JP5326632B2 - Laser welding method and laser welding apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置に関する。 The present invention relates to a laser welding method and a laser welding apparatus for two flat metal plates stacked one above the other.
近年、上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板の溶接方法として、レーザー溶接が利用されつつある。このレーザー溶接は、二枚の金属板の上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して移動させることにより、上下の金属板のレーザー光被照射部位を溶融させて線状の溶接ビードを形成させるものである。 In recent years, laser welding is being used as a welding method for two flat metal plates stacked one above the other. This laser welding is performed by moving the laser light with respect to the two metal plates along a predetermined welding path while irradiating laser light toward the upper metal plate surface of the two metal plates. The laser beam irradiated portions of the upper and lower metal plates are melted to form a linear weld bead.
その場合に、二枚の金属板における対向する面は一般に完全な平面ではないので、二枚の金属板間には隙間が生じると共に、その隙間の大きさも溶接経路上において一様でなく、その結果、例えば隙間が大きい箇所において上側金属板の溶融金属が隙間を越えて下側金属板に接触する状態まで垂下せず、上下の金属板が連結されない溶接不良を生じることがあった。 In that case, since the opposing surfaces of the two metal plates are generally not completely flat, a gap is formed between the two metal plates, and the size of the gap is not uniform on the welding path. As a result, for example, in a location where the gap is large, the molten metal of the upper metal plate does not hang down to the state where the molten metal contacts the lower metal plate beyond the gap, resulting in poor welding in which the upper and lower metal plates are not connected.
この問題に対処可能な技術として、特許文献１には、レーザー光の被照射部位にその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤを供給することにより、金属板だけでなくフィラーワイヤを溶融させて、すなわち溶融金属を増加させて、該溶融金属が隙間を越えて下側金属板に接触する状態まで垂下しやすくし、これにより上下の金属板が連結されない溶接不良を防止するようにした技術が開示されている。 As a technique capable of coping with this problem, Patent Document 1 discloses that not only a metal plate but also a filler wire is melted by supplying a filler wire so that its end follows the movement of the irradiated portion of the laser beam. That is, a technique for increasing the molten metal to make it easy to hang down until the molten metal is in contact with the lower metal plate across the gap, thereby preventing welding defects in which the upper and lower metal plates are not connected. Is disclosed.
ところで、前記特許文献１に記載のもののようにフィラーワイヤを供給した場合でも、本願発明者の実験等に基づく知見によれば、隙間が大きい場合には、溶融金属が表面張力等により下側の金属板まで垂下せず、上下の金属板が連結されないことがあることがわかっている。 By the way, even when the filler wire is supplied like the one described in Patent Document 1, according to the knowledge based on the experiment of the present inventor and the like, when the gap is large, the molten metal is lowered by the surface tension or the like. It has been found that the metal plates do not hang down and the upper and lower metal plates may not be connected.
そこで、本発明は、二枚の金属板間の隙間が大きな場合でも上側金属板側から下側金属板への溶融金属の垂下を良好に行わせて、上下の金属板の連結の確実性を向上可能なレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提供することを課題とする。 Therefore, the present invention allows the molten metal to be satisfactorily suspended from the upper metal plate side to the lower metal plate even when the gap between the two metal plates is large, thereby ensuring the connection of the upper and lower metal plates. It is an object of the present invention to provide an improved laser welding method and laser welding apparatus.
前記課題を解決するために、本発明は、次のように構成したことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention is configured as follows.
まず、本願の請求項１に記載の発明は、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接方法であって、上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動させながら、レーザー光の被照射部位にその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤを供給して、上側の金属板のレーザー光被照射部を溶融させて上下に貫通する溶融穴部を形成すると共に前記フィラーワイヤの端部を溶融させることにより、これらの溶融金属が前記溶融穴部に貯留されてなる溶融池を溶接経路後方に形成する溶融工程と、該溶融工程で生成されたこれらの溶融金属に下向きのローレンツ力が作用するように、前記金属板表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界を形成した状態で、該溶融金属に前記磁界の方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流を流し、該溶融金属の前記隙間を越えた下方への垂下を促進させる垂下工程とを有していることを特徴とする。 First, the invention described in claim 1 of the present application is a laser welding method for two flat metal plates in which a gap is formed between opposing surfaces in a state where they are stacked one above the other, and the upper metal plate while relatively moving with respect to these two metal plates along the laser beam to a predetermined weld path while irradiating a laser beam toward the surface, the end portion on its moving the irradiated site of the laser beam By supplying the filler wire so as to follow, the laser beam irradiated portion of the upper metal plate is melted to form a molten hole portion penetrating up and down, and by melting the end portion of the filler wire, The metal plate is formed so that a molten pool in which the molten metal is stored in the molten hole is formed behind the welding path, and a downward Lorentz force acts on the molten metal generated in the melting process. Almost on the surface In a state where a magnetic field directed in a predetermined direction in a plan view is formed in a row, a current in a direction rotated approximately 90 degrees counterclockwise in a plan view with respect to the direction of the magnetic field is passed through the molten metal. And a drooping process that promotes drooping downward beyond the gap.
また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のレーザー溶接方法において、前記溶融工程の実行中、上側の金属板側から前記溶融池を撮像する撮像工程と、該撮像工程で撮像された撮像データに基づいて前記溶融池の幅を検出する溶融池幅検出工程と、該溶融池幅検出工程で検出された溶融池の幅に基づいて前記二枚の金属板の連結状態が良好か否かを判定する判定工程と、該判定工程で連結状態が良好でないと判定されたときは、連結状態が良好となるように、前記ローレンツ力の大きさを、前記電流の大きさまたは前記磁界の大きさを調整することにより調整する調整工程とを有していることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is the laser welding method according to claim 1, wherein during the melting step , the imaging step of imaging the molten pool from the upper metal plate side, and the imaging step A molten pool width detecting step for detecting the width of the molten pool based on the imaged imaging data, and a connection state of the two metal plates based on the molten pool width detected in the molten pool width detecting step. a determination step of determining good or not, when the connection state in the determination step is determined not to be good, so that the connected state is good, the magnitude of the Lorentz force, the magnitude of the current or And an adjusting step for adjusting by adjusting the magnitude of the magnetic field.
また、請求項３に記載の発明は、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接装置であって、上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動させながら、レーザー光の被照射部位にその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤを供給して、上側の金属板のレーザー光被照射部を溶融させて上下に貫通する溶融穴部を形成すると共に前記フィラーワイヤの端部を溶融させることにより、これらの溶融金属が前記溶融穴部に貯留されてなる溶融池を溶接経路後方に形成する溶融手段と、該溶融手段で生成されたこれらの溶融金属に下向きのローレンツ力が作用するように、前記金属板表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界を形成した状態で、該溶融金属に前記磁界の方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流を流し、該溶融金属の前記隙間を越えた下方への垂下を促進させる垂下手段とを有していることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is a laser welding apparatus for two flat metal plates in which a gap is formed between the opposing surfaces in a state where they are stacked one above the other, on the surface of the upper metal plate. while relatively moving with respect to these two metal plates along the laser beam to a predetermined welding path, the end portion on its moving the irradiated site of the laser beam to follow while irradiating a laser beam toward By supplying the filler wire as described above, melting the laser light irradiated portion of the upper metal plate to form a molten hole portion penetrating up and down and melting the end portion of the filler wire, these molten metals Is formed on the surface of the metal plate so that a downward Lorentz force acts on the molten metal generated by the melting means. Almost parallel In a state where a magnetic field directed in a predetermined direction in a plan view is formed, a current in a direction rotated approximately 90 degrees counterclockwise in a plan view with respect to the direction of the magnetic field is passed through the molten metal, and the gap of the molten metal And drooping means for facilitating drooping downward beyond the distance.
