JP2016112607A - レーザー溶接装置及びレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶融池の前縁の凹んだ状態を迅速に解消する技術を提供する。【解決手段】レーザー溶接装置１０は、レーザー４で溶かしたワイヤ３を用いて複数の部材同士を接合する。レーザー溶接装置１０は、レーザー４を出力するレーザー発振器１１と、レーザー４によってワイヤ３の先端部分３ａが溶かされることで形成される溶融池５を撮像して画像データを生成する同軸カメラ１３と、画像データを解析することで、溶融池５の、ワイヤ３の先端部分３ａの近傍である、前縁５ａが凹んだ状態であるか判定する判定部３３と、溶融池５の前縁５ａが凹んだ状態であれば、レーザー４の出力を低下させる出力制御部３０と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザー溶接装置及びレーザー溶接方法に関する。

特許文献１は、ホットワイヤTIG溶接法において、溶接中に溶融池を監視カメラで撮影し、その映像に基いて溶接条件の補正等を行う自動溶接装置を開示している。ホットワイヤTIG溶接法とは、TIG溶接法の一種であって、ワイヤに電流（ワイヤ加熱電流）を流すことで、ワイヤの持つ電気抵抗によりワイヤを予めジュール加熱する手法である。

特開２０００−３０１３４０号公報

上記特許文献１では、溶融池の前縁が凹んだ状態になると溶接欠陥が発生するとして、溶融池の前縁が凹んだ状態となったら、ワイヤ加熱電流の設定値を高くしてワイヤの温度を上昇させる。すると、ワイヤは、溶融池に触れるとすぐに溶融するようになるので、溶融池の前縁の凹んだ領域に溶融したワイヤが積極的に充填され、もって、溶融池の前縁の凹んだ状態が解消されるとしている。

しかしながら、ワイヤ加熱電流の設定値を高くしてから実際にワイヤの温度が上昇するまで若干のタイムラグがあるので、溶融池の前縁の凹んだ状態が解消されるまでに時間を要する。溶接欠陥の発生回避の観点から、溶融池の前縁の凹んだ状態を解消するのに要する時間は短い方がよい。

そこで、本発明の目的は、溶融池の前縁の凹んだ状態を迅速に解消する技術を提供することにある。

本願発明の第１の観点によれば、レーザーで溶かしたワイヤを用いて複数の部材同士を接合するレーザー溶接装置であって、前記レーザーを出力するレーザー発振器と、前記レーザーによって前記ワイヤの先端部分が溶かされることで形成される溶融池を撮像して画像データを生成する撮像手段と、前記画像データを解析することで、前記溶融池の、前記ワイヤの先端部分の近傍である、前縁が凹んだ状態であるか判定する判定手段と、前記溶融池の前縁が凹んだ状態であれば、前記レーザーの出力を低下させる出力制御手段と、を備えたレーザー溶接装置が提供される。以上の構成で、前記レーザーの出力が低下すると前記溶融池の表面積が小さくなり、前記溶融池の表面積が小さくなると表面張力によって前記溶融池が一層球形になろうとするので、前記溶融池の前縁の凹んだ状態が解消され、もって、前記溶融池の前縁の凹んだ状態に起因する溶接欠陥を抑制することができる。また、前記レーザーの出力は瞬時に増減できるものであるから、前記溶融池の前縁の凹んだ状態を迅速に解消することができる。
前記判定手段は、前記画像データを解析することで前記溶融池と前記ワイヤが接触しているか判定する。前記レーザー溶接装置は、前記溶融池と前記ワイヤが接触していなければ、前記ワイヤの送給速度を高くする送給制御手段を更に備える。以上の構成によれば、前記溶融池と前記ワイヤが再び接触するので、前記溶融池と前記ワイヤが接触していないことに起因する溶接欠陥を抑制することができる。
前記判定手段は、前記画像データを解析することで前記溶融池と前記ワイヤが接触しているか判定する。前記レーザー溶接装置は、前記溶融池と前記ワイヤが接触していなければ、溶接箇所の移動速度を低下させる移動速度制御手段を更に備える。以上の構成によれば、前記溶融池と前記ワイヤが再び接触するので、前記溶融池と前記ワイヤが接触していないことに起因する溶接欠陥を抑制することができる。
本願発明の第２の観点によれば、レーザーで溶かしたワイヤを用いて複数の部材同士を接合するレーザー溶接方法であって、前記レーザーによって前記ワイヤの先端部分が溶かされることで形成される溶融池を撮像して画像データを生成する撮像ステップと、前記画像データを解析することで、前記溶融池の、前記ワイヤの先端部分の近傍である、前縁が凹んだ状態であるか判定する判定ステップと、前記溶融池の前縁が凹んだ状態であれば、前記レーザーの出力を低下させる出力制御ステップと、を含む、レーザー溶接方法が提供される。以上の方法で、前記レーザーの出力が低下すると前記溶融池の表面積が小さくなり、前記溶融池の表面積が小さくなると表面張力によって前記溶融池が一層球形になろうとするので、前記溶融池の前縁の凹んだ状態が解消され、もって、前記溶融池の前縁の凹んだ状態に起因する溶接欠陥を抑制することができる。また、前記レーザーの出力は瞬時に増減できるものであるから、前記溶融池の前縁の凹んだ状態を迅速に解消することができる。

