JP4927659B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、重ね合わせられた複数の被加工物に対しレーザビームを所定時間照射することにより、被加工物上に設定された溶接予定領域に沿ってスポット状の溶接部を順次形成するレーザ溶接方法に関する。

従来のレーザ溶接方法として、溶接中にレーザ照射によって被加工物で発生するプラズマ光をプラズマ光センサで検出し、その溶接部形成位置にギャップ異常による溶接異常が発生しているか否かの判定を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２１０５７５号公報

しかしながら、上述したレーザ溶接方法のように、溶接部形成位置にギャップ異常が有るか否かを溶接部を形成した後に判定する場合には、以下のような問題が生じ得る。すなわち、ギャップ異常が発生している場所にレーザビームを照射した場合、被加工物の溶け込み部がギャップ内へ侵出し、ギャップを更に広げるように作用することが考えられる。そのような現象を放置したまま溶接を続行していくと、新たな溶接部形成位置に進むに従って徐々にギャップ量が拡大していってしまう可能性がある。従って、上述のレーザ溶接方法のように、ギャップ異常の判定を溶接後に行う手法では、接合体の歩留まりを確保することが困難であった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、溶接予定領域に沿ってスポット状の溶接部を順次形成する場合に、接合体の歩留まりを向上させることのできるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るレーザ溶接方法は、重ね合わせられた複数の被加工物に対しレーザビームを所定時間照射することにより、被加工物上に設定された溶接予定領域に沿ってスポット状の溶接部を順次形成するレーザ溶接方法であって、レーザビームの照射開始時刻から照射終了時刻までの間に所定の判定基準時刻を設定し、照射開始時刻から判定基準時刻までの間、レーザビームを被加工物に対して照射すると共に、レーザビームの照射によって被加工物内を伝播した振動を振動検出手段で検出し、判定基準時刻において、振動検出手段から出力された出力値に基づいて算出された判定値と、予め設定した所定の閾値とを比較することによって、被加工物間のギャップ異常の有無を判定する工程を備え、ギャップ異常が無いと判定した場合には、照射終了時刻までレーザビームの照射を継続し、ギャップ異常が有ると判定した場合には、レーザビームの照射を判定基準時刻において中断することを特徴とする。

このようなレーザ溶接方法によれば、レーザビームの照射開始時刻から照射終了時刻までの間に設定された判定基準時刻でギャップ異常の有無の判定を行い、ギャップ異常が有ると判定した場合には、レーザビームの照射を照射終了時刻まで行うことなく判定基準時刻において中断する。従って、溶接部形成位置にギャップ異常が発生している場合であっても、被加工物の溶け込み部がギャップ内へ侵出してしまうことを抑制できる。これによって、溶接予定領域に沿って溶接部を順次形成する場合であっても、被加工物間のギャップが拡大していくことを防止し、接合体の歩留まりを向上させることができる。

また、判定基準時刻は、溶接部を形成する際のレーザビーム照射による溶け込みが、レーザビームの照射側の被加工物の裏面側に達したとき以降の時刻に設定されることが好ましい。本発明者らは、レーザビーム照射による溶け込みが照射側の被加工物の裏面側に達したときを境として、ギャップ異常が有る場合と無い場合とで振動検出手段の出力値に明確な差異が生じることを見出しており、そのような時刻以降に判定基準時刻を設定することによって、ギャップ異常の判定の正確性を向上させることができる。更に、ギャップ異常が有る場合であっても、被加工物の溶け込み部がギャップ内へ侵出し、ギャップを更に広げるように作用してしまう前にギャップの有無を判定することができるため、溶接予定領域に沿って溶接部を順次形成する場合であっても、被加工物間のギャップが拡大していくことを防止し、接合体の歩留まりを向上させることができる。

また、ギャップ異常が有ると判定した場合に、圧力付与手段によって被加工物が互いに押し付けられるように被加工物に圧力を付与しながら、判定基準時刻から照射終了時刻までのレーザビームの照射を継続することが好ましい。この場合、ギャップ異常が発生している溶接部形成位置については、レーザビームの照射を照射終了時刻まで行うことなく判定基準時刻において一旦中断して、圧力付与手段によって被加工物の間のギャップ異常をなくした状態で再びレーザビームを照射することができる。これによって、被加工物間のギャップが広がることを防止し、接合体の歩留まりを向上させることができる。更に、ギャップ異常を検出した時点で速やかに当該ギャップを狭めることができるため、溶接の作業効率を向上させることができる。

