JPS6082284A - レ−ザ溶接方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は金属パイプの内面（ニレーリ′ビームを照射し
て金属パイプを自ｊＪＪ　浴接するレーザ浴接方法およ
びその装置（二関するものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来金属バイブの溶接には、アーク溶接（二よってパイ
プの外周部から６接する方法が多く用いられているが、
パイプ内面まで完全（二連装するため（二は、溶接条件
の管理や溶接技術に関して高度な熟練を必要とし、また
パイプの内面まで完全（二連装する場合には、裏波が出
ることが多いが、これを均一にすることは極めて難しく
、従ってパイプの使用条件（二よっては、溶接区内周面
を機械仕上げする必要がある。

また、パイプの内面まで完全（二連装したい場合（二は
、あらかじめパイプの内面に内ばＤｋしてから溶接して
いるが、この場合は６接後この内ばシを削フ取る必要が
ある。

一部アーク溶接（−よってパイプの内面から溶接する場
合（二はｍｓ、郡（二開先をもうけ、この中と溶加金属
で埋めているが、浴接郡の溶は込与がバくなり、かつ内
面の凹凸も大きくなるという欠点がある。

またパイプ内面からレーザや電子ビームで溶接する方法
がちシ、これらの場合は、高エネルギ密度のため浴は込
み幅がせまく、溶接時のひずみが少ないという利点はあ
るが、加工点の位置を正４ｉ（ＩＴ（二；ロリ御しない
と溶接不良が出やすいので、パイプの寸法や開先線を正
確（二管理する必要がある。

〔発明の目的〕

本発明は以上の問題点を解決するためになされたもので
、溶接臓およびパイプ内径の寸法変化を検出用レーザに
より荻出し、加工用レーザの集光系の位置を検出した’
ｉ’ｉ′／報（二基すいて＋ｆｆ１ｊ呻し、これ（二よ
って加工用レーザを溶接点に正確（二集光しながら溶接
する高ｎ度のレーザ浴接方法およびその装置を提供する
ことを目的としている。

〔発明の概要〕

本発明は、金属パイプの内部でレーザビームの集光系を
回転させながら金属パイプの内面の切欠に沿って加工用
レーザを照射して溶接するレーザ溶接方法およびその装
置（二おいて、レーザビームの集光系（二先ず検出用レ
ーザを投射して金属パイプの内径の変化や切欠位置のず
れなどに対応する集光系の回転位置（二対する適正な調
整位置を検知して記憶し、次に集光系を回転位置（二対
して上記記憶した調整位置（二制御しながら加工用レー
ザを金属パイプの内面の切欠く二投射し、これ（二よっ
て金属パイプの内周の形状寸法変化や切欠位置のずれが
あっても切欠部を高精度でレーザ溶接できるよう（二し
たものである。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図（二足ず。

第１図（二おいて検出用レーザ発振器１がらの検出用レ
ーザ２はダイクロイックミラー３を通過し、反射ミ、７
−４で反射され、集光レンズ５で集光され、反射ミラー
６で反射されて溶接すべきパイプ７の内周面Ｃ二集光さ
れる。

パイプ内周面（＝集光されて反射された検出用レーザ２
は、往路と同一の光路を通って戻シ、一部はダイクロツ
クミラー３で反射されてレーザ検知器１６に入る。

反射ミラー４は、加工用レーザ発振器１７がらの加工用
レーザ８の光軸に合せて検出用レーザ２が進行するよう
（二反射ミラー装着体１８によシ固定されており、加工
用レーザ８により加工を行なう時（＝は反射ミラー装着
体１８と共に加工用レーザ８の光路外に待避できるよう
（ニなっている。

集光レンズ５とこれを支える面体９、および反射ミラー
６とこれを支える筒体ｌＯによシ楢成される集光系１１
は、集光系支持部１２の移動機（１タエ５にょシバイブ
の長手方向に移動できるよう（ニなっている。

