レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置
【課題】板材の突合せ溶接を行う際、切削加工装置や切削加工工程を必要とせず、コストが安く、溶接時間の短縮が可能なレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を得る。
【解決手段】対向する一対の板材６の少なくとも一方の被溶接部の板材６の端面からのレーザ１２の照射位置を変えて、被溶接部にレーザ１２を複数回照射し、被溶接部を一時的に溶解させる第一の照射工程と、一対の板材６の被溶接部の間隔が許容ギャップ内となるように調整するギャップ調整工程と、被溶接部にレーザ１２を照射して前記板材６の溶接を行う第二の照射工程とを備えたものである。
【解決手段】対向する一対の板材６の少なくとも一方の被溶接部の板材６の端面からのレーザ１２の照射位置を変えて、被溶接部にレーザ１２を複数回照射し、被溶接部を一時的に溶解させる第一の照射工程と、一対の板材６の被溶接部の間隔が許容ギャップ内となるように調整するギャップ調整工程と、被溶接部にレーザ１２を照射して前記板材６の溶接を行う第二の照射工程とを備えたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はレーザ光を使用したレーザ溶接に係り、特に一対の板材の突合せ溶接を行う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】
鉄鋼製造ラインでは、鋼板のシート（薄板材）は、圧延、冷延、めっき等の処理を施した上で、製品コイルとして巻き取られる。この時、連続的に鋼板に上記処理を行うため、シートとシートの溶接が必要となる。例えば、薄板材を突合せてレーザ溶接する場合があり、このような場合に、シャーリング機等で切断した薄板材であるワークの端面をそのまま突合せると、溶接長さが長い場合には突合せた板材の間にギャップが生じやすい。この時、薄板になると正常な溶接をするのに許容できる間隔が狭くなるため、板材同士が接合されなかったり、溶接部に穴が開いたりするなどの不具合が生じる。そのため、従来のレーザ溶接方法とそのレーザ溶接システムにおいては、突合せ精度を良くして板材の間隔を許容ギャップ以下にするため、レーザで溶接するのに先立ち、研削手段にて被溶接板材の両端面を研削加工した後、被溶接板材の端面間の隙間を調整し、レーザ光線で溶接する方法が採られていた（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２４９３０５号公報（第１１頁、第３図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレーザ溶接方法とそのレーザ溶接システムでは、研削加工を行う装置が必要であり、その設置スペース、コスト、メンテナンスも必要であった。更に、板厚０．１ｍｍの薄板材の溶接となれば、溶接板材の端面の突合せ精度が必要なため、数μｍ単位の加工精度が必要となり、加工時間もかかるという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、切削加工装置や切削加工工程を必要とせず、コストが安く、溶接時間の短縮が可能なレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置では、対向する一対の板材の少なくとも一方の被溶接部の板材の端面からのレーザの照射位置を変えて、被溶接部にレーザを複数回照射し、被溶接部を一時的に溶解させる第一の照射工程と、一対の板材の被溶接部の間隔が許容ギャップ内となるように調整するギャップ調整工程と、被溶接部にレーザを照射して前記板材の溶接を行う第二の照射工程とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置では、溶接に先立って被溶接部にレーザを照射して一時的に溶解させるに際し、被溶接部の板材の端面からのレーザの照射位置を変えてレーザを複数回照射した上で、その後突合せ溶接を行うので、切削加工装置や研削加工工程が必要無く、コスト低減と溶接工程の時間短縮が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１を示すレーザ溶接装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１を示す板材のシャー切断時の状態を示した模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１を示す板材のシャー切断後の状態を示した模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１を示す板材を突合せた際のギャップ量Ｇを示した模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１を示す板材の両端部へのレーザ照射状態を示した模式図である。
【図６】この発明の実施の形態１を示す板材の両端面形状が球状に加工された状態を示した模式図である。
【図７】この発明の実施の形態１を示す突合せ溶接におけるアルゴンガスによる溶接部のシールド状態を示した模式図である。
【図８】この発明の実施の形態１を示す板材の端面形状が球状に加工されるモデルを示した模式図である。
【図９】この発明の実施の形態１を示す板厚0.1mmの突合せ溶接における許容ギャップと溶け代の関係を示した模式図である。
【図１０】この発明の実施の形態１を示す板材の突合せ溶接における最大許容ギャップと板厚の関係を示した模式図である。
【図１１】この発明の実施の形態１を示すレーザ照射による板材端面の形状の変化を示した模式図である。
【図１２】この発明の実施の形態２を示すシャー切断後の板材端面の形状を示した模式図である。
【図１３】この発明の実施の形態２を示す板材端面におけるレーザ照射位置及びレーザ照射後の端面形状を示した模式図である。
【図１４】この発明の実施の形態２を示す板材を突合せた際のギャップＧを示した模式図である。
【図１５】この発明の実施の形態３を示すレーザ溶接装置の構成図である。
【図１６】この発明の実施の形態３を示すレーザ突合せ溶接方法のフローチャートである。
【図１７】この発明の実施の形態４を示すレーザ溶接装置の構成図である。
【図１８】この発明の実施の形態４を示すレーザ突合せ溶接方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における板材の突合せレーザ溶接方法を用いるレーザ溶接装置の構成図である。この装置は、被溶接板材である先行板材６ａと後行板材６ｂを保持固定するクランプ装置１ａ、１ｂを備えている。また、このクランプ装置１ａ、１ｂには、板材を保持したクランプ装置を動かして板材の対向する端部にある被溶接部の間隔を調整する調整手段を備えている。また、板材をレーザで加工する加工ヘッド２と、その加工ヘッド２にレーザビームを供給するレーザ光発振器３と、突合せ溶接前に被溶接板材にせん断加工を施すシャー切断機４と、加工ヘッド２とシャー切断機４を搭載し被溶接部に沿って板幅方向に移動するキャリッジ（搬送手段）５と、板材６を送り出すワーク供給装置７とを備えている。なお、ここでは図示していないが、これらを制御するＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御装置があっても良い。
