JP2007326134A - レーザ突合せ溶接における溶接可否およびルートギャップ適否判定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ突合せ溶接をインプロセスモニタリングして、ルートギャップを正確に推定し、ルートギャップの適否および溶接の可否を判定して、溶接不良の発生を未然に防止する。
【解決手段】レーザヘッド２に照射レーザの溶融部６からの反射光および熱放射光の強度を検出するセンサ７,５を設け、突合せ溶接中に溶融部からの反射光または熱放射光の強度の経時変化をモニタし、ルートギャップの適否を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ突合せ溶接において溶接可否およびルートギャップ適否を判定する方法およびそのための装置に関する。

突合せレーザ溶接、とりわけレーザマイクロ溶接におけるルートギャップは、レーザビームのスポット径より小さいμｍのオーダーなので、適正値に設定することが難しく、また、このルートギャップにレーザビームを照射するレーザヘッドを位置合わせするのも難しいため、溶接結果を左右する重要な因子となる。従来、ルートギャップの計測は、レーザ照射前に溶接すべき開先を撮影し、撮影した画像を処理して行われている。例えば、照明をルートギャップに当て、ルートギャップを通過した光を画像計測し、画像処理によってルートギャップを計測する方法や、試料全体に照明を当て、ルートギャップを含む試料表面を画像計測し、その後処理によってルートギャップを計測する方法などがある。
突合せ開先がＩ型の場合は、上記方法でルートギャップに垂直に照明光を当てて、画像処理により計測したルートギャップは、実際のルートギャップと一致するが、上面にＲがあるＩ開先など開先形状が異なる場合や、照明が垂直でない場合は、計測したルートギャップが、実際のルートギャップに一致せず、計測誤差が生じる。さらに、加工用レーザや溶接時の粉塵が、ルートギャップ計測のための精密機器を傷つけ、計測誤差を生じる場合もある。後者の場合、加工点とは別の場所にルートギャップ検査ポイントを設けて、検査を行うことになるが、そうすると検査コストの増大や生産タクトの低減をもたらし、生産性が低下する。

計測誤差が生じると、照射されるレーザビームの最大パワー密度部分である中心が、ルートギャップ中心からにずれ、接合が不完全になって、溶接割れや溶接欠陥が発生する。このような溶接割れや溶接欠陥は、本発明の突合せレーザ溶接の主たる対象である薄板の精密接合を必要とする電気・電子部品等においては、致命的となる。
なぜなら、一般に、レーザ溶接の初期設備投資コストは他の接合機よりも1桁以上高いため、高速な生産タクトが要求される。従って、電気・電子部品の製造ラインでは、例えば、レーザビームを出射するレーザヘッドを静止させ、突合せＩ開先をもつ被溶接部材を高速で間欠的に送りつつ、レーザによって突合せ溶接することを繰り返してシーム溶接継手を得ており、加工効率向上のため被溶接部材の送りが高速なので、始動時に一旦レーザヘッドとルートギャップの位置合わせが行われると、その後位置調整なしで突合せシーム溶接が続行される。そして、レーザヘッドによる溶接回数は、例えば年間数億ショットと膨大であるから、毎週位置調整を行うとしても、ルートギャップの計測誤差によって始動時の位置合わせがずれると、膨大な不良品が出ることになる。特に溶接後に幾つもの他の加工工程があれば、それらの加工工程が全く無駄になり、多大な損失をもたらすうえ、不良品が市場に出回ってしまうと、回収のために更に多大な費用がかかることになる。

また、ルートギャップが広いため溶融池が下降して溶着材料表面が陥没する溶接不良所謂アンダーフィルが発生すると、再度フィラーを入れて溶接する必要があり、その場合も生産タクトが大幅に低下する。

ところで、本発明者らは、近年、レーザスポット溶接における穴欠陥の防止または修復方法に係る新規手法を提案した(特許文献１,非特許文献１)。この手法は、アルミニウム合金薄板のパルスレーザによる重ね溶接において、レーザ照射中の溶融部からの反射光や熱放射光を計測し、それらの情報に基づいてプロセス状態を判断して、レーザパワーと照射時間を制御し、インプロセスで穴あきを補修して、常時良好な接合部を得るものである。
しかしながら、ルートギャップをもつ突合せ開先をパルスレーザで溶接する際の溶接プロセスやルートギャップと溶接不良の関係などを開示する研究文献や特許文献は、皆無であり、溶接不良による製品歩留まりと生産性の低下が避けられないのが現状である。
特開2005-246434 Y. Kawahito and S. Katayama: "In-process monitoring and adaptive control for stable production of sound welds in laser micro-spot lap welding of aluminum alloy", J. Laser Applications, Vol.17, No.1, (2005), pp. 30-37

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み創案されたものであり、その目的は、従来の計測誤差を受けやすい撮影・画像処理による方法に代えて、ルートギャップを、レーザ突合せ溶接時にレーザが当たっている溶融部からのレーザの反射光または熱放射光の強度に基づいて正確に推定できる手法を確立し、この手法によってルートギャップの適否および溶接の可否を判定して、溶接不良を未然に排除することである。

発明者らは、レーザ突合せ溶接の溶接現象をインプロセスモニタリングする種々の実験・研究を鋭意重ねた結果、溶融部でルートギャップが埋まるメカニズムを解明し、本発明を導き出すに至った。
即ち、本発明のレーザ突合せ溶接における判定方法は、所定のルートギャップをもつ材料に、このルートギャップより大きいビーム径をもつレーザを、レーザビームの最大パワー密度部分を上記ルートギャップに位置させて照射して突合せ溶接する過程において、溶融部からの照射レーザの反射光または溶融部からの熱放射光の強度を計測し、計測した光強度の経時変化を、同一材料からなる試料について予め求められた基準データと比較して、溶接の可否およびルートギャップの適否を判定することを特徴とする。