また集光レンズ５を含む筒体９は、筒体移動機構１４に
よシバイブの長手方向（ユそって移動され、さらに反射
ミ２−６を支える筒体１０は、筒体回転機構１３によシ
バイブの円周方向（二回転される。

工９は、本装置の動作全体を制御ｒる制御装置である。

次に本装置の動作を説明する。

先ず検出用レーザ光発振器１からの検出用レーザ２は反
射ミラー４、集光系１１全通シバイブ７の内周面に集光
される。

集光された検出用レーザ２はここで反射し、照射された
方向に戻って行くが、ダイクロイックミラー３において
一部が反射してレーザ検知器１６に入る。

一方集光系１１は、集光系移動機槽１５によシバイブの
軸方向（＝移動される。

検出用レーザ２は、そのスポット位置がパイプの内周面
（二あたっている場合は、その反射（二よりレーザ検知
器１６（二検出されるが浴接郡肋（二設けた切欠部２０
ａ（二あたった場合には検出されない。

レーザ検知器１６からの信号（二よシ制御装置１９を介
して集光系移動機構１５は作動し、レーザ検知器１６（
二信号が検出されない場合は、集光系移動機構１５は停
止する。

溶接部２に設ける切欠２０ａの切欠幅Ｗは検出用レーザ
光の検出精度と溶接後のビード底面に要求される状況に
よシ適正な値（二選ばれるが、一般的Ｃ二は０．５〜２
．０順程度の切欠幅で十分である。

このためレーザ検知器１６への信号がなくなってから、
さら（二切欠幅Ｗのｙ６程度移動してから停止するよう
、集光系移動機構”１ヒ１５の移動数を調整している。

以上の方法（二よシバイブの溶接位置の一点が検出され
た後、反射ミ２−６を支える筒体ｌＯを筒体回転機構１
３によシ回転させる。

この時パイプ７の寸法精度や集光系１１の設置上わずか
なずれ（二よシ検出用レーザ２の集光点が、溶接線から
ずれることが必るが、本発明では、このずれをレーザ検
出器１６ｉ二人る反射された検出レーザで検出して集光
系移！１ｉＩＪ機構１５の移動量を制御している。

すなわちｉ！ｉｌｌ　＃　装置１９は上記検出レーザを
入力して所定の演算を行ない集光系移動機構１５（二信
号を送り集光系移動機構１５（二よって集光系支持部１
２を左右（二動かし、ｍ］妾、苺の位置が検出用レーザ
の集光点の位【准（１米るよう制御する。

以上のように筒体１０を面体回１１云・１羨ｒ１９１３
　ｉ二よ９回転させながら検出用Ｖ−ザが常（二ｆｄ接
線の上）１来るよう（二栄光系移αυ哉（ｎ１５を制御
する操作を尚体回転・講構１３が１回転するまで就ける
と共（二＋１ｉｌＪ岬装置１９は集光系移動歳４ｔ＃　
１５の移動量を記１．αしておく。

以上の操作（二よシ筒体回転イ歳４！Ｊ　１３の回転（
二イヤなう溶接線のずれを集光系移動１幾５購１５のｇ
動（二より常（；修正し、レーザの集光点が常鑞二溶接
線上（１来るよう制御する。

上記の操作によって溶接線の軌跡が１ｏｌＪ御されるの
でパイプが真円（二近ければ、直ち（二溶接作業に移れ
るわけであるが、実際Ｃ二はパイプ（二工作誤差があり
真円でない場合が多いのでパイプの真円度の狂い量（＝
応じ加工時のレーザビームの集光点を変える必要がある
。

このためまず検出用レーザ２の集光部が浴接部四の近傍
域＝来るよう集光系１１の位置を調整すると検出用レー
ザ２は、パイプ内面で反射され、進行方向を逆（二もど
夛ダイクロイツクミ２−３５二より一部反射され、レー
ザ検知器１６（二人るので、この時レーザ検知器１６内
のレンズとスリット（二より検出用レーザの集光点がパ
イプ７の内面（二合っているかどうかを検出し、合って
いない場合（＝はその信号をｆ６制御装置１９（１送る
。制御装置１９は筒体移動機構１４嘔＝指示を出し、集
光レンズ５の位置を鯛かして集光レンズ５からパイプ内
面までの距離を変え、この操作をレーザ検知器１６内で
、検出用レーザの集光点がパイプの内面に合うことが確
認できるまで続ける。

