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    公开号:WO1992011971A1
    申请号:PCT/JP1991/001792
    申请日:1991-12-27
    公开日:1992-07-23
    发明作者:Nobutoshi Torii；Akihiro Terada
    申请人:Fanuc Ltd；
    IPC主号:B23K26-00
    专利说明:
    [0001] 明細書
    [0002] 亜鉛メ ツ キ鋼板の レ ーザ溶接のための方法 と 装置 技術分野
    [0003] 本発明は、 レ ーザビ ー ムを用 いた溶接方法と装置に関 し、 特に、 亜鉛メ ツ キ綱板の重ね合わせ部位を レ ーザビ ー で溶 接する方法と装置に闋する。
    [0004] 背景技術
    [0005] 亜鉛メ ツ キ鑭板は綱板表面に防銪用の亜鉛メ ツ キを施 した 鐧板材料であ り 、 自 動車の車体の構造材料等と して多用 さ れ てい る。 車体等を形成する場合に は、 多 く は重ね合わせ溶接 によ り 2 枚ない し複数枚の亜鉛メ ツ キ網板を溶接々 合する方 法がと られる。
    [0006] ま た、 近時、 亜鉛メ ツ キ綱板の重ね合わせ溶接に は所望の 溶接部位に レ ーザビ ー ムを集光、 照射 して鐧板材を溶融、 結 合さ せる レ ーザ溶接法が採 られる。 こ のと き、 亜鉛メ ツ キ綱 板においては、 融点の高い鑭板材 と、 鑭板材よ り 低い温度に 沸点を有する亜鉛メ ツ キ材と が存在 し、 溶接時に沸点に達 し た亜鉛が蒸発 して雜散する過程で溶融 した鐧材内を通過する と き、 鐧材の溶接領域内に ブロ ー ホ ールと呼称さ れる気孔が 形成さ れ、 溶接強度を劣化 さ せる。 こ のため、 亜鉛蒸気を、 溶融綱材部分を通過する こ と な く 逃がすよ う にする工夫が必 要にな る。 こ のために、 従来の一つの方法では、 二枚の亜鉛 メ ツ キ鐧板の重ね合わせ部の上側板に上方か ら予めポ ンチを 打ち込んで下側の亜鉛メ ツ キ鋼板の表面と の間に小間隙を設 け、 その後に レーザビ ー ムを照射 し、 亜鉛成分の沸点域で発 生 したは蒸気が、 その小間隙を通って逃げるよ う に し、 亜鉛 蒸気分が逃げてか ら、 鑭材同志を溶融、 結合させる よ う に し ていた。
    [0007] また、 従来の他の方法では、 亜鉛メ ツ キ鑭板の重ね合わせ 部位における溶接 しょ う とする経路と 同 じ経路に沿って、 先 ず、 弱い レーザビ ー ムを照射 し、 亜鉛メ ツ キだけを蒸発、 雜 散させる処理を行い、 次いで同経路を今度は強い レ ーザビ ー ム を照射 して銅材を溶融、 結合させる二段階の レ ーザ照射を おこな う よ う に していた。
    [0008] 然 しなが ら、 上述 した前者の従来方法では、 上側の亜鉛メ ツ キ鑲板と下側の亜鉛メ ツ キ鐲板と の間にポ ンチ打ち によ る 小間隙を形成する も のであ るか ら、 間隙を一定量の間隙に管 理する こ とが大変因難であ り 、 特に、 間隙が大き く な る と、 上下の鑼板が溶融 して も完全な結合がな さ れない事態も発生 する。
    [0009] また、 一定間隔でポ ンチを打ち込んで上下両扳間に小間隙 を形成する工程は、 亜鉛メ ツ キ鑭板の大き さが大き い程、 多 く の工数を要する こ と にな り 、 加工能率を劣化さ せる原因と な っていた。
    [0010] 又、 後者の同一軌跡を二度 レ ーザビ ー ム で迪る方法では、 やは り 、 溶接効率が悪い と言う 欠点があ っ た。 発明の開示
    [0011] 依っ て、 本発明の目的は、 亜鉛メ ツ キ鏞板の重ね合わせ溶 接を レ ーザ溶接で行 う 場合において、 ブロ ー ホ ー ルの形成の 無い良質の溶接を効率良 く 、 達成可能な亜鉛メ ツ キ鑭板の レ 一ザ溶接のための方法と装置と を提供する こ と に あ る。
