KR101941417B1

KR101941417B1 - 레이저 용접부에 있어서의 구멍 검출 방법 및 레이저 용접 장치

Info

Publication number: KR101941417B1
Application number: KR1020187022934A
Authority: KR
Inventors: 가즈히코 가기야; 신타로 노나카; 히데오 사이토
Original assignee: 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2019-01-22
Also published as: MY176094A; CN108463716A; KR20180094124A; EP3404404A1; WO2017122391A1; EP3404404A4; US20180361515A1; MX2018008541A; JPWO2017122391A1

Abstract

본 발명은 용접 후에 발생하는 구멍 결함을 용이하게 검출한다.
레이저 용접 장치(10)는, 레이저광(31)을 조사하는 레이저 조사부(30)와, 레이저 조사부로부터 조사된 레이저광에 의해 용접된 용접부(21)로부터 방사된 가시광(40)의 발광 강도(V1)를 검출하는 가시광용 센서(41)와, 제어부(70)를 갖는다. 제어부는, 레이저 조사부의 작동을, 레이저광을 조사하여 복수의 금속 부재(20)끼리를 용접하는 용접 모드와, 레이저광을 검사광(32)으로서 용접부에 다시 조사하는 검사 모드로 전환하는 것이 자유 자재이다. 제어부는, 레이저 조사부의 작동을 용접 모드 후에 검사 모드로 전환하여, 레이저 조사부로부터 레이저광을 검사광으로서 용접부에 다시 조사시킨다. 제어부는, 또한, 가시광용 센서의 검출 신호에 기초하여, 검사광의 조사에 의해 용접부로부터 방사된 가시광의 발광 강도의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍을 검출한다.

Description

레이저 용접부에 있어서의 구멍 검출 방법 및 레이저 용접 장치

본 발명은, 레이저 용접부에 있어서의 구멍 검출 방법 및 레이저 용접 장치에 관한 것이다.

자동차의 차체나 구조체를 조립할 때에는, 통상 강판을 원하는 형상으로 프레스 성형한 금속 부재를 형성하고, 그 후 복수의 금속 부재의 일부를 중첩한 부분에 레이저광을 조사하여 용접 접합하고 있다.

레이저 용접을 행하고 있는 가공 중에, 레이저 용접부의 품질을 모니터링하는 기술이 제안되어 있다(특허문헌 1을 참조). 특허문헌 1에 개시된 모니터링 방법에 있어서는, 레이저 용접을 행하고 있는 가공 중에 있어서의 용접부로부터 방사된 가시광의 발광 강도와, 용접부로부터의 반사광의 강도를 각각 검출한다. 그리고, 이들 검출 신호의 주파수 성분으로서, 임의의 주파수 이하인 저주파 성분의 강도와, 상기 임의의 주파수를 초과하는 고주파 성분의 강도에 기초하여 용접부의 품질을 판정하고 있다.

일본 특허 공개 제2000-271768호 공보

레이저 용접에 있어서는, 금속 부재가 용융되는 도중에 발생하는 가스에 의해, 용융 금속이 날려 용융 금속이 부족해져버려, 응고할 때에 구멍이 발생하는 경우가 있다. 이러한 구멍 결함은 용접 후에 발생하는 것이며, 상기 종래 기술에 기재되어 있는 레이저 용접 중에 있어서의 모니터링 기술을 적용하여도 결함을 검출하지 못한다. 용접 후에 발생하는 구멍 결함을 용이하게 검출할 수 있도록 함으로써, 용접 품질의 향상을 도모할 것이 요구되고 있다.

그래서, 본 발명은, 용접 후에 발생하는 구멍 결함을 용이하게 검출할 수 있는, 레이저 용접부에 있어서의 구멍 검출 방법 및 레이저 용접 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하는 본 발명의 레이저 용접부에 있어서의 구멍 검출 방법은, 레이저광을 조사하여 복수의 금속 부재끼리를 용접한 후, 상기 레이저광을 검사광으로서 용접부에 다시 조사한다. 그리고, 상기 검사광의 조사에 의해 상기 용접부로부터 방사된 가시광의 발광 강도를 검출하고, 가시광의 발광 강도의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍을 검출한다.