【００１０】
次に、この溶接装置を用いた溶接法方法について説明する。図２に示すように、先行板材６ａとワーク供給装置７により送り出された後行板材６ｂとをクランプ装置１ａ、１ｂで固定する。シャー切断機４は、上下移動可能な上刃８と、板材６を支える下刃９とから構成されており、上刃８を降下させることで板材６を切断する。この時、対象となる板厚により、上刃８を左右に移動させることで、クリアランス１０を調整できるようになっている。
【００１１】
その後、シャー切断機４により切断された板材６を保持しながら、クランプ１ａ、１ｂの間隔を調整する。通常の突合せ溶接を行う場合ならば、図３に示す板材６ａ、６ｂの両端部６ａＥ、６ｂＥを突合せる。しかし、図４に示すように、シャー切断された板材６の切断精度が悪い場合、板材６を突合せた際に、ある一部分は突き当たるが、ある一部分ではギャップＧが空いた状態となり、このまま溶接を行うと溶接不良を起こすこととなる。
【００１２】
この発明では、先ず、図３のようにギャップＧをある程度空けた状態で、板材間の間隔をクランプ１ａ、１ｂの調整手段で調整する。この時のギャップ調整は、板材の被溶接部のギャップを測定して、いずれの場所においても後述する溶接許容ギャップを越えた状態となるように調整しても良いし、ある程度大雑把に広めの間隔を設定しても良い。つまり、レーザ照射の際いずれの場所においても溶接されなければよいのである。その後、被溶接板材の溶接開始点の真上に加工ヘッド２がくるように、キャリッジ５を走行させる。なお、板材６の直下には、１１ａを軸にして回転が可能な円柱状のバックロール１１ｂがあり、これは、加工ヘッド２が搭載されているキャリッジ５の下部に取り付けられている。
【００１３】
その後、図５に示すように、レーザ１２を照射させながらキャリッジ５を走行させ、被溶接部である板材端部を一時的に溶解させる。この時、板材表面に照射されているレーザ１２のスポット径は、ギャップＧより大きい方が良い。そのため、加工ヘッド２を上下させることで、ビームの焦点位置を変化させ、スポット径の大きさが変更できることが望ましい。また、スポット径が小さく、板材の両端面を１回で溶解させることができない場合でも、キャリッジを往復させることで、端面を１回ずつ、一時的に溶解させることも可能である。レーザビーム照射中はシールドガス、ここではアルゴンガスを、加工ヘッド２等に取り付けられたノズル先端から吹付けることで、溶融金属の酸化を防止すると良い。
【００１４】
図６にはレーザビームを照射した後の板材の状態を示す。板材６の両端面が一部溶解し球状の形状となる。この時、板材６の端面が球状となると、ギャップＧはレーザビーム照射前よりも大きくなる。次にクランプ１ａ、１ｂを移動させギャップＧを調整し、板材６を突合せる。その後、突合せ部に沿ってレーザビームを照射することで溶接不良のない、良好な溶接が可能となる。この突合せ状態において、ギャップが必ずしもゼロとなる必要は無く、多少ギャップが空いている状態でも、板材６の両端面が部分的に板厚の増加した形状となるため、ギャップ裕度が広くなり、溶接が可能となる。すなわち、板材間の間隔を狭めた後の被溶接部の間隔が、いずれの場所でも後述する溶接可能な許容ギャップ内であればよい。
【００１５】
図７は板材の端面を球状に加工した後の突合せ溶接時の状態を示した図である。球状化処理を行った板材を突合せ、例えばレーザ出力：２．０ｋＷ、溶接速度：１３ｍ／ｍｉｎ、ビームスポット径：０．６ｍｍで溶接を行う。その際、溶接中に溶融金属に酸素が溶解すると表面張力が低下し、溶融金属の自重と表面張力とのつりあいのバランスが崩れ、溶融ビードが不安定になる。その結果、溶接部のビードの垂れ下がりや溶け落ちが生じる。これを防ぐために、加工ヘッド２の先端にあるノズルからシールドガス（アルゴンガス）１３ａを溶接部に吹きつけ、溶融金属の酸化を抑制するとよい。さらに、溶接時に板材の裏からノズル１４により、シールドガス（アルゴンガス）１３ｂを当てるバックシールドを行うことで、加工ヘッド２の先端にあるノズルのみからのシールドよりも強力となり、安定した溶接が可能となる。また、シールドガスとして、アルゴンの代わりに熱伝導率の高いヘリウムを使用しても良い。
【００１６】
なお、溶接中のレーザビームが照射されている板材６の直下にバックロール１１ｂが無い場合、クランプ状態にある板材６の板厚が薄い程、剛性が小さくなり、板材が垂れてしまい、突合せ溶接が不可能となる。このバックロール１１ｂはレーザビームが照射されている部分の板材を下から持ち上げ、クランプと挟み、固定することで、板材の両端面の目違いを防ぐ役目がある。バックロール１１ｂはキャリッジ５に取り付けられているため、キャリッジ５の走行に沿って、随時、レーザビーム照射部の直下に位置し、溶接を安定にすることができる。なお、一度目のレーザビーム照射と二度目のレーザビーム照射による溶接の際に、バックロール１１ｂが板材の両端面の球状となる部分に当たらないようにする必要がある。
【００１７】
以下に板材の突合せ溶接における最大許容ギャップについて、簡単なモデルを用いた理論値と実験値の比較を行い詳細に説明する。使用したモデルを図８に示す。これは、板厚ｈの突合せ溶接においてＧのギャップがある状態で板材の端面からＴだけ溶かした時、端面に半径ｒの半球状の溶融金属が生じるモデルである。ある板厚ｈと溶け代Ｔの値を決定することで半径ｒとθ（＝π−濡れ角）が一義的に決まるので、図８（ｂ）の溶融金属がブリッジを形成する（両方の半球状の溶融金属が接する）と仮定すると、Ｇが求められる。次に、溶け代Ｔを変化させていき最大許容ギャップＧｍａｘを求める。以下に計算手法を示す。まず、図８より以下の３つの関係式が導かれる。
【００１８】
【数１】
【００１９】
【数２】
【００２０】
【数３】
【００２１】
上記の連立方程式からギャップＧを半径ｒとθで表すため、先ず（２）式より（４）式が導かれ、これに（１）式を代入すると（５）式となる。さらに（３）式に（５）式を代入すると（６）式が得られる。
【００２２】
【数４】
【００２３】
【数５】
【００２４】
【数６】
【００２５】
このように許容ギャップＧが半径ｒとθで表せる。次に、板厚０．１ｍｍとして溶け代を０．０１ｍｍから０．１０ｍｍまで変化させた時の許容ギャップを図９に示す。溶け代が０．０４ｍｍの時に許容ギャップが０．０２１ｍｍと最大になる。さらに、ビームスポット径を０．６ｍｍとし、板厚を０．４ｍｍ、１．６ｍｍの時の最大許容ギャップＧｍａｘを求め、実験値と比較した結果を図１０に示す。この図より、板厚が増加するとギャップが広くなっても溶接が可能となることがわかる。
