JP5169460B2 - レーザ溶接方法、この溶接方法によって形成された溶接物、およびレーザ溶接システム - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接方法、この溶接方法によって形成された溶接物、およびレーザ溶接システムに関する。

近年、ロボットを利用した溶接にもレーザ溶接が用いられるようになってきている。このようなレーザ溶接技術は、ロボットアーム（マニュピレータ）の先端にレーザを照射するためのレーザ照射装置を取り付け、ロボットアームによりレーザ照射装置を溶接位置まで移動させて、そこからレーザを照射して溶接を行う。

このレーザ溶接技術において、複数の溶接箇所を溶接する際の工程時間（タクトタイム）を少しでも縮めるための試みが行われている。たとえば、ロボットアームの先端（ロボットハンド）に取り付けられたレーザ照射装置を移動させる際に、レーザ照射装置が溶接位置に到達する時間を予測して、その予測に基づきレーザ発信器に対し、起動（または停止）を指令する技術がある（特許文献１）。

この技術は、ロボット、レーザ照射装置、レーザ発信機などがＩ／Ｏインターフェースを介在させて接続されていることによる信号伝達の遅れを、レーザ照射装置の到達時間を予測して事前に起動（または停止）を指令することで、補償しようとするものである。

また、この技術は、常にロボットハンドを移動させつつ、レーザを照射して溶接を行うことを前提としている。

一方で、レーザ溶接技術の中には、レーザ溶接中はロボットアームを停止させて、すなわちレーザ照射装置を溶接可能範囲に停止させて溶接を行う技術がある（特許文献２）。
特開平２００７−２３７２０２号公報 特開平２００５−１７７８６２号公報の段落００１０

そこで、ロボットアームを停止させてレーザ溶接を行う技術に、前記特許文献１記載の技術を応用して工程時間の短縮を図ることが考えられる。

しかし、レーザ照射装置を停止させる場合、この停止位置に至るまでの時間を予測して事前にレーザ発信器を起動させたとしてもレーザ照射はレーザ照射装置が溶接位置で停止した直後に行われることになることに変わりはなく、工程時間の短縮はほとんどないものとなってしまう。

そこで本発明の目的は、レーザ照射装置の移動を停止してレーザ溶接を行う技術において、工程時間短縮を図ることのできるレーザ溶接方法、この方法によって製造された溶接物、およびレーザ溶接システムを提供することである。

上記課題を解決するための本発明は、レーザ照射手段を被溶接部材の溶接点へ移動させ、当該移動後、前記レーザ照射手段を停止させるための減速域において前記レーザ照射手段から前記溶接点へ向けてレーザ照射を開始し、前記レーザ照射を継続させつつ前記レーザ照射手段を停止させ、前記レーザ照射手段を停止後、さらにレーザ照射を継続することを特徴とするレーザ溶接方法である。また上記課題を解決するための本発明は、レーザ照射手段を被溶接部材の溶接点へ移動させ、当該移動の途中から前記レーザ照射手段から前記溶接点へ向けてレーザ照射を開始し、前記レーザ照射を継続させつつ前記レーザ照射手段を停止させ、前記レーザ照射手段を停止後、さらにレーザ照射を継続し、さらに、前記停止の位置から再び前記レーザ照射手段を移動させるために加速を開始させて、あらかじめ決められた位置に前記レーザ照射手段が到達するまで前記レーザ照射を継続することを特徴とするレーザ溶接方法である。

また上記課題を解決するための本発明は、上記レーザ溶接方法により溶接された溶接物であって、移動途中からレーザ照射手段から溶接点へ向けてレーザ照射したことにより形成された導入部と、前記導入部溶接ビードに続いて前記レーザ照射手段を停止させてからあらかじめ決められた加工用パターンを描いて形成された部分とからなる溶接ビードを有することを特徴とする溶接物である。

さらに上記課題を解決するための本発明は、移動手段と、前記移動手段に取り付けられたレーザ照射手段と、被溶接部材の溶接点を溶接するために、前記移動手段によって前記レーザ照射手段の移動を開始させ、当該移動の途中から前記レーザ照射手段から前記溶接点へ向けてレーザ照射を開始させ、前記レーザ照射を継続させつつ前記レーザ照射手段を停止させ、前記レーザ照射手段を停止後、さらにレーザ照射を継続するように、前記移動手段およびレーザ照射手段を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、さらに、前記停止の位置から再び前記レーザ照射手段を移動するために加速を開始した時点から、あらかじめ決められた位置に前記レーザ照射手段が到達するまで前記レーザ照射を継続することを特徴とするレーザ溶接システムである。

