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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Laserschweißgerät und ein Laserschweißverfahren und genauer auf ein Laserschweißgerät und ein Laserschweißverfahren, die Schweißen durchführen, während sie einem Schweißteil ein Schutzgas zuführen.
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2. Stand der Technik
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Laserschweißen ist ein Schweißverfahren, bei dem das Schweißen mit einem Laserstrahl als einer Heizquelle erfolgt. In einem Fall, in dem zwei Metallplatten übereinander angeordnet und geschweißt werden, liegen die zwei Metallplatten aufeinander und werden dann mit einem Laserstrahl abgetastet. Dementsprechend wird der mit dem Laserstrahl bestrahlte Teil erhitzt, sodass die zwei Metallplatten aufgeschmolzen werden. Die Schmelzen der zwei Metallplatten mischen sich und erstarren dann, wodurch die zwei Metallplatten in einem übereinander angeordneten Zustand verbunden werden. Dabei ändert sich die Querschnittsform einer auszubildenden Schweißraupe abhängig von dem Schutzgas, das dem Schweißteil zugeführt wird.
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Die
JP 2004-130360 A offenbart eine Technik, die ein Laserschweißgerät betrifft, das als Schutzgas ein Mischgas aus Inertgas und Sauerstoff verwendet.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Wie in dem Abschnitt "Stand der Technik" beschrieben wurde, ändert sich in dem Laserschweißgerät, das das Schweißen durchführt, indem es auf den Schweißteil einen Laserstrahl abstrahlt, während es dem Schweißteil ein Schutzgas zuführt, die Querschnittsform einer Schweißraupe abhängig von dem Schutzgas, das dem Schweißteil zugeführt wird. Wenn als das Schutzgas zum Beispiel ein Inertgas verwendet wird, hat der Querschnitt der Schweißraupe eine Weinkelchform (siehe 2). Wenn als das Schutzgas ein Mischgas aus Inertgas und Sauerstoffgas verwendet wird, hat der Querschnitt der Schweißraupe eine Becherform (siehe 3).
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In dem Fall, dass das Schweißen durchgeführt wird, während dem Schweißteil wie oben beschrieben das Schutzgas zugeführt wird, kann die Querschnittsform einer auszubildenden Schweißraupe eingestellt werden, indem die Art des Schutzgases oder seine Einspeisemenge gesteuert wird. Wenn sich die Einspeisemenge des Schutzgases während des Schweißens ändert, tritt jedoch in der Querschnittsform einer am Schweißteil auszubilden Schweißraupe eine Schwankung auf, was das Problem hervorruft, dass ein Schweißfehler auftritt.
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Angesichts des oben genannten Problems ist es Aufgabe der Erfindung, ein Laserschweißgerät und ein Laserschweißverfahren zur Verfügung zu stellen, die dazu imstande sind, das Auftreten einer Schwankung der Querschnittsform einer auszubildenden Schweißraupe zu unterdrücken.
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Eine erste exemplarische Ausgestaltung der Erfindung ist ein Laserschweißgerät, das Schweißen durchführt, indem es einen Laserstrahl auf einen Schweißteil abstrahlt, wobei das Laserschweißgerät Folgendes umfasst: eine Schutzgas-Zufuhreinheit, die dem Schweißteil ein Schutzgas zuführt; eine Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit, die eine Durchflussmenge des Schutzgases steuert, das von der Schutzgas-Zufuhreinheit zugeführt wird; eine Lichtintensitäts-Messeinheit, die eine Lichtintensität von Plasmalicht misst, das vom Schweißteil abgestrahlt wird; und eine Änderungsraten-Berechnungseinheit, die eine Änderungsrate der Lichtintensität berechnet, die von der Lichtintensitäts-Messeinheit gemessen wird. Die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit steuert die Durchflussmenge des Schutzgases, das dem Schweißteil zugeführt wird, entsprechend der berechneten Änderungsrate der Lichtintensität.
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Eine zweite exemplarische Ausgestaltung der Erfindung ist ein Laserschweißverfahren, das Schweißen durchführt, indem es einen Laserstrahl auf einen Schweißteil abstrahlt, während es dem Schweißteil ein Schutzgas zuführt, wobei das Laserschweißverfahren Folgendes umfasst: Messen einer Lichtintensität von Plasmalicht, das vom Schweißteil abgestrahlt wird; Berechnen einer Änderungsrate der gemessenen Lichtintensität; und Steuern einer Durchflussmenge des Schutzgases, das dem Schweißteil zugeführt wird, entsprechend der berechneten Änderungsrate der Lichtintensität.
