CN107530831B - 激光焊接方法、激光焊接条件决定方法以及激光焊接系统 - Google Patents

Abstract

将激光(23)向焊接对象物(501)照射以形成沿着轨迹(36)相对于焊接对象物(501)进行相对移动的光束点(23a)，所述轨迹(36)具有环绕沿着焊接方向(24)移动的旋转中心(RC)的螺旋形状。利用照射出的激光(23)来对焊接对象物(501)进行焊接。在将激光(23)向焊接对象物(501)照射时，基于表示焊接方向(24)上的具有螺旋形状的轨迹(36)的重合程度的值即间隔系数(L)，来将激光(23)向焊接对象物(501)照射。通过该方法，能够抑制气泡(28)的产生，得到焊道(29)均匀的良好的焊接状态。

Description

激光焊接方法、激光焊接条件决定方法以及激光焊接系统

技术领域

本发明涉及对焊接对象物照射激光来进行焊接的激光焊接方法、激光焊接条件决定方法、激光焊接系统。

背景技术

在通过激光的照射来对焊接对象物进行焊接的激光焊接中，为了与以直线轨道进行焊接的情况相比提高位置偏移或空隙余裕度，采用使激光以螺旋轨道移动而增加熔融金属量并进行接合这样的技术。

关于该螺旋轨道焊接，例如在专利文献1中公开了在再次通过铝材质中的已焊接过一次的部位时，通过激光的搅拌效果来促进熔融部所包含的气体的放出这样的内容的技术。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第2690466号公报

发明内容

将激光向焊接对象物照射以形成沿着如下轨迹相对于焊接对象物进行相对移动的光束点，所述轨迹具有环绕沿着焊接方向移动的旋转中心的螺旋形状。利用照射出的激光对焊接对象物进行焊接。在将激光向焊接对象物照射时，基于表示焊接方向上的具有螺旋形状的轨迹的重合程度的值即间隔系数，来将激光向焊接对象物照射。

通过该方法，能够抑制气泡的产生，得到均匀焊道的良好的焊接状态。

附图说明

图1是实施方式的激光焊接系统的简要结构图。

图2是实施方式的另一激光焊接系统的简要结构图。

图3是实施方式的激光焊接系统的焊接对象物的剖视图。

图4是实施方式的激光焊接系统的焊接对象物的剖视图。

图5是实施方式的激光焊接系统的焊接对象物的俯视图。

图6是实施方式的激光焊接系统的焊接对象物的俯视图。

图7是实施方式的激光焊接系统的焊接对象物的俯视图。

图8是实施方式的激光焊接系统的焊接对象物的俯视图。

图9A是实施方式的激光焊接系统的焊接对象物的外观图。

图9B是实施方式的激光焊接系统的焊接对象物的外观图。

图10A是实施方式的激光焊接系统的外观图。

图10B是实施方式的激光焊接系统的焊接对象物的外观图。

图11A是实施方式的激光焊接系统的焊接对象物的外观图。

图11B是实施方式的激光焊接系统的焊接对象物的外观图。

图12是表示实施方式的激光焊接系统中的焊道宽度、光束直径、旋转半径以及焊接速度V的简要图。

图13是表示决定实施方式的激光焊接系统的激光焊接条件的动作的流程图。

具体实施方式

图1是实施方式的激光焊接系统1001的简要结构图。激光焊接系统1001具有输出激光23的激光振荡器1、将激光23朝向焊接对象物501射出的流电扫描器头即激光用头2、以及动作控制部5。激光用头2具有电流镜3、电流马达4以及Fθ透镜6，在其内部使激光23进行扫描。电流镜3变更激光23的轨道。电流马达4使电流镜3旋转。电流马达4的动作由动作控制部5控制。Fθ透镜6使激光23在焊接对象物501上成像。

激光焊接系统1001也可以还具备安装于激光用头2并使激光用头2移动的机械手8。机械手8使激光用头2移动到目标位置，利用激光用头2使激光23相对地进行扫描。

图1所示的激光焊接系统1001通过上述结构而向指定的位置照射激光23。焊接对象物501具有彼此重合的金属板30、31。激光焊接系统1001通过向金属板30照射激光23而将金属板30与金属板31焊接。

图2是实施方式的激光焊接系统1002的简要结构图。在图2中，对与图1所示的激光焊接系统1001相同的部分标注相同的附图标记。激光焊接系统1002具有激光振荡器1、将从激光振荡器1输出的激光23朝向焊接对象物501射出的焊接头即激光用头7、机械手8、以及动作控制部9。激光用头7使激光23在焊接对象物501上成像。激光用头7安装于机械手8的前端部分，使激光用头7移动到目标位置，使激光用头7自身移动而使激光23进行扫描。动作控制部9控制机械手8的动作、激光用头7的动作。

图2所示的激光焊接系统1002通过上述结构而向指定的位置照射激光23。激光焊接系统1002通过向金属板30照射激光23而将金属板30与金属板31焊接。

激光焊接系统1001(1002)具备将从激光振荡器1输出的激光23朝向焊接对象物501射出的激光用头2(7)、安装激光用头2(7)并使激光用头2(7)移动的机械手8、以及控制激光用头2(7)和机械手8的动作以及激光焊接的控制部17，对焊接对象物501呈螺旋状地照射激光23。控制部17具备输入与焊接对象物501相关的信息即焊接对象物信息的焊接对象物信息输入部13、以及输入与激光相关的信息即激光信息的激光信息输入部14。焊接对象物信息例如是焊接对象物501的材质、接头的形状或厚度。激光信息例如是激光23的光束直径或间隔系数。控制部17具备决定焊接条件的推荐值的焊接条件决定部11，该焊接条件决定部11基于输入至焊接对象物信息输入部13的信息而将焊接速度、焊道宽度以及焊接部的熔深中的至少一个以上决定为推荐值Ha，基于输入至激光信息输入部14的信息而将旋转频率和激光输出中的至少一个以上决定为推荐值Hb。控制部17还具备用于变更由焊接条件决定部11决定的推荐值的参数变更输入部15、以及显示由焊接条件决定部11决定的推荐值的显示部16。