また、ギャップ異常が有ると判定した場合に、レーザビームの照射を判定基準時刻において中断し、レーザビームの照射位置を、次の溶接部形成位置へ移動させることが好ましい。この場合、所定の溶接部形成位置にギャップ異常が発生していた場合でも、ギャップ異常をなくす動作のために溶接作業を中断させることなく、次の溶接部形成位置へ移動することができるため、作業性を向上させることができる。更に、ギャップ異常が発生している溶接部形成位置については、レーザビームの照射を判定基準時刻において中断することにより、被加工物の溶け込み部がギャップ内へ侵出してしまうことを抑制しているため、ギャップ異常をなくすための作業を行わなくても、被加工物間のギャップの拡大を抑制することができ、これによって、接合体の歩留まりを確保することができる。

また、ギャップ異常の有無の判定結果を溶接部形成位置と関連付けて情報記憶手段に記憶させる工程を更に備えることが好ましい。この場合、情報記憶手段に記憶されている情報を用いることによって、例えば、一度溶接作業が終了した後に、ギャップ異常が発生している溶接部形成位置を特定し、当該溶接部形成位置にのみ再度レーザビームを照射することができる。更に、そのような溶接部形成位置の数をカウントし、所定の数値よりも上回っていた場合にのみ再度のレーザビームの照射を行うこともできる。更に、接合体についての各溶接部形成位置のギャップ異常の有無の判定結果を保持しておくことによって、その接合体を用いた製品のトレーサビリティを確保することができる。

本発明によれば、溶接予定領域に沿ってスポット状の溶接部を順次形成する場合に、被加工物間のギャップが拡大していくことを防止し、接合体の歩留まりを向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態において、「上」、「下」等の語は、図面に示される状態に基づいており、便宜的なものである。

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接システムを示す概略図である。図１に示すように、レーザ溶接システム１は、例えば鉄道車両構体に用いる外板パネルと骨部材と（以下、これらを「ワーク（被加工物）１０Ａ，１０Ｂ」と称す）をレーザビームにより重ね溶接（以下、単に「レーザ溶接」という）するためシステムとして構築されている。レーザ溶接システム１は、レーザビームを照射してワーク１０Ａ，１０Ｂにスポット状の溶接部を形成するレーザ溶接装置２と、レーザ溶接に関する制御を行う制御装置３と、を備えて構成されている。以下の説明では、ワーク１０Ａ，１０Ｂにおいてレーザ照射方向から見た略中央部分に直線状に設定された溶接予定領域Ｒに沿って順次溶接部Ｗ１〜Ｗｎを形成する場合について例示する。また、ワーク１０Ａ，１０Ｂにおいて、溶接部Ｗ１〜Ｗｎが形成される位置をそれぞれ溶接部形成位置Ｎ１〜Ｎｎとする。

レーザ溶接装置２は、送り装置２１と、レーザビーム照射装置２２と、ガス供給装置２３と、ガイド装置（圧力付与手段）２４とを備えている。これらの装置２１〜２４は、制御装置３に接続されており、制御装置３から出力される動作指示情報に従って、各動作を自動で実行する。

送り装置２１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂへのレーザビームの照射位置を走査させる装置であり、ワーク１０Ａ，１０Ｂを載置可能な可動ステージ２７を有している。この送り装置２１は、制御装置３から走査開始を指示する旨の動作指示情報を受け取ると、可動ステージ２７を溶接予定領域Ｒに沿って走査させる。これにより、可動ステージ２７に載置されたワーク１０Ａ，１０Ｂは、溶接予定領域Ｒに沿って、レーザヘッド２８によるレーザビームの照射位置に対して相対的に移動する。

レーザビーム照射装置２２は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに向けてレーザビームを照射する装置である。レーザビーム照射装置２２は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの上方に配置されたレーザヘッド２８を有している。レーザビーム照射装置２２は、制御装置３から照射開始を指示する動作指示情報を受け取ると、レーザヘッド２８の先端から例えば波長１．０６μｍ、出力約４．０ｋＷのＹＡＧレーザを出射させる。

ガス供給装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに対してアシストガスを供給する装置であり、ワーク１０Ａ，１０Ｂに対して約４５度傾斜するように配置された供給ノズル２９を有している。ガス供給装置２３は、レーザビーム照射装置２２の動作中に制御装置３から供給開始を指示する動作指示情報を受け取ると、所定の供給量でワーク１０Ａ，１０Ｂにおけるレーザビームの照射位置（以下、「加工点」という）にアシストガスを供給する。アシストガスとしては、ワーク１０Ａ，１０Ｂの酸化防止及びスパッタ防止等を目的として、ヘリウムガス又はアルゴンガス等が用いられる。