상기 목적을 달성하는 본 발명의 레이저 용접 장치는, 레이저광을 조사하는 레이저 조사부와, 상기 레이저 조사부로부터 조사된 레이저광에 의해 용접된 용접부로부터 방사된 가시광의 발광 강도를 검출하는 가시광용 센서와, 제어부를 갖는다. 제어부는, 상기 레이저 조사부의 작동을, 상기 레이저광을 조사하여 복수의 금속 부재끼리를 용접하는 용접 모드와, 상기 레이저광을 검사광으로서 용접부에 다시 조사하는 검사 모드로 전환하는 것이 자유 자재이다. 상기 제어부는, 상기 레이저 조사부의 작동을 상기 용접 모드 후에 상기 검사 모드로 전환하여, 상기 레이저 조사부로부터 상기 레이저광을 검사광으로서 용접부에 다시 조사시킨다. 상기 제어부는, 또한, 상기 가시광용 센서의 검출 신호에 기초하여, 상기 검사광의 조사에 의해 상기 용접부로부터 방사된 가시광의 발광 강도의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍을 검출한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 레이저 용접 장치를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2의 (A), (B)는, 용접 후에 레이저 용접부에 있어서 발생한 구멍을 검출하는 방법의 원리를 도시하는 설명도이며, 도 2의 (A)는, 용접 후에 레이저 용접부에 있어서 구멍이 발생하지 않은 경우에 있어서의, 가시광의 발광 강도의 변화 및 반사광의 강도의 변화를 도시하는 도면이다. 도 2의 (B)는, 용접 후에 레이저 용접부에 있어서 구멍(관통 구멍)이 발생하는 경우에 있어서의, 가시광의 발광 강도의 변화 및 반사광의 강도의 변화를 도시하는 도면이다. 도 2의 (C)는, 용접 후에 레이저 용접부에 구멍(비관통 구멍)이 발생하고 있는 모습을 도시하는 도면이다.
도 3의 (A), (B)는, 검사 모드에 있어서, 레이저 조사부로부터 조사되는 검사광으로서의 레이저광의, 용접부에 대한 조사 각도를 도시하는 설명도이며, 도 3의 (A)는, 용접부가 신장되어 있는 방향, 즉 레이저광의 주사 방향에 대하여 교차하는 면 내에 있어서의 조사 각도를 나타내고 있다. 도 3의 (B)는, 용접부가 신장되어 있는 방향, 즉 레이저광의 주사 방향을 포함하는 면 내에 있어서의 조사 각도를 나타내고 있다.
도 4는 레이저 용접 장치의 동작을 설명하는 흐름도이다.
도 5의 (A), (B)는, 구멍을 형성한 테스트 피스를 사용하여, 구멍을 검출하는 실험을 행한 결과를 도시하는 도면이며, 도 5의 (A)는, 구멍을 형성한 테스트 피스와, 가시광의 발광 강도의 변화를 나타내는 그래프, 도 5의 (B)는, 구멍을 형성한 테스트 피스와, 반사광의 강도의 변화를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복된 설명을 생략한다. 도면의 치수 비율은 설명의 사정상 과장되어 있으며, 실제의 비율과는 상이하다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관한 레이저 용접 장치(10)를 나타내는 개략 구성도이다.

도 1을 참조하여, 도시하는 레이저 용접 장치(10)는 YAG 레이저 용접 장치이며, 개략적으로 설명하면, 레이저광(31)을 조사하는 레이저 조사부(30)와, 레이저 조사부(30)로부터 조사된 레이저광(31)에 의해 용접된 용접부(21)로부터 방사된 가시광(40)의 발광 강도(V1)를 검출하는 제1 센서(41)(가시광용 센서(41)에 상당함)와, 레이저 조사부(30)의 작동을 제어하는 제어부(70)를 갖는다. 제어부(70)는, 레이저 조사부(30)의 작동을, 레이저광(31)을 조사하여 복수의 금속 부재(20)끼리를 용접하는 용접 모드와, 레이저광(31)을 검사광(32)으로서 용접부(21)에 다시 조사하는 검사 모드로 전환하는 것이 자유 자재이다. 제어부(70)는, 레이저 조사부(30)의 작동을 용접 모드 후에 검사 모드로 전환하여, 레이저 조사부(30)로부터 레이저광(31)을 검사광(32)으로서 용접부(21)에 다시 조사시킨다. 그리고, 제어부(70)는, 제1 센서(41)의 검출 신호에 기초하여, 검사광(32)의 조사에 의해 용접부(21)로부터 방사된 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍(22)(도 2의 (B), (C)를 참조)을 검출한다. 도시하는 레이저 용접 장치(10)에 있어서는, 제1 센서(41)에 더하여 또한, 검사광(32)으로서 조사한 레이저광(31)의, 용접부(21)로부터의 반사광(50)의 강도(V2)를 검출하는 제2 센서(51)(반사광용 센서(51)에 상당함)를 갖는다. 제어부(70)는, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화 및 제2 센서(51)의 검출 신호에 기초한 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출한다. 이하, 상세히 기술한다.

레이저 조사부(30)는 YAG 레이저 발진기(33)와, 로봇 핸드(34)에 설치된 스캔 헤드(35)를 갖는다. YAG 레이저 발진기(33)에 있어서 발생한 레이저광(31)은, 광 파이버(36)에 의해 스캔 헤드(35)로 유도된다. 스캔 헤드(35) 내에는, 콘덴서 렌즈나 집광 렌즈 등을 구비하는 초점 가변 기구(37)가 내장되어 있다. 초점 위치가 조정된 레이저광(31)은, 미러(38), 요동 가능한 스캔 미러(39)에 의해 금속 부재(20)의 표면에 집광된다. 레이저광(31)을, 직선 형상, 곡선 형상, 원 형상 혹은 원호 형상 등의 임의의 궤적을 따라 주사할 수 있다. 복수의 금속 부재(20)끼리는, 레이저광(31)이 조사되어 용접되어, 용접부(21)로서의 용접 비드가 형성된다.

