JP2018111120A

JP2018111120A - レーザ溶接の成否判定方法

Info

Publication number: JP2018111120A
Application number: JP2017004234A
Authority: JP
Inventors: 裕臣小林; Hiroomi Kobayashi; 望美松岡; Nozomi Matsuoka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2018-07-19

Abstract

【課題】電極体と集電体をレーザ溶接するに際し、溶接部裏側に至るような溶融池を形成しない場合におけるレーザ溶接の成否判定方法を提供する。【解決手段】電極体１と集電体２との接触領域５にレーザ光Ｌをレーザ光Ｌの照射位置が円Ｃを描きながら所定方向に移動するように照射することで接触領域５にビード４を形成して電極体１と集電体２とを溶接する成否判定方法は以下のステップを含む。（１）照射位置が描く円Ｃ毎に照射位置からの戻り光の強度に関する強度データを取得するステップ。（２）照射位置が描く円Ｃ毎に強度データの平均値を算出するステップ。（３）平均値が所定範囲内か判定し、平均値が所定範囲外となった回数としての不良回数を計数するステップ。（４）ビード４を形成するのに必要となる円Ｃの総数に対する、不良回数の割合が所定値を超えたら、レーザ溶接は不良であると判定するステップ。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接の成否判定方法に関する。

特許文献１は、ブローホールやピット状開口欠陥の発生の有無を溶接中に知るためのレーザ溶接部の品質監視方法を開示している。具体的には、溶接部裏側のプラズマプルームの発光強度を測定し、その測定強度を定常溶接時の発光強度と対比させることで、ブローホールとピット状開口欠陥の発生の有無を判定している。

特開平１１−１８８４８９号公報

これに対し、電極体と集電体をレーザ溶接するに際し、溶接部裏側に至るような溶融池を形成しない場合、上記特許文献１の品質監視方法を適用することができない。

本発明の目的は、電極体と集電体をレーザ溶接するに際し、溶接部裏側に至るような溶融池を形成しない場合における、レーザ溶接の成否判定方法を提供することにある。

電極体と集電体との接触領域にレーザ光を前記レーザ光の照射位置が円を描きながら所定方向に移動するように照射することで前記接触領域にビードを形成し、これにより、前記電極体と前記集電体とを溶接する、レーザ溶接の成否判定方法であって、前記照射位置が描く円毎に前記照射位置からの戻り光の強度に関する強度データを取得するステップと、前記照射位置が描く円毎に前記強度データの平均値を算出するステップと、前記平均値が所定範囲内か判定し、前記平均値が前記所定範囲外となった回数としての不良回数を計数するステップと、前記ビードを形成するのに必要となる前記円の総数に対する、前記不良回数の割合が所定値を超えたら、前記レーザ溶接は不良であると判定するステップと、を含む、成否判定方法が提供される。

本発明によれば、電極体と集電体をレーザ溶接するに際し、溶接部裏側に至るような溶融池を形成しない場合であっても、レーザ溶接の成否を判定することができる。

レーザ溶接装置の概略図である。（第１実施形態）成否判定方法のフローチャートである。（第１実施形態）成否判定方法のフローチャートである。（第２実施形態）

（第1実施形態）
以下、図１から図３を参照して、第１実施形態を説明する。

図１には、金属箔から成る電極体１の端部１ａを集電体２にレーザ溶接する様子を示している。電極体１及び集電体２は、例えば、アルミ系材料又は銅系材料から成る。電極体１の端部１ａが集電体２にレーザ溶接されて成る電極構造体３は、例えばニッケル・水素電池などの二次電池に用いられている。本実施形態では、電極体１と集電体２がT字状に溶接されてT字突合せ継手を構成している。具体的には、電極体１の板厚方向と集電体２の板厚方向は実質的に直交しており、電極体１の端部１ａを２つの集電体２が挟んでいる。そして、端部１ａの端面１ｂにレーザ光Ｌを照射することにより、端部１ａの端面１ｂにビード４を形成している。ビード４は、端部１ａの端面１ｂの長手方向に沿って細長く形成される。

ここで、電極体１及び集電体２がアルミ系材料又は銅系材料から成る場合、電極体１及び集電体２の表面に存在する酸化膜には少なからず水分が吸着されている。従って、レーザ溶接に際しては上記水分由来の水素ガスが発生する。そして、この水素ガスがビード４の中に閉じ込められると、ビード４の中にブローホールが残存することになる。ブローホールは、レーザ溶接の溶接強度を低下させる。

そこで、本実施形態では、上記ブローホールの解消を目的として、一度凝固したビード４に再度レーザ光Ｌを照射することでビード４を再溶融させている。この技法は一般に「二度打ち」と称されている。

そして、上記二度打ちを実現するために、本実施形態では、ウォブリングという照射方法を採用している。ウォブリングとは、電極体１と集電体２との接触領域５にレーザ光Ｌを照射するに際し、レーザ光Ｌの照射位置が円Ｃを描きながら所定方向に移動するように照射位置を走査することを意味している。