ガイド装置２４は、ワーク１０Ａへ圧力を付与してワーク１０Ｂに押付けるための装置であり、レーザヘッド２８の側面に取り付けられたガイドローラ支持部３１と、ガイドローラ支持部３１の下端部に装着されたガイドローラ３２を有している。ガイド装置２４は、制御装置３から押付け開始を指示する動作指示情報を受け取ると、ガイドローラ支持部３１を下方へ移動させ、ガイドローラ３２でワーク１０Ａの表面を押圧する。これにより、加工点の近傍において、ワーク１０Ａがワーク１０Ｂに対して押付けられる。

一方、制御装置３は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス、ハードディスクといった情報記憶部、ディスプレイといった表示部等を備えたコンピュータシステムである。この制御装置３には、ＡＥ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）センサ（振動検出手段）２６が接続されている。

このＡＥセンサ２６は、ワーク１０Ａ，１０Ｂに溶接部Ｗ１〜Ｗｎを形成する際に、それらの加工点において、溶融凝固現象に伴い発生する弾性波の振動強度を測定するものである。ワーク１０Ｂには、可動ステージ２７の走査方向の一端部側に、ワーク１０Ａと重ならない領域が形成されており、ＡＥセンサ２６は、その領域の上面側に配置されている。ＡＥセンサ２６は、レーザビーム照射時に、ワーク１０Ａからワーク１０Ｂ内へ伝播した弾性波の振動強度に対応する出力信号を制御装置３における後述のギャップ異常判定部３７に出力する。

この制御装置３は、機能的な構成要素として、レーザビーム照射制御部３３と、移動制御部３４と、付与圧力制御部３６と、ギャップ異常判定部３７と、情報記憶部（情報記憶手段）３８とを有している。レーザビーム照射制御部３３は、溶接時において、照射開始時刻から照射終了時刻に至るまでレーザビームがパルス状に照射されるように、レーザビーム照射装置２２に対して所定の間隔で動作指示情報を出力する。また、レーザビーム照射制御部３３は、１パルス分のレーザビームを照射させている過程で、ギャップ異常判定部３７からワーク１０Ａ，１０Ｂ間にギャップ異常が有る旨の判定結果情報を受け取ったときは、その時点でレーザビーム照射装置２２からのレーザビームの照射を中断させる旨の動作指示情報を出力し、ギャップ異常が無い旨の判定結果情報を受け取ったときは、照射終了時刻までレーザビームの照射を継続させる旨の動作指示情報を出力する。

移動制御部３４は、溶接時において、可動ステージ２７を一定速度で移動させ、レーザヘッド２８から所定の間隔でパルス照射されるレーザビームによりワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに沿って溶接部Ｗ１〜Ｗｎが等間隔で形成されるように、送り装置２１へ動作指令情報を出力する。

付与圧力制御部３６は、ギャップ異常判定部３７から溶接部形成位置Ｎｉにギャップ異常が有る旨の判定結果情報を受け取った場合に、ガイドローラ支持部３１を下方へ移動させる旨の動作指示情報をガイド装置２４へ出力する。なお、ギャップ異常が無い旨の判定結果情報を受け取った場合、ガイド装置２４へは特に動作指示情報は出力しない。

ギャップ異常判定部３７は、ＡＥセンサ２６からの出力値（出力信号）を受け取り、この出力値に基づいてワーク１０Ａ，１０Ｂの間のギャップ異常の有無の判定を行う。具体的には、ギャップ異常判定部３７は、一のスポット溶接部を形成するにあたってのレーザビームの照射開始時刻から予め設定した判定基準時刻までの間のＡＥセンサ２６からの出力値の累積二乗和を、判定基準時刻における判定値として算出する。そして、判定基準時刻において、ギャップ異常判定部３７は、算出した判定値と予め設定した閾値とを比較して、判定値が閾値以上であるときはギャップ異常は無いと判定し、判定値が閾値より下回っているときはギャップ異常が有ると判定する。ギャップ異常判定部３７は、ギャップ異常が有る旨の判定結果情報あるいはギャップ異常が無い旨の判定結果情報を、レーザビーム照射制御部３３及び付与圧力制御部３６へ出力する。なお、設定する判定基準時間と閾値とについての詳細な説明は後述する。