発明者らの実験・研究によって、ルートギャップのあるレーザ突合せ溶接では、溶融部からの照射レーザの反射光または溶融部からの熱放射光の強度の経時変化により、ルートギャップが正確に推定できることが明らかになった。
即ち、溶融部がルートギャップを埋めるまでは、照射レーザはルートギャップを通り抜け、ルートギャップ周辺部からの散乱光が主に計測されるから、反射光の強度は小さい。しかし、溶融部がルートギャップを埋めると、照射レーザは溶融部の表面で総て反射され、反射光の強度はそれまでの略一定値(閾値)を超えて急増する。溶接開始からルートギャップが埋まって反射光の強度が急増する時点までの時間とルートギャップの間には比例関係がある。一方、溶融部からの熱放射光は、ルートギャップが埋まるまでは、レーザビームの周辺部で加熱され分離状態で溶融した部分から出るので、強度が弱く、ルートギャップが埋まると、溶融部が最大パワー密度のレーザビーム中心で加熱・昇温されるので、熱放射光の強度は、一定値(微係数閾値)を超えて急増する。溶接開始からルートギャップが埋まって熱放射光の強度が急増する時点までの時間とルートギャップの間にも比例関係がある。本発明の判定方法では、計測した光強度の経時変化を比較するため、被溶接材料と同じ試料について予め求めた上記比例関係を基準データとして備えている。従って、溶融部からの照射レーザの反射光または熱放射光の強度の経時変化から上記時点までの時間を読み取れば、ルートギャップが適正で接合できていると判定でき、ルートギャップが正確に推定できる一方、溶接を続けても閾値を超える反射光の急増および熱放射光の急増がなければ、ルートギャップが不適正(過大)で接合できず、溶接不可能と判定できる。

本発明の一実施形態は、上記基準データが、所定の試料についてルートギャップを変化させて所定波形のレーザで溶接を行い、溶融部が上記ルートギャップを埋めた時点で、照射レーザの反射光の強度がそれを超えて増加する閾値あるいは照射レーザの反射光または熱放射光の強度の時間微係数がそれを超えて増加する微係数閾値と、溶接開始から上記時点までの経過時間と、ルートギャップ値と、上記所定波形の組からなるデータテーブルであることを特徴とする。
この実施形態では、計測している反射光または熱放射光の強度またはその時間微係数が、同じ試料を同じレーザ波形で溶接して予め求めたデータテーブルの閾値または微係数閾値を超えた時点までの経過時間から、データテーブルを照合して対応するルートギャップを求めることができる。

本発明の一実施形態は、上記試料に照射するレーザの波形が、溶融部がルートギャップを埋めるに足る低いピーク出力と所定のレーザ照射持続時間を有することを特徴とする。
本発明の基礎となる実験・研究において、上記比例関係は、ルートギャップが溶融部で埋まるという条件下で、レーザのピーク出力(パワー)が低い場合に明瞭かつ顕著であることが明らかになった。従って、この実施形態によれば、ルートギャップを正確かつ確実に推定することができる。

本発明の一実施形態は、上記データテーブルに載ったルートギャップをもつ材料を上記データテーブルに載った波形のパルスレーザで溶接し、上記経過時間を過ぎる前に、計測する光強度が上記閾値を超えあるいは計測する光強度の時間微係数が上記微係数閾値を超えたとき、溶接可能またはルートギャップ適正と判定して溶接を続行する一方、上記経過時間が過ぎても、計測する光強度が上記閾値を超えずあるいは計測する光強度の時間微係数が上記微係数閾値を超えないとき、溶接不可能またはルートギャップ不適と判定して溶接を停止することを特徴とする。
この実施形態では、溶接可能またはルートギャップ適正と判定した場合、溶接を続行し、溶接不可能またはルートギャップ不適と判定した場合、溶接を停止するので、溶接不良を未然に防止でき、適正なルートギャップとレーザヘッド位置に調整し直して、製品歩留まりを向上させることができる。

本発明の一実施形態は、上記材料に照射するレーザの波形が、照射初期にピーク出力が低く、溶接可能またはルートギャップ適正と判定したとき、ピーク出力が上昇することを特徴とする。
この実施形態では、照射初期にレーザのピーク出力が低いから、試料に低いピーク出力のレーザを照射して求めたデータテーブルを有効に利用して、正確かつ確実にルートギャップを推定でき、ルートギャップが溶融部で埋まった後、ピーク出力を上げて溶接するので、溶込み深さを深くできるとともに、ルートギャップが広い場合に溶融池の下降で発生しやすいアンダーフィルなどの溶接欠陥をなくすことができる。

本発明の突合せシーム溶接方法は、所定のルートギャップをもつ材料にパルスレーザを照射することを、照射点を変更して繰り返して突合せシーム溶接する場合、本発明のレーザ突合せにおける判定方法によって溶接可能またはルートギャップ適正と判定した後、シーム溶接方向に対して照射点を逆方向に戻してレーザを照射する工程を含むことを特徴とする。
本発明の基礎となる実験・研究において、進行方向を変えない突合せ(スポット)シーム溶接では、ルートギャップは、進行方向側で減少し、逆側で増加することが明らかになった。そこで、本発明の判定方法によって確実に接合ができること、つまり溶接が可能またはルートギャップが適正であることを判定してから、シーム溶接方向に対して照射点を逆方向に戻してレーザを照射する工程を入れることによって、溶接方向と逆側のルートギャップも減少できることを見出した。このシーム溶接方法によれば、より良好な突合せシーム溶接継手を歩留まり良く得ることができる。