검사 모드에 있어서, 레이저광(31)을 검사광(32)으로서 용접부(21)에 다시 조사하면, 검사광(32)의 조사에 의해 가열된 용접부(21)로부터는 가시광(40)이 방사된다. 또한, 검사광(32)으로서 조사한 레이저광(31)의 일부는, 용접부(21)에 흡수되지 않고 용접부(21)로부터의 반사광(50)이 된다. 가시광(40) 및 반사광(50)은 스캔 미러(39)에 의해 되돌아가, 미러(38)를 투과하고, 하나 또는 복수의 미러(60)와 광 파이버(61)를 통해 빔 스플리터(62)에 입사된다.

빔 스플리터(62)에는, 가시광용 센서(41)로서의 제1 센서(41)와, 반사광용 센서(51)로서의 제2 센서(51)와, 다이크로익 미러(63)와, 1064nm±10nm의 파장만을 투과하는 간섭 필터(64)를 갖는다. 제1 센서(41) 및 제2 센서(51) 각각은, 포토다이오드로 구성되어 있다. 포토다이오드는, 광 강도에 대하여 상관 관계를 갖는 전압을 출력한다. 빔 스플리터(62)에 있어서는, 우선 용접부(21)로부터의 입사광은 다이크로익 미러(63)에 의해 파장에 따라 선택된다. 입사광 중의 파장 750nm 이하의 가시광(40)은 다이크로익 미러(63)를 투과하여, 제1 센서(41)로 유도된다. 제1 센서(41)는, 수광한 가시광(40)의 발광 강도(V1)를 전기 신호로 변환하여, 제어부(70)에 입력한다. 입사광 중의 적외광은 다이크로익 미러(63)에 반사된 후, 1.06㎛의 파장을 갖는 YAG 레이저 광(31)만이 간섭 필터(64)를 투과하여 제2 센서(51)로 유도된다. 제2 센서(51)는, 수광한 반사광(50)의 강도(V2)를 전기 신호로 변환하여, 제어부(70)에 입력한다. 제1 센서(41) 및 제2 센서(51)로부터의 각각의 전기 신호는, 프리앰프, 필터, AD 변환기 등을 거쳐서 제어부(70)에 입력된다.

제어부(70)는, CPU와 메모리를 주체로 구성되어 있다. CPU에는, 제1 센서(41)에 의해 검출한 가시광(40)의 발광 강도 신호, 제2 센서(51)에 의해 검출한 반사광(50)의 강도 신호가 입력된다. CPU로부터는, 레이저 조사부(30)의 YAG 레이저 발진기(33), 초점 가변 기구(37), 스캔 미러(39) 등의 작동을 제어하기 위한 신호가 출력된다. CPU로부터는 또한, 스캔 헤드(35)의 자세를 제어하는 신호가 로봇 핸드(34)의 관절 축을 구동하는 서보 모터 등에 출력된다. 메모리에는, 각 부의 작동을 제어하기 위한 프로그램 이외에, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출하기 위한 프로그램이 기억되어 있다. 메모리에는 또한, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화 및 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출하기 위한 프로그램도 기억되어 있다. 제어부(70)에는 모니터(71)가 접속되며, 모니터(71)는 가시광(40)의 발광 강도(V1), 반사광(50)의 강도(V2), 구멍 결함의 유무 등을 표시한다.

제어부(70)는, 검사광(32)이 용접부(21)에 가하는 열량이, 용접부(21)가 재용융되는 열량을 초과하지 않는 열량으로 조정되도록 레이저 조사부(30)를 제어한다. 이에 의해, 용접부(21)가 재용융되지 않는 상태를 유지하면서 검사광(32)을 조사하여, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출할 수 있다.

제어부(70)는, 검사광(32)으로서 조사하는 레이저광(31)의 출력, 빔 직경, 주사 속도 중 적어도 하나를 조정시킨다. 레이저 출력을 낮추거나, 주사 속도를 빠르게 하거나, 스폿 직경을 확대하거나 함으로써 용접부(21)에 대한 입열량을 조정하여, 용접부(21)가 재용융되는 열량을 초과하지 않는 열량으로 간단하게 조정할 수 있다. 또한, 레이저광(31)의 출력, 빔 직경, 주사 속도 중 적어도 하나만을 조정하면 된다. 예를 들어, 레이저 출력을 용접시와 마찬가지로 설정하여도, 주사 속도를 빠르게 함으로써 용접부(21)에 대한 입열량을 조정할 수 있다.

도 2의 (A), (B)는, 용접 후에 레이저 용접부(21)에 있어서 발생한 구멍(22)을 검출하는 방법의 원리를 도시하는 설명도이며, 도 2의 (A)는, 용접 후에 레이저 용접부(21)에 있어서 구멍(22)이 발생하지 않은 경우에 있어서의, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화 및 반사광(50)의 강도(V2)의 변화를 도시하는 도면이다. 도 2의 (B)는, 용접 후에 레이저 용접부(21)에 있어서 구멍(22)(관통 구멍(22a))이 발생하는 경우에 있어서의, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화 및 반사광(50)의 강도(V2)의 변화를 도시하는 도면이다. 도 2의 (C)는, 용접 후에 레이저 용접부(21)에 구멍(22)(비관통 구멍(22b))이 발생하고 있는 모습을 도시하는 도면이다.