また、ギャップ異常判定部３７は、溶接部形成位置Ｎ１〜Ｎｎにおけるギャップ異常の有無の判定結果テーブルを生成し、情報記憶部３８に出力する。図２は情報記憶部３８に記憶される判定結果テーブルの一例を示す図である。図２に示すように、情報記憶部３８は、溶接部形成位置Ｎｉと、当該溶接部形成位置Ｎｉに形成された溶接部Ｗｉのギャップ異常の判定結果とを関連付けた判定結果テーブルを有している。図２に示す例では、溶接部形成位置「Ｎ１」ではギャップ異常が「有り」、溶接部形成位置「Ｎ２」，「Ｎ３」ではギャップ異常が「無し」、溶接部形成位置「Ｎｎ」ではギャップ異常が「有り」となっている。また、情報記憶部３８には、予め設定した判定基準時刻と閾値とがワーク１０Ａ，１０Ｂの製品番号ごとに格納されている。

次に、上述した構成を有するレーザ溶接システム１の第１の動作形態について、図３を参照しつつ説明する。図３は、レーザ溶接システム１の第１の動作形態を示すフローチャートである。

レーザ溶接システム１では、まず始めに、判定基準時刻設定用のレーザ溶接をワーク１０Ａ，１０Ｂ（以下、「判定基準時刻設定用のワーク１０Ａ，１０Ｂ」と称す）に対して実施し、判定基準時刻を予め設定する。具体的には、以下の動作を実施する。

まず、基準時刻設定用のワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に載置する。続いて、制御装置３から送り装置２１、レーザビーム照射装置２２、及びガス供給装置２３の各装置に動作指示情報を出力し、ワーク送り、レーザ照射、及びアシストガスの供給を開始する。

レーザヘッド２８からは、レーザビームが所定の間隔でパルス照射され、これに併せて、可動ステージ２７が速度約１０ｍ／ｍｉｎで矢印Ａ方向（図１参照）に走査される。これにより、平面形状が略円形となる溶接部Ｗ１〜Ｗｎが、基準時刻設定用のワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接部形成位置Ｎ１〜Ｎｎに所定の間隔で順次形成される（基準時刻設定用レーザ溶接：Ｓ１００）。ここで、レーザビームのパルス幅、すなわち一の溶接部形成位置に対してのレーザビーム照射時間は、溶接部形成位置ごとに異なったものとする。例えば、溶接部形成位置Ｎ１に対してはパルス幅２０ｍｓ、溶接部形成位置Ｎ２に対してはパルス幅４０ｍｓ、溶接部形成位置Ｎ３に対してはパルス幅６０ｍｓ、そして溶接部形成位置Ｎｎに対してはパルス幅ｎ（ｍｓ）というように、溶接部形成位置が一つ進むごとに、そこへ照射するレーザビームのパルス幅を２０ｍｓごと増加させる。これによって、溶接部Ｗ１〜Ｗｎの溶け込みの深さをそれぞれ異なるものとする。

レーザヘッド２８からワーク１０Ａ，１０Ｂに対してレーザビームを照射している間、ＡＥセンサ２６は、ワーク１０Ａにおける加工点及びその近傍で発生してワーク１０Ｂ内を伝播して来た弾性波の振動強度を検出し、その電圧を出力値としてギャップ異常判定部３７へ出力する。ギャップ異常判定部３７は、１パルスあたりのレーザビームの照射開始時刻から所定の時刻までの間の出力値の累積二乗和を算出し、その値を所定の時刻における判定値として取得する。

ここで、図４は、２種類のワーク１０Ａ，１０Ｂに対してパルス幅Ｘｍｓのレーザビームを照射したときの所定時刻における判定値をプロットした線図である。図４の線図の横軸は、レーザビームの照射開始時刻Ｔｓ（＝０ｍｓ）から照射終了時刻Ｔｅ（＝Ｘｍｓ）までの間の所定時刻を示し、縦軸は、所定時刻における判定値を示す。図４に示すように、一方のワーク１０Ａ，１０Ｂについては、グラフＣのように、判定値が略一定の傾きをもって増加していた。これに対して、他方のワーク１０Ａ，１０Ｂでは、グラフＧのように、時刻Ｔ３を境として判定値のグラフの傾きが減少し、所定の時刻における判定値がグラフＣにおける判定値に比べて小さくなっていた。

上述の結果に関して、本発明者らは、鋭意研究を重ねる過程で、グラフＧの時刻Ｔ３での傾きの減少が、ワーク１０Ａ，１０Ｂ間のギャップ量に基づくものであることを見出した。図５は、ギャップ異常が無い場合のスポット溶接部の形成の様子を示す断面図、図６は、ギャップ異常が有る場合のスポット溶接部の形成の様子を示す断面図である。図５及び図６を参照して、ギャップ量と判定値との関係について説明する。