本発明の溶接可否およびルートギャップ適否の判定装置は、レーザ照射中に溶融部からの照射レーザの反射光および溶融部からの熱放射光の少なくとも何れかの強度を計測するモニタ部と、このモニタ部からの計測信号の経時変化を、同じ被溶接材料について予め求められ、格納された基準データと比較して、溶接の可否およびルートギャップの適否を判定し、溶接可能またはルートギャップ適正と判定したとき、設定パルス波形を維持または変更する信号を出力し、溶接不可能またはルートギャップ不適と判断したとき、溶接を停止させる信号を出力する制御部と、この制御部からの出力信号によって動作が制御されるレーザ発振器を備えたことを特徴とする。
本発明の判定装置では、モニタ部が、レーザ照射中に溶融部からの照射レーザの反射光および溶融部からの熱放射光の少なくとも何れかの強度を計測し、制御部が、上記モニタ部からの計測信号の経時変化を、同じ被溶接材料について予め求められ、格納された基準データと比較して、溶接の可否およびルートギャップの適否を判定し、溶接可能またはルートギャップ適正と判定したとき、設定レーザ波形を維持または変更する信号を出力し、溶接不可能またはルートギャップ不適と判断したとき、溶接を停止させる信号を出力する。レーザ発振器は、上記制御部からの出力信号によって動作が制御され、溶接可能またはルートギャップ適正なときは、維持または変更される波形でレーザを照射し続け、そうでないときは、レーザ照射を止めて溶接を停止する。従って、この判定装置によれば、溶接が停止することで、溶接不良を未然に防止でき、作業者が適正なルートギャップとレーザヘッド位置に調整し直すことで、溶接不良による多大な損失、検査コストの増大、および生産タクトの低下を防いで、製品歩留まりを向上させることができる。

以下、本発明を図示の実施形態により詳細に説明する。
図１は、本発明のレーザ突合せ溶接のルートギャップ適否判定方法の基礎研究に用いられ、本発明の判定方法のための装置でもあるレーザ突合せ溶接装置の概略図である。図１において、１は波長1.064μｍのパルスレーザを発生するレーザ発振器としての適応制御型ＹＡＧパルスレーザ発生装置(以下、レーザ発生装置と略称する)、２はこのレーザ発生装置１から光ファイバ３を経て送られてくるレーザを金属材料の突合せ継手４に照射するレーザヘッド、５はレーザヘッド２の頂部に設けられ、レーザ照射中に溶融部６からの波長1.3μｍの熱放射光を捉える熱放射光センサ、７はレーザヘッド２の側部に設けられ、レーザ照射中に溶融部６からの照射レーザの波長1.064μｍの反射光を捉える反射光センサ、１０は信号線８,９を経て夫々入力される熱放射光センサ５,反射光センサ７の計測信号の経時変化を、同じ被溶接材料について予め求められ、格納された基準データと比較して、溶接の可否およびルートギャップの適否を判定し、溶接可能またはルートギャップ適正と判定したとき、設定パルス波形を維持または変更する信号を出力し、溶接不可能またはルートギャップ不適と判断したとき、溶接を停止させる信号を出力する制御部としてのコンピュータである。なお、熱放射光センサ５と反射光センサ７が、光強度を１パルス期間に亘って計測するモニタ部を構成している。

上記レーザ発生装置１は、５０Ｗの平均出力を有し、コンピュータ１０からの指令信号によって、パルスレーザのピーク出力を５kＷ以下の範囲において0.1ms間隔で制御できる。
上記レーザヘッド２は、ダイクロイックミラー１１を介して光ファイバ３からのレーザを出射する一方、ダイクロイックミラー１２を介して照射レーザの反射光を反射光センサ７に導き、反射光を選択的に減衰させるノッチフィルタ１３と干渉フィルタ１４を介してｎＷオーダの微弱な熱放射光を熱放射光センサ５に導いている。反射光センサ７の検出信号は、計測器で計測し、スポット径500μｍで熱放射光センサ５によって捉えられた熱放射光の検出信号は、遮断周波数100kＨz,増幅率6.8×10⁵のプリアンプで増幅して計測した。
また、レーザ照射中の溶接現象を解析すべく、突合せ継手４の表面状態を高速撮影した。左斜め上のＨe-Ｎeレーザ発振器１５から溶融部６に高速撮影用の背光を照射し、表面状態を右斜め上の高速カメラ１６により毎秒9000コマで撮影した。なお、レーザが照射される溶融部６には、図示しないボンベから、シールドガスとしてアルゴンが所定流量で供給される。

まず、Ｉ型開先のルートギャップと突合せパルスレーザ溶接結果の関係を解明すべく、１対のチタン板からなる突合せ継手４に、表１に示す溶接条件でパルスレーザを照射して溶接を行った。なお、１対のチタン板は、両端に厚さ0.03mmの銅箔を１または複数枚挟んで人為的にルートギャップを作り、ルートギャップが押し縮められないように巻き付けた接着テープでｘ,ｙテーブル上に固定し、上記ルートギャップを実測するとともに、高速カメラ１６の画像を観察しつつ、ｘ,ｙテーブルを移動させてルートギャップの中心を定位置にあるレーザヘッド２の中心に位置合わせした。

図２Ａは、ピーク出力P_kが0.4kW,パルス持続時間W_kが15ms,ルートギャップが98μmの溶接条件での溶接中の各時点(ms)における溶融部表面の撮影画像を、図２Ｂにピーク出力P_kが1.6kW,パルス持続時間W_kが2ms,ルートギャップが98μmの溶接条件での同様の撮影画像を夫々示している。また、溶融部の撮影画像の右側上,下に、溶接後の溶接部表面,溶接部断面の写真を示している。
ピーク出力0.4kWにおいては、レーザ照射開始後、ルートギャップの両側のチタン板が熱せられて溶融し、レーザ照射を続けると、溶融部の体積が徐々に拡大した。溶融部の体積がルートギャップを埋めるに足る量に達すると、両側の融液が接合することで突合せ溶接が完了した。ピーク出力が1.6kWにおいては、レーザ開始直後、ルートギャップの両側のチタン板が熱せられ溶融し、その直後に、溶融した融液がルートギャップに流れ落ち、レーザの焦点位置よりも低い所で融液同士が接合することで、突合せ溶接が完了した。