以上のように構成された本発明によれば、溶接動作に伴う工程時間（タクトタイム）を短縮することができる。また、減速域で形成した導入部の溶接ビードがある分、従来よりも溶接ビードの長さが長くなり溶接品質が向上する。しかも、溶接ビードを長くしても、工程時間はまったく延びず、それどころか従来よりも短縮することができるのである。

以下、添付した図面を参照して本発明を適用した実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明が適用されるレーザ溶接システムの概略構成図であり、図２はこのレーザ溶接システム内のレーザ照射装置の内部構造図であり、図３はこのレーザ溶接システムの制御を説明するためのブロック図である。

図１に示すレーザ溶接システムは、加工対象物としての被溶接物であるワークＷに、ワークＷ上に停止されるレーザ照射装置３からレーザ１００を照射することによって、直接ワークＷに触れることなくワークＷの溶接を行うものである。

図示するレーザ溶接システムは、ロボット１（移動手段）と、ロボット１のアーム２の先端に取り付けられ、レーザ１００を照射するレーザ照射装置３（レーザ照射手段）と、レーザを発生させるレーザ発振器５と、レーザ発振器５からレーザ照射装置３までレーザを導く光ファイバーケーブル６と、ロボット１およびレーザ照射装置３の動作を制御するロボット制御装置７（制御手段）とから構成される。また、このシステムは、後述するようにロボットおよびレーザ照射位置をロボットに教示するためのティーチボックス８、溶接点の加工用パターンデータをロボット制御装置７に送るＣＡＤシステム９が接続されている。なお、ＣＡＤシステム９は、常時接続されている必要はない。

ロボット１は一般的な多軸ロボットであり、教示作業によって与えられた経路データに従ってアーム２が駆動され、レーザ照射装置３を３次元のさまざまな位置および方向に移動させることができる。

レーザ発振器５にはＹＡＧレーザが用いられ、レーザ発振器５で発生されたレーザは光ファイバーケーブル６によってレーザ照射装置３に導かれる。

ロボット制御装置７はロボット１の姿勢および現在位置を認識しながらロボット１の動作を制御するとともに、レーザの照射方向を変更し走査するためにレーザ照射装置３の制御（反射ミラー１１（図２）の制御）も行っている。この反射ミラー１１の制御は、後述するようにあらかじめ決められた加工用パターンを描くように行われる。また、ロボット制御装置７はレーザ発振器５からのレーザ出力のＯＮ、ＯＦＦも制御している。

レーザ照射装置３は、入力されたレーザおよび可視レーザ（可視光）の照射方向を自在に変更できるように構成されている。すなわち、レーザ照射装置３は、図２に示すように、光ファイバーケーブル６によって導かれたレーザ１００を、溶接点に向けて照射するための反射ミラー１１（反射鏡）と、反射ミラー１１を移動させるモータ１６および１７およびレンズ群１２とを有している。これにより、レーザ照射装置３は導かれたレーザを反射ミラー１１（反射鏡）で反射し、ワークＷの溶接点に対して照射する。照射されたレーザによって溶接点では、所定の加工用パターンとなる溶接ビードの形成が行われる。

反射ミラー１１は、Ｘ軸およびＹ軸をそれぞれ独立に回動自在に支持されている。モータ１６およびモータ１７は、それぞれのモータの回転位置の合成によって、反射ミラー１１の向きを３次元方向に変える。したがって、反射ミラー１１は、光ファイバーケーブル６から入射されるレーザを３次元方向に放射自在に取り付けられている。反射ミラー１１を３次元方向に移動させることによって、レーザ照射装置３の一つの停止位置から、ワークＷ上に設定されている複数の溶接点の溶接が可能である。

また、反射ミラー１１の移動速度（移動速度）によって入熱量の調節も行うことができる。すなわち、反射ミラー１１の移動によって加工用パターンを描くレーザの移動速度を遅くすれば、溶接点では単位時間当たりのレーザの入射量が多くなり、溶接点における入熱量が高くなる。一方、これを速くすれば、単位時間当たりのレーザの入射量が少なくなって、溶接点における入熱量は低くなる。

レンズ群１２は、光ファイバーケーブル６の端部から放射されたレーザを平行光にするためのコリメートレンズ１２１と平行光となったレーザ１００をワークＷ上で集光させるための集光レンズ１２２から構成される。そして、集光レンズ１２２の位置を変えることでレーザ照射装置３は溶接点から反射ミラー１１までの距離に応じてレーザが商店を結ぶ位置を変更する。なお、このような焦点位置の変更（集光レンズ位置の変更動作）は、ロボットによる移動経路の教示と共にあらかじめ教示される。