上述したウォブリングを採用すると、例えば、レーザ光Ｌの照射位置をビード４の長手方向に沿って往復させることで二度打ちを行う場合と比較して、往復に要する時間を不要とできるので、レーザ溶接に要する時間を短縮することが可能となる。

しかしながら、ウォブリングによる二度打ちを実施したとしても、ウォブリングの走査ピッチや走査速度、レーザ光Ｌの出力などが適切でない場合は、ビード４のブローホールを十分に解消できるとは限らない。そこで、レーザ光Ｌの照射位置からの戻り光（プラズマ光又は熱放射光）の強度に基いて二度打ちの成否を判定し、失敗と判定した二度打ちが占める割合が所定値を超えたら、レーザ溶接が失敗したと判定することとする。以下、図１及び図２を参照して、上記二度打ちの成否判定、及び、レーザ溶接の成否判定に関して詳細に説明する。

図１には、電極体１と集電体２をレーザ溶接するためのレーザ溶接装置１００を示している。レーザ溶接装置１００は、レーザ発振器１０１、制御部１０２、成否判定部１０３、レーザヘッド１０４を備えている。レーザ発振器１０１は、例えば波長が１０７０ｎｍであるレーザ光をレーザヘッド１０４に出力する。レーザヘッド１０４は、レーザ発振器１０１から出力されたレーザ光Ｌを集光して電極体１と集電体２の接触領域５に照射する光学系１０４ａと、レーザ光Ｌの照射位置からの戻り光の強度を測定可能な強度測定手段としてのフォトダイオード１０４ｂと、を有する。光学系１０４ａは、ガルバノミラーや集光レンズなどを組み合わせて構成されている。レーザ光Ｌの照射位置からの戻り光は、光学系１０４ａを経由してフォトダイオード１０４ｂに至る。制御部１０２がレーザヘッド１０４を水平面内において水平移動させることで、レーザ光Ｌの照射位置が円Ｃを描きながら所定方向に移動する上述のウォブリングという照射方法が実現される。フォトダイオード１０４ｂで測定された戻り光の強度は強度データとして成否判定部１０３に出力される。成否判定部１０３は、フォトダイオード１０４ｂから入力された強度データに基いて、上記二度打ちの成否判定、及び、レーザ溶接の成否判定を行う。具体的には、図２に示す通りである。

先ず、制御部１０２は、変数ｎを１で初期化する（S100）。変数ｎは、図１においてビード４を形成するのに繰り返し描かれる複数の円Ｃを個別に特定するための変数である。図１では、１２回目に描かれた円Ｃを符号Ｃ（１２）で特定している。同様に、１４回目に描かれた円Ｃを符号Ｃ（１４）で、１６回目に描かれている円Ｃを符号Ｃ（１６）で、それぞれ特定している。説明の便宜上、電極体１と集電体２を溶接するために必要となるビード４を形成するに際し、円Ｃは合計で１８回描かれるものとする。変数ｎは、制御部１０２が有する図示しないRAM（Random Access Memory）に保存される。

次に、制御部１０２は、変数ｋを０で初期化する（S110）。変数ｋは、レーザ溶接に際し、失敗と判定された二度打ちの回数である不良回数を計数するための変数である。説明の便宜上、円Ｃは合計で１８回描かれるものとしているので、変数ｋは１８回を超えることはない。変数ｋは、制御部１０２のRAMに保存される。

次に、制御部１０２は、変数ｎが変数ｍ以下であるか判定する（S120）。変数ｍは、電極体１と集電体２を溶接するために必要となるビード４を形成するに際し、円Ｃが描かれる総数である。説明の便宜上、円Ｃは合計で１８回描かれるものとしているので、変数ｍは１８となる。変数ｍは、制御部１０２のRAMに保存される。

S120で変数ｎが変数ｍ以下であると判定されたら（S120:YES）、制御部１０２は、レーザ光Ｌの照射位置がｎ個目の円Ｃ（ｎ）を描くようにレーザ光Ｌの照射を実行する（S130）。また、成否判定部１０３は、レーザ光Ｌの照射位置がｎ個目の円Ｃ（ｎ）を描く間にフォトダイオード１０４ｂから出力された強度データを取得する（S130）。

次に、成否判定部１０３は、ｎ個目の円Ｃ（ｎ）を描く間にフォトダイオード１０４ｂから出力された強度データの平均値を算出する（S140）。

次に、成否判定部１０３は、上記平均値が所定範囲内か判定する（S150）。上記平均値が所定範囲内であると判定した場合は（S150:YES）、成否判定部１０３は、レーザ光Ｌがｎ個目の円Ｃ（ｎ）を描く際に行われた二度打ちが成功したと判定し（S160）、変数ｎをインクリメントして（S170）、処理をS120に戻す。