まず、ギャップ異常が無い場合のスポット溶接部の形成について説明する。図５（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４での状態を示す断面図である。図５（ａ），（ｂ）に示すように、時刻Ｔ１，Ｔ２において、溶け込み部Ｍはワーク１０Ｂへ及ぶことなく、ワーク１０Ａ側にのみ形成される。そして、溶け込み部Ｍは、図５（ｃ）に示すように時刻Ｔ３でワーク１０Ａの裏面側に達し、図５（ｄ）に示すように時刻Ｔ４でワーク１０Ｂ側へ進行する。

次に、ギャップ異常が有る場合のスポット溶接部の形成について説明する。図６（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ時刻Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４での状態を示す断面図である。図６（ａ），（ｂ）に示すように、時刻Ｔ１，Ｔ２において、溶け込み部Ｍはワーク１０Ｂへ及ぶことなく、ワーク１０Ａ側にのみ形成される。そして、溶け込み部Ｍは、図６（ｃ）に示すように時刻Ｔ３でワーク１０Ａの裏面側に達する。ここで、ワーク１０Ａ，１０Ｂ間にはギャップが形成されているため、図６（ｄ）に示すように時刻Ｔ４では、ワーク１０Ｂが溶け始める前に、溶け込み部Ｍがワーク１０Ａ，１０Ｂ間のギャップ内に侵出する。

ワーク１０Ａ，１０Ｂ間のギャップ量と、判定値の変化量との関係は、以下の理由をもって説明できる。すなわち、溶け込み部Ｍがワーク１０Ａ内のみを進行しているときは、ギャップ異常が有るか否かに関わらず、レーザビームの照射によって新たに溶解するワークの体積に違いがないので、加工点及びその近傍で発生する弾性波の振動強度にも差がなく、ＡＥセンサ２６の出力値には殆ど差異がない。しかし、溶け込み部Ｍがワーク１０Ａの裏面側まで進行したとき以降では、ギャップ異常が無い場合は、ワーク１０Ａとワーク１０Ｂとが一体となって溶解することとなるため、新たに溶解するワークの体積は略一定の割合をもって増加するが、ギャップ異常が有る場合は、溶け込み部Ｍがギャップ内へ侵出するだけでワーク１０Ｂ側へ溶け込み部Ｍが及ぶことが無いか、及んだとしても少量に留まるため、新たに溶解するワークの体積が、ギャップ異常が無い場合に比べて小さくなる。従って、両者の間では、新たに溶解するワークの体積の違いにより、溶解凝固現象に伴う弾性波の振動強度に差異が生じる。その結果として、ＡＥセンサの出力値に差異が生じることとなる。

以上のことを考慮すると、ギャップ異常の影響により判定値に差異が生じている時刻、すなわちレーザビームの照射を開始してから溶け込み部Ｍがワーク１０Ａの裏面側に達する時刻Ｔ３よりも後の時刻である時刻Ｔ３´を判定基準時刻と設定すれば、ワーク１０Ａ，１０Ｂ間のギャップ異常の有無の判定を行うことが可能であると考えられる。

図３へ戻り、判定基準時刻を設定するにあたり、溶接部Ｗ１〜Ｗｎのうち、ワーク１０Ａの裏面側に僅かに溶接ビードが及んでいるものを選定し、選定された溶接部Ｗｉに対するパルス幅を参照する。そして、そのときの照射終了時刻（図４におけるＴ３）以降の時刻を判定基準時刻Ｔｄ（図４におけるＴ３´）であると決定して、情報記憶部３８へ格納し、判定基準時刻Ｔｄとして設定する（Ｓ１０５）。

判定基準時刻Ｔｄを設定した後、閾値設定用のレーザ溶接をギャップ異常が無いとされるワーク１０Ａ，１０Ｂ（以下、「閾値設定用のワーク１０Ａ，１０Ｂ」と称す）に対して実施し、閾値を設定する。具体的には、レーザビームのパルス幅を所定の幅に設定し、判定基準時刻設定用レーザ溶接と同様にして、溶接部形成位置Ｎ１〜Ｎｎに溶接部Ｗ１〜Ｗｎを順次形成すると共に（閾値設定用レーザ溶接：Ｓ１１０）、ギャップ異常判定部３７によって、溶接部Ｗ１〜Ｗｎのそれぞれについての判定基準時刻Ｔｄにおける判定値を取得する。そして、作業者は、ギャップ異常判定部３７が取得した判定値をモニタなどで参照し、それらの判定値のうち、一定以上の判定値が閾値であると決定し、決定した判定値を情報記憶部３８に格納し、閾値として設定する（Ｓ１１５）。

