CN111971144B

CN111971144B - 激光焊接方法

Info

Publication number: CN111971144B
Application number: CN201980025353.8A
Authority: CN
Inventors: 樱井通雄; 三岛俊之; 酒井彻; 久保田健太; 浦田健佑
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: JP7126219B2; JPWO2019198441A1; WO2019198441A1; EP3778099A4; US20210023651A1; CN111971144A; EP3778099A1; US11511370B2

Abstract

对测定出的多个测定值进行相对比较，判定测定光(S)相对于激光(L)光轴偏离的光轴偏离方向。并且，在向光轴偏离方向进行激光焊接的情况下，使测定光(S)的照射位置变化为向比激光(L)的光轴中心更靠焊接方向的后方移动。

Description

激光焊接方法

技术领域

本发明涉及激光焊接方法。

背景技术

以往，已知通过直接测定焊接部的熔深，对焊接部的品质进行评价的激光焊接装置(例如，参照专利文献1)。

在专利文献1中，公开了如下结构：将激光和测定光重叠于同轴上并向焊接部的小孔(Keyhole)内部照射，使在小孔的底部反射的测定光经由分束器而入射到光干扰计。这里，在光干扰计中，由于能够对测定光的光路长进行测定，因此能够根据测定的光路长来将小孔的深度确定为焊接部的熔深。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2012-236196号公报

发明内容

-发明要解决的课题-

但是，例如，在分束器由于热量而变形、产生激光与测定光的光轴偏离的情况下，担心不能正确地确定小孔的深度。

具体地，小孔的底部的剖面在焊接方向的前方的部分成为熔入较浅的弯曲形状。这里，在测定光向比激光更靠焊接方向的前方发生了光轴偏离的情况下，测定光不是向小孔的最深部而是向熔入比最深部浅的弯曲部分照射。因此，担心比小孔的实际的最深部浅的深度被测定。

本发明鉴于这种情况而作出，其目的在于，能够高精度地确定焊接部的熔深。

-解决课题的手段-

本公开的方式以通过激光来对焊接部进行焊接的激光焊接方法为对象，采用以下解决手段。

即，第1方式的特征在于，具备：

使所述激光和波长与该激光不同的测定光重叠为同轴并向所述焊接部照射的步骤；

基于所述激光焊接中在所述焊接部反射的所述测定光，测定该焊接部的熔深的步骤；

通过被测定的多个测定值的相对比较，判定所述测定光相对于所述激光发生光轴偏离的光轴偏离方向的步骤；和

在向所述光轴偏离方向进行激光焊接的情况下，使所述测定光的照射位置变化为向比所述激光的光轴中心更靠焊接方向的后方移动的步骤。

在第1方式中，对被测定的多个测定值进行相对比较来判定光轴偏离方向。并且，在向光轴偏离方向进行激光焊接的情况下，使测定光的照射位置向比激光的光轴中心更靠焊接方向的后方移动。

由此，即使在测定光相对于激光光轴偏离的情况下，也能够抑制测定值的偏差，高精度地确定焊接部的熔深。

具体地，在测定光向比激光更靠焊接方向的前方光轴偏离的情况下，不是向焊接部的小孔的最深部，而是向熔入比最深部浅的部分照射测定光，比小孔的实际的最深部浅的深度被测定。

因此，在确认测定光相对于激光向哪个方向发生了光轴偏离，例如判定为向作为焊接方向的前方的方向产生光轴偏离的情况下，在实际的激光焊接作业时，使测定光的照射位置向比激光的光轴中心更靠焊接方向的后方移动来进行激光焊接。

这样，通过使测定光的照射位置适当地变化，能够抑制激光焊接中实际测定的测定值成为比小孔的实际的最深部浅的深度。

第2方式的特征在于，在第1方式中，

在测定所述熔深的步骤中，使所述激光以及所述测定光的照射位置至少在第1方向、与该第1方向相反朝向的第2方向、与该第1方向交叉的第3方向、与该第3方向相反朝向的第4方向移动并进行激光焊接。

