JP6385997B2

JP6385997B2 - レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置

Info

Publication number: JP6385997B2
Application number: JP2016181690A
Authority: JP
Inventors: 茂雄矢島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2016-09-16
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2036-09-16
Also published as: JP2018043284A; CN107824965B; US20180079032A1; CN107824965A

Description

本発明は、レーザ溶接により金属部材を接合するレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置に関する。

従来、金属部材をレーザ溶接によって接合する技術が知られている。この種の技術を開示するものとして例えば特許文献１がある。特許文献１には、ステータコアに設けられた各スロットに挿通され、当該各スロットから突出した複数の電気導体の先端部同士を、レーザ溶接により接合することで回転電機を製造する回転電機の製造方法について開示されている。また、この種の電気導体として用いられる銅は、レーザの吸収率が低いことが知られており、レーザの吸収までの時間を短縮するために大容量のレーザ発信器を使用したり、レーザ吸収率の向上のために表面を酸化させる等の前処理等が行われたりしている。

特開２０１４−２３０２９５号公報

図４は、従来のレーザ照射時間とエネルギー吸収時間の関係を示すタイミングチャートである。図４中の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）では、レーザを照射する金属部材の個体差によって異なるレーザのエネルギー吸収時間が示されている。図４に示すように、レーザ溶接を時間で管理している場合、金属部材の表面形状、表面状態等のばらつきにより、レーザの照射時間が同じであっても、レーザのエネルギーを吸収する時間（吸収を開始するタイミング）がワーク（金属部材）ごとにばらついて溶融状態が安定しないことがある。また、大容量のレーザ発信器の使用やワークの表面を酸化させる等の前処理等は、コストアップ・タクトタイムの増加を招いてしまう。従来のレーザ溶接の技術には、品質の安定化及び効率化という点で改善の余地があった。

本発明は、レーザのエネルギー吸収時間のばらつきを抑えて高品質な製品を安定的かつ効率的に供給できるレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供することを目的とする。

本発明は、レーザ溶接により金属部材（例えば、後述の電気導体４０）を接合するレーザ溶接方法であって、溶接対象の前記金属部材の接合箇所にレーザ照射部（例えば、後述のレーザヘッド１１）によってレーザを照射し、該レーザの照射によって生じる前記接合箇所の光を光検出部（例えば、後述の赤外線センサ１２、可視光センサ１３）によって検出するステップと、前記光検出部の検出値と設定値を比較して前記金属部材でエネルギー吸収が開始されたか否かを判定し、エネルギー吸収が開始されたと判定されたタイミングに基づいて前記レーザの照射制御を調整するステップと、を含むレーザ溶接方法に関する。

これにより、接合箇所の光を検出することにより、金属部材がレーザを吸収すると反射体から吸収体に変化するという特性を利用してレーザのエネルギーが金属部材に吸収され始めたタイミングを正確に判定することができる。レーザのエネルギーが金属部材に吸収され始めたタイミングを照射制御に反映することにより、溶接対象の金属部材ごとにばらついていた溶融状態を均一にすることが可能となる。
例えば、反射率が高い銅のような金属部材を溶接対象とする場合であっても、金属部材に必要十分なレーザのエネルギー吸収時間を確保できるので、大容量のレーザ発振器を使用したり、電気導体の表面を酸化処理したりしなくても、低容量のレーザ発振器で安定的に溶接作業を行うことができ、コスト低減及びタクトタイムの短縮も実現できる。

前記光検出部（例えば、後述の赤外線センサ１２）は前記レーザの反射光を検出することが好ましい。

これにより、レーザの反射光の変化を利用してエネルギー吸収が開始されるタイミングを正確に判定することができる。

前記光検出部（例えば、後述の可視光センサ１３）は前記レーザの照射により発生する前記金属部材の蒸気から発される可視光を検出することが好ましい。

これにより、エネルギーの吸収が進むほど多く発生するプルーム（金属蒸気）からの可視光を利用してエネルギー吸収が開始されるタイミングを正確に判定することができる。

前記レーザの照射制御を調整するステップでは、前記金属部材でエネルギー吸収が開始されたと判定されてから所定時間が経過するまでレーザ照射を継続し、所定時間経過後にレーザ照射を終了することが好ましい。