また、請求項４に記載の発明は、前記請求項３に記載のレーザー溶接装置において、前記溶融手段による溶融池形成中、上側の金属板側から前記溶融池を撮像する撮像手段と、該撮像手段で撮像された撮像データに基づいて前記溶融池の幅を検出する溶融池幅検出手段と、該溶融池幅検出手段で検出された溶融池の幅に基づいて前記二枚の金属板の連結状態が良好か否かを判定する判定手段と、該判定手段で連結状態が良好でないと判定されたときは、連結状態が良好となるように、前記ローレンツ力の大きさを、前記電流の大きさまたは前記磁界の大きさを調整することにより調整する調整手段とを有していることを特徴とする。 Further, the invention according to claim 4, in the laser welding apparatus according to claim 3, in the molten pool formed by the melting unit, imaging means for imaging the weld pool from the upper metal plate side, imaging A molten pool width detecting means for detecting the width of the molten pool based on imaging data picked up by the means, and a connection between the two metal plates based on the molten pool width detected by the molten pool width detecting means state determination means for determining good or not, when the coupled state is determined not to be good in the determination means, so that coupling state becomes good, the magnitude of the Lorentz force, the magnitude of the current Or adjusting means for adjusting the magnetic field by adjusting the magnitude of the magnetic field.
次に、本発明の効果について説明する。 Next, the effect of the present invention will be described.
まず、請求項１に記載の発明によれば、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板の上側の金属板表面に向けてレーザー光が照射されつつ該レーザー光が所定の移動経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動しながら、レーザー光の被照射部位にその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤが供給されて、上側の金属板のレーザー光被照射部が溶融して上下に貫通する溶融穴部が形成されつつ前記フィラーワイヤの端部が溶融する。そして、これらの溶融金属により前記溶融穴部の移動経路後方に溶融池が形成される。 First, according to the first aspect of the present invention, the laser beam is directed toward the upper metal plate surface of the two flat plate-like metal plates in which a gap is formed between the surfaces facing each other in a state where they are stacked one above the other. while being irradiated the laser beam is moved relative to these two metal plates along a predetermined moving path, the filler wire so that the end portion in the movement to the target irradiation section of the laser beam to follow The end of the filler wire is melted while the laser beam irradiated portion of the upper metal plate is melted to form a melt hole that penetrates vertically. These molten metals form a molten pool behind the movement path of the molten hole.
その場合に、本発明においては、前記金属板表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界を形成した状態で、前記溶融金属に前記磁界の方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流が流されることにより、これらの溶融金属に下向きのローレンツ力が作用して、該溶融金属の前記隙間を越えた下方への垂下が促進される。したがって、溶融金属による上下の金属板の連結の確実性が向上する。 In that case, in the present invention, in a state in which a magnetic field that is substantially parallel to the surface of the metal plate and faces a predetermined direction in a plan view is formed, the molten metal is substantially counterclockwise in a plan view with respect to the direction of the magnetic field. When a current in a direction rotated by 90 degrees is supplied, a downward Lorentz force acts on these molten metals, and the dripping of the molten metal downward beyond the gap is promoted. Therefore, the certainty of the connection of the upper and lower metal plates by the molten metal is improved.
ここで、ローレンツ力とは、周知であるが念のために説明しておくと、図１１に示すように、磁界Ｈ中において該磁界Ｈに直交する方向の電流Ｉを導体に流すことにより、該導体に作用する前記磁界Ｈ及び電流Ｉの両者に直交する向きの力Ｆｒである。 Here, the Lorentz force is well known but will be described just in case. As shown in FIG. 11, by passing a current I in a direction perpendicular to the magnetic field H in the magnetic field H through the conductor, This is a force Fr in a direction orthogonal to both the magnetic field H and current I acting on the conductor.
また、請求項２に記載の発明によれば、溶融工程の実行中、上側の金属板側から前記溶融池が撮像され、この撮像された撮像データに基づいて前記溶融池の幅が検出される。そして、検出された溶融池の幅に基づいて前記二枚の金属板の連結状態が良好か否かが判定され、連結状態が良好でないと判定されたときは、連結状態が良好となるように、前記ローレンツ力の大きさが、前記電流の大きさまたは前記磁界の大きさを調整することにより調整されることとなる。その場合に、本発明においては、実際の溶融池の生成状態を画像に基づいて正確に把握し、その把握した状態に応じて連結状態の良否を判定するので、正確な判定を行うことができる。つまり、良好な品質の溶接を行うことができるようになる。なお、撮像及び判定を非常に短い周期で繰り返し行えば、連結状態が良好でないと判定されても即座に調整されることとなり、その結果、連結状態が良好でないと判定された部分においてもその後垂下する溶融金属により連結状態が改善されることとなる。 According to the second aspect of the present invention, during the melting process, the molten pool is imaged from the upper metal plate side, and the width of the molten pool is detected based on the captured image data. . Then, based on the detected width of the molten pool, it is determined whether or not the connection state of the two metal plates is good. When it is determined that the connection state is not good, the connection state is good. The magnitude of the Lorentz force is adjusted by adjusting the magnitude of the current or the magnitude of the magnetic field. In that case, in the present invention, the actual state of formation of the molten pool is accurately grasped based on the image, and the quality of the connected state is determined according to the grasped state, so that accurate determination can be performed. . That is, good quality welding can be performed. In addition, if imaging and determination are repeated at a very short cycle, even if it is determined that the connected state is not good, the adjustment is made immediately, and as a result, even if it is determined that the connected state is not good, the subsequent drooping The connected state is improved by the molten metal.
また、請求項３、４に記載の発明によれば、レーザー溶接装置において請求項１、２に記載の作用、効果が得られることとなる。 Moreover, according to invention of Claim 3, 4, the effect | action and effect of Claim 1, 2 will be acquired in a laser welding apparatus.
以下、本発明の実施の形態に係るレーザー溶接方法、及びレーザー溶接装置について説明する。 Hereinafter, a laser welding method and a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention will be described.
図１は、本実施の形態に係るレーザー溶接装置１の外観斜視図である。このレーザー溶接装置１は、レーザー光ＬＢ（レーザービーム）を発生するレーザーヘッド２と、該レーザーヘッド２からのレーザー光被照射位ＬにフィラーワイヤＸを供給するフィラーワイヤ供給装置３と、レーザーヘッド２及びフィラーワイヤ供給装置３を支持すると共にワークＷに対して移動させる移動装置４とを有している。なお、この例においては、ワークＷは、全体的に平板状の金属板Ｗ１と下方に膨らんた断面ハット状の金属板Ｗ２とで構成されている。金属板Ｗ１，Ｗ２の端部（フランジ）は複数のクランプ５…５により把持されているが、金属板Ｗ１，Ｗ２の精度上、対向する面の間に隙間Ｚが生じている。 FIG. 1 is an external perspective view of a laser welding apparatus 1 according to the present embodiment. The laser welding apparatus 1 includes a laser head 2 that generates a laser beam LB (laser beam), a filler wire supply device 3 that supplies a filler wire X to a laser beam irradiated position L from the laser head 2, and a laser head. 2 and the filler wire supply device 3 and a moving device 4 for moving the filler wire supply device 3 relative to the workpiece W. In this example, the work W is composed of a flat metal plate W1 and a hat-shaped metal plate W2 swelled downward. Ends (flanges) of the metal plates W1 and W2 are gripped by a plurality of clamps 5 ... 5, but a gap Z is generated between the opposing surfaces in terms of accuracy of the metal plates W1 and W2.