제1 센서(41) 및 제2 센서(51) 각각은 포토다이오드로 구성되며, 광 강도에 대하여 상관 관계를 갖는 전압을 출력한다. 도 2의 (A)를 참조하면, 레이저 용접이 종료되고, 용융 금속이 응고된 후에 있어서 용접부(21)에 구멍(22)이 발생하지 않은 경우에는, 가시광(40)의 발광 강도(V1) 및 반사광(50)의 강도(V2)에는 큰 변화는 나타나지 않는다.

한편, 도 2의 (B)를 참조하면, 레이저 용접이 종료되고, 용융 금속이 응고된 후에 있어서 용접부(21)에 구멍(22)이 발생한 경우에는, 제1 센서(41) 및 제2 센서(51)로부터의 각각의 전압 출력은, 구멍(22)이 발생한 부분에 있어서 크게 강하된다.

따라서, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화에 기초하여, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출할 수 있다. 또한, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화 및 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에 기초하여, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출할 수 있다. 용접 중의 레이저광(31)을 이용한 종래의 방법에서는, 용접 후에 발생하는 구멍(22)에 대하여 검출하지 못하였다. 이에 비해, 본 실시 형태에서는, 용접 후에 발생하는 구멍 결함을 검출할 수 있다.

여기서, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출할 때, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화에 더하여, 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에도 기초하도록 한 경우의 이점은 다음과 같다.

1대의 레이저 용접 장치(10)에 의해 용접 및 검사를 행하는 경우에 있어서는, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화에 기초함으로써, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 정확하게 검출할 수 있다.

한편, 복수대의 레이저 용접 장치(10)에 의해 동시에 다수의 타점을 용접하는 경우에 있어서, 용접점끼리가 비교적 가까울 때에는 이하의 문제가 발생한다. 용접부(21)로부터의 가시광(40)은 방사형으로 방사되며, 발광 강도(V1)는 검사 모드에 있어서도 매우 강하다. 이로 인해, 하나의 레이저 용접 장치(10)에 있어서 방사된 가시광(40)이, 검사 모드에 있어서 동작하고 있는 다른 레이저 용접 장치(10)의 제1 센서(41)로 유도되는 경우가 있다. 이때에는, 다른 레이저 용접 장치(10)에 있어서는 가시광(40)이 겹쳐져버린다. 따라서, 용접 후에 구멍(22)이 발생하고 있었다고 해도, 가시광(40)의 발광 강도(V1)에 큰 변화가 나타나지 않고, 그 결과, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 정확하게 검출하지 못하게 된다.

조사한 검사광(32)은 용접부(21)의 표면에 있어서의 미소 요철 형상에 의해 반사되기 쉽기 때문에, 제2 센서(51)까지 유도되는 반사광(50)은 검사광(32)의 몇퍼센트에 지나지 않는다. 이로 인해, 하나의 레이저 용접 장치(10)에 있어서 용접부(21)로부터의 반사광(50)이, 검사 모드에 있어서 동작하고 있는 다른 레이저 용접 장치(10)의 제2 센서(51)로 유도되는 것은 실질적으로 발생하지 않는다.

따라서, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화에 더하여, 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에도 기초함으로써, 용접 후에 발생한 구멍(22)의 검출 정밀도를 높이는 것이 가능하게 된다. 특히, 복수대의 레이저 용접 장치(10)에 의해 동시에 다수의 타점을 용접하는 경우에 있어서도, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 정확하게 검출할 수 있다는 현저한 효과를 발휘한다.

검출 대상의 구멍(22)은, 용접부(21)에 있어서의 한쪽 표면(21a)으로부터 다른쪽 표면(21b)까지 관통하는 관통 구멍(22a)(도 2의 (B)를 참조) 또는 다른쪽 표면(21b)까지 도달하지 않는 비관통 구멍(22b)(도 2의 (C)를 참조) 중 어느 것이어도 된다.

관통 구멍(22a) 또는 비관통 구멍(22b)에 무관하게, 관통 구멍(22a) 또는 비관통 구멍(22b)의 부분에 있어서는, 응고된 용융 금속의 양이 다른 부분과 상이하다. 이로 인해, 가시광(40)의 발광 강도(V1)에 큰 변화가 나타나거나, 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에 큰 변화가 나타나거나 한다. 그 결과, 용접 후에 발생한 관통 구멍(22a) 또는 비관통 구멍(22b)을 정확하게 검출할 수 있다.

용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출할 수 있는 경우에 있어서, 검출한 구멍(22)이 관통 구멍(22a)인지 또는 비관통 구멍(22b)인지의 판정을 행할 때에는 다음과 같이 하면 된다.