これにより、金属部材に吸収されるエネルギーのばらつきを抑制し、溶融状態を安定化するための制御を照射時間の調整というシンプルな処理で実現できる。

また、本発明は、溶接対象の金属部材（例えば、後述の電気導体４０）に前記レーザを照射するレーザ照射部（例えば、後述のレーザヘッド１１）と、前記レーザ照射部から前記金属部材に照射された前記レーザの反射光を検出する反射光検出部（例えば、後述の赤外線センサ１２）と、前記レーザの照射制御を行う制御部（例えば、後述のレーザ制御ユニット２０）と、を備え、前記制御部は、前記反射光検出部の検出値と設定値を比較して前記金属部材でエネルギー吸収が開始されたか否かを判定する判定部（例えば、後述の判定部２１）と、エネルギー吸収が開始されたと判定されたタイミングに基づいて前記レーザの照射制御を調整する照射制御部（例えば、後述の照射制御部２２）と、を有するレーザ溶接装置に関する。

これにより、レーザの反射光を検出することにより、金属部材がレーザを吸収すると反射体から吸収体に変化するという特性を利用してレーザのエネルギーが金属部材に吸収され始めたタイミングを正確に判定することができる。レーザのエネルギーが金属部材に吸収され始めたタイミングを照射制御に反映することにより、溶接対象の金属部材ごとにばらついていた溶融状態を均一にすることが可能となる。
例えば、反射率が高い銅のような金属部材を溶接対象とする場合であっても、金属部材に必要十分なレーザのエネルギー吸収時間を確保できるので、大容量のレーザ発振器を使用したり、電気導体の表面を酸化処理したりしなくても、安定的に溶接作業を行うことができ、コスト低減及びタクトタイムの短縮も実現できる。

また、本発明は、溶接対象の金属部材（例えば、後述の電気導体４０）に前記レーザを照射するレーザ照射部（例えば、後述のレーザヘッド１１）と、前記レーザの照射により発生する前記金属部材の蒸気から発される可視光を検出する可視光検出部（例えば、後述の可視光センサ１３）と、前記レーザの照射制御を行う制御部（例えば、後述のレーザ制御ユニット２０）と、を備え、前記制御部は、前記可視光検出部の検出値と設定値を比較して前記金属部材でエネルギー吸収が開始されたか否かを判定する判定部（例えば、後述の判定部２１）と、エネルギー吸収が開始されたと判定されたタイミングに基づいて前記レーザの照射制御を調整する照射制御部（例えば、後述の照射制御部２２）と、を有するレーザ溶接装置に関する。

これにより、エネルギーの吸収が進むほど多く発生するプルーム（金属蒸気）からの可視光を利用してレーザのエネルギーが金属部材に吸収され始めたタイミングを正確に判定することができる。レーザのエネルギーが金属部材に吸収され始めたタイミングを照射制御に反映することにより、溶接対象の金属部材ごとにばらついていた溶融状態を均一にすることが可能となる。
例えば、反射率が高い銅のような金属部材を溶接対象とする場合であっても、金属部材に必要十分なレーザのエネルギー吸収時間を確保できるので、大容量のレーザ発振器を使用したり、電気導体の表面を酸化処理したりしなくても、安定的に溶接作業を行うことができ、コスト低減及びタクトタイムの短縮も実現できる。

本発明によれば、レーザのエネルギー吸収時間のばらつきを抑えて高品質な製品を安定的かつ効率的に供給できるレーザ溶接方法及びレーザ溶接装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置のユニット構成を模式的に示す図である。本実施形態のレーザ照射制御の流れを示すフローチャートである。本実施形態のレーザ照射時間とエネルギー吸収時間の関係を示すタイミングチャートである。従来のレーザ照射時間とエネルギー吸収時間の関係を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置１のユニット構成を模式的に示す図である。本実施形態のレーザ溶接装置１は、レーザ溶接により少なくとも２つの電気導体４０を接合するレーザ溶接方法を行うものである。

図１に示すように、レーザ溶接装置１０は、レーザ（レーザ光）を電気導体４０に照射射するレーザヘッド１１と、赤外線光を検出する赤外線センサ（光検出部）１２と、可視光を検出する可視光センサ（光検出部）１３と、レーザ溶接装置１０の各種の制御を行うレーザ制御ユニット２０と、を備える。

レーザヘッド１１は、溶接対象のワークに対して赤外線レーザを照射するレーザ照射部である。レーザ発振器（図示省略）から出力されるレーザは、レーザヘッド１１を通じてワークに照射される。レーザヘッド１１は、レーザ発振器の一部ということもできる。本実施形態のレーザヘッド１１は、照射対象に応じて所定方向に移動可能に構成される。

本実施形態では、２本の銅製の電気導体４０を溶接対象の金属部材（ワーク）として説明する。２本の電気導体４０は、例えば回転電機のコイルを構成するものであり、ステータのスロットに挿入される配置工程を経て隣接した状態となるものである。