在第2方式中，为了确认测定光相对于激光在哪个方向发生光轴偏离，在激光焊接装置的启动时等，使激光以及测定光的照射位置分别向第1方向至第4方向移动并进行激光焊接。

其结果，例如，在判定为在第1方向产生光轴偏离的情况下，在实际的激光焊接作业时，向作为焊接方向的前方的第1方向进行激光焊接之际，使测定光的照射位置向比激光的光轴中心更靠焊接方向的后方移动，从而能够抑制测定值的偏差。

第3方式的特征在于，在第1方式中，

在测定所述熔深的步骤中，使所述激光以及所述测定光的照射位置向一个方向移动，并且按每个规定的移动距离，以该激光的光轴为中心使该测定光的照射位置旋转移动规定角度来进行激光焊接。

在第3方式中，为了确认测定光相对于激光在哪个方向发生光轴偏离，在激光焊接装置的启动时等，使激光以及测定光的照射位置向一个方向移动来进行激光焊接。此时，按每个规定的移动距离，使测定光的照射位置旋转移动规定角度。通过将这样的旋转移动例如以45°或90°单位反复，在任意的角度，测定光的照射位置向焊接方向的前方移动。因此，在激光焊接中，比小孔的实际的最深部浅的深度被测定的情况下，能够判定为在该方向产生光轴偏离。

然后，在向光轴偏离方向进行激光焊接的情况下，使测定光的照射位置向比激光的光轴中心更靠焊接方向的后方移动即可。

第4方式的特征在于，在第1至第3方式之中的任意一个中，

在判定所述光轴偏离的步骤中，对多个测定值和规定的基准值进行比较，将测定出比该基准值小的测定值的方向判定为所述光轴偏离方向。

在第4方式中，将测定出比规定的基准值小的测定值的方向判定为光轴偏离方向。

第5方式的特征在于，在第1至第3方式之中的任意一个中，

在判定所述光轴偏离的步骤中，将多个测定值之中最浅的测定值被测定出的方向判定为所述光轴偏离方向。

在第5方式中，将最浅的测定值被测定出的方向判定为光轴偏离方向。

-发明效果-

通过本公开的方式，能够高精度地确定焊接部的熔深。

附图说明

图1是本实施方式所涉及的激光焊接装置的示意图。

图2是表示激光照射头的结构的示意图。

图3是表示激光、测定光、小孔的位置关系的侧面剖视图。

图4是表示产生了测定光的光轴偏离时的激光、测定光、小孔的位置关系的侧面剖视图。

图5是在未产生光轴偏离的情况和产生光轴偏离的情况下，比较熔深的测定结果的曲线图。

图6是表示测定光相对于激光的光轴偏离的方向与激光以及测定光的前后左右的移动方向的位置关系的图。

图7是对激光照射头的旋转动作进行说明的图。

图8是表示伴随着激光照射头的旋转的测定光的照射位置的变化的图。

图9是表示在激光焊接中使测定光的光轴偏离的方向变化的状态的图。

图10是表示焊接部的熔深的测定动作的流程图。

图11是表示用于对其他的实施方式所涉及的测定光的光轴偏离的方向进行确定的顺序的图。

具体实施方式

以下，基于附图来说明本发明的实施方式。另外，以下的优选的实施方式的说明本质上仅仅是示例，并不意图限制本发明、其应用物或者其用途。

如图1所示，激光焊接装置10具备：输出激光L的激光振荡器11、输出测定光S的光干扰计12、将激光L以及测定光S向焊接对象物30照射的激光照射头20(照射部)、安装有激光照射头20并使激光照射头20移动的机器人18、以及对激光照射头20和机器人18的动作进行控制来进行激光焊接的控制装置16。

激光振荡器11基于来自控制装置16的指令，输出激光L。激光振荡器11与激光照射头20通过光纤19而连接。激光L经由光纤19，从激光振荡器11向激光照射头20传送。

光干扰计12具有：输出波长与激光L不同的测定光S的测定光振荡器13、和对后述的焊接部35的熔深进行测定的测定部14。测定光振荡器13基于来自控制装置16的指令，输出测定光S。光干扰计12与激光照射头20通过光纤19而连接。测定光S经由光纤19，从光干扰计12向激光照射头20传送。