検出用レーザ２の集光点がパイプ内面の一点（二合った
ことを確認すると、制御装置１９の指示（二よって筒体
回転機構１３は筒体１０をノ（イブ内面（１七って回転
させる。

この時パイプ内径寸法の変化がＪ）れば検出用レーザ２
の集光点はパイプ内面からずれるわけＣあるがこのずれ
をレーザ検知器１６　（’検知し筒体回転機構１４（二
より集光レンズ５の位置を動かし集光点がパイプ内面（
二なるよう調整する。

この操作をパイプの内面−周にそって継αし、この時の
面体移動・１幾１イ１４の、Ｉ８動猜とその位置を制御
装置１９（二ｉ己ｔはさせる。

以上の操作（二よりパイプ内径が真円でない場合でもレ
ーザの集光点が盾にパイプ内面Ｃ二合うようなる。

以上の方法によシ、パイプの溶接位置と、ノ（イブの内
径変化（二対応した集光レンズの位置が記憶された後、
検出用レーザ［２の反射ミラー４ｆ：装着している装着
体１８を加工用レーザ８の光路外に移動させ、しかる後
（＝加工用レーザ発振器１７から加工用レーザ８を照射
させ、集光系１１（二よシバイブの溶接部２０（二集光
させ、同時（−筒体ｉｏを筒体回転機４８１３により回
転させ加工用レーザをパイプ７の円周方向に回転させ、
筒体９を筒体移動機構１４シニよシバイブの長手方向（
二移動させ、集光系移動機構１５もパイプの長手方向に
移動させながら連続的（＝溶接を行なう。

この時、集光系移動機構］５および筒体移動機構１４は
前記の検出用レーザによって記憶された情報（二基すい
てパイプ７の溶接線とパイプの寸法のずれを自動的に修
正する。

以上の方法（二よシ加工用レーザの集光点は常に溶接線
の上（１来るので良好な溶接が可能となる。

なお制御装置１９は、以上述べたごとく集光系移動機構
１５．筒体移ａ機！１４．筒体回転機構１３のみならず
検出用レーザ２の照射と停止、加工用レーザ光８の照射
と停止、装着体１８の移動および加工時（二おける加工
条件のフィードバックも行なう。

一般に検出用レーザ（例えばＨｅ−Ｎｅレーザ）と〃１
１工用レーザ（例えばＣＯ□レーザ）では波長が異なる
ので、同−集光系で集光した場合には、その集光点が異
なるが、本発明では、この差を加工用レーザ光照射前（
二、筒体移動機構１４（二よシ調整できるよう制ｄ装置
１９（二あらかじめプログラムしておく。

なお上記実施例は円形パイプの場合について説明したが
、１所面が（４円形や多角形のパイプ（二ついても同様
に適用することができる。

本発明に用いしＪする副ＩＩＩＩＩ装置１９の４ｎ成を
弗２図（１示ず。

ずなわち１ｂ１ｊ御装置１９はメモリ２１、ＣＰ［Ｊ２
２、タイマ２３および入出カポ−）２４で構成さＪｔだ
マイクロコンピュータ４０と、パルス発生器ＰＧＩ〜Ｐ
Ｇ３　からの出力パルスを計数するカウンタ２５〜２７
と、マイクロコンピュータ４０の出力するディジタル値
をアナログ値（二変換するＤ／Ａ変挨器あ〜３１と、こ
のアナログ値で果先系移動機槁１５のアクチュエータｆ
Ｖｆ□（例えばモータ）を駆動する集光糸駆ｔｈｉＪ器
３２、尚体移動機蓉１４のアクチュエータＭ２を駆動す
る筒体移動駆動器お、筒体回転機構１３のアクチュエー
タｈを駆動する筒体回転駆動器３４および装着体１８の
アクチュエータ籠を駆動する装着体移動駆動器３５と、
レーザ光検知器１６の出力するアナログ信号をディジタ
ル信号に変換するＡ／Ｄ変換器３６で構成されて−る。