レーザーヘッド２は、例えばＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー等の高出力レーザーを利用して構成されていると共に、レーザー出力が可変とされている。レーザー光の焦点位置は可変であるが、本実施の形態においては上側金属板Ｗ１の上面に設定されている。 The laser head 2 is configured using a high output laser such as a YAG laser or a carbon dioxide gas laser, and the laser output is variable. The focal position of the laser beam is variable, but is set on the upper surface of the upper metal plate W1 in the present embodiment.
フィラーワイヤ供給装置３は、レーザー光ＬＢの被照射部位Ｌの前方近傍に先端が位置するように前傾姿勢で配置されたワイヤ供給ノズル１１（図５参照）と、フィラーワイヤＸが巻回されたワイヤロール１２と、モータ１５（図２参照）により駆動され、該ワイヤロール１２からフィラーワイヤＸを繰り出す繰り出しローラ１３と、該繰り出しローラ１３とワイヤ供給ノズル１１との間に設けられ、前記繰り出しローラ１３により繰り出されたフィラーワイヤＸを前記ノズル１１まで誘導するチューブ１４とを有している。モータ１５は、回転速度の制御が可能なサーボモータにより構成され、これにより、被溶接部位へのワイヤＸの供給量が調整可能になっている。 The filler wire supply device 3 is wound with a wire supply nozzle 11 (see FIG. 5) arranged in a forward inclined posture so that the tip is positioned in front of the irradiated portion L of the laser beam LB, and the filler wire X is wound. The wire roll 12 and the motor 15 (see FIG. 2) are driven to feed the filler wire X from the wire roll 12, and are provided between the feed roller 13 and the wire supply nozzle 11. And a tube 14 for guiding the filler wire X fed out by the roller 13 to the nozzle 11. The motor 15 is composed of a servo motor capable of controlling the rotation speed, and thereby the supply amount of the wire X to the welding site can be adjusted.
移動装置４は、前記レーザーヘッド２及びフィラーワイヤ供給装置３が取り付けられた支持部材２１と、該支持部材２１の下端部に取り付けられた台状部材２２と、工場床等に配設され、前記台状部材を摺動可能に支持するレール部材２３と、前記台状部材２２をレール部材２３に沿って移動させる移動機構（図示せず）とを有している。このように移動させる移動機構は公知のものにより種々構成可能であり説明は省略するが、駆動源は回転速度の制御が可能なサーボモータ２４（図２参照）により構成され、これによりレーザーヘッド１１及びフィラーワイヤ供給装置３のワークＷに対する移動速度が調整可能になっている。 The moving device 4 is disposed on a support member 21 to which the laser head 2 and the filler wire supply device 3 are attached, a base member 22 attached to the lower end of the support member 21, a factory floor, etc. A rail member 23 that slidably supports the base member and a moving mechanism (not shown) that moves the base member 22 along the rail member 23 are provided. The moving mechanism for moving in this manner can be variously configured by known ones and will not be described. However, the drive source is configured by a servo motor 24 (see FIG. 2) capable of controlling the rotational speed, and thereby the laser head 11. And the moving speed with respect to the workpiece | work W of the filler wire supply apparatus 3 can be adjusted.
また、レーザー溶接装置１は、フィラーワイヤＸを加熱するフィラーワイヤ加熱装置６を有している。このフィラーワイヤ加熱装置６は、フィラーワイヤＸに通電することにより、該ワイヤＸに生じるジュール熱で該ワイヤＸを加熱するものであり、移動装置４の支持部材２１に固定された加熱電源装置３１と、該加熱電源装置３１の正極と前記ワイヤ供給ノズル１１とを接続するノズル接続ケーブル３２と、前記移動装置４の支持部材２１に図示しない連結手段を介して支持されると共に先端部が前記上側金属板Ｚ１上面に押し付けられるように付勢された端子部材３３と、該端子部材３３と前記加熱電源装置３１の負極とを接続する端子接続ケーブル３４とを有し、加熱電源装置３１から流れた電流が、端子接続ケーブル３４、端子部材３３、金属板Ｗ１，Ｗ２、フィラーワイヤＸ、ノズル１１、ノズル接続ケーブル３２を介して、加熱電源装置３１に戻るようになっている。その場合に、前述したフィラーワイヤＸと端子部材３３との位置関係上、図５、図６に示すように、電流Ｉは、金属板Ｗ１，Ｗ２表面及び前記溶接経路Ｒにほぼ平行に、かつ溶融池（溶融金属Ｗｙ）を通って流れることとなる。 Further, the laser welding apparatus 1 has a filler wire heating device 6 for heating the filler wire X. The filler wire heating device 6 heats the wire X with Joule heat generated in the wire X by energizing the filler wire X, and the heating power supply device 31 fixed to the support member 21 of the moving device 4. And a nozzle connection cable 32 that connects the positive electrode of the heating power supply device 31 and the wire supply nozzle 11, and a support member 21 of the moving device 4 that is supported via a coupling means (not shown) and has a tip portion on the upper side. A terminal member 33 urged so as to be pressed against the upper surface of the metal plate Z1 and a terminal connection cable 34 for connecting the terminal member 33 and the negative electrode of the heating power supply device 31 flowed from the heating power supply device 31. The electric current is supplied through the terminal connection cable 34, the terminal member 33, the metal plates W1 and W2, the filler wire X, the nozzle 11, and the nozzle connection cable 32. So that the return to the device 31. In that case, due to the positional relationship between the filler wire X and the terminal member 33, the current I is substantially parallel to the surfaces of the metal plates W1 and W2 and the welding path R as shown in FIGS. It will flow through the molten pool (molten metal Wy).
ここで、本実施の形態に係るレーザー溶接装置１は、レーザー被照射部Ｌ近傍に磁界を発生させる電磁石装置４０を有している。この電磁石装置４０は、端部が下端に位置する略逆Ｕ字状の鉄心４１と、該鉄心４１に巻回されたコイル４２と、該コイル４２の一端が正極に、他端が負極に接続され、該コイル４２に通電する電磁石用電源装置４３とを有し、鉄心４１の図１における右側の端部にＮ極が、また左側の端部にＳ極が形成されるようにコイル４２の巻き方向が設定されている。鉄心４１は、Ｎ極及びＳ極を構成する一対の端部が、前記溶接経路Ｒを挟んで対向して配置されていると共に、これらの端部を結んだ線が平面視で前記溶接経路Ｒに直交するように配設されている。また、鉄心４１は、移動装置４の支持部材２１に図示しない連結手段を介して上下に移動可能に連結されていると共に、鉄心４１の両端部の外側部にはそれぞれローラ４４，４４が回動可能に設けられており、これにより、鉄心４１及びコイル４２は、鉄心４１の両端部が上側金属板Ｗ１の上面に対して一定の間隔を保った状態で、前記移動装置４によるレーザーヘッド２の移動に追随して同方向に移動するようになっている。 Here, the laser welding apparatus 1 according to the present embodiment includes an electromagnet apparatus 40 that generates a magnetic field in the vicinity of the laser irradiated portion L. The electromagnet device 40 includes a substantially inverted U-shaped iron core 41 whose end is located at the lower end, a coil 42 wound around the iron core 41, one end of the coil 42 connected to the positive electrode, and the other end connected to the negative electrode. 1, and an electromagnet power supply device 43 for energizing the coil 42. The coil 42 has an N pole at the right end and an S pole at the left end in FIG. 1 of the iron core 41. The winding direction is set. In the iron core 41, a pair of end portions constituting the N pole and the S pole are arranged to face each other with the welding path R interposed therebetween, and a line connecting these end portions is the welding path R in a plan view. It is arrange | positioned so that it may orthogonally cross. In addition, the iron core 41 is connected to the support member 21 of the moving device 4 so as to be movable up and down via connecting means (not shown), and rollers 44 and 44 are rotated on the outer sides of both ends of the iron core 41, respectively. As a result, the iron core 41 and the coil 42 are arranged such that the both ends of the iron core 41 are kept at a constant distance from the upper surface of the upper metal plate W1. It follows the movement and moves in the same direction.