激光照射头20被安装于机器人18的臂前端部分，基于来自控制装置16的指令，将激光L以及测定光S在焊接对象物30成像。

机器人18基于来自控制装置16的指令，使激光照射头20移动到被指定的位置，扫描激光L以及测定光S。

控制装置16与激光振荡器11、光干扰计12、机器人18连接，除了控制激光照射头20的移动速度，还具备对激光L的输出开始、停止、激光L的输出强度等进行控制的功能。详细后述，但控制装置16具有基于由测定部14测定的多个测定值，对焊接部35的熔深进行判定的判定部17。

焊接对象物30具有上下被重叠的上侧金属板31和下侧金属板32。激光焊接装置10通过向上侧金属板31的上表面照射激光L，来将上侧金属板31与下侧金属板32焊接。

这里，在本实施方式所涉及的激光焊接装置10中，能够与激光焊接同时地进行焊接部35的熔深的测定。

具体地，如图2所示，激光照射头20具有：激光L通过的第1准直透镜21以及第1聚焦透镜22、测定光S通过的第2准直透镜23以及第2聚焦透镜24、将激光L与测定光S耦合为同轴的光束的分束器25、第1平行平板26、以及第2平行平板27。

分束器25是二向色镜，被设定使其透射/反射的波长，以使得将来自激光振荡器11的激光L透射，将来自光干扰计12的测定光S反射。

此时，为了由分束器25将激光L与测定光S充分分离，期望将激光L与测定光S的波长差设为100nm以上。

第1平行平板26以及第2平行平板27被连接于未图示的马达，按照来自控制装置16的指令而旋转。

从激光振荡器11输出的激光L通过光纤19而被送至激光照射头20。进入到激光照射头20的激光L通过第1准直透镜21而被平行化，通过第1聚焦透镜22而被聚光。通过第1聚焦透镜22而被聚光的激光L透射分束器25。

另一方面，从光干扰计12输出的测定光S通过光纤19而被送至激光照射头20。进入到激光照射头20的测定光S通过第2准直透镜23而被平行化，通过第2聚焦透镜24而被聚光。然后，测定光S通过分束器25，与激光L被重叠于同心/同轴上。

另外，第2聚焦透镜24也具有使从焊接部35反射的测定光S经由分束器25，再次入射至光干扰计12的功能。

并且，重叠于同轴的激光L和测定光S通过由控制装置16控制的第1平行平板26以及第2平行平板27，从而激光L以及测定光S的照射位置(焦距)被决定，向焊接对象物30的焊接部35照射激光L以及测定光。

此时，激光照射头20通过使第1平行平板26以及第2平行平板27旋转，能够使其旋转为、旋转移动为激光L和测定光S成为圆轨道。换句话说，第1平行平板26以及第2平行平板27构成能够变更激光L以及测定光S的照射位置的照射位置变化部。

此外，通过机器人18，使激光照射头20移动，从而能够在焊接对象物30中的焊接区域使激光L以及测定光S的照射位置移动。

如图3所示，在激光焊接装置10中，在对具有上侧金属板31和下侧金属板32的焊接对象物30的焊接部35进行焊接时，从焊接对象物30的上方向上侧金属板31的上表面照射激光L。

激光L所照射的焊接部35从其上部熔融并在焊接部35形成熔池36。在焊接部35熔融时，熔融金属从熔池36蒸发，由于在蒸发时产生的蒸气的压力导致形成小孔37。这里，将熔池36和小孔37一并作为焊接部35处理。在熔池36的焊接方向的后方，熔池36凝固从而形成凝固部38。

此时，从光干扰计12出射的测定光S通过分束器25，与来自激光振荡器11的激光L重叠于同心/同轴上，向小孔37的内部照射。被照射的测定光S在小孔37的底部37a反射，经由分束器25，入射至光干扰计12。

入射至光干扰计12的测定光S的光路长通过测定部14而测定。在测定部14中，根据测定的光路长，将小孔37的深度确定为焊接部35的熔深。在激光焊接装置10中，基于确定的熔深，判断焊接部35的优劣。

通过以上的结构，激光焊接装置10能够同时进行熔深测定功能和激光焊接功能。

此外，例如，可能分束器25由于热量而变形、产生激光L与测定光S的光轴偏离。并且，在产生激光L与测定光S的光轴偏离的情况下，光干扰计12可能将小孔37的深度测定为比实际的深度浅，不能高精度地测定熔深。