図３は、表１の溶接条件における代表的な溶接前の開先平面および溶接後の接合部平面と断面の形状を、２つのルートギャップについて示している。また、各ピーク出力における接合部表面の突合せ方向の直径とルートギャップの関係を図４に、溶接前と溶接後のルートギャップの関係を図５に、溶込み深さとルートギャップの関係を図６に、アンダーフィルの深さとルートギャップの関係を図７に夫々示している。
図３の中段および図４を見ると、接合部の形状は円形であったが、ルートギャップが広がるにつれて、直径は減少している。これは、レーザ出力が強いほど、融液がルートギャップに流れ落ちてしまうため、表面の溶融部の面積が小さくなってしまうからである。また、図５に示すように、溶接後にルートギャップが減少することが分かった。これは、ルートギャップの両側の融液が接合し、レーザ照射終了後に冷却されて凝固する際、両側のチタン板を引っ張ることによって、ルートギャップが減少するからである。
図３の下段および図６を見ると、溶込み深さは、ルートギャップが広がるにつれて深くなっている。また、レーザ出力が強いほどその傾向が顕著である。これは、融液がルートギャップに流れ落ちるためであり、出力が強いほど流れ落ちる融液の量が増えるからである。但し、融液がルートギャップに流れ落ちるため、図７に示すように、アンダーフィルも生じることが分かった。アンダーフィルは、ルートギャップが広がるにつれて増加し、レーザ出力が強いほどその傾向が顕著になる。一方、図３の下段に見られるように、ルートギャップが広がるにつれて、ポロシティが減少していることが分かる。これは、レーザ照射終了後、キーホールが崩壊する過程においてルートギャップのあるおかげで、キーホール下部にも空間があるため、ポロシティが接合部の下から抜けるからであると考えられる。
以上より、ルートギャップのある突合せ溶接で表１の溶接条件下においては、ルートギャップは接合後に減少する。但し、ルートギャップがあるため、表面の溶融部は減少し、溶込み深さは深くなるが、アンダーフィルが生じる一方、ポロシティは減少することが明らかになった。

次に、上述のルートギャップがある突合せ溶接中の溶接現象を解明すべく、インプロセスモニタリングを行った。このインプロセスモニタリングにおけるレーザパルスの出力、溶融部からの照射レーザの反射光の強度、溶融部からの熱放射光の強度の測定結果および高速カメラ１６による溶融部の撮影画像の一例を、図８および図９に示す。
図８の溶接条件は、表１のうちのピーク出力P_k=0.4kW,パルス持続時間W_k=15ms,レーザ焦点合致,レーザスポット直径150μm,Arガス流量40リッター/min,ルートギャップ98μmであり、図８の上段のグラフは、横軸にレーザ照射開始からの時間を、縦軸に実測されたレーザ出力および反射光と熱放射光の強度を異なる単位([kW],[mW],[×5μW])を用いて共通の目盛で夫々プロットしている。中段の図は溶融部の撮影画像、下段の図は断面のマクロ写真を夫々示している。なお、マクロ写真は、別の試料に同じ条件で突合せ溶接を行い、写真に示す各照射時間でレーザ照射を停止し、溶融部をビードに垂直に切断してマクロ腐食した写真である。図９の溶接条件は、ピーク出力P_k=1.6kW,パルス持続時間W_k=2ms,ルートギャップが106μmである点のみが図８の溶接条件と異なる。

図８から次のことが分かる。レーザ照射開始からルートギャップの両側の融解したチタン部材が接合する5msまでの間、熱放射光強度は時間に比例して増加し、反射光強度は低い値で一定となっている。レーザ照射開始から5msで融解したチタン部材が接合した後は、熱放射光強度および反射光強度は急増している。その後、熱放射光は、時間の経過につれて増減を繰り返しながら徐々に増加した。これは、接合前は、反射光については、一部レーザ光がルートギャップを通り抜け、熱放射光では、ルートギャップの周辺部に当たっているレーザ光で加熱されて、溶融池が増加した結果と考えられる。5msでは、ルートギャップを跨ぐ溶融池が形成され、反射光も強く戻り、熱放射光は急激に増加し、その後は、ルートギャップがない場合と同様な傾向を示した。これは、レーザ光の通り抜けがなくなった結果、反射レーザ光の吸収も大幅に増加したことが原因であると考えられる。このように、熱放射光および反射光は、溶融池の有無により強度が大きく変化するので、ルートギャップをもつ突合せ溶接の場合、接合できたか否かの判定手段として有効であると考えられる。また、断面の観察から、接合前にレーザ照射を停止すると、融解した融液は冷却されて元の形状に戻り、接合後は、溶込み深さが顕著に深くなることはないことが夫々確認された。
図９から次のことが分かる。接合時の前後における熱放射光強度および反射光強度の変化は、ピーク出力0.4kWで溶接を行った図８の場合のように顕著ではない。これは、ピーク出力が1.6kWと高いので、多量の融液が振動を起こしたり、ルートギャップへ流れ落ちて接合したりするため、その影響が熱放射光および反射光の強度に現れたからと考えられる。
以上より、ルートギャップのある突合せ溶接では、パルスレーザのピーク出力が低い場合、熱放射光および反射光をモニタリングすることで接合が行えたかどうかを検出できる可能性があることが明らかになった。

さらに、熱放射光強度および反射光強度の急激な変化が、ルートギャップのある突合せ溶接において接合が行われた時間に起っているか否かを調査した。パルスレーザのピーク出力を３つに変化させ、ルートギャップを５つに変化させた溶接のインプロセスモニタリングで得られた図９の中段の如き高速カメラの撮影画像に基づき、レーザ照射開始から接合により溶融池が形成された時点までの時間とルートギャップの関係を、縦軸に時間,横軸にルートギャップをプロットして図１０に示す。図１０から、ルートギャップが広いほど、また、レーザのピーク出力P_kが低いほど接合に時間がかかっていることが分かる。ピーク出力が0.4kWの場合に、熱放射光強度が急増した、つまり熱放射光強度の時間微係数が閾値6mW/sを超えた時間とルートギャップの関係を図１１に、反射光強度が閾値0.08mWを超えて増加した時間とルートギャップの関係を図１２に夫々示す。図１０,１１,１２を見比べると、接合が生じた時間と熱放射光強度および反射光強度に急激な変化の起きた時間は、略同じであることが分かる。
以上から、熱放射光強度および反射光強度は、ルートギャップのある突合せ溶接で接合が生じて溶融池が形成されると、急激に変化することが明らかになった。