本発明によれば、前記溶融池の前縁の凹んだ状態を迅速に解消することができる。

レーザー溶接の様子を示す斜視図である。 溶接欠陥を説明するための図である。 レーザー溶接装置の概略図である。 レーザー溶接装置の制御フローである。 溶融池の前縁の凹んだ状態を解消するための制御を説明するためのグラフである。 溶融池とワイヤが接触していない状態を解消するための制御を説明するためのグラフである。

図１には、レーザー溶接の様子を示している。本明細書では、ビード１の一例として重ね隅肉継手を取り上げる。隅肉継手とは、略直交する２つの面を溶接する溶接継手であって、実質的に三角形状の断面を有するものである。重ね隅肉継手とは、２つの母材２を単純に重ねて、一方の母材２の端面２ａを他方の母材２の広い面２ｂに溶接する隅肉継手である。ただし、本願発明の適用範囲は、重ね隅肉継手に限られず、T隅肉継手であってもよいし、他の隅肉継手であってもよい。T隅肉継手とは、一方の母材２の端面２ａを他方の母材２の広い面２ｂに載せ、双方の母材２の広い面２ｂ同士を溶接する隅肉継手である。また、本願発明の適用範囲は、隅肉継手に限られず、フレア継手や突合せ継手であってもよい。

図１に示すように、レーザー溶接は、例えば銅や黄銅であるワイヤ３の先端部分３ａをレーザー４で溶融し、一方の母材２の端面２ａと他方の母材２の広い面２ｂの間にビード１を形成することで行われる。即ち、ワイヤ３の先端部分３ａにレーザー４を照射することでワイヤ３が溶融して溶融池５を形成し、溶融池５が凝固することでビード１が形成される。

