JP2003251479A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ加工機によって突き合わせ溶接をす
るときに、焦点位置を変化させないで、溶接速度を一定
にして溶接を行うレーザ溶接方法を提供すること。 【解決手段】 被溶接物のギャップ長を検出するギャッ
プ長検出機構によってギャップの大きさを検出し、溶接
位置における溶接位置表面であって、溶接方向に向かっ
て集光ビームの垂直な方向の長さと検出されたギャップ
の大きさとを比較して集光ビームの方が若干大きくなる
ように長方形からなる集光ビームの溶接位置表面方向の
向きを調整して溶接方向に移動させながら被溶接物の溶
接位置を溶接するレーザ溶接方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光によって
被溶接物の突き合わせ、重ね合わせ等の継手溶接をする
際に、ギャップの大きさに関わらず効率的で安定した溶
接を行うレーザ溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常、突き合わせ、重ね合わせ等の継手
溶接を行うときは、被溶接物の形状、継手部の状態等に
よって継手部に大小様々なギャップが生じる。このギャ
ップが存在することによって、溶融部の溶け落ち、溶融
不良等の溶接不良が発生する。従来、レーザ加工機によ
って継手溶接を行うときに溶接部位にギャップがある場
合は、そのギャップの大きさに合わせて焦点位置をディ
フォーカスさせる溶接方法が一般的に用いられている。

【０００３】図２は、レーザ発振器１（例えばＣＯ_２レ
ーザ発振器）から出力され反射鏡２によって反射された
後、集光レンズ３によって集光されたビームの状態を表
す概略図である。図３は、図２で集光されたビームによ
って被溶接物Ｗを溶接するときの概略図であって焦点Ｆ
を被溶接物の表面上に設定したときの図であり、（ａ）
はギャップが小さくて限りなく零に近い状態を示し、
（ｂ）から（ｃ）となる程ギャプが大きいことを示して
いる。図４は、図２で集光されたビームによって被溶接
物Ｗを溶接するときの概略図であって焦点Ｆの位置をギ
ャップの大きさによって調整しながら溶接するときの図
であり、（ａ）はギャップが小さくて限りなく零に近い
状態を示し、（ｂ）から（ｃ）となる程ギャプが大きい
ことを示している。以下、図２、図３及び図４によって
従来のレーザ光を用いたギャップを有する継手溶接の溶
接方法を説明する。

【０００４】図２に示すように、レーザ発振器１から出
力されたレーザ光は、反射鏡２によって反射する。反射
鏡２によって反射されたレーザ光２は、集光レンズ３に
よって集光する。集光されたレーザ光２は焦点Ｆで最も
高いエネルギー密度となりその後徐々に拡がっていく。
従来からレーザ加工溶接において使用されているＣＯ_２
レーザ光は、前述したように集光レンズによって焦点Ｆ
で集光されてその後、ほぼ円形状に拡がっていく。通
常、ＣＯ_２レーザ光によって溶接をするときは、最も高
いエネルギー密度となる焦点Ｆが被溶接物の表面上とな
るように図示を省略したレーザ加工機の焦点距離調整機
構（以下、焦点距離調整機構をＦＣ機構という）によっ
て調整された後に、レーザ発振器からレーザ光が出力さ
れて溶接が行われる。しかし、前述したように焦点Ｆの
エネルギー密度は非常に高く、集光ビーム径も非常に小
さい。そのため、ギャップを有する継手溶接において、
前述した焦点Ｆを被溶接物の表面に設定した状態で、ギ
ャップを有しないとき及びギャップが限りなく小さいと
きと同様の溶接速度で溶接を行うと、ギャップの大きさ
が焦点Ｆよりも大きいときは被溶接物に十分なエネルギ
ーを供給することができずに溶接不良が起こる。