    [0012] 本発明は、 溶接対象であ る亜鉛メ ツ キ鑭板の重ね合わせ部 位に集光さ せて レ ーザビー ムを照射する光学的集光手段を設 け、 レ ーザ発振器か ら導入 した レ ーザビー ムを こ の光学的集 光手段によ っ て、 エ ネ ルギー密度の高い集光 レ ーザビ ー ム と エ ネ ルギー密度の低い集光 レ ーザビ ー ム と の 2 つの集光 レ ー ザビ ー ム に分離 して同時形成 し、 エ ネ ルギー密度の低い集光 レ ーザビ ー ム によ る亜鉛メ ツ キ の蒸発、 雜散の直後に ヱ ネ ル ギー密度の高い前者の レ ーザビ ー ム によ り 網板の溶融接合を 行い、 上記光学的集光手段を所定の溶接軌跡に沿 っ て移動さ せる構成によ り 高い溶接効率でブ口 一ホ ー ルの無い高品質の レ ーザ溶接を行 う よ う にする も のであ る。
    [0013] 即 ち、 本発明 によれば、 レ ーザ発振器か ら導入 した レ ーザ ビ ー ムを亜鉛メ ツ キ綱板の重ね合わせ部位に集光、 照射 して 溶接をお こ な う 亜鉛メ ツ キ綱板を レ ーザ溶接する方法におい て、
    [0014] 前記 レ ーザビー ムをエ ネ ルギー密度の低い第 1 の集光 レ ー ザビ ー ム と エ ネ ルギー密度の高い第 2 の集光 レ ーザビ ー ム と に分割 し、
    [0015] 前記第 1 の集光 レ ーザビ ー ム によ っ て前記亜鉛メ ツ キ鐧板 の重ね合わせ部位を照射 して亜鉛メ ツ キを蒸発、 雜散さ せ、 前記第 2 の集光 レ ーザビ ー ム によ っ て前記亜鉛メ ツ キ鐧板 の同 じ重ね部位を照射 して、 鑭板を溶融、 接合する こ と を特 徴とする亜鉛メ ツ キ鐧板を レ ーザ溶接するための方法が提供 さ れる。
    [0016] また、 本発明に依れば、 レーザ発振器から導入 した レ ーザ ビ ー ムを亜鉛メ ツ キ鐦板の重ね合わせ部位に集光、 照射 して 溶接をおこ な う 亜鉛メ ツ キ鑭板の レーザ溶接のための装置に おいて、 - 前記亜鉛メ ツ キ網板の重ね合わせ部位に対向 した位置に先 端を有 し、 前記レーザビ ー ムを、 該先端まで誘導する レ ーザ ビ ー ム導路手段を備えた該溶接装置の機体と、
    [0017] 前記機体の レーザビー ム導路手段の先端部位に設け られ、 前記誘導 した レーザビ ー ムをエネ ルギー密度の低い第 1 の集 光レーザビーム と エネルギー密度の高い第 2 の集光レ ーザビ ー ム と の 2 種の集光レーザビ ー ムを同時に形成 して前記亜鉛 メ ツ キ鐦板の重ね合わせ部位を該第 1 、 第 2 の集光レーザビ ー ムによ り 照射する光学的集光手段と、
    [0018] 前記機体に備え られ、 前記光学的集光手段を所定の溶接路 に沿っ て移動させる移動手段と、
    [0019] を具備 した亜鉛メ ツ キ鑭板の レーザ溶接のための装置が提供 さ れる。 図面の簡単な説明
    [0020] 本発明の上記およびその他の目的、 特徵、 利点を添付図面 を参照 して実施例の記載に基づき明 らかにする。 なお、 同添 付図面において、
    [0021] 第 1 図は、 本発明の第 1 の実施例によ る、 亜鉛メ ツ キ鐧扳 の重ね合わせ部位を レ ーザ溶接する方法を実施するための装 置の要部断面図、
    [0022] 第 2 図は、 同 レ ーザ溶接方法において集光 レ ーザビ ー ム が 溶接軌跡に沿 っ て移動さ せ られる様子を説明する部分斜視図 第 3 図は、 第 1 図の装置を レ ーザロ ボ ッ ト に組み込んで レ 一ザ溶接装置を構成 した場合の実施例を示す斜視図、
    [0023] 第 4 A図と第 4 B図は、 本発明によ る光学的集光手段の他 の実施例を示す部分正面図と矢視 4 一 図、
    [0024] 第 5 A図、 第 5 B図は、 本発明に係る光学的集光手段の更 に他の実施例を示す部分正面図と矢視 5 — 5 図、
    [0025] 第 6 A図と第 6 B図は、 本発明に係る光学的集光手段の別 の実施例を示す部分正面図と矢視 6 — 6 図、
    [0026] 第 7 図は第 6 図に示 した光学的集光手段の斜視図、 第 8 図は、 本発明 によ る亜鉛メ ツ キ鐧板の重ね合わせ レ ー ザ溶接方法を実施する装置の他の実施例の要部斜視図、
    [0027] 第 9 図は、 第 8 図の光学的集光手段を レ ーザロ ボ ッ ト に組 み込んで用い る実施例を示 した斜視図。 発明を実施する ための最良の態様
    [0028] 第 1 図を参照する と 、 先ず、 レ ーザビ ー ムを用 いた亜鉛メ ツ キ鐧板の重ね合わせ溶接は、 上側の亜鉛メ ツ キ鑭板 1 1 と 下側の亜鉛メ ツ キ鑭板 1 3 とが重ね合わせ られた部分 1 5 の 略中央部を レ ーザビ ー ム の照射によ る鐧材の溶融、 結合によ り 両者の板を一体に接合する も のであ る。