このような電磁石装置４０によれば、図５、図６に示すように、前記レーザー光照射部位Ｌ及びその近傍には、その移動に追随して前記金属板Ｗ１，Ｗ２面にほぼ平行でかつ前記溶接経路Ｒにほぼ直交する磁界Ｈが常に形成されることとなる。 According to such an electromagnet device 40, as shown in FIGS. 5 and 6, the laser light irradiation portion L and its vicinity are substantially parallel to the surfaces of the metal plates W1 and W2 following the movement and A magnetic field H substantially perpendicular to the welding path R is always formed.
また、溶融金属Ｗｙを流れる電流Ｉは、磁界Ｈの方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向に流れることとなる。したがって、電流Ｉの方向と磁界Ｈの方向との関係から溶融金属Ｗｙには下向きのローレンツ力Ｆｒが作用することとなる。 Further, the current I flowing through the molten metal Wy flows in a direction rotated approximately 90 degrees counterclockwise in plan view with respect to the direction of the magnetic field H. Therefore, the downward Lorentz force Fr acts on the molten metal Wy from the relationship between the direction of the current I and the direction of the magnetic field H.
図２に示すように、本実施の形態に係るレーザー溶接装置１には、溶接制御を行うコントロールユニット７と、前記移動装置４の支持部材２１に固定され、前記ワークＷの被溶接部位Ｌ及びその近傍を上方から撮像する撮像装置８とが備えられている。 As shown in FIG. 2, the laser welding apparatus 1 according to the present embodiment includes a control unit 7 that performs welding control, and a support member 21 of the moving device 4, and a welding portion L of the workpiece W and An image pickup apparatus 8 for picking up the vicinity of the image from above is provided.
撮像装置８は、例えば所定周期毎に画像を取得可能な（動画を取得可能な）ＣＣＤカメラにより構成され、取得された画像はその都度コントロールユニット７に出力される。なお、移動装置４の支持部材２１には、上側の金属板Ｗ１におけるレーザー光被照射部位Ｌ及びその近傍を照明するランプ９が設けられている。このランプ９は、溶接経路Ｒを挟んで撮像装置８とは反対側に配設され、前記レーザー光被照射部位Ｌ及びその近傍を斜め上方から照明している。また、このランプ９としては例えばキセノンランプが使用可能である。 The imaging device 8 is constituted by, for example, a CCD camera capable of acquiring images (capable of acquiring moving images) at predetermined intervals, and the acquired images are output to the control unit 7 each time. The support member 21 of the moving device 4 is provided with a lamp 9 that illuminates the laser light irradiated portion L and the vicinity thereof on the upper metal plate W1. The lamp 9 is disposed on the opposite side of the imaging device 8 across the welding path R, and illuminates the laser light irradiated portion L and its vicinity from obliquely above. As the lamp 9, for example, a xenon lamp can be used.
コントロールユニット７は、画像が入力される都度画像を解析すると共に、その解析結果に基づいて、前記レーザーヘッド２に出力制御信号を、前記移動装置４のモータ２４に回転速度制御信号を、前記フィラーワイヤ供給装置１０のモータ１５に回転速度制御信号を、電磁石装置４０の電磁石用電源装置４３に電流制御信号を、フィラーワイヤ加熱装置６の加熱電源装置３１に電流制御信号をそれぞれ出力するようになっている。 The control unit 7 analyzes the image every time an image is input, and based on the analysis result, outputs an output control signal to the laser head 2, a rotation speed control signal to the motor 24 of the moving device 4, and the filler. A rotation speed control signal is output to the motor 15 of the wire supply device 10, a current control signal is output to the electromagnet power supply device 43 of the electromagnet device 40, and a current control signal is output to the heating power supply device 31 of the filler wire heating device 6. ing.
図３は、隙間Ｚが生じた二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２をフィラーワイヤＸを供給しながら溶接した場合に、良好な溶接強度が得られたワークについての幅方向断面写真（一例）である。この写真からわかるように、二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２は溶融金属が固化して形成されたビードＷＢを介して連結される。また、このビードＷＢの幅方向左右には、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２のそれぞれに金属組織変化が生じた熱影響部ＷＣ１，ＷＣ２（ビードＷＢの左右において白っぽく変色している間の部分）が存在している。なお、図３は、一例であり、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２の板厚がそれぞれ１．６ｍｍ、隙間Ｚが１．３ｍｍで、レーザー出力６ｋｗ、レーザービーム径０．６ｍｍ、フィラーワイヤＸの直径０．９ｍｍ、フィラーワイヤＸの供給速度９．５ｍ／ｍｉｎ、溶接速度１．５ｍ／ｍｉｎの場合のものである。 FIG. 3 is a cross-sectional photograph (one example) in the width direction of a workpiece with good welding strength obtained when two metal plates W1 and W2 having a gap Z are welded while supplying the filler wire X. . As can be seen from this photograph, the two metal plates W1 and W2 are connected via a bead WB formed by solidifying molten metal. Further, on the left and right sides of the bead WB in the width direction, there are heat-affected portions WC1 and WC2 (parts between whitish discoloration on the left and right of the bead WB) in which the metal structure changes in the upper and lower metal plates W1 and W2, respectively. Existing. FIG. 3 is an example, and the thicknesses of the upper and lower metal plates W1, W2 are 1.6 mm, the gap Z is 1.3 mm, the laser output 6 kw, the laser beam diameter 0.6 mm, and the diameter of the filler wire X, respectively. This is for 0.9 mm, a filler wire X supply speed of 9.5 m / min, and a welding speed of 1.5 m / min.
ここで、本願発明者は、前記撮像装置８により、図１に示すようなワークＷについて、フィラーワイヤＸに電流は流しているが前述の磁界を形成していない環境下において、図４に示すような、溶接中における被溶接部位Ｌ及びその周辺の可視画像（動画）を取得し、この画像を分析した。この分析によれば、磁界を形成していない環境下では、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２の溶接は図５〜図７に示すように行われていると考えられる。 Here, the inventor of the present application shows the workpiece W as shown in FIG. 1 by the imaging device 8 in an environment in which a current is passed through the filler wire X but no magnetic field is formed as shown in FIG. A visible image (moving image) of the welded part L and its surroundings during welding was obtained, and this image was analyzed. According to this analysis, it is considered that welding of the upper and lower metal plates W1 and W2 is performed as shown in FIGS. 5 to 7 in an environment where no magnetic field is formed.
