JPH0825069A - レーザ溶接装置、溶接状態管理方法及びスパークプラグ用中心電極の製造方法 - Google Patents

レーザ溶接装置、溶接状態管理方法及びスパークプラグ用中心電極の製造方法

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JPH0825069A
JPH0825069A JP6180711A JP18071194A JPH0825069A JP H0825069 A JPH0825069 A JP H0825069A JP 6180711 A JP6180711 A JP 6180711A JP 18071194 A JP18071194 A JP 18071194A JP H0825069 A JPH0825069 A JP H0825069A
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welding
plasma
irradiated
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Mamoru Musasa
守 無笹
Wataru Matsutani
渉 松谷
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NGK Spark Plug Co Ltd
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、レーザ光を集光照射させて行う溶
接において、溶接時に被照射物より発生するプラズマを
監視することにより溶接状態を判定するレーザ溶接装
置、溶接状態管理方法及びスパークプラグ用中心電極の
製造方法に関する。 【構成】 レーザ光を照射したときに被照射物より発生
するプラズマを撮像する撮像機構と、撮像したプラズマ
画像の面積あるいは高さを計測する画像処理機構と、該
画像処理機構から出力される計測値を許容値とを比較し
良否判定を行う良否判定機構とからなるレーザ溶接装
置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を集光照射さ
せて行う溶接において、溶接時に被照射物より発生する
プラズマを監視することにより溶接状態を判定するレー
ザ溶接装置及び溶接状態管理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来よりレーザ溶接は、発生するレーザ
光のエネルギの管理を行うにあたり、レーザ出力測定器
が多く使用されている。図１２はレーザ出力測定器を使
用した場合のレーザ光のエネルギ測定系を示す構成図で
ある。
【０００３】レーザ発振器１から出射されたレーザ光６
は光ファイバ２、集光レンズ３、４および保護ガラス５
を経てレーザ出力測定器の測定部１１に照射されそのレ
ーザ光によるエネルギが表示部１２に表示される。
【０００４】この表示値により出力部のレーザ光のエネ
ルギの強度を認識することができる。
【０００５】また、ＹＡＧレーザ溶接装置においては、
レーザ出力モニタと称されるレーザエネルギのモニタ機
構を有するものがあり、これもレーザ光のエネルギの管
理に多く用いられる。
【０００６】図１３はレーザ出力モニタを用いた場合の
レーザ光のエネルギの出力測定系を示す構成図である。
【０００７】レーザ発振器１内のレーザ光源２１から出
射されたレーザ光６の一部を部分反射ミラー２２で取り
出し、フォトダイオードあるいは太陽電池などで構成さ
れる検出器２３を用いてレーザ光のエネルギを測定し、
表示部２４で表示を行う。
【０００８】これによってレーザ発振器１から出射され
たレーザ光のエネルギの強度を認識することが出来る。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかし、レーザ溶接に
おいては、レーザ発振器１から出射されたレーザ光のエ
ネルギが一定であっても、レーザ発振器から被照射物に
いたるまでの光ファイバや集光レンズなどの光学系に破
損や汚れなどが生じると、レーザ光のエネルギが減衰し
溶接状態が変化する。
【００１０】また、被照射物の取り替え等によりレーザ
光の出力端と被照射物との位置が変動した場合にも、溶
接点でのレーザ光のエネルギ密度が変わり溶接状態が変
化する。
【００１１】また、上記のレーザ出力測定器は主に溶接
作業を行う前及び該作業の後に使用し、作業中のエネル
ギの変化の有無を該作業前後のエネルギの値の比較によ
って確認するものであり、レーザ出力測定器の使用と同