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In dem Laserschweißgerät und dem Laserschweißverfahren gemäß den exemplarischen Ausgestaltungen der Erfindung wird die Lichtintensität von Plasmalicht gemessen, das vom Schweißteil abgestrahlt wird; es wird die Änderungsrate der gemessenen Lichtintensität berechnet; und es wird die Durchflussmenge des Schutzgases, das dem Schweißteil zugeführt wird, entsprechend der Änderungsrate der Lichtintensität gesteuert. Dementsprechend kann eine Regelung erfolgen, sodass das Schutzgas mit einer geeigneten Einspeisemenge zugeführt werden kann, während der Zufuhrzustand des Schutzgases in Echtzeit überwacht wird. Folglich kann eine Änderung der Einspeisemenge des Schutzgases unterdrückt werden, und es kann das Auftreten einer Schwankung der Querschnittsform einer am Schweißteil auszubildenden Schweißraupe unterdrückt werden.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, ein Laserschweißgerät und ein Laserschweißverfahren zur Verfügung zu stellen, die dazu imstande sind, das Auftreten einer Schwankung der Querschnittsform einer auszubildenden Schweißraupe zu unterdrücken.
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Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich genauer aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, die lediglich der Veranschaulichung dienen und somit nicht als Beschränkung der Erfindung angesehen werden sollten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Schaubild, das ein Laserschweißgerät gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel zeigt;
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2 ist eine Schnittansicht, die die Form (Weinkelchform) einer an einem Schweißteil auszubildenden Schweißraupe zeigt;
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3 ist eine Schnittansicht, die die Form (Becherform) einer an einem Schweißteil auszubildenden Schweißraupe zeigt;
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4 ist eine grafische Darstellung, die eine Lichtintensität von Plasmalicht zeigt, das vom Schweißteil abgestrahlt wird;
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5 ist eine grafische Darstellung, die eine Lichtintensität von Plasmalicht zeigt, das vom Schweißteil abgestrahlt wird;
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6 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Steuerungsablauf des Laserschweißgeräts gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel zeigt (wenn die Form einer auszubildenden Schweißraupe eine Weinkelchform ist);
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7 ist eine grafische Darstellung, die eine Lichtintensität von Plasmalicht zeigt, das vom Schweißteil abgestrahlt wird (siehe oberer Teil der Figur), und die eine zeitliche Ableitung der Lichtintensität zeigt (siehe unterer Teil der Figur);
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8 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Steuerungsablauf des Laserschweißgeräts gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel zeigt (wenn die Form einer auszubildenden Schweißraupe eine Becherform ist); und
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9 ist eine grafische Darstellung, die eine Lichtintensität von Plasmalicht zeigt, das vom Schweißteil abgestrahlt wird (siehe oberer Teil der Figur), und die eine zeitliche Ableitung der Lichtintensität zeigt (siehe unterer Teil der Figur).
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Beschreibung der exemplarischen Ausführungsbeispiele
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden nun exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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1 zeigt ein Laserschweißgerät 1 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst das Laserschweißgerät 1 eine Laserlichtquelle 10, einen Hauptkörperabschnitt 11, eine Lichtintensitäts-Messeinheit 12, eine Änderungsraten-Berechnungseinheit 13, eine Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14, eine Schutzgas-Zufuhreinheit 15 und Düsen 16 und 17.
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Die Laserlichtquelle 10 ist eine Vorrichtung, die einen Laserstrahl erzeugt. Zum Beispiel kann als Laserstrahl ein Kohlendioxidgaslaser oder ein YAG-(Yttrium-Aluminium-Granat-)Laser verwendet werden. Der durch die Laserlichtquelle 10 erzeugte Laserstrahl geht durch den Hauptkörperabschnitt 11 und wird zur Oberfläche eines Schweißbauteils 18 geführt.
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Wenn auf die Oberfläche des Schweißbauteils 18 ein Laserstrahl 21 abgestrahlt wird, wird das Schweißbauteil 18 geschweißt. Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, ist das Schweißbauteil 18 zum Beispiel ein Bauteil, das aus zwei Metallplatten 31 und 32 ausgebildet ist, die übereinander angeordnet sind. Wenn der Laserstrahl auf einen Schweißteil 35 der zwei übereinander angeordneten Metallplatten 31 und 32 abgestrahlt wird, dringt der Laserstrahl durch die obere Metallplatte 31 und es wird die Deckfläche der unteren Metallplatte 32 aufgeschmolzen, sodass ein (der Form der jeweils danach auszubildenden Schweißraupe 41 oder 42 entsprechendes) Schmelzbad erzeugt wird, das ein Gemisch aus Schmelzen der zwei Metallplatten 31 und 32 ist. Danach wird das Schmelzbad abgekühlt und erstarren gelassen, wodurch die zwei Metallplatten 31 und 32 miteinander verbunden werden. Dabei werden am Schweißteil 35 jeweils die Schweißraupen 41 und 42 ausgebildet. Während des Schweißens wird von dem Schweißteil 35 (Schmelzbad) Plasmalicht 22 abgestrahlt.
