JPH1015680A - レーザ差厚突合せ溶接装置、溶接システム及び溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接品全品の品質保証をすることができ、更
には、溶接状態を適切に制御することが可能なレーザ差
厚突合せ溶接装置、溶接システム及び溶接方法を提供す
る。 【解決手段】 レーザ差厚突合せ装置は、薄板２と厚板
３との突き合わせ面６の近傍の加工点４に、レーザ光１
を照射するレーザ発振機１９と、加工点４にレーザ光１
とは波長の異なる単波長光１０を照射する単波長光発生
装置７と、単波長光１０の加工点４からの反射光１２の
みを透過するバンドパスフィルタ１３有する受光部１５
を備える。レーザ差厚突合せシステムは、更にデータ解
析部１７と、加工機制御部１８とを備える。反射光１２
の輝度を測定・監視し、これに応じてレーザ照射位置を
制御するレーザ差厚突合せ溶接方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ差厚突合せ
溶接装置、溶接システム及び溶接方法に係り、更に詳細
には、薄板と厚板のように厚さに差がある材料を突き合
わせて溶接するに際し、溶接欠陥の発生を回避できるレ
ーザ差厚突合せ溶接装置、溶接システム及び溶接方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、突き合わせレーザ溶接は、レー
ザ光を２つの被溶接材料の突き合わせ部分近傍に照射
し、合わせられている２つの部材の双方を溶融・凝固さ
せることにより接合を行う技術である。かかる突き合わ
せレーザ溶接では、通常、レーザビームは極めて小さな
点にエネルギーが集中しているものであるため、良好な
溶接を行うには、突き合わせ位置に正確にレーザ光が照
射される必要がある。レーザ照射位置がずれると片方の
部材が片寄って溶融され、突き合わせ部の一部又は全部
が接合されないこととなり、溶接強度の著しい低下を招
く（以下、このような欠陥を「目はずれ」という。）と
いう問題があった。これに対し、従来の突き合わせレー
ザ溶接装置には、溶接中に目はずれ欠陥を検出可能な手
段が設けられておらず、溶接ロットの最初と最後に抜き
取りによる破壊検査（成形性評価のみ）を行うことによ
り、品質保証を行ってきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の突き合わせレーザ溶接装置にあっては、全数
検査ができないため、製品そのものの品質保証ができて
いないという課題、及び溶接品を強度部材に適用した場
合、成形が可能であっても要求強度を満足していない可
能性があるという課題があった。本発明は、このような
従来の課題に着目してなされたもので、溶接品全品の品
質保証をすることができ、更には、溶接状態を適切に制
御することが可能なレーザ差厚突合せ溶接装置、溶接シ
ステム及び溶接方法を提供することを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、加工用レーザとは
波長の異なる単波長光を薄板側から照射してその反射光
輝度を測定し、これを適宜制御することにより、上記目
的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至っ
た。即ち、本発明のレーザ差厚突合せ溶接装置は、被溶
接材料である薄板と厚板との突き合わせ面近傍の加工点
に、加工用レーザを照射する加工用レーザ発振機を備え
たレーザ差厚突合せ溶接装置において、上記加工点に、
上記加工用レーザとは波長の異なる単波長光を上記薄板
側から照射する単波長光発振機と、上記単波長光の上記
加工点からの反射光のみを透過させることのできるバン
ドパスフィルタを有し、該反射光の輝度を測定する受光
部とを備えることを特徴とする。

【０００５】また、本発明のレーザ差厚突合せ溶接シス
テムは、上述のような溶接装置を備えたレーザ差厚突合
せ溶接システムであって、上記受光部からの反射光輝度
を監視し、得られた反射光輝度の値に応じて制御信号を
発信する監視制御部と、上記制御信号を受信し、この信
号に応じて上記加工用レーザ発振機の位置を補正する加
工機制御部とを備えることを特徴とする。