なお、本実施形態においては、ワーク１０Ａ，１０Ｂとして板厚０．８ｍｍ、１．５ｍｍのＳＵＳ３０４材をそれぞれ用い、レーザビームの出力を４ｋＷとする。このような条件とした場合は、レーザビームの照射を開始してから約１５ｍｓで溶け込み部がワーク１０Ａの裏面側に達するため、判定基準時刻Ｔｄを１５ｍｓと設定することができる。また、このときの閾値を２２５と設定することができる。

閾値を設定した後、判定の対象とするレーザ溶接をワーク１０Ａ，１０Ｂに対して実施する。図７は、判定用のワーク１０Ａ，１０Ｂに照射するレーザビームのパルス波形の一例を示す線図である。なお、レーザビームが照射開始時刻Ｔｓから照射終了時刻Ｔｅに至るまでパルス状に照射されることによって、ワーク１０Ａ，１０Ｂに一つの溶接部Ｗｉが形成される。図７に示すように、レーザビームの照射開始時刻Ｔｓを０ｍｓと設定し、照射終了時刻Ｔｅを６０ｍｓと設定する。そして、ギャップ異常の有無を判定する時刻である判定基準時刻Ｔｄを、情報記憶部３８に格納された値である１５ｍｓに設定する。

まず、上記のレーザ溶接と同様にして、判定用のワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接部形成位置Ｎ１に対してレーザビームを照射する（判定対象レーザ照射）。レーザビームが照射されている間、ＡＥセンサ２６は、溶接中の加工点及びその近傍で発生してワーク１０Ｂ内を伝播して来た弾性波の振動強度を検出し、制御装置３のギャップ異常判定部３７に出力する。

レーザビームの照射時刻が判定基準時刻Ｔｄに達すると、ギャップ異常判定部３７は、照射開始時刻Ｔｓから判定基準時刻ＴｄまでのＡＥセンサ２６からの出力値の累積二乗和を算出することによって、基準判定時刻Ｔｄにおける判定値を取得する（Ｓ１２５）。

続いて、ギャップ異常判定部３７は、算出により取得した判定値と情報記憶部３８から取得した閾値とを比較して溶接部形成位置Ｎ１におけるギャップ異常の有無を判定し、判定結果情報を取得する。具体的には、ギャップ異常判定部３７は、判定値が閾値以上である場合にギャップ異常が無いと判定し、下回っている場合にギャップ異常が有ると判定する（Ｓ１３０）。そして、ギャップ異常判定部３７は、溶接部形成位置Ｎ１における判定結果情報を取得したら、溶接部形成位置Ｎ１にギャップ異常が有るか否かを判定結果テーブルに格納する（Ｓ１３５）。

レーザビーム照射制御部３３及び付与圧力制御手段３６は、上述の判定結果情報をギャップ異常判定部３７から受け取ると共に、その内容を参照する（Ｓ１４０）。そして、ギャップ異常が無い旨の判定がなされていた場合、レーザビーム照射制御部３３は、照射終了時刻Ｔｅまでレーザビーム照射装置２２からのレーザビームの照射を継続させる（Ｓ１４５）。なお、このとき、付与圧力制御部３６は、ガイド装置２４に対しては特に動作指示情報を出力せず、これによって、ガイドローラ３２のワーク１０Ａの表面に対する押圧の圧力は一定に保たれる。

一方、ステップＳ１４０でギャップ異常が有るとの判定がなされていた場合、レーザビーム照射制御部３３は、レーザビーム照射装置２２からのレーザビームの照射を判定基準時刻Ｔｄにおいて中断させる（Ｓ１５０）。その後、付与圧力制御部３６は、ガイドローラ支持部３１を下方へ移動させることによって、ガイドローラ３２でワーク１０Ａの表面を押圧してワーク１０Ａ，１０Ｂ間のギャップを狭める（Ｓ１５５）。このような圧力付与によってギャップ異常を無くした状態で、レーザビーム照射制御部３３は、レーザビーム照射装置２２からのレーザビームの照射を照射終了時刻Ｔｅまで継続させる（Ｓ１４５）。

この後、レーザビーム照射制御部３３は、判定用ワーク１０Ａ，１０Ｂにおいて、レーザ溶接が完了したか否か、すなわち、溶接部Ｗ１〜Ｗｎが全て形成されたか否かを判断する（Ｓ１６０）。溶接部Ｗ１を形成した時点ではレーザ溶接が完了していないと判断され、レーザ溶接システム１は、次の溶接部形成位置Ｎ２について、ステップＳ１２０〜Ｓ１６０の各処理を繰り返し行う。溶接部形成位置Ｎ３〜Ｎｎについて同様の処理が順次行われた後、レーザビーム照射制御部３３は、レーザ溶接が完了したと判断し、レーザ溶接システム１の動作が終了する。