まず、図５により概要について説明すると、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間Ｚが生じた金属板Ｗ１，Ｗ２の上側の金属板Ｗ１の上面（表面）に向けてレーザーヘッド２からレーザー光ＬＢを照射しつつ、レーザー光ＬＢ（レーザヘッド２）を溶接経路Ｒに沿ってこれら二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２に対して矢印αで示すように移動させながら、レーザー光ＬＢの被照射部位Ｌにその移動に端部が追随するようにワイヤ供給ノズル１１からフィラーワイヤＸを供給して、上側の金属板Ｗ１のレーザー光被照射部位Ｌを溶融させて上下に貫通する溶融穴部ＷＫを形成しつつ前記フィラーワイヤＸの端部を溶融させる。そして、これらの溶融金属は溶融穴部に貯留されてなる溶融池ＷＹを溶接経路Ｒ後方に形成しつつこれらの溶融金属を前記隙間Ｚを越えて下方に垂下する。そして、これにより上下の金属板Ｗ１，Ｗ２が連結されると共に、溶融池ＷＹの後方には溶融金属が固化したビードＷＢが形成される。 First, the outline will be described with reference to FIG. 5. The laser head 2 is directed toward the upper surface (surface) of the upper metal plate W1 of the metal plates W1 and W2 in which a gap Z is generated between the surfaces facing each other in the state where they are stacked one above the other. While irradiating the laser beam LB from the laser beam LB, moving the laser beam LB (laser head 2) along the welding path R with respect to the two metal plates W1 and W2 as indicated by the arrow α, A filler hole X is supplied from the wire supply nozzle 11 so that the end of the irradiated portion L follows the movement, and the laser beam irradiated portion L of the upper metal plate W1 is melted to penetrate up and down. The end of the filler wire X is melted while forming the portion WK. And these molten metals hang down below the said clearance gap Z, forming the molten pool WY stored by the fusion | melting hole part behind welding path | route R. As shown in FIG. As a result, the upper and lower metal plates W1, W2 are connected, and a bead WB in which the molten metal is solidified is formed behind the molten pool WY.
詳しく説明すると、図６、図７（ａ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光ＬＢの中心ＬＢｃの前方近傍では、上側の金属板Ｗ１におけるレーザー光中心ＬＢｃ近傍の金属が溶融され、溶融金属Ｗｙが生成されている。また、溶融金属Ｗｙの周囲には、該溶融金属Ｗｙから伝達される熱により金属組織変化が生じた熱影響部ＷＣ１が生じている。ＷＫは、レーザー光ＬＢにより金属がプラズマ状態となり、その圧力により溶融金属Ｗｙを周囲に押しやって形成された溶融穴部（キーホール）であり、この図にはその前部があらわれている。 More specifically, as shown in FIGS. 6 and 7A, in the vicinity of the front of the center LBc of the laser beam LB in the welding path R, the metal in the vicinity of the laser beam center LBc in the upper metal plate W1 is melted and melted. Metal Wy is generated. Further, around the molten metal Wy, there is a heat affected zone WC1 in which the metal structure is changed by the heat transmitted from the molten metal Wy. WK is a molten hole (keyhole) formed by pressing the molten metal Wy to the surroundings by the pressure of the metal by the laser beam LB, and the front portion is shown in this figure.
図６、図７（ｂ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃ位置においては、溶融穴部ＷＫは上側の金属板Ｗ１を貫通して下側の金属板Ｗ２に達している。そして、下側の金属板Ｗ２においても、レーザー光中心ＬＢｃ近傍の金属が溶融され、溶融金属Ｗｙが生成されている。上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙは下側金属板Ｗ２側へ垂下している。下側金属板Ｗ２の溶融金属Ｗｙの周囲には熱影響部ＷＣ２が生じている。 As shown in FIGS. 6 and 7B, at the position of the laser beam center LBc in the welding path R, the molten hole WK passes through the upper metal plate W1 and reaches the lower metal plate W2. Also in the lower metal plate W2, the metal in the vicinity of the laser beam center LBc is melted, and the molten metal Wy is generated. The molten metal Wy of the upper metal plate W1 hangs down to the lower metal plate W2. A heat affected zone WC2 is generated around the molten metal Wy of the lower metal plate W2.
図６、図７（ｃ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃの後方近傍では、上側金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙがさらに下方へ垂下し、上側金属板Ｗ１と下側金属板Ｗ２とを連結している。なお、この連結部分は、溶融池ＷＹの前部でもある。 As shown in FIGS. 6 and 7C, in the vicinity of the rear of the laser beam center LBc in the welding path R, the molten metal Wy of the upper metal plate W1 hangs further downward, and the upper metal plate W1 and the lower metal plate W2 is connected. In addition, this connection part is also the front part of the molten pool WY.
図６（ｂ）、図７（ｄ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃよりも後方位置においては、溶融金属Ｗｙが、先に形成されていた溶融穴部に貯留されることにより溶融池ＷＹが形成されている。 As shown in FIGS. 6B and 7D, the molten metal Wy is stored in the previously formed molten hole at a position behind the laser beam center LBc in the welding path R. As a result, a molten pool WY is formed.
図６（ｂ）、図７（ｅ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃよりもさらに後方位置においては、溶融池ＷＹの溶融金属Ｗｙが下側から固化し始めており、さらに後方においては、図７（ｆ）に示すように、溶融池ＷＹの溶融金属が上から下まで全て固化している。 As shown in FIGS. 6B and 7E, the molten metal Wy in the molten pool WY starts to solidify from below at a position further rearward than the laser beam center LBc in the welding path R. In FIG. 7, as shown in FIG. 7 (f), the molten metal in the molten pool WY is all solidified from the top to the bottom.
ところで、図８（ａ）（図７（ｄ）の断面位置に対応する）に示すように、両金属板Ｗ１，Ｗ２間の隙間Ｚが大きい場合には、上側金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙが図７の場合と同程度垂下しても下側の金属板Ｗ２に接触できず、その結果、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２が連結されない場合がある。本願発明者の実験等に基づく知見によれば、この原因は、溶融金属Ｗｙに表面張力により塊化作用が生じていることにより重力だけでは表面張力に対抗して溶融金属Ｗｙが十分に下方に垂下することができないことと考えられる。 By the way, as shown in FIG. 8A (corresponding to the cross-sectional position in FIG. 7D), when the gap Z between the metal plates W1 and W2 is large, the molten metal Wy of the upper metal plate W1 is reduced. Even if it hangs as much as in the case of FIG. 7, it cannot contact the lower metal plate W2, and as a result, the upper and lower metal plates W1 and W2 may not be connected. According to the knowledge based on the experiments of the inventors of the present application, the cause is that the molten metal Wy is sufficiently lowered against the surface tension by gravity alone due to the agglomeration effect caused by the surface tension on the molten metal Wy. It is thought that he cannot hang down.
そこで、本願発明者は、レーザー光被照射部Ｌ近傍に前述のような電磁石装置４０を設けたものである。これによれば、溶融金属Ｗｙには、下向きの力として、重力だけでなく図８（ａ）に示すように下向きのローレンツ力Ｆｒが作用するので、表面張力に抗して溶融金属Ｗｙを垂下させて、図８（ｂ）に示すように、上側金属板Ｗ１と下側金属板Ｗ２とを溶融金属Ｗｙで連結させることが可能となる。 Therefore, the inventor of the present application provides the electromagnet device 40 as described above in the vicinity of the laser light irradiated portion L. According to this, since not only gravity but also downward Lorentz force Fr acts on the molten metal Wy as shown in FIG. 8A as the downward force, the molten metal Wy is suspended against the surface tension. Thus, as shown in FIG. 8B, the upper metal plate W1 and the lower metal plate W2 can be connected by the molten metal Wy.
また、図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の段階においても、ローレンツ力Ｆｒを作用させることにより、溶融金属Ｗｙによる上下の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結の確実性を一層向上させることができる。なお、この場合、前述の図８（ａ）から図８（ｂ）の状態に移行させるのに必要な強さのローレンツ力Ｆｒは必要ない。 Further, in the steps of FIGS. 7B, 7C and 7D, the reliability of the connection of the upper and lower metal plates W1 and W2 by the molten metal Wy is further improved by applying the Lorentz force Fr. Can do. In this case, the Lorentz force Fr having a strength necessary for shifting from the state shown in FIG. 8A to the state shown in FIG. 8B is not necessary.