図３は、本実施形態に係るレーザ溶接システムの制御系のブロック図である。

ロボット制御装置７は、教示データ記憶部２１、ロボット制御部２２、加工用パターン記憶部２３、加工用パターン生成部２４、レーザ走査制御部２５を備えている。

教示データ記憶部２１は、あらかじめ教示されたロボット１の動作経路、動作速度、およびワークＷの溶接点を記憶している。動作経路、動作速度、およびワークＷの溶接点などの教示データは、ＣＡＤシステムを利用したシミュレーションによる教示作業によって教示されたデータ、または、ティーチボックス８から実機を使用して作成した教示データなどである。溶接点は、ワークＷの溶接箇所を示し３次元座標によって表されている。

ロボット制御部２２は、教示データに基づいて、ロボット１の各軸モータの回転量を制御し、レーザ照射装置３があらかじめ定められた動作経路で移動して、所定の位置、たとえば、ワークＷに設定されている溶接点上の決められた位置で順次停止するように制御する。また、ロボット制御部２２は、ロボット１の各軸モータの回転量（エンコーダ値）に基づいてロボット１の姿勢および現在位置を認識することもできるようになっている。

そして、ロボット制御部２２は、認識されているロボットの姿勢、位置に基づいて、レーザ照射装置３がワークＷの溶接点に対してレーザを照射可能な位置にあるか否かを判断し、レーザの照射開始および停止を指示する。すなわち、本実施形態においては、このロボット制御部２２が、レーザ照射装置３が停止位置に停止する直前の動いている段階からレーザ照射を開始して、停止後加工用パターンによる溶接を継続し、そして溶接が完全に終わる前にロボットの動作を開始するように制御するのである（詳細後述）。

加工用パターン記憶部２３は、レーザ照射装置３により走査されるレーザ１００の加工時の走査パターン（加工用パターン）、および加工用パターンの位置におけるレーザ強度を記憶している。

加工用パターン記憶部２３に記憶しておく加工用パターンは任意の大きさの任意の形状でよい。図４は、この加工用パターンの例を示す図面である。

加工用パターンはたとえば、図４（ａ）に示すＳ字形状、図４（ｂ）に示すＣ字形状、図４（ｃ）に示すＩ字形状（棒形状）などである。もちろんそのほかにもさまざまな形のパターンを設定可能である。加工用パターンはＣＡＤで作成され、加工用パターン記憶部２３にはＣＡＤからのデータが記憶される。

ここで記憶されている加工用パターンは、溶接点に形成される溶接ビードのパターンとなるが、本実施形態では、レーザ照射装置が完全に停止する前からレーザ照射を始めるため、その部分も溶接ビードとなる。しかし、ここで記憶されている加工用パターンには、その部分は含んでいない（詳細後述）。

加工用パターン生成部２４は、加工用パターン記憶部２３に記憶されている加工用パターンの形状から、記憶されているままの大きさの形状、または、あらかじめ決められた倍率に拡大（または縮小）された大きさの形状を生成する。なお、この倍率は加工用パターン記憶部２３に記憶されていて、その指示は教示データに埋め込まれている。またティーチングボックス８から指示されて後から変更することも可能となっている。これは、たとえば、ティーチングボックス８の指示部２６から、任意にワークＷの溶接点上に描かれる加工用パターンの大きさを指示するものである。具体的には、たとえば、加工用パターンであるＳ形状の縦方向を、教示データ記憶部２１に記憶されているＳ形状の３倍に、そして横方向を１．５倍にと言うように、溶接点に要求されるたとえば溶接強度に応じて指示することが可能である。このような変更指示も教示データに埋め込まれる。

レーザ走査制御部２５は、加工用パターン生成部２４によって生成された大きさの加工用パターンを入力するとともに、ロボット制御部２２が認識しているロボット１の姿勢をも考慮して、溶接点上に描く加工用パターン形状の点列座標（８０ポイント程度）を算出し、その点列座標に基づいてレーザ照射装置３の反射ミラー１１を移動させる。

レーザ走査制御部２５は、加工用パターンの中心座標から複数の点列座標で示された加工用パターンの座標を、ロボット１の座標系の座標に変換する。

図５は、加工用パターンをロボット１の座標系への変換を説明するための説明図である。

加工用パターンが、たとえば図５に示すようなＳ字形状である場合、Ｓ字形状の溶接長さと溶接幅は図のように規定されている。ここではＳ字形状の重心（加工用パターンの中心位置となる）を溶接点中心座標（Ｗｘｃｎｔ、Ｗｙｃｎｔ，Ｗｚｃｎｔ）としている。したがって、この溶接点中心座標が、教示データとして記憶されている溶接点の座標である。ここでロボットの座標系は（Ｗｘ，Ｗｙ，Ｗｚ）と規定されているものとする。