激光信息包括表示焊接方向上的激光的螺旋的轨迹的重合程度的间隔系数L。

需要说明的是，进行激光焊接系统1001、1002的动作或激光焊接的控制的控制部17可以不是一体型的控制部，也可以包括分为动作控制部和条件设定器12这样的分体的设备即功能模块，所述动作控制部包括决定激光用头2(7)和机械手8的动作的控制以及焊接条件的推荐值的焊接条件决定部11，所述条件设定器12进行焊接条件等的输入、显示。

另外，为了简化输入操作，控制部17还具备将处于适当范围内的间隔系数L和由装置规格决定的光束直径Φ作为固定值而预先存储的存储装置10。与光束质量相关的信息也可以作为激光信息而从激光信息输入部14输入，或者作为由装置规格决定的信息而存储于存储装置10。利用这些装置，即使对于激光焊接经验少的作业者而言，仅通过输入焊接对象物信息和激光信息便能够容易地决定焊接条件，能够抑制用于决定施工条件的成本(时间、材料、人工费、电费等)。

激光焊接系统1001、1002的激光焊接条件决定用的具体的动作步骤请见后述。

作为与图1、图2所示的激光焊接系统1001、1002所使用的焊接头不同的结构，也可以采用在焊接头内配设旋转的多个棱镜的结构而向指定的位置扫描照射激光23。

以下，关于激光焊接方法，叙述根据激光输出、焊接速度V而变化的熔深状态。需要说明的是，以下所示的焊接对象物501的激光焊接例如可以通过图1、图2所示的激光焊接系统1001、1002来进行。

在焊接对象物501熔融时，产生与熔池22接触的孔即小孔。在产生有小孔的状态下进行激光焊接，根据焊接池与照射位置的关系来确认由在熔融的部分的外观上开设的微孔形成的凹坑、由在熔融的部分中残留的气泡形成的气孔等不良情况的发生频率。首先在直线轨道的焊接中确认上述的不良情况的发生，也针对接下来的焊接确认上述的不良情况的发生。旋转轨道是指使照射的激光所形成的光点一边以圆形状的轨道移动一边沿着焊接方向移动的激光轨道，换言之是指在焊接方向上激光的轨迹一边旋转一边相对地进行直线移动的轨道。

根据比较例的第一焊接条件和第二焊接条件而观察了以直线轨道进行的焊接。

第一焊接条件是向熔池内照射激光23的小孔式焊接(keyhole welding)。图3是第一焊接条件下的焊接对象物501的焊接部的焊接方向24的剖视图。在该焊接中，向熔池22中照射激光23而使熔池22的一部分运动。因此，该焊接相当于专利文献1所公开的熔池的搅拌。在该焊接中，在激光23的作用下从焊接对象物501的熔融的部分产生金属蒸气26，在金属蒸气产生的反作用力的作用下在熔池22产生由熔融金属包围的孔即小孔21。

激光23在小孔21中进行多重反射，通过将激光23关入小孔21内而使焊接对象物501的金属的能量吸收率变高，能够得到焊接对象物501的金属的充分的熔深量。然而，由于向液相的熔池22内照射激光23，激光23在沿着焊接对象物501的焊接线行进的方向即焊接方向24上移动，因此从焊接方向24上的小孔21的由粗实线所示的液相的小孔前壁25产生大量的金属蒸气26。这是因为，当激光23向熔池22照射时，熔池22内的小孔前壁25吸收激光23的吸收率升高，小孔前壁25局部成为高温。其结果是，小孔21的与焊接方向24相反的方向上的小孔后壁27被金属蒸气26按压而使小孔后壁27坍塌，在熔池22的内部产生多个气泡28。在该状态下熔池22凝固而形成的焊道29的再凝固层29a内作为气孔而残留气泡28。

第二焊接条件是向作为熔池22的外缘部且位于焊接方向24上的熔池22的前方的未熔融部34(固相)照射激光23的小孔式焊接。图4是第二焊接条件下的焊接对象物501的焊接部的焊接方向24上的剖视图。需要说明的是，在第一焊接条件下，在激光行进的方向即焊接方向24上的激光23的前侧存在熔池22的熔融层(液相)，在第二焊接条件下在焊接方向24上的激光23的前侧不存在熔池22的熔融层(液相)。

向作为熔池22的外缘部且位于焊接方向24上的熔池22的前方的焊接对象物501的未熔融部34照射激光23。因此，能够抑制从小孔21的由粗实线所示的小孔前壁25产生金属蒸气26，能够抑制由虚线所示的小孔21的小孔后壁27的坍塌，能够减少气泡28的产生。

需要说明的是，在第一焊接条件下，以小于3m/min的低的焊接速度V向熔池22内照射激光23，调整激光输出而进行小孔式焊接。

在第二焊接条件下，以3m/min以上的高的焊接速度V向作为熔池22的外侧的熔池22的前方照射激光23，调整激光输出而进行小孔式焊接。

根据以上那样的焊接条件与焊接结果的关系，作为能够得到良好的焊接状态的焊接条件，在直线轨道的焊接中优选第二焊接条件(参照图4)。在第二焊接条件下，不在熔池22的液相内照射激光23，而在朝向焊接方向24上的熔池22的外缘部的未熔融部34的位置照射激光23。在第二焊接条件下，以实现在熔池22形成小孔21的小孔型的焊接这样的激光23的激光功率密度照射激光23来进行激光焊接，该激光功率密度在例如焊接对象物为金属的情况下为10⁵～10⁶(w/cm²)。由此，在焊道29的再凝固层29a内抑制气孔或凹坑的产生。实施方式的激光焊接利用了这样的激光输出与照射激光的位置的关系。需要说明的是，上述功率密度由激光输出和光束直径的组合来决定。

以下，说明旋转轨道的激光焊接。图5是旋转轨道的激光焊接中的焊接对象物501的俯视图。在也采用上述的第二焊接条件通过旋转轨道的焊接而呈螺旋状照射激光的情况下，有时激光23照射到熔池22中(液相内)。因此，根据焊接条件的不同，如图5所示在焊接的焊道的中心线LC附近容易产生微孔开设于熔融部外观而形成的凹坑33。