【０００６】更に、本発明のレーザ差厚突合せ溶接方法
は、被溶接材料である薄板と厚板との突き合わせ面近傍
の加工点に、加工用レーザを照射するレーザ差厚突合せ
溶接方法において、 上記加工点に、上記加工用レーザとは波長の異なる
単波長光を上記薄板側から照射し、 次いで、上記加工点に、上記加工用レーザを第１の
位置から照射して溶接を行い、この間、上記単波長光の
上記加工点からの反射光の輝度を測定し、 得られた第１の溶接時輝度データをメモリするとと
もに、上記加工用レーザの第１の位置をメモリし、 上記薄板及び厚板以外の他の薄板及び厚板における
上記加工点に、上記加工用レーザを第２の位置から照射
して溶接を行い、この間、上記単波長光による反射光輝
度を測定し、 得られた第２の溶接時輝度データをメモリするとと
もに、上記加工用レーザの第２の位置をメモリし、 上記〜工程を繰り返し、 得られた各溶接時輝度データを対比してその値が大
きいものを選定し、これに応じて上記加工用レーザの位
置決めを行い、 工程で決定した上記加工用レーザの位置を採用し
て、その後の溶接を行うことを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明においては、加工用レーザとは波長の異
なる単波長光を薄板側から照射し、その反射光輝度を測
定することにより、溶接状態を検出することにした。従
って、溶接品毎の溶接状態を把握することができ、ま
た、かかる反射輝度による溶接状態の情報を、加工用レ
ーザの位置を補正し得る加工機制御手段にフィードバッ
クすることにより、溶接状態を自動的に制御することが
可能になる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面を参照して
実施形態により詳細に説明する。図１は、本発明の一実
施形態を示す斜視図である。まず、構成を説明すると、
このレーザ差厚突合せ溶接システムは、薄板側被溶接材
料２と厚板側被溶接材料３との突き合わせ面６の近傍の
加工点４に、レーザ光を照射するレーザ発振機１９と、
加工点４にレーザ光１とは波長の異なる単波長光１０を
照射する単波長光発生装置７と、単波長光１０の加工点
４からの反射光１２を受光する受光部１５とを備えたレ
ーザ差厚突合せ溶接装置を有する。

【０００９】また、本システムにおいて、上記レーザ発
振機１９から発振されたレーザ光は、集光光学系２０に
より集光されてレーザ光１を形成し、単波長発生装置７
から発振された単波長光１０は、光ファイバ８を介して
単波長光出射端９から出射し、それぞれ加工点４に照射
される。この際、単波長光１０は突き合わせ面６に対し
て入射角度１１で照射され、単波長光１０の反射光１２
は、反射角度１６をもって加工点４から反射される。そ
の後、反射光１２は、照射された単波長光のみを透過す
るバンドパスフィルタ１３を透過して反射光１４とな
り、受光部の一例であるフォトトランジスタ１５に到達
する構成となっている。

【００１０】更に、本システムは、フォトトランジスタ
１５に接続された監視制御部の一例であるデータ解析部
１７と、このデータ解析部１７と接続された加工機制御
部１８とを有し、加工機制御部１８はレーザ発振機１９
と接続されている。また、図１において、符号５は溶接
ビード、２１は溶接方向を表している。

【００１１】次に、本実施形態の作用について説明す
る。本実施形態においては、レーザ光１が被溶接材料
２、３の突き合わせ面６に照射され、溶接方向２１に沿
って所定の速度で溶接が行われる。また、この溶接の際
には、薄板２側から単波長光１０が加工点４に照射さ
れ、その反射光のみを透過するバンドパスフィルタ１３
を備えたフォトトランジスタ１５において、透過した単
波長光１４の輝度が測定される。そして、測定された輝
度データは電気信号に変換されてデータ解析部１７に送
られ、単波長光１０のみの加工点４からの反射光１４の
輝度履歴が記録される。

【００１２】図２は、差厚材の突き合わせレーザ溶接に
おいて、レーザ光が突き合わせ部に正確に照射され、良
好な溶接が行われているときのキーホールの状態と単波
長光の反射の状態を示したものである。同図において、
２２はキーホール、２３は溶融金属である。なお、上述
した符号の説明は省略する。レーザ光１が突き合わせ面
６に正確に照射され、薄板２から厚板３にまたがってキ
ーホール２２が形成されている場合、キーホール２２の
入口は図示したように傾いた状態となる。この際、キー
ホール２２の表面ではキーホール２２内の蒸気圧と溶融
金属２３の表面張力とがバランスしており、キーホール
２２の表面は鏡面状態となっている。

【００１３】上述の状態においては、加工点４に照射さ
れた単波長光１０は、そのほとんどが反射されることに
なる。そして、反射光１２は加工点４でのプラズマ光な
どとともにバンドパスフィルタ１３に到達するが、バン
ドパスフィルタ１３は上述の如く単波長光のみを透過す
るので、反射した単波長光１４のみが受光部たるフォト
トランジスタ１５で計測されることになる。