우선, 관통 구멍(22a)의 경우와, 비관통 구멍(22b)의 경우 각각에 있어서, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화의 참조 파형을 미리 취득하여 기억해 둔다. 그리고, 검사 모드에 있어서 얻어진 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화를, 관통 구멍(22a)의 경우의 참조 파형 및 비관통 구멍(22b)의 경우의 참조 파형과 각각 비교한다. 그리고, 보다 근사한 파형을 나타내는 참조 파형의 구멍(22)(관통 구멍(22a) 또는 비관통 구멍(22b))을, 용접 후에 발생한 구멍(22)(관통 구멍(22a) 또는 비관통 구멍(22b))이라 판정한다. 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화를 참조 파형과 비교하는 것에 더하여, 반사광(50)의 강도(V2)의 변화를 참조 파형과 비교하도록 해도 된다. 관통 구멍(22a)의 경우와, 비관통 구멍(22b)의 경우 각각에 있어서, 반사광(50)의 강도(V2)의 변화의 참조 파형을 미리 취득하여 기억해 둔다. 그리고, 검사 모드에 있어서 얻어진 반사광(50)의 강도(V2)의 변화를, 관통 구멍(22a)의 경우의 참조 파형 및 비관통 구멍(22b)의 경우의 참조 파형과 각각 비교한다. 그리고, 보다 근사한 파형을 나타내는 참조 파형의 구멍(22)(관통 구멍(22a) 또는 비관통 구멍(22b))을, 용접 후에 발생한 구멍(22)(관통 구멍(22a) 또는 비관통 구멍(22b))이라 판정한다.

도 3의 (A), (B)는, 검사 모드에 있어서, 레이저 조사부(30)로부터 조사되는 검사광(32)으로서의 레이저광(31)의, 용접부(21)에 대한 조사 각도 θ를 도시하는 설명도이며, 도 3의 (A)는, 용접부(21)가 신장되어 있는 방향, 즉 레이저광(31)의 주사 방향(지면에 대하여 직교하는 방향)에 대하여 교차하는 면 내에 있어서의 조사 각도 θ를 나타내고 있다. 도 3의 (B)는, 용접부(21)가 신장되어 있는 방향, 즉 레이저광(31)의 주사 방향(b)(흰색 화살표에 의해 표시됨)을 포함하는 면 내에 있어서의 조사 각도 θ를 나타내고 있다.

도 3의 (A), (B)를 참조하면, 검사 모드에 있어서, 레이저 조사부(30)로부터 조사되는 검사광(32)으로서의 레이저광(31)의, 용접부(21)에 대한 조사 각도 θ는, 금속 부재(20)의 표면의 법선(a)으로부터 용접 후에 발생한 구멍(22) 내에 검사광(32)이 조사되는 각도의 범위가 바람직하다. 여기서 「용접 후에 발생한 구멍(22) 내에 검사광(32)이 조사되는 각도」는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 약 20도이다. 도 3의 (B)에 도시한 바와 같이, 검사 부위에 있어서의 검사광(32)과 주사 방향(b)이 이루는 각도(α)는 둔각 또는 예각 중 어느 것이어도 된다.

상술한 바와 같이, 관통 구멍(22a) 또는 비관통 구멍(22b)에 무관하게, 관통 구멍(22a) 또는 비관통 구멍(22b)의 부분에 있어서는 응고된 용융 금속의 양이 다른 부분과 상이하다. 이로 인해, 검사광(32)으로서의 레이저광(31)의, 용접부(21)에 대한 조사 각도 θ를, 금속 부재(20)의 표면의 법선(a)으로부터 용접 후에 발생한 구멍(22) 내에 검사광(32)이 조사되는 각도의 범위로 설정함으로써, 가시광(40)의 발광 강도(V1)에 큰 변화가 나타나거나, 반사광(50)의 강도(V2)에 큰 변화가 나타나거나 한다. 그 결과, 용접 후에 발생한 관통 구멍(22a) 또는 비관통 구멍(22b)을 정확하게 검출할 수 있다.

도 4는, 레이저 용접 장치(10)의 동작을 설명하는 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 제어부(70)는 레이저 조사부(30)의 작동을, 레이저광(31)을 조사하여 복수의 금속 부재(20)끼리를 용접하는 용접 모드로 설정한다(스텝 S11). 제어부(70)는 로봇 핸드(34)를 구동시켜, 용접 위치나 용접 방향에 맞춰 스캔 헤드(35)의 자세를 제어한다. 제어부(70)는, YAG 레이저 발진기(33)를 구동시키고, 스캔 미러(39)를 초기 위치로부터 전후 좌우로 움직이게 하여, 레이저광(31)을 금속 부재(20)의 표면에 집광시키면서 주사시킨다. 이에 의해, 복수의 금속 부재(20)끼리가 용접된다. 제어부(70)는 스캔 미러(39)를 회동시키고, 소정 길이의 용접부(21)의 형성이 종료될 때까지(스텝 S12, 아니오) 스텝 S11의 용접 모드를 계속한다.