图6至图8是分别以第三焊接条件至第五焊接条件进行旋转轨道的焊接的情况的焊接对象物501的俯视图。

在此，在图6至图8分别所示的第三焊接条件至第五焊接条件下，沿着焊接方向24移动的移动速度相同。换言之形成螺旋的移动速度分别不同。

图5至图8表示从激光23的射出侧观察激光23(光束)的旋转轨道(螺旋状的轨迹)和焊道的形状而得到的焊接对象物501的状态。

确认到了：根据螺旋状的轨迹的疏密的不同，换言之根据螺旋状的轨迹的间隔即旋转间隔的疏密的不同，凹坑33的产生频率发生变化。在旋转间隔稀疏即旋转间隔宽的情况下，不容易产生凹坑33，在旋转间隔密集即旋转间隔窄的情况下，容易产生凹坑33，即旋转间隔越密集，则越容易产生凹坑33。另外，确认到了：如图5所示，容易在焊道29的与焊接方向24成直角的宽度方向24a上的中心即中心线LC附近产生凹坑33。

需要说明的是，在焊道29的中心线LC附近，如图6所示，在第三焊接条件下，激光23的光束点23a以大致重合的方式再次通过已通过一次的区域。

另外，如图7所示，在第四焊接条件下，激光23的光束点23a以与已通过一次的区域相接的方式通过。

另外，如图8所示，在第五焊接条件下，激光23的光束点23a通过与已通过一次的区域分开的区域。

于是，在采用使激光23一边呈螺旋状照射一边相对地沿着焊接方向24移动的激光23的轨道即旋转轨道36来进行焊接的情况下，分别以使在焊接方向24上彼此相邻的旋转轨道36的螺旋间的间隔即旋转间隔成为图6至图8所示的第三焊接条件至第五焊接条件下的旋转间隔的方式进行焊接，观察了焊接结果。

激光23的光束点23a在旋转轨道36上运动，因此光束点23a在从沿着焊道29的宽度方向24a的方向124a观察时，光束点23a第一次(实线)向沿着焊道29的宽度方向24a的方向124a通过中心线LC，向沿着焊道29的宽度方向24a且与方向124a相反的方向224a第二次(虚线)通过中心线LC。即光束点23a两次通过焊道29的中心线LC。

图6示出了从激光23的射出侧观察以第三焊接条件进行了焊接的情况下的激光23的光束点23a的旋转轨道36和焊道29的形状的情形，所述第三焊接条件是如下条件：在焊接方向24的焊道29的中心线LC处，激光23的光束点23a以与第一次(实线)通过的区域大致(基本)重合这样的第二次通过的区域(虚线)再次通过。

在焊道29的中心线LC上，由实线表示激光23的光束点23a从与焊接方向24相同的方向通过的情况，由虚线表示从与焊接方向24相反的方向通过的情况。旋转轨道36的螺旋的旋转间隔窄(螺旋状的轨迹密)，因此焊道宽度W的变动小，焊道29的宽度方向24a的焊道端部29b的形状平滑。

然而，在旋转轨道36上，在焊道宽度方向的焊道29的中心线LC处，激光23的光束点23a通过，激光23的光束点23a再次通过熔池22内(液相中)，由此形成宽广的熔池22。并且，与第一焊接条件(参照图3)同样地，在激光23的作用下从旋转轨道36的行进方向上的小孔21的液相的小孔前壁25产生大量的金属蒸气26。因该金属蒸气26而产生气泡28，结果容易产生凹坑33。

图7示出了从激光23的射出侧观察以第四焊接条件进行了焊接的情况下的光束点23a的旋转轨道36和焊道29的形状的情形，所述第四焊接条件是如下条件：在焊道宽度方向的焊道29的中心线LC处，激光23的光束点23a以与第一次(实线)通过的区域稍微相接这样的第二次通过的区域(虚线)再次通过。

焊道宽度W存在变动，与第三条件(参照图6)相比，旋转轨道36的螺旋的旋转间隔宽，因此焊道29的宽度方向24a的焊道端部29b的形状稍微发生起伏。

在旋转轨道36上，在焊道宽度方向的焊道29的中心线LC处，以与激光23的光束点23a通过而熔融的窄的熔池22的外缘部相接的方式使激光23的光束点23a通过而使其仅再次通过窄的熔池22，因此与第二焊接条件(参照图4)同样地，激光23照射至旋转轨道36的行进方向上的熔池22的外缘部的前方即焊接对象物501的未熔融部34。因此，能够抑制从小孔21的由粗实线所示的小孔前壁25产生金属蒸气26，抑制小孔21的小孔后壁27的坍塌，从而减少气泡28的产生，抑制凹坑33的产生。

这样，能够抑制金属蒸气26所引起的气泡28的产生，较少产生微孔开设于熔融部外观而形成的凹坑33。

图8示出了从激光23的射出侧观察以第五焊接条件进行了焊接的情况下的焊道29的旋转轨道36和焊道29的形状的情形，所述第五焊接条件是如下条件：在宽度方向24a的焊道29的中心线LC处，激光23的光束点23a以与第一次(实线)通过的区域分开的第二次通过的区域(虚线)再次通过。

在第五条件下，与第四条件(参照图7)相比，旋转轨道36的螺旋的旋转间隔更宽(螺旋状的轨迹更稀疏)，因此焊道宽度W的变动大，宽度方向24a的焊道端部29b的形状发生起伏。

在第五条件下，就焊道29的中心线LC处的、螺旋向焊接方向24旋转时的焊接方向24上的宽度而言，与第三焊接条件、第四焊接条件(参照图6和图7)相比，旋转轨道36的螺旋的旋转间隔宽。相反，就螺旋向与焊接方向24相反的方向24b旋转时的焊接方向24的宽度(螺旋的大小)而言，比第三焊接条件、第四焊接条件(参照图6和图7)小。这样，形成螺旋的移动的速度即呈螺旋状照射的激光23的速度相对地变慢，因此使线能量集中。因此，在因激光23的光束点23a通过而熔融的熔池22内的液相中再次通过有激光23的光束点23a，形成宽广的熔池22。