【００２６】
さて、この結果より、図１１（ａ）に示すように、例えば板厚ｈが０．５ｍｍの場合、突合せ状態でギャップが１００μｍまで空いていたとしても、不良なく溶接が可能である。しかし、本発明の方法により、例えば、レーザ出力：１．５ｋＷ、溶接速度：１２ｍ／ｍｉｎ、ビームスポット径：１ｍｍで板材の端面から溶け代Ｔを８６０μｍとすることで、図１１（ｂ）のような端面に半径３９０μｍの半球状化した板材が得られる。これは、端部が膨らんで板厚が増加したと見なす事ができるので、ここで、図１１（ｃ）のように半球状の断面積と同等の四角状の端面を考えると、板厚ｈＡは０．６２ｍｍの端部と考えることができ、もう片方の板材にも同様の処理を施すことで、板材間のギャップ裕度の拡大が期待でき、突合せ状態でギャップが１３０μｍまで許容できることになる。
【００２７】
なお、ここでは最初のレーザ照射による端面の球状化の際、先行板材と後行板材の両方の端部にレーザを照射しているが、最初のギャップ量が小さい時は、一方の板材だけにレーザ照射をしてもよい。
【００２８】
このように構成されたレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置によれば、溶接に先立って被溶接部にレーザビームを照射して一時的に溶解させ、その後突合せ溶接を行うので、切削加工装置や研削加工工程が必要無くなり、コスト低減と溶接工程の時間短縮が可能となる。更に、端面の球状化により端部の板厚が増加したと見なせるので、板材間のギャップ裕度の拡大が期待でき、突合せ精度が多少悪くても溶接可能となる。
【００２９】
また、板材の両端面を球状にする際や溶接の際に、加工ヘッドや板材の裏面からシールドガスを吹き付け、レーザビームを照射するようにすれば、溶融金属の酸化を防止する事ができる。その結果、溶解した金属の表面張力の低下を防いで自重による垂れ下がりを防止し、球状を保つことができるので、端部の板厚増加による溶接の裕度の拡大が期待でき、突合せ精度が多少悪くても溶接可能となる。その際、シールドガスとしてヘリウムガスを用いると、溶接ビードの冷却を促し、溶融金属の自重の増加やその変形を抑制することができるので、より安定した溶接が可能となる。
【００３０】
さらに、バックロールを備えていれば、薄板材の垂れ下がりを防止でき、薄板材の両端面の目違いを防ぐ事が可能である。また、バックロールはキャリッジに取り付けられているため、キャリッジの走行に沿って、随時、レーザビーム照射部の直下に位置するので、溶接を安定にすることができるという効果も併せ持つ。
【００３１】
実施の形態２．
ここでは、実際の薄板材を用い、突合せ溶接を行う前に板材端部にレーザを照射させた際の板材の形状変化について説明する。板材の鋼板としては、普通鋼、高張力鋼、高炭素鋼、電磁鋼板、ステンレス鋼などがある。一例として図１２に溶接に使用する薄板材の形状を示す。板厚ｈが０．１ｍｍ、板幅Ｗが１００ｍｍであり、シャー切断による板端面の凹凸量は約５０μｍである。つまり、シャー切断後の板材をそのまま突合わせた場合、板中央部に約１００μｍものギャップが空くことになる。図９に示したように板厚０．１ｍｍの突合せ溶接において、溶接可能な許容ギャップは２１μｍであり、シャー切断板材では溶接不可能となる。
【００３２】
次に、図１３（ａ）にシャー切断後の板材に端面の球状化を行うためのレーザビーム照射状態を示す。この時の溶接条件は例えば、レーザ出力：３００Ｗ、溶接速度：５ｍ／ｍｉｎ、ビームスポット径Ｒ：０．６ｍｍ、ビーム照射位置Ｌ：０．１ｍｍである。板材端面の球状化処理は、板材をどの程度、溶解させるかにより球状化する大きさが異なり、特に、ビーム照射位置Ｌ（溶け代Ｔと関連）は大きく影響する。今回、図１２に示した板材では、板端面の凹凸量が板幅方向（溶接方向）のＸ＝０ｍｍ付近で３２μｍ、Ｘ＝１００ｍｍ付近で１６μｍと、１６μｍの差がある。このような場合、一度のレーザ照射で球状化処理を行う方法以外にも、途中でビーム照射位置Ｌを変化させる方法もある。また、Ｘ＝０ｍｍからＸ軸プラス方向、Ｘ＝１００ｍｍからＸ軸マイナス方向と２回に分けてレーザ照射を行うと、より凹凸が減少することも考えられる。なお、この際は、Ｘ軸プラス方向へのビーム照射は板材が最も凹んでいるＸ＝４０ｍｍ付近までで、その後はレーザをオフにして、キャリッジを走行させ、ビーム照射位置Ｌを変化後、Ｘ軸マイナス方向へのビーム照射はレーザが照射されていない部分Ｘ＝１００ｍｍからＸ＝４０ｍｍの間として球状化処理を行えばよい。
【００３３】
図１３（ｂ）には、Ｘ軸プラス方向へおよそＸ＝６０ｍｍまでのレーザ照射を行った結果を示す。この結果から凸部の最大は＋４．０μｍ、凹部の最大は−５．７μｍであり、凹凸量は９．７μｍとなった。このように、レーザ照射前の凹凸量の５０μｍと比べ、凹凸が減少するという効果が見られる。なお、同様の処理を繰返す、つまり、複数回レーザを照射することも可能である。
【００３４】
このように、板材を突合せた時の当初のギャップＧ（図１４（ａ）参照）は約１００μｍあったが、斜線部へのレーザ照射（照射位置は適宜変更してもよい）により、図１４（ｂ）のように板材間のギャップＧは９．７×２＝１９．４μｍとなり、板厚０．１ｍｍの突合せ許容ギャップ内であるため、その後の突合せ溶接は可能となる。
【００３５】
なお、ギャップが減少するのは、突合せ溶接を行う前にレーザを被溶接板材の両端面に照射することで端面が一部溶解し、表面張力の影響により球状の形状をした被溶接板材が得られるためであり、その際、板材の角部は中央部よりも溶解量が大きく、相対的に球状半径が大きくなり後退量が増える（Ｙ軸の値が小さくなる）ためと考えられる。なお、その後の突合せ溶接後のビート形状を見て中央部と角部の溶接部の肉厚を比較すると本方法の使用が分かる場合がある。
【００３６】
このように、レーザ溶接前の板材端部へのレーザ照射には、ギャップ裕度の向上と共に凹凸量の減少という効果もあるため、溶接が容易となり、研削装置や研削工程が不要になるため、コストが低減でき、溶接工程の時間短縮が可能となる。
【００３７】
実施の形態３．
ここでは実施の形態１、２のレーザ溶接方法を用いるレーザ溶接装置例について述べる。図１５は撮像装置１６を加工ヘッド２に取り付けた状態を示した図である。ハーフミラー１５と撮像装置１６をレーザ光と同軸にセットすることで、溶接前の板材の突合せ状態を確認したり、突合せ部のレーザ照射位置を容易に合わせたりすることができる。また、画像処理装置１７とＮＣ制御装置１９も備えている。
【００３８】
レーザ照射による端面の球状化後、突合せ溶接をするためには、クランプ装置１ａ、１ｂを接近させて、溶接可能な突合せ位置までギャップＧを調整する必要があるが、薄板材の場合は、目違いを生じさせずにギャップＧを狭めて突合せることは困難である。そのため、キャリッジ５を再度、溶接線方向に移動させながら、図１５のように、加工ヘッド２に取り付けられている撮像装置１６の映像を画像処理装置１７を用いて、両板材間の最も狭いギャップ量を計測し、その後、ＮＣ制御装置１９の指示によりこの最小ギャップ量だけクランプを移動させれば、目違いを生じさせずに突合わせることができる。