時に溶接を行うことは出来ない。
【００１２】レーザ出力モニタはレーザ発振器１の出力
値測定機であり、光ファイバや集光レンズなどの光学系
の影響を受けず、被照射物上のレーザ光が集光した溶接
点におけるレーザ光のエネルギを直接測定しないもので
ある。
【００１３】従って、レーザ出力測定器若しくはレーザ
出力モニタを用いた管理では被照射部における溶接状態
の変化を検知することは不可能である。
【００１４】そのため、破壊テスト、Ｘ線写真撮影及び
成分分析等の抜き取り検査を頻繁に行い、工数が増大す
るという問題があった。
【００１５】更に、これらの抜き取り検査の結果、不良
と判断された場合には、同一の製造ロットを全て廃却す
る等の必要があり、この点でも工数が増大する要因とな
っていた。
【００１６】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
であり、溶接工程で同時に溶接状態の良否を判断する装
置およびその方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題を解
決するために、 （１） レーザ光を照射したときに被照射物より発生す
るプラズマを撮像する撮像機構と、撮像したプラズマ画
像の面積又は高さの少なくとも一方を計測する画像処理
機構と、該画像処理機構から出力される計測値を許容値
と比較し良否判定を行う良否判定機構とからなることを
特徴とするレーザ溶接装置。
【００１８】（２） レーザ光を照射したときに被照射
物より発生するプラズマを撮像する撮像機構と、撮像し
たプラズマ画像の面積又は高さの少なくとも一方を計測
する画像処理機構と、該画像処理機構から出力される計
測値と許容値との差に応じてレーザ発振器から出力され
るレーザ光のエネルギを制御する制御機構とからなるこ
とを特徴とするレーザ溶接装置。
【００１９】（３） レーザ光を照射したときに被照射
物より発生するプラズマを撮像することと、撮像したプ
ラズマ画像の面積又は高さの少なくとも一方を計測する
ことによって溶接状態の良否判定とを行うことを特徴と
するレーザ溶接の溶接状態管理方法。
【００２０】（４） パルスレーザ光を照射して貴金属
を溶接するスパークプラグ用中心電極の製造方法であっ
て、パルスレーザ光を照射したときに被照射物より発生
するプラズマを撮像することと、撮像したプラズマ画像
の面積又は高さの少なくとも一方を計測することによっ
て溶接状態の良否判定を行うことを特徴とするスパーク
プラグ用中心電極の製造方法。
【００２１】以上のような構成とすることによって溶接
状態の良否を判定することができる溶接装置、溶接状態
を管理する方法及びスパークプラグ用中心電極の製造方
法を提供することを目的とする。
【００２２】
【作用及び効果】
［請求項１について］集光レンズで集光されたスポット
状のレーザ光が照射されると被照射物上の溶接部の表面
からプラズマが発生するため、該プラズマを撮像機構に
よって撮像し、撮像したプラズマ画像の面積又は高さの
少なくとも一方を計測する画像処理機構を使用すること
によって溶接と同時に溶接状態の良否判断を行うことが
でる。これによって溶接不良の早期発見が可能となる。
【００２３】また、全製品を保証するため、頻繁に行っ
ていた抜き取り検査の回数を減らすことが出来、工数が
減少する。
【００２４】［請求項２について］集光レンズで集光さ
れたスポット状のレーザ光が照射されると被照射物上の
溶接部の表面からプラズマが発生するため、該プラズマ
を撮像機構によって撮像し、撮像したプラズマ画像の面
積又は高さの少なくとも一方を計測する画像処理機構か
ら出力される計測値と許容値との差に応じてレーザ光の
エネルギを制御する制御機構を使用することにより、溶
接不良が発生しない。
【００２５】また、制御の管理幅を狭くすることによっ
て、製造した製品個々の溶接が等質なものとなり、ばら
つきを少なくすることが出来るため性能が安定する。
【００２６】なお、撮像したプラズマ画像の面積又は高
さが小さくなる要因としては、レーザ発振器自体の出力
低下若しくは光ファイバや集光レンズなどの光学系の破
損や汚れの２通りの原因が考えられるが、撮像したプラ
ズマ画像の面積又は高さが小さく、且つ、レーザ出力モ
ニタの示す値が本来の溶接に必要なレーザ光のエネルギ
である場合には、光学系の異常と考えられる。
【００２７】従って、撮像したプラズマ画像の面積又は
高さと、レーザ出力モニタの示す値との比較制御を行う
ことにより、レーザ発振器出力自体の出力が過剰に増加
することによる光学系部品の損傷を防止できる。