这样，在熔池22内的液相中再次通过有激光23的光束点23a的液相状态的熔池22的部分与第一焊接条件(参照图3)同样，在旋转轨道36的激光23的行进方向上，从焊接对象物501的小孔21的小孔前壁25产生大量的金属蒸气26。因此，在第五条件下光束点23a横穿宽度方向24a的焊道29的中心线LC时，因金属蒸气26而产生气泡28，其结果是，与第四焊接条件(参照图7)相比，容易产生凹坑33。

另外，在第五条件下，与第三焊接条件(参照图6)相比，凹坑33相对少，但在螺旋向方向24b进行旋转形成的焊接方向24的宽度小的部分、换言之形成有上述的宽广的熔池22的部分集中形成凹坑33。

图9A至图11B示出了以第三焊接条件至第五焊接条件(参照图6至图8)实际进行了焊接时的焊道29的外观(表面以及背面)。图9A、图10A以及图11A分别示出了第三焊接条件、第四焊接条件以及第五焊接条件下的焊道29的表面，图9B、图10B以及图11B分别示出了第三焊接条件、第四焊接条件以及第五焊接条件下的焊道29的背面。需要说明的是，图9A至图11A所示的表面是接受焊接对象物501的激光束23的面，背面是其相反侧的面。

在第三焊接条件至第五焊接条件下，沿着焊接方向24移动的速度即焊接速度V为1m/min。使激光输出为2.5kW的激光23一边以焊接速度V向焊接方向24移动一边呈螺旋状照射，激光23旋转的旋转半径r为1.0mm。以符合上述的第三焊接条件至第五焊接条件中的各焊接条件的方式调整形成激光23的螺旋的旋转频率。在第三焊接条件至第五焊接条件下焊接速度V相同，因此激光23对焊接对象物501输出的热量相同。

需要说明的是，旋转半径r等于焊道29上的宽度方向24a的旋转轨道36的宽度的一半。

在表示以第三焊接条件(参照图6)焊接得到的焊道29的外观(表面)的图9A中，在焊道29的中心线LC上能够连续地确认到大的凹坑33。

在表示以第四焊接条件(参照图7)焊接得到的焊道29的外观(表面)的图10A中，在焊道29的中心线LC附近未确认到凹坑33。

在表示以第五焊接条件(参照图8)焊接得到的焊道29的外观(表面)的图11A中，在旋转轨道36上的光束点23a横穿的中心线LC附近、且是在螺旋向方向24b旋转时的焊接方向24上的宽度小的部分即最后凝固的中心线LC附近的凝固点附近，能够确认到小的凹坑33。

以下，说明实施方式的激光焊接方法。

本实施方式的激光焊接方法例如可以通过图1、图2所示的激光焊接系统来执行。

在实施方式的激光焊接方法中，针对金属板30与金属板31重叠而成的焊接对象物501，以从金属板30呈螺旋状地照射激光23并同时使光束点23a相对地沿着焊接方向24移动的旋转轨道36照射激光23，由此对焊接对象物501进行焊接。需要说明的是，激光23的照射优选如第四焊接条件(参照图7)所示那样，以尽量避开熔池22即液相部分而通过未熔融部34即固相的方式对焊接对象物501进行焊接。

需要说明的是，在焊接方向24的焊道29的中心线LC附近，如图6所示，在第三焊接条件下，激光23的光束点23a以大致重合的方式再次通过已通过一次的区域。

如图7所示，在第四焊接条件下，激光23的光束点23a以与已通过一次的区域相接的方式通过。

如图8所示，在第五焊接条件下，激光23的光束点23a通过与已通过一次的区域分开的区域。

如以上那样，在针对焊接对象物501而一边呈螺旋状照射激光23一边使激光23沿着焊接方向24移动来进行焊接的激光焊接中，激光23再次通过熔融部位，由此焊接状态基于沿着焊接方向24照射的激光23的螺旋的轨迹的重合程度而变化。轨迹的重合程度表示为间隔系数L。

另外，进一步地，在与焊接速度V和旋转半径r相对应的间隔系数L比指定的范围小的情况下或比指定的范围大的情况下，容易产生凹坑33。

另外，在与焊接速度V以及旋转半径r相对应的间隔系数L比指定的范围大的情况下线能量产生不均，不形成均匀的焊道29。在如以上那样间隔系数L偏离指定的范围的焊接条件下，无法得到充分的接头强度。

为了抑制与一边呈螺旋状照射激光23一边使激光23沿着焊接方向24相对地移动的旋转轨道36相伴的凹坑33、气孔(气泡28)的产生，得到均匀的焊道29，按一定范围的间隔设定与焊接材料匹配的旋转轨道36。提供根据任意的焊接速度V和焊道宽度W来算出并决定适当的旋转频率F的方法。

在一边呈螺旋状照射激光23一边使激光23沿着焊接方向24相对移动来进行焊接的激光焊接方法中，旋转轨道36上的螺旋间的间隔即旋转间隔(表示为间隔系数L)与凹坑33的产生有关系。

在上述的激光焊接方法中，预先设定表示螺旋轨迹的重合程度的间隔系数L，基于间隔系数L来进行焊接。

图12表示激光23的光束点23a的螺旋状的旋转轨道36。参照图12来说明表示相对于焊接方向24呈螺旋状照射的激光23的光束点23a的移动的轨迹的重合程度的间隔系数L。

光束点23a沿着轨迹(旋转轨道36)相对于焊接对象物501进行相对移动，所述轨迹(旋转轨道36)具有环绕沿着焊接方向24移动的旋转中心RC的螺旋形状。光束点23a与旋转中心RC相距旋转半径r并以旋转频率F即旋转周期(1/F)绕旋转中心RC旋转。在实施方式中，旋转半径r是规定的固定值。