【００３９】
このように構成されたレーザ溶接装置のＮＣ制御装置１９動作指示について図１６を用いて説明する。この図は、撮像装置１６を用いたレーザ突合せ溶接の動作手順の概要を示したフローチャートである。ステップ１１１のスタートに引き続き、ステップ１１２で先行板材６ａの終端部分をクランプし、後行板材６ｂをワーク供給装置により、レーザ溶接加工機へ供給する。ステップ１１３で後行板材６ｂをクランプし、ステップ１１４でクランプされた板材をシャー切断機４にて切断する。ステップ１１５では、溶接許容ギャップを越えるようにギャップ調整を行い、加工ヘッド２に取り付けられた撮像装置１６により、レーザ照射の位置決めを行う。ステップ１１６で、レーザを照射し、板材の端面の球状化加工を行う。その後、キャリッジ５を移動させて撮像装置１６の映像を画像処理装置１７によって画像処理し、突合せギャップを計測する（ステップ１１７）。その際の最小ギャップ分だけクランプを移動させてギャップ調整を行い（ステップ１１８）、ステップ１１９でレーザを照射し溶接を行い、ステップ１２０で溶接工程が終了する。
【００４０】
なお、ここでは、測定された最小ギャップ分だけクランプを移動させているが、これにより最小ギャップの所の板材が突き当てられて接触している。そのため、それ以上移動させると目違いが生じることになる。良好な溶接が可能となるには、板材間の間隔を狭めた後の被溶接部の間隔が、いずれの場所でも溶接可能な許容ギャップ内であればよいため、必ずしも測定された最小ギャップ分だけクランプを移動させる必要は無く、最小ギャップ分よりも若干移動量を小さくしても良い。
【００４１】
このように構成されたレーザ溶接装置によれば、ＮＣ制御装置の指示により溶接に先立って被溶接部にレーザビームを照射して一時的に溶解させ、その後ギャップを調整して突合せ溶接を行うので、切削加工装置や研削加工工程が必要無くなり、コスト低減と溶接工程の時間短縮が可能となる。また、溶接位置とギャップを正確に測定できるので、目違いを生じさせることなく突合せる事ができ、安定な溶接を行う事ができる。
【００４２】
実施の形態４．
ここでは実施の形態１、２のレーザ溶接方法を用いた他のレーザ溶接装置例について述べる。実施の形態３の溶接装置は、撮像装置１６を用いていたが、ここでは２次元レーザ変位センサを用いる場合について述べる。図１７は２次元レーザ変位センサ１８を加工ヘッド２のレーザ照射方向の後ろ側に取り付けた状態を示した図である。また、検査装置２０とＮＣ制御装置１９も備えている。
【００４３】
レーザビームによって両板材の端部を球状に加工する際、２次元レーザ変位センサ１８は、加工ヘッド２のレーザ照射方向の後ろ側に取り付けられているため、板材の端面球状化加工の直後に、ギャップＧが測定できる。この２次元レーザ変位センサ１８からの最小ギャップ量を検査装置２０で読み取り、ＮＣ制御装置１９の指示により最小ギャップ量分だけクランプを移動させればよい。
【００４４】
このように構成されたレーザ溶接装置のＮＣ制御装置１９動作指示について図１８を用いて説明する。この図は、２次元レーザ変位センサ１８を用いたレーザ突合せ溶接の動作手順の概要を示したフローチャートである。ステップ２１１のスタートに引き続き、ステップ２１２で先行板材６ａの終端部分をクランプし、後行板材６ｂをワーク供給装置により、レーザ溶接加工機へ供給する。ステップ２１３で後行板材６ｂをクランプし、ステップ２１４でクランプされた板材をシャー切断機４にて切断する。ステップ２１５では、溶接許容ギャップを越えるようにギャップ調整を行い、加工ヘッド２に取り付けられたＣＣＤカメラあるいは、２次元レーザ変位センサ１８と検査装置２０により、レーザ照射の位置決めを行う。ステップ２１６で、レーザを照射し、板材の端面の球状化加工を行う。その際、加工ヘッド２のレーザ照射方向の後ろ側に取り付けられた、２次元レーザ変位センサ１８にて、突合せギャップを計測する（ステップ２１７）。その際の最小ギャップ相当分だけクランプを移動させ（ステップ２１８）、ステップ２１９でレーザを照射し溶接を行い、ステップ２２０で溶接工程が終了する。
【００４５】
なお、ここでは、２次元レーザ変位センサ１８は、加工ヘッド２に取り付けられているが、レーザ照射方向の後ろ側にあればよいので、キャリッジ５に直接取り付けられていても良い。
【００４６】
このように構成されたレーザ溶接装置によれば、端面の球状化と同時にギャップを測定するので、時間短縮ができる。また、ギャップを正確に測定できるので、目違いを生じさせることなく突合せる事ができ、安定な溶接を行う事ができる。
【符号の説明】
【００４７】
１ａ クランプ装置、１ｂ クランプ装置、２ 加工ヘッド、３ レーザ光発振器、４ シャー切断機、５ キャリッジ、６ 板材、６ａ 先行板材、６ｂ 後行板材、６ａＥ 端部、６ｂＥ 端部、７ ワーク供給装置、８ 上刃、９ 下刃、１０ クリアランス、１１ａ バックロール軸、１１ｂ バックロール、１２ レーザ、１３ａ シールドガス、１３ｂ シールドガス、１４ ノズル、１５ ハーフミラー、１６ 撮像装置、１７ 画像処理装置、１８ ２次元レーザ変位センサ、１９ ＮＣ制御装置、２０ 検査装置、Ｇ ギャップ、Ｇｍａｘ 最大許容ギャップ、ｈ 板厚、ｈａ 板厚、Ｌ 板材端面からのレーザビーム照射位置、Ｒ レーザビームのスポット径、Ｔ 溶け代、Ｗ 板幅、Ｘ Ｘ軸、Ｙ Ｙ軸、ｒ レーザビーム照射後の板端面に生じる半球状の半径、θ π―濡れ角。
【技術分野】
【０００１】
この発明はレーザ光を使用したレーザ溶接に係り、特に一対の板材の突合せ溶接を行う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】