【０００５】図３（ａ）に示すように、ギャップの大き
さｇ１が焦点Ｆの集光ビーム径と同等かビーム径より小
さいときは、焦点Ｆを被溶接物Ｗの表面に設定しても被
溶接物Ｗに充分なエネルギーを供給することができ、良
好な溶接をすることができる。しかし、同図（ｂ）に示
すようにギャップの大きさｇ２が焦点Ｆの集光ビーム径
よりも若干大きい場合は、被溶接物Ｗの表面付近にはレ
ーザ光が照射されず、ギャップｇ２の下部付近にのみ照
射されることとなり、被溶接物Ｗを十分に溶接すること
ができずに溶接不良となる。さらに、同図（ｃ）に示す
ようにギャップの大きさｇ３が焦点Ｆの集光ビーム径よ
りも大きい場合は、被溶接物Ｗにレーザ光が照射されず
に貫通して、被溶接物を溶接することができない。

【０００６】前述した問題点を解決する方法として従来
からレーザ光によってギャップを有する継手溶接の溶接
を行う方法として図４に示すような方法がある。図４
（ａ）は図３（ａ）と同様に、ギャップの大きさｇ１が
焦点Ｆの集光ビーム径と同等か小さいときであって、焦
点Ｆを被溶接物Ｗの表面に設定しても被溶接物Ｗに十分
なエネルギーを供給することができ、良好な溶接をする
ことができる。しかし、ギャップの大きさが焦点Ｆの集
光ビーム径よりも大きいときは前述したように溶接不良
が発生する。そこで、レーザ光の集光された後の拡がり
を利用して、同図（ｂ）及び（ｃ）に示すようにギャッ
プ長よりも若干大きいビーム径となるようにＦＣ機構に
よって集光位置を調整してレーザ溶接が行われる。この
時、ギャップの大きさは、図示を省略したギャップ長検
出機構によって検出され、この検出された検出値を入力
する図示を省略したＦＣ機構によってレーザ光の集光位
置が調整される。すなわち、ギャップの拡がりとレーザ
光の集光位置が最適となるように調整されてレーザ溶接
が行こなわれる。

【０００７】前述したギャップ長検出機構は、例えば図
示を省略したレーザ加工機のトーチに取付けられた非接
触式センサであり、非接触式センサは継手溶接の溶接方
向とほぼ直行する方向に光りビームを走査する光源と、
継手溶接から反射する光を受けてセンシング信号を出力
する光検出部とからなる。また、光検出部の光学的セン
サには、フォトトランジスタ、フォトダイオード等のポ
イントセンサ、リニア半導体位置検出器（ＰＳＤ）等の
ラインセンサ、ＣＣＤ、ＩＴＶ、ＭＯＳトランジスタ等
を２次元配列したエリアセンサを用いることができる。

【０００８】また、前述した従来技術では、レーザ光の
集光された後の拡がりを利用してギャップの拡がりとレ
ーザ光の集光位置が最適となるように調整されてレーザ
溶接が行こなわれるが、レーザ光の集光される前の位
置、すなわち焦点Ｆと集光レンズ３の間でギャップの拡
がりとレーザ光の集光位置が最適となるように調整して
も同様に良好な溶接を行うことができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術のよ
うに、ギャップの大きさに合わせて焦点位置を調整する
溶接方法は、次のような欠点がある。 （ａ）焦点Ｆが被溶接物Ｗの表面でないために、通常の
突き合わせ溶接時に比べて、溶融部に十分なエネルギー
密度を供給することができない。 （ｂ）溶融部に十分なエネルギー密度を供給するために
は、溶接速度を通常の突き合わせ溶接に比べて遅くする
必要がある。 （ｃ）溶接速度を遅くすると作業効率が低下する。

【００１０】そこで、本発明は、ギャップを有する突き
合わせ溶接において焦点位置を変化させないで、溶接速
度を一定にして溶接を行うレーザ溶接方法を提供する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ溶接方法
は、レーザ発生装置５から出力されたレーザ光を被溶接
物Ｗに導くレーザ光ガイド部材と、レーザ発生装置５か
ら出力されたレーザ光を放出するレーザ加工ヘッド４
と、被溶接物のギャップ長を検出するギャップ長検出機
構とを備えたレーザ加工装置によって継手溶接を行うレ
ーザ溶接方法に適用される。