제어부(70)는, 스캔 미러(39)가 소정 각도 회동하고, 소정 길이의 용접부(21)의 형성이 종료되었다고 판단되면(스텝 S12, 예), YAG 레이저 발진기(33)의 작동을 정지시킨다. 제어부(70)는 레이저 조사부(30)의 작동을, 용접 모드 후에 레이저광(31)을 검사광(32)으로서 용접부(21)에 다시 조사하는 검사 모드로 전환한다(스텝 S13). 제어부(70)는 스캔 헤드(35)의 자세를 유지한 채 그대로, 스캔 미러(39)를 초기 위치로 복귀시킨다. 제어부(70)는, YAG 레이저 발진기(33)를 재구동시키고, 스캔 미러(39)를 초기 위치로부터 전후 좌우로 움직이게 하여, 레이저광(31)을 검사광(32)으로서 용접부(21)에 다시 조사시킨다. 레이저광(31)을 검사광(32)으로서 용접부(21)에 다시 조사함으로써, 가열된 용접부(21)로부터는 가시광(40)이 방사된다. 또한, 검사광(32)으로서 조사한 레이저광(31)의 일부는, 용접부(21)에 흡수되지 않고 용접부(21)로부터의 반사광(50)이 된다. 로봇 핸드(34)의 관절 축을 움직이게 하지 않고 스캔 미러(39)의 구동을 서보 모터에 의해 제어할 수 있기 때문에, 검사광(32)으로서의 레이저광(31)을 고속이면서도 연속하여 조사시키는 것이 가능하게 된다.

가시광(40) 및 반사광(50)은, 빔 스플리터(62)에 입사된다. 빔 스플리터(62)에 있어서는, 용접부(21)로부터의 입사광 중 가시광(40)은 제1 센서(41)로 유도되고, 1.06㎛의 파장을 갖는 YAG 레이저 광(31)만이 간섭 필터(64)를 투과하여 제2 센서(51)로 유도된다. 제어부(70)에는, 제1 센서(41)에 의해 검출한 가시광(40)의 발광 강도 신호, 제2 센서(51)에 의해 검출한 반사광(50)의 강도 신호가 입력된다(스텝 S14).

제어부(70)는, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화 및 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에 기초하여, 용접 후에 발생한 구멍(22)의 유무를 검출한다(스텝 S15). 제어부(70)는 스캔 미러(39)를 회동시키고, 용접부(21)의 전체 길이에 걸쳐서 검사가 종료될 때까지 스텝 S13 내지 S15의 검사 모드를 계속한다(스텝 S16, 아니오).

제어부(70)는 스캔 미러(39)가 소정 각도 회동하고, 용접부(21)의 전체 길이에 걸쳐서 검사가 종료되었다고 판단되면(스텝 S16, 예), YAG 레이저 발진기(33)의 작동을 정지시키고, 레이저광(31)을 검사광(32)으로서 다시 조사시키는 것을 정지시킨다.

제어부(70)는 1타점에 관한 용접 및 검사가 끝나면, 다음 타점을 용접하기 위해 스캔 미러(39)의 초기 위치를 변경시키거나, 로봇 핸드(34)를 구동시켜 스캔 헤드(35)의 자세를 변경시키거나 한다.

제어부(70)는, 하나의 워크(예를 들어, 자동차용 패널재 등)에 설정된 모든 타점에 관한 용접 및 검사가 끝나면(스텝 S17), 그 하나의 워크에 대한 용접 품질의 판정을 행한다(스텝 S18).

용접 품질의 판정(스텝 S18)은, 레이저 용접의 대상이 되는 워크의 특성에 따라 다양한 기준을 설정할 수 있다. 예를 들어, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 하나라도 검출했을 때에는, 용접 품질을 「NG」로 판정한다. 또한, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출한 경우이며, 하나의 용접부(21)의 전체 길이에 대한 비율이 접합 강도의 관점에서 허용되는 비율 이하일 때에는, 용접 품질을 「OK」로 판정하는 것도 가능하다.

(실험예)

도 5의 (A), (B)는, 구멍(22)을 형성한 테스트 피스를 사용하여, 구멍(22)을 검출하는 실험을 행한 결과를 도시하는 도면이며, 도 5의 (A)는, 구멍(22)을 형성한 테스트 피스와, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화를 나타내는 그래프, 도 5의 (B)는, 구멍(22)을 형성한 테스트 피스와, 반사광(50)의 강도(V2)의 변화를 나타내는 그래프이다. 각 그래프에 있어서, 상측에 표시되는 그래프는 하측에 표시되는 그래프의 스케일을 일부 확대하여 나타내고 있다.

테스트 피스는, 직선 형상의 용접부(21)(용접 비드)가 형성되어 있다. 용접부(21)에는 구멍(22)을 형성하고 있다. 검사광(32)으로서 조사하는 레이저광(31)은, 150mm/s의 속도로 15mm 주사하였다. 레이저광(31)의 출력은 500W로 하였다. 용접부(21)가 신장되어 있는 방향, 즉 레이저광(31)의 주사 방향에 대하여 교차하는 면 내에 있어서의 조사 각도 θ는 10도로 하였다(도 3의 (A)를 참조). 용접부(21)가 신장되어 있는 방향, 즉 레이저광(31)의 주사 방향을 포함하는 면 내에 있어서의 조사 각도 θ는 제로, 즉 금속 부재(20)의 표면의 법선 방향으로 하였다(도 3의 (B)를 참조).