ここで、本願発明者に実験等の基づく知見によれば、図８（ａ）のように溶融金属Ｗｙが十分に下方に垂下しない場合には、溶融金属Ｗｙの熱は上側金属板Ｗ１の幅方向に伝達されるしかなく、その結果、溶融金属Ｗｙの幅が拡大し、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以上の幅になることがわかっている。逆に言えば、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以上の幅となっているような場合には、両金属板Ｗ１，Ｗ２が溶融金属Ｗｙにより連結されていないものと推定される。 Here, according to the inventor's knowledge based on experiments and the like, when the molten metal Wy does not hang down sufficiently as shown in FIG. 8A, the heat of the molten metal Wy is the width of the upper metal plate W1. As a result, it is known that the width of the molten metal Wy is expanded, and the width dy of the molten pool WY is more than five times the laser beam diameter rb. In other words, when the width dy of the molten pool WY is more than five times the laser beam diameter rb, it is estimated that the two metal plates W1, W2 are not connected by the molten metal Wy. Is done.
そこで、本実施の形態においては、前記撮像装置８により上側の金属板Ｗ１側から、溶融池ＷＹにおける前記溶融穴部ＷＫの近傍部分を撮像すると共に、その撮像データをコントロールユニット７により画像解析して、前記溶融池ＷＹの生成状態（溶融池ＷＹの幅ｄｙ等）を分析し、その分析結果に基づいてローレンツ力Ｆｒの強さを調整するようにしている。 Therefore, in the present embodiment, the imaging device 8 captures an image of the vicinity of the molten hole WK in the molten pool WY from the upper metal plate W1 side, and the image data is analyzed by the control unit 7. Thus, the generation state of the molten pool WY (the width dy of the molten pool WY, etc.) is analyzed, and the intensity of the Lorentz force Fr is adjusted based on the analysis result.
図９は、コントロールユニット７で行われるこの制御の一例を示すフローチャートである。なお、このフローチャートによる制御は、所定周期で繰り返し実行される。なお、所定周期は例えば１０ｍｓというごく短い周期に設定されている。 FIG. 9 is a flowchart showing an example of this control performed by the control unit 7. The control according to this flowchart is repeatedly executed at a predetermined cycle. The predetermined cycle is set to a very short cycle of 10 ms, for example.
まず、ステップＳ１で、撮像装置８で取得された最新の画像データを入力する。 First, in step S1, the latest image data acquired by the imaging device 8 is input.
次に、ステップＳ２で、この入力された画像データを画像解析して、溶接経路Ｒ上におけるレーザー光中心ＬＢｃから所定距離ｄａ（図６参照）後方位置での溶融池ＷＹの幅ｄｙを検出する。ここで、この所定距離ｄａは、レーザー光中心ＬＢｃからできるだけ近く、かつ溶融穴部ＷＫの前後長が多少変動した場合でも溶融池ＷＹが確実に存在する一方でできるだけ溶融穴部ＷＫの近くとなる距離に設定されており、例えばレーザー光ＬＢのビーム径ｒｂ（上側金属板Ｗ１の表面位置における径）の２倍〜３倍の距離とされている。 Next, in step S2, the input image data is subjected to image analysis to detect the width dy of the molten pool WY at a position behind the laser beam center LBc on the welding path R by a predetermined distance da (see FIG. 6). . Here, the predetermined distance da is as close as possible from the laser beam center LBc, and even when the longitudinal length of the molten hole WK slightly varies, the molten pool WY is surely present while being as close as possible to the molten hole WK. The distance is set, for example, a distance that is two to three times the beam diameter rb of the laser beam LB (the diameter at the surface position of the upper metal plate W1).
また、金属板Ｗ１における溶融池ＷＹ部分の検出は、例えば、上側金属板Ｗ１表面と溶融池ＷＹの色彩差、輝度差等に基づいて検出することができる。また、溶融池ＷＹはその側方部分と比較して著しく温度が高くなっているので、赤外線領域の画像データを取得して上側金属板Ｗ１上面の温度分布を検出し、この温度分布に基づいて温度が溶融温度以上となっている部分を抽出することにより、溶融池ＷＹの検出を行うこともできる。 Moreover, the detection of the molten pool WY part in the metal plate W1 can be detected based on, for example, a color difference, a luminance difference, or the like between the upper metal plate W1 surface and the molten pool WY. In addition, since the temperature of the molten pool WY is significantly higher than the side portion thereof, the image data in the infrared region is acquired to detect the temperature distribution on the upper surface of the upper metal plate W1, and based on this temperature distribution By detecting a portion where the temperature is equal to or higher than the melting temperature, the molten pool WY can be detected.
次に、ステップＳ３において、ステップＳ２で検出された溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以下か否かを判定する。すなわち、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結状態が良好か否かを判定する。そして、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以下のときは（ＹＥＳ）、ステップＳ４で、基準溶接条件を維持する。なお、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以下のときにおいては、連結状態が基本的に良好と推定されるので、ローレンツ力Ｆｒの強さは、要求する溶融金属Ｗｙの垂下の確実性の程度にあわせて任意に設定すればよい。一方、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以下でなくなったときは（ＮＯ）、ステップＳ５に進む。 Next, in step S3, it is determined whether or not the width dy of the molten pool WY detected in step S2 is equal to or smaller than 5 times the laser beam diameter rb. That is, it is determined whether or not the connected state of the upper and lower metal plates W1, W2 is good. When the width dy of the weld pool WY is not more than 5 times the laser beam diameter rb (YES), the reference welding conditions are maintained in step S4. In addition, when the width dy of the molten pool WY is 5 times or less of the laser beam diameter rb, the connected state is estimated to be basically good, so the strength of the Lorentz force Fr is the droop of the required molten metal Wy. It may be arbitrarily set according to the degree of certainty. On the other hand, when the width dy of the molten pool WY is not less than 5 times the laser beam diameter rb (NO), the process proceeds to step S5.
ステップＳ５では、電磁石装置４０のコイル４２の通電電流を、溶融池ＷＹの幅ｄｙが５倍以下のときよりも増加させて、下向きのローレンツ力Ｆｒを強くする。このときのローレンツ力Ｆｒの強さは、隙間Ｚの大きさが想定最大値のときに、溶融金属Ｗｙの表面張力に抗して該溶融金属Ｗｙを重力とで下側金属板Ｚ２まで垂下させることができる強度に設定すればよい。なお、この強度は実験等で取得すればよい。これによれば、該溶融金属Ｗｙが下方に垂下しやすくなり、図８（ｂ）に示すように、上下の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙが隙間Ｚを超えて下側金属板Ｚ２の溶融金属Ｗｙに連結される。そして、これにより、溶融金属Ｗｙの熱が下側金属板Ｗ２に伝達され、上側金属板Ｗ１の溶融池ＷＹの幅ｄｙが適正化（縮小）されることとなる。 In step S5, the energizing current of the coil 42 of the electromagnet device 40 is increased more than when the width dy of the molten pool WY is 5 times or less, and the downward Lorentz force Fr is strengthened. The Lorentz force Fr at this time is such that when the size of the gap Z is the assumed maximum value, the molten metal Wy is suspended by gravity to the lower metal plate Z2 against the surface tension of the molten metal Wy. What is necessary is just to set to the intensity | strength which can do. In addition, what is necessary is just to acquire this intensity | strength by experiment. According to this, the molten metal Wy is likely to hang downward, and as shown in FIG. 8B, the molten metal Wy of the upper and lower metal plates W1 exceeds the gap Z, and the molten metal Wy of the lower metal plate Z2 Connected to Wy. Thus, the heat of the molten metal Wy is transmitted to the lower metal plate W2, and the width dy of the molten pool WY of the upper metal plate W1 is optimized (reduced).