    [0029] こ のと き、 本発明の レ ーザ溶接装置によれば、 レ ーザ発振 器か ら導入さ れた レ ーザビ ー ム が レ ーザビ ー ム導管 1 7の内 部の レーザビ ー ム導路を経由 して レ ーザ溶接装置の最先端 1 7 a まで誘導さ れ、 こ の最先端 1 7 a に設け られた光学的集 光手段 2 1 、 即 ち本実施例では レ ン ズホルダ 2 3 に保持さ れ た集光レ ン ズ 2 5 によ っ て集光さ れ、 出射ノ ズル 2 7 によ つ て、 レーザビ ー ム の照射対象であ る亜鉛メ ツ キ綱板の重ね合 わせ部分 1 5 へ照射さ れている。
    [0030] このと き、 光学的集光手段 2 1 の集光レ ン ズ 2 5 は、 外周 部が曲率半径 R A の部分球形状を有 した環状の レ ン ズ部分 2 5 a と、 同環妆レ ン ズ部分 2 5 a の内部に上記曲率半径 R A よ り 小さ い曲率半径 R B を有 した レ ン ズ部分 2 5 b とか ら成 る二重焦点 レ ン ズ と して形成されてい る。 即ち、 光学的集光 手段 2 1 ヘ レ 一ザビ ー ム導管 1 7 側か ら入射 した レーザビ ー ムにおける一部を レ ン ズ部分 2 5 a によ り 集光 して、 あたか も亜鉛メ ツ キ網板 1 1 、 1 3 の重ね合わせ部分 1 5 を突被 し た位置 F 1 へ合焦する よ う に出射ノ ズル 2 7 か ら出射 し、 他 方の残余の レーザビ ー ムを レ ン ズ部分 2 5 b によ り 集光 し、 亜鉛メ ツ キ鋼板 1 1 、 1 3 の重ね合わせ部分 1 5 の表面上の 位置 F 2 に合焦する よ う に出射ノ ズル 2 ？ か ら 出射する。 つま り 、 レ ン ズ部分 2 5 a によ る集光レーザビ ー ム は亜鉛メ ツ キ鑭板 1 1 、 1 3 の重ね合わせ部分 1 5 の領域では円形の 領域を照射するか らその各点においてはエネ ルギー密度が低 く 、 他方、 レ ン ズ部分 2 5 b によ る集光レ ーザビ ー ム は重ね 合わせ部分 1 5 上において、 上記円形領域の中心の一点に集 光 してい るか ら エネ ルギー密度が高い レ ーザビ ー ム にな っ て い る O
    [0031] こ の結果、 エ ネ ルギー密度の低い レ ーザビ ー ムで照射さ れ てい る 円形領域では亜鉛メ ツ キ鐦板 1 1 、 1 3 の亜鉛メ ツ キ 成分の沸点が網材の融点よ り 低い こ と か ら、 該亜鉛メ ツ キ の 沸点に先に到達 し、 亜鉛分を蒸気化さ せる。 蒸気化さ れた亜 鉛は雜散 し、 その後、 エネ ルギー密度の髙ぃ レ ーザビ ー ムで 照射さ れた上記円形領域と 同心の点状領域で亜鉛メ ツ キが蒸 気化 した後の鑭材部分に溶融状態が発生する。 つま り 、 鐧材 の溶融時に は亜鉛成分が既に蒸発 して散逸さ れてい るか ら鐧 材の溶融時点では亜鉛成分が除去さ れてい る こ と にな る。 こ の結果、 溶融 した鐧材は、 やがて レ ーザビ ー ム の照射点が順 次に移動 して行 く 過程で固化 し、 上下の亜鉛メ ツ キ鑭板が相 互に結合さ れる こ と にな る。 しか も、 こ の と き は、 鑭材の溶 融、 結合過程で亜鉛蒸気が溶融綱材内を通過 してブロ ー ホ ー ルを形成する こ と は無い。 故に、 緻密な綱材の溶接結合が得 られる。 なお、 光学的集光手段 2 1 に導入さ れる レ ーザビ ー ム は レ ーザ発振器か ら 出力 さ れる段階で既に亜鉛メ ツ キ鐦板 1 1 、 1 3 の溶接に適正な エ ネ ルギーを集中する よ う にパヮ —調整及びビ ー ム径の調整がな さ れてい る こ と は言 う ま で も ない。
    [0032] 以上の説明か ら 明 らかなよ う に、 亜鉛の沸点が鐧材の融点 よ り 低い こ と を利用 して レ ーザ発振器か ら導入 した レ ーザビ ー ムをエ ネ ルギー密度の低い集光 レ ーザビ ー ム と エ ネ ルギー 密度の高い集光 レ ーザビ ー ム と に分離 し、 前者で亜鉛メ ツ キ を蒸発さ せ、 後者の レ ーザビ ー ムで鑭材を溶融 し、 結合す る 溶接方法を実施 している のであ る。