旋转轨道36中的在某一周期环绕旋转中心RC的部分36a与在接下来的周期环绕旋转中心RC的部分36b在焊接方向24上重合。间隔系数L是表示以旋转轨道36呈螺旋状照射的激光23的移动的轨迹的重合程度、即旋转轨道36的部分36a、36b的重合程度的值。间隔系数L是宽度A与宽度B之比，所述宽度A是激光23的光束点23a以具有焊接方向24的分量的移动速度23b绕旋转中心RC旋转时的焊接方向24上的宽度，所述宽度B是光束点23a以具有焊接方向24的相反的方向24b的分量的移动速度23b绕旋转中心RC旋转时的焊接方向24上的宽度。在实施方式中，间隔系数L是宽度A与宽度B之比，通过光束点23a的光束直径Φ、光束点23a沿着焊接方向24移动的焊接速度V及螺旋状的轨迹的旋转分量的旋转频率F而以如下的数学式表示。

L＝A/B

A＝W-Φ+V/(2×F)

B＝W-Φ-V/(2×F)

宽度A通过旋转半径r的2倍的距离加上以焊接速度V前进了半周期的时间(1/2F)时的距离而得到。宽度B通过旋转半径r的2倍的距离减去以焊接速度V反向前进了半周期的时间(1/(2×F))时的距离而得到。因此，宽度A、B由以下的数学式表示。

A＝2×r+V/(2×F)

B＝2×r-V/(2×F)

在此，旋转半径r是指作为螺旋的轨迹的旋转分量的焊道29的宽度方向24a上的旋转半径。焊接方向24通过螺旋状的轨迹的直线分量而合成，因此在螺旋向焊接方向24旋转时光束点23a的移动的相对速度升高，相反，在螺旋向方向24b返回旋转时，光束点23a的移动的相对速度减低。旋转半径r通过以下的数学式而根据焊道29的宽度W以及光束直径Φ算出。

r＝(W-Φ)/2

根据以上的关系，宽度A、B由以下的数学式表示。

A＝W-Φ+V/(2×F)

B＝W-Φ-V/(2×F)

通过上述的数学式求出并预先设定的间隔系数L为了得到第四焊接条件(参照图7)所示的旋转轨道，优选设定为1.5～3，更优选设定为2至2.5，由此能够制作出抑制了焊道29的宽度方向24a上的变动以及凹坑33等气泡的产生的焊道29。在进行使用了旋转轨道36的激光焊接时，在变更了焊接速度V、焊道宽度W之后，使用间隔系数L来算出并决定旋转半径r和旋转频率F，由此即使焊接速度V、焊道宽度W被变更，也能以与想要的激光23的螺旋的间隔系数L对应的一定的重合程度来进行旋转轨道36的焊接，能够容易地调整焊接部位的线能量的疏密。

作为主要的使用方法，以满足间隔系数L的上述的最佳值的范围的方式调整激光23的旋转轨道36的螺旋间的间隔，来进行在焊接对象物501存在空隙的情况下的空隙焊接。详细而言，在金属板30(上板)与金属板31(下板)之间存在空隙32的情况下，通过由熔池22(熔融液体)填满空隙32，由此选定提高空隙32的余裕度且不容易产生凹坑33等焊接缺陷的焊接条件。

根据实验可知，在像这样进行在上板与下板的板金间具有空隙的搭接焊的情况下，在直线轨道的焊接中，在空隙的间隔超过上板的厚度的1/2的情况下，容易产生孔开设于上板而形成的接合不良。在实施方式的激光焊接方法中，基于表示激光23的螺旋的轨迹的重合程度的间隔系数L，来一边呈螺旋状照射激光23一边使激光23沿着焊接方向24进行相对移动而进行焊接，由此在大范围内使焊接对象物501的要进行焊接的焊接部位熔融而增加熔融的金属的量，即使在空隙32的间隔超过上板的厚度的1/2的情况下，也能够避免上述接合不良。此时，由于呈螺旋状使激光23的光束点23a移动，因此焊接对象物501的焊道29的宽度方向24a上的端部相对于中心线LC非对称，形成被中心线LC划分而在方向124a、224a上分别存在的两侧中的单侧的凹凸大的非对称的焊道29(参照图7)。虽然可以通过相对于焊接速度V提高螺旋的旋转频率F来缓和该非对称性，但会导致光束点23a通过熔池22内的次数增加，因此容易产生凹坑33(参照图6)。

在实施方式中，假定进行远程焊接，为了确保工作距离和焊道宽度W，光束点23a的光束直径Φ为0.3～1.0mm的范围。若旋转半径r过小，则熔融的金属的量不足而无法填满空隙32，相反若旋转半径r过大则会熔融大范围的金属，激光的输出不足，无法熔融焊接对象物501。旋转半径r能够根据金属板的厚度与空隙32的宽度的关系来算出，因此能够通过实验等而预先决定。

在以直线轨道对软钢进行小孔焊接的情况下，若移动速度23b为3m/min以上，则容易抑制凹坑33等焊接不良。因此，在以旋转轨道36进行焊接的情况下，也优选使光束点32a以3m/min以上的移动速度23b移动。此外，在采用旋转轨道36的情况下，光束点32a再次通过使焊接对象物501熔融过一次的部位，因此优选使光束点23a以基于适当的间隔系数L形成的旋转间隔进行移动。在旋转间隔窄的情况下，光束点23a多次通过熔池22内而容易产生凹坑33，在旋转间隔宽的情况下，焊道29变得更加不均匀(相对于中心线LC非对称)。另外，凹坑33的产生的频率根据金属的种类而不同。在焊接对象物501由软钢形成的情况下容易产生凹坑33，在焊接对象物501由不锈钢形成的情况下不容易产生凹坑33。因此，根据焊接对象物501的材料来调整旋转间隔。

图13是实施方式的激光焊接方法中的激光焊接条件的决定的流程图。

首先，输入与焊接对象物501相关的信息即焊接对象物信息(步骤S101)。焊接对象物信息包括焊接对象物501的材质、接头形状、以及焊接对象物501的厚度中的至少一个以上。输入与激光23相关的信息即激光信息(步骤S103)。激光信息包括光束直径Φ和间隔系数L。根据焊接对象物信息算出并决定与生产节拍时间、接头强度相关联的推荐值Ha(步骤S102)。推荐值Ha是焊接速度V、焊道宽度W、焊接部的熔深中的至少一个以上。根据激光信息和推荐值Ha算出并决定与激光动作相关联的推荐值Hb。推荐值Hb是旋转频率F和激光输出中的至少一个以上。