具体地，小孔37是在焊接部35熔融的金属蒸发、由于蒸发时的蒸气的压力而形成的。形成的小孔37的形状根据激光L的照射时间、熔池36的状态而变化。

这里，激光照射头20的移动速度(焊接速度)越快，小孔37的焊接方向的前方的内壁部越表现出向小孔37的后方弯曲的形状的趋势。因此，为了减少小孔37的底部37a的弯曲部分的曲率，优选适当地设定激光焊接速度。

但是，即使适当地设定激光焊接速度，也难以使小孔37的开口直径与底部37a的孔径大致相等，在小孔37的焊接方向的前方的内壁部，产生熔入较浅的弯曲形状。

因此，如图4的假想线所示，在测定光S相对于激光L向焊接方向的前方光轴偏离的情况下，小孔37的底部37a的位置与测定光S的光斑的中心的位置不一致，可能产生测定光S未照射至底部37a的状态。

在测定光S未照射至底部37a的状态、例如测定光S相对于激光L向焊接方向的前方光轴偏离从而测定光S向小孔37的前侧的内壁部照射的状态下，将测定光S反射的位置设为底部37a的位置，光干扰计12对小孔37的深度进行测定。

换句话说，如果测定光S未照射至底部37a，则光干扰计12将小孔37的深度测定为比实际的深度浅。在图4所示的例子中，测定比小孔37的实际的深度Dmin浅的深度D。这样，根据比实际的深度浅地测定的小孔37的深度，不能高精度地进行焊接部35的检查。

以下，说明在未产生光轴偏离的情况和产生光轴偏离的情况下，焊接部35的熔深、即小孔37的深度的测定值如何变化。

在图4所示的例子中，设为：上侧金属板31的板厚是1mm，下侧金属板32的板厚是4.3mm，测定光S的光轴比激光L的光轴向焊接方向的前方偏离100μm。

图5是作为距焊接对象物30的表面或者作为基准的假想面的、焊接部35的熔深，测定小孔37的深度时的曲线图。如图5所示，在使其向产生光轴偏离的方向移动并测定熔深的情况下，小孔37的深度的测定值在3mm附近推移。与此相对地，在未产生光轴偏离的情况下，小孔37的深度的测定值在4mm附近推移。

另外，测定值变浅是由于测定光S相对于激光L向焊接方向的前方光轴偏离的情况，因此例如在测定光S向激光L的焊接方向的后方、左右方向光轴偏离的情况下，小孔37的深度的测定值在4mm附近推移。

因此，在本实施方式中，为了确认测定光S相对于激光L向哪个方向光轴偏离，在激光焊接装置10的启动时等，使激光L以及测定光S的照射位置分别向前后左右方向移动并进行激光焊接。

如图6所示，激光焊接装置10相对于焊接对象物30，从第1方向向第4方向的4个方向移动并照射激光L以及测定光S，对焊接对象物30进行焊接。以下，以第1方向是前方、第2方向是后方、第3方向是左方、第4方向是右方来进行说明。此外，在图6所示的例子中，测定光S相对于激光L向前方光轴偏离100μm。

激光焊接装置10沿着图6中心线所示的四边形状的焊接路径进行激光焊接。具体地，首先，将图6的左下角部的位置作为基点，使激光L以及测定光S前进并进行激光焊接。在到达图6的左上角部之后，同样地使激光L以及测定光S右进、后进、左进并进行激光焊接。

由此，使激光L以及测定光S的照射位置向前后左右的4个方向移动并进行激光焊接，针对各个方向，测定焊接部35的熔深。

并且，在判定部17中，通过将激光焊接中测定的多个测定值与规定的基准值比较，对测定光S的光轴偏离的方向进行判定。这里，规定的基准值例如是表示根据激光L的输出、焊接速度而预先决定的熔深的值，换言之，是预先通过实验等而求取的、作为与激光L的输出、焊接速度相应的熔深的小孔37的深度的值，并作为表格而存储于判定部17。

在本实施方式中，由于小孔37的最深部的深度是4mm，因此将基准值设为4mm，或者考虑测定值的偏差例如将基准值设定为3.8mm左右。

在图6所示的例子中，在使激光L以及测定光S前进并进行激光焊接的情况下，测定值在3mm附近推移，变得比基准值小。另一方面，在使激光L以及测定光S右进、后进、左进并进行激光焊接的情况下，测定值在4mm附近推移，没有比基准值小。