一方、Ｓ字形状を構成する約８０の点列座標は、溶接点を中心として、約８０の点列座標（Ｗｘ（０），Ｗｙ（０），Ｗｚ（０））から（Ｗｘ（７９），Ｗｙ（７９），Ｗｚ（７９））が、加工用パターン生成部２４によって生成される。

そこで、レーザ走査制御部２５は、この点列座標をロボットの座標系へ変換する。

変換により、Ｓ字形状を構成する約８０の点列座標は、（Ｗｘｃｎｔ＋Ｗｘ（０），Ｗｙｃｎｔ＋Ｗｙ（０），Ｗｚｃｎｔ＋Ｗｚ（０））から（Ｗｘｃｎｔ＋Ｗｘ（７９），Ｗｙｃｎｔ＋Ｗｙ（７９），Ｗｚｃｎｔ＋Ｗｚ（７９））となる。

この座標にレーザが照射されるように、レーザ走査制御部２５はレーザ照射装置３の反射ミラー１１を移動させることになる。

なお、加工用パターンの座標は、このようなロボット座標系への変換するほかに、オフセット量（図示点線で示すベクトル量）を指定するようにしてもよい。このベクトルで示されるオフセット量は、Ｓ字形状を構成する各点が溶接点中心座標からどの程度離れているのかを示している。オフセット量は、２次元のオフセット量として規定することもできるし、３次元のオフセット量として規定することもできる。

この手法は、加工用パターンの形状が変わっても同様である。図６は、Ｃ字形状のパターンの場合を示している。

この場合もＳ字形状の場合と同様に、Ｃ字形状の重心（加工用パターンの中心位置となる）を溶接点中心座標（Ｗｘｃｎｔ、Ｗｙｃｎｔ，Ｗｚｃｎｔ）とする。Ｃ字形状を構成する約８０の点列座標（Ｗｘ（０），Ｗｙ（０），Ｗｚ（０））から（Ｗｘ（７９），Ｗｙ（７９），Ｗｚ（７９））とすれば、この点列座標のロボットの座標系へ変換した値は（Ｗｘｃｎｔ＋Ｗｘ（０），Ｗｙｃｎｔ＋Ｗｙ（０），Ｗｚｃｎｔ＋Ｗｚ（０））から（Ｗｘｃｎｔ＋Ｗｘ（７９），Ｗｙｃｎｔ＋Ｗｙ（７９），Ｗｚｃｎｔ＋Ｗｚ（７９））となる。

なお、この場合も、図示ベクトルによる２次元または３次元のオフセット量として規定することもできる。

このほか、加工用パターンは、あらかじめ決められたパターンおよび大きさで加工用パターンを描けるように、反射ミラー１１の動作教示データとして教示データ記憶部２１に記憶しておくようにしてもよい。

このように構成された本実施形態におけるレーザ溶接システムの作用を説明する。

図７（ａ）は、本実施形態における溶接動作を説明するためのタイムチャートである。ここでは、一つの溶接点への進入から、停止しての溶接、溶接後次の溶接点へ向けての移動までを示している。

図において、横軸は時間である。

上から、ヘッド位置の項目は、ロボットアーム２に取り付けられているレーザ照射装置３の移動距離を示している。このレーザ照射装置３の現在位置をヘッド位置と称し、そのデータを位置データと称する。位置データは、ロボット１各部のモータに取り付けられているエンコーダからのデータによって算出されている。

ロボット速度の項目は、レーザ照射装置３の移動速度を示している。

なお、図はあくまでも動作のタイミングを説明するものであるため、時間、距離および速度のいずれも単位はつけていない。

まず、ロボット１が定速動作にてある溶接点へ向けて進行している。ヘッド位置がＡ１まで達したことが位置データから判別されると、レーザ照射装置３の移動を停止するために、ロボット停止指令を出力するとともに減速を開始するための減速指令が行われる。減速指令により、通常はロボット１のモータ回転速度を徐々に低下させて、最後に完全に停止させる。

このとき、本実施形態では、完全にロボット１が停止する前のＡ２の位置にレーザ照射装置３がきたことが検出された時点で、ミラー動作およびレーザ照射が開始される。すなわち、レーザ照射装置が完全に停止する前から溶接点へ向けてレーザ照射が開始されるのである。その後、レーザ照射装置３はＡ３に達して完全に停止するので、反射ミラー１１の動作を継続して加工用パターンの溶接ビードを形成する。

その後、反射ミラー１１の位置が加工用パターン終了直前のＡ４の位置となった時点で、ロボット１の動作を開始する（加速指令）。すなわち、レーザ照射が完全に終了する前に、レーザ照射装置３の移動を開始させるのである。