鉄鋼製造ラインでは、鋼板のシート（薄板材）は、圧延、冷延、めっき等の処理を施した上で、製品コイルとして巻き取られる。この時、連続的に鋼板に上記処理を行うため、シートとシートの溶接が必要となる。例えば、薄板材を突合せてレーザ溶接する場合があり、このような場合に、シャーリング機等で切断した薄板材であるワークの端面をそのまま突合せると、溶接長さが長い場合には突合せた板材の間にギャップが生じやすい。この時、薄板になると正常な溶接をするのに許容できる間隔が狭くなるため、板材同士が接合されなかったり、溶接部に穴が開いたりするなどの不具合が生じる。そのため、従来のレーザ溶接方法とそのレーザ溶接システムにおいては、突合せ精度を良くして板材の間隔を許容ギャップ以下にするため、レーザで溶接するのに先立ち、研削手段にて被溶接板材の両端面を研削加工した後、被溶接板材の端面間の隙間を調整し、レーザ光線で溶接する方法が採られていた（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２４９３０５号公報（第１１頁、第３図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレーザ溶接方法とそのレーザ溶接システムでは、研削加工を行う装置が必要であり、その設置スペース、コスト、メンテナンスも必要であった。更に、板厚０．１ｍｍの薄板材の溶接となれば、溶接板材の端面の突合せ精度が必要なため、数μｍ単位の加工精度が必要となり、加工時間もかかるという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、切削加工装置や切削加工工程を必要とせず、コストが安く、溶接時間の短縮が可能なレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置では、対向する一対の板材の少なくとも一方の被溶接部の板材の端面からのレーザの照射位置を変えて、被溶接部にレーザを複数回照射し、被溶接部を一時的に溶解させる第一の照射工程と、一対の板材の被溶接部の間隔が許容ギャップ内となるように調整するギャップ調整工程と、被溶接部にレーザを照射して前記板材の溶接を行う第二の照射工程とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置では、溶接に先立って被溶接部にレーザを照射して一時的に溶解させるに際し、被溶接部の板材の端面からのレーザの照射位置を変えてレーザを複数回照射した上で、その後突合せ溶接を行うので、切削加工装置や研削加工工程が必要無く、コスト低減と溶接工程の時間短縮が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１を示すレーザ溶接装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１を示す板材のシャー切断時の状態を示した模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１を示す板材のシャー切断後の状態を示した模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１を示す板材を突合せた際のギャップ量Ｇを示した模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１を示す板材の両端部へのレーザ照射状態を示した模式図である。
【図６】この発明の実施の形態１を示す板材の両端面形状が球状に加工された状態を示した模式図である。
【図７】この発明の実施の形態１を示す突合せ溶接におけるアルゴンガスによる溶接部のシールド状態を示した模式図である。
【図８】この発明の実施の形態１を示す板材の端面形状が球状に加工されるモデルを示した模式図である。
【図９】この発明の実施の形態１を示す板厚0.1mmの突合せ溶接における許容ギャップと溶け代の関係を示した模式図である。
【図１０】この発明の実施の形態１を示す板材の突合せ溶接における最大許容ギャップと板厚の関係を示した模式図である。
【図１１】この発明の実施の形態１を示すレーザ照射による板材端面の形状の変化を示した模式図である。
【図１２】この発明の実施の形態２を示すシャー切断後の板材端面の形状を示した模式図である。
【図１３】この発明の実施の形態２を示す板材端面におけるレーザ照射位置及びレーザ照射後の端面形状を示した模式図である。
【図１４】この発明の実施の形態２を示す板材を突合せた際のギャップＧを示した模式図である。
【図１５】この発明の実施の形態３を示すレーザ溶接装置の構成図である。
【図１６】この発明の実施の形態３を示すレーザ突合せ溶接方法のフローチャートである。
【図１７】この発明の実施の形態４を示すレーザ溶接装置の構成図である。
【図１８】この発明の実施の形態４を示すレーザ突合せ溶接方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における板材の突合せレーザ溶接方法を用いるレーザ溶接装置の構成図である。この装置は、被溶接板材である先行板材６ａと後行板材６ｂを保持固定するクランプ装置１ａ、１ｂを備えている。また、このクランプ装置１ａ、１ｂには、板材を保持したクランプ装置を動かして板材の対向する端部にある被溶接部の間隔を調整する調整手段を備えている。また、板材をレーザで加工する加工ヘッド２と、その加工ヘッド２にレーザビームを供給するレーザ光発振器３と、突合せ溶接前に被溶接板材にせん断加工を施すシャー切断機４と、加工ヘッド２とシャー切断機４を搭載し被溶接部に沿って板幅方向に移動するキャリッジ（搬送手段）５と、板材６を送り出すワーク供給装置７とを備えている。なお、ここでは図示していないが、これらを制御するＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）制御装置があっても良い。
【００１０】
次に、この溶接装置を用いた溶接法方法について説明する。図２に示すように、先行板材６ａとワーク供給装置７により送り出された後行板材６ｂとをクランプ装置１ａ、１ｂで固定する。シャー切断機４は、上下移動可能な上刃８と、板材６を支える下刃９とから構成されており、上刃８を降下させることで板材６を切断する。この時、対象となる板厚により、上刃８を左右に移動させることで、クリアランス１０を調整できるようになっている。
【００１１】
その後、シャー切断機４により切断された板材６を保持しながら、クランプ１ａ、１ｂの間隔を調整する。通常の突合せ溶接を行う場合ならば、図３に示す板材６ａ、６ｂの両端部６ａＥ、６ｂＥを突合せる。しかし、図４に示すように、シャー切断された板材６の切断精度が悪い場合、板材６を突合せた際に、ある一部分は突き当たるが、ある一部分ではギャップＧが空いた状態となり、このまま溶接を行うと溶接不良を起こすこととなる。
【００１２】
この発明では、先ず、図３のようにギャップＧをある程度空けた状態で、板材間の間隔をクランプ１ａ、１ｂの調整手段で調整する。この時のギャップ調整は、板材の被溶接部のギャップを測定して、いずれの場所においても後述する溶接許容ギャップを越えた状態となるように調整しても良いし、ある程度大雑把に広めの間隔を設定しても良い。つまり、レーザ照射の際いずれの場所においても溶接されなければよいのである。その後、被溶接板材の溶接開始点の真上に加工ヘッド２がくるように、キャリッジ５を走行させる。なお、板材６の直下には、１１ａを軸にして回転が可能な円柱状のバックロール１１ｂがあり、これは、加工ヘッド２が搭載されているキャリッジ５の下部に取り付けられている。
【００１３】