这样，即使在激光焊接装置10的启动时等，不知道测定光S相对于激光L的光轴偏离的方向的情况下，通过对测定的多个测定值与基准值进行比较，能够将测定出比基准值小的测定值的方向判定为测定光S相对于激光L发生了光轴偏离的光轴偏离方向。

并且，在进行了这样的光轴偏离方向的判定之后，在实际开始激光焊接的情况下，使激光照射头20旋转，调整测定光S的照射位置。

具体地，如图7所示，激光照射头20经由托架28，相对于机器人18的臂可旋转地安装。在机器人18的臂安装驱动马达29。

在托架28的下部安装激光照射头20。在托架28的上部安装驱动马达29的旋转轴。驱动马达29的旋转轴与激光照射头20的光轴被配置为同轴。

因此，若使驱动马达29旋转，则激光照射头20经由托架28旋转。在图7所示的例子中，使激光照射头20在顺时针方向按90°进行旋转。此时，如图8所示，测定光S的照射位置以激光L的光轴为中心，在顺时针方向按90°进行旋转移动。

以下，说明沿着图9中心线所示的四边形状的焊接路径，实际进行激光焊接的情况。在图9所示的例子中，在左下角部的位置P1的近前，测定光S的照射位置向焊接方向的前方光轴偏离。

因此，在使激光L以及测定光S从左下角部的位置P1向左上角部P2前进并进行激光焊接之前，使激光照射头20顺时针地旋转180°，从而使测定光S的照射位置向焊接方向的后方(图9中比激光L的光轴中心更靠后方)移动。然后，使激光L以及测定光S前进并进行激光焊接。

接下来，在使激光L以及测定光S从左上角部的位置P2向右上角部的位置P3右进并进行激光焊接之前，使激光照射头20顺时针地旋转90°。具体而言，在到达左上角部的位置P2之前，使激光照射头20顺时针地旋转90°。由此，使测定光S的照射位置向焊接方向的后方(图9中比激光L的光轴中心更靠左方)移动。然后，使激光L以及测定光S右进并进行激光焊接。

接下来，使激光L以及测定光S从右上角部的位置P3向右下角部的位置P4后进并进行激光焊接之前，使激光照射头20顺时针地旋转90°。具体而言，在到达右上角部的位置P3之前，使激光照射头20顺时针地旋转90°。由此，使测定光S的照射位置向焊接方向的后方(图9中比激光L的光轴中心更靠前方)移动。然后，使激光L以及测定光S后进并进行激光焊接。

接下来，在使激光L以及测定光S从右下角部的位置P4向左下角部的位置P1左进并进行激光焊接之前，使激光照射头20顺时针地旋转90°。具体而言，在到达右下角部的位置P4之前，使激光照射头20顺时针地旋转90°。由此，使测定光S的照射位置向焊接方向的后方(图9中比激光L的光轴中心更靠右方)移动。然后，使激光L以及测定光S左进并进行激光焊接。

由此，测定光S的照射位置在前进、右进、后进、左进的任意中，都位于焊接方向的后方。

以下，使用图10的流程图来说明焊接部35的熔深的测定动作。如图10所示，首先，在步骤S101中，在激光照射头20中使激光L和测定光S重叠为同轴并向焊接部35照射，进入到步骤S102。

在步骤S102中，使激光L以及测定光S的照射位置向前方移动，并基于在焊接部35反射的测定光S来测定焊接部35的熔深，进入到步骤S103。

在步骤S103中，使激光L以及测定光S的照射位置向右方移动，并基于在焊接部35反射的测定光S来测定焊接部35的熔深，进入到步骤S104。

在步骤S104中，使激光L以及测定光S的照射位置向后方移动，并基于在焊接部35反射的测定光S来测定焊接部35的熔深，进入到步骤S105。

在步骤S105中，使激光L以及测定光S的照射位置向左方移动，并基于在焊接部35反射的测定光S来测定焊接部35的熔深，进入到步骤S106。

在步骤S106中，在判定部17中判定使其向前后左右的各个方向移动并测定出的多个测定值是否比规定的基准值小。在步骤S106中的判定为“是”的情况下，向步骤S107分支。在步骤S106中的判定为“否”的情况下，向步骤S108分支。