２本の電気導体４０は、それぞれの先端４１を合わせた状態で隣接配置され、これらの電気導体４０の接合面に対して傾斜する方向でレーザが照射される。電気導体４０は径方向及び周方向に複数配置されており、２本の電気導体４０の溶接が完了すると、次の溶接対象にレーザヘッド１１が移動（例えば、径方向に移動）し、溶接作業が繰り返し行われる。なお、２本の電気導体４０の配置方法は事情に応じて適宜変更できる。例えば、先端４１の位置をずらした状態で隣接配置して接合作業を行う場合もある。

赤外線センサ１２は、２本の電気導体４０に照射されたレーザの反射光を検出できる位置に配置される反射光検出部である。可視光センサ１３は、電気導体４０から生じるプルーム（金属蒸気）の光を検出できる位置に配置される可視光検出部である。赤外線センサ１２は検出した赤外線情報をレーザ制御ユニット２０に送信し、可視光センサ１３は検出した可視光情報をレーザ制御ユニット２０に送信する。

レーザ制御ユニット２０は、レーザの照射時間、出力調整、照射位置の変更等の各種の制御を行う。本実施形態では、赤外線センサ１２の赤外線情報及び可視光センサ１３の可視光情報に基づいてレーザの照射制御を行う。なお、レーザ制御ユニット２０による制御は、アナログ制御、デジタル制御、通信制御等、各種の制御方式を用いることができる。

図２は、本実施形態のレーザ照射制御の流れを示すフローチャートである。図２に示すように、レーザ照射制御が開始されると、レーザ制御ユニット２０は、照射対象の電気導体４０にレーザを照射し、判定条件に基づいてレーザ吸収が開始されたか否かを検出する（ステップＳ１０１）。本実施形態では、可視光センサ１３による可視光情報及び赤外線センサ１２が検出する赤外線情報に基づいて判定条件が設定されている。

まず、可視光センサ１３の検出値に基づいて判定する第１判定条件及び第２判定条件について説明する。

第１判定条件には、第１検出閾値（単位：Ｖ）及び第１設定回数（単位：回数）が予め設定される。可視光センサ１３の検出値が第１検出閾値を上回った回数が、第１設定回数（例えば、数十回）を上回ることが、エネルギー吸収が開始されたと判定する条件となっている。なお、本実施形態において、エネルギー吸収が開始されたと判定する条件として第１設定回数（所定回数）を上回ることを設定している理由は、エネルギーの吸収が進むほどプルーム（金属蒸気）が多く発生するためである。

第２判定条件には、第１検出閾値よりも高く設定される第２検出閾値（単位：Ｖ）と第１設定回数よりも相対的に少ない回数が設定される第２設定回数（単位：回数）が設定される。可視光センサ１３の検出値が第２検出閾値を上回った回数が、第２設定回数（例えば、１回〜数回）を上回ることが、エネルギー吸収が開始されたと判定する条件となっている。

第１判定条件は、可視光センサ１３の検出値が相対的に小さい基準値を数十回上回った場合にはエネルギー吸収が開始されたと判定する条件である。一方、第２判定条件は、可視光センサ１３の検出値が、相対的に大きい基準値を１回又は数回でも上回った場合にはエネルギー吸収が開始されたと判定する条件となっている。第１検出閾値、第１設定回数、第２検出閾値及び第２設定回数の数値については、設備やレーザを照射する対象（電気導体４０）によって経験的又は理論的に設定される。

次に、赤外線センサ１２の検出値に基づく第３判定条件について説明する。第３判定条件では、赤外線センサ１２の検出値が、検出開始からのピーク値の所定割合（例えば、数十％）以下になることが、エネルギー吸収開始と判定する条件となっている。なお、レーザの出力直後はピーク値が０であるため、出力から所定時間（例えば、１ｍｓｅｃ）経過後に検出開始を行う処理となっている。

本実施形態では、第１判定条件、第２判定条件及び第３条件判定の何れか１つでも満たした場合は、エネルギー吸収が開始されたと判定する。

なお、判定条件については、その条件は適宜変更することができる。例えば、第１判定条件、第２判定条件及び第３条件判定の全てを満たした場合に、エネルギー吸収が開始されたと判定する制御としてもよいし、第１判定条件、第２判定条件及び第３条件判定の何れか１つのみを判定条件に設定してもよいし、第１判定条件、第２判定条件及び第３条件判定の中から２つを選んで組み合せたものを判定条件としてもよい。あるいは判定条件を更に追加してもよい。このように、反射光検出部としての可視光センサ１３及び赤外線センサ１２の検出値に基づいてエネルギー吸収の開始を判定するロジックは、事情に応じて適宜変更することができる。