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In dem Fall, dass die zwei Metallplatten 31 und 32 geschweißt werden, wird die Oberfläche des Schweißbauteils 18 mit dem Laserstrahl 21 abgetastet. Zum Beispiel kann die Oberfläche des Schweißbauteils 18 mit dem Laserstrahl 21 mit einem Aufbau abgetastet werden, bei dem der Hauptkörperabschnitt 11 (Laserstrahl 21) feststeht und ein (nicht gezeigter) Tisch, auf dem das Schweißbauteil 18 platziert wird, beweglich ist. Alternativ kann die Oberfläche des Schweißbauteils 18 mit dem Laserstrahl 21 mit einem Aufbau abgetastet werden, bei dem der (nicht gezeigte) Tisch, auf dem das Schweißbauteil 18 platziert ist, feststeht und der Hauptkörperabschnitt 11 (Laserstrahl 21) beweglich ist. Es ist zu beachten, dass der Hauptkörperabschnitt 11 (Laserstrahl 21) und das Schweißbauteil 18 beide beweglich angeordnet werden können.
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Die in 1 gezeigte Lichtintensitäts-Messeinheit 12 misst die Lichtintensität des Plasmalichts 22, das vom Schweißteil 35 abgestrahlt wird. Als Lichtintensitäts-Messeinheit 12 kann zum Beispiel eine Fotodiode verwendet werden. Die Lichtintensität des Plasmalichts 22 kann mit einem CCD-(Charge-Coupled Device-)Bildsensor betrachtet werden. Die von der Lichtintensitäts-Messeinheit 12 gemessene Lichtintensität wird der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 zugeführt.
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Die Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechnet eine Änderungsrate der von der Lichtintensitäts-Messeinheit 12 gemessenen Lichtintensität. Zum Beispiel differenziert die Änderungsraten-Berechnungseinheit 18 die Zeitfunktion der Lichtintensität (siehe oberer Teil von 7) nach der Zeit, wodurch es möglich wird, die Änderungsrate der Lichtintensität (siehe unterer Teil von 7) zu berechnen.
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Die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 steuert die Schutzgas-Zufuhreinheit 15. Die Schutzgas-Zufuhreinheit 15 führt dem Schweißteil 35 des Schweißbauteils 18 ein Schutzgas zu. Zum Beispiel kann als das Schutzgas ein Inertgas wie Stickstoffgas, Argongas oder Heliumgas verwendet werden. Die Verwendung des Inertgases als das Schutzgas kann die Oxidation des Schweißteils (der Schweißraupe) unterdrücken. Es kann auch ein Mischgas aus Inertgas und Sauerstoff als das Schutzgas verwendet werden.
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Die Schutzgas-Zufuhreinheit 15 führt der Düse 16 über ein Rohr 26 ein Inertgas zu. Außerdem führt die Schutzgas-Zufuhreinheit 15 der Düse 17 über ein Rohr 27 ein Sauerstoffgas zu. Die Schutzgas-Zufuhreinheit 15 stellt die Durchflussmenge des der Düse 16 zugeführten Inertgases und die Durchflussmenge des der Düse 17 zugeführten Sauerstoffgases ein, wodurch es möglich wird, das Verhältnis zwischen dem Inertgas und dem Sauerstoffgas einzustellen, die in dem Schutzgas enthalten sind.
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Wenn der Querschnitt der Schweißraupe 41 zum Beispiel, wie in 2 gezeigt ist, eine Weinkelchform hat, wird als das Schutzgas nur das Inertgas verwendet (oder das Gas kann eine kleine Menge Sauerstoffgas enthalten). In diesem Fall kann die Schweißraupe 41 daran gehindert werden zu oxidieren. Darüber hinaus kann die Breite der Oberfläche des (der Schweißraupe 41 entsprechenden) Schmelzbads erhöht werden. Wenn ein Schweißdraht verwendet wird, kann dementsprechend ein geeigneter Bereich für die Position, an der der Schweißdraht bereitgestellt wird, vergrößert werden.