【００１２】出願時の請求項１の発明は、後述する図５
及び図８に示すように、上記レーザ発生装置５が長方形
からなる集光ビーム形状のレーザダイオード光をレーザ
加工ヘッド４先端から出力する装置であって、上記被溶
接物Ｗのギャップ長を検出するギャップ長検出機構によ
ってギャップの大きさを検出し、溶接位置における溶接
位置表面であって、溶接方向に向かって上記検出された
ギャップの大きさよりも集光ビームの垂直な方向の長さ
の方が若干大きくなるように上記長方形からなる集光ビ
ームの溶接位置表面方向の向きを調整して溶接方向に移
動させながら被溶接物Ｗの溶接位置を溶接するレーザ溶
接方法である。

【００１３】出願時の請求項２の発明は、後述する図５
及び図８に示すように、上記レーザ発生装置５が長方形
からなる集光ビーム形状のレーザダイオード光をレーザ
加工ヘッド先端から出力する装置であって、被溶接物Ｗ
の表面に対して垂直方向及び水平方向に回動自在に駆動
するレーザ加工ヘッド４を有し、上記被溶接物Ｗのギャ
ップ長を検出するギャップ長検出機構によってギャップ
の大きさを検出し、レーザ加工ヘッド４の中心軸Ｋと被
溶接物Ｗの表面とが垂直となるように調整した後に、レ
ーザ光ガイド部材７と被溶接物Ｗの表面とが垂直となる
軸Ｌ１を中心にレーザ加工ヘッド４を回動させて、溶接
位置における溶接位置表面であって、溶接方向に向かっ
て上記検出されたギャップの大きさよりも集光ビームの
垂直な方向の長さの方が若干大きくなるように上記長方
形からなる集光ビームの溶接位置表面方向の向きを調整
して溶接方向に移動させながら被溶接物Ｗの溶接位置を
溶接するレーザ溶接方法である。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、当該出願に係る発明の特
徴を最もよく表す図である。図１は、後述する図８と同
じなので、説明は図８で後述する。図８の説明の前に本
発明で使用するレーザ加工装置の動作及び発生するレー
ザダイオード光の特徴について説明する。図５は、本発
明の実施例を示すレーザ溶接方法の一例を説明するレー
ザ加工装置の一部省略概略図である。以下、図５のレー
ザ加工装置を参照して本発明のレーザ溶接方法の動作を
説明する。

【００１５】図５に示すように、レーザ発生装置５から
発生したレーザ光は、第１のレーザ光ガイド部材６及び
第２のレーザ光ガイド部材７を介してレーザ加工ヘッド
４に導かれて被溶接物Ｗに照射する。同図において、第
１のレーザ光ガイド部材６と第２のレーザ光ガイド部材
７とは接続部８によって互いに取り付けられており、回
動軸Ｌ１を中心軸として自在に回動する。同様に第２の
レーザ光ガイド部材７とレーザ加工ヘッド４とは接続部
９によって互いに取り付けられており、回動軸Ｌ２を中
心軸として自在に回動する。

【００１６】図６はレーザ発生装置から発生したレーザ
ダイオード光のビーム形状を示す概略図である。図７
（ａ）は図６のビーム断面を示し、（ｂ）はレーザダイ
オード光の大きさ、パワー密度を示す図である。以下、
図６及び図７によってレーザダイオード光の特徴につい
て説明する。図６において、くさび状であって、ビーム
断面が長方形からなるレーザダイオード光のビーム形状
によって、被溶接物にレーザダイオード光を照射しなが
ら溶接方向に向かって溶接作業を行う場合は、例えば溶
接方向に対して直交するレーザダイオード光のビーム発
光面を後述する図７に示す長方形からなるビーム断面の
短い方Ｈ１乃至Ｈ４の面（以下、短発光面という）とな
るように溶接を行う。このとき、溶接方向に対して平行
となるレーザダイオード光のビーム発光面は、後述する
図７に示す長方形からなるビーム断面の長い方Ｄ１乃至
Ｄ４の面（以下、長発光面という）となる。