その後、図５に示すように、レーザ１２を照射させながらキャリッジ５を走行させ、被溶接部である板材端部を一時的に溶解させる。この時、板材表面に照射されているレーザ１２のスポット径は、ギャップＧより大きい方が良い。そのため、加工ヘッド２を上下させることで、ビームの焦点位置を変化させ、スポット径の大きさが変更できることが望ましい。また、スポット径が小さく、板材の両端面を１回で溶解させることができない場合でも、キャリッジを往復させることで、端面を１回ずつ、一時的に溶解させることも可能である。レーザビーム照射中はシールドガス、ここではアルゴンガスを、加工ヘッド２等に取り付けられたノズル先端から吹付けることで、溶融金属の酸化を防止すると良い。
【００１４】
図６にはレーザビームを照射した後の板材の状態を示す。板材６の両端面が一部溶解し球状の形状となる。この時、板材６の端面が球状となると、ギャップＧはレーザビーム照射前よりも大きくなる。次にクランプ１ａ、１ｂを移動させギャップＧを調整し、板材６を突合せる。その後、突合せ部に沿ってレーザビームを照射することで溶接不良のない、良好な溶接が可能となる。この突合せ状態において、ギャップが必ずしもゼロとなる必要は無く、多少ギャップが空いている状態でも、板材６の両端面が部分的に板厚の増加した形状となるため、ギャップ裕度が広くなり、溶接が可能となる。すなわち、板材間の間隔を狭めた後の被溶接部の間隔が、いずれの場所でも後述する溶接可能な許容ギャップ内であればよい。
【００１５】
図７は板材の端面を球状に加工した後の突合せ溶接時の状態を示した図である。球状化処理を行った板材を突合せ、例えばレーザ出力：２．０ｋＷ、溶接速度：１３ｍ／ｍｉｎ、ビームスポット径：０．６ｍｍで溶接を行う。その際、溶接中に溶融金属に酸素が溶解すると表面張力が低下し、溶融金属の自重と表面張力とのつりあいのバランスが崩れ、溶融ビードが不安定になる。その結果、溶接部のビードの垂れ下がりや溶け落ちが生じる。これを防ぐために、加工ヘッド２の先端にあるノズルからシールドガス（アルゴンガス）１３ａを溶接部に吹きつけ、溶融金属の酸化を抑制するとよい。さらに、溶接時に板材の裏からノズル１４により、シールドガス（アルゴンガス）１３ｂを当てるバックシールドを行うことで、加工ヘッド２の先端にあるノズルのみからのシールドよりも強力となり、安定した溶接が可能となる。また、シールドガスとして、アルゴンの代わりに熱伝導率の高いヘリウムを使用しても良い。
【００１６】
なお、溶接中のレーザビームが照射されている板材６の直下にバックロール１１ｂが無い場合、クランプ状態にある板材６の板厚が薄い程、剛性が小さくなり、板材が垂れてしまい、突合せ溶接が不可能となる。このバックロール１１ｂはレーザビームが照射されている部分の板材を下から持ち上げ、クランプと挟み、固定することで、板材の両端面の目違いを防ぐ役目がある。バックロール１１ｂはキャリッジ５に取り付けられているため、キャリッジ５の走行に沿って、随時、レーザビーム照射部の直下に位置し、溶接を安定にすることができる。なお、一度目のレーザビーム照射と二度目のレーザビーム照射による溶接の際に、バックロール１１ｂが板材の両端面の球状となる部分に当たらないようにする必要がある。
【００１７】
以下に板材の突合せ溶接における最大許容ギャップについて、簡単なモデルを用いた理論値と実験値の比較を行い詳細に説明する。使用したモデルを図８に示す。これは、板厚ｈの突合せ溶接においてＧのギャップがある状態で板材の端面からＴだけ溶かした時、端面に半径ｒの半球状の溶融金属が生じるモデルである。ある板厚ｈと溶け代Ｔの値を決定することで半径ｒとθ（＝π−濡れ角）が一義的に決まるので、図８（ｂ）の溶融金属がブリッジを形成する（両方の半球状の溶融金属が接する）と仮定すると、Ｇが求められる。次に、溶け代Ｔを変化させていき最大許容ギャップＧｍａｘを求める。以下に計算手法を示す。まず、図８より以下の３つの関係式が導かれる。
【００１８】
【数１】
【００１９】
【数２】
【００２０】
【数３】
【００２１】
上記の連立方程式からギャップＧを半径ｒとθで表すため、先ず（２）式より（４）式が導かれ、これに（１）式を代入すると（５）式となる。さらに（３）式に（５）式を代入すると（６）式が得られる。
【００２２】
【数４】
【００２３】
【数５】
【００２４】
【数６】
【００２５】
このように許容ギャップＧが半径ｒとθで表せる。次に、板厚０．１ｍｍとして溶け代を０．０１ｍｍから０．１０ｍｍまで変化させた時の許容ギャップを図９に示す。溶け代が０．０４ｍｍの時に許容ギャップが０．０２１ｍｍと最大になる。さらに、ビームスポット径を０．６ｍｍとし、板厚を０．４ｍｍ、１．６ｍｍの時の最大許容ギャップＧｍａｘを求め、実験値と比較した結果を図１０に示す。この図より、板厚が増加するとギャップが広くなっても溶接が可能となることがわかる。
【００２６】
さて、この結果より、図１１（ａ）に示すように、例えば板厚ｈが０．５ｍｍの場合、突合せ状態でギャップが１００μｍまで空いていたとしても、不良なく溶接が可能である。しかし、本発明の方法により、例えば、レーザ出力：１．５ｋＷ、溶接速度：１２ｍ／ｍｉｎ、ビームスポット径：１ｍｍで板材の端面から溶け代Ｔを８６０μｍとすることで、図１１（ｂ）のような端面に半径３９０μｍの半球状化した板材が得られる。これは、端部が膨らんで板厚が増加したと見なす事ができるので、ここで、図１１（ｃ）のように半球状の断面積と同等の四角状の端面を考えると、板厚ｈＡは０．６２ｍｍの端部と考えることができ、もう片方の板材にも同様の処理を施すことで、板材間のギャップ裕度の拡大が期待でき、突合せ状態でギャップが１３０μｍまで許容できることになる。
【００２７】
なお、ここでは最初のレーザ照射による端面の球状化の際、先行板材と後行板材の両方の端部にレーザを照射しているが、最初のギャップ量が小さい時は、一方の板材だけにレーザ照射をしてもよい。
【００２８】
このように構成されたレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置によれば、溶接に先立って被溶接部にレーザビームを照射して一時的に溶解させ、その後突合せ溶接を行うので、切削加工装置や研削加工工程が必要無くなり、コスト低減と溶接工程の時間短縮が可能となる。更に、端面の球状化により端部の板厚が増加したと見なせるので、板材間のギャップ裕度の拡大が期待でき、突合せ精度が多少悪くても溶接可能となる。
【００２９】
また、板材の両端面を球状にする際や溶接の際に、加工ヘッドや板材の裏面からシールドガスを吹き付け、レーザビームを照射するようにすれば、溶融金属の酸化を防止する事ができる。その結果、溶解した金属の表面張力の低下を防いで自重による垂れ下がりを防止し、球状を保つことができるので、端部の板厚増加による溶接の裕度の拡大が期待でき、突合せ精度が多少悪くても溶接可能となる。その際、シールドガスとしてヘリウムガスを用いると、溶接ビードの冷却を促し、溶融金属の自重の増加やその変形を抑制することができるので、より安定した溶接が可能となる。
【００３０】