도 5의 (A)를 참조하면, 주사 방향을 따른 용접부(21)의 구멍(22)의 위치에 있어서, 가시광(40)의 발광 강도(V1)는 최저의 강도를 나타내었다. 또한, 도 5의 (B)를 참조하면, 주사 방향을 따른 용접부(21)의 구멍(22)의 위치에 있어서, 반사광(50)의 강도(V2)는 최저의 강도를 나타내었다. 따라서, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화에 기초하여, 용접부(21)에 존재하는 구멍(22)을 검출할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화 및 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에 기초하여, 용접부(21)에 존재하는 구멍(22)을 검출할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 레이저 용접부(21)에 있어서의 구멍 검출 방법에 의하면, 레이저광(31)을 조사하여 복수의 금속 부재(20)끼리를 용접한 후, 레이저광(31)을 검사광(32)으로서 용접부(21)에 다시 조사한다. 그리고, 검사광(32)의 조사에 의해 용접부(21)로부터 방사된 가시광(40)의 발광 강도(V1)를 검출하고, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출한다. 또한, 상기한 구멍 검출 방법을 구현화하는 본 실시 형태의 레이저 용접 장치(10)에 의하면, 제어부(70)는, 레이저 조사부(30)의 작동을 용접 모드 후에 검사 모드로 전환하여, 레이저 조사부(30)로부터 레이저광(31)을 검사광(32)으로서 용접부(21)에 다시 조사시킨다. 제어부(70)는, 또한, 제1 센서(41)의 검출 신호에 기초하여, 검사광(32)의 조사에 의해 용접부(21)로부터 방사된 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출한다.

이러한 방법 및 장치에 의하면, 레이저 용접이 종료되고, 용융 금속이 응고된 후에 있어서 용접부(21)에 구멍(22)이 발생한 경우에는, 가시광(40)의 발광 강도(V1)가 구멍(22)의 위치에 있어서 크게 변화된다. 따라서, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화에 기초하여, 용접 후에 발생하는 구멍 결함을 용이하게 검출할 수 있다. 기존의 레이저 용접용의 레이저광(31)을 검사광(32)으로서 유용(流用)한다는 점에서, 검사 전용의 레이저 설비를 설치할 필요가 없다. 기존의 레이저 용접용의 레이저광(31)이나 로봇 설비를 사용할 수 있으며, 비교적 저렴하게 구멍 결함의 검출을 실현할 수 있다.

구멍 검출 방법에 의하면, 검사광(32)으로서 조사한 레이저광(31)의, 용접부(21)로부터의 반사광(50)의 강도(V2)를 검출하고, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화 및 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출한다. 또한, 레이저 용접 장치(10)에 의하면, 제어부(70)는 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화, 및 제2 센서(51)의 검출 신호에 기초한 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에 기초하여, 용접 후에 발생하는 구멍 결함을 용이하게 검출할 수 있다.

이러한 방법 및 장치에 의하면, 레이저 용접이 종료되고, 용융 금속이 응고된 후에 있어서 용접부(21)에 구멍(22)이 발생한 경우에는, 가시광(40)의 발광 강도(V1) 및 반사광(50)의 강도(V2)가 구멍(22)의 위치에 있어서 크게 변화된다. 따라서, 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화 및 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에 기초하여, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출할 수 있다. 가시광(40)의 발광 강도(V1)의 변화에 더하여, 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에도 기초함으로써, 용접 후에 발생한 구멍(22)의 검출 정밀도를 높이는 것이 가능하게 된다. 특히, 복수대의 레이저 용접 장치(10)에 의해 동시에 다수의 타점을 용접하는 경우에 있어서도, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 정확하게 검출할 수 있다는 현저한 효과를 발휘한다.

구멍 검출 방법에 의하면, 검사광(32)이 용접부(21)에 가하는 열량은, 용접부(21)가 재용융되는 열량을 초과하지 않는 열량으로 조정되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 레이저 용접 장치(10)에 의하면, 제어부(70)는 검사광(32)이 용접부(21)에 가하는 열량이, 용접부(21)가 재용융되는 열량을 초과하지 않는 열량으로 조정되도록 레이저 조사부(30)를 제어하는 것이 바람직하다.

이러한 방법 및 장치에 의하면, 용접부(21)가 재용융되지 않는 상태를 유지하면서 검사광(32)을 조사하여, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 검출할 수 있다.

구멍 검출 방법에 의하면, 검사광(32)으로서 조사하는 레이저광(31)의 출력, 빔 직경, 주사 속도 중 적어도 하나를 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 레이저 용접 장치(10)에 의하면, 제어부(70)는 검사광(32)으로서 조사하는 레이저광(31)의 출력, 빔 직경, 주사 속도 중 적어도 하나를 조정시키는 것이 바람직하다.

이러한 방법 및 장치에 의하면, 레이저 출력을 낮추거나, 주사 속도를 빠르게 하거나, 스폿 직경을 확대하거나 함으로써, 용접부(21)에 대한 입열량을 조정하여, 용접부(21)가 재용융되는 열량을 초과하지 않는 열량으로 간단하게 조정할 수 있다.

검사광(32)의 용접부(21)에 대한 조사 각도 θ는, 금속 부재(20)의 표면의 법선으로부터 용접 후에 발생한 구멍(22) 내에 검사광(32)이 조사되는 각도의 범위인 것이 바람직하다.

가시광(40)의 발광 강도(V1)에 큰 변화가 나타나거나, 반사광(50)의 강도(V2)의 변화에 큰 변화가 나타나거나 한다. 그 결과, 용접 후에 발생한 구멍(22)을 정확하게 검출할 수 있다.