在步骤S107中，将测定出比基准值小的测定值的方向判定为测定光S相对于激光L光轴偏离的光轴偏离方向，进入到步骤S109。

在步骤S108中，判定为未产生光轴偏离，进入到步骤S111。

在步骤S109中，判定是否向光轴偏离方向进行激光焊接。在步骤S109中的判定为“是”的情况下，向步骤S110分支。在步骤S109中的判定为“否”的情况下，向步骤S111分支。

在步骤S110中，使激光照射头20旋转，使测定光S的照射位置向比激光L的光轴中心更靠焊接方向的后方移动，进入到步骤S111。

在步骤S111中，对焊接对象物30的焊接部35进行激光焊接，并进行焊接部35的熔深的测定，结束处理。

由此，即使在测定光S相对于激光L光轴偏离的情况下，也能够抑制测定值的偏差，高精度地确定焊接部35的熔深。

《其他的实施方式》

关于所述实施方式，也可以设为以下的结构。

在本实施方式中，为了判定光轴偏离方向，使激光L以及测定光S的照射位置沿着四边形状的焊接路径移动并进行激光焊接，但并不限定于该形态。例如，也可以使其沿着圆形状或其他的多边形状的焊接路径移动。此外，也可以不使其在前后左右方向连续移动，而是使其在第1方向移动后，向其它的场所移动后再向第2方向或第3方向移动等使其不连续地移动。此外，激光L以及测定光S的照射位置的移动方向可以是顺时针，也可以是逆时针。

此外，如图11所示，也可以使激光L以及测定光S的照射位置向一个方向(图11的例子中为右方)移动，并在其中途，使激光照射头20旋转，从而判定光轴偏离方向。

具体地，使激光L以及测定光S的照射位置向图11中右方移动，并且按照每个规定的移动距离，以激光L的光轴为中心使测定光S的照射位置顺时针地每次旋转移动90°并进行激光焊接。此时，在任意的旋转角度，测定光S的照射位置位于焊接方向的前方(图11所示的例子中，为左端的状态)。

由此，在激光焊接中，在测定出比小孔37的实际的最深部浅的深度的情况下，能够判定为在该方向产生了光轴偏离。另外，在图11所示的例子中，使激光照射头20每次旋转90°，但也可以使其以其他的角度(例如，45°)旋转。

此外，在本实施方式中，对多个测定值与规定的基准值进行比较，将测定出比基准值小的测定值的方向判定为光轴偏离方向，但并不限定于此。例如，也可以将多个测定值之中最浅的测定值被测定的方向判定为光轴偏离方向。

产业上的可利用性

如以上说明那样，本发明可得到能够高精度地确定焊接部的熔深的实用性高的效果，因此非常有用且产业上的可利用性高。

-符号说明-

10 激光焊接装置

14 测定部

17 判定部

20 激光照射头

29 驱动马达

35 焊接部

L 激光

S 测定光。

Claims

1.一种激光焊接方法，通过激光对焊接部进行焊接，所述激光焊接方法具备：

在向所述光轴偏离方向进行激光焊接的情况下，使所述测定光的照射位置变化为向比所述激光的光轴中心更靠焊接方向的后方移动的步骤，

在判定所述光轴偏离的步骤中，对多个测定值与规定的基准值进行比较，将测定出比该基准值小的测定值的方向判定为所述光轴偏离方向。

2.一种激光焊接方法，通过激光对焊接部进行焊接，所述激光焊接方法具备：

3.根据权利要求1或者2所述的激光焊接方法，其中，

在测定所述熔深的步骤中，使所述激光以及所述测定光的照射位置至少向第1方向、与该第1方向相反朝向的第2方向、与该第1方向交叉的第3方向、与该第3方向相反朝向的第4方向移动并进行激光焊接。

4.根据权利要求1或者2所述的激光焊接方法，其中，

在测定所述熔深的步骤中，使所述激光以及所述测定光的照射位置向一个方向移动，并且按每个规定的移动距离，以该激光的光轴为中心而使该测定光的照射位置旋转移动规定角度来进行激光焊接。