その後、レーザ照射装置３がＡ５の位置に到達した時点で、ミラー動作およびレーザ照射を停止する。その後、レーザ照射装置３がＡ６の位置に到達するまで加速した後、加速指令を止めて、速度が一定速度となるように制御しつつ（定速指令）、次の溶接点へ向かうことになる。

図８は、このような溶接動作によって行われる溶接ビード例を説明する説明図である。

図８（ａ）はＳ字形状、（ｂ）はＣ字形状、（ｃ）はＩ字形のそれぞれの加工用パターンの場合を示す。

図示するように、各パターンの溶接ビード５０には、それぞれ導入部Ａ、脱出部Ｂ、およびパターン部Ｃが形成されている。

導入部Ａは、レーザ照射装置３が動いている減速域の一部でレーザ照射を開始してできた溶接ビードである。つまり、図７（ａ）のＡ２〜Ａ３の区間でのレーザ照射によりできた溶接ビードである。

脱出部Ｂは、レーザ照射を継続中にレーザ照射装置３を増速開始してできた溶接ビードである。つまり、図７（ａ）のＡ４〜Ａ５の区間でのレーザ照射によりできた溶接ビードである。

パターン部Ｃは、レーザ照射装置３が完全に停止している状態で反射ミラー１１の移動（回動）のみでできた加工用パターンからなる溶接ビードである。つまり、図７（ａ）のＡ３〜Ａ４の区間でのレーザ照射によりできた溶接ビードである。

ここで、特に重要な、導入部Ａの区間である。この導入部Ａの区間があることで、その後に続く加工用パターンによるパターン部Ｃでの溶接ビード形成に必要な入熱量を十分に与えて、良好なキーホールを形成することができることである。溶接ビード形成には、レーザ照射開始時において被溶接部材が溶け出してキーホールができ、これが連続することで溶接ビードが形成される。このため、最初に被溶接部材が溶け出してキーホールができるための十分な熱量を加える必要がある。この導入部Ａがあることで、この部分にレーザ照射点を移動させながらレーザを当てることでキーホール形成に必要な熱量を被溶接部材に与えることができる。したがって、導入部Ａの最初の位置ＡＳではレーザ照射により被溶接部材がすぐに溶け出さなくでも、導入部Ａがパターン部Ｃにつながる位置ＡＥまでには被溶接部材が溶けるために十分な熱が加わり、パターン部Ｃでは確実に溶接ビード形成が行われるようになる。このため、できあがった溶接ビードの始点においては、レーザ照射点を移動しながらキーホールが形成された溶接ビードとなる。

しかも、このようにレーザ照射開始時にレーザ照射点を移動させていることで、キーホールによる穴あきも防止することができる。これは、レーザ照射の始点で溶接ビード形成に必要な熱量をレーザを移動させずに与えようとした場合、一点に強力なレーザが集中して当たることになるため、キーホールによる穴あきが発生しやすくなる。このようなキーホール穴あきを防止するためには、溶接ビード形成に必要な熱量を与えつつ行わなければならないため、非常に微妙なレーザの強度調整が要求される。

この点、本実施形態では、レーザの照射開始時からレーザの照射点は移動しているため、レーザが被溶接部材に当たった時点には被溶接部材は溶けないためキーホールによる穴あきは起こらず、それでいて導入部Ａの間レーザが照射されているため、パターン部Ｃに至った時点では溶接ビード形成に十分な熱が入ることになる。このため、この導入部Ａがあることは、単に工程時間の短縮を図るだけでなく溶接品質の向上にもなるのである。また、この導入部Ａがあることで、その部分でも、当所は完全な溶接ビード形成に至らないまでも、実溶接部に到達するＡＥ位置より前に当然溶接ビードの形成は起こるため、全体としての溶接ビード長がその分長くなる。したがって、その分、工程時間の増加を伴うことなく溶接ビード長を長くすることができるため、溶接品質がさらに向上させることができる。

この導入部Ａを描くときのミラー動作は、導入部Ａの方向（図示する矢印Ｆ）が、レーザ照射装置３の移動方向と同じになるようにしておくことが好ましい。つまり、加工用パターンの描く方向を導入部Ａがレーザ照射装置３の移動方向と同じになるように、あらかじめ教示しておくのである。

通常、レーザ照射装置３の移動方向は、ある溶接点から、次の溶接点へ向かう方向に動かしている。このため導入部Ａの方向を、次の溶接点へ向かう方向に設定することで、レーザ照射装置３を溶接のために方向を変える必要がなくなり、レーザ照射装置３の移動軌跡が短縮されて、その分、全体の工程時間の短縮を図ることができる。