【００１４】図３は、差厚材の突き合わせレーザ溶接に
おいて、レーザ照射位置が薄板側にずれて目はずれ欠陥
の発生する溶接が行われているときのキーホールの状態
と単波長光の反射の状態を示したものである。レーザ光
１が薄板２側にずれて照射され、薄板２にキーホールが
形成されている場合、キーホール２２の入口は図示した
ように真上を向いた状態となる。従って、単波長光１０
のキーホール表面からの反射光は単波長光出射端９より
も上方に反射するため（図示せず）、フォトトランジス
タ１５へは厚板側３の突き合わせ面６で反射した光１２
のみが到達することになる。しかし、突き合わせ面６は
機加工を施していないため粗度が大きく、乱反射が起こ
り、フォトトランジスタ１５で計測される反射光の輝度
は低くなる。

【００１５】図４は、差厚材の突き合わせレーザ溶接に
おいて、レーザ照射位置が厚板側にずれて目はずれ欠陥
の発生する溶接が行われているときのキーホールの状態
と単波長光の反射の状態を示したものである。レーザ光
１が厚板３側にずれて照射され、厚板３にキーホール２
２が形成されている場合、キーホール２２の入口は真上
を向いた状態となる。従って、単波長光１０のキーホー
ル表面からの反射光は単波長光出射端９よりも上方に反
射するため（図示せず）、フォトトランジスタ１５へは
キーホールからではなく薄板側溶融金属２３ａからの反
射光１２のみが到達することになる。しかし、薄板側溶
融金属２３ａは表面張力の作用により凸型をなしている
ため、反射光は拡散し、フォトトランジスタ１５で計測
される反射光の輝度は低くなる。

【００１６】以上、図２〜図４において説明したよう
に、単波長光１０の突き合わせ面６に対する入射角度１
１は、反射光１２の突き合わせ面６に対する反射角度１
６より小さいことが好ましいことがわかる。反射角度１
６が入射角度１１以下の大きさの場合には、図３及び図
４で説明したような加工点４から上方に反射した反射光
の輝度を測定してしまうおそれがあり、好ましくない。
また、入射角度１１の大きさは、被溶接材料である薄板
及び厚板の大きさ、材質や板厚差、使用するレーザ光及
び単波長光の特性などに応じて適宜選定することができ
るが、代表的に板厚差が０．２ｍｍ以上の場合、４５°
以上とするのが好ましい。

【００１７】図５に、加工用レーザ照射位置ずれ量と反
射光輝度との関係を示す。図示したように、良好な溶接
が行われている範囲と目はずれ欠陥が発生している範囲
とでは、反射光輝度に大きな相違が認められる。本実施
形態に係るレーザ差厚突合せ装置において、被溶接材と
してＳＰＣＣ材製の板厚１．８ｍｍの薄板と板厚２．３
ｍｍの厚板を用い、ＣＯ₂レーザにより出力３．８ｋ
Ｗ、加工速度１．５ｍ／ｍｉｎの条件下で溶接を行い、
この際、加工点に照射する単波長光としてはＡｒレーザ
（波長５１２ｎｍ、出力２Ｗ）を用い、入射角度６０
°、反射角度７５°の条件下で反射光輝度の測定を行っ
た。この結果、薄板側に照射位置がずれた場合、反射光
輝度は、良好な溶接が行われた場合と比較して約１／５
に、厚板側に照射位置がずれた場合には約１／８となる
ことが実証された。

【００１８】なお、図５に示した反射光輝度のＯＫ領域
は、被溶接材料、加工条件及び測定条件（単波長光強
度、照射角度、測定角度等）などによって変化するもの
であり、レーザ差厚突合せ溶接を行うに際し、溶接すべ
き製品に応じて個別具体的に求める必要がある。このよ
うなＯＫ領域は、例えば、溶接すべき差厚材を用いた予
備試験を若干回数行えば決定できるものであり、かかる
ＯＫ領域の決定後は、その値を用いて自動的に適切な溶
接を行うことができる。即ち、溶接加工中に加工点に照
射した単波長光の反射光輝度を個々の製品毎にモニタす
ることにより、被溶接材料２、３のどちら側にレーザビ
ームがずれているか、更にはずれ量が良好な溶接を行う
上で許容されるものであるか否かをオンラインで検出す
ることができ、溶接不良の発生を確実に検出することが
可能となる。