    [0033] こ こ で、 第 2 図を参照する と、 上述 した光学的集光手段 2 1 によ り 髙低エネ ルギー密度の異な る 2 つの集光レーザビー 厶に分雜さ れた レーザビー ム は、 亜鉛メ ツ キ鑭扳 1 1 、 1 3 の所定の溶接ラ イ ン 1 5 a に沿っ て適正な速度で移動さ れる。 即ち、 上記実施例では レ ーザビー ム導管 1 7 、 レ ンズホ ルダ 2 3 によ り 保持さ れた二重焦点性の集光レ ンズ 2 5 、 ノ ズル
    [0034] 2 7 がー体と な っ て溶接ラ イ ン 1 5 a に沿 う 方向に移動する よ う に制御さ れる こ と に よ り 、 亜鉛メ ツ キ鐦扳 1 1 、 1 3 を 同溶接ラ イ ンに沿っ て レーザ溶接する のであ る。
    [0035] 第 3 図は、 上述 した レ ーザ溶接装置をレーザロ ボ ッ ト によ り実施化 した構成を示 している。
    [0036] 第 3 図において、 レーザロ ボ ッ ト 3 0 は外部の レーザ発振 器 6 0 か ら 出力 さ れた炭酸ガス レ ーザビーム等の作業用 レー ザビー ムを レ ーザビー ム導路手段 6 2 a 、 6 2 2 b . 6 2 c を経て、 ま た、 その間に進路変更部では レ ーザ反射鏡 6 4 a を経てロ ボ ッ ト 機体における ロ ボ ヅ ト 胴部 3 4 の頂部に導入 する。 こ のロ ボ "ノ ト 胴部 3 4 は固定基合 3 2 に立設さ れ、 縦 軸線 （ ^ 軸） の回 り に旋回可能な要素で、 こ のロ ボ ッ ト 胴部
    [0037] 3 4 の上部側面に永平軸線 （ W軸線） 回 り に俯仰方向の旋回 が可能に取付け られた第 1 のロ ボ ッ ト 腕 3 6 、 その第 1 の口 ボ ッ ト 腕 3 6 の長軸線方向 （ R軸線方向） に伸縮動作が自在 なよ う に、 かつ、 同 R軸線と同軸線 （ r 軸） の回 り に旋回可 能に同第 1 ロ ボ ッ ト 腕 3 6 内に装着さ れた第 2 ボ ッ ト 腕 3 8 、 その第 2 ロ ボ ッ ト 腕 3 8 の先端に設け られたロ ボ ッ ト 手 首 4 0 、 同 ロ ボ ヅ ト 手首 4 0 の先端に ロ ボ ッ ト 手首 4 0 の出 力端に取付け られ、 手首と共に軸線 （ /9 軸線） 回 り に旋回可 能な レ ーザビ ー ム出射装置 4 2 等を具備 してい る。
    [0038] 上述のよ う に ロ ボ ッ ト 胴部 3 4 の頂部に外部か ら導入さ れ た レ ーザビ ー ム は、 同ロ ボ ッ ト 胴部 3 4 内の レ ーザ反射 ミ ラ 一 4 4 で進路変更さ れ、 次に、 第 1 ロ ボ ッ ト 腕 3 6 の内部の レ ーザ反射 ミ ラ ー 4 6 で上記 R軸方向に進路変更さ れ、 ロ ボ ッ ト 手首 4 0 内に具備 さ れた レ ーザ反射 ミ ラ ー 4 8 を経て レ 一ザビ ー ム出射装置 4 2 の内部の レ ーザ反射 ミ ラ ー 5 0 で反 射さ れ、 出射ノ ズル 4 2 a か ら 出射さ れる。 なお、 上記 レ ー ザ反射 ミ ラ ー 4 4 、 4 6 、 4 8 、 5 0 は最も簡単な構造の平 面反射 ミ ラ ーで形成さ れてい る。
    [0039] こ の と き、 本発明 によれば、 前述の第 1 図に示 した光学的 集光手段 2 1 を形成する二重焦点性の集光 レ ン ズ 2 1 が出射 ノ ズル 4 2 a (図示の出射ノ ズル 2 7 に对応する ） の前段位 置に設け られてい る。 故に、 平面鏡か ら成る レ ーザ反射 ミ ラ 一 5 0 で反射さ れて出射ノ ズル 4 2 a の中心線方向に進路変 更さ れた レ ーザビ ー ム は集光 レ ン ズ 2 1 に入射 して、 髙低ェ ネ ルギー密度が異な る 2 つ の集光 レ ーザビ ー ム に分離さ れ、 第 1 図に示すよ う に出射ノ ズ ル 4 2 a か ら照射対象であ る亜 鉛メ ツ キ鋼板の重ね合わせ部分の所定の溶接 ラ イ ン に沿 う 点 に照射さ れ、 所望の亜鉛メ ツ キ鋼板の レ ーザ溶接を達成する のであ る。