第３図は、レーザ、検知器１６の検出器として開用した
太陽電池の出力特性であシ、筒体移！、ＩＩＩ機・溝１
４（二よシ検出用レーザの焦点がパイプ内面（二合った
時太陽電池の出力値はＡＦ以上となシ、パイプ内面から
の反射光が無くなるとＡｗ以下になることを示している
。

また第４図は、集光系移ｍ機構１５によシ検出用レーザ
が溶接部肋を通過したときの太陽凰池の出力変化を示し
ておシ、切欠１１１ｉｉｉ　’Ｗの一端（二おける出力
は焦点が合った時の出力ＡＰの約３Ａｔ二なることを示
している。゛ このよう（二構成したレーザ溶接用制御装置の帥作を第
５図および第６図のフローチャートを参照して説明する
。

先ず検出指令が第２図の如くマイクロコンピュータ４０
の入出力ボート２／１の入力ポート（二人力されると、
メモリ２１域二Ｉ己ｔａされたプログラムｔ″−従って
ＣＰＵ２２は検出用レーザ発振器１に入出カポ−）２４
の出力ボートを介して照射開始信号を出力する。

次（＝、レーザ検知器１６からの太陽゛電池の出力値を
Ａ／Ｄ変換器３６および入出力ボート列を介して読み込
み、検出用レーザ光の焦点がパイプ内面に合うまですな
わち、予じめメモリ２１ｉ二ｉ己１煎したＡＰの値よシ
も反射光の値が大きくなる徒で向［・ド移動指令を入出
力ボート列、Ｄ／Ａ’Ｒ換器２９を弁して筒体移動駆動
器おに出力する。

検出用レーザの焦点がパ１プ内面（二合ったことを太陽
電池の出力値からＣＰＵが刊萌し、次（二集光系移動株
？４１２をＣＰＵの移動指令（二よシ同様（二移動させ
、ｉＧ接都加の切欠端で太陽電池の出力値がＡＦの１直
の半分以下となったら、さらに切欠幅Ｗの％だけ集ツご
系移励機４８１５を移動さぜる。

このとき太陽車油出カイ旺はＡＷ以下でほぼゼロとなシ
検出用レーザ２は溶接部加のほぼ中央シ二位置すること
（二なる。

この位置を集光系移動機構１５と筒体回転機構１３（二
装着したパルス発生器ＰＧＩ　、　ＰＧ３のカウンタ５
゜屏の計数値を入出カポ−）２４を介してメモリ２１の
予じめ定めた箇所（二記憶して、以後１回転するまで筒
体回転ａＷ４１３を駆動し一定回転角度毎（二同様（ニ
カウンタ５，２７のｌ″数値記憶する。

この途中でレーザ検知器１６からの太陽組曲出力値がＡ
ｗ以上となった時は、集光系移ｌ１ｌｉＪ機構１５をＡ
ｗの値が低下する方向に移動させて溶接部２０＋＝検出
用レーザを追従させるよう１ｎｃＰＵが４ａ号を出力す
る。

筒体回転、ｉＡＡｌＢ２１回転したことをカウンタ２７
の計数値からＣＰＵが判断したら、次（二集光系・移動
機構１５を予じめ定めた値だけ移動させ、検出用レーザ
をパイプ内面（二照射させる。

このときの反射光を太陽電池によル検出して焦点が合う
まで出力値が大きくなる方向（二筒体移動機ｍ１４を移
動させる。

このようにして出力値がＡｒ以上となったところで篩体
の移動位置と回転位置をそＡしぞれカウンタ２Ｇ、２７
の計数値を読み込んで記憶し、以後１回転するまで筒体
回転機構１３を駆動し、一定回転角度毎Ｃニカウンタ２
６．２７の計数値を予じめ定めたメモリ２１内の箇所に
記憶する。