【００２８】［請求項３について］レーザ光を照射した
ときに被照射物より発生するプラズマを撮像すること
と、撮像したプラズマ画像の面積又は高さの少なくとも
一方を計測することによって溶接状態の良否判定とを行
うことを特徴とするレーザ溶接の溶接状態管理方法によ
って、溶接状態の良否判定を溶接と同時に行うことが出
来る。
【００２９】［請求項４について］パルスレーザ光を照
射して貴金属を溶接するスパークプラグ用中心電極の製
造方法であって、パルスレーザ光を照射したときに被照
射物より発生するプラズマを撮像することと、撮像した
プラズマ画像の面積又は高さの少なくとも一方を計測す
ることによって溶接状態の良否判定を行うことを特徴と
するスパークプラグ用中心電極の製造方法を使用するこ
とによって、溶接不良の早期検出が出来る。
【００３０】ＣＷレーザ（連続発振レーザ）を使用する
と、スパークプラグ用中心電極の如く小さな部品におい
ては特に、溶接部付近の熱伝導により溶接部近傍の温度
が徐々に上昇し、溶接作業の最初から最後まで同一のレ
ーザ光のエネルギを照射しているにもかかわらず、溶接
部の溶け込み深さが変化する。
【００３１】この場合には、パルスレーザ光による加熱
と放熱を繰り返すことによって、温度の上昇を緩和し、
溶接部の溶け込み深さの変化を防止できる。
【００３２】
【実施例】
［実施例１］図１は本発明に係る溶接装置の概略構成図
である。図１に示すようにレーザ発振器１から出力され
たレーザ光６は、光ファイバ２に伝送され、集光レンズ
３、４によりスポットビームに集光され、保護ガラス５
を経て後述する被照射物に照射される。レーザが照射さ
れると被照射物の表面にプラズマ７が発生する。撮像機
構３１はこのプラズマ７のみを撮像し画像処理機構３３
で撮像したプラズマ画像の面積を計測する。
【００３３】本実施例ではパルスＹＡＧレーザを使用し
ているため、レーザ照射に同期して画像取り込みを行う
必要がある。レーザ発振器１から出力されるレーザ出射
同期信号を同期トリガ信号として用いることにより、プ
ラズマ７を撮像機構３１で撮像することができる。な
お、撮像機構３１にはＣＣＤカメラを使用している。
【００３４】このときの同期トリガ信号は受光素子など
を使用してレーザ光６あるいはプラズマ７の発光を検知
し出力させることによりトリガ信号源としてもよい。プ
ラズマ画像の面積の計測値は１パルス毎に良否判定機構
３４に出力され、１つの製品の溶接に要した全パルス分
の計測値の平均値を算出する。求めた平均値と許容値と
の比較により溶接状態の良否が判断される。
【００３５】本実施例において被照射物はスパークプラ
グ用中心電極であり、レーザ溶接前の形状を図２に示
す。母材ａは約９５％Ｎｉ合金からできており溶接部分
の形状はφ２．０ｍｍの円柱状で外周部に溝が設けられ
ている。線径φ０．３ｍｍの純Ｐｔ線であるワイヤーｂ
は母材ａの溝部分に巻き付けられている母材ａおよびワ
イヤーｂは図１のチャック３５に載置され約７０ｒｐｍ
で回転しながら母材ａおよびワイヤーｂにレーザ光６が
照射される。
【００３６】本実施例では、パルスＹＡＧレーザを使用
しており、レーザ照射条件はパルス幅０．８ｍｓ、１２
ＰＰＳ、照射時間３．５秒である。この場合の中心電極
の溶接状態を図９の”パルス”に示す。
【００３７】ＣＷレーザ（連続発振レーザ）の場合は、
母材ａより融点が高いワイヤーｂが溶け始めるまでレー
ザビームを照射し続けると、母材ａ自身も多量の熱を受
けて図９の”ＣＷ”に示すような、実用不可能な中心電
極となってしまう。
【００３８】ワイヤーｂは母材ａに融合して環状のＰｔ
−Ｎｉの合金層を形成する。チャンバー３６にはアルゴ
ンを流入させてあるため、このチャンバー３６内で溶接
を行うことにより溶接部は不活性ガスであるアルゴン雰
囲気に包まれ、溶接部の酸化を防止することが出来る。
また、保護ガラス５が金属蒸気で汚れないよう排気ダク
ト３７が配されている。
【００３９】なお、溶接部に照射されるレーザエネルギ
の強度によって溶融したワイヤーｂと母材ａの合金層中
のＰｔ含有量が変化する。合金層の中央部においてＰｔ
含有量が７０〜９０％であることが火花消耗性等のプラ
グの性能面で望ましい。
【００４０】図３は、１６００ｃｃ、四気筒のガソリン
エンジンに装着し、５５００ｒｐｍ、全負荷の運転条件
で耐久テストを行った場合の耐久時間−ギャップ増加量
のグラフである。
【００４１】図４はレーザエネルギを変化させたときの
Ｐｔ含有量および撮像したプラズマ画像の面積との関係
を示すグラフである。
【００４２】図３および図４から、Ｐｔ合金部の体積が