    [0040] しかも、 レ ーザロ ボ ッ ト 3 (] のロ ボ ッ ト 胴部 3 4 、 第 1 、 第 2 の ロ ボ ッ ト 腕 3 6 、 3 8 、 ロ ボ ッ ト 手首 4 0 等の ロ ボ ッ ト 可動要素がロ ボ ッ ト 制御装置 7 0 によ り 制御ラ イ ン 7 2 を 介 して動作制御さ れる こ と によ っ て、 第 2 図に示すよ う な所 定の溶接ラ イ ン 1 5 a に沿って所望の レーザ溶接を自動的に 遂行する こ とができ る のであ る。
    [0041] なお、 第 1 図、 第 2 図に示 した実施例では、 光学的集光手 段 2 1 を二重焦点性の集光レ ンズ 2 5 を備えた構成と して髙 低エネ ルギー密度の異な る 2 つの集光レ ーザビー ムを形成 し たが、 集光レ ンズ 2 5 に替えて、 第 4 A図に示すよ う に中央 部分に曲率 R 3 の凹面鏡 8 2 、 周緣部に環状に曲率 R 4 ( R 4 > R 3 ) の M面鏡 8 4 を有 した反射集光率が異な る 2 つの 凹面鏡を利用 したパ ラ ボ ラ 反射鏡 8 0 か らな る光学的集光手 段によ り 亜鉛メ ツ キ網板 1 1 、 1 3 の重ね合わせ部分 1 5 に おいて レーザ溶接を行 う 構成とする こ と も可能であ る。 こ の 場合に、 パラ ボ ラ 反射鏡 8 0 の凹面鏡 8 2 によ り 集光さ れた エネルギー密度の髙ぃ レーザビー ムは、 上記重ね合わせ部分 1 5 の表面の点钛域 F 2 に合焦する よ う に集光 して鋼材の溶 接を前実施例と同様に遂行 し、 凹面鏡 8 4 によ り 集光さ れた レーザビー ムは、 重ね合わせ部分 1 5 を突破 した点 F 1 で合 焦する よ う に集光する ので、 重ね合わせ部分 1 6 の表面では 円形領域を照射 して、 亜鉛メ ツ キの蒸発、 雜散を誘起する の であ る。 第 4 Β図は第 4 Α図の矢視 4 一 4 方向に見たエ ネ ル ギー密度の異な る集光レーザビー ムの照射妆態を示 した図で あ る。 同第 4 Β図の図示か ら明 らかなよ う に、 低エ ネ ルギー 密度の集光レーザビー ムで照射された円形領域の中心と 同一 の点領域に髙エ ネ ルギー密度の レ ーザビー ムが照射さ れてい る o
    [0042] 第 5 A図は、 光学的集光手段 2 1 を構成する他の実施例と して、 光入射面側に錐面を有 した周知のァ ク シ コ ン レ ン ズ (例えば、 英国、 ロ ン ド ンの V&S Scientific Ltd 社製の AX IC0NLENS ) 9 2 と、 通常の凸面 レ ン ズ 9 4 とを用いて構成さ れた二重焦点構造の レ ン ズ 9 0 か ら成る光学的集光手段の例 を示 してい る。
    [0043] 即ち、 通常の凸 レ ン ズ 9 4 を囲繞する よ う に ァ ク シ コ ン レ ン ズ 9 2 が一体に設け られ、 入射 した レ ーザビ ー ム は凸面 レ ン ズ 9 4 で、 亜鉛メ ツ キ鐦板 1 1 、 1 3 の重ね合わせ部分 1 5 の表面の点領域に合焦、 集光さ れる髙エ ネ ルギー密度の レ 一ザビ ー ムで鑭材の溶融、 接合を行い、 ァ ク シ コ ン レ ン ズ 9 2 によ り 、 髙ヱ ネ ルギー密度 レ ーザビ ー ム の合焦点の回 り に 同心な リ ン グ状の照射領域を形成 し、 こ の リ ン グ状照射領域 に照射さ れた低エ ネ ルギー密度の レ ーザビー ムで亜鉛メ ツ キ を加熱蒸発 さ せる よ う にする も のであ る。 第 5 B図は、 低ェ ネ ルギー密度の集光 レ ーザ ビ ー ム に よ る照射領域と髙ェ ネ ル ギー密度の集光 レ ーザビ ー ム によ る照射領域とを具体的に図 示 した第 5 A図の矢視 5 — 5 によ る平面図であ る。
    [0044] 第 6 A図、 第 6 B図、 第 7 図は、 光学的集光手段 2 1 の更 に他の実施例を示 してい る。 即ち、 本実施例の光学的集光手 段 2 1 は、 複数のセ グメ ン ト ミ ラ ー 9 6 を凹面基板 9 8 に貼 付けて形成さ れたイ ン テ グ レ ー シ ョ ン ミ ラ ー 1 0 0 によ っ て 形成さ れた光学的集光手段の例を示 してお り 、 第 6 B図は第 6 A図の矢視 6 — 6 の方向に見た レ ーザビ ー ム の分布を示 し てい る。 