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Wenn der Querschnitt der Schweißraupe 42 zum Beispiel, wie in 3 gezeigt ist, eine Becherform hat, wird als das Schutzgas ein Mischgas aus Inertgas und Sauerstoffgas verwendet (zum Beispiel werden mit dem Inertgas 20 Volumen% Sauerstoffgas gemischt). In diesem Fall kann die Breite eines Abschnitts vergrößert werden, an dem die Metallplatte 31 und die Metallplatte 32 miteinander verbunden werden, und es kann die Verbindungsfestigkeit erhöht werden. Darüber hinaus kann die Differenz bei der Schrumpfung zwischen der Metallplatte 31 und der Metallplatte 32 verringert werden, was zu einer Verringerung des Schweißverzugs führt.
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4 ist eine grafische Darstellung, die die Lichtintensität von Plasmalicht zeigt, das vom Schweißteil abgestrahlt wird, und die die Zeitfunktion der Lichtintensität zeigt. Wie in 4 gezeigt ist, ist die Lichtintensität, wenn nur das Inertgas als das Schutzgas verwendet wird (wenn der Querschnitt der Schweißraupe eine Weinkelchform hat), kleiner als in dem Fall, in dem das Mischgas aus Inertgas und Sauerstoffgas als das Schutzgas verwendet wird (wenn der Querschnitt der Schweißraupe eine Becherform hat). In dem in 4 gezeigten Fall ist, wenn nur das Inertgas als das Schutzgas verwendet wird, die Lichtintensität ebenso stabil, wie wenn das Mischgas aus Inertgas und Sauerstoffgas als das Schutzgas verwendet wird. Daher ist die Querschnittform jeder auszubildenden Schweißraupe stabil.
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Wenn andererseits, wie in 5 gezeigt ist, das Sauerstoffgas unzureichend ist, wenn das Schweißen durchgeführt wird, indem das Mischgas aus Inertgas und Sauerstoffgas als das Schutzgas verwendet wird, nimmt die Lichtintensität des Plasmalichts, das vom Schweißteil 35 abgestrahlt wird, ab. Dabei ändert sich die Querschnittsform der am Schweißteil 35 ausgebildeten Schweißraupe von der Becherform zur Weinkelchform. Wenn sich die Einspeisemenge des Schutzgases auf diese Weise ändert, ändert sich die Querschnittsform der am Schweißteil 35 ausgebildeten Schweißraupe, was einen Schweißfehler hervorruft.
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In dem Laserschweißgerät 1 gemäß diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird das oben genannte Problem auf die folgende Weise gelöst. Und zwar wird von der Lichtintensitäts-Messeinheit 12 die Lichtintensität des Plasmalichts gemessen, das vom Schweißteil 35 abgestrahlt wird; von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 wird die Änderungsrate der gemessenen Lichtintensität berechnet; und es wird die Durchflussmenge des Schutzgases, das dem Schweißteil 35 zugeführt wird, entsprechend der Änderungsrate der Lichtintensität gesteuert. Es wird nun ausführlich ein Verfahren zur Steuerung des Laserschweißgeräts 1 gemäß diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Zunächst wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von 6 und 7 der Fall beschrieben, dass der Querschnitt einer auszubildenden Schweißraupe eine Weinkelchform hat (siehe 2). In dem Fall, dass der Querschnitt der auszubildenden Schweißraupe eine Weinkelchform hat, wird nur das Inertgas als das Schutzgas verwendet (oder das Gas kann eine kleine Menge Sauerstoffgas enthalten). Während des Zeitraums, in dem das Schweißen durchgeführt wird, indem der Schweißteil 35 mit einem Laserstrahl abgetastet wird, während dem Schweißteil 35 das Schutzgas zugeführt wird, führt das Laserschweißgerät 1 den in 6 gezeigten Prozess aus.
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Zunächst misst die Lichtintensitäts-Messeinheit 12 die Lichtintensität des Plasmalichts 22, das vom Schweißteil 35 abgestrahlt wird (Schritt S1). Als Nächstes berechnet die Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 die Änderungsrate der von der Lichtintensitäts-Messeinheit 12 gemessenen Lichtintensität (Schritt S2). Zum Beispiel berechnet die Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 die Änderungsrate der Lichtintensität, indem sie die Zeitfunktion der Lichtintensität (V), die im oberen Teil von 7 gezeigt ist, nach der Zeit differenziert.