【００１７】図７（ａ）は前述した図６のＡ乃至Ｃ及び
ＦＰの位置におけるビーム断面図であって、Ｈ１乃至Ｈ
４は短発光面のビームの長さを示し、Ｄ１乃至Ｄ４は長
発光面のビームの長さを示している。図７（ｂ）は最大
出力４ｋｗの出力を放出するレーザダイオード光の
（ａ）の位置における短発光面及び長発光面のビームの
長さとパワー密度とを示す一例である。

【００１８】通常レーザダイオード光によって被溶接物
を溶接する場合は、長方形の集光ビームからなる短発光
面を進行方向に垂直となるようにＣＯ_２レーザ光と同様
に最も高いエネルギー密度となる焦点ＦＰが被溶接物の
表面上となるように図示を省略したＦＣ機構によって焦
点ＦＰを調整して溶接が行われる。

【００１９】図８は、本発明の溶接方法を示す概略図で
あり、図５をVIII矢印から見たときの一部省略平面図で
あって、被溶接物Ｗのギャップｇ１乃至ｇ３とレーザダ
イオード光との関係を示す図である。以下同図を参照し
て本発明の溶接方法について説明する。

【００２０】図８（ａ）は被溶接物Ｗ１ａとＷ２ａとを
突き合わせたときのギャップｇ１が非常に小さい場合で
ある。同図において、図示を省略したギャップ長検出機
構によってギャップ長ｇ１を検出して、被溶接物Ｗ１ａ
及びＷ２ａの表面位置にレーザ発生装置から出力される
レーザダイオード光ＬＤが最も高いエネルギ密度（図６
及び図７で示すＦＰの位置）となるようにＦＣ機構によ
ってビームの位置を調整する。このとき、ギャップｇ１
の大きさが短発光面Ｈ１よりも小さい場合は、同図
（ａ）に示すように短発光面Ｈ１が溶接方向に垂直とな
るように、図５で示した回動軸Ｌ１及びＬ２を中心に第
１のレーザ光ガイド部材６、第２のレーザ光ガイド部材
７及びレーザ加工ヘッド４を回動させて調整しながらレ
ーザダイオード光ＬＤを照射して溶接方向に溶接する。

【００２１】図８（ｂ）は被溶接物Ｗ１ｂとＷ２ｂとを
突き合わせたときのギャップｇ２が同図（ａ）よりも若
干大きい場合であって、レーザダイオード光の短発光面
Ｈ１よりも若干大きいときの図である。同図において、
（ａ）と同様に図示を省略したギャップ長検出機構によ
ってギャップ長ｇ２を検出して、被溶接物Ｗ１ｂ及びＷ
２ｂの表面位置にレーザ発生装置から出力されるレーザ
ダイオード光ＬＤが最も高いエネルギ密度（図６及び図
７で示すＦＰの位置）となるようにＦＣ機構によってビ
ームの位置が調整される。このとき、ギャップｇ２の大
きさがレーザダイオード光の短発光面Ｈ１よりも若干大
きい場合は、同図（ｂ）に示すように、図５で示した回
動軸Ｌ１及びＬ２を中心に第１のレーザ光ガイド部材
６、第２のレーザ光ガイド部材７及びレーザ加工ヘッド
４を回動させてレーザダイオード光ＬＤの向きを調整し
て、レーザダイオード光ＬＤの最も高いエネルギー密度
となる焦点ＦＰの溶接方向に垂直となる方向の長さの方
がギャップｇ２の長さよりも若干大きくなるようにビー
ムの長さを調整しながらレーザダイオード光ＬＤを照射
して溶接方向に溶接する。

【００２２】図８（ｃ）は被溶接物Ｗ１ｃとＷ２ｃとを
突き合わせたときのギャップｇ３が同図（ｂ）よりもさ
らに大きい場合であって、レーザダイオード光の短発光
面Ｈ１よりも大きいときの図である。同図において、
（ｂ）と同様に図示を省略したギャップ長検出機構によ
ってギャップ長ｇ３を検出して、被溶接物Ｗ１ｃ及びＷ
２ｃの表面位置にレーザ発生装置から出力されるレーザ
ダイオード光ＬＤが最も高いエネルギ密度（図６及び図
７で示すＦＰの位置）となるようにＦＣ機構によってビ
ームの位置を調整する。このとき、ギャップｇ３の大き
さがレーザダイオード光の短発光面Ｈ１よりも大きい場
合は、同図（ｃ）に示すように、図５で示した回動軸Ｌ
１及びＬ２を中心に第１のレーザ光ガイド部材６、第２
のレーザ光ガイド部材７及びレーザ加工ヘッド４を回動
させてレーザダイオード光ＬＤの向きを調整して、レー
ザダイオード光ＬＤの最も高いエネルギー密度となる焦
点ＦＰの溶接方向に垂直となる方向の長さの方がギャッ
プｇ２の長さよりも若干大きくなるようにビームの長さ
を調整しながらレーザダイオード光ＬＤを照射して溶接
方向に溶接する。