そこで、ルートギャップのある突合せ溶接のモニタリングで接合が生じたか否かの判定基準およびルートギャップの推定基準として、図１２に示される比例関係から、パルスレーザのピーク出力が低い場合(0.4kW)の反射光強度が所定の閾値(0.08mW)を超える時間、あるいは図１１に示される比例関係から、熱放射光強度の時間微係数が所定の微係数閾値(6mW/s)を超える時間を選んだ。
なお、熱放射光強度は、図１１でルートギャップ54μmに相当する箇所にプロット点がないことから分かるように、ルートギャップが小さくなると、時間微係数の顕著な閾値が認められず、判定基準および推定基準にならない。これは、図１３から明らかである。図１３は、ピーク出力0.4kWのパルスレーザによるルートギャップが54μm, 98μmの突合せ溶接のモニタリングで接合が生じる時点付近での0.04ms毎の熱放射光強度の増分を夫々左側,右側に示している。撮影画像から、接合は、ルートギャップが54μmの場合は1.44msで、98μmの場合は4.81msで夫々生じている。ルートギャップ大きい右側の図では、接合が生じた時点で熱放射光強度の時間勾配が急増しているが、ルートギャップ小さい左側の図では、熱放射光強度の時間勾配に顕著な変化が見受けられない。

以上のインプロセスモニタリングの結果に基づき、本発明の判定装置を兼ねる図１に示すレーザ突合せ溶接装置の制御部であるのコンピュータ１０には、照射レーザの溶融部からの反射光の強度がそれを超えて増加する所定の閾値または溶融部からの熱放射光の強度がそれを超えた増加率で増加する所定の微係数閾値と溶接開始から超える時点までの経過時間の図１２または図１１で示されるような関係と、その溶接条件,ルートギャップ値,パルスレーザの波形(ピーク出力,パルス持続時間)との組からなるデータテーブルが基準データとして予め格納されている。
コンピュータ１０は、レーザ発生装置１で発生され、レーザヘッド２から出射されるパルスレーザによって溶接が行われる際、作業者が入力する溶接条件に対応するルートギャップ-経過時間のデータテーブルを基準データから選択し、モニタ部である熱放射光センサ５および反射光センサ７からの検出信号の経時変化を、選択したデータテーブルと比較して、経時変化する反射光強度がデータテーブルの経過時間を過ぎる前に所定閾値を超えあるいは熱放射光強度の時間微係数がデータテーブルの経過時間以前に所定微係数閾値を超えたとき、溶接可能またはルートギャップ適正と判定して、その溶接条件で溶接を続行させる一方、経時変化する光強度がデータテーブルの経過時間以降も、所定閾値を超えずあるいは光強度の時間微係数が所定微係数閾値を超えないとき、溶接不可能またはルートギャップ不適と判定して、溶接を停止させる。
上記レーザ突合せ溶接装置のコンピュータ１０によれば、溶接が停止することで、ルートギャップまたはビーム位置合わせ不適に起因する溶接不良を未然に防止でき、作業者が適正なルートギャップとレーザヘッド位置に調整し直すことで、溶接不良による多大な損失、検査コストの増大、および生産タクトの低下を防いで、製品歩留まりを向上させることができる。

本発明のルートギャップ適否判定方法の一実施形態として、アンダーフィル低減のための適応制御法を次に述べる。
先の実施形態において図６で述べたように、パルスレーザのピーク出力が高い場合、融液がルートギャップに流れ落ちてアンダーフィルが発生する一方、ピーク出力が低い場合、アンダーフィルは低減されるものの、十分な溶込み深さを得ることができない。そこで、この実施形態では、レーザ照射開始直後はピーク出力の低いレーザで照射を行い、溶融部が接合した後にピーク出力を増加させて、深い溶込みを得る。これは、接合で溶融池ができると、高いピーク出力でも、融液がルートギャップに流れ落ちないからである。なお、接合が生じたか否かは、先の実施形態と同様、照射レーザの溶融部からの反射光をモニタリングして判定する。
適応制御法のフローチャートおよびその際の反射光強度とレーザ出力の経時変化を、図１４Ａおよび図１４Ｂに夫々示す。適応制御が始まると、コンピュータ１０は、熱放射光センサ５および反射光センサ７からの検出信号の0.15msごとのモニタリングを開始し、図１２ＡのステップＳ１で、レーザのピーク出力を0.4kWと低い値に設定し、ステップＳ２で、反射光強度が0.08mWを超えたか否かにより接合が生じたか否かを判断する。ステップＳ２で否と判断すれば、ステップＳ１に戻ってピーク出力を0.4kWに維持する一方、肯と判断すれば、ステップＳ４に進んで、接合が生じたのでピーク出力を1.6kWに上昇させる。そして、ステップＳ４で、熱放射光強度が1.7μWを超えたか否かでアンダーフィルが抑えられ、かつ十分な溶込み深さが得られるほど溶融池が安定化したか否かを判断し、否と判断すれば、ピーク出力を1.6kWに維持する一方、肯と判断すれば、レーザ照射を停止させ、適応制御を終了する。