Ｓ１０１の処理で、エネルギー吸収が開始されたと判定されると、エネルギー吸収が開始されたタイミングに基づいてレーザ照射制御のフィードバック制御を行う（ステップＳ１０２）。

本実施形態のフィードバック制御について説明する。図３は、本実施形態のレーザ照射時間とエネルギー吸収時間の関係を示すタイミングチャートである。図３中の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）では、金属部材としての電気導体４０の個体差によって異なるレーザ照射制御（レーザ照射時間）が示されている。また、図３中の破線は、フィードバック制御を行わない場合の照射時間を示すものである。

図３に示すように、レーザ制御ユニット２０は、電気導体４０の個体差によって異なるエネルギー吸収開始時間のばらつきを抑えるために、レーザの照射時間を調整するフィードバック制御を行っている。

例えば、図３中の（ａ）では、電気導体４０でエネルギー吸収が開始されるタイミングが予め想定されているタイミングと略同じであるため、照射時間の調整を行わない場合でも、所定量のエネルギー吸収の時間が確保される。

図３中の（ｂ）では、エネルギー吸収時間の開始が想定されるタイミングよりも早いため、照射時間を短縮する調整が行われる。この点、図３中の（ｃ）及び（ｄ）では、エネルギー吸収時間の開始が想定されるタイミングよりも遅延しているため、照射時間が長く調整される結果となる。図３中の（ｃ）では、想定される終了時間よりもエネルギー照射時間を相対的に長く遅延させており、図３中の（ｄ）では、相対的に短く遅延させている。

このように、本実施形態では、レーザが電気導体４０に吸収され始めたと判断されてから所定時間レーザの照射を継続した後、レーザの照射を終了する制御を行うことにより、電気導体４０に吸収されるエネルギー量を均一にして溶融状態を安定化する制御を実現しているのである。

以上説明した本実施形態のレーザ溶接方法は、以下のように行われる。
レーザ溶接方法は、溶接対象の金属部材としての電気導体４０の接合箇所にレーザヘッド１１によってレーザを照射し、該レーザの照射によって生じる接合箇所からのレーザの反射光を赤外線センサ１２によって検出し、電気導体４０のプルームの発する可視光を可視光センサ１３によって検出するステップと、赤外線センサ１２及び可視光センサ１３のそれぞれの検出値と設定値を比較して電気導体４０でエネルギー吸収が開始されたか否かを判定し、エネルギー吸収が開始されたと判定されたタイミングに基づいてレーザの照射制御を調整するステップと、を含む。

また、このレーザ溶接方法を行うレーザ溶接装置１０は、レーザを照射するレーザ照射部としてのレーザヘッド１１と、レーザヘッド１１から電気導体４０に照射されたレーザの反射光を検出する反射光検出部としての赤外線センサ１２及び電気導体４０のプルームの発する可視光を検出する可視光検出部としての可視光センサ１３と、レーザの照射制御を行う制御部としてのレーザ制御ユニット２０と、を備える。
レーザ制御ユニット２０は、赤外線センサ１２及び可視光センサ１３の検出値と設定値を比較して電気導体４０でエネルギー吸収が開始されたか否かを判定する判定部２１と、エネルギー吸収が開始されたと判定されたタイミングに基づいてレーザの照射制御を調整する照射制御部２２と、を有する。

これにより、レーザの反射光を検出することにより、電気導体４０がレーザを吸収すると反射体から吸収体に変化するという特性を利用してレーザのエネルギーが電気導体４０に吸収され始めたタイミングを正確に判定することができる。また、エネルギーの吸収が進むほど多く発生するプルーム（金属蒸気）からの可視光を利用することによっても、エネルギーが電気導体４０に吸収され始めたタイミングを正確に判定することができる。
レーザのエネルギーが電気導体４０に吸収され始めたタイミングを照射制御に反映することにより、溶接対象の電気導体４０ごとにばらついていた溶融状態を均一にすることが可能となる。
本実施形態のように、反射率が高い銅のような電気導体４０を溶接対象とする場合であっても、金属部材に必要十分なレーザのエネルギー吸収時間を確保できるので、大容量のレーザ発振器を使用したり、電気導体の表面を酸化処理したりしなくても、低容量のレーザ発振器で安定的に溶接作業を行うことができ、コスト低減及びタクトタイムの短縮も実現できる。