【００２３】図９は図８を溶接方向から見たときの概略
図である。図９に示すように、レーザダイオード光ＬＤ
の向きをギャップｇ１乃至ｇ３に合わせて調整すること
によって、ギャップ長に対応した溶接を行うことができ
る。

【００２４】本発明のレーザ溶接方法において、レーザ
ダイオード光の向きを調整する方法として、例えば図５
で示した回動軸Ｌ１及びＬ２を中心に第１のレーザ光ガ
イド部材６、第２のレーザ光ガイド部材７及びレーザ加
工ヘッド４を回動させて調整されるが、前述した第１の
レーザ光ガイド部材６、第２のレーザ光ガイド部材７及
びレーザ加工ヘッド４は図示を省略したレーザ加工機の
制御装置によって駆動される。

【００２５】以上のように、本発明のレーザ溶接方法
は、継手溶接を行うときに、ギャップの大きさをギャッ
プ長検出機構によって検出して、レーザダイオード光Ｌ
Ｄの最も高いエネルギー密度となる焦点ＦＰであって、
溶接方向に垂直となる方向の長さと検出したギャップの
長さとを比較してレーザダイオード光ＬＤの方がギャッ
プの大きさよりも若干大きくなるようにビームの長さを
調整しながらレーザダイオード光ＬＤを照射して溶接方
向に溶接する。

【００２６】本発明において、ギャップ長が図９（Ｃ）
に示すように大きい場合は、レーザダイオード光ＬＤを
照射することによって得られる被溶接物の溶融物のみで
はギャップを埋めるために必要である良好な溶融池を形
成することが困難な場合がある。しかし、図示を省略す
るが本発明では、ギャップ長を検出する機構によって得
られたギャップの大きさに合わせて適宜フィラワイヤ供
給機構からフィラワイヤを供給し、より良好な溶融池を
形成して溶接を行うことができる。

【００２７】なお、本発明の実施例では、レーザダイオ
ード光の向きを調整する方法として、図示を省略したレ
ーザ加工機の制御装置によって回動軸Ｌ１及びＬ２を中
心に第１のレーザ光ガイド部材６、第２のレーザ光ガイ
ド部材７及びレーザ加工ヘッド４を回動させる機構を使
用したが、レーザ加工ヘッド４をレーザ光ガイド機構の
例えば光ファイバーを介して溶接ロボットに取付け、図
示を省略したレーザ加工機の制御装置によってレーザ加
工ヘッド４を自在な方向に駆動することによって、レー
ザダイオード光ＬＤの最も高いエネルギー密度となる焦
点ＦＰの溶接方向に垂直となる方向の長さとギャップの
長さとを調整して溶接方向に溶接することもできる。

【００２８】

【発明の効果】本発明のレーザ溶接方法は、突き合わせ
溶接を行うときに、ギャップの大きさをギャップ長検出
機構によって検出して、レーザダイオード光ＬＤの最も
高いエネルギー密度となる焦点ＦＰであって、溶接方向
に垂直となる方向の長さと検出したギャップの長さとを
比較し、レーザダイオード光ＬＤの方が若干大きくなる
ようにレーザダイオード光ＬＤの向きを調整して、図示
を省略したレーザ加工機の制御装置によって溶接方向に
溶接する方法であって以下の効果が得られる。 （ａ）レーザダイオード光ＬＤの焦点ＦＰを常に被溶接
物Ｗの表面に設定することができるので、溶接位置に常
に一定のエネルギー密度を供給することができる。 （ｂ）ギャップ間をレーザが貫通してレーザ光が抜け落
ちることがなく、溶接位置に十分なエネルギー密度を供
給することができるので、従来技術のように溶接速度を
変化させることなく一定の速度で溶接することができ
る。（ｃ）溶接速度が一定とすることができるので、従
来技術のように作業効率が低下することなく、安定した
溶接を行うことができる。