一方、上記平均値が所定範囲外であると判定した場合は（S150:NO）、成否判定部１０３は、レーザ光Ｌがｎ個目の円Ｃ（ｎ）を描く際に行われた二度打ちが失敗したと判定し（S180）、前述した不良回数を示す変数ｋをインクリメントする（S190）。そして、成否判定部１０３は、ビード４を形成するのに必要となる円Ｃの総数を示す変数ｍに対する、不良回数を示す変数ｋの割合（ｋ／ｍ）が所定値を超えたか判定する（S200）。割合（ｋ／ｍ）が所定値を超えていないと判定した場合は（S200:NO）、成否判定部１０３は、処理をS170に進め、レーザ溶接を継続する。一方、割合（ｋ／ｍ）が所定値を超えたと判定した場合は（S200:YES）、成否判定部１０３は、ビード４のブローホールを十分には解消できなかったとして、レーザ溶接が失敗したと判定し（S210）、レーザ溶接を中止する。

また、S120で変数ｎが変数ｍ以下でないと判定されたら（S120:NO）、制御部１０２は、ビード４のブローホールが十分に解消されたとして、レーザ溶接が成功したと判定し（S220）、レーザ溶接を終了する。

次に、二度打ちの成否を判定するに際し、S150にて上記平均値が所定範囲内であるか判定することとした理由を説明する。

（平均値が所定範囲の上限値を超えた場合）
この場合、ウォブリングの走査ピッチや走査速度、レーザ光Ｌの出力の調整が十分でなかったために、凝固前の溶融池にレーザ光Ｌを照射してしまったものと考えられる。この場合、そもそもブローホールの解消という考え方から外れるので、二度打ちが失敗したと判定する。

また、レーザ光Ｌの出力が過大だったために、そもそもブローホールが形成されていなかったかも知れないのに、新たにブローホールを生成させてしまった可能性があり、従って、二度打ちが失敗したと判定する。

（平均値が所定範囲の下限値を下回った場合）
この場合、レーザ光Ｌの出力が過小だったために、ビード４の形成自体が当初から不十分であったと考えられるので、二度打ちが失敗したと判定する。

また、レーザ光Ｌの出力が過小だったために、ブローホールを解消する程度にまでビード４を再溶融することができなかったと考えられ、従って、二度打ちが失敗したと判定する。

（平均値が所定範囲内の場合）
この場合、ビード４の適切な再溶融が実施され、ブローホールが十分に解消されたものと考えられ、従って、二度打ちが成功したと判定する。

以上、好適な実施形態を説明したが、上記第１実施形態は以下の特長を有する。

即ち、電極体１と集電体２との接触領域５にレーザ光Ｌをレーザ光Ｌの照射位置が円Ｃを描きながら所定方向に移動するように照射することで接触領域５にビード４を形成し、これにより、電極体１と集電体２とを溶接する、レーザ溶接の成否判定方法は、以下のステップを含む。
（１）照射位置が描く円Ｃ毎に照射位置からの戻り光の強度に関する強度データを取得するステップ（S130）。
（２）照射位置が描く円Ｃ毎に強度データの平均値を算出するステップ（S140）。
（３）平均値が所定範囲内か判定し、平均値が所定範囲外となった回数としての不良回数を計数するステップ（S150,S190）。
（４）ビード４を形成するのに必要となる円Ｃの総数に対する、不良回数の割合が所定値を超えたら、レーザ溶接は不良であると判定するステップ（S200、S210）。
以上の方法によれば、電極体１と集電体２をレーザ溶接するに際し、溶接部裏側に至るような溶融池を形成しない場合であっても、レーザ溶接の成否を判定することができる。

（第２実施形態）
次に、図３を参照して、第２実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第１実施形態と相違する点を中心に説明し、重複する説明は省略する。

図３に示すように、本実施形態では、二度打ちが失敗したと成否判定部１０３が判定した場合は（S150、S180）、制御部１０２は、レーザ光Ｌの出力を調整し（S205）、処理をS170に進める。

具体的には、制御部１０２は、上記所定範囲の中央値からの上記平均値のズレを算出し、このズレに基いてレーザ光Ｌの出力を調整する。ここで、上記所定範囲の中央値をXとし、上記平均値をYとすると、制御部１０２は、レーザ光Ｌの出力を（（（X-Y）／X）＋１）×１００［％］に増減する。このようにレーザ光Ｌの出力を適宜調整することで、レーザ溶接の成功率を高めることができる。

１電極体
１ａ端部
１ｂ端面
２集電体
３電極構造体
４ビード
５接触領域
１００レーザ溶接装置
１０１レーザ発振器
１０２制御部
１０３成否判定部
１０４レーザヘッド
１０４ａ光学系
１０４ｂフォトダイオード
Ｃ円
Ｌレーザ光

Claims

電極体と集電体との接触領域にレーザ光を前記レーザ光の照射位置が円を描きながら所定方向に移動するように照射することで前記接触領域にビードを形成し、これにより、前記電極体と前記集電体とを溶接する、レーザ溶接の成否判定方法であって、
前記照射位置が描く円毎に前記照射位置からの戻り光の強度に関する強度データを取得するステップと、
前記照射位置が描く円毎に前記強度データの平均値を算出するステップと、
前記平均値が所定範囲内か判定し、前記平均値が前記所定範囲外となった回数としての不良回数を計数するステップと、
前記ビードを形成するのに必要となる前記円の総数に対する、前記不良回数の割合が所定値を超えたら、前記レーザ溶接は不良であると判定するステップと、
を含む、
成否判定方法。