上記アンダーフィル防止の適応制御法を用いて、ルートギャップを60μm, 78μm, 84μm, 95μm, 106μmと変化させた５つのチタン製突合せ継手をレーザ溶接した。そのうちのルートギャップが95μmの継手の突合せ溶接におけるレーザ出力，反射光強度と熱放射光強度の経時変化および溶融部の高速カメラによる撮影画像を、図８と同様の図１５の上段のグラフおよび下段の写真に夫々示す。但し、グラフの縦軸は、実測されたレーザ出力および反射光と熱放射光の強度を異なる単位([kW],[×0.1mW],[×2μW])を用いて共通の目盛でプロットしている。溶接条件は、材料がチタンの継手、熱源が焦点を合致させたスポット直径150μmのパルスレーザ、雰囲気がArガス流量40リッター/minであった。
図１５を見ると、初期のピーク出力0.4kWでのレーザ照射中は、ルートギャップの両側のチタン部材が熱せられて溶融した。その間，熱放射光強度は、時間に比例して上昇し、反射光強度は、0.04mW程度で一定であった。レーザ照射開始から5.4ms経過すると、融液同士が接合し、熱放射光強度および反射光強度が急増した。そして、反射光強度が0.08mWを超えたことを判定して、ピーク出力を1.6kWに増加した。ピーク出力を増加しても、融液は流れ落ちず、溶接を続けることができた。最後に、レーザ照射開始から7.0ms後に熱放射光強度が1.7μWを越えたので、レーザ照射を終了した。

突合せ溶接終了後の溶接部の表面および断面の状態を、図１６に示す。各写真の下の数値は、溶接前の継手のルートギャップである。図１６から、ルートギャップが106μmであれば，適応制御を用いることで，アンダーフィルを低減し、かつ、深い溶込みを得ることができることが分かった。溶接後に実測した溶融部表面直径,溶込み深さおよびアンダーフィルとルートギャップの関係を、夫々図１７,図１８,図１９に示す。各図には、比較のために、レーザピーク出力1.6kW，照射時間2msでの突合せ溶接で得られた値も適応制御なしの点としてプロットしている。図１７から、適応制御を用いた場合の溶融部表面直径は、適応制御を用いなかった場合に比して、ルートギャップが大きくなっても減少せず、略一定値に安定していることが分かる。図１８から、溶込み深さは、適応制御の有無による差はなく、ルートギャップが大きくなると深くなる傾向にあることが分かる。図１９から、適応制御を用いた場合のアンダーフィルは、適応制御を用いなかった場合に比してかなり減少し、溶接部の表面の陥没が抑えられることが分かる。但し、ルートギャップが大きくなると増加する傾向は認められる。
以上より、この実施形態の適応制御は、ルートギャップをもつ突合せ溶接においてアンダーフィルを低減し、溶融部表面直径を安定化する効果があることが明らかになった。
本発明の判定装置を兼ねる図１のレーザ突合せ溶接装置の制御部であるコンピュータ１０には、被溶接材料の板厚,ルートギャップを含む溶接条件に対応して予め求められたレーザの初期および増加後のピーク出力が既述のデータテーブルに基準データとして格納されている。そして、作業者によってアンダーフィル低減の適応制御が選択されると、溶接条件に対応するピーク出力をデータテーブルから読み出して上記適応制御を行う。従って、図１のレーザ突合せ溶接装置を用いれば、アンダーフィルを低減し、溶融部表面直径を安定化することができる。

本発明のルートギャップ適否判定方法の他の実施形態として、この判定方法を用いた突合せシーム溶接について次に述べる。
先の実施形態は、被溶接材料とレーザヘッドを相対移動させずにパルスレーザを被溶接材料の１点に照射するものであるが、この照射点を変更して溶接部が繋がるように溶接を繰り返す突合せシーム溶接も、電気・電子部品の製造分野では多用されている。そこで、基礎研究として、ルートギャップをもつ突合せシーム溶接を行い、溶接後のルートギャップの変化を調査した。突合せシーム溶接は、ルートギャップが0.101mmの純チタン材に対して、ピーク出力1.6kWで持続時間2msのパルスレーザを照射し、照射位置を0.34mmずつずらして10回照射を繰り返して行った。また，同様の条件で先の実施形態で述べた適応制御を用いたシーム溶接を行った。
適用制御を用いない場合および用いた場合の溶接後のシームの表面と断面の状態を、図２０Ａおよび図２０Ｂの上下の写真に夫々示す。なお、表面状態の写真の左右は、継手の左,右端のルートギャップを示している。レーザ照射の順番は、写真に向かって左から右である。

レーザ照射の順番と溶融部表面直径，溶込み深さおよびアンダーフィルの関係を、適応制御を用いた場合と用いない場合の両方について、レーザ照射の順番を横軸にプロットして図２１,図２２,図２３に夫々示す。なお、アンダーフィルは、母材表面を基準として下がった場合を正、上がった場合を負の値としてプロットした。
図２１の溶融部表面直径は、適応制御を用いない場合は、最初のレーザ照射による溶融部の直径が小さくなったが、照射が繰り返されるにつれて増加し、安定化している。一方、適応制御を用いた場合は、適応制御を用いない場合に比して最初のレーザ照射による溶融部から変動が少なく安定化している。この傾向は、適応制御を用いない最初の３回のレーザ照射においては顕著であるが、４回目以降からは適応制御を用いた場合と略同じ直径となった。
図２２の溶込み深さは、適応制御を用いた場合も用いない場合も、レーザ照射が繰り返されるにつれて減少している。
図２３のアンダーフィルは、適応制御を用いない場合、１回目の照射で深くなったが、レーザ照射が繰り返されるにつれて浅くなり、安定化した。適応制御を用いた場合は、１回目の照射で浅かったが、２回目以降では適応制御を用いない場合とあまり差はなかった。このことから、レーザ照射が繰り返されるにつれ、溶融状態が変化していくと考えられる。図２０Ａ,Ｂの突合せ溶接後の試料の両端の写真を見ると、両端のルートギャップは、照射位置移動方向である右端のルートギャップが減少し、反対側の左端のルートギャップが増加している。これは、最初の実施形態で、ルートギャップが溶接後に減少すると述べたように、レーザ照射を繰り返し行うと、図２４に示すように、照射位置移動方向のルートギャップがレーザ照射によって減少し、その分、逆方向のルートギャップが増加するからであると考えられる。従って、レーザ照射を繰り返すほどルートギャップが減少し、融液がルートギャップに流れ落ちなくなるので、溶融部直径が安定し、アンダーフィルが浅くなり、溶込み深さが浅くなるのである。
以上より、ルートギャップをもつ突合せシーム溶接を行うと、照射位置移動方向のルートギャップが減少し、アンダーフィルが浅くなることが明らかになった。