검출 대상의 구멍(22)은, 용접부(21)에 있어서의 한쪽 표면(21a)으로부터 다른쪽 표면(21b)까지 관통하는 관통 구멍(22a) 또는 다른쪽 표면(21b)까지 도달하지 않는 비관통 구멍(22b)이다.

본 출원은, 2016년 1월 14일에 출원된 일본 특허 출원 번호 2016-005469호에 기초하고 있으며, 그 개시 내용은 참조되어, 전체로서 편입되어 있다.

10: 레이저 용접 장치
20: 금속 부재
21: 용접부
21a: 한쪽 표면
21b: 다른쪽 표면
22: 구멍
22a: 관통 구멍
22b: 비관통 구멍
30: 레이저 조사부
31: 레이저광
32: 검사광
33: YAG 레이저 발진기
34: 로봇 핸드
35: 스캔 헤드
37: 초점 가변 기구
39: 스캔 미러
40: 가시광
41: 제1 센서(가시광용 센서)
50: 반사광
51: 제2 센서(반사광용 센서)
62: 빔 스플리터
70: 제어부
θ: 조사 각도
V1: 가시광의 발광 강도
V2: 반사광의 강도

Claims

레이저광을 조사하여 복수의 금속 부재끼리를 용접한 후, 상기 레이저광을 검사광으로서 용접부를 따라 주사하고, 상기 검사광의 주사시 상기 용접부로부터 방사된 가시광의 발광 강도를 검출하고, 가시광의 발광 강도의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍을 검출하는, 레이저 용접부에 있어서의 구멍 검출 방법.
제1항에 있어서, 상기 검사광으로서 주사한 상기 레이저광의 상기 용접부로부터의 반사광의 강도를 검출하고, 가시광의 발광 강도의 변화 및 반사광의 강도의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍을 검출하는, 레이저 용접부에 있어서의 구멍 검출 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 검사광이 상기 용접부에 가하는 열량은, 상기 용접부가 재용융되는 열량을 초과하지 않는 열량으로 조정되어 있는, 레이저 용접부에 있어서의 구멍 검출 방법.
제3항에 있어서, 상기 검사광으로서 주사하는 상기 레이저광의 출력, 빔 직경, 주사 속도 중 적어도 하나를 조정하는, 레이저 용접부에 있어서의 구멍 검출 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 검사광의 상기 용접부에 대한 주사 각도는, 상기 금속 부재의 표면의 법선으로부터 용접 후에 발생한 구멍 중에 상기 검사광이 주사되는 각도의 범위인, 레이저 용접부에 있어서의 구멍 검출 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 검출 대상의 구멍은, 상기 용접부에 있어서의 한쪽 표면으로부터 다른쪽 표면까지 관통하는 관통 구멍 또는 다른쪽 표면까지 도달하지 않는 비관통 구멍인, 레이저 용접부에 있어서의 구멍 검출 방법.
레이저광을 조사 또는 주사하는 레이저 조사부와,
상기 레이저 조사부로부터 주사된 상기 레이저광에 의해 용접된 용접부로부터 방사된 가시광의 발광 강도를 검출하는 가시광용 센서와,
상기 레이저 조사부의 작동을, 상기 레이저광을 조사하여 복수의 금속 부재끼리를 용접하는 용접 모드와, 상기 레이저광을 검사광으로서 상기 용접부에 주사하는 검사 모드로 전환하는 것이 자유 자재인 제어부를 갖고,
상기 제어부는, 상기 레이저 조사부의 작동을 상기 용접 모드 후에 상기 검사 모드로 전환하여, 상기 레이저 조사부로부터 상기 레이저광을 상기 검사광으로서 상기 용접부에 주사시키고, 또한, 상기 가시광용 센서의 검출 신호에 기초하여, 상기 검사광의 주사에 의해 상기 용접부로부터 방사된 가시광의 발광 강도의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍을 검출하는 레이저 용접 장치.
제7항에 있어서, 상기 검사광으로서 주사한 상기 레이저광의 상기 용접부로부터의 반사광의 강도를 검출하는 반사광용 센서를 더 갖고,
상기 제어부는, 가시광의 발광 강도의 변화 및 상기 반사광용 센서의 검출 신호에 기초한 반사광의 강도의 변화에 기초하여 용접 후에 발생한 구멍을 검출하는 레이저 용접 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 검사광이 상기 용접부에 가하는 열량이 상기 용접부가 재용융되는 열량을 초과하지 않는 열량으로 조정되도록 상기 레이저 조사부를 제어하는 레이저 용접 장치.
제9항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 검사광으로서 주사하는 상기 레이저광의 출력, 빔 직경, 주사 속도 중 적어도 하나를 조정시키는 레이저 용접 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 검사광의 상기 용접부에 대한 주사 각도는, 상기 금속 부재의 표면의 법선으로부터 용접 후에 발생한 구멍 중에 상기 검사광이 주사되는 각도의 범위인 레이저 용접 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 검출 대상의 구멍은, 상기 용접부에 있어서의 한쪽 표면으로부터 다른쪽 표면까지 관통하는 관통 구멍 또는 다른쪽 표면까지 도달하지 않는 비관통 구멍인 레이저 용접 장치.