以上のように、本実施形態に係るレーザ溶接方法によれば、レーザビームの照射開始時刻Ｔｓから照射終了時刻Ｔｅまでの間に設定された判定基準時刻Ｔｄでワーク１０Ａ，１０Ｂ間のギャップ異常の有無の判定を行い、ギャップ異常が有ると判定した場合には、レーザビームの照射を照射終了時刻Ｔｅまで行うことなく判定基準時刻Ｔｄにおいて中断する。従って、溶接部形成位置Ｎｉでギャップ異常が発生している場合であっても、レーザビーム照射による溶け込み部がギャップ内へ侵出し、ギャップを更に広げるように作用してしまう前にギャップの有無を判定することができるため、レーザビームの照射による溶け込み部がギャップ内へ侵出してしまうことを抑制できる。これによって、溶接予定領域Ｒに沿って溶接部Ｗ１〜Ｗｎを順次形成する場合であっても、ワーク１０Ａ，１０Ｂ間のギャップが拡大していくことを防止し、接合体の歩留まりを向上させることができる。

また、このレーザ溶接方法では、レーザビーム照射による溶け込み部がワーク１０Ａの裏面側に達する以降の時刻に判定基準時刻Ｔｄを設定することによって、ギャップ異常の判定の正確性を図っている。

また、このレーザ溶接方法では、ギャップ異常が有ると判定した場合に、ガイド装置２４のガイドローラ３２によってワーク１０Ａ，１０Ｂが互いに押し付けられるようにワーク１０Ａに圧力を付与しながら、判定基準時刻Ｔｄから照射終了時刻Ｔｅまでのレーザビームの照射を継続している。この場合、ギャップ異常が発生している溶接部形成位置Ｎｉについては、レーザビームの照射を照射終了時刻Ｔｅまで行うことなく判定基準時刻Ｔｄにおいて一旦中断して、ガイド装置２４のガイドローラ３２によってワーク１０Ａ，１０Ｂの間のギャップ異常をなくした状態で再びレーザビームを照射することができる。これによって、ワーク１０Ａ，１０Ｂ間のギャップが広がることを防止し、接合体の歩留まりを向上させることができる。更に、ギャップ異常を検出した時点で速やかに当該ギャップを狭めることができるため、溶接の作業効率を向上させることができる。

次に、レーザ溶接システム１による第２の動作形態について、図８を参照しつつ説明する。図８は、レーザ溶接システム１の第２の動作形態を示すフローチャートである。この第２の動作形態は、上述した第１の動作形態の変形であり、図８に示すように、ステップＳ１４０でギャップ異常が無い旨の判定がなされていた場合の動作形態が第１の動作形態と相違する。なお、第２の動作形態は、ステップＳ１００からステップＳ１３５までの動作形態、及びステップＳ１４０でギャップ異常が無い旨の判定がなされていた場合の動作形態について第１の動作形態と同一である。

すなわち、ステップＳ１４０でギャップ異常が有るとの判定がなされていた場合、レーザビーム照射制御部３３は、レーザビーム照射装置２２からのレーザビームの照射を判定基準時刻Ｔｄにおいて中断させる（Ｓ１５０）。その後、ワーク１０Ａ，１０Ｂ間のギャップを狭める処理（図３におけるステップＳ１５５）、及び照射終了時刻Ｔｅまでレーザビーム照射装置２２からのレーザビームの照射を継続させる処理（Ｓ１４５）を実行することなく、レーザビーム照射制御部３３は、判定用ワーク１０Ａ，１０Ｂにおいて、レーザ溶接が完了したか否か、すなわち、溶接部Ｗ１〜Ｗｎが全て形成されたか否かを判断する（Ｓ１６０）。例えば、溶接部形成位置Ｎｉでレーザ溶接が完了していないと判断した場合は、レーザ溶接システム１は、次の溶接部形成位置について、ステップＳ１２０〜Ｓ１６０の各処理を繰り返し行い、レーザ溶接が完了したと判断した場合は、レーザ溶接システム１の動作が終了する。

上述のように、第２の動作形態では、ステップ１５０でレーザビームの照射を判定基準時刻Ｔｄにおいて中断した後は、その溶接部形成位置Ｎｉについてそれ以上レーザビームを照射することなく、次の溶接部形成位置Ｎｉ＋１へ移動するか、動作を終了させている。