控制部17将推荐值Ha、推荐值Hb显示于显示部16(参照图1、图2)(步骤S105)。作业者根据焊接对象物501要求的必要条件而选择是否变更推荐值Ha(步骤S106)。在变更推荐值Ha的情况下(步骤S106为“是”)，控制部17再次计算并再次决定推荐值Ha(步骤S107)，使用激光信息和在步骤S107中再次决定出的推荐值Ha而在步骤S104中再次计算并再次决定推荐值Hb，并在步骤S105中再次显示。

激光信息是由装置决定的数值，因此也可以保存预先输入的值。

作为推荐值Ha而决定的焊接速度V与加工工序的生产节拍时间相关联，焊道宽度W是与焊接的接头强度相关联的重要的参数，因此在实施方式中推荐值Ha设为能够变更。

为了简化输入操作，也可以将处于适当范围的间隔系数L和由装置规格决定的光束直径Φ作为固定值而预先存储于存储装置10，并在用于计算时将其调出。

作为在步骤S102、S107中决定的焊接速度V，提示与使用对象的激光振荡器相匹配的范围内的推荐值。作业者以该推荐值为基准在步骤S107中修正焊接速度V、焊道宽度W以成为想要的生产节拍时间、接头强度，由此能够知晓作为在步骤S104中再次计算出的推荐值Hb的激光输出。

旋转轨道36(螺旋轨道)的激光焊接所需的激光输出通过使以直线轨道进行焊接的情况下的焊接速度V与激光输出的关系乘以修正系数来算出。修正系数表示通过激光描绘旋转轨道36而产生的热量的分散效果，修正系数比1大。

在设定了宽的焊道宽度W即大的旋转半径r的情况下，与呈直线状进行焊接的情况相比热量分散变大，因此需要更高的激光输出。因此，修正系数变大。

在步骤S104中作为推荐值Hb而决定的上述激光输出超过激光振荡器的上限输出的情况下，控制部17也可以在步骤S105中不显示激光输出或显示错误消息。

在步骤S104中作为推荐值Hb而决定的旋转频率F根据作为步骤S102或步骤S107的推荐值Ha而决定的焊接速度V、步骤S103的间隔系数L、在步骤S102或步骤S107中作为推荐值Ha而决定的焊道宽度W、以及在步骤S103中输入的光束直径Φ，并通过以下的数学式来求出。

F＝V×{(L+1)/(L-1)}/{2×(W-Φ)}

在此，根据激光振荡器的规格而在步骤S103中设定光束直径Φ，作为步骤S102或步骤S107的推荐值Ha而根据要求的生产节拍时间等决定焊接速度V，根据要求的接头强度来决定焊道宽度W。因此，若预先决定与表示旋转轨道36中的螺旋的轨迹的疏密的旋转间隔的多个值分别对应的间隔系数L的多个值，则能够在步骤S104中求出推荐值Hb的旋转频率F。

通过以上那样的激光焊接条件决定方法，无需进行按板厚或材料来决定施工条件的实验便能够决定施工条件，能够削减实验时间、材料成本。

实施方式的激光焊接方法以尽量避免光束点23a通过因激光23的照射而熔融的部分即液相部分而使光束点23a通过未熔融的部分即固相部分的方式决定旋转轨道，基于与该旋转轨道对应的激光23的螺旋的轨迹的重合程度、换言之表示螺旋的轨迹的疏密的间隔系数L，一边呈螺旋状照射激光23一边使激光23相对地沿着焊接方向24移动来对焊接对象物501进行焊接。

具体而言，如第四焊接条件(参照图7)所示，在焊道29的中心线LC附近，激光23的光束点23a在与第一次通过的区域(实线)稍微相接的区域(虚线)再次通过，以使光束点23a尽量避开熔池22即液相部分而通过未熔融部34即固相的方式，尽量将激光23向焊接对象物501的未熔融部34照射来对焊接对象物501进行焊接。因此，例如在搭接焊中，即使在焊接对象物501的金属板30、31间存在空隙32的情况下，也能够提高空隙32的余裕度，并且抑制气泡、凹坑等的产生，得到均匀焊道处的良好的焊接状态。

需要说明的是，作为用于将激光23向焊接对象物501的未熔融部34照射的旋转轨道的轨迹的间隔系数L例如通过实验、上述的数学式或数据表等而预先求出，以使间隔系数L为优选的值或处于优选的范围内，并且优选预先设定。

在前述的呈螺旋状照射激光来进行焊接的以往的激光焊接中，通过呈螺旋状照射的激光所带来的熔池的搅拌效果来促进气体的排出。

然而，由于向液相部分即熔池照射激光，因此容易从在熔融时形成的与熔池接触的孔即小孔产生气泡，反而有可能导致在熔融部外观开设的被称作凹坑的微孔或在熔融部残留气泡而形成的气孔增加。

另外，针对像这样通过多个参数的作用而决定的焊接现象，熟练作业者通过活用自身的经验，从而有可能能够在较短的时间内设定用于得到所期望的焊接结果的焊接条件。然而，最近，激光焊接施工的经验少的作业者也很多。经验少的作业者为了将适当的激光焊接条件设定于机械手、XY工作台、激光焊接用头等，会花费大量的时间。

而且，近年来，强烈希望提高焊接质量。焊接速度、激光输出等焊接条件根据接头形状、必要的熔深量、接头强度而不同。对于经验少的作业者，难以判断是调整机械手、XY工作台等操纵装置好、还是调整激光用头好、亦或是调整激光输出好。因此，为了导出适当的焊接条件，需要反复进行激光焊接，会消耗大量的时间。

如上所述，在本实施方式的激光焊接方法中，通过激光23对上下重叠的两张以上的金属板30、31进行焊接，并且在激光焊接时抑制主要从小孔后壁27产生的气泡28。因此，本实施方式的激光焊接方法以尽量使激光23通过金属板30、31的固相部分的方式向焊接对象物照射激光23来对焊接对象物501进行焊接。另外，焊接时的激光输出选择成为小孔式焊接的值以上的值，例如沿着焊接方向24移动的焊接速度V优选为1m/min以上。另外，焊接时的焊接速度V优选选择尽量使光束点23a不施加于大的熔池22这样的速度以上的值。