以下、図２を参照して、溶接欠陥を説明する。「断面」欄には、ビード１の断面の写真を載せている。「外観」欄には、ビード１の平面視の写真を載せている。「溶融池」欄には、溶融池の平面視の写真を載せている。「イラスト」欄には、溶融池を実線で模式的に描いたイラストを載せている。「溶接欠陥なし」は、溶接欠陥のない健全なビード１を示している。「溶接欠陥あり」は、溶接欠陥のあるビード１を示している。「欠陥A」は、ビード１に内部割れが存在する欠陥である。「欠陥B」は、ビード１に微小な割れが存在する欠陥である。各写真を見て判るように、ビード１の外観だけでは、欠陥Aも欠陥Bも視認することができない。しかしながら、本願発明者らの知見によれば、レーザー溶接中の溶融池５の形状及び溶融池５とワイヤ３との接触の有無を観察すれば、欠陥Aや欠陥Bの発生をレーザー溶接中にある程度予測することができるとしている。即ち、溶融池５の前縁５ａが凹んだ形状となったら、そのときの溶接箇所において、ある程度の確率で欠陥Aが発生するとしている。その理由は、溶融池５の前縁５ａが凹んだ形状となったら、最終凝固部となるビード１の中央の溶融金属が不足するためと考えられる。本願発明者らは、溶融池５の前縁５ａの凹んだ状態を解消するには、溶融池５の体積（≒表面積）に対するワイヤ３の送給速度（以下、ワイヤ送給速度とも称する。）の比率を調整することが効果的だと考える。具体的には、溶融池５の前縁５ａの凹んだ状態を解消するには、溶融池５の体積を減じるか、ワイヤ送給速度を高めるとよいと考えている。なお、溶融池５の前縁５ａとは、溶融池５の溶接進行方向における前縁である。換言すれば、溶融池５の前縁５ａとは、溶融池５の、ワイヤ３の先端部分３ａの近傍である縁である。また、ワイヤ３と溶融池５が離れてしまったら、そのときの溶接箇所において、ある程度の確率で欠陥Bが発生するとしている。その理由は、ワイヤ３と溶融池５が離れてしまうと、ワイヤ３の先端部分３ａが球状となり、瞬間的にワイヤ３の供給が不足するため、表面に微笑な割れが発生するからと考えられる。そこで、本実施形態では、レーザー溶接中の溶融池５の形状及び溶融池５とワイヤ３との接触の有無を観察することで、欠陥A及び欠陥Bの発生を予測し、その対策を講じることとしている。

以下、図３〜図６を参照して、本実施形態のレーザー溶接装置１０について説明する。レーザー溶接装置１０は、レーザー発振器１１と、光学ユニット１２、同軸カメラ１３（撮像手段）、ワイヤ送給ユニット１４、リニアステージ１５、制御部１６を備える。

レーザー発振器１１から出力されたレーザー４は、光学ユニット１２が有するハーフミラー１７で反射して溶融池５に照射される。同軸カメラ１３は、レーザー溶接中の溶融池５及びワイヤ３の先端部分３ａを撮像して画像データを生成する。同軸カメラ１３は、生成した画像データを制御部１６に出力する。ワイヤ送給ユニット１４は、ワイヤ３を所定のワイヤ送給速度で溶融池５に送給する。リニアステージ１５は、溶接箇所を所定の速度で移動させる。以下、溶接箇所の移動速度を溶接速度とも称する。

制御部１６は、図示しない中央演算処理器としてのCPU（Central Processing Unit）と、読み書き自由のRAM（Random Access Memory）、読み出し専用のROM（Read Only Memory）を備えている。そして、CPUがROMに記憶されているレーザー溶接プログラムを読み出して実行することで、レーザー溶接プログラムは、CPUなどのハードウェアを、出力制御部３０（出力制御手段）、送給制御部３１（送給制御手段）、溶接速度制御部３２（移動速度制御手段）、判定部３３（判定手段）として機能させる。

出力制御部３０は、レーザー発振器１１によるレーザーの出力を制御する。

送給制御部３１は、ワイヤ送給ユニット１４によるワイヤ３の送給を制御する。

溶接速度制御部３２は、溶接速度を制御する。

判定部３３は、同軸カメラ１３から受信した画像データを解析することで、溶融池５の前縁５ａが凹んだ状態であるか判定する。また、判定部３３は、同軸カメラ１３から受信した画像データを解析することで、溶融池５とワイヤ３が接触しているか判定する。

そして、図４に示すように、レーザー溶接装置１０は、以下のように動作する。

先ず、同軸カメラ１３が、レーザー溶接中の溶融池５及びワイヤ３の先端部分３ａを撮像して画像データを生成する(S100)。同軸カメラ１３は、生成した画像データを制御部１６に出力する。

