JP4120254B2 - Laser welding quality evaluation apparatus, laser welding apparatus and method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接装置に関し、特にレーザ溶接状態をAEセンサにより検出し、評価や制御に用いる装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、レーザ溶接装置での溶接時に生じるAE(アコースティックエミッション)波を検出し、この検出信号から溶接状態を評価し、溶接の制御を行う技術が提案されている。
【0003】
例えば特開平1−210185号公報には、被溶接物を保持する治具にAEセンサを取り付け、溶接時に被溶接物に生じるAE波を治具を介して検出し、製品の良否を判別する装置が提案されている。
【0004】
また、特開平6−155056号公報には、レーザ溶接ヘッド(トーチ)にAEセンサを取り付け、溶接部で生じたAE波を溶接ヘッドを介して検出し、最適溶接制御を行う装置が提案されている。
【0005】
また、溶接に関するものではないがそれに類するものとして、特開昭64−40192号公報には、被加工物に固着した1個もしくは複数個のAEセンサを介して被加工物のレーザ加工に伴うAE信号を検知し、このAE信号を演算処理してレーザ加工状態を監視しつつリアルタイムに制御する加工制御法が提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
特開平6−155056号公報の装置では、被溶接物で発生したAE波は、空気層を介して溶接ヘッドに伝搬し、AEセンサで検出されることになる。AE波は空気層により大幅に減衰するため、AEセンサでの検出においてS/N比が劣化するなどの問題がある。
【0007】
特開平1−210185号公報及び特開昭64−40192号公報に記載の技術では、AE波の発生源からAEセンサまでのAE波伝搬経路に空気層が介在しないので、上述の問題は基本的にない。しかしながら、AEセンサの位置が被溶接物に対して固定的なので、比較的大型の被溶接物を溶接する場合、溶接部の位置が変わると、AEセンサまでの距離やAE波伝搬経路が変わってくる。このため、溶接状態をどの場所についても正しく評価しようとすると、AEセンサまでの距離やAE波伝搬経路の違いを補償する処理や機構が必要になるという問題がある。
【0008】
本発明は、このような従来装置の問題を解決するためになされたものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ溶接品質評価装置は、レーザ溶接装置による溶接時に被溶接物の溶接部から発生するAE波をAEセンサによって検出し、このAEセンサの検出信号に基づき溶接品質を評価する装置であって、被溶接物の溶接部近傍を押圧する加圧ローラであって、前記レーザ溶接装置の構造部材に対して取り付けられた加圧ローラを備え、前記AEセンサをこの加圧ローラ又は前記構造部材に設け、前記溶接部近傍から前記加圧ローラに伝搬したAE波を前記AEセンサで検出することを特徴とする。
【0010】
本発明の好適な態様では、前記AEセンサはその加圧ローラの回転軸部材に取り付けられる。
【0011】
本発明の別の好適な態様では、レーザ溶接品質評価装置は、前記被溶接物の溶接部に向けて音波を照射し、該音波の音圧により前記溶接部の溶接池の波立ちを抑制する音波照射手段を備える。
【0012】
本発明の別の好適な態様では、前記AEセンサとして、実質的に500kHzを感度中心とする検出能力を持つものを用いる。
【0013】
本発明に係るレーザ溶接装置は、 レーザトーチから発したレーザ光により被溶接物の溶接部を溶接するレーザ溶接装置であって、溶接時に被溶接物の溶接部から発生する音をAEセンサによって検出し、このAEセンサの検出信号に基づきレーザ溶接処理の処理パラメータを制御するレーザ溶接装置であって、被溶接物の溶接部近傍を押圧する加圧ローラであって、前記レーザ溶接装置の構造部材に対して取り付けられる加圧ローラを備え、前記AEセンサをこの加圧ローラ又は前記構造部材に設け、前記溶接部近傍から前記加圧ローラに伝搬したAE波を前記AEセンサで検出することを特徴とする。
【0014】
本発明の好適な態様では、前記AEセンサはその加圧ローラの回転軸部材に取り付けられる。
【0015】
本発明の別の好適な態様では、レーザ溶接装置は、前記被溶接物の溶接部に向けて音波を照射し、該音波の音圧により前記溶接部の溶接池の波立ちを抑制する音波照射手段を備える。
【0016】
本発明の別の好適な態様では、前記AEセンサとして、実質的に500kHzを感度中心とする検出能力を持つものを用いる。
【0017】