また、このようにすることで、この導入部Ａの間、反射ミラー１１は、加工用パターンの始点方向に向けて停止させておいても、自動的に導入部が描かれることになり、その後溶接ビードのパターン部Ｃを描くように反射ミラー１１を動作させればよい。このようすることで、たとえば、導入部Ａのパターンを描くためのミラー動作としては、反射ミラー１１の向きを一方向に変えるだけの非常に簡単な教示で済むようになる。

一方、脱出部Ｂは、パターン部Ｃでそれまでに十分な溶接ビード形成が行われるため、多少レーザ照射位置が触れたとしても問題はなく、この脱出部Ｂの区間で、加速を開始することで少しでも溶接にかかる工程時間を減らすことができる。なお、脱出部Ｂはなくてもよく、この区間も完全にロボット１を停止した状態で、加工用パターンを描ききってから加速を開始するようにしてもよい。

さらに、パターン部Ｃは、ロボットの動作が完全に停止してから行っているため、ロボットの振動や祖ぼっとアームのたわみなどの影響がなく、確実に、しかもきれいな溶接ビードを形成することができる。

ここで、本実施形態と、従来のようにロボット１の動作が完全に停止してからレーザ照射を開始した場合との違いを説明する。

図７（ｂ）は、本実施形態と比較するために示した従来動作によるタイミングチャートである。

この場合は、レーザ照射装置３（ヘッド位置）がＢ１まで達したことが位置データから判別されると、停止指令と共に減速指令が行われる。そしてロボット１が位置Ｂ２で完全に停止してからミラー動作およびレーザ照射が開始される。

その後、反射ミラー１１が溶接終了位置に達してからミラー動作およびレーザ照射を停止し、ロボット１の動作を開始する（加速指令）。その後は速度を制御しつつ（定速指令）、次の溶接点へ向かうことになる。

加工用パターンを描いている時間、すなわち溶接ビード形成にかかる時間は、本実施形態においても、図８で説明したパターン部Ｃの部分である。これは図７（ａ）に示したＡ３〜Ａ５にかかった時間である。

従来動作では、形成される溶接ビードのパターンは、パターン部Ｃ部分であり、これは本実施形態とほぼ同じである。かかった時間は図７（ｂ）のＢ２〜Ｂ３の時間である。この時間は、本実施形態でパターン部Ｃにかかる時間よりも長い。これはレーザ照射を開始した時点で被溶接部材に溶接ビード形成のために十分な熱量を加えるために、レーザ照射開始時点においてレーザの動きを止めて十分な入熱量を確保する時間が必要がとなっているためである。

このように本実施形態では、この溶接ビード形成初期に十分な熱量を被溶接部材に加えるための時間、ロボット１を停止させていないため、その分従来動作より工程時間を短くできるのである。

次に、本実施形態による溶接動作の処理手順を説明する。溶接動作の詳細は既に説明したタイムチャートのとおりであるので、ここではロボット制御装置７が行う処理についてのみ説明する。

図９は、ロボット制御装置の処理手順を示すフローチャートである。

レーザ溶接時の基本動作は、ロボット１を教示された位置で停止させ、その場所でレーザ照射装置３が照射可能な１つまたは複数の溶接点に対してレーザ溶接を行い、次の溶接点をレーザ溶接する場合にはさらにロボット１を次の位置に移動させてレーザ溶接を行うという動作を繰り返しである。ここでは、前述したタームチャート同様１つの溶接点を溶接する場合を例に説明する。

ロボット制御部２２は、まず、レーザ溶接用の教示データを読み込む（Ｓ１）。教示データは、たとえば、ロボット停止位置、レーザ照射開始位置、動作速度（加速率、減速率、定速度などを含む）、レーザ照射開始位置、レーザ照射終了位置、溶接点中心座標、加工用パターン、反射ミラー移動速度および向き、溶接幅、溶接長さ、レーザ出力強度、その他制御に必要な動作指令などが記述されている。ロボット１は、これに従って動作する。

次に、ロボット制御部２２は、加工用パターン記憶部２３に記憶されている加工用パターンのデータを読み込む（Ｓ２）。

続いて、ロボット制御部２２は、教示データに従ってロボット１を動作させ、レーザ照射装置３を教示データに記述されている動作速度で移動させる（Ｓ３）。

そしてレーザ照射装置３の位置が、減速位置（図７（ａ）のＡ１、以下同様）に達したと判断されれば（Ｓ４：Ｙｅｓ）、減速指令を出力して減速を開始する（Ｓ５）。

続いてレーザ照射装置３がレーザ照射開始位置（Ａ２）に達したと判断されれば（Ｓ６：Ｙｅｓ）、ミラー動作およびレーザ照射を開始する（Ｓ７）。その後、レーザ照射装置３が停止位置（Ａ３）で停止するので、加工用パターンを描くためにミラー動作を継続する。