なお一定回転向夏ごとに太陽電池の出力値がＡＰ以下に
なっていないかどうかＣＰＵは調べ、もしなっていた場
合はＮ体移動磯Ｉｆ！　１４　＋１反射光がＡｒ以上に
なるよう（二駆動１−号を出力Ｊ−る。

ｒｉ；ｉ本回転ｍ　＋ｊ’ｔ　１３が１回転したことを
カウンタ２７の計数値からＣＰＵが刊〜ｔしたら、検出
用レーザを停止する信号を検出用レーザ発振器１（二出
力する。

このようにして１６１体回転磯４ｆ７１３の一定回転角
度毎の集光系移動機４＋’＋　１５と筒体移動機−ｒｉ
＃　１４の移動位置をメモリ２１に記憶した後、ＣＰＵ
が６接指令を入出力ボート２４を介して受け取ると、第
６図のフローチャート（二示すよう（二装着本１８を移
動さぜる指令を入出力ボート冴ｗ　Ｄ／Ａ７換器３１を
介して装着体移！＃駆動器３５（二出力する。

次（二集光系移動機構１５．筒体移動機’Ｊ　１４　＊
筒体回転＜ｆｆ　４１＃　１３をメモリ２１にノ褪初（
−５己憶した（直（ニカウンタ２５，２６．２７の計数
値が一致するようＣ二それぞれ駆動器３２〜３４（二Ｃ
ＰＵ２２が制御信号を出力する。

このようにして初期位置（二移動が完了したら、集光系
移動機イ薄１５を予じめメモリ２工に記憶している値だ
け移ムのさせて加工用レーザ光の焦点を補正し加工用レ
ーザ発振器１７にレーザ光照射開始信号を出力する。

この後筒体の一定回転毎（ニメモリ２１　（Ｚ記憶した
カウンタ２５，２（３，２７の計数値を、予じめ定めた
タイマ２３（′″−よる一定時間毎（二ＣＰＵ２２が現
在のカウンタ乙〜ａの計数値を読与込んで比収し、それ
ぞ、ｌＬの記憶値との差がゼロになるような駆動指令を
それぞれのｇ動感３２〜３４に出力し、常（二検出した
溶接部加の位置（二加工用レーザ光を照射する。

このようにして筒体が１回転するまで溶接を行ない、カ
ウンタ２７の計数値からＣＰＵは箱体が１回転したこと
金利１０１シ、加工用レーザ発振器１７（二対してレー
ザ停止指令を入出力ポート冴を介して出力すると共に、
装着体１８）二復帰指令を出力し、加工用レーザの発振
を停止させると共（二装厨体１８を初期位置に復帰させ
て溶接を終了する。

なお本実施例では、レーザ検知器１６の、検出器として
太陽電池を使用したが、半導体イメージセンサ（ＣＣＩ
）　：　ｃｈａｒｇｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｄｅｖｉｃｅ
）などｅ−ＩＺ用することも可能である。

また、各移動機４１に装着したパルス発生器ＰＧＩ〜Ｐ
Ｇ３の代シ（＝ポテンショメータを使用しアクチュエー
タｒｖｉ１〜１ＪＩｓの回転角度をアナログ１１１Ｌと
して検出するよう（二しても良い。但しこの場合はカウ
ンタ２！５〜２７の代υ（二Ａ／Ｄ変換器を用いる必要
がある。

〔発明の効果〕

以上説明したよう（二不発１男（二よれば、ｔａｌ　溶
接τ１に小きなり欠をつけることによυｍｊ妥郡の検出
を確実にし、かつ溶接後Ｃ１溶」採ビードのパイプ内へ
のも９上ｐが少ない平たんな溶接部を得ることかで＠浴
接後の後加工が省略でき、特に溶接後のビード面の仕上
げ加工が困−なもの（二は極めて有利である。