大きくなりすぎＰｔ含有量が低下した７０％未満のもの
はギャップ増加量の増加傾向が著しく、火花消耗が進行
しやすいことがわかる。
【００４３】９０％よりも大きくなると、製造時にＰｔ
合金部と母材ｂとの境界面に溶け残りがある場合が多
く、また、Ｐｔ合金部の熱膨張率と母材ｂの熱膨張率の
差から実際のエンジンで使用する場合にはＰｔ合金部が
剥離しやすい。
【００４４】図５はレーザエネルギを変化させた場合の
ＣＣＤカメラで撮像したプラズマ画像の状況を表す。図
４および図５よりレーザエネルギの増大に伴いＰｔ含有
量は減少しプラズマ面積は増大することがわかる。従っ
て、撮像したプラズマ画像の面積を監視することにより
Ｐｔ含有量を管理することができる事を示している。
【００４５】図６は排気ダクト３７を作動させなかった
場合の溶接数とＰｔ含有量および撮像したプラズマ画像
の面積との関係を示すグラフである。排気ダクト３７が
停止しているとレーザ照射時に発生する金属蒸気が保護
ガラス５に付着し、溶接部に照射されるレーザ光のエネ
ルギ密度は徐々に低下する。そのためＰｔ含有量が許容
値をはずれるが、撮像したプラズマ画像の面積も徐々に
小さくなるため、検出が可能である。
【００４６】図７は被照射物から集光レンズまでの距離
を変化させたときのＰｔ含有量および撮像したプラズマ
画像の面積との関係を示すグラフである。レーザ光は集
光レンズ３、４によってスポット状に集光されて溶接部
に照射されるが、焦点距離が近すぎても遠すぎてもレー
ザ光のエネルギ密度が低下するため溶接は不十分であ
る。この場合もＰｔ含有量が許容値をはずれると撮像し
たプラズマ画像の面積は小さくなる。
【００４７】図８はチャンバー３６に流すＡｒガスを変
化させたときのＰｔ含有量および撮像したプラズマ画像
の面積との関係を示すグラフである。Ａｒガスが正常に
流れていないと母材ａは酸化熱を発生し溶融が促進され
るため、Ｐｔ含有量は低下する。
【００４８】このとき撮像したプラズマ画像の面積は大
きくなるため異常を検知することができる。
【００４９】これらの結果から、撮像したプラズマ画像
の面積を計測すれば製品の溶接状態を把握することがで
き、計測値と許容値を比較し良否判定を行うことで製品
を管理する。
【００５０】撮像したプラズマ画像の高さで判定する場
合においても面積を計測したときと全く同様の傾向を示
す。また、面積及び高さの計測値の双方を同時に使用し
て判定することによって、計測値のばらつきが少なく、
より安定した良否判定をすることが可能となる。
【００５１】本実施例においては、プラズマ７のみを撮
像する位置にＣＣＤカメラ３１を配置し溶接部にレーザ
を照射させた時の溶接部からのレーザの散乱光を感知し
ないようにすることによって、測定精度を向上させた
が、レーザの散乱光を感知するような位置関係にある場
合には赤外線カットフィルタ等を入れることによってよ
り正確な測定が可能となる。
【００５２】本発明は上記実施例の溶接のほかレーザに
よる切断、穴あけ、スクライビングなどのレーザ加工に
おいても適用できる。
【００５３】また、撮像機構は上記実施例ではＣＣＤカ
メラを用いたが、ＳＩＴ管等の撮像管を用いてもよく、
レーザは、ＹＡＧレーザ以外に、ＣＯ2レーザ、エキシ
マレーザ等のガスレーザであっても良い。
【００５４】［実施例２］本例においては、実施例１の
ように良否判定機構を設ける代わりに、図１０に示す如
く制御機構３２を設けている。その他の構成は実施例１
と同様である。
【００５５】この制御機構は、画像処理機構から出力さ
れる計測値と許容値との差に応じてレーザ発振器１から
出力されるレーザ光のエネルギを制御するため、溶接状
態を常に一定に保つことが出来、溶接不良が発生しな
い。
【００５６】また、制御の管理幅を狭くすることによっ
て、製造した製品個々の溶接が等質なものとなり、ばら
つきを少なくすることが出来るため性能が安定する。
【００５７】［実施例３］本例においては、ＣＷレーザ
を平板の突き合わせ溶接に用いた例を図１１に示す。撮
像機構３１によって撮像するプラズマは、別個のトリガ
信号源３８を設けている。その他の構成は実施例１と同
様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施例１に係る溶接装置の概略構成図
である。
【図２】図２は、実施例１に係る被照射物の構成図であ
る。
【図３】図３は、ガソリンエンジンにて実施例１にかか
るプラグを装着し、耐久テストを行った場合の耐久時間
−ギャップ増加量のグラフである。
【図４】図４は、レーザ光のエネルギを変化させたとき