続いて、反射ミラー１１が脱出位置（Ａ４）に達したなら（Ｓ８：Ｙｅｓ）、ロボット１の加速指令を出力して加速を開始する（Ｓ９）。続いてレーザ照射装置３が離脱位置（Ａ５）に達した時点（Ｓ１０：Ｙｅｓ）でミラー動作およびレーザ照射を停止する（Ｓ１１）。その後は、レーザ照射装置３が位置（Ａ６）に達した時点で一定速度となるように制御し（Ｓ１２）、次の溶接点へ向かうことになる（Ｓ３へ）。

以上、本実施形態として、レーザ照射装置３が一つの停止位置で停止したときに、１つの溶接点を溶接する事例を説明したが、本発明は、このような１つの溶接点を溶接する場合に限らず、１つの停止位置において複数の溶接点を溶接することもできる。既に説明したように、レーザ照射装置３内には反射ミラー１１があり、この反射ミラー１１の移動によって一つの停止位置からレーザ焦点の届く範囲内であれば複数の溶接点の溶接が可能となる。

図１０は、複数溶接点の溶接を行った場合に形成される溶接ビードを説明する説明図である。

ここでは、Ｃ字形状の加工用パターンを用いて溶接を行った場合を例に説明する。図示するように、まず、第１の溶接点５１に対して溶接が開始される。このとき、上述したようにロボット１の減速域において溶接が開始され導入部Ａの溶接ビードができる。その後ロボット１が停止して導入部Ａから継続してパターン部Ｃを加工用パターンで描くことで形成する。パターン部Ｃは反射ミラー１１の移動のみで形成される。この第１溶接点５１はパターン部Ｃの最後までロボット１を停止した状態で溶接ビードの形成が行われる。

そして、ロボット１を停止したまま、次の第２溶接点５２へ向けて反射ミラー１１を高速移動させて、第２溶接点５２のパターン部Ｃの溶接ビード形成が行われる。したがって、第２溶接点５２では、全ての溶接ビードが加工用パターンからなる。なお、反射ミラー１１の高速移動とは、パターン部Ｃの溶接ビードを形成するときに反射ミラーを移動させるより速い状態であり、被溶接部材にレーザがあたっても被溶接部材が溶けないほど高速な状態である。

第１溶接点５１に続いて、第２溶接点５２のパターン部Ｃの最後までレーザ照射点が到達したなら、第２溶接点５２の溶接が終了するので、やはりロボット１は停止させたまま、次の第３溶接点５３へ向けて反射ミラー１１を高速移動させる。そして第３溶接点５３のパターン部Ｃの最後に至る前の位置までレーザ照射点が到達したなら、ロボット１の動作を開始してレーザ照射装置３の移動を開始する。このため、第３溶接点５３では、パターン部Ｃの最後に脱出部Ｂの溶接ビードが形成されることになる。

このようにレーザ照射装置３の一つの停止位置から複数溶接点を溶接した場合でも、第１溶接点５１では導入部Ａによって十分なキーホール形成が起き、溶接強度も増加する。また、第２溶接点では、従来と同様に加工用パターンによる溶接ビード形成が行われる。そして第３溶接点では、脱出部Ｂを取る分、溶接時間の短縮を図ることができる。したがって、これら複数の溶接点全体として溶接時間の短縮を図ると共に溶接強度を向上させることができるようになる。

以上説明した本実施形態によれば以下のような効果を奏する。

レーザ照射装置３を被溶接部材の溶接点へ移動させて停止させるときに、移動の途中から溶接点へ向けてレーザ照射を開始し、レーザ照射装置３を停止後、さらにレーザ照射を継続して加工用パターンを描くこととした。これにより、溶接動作に伴う工程時間を短縮することができる。また、減速域で形成した導入部の溶接ビードがある分、従来よりも溶接ビードの長さが長くなり溶接品質が向上する。しかも、溶接ビードを長くしても、工程時間はまったく延びず、それどころか従来よりも短縮することができるのである。

特にレーザ照射を開始する時点をレーザ照射装置３を停止させるための減速域において行うこととしたので、レーザ照射装置３が完全に停止する前からレーザ照射を開始することで、その分の工程時間を短縮することができる。

また、溶接終了のときには、レーザ照射装置３を移動させるために加速を開始させてもレーザ照射をある程度継続するようにしてもよく、そうすることで、溶接終了時において早めにロボット動作を開始させて、その分工程時間を短縮することができる。