以上説明したように、本実施の形態に係るレーザー溶接装置１によれば、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間Ｚが生じた平板状の二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２のうちの上側の金属板Ｗ１表面に向けてレーザー光ＬＢが照射されつつ該レーザー光ＬＢが所定の移動経路Ｒに沿ってこれら二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２に対して相対的に移動しながら、レーザー光ＬＢの被照射部位Ｌにその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤＸが供給されて、上側の金属板Ｗ１のレーザー光被照射部位Ｌが溶融して上下に貫通する溶融穴部ＷＫが形成されつつＸの端部が溶融する。そして、これらの溶融金属Ｗｙにより溶融穴部ＷＫの移動経路Ｒ後方に溶融池ＷＹが形成される。 As described above, according to the laser welding apparatus 1 according to the present embodiment, the two flat plate-like metal plates W1 and W2 in which the gap Z is generated between the surfaces facing each other in the state of being vertically stacked. while while the upper of the laser beam LB towards the metal plate W1 surface of which is irradiated with the laser beam LB moves relative to these two metal plates W1, W2 along a predetermined moving path R, The filler wire X is supplied so that the end of the irradiated portion L of the laser beam LB follows the movement, and the molten hole portion through which the laser beam irradiated portion L of the upper metal plate W1 melts and penetrates vertically. The end of X melts while WK is formed. And these molten metals Wy form the molten pool WY behind the movement path R of the molten hole WK.
その場合に、本実施の形態においては、前記金属板Ｗ１，Ｗ２表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界Ｈを形成した状態で、前記溶融金属Ｗｙに前記磁界Ｈの方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流Ｉが流されることにより、これらの溶融金属Ｗｙに下向きのローレンツ力Ｆｒが作用して、該溶融金属Ｗｙの前記隙間Ｚを越えた下方への垂下が促進される。したがって、溶融金属Ｗｙによる上下の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結の確実性が向上する。 In this case, in the present embodiment, the magnetic field H is formed on the molten metal Wy with respect to the direction of the magnetic field H in a state in which a magnetic field H that is substantially parallel to the surfaces of the metal plates W1 and W2 and faces a predetermined direction in plan view is formed. When a current I in a direction rotated approximately 90 degrees counterclockwise in plan view is caused to flow, a downward Lorentz force Fr acts on these molten metals Wy and exceeds the gap Z of the molten metal Wy. The downward drooping is promoted. Therefore, the certainty of the connection between the upper and lower metal plates W1, W2 by the molten metal Wy is improved.
また、溶接実行中、上側の金属板Ｗ１側から前記溶融池ＷＹにおける溶融穴部ＷＫ近傍部分が撮像されると共に、この撮像データに基づいて溶融池ＷＹの生成状態を分析することにより前記二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結状態が良好か否かが判定され、連結状態が良好でないときは、連結状態が良好となるように、前記ローレンツ力Ｆｒの大きさが、前記電流Ｉの大きさまたは前記磁界Ｈの大きさを調整することにより調整されることとなる。特に、本発明においては、実際の溶融池ＷＹの生成状態を画像に基づいて正確に把握し、その把握した状態に応じて連結状態の良否を判定するので、正確な判定を行うことができる。つまり、良好な品質の溶接を行うことができるようになる。また、撮像及び判定を非常に短い周期で繰り返し行われるので、連結状態が良好でないと判定されても即座に調整されることとなり、その結果、連結状態が良好でないと判定された部分においてもその後垂下する溶融金属Ｗｙにより連結状態が改善されることとなる。
In addition, during the execution of welding, the vicinity of the molten hole WK in the molten pool WY is imaged from the upper metal plate W1 side, and the two sheets are analyzed by analyzing the generation state of the molten pool WY based on the imaging data. is determined coupled state or good or not of metal plates W1, W2 are, when the connected state is not good, as coupling state is good, the size of the Lorentz force Fr, of the current I size Alternatively, it is adjusted by adjusting the magnitude of the magnetic field H. In particular, in the present invention, the actual generation state of the molten pool WY is accurately grasped based on the image, and the quality of the connected state is determined according to the grasped state, so that accurate determination can be made. That is, good quality welding can be performed. In addition, since imaging and determination are repeatedly performed in a very short cycle, even if it is determined that the connected state is not good, the adjustment is made immediately, and as a result, even in a portion where the connected state is determined to be not good thereafter The connected state is improved by the molten metal Wy that hangs down.
また、従来、溶接されたワークの溶接部の検査は該ワークを切断したりタガネを打ち込むことにより行われていたが、この方法の場合、溶接結果がＮＧの場合、該ワークが無駄になることもあった。しかし、本発明によれば、溶接中に検出された状況に応じてほぼリアルタイムで調整が行われるので、ワークの溶接ＮＧが防止されると共に、切断やタガネ打ち込みによる検査が不要となる。 Conventionally, the inspection of the welded part of the welded work has been performed by cutting the work or driving a chisel. In this method, if the welding result is NG, the work is wasted. There was also. However, according to the present invention, adjustment is performed in almost real time according to the situation detected during welding, so that welding NG of the workpiece is prevented and inspection by cutting or chiseling is unnecessary.
なお、前記実施の形態では、ローレンツ力Ｆｒの調整を電磁石装置４０のコイル４２の通電電流を調整することにより、すなわち磁界Ｈを調整することにより行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、フィラーワイヤ加熱装置６によるフィラーワイヤＸへの通電電流を調整することにより、すなわち溶融金属Ｗｙに流す電流Ｉの大きさを調整することにより行ってもよい。なお、この場合、フィラーワイヤＸが該電流Ｉにより溶融しない範囲で調整を行う必要がある。 In the above embodiment, the Lorentz force Fr is adjusted by adjusting the energizing current of the coil 42 of the electromagnet device 40, that is, by adjusting the magnetic field H. However, the present invention is not limited to this. Instead, it may be performed by adjusting the current flowing through the filler wire X by the filler wire heating device 6, that is, by adjusting the magnitude of the current I flowing through the molten metal Wy. In this case, it is necessary to make adjustments in a range where the filler wire X is not melted by the current I.
また、前記実施の形態では、ローレンツ力Ｆｒの大きさを溶融池ＷＹの幅ｄｙに基づいて変更するようにしたが、溶融池ＷＹの幅ｄｙにかかわらず、ステップＳ５で説明した強さのローレンツ力Ｆｒを作用させるようにしてももちろんよい。また、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以下のときには、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結状態が良好と推定されるので、磁界Ｈの発生を停止してローレンツ力Ｆｒを生じさせないようにしてもよい。この場合、磁界Ｈの発生のための電力を削減することができる。 In the above-described embodiment, the magnitude of the Lorentz force Fr is changed based on the width dy of the molten pool WY. However, the Lorentz having the strength described in step S5 regardless of the width dy of the molten pool WY. Of course, the force Fr may be applied. Further, when the width dy of the molten pool WY is 5 times or less of the laser beam diameter rb, it is estimated that the upper and lower metal plates W1 and W2 are connected well, so the generation of the magnetic field H is stopped and the Lorentz force Fr is set. It may not be generated. In this case, the power for generating the magnetic field H can be reduced.
また、本発明における電流の方向及び磁界の方向は、前記実施の形態に記載のものに限定されるものでない。すなわち、本発明は、金属板表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界を形成した状態で、該溶融金属に前記磁界の方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流を流すことにより、溶融金属に下向きのローレンツ力を作用させることができるものであり、この条件に合致するものを広く含む。 Further, the direction of current and the direction of magnetic field in the present invention are not limited to those described in the above embodiments. That is, the present invention rotates the molten metal approximately 90 degrees counterclockwise in plan view with respect to the direction of the magnetic field in a state in which a magnetic field that is substantially parallel to the metal plate surface and faces in a predetermined direction in plan view is formed. By flowing a current in a different direction, a downward Lorentz force can be applied to the molten metal, and a wide range of materials that meet this condition are included.
