端に形成した円錐台部とを備える。円錐台部であれば、正円ビードの形成に適している。

図９（ｃ）に示すように、他方側押圧部２５は、円柱部４２とすることができる。円柱部４２であれば、正円ビードの形成に適している。なお、円柱部４２は、ピストンロッド（図４、符号３３）であってもよい。

以上の述べた作用をまとめると次のようになる。
複数の薄板を重ねてなる積層体１６に溶接を施すレーザー溶接方法であって、先ず、積層体１６の面方向に互いにオフセットさせた照射側押圧部２３と他方側押圧部２５（図３）で、積層体１６が蛇行するように積層体１６を挟む（図６）。

次に、照射側押圧部２３の縁に形成され積層体１６に当接する照射側縁部２３ａと、他方側押圧部２５の縁に形成され積層体１６に当接他方側縁部２５ａとを任意の直線４０で結んだ際のその任意の直線４０上を含む部位（図７）にレーザー光を照射する。

すなわち、照射側押圧部２３側に配置したレーザー照射部２１で、照射側押圧部２３及び他方側押圧部２５に干渉しない部位にレーザー光を照射する（図６）と共に、照射側押圧部２３と他方側押圧部２５を結ぶ任意の直線４０を横断する部位を含む部位（図７）にレーザー光を照射する。

尚、レーザー溶接装置２０は、好適な構造を示すものであり、本発明のレーザー溶接方法を実施するに際し、レーザー溶接装置２０の構造を適宜変更することは差し支えない。

また、本発明は、薄鋼板のプレス品を接合して車体フレームとする車体製造に好適であるが、車体とは異なる一般構造体の溶接に適用することは差し支えない。

また、略点状を呈する他方側押圧部２５は、円柱の他、角柱、多角形柱であってもよい。さらには、他方側押圧部２５は、略点状の他、筒や照射側押圧部２３の延び方向に延びる平板であってもよく、形状は任意である。

また、実施例では、上下２枚の薄板で積層体を構成したが、積層体は３枚以上の薄板で構成しても良く、それぞれの板厚が違っていても良い。

本発明は、薄鋼板のプレス品を接合して車体フレームとする車体製造に好適である。

１３…薄板、１４…薄板、１５…ビード、１６…積層体、２０…レーザー溶接装置、２１…レーザー照射部、２２…制御部、２３…照射側押圧部、２３ａ…照射側縁部、２４…照射側押圧部材、２５…他方側押圧部、２５ａ…他方側縁部、３５…レーザー光、４０…任意の直線、４１…開口部。

Claims (5)

1. 複数の薄板を重ねてなる積層体に溶接を施し前記複数の薄板どうしを接合するレーザー溶接装置であって、
   前記積層体の一方の面からレーザー光を照射するレーザー照射部と、
   前記積層体の他方の面を押圧する他方側押圧部と、
   前記積層体の一方の面を押圧すると共に前記他方側押圧部とは前記積層体の面方向にオフセットして配置される照射側押圧部と、
   前記照射側押圧部に形成され前記積層体に当接する照射側縁部と、前記他方側押圧部に形成され前記積層体に当接する他方側縁部とを任意の直線で結んだ際のその直線上を含む部位に、前記レーザー光を照射するように前記レーザー照射部を制御する制御部とからなることを特徴とするレーザー溶接装置。
2. 前記他方側押圧部は、前記積層体を略点状の部材により狭い範囲を押圧するものであり、前記レーザー光は、前記狭い範囲を囲うように円弧状に照射されることを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接装置。
3. 前記照射側押圧部を複数個備える照射側押圧部材を備え、前記照射側押圧部材は、前記複数の照射側押圧部間に設けられ板厚方向に貫通する開口部を備え、前記レーザー光は、前記開口部を通して照射されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のレーザー溶接装置。
4. 複数の薄板を重ねてなる積層体に溶接を施すレーザー溶接方法であって、
   前記積層体の面方向に互いにオフセットさせた照射側押圧部と他方側押圧部で、前記積層体が蛇行するように前記積層体を挟む工程と、
   前記照射側押圧部側に配置したレーザー照射部で、前記照射側押圧部に形成され前記積層体に当接する照射側縁部と、前記他方側押圧部に形成され前記積層体に当接する他方側縁部とを任意の直線で結んだ際のその直線上を含む部位にレーザー光を照射して、前記複数の薄板どうしを接合する工程とからなることを特徴とするレーザー溶接方法。
5. 前記レーザー光は、前記他方側押圧部を囲うように且つ円弧状に照射することを特徴とする請求項４記載のレーザー溶接方法。

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