【００２９】

【図面の簡単な説明】

【図１】当該出願に係る発明の特徴を最もよく表す図で
ある。

【図２】レーザ発振器から出力され反射鏡によって反射
された後、集光レンズによって集光されたビームの状態
を表す概略図である。

【図３】図２で集光されたビームによって被溶接物を溶
接するときの概略図であって、焦点を被溶接物の表面上
に設定したときの図である。

【図４】図２で集光されたビームによって被溶接物を溶
接するときの概略図であって、焦点Ｆの位置をギャップ
の大きさによって調整しながら溶接するときの図であ
る。

【図５】本発明の実施例を示すレーザ溶接方法の一例を
説明するレーザ加工装置の一部省略概略図である。

【図６】レーザ発生装置から発生したレーザダイオード
光のビーム形状を示す概略図である。

【図７】図６のレーザダイオード光のビーム断面、大き
さ、パワー密度を示す図である。

【図８】本発明の溶接方法を示す概略図である。

【図９】図８を溶接方向から見たときの概略図である。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ２ 反射鏡 ３ 集光レンズ ４ レーザ加工ヘッド ５ レーザ発生装置 ６ 第１のレーザ光ガイド部材 ７ 第２のレーザ光ガイド部材 ８、９ 接続部 Ｗ 被溶接物

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ発生装置から出力されたレーザ光
   を被溶接物に導くレーザ光ガイド部材と、レーザ発生装
   置から出力されたレーザ光を放出するレーザ加工ヘッド
   と、被溶接物のギャップ長を検出するギャップ長検出機
   構とを備えたレーザ加工装置によって継手溶接を行うレ
   ーザ溶接方法において、前記レーザ発生装置が長方形か
   らなる集光ビーム形状のレーザダイオード光をレーザ加
   工ヘッド先端から出力する装置であって、前記被溶接物
   の継手部のギャップ長を検出するギャップ長検出機構に
   よってギャップの大きさを検出し、溶接位置における溶
   接位置表面であって溶接方向に向かって前記検出された
   ギャップの大きさよりも前記集光ビームの垂直な方向の
   長さの方が若干大きくなるように前記長方形からなる集
   光ビームの溶接位置表面方向の向きを調整して溶接方向
   に移動させながら被溶接物の溶接位置を溶接するレーザ
   溶接方法。
2. 【請求項２】 レーザ発生装置から出力されたレーザ光
   を被溶接物に導くレーザ光ガイド部材と、レーザ発生装
   置から出力されたレーザ光を放出するレーザ加工ヘッド
   と、被溶接物のギャップ長を検出するギャップ長検出機
   構とを備えたレーザ加工装置によって継手溶接を行うレ
   ーザ溶接方法において、前記レーザ発生装置が長方形か
   らなる集光ビーム形状のレーザダイオード光をレーザ加
   工ヘッド先端から出力する装置であって、被溶接物の表
   面に対して垂直方向及び水平方向に回動自在に駆動する
   レーザ加工ヘッドを有し、前記被溶接物の継手部のギャ
   ップ長を検出するギャップ長検出機構によってギャップ
   の大きさを検出し、レーザ加工ヘッドの中心軸と被溶接
   物の表面とが垂直となるように調整した後に、レーザ光
   ガイド部材と被溶接物の表面とが垂直となる軸を中心に
   レーザ加工ヘッドを回動させて、溶接位置における溶接
   位置表面であって溶接方向に向かって前記検出されたギ
   ャップの大きさよりも前記集光ビームの垂直な方向の長
   さの方が若干大きくなるように前記長方形からなる集光
   ビームの溶接位置表面方向の向きを調整して溶接方向に
   移動させながら被溶接物の溶接位置を溶接するレーザ溶
   接方法。