さらに、バックロールを備えていれば、薄板材の垂れ下がりを防止でき、薄板材の両端面の目違いを防ぐ事が可能である。また、バックロールはキャリッジに取り付けられているため、キャリッジの走行に沿って、随時、レーザビーム照射部の直下に位置するので、溶接を安定にすることができるという効果も併せ持つ。
【００３１】
実施の形態２．
ここでは、実際の薄板材を用い、突合せ溶接を行う前に板材端部にレーザを照射させた際の板材の形状変化について説明する。板材の鋼板としては、普通鋼、高張力鋼、高炭素鋼、電磁鋼板、ステンレス鋼などがある。一例として図１２に溶接に使用する薄板材の形状を示す。板厚ｈが０．１ｍｍ、板幅Ｗが１００ｍｍであり、シャー切断による板端面の凹凸量は約５０μｍである。つまり、シャー切断後の板材をそのまま突合わせた場合、板中央部に約１００μｍものギャップが空くことになる。図９に示したように板厚０．１ｍｍの突合せ溶接において、溶接可能な許容ギャップは２１μｍであり、シャー切断板材では溶接不可能となる。
【００３２】
次に、図１３（ａ）にシャー切断後の板材に端面の球状化を行うためのレーザビーム照射状態を示す。この時の溶接条件は例えば、レーザ出力：３００Ｗ、溶接速度：５ｍ／ｍｉｎ、ビームスポット径Ｒ：０．６ｍｍ、ビーム照射位置Ｌ：０．１ｍｍである。板材端面の球状化処理は、板材をどの程度、溶解させるかにより球状化する大きさが異なり、特に、ビーム照射位置Ｌ（溶け代Ｔと関連）は大きく影響する。今回、図１２に示した板材では、板端面の凹凸量が板幅方向（溶接方向）のＸ＝０ｍｍ付近で３２μｍ、Ｘ＝１００ｍｍ付近で１６μｍと、１６μｍの差がある。このような場合、一度のレーザ照射で球状化処理を行う方法以外にも、途中でビーム照射位置Ｌを変化させる方法もある。また、Ｘ＝０ｍｍからＸ軸プラス方向、Ｘ＝１００ｍｍからＸ軸マイナス方向と２回に分けてレーザ照射を行うと、より凹凸が減少することも考えられる。なお、この際は、Ｘ軸プラス方向へのビーム照射は板材が最も凹んでいるＸ＝４０ｍｍ付近までで、その後はレーザをオフにして、キャリッジを走行させ、ビーム照射位置Ｌを変化後、Ｘ軸マイナス方向へのビーム照射はレーザが照射されていない部分Ｘ＝１００ｍｍからＸ＝４０ｍｍの間として球状化処理を行えばよい。
【００３３】
図１３（ｂ）には、Ｘ軸プラス方向へおよそＸ＝６０ｍｍまでのレーザ照射を行った結果を示す。この結果から凸部の最大は＋４．０μｍ、凹部の最大は−５．７μｍであり、凹凸量は９．７μｍとなった。このように、レーザ照射前の凹凸量の５０μｍと比べ、凹凸が減少するという効果が見られる。なお、同様の処理を繰返す、つまり、複数回レーザを照射することも可能である。
【００３４】
このように、板材を突合せた時の当初のギャップＧ（図１４（ａ）参照）は約１００μｍあったが、斜線部へのレーザ照射（照射位置は適宜変更してもよい）により、図１４（ｂ）のように板材間のギャップＧは９．７×２＝１９．４μｍとなり、板厚０．１ｍｍの突合せ許容ギャップ内であるため、その後の突合せ溶接は可能となる。
【００３５】
なお、ギャップが減少するのは、突合せ溶接を行う前にレーザを被溶接板材の両端面に照射することで端面が一部溶解し、表面張力の影響により球状の形状をした被溶接板材が得られるためであり、その際、板材の角部は中央部よりも溶解量が大きく、相対的に球状半径が大きくなり後退量が増える（Ｙ軸の値が小さくなる）ためと考えられる。なお、その後の突合せ溶接後のビート形状を見て中央部と角部の溶接部の肉厚を比較すると本方法の使用が分かる場合がある。
【００３６】
このように、レーザ溶接前の板材端部へのレーザ照射には、ギャップ裕度の向上と共に凹凸量の減少という効果もあるため、溶接が容易となり、研削装置や研削工程が不要になるため、コストが低減でき、溶接工程の時間短縮が可能となる。
【００３７】
実施の形態３．
ここでは実施の形態１、２のレーザ溶接方法を用いるレーザ溶接装置例について述べる。図１５は撮像装置１６を加工ヘッド２に取り付けた状態を示した図である。ハーフミラー１５と撮像装置１６をレーザ光と同軸にセットすることで、溶接前の板材の突合せ状態を確認したり、突合せ部のレーザ照射位置を容易に合わせたりすることができる。また、画像処理装置１７とＮＣ制御装置１９も備えている。
【００３８】
レーザ照射による端面の球状化後、突合せ溶接をするためには、クランプ装置１ａ、１ｂを接近させて、溶接可能な突合せ位置までギャップＧを調整する必要があるが、薄板材の場合は、目違いを生じさせずにギャップＧを狭めて突合せることは困難である。そのため、キャリッジ５を再度、溶接線方向に移動させながら、図１５のように、加工ヘッド２に取り付けられている撮像装置１６の映像を画像処理装置１７を用いて、両板材間の最も狭いギャップ量を計測し、その後、ＮＣ制御装置１９の指示によりこの最小ギャップ量だけクランプを移動させれば、目違いを生じさせずに突合わせることができる。
【００３９】
このように構成されたレーザ溶接装置のＮＣ制御装置１９動作指示について図１６を用いて説明する。この図は、撮像装置１６を用いたレーザ突合せ溶接の動作手順の概要を示したフローチャートである。ステップ１１１のスタートに引き続き、ステップ１１２で先行板材６ａの終端部分をクランプし、後行板材６ｂをワーク供給装置により、レーザ溶接加工機へ供給する。ステップ１１３で後行板材６ｂをクランプし、ステップ１１４でクランプされた板材をシャー切断機４にて切断する。ステップ１１５では、溶接許容ギャップを越えるようにギャップ調整を行い、加工ヘッド２に取り付けられた撮像装置１６により、レーザ照射の位置決めを行う。ステップ１１６で、レーザを照射し、板材の端面の球状化加工を行う。その後、キャリッジ５を移動させて撮像装置１６の映像を画像処理装置１７によって画像処理し、突合せギャップを計測する（ステップ１１７）。その際の最小ギャップ分だけクランプを移動させてギャップ調整を行い（ステップ１１８）、ステップ１１９でレーザを照射し溶接を行い、ステップ１２０で溶接工程が終了する。
【００４０】
なお、ここでは、測定された最小ギャップ分だけクランプを移動させているが、これにより最小ギャップの所の板材が突き当てられて接触している。そのため、それ以上移動させると目違いが生じることになる。良好な溶接が可能となるには、板材間の間隔を狭めた後の被溶接部の間隔が、いずれの場所でも溶接可能な許容ギャップ内であればよいため、必ずしも測定された最小ギャップ分だけクランプを移動させる必要は無く、最小ギャップ分よりも若干移動量を小さくしても良い。
【００４１】
このように構成されたレーザ溶接装置によれば、ＮＣ制御装置の指示により溶接に先立って被溶接部にレーザビームを照射して一時的に溶解させ、その後ギャップを調整して突合せ溶接を行うので、切削加工装置や研削加工工程が必要無くなり、コスト低減と溶接工程の時間短縮が可能となる。また、溶接位置とギャップを正確に測定できるので、目違いを生じさせることなく突合せる事ができ、安定な溶接を行う事ができる。
【００４２】
実施の形態４．