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Als Nächstes stellt die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 fest, ob die Änderungsrate der von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechneten Lichtintensität größer oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert "a" (erster Schwellenwert: a > 0) ist (Schritt S3). Wenn die von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechnete Änderungsrate der Lichtintensität kleiner als der Schwellenwert "a" ist (Schritt S3: Nein), wiederholt die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 den Vorgang der Schritte S1 bis S3, ohne die Einspeisemenge des Schutzgases zu ändern, das dem Schweißteil 35 zugeführt wird. Dieser Zustand (der in 7 dem gezeigten Intervall t1 entspricht) gibt an, dass das Schutzgas dem Schweißteil 35 stabil zugeführt wird und dass die Querschnittsform einer auszubildenden Schweißraupe ebenfalls stabil ist.
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Wenn die von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechnete Änderungsrate der Lichtintensität größer oder gleich dem Schwellenwert "a" ist (Schritt S3: Ja), steuert die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 die Schutzgas-Zufuhreinheit 15 andererseits so, dass sie die Durchflussmenge des Inertgases erhöht, das von der Düse 16 zugeführt wird (Schritt S4). Konkret ist zu dem in 7 gezeigten Zeitpunkt t2 die Änderungsrate der Lichtintensität größer oder gleich dem Schwellenwert "a", was angibt, dass die Lichtintensität des vom Schweißteil 35 abgestrahlten Plasmalichts 22 stark zugenommen hat. Es wird davon ausgegangen, dass dies an einer Zumischung (einem Überangebot) an Sauerstoffgas oder einem Mangel des Inertgases liegt. Dementsprechend steuert die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 die Schutzgas-Zufuhreinheit 15 so, dass sie die Durchflussmenge des Inertgases erhöht, das von der Düse 16 zugeführt wird. Indem auf diese Weise die Durchflussmenge des Inertgases erhöht wird, kann eine Schweißraupe ausgebildet werden, die im Querschnitt eine Weinkelchform hat. Dies macht es möglich, eine Verkleinerung der Breite der Oberfläche des Schmelzbads und eine übermäßige Erhöhung der Breite des Abschnitts, an dem die Metallplatten miteinander verbunden werden, zu unterdrücken.
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Danach misst die Lichtintensitäts-Messeinheit 12 erneut die Lichtintensität des vom Schweißteil 35 abgestrahlten Plasmalichts 22 (Schritt S5). Als Nächstes berechnet die Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 die Änderungsrate der von der Lichtintensitäts-Messeinheit 12 gemessenen Lichtintensität (Schritt S6).
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Dann stellt die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 fest, ob die von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechnete Änderungsrate der Lichtintensität kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert "b" (zweiter Schwellenwert: b < 0) ist (Schritt S7). Wenn die von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechnete Änderungsrate der Lichtintensität größer als der Schwellenwert "b" ist (Schritt S7: Nein), erhöht die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 die Durchflussmenge des Inertgases, das dem Schweißteil 35 zugeführt wird (Schritt S4), und wiederholt den Vorgang der Schritte S5 bis S7. Diese Situation gibt an, dass die Durchflussmenge des Inertgases immer noch unzureichend ist, auch wenn die Durchflussmenge des Inertgases erhöht wurde.
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Wenn die von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechnete Änderungsrate der Lichtintensität kleiner oder gleich dem Schwellenwert "b" ist (Schritt S7: Ja), behält die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 dagegen die Durchflussmenge des Inertgases, die momentan aus der Düse 16 zugeführt wird, bei (Schritt S8). Konkret nimmt zu dem in 7 gezeigten Zeitpunkt t3, wenn die Änderungsrate der Lichtintensität kleiner oder gleich dem Schwellenwert "b" ist, die Durchflussmenge des Inertgases zu und die Lichtintensität des Plasmalichts 22 ab. Dies gibt an, dass die Lichtintensität des vom Schweißteil 35 abgestrahlten Plasmalichts 22 in einen stationären Zustand zurückgekehrt ist. Dementsprechend behält die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 zu diesem Zeitpunkt die Durchflussmenge des Inertgases bei. Somit kann der Zufuhrzustand des Schutzgases in einem geeigneten Zustand gehalten werden.
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Indem danach der Vorgang der Schritte S1 bis S8 wiederholt wird, kann eine Regelung durchgeführt werden, sodass das Schutzgas mit einer geeigneten Einspeisemenge zugeführt werden kann, während der Zufuhrstand des Schutzgases in Echtzeit überwacht wird.
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Falls die Änderungsrate der Lichtintensität auch nach Wiederholung des Vorgangs der Schritte S4 bis S7 nicht kleiner oder gleich dem Schwellenwert "b" wird, wird davon ausgegangen, dass das Laserschweißgerät nicht in Ordnung ist. In diesem Fall wird der Laserschweißvorgang angehalten.