次に、判定部３３が、同軸カメラ１３から受信した画像データを画像解析する(S110)。判定部３３は、画像解析の結果に基いて、溶融池５の前縁５ａが凹んだ状態にあるか判定する(S120)。溶融池５の前縁５ａが凹んだ状態にあると判定部３３が判定したら(S120:YES)、図５に示すように、出力制御部３０がレーザー４の出力を低下させる(S130)。これによれば、溶融池５の表面積が小さくなり、溶融池５の表面積が小さくなると表面張力によって溶融池５が一層球形になろうとするので、溶融池５の前縁５ａの凹んだ状態が解消され、もって、溶融池５の前縁５ａの凹んだ状態に起因する溶接欠陥（欠陥A）を抑制することができる。また、レーザー４の出力を低下させる際には(S130)、図５に示すように、溶接速度制御部３２が溶接速度を同時に低下させる(S140)。即ち、溶接欠陥抑制の観点から言えば溶接速度は低い方が望ましいので、レーザー４の出力を変化させる際には念のため溶接速度を低下させておく(S140)。そして、制御部１６は、処理をS150に進める。

一方、S120で、溶融池５の前縁５ａが凹んだ状態にないと判定部３３が判定したら(S120:NO)、処理をS150に進める。

S150で、判定部３３は、画像解析の結果に基いて、ワイヤ３の先端部分３ａが溶融池５に接触しているか判定する(S150)。ワイヤ３の先端部分３ａが溶融池５に接触していないと判定部３３が判定したら(S150:NO)、送給制御部３１は、図６に示すようにワイヤ送給速度を高くし、又は、溶接速度を低下させ(S160)、処理をS170に進める。これによれば、ワイヤ３の送給が溶接速度に追いつくので、溶融池５とワイヤ３が再び接触し、もって、溶融池５とワイヤ３が接触していないことに起因する溶接欠陥（欠陥B）を抑制することができる。

一方、S150で、ワイヤ３の先端部分３ａが溶融池５に接触していると判定部３３が判定したら(S150:YES)、処理をS170に進める。

S170で、制御部１６は、レーザー溶接が完了したか判定し(S170)、レーザー溶接が完了していなかったら(S170:NO)、処理をS100に戻し、レーザー溶接が完了していたら(S170:YES)、処理を終了する。

以上に、本願発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態は、以下の特長を有する。

（１）レーザー溶接装置１０は、レーザー４で溶かしたワイヤ３を用いて複数の部材同士を接合する。レーザー溶接装置１０は、レーザー４を出力するレーザー発振器１１と、レーザー４によってワイヤ３の先端部分３ａが溶かされることで形成される溶融池５を撮像して画像データを生成する同軸カメラ１３（撮像手段）と、画像データを解析することで、溶融池５の、ワイヤ３の先端部分３ａの近傍である、前縁５ａが凹んだ状態であるか判定する判定部３３（判定手段）と、溶融池５の前縁５ａが凹んだ状態であれば、レーザー４の出力を低下させる出力制御部３０（出力制御手段）と、を備える。以上の構成で、レーザー４の出力が低下すると溶融池５の表面積が小さくなり、溶融池５の表面積が小さくなると表面張力によって溶融池５が一層球形になろうとするので、溶融池５の前縁５ａの凹んだ状態が解消され、もって、溶融池５の前縁５ａの凹んだ状態に起因する溶接欠陥（欠陥A）を抑制することができる。また、レーザー４の出力は瞬時に増減できるものであるから、溶融池５の前縁５ａの凹んだ状態を迅速に解消することができる。

（２）判定部３３は、画像データを解析することで溶融池５とワイヤ３が接触しているか判定する。レーザー溶接装置１０は、溶融池５とワイヤ３が接触していなければ、ワイヤ３の送給速度を高くする送給制御部３１（送給制御手段）を更に備える。以上の構成によれば、溶融池５とワイヤ３が再び接触するので、溶融池５とワイヤ３が接触していないことに起因する溶接欠陥（欠陥B）を抑制することができる。