本発明は、二枚の金属板間の隙間が大きな場合でも上側金属板側から下側金属板への溶融金属の垂下を良好に行わせて、上下の金属板の連結の確実性を向上可能なレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提供することができ、自動車産業の他、二枚の金属板の溶接が必要となる産業において広く利用される可能性がある。 The present invention can improve the reliability of the connection between the upper and lower metal plates by allowing the molten metal to hang well from the upper metal plate side to the lower metal plate even when the gap between the two metal plates is large. A laser welding method and a laser welding apparatus can be provided, which can be widely used in the automobile industry as well as in industries that require welding of two metal plates.
１ レーザー溶接装置（溶融手段）
７ コントロールユニット（溶融池幅検出手段、判定手段、調整手段）
８ 撮像装置（撮像手段）
４０ 電磁石装置（垂下手段）
ｄｙ 溶融池の幅
Ｆｒ ローレンツ力
Ｈ 磁界
Ｉ 電流
Ｌ レーザー光被照射部
ＬＢ レーザー光
Ｒ 溶接経路
ｒｂ レーザービーム径
Ｗ１ 上側の金属板
Ｗ２ 下側の金属板
ＷＫ 溶融穴部
ＷＹ 溶融池
Ｗｙ 溶融金属
Ｘ フィラーワイヤ
Ｚ 隙間
1 Laser welding equipment (melting means)
7 Control unit (molten pool width detection means, determination means, adjustment means)
8 Imaging device (imaging means)
40 Electromagnet device (hanging means)
dy width of molten pool Fr Lorentz force H magnetic field I current L laser beam irradiated portion LB laser beam R welding path rb laser beam diameter W1 upper metal plate W2 lower metal plate WK molten hole WY molten pool Wy molten metal X Filler wire Z gap
Claims (4)
上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動させながら、レーザー光の被照射部位にその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤを供給して、上側の金属板のレーザー光被照射部を溶融させて上下に貫通する溶融穴部を形成すると共に前記フィラーワイヤの端部を溶融させることにより、これらの溶融金属が前記溶融穴部に貯留されてなる溶融池を溶接経路後方に形成する溶融工程と、
該溶融工程で生成されたこれらの溶融金属に下向きのローレンツ力が作用するように、前記金属板表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界を形成した状態で、該溶融金属に前記磁界の方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流を流し、該溶融金属の前記隙間を越えた下方への垂下を促進させる垂下工程とを有していることを特徴とするレーザー溶接方法。 It is a laser welding method of two flat metal plates in which a gap is generated between the faces facing each other in a state where they are stacked one above the other,
While relatively moving with respect to these two metal plates along the laser beam to a predetermined weld path while irradiating the laser light to the upper side of the metal plate surface, the movement to the target irradiation section of the laser beam The filler wire is supplied so that the end portion follows, and the laser beam irradiated portion of the upper metal plate is melted to form a molten hole portion penetrating vertically and the end portion of the filler wire is melted. According to the melting step of forming a molten pool in which these molten metals are stored in the molten hole portion behind the welding path,
In such a state that a magnetic field that is substantially parallel to the surface of the metal plate and faces in a predetermined direction in a plan view is formed so that a downward Lorentz force acts on the molten metal generated in the melting step, the molten metal is A drooping step of flowing a current in a direction rotated approximately 90 degrees counterclockwise in a plan view with respect to the direction of the magnetic field and promoting the drooping of the molten metal downward beyond the gap. A laser welding method characterized.
前記溶融工程の実行中、上側の金属板側から前記溶融池を撮像する撮像工程と、
該撮像工程で撮像された撮像データに基づいて前記溶融池の幅を検出する溶融池幅検出工程と、
該溶融池幅検出工程で検出された溶融池の幅に基づいて前記二枚の金属板の連結状態が良好か否かを判定する判定工程と、
該判定工程で連結状態が良好でないと判定されたときは、連結状態が良好となるように、前記ローレンツ力の大きさを、前記電流の大きさまたは前記磁界の大きさを調整することにより調整する調整工程とを有していることを特徴とするレーザー溶接方法。 In the laser welding method according to claim 1,
During the execution of the melting step , an imaging step of imaging the molten pool from the upper metal plate side;
A molten pool width detecting step of detecting the width of the molten pool based on the imaging data imaged in the imaging step;
A determination step of determining whether or not the connection state of the two metal plates is good based on the width of the molten pool detected in the molten pool width detection step;
When the coupling state in the determination step is determined not to be good, so that coupling state becomes good, adjusted by the magnitude of the Lorentz force, adjusting the size or magnitude of the magnetic field of the current And a laser welding method characterized by comprising: an adjusting step.
上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザー光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動させながら、レーザー光の被照射部位にその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤを供給して、上側の金属板のレーザー光被照射部を溶融させて上下に貫通する溶融穴部を形成すると共に前記フィラーワイヤの端部を溶融させることにより、これらの溶融金属が前記溶融穴部に貯留されてなる溶融池を溶接経路後方に形成する溶融手段と、
該溶融手段で生成されたこれらの溶融金属に下向きのローレンツ力が作用するように、前記金属板表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界を形成した状態で、該溶融金属に前記磁界の方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流を流し、該溶融金属の前記隙間を越えた下方への垂下を促進させる垂下手段とを有していることを特徴とするレーザー溶接装置。 A laser welding apparatus for two flat metal plates in which a gap is generated between the opposing surfaces in a state where they are stacked one above the other,
While relatively moving with respect to these two metal plates along the laser beam to a predetermined weld path while irradiating the laser light to the upper side of the metal plate surface, the movement to the target irradiation section of the laser beam The filler wire is supplied so that the end portion follows, and the laser beam irradiated portion of the upper metal plate is melted to form a molten hole portion penetrating vertically and the end portion of the filler wire is melted. The melting means for forming a molten pool in which these molten metals are stored in the molten hole portion behind the welding path,
In such a state that a magnetic field that is substantially parallel to the surface of the metal plate and faces in a predetermined direction is formed on the molten metal so that a downward Lorentz force acts on the molten metal generated by the melting means, Drooping means for flowing current in a direction rotated approximately 90 degrees counterclockwise in a plan view with respect to the direction of the magnetic field, and promoting drooping of the molten metal downward beyond the gap. Features laser welding equipment.
前記溶融手段による溶融池形成中、上側の金属板側から前記溶融池を撮像する撮像手段と、
該撮像手段で撮像された撮像データに基づいて前記溶融池の幅を検出する溶融池幅検出手段と、
該溶融池幅検出手段で検出された溶融池の幅に基づいて前記二枚の金属板の連結状態が良好か否かを判定する判定手段と、
該判定手段で連結状態が良好でないと判定されたときは、連結状態が良好となるように、前記ローレンツ力の大きさを、前記電流の大きさまたは前記磁界の大きさを調整することにより調整する調整手段とを有していることを特徴とするレーザー溶接装置。 In the laser welding apparatus according to claim 3,
During weld pool formed by the melting unit, imaging means for imaging the weld pool from the upper metal plate side,
A molten pool width detecting means for detecting the width of the molten pool based on imaging data imaged by the imaging means;
Determining means for determining whether or not the connection state of the two metal plates is good based on the width of the molten pool detected by the molten pool width detecting means;
When the connection state is determined not to be good in the determination means, so coupled state becomes good, adjusted by the magnitude of the Lorentz force, adjusting the size or magnitude of the magnetic field of the current And a laser welding apparatus .
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