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Die Schwellenwerte "a" und "b" können durch zum Beispiel das folgende Verfahren im Voraus ermittelt werden. Zunächst wird anhand der Wellenform der Lichtintensität von Plasmalicht eines fehlerfreien Produkts eine Fourier-Transformation durchgeführt, um dadurch Hochfrequenzanteile, d. h. Rauschen, festzulegen. Danach werden die Rauschanteile durch einen Tiefpassfilter entfernt. Dann wird eine Funktion (dV/dt) ermittelt, indem die Wellenform der Lichtintensität des Plasmalichts, die durch den Tiefpassfilter gegangen ist, nach der Zeit differenziert wird und ein Mittelwert μ und eine Standardabweichung σ der Schweißzeit der Funktion (dV/dt) ermittelt werden. In einem Fall, in dem die Schwellenwerte unter Verwendung eines Werts eingestellt werden, der dreimal so groß wie die Standardabweichung σ ist, wird der Schwellenwert "a" zum Beispiel durch μ + 3σ und der Schwellenwert "b" durch µ – 3σ dargestellt. Der Mittelwert μ ist ein Mittelwert der Werte, die ermittelt werden, indem die Wellenform der Lichtintensität nach der Zeit differenziert wird, und somit ist der Mittelwert ein Wert nahe 0. Um die Empfindlichkeit gegenüber einer Änderung der Lichtintensität des Plasmalichts zu erhöhen, können die Schwellenwerte "a" und "b" unter Verwendung eines Werts eingestellt werden, der zweimal so groß wie die Standardabweichung σ ist. Um die Empfindlichkeit gegenüber einer Änderung der Lichtintensität des Plasmalichts zu verringern, können die Schwellenwerte "a" und "b" dagegen unter Verwendung eines Werts eingestellt werden, der viermal so groß wie die Standardabweichung σ ist.
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Das Verfahren zum Einstellen der Schwellenwerte "a" und "b" ist oben lediglich als ein Beispiel beschrieben worden. Die Schwellenwerte "a" und "b" können in dem Laserschweißgerät gemäß diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel durch andere Verfahren als das oben beschriebene Verfahren eingestellt werden.
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Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von 8 und 9 der Fall beschrieben, dass der Querschnitt einer auszubildenden Schweißraupe eine Becherform hat (siehe 3). Wenn der Querschnitt der Schweißraupe eine Becherform hat, wird als das Schutzgas ein Mischgas aus Inertgas und Sauerstoffgas verwendet. Während des Zeitraums, in dem das Schweißen durchgeführt wird, indem der Schweißteil 35 mit einem Laserstrahl abgetastet wird, während dem Schweißteil 35 das Schutzgas zugeführt wird, führt das Laserschweißgerät 1 den in 8 gezeigten Prozess aus.
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Zunächst misst die Lichtintensitäts-Messeinheit 12 die Lichtintensität des Plasmalichts 22, das vom Schweißteil 35 abgestrahlt wird (Schritt S11). Als Nächstes berechnet die Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 die Änderungsrate der von der Lichtintensitäts-Messeinheit 12 gemessenen Lichtintensität (Schritt S12). Zum Beispiel berechnet die Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 die Änderungsrate der Lichtintensität, indem sie die Zeitfunktion der Lichtintensität (V), die im oberen Teil von 9 gezeigt ist, nach der Zeit differenziert.
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Als Nächstes stellt die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 fest, ob die von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechnete Änderungsrate der Lichtintensität kleiner oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert "c" (dritter Schwellenwert: c < 0) ist (Schritt S13). Wenn die von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechnete Änderungsrate der Lichtintensität größer als der Schwellenwert "c" ist (Schritt S13: Nein), wiederholt die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 den Vorgang der Schritte S11 bis S13, ohne die Einspeisemenge des Schutzgases zu ändern, das dem Schweißteil 35 zugeführt wird. Diese Situation gibt an, dass das Schutzgas dem Schweißteil 35 stabil zugeführt wird (entspricht dem in 9 gezeigten Intervall t11) und dass die Querschnittsform einer auszubildenden Schweißraupe ebenfalls stabil ist.