（３）判定部３３は、画像データを解析することで溶融池５とワイヤ３が接触しているか判定する。レーザー溶接装置１０は、溶融池５とワイヤ３が接触していなければ、溶接速度（溶接箇所の移動速度）を低下させる溶接速度制御部３２（移動速度制御手段）を更に備える。以上の構成によれば、溶融池５とワイヤ３が再び接触するので、溶融池５とワイヤ３が接触していないことに起因する溶接欠陥（欠陥B）を抑制することができる。

（４）また、レーザー４で溶かしたワイヤ３を用いて複数の部材同士を接合するレーザー溶接方法は、レーザー４によってワイヤ３の先端部分３ａが溶かされることで形成される溶融池５を撮像して画像データを生成する撮像ステップ（S100）と、画像データを解析することで、溶融池５の、ワイヤ３の先端部分３ａの近傍である、前縁５ａが凹んだ状態であるか判定する判定ステップ（S120）と、溶融池５の前縁５ａが凹んだ状態であれば、レーザー４の出力を低下させる出力制御ステップ(S130)と、を含む。以上の方法で、レーザー４の出力が低下すると溶融池５の表面積が小さくなり、溶融池５の表面積が小さくなると表面張力によって溶融池５が一層球形になろうとするので、溶融池５の前縁５ａの凹んだ状態が解消され、もって、溶融池５の前縁５ａの凹んだ状態に起因する溶接欠陥（欠陥A）を抑制することができる。また、レーザー４の出力は瞬時に増減できるものであるから、溶融池５の前縁５ａの凹んだ状態を迅速に解消することができる。

１ ビード
２ 母材
３ ワイヤ
３ａ 先端部分
４ レーザー
５ 溶融池
５ａ 前縁
１０ レーザー溶接装置
１１ レーザー発振器
１２ 光学ユニット
１３ 同軸カメラ
１４ ワイヤ送給ユニット
１５ リニアステージ
１６ 制御部
１７ ハーフミラー
３０ 出力制御部
３１ 送給制御部
３２ 溶接速度制御部
３３ 判定部

Claims (4)

1. レーザーで溶かしたワイヤを用いて複数の部材同士を接合するレーザー溶接装置であって、
   前記レーザーを出力するレーザー発振器と、
   前記レーザーによって前記ワイヤの先端部分が溶かされることで形成される溶融池を撮像して画像データを生成する撮像手段と、
   前記画像データを解析することで、前記溶融池の、前記ワイヤの先端部分の近傍である、前縁が凹んだ状態であるか判定する判定手段と、
   前記溶融池の前縁が凹んだ状態であれば、前記レーザーの出力を低下させる出力制御手段と、
   を備えたレーザー溶接装置。
2. 請求項１に記載のレーザー溶接装置であって、
   前記判定手段は、前記画像データを解析することで前記溶融池と前記ワイヤが接触しているか判定し、
   前記溶融池と前記ワイヤが接触していなければ、前記ワイヤの送給速度を高くする送給制御手段を更に備えたレーザー溶接装置。
3. 請求項１に記載のレーザー溶接装置であって、
   前記判定手段は、前記画像データを解析することで前記溶融池と前記ワイヤが接触しているか判定し、
   前記溶融池と前記ワイヤが接触していなければ、溶接箇所の移動速度を低下させる移動速度制御手段を更に備えたレーザー溶接装置。
4. レーザーで溶かしたワイヤを用いて複数の部材同士を接合するレーザー溶接方法であって、
   前記レーザーによって前記ワイヤの先端部分が溶かされることで形成される溶融池を撮像して画像データを生成する撮像ステップと、
   前記画像データを解析することで、前記溶融池の、前記ワイヤの先端部分の近傍である、前縁が凹んだ状態であるか判定する判定ステップと、
   前記溶融池の前縁が凹んだ状態であれば、前記レーザーの出力を低下させる出力制御ステップと、
   を含む、レーザー溶接方法。

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