第 6 A図、 第 6 B図に示さ れる よ う に、 レ ーザビー 厶 は、 イ ンテ グ レ ー シ ョ ン ミ ラ 一 1 0 0 に入射さ れる と 、 中 央部のセ グメ ン ト ミ ラ 一 9 6 によ り 反射、 集光さ れた レ ーザ ビー ムは、 エネルギ密度の髙ぃ集光レーザビー ム と して亜鉛 メ ツ キ纜板 1 1 、 1 3 の重ね合わせ部分 1 5 における溶融、 接合域 1 5 b に合焦するよ う に構成さ れ、 周縁部分のセ グメ ン ト ミ ラ ー 9 6 によ り 反射、 集光さ れた レーザビー ム は上記 溶融、 接合域 1 5 b を囲繞する周辺域 1 5 c を低エネルギ密 度の レーザビーム と して照射する よ う に構成さ れてい る。 故 に、 周辺域 1 5 c を照射 した低エネルギ密度の レーザビー ム が先ず、 亜鉛メ ツ キを蒸発によ り 雜散させ、 次いで高工ネ ル ギ密度の レーザ高で照射さ れた溶融、 接合領域 1 5 b で融点 の高い網材の溶融が起こ り 、 上下の綱扳簡の接合が達成さ れ る のであ る。
    [0045] 第 7 図は、 上記イ ンテグレ ー シ ョ ン ミ ラ ー 1 0 0 の構造を よ り 明瞭に示 した斜視図であ り 、 複数のセグメ ン ト ミ ラ ー 9 6 を基板 9 8 に取着 し、 レ ーザビー ムの重ね合わせによ り 所 望のエネルギ分布を得る も ので、 例えば、 雑誌 Γ プ レス技 術 J 第 2 3 巻、 第 6 号、 第 6 0 頁に レーザ加工分野で周知の 光学的集光手段と して開示さ れている。
    [0046] 第 8 図と第 9 図は、 本発明によ る亜鉛メ ツ キ鑭板の重ね合 わせ溶接を行 う レーザ溶接装置の更に他の構成を示 した実施 例であ る。 なお、 本実施例も レ ーザ溶接装置がレ ーザ口 ポ ッ ト によ り 形成さ れてい る場合であ る。 従っ て、 レ ーザロ ボ ッ ト の各可動要素等において、 第 3 図の レーザロ ボ ッ ト と 同一 番号で示 した要素は同一の も のであ る と理解 して良い。
    [0047] 先ず、 第 8 図に示す本実施例の構成及び作用の原理か ら 明 らかなよ う に、 レ ーザ発振器か ら誘導さ れた レ ーザビ ー ムを 周知のハー フ ミ ラ ーか ら構成さ れた一つのビ ー ム ス プ リ ッ タ
    [0048] 1 1 0 で、 2 つの レ ーザビー ム に分雜 し、 ビー ム ス プ リ ッ タ
    [0049] 1 1 0 で反射さ れた レ ーザビ ー ム は、 次いで平面鏡 1 1 2 へ 入射さ せ、 次に同平面鏡 1 1 2 で反射 した後に 凸 レ ンズか ら 成る第 1 の集光手段 1 1 4 で集光 して亜鉛メ ツ キ鑭板 1 1 、
    [0050] 1 3 の重ね合わせ部分 1 5 の一点に亜鉛メ ツ キを蒸発さ せる 低エ ネ ルギ密度の レ ーザ ビー ム と して合焦さ せる。 他方、 ビ 一ム ス プ リ ッ タ 1 1 0 を透過 した レ ーザビ ー ム は、 そのま ま 同 じ く 凸 レ ンズか ら成 り 、 先の第 1 の集光手段 1 1 4 と前後 位置関係において後方側に設けた第 2 の集光手段 1 1 6 に入 射させ、 次いで集光 して亜鉛メ ツ キ綱板 1 1 、 1 3 の重ね合 わせ部分 1 5 において、 先の第 1 の集光手段 1 1 4 が照射 し た領域の後方の一点に高工ネ ルギ密度の レ ーザビー ム と して 合焦させる。
    [0051] 上述のよ う に構成 し、 しかも第 1 の集光手段 1 1 4 と第 2 の集光手段 1 1 6 と を図示のよ う に進行方向 P に示す溶接 ラ イ ン に沿 っ て移動さ せる構成とすれば、 第 1 の集光手段 1 1 4 で集光 した低エ ネ ルギ密度の レ ーザビ ー ム で亜鉛メ ツ キ部 分を蒸発さ せ、 雜散さ せた後に残余の鋼材に高工 ネ ルギ密度 の レ ーザビ ー ム が照射 さ れて鐧材を溶融、 接合するか ら、 ブ D —ホ ー ルの無い レ ーザ溶接を達成でき る のであ る。 なお、 レ ーザ ビ ー ムが ビ ー ム ス プ リ ッ タ 1 1 0 に入力す る 軸心を な 軸と して旋回 さ せる と、 溶接ラ イ ンが曲線を成す場合に も第 1 、 第 2 の両集光手段 1 1 4、 1 6 を所定の溶接ラ イ ン に沿 つて移動させる こ とができ る のであ る。