また、レーザ照射を開始してレーザ照射装置３が停止するまでのレーザ照射装置３の移動方向とそのときに溶接する区間（導入部）の方向が一致するようにした。これにより反射ミラー１１の動作を少なくすることができる。また、レーザ照射装置３の移動方向を次の溶接点へ向かう方向とすることで、レーザ照射装置３を溶接のために向きを変える必要がなくなり、移動軌跡が短縮されて、全体の工程時間の短縮を図ることができる。

さらに、できあがった溶接物は、移動途中である減速域からレーザ照射することで形成した導入部の溶接ビードと停止させてから加工用パターンで形成した溶接ビードを持つようになる。したがって、導入部がある分、溶接ビードが従来よりも長くなり溶接品質が向上する。

本発明が適用されるレーザ溶接システムの概略構成図である。 図１に記載されているレーザ照射装置の内部構造図である。 図１に記載されているレーザ発振器の内部構造図である。 加工用パターンの例を示す図面である。 加工用パターンをロボット１の座標系への変換を説明するための説明図であり、Ｓ字形状のパターンの場合を示している。 加工用パターンをロボット１の座標系への変換を説明するための説明図であり、Ｃ字形状のパターの場合を示している。 溶接動作を説明するためのタイムチャートであり、（ａ）は本実施形態、（ｂ）は従来動作である。 溶接動作によって行われる溶接ビードを説明する説明図である。 ロボット制御装置の処理手順を示すフローチャートである。 複数溶接点の溶接を行った場合に形成される溶接ビードを説明する説明図である。

符号の説明

１…ロボット、
２…アーム、
３…レーザ照射装置、
５…レーザ発振器、
６…光ファイバーケーブル、
７…ロボット制御装置、
８…ティーチボックス、
９…ＣＡＤシステム、
１１…反射ミラー、
１２…レンズ群、
２１…教示データ記憶部、
２２…ロボット制御部、
２３…エリア内溶接データ記憶部、
２３…加工用パターン記憶部、
２４…加工用パターン生成部、
２５…レーザ走査制御部、
２６…指示部、
１００…レーザ、
１２１…コリメートレンズ、
１２２…集光レンズ。

Claims (6)

1. レーザ照射手段を被溶接部材の溶接点へ移動させ、当該移動の途中であり前記レーザ照射手段を停止させるための減速域において前記レーザ照射手段から前記溶接点へ向けてレーザ照射を開始し、前記レーザ照射を継続させつつ前記レーザ照射手段を停止させ、前記レーザ照射手段を停止後、さらにレーザ照射を継続することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. さらに、前記停止の位置から再び前記レーザ照射手段を移動させるために加速を開始させて、あらかじめ決められた位置に前記レーザ照射手段が到達するまで前記レーザ照射を継続することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. レーザ照射手段を被溶接部材の溶接点へ移動させ、当該移動の途中から前記レーザ照射手段から前記溶接点へ向けてレーザ照射を開始し、前記レーザ照射を継続させつつ前記レーザ照射手段を停止させ、前記レーザ照射手段を停止後、さらにレーザ照射を継続し、
   さらに、前記停止の位置から再び前記レーザ照射手段を移動させるために加速を開始させて、あらかじめ決められた位置に前記レーザ照射手段が到達するまで前記レーザ照射を継続することを特徴とするレーザ溶接方法。
4. 前記移動の途中から前記停止するまでにレーザ照射した溶接区間を導入部とし、当該導入部の溶接方向は前記レーザ照射手段を前記移動させている方向と同じであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載のレーザ溶接方法により溶接された溶接物であって、
   移動途中からレーザ照射手段から溶接点へ向けてレーザ照射したことにより形成された導入部と、
   前記導入部溶接ビードに続いて前記レーザ照射手段を停止させてからあらかじめ決められた加工用パターンを描いて形成された部分とからなる溶接ビードを有することを特徴とする溶接物。
6. 移動手段と、
   前記移動手段に取り付けられたレーザ照射手段と、
   被溶接部材の溶接点を溶接するために、前記移動手段によって前記レーザ照射手段の移動を開始させ、当該移動の途中から前記レーザ照射手段から前記溶接点へ向けてレーザ照射を開始させ、前記レーザ照射を継続させつつ前記レーザ照射手段を停止させ、前記レーザ照射手段を停止後、さらにレーザ照射を継続するように、前記移動手段およびレーザ照射手段を制御する制御手段と、
   を有し、
   前記制御手段は、さらに、前記停止の位置から再び前記レーザ照射手段を移動するために加速を開始した時点から、あらかじめ決められた位置に前記レーザ照射手段が到達するまで前記レーザ照射を継続することを特徴とするレーザ溶接システム。

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