上述の基礎研究で、ルートギャップは、突合せ溶接を繰り返すと進行方向で減少するが、逆方向で増加するという欠点があることが分かった。そこで、この実施形態では、ルートギャップが増加しないような突合せシーム溶接方法について述べる。この実施形態では、レーザ照射位置を内側から外側に広がるように移動させる。即ち、図２５に示すように、レーザを右方向に順に２回照射した後、３回目は１回目の照射点の左側に照射する。これにより、左側のルートギャップが減少することが期待される。次に、４回目は逆に２回目の照射点の右側に照射し、５回目は３回目の照射点の左側に照射するというように順次照射していく。アンダーフィル低減のための既述の適応制御法を用いつつ、この順番で0.095mmのルートギャップをもつ突合せ継手のシーム溶接を行った。溶接後のシームの表面および断面の状態を図２６の上下の写真に夫々示す。なお、表面状態の写真の左右は、継手の左,右端のルートギャップを示している。図２６から明らかなように、継手の左,右端のルートギャップを共に減少させることができた。
以上より，ルートギャップをもつ突合せシーム溶接において、レーザ照射の順番を変えることによって、ルートギャップを減少できることが明らかになった。

先の実施形態で、一定方向に突合せシーム溶接を行うと、進行方向とは逆のルートギャップが増加すること、および、ルートギャップの大きい突合せ溶接を行うとポロシティが減少することを述べた。そこで、レーザ照射の順を変化させて、ルートギャップを増加させ、同時にポロシティを減少できるか否かを検討した。例えば、図２７に示すように、左方向に２回レーザ照射を行った後、３回目は１回目の右側にレーザ照射１回分の距離を空けて照射を行い、４回目で３回目の左側に照射する。これにより、右側のルートギャップが増加することが期待される。次に、５回目は３回目の照射点から１回分空けた右側に照射し、６回目は５回目の左側に照射するというように順次照射していく。アンダーフィル低減のための既述の適応制御法を用いつつ、この順番で0.092mmのルートギャップをもつ突合せ継手のシーム溶接を行った。溶接後のシームの表面および断面の状態を図２８の上下の写真に夫々示す。なお、表面状態の写真の左右は、継手の左,右端のルートギャップを示している。図２８の断面写真から、顕著なポロシティの減少は認められなかった。
図２９は、照射レーザの溶融部からの反射光をモニタリングし、レーザ照射開始から反射光強度が急増するまでの時間を、レーザ照射を行った順番にプロットしたグラフである。先の実施形態で、レーザのピーク出力が低い場合、反射光強度が急増するまでの時間はルートギャップに比例することを述べた。また、アンダーフィル低減の適応制御においては，接合が生じたか否かの判定の際、初期に低ピーク出力のレーザで照射を行っている。そのため、図２９のグラフで、反射光強度が急増するまでの時間が長い１,３,５回目のレーザ照射においては、かなりのルートギャップが生じており、それ以外のレーザ照射においては、ルートギャップが非常に狭いということが分かる。つまり、レーザ照射の順番を上述のように変化させてシーム溶接を行っても、ルートギャップを増加させることが困難であったため、図２８の断面写真に見られるようにポロシティの低減は実現できなかったと結論できる。

本発明のレーザ突合せ溶接におけるルートギャップ適否判定方法およびそのための装置は、電子・電気分野における金属製の電子部品や電池パッケージのシーム溶接、およびプラズマテレビや液晶などの大板のガラスを切断する刃の溶接に利用できる。