根据这样的本实施方式的激光焊接方法，无论金属板30、31的板厚如何，均能够得到良好的焊接状态。

需要说明的是，在本实施方式中，将两张金属板30、31重叠来进行激光焊接，但上述的激光焊接方法也能够适用于将三张以上的金属板重叠来进行激光焊接时。

另外，旋转轨道36的螺旋的轨迹即螺旋形状的轨迹不仅可以是单纯的螺旋形状，只要是圆形状、四边、三角等多边形状、一部分中断的不连续的圆弧状等通过激光23扫描地照射而形成的形状的连续轨迹即可，可以为各种形状。间隔系数L表示该螺旋的轨迹的疏密程度(重合程度)。

另外，旋转轨道36上的激光23的光束点23a的相对于焊接方向24的照射的旋转方向可以是顺时针，也可以是逆时针。

另外，在本实施方式中，为了得到良好的焊接结果，使激光23的焊接速度V、激光23的间隔系数L、激光23的激光输出等为适当的值。需要说明的是，这些参数也可以通过选择它们全部或者从全部中选择多个等方式而适当组合地实施。

至此，说明了向作为焊接对象物501的搭接接头适用的例子，但就该激光焊接方法、激光焊接条件决定方法、激光焊接系统而言，也能够向作为焊接对象物501的搭接角接接头、对接接头、T字接头、角接头、端接接头、喇叭管接头的焊接中适用。

这样，在实施方式的激光焊接方法中，通过抑制气泡的产生，得到均匀的焊道29，能够得到良好的焊接状态。

根据实施方式中的激光焊接条件设定方法以及激光焊接装置，通过作业者设定与焊接对象物501相关的信息和与激光23相关的信息，能够决定并显示适于其的激光输出、焊接速度V、焊接图案、焊接部的强度、焊接部的熔深这样的焊接条件的推荐值Ha。而且，即使作业者变更了所显示的推荐值Ha的情况下，也能够再次决定并显示适于变更后的值的焊接条件的推荐值Hb。

通过形成作业者能够变更与生产节拍时间相关联的焊接速度V和与接头强度相关联的焊道宽度W的系统，由此使用性能进一步提高。

因此，能够减少进行决定焊接条件为止的试行错误的时间、劳力，能够减轻与焊接条件的设定相关的作业者的负担。

产业上的可利用性

本发明的激光焊接方法作为能够抑制气泡的产生而实现良好的焊接状态、向焊接对象物照射激光来进行激光焊接的激光焊接方法是有用的。

附图标记说明

1 激光振荡器

10 存储装置

11 焊接条件决定部

12 条件设定器

13 焊接对象物信息输入部

14 激光信息输入部

15 参数变更输入部

16 显示部

17 控制部

21 小孔

22 熔池

23 激光

23a 光束点

24 焊接方向

25 小孔前壁

26 金属蒸气

27 小孔后壁

28 气泡

29 焊道

29a 再凝固层

29b 焊道端部

30 金属板

31 金属板

32 空隙

33 凹坑

34 未熔融部

36 旋转轨道

501 焊接对象物

A 宽度

B 宽度

Φ 光束直径

W 焊道宽度

r 旋转半径

Claims (17)

1.一种激光焊接方法，其特征在于，包括：

将激光向焊接对象物照射以形成沿着如下轨迹相对于所述焊接对象物进行相对移动的光束点的步骤，所述轨迹具有环绕沿着焊接方向移动的旋转中心的螺旋形状；以及

利用照射出的所述激光对所述焊接对象物进行焊接的步骤，

将所述激光向所述焊接对象物照射的步骤包括基于表示所述焊接方向上的具有所述螺旋形状的所述轨迹的重合程度的值即间隔系数，来将所述激光向所述焊接对象物照射的步骤，

所述间隔系数是第一宽度相对于第二宽度之比，所述第一宽度是所述光束点以具有所述焊接方向的分量的移动速度绕所述旋转中心旋转时的所述焊接方向上的宽度，所述第二宽度是所述光束点以具有所述焊接方向的相反方向的分量的移动速度绕所述旋转中心旋转时的所述焊接方向上的宽度。

2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中，

所述间隔系数即所述第一宽度相对于所述第二宽度之比处于1.5～3的范围内。

3.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中，

所述间隔系数处于2～2.5的范围内。

4.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中，

利用照射出的所述激光对所述焊接对象物进行焊接的所述步骤包括利用照射出的所述激光以在所述焊接对象物形成焊道的方式对所述焊接对象物进行焊接的步骤，

利用所述第一宽度A、所述第二宽度B、所述光束点的光束直径Φ、所述光束点沿着所述焊接方向移动的焊接速度V、所述光束点绕所述旋转中心旋转的旋转频率F、以及所述焊道的焊道宽度W而通过以下的数学式表示所述间隔系数L：

L＝A/B

A＝W-Φ+V/(2×F)

B＝W-Φ-V/(2×F)。

5.根据权利要求4所述的激光焊接方法，其中，

利用所述旋转中心沿着所述焊接方向移动的焊接速度V、所述间隔系数L、所述焊道宽度W以及所述光束直径Φ而通过下式求出所述旋转频率F：

F＝V×{(L+1)/(L-1)}/{2×(W-Φ)}。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光焊接方法，其中，

所述第一宽度是所述光束点以具有所述焊接方向的所述分量的所述移动速度绕所述旋转中心旋转时照射所述光束点的范围的所述焊接方向上的宽度，

所述第二宽度是所述光束点以具有所述焊接方向的相反方向的所述分量的所述移动速度绕所述旋转中心旋转时照射所述光束点的范围的所述焊接方向上的宽度。

7.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其中，

利用照射出的所述激光对所述焊接对象物进行焊接的所述步骤包括利用照射出的所述激光使所述焊接对象物熔融而形成熔池的步骤，

将所述激光向所述焊接对象物照射的所述步骤包括向所述焊接对象物的未熔融部照射所述激光的步骤，所述焊接对象物的未熔融部在沿着所述轨迹移动的方向上位于所述熔池的外缘部的前方。