本動作形態によれば、溶接部形成位置Ｎｉにギャップ異常が発生していた場合でも、ギャップ異常をなくす動作のために溶接作業を中断させることなく、次の溶接部形成位置Ｎｉ＋１へ移動することができるため、作業性を向上させることができる。更に、ギャップ異常が発生している溶接部形成位置Ｎｉについては、レーザビームの照射を判定基準時刻Ｔｄにおいて中断することにより、レーザビームの照射による溶け込み部がギャップ内へ侵出してしまうことを抑制しているため、ギャップ異常をなくすための作業を行わなくても、ワーク１０Ａ，１０Ｂ間のギャップの拡大を抑制することができ、これによって、接合体の歩留まりを確保することができる。

また、このレーザ溶接方法では、情報記憶部３８に格納されている判定結果テーブルを用いることによって、例えば、一度溶接作業が終了した後に、ギャップ異常が発生している溶接部形成位置Ｎｉを特定し、溶接部形成位置Ｎｉにのみ再度レーザビームを照射することができる。更に、そのような溶接部形成位置Ｎｉの数をカウントし、所定の数値よりも上回っていた場合にのみ再度のレーザビームの照射を行うこともできる。更に、接合体についての各溶接部形成位置Ｎ１〜Ｎｎのギャップ異常の有無の判定結果を判定結果テーブルに保持しておくことによって、その接合体を用いた製品のトレーサビリティを確保することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、判定基準時刻を設定するにあたり、溶接部Ｗ１〜Ｗｎのうち、ワーク１０Ａの裏面側に僅かに溶接ビードが及んでいるものを選定したが、ワーク１０Ａの裏面側に溶接ビードが及ぶ直前のものを選定してもよい。

本発明の一実施形態に係るレーザ溶接システムを示す概略図である。 情報記憶部に記憶される判定結果テーブルの一例を示す図である。 レーザ溶接システムの第１の動作形態を示すフローチャートである。 ２種類のワークに対してパルス幅Ｘｍｓのレーザビームを照射したときの所定時刻における判定値をプロットした線図である。 ギャップ異常が無い場合のスポット溶接部の形成の様子を示す断面図である。 ギャップ異常が有る場合のスポット溶接部の形成の様子を示す断面図である。 判定用のワークに照射するレーザビームのパルス波形の一例を示す線図である。 レーザ溶接システム１の第２の動作形態を示すフローチャートである。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ…ワーク（被加工物）、２４…ガイド装置（圧力付与手段）、２６…ＡＥセンサ（振動検出手段）、３８…情報記憶部（情報記憶手段）、Ｔｓ…照射開始時刻、Ｔｄ…判定基準時刻、Ｔｅ…照射終了時刻、Ｒ…溶接予定領域、Ｎ１〜Ｎｎ…溶接部形成位置、Ｗ１〜Ｗｎ…溶接部。

Claims (5)

1. 重ね合わせられた複数の被加工物に対してレーザビームを所定時間照射することにより、前記被加工物上に設定された溶接予定領域に沿ってスポット状の溶接部を順次形成するレーザ溶接方法であって、
   前記レーザビームの照射開始時刻から照射終了時刻までの間に所定の判定基準時刻を設定し、
   前記照射開始時刻から前記判定基準時刻までの間、前記レーザビームを前記被加工物に対して照射すると共に、前記レーザビームの照射によって前記被加工物内を伝播した振動を振動検出手段で検出し、
   前記判定基準時刻において、前記振動検出手段から出力された出力値に基づいて算出された判定値と、予め設定した所定の閾値とを比較することによって、前記被加工物間のギャップ異常の有無を判定する工程を備え、
   前記ギャップ異常が無いと判定した場合に、前記照射終了時刻まで前記レーザビームの照射を継続し、前記ギャップ異常が有ると判定した場合に、前記レーザビームの照射を前記判定基準時刻において中断することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記判定基準時刻は、前記溶接部を形成する際の前記レーザビーム照射による溶け込みが、前記レーザビームの照射側の前記被加工物の裏面側に達したとき以降の時刻に設定されることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 前記ギャップ異常が有ると判定した場合に、圧力付与手段によって前記被加工物が互いに押し付けられるように前記被加工物に圧力を付与しながら、前記判定基準時刻から前記照射終了時刻までの前記レーザビームの照射を継続することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。
4. 前記ギャップ異常が有ると判定した場合に、前記レーザビームの照射を前記判定基準時刻において中断し、前記レーザビームの照射位置を、次の溶接部形成位置へ移動させることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。
5. 前記ギャップ異常の有無の判定結果を溶接部形成位置と関連付けて情報記憶手段に記憶させる工程を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。

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