    [0052] なお、 第 9 図に示す レーザ ボ ッ ト は、 第 8 図に示 した ビ 一ムス プ リ ッ タ 1 1 0 、 平面反射鏡 1 1 2 、 凸 レ ンズか ら成 る第 1 、 第 2 の集光手段 1 1 4、 1 1 6 か ら成る構成を同 レ 一ザロ ボ ッ ト の レ —ザ出射装置に組み込んで構成 した レーザ 溶接装置を示 した も のであ る。 こ の場合は、 第 3 図に示 した レーザロ ボ ッ ト の レ ーザ出射装置 2 1 と異な り 、 2 つの出射 ノ ズル 1 4 2 a、 1 4 2 b を有 している。
    [0053] 第 9 図か ら明 らかなよ う に、 出射ノ ズル 1 4 2 a か ら は低 エネルギ密度の レ ーザビ ー ムが出射され、 出射ノ ズル 1 4 2 b か ら は高工ネ ルギ密度の レーザビ ー ム が出射さ れる。 こ の と き、 出射ノ ズル 1 4 2 b の中心軸を旋回軸 （な軸） と して 形成すれば、 溶接ラ イ ン に沿って常に出射ノ ズル 1 4 2 a か ら出射される低エネルギ密度の レ ーザビ ー ム によ り 亜鉛メ ッ キ緝扳 1 1 、 1 3 の亜鉛分を蒸発させ、 次いで、 出射ノ ズル 1 4 2 b か ら 出射さ れる髙エネ ルギ密度の レーザビー ムによ り 綱材を溶融、 結合する順序で レーザ溶接を達成する こ とが でき る。
    [0054] 上、 各種の実施例に就いて説明 したが、 これ らの実施例 を包含する本発明の効果を以下に説明する。 なお、 本発明の 諸実施例において、 光学的集光手段に入力する レーザビ ー ム のェネ ルギレベ ルは レ ーザ発振器で亜鉛メ ッ キ鐧扳の溶接に 適正な レ ベ ル に電気的に調整可能であ るが、 同時に レーザ口 ポ ヅ ト の レ 一ザ ビ ー ム導路にお いて、 レ ン ズの組み合わせか ら成る光学的ビー ム エ キ スパ ン ダを介在さ せて入射 レ ーザビ ー ム の ビ ー ム怪を適切に調節する よ う な構成を具備する改変 等を本発明の範囲内で実施可能な こ と は言 う ま で も な い。
    [0055] 以上、 本発明を複数の実施例に従 っ て説明 したが、 本発明 は、 レ ーザビ ー ムを溶接対象であ る亜鉛メ ツ キ網板の重ね合 わせ部位に集光さ せて照射する光学的集光手段を設け、 レ ー ザ発振器か ら導入 した レ ーザビ ー ムを こ の集光手段によ つ て - エ ネ ルギー密度の髙ぃ集光 レ ーザビ ー ム と エ ネ ルギー密度の 低い集光 レ ーザビ ー ム と の 2 つの集光 レ ーザビ ー ム に分雜 し て同時形成 し、 エネ ルギー密度の低い集光レーザビ ー ム によ る亜鉛メ ツ キ の蒸発、 雜散直後に エ ネ ルギー密度の高い前者 の レ ーザビー ム によ り 鐧板の溶融接合を行い、 上記光学的集 光手段を所定の溶接軌跡に沿 っ て移動さ せる構成によ り 高い 溶接効率で良品質の レ ーザ溶接を行 う よ う にする も のであ る か ら、 鑭材の融点に対比 して低い沸点を有 した亜鉛メ ツ キ に よ り 被覆さ れた亜鉛メ ツ キ鑭板の重ね合わせ溶接をブ ロ ー ホ ー ル等のな い高品質 レ ーザ溶接で達成でき る効果を奏す る の め る
    权利要求:
    Claims 請求の範囲
    1 . レ ーザ発振器か ら導入 した レ ーザビ ー ムを亜鉛メ ッ キ鑭板の重ね合わせ部位に集光、 照射 して溶接をお こ な う 亜 鉛メ ヅ ヰ鎩板のレ ーザ溶接方法において、
    前記レーザビ ー ムをエネルギー密度の低い第 1 の集光 レ ー ザビ ー ム と エ ネ ルギ ー密度の髙ぃ第 2 の集光レ ーザビ ー ム と に分割 し、
    前記第 1 の集光 レーザビ ー ム によ っ て前記亜鉛メ ツ キ鑭扳 の重ね合わせ部位を照射 して亜鉛メ ツ キを蒸発、 雜散させ、 前記第 2 の集光レーザビ ー ム によ っ て前記亜鉛メ ツ キ鑭板 の同 じ重ね合わせ部位を照射 して、 鑭扳を溶融、 接合する こ と を特徴と した亜鉛メ ッ キ鐦板の レ ーザ溶接のための方法。
    2 . 前記第 1 、 第 2 の集光レ ーザビ ー ムを一対に して前 記亜鉛メ ツ キ鎩板の所定の溶接線に沿っ て移動さ せる こ とを 特徴と した請求項 1 に記載の亜鉛メ ツ キ鐧板の レ ーザ溶接の ための方法。
    3 . 前記第 1 の集光レ ーザビ ー ムは、 前記亜鉛メ ッ キ鐦 板の所定の溶接線に沿 う 移動方向における前記第 2 の集光レ 一ザビ ー ム の前方に集光さ せる よ う に した請求項 2 に記載の 亜鉛メ ツ キ鋼板の レ ーザ溶接のための方法。