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Wenn die von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechnete Änderungsrate der Lichtintensität kleiner oder gleich dem Schwellenwert "c" ist (Schritt S13: Ja) steuert die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 andererseits die Schutzgas-Zufuhreinheit 15 so, dass sie die Durchflussmenge des Sauerstoffgases erhöht, das aus der Düse 16 zugeführt wird (Schritt S14). Konkret ist zu dem in 9 gezeigten Zeitpunkt t12 die Änderungsrate der Lichtintensität kleiner oder gleich dem Schwellenwert "c", was angibt, dass die Lichtintensität des vom Schweißteil 35 abgestrahlten Plasmalichts 22 stark abgenommen hat. Es wird angenommen, dass dies an einem Mangel des Sauerstoffgases (d. h. einer Abnahme des Volumenprozentanteils des Sauerstoffgases bezogen auf das Inertgas) liegt. Dementsprechend steuert die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 die Schutzgas-Zufuhreinheit 15 so, dass sie die Durchflussmenge des Sauerstoffgases, das aus der Düse 17 zugeführt wird, erhöht. Indem auf diese Weise die Durchflussmenge des Sauerstoffgases erhöht wird, kann eine Schweißraupe ausgebildet werden, deren Querschnitt eine Becherform hat. Dies macht es möglich, eine Verringerung der Breite der Oberfläche des Schmelzbads und eine übermäßige Verringerung der Breite des Abschnitts, an dem die Metallplatten miteinander verbunden werden, zu verhindern.
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Danach misst die Lichtintensitäts-Messeinheit 12 erneut die Lichtintensität des vom Schweißteil 35 abgestrahlten Plasmalichts 22 (Schritt S15). Als Nächstes berechnet die Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 die Änderungsrate der von der Lichtintensitäts-Messeinheit 12 gemessenen Lichtintensität (Schritt S16).
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Dann stellt die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 fest, ob die von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechnete Änderungsrate der Lichtintensität größer oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert "d" (vierter Schwellenwert: d > 0) ist (Schritt S17). Wenn die von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechnete Änderungsrate der Lichtintensität kleiner als der Schwellenwert "d" ist (Schritt S17: Nein), erhöht die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 die Durchflussmenge des Sauerstoffgases, das dem Schweißteil 35 zugeführt wird (Schritt S14), und wiederholt den Vorgang der Schritte S15 bis S17. Diese Situation gibt an, dass die Durchflussmenge des Sauerstoffgases immer noch unzureichend ist, obwohl die Durchflussmenge des Sauerstoffgases erhöht wurde.
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Wenn die von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 berechnete Änderungsrate der Lichtintensität größer oder gleich dem Schwellenwert "d" ist (Schritt S17: Ja), behält die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 andererseits die Durchflussmenge des Sauerstoffgases, die momentan aus der Düse 17 zugeführt wird, bei (Schritt S18). Konkret nimmt zu dem in 9 gezeigten Zeitpunkt t13, wenn die Änderungsrate der Lichtintensität größer oder gleich dem Schwellenwert "d" ist, die Durchflussmenge des Sauerstoffgases und die Lichtintensität des Plasmalichts 22 zu. Dies gibt an, dass die Lichtintensität des vom Schweißteil 35 abgestrahlten Plasmalichts 22 zu einem stationären Zustand zurückgekehrt ist. Dementsprechend behält die Gaseinspeisemengen-Steuerungseinheit 14 zu diesem Zeitpunkt die Durchflussmenge des Sauerstoffgases bei. Somit kann der Zufuhrzustand des Schutzgases in einem geeigneten Zustand gehalten werden.
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Indem danach der Vorgang der Schritte S11 bis S18 wiederholt wird, kann eine Regelung durchgeführt werden, sodass das Schutzgas mit einer geeigneten Einspeisemenge zugeführt werden kann, während der Zufuhrzustand des Schutzgases in Echtzeit überwacht wird. Wenn die Änderungsrate der Lichtintensität auch nach einer Wiederholung des Vorgangs der Schritte S14 bis S17 nicht größer oder gleich dem Schwellenwert "d" wird, wird davon ausgegangen, dass das Laserschweißgerät nicht in Ordnung ist. In diesem Fall wird der Laserschweißvorgang angehalten.
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Die Schwellenwerte "c" und "d" können durch ein ähnliches Verfahren wie das oben beschriebene Verfahren zum Einstellen der Schwellenwerte "a" und "b" eingestellt werden. In einem Fall, in dem die Schwellenwerte zum Beispiel unter Verwendung eines Werts eingestellt werden, der dreimal so groß wie die Standardabweichung σ ist, wird der Schwellenwert "c" durch μ – 3σ und der Schwellenwert "d" durch μ + 3σ dargestellt. Das Verfahren zum Einstellen der Schwellenwerte "c" und "d" ist oben nur als ein Beispiel beschrieben worden. Die Schwellenwerte "c" und "d" können in dem Laserschweißgerät gemäß diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel durch andere Verfahren als das oben beschriebene Verfahren eingestellt werden.