のＰｔ含有量およびプラズマ画像の面積との関係を示す
グラフである。
【図５】図５はレーザ光のエネルギを変化させた場合の
ＣＣＤカメラで撮像したプラズマの状況を表す。
【図６】図６は、保護ガラスが曇った場合のＰｔ含有量
および撮像したプラズマ画像の面積との関係を示すグラ
フである。
【図７】図７は、被照射物から集光レンズまでの距離を
変化させたときのＰｔ含有量および撮像したプラズマ画
像の面積との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、チャンバー３６に流すＡｒガスを変化
させたときのＰｔ含有量および撮像したプラズマ画像の
面積との関係を示すグラフである。
【図９】図９は、実施例１における中心電極の溶接部に
おける溶接後の状態を示す。
【図１０】図１０は、実施例２に係る溶接装置の概略構
成図である。
【図１１】図１０は、実施例３に係る溶接装置の概略構
成図である。
【図１２】図１２はレーザ出力測定器を使用した場合の
レーザ光の出力測定系を示す構成図である。
【図１３】図１３はレーザ出力モニタを用いた場合のレ
ーザ光のエネルギの測定系を示す構成図である。
【符号の説明】
１ ・・・レーザ発振器 ２ ・・・光ファイバ ３、４・・・集光レンズ ５ ・・・保護ガラス ６ ・・・レーザ光 ７ ・・・プラズマ １１ ・・・レーザ出力測定器測定部 １２ ・・・レーザ出力測定器表示部 ２１ ・・・レーザ光源 ２２ ・・・部分反射ミラー ２３ ・・・検出器 ２４ ・・・表示部 ２５ ・・・レーザ出力モニタ ３１ ・・・撮像機構 ３２ ・・・制御機構 ３３ ・・・画像処理機構 ３４ ・・・良否判定機構 ３５ ・・・チャック ３６ ・・・チャンバー ３７ ・・・排気ダクト ３８ ・・・トリガ信号源 ３９ ・・・アシストガス吹き付け装置 ａ ・・・母材 ｂ ・・・ワイヤー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２３Ｋ 26/06 Ｚ Ｇ０６Ｔ 1/00

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ光を照射したときに被照射物より
    発生するプラズマを撮像する撮像機構と、撮像したプラ
    ズマ画像の面積又は高さの少なくとも一方を計測する画
    像処理機構と、該画像処理機構から出力される計測値を
    許容値と比較し良否判定を行う良否判定機構とからなる
    ことを特徴とするレーザ溶接装置。
  2. 【請求項２】 レーザ光を照射したときに被照射物より
    発生するプラズマを撮像する撮像機構と、撮像したプラ
    ズマ画像の面積又は高さの少なくとも一方を計測する画
    像処理機構と、該画像処理機構から出力される計測値と
    許容値との差に応じてレーザ発振器から出力されるレー
    ザ光のエネルギを制御する制御機構とからなることを特
    徴とするレーザ溶接装置。
  3. 【請求項３】 レーザ光を照射したときに被照射物より
    発生するプラズマを撮像することと、撮像したプラズマ
    画像の面積又は高さの少なくとも一方を計測することに
    よって溶接状態の良否判定とを行うことを特徴とするレ
    ーザ溶接の溶接状態管理方法。
  4. 【請求項４】 パルスレーザ光を照射して貴金属を溶接
    するスパークプラグ用中心電極の製造方法であって、パ
    ルスレーザ光を照射したときに被照射物より発生するプ
    ラズマを撮像することと、撮像したプラズマ画像の面積
    又は高さの少なくとも一方を計測することによって溶接
    状態の良否判定を行うことを特徴とするスパークプラグ
    用中心電極の製造方法。
JP6180711A 1994-07-08 1994-07-08 レーザ溶接装置、溶接状態管理方法及びスパークプラグ用中心電極の製造方法 Pending JPH0825069A (ja)

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US08/499,217 US5607605A (en) 1994-07-08 1995-07-07 Laser welding device, a method of checking welding condition and a method of making a center electrode for a spark plug

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