また本発明の別の好適な態様では、レーザ溶接装置は、前記加圧ローラのz座標を検出するセンサと、前記加圧ローラをxy方向に移動させる移動手段と、前記センサが検出した前記加圧ローラのz座標及び前記移動手段から得られる前記加圧ローラのx及びy座標と、被溶接物の3次元形状を表す設計形状データと、に基づき前記加圧ローラのz方向位置の制御を行うローラ制御手段と、を含む。
【0018】
また本発明に係る方法は、レーザトーチから発したレーザ光により被溶接物の溶接部を溶接するレーザ溶接装置による溶接方法であって、被溶接物の溶接部近傍を押圧するために前記レーザ溶接装置に設けられた加圧ローラの回転軸部材に対して取り付けられたAEセンサにより、前記溶接部近傍から前記加圧ローラに伝搬したAE波を検出し、このAEセンサの検出信号に基づき前記レーザ溶接装置による溶接処理の処理パラメータを制御するものである。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)について、図面に基づいて説明する。
【0020】
図1は、本発明に係るレーザ溶接装置の全体構成を示す模式図である。この図では、図の紙面に垂直な方向をx軸方向、図の左右方向をy軸方向、上下方向をz軸方向とする。また、図2はこのレーザ溶接装置のレーザトーチ10の正面方向断面(a)、側面方向断面(b)、及びそのレーザ出力口側を下側から見た様子(c)、を模式的に示す図である。以下、これらの図を参照して、この実施形態のレーザ溶接装置の構成を説明する。
【0021】
これらの図において、レーザトーチ10は、溶接用のレーザビームを出力する装置である。レーザ102から発せられたレーザビームはレンズ104a、104bにより集束される。その集束の焦点では、重ね合わせた2枚の板などの被溶接物30がレーザビームにより熱せられて溶融する。このようにして溶接される部分のことを溶接部32と呼ぶことにする。なお、レンズ104bの下側には、溶融部32からの飛沫からレンズ等を保護するために、レーザビームを透過させる保護板106が設けられる。
【0022】
レーザトーチ10は、油圧駆動部12にて上下(すなわちz軸方向)に駆動される支持構造体14に固定されている。油圧駆動部12は、油圧装置16からの油供給により支持構造体14を上下させることができる。油圧駆動部12は、溶接ロボット(図示省略)に対して取り付けられている。溶接ロボットは、レーザトーチ10をx方向及びy方向に移動させるのに用いられる。これに対し、油圧駆動部12は、レーザトーチ10をz方向に移動させるのに用いられる。これら両者の組合せにより、凹凸等を含んだある程度複雑な形状の被溶接物を溶接することができる。なお、溶接ロボットに対するレーザトーチ10の相対的な高さ(z軸方向位置)は、油圧駆動部12のシリンダの高さを検出する高さセンサ13によって検出することができる。
【0023】
支持構造体14の下端には軸支持部18が設けられ、この軸支持部18により加圧ローラ20の回転軸が支持されている。加圧ローラ20は、被溶接物30を押圧するための部材である。加圧ローラ20は、溶接部32の近傍部を押圧することにより、溶接部32の位置での、被溶接物30である複数枚の板の密着性を高める。加圧ローラ20及び軸支持部18は、共に金属等の音波を伝搬しやすい材料で形成されている。また、加圧ローラ20と軸支持部18との界面での音波の反射を極力少なくするため、両者はできるだけ音響インピーダンスの近い材料を用いて製作する。
【0024】
駆動制御部26は、溶接ロボットによるx、y方向の動きや油圧駆動部12によるz方向の動きを制御する制御プロセッサである。この駆動制御部26は、トーチ10の現在のxy座標の情報を含んだロボットデータを溶接ロボットから、トーチ10の現在の高さ(z座標)の情報を含んだ高さデータを高さセンサ13から、被溶接物の3次元形状を示す設計データを記憶装置(図示省略)から、それぞれ受け取る。そして、前二者が示す現在のトーチ10の3次元位置と、設計データが示す3次元形状とに基づき、溶接ロボットに対する駆動指示データと油圧駆動部12に対する駆動指示データを計算し、それらに対して各指示データを供給する。
【0025】
この駆動指示に基づいた油圧駆動部12の油圧駆動により、支持構造体14が(被溶接物30の形状に対して)相対的に下方向に付勢されることで、加圧ローラ20により被溶接物30が押圧されることになる。
【0026】
本実施形態では、加圧ローラ20の回転軸を支持する軸支持部18に対してAEセンサ22を取り付けている。このAEセンサ22は、その検出面が軸支持部18に密着するように取り付けられる。したがって、被溶接物30の溶接部32で発生したAE波は、加圧ローラ20及び軸支持部18を介してAEセンサ22に到達する。
【0027】
金属である被溶接物30と空気とでは、音響インピーダンスが大きく異なるため、被溶接物30で発生したAE波は空気層に伝搬しにくいが、加圧ローラ20は被溶接物30に音響インピーダンスが近いので、AE波は効率よく加圧ローラ20に伝搬する。また、加圧ローラ20内では空気層よりもAE波の減衰が少ない。また、軸支持部18も加圧ローラ20に近い音響インピーダンスを持つので、この両者間でもAE波は効率よく伝搬する。したがって、AE波は、空気層を介する場合よりも遙かに少ない減衰で、AEセンサ22まで到達する。この結果、AEセンサ22の検出信号のS/N比を向上させることができる。
【0028】
また、軸支持部18にAEセンサ22を取り付けた場合、溶接ロボットや油圧駆動部12により溶接部の位置がどう変わっても、その溶接部に対するAEセンサ22の相対的な位置関係は一定であるので、常に一定の条件で検出を行うことができるという利点がある。
【0029】
なお、AEセンサ22を軸支持部18に取り付ける代わりに、支持構造体14やレーザトーチ10などに取り付けることとしても、空気層を介してAE波を検出するよりは大幅にS/N比を向上させることができる、しかし、軸支持部18は、溶接部32に対する相対的な位置関係が変化しない場所としては、溶接部32に最も近い位置なので、ここにAEセンサ22を設けることは最も好適であるといえる。
【0030】
AEセンサ22としては、約500kHzを感度中心とする検出能力のものを用いることが好適である。これは本発明の発明者らによる実験に基づくものである。
【0031】
この実験では、良好な溶接ができた場合や割れ等の不良が発生した場合など、さまざまなケースについてのAEセンサの検出信号を集めた。その結果、AEセンサの検出信号のうち約200kHz以下の部分は、溶接の状態・品質にあまり関係なく類似した信号が得られ、この部分は、機械の振動や溶接用のシールドガスによる雑音などに対応するノイズ部分であることが分かった。逆に200kHzを超える周波数成分が、溶接の状態・品質を示す信号である。
【0032】
図3は、この実験において、溶接部から発せられるAE波を、150kHzを感度中心とするAEセンサで検出したときの検出信号を周波数分析したものである。この図に示すように、200kHz以上の範囲では、600kHz近くまで信号が存在している。ここで、約500kHzを感度中心とするAEセンサを用いると、200kHz近傍から感度がよくなり、500kHz近傍で最高感度となり、1MHz程度まで感度のある感度分布が得られる。これは、溶接品質を表す信号の検出に好適な感度分布である。なお、この例では、150kHzのセンサを用いたため、高い周波数についての感度が低くなっているが、実際の溶接の様々なケースを考えると、1MHz程度までの信号を検出できることが好適である。
【0033】
このようなAEセンサ22の検出信号は、溶接評価処理部24に入力される。溶接評価処理部24は、この検出信号に基づき、溶接部32の品質・状態を評価する。
【0034】
溶接評価処理部24の評価処理としては、例えば、検出信号のレベルが所定の良品レベル範囲にある場合は溶接結果が良品、その範囲から外れた場合は不良品と評価する処理が考えられる。良品レベル範囲としては、溶接品質が良好な場合の検出信号のレベル範囲を予め実験等により定め、これを評価処理部24に登録しておけばよい。
【0035】
図4は、この良品レベル範囲を求めるための実験結果の一例であり、同じ材質、厚さ(3.00mm)の被溶接物に対しレーザ出力を何段階かに変えて溶接を行った場合の、検出信号(AE信号)のレベルの実効値の変化を、各場合の溶接結果の溶込み深さと合わせて表したものである。この例では、レーザ出力が0.5kWの時は溶込み深さ0.35mmで溶込み不足であり、2.0kWの時は溶込み深さ2.65mmで比較的良好な溶込み状態であり、4.0kWの時は溶込み深さ3.00mmで被溶接物の裏面まで完全に溶けているが、若干溶かしすぎとなっている。そして、この間のAEセンサの検出信号は、良好な溶込み状態を示しているレーザ出力2.0kWの近傍をピークとする山なりの変化を示していることが分かる。この実験結果から、例えば検出信号の実効値レベルが25以上28以下を良品レベル範囲とするなどの判断ができる。
【0036】
図4の例はもちろん一例に過ぎない。溶接における被溶接物の溶込み方は、被溶接物である複数の部材の材質の組合せと、その被溶接物に対する単位時間当たりの入熱量に依存する。また、単位時間当たりの入熱量は、レーザ出力と被溶接物の送り速度に依存する。したがって、これらの条件(材質及び入熱量)を様々に変えて実験を行い、各条件での良品レベル範囲を予め求めて登録しておけばよい。入熱量については、代表的なレーザ出力と送り速度の組合せでいくつか実験すれば、他の部分については補間が可能である。
【0037】
本実施形態では、この評価処理の他にも、例えば前述の特開平6−155056号公報に開示された評価処理など、従来の様々なAE信号評価手法を利用することができる。
【0038】
溶接評価処理部24による上述のような溶接品質評価の結果に基づき溶接不良品を自動的に選り分けたり、あるいはその評価結果を後工程に提供したりすることができる。後者の場合、後工程では、各被溶接物の評価結果に基づき、必要に応じて手直しを行うなどの処置が可能となる。
【0039】
以上は1つの被溶接物(ワーク)単位での評価とその利用法であったが、1つの被溶接物を溶接する場合でも、AEセンサ22のリアルタイムの検出信号からその時点の溶接状態を判定し、その判定に応じてレーザ溶接装置の各種処理パラメータを制御することで、良好な溶接がなされるように溶接装置をフィードバック制御することもできる。制御対象の処理パラメータとしては、レーザ出力、送り速度(溶接速度)、シールドガスの流量、アシストガスの流量等が挙げられる。これらのうちの1つ又は複数をAEセンサ22の検出信号に基づき制御することで、溶接処理の最適制御を行う。
【0040】
以上、本実施形態の基本的な装置構成とその作用効果を説明したが、更に本実施形態では、付加的な構成として、図2に示すように、レーザトーチ10に3つの発振器110a,110b,110cを設けることも好適である。これら発振器110a〜110cは、被溶接物の30の溶接部32の溶融池(溶接の熱により金属が溶融した部分)表面の波立ちを抑制するためのものである。
【0041】
すなわち、レーザ溶接において、溶融池の表面が1〜2kHz程度の周波数で波立っていることが従来の研究で分かっている(レーザ溶接の現状と将来技術」レーザ熱加工研究会(現 レーザ加工学会)、E.Beyer,A.Gasser,W.Gatzweiler and W.Sokolowski,"Plasma fluctuation in laser welding with CW-CO2 lasers,"ICALEO,1987,pp.17-23.)。
【0042】
ここに示す発振器110a〜110cは、この波立ちを音波による音圧で低減しようとするものである。溶融池表面の波立ちを抑えることで、溶接の効率や品質を向上させることができると共に、AEセンサ22の検出信号のS/N比の更なる向上も見込める。
【0043】
各発振器110a〜110cは、同一周波数の音波を発するものである。例えば、前述の1〜2kHzの溶融池表面波動に対し、各発振器110a〜110cからは約10kHz程度の正弦波の音波を照射する。それら発振器110a〜110cは、すべて被溶接物30の溶接部32に向けて配設する。そして、各発振器110a,110b,110cは、図5に示す駆動信号200a、200b、200cのように、相互に1/3周期ずつ位相の異なる駆動信号で駆動する。このような各発振器の発振により、溶接部32には常にほぼ一定に近い音圧が加わることになる。この音圧の作用により、溶融池表面の波動が抑圧される。
【0044】
なお、厳密には、発振器110a〜110cは、溶接部32の表面で図5に例示したような等位相間隔となるように音波を出力すればよい。したがって、この要件を満足するよう、各発振器110a〜110cの配設位置と溶接部32の距離の関係に基づき、各発振器に与える駆動信号の位相差を決めればよい。
【0045】
なお、発振器110a〜110cの発振周波数は、例示した10kHz程度に限るものではない。ただし、AEセンサ22へのノイズの混入を極力避けるために、AEセンサ22の感度分布(上述の例では約500kHzを中心とする分布)において、十分に低感度となる低い周波数を用いることが好適である。好適な周波数は、予め実験等により求めておけばよい。
【0046】
また、上述の例では3個の発振器を用いたが、それ以上の数(n個とする)の発振器を設け、それらにより溶融池表面に1/n周期ずつ位相がずれた音波を照射するようにすれば、溶融地表面に作用する音圧をより一定に近づけることができる。
【0047】
以上説明したように、本実施形態の装置によれば、加圧ローラ20を介してAE波を検出することができるので、被溶接物の部材同士を密着させて好適な溶接を行いつつ、高いS/N比でかつ常にほぼ一定の検出条件でAE波を検出することができ、溶接品質・状態の判定の精度を向上させることができる。また、本実施形態では、加圧ローラ20の3次元位置を被溶接物の設計形状データに従って制御することができるので、凹凸等がある比較的複雑な設計形状でも、その形状に従って溶接することができる。また、本実施形態では、レーザトーチ10と加圧ローラ20とが共に共通の支持構造体14に固定されているので、トーチ10と被溶接物30の溶接部32との距離は常に一定とすることができる。また、本実施形態では、約500kHzを中心感度としたAEセンサを用いることで、約200kHz以下のノイズ成分の検出を大幅に低減し、溶接品質に関わるAE信号を効率よく検出することができる。また本実施形態では、溶接部32に向けて音波を照射する発振器110a〜110bを設けたことにより、溶接部32の表面の波立ちを抑制することができ、ひいては溶接効率の向上やAE信号検出の更なるS/N比向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るレーザ溶接装置の全体構成を模式的に示す図である。
【図2】 本発明に係るレーザ溶接装置の構成の細部を説明するための図である。
【図3】 溶接時に発生したAE波のAEセンサによる検出信号の周波数分析結果の一例を示す図である。
【図4】 実験で求めたレーザ出力とAE信号の実効値レベルとの関係の一例を示す図である。
【図5】 3つの発振器に対して与える駆動信号の例を示す図である。
【符号の説明】
10 レーザトーチ、12 油圧駆動部、13 高さセンサ、14 支持構造体、16 油圧装置、18 軸支持部、20 加圧ローラ、22 AEセンサ、24 溶接評価処理部、26 駆動制御部、30 被溶接物、32 溶接部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser welding apparatus, and more particularly, to an apparatus used for evaluation and control by detecting a laser welding state with an AE sensor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a technique has been proposed in which an AE (acoustic emission) wave generated during welding with a laser welding apparatus is detected, a welding state is evaluated from this detection signal, and welding is controlled.
[0003]
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-210185 discloses an apparatus that attaches an AE sensor to a jig that holds an object to be welded, detects an AE wave generated in the object to be welded during welding, and determines whether the product is good or bad. Has been proposed.
[0004]
Japanese Laid-Open Patent Publication No. 6-1555056 proposes an apparatus for performing optimum welding control by attaching an AE sensor to a laser welding head (torch), detecting an AE wave generated at a welded portion through the welding head. Yes.
[0005]
Further, although not related to welding, as a similar example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-40192 discloses AE associated with laser processing of a workpiece through one or a plurality of AE sensors fixed to the workpiece. A machining control method has been proposed in which a signal is detected, the AE signal is arithmetically processed, and the laser machining state is monitored and controlled in real time.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-1555056, an AE wave generated in an object to be welded propagates to a welding head through an air layer and is detected by an AE sensor. Since the AE wave is greatly attenuated by the air layer, there is a problem that the S / N ratio is deteriorated in the detection by the AE sensor.
[0007]
In the techniques described in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 1-210185 and 64-40192, no air layer is interposed in the AE wave propagation path from the AE wave source to the AE sensor. Not. However, since the position of the AE sensor is fixed with respect to the work piece, when welding a relatively large work piece, the distance to the AE sensor and the AE wave propagation path change when the position of the welded portion changes. come. For this reason, if it is going to evaluate a welding state correctly about every place, there exists a problem that the process and mechanism which compensate the difference to the distance to an AE sensor and an AE wave propagation path are needed.
[0008]
The present invention has been made to solve such problems of the conventional apparatus.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
A laser welding quality evaluation apparatus according to the present invention is an apparatus that detects an AE wave generated from a welded portion of an object to be welded by a laser welding apparatus by an AE sensor and evaluates the welding quality based on a detection signal of the AE sensor. A pressure roller that presses the vicinity of a welded portion of an object to be welded, the pressure roller being attached to a structural member of the laser welding apparatus, and the AE sensor is connected to the pressure roller or the structure An AE wave that is provided on a member and propagates from the vicinity of the weld to the pressure roller is detected by the AE sensor.
[0010]
In a preferred aspect of the present invention, the AE sensor is attached to a rotary shaft member of the pressure roller.
[0011]
In another preferred aspect of the present invention, the laser welding quality evaluation device irradiates a sound wave toward a welded portion of the workpiece and suppresses the undulation of the weld pool of the welded portion by the sound pressure of the sound wave. Irradiation means is provided.
[0012]
In another preferred aspect of the present invention, the AE sensor having a detection capability with a sensitivity center of substantially 500 kHz is used.
[0013]
A laser welding apparatus according to the present invention is a laser welding apparatus that welds a welded portion of an object to be welded by laser light emitted from a laser torch, and detects sound generated from the welded portion of the workpiece during welding by an AE sensor. A laser welding apparatus that controls processing parameters of the laser welding process based on a detection signal of the AE sensor, a pressure roller that presses the vicinity of a welded portion of an object to be welded, and is a structural member of the laser welding apparatus. A pressure roller attached to the pressure roller or the structural member, and the AE sensor detects an AE wave propagated from the vicinity of the weld to the pressure roller. To do.
[0014]
In a preferred aspect of the present invention, the AE sensor is attached to a rotary shaft member of the pressure roller.
[0015]
In another preferred aspect of the present invention, the laser welding apparatus irradiates a sound wave toward a welded portion of the workpiece, and a sound wave irradiation unit that suppresses the undulation of the weld pool of the welded portion by the sound pressure of the sound wave. Is provided.
[0016]
In another preferred aspect of the present invention, the AE sensor having a detection capability with a sensitivity center of substantially 500 kHz is used.
[0017]
In another preferred aspect of the present invention, the laser welding apparatus includes a sensor that detects a z-coordinate of the pressure roller, a moving unit that moves the pressure roller in the xy direction, and the addition detected by the sensor. and z coordinates and the x and y coordinates of the pressing roller obtained from the moving means of pressure rollers, the design shape data indicating a three-dimensional shape of the object to be welded, the control of the z-direction position of the pressure roller on the basis of And roller control means for performing.
[0018]
Further, the method according to the present invention is a welding method by a laser welding apparatus that welds a welded portion of a workpiece to be welded with a laser beam emitted from a laser torch, wherein the laser welding apparatus is used to press the vicinity of the welded portion of the workpiece. An AE sensor attached to a rotary shaft member of a pressure roller provided on the pressure roller detects an AE wave propagated from the vicinity of the weld to the pressure roller, and the laser welding is performed based on a detection signal of the AE sensor. The processing parameters of the welding process by the apparatus are controlled.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
[0020]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a laser welding apparatus according to the present invention. In this figure, the direction perpendicular to the drawing sheet is the x-axis direction, the left-right direction of the figure is the y-axis direction, and the up-down direction is the z-axis direction. FIG. 2 is a diagram schematically showing a front cross section (a), a side cross section (b) of the
[0021]
In these drawings, a
[0022]
The
[0023]
A shaft support 18 is provided at the lower end of the support structure 14, and the shaft of the
[0024]
The
[0025]
The support structure 14 is biased relatively downward (relative to the shape of the work piece 30) by the hydraulic drive of the
[0026]
In the present embodiment, the
[0027]
Since the acoustic impedance differs greatly between the
[0028]
Further, when the
[0029]
Note that, in place of attaching the
[0030]
As the
[0031]
In this experiment, the detection signals of the AE sensor were collected for various cases, such as when good welding was possible or when defects such as cracks occurred. As a result, a portion of the detection signal of the AE sensor below about 200 kHz gives a similar signal regardless of the welding state / quality, and this portion is caused by machine vibration or noise caused by welding shielding gas. It turned out to be the corresponding noise part. Conversely, the frequency component exceeding 200 kHz is a signal indicating the state / quality of welding.
[0032]
FIG. 3 shows the frequency analysis of the detection signal when the AE wave emitted from the welded part is detected by an AE sensor having a sensitivity center of 150 kHz in this experiment. As shown in this figure, in the range of 200 kHz or more, a signal exists up to nearly 600 kHz. Here, when an AE sensor having a sensitivity center of about 500 kHz is used, the sensitivity is improved from around 200 kHz, the highest sensitivity is obtained around 500 kHz, and a sensitivity distribution with sensitivity up to about 1 MHz is obtained. This is a sensitivity distribution suitable for detection of a signal representing welding quality. In this example, since a 150 kHz sensor is used, the sensitivity for high frequencies is low. However, considering various cases of actual welding, it is preferable that signals up to about 1 MHz can be detected.
[0033]
Such a detection signal of the
[0034]
As the evaluation process of the welding
[0035]
FIG. 4 is an example of an experimental result for obtaining the non-defective product level range. When welding is performed on an object to be welded having the same material and thickness (3.00 mm) by changing the laser output in several stages. The change in the effective value of the level of the detection signal (AE signal) is shown together with the penetration depth of the welding result in each case. In this example, when the laser output is 0.5 kW, the penetration depth is 0.35 mm, and the penetration is insufficient. When the laser output is 2.0 kW, the penetration depth is 2.65 mm, which is a relatively good penetration state. At 4.0 kW, the depth of penetration is 3.00 mm and the back of the workpiece is completely melted, but it is slightly melted. And it turns out that the detection signal of the AE sensor during this period shows a mountainous change with a peak near the laser output of 2.0 kW indicating a good penetration state. From this experimental result, for example, it can be determined that the effective value level of the detection signal is 25 or more and 28 or less within the non-defective product level range.
[0036]
Of course, the example of FIG. 4 is merely an example. The method of penetration of the workpiece in welding depends on the combination of the materials of the plurality of members that are the workpiece and the amount of heat input per unit time to the workpiece. The amount of heat input per unit time depends on the laser output and the feed rate of the workpiece. Therefore, it is only necessary to conduct experiments by changing these conditions (material and heat input) in various ways, and obtain and register a good product level range under each condition in advance. As for the heat input, if some experiments are performed with a combination of typical laser output and feed rate, interpolation can be performed for other portions.
[0037]
In the present embodiment, in addition to this evaluation process, various conventional AE signal evaluation methods such as the evaluation process disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-1555056 described above can be used.
[0038]
Based on the result of the welding quality evaluation as described above by the welding
[0039]
The above is the evaluation and usage method for each workpiece (work), but even when welding one workpiece, the welding state at that time is determined from the real-time detection signal of the
[0040]
As described above, the basic device configuration and the operation and effect of the present embodiment have been described. In the present embodiment, as an additional configuration, as shown in FIG. 2, the
[0041]
That is, in laser welding, it has been found by conventional research that the surface of the weld pool is rippled at a frequency of about 1 to 2 kHz (Current Status and Future Technologies of Laser Welding) ), E. Beyer, A. Gasser, W. Gatzweiler and W. Sokolowski, "Plasma fluctuation in laser welding with CW-CO2 lasers," ICALEO, 1987, pp. 17-23.).
[0042]
The
[0043]
Each
[0044]
Strictly speaking, the
[0045]
Note that the oscillation frequency of the
[0046]
In the above example, three oscillators are used. However, a larger number (n) of oscillators are provided so that the surface of the molten pool is irradiated with a sound wave whose phase is shifted by 1 / n period. By doing so, the sound pressure acting on the molten ground surface can be made more constant.
[0047]
As described above, according to the apparatus of the present embodiment, since the AE wave can be detected via the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing an overall configuration of a laser welding apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining details of a configuration of a laser welding apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a frequency analysis result of a detection signal of an AE wave generated during welding by an AE sensor.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a relationship between a laser output obtained in an experiment and an effective value level of an AE signal.
FIG. 5 is a diagram showing an example of drive signals given to three oscillators.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (10)
被溶接物の溶接部近傍を押圧する加圧ローラであって、前記レーザ溶接装置の構造部材に対して取り付けられた加圧ローラを備え、
前記AEセンサをこの加圧ローラ又は前記構造部材に設け、前記溶接部近傍から前記加圧ローラに伝搬したAE波を前記AEセンサで検出することを特徴とするレーザ溶接品質評価装置。An apparatus for detecting an AE wave generated from a welded portion of an object to be welded by a laser welding apparatus using an AE sensor and evaluating welding quality based on a detection signal of the AE sensor,
A pressure roller that presses the vicinity of the welded portion of the workpiece, and includes a pressure roller attached to the structural member of the laser welding apparatus;
The laser welding quality evaluation apparatus, wherein the AE sensor is provided on the pressure roller or the structural member, and an AE wave propagated from the vicinity of the welded portion to the pressure roller is detected by the AE sensor.
被溶接物の溶接部近傍を押圧する加圧ローラであって、前記レーザ溶接装置の構造部材に対して取り付けられる加圧ローラを備え、
前記AEセンサをこの加圧ローラ又は前記構造部材に設け、前記溶接部近傍から前記加圧ローラに伝搬したAE波を前記AEセンサで検出することを特徴とするレーザ溶接装置。A laser welding apparatus for welding a welded portion of a workpiece by laser light emitted from a laser torch, wherein a sound generated from the welded portion of the workpiece during welding is detected by an AE sensor, and based on a detection signal of the AE sensor A laser welding apparatus for controlling processing parameters of a laser welding process,
A pressure roller that presses the vicinity of the welded portion of the workpiece, the pressure roller being attached to the structural member of the laser welding apparatus,
The laser welding apparatus according to claim 1, wherein the AE sensor is provided on the pressure roller or the structural member, and an AE wave propagated from the vicinity of the welding portion to the pressure roller is detected by the AE sensor.
前記加圧ローラをxy方向に移動させる移動手段と、
前記センサが検出した前記加圧ローラのz座標及び前記移動手段から得られる前記加圧ローラのx及びy座標と、被溶接物の3次元形状を表す設計形状データと、に基づき前記加圧ローラのz方向位置の制御を行うローラ制御手段と、
を含む請求項5記載のレーザ溶接装置。 A sensor for detecting the z-coordinate of the pressure roller;
Moving means for moving the pressure roller in the xy direction;
And x and y coordinates of the pressing roller obtained from the z-coordinate, and the moving means of the pressure roller, wherein the sensor detects a design shape data indicating a three-dimensional shape of the object to be welded, the pressure roller on the basis of Roller control means for controlling the position of the z direction ,
The laser welding apparatus according to claim 5, comprising:
被溶接物の溶接部近傍を押圧するために前記レーザ溶接装置に設けられた加圧ローラの回転軸部材に対して取り付けられたAEセンサにより、前記溶接部近傍から前記加圧ローラに伝搬したAE波を検出し、
このAEセンサの検出信号に基づき前記レーザ溶接装置による溶接処理の処理パラメータを制御する、
レーザ溶接方法。A welding method by a laser welding apparatus for welding a welded portion of an object to be welded by laser light emitted from a laser torch,
AE propagated from the vicinity of the welded portion to the pressure roller by an AE sensor attached to the rotary shaft member of the pressure roller provided in the laser welding apparatus in order to press the vicinity of the welded portion of the workpiece. Detect waves,
Control processing parameters of the welding process by the laser welding apparatus based on the detection signal of the AE sensor.
Laser welding method.
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