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Wie in dem Abschnitt "Stand der Technik" beschrieben wurde, ändert sich in dem Laserschweißgerät, das das Schweißen durchführt, indem auf den Schweißteil ein Laserstrahl abgestrahlt wird, während dem Schweißteil ein Schutzgas zugeführt wird, die Querschnittsform einer auszubildenden Schweißraupe abhängig von dem Schutzgas, das dem Schweißteil zugeführt wird. Wenn als das Schutzgas zum Beispiel ein Inertgas verwendet wird, hat der Querschnitt der Schweißraupe eine Weinkelchform (siehe 2). Wenn als das Schutzgas ein Mischgas aus Inertgas und Sauerstoffgas verwendet wird, hat der Querschnitt der Schweißraupe eine Becherform (siehe 3).
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In dem Fall, dass das Schweißen durchgeführt wird, während dem Schweißteil wie oben beschrieben das Schutzgas zugeführt wird, kann die Querschnittsform einer auszubildenden Schweißraupe eingestellt werden, indem die Art des Schutzgases oder seine Einspeisemenge gesteuert wird. Wenn sich die Einspeisemenge des Schutzgases während des Schweißens ändert, kommt es in dem Schweißteil jedoch zu einer Schwankung der Querschnittsform einer auszubildenden Schweißraupe, was das Problem hervorruft, dass ein Schweißfehler auftritt.
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Um das obige Problem zu lösen, wird in dem Laserschweißgerät 1 gemäß diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel von der Lichtintensitäts-Messeinheit 12 die Lichtintensität des Plasmalichts, das vom Schweißteil 35 abgestrahlt wird, gemessen; von der Änderungsraten-Berechnungseinheit 13 wird die Änderungsrate der gemessenen Lichtintensität berechnet; und es wird die Durchflussmenge des Schutzgases, das dem Schweißteil zugeführt wird, entsprechend der Änderungsrate der Lichtintensität gesteuert. Dementsprechend kann eine Regelung durchgeführt werden, sodass das Schutzgas mit einer geeigneten Einspeisemenge zugeführt werden kann, während der Zufuhrzustand des Schutzgases in Echtzeit überwacht wird. Folglich kann eine Schwankung der Einspeisemenge des Schutzgases unterdrückt werden, und es kann am Schweißteil das Auftreten einer Schwankung der Querschnittsform einer auszubildenden Schweißraupe unterdrückt werden.
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In dem Laserschweißgerät 1 gemäß diesem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird insbesondere festgestellt, ob die Einspeisemenge des Schutzgases geeignet ist oder nicht, indem die Änderungsrate der Lichtintensität verwendet wird. Daher kann die Ansprechgeschwindigkeit während der Regelung erhöht werden. In dem Fall, dass festgestellt wird, ob die Einspeisemenge des Schutzgases geeignet ist oder nicht, indem die Lichtintensität von Plasmalicht verwendet wird, wird im Einzelnen nur dann festgestellt, dass die Einspeisemenge des Schutzgases ungeeignet ist, wenn die Lichtintensität abgenommen hat. In diesem Fall setzt sich ein Schweißfehler für eine lange Zeitdauer fort, bevor die Lichtintensität abnimmt, was zu einer Verschlechterung der Schweißqualität führt. In dem Fall, dass festgestellt wird, ob die Einspeisemenge des Schutzgases geeignet ist oder nicht, indem die Änderungsrate der Lichtintensität verwendet wird, kann andererseits direkt ein Anzeichen für eine Abnahme der Lichtintensität erkannt werden. Dementsprechend kann die Regelung so durchgeführt werden, dass das Schutzgas mit einer geeigneten Einspeisemenge zugeführt wird, ohne auf eine Abnahme der Lichtintensität warten zu müssen. Somit kann das Auftreten des Schweißfehlers verringert und die Schweißqualität verbessert werden.
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Durch die Erfindung gemäß den oben beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung können ein Laserschweißgerät und ein Laserschweißverfahren zur Verfügung gestellt werden, die dazu imstande sind, das Auftreten einer Schwankung der Querschnittsform einer auszubildenden Schweißraupe zu unterdrücken.
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Anhand der hier beschriebenen Erfindung ist offensichtlich, dass die Ausführungsbeispiele der Erfindung auf verschiedene Weise geändert werden können. Solche Änderungen werden innerhalb des Schutzumfangs der folgenden Ansprüche nicht als Abweichung vom Schutzumfang angesehen, und alle solchen Abwandlungen, die dem Fachmann offensichtlich sind, sollen im Schutzumfang enthalten sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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