    4 . 前記第 1 の集光レ ーザビ ー ムは前記第 2 の集光レ ー ザビ ー ム の周囲に同心状に集光させる よ う に した請求項 2 に 記載の亜鉛メ ツ キ鐦板の レ ーザ溶接のための方法。
    5 . レ ーザ発振器か ら導入 した レーザビ ー ムを亜鉛メ ッ キ綱板の重ね合わせ部位に集光、 照射 して溶接をお こ な う 亜 鉛メ ツ キ鐧板の レ ーザ溶接のための装置において、
    前記亜鉛メ ツ キ綱板の重ね合わせ部位に対向 した位置に先 端を有 し、 前記 レ ーザビ ー ムを誘導する レ ーザビ ー ム導路手 段を有 した前記溶接装置の機体と、
    前記機体の レ ーザビ ー ム導路手段の先端部位に設け られ、 前記誘導 した レ ーザビ ー ムをエ ネ ルギー密度の低い第 1 の集 光 レ ーザビー ム と エ ネ ルギー密度の髙ぃ第 2 の集光レ ーザビ ー ム と の 2 種の集光 レ ーザビ ー ムを同時に形成 して前記亜鉛 メ ツ キ鑭板の重ね合わせ部位を該第 1 、 第 2 の集光 レ ーザビ ー ム によ り 照射する光学的集光手段と、
    前記機体に備え られ、 前記光学的集光手段を所定の溶接路 に沿っ て移動さ せる移動手段と、
    を具備 してい る こ と を特徴とする亜鉛メ ツ キ鐧板の レ ーザ溶 接のための装置。
    6 . 前記光学的集光手段は、
    前記亜鉛メ ッ キ鏞板の重ね合わせ部位に前記第 1 の集光 レ 一ザビー ム によ る 円形照射域を形成する第 1 の集光部と、 前記円形照射域の中心域に前記第 2 の集光 レ ーザビ ー ムを 照射する第 2 の集光部と を具備 した単一の光学ュニ ッ ト か ら な る請求項 5 に記載の亜鉛メ ツ キ鐧板の レ ーザ溶接のための
    7 . 前記単一の光学ュニ ッ ト は、 外周部に所定の曲率半 径の部分球形状を有 した環状の レ ン ズ部分と、 該環状の レ ン ズ部分の内側に、 前記所定の曲率半径よ り 小 さ い曲率半径を 有 した部分球状の レ ン ズ部分とを有 した二重焦点レ ン ズか ら 構成される こ とを特徴と した請求項 6 . に記載の亜鉛メ ツ キ 鋼板の レーザ溶接のための装置。
    8 . 前記単一の光学ュニ ッ ト は、 所定の曲率半径を有 し た中央凹面鏡と、 該中央 ω面鏡の周縁に環状に形成さ れ、 前 記所定の曲率半径よ り 大きな曲率半径を有 した逞状 ω面鏡と を有 したパラ ボラ反射鏡か ら構成さ れる こ とを特徴と した請 求項 6 . に記載の亜鉛メ ツ キ鑭板の レ ーザ溶接のための装置。
    9 . 前記光学的集光手段は、
    前記亜鉛メ ツ キ鑭板の重ね合わせ部位に前記第 1 の集光レ 一ザビーム によ る 円形照射域を形成する第 1 の集光系と、
    前記移動手段によ る移動方向に見て該円形照射域の後方域 に、 前記第 2 の集光レーザビ ー ムを照射する第 2 の集光系と を具備 した単一の レ ン ズ手段か ら成る請求項 5 に記載の亜鉛 メ ツ キ鑭扳の レーザ溶接のための装置。
    1 0 . 前記前記.溶接装置の機体は、 π ボ ッ ト 胴、 ロ ボ ッ ト 腕、 D ボ ッ ト 手首を前記移動手段と して具備 し、 該ロ ボ ッ ト 手首に前記光学的集光手段を備えたレーザロ ボ ッ ト か らな る請求項 5 に記載の亜鉛メ ツ キ綱板の レ ーザ溶接のための装 ο
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    JPH04231190A|1992-08-20|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1992-07-23| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
    1992-07-23| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): DE IT SE |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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