図１は、本発明の判定方法のための装置であるレーザ突合せ溶接装置の概略図である。 図２Ａは、突合せ溶接中における溶融部表面の撮影画像および溶接後の溶接部の表面および断面の写真である。 図２Ｂは、パルス波形の異なる突合せ溶接中および溶接後の同様の画像および写真である。 図３は、３つのルートギャップをもつ突合せ継手に３種のパルス波形で溶接した際の溶接前の開先平面および溶接後の接合部平面と断面の状態を示す写真である。 図４は、各ピーク出力で溶接した接合部表面直径とルートギャップの関係を示すグラフである。 図５は、各ピーク出力で溶接した溶接前後のルートギャップの関係を示すグラフである。 図６は、各ピーク出力で溶接した接合部の溶け込み深さとルートギャップの関係を示すグラフである。 図７は、各ピーク出力で溶接した接合部のアンダーフィルとルートギャップの関係を示すグラフである。 図８は、ルートギャップをもつ突合せ溶接中のインプロセスモニタリングにおけるレーザパルス出力、溶融部からの照射レーザの反射光の強度、溶融部からの熱放射光の強度の測定結果および高速カメラによる溶融部の撮影画像を示す図である。 図９は、パルス波形の異なる突合せ溶接中のインプロセスモニタリングにおける図７と同様の図である。 図１０は、レーザ照射開始から溶融部が接合するまでの時間とルートギャップの関係を示すグラフである。 図１１は、レーザ照射開始から熱放射光強度の時間微係数が閾値(6mW/s)を超えるまでの時間とルートギャップの関係を示すグラフである。 図１２は、レーザ照射開始から反射光強度が閾値(0.08mW)を超えるまでの時間とルートギャップの関係を示すグラフである。 図１３は、ピーク出力0.4kWのパルスレーザによる２種のルートギャップをもつ突合せ溶接で溶融部の接合が生じる時点付近における0.04msごとの熱放射光強度の増分を示すグラフである。 図１４Ａは、アンダーフィル防止の適応制御法の流れを示すフローチャートである。 図１４Ｂは、この適応制御中の反射光強度とレーザ出力の経時変化を示すグラフである。 図１５は、アンダーフィル防止の適応制御法を用いて所定ルートギャップをもつ突合せ継手をパルスレーザ溶接した際のレーザ出力,反射光強度と熱放射光強度の経時変化を示すグラフおよび溶融部の高速カメラによる撮影画像を示す写真である。 図１６は、５種のルートギャップをもつ突合せ継手をアンダーフィル防止適応制御を用いた所定溶接条件でパルスレーザ溶接した後の溶接部の表面および断面の状態を示す写真である。 図１７は、図１６の試料で実測した溶融部表面直径とルートギャップの関係をアンダーフィル防止適応制御なしの突合せ溶接による比較例と共に示すグラフである。 図１８は、図１６の試料で実測した溶け込み深さとルートギャップの関係をアンダーフィル防止適応制御なしの突合せ溶接による比較例と共に示すグラフである。 図１９は、図１６の試料で実測したアンダーフィルとルートギャップの関係をアンダーフィル防止適応制御なしの突合せ溶接による比較例と共に示すグラフである。 図２０Ａは、アンダーフィル防止適応制御なしで突合せシーム溶接した後のシームの表面および断面の形状を示す写真である。 図２０Ｂは、アンダーフィル防止適応制御を用いて突合せシーム溶接した後の同様の写真である。 図２１は、図２０Ａ,Ｂの試料で実測した溶融部表面直径とレーザ照射の順番の関係を示すグラフである。 図２２は、図２０Ａ,Ｂの試料で実測した溶け込み深さとレーザ照射の順番の関係を示すグラフである。 図２３は、図２０Ａ,Ｂの試料で実測したアンダーフィルとレーザ照射の順番の関係を示すグラフである。 図２４は、レーザ照射位置を一方向に移動して突合せシーム溶接する際のルートギャップの変化を示す概略図である。 図２５は、レーザ照射位置を両方向に移動して突合せシーム溶接する際のルートギャップの変化を示す概略図である。 図２６は、図２５の方法で突合せシーム溶接した後のシームの表面および断面の形状を示す写真である。 図２７は、レーザ照射１回分の距離を空けて照射位置を両方向へ移動して突合せシーム溶接する際のルートギャップの変化を示す概略図である。 図２８は、図２７の方法で突合せシーム溶接した後のシームの表面および断面の形状を示す写真である。 図２９は、レーザ照射開始から反射光強度が急増するまでの時間とレーザ照射の順番の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 適応制御型ＹＡＧパルスレーザ発生装置
２ レーザヘッド
３ 光ファイバ
４ 突合せ継手
５ 熱放射光センサ
６ 溶融部
７ 反射光センサ
１０ コンピュータ
１１,１２ ダイクロイックミラー
１３ ノッチフィルタ
１４ 干渉フィルタ
１５ Ｈe-Ｎeレーザ発振器(背光用)
１６ 高速カメラ

Claims (7)

1. 所定のルートギャップをもつ材料に、このルートギャップより大きいビーム径をもつレーザを、レーザビームの最大パワー密度部分を上記ルートギャップに位置させて
   照射して突合せ溶接する過程において、
   溶融部からの照射レーザの反射光または溶融部からの熱放射光の強度を計測し、計測した光強度の経時変化を、同一材料からなる試料について予め求められた基準データと比較して、溶接の可否およびルートギャップの適否を判定することを特徴とするレーザ突合せ溶接における判定方法。
2. 請求項１に記載の判定方法において、上記基準データは、所定の試料についてルートギャップを変化させて所定波形のレーザで溶接を行い、溶融部が上記ルートギャップを埋めた時点で、照射レーザの反射光の強度がそれを超えて増加する閾値あるいは照射レーザの反射光または熱放射光の強度の時間微係数がそれを超えて増加する微係数閾値と、溶接開始から上記時点までの経過時間と、ルートギャップ値と、上記所定波形の組からなるデータテーブルであることを特徴とする判定方法。
3. 請求項２に記載の判定方法において、上記試料に照射するレーザの波形は、溶融部がルートギャップを埋めるに足る低いピーク出力と所定のレーザ照射持続時間を有することを特徴とする判定方法。
4. 請求項２に記載の判定方法において、上記データテーブルに載ったルートギャップをもつ材料を上記データテーブルに載った波形のレーザで溶接し、上記経過時間を過ぎる前に、計測する光強度が上記閾値を超えあるいは計測する光強度の時間微係数が上記微係数閾値を超えたとき、溶接可能またはルートギャップ適正と判定して溶接を続行する一方、上記経過時間が過ぎても、計測する光強度が上記閾値を超えずあるいは計測する光強度の時間微係数が上記微係数閾値を超えないとき、溶接不可能またはルートギャップ不適と判定して溶接を停止することを特徴とする判定方法。
5. 請求項４に記載の判定方法において、上記材料に照射するレーザの波形は、照射初期にピーク出力が低く、溶接可能またはルートギャップ適正と判定したとき、ピーク出力が上昇することを特徴とする判定方法。
6. 所定のルートギャップをもつ材料にレーザを照射することを、照射点を変更して繰り返して突合せシーム溶接する方法において、請求項４に記載の判定方法によって溶接可能またはルートギャップ適正と判定した後、シーム溶接方向に対して照射点を逆方向に戻してレーザを照射する工程を含むことを特徴とする突合せシーム溶接方法。
7. レーザ突合せ溶接における溶接可否およびルートギャップ適否を判定する装置であって、
   レーザ照射中に溶融部からの照射レーザの反射光および溶融部からの熱放射光の少なくとも何れかの強度を計測するモニタ部と、
   このモニタ部からの計測信号の経時変化を、同じ被溶接材料について予め求められ、格納された基準データと比較して、溶接の可否およびルートギャップの適否を判定し、溶接可能またはルートギャップ適正と判定したとき、設定レーザ波形を維持または変更する信号を出力し、溶接不可能またはルートギャップ不適と判断したとき、溶接を停止させる信号を出力する制御部と、
   この制御部からの出力信号によって動作が制御されるレーザ発振器を備えたことを特徴とする判定装置。