【００１９】更に、以下に説明するように、検出された
輝度データを監視制御部１７で演算処理し、得られた制
御信号を加工機制御部１８にフィードバックし、レーザ
ビーム照射位置を適宜移動して反射光強度が許容される
範囲内になるように補正することにより、良好な溶接を
安定して行うことが可能となる（図６参照）。

【００２０】図６は、本発明のレーザ差厚突合せ溶接方
法の一実施形態を示すフローチャートである。本実施形
態の溶接方法をこのフローチャートに従って説明する
と、まず、被溶接材料たるワークをセットする（ステッ
プＳ１：以下、「Ｓ１」と略す）。次に、単波長光１０
を所定の入射角度１１で加工点４に入射し、その反射光
を受光部１５で測定し、得られた初期輝度データをデー
タ解析部１７にメモリする（Ｓ２）。次いで、加工用レ
ーザ光１を所定位置から加工点４に照射し、溶接を開始
する（Ｓ３）。この際、レーザ位置、具体的には集光光
学系２０の所定位置と溶接時における輝度データをデー
タ解析部１７にメモリする。

【００２１】そして、溶接が完了すると（Ｓ４）、デー
タ解析部１７において、得られた輝度データを演算処理
する（Ｓ５）。この演算処理は、上述の反射光輝度のＯ
Ｋ範囲が特定できている場合には、溶接時輝度データが
該ＯＫ範囲に入っているか否かを判定するものであり
（Ｓ６）、ＯＫ範囲に入っている場合には、そのままワ
ークを搬出し（Ｓ６）、ＯＫ範囲から逸脱している場合
には、溶接欠陥が発生するので、ワークを廃却し（Ｓ
７）、このＯＫ範囲に応じてデータ解析部１７からレー
ザ位置の修正信号を加工機制御部１８に送信してレーザ
位置を修正し（Ｓ８）、修正したレーザ位置を次のワー
クに適用する。

【００２２】但し、上述の演算処理においてＯＫ範囲が
未だ特定されておらず、ＯＫ範囲を特定しようとする場
合には、上述のステップＳ１〜Ｓ４を複数回繰り返し、
溶接時輝度データが大きいものを選定し、当該レーザ位
置をメモリしながら、溶接欠陥の発生しないようなＯＫ
範囲を特定することができる。なお、このＯＫ範囲の特
定の際、対象とする溶接時輝度データが、ステップＳ２
で測定した初期輝度データとほぼ同じ値を有する場合に
は、図３に示したように、レーザ照射位置が薄板側にず
れていることになるので、かかる情報を演算処理に組み
込むことにより、ＯＫ範囲の特定を迅速且つ簡素化する
ことが可能である。

【００２３】以上、本発明を若干の実施形態により詳細
に説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形
実施が可能である。例えば、本発明のレーザ差厚突合せ
溶接装置自体においては、データ解析部１７や加工機制
御部１８は必須の部材ではなく、これらを設置する代わ
りに、輝度データを目視で観察し、手動でレーザ位置を
修正してもよい。また、本発明の溶接方法において、初
期輝度データの測定は必ずしも必須の事項ではなく、省
略することが可能である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、加工用レーザとは波長の異なる単波長光を薄板側か
ら照射してその反射光輝度を測定し、これを適宜制御す
ることとしたため、溶接品全品の品質保証をすることが
でき、更には、溶接状態を適切に制御することが可能な
レーザ差厚突合せ溶接装置、溶接システム及び溶接方法
を提供することができる。即ち、加工点に照射した加工
用レーザと異なる波長のレーザ光及びその反射光のみを
検出するようにし、また、その反射光の情報を加工機に
フィードバックし、加工機の動作制御を行うシステムを
備えることとしたため、溶接工程で発生する目はずれ欠
陥をオンラインで検出し、製品全数の品質保証が可能と
なり、更には狙い位置ずれによる溶接不良の発生を最小
限に押さえることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ差厚突合せ溶接装置及び溶接シ
ステムの一実施形態を示す斜視図である。