また、本実施形態の照射制御を調整するステップでは、電気導体４０でエネルギー吸収が開始されたと判定されてから所定時間が経過するまでレーザ照射を継続し、所定時間経過後にレーザ照射を終了する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。例えば、上記実施形態では、反射光検出部としての赤外線センサ１２及び可視光検出部としての可視光センサ１３の両方を備えるレーザ溶接装置を例としたが、反射光検出部のみ備えるレーザ溶接装置や可視光検出部のみ備えるレーザ溶接装置に変更することができる。この場合、レーザの反射光に基づいてエネルギー吸収が開始されたか否かを判定する又は金属蒸気から発される可視光に基づいてエネルギー吸収が開始されたか否かを判定することになる。何れの方法においても、エネルギーが金属部材で吸収され始めたタイミングを照射制御に反映して高品質な製品を安定的かつ効率的に供給できる。

上記実施形態では、レーザ照射部として赤外線レーザを照射する構成を例に説明したが、レーザ照射部は赤外線レーザ以外のものであっても、光を検出することができるものであれば、適用することができる。また、レーザの方式においても、ファイバーレーザ、ＣＯ_２レーザ及び半導体励起レーザ等、種々の方式のものを用いることができる。

上記実施形態では、フィードバック制御は、エネルギー吸収が開始されたタイミングでレーザの照射時間を所定時間継続させる構成であるが、レーザ照射制御を調整する方法は、適宜変更することができる。例えば、ＰＩＤ制御や演算によって照射時間やレーザ出力を増加又は減衰させる調整（フィードバック制御）を行うことによってエネルギー吸収を均一化する構成としてもよい。例えば、吸収エネルギーの量を一定にするために、エネルギーを吸収するタイミングが早い場合は、照射時間の調整は行わずに出力を減衰させ、タイミングが遅い場合は逆に出力を増加させるような制御にすることもできる。

上記実施形態では、銅製の電気導体４０を溶接対象の金属部材として説明したが、溶接対象の金属部材は上記実施形態の構成に限られない。溶接対象となる少なくとも２つ以上の金属部材又は溶接対象となる部位を少なくとも２つ以上有する金属部材の接合作業等に本発明を適用することができる。

１０レーザ溶接装置
１１レーザヘッド（レーザ照射部）
１２赤外線センサ（光検出部、反射光検出部）
１３可視光センサ（光検出部、可視光検出部）
２０レーザ制御ユニット（制御部）
４０電気導体（金属部材）

Claims

レーザ溶接により金属部材を接合するレーザ溶接方法であって、
溶接対象の前記金属部材の接合箇所にレーザ照射部によってレーザを照射し、該レーザの照射によって生じる前記接合箇所の光を光検出部によって検出するステップと、
前記光検出部の検出値と設定値を比較して前記金属部材でエネルギー吸収が開始されたか否かを判定し、エネルギー吸収が開始されたと判定されたタイミングに基づいて前記レーザの照射制御を調整するステップと、を含み、
前記レーザの照射制御を調整するステップでは、
前記金属部材でエネルギー吸収が開始されたと判定されてから所定時間が経過するまでレーザ照射を継続し、所定時間経過後にレーザ照射を終了するレーザ溶接方法。
前記光検出部は前記レーザの反射光を検出する請求項１に記載のレーザ溶接方法。
前記光検出部は前記レーザの照射により発生する前記金属部材の蒸気から発される可視光を検出する請求項１に記載のレーザ溶接方法。
溶接対象の金属部材にレーザを照射するレーザ照射部と、
前記レーザ照射部から前記金属部材に照射された前記レーザの反射光を検出する反射光検出部と、
前記レーザの照射制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記反射光検出部の検出値と設定値を比較して前記金属部材でエネルギー吸収が開始されたか否かを判定する判定部と、
エネルギー吸収が開始されたと判定されてから所定時間が経過するまでレーザ照射を継続し、所定時間経過後にレーザ照射を終了する照射制御部と、を有するレーザ溶接装置。
溶接対象の金属部材にレーザを照射するレーザ照射部と、
前記レーザの照射により発生する前記金属部材の蒸気から発される可視光を検出する可視光検出部と、
前記レーザの照射制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記可視光検出部の検出値と設定値を比較して前記金属部材でエネルギー吸収が開始されたか否かを判定する判定部と、
エネルギー吸収が開始されたと判定されてから所定時間が経過するまでレーザ照射を継続し、所定時間経過後にレーザ照射を終了する照射制御部と、を有するレーザ溶接装置。