ここでは実施の形態１、２のレーザ溶接方法を用いた他のレーザ溶接装置例について述べる。実施の形態３の溶接装置は、撮像装置１６を用いていたが、ここでは２次元レーザ変位センサを用いる場合について述べる。図１７は２次元レーザ変位センサ１８を加工ヘッド２のレーザ照射方向の後ろ側に取り付けた状態を示した図である。また、検査装置２０とＮＣ制御装置１９も備えている。
【００４３】
レーザビームによって両板材の端部を球状に加工する際、２次元レーザ変位センサ１８は、加工ヘッド２のレーザ照射方向の後ろ側に取り付けられているため、板材の端面球状化加工の直後に、ギャップＧが測定できる。この２次元レーザ変位センサ１８からの最小ギャップ量を検査装置２０で読み取り、ＮＣ制御装置１９の指示により最小ギャップ量分だけクランプを移動させればよい。
【００４４】
このように構成されたレーザ溶接装置のＮＣ制御装置１９動作指示について図１８を用いて説明する。この図は、２次元レーザ変位センサ１８を用いたレーザ突合せ溶接の動作手順の概要を示したフローチャートである。ステップ２１１のスタートに引き続き、ステップ２１２で先行板材６ａの終端部分をクランプし、後行板材６ｂをワーク供給装置により、レーザ溶接加工機へ供給する。ステップ２１３で後行板材６ｂをクランプし、ステップ２１４でクランプされた板材をシャー切断機４にて切断する。ステップ２１５では、溶接許容ギャップを越えるようにギャップ調整を行い、加工ヘッド２に取り付けられたＣＣＤカメラあるいは、２次元レーザ変位センサ１８と検査装置２０により、レーザ照射の位置決めを行う。ステップ２１６で、レーザを照射し、板材の端面の球状化加工を行う。その際、加工ヘッド２のレーザ照射方向の後ろ側に取り付けられた、２次元レーザ変位センサ１８にて、突合せギャップを計測する（ステップ２１７）。その際の最小ギャップ相当分だけクランプを移動させ（ステップ２１８）、ステップ２１９でレーザを照射し溶接を行い、ステップ２２０で溶接工程が終了する。
【００４５】
なお、ここでは、２次元レーザ変位センサ１８は、加工ヘッド２に取り付けられているが、レーザ照射方向の後ろ側にあればよいので、キャリッジ５に直接取り付けられていても良い。
【００４６】
このように構成されたレーザ溶接装置によれば、端面の球状化と同時にギャップを測定するので、時間短縮ができる。また、ギャップを正確に測定できるので、目違いを生じさせることなく突合せる事ができ、安定な溶接を行う事ができる。
【符号の説明】
【００４７】
１ａ クランプ装置、１ｂ クランプ装置、２ 加工ヘッド、３ レーザ光発振器、４ シャー切断機、５ キャリッジ、６ 板材、６ａ 先行板材、６ｂ 後行板材、６ａＥ 端部、６ｂＥ 端部、７ ワーク供給装置、８ 上刃、９ 下刃、１０ クリアランス、１１ａ バックロール軸、１１ｂ バックロール、１２ レーザ、１３ａ シールドガス、１３ｂ シールドガス、１４ ノズル、１５ ハーフミラー、１６ 撮像装置、１７ 画像処理装置、１８ ２次元レーザ変位センサ、１９ ＮＣ制御装置、２０ 検査装置、Ｇ ギャップ、Ｇｍａｘ 最大許容ギャップ、ｈ 板厚、ｈａ 板厚、Ｌ 板材端面からのレーザビーム照射位置、Ｒ レーザビームのスポット径、Ｔ 溶け代、Ｗ 板幅、Ｘ Ｘ軸、Ｙ Ｙ軸、ｒ レーザビーム照射後の板端面に生じる半球状の半径、θ π―濡れ角。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の板材の少なくとも一方の被溶接部の板材の端面からのレーザの照射位置を変えて、前記被溶接部にレーザを複数回照射し、前記被溶接部を一時的に溶解させる第一の照射工程と、
前記一対の板材の被溶接部の間隔が溶接許容ギャップ内となるように調整するギャップ調整工程と、
前記被溶接部にレーザを照射して前記板材の溶接を行う第二の照射工程と
を備えたレーザ溶接方法。
【請求項２】
第一の照射工程は、被溶接部の板材の一端側と他端側からそれぞれ前記被溶接部の間隔が最も広い部分に向かって前記被溶接部にレーザを照射する請求項１記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
被溶接部を対向させて保持された一対の板材の少なくとも一方の被溶接部の前記板材の端面から照射位置を変えて複数回レーザ照射して、前記被溶接部を一時的に溶解させた後に前記板材の被溶接部にレーザ照射して前記板材の溶接を行う加工ヘッドと、
前記一対の板材の溶接前に被溶接部の間隔を調整するギャップ調整手段と、を備えたレーザ溶接装置。
【請求項４】
ギャップ測定手段は、加工ヘッドのレーザと同軸に付けられた撮像装置、又は、前記加工ヘッドのレーザ照射方向の後ろ側に取り付けられたレーザ変位センサである請求項３記載のレーザ溶接装置。
【請求項１】
対向する一対の板材の少なくとも一方の被溶接部の板材の端面からのレーザの照射位置を変えて、前記被溶接部にレーザを複数回照射し、前記被溶接部を一時的に溶解させる第一の照射工程と、
前記一対の板材の被溶接部の間隔が溶接許容ギャップ内となるように調整するギャップ調整工程と、
前記被溶接部にレーザを照射して前記板材の溶接を行う第二の照射工程と
を備えたレーザ溶接方法。
【請求項２】
第一の照射工程は、被溶接部の板材の一端側と他端側からそれぞれ前記被溶接部の間隔が最も広い部分に向かって前記被溶接部にレーザを照射する請求項１記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
被溶接部を対向させて保持された一対の板材の少なくとも一方の被溶接部の前記板材の端面から照射位置を変えて複数回レーザ照射して、前記被溶接部を一時的に溶解させた後に前記板材の被溶接部にレーザ照射して前記板材の溶接を行う加工ヘッドと、
前記一対の板材の溶接前に被溶接部の間隔を調整するギャップ調整手段と、を備えたレーザ溶接装置。
【請求項４】
ギャップ測定手段は、加工ヘッドのレーザと同軸に付けられた撮像装置、又は、前記加工ヘッドのレーザ照射方向の後ろ側に取り付けられたレーザ変位センサである請求項３記載のレーザ溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−１１５９０９（Ｐ２０１２−１１５９０９Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−３２９９８（Ｐ２０１２−３２９９８）
【出願日】平成２４年２月１７日（２０１２．２．１７）
【分割の表示】特願２００８−４９５６０（Ｐ２００８−４９５６０）の分割
【原出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月１７日（２０１２．２．１７）
【分割の表示】特願２００８−４９５６０（Ｐ２００８−４９５６０）の分割
【原出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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