【図２】レーザ光が加工点に正確に照射され、良好な溶
接が行われているときのキーホールの状態と単波長光の
反射の状態を示した断面図である。

【図３】レーザ照射位置が薄板側にずれ、目はずれ欠陥
の発生する溶接が行われているときのキーホールの状態
と単波長光の反射の状態を示した断面図である。

【図４】レーザ照射位置が厚板側にずれ、目はずれ欠陥
の発生する溶接が行われているときのキーホールの状態
と単波長光の反射の状態を示した断面図である。

【図５】加工用レーザ照射位置ずれ量と反射光輝度との
関係を示す特性図である。

【図６】本発明のレーザ差厚突合せ溶接方法の一実施形
態を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ レーザ光 ２ 薄板側被溶接材料 ３ 厚板側被溶接材料 ４ 加工点 ５ 溶接ビード ６ 突き合わせ面 ７ 単波長光発振機 ８ 光ファイバ ９ 単波長光出射端 １０ 単波長光 １１ 入射角度 １２ 加工点からの反射光 １３ バンドパスフィルタ １４ バンドパスフィルタを透過した反射光 １５ フォトトランジスタ １６ 反射角度 １７ データ解析部 １８ 加工機制御部 １９ レーザ発振機 ２０ 集光光学系 ２１ 溶接方向 ２２ キーホール ２３ 溶融金属

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被溶接材料である薄板と厚板との突き合
   わせ面近傍の加工点に、加工用レーザを照射する加工用
   レーザ発振機を備えたレーザ差厚突合せ溶接装置におい
   て、 上記加工点に、上記加工用レーザとは波長の異なる単波
   長光を上記薄板側から照射する単波長光発振機と、 上記単波長光の上記加工点からの反射光のみを透過させ
   ることのできるバンドパスフィルタを有し、該反射光の
   輝度を測定する受光部と、を備えることを特徴とするレ
   ーザ差厚突合せ溶接装置。
2. 【請求項２】 上記単波長光の光軸と上記突き合わせ面
   とのなす入射角度が４５°以上であり、上記反射光と上
   記突き合わせ面とのなす反射角度が該入射角度より大き
   いことを特徴とする請求項１記載のレーザ差厚突合せ溶
   接装置。
3. 【請求項３】 上記薄板と厚板との板厚差が、０．２ｍ
   ｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のレ
   ーザ差厚突合せ溶接装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１つの項に記載
   の溶接装置を備えたレーザ差厚突合せ溶接システムであ
   って、 上記受光部からの反射光輝度を監視し、得られた反射光
   輝度の値に応じて制御信号を発信する監視制御部と、 上記制御信号を受信し、この信号に応じて上記加工用レ
   ーザ発振機の位置を補正する加工機制御部と、を備える
   ことを特徴とするレーザ差厚突合せ溶接システム。
5. 【請求項５】 被溶接材料である薄板と厚板との突き合
   わせ面近傍の加工点に、加工用レーザを照射するレーザ
   差厚突合せ溶接方法において、 上記加工点に、上記加工用レーザとは波長の異なる
   単波長光を上記薄板側から照射し、 次いで、上記加工点に、上記加工用レーザを第１の
   位置から照射して溶接を 行い、この間、上記単波長光の上記加工点からの反射光
   の輝度を測定し、 得られた第１の溶接時輝度データをメモリするとと
   もに、上記加工用レーザの第１の位置をメモリし、 上記薄板及び厚板以外の他の薄板及び厚板における
   上記加工点に、上記加工用レーザを第２の位置から照射
   して溶接を行い、この間、上記単波長光による反射光輝
   度を測定し、 得られた第２の溶接時輝度データをメモリするとと
   もに、上記加工用レーザの第２の位置をメモリし、 上記〜工程を繰り返し、 得られた各溶接時輝度データを対比してその値が大
   きいものを選定し、これに応じて上記加工用レーザの位
   置決めを行い、 工程で決定した上記加工用レーザの位置を採用し
   て、その後の溶接を行う、ことを特徴とするレーザ差厚
   突合せ溶接方法。
6. 【請求項６】 上記工程において、上記単波長光の反
   射光輝度を測定し、得られた初期輝度データをメモリ
   し、この値を考慮して上記工程を行うことを特徴とす
   る請求項５記載のレーザ差厚突合せ溶接方法。
7. 【請求項７】 上記単波長光の光軸と上記突き合わせ面
   とのなす入射角度が４５°以上であり、上記反射光と上
   記突き合わせ面とのなす反射角度が該入射角度より大き
   いことを特徴とする請求項５又は６記載のレーザ差厚突
   合せ溶接方法。
8. 【請求項８】 請求項５〜７のいずれか１つの項に記載
   の溶接方法を行うのに用いる情報媒体であって、上記
   、、及び工程、又は、及び工程を実施す
   るコンピュータへの指令を記録して成ることを特徴とす
   る情報媒体。