（ｂ）　溶接線を検出してこれを溶接時にフィードバッ
クすること（二よシ溶接中に溶接源からのレーザビーム
のずれがないため、溶接品質の高い自動溶接ができる。

（Ｃ）　パイプ内径の変化を検知してこれを溶接時Ｃニ
フィードバックすること（二よりパイプの内径（二変化
があっても、これＣ二対応した溶接条件が設定できるた
め、溶接品質が安定した自動溶接が可能（二なるばかシ
でなく、被溶接材料を溶接前（二加工して寸法精度を出
しておく必要もなくさら（二（１円状を初めとする円形
でないパイプの自動溶接も可能となる。

（ｄｌ　上記の理由（＝よシ従未開先合せ面の精度確保
、−光線のずれ補正、パイプの真円度の狂い等の理由で
目動化が難しかったパイプの自動溶接が高精度で可能に
なる。

（ｅ）パイプを内面から溶接すること（二より、パイプ
の溶接品質上液も重要なバイブ内面側の溶接品質が安定
する。

など多くの利点をもつ金属パイプのレーザ溶接方法およ
びその装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は本発
明（二用いられる制御装置の構成を示す系統図、第３図
は本発明のレーザ検出器（二用いられる太陽電池の出力
特性を示す図、第４図は集光系の移動量と太陽電池の出
力との関係を示す図、第５図は本発明（＝おける検出用
レーザの１ｕｌＪ　ｎ　ｄｔ作全示すフローチャート、
第６図は同じく加工用レーザの１０す１即動作を示すフ
ローチャートである。 １　検出用レーザ発振器 ２　検出用レーザビーム ３　ダイクロイックミラー ４．６　反射ミラー ５　集光レンズ ７　金属パイプ ８　加工用レーザビーム ９　レンズ支持用筒体 １０　反射ミツ−支持用筒体 １１　集光系 １２　集光系支持部 １３　筒体回転機構 １４　筒体移動機構 １５　集光系移動機構 １６　レーザ検知器 １７　加工用レーザ発振器 １８　検出用ミラー装着体 １９　制ｉｊｌ装置 加　溶接部 ４０　マイクロコンピュータ （８７３３）　代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほか
１名：第１図 第　３　図 第　４　図 象ｉ、匙浸妨 第　５　図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属パイプの内部でレーザビームの集光系を回転
   させながら金属パイプの内面の切欠（−沿って加工用レ
   ーザを照射して溶接するレーザ溶接方法において、上記
   レーザビームの集光系Ｃ二先ず検出用レーザを投射して
   金属パイプの内径の変化や切欠位置のずれなど（二対応
   する集光系の適正な調整位置を回転位置Ｃ二対して検出
   記憶し、次（二集光系を回転位置（二対して上記記憶さ
   れた調整位置（二制御しながら加工用レーザを金属パイ
   プの内面の切欠（二投射することを特徴とするレーザ溶
   接方法。
2. （２）検出用レーザと加工用レーザとの波長の差（：応
   じて上記記憶された集光系の調整位置を補正するよう４
   ニした特許請求の範囲第１項記載のレーザ溶接方法。
3. （３）金属パイプの内部でレーザビームの集光系を回転
   させながら金属パイプの内面の切欠に沿うて加工用レー
   ザを照射しで溶接するレーザ溶接装置Ｃ二おいて、上記
   集光系に検出用レーザを投射する検出用レーザ発県器と
   、金属パイプの内面で反射された検出用レーザを検出す
   るレーザ検知器と、検出用レーザを検出動作時（二上記
   集光系（二結合する光学系と、上記集光系の回転位置（
   二対応する上記レーザ検知器の出力（二よって集光系の
   位置、焦点距離を適正に調整して記憶すると共（−１加
   工用Ｖ−ザを投射して実際（二溶接する時、集光系の回
   転（二対応して上記５Ｃ憶された適正な位置および焦点
   距離に集光系の調整位置を制御する制御装置を備えたこ
   とを特徴とするレーザ溶接装置。