8.一种激光焊接条件决定方法，其是在激光焊接系统中使用的激光焊接条件决定方法，所述激光焊接系统将激光向焊接对象物照射以形成沿着如下轨迹相对于所述焊接对象物进行相对移动的光束点，来对所述焊接对象物进行焊接，所述轨迹具有环绕沿着焊接方向移动的旋转中心的螺旋形状，

所述激光焊接条件决定方法的特征在于，包括：

基于与所述焊接对象物相关的信息即包括所述焊接对象物的材质、接头的形状以及所述焊接对象物的厚度中的至少一个在内的焊接对象物信息，来决定所述旋转中心沿着所述焊接方向移动的焊接速度、由于所述激光而形成于所述焊接对象物的焊道的焊道宽度、以及由于所述激光而形成于所述焊接对象物的焊接部的熔深中的一个以上的步骤；

设定与所述激光相关的信息即激光信息的步骤，其中，所述激光信息包括所述激光的光束直径的信息和表示所述轨迹的重合程度的值即间隔系数；以及

基于所述焊接速度、所述间隔系数、所述焊道宽度以及所述光束直径的所述信息，来决定所述光束点绕所述旋转中心旋转的旋转频率和所述激光的激光输出中的一个以上的步骤。

9.根据权利要求8所述的激光焊接条件决定方法，其中，

所述间隔系数是第一宽度与第二宽度之比，所述第一宽度是所述光束点以具有所述焊接方向的分量的移动速度绕所述旋转中心旋转时的所述焊接方向上的宽度，所述第二宽度是所述光束点以具有所述焊接方向的相反方向的分量的移动速度绕所述旋转中心旋转时的所述焊接方向上的宽度。

10.根据权利要求9所述的激光焊接条件决定方法，其中，

所述间隔系数处于1.5～3的范围内。

11.根据权利要求9所述的激光焊接条件决定方法，其中，

所述间隔系数处于2～2.5的范围内。

12.根据权利要求10所述的激光焊接条件决定方法，其中，

所述激光焊接条件决定方法还包括：

显示所述焊接速度、所述焊道宽度以及所述熔深中的决定出的所述一个以上、以及所述旋转频率和所述激光输出中的决定出的所述一个以上的步骤；

变更并再次决定所述焊接速度、所述焊道宽度以及所述熔深中的决定出的所述一个以上中的至少一个的步骤；以及

基于所述焊接速度、所述焊道宽度以及所述熔深中的决定出的所述一个以上中的再次决定出的所述至少一个，来再次决定所述旋转频率和所述激光输出中的所述一个以上的步骤。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的激光焊接条件决定方法，其中，

所述第一宽度是所述光束点以具有所述焊接方向的所述分量的所述移动速度绕所述旋转中心旋转时照射所述光束点的范围的所述焊接方向上的宽度，

所述第二宽度是所述光束点以具有所述焊接方向的相反方向的所述分量的所述移动速度绕所述旋转中心旋转时照射所述光束点的范围的所述焊接方向上的宽度。

14.根据权利要求8所述的激光焊接条件决定方法，其中，

利用所述旋转中心沿着所述焊接方向移动的焊接速度V、所述间隔系数L、所述焊道宽度W以及所述光束直径Φ而通过下式求出所述旋转频率F：

F＝V×{(L+1)/(L-1)}/{2×(W-Φ)}。

15.一种激光焊接系统，其特征在于，具备：

激光用头，其将激光朝向焊接对象物射出；以及

控制部，其控制所述激光用头和所述激光而将所述激光向所述焊接对象物照射，以形成沿着如下轨迹相对于所述焊接对象物进行相对移动的光束点，所述轨迹具有环绕沿着焊接方向移动的旋转中心的螺旋形状，

所述控制部具有：

焊接对象物信息输入部，其用于输入与所述焊接对象物相关的信息即包括所述焊接对象物的材质、接头的形状以及所述焊接对象物的厚度中的至少一个在内的焊接对象物信息；

激光信息输入部，其用于输入与所述激光相关的信息即激光信息，其中，所述激光信息包括所述激光的光束直径的信息和表示所述轨迹的重合程度的值即间隔系数；以及

焊接条件决定部，其基于所述焊接对象物信息来决定所述旋转中心沿着所述焊接方向移动的焊接速度、由于所述激光而形成于所述焊接对象物的焊道的焊道宽度、以及由于所述激光而形成于所述焊接对象物的焊接部的熔深中的一个以上的第一推荐值，所述焊接条件决定部基于所述激光信息的所述间隔系数、所述光束直径的所述信息、以及所述一个以上的第一推荐值中的所述焊接速度和所述焊道宽度的第一推荐值，来决定所述光束点绕所述旋转中心旋转的旋转频率和所述激光的激光输出中的一个以上的第二推荐值。

16.根据权利要求15所述的激光焊接系统，其中，

所述间隔系数是第一宽度与第二宽度之比，所述第一宽度是所述光束点绕所述旋转中心向所述焊接方向旋转时的所述焊接方向上的宽度，所述第二宽度是所述光束点绕所述旋转中心向所述焊接方向的相反方向旋转时的所述焊接方向上的宽度，

所述激光信息输入部具有输入所述间隔系数的间隔系数输入部，

所述焊接条件决定部利用所述焊接速度V、所述间隔系数L、所述焊道宽度W以及所述光束点的光束直径Φ而通过下式求出所述旋转频率F：

F＝V×{(L+1)/(L-1)}/{2×(W-Φ)}。

17.根据权利要求16所述的激光焊接系统，其中，

所述第一宽度是所述光束点以具有所述焊接方向的分量的移动速度绕所述旋转中心旋转时照射所述光束点的范围的所述焊接方向上的宽度，

所述第二宽度是所述光束点以具有所述焊接方向的相反方向的分量的移动速度绕所述旋转中心旋转时照射所述光